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光學工程
光學觸摸技術

       光學觸摸技術最初是1970年代carolltouch公司(現在是elotouchsystems的一部分)發展起來的,現有不少供應商出售該項技術。和其它的觸摸技術相比,光學觸摸技術具有很多優點。工業界的很多人都認為,如果沒有下面將要提到的兩個相當大的缺點,光學觸摸技術現在已經成為觸摸技術的主流。光學觸摸屏技術的最新發展使得光學觸摸技術復興,為其成主流觸摸技術奠定了基矗
      引言
傳統的光學觸摸系統是在顯示器的兩個相鄰斜面上采用紅外發光(ir)二極管(led)陣列,并在相對的斜面邊緣放置光敏元件,用于分析系統、確定觸摸動作。led-光傳感元件對在顯示器上形成光束柵格。當物體(例如手指或者鋼筆)觸摸屏幕遮斷了光束,就會在相應光傳感元件處引起光測量值的減弱。光傳感的輸出測量值可以用于確定出觸摸點的坐標。通常控制器是掃描光傳感陣列,而不是同時測量所有的光傳感器,因此這項技術有時被稱為 掃描

。在這項技術的高級版本中,每個光傳感器測量來自不止一個led的光,這使得控制器可以補償由于屏上不可移動的碎片而引起的光的阻斷。
       這項傳統的光學觸摸技術已經主要用于觸摸市場中的相關領域。過去,它的廣泛應用由于兩大原因曾經受到限制:技術成本比與之競爭的其他觸摸技術要高,還有在亮環境光下的顯示性能問題。后一個問題是由于背光源放大了光傳感元件的背景噪聲。在有些情況下,噪聲大到無法檢測到觸摸屏的led光,導致觸摸屏的暫時失靈。這個問題在陽光直射下最為顯著,因為陽光在紅外區域分布有大量的能量。
      另外,傳統的光學觸摸技術由于其它的一些技術問題,例如功耗、機械包裝約束、分辨率的限制導致系統檢測pda筆等小物體的能力受限等,而沒有被手持式觸摸屏(例如手機和pda等)采用。其它技術例如模擬電阻技術由于成本低很多,主導了移動設備觸摸屏的市常
      但是光學觸摸的特性還是可取的,代表了理想觸摸屏的屬性,包括可以去除其它觸摸技術都必需的顯示屏前的玻璃或塑料層。在很多情況下,這種覆蓋層采用透明導電材料,例如氧化銦錫(ito),這會導致顯示屏的光學性能下降。光學觸摸屏的這個優勢對于很多設備、顯示屏供應商來說是極其重要的,因為設備的售出與使用者的感覺質量相關。
       光學觸摸的另一個長期需求的性能是傳感器的數字輸出,相比之下,很多其它的觸摸系統是依賴于模擬信號處理來確定觸摸位置。這些與之競爭的模擬系統通常需要不停的再校準,對信號處理(增加了成本和功耗)的要求比較復雜,與數字系統相比精確度相對降低;并且由于操作環境引起更長時間使用后系統失靈。光學觸摸的另一個關鍵的優點是通常情況下沒有手指、筆或其它被識別硬件的直接接觸。這就減少了觸摸屏由于接觸失敗、老化、疲勞引起失靈的可能。這與低壓力觸摸的要求也有關。在一個光學觸摸系統中,只要與光束接觸就可以了,不需要檢測力量或者觸發系統。
      最后,光學觸摸可以執行同時觸摸,這是其它觸摸技術難以實現的。盡管同時觸摸在過去沒有被廣泛地發展,近期由于蘋果iphone等新設備引起了關注,它讓同時觸摸成為用戶界面不可或缺的一部分。
1、最新技術提高
      1.1、新元件和信號處理的改進
      處理:自從傳統的光學觸摸系統開始發展,關鍵元件如led、光敏二極管、cmos芯片在性能上有了長足的發展,成本大大降低。產生模塑光學和信號處理算法的技術也有了很大的發展和改進。因此,傳統光學觸摸技術有了發展,至少與其它也在不斷發展的觸摸技術相比保持著競爭力。
      1.2、改進的光學系統設計
      近期,elotouchsystems和irtouch等公司試圖解決光學觸摸的背景或環境光問題,主要采用改進邊緣(縫隙)設計、光學濾光片和更加復雜的信號處理來增強信噪比。如,紅外led可以通過特定頻率調制,光傳感器的輸出只可以在該特定頻率下解調。由此來降低陽光對未調制的紅外光的影響。制造商聲稱的最新產品能承受75~100klx的環境光,表明這些技術在降低光學觸摸對日光的敏感度方面有了不錯的成就。

2、新型光學觸摸系統
      新元件技術和關鍵器件的成本降低使得大量嶄新的光學觸摸系統得以產生。便宜和更尖端的光學系統設計工具的結合,為現有光學觸摸系統的設計和制造的再次提出創造了完善的條件。
      現有兩大類新的光學觸摸系統:一類是取決于光源的,通過阻斷來檢測觸摸的;還有一類是利用環境光,而與光源無關的。另外,這些新系統還可以根據規定光束的遮斷,以及通過復雜的信號處理來確定顯示器上方圖像的觸摸點來分類。本文回顧了這些新型的光學觸摸系統。
3、neonode
      neonode采用了傳統的ir觸摸技術,led以及光敏二極管,關鍵在于將其微型化以用于手持設備。除了將該技術用于其n2手機,neonode還將它銷售給其他的設備制造商。但是還不清楚該技術是否被其他的手機銷售商采納。該項技術的關鍵挑戰在于斜面的高度。很多手機制造商不斷地嘗試制造能在頂面齊平或者接近齊平的新元件,他們希望顯示器盡量延伸,盡量靠近設備的邊緣(使得顯示器的尺寸和對多媒體功能的體驗都盡可能的大)。

       對于這項技術及蘋果iphone的另外一個潛在的挑戰是只能用手指觸摸的限制。亞洲智能手機制造商更希望能夠采用觸摸筆輸入,以支持字符識別。neonoden2上的光束間隔比較寬,大約每厘米2.5個光束,手指大約能夠覆蓋9個光束交叉點。這能節約能量,但是使得觸摸筆在觸摸屏上無法使用。即使使用大的觸摸筆,由于分辨率不夠,手寫識別還是無法實現。相比較而言,用于iphone的導電軌跡間隔相對比較窄,大概每厘米25個軌跡交叉點。但是,即便是投射式電容性技術的分辨率更高,它只能支持手指觸摸,限制了觸摸筆或是戴手套時的使用。所以這個比較結論有待討論。
4、nextwindow、smart以及其它技術
      nextwindow和smart技術實現了基于照相機的光學觸摸,至少有一個新的開始。
      nextwindow的光學觸摸屏技術采用了兩個放置在顯示器相鄰邊角上的線掃描照相機。照相機根據紅外光源的截斷來檢測任何靠近表面物體的移動。由屏表面的一個平面產生光,并由屏三個邊上的定向反射條(定向反射鏡使得光從入射角沿著平行但相反的路徑反射回來)反射回相機。當手指(或任何物體)觸摸屏幕時,控制器就分析了相機中的圖像,觸摸物體位置的三角關系。smart光學觸摸屏技術使用的是相同的原理,區別在于它用了四個面掃描照相機。
      即使技術上允許光學觸摸技術不需要玻璃觸摸表面,供應商也不會這樣做,因為需要保護lcd的軟(2h)表面。這些技術比傳統技術先進在它們的有源器件更少,因此可以減少成本,具有更長的平均失誤間隔時間(mtbf)。nextwindow銷售的觸摸屏的尺寸在12~120in范圍之間,到目前為止大多數應用于監視器尺寸的顯示屏(例如hptouchsmart家用電腦),以及用于交互數字簽名的大尺寸顯示[1]。盡管這項技術具有很高的分辨率和數據傳輸率,能夠支持觸摸筆的手寫識別;但是,對于小于10in,由于邊界寬度、成本、功耗的考慮不采用掌上反射顯示屏的還無法應用。總的來說,基于相機的光學觸摸技術在近期內還無法應用于移動設備。
5、perceptivepixel
       紐約大學的研究者最新研制了一種可以同時用10個、20個,甚至更多手指觸摸的大型多處觸摸屏。perceptivepixel公司的成立,旨在將該項技術商業化——盡管這項技術已經應用于交互性白板、觸摸屏桌、數字墻等領域,所有的這些設備都可以由多人同時操作。
       perceptivepixel技術原理是將紅外led光引入玻璃或塑料的背投屏上。該技術應用非全內反射(ftir),即當手指觸摸玻璃表面時,光從手指處散射出去,被垂直于普通玻璃表面的光學傳感器檢測到[2]。在perceptivepixel應用中,光傳感器是投影機旁邊的一個攝像機(見圖4)。因為該技術是為背投顯示屏設計的,它不能應用在移動設備中。

6、夏普、東芝-松下顯示(tmd)及其它
       夏普、tmd以及lg-飛利浦lcd都展示了顯示屏本身作為光傳感器件的光學圖像觸摸系統。這些新型的lcd在每個lcd像素中集成了一個光傳感器件(發光二極管或光敏晶體管),這使得整個顯示屏成為一個大矩陣光傳感器;加上合適的圖像分析技術,它可以成為觸摸傳感器甚至一個讀卡掃描器。夏普最新展示了320×480像素光傳感分辨率的3.5inlcd。由于固有的數字技術,它具有識別出同時多處觸摸事件的能力。
      將這項技術應用于觸摸屏需要面臨的一個挑戰是,在有各種不同類型環境光的情況下進行信號處理。與普通的觸摸屏不同,該技術需要分析一幅復雜的圖像來確認是否有觸摸發生。與普通的觸摸屏相比,這項技術需要更加先進、昂貴、耗電的處理器。另外,多種背景光的存在會使得圖像分析更為復雜。另外一個需要考慮的問題是速度。比如說,手寫識別通常被認為需要至少每秒130幀的觸摸識別速度,以避免識別延時。這種處理速度對于基于圖像矩陣、低功耗的、用于手持設備的觸摸技術來說是一種挑戰。
      由于移動設備的顯示屏的尺寸、比例、分辨率有很多種,生產商沒有真正的標準。因此,生產能夠用于任意顯示器的傳感器將帶來高成本,并且需要處理復雜觸摸傳感lcd的nre。另外,這些lcd可能具有更小的像素-孔徑比,因此與沒有觸摸傳感的類似顯示屏相比亮度可能會低一些。
7、rpo數字波導觸摸技術
      rpo數字波導觸摸(dwt)技術是基于傳統ir系統概念發展而來的光學觸摸系統。這種系統采用1~2個低成本led,用來從兩個相鄰斜邊提供可控的光源(事實上是一個紅外光平面),然后在另兩個相鄰的斜邊上,利用聚合物光學波導來將光線引入分立的10m管道進入一個小的光傳感器矩陣(圖6)。
這項由傳統ir觸摸改進的技術有效地解決了傳統技術所有的缺點。下面將討論這些缺點。
      由于光電器件(led和傳感器)不再放置在顯示器的斜邊上;與傳統的光學觸摸系統相比,斜面高度和寬度對觸摸系統的影響減弱了。rpo展示了在顯示區域外只有2mm的觸摸系統,從屏保護(鏡片)到器件外殼的內表面的側面高度只有0.5mm。
      dwt因為只有1~2個led和1個光傳感器芯片,所以成本要低很多;由于接收端的光學信號進入分立的光導,被光傳感器矩陣的獨立像素分別檢測而具有 數字性 ,所以它的分辨率要高很多。因此,筆檢測和手寫輸入識別成為了可能。
      濾波器和孔隙化的發展使得環境光不再是個問題,因為細小光學波導作為接收管道。
      使這項技術成為可能的關鍵是rpo公司改進的低成本光刻印刷聚合物光學波導。這家公司采用類似lcd的處理工具來沉積濕膜,用直接的光刻圖案處理薄膜,還有溶劑的改進。這聽起來很簡單,但是改進聚合物材料和用于生產大量、高強度的高分辨率光導的工藝用了很多年。另外,這個rpo使用的光學系統設計非常復雜,但是在物理系統中簡單、便宜、便于集成。
      rpo在displayweek2007上演示了這個系統,當時用于pda設備的多重觸摸。dwt現用于高端用戶產品之中。理論上講,這個系統可以用于任意尺寸的顯示屏,但是rpo最初是面向中小型消費類電子和車載顯示器的。
8、結論
      以上這些新的光學觸摸技術都可以在廣大且持續發展的觸摸屏市場中占據屬于自己的一席之地。排除所有的技術缺陷,我們可以預測光學觸摸技術與其它觸摸技術相比具有關鍵的優點。總的來說,這些新技術,如果都歸類于 光學觸摸系統 ,最終可以占據觸摸屏市場的一大份促進手持式觸摸屏迅猛發展的是蘋果iphone以及其它智能手機、gps手持設備,還有個人多媒體播放器。上面的這些技術,neonode、夏普、tmd、rpo目標都很明確,并希望能和現有的電阻和投射式電容性觸摸技術競爭。


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