TWI521413B - 光學式觸控裝置 - Google Patents

Description

光學式觸控裝置

本發明是有關於一種觸控裝置，特別是有關於一種光學式觸控裝置。

觸控技術將電子裝置的螢幕與輸入模組結合，使用者只需使用手指在螢幕上按壓即可操作，其中光學式觸控在大尺寸的面板具有成本上的優勢。然而，由於此種偵測方式需要於對應光源處設置反射單元，光學式觸控裝置的重量也跟著增加。此外，由於使用光線作為偵測源，如何精準判斷使用者的點擊操作也是光學式觸控裝置發展上的一大挑戰。

本發明之光學式觸控裝置設置有多個發射單元並於不同時段發射影像，因此，藉由接收不同時段的影像，控制器得以精確判斷使用者的觸控操作為移動或是點擊。

本發明之一實施方式提供一種光學式觸控裝置，包含顯示面板、第一鏡頭模組、第二鏡頭模組以及控制器。第一鏡頭模組設置於顯示面板的角落且位於顯示面板表 面，並包含第一發射單元以及第一接收單元。第一發射單元用以朝顯示面板表面發射第一光束。第一接收單元用以擷取顯示面板上方的影像。第二鏡頭模組設置於顯示面板的另一角落且位於顯示面板表面，並包含第二發射單元以及第二接收單元。第二發射單元用以朝顯示面板表面發射第二光束。第二接收單元用以擷取顯示面板上方的影像。控制器連接至第一接收單元以及第二接收單元，其中當物件位於顯示面板上方時，控制器透過第一接收單元以及第二接收單元回傳之影像計算物件相對於顯示面板的水平位置，並透過第一接收單元回傳之影像判斷物件與顯示面板表面間的距離是位於點擊區或是操作區中。

100‧‧‧光學式觸控裝置

105‧‧‧手指

106‧‧‧手指影像

106’‧‧‧手指鏡像影像

108‧‧‧測試物件

109‧‧‧測試物件影像

109’‧‧‧測試物件鏡像影像

110‧‧‧顯示面板

111‧‧‧基準面

112‧‧‧觸控區

114‧‧‧控制器

116‧‧‧輸出端

118‧‧‧點擊區

119‧‧‧操作區

120‧‧‧第一鏡頭模組

122‧‧‧第一發射單元

124‧‧‧第一接收單元

126‧‧‧第一光束

130‧‧‧第二鏡頭模組

134‧‧‧第二接收單元

136‧‧‧第二光束

142‧‧‧第三光發射器

144‧‧‧第三光接收器

146‧‧‧第三光束

152‧‧‧第四光發射器

154‧‧‧第四光接收器

156‧‧‧第四光束

T‧‧‧週期

D‧‧‧距離單位

t₁‧‧‧第一時段

t₂‧‧‧第二時段

t₃‧‧‧第三時段

第1圖為依照本發明之光學式觸控裝置第一實施例的正面示意圖。

第2A圖為依照本發明光學式觸控裝置於沒有物件進入觸控區的側視示意圖。

第2B圖為第2A圖中第一接收單元所接收的影像示意圖。

第3A圖為依照本發明光學式觸控裝置於物件進入觸控區的側視示意圖。

第3B圖為第3A圖中第一接收單元所接收的影像示意圖。

第4A圖為依照本發明光學式觸控裝置定義物件觸控角度一實施例的正面示意圖。

第4B圖為依照本發明光學式觸控裝置定義物件觸控位置一實施例的正面示意圖。

第5A圖為依照本發明光學式觸控裝置中定義點擊區一實施例的正面示意圖。

第5B圖為第5A圖中第一接收單元所接收的影像示意圖。

第6A圖為依照本發明光學式觸控裝置第二實施例中發射第一光束以及第二光束的時序示意圖。

第6B圖為依照本發明光學式觸控裝置第三實施例中發射第一光束以及第二光束的時序示意圖。

第7圖為依照本發明之光學式觸控裝置第四實施例之的正面示意圖。

第8A圖為依照本發明光學式觸控裝置第五實施例中發射光束的時序示意圖。

第8B圖為依照本發明光學式觸控裝置第六實施例中發射光束的時序示意圖。

以下將以圖式及詳細說明清楚說明本發明之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本發明之較佳實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。

本發明之光學式觸控裝置以觸控操作的物件(例如手或筆等等)作為反射界面，因此不需要額外設置反射單元，使得光學式觸控裝置的重量以及成本下降。此外，光 學式觸控裝置設置於不同時段發射影像，並藉由接收不同時段的影像得以精確判斷使用者的移動操作以及點擊操作。

請參照第1圖。第1圖為依照本發明之光學式觸控裝置第一實施例的正面示意圖。光學式觸控裝置100包含顯示面板110、第一鏡頭模組120、第二鏡頭模組130以及控制器114。第一鏡頭模組120與第二鏡頭模組130分別設置於顯示面板110的相對兩個角落。

第一鏡頭模組120包含第一發射單元122以及第一接收單元124。第一發射單元122用以提供第一光束126，舉例而言，可以於第一發射單元122內設置第一光發射器，使得第一發射單元122得以朝顯示面板110表面發射第一光束126。第一接收單元124用以擷取顯示面板110上方的影像，舉例而言，可以於第一接收單元124設置第一光接收器，使得當有物件靠近顯示面板110表面時，第一接收單元124得以接收自物件反射之第一光束126(或是物件因為受到第一光束126照亮而被第一接收單元124紀錄)。第二鏡頭模組130之架構與動作與第一鏡頭模組120相同，於此不再贅述。於一具體實施例中，第一發射單元122以及第一接收單元124為肉眼不可見的紅外線發射器。

詳細而言，光學式觸控裝置100以反射後的第一光束126以及第二光束136作為觸控判斷依據，因此，第一光束126以及第二光束136展開於顯示面板110表面上的範圍定義為觸控區112。此外，由於第一光束126以及第二 光束136是以執行觸控操作的物件作為反射界面，因此顯示面板110不需要額外設置有反射單元，使得光學式觸控裝置100整體重量以及成本下降。於一具體實施例中，第一光束126以及第二光束136所展開範圍涵蓋顯示面板110大部分範圍，較佳地，至少涵蓋觸控區112。

以下敘述將說明光學式觸控裝置100的偵測方式，其中第一鏡頭模組120以及第二鏡頭模組130偵測方式相同，而為了方便說明，將以第一鏡頭模組120為例說明，此外，為了方便說明，第一鏡頭模組120中的第一發射單元122以及第一接收單元124以縱向排列表示，此排列方式僅為例示而非用以限制本發明，合先敘明。

請同時參照第2A圖以及第2B圖。第2A圖為依照本發明光學式觸控裝置於沒有物件進入觸控區的側視示意圖，第2B圖為第2A圖中第一接收單元所接收的影像示意圖。第一光束126由第一發射單元122發射並透過第一發射單元122上之透鏡或鏡頭而展開，其中第一光束126的展開方向除了包含第1圖的水平方向(平行顯示面板110表面之方向)外，也包含垂直方向(垂直顯示面板110表面之方向)，而第一光束126與第二光束136所展開之重疊空間即為光學式觸控裝置100的觸控區112。

第2A圖中，當沒有物件位於觸控區112內時，由於不存在作為第一光束126反射界面的反射物，因此第一光束126並無透過反射而進入第一接收單元124。

第2B圖中，第一接收單元124所接收的影像範圍 包含觸控區112影像以及顯示面板110影像，其中第2B圖中虛線部分表示顯示面板110之表面。由於觸控區112內不存在作為反射界面的反射物，第一接收單元124所偵測的影像畫面為全黑畫面。

請同時參照第3A圖以及第3B圖，第3A圖為依照本發明光學式觸控裝置於物件進入觸控區的側視示意圖，第3B圖為第3A圖中第一接收單元所接收的影像示意圖。本實施例中，以手指105作為觸控物件為例。

第3A圖中，當手指105進入觸控區112時，部分第一光束126於手指105處反射回第一接收單元124。同時，第一接收單元124所接收的影像中，手指105將於影像中對應的區域出現。因此，第3B圖中，由於手指105受到第一光束126照亮，第一接收單元124所接收之影像對應手指105位置處為手指影像106，而其餘未接收到反射影像部分仍為黑色。此外，於第一接收單元124所接收的影像中，由於手指105相當靠近顯示面板110，因此顯示面板110之表面亦會反射出手指105的圖樣，而此圖樣亦會被第一接收單元124所捕捉，從而第一接收單元124所接收的影像內也會出現手指鏡像影像106’。

根據本發明一實施例，觸控區112可定義出點擊區118以及操作區119。第3A圖中，點擊區118位於顯示面板110表面一預設距離內(如第3A圖之虛線)，亦即，當手指105進入到該預設距離內或是直接接觸顯示面板110表面，則視為進入點擊區118從而觸發對應的控制訊號； 操作區119則定義位於點擊區118之上，即上述預設距離之外。第3B圖中，上述所定義的點擊區118以及操作區119反映於影像中則為，顯示面板110表面(實線)上方所對應上述預設距離(虛線)內之區域(實現與虛線之間區域)為點擊區118，而於虛線外之區域則為操作區119(虛線之上)；而顯示面板110表面下方則為顯示面板110內的鏡像區域。

請同時看到第1圖以及第3A圖。控制器114連接至第一接收單元124以及第二接收單元134，其中當手指105位於顯示面板110上方時，控制器114透過第一接收單元124以及第二接收單元134回傳之影像而得計算手指105相對於顯示面板110的水平位置(即手指105於顯示面板110上的觸控位置)，並透過第一接收單元124且/或第二接收單元134回傳之影像判斷物件與顯示面板110表面間的距離是位於點擊區118或是操作區119。於部分實施例中，點擊區118的範圍不大於第一接收單元124所能偵測之最小像素單位的兩倍，即距離單位D不大於第一接收單元124所能偵測之最小像素單位的兩倍。亦即，第3A圖中上述預設距離可定義為距離單元D。

具體而言，當手指105從遠處進入觸控區112時，控制器114首先根據手指105於第一接收單元124以及第二接收單元134之影像計算出其水平位置(或水平座標)且判斷為操作區119，而當手指105於操作區119內移動時，控制器114也同步計算其移動時的水平位置。而當手指105 朝顯示面板110移動而位於點擊區118內時，控制器114將發出電性訊號表示進行點擊的觸控操作。以下敘述將對點擊區118以及操作區119之定義作更進一步的說明。

請參照第4A圖，第4A圖為依照本發明光學式觸控裝置定義物件觸控角度一實施例的正面示意圖。第一鏡頭模組120以及第二鏡頭模組130於觸控區112內大角度地同時發射光線。舉例來說，第一鏡頭模組120可以同時對於方向θ₁、θ₂、θ₃、...、θ_N發射光線。

接著，定義第一鏡頭模組120對應不同位置的反射光線之角度，由於不同位置的觸控物件相對於影像中會產生不同的對應位置，因此當物件進行觸控操作時，控制器114藉由所接收的影像中所捕捉觸控物件的位置就可以反推出物件相對於第一鏡頭模組120的夾角。

請參照第4B圖，第4B圖為依照本發明光學式觸控裝置定義物件觸控位置一實施例的正面示意圖。當有手指觸碰到顯示面板110的點C時，利用前述之方法，將可得知第一鏡頭模組120以及第二鏡頭模組130分別與點C之連線的各別夾角θ_L、θ_R，加上第一鏡頭模組120以及第二鏡頭模組130的座標為已知，此時再透過控制器即可求出點C的於顯示面板110上的座標位置。

透過上述之方法，光學式觸控裝置100可計算出物件之觸控位置，惟，物件究係位於操作區119或點擊區118，請參考以下說明。

請同時參照第5A圖以及第5B圖。第5A圖為依照 本發明光學式觸控裝置中定義點擊區一實施例的正面示意圖。第5B圖為第5A圖中第一接收單元所接收的影像示意圖。本實施例為說明光學式觸控裝置100如何定義觸控區112中的點擊區118，且如何判斷物件位於點擊區118。其中測試物件108形狀為長條形。

本實施例以第一鏡頭模組120為例定義點擊區。於定義點擊區步驟中，第一步為以測試物件108接觸顯示面板110表面。第二步為透過第一接收單元124截取顯示面板110上方之影像。第三步為紀錄顯示面板110上的測試物件108頂端反射第一光束126之位置與顯示面板110內的測試物件108鏡像頂端反射第一光束126之位置所重合之點。

重複第一步至第三步於顯示面板110表面的不同位置，即可以得到多個重合的點，如第5B圖所示，其中第5B圖中繪有測試物件影像109以及測試物件鏡像影像109’。接著，定義多個重合之點所在之平面為基準面111。最後即可設定點擊區118，其中點擊區118範圍為自基準面111朝相對顯示面板110表面方向延伸一個距離單位D而成。於部分實施例中，距離單位D不大於第一接收單元124所能接收之最小像素單位的兩倍。

請再回到第1圖，於第一接收單元124所接收的影像中，當點擊區(請見第3A圖)內出現物件之影像時，控制器114除計算物件的水平位置外，即判斷此時物件點擊顯示面板110表面，並發出點擊操作的電性訊號。反之，若 物件影像並未出現於點擊區(請見第3A圖)內，則判斷物件位於操作區(請見第3A圖)內時，控制器114只計算物件的水平位置，而不發出點擊操作的電性訊號，此時可設定如移動滑鼠之功能。

根據本發明一實施例，光學式觸控裝置100更包含輸出端116，輸出端116可以是USB插座或是其他與電子裝置連結的插座，電子裝置例如電腦或是智慧型電子產品。

以下敘述以光學式觸控裝置100實際應用作說明。當物件進入觸控區112進行觸控操作時，控制器114先計算出物件相對顯示面板110的水平座標。接著，再更進一步判斷物件是否位於點擊區(請見第3A圖)內。若物件沒有位於點擊區內而只位於操作區(請見第3A圖)內，則提供等同移動游標的操作效果。反之，若物件位於點擊區內，則提供等同點擊游標的操作效果。此外，由於操作區可以追蹤手指的位置，因此除了基本的移動操作外，觸控用的手勢，例如拖曳或是將畫面拉大，也可透過光學式觸控裝置100完成。

請參照第6A圖，第6A圖為依照本發明光學式觸 控裝置第二實施例中發射第一光束以及第二光束的時序示意圖。第一光束126以及第二光束136於相同週期內以不同的時序發射。本實施例中，週期T內具有兩個時段，其分別為第一時段t₁以及第二時段t₂。

第一時段t₁中，第一發射單元以及第二發射單元分 別發射第一光束126以及第二光束136。當有物件觸控操作 時，控制器藉由前述方法計算出物件相對顯示面板表面的水平位置。第二時段t₂中，只有第一發射單元發射第一光束126。此時控制器再判斷影像中的物件是否位於點擊區內，以決定是否發出表示點擊的電性訊號。當經過一個週期之後，即可完成計算物件於顯示面板上的水平座標位置以及判斷其是位於點擊區或是操作區內。

請參照第6B圖，第6B圖為依照本發明光學式觸控裝置第三實施例中發射第一光束以及第二光束的時序示意圖。本實施例與第二實施例的差別在於：本實施例中的發射週期T具有三個時段。本實施例中，發射週期T具有第一時段t₁、第二時段t₂以及第三時段t₃。

於第一時段t₁以及第二時段t₂中，第一發射單元以及第二發射單元分別於不同時段發射第一光束126以及第二光束136。當有物件觸控操作時，控制器再計算出物件的水平座標位置。第三時段t₃中，只有第一發射單元發射第一光束126。同樣地，再由控制器判斷是否發出點擊操作的電性訊號。

請參照第7圖，第7圖為依照本發明之光學式觸控裝置第四實施例之的正面示意圖。本實施例與第一實施例的差別在於：第一光束由第三光束以及第四光束組成。

本實施例中，第一發射單元122提供組成第一光束(請見第1圖)的第三光束146以及第四光束156，舉例而言，可以於第一發射單元122設置第三光發射器142以及第四光發射器152，使得第一發射單元122朝顯示面板110 表面發射第三光束146以及第四光束156，其中第三光束146以及第四光束156於同週期內的不同時段發射。同樣地，第一接收單元124用以接收影像，舉例而言，可以於第一接收單元124設置第三光接收器144以及第四光接收器154，使得當有物件靠近顯示面板110表面時，第三光接收器144以及第四光接收器154得以分別接收自物件反射之第三光束146以及第四光束156，並再回傳至控制器114。

本實施例中，當物件位於顯示面板110表面時，控制器114透過反射後之第二光束136以及第三光束146計算物件相對於顯示面板110的水平位置。接著，控制器114再透過反射後之第四光束156判斷物件與顯示面板110表面間的距離是位於點擊區或是操作區(請見第3A圖)中。以下敘述將針對影像的發射時序作說明。

請參照第8A圖，第8A圖為依照本發明光學式觸控裝置第五實施例中發射光束的時序示意圖。第三光束146以及第四光束156於相同週期內以不同的時序發射。本實施例中，週期T內具有兩個時段，其分別為第一時段t₁以及第二時段t₂。

第一時段t₁中，第二發射單元以及第三發射單元分別發射第二光束136以及第三光束146。當物件觸控操作時，控制器114能藉由前述方法計算出物件相對顯示面板110的水平位置。第二時段t₂中，只有第四發射單元發射第四光束156。控制器再判斷是否發出點擊操作的電性訊號。當經過一個週期之後，即可判斷出物件於顯示面板上 的水平座標位置以及判斷其是位於點擊區或是操作區內。

請參照第8B圖，第8B圖為依照本發明光學式觸控裝置第六實施例中發射光束的時序示意圖。本實施例與第五實施例的差別在於：本實施例中的發射週期T具有三個時段。本實施例中，發射週期T具有第一時段t₁、第二時段t₂以及第三時段t₃。

於第一時段t₁以及第二時段t₂中，第二發射單元以及第三發射單元分別於不同時段發射第二光束136以及第三光束146。當物件觸控操作時，控制器計算出物件的水平座標位置。第三時段t₃中，只有第四發射單元發射第四光束156，此時再透過控制器判斷是否發出點擊操作的電性訊號。

本發明之光學式觸控裝置發射光束並由進行觸控操作之物件作為反射界面，使得不需要額外設置反射單元，因此重量及成本皆下降。此外，藉由不同時序發射光束，使得控制器能能精準計算出物件的位置以及判斷其是否進行點擊操作。此外，光學式觸控裝置的觸控區內的點擊區可以對應不同條件設定，進而設定其觸控精度。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，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，當可作各種之更動與潤飾，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

122‧‧‧第一發射單元

110‧‧‧顯示面板

124‧‧‧第一接收單元

112‧‧‧觸控區

126‧‧‧第一光束

114‧‧‧控制器

130‧‧‧第二鏡頭模組

116‧‧‧輸出端

134‧‧‧第二接收單元

120‧‧‧第一鏡頭模組

136‧‧‧第二光束

Claims (8)

1. 一種光學式觸控裝置，包含：一顯示面板；一第一鏡頭模組，設置於該顯示面板的一角落且位於該顯示面板表面，並包含：一第一發射單元，用以朝該顯示面板表面發射一第一光束；以及一第一接收單元，用以擷取該顯示面板上方的影像；一第二鏡頭模組，設置於該顯示面板的另一角落且位於該顯示面板表面，並包含：一第二發射單元，用以朝該顯示面板表面發射一第二光束；以及一第二接收單元，用以擷取該顯示面板上方的影像；以及一控制器，連接至該第一接收單元以及該第二接收單元，其中該第一光束包含一第三光束以及一第四光束，且該第三光束以及該第四光束於相同週期內的不同時段發射，其中當一物件位於該顯示面板上方時，該控制器透過該第一接收單元對應該第三光束以及該第二接收單元對應該第二光束回傳之影像計算該物件相對於該顯示面板的水平位置，並透過該第一接收單元對應該第四光束回傳之影像判斷該物件與該顯示面板表面間的距離是位於一點擊區或是一操作區中。
2. 如請求項1所述之光學式觸控裝置，其中該點擊區的範圍不大於該第一接收單元所能偵測之最小像素單位的兩倍。
3. 如請求項1所述之光學式觸控裝置，其中該第一發射單元包含：第三光發射器，用以朝該顯示面板表面發射一第三光束；以及第四光發射器，用以朝該顯示面板表面發射一第四光束，其中該第三光束以及該第四光束於相同週期內的不同時段發射；該第一接收單元包含：第三光接收器，用以擷取該顯示面板上方的影像；以及第四光接收器，用以擷取該顯示面板上方的影像。
4. 一種光學式觸控裝置的偵測方法，包含：發射一第一光束以及一第二光束至一顯示面板表面，其中該第一光束以及該第二光束分別自該顯示面板相鄰的兩個角落發射；透過一第一接收單元以及一第二接收單元接收該顯示面板表面之影像，其中當一物件位於該顯示面板表面時，該第一接收單元以及該第二接收單元分別接收於該物件反射之該第一光束以及該第二光束； 回傳該第一接收單元以及該第二接收單元所接收之影像至一控制器；以及透過該第一接收單元以及該第二接收單元所接收之影像計算該物件相對於該顯示面板的水平位置，以及透過該第一接收單元所接收之影像判斷該物件與該顯示面板表面間的距離是位於一點擊區或是一操作區中，其中該第一光束包含一第三光束以及一第四光束，且該第三光束以及該第四光束於同週期內之不同時段發射，其中該控制器由反射後的該第二光束以及該第三光束判斷該物件相對於該顯示面板的水平位置，並透過反射後的該第四光束判斷該物件與該顯示面板表面間的距離是位於該點擊區或是該操作區中。
5. 如請求項4所述之偵測方法，其中該點擊區之定義方式包含；(a)以一測試物件接觸該顯示面板表面；(b)該第一接收單元或該第二接收單元截取該顯示面板上方之影像；(c)紀錄該顯示面板上的該測試物件頂端反射光束之位置與該顯示面板內的該測試物件鏡像頂端反射光束之位置所重合之點；重複步驟(a)至(c)於該顯示面板表面的不同位置，以得到多個重合的點，接著定義該些重合之點所在之一平面為一基準面；以及 設定該點擊區，其中該點擊區範圍為自該基準面朝相對該顯示面板表面方向延伸一距離單位而成。
6. 如請求項4所述之光學式觸控裝置，其中該距離單位不大於該第一接收單元或該第二接收單元所能偵測之最小像素單位的兩倍。
7. 如請求項4所述之光學式觸控裝置，其中該第一光束以及該第二光束交替發射。
8. 如請求項4所述之光學式觸控裝置，其中該第一光束與該第二光束的發射時間部份重疊。