TWI460635B - 光學觸控系統、光學裝置及其定位方法 - Google Patents

Description

光學觸控系統、光學裝置及其定位方法

本發明係有關一種光學觸控系統、光學裝置及其定位方法，特別是指一種使用複數個反射元件(reflective element)以解決盲區(blind zone)問題之光學觸控系統及其定位方法。

觸控螢幕裝置是一種可讓使用者在螢幕上直接與應用程式互動之裝置。觸控螢幕裝置的種類繁多，其中光學觸控螢幕是常見之一種。

第1圖顯示一種習知之光學式觸控螢幕系統1，其揭露於美國專利公告號第4,782,328號。如圖1所示，光學式觸控螢幕系統1包括兩感測器11，兩感測器11用於擷取在觸控區域12上之物件13之影像。處理器14耦接兩感測器11，藉由分析兩感測器11所產生之影像，以決定出分別連接物件13與兩感測器11之感測路線(sensing path)15。處理器14再根據感測路線15計算出物件13之位置座標。光學式觸控螢幕系統1需使用兩個感測器11，使得光學式觸控螢幕系統1的成本較高。

第2圖顯示另一種習知之光學式觸控螢幕系統2。為降低成本，中華民國發明專利公開號第201003477號(相應案：美國專利第7689381 B2號)揭示一種光學式觸控螢幕系統2，其包括一反射鏡21、兩光源22、一影像感測器23與一處理器24。反射鏡21和兩光源22設置在觸控區域28周邊，反射鏡21用於產生物件25之一鏡像26。影像感測器23用於產生物件25之影像與鏡像26之影像。處理器24分析通過物件25之影像之感測路線27與通過鏡像26之影像之感測路線27，以及根據兩感測路線27計算出物件25之座標。光學式觸控螢幕系統2僅需要使用一個影像感測器23，因此可具較低成本。

在光學式觸控螢幕系統2中，當兩感測路線27太過相近時，物件25之影像與鏡像26之影像會重疊，因而無法計算出物件25的位置。如第2圖所示，於觸控區域28中靠近影像感測器23且未設有光源22側之局部區域，因物件之影像與鏡像之影像會重疊，從而造成無法偵測出物件之精確位置，故此局部區域稱為盲區。

為解決前述盲區之問題，中華民國發明專利申請號第098131423號(又美國專利公開第20100309169號之FIG. 10亦接露類似裝置)揭露一種光學式觸控裝置，如第3圖所示。光學式觸控裝置100a包含一發光元件120、一影像偵測模組130、二導光條(112a、112b)以及二條狀鏡(114a、114b)。導光條112a、112b相鄰設置，且條狀鏡114a、114b亦相鄰設置，並且導光條112a、112b與條狀鏡114a、114b沿一矩形之四個邊排列，而矩形內的區域為一感測區116。導光模組110a包括二條狀鏡(114a、114b)，使得位於感測區116之每一觸控點會相應地產生三個鏡像，影像偵測模組130會擷取物件B之影像與三個鏡像B1～B3之影像，並根據這些影像計算出物件B的位置。雖然光學式觸控裝置100a的盲區150a的面積大幅減少，但是盲區的問題仍然存在，亦即B及B1之暗點影像和B2及B3之暗點影像會有部分重疊。此外，於條狀鏡114a、114b鄰接之直角處會有影像無窮反射之問題。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種使用複數個反射元件之光學觸控系統及其定位方法，不但解決盲區之問題，亦可以避免無窮反射之發生。

本發明目的之一在提供一種可以解決盲區問題之光學觸控系統。

本發明另一目的之一在提供一種用於光學觸控系統之定位方法。

為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種一種光學觸控系統，定位存在於一觸控區域之一物件，包含：至少兩個反射元件，設於該觸控區域中相鄰的一第一側邊及一第二側邊，其中該第一側邊及該第二側邊之長度和係大於該兩個反射元件之長度和；兩個發光元件，設於該觸控區域中相鄰的一第三側邊及一第四側邊；一影像感測器，擷取該物件之一物件影像及該物件於該兩個反射元件內產生的至少一鏡像影像；以及一處理器，根據該物件影像及該鏡像影像之幾何資料以計算該物件之座標。

在其中一種實施型態中，該幾何資料係該物件影像及該鏡像影像之中心、重心、代表位置或邊界。

在其中一種實施型態中，該光學觸控系統另包含設於該第一側邊及該第二側邊之兩個發光元件，其中該兩個反射元件係相鄰接。設於該第一側邊及該第二側邊之該兩個發光元件分別和設於該第三側邊及該第四側邊之該兩個發光元件相鄰接。

在其中一種實施型態中，設於該第一側邊之該反射元件係覆蓋整個該第一側邊，設於該第二側邊之該反射元件係覆蓋該第二側邊之中間部分。設於該第四側邊之該發光元件係覆蓋該第四側邊之部分，且和設於該第一側邊之該反射元件相鄰接。

在其中一種實施型態中，該處理器根據該物件影像及該鏡像影像於該影像感測器內之成像區域數目，以選取該物件影像及該鏡像影像非重疊之兩該成像區域或該物件影像及該鏡像影像重疊之成像區域，藉由該成像區域之幾何資料計算該物件之座標。

就另一個觀點言，本發明提供了一種用於光學觸控系統之定位方法，一光學觸控系統中影像感測器會擷取存在於一觸控區域內一物件之物件影像及兩個反射元件所形成複數個鏡像影像，該定位方法包含：檢查該物件影像及該鏡像影像之成像區域數目；若該成像區域數目等於4，則任選兩該成像區域，並根據此兩個成像區域之幾何資訊以得到該物件之座標；若該成像區域數目等於3，選擇該物件影像及該鏡像影像非重疊之兩該個成像區域，並根據此兩該成像區域之幾何資訊以得到該物件之座標；以及若該成像區域數目小於3，選擇該物件影像及該鏡像影像重疊之成像區域，並根據此成像區域之邊界以得到該物件之座標。

就另一個觀點言，本發明又提供了一光學觸控系統，定位存在於一觸控區域之一物件，其包含：至少兩個反射元件，設於該觸控區域中相鄰的一第一側邊及一第二側邊，其中該兩個反射元件間之夾角係大於90度；兩個發光元件，設於該觸控區域中相鄰的一第三側邊及一第四側邊；一影像感測器，擷取該物件之一物件影像及該物件於該兩個反射元件內產生的至少一鏡像影像；以及一處理器，根據該物件影像及該鏡像影像之幾何資料以計算該物件之座標。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

第4圖顯示本發明一實施例之光學觸控系統之示意圖。當一物件45(例如：手指或觸控筆(stylus pen))接觸光學觸控系統4之觸控區域48，該系統會計算而定位物件45所在之座標。光學觸控系統4包含第一和第二反射元件(411、412)、第一至第四發光元件(421～424)、一影像感測器43及一處理器44。第一反射元件411和第二反射元件412係分別設於觸控區域48中相鄰的第一側邊481及第二側邊482，又第一發光元件421和第二發光元件422係分別設於觸控區域48中相鄰的第三側邊483及第四側邊484。該第一反射元件411和第二反射元件412可以是一平面反射鏡(plane mirror)，但不以此為限定。第一至第四發光元件(421～424)可以是發出不可見光(invisible light)之線性光源，又影像感測器43具有一影像感測視窗(image-sensing window)與一濾波器(filter)。

第一反射元件411與第二發光元件422間另設有第三發光元件423，藉此影像感測器43可單獨得到物件45之物件影像，以避免先前技術之第2圖及第3圖中物件之影像與鏡像之影像重疊，此部分會於第5圖中詳述。第二反射元件412與第一發光元件421間可以設有第四發光元件424，藉此避免當物件45接近第四發光元件424附近區域所造成相似之影像重疊。此外，第一反射元件411與第二反射元件412間之夾角可大於90度，以解決前述無窮反射之問題，該夾角較佳地建議係90度至96度。由第4圖可知，第一反射元件411未覆蓋整個第一側邊481，與第二反射元件412未分別覆蓋整個第二側邊482，亦即該第一側邊481及該第二側邊482之長度和係大於該兩個反射元件(411、412)之長度和。此實施例係在反射元件靠近影像感測器一側設置非反射區域，故可降低物件實像與虛像重疊之問題，且進一步在該處使用發光元件可增加物件實像辨識之準確度。

第5圖顯示第4圖之光學觸控系統中通過物件之觀測線之示意圖，及圖6顯示第5圖中影像感測器之影像感測視窗的示意圖。當物件45位於或接近第三發光元件423附近區域，因為第二發光元件422及第三發光元件423會發出光線，因此會於影像感測器43之影像感測視窗60上形成亮度較高的亮區(bright zone)61；但因為物件45會遮蔽第三發光元件423之部分光線，故會形成狹窄及灰暗之物件影像62(或稱為物件光學資訊)，請參見第6圖。相較於先前技術之第3圖，本實施例會得到單獨之物件影像62，而再不會有鏡像影像和物件影像62重疊之問題。同時，物件45因第二反射元件412產生之一第一鏡像491，又第一鏡像491會因第一反射元件411成像為一第二鏡像492。該第一鏡像491及第二鏡像492會於影像感測視窗50上分別形成一第一鏡像影像631及一第二鏡像影像632(或稱為第一鏡像及第二鏡像之光學資訊)。在本實施例中，物件影像62可為較影像感測視窗60中背景(亮區61)亮度值為低之一遮蔽影像。

參照第6圖所示，處理器44可選擇物件影像62、第一鏡像影像631及第二鏡像影像632中任二個光學資訊，並根據所選擇之光學資訊的中心、重心或代表位置等幾何資料而得到物件45之實際座標。有關於詳細的座標計算方法為所屬技術領域中的通常知識，在此將不詳述，或可參見中華民國發明專利申請號第098131423號及第098100969號之記載。因為第二鏡像影像632為二次反射形成之鏡像，因為光程較長所以光學資訊可能較不明顯或足夠，例如：亮度相較於背景不明顯，故可以利用物件影像62及第一鏡像影像631計算得到物件45之座標。相似地，當物件45接近第四發光元件424附近區域，因本實施例進一步設置第四發光元件424以取代鏡面，所以可以解決前述之影像重疊問題，而得到單獨之物件影像。

第7圖顯示本發明另一實施例之光學觸控系統之示意圖。光學觸控系統7包含第一和第二反射元件(711、712)、第一至第四發光元件(721～724)、一影像感測器43及一處理器44。第一反射元件711和第二反射元件712係分別設於觸控區域48中相鄰的第一側邊481及第二側邊482，又第一發光元件721和第二發光元件722係分別設於觸控區域48中相鄰的第三側邊483及第四側邊484。設於第二側邊482及第三側邊483之發光元件(721、723、724)為主要提供照明者，可以用以輔助物件45的實像成像以及在第一反射元件711的鏡像成像。本實施例進一步在第二側邊482的中間設置第二反射元件712，及於第四側邊484且鄰接第一側邊481處設置第二發光元件722，當物件45接近第一側邊481及第四側邊484之交接處，若物件45之實像與第一反射元件711之鏡像重疊時，則可利用第二反射元件712產生物件45的另一鏡像，藉此可計算物件45之座標。

由於第二反射元件712係為解決物件45位於左上角盲區而無法計算座標之問題，因此僅需要設於第二側邊482之中央區域，從而使得位於盲區之物件45可以在第二反射元件712後方形成鏡像，藉此消除或縮減盲區。而第二發光元件722為非必要元件，主要係用以加強在第二反射元件712中物件45之成像。此外，第二發光元件722並未延伸至影像感測器43，如此當物件45靠近影像感測器43時，就不會有過多光線直接自物件45表面反射至影像感測器43內，從而影響物件或鏡像影像之擷取。第二反射元件712及第二發光元件722是用以解決左上角盲區問題，因此該兩元件之長度係可根據原盲區之範圍以進行調整。

第8圖顯示第7圖之光學觸控系統中通過物件之觀測線之示意圖，及圖9顯示第8圖中影像感測器之影像感測視窗的示意圖。當物件45位於或接近第二發光元件722附近區域，因為各發光元件(721、722、723、724)會發出光線，因此會於影像感測器43之影像感測視窗90上形成亮度較高的亮區91；但因為物件45會遮蔽第一反射元件711反射該第一發光元件721之部分光線的反射光線，故會於影像感測視窗90形成狹窄及灰暗之物件影像及第一鏡像791之重疊影像92(或稱為物件及第一鏡像光學資訊)，請參見第9圖。同時，物件45因第二反射元件712產生之一第二鏡像792，又第二鏡像792會因第一反射元件711成像為一第三鏡像793。該第二鏡像792及第三鏡像793會於影像感測視窗90上分別形成一第二鏡像影像931及一第三鏡像影像932(或稱為第二鏡像及第三鏡像之光學資訊)。

如前所述，當第二鏡像影像931及第三鏡像影像932之光學資訊相較於背景亮區91明顯或足夠，可以利用該兩個光學資訊的中心、重心或代表位置等幾何資料而得到物件45之實際座標。但第三鏡像影像932會因為光程較長，所得到之光學資訊可能較不明顯或不足夠，可以利用重疊影像92之兩側邊界或邊緣等幾何資訊計算出物件影像及第一鏡像791之個別成像範圍，茲詳述如下。

第10圖顯示本發明另一實施例光學觸控系統之示意圖。光學觸控系統110包含第一和第二反射元件(1111、1112)、第一和第二發光元件(421、421)、一影像感測器43及一處理器44。第一反射元件1111和第二反射元件1112係分別設於觸控區域48中相鄰的第一側邊481及第二側邊482，又第一發光元件421和第二發光元件422係分別設於觸控區域48中相鄰的第三側邊483及第四側邊484。第一反射元件1111和第二反射元件1112間之夾角可大於90度，以解決前述無窮反射之問題，該夾角較佳地建議係90度至96度。本實施例中物件45之座標計算方法和前述實施例所載方法類似，茲不在此贅述。

第11圖顯示本發明光學觸控系統之定位方法之流程圖。在步驟S121中，光學觸控系統中影像感測器擷取存在於一觸控區域內一物件之影像及兩個反射元件所形成複數個鏡像之影像，該物件之影像和最接近之鏡像在影像感測視窗中可能發生成像區域之重疊，如第9圖之重疊影像92，但於第5及6圖之實施例中較不可能發生。接著於步驟S122中，檢查物件之影像及鏡像之影像之成像區域數目是否小於4，若有前述成像區域重疊或對應光學資訊不明顯之問題發生，則成像區域數目會小於4。若成像區域數目等於4，則可任選兩個成像區域，並根據此兩個成像區域之重心或中心等幾何資訊以得到物件之座標，如步驟S123所示。若成像區域數目小於4，則繼續檢查成像區域數目會小於3，如步驟S124所示。若成像區域數目等於3，則可排除該物件影像及該鏡像影像重疊之成像區域，選擇另兩個鏡像之單獨成像區域，並根據此兩成像區域之重心或中心等幾何資訊以得到物件之座標，如步驟S125所示。若成像區域數目小於3，選擇該物件影像及該鏡像影像重疊之成像區域，則根據此成像區域之邊界，以分析其中物件之影像及鏡像之影像成像區域的重心或中心以得到物件之座標，如步驟S126所示。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，發光元件之設置位置及數量，可以不同於前述實施例之例示。或者，至少兩個反射元件覆蓋第一側邊及第二側邊之區域，如能形成足夠影像之光學資訊，亦為本發明保護之範疇。本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。

1．．．光學式觸控螢幕系統

11．．．感測器

12．．．觸控區域

13．．．物件

14．．．處理器

15．．．感測路線

110．．．光學觸控系統

1111．．．第一反射元件

1112．．．第二反射元件

120．．．發光元件

130．．．影像偵測模組

100a．．．光學式觸控裝置

110a．．．導光模組

112a、112b．．．導光條

114a、114b．．．條狀鏡

150a．．．盲區

2．．．光學式觸控螢幕系統

21．．．反射鏡

22．．．光源

23．．．影像感測器

24．．．處理器

25．．．物件

26．．．鏡像

27．．．感測路線

28．．．觸控區域

4．．．光學觸控系統

43．．．影像感測器

44．．．處理器

45．．．物件

48．．．觸控區域

411．．．第一反射元件

412．．．第二反射元件

421．．．第一發光元件

422．．．第二發光元件

423．．．第三發光元件

424．．．第四發光元件

481．．．第一側邊

482．．．第二側邊

483．．．第三側邊

484．．．第四側邊

491．．．第一鏡像

492．．．第二鏡像

60‧‧‧影像感測視窗

61‧‧‧亮區

62‧‧‧物件影像

631‧‧‧第一鏡像影像

632‧‧‧第二鏡像影像

7‧‧‧光學觸控系統

711‧‧‧第一反射元件

712‧‧‧第二反射元件

721‧‧‧第一發光元件

722‧‧‧第二發光元件

723‧‧‧第三發光元件

724‧‧‧第四發光元件

791‧‧‧第一鏡像

792‧‧‧第二鏡像

793‧‧‧第三鏡像

90‧‧‧影像感測視窗

91‧‧‧亮區

92‧‧‧重疊影像

931‧‧‧第二鏡像影像

932‧‧‧第三鏡像影像

B‧‧‧物件

B1~B3‧‧‧鏡像

S121~S126‧‧‧步驟

圖1顯示一種習知之光學式觸控螢幕系統。

圖2顯示另一種習知之光學式觸控螢幕系統。

圖3顯示另一種習知之光學式觸控螢幕系統。

第4圖顯示本發明一實施例之光學觸控系統之示意圖。

第5圖顯示第4圖之光學觸控系統中通過物件之觀測線之示意圖。

圖6顯示第5圖中影像感測器之影像感測視窗的示意圖。

第7圖顯示本發明另一實施例之光學觸控系統之示意圖。

第8圖顯示第7圖之光學觸控系統中通過物件之觀測線之示意圖。

圖9顯示第8圖中影像感測器之影像感測視窗的示意圖。

第10圖顯示本發明另一實施例之光學觸控系統之示意圖。

第11圖顯示本發明光學觸控系統之定位方法之流程圖。

4．．．光學觸控系統

43．．．影像感測器

44．．．處理器

45．．．物件

48．．．觸控區域

411．．．第一反射元件

412．．．第二反射元件

421．．．第一發光元件

422．．．第二發光元件

423．．．第三發光元件

424．．．第四發光元件

481．．．第一側邊

482．．．第二側邊

483．．．第三側邊

484．．．第四側邊

Claims (11)

1. 一種光學觸控系統，定位存在於一觸控區域之一物件，其包含：至少兩個反射元件，設於該觸控區域中相鄰的一第一側邊及一第二側邊，其中該第一側邊及該第二側邊之長度和係大於該兩個反射元件之長度和；四個發光元件，兩個該發光元件設於該第二側邊之兩端或分別設於該第一側邊與該第二側邊、另兩個該發光元件設於該觸控區域中相鄰的一第三側邊及一第四側邊；一影像感測器，擷取該物件之一物件影像及該物件於該兩個反射元件內產生的至少一鏡像影像，且接受直接來自該第二側邊之兩端或該第一側邊與該第二側邊之兩個該發光元件之部分光線；以及一處理器，根據該物件影像及該鏡像影像之幾何資料以計算該物件之座標。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中該幾何資料係該物件影像及該鏡像影像之中心、重心、代表位置或邊界。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中當兩個該發光元件係設於該第一側邊及該第二側邊，該兩個反射元件係相鄰接。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光學觸控系統，其中該兩個反射元件間之夾角係介於90度與96度之間。
5. 如申請專利範圍第3項所述之光學觸控系統，其中設於該第一側邊及該第二側邊之該兩個發光元件分別和設於該第三側邊及該第四側邊之該兩個發光元件相鄰接。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中設於該第一側邊之該反射元件係覆蓋整個該第一側邊，設於該第二側邊之該反射元件係覆蓋該第二側邊之中間部分。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學觸控系統，其中設於該第四側邊之該發光元件係覆蓋該第四側邊之部分，且和設於該第一側邊之該反射元件相鄰接。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控系統，其中該處理器根據該物件影像及該鏡像影像於該影像感測器內之成像區域數目，以選取該物件影像及該鏡像影像非重疊之兩該成像區域或該物件影像及該鏡像影像重疊之成像區域，藉由該成像區域之幾何資料計算該物件之座標。
9. 一種用於光學觸控系統之光學裝置，使存在於一光學觸控系統之一觸控區域中一物件成像，包含：一第一反射元件，設於該觸控區域之一第一側邊；一第二反射元件，設於該觸控區域之一第二側邊之中央的部分區域；一第一發光元件，設於該觸控區域之一第三側邊；一第二發光元件，設於該觸控區域之一第四側邊之部分區域並相鄰於該第一側邊；一第三發光元件；一第四發光元件，和該第三發光元件共設於該第二側邊，且分別與該第一側邊及該第三側邊相鄰接；其中該第二反射元件鄰接該第三發光元件及該第四發光元件。
10. 一種光學觸控系統，定位存在於一觸控區域之一物件，又該觸控區域包括四個依序鄰接之一第一側邊、一第二側邊、一 第三側邊及一第四側邊，其包含：一影像感測器，設於該第三側邊及該第四側邊之交接處；一發光單元，設於該第四側邊之部分區域並相鄰於該第一側邊；以及一反射單元，設於該觸控區域之該第二側邊之中央的部分區域；其中該影像感測器偵測該物件因該發光單元之光線於該反射單元中形成之鏡像。
11. 如申請專利範圍第10項所述之光學觸控系統，其另包含：一反射元件，設於該第一側邊；一發光元件，設於該第三側邊；一第一輔助發光元件；一第二輔助發光元件，和該第三發光元件共設於該第二側邊，且分別與該第一側邊及該第三側邊相鄰接；其中該反射單元鄰接該第一輔助發光元件及該第二輔助發光元件。