光学触摸技术

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摘要：光学触摸技术最初是1970年代引入的，最新的突破带来了该技术的复苏。研发者已经能够解决成本、亮环境光下的显示性能，以及组成要素等问题，这里只提及其中的一小部分。本文详细介绍了这些问题是如何解决的；该技术的前景，包括深入了解一下光学触摸系统的几个崭新的发展。
关键词：光学触摸技术；发光二极管；光学传感器　　中图分类号：TN141文献标识码：A
6 r8 m' Q/ i/ g1 a$ ]AnOverviewofOptical-TouchTechnologies　IanMaxwel（RPO,Inc.,Australia）
　　Abstract:Recentbreakthroughshaveledtoaresurgenceinopticaltouchsystems,whichwerefirstintroducedinthe1970s.Developershavebeenabletoaddressissuesofcost,performanceinhigh-ambientlight,andformfactor,tonamejustafew.Thisarticledetailshowtheseproblemshavebeenovercomeandwhatthefutureholdsforthistechnology,includingalookatseveralcompletelynewapproachestooptical-touchsystems.
　　Keywordsptical-touchtechnology；LED；photosensor
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: y. u" Z$ j4 Q8 Q　　光学触摸技术最初是1970年代CarollTouch公司（现在是EloTouchSystems的一部分）发展起来的，现有不少供应商出售该项技术。和其它的触摸技术相比，光学触摸技术具有很多优点。工业界的很多人都认为，如果没有下面将要提到的两个相当大的缺点，光学触摸技术现在已经成为触摸技术的主流。光学触摸屏技术的最新发展使得光学触摸技术复兴，为其成主流触摸技术奠定了基础。
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　　引言
　　
8 K3 I$ c' g; h2 o2 P　　传统的光学触摸系统是在显示器的两个相邻斜面上采用红外发光(IR)二极管(LED)阵列，并在相对的斜面边缘放置光敏元件，用于分析系统、确定触摸动作。LED-光传感元件对在显示器上形成光束栅格。当物体（例如手指或者钢笔）触摸屏幕遮断了光束，就会在相应光传感元件处引起光测量值的减弱。光传感的输出测量值可以用于确定出触摸点的坐标。通常控制器是扫描光传感阵列，而不是同时测量所有的光传感器，因此这项技术有时被称为"扫描IR"。在这项技术的高级版本中，每个光传感器测量来自不止一个LED的光，这使得控制器可以补偿由于屏上不可移动的碎片而引起的光的阻断（见图1）。
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5 d7 c0 V+ q. r- Z5 V7 w　　这项传统的光学触摸技术已经主要用于触摸市场中的相关领域。过去，它的广泛应用由于两大原因曾经受到限制：技术成本比与之竞争的其他触摸技术要高，还有在亮环境光下的显示性能问题。后一个问题是由于背光源放大了光传感元件的背景噪声。在有些情况下，噪声大到无法检测到触摸屏的LED光，导致触摸屏的暂时失灵。这个问题在阳光直射下最为显著，因为阳光在红外区域分布有大量的能量。
1 r( ^# n9 @1 a% c$ Z+ n. h　　另外，传统的光学触摸技术由于其它的一些技术问题，例如功耗、机械包装约束、分辨率的限制导致系统检测PDA笔等小物体的能力受限等，而没有被手持式触摸屏（例如手机和PDA等）采用。其它技术例如模拟电阻技术由于成本低很多，主导了移动设备触摸屏的市场。
% k3 |$ k) G+ M0 ~　　但是光学触摸的特性还是可取的，代表了理想触摸屏的属性，包括可以去除其它触摸技术都必需的显示屏前的玻璃或塑料层。在很多情况下，这种覆盖层采用透明导电材料，例如氧化铟锡(ITO)，这会导致显示屏的光学性能下降。光学触摸屏的这个优势对于很多设备、显示屏供应商来说是极其重要的，因为设备的售出与使用者的感觉质量相关。
3 I8 X; T/ M- {　　光学触摸的另一个长期需求的性能是传感器的数字输出，相比之下，很多其它的触摸系统是依赖于模拟信号处理来确定触摸位置。这些与之竞争的模拟系统通常需要不停的再校准，对信号处理（增加了成本和功耗）的要求比较复杂，与数字系统相比精确度相对降低；并且由于操作环境引起更长时间使用后系统失灵。
- v, l  q9 Q: ]( B' P" l　　光学触摸的另一个关键的优点是通常情况下没有手指、笔或其它被识别硬件的直接接触。这就减少了触摸屏由于接触失败、老化、疲劳引起失灵的可能。这与低压力触摸的要求也有关。在一个光学触摸系统中，只要与光束接触就可以了，不需要检测力量或者触发系统。
+ ]$ b6 V) ]4 \1 s　　最后，光学触摸可以执行同时触摸，这是其它触摸技术难以实现的。尽管同时触摸在过去没有被广泛地发展，近期由于苹果iPhone等新设备引起了关注，它让同时触摸成为用户界面不可或缺的一部分。
　　
　　１最新技术提高
　　
, M0 |5 d( I' `& {% @% S2 s& }# q　　1.1新元件和信号处理的改进
　　处理：自从传统的光学触摸系统开始发展，关键元件如LED、光敏二极管、CMoS芯片在性能上有了长足的发展，成本大大降低。产生模塑光学和信号处理算法的技术也有了很大的发展和改进。因此，传统光学触摸技术有了发展，至少与其它也在不断发展的触摸技术相比保持着竞争力。
　　
　　1.2改进的光学系统设计
　　近期，EloTouchSystems和IRTouch等公司试图解决光学触摸的背景或环境光问题，主要采用改进边缘（缝隙）设计、光学滤光片和更加复杂的信号处理来增强信噪比。如，红外LED可以通过特定频率调制，光传感器的输出只可以在该特定频率下解调。由此来降低阳光对未调制的红外光的影响。制造商声称的最新产品能承受75~100klx的环境光，表明这些技术在降低光学触摸对日光的敏感度方面有了不错的成就。
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　　2新型光学触摸系统
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) q6 w1 Y8 J; x5 z) |　　新元件技术和关键器件的成本降低使得大量崭新的光学触摸系统得以产生。便宜和更尖端的光学系统设计工具的结合，为现有光学触摸系统的设计和制造的再次提出创造了完善的条件。
　　现有两大类新的光学触摸系统：一类是取决于光源的，通过阻断来检测触摸的；还有一类是利用环境光，而与光源无关的。另外，这些新系统还可以根据规定光束的遮断，以及通过复杂的信号处理来确定显示器上方图像的触摸点来分类。本文回顾了这些新型的光学触摸系统。
　　
4 B/ }: g5 w& B- w: W　　3Neonode
　　
　　Neonode采用了传统的IR触摸技术，LED以及光敏二极管，关键在于将其微型化以用于手持设备。除了将该技术用于其N2手机，Neonode还将它销售给其他的设备制造商。但是还不清楚该技术是否被其他的手机销售商采纳。该项技术的关键挑战在于斜面的高度。很多手机制造商不断地尝试制造能在顶面齐平或者接近齐平的新元件，他们希望显示器尽量延伸，尽量靠近设备的边缘（使得显示器的尺寸和对多媒体功能的体验都尽可能的大）。参考图2中给出的NeonodeN2和苹果iPhone，可以立刻明显发现iPhone屏幕的表面是平滑的，而N2手机屏的表面是凹的。通过对样品的检测，N2的斜高约为1.6mm（包括包装材料的厚度）；而iPhone的斜高为0（平滑）。其它妨碍Neonode触摸屏技术在手机市场使用的问题有成本和功耗，都是因为设备中大量的采用光电子元件（LED和光敏二极管）造成的。
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　　对于这项技术及苹果iPhone的另外一个潜在的挑战是只能用手指触摸的限制。亚洲智能手机制造商更希望能够采用触摸笔输入，以支持字符识别。NeonodeN2上的光束间隔比较宽，大约每厘米2.5个光束，手指大约能够覆盖9个光束交叉点。这能节约能量，但是使得触摸笔在触摸屏上无法使用。即使使用大的触摸笔，由于分辨率不够，手写识别还是无法实现。相比较而言，用于iPhone的导电轨迹间隔相对比较窄，大概每厘米25个轨迹交叉点。但是，即便是投射式电容性技术的分辨率更高，它只能支持手指触摸，限制了触摸笔或是戴手套时的使用。所以这个比较结论有待讨论。
　　
　　4NextWindow、SMART以及其它技术
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. F: f0 C, y9 e* ?/ R8 K　　NextWindow和SMART技术实现了基于照相机的光学触摸，至少有一个新的开始。
　　NextWindow的光学触摸屏技术采用了两个放置在显示器相邻边角上的线扫描照相机（图3）。照相机根据红外光源的截断来检测任何靠近表面物体的移动。由屏表面的一个平面产生光，并由屏三个边上的定向反射条（定向反射镜使得光从入射角沿着平行但相反的路径反射回来）反射回相机。当手指（或任何物体）触摸屏幕时，控制器就分析了相机中的图像，触摸物体位置的三角关系。SMART光学触摸屏技术使用的是相同的原理，区别在于它用了四个面扫描照相机。
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0 E1 \/ l* i  Z- k/ z1 \; ^　　即使技术上允许光学触摸技术不需要玻璃触摸表面，供应商也不会这样做，因为需要保护LCD的软(2H)表面。这些技术比传统技术先进在它们的有源器件更少，因此可以减少成本，具有更长的平均失误间隔时间(MTBF)。NextWindow销售的触摸屏的尺寸在12～120in范围之间，到目前为止大多数应用于监视器尺寸的显示屏（例如HPTouchSmart家用电脑），以及用于交互数字签名的大尺寸显示[1]。尽管这项技术具有很高的分辨率和数据传输率，能够支持触摸笔的手写识别；但是，对于小于10in，由于边界宽度、成本、功耗的考虑不采用掌上反射显示屏的还无法应用。总的来说，基于相机的光学触摸技术在近期内还无法应用于移动设备。
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　　5PerceptivePixel
　　
8 ]  [- P5 A7 \0 ]4 Q　　纽约大学的研究者最新研制了一种可以同时用10个、20个，甚至更多手指触摸的大型多处触摸屏。PerceptivePixel公司的成立，旨在将该项技术商业化——尽管这项技术已经应用于交互性白板、触摸屏桌、数字墙等领域，所有的这些设备都可以由多人同时操作。
  o# |) j! V% A0 p　　PerceptivePixel技术原理是将红外LED光引入玻璃或塑料的背投屏上。该技术应用非全内反射(FTIR)，即当手指触摸玻璃表面时，光从手指处散射出去，被垂直于普通玻璃表面的光学传感器检测到[2]。在PerceptivePixel应用中，光传感器是投影机旁边的一个摄像机（见图4）。因为该技术是为背投显示屏设计的，它不能应用在移动设备中。
% n& P0 ]* P3 Q3 T1 B6夏普、东芝-松下显示(TMD)及其它
　　
9 }: \7 h3 @9 y. {' T　　夏普、TMD以及LG-飞利浦LCD都展示了显示屏本身作为光传感器件的光学图像触摸系统。这些新型的LCD在每个LCD像素中集成了一个光传感器件（发光二极管或光敏晶体管），这使得整个显示屏成为一个大矩阵光传感器；加上合适的图像分析技术，它可以成为触摸传感器甚至一个读卡扫描器。夏普最新展示了320×480像素光传感分辨率的3.5inLCD。由于固有的数字技术，它具有识别出同时多处触摸事件的能力（图5）。
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: ]5 S7 ?9 P- m1 \2 y　　将这项技术应用于触摸屏需要面临的一个挑战是，在有各种不同类型环境光的情况下进行信号处理。与普通的触摸屏不同，该技术需要分析一幅复杂的图像来确认是否有触摸发生。与普通的触摸屏相比，这项技术需要更加先进、昂贵、耗电的处理器。另外，多种背景光的存在会使得图像分析更为复杂。另外一个需要考虑的问题是速度。比如说，手写识别通常被认为需要至少每秒130帧的触摸识别速度，以避免识别延时。这种处理速度对于基于图像矩阵、低功耗的、用于手持设备的触摸技术来说是一种挑战。
　　由于移动设备的显示屏的尺寸、比例、分辨率有很多种，生产商没有真正的标准。因此，生产能够用于任意显示器的传感器将带来高成本，并且需要处理复杂触摸传感LCD的NRE。另外，这些LCD可能具有更小的像素-孔径比，因此与没有触摸传感的类似显示屏相比亮度可能会低一些。
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　　7RPO数字波导触摸技术
　　
  B* ~3 x- W, j　　RPO数字波导触摸(DWT)技术是基于传统IR系统概念发展而来的光学触摸系统。这种系统采用1～2个低成本LED，用来从两个相邻斜边提供可控的光源（事实上是一个红外光平面），然后在另两个相邻的斜边上，利用聚合物光学波导来将光线引入分立的10m管道进入一个小的光传感器矩阵（图6）。
　　
6 g& o1 M  v0 W　　这项由传统IR触摸改进的技术有效地解决了传统技术所有的缺点。下面将讨论这些缺点。
! F# C/ S3 B, U　　由于光电器件（LED和传感器）不再放置在显示器的斜边上；与传统的光学触摸系统相比，斜面高度和宽度对触摸系统的影响减弱了。RPO展示了在显示区域外只有2mm的触摸系统，从屏保护（镜片）到器件外壳的内表面的侧面高度只有0.5mm。
' @* c# B2 U1 Y7 w+ d　　DWT因为只有1~2个LED和1个光传感器芯片，所以成本要低很多；由于接收端的光学信号进入分立的光导，被光传感器矩阵的独立像素分别检测而具有"数字性"，所以它的分辨率要高很多。因此，笔检测和手写输入识别成为了可能。
2 T2 V+ D/ ?# t  Q　　滤波器和孔隙化的发展使得环境光不再是个问题，因为细小光学波导作为接收管道。
' e5 a9 ?  z9 J0 R9 `- N　　使这项技术成为可能的关键是RPO公司改进的低成本光刻印刷聚合物光学波导。这家公司采用类似LCD的处理工具来沉积湿膜，用直接的光刻图案处理薄膜，还有溶剂的改进。这听起来很简单，但是改进聚合物材料和用于生产大量、高强度的高分辨率光导的工艺用了很多年。另外，这个RPO使用的光学系统设计非常复杂，但是在物理系统中简单、便宜、便于集成。
　　RPO在DisplayWeek2007上演示了这个系统，当时用于PDA设备的多重触摸。DWT现用于高端用户产品之中。理论上讲，这个系统可以用于任意尺寸的显示屏，但是RPO最初是面向中小型消费类电子和车载显示器的。
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　　8结论
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6 A* `. ^* y+ B! ^　　以上这些新的光学触摸技术都可以在广大且持续发展的触摸屏市场中占据属于自己的一席之地。排除所有的技术缺陷，我们可以预测光学触摸技术与其它触摸技术相比具有关键的优点。总的来说，这些新技术，如果都归类于"光学触摸系统"，最终可以占据触摸屏市场的一大份。
　　促进手持式触摸屏迅猛发展的是苹果iPhone以及其它智能手机、GPS手持设备，还有个人多媒体播放器。上面的这些技术，Neonode、夏普、TMD、RPO目标都很明确，并希望能和现有的电阻和投射式电容性触摸技术竞争。
　　
　　参考文献
- h7 t- c( t/ S" k　　[1]"IntroducingtheNextWindow1900OpticalTouchScreen:ANextWindowWhitePaper"(2007).
" q8 @3 W% J  T3 Z" C　　[2]J.Han,"Low-CostMulti-TouchSensingthroughFrustratedTotalInternalReflection,"Proceedingsofthe18thAnnualACMSympo-siumonUserInterfaceSoftwareandTechnology(UIST),(2005)(ACM1-59593-023-X/05/0010).