TWI488093B - 觸控位置的偵測方法及使用其之光學式觸控裝置 - Google Patents

Description

觸控位置的偵測方法及使用其之光學式觸控裝置

本發明是有關於一種觸控位置的偵測方法，尤其是有關於一種用於光學式觸控裝置之觸控位置的偵測方法以及使用此方法的光學式觸控裝置。

隨著科技的進步，觸控裝置已被大量地應用在電子產品中。現階段，較常見的觸控裝置為電阻式、電容式及光學式觸控裝置等，其中光學式觸控裝置主要是藉由光感測模組來偵測於觸控面上作動的物件所造成的亮度變化，藉以判定物件的位置。

習知光學式觸控裝置通常只能偵測到物件在觸控面的二維座標，若物件與觸控面之間有間距時，則無法偵測到物件與觸控面之間的距離。為了解決此問題，習知技術另提出了在觸控面的相對兩側邊增設輔助偵測光源的技術。輔助偵測光源的仰角(即等於輔助偵測光源所提供的光束與觸控面之間的夾角)會在一特定的範圍內隨時間而改變。由於物件會反射輔助偵測光源所提供的光束，所以藉由偵測輔助偵測光源所提供的光束之反射至觸控面的位置變化，即可 判定物件與觸控面之間的距離。

然而，光束的傳遞會伴隨著能量衰減，這種將輔助偵測光源架設在觸控面的相對兩側邊的架構若應用於大尺寸的光學式觸控裝置，則當光束傳遞至在觸控面中央部分的上方時，光束的能量衰減將造成感測上的困擾。而且，由於輔助偵測光源設置於觸控面上，導致光學式觸控裝置的厚度較厚。此外，由於光源的仰角變化需花費較多的時間，所以每偵測一次物件的位置需耗費較長的時間，無法快速更新物件的位置。

本發明提出一種觸控位置的偵測方法，可快速地計算出物件的三維座標位置。

本發明另提出一種光學式觸控裝置，可計算出物件的三維座標位置，且具有厚度較薄的優點。

本發明所提供之觸控位置的偵測方法適用於光學式觸控裝置中，以偵測物件的位置。光學式觸控裝置包括觸控面板、第一光源及第二光源，其中觸控面板具有光感測元件。觸控位置的偵測方法包括：使第一光源提供第一光線穿過觸控面板，並偵測被物件反射的部分第一光線於光感測元件陣列的第一二維座標位置；使第二光源提供第二光線穿過觸控面板，並偵測被物件反射的部分第二光線於光感測元件陣列的第二二維座標位置；以及根據第一二維座標位置與第二二維座標位置計算出物件的三維座標位置。

本發明所提供的光學式觸控裝置，適於感測物件的位置。此光學式觸控裝置包括導光板、觸控面板、第一光 源以及第二光源。導光板具有相對的第一入光面與第二入光面以及連接於第一入光面與第二入光面之間的出光面。觸控面板配置於出光面上方，並具有光感測元件陣列。第一光源用以提供第一光線由第一入光面進入導光板，並穿過出光面與觸控面板。而第二光源用以提供第二光線由第二入光面進入導光板，並穿過出光面與觸控面板，其中第一光源與第二光源交替提供第一光線與第二光線，光感測元件陣列用以感測由物件反射的部分第一光線與部分第二光線的二維座標位置，藉以計算出物件的三維座標位置。

本發明觸控位置的偵測方法及光學式觸控裝置因採用第一光源及第二光源輪流提供第一光線與第二光線，以偵測被物件反射的第一光線在光感測元件陣列上的第一二維座標及第二光線在光感測元件陣列上的第二二維座標，因此可藉由第一二維座標及第二二維座標快速地計算出物件的三維座標位置。

100‧‧‧光學式觸控裝置

110‧‧‧導光板

111‧‧‧第一入光面

112‧‧‧第二入光面

113‧‧‧出光面

120‧‧‧觸控面板

121‧‧‧光感測元件陣列

122‧‧‧光感測元件

130‧‧‧第一光源

131‧‧‧第一光線

132‧‧‧基板

132a‧‧‧承載面

133‧‧‧點光源

140‧‧‧第二光源

141‧‧‧第二光線

142‧‧‧基板

142a‧‧‧承載面

143‧‧‧點光源

200‧‧‧物件

220‧‧‧觸控面板

221‧‧‧光感測元件陣列

222‧‧‧光感測元件

223‧‧‧第一基板

224‧‧‧第二基板

225‧‧‧顯示介質層

226‧‧‧開關元件陣列

227‧‧‧開關元件

301、302、303‧‧‧步驟

θ₁ ‧‧‧預定角度

θ₂ ‧‧‧預定角度

P₁ ‧‧‧第一二維座標位置

P₂ ‧‧‧第二二維座標位置

X₁ ‧‧‧第一x軸座標值

X₂ ‧‧‧第二x軸座標值

Y₁ ‧‧‧第一y軸座標值

Y₂ ‧‧‧第二y軸座標值

D‧‧‧x軸座標差值

Z‧‧‧z軸座標位置

圖1繪示本發明一實施例之觸控裝置的偵測方法之步驟流程圖。

圖2繪示本發明一實施例之光學式觸控裝置的結構示意圖。

圖3A繪示本發明一實施例中光感測元件接收到反射後的第一光線的示意圖。

圖3B繪示本發明一實施例中光感測元件接收到反射後的第二光線的示意圖。

圖4繪示本發明一實施例之x軸座標差值與z軸座標位置的對應關係資料圖。

圖5繪示本發明一實施例之光學式觸控裝置的觸控面板的結構示意圖。

圖1繪示本發明一實施例之觸控位置的偵測方法之步驟流程圖，而圖2繪示本發明一實施例之光學式觸控裝置的結構示意圖。請同時參閱圖1與圖2，本實施例之觸控位置的偵測方法係應用於光學式觸控裝置中，以下將搭配圖2所示的光學式觸控裝置100來詳細說明本實施例之觸控位置的偵測方法。光學式觸控裝置1.00包括導光板110、觸控面板120、第一光源130及第二光源140。導光板110具有第一入光面111與第二入光面112以及連接於第一入光面111與第二入光面112的出光面113，本實施例之第一入光面111與第二入光面112例如彼此相對。觸控面板120配置於出光面113上方，並具有光感測元件陣列121。也就是說，觸控面板120內部設有多個呈陣列排列的光感測元件122，而上述之光感測元件陣列121即包括這些光感測元件122。第一光源130例如配置於第一入光面111旁，而第二光源140例如配置於第二入光面112旁。較佳地，第一入光面111與第二入光面112為相對應面，即上述二者入光面不相接，但不以此為限。

本實施例之觸控位置的偵測方法包括下列步驟：首先，如步驟301所示，使第一光源130提供第一光線(light beam)131穿過觸控面板120，並偵測被物件200反射的部分第一光線131於光感測元件陣列121的第一二維座標位置。 具體而言，第一光源130例如包括基板132及多個點光源133(圖2僅繪示一個)，基板132具有面向導光板110的承載面132a，而這些點光源133例如沿一直線配置在承載面132a上。點光源133可為不可見光光源(如紅外光光源)或可見光光源。第一光線131進入導光板110後，會以預定角度θ₁ 從出光面113出射。雖然在圖2中僅以一條虛線來表示第一光線131，但實際上，當第一光源130發光時，整個出光面113都會有第一光線131以預定角度θ₁ 出射，並穿過觸控面板120。當部分第一光線131碰到位於觸控面板120上方的物件200(如手指或觸控筆等能反光的實體)時，物件200會反射此部分的第一光線131至觸控面板120的光感測元件陣列121。如圖3A所示，部分光感測元件122能接收到被反射的第一光線131，而根據接收到反射後的第一光線131的光感測元件122的位置即可偵測到物件200的第一二維座標位置P₁ 。本實施例例如是以二維直角座標為例，而第一二維座標位置P₁ 包括第一x軸座標值X₁ 及第一y軸座標值Y₁ 。

接著，如步驟302所示，使第二光源140提供第二光線(light beam)141穿過觸控面板120，並偵測被物件200反射的部分第二光線141於光感測元件陣列121的第二二維座標位置，第一光源130與第二光源140是不同時開啟的。具體而言，第二光源140例如包括基板142及多個點光源143(圖2僅繪示一個)，基板142具有面向導光板110的承載面142a，而這些點光源143例如沿一直線配置在承載面142a上。第二光線141進入導光板110後，會以預定角度θ₂ 從出光面113出射。雖然在圖2中僅以一條虛線來表示第二光線141，但實際上，當第二光源140發光時，整個出光面113都 會有第二光線141以預定角度θ₂ 出射，並穿過觸控面板120。當部分第二光線141碰到位於觸控面板120上方的物件200時，物件200會反射此部分的第二光線141至觸控面板120的光感測元件陣列121。如圖3B所示，部分光感測元件122能接收到被反射的第二光線141，而根據接收到反射後的第二光線141的光感測元件122的位置即可偵測到物件200的第二二維座標位置P₂ 。此第二二維座標位置P₂ 包括第二x軸座標值X₂ 及第二y軸座標值Y₂ 。

之後，如步驟303所示，根據第一二維座標位置P₁ 及第二二維座標位置P₂ 計算出物件200的三維座標位置。本實施例中，計算出物件200的三維座標位置的步驟例如是根據第一x軸座標值X₁ 與第二x軸座標值X₂ 計算出物件200的三維座標位置的x軸座標值X₃ ，其中X₃ 例如等於(X₁ +X₂ )/2。並且，根據第一y軸座標值Y₁ 及/或第二y軸座標值Y₂ 計算出物件200的三維座標位置的y軸座標值Y₃ 。詳細而言，當第一y軸座標值Y₁ 與第二y軸座標值Y₂ 相等時，則第三y軸座標值Y₃ 也等於第一y軸座標值Y₁ 與第二y軸座標值Y₂ ，此時根據第一y軸座標值Y₁ 或第二y軸座標值Y₂ 即可計算出y軸座標值Y₃ 。當第一y軸座標值Y₁ 與第二y軸座標值Y₂ 不同時，y軸座標值Y₃ 例如等於(Y₁ +Y₂ )/2。此外，計算出物件200的三維座標位置的步驟更包括計算第一x軸座標值X₁ 與第二x軸座標值X₂ 之差D₀ ，並對照預先建立的一個x軸座標差值D與z軸座標位置Z的對應關係資料(如圖4所示)得到物件200的三維座標位置的z軸座標值Z₃ ，此z軸座標值表示物件200與觸控面板120之間的間距。在圖4中，x軸座標差值D與z軸座標位置Z的對應關係例如是呈 線性關係，但不同架構的光學式觸控裝置會有不同的線性關係甚至是非線性關係。在一實施例中，當x軸座標差值D₀ 與z軸座標位置Z₀ 的對應關係為D₀ 等於Z₀ 時，則計算第一x軸座標值X₁ 與第二x軸座標值X₂ 之差值D₀ 即物件200的三維座標位置的z軸座標值Z₃ 。

在本實施例中，第一光源130與第二光源140是交替地提供第一光線131與第二光線141，而光感測元件陣列121用以感測由物件200反射的部分第一光線131與部分第二光線141的二維座標位置P₁ 、P₂ ，藉由二維座標位置P₁ 、P₂ 即可計算出物件200的三維座標位置。由於第一光源130與第二光源140交替發光的切換頻率較高，所以能快速地將被物件200所反射的部分第一光線131與部分第二光線141至光感測元件陣列121來感測物件200的二維座標位置P₁ 、P₂ ，藉由二維座標位置P₁ 、P₂ 即可計算出物件200的三維座標位置。舉例來說，若上述切換頻率為約30赫茲(Hz)，則每1/15秒即可更新一次物件200的三維座標位置。此外，相較於習知技術，由於本實施例不需於觸控面板120上增設輔助偵測光源，不會增加光學式觸控裝置100的厚度，所以能使光學式觸控裝置100具有厚度較薄的優點。另外，由於第一光線131與第二光線141可從整個出光面113均勻地出射，所以即使光學式觸控裝置100的尺寸較大，也能快速且精確地感測物件200的三維座標。

需說明的是，雖然上述實施例中是以導光板110底部的特殊結構來調整第一光線131與第二光線141從出光面113出射的角度，但在其他實施例中，第一光線131與第二光線141也可以垂直於出光面113的角度出射，並藉由設 置於導光板110上方的其他光學膜片來調整第一光線131與第二光線141行進方向。此外，雖然上述光學式觸控裝置100中，第一光源130與第二光源140是配置於導光板110的相對兩側，但本實施例的觸控位置的偵測方法並非限定用於這種架構的光學式觸控裝置100。舉例來說，此觸控位置的偵測方法也可適用於第一光源130與第二光源140配置於導光板110的相鄰兩側面旁的架構。

上述之觸控面板120可具有顯示功能或不具顯示功能。由於採用本實施例之觸控位置的偵測方法的光學式觸控裝置100能感測到物件200的三維座標，所以能應用在立體顯示器，以在立體空間中進行觸控的動作。在一實施例中，可將立體顯示器的顯示面板與上述之觸控面板120整合成同一面板。如圖5所示，觸控面板220包括第一基板223、第二基板224及顯示介質層225。第二基板224與第一基板223相對，顯示介質層225配置於第一基板223與第二基板224之間。顯示介質層225例如為非自發光顯示材料之液晶層，但不以此為限。第一基板223設有光感測元件陣列221與開關元件陣列226。光感測元件陣列221包括多個呈陣列排列的光感測元件222，而開關元件陣列226包括多個呈陣列排列的開關元件227(例如薄膜電晶體)。光感測元件222的數量可等於或少於開關元件227的數量。由於用於操控觸控面板220的物件尺寸較大，一般而言，光感測元件222設置的密度可小於開關元件227設置的密度。

值得一提的是，若將圖5之觸控面板220應用至圖2所示的光學式觸控裝置100中，以取代圖2之觸控面板120，則若上述之第一光源130與第二光源140皆可為可見光 光源(例如白光光源)，而第一光源130與第二光源140所提供的第一光線131與第二光線141還可作為利用非自發光顯示材料所製造的具有顯示功能之觸控面板220的背光源，用以提供觸控面板220於顯示畫面時，所需要的光。當然，在這樣的架構下，若第一光源130與第二光源140也皆可為不可見光光源，而在導光板110的第一入光面111與第二入光面112至少其中之一旁，或是導光板110的其他側面旁可另外增設可見光源(圖未示)，以提供觸控面板220於顯示畫面時，所需要的光。於其它的實施例中，第一光源130與第二光源140其中一者可為可見光光源時，則第一光源130與第二光源140其中另一者就為非可見光光源，則此時第一光源130與第二光源140同時當作觸控面板220中光感測元件陣列221所需要的光源以及觸控面板220顯示畫面所需要的光源。當然，第一光源130與第二光源140二者皆為可見光光源亦可如上述所述當作光感測元件陣列221與顯示畫面所需的光源。

綜上所述，本發明觸控位置的偵測方法及光學式觸控裝置因採用第一光源及第二光源輪流提供第一光線與第二光線，以偵測被物件反射的第一光線在光感測元件陣列上的第一二維座標及第二光線在光感測元件陣列上的第二二維座標，因此可藉由第一二維座標及第二二維座標快速地計算出物件的三維座標位置。此外，相較於習知技術，由於本實施例不需於觸控面板上增設輔助偵測光源，所以能使光學式觸控裝置具有厚度較薄的優點。另外，由於第一光線與第二光線可從整個出光面均勻地出射，即使光學式觸控裝置的尺寸較大，也能快速且精確地感測物件的三維座標。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧光學式觸控裝置

110‧‧‧導光板

111‧‧‧第一入光面

112‧‧‧第二入光面

113‧‧‧出光面

120‧‧‧觸控面板

121‧‧‧光感測元件陣列

122‧‧‧光感測元件

130‧‧‧第一光源

131‧‧‧第一光線

132‧‧‧基板

132a‧‧‧承載面

133‧‧‧點光源

140‧‧‧第二光源

141‧‧‧第二光線

142‧‧‧基板

142a‧‧‧承載面

143‧‧‧點光源

200‧‧‧物件

θ1‧‧‧預定角度

θ2‧‧‧預定角度

Claims (10)

1. 一種觸控位置的偵測方法，適用於一光學式觸控裝置中，以偵測一物件的位置，該光學式觸控裝置包括一觸控面板、一第一光源及一第二光源，該觸控面板具有一光感測元件陣列，該觸控位置的偵測方法包括：使該第一光源提供一第一光線穿過該觸控面板，並偵測被該物件反射的部分該第一光線於該光感測元件陣列的一第一二維座標位置；使該第二光源提供一第二光線穿過該觸控面板，並偵測被該物件反射的部分該第二光線於該光感測元件陣列的一第二二維座標位置；以及根據該第一二維座標位置與該第二二維座標位置計算出該物件的一三維座標位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之觸控位置的偵測方法，其中該第一二維座標位置包括一第一x軸座標值與一第一y軸座標值，該第二二維座標位置包括一第二x軸座標值與一第二y軸座標值，而計算出該物件的該三維座標位置的步驟包括：根據該第一x軸座標值與該第二x軸座標值計算出該物件的該三維座標位置的x軸座標值；根據該第一y軸座標值及/或該第二y軸座標值計算出該物件的該三維座標位置的y軸座標值；以及計算該第一x軸座標值與該第二x軸座標值之差，並對照預先建立的一x軸座標差值與z軸座標位置的對應關係資 料得到該物件的該三維座標位置的z軸座標值，該z軸座標值表示該物件與該觸控面板之間的間距。
3. 如申請專利範圍第2項所述之觸控位置的偵測方法，其中該三維座標位置的x軸座標值為該第一x軸座標值與該第二x軸座標值的平均值，該三維座標位置的y軸座標值等於該第一y軸座標值，也等於該第二y軸座標值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之觸控位置的偵測方法，其中該第一二維座標位置包括一第一x軸座標值與一第一y軸座標值，該第二二維座標位置包括一第二x軸座標值與一第二y軸座標值，而計算出該物件的該三維座標位置的步驟包括：根據該第一x軸座標值與該第二x軸座標值計算出該物件的該三維座標位置的x軸座標值；根據該第一y軸座標值及/或該第二y軸座標值計算出該物件的該三維座標位置的y軸座標值；以及計算該第一x軸座標值與該第二x軸座標值之差值即該三維座標位置的z軸座標值。
5. 如申請專利範圍第2或4項所述之觸控位置的偵測方法，其中該第一光源與該第二光源不同時開啟。
6. 一種光學式觸控裝置，適於感測一物件的位置，該光學式觸控裝置包括：一導光板，具有相對的一第一入光面與一第二入光面以 及一連接於該第一入光面與該第二入光面之間的出光面；一觸控面板，配置於該出光面上方，並具有一光感測元件陣列；一第一光源，用以提供一第一光線由該第一入光面進入該導光板，並穿過該出光面與該觸控面板；以及一第二光源，用以提供一第二光線由該第二入光面進入該導光板，並穿過該出光面與該觸控面板，其中該第一光源與該第二光源交替提供該第一光線與該第二光線，該光感測元件陣列用以感測由該物件反射的部分該第一光線與部分該第二光線的二維座標位置，藉以計算出該物件的一三維座標位置。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學式觸控裝置，其中每一該第一光源與該第二光源包括：一基板，具有一面向該導光板的承載面；以及多個點光源，配置於該承載面。
8. 如申請專利範圍第6項所述之光學式觸控裝置，其中該觸控面板具有顯示功能，且包括：一第一基板，設有一開關元件陣列與該光感測元件陣列；一第二基板，與該第一基板相對；以及一顯示介質層，配置於該第一基板與該第二基板之間。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光學式觸控裝置，其中該第一光源與該第二光源為可見光光源。
10. 如申請專利範圍第8項所述之光學式觸控裝置，更包括至少一可見光光源，配置於該第一入光面與該第二入光面至少其中之一旁，而該第一光源與該第二光源為不可見光光源。