光学触摸导航的制作方法

光学触摸导航的制作方法
【专利摘要】本公开内容描述了以光学触摸导航为特征的触摸接口。发光设备将光分布在光学元件上方，而光学元件又通过内部地反射光而在光学元件的出口处产生光束。感测设备响应于光束撞击感测设备而捕获图像。处理设备通过比较由感测设备捕获的连续的图像来检测邻近光学元件的对象。
【专利说明】光学触摸导航

【背景技术】
[0001] 触摸接口允许用户通过利用手指或者触针触摸屏幕而与计算设备交互。触摸接口 是普遍的，尤其是在移动计算设备中。可利用不同的技术来实现触摸接口，例如，电阻的、电 容的或者光学技术。基于电阻技术的触摸接口一般可包括涂有电阻材料、由间隙分隔的两 个层。不同的电压使两个层中的每个层带电。手指或者触针的触摸将这两个层按压到一起， 使得电压改变并且允许接口识别触摸的位置。基于电阻技术的接口制造起来不贵，但是受 到低光学透明度的影响。基于电阻技术的接口易于受触摸表面上的划痕的影响。
[0002] 基于电容技术的触摸接口可利用涂有透明导体的单个活性层。当手指或者导电 触针触摸接口时，小电流穿过该接口，其中位于角落处的电路测量手指或者导电触针的电 容。手指或者导电触针的触摸从活性层汲取电流，使得电容改变并且允许接口识别触摸的 位置。基于电容技术的触摸接口可确定接触区块（contact patch)的几何特征，例如，形心 和尺寸，以追踪手指或者导电触针的移动。当手指或者导电触针从触摸屏幕表面上的一个 位置移动到另一位置时，触摸接口基于接触区块的几何特征估计该移动。然而，接触区块的 几何特征是对手指或者导电触针的位置和轨线的间接测量，这可能导致位置估计的不准确 或者溢出，例如，逆向滚动，其中即使在用户向前伸展他的手指时，接触区块也被错误地理 解为向后移动。
[0003] 基于光学技术的触摸接口依靠光学器件来检测来自于触摸的光发射或者反射，其 转化为屏幕或者监视器上的光标或者其它图标的移动。已经发现光学触摸接口对于这样的 应用是有用的，在所述应用中对于较大的电容或者电阻触摸接口存在很小的物理空间或者 面积。例如，光学触摸接口在计算机鼠标中是常用的。对于滚动或者平移（panning)所必 需的长距离精确控制而言，一般并不认为诸如在鼠标中实施的光学触摸接口的小面积光学 触摸接口是理想的，因为这些动作将要求触摸接口的多次滑动（swipe)以穿过整个页面滚 动或者平移。
[0004] 消费品制造商常常寻求可应对与电阻的、电容的或者光学触摸接口相关的一些缺 点的触摸接口。


【发明内容】

[0005] 提供本概要从而以简化的形式引入在下面的【具体实施方式】中进一步描述的概念 的选择。本概要并不旨在标识要求保护的主题的关键特征或者基本特征，也不旨在用来限 制所要求保护的主题的范围。
[0006] 示例性的触摸接口包括发光设备、光学设备和感测设备。发光设备将光分布在光 学设备的至少一个表面上方，而光学设备又通过在光学设备中内部地反射光而在光学设备 的出口处产生光束。感测设备通过比较对象的连续图像来检测附着（incident)在光学设 备上或者邻近光学设备的对象，所述图像由感测设备响应于光束撞击感测设备而捕获。发 光设备可包括光源和配置成将光源产生的光投射到光学设备的至少一个表面上的背光设 备。光学设备可包括光楔，光楔包括与薄端相对的厚端。光楔在内部可在光楔的顶表面和 底表面之间反射光，并且可在厚端处产生光束。
[0007] 通过以下根据附图展开的详细说明，包括光学触摸导航的示例性触摸设备的另外 的方面和优势将是明显的。

【专利附图】

【附图说明】
[0008] 图1A是示例性的触摸接口的截面图。
[0009] 图1B是包括光线追迹的图1A中所示的示例性光学设备的截面图。
[0010] 图1C是包括光线追迹的图1A中所示的示例性光学设备的顶视图。
[0011] 图1D是示例性的触摸接口的截面图。
[0012] 图1E是附着在示例性的触摸接口上或者邻近示例性的触摸接口的对象的图像。
[0013] 图2是示例性的背光设备的截面图。
[0014] 图3是说明图1A-1D中所示的示例性的触摸接口中的噪声项的框图。
[0015] 图4是与图1A-1D中所示的触摸接口相关联的示例性方法的流程图。
[0016] 图5是实现图1A-1D中所示的触摸接口的示例性系统的框图。

【具体实施方式】
[0017] 本文描述的示例性的光学触摸接口在需要例如用于滚动或者平移的精确控制的 应用中是有用的，其要求在比诸如光学触摸鼠标的已知光学手指导航设备所提供的更大的 距离上追踪一个或多个对象。需要注意的是，光学触摸接口直接追踪附着在光学设备的表 面上的至少一个对象的移动，这增加了追踪精确性。较大距离的光学追踪是可能的，这至少 部分地归因于通过内部地反射光而产生光束的光学设备。而内部的光反射又允许这种较大 距离的光学追踪所需要的光学路径的尺寸的减小。光学路径的尺寸的减小提供了关于触摸 接口的角度和外形的更大的设计自由度。感测设备响应于光束撞击感测设备而捕获光学设 备的表面的图像。由于（多个）对象将散射由光学设备内部地反射的光的至少一部分，所以 感测设备通过比较连续地捕获的光学设备出口处的光束的图像来检测附着在光学设备上 的一个或多个对象。
[0018] 参照图1A-1D，触摸接口 100可被配置成通过捕获光学设备106的顶表面126上的 对象130的图像来检测附着在顶表面126上的或者邻近顶表面126的对象130。触摸接口 100通过比较响应于顶表面126上的对象130的移动而捕获的图像，可追踪对象130横跨顶 表面126的移动。因此，触摸接口 100可被配置成照亮对象130,并利用传感器110检测从 对象130反射的光。这样，当对象在光学设备106的顶表面126上移动时，触摸接口 100可 记录对象的位置。触摸接口 100可被配置成基本上同时地检测附着在光学设备106的顶表 面126上或者邻近顶表面126的多个对象130 (例如用户手指的多个触摸)。然而，为了简 单起见，下文描述单一的对象130。
[0019] 触摸接口 100可包括发光设备101，而发光设备101又可包括光源102和背光设 备104。光源102可发出光103,而背光设备104可将光103投射到光学设备106上。光源 102可为任何发光体，其被配置成发射或者发出本领域普通技术人员知晓的任何种类的光， 包括结构化的光、非结构化的光、单一波长的光、可见光或者红外光。示例性的光源102可 包括放置为与背光设备104的端部105相邻的至少一个发光二极管。另一示例性的光源 102可包括沿着背光设备104的端部105放置并与其相邻的多个发光二极管。多个发光二 极管可以增加由背光设备104分布到光学设备106的光线114的强度。
[0020] 背光设备104将来自光源102的光103作为光线114投射到或者以其它方式分布 到光学设备106上。光103的一部分可能例如由于图2中所示的漫射元件而沿着背光设备 104的长度漏出。示例性的背光设备104可被放置在光学设备106下方以将光103投射到底 表面128上。背光设备104可横跨光学设备106的一部分或者整个二维区域延伸。在一个 实施例中，背光设备104在光学设备106的将为触敏性的部分的下方延伸。依据各种因素， 包括物理尺寸、电子或者光学设计约束、性能、成本或者本领域普通技术人员知晓的其它准 贝1J，背光设备104可包括数个元件或者层。背光设备104可包括本领域普通技术人员知晓 的用于光学应用中的任何材料，包括透明塑料、透明玻璃、聚碳酸脂材料、丙烯酸材料等等。
[0021] 参照图2,示例性的背光设备204可包括可利用光203照亮光导206的光源202。 示例性的光源202可包括发光二极管、多个发光二极管、灯或者被配置成发射或者发出本 领域普通技术人员知晓的任何种类的光(包括结构化的光、非结构化的光、单一波长的光、 可见光或者红外光）的任何其它发光体。光203可进入光导206以用于沿其长度分布。响 应于光导206,光203的至少一部分可被反射为光线207。漫射器208可传播或者散射光 线207以产生漫射光线209。而膜210又可通过产生避免无意光散射并能够让更大量的光 203到达光学设备106 (图1)的光线211进一步优化漫射光线209。包括光导206、漫射器 208和膜210的背光设备204的设计和操作对本领域普通技术人员而言是已知的。包括光 导206、漫射器208和膜210的背光设备204可包括本领域普通技术人员知晓的与它们的功 能相适应的材料和设计约束。
[0022] 再回来参照图1A-1D，光学设备106可包括基本上是二维的楔形光导，该光导别称 为光楔。光楔是经由全内反射传导或者排列光以在出口处产生包括基本上平行的光线的光 束118的光导。示例性的光学设备106可允许光103从光源102被分布到厚端124,光束 118从厚端124离开。这种光楔可找到不同的用途，包括但不限于如本文所描述的那样作为 光导。光学设备106可由顶表面126和底表面128以及相对的侧面125、薄端122和厚端 124界定。光学设备106可包括本领域普通技术人员知晓的用于光学应用中的任何材料，包 括透明塑料、透明玻璃、聚碳酸脂材料、丙烯酸材料等等。
[0023] 光学设备106可在背光设备104的一部分或者整个长度的上方延伸。光线114可 以以任何角度从底表面128进入光学设备106,所述角度包括大于或者等于零度的视角。光 学设备106可通过内反射将光线114分布为反射光线116。在离开厚端124并作为光束118 被传送到透镜108和传感器110之前，反射光线116可在顶表面126和底表面128之间内 部地反射。反射光线116的一部分可离开顶表面126。这样，光学设备106缩小、聚焦或者 以其它方式将从光源102传送的光103通过由顶表面126、底表面128、相对的侧面125、薄 端122和厚端124界定的光学设备106而引导到传感器110。在一个实施例中，光束118可 包括基本上准直的或者平行的光线。
[0024] 图1D为示例性的触摸接口 100的侧视图，其中厚端124涂有反射性材料。光线114 可从底表面128进入光学设备106,以在顶表面126和底表面128之间沿着光学设备106的 水平长度被内部地反射为光线116。反射光线116被反射性的厚端124再次引导或者反射， 以作为光束118穿过底表面128向下离开并到达透镜108和传感器110。
[0025] 而传感器110在反射光线116穿过光学设备106时又感测光束118以捕获顶表面 126的图像或者邻近顶表面126或附着在顶表面126上的对象130的图像。传感器110可 以为捕获光并将捕获的光转换为电子信号的任何种类的设备，例如，电荷耦合器件（CCD)、 互补金属氧化物半导体（CMOS)传感器和有源像素阵列。传感器110可包括模拟部分和数字 部分(没有单独地从感测器110中示出）。模拟部分可包括光电传感器，光电传感器保持表 不撞击其表面的光的电荷并一次一个像素地将电荷转换为电压。数字部分(没有单独地从 传感器110中不出）可将该电压转换为表不撞击光电传感器的光的数字信号。传感器110 可以为包括模拟部分和数字部分二者的集成电路。替代性地，传感器110可包括分别实现 模拟部分和数字部分的两个不同的电路。替代性地，传感器110可集成有处理设备112,以 包括本文更加详细地描述的另外的特征。
[0026] 在一个实施例中，透镜108可被置于厚端124和传感器110之间，以将离开厚端 124的光束118聚焦到传感器110上。在另一实施例中，透镜108可被置于底表面128和 传感器110之间，以将离开底表面128的光束118聚焦到传感器110上。透镜108可以为 本领域普通技术人员知晓的能够将光束118聚焦到传感器110上并且能够补偿在光学设备 106中可能发生的光学像差的任何设备。在本上下文中，光学像差可以为对象130的实际图 像与理想图像之间的任何偏差，这种偏差可能由于例如光学设备形状变化、成像像差等（图 3)而发生。透镜108可包括本领域普通技术人员知晓的用于光学应用中的任何材料，包括 透明塑料、透明玻璃、聚碳酸脂材料、丙烯酸材料等等。
[0027] 处理设备112可包括能够操纵或者以其它方式处理传感器110的输出的任何处理 器。处理设备112可包括存储器113,其可为本领域普通技术人员知晓的任何类型或者任何 尺寸。处理设备112和存储器113的实施例可包括图5中所示的处理器504和存储器506。
[0028] 邻近光学设备106或者附着在光学设备106上的对象130可将反射光线116的至 少一部分散射为散射光线115。因此，反射光线116和散射光线115的至少一部分作为光束 118离开厚端124的角度可能依据顶表面126上的对象130的位置而改变。传感器110可 在预定的时间捕获邻近顶表面126或者附着在顶表面126上的对象130的图像，并将图像 存储在板载存储器(没有单独地从传感器110中示出）中。替代性地，传感器110可将图像 传输至处理设备112,以用于存储到存储器113中并进行随后的处理。处理设备112可以 比较连续地捕获的图像，或者可以比较以预定的间隔捕获的图像，以确定顶表面126上的 对象130的位置并且直接地追踪顶表面126上的对象130的移动。注意，处理设备112根 据图像的比较来直接地确定或者追踪顶表面126上的对象130的位置，而不是像其它触摸 技术的情形那样依据例如接触区块的几何形状的其它标记来间接地确定或追踪。处理设备 112可利用任何数量的算法来比较连续地捕获的图像，包括本领域普通技术人员熟知的交 叉相关算法或者单个或多个接触追踪算法。
[0029] 图1E为在光束118撞击传感器110时捕获的附着在触摸接口 100上的顶表面126 上或者邻近顶表面126的对象130的示例性图像。
[0030] 参照图3,背光设备104可能需要补偿由于例如电气规格或者物理定位限制而导 致的来自光源102的不均匀光照304。光学设备106、透镜108或者传感器110可能需要补 偿环境光、由于制造限制或者不规则性而导致的光学设备形状变化以及成像像差306。
[0031] 参照图1A-1D以及图4,示例性的方法400包括光源102和将光103作为光线114 分布在光学设备106上方(在402处)的背光设备104。在404处，光学设备106将光线114 内部地反射为反射光线116,从而产生在厚端124或者底表面128处离开光学设备106的光 束118。在406处，透镜108将光束118聚焦到传感器110上，而传感器110又在光束118 撞击传感器110时捕获邻近顶表面126或者附着在顶表面126上的对象130的图像(在408 处)。在410处，处理设备112存储所捕获的图像并比较图像。在412处，处理设备112响 应于410处的比较来检测邻近光学元件106或者附着在光学元件106上的对象130。
[0032] 参照图5,系统500可包括计算设备502,其可以运行存储在系统存储器(例如，存 储设备506)中的模块506C或者应用程序的指令。应用程序或者模块506C可包括执行特 定的任务或功能或者实现特定的抽象数据类型的对象、组件、例程、程序、指令、数据结构等 等。应用程序506C的一些或全部可由处理设备504在运行时被实例化。本领域普通技术人 员会容易地认识到，与系统500相关的许多概念可以实现为各种计算架构中任何一个(例 如，计算设备502)中的计算机指令、固件或者软件，以达到相同的或者等同的结果。
[0033] 另外，本领域普通技术人员会容易地认识到，系统500可以在其它类型的计算架 构上实现，例如，一般用途的或者个人的计算机、手持设备、移动通信设备、多处理器系统、 基于微处理器的或者可编程的消费电子产品、微型计算机、大型计算机、专用集成电路、片 上系统（S0C)等等。仅为了图示的目的，系统500在图5中被示出为包括计算设备502、地理 上远程的计算设备502R、平板计算设备502T、移动计算设备502M和膝上型计算设备502L。
[0034] 类似地，本领域普通技术人员会容易地认识到，系统500可在分布式计算系统中 实现，在该分布式计算系统中，常常在地理上相互远离的各种计算实体或者设备(例如，计 算设备502和远程计算设备502R)执行特定的任务或者运行特定的对象、组件、例程、程序、 指令、数据结构等等。例如，系统500可在服务器/客户端配置中实现(例如，计算设备502 可以作为服务器操作，并且远程计算设备502R、平板计算设备502T、移动计算设备502M或 者膝上型计算设备502L可作为客户端操作)。在系统500中，应用程序506C可存储在本地 存储设备506、外部存储设备536或者远程存储设备534中。本地存储设备506、外部存储 设备536或者远程存储设备534可为本领域普通技术人员知晓的任何种类的存储器，包括 随机存取存储器（RAM)、闪存、只读存储器（ROM)、铁电RAM、磁存储设备、光盘等等。
[0035] 计算设备502可包括处理设备504、存储设备506、设备接口 508和网络接口 510， 所有这些可通过总线512相互连接。处理设备504可表示单个的中央处理单元，或者在单 个计算设备502或者多个计算设备(例如，计算设备502和远程计算设备502R)中的多个处 理单元。本地存储设备506、外部存储设备536和/或远程存储设备534可为任何类型的 存储设备，例如，RAM、闪存、ROM、铁电RAM、磁存储设备、光盘等的任意组合。本地存储设备 506可包括具有在系统500的不同元件之间传输数据(包括数据506D)的例程的基本输入/ 输出系统（BIOS) 506A。本地存储设备506还可存储操作系统（OS) 506B，操作系统506B在 由引导程序初始地加载之后管理计算设备502中的其它程序。本地存储设备506可存储被 设计成执行用于用户的特定功能的例程或程序506C或者另一个应用程序，例如，配置成从 传感器捕获图像的应用程序或配置成比较连续地捕获的图像以检测附着在光学元件上方 的对象的应用程序，这一点我们在上文中作了更为详细的描述。本地存储设备506可另外 地存储任何种类的数据506D，例如，来自传感器110的图像（图1A)。
[0036] 计算设备502可包括图1A中所示的触摸接口 100的处理设备112和存储器113。 替代性地，处理设备112和存储器113可在与计算设备502不同的一个或者多个设备中实 现。
[0037] 设备接口 508可以为多种类型的接口中的任何一种接口。设备接口 508可操作 性地将各种设备(例如，硬盘驱动器、光盘驱动器、磁盘驱动器等）中的任何设备耦接至总线 512。设备接口 508可表示一个接口或者各种不同的接口，每个接口被特别地构建以支持特 定设备，所述接口将该特定设备接合到总线512。设备接口 508可另外地接合由用户使用的 输入或输出设备，从而为计算设备502提供指示并从计算设备502接收信息。这些输入或 输出设备可包括键盘、监视器、鼠标、指向设备、扬声器、触针、麦克风、控制杆、游戏手柄、圆 盘式卫星电视天线（satellite dish)、打印器、扫描仪、照相机、视频装备、调制解调器、监 视器等等。设备接口 508可与光学的或者其它形式的触摸设备交互，包括图1A-1D中所示 的光学触摸接口 100。设备接口 508可以为串行接口、并行端口、游戏端口、火线端口、通用 串行总线等。
[0038] 本领域普通技术人员会容易地认识到，系统500可包括计算机可访问的任何类型 的计算机可读介质，诸如磁带盒（magnetic cassette)、闪存卡、数字视频光盘、盒式磁带 (cartridge)、RAM、ROM、闪存、磁盘驱动器、光盘驱动器等。
[0039] 网络接口 510可操作性地将计算设备502耦接至网络530上的远程计算设备 502R、平板计算设备502T、移动计算设备502M和/或膝上型计算设备502L。网络530可为 局域网络、广域网络或者无线网络，或者为能够将一个计算设备电耦接至另一计算设备的 任何其它类型的网络。计算设备502R在地理上可远离计算设备502。远程计算设备502R 可具有与计算设备502对应的结构，或者可作为服务器、客户端、路由器、开关、同位体设备 (peer device)、网络节点或者其他网络化的设备操作，并可包括计算设备502的部分元件 或者所有元件。计算设备502可通过网络接口 510或者包括在接口 560中的适配器连接至 局域或者广域网络530,可通过调制解调器或者包括在网络接口 510中的其它通信设备连 接至局域或者广域网络530,可利用无线设备532连接至局域或者广域网络530,等等。调 制解调器或者其它的通信设备可通过全球通信网络530建立到远程计算设备502R的通信。 本领域普通技术人员会容易地认识到，应用程序或者模块506C可通过这种网络化的连接 被远程存储。
[0040] 本领域普通技术人员会认识到，他们可以对以光学触摸导航为特征的以上所述示 例性触摸接口的细节进行许多改变，而不脱离根本原理的范围。因此，只有下面的权利要求 定义了以光学触摸导航为特征的示例性触摸接口的范围。
【权利要求】
1. 一种装置，包括： 发光设备； 光学设备，配置成通过内部地反射由所述发光设备分布在所述光学设备的底表面上方 的光而在所述光学设备的出口处产生光束； 感测设备，配置成响应于所述光学设备的出口端处的光束撞击所述感测设备而捕获所 述光学设备的顶表面的图像；和 处理设备，配置成通过比较由所述感测设备捕获的连续的图像来检测邻近所述光学设 备的顶表面的对象。
2. 如权利要求1所述的装置，其中所述发光设备包括： 配置成发出光的光源；和 配置成将光分布在所述光学设备的底表面上方的背光设备。
3. 如权利要求2所述的装置，其中所述光源布置在所述背光设备的端部处。
4. 如权利要求2所述的装置，其中所述光源包括至少一个发光二极管。
5. 如权利要求2所述的装置， 其中所述光学设备包括具有与厚端相对的薄端的光楔；并且 其中所述光束配置成离开所述光楔的厚端。
6. 如权利要求5所述的装置，其中所述背光设备配置成从所述光楔下方的位置背向光 照所述光楔。
7. 如权利要求6所述的装置，其中所述光楔配置成基本上在所述光楔的顶表面和底表 面之间内部地反射光。
8. 如权利要求7所述的装置，其中所述光楔配置成聚焦由所述发光设备分布在所述光 楔的底表面上方的光，以将所述光束传送至所述感测设备。
9. 如权利要求1所述的装置，还包括布置在所述光学设备和所述感测设备之间的并且 配置成将所述光束聚焦在所述感测设备上的成像透镜。
10. 如权利要求1所述的装置，其中所述光束包括具有与邻近所述光学设备的顶表面 的对象的位置相对应的出射角的光线。
【文档编号】F21S2/00GK104094206SQ201380008684
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年2月4日 优先权日:2012年2月8日
【发明者】C.皮乔托, J.卢蒂安, D.莱恩, 付一劲 申请人:微软公司