TWI413923B - 微機電掃描之座標偵測方法及其觸控螢幕 - Google Patents

微機電掃描之座標偵測方法及其觸控螢幕 Download PDF

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Description

微機電掃描之座標偵測方法及其觸控螢幕
本發明是有關於一種微機電掃描之座標偵測方法及其觸控螢幕，特別是有關於一種使用微機電反射鏡進行掃描以偵測觸點座標及其投影面積之裝置與方法，以運用於觸控螢幕、電子白板等相關設備。
近年來由於電腦的廣泛運用，由個人電腦、工業用電腦、行動電話及大型電子白板等，均可見到使用觸控螢幕之應用。藉由手指或觸控筆，於螢幕上直接下指令給電腦，或移動繪圖寫字等，已成為快速方便的輸入方式。為使電腦系統可以辨識於螢幕上直接觸控的指令，如何正確與精確的偵測觸點的位置(座標)則為受重視的技術。
在運用光學方式的觸控螢幕及觸點座標偵測方法，如美國專利US4,811,004中使用擺動反射鏡，將雷射光線在螢幕上進行掃描，藉由設置於螢幕對面的反射鏡將掃描光束反射後，使用所得之反射角度以計算觸點位置；此外，偵測觸點位置方面上，則有如台灣專利TWM358363中使用耦合元件(Charge-Coupled Device,CCD)影像感測器或互補式金屬氧化半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)影像感測器，擷取觸點的二個影像，藉由二個影像以計算觸點位置。然而因影像景深的不易判斷，此方法之辨識座標之解析度難以提高。另如美國專利US6,664,952、日本專利公開號JP2008-217273、JP2008-036297、JP2001-264011等，如第1圖，所揭露之觸控螢幕901包含二個光學元件 (optical unit)902、位於螢幕三側之反射板(retro-reflection plate)903，光學元件902a,902b分別包含有雷射光源(laser source)、準直鏡(collimator lens)、旋轉多面鏡(polygon mirror)、光接收鏡片(light receiving lens、光電感測器(photo-electric detector)等，當雷射光源發出光線後，經由準直鏡聚焦成截面較小的雷射光束，照射於旋轉多面鏡上，藉由旋轉多面鏡的高速旋轉，將雷射光束掃描於螢幕上，並藉由反射板反射，經由光接收鏡片聚焦後，而由光電感測器偵測，即，光路為雷射光源→旋轉多面鏡→螢幕表面→反射板反射→螢幕表面→光接收鏡片→返回光電感測器。當觸點P1產生時，掃描光束被阻斷，藉由兩側被阻斷線的二個角度，以三角測量法計算出觸點的座標。然而，此方法存在光路甚長，且受限於反射板的角度、光接收鏡片聚焦能力等，其辨識座標的解析度難以提高；尤其當使用於大型螢幕時，由於光路過長，光強度衰減影響，也會影響座標判斷之解析度。
運用光學方式的觸控螢幕及觸點座標偵測方法，再如第2圖中，台灣專利TWI30454、日本專利JP06-309100等所揭露之觸控螢幕901包含二個雷射光源905(laser light source)、二個光束反射單元906(light reflector)、設置於光束反射單元906對面之二個光束接收模組907(light receiver module)，光束接收模組907包含有多個排列的光接收單元9071(light receiver element)。當雷射光源905發出光線後，經由光束反射單元906將雷射線分成列(raw)與行(column)的橫向與縱向矩陣式光線網格(matrix grid)，光線於光束接收模組907接收，其光路為雷射光源→分成多束雷射光線→螢幕表面→光束接收模組接收。當觸點P1產生時，光線網格被阻斷，藉由兩 側光束接收模組接收之不作用的光接收單元9071，而可以直讀出該觸點的座標。雖然此方法雖具簡易及光路短的效果，但解析度則受限於光束反射單元906可產生的光線網格密度，使辨識座標的解析度難以提高；當使用於大型螢幕時，由於雷射光線被分隔成更多個光線網格，光強度較弱，將影響光接收單元9071的感測效果。
當觸控螢幕用於繪圖時，除了觸點坐標外，更進一步有觸點面積需要辨識，觸點面積的偵測可使繪圖更為精確，更可用於大型電子白板上。因此，提高觸控螢幕的解析度、減少元件及成本，更可精確偵測觸點的座標與面積，以適用於各種不同尺寸高解析度要求之觸控螢幕，將可提高觸控螢幕的廣泛實用性。
本發明主要目的乃在於提供一種微機電掃描之觸控螢幕，包含一個螢幕、二個光源組件、二個微機電反射鏡、光感測器、遮光板、光感測信號處理器及一座標計算器。其中，光源組件設置於螢幕之同一側的端面，分別包含雷射光源與準直鏡。雷射光源用以發出雷射光線(laser light)，準直鏡將雷射光線聚集成集中的雷射光線射向微機電反射鏡反射面中心。微機電反射鏡設置於螢幕同一端面之兩側上，微機電反射鏡具有反射面，反射面沿其轉軸由共振左右擺動(resonant oscillation)，可將射入的雷射光線在螢幕上掃描形成掃描光束(scanning light beam)。光感測器設置於螢幕之三個端面，相對於微機電反射鏡側，用以接收掃描光束，並形成掃描光束線性影像。光感測信號處理器則擷取光感測器形成的線性影像，將線性影像中的明點(active pixel)及暗點(inactive pixel)轉換成電子信號。遮光板係配合 微機電反射鏡位置所設置，用以阻擋無效區域的掃描光束進入螢幕，以避免光感測器接收該無效區域之掃描光束而形成鬼影(ghost image)。座標計算器可接受光感測信號處理器產生之電子信號，並由微機電反射鏡反射面中心的座標，可計算出觸點座標而輸出。
本發明另一目的在於提供一微機電掃描觸控螢幕，包含一個螢幕、一個光源組件、二個微機電反射鏡、光感測器、遮光板、光感測信號處理器及座標計算器。其中，光源組件設置於螢幕之一端面，包含一雷射光源、一準直鏡及一分光鏡。雷射光源用以發出雷射光線，準直鏡將雷射光線聚集成集中的雷射光束。分光鏡用以將該雷射光束分成二股光線，分別射向微機電反射鏡反射面中心，經由微機電反射鏡掃描形成掃描光束。
本發明再一目的在於提供一微機電掃描觸控螢幕，其中，光感測器可為接觸式影像感測器(CIS,Contact Image Sensor)或陣列線性影像感測器(serial-scan linear image sensing array)。
為偵測觸點的座標，本發明提供一觸控螢幕觸點的座標偵測方法，係適用微機電掃描觸控螢幕，包含下列步驟：
S0：啟動微機電反射鏡，使微機電反射鏡以預定的頻率與振幅開始共振擺動，並啟動光源組件，使光源組件發出雷射光線。
S1：當每個取樣時間Ts到達時，由光感測器擷取線性影像，此線性影像可顯示未被觸點遮斷的明點及被觸點遮斷的暗點的線性影像。
S2：計算觸點的座標。
S21：由光感測信號處理器將光感測器擷取的線 性影像轉變成電子信號，並傳送給座標計算器。
S22：由座標計算器判斷光感測信號處理器之電子信號中是否有暗點。
S221：若無暗點，則輸出無觸點之信號。
S222：若僅有一個暗點，或僅有一個連續暗點區域則輸出觸點錯誤信號。
S2231：若有二個不連續的暗點，則計算該二個暗點之座標位置為(X1 ,Y1 )及(X2 ,Y2 )；計算該觸點的座標(Xp,Yp)，輸出該觸點座標信號；
S3：回到S1。
本發明又一目的在於提供一利用微機電掃描觸控螢幕偵測觸點在螢幕上投影之四邊形頂點座標及該觸點的幾何中心座標的方法，包含下列步驟：
S0：啟動微機電反射鏡，使該微機電反射鏡以預定的頻率與振幅開始共振擺動；啟動光源組件，使光源組件發出雷射光線。
S1：依據每個取樣時間Ts到達時，由光感測器擷取線性影像，此線性影像可顯示未被觸點遮斷的明點及被觸點遮斷的暗點的影像。
S2：計算觸點在螢幕上投影之四邊形頂點座標及觸點在螢幕上投影之幾何中心座標。
S21：由光感測信號處理器將光感測器擷取的線性影像轉變成電子信號，並傳送給座標計算器。
S22：由座標計算器判斷光感測信號處理器之電子信號中是否有暗點。
S221：若無暗點，則輸出無觸點之信號；
S222：若僅有一個暗點，或一個連續暗點區域則輸出觸點錯誤信號。
S223：若有二個連續暗點區域，則對於第一個 連續暗點區域，計算出該暗點連續區域之兩端端點座標位置為(X11 ,Y11 )及(X1m ,Y1m )；對於第二個連續暗點區域，計算出該暗點連續區域之兩端端點座標位置為(X21 ,Y21 )及(X2n ,Y2n )；計算該觸點在螢幕上投影的四邊形之頂點的座標(XP1 ,YP1 )、(XP2 ,YP2 )、(XP3 ,YP3 )及(XP4 ,YP4 )；輸出該觸點在螢幕上投影之四邊形頂點座標信號。
S224：計算觸點在螢幕上投影的四邊形面積及觸點在螢幕上投影的幾何中心座標。
S2241：計算觸點在螢幕上投影的四邊形的幾何中心座標：由觸點在螢幕上投影的四邊形之頂點的座標(XP1 ,YP1 )、(XP2 ,YP2 )、(XP3 ,YP3 )及(XP4 ,YP4 )，計算出觸點在螢幕上投影的四邊形之幾何中心之座標(XPc ,YPc )，輸出觸點在螢幕上投影之四邊形幾何中心座標信號(XPc ,YPc )。
S3：回到S1。
本發明進一步提供一種觸控螢幕觸點之座標偵測方法，係進一步計算觸點於螢幕上投影之四邊形之均質中心座標，包含下列步驟：
S0：啟動微機電反射鏡，使微機電反射鏡以預定的頻率與振幅開始共振擺動，並啟動光源組件，使光源組件發出雷射光線。
S1：依據每個取樣時間Ts到達時，由光感測器擷取線性影像，此線性影像可顯示未被觸點遮斷的明點及被觸點遮斷的暗點的影像。
S2：計算觸點在螢幕上投影之四邊形頂點座標及點在螢幕上投影之均質中心座標：
S21：由光感測信號處理器將光感測器擷取的線 性影像轉變成電子信號，並傳送給座標計算器。
S22：由座標計算器判斷光感測信號處理器之電子信號中是否有暗點。
S221：若無暗點，則輸出無觸點之信號。
S222：若僅有一個暗點則輸出觸點錯誤信號。
S223：若有二個連續暗點區域，則對於第一個連續暗點區域，計算出該暗點連續區域之兩端端點座標位置為(X11 ,Y11 )及(X1m ,Y1m )；對於第二個連續暗點區域，計算出該暗點連續區域兩端端點之座標位置為(X21 ,Y21 )及(X2n ,Y2n )；計算該觸點在螢幕上投影的四邊形之頂點的座標(XP1 ,YP1 )、(XP2 ,YP2 )、(XP3 ,YP3 )及(XP4 ,YP4 )，輸出該觸點在螢幕上投影之四邊形頂點座標信號；
S224：計算觸點在螢幕上投影的四邊形面積及觸點在螢幕上投影的均質中心座標。
S2242：由觸點在螢幕上投影的四邊形之頂點的座標(XP1 ,YP1 )、(XP2 ,YP2 )、(XP3 ,YP3 )及(XP4 ,YP4 )計算該觸點在螢幕上投影的四邊形面積AP ，輸出該面積信號。
S2243：由觸點在螢幕上投影的四邊形之頂點的座標及該觸點在螢幕上投影的四邊形面積AP ，計算該觸點在螢幕上投影的均質中心座標(XPd ,YPd )，輸出該觸點在螢幕上投影的均質中心座標(XPd ,YPd )。
S3：回到S1。
為使本發明更加明確詳實，茲列舉較佳實施例並配合下列圖式，將本發明之結構、方法及其技術特徵詳述如後。
目前在光學掃描裝置(optical scanning device)大都使用旋轉多面鏡(Polygon Mirror)以高速旋轉操控雷射光線的掃描，但由於旋轉多面鏡係用液壓趨動，其轉速限制、價格高、聲音大、啟動慢等因素，已漸無法符合高速且高精度的要求。近年以來，具有轉矩振盪器(torsion oscillators)之微機電反射鏡(micro-electronic-mechanic system oscillatory reflector，簡稱MEMS reflector)開始發展後，已應用於影像系統(imaging system)、掃描器(scanner)或雷射印表機(laser printer)之雷射掃描裝置(laser scanning unit，簡稱LSU)，其掃描效率(Scanning efficiency)將可高於傳統的旋轉多面鏡。請參閱第5圖，其係為本發明使用之微機電反射鏡5之示意圖，微機電反射鏡5可包含一鍍有鋁金屬、銀金屬或其他反射物質之反射面51，反射面51的反射面中心53係位於轉軸52上，當受微機電控制器54a、54b(如圖3)所驅動，微機電控制器54a、54b具有橋式電路之控制板及轉矩振盪器，藉由共振磁場驅動反射面51以轉軸52左右方向來回共振擺動(resonant oscillation)，橋式電路之控制板可產生固定頻率的脈衝信號，以驅動反射面51以此頻率擺動，轉矩振盪器可控制反射面51之振幅，使反射面51在預定振幅範圍內擺動；當雷射光線射向微機電反射鏡5的反射面51時，反射面51藉由隨時間變化的轉動角度，使入射到微機電反射鏡5的反射面51上的雷射光線，被反射到微機電反射鏡5中心軸各種不同的角度上以進行掃描，反射面51擺動的角度為±½θ P ，而雷射光線經由反射面51掃描後，掃描角度為±θ P ，例如26°之微機電反射鏡5，其反射面51來回擺動的角度為±26°，雷射光線掃描角度則為±52°，掃描範圍則為104°。由 於微機電反射鏡5可以忽視光波長的影響及具大轉動角度的特點，使得它被廣泛應用在商品、科學與工業應用各方面上，如US5,408,352、US5,867,297、US6,947,189、US7,190,499、TW M253133、JP 2006-201350等。
一般而言，微機電反射鏡5的共振頻率(resonant frequency)約為2K至4K赫茲(Hertz)，以2.5K赫茲擺動頻率的微機電反射鏡5為例，即在0.4msec可完成一個週期的掃描，如圖6，在一個週期內擺動±½θ P =±260 ，反射面51可完成104°的掃描。
如圖3，為本發明之第一個實施例之微機電掃描觸控螢幕1，在一螢幕框體6內容置一個螢幕2、二個光源組件3(3a、3b)、二個微機電反射鏡5(5a、5b)、光感測器4及遮光板55a、55b。光感測器4以電性連接至光感測信號處理器7及一座標計算器8。其中，該二個光源組件3(3a、3b)設置於螢幕2之同一側的端面，如圖3係設置於下端面，光源組件3(3a、3b)內有雷射光源31(31a、31b)及準直鏡32(32a、32b)。雷射光源31可發出雷射光線(laser light)，通常可使用紅外線雷射(IR laser)，發出紅外線雷射光線(IR light)；準直鏡32將雷射光線聚集成集中的雷射光束311(311a、311b)，射向微機電反射鏡5反射面51中心；微機電反射鏡5設置於螢幕2同一端面之兩側上，如圖3設置於螢幕2之下端面；微機電反射鏡5具有反射面51，反射面51沿其轉軸由共振左右擺動(resonant oscillation)，可將射入的雷射光束311(311a、311b)在螢幕2上掃描形成掃描光束511a、511b(scanning light beam)，掃描至螢幕有效範圍21內。光感測器4設置於螢幕2之三個端面，相對於微機電反射鏡5側，用以接收掃描光束511a、511b，並形成掃描光束線性影像；光感測信號處理器7 係擷取光感測器4形成的線性影像，將線性影像中的明點(active pixel)及暗點421、422(inactive pixel)轉換成電子信號。遮光板55a、55b係配合微機電反射鏡5位置所設置，用以阻擋無效區域的掃描光束511a、511b進入螢幕2，以避免光感測器4接收該無效區域之掃描光束511a、511b而形成鬼影(ghost image)。座標計算器8可接受光感測信號處理器7產生之電子信號，並由微機電反射鏡反射面51a、51b中心的座標，可計算出觸點座標而輸出。
有效的掃描區域說明如第4圖及第6圖。如第4圖中，遮光板55a、55b設置在螢幕2的下端面角落上，當微機電反射鏡5之反射面51在一個週期內擺動±½θ P =±260 ，其掃描角度為104°，為免超過螢幕2螢幕有效範圍21之光線進入光感測器4，遮光板55a、55b可阻隔超過螢幕有效範圍21之掃描光束511a、511b，螢幕有效範圍21的角度為±θ AB =±46.20 ，如第6圖說明之AB間有效範圍±½θ AB =±23.10 。
若手指或筆在螢幕2上產生觸點P，且此觸點P用以將掃描光束511a、511b遮斷而未入射於光感測器4時，如圖8所示，在X-Y平面上，觸點P之迪卡耳座標(XP ,YP )可由式(1)所計算獲得：
其中，(X1 ,Y1 )為線性影像41上第一個暗點421的座標，(X2 ,Y2 )為線性影像41上第二個暗點422的座標，(X10 ,Y10 )為微機電反射鏡5a之反射面中心53a的座標，(X20 ,Y20 )為微機電反射鏡5b之反射面中心53b的座標。
若手指或筆在螢幕2上產生觸點P大於光感測器4感測之影像的一個像素時，如第10圖及第11圖所示，在X-Y平面上，觸點P在螢幕上投影所形成的四邊形，其四邊形頂點之迪卡耳座標為P1 (XP1 ,YP1 )、P2 (XP2 ,YP2 )、P3 (XP3 ,YP3 )及P4 (XP4 ,YP4 )可由式(2)所計算獲得：
其中，(X11 ,Y11 )為線性影像41上第一個暗點421的座標，(X1m ,Y1m )為線性影像41上第一個暗點421連續暗點之最末暗點的座標，(X21 ,Y21 )為線性影像41上第二個暗點422的座標，(X2n ,Y2n )為線性影像41上第二個暗點422連續暗點之最末暗點的座標，(X10 ,Y10 )為微機電反射鏡5a之反射面中心53a的座標，(X20 ,Y20 )為微機電反射鏡5b之反射面中心53b的座標。
觸點P在螢幕上投影的四邊形之幾何中心之座標(XPc ,YPc )，可由式(3)所計算獲得：
觸點P在螢幕上投影的四邊形之面積AP，可由式(4)所計算獲得：
觸點P在螢幕上投影的四邊形之均質中心座標(XPd ,YPd )，可由式(5)所計算獲得：
如第9圖為線性影像41上，第一個暗點421的座標(X1 ,Y1 )，可由式(6)所計算獲得，同理可求得第二個暗點422的座標(X2 ,Y2 )或(X1m ,Y1m )、(X2n ,Y2n )：
其中，H為螢幕有效範圍21之高度、L為螢幕有效範圍21之寬度、α 與β 為螢幕有效範圍21至光感測器4感測面的距離、(Xs,Ys)為光感測器4的基點座標、d1 為光感測器4的基點至暗點421的長度。
光感測器4可使用陣列線性影像感測器(serial-scan linear image sensing array)或接觸式影像感測器(CIS,Contact Image Sensor)，設置於螢幕2之三個端面，用以接收掃描光束511a、511b，並形成掃描光束線性影像411。被掃描光束511a、511b照射的感測器感測面會形成明點(active pixel)，被觸點遮斷的掃描光束在感測器感測面會形成暗點421、422(inactive pixel)。通常陣列線性影像感測器之解析度為300DPI~600DPI(dot per inch)，若以20吋寬螢幕(L=43cm、H=27cm)為例，接收到微機電反射鏡5的掃描光束511a、511b的長度為70cm，相當8200~16500個光點，故本發明可獲得高解析度的觸點座標。另接觸式影像感測器之解析度為600DPI~1200DPI，相當16500~33000個光點。當螢幕增加至52吋時(L=112cm、H=70cm)，接收到微機電反射鏡5的掃描光束511a、511b的長度為182cm，相當21500~43000個光點。若使用接觸式影像感測器相當43000~86000個光點，其解析度不會因觸控螢幕的尺寸增加而降低。
如第13圖，為本發明之微機電掃描之觸控螢幕1之微機電反射鏡控制器54a、54b、光感測器4、光感測信 號處理器7及座標計算器8之時序示意圖。當電腦系統(未於圖上顯示)發出ST信號(如，由低電位轉為高電位)時，啟動微機電反射鏡控制器54a、54b，微機電反射鏡控制器54a、54b輸出信號SR至微機電反射鏡5，微機電反射鏡5之反射面51開始以頻率f來回擺動，如以0.4msec週期來回擺動一次。由外界輸入或在光感測器4產生一時序信號CLK，CLK以一個取樣時間Ts產生一個脈衝(如Ts=1/60sec)，當光感測器4接收到CLK脈衝信號時，將線性影像41輸出至光感測信號處理器7，光感測信號處理器7將線性影像41轉變成數位信號，輸出至座標計算器8。座標計算器8進行座標及面積計算，如第13圖中MCU信號。當座標計算器8計算座標及面積後，將座標及面積數據輸出至外界，如圖中OPT信號；如此完成一個週期。
光感測器4可使用陣列線性影像感測器或接觸式影像感測器，本實施例係使用600DPI之接觸式影像感測器CIS，光感測信號處理器7之記憶體選用最常見的規格10MByte(但不以此為限制)，在每個週期Ts(=1/60sec)，光感測器4將掃描光束511a、511b的影像傳至光感測信號處理器7之記憶體，由光感測信號處理器7之記憶體進行數據處理，傳送速度為133Mbit(但不以此為限制)。當光感測器4將數據傳至光感測信號處理器7後，即啟動重置信號(Reset)以清除影像，避免飽和現象產生。對於20吋螢幕，接觸式影像 感測器CIS每個週期Ts傳送16500個光點信號(傳送時間約為1/1000sec)，對於52吋螢幕，接觸式影像感測器CIS每個週期Ts傳送43000個光點信號(傳送時間約為2.5/1000sec)。
如第14圖，為本發明之第二個實施例之微機電掃描觸控螢幕1，在一螢幕框體6內容置一個螢幕2、一個光源組件3、二個微機電反射鏡5(5a、5b)、光感測器4及遮光板55a、55b。光感測器4用以電性連接至光感測信號處理器7及一座標計算器8。其中，該光源組件3設置於螢幕2的端面，如第3圖係設置於下端面，光源組件3包含一個雷射光源31、一個準直鏡32及一個分光器33。雷射光源31可發出雷射光線(laser light)，通常可使用紅外線雷射(IR laser)，發出紅外線雷射光線(IR light)；準直鏡32將雷射光線聚集成集中的雷射光束，分光器33將雷射光束分成二股之雷射光束311(311a、311b)，分別射向微機電反射鏡5反射面51中心。如圖15，分光器33包含分光元件331及反射鏡332。在本實施例之分光元件331為使用多層膜蒸鍍而成，可將入射的雷射光束50%穿透、50%反射，但不以此為限，亦可為不同比例之穿透率與反射率，如40%穿透，60%反射或60%穿透，40%反射。當雷射光源31發出雷射光線、準直鏡32將雷射光線聚集成集中的雷射光束後，分光元件331可將雷射光束分成二股之雷射光束，在經由反射鏡332將該二股雷射光束以反向180。角度之雷射光束311(311a、311b)，分別射向微機電反射鏡5反射面51中心。在本實施例係將雷射光束以反向180。角度射出，但並不以此為限，可依微機電反射鏡5反射面51中心位置而安排。在本實施例，僅使用一個光學組件即可將雷射光線分成二股，而可適合中 小型、低成本的觸控螢幕使用。
為偵測觸點的座標，如圖12(A)之流程圖，本發明提供一利用微機電掃描觸控螢幕的座標偵測方法，包含下列步驟：
步驟S0：當電腦系統發出ST信號，由低電位轉為高電位時，即為啟動觸控螢幕之座標偵測，ST信號啟動微機電反射鏡之微機電控制器54a、54b，微機電控制器54a、54b之控制板及轉矩振盪器發出頻率為f且振幅固定信號SR，使微機電反射鏡5(5a、5b)以預定的頻率與振幅開始共振擺動；ST信號並啟動光源組件3(3a、3b)，使光源組件3(3a、3b)發出雷射光束。
步驟S1：當電腦系統發出ST信號，可啟動光感測器4產生一時序信號CLK，，時序訊號CLK以一個取樣時間Ts產生一個脈衝，在本實施例為Ts=1/60sec，但不以此為限。依據每個取樣時間Ts到達(CLK脈衝信號)時，由光感測器4擷取線性影像411(第13圖之DIA信號)，此線性影像411可顯示未被觸點遮斷的明點及被觸點遮斷的暗點421的影像。
步驟S2：由式(1)計算觸點P之迪卡耳座標(XP ,YP )。
步驟S21：由光感測信號處理器7將光感測器4擷取的線性影像411轉變成電子信號，並傳送給座標計算器8。
步驟S22：由座標計算器8判斷光感測信號處理器7之電子信號中是否有暗點421。
步驟S221：若無暗點421，則輸出無觸點之信號。
步驟S222：若僅有一個暗點421，則輸出觸點錯誤信號。
步驟S223：若有二個不連續的暗點421，則 由式(6)計算該二個暗點421之座標位置為(X1 ,Y1 )及(X2 ,Y2 )；計算該觸點P的座標(Xp ,Yp )(如圖13之MCU信號)，輸出該觸點P座標信號(如圖13之OPT信號)。
步驟S3：回到步驟S1。
為偵測觸點在螢幕上投影之四邊形頂點座標及該觸點的幾何中心座標，如圖12(B)之流程圖，本發明提供一種微機電掃描觸控螢幕觸點的座標偵測方法，包含下列步驟：
步驟S0：啟動微機電反射鏡5(5a、5b)，使微機電反射鏡5(5a、5b)以預定的頻率與振幅開始共振擺動，並啟動光源組件3(3a、3b)，使光源組件3(3a、3b)發出雷射光束311(311a、311b)；
步驟S1：依據每個取樣時間Ts到達時，由光感測器4擷取線性影像411，此線性影像411可顯示未被觸點遮斷的明點及被觸點遮斷的暗點421的影像；
步驟S2：計算觸點P在螢幕上投影之四邊形頂點座標P1 (XP1 ,YP1 )、P2 (XP2 ,YP2 )、P3 (XP3 ,YP3 )及P4 (XP4 ,YP4 )及觸點P在螢幕上投影之幾何中心座標(XPc ,YPc )；
步驟S21：由光感測信號處理器7將光感測器4擷取的線性影像411轉變成電子信號，並傳送給座標計算器8；
步驟S22：由座標計算器8判斷光感測信號處理器之電子信號中是否有暗點421；
步驟S221：若無暗點421，則輸出無觸點之信號；
步驟S222：若僅有一個連續的暗點421則輸出觸點錯誤信號；
步驟S223：若有二個連續的暗點421，則對 於第一個連續暗點區域，由式(6)計算出該暗點連續區域之兩端端點座標位置為(X11 ,Y11 )及(X1m ,Y1m )；對於第二個連續暗點區域，由式(6)計算出該暗點連續區域之兩端端點座標位置為(X21 ,Y21 )及(X2n ,Y2n )，由式(2)計算該觸點在螢幕上投影的四邊形之頂點的座標(XP1 ,YP1 )、(XP2 ,YP2 )、(XP3 ,YP3 )及(XP4 ,YP4 )；輸出該觸點P在螢幕上投影之四邊形頂點座標信號；
步驟S224：計算觸點在螢幕上投影的四邊形面積及觸點在螢幕上投影的幾何中心座標：
步驟S2241：由觸點P在螢幕上投影的四邊形之頂點的座標(XP1 ,YP1 )、(XP2 ,YP2 )、(XP3 ,YP3 )及(XP4 ,YP4 )，由式(3)計算出觸點在螢幕上投影的四邊形之幾何中心之座標(XPc ,YPc )；輸出該觸點在螢幕上投影之四邊形幾何中心座標信號(XPc ,YPc )。
步驟S3：回到步驟S1。
本發明可進一步提供利用微機電掃描觸控螢幕偵測觸點在螢幕上投影之四邊形的面積及該觸點在螢幕上投影的均質中心座標的方法，包含下列步驟：
為偵測觸點在螢幕上投影之四邊形面積及該觸點在螢幕上投影的均質中心座標的方法，如圖12(B)之流程圖，包含下列步驟：
步驟S0：啟動微機電反射鏡5(5a、5b)，使該微機電反射鏡5(5a、5b)以預定的頻率與振幅開始共振擺動；啟動光源組件3(3a、3b)，使光源組件3(3a、3b)發出雷射光束311(311a、311b)。
步驟S1：依據每個取樣時間Ts到達時，由光感測器4擷取線性影像411，此線性影像411可顯示未被觸 點P遮斷的明點及被觸點遮斷的暗點421的影像；
步驟S2：計算觸點P在螢幕上投影之四邊形頂點座標(XP1 ,YP1 )、(XP2 ,YP2 )、(XP3 ,YP3 )及(XP4 ,YP4 )。
步驟S21：由光感測信號處理器7將光感測器4擷取的線性影像轉變成電子信號，並傳送給座標計算器8。
步驟S22：由座標計算器8判斷光感測信號處理器7之電子信號中是否有暗點421。
步驟S221：若無暗點421，則輸出無觸點之信號。
步驟S222：若僅有一個連續的暗點421則輸出觸點錯誤信號。
步驟S223：若有二個不連續的暗點421，則對於第一個連續暗點區域，由式(6)計算出此暗點連續區域之兩端端點座標位置為(X11 ,Y11 )及(X1m ,Y1m )，對於第二個連續暗點區域，由式(6)計算出此暗點連續區域之兩端端點座標位置為(X21 ,Y21 )及(X2n ,Y2n )，由式(2)計算該觸點在螢幕上投影的四邊形之頂點的座標(XP1 ,YP1 )、(XP2 ,YP2 )、(XP3 ,YP3 )及(XP4 ,YP4 )，輸出該觸點P在螢幕上投影之四邊形頂點座標信號。
步驟S224：計算觸點P在螢幕上投影的四邊形面積及觸點在螢幕上投影的均質中心座標：
步驟S2242：由觸點在螢幕上投影的四邊形之頂點的座標(XP1 ,YP1 )、(XP2 ,YP2 )、(XP3 ,YP3 )及(XP4 ,YP4 )，由式(4)計算該觸點P在螢幕上投影的四邊形面積AP ，輸出此面積信號。
步驟S2243：由觸點P在螢幕上投影的四邊形之頂點的座標及該觸點P在螢幕上投影的四邊形面積AP ，由式(5)計算該觸點P在螢幕上投影的均質中心座 標(XPd ,YPd )，輸出觸點在螢幕上投影的均質中心座標(XPd ,YPd )。
步驟S3：回到步驟S1。
歸納上述，本發明之微機電掃描觸控螢幕及其觸點座標偵測方法之功效在於藉由使用微機電高速震盪來反射掃描光線而可達成高速掃描之優點，可大幅提高觸控螢幕的解析度，更可同時求得觸點在螢幕上的投影面積，可適用於各種不同尺寸高解析度要求之觸控螢幕。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。例如，將本發明微機電掃描觸控螢幕之微機電反射鏡及微機電控制器更換為旋轉多面鏡及旋轉多面鏡控制器，尚可達到雷射光束掃描的效果。
1‧‧‧觸控螢幕(touch panel)
2‧‧‧螢幕(display screen)
21‧‧‧螢幕有效範圍(effect range of the screen)
3、3a、3b‧‧‧光源組件(light source module)
31、31a、31b‧‧‧雷射光源(laser light source)
32、32a、32b‧‧‧準直鏡(collimator lens)
33‧‧‧分光器(beam splitter)
331、332‧‧‧分光元件
311a、311b‧‧‧雷射光束(emitted light)
4‧‧‧光感測器(image sensor)
41‧‧‧線性影像(linear image)
421‧‧‧第一暗點(first inactive pixel)
422‧‧‧第二暗點(second inactive pixel)
5a、5b‧‧‧微機電反射鏡(MEMS reflector)
51、51a、51b‧‧‧反射面(reflecting surface)
511a、511b‧‧‧掃描光束(scanning light baem)
52‧‧‧轉軸(resonant shaft)
53‧‧‧反射面中心(center of reflection)
54a、54b‧‧‧微機電控制器(MEMS controller)
55a、55b‧‧‧遮光板(shade)
6‧‧‧觸控螢幕框體(touch panel frame)
7‧‧‧光感測信號處理器(image signal processor)
8‧‧‧座標計算器(coordinate calculator)
901‧‧‧螢幕(display screen)
902a、902b‧‧‧光學元件(optical unit)
903‧‧‧反射板(retro-reflection plate)
904‧‧‧往返光線(emitted and return light)
905‧‧‧雷射光源(laser light source)
906‧‧‧光束反射單元(light reflector)
907‧‧‧光束接收模組(light receiver module)
9071‧‧‧光束接收單元(light receiver element)
S0~S3‧‧‧步驟流程
第1圖 係為習知技藝之觸控螢幕一之示意圖；第2圖 係為習知技藝之觸控螢幕二之示意圖；第3圖 係為本發明之微機電掃描觸控螢幕第一實施例之示意圖；第4圖 係為本發明之微機電掃描微觸控螢幕之掃描範圍之示意圖；第5圖 係為微機電反射鏡掃描角度之示意圖；第6圖 係為微機電反射鏡共振角度及掃描角度之示意圖； 第7圖 係為本發明之微機電掃描觸控螢幕之微機電反射鏡反射角度之示意圖；第8圖 係為本發明之微機電掃描觸點座標偵測方法之示意圖；第9圖 係為本發明之光感測信號處理器之暗點座標計算方法之示意圖；第10圖 係為本發明之觸點在螢幕上投影的四邊形四角座標偵測方法之示意圖；第11圖 係為本發明之觸點在螢幕上投影的面積偵測方法之示意圖；第12圖 係為本發明之觸點座標偵測方法之流程圖，(A)為單一觸點座標偵測方法之流程圖、(B)為觸點在螢幕上投影的面積及其座標偵測方法之流程圖；第13圖 係為本發明之微機電掃描觸控螢幕之控制時序之示意圖；第14圖 係為本發明之微機電掃描觸控螢幕第二實施例之示意圖；以及第15圖 係為本發明之微機電掃描觸控螢幕第二實施例之光源組件之示意圖。
1‧‧‧觸控螢幕(touch panel)
2‧‧‧螢幕(display screen)
3a、3b‧‧‧光源組件(light source module)
31a、31b‧‧‧雷射光源(laser light source)
32a、32b‧‧‧準直鏡(collimator lens)
311a、311b‧‧‧雷射光束(emitted light)
4‧‧‧光感測器(image sensor)
421‧‧‧第一暗點(first inactive pixel)
422‧‧‧第二暗點(second inactive pixel)
5a、5b‧‧‧微機電反射鏡(MEMS reflector)
51a、51b‧‧‧反射面(reflecting surface)
511a、511b‧‧‧掃描光束(scanning light beam)
54a、54b‧‧‧微機電控制器(MEMS controller)
55a、55b‧‧‧遮光板(shade)
6‧‧‧觸控螢幕框體(touch panel frame)
7‧‧‧光感測信號處理器(image signal processor)
8‧‧‧座標計算器(coordinate calculator)

Claims (13)

  1. 一種微機電掃描觸控螢幕，包含：一螢幕；二個光源組件，設置於該螢幕之一端面，該二個光源組件包含一雷射光源，係發出一雷射光線；二個微機電反射鏡，設置於該螢幕之該端面之兩側上，該二個微機電反射鏡分別具有一反射面，該二個微機電反射鏡係產生共振擺動，以將射向該微機電反射鏡之該反射面中心之該雷射光線於該螢幕上掃描以形成一掃描光束；一光感測器，係設置於該螢幕之三個端面，並相對於該微機電反射鏡側，該光感測器用以接收該掃描光束，並形成該掃描光束之一線性影像；一光感測信號處理器，係擷取該光感測器形成的線性影像，並轉換成對應之電子信號；一座標計算器，係接收該光感測信號處理器產生之該電子信號；其中，當該掃描光束被一觸點所遮斷而未入射於該光感測器時，該光感測器則形成對應之該線性影像，並藉由該光感測信號處理器轉換成對應之該電子信號，該座標計算器係接收該電子信號，並依據該微機電反射鏡之該反射面中心的座標而計算出該觸點之座標。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電掃描觸控螢幕， 其中，該二個光源組件進一步包含一準直鏡，係將該雷射光源發出之該雷射光線聚集成集中的雷射光線。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電掃描觸控螢幕，其中，該光感測器為選自接觸式影像感測器(CIS,Contact Image Sensor)、陣列線性影像感測器(serial-scan linear image sensing array)其中之一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之微機電掃描觸控螢幕，該觸控螢幕進一步包含一遮光板，該遮光板係配合該微機電反射鏡位置所設置，以阻擋入射於一無效區域之該掃描光束入射至該螢幕，以避免該光感測器接收該無效區域之該掃描光束而形成鬼影。
  5. 一種微機電掃描觸控螢幕，包含：一螢幕：一個光源組件，設置於螢幕之一端面，該光源組件包含一雷射光源及一分光鏡，該雷射光源係發出雷射光線，該分光鏡將該雷射光線分成二股雷射光線；二個微機電反射鏡，設置於該螢幕之該端面之兩側上，該二個微機電反射鏡分別具有一反射面，該二個微機電反射鏡係產生共振擺動，以分別將由該分光鏡分成之兩股雷射光線分別射向該二個微機電反射鏡之該反射面中心的雷射光線於螢幕上掃描以形成掃描光束；一光感測器，係設置於該螢幕之三個端面，並相對於該微機電反射鏡側，該光感測器接收掃描光束，並形 成該掃描光束之一線性影像；一光感測信號處理器，係擷取該光感測器形成的該線性影像，並轉換成對應之一電子信號；一座標計算器，係接收該光感測信號處理器產生之電子信號；其中，當該掃描光束被一觸點所遮斷而未入射於該光感測器時，該光感測器則形成對應之該線性影像，並藉由該光感測信號處理器轉換成對應之該電子信號，該座標計算器係接收該電子信號，並依據該微機電反射鏡反射面中心的座標而計算出該觸點之座標。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之微機電掃描觸控螢幕，其中，該光源組件進一步包含一準直鏡，係將雷射光源發出的該雷射光線聚集成集中的雷射光線。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之微機電掃描觸控螢幕，其中，該光感測器為選自接觸式影像感測器、陣列線性影像感測器其中之一。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之微機電掃描觸控螢幕，該觸控螢幕進一步包含一遮光板，該遮光板係配合該微機電反射鏡位置所設置，以阻擋入射於一無效區域之該掃描光束入射至該螢幕，以避免該光感測器接收該無效區域之該掃描光束而形成鬼影。
  9. 一種微機電掃描之座標偵測方法，係適用申請專利範圍第1項至第8項中任一項所述之微機電掃描觸控螢 幕，該座標偵測方法包含下列步驟：S0：啟動微機電反射鏡，使該微機電反射鏡以預定的頻率與振幅開始共振擺動，並啟動光源組件，使該光源組件發出雷射光線，該雷射光線分別射向該微機電反射鏡以形成掃描光束；S1：依據每一個取樣時間Ts到達時，由光感測器擷取線性影像；該線性影像係顯示未被觸點遮斷的明點及被該觸點遮斷的暗點的影像；S2：計算該觸點的座標：S21：由光感測信號處理器將該光感測器擷取的線性影像轉變成該電子信號，並傳送至座標計算器；S22：由該座標計算器判斷該光感測信號處理器之電子信號中是否有暗點，若有二個暗點，則計算該二個暗點之座標位置及計算該觸點的座標；輸出該觸點的座標之信號；S3：回到S1。
  10. 一種微機電掃描之座標偵測方法，係適用於申請專利範圍第1項至第8項中任一項所述之微機電掃描觸控螢幕，該座標偵測方法係計算出該觸點於該螢幕上投影之四邊形頂點座標，該座標偵測方法包含下列步驟：S0：啟動微機電反射鏡，使該微機電反射鏡以預定的頻率與振幅開始產生共振擺動，並啟動該光源組件，使該光源組件發出該雷射光線，該雷射光線分別射向該微機電反射鏡以形成掃描光束；S1：當每一個取樣時間Ts到達時，由光感測器擷取線性影像；該線性影像係顯示未被觸點遮斷的明點及被該觸點遮斷的暗點的影像； S2：計算該觸點在螢幕上投影之四邊形頂點座標：S21：由光感測信號處理器將該光感測器擷取的該線性影像轉變成該電子信號，並傳送至座標計算器；S223：由該座標計算器判斷該光感測信號處理器之電子信號中是否有暗點，若有二個連續的暗點區域，則對於第一個連續暗點區域，計算出該第一個連續暗點區域之兩端端點座標，對於第二個連續暗點區域，計算出該第二個連續暗點區域之兩端端點座標，藉以計算該觸點在該螢幕上投影的四邊形之頂點的座標；輸出該觸點在該螢幕上投影的四邊形之頂點的座標之信號；S3：回到S1。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之微機電掃描之座標偵測方法，於步驟S2中進一步包含下列步驟：S2241：由該觸點該螢幕上所投影的四邊形之頂點座標計算出該觸點在該螢幕上所投影的四邊形之幾何中心座標，輸出該觸點的幾何中心座標之信號。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之微機電掃描之座標偵測方法，於步驟S2中進一步包含下列步驟：S2242：由該觸點在該螢幕上投影的四邊形之頂點的座標計算該觸點在該螢幕上投影的一四邊形面積，輸出該面積之信號。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之微機電掃描之座標偵測方法，係進一步計算該觸點於該螢幕上投影之四邊形之均質中心座標，該座標偵測方法包含下列步 驟：S2242：由該觸點在該螢幕上投影的四邊形之頂點的座標計算該觸點在該螢幕上投影的一四邊形面積；S2243：由該觸點在該螢幕上投影的四邊形之頂點的座標及該觸點在該螢幕上投影的該四邊形面積，計算該觸點在該螢幕上投影的均質中心座標；輸出該觸點的均質中心座標之信號。
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