台湾专利TW201312425A 光學觸控模組

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专利摘要:
一種光學觸控模組，其中包括透明基板及兩組光處理單元。透明基板包括觸控表面、平行於觸控表面之下表面及環周側表面，環周側表面連接觸控表面與下表面。兩組光處理單元分別設置在透明基板之兩個相鄰之角隅處，各光處理單元具有光源及偵測單元。光源具有出光面，且偵測單元具有入光面，光源之出光面及偵測單元之入光面均朝向環周側表面，且各光處理單元位於觸控表面下方位置。
公开号:TW201312425A
申请号:TW100133236
申请日:2011-09-15
公开日:2013-03-16
发明作者:Wen-Chun Wang；Jyh-Yeuan Ma；Chong-Yang Fang；Tsung-Yen Hsieh
申请人:Wintek Corp；
IPC主号:G06F3-00

专利说明:
光學觸控模組
本發明是有關於一種光學觸控模組及應用其之觸控式顯示器，且特別是有關於一種將光線投射並傳輸於透明基板中，並藉由光線之全反射與否來實現光學觸控模組的光學觸控模組及應用其之觸控式顯示器。
在科技發展日新月異的今天，觸控式顯示器已廣泛地被應用在各種電子產品中。一般觸控式顯示器可分為電阻式、電容式及光學式觸控顯示面板。以光學式觸控面板的情況來說，多半需設置發光源及影像感測器。其中當使用者於觸控範圍觸發觸控事件時，此觸控點因阻擋光線之進行，如此影像感測器感測影像中對應此觸控點位置之暗點。而後，根據此暗點位於感測影像之位置可計算出觸控點與影像感測器之連線對應觸控面板邊緣之角度，加上影像感測器間之距離為已知，即能以三角定位法計算觸控點相對顯示面板的座標。
然而，由於傳統光學式觸控模組之影像感測器為擷取觸控範圍之感測影像，其光源及影像感測器的設置位置係高於觸控面板之一觸控表面，致使無法實現觸控面板之表面為全平面之觸控顯示面板。據此，如何可有效地設計出全平面之光學觸控模組，乃業界不斷致力的方向之一。
本發明係有關於一種光學觸控模組及應用其之觸控式顯示器。本發明相關之光學觸控模組包括透明基板，其中透明基板係具有觸控表面、下表面及連接觸控表面及下表面之環周側表面。本發明相關之光學觸控模組更包括兩組光處理單元，分別設置在透明基板之兩個相鄰之角隅處，各光處理單元具有光源及偵測單元。光源具有出光面，且並經由出光面投射光線至透明基板中，使光線經由全反射機制傳遞於透明基板中；光線更因使用者觸控操作而中斷。偵測單元具有入光面，經由出光面偵測因使用者控制操作而中斷之全反射光線，藉此對觸發於觸控表面之觸控操作進行偵測操作。經由兩組光處理單元之偵測操作，本發明相關之光學觸控模組可經由三角定位法找出此使用者觸控操作之位置。據此，相較於傳統光學觸控模組，本發明相關之光學觸控模組具有可對應地將光源及偵測單元配置於與傾斜表面及導角表面鄰近之位置及具有全平面結構之優點。
根據本發明提出一種光學觸控模組，其中包括透明基板及兩組光處理單元。透明基板包括觸控表面、平行於觸控表面之下表面及環周側表面，環周側表面連接觸控表面與下表面。兩組光處理單元分別設置在透明基板之兩個相鄰之角隅處，各光處理單元具有光源及偵測單元。光源具有出光面，且偵測單元具有入光面，光源之出光面及偵測單元之入光面均朝向環周側表面，且各光處理單元位於觸控表面下方位置。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參照第1圖，其繪示應用本發明實施例之觸控式顯示器的方塊圖。舉例來說，觸控式顯示器1中包括顯示面板10及光學觸控模組20。光學觸控模組20設置於顯示面板10上，其中包括透明基板300及兩組光處理單元。舉例來說，透明基板300係以聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)材料來實現。
請參照第2A-2D圖，其分別繪示乃第1圖之透明基板300的立體圖、透明基板300的俯視圖、沿第2B圖之剖面線A-A'之剖面圖及沿第2B圖之剖面線B-B'之剖面圖。透明基板300包括觸控表面SU、下表面SB及環周側表面，其中觸控表面SU及下表面SB相互平行，並與環周側表面相連接。
此兩組光處理器分別設置在透明基板300之兩個相鄰之角隅處，例如是端角C1及C2上，且各個光處理單元具有一光源及一偵測單元。舉例來說，第一光處理單元包括光源310及偵測單元320，而第二光處理單元包括光源312及偵測單元322。
對於第一光處理器來說，光源310具有出光面L1，且偵測單元320具有入光面，光源310之出光面及偵測單元320之入光面均朝向環周側表面，且第一及第二光處理單元設置位置低於觸控表面SU。第二光處理器中之光源312及偵測單元322與第一光處理器中之光源310及偵測單元320具有相似之結構，於此並不再對其進行贅述。
舉例來說，環周側表面包括側面SS1-SS4、端角C1及C2。側面SS1與側面SS2及SS4相互垂直，並與側面SS3相互平行，側面SS2及SS4亦相互平行。側面SS2、SS3及SS4包括反射結構。舉例來說，側面SS2至SS4上之反射結構可為微菱鏡結構或為粗糙面結構，用以部份反射入射至其上的光線。
請參照第2B圖所示，端角C1與側面SS1及SS2相鄰，端角C1連接於觸控表面SU及下表面SB之間，且端角C1更包括導角表面SA1及傾斜表面ST1。更進一步言之，導角表面SA1一側連接觸控表面SU，且導角表面SA1垂直於觸控表面SU；導角表面SA1另一側連接傾斜表面ST1一側；另外，如第2C圖所示，傾斜表面ST1另一側連接下表面SB，且兩者之間具有傾斜角θ，傾斜角θ係對應至透明基板300之全反射臨界角。舉例來說，傾斜角θ為透明基板300之材質與空氣介質間的全反射臨界角。在一個操作實施例中，透明基板300之材質及空氣介質的折射率分別為1.49及1，而其間對應之全反射臨界角為42.15度。
請參照第2D圖所示，端角C2與側面SS1及SS4相鄰，其上更包括導角表面SA2及傾斜表面ST2。導角表面SA2及傾斜表面ST2具有與導角表面SA1及傾斜表面ST1相同的結構，於此不多贅述。
光源310與傾斜表面ST1鄰近，並以傾斜表面ST1做為入光面，投射光線L1至透明基板300中。光源310例如為點光源配合折射性光學元件或是繞射性光學元件(如微透鏡結構)，以提供光線佈滿整個透明基板300的側面SS2-SS4；或者，光源310本身即是具有一發散角度的光源，例如是具有90度的發散角度，也可以提供光線來佈滿整個透明基板300的側面SS2-SS4。利用端角C1上的結構，光源310可被限制於透明基板300的下方，而非凸出於觸控表面SU之上。舉例來說，光源310所投射之光線L1係經由與傾斜表面ST1垂直之角度投射至透明基板300中，而光線L1在進入透明基板300後，亦經由傾斜角θ投射至觸控表面SU，使得光線L1可經由全反射機制傳遞於透明基板300中。舉例來說，光源310投射之光線L1可經由如第3A及3B圖之方式，傳遞於透明基板300中。
光源312與傾斜表面ST2鄰近，並以傾斜表面ST2做為入光面，投射光線L2至透明基板300中。光源312亦例如為點光源，以提供光線來佈滿整個透明基板300的側面SS2-SS4。對應地利用端角C2上的結構，光源312可被限制於透明基板300的下方，而非凸出於觸控表面SU之上。舉例來說，光源312所投射之光線L2係經由與傾斜表面ST2垂直之角度投射至透明基板300中，而相似於光線L1，光線L2在進入透明基板300後亦可經由全反射機制傳遞於透明基板300中。
請參照第2A、3A、3B及4圖所示，當手指觸碰於觸控表面SU上之觸控位置P時，手指本身所俱有之光線吸收及反射特性將破壞光線L1及L2於觸碰觸控位置P上之全反射傳輸機制，使得光線L1對應地經由觸控位置P在側面SS3及SS4上投影得到如第4圖所示之亮度分佈，其中斜線區域係為對應至觸控位置P而產生的暗部圖案。相似地，光線L2亦對應地經由觸控位置P在側面SS2及SS3上投影得到類似之亮度分佈。
請再參照第1圖所示，偵測單元320與導角表面SA1鄰近，並以導角表面SA1做為出光面，偵測前述亮度分佈產生亮度偵測訊號LP1。舉例來說，偵測單元320為感光元件，例如是電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)感光元件，其係經由導角表面SA1拍攝透明基板300內光線L1產生的亮度分佈，並產生亮度偵測訊號LP1。舉例來說，亮度偵測訊號LP1為從偵測單元320所處之位置看向側面SS3及SS4方向之影像。
相似地，偵測單元322與導角表面SA2鄰近，並以導角表面SA2做為出光面，偵測前述亮度分佈產生亮度偵測訊號LP2。舉例來說，偵測單元322係經由導角表面SA2拍攝透明基板300內光線L2產生的亮度分佈，並產生亮度偵測訊號LP2。舉例來說，亮度偵測訊號LP2為從偵測單元322所處之位置看向側面SS2及SS3方向之影像。
處理器330耦接至偵測單元320及322，並回應於偵測單元320及322記錄之亮度偵測訊號LP1及LP2找出觸控位置P之相對位置資訊。
對於本實施例之光學觸控模組20來說，透明基板300之厚度與光線L1及L2之全反射次數相關。當透明基板300之厚度越厚時，光線L1及L2之全反射次數對應地較少，使得光學觸控模組20對應地具有較低之觸控偵測解析度。據此，設計者可降低透明基板300的厚度，使本實施例之光學觸控模組20對應地具有較高之觸控偵測解析度。
在本實施例中，雖僅以透明基板300以PMMA材料來實現的情形為例做說明，然，本實施例之光學觸控模組並不侷限於此，而更可以其他透明材料來視線。舉例來說，本實施例之透明基板300更可以聚碳酸脂樹脂(Polycarbonate，PC)材料來實現。
在本實施例中，雖僅以透明基板300具有如第2A圖所示之結構的情形為例作說明，然，本實施例之透明基板不侷限於此。在其他例子中，透明基板300'亦可具有如第5圖及第6圖所示之結構。進一步來說，環周側表面於兩個角隅處分別對應至端角C1'及C2'，其中端角C1'及C2'連接於觸控表面SU及下表面SB之間。
進一步來說，端角C1'及C2'僅分別包括導角表面SA1'及SA2'，其之一側連接觸控表面SU，其相對於觸控表面SU的另一側連接下表面SB，且導角表面SA1'及SA2'垂直於觸控表面SU。此兩組光處理單元其中一者(例如是包括光源310及偵測單元320之光處理單元)係對應至導角表面SA1'，且其中光源310的出光面及偵測單元320的入光面係朝向導角表面SA1'。此兩組光處理單元其中另一者(例如是包括光源312及偵測單元322之光處理單元)係對應至導角表面SA2'，且其中光源312的出光面及偵測單元322的入光面係朝向導角表面SA2'。較佳地，各該光源310、312的出光面係與對應的導角表面SA1'、SA2'形成一夾角θ’，且夾角θ’為透明基板300’之材質與空氣介質間的全反射臨界角，使得光線L1可經由全反射機制傳遞於透明基板300中。
本實施例之光學觸控模組包括透明基板，其中透明基板係具有觸控表面、下表面及連接觸控表面及下表面之環周側表面。本實施例之光學觸控模組更包括兩組光處理單元，分別設置在透明基板之兩個相鄰之角隅處，各光處理單元具有光源及偵測單元。光源具有出光面，且並經由出光面投射光線至透明基板中，使光線經由全反射機制傳遞於透明基板中；光線更因使用者觸控操作而中斷。偵測單元具有入光面，經由出光面偵測因使用者控制操作而中斷之全反射光線，藉此對觸發於觸控表面之觸控操作進行偵測操作。經由兩組光處理單元之偵測操作，本實施例之光學觸控模組可經由三角定位法找出此使用者觸控操作之位置。據此，相較於傳統光學觸控模組，本實施例之光學觸控模組具有可對應地將光源及偵測單元配置於與傾斜表面及導角表面鄰近之位置，且各光處理單元位於觸控表面下方位置，因而具有全平面結構之優點。
再者，請參照第7圖所示，其揭示本發明之觸控式顯示器另設有輔助偵測單元之示意圖。其中該輔助偵測單元包含至少一偵測元件340，例如為一感光耦合元件(CCD)。該偵測元件340選擇設置該透明基板300的另兩個角隅處的其中之一，例如端角C3的位置，且偵測元件340亦位於觸控表面下方位置。該端角C3的位置上包括導角表面SA3，其之一側連接觸控表面SU，其相對於觸控表面SU的另一側連接下表面SB，導角表面SA3垂直於觸控表面SU。此偵測元件340的入光面係係朝向導角表面SA3。
請參照第8圖所示，其揭示本發明在進行觸控操作時所發生的假觸點問題的示意圖。此時，若觸控發生在點P1及P2時，兩組光處理單元的偵測單元320會另外誤判假觸控點P3及P4的發生，因此，偵測元件340的加入可用以偵測本發明在進行觸控操作時所發生的假觸點問題，藉以提高觸控操作的精確度。
第7及8圖中的偵測元件340係以設置一個為例，然而並不以此為限，為了增加判斷的精確度本發明可以設置多個偵測元件，例如在另一角隅或在側面SS3的任一位置上設置亦可。
此外，本實施例之光學觸控模組係使用平板結構之透明基板來做為光線傳遞之介質。據此，本實施例之光學觸控模組更具有可輕易地應用於薄型化及大面積的觸控式顯示器且不會影響顯示器之顯示效果的優點。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1、3．．．觸控式顯示器
10．．．顯示面板
20．．．光學觸控模組
300．．．透明基板
310、312．．．光源
320、322．．．偵測單元
330．．．處理器
C1、C2、C1'、C2'、C3．．．端角
SA1、SA2、SA1'、SA2'、SA3．．．導角表面
ST1、ST2．．．傾斜表面
SU．．．觸控表面
SB．．．下表面
SS1-SS4．．．側面
340．．．偵測元件
第1圖繪示應用本發明實施例之觸控式顯示器的方塊圖。
第2A-2D圖分別繪示乃第1圖之透明基板300的立體圖、透明基板300的俯視圖、沿第2B圖之剖面線A-A'之剖面圖及沿第2B圖之剖面線B-B'之剖面圖。
第3A及3B圖分別繪示光學觸控模組20的俯視圖及側視圖。
第4圖繪示對應地在觸控位置P投影側面面SS3及SS4形成之暗部圖案的示意圖。
第5圖繪示應用本發明實施例之觸控式顯示器的另一方塊圖。
第6圖分別繪示乃第5圖之透明基板300的立體圖。
第7圖揭示本發明之觸控式顯示器另設有輔助偵測單元之示意圖。
第8圖揭示本發明在進行觸控操作時所發生的假觸點問題的示意圖。
1．．．觸控式顯示器
10．．．顯示面板
20．．．光學觸控模組
300．．．透明基板
310、312．．．光源
320、322．．．偵測單元
330．．．處理器

权利要求:
Claims (11)
[1] 一種光學觸控模組，應用於一平面顯示器中，該光學觸控模組包括：一透明基板，包括：一觸控表面及一平行於該觸控表面之下表面；及一環周側表面，連接該觸控表面與該下表面；兩組光處理單元，分別設置在該透明基板之兩個相鄰之角隅處，各該光處理單元具有一光源及一偵測單元，該光源具有一出光面，且該偵測單元具有一入光面，該光源之出光面及該偵測單元之入光面均朝向該環周側表面，且各該光處理單元設置位置低於該觸控表面。
[2] 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控模組，其中該環周側表面於各該兩個角隅處分別對應至兩個端角，其中各該兩個端角連接於該觸控表面及該下表面之間，且各該兩個端角更包括：一導角表面，一側連接該觸控表面，其相對於該觸控表面的另一側連接該下表面，且該導角表面垂直於該觸控表面，各該兩組光處理單元之該光源的出光面及該偵測單元之入光面係朝向該導角表面，其中各該光源的出光面係與對應的該導角表面形成一夾角。
[3] 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控模組，其中該環周側表面於各該兩個角隅處分別對應至兩個端角，其中各該兩個端角連接於該觸控表面及該下表面之間，且各該兩個端角更包括：一導角表面，一側連接該觸控表面，且該導角表面垂直於該觸控表面，該兩個偵測單元的入光面分別朝向該兩個端角之該導角表面；及一傾斜表面，一側與該導角表面另一側連接，另一側連接該下表面，且該傾斜表面及該下表面之間具有一傾斜角，該傾斜角係對應至該透明基板之全反射臨界角，其中該兩個光源的出光面分別朝向該兩個端角之該傾斜表面。
[4] 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控模組，其中該環周側表面包括：一第一側面及一第二側面，相互垂直，並與該兩個角隅處中之一第一角隅處相鄰，該第二側面包括一反射結構；一第三側面，與該第一側面相對且平行，並與該第二側面相鄰，該第三側面包括一第二反射結構；及一第四側面，與該第二側面相對且平行，且與該第三及該第一側面相鄰，該第四側面包括一第三反射結構；其中，該第一及該第四側面更與該兩個角隅處中之一第二角隅處相鄰。
[5] 如申請專利範圍第4項所述之光學觸控模組，其中該第一至該第三反射結構具有一微菱鏡結構，以部份反射傳遞至該第二至該第四側面之光線。
[6] 如申請專利範圍第4項所述之光學觸控模組，其中該第一至該第三反射結構具有一粗糙面結構，以部份反射傳遞至該第二至該第四側面之光線。
[7] 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控模組，其中該兩組光處理單元中之該光源分別經由對應之該出光面投射一第一光線及一第二光線至該透明基板中，使該第一及該第二光線經由全反射機制傳遞於該透明基板中：其中，當一觸控事件觸發於該觸控表面上之一觸控位置時，該第一及該第二光線於該觸控位置上之全反射機制對應地中斷，使得該第一及該第二光線對應地於該環周側表面上形成一亮度分佈。
[8] 如申請專利範圍第7項所述之光學觸控模組，其中該兩組光處理單元中之該偵測單元分別經由對應之入光面偵測該亮度分佈，並分別對應地輸出一第一亮度偵測訊號及一第二亮度偵測訊號。
[9] 如申請專利範圍第8項所述之光學觸控模組，更包括：一處理器，耦接至該兩組光處理單元，並回應於該第一及該第二亮度偵測訊號找出該觸控位置之一相對位置資訊。
[10] 如申請專利範圍第1項所述之光學觸控模組，更包括：至少一偵測元件，該偵測元件設置該透明基板的另兩個角隅處的至少其中之一。
[11] 如申請專利範圍第10項所述之光學觸控模組，其中該另兩個角隅處的至少其中之一各包含一端角，該偵測元件設置在該端角，且位於該觸控表面下方位置，該端角的位置上包括一導角表面，其之一側連接該觸控表面，其相對於該觸控表面的另一側連接該下表面，導角表面垂直於觸控表面，且各該偵測元件的入光面係係朝向各該導角表面。

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