基于光的触摸屏幕.pdf

一种基于光的触摸屏幕，该触摸屏幕包括：多个红外发光二极管即LED，所述LED用于产生光束；至少一个LED选择器，所述至少一个LED选择器并与所述多个LED相连，用于以可控方式选择和取消所述多个LED中的一个或更多个；多个光电二极管接收器即PD接收器，用于测量光强度；至少一个PD选择器，所述至少一个PD选择器与所述多个PD接收器相连，用于以可控方式选择和取消所述多个PD接收器中的一个或多个；光学组件，所述光学组件用于投射所述多个LED发射的光束；以及与所述多个PD接收器相联的控制器，所述控制器(i)用于控制所述至少一个LED选择器；(ii)用于控制所述至少一个PD选择器；以及(iii)用于基于所述多个PD接收器的输出电流而由此确定物体的位置和速度。

1.  一种用于电子装置的触摸表面组件，该触摸表面组件包括:
供反射物体从上方进行触摸输入的表面；
投影仪，该投影仪将远离所述表面的方向上的光投射到所述表面上 方的空域内；
遮挡件，该遮挡件位于所述投影仪的前方并包括透明地形成在其上 的多个可区分形状，以便在所投射的光内产生包含所述可区分形状的图 案；
位于所述投影仪的前方的透镜，该透镜将所投射的远离所述表面的 光散布到所述表面上方的空域内，使得所述物体在适当地位于所述表面 上方时反射光图案的至少一部分，所反射的这部分光图案包括由所述遮 挡件产生的至少一个形状；以及
指向所述表面上方的空域的照相机，该照相机捕获所述表面上方的 空域的一个或多个图像，其中与所述照相机通信的控制器基于所述光图 案的由所述物体反射的部分内的该至少一个形状的识别将所述物体映射 到所述表面上的位置，所述至少一个形状由于其被所述物体反射而出现 在由所述照相机捕获的所述一个或多个图像中。

2.  根据权利要求1所述的触摸表面组件，其中所述控制器基于随着 时间捕获的一系列图像来识别由所述物体产生的姿势，其中不同的形状 出现在该序列的相应图像中。

3.  根据权利要求1所述的触摸表面组件，其中所述遮挡件包括金属 板，其中所述形状以平板印刷方式蚀刻在该金属板上。

4.  根据权利要求1所述的触摸表面组件，其中所述遮挡件包括具有 用于所述形状的开口的格栅。

5.  根据权利要求1所述的触摸表面组件，其中所述投影仪以投射角 度远离所述表面指向，并且其中所述照相机被指向成与所述投影仪基本 对齐，从而所述照相机基本以所述投射角度捕获所述表面上方的空域的 所述一个或多个图像。

6.  根据权利要求1所述的触摸表面组件，其中所述控制器进一步基 于出现在所捕获的所述一个或多个图像中的该至少一个形状的识别来确 定所述物体在所映射的位置上方的高度。

7.  根据权利要求1所述的触摸表面组件，其中所述控制器基于出现 在所捕获的所述一个或多个图像中的该至少一个形状的识别和大小将所 述物体映射到所述表面上的二维位置。

8.  根据权利要求1所述的触摸表面组件，其中当所述物体悬浮在所 述表面上方时，所述控制器还基于出现在由所述照相机捕获的所述一个 或多个图像中的该至少一个形状的识别推导出所述物体在所述表面上指 向的位置。

9.  根据权利要求1所述的触摸表面组件，其中所述形状是由数字、 字母和点组成的组的成员。

10.  根据权利要求1所述的触摸表面组件，其中所述反射物体是由 手指、触笔和笔组成的组的成员。

11.  一种用于操作触摸表面的方法，该方法包括：
将远离所述表面的方向上的光投射到所述表面上方的空域内，其中 所述表面供反射物体从上方进行触摸输入；
阻挡通过所述投射而投射的光的多个部分，以产生其中具有多个可 区分形状的光图案；
将所投射的远离所述表面的光散布到所述表面上方的空域内，使得 所述物体在适当地位于所述表面上方时反射光图案的至少一部分，所反 射的这部分光图案包括由所述阻挡产生的至少一个形状；以及
捕获所述表面上方的空域的一个或多个图像；以及
基于所述光图案的由所述物体反射的所述部分内的该至少一个形状 的识别将所述物体映射到所述表面上的位置，所述至少一个形状由于其 被所述物体反射而出现在所捕获的所述一个或多个图像中。

12.  根据权利要求11所述的方法，该方法进一步包括基于随着时间 捕获的一系列图像来识别由所述物体产生的姿势，其中不同的形状出现 在该序列的相应图像中。

13.  根据权利要求11所述的方法，该方法进一步包括基于出现在所 捕获的所述一个或多个图像中的该至少一个形状的识别来确定所述物体 在所映射的位置上方的高度。

14.  根据权利要求11所述的方法，其中所映射的位置是通过出现在 所捕获的一个或多个图像中的该至少一个形状的识别和大小确定的所述 表面上的二维位置。

15.  根据权利要求11所述的方法，该方法进一步包括当所述物体悬 浮在所述表面上方时，基于出现在所捕获的所述一个或多个图像中的该 至少一个形状的识别确定所述物体在所述表面上指向的位置。

16.  根据权利要求11所述的方法，其中所述形状是由数字、字母和 点组成的组的成员。

17.  根据权利要求11所述的方法，其中所述反射物体是由手指、触 笔和笔组成的组的成员。

基于光的触摸屏幕
本申请是申请人为内奥诺德公司、发明名称为“基于光的触摸屏幕” 的中国专利申请(申请号为201080006890.7(PCT/US2010/023429)，申 请日为2010年2月8日)的分案申请。
技术领域
本发明的领域为用于计算机的触摸屏幕。
背景技术
传统的触摸屏幕是基于电容或电阻的。这些触摸屏幕向用户提供界 面，通过这些界面，用户通过利用触笔或利用其手指在选定位置触摸屏 幕而将输入信息输入到计算装置中。
传统的触摸屏幕通常较大。当空间非常宝贵时，例如对于小型手持 电子装置，传统的触摸屏幕仅仅限于用户输入少许信息。而且，当用户 不使用触笔时，这些输入信息很难被精确地解析。
传统的触摸屏幕还受限于它们能够识别的用户输入的类型。例如， 传统的触摸屏幕不能区分轻敲击和重按压。传统的触摸屏幕不能识别在 同一屏幕位置快速重复的敲击。传统的触摸屏幕不能识别连续跨越触摸 屏幕的手指或触笔形成的姿势。
因而，生产对于大屏幕和小屏幕来说都能够识别单次轻敲击、重复 轻敲击、按压和姿势的触摸屏幕将会是有利的。
发明内容
本发明的各个方面涉及触摸屏幕，该触摸屏幕通过测量由红外发光 二极管(LED)发出的光强度来操作。与基于电阻或电容的现有技术触摸 屏幕不同，本发明的各个实施方式利用光束。
LED和光电二极管(PD)接收器围绕触摸屏幕的周边分布。所述LED 由微处理器控制以选择性地发光，所述PD接收器由所述微处理器控制以 选择性地测量光强度。由所述LED发出的光通过透镜组件投射在所述触 摸屏幕之上。穿入投射光中的物体阻碍一些光到达所述PD接收器。由所 述PD接收器测量到的光强度的相应下降使得能够确定所述物体的位置。
根据本发明的实施方式，所述透镜组件将光投射到位于所述触摸屏 幕之上的多个高度的平行平面上。转而，由所述PD接收器测量到的光强 度使得能够检测到触摸所述屏幕的物体以及在所述屏幕上方几乎触摸所 述屏幕的物体。通过随着时间测量光强度，还能够确定几乎触摸所述屏 幕的物体随着时间的运动。而且，确定随着时间的运动使得能够推导出 物体的速度向量。
本发明的触摸屏幕能够识别和区分通过用户手指进行的静止用户输 入和基于运动的用户输入，其中包括在屏幕上的单次轻敲击、在屏幕上 的多次轻敲击、在屏幕上的重按压、在屏幕上的多次重按压、方向姿势 (例如在屏幕上向右的运动挥击)以及图形姿势(例如在以“s”或星号 “*”形状在屏幕之上滑动手指)。本发明的触摸屏幕还能够识别同时地 触摸屏幕的多于一个的物体的位置和运动。
本发明的触摸屏幕既可以用作输入装置又可以用作输出显示装置。 在本发明的一些实施方式中，由物体在触摸屏幕上形成的运动路径被转 换成鼠标的相应运动并同样地输入到计算机。
基于用户触摸的输入信息可以被记录在日志中并由数据处理器进行 后处理。这种触摸屏幕的一个应用是基于触摸的临街窗户，其中来自过 往行人的基于触摸的输入信息被记录在日志中并被分析以得出关于对临 街陈列橱窗展示感兴趣的消费者的信息。
在本发明的一些实施方式中，LED沿着所述触摸屏幕的两个相邻边缘 布置，PD接收器沿着另两个相邻边缘布置。在本发明的其他实施方式中， 在所述触摸屏幕的角部处布置四个LED，并且沿着所述边缘布置PD接收 器。
在本发明的一些实施方式中，所述LED作为矩阵连接至选择行的LED 行驱动器和选择列的LED列驱动器。这样，指定的LED通过适当地设置 其相应的行和列驱动器而被启动。这种连接显著地降低了所需的IO连接 器的数量，由此降低了用于触摸屏幕的材料成本。类似地，所述PD接收 器可以作为矩阵连接至PD行选择器和PD列选择器。
因而，本发明提供了既适合于小型电子装置又适合于大型电子装置 的触摸屏幕。使用本发明的触摸屏幕的装置(诸如移动电话)不需要键 盘，因为触摸屏幕本身可以用作键盘。
因而，根据本发明的一个实施方式提供了一种基于光的触摸屏幕， 该触摸屏幕包括：用于显示屏幕的壳体；多个红外发光二极管即LED，所 述多个红外发光二极管紧固在所述壳体上，用于产生光束；至少一个LED 选择器，所述至少一个LED选择器紧固在所述壳体上并与所述多个LED 相连，用于可控地选择和取消所述多个LED中的一个或多个；多个光电 二极管接收器，即PD接收器，所述多个光电二极管接收器紧固在所述壳 体上，用于测量光强度；至少一个PD选择器，所述至少一个PD选择器 紧固在所述壳体上并与所述多个PD接收器相连，用于可控地选择和取消 所述多个PD接收器中的一个或多个；光学组件，所述光学组件紧固在所 述壳体上，用于将由所述多个LED发出的光束投射到所述壳体之上的基 本平行的平面中；以及控制器，该控制器紧固在所述壳体上并与所述多 个PD接收器相联，(i)用于控制所述至少一个LED选择器；(ii)用于 控制所述至少一个PD选择器；和(iii)用于基于所述多个PD接收器的 输出电流而由此确定穿过所述基本平行的平面中的至少一个平面的物体 的位置和速度。
另外，根据本发明的一个实施方式提供了一种用于基于光的触摸屏 幕的方法，该方法包括：控制多个发光二极管即LED，以选择和取消所述 LED中的至少一个，由此选定的LED发出红外光束；控制多个光电二极管 接收器即PD接收器，以选择和取消所述PD接收器中的至少一个，由此 选定的PD接收器测量接收到的光强度；以及基于所述多个PD接收器的 输出电流确定阻碍来自所述PD接收器中的至少一个的光的物体的位置和 速度。
根据本发明的一个实施方式，还提供了一种触摸屏幕，该触摸屏幕 包括：用于显示屏幕的壳体；多个传感器，所述多个传感器紧固在所述 壳体上，用于感测触摸所述显示屏幕的物体的位置；以及控制器，该控 制器紧固在所述壳体上并与所述多个传感器相联，用于作为输入接收由 所述多个传感器感测的位置，并用于由此确定同时地触摸所述显示屏幕 的两个或更多个物体的位置。
附图说明
从如下结合附图的详细描述将更完全地理解和评价本发明，在附图 中：
图1是根据本发明的一个实施方式的具有16个LED和16个PD的触 摸屏幕的图；
图2A至图2C是根据本发明的一个实施方式的检测同时地触摸屏幕 的两个物体的触摸屏幕的图；
图3A和图3B是根据本发明的一个实施方式的检测两个手指滑移运 动的触摸屏幕的图；
图4A至图4C是根据本发明的一个实施方式的检测被同时地触摸的 显示的钢琴键盘的多个键的用于钢琴键盘模拟器的触摸屏幕的图；
图5是根据本发明的一个实施方式的来自图1的触摸屏幕的电路图；
图6A是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏幕的电子器件的简 化框图；
图6B是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏幕的替换电子器件 的简化框图；
图7是根据本发明的一个实施方式的供图6A和图6B的触摸屏幕使 用的示例性中央处理单元的简化电路图；
图8是根据本发明的一个实施方式的用于由16个LED组成的阵列的 移位寄存器的图；
图9是根据本发明的一个实施方式的用于启动LED的波形的图示；
图10是根据本发明的一个实施方式的触摸屏幕的图，其中四个LED 放置在屏幕的四个角部处，多个PD沿着屏幕的四个边布置；
图11是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏幕的LED驱动器矩 阵的图；
图12是根据本发明的一个实施方式的LED开关的图；
图13A是根据本发明的一个实施方式的用于限制和引导流到LED的 电流的限流器的图；
图13B是根据本发明的一个实施方式的用于限制和引导流到LED的 电流的另选限流器的图；
图14是根据本发明的一个实施方式的用于由16个PD组成的阵列的 移位寄存器的图；
图15是根据本发明的一个实施方式的用于启动选定的PD的波形的 图示；
图16是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏幕的光电二极管矩 阵的图；
图17是根据本发明的一个实施方式的用于在触摸屏幕中使用的PD 输出选择器的图；
图18A是根据本发明的一个实施方式的与触摸屏幕中的PD接收器一 起使用的基于电阻器的电流积分器的图；
图18B是根据本发明的一个实施方式的与触摸屏幕中的PD接收器一 起使用的基于晶体管的电流积分器的图；
图19是根据本发明的一个实施方式的随着时间的电流积分的图；
图20是根据本发明的一个实施方式的用于PD采样的方法的简化流 程图；
图21是根据本发明的一个实施方式的通过总计LED接通时的脉冲并 减去LED关闭时的脉冲来测量环境光的图示；
图22是根据本发明的一个实施方式的用于PD的另选方法的简化流 程图；
图23A是根据本发明的一个实施方式的用于沿着触摸屏幕的一个边 缘布置的PD的信号滤波器和放大器的电路图；
图23B是根据本发明的一个实施方式的利用OP放大器的另选信号滤 波器和放大器电路的电路图；
图24是用于LED和PD的现有技术的透镜组件的图；
图25A是根据本发明的一个实施方式的供用于触摸屏幕的LED和PD 使用的透镜组件的图；
图25B是根据本发明的一个实施方式的用于分布两组光束的透镜组 件的图；
图26A和26B是根据本发明的一个实施方式的与图25A和图25B的 各自的透镜组件对应的简化透镜组件的图；
图27示出了根据本发明的一个实施方式的在触摸屏幕的表面之上的 光强度的三维测量；
图28是根据本发明的一个实施方式的具有三维感测功能的触摸屏幕 的图示；
图29是图示了根据本发明的一个实施方式的由PD接收器测量的与 物体到触摸屏幕表面的接近程度对应的不同光强度的曲线图；
图30A是根据本发明的一个实施方式的具有触摸屏幕的电话听筒的 简化图示；
图30B是根据本发明的一个实施方式的投射到触摸屏幕上方的空间 中的点的图案的简化图示；
图30C是根据本发明的一个实施方式的简化图示，示出了由投影仪 投射在触摸屏幕上方的空间中并被物体反射的图案的密度如何依赖于物 体距投影仪的距离；
图30D和30E是根据本发明的一个实施方式的投射在触摸屏幕上方 的空间中的数字图案的简化图示；
图31是根据本发明的一个实施方式的用于处理作为输入到计算机的 输入信息的手指运动的触摸屏幕的使用的图示；以及
图32是根据本发明的一个实施方式的包括多款商品的触敏陈列橱窗 的简化图示。
具体实施方式
本发明的各个方面涉及基于光的触摸屏幕。根据本发明的实施方式， 基于光的触摸屏幕包括沿着围绕屏幕的周边布置的多个红外发光二极管 (LED)和多个光电二极管(PD)。LED与屏幕表面基本平行地投射光，该 光由PD检测。放置在屏幕的一部分之上的诸如手指之类的物体阻挡一些 光束，相应的一些PD检测到较弱的光强度。PD位置的排列以及它们检测 到的光强度足以确定物体的屏幕坐标。LED和PD由控制器控制以选择性 地接通和断开。通常，每个LED和PD具有I/O连接器，并且信号被传递 以指定哪个LED和哪个PD被启动。
在本发明的一个实施方式中，多个LED沿着矩形屏幕的两个相邻边 布置，并且多个PD沿着另两个相邻边布置。在这方面，现在参照图1， 该图1是根据本发明的一个实施方式的具有16个LED 130和16个PD 140 的触摸屏幕100的图。LED 130发出横跨触摸屏幕的顶部的红外光束，该 红外光束被与LED直接相对的对应的PD接收器检测到。当物体触摸到触 摸屏幕100时，其阻挡光到达某些PD接收器140。通过根据PD接收器的 输出鉴别哪些光束已经被物体阻挡，则可以确定物体的位置。
现在参照图2A至图2C，图2A至图2C是根据本发明的一个实施方式 的检测同时触摸屏幕的两个物体10和20的触摸屏幕的图。触摸屏幕的 物体10和20阻挡光到达一些PD接收器140。根据本发明的一个实施方 式，物体10和20的位置根据物体阻挡的红外光束的交叉线来确定。不 同的是，现有技术的基于电阻和基于电容的触摸屏幕不能检测同时触摸 屏幕的多于一个的物体。
当两个或更多个物体沿着公共水平或竖直轴线同时触摸屏幕100时， 这些物体的位置通过被阻挡的PD接收器140来确定。图2A中的物体10 和20沿着公共竖直轴线对齐并且基本上阻挡沿着触摸屏幕100的底边缘 的相同PD接收器140，即标记为a、b、c和d的PD接收器。沿着触摸屏 幕的左边缘，两组不同的PD接收器140被阻挡。物体10阻挡标记为e 和f的PD接收器，物体20阻挡标记为g和h的PD接收器。这两个物体 因而被确定位于两个位置。物体10具有位于被阻挡到达PD接收器a-d 和PD接收器e和f的光束的交叉点处的屏幕坐标，而物体20具有位于 被阻挡到达PD接收器a-d和PD接收器g和h的光束的交叉点处的屏幕 坐标。
图2B和图2C中所示的物体10和20没有沿着公共水平或竖直轴线 对齐，它们具有不同的水平位置和不同的竖直位置。根据被阻挡的PD接 收器a-h，可以确定物体10和20彼此对角地相对。它们或者如图2B所 示分别位于触摸屏幕100的右上和左下，或者如图2C所示分别位于触摸 屏幕100的右下和左上。
图2B和图2C之间的辨别通过如下方式解决：(i)将同一含义与这 两个触摸图案相关联；或(ii)将含义与这两个触摸图案中的仅一个相 关联。在(i)的情况下，UI布置其图标或以其他方式构造成使得图2B 和图2C的两种触摸屏幕的作用都相同。例如，触摸触摸屏幕100的任何 两个对角相对的角部的操作都解锁屏幕。在(ii)的情况下，UI布置其 图标或以其他方式构造成使得图2B和图2C的触摸图案中仅有一个具有 与其相关联的含义。例如，触摸触摸屏幕100的右上角和左下角的操作 解锁屏幕，而触摸触摸屏幕100的右下角和左上角的操作没有与其相关 联的含义。在这种情况下，UI辨别出图2B是正确的触摸图案。
现在参照图3A和图3B，图3A和图3B是根据本发明的一个实施方式 的检测两个手指滑移运动的触摸屏幕的图。图3A和图3B中所示的滑移 运动是使物体10和20一起接近的对角滑移。滑移的方向根据被阻挡的 PD接收器的变化来确定。如图3A和3B所示，被阻挡的PD接收器从a和 b变化到更靠右的PD接收器140，并且从c和d变化到更靠左的PD接收 器140。类似地，被阻挡的PD接收器从e和f变化到更靠下的PD接收器 140，并且从g和h变化到高靠上的PD接收器。对于沿着相反方向的滑 移，该滑移使物体10和20移动离开得更远，被阻挡的PD接收器沿着相 反方向变化。
当物体10和20在公共的竖直或水平轴线上对齐时，在识别滑移图 案时没有不确定性。当物体10和20没有在公共的竖直或水平轴线上对 齐时，如图3A和3B所示，在识别滑移图案时可能会有不确定性。在这 种不确定性的情况下，如以上参照图2B和图2C所描述的，在图3A和图 3B之间的辨别通过如下方式解决：(i)将同一含义与这两个滑移运动相 关联，或(ii)将含义与这两个滑移图案中的仅一个相关联。
本领域技术人员应意识到，本发明还识别同时触摸触摸屏幕100的 三个或更多个物体。现在参照图4A至图4C，图4A至图4C是根据本发明 的一个实施方式的检测被同时地触摸的显示的钢琴键盘的多个键的用于 钢琴键盘模拟器的触摸屏幕的图。图4A至图4C中的触摸屏幕具有与图1 至图3的触摸屏幕不同的布局。钢琴键沿着水平轴线显示。这样，沿着 水平轴线的触摸位置对应于键盘的键。黑色键通过其横跨两个白色键的 位置来识别。
图4A中所示的手正在弹奏三个白色键，相应地，表示为a-f的PD 接收器被阻挡。图4B中所示的手正在弹奏两个白色键和一个黑色键，相 应地，不同的多个PD接收器，也表示为a－f，被阻挡。图4C中所示的 手正在利用三个手指弹奏四个白色键。在图4C中，与图4B中相同的PD 接收器a－f被阻挡。在这种情况下，沿着触摸屏幕100的右边缘的PD 接收器在图4B和图4C之间辨别，即在图4B中PD接收器g、h和i被阻 挡，其中在图4C中PD接收器g和h被阻挡。图4B中的被阻挡的PD接 收器j表示与黑色钢琴键对应的深度。
现在参照图5，图5是根据本发明的一个实施方式的图1的触摸屏幕 100的电路图。LED 130和PD 140由图6A中所示的控制器控制。LED从 LED开关A接收各自的信号LED00－LED15,并通过限流器B从VROW和VCOL 接收电流。参照图12描述LED开关A的操作。参照图11A和图11B描述 限流器B的操作。PD从移位寄存器120接收各自的信号PD01-PD15。PD 输出经由信号PDROW和PDCOL发送至控制器150。
根据本发明的一个实施方式，LED通过第一串行接口来控制，该第一 串行接口向移位寄存器110传输二进制串。该二进制串的每个比特对应 于其中一个LED，并表示是否接通或断开相应的LED，其中比特值“1” 表示接通，比特值“0”表示断开。通过使比特串在移位寄存器110中移 位来启动和断开连续的LED。移位寄存器110的操作参照图8描述。
类似地，PD通过第二串行接口来控制，该第二串行接口向移位寄存 器120传输二进制串。通过使比特串在移位寄存器120中移位而接通和 断开连续的PD接收器。移位寄存器120的操作参照图14描述。
根据本发明的另一个实施方式，如图11所示，LED在逻辑上被布置 成矩阵，利用信号控制LED阵列中的每行和每列。每个LED矩阵信号连 接至控制器的单独管脚。类似地，如图16所示，PD可以在逻辑上布置成 矩阵，利用信号控制PD矩阵中的每行和每列。
如下描述解决(1)电子器件；(2)光学器件；以及(3)触摸屏幕 100的应用。
1.触摸屏幕100的电子器件
现在参照图6A，图6A是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏幕 100的电子器件的简化框图。如图6A所示，触摸屏幕100包括发出红外 线脉冲的发光二极管130和检测光强度的光电二极管140。LED 130由控 制器150通过LED选择器160和LED开关A以受控方式启动。电流由图5 和图6A中所示的限流器B供应至LED 130。每个LED需要大约2安培的 电流，但是每个LED选择器160仅供给若干毫安培的电流。这样，每个 LED选择器启动将供给足够电流的LED开关A。开关A的操作参照图12 来描述。限流器B的操作参照图13A和图13B来描述。
控制器150还通过PD选择器170以受控方式选择性地过滤PD 140。 PD 140由PD选择器170选择性启动，PD选择器170启动其中一个PD。 来自启动的PD的信号通过电流积分器180向回传输至控制器150，控制 器150然后确定是否有一个或多个物体放置在触摸屏幕100上，并且如 果放置有一个或多个物体，则确定物体的位置。根据本发明的一个实施 方式，来自启动的PD的信号被传输至信号滤波器和放大器175。信号滤 波器和放大器175的输出向回传输至控制器150，控制器150然后确定是 否有一个或多个物体放置在触摸屏幕100上，并且如果放置有一个或多 个物体，则确定物体的位置。信号滤波器和放大器175的操作参照图23A 和图23B来描述。限流器180的操作参照图18A和图18B来描述。
现在参照图6B，图6B是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏幕 100的替换电子器件的简化框图。图6B的图包括用于从若干PD输出信号 中选择一个信号的可选的多路复用器171。在没有多路复用器171时，无 效的PD信号会影响进入控制器150以及可选的滤波器和放大器175的信 号。多路复用器171消除了这些影响。多路复用器171的操作参照图17 来描述。
i.控制器150
如本文使用的，“控制器”尤其包括可编程处理器、RISC处理器、专 用硬件、现场可编程门阵列(FPGA)和专用电路(ASIC)。尽管图6A和 图6B示出了电流积分器180、信号滤波器和放大器175、PD选择器170、 LED选择器160和其他功能模块位于控制器150外部，这种实现方案是出 于清楚和说明之目的。然而，本领域技术人员应意识到，在本发明的其 他实现方案中，这些模块中的一些模块或所有模块或这些模块的一部分 可以集成在控制器150内。
参照图7，图7是根据本发明的一个实施方式的供触摸屏幕100使用 的示例性控制器150的简化电路图。图7中所示的该示例性控制器包括 64个I/O管脚，其中一些管脚连接至LED选择器160和PD选择器170， 一些管脚接收触摸信号。
图7中所示的控制器150可以是由德克萨斯州的达拉斯的德州仪器 公司(TEXAS)制造的MSP微控制器。
ii.LED选择器160和移位寄存器110
现在参照图8，图8是根据本发明的一个实施方式的用于由16个LED 130组成的阵列的移位寄存器110的图。移位寄存器110经由图7这所示 的LED_CTRL信号连接至控制器150。集成电路IC1通过表示为LED_D00 至LED_D07的对应推拉驱动器驱动8个LED开关A。集成电路IC2通过表 示为LED_D08至LED_D15的对应推拉驱动器驱动另外8个LED开关A。
根据图8中所示的实施方式，移位寄存器110在IC1和IC2中实现， 其中移位寄存器110的低8位存储在IC1中，高8位存储在IC2中。比 特通过图8中所示的线路从IC1移位到IC2,并在Q7S退出IC1,在DS进 入IC2。
参照LED_CTRL信号，当L_SCLR_N为低时，所有LED 130都被断开。 根据本发明的一个实施方式，L_SCLR_N使移位寄存器110复位，即，使 电路IC1和IC2复位。
现在参照图9，图9示出了根据本发明的一个实施方式的用于启动 LED的波形。图9示出了利用来自图7的LED_CTRL信号L_SI、L_SCK、 L_RCK、L_SCLR_N和L_OE_N。
如图9所示，在时间t1，低L_SCLR_N信号通过使移位寄存器110复 位而断开所有LED。在时间t2，比特值1通过信号L_SI输入到移位寄存 器110中。之后，在L_SCK的每个循环，移位寄存器110中的数据向寄 存器内进一步移位一个位置，并且新的L_SI比特输入到移位寄存器110 的第一位中。在六个L_SCK循环之后，对应于时间t3，比特值1到达比 特位置6，对应于LED06。高L_RCK信号利用移位寄存器110中的数据启 动LED驱动器，将推拉驱动器LED_D06驱动为高，由此启动相应的一个 开关A并开启LED06。随后的L_SCK循环，对应于时间t4，使比特值1 进一步前进一个比特位置。随后的高L_RCK信号通过使比特值1置于位 置7并且使比特值0置于位置6而再次启动LED驱动器，由此通过各自 的开关A接通LED07并断开LED06。
与图1中所示的实施方式不同的是，根据本发明的另一个实施方式， 如图10所示，四个LED 130放置在触摸屏幕的四个角部中，多个PD 140 沿着屏幕的四个边布置。当LED 130亮时，其基本平行于屏幕平面的光 弧。PD 140根据LED 130和PD 140的位置检测该光的相应部分。四个 LED足以基于由PD 140检测到的光强度确定放置在屏幕的一部分上的物 体(诸如手指)的屏幕坐标。
在本发明的又一个实施方式中，LED利用矩阵拓扑技术相互连接，并 且每个I/O连接器向LED的整行或整列传输信号。这种拓扑技术提供的 优点在于减少了所需的I/O连接器的总数量，由此降低了电子器件的成 本。在这方面，现在参照图11，图11是根据本发明的一个实施方式的用 于触摸屏幕的LED驱动器矩阵200的图。图11示出了如何通过仅仅使用 4个VROW信号和4个VCOL信号控制16个LED。每个VROW信号通过开关 210控制四个线路中的相应一个线路，每个VCOL信号通过开关200控制 四个线路中的相应一个线路。开关210和220连接至控制器150中的相 应管脚。开关210和220类似于图12中所示的LED开关A。
矩阵200包括16个LED和8个I O连接器。更一般地说，矩阵400 可以包括mn个LED的M×N阵列和m+n个IO连接器。不同的是，现有技 术的LED每个都需要两个I O连接器。这样，本领域技术人员应意识到， 矩阵200将所需要的I O连接器的数量从2mn减少到m+n。这又降低了触 摸屏幕100的成本，因为I O连接器是材料单中的非常重要的部件。
如图11所示，每个LED通过选择行和列的I O连接器来访问。使用 四个推拉驱动器来选择行，并且使用四个推拉驱动器来选择列。通过将 用于指定LED的行的适当的推拉驱动器驱动到高，并且将用于指定LED 的列的适当的推拉驱动器驱动到低来驱动该指定LED。图11示出了左数 第二个推拉驱动器被驱动为低，上数第二个推拉驱动器被驱动为高。相 应地，图11中的圆圈中的LED被启动。
本领域技术人员应意识到，LED的行坐标和列坐标与LED和推拉驱动 器的实际布置并不相关。这样，LED并不需要在物理上也以矩形矩阵形式 定位。
在本发明的另一个实施方式中，使用电流源驱动器代替推拉驱动器。 在本发明的又一个实施方式中，使用灌电流驱动器代替推拉驱动器。在 本发明的又一个实施方式中，一些推拉驱动器与电流源驱动器相组合， 另一些推拉驱动器与灌电流驱动器相组合。
iii.LED电流开关A
现在参照图12，图12是根据本发明的一个实施方式的LED开关A的 图。LED开关A是控制LED 130的推拉驱动器。这些推拉驱动器控制LED 电路LED00－LED15中的每个的功率晶体管的栅极。在其中LED驱动器供 给足够电流来操作LED 130的系统中，可以移除开关A，并且LED 130可 以由LED选择器160直接控制。
iv.LED限流器B
现在参照图13A，图13A是根据本发明的一个实施方式的用于限制和 引导通过VROW和VCOL流到LED的电流的限流器B的图。如图13A所示， 晶体管300通过表示为ROW_EN_N的信号控制经由VROW流出到沿着触摸 屏幕100的顶部的行LED 0-7(图5)的电流。类似地，第二晶体管(未 示出)通过表示为COL_EN_N的信号控制经由VCOL流出到沿着触摸屏幕 100的右侧的列LED 8-15的电流。当ROW_EN_N为低时，移位寄存器110 中的相应位被设置的行LED中的任何LED都发出光脉冲。类似地，当 COL_EN_N为低时，移位寄存器110中的相应位被设置的列LED中的任何 LED都发出光脉冲。晶体管300可以是低饱和电压型晶体管，诸如由荷兰 半导体公司制造的晶体管。
由电阻器R1、R2和R3确定由晶体管300控制并通过VROW发出的电 流的大小。具体地说，忽略基极电流，电流极限VROW由下式给出：
I row = + 3 V R 2 R 2 - R 3 - U be R 1 ]]>
其中+3V是控制器150(图6)的输入电压，U_be是晶体管300上的基 极至发射集的电压。
现在参照图13B，图13B是根据本发明的一个实施方式的用于限制和 引导通过VROW和VCOL流到LED的电流的另选限流器B的图。
与图13A中一样，在图13B中仅示出了一个限流器，该限流器用于 接收输入ROW_EN和控制经过VROW发出的电流，类似的限流器(未示出) 接收输入COL_EN和控制VCOL的电流输出。电路400的点状部分代表LED 电路，连接至实线的虚线对应于VROW。
图13B中所示的是带隙电压稳定器D2或这样的其他电压稳定器，其 两端具有接触电压降，而不管流过其的电流如何。只要电流高于保持电 流，则D2两端的电压恒定。电阻器R1供给NPN晶体管Q1的二极管电流 和基极电流。表示为VZ的恒定的二极管电压横跨Q1的基极和发射极电 阻器R2供给。
当电路400操作时，表示为VR2的R2两端的电压由VR2＝VZ－VBE 给出，其中VBE是Q1的基极－发射集压降。Q1的表示为IE的发射极电 流(该电流也是流过R2的由IR2表示的电流)由下式给出：
IR 2 = VR 2 R 2 = VZ - VBE R 2 ]]>
其中，VZ恒定，VBE对于给定温度来说近似恒定，由此得出VR2是 恒定的，并且IE是恒定的。由于晶体管作用，电流IE近似等于由I C表 示的晶体管的集电极电流，该电流是流过负载的电流。因而，由于厄尔 利效应(Ear l y effect)忽略晶体管的输出电阻，负载电流恒定并且电 路作为恒流源操作。
假定温度不显著变化，则负载电流与由VR1表示的供给电压无关， 并且晶体管增益、R2允许以任何期望值设置负载电流。具体地说，R2由 下式给出：
R 2 = VZ - VBE IR 2 ≈ Vz - 0.65 IR 2 ]]>
这是由于VBE对于硅器件来说大致为0.65V。
VBE是温度相关的，即，在较高温度下，VBE降低。VZ也是温度相关 的，即，在较高温度下，VZ也降低。这样，由于两个电压同时增加或降 低，因此电路400是自我调节的，从而导致基本上恒定的电压VR2。
发出光脉冲时，信号ROW_EN初始被设置为低。电容器C1也为低， 并且开始积累电荷。随后，ROW_EN被短暂地设置为高，以启动光脉冲， 并且C1上的电荷相应地增加。带隙二极管D1的存在确保C1上的电荷在 ROW_EN再次被设置为低时迅速地下降。这样，二极管D1的存在保护电路 400免受否则会在多脉冲过程中产生的过多电荷。
电阻R1由下式给出：
R 1 = VS - VZ IZ + K · IB ]]>
其中IB由下式给出：
IB = IC hFE ( min ) = IE hFE ( min ) = IR 2 hFE ( min ) ]]>
并且hFE(min)是对于所使用的具体晶体管类型来说可接收的最低 电流增益。参数K在1.2和2.0之间，以确保R1充分低且IB足够。
v.PD选择器170和移位寄存器120
现在参照图14，图14是根据本发明的一个实施方式的用于由16个 PD 140组成的阵列的移位寄存器120的图。图14中所示的PD移位寄存 器类似于图8中所示的LED移位寄存器。与LED 130相反，PD 140被直 接地启动，而无需诸如LED 130使用的开关A之类的中间开关。移位寄 存器120通过图7中所示的PD_CTRL连接至控制器150。下面描述PD_CTRL 信号。
初始，PD输出被设置为高。移位寄存器120中的至少一位的值1(图 5)通过将至少一个相应的PD的输出设置为低而启动该至少一个相应的 PD。PD输出信号经由信号PDROW或PDCOL向回发送至控制器150。
现在参照图15，图15示出了根据本发明的一个实施方式的用于启动 选定的PD的波形。图15示出了利用来自图7的信号SI、SCK、RCK、SCLR_N 和OE_N。
在时间t1，低SCLR_N信号将所有PD输出设置为低，并且清除移位 寄存器120。在时间t2，低SI信号将启动值“1”输入到移位寄存器120 的起始位。在信号SCK的每个上升沿，移位寄存器120中的数据在寄存 器内进一步移位，并且将新的比特值输入到寄存器的起始位。信号RCK 的上升沿将数据从移位寄存器120转移到IC3和IC4,从而根据在比特串 内的相应位置的比特值选择或取消相应的PD。因而，第一个高RCK信号 基于移位寄存器120中的数据选择第一PD，之后SCK循环将移位寄存器 120中的数据移位，之后是第二个RCK信号，其将取消第一PD并基于移 位数据选择第二PD。因而，在时间t3，PD06被选择，而在时间t4，PD06 被取消，并且PD07被选择。
如上所述，对于图11中所示的LED驱动器的矩阵，在本发明的实施 方式中可以使用PD接收器的类似矩阵。在这方面，现在参照图16，图 16是根据本发明的一个实施方式的用于触摸屏幕的光电二极管矩阵500 的图。如图16所示的矩阵500包括PD的4×4阵列。一般来说，矩阵500 可以包括m×n个PD的阵列。矩阵500仅需要m+n个I O连接器。不同 的是，现有技术的系统每个PD需要两个I O连接器来扫描多个PD，因而 矩阵500表明节省了2mn－m－n个连接器。矩阵500中的每个PD通过与 PD的行和列对应地选择适当的行连接器和列连接器来访问。
图16中所示的是四个单刀双置模拟开关510和四个推拉驱动器520。 模拟开关510用于选择行，推拉驱动器520用于选择列。对于每个模拟 开关510，一个端子连接至GND，另一个端子连接至接收器电子器件530， 电子器件530包括放大器540和ADC 550。将其中一个模拟开关510打开 至接收器电子器件530并且将其余开关置于GND用于选择有效接收器行。 将其中一个推拉连接器520驱动为低并且将其余连接器驱动为高用于选 择有效列。对于图13所示的矩阵500，顶部第二个模拟开关打开，左侧 第二个推拉连接器为低。与有效行列对应的PD在矩阵500中以圆圈示出。
本领域技术人员应意识到，PD的行列坐标与PD在触摸屏幕100上的 物理放置位置并不相关。行列坐标仅仅用于PD的控制选择。
根据本发明的一个实施方式，每个PD接收器包括光电二极管560和 阻塞二极管570。阻塞二极管570用于防止相邻二极管560之间发生干扰。 根据本发明的一个实施方式，阻塞二极管570是低反向电流和低反向电 容类型的二极管。
另外，根据本发明的一个实施方式，推拉驱动器520处的电压+V大 于或等于接收器电子器件530处的电压+Vref。推拉驱动器520的电压+V 略微高于+Vref改善了性能，因为所有的阻塞二极管570均处于反向状态， 除了与有效行列对应的PD接收器的阻塞二极管之外。
vi.PD接收器140
根据本发明的实施方式，这里描述了多种构造用于供触摸屏幕100 使用的PD接收器。在每个构造中，PD输出都被发送至模拟数字转换器 (ADC)。ADC匹配期望的输出范围，并且一个构造与另一个构造的输出范 围不同。触摸屏幕100的精度很大程度上取决于ADC的精度。
PD接收器的构造由三个参数确定：(1)输入控制器150的PD信号的 数量；(2)用于在PD电流输入控制器150时偏压和采样PD电流的积分 器电路的类型；以及(3)如果有的话，所使用的信号滤波器和放大器电 路的类型。
关于(1)输入控制器150的PD信号的数量，在第一PD接收器构造 中，沿着触摸屏幕100的每个边缘的PD具有单独的输出。因而，为沿着 触摸屏幕100的一个边缘布置的PD设置至少一个电路，并且为沿着另一 边缘布置的PD设置至少一个另外电路。在这方面，参照图5，图5示出 沿着一个边缘的所有PD输出都被引导到信号PDROW，而沿着第二边缘的 所有PD输出都被引导到信号PDCOL。电容器和偏压电阻器连接至ADC输 入信号中的每个，以控制电流和设置电压幅值范围。
在第二PD接收器构造中，有限数量的PD被连接至每个ADC输入。 PD可以分组成例如多个区段，例如分组成每个区段达到四个PD。每个输 出因而对四个PD进行积分。该第二构造的优点在于来自未选择的相邻PD 的电容和干扰较少。
为了进一步减少来自未选择的相邻PD的电容和干扰，本发明的一个 实施方式增加了至少一个多路复用器，该多路复用器仅输出选定的PD信 号。在这方面，现在参照图17，图17是根据本发明的一个实施方式的作 为PD输出选择器操作的多路复用器171的图。图17示出了两个并行的 多路复用器171，它们中的每个都接收作为输入的八个PD信号，并且产 生单个输出信号。如上参照图6所述，PD输出由信号滤波器和放大器175 处理。对于具有64个PD的触摸屏幕来说，在使用八个多路复用器171 的构造中，其中每个多路复用器171获取八个PD输入信号并且输出至信 号滤波器和放大器175，使用了八个这种滤波器和放大器175。
图17中所示的虚线将示出为位于虚线右侧的控制器150内部的元件 与出现在虚线的左侧的控制器150外部的元件分离开。控制器150包括 连接至模拟数字转换器152的多路复用器151。从顶部输入到多路复用器 171的信号是来自控制器150的控制信号。每个这种控制信号都使用三位 来控制选择八个输入PD中的一个。一般来说，n个控制位足以控制高达 2n个输入PD的选择。
除了用于控制输入PD的选择的三个控制位外，每个多路复用器171 从控制器150接收输出使能控制位OE_NOT。当OE_NOT被设置为0时，PD 驱动器输出所选择的PD信号。当OE_NOT被设置为1时，PD驱动器输出 高阻抗信号。
表I概括供每个PD多路复用器171使用的逻辑输入输出关系。


本领域技术人员应意识到，具有或不具有多路复用器171的第一和 第二构造均给予提供PD_ROW和PD_COL信号，每个信号对应于一个信号 发生电路或对应于多个信号发生电路。
根据第二构造，单独电流积分器单元被分配给列PD的子组和行PD 的子组。例如，一个电流积分器可以被分配给八个PD。在该实施方式中， 设置了到控制器150的多个输入，一个输入用于一个子组。如图7所示， 控制器150可以以这种方式使用以适应通过八个到控制器150的输入信 号而被编成八个子组的64个PD。具体地说，这八个输入为PD_ROW_1、 PD_ROW_2、PD_ROW_3、PD_ROW_4、PD_COL_1、PD_COL2、TOUCH_SIGNAL和 TOUCH_SIGNAL_2，其中TOUCH_SIGNAL和TOUCH_SIGNAL_2分别用作 PD_COL_3、PD_COL4。
vii.PD电流积分器180
对于用于在PD电流输入到控制器150时偏压和取样PD电流的积分 器电路的类型，提供了若干另选构造和操作方法。
根据第一构造，输入控制器150的每个PD_ROW和PD_COL信号都联 接至设置线性放大作用的偏压电阻器并且联接至随着时间推移对PD电流 进行积分的电容器。在这方面现在参照图18A，图18A是根据本发明的一 个实施方式的与触摸屏幕100中的PD接收器140相结合使用的基于电阻 器的电流积分器100的图。图18A中所示的虚线将示出为位于虚线右侧 的控制器150的内部元件和出现在虚线左侧的控制器150外部的元件分 开。
根据第二构造，移除了偏压电阻器，而是使用晶体管设置电压幅值 范围。
在这方面，现在参照图18B，图18B是根据本发明的一个实施方式的 与触摸屏幕100中的PD接收器140相结合使用的基于晶体管的电流积分 器180的图。图18B中所示的虚线将示出为位于虚线右侧的控制器150 的内部元件和出现在虚线左侧的控制器150外部的元件分开。晶体管T1 位于控制器150内，并用于有效地控制由选定的PD采样的电流。在本发 明的一个另选实施方式中，使用控制器150外部的元件控制电流。
当晶体管T1断开时，电容器C充电，并且对流过光电二极管的电流 i进行积分。电容器C上的电压由下式给出：
V＝∫C·idt
当晶体管T1闭合时，电容器C放电，并且电容器C上的电压降低为 0伏。为了获得电流的精确测量，图18B中的采样和保持(S/H)元件在 采样积分开始之前放电，并且S/H在采样积分时间期间断开。在该实施 方式中，图18B中的模拟数字转换器ADC在积分时间过程中不作用。
在另选实施方式中，S/H被构造成在积分时期结束时采样，无需预先 将S/H内部电容器放电。在该实施方式中，在与S/H相关的电容器与电 路之间可能有电压差。
如以上参照控制器150，图中所示的控制器150外部的元件在其他实 施方案中可以位于控制器150内部。
现在参照图19，图19示出了根据本发明的一个实施方式的随着时间 推移的电流积分。如图19所示，当晶体管T1接通时，电容器C中的电 流复位为0。当晶体管T1断开时，晶体管C开始随着时间推移积分电流。 所使用的测量是采样窗口末端的电流值。
对于设置PD信号的线性放大作用来说，基于晶体管的电路相对于使 用电阻器提供了若干优点。电阻器对低频噪音例如环境光具有较高偏压， 这样一来，环境光被比光脉冲更大地放大。而且，在从选定的LED发出 脉冲光之前，系统测量由指定的PD感测的环境光，以便建立基线值。因 而，电阻器对低频环境光的偏压对环境光测量的放大比对光脉冲测量的 放大大。通过消除这些电阻器，系统为环境光测量和光脉冲测量记录了 相似的偏压水平。
基于晶体管电路的另一个优点是，电阻器构造中的电阻器相比于晶 体管T1在测量之间需要更长的时间来完全放电。这又使得能够使用连续 的PD测量之间以及同一PD的连续测量之间的较短间隔。特别是，在连 续的PD比前一PD感测更少的环境光或其他这种噪音的情况下，对于电 阻器构造，需要较长的放电间隔以将电路完全放电到前一PD的环境水平 之下。该问题在其中消除了电阻器的基于晶体管的电路中得到克服。由 于电流测量随着时间推移线性积分，并且在测量电路中存在的残余电流 很少，基于晶体管的电路需要均匀的测量间隔。这样，该构造需要精确 的定时，以确保测量在相同时间量上进行积分。不同的是，当使用电阻 器时，因为它们固有地精度较低，采样具有不太严格的定时要求。时针 偏差对具有基于晶体管的电路的系统的性能削弱比对具有电阻器的系统 的性能的削弱大。
现在参照图20，图20是根据本发明的一个实施方式的用于PD采样 的方法的简化流程图。图20中所示的方法涉及图18B的基于晶体管的电 路，用于对PD进行采样。
在步骤1000，所有晶体管T1、T2和T3都断开。在步骤1005，通过 接通晶体管T2而选择PD。在步骤1010，S/H电路打开，并且晶体管T1 接通。这导致电容器C和S/H电路内的电容器放电。如果S/H电路不放 电，则可能从前一测量产生残余。在步骤1015，S/H电路闭合以进行保 持。在步骤1020，晶体管T1断开，以开始电流积分。在步骤1025，该 方法等待指定的时间量，诸如10μs。在步骤1030，S/H电路打开。在步 骤1035，该方法等待由S/H电路所需的至少最小量的时间，例如1μs。 在步骤1040，S/H电路闭合，模拟数字转换开始。
在步骤1045，晶体管T1接通，以便使电容器C放电。在步骤1050， 该方法等待1μs，以便电容器放电。在步骤1055，LED通过接通晶体管 T3而接通。
在步骤1060，晶体管T1断开，以开始新的积分/测量。在步骤1065， 该方法等待指定时间量，该时间量通常与步骤1025中的时间量相同。进 行步骤1065以进行执行。在步骤1070，S/H电路打开。来自步骤1040 的转换必须准备好并存储。在步骤1075，该方法等待由S/H电路所需的 至少最少量的时间，例如1μs。在步骤1080，S/H电路闭合，模拟数字转 换开始。在步骤1085，LED通过断开晶体管T3而断开。最后，在步骤1095， 该方法等待1μs，以便电容器放电。
根据本发明的一个实施方式，图20的步骤1000－1095重复若干次， 例如5到20次，以便获得多个在LED接通时的测量值以及在多个在LED 断开时的测量值。背景环境光然后通过累积LED开始时的值并减去LED 断开时的值来测量。
在这方面，参照图21，图21示出了根据本发明的一个实施方式的通 过总计LED接通时的脉冲并减去LED断开时的脉冲测量环境光的图示。 对于图21中所示的采样A至J，累积的信号是B-A+D-C+F-E+H-G+J-I。 信噪比由下式给出：

信号基于功率平方的电压度量来累积。噪音基于电压的平方根的功 率度量来累积。在信号显著小于背景光的情况下，则使用DC阻断。
本领域技术人员应意识到，图20的方法提供了许多优点，尤其包括：
·在不同PD的测量值之间快速切换，并且稳定时间短；
·背景(AC)和光脉冲(DC)的放大作用基本相等；
·能够测量脉冲序列。
在本发明的一个另选实施方式中，顺序地执行积分和模拟到数字的 转换。该另选实施方式具有的优点在于，S/H电路中的电容器在每次电流 积分之前放电，从而更准确的测量值。因而，如果该另选实施方式利用 ASIC实现，则积分器和S/H可以在同一功能模块中。然而，如果第一信 号的模拟数字转换将与第二信号的积分同时进行，则积分器和S/H应该 在分开的功能模块中。
现在参照图22，图22是根据本发明的一个实施方式的用于PD采样 的另选方法的简化流程图。图22所示的方法涉及用于采样PD的图18B 的基于晶体管的电路。
在步骤1000，所有晶体管T1、T2和T3断开。在步骤1105，通过接 通晶体管T2选择PD。在步骤1110，S/H电路打开并且晶体管T1接通。 这用于使电容器C和S/H电路中的电容器放电。如果S/H电路不放电， 则会产生来自前一测量值的残余。在步骤1115，该方法等待1μs，以便 电容器放电。在步骤1120，晶体管T1断开，以开始电流积分。在步骤 1125，该方法等待指定时间量，例如10μs。在步骤1130，S/H电路闭合， 并且模拟数字转换开始。在步骤1135，该方法等待步骤1130的转换完成。
在步骤1140，晶体管T1接通，以使电容器C放电，并且S/H电路打 开。在步骤1145，该方法等待1μs以便电容器放电。在步骤1150，LED 通过接通晶体管T3而接通。在步骤1155，晶体管T1断开，以开始新的 积分/测量。在步骤1160，该方法等待指定时间量，该时间量通常与步骤 1125的时间量相同。进行步骤1160以进行执行。
在步骤1165，S/H电路闭合，并且模拟到数字的转换开始。在步骤 1170，LED通过断开晶体管T3而断开。在步骤1175，该方法等待转换完 成。
与图20的方法一样，图22的步骤1105至1175也重复多个脉冲， LED接通时的值被累积，LED断开时的值被减去，以便测量环境光。
viii.PD信号滤波器和放大器175
现在转而讨论如果使用的信号滤波器和放大器电路的类型。图23A 是根据本发明的一个实施方式的用于沿着触摸屏幕100的一个边缘布置 的PD的信号滤波器和放大器175的电路图。表示为PD_COL的信号滤波 器和放大器175的输入是来自选定的列PD的输出电流。信号过滤器和放 大器175的输出电流经过图7所示的TOUCH_SIGNAL信号发送到控制器 150。用于沿着触摸屏幕100的另一边缘布置的PD的类似电路(未示出) 处理来自选定的行PD的电流，并经由图7所示的PD_ROW_n信号中的一 个信号将输出信号电流发送至控制器150。在该实施方式中，未使用其余 的PD_ROW和PD_COL信号。当沿着一个边缘布置的PD如以上参照第二PD 接收器构造描述的那样编成子组时使用附加的过滤器和放大器电路。在 这种情况下，根据ADC到控制器150的输入的数量需要使用附加的PD_ROW 和PD_COL。
图23A中所示的电路包括两个滤波器和放大器路径。一个路径终止 于图23A的中间的TOUCH_SIGNAL，而另一个路径(其实现第二过滤和放 大作用)终止于图23A的右侧的TOUCH_SIGNAL_2。在本发明的一个实施 方式中，两个输出TOUCH_SIGNAL和TOUCH_SIGNAL_2均连接至控制器150， 并且使用在控制器150上运行的固件选择两个信号中的一个。在本发明 的另一个实施方式中，仅其中一个输出连接至控制器150。
信号滤波器和放大器175包括具有两个电阻器(例如电阻器R10和 R11)的无源子电路和一个电容器(例如C10)。诸如R12和R13之类的电 阻器是贯通零欧姆电阻器。
PD_COL通过电阻器R10、R12、R13和R14以及电容器C10和C11与 ADC输入相连接。根据本发明的一个实施方式，电容器C1是零欧姆电容 器。信号电平由电阻器R13和电容器C1设置。R13设置输入ADC的电压 幅值范围，C1对电流进行积分以产生到ADC的电压输入。根据该构造， 该信号不必偏压到预定范围之内，例如偏压到V和VCC之间，因为使用 开放的集电极读取有效的PD输出值。应注意，在图23A中，信号在+3V 和以下的范围内。
图23B示出了根据本发明的一个实施方式的另选信号滤波器和放大 器电路。在该实施方式中，OP放大器对电压放大器来说作用就像低阻抗 电流一样即互阻放大器。该构造导致对电容和真实电流感测不敏感。对 该实施方式来说，光和电流之间的关系基本是线性的。
参照图23B，信号滤波器和放大器175作为输入从选定列PD(表示 为PD_COL)接收输出电流。信号滤波器和放大器175的输出电流通过图 7所示的TOUCH_SIGNAL信号发送至控制器150。用于沿着触摸屏幕100 的另一边缘布置的PD的类似电路(未示出)处理来自选定的行PD的电 流，并且通过图7所示的TOUCH_SIGNAL_2将输出电流发送到控制器150。
该实施方式利用了大的相位容限，以便消除导致放大器振荡的高放 大等级。
图23A的离散晶体管放大器电路的优点是具有高频率相应和低成本。 然而，它们的缺点是随着时间的推移具有非线性积分。
图23A的离散晶体管放大器电路的特征是直流放大作用降低，并且 PD接收器可以因而制成为完全AC电流。然而，当在之间具有大信号差异 的PD之间移位时可能产生问题。例如，假定第一PD接收少许光并且通 过基于晶体管的放大器放大成位于指定范围内，第二PD基于其相对于环 境光源的位置接收相当多的光。于是，已经极大地放大了第一信号的基 于晶体管的放大器也将极大其放大第二AC信号，并且还极大地放大信号 之间的差异的上升边沿，包括第二信号DC值。这些放大的DC值与第二 PD的AC一起的组合可能将所得到的信号放大到超过最大电压，即3V。、
2.触摸屏幕100的光学器件
现在参照图24，图24是用于LED和PD的现有技术透镜的图。
现在参照图25A，图25A是根据本发明的一个实施方式的供用于触摸 屏幕的LED和PD使用的透镜组件的图。图25A所示的是用于LED透镜侧 的四个光学表面和用于PD侧的四个光学表面。焦距f不必与LED到最后 的透镜表面LENS SURFACE 2的距离相同。其可以大于或小于这样的距离。 如果焦距小于这样的距离，则光在较大的接收面积上散布，并且接收侧 扫描较大面积，并且因而接收更多的背景光。然而，有利的是使焦距略 微小于从LED到最后透镜表面的距离，因为最佳设计能够感测光学元件 的公差。
现在参照图25B，图25B是根据本发明的一个实施方式的用于分布由 X和Y表示的两组光束的透镜组件的图。图25B所示的是与触摸屏幕的表 面基本平行地对齐的透镜组件，第二透镜组件相对于触摸屏幕的表面以 一定角度倾斜。第二透镜组件布置成使得触摸屏幕附近的手指或触笔将 一些或全部光反射到PD接收器。
本领域技术人员应意识到，尽管图25A和图25B示出了凸透镜，但 是可以使用凹透镜和/或凸透镜获得双焦点。
图25A中所示的透镜组件以如下为目标设计：
·使尽可能多的LED光到达PD；
·使尽可能少的声音背景光到达PD；
·光束的水平分量应该与LED之间的距离一样宽，这改进了光束之 间的内插位置的性能；和
·光束的竖直分量受到LCD屏幕的框架的高度限制。
现在参照图26A和图26B，图26A和图26B是根据本发明的一个实施 方式的对应于图25A和图25B中的相应透镜组件的简化透镜组件的图。 图26A中的简化透镜组件类似于照相机镜头的透镜组件，并且用于确定 LED和PD的由d表示的晶片尺寸、由f表示的焦距、由a表示的PD透镜 孔径、和由s表示的LED透镜表面和PD透镜表面之间的距离。PD透镜孔 径近似等于相邻PD之间的距离并等于相邻LED之间的距离。理想的是， LED投射在PD透镜孔径上，这对应于关系d/a＝f/s。表II中提供了用 于水平透镜的示例设计参数和用于竖直透镜的示例设计参数。应注意， 水平和竖直焦点显著不同。理想的是，水平和竖直焦点远离LED中心并 朝向目标PD,使得所有从LED透镜发的光都到达PD。


3.触摸屏幕100的应用
本发明的各个方面涉及上述用于触摸屏幕的应用。以下讨论包括： (i)基于手指运动的用户输入；(ii)移动电话听筒；(iii)作为用于 计算机的鼠标型输入装置的触摸屏幕；和(iv)基于触摸的临街窗户。
i.基于手指运动的用户输入
如图6A和图6B所示，PD接收器140的输出由控制器150处理，以 根据测量的光强度确定是否一个或更多个物体位于触摸屏幕100之上。 图25的光学组件使得能够在触摸屏幕100上方的若干高度处测量光强 度，即在触摸屏幕100的表面之上的各种高度处进行三维测量。在这方 面，现在参照图27，图27示出了根据本发明的一个实施方式的在触摸屏 幕的表面之上的光强度的三维测量。顶部的图表对应于没有手指位于触 摸屏幕100上时在七个位置处的光强度。左下图表对应于手指位于触摸 屏幕100之上时在七个位置处的测量的光强度。右下图表也对应于手指 位于触摸屏幕100之上时测量的光强度。右下图表对应于在进行了用于 左下图表的测量之后稍后进行的测量。图表之间的差异表示手指在向下 移动，更接近触摸屏幕。结果，光强度在低的z值即高度处被阻挡。
因而，本领域技术人员应意识到，在触摸屏幕100上方的各种高度 处测量光强度使得既能够确定在触摸屏幕100上的物体的位置又能够确 定在触摸屏幕100上的物体的运动。参照图27，根据左下图表和右下图 表的手指位置之间的距离(由DIST表示)可以根据光强度读数确定。已 知用于两个图表的测量之间的时间差使得能够确定手指的速度向量。如 果该速度向量基本向下，则速度向量的大小表示手指在触摸屏幕100上 按压得多重。如果速度向量基本向右，则手指正在进行向右的姿势。
通过确定运动信息，触摸屏幕100能够区分各种用户输入，尤其包 括敲击、按压、方向手指姿势，并相应地对其进行处理。
现在参照图28，图28是根据本发明的一个实施方式的具有三维感测 功能的触摸屏幕的图。触摸屏幕100用作三维传感器。利用由PD接收器 测量的光强度的增加或减小来感测在触摸屏幕上方是否存在手指或其他 物体。如图28所示，透镜或透镜阵列将由LED发出的光沿着多个方向分 布。图28中表示出了两组光束，即沿着基本平行于屏幕表面的平面指向 的由X表示的光束和对角向上横跨屏幕表面的由Y表示的光束。
当在屏幕表面附近没有物体时，PD接收器测量所有光束X。当手指 或其他物体位于屏幕表面上方时，其通过第二透镜或透镜阵列将一部分 光束Y反射到PD接收器。PD接收器相应地感测到与光束X和Y的总和对 应的增强的光强度。本领域技术人员应意识到，使用反射性物体，诸如 银色笔指向触摸屏幕将增强光束Y的反射。
现在参照图29，图29是图示了根据本发明的一个实施方式的由PD 接收器测量的与物体到触摸屏幕表面的接近程度对应的不同光强度的曲 线图。该曲线图的中部对应于光束X，表示没有物体阻碍光束X，并且没 有光束Y被反射到PD接收器。曲线图的该部分是在没有物体在触摸屏幕 附近时的默认PD接收器强度。
图29中所示的信号上升和下降。当PD电流被启动时，如图29的底 部处所示，信号上升。当PD电流终止时，信号下降。
曲线图的最高部分对应于手指或物体反射大部分光束Y到PD接收 器。当手指或物体移动接近屏幕表面时，测量到的光强度的大小基于由 手指或物体导向PD接收器的光束Y的量而变化。增加被反射的光束Y的 强度的作用类似于在手指接近灯泡时增加强度的作用。即，当手指接近 灯泡时，指尖上的光强度增加，即更多的光被指尖反射。
当手指或物体非常接近触摸屏幕使得其阻挡了一部分光束X时，在 PD接收器处测量的光强度下降到低于其默认值，并且在物体触摸屏幕并 基本完全阻挡光束X时接近零。返回来参照图25A、26A和27，可以看出， 当手指阻挡一部分光束X时，由PD接收器检测到的光强度是手指与屏幕 表面接近程度的函数。
ii.移动电话听筒
本发明的触摸屏幕特别适合于小型移动电话。具有这些触摸屏幕的 电话无需键盘，这是由于屏幕本身可以用作基于触摸的键盘。触摸屏幕 用作输入装置，用于接收基于触摸的用户输入，并且作为输出装置，用 于显示由电话调制解调器生成的数据。
Ericson等的名称为“INFORMATON MANAGEMENT SYSTEM WITH  AUTHENTICITY CHECK(具有真实性检查的信息管理系统)”美国公报 No.2008/0075333A1描述了用于识别笔在纸张上方的位置的系统，其中所 述笔包括捕获在纸张上的变化图案的图像的照相机。计算机单元分析被 捕获的图像并由此确定笔的位置。另外，通过分析由照相机捕获的笔在 图案之上移动时的一系列图像，计算机单元识别由笔形成的笔划。
在一个实施方式中，本发明提供了用于触摸屏幕的类似系统。不是 在纸张上提供图案，而是在触摸屏幕之上投射光图案。当手指或其他物 体定位在触摸屏幕之上时，手指或其他物体反射一部分被投射的光图案。 投射图案的仅被反射的部分是基本可见的。
与触摸屏幕通信相联的照相机捕获在触摸屏幕上方的空间图像。捕 获的图像示出了被手指或其他物体反射的图案。捕获的图像被传送至控 制器，控制器通过分析捕获的图像确定手指或其他物体在触摸屏幕之上 的位置。另外，通过提供在手指或其他物体在触摸屏幕之上移动时捕获 的一系列图像，控制器识别由手指或其他物体形成的笔划或姿势。
现在参照图30A，图30A是根据本发明的一个实施方式的具有触摸屏 幕100的电话听筒600的简化图示。听筒600包括投影仪610、阻挡由投 影仪610投射的部分光的遮挡件613以及将光散布在由θ表示的特定角 度上的透镜617。遮挡件613可以实现为蚀刻金属板，该蚀刻金属板只允 许光穿过蚀刻开口。遮挡件613可以可选地实现为具有透明部分和不透 明部分的材料。透明部分可以呈数字、字母、点或其他这种形状的形式， 如在图30D和30E中由遮挡件613所示。遮挡件613可以可选地是具有 开口的格栅，由投影仪610投射的光穿过所述开口。当投影仪610将光 投射在遮挡件613上时，在触摸屏幕100上方形成光图案620。
听筒600还包括捕获投影图案620的图像的照相机630。当诸如用户 手指640之类的物体在投射图案620的范围内时，部分图案620被手指 640反射。被照相机630捕获的图像又显示出图案620的被反射部分，根 据该被反射部分推导出手指640的距离和位置信息。由于手指或其他反 射物体诸如触笔或笔不是平坦表面，因此当从不是投射角的角度观察时 图案620的反射部分卷曲或以其他方式扭曲。通过将照相机630与投影 仪610对齐，手指640的图像基本上以投射角捕获，因此图案620的反 射部分不会显著扭曲。
现在参照图30B，图30B是根据本发明的一个实施方式的投射到触摸 屏幕100上方的空间中的点的图案的简化图示。图30B中所示的点的图 案可以通过遮挡件613形成，该遮挡件613实现为其中具有蚀刻的孔的 金属板。一部分点图案(示出为黑色点)被手指640反射，一部分点图 案(示出为白色点)未被手指640反射。通过分析被手指640反射的点 的图案，触摸屏幕控制器确定手指640相对于触摸屏幕100的三维位置。
图30B中的手指640反射了七个点的图案。当手指640向左或向右 移动时，基于图30B中的点fwbd向手指640的左侧和右侧，不同的点图 案分别出现在手指640上。类似地，当手指640向上或向下移动时，基 于手指640上方的点的缺失和手指640下方所示的点，不同的点图案出 现在手指640上。这样，手指640上的点图案确定手指640在触摸屏幕 100上方沿着z轴线的高度，以及手指640沿着触摸屏幕100的宽度沿着 x轴线的位置。
手指640沿着触摸屏幕100的长度沿着y轴的位置根据由手指640 反射的图像的规模或同等地通过投射图案的元件的尺寸来确定。由于投 影仪如图30A所示在宽角度上投射图案，手指640距离投影仪610越近， 反射的图案越密集。这样，反射图像的密度确定手指640和投影仪610 之间的距离。该距离又确定手指640沿着触摸屏幕的长度沿着y轴线的 位置。
现在参照图30C，图30C是根据本发明的一个实施方式的简化图示， 示出了由投影仪610投射在触摸屏幕100上方的空间中并被手指640反 射的图案620的密度如何依赖于手指640距投影仪610的距离的。应注 意，在图30C中表示为数字“1”的反射图案620距离投影仪610越远其 规模越大。投射图案620由透镜617在角θ上散布。角θ和捕获图案元 件的大小用于确定反射图案620距离投影仪610的距离。
本发明的另选实施方式中，第二投影仪和遮挡件沿着触摸屏幕100 的第二边缘定位。通过两个照相机确定的手指640的两组相对位置坐标 (x，z)足以确定手指640的y坐标。
根据本发明的一个实施方式，手指640的距离和位置信息用于进一 步推导出手指640在触摸屏幕100的目标位置650。触摸屏幕100高亮显 示位置650，使得用户能够看到手指640的目标位置，以便必要时调整手 指640的位置。
现在参照图30D，图30D是根据本发明的一个实施方式的投射在触摸 屏幕上方的空间中的数字图案的简化图示。图30D中所示的数字可以通 过实施为在其上通过平板印刷蚀刻而具有数字“1”、“2”和“3”的金属 板的遮挡件613或通过其他这样的蚀刻工艺而产生。当投影仪610在遮 挡件613处投射光时，数字“1”、“2”和“3”被投射在屏幕100上方。 当手指640在投影仪610左侧位于屏幕100之上时，如图30D所示，数 字“1”出现在手指上，并且被照相机630捕获。数字“2”和“3”不可 见。
类似地，当手指640位于投影仪610的前方时(未示出)，数字“2” 出现在手指上并被照相机630捕获。当手指640位于投影仪610右侧时 (未示出)，数字“3”出现在手指上并被照相机630捕获。
现在参照图30E，图30E是根据本发明的一个实施方式的投射到屏幕 100上方的空间中的数字的另一种图案的简化图示。图30E所示的数字图 案可以通过遮挡件613产生，该遮挡件613实施为其上具有两行蚀刻的 数字的金属板。当投影仪610将光投射通过遮挡件613时，数字“1”、“2” 和“3”被投射成靠近屏幕100的表面，而数字“4”、“5”和“6”被投 射成远离屏幕100的表面。当手指640在屏幕100之上位于投影仪610 的左上角时，如图30E所示，数字“4”出现在手指640上，并被照相机 630捕获。其余数字不可见。
类似地，当手指640在屏幕100之上投射在投影仪610的左下时(未 示出)，数字“1”出现在手指640上并被照相机630捕获。
图30B至图30E示出了手指640相对于触摸屏幕100的位置通过分 析由照相机630捕获的图像来确定。由于独特图案(例如数字)的数量 在遮挡件613中增加，因此可以精确地确定手指640的位置。
iii.作为用于计算机的鼠标型输入装置的触摸屏幕
本发明的各个方面适合于用作用于计算机的鼠标型输入装置的触摸 屏幕。现在参照图31，图31是根据本发明的一个实施方式的用于处理作 为输入到计算机的输入信息的手指运动的触摸屏幕100的使用的图示。 图31中所示的是由触摸屏幕100检测的手指运动。控制器150(图6A和 图6B)识别手指运动并将该运动转换成鼠标指针坐标以用于输入到计算 机。因而，可以知道触摸屏幕100能够模拟鼠标运动。
另外，左右鼠标击打也可以通过在触摸屏幕100上显示两个物体来 模拟。触摸物体中的第一个物体相当于左侧鼠标击打，触摸物体中的第 二物体相当于右侧鼠标击打。
另外，可以通过触摸屏幕100的接近速度模拟单击和双击。如以上 参照图27所示，测量触摸屏幕100上方的不同高度的光强度能够确定手 指速度。由轻敲击形成的缓慢接近相当于单击，而由重按压形成的快速 接近相当于双击。
参照图31，本领域技术人员应意识到，所示的手指运动路径涉及手 指和触摸屏幕100之间的相对运动。所示的路径可以通过运动的手指和 静止的触摸屏幕来生成。这也可以通过运动的触摸屏幕和静止的手指或 其他静止物体来生成。
这样，本发明的双重实施方式通过在静止物体上移动触摸屏幕100 来操作。触摸屏幕100的相对运动产生图31中所示的路径，并且路径信 息又被转换成鼠标坐标。
iv.基于触摸的临街窗口
本发明的各个方面不仅涉及用于输入至计算装置的基于触摸的位置 和运动信息的使用，而且还涉及利用该信息用于数据处理之目的。一般 来说，用于触摸屏幕100的感测的位置和运动信息可以传送至数据处理 器进行进一步处理。这种数据处理的一个应用就是触敏交互式临街窗口， 这使得行人能够与展示橱窗或视频显示器相进行交互。临街窗口系统响 应行人触摸输入并且还记录和分析其触摸输入。
在这方面，参照图32，图32是根据本发明的一个实施方式的包括多 款商品710的触敏展示橱窗700的简化图示。根据本发明的一个实施方 式，展示橱窗的开口的周边装配有光传感器和光发射器，由此给展示橱 窗提供触摸屏幕功能。另外，展示橱窗700包括机械设备，以响应于行 人720在对应于显示物品的位置处触摸展示橱窗而自动地移动、旋转或 以其他方式操作显示的物品710。
行人可以通过利用其手指在展示橱窗700上触摸和形成姿势而交互 地操作显示物品。例如，触摸展示橱窗700导致选择相应的物品710。展 示橱窗700上的旋转姿势导致物品710旋转。在展示橱窗700上沿着一 个方向的挥动使得物品710移动而靠近行人720，沿着相反方向在展示橱 窗700上的挥动导致物品710远离行人720。展示橱窗700上的x形状姿 势导致物品710被选择。
在上述说明中，已经参照本发明的具体实施方式描述了本发明。然 而，很明显，在不脱离本发明的所附权利要求阐述的宽广精神和范围的 情况下可以对所述具体示例性实施方式进行各种修改和改变。因此，说 明书和附图应该被认为是示例性而非限制性的。