专利名称：位置检测装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种位置检测装置，且特别涉及一种适用于液晶面板，以检测触碰点在面板上的位置的检测装置。
触控式面板(touch panel)，是一种已为大众广泛接受的一工具，作为信息交流的界面工具。应用设计是具有一功能图像(icon)区域，当一功能图像经触碰被激活，触控式面板会随其功能显示另一画面，提供所需求的信息等等。使用者通过触控面板上的功能方块或图像，直接操作既定的指令，如此使用者可以不需要专业知识，就可使用大量的信息。触控式面板的信息交流方式，将会成为一主流，不仅是个人的使用，也会延伸到大众信息展示场合，供大众使用。
触控式面板的特性，最主要的是要检测触碰点在面板上的位置，如此才能得知所要求的功能方块。
图1A是公知的电阻式触控面板的设计原理。图1B是公知的电阻式触控面板的基本结构剖面图。在图1A中，当一上电阻膜层100与一下电阻膜层106经一触碰笔或手指112在一点触压时，造成二电阻膜层100、106在该点接触。如图1B所示，电阻膜层100的触碰点p1与电阻膜层106的一对应点p2接触。电阻膜层100、106之间可填充一压电物质114，当电阻膜层100、106本身提供一电阻值。电阻膜层100有一对电极102沿一第一方向，而电阻膜层106有一对电极108沿一第二方向，垂直于一第一方向。
图1A所设计的结构，其等效的电路结构如图2所示。当点p1与p2接触后，构成一回路，因电阻值与距离成正比的关系，电阻值又造成分电流i1，i2，i3，i4的不同。因此根据电流值可计算出触碰的位置。在传统技术中，图3是另一传统触控面板，其利用一对发光与接收器件来定位。
本发明提供一种位置检测装置，可装设在一面板上。该位置检测装置包括至少一影像摄取单元与一信号分析单元。影像摄取单元用以摄取面板的表面或近似平行于面板的上方的一平面，以及在面板表面上的一触控指针，并且输出一视频信息。分析单元接收此视频信息，分析得知触控指针在触控板的表面上的位置。
如上所述的位置检测装置，其中面板包括一液晶面板。
如上所述的至少一影像摄取单元，以一小角度摄取要检测触碰坐标区域的面板及触碰物。其一摄取影像范围，例如为x＝0到x＝640，y＝0到y＝480的范围。影像摄取单元和面板有一角度，影像摄取单元摄取到面板，使触碰物非常接近面板时，影像摄取单元才摄取到触碰物。当触碰物触碰面板时，触碰物和影像摄取单元保持固定距离移动。检测x坐标，例如x＝0到x＝640的范围。另外也同时检测y坐标，例如保持触碰物在到影像摄取单元之间的一直线内移动，以检测y＝0到y＝480的范围。由此可分析得触碰点的面板x、y的坐标。
其中还含至少一影像摄取单元，以非常接近面板的位置装置在面板四周的不同点以摄取要检测的区域，以两个角度摄取到触碰物或以两个距离摄取到触碰物，分析触碰点在触控面板上的位置。例如以至少一影像摄取单元检测到触碰物点，存在于非常接近面板处平行面板与影像摄取单元，有两个角度的两条线的交叉点上分析得到触碰点的面板x，y的坐标。
图中标记为100、106电阻膜层102、108电极112、408触碰笔
114 压电材料300、400触控面板402 边框404、405影像摄取装置406 信号分析单元408 触碰指针500 面板坐标506 触碰点700 摄影面900 触碰指针902 检测面如图4所示，是本发明的一种触控面板。触控面板包括一面板400，面板400周围有一边框402，面板400可包括例如一液晶显示板。影像摄取装置404将设于面板400的周围，例如在一角落，能够以一角度摄取面板400的所有范围。摄取面分辨率640×480点。影像摄取装置404与一影像信号分析单元406连接，影像信号分析单元406也可内建于影像摄取装置404内，成为一体。当一触碰指针408，例如是一支笔或是手指触碰面板400时，影像摄取装置404就摄取面板400及触碰指针408。信号分析单元406识别分析触碰指针408后，得知其在面板400上的触碰点P。
请参阅图5A-5B，是本发明x，y坐标的定义机制。在图5A中，当影像摄取装置404由一角落向面板400摄取时，在一方向的视角分布定义为x坐标，x的范围例如为0-640。图5B与图5A类似，定义为y坐标，y的范围例如为0-480，其是在y平面的剖面图。
例如检测触碰指针408在摄取面x＝320，y＝470时，分析知道触碰指针408在面板400中心的上方；例如摄取面x＝320，y＝220时，触碰指针408在面板400中心的下方；例如检测触碰指针408在摄取面x＝310，y＝100时，分析触碰指针408在面板400中心的左方；例如摄取面x＝330，y＝100时，触碰指针408在面板400中心的右方。
另外，本发明的触控板的触碰点的决定方式可以有几种。一种是当触碰指针408停止在面板400的触碰点b上一段时间时，可判定此触碰点b是使用者欲触碰的位置。然而，若是触碰指针408是一移动方式进行的，触碰指针408并没有在欲触碰的位置停留足够的时间，此时触碰指针408移动并未触碰到面板400，而影像判断是触碰指针408在面板400上移动。可配合判断出至少一触碰点b中与影像摄取装置404最接近处为欲触碰的位置。
如图6所示，例如影像摄取装置404以一斜角θ摄取面板400时，斜角θ的范围可大到约45度，但较佳为3-10度。由于摄影效果是二维图像，其对应的摄影面900是由影像摄取装置404所看到的图像面，当触碰指针408由外部进入面板400时，触碰指针408的尖部可由影像摄取装置404看到在面板400上有一摄取触碰点a。当触碰指针408触碰到面板400时，有另一摄取触碰点b。触碰点a距离影像摄取装置404较远，而触碰点b距离影像摄取装置404最近。反之，当触碰指针408停留一段足够时间后就移开，此时，摄影到的触碰指针408又开始外移，由影像摄取装置404所看到触碰指针408的尖部，在面板400上又回到摄取触碰点a。因此，在一次动作中，触碰指针408距离影像摄取装404最接近处，定义为实触碰点，即是触碰点b。
实施例二；本发明的主要特征在于利用摄取影像及影像分析方式，以检测触碰点在触控面板上的坐标。
图7A所示，是本发明的一种触控面板。触控面板包括一面板400。图7B-7C是本发明对应图7A的侧视图。面板400周围有一边框402，面板400可包括例如一液晶显示板。影像摄取装置404将设于面板400的周围，例如于一角落，以能够摄取面板400上方的所有范围。影像摄取装置405将设于面板400的周围，例如于另一角落，能摄取面板400上方的所有摄取范围。在接近面板400处形成一平行于面板400的检测面902，在检测面902内检测到触碰指针900接近面板400到一距离范围时，视为一触碰点。触碰点506的位置由影像摄取装置404、405检测到触碰指针900在两条线的交叉点决定。
触碰点506在影像摄取装置404有一个检测到触碰指针的角度，例如30度；在影像摄取装置405有一个检测角度，例如30度。信号分析单元406识别分析检测角度，以知道触碰点506在面板400的位置，例如x＝200，y＝200。
或由影像摄取装置404、405检测的未预定强度光源的触碰指针900的发光强弱。根据检测到的光强度比值，判断出触碰指针900与影像摄取装置404、405的两个距离比例。例如判断出与影像摄取装置404、405的两个距离比例为4比5，加上检测角度以决定位置。例如，与影像摄取装置404的角度为30度。
另外，在某些情况检测距离，可以帮助检测未预定强度的光源下，触碰指针900的移动量及帮助检测移动的灵敏度。例如触碰点与影像摄取装置404有90度的检测范围，一个影像摄取装置检测到触碰指针的角度例如45度，另外影像摄取装置405有一个检测角度，例如45度，分析得知触碰点在面板400上的位置是x＝14.1cm，y＝14.1cm，距离影像摄取装置404有20cm，而实际位置在x＝14.6cm，y＝14.6cm，其误差为x＝0.5cm，y＝0.5cm，其触碰点实际距离影像摄取装置404应为20.6cm。若未预定固定强度的光源的触碰指针，以512点检测光的强弱，而检测到触碰指针的光强度＝400点时，触碰指针向影像摄取装置404移动0.2cm，触碰点实际距离影像摄取装置404为20.4cm，检测到光强度＝408点，以分析得到的20cm及检测的400点光强度为基础，分析判断光强度＝408，触碰点移动0.2cm，距离影像摄取装置404有＝19.8cm，灵敏度可以提高。在上述的例子中，实际位置虽有一些误差，但是移动量具有高准度的测量。而对一些触控面板而言，其实际位置的检测准度不需太高，但要求有较高的移动灵敏度。所以本实施例检测位移量的方法符合触控面板的要求。
另一方法也可使摄取装置404检测到某一摄取点光的强弱，使检测角度灵敏度可以提高。例有90个检测点，每一检测点10um宽，有90度的检测角度，以加上检测光强度，检测到触碰指针光源在点44的光强度＝20，在点45的强度＝100，在点46检测到光强度＝30，取点45检测到的光强度＝100为触碰指针光源占满点45，其中以该光强度＝100为一基准。条件是光源平均而且检测触碰指针在至少两检测点，较佳为至少三检测点，点46的强度＝30，判断为占满检测点的30％，为3um估计为46.3度；检测到点44光强度＝20，判断为44.8度。则判断触碰指针存在于46.3度到44.8度。如果只能以检测光源是黑或白检测，有90检测点90度的检测角度，则判断触碰指针存在于45度。
也可以以触碰指针900发出一预定且固定强度的光源，依据检测光源到触碰指针900的距离，以此距离触碰指针光源占满检测点时光应该有的强度为标准，检测到检测点光的强弱，判断光源占检测点的百分比，以提高角度检测的灵敏度。例如检测点不使用光强弱判断，触碰点与影像摄取装置404有一个检测到触碰指针的角度，例如30度，与影像摄取装置405有一个检测角度，例如30度。判断触碰指针900距离摄取装置404为20cm，摄取装置404检测到触碰指针在检测点29的光强度为20单位，检测点30的光强度＝80单位。在20cm距离摄取预定且固定强度光源，其占满检测点时，其光强度例如是100点。以此推算，检测点29的光强度例如是20点，其可估计占有20％的宽度。而检测点30的光强度为80单位，此时触碰指针光源占检测点的80％的宽度。因此，计算检测角度，例如可以设定为(29.8+30.8)/2＝30.3度。在上述的例子中，实际位置虽有一些误差，使判断有一些误差，但是移动量具有较高准度的测量。而对一些触控面板而言，其实际位置的检测准度不需太高，然要求有较高的移动灵敏度。所以本实施例符合触控面板的要求。
上述检测位移量的方法，一般适用于未设定光强度的一发光对象900，由一实际起始距离向一影像摄取装置移动一移动量。这方法可包括，检测发光对象900在实际起始距离的一第一发光强度及对应的一测量起始距离。检测该发光对象在移动该移动量后的一第二发光强度。接着，推算该发光对象的该移动量，其中以该测量起始距离为一基准，根据第一发光强度与该第二发光强度，其相对光强度的差异推算。
发光强度与距离之间的关系机制，可利用光学物理的原理设计。例如，当触碰指针900发出一预定且固定强度的光源，其可以是闪烁或稳定光源。一般光强度变化与距离成平方反比。经适当的校正，发光的触碰指针900的距离可由其检测到的光强度来换算成距离。
因此，可由一个影像摄取装置404或405检测到触碰指针900与影像摄取装置的角度，依设定图案知道触碰指针900的方向。例如影像摄取装置404有1024个检测点，可摄取到一检测面902，分析出触碰指针900在第500点的位置，此时只知道触碰指针900在某一角度的线上，可触碰指针900的发光有一设定强度，影像摄取装置404再检测位置500点触碰指针900的发光强度，以判断出触碰指针900离影像摄取装置404为10cm，得到触碰指针900在面板400上的位置x＝200，y＝200。
由于上述光强度与距离的关系成平方反比，其间的关系并非线性关系，在近距离的光强度的变化比例远大于远距离的光强度的变化。因此本发明也可另外配合一视角宽度与距离的关系，在一预定的近距离内，辅助距离的测量。图8A-8B是本发明一视角宽度与距离的关系图。例如，触碰指针900有一设定宽度d。在图8A中，当其距离影像摄取装置404是距离L1时，触碰指针900由影像摄取装置404检测到的一视角宽度为α1。然而如图8B所示，当触碰指针900向影像摄取装置404移近到L2时，影像摄取装置404检测到的一视角宽度为α2，此时因为L2＜L1，α1＞α2。因此，视角宽度也可以用以测量距离。
实际设计时，可综合以上述的方法，以检测触碰指针900的位置，也可提高灵敏度。本发明也可包括多个影像摄取装置和不同检测方法的组合。
触碰指针900例如是一发光物件，或是一般可识别的物标。发光物件因本身会发光或闪烁，可主动被检测。触碰指针900也可利用设定颜色来识别。
触碰指针900另外也可包括一按键，检测到按键时，触碰指针900接近面板400处，视为触碰点。
笔可以有设定的图案，例如设定笔的颜色、光的强弱、大小、形状大小等，摄取装置可摄取到笔的设定图案，因此可较准确的识别触碰点。
关于检测面902设定的位置，其与面板400的表面有一距离，使其接近面板400的表面，足以反映出触碰点位置。检测面902的边缘可落于面板400的边框402，如此摄影检测面902的背景就是边框402的形状，颜色，其有利于触碰点的识别。
然而如图7C所示，检测面902不一定需要设定于边框402上，或笔、手皆在检测面902上，要分别出笔。在此状况下，由于背景对象较为复杂，可能影响触碰点的识别。此时，笔可有设定的图案，例如设定的颜色、大小、形状等。又例如是发光物件，因其本身发出特殊可识别的光，因此可较准确识别触碰点，笔可一直发出特殊可识别的光，或闪烁，或颜色和手大不相同，在笔与手同在检测面902上时可识别出笔。
如何决定欲触碰的位置，可依不同的法则而决定。上述的法则并不是唯一的方法。
综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉该项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与润饰，均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种位置检测装置，适用于一面板，以得知一触碰指针在面板上的位置，其特征在于该位置检测装置包括一影像摄取单元，位于该面板的一处，以一斜角摄取该面板，其中该影像摄取单元具有复数条行线及复数条列线，交叉构成一坐标面，用以摄取该面板的一表面，以及该触控指针，并且输出一数据视频信息；一信号分析单元，接收该影像摄取单元输出的该数据视频信息，经一影像分析，得知触控指针在该坐标面上的位置，并且转换成该面板的该表面上的一面板位置。
2.根据权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于该触碰指针的该面板位置是该触碰指针停止一段时间的位置。
3.根据权利要求1所述的位置检测装置，其特征在于该触碰指针的该面板位置是该触碰指针在一连续位移过程中检测到的最接近该影像摄取单元的一位置。
4.一种位置检测系统，适用于一面板，以得知一触碰指针在该面板上的一面板位置，其特征在于该位置检测系统包括一第一影像摄取单元，位于该面板的一第一处；选择性地包括一第二影像摄取单元，位于该面板的一第二处；一触碰对象，有一设定图案，其中该第一影像摄取单元摄取一第一摄取方向为一检测平面，该第二影像摄取单元摄取一第二摄取方向为一检测平面，该第一影像摄取单元与该第二影像摄取单元的该二摄取方向交叉构成至少一个交叉检测平面，该交叉检测平面近乎平行于该面板，且贴近该面板，其中，该触碰对象可接近该检测平面，可由该第一影像摄取单元与该第二影像摄取单元摄取影像，以检测该触碰对象触碰的一位置，也可由该第一影像摄取单元摄取，以检测该触碰对象触碰的一位置。
5.根据权利要求4所述的位置检测系统，其特征在于该触碰对象设定的图案包括一设定颜色笔。
6.根据权利要求4所述的位置检测系统，其特征在于该触碰对象的设定图案是一可设定强度的发光物件与未设定强度的发光物件二者之一。
7.根据权利要求4所述的位置检测系统，其特征在于该检测平面以该面板的一边框为一摄取背景。
8.根据权利要求4所述的位置检测系统，其特征在于还包括一信号分析单元，接收该第一影像摄取单元与该第二影像摄取单元的复数个信号输出，经影像分析检测到该触碰对象对应于该第一影像摄取单元与该第二影像摄取单元的一第一角度与一第二角度，得知该触控指针在该面板的一面板位置，其中，该些信号输出可包括一光信号，经该信号分析单元分析该触碰对象的该光信号强弱得知与该第一影像摄取单元的一第一距离及与该第二影像摄取单元的一第二距离，以得知该触碰对象在该面板的一面板位置；该信号分析单元也可包括以该第一影像摄取单元所摄取的该触碰对象的该第一角度，及分析该第一影像摄取单元摄取触碰对象的该光信号强弱，得知与影像摄取单元的距离，以得知该触控指针在该面板的一面板位置。
9.一种位置检测系统，适用于一面板，以得知一触碰指针在该面板上的一面板位置，其特征在于该位置检测系统包括一第一影像摄取单元，位于该面板的一第一位置；一第二影像摄取单元，位于该面板的一第二位置，第一影像摄取单元与第二影像摄取单元的二摄取方向，交叉构成至少一位置检测平面，该位置检测平面近乎平行于该面板，且贴近该面板；一触碰对象，可接近该检测平面，由该第一影像摄取单元与该第二影像摄取单元摄取以检测触碰对象触碰的位置；一信号分析单元，接收该第一影像摄取单元与该第二影像摄取单元的信号，经一影像分析检测到该触碰对象与该第一影像摄取单元与该第二影像摄取单元的两个角度，得知该触控指针在该面板上的一面板位置。
10.根据权利要求9所述的位置检测系统，其特征在于该检测平面以该面板的一边框为一摄取背景。
11.一种检测位移量的方法，适用于未设定光强度的一发光对象，由一实际起始距离向一影像摄取装置移动的一移动量，其特征在于包括检测该发光对象在该实际起始距离的一第一发光强度及对应的一测量起始距离；检测该发光对象在移动该移动量后的一第二发光强度；推算该发光对象的该移动量，其中以该测量起始距离及该第一发光强度为基准，根据该第一发光强度与该第二发光强度的相对光强度的差异推算。
12.一种位置检测方法，适用于有一光强度的一对象，由至少一影像摄取装置检测到该对象在至少相邻二检测点，检测到该对象，且与该影像摄取装置有一距离，其中每一该些检测点有一宽度，其特征在于该方法包括决定该检测点在该距离且该些检测点的该宽度被该对象的光源占满时的一光检测强度基准；决定该些检测点在于摄取该对象的一光强度；将该光强度与该光检测强度基准比较，得知该些检测点被该对象的光源占有的一宽度比例，且得知在该些检测点上，所占有偏移的一边。
13.根据权利要求12所述的位置检测方法，其特征在于还包括将每一该些宽度比例相加，得知一总宽度。
14.一种位置检测方法，适用于未设定光强度的一发光对象，由一第一影像摄取单元与一第二影像摄取单元检测该发光对象的一位置，其中该第一影像摄取单元与该第二影像摄取单元各有一固定已知的位置，其特征在于该方法包括以该第一影像摄取单元检测该发光对象得到一第一光强度，并得到一第一角度；以该第二影像摄取单元检测该发光对象得到一第二光强度，并得到一第二角度；分析该第一光强度与该第二光强度的一比值及该第一影像摄取单元与该第二影像摄取单元的该固定已知位置，以得到该发光对象距离该第一影像摄取单元与该第二影像摄取单元的一距离比值；利用该第一角度与该第二角度二者至少之一及该距离比值，推算出该发光对象的该位置。
全文摘要
一种位置检测装置，可装设于一面板上。该位置检测装置包括至少一影像摄取单元与一信号分析单元。影像摄取单元用以摄取面板的一表面以及在面板的表面上的一触控指针，并且输出一视频信息。分析单元接收此视频信息，分析得知触控指针在面板表面上的位置。其中，触控指针可以是一触控笔或手指尖。面板可以是一液晶面板、一平面屏幕显示器。
文档编号G06T7/00GK1427243SQ0114034
公开日2003年7月2日 申请日期2001年12月17日 优先权日2001年12月17日
发明者高启烈 申请人:高启烈