光學(xué)觸摸技術(shù)
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引言
傳統(tǒng)的光學(xué)觸摸系統(tǒng)是在顯示器的兩個相鄰斜面上采用紅外發(fā)光(IR)二極管(LED)陣列，并在相對的斜面邊緣放置光敏元件，用于分析系統(tǒng)、確定觸摸動作。LED-光傳感元件對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，就會在相應(yīng)光傳感元件處引起光測量值的減弱。光傳感的輸出測量值可以用于確定出觸摸點的坐標(biāo)。通?？刂破魇菕呙韫鈧鞲嘘嚵校皇峭瑫r測量所有的光傳感器，因此這項技術(shù)有時被稱為掃描IR。在這項技術(shù)的高級版本中，每個光傳感器測量來自不止一個LED的光，這使得控制器可以補償由于屏上不可移動的碎片而引起的光的阻斷（見圖1）。
這項傳統(tǒng)的光學(xué)觸摸技術(shù)已經(jīng)主要用于觸摸市場中的相關(guān)領(lǐng)域。過去，它的廣泛應(yīng)用由于兩大原因曾經(jīng)受到限制：技術(shù)成本比與之競爭的其他觸摸技術(shù)要高，還有在亮環(huán)境光下的顯示性能問題。后一個問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，噪聲大到無法檢測到觸摸屏的LED光，導(dǎo)致觸摸屏的暫時失靈。這個問題在陽光直射下最為顯著，因為陽光在紅外區(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)問題，例如功耗、機械包裝約束、分辨率的限制導(dǎo)致系統(tǒng)檢測PDA筆等小物體的能力受限等，而沒有被手持式觸摸屏（例如手機和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)了移動設(shè)備觸摸屏的市場。
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)，這會導(dǎo)致顯示屏的光學(xué)性能下降。光學(xué)觸摸屏的這個優(yōu)勢對于很多設(shè)備、顯示屏供應(yīng)商來說是極其重要的，因為設(shè)備的售出與使用者的感覺質(zhì)量相關(guān)。
光學(xué)觸摸的另一個長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)是依賴于模擬信號處理來確定觸摸位置。這些與之競爭的模擬系統(tǒng)通常需要不停的再校準(zhǔn)，對信號處理（增加了成本和功耗）的要求比較復(fù)雜，與數(shù)字系統(tǒng)相比精確度相對降低；并且由于操作環(huán)境引起更長時間使用后系統(tǒng)失靈。
光學(xué)觸摸的另一個關(guān)鍵的優(yōu)點是通常情況下沒有手指、筆或其它被識別硬件的直接接觸。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，不需要檢測力量或者觸發(fā)系統(tǒng)。
最后，光學(xué)觸摸可以執(zhí)行同時觸摸，這是其它觸摸技術(shù)難以實現(xiàn)的。盡管同時觸摸在過去沒有被廣泛地發(fā)展，近期由于蘋果iPhone等新設(shè)備引起了關(guān)注，它讓同時觸摸成為用戶界面不可或缺的一部分。
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1.1新元件和信號處理的改進
處理：自從傳統(tǒng)的光學(xué)觸摸系統(tǒng)開始發(fā)展，關(guān)鍵元件如LED、光敏二極管、CMoS芯片在性能上有了長足的發(fā)展，成本大大降低。產(chǎn)生模塑光學(xué)和信號處理算法的技術(shù)也有了很大的發(fā)展和改進。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)相比保持著競爭力。
1.2改進的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計
近期，EloTouchSystems和IRTouch等公司試圖解決光學(xué)觸摸的背景或環(huán)境光問題，主要采用改進邊緣（縫隙）設(shè)計、光學(xué)濾光片和更加復(fù)雜的信號處理來增強信噪比。如，紅外LED可以通過特定頻率調(diào)制，光傳感器的輸出只可以在該特定頻率下解調(diào)。由此來降低陽光對未調(diào)制的紅外光的影響。制造商聲稱的最新產(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)觸摸對日光的敏感度方面有了不錯的成就。
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)計工具的結(jié)合，為現(xiàn)有光學(xué)觸摸系統(tǒng)的設(shè)計和制造的再次提出創(chuàng)造了完善的條件。
現(xiàn)有兩大類新的光學(xué)觸摸系統(tǒng)：一類是取決于光源的，通過阻斷來檢測觸摸的；還有一類是利用環(huán)境光，而與光源無關(guān)的。另外，這些新系統(tǒng)還可以根據(jù)規(guī)定光束的遮斷，以及通過復(fù)雜的信號處理來確定顯示器上方圖像的觸摸點來分類。本文回顧了這些新型的光學(xué)觸摸系統(tǒng)。
3Neonode
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N2手機，Neonode還將它銷售給其他的設(shè)備制造商。但是還不清楚該技術(shù)是否被其他的手機銷售商采納。該項技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于斜面的高度。很多手機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多媒體功能的體驗都盡可能的大）。參考圖2中給出的NeonodeN2和蘋果iPhone，可以立刻明顯發(fā)現(xiàn)iPhone屏幕的表面是平滑的，而N2手機屏的表面是凹的。通過對樣品的檢測，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)在手機市場使用的問題有成本和功耗，都是因為設(shè)備中大量的采用光電子元件（LED和光敏二極管）造成的。
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對于這項技術(shù)及蘋果iPhone的另外一個潛在的挑戰(zhàn)是只能用手指觸摸的限制。亞洲智能手機制造商更希望能夠采用觸摸筆輸入，以支持字符識別。NeonodeN2上的光束間隔比較寬，大約每厘米2.5個光束，手指大約能夠覆蓋9個光束交叉點。這能節(jié)約能量，但是使得觸摸筆在觸摸屏上無法使用。即使使用大的觸摸筆，由于分辨率不夠，手寫識別還是無法實現(xiàn)。相比較而言，用于iPhone的導(dǎo)電軌跡間隔相對比較窄，大概每厘米25個軌跡交叉點。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的使用。所以這個比較結(jié)論有待討論。
4NextWindow、SMART以及其它技術(shù)
NextWindow和SMART技術(shù)實現(xiàn)了基于照相機的光學(xué)觸摸，至少有一個新的開始。
NextWindow的光學(xué)觸摸屏技術(shù)采用了兩個放置在顯示器相鄰邊角上的線掃描照相機（圖3）。照相機根據(jù)紅外光源的截斷來檢測任何靠近表面物體的移動。由屏表面的一個平面產(chǎn)生光，并由屏三個邊上的定向反射條（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）反射回相機。當(dāng)手指（或任何物體）觸摸屏幕時，控制器就分析了相機中的圖像，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)別在于它用了四個面掃描照相機。
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)商也不會這樣做，因為需要保護LCD的軟(2H)表面。這些技術(shù)比傳統(tǒng)技術(shù)先進在它們的有源器件更少，因此可以減少成本，具有更長的平均失誤間隔時間(MTBF)。NextWindow銷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識別；但是，對于小于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法應(yīng)用?？偟膩碚f，基于相機的光學(xué)觸摸技術(shù)在近期內(nèi)還無法應(yīng)用于移動設(shè)備。
5PerceptivePixel
紐約大學(xué)的研究者最新研制了一種可以同時用10個、20個，甚至更多手指觸摸的大型多處觸摸屏。PerceptivePixel公司的成立，旨在將該項技術(shù)商業(yè)化――盡管這項技術(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，光從手指處散射出去，被垂直于普通玻璃表面的光學(xué)傳感器檢測到[2]。在PerceptivePixel應(yīng)用中，光傳感器是投影機旁邊的一個攝像機（見圖4）。因為該技術(shù)是為背投顯示屏設(shè)計的，它不能應(yīng)用在移動設(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LCD像素中集成了一個光傳感器件（發(fā)光二極管或光敏晶體管），這使得整個顯示屏成為一個大矩陣光傳感器；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)，它具有識別出同時多處觸摸事件的能力（圖5）。
將這項技術(shù)應(yīng)用于觸摸屏需要面臨的一個挑戰(zhàn)是，在有各種不同類型環(huán)境光的情況下進行信號處理。與普通的觸摸屏不同，該技術(shù)需要分析一幅復(fù)雜的圖像來確認(rèn)是否有觸摸發(fā)生。與普通的觸摸屏相比，這項技術(shù)需要更加先進、昂貴、耗電的處理器。另外，多種背景光的存在會使得圖像分析更為復(fù)雜。另外一個需要考慮的問題是速度。比如說，手寫識別通常被認(rèn)為需要至少每秒130幀的觸摸識別速度，以避免識別延時。這種處理速度對于基于圖像矩陣、低功耗的、用于手持設(shè)備的觸摸技術(shù)來說是一種挑戰(zhàn)。
由于移動設(shè)備的顯示屏的尺寸、比例、分辨率有很多種，生產(chǎn)商沒有真正的標(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，因此與沒有觸摸傳感的類似顯示屏相比亮度可能會低一些。
7RPO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)展而來的光學(xué)觸摸系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用1～2個低成本LED，用來從兩個相鄰斜邊提供可控的光源（事實上是一個紅外光平面），然后在另兩個相鄰的斜邊上，利用聚合物光學(xué)波導(dǎo)來將光線引入分立的10m管道進入一個小的光傳感器矩陣（圖6）。
這項由傳統(tǒng)IR觸摸改進的技術(shù)有效地解決了傳統(tǒng)技術(shù)所有的缺點。下面將討論這些缺點。
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（鏡片）到器件外殼的內(nèi)表面的側(cè)面高度只有0.5mm。
DWT因為只有1~2個LED和1個光傳感器芯片，所以成本要低很多；由于接收端的光學(xué)信號進入分立的光導(dǎo)，被光傳感器矩陣的獨立像素分別檢測而具有數(shù)字性，所以它的分辨率要高很多。因此，筆檢測和手寫輸入識別成為了可能。
濾波器和孔隙化的發(fā)展使得環(huán)境光不再是個問題，因為細(xì)小光學(xué)波導(dǎo)作為接收管道。
使這項技術(shù)成為可能的關(guān)鍵是RPO公司改進的低成本光刻印刷聚合物光學(xué)波導(dǎo)。這家公司采用類似LCD的處理工具來沉積濕膜，用直接的光刻圖案處理薄膜，還有溶劑的改進。這聽起來很簡單，但是改進聚合物材料和用于生產(chǎn)大量、高強度的高分辨率光導(dǎo)的工藝用了很多年。另外，這個RPO使用的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計非常復(fù)雜，但是在物理系統(tǒng)中簡單、便宜、便于集成。
RPO在DisplayWeek2007上演示了這個系統(tǒng)，當(dāng)時用于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類電子和車載顯示器的。
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。總的來說，這些新技術(shù)，如果都?xì)w類于光學(xué)觸摸系統(tǒng)，最終可以占據(jù)觸摸屏市場的一大份。
促進手持式觸摸屏迅猛發(fā)展的是蘋果iPhone以及其它智能手機、GPS手持設(shè)備，還有個人多媒體播放器。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)競爭。
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