TWI507945B

TWI507945B - 觸控裝置及其光源結構

Info

Publication number: TWI507945B
Application number: TW098110248A
Authority: TW
Inventors: Heng Yao Chang; Sheng Ping Su
Original assignee: Tpk Touch Solutions Inc
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2015-11-11
Also published as: DE202009005254U1; TW201035831A

Description

觸控裝置及其光源結構

本發明是有關於一種觸控裝置及其光源結構，特別是有關於一種具有雷射光源之觸控裝置及其光源結構。

一般習知的觸控面板包含電阻式、電容式等不同形式之觸控面板，其中，上述形式之觸控面板的操作方式係藉由量測輸入介質(例如：人體或觸控筆)接觸觸控面板時所產生之電阻值或電容值變化，藉以定位出接觸位置，而達到輸入的目的。

由於上述類型的觸控面板係由多層的薄膜所構成，薄膜之透明性能的好壞直接影響到所搭配的顯示螢幕的視覺效果，影響視覺效果的因素還包括色彩失真度、反光性和清晰度這四種特性，任一特性表現不佳，皆會造成上述之觸摸螢幕之視覺效果不佳。此外，上述觸控面板進行輸入時，手指或觸控筆等必須接觸到面板，甚至需要施加相當壓力，藉以確保輸入效果，也容易因此造成面板表面刮傷，另外，觸控面板的解析度也受限於本身內部的線路佈局，因此無法適用於高解析度需求的大尺寸觸控面板。

因此，目前觸控面板還發展出光學式觸控面板，利用光學方式作為觸控位置偵測的介質，其優勢為100%不會影響顯示器的光學特性，其解析度乃取決於光感器的密度、韌體和軟體的解析度，其方便性和經濟性是有其優勢的。

一般採用鐳射作為偵測觸控位置的介質時，有兩種方式，一種是用鐳射陣列，也就是以一鐳射單元相對一鐳射偵測器，如此一來解析度越高，鐳射數量就越多，相對的製造成本、耗電流、發熱量等都會同步增大，完全不利於產品的實現性。LED陣列式的觸控技術可改善這個缺陷，但因LED為發散性光源，鐳射為直進性的光源，故以LED作為偵測位置的介質時，就只能達成類比式的效果，無法做到數位式的目標。另外也有以單一鐳射加上掃描機構的方式，此類設計是用振盪器或旋轉馬達來達到掃描偵測面的目的。好處是成本比較低，但因為採用高頻振盪器和馬達的原因，此兩種元件都會產生電磁波，干擾了原產品的通訊品質。另外，也有采用單一鐳射加上分光鏡陣列來造成掃描的目的，但此等方法會因為分光鏡的多寡造成各光束的光能呈級數衰減，造成偵測困難，或實質上根本無法偵測，簡單地說，就是實用價值不高。

另外如美國專利US7242388、US7305368、US7417681及US6614422等專利係將一個特定影像投射到一個成像平面來做為偵測位置的參考圖像，再進行影像比對來定義觸摸的位置。由於影像比對係以類比信號進行，需要以訊號處理器進行複雜的類比運算，才可判斷接觸位置，因此不適用於高解析度或需要高反應速率的觸控裝置。

有鑑於上述，本發明遂提供一種觸控裝置，不僅可應用於大尺寸顯示螢幕上，也可以解決大尺寸觸控面板解析度不足的問題，且該觸控裝置可直接輸出數位信號，而無須使用訊號處理器進行複雜的類比運算，即可判斷接觸位置。

本發明揭露之觸控裝置包含：一感測區、二反射鏡陣列、二雷射光源組以及二接收元件。感測區包含相鄰之一第一側邊及一第二側邊；反射鏡陣列分別設置於感測區之第一側邊及第二側邊；雷射光源組分別設置於該感測區之第一側邊及第二側邊且與各自對應之反射鏡陣列相距一預設距離，其中，每一該雷射光源組包含一雷射二極體(Laser Diode)、一衍射光學元件(Diffractive Optical Element)，該雷射二極體發出一雷射光，該雷射光通過該衍射光學元件形成複數均量之雷射光束，該等雷射光束透過該反射鏡陣列以平行排列分布於該感測區上空；該二接收元件分別設置於該第一側邊及該第二側邊之對側，且該接收元件具有複數之感測單元，每一該感測單元分別接收單一之該雷射光束以分別輸出一數位信號。

藉此，本發明之觸控裝置的尺寸及解析度可提高，且觸控裝置可輸出數位信號，訊號處理器不需進行複雜的運算，即可判斷接觸位置，因此能夠有效降低訊號處理器的運算能量及時間，觸控裝置的準確度及反應速度都能大幅提高。

13、13A、13B、13C‧‧‧雷射光斑

20‧‧‧輸入介質

21‧‧‧雷射光束

22‧‧‧雷射光束

124‧‧‧單一衍射鏡片

125‧‧‧鏡片組

200‧‧‧觸控裝置

210‧‧‧感測區

211‧‧‧第一側邊

212‧‧‧第二側邊

221‧‧‧第一雷射光源組

222‧‧‧第二雷射光源組

225‧‧‧雷射二極體

226‧‧‧衍射光學元件

231‧‧‧第一接收元件

232‧‧‧第二接收元件

250‧‧‧透明玻璃

260‧‧‧顯示螢幕

241‧‧‧第一反射鏡陣列

242‧‧‧第二反射鏡陣列

2311‧‧‧第一感測單元

2322‧‧‧第二感測單元

第一圖與第二圖顯示根據本發明一較佳實施例之觸控裝置之俯視示意圖及側視示意圖。

第三圖顯示第一圖中，反射鏡陣列之示意圖。

第四圖顯示第一圖中，雷射光源組之示意圖。

第五圖至第七圖分別顯示不同衍射光學元件所形成之雷射光斑的示意圖。

第八圖與第九圖分別顯示微晶體鏡片的示意圖及微晶體鏡片作用示意圖。

本發明的一些實施例將詳細描述如下。然而，除了如下描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行，且本發明的範圍並不受實施例之限定，其以之後的專利範圍為準。再者，為提供更清楚的描述及更易理解本發明，圖示內各部分並沒有依照其相對尺寸繪圖，某些尺寸與其他相關尺度相比已經被誇張；不相關之細節部分也未完全繪出，以求圖示的簡潔。

第一圖與第二圖顯示根據本發明一較佳實施例之觸控裝置200之俯視示意圖及側視示意圖。於第二圖中，揭露出觸控裝置200可設置於一顯示螢幕260之表面，或是藉由一專屬的透明玻璃250架設於顯示螢幕260的表面。而於第一圖中揭露出觸控裝置200包含：一對測區210、第一反射鏡陣列(Reflective Lens Array)241、第二反射鏡陣列242、第一雷射光源組221、第二雷射光源組222、第一接收元件231以及第二接收元件232。

感測區210包含相鄰之一第一側邊211及一第二側邊212；反射鏡陣列241、242分別設置於感測區210之第一側邊211及第二側邊212；第一雷射光源組221與第二雷射光組222分別設置於感測區210之第一側邊211及第二側邊212(例如兩側邊的中央位置)且與各自對應之反射鏡陣列241、242相距一預設距離；第一接收元件231與第二接收元件232分別設置於第一側邊211及第二側邊 212之對側。第一雷射光源組221與第二雷射光源組222分別發出複數均量之雷射光束21、22，雷射光束21、22於感測區210上空形成交錯排列(例如棋盤式排列)；第一接收元件231與第二接收元件232則分別接收該等雷射光束21、22。

第一接收元件231與第二接收元件232分別具有複數之第一感測單元2311與第二感測單元2322，用以感測得到位置與能量的變化。上述觸控面板200進行輸入時，輸入介質(例如：人體或觸控筆)20等遮住部分之雷射光束21、22，而使得第一接收元件231以及第二接收元件232感測得到位置與能量的變化，再輸出至一訊號處理器(圖中未示)進行運算，藉以判斷感測區210內之接觸位置，達到輸入的功能。另外，根據本實施例，第一接收元件231與第二接收元件232均為線性影像感測器(Linear Image Sensor)，但並不以此為限，第一接收元件231與第二接收元件232也可以採用其他可達成相同功能的裝置。

由於雷射光束21、22為同調光(Coherent Light)，光線不會發散，單一雷射光束21、22可照射至單一感測單元而形成on-off信號，使得第一接收元件231與第二接收元件232感測的信號為數位信號，信號解讀的速度和正確性大幅優於先前技術之類比信號，因此前述之訊號處理器不需進行傳統複雜的類比運算，即可直接判斷感測區210內之接觸位置，因此能夠有效降低訊號處理器的運算能量及時間，準確度及反應速度都能大幅提高。

第三圖顯示第一圖中反射鏡陣列(Reflective Lens Array)之示意圖。茲舉第一反射鏡陣列241為例，反射鏡陣列241包含複數之反射鏡，用以調整每一雷射光束21的方向，使得該等雷射光束21與第一側邊211垂直，且該等雷射光束21彼此平行排列於感測區210上空，而不會互相影響前進的能量，同理，再加入同樣功能的第二反射鏡陣列242，可使得雷射光束21、22於感測區210上空形成交錯排列。

第四圖顯示第一圖中雷射光源組之示意圖。本實施例中，第一雷射光源組221與第二雷射光源組222分別包含一雷射二極體(Laser Diode)225及一衍射光學元件(Diffractive Optical Element)226，衍射光學元件226設置於雷射二極體225之前端，衍射光學元件226係用以將雷射二極體225發出之單一雷射光分成複數均量之雷射光束21、22，即該等雷射光束21、22具有大小與能量均相等之雷射光斑(Laser Spot)13。

由於雷射二極體225是一種同調性(Coherent)相當良好的光源，所發出之雷射光束21、22不會發散，而且不會因傳遞的距離遠近而有所衰減，因此不會產生發光二極體光源的種種問題。另外，雷射二極體225的體積小，耗電量小，壽命長，十分適合應用在觸控裝置200。

本實施例中，衍射光學元件226係一微晶體鏡片(Chip Lens)，微晶體鏡片可依照系統解析度要求，將雷射二極體225發出之單一雷射光分成數個或數十個同樣大小且具有相同能量之雷射光束21、22，但並不以此為限，衍射光學元件226也可以採用其他可達成相同功能的裝置。由於衍射光學元件26可將雷射二極體225發出之單一雷射光分成複數之雷射光束21、22，因此，雷射二極體225的數量不需要隨著解析度的提高而增加，不但可以節省成本，也不會產生耗電或散熱問題。

第五圖至第七圖分別顯示不同衍射光學元件所形成之雷射光斑(Laser Spot)13的示意圖。請參考第五圖，將單一衍射鏡片(Diffraction Lens)124設置於雷射二極體225之前端，雷射二極體225發出之單一雷射光可分成數個具有雷射光斑13A的雷射光束，雷射光斑13A之大小與能量分布不均，中央之雷射光斑具有較大尺寸及較大能量，邊界之雷射光斑則具有較小尺寸及較小能量，由於邊界之雷射光束能量會快速衰減，無法得到同樣大小且具有相同能量之雷射光斑13，同時造成投射角度較受限制。

請參考第六圖，將複數衍射鏡片所組成的鏡片組125設置於雷射二極體225之前端，雷射二極體225發出之單一雷射光可分成數個具有雷射光斑13B的雷射光束，雖然雷射光束因重疊的鏡片而經過多次的均光及像差修正，然而雷射光斑13B之大小與能量仍然分布不均，無法得到同樣大小且具有相同能量之雷射光斑13B，因此運算上仍為傳統的類比訊號。此外，鏡片組125在組裝時需要複雜的對位程序，而且鏡片組125之體積與重量都較大，成本高昂，不適合應用於消費性產品之觸控裝置200。

請參考第七圖，即本發明所採用的衍射光學元件，將微晶體鏡片之衍射光學元件226設置於雷射二極體225之前端，雷射二極體225發出之單一雷射光可分成數個具有雷射光斑13C的雷射光束，此時，雷射光斑13C具有同樣大小及相同能量。本實施例中，藉由微晶體鏡片之衍射光學元件226將光源直接分離為數個雷射光斑13C，例如將光源直接分離為n個雷射光斑，每個雷射光斑的能量就是原有能量的1/n。由於每個雷射光斑的能量相近，前述之第一接收元件231與第二接收元件232可以輕易且直接感測雷射光斑13，不會產生誤判的狀況。

另外，本實施例將微晶體鏡片之衍射光學元件226設置於雷射二極體225之前端，等於將鏡片組縮成單一鏡片，不但具有成本減少、節省空間等優點，同時也可以簡化製造時的複雜對位程序，其實用性也就大為提高。

第八圖與第九圖分別顯示微晶體鏡片的示意圖及微晶體鏡片作用示意圖。微晶體鏡片(Chip Lens)係以半導體或微機電之相關生產技術所製作之鏡片，利用乾式或濕式成形法在玻璃上已形成無數個凸凹透鏡，能夠將能量分佈不均的光線轉化成能量分佈均勻的光線，藉以達到整體的光學效果。其中，乾式成形法包含模造、雷射蝕刻(Laser Etching)等技術；濕式成形法包含化學蝕刻(Chemical Etching)等技術。

本實施例中，藉由微晶體鏡片(Chip Lens)將一個光束分為數個具有等能量、等大小雷射光斑13的雷射光束21、22，同時每一雷射光束21、22的發散角也都被限制為零，所以第一接收元件231與第二接收元件232收到的信號在每個位置都會是同等電位的信號，例如，第一接收元件231的感測單元2311不會受到相鄰雷射光束21的影響而有所變化。當雷射光束21未被遮避時，感測單元的信號定義為1；當雷射光束21被遮避時，第一接收元件231的感測單元2311就不會接收到任何光能，感測單元的信號定義為0。藉此，使得第一接收元件231的感測單元2311所接收的信號只有1與0兩種，不會有其他狀況出現。根據相同原理，第二接收元件232的感測單元2322也不會受到相鄰雷射光束22的影響而有所變化。藉此可大幅提昇觸控裝置解析度，例如在相同的客觀條件下，假設前述單一衍射鏡片可於5吋的尺寸範圍內產生11條光線，而前述之微晶體鏡片卻可產生121條以上的光線，因此可大幅提昇觸控裝置解析度。

藉由本發明之觸控裝置，觸控裝置的尺寸及解析度可提高，且觸控裝置可輸出數位信號，訊號處理器不需進行複雜的運算，即可判斷接觸位置，因此能夠有效降低訊號處理器的運算能量及時間，觸控裝置的準確度及反應速度都能大幅提高。

上述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟悉此技藝之人士能了解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即凡其他未脫離本發明所揭示精神所完成之各種等效改變或修飾都涵蓋在本發明所揭露的範圍內，均應包含在下述之申請專利範圍內。