用于触摸屏的激光干涉设备.pdf

用于通过激光干涉检测进行位置确定的系统和方法采用了跨平面区域(300)的宽光束宽度激光投影(301)。透镜系统(222)用来提供所述宽光束宽度投影，分束系统(225)用来使干涉图案与所述宽光束宽度投影的特定段相关。反射的干涉光束在检测器阵列(240)上被检测，该检测器阵列被配置成检测与所述宽光束宽度投影内的物体相应的波动。

1.  一种系统，包括：
宽光束宽度投影(203)源(220，222)；
检测器阵列(240)；
分束器(225)，其被配置成提供所述宽光束宽度投影(203)的两个投影(201，202)：
第一投影(201)，其跨平面区域延伸，和
第二投影(202)，其跨所述检测器阵列延伸；以及
检测系统(250)，其被配置成检测由第一投影(201)反射到检测器阵列(240)上造成的干涉，并且据此确定所述平面区域内一个或多个物体(150)的存在。

2.  权利要求1的系统，其中
源(220，222)提供宽光束宽度激光投影。

3.  权利要求1的系统，其中
源(220，222)包括圆柱形透镜(222)，该透镜提供所述宽光束宽度投影。

4.  权利要求1的系统，包括
透镜系统(315)，其被配置成将第一投影(301)的反射引导到检测器阵列(312)上。

5.  权利要求4的系统，其中
透镜系统(315)被配置成将第一投影(201)的光线(201b)的反射引导到检测器阵列(240)的区域(240b)，在所述区域处，第二投影(202)的相应光线(202b)撞击检测器阵列(240)。

6.  权利要求1的系统，其中
检测系统(250)被配置成确定至少一个所述物体(150)相对于所述平面区域的位置。

7.  权利要求6的系统，其中
检测系统(250)被配置成基于从所述阵列(240)的多个检测器检测的干涉来确定所述位置。

8.  权利要求6的系统，其中
检测系统(250)被配置成基于随时间的所述干涉的多个测量来确定所述位置。

9.  权利要求1的系统，包括
邻近所述平面区域的显示屏(300)。

10.  权利要求1的系统，其中
检测系统(250)被配置成控制与所述投影关联的能量等级。

11.  一种方法，包括：
提供(220，222)宽光束宽度投影；
分裂(225)所述宽光束宽度投影为两个投影：
第一投影(201)，其跨平面区域延伸，和
第二投影(202)，其跨检测器阵列(240)延伸；以及
检测(240)由第一投影反射到所述检测器阵列上造成的干涉，和
根据所述干涉确定(250)所述平面区域内一个或多个物体(150)的存在。

12.  权利要求11的方法，其中
所述宽光束宽度投影包括激光投影(220)。

13.  权利要求11的方法，包括
提供(220，222)所述宽光束宽度投影，包括通过圆柱形透镜扩展(222)窄光束投影，所述圆柱形透镜提供所述宽光束宽度投影。

14.  权利要求11的方法，包括
通过透镜系统(315)将第一投影的反射引导到检测器阵列(312)上。

15.  权利要求14的方法，其中
第一投影(201)的反射的光线(201b)被引导以在区域(240b)处撞击检测器阵列(240)，在所述区域处，第二投影(202)的相应光线(202b)撞击检测器阵列(240)。

16.  权利要求11的方法，包括
确定(250)至少一个所述物体(150)相对于所述平面区域的位置。

17.  权利要求16的方法，其中
确定(250)所述位置包括基于从所述阵列(240)的多个检测器检测的干涉确定所述位置。

18.  权利要求16的方法，其中
确定(150)所述位置包括基于随时间的所述干涉的多个测量来确定所述位置。

19.  权利要求11的方法，包括
在邻近所述平面区域的显示屏(300)上显示信息。

20.  权利要求11的方法，包括
控制(250)与所述投影关联的能量等级。

用于触摸屏的激光干涉设备
本发明涉及触摸设备领域，特别地，涉及使用激光干涉测量来检测表面上的触摸位置的触摸设备。
2004年11月9日公布的并且通过引用合并于此的Martin D.Liess的美国专利6816537“Device having touch sensitivity functionality”公开了一种使用激光干涉/反射来检测物体位置的触摸屏，所述物体例如接触屏幕的指示笔(stylus)或手指。图1A和图1B示出了该专利中所使用的技术。图1B示出了扫描设备110，其包括提供激光束101的激光发射和检测设备120。激光束101由在机构130的控制下摆动的反射镜125反射。图1A中的附图标记101a、101b等用来指示当该光束在扫掠屏幕100的表面时在不同时间情况下的这个光束。
如果在光束101的路径上没有障碍，那么光束行进到屏幕100的边缘并且以散射模式从该边缘反射。采用激光检测领域的常见技术，反射回扫描设备110的这些散射光线引入干涉，其对设备120的激光发射二极管的光输出产生波动，并且得到的电流调制被激光发射和检测设备120检测器检测到。基于波动发生的相对时间和反射镜125的角度，可以分别确定反射源的距离和方向。通过这种方式，屏幕表面上物体150的出现将引入波动，根据该波动可以确定其距离和方向。来自屏幕100边缘的反射提供了一组规则的波动，根据这些波动可以对系统进行校准。
虽然这种现有技术系统提供了一种用于检测接触屏幕表面或者以其他方式横断光束101的平面投影的物体的有效方式，但是提供平面投影的机械性质(mechanical nature)存在问题。因为是机械的，其使用可能限于特定的环境，而且系统的可靠性很可能局限于机械结构的可靠性。类似地，制造的成本和复杂性将很可能基本上依赖于该机械设备。
此外，表面的扫描耗费时间，对表面上任意给定点/光线的扫描之间出现大量的“死时间”。为了精确地捕捉在表面上的运动，例如当某人在表面上书写时指示笔的移动，大体上至少需要每秒30个样本，这可能无法采用机械扫描结构来实现和/或实施。
有利的是，提供包含少数(如果有的话)运动部分的触摸屏。同样有利的是，提供可以相对廉价地制造的触摸屏。同样有利的是，提供成本有效的基于激光干涉的位置检测的方法。同样有利的是，提供给出高速率位置确定的触摸屏。
这些优点和其他优点可以由通过激光干涉检测进行位置确定的系统和方法来实现，其采用跨平面区域的宽光束宽度(beamwidth)的激光投影。透镜系统用来提供所述宽光束宽度投影，并且分束系统用来使干涉图案与宽光束宽度投影的特定段相关。反射的干涉光束在检测器阵列上进行检测，所述检测器阵列被配置成检测对应所述宽光束宽度投影内的物体的波动。因为光束实际上不扫描表面，因而采样速度仅受限于采样和处理检测器阵列的输出所需要的时间。
在一个优选的实施例中，本发明包括一种系统，该系统包括：宽光束宽度投影源；检测器阵列；分束器，其被配置成提供宽光束宽度投影的两个投影，第一投影跨平面区域延伸，第二投影跨检测器阵列延伸；以及检测系统，其被配置成检测由将第一投影反射到检测器阵列上造成的干涉，并且据此确定平面区域内一个或者多个物体的存在。
优选地，本发明的方法包括：提供宽光束宽度投影；分裂该宽光束宽度投影以便提供两个投影，第一投影跨平面区域延伸，第二投影跨检测器阵列延伸；检测由将第一投影反射到检测器阵列上造成的干涉；以及根据所述干涉确定平面区域内一个或多个物体的存在。
下面通过举例和参考附图进一步详细地解释本发明，其中：
图1A和图1B示出了现有技术激光干涉检测设备的示例框图。
图2示出了根据本发明的激光干涉检测设备的示例框图。
图3示出了根据本发明的激光干涉设备触摸屏设备的示例框图。
在整个附图中，相同的附图标记表示相同的元件，或者基本上执行相同功能的元件。这些附图被包含是为了说明性目的，而不是为了限制本发明的范围。
在以下的描述中，为了解释而非限制的目的，阐述了特定的细节，例如特定的结构、接口(interface)、技术等，以便提供对本发明的全面理解。但是，本领域技术人员应当理解的是，本发明可以在偏离这些特定细节的其他实施例中实施。为了简单和清楚的目的，省略了对公知设备、电路和方法的详细描述，以便不被不必要的细节模糊本发明的描述。
图2示出了根据本发明的激光干涉检测设备的示例框图。该设备包括激光发射器220和透镜222，其被配置成提供宽光束宽度激光投影203。分束器件225(例如半透明反射镜)将投影203分裂为延伸至器件225之外的平面区域的第一投影和跨检测器阵列240延伸的第二投影。第一投影内的样本光束被表示为光束201a-c，并且第二投影内的样本光束被表示为202a-c。
分束器225被设置成使得第二投影内的每个光束在沿着检测器阵列240的不同点处撞击该检测器阵列。每个光束提供：第一成分，其以相对于光束源的特定角度行进通过所述平面区域；以及第二成分，其撞击沿着阵列240的特定点。因此，沿着阵列240的每个点对应于跨越所述平面区域的光束的投影角度。换言之，例如，光束202a、202b、202c及对这些光束的干涉将分别可在检测器段240a、240b、240c处检测到。当物体150散射光束201b时，到达阵列240的物体150的反射将对检测器240b处的相应光束202b引入干涉。如下文进一步所详述的，成像透镜系统优选地用于将反射光束202a-c引导到它们的相应检测器240a-c，以进一步增强所引起的干涉调制。
检测系统250通过使用常规的激光干涉技术处理所检测的干涉图案以确定所述平面区域内物体150的位置，所述激光干涉技术例如前面提到的美国专利6816537中所公开的技术。像在该现有技术专利中一样，物体到激光发射源的距离可基于干涉的相对时间延迟来确定。但是在本申请中，物体与激光源的角度是基于所检测的干涉沿阵列240的位置来确定的。在一个优选的实施例中，检测系统250被配置成控制所述激光发射系统以提供合适的能量等级，以便于可靠的物体检测。
检测系统250的精确性(accuracy)和分辨率将依赖于阵列240的检测分辨率。阵列240中的更少的检测器将提供较低的分辨率，尽管已知的技术可以用来提供较高的有效分辨率。取决于阵列240中各检测器的相对几何关系和物体150的尺寸，所述干涉可跨越多个检测器延伸，并且常规的质心确定滤波器或插值技术可用来改进已确定的物体150相对于发射源的角度的精确性和精密性(precision)。类似地，随时间的多个样本可用来进一步改进距离和角度测量的精确性和精密性。
多种透镜系统也可用于形成或改善所述投影。在一个优选的实施例中，圆柱形透镜用来提供宽光束宽度投影，并且其他透镜可用于进一步将该投影引导到所述平面区域。类似地，透镜系统可用于将来自平面区域的反射引导到检测器阵列240。
图3示出了本发明的示例性触摸屏实施例。显示屏300包括激光干涉检测器310，其采用宽光束宽度投影，该投影被分裂为跨屏幕区域延伸的第一投影301和跨检测器阵列312延伸的第二投影302。透镜系统315用于将来自物体350、351的反射引导到检测器312。只要物体350、351相对于检测器310的角度不同，那么来自物体350、351的干涉图案将是可区分的，并且关联的检测系统将能够报告出现这两个物体靠近和/或接触屏幕300。在一个优选的实施例中，透镜系统315被配置成将以不同角度到达的反射引导到阵列312上与投影的光束的这些角度相应的区域。
上述内容仅仅说明了本发明的原理。因此，应当理解的是，本领域技术人员将能够设计出各种装置，这些装置尽管未在此处明确描述或显示，但是体现了本发明的原理并且因而处于在它的精神和范围内。例如，虽然本发明针对激光干涉系统的情况而被提出，所述系统被配置成检测物体的位置，但是本发明的原理可以适用于其他的投影系统并且可以适用于其他的检测方案，例如本身不确定距离的简单的方向检测器，或者仅仅检测宽光束宽度投影场内物体的存在的简单的邻近检测器。鉴于本公开，这些和其他的系统配置和优化特征对于本领域普通技术人员都将是明显的，并包含在下面的权利要求的范围内。
为了解释这些权利要求，应该要理解的是：
a)措词“包括”并没有排除存在给定权利要求中未列出的其他元件或动作；
b)元件之前的措词“一”或“一个”并没有排除存在多个这样的元件；
c)权利要求中的任何附图标记并没有限制它们的范围；
d)若干“装置”可以由相同项目或者硬件或软件实现的结构或功能表示；
e)公开的元件中的每一个可以包括硬件部分(例如包括分立和集成的电子电路)、软件部分(例如计算机编程)以及其任意组合；
f)硬件部分可以包括模拟和数字部分中的一个或者二者；
g)除非另有特别说明，公开的设备中的任何一个或者其部分可以组合在一起或者分离成另外的部分；以及
h)除非特别说明，并不预期需要动作的特定顺序。
i)措辞“多个”元件包括两个或更多个所述元件，并且并不意味着元件数量的任何特定的范围；也就是说，多个元件可以少至两个元件。