專利名稱：激光光學觸控模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明有關一種光學觸控模塊，尤指一種利用一具激光光源的發(fā)光部及一具位置感測器的收光部，且該發(fā)光部與收光部的光路之間以平行光路方式或共光路方式組成一模塊。
背景技術：
目前正流行的觸控式顯示屏，通過觸控件如手指或觸控筆直接觸摸在顯示屏的表面上以控制顯示器的各項功能如點選作業(yè)、切換畫面或放大/縮小畫面等，用以取代一般顯示器常見的按鍵式控制方式；而目前的觸控式顯示屏已包含多種不同的觸控系統(tǒng)，如電阻式(Resistive)、電容式(Capacitive)、表面聲波式(SAW，Surface Acoustic Wave)、紅外光式(IRJnfrared)、光學式(optical imaging)等，各有各的優(yōu)缺點，其中，光學式觸控系統(tǒng)的優(yōu)點為應用于大尺寸顯示屏，具有成本的優(yōu)勢，介于表面聲波式與電容式之間，熒幕具有良好的透明度(可達100% )及具有良好的觸控解析度；其缺點為不適合小尺寸面板 (15吋以下)的應用，較易受周邊環(huán)境光的影響及須采用額外照明光源及反光條或吸光條。光學式觸控系統(tǒng)方面已包含US 2009/0200453、US 7，538，759、US7, 692，625、US 7，629，967等多件現(xiàn)有技術，一般而言，該多個光學式觸控系統(tǒng)現(xiàn)有技術在顯示屏的表面的側(cè)緣邊上，如一矩形顯示屏表面的四側(cè)框邊上或四角處，設置至少一組光源裝置如以LED 作光源，用以照射在整個熒幕的外表面上，即在整個顯示屏的表面上形成一光線或線性光線照射區(qū)，可稱為光幕，并于該顯示屏表面的四周緣(框邊)上設置相互垂直的反光條或吸光條，又于該顯示屏表面的側(cè)緣邊上以感測方向交錯的方式設置至少二組位置感測器 (camera)；則當一觸控件，如手指或觸控筆，觸摸在該顯示屏表面上時，該觸控件即可對該照射在整個顯示屏表面的光線造成光的散射或遮斷，此時透過該反光條的反射作用或吸光條的吸收作用，即可通過該至少二組位置感測器以感測得知該觸控件至少二方向的相對位置，再通過一處理電路的運算功能以得知該觸控件觸摸在顯示屏表面上的實際位置座標， 以達成目前已知一光學觸控系統(tǒng)的使用功能?，F(xiàn)有一般光學式觸控系統(tǒng)在設計上大都采用發(fā)光二極管(LED，light-emitting diode)作為光源，而LED光并非高同調(diào)性(highly coherent light)光源，故無法有效提高觸控的靈敏度；又現(xiàn)有的LED光源裝置與所使用的位置感測器(camera)是分開的個體，且分別設置于顯示屏表面的四周緣(框邊)某一位置處，且整體架構上又必須配合反光條或吸光條使用，以致具有結構復雜、成本增加等缺點，尤其該LED光源裝置所提供的照射光一般為可見光，容易受到使用環(huán)境下的可見光與顯示屏所產(chǎn)生的可見光的干擾或影響，以致光學式觸控系統(tǒng)中位置感測器的感測靈敏度降低，即信噪比(SNR)降低而相對影響信號的判讀，以致降低光學式觸控系統(tǒng)的使用效率。由上可知，在光學式觸控系統(tǒng)的技術領域中，發(fā)展設計一種不須采用反光條或吸光條且結構簡化、成本節(jié)省的光學式觸控系統(tǒng)，確實有其需要性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要目的在于提供一種激光光學觸控模塊，其利用一具激光光源如紅外線 (IR)激光的發(fā)光部與一具位置感測器的收光部組合在一起，以使該激光光源與位置感測器設于顯示屏表面的一側(cè)的同一位置處使用，其中該發(fā)光部通過一激光光源發(fā)出激光光束并經(jīng)一廣角用光學元件如打線鏡片(line generator optics)的折射而使折射后的光視角 (light fan)能大于90度，以在顯示屏表面上形成廣角的線性光束，該收光部通過位置感測器接收并感應該線性光束受到觸控件的阻擋而反射的激光光以感測得知該觸控件的相對位置，使通過激光光束的高同調(diào)性(highly coherent light)以增進觸控的靈敏度，并避免現(xiàn)有技術須采用反光條或吸光條的麻煩，達成結構簡化且觸控靈敏度高的使用功效。本發(fā)明再一目的在于提供一種激光光學觸控模塊，其中該發(fā)光部的光路與收光部的光路之間以水平且平行光路方式并排組合在一起，使通過激光光束的高同調(diào)性以增進觸控的靈敏度，并達成結構簡化且容易安裝的使用功效。本發(fā)明另一目的在于提供一種激光光學觸控模塊，其中該發(fā)光部的光路與收光部的光路之間以共光路方式組合在一起，使發(fā)光部的激光光源與收光部的位置感測器能共用一廣角用光學元件如打線鏡片(line generator optics)，即激光光源所發(fā)出的激光光束及位置感測器所接收并感應的反射光束都經(jīng)過相同的廣角用光學元件，再于該廣角用光學元件的后方設一分光鏡(beam splitter)以使激光光源所發(fā)出的激光光束穿過該分光鏡而向外射出，并使反射激光光束經(jīng)由該分光鏡反射而進入該位置感測器所接收感應，以節(jié)省該位置感測器原本所須的廣角用光學元件如廣角成像鏡片(可視角> 90度)，并避免該廣角用光學元件的光學像差，即周邊外場的光學畸變(optical distortion)；又該位置感測器的感測面上進一步可設置一微透鏡(Mirco Lens)，如同一般商業(yè)用的CMOS sensor，以增加收光能力與效率。本發(fā)明另一目的在于提供一種激光光學觸控模塊，其中當該發(fā)光部的光路與收光部的光路之間以共光路方式組合在一起時，該激光光源進一步可使用小直徑激光光束，以提升該廣角用光學元件如打線鏡片的散光效率，又在該位置感測器的感測面前端，即該位置感測器與分光鏡之間，進一步可設一光擴束鏡(beam expander optics)，以將小直徑的激光光束擴成較大直徑的激光光束再入射至位置感測器的感測面，藉以有效利用該位置感測器上的成像單元(即像素，Pixels)，進而提升觸控的解析度。本發(fā)明另一目的系在于提供一種激光光學觸控模塊，其中當該發(fā)光部的光路與收光部的光路之間系以共光路方式組合在一起時，其進一步可于該廣角用光學元件如打線鏡片(line generator optics)的后方依序設一四分之一波片(quarter wave-plate) 及一偏振分光鏡(polarization beam splitter)，使激光光源所發(fā)出的激光光束可利用激光所具備的兩種線性偏振光的特性，即P線偏振光(P-polarization)及S線偏振光 (S-polarization)兩正交的線偏振光，在經(jīng)過該一偏振分光鏡時，使其中一線偏振光(通常為P線偏振光)完全通過而與其正交的另一線偏振光(通常為S線偏振光)則完全反射； 再經(jīng)該一四分之一波片，將通過的線偏振轉(zhuǎn)換為一圓偏振光(稱左旋或右旋圓偏光，left hand circular polarization/right hand circular polarization), ^'=111 1 ^ ^ 旋(或右旋)圓偏振光出射，則經(jīng)由觸控件的阻擋而反射后將變?yōu)橛倚?或左旋)圓偏光， 而反射光束先經(jīng)過該一四分之一波片以轉(zhuǎn)換為一與原出射線偏光正交的線偏光，再入射至
5該一偏振分光鏡并完全反射至該位置感測器上，藉此，可提升光的使用效率，即該激光光能量的使用效率達成最大化效果。


圖1是本發(fā)明激光光學觸控模塊第一實施例(收發(fā)平行光路)設置于顯示屏表面的一側(cè)以提供光反射式定位輸入功能的使用狀態(tài)示意圖。圖IA是圖1實施例中本發(fā)明的位置感測器的像素的感應信號輸出示意圖。圖2是本發(fā)明激光光學觸控模塊第一實施例(收發(fā)平行光路)的立體示意圖。圖3是圖2實施例(收發(fā)平行光路)的一平面(上視)示意圖。圖4是本發(fā)明激光光學觸控模塊第二實施例(收發(fā)共光路)的一平面示意圖。圖5是本發(fā)明的位置感測器的感測面上設一微透鏡(Mirco Lens)的功能狀態(tài)示意圖。圖6是本發(fā)明激光光學觸控模塊第三實施例(收發(fā)共光路)的一平面示意圖。圖7是本發(fā)明激光光學觸控模塊第四實施例(收發(fā)共光路)的一平面示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明更加明確詳實，將本發(fā)明的結構及其技術特征配合下列圖示詳述如后圖1、1A分別是本發(fā)明激光光學觸控模塊第一實施例(收發(fā)平行光路)設置于顯示屏表面的一側(cè)以提供光反射式定位輸入功能的使用狀態(tài)示意圖及位置感測器的像素的感應信號輸出示意圖。本發(fā)明的激光光學觸控模塊1設置于顯示屏2表面的一側(cè)，用以提供光學式定位輸入功能，供可在該顯示屏2上形成一光學式觸控系統(tǒng)；一般而言，顯示屏2 表面的周邊上須設置至少二激光光學觸控模塊1，如在顯示屏2側(cè)緣邊的相鄰二角處各設一激光光學觸控模塊1，其中各激光光學觸控模塊1所具有的位置感測器(camera)的感測方向在該顯示屏2表面上形成交錯方式。圖1中僅表示其中的一激光光學觸控模塊1的使用狀態(tài)。該激光光學觸控模塊1由一發(fā)光部10及一收光部20組成一模塊，又該發(fā)光部10 及收光部20可容設在一外殼體30內(nèi)部以形成一組合體，而該外殼體30的形狀不限制，其上設有對應于該發(fā)光部10及收光部20的光路的開口如一發(fā)光部開口 301及一收光部開口 302。該發(fā)光部10主要通過一激光光源11以發(fā)出激光光束并經(jīng)一廣角用光學元件12如打線鏡片(line generator optics)的折射，使折射后的激光光視角(light fan)能大于90 度如圖1所示，以在顯示屏2表面上形成廣角的線性光束101 ；當觸控件3觸摸顯示屏2表面上時，會阻擋該線性光束101并形成反射激光光束102 ；該收光部20則通過一位置感測器21以接收并感應該反射激光光束102，以在位置感測器21的感測面上感測得知該觸控件3在一對應光軸103上的相對位置；如圖IA所示，該觸控件3位置所產(chǎn)生的反射激光光束102即可在位置感測器21的像素(active pixel)軸上產(chǎn)生反應而形成一信號輸出，而通過至少二組位置感測器21以感測得知該觸控件3至少二方向的相對位置，即可通過處理電路的運算功能以得知該觸控件3觸摸在顯示屏2表面上的實際位置座標；由于該位置感測器21或廣角用光學元件12如打線鏡片(line generator optics)的本體結構及處理電路的運算功能系利用目前的電子技術或現(xiàn)有技術可達成，且非本發(fā)明的技術特征，故于此不再贅述。圖2、圖3分別是本發(fā)明激光光學觸控模塊第一實施例(收發(fā)平行光路)的立體示意圖及平面(上視)示意圖。而圖2、3所示實施例(收發(fā)平行光路)只是用來說明但非用以限制本發(fā)明激光光學觸控模塊1的主要構件；本發(fā)明激光光學觸控模塊1利用一具激光光源11如紅外線激光(IRLD)的發(fā)光部10與一具位置感測器21的收光部20組合成一模塊，以使該激光光源11與位置感測器21能設于顯示屏2表面的一側(cè)的同側(cè)位置處，其中該發(fā)光部10通過一激光光源11，包含一激光二極管(laser diode) 111及一第一級光學件(1st optics) 112，發(fā)出激光光束并經(jīng)一廣角用光學元件12如打線鏡片(line generator optics)的折射，使折射后的光視角(light fan)能大于90度如圖3所示，以在顯示屏2表面上形成廣角的線性光束101如圖1、3所示；該收光部20通過一位置感測器21及一聚光用光學元件22接收并感應該線性光束101受到觸控件3的阻擋而反射的激光光束102如圖1所示，以感測得知該觸控件3的相對位置；因此，本發(fā)明激光光學觸控模塊1通過激光光束的高同調(diào)性(highly coherent light)以增進觸控的靈敏度，并可避免現(xiàn)有技術須采用反光條或吸光條的麻煩，故具有結構簡化、容易安裝且觸控靈敏度高的使用功效。再參考圖2、3所示，本第一實施例的激光光學觸控模塊1由一發(fā)光部10及一收光部20組成一模塊，又該發(fā)光部10及收光部20可容設在一外殼體30內(nèi)部以組合成一模塊的使用樣態(tài)；該外殼體30上設有對應于該發(fā)光部10及收光部20的光路的開口，包含一發(fā)光部開口 301及一收光部開口 302如圖1、2所示，其中該發(fā)光部10的光路與收光部20的光路之間，即激光光源11與位置感測器21的光路之間，亦即該發(fā)光部開口 301與收光部開口 302之間，以平行光路方式并排組合在一起，以本第一實施例如圖2、3所示而言，該發(fā)光部10的光路與收光部20的光路之間以水平(相對于顯示屏2表面)且平行光路方式橫向并排組合在一起但不限制，如以垂直(相對于顯示屏2表面)且平行光路方式上下垂直并排組合在一起(圖未示)。圖4是本發(fā)明激光光學觸控模塊第二實施例(收發(fā)共光路)的一平面示意圖。本第二實施例的激光光學觸控模塊Ia由一發(fā)光部10及一收光部20組成一模塊，又該發(fā)光部10及收光部20可容設在一外殼體30內(nèi)部以組合成一模塊的使用樣態(tài)；在本第二實施例中，該發(fā)光部10的光路與收光部20的光路之間，即激光光源11與位置感測器21的光路之間，以共光路方式組合在一起，因此本第二實施例的外殼體30上所設的對應于該發(fā)光部10及收光部20的光路開口，如第一實施例的發(fā)光部開口 301及收光部開口 302，在外殼體30上形成共用同一開口 301 (302)供激光光源11與位置感測器21的光路通過；又通過本第二實施例的共光路方式，使該發(fā)光部10的激光光源11與該收光部20的位置感測器 21能共用同一廣角用光學元件12Q2)如打線鏡片(line generator optics)，即激光光源 11所發(fā)出的激光光束101及位置感測器21所接收并感應的反射激光光束102都經(jīng)過一相同的廣角用光學元件12 02)，即該打線鏡片(line generator optics)的反向光路可產(chǎn)生如一廣角成像鏡片(可視角>90度)的聚光作用。該廣角用光學元件12 02)的后方設一具分光作用的分光鏡(beam splitter)40以使激光光源11所發(fā)出的激光光束101穿過該分光鏡40而向外射出至廣角用光學元件12 ，并使反射激光光束102經(jīng)由該廣角用光學元件12 射入至該分光鏡40時可反射而進入并被該位置感測器21接收感應；而本第二實施例通過共光路方式的結構，可節(jié)省該位置感測器21原本所須的廣角用光學元件22，即該打線鏡片(line generator optics)的反向光路可產(chǎn)生如一廣角成像鏡片(可視角> 90度)的作用，并可避免該廣角用光學元件22的光學像差，即周邊外場的光學畸變(optical distortion)。又在該激光光源11與分光鏡(beam splitter) 40之間進一步可設一準直鏡(collimator) 50，以使激光光源11所發(fā)出的激光光束104在經(jīng)過該準直鏡 (collimator) 50后能形成平行光束105，以有利于再通過該廣角用光學元件12 02)如打線鏡片(line generator optics)以在顯示屏表面上形成廣角的線性光束。再參考圖4、5所示，該位置感測器21的感測面211上進一步可設置一微透鏡 (Mirco Lens) 60，該微透鏡(Mirco Lens) 60的作用如同一般商業(yè)用的互補型金屬氧化物半導體感測器(CMOS)，可使觸控件3觸控在對應光軸103上位置Φ 1 ΦΝ中的位置Φ4所產(chǎn)生的激光光束102能進一步聚光在感測面211上各像素(pixel)#l #N的中的對應像素#4上，以增加收光能力與效率。圖6是本發(fā)明激光光學觸控模塊第三實施例(收發(fā)共光路)的一平面示意圖。 本第三實施例的激光光學觸控模塊Ib的架構與圖5所示第二實施例的激光光學觸控模塊Ia大體相同，主要不同點在于該激光光源進一步使用可發(fā)出小直徑激光10 的激光光源11a，以提升該廣角用光學元件12 如打線鏡片的散光效率；此時在該位置感測器 21的感測面211前端，即該位置感測器21與分光鏡40之間，進一步設一光擴束鏡(beam expander optics) 70，用以將小直徑的反射激光光束10 擴成較大直徑的激光光束再入射至位置感測器21的感測面211，以有效利用該位置感測器21上的成像單元(即像素， pixels)，進而提升觸控的解析度。圖7是本發(fā)明激光光學觸控模塊第四實施例(收發(fā)共光路)的一平面示意圖。本第四實施例的激光光學觸控模塊Ic的架構與圖6所示第三實施例的激光光學觸控模塊Ib大體相同，主要不同點在于于該廣角用光學元件1202)如打線鏡片(line generator optics)的后方依序設一四分之一波片(quarter wave-plate) 80及一偏振分光鏡(polarization beam splitter) 90，用以取代第三實施例的激光光學觸控模塊lb 中的分光鏡(beam splitter)40 ；使用時，該激光光源11所發(fā)出的激光光束10 可利用激光所具備的兩種線性偏振光的特性，即P線偏振光(P-polarization)及S線偏振光 (S-polarization)兩正交的線偏振光，在經(jīng)過該一偏振分光鏡90時，使其中一線偏振光 (通常為P線偏振光)完全通過而與其正交的另一線偏振光(通常為S線偏振光)則完全反射；再經(jīng)該一四分之一波片80，將通過的線偏振轉(zhuǎn)換為一圓偏振光(稱左旋或右旋圓偏 ^t, left hand circular polarization/right hand circular polarization) ^43 轉(zhuǎn)換為左旋(或右旋)圓偏振光出射，則經(jīng)由觸控件的阻擋而反射后將變?yōu)橛倚?或左旋) 圓偏光，而反射光先經(jīng)過該一四分之一波片以轉(zhuǎn)換為一與原出射線偏光正交的線偏光，再入射至該一偏振分光鏡并完全反射至該位置感測器21上，藉此，可提升光的使用效率，即該激光光能量的使用效率達成最大化效果。以上所示僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，對本發(fā)明而言僅是說明性的，而非限制性的。 在本專業(yè)技術領域具通常知識人員理解，在本發(fā)明權利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可對其進行許多改變，修改，甚至等效的變更，但都將落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種激光光學觸控模塊，設置于顯示屏表面的一側(cè)以提供光學式定位輸入功能用以構成一光學式觸控顯示屏系統(tǒng)供觸控件觸摸，其由一發(fā)光部及一收光部組成一模塊，其特征在于該發(fā)光部，其通過一激光光源以發(fā)出激光光束并經(jīng)一廣角用光學元件折射后，使激光光視角能大于90度，以在顯示屏表面上形成廣角的線性光束，當觸控件觸摸顯示屏表面上時，會阻擋該線性光束并形成反射激光光束；該收光部，其通過一位置感測器及一聚光用光學元件以接收感應該反射激光光束并形成一信號輸出，以感測得知該觸控件的相對位置；其中該發(fā)光部的光路與收光部的光路之間，以平行光路方式并排組合在一起。
2.如權利要求1所述的激光光學觸控模塊，其特征在于，該發(fā)光部的光路與收光部的光路之間，相對于顯示屏表面，以水平且平行光路方式橫向并排組合在一起。
3.如權利要求1所述的激光光學觸控模塊，其特征在于，該廣角用光學元件是一打線鏡片。
4.如權利要求1所述的激光光學觸控模塊，其特征在于，該發(fā)光部及收光部容設在一有開口的外殼體內(nèi)部以形成一組合體。
5.如權利要求1所述的激光光學觸控模塊，其特征在于，該位置感測器的感測面上進一步設置一微透鏡以使因觸控件觸摸顯示屏表面上所形成的反射激光光束得進一步聚光在該感測面上。
6.一種激光光學觸控模塊，設置于顯示屏表面的一側(cè)以提供光學式定位輸入功能用以構成一光學式觸控顯示屏系統(tǒng)供觸控件觸摸，其由一發(fā)光部及一收光部組成一模塊，其特征在于該發(fā)光部，其通過一激光光源以發(fā)出激光光束并經(jīng)一廣角用光學元件折射后，使激光光視角能大于90度，以在顯示屏表面上形成廣角的線性光束，當觸控件觸摸顯示屏表面上時，會阻擋該線性光束并形成反射激光光束；該收光部，其通過一位置感測器以接收感應該反射激光光束并形成一信號輸出，以感測得知該觸控件的相對位置；其中該發(fā)光部的光路與收光部的光路之間，以共光路方式組合在一起，使該發(fā)光部的激光光源與該收光部的位置感測器共用同一廣角用光學元件，使該激光光源所發(fā)出的激光光束及位置感測器所接收并感應的反射激光光束都經(jīng)過相同的廣角用光學元件；其中該廣角用光學元件的后方設一分光鏡以使激光光源所發(fā)出的激光光束穿過該分光鏡而向外射出至廣角用光學元件，并使反射激光光束經(jīng)由該廣角用光學元件射入至該分光鏡并反射進入并被該位置感測器接收感應。
7.如權利要求6所述的激光光學觸控模塊，其特征在于，該廣角用光學元件是一打線鏡片。
8.如權利要求6所述的激光光學觸控模塊，其特征在于，該發(fā)光部及收光部容設在一有開口的外殼體內(nèi)部以形成一組合體。
9.如權利要求6所述的激光光學觸控模塊，其特征在于，該激光光源與分光鏡之間進一步設一準直鏡。
10.如權利要求6所述的激光光學觸控模塊，其特征在于，該激光光源進一步使用可發(fā)出小直徑激光光束的激光光源，并進一步在該位置感測器的感測面與該分光鏡之間設一光擴束鏡。
11.如權利要求6所述的激光光學觸控模塊，其特征在于，該分光鏡是一偏振分光鏡， 并在該廣角用光學元件與該偏振分光鏡之間設一四分之一波片，以使該激光光源所發(fā)出的激光光束在經(jīng)過該一偏振分光鏡時，該激光光束中的一線偏振光得通過該一偏振分光鏡， 而與其正交的另一線偏振光則反射；其中通過該一偏振分光鏡的該線偏振光，再經(jīng)該一四分之一波片轉(zhuǎn)換為一左旋或右旋二相反旋中一圓偏振光，使經(jīng)由觸控件反射后的反射激光光束變?yōu)槎喾葱辛硪粓A偏光，再經(jīng)過該四分之一波片又轉(zhuǎn)換為一與原線偏振光正交的線偏振光，再入射至該一偏振分光鏡并反射至該位置感測器上。
全文摘要
一種激光光學觸控模塊，設置于顯示屏表面的一側(cè)以提供光學式定位輸入功能用以構成一光學式觸控顯示屏系統(tǒng)，其利用一具激光光源的發(fā)光部與一具位置感測器(camera)的收光部組合在一起，以使激光光源與位置感測器設于顯示屏表面的一側(cè)的同一位置處使用，其中該發(fā)光部通過該激光光源發(fā)出激光光束并經(jīng)一廣角用光學元件如打線鏡片(line generatoroptics)的折射而使折射后的光視角(light fan)能大于90度，以在顯示屏表面上形成廣角的線性光束，該收光部通過位置感測器接收并感應該線性光束受到觸控件的阻擋而反射的激光光束以感測得知該觸控件的相對位置。
文檔編號G06F3/042GK102375615SQ20101025826
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權日2010年8月20日
發(fā)明者溫明華, 陳國仁 申請人:碩擎科技股份有限公司