使用平面透明薄板的穩(wěn)固的光學(xué)觸摸屏系統(tǒng)和方法
【專利摘要】公開了一種光學(xué)觸摸屏，該光學(xué)觸摸屏利用平面透明薄片并且被配制成確定在透明薄片上的觸摸事件的位置。光源元件和感光元件可操作地設(shè)置在透明薄片周界處。在光源元件和感光元件之間的視線上，檢測光。確定由于觸摸事件引起的經(jīng)衰減的視線。通過使通過每個感光元件的有限的視線限定的三角形重疊來確定多邊形。消除具有低于衰減閾值的衰減的多邊形。然后，確定剩余的多邊形的中心以確定觸摸事件的位置。該系統(tǒng)和方法提供對多個觸摸事件的穩(wěn)固的檢測。
【專利說明】使用平面透明薄板的穩(wěn)固的光學(xué)觸摸屏系統(tǒng)和方法
[0001] 本申請根據(jù)美國法典第35卷第119條要求2011年11月28日提交的美國臨時申 請61/564024的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，且基于其內(nèi)容并通過引用將其內(nèi)容整體結(jié)合于此。 領(lǐng)域
[0002] 本公開涉及一種光學(xué)觸摸屏，并且具體涉及使用平面透明薄板并且可檢測多個觸 摸事件的穩(wěn)固的觸摸屏系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0003] 具有觸摸屏功能的顯示器的市場快速發(fā)展。因此，已開發(fā)多種傳感技術(shù)來實現(xiàn)具 有觸摸屏功能的顯示器。然而，現(xiàn)有的技術(shù)對于具體應(yīng)用各具有導(dǎo)致顯示器的制造的顯著 增加的成本的性能缺點。
[0004] 觸摸屏功能在移動設(shè)備應(yīng)用中獲得廣泛應(yīng)用，諸如智能電話、電子書閱讀器、膝上 型計算機和平板計算機。此外，諸如用于臺式計算機和壁裝式屏幕的更大的顯示器甚至變 得更大。當使用傳統(tǒng)觸摸屏技術(shù)（諸如，投射電容式觸摸（PCAP)技術(shù)）時，顯示器尺寸的 這種增加伴隨著顯示器成本的增加。
[0005] 因此，需要使觸摸屏的總體厚度和重量最小以供從最小的手持設(shè)備到最大的顯示 器的廣泛范圍的應(yīng)用。此外，觸摸屏還需要具有更穩(wěn)固的功能，諸如，改進的觸摸定位精度、 免除指紋和多點觸控功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本公開的一個方面為確定在透明薄片上的觸摸事件的位置的方法，該透明薄片具 有周界，并且光源元件和感光元件可操作地毗鄰該周界設(shè)置。該方法包括使用感光元件來 測量來自光源元件的光的強度值，其中光在光源元件和感光元件之間的視線上在透明薄片 中內(nèi)部地傳播。該方法還包括：基于與衰減閾值相比的強度值，確定每個感光元件的有限的 視線。該方法還包括使通過每個感光元件的有限的視線限定的三角形重疊以確定一個或多 個多邊形。該方法附加地包括確定一個或多個多邊形的中心以確定觸摸事件位置。
[0007] 在一些實施例中，每個多邊形具有基于測得的強度值的相關(guān)聯(lián)的衰減，并且進一 步包括：消除其相關(guān)聯(lián)的衰減低于衰減閾值的任何多邊形。在一些實施例中，該方法進一步 包括基于檢測器信號強度與信號閾值的比較來確定觸摸事件的強度。在一些實施例中，透 明薄片對紅外（IR)光基本透明，并且其中來自光源元件的光包括IR波長。在其他實施例 中，采用毗鄰感光元件設(shè)置的帶通濾波器過濾IR光，帶通濾波器配置成對可見光基本不透 明，并且IR光具有與由光源元件發(fā)射的IR光不同的IR波長。在一些實施例中，該周界包 括多個轉(zhuǎn)角，并且包括使感光元件每一個毗鄰多個轉(zhuǎn)角的每一個設(shè)置。
[0008] 在一些實施例中，該方法進一步包括從感光元件產(chǎn)生代表通過感官元件檢測到的 強度值的各自的檢測器信號，并且處理該檢測器信號以確定有限的視線。在其他實施例中， 產(chǎn)生檢測器信號包括：在光源元件關(guān)閉時采用感光元件中的一個進行第一光電流測量；在 光源打開時采用感光元件中的同一個進行第二光電流測量；以及從第二光電流減去第一光 電流。
[0009] 在一些實施例中，產(chǎn)生檢測器信號包括采用具有放大器的電路處理檢測器信號， 并且其中該方法進一步包括：進行積分光電流測量一段固定的總時間ΛΤ ;將該固定的總 時間ΛΤ分成N個間隔以限定具有對應(yīng)的時間間隔ΛΤ/Ν的N個子測量；將N個子測量一 起相加以模擬單個積分；以及動態(tài)地選擇N以避免使放大器過載。
[0010] 在一些實施例中，存在η個感光元件，并且進一步包括：確定感光元件中的第一個 感光元件的第一組三角形；確定感光元件中的第二個感光元件的第二組三角形；從第一和 第二組三角形確定第一組多邊形；確定感光元件中的第三個感光元件的第三組三角形并且 確定第三組三角形與第一組多邊形的交叉點以形成第二組多邊形；以及重復(fù)以上步驟直到 第η個感光元件得出在動作d)中所使用的最后一組多邊形以確定觸摸事件位置。在一些 實施例中，確定一個或多個多邊形的中心包括針對每個多邊形：確定多邊形中的衰減值； 并且基于多邊形中的衰減值計算多邊形的質(zhì)心并且將質(zhì)心標識為多邊形中心。
[0011] 在一些實施例中，確定一個或多個多邊形的中心包括針對每個多邊形：將多邊形 中的衰減假設(shè)為恒定值；以及計算多邊形的幾何中心作為多邊形中心。在一些實施例中，測 得的強度值通過感光元件轉(zhuǎn)化為檢測器信號強度，并且進一步包括：確定沿著視線傳播的 光的基線測量；基于基線測量限定閾值檢測器信號強度；并且將和經(jīng)衰減的視線相關(guān)聯(lián)的 檢測器信號強度與閾值信號強度相比較以確定是否發(fā)生觸摸事件。在其他實施例中，該方 法進一步包括：基于檢測器信號強度的變化調(diào)節(jié)基線測量；以及基于經(jīng)調(diào)節(jié)的基線測量調(diào) 節(jié)閾值信號強度。
[0012] 本公開的另一方面是用于感測一個或多個觸摸事件的觸摸屏系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有透 明薄片，該透明薄片具有周界和發(fā)生一個或多個觸摸事件的頂部表面。該系統(tǒng)還具有多個 光源元件，多個光源元件發(fā)射光并且可操作地毗鄰周界設(shè)置以將光耦合到透明薄片中從而 經(jīng)由全內(nèi)反射在其中傳播。該系統(tǒng)進一步包括多個感光元件，多個感光元件可操作地毗鄰 周界設(shè)置以檢測來自感光元件的光并且響應(yīng)于其產(chǎn)生具有代表檢測到的光強度的信號強 度的檢測器信號。一個或多個觸摸事件導(dǎo)致沿著對應(yīng)于選擇感光元件的視線中的至少一個 的光強度的衰減。該系統(tǒng)還包括可操作地耦合至光源元件和感光元件的控制器。該控制器 被配置成控制光從光源元件的發(fā)射并且處理檢測器信號以1)將每個感光元件中的檢測器 信號強度與衰減閾值相比較以確定通過限制給定感光元件的經(jīng)衰減的視線中的多個限定 的一個或多個三角形，2)確定通過一個或多個三角形中的至少一個交叉點形成的至少一個 多邊形的位置，以及3)計算該至少一個多邊形的中心以限定對應(yīng)的一個或多個觸摸事件 的位置。
[0013] 應(yīng)當理解的是，以上一般描述和以下詳細描述兩者表示本公開的實施例，并且它 們旨在提供用于理解所要求保護的本公開的本質(zhì)和特性的概觀或框架。所包括的附圖用于 提供對本公開的進一步理解，且被結(jié)合到本說明書中并構(gòu)成其一部分。附圖示出本公開的 各個實施例，并與本描述一起用于說明本公開的原理和操作。
[0014] 在一些實施例中，控制器進一步被配置成基于檢測器信號強度與信號閾值的比較 確定觸摸事件的強度。在一些實施例中，透明薄片對紅外（IR)光基本透明，其中從光源發(fā) 射的光包括IR光，并且其中感光元件被配置成檢測IR光。在一些實施例中，該周界包括多 個轉(zhuǎn)角，并且其中感光元件中的每一個毗鄰多個轉(zhuǎn)角的每一個而設(shè)置。在一些實施例中，該 系統(tǒng)進一步包括每一個毗鄰感光元件的每一個設(shè)置的帶通濾波器，帶通濾波器每一個配置 成對可見光基本不透明，并且IR光具有與由光源元件發(fā)射的IR光不同的IR波長。在一些 實施例中，該系統(tǒng)進一步包括可操作地耦合至感光元件之一的電路，該電路被配置成提供 降低或消除由于干擾照明而引起的干擾電流的補償電流。在一些實施例中，電路包括可操 作地連接至處理器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該處理器將反饋控制信號提供至數(shù)模轉(zhuǎn)換器以改變補償 電流。
[0015] 將在以下詳細描述中闡述本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點，這些特征和優(yōu)點在某種程度 上對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說根據(jù)該描述將是顯而易見的，或者通過實施包括以下詳細描 述、權(quán)利要求書以及附圖的本文所述的實施例可認識到。權(quán)利要求書被結(jié)合到以下陳述的 詳細描述中并構(gòu)成其一部分。 附圖簡述
[0016] 圖1為根據(jù)本公開的示例觸摸屏系統(tǒng)的正面圖；
[0017] 圖2為觸摸屏系統(tǒng)的透明薄板的截面圖；
[0018] 圖3為透明薄板的轉(zhuǎn)角的特寫的、自上而下的視圖，并且包括示出了轉(zhuǎn)角是有斜 面的示例的特寫視圖并且其中感光元件（以虛線示出）毗鄰有斜面的轉(zhuǎn)角設(shè)置；
[0019] 圖4為圖1的示例觸摸屏系統(tǒng)的更詳細的正面圖，并且示出了與感光元件中的一 個相關(guān)聯(lián)的示例視線；
[0020] 圖5為在邊緣26處的透明薄片的特寫截面圖，其示出了光源元件如何邊緣耦合至 透明薄片的示例；
[0021] 圖6A類似于圖5并且顯示其中光源元件在底部表面處面耦合至透明薄板的示例， 并且還示出設(shè)置在頂部表面上以從上面的視角擋住光源元件框；
[0022] 圖6B類似于圖6A并且示出其中框?qū)t外光（IR)輻射透明，但是對可見光輻射不 透明的示例，其中框設(shè)置在光源元件和透明薄板的底部之間；
[0023] 圖7為觸摸屏的透明薄板、光源元件和感光元件的正面圖，其示出了通過測量由 感光元件測得的光線的扇形圖的衰減（阻擋）來確定觸摸事件的位置的方法的步驟；
[0024] 圖8類似于圖7并且示出了通過形成與光線扇形圖（S卩，視線）相關(guān)聯(lián)中心線和 確定中心線的交叉點的方法的步驟；
[0025] 圖9類似于圖7并且顯示包括兩個觸摸事件的情況；
[0026] 圖10類似于圖9并且顯示與圖9的兩個觸摸事件的光線扇形圖相關(guān)聯(lián)的多個交 叉點；
[0027] 圖11是基于從在示例觸摸屏系統(tǒng)中進行的測量所獲得數(shù)據(jù)的對于測得的信號 A(實線）、基準信號A。（點線）和閾值T (虛線）的（經(jīng)處理的）檢測器信號（相對單位） 的信號強度相對于時間（微秒）的代表性曲線圖；
[0028] 圖12為通過將觸摸屏系統(tǒng)可操作地設(shè)置在傳統(tǒng)顯示器單元的頂上而形成的示例 觸敏顯示器的示意性立體圖；
[0029] 圖13為比圖12更詳細的顯示示例觸敏顯示器的分解立體圖；
[0030] 圖14A為示出了如何將觸摸屏系統(tǒng)與傳統(tǒng)顯示單元結(jié)合的示例的示例觸敏顯示 器的示意性截面、部分分解圖；
[0031] 圖14B類似于圖14A并且示出了可操作地設(shè)置在傳統(tǒng)顯示器單元的集成顯示器組 件頂部的觸摸屏系統(tǒng)；
[0032] 圖15A為對降低環(huán)境光的不利影響有用的觸敏顯示器的示例配置的特寫局部截 面圖；
[0033] 圖15B類似于圖15A并且示出了具有比圖15A更薄的配置的示例觸敏顯示器；
[0034] 圖15C類似于圖15B并且示出其中感光元件200被設(shè)置成使得其朝向顛倒的示例 實施例；
[0035] 圖1?類似于15C并且示出了其中感光元件200毗鄰平板波導(dǎo)520的以相對于水 平面成檢測器角度Ψ的成角度的面527設(shè)置的示例實施例；
[0036] 圖16A類似于圖9并且（使用較暗的線）突出通過有限的視線形成的一個示例三 角形；
[0037] 圖16B類似于圖16A，但是移除了大多數(shù)非觸摸多邊形；
[0038] 圖17A示出了具有六個感光元件的示例觸摸屏系統(tǒng)的多邊形，其中僅留下表示誤 觸摸的一個小多邊形（虛線橢圓）；
[0039] 圖17B類似于圖17A，除了被圖17A中的虛線橢圓標識為非觸摸多邊形的一個小多 邊形已基于其小衰減值被消除；
[0040] 圖18為示出了由通過感光元件和光源元件定義的所有視線形成的網(wǎng)格的示意 圖，其中特寫插圖顯示如何在網(wǎng)格中限定像素；
[0041] 圖19A為示出了通過SART算法基于原始測量數(shù)據(jù)確定的多邊形的位置的透明屏 幕的計算機圖像；
[0042] 圖19B類似于圖19A并且示出了該方法的有界多邊形實施例的SART結(jié)果；以及
[0043] 圖20為配置成通過使用電流注入來降低干擾照明的不利影響的示例電路的示意 圖。
[0044] 將在以下詳細描述中陳述本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點，這些特征和優(yōu)點對于本領(lǐng)域 的技術(shù)人員來說根據(jù)該描述將是顯而易見的，或者通過實施本文中以及權(quán)利要求書和附圖 中描述的本公開可認識到。
[0045] 為了參考起見在某些附圖中顯示了笛卡爾坐標，但是笛卡爾坐標不旨在關(guān)于方向 或取向的限制。

【具體實施方式】
[0046] 圖1為根據(jù)本公開的示例觸摸屏系統(tǒng)10的示意圖。觸摸屏系統(tǒng)10可例如連同蜂 窩電話和能夠無線通信的其他電子設(shè)備、音樂播放器、筆記本計算機、移動設(shè)備、游戲控制 器、計算機"鼠標"電子圖書閱讀器等等的顯示器用于多種消費電子物品。
[0047] 觸摸屏系統(tǒng)10包括透明薄板20和以下討論的毗鄰?fù)该鞅“逯芙缭O(shè)置的光源100 和感光元件200?？扇芜x的框40用于覆蓋光源100和感光元件使得它們不能被觀看者從上 面看到。術(shù)語"框"在本文中廣泛地用于表示用于至少阻擋可見光并且配置成保持觸摸系 統(tǒng)10的一些部分不被用戶500 (參見圖14B)觀看到的任何遮光構(gòu)件、膜、部件等等。因此， 本文中所使用的術(shù)語"框"不限于如用于手表等的傳統(tǒng)機械框的在透明薄片邊緣處的構(gòu)件。
[0048] 觸摸屏10包括控制器300,控制器300 (例如，經(jīng)由總線301)可操作地連接至光 源100和感光元件200并且配置成控制觸摸屏系統(tǒng)10的操作。如以下更詳細描述的，控制 器300包括處理器302、設(shè)備驅(qū)動器304和接口電路306。在示例中，感光元件200包括光 電二極管。
[0049] 圖2為透明薄片20的截面圖，以及圖3為透明薄片的轉(zhuǎn)角的特寫、自上而下的視 圖。透明薄片20包括主體部分或主體21、頂部表面22、底部表面24和限定周界27的至少 一個邊緣26。示例透明薄片20 -般為矩形并且包括限定四個轉(zhuǎn)角28的四個邊緣26,并且 透明薄片的該示例作為實例用于以下討論?？墒褂猛该鞅∑?0的其他形狀，諸如圓形。
[0050] 圖3中的特寫插圖示出了其中轉(zhuǎn)角28中的一個是有斜面的示例實施例，并且以虛 線示出可毗鄰有斜面的轉(zhuǎn)角可操作地設(shè)置的感光元件200中的一個。如以下所描述的，特 寫插圖中還以虛線示出光線104沿著視線105傳播。
[0051] 透明薄片20具有厚度TH，該厚度是基本上均勻的（即，頂部和底部表面22和24 基本上平行）。在示例中，透明薄片20為矩形并且具有在X方向中的尺寸（長度）LX和在 Y方向中的長度LY，并因此具有通過四個邊緣26限定的四個轉(zhuǎn)角28. -般地，透明薄片20 可具有其中邊緣26限定多個轉(zhuǎn)角28 (例如，對于六邊形的六個轉(zhuǎn)角）的形狀。
[0052] 透明薄片20可一般由可形成為薄平面薄片的任何合適的透明材料（諸如，塑料、 丙烯酸衍生物、玻璃等等）制成，并且支持光在其主體21中傳輸而不會由于散射或吸收引 起大量損耗。在實施例中，透明薄片20可以是化學(xué)強化玻璃，諸如堿石灰類型玻璃。用于 透明薄片20的示例玻璃為通過離子交換硬化的鋁硅酸鹽玻璃。這些類型的玻璃可包括 Na20 (氧化鈉 ）、CaO (石灰）和Si02 (二氧化硅），但還可包括諸如Mg0、Li20、K20、Zn0jPZr02 之類的氧化物。一旦通過離子交換硬化，這些類型的玻璃呈現(xiàn)使它們對于觸摸屏應(yīng)用以及 其他應(yīng)用（例如，玻璃蓋板）可取的某些特性。關(guān)于適合于用作透明薄片20的堿石灰類型 的玻璃的配方或生產(chǎn)，或以上兩者的進一步詳細說明可在2007年7月31日提交的美國專 利申請11/888,213、2009年8月7日提交的美國專利申請12/537,393、在2009年8月21 日提交的美國專利申請12/545, 475、和2009年2月25日提交的美國專利申請12/392, 577 中的一個或多個中找到，這些專利申請通過引用結(jié)合于此。用于透明薄片的示例性玻璃為 來自美國紐約州康寧市的康寧公司的Gorilla?玻璃。而且，諸如低鐵Gorilla?玻璃或其他 低鐵離子交換的玻璃的示例性玻璃對于IR波長光104是透明的。
[0053] 圖4為類似于圖1的觸摸屏系統(tǒng)10的示意圖，但圖4示出了系統(tǒng)的更多細節(jié)并且 為了易于說明省略了框40。光源100實際上為光源陣列，該光源陣列包括顯示毗鄰?fù)该鞅?片20的周界27可操作地設(shè)置的光源元件102。示例光源元件102為發(fā)光二極管（LED)。而 且在實施例中，光源元件102每個按照諸如在850nm和950nm之間的IR波長發(fā)射光104。 在以下討論中，光104在適當?shù)那闆r下也被稱為"光線" 104或"多個光線"或"光束" 104或 "多個光束" 104。
[0054] 圖4示出了在光源元件102中的一個和對應(yīng)的示例感光元件200之間的示例視線 105。注意，在矩形透明薄片20的示例中，每個光源元件102具有到在相對邊緣26的轉(zhuǎn)角 28上的兩個感光元件200的視線105。因此，對于透明薄片20的矩形配置，來自每個光源 元件102的光104沿著視線105入射在兩個感光元件200上。
[0055] 在示例中，光源元件102可操作地安裝在柔性電路板（"柔性電路"）110上，柔性 電路板110而后安裝至與透明薄片20的每個邊緣26相關(guān)聯(lián)的印刷電路板（PCB) 112。在實 施例中，如以下更詳細討論的，光源元件102邊緣在邊緣26處耦合至透明薄片20。柔性電 路110和PCB112作為示例在圖4中被顯示為以平行于透明薄片20的平面取向。柔性電路 110和PCB112還可按照垂直于透明薄片20的平面取向。
[0056] 在觸摸屏系統(tǒng)10的一般操作中，處理器302驅(qū)動光源元件102的順序激活并且還 控制每次光源激活在感光元件200處的光104的檢測。感光元件200響應(yīng)于正檢測的光104 產(chǎn)生電檢測器信號SD，其中檢測器信號的強度代表對于光沿著其傳播的特定視線105的檢 測的光的強度。因此，每個視線105可被認為是已與某一光強度相關(guān)聯(lián)的光學(xué)路徑。接口 電路306的部分可以接近感光元件200放置。例如，前置放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器可接近感光 元件200放置，以特別是當處理器位于中央時消除可在處理器302和感光元件200之間的 長導(dǎo)線中被誘發(fā)的噪聲。
[0057] 在示例中，處理器302控制光發(fā)射和檢測過程，以例如通過從光源元件102將特性 (例如，調(diào)制）提供至光104、或通過門控感光元件降低噪聲等、或以上兩者來優(yōu)化光104的 檢測。
[0058] 圖5為在邊緣26的一個處的透明薄片20的特寫截面圖，其示出了光源元件102 如何光耦合至透明薄片的示例。在圖5的示例中，光源元件102例如使用膠或粘合劑103 邊緣耦合至透明薄片20的邊緣26。還注意，圖5示出了其中柔性電路110和PCB112垂直 于透明薄片20的平面布置的示例實施例。在示例中，膠或粘合劑103為匹配于透明薄片20 的折射率的折射率。
[0059] 當給定光源102被激活時，它發(fā)射傳播到透明薄片20的主體21中的光104(光 線）。具有超過透明薄片20的臨界內(nèi)部反射角度Θ J參見圖5)的角度的光104的一部分 經(jīng)由全內(nèi)反射保持被捕獲到透明薄片主體21中并且在其中傳播。如果內(nèi)部反射的光104 的傳播保持不間斷，則內(nèi)部反射的光104將沿著其視線105的長度傳播并在到達對應(yīng)的感 光元件200。感光元件200被配置成將檢測的光104轉(zhuǎn)換成上述電檢測器信號SD，在示例 中，上述電檢測器信號SD為光電流。如以下所描述的，電檢測器信號SD然后被發(fā)送至處理 器302以供處理。因此，透明薄片20充當支持更大量的傳導(dǎo)模式的光波導(dǎo)，S卩，光線104在 透明薄片內(nèi)以超過臨界內(nèi)部反射角度Θ。的寬范圍的內(nèi)部反射角度Θ傳播。
[0060] 圖6A類似于圖5并且示出了其中光源元件102毗鄰?fù)该鞅∑?0的底部表面24設(shè) 置并且光耦合至透明薄片20的底部表面24。與邊緣耦合配置相比，該面耦合配置提供包括 更簡單制造、無框需求、和增加的觸摸敏感度的若干優(yōu)點。當光線104發(fā)射到透明薄片20中 時，多個模式按照以上結(jié)合邊緣耦合配置所討論的不同反彈角度進行傳播。邊緣耦合配置 更可能產(chǎn)生處于低反彈角度的模式，而表面耦合配置產(chǎn)生了處于更高反彈角度的模式。因 為具有更高反彈角度的光線104更頻繁地照射頂部表面22,因此具有更高反彈角度的光線 104提供增加的觸摸敏感度，從而提供了與觸摸事件TE交互的更大機會。
[0061] 為了防止光源元件102不被用戶500透過透明薄片20看到，可使用框40。在示例 中，框40為至少對可見光波長不透明并且可任選地以IR波長傳輸?shù)哪さ男问?。用于?0 的示例膜包括吸收在包括可見光和IR波長的大范圍的波長上的光的黑涂料。在圖6B所示 的另一示例中，框40可設(shè)置在光源元件102和透明薄片20之間，在這種情況下，框需要對 發(fā)光元件的波長基本上透明。在該情況下，光104的適當?shù)牟ㄩL為IR波長。
[0062] 模型表明，與對于圖5的邊緣耦合配置的大約80%相比，由光源元件102輸出的光 104的大約28%可利用圖6的面耦合結(jié)構(gòu)被捕獲到透明薄片20中。
[0063] 繼續(xù)參照圖5以及圖6A和6B，當發(fā)生觸摸事件TE時，諸如當個人的手指F觸摸 透明薄片20的頂部表面時，其改變了全內(nèi)反射條件。這導(dǎo)致光104被散射出透明薄片主體 21作為在頂部表面22被觸摸的點處（或更精確地，在小區(qū)域上的）的散射光104S，從而使 光束104衰減。達到對應(yīng)的視線105的對應(yīng)的感光元件200的光104的強度的降低導(dǎo)致電 檢測器信號SD的減弱的信號強度（例如，減小的光電流）（例如，與基線光電流測量相比）， 并且指示已發(fā)生觸摸事件TE。如以下更詳細討論的，測得的電檢測器信號SD的閾值T可用 于確定是否已發(fā)生觸摸事件TE。
[0064] 圖7為透明薄片20、光源元件102和感光元件200的正視圖，其示出了如何確定觸 摸事件TE的發(fā)生和位置。如上所討論的，來自給定光源元件102的光104具有到位于光源 元件對面（即，與相同邊緣26的轉(zhuǎn)角28不相關(guān)）的感光元件200的視線105。圖7示出 了基于示例觸摸事件TE限定感光元件200-1、200-2、200-3和200-4的各自的視線105-1、 105-2、105-3和105-4的有限的光束104-1、104-2、104-3和104-4以及對應(yīng)的衰減的或"斷 裂的"光束104-B1、104B2、104B3、和104-B4。觸摸事件TE的精確位置使用以下描述的算法 確定。
[0065] 觸摸事件TE的位置分辨率通過在透明薄片20的邊緣26處的光源元件102的密 度確定，在透明薄片20的邊緣26處的光源元件102的密度片20具有長度LX = 432mm和 長度LY = 254mm，具有圍繞邊緣26分布的252個光源元件102,并且光源元件中的80個沿 著長邊緣以及光源元件中的46個沿著短邊緣。對于具有10_直徑的圓形尺寸（其大約是 手指觸摸的尺寸）的觸摸事件，5. 25mm的光源元件102的間距確保觸摸事件TE將破壞至少 一個光束104,即，將截斷至少一個視線105。
[0066] 控制器300配置成提供激活光源元件102所必要的功能，使得光源元件102以選 擇的方式發(fā)射光104。控制器300還配置成接收和處理來自感光元件200的電檢測器信號 SD，以確定在透明薄板20的頂部表面22上的發(fā)生觸摸事件TE的一個或多個位置。
[0067] 具體而言，再次參照圖4,控制器300包括上述處理器302 (例如，微處理器）、上述 設(shè)備驅(qū)動器（驅(qū)動器單元）304、和上述接口電路306。處理器302經(jīng)由信號線、總線等等耦 合至驅(qū)動器電路304和接口電路306。處理器302配置成執(zhí)行控制和安排驅(qū)動器電路304 和接口電路306的活動的計算機可讀代碼（軟件程序），以實現(xiàn)上述功能和操作并且以執(zhí)行 用于本文所描述的方法的多種計算。例如，處理器302可將控制信號（未示出）提供至驅(qū) 動器電路304,以指示何時激活和去激活（即，打開和關(guān)閉）各自的光源元件102以及感光 元件200。
[0068] 接口電路306從感光元件200接收電檢測器信號SD并且處理這些信號使得它們 可被輸入到處理器302中。例如，當感測元件200包括光電二極管時，接口電路306可將適 當?shù)钠脳l件提供至光電二極管，使得光電二極管能夠正確地感測光104。在這方面，接口 電路306可配置成使得在特定的時間間隔期間特定的感光元件200活動而其他的不活動。 [0069] 接口電路306還可（例如，與積分和清除電路）被配置成處理來自光電二極管的 模擬電檢測器信號SD (例如，模擬光電流）并且將其轉(zhuǎn)換成用于處理器302的數(shù)字格式。這 種配置改善了信噪比。用于將光源元件102和感光元件200電連接至控制器300的兩個示 例選項為使用總線（諸如I 2C(兩線接口））的菊花鏈或從控制器到每個單個感光元件的分 布式結(jié)構(gòu)（home run)。前一選項簡化了接線，而后者改善了性能。
[0070] 控制300經(jīng)由合適的電連接（諸如，上述總線301總線或如電纜）電連接至光源 元件102和感光元件200。在示例中，控制器300的一些部分駐留在PCB112上。
[0071] 處理器302可利用合適的硬件來實現(xiàn)，諸如標準數(shù)字電路、可操作用于執(zhí)行軟件 和/或固件程序的已知的處理器中的任一個、或一個或多個可編程數(shù)字設(shè)備或系統(tǒng)（諸如 可編程只讀存儲器（PR0M)、可編程陣列邏輯器件等等）。示例性處理器302為可從美國亞 利桑那州錢德勒的微芯科技公司，購買的PIC微處理器。
[0072] 而且，雖然控制器300被顯示為被分割成某些功能塊（S卩，處理器302、驅(qū)動器 304、和接口 306)，此類塊可通過單獨的電路實現(xiàn)和/或結(jié)合到一個或多個功能單元中。處 理器302可執(zhí)行不同的軟件程序以執(zhí)行用于基于以下所述的方法計算一個或多個觸摸事 件TE的一個或多個位置的不同技術(shù)。
[0073] 如上所討論的，控制器300配置成通過選擇感光元件200協(xié)調(diào)光源元件的激活和 光104的檢測。激活光源元件102的示例方法為其中順序地激活在給定方向中的周界周圍 的光源元件的追趕（chase)方法。然而，可使用激活光源元件102的不同的方法和順序。例 如，如果在選擇的時間量之后已感測沒有觸摸事件TE，則排序可能降到低功率狀態(tài)，在該低 功率狀態(tài)下光源元件102不經(jīng)常被激活或以不同的順序被激活（例如，僅奇數(shù)光源元件）。 在一些情況下，例如，當首先檢測到觸摸事件TE時，還可以更高頻率激活光源元件102,以 提高確定觸摸事件的位置的分辨率。 單個觸摸事件方法
[0074] 本公開的一個方面包括確定觸摸屏系統(tǒng)10上的單個觸摸事件TE的位置的方法。 該方法中的第一步驟包括激活每個光源元件102以產(chǎn)生對應(yīng)的光束104。該第一步驟還包 括測量對應(yīng)感光元件200處的光束強度以獲得所有對應(yīng)感光元件的光束強度的基線測量。 基線測量強度通過電檢測器信號SD的基線信號強度表示。該基線測量允許將光束104的 基線強度與觸摸事件光束強度相比較以確定是否已發(fā)生觸摸事件TE并且發(fā)生觸摸事件TE 的位置。以下討論執(zhí)行該基線測量步驟的示例方法。
[0075] 最簡單的觸摸位置感測方法是基于由于觸摸事件TE中斷的（即，衰減的）光束 104的三角測量。在該方法中，如果由于觸摸事件TE引起的在給定光源元件102和給定 感光元件200之間沿著視線105的衰減超過預(yù)確定的閾值，則如圖7中通過斷裂的光束 104-B(S卩，光束104-B1、104-B2、104-B3和104-B4)所示，該光束（或，相當于視線）被標記 為的衰減的、中斷的或"斷裂（broken)"的。在圖7中，為了便于說明，僅顯示有限數(shù)量的斷 裂的光束104-B。
[0076] 該方法中的第二步驟為用沿著斷裂的光束的每個扇形圖的中心所取的單個中心 線104C代替斷裂的光束104-B的扇形圖。因為存在四個感光元件200,因此，如圖8所示， 存在四個中心線104C(即，104-C1到104-C4)。
[0077] 第三步驟包括計算中心線104C的交叉點109的位置。為了便于說明，僅標記一些 交叉點109。由于有限的角度分辨率，中心線104C將不會所有相交在單個點。相反，四個中 心線104C-般產(chǎn)生多達六個交叉點109的群，交叉點109具有接近觸摸事件TE的真實中 心的（X，y)位置。因此，第四步驟包括對中心線交叉點109的（X，y)坐標求平均，以給出觸 摸事件TE的位置的最終估計（X'，y'）。
[0078] -般地，如果t為觸摸事件的數(shù)量以及p為感光元件200的數(shù)量，則t個觸摸事件 的中心線交叉點的最大數(shù)量NM為NM = t2p(p-l)/2。對于單個觸摸事件TE，t = 1且NM = t2p (p-1)/2。應(yīng)當注意的是，所考慮的觸摸屏系統(tǒng)10的特定示例具有單個觸摸事件TE和 四個感光元件200,從而產(chǎn)生最多六個中心線交叉點。因此，如果中心線交叉點的實際數(shù)量 NA超過最大數(shù)量NM，則指示存在比所假設(shè)的t個觸摸事件多的多個觸摸事件。
[0079] 例如，對于單個觸摸事件（t = 1)和四個感光元件（p = 4)，如果NA>6,則已發(fā)生多 個觸摸事件。因此，本文所公開的方法的一個方面包括計算t個觸摸事件的中心線交叉點 的最大數(shù)量N M、測量中心線觸摸事件的實際數(shù)量NA、和將NM和NA的值相比較，其中N A>NM表 示超過t個觸摸事件。
[0080] 該方法在辨別觸摸事件TE的數(shù)量為一個還是大于一個的情況下尤其有用，S卩，通 過測量實際中心線交叉點的數(shù)量N A并且將NA和與單個觸摸事件相關(guān)聯(lián)的NM的值相比較以 確定觸摸事件TE的實際數(shù)量是否大于一個。
[0081] 進行模擬以將實際觸摸位置與計算的觸摸位置（X'，y'）相比較以確定如上所述 的示例觸摸屏參數(shù)的誤差量。模擬指示誤差為大約〇. 98_，該誤差遠小于光源元件102的 示例5. 25mm間距。通過測試大量的隨機點，發(fā)現(xiàn)最壞情況下的位置誤差為約3mm。 用于兩個觸摸事件的方法
[0082] 上述方法非常適用于單個觸摸事件并且可被擴展以應(yīng)用于兩個觸摸事件。現(xiàn)描述 這種兩個觸摸事件方法。
[0083] 圖9類似于圖7并且示出與兩個觸摸事件TE1和TE2相關(guān)聯(lián)的光線104的扇形圖， 并且為了便于說明僅顯示有限的光線104-1到104-4。圖10類似于圖9,并且基于圖9的 光線104的扇形圖示出中心線104C。如可從圖10中可以看出，對于兩個觸摸事件TE1和 TE2,中心線104C的許多交叉點109不接近實際觸摸事件位置。然而，還可觀察到，中心線 交叉點109趨向于接近觸摸事件TE1和TE2的位置聚集。利用中心線104C的軌跡的這種 特性來計算兩個觸摸事件TE1和TE2的位置（X' u y' ^和（X' 2, y' 2)。
[0084] 因此，在一個實施例中，以與涉及單個觸摸事件TE的情況大致相同的方式計算所 有中心線交叉點109的交叉點坐標（Xpy^、（x 2，y2)等。如果使用四個感光元件200,則對 于給定的觸摸事件，光束交叉點的最大數(shù)量N B為6 (參見以上用于NB的公式）。因此，如果 測得的光束交叉點的數(shù)量大于六，則得出的結(jié)論是存在至少兩個觸摸事件TE1和TE2。
[0085] 對于多個觸摸事件，因為偽交叉點趨向于位于距離觸摸事件的實際位置相對大距 離處，因此，該方法的下一步驟包括尋找中心線交叉點109的群。此外，由于觸摸屏系統(tǒng)10 的離散角度分辨率的緣故，可以預(yù)期，在與對應(yīng)的觸摸事件TE1和TE2相關(guān)聯(lián)的中心線交叉 點109中將存在一些擴展。增加對觸摸事件的敏感度的一個方法是增加感光元件的數(shù)量。 在示例中，至少一個感光元件沿著邊緣26設(shè)置在相鄰轉(zhuǎn)角28的中間以增加可能沿著透明 薄片20的對角線發(fā)生的多個觸摸事件的測量敏感度。
[0086] 在示例中，確定已發(fā)生有效觸摸事件的要求被定義為全部都在特定距離公差D內(nèi) 的中心線交叉點109的最小數(shù)量M。示例要求為在具有半徑D = 4mm的圓中存在至少Μ = 3個交叉點109。可選擇交叉點109的距離公差D和最小數(shù)量Μ以優(yōu)化用于確定觸摸事件 ΤΕ的有效性的結(jié)果。在示例中，在距離公差D中可存在Q個交叉點109,其中Q > Μ。
[0087] 在下一步驟中，該方法包括對Q彡Μ交叉點群的（Xp yj、（x2, y2)等坐標求平均， 以分別得出觸摸事件TE1和TE2的計算的（x' p y' J和（x' p y' J。如在單點觸摸方法中 的示例中，觸摸事件TE1或TE2的位置的計算的精確度可以是大約幾 mm。
[0088] 用于多個觸摸事件TE的上述算法一般適用于兩個觸摸，但尤其是當觸摸事件位 于屏幕對角線附近時，上述算法易受某些觸摸事件位置的偽觸摸結(jié)果的影響。該缺陷通過 緊縮上述中心線交叉點要求（例如對于給定距離公差D需要更大數(shù)量Μ的中心線交叉點 109)來減輕。 示例基線測量方法
[0089] 如上所述，確定觸摸事件ΤΕ的位置（或兩個觸摸事件ΤΕ1和ΤΕ2的位置）的方法 中的一個步驟包括：當不存在觸摸事件時，首先執(zhí)行檢測器信號強度的基線測量?，F(xiàn)討論執(zhí) 行基線測得的示例方法。
[0090] 示例基線測量方法利用感光元件200提供對來自觸摸屏系統(tǒng)10中的每個光源元 件102的每個光束104的未經(jīng)衰減的強度。如果與采用感光元件200檢測未衰減的光束104 相關(guān)聯(lián)的估計的檢測器信號強度具有在任意單位的強度（例如，以mA為單位的光電流）中 的幅度Ajt)，則可及時校正廣義的電流測量以給出對于每個光束的從0到1變化的估計的 光束傳輸函數(shù)G(t)。對于所有p個光兀件，G(t) - G(p, t)。
[0091] 假設(shè)有關(guān)利用感光元件200的強度測得的平均噪聲的一些指示，可定義合理的檢 測閾值T。例如，如果每秒測量N B個光束104,并且不可能以超過每K秒一次的頻率發(fā)生誤 觸摸事件的檢測，則誤觸摸的可能性可通過1ΛΝΒΚ)給出。如果每個傳輸測量G(p，t)具有 方差〇 2,則檢測閾值可被設(shè)置為T = G(p, t) = 1 - ζ 〇，其中z為由遞歸關(guān)系erf (z/ V 2) =(NK-1)/NK定義的標準偏差，其中"erf"為誤差函數(shù)并且"V 2"為2的平方根。
[0092] 下面的表1示出了對于具有以50Hz運行的256個光束104(產(chǎn)生NBK = (256) (50Hz) = 12,800)的示例觸摸屏系統(tǒng)10,作為誤觸平均時間（MTFT)檢測的函數(shù)的ζ的示 例值。由
【發(fā)明者】創(chuàng)造的示例觸摸屏系統(tǒng)10示出了開關(guān)積分器的原理的證明并且具有大約 100的信噪比（SNR)，從而導(dǎo)致ζ = 5的檢測閾值和5 %的觸摸屏敏感度。該檢測閾值可通 過將觸摸事件TE定義為需要兩個或多個光束同時被斷裂的觸摸事件來放寬。

【權(quán)利要求】
1. 一種確定在透明薄片上的觸摸事件的位置的方法，所述透明薄片具有周界，并且光 源元件和感光元件可操作地毗鄰所述周界而設(shè)置，所述方法包括： a) 使用感光元件來測量來自光源元件的光的強度值，所述光在所述光源元件和所述感 光元件之間的視線上在透明薄片中內(nèi)部地傳播； b) 基于與衰減閾值相比的強度值來確定每個感光元件的有限的視線； c) 使通過每個感光元件的有限的視線所限定的三角形重疊，以確定一個或多個多邊 形；以及 d) 確定一個或多個多邊形的中心以確定觸摸事件位置。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每個多邊形具有基于測量的強度值的相關(guān) 聯(lián)的衰減，并且進一步包括： 消除其相關(guān)聯(lián)的衰減低于衰減閾值的任何多邊形。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括基于檢測器信號強度與信號閾值的比較來確 定所述觸摸事件的強度。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述透明薄片對紅外（IR)光基本透明，并且 其中來自所述光源元件的光包括IR波長。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，進一步包括采用毗鄰所述感光元件設(shè)置的帶通濾波器來 過濾IR光，所述帶通濾波器配置成對可見光基本不透明，并且所述IR光具有與由所述光源 元件發(fā)射的IR光不同的IR波長。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括： 從感光元件產(chǎn)生用于表示通過所述感光元件檢測到的強度值的各自的檢測器信號；以 及 處理所述檢測器信號以確定有限的視線。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，產(chǎn)生檢測器信號包括： 在所述光源元件關(guān)閉時采用所述感光元件之一進行第一光電流測量； 在所述光源元件打開時采用所述感光元件中的同一個感光元件進行第二光電流測量； 以及 從第二光電流減去第一光電流。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，產(chǎn)生檢測器信號包括采用具有放大器的電 路來處理所述檢測器信號，并且其中所述方法進一步包括： 進行積分光電流測量達一固定的總時間ΛΤ; 將該固定的總時間ΛΤ分成N個間隔以限定具有對應(yīng)的時間間隔ΛΤ/Ν的N個子測 量； 將N個子測量一起相加以模擬單個積分；以及 動態(tài)地選擇N以避免使放大器過載。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述周界包括多個轉(zhuǎn)角，并且包括使所述感 光元件中的每一個毗鄰多個轉(zhuǎn)角中的每一個而設(shè)置。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，存在η個感光元件，并且進一步包括： 確定所述感光元件中的第一個感光元件的第一組三角形； 確定所述感光元件中的第二個感光元件的第二組三角形； 從第一和第二組三角形確定第一組多邊形； 確定所述感光元件中的第三個感光元件的第三組三角形并且確定所述第三組三角形 與所述第一組多邊形的交叉點以形成第二組多邊形；以及 重復(fù)以上步驟直到第η個感光元件得出在動作d)中所使用的最后一組多邊形以確定 觸摸事件位置。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定一個或多個多邊形的中心包括：針對 每個多邊形， 確定所述多邊形中的衰減值；以及 基于所述多邊形中的衰減值來計算所述多邊形的質(zhì)心并且將所述質(zhì)心標識為多邊形 中心。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定一個或多個多邊形的中心包括：針對 每個多邊形， 將所述多邊形中的衰減假設(shè)為恒定值；以及 計算所述多邊形的幾何中心作為多邊形中心。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測得的強度值通過所述感光元件被轉(zhuǎn)化為 檢測器信號強度，并且進一步包括： 確定在所述視線上傳播的光的基線測量； 基于所述基線測量來限定閾值檢測器信號強度；以及 將和經(jīng)衰減的視線相關(guān)聯(lián)的檢測器信號強度與所述閾值信號強度相比較以確定是否 發(fā)生觸摸事件。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，進一步包括： 基于所述檢測器信號強度的變化來調(diào)節(jié)基線測量；以及 基于經(jīng)調(diào)節(jié)的基線測量來調(diào)節(jié)所述閾值信號強度。
15. -種用于感測一個或多個觸摸事件的位置的觸摸屏系統(tǒng)，包括： 透明薄片，所述透明薄片具有周界和發(fā)生一個或多個觸摸事件的頂部表面； 多個光源元件，所述多個光源元件發(fā)射光并且可操作地毗鄰所述周界而設(shè)置以將光耦 合到所述透明薄片中從而經(jīng)由全內(nèi)反射在其中傳播； 多個感光元件，所述多個感光元件可操作地毗鄰所述周界而設(shè)置以檢測來自所述感光 元件的光并且響應(yīng)于此而產(chǎn)生具有代表檢測到的光強度的信號強度的檢測器信號，其中所 述一個或多個觸摸事件導(dǎo)致沿著對應(yīng)于選擇感光元件的視線中的至少一個的光強度的衰 減；以及 控制器，所述控制器可操作地耦合至所述光源元件和所述感光元件并且被配置成控制 來自所述光源元件的光的發(fā)射并且處理所述檢測器信號以： I. 將每個感光元件中的檢測器信號強度與衰減閾值相比較以確定通過限制給定感光 元件的經(jīng)衰減的視線中的多個而限定的一個或多個三角形； II. 確定通過一個或多個三角形中的至少一個交叉點而形成的至少一個多邊形的位 置；以及 III. 計算所述至少一個多邊形的中心以限定對應(yīng)的一個或多個觸摸事件的位置。
16. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器進一步被配置成基于所述檢 測器信號強度與所述信號閾值的比較來確定所述觸摸事件的強度。
17. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述透明薄片對紅外（IR)光基本透明，其 中從光源發(fā)射的光包括IR光，并且其中所述感光元件被配置成檢測IR光。
18. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述周界包括多個轉(zhuǎn)角，并且其中所述感 光元件中的每一個毗鄰多個轉(zhuǎn)角中的每一個而設(shè)置。
19. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，進一步包括顯示器單元，所述顯示器單元毗鄰所述透 明薄片的底部表面而設(shè)置，使得用戶通過所述透明薄片觀看所述顯示器單元。
20. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，進一步包括毗鄰所述感光元件中的每一個而設(shè)置的帶 通濾波器，所述帶通濾波器中的每一個被配置成對可見光基本不透明，并且所述IR光具有 與由光源兀件發(fā)射的IR光不同的IR波長。
21. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，進一步包括可操作地耦合至所述感光元件中的一個的 電路，所述電路被配置成提供降低或消除由于干擾照明而引起的干擾電流的補償電流。
22. 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電路包括可操作地連接至處理器的 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述處理器將反饋控制信號提供至所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器以改變補償電流。
【文檔編號】G06F3/042GK104160366SQ201280068091
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月28日
【發(fā)明者】J·S·金, D·皮庫拉, R·C·沃克 申請人:康寧股份有限公司