專利名稱：改進的光學通用開關板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學通用開關板。
背景技術：
用于各種裝置的控制系統(tǒng)依賴于多個開關來向裝置輸入數(shù)據(jù)。在這一點上，基于安裝在表面上的機械開關的開關陣列是公知的。使用觸摸屏的模擬開關陣列也是公知的。機械開關板難以進行再配置，因此對于每一種應用往往要進行定制。這明顯增大了使用這樣的板的設備的成本和產品周期。
基于觸摸屏的輸入設備提供了一種用于以容易再配置的方式輸入命令的方便的方法。在這樣的設備中，按鈕圖案被顯示在屏幕上，而用戶通過觸摸按鈕圖案上方的屏幕選擇“按鈕”。但是，觸摸屏比常規(guī)的開關要貴得多，因此對于許多應用來說不總是可行的。此外，環(huán)境光強度可能干擾顯示屏，這妨礙用戶觀察到模擬按鈕。此外，設備不能區(qū)別意外的光觸摸和有意的按鈕按壓之間的差別，因為屏幕沒有提供對于用戶的手指按壓在屏幕上的壓力的測量裝置。
許多觸摸屏設計基于檢測某些電學參數(shù)(諸如電阻或者電容)的變化，這些電學參數(shù)隨著屏幕上的用戶觸摸屏幕的位置而變化。因為所觀察到的變化取決于屏幕的形狀，所以定制的屏幕尺寸受到限制并且可能需要特殊的編程。
共同待決的美國專利申請No.10/810,157(其通過引用被包含在本文中)公開了明顯減少了這些問題的通用開關板。在該系統(tǒng)中，開關板由觸摸板、圖像生成器和成像系統(tǒng)構成。觸摸板包括具有第一和第二側面的光學透明層。光學透明層的折射率大于空氣的折射率。光源產生光信號，該光信號在透明層內在觸摸板的第一和第二側面之間反射。成像系統(tǒng)記錄觸摸板的第一表面的圖像。當用戶用手指按壓觸摸屏時，內反射的光的一部分以大于臨界角度的角度朝向第二表面反射，并且光逃逸出第二表面。在該表面上生成的亮斑的位置被成像系統(tǒng)記錄。然后，基于所檢測到的亮斑的位置產生模擬按鈕按壓。
由攝像機見到的光是通過透明層的環(huán)境光和來自光源的從透明層反射出的光的總和。在上述專利申請中所討論的實施例中，光源和攝像機是單色的。通過將光源打開和關閉來將背景與光源區(qū)分，然后通過將在光源打開時攝像機見到的圖像減去在光源關閉時攝像機見到的圖像，產生差別圖像。不幸地，在具有高強度的環(huán)境光的環(huán)境中，這樣的處理不總是足夠的。

發(fā)明內容
本發(fā)明包括一種開關板，其具有觸摸板、圖像生成器、成像系統(tǒng)和光源。觸摸板包括具有第一表面和第二表面的光學透明層，所述光學透明層的折射率大于空氣的折射率。圖像生成器向從所述第一表面觀察所述觸摸板的人顯示包括多個按鈕位置的圖像。成像系統(tǒng)記錄所述觸摸板的所述第一表面的彩色圖像。光源產生在所述透明層內在所述觸摸板的所述第一表面和所述第二表面之間反射的光信號。所述光源包括多個發(fā)光二極管(LED)，每一個發(fā)光二極管產生具有不同于所述多個發(fā)光二極管中的其它二極管的光譜的光，每一個發(fā)光二極管以預定的次序打開，使得在每次只有一個發(fā)光二極管被打開。控制器接收由成像系統(tǒng)產生的所述圖像，且如果所述觸摸板在所述多個按鈕位置中的一個處被觸摸，所述控制器生成輸出信號。在本發(fā)明的一個方面中，所述控制器使得所述成像系統(tǒng)在所述發(fā)光二極管中的一個被打開時對應于每一個發(fā)光二極管記錄所述觸摸板的所述第一表面的彩色位置圖像。在本發(fā)明的另一方面中，所述控制器使得所述成像系統(tǒng)在所述發(fā)光二極管中的每一個都沒有被打開時記錄所述第一表面的彩色背景圖像，并且，所述控制器將所述彩色位置圖像中的每一個減去所述彩色背景圖像，形成校正的彩色位置圖像。所述控制器合成所述校正的彩色位置圖像，以確定所述觸摸板是否被觸摸以及所述觸摸板的什么位置被觸摸。在本發(fā)明的另一個方面中，所述光信號被觀察所述信號的用戶察覺為預定顏色的恒定光信號。當用戶觸摸所述觸摸板的所述第一表面時，所述光信號的一部分脫離所述第一表面。


圖1是根據(jù)在上面所討論的共同待決的專利申請中所描述的發(fā)明的一個實施例的開關板10的剖視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的開關板40的剖視圖。
圖3是使用透明介質柔性層的觸摸板50的剖視圖。
具體實施例方式
參考圖1可以更容易地理解本發(fā)明提供其優(yōu)點的方式，其中圖1是根據(jù)在上面所討論的共同待決的專利申請中所描述的發(fā)明的一個實施例的開關板10的剖視圖。開關板10使用透明屏幕11，該透明屏幕11當用戶將用戶的手指按壓屏幕時在接觸點處發(fā)射出光。
表面16通過透鏡13被成像在光檢測器陣列14上。光檢測器陣列14可以由在光學鼠標中使用的一類CCD攝像機陣列、便宜的攝像機等構成。光檢測器陣列的輸出可以由控制器22處理，生成指示被用戶按壓的“按鈕”的輸出信號。
由控制器22生成的輸出“信號”可以具有多種形式。例如，控制器22可以生成電信號。此外，控制器22可以包括當控制器22確定特定的模擬按鈕已經被按壓時被激活的開關和/或繼電器。此外，控制器22可以包括光發(fā)生器，該光發(fā)生器在特定的模擬按鈕被按壓時被激活來提供光信號。此外，反饋發(fā)生器28可以提供一定形式的反饋信號。
屏幕11后方的掩模12其上具有“按鈕”和各種標簽的圖像。此掩模對于用戶是可視的。掩模對于在用戶觸摸屏幕時由屏幕11所產生的光是透明的。掩模可以由單獨的光源21照明，以幫助用戶看到掩模。該光源可以布置在屏幕11的前方或者屏幕11的后方。為了討論的目的，應該注意照明光的波長優(yōu)選不同于由用戶觸摸屏幕11所產生的光的波長。因此，在光檢測器陣列處可以容易地將任何散射照明光與由用戶觸摸屏幕11所產生的光信號分離。
如上所述，當用戶觸摸屏幕11時，屏幕11發(fā)射出光。在一個實施例中，屏幕11是由光源15從一端進行照明的玻璃、塑料或者類似的透明介質的板。照明角度被選擇成光將在板內被內反射，因此，當光被這樣捕集時對于用戶或者成像系統(tǒng)是不可視的。就是說，光以小于臨界角度的角度入射觸摸屏幕的表面。臨界角度由構造板的材料的折射率決定。本發(fā)明優(yōu)選使用折射率大于1.25的材料。
當用戶在表面上按壓時，用戶改變了用戶的手指接觸的表面16上的位置處的板的折射率。在此位置處的光的一部分逃逸出板的表面，并且被用戶的手指反射，如標號19所示。此光的一部分將以大于臨界角度的角度入射表面17，并因此逃逸出屏幕11并且被成像在光檢測器陣列14上。
為了區(qū)別由用戶的觸摸所產生的光與其他的雜散光源，光源15產生預定波長的光，并且該光被打開和關閉。光檢測器陣列14上方的濾波器18被用于阻斷波長不同于該波長的光。此外，通過將在光源打開時所獲取的圖像減去將光源關閉時所獲取的圖像產生由控制器用來確定用戶觸摸屏幕的位置的圖像。
這樣的結構限制了光源15和光源21的相對強度。如果由光源21照明掩模12所產生的背景光遠大于通過用戶的手指施加到層11上所散射的光源15的光，則差別圖像可能具有太大的噪聲，不能提供對于手指20的位置的精確確定。開關板工作的環(huán)境決定了光源21的強度，因此，該問題不能總是通過減小光源21的強度或者通過改變光的光譜以利用濾波器更好地去除不想要的光來緩解。光源21必須具有足夠的亮度，以允許用戶看見掩模12上的圖像。因為掩模12必須在用戶可能按壓板的位置處是透明的，以模擬被按壓的按鈕，所以來自光源21的大量光能夠到達成像陣列。
因為環(huán)境固定了光源21的強度，所以設計者必須增大光源15的強度以克服該背景光。但是，對于可由光源15提供的功率存在實際的限制。例如，在使用電池或者其它受限功率源的應用中，光源15中可以提供的最大功率可能受到嚴重限制。此外，對于在光源15所處區(qū)域中開關板可以散發(fā)的熱量存在限制。
現(xiàn)在參考圖2，圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的開關板40的剖視圖。開關板40包括透明層31，透明層31具有示以36和37的前側面和后側面。光源35以類似于參考圖1在上面所討論的方式將光射入到層31中。當用戶將其手指施加到層31的頂表面36時，被捕集在表面36和37之間的光的一部分以允許光逃逸出層31的角度朝向表面37散射。層31的前表面36由透鏡13成像在成像陣列34上?？刂破?2處理該圖像，以確定用戶的手指20接觸屏幕的位置。
本發(fā)明通過使用彩色光源35和彩色光檢測器陣列34克服了背景問題?？紤]其中光源21發(fā)射藍光而光源35發(fā)射紅光的情形。光檢測器陣列將記錄RGB圖像。因為藍光源在紅光區(qū)具有非常小的強度，所以紅光圖像可以用來確定用戶是否已經將手指放置在層31上。藍光圖像可以用來確認掩模32上的用戶放置其手指的位置，因此每一個陣列具有內部位置標度。
此外，應該注意，因為層31和掩模32和表面37之間的空間中的空氣之間的折射率的差異，由用戶的手指產生的光中的一部分被從表面37向后朝向用戶反射。此反射光將作為圍繞用戶手指的光環(huán)出現(xiàn)。此光環(huán)將具有與光源35相同的顏色，如上所述，該顏色是不同于由光源21照明掩模32所產生的光的顏色。此光環(huán)向用戶提供了可視的反饋信號。
一般來說，開關板設計者不能控制光源21的光譜。光源21代表在開關板所處位置處的環(huán)境光以及由作為開關板40的一部分的任何內部光源所產生的光。雖然內部光源可以被控制，但是環(huán)境光不可能被控制。因此，光源21的光譜內容和強度都隨時間變化。最多，可以假設光源21和光源35具有不同的顏色光譜。如上所述，光源35可以被調制。如果光源21包括所有三種顏色的光，則當光源35被關閉時，控制器42將記錄對應于光源21的每一種顏色分量的三種顏色的圖像。然后，將在兩個光源都打開時記錄的三種顏色的圖像減去這三種圖像，以提供可以用于確定手指20是否存在的三種校正的圖像。
三種圖像中的信息可以以多種方式被處理，來確定手指20是否存在。在一個實施例中，具有最大對比度的圖像被用于確定手指20是否存在。在另一個實施例中，校正分量圖像的加權平均被用于確定手指20是否存在。在另一個實施例中，各個校正分量圖像之間的相關性被計算來確定手指20是否存在。
在本發(fā)明的一個實施例中，光源35由多個LED構成，每一個LED發(fā)射不同顏色的光。為了此討論的目的，將假設光源35由三個LED構成，并且所述LED發(fā)射光譜中的紅光、綠光和藍光區(qū)域的光。由用戶在用戶觸摸層31并且觀察光環(huán)所察覺的層31中的光的顏色由來自三個LED的光的平均相對強度確定?？紤]其中每一個LED被打開一段短的時間然后被關閉的情形。LED被依次打開，使得沒有兩個LED是同時打開的。在每一個LED被打開了其預定的時間段之后，LED都被設置為關閉位置并且持續(xù)第四時間段，然后重復該過程。如果所述時間段都足夠短，觀察者將察覺具有某一顏色的持續(xù)打開的光源，所述顏色由每一個LED打開的時間的長度和來自該LED的光的強度確定。
在每一個時間段期間，控制器42利用彩色圖像陣列34形成表面37的彩色圖像。彩色圖像實際上由對應于成像陣列34中的紅光、藍光和綠光傳感器的三種分量顏色圖像構成。在所有LED關閉的時間段中所獲取的圖像形成具有多個分量圖像的背景圖像，可以將在LED中的一個打開時所獲取的分量圖像中的每一個減去所述背景圖像的分量圖像。然后，由此減去操作產生的校正分量圖像可以被用來確定手指20是否存在。在本示例中，將存在9個這樣的分量圖像，每三個圖像對應于一個LED。這些校正分量圖像中的圖像可以如上所述地被處理。
可以用多種方法處理圖像。例如，可以利用具有最高對比度的圖像。在另一個示例中，可以以預定的加權因子來加和圖像，以提供用于確定是否在圖像中出現(xiàn)亮斑的合成圖像。在另一個示例中，使用了校正分量圖像中的僅僅一個，即對應于在獲取圖像時被打開的LED的顏色的那一個分量圖像。然后，這三個校正分量圖像可以以加權和被加和在一起，以提供可以用于分析對應于用戶的手指的亮區(qū)的合成圖像。
本發(fā)明的上述實施例使用了其中光通過內反射被捕集的剛性板。這些實施例依賴于用戶手指和觸摸板的表面的相互作用來中斷光的內反射。如果按壓板的物體不會“潤濕”觸摸板的表面，則這些實施例是不那么有效的。通過使用具有柔性表面的觸摸板可以克服對于潤濕表面的需要?，F(xiàn)在參考圖3，圖3是使用透明介質的柔性層的觸摸板50的剖視圖。觸摸板50包括結合到剛性板52的柔性透明層51。為了討論的目的，將假設構造板51的材料的折射率與板52的折射率相差足夠大，使得如53所示的進入層51的端部的光被捕集在柔性層內。當如54所示用戶按壓在柔性透明層51上時，柔性透明層51的表面55凹陷，并且光從該凹陷的表面以大于臨界角度的角度被反射，因而逃逸出層51和52。
應該注意，層51和52也可以由具有大致相同的折射率的材料制成。在此情況下，層之間的邊界56將不反射光，作為替代，光將被捕集在表面55和57之間。但是，光將仍然被表面55中的由用戶按壓在表面上所產生的凹陷所反射，因此這樣的實施例也是可行的。表面55也可以涂覆一部分反射材料，以增強在凹陷點處的光反射。
根據(jù)前面的描述和附圖，本領域技術人員將清楚本發(fā)明的各種修改。因此，本發(fā)明應僅僅由所附權利要求的范圍限定。
權利要求
1.一種開關板，包括觸摸板，其包括具有第一表面和第二表面的光學透明層，所述光學透明層的折射率大于空氣的折射率；圖像生成器，其向從所述第一表面觀察所述觸摸板的人顯示包括多個按鈕位置的圖像；成像系統(tǒng)，其記錄所述觸摸板的所述第一表面的彩色圖像；控制器，其接收所述圖像，且如果所述觸摸板在所述多個按鈕位置中的一個處被觸摸，所述控制器生成輸出信號；和光源，其產生在所述透明層內在所述觸摸板的所述第一表面和所述第二表面之間反射的光信號，所述光源包括多個發(fā)光二極管，每一個發(fā)光二極管產生具有不同于所述多個發(fā)光二極管中的其它二極管的光譜的光，每一個發(fā)光二極管以預定的次序打開，使得在每次只有一個發(fā)光二極管被打開。
2.如權利要求1所述的開關板，其中，所述控制器使得所述成像系統(tǒng)在所述發(fā)光二極管中的一個被打開時對應于每一個發(fā)光二極管記錄所述觸摸板的所述第一表面的彩色位置圖像。
3.如權利要求2所述的開關板，其中，所述控制器使得所述成像系統(tǒng)在所述發(fā)光二極管中的每一個都沒有被打開時記錄所述觸摸板的所述第一表面的彩色背景圖像，并且其中，所述控制器將所述彩色位置圖像中的每一個減去所述彩色背景圖像，形成校正的彩色位置圖像。
4.如權利要求3所述的開關板，其中，所述控制器合成所述校正的彩色位置圖像，以確定所述觸摸板是否被觸摸以及所述觸摸板的什么位置被觸摸。
5.如權利要求1所述的開關板，其中，所述光信號被觀察所述信號的用戶察覺為預定顏色的恒定光信號。
6.如權利要求5所述的開關板，其中，當用戶觸摸所述觸摸板的所述第一表面時，所述光信號的一部分脫離所述第一表面。
7.如權利要求1所述的開關板，其中，當所述第一表面被大于預定力的力觸摸時，所述光信號的一部分在所述光學透明層中被以大于臨界角度的角度朝向所述第二表面反射。
8.如權利要求1所述的開關板，其中，當預定的壓力被施加到所述第一表面上時，所述第一表面發(fā)生足夠的變形，使得所述光信號的一部分在所述光學透明層中被以大于臨界角度的角度朝向所述第二表面反射。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種開關板，其具有觸摸板、圖像生成器、成像系統(tǒng)和光源。觸摸板包括具有第一表面和第二表面的光學透明層，光信號通過內反射被捕集在所述光學透明層中。圖像生成器向從第一表面觀察觸摸板的人顯示包括多個按鈕位置的圖像。當用戶在一個按鈕位置觸摸前表面時，來自產生所述被捕集光信號的多LED光源的光在對應于接觸點的點逃逸出觸摸板。離開觸摸板的光由成像系統(tǒng)成像，并用于確定接觸點的位置。在光源中的不同LED下獲取的圖像被用于作出接觸判定以減小環(huán)境光的影響。
文檔編號H03K17/94GK1928618SQ20061011224
公開日2007年3月14日 申請日期2006年8月29日 優(yōu)先權日2005年8月29日
發(fā)明者陳文杰, 郭建裕, 陳范顯 申請人:安華高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司