光學觸摸導航的製作方法

2023-06-23 15:49:31

光學觸摸導航的製作方法
【專利摘要】本公開內容描述了以光學觸摸導航為特徵的觸摸接口。發光設備將光分布在光學元件上方，而光學元件又通過內部地反射光而在光學元件的出口處產生光束。感測設備響應於光束撞擊感測設備而捕獲圖像。處理設備通過比較由感測設備捕獲的連續的圖像來檢測鄰近光學元件的對象。
【專利說明】光學觸摸導航

【背景技術】
[0001] 觸摸接口允許用戶通過利用手指或者觸針觸控螢幕幕而與計算設備交互。觸摸接口 是普遍的，尤其是在移動計算設備中。可利用不同的技術來實現觸摸接口，例如，電阻的、電 容的或者光學技術。基於電阻技術的觸摸接口一般可包括塗有電阻材料、由間隙分隔的兩 個層。不同的電壓使兩個層中的每個層帶電。手指或者觸針的觸摸將這兩個層按壓到一起， 使得電壓改變並且允許接口識別觸摸的位置。基於電阻技術的接口製造起來不貴，但是受 到低光學透明度的影響。基於電阻技術的接口易於受觸摸表面上的劃痕的影響。
[0002] 基於電容技術的觸摸接口可利用塗有透明導體的單個活性層。當手指或者導電 觸針觸摸接口時，小電流穿過該接口，其中位於角落處的電路測量手指或者導電觸針的電 容。手指或者導電觸針的觸摸從活性層汲取電流，使得電容改變並且允許接口識別觸摸的 位置。基於電容技術的觸摸接口可確定接觸區塊（contact patch)的幾何特徵，例如，形心 和尺寸，以追蹤手指或者導電觸針的移動。當手指或者導電觸針從觸控螢幕幕表面上的一個 位置移動到另一位置時，觸摸接口基於接觸區塊的幾何特徵估計該移動。然而，接觸區塊的 幾何特徵是對手指或者導電觸針的位置和軌線的間接測量，這可能導致位置估計的不準確 或者溢出，例如，逆向滾動，其中即使在用戶向前伸展他的手指時，接觸區塊也被錯誤地理 解為向後移動。
[0003] 基於光學技術的觸摸接口依靠光學器件來檢測來自於觸摸的光發射或者反射，其 轉化為屏幕或者監視器上的光標或者其它圖標的移動。已經發現光學觸摸接口對於這樣的 應用是有用的，在所述應用中對於較大的電容或者電阻觸摸接口存在很小的物理空間或者 面積。例如，光學觸摸接口在計算機滑鼠中是常用的。對於滾動或者平移（panning)所必 需的長距離精確控制而言，一般並不認為諸如在滑鼠中實施的光學觸摸接口的小面積光學 觸摸接口是理想的，因為這些動作將要求觸摸接口的多次滑動（swipe)以穿過整個頁面滾 動或者平移。
[0004] 消費品製造商常常尋求可應對與電阻的、電容的或者光學觸摸接口相關的一些缺 點的觸摸接口。


【發明內容】

[0005] 提供本概要從而以簡化的形式引入在下面的【具體實施方式】中進一步描述的概念 的選擇。本概要並不旨在標識要求保護的主題的關鍵特徵或者基本特徵，也不旨在用來限 制所要求保護的主題的範圍。
[0006] 示例性的觸摸接口包括發光設備、光學設備和感測設備。發光設備將光分布在光 學設備的至少一個表面上方，而光學設備又通過在光學設備中內部地反射光而在光學設備 的出口處產生光束。感測設備通過比較對象的連續圖像來檢測附著（incident)在光學設 備上或者鄰近光學設備的對象，所述圖像由感測設備響應於光束撞擊感測設備而捕獲。發 光設備可包括光源和配置成將光源產生的光投射到光學設備的至少一個表面上的背光設 備。光學設備可包括光楔，光楔包括與薄端相對的厚端。光楔在內部可在光楔的頂表面和 底表面之間反射光，並且可在厚端處產生光束。
[0007] 通過以下根據附圖展開的詳細說明，包括光學觸摸導航的示例性觸摸設備的另外 的方面和優勢將是明顯的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1A是示例性的觸摸接口的截面圖。
[0009] 圖1B是包括光線追跡的圖1A中所示的示例性光學設備的截面圖。
[0010] 圖1C是包括光線追跡的圖1A中所示的示例性光學設備的頂視圖。
[0011] 圖1D是示例性的觸摸接口的截面圖。
[0012] 圖1E是附著在示例性的觸摸接口上或者鄰近示例性的觸摸接口的對象的圖像。
[0013] 圖2是示例性的背光設備的截面圖。
[0014] 圖3是說明圖1A-1D中所示的示例性的觸摸接口中的噪聲項的框圖。
[0015] 圖4是與圖1A-1D中所示的觸摸接口相關聯的示例性方法的流程圖。
[0016] 圖5是實現圖1A-1D中所示的觸摸接口的示例性系統的框圖。

【具體實施方式】
[0017] 本文描述的示例性的光學觸摸接口在需要例如用於滾動或者平移的精確控制的 應用中是有用的，其要求在比諸如光學觸摸滑鼠的已知光學手指導航設備所提供的更大的 距離上追蹤一個或多個對象。需要注意的是，光學觸摸接口直接追蹤附著在光學設備的表 面上的至少一個對象的移動，這增加了追蹤精確性。較大距離的光學追蹤是可能的，這至少 部分地歸因於通過內部地反射光而產生光束的光學設備。而內部的光反射又允許這種較大 距離的光學追蹤所需要的光學路徑的尺寸的減小。光學路徑的尺寸的減小提供了關於觸摸 接口的角度和外形的更大的設計自由度。感測設備響應於光束撞擊感測設備而捕獲光學設 備的表面的圖像。由於（多個）對象將散射由光學設備內部地反射的光的至少一部分，所以 感測設備通過比較連續地捕獲的光學設備出口處的光束的圖像來檢測附著在光學設備上 的一個或多個對象。
[0018] 參照圖1A-1D，觸摸接口 100可被配置成通過捕獲光學設備106的頂表面126上的 對象130的圖像來檢測附著在頂表面126上的或者鄰近頂表面126的對象130。觸摸接口 100通過比較響應於頂表面126上的對象130的移動而捕獲的圖像，可追蹤對象130橫跨頂 表面126的移動。因此，觸摸接口 100可被配置成照亮對象130,並利用傳感器110檢測從 對象130反射的光。這樣，當對象在光學設備106的頂表面126上移動時，觸摸接口 100可 記錄對象的位置。觸摸接口 100可被配置成基本上同時地檢測附著在光學設備106的頂表 面126上或者鄰近頂表面126的多個對象130 (例如用戶手指的多個觸摸)。然而，為了簡 單起見，下文描述單一的對象130。
[0019] 觸摸接口 100可包括發光設備101，而發光設備101又可包括光源102和背光設 備104。光源102可發出光103,而背光設備104可將光103投射到光學設備106上。光源 102可為任何發光體，其被配置成發射或者發出本領域普通技術人員知曉的任何種類的光， 包括結構化的光、非結構化的光、單一波長的光、可見光或者紅外光。示例性的光源102可 包括放置為與背光設備104的端部105相鄰的至少一個發光二極體。另一示例性的光源 102可包括沿著背光設備104的端部105放置並與其相鄰的多個發光二極體。多個發光二 極管可以增加由背光設備104分布到光學設備106的光線114的強度。
[0020] 背光設備104將來自光源102的光103作為光線114投射到或者以其它方式分布 到光學設備106上。光103的一部分可能例如由於圖2中所示的漫射元件而沿著背光設備 104的長度漏出。示例性的背光設備104可被放置在光學設備106下方以將光103投射到底 表面128上。背光設備104可橫跨光學設備106的一部分或者整個二維區域延伸。在一個 實施例中，背光設備104在光學設備106的將為觸敏性的部分的下方延伸。依據各種因素， 包括物理尺寸、電子或者光學設計約束、性能、成本或者本領域普通技術人員知曉的其它準 貝1J，背光設備104可包括數個元件或者層。背光設備104可包括本領域普通技術人員知曉 的用於光學應用中的任何材料，包括透明塑料、透明玻璃、聚碳酸脂材料、丙烯酸材料等等。
[0021] 參照圖2,示例性的背光設備204可包括可利用光203照亮光導206的光源202。 示例性的光源202可包括發光二極體、多個發光二極體、燈或者被配置成發射或者發出本 領域普通技術人員知曉的任何種類的光(包括結構化的光、非結構化的光、單一波長的光、 可見光或者紅外光）的任何其它發光體。光203可進入光導206以用於沿其長度分布。響 應於光導206,光203的至少一部分可被反射為光線207。漫射器208可傳播或者散射光 線207以產生漫射光線209。而膜210又可通過產生避免無意光散射並能夠讓更大量的光 203到達光學設備106 (圖1)的光線211進一步優化漫射光線209。包括光導206、漫射器 208和膜210的背光設備204的設計和操作對本領域普通技術人員而言是已知的。包括光 導206、漫射器208和膜210的背光設備204可包括本領域普通技術人員知曉的與它們的功 能相適應的材料和設計約束。
[0022] 再回來參照圖1A-1D，光學設備106可包括基本上是二維的楔形光導，該光導別稱 為光楔。光楔是經由全內反射傳導或者排列光以在出口處產生包括基本上平行的光線的光 束118的光導。示例性的光學設備106可允許光103從光源102被分布到厚端124,光束 118從厚端124離開。這種光楔可找到不同的用途，包括但不限於如本文所描述的那樣作為 光導。光學設備106可由頂表面126和底表面128以及相對的側面125、薄端122和厚端 124界定。光學設備106可包括本領域普通技術人員知曉的用於光學應用中的任何材料，包 括透明塑料、透明玻璃、聚碳酸脂材料、丙烯酸材料等等。
[0023] 光學設備106可在背光設備104的一部分或者整個長度的上方延伸。光線114可 以以任何角度從底表面128進入光學設備106,所述角度包括大於或者等於零度的視角。光 學設備106可通過內反射將光線114分布為反射光線116。在離開厚端124並作為光束118 被傳送到透鏡108和傳感器110之前，反射光線116可在頂表面126和底表面128之間內 部地反射。反射光線116的一部分可離開頂表面126。這樣，光學設備106縮小、聚焦或者 以其它方式將從光源102傳送的光103通過由頂表面126、底表面128、相對的側面125、薄 端122和厚端124界定的光學設備106而引導到傳感器110。在一個實施例中，光束118可 包括基本上準直的或者平行的光線。
[0024] 圖1D為示例性的觸摸接口 100的側視圖，其中厚端124塗有反射性材料。光線114 可從底表面128進入光學設備106,以在頂表面126和底表面128之間沿著光學設備106的 水平長度被內部地反射為光線116。反射光線116被反射性的厚端124再次引導或者反射， 以作為光束118穿過底表面128向下離開併到達透鏡108和傳感器110。
[0025] 而傳感器110在反射光線116穿過光學設備106時又感測光束118以捕獲頂表面 126的圖像或者鄰近頂表面126或附著在頂表面126上的對象130的圖像。傳感器110可 以為捕獲光並將捕獲的光轉換為電子信號的任何種類的設備，例如，電荷耦合器件（CCD)、 互補金屬氧化物半導體（CMOS)傳感器和有源像素陣列。傳感器110可包括模擬部分和數字 部分(沒有單獨地從感測器110中示出）。模擬部分可包括光電傳感器，光電傳感器保持表 不撞擊其表面的光的電荷並一次一個像素地將電荷轉換為電壓。數字部分(沒有單獨地從 傳感器110中不出）可將該電壓轉換為表不撞擊光電傳感器的光的數位訊號。傳感器110 可以為包括模擬部分和數字部分二者的集成電路。替代性地，傳感器110可包括分別實現 模擬部分和數字部分的兩個不同的電路。替代性地，傳感器110可集成有處理設備112,以 包括本文更加詳細地描述的另外的特徵。
[0026] 在一個實施例中，透鏡108可被置於厚端124和傳感器110之間，以將離開厚端 124的光束118聚焦到傳感器110上。在另一實施例中，透鏡108可被置於底表面128和 傳感器110之間，以將離開底表面128的光束118聚焦到傳感器110上。透鏡108可以為 本領域普通技術人員知曉的能夠將光束118聚焦到傳感器110上並且能夠補償在光學設備 106中可能發生的光學像差的任何設備。在本上下文中，光學像差可以為對象130的實際圖 像與理想圖像之間的任何偏差，這種偏差可能由於例如光學設備形狀變化、成像像差等（圖 3)而發生。透鏡108可包括本領域普通技術人員知曉的用於光學應用中的任何材料，包括 透明塑料、透明玻璃、聚碳酸脂材料、丙烯酸材料等等。
[0027] 處理設備112可包括能夠操縱或者以其它方式處理傳感器110的輸出的任何處理 器。處理設備112可包括存儲器113,其可為本領域普通技術人員知曉的任何類型或者任何 尺寸。處理設備112和存儲器113的實施例可包括圖5中所示的處理器504和存儲器506。
[0028] 鄰近光學設備106或者附著在光學設備106上的對象130可將反射光線116的至 少一部分散射為散射光線115。因此，反射光線116和散射光線115的至少一部分作為光束 118離開厚端124的角度可能依據頂表面126上的對象130的位置而改變。傳感器110可 在預定的時間捕獲鄰近頂表面126或者附著在頂表面126上的對象130的圖像，並將圖像 存儲在板載存儲器(沒有單獨地從傳感器110中示出）中。替代性地，傳感器110可將圖像 傳輸至處理設備112,以用於存儲到存儲器113中並進行隨後的處理。處理設備112可以 比較連續地捕獲的圖像，或者可以比較以預定的間隔捕獲的圖像，以確定頂表面126上的 對象130的位置並且直接地追蹤頂表面126上的對象130的移動。注意，處理設備112根 據圖像的比較來直接地確定或者追蹤頂表面126上的對象130的位置，而不是像其它觸摸 技術的情形那樣依據例如接觸區塊的幾何形狀的其它標記來間接地確定或追蹤。處理設備 112可利用任何數量的算法來比較連續地捕獲的圖像，包括本領域普通技術人員熟知的交 叉相關算法或者單個或多個接觸追蹤算法。
[0029] 圖1E為在光束118撞擊傳感器110時捕獲的附著在觸摸接口 100上的頂表面126 上或者鄰近頂表面126的對象130的示例性圖像。
[0030] 參照圖3,背光設備104可能需要補償由於例如電氣規格或者物理定位限制而導 致的來自光源102的不均勻光照304。光學設備106、透鏡108或者傳感器110可能需要補 償環境光、由於製造限制或者不規則性而導致的光學設備形狀變化以及成像像差306。
[0031] 參照圖1A-1D以及圖4,示例性的方法400包括光源102和將光103作為光線114 分布在光學設備106上方(在402處)的背光設備104。在404處，光學設備106將光線114 內部地反射為反射光線116,從而產生在厚端124或者底表面128處離開光學設備106的光 束118。在406處，透鏡108將光束118聚焦到傳感器110上，而傳感器110又在光束118 撞擊傳感器110時捕獲鄰近頂表面126或者附著在頂表面126上的對象130的圖像(在408 處)。在410處，處理設備112存儲所捕獲的圖像並比較圖像。在412處，處理設備112響 應於410處的比較來檢測鄰近光學元件106或者附著在光學元件106上的對象130。
[0032] 參照圖5,系統500可包括計算設備502,其可以運行存儲在系統存儲器(例如，存 儲設備506)中的模塊506C或者應用程式的指令。應用程式或者模塊506C可包括執行特 定的任務或功能或者實現特定的抽象數據類型的對象、組件、例程、程序、指令、數據結構等 等。應用程式506C的一些或全部可由處理設備504在運行時被實例化。本領域普通技術人 員會容易地認識到，與系統500相關的許多概念可以實現為各種計算架構中任何一個(例 如，計算設備502)中的計算機指令、固件或者軟體，以達到相同的或者等同的結果。
[0033] 另外，本領域普通技術人員會容易地認識到，系統500可以在其它類型的計算架 構上實現，例如，一般用途的或者個人的計算機、手持設備、移動通信設備、多處理器系統、 基於微處理器的或者可編程的消費電子產品、微型計算機、大型計算機、專用集成電路、片 上系統（S0C)等等。僅為了圖示的目的，系統500在圖5中被示出為包括計算設備502、地理 上遠程的計算設備502R、平板計算設備502T、移動計算設備502M和膝上型計算設備502L。
[0034] 類似地，本領域普通技術人員會容易地認識到，系統500可在分布式計算系統中 實現，在該分布式計算系統中，常常在地理上相互遠離的各種計算實體或者設備(例如，計 算設備502和遠程計算設備502R)執行特定的任務或者運行特定的對象、組件、例程、程序、 指令、數據結構等等。例如，系統500可在伺服器/客戶端配置中實現(例如，計算設備502 可以作為伺服器操作，並且遠程計算設備502R、平板計算設備502T、移動計算設備502M或 者膝上型計算設備502L可作為客戶端操作)。在系統500中，應用程式506C可存儲在本地 存儲設備506、外部存儲設備536或者遠程存儲設備534中。本地存儲設備506、外部存儲 設備536或者遠程存儲設備534可為本領域普通技術人員知曉的任何種類的存儲器，包括 隨機存取存儲器（RAM)、快閃記憶體、只讀存儲器（ROM)、鐵電RAM、磁存儲設備、光碟等等。
[0035] 計算設備502可包括處理設備504、存儲設備506、設備接口 508和網絡接口 510， 所有這些可通過總線512相互連接。處理設備504可表示單個的中央處理單元，或者在單 個計算設備502或者多個計算設備(例如，計算設備502和遠程計算設備502R)中的多個處 理單元。本地存儲設備506、外部存儲設備536和/或遠程存儲設備534可為任何類型的 存儲設備，例如，RAM、快閃記憶體、ROM、鐵電RAM、磁存儲設備、光碟等的任意組合。本地存儲設備 506可包括具有在系統500的不同元件之間傳輸數據(包括數據506D)的例程的基本輸入/ 輸出系統（BIOS) 506A。本地存儲設備506還可存儲作業系統（OS) 506B，作業系統506B在 由引導程序初始地加載之後管理計算設備502中的其它程序。本地存儲設備506可存儲被 設計成執行用於用戶的特定功能的例程或程序506C或者另一個應用程式，例如，配置成從 傳感器捕獲圖像的應用程式或配置成比較連續地捕獲的圖像以檢測附著在光學元件上方 的對象的應用程式，這一點我們在上文中作了更為詳細的描述。本地存儲設備506可另外 地存儲任何種類的數據506D，例如，來自傳感器110的圖像（圖1A)。
[0036] 計算設備502可包括圖1A中所示的觸摸接口 100的處理設備112和存儲器113。 替代性地，處理設備112和存儲器113可在與計算設備502不同的一個或者多個設備中實 現。
[0037] 設備接口 508可以為多種類型的接口中的任何一種接口。設備接口 508可操作 性地將各種設備(例如，硬碟驅動器、光碟驅動器、磁碟驅動器等）中的任何設備耦接至總線 512。設備接口 508可表示一個接口或者各種不同的接口，每個接口被特別地構建以支持特 定設備，所述接口將該特定設備接合到總線512。設備接口 508可另外地接合由用戶使用的 輸入或輸出設備，從而為計算設備502提供指示並從計算設備502接收信息。這些輸入或 輸出設備可包括鍵盤、監視器、滑鼠、指向設備、揚聲器、觸針、麥克風、控制杆、遊戲手柄、圓 盤式衛星電視天線（satellite dish)、列印器、掃描儀、照相機、視頻裝備、數據機、監 視器等等。設備接口 508可與光學的或者其它形式的觸摸設備交互，包括圖1A-1D中所示 的光學觸摸接口 100。設備接口 508可以為串行接口、並行埠、遊戲埠、火線埠、通用 串行總線等。
[0038] 本領域普通技術人員會容易地認識到，系統500可包括計算機可訪問的任何類型 的計算機可讀介質，諸如磁帶盒（magnetic cassette)、快閃記憶體卡、數字視頻光碟、盒式磁帶 (cartridge)、RAM、ROM、快閃記憶體、磁碟驅動器、光碟驅動器等。
[0039] 網絡接口 510可操作性地將計算設備502耦接至網絡530上的遠程計算設備 502R、平板計算設備502T、移動計算設備502M和/或膝上型計算設備502L。網絡530可為 區域網路、廣域網絡或者無線網絡，或者為能夠將一個計算設備電耦接至另一計算設備的 任何其它類型的網絡。計算設備502R在地理上可遠離計算設備502。遠程計算設備502R 可具有與計算設備502對應的結構，或者可作為伺服器、客戶端、路由器、開關、同位體設備 (peer device)、網絡節點或者其他網絡化的設備操作，並可包括計算設備502的部分元件 或者所有元件。計算設備502可通過網絡接口 510或者包括在接口 560中的適配器連接至 局域或者廣域網絡530,可通過數據機或者包括在網絡接口 510中的其它通信設備連 接至局域或者廣域網絡530,可利用無線設備532連接至局域或者廣域網絡530,等等。調 制解調器或者其它的通信設備可通過全球通信網絡530建立到遠程計算設備502R的通信。 本領域普通技術人員會容易地認識到，應用程式或者模塊506C可通過這種網絡化的連接 被遠程存儲。
[0040] 本領域普通技術人員會認識到，他們可以對以光學觸摸導航為特徵的以上所述示 例性觸摸接口的細節進行許多改變，而不脫離根本原理的範圍。因此，只有下面的權利要求 定義了以光學觸摸導航為特徵的示例性觸摸接口的範圍。
【權利要求】
1. 一種裝置，包括： 發光設備； 光學設備，配置成通過內部地反射由所述發光設備分布在所述光學設備的底表面上方 的光而在所述光學設備的出口處產生光束； 感測設備，配置成響應於所述光學設備的出口端處的光束撞擊所述感測設備而捕獲所 述光學設備的頂表面的圖像；和 處理設備，配置成通過比較由所述感測設備捕獲的連續的圖像來檢測鄰近所述光學設 備的頂表面的對象。
2. 如權利要求1所述的裝置，其中所述發光設備包括： 配置成發出光的光源；和 配置成將光分布在所述光學設備的底表面上方的背光設備。
3. 如權利要求2所述的裝置，其中所述光源布置在所述背光設備的端部處。
4. 如權利要求2所述的裝置，其中所述光源包括至少一個發光二極體。
5. 如權利要求2所述的裝置， 其中所述光學設備包括具有與厚端相對的薄端的光楔；並且 其中所述光束配置成離開所述光楔的厚端。
6. 如權利要求5所述的裝置，其中所述背光設備配置成從所述光楔下方的位置背向光 照所述光楔。
7. 如權利要求6所述的裝置，其中所述光楔配置成基本上在所述光楔的頂表面和底表 面之間內部地反射光。
8. 如權利要求7所述的裝置，其中所述光楔配置成聚焦由所述發光設備分布在所述光 楔的底表面上方的光，以將所述光束傳送至所述感測設備。
9. 如權利要求1所述的裝置，還包括布置在所述光學設備和所述感測設備之間的並且 配置成將所述光束聚焦在所述感測設備上的成像透鏡。
10. 如權利要求1所述的裝置，其中所述光束包括具有與鄰近所述光學設備的頂表面 的對象的位置相對應的出射角的光線。
【文檔編號】F21S2/00GK104094206SQ201380008684
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2013年2月4日 優先權日:2012年2月8日
【發明者】C.皮喬託, J.盧蒂安, D.萊恩, 付一勁 申請人:微軟公司