TWI425401B - 雷射光學式位置偵測模組 - Google Patents

雷射光學式位置偵測模組 Download PDF

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Description

雷射光學式位置偵測模組
本發明係關於一種光學式位置偵測系統，尤指以雷射作為光源，並且不須透過機械式掃描即可將雷射展開至二維平面的一種以雷射為光源之雷射光學式位置偵測模組。
隨著電腦科技之發展，近幾年，搭載觸控螢幕之電子產品係不斷地推陳出新。具有觸控螢幕之電子產品提供使用者直接地以物體或手指觸控操作螢幕上所顯示之圖形，電子產品內的反饋系統可根據預先編程的程式，以驅動各種硬體與韌體，進而於螢幕之上呈現生動的影音效果。常見的觸控螢幕之觸控方式分為下列幾種：電阻式、電容式、聲波式與光學式。
請參閱第一圖，係一種習用的光學式觸控顯示裝置之架構圖，如第一圖所示，習用的光學式觸控顯示裝置100係包括：一顯示面板110、一LED光源120、一第一光感測器130、一第二光感測器135、一反光板140、以及一處理器150，其中，該反光板140係用以反射該LED光源120所發射的光線，使得光線可分布於該顯示面板110之上。該第一光感測器130與該第二光感測器135係設置於顯示面板110的兩個角落，係用以擷取顯示面板110上的光訊號。當一物體(如手指或觸控筆)觸碰顯示面板110之時，部份光線將被遮斷，如此，第一光感測器130與第二光感測器135所接收之光訊號將產生變化，接著，第一光感測器130與第二光感測器135可將光訊號之變化轉換成相對應的電訊號，並傳送至該處理器150，處理器150可處理該電訊號，以計算出該物體所對應之位置座標。
該光學式觸控顯示裝置100係經常應用於各種觸控式電子產品之中，然而，於其光線之反射過程中，常由於常用之LED光線是非同調性光源所以易發散及散射而造成能量之衰減，使得該顯示面板110上之光源整體亮度降低，導致第一光感測器130與第二光感測器135之感測準確度下降。上述顯示面板上之光源整體光源亮度降低之現象，可藉由搭載更多LED光源加以解決，但是，如此作法卻又造成整體耗電量之增加。
為了解決上述光學式觸控顯示裝置之缺點，以雷射取代該LED光源之概念遂被提出，如美國專利證書號6492633所揭露之一種光掃描式觸控面板(optical scanning-type touch panel)，即以雷射作為光學式觸控面板之光源。由於雷射具有高同調性及高指向特性，因此，傳送時，雷射之能量係不易衰減；然而，也因為雷射具有高指向特性，故須透過機械式掃描之方式，才可以使雷射涵蓋觸控面板之二維平面，如此方式，反而導致成本之大幅提升及機械穩定度不良等缺點。
因此，本案之發明人有鑑於上述習用的光學式觸控顯示裝置以及美國專利證書號6492633所提出的雷射光掃描式觸控面板，仍具有許多缺點與不足，故極力加以研究創作，終於研發完成本發明之一種雷射光學式位置偵測模組。
本發明之主要目的，在於提供一種雷射式位置偵測模組，係以雷射作為光源，並搭配使用相位延遲元件與可反射雷射光的被動光學元件，如此，不需要透過機械式掃描即可將雷射光展開於一二維感測平面，同時，更可使得雷射光之能量不易衰減，以維持光偵測元件之準確性。
為了達成本發明之主要目的，本案之發明人提出一種雷射光學式位置偵測模組，係包括：一模態轉換總成，此總成包括一雷射光源，可發出一時間調制雷射光束，一雷射模態轉換單元，可將時間調製雷射光束展開至一二維感測平面；一驅動控制單元，係連接於該雷射光源以驅動雷射光源發射該時間調制雷射光束；以及一光偵測陣列，係設置於該二維感測平面之周圍以偵測時間調制雷射光束。其中，當一物體位於二維感測平面之上時，部份該時間調制雷射光束將被物體遮斷並朝各各方向發出散射光，此時，該光偵測陣列將偵測時間調制雷射光束之空間及時間變化，並將該變化之訊息傳送至驅動控制單元，進而計算出物體之極座標。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種雷射式位置偵測模組，以下將配合圖示，詳盡說明本發明之較佳實施例。
請參閱第二圖，係本發明之一種雷射式位置偵測模組之架構圖，如第二圖所示，該雷射式位置偵測模組1係包括：一雷射模態轉換總成11，可發出一時間調制雷射光束並將其展開至一二維感測平面；一驅動控制單元12，係連接於該雷射模態轉換總成11以驅動雷射模態轉換總成11發射該時間調制雷射光束；以及一光偵測陣列13，係設置於該二維感測平面之周圍以偵測時間調制雷射光束。其中，當一物體位於二維感測平面之上時，部份該時間調制雷射光束將被物體遮斷並朝各方向發出散射光，此時，該雷射偵測陣列13將偵測時間調制雷射光束在空間及時間上之變化，並將該變化之訊息傳送至驅動控制單元12，進而計算出物體於二維感測平面之極座標。
請參閱第三圖，係該雷射式位置偵測模組之一雷射模態轉換總成之架構圖，於該雷射式位置偵測模組1之中，雷射模態轉換總成11係由一主動式雷射元件111、一相位延遲件112與一被動光學元件113所構成，如第三圖所示，其中，該主動式雷射元件111可發射空間上為高斯分佈而且時間上可以調制的一雷射脈衝LP(Laser Pulse)。該相位延遲件112係面對於該雷射脈衝LP而設置於空間上，以接收並且改變雷射脈衝LP之空間模態將其轉換為該時間調制雷射光束MLB(Time-Modulated Laser Beam)，於本實施例之中，相位延遲件112必須為雷射波長可穿透之材質，例如：壓克力或透明介電材料，製程上則可利用塑膠射出成型或者機械加工之方式加以製造。
請繼續參閱第三圖，於該雷射式位置偵測模組1之中，該被動光學元件113係面對於時間調制雷射光束MLB而設置於空間上，以反射該時間調制雷射光束MLB，使其展開於該二維感測平面之上。如第三圖所示，被動光學元件113為一具有一立體全反射錐面1131的一直接反射式光學圓柱體，其材質可為金屬、介電材料或壓克力。相同於上述該相位延遲件112，被動光學元件113可藉由塑膠射出成型或者機械加工之方式加以製造，並將該立體全反射錐面1131研磨拋光之後，於其外表面鍍上一高反射薄膜，使其具備反射雷射之特性，使得入射立體全反射錐面1131之該時間調制雷射光束MLB可被展開至二維感測平面，因此，於本發明之實施例中，僅需於二維感測平面周圍設置該雷射偵測陣列13，即可達成位置偵測之目的；並且，由於時間調制雷射光束MLB具有特別設計之空間模態而且係透過立體全反射錐面1131之反射，故，雷射光束反射時係不易產生散射損耗。
入射該立體全反射錐面1131之該時間調制雷射光束MLB，其出射之發散角度，可由下列公式近似得到：θout =±(90°-2θapex +θin )其中，θin 為入射之時間調制雷射光束之最大發散角度；θout 為出射之時間調制雷射光束邊緣與水平線之夾角；θapex 為立體全反射錐面與垂直線之夾角。此外，於固定入射之時間調制雷射光束之發散角度的情況下，出射之時間調制雷射光束邊緣與水平線之夾角變化量Δθout 係符合下列公式：
|Δθout |=2Δθapex
其中，Δθapex 為立體全反射錐面與垂直線之夾角變化量，據此關係式，吾人可藉由更動特定夾角之變化量，以該時間調整雷射光源之輸出位置。
另外，為了清楚地揭露該雷射模態轉換總成11係如何發出該時間調制雷射光束MLB並將其展開至該二維感測平面，於第三圖之中，吾人沿著z軸切割剖面線A、剖面線B與剖面線C，於是分別得到該雷射脈衝LP與時間調制雷射光束MLB於x-y截面之二維光場強度分布圖形。請同時參閱第四圖、第五圖與第六圖，係分別為雷射脈衝於截面CS-A之二維圖形示意圖、時間調制雷射光束於截面CS-B之二維圖形示意圖以及時間調制雷射光束於截面CS-C之二維圖形示意圖。如第四圖所示，該主動式雷射元件111所射出之該雷射脈衝LP，其於空間上係為高斯分佈；並且，當雷射脈衝LP穿過該相位延遲件112之後，如第五圖所示，雷射脈衝LP係被轉換為該時間調制雷射光束MLB；最後，時間調制雷射光束MLB被該立體全反射錐面1131所反射，而於展開於整個二維截面CS-C之上。
透過三維空間分佈圖，吾人可更加清楚地瞭解該雷射模態轉換總成11係如何發射該雷射脈衝LP，並轉換其模態。請參閱第七圖，係雷射脈衝與時間調制雷射光束於三維空間之分佈圖，如第七圖所示，當雷射脈衝LP從截面CS-A射出，並沿著z軸被傳送至截面CS-B後，其便轉換為該時間調制雷射光束MLB，即，一漩渦光束(vortex beam)；接著，時間調制雷射光束MLB從截面CS-B射出；最後，時間調制雷射光束MLB被展開於整個二維截面CS-C之上。於本實施例中，由於該時間調制雷射光束MLB為漩渦光束(vortex beam)，因此，該漩渦光束之中心光束強度為零，如此，可更減少光束為立體全反射錐面1131時必然產生之大量散射，而能夠減少能量之耗損，更可同時降低雜訊之產生，使得後端對於雷射訊號之處理更為簡單。
另外，於該雷射式位置偵測模組1之中，該雷射模態轉換總成11更具有一第二架構，請參閱第八圖，係雷射模態轉換總成之第二架構圖，如第八圖所示，雷射模態轉換總成11之第二架構係由該主動式雷射元件111、該相位延遲件112與一內反射式光學圓柱體114所構成，其中，該內反射式光學圓柱體114之材料為壓克力或透明介電材料，其內側係具有一內凹之圓錐形結構1141，並且，內反射式光學圓柱體114之各表面均施以研磨拋光處理，以降低光散射之損耗。
繼續地參閱第八圖，該時間調制雷射光束MLB係由該內反射式光學圓柱體114底部表面入射，由於內反射式光學圓柱體114之折射率係大於空氣之折射率，故，時間調制雷射光束MLB係以接近450 之角度入射該圓錐形結構1141；此時，時間調制雷射光束MLB於內反射式光學圓柱體114內部產生全內反射之現象，使得被圓錐形結構1141所反射之時間調制雷射光束MLB與入射之調制雷射光束MLB之夾角為900 ，並由內反射式光學圓柱體114之側表面射出。藉由內反射式光學圓柱體114之特殊設計以及其所產生的光反射特性，於本實施例中，係不需要任何移動式機械元件之輔助，即可將雷射光束展開至二維感測平面。
於該雷射模態轉換總成11之第二架構中，該內反射式光學圓柱體114與上述該直接反射式光學圓柱體，兩者對於輸出光之特性係不相同。入射於內反射式光學圓柱體114之雷射光束，係經過兩次折射以及一次反射而輸出，因此，吾人可藉由幾何光學角度之關係而得到下列之公式：
nsin(90°-2θapex +sin-1 (sinθin /n))=±θout
其中，n為內反射式光學圓柱體114之主體材料的折射率。據此關係式，吾人可設計該時間調制雷射光束MLB於該二維感測平面之分佈情況。
本發明之雷射式位置偵測模組可應用於許多方面，例如：光學式觸控螢幕、自動化二維果蠅睡眠機器、雷射雕刻、與雷射加工。請參閱第九圖，係搭載雷射式位置偵測模組之光學式觸控螢幕之架構圖，如第九圖所示，搭載雷射式位置偵測模組之一種光學式觸控螢幕2係包括：一觸控面板21與一框架22，其中，兩個雷射模態轉換總成11分別設置於框架22相對之二角落；並且，該雷射偵測陣列13係設置於該框架22之內；此外，該驅動控制單元12係電性連接於雷射偵測陣列13與該二雷射模態轉換總成11。當該物體3(手指或觸控筆)位於該觸控面板21上方之特定位置時，物體3會遮斷二雷射模態轉換總成11所發射之時間調制雷射光束MLB，此時，雷射偵測陣列13即偵測時間調制雷射光束MLB之變化，並將該變化之訊息傳送至驅動控制單元12以計算出物體3位於觸控面板21上之平面座標(第九圖之架構圖中，為了提高使用效率，係直接偵測物體在以各別雷射光源為原點之極座標上的角度值，以進一步計算物體之平面座標)。
上述已經完整地揭露本發明之雷射光學式位置偵測模組，經由上述，經由上述，吾人可得知本發明係具有下列之優點：
1.本發明係設計該雷射模態轉換總成，利用該主動式雷射元件射出空間上為高斯分佈之一雷射脈衝以作為光源，並藉由該被動光學元件將雷射光源展開至二維感測平面之上，如此設計，係不需要透過機械式掃描便可使得雷射光源涵蓋整個感測平面。
2.承上述第1點，本發明之雷射模態轉換總成具有兩種實施架構，並提出每一種實施架構之近似公式，如此，藉由近似公式，吾人可以調整雷射光源之輸出位置。
3.承上述第2點，兩種實施架構係分別以渦漩雷射光束透過立體全反射錐面與圓錐形結構作為反射之工具，故可降低光束散射之損耗。
4.本發明可應用於許多方面，尤其可應用於目前實用的觸控螢幕之上。
上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1．．．雷射式位置偵測模組
11．．．雷射模態轉換總成
100．．．習用的光學式觸控顯示裝置
110．．．顯示面板
111．．．主動式雷射元件
112．．．相位延遲件
113．．．被動光學元件
1131．．．立體全反射錐面
114．．．內反射式光學圓柱體
1141．．．圓錐形結構
12．．．驅動控制單元
120．．．LED光源
13．．．雷射偵測陣列
130．．．第一光感測器
135．．．第二光感測器
140．．．反光板
150．．．處理器
2．．．搭載雷射式位置偵測模組之光學式觸控螢幕
21．．．觸控面板
22．．．框架
3．．．物體
A、B、C．．．剖面線
CS-A、CS-B、CS-C．．．截面
LP．．．雷射脈衝
MLB．．．時間調制雷射光束
θapex ．．．立體全反射錐面與垂直線之夾角
θin ．．．入射之時間調制雷射光束之最大發散角度
θout ．．．出射之時間調制雷射光束邊緣與水平線之夾角
第一圖　係一種習用的光學式觸控顯示裝置之架構圖；
第二圖　係本發明之一種雷射式位置偵測模組之架構圖；
第三圖　係雷射式位置偵測模組之一雷射模態轉換總成之架構圖；
第四圖　係一雷射脈衝於一截面CS-A之二維圖形示意圖；
第五圖　係一時間調制雷射光束於一截面CS-B之二維圖形示意圖；
第六圖　係時間調制雷射光束於一截面CS-C之二維圖形示意圖；
第七圖　係雷射脈衝與時間調制雷射光束於三維空間之分佈圖；
第八圖　係雷射模態轉換總成之第二架構圖；以及
第九圖　係搭載雷射式位置偵測模組之一光學式觸控螢幕之架構圖。
1．．．雷射式位置偵測模組
11．．．雷射模態轉換總成
12．．．驅動控制單元
13．．．雷射偵測陣列

Claims (8)

  1. 一種雷射式位置偵測模組，係包括：一雷射模態轉換總成，可發出一時間調制雷射光束MLB並將其展開至一二維感測平面，其中，該雷射模態轉換總成係包括：一主動式雷射元件，可射出空間上為高斯分佈之一雷射脈衝LP；一相位延遲件，係面對於該雷射脈衝LP而設置於空間上，以接收雷射脈衝LP並將其轉換為該時間調制雷射光束MLP；及一被動光學元件，係面對於時間調制雷射光束MLB而設置於空間上，並為具有一立體全反射錐面之一直接反射式光學圓柱體，用以反射調制雷射光束MLB，使其展開於該二維感測平面之上；並且，展開於該二維感測平面之上的該時間調制雷射光束MLB為一漩渦光束，其光束中心之光強度為零；一驅動控制單元，係連接於該雷射模態轉換總成以驅動雷射模態轉換總成發射該時間調制雷射光束MLB；以及一光偵測陣列，係設置於該二維感測平面之周圍以偵測時間調制雷射光束MLB； 其中，當一物體位於二維感測平面之上時，部份之時間調制雷射光束MLB將被物體遮斷，此時，該雷射偵測陣列將偵測時間調制雷射光束MLB之變化，並將變化之訊息傳送至驅動控制單元，進而計算出物體之極座標。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射式位置偵測模組，其中，該被動光學元件之材質可為金屬、介電材料或壓克力。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射式位置偵測模組，其中，該相位延遲件之材料可為壓克力或透明介電材料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射式位置偵測模組，可應用於一光學式觸控螢幕之上。
  5. 一種雷射式位置偵測模組，係包括：一雷射模態轉換總成，可發出一時間調制雷射光束MLB並將其展開至一二維感測平面，其中，該雷射模態轉換總成係包括：一主動式雷射元件，可射出空間上為高斯分佈之一雷射脈衝LP；一相位延遲件，係面對於該雷射脈衝LP而設置於空間上，以接收雷射脈衝LP並將其轉換為該時間調制雷射光束MLP；及 一被動光學元件，係面對於時間調制雷射光束MLB而設置於空間上，並為具有一內凹之圓錐形結構之一內反射式光學圓柱體，用以反射調制雷射光束MLB，使其展開於該二維感測平面之上；並且，展開於該二維感測平面之上的該時間調制雷射光束MLB為一漩渦光束，其光束中心之光強度為零；一驅動控制單元，係連接於該雷射模態轉換總成以驅動雷射模態轉換總成發射該時間調制雷射光束MLB；以及一光偵測陣列，係設置於該二維感測平面之周圍以偵測時間調制雷射光束MLB；其中，當一物體位於二維感測平面之上時，部份之時間調制雷射光束MLB將被物體遮斷，此時，該雷射偵測陣列將偵測時間調制雷射光束MLB之變化，並將變化之訊息傳送至驅動控制單元，進而計算出物體之極座標。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之雷射式位置偵測模組，其中，該被動光學元件之材質可為金屬、介電材料或壓克力。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之雷射式位置偵測模組，其中，該相位延遲件之材料可為壓克力或透明介電材料。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之雷射式位置偵測模組，可應用於一光學式觸控螢幕之上。
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