TWI525512B - Light guide plate optical touch device - Google Patents

Description

導光板光學觸控裝置

本發明係有關觸控裝置，尤其是有關偵測載有調變信號的光線在導光板內傳播時被碰觸的位置，產生相對的控制信號的觸控裝置。

有許多結合導光板的觸控裝置，例如美國專利US7432893揭示一種基於受抑制內全反射(Frustrated Total Internal Reflection，FTIR)的輸入裝置，係將至少兩個在不同位置的光源發出的光線導入導光板中，並使該光線在導光板中以完全內部反射進行傳播，其中每個光源所發出的光線都均勻地分佈在整個導光板內，且在導光板的周緣設置光線感測器陣列以偵測由光源產生之光線。當一物件接觸導光板的表面時會破壞光線在導光板內傳播的全反射，使通過該接觸區域的光線衰減(Attenuated)；利用一處理器根據光線感測器陣列所偵測到在不同位置的至少兩個光源發出的光線的衰減信號，以三角測量法(Triangulation)決定該物件的位置。

美國公開專利US2011074735及對應的台灣公開專利201005606，美國公開專利US20130044073及對應的台灣公開專利201203052，美國公開專利US20120162144、US201220268403及US20130021300等分別是利用導光板的觸控技術。

上述利用導光板的觸控技術，均需將在不同位置的至少兩個光源發出的光線分別導入導光板內進行全反射傳播，並利用處理器根據至少兩個光線感測器陣列所偵測到至少兩個光源發出的光線的衰減信號，以決定物件碰觸導光板的位置，而產生一對應的觸控信號。但若光線非以特定的角度射入導光板內部，就無法在導光板內部進行內全反射。精細調整光線入射角度的工作甚為困難且需要配合的導光元件而增加觸控裝置的厚度或面積。另外，若碰觸點的面積十分狹小時，比如牙籤的尖端，將無法破壞光線在導光板內傳播的內全反射，而無法獲得相對的處控信號。

申請人在2014年1月9日申請的台灣專利「光振動觸控裝置」，申請號為103100878，雖能解決上述問題，但若使用掃描裝置時，會進一步增加成本及增加體積。

為了進一步改良導光板觸控裝置，而提出本發明。

本發明的主要目的，在提供一種導光板光學觸控裝置，利用導光板被碰觸時產生的振動，使對應碰觸點的光線載有新增的低頻振動信號；使微處理器比對光信號處理單元與振動偵測單元分別輸出的振動訊號值，若光信號處理單元輸出的振動訊號值與振動偵測單元輸出的振動訊號值相等或接近相等，則確認光信號處理單元輸出的振動訊號值對應一碰觸信號；藉由微處理器在一週期內偵測光信號處理單元依序輸出的信號值，然後依據對應一碰觸信號的至少兩個振動訊號值分別在該週期內出現的時間點，獲該碰觸點的位置資訊，進而輸出一對應的觸控信號；即使碰觸點的面積十分狹小，仍會使通過碰觸點的光線載有新增的低頻振動信號 ，進而獲得該碰觸點的位置資訊，可提升觸控裝置的實用功能。

本發明的另一目的，在提供一種導光板光學觸控裝置，使光信號射出單元射出光線的範圍超過90角度，可照射導光板整個內部的範圍，因此不需要掃描裝置可降低成本及減少體積；並使影像擷取單元包括一感光陣列及一鏡頭，利用鏡頭使小面積的感光陣列可擷取大範圍的影像，不需於導光板周圍配置大面積的多個感光元件，可降低成本。

本發明的導光板光學觸控裝置，包括：一個導光板；至少一條長條狀的回射器；至少一條長條狀的反光膜；一個微處理器；一個光信號射出單元，鄰近該導光板的一角隅；一個影像擷取單元，鄰近該光信號射出單元；該影像擷取單元包括一感光陣列及一鏡頭；該感光陣列具有多個感光元件；一光信號處理單元，分別電氣連接該微處理器及該影像擷取單元；該光信號處理單元偵測該多個感光元件分別輸出的多個信號，然後處理該等信號獲得對應於該多個感光元件的多個信號值，然後將該等信號值傳輸至該微處理器；一個振動偵測單元，電氣連接該微處理器；該振動偵測單元偵測該導光板被碰觸時產生的振動，然後將振動訊號值傳輸至該微處 理器；其中該至少一條長條狀的回射器及該至少一條長條狀的反光膜分別設於該導光板的一側端面，使該光信號射出單元射出的光線，被導入該導光板的內部後被回射至該光信號射出單元的方向，然後被導入該影像擷取單元，使該影像擷取單元擷取一影像；利用該導光板的一上端面的一操作區被碰觸時，使該感光陣列中分別感測到對應一碰觸點的至少兩光線的至少兩個感光元件，分別輸出新增的低頻振動信號，而使該光信號處理單元獲得至少兩個振動信號值進而傳輸至該微處理器，且該振動偵測單元同時偵測到該導光板被碰觸時產生的振動，而輸出一振動訊號值至該微處理器；使該微處理器比對該光信號處理單元與該振動偵測單元分別輸出的振動訊號值，若該光信號處理單元輸出的振動訊號值與該振動偵測單元輸出的振動訊號值相等或接近相等，則確認該光信號處理單元輸出的振動訊號值對應一碰觸信號；再藉由該微處理器在一週期內偵測該光信號處理單元依序輸出的信號值，然後依據對應一碰觸信號的至少兩個振動信號值分別在該週期內出現的時間點，獲得該碰觸點的位置資訊，進而輸出一對應的觸控信號。

其中該影像擷取單元設於該導光板的一下端面的下方；一第一導光單元接觸導光板的下端面；被回射至該光信號射出單元的方向的光線，被該第一導光單元導入該影像擷取單元。

其中該光信號射出單元設於該導光板的該下端面的下方；一第二導光單元接觸導光板的下端面；該光信號射出單元射出的光線，被該第二導光單元導入該導光板的內部。

其中該光信號射出的光線是載有調變信號的光線；該感光陣列中分別感測到其他沒有對應該碰觸點的多數光線的多個感光元件，分別輸出多數該調變信號，使該光信號處理單元獲得多數對應於該調變信號的正常信號值；該振動偵測單元設於該導光板的下端面的下方，接觸該下端面。

其中該導光板呈矩形具有四個邊；該導光板的兩個邊的側端面分別接觸兩條回射器；該兩條回射器的一端分別鄰近光信號射出單元；該導光板的其他二個邊的側端面分別黏貼二條反光膜。其中該導光板的一個邊的側端面接觸一條回射器；該導光板的其他三個邊的側端面分別黏貼三條反光膜。

其中該導光板是由可導光的材料製成的可彎曲或不可彎曲板體；該光信號射出單元是雷射平面光信號射出單元；該第一導光單元及該第二導光單元是截面為三角形的光學稜鏡。

其中該導光板的該上端面對應該光線在該導光板內部傳播的範圍形成該操作區。

本發明的其他目的、功效，請參閱圖式及實施例，詳細說明如下。

1、2、3‧‧‧導光板光學觸控裝置

10‧‧‧導光板

100‧‧‧操作區

101、102、103、104‧‧‧邊

11‧‧‧上端面

12‧‧‧下端面

13‧‧‧側端面

14‧‧‧角隅

20‧‧‧影像擷取單元

21‧‧‧感光陣列

211‧‧‧感光元件

22‧‧‧鏡頭

23‧‧‧正常信號值

24‧‧‧振動信號值

25‧‧‧感光單元

30‧‧‧光信號射出單元

31、32、33、34、35‧‧‧光線

40‧‧‧微處理器

50‧‧‧光信號處理單元

60‧‧‧第一導光單元

70‧‧‧第二導光單元

80‧‧‧振動偵測單元

81‧‧‧回射器

82‧‧‧反光膜

90‧‧‧物件

P‧‧‧碰觸點

第1圖為物件接觸本發明第一實施例的導光板光學觸控裝置的俯視示意圖。

第2圖為光線在本發明第一實施例的導光板光學觸控裝置內傳播的示意圖。

第3圖為本發明信號值對應一感光陣列的示意圖。

第4圖為本發明第二實施例的導光板光學觸控裝置的示意圖。

第5圖為本發明第三實施例的導光板光學觸控裝置的示意圖。

如第1、2圖所示，本發明第一實施例的導光板光學觸控裝置1，包括一導光板10、一個影像擷取單元20、一個光信號射出單元30、一個微處理器40、一個光信號處理單元50、一個第一導光單元60、一個第二導光單元70、振動偵測單元80、至少一條長條狀的回射器(Retro reflector)81及至少一條長條狀的反光膜82所組成。

導光板10具有一上端面11、一下端面12、一側端面13。導光板10側邊的周緣形成側端面13。導光板10呈矩形，具有四個邊101、102、103、104。導光板10是由可導光的材料製成的可彎曲或不可彎曲板體，例如壓克力板、樹脂板或玻璃板等。第一導光單元60及第二導光單元70可以是截面為三角形的光學稜鏡。

在本實施例中，影像擷取單元20及光信號射出單元30分別設於導光板10的下端面12的下方，鄰近導光板10的一角隅14。第一導光單元60及第二導光單元70分別接觸導光板10的下端面12。影像擷取單元20及光信號射出單元30分別鄰近第一導光單元60及第二導光單元70。兩條回射器81的一端鄰近光信號射出單元30，且接觸導光板10對應於兩個邊101、104的側端面13。兩條反光膜82接觸導光板10對應於兩個邊102、103的側端面13，位於影像擷取單元20及光信號射出單元30對方。振動偵測單元80設於導光板10的下 端面12的下方，接觸下端面12。

光信號射出單元30射出載有調變信號的光線31，經由第二導光單元70被導入導光板10內部。光線31射出的範圍超過90角度，藉由第二導光單元70導引照射整個導光板10內部的範圍及兩條反光膜82。導光板10的上端面11對應光線31在該導光板10內部傳播的範圍形成一操作區100。調變信號可為調變光線的頻率、振幅或相位的信號。本實施例的光信號射出單元30可以包括雷射平面光信號射出單元等。

影像擷取單元20包括一感光陣列21及一鏡頭22，鏡頭22鄰近第一導光單元60。被兩條反光膜82反射的光線，可被第一導光單元60導引經由鏡頭22照射感光陣列21，藉由鏡頭22使影像擷取單元20可擷取導光板10內部的範圍呈一條狀的影像。

光信號處理單元50分別電氣連接影像擷取單元20及微處理器40。光信號處理單元50偵測影像擷取單元20的感光陣列21輸出的多個調變信號，然後處理該等調變信號獲得對應於感光陣列21的多個信號值，然後將該等信號值傳輸至微處理器40。

振動偵測單元80電氣連接微處理器40。振動偵測單元80偵測導光板10被碰觸時產生的振動，然後將振動訊號值傳輸至微處理器40。

例如，光信號射出單元30同時射出載有調變信號的光線31、32、33，分別被第二導光單元70導入導光板10的內部，且照射整個操作區100及兩條反光膜82。當光線照射位於兩個邊102、103的兩條反光膜82時，將分別被兩條反光膜82反射回導光板10內部，而 分別射到兩條回射器81，再分別經由原來的路徑回射到兩條反光膜82，再分別被兩條反光膜82反射到光信號射出單元30。由於光線傳播時具有擴散性質，所以反射到光信號射出單元30的光線31、32、33也會射到鄰近光信號射出單元30的第一導光單元60，而被第一導光單元60導引至影像擷取單元20。

若沒有物件90碰觸導光板10的上端面11時，光信號射出單元30射出載有調變信號的光線31，在導光板10內傳播，經由兩條反光膜82反射至感光陣列21時，將只載有原來的調變信號被傳送至光信號處理單元50，因此光信號處理單元50將獲得對應於原有的調變信號的正常信號值23，如第3圖所示。此時，光信號處理單元50和振動偵測單元80將無振動訊號值傳輸至微處理器40。

若有物件90在操作區100內進行觸控作業，碰觸或接觸導光板10的上端面11的一碰觸點P時，導光板10會受到振動，使對應碰觸點P的光線31、32、33，即通過碰觸點P或其正下方的兩光線31、32、33載有新增的低頻振動信號；感光陣列21中分別感測到光線31、32、33的三個感光元件211，除了分別輸出原有的調變信號外，將分別輸出新增的低頻振動信號，而使光信號處理單元50獲得三個除了正常信號值23之外新增的振動信號值24；其他沒有對應P點的多數光線將只載有原來的調變信號，被其他多個感光元件211分別感測到後傳送至光信號處理單元50，使光信號處理單元50獲得多數對應於原有的調變信號的正常信號值23，如第3圖所示。且振動偵測單元80同時偵測到導光板10被碰觸時產生的振動，然後將振動訊號值傳輸至微處理器40。

接著使微處理器40比對光信號處理單元50與振動偵測單元80分別 輸出的振動訊號值；若光信號處理單元50輸出的振動訊號值與振動偵測單元80輸出的振動訊號值相等或接近相等，則確認光信號處理單元50輸出的該等振動訊號值對應一碰觸信號。

微處理器40偵測光信號處理單元50依序輸出對應於感光陣列21的每一感光元件211的信號值，依據在一週期內偵測到對應一碰觸信號的至少兩個振動訊號值的時間點，就能獲得對應的至少兩個感光元件211的位置；知道對應的至少兩個感光元件211的位置就能獲得對應的至少兩條光線，進而能獲得該至少兩條光線與邊101之間的角度。依據至少兩條對應碰觸點P的光線與邊101之間的角度，利用已知的數學三角計算公式，例如應用美國專利US4,762,990中揭露的相關計算方法，即可獲得碰觸點P在操作區100的座標資訊。因此可使微處理器40依據相關的計算方法，獲得碰觸點P在操作區100的座標資訊，進而輸出一對應的觸控信號。

本發明也可參考申請人申請的台灣公開專利第201342161號“雷射掃描輸入裝置”中揭示的座標計算技術，藉由微處理器40在一週期內偵測光信號處理單元50依序輸出的信號值，然後依據至少兩個對應一碰觸信號的振動訊號值分別在該週期內出現的時間點獲該碰觸點的位置資訊，進而輸出一對應的觸控信號。

本發明也可先試驗然後記錄物件碰觸導光板的上端面的碰觸點的位置與光信號處理單元在一週期內輸出對應一碰觸信號的振動訊號值的至少兩個時間點的相關資訊；然後使微處理器根據該相關資訊及依據光信號處理單元在一週期內輸出對應一碰觸信號的振動訊號值的至少兩個時間點，獲得物件碰觸導光板的上端面的碰 觸點的位置資訊。

本發明也可僅使用一條回射器81，接觸導光板10對應於兩個邊101、104中之一邊的側端面13、或僅使一條回射器81設於與影像擷取單元20相對的位置，例如設於接觸導光板10對應於邊102或邊103的側端面13的位置；並使導光板10沒有接觸回射器81的其他邊的側端面13分別黏貼反光膜82，也就是使光信號射出單元30射出照射操作區100的光線能回射至鄰近光信號射出單元30的影像擷取單元20的配置方式，都能達到相同的效果。

如第4圖所示，本發明第二實施例的導光板光學觸控裝置2，除了不需第一導光單元60，影像擷取單元20被置於導光板10的一角隅14的外側；影像擷取單元20直接由導光板10的一角隅14的外側攝取導光板10內部的影像，其他結構大致與第一實施例的導光板光學觸控裝置相同，也能達到相同的效果。本實施例是應用於導光板10較厚，影像擷取單元20可直接經由導光板10的側端面13攝取導光板10內部的影像的情況。

如第5圖所示，本發明第三實施例的導光板光學觸控裝置3，除了不需要第二導光單元70，光信號射出單元30被置於導光板10的一角隅14的外側，光信號射出單元30射出的光線直接由導光板10的一角隅14的外側射入導光板10的內部，其他結構大致與第一實施例的導光板光學觸控裝置相同，也能達到相同的效果。本實施例是應用於導光板10較厚，光信號射出單元30射出的光線可直接經由導光板10的側端面13射入導光板10內部的情況。

本發明的特徵在於利用導光板被碰觸時，使對應碰觸點的至少兩 條光線載有新增的低頻振動信號，進而使光信號處理單元獲得至少兩個振動信號值，並利用微處理器依據一振動偵測單元輸出的振動信號值，確認該等新增的低頻振動信號是否為對應一碰觸信號的振動訊號，再藉由微處理器在一週期內偵測光信號處理單元依序輸出的信號值，然後依據至少兩個對應一碰觸信號的振動訊號值，分別在該週期內出現的時間點獲得該碰觸點的位置資訊，進而輸出一對應的觸控信號。

本發明即使碰觸點的面積十分狹小，比如牙籤的尖端碰觸導光板，導光板被碰觸時，仍會使對應碰觸點的光線載有新增的低頻振動信號，進而獲得該碰觸點的位置資訊，可提升觸控裝置的實用功能。

本發明的光信號射出單元射出光線的範圍超過90角度，可照射導光板整個內部的範圍，因此不需要掃描裝置會降低成本及減少體積。

本發明的影像擷取單元包括一感光陣列及一鏡頭，利用鏡頭使小面積的感光陣列可擷取大範圍的影像，不需於導光板周圍配置大面積的多個感光元件，也可降低成本。

以上所記載者，僅為利用本發明技術內容之實施例，任何熟悉本項技藝者運用本發明所為之修飾、變化，皆屬本創作所主張之專利範圍。

1‧‧‧導光板光學觸控裝置

10‧‧‧導光板

11‧‧‧上端面

12‧‧‧下端面

13‧‧‧側端面

14‧‧‧角隅

20‧‧‧影像擷取單元

21‧‧‧感光陣列

211‧‧‧感光元件

22‧‧‧鏡頭

30‧‧‧光信號射出單元

40‧‧‧微處理器

50‧‧‧光信號處理單元

60‧‧‧第一導光單元

70‧‧‧第二導光單元

80‧‧‧振動偵測單元

90‧‧‧物件

Claims (10)

1. 一種導光板光學觸控裝置，包括：一個導光板；至少一條長條狀的回射器；至少一條長條狀的反光膜；一個微處理器；一個光信號射出單元，鄰近該導光板的一角隅；一個影像擷取單元，鄰近該光信號射出單元；該影像擷取單元包括一感光陣列及一鏡頭；該感光陣列具有多個感光元件；一個第一導光單元；一光信號處理單元，分別電氣連接該微處理器及該影像擷取單元；該光信號處理單元偵測該多個感光元件分別輸出的多個信號，然後處理該等信號獲得對應於該多個感光元件的多個信號值，然後將該等信號值傳輸至該微處理器；一個振動偵測單元，電氣連接該微處理器，用以偵測該導光板被碰觸時產生的振動，然後將振動訊號值傳輸至該微處理器；其中該至少一條長條狀的回射器及該至少一條長條狀的反光膜分別設於該導光板的一側端面，使該光信號射出單元射出的光線，被導入該導光板的內部後被回射至該光信號射出單元的方向，然後被該第一導光單元導入該影像擷取單元，使該影像擷取單元擷取一影像；利用該導光板的一上端面的一操作區被碰觸時，使該感光陣列中分別感測到對應一碰觸點的至少兩光線的至少兩個感 光元件，分別輸出新增的低頻振動信號，而使該光信號處理單元獲得至少兩個振動信號值進而傳輸至該微處理器，且該振動偵測單元同時偵測到該導光板被碰觸時產生的振動，而輸出一振動訊號值至該微處理器；使該微處理器比對該光信號處理單元與該振動偵測單元分別輸出的振動訊號值，若該光信號處理單元輸出的振動訊號值與該振動偵測單元輸出的振動訊號值相等或接近相等，則確認該光信號處理單元輸出的振動訊號值對應一碰觸信號；再藉由該微處理器在一週期內偵測該光信號處理單元依序輸出的信號值，然後依據對應一碰觸信號的至少兩個振動信號值分別在該週期內出現的時間點，獲得該碰觸點的位置資訊，進而輸出一對應的觸控信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述的導光板光學觸控裝置，其中該影像擷取單元設於該導光板的一下端面的下方；該第一導光單元接觸導光板的下端面。
3. 如申請專利範圍第1項所述的導光板光學觸控裝置，進一步包括一個第二導光單元；該光信號射出單元設於該導光板的該下端面的下方；該第二導光單元接觸導光板的下端面；該光信號射出單元射出的光線，被該第二導光單元導入該導光板的內部。
4. 如申請專利範圍第2項所述的導光板光學觸控裝置，進一步包括一個第二導光單元；該光信號射出單元設於該導光板的該下端面的下方；該第二導光單元接觸導光板的下端面；該光信號射出單元射出的光線，被該第二導光單元導入該導光板的內部。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項項所述的導光板光學觸控裝置，其中該光信號射出的光線是載有調變信號的光線；該感光陣列中分別感測到其他沒有對應該碰觸點的多數光線的多個感光元件 ，分別輸出多數該調變信號，使該光信號處理單元獲得多數對應於該調變信號的正常信號值；該振動偵測單元設於該導光板的下端面的下方，接觸該下端面。
6. 如申請專利範圍第5項所述的導光板光學觸控裝置，其中該導光板呈矩形具有四個邊；該導光板的兩個邊的側端面分別接觸兩條回射器；該兩條回射器的一端分別鄰近光信號射出單元；該導光板的其他二個邊的側端面分別黏貼二條反光膜。
7. 如申請專利範圍第5項所述的導光板光學觸控裝置，其中該導光板呈矩形具有四個邊；該導光板的一個邊的側端面接觸一條回射器；該導光板的其他三個邊的側端面分別黏貼三條反光膜。
8. 如申請專利範圍第5項所述的導光板光學觸控裝置，其中該導光板的該上端面對應該光線在該導光板內部傳播的範圍形成該操作區。
9. 如申請專利範圍第6項所述的導光板光學觸控裝置，其中該導光板是由可導光的材料製成的可彎曲或不可彎曲板體；該光信號射出單元是雷射平面光信號射出單元；該第一導光單元及該第二導光單元是截面為三角形的光學稜鏡。
10. 如申請專利範圍第7項所述的導光板光學觸控裝置，其中該導光板是由可導光的材料製成的可彎曲或不可彎曲板體；該光信號射出單元是雷射平面光信號射出單元；該第一導光單元及該第二導光單元是截面為三角形的光學稜鏡。