光學(xué)觸摸技術(shù)

光學(xué)觸摸技術(shù)最初是1970年代CarollTouch公司（現(xiàn)在是EloTouchSystems的一部分）發(fā)展起來(lái)的，現(xiàn)有不少供應(yīng)商出售該項(xiàng)技術(shù)。和其它的觸摸技術(shù)相比，光學(xué)觸摸技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)界的很多人都認(rèn)為，如果沒(méi)有下面將要提到的兩個(gè)相當(dāng)大的缺點(diǎn)，光學(xué)觸摸技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為觸摸技術(shù)的主流。光學(xué)觸摸屏技術(shù)的最新發(fā)展使得光學(xué)觸摸技術(shù)復(fù)興，為其成主流觸摸技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光學(xué)觸摸技術(shù)；發(fā)光二極管；光學(xué)傳感器　　中圖分類(lèi)號(hào)：TN141文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　
　　引言
　　
　　傳統(tǒng)的光學(xué)觸摸系統(tǒng)是在顯示器的兩個(gè)相鄰斜面上采用紅外發(fā)光(IR)二極管(LED)陣列，并在相對(duì)的斜面邊緣放置光敏元件，用于分析系統(tǒng)、確定觸摸動(dòng)作。LED-光傳感元件對(duì)在顯示器上形成光束柵格。當(dāng)物體（例如手指或者鋼筆）觸摸屏幕遮斷了光束，就會(huì)在相應(yīng)光傳感元件處引起光測(cè)量值的減弱。光傳感的輸出測(cè)量值可以用于確定出觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。通常控制器是掃描光傳感陣列，而不是同時(shí)測(cè)量所有的光傳感器，因此這項(xiàng)技術(shù)有時(shí)被稱(chēng)為"掃描IR"。在這項(xiàng)技術(shù)的高級(jí)版本中，每個(gè)光傳感器測(cè)量來(lái)自不止一個(gè)LED的光，這使得控制器可以補(bǔ)償由于屏上不可移動(dòng)的碎片而引起的光的阻斷（見(jiàn)圖1）。
　　
　　這項(xiàng)傳統(tǒng)的光學(xué)觸摸技術(shù)已經(jīng)主要用于觸摸市場(chǎng)中的相關(guān)領(lǐng)域。過(guò)去，它的廣泛應(yīng)用由于兩大原因曾經(jīng)受到限制：技術(shù)成本比與之競(jìng)爭(zhēng)的其他觸摸技術(shù)要高，還有在亮環(huán)境光下的顯示性能問(wèn)題。后一個(gè)問(wèn)題是由于背光源放大了光傳感元件的背景噪聲。在有些情況下，噪聲大到無(wú)法檢測(cè)到觸摸屏的LED光，導(dǎo)致觸摸屏的暫時(shí)失靈。這個(gè)問(wèn)題在陽(yáng)光直射下最為顯著，因?yàn)殛?yáng)光在紅外區(qū)域分布有大量的能量。
　　另外，傳統(tǒng)的光學(xué)觸摸技術(shù)由于其它的一些技術(shù)問(wèn)題，例如功耗、機(jī)械包裝約束、分辨率的限制導(dǎo)致系統(tǒng)檢測(cè)PDA筆等小物體的能力受限等，而沒(méi)有被手持式觸摸屏（例如手機(jī)和PDA等）采用。其它技術(shù)例如模擬電阻技術(shù)由于成本低很多，主導(dǎo)了移動(dòng)設(shè)備觸摸屏的市場(chǎng)。
　　但是光學(xué)觸摸的特性還是可取的，代表了理想觸摸屏的屬性，包括可以去除其它觸摸技術(shù)都必需的顯示屏前的玻璃或塑料層。在很多情況下，這種覆蓋層采用透明導(dǎo)電材料，例如氧化銦錫(ITO)，這會(huì)導(dǎo)致顯示屏的光學(xué)性能下降。光學(xué)觸摸屏的這個(gè)優(yōu)勢(shì)對(duì)于很多設(shè)備、顯示屏供應(yīng)商來(lái)說(shuō)是極其重要的，因?yàn)樵O(shè)備的售出與使用者的感覺(jué)質(zhì)量相關(guān)。
　　光學(xué)觸摸的另一個(gè)長(zhǎng)期需求的性能是傳感器的數(shù)字輸出，相比之下，很多其它的觸摸系統(tǒng)是依賴(lài)于模擬信號(hào)處理來(lái)確定觸摸位置。這些與之競(jìng)爭(zhēng)的模擬系統(tǒng)通常需要不停的再校準(zhǔn)，對(duì)信號(hào)處理（增加了成本和功耗）的要求比較復(fù)雜，與數(shù)字系統(tǒng)相比精確度相對(duì)降低；并且由于操作環(huán)境引起更長(zhǎng)時(shí)間使用后系統(tǒng)失靈。
　　光學(xué)觸摸的另一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)是通常情況下沒(méi)有手指、筆或其它被識(shí)別硬件的直接接觸。這就減少了觸摸屏由于接觸失敗、老化、疲勞引起失靈的可能。這與低壓力觸摸的要求也有關(guān)。在一個(gè)光學(xué)觸摸系統(tǒng)中，只要與光束接觸就可以了，不需要檢測(cè)力量或者觸發(fā)系統(tǒng)。
　　最后，光學(xué)觸摸可以執(zhí)行同時(shí)觸摸，這是其它觸摸技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。盡管同時(shí)觸摸在過(guò)去沒(méi)有被廣泛地發(fā)展，近期由于蘋(píng)果iPhone等新設(shè)備引起了關(guān)注，它讓同時(shí)觸摸成為用戶界面不可或缺的一部分。
　　
　?。?a href="http://www.ttokpm.com/article/bbs/" target="_blank">最新技術(shù)提高
　　
　　1.1新元件和信號(hào)處理的改進(jìn)
　　處理：自從傳統(tǒng)的光學(xué)觸摸系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)展，關(guān)鍵元件如LED、光敏二極管、CMoS芯片在性能上有了長(zhǎng)足的發(fā)展，成本大大降低。產(chǎn)生模塑光學(xué)和信號(hào)處理算法的技術(shù)也有了很大的發(fā)展和改進(jìn)。因此，傳統(tǒng)光學(xué)觸摸技術(shù)有了發(fā)展，至少與其它也在不斷發(fā)展的觸摸技術(shù)相比保持著競(jìng)爭(zhēng)力。
　　
　　1.2改進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　近期，EloTouchSystems和IRTouch等公司試圖解決光學(xué)觸摸的背景或環(huán)境光問(wèn)題，主要采用改進(jìn)邊緣（縫隙）設(shè)計(jì)、光學(xué)濾光片和更加復(fù)雜的信號(hào)處理來(lái)增強(qiáng)信噪比。如，紅外LED可以通過(guò)特定頻率調(diào)制，光傳感器的輸出只可以在該特定頻率下解調(diào)。由此來(lái)降低陽(yáng)光對(duì)未調(diào)制的紅外光的影響。制造商聲稱(chēng)的最新產(chǎn)品能承受75~100klx的環(huán)境光，表明這些技術(shù)在降低光學(xué)觸摸對(duì)日光的敏感度方面有了不錯(cuò)的成就。
　　
　　2 新型光學(xué)觸摸系統(tǒng)
　　
　　新元件技術(shù)和關(guān)鍵器件的成本降低使得大量嶄新的光學(xué)觸摸系統(tǒng)得以產(chǎn)生。便宜和更尖端的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具的結(jié)合，為現(xiàn)有光學(xué)觸摸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造的再次提出創(chuàng)造了完善的條件。
　　現(xiàn)有兩大類(lèi)新的光學(xué)觸摸系統(tǒng)：一類(lèi)是取決于光源的，通過(guò)阻斷來(lái)檢測(cè)觸摸的；還有一類(lèi)是利用環(huán)境光，而與光源無(wú)關(guān)的。另外，這些新系統(tǒng)還可以根據(jù)規(guī)定光束的遮斷，以及通過(guò)復(fù)雜的信號(hào)處理來(lái)確定顯示器上方圖像的觸摸點(diǎn)來(lái)分類(lèi)。本文回顧了這些新型的光學(xué)觸摸系統(tǒng)。
　　
　　3 Neonode
　　
　　Neonode采用了傳統(tǒng)的IR觸摸技術(shù)，LED以及光敏二極管，關(guān)鍵在于將其微型化以用于手持設(shè)備。除了將該技術(shù)用于其N(xiāo)2手機(jī)，Neonode還將它銷(xiāo)售給其他的設(shè)備制造商。但是還不清楚該技術(shù)是否被其他的手機(jī)銷(xiāo)售商采納。該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于斜面的高度。很多手機(jī)制造商不斷地嘗試制造能在頂面齊平或者接近齊平的新元件，他們希望顯示器盡量延伸，盡量靠近設(shè)備的邊緣（使得顯示器的尺寸和對(duì)多媒體功能的體驗(yàn)都盡可能的大）。參考圖2中給出的NeonodeN2和蘋(píng)果iPhone，可以立刻明顯發(fā)現(xiàn)iPhone屏幕的表面是平滑的，而N2手機(jī)屏的表面是凹的。通過(guò)對(duì)樣品的檢測(cè)，N2的斜高約為1.6mm（包括包裝材料的厚度）；而iPhone的斜高為0（平滑）。其它妨礙Neonode觸摸屏技術(shù)在手機(jī)市場(chǎng)使用的問(wèn)題有成本和功耗，都是因?yàn)樵O(shè)備中大量的采用光電子元件（LED和光敏二極管）造成的。
　　[newpage]　　
　　對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)及蘋(píng)果iPhone的另外一個(gè)潛在的挑戰(zhàn)是只能用手指觸摸的限制。亞洲智能手機(jī)制造商更希望能夠采用觸摸筆輸入，以支持字符識(shí)別。NeonodeN2上的光束間隔比較寬，大約每厘米2.5個(gè)光束，手指大約能夠覆蓋9個(gè)光束交叉點(diǎn)。這能節(jié)約能量，但是使得觸摸筆在觸摸屏上無(wú)法使用。即使使用大的觸摸筆，由于分辨率不夠，手寫(xiě)識(shí)別還是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。相比較而言，用于iPhone的導(dǎo)電軌跡間隔相對(duì)比較窄，大概每厘米25個(gè)軌跡交叉點(diǎn)。但是，即便是投射式電容性技術(shù)的分辨率更高，它只能支持手指觸摸，限制了觸摸筆或是戴手套時(shí)的使用。所以這個(gè)比較結(jié)論有待討論。
　　
　　4 NextWindow、SMART以及其它技術(shù)
　　
　　NextWindow和SMART技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于照相機(jī)的光學(xué)觸摸，至少有一個(gè)新的開(kāi)始。
　　NextWindow的光學(xué)觸摸屏技術(shù)采用了兩個(gè)放置在顯示器相鄰邊角上的線掃描照相機(jī)（圖3）。照相機(jī)根據(jù)紅外光源的截?cái)鄟?lái)檢測(cè)任何靠近表面物體的移動(dòng)。由屏表面的一個(gè)平面產(chǎn)生光，并由屏三個(gè)邊上的定向反射條（定向反射鏡使得光從入射角沿著平行但相反的路徑反射回來(lái)）反射回相機(jī)。當(dāng)手指（或任何物體）觸摸屏幕時(shí)，控制器就分析了相機(jī)中的圖像，觸摸物體位置的三角關(guān)系。SMART光學(xué)觸摸屏技術(shù)使用的是相同的原理，區(qū)別在于它用了四個(gè)面掃描照相機(jī)。
　　
　　即使技術(shù)上允許光學(xué)觸摸技術(shù)不需要玻璃觸摸表面，供應(yīng)商也不會(huì)這樣做，因?yàn)樾枰Ｗo(hù)LCD的軟(2H)表面。這些技術(shù)比傳統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)在它們的有源器件更少，因此可以減少成本，具有更長(zhǎng)的平均失誤間隔時(shí)間(MTBF)。NextWindow銷(xiāo)售的觸摸屏的尺寸在12～120in范圍之間，到目前為止大多數(shù)應(yīng)用于監(jiān)視器尺寸的顯示屏（例如HPTouchSmart家用電腦），以及用于交互數(shù)字簽名的大尺寸顯示[1]。盡管這項(xiàng)技術(shù)具有很高的分辨率和數(shù)據(jù)傳輸率，能夠支持觸摸筆的手寫(xiě)識(shí)別；但是，對(duì)于小于10in，由于邊界寬度、成本、功耗的考慮不采用掌上反射顯示屏的還無(wú)法應(yīng)用?？偟膩?lái)說(shuō)，基于相機(jī)的光學(xué)觸摸技術(shù)在近期內(nèi)還無(wú)法應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備。
　　
　　5 PerceptivePixel
　　
　　紐約大學(xué)的研究者最新研制了一種可以同時(shí)用10個(gè)、20個(gè)，甚至更多手指觸摸的大型多處觸摸屏。PerceptivePixel公司的成立，旨在將該項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化——盡管這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于交互性白板、觸摸屏桌、數(shù)字墻等領(lǐng)域，所有的這些設(shè)備都可以由多人同時(shí)操作。
　　PerceptivePixel技術(shù)原理是將紅外LED光引入玻璃或塑料的背投屏上。該技術(shù)應(yīng)用非全內(nèi)反射(FTIR)，即當(dāng)手指觸摸玻璃表面時(shí)，光從手指處散射出去，被垂直于普通玻璃表面的光學(xué)傳感器檢測(cè)到[2]。在PerceptivePixel應(yīng)用中，光傳感器是投影機(jī)旁邊的一個(gè)攝像機(jī)（見(jiàn)圖4）。因?yàn)樵摷夹g(shù)是為背投顯示屏設(shè)計(jì)的，它不能應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備中。

6 夏普、東芝-松下顯示(TMD)及其它
　　
　　夏普、TMD以及LG-飛利浦LCD都展示了顯示屏本身作為光傳感器件的光學(xué)圖像觸摸系統(tǒng)。這些新型的LCD在每個(gè)LCD像素中集成了一個(gè)光傳感器件（發(fā)光二極管或光敏晶體管），這使得整個(gè)顯示屏成為一個(gè)大矩陣光傳感器；加上合適的圖像分析技術(shù)，它可以成為觸摸傳感器甚至一個(gè)讀卡掃描器。夏普最新展示了320×480像素光傳感分辨率的3.5inLCD。由于固有的數(shù)字技術(shù)，它具有識(shí)別出同時(shí)多處觸摸事件的能力（圖5）。
　　
　　將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于觸摸屏需要面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是，在有各種不同類(lèi)型環(huán)境光的情況下進(jìn)行信號(hào)處理。與普通的觸摸屏不同，該技術(shù)需要分析一幅復(fù)雜的圖像來(lái)確認(rèn)是否有觸摸發(fā)生。與普通的觸摸屏相比，這項(xiàng)技術(shù)需要更加先進(jìn)、昂貴、耗電的處理器。另外，多種背景光的存在會(huì)使得圖像分析更為復(fù)雜。另外一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是速度。比如說(shuō)，手寫(xiě)識(shí)別通常被認(rèn)為需要至少每秒130幀的觸摸識(shí)別速度，以避免識(shí)別延時(shí)。這種處理速度對(duì)于基于圖像矩陣、低功耗的、用于手持設(shè)備的觸摸技術(shù)來(lái)說(shuō)是一種挑戰(zhàn)。
　　由于移動(dòng)設(shè)備的顯示屏的尺寸、比例、分辨率有很多種，生產(chǎn)商沒(méi)有真正的標(biāo)準(zhǔn)。因此，生產(chǎn)能夠用于任意顯示器的傳感器將帶來(lái)高成本，并且需要處理復(fù)雜觸摸傳感LCD的NRE。另外，這些LCD可能具有更小的像素-孔徑比，因此與沒(méi)有觸摸傳感的類(lèi)似顯示屏相比亮度可能會(huì)低一些。
　　
　　7 RPO數(shù)字波導(dǎo)觸摸技術(shù)
　　
　　RPO數(shù)字波導(dǎo)觸摸(DWT)技術(shù)是基于傳統(tǒng)IR系統(tǒng)概念發(fā)展而來(lái)的光學(xué)觸摸系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用1～2個(gè)低成本LED，用來(lái)從兩個(gè)相鄰斜邊提供可控的光源（事實(shí)上是一個(gè)紅外光平面），然后在另兩個(gè)相鄰的斜邊上，利用聚合物光學(xué)波導(dǎo)來(lái)將光線引入分立的10m管道進(jìn)入一個(gè)小的光傳感器矩陣（圖6）。
　　
　　這項(xiàng)由傳統(tǒng)IR觸摸改進(jìn)的技術(shù)有效地解決了傳統(tǒng)技術(shù)所有的缺點(diǎn)。下面將討論這些缺點(diǎn)。
　　由于光電器件（LED和傳感器）不再放置在顯示器的斜邊上；與傳統(tǒng)的光學(xué)觸摸系統(tǒng)相比，斜面高度和寬度對(duì)觸摸系統(tǒng)的影響減弱了。RPO展示了在顯示區(qū)域外只有2mm的觸摸系統(tǒng)，從屏保護(hù)（鏡片）到器件外殼的內(nèi)表面的側(cè)面高度只有0.5mm。
　　DWT因?yàn)橹挥?~2個(gè)LED和1個(gè)光傳感器芯片，所以成本要低很多；由于接收端的光學(xué)信號(hào)進(jìn)入分立的光導(dǎo)，被光傳感器矩陣的獨(dú)立像素分別檢測(cè)而具有"數(shù)字性"，所以它的分辨率要高很多。因此，筆檢測(cè)和手寫(xiě)輸入識(shí)別成為了可能。
　　濾波器和孔隙化的發(fā)展使得環(huán)境光不再是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榧?xì)小光學(xué)波導(dǎo)作為接收管道。
　　使這項(xiàng)技術(shù)成為可能的關(guān)鍵是RPO公司改進(jìn)的低成本光刻印刷聚合物光學(xué)波導(dǎo)。這家公司采用類(lèi)似LCD的處理工具來(lái)沉積濕膜，用直接的光刻圖案處理薄膜，還有溶劑的改進(jìn)。這聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是改進(jìn)聚合物材料和用于生產(chǎn)大量、高強(qiáng)度的高分辨率光導(dǎo)的工藝用了很多年。另外，這個(gè)RPO使用的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，但是在物理系統(tǒng)中簡(jiǎn)單、便宜、便于集成。
　　RPO在DisplayWeek2007上演示了這個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)用于PDA設(shè)備的多重觸摸。DWT現(xiàn)用于高端用戶產(chǎn)品之中。理論上講，這個(gè)系統(tǒng)可以用于任意尺寸的顯示屏，但是RPO最初是面向中小型消費(fèi)類(lèi)電子和車(chē)載顯示器的。
　　
　　8 結(jié)論
　　
　　以上這些新的光學(xué)觸摸技術(shù)都可以在廣大且持續(xù)發(fā)展的觸摸屏市場(chǎng)中占據(jù)屬于自己的一席之地。排除所有的技術(shù)缺陷，我們可以預(yù)測(cè)光學(xué)觸摸技術(shù)與其它觸摸技術(shù)相比具有關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，這些新技術(shù)，如果都?xì)w類(lèi)于"光學(xué)觸摸系統(tǒng)"，最終可以占據(jù)觸摸屏市場(chǎng)的一大份。
　　促進(jìn)手持式觸摸屏迅猛發(fā)展的是蘋(píng)果iPhone以及其它智能手機(jī)、GPS手持設(shè)備，還有個(gè)人多媒體播放器。上面的這些技術(shù)，Neonode、夏普、TMD、RPO目標(biāo)都很明確，并希望能和現(xiàn)有的電阻和投射式電容性觸摸技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。