TWI430151B - 觸控裝置及其觸控方法 - Google Patents

Description

觸控裝置及其觸控方法

本揭示內容是有關於一種觸控裝置及其觸控方法，且特別是有關於使用單一發光元件與影像感測器之觸控裝置及其觸控方法。

觸控面板由於輸入的便利性及直觀的優勢，成為現代面板科技的主流。通常，依照感測形式可區分為：電阻式觸控面板、電容式觸控面板、音波式觸控面板、光學式觸控面板及電磁式觸控面板等等。

其中，光學式的感測面板常使用兩組分別包含感測器及發光元件之模組分置於面板一側邊之兩鄰角上，並於另外三側邊設置反光條，藉由觸控筆或手指阻擋兩個發光元件及反光條間的光線路徑，使得感測器所擷取之影像產生對應觸控筆或手指所產生之暗點，進而計算觸控筆或手指之位置或座標。然而，兩個發光元件及兩個感測器的設置成本較高，對現在講求低成本的設計需求來說，並不經濟。

因此，如何設計一個新的觸控裝置及觸控方法，以較少的發光元件及感測器數目來降低成本，乃為此一業界亟待解決的問題。

因此，本揭示內容之一態樣是在提供一種觸控裝置，用以感測並計算觸控物件之座標，觸控裝置包含：面板、發光元件、影像感測器、反光條以及處理模組。面板上具有感測區域，由第一邊界、第二邊界、第三邊界以及第四邊界依序相接圍繞，其中第一邊界以及第三邊界之延伸方向定義x方向，第二邊界及第四邊界之延伸方向定義y方向。發光元件置於第一邊界上或第一邊界於感測區域外之一側。影像感測器置於第一邊界上或第一邊界於感測區域外之該側，且與發光元件在x方向上相距特定距離，以對感測區域進行感測。反光條設置於第二邊界、第三邊界以及第四邊界上。處理模組電性連接於影像感測器。其中當觸控物件置於感測區域時，遮斷發光元件產生之第一光線經反光條之第一反射點反射至影像感測器之第一光線路徑以形成實像，且直接遮斷發光元件產生之第二光線，以使對應第二光線經由反光條之第二反射點反射至影像感測器之第二光線路徑上形成虛像，影像感測器感測實像以及虛像於感測影像形成之實像暗點以及虛像暗點，俾使處理模組進一步根據實像暗點及虛像暗點之位置計算觸控物件之座標。

本揭示內容之另一態樣是在提供一種觸控方法，用以感測並計算觸控物件之座標，觸控方法包含下列步驟：提供面板，面板上具有感測區域，由第一邊界、第二邊界、第三邊界以及第四邊界依序相接圍繞，其中第一邊界以及第三邊界之延伸方向定義x方向，第二邊界及第四邊界之延伸方向定義y方向。使觸控物件置於感測區域中，以遮斷第一光線經第一反射點反射至影像感測器之第一光線路徑以形成實像暗點，且遮斷第二光線，以使第二光線經第二反射點反射至影像感測器之第二光線路徑形成虛像暗點。根據實像暗點以及虛像暗點於影像感測器之感測影像上之位置計算觸控物件於感測區域之座標。

應用本揭示內容之優點係在於藉由將發光元件置於與影像感測器間隔一距離，而可在觸控物件接近感測區域時，藉由兩個被阻擋的光線路徑產生實像暗點及虛像暗點進行感測，以較少的發光元件與影像感測器達到感測效果，而輕易地達到上述之目的。

請參照第1A圖。第1A圖為本揭示內容一實施例中，一種觸控裝置1之示意圖。觸控裝置1用以感測並計算觸控物件2之位置或座標。觸控裝置1包含：面板10、發光元件12、影像感測器14、反光條16以及處理模組(未繪示)。

面板10上具有感測區域100，用以置放觸控物件2於其上，感測區域100由第一邊界101、第二邊界103、第三邊界105以及第四邊界107依序相接圍繞。第一邊界101以及第三邊界103之延伸方向可定義x方向，第二邊界105及第四邊界107之延伸方向可定義y方向，並以面板10左上角為原點可定義一座標系統。其中發光元件12之座標(x2,y2)、影像感測器14之座標(x1,y1)、面板寬度w以及影像感測器14與發光元件12之特定距離D皆可於組裝觸控裝置1時經設定而為已知參數。

發光元件12及影像感測器14可置於第一邊界101上或依實際需求而設置與第一邊界101相距一距離。於本實施例中，發光元件12及影像感測器14係置於第一邊界101上。影像感測器14與發光元件12在x方向上相距特定距離D。特定距離D須設計足以使影像感測器14能夠接收由發光元件12發射之光線經反光條16反射後之光線。

影像感測器14係用以對感測區域100上之觸控物件2進行感測(擷取包含觸控物件2之影像)。實質上，由於影像感測器14所在之位置可能位於感測區域100任一位置，故影像感測器14必需具有適當(足夠大)的視角。於一實施例中，若發光元件12與影像感測器14位於第一邊界101之一端(或面板10之角落)，則影像感測器14須具有大於或等於90度之視角，以涵蓋感測區域100。本實施例中，由於影像感測器14位於第一邊界101的中間，因此需具有180度的視角，以涵蓋其兩側之感測區域100。

反光條16分別設置於第二邊界103、第三邊界105以及第四邊界107，用以反射發光元件12所發射的光線。反光條16可將入射光線由入射路徑集中反射，所謂集中反射係指反光條16能夠將大部分入射光線之能量沿原入射路徑反射回發光元件12，但由於物理上限制，無法將百分之百之入射光線之能量沿原入射路徑反射，換句話說，仍有少部分的能量經反光條16反射後非沿原入射路徑反射回發光元件12，而係偏移而反射至發光元件12兩側鄰近之區域，且離發光元件12越遠之區域，其光線能量越弱。於本實施例中，即藉由影像感測器14感測此非經由原入射路徑反射之光線，進而計算觸控物件2之座標。如上所述，由於影像感測器14係感測非經由原入射路徑反射之光線，其僅佔入射光線之一小部分，且距離發光元件12越遠，則其光線能量越弱。因此影像感測器14與發光元件12之相距距離D不可過大，以免反射之光線能量太弱以致於影像感測器14無法感測任何訊號。於一較佳實施例中，影像感測器14與發光元件12在x方向上相距之特定距離D的範圍約為5毫米至20毫米，以使發光元件12所發出的光線，在經由反光條16集中反射後，於此特定距離D上仍具有足夠的能量而被影像感測器14所偵測。

處理模組係電性連接於影像感測器14。於一實施例中，處理模組可為面板10的內部的一個模組，或與影像感測器14一體成形(整合於影像感測器14)，其係用將觸控物件2於感測區域100上之位置轉換成座標。

於實際感測時，當觸控物件2(如觸控筆或是手指)置於感測區域100時，將遮斷發光元件12所發出的光線。其中，發光元件12產生之第一光線11，投射到反光條16的第一反射點P1而反射後，如上所述，大部分之能量即係沿著原入射路徑反射回發光元件12，而少部分之能量即沿第一光線路徑13(即上述非經由原入射路徑反射之光線)反射至影像感測器14而被偵測。此外，發光元件12產生之第二光線15，若無觸控物件2時，原本在投射到反光條16的第二反射點P2點經反射後，大部分之能量係沿著原入射路徑反射回發光元件12，而少部分之能量沿第二光線路徑17反射至影像感測器14而被偵測。然而，此時由於觸控物件2於感測區域100之位置，將同時遮斷第一光線路徑13以及直接遮斷第二光線15，反應於影像感測器14上，請參考第1B圖，被遮斷的第一光線路徑13將於影像感測器14之感測影像21上形成一實像暗點20，而被遮斷之第二光線15所對應原本應反射出的第二光線路徑17，將於感測影像21上形成一虛像暗點22。而後，處理模組則進一步根據實像暗點20及虛像暗點22之位置來計算觸控物件2之座標。

在說明如何計算觸控物件2之位置之前，須先說明觸控裝置1如何執行校正程序以得到迴歸曲線或校正資料，並用以根據迴歸曲線及暗點於感測影像21上之位置推知感測角度。所謂感測角度係指一角度相對x方向之夾角。請參照第2圖，第2圖為觸控裝置1執行校正程序之示意圖。如第2圖所示，發光元件12與影像感測器14置於面板10之一端，首先將觸控物件2置於預設之第一感測角度θ₁₀ 之路徑L1上，於感測影像21上產生一暗點P10；接著，將觸控物件2置於預設之第二感測角度θ₂₀ 之路徑L2上，於感測影像21上產生一暗點P20，以此類推...最後將觸控物件2置於預設之第一感測角度θ₈₀ 之路徑L8上，於感測影像21上產生一暗點P80。如此將得到一組暗點之感測影像(P10、P20......P80)分別對應觸控物件21於不同之感測角度(θ₁₀ 、θ₂₀ ......θ₈₀ )。接著，針對上述兩組數值計算一迴歸曲線或擬合曲線(Fitting Curve)，即所稱校正資料，並儲存於觸控裝置1。如此，只要知道暗點於感測影像21於感測影像21上之位置，帶入迴歸曲線，即可推知感測角度。須注意的是，上述之校正程序並非限定8個感測角度，其可視實際需求而定，當感測角度越多，所計算之迴歸曲線將越能趨近實際之感測角度。

經過上述之校正程序後，處理模組可儲存感測影像21與感測角度對照之校正資料(即迴歸曲線)，以得知感測影像21內任一位置所對應之感測角度。需注意的是，由於第2圖中係將發光元件12與影像感測器14置於面板10右上角，故影像感測器之視角僅須90度時為已足；若視角為180度時，例如本實施例之第1A圖，其校正程序仍大致相同。

請再次參照第1A圖，當處理模組擷取所儲存的校正資料後，即可將實像暗點20及虛像暗點22在感測影像21上的位置，分別計算所對應之第一光線路徑13及第二光線路徑17與x方向之感測角度。其中與第一光線路徑13間的感測角度為θ₁ ，而與第二光線路徑17間的感測角度為θ₂ 。

此外，如上所述，由於影像感測器14之座標(x1,y1)、發光元件12之座標(x2,y2)、特定距離D以及面板寬度w等資訊皆為已知。其中

y1=y2

x1-x2=D

如此，處理模組可以由下列式子計算得到第一反射點P1(x3,y3)及第二反射點P2(x4,y4)的座標：

tanθ₁ =w /(x ₁ -x ₃ )

tanθ₂ =w /(x ₁ -x ₄ )

其中：

y3=y4

y3-y1=w

此時，(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)以及(x4,y4)皆為已知，接著，第二光線15與x方向之夾角θ₃ 可根據下式計算得到：

θ₃ =tan^-1 [(y ₄ -y ₂ )/(x ₄ -x ₂ )]

最後，再依所知的感測角度θ₁ 及θ₃ ，可以得到下列兩組直線方程式，其中(x,y)即為觸控物件2於感測區域100上的座標：

y -y ₁ =(tanθ₁ )(x ₁ -x )

y -y ₂ =(tanθ₃ )(x -x ₂ )

對此二直線方程式得到的聯立解(x,y)，即為觸控物件2於感測區域上的座標。

本實施例中的觸控裝置之優點在於藉由將發光元件置於與影像感測器間隔一特定距離，可在觸控物件觸碰感測區域時，藉由兩個被阻擋的光線路徑產生實像暗點及虛像暗點進行感測，而得以較少的發光元件與影像感測器達到感測效果。

請參照第3圖。第3圖為本揭示內容另一實施例中，觸控裝置1之示意圖。如同第1圖，觸控裝置1包含：面板10、發光元件12、影像感測器14、反光條16以及處理模組(未繪示)。然而於本實施例中，觸控裝置1更包含輔助發光元件3。

同樣地，對輔助發光元件3而言，當觸控物件2置於感測區域100時，遮斷輔助發光元件3產生之第三光線31經反光條16反射至影像感測器14之第三光線路徑33以形成輔助實像暗點，且直接遮斷輔助發光元件3產生之第四光線35，以使第四光線35經由反光條16反射至影像感測器14之第四光線路徑37形成輔助虛像暗點。影像感測器14感測輔助實像暗點以及輔助虛像暗點於感測影像21之位置，俾使處理模組進一步根據輔助實像暗點及輔助虛像暗點之位置計算觸控物件2於感測區域100之座標。

須說明的是，於此實施例中，影像感測器14亦會對原本即設置之發光元件12進行感測。換句話說，此實施例係利用兩發光元件配合單一影像感測器14，分別根據上述說明計算觸控物件2之座標，並將分別求得之座標加以平均或加權計算以提昇觸控物件座標的正確性。需注意的是，當發光元件12及輔助發光元件3如第3圖同時設置時，須為非同步驅動，以避免發光元件12或輔助發光元件3同時發光時，反使將對方所產生的虛像暗點補足亮度而消失。亦即，若發光元件12於偵測中而發光時，輔助發光元件3必須關閉，反之，若輔助發光元件3進行偵測而發光時，發光元件12亦需關閉，以避免照射產生虛像暗點之處，反使感測影像21僅產生單一實像暗點。

請參照第4圖。第4圖為本揭示內容一實施例中，一種觸控方法之流程圖。觸控方法可應用於第1A圖及第3圖的觸控裝置1，用以感測並計算觸控物件2之座標。觸控方法包含下列步驟。(應瞭解到，在本實施方式中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)。

於步驟401，提供面板10、發光元件12、影像感測器14以及反光條16，其中發光元件12與影像感測器14相距一特定距離D。面板10上具有一寬度w，其上包含感測區域100，由第一邊界101、第二邊界103、第三邊界105以及第四邊界107依序相接圍繞。第一邊界101以及第三邊界105之延伸方向定義x方向，第二邊界103及第四邊界107之延伸方向定義y方向，並以面板10左上角為原點定義一座標系統。於步驟401，更可提供處理模組。於步驟401中，發光元件12之座標(x2,y2)及影像感測器14之座標(x1,y1)為已知。

於步驟402，觸控物件2置於感測區域100中，遮斷發光元件12產生之第一光線11，其中，第一光線11經反光條16之第一反射點P1後反射至影像感測器14形成實像暗點；此外，觸控物件2直接遮斷發光元件12產生之第二光線15，其中，第二光線15經由反光條16之第二反射點P2後反射至影像感測器14形成虛像暗點。

於步驟403，根據分別計算實像暗點與虛像暗點之感測角度θ₁ 及θ₂ (相對x方向之夾角)。其中，步驟403係透過校正資料分別計算對應實像暗點與虛像暗點相對x方向之感測角度，於一具體實施例中，校正資料係為迴歸曲線或擬合曲線。於一具體實施例中，校正資料可預先儲存於影像感測器14或處理模組。

於步驟404，計算第一反射點P1之座標(x3,y3)與第二反射點P2之座標(x4,y4)。於步驟404中，例如採用三角函數根據感測角度θ₁ 及θ₂ 、面板寬度w以及影像感測器14之座標以計算第一反射點P1之座標(x3,y3)與第二反射點P2之座標(x4,y4)。

於步驟405，計算第二光線15相對x方向之夾角θ₃ 。於步驟405中，例如採用三角函數根據第二反射點P2之座標(x4,y4)以及發光元件之座標(x2,y2)計算夾角θ₃ 。

於步驟406，計算觸控物件2之座標(x,y)。於此步驟中，例如採用三角函數依據發光元件12之座標(x2,y2)、影像感測器14之座標(x1,y1)、夾角θ₃ 以及感測角度θ₁ 計算觸控物件2之座標(x,y)。

於一實施例中，於步驟401亦可再提供如第3圖所繪示的輔助發光元件3，以於步驟402中遮斷與輔助發光元件3相關的第三發光路徑33及第四發光路徑37，藉以使影像感測器14偵測，達到輔助計算觸控物件2的效果。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．觸控裝置

10．．．面板

100．．．感測區域

101．．．第一邊界

103．．．第二邊界

105．．．第三邊界

107．．．第四邊界

11．．．第一光線

12．．．發光元件

13．．．第一光線路徑

14．．．影像感測器

15．．．第二光線

16．．．反光條

17．．．第二光線路徑

2．．．觸控物件

20．．．實像暗點

21．．．感測影像

22．．．虛像暗點

3．．．輔助發光元件

31．．．第三光線

33．．．第三光線路徑

35．．．第四光線

37．．．第四光線路徑

401-406．．．步驟

D．．．特定距離

P1．．．第一反射點

P2．．．第二反射點

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1A圖為本揭示內容一實施例中，一種觸控裝置之示意圖；

第1B圖為第1A圖中的影像感測器所觀測到的實像暗點及虛像暗點於感測影像之位置；

第2圖為觸控裝置執行校正程序之示意圖；

第3圖為本揭示內容另一實施例中，觸控裝置之示意圖；以及

第4圖為本揭示內容一實施例中，一種觸控方法之流程圖。

1．．．觸控裝置

10．．．面板

100．．．感測區域

101．．．第一邊界

103．．．第二邊界

105．．．第三邊界

107．．．第四邊界

11．．．第一光線

12．．．發光元件

13．．．第一光線路徑

14．．．影像感測器

15．．．第二光線

16．．．反光條

17．．．第二光線路徑

2．．．觸控物件

D．．．特定距離

P1．．．第一反射點

P2．．．第二反射點

Claims (19)

1. 一種觸控裝置，用以感測並計算一觸控物件之座標，該觸控裝置包含：一面板，該面板上具有一感測區域，由一第一邊界、一第二邊界、一第三邊界以及一第四邊界依序相接圍繞，其中該第一邊界以及該第三邊界之延伸方向定義一x方向，該第二邊界及該第四邊界之延伸方向定義一y方向，以定義一座標系統；一發光元件，置於該第一邊界上；一影像感測器，置於該第一邊界上，與該發光元件相距一特定距離，以對該感測區域進行感測；一反光條，設置於該第二邊界、該第三邊界以及該第四邊界上；以及一處理模組，電性連接於該影像感測器；其中當該觸控物件置於該感測區域時，遮斷該發光元件產生之一第一光線經該反光條之一第一反射點反射至該影像感測器之一第一光線路徑以形成一實像，且直接遮斷該發光元件產生之一第二光線，以使對應該第二光線經由該反光條之一第二反射點反射至該影像感測器之一第二光線路徑上形成一虛像，該影像感測器感測該實像以及該虛像於一感測影像分別形成之一實像暗點以及一虛像暗點；該處理模組根據該實像暗點及該虛像暗點於該感測影像上之位置計算該觸控物件於該座標系統之座標。
2. 如請求項1所述之觸控裝置，其中該處理模組具有一校正資料，該校正資料為該感測影像內任一位置與所對應之一感測角度相關。
3. 如請求項2所述之觸控裝置，其中該感測角度係代表與該x方向之夾角。
4. 如請求項2所述之觸控裝置，其中該處理模組根據該校正資料計算該第一光線路徑之一第一感測角度及該第二光線路徑之一第二感測角度。
5. 如請求項4所述之觸控裝置，其中該處理模組進一步根據該些感測角度計算該第一反射點之一第一座標以及該第二反射點之一第二座標。
6. 如請求項5所述之觸控裝置，其中該處理模組進一步根據該第一反射點之該第一座標以及該第二反射點之該第二座標計算該第二光線相對該x方向之一夾角。
7. 如請求項6所述之觸控裝置，其中該處理模組進一步根據該第二光線相對該x方向之該夾角計算該觸控物件之座標。
8. 如請求項1所述之觸控裝置，更包含一輔助發光元件，當該觸控物件置於該感測區域時，遮斷該輔助發光元件產生之一第三光線經該反光條之一第三反射點反射至該影像感測器之一第三光線路徑以形成一輔助實像暗點，且直接遮斷該輔助發光元件產生之一第四光線，以使該第四光線經由該反光條之一第四反射點反射至該影像感測器之一第四光線路徑形成一輔助虛像暗點，該影像感測器感測該輔助實像暗點以及該輔助虛像暗點於該感測影像上之位置，該處理模組根據該輔助實像暗點及該輔助虛像暗點於該感測影像上之位置計算該觸控物件之座標。
9. 如請求項8所述之觸控裝置，其中該發光元件及該輔助發光元件為非同步驅動。
10. 如請求項1所述之觸控裝置，其中該特定距離之範圍約為5毫米至20毫米。
11. 如請求項1所述之觸控裝置，其中該影像感測器具有大於或等於90度之視角。
12. 一種觸控方法，用以感測並計算一觸控物件之座標，該觸控方法包含下列步驟：(a)　提供一面板，該面板上具有一感測區域，由一第一邊界、一第二邊界、一第三邊界以及一第四邊界依序相接圍繞，其中該第一邊界以及該第三邊界之延伸方向定義一x方向，該第二邊界及該第四邊界之延伸方向定義一y方向，以定義一座標系統；(b)　使該觸控物件置於該感測區域中，以遮斷一第一光線經一第一反射點反射至一影像感測器之一第一光線路徑以形成一實像，且遮斷一第二光線經一第二反射點反射至該影像感測器之一第二光線路徑以形成一虛像；(c)　該影像感測器感測該實像以及該虛像於一感測影像分別形成一實像暗點以及一虛像暗點；以及(d)　根據該實像暗點以及該虛像暗點於該感測影像上之位置計算該觸控物件之座標。
13. 如請求項12所述之觸控方法，更包含下列步驟：提供一校正資料，該校正資料為該感測影像內任一位置與所對應之一感測角度相關。
14. 如請求項13所述之觸控方法，其中該感測角度係代表與該x方向之夾角。
15. 如請求項13所述之觸控方法，其中步驟(d)包含下列步驟：根據該校正資料計算該第一光線路徑之一第一感測角度及該第二光線路徑之一第二感測角度。
16. 如請求項15所述之觸控方法，其中步驟(d)包含下列步驟：根據該些感測角度計算該第一反射點之一第一座標以及該第二反射點之一第二座標。
17. 如請求項16所述之觸控方法，其中步驟(d)包含下列步驟：根據該第一反射點之該第一座標以及該第二反射點之該第二座標計算該第二光線相對該x方向之一夾角。
18. 如請求項17所述之觸控方法，其中步驟(d)包含下列步驟：其中該處理模組根據該第二光線相對該x方向之該夾角計算該觸控物件之座標。
19. 如請求項12所述之觸控方法，其中該影像感測器具有大於或等於90度之視角。