专利名称：一种免触摸输入设备及方法
技术领域：
本发明涉及一种免触摸输入设备及方法。
背景技术：
做为易用的输入装置，按键、键盘和触摸屏在许多场合得到了广泛的应用。对安装在公共场所的某些设备来说，使用操作者众多，人员流动性大，按键、键盘和触摸屏极容易造成某些疾病的交叉感染和传播。在使用中，按键、键盘和触摸屏容易受到触摸或按压损伤。同时，触摸屏还有另一个缺点，显示器屏面上触摸点处的图像被操作体遮挡，无法看清。
因此，能够实现按键、键盘或触摸屏的输入功能，且无需触摸(即免触摸)操作的输入装置是当前所需求的。
在现有的实用的免触摸输入技术中，有类似自动门和自动水龙头的反射式红外探测开关装置，但只适于单个感应开关应用。最新报道国外某公司开发出一种非接触式操作面板，该装置利用红外线反射光学式开关来完成原有的靠按键和开关进行的输入操作。
反射式红外开关装置在屏幕或键盘面积较大时难以实现对操作体坐标的精确检测定位，不适合多按键键盘或一般计算机显示屏的免触摸输入操作。
在诸多的输入技术中，还有其它在原理上不必触摸任何实物就能进行输入操作的。以红外线触摸屏为例，操作体(如操作者的手指或一支铅笔等)只需深入到框架范围内遮挡红外光线就可进行输入操作，检测原理上并不要求操作体和任何屏面，例如计算机显示器的屏面相接触。之所以叫做触摸屏，是因为现有技术的设计上利用计算机显示器的屏面来定位操作体的探入深度。当操作体由外向里伸入，其端部触摸到显示器的屏面时，操作者就知道操作体已经伸入到位，可以进行输入操作了。这样的设计原理和设计意图使触摸成为必然和必须的，因此形成了必须触摸操作的技术偏见。
另外，为了减小视觉误差，使红外光栅尽可能接近显示器屏面，现有技术的红外线触摸屏的框架在结构上都设计为尽可能薄，紧贴显示器的屏面安装，操作者即使不想，也难免会触摸到显示屏。
尽管存在上述缺点，红外线触摸屏采用对射式检测技术，和前述采用反射式红外检测技术的操作面板相比，对操作体坐标的检测定位较为精确，因此更有希望改进成适用于多按键键盘或一般计算机显示屏的免触摸输入装置。
红外线触摸屏一般包括带有四边的矩形的框架，设置在框架上的红外线发射元件和红外线接收元件，与红外线发射、接收元件相连接的检测电路，根据检测电路输出的检测信号判断计算触摸点坐标位置以获得检测结果的计算装置，在检测电路、计算装置以及利用该检测结果的主控装置之间传送检测信号和检测结果等信息的通信电路。
检测电路输出的检测信号代表了接收元件感受到的光信号的强弱，现有技术中检测信号一般已从模拟量转换成了数字量。计算装置的功能，经常是由触摸屏的单片机处理器完成。这里所说的主控装置，其功能一般是由应用该红外线触摸屏的计算机完成，该计算机也可以同时完成计算装置和主控装置的功能。通信电路可以是简单的连线，不同程序模块或存储器之间的数据调用关系，或者计算机与外部设备间的串行、并行通信装置等。
现有技术产品一般是将检测电路和计算装置都设置在框架内，应用该触摸屏的计算机同时承担主控装置的角色。从框架到计算机主机，即计算装置和主控装置之间，由RS-232或USB通信电路传递检测结果信息。
如图1和图2所示，108是框架，109是计算机显示器，101是框架的前表面，103是框架的外缘部分，是为了与计算机显示器安装在一起所设计，如果安装方法不需要使用外缘部分，该外缘部分103也可以没有。104是框架的内侧边，其四周环绕所形成的窗口一般和显示器屏幕窗口一样大或更宽大一些，以保证屏幕视野的完整。安装方式上框架应设置在显示器屏幕的前面，其窗口和显示器屏幕的窗口是相互对正的。红外发射和接收元件分别相对安装在框架内，红外发射元件发出的红外光线在框架窗口平面内传播到达红外接收元件。由于框架都做得很薄，红外线发射元件和红外线接收元件实际上是紧靠着框架前表面101设置的。102是框架的后表面，当触摸屏安装在显示器上时与显示器外壳的前表面105紧贴在一起。106是显示器的屏面。框架中间的窗口部分是全空的，只有红外光线通过，无任何实体构件。
红外线触摸屏技术由来已久，1973年授权的美国专利“Infraredlight beam X-Y position encoder for display devices”(US 3775560)和“Coordinate detection system”(US 3764813)已经披露了大部分现有技术，后续的专利相继提出了一些改进方案，其工作原理可参见2002年授权的美国专利“Apparatus and method to improve resolution ofinfrared touch systems”(US 6429857)。
如图3所示，为了说明工作原理，画出了红外发射和接收元件的空间设置关系。这里以触摸屏左下角为原点O建立了直角坐标系，从O点竖直向上为Y轴正方向，从O点水平向右为X轴正方向，Z轴由外向内垂直穿过O点(以离开操作者的方向为正)。在框架一侧沿一个坐标轴排列着红外线发射元件，这些发射元件形成发射元件阵列，与之对应的红外线接收元件排成接收元件阵列，设置在相对的框架另一侧，发射元件阵列和接收元件阵列可合称为检测元件阵列。沿X轴方向排列的检测元件阵列为检测操作体X坐标的X检测元件阵列，红外线光束沿着与Y轴平行的箭头线从发射元件到达接收元件，在XOY平面内形成一个X光栅平面。
鉴于检测元件阵列和其所形成光栅的这种同一平面关系，说某光栅(光栅平面)也就意味着同时提及形成该光栅的检测元件阵列。可依同样道理设置Y检测元件阵列，在XOY平面内形成一个Y光栅平面。
红外线发射元件的发光体和接收元件的光敏体都具有一定的面积，又由于散射等原因，所以所形成的光栅在Z轴方向必然会具有一定的厚度，一般在2～10毫米的范围内。在现有技术中，忽略其厚度，将其等效为一个平面。
操作体可沿着Z轴正方向由外向里探入X、Y光栅平面内进行输入操作，检测电路顺序逐个驱动每个发射元件发光，并检测与发光元件相对的接收元件的输出信号。检测元件对应的检测电路根据红外光线被遮挡的情况产生相应的检测信号，该检测信号经通信电路传送给计算装置，计算装置根据检测信号的变化判断是否有操作体进入光栅平面内，即是否有触摸事件发生，有则计算出操作体的X坐标和Y坐标。上述触摸事件和操作体坐标等检测结果信息再由通信电路向主控装置输出传送。
由其工作原理可知，现有技术的红外线触摸屏只在一个平面上设置检测元件阵列，形成一个光栅平面，因此只能检测操作体是否已进入该光栅平面内并确定该操作体的X、Y平面坐标位置，而无法检测操作体前端部穿过该光栅平面后继续探入的距离(探入深度)，即无法检测此时操作体沿Z轴方向的位置。
对一个免触摸输入装置，设计上应使操作体在输入操作时易于避免碰触到例如显示装置的屏面。同时应该具有及时提供操作体沿Z轴方向所在位置信息的功能，因为该位置信息是用以判断会否发生碰触的依据。
输入装置一般并不孤立使用，要和其它装置比如显示装置等配合，才能实现完整的技术效果。做为一个应用上述免触摸输入装置的设备，应该能够充分利用该输入装置所传来的操作体沿Z轴方向的位置信息，及时向操作者提供各种有助于免触摸输入的提示。而上述特征和功能恰恰是现有技术的红外线触摸屏及应用该屏之设备所不具备的。
发明内容
本发明的目的就是为了解决以上问题，对现有的红外线触摸屏进行改进，以提供一种即能检测操作体的X、Y平面坐标位置，又能检测操作体沿Z轴方向位置信息的免触摸输入装置，进而提供一种应用该输入装置的免触摸输入设备，向操作者提示操作体在Z轴方向上的探入深度信息，使操作者注意避免触摸到键盘或显示器屏面。同时，提出一种免触摸输入的方法。本发明还提出结构改进方案，使操作者易于避免触摸到键盘或显示器屏面。
本发明实现上述目的的技术方案一种免触摸输入设备包括显示装置，检测操作体X坐标或Y坐标的红外检测元件阵列及与之对应的第一检测电路和第一计算装置，其特征在于还包括与所述红外检测元件阵列平行且分开一定距离的第二检测元件阵列及相应的第二检测电路，以及利用上述第二检测电路的输出信息计算操作体沿Z轴方向位置信息的第二计算装置，将上述位置信息进行处理的主控装置，以及根据主控装置输出信息发出可视或可闻的警告操作者避免触摸显示装置屏面的警告信息的提示装置。
一种免触摸输入方法，包括A、将显示装置屏面外空间按照操作体离开所述屏面的距离从大到小至少划分为非控区、操作区和报警区的步骤；B、在操作区内，接收处理操作体所进行的各种输入操作的步骤；C、当操作体由操作区进入报警区时，向操作者发出警告其注意避免触摸到显示装置屏面的可视或可闻警告信息的步骤；D、当操作体离开报警区后，取消该警告信息的步骤。
采用上述技术方案，结合下面将要叙述的实施例，本发明突出的技术进步在于所提供的输入装置不但能够检测操作体的X、Y平面坐标，还能检测操作体沿Z轴方向的位置信息，应用该输入装置的设备能够据此向操作者提示操作体探入深度信息和警告信息，以便其注意避免触摸到键盘或显示器屏面。所提供的免触摸输入方法使免触摸输入操作切实可行，效果良好。由于实现了免触摸输入操作，避免了接触输入造成的疾病交叉感染和传播。按键、键盘和触摸屏在使用中不易受到触摸或按压损伤。同时，显示器屏面上触摸点处的图像也不会被操作体遮挡。
图1是现有技术的红外线触摸屏的正面示意图；
图2是现有技术的红外线触摸屏的左侧面示意图；图3是现有技术的红外线触摸屏的检测元件阵列设置示意图；图4是包含新增加的对射式检测元件阵列及其光栅平面的设置示意图；图5是原X光栅对应检测电路检测信号随操作体Z坐标的变化规律示意图；图6是新增加光栅对应检测电路检测信号随操作体Z坐标的变化规律示意图；图7是新增一个对射式检测元件阵列时Z坐标的一种计算流程示意图；图8是包含新增加的反射式检测元件阵列及其光栅平面的设置示意图；图9是操作体宽度W、坐标Y一定时，反射式红外检测元件阵列对应检测电路的检测信号随操作体Z坐标的变化规律示意图；图10是操作体坐标Z、坐标Y一定时，反射式红外检测元件阵列对应检测电路的检测信号随操作体宽度W的变化规律示意图；图11是操作体宽度W、坐标Z一定时，反射式红外检测元件阵列对应检测电路的检测信号随操作体Y坐标的变化规律示意图；图12是对应X检测元件阵列中各接收元件的检测信号随X坐标的变化规律示意图；图13是根据新增反射式检测元件阵列对应检测电路的检测信号计算Z坐标的流程示意图；
图14是增加设置了一体化结构支架的输入装置的左侧面示意图；图15是免触摸式电梯键盘的正面示意图；图16是免触摸式电梯键盘的左侧面示意图；具体实施方式
免触摸输入装置是免触摸输入设备的重要组成部分，首先在下述实施例1、2、3、4中分别叙述输入装置部分的具体实施方案。
实施例1本实施例是实现本发明的免触摸输入装置技术方案的最好方式。
本实施例所述的免触摸输入装置，包括框架，通信电路，对射式的X、Y检测元件阵列及与之对应的检测电路和计算装置。如图4所示，左下角位于原点O的实线矩形代表同时具有X检测元件阵列和Y检测元件阵列的原X、Y光栅平面。这里又增设了对射式检测元件阵列，该阵列所形成的新光栅平面即为图4中左下角位于Z轴上Z1点的虚线矩形，即Z1光栅平面。新增加阵列的发射、接收元件分别设置在虚线矩形的上、下两边，对应框架的上、下两边。Z1光栅平面设置于原X、Y光栅平面之后，与原X、Y光栅平面平行相对，且分开一定的距离Z1。两光栅平面之间的距离Z1是为操作体预留的在Z轴方向的活动范围，一般可在10毫米以上，正常操作情况下操作体端部在该范围内移动，能可靠完成各项操作。Z1光栅平面当然是位于框架的后表面(图1和图2中的102)之前。框架结构的设计方面，当其安装在计算机的显示器上时，应该使Z1光栅平面与显示器屏面离开充分的距离，一般在10毫米以上，使得操作体易于避免与该屏面碰触。
对新增加的检测元件阵列有新增加的相应检测电路与之相连，原、新两个光栅平面上的检测元件阵列连同其各自检测电路可以单独，也可以相互配合进行检测。上述检测电路输出的检测信号经通信电路送至一个新增加的计算装置，用以计算操作体沿Z轴方向的位置信息。采用本实施例的下述检测、计算工作方式，首先要利用原X、Y光栅平面的检测元件、检测电路和计算装置检测计算出操作体当前的X、Y坐标，这属于现有技术。
本实施例的检测、计算Z轴位置信息的工作方式有多种，比如方式1、操作体所在Z坐标区域检测。原、新两个光栅平面上的检测元件阵列连同其各自检测电路单独进行检测工作，根据其各自输出的检测信号，新增加的计算装置判断各光栅光线有无被遮挡(根据检测信号的大小，确定0、1状态)，确定操作体现处于所划分的三个Z坐标区域中的哪一个区域A原、新两个光栅平面都没有被遮挡，说明操作体还处在原X、Y光栅平面外没有进入，该区域包括所有负的Z坐标值。
区域B原、新两个光栅平面分别是被遮挡和没有被遮挡，说明操作体进入了原X、Y光栅平面，还没有进入新设置的Z1光栅平面，该区域Z坐标值范围是0≤Z＜Z1。
区域C原、新两个光栅平面都被遮挡，说明操作体已进入新设置的Z1光栅平面，该区域Z坐标包括所有≥Z1的可能的值。
方式2、操作体Z坐标数值检测。原、新两个光栅平面上的检测元件阵列连同其各自检测电路单独进行检测工作，根据其各自输出的检测信号，新增加的计算装置计算出可测量程内的操作体Z坐标数值。
由于红外线光栅是具有厚度的，检测电路的检测信号在一定范围内随操作体的探入深度连续变化，可根据该变化计算操作体的Z坐标。
图5所示为原X光栅中的一个发射元件发光，有操作体接近和遮挡其射向相对的接收元件的光线时，该接收元件对应检测电路输出的检测信号Uxd随操作体Z坐标的变化规律示意图。图6所示为新设置的Z1光栅中的一个发射元件发光，有操作体接近和遮挡其射向相对的接收元件的光线时，该接收元件对应检测电路输出的检测信号Und随操作体Z坐标的变化规律示意图。上述新设置的Z1光栅中发光的发射元件与原X光栅中发光的发射元件处于相同的X坐标，因此Und的变化规律和Uxd相似，但在Z轴方向上平移了Z1，即Znm-Zxm＝ZnM-ZxM＝Z1。
从图5中可见，随着操作体的接近并逐渐深入，其Z坐标值逐渐增加，遮挡的光线越来越多，检测信号Uxd从原来Zxm处的最大值逐渐下降，最后达到ZxM处的最小值，在Zxm～ZxM中间有一个近似线性的敏感区，可在该敏感区内将Uxd相对Z坐标的变化关系以一条直线拟合，即线性化，利用Uxd来计算操作体的Z坐标。图5和图6中的各数据点可根据实验测得，除了进行线性拟合，也可以在该敏感区内将Uxd相对Z坐标的变化关系以二次或三次曲线拟合。
同理，可利用Und来计算操作体在Znm～ZnM段的Z坐标。
只要原、新两光栅间距Z1不大于ZxM-Zxm，即可将两个光栅的敏感区相互接续使用，使操作体Z坐标的总量程达到Zxm～ZnM。根据以上所述，在已经检测出操作体X、Y坐标的情况下，对操作体Z坐标数值的一种具体检测计算方式可以为图7所示。
如何通过实验测定Uxd、Und相对操作体Z坐标变化的一系列数据点，划定其最小值和最大值范围，并将其信号敏感区内的变化关系线性化或用曲线拟合，这些都是现有技术，因此不再赘述。
Y检测元件阵列对应检测电路输出的检测信号随操作体Z坐标的变化规律与X光栅的基本一致，实际应用中可以只使用X、Y中的一个，也可以将X、Y检测信号联合使用。
方式3、原X、Y坐标检测元件阵列的发射元件发光，新增加的检测元件阵列的接收元件接收；或者新增加的检测元件阵列的发射元件发光，原X、Y坐标检测元件阵列的接收元件接收。以上两种发射、接收方式可以产生在Z轴方向上的斜射交叉光栅，检测信号和Z坐标的关系曲线与方式2中的相似，但在不同的X、Y坐标点会沿Z轴方向上略有平移和变形，利用其检测操作体的Z坐标可以弥补方式2中曲线的不敏感区和非线性。除了交叉外，其具体检测计算方式和方式2中的相似，也可以同时参照美国专利“Apparatus and method toimprove resolution of infrared touch systems”(US 6429857)中类似对X、Y坐标的检测计算方式进行，因此不再详述。
可以只增加一个新的检测元件阵列，也可以同时增加几个新的检测元件阵列。新增加的检测元件阵列可以设置在一个新的光栅平面上，也可以设置在多个新的光栅平面上。
实施例2本实施例所述的免触摸输入装置，包括框架，通信电路，对射式的X、Y检测元件阵列及与之对应的检测电路和计算装置。如图8所示，左下角位于原点O的实线矩形代表同时具有X坐标检测元件阵列和Y坐标检测元件阵列的原X、Y光栅平面。这里又增设了反射式检测元件阵列，该阵列所形成的新光栅平面即为图8中左下角位于Z轴上Z2点的虚线矩形，即Z2光栅平面，新增加阵列的检测元件均设置在虚线矩形的下边。Z2光栅平面位置的设置原则与实施例1中Z1光栅平面的相同。
新设置的反射式红外线检测元件阵列也是由红外线发射元件和接收元件所组成，不过发射和接收元件相互间隔排列，设置在框架的同一内侧边，如图8所示，其中的O1、O3、O5是发射元件，O2、O4是接收元件。发射和接收元件的光束中轴线都在新增的Z2光栅平面内，且与Y轴平行。而实际上，发射元件发出的光线是以元件为顶点的一个圆锥形，接收元件所能感受的光线也是在类似这样的圆锥形范围内，图8中向上的箭头线代表发射光线，向下的代表反射光线，801代表操作体。
对新增加的反射式检测元件阵列，有新增加的相应检测电路与之相连。像前述对射式光栅相应检测电路那样，新增加的检测电路也是顺序逐个驱动每个发射元件发光，不同的是每次都检测与发光元件相邻的接收元件的输出信号，在其它方面则与对射式的类似。新增加检测电路输出的检测信号经通信电路送至一个新增加的计算装置，用以计算操作体沿Z轴方向的位置信息。
由于发射、接收元件具有锥形的光线发射、接收区域，所以反射式红外线接收元件可以在较大的空间范围内感受红外光线，但检测信号受操作体宽度，操作体与发射、接收元件的距离的影响也比较大，仅用反射信号检测操作体的Z坐标可能具有较大误差。
参见图8，当发射元件O3单独发光时，检测与其相邻的接收元件O2的输出信号，其对应检测电路的检测信号Urd和操作体的Z坐标，操作体宽度W，操作体与发射、接收元件的距离即其Y坐标的关系曲线如图9、图10和图11所示。
图9中的曲线表示当操作体的宽度W一定，Y坐标一定时，检测信号Urd从Zrm处的最小值开始，随着操作体的深入即Z坐标增加，反光面积越来越大，Urd也越来越大，直到ZrM点Urd达到饱和的最大值。
图10中的曲线表示当操作体的Z坐标一定，Y坐标一定时，操作体宽度W从0开始增加，检测信号Urd从最小值开始越来越强，直到宽度为WM时Urd达到饱和最大值。
图11中的曲线表示操作体的Z坐标一定，宽度W一定，当Y坐标为0时，反射光最强，检测信号Urd为某一较大值，随着操作体抬高，其Y坐标越来越大，反射到O2的光越来越少，检测信号Urd越来越小，直到Y坐标达到框架限制的YM点，检测信号Urd达到操作体Y坐标活动范围内的最小值。
因此，对应接收元件O2的检测信号Urd是Z坐标、宽度W、Y坐标的函数，可表示为Urd＝f(Z，W，Y)，其中f代表函数关系。操作体的X坐标不同时，对应接收元件O2的检测信号Urd也会变化，因为总是检测与发光元件相邻的接收元件的输出信号，操作体相对接收元件在X坐标方面变化的影响就可以忽略。
对Y坐标值可由原Y光栅检测元件、检测电路和其计算装置测得，属于现有技术。对操作体宽度W，可利用原X光栅相应检测电路输出的检测信号，由新增加的计算装置经计算获得。图12表示出有操作体遮挡，X坐标检测元件阵列中一个发射元件发光，其各接收元件相应检测电路输出检测信号Ux(N)的变化趋势。这里各接收元件的X坐标对应X轴上的一些离散点XN，纵坐标Ux(N)表示各检测信号的幅值。为了计算方便，已经将图12中的各离散坐标点用曲线拟合连接。
在没有操作体遮挡时，Ux(N)本应该形成以发光元件X坐标为中心的山丘形状。由于操作体的遮挡，图12中Ux(N)出现以操作体X坐标为中心的凹坑，凹坑的开口宽度为ΔX。可根据ΔX按线性关系近似计算出操作体宽度W，W＝w·(ΔX+crx)。其中w是比例系数，crx是常数，两者都可以经实验测取多组有操作体遮挡时的Ux(N)数据，用曲线分别拟合后经计算获得。
在敏感区范围内，操作体的Z坐标可按下式计算Z坐标＝Z(Urd，W，Y)＝Kr·[(Urd-Urd(Zrm))(Y+cry)/W]+Zrm上式中，Z代表函数关系，Kr为灵敏度系数，Urd(Zrm)对应图9中Urd在Zrm处的最小值，cry为常数，(Y+cry)/W的作用是在一定程度上消除操作体宽度W和高度Y坐标对Z坐标计算的影响。对Kr、Urd(Zrm)、cry和Zrm，都可以通过实验组合测取操作体的多个Z坐标、多个宽度W和多个Y坐标情况下的Urd数据，分别拟合成多条曲线后，经设立和解方程式等计算获得，这些都是现有技术，因此不再赘述。
在已经检测出操作体X、Y坐标的情况下，根据检测信号Urd计算操作体Z坐标的流程如图13所示。如何同时利用原X、Y光栅检测操作体Z坐标以增大对Z坐标的检测量程和精度，可仿照实施例1完成，这里不再赘述。
对新增反射光栅平面，可以在框架的一个侧边，也可以在框架的各个侧边设置反射式的发射、接收检测元件阵列。可以只增加设置一个新的光栅平面，也可以增加设置多个新的光栅平面。Z2可为正值，也可为负值。
实施例3
在实施例2中，设置反射式红外检测元件阵列形成新的光栅平面，用以检测操作体的Z坐标。如果将实施例2中的红外发射元件和红外接收元件用超声波发射元件和超声波接收元件替换，形成声栅平面，并将检测电路也相应替换，即成为本实施例的技术方案。
超声波反射式检测原理和特性与红外线的极其相似，用超声波元件替代红外元件，相应检测信号也同时是操作体Z坐标、宽度W、高度Y坐标的函数，其特性与实施例2中所述相似，因此根据超声波信号检测计算Z坐标，其它方面均与实施例2中关于红外元件的相同，这里不再赘述。
实施例4本实施例是关于本发明的免触摸输入装置框架结构设计的技术方案。为了使前述X、Y光栅平面和新增加设置的光栅平面离开显示装置屏面足够远，易于使操作体避免触摸到显示装置屏面，特为框架增设了支架，该支架与框架为分立或一体化结构，框架与显示装置安装在一起时支架介于该两者之间。
如图14所示，增加设置支架107，该支架或者为分立结构，与框架组合安装在一起使用，或者为图14所示的那样制成与框架一体化的结构。支架107应具有足够的宽度，使框架上新增设的光栅平面离开显示装置屏面足够远(一般在10毫米以上)，让操作体易于避免触摸到显示装置的屏面。支架107可以设置在框架的角或边上，也可以环绕框架一周设置，成为不间断的矩形或其它形状的环状结构，这使得框架厚度看起来有较大增加。
下述实施例是关于本发明的免触摸输入设备及方法的整体技术方案。
实施例5将主控装置，显示装置，提示装置和实施例1、2、3、4中所述的免触摸输入装置相结合，即构成本实施例的各种免触摸输入显示设备，因此不再重述输入装置部分。
主控装置的功能主要是接收输入装置传来的触摸事件(即操作体进入X、Y光栅平面，实际上并未触摸到任何实体)、操作体X、Y平面坐标和Z坐标等检测结果信息，向显示装置和提示装置输出要显示、提示的内容和显示、提示方式等信息。主控装置可以是独立的处理器，如果本发明的免触摸输入装置和计算机显示器一起应用，所述主控装置的工作一般由计算机主机承担。在其它应用场合，主控装置的工作可由免触摸输入装置的处理器全部或部分承担，或由其它与之有关联的处理器部分承担。
显示装置可以有多种，包括计算机显示器，信号灯，字符或图形显示灯或显示管、显示板，显示屏，投影屏幕等。为了丰富所述输入显示设备的功能，还可以再设置刻制、印刷了字符或图案的标记装置，将其置于所述显示装置的前面或与所述显示装置为一体化结构。
显示装置可用来显示配合输入装置工作的各种数字、文字、符号等字符或各种指示性图形。一般的使用中，可以将本发明的免触摸输入装置框架安装或设置于显示装置上，即显示装置位于免触摸输入装置框架的后面或后部，通过框架围成的窗口向操作者显示各种内容。显示装置的框架可以和免触摸输入装置的框架为一体化结构。
提示装置可以是前述显示装置中的一种，可以是独立的信号灯、显示板或显示屏等，也可以与前述显示装置为一体化结构，用以显示各种数字、文字、符号等字符或各种提示性图形。为了丰富所述提示装置的功能，还可以再设置刻制、印刷了字符或图案的标记装置，将其置于所述提示装置的前面或与所述提示装置为一体化结构。如果提示装置是独立的，其安装位置和方式任意，只要便于操作者观察即可。
提示装置还可以是蜂鸣器、振铃或扬声器等发声装置。提示装置和显示装置的功能也可以相互混合设置。
提示装置主要用来显示或提示操作体的Z坐标或所在Z坐标范围，可以具有下述功能告知操作体正在正常的操作空间范围内进行使用操作；当操作体进入容易碰触显示装置屏面的Z坐标范围时，向操作者发出警示，以避免发生碰触或触摸。
具体应用技术方案1，将实施例1、2、3、4中所述的免触摸输入装置像图1和图14所示的那样，安装在计算机的显示器上，将该显示器同时做为显示装置和提示装置使用。在显示器屏幕上设置一操作体探入深度提示区A、当操作体远在X、Y光栅平面之外时，提示区显示浅白色，并提示“请使用”等类似的文字；B、当操作体进入X、Y光栅平面可以正常操作使用输入装置时，提示区显示绿色，并提示“操作正常”等类似的文字；C、当操作体穿透X、Y光栅平面过远，距离显示器屏面较近时，提示区显示黄色，并提示“注意保持距离”等类似的文字；D、当操作体距离显示器屏面很近极易发生碰触时，提示区显示红色，并提示“小心碰触屏面”等类似的文字。显示提示上述内容时，还可以同时给以声音或语音提示。
上述提示信息并不局限于该“探入深度提示区”颜色的变化，还可以是显示的图形及其形状、图案及其花样、显示的区域颜色或亮度本身的产生及其各种变化方式。
具体应用技术方案2，这是一个免触摸式电梯键盘的应用实例，如图15和图16所示，108是输入装置的框架，151是键盘屏面或面板，其上以实线印制或刻画有按键图框152。各按键图框分别代表一个键位，其中标有每个键的功能，如楼层号数字“-1、1、2、、、12”，梯门的控制“开”、“关”，故障呼叫“急呼”。电路板153设置在面板151的后面，其上设置有浅黄色键位信号灯154，这样的信号灯每个按键图框相应设置一个。图16中，由于后面的信号灯被挡住，只能看到第一列，即位于标示了“-1、3、6、9、12、急呼”的图框位置的信号灯。面板上所有数字、文字区域或其笔划部分是透明的，能透出信号灯的灯光，以便操作者看清该数字或文字，并看清以灯光强度所代表的提示信息。虚线方框不是按键图框，该方框区域也是透明的，其内标有文字“勿触！”，专门用以提示操作者不要触摸键盘面板，其后面的报警信号灯为红色。每个键位上的信号灯及对应“勿触！”提示区的信号灯的亮度都可在主控装置的控制下分别单独变化。
框架108设置有检测操作体X、Y和Z坐标的检测元件阵列并带有一体化支架107，和键盘其它部分框架体为一体化结构，键盘面板151设置在一体化框架内，透过框架内侧边104围成的窗口可以看清全部键盘面板。框架外表面101到键盘面板151的距离为50毫米。已按键盘面板上的各个键位将窗口内X、Y平面坐标区域对应划分，根据操作体的X、Y平面坐标就可以知道操作体正指向哪一个键位。
沿Z轴方向，将框架窗口附近及其内部分成几个区(1)从框架的前表面101开始向外，即从该表面向外的全部区域，定义为非控区。在这个区域内，输入装置只能检测到操作体未进入X、Y光栅平面。
(2)从框架的前表面101开始向内30毫米，定义为操作区。在这个区域内，输入装置能够正常检测到操作体的所有坐标信息及坐标的变化。
(3)从框架的前表面101向内30～40毫米处，定义为警示区。操作体进入这个区域意味着探入过深，容易触及键盘面板。
(4)从框架的前表面101向内40～50毫米处，定义为报警区。操作体进入这个区域意味着马上就要触及键盘面板。
这里可以看出，上述具体应用技术方案1中A～D四种情况所划分出的操作体所在区间，和具体应用技术方案2中(1)～(4)所划分出的四个区间是类似和一一对应的，其中C和(3)对应的警示区也可以取消不用。
对信号灯光的强弱，也从弱到强定义为微光、弱光、常光、强光四个亮度等级。
该电梯键盘的工作过程如下1)操作体在非控区时，所有键位信号灯只发出微光，红色信号灯不发光。
2)当操作体从非控区进入操作区，即被输入装置检测到。在这个区域内，操作体指到哪一个键位上，主控装置即将其相应X、Y平面坐标换算为键位编码，并控制与该键位对应的键位信号灯发出弱光，表明识别出操作体已选定该键位且准备对其操作。如果操作体从这个位置移向别的键位，或回到非控区停留较长时间，比如3秒，则认为已经取消对该键位的选择，对应这个键位的信号灯恢复微光。
3)如果操作体在所选定的键位上做出一个点击的动作，相应Z坐标的变化过程被检测到，主控装置即据此认为按动了该键，遂控制对应的键位信号灯发出常光，直到以后将其还原到发出微光的状态。
4)如果操作体向内深入较远，进入了警示区，则主控装置控制各键位信号灯和报警信号灯一起发出常光，警示操作者应注意后撤操作体，避免触摸到键盘面板。操作体离开警示区后，各键位信号灯和报警信号灯恢复到前述1)、2)、3)过程阶段所规定的状态，输入装置继续按1)、2)、3)所述规则进行检测。
5)如果操作体过于向内深入，进入了报警区，则主控装置控制各键位信号灯和对应“勿触！”提示的红色报警信号灯一起发出强光，警示操作者应立即后撤操作体。操作体离开报警区后，各信号灯恢复到前述1)、2)、3)、4)过程阶段所规定的状态，输入装置继续按1)、2)、3)、4)所述规则进行检测。
上述具体应用技术方案1和具体应用技术方案2中，都是由主控装置处理免触摸输入装置传来的操作体位置信息，并根据处理结果控制提示装置发出各种提示信息，包括当操作体进入D和(4)对应的报警区时，向操作者发出类似“提示区显示红色”和“各键位信号灯～红色报警信号灯一起发出强光”的警告其注意避免触摸到显示装置屏面的可视或可闻的警告信息，以及当操作体离开报警区后，取消该警告信息。
主控装置处理免触摸输入装置传来的操作体位置信息，包括两种主要处理方式。一是将其沿Z轴的坐标与一个或多个给定值相减，根据各减法结果输出相应的一个或多个连续变化的控制信息。比如将显示装置屏面的Z坐标值以及上述报警区、警示区、操作区和非控区各区之间的分界面的Z坐标值分别做为不同给定值，减得的各个连续变化的差值即表示操作体进入了哪一个区以及在该区内的相对位置。根据上述结果信息主控装置可以控制显示装置或提示装置显示连续变化的图形、图案、颜色或亮度信息，这些连续变化的显示信息示意操作体进入了哪一个区以及在该区内的相对位置，比如以手指指端或某条状物前端显示出与上述某分界面或屏面的距离。这时主控装置应包括能够进行上述减法运算的减法运算装置和能够预置或调节给定值信号的给定装置。减法运算装置可以是模拟或数字式的减法器，也可以是等效为减法器的一段或数段减法程序。类似地，上述给定装置可以是模拟或数字式的硬件或数字存储器、数字设置程序。
主控装置的另一种处理方式是将上述减法运算变为输出0、1双值信息的比较运算，上述减法运算装置相应地变为比较运算装置，给定装置所预置或设定的给定值此时可称为阀值，主控装置根据比较结果控制显示装置或提示装置显示差别比较明显的不同信息，比如图形、图案、颜色或亮度的明显变化。这样的显示信息用来示意操作体进入了哪一个区，比如以手指指端或某条状物前端显示出操作体当前处于某区内。这时主控装置应包括能够进行上述比较运算的比较运算装置，所包括的给定装置和前述处理方式中所用的相同。比较运算装置可以是模拟或数字式的比较器，也可以是等效为比较器的一段或数段比较程序。
如果前述免触摸输入装置传来的操作体沿Z轴的位置信息不是连续的数值，而是有否进入某一光栅这样的0、1双值信号，则上述减法运算装置或比较运算装置以及给定装置也应该是对应的0、1双值数字电路或程序。
上述具体应用技术方案2中曾提到，操作体在非控区内时，所有键位信号灯只发出微光，没有任何变化，可以认为这些信号灯是处于一种初始的工作模式。当操作体从非控区进入操作区时，操作体指到哪一个键位上，与该键位对应的键位信号灯发出弱光，如果操作体从这个位置移向别的键位，或回到非控区停留较长时间，则认为已经取消对该键位的选择，对应这个键位的信号灯恢复微光，此时这些信号灯是处于一种新的工作模式。
实施例6众所周知，推动一个鼠标器前后左右运动时，计算机显示器上的光标会随之运动，这是鼠标器的滚球或光电装置，即指示器发出控制光标前后和左右运动的脉冲信号。对一个右手使用的鼠标器，我们熟知其左点击按钮和右点击按钮通常所具有的功能。
前述免触摸输入装置中的X、Y光栅即起到上述指示器的作用。在前述实施例的基础上，将前述实施例1、2、3中X、Y光栅和Z1光栅或Z2光栅之间增加设置一个新光栅，新光栅距Z1光栅或Z2光栅20毫米，X、Y光栅距新光栅10毫米。相应设置其新的检测电路和计算装置。当操作体进入新光栅且被检测到时，主控装置即按照按动了鼠标器的左点击按钮一样执行相应各种运算处理等工作；当随后有第二只手指进入X、Y光栅时，当作按动了鼠标器的右点击按钮一样执行相应各种运算处理等工作。这样，本发明的免触摸输入装置和免触摸输入设备具有和鼠标器及使用鼠标器的设备相同的功能和操作模式。
与上述增加设置新光栅的方案相对应，还可以将上述操作区按照操作体离开显示装置屏面的距离从大到小又划分为选择区和执行区，选择区和原X、Y光栅平面附近一段区间相对应，执行区和新增光栅平面附近一段区间相对应。当操作体由非控区进入选择区时，主控装置即按照推动了鼠标器的指示器一样执行相应各种运算处理等工作，显示装置的工作模式从初始工作模式转为第一工作模式；当操作体继而进入执行区内时，主控装置即按照按动了鼠标器的左点击按钮一样执行相应各种运算处理等工作，显示装置的工作模式从第一工作模式转为第二工作模式；当随后有第二只手指进入选择区时，当作按动了鼠标器的右点击按钮一样执行相应各种运算处理等工作，显示装置的工作模式从第二工作模式转为第三工作模式。
类似本实施例的免触摸式键盘还可以做为自动柜员机、售货机、银行业务系统等公用设备的键盘使用。
以上通过实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于此，凡在不违背本发明的精神和内容所作的改进或替换，应被视为属于本发明的保护范围。
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权利要求
1.一种免触摸输入设备包括显示装置，检测操作体X坐标或Y坐标的红外检测元件阵列及与之对应的第一检测电路和第一计算装置，其特征在于还包括与所述红外检测元件阵列平行且分开一定距离的第二检测元件阵列及相应的第二检测电路，以及利用上述第二检测电路的输出信息计算操作体沿Z轴方向位置信息的第二计算装置，将上述位置信息进行处理的主控装置，以及根据主控装置输出信息发出可视或可闻的警告操作者避免触摸显示装置屏面的警告信息的提示装置。
2.如权利要求1所述的一种免触摸输入设备，其特征是所述的第二检测元件阵列为对射式的红外检测元件阵列、反射式的红外检测元件阵列或超声波检测元件阵列。
3.如权利要求1所述的一种免触摸输入设备，其特征是所述主控装置包括比较运算装置或减法运算装置，给定装置，上述比较运算装置或减法运算装置的一个输入端接所述第二计算装置的输出信号，另一个输入端接给定装置的给定值信号，比较运算装置或减法运算装置的输出信号用以控制提示装置。
4.如权利要求3所述的一种免触摸输入设备，其特征在于所述给定装置输出的给定值信号为距所述显示装置屏面大于或等于10毫米的距离。
5.如权利要求1所述的一种免触摸输入设备，其特征是所述第二检测元件阵列与所述显示装置屏面之间的距离为大于或等于10毫米。
6.如权利要求5所述的一种免触摸输入设备，其特征是在红外检测元件阵列和第二检测元件阵列之间平行设置至少一个检测元件阵列，并设置与之相应的检测电路和为主控装置提供信息的计算装置。
7.如权利要求3所述的一种免触摸输入设备，其特征是所述主控装置还包括利用第二计算装置的输出信号，控制所述提示装置以图形、图案、颜色或亮度的变化方式显示操作体位置信息的控制装置。
8.如权利要求1所述的一种免触摸输入设备，其特征是所述的显示装置或提示装置为计算机显示器、信号灯、字符或图形显示灯或显示管、显示板、显示屏或投影屏幕。
9.一种免触摸输入方法，包括A、将显示装置屏面外空间按照操作体离开所述屏面的距离从大到小至少划分为非控区、操作区和报警区的步骤；B、在操作区内，接收处理操作体所进行的各种输入操作的步骤；C、当操作体由操作区进入报警区时，向操作者发出警告其注意避免触摸到显示装置屏面的可视或可闻警告信息的步骤；D、当操作体离开报警区后，取消该警告信息的步骤。
10.如权利要求9所述的一种免触摸输入方法，其特征是在所述操作区和报警区之间，增加划分出一个警示区的步骤；当操作体进入报警区或警示区时，向操作者分别发出不同警告信息的步骤。
11.如权利要求9或10所述的一种免触摸输入方法，其特征是以图形、图案、颜色或亮度的变化方式，显示操作体离开显示装置屏面或该屏面外所述某区的距离。
12.如权利要求10所述的一种免触摸输入方法，其特征是所述警戒区或报警区的区间宽度为大于或等于10毫米。
13.如权利要求9或10所述的一种免触摸输入方法，其特征是所述警告信息为图形、图案、颜色、亮度或声音的产生或变化。
14.如权利要求9或10所述的一种免触摸输入方法，其特征是当操作体由非控区进入操作区时，显示装置的工作模式从初始工作模式转为另一工作模式。
15.如权利要求9或10所述的一种免触摸输入方法，其特征是将所述操作区按照所述距离从大到小又分为选择区和执行区，当操作体由非控区进入选择区时，显示装置的工作模式从初始工作模式转为第一工作模式；当操作体继而进入执行区内时，显示装置的工作模式从第一工作模式转为第二工作模式。
全文摘要
一种免触摸输入设备及方法。前述的输入设备包括显示装置，检测操作体X坐标或Y坐标的红外检测元件阵列及与之对应的第一检测电路和第一计算装置，与红外检测元件阵列平行且分开一定距离的第二检测元件阵列及相应的第二检测电路，以及利用第二检测电路的输出信息计算操作体沿Z轴方向位置信息的第二计算装置，将位置信息进行处理的主控装置，以及根据主控装置输出信息发出可视或可闻的警告操作者避免触摸显示装置屏面的警告信息的提示装置。该技术主要用于某些频繁使用的公用设备。
文档编号G06F3/03GK1573666SQ0317837
公开日2005年2月2日 申请日期2003年7月8日 优先权日2003年6月20日
发明者于尚民, 于国庆 申请人:于尚民, 于国庆