专利名称：影像感测器及具有该影像感测器的光学触控系统的制作方法
影像感测器及具有该影像感测器的光学触控系统技术领域
本发明关于影像感测技术，且特别关于一种影像感测器及使用影像感测器的光学触控系统。
背景技术：
在光学式触控系统中，目标的位置的计算方法是以影像感测器撷取一影像，分析影像中目标影像的位置，之后根据目标影像的位置和光学式触控系统的部分几何尺寸计算目标座标。
美国专利公告号第4，782，328号揭示一种光学式触控荧幕系统。该光学式触控荧幕系统包括两感测器，两感测器用于撷取在触控荧幕区域上的目标的影像。处理器耦接两感测器，通过分析两感测器所产生的影像，决定出分别连接目标与两感测器的感测线 (sensing path)。处理器再根据感测路线计算出目标的位置座标。
美国专利第7689381B2号揭不一种光学式触控突幕系统，其包括一反射镜、两光源、一影像感测器与一处理器。反射镜和两光源设置在触控区域周边，反射镜用于产生目标的一镜像。影像感测器用于产生目标的影像与镜像的影像。处理器分析通过目标的影像的感测路线与通过镜像的影像的感测路线，以及根据两感测路线计算出目标的座标。
通常，在光学式触控系统中，背景光强度不易控制均匀。为准确分析目标影像范围,需在进行分析前,消除背景光不均勻的影响。一般的作法是预先储存一背景影像,在获取影像后，将影像与背景影像相减，然后再进行目标影像范围分析。为此，光学式触控系统必须一直储存着背景影像，如此会占据相当的存储器空间。此外，背景光的分布也会改变， 故背景影像常需更新，造成光学式触控系统处理负荷。另外，将影像与背景影像相减，分析相减影像内目标影像的边界位置，根据边界位置计算目标座标等步骤需要相当的计算时间，耗费相当的电能。为使光学式触控系统达到一定的反应速度，光学式触控系统必须使用较快的系统时脉。发明内容
为解决现有技术的上述问题，本发明的一方面提供一种影像感测器及触控光学系统，该系统无需储存背景影像，以计算一目标影像。
本发明的一方面提供一种触控光学系统，该系统无需利用背景影像，来计算一目标影像。
本发明的一方面提供一种触控光学系统，该系统可使用较低的系统时脉。
本发明的一方面通过分析影像的标准差，来决定目标影像。
本发明一实施例提供一种影像感测器，其包含多个感光元件。所述多个感光元件排列成多行和多列，其中在该影像感测器产生的一平场影像中，各像素行的一亮度标准差大于任一像素列的一亮度标准差，或各像素列的一亮度标准差大于任一像素行的一亮度标准差。
本发明另一实施例揭露一种影像感测器，其包含多个感光元件。所述多个感光元件排列成多行和多列，其中在同一行或同一列的多个感光像素至少具有二种不同的感光参数。
本发明一实施例揭露一种光学触控系统，其包含一触控表面和一影像感测器。影像感测器用于撷取在该触控表面上的一目标的一影像，以计算该目标的座标。影像感测器包含多个感光元件。所述多个感光元件排列成多行和多列，其中在包含该目标的该影像的一影像中至少一像素行或列的亮度标准差大于未包含该目标的该影像的一影像中至少一像素行或列的亮度标准差。
本发明另一实施例揭露一种光学触控系统，其包含一触控表面、一影像感测器，以及一计算装置。影像感测器用于撷取在触控表面上的一目标的一影像。影像感测器包含多个感光元件，多个感光元件排列成多行和多列。各感光元件可产生一电子信号。计算装置选择目标的影像的范围内的至少一行的感光元件，其中该至少一行的感光元件所产生的电子信号的分布小于一门限值。
本发明的方案直接计算影像的亮度标准差，然后从亮度标准差分布的差异中，找出目标影像。本发明的方案无需使用预存的背景影像，故可节省储存背景影像所需的存储器空间，再者，本发明的方案无需将撷取的影像与背景影像相减，减少计算步骤，由于计算步骤较少，可使光学触控系统使用较低系统时脉，节省计算目标座标所需消耗电能。
上文已经概略地叙述本发明的技术特征及优点，以使下文的本发明详细描述得以获得较佳了解。构成本发明的申请专利范围标的的其它技术特征及优点将描述于下文。本发明所属技术领域中具有通常知识者应可了解，下文揭示的概念与特定实施例可作为基础而相当轻易地予以修改或设计其它结构或工艺而实现与本发明相同的目的。本发明所属技术领域中具有通常知识者也应可了解，这类等效的建构并无法脱离后附的申请专利范围所提出的本发明的精神和范围。
图I显示本发明一实施例的影像感测器的示意图2显示本发明一实施例的平场影像的示意图3显示本发明一实施例的在影像感测器11所产生的一平场影像2中两像素列的亮度值；
图4显示本发明一实施例的在影像感测器所产生的一平场影像中一像素行的亮度值；
图5显示本发明一实施例的在影像感测器所产生的一平场影像中多个像素行与多个像素列的亮度标准差值的示意图6显不本发明一实施例的光学触控系统的不意图7显示本发明一实施例的一影像沿行方向的亮度标准差的分布图8显示本发明一实施例的影像感测器示意图9显示本发明一实施例的影像感测器的功能方块示意图10显示本发明一实施例的一影像感测器与一光学元件的示意图11显示本发明另一实施例的光学触控系统的示意图；以及
图12显示本发明一实施例的影像的示意图。
其中，附图标记说明如下
I光学触控系统
I，光学触控系统
2平场影像
11影像感测器11，影像感测器
12列方向
13行方向
21像素列
22像素列
23像素行
31亮度值
32亮度值
51売度标准差
52売度标准差
61触控表面
62计算装置
63目标
64投光装置
71高亮度标准差的部分
72低亮度标准差的部分
101光学元件
110感光元件阵列
111感光元件
Illa感光元件
Illb感光元件
112解码器
113放大器和锁存器
114存储器
120影像
121目标影像
1101影像感测器
1011光学元件的部分
1012光学元件的部分具体实施方式
图1显示本发明一实施例的影像感测器11的示意图。影像感测器11包含多个感光元件111，多个感光元件111沿列(row)方向12与行(column)方向13排列，排列成多行和多列。感光元件111受光照时，可产生一电子信号。影像感测器11被建构以当影像感测器11撷取均勻照射区域产生的平场影像(flat field image), —部分感光元件111与另一部分感光元件111会产生明显不同数量的电子。明显不同数量的电子的差异是指数量的差异大过因噪声而产生的差异。由于有两部分的感光元件111会产生明显不同数量的电子， 造成所述多个感光元件111所撷取电子信号会有明显的大小分布，从而依所述多个电子信号所产生的平场影像有明显的明暗分布，使所产生平场影像具有高的亮度标准差。当两部分的感光元件111被遮盖，撷取一暗影像时，两者产生的电子数量差异不明显，即该差异不大于因噪声而产生的差异，使得影像感测器11产生的暗影像不会有高的亮度标准差。
在部分实施例中，影像感测器11所产生的影像的个别像素是由多个感光元件111 以加权平均或其他平均方式所计算而得。而本发明的目标判断方法可由各感光元件111所感测电子信号进行大小分布的差异比对，或对所产生影像进行明暗分布的差异比对。在其他实施例中，也可先将所感测的电子信号进行前处理后，再进行大小分布的差异性比对。
图2显示本发明一实施例的影像感测器11所产生的平场影像2的示意图。图3 显示本发明一实施例的在一平场影像2中两像素列21和22的亮度值。参照图I至图3所示，在一实施例中，影像感测器11产生一平场影像2，平场影像2包含多个第一像素列21和至少一第二像素列22，其中第一像素列21内的多个像素的亮度值31高于至少一第二像素列22内的多个像素的亮度值32。
图4显示本发明一实施例的在影像感测器11所产生的一平场影像中一像素行23 内的多个像素的亮度值。参照图2与图4所示，在一实施例中，平场影像包含多个第一像素列21和多个第二像素列22，其中第一像素列21内的多个像素的亮度值31高于第二像素列 22内的多个像素的亮度值32。多个第一像素列21和多个第二像素列22可交错排列，使得各像素行23内的多个像素所撷取的亮度值呈现如图4般锯齿状分布。
在一实施例中，多个第一像素列21和多个第二像素列22可具相同或不同的数量， 而且多个第一像素列21和多个第二像素列22为交错排列。
在一实施例中，多个第一像素列21或多个第二像素列22可相邻排列。
图5显示本发明一实施例的在影像感测器11所产生的一平场影像2中多个像素行23与多个像素列21和22的亮度标准差值的示意图。参照图2至图5所示，由于各行的感光元件111包含两组在撷取均匀照射区域的影像时会产生明显不同数量的电子的感光元件111，因此在平场影像2中，各像素行23内的像素会有高低差异明显的亮度值。由于各像素行23内的像素的亮度值高低差异明显，因此会计算出相当大的亮度标准差51。当撷取均匀照射区域的影像时，由于各列内的感光元件111所产生的电子数量差异不明显，因此在平场影像2中，像素列22的亮度标准差会较小(以编号52标示)。
在前述的实施例中，影像感测器11的各行的感光元件111包含两组会产生明显不同数量的电子的感光元件111，而影像感测器11的各列内的感光元件111则会产生差异不明显的电子数量，然而本发明不以此为限。在其他实施例中，影像感测器的各列内的感光元件可包含两组会产生明显不同数量的电子的感光元件，而影像感测器的各行的感光元件则会产生差异不明显的电子数。
图6显示本发明一实施例的光学触控系统I的示意图。参照图6所示，光学触控系统I包含一触控表面61、前述的影像感测器11、一计算装置62和一投光装置64。影像感测器11可撷取在触控表面61上的目标63的影像。计算装置62耦接影像感测器11，以分析目标63的目标影像位置，以及根据目标影像位置，计算目标63的座标。在一实施例中， 光学触控系统I可包含两影像感测器11，两影像感测器11分别用于撷取两不同目标影像， 通过两目标影像计算出目标61的座标；而该投光装置64包含一光源。在另一实施例中，投光装置64包含一镜元件。镜元件产生目标63的目标镜像。影像感测器11撷取目标61的目标影像和目标镜像的影像，计算装置62通过目标影像和目标镜像的影像计算目标63的座标。
图7显示本发明一实施例的一影像沿行方向的亮度标准差的分布图。参照图6和图7所示，当目标63放置于触控表面61上时，目标63会遮住部分透向影像感测器11的光， 而使影像感测器11所撷取的影像上会有目标63产生的遮蔽影像。计算装置62会计算撷取的影像的多个像素行的亮度标准差。多数的像素行会具有高亮度标准差(编号71标示部分)，而部分邻近像素行会具有低亮度标准差(编号72标示部分)，而其中目标影像即在该些部分邻近像素行所在位置。因此，光学触控系统I只要找出新撷取的影像中，存在低亮度标准差的像素行，即可决定出目标影像在影像上的位置。
一般而言，可将亮度标准差低于一门限值的像素行视为该目标63所产生的遮蔽影像，或者将低于所有亮度标准差的平均达一定程度(例如低于该平均的一半)的像素行视为该目标63所产生的遮蔽影像。进一步可在超过一预定数目(例如三行)的相邻像素行的亮度标准差皆低于一门限值才将该些像素行视为该目标63所产生的遮蔽影像。
与现有光学触控系统的目标影像分析方法比较，本发明例示的方法直接计算影像的亮度标准差，然后从亮度标准差分布的差异中，找出目标影像。本发明例示的方法无需使用预存的背景影像，故可节省储存背景影像所需的存储器空间，再者，本发明例示的方法无需将撷取的影像与背景影像相减，减少计算步骤，节省计算目标座标所需消耗电能。由于计算步骤较少，可使光学触控系统I使用较低系统时脉。
使各行的感光元件111包含两组会产生明显不同数量的电子的感光元件111的方法很多。以下枚举数个范例，但本发明不以这些范例为限，其他类似方法也可适用本发明。
图8显示本发明一实施例的影像感测器11’示意图。参照图8所示，在影像感测器IP中，各列的感光元件具有类似有效光收集面积的感光元件，而各行的感光元件包含多个感光元件11 Ia和多个感光元件11 lb，其中感光元件11 Ia和感光元件11 Ib具有不同的有效光收集面积(effective light collecting area)。感光元件Illa和感光元件Illb 在相同强度的光照下会明显产生不同数量的电子。在一实施例中，感光元件Illa和感光元件Illb交错排列。在另一实施例中，各列的感光元件具有两组不同有效光收集面积的感光元件，而各行的感光元件具有相同有效光收集面积的感光元件。
图9显示本发明一实施例的影像感测器11的功能方块示意图。参照图9所示，影像感测器11可包含一感光元件阵列110、一解码器112、一放大器和锁存器113和一存储器 114。感光元件阵列110包含多个阵列排列的感光元件111。解码器112和放大器和锁存器 113稱接感光元件阵列110,作为像素读取(pixel readout)。存储器114可包含多个不同曝光时间，其中各曝光时间运用在对应的部分感光元件111，如此便可产生大亮度标准差的平场影像。在一实施例中，存储器114可包含两不同曝光时间，其中两不同曝光时间可交替运用在多行的感光元件。在另一实施中，存储器114可包含两不同曝光时间，其中两不同曝光时间可交替运用在多列的感光元件。
图10显示本发明一实施例的一影像感测器11与一光学元件101的示意图。参照图10所示，影像感测器11可另包含一光学元件101，光学元件101设置于影像感测器11的入光面上。光学元件101可包含多具不同透光率的部分1011和1012，多具不同透光率的部分1011和1012可使通过光学元件101而抵达感光元件111的光，具有 高亮度标准差。在一实施例中，多具不同透光率的部分1011和1012可沿一行方向上呈交错方式安排。在另一实施例中，多具不同透光率的部分1011和1012可沿一列方向上呈交错方式安排。
—般而言,有两个因素影响影像感测器11的光敏感度(light sensitivity)。一是使用的材料(工艺技术)或感光元件的形式(photo detector type) ;二是感光元件的几何安排(geometric arrangement)和感光元件与光学组件间的相对位置。前者会影响量子效率(quantum efficiency);而后者会影响光学效率(optical efficiency)。通过调整感光元件的量子效率或光学效率，也可达到产生具亮度标准差的平场影像。影像感测器11 中的许多层的掺杂、薄膜层的材料和保护层(passivation layer)等均会影响量子效率,因此改变前述工艺条件，可调整感光元件的量子效率。在一实施例中，在影像感测器11中，各行的感光元件包含两组量子效率或光学效率不同的感光元件。在另一实施例中，各列的感光元件包含两组量子效率或光学效率不同的感光元件。
如图8至图10的实施例，使各行或各列的感光元件可具有二种不同的感光参数 (例如曝光时间、感光能力或有效光收集面积)，如此影像感测器11可产生高亮度标准差的平场影像，其中感光能力可包含量子效率或光学效率。
图11显示本发明另一实施例的光学触控系统I’的示意图。图12显示本发明一实施例的光学触控系统I’所产生的影像120的示意图。参照图11所示，光学触控系统I’ 包含至少一影像感测器1101、一计算装置62和一投光装置64。至少一影像感测器1101耦接计算装置62。至少一影像感测器1101可为普通影像感测器。投光装置64向触控表面61 投光。在一实施例中，光学触控系统I’包含两影像感测器1101，而投光装置64包含光源。 在另一实施例中，光学触控系统I’包含一影像感测器1101，而投光装置64包含一镜元件。
当目标63移近触控表面61时，影像感测器1101可撷取出如图12的影像120。计算装置62以下列方程式(I)计算影像120中所有像素行的亮度标准差。
σ卜極Z(Xf-P)2 (I)
其中表第P像素行的亮度标准差，N为第P列的像素数Y为第P行第i个像素的亮度值，P为第P像素列的平均亮度。
当亮度标准差计算完成后，计算装置62会比较各像素行的亮度标准差与一门限值Tl，决定是否有目标63接触触控表面61，其中比较是根据下列方程式(2)来进行判断。在此实施例中，该影像感测器1101的所有感光元件以及对应的光学元件具有相同特征，也即该影像感测器1101在撷取一个均匀光线的背景时所产生影像的所有像素行皆会具有较低的亮度标准差，而当该影像感测器1101在撷取包含该目标63的影像时，对应该目标63的部分像素行即会产生较高的亮度标准差，因此可将亮度标准差高于一预定门限值的像素行视为该目标63的遮蔽影像。
权利要求
1.一种影像感测器，包含多个感光元件，所述多个感光元件排列成多行和多列，其中在该影像感测器产生的一平场影像中，各像素行的一亮度标准差大于任一像素列的一亮度标准差，或各像素列的一亮度标准差大于任一像素行的一亮度标准差。
2.根据权利要求I所述的影像感测器，其中各行或各列的感光元件包含两组有效光收集面积不同的感光元件。
3.根据权利要求2所述的影像感测器，其中该两组的感光元件交错排列。
4.根据权利要求I所述的影像感测器，其中各行或各列的感光元件包含两组曝光时间不同的感光元件。
5.根据权利要求4所述的影像感测器，其中该两组的感光元件交错排列。
6.根据权利要求I所述的影像感测器，其中各行或各列的感光元件包含两组量子效率或光学效率不同的感光兀件。
7.根据权利要求6所述的影像感测器，其中该两组的感光元件交错排列。
8.根据权利要求I所述的影像感测器，其还包含一光学元件，该光学元件设置于该影像感测器的入光面上，其中该光学元件的透光率在所述多个感光元件的一行方向或一列方向上呈交错的方式变化。
9.一种影像感测器，包含多个感光元件，所述多个感光元件排列成多行和多列，其中在同一行或同一列的多个感光像素至少具有二种不同的感光参数。
10.根据权利要求9所述的影像感测器，其中该感光参数包含感光时间、感光能力或有效光收集面积。
11.根据权利要求10所述的影像感测器，其中该感光能力包含量子效率或光学效率。
12.根据权利要求10所述的影像感测器，其中在同一行或同一列中，具有该二种不同的感光参数的多个感光像素交错排列。
13.一种光学触控系统，包含 一触控表面；以及 一影像感测器，用于撷取在该触控表面上的一目标的一影像，以计算该目标的座标，该影像感测器包含多个感光元件，所述多个感光元件排列成多行和多列，其中在包含该目标的该影像的一影像中至少一像素行或列的亮度标准差小于未包含该目标的该影像的一影像中至少一像素行或列的亮度标准差。
14.根据权利要求13所述的光学触控系统，其中包含该目标的该影像的该影像中的该至少一像素行或列的亮度标准差小于一门限值。
15.根据权利要求14所述的光学触控系统，其中该门限值根据一背景影像的一像素行或列所决定。
16.根据权利要求13所述的光学触控系统，其还包含一投光装置，其中该投光装置向该触控表面投光。
17.根据权利要求13所述的光学触控系统，其中该投光装置包含一光源或一镜元件。
18.一种光学触控系统，包含 一触控表面； 一影像感测器，用于撷取在该触控表面上的一目标的一影像，该影像感测器包含多个感光兀件，所述多个感光兀件排列成多行和多列，各感光兀件产生一电子信号；以及一计算装置，选择该目标的该影像的范围内的至少一行的该感光元件，其中该至少一行的该感光兀件所产生的电子信号的分布小于一门限值。
根据请求项18所述的光学触控系统，其中不在该目标的该影像的范围内的任一行的该感光兀件所产生的电子信号的分布大于该门限值。
19.根据权利要求18所述的光学触控系统，其中各行的感光元件包含两组有效光收集面积不同的感光元件。
20.根据权利要求18所述的光学触控系统，其中各行的感光元件包含两组曝光时间不同的感光兀件。
21.根据权利要求18所述的光学触控系统，其中各行的感光元件包含两组量子效率或光学效率不同的感光兀件。
22.根据权利要求18所述的光学触控系统，其还包含一光学元件，该光学元件设置于该影像感测器的入光面上，其中该光学元件的透光率在所述多个感光元件的一行方向上呈交错的方式变化。
全文摘要
本发明公开了一种影像感测器及具有该影像感测器的光学触控系统，该影像感测器包含多个感光元件。所述多个感光元件排列成多行和多列，其中该影像感测器产生的一平场影像中，各像素行的一亮度标准差大于任一像素列的一亮度标准差，或各像素列的一亮度标准差大于任一像素行的一亮度标准差。本发明的方案直接计算影像的亮度标准差，然后从亮度标准差分布的差异中，找出目标影像。本发明的方案无需使用预存的背景影像，故可节省储存背景影像所需的存储器空间，再者，本发明的方案无需将撷取的影像与背景影像相减，减少计算步骤，由于计算步骤较少，可使光学触控系统使用较低系统时脉，节省计算目标座标所需消耗电能。
文档编号G06F3/042GK102981682SQ20121028218
公开日2013年3月20日 申请日期2012年8月9日 优先权日2011年8月16日
发明者苏宗敏, 林志新, 高铭璨 申请人:原相科技股份有限公司