TWI397838B - Virtual touch screen device - Google Patents

Description

虛擬觸控螢幕的裝置

本發明係關於虛擬觸控螢幕的裝置，是指將一螢幕的畫面透過光學透鏡組將其虛擬螢幕影像顯示於空間，配合一偵測模組來偵測是否觸碰虛擬螢幕，使用者得以觸控該虛擬螢幕，該虛擬螢幕影像可隨使用者要求顯示或消失，具有隱密性。

人們對顯示畫面的技術與製作朝向各種尺寸與顯像品質及也越來越嚴苛。然而不論在哪種應用中，顯示畫面的實體螢幕將會佔據置放位置、以及其周圍的空間，常見的狀態就是實體螢幕置放於桌面而佔據桌面空間，同時也使實體螢幕後方的桌面無法使用而成為閒置的空間。雖然，現今的液晶螢幕(LCD)及DLP(技術數位光源處理技術Digital Light Processing，簡稱DLP)投影機產品的發展，克服陰極射像管(CRT)式顯示器的體積大、重量大的缺點，達到體積輕薄、可攜性高的目的(如：筆記型電腦)，同時利用直接與各種數位產品結合而達到多功能的使用，藉以減少所佔據的空間、增加一些可使用的空間。但，無論如何努力減少體積，習用的各種實體螢幕，在實際的裝設、置放、使用上，仍會產生佔據一實體空間的缺點。在空間匱乏的辦公室中，此種實體螢幕佔據空間的狀況更是嚴重。

利用投影方式的顯示螢幕，例如：正投影像的投影機、背投影像的螢幕牆與背投式電視，是現行顯示螢幕設施中最不佔據空間的方式之一。然而，投影機必需配合一實體的投影板或牆面，使用時投影機本身仍要置放、並佔據桌面空間，且投影機與投影板或牆面之間的空間不能有物體阻擋；背投式的螢幕牆與電視設置於牆面，雖無佔據桌面的平面空間，但無論使用或不使用都會佔據設置的垂直牆面空間，同樣是佔據了可用的實體空間。

近年來國外相關研究於各種不佔據實體空間的虛擬螢幕，其中桌面虛擬螢幕投影系統是目前研究的方向之一，其是由架設於天花板或是桌面下之投影機將顯示畫面投射在桌面上，不投射影像時桌面可以全部使用。此種方法雖然可以達到不佔實體空間的虛擬投影螢幕像，但其缺點為：投影時需要淨空之桌面。是以，讓虛擬螢幕的畫面顯示在三維空間中，使虛擬螢幕本身可以不佔據水平實體空間或垂直實體空間成為另外研究之方向。

過去也有許多影像顯示技術的研究著重於如何將畫面顯示在三維空間中，或是能夠在空間中呈現完整的三維影像。例如：藉由噴出霧氣來形成投影介面，使影像能投影於霧氣上，而產生在空間中顯現影像的視覺效果；也有藉由噴出微小粒子，並用雷射以極快速打在粒子上可以形成簡單的圖案；還有一種三維空間產生全像的3D影像，可以供多人同時以不同視角觀看此3D影像；實體顯像系統(Actuality Systems)是以極快速度自轉之薄膜片作為投影的介質，並以一雷射投影與此旋轉的薄膜同步，當薄膜旋轉至不同角度時由雷射投射出對應角度的內容，如此在任一角度觀賞都可以看到正確的顯像畫面。然而，前述顯示於三維空間的顯示技術，基本上仍會佔據一實體空間或者需要一空間中的介質，該等三維空間的顯示虛擬螢幕的方式還是不適用於辦公室或是居家環境中的操作使用。

因此，將虛擬螢幕畫面顯示在一空間之技術、可用於一般現實生活中，並且讓該虛擬螢幕顯示的平面實體空間或垂直實體空間仍可以完善的被利用，是極待解決的問題。

本發明在於解決習用各種實體螢幕佔據實體空間的問題；更進一步解決現行各種虛擬螢幕實施時需要淨空投像的桌面或需要佔據一實體空間或需要一空間中的介質，而不適用於辦公室、居家環境中的操作使用的缺點及問題。

一種虛擬觸控螢幕的裝置，主要包含：一螢幕、一光學機構、及一偵測模組；該螢幕可發出光線；該光學機構至少設有一光學透鏡，利用光學成像原理，將螢幕的畫面經由光學機構於空間呈現一對應的虛擬螢幕影像；該偵測模組用以偵測使用者是否接觸虛擬螢幕影像，及偵測分析接觸虛擬螢幕的位置，並轉換成對應於接觸螢幕的位置及訊號指令，使用者得以觸控的模式來操作顯示於虛擬螢幕上的數位內容，可不直接接觸而實質操作螢幕。

本發明係一種虛擬觸控螢幕的裝置，其第一目的在於，根據使用者的需求而將一虛擬螢幕顯示在一段距離外的空間，不使用時虛擬螢幕畫面消失，不會佔去任何實體空間，使實體空間可完全有效地被利用，且使用者可以直接觸控的方式來操作顯示於虛擬螢幕上的內容。例如：將本發明的螢幕、光學機構及偵測模組等實體裝置組設、隱藏於桌面下而不佔據桌面，有利於桌面空間的運用，使用時將螢幕的虛擬螢幕影像顯示於桌面上的空間，該顯示的虛擬螢幕畫面可達到隨意性、隱蔽性的訴求。

本發明係一種虛擬觸控螢幕的裝置，其第二目的在於，可隨意設定虛擬螢幕影像顯示的角度與方位，達到公開顯示虛擬螢幕影像；或者必須在一特定位置與角度範圍才能看到虛擬螢幕的清楚影像，而其他位置與角度的人無法看到或看不清，防止他人竊 看，避免洩漏重要資料之畫面，具有私密性，有效增加資訊的安全性。

本發明係一種虛擬觸控螢幕的裝置，其延伸目的在於，利用虛擬螢幕不具實體的特性，可免於觸控實體按鍵而導致接觸傳染疾病的問題，可有效防止醫院、娛樂場所、會場、大賣場等等公共場所接觸傳染的問題，降低接觸型傳染疾病的傳播。

為使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體實施例，並配合所附之圖式，對本發明詳細說明如后。

本發明為一種顯示虛擬觸控螢幕的裝置，主要包含：一螢幕、一光學機構、及一偵測模組；利用光學成像原理，使螢幕的畫面經由光學機構於空間呈現一對應的虛擬螢幕影像。該偵測模組可以偵測使用者是否觸碰到虛擬螢幕，進而提供讓使用者以直接觸控的方式，操作顯示於虛擬螢幕上的數位內容。

請參考第1圖，係為本發明顯示虛擬觸控螢幕的裝置之成像實施例一，主要係由一螢幕10與光學機構20所構成，利用光學折射方式達成；其中，該光學機構20為至少一個光學透鏡，在本實施例中的光學機構20為一個菲涅耳透鏡(Fresnel Lens)；該螢幕10的畫面穿過光學機構20，將影像折射為虛擬螢幕11顯示於三維空間中。該顯示之虛擬螢幕11影像可以由調整物距(光學機構20與螢幕10的距離)或是替換不同焦距的光學透鏡的光學機構20來改變影像的成像位置。在成像實施例一，觀視者必須在正確的視角才可清楚觀視該顯示於三維空間中的虛擬螢幕11影像畫面，其他視角不能也無法觀視該虛擬螢幕11，此實施方式具有資訊的 安全性。

參考第2圖，係為本發明顯示虛擬觸控螢幕的裝置之成像實施例二，其係由一螢幕10與一光學機構30所構成，是利用光學反射方式達成；其中，該光學機構30的概為一空心的橢圓球形體，橢圓球形體的內側表面為反射面，螢幕10置設於橢圓球形體內部，橢圓球形體設一開口31，該開口31組合設置一光學透鏡32，該光學透鏡32與螢幕10相對。如第2圖所示，螢幕10的畫面在光學機構30內側的反射面兩次反射後，穿透光學透鏡32，於空間中匯聚成一虛擬螢幕11的實像。

在成像實施例二，觀視者完全無視角的限制，即，在光學透鏡32上方任意角度皆可觀測到匯聚的虛擬螢幕11實像。所以，實施例二顯示的虛擬螢幕11不在於使用者的資訊安全性考量，而在完全公開顯示於空間的虛擬螢幕11，此特性適合應用於公開展示用途。

參考第3圖，係為本發明顯示虛擬觸控螢幕的裝置之成像實施例三，其係前述第2圖成像實施例二的變化實施，由一螢幕10與一光學機構30'所構成，同是利用光學反射方式達成；其中，該光學機構30'是切除前述光學機構30的空心橢圓球形體一端，使光學機構30'的橢圓球形體的一端成為平面33'，光學機構30'的內側表面為反射面，但平面33'不具反射螢幕10的作用；螢幕10置設於空心橢圓球形體內部，橢圓球形體的開口31'組合設置一光學透鏡32'，該光學透鏡32'與螢幕10相對。如第3圖所示，螢幕10的畫面在光學機構30'內側的反射面兩次反射後，穿透光學透鏡32'，於空間中匯聚成一虛擬螢幕11的實像。

在成像實施例三，由於光學機構30'的平面33'不反射螢幕10，只有位於平面33'一側的視角可觀測光學透鏡32'上方匯聚的虛擬螢幕11實像，而在平面33'對側的人無法觀視虛擬螢幕11實 像。此種光學機構30'形狀的改變，即，藉由縮減反射面範圍的方式，即可達到使用者的資訊隱蔽性或安全性要求。另，為避免螢幕10在光學機構30'內反射干擾的問題，該平面33'可設為非光線反射面。

藉由上述成像實施例二、三的實施說明，可知在具體實施應用上，利用光學反射方式來顯示虛擬螢幕的實施應用，具有彈性轉換的功能，可根據使用者對顯示虛擬螢幕的使用目的、場所，改變光學機構的構造，而達到資訊隱蔽性或安全性要求與否的需求。

在前述第1、2、3圖三個成像實施例中的螢幕10為液晶螢幕(LCD)，當然，螢幕10也可為任何可發出光線的螢幕。

以上所述，是利用光學折射與反射兩種顯示虛擬螢幕的三個成像實施例；本發明在具體的操作實施，係配合一偵測模組，使顯示的虛擬螢幕可由使用者進行實際的操作與輸入指令動作。

參考第4圖，係本發明顯示虛擬觸控螢幕的裝置之觸控實施例一；本發明實施例，主要包含一螢幕10、一光學機構40、及一偵測模組50，藉由該偵測模組50偵測使用者70的手部操作動作，達成在虛擬螢幕11影像進行觸控操作。其中：該螢幕10，連結至一電腦主機60。

該光學機構40，用以將螢幕10的畫面在空間呈現一對應的虛擬螢幕影像；光學機構40包含一反射鏡41與一光學透鏡42。

該偵測模組50，包含一攝影機51、一訊號收發器52；偵測模組50連結至一電腦主機60。

實施時，螢幕10經由光學機構10的反射鏡41反射，穿過光 學透鏡42在空間形成一虛擬螢幕11的影像，再藉由偵測模組50的訊號收發器52發射一線型訊號於空間交錯並形成一訊號平面，如圖4所示，適當地調整線型光束，使該訊號平面與虛擬螢幕11影象形成密接重疊。

當使用者70以手碰觸虛擬螢幕11時，也同步接觸該訊號收發器52發射的訊號平面，而形成一明顯的影像反射訊號，該影像反射訊號由攝影機51偵測並進行訊號分析，取得使用者70手指實際觸碰虛擬螢幕11位置及訊號，該攝影機51取得的訊號傳輸至電腦主機60，經電腦主機60處理，使接觸虛擬螢幕11的位置及訊號指令轉換成對應於接觸螢幕10的位置及訊號指令。使用者得以觸控的模式來操作顯示於虛擬螢幕11上的數位內容，達到實質操作螢幕10及其所有的功能。

在觸控實施例一中，該偵測模組50的攝影機51為一紅外線攝影機(IR Camera)，該訊號收發器52為一紅外線線型發射器(IR Laser)。

參考第5圖，係本發明虛擬觸控螢幕的裝置之觸控實施例二；本發明觸控實施例二的基本設施及其運作皆相同於前述觸控實施例一，其不同處僅為偵測模組。

在觸控實施例二中，偵測模組50'連結至一電腦主機60。該偵測模組50'為一立體攝影機(Stereo Camera)，來觀測使用者的動作。立體攝影機可以觀測、計算到虛擬螢幕11影像上每一像素點的深度，透過該偵測模組50'(立體攝影機)的分析而確認使用者手指所在的空間位置，由手指的三維立體空間位置，來判斷手指觸碰到虛擬螢幕11的位置，並由偵測模組50'(立體攝影機)取得的訊號傳輸至電腦主機60，經電腦主機60使接觸虛擬螢幕11位置及其指令轉換成相同於接觸螢幕10位置及其指令。

參考第6圖，係本發明虛擬觸控螢幕的裝置之觸控實施例三； 本實施例的基本設施及其運作類同於前述第4、5圖的觸控實施例一、二，其中，最主要差異在於，將本發明的螢幕10、光學機構80、偵測模組50及電腦主機60等實體裝置組設、隱藏於桌子90下，其中，該桌子90的面板具有可透光性；另一不同處為光學機構80，該光學機構80為一光學透鏡，如同第1圖的成像方式，將螢幕10的畫面穿過光學機構80，將影像折射為虛擬螢幕11穿過桌子90，而顯示於桌子90面板上的三維空間中；當然，光學機構80使用第4圖的觸控實施例一的光學機構40也可達到相同的效果。

在第6圖的實施例，具體說明本發明可以巧妙而適當的隱藏於桌子90或其它家具、設施‥等實體物件的內部、後方或下方；原則上，該隱藏本發明裝置的實體物件必須要具有可以透光的面板，例如：具有可透光面的櫥櫃、可透光面的隔間板…等等；使本發明的實施不佔據實體物件的外表面空間，有利於空間的運用。

實施使用時，將螢幕10的虛擬螢幕11影像顯示於桌子90面板上的空間，使該顯示的虛擬螢幕11影像具有隨意性、隱蔽性的功能訴求。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

10‧‧‧螢幕

11‧‧‧虛擬螢幕

20‧‧‧光學機構

30‧‧‧光學機構

30'‧‧‧光學機構

31‧‧‧開口

31'‧‧‧開口

32‧‧‧光學透鏡

32'‧‧‧光學透鏡

33‧‧‧平面

40‧‧‧光學機構

41‧‧‧反射鏡

42‧‧‧光學透鏡

50‧‧‧偵測模組

50'‧‧‧偵測模組

51‧‧‧攝影機

52‧‧‧訊號收發器

60‧‧‧電腦主機

70‧‧‧使用者

80‧‧‧光學機構

90‧‧‧桌子

第1圖　係為本發明虛擬觸控螢幕的裝置之成像實施例一。

第2圖　係為本發明虛擬觸控螢幕的裝置之成像實施例二。

第3圖　係為本發明虛擬觸控螢幕的裝置之成像實施例三。

第4圖　係為本發明虛擬觸控螢幕的裝置之觸控實施例一。

第5圖　係為本發明虛擬觸控螢幕的裝置之觸控實施例二。

第6圖　係為本發明虛擬觸控螢幕的裝置之觸控實施例三。

10‧‧‧螢幕

11‧‧‧虛擬螢幕

40‧‧‧光學機構

41‧‧‧反射鏡

42‧‧‧光學透鏡

50‧‧‧偵測模組

51‧‧‧攝影機

52‧‧‧訊號收發器

60‧‧‧電腦主機

70‧‧‧使用者

Claims (16)

1. 一種虛擬觸控螢幕的裝置，包含：一電腦主機；至少一螢幕，連結至該電腦主機；至少一光學機構，該光學機構將前述螢幕形成一虛擬螢幕；以及一偵測模組，包含一攝影機以及一訊號收發器，該訊號收發器及該攝影機連結至該電腦主機，該訊號收發器用以發射線型訊號，而該攝影機用以偵測影像反射訊號，並進行訊號分析，該偵測模組係於空間形成一訊號平面，該訊號平面與該虛擬螢幕影象形成密接重疊，該偵測模組偵測該訊號平面被接觸處所形成的影像反射訊號，並進行訊號分析，取得實際觸碰虛擬螢幕位置的訊號，其中該電腦主機連結該至少一螢幕與該偵測模組，將該偵測模組所偵測的訊號，傳輸、轉換成對應相同於接觸前述螢幕的位置及其指令。
2. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該訊號平面係由偵測模組發射一線型訊號於空間交錯形成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該螢幕的畫面穿過光學機構的光學透鏡，將影像折射為虛擬螢幕顯示於三維空間中。
4. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該光學透鏡為菲涅耳透鏡(Fresnel Lens)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該螢幕為液晶螢幕。
6. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該螢幕為發光螢幕。
7. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中：該光學機構的概為一空心的橢圓球形體，橢圓球形體的內側表面為反射面，螢幕置設於橢圓球形體內部，橢圓球形體設一開口，該開口組合設置一光學透鏡，該光學透鏡與螢幕相對；該螢幕的畫面在光學機構內側的反射面兩次反射後，穿透光學透鏡，於空間中匯聚成一虛擬螢幕的實像。
8. 如申請專利範圍第7項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中：該光學機構的空心橢圓球形體一端切除成為平面，該平面不反射螢幕。
9. 如申請專利範圍第8項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該光學機構的平面為非光線反射面。
10. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該偵測模組為一立體攝影機(Stereo Camera)，用以觀測使用者的手指動作。
11. 如申請專利範圍第10項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該偵測模組的立體攝影機可以觀測、計算到虛擬螢幕影像上每一像素點的深度，透過該立體攝影機的分析而確認使用者手指所在的空間位置，來判斷手指觸碰到虛擬螢幕的位置。
12. 如申請專利範圍第10項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該立體攝影機連結至一電腦主機；經電腦主機使立體攝影機將接觸虛擬螢幕位置及其指令轉換成相同於接觸螢幕位置及其指令。
13. 如申請專利範圍第1項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該螢幕、光學機構、偵測模組等實體裝置，隱藏、組裝於實體物件的內部、後方或下方，該實體物件具有可以透光的面板。
14. 如申請專利範圍第13項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該實體物件為可透光的桌子。
15. 如申請專利範圍第13項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該實體物件為具有可透光面的櫥櫃。
16. 如申請專利範圍第13項所述之虛擬觸控螢幕的裝置，其中，該實體物件為具有可透光面的隔間板。