专利名称：一种用于触摸屏的图像传感装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于红外触摸屏的图像捕获和传感装置，属于光学和摄像技术领 域，尤其是用于触摸屏、电子白板的使用图像传感器定位的摄像技术领域。
背景技术：
现有用于计算机的触摸屏有多种结构，其中使用光电技术的触摸屏包含有使用红 外发射和接收管的红外触摸屏和使用摄像头实现触摸物位置检测的摄像头触摸屏两 种。红外触摸屏具有原理简单的优点，但是因为使用了大量的红外元件，因此设计生 产和安装调试都比较复杂，导致生产成本较高，并且因为红外发射管老化等原因导致 使用寿命不够长，还有物理分辨率较低等问题。关于红外触摸屏的技术原理和方案， 可参考如号码3, 764， 813、 3， 860， 754、 3， 775， 560和6, 429, 857的美国专利和号码为 00 1 2462.4的中国专利申请等专利文献。使用图像传感器(摄像头)的触摸屏具有硬 件集成度高、总体结构简单、生产成本较低的优点，但是现有技术都最少需要使用2 只摄像头才能构成一个用于触摸屏的图像检测系统，因此一般需要使用两套用于图像 处理的微型计算机系统，而且两套图像传感部件(摄像头)需要占用较大的安装空间， 对于一些体积较小的设备安装较为困难。这种技术的工作原理和技术方案见号码为 DE20016024549的德国专利等专利文献。发明内容本发明的目的，就是针对现有使用光电技术的计算机触摸屏的缺陷，公开了一种 使用最少的图像传感器、能够降低计算机触摸屏的硬件成本并减小图像传感捕获部分 所占用的安装空间的计算机触摸屏的结构方案。本发明的用于触摸屏的图像传感装置，包含有由图像传感芯片和光学成像系统构 成的图像传感器，以及用于控制图像传感器工作和处理图像传感器接收到的信号的控 制处理单元，安装在被检测的屏幕的边缘。在本发明中，所述光学成像系统至少有两 路，包含至少两个由凸凹透镜构成的镜头，所述两个镜头的物镜互相分离，并且面向所述屏幕，其视场的交汇区域覆盖所述屏幕；所述的图像传感芯片有一片，所述至少 两路光学成像系统的成像，都投射在所述图像传感芯片的表面上。从理论上来讲，只要有在本发明的光学成像系统中包含有两条光通路，就能实现 本发明的目的。因为通过两条光通道同时获取触摸物的图像信息，就可以利用立体摄像的技术得到触摸物在空间的位置，因此下面仅以两路光通道为例来说明本发明的技 术方案。本发明包含有两类可行的具体结构。 一类结构是至少两路光学通道分时共用一片 图像传感芯片。对于这种结构，需要在所述的至少两路光学成像系统的光路上，都分 别按专有一个电子快门；所述电子快门被所述控制处理单元控制、驱动而以互锁的方 式轮流开启关闭。使用这类方案的一种基本结构是在所述的两路光学成像系统的光 路上，安装有一面反射镜和一面半反射/透射镜，反射镜的反射面与反射/透射镜的反射 面相对安装；所述两路光学成像系统中的一路，其光路通过所述反射镜反射面和反射/ 透射镜的反射面，通过该光路的光线，被两次反射后，到达所述图像传感芯片的表面； 在所述的两路光学成像系统的另一路，其光路通过所述反射/透射镜的透射面，通过该 光路的光线通过所述反射/透射镜，到达所述图像传感芯片的表面。进一步，为了得到 尽可能大的有效视场以覆盖面积较大的显示屏幕，还可以在所述至少两路光学成像系 统的光路中，使用另外用于改变光线传播方向的反射镜，以拉开两个镜头之间的距离 并调整所述镜头之间的夹角。另一类结构是两路光学通道分区共用一片图像传感芯片，所述图像传感芯片被划 分为两个图像传感的区域，所述两路光学成像系统的成像，分别映射在这两个区域上。 但是更一般的结构，则是在所述图像传感芯片的两个区域的前方，分别安装有两面反 射镜；以达到通过所述两条光路中的镜头的光线被所述两个反射镜反射后，分别映射 在这两个区域上。无论是第一类还是第二类的基本结构，本发明都可以使用如下的技术方案所述 两条光路中的每一条都包含有两个镜头；其中的第一个镜头安装在所述被检测屏幕的 边缘，最好是相邻的两个角上，其成像位置安装一块成像屏；第二个镜头的物镜面对 着第一个镜头的成像屏。在这里，根据一般的光学理论，所述的两个镜头中，第一个 镜头最好是广角镜头，第二个是镜头是长焦镜头。这样就可以利用广角镜头来得到很 大的检测视场，再用长焦镜头的望远能力来捕捉广角镜头在成像屏的图像。在上述每条光路使用两只镜头的技术方案中，还可以使用一个凸面反射镜来替代 所述的第一个镜头，安装在所述被检测屏幕的边缘，最好是相邻的两个角上，反射面 面对着被检测屏幕；第二个镜头的物镜面对着所述反射镜的反射面。无论是第一类还是第二类的基本结构，在某些特殊场合下，还可以使用如下最简 单的结构在所述的图像传感芯片的前方安装至少两个镜头，使其成像或者通过电子 快门后映射在图像传感芯片的整个感光区域上；或者分别映射在被划分的不同的感光区域的表面上。简单地说就是映射在每个镜头所对应的、被设定的感光区域上。发明的益处根据上面对本发明的描述，可以看到本发明使用两条光路对应一只 图像传感器(摄像头)的结构，通过立体摄像的功能来实现对触摸物定位，因此减少 了硬件的数量，降低了产品的生产成本。同时，单摄像头的结构也减小了整个装置所 占用的安装空间，获得了更好的适用性。
图l:本发明的基本光学原理图；图2: —种可分时或分区复用图像传感芯片的光路结构图； 图3:图像传感芯片的分区示意图；图4:图2结构分区复用图像传感芯片时反射镜的结构示意图；图5:基于图2结构的一种分区复用图像传感芯片的光路结构示意图；图6:图5所示结构中反射镜的结构示意图；图7:图2或者图5结构中广角镜的另外结构。附图中标号所指代的各部分的名称如下101一用于触摸操作的显示屏幕；102 ——图像传感芯片；103、 105、 106——两条光路上的反射镜；104——光路上的反射/ 透射镜；107、 108——光路切换开关；109——最简光路；201、 205——每条光路中的 第一个镜(头)；202、 206——第一个镜头的成像屏幕；203、 207——每条光路中的第 二个镜头；204——反射/透射镜；208——反射镜；301、 302——图像传感芯片感光面 被划分的两个纵向分区；401、 402——用于替代104、 105或者204、 208的反射镜； 501、 502——用于替代204、 208的反射镜；701——凸面反射镜。图中，带有箭头的细实线表示光线的传播方向。
具体实施方式
图1给出了本发明最基本的光路结构示意图，该图以两条光通道为例，给出了实 现本发明的各种可能的技术方案的基本原理。如图所示，包含有镜头的两条光路，通 过这两条光路的光线，最终的成像都映射在图像传感芯片102的感光面上。这种结构 的最简单的方式是在所述的图像传感芯片的前方安装至少两个镜头，两只镜头的成像 都映射到图像传感芯片102的感光面上，如图1中两条粗实线箭头109所示，可以用 于某些小体积或低成本的情况下。但是更一般的结构是一条光路直接通过反射/透射镜 104到达图像传感芯片的感光面；另一条光路则通过反射镜103的反射以后，到达图像 传感芯片的感光面。这个基本结构的光路如图中带箭头的细实线所给出的那样。如果使用这种基本的结构，为了尽量让两条光路的长度相同以减小设计和制造难度，则希 望两条光路中镜头的物镜之间的距离比较近。这样的结构虽然视场的重叠部分比较大，可以覆盖尺寸较大的显示屏幕ioi，但是因为两个图像的差异较小，所以将会对触摸物 的定位精度有不利影响；如果两条光路中的镜头的物镜相距较远，则光路的长度差异 就会很大，将会增加设计制造的难度；甚至还需要调整光路中镜头光轴的角度以达到 最大的重叠视场来覆盖尺寸较大的显示屏幕101,这样直通的一条光路就有些难以满足 要求。因此图中还给出了另外扩张的一种结构，即在原来光线透射过反射透射镜的光 路上也装上发射井反射镜105、 106，光线通过两次反射之后再通过反射/透射镜，如图 中虚线所表示的光学元件和光线通过的路径。本发明中，利用同一片图像传感元件实现捕捉两路视频的基本方案有两种不同 光路在同一传播路径上的分时复用，或者通过利用独立的光路实现分区复用。通过对 图1的基本结构的局部更改，能够满足这两种技术方案的实施。在分时复用的情况下， 在图1所示的两条光路中分别插入一只电子快门107和108，利用控制图像传感器工作 和处理图像传感器接收到的信号的控制处理单元(图中未画出)控制、驱动这两个电 子快门，以互锁的方式轮流开启关闭，图像传感芯片就可以轮流捕捉通过这两条光路 传递过来的图像。图2给出了基于图1原理的一种分时复用的光路结构的具体技术方 案。图2中的两条光路分别包含有安装在所述被检测屏幕边缘、最好是相邻的两个角 上的第一个镜头201、 205和第二个镜头203、 207，所述第一个镜头成像在屏幕202 和206上，第二个镜头拾取成像屏幕202和206上的图像，分别通过反射镜/透射镜204 和反射镜208映射到图像传感芯片102上。这里，依据一般的光学理论；第一个镜头 最好是广角镜头，第二个是镜头是长焦镜头。这样就可以利用广角镜头的大视角来得 到很大的检测视场，再用长焦镜头的望远能力来捕捉广角镜头在成像屏的图像。分区复用的基本原理如图3所示，就是将图像传感芯片的感光表面划分为两个区 域301和302，通过光路结构的设计，使得两条光路的成像分别映射在这两个区域上。 这里给出的是纵向分割的示意图，即沿着与被检测屏幕101的表面相平行得方向来划 分，以期利用传感芯片长边的最大象素数而得到尽可能高的分辨率。这样就可以舍弃 电子快门和透射/反射镜，使得两条光路的各个参数更均衡而方便设计制造。图5则所 示的是基于图1原理的一种分区复用的光路结构的技术方案。与图2相同，两条光路 分别包含有一个安装在被检测屏幕边缘，最好是角上的广角镜头201、 205和一个长焦 镜头203、 207，长焦镜头拾取成像屏幕202和206上的图像，分别通过反射镜501和 502映射到图像传感芯片102的不同感光区域301和302上。事实上图2所示的结构可以用于分区复用的方案，只要如图4所示，将原来重叠安装的反射镜208和反射/透 射镜204，替换为根据图像传感芯片表面感光区域的分区301和302的位置而并列安装 的反射镜401和402，就可以实现分区复用。这里所说的并列安装可参考图6所示的结 构，两只反射镜501和502并行排列，反射面分别面对各自对应的感光区域。图4与 图6的不同之处在于反射镜401和402与感光面的距离不同。图7给出了图2和图4的一种简化的结构方案，给出的是一条光路的示意图，另 一条光路相同。在这里，使用凸面反射镜701替代了第一个镜头201，同样可以实现原 来镜头后面的成像屏的功能，并能保证两条光路所覆盖的视场及其重合部分足够大。 但是因为凸面反射镜的反射图像比应该使用的广角镜头在成像屏幕206上成像的畸变 更大一些，因此需要在图像处理的时候使用适当的补偿以校正畸变。另外，针对前述在图1中使用粗实线表示的、在传感芯片前方安装两个镜头的最 简方案，分时复用传感芯片时，可以将电子快门107和108安装在光路上；使其成像 落在整个传感芯片的感光表面上；分区复用传感芯片时，则直接成像在传感芯片的感 光被划分的不同区域的表面上。如果采用这种最简结构通过分区复用的方式来检测触 摸物，则效果比较好的方案是与图3所示的纵向分割方式相反，横向分割传感芯片成 为两个区域；同时两只镜头平行于被检测屏幕IOI的表面安装。上述实施例所给出的本发明实施的基本结构方案，不包含如光路、镜头设计等现 有一般技术的内容，也没有给出原理相同的但光通道数量多于两路的实施方案，因此 本发明的保护范围并不局限于上述的基本结构方案。
权利要求
1. 一种用于触摸屏的图像传感装置，包含有由图像传感芯片和光学成像系统构成的图像传感器，以及用于控制图像传感器工作和处理图像传感器接收到的信号的控制处理单元，安装在被检测屏幕的边缘，其特征在于所述光学成像系统至少有两路，包含至少两个由凸凹透镜构成的镜头，所述两个镜头的物镜互相分离，并且面向所述屏幕，其视场的交汇区域覆盖所述屏幕；所述的图像传感芯片有一片，所述至少两路光学成像系统的成像，都投射在所述图像传感芯片的表面上。
2. 根据权利要求1所述的图像传感装置，其特征在于在所述光学成像系统包含有两 条光路；在每一条光路上，都分别安装有一个电子快门；所述电子快门被所述控制 处理单元控制、驱动而以互锁的方式轮流开启关闭。
3. 根据权利要求2所述的图像传感装置，其特征在于在所述的两路光学成像系统的 光路上，安装有一面反射镜和一面半反射/透射镜，反射镜的反射面与反射/透射镜 的反射面相对安装；所述光学成像系统中的一路，其光路通过所述反射镜反射面和 反射/透射镜的反射面，通过该光路的光线，被两次反射后，到达所述图像传感芯片 的表面；在所述的两路光学成像系统的另一路，其光路通过所述反射/透射镜的透射 面，通过该光路的光线通过所述反射/透射镜，到达所述图像传感芯片的表面。
4. 根据权利要求3所述的图像传感装置，其特征在于在所述两路光学成像系统的光 路中，还包含有另外用于改变光线传播方向的反射镜。
5. 根据权利要求1所述的图像传感装置，其特征在于在所述光学成像系统包含有两 条光路；所述图像传感芯片被划分为与光学成像系统的通路的数量相同数量的图像 传感区域，所述的两路光学成像系统的成像，分别映射在这两个区域上。.
6. 根据权利要求2或5所述的图像传感装置，其特征在于在所述的图像传感芯片的 前方安装有两个镜头，其成像映射在图像传感芯片表面每个镜头所对应的、被设定 的感光区域上。
7. 根据权利要求5所述的图像传感装置，其特征在于所述图像传感芯片的两个区域 的前方，分别安装有两面反射镜；通过所述两条光路中的镜头的光线被所述两个反 射镜反射后，分别映射在这两个区域上。
8. 根据权利要求4或7所述的图像传感装置，其特征在于所述两条光路中的每一条都包含有两个镜头；其中的第一个镜头安装在所述被检测屏幕的边缘，其成像位置安装有一块成像屏；第二个镜头的物镜面对着第一个镜头的成像屏。
9. 根据权利要求8所述的图像传感装置，其特征在于所述两条光路中的两个镜头中， 所述的第一个镜头是广角镜头，第二个是镜头是长焦镜头。
10. 根据权利要求4或7所述的图像传感装置，其特征在于所述两条光路中的每一条 都包含有一个镜头和一个凸面反射镜；所述的凸面反射镜安装在所述被检测屏幕边 缘，反射面面对着被检测屏幕；第二个镜头的物镜面对着所述反射镜的反射面。
全文摘要
一种用于触摸屏的图像传感装置，包含有由图像传感芯片和光学成像系统构成的图像传感器，安装在被检测的屏幕的边缘。在本发明中，图像传感器中由包含有使用凸凹透镜构成的镜头以及必要的反射镜两路光学成像系统构成，两个镜头互相分离并且面向所述屏幕，其视场的交汇区域覆盖所述屏幕，从而利用立体摄像的功能实现对触摸物的定位。在本发明中，两路光学成像系统利用互锁的电子快门，实现不同光路在同一传播路径上的分时复用，或者通过利用独立的光路实现分区复用，成像在一片图像传感芯片的表面。本发明的结构减少了硬件的数量，降低了产品的生产成本。同时单摄像头的结构也减小了整个装置所占用的安装空间。
文档编号G02B13/00GK101261557SQ200810105559
公开日2008年9月10日 申请日期2008年4月30日 优先权日2008年4月30日
发明者刘中华, 刘建军, 刘新斌, 叶新林 申请人:北京汇冠新技术有限公司