影像感測器及具有該影像感測器之光學觸控系統

专利摘要:
一種影像感測器包含複數個感光元件。該等感光元件排列成複數行和複數列，其中該影像感測器產生之一平場影像中，各像素行之一亮度標準差大於任一像素列之一亮度標準差，或各像素列之一亮度標準差大於任一像素行之一亮度標準差。
公开号:TW201308167A
申请号:TW101127930
申请日:2012-08-03
公开日:2013-02-16
发明作者:Chih-Hsin Lin；Tzung-Min Su；Ming-Tsan Kao
申请人:Pixart Imaging Inc；
IPC主号:G06F3-00

专利说明:
影像感測器及具有該影像感測器之光學觸控系統
本發明係關於一種影像感測器及使用影像感測器之光學觸控系統。
在光學式觸控系統中，物件之位置的計算方法是以影像感測器擷取一影像，分析影像中物件影像之位置，之後根據物件影像之位置和光學式觸控系統之部分幾何尺寸計算物件座標。
美國專利公告號第4,782,328號揭示一種光學式觸控螢幕系統。該光學式觸控螢幕系統包括兩感測器，兩感測器用於擷取在觸控螢幕區域上之物件之影像。處理器耦接兩感測器，藉由分析兩感測器所產生之影像，決定出分別連接物件與兩感測器之感測線(sensing path)。處理器再根據感測路線計算出物件之位置座標。
美國專利第7689381 B2號揭示一種光學式觸控螢幕系統，其包括一反射鏡、兩光源、一影像感測器與一處理器。反射鏡和兩光源設置在觸控區域周邊，反射鏡用於產生物件之一鏡像。影像感測器用於產生物件之影像與鏡像之影像。處理器分析通過物件之影像之感測路線與通過鏡像之影像之感測路線，以及根據兩感測路線計算出物件之座標。
通常，在光學式觸控系統中，背景光強度不易控制均勻。為準確分析物件影像範圍，需在進行分析前，消除背景光不均勻的影響。一般的作法是預先儲存一背景影像，在獲取影像後，將影像與背景影像相減，然後再進行物件影像範圍分析。為此，光學式觸控系統必須一直儲存著背景影像，如此會佔據相當的記憶體空間。此外，背景光之分佈也會改變，故背景影像常需更新，造成光學式觸控系統處理負荷。另外，將影像與背景影像相減，分析相減影像內物件影像之邊界位置，根據邊界位置計算物件座標等步驟需要相當的計算時間，耗費相當的電能。為使光學式觸控系統達到一定的反應速度，光學式觸控系統必須使用較快的系統時脈。
本發明之一方面係提供一種觸控光學系統，該系統無需儲存背景影像，以計算一物件影像。
本發明之一方面係提供一種觸控光學系統，該系統無需利用背景影像，來計算一物件影像。
本發明之一方面係提供一種觸控光學系統，該系統可使用較低的系統時脈。
本發明之一方面係藉由分析影像之標準差，來決定物件影像。
本發明一實施例提供一種影像感測器，其包含複數個感光元件。該等感光元件排列成複數行和複數列，其中在該影像感測器產生之一平場影像中，各像素行之一亮度標準差大於任一像素列之一亮度標準差，或各像素列之一亮度標準差大於任一像素行之一亮度標準差。
本發明另一實施例揭露一種影像感測器，其包含複數個感光元件。該等感光元件排列成複數行和複數列，其中在同一行或同一列的多個感光像素至少具有二種不同的感光參數。
本發明一實施例揭露一種光學觸控系統，其包含一觸控表面和一影像感測器。影像感測器用於擷取在該觸控表面上之一物件之一影像，以計算該物件之座標。影像感測器包含複數個感光元件。該等感光元件排列成複數行和複數列，其中在包含該物件之該影像之一影像中至少一像素行或列的亮度標準差大於未包含該物件之該影像之一影像中至少一像素行或列的亮度標準差。
本發明另一實施例揭露一種光學觸控系統，其包含一觸控表面、一影像感測器，以及一計算裝置。影像感測器用於擷取在觸控表面上之一物件之一影像。影像感測器包含複數個感光元件，複數個感光元件排列成複數行和複數列。各感光元件可產生一電子信號。計算裝置選擇物件之影像之範圍內之至少一行之感光元件，其中該至少一行之感光元件所產生之電子信號的分佈小於一門檻值。
上文已經概略地敍述本揭露之技術特徵及優點，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵及優點將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應可瞭解，下文揭示之概念與特定實施例可作為基礎而相當輕易地予以修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應可瞭解，這類等效的建構並無法脫離後附之申請專利範圍所提出之本揭露的精神和範圍。
圖1顯示本發明一實施例之影像感測器11之示意圖。影像感測器11包含複數個感光元件111，複數個感光元件111沿列(row)方向12與行(column)方向13排列，排列成複數行和複數列。感光元件111受光照時，可產生一電子信號。影像感測器11被建構以當影像感測器11擷取均勻照射區域產生之平場影像(flat field image)，一部分感光元件111與另一部分感光元件111會產生明顯不同數量的電子。明顯不同數量的電子之差異係指數量之差異大過因雜訊而產生之差異。由於有兩部分之感光元件111會產生明顯不同數量的電子，造成該等感光元件111所擷取電子信號會有明顯的大小分佈，從而依該等電子信號所產生之平場影像有明顯的明暗分佈，使所產生平場影像具有高的亮度標準差。當兩部分之感光元件111被遮蓋，擷取一暗影像時，兩者產生之電子數量差異不明顯，即該差異不大於因雜訊而產生之差異，使得影像感測器11產生之暗影像不會有高的亮度標準差。
在部分實施例中，影像感測器11所產生之影像之個別像素係由複數個感光元件111以加權平均或其他平均方式所計算而得。而本發明之物件判斷方法係可由各感光元件111所感測電子信號進行大小分佈的差異比對，或對所產生影像進行明暗分佈的差異比對。在其他實施例中，亦可先將所感測之電子信號進行前處理後，再進行大小分佈的差異性比對。
圖2顯示本發明一實施例之影像感測器11所產生之平場影像2之示意圖。圖3顯示本發明一實施例之在一平場影像2中兩像素列21和22之亮度值。參照圖1至圖3所示，在一實施例中，影像感測器11產生一平場影像2，平場影像2包含複數第一像素列21和至少一第二像素列22，其中第一像素列21內之複數個像素之亮度值31高於至少一第二像素列22內之複數個像素之亮度值32。
圖4顯示本發明一實施例之在影像感測器11所產生之一平場影像中一像素行23內之複數個像素之亮度值。參照圖2與圖4所示，在一實施例中，平場影像包含複數第一像素列21和複數第二像素列22，其中第一像素列21內之複數個像素之亮度值31高於第二像素列22內之複數個像素之亮度值32。複數第一像素列21和複數第二像素列22可交錯排列，使得各像素行23內之複數個像素所擷取之亮度值呈現如圖4般鋸齒狀分佈。
在一實施例中，複數第一像素列21和複數第二像素列22可具相同或不同的數量，而且複數第一像素列21和複數第二像素列22係交錯排列。
在一實施例中，複數第一像素列21或複數第二像素列22可相鄰排列。
圖5顯示本發明一實施例之在影像感測器11所產生之一平場影像2中複數像素行23與複數像素列21和22之亮度標準差值之示意圖。參照圖2至圖5所示，由於各行之感光元件111包含兩組在擷取均勻照射區域之影像時會產生明顯不同數量的電子之感光元件111，因此在平場影像2中，各像素行23內之像素會有高低差異明顯之亮度值。由於各像素行23內之像素之亮度值高低差異明顯，因此會計算出相當大之亮度標準差51。當擷取均勻照射區域之影像時，由於各列內之感光元件111所產生之電子數量差異不明顯，因此在平場影像2中，像素列22之亮度標準差會較小(以編號52標示)。
在前述之實施例中，影像感測器11之各行之感光元件111包含兩組會產生明顯不同數量的電子之感光元件111，而影像感測器11之各列內之感光元件111則會產生差異不明顯之電子數量，然而本發明不以此為限。在其他實施例中，影像感測器之各列內之感光元件可包含兩組會產生明顯不同數量的電子之感光元件，而影像感測器之各行之感光元件則會產生差異不明顯之電子數。
圖6顯示本發明一實施例之光學觸控系統1之示意圖。參照圖6所示，光學觸控系統1包含一觸控表面61、前述之影像感測器11、一計算裝置62和一投光裝置64。影像感測器11可擷取在觸控表面61上之物件63之影像。計算裝置62耦接影像感測器11，以分析物件63之物件影像位置，以及根據物件影像位置，計算物件63之座標。在一實施例中，光學觸控系統1可包含兩影像感測器11，兩影像感測器11分別用於擷取兩不同物件影像，藉兩物件影像計算出物件61之座標；而該投光裝置64包含一光源。在另一實施例中，投光裝置64包含一鏡元件。鏡元件產生物件63之物件鏡像。影像感測器11擷取物件61之物件影像和物件鏡像之影像，計算裝置62藉由物件影像和物件鏡像之影像計算物件63之座標。
圖7顯示本發明一實施例之一影像沿行方向之亮度標準差之分佈圖。參照圖6和圖7所示，當物件63放置於觸控表面61上時，物件63會遮住部分透向影像感測器11之光，而使影像感測器11所擷取之影像上會有物件63產生之遮蔽影像。計算裝置62會計算擷取之影像之複數像素行之亮度標準差。多數的像素行會具有高亮度標準差(編號71標示部分)，而部分鄰近像素行會具有低亮度標準差(編號72標示部分)，而其中物件影像即在該些部分鄰近像素行所在位置。因此，光學觸控系統1只要找出新擷取之影像中，存在低亮度標準差之像素行，即可決定出物件影像在影像上之位置。
一般而言，可將亮度標準差低於一門檻值之像素行視為該物件63所產生之遮蔽影像，或者將低於所有亮度標準差的平均達一定程度(例如低於該平均的一半)之像素行視為該物件63所產生之遮蔽影像。進一步可在超過一預定數目(例如三行)之相鄰像素行的亮度標準差皆低於一門檻值才將該些像素行視為該物件63所產生之遮蔽影像。
與習知光學觸控系統之物件影像分析方法比較，本發明例示之方法係直接計算影像之亮度標準差，然後從亮度標準差分佈之差異中，找出物件影像。本發明例示之方法無需使用預存之背景影像，故可節省儲存背景影像所需之記憶體空間，再者，本發明例示之方法無需將擷取之影像與背景影像相減，減少計算步驟，節省計算物件座標所需消耗電能。由於計算步驟較少，可使光學觸控系統1使用較低系統時脈。
使各行之感光元件111包含兩組會產生明顯不同數量的電子之感光元件111之方法很多。以下枚舉數個範例，但本發明不以這些範例為限，其他類似方法也可適用本發明。
圖8顯示本發明一實施例之影像感測器11'示意圖。參照圖8所示，在影像感測器11'中，各列之感光元件具有類似有效光收集面積之感光元件，而各行之感光元件包含複數個感光元件111a和複數個感光元件111b，其中感光元件111a和感光元件111b具有不同的有效光收集面積(effective light collecting area)。感光元件111a和感光元件111b在相同強度的光照下會明顯產生不同數量的電子。在一實施例中，感光元件111a和感光元件111b係交錯排列。在另一實施例中，各列之感光元件具有兩組不同有效光收集面積之感光元件，而各行之感光元件具有相同有效光收集面積之感光元件。
圖9顯示本發明一實施例之影像感測器11之功能方塊示意圖。參照圖9所示，影像感測器11可包含一感光元件陣列110、一解碼器112、一放大器和閂鎖器113和一記憶體114。感光元件陣列110包含複數陣列排列之感光元件111。解碼器112和放大器和閂鎖器113耦接感光元件陣列110，作為像素讀取(pixel readout)。記憶體114可包含複數個不同曝光時間，其中各曝光時間運用在對應之部分感光元件111，如此便可產生大亮度標準差之平場影像。在一實施例中，記憶體114可包含兩不同曝光時間，其中兩不同曝光時間可交替運用在複數行之感光元件。在另一實施中，記憶體114可包含兩不同曝光時間，其中兩不同曝光時間可交替運用在複數列之感光元件。
圖10顯示本發明一實施例之一影像感測器11與一光學元件101之示意圖。參照圖10所示，影像感測器11可另包含一光學元件101，光學元件101設置於影像感測器11之入光面上。光學元件101可包含複數具不同透光率之部分1011和1012，複數具不同透光率之部分1011和1012可使透過光學元件101而抵達感光元件111之光，具有高亮度標準差。在一實施例中，複數具不同透光率之部分1011和1012可沿一行方向上呈交錯方式安排。在另一實施例中，複數具不同透光率之部分1011和1012可沿一列方向上呈交錯方式安排。
一般而言，有兩個因素影響影像感測器11之光敏感度(light sensitivity)。一是使用的材料(製程技術)或感光元件之形式(photo detector type)；二是感光元件之幾何安排(geometric arrangement)和感光元件與光學組件間之相對位置。前者會影響量子效率(quantum efficiency)；而後者會影響光學效率(optical efficiency)。藉由調整感光元件之量子效率或光學效率，亦可達到產生具亮度標準差之平場影像。影像感測器11中之許多層的摻雜、薄膜層的材料和保護層(passivation layer)等均會影響量子效率，因此改變前述製程條件，可調整感光元件之量子效率。在一實施例中，在影像感測器11中，各行之感光元件包含兩組量子效率或光學效率不同的感光元件。在另一實施例中，各列之感光元件包含兩組量子效率或光學效率不同的感光元件。
如圖8至圖10之實施例，使各行或各列之感光元件可具有二種不同的感光參數(例如：曝光時間、感光能力或有效光收集面積)，如此影像感測器11可產生高亮度標準差之平場影像，其中感光能力可包含量子效率或光學效率。
圖11顯示本發明另一實施例之光學觸控系統1'之示意圖。圖12顯示本發明一實施例之光學觸控系統1'所產生之影像120之示意圖。參照圖11所示，光學觸控系統1'包含至少一影像感測器1101、一計算裝置62和一投光裝置64。至少一影像感測器1101耦接計算裝置62。至少一影像感測器1101可為普通影像感測器。投光裝置64向觸控表面61投光。在一實施例中，光學觸控系統1'包含兩影像感測器1101，而投光裝置64包含光源。在另一實施例中，光學觸控系統1'包含一影像感測器1101，而投光裝置64包含一鏡元件。
當物件63移近觸控表面61時，影像感測器1101可擷取出如圖12之影像120。計算裝置62以下列方程式(1)計算影像120中所有像素行之亮度標準差。
其中，表第p像素行之亮度標準差，N為第p列之像素數，為第p行第i個像素之亮度值，為第p像素列之平均亮度。
當亮度標準差計算完成後，計算裝置62會比較各像素行之亮度標準差與一門檻值T1，決定是否有物件63接觸觸控表面61，其中比較是根據下列方程式(2)來進行判斷。在此實施例中，該影像感測器1101的所有感光元件以及對應的光學元件具有相同特徵，亦即該影像感測器1101在擷取一個均勻光線的背景時所產生影像的所有像素行皆會具有較低的亮度標準差，而當該影像感測器1101在擷取包含該物件63的影像時，對應該物件63的部分像素行即會產生較高的亮度標準差，因此可將亮度標準差高於一預定門檻值之像素行視為該物件63的遮蔽影像。
在一實施例中，門檻值T1可以是一預設值。
在一實施例中，門檻值T1可由下列方程式(3)決定。
其中為在一背景影像中第p像素行之亮度標準差；Th2為一比例值，例如：0.5。
在一實施例中，參照圖6所示，計算裝置62可選擇物件63之影像範圍內之至少一行或列之感光元件111，分析該至少一行或列之感光元件111所產生之電子信號的分佈，然後比較該電子信號的分佈與一門檻值。由於各行或列之感光元件111被設計成在相同光照條件下，會產生不同強弱之電子信號，藉此偵測物件，因此各行或列之感光元件111在相同光照條件下會產生大於一門檻值之電子信號分佈；而因為受物件63遮蔽的影響，使得物件63之影像範圍內之至少一行或列之感光元件111產生之電子信號差異變小，讓該至少一行或列之感光元件111電子信號的分佈會小於該門檻值。
參照圖12所示，在影像120中，部分像素構成物件影像121，且該部分像素之亮度值與物件影像121以外之像素亮度值有相當的差距，因此包含構成物件影像121之像素之一像素行(例如：第q行)之亮度標準差會較未包含構成物件影像121之像素之一像素行(例如：第r行)之亮度標準差為大或未包含物件影像121之影像之一像素行之亮度標準差為大。藉由門檻值T1可將包含構成物件影像121之像素之像素行找出，如此便可判斷是否有物件63接觸觸控表面61。圖11之光學觸控系統1'亦僅需計算新影像之亮度標準差，然後藉由亮度標準差之差異判斷是否有物件接觸觸控表面。光學觸控系統1'無需儲存背景影像，也無需進行新影像與背景影像相減之計算，故其需較少計算量。
本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本揭露之教示及揭示而作種種不背離本揭露精神之替換及修飾。因此，本揭露之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本揭露之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
1‧‧‧光學觸控系統
1'‧‧‧光學觸控系統
2‧‧‧平場影像
11‧‧‧影像感測器
11'‧‧‧影像感測器
12‧‧‧列方向
13‧‧‧行方向
21‧‧‧像素列
22‧‧‧像素列
23‧‧‧像素行
31‧‧‧亮度值
32‧‧‧亮度值
51‧‧‧亮度標準差
52‧‧‧亮度標準差
61‧‧‧觸控表面
62‧‧‧計算裝置
63‧‧‧物件
64‧‧‧投光裝置
71‧‧‧高亮度標準差之部分
72‧‧‧低亮度標準差之部分
101‧‧‧光學元件
110‧‧‧感光元件陣列
111‧‧‧感光元件
111a‧‧‧感光元件
111b‧‧‧感光元件
112‧‧‧解碼器
113‧‧‧放大器和閂鎖器
114‧‧‧記憶體
120‧‧‧影像
121‧‧‧物件影像
1101‧‧‧影像感測器
1011‧‧‧光學元件之部分
1012‧‧‧光學元件之部分
圖1顯示本發明一實施例之影像感測器之示意圖；圖2顯示本發明一實施例之平場影像之示意圖；圖3顯示本發明一實施例之在影像感測器11所產生之一平場影像2中兩像素列之亮度值；圖4顯示本發明一實施例之在影像感測器所產生之一平場影像中一像素行之亮度值；圖5顯示本發明一實施例之在影像感測器所產生之一平場影像中複數像素行與複數像素列之亮度標準差值之示意圖；圖6顯示本發明一實施例之光學觸控系統之示意圖；圖7顯示本發明一實施例之一影像沿行方向之亮度標準差之分佈圖；圖8顯示本發明一實施例之影像感測器示意圖；圖9顯示本發明一實施例之影像感測器之功能方塊示意圖；圖10顯示本發明一實施例之一影像感測器與一光學元件之示意圖；圖11顯示本發明另一實施例之光學觸控系統之示意圖；以及圖12顯示本發明一實施例之影像之示意圖。
1‧‧‧光學觸控系統
11‧‧‧影像感測器
61‧‧‧觸控表面
62‧‧‧計算裝置
63‧‧‧物件
64‧‧‧投光裝置

权利要求:
Claims (23)
[1] 一種影像感測器，包含複數個感光元件，該等感光元件排列成複數行和複數列，其中在該影像感測器產生之一平場影像中，各像素行之一亮度標準差大於任一像素列之一亮度標準差，或各像素列之一亮度標準差大於任一像素行之一亮度標準差。
[2] 根據請求項1所述之影像感測器，其中各行或各列之感光元件包含兩組有效光收集面積不同的感光元件。
[3] 根據請求項2所述之影像感測器，其中該兩組之感光元件係交錯排列。
[4] 根據請求項1所述之影像感測器，其中各行或各列之感光元件包含兩組曝光時間不同的感光元件。
[5] 根據請求項4所述之影像感測器，其中該兩組之感光元件係交錯排列。
[6] 根據請求項1所述之影像感測器，其中各行或各列之感光元件包含兩組量子效率或光學效率不同的感光元件。
[7] 根據請求項6所述之影像感測器，其中該兩組之感光元件係交錯排列。
[8] 根據請求項1所述之影像感測器，其更包含一光學元件，該光學元件設置於該影像感測器之入光面上，其中該光學元件之透光率在該等感光元件之一行方向或一列方向上呈交錯之方式變化。
[9] 一種影像感測器，包含複數個感光元件，該等感光元件排列成複數行和複數列，其中在同一行或同一列的多個感光像素至少具有二種不同的感光參數。
[10] 根據請求項9所述之影像感測器，其中該感光參數包含感光時間、感光能力或有效光收集面積。
[11] 根據請求項10所述之影像感測器，其中該感光能力包含量子效率或光學效率。
[12] 根據請求項10所述之影像感測器，其中在同一行或同一列中，具有該二種不同的感光參數的多個感光像素係交錯排列。
[13] 一種光學觸控系統，包含：一觸控表面；以及一影像感測器，用於擷取在該觸控表面上之一物件之一影像，以計算該物件之座標，該影像感測器包含複數個感光元件，該等感光元件排列成複數行和複數列，其中在包含該物件之該影像之一影像中至少一像素行或列的亮度標準差小於未包含該物件之該影像之一影像中至少一像素行或列的亮度標準差。
[14] 根據請求項13所述之光學觸控系統，其中包含該物件之該影像之該影像中之該至少一像素行或列的亮度標準差小於一門檻值。
[15] 根據請求項14所述之光學觸控系統，其中該門檻值係根據一背景影像之一像素行或列所決定。
[16] 根據請求項13所述之光學觸控系統，其更包含一投光裝置，其中該投光裝置向該觸控表面投光。
[17] 根據請求項13所述之光學觸控系統，其中該投光裝置包含一光源或一鏡元件。
[18] 一種光學觸控系統，包含：一觸控表面；一影像感測器，用於擷取在該觸控表面上之一物件之一影像，該影像感測器包含複數個感光元件，該等感光元件排列成複數行和複數列，各感光元件產生一電子信號；以及一計算裝置，選擇該物件之該影像之範圍內之至少一行之該感光元件，其中該至少一行之該感光元件所產生之電子信號的分佈小於一門檻值。
[19] 根據請求項18所述之光學觸控系統，其中不在該物件之該影像之範圍內之任一行之該感光元件所產生之電子信號的分佈大於該門檻值。
[20] 根據請求項18所述之光學觸控系統，其中各行之感光元件包含兩組有效光收集面積不同的感光元件。
[21] 根據請求項18所述之光學觸控系統，其中各行之感光元件包含兩組曝光時間不同的感光元件。
[22] 根據請求項18所述之光學觸控系統，其中各行之感光元件包含兩組量子效率或光學效率不同的感光元件。
[23] 根據請求項18所述之光學觸控系統，其更包含一光學元件，該光學元件設置於該影像感測器之入光面上，其中該光學元件之透光率在該等感光元件之一行方向上呈交錯之方式變化。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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TWI464652B|2014-12-11|

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法律状态:
2021-09-11| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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TW100127925||2011-08-05||

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TW101127930A|TWI464652B|2011-08-05|2012-08-03|影像感測器及具有該影像感測器之光學觸控系統|TW101127930A| TWI464652B|2011-08-05|2012-08-03|影像感測器及具有該影像感測器之光學觸控系統|