專利名稱：一種用于觸摸屏的圖像傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于紅外觸摸屏的圖像捕獲和傳感裝置，屬于光學(xué)和攝像技術(shù)領(lǐng) 域，尤其是用于觸摸屏、電子白板的使用圖像傳感器定位的攝像技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有用于計算機的觸摸屏有多種結(jié)構(gòu)，其中使用光電技術(shù)的觸摸屏包含有使用紅 外發(fā)射和接收管的紅外觸摸屏和使用攝像頭實現(xiàn)觸摸物位置檢測的攝像頭觸摸屏兩 種。紅外觸摸屏具有原理簡單的優(yōu)點，但是因為使用了大量的紅外元件，因此設(shè)計生 產(chǎn)和安裝調(diào)試都比較復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高，并且因為紅外發(fā)射管老化等原因?qū)е?使用壽命不夠長，還有物理分辨率較低等問題。關(guān)于紅外觸摸屏的技術(shù)原理和方案， 可參考如號碼3， 764, 813、 3, 860， 754、 3， 775， 560和6, 429， 857的美國專利和號碼為 00 1 2462.4的中國專利申請等專利文獻(xiàn)。使用圖像傳感器(攝像頭)的觸摸屏具有硬 件集成度高、總體結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本較低的優(yōu)點，但是現(xiàn)有技術(shù)都最少需要使用2 只攝像頭才能構(gòu)成一個用于觸摸屏的圖像檢測系統(tǒng)，因此一般需要使用兩套用于圖像 處理的微型計算機系統(tǒng)，而且兩套圖像傳感部件(攝像頭)需要占用較大的安裝空間， 對于一些體積較小的設(shè)備安裝較為困難。這種技術(shù)的工作原理和技術(shù)方案見號碼為 DE20016024549的德國專利等專利文獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就是針對現(xiàn)有使用光電技術(shù)的計算機觸摸屏的缺陷，公開了一種 使用最少的圖像傳感器、能夠降低計算機觸摸屏的硬件成本并減小圖像傳感捕獲部分 所占用的安裝空間的計算機觸摸屏的結(jié)構(gòu)方案。
本發(fā)明的用于觸摸屏的圖像傳感裝置，包含有由圖像傳感芯片和光學(xué)成像系統(tǒng)構(gòu) 成的圖像傳感器，以及用于控制圖像傳感器工作和處理圖像傳感器接收到的信號的控 制處理單元，安裝在被檢測的屏幕的邊緣。在本發(fā)明中，所述光學(xué)成像系統(tǒng)至少有兩 路，包含至少兩個由凸凹透鏡構(gòu)成的鏡頭，所述兩個鏡頭的物鏡互相分離，并且面向 所述屏幕；所述的圖像傳感芯片有一片，所述至少兩路光學(xué)成像系統(tǒng)的成像，都投射 在所述圖像傳感芯片的表面上。
從理論上來講，只要有在本發(fā)明的光學(xué)成像系統(tǒng)中包含有兩條光通路，就能實現(xiàn) 本發(fā)明的目的。因為通過兩條光通道同時獲取觸摸物的圖像信息，就可以利用立體攝
像的技術(shù)得到觸摸物在空間的位置，因此下面僅以兩路光通道為例來說明本發(fā)明的技 術(shù)方案。
本發(fā)明包含有兩類可行的具體結(jié)構(gòu)。-'類結(jié)構(gòu)是至少兩路光學(xué)通道分時共用-片 圖像傳感芯片。對于這種結(jié)構(gòu)，需要在所述的至少兩路光學(xué)成像系統(tǒng)的光路上，都分 別按專有一個電子快門；所述電子快門被所述控制處理單元控制、驅(qū)動而以互鎖的方 式輪流開啟關(guān)閉。使用這類方案的一種基本結(jié)構(gòu)是在所述的兩路光學(xué)成像系統(tǒng)的光 路上，安裝有一面反射鏡和一面半反射/透射鏡，反射鏡的反射面與反射/透射鏡的反射 面相對安裝；所述兩路光學(xué)成像系統(tǒng)中的一路，其光路通過所述反射鏡反射面和反射/ 透射鏡的反射面，通過該光路的光線，被兩次反射后，到達(dá)所述圖像傳感芯片的表面； 在所述的兩路光學(xué)成像系統(tǒng)的另一路，其光路通過所述反射/透射鏡的透射面，通過該 光路的光線通過所述反射/透射鏡，到達(dá)所述圖像傳感芯片的表面。進(jìn)一步，為了得到 盡可能大的有效視場以覆蓋面積較大的顯示屏幕，還可以在所述至少兩路光學(xué)成像系 統(tǒng)的光路中，使用另外用于改變光線傳播方向的反射鏡，以拉開兩個鏡頭之間的距離 并調(diào)整所述鏡頭之間的夾角。
另一類結(jié)構(gòu)是兩路光學(xué)通道分區(qū)共用一片圖像傳感芯片，所述圖像傳感芯片被劃 分為兩個圖像傳感的區(qū)域，所述兩路光學(xué)成像系統(tǒng)的成像，分別映射在這兩個區(qū)域上。 但是更一般的結(jié)構(gòu)，則是在所述圖像傳感芯片的兩個區(qū)域的前方，分別安裝有兩面反 射鏡；以達(dá)到通過所述兩條光路中的鏡頭的光線被所述兩個反射鏡反射后，分別映射 在這兩個區(qū)域上。
無論是第一類還是第二類的基本結(jié)構(gòu)，本發(fā)明都可以使用如下的技術(shù)方案所述 兩條光路中的每一條都包含有兩個鏡頭；其中的第一個鏡頭安裝在所述被檢測屏幕的 邊緣，最好是相鄰的兩個角上，其成像位置安裝一塊成像屏；第二個鏡頭的物鏡面對
著第一個鏡頭的成像屏。在這里，根據(jù)一般的光學(xué)理論，所述的兩個鏡頭屮，第一個 鏡頭最好是廣角鏡頭，第二個是鏡頭是長焦鏡頭。這樣就可以利用廣角鏡頭來得到很 大的檢測視場，再用長焦鏡頭的望遠(yuǎn)能力來捕捉廣角鏡頭在成像屏的圖像。
在上述每條光路使用兩只鏡頭的技術(shù)方案中，還可以使用一個凸面反射鏡來替代 所述的第一個鏡頭，安裝在所述被檢測屏幕的邊緣，最好是相鄰的兩個角上，反射面
面對著被檢測屏幕；第二個鏡頭的物鏡面對著所述反射鏡的反射面。
無論是第一類還是第二類的基本結(jié)構(gòu)，在某些特殊場合下，還可以使用如下最簡 單的結(jié)構(gòu)在所述的圖像傳感芯片的前方安裝至少兩個鏡頭，使其成像或者通過電子 快門后映射在圖像傳感芯片的整個感光區(qū)域上；或者分別映射在被劃分的不同的感光 區(qū)域的表面上。簡單地說就是映射在每個鏡頭所對應(yīng)的、被設(shè)定的感光區(qū)域上。
本發(fā)明還可以使用寬度方向的像素為1的圖像傳感器，即線陣光電傳感器。將線
陣劃分為左右兩個部分，分別與前述的兩個光路相對應(yīng)。
發(fā)明的益處根據(jù)上面對本發(fā)明的描述，可以看到本發(fā)明使用兩條光路對應(yīng)一只
圖像傳感器(攝像頭)的結(jié)構(gòu)，通過立體攝像的功能來實現(xiàn)對觸摸物定位，因此減少
了硬件的數(shù)量，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。同時，單攝像頭的結(jié)構(gòu)也減小了整個裝置所
占用的安裝空間，獲得了更好的適用性。


圖1:本發(fā)明的基本光學(xué)原理圖2: —種可分時或分區(qū)復(fù)用圖像傳感芯片的光路結(jié)構(gòu)圖； 圖3:圖像傳感芯片的分區(qū)示意圖4:圖2結(jié)構(gòu)分區(qū)復(fù)用圖像傳感芯片時反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖5:基于圖2結(jié)構(gòu)的-種分區(qū)復(fù)用圖像傳感芯片的光路結(jié)構(gòu)示意圖6:圖5所示結(jié)構(gòu)中反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖7:圖2或者圖5結(jié)構(gòu)中廣角鏡的另外結(jié)構(gòu)；
圖8:使用線陣光電傳感器時的基本光路結(jié)構(gòu)。
附圖中標(biāo)號所指代的各部分的名稱如下101——用于觸摸操作的顯示屏幕；102 ——圖像傳感芯片；103、 105、 106——兩條光路上的反射鏡；104——光路上的反射/ 透射鏡；107、 108——光路切換開關(guān)；109——最簡光路；201、 205——每條光路中的 第一個鏡(頭)；202、 206——第一個鏡頭的成像屏幕；203、 207——每條光路中的第 二個鏡頭；204——反射/透射鏡；208~~反射鏡；301、 302——圖像傳感芯片感光面 被劃分的兩個縱向分區(qū)；401、 402——用于替代104、 105或者204、 208的反射鏡； 501、 502——用于替代204、 208的反射鏡；701——凸面反射鏡；801、 802:鏡頭的 物鏡。
圖中，帶有箭頭的細(xì)實線表示光線的傳播方向。
具體實施例方式
圖1給出了本發(fā)明最基本的光路結(jié)構(gòu)示意圖，該圖以兩條光通道為例，給出了實 現(xiàn)本發(fā)明的多種技術(shù)方案的基本原理。如圖所示，包含有鏡頭的兩條光路，通過這兩 條光路的光線，最終的成像都映射在圖像傳感芯片102的感光面上。這種結(jié)構(gòu)的最簡 單的方式是在所述的圖像傳感芯片的前方安裝至少兩個鏡頭，兩只鏡頭的成像都映射
到圖像傳感芯片102的感光面上，如圖1中兩條粗實線箭頭109所示，可以用于某些 小體積或低成本的情況下。但是更一般的結(jié)構(gòu)是一條光路直接通過反射/透射鏡104到 達(dá)圖像傳感芯片的感光面；另一條光路則通過反射鏡103的反射以后，到達(dá)圖像傳感 芯片的感光面。這個基本結(jié)構(gòu)的光路如圖中帶箭頭的細(xì)實線所給出的那樣。如果使用 這種基本的結(jié)構(gòu)，為了盡量讓兩條光路的長度相同以減小設(shè)計和制造難度，則希望兩 條光路屮鏡頭的物鏡之間的距離比較近。這樣的結(jié)構(gòu)雖然視場的重疊部分比較大，可 以較大面積甚至完全覆蓋顯示屏幕101,但因為兩個圖像的差異較小，不利于對觸摸物 的精確定位；如果兩條光路中的鏡頭的物鏡相距較遠(yuǎn)，則光路的長度差異就會很大， 將會增加設(shè)計制造的難度；可能還需要調(diào)整光路中鏡頭光軸的角度以得到盡量大的重 疊視場，這樣直通的光路就較難滿足要求。因此，圖中還給出了另外擴張的一種結(jié)構(gòu)， 即在原來光線透射過反射透射鏡的光路上也裝上反射鏡105、 106，光線通過兩次反射 之后再通過反射/透射鏡，如圖中虛線所表示的光學(xué)元件和光線通過的路徑。
本發(fā)明中，利用同一片圖像傳感元件實現(xiàn)捕捉兩路視頻的基本方案有兩種不同 光路在同一傳播路徑上的分時復(fù)用，或者通過利用獨立的光路實現(xiàn)分區(qū)復(fù)用。通過對 圖1的基本結(jié)構(gòu)的局部更改，能夠滿足這兩種技術(shù)方案的實施。在分時復(fù)用的情況下， 在圖1所示的兩條光路中分別插入一只電子快門107和108，利用控制圖像傳感器工作 和處理圖像傳感器接收到的信號的控制處理單元(圖中未畫出)控制、驅(qū)動這兩個電 子快門，以互鎖的方式輪流開啟關(guān)閉，圖像傳感芯片就可以輪流捕捉通過這兩條光路 傳遞過來的圖像。圖2給出了基于圖1原理的一種分時復(fù)用的光路結(jié)構(gòu)的具體技術(shù)方 案。圖2中的兩條光路分別包含有安裝在所述被檢測屏幕邊緣、最好是相鄰的兩個角 上的第-個鏡頭201、 205和第二個鏡頭203、 207，所述第一個鏡頭成像在屏幕202 和206上，第二個鏡頭拾取成像屏幕202和206上的圖像，分別通過反射鏡/透射鏡204 和反射鏡208映射到圖像傳感芯片102上。這里，依據(jù)一般的光學(xué)理論；第一個鏡頭 最好是廣角鏡頭，第二個是鏡頭是長焦鏡頭。這樣就可以利用廣角鏡頭的大視角來得 到很大的檢測視場，再用長焦鏡頭的望遠(yuǎn)能力來捕捉廣角鏡頭在成像屏的圖像。
分區(qū)復(fù)用的基本原理如圖3所示，就是將圖像傳感芯片的感光表面劃分為兩個區(qū) 域301和302，通過光路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使得兩條光路的成像分別映射在這兩個區(qū)域上。 這里給出的是縱向分割的示意圖，即沿著與被檢測屏幕101的表面相平行得方向來劃 分，以期利用傳感芯片長邊的最大象素數(shù)而得到盡可能高的分辨率。這樣就可以舍棄 電子快門和透射/反射鏡，使得兩條光路的各個參數(shù)更均衡而方便設(shè)計制造。圖5則所 示的是基于圖1原理的一種分區(qū)復(fù)用的光路結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案。與圖2相同，兩條光路
分別包含有一個安裝在被檢測屏幕邊緣，最好是角上的廣角鏡頭201、 205和一個長焦 鏡頭2(B、 207，長焦鏡頭拾取成像屏幕202和206上的圖像，分別通過反射鏡501和 502映射到圖像傳感芯片102的不同感光區(qū)域301和302上。事實上圖2所示的結(jié)構(gòu)也 可以用于分區(qū)復(fù)用的方案，只要如圖4所示，將原來重疊安裝的反射鏡208和反射/透 射鏡204，替換為根據(jù)圖像傳感芯片表面感光區(qū)域的分區(qū)301和302的位置而并列安裝 的反射鏡401和402，就可以實現(xiàn)分區(qū)復(fù)用。這里所說的并列安裝可參考圖6所示的結(jié) 構(gòu)，兩只反射鏡501和502并行排列，反射面分別面對各自對應(yīng)的感光區(qū)域。
圖7給出了圖2和圖4的一種簡化的結(jié)構(gòu)方案，給出的是一條光路的示意圖，另 一條光路相同。在這里，使用凸面反射鏡701替代了第一個鏡頭201，同樣可以實現(xiàn)原 來鏡頭后面的成像屏的功能，并能保證兩條光路所覆蓋的視場及其重合部分足夠大。 但是因為凸面反射鏡的反射圖像比應(yīng)該使用的廣角鏡頭在成像屏幕206上成像的畸變 更大一些，因此需要在圖像處理的時候使用適當(dāng)?shù)难a償以校正畸變。
另外，針對前述在圖1中使用粗實線表示的、在傳感芯片前方安裝兩個鏡頭的最 簡方案，分時復(fù)用傳感芯片時，可以將電子快門107和108安裝在光路上；使其成像 落在整個傳感芯片的感光表面上；分區(qū)復(fù)用傳感芯片時，則直接成像在傳感芯片的感 光被劃分的不同區(qū)域的表面上。如果采用這種最簡結(jié)構(gòu)通過分區(qū)復(fù)用的方式來檢測觸 摸物，則效果比較好的方案是與圖3所示的縱向分割方式相反，橫向分割傳感芯片成 為兩個區(qū)域；同時兩只鏡頭平行于被檢測屏幕101的表面安裝。圖8則是最簡單的橫 向分割的結(jié)構(gòu)，是使用線陣結(jié)構(gòu)的光電傳感器時的基本實施結(jié)構(gòu)。線陣光電傳感器可 以看作是寬度(垂直)方向像素為1的特殊圖像傳感器，如1X4096的線陣，無法縱 向分割，只能橫向陣劃分為左右兩個部分，分別與鏡頭801、 802代表的兩個光路相對 應(yīng)。因為觸摸物在顯示表面法線方向的尺寸、形狀和成像，并不影響觸摸物的捕捉， 因此可以使用線陣傳感器。
上述實施例所給出的本發(fā)明實施的基本結(jié)構(gòu)方案，不包含如光路、鏡頭設(shè)計等現(xiàn) 有技術(shù)的內(nèi)容，也沒有給出原理相同的但光通道數(shù)量多于兩路的實施方案，以及單套 的兩條光路的成像系統(tǒng)沒有完全覆蓋整個顯示屏幕，而采用更多套雙路成像系統(tǒng)來覆 蓋整個顯示屏幕而實現(xiàn)觸摸檢測功能的技術(shù)方案，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于 上述的基本結(jié)構(gòu)方案。
權(quán)利要求
1.一種用于觸摸屏的圖像傳感裝置，包含有由圖像傳感芯片和光學(xué)成像系統(tǒng)構(gòu)成的圖像傳感器，以及用于控制圖像傳感器工作和處理圖像傳感器接收到的信號的控制處理單元，安裝在被檢測屏幕的邊緣，其特征在于所述光學(xué)成像系統(tǒng)至少有兩路，包含至少兩個由凸凹透鏡構(gòu)成的鏡頭，所述兩個鏡頭的物鏡互相分離，并且面向所述屏幕；所述的圖像傳感芯片有一片，所述至少兩路光學(xué)成像系統(tǒng)的成像，都投射在所述圖像傳感芯片的表面上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感裝置，其特征在于在所述光學(xué)成像系統(tǒng)包含有兩 條光路；在每一條光路上，都分別安裝有一個電子快門；所述電子快門被所述控制 處理單元控制、驅(qū)動而以互鎖的方式輪流開啟關(guān)閉。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像傳感裝置，其特征在于在所述的兩路光學(xué)成像系統(tǒng)的 光路上，安裝有一面反射鏡和一面半反射/透射鏡，反射鏡的反射面與反射/透射鏡 的反射面相對安裝；所述光學(xué)成像系統(tǒng)中的一路，其光路通過所述反射鏡反射面和 反射/透射鏡的反射面，通過該光路的光線，被兩次反射后，到達(dá)所述圖像傳感芯片 的表面；在所述的兩路光學(xué)成像系統(tǒng)的另一路，其光路通過所述反射/透射鏡的透射 面，通過該光路的光線通過所述反射/透射鏡，到達(dá)所述圖像傳感芯片的表面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像傳感裝置，其特征在于在所述兩路光學(xué)成像系統(tǒng)的光 路中，還包含有另外用于改變光線傳播方向的反射鏡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像傳感裝置，其特征在于在所述光學(xué)成像系統(tǒng)包含有兩 條光路；所述圖像傳感芯片被劃分為與光學(xué)成像系統(tǒng)的通路的數(shù)量相同數(shù)量的圖像 傳感區(qū)域，所述的兩路光學(xué)成像系統(tǒng)的成像，分別映射在這兩個區(qū)域上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的圖像傳感裝置，其特征在于在所述的圖像傳感芯片的 前方安裝有兩個鏡頭，其成像映射在圖像傳感芯片表面每個鏡頭所對應(yīng)的、被設(shè)定 的感光區(qū)域上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的圖像傳感裝置，其特征在于所述圖像傳感芯片的兩個區(qū)域 的前方，分別安裝有兩面反射鏡；通過所述兩條光路中的鏡頭的光線被所述兩個反 射鏡反射后，分別映射在這兩個區(qū)域上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4或7所述的圖像傳感裝置，其特征在于所述兩條光路中的每一條 都包含有兩個鏡頭；其中的第一個鏡頭安裝在所述被檢測屏幕的邊緣，其成像位置 安裝有一塊成像屏；第二個鏡頭的物鏡面對著第一個鏡頭的成像屏。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像傳感裝置，其特征在于所述兩條光路中的兩個鏡頭中， 所述的第一個鏡頭是廣角鏡頭，第二個是鏡頭是長焦鏡頭。
10. 根據(jù)權(quán)利要求4或7所述的圖像傳感裝置，其特征在于所述兩條光路中的每一條 都包含有一個鏡頭和一個凸面反射鏡；所述的凸面反射鏡安裝在所述被檢測屏幕邊 緣，反射面面對著被檢測屏幕；第二個鏡頭的物鏡面對著所述反射鏡的反射面。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l、 5或7所述的圖像傳感裝置，其特征在于所述圖像傳感器是寬度 方向像素為1的線陣光電傳感器；所述線陣光電傳感器被劃分為左右兩個部分，分 別與所述的兩個光路相對應(yīng)。
全文摘要
一種用于觸摸屏的圖像傳感裝置，包含有由圖像傳感芯片和光學(xué)成像系統(tǒng)構(gòu)成的圖像傳感器，安裝在被檢測的屏幕的邊緣。本發(fā)明可以使用面陣或線陣圖像傳感器，其中包含有使用凸凹透鏡構(gòu)成的鏡頭以及必要的反射鏡構(gòu)成的兩路光學(xué)成像系統(tǒng)，兩個鏡頭互相分離并且面向所述屏幕，從而利用立體攝像的功能實現(xiàn)對觸摸物的定位。在本發(fā)明中，兩路光學(xué)成像系統(tǒng)利用互鎖的電子快門，實現(xiàn)不同光路在同一傳播路徑上的分時復(fù)用，或者通過利用獨立的光路實現(xiàn)分區(qū)復(fù)用，成像在一片圖像傳感芯片的表面。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)減少了硬件的數(shù)量，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。同時單攝像頭的結(jié)構(gòu)也減小了整個裝置所占用的安裝空間。
文檔編號G06F3/041GK101369202SQ200810110419
公開日2009年2月18日 申請日期2008年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月2日
發(fā)明者劉中華, 劉建軍, 劉新斌, 葉新林 申請人:北京匯冠新技術(shù)有限公司