，反射系数 0.0644的高折射率、低色散的环保镧系玻璃。根据玻璃、石蜡、空气的折射率，以及光线的入 射角度，可以实现通过阶梯状结构产生平行光的技术效果，具体如下：
[0034] 为了便于描述，请参照图2,每个阶梯中，按照光线行进的方向来看，光线从光源1 (图中未示出）中射出形成光线R1，R1进入边框2内部后首先在第一个阶梯处遇到第一分界 面6为玻璃-石蜡分界面，由于槽是沿45°设置的，而光线又垂直射入玻璃，因此第一分界面6 上的入射角A即为45°，发生反射与折射后，反射光线R2与R1垂直，且设置边框2的形状以保 证R2垂直射出边框2之外，折射光线R3遇到第二分界面7，为石蜡-玻璃分界面，发生反射与 折射，反射光线R4遇到第三分界面8，为石蜡-空气分界面，通过设置石蜡与空气交界处的石 蜡形状以使R4在第三分界面8上的入射角B为33.68°，再次发生反射与折射，产生的折射光 线R6正好与R2平行；由于各槽平行间隔布置，因此第一分界面与第二分界面平行，在第二分 界面7产生的折射光线R5根据光路原理与R1平行，继续在下一个阶梯发生反射与折射。以此 通过依次进入各阶梯以产生一组平行光，两侧的边框2产生的平行光相互垂直并交织成网 状，分布于触摸板4上表面。此时，手指若接触触摸板4，由于手指的遮挡，相应位置的平行光 光强会降低，线性CCD传感器5接收的光强降低，并信号传输至DSP控制器，DSP控制器将数据 进行模数转换，通过编程计算即可确定手指在触摸板上的位置。
[0035] 本实施例之中，为了避免光线在介质分界面产生全反射，因此将玻璃边框的槽中 嵌入石蜡，而不能只是空气槽;另一方面，反射与折射介质选择玻璃和石蜡，它们均属于无 定形体，是透明材料，无法吸收可见光，光线可以直接穿透过去。所以当激光光源垂直照射 玻璃与石蜡时，基本不吸收光强，只在玻璃与石蜡分界面、石蜡与空气分界面发生反射与折 射。
[0036] 当光照射到两种介质的分界面时，不仅发生反射与折射，同时也存在能量分配问 题。根据菲涅尔公式，可以得出光在反射与折射过程中的能量分配规律，即反射系数：
[0037]
[0038] 其中m与Π2分别为入射光所在介质的折射率、折射光所在介质的折射率，ii与i2分 别为入射角、折射角。普通玻璃的反射系数较小，为0.0147,为了使得获取的平行光的光强 不至于过低，需要增加玻璃的折射率，因此本实施例采用的是高折射率、低色散的环保镧系 玻璃，折射率为1.8141，这样反射系数可达0.0644。
[0039] 本实施例之中，采用的传感器为线性CCD传感器，可以检测微弱信号，尤其在低光 照时线性特性较好，激光光源经反射与折射后衰减的光强不多，可以满足线性CCD传感器的 线性响应。
[0040] 本实施例之中，所述边框的制备过程包括：
[0041] 利用玻璃制作出边框初品，如图4a所示，在该边框初品上沿45°角倾斜地利用全息 光刻技术切割出若干平行间隔布置的槽，在该槽内填充石蜡3;根据光源1位置、边框初品尺 寸、槽角度和尺寸、光线在第一分界面、第二分界面和第三分界面上的反射与折射情况，按 照在第一分界面产生的反射光线在射出第一透明材料后与在第三分界面产生的折射光线 相互平行、在第二分界面产生的折射光线与光源产生的光线平行并进入下一个第一分界面 的要求，确定需要切割的部分，并对边框初品进行切割形成所述阶梯状结构。例如，反射光 线R4(图中未示出）经过第三分界面8折射出光线R6,且光线R5(图中未示出）反射时需保证 玻璃与反射光成90°，所以切割掉的部分为abed所包围的面积，依次类推，应该沿线段a-b-c-d-e-f-g-j切割玻璃边框2,切割后的玻璃边框参照图4b。
[0042] 实施例2
[0043] 实施例2与实施例1所不同之处在于，在实施例1的基础上还包括用于产生振动的 压电片和压电片驱动装置，如图5所示，压电片9粘接在触摸板4的四个角落上，压电片驱动 装置信号连接DSP控制器;手指接触触摸板4后，相应位置的平行光光强降低，线性CCD传感 器5接收的光强降低，并信号传输至DSP控制器，DSP控制器将数据进行模数转换，通过编程 计算即可确定手指在触摸板上的位置；同时，DSP控制器将信号传输至压电片驱动装置，压 电片驱动装置驱动触摸板4背面的压电片9产生不同的振动幅度，带动触摸板4高频振动，从 而实现微小纹理粗糙感的触觉再现反馈。
[0044] 以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依 本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
【主权项】
1. 一种可用于触觉反馈系统的手指定位装置，包括相互信号连接的用于手指触摸的触 摸板、传感器和控制器;其特征在于:触摸板边缘设有边框;边框一端设有光源;该边框为第 一透明材料制成，该边框的内侧边缘沿离光源由近至远的方向呈由低至高的阶梯状结构， 边框在阶梯状结构的每个阶梯之间倾斜地切割有槽，槽内填充有第二透明材料，以使第一 透明材料与第二透明材料交替排布;第一透明材料与第二透明材料间形成第一分界面，第 二透明材料与另一侧的第一透明材料间形成第二分界面，第二透明材料与空气间形成第三 分界面;光源产生的光线进入边框内部，在第一个阶梯处依次经过第一分界面、第二分界面 和第三分界面并在该三个分界面上分别发生反射与折射，在第一分界面产生的反射光线在 射出第一透明材料后与在第三分界面产生的折射光线相互平行，在第二分界面产生的折射 光线与光源产生的光线平行并进入下一个阶梯的第一分界面；以此通过依次进入各阶梯以 产生一组平行光，该平行光分布于触摸板上表面;通过手指接触触摸板后相应位置的平行 光光强改变，传感器接收光强变化并信号传输至控制器，控制器通过计算确定手指在触摸 板上的位置。2. 根据权利要求1所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于:所述边框 位于触摸板边缘的至少两侧，以使通过该位于至少两侧的边框产生的至少两组平行光相互 交织成网状并分布于触摸板上表面。3. 根据权利要求1所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于:所述在第 一分界面产生的反射光线垂直射出第一透明材料并与在第三分界面产生的折射光线相互 平行。4. 根据权利要求1所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于:所述边框 在阶梯状结构的每个阶梯之间倾斜45°地切割有槽；光线在所述第一分界面的入射角为 45。。5. 根据权利要求1所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于:所述第一 透明材料为玻璃，所述第二透明材料为石蜡，所述第一分界面为玻璃-石蜡分界面，所述第 二分界面为石蜡-玻璃分界面，所述第三分界面为石蜡-空气分界面。6. 根据权利要求4所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于:所述玻璃 的折射率为1.80~1.85，反射系数为0.06~0.07。7. 根据权利要求1所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于:所述触摸 板为矩形，矩形触摸板的两个相邻的边缘设有所述边框，所述边框在阶梯状结构的每个阶 梯之间倾斜45°地切割有槽;所述光源为两个且沿矩形的对角线相对布置;所述第一透明材 料为折射率1.80~1.85，反射系数0.06~0.07的玻璃，所述第二透明材料为石蜡，所述第一 分界面为玻璃-石蜡分界面，所述第二分界面为石蜡-玻璃分界面，所述第三分界面为石蜡-空气分界面;所述第一分界面的入射角为45°，所述第三分界面的入射角为33°~34° ;所述 在第一分界面产生的反射光线垂直射出第一透明材料并与在第三分界面产生的折射光线 相互平行。8. 根据权利要求1所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置，其特征在于:还包括用 于产生振动的压电片和压电片驱动装置，压电片装接在触摸板上，压电片驱动装置信号连 接控制器;通过手指接触触摸板后相应位置的平行光光强改变，传感器接收光强变化并信 号传输至控制器，控制器通过计算以确定手指在触摸板上的位置并信号传输至压电片驱动 装置，压电片驱动装置控制压电片产生振动并带动触摸板振动以实现触觉反馈。9.根据权利要求1至8中任一项所述的可用于触觉反馈系统的手指定位装置的制备方 法，其特征在于:所述边框的制备过程包括： 利用第一透明材料制作出边框初品，在该边框初品上沿倾斜地切割出若干平行间隔布 置的槽，在该槽内填充第二透明材料;根据光源位置、边框初品尺寸、槽角度和尺寸、光线在 第一分界面、第二分界面和第三分界面上的反射与折射情况，按照在第一分界面产生的反 射光线在射出第一透明材料后与在第三分界面产生的折射光线相互平行、在第二分界面产 生的折射光线与光源产生的光线平行并进入下一个第一分界面的要求，确定需要切割的部 分，并对边框初品进行切割形成所述阶梯状结构。
【专利摘要】本发明公开了一种可用于触觉反馈系统的手指定位装置，包括光源、触摸板、边框、石蜡传感器和控制器，所述边框结构上刻有45°角均匀的槽，其中充满石蜡。通过该手指定位装置实时检测手指位置，进而控制触摸板背面的执行器件产生触觉反馈。本发明适用范围广，特别是在触觉反馈系统的接触终端所要求的高频振动环境下，本发明检测手指位置不会受高频振动的影响，且检测精度高，体积小，装置透明度高，使触觉反馈系统更加集成化，为触觉反馈系统提供了更加广阔的发展前景。
【IPC分类】G06F3/0354, G06F3/01
【公开号】CN105511613
【申请号】CN201510880314
【发明人】曾涛, 李楠, 陈文景, 潘廷哲, 黄澜涛
【申请人】厦门大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月3日