CN102929449A - 一种基于受抑全内反射技术的纯平多点触摸检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种基于受抑全内反射技术的纯平多点触摸检测系统，包含上下表面及侧边按一定角度抛光的透明基板，用以传输特定波长的光；包含一个或多个具有一定发射角度的光源，所述光源被耦合到按一定角度抛光的透明基板侧边；所述角度使得该所述光源按要求的时序所发射的特定波长的光在所述透明基板内形成具有特定角度范围传播的全内反射，按不同角度传输的光经所述透明基板传输后被耦合在所述透明基板其他侧的一个或多个光感测设备侦测，所述光感测设备通过侦测所述传播光信号因受抑造成的衰减用以定位所述透明基板上表面上的一个或任意多个接触点的位置。本发明实现基于物理真实多点的高精度、低成本且结构简单，易于安装。

Description

一种基于受抑全内反射技术的纯平多点触摸检测系统

技术领域

本发明涉及的是一种触摸检测系统，尤其是涉及的是一种基于受抑全内反射技术的纯平多点触摸检测系统。

背景技术

目前的触摸系统有多种技术可以采用，包括电阻屏技术、电容屏技术、声波技术、红外技术和光学技术。在多点触摸检测方面，主要采用的是投射式电容屏技术、红外阵列技术和光学技术。投射式电容触摸屏生产良率低、成本高，适用于小尺寸触摸产品应用；红外触摸屏和光学触摸屏技术原理简单、易生产、成本低，适用中大尺寸产品应用，但触摸精度低，产品外框大，安装不美观。现有的专利和产品中也有采用受抑全内反射技术来实现多点触摸检测的。受抑全内反射是公知的且已在其他领域广泛使用，如指纹成像和图像显示。当光遇到具有较低折射率的介质的界面时（例如从玻璃传输到空气），会发生某种程度上的折射，折射的程度取决于光的入射角度。当光的入射角超过一定的临界角时，会形成全内反射。如果另一种材料（例如手指）放置在不同折射率介质的界面处，则全内反射受抑制，使光逸出波导。

已知的专利如CN101821703A和CN101743527A，采用受抑全内反射技术来实现多点触摸检测，已知专利使用摄像头作为光感测设备，通过侦测受抑全内反射向接触点下方逸出的散射光来判断触摸位置，具有较高的触摸精度，但已知的产品需要布置多个摄像头作为光感测设备，产品实现体积较大，不适合普通用户使用。

另有专利CN101866247A采用受抑全内反射技术来实现多点触摸，通过对称地在基板侧边布置光源和光感测设备来发射和接收逸出的散射光从而判断触摸位置，可实现较小的安装体积，但已知的光源和光感测设备采用一对一的方式进行接收和侦测，形成的是一个物理上的二维坐标系统，理论上不能实现物理上真实的多点触摸。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种实现基于物理真实多点的高精度、低成本且结构简单，易于安装的基于受抑全内反射技术的纯平多点触摸检测系统，特别是中大尺寸的纯平触摸屏，仍有具大的市场需求。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种基于受抑全内反射技术的纯平多点触摸检测系统，，其包括：透明基板，用于传导光在其内形成全内反射，所述透明基板设置有上表面、下表面和各个侧边；一个或多个光源，设置在所述透明基板的各个侧边，用于将光信号按要求的时序传导至所述透明基板内形成全内反射传输；一个或多个光感测设备，所述光感测设备被耦合在所述透明基板各个侧边，用以检测经所述透明基板内传输的光信号受抑制后逸出所述透明基板的光信号和全内反射光信号的衰减，从而定位所述透明基板表面的一个或多个接触位置；一信息处理系统，通过计算处理传输的光信号来定位在所述透明基板上表面一个或多个接触点的位置；所述信息处理系统通过一根或多根信号线与所述光源及光感测设备通信。

所述透明基板的侧边是一定角度抛光的抛光侧边，所述一定角度为使所述光信号在所述基板内形成全内反射的最小入射角，即临界角。

所述光源和光感测设备设置在透明基板的下表面并与所述透明基板放入下表面形成一定夹角，所述夹角为最小入射角，即临界角。

上述临界角θ_c计算方程为：

${\mathrm{\θ}}_c=\arcsin \frac{n_2}{n_1}$

其中，n₂是较低密度介质的折射率，n₁是较高密度介质的折射率。

作为优选，上述透明基板上还设置有一能使光信号在其内形成全内反射的柔性层。

作为优选，所述光源采用的是具有发射要求的角度范围光信号的光源，所述光源被耦合在所述透明基板的各个侧边上，使得所述发射的光信号在所述透明基板内形成具有要求的角度范围的全内反射。

作为优选，所述的信息处理系统采用的是一个微处理器或控制电路；所述信号线以控制光源发射光信号在透明基板内形成全内反射并将光感测设备侦测到的光信号传输到微处理器或控制电路；所述微处理器或控制电路通过算法处理所述信号线传输来的光信号，将所述透明基板上表面的一个或多个接触转换为计算机或其他设备能识别的坐标信息。

作为优选，所述透明基板采用的是亚克力材料或玻璃。所述上表面和下表面的至少一面的四周外沿部分设置有遮挡耦合在其各个抛光侧边的光源和光感测设备的遮挡层。

所述遮挡层采用的是印刷黑色油墨的油墨层，来遮挡耦合在其各个抛光侧边的光源和光感测设备，从而达到纯平的外观效果。油墨部分也可增强反射光信号从而增强在透明基板内传输的全内反射光强度。

上述纯平多点触摸检测系统还包括用于通过物理的方式获得最佳光传导和侦测信号的遮光模块和调光模块。所述遮光模块采用的是用于滤除所不需要的光信号的滤光片，用以过滤不需要通过透明基板传导的光，简单地说，就是滤除其他频率的光信号。

本发明系统包含正对着透明基板侧边耦合的光源，该光源用以发出在透明基板内全内反射的光。

作为本发明的一个重要方面，该光源可发射具有一定角度范围的光，这些光均可在透明基板内进行全内反射。

作为本发明的一个方面，在透明基板的侧边可布置一系列的上述光源，这些光源均可发射具有一定角度范围的光，这些光均可在透明基板内进行全内反射。

作为本发明的一个方面，这些在透明基板侧边布置的光源可同时发射光，也可分时逐一地发射光，还可以按选择的顺序分时地发射光。

作为本发明的一个方面，在所述透明基板上耦合了所述光源的侧边的正对侧边及相邻侧边耦合所述光感测设备，这些光感测设备用于感测受抑全内反射逸出透明基板的光和在透明基板内传播的光的衰减。

作为本发明的一个方面，上述耦合在透明基板侧边的光源和光感测设备可以为同一器件，既可发射具有一定角度范围的光，也可用于光的侦测。

作为本发明的一个方面，所述光源和光感测设备可以采用红外发光二极管（IR LED），如可发射和接收波长为850nm至950nm红外光的发光二级管。

作为本发明的一个方面，所述光感测设备可以为薄膜晶体管（TFT）图像感测器。

作为本发明的一个方面，这些耦合在透明基板侧边的器件可足够小从而使得耦合后的器件不会高出透明基板的表面。这些器件可以布置成同透明基板表面齐平从而获得更佳的显示外观。

上述透明基板，还可采用其他方式和不同的颜色来达到所述的外观效果。

根据本发明的多点触摸检测系统是基于公知的受抑全内反射（FTIR）原理。当光遇到具有较低折射率的介质的界面时（例如从玻璃传输到空气），会发生某种程度上的折射，折射的程度取决于光的入射角度。当光的入射角超过一定的临界角时，就会形成全内反射，即光只在具有较高折射率的介质内反射。如果另一种材料（例如手指）放置在不同折射率介质的界面处，则全内反射受到抑制，使全内反射的光逸出波导。通过检测逸出的光信号和介质内全内反射光信号的衰减，则可以定位受抑制（接触）的位置。

本发明通过上述技术方案，提供了高精度的多点触摸检测系统，同时具有无突起边框的特征，在方便用户便捷地安装的同时可以达到纯平的外观效果，实现基于物理真实多点的高精度、低成本且结构简单，易于安装的基于受抑全内反射技术的纯平多点触摸检测，特别是中大尺寸的纯平触摸屏，仍有具大的市场需求；其可避免光从光学平板泄漏而进入人眼或周围其它光学探测设备，避免造成干扰，并且大大降低了系统厚度和体积。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明系统结构简化示意图。

图2为本发明系统结构正视投影图。

图3为本发明系统结构剖视图。

图4为本发明光信号传播路径正视投影图。

图5为本发明光信号传播路径剖视图。

图6为本发明触摸识别原理剖视图。

图7为本发明采用单一透明基板切割示意图。

图8为本发明采用双层基板贴合或柔性层与透明基板贴合剖面示意图。

图9为本发明一个实施例的系统结构剖视图。

图10为本发明一个实施例的系统结构剖视图。

图中标记为：1、透明基板介质；2、透明基板介质抛光侧边；3、柔性层；4、油墨层；5、光耦合带；6、光源发射器件；7、光感测器件；8、透明基板上表面；9、柔性层下表面。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

图1至图6是本发明的优选实施例示意图。

本实施例的一种基于受抑全内反射技术的纯平多点触摸检测系统，包含上下表面及侧边按一定角度抛光的透明基板，用以传输特定波长的光，具有可引起在特定方向接收至少一个波长的光在该基板内形成全内反射的折射率；包含一个或多个具有一定发射角度的光源，所述光源被耦合到所述按一定角度抛光的透明基板侧边；所述角度使得该所述光源按特定时序所发射的特定波长的光在所述透明基板内形成具有特定角度范围传播的全内反射，所述按不同角度传输的光经所述透明基板传输后被耦合在所述透明基板其他侧的一个或多个光感测设备侦测，所述光感测设备通过侦测所述传播光信号因受抑造成的衰减用以定位所述透明基板上表面上的一个或任意多个接触点的位置。

作为另一实施例，本发明还可包含一柔性层，该柔性层具有和透明基板接近的折射率，使得柔性层的一个面接触透明基板时，能显著地引起全内反射的光受抑散射而逸出透明基板传播，光感测设备检测从基板第一面逸出的光信号和基板内传播的光信号的衰减从而识别接触位置。

如图1、图4、图5、图6所示，本发明实现的多点触摸检测系统采用具有一定光发射角度范围的光源6发射光信号，同一光源6发射的光在透明基板1内形成全内反射传导并可被耦合在透明基板另一侧的多个光感测设备7侦测，侦测信号经信号线传输到控制电路或微处理器通过一定的算法处理，确认该光源6对应发射光的坐标信息。为提高光反射信号的强度，在透明基板1上覆盖有一层折射率同其折射率接近的柔性层3。至少两个以上上述光源6经上述处理后得到的坐标信息可确认同一角度范围内的多个坐标信息。当一个或多个触摸施加于所述透明基板1的触摸面或柔性层3，接触点因受抑导致全内反射光散射或光信号衰减时，光感测设备7侦测到的光信号经处理后可确认所述一个或多个接触点的坐标，从而实现多点触摸。

为节省成本和简化系统设计，本发明可采用同一光敏器件作为光源6和光感测设备7，通过分时发射和接收来完成上述坐标信息的确认过程。

本发明涉及的光源优选为红外（IR）发射器件，如能提供850nm至950nm波长的红外发光二级管（IR LED）。不同波长的光其光强不同，从而影响本发明及其涉及系统的应用环境。

本发明所述的透明基板1优选为透明的亚克力（或有机玻璃）或具有相同折射率的较透明的玻璃（例如肖特B270硼硅酸盐玻璃）。这样的玻璃较亚克力材料有更多的优点，如透光率和强度等性能。

如图9所示，本发明所述的光源7设置为正对透明基板1的按一定角度抛光的侧边2，以确保光信号能最大强度地在透明基板1内形成全内反射。所述角度为使全内反射发生的最小的入射角，即临界角θ_c，可通过下述方程式进行计算：

${\mathrm{\θ}}_c=\arcsin \frac{n_2}{n_1}$

其中n₂是较低密度介质的折射率，n₁是较高密度介质的折射率。该方程式是斯涅尔定律（光入射到不同介质的界面上会发生反射和折射）的简单应用，即折射角为90°。当入射光线等于临界角，折射光线会循折射界面的切线进行。本发明的一个实施例中，光信号是经由透明玻璃基板1进入空气，则形成全内反射所需的临界角约为41.5°，所述透明基板1的侧边2按所述41.5度角进行抛光处理。

本发明的优选实例可不对透明基板1的侧边2进行上述角度的抛光，而通过调整光源6的发射角度和光感测设备7的接收角度来达到上述最小入射角以实现光信号的全内反射。但通常，仍需对所述透明基板1的耦合光源6和光感测设备7的侧边2进行抛光，以确保光信号最大强度地在透明基板1内形成全内反射。

本发明的另一个实例采用具有可发射特定角度红外光的红外发光二极管（IR LED）来实现上述最小入射角度，从而实现光信号的全内反射。在该实例中，所述透明基板1的侧边2按90度角抛光，所述光源6和光感测设备7通过光耦合带5直接耦合在所述透明基板1的抛光侧边2。

为实现较高的触摸检测精度，本发明的一个实例采用2mm*2mm规格的具有850nm波长的红外发光二极管（IR LED）通过光耦合带5密集地耦合在透明基板1的抛光侧边2，这样，例如17英寸的触摸面板，需要布置大约665个相同规格的红外发光二极管。所述的红外发光二极管即可作为光源6使用，也可作为光感测设备7使用。

为实现较高的采样频率，本发明的一个实例采用微处理器进行控制，例如上述17英寸的触摸面板，当发射时间大约为12微秒时，确认一个坐标的时间约为10毫秒。本发明的其他实例也可采用简单电路控制发射和接收光信号，而把信号处理部分放在计算机端进行。

为实现纯平的外观效果，本发明的一个实例采用将透明基板1上表面或（和）下表面外沿部分印刷黑色油墨带3来部分遮挡耦合在该透明基板侧边2的光源6和光感测设备7的光耦合带5，特别地，在本发明的一个实例中，这些印刷的黑色油墨带4可用增强反射光信号以增强透明基板1中全内反射传导的光强度。

如图7所示，本发明的另一个实例采用将透明基板1的侧边2从下表面切割的方式降低空间，从而可以将光源6和光感测设备7完全被透明基板上表面遮挡的方式耦合在透明基板的侧边2，所述透明基板1外沿的上表面或（下表面）仍可采用印刷黑色油墨带4的方式进行遮盖。这一方式将增加透明基板1的厚度，更主要地将取决于本发明实例所采用的光源6和光感测设备7的体积。

如图8所示，本发明的另一个实例可采用外围不透明的柔性层3作为遮盖层以屏蔽光源6和光感测设备7。更重要的是，该柔性层3具有和透明基板1接近的折射率，使得所述柔性层3的下表面9接触透明基板1的上表明8时，能抑制全内反射的光产生散射而逸出透明基板1传播。

本发明的另一个实例采用将具有相同折射率的两层透明基板1粘合的方式来达到上述纯平的外观效果，所述双层基板的上层基板略大于下层基板，从而实现遮盖光源6及感光设备7的目的。

图10所示为本发明另一个实施例的系统结构剖视图。光源6和光感测设备7或光耦合带5被放置在透明基板1的下表面并与所述透明基板下表面形成一定夹角，所述夹角按上述提及的临界角θ_c方程式进行计算。所述透明基板的上表面和/或下表面印刷不透明油墨以遮挡所述光源6及光感测设备7或光耦合带5。

本发明上述实例中均对透明基板1上表面或（和）下表面的外围边沿通过印刷黑色油墨带4的方式来遮挡耦合的光源6和光感测设备7或光耦合带5，当然，也可以采用其他方式和颜色来实现上述目的，本发明不再一一阐述。

上述耦合在透明基板侧边的光源和光感测设备可以为同一器件，既可发射具有一定角度范围的光，也可用于光的侦测。

所述光源和光感测设备可以采用红外发光二极管（IR LED），如可发射和接收波长为850nm至950nm红外光的发光二级管。上述光感测设备可以为薄膜晶体管（TFT）图像感测器。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (12)

1.一种基于受抑全内反射技术的纯平多点触摸检测系统，其特征在于，其包括：

透明基板，用于传导光在其内形成全内反射，所述透明基板设置有上表面、下表面和各个侧边；

一个或多个光源，设置在所述透明基板的各个侧边，用于将光信号按要求的时序传导至所述透明基板内形成全内反射传输；

一个或多个光感测设备，所述光感测设备被耦合在所述透明基板各个侧边上，用以检测经所述透明基板内传输的光信号受抑制后逸出所述透明基板的光信号和全内反射光信号的衰减，从而定位所述透明基板表面的一个或多个接触位置；

一信息处理系统，通过计算处理传输的光信号来定位在所述透明基板上表面一个或多个接触点的位置；所述信息处理系统通过一根或多根信号线与所述光源及光感测设备通信。

2.根据权利要求1所述的纯平多点触摸检测系统，其特征在于，在所述透明基板上耦合了所述光源的侧边的正对侧边及相邻侧边耦合所述光感测设备，所述光源和光感测设备并成对设置。

3.根据权利要求1所述的纯平多点触摸检测系统，其特征在于，所述透明基板的侧边是一定角度抛光的抛光侧边，所述一定角度为使所述光信号在所述基板内形成全内反射的最小入射角，即临界角。

4.根据权利要求1所述的纯平多点触摸检测系统，其特征在于，所述光源和光感测设备设置在透明基板的下表面并与所述透明基板的下表面形成一定夹角，所述夹角为最小入射角，即临界角。

5.根据权利要求3或4所述的纯平多点触摸检测系统，其特征在于，所述临界角θ_c计算方程为：

${\mathrm{\θ}}_c=\arcsin \frac{n_2}{n_1}$

其中，n₂是较低密度介质的折射率，n₁是较高密度介质的折射率。

6.根据权利要求1所述的纯平多点触摸检测系统，其特征在于，所述透明基板上还设置有一能使光信号在其内形成全内反射的柔性层。

7.根据权利要求1或2所述的纯平多点触摸检测系统，其特征在于，所述光源采用的是具有发射要求的角度范围光信号的光源，所述光源被耦合在所述透明基板的各个侧边上，使得所述发射的光信号在所述透明基板内形成具有要求的角度范围的全内反射。

8.根据权利要求1所述的纯平多点触摸检测系统，其特征在于，所述的信息处理系统采用的是一个微处理器或控制电路；所述信号线以控制光源发射光信号在透明基板内形成全内反射并将光感测设备侦测到的光信号传输到微处理器或控制电路；所述微处理器或控制电路通过算法处理所述信号线传输来的光信号，将所述透明基板上表面的一个或多个接触转换为计算机或其他设备能识别的坐标信息。

9.根据权利要求1所述的纯平多点触摸检测系统，其特征在于，所述透明基板采用的是亚克力材料或玻璃。

10.根据权利要求1至3任意一项所述的纯平多点触摸检测系统，其特征在于，所述上表面和下表面的至少一面的四周外沿部分设置有遮挡耦合在其各个抛光侧边的光源和光感测设备的遮挡层，所述遮挡层采用的是印刷不透明油墨的油墨层。

11.根据权利要求10所述的纯平多点触摸检测系统，其特征在于，所述纯平多点触摸检测系统还包括用于通过物理的方式获得最佳光传导和侦测信号的遮光模块和调光模块。

12.根据权利要求11所述的纯平多点触摸检测系统，其特征在于，所述遮光模块采用的是用于滤除所不需要的光信号的滤光片。

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