使用平面透明薄板的稳固的光学触摸屏系统和方法.pdf

公开了一种光学触摸屏，该光学触摸屏利用平面透明薄片并且被配制成确定在透明薄片上的触摸事件的位置。光源元件和感光元件可操作地设置在透明薄片周界处。在光源元件和感光元件之间的视线上，检测光。确定由于触摸事件引起的经衰减的视线。通过使通过每个感光元件的有限的视线限定的三角形重叠来确定多边形。消除具有低于衰减阈值的衰减的多边形。然后，确定剩余的多边形的中心以确定触摸事件的位置。该系统和方法提供对多个触摸事件的稳固的检测。

1.  一种确定在透明薄片上的触摸事件的位置的方法，所述透明薄片具有周界，并且光源元件和感光元件可操作地毗邻所述周界而设置，所述方法包括：
a)使用感光元件来测量来自光源元件的光的强度值，所述光在所述光源元件和所述感光元件之间的视线上在透明薄片中内部地传播；
b)基于与衰减阈值相比的强度值来确定每个感光元件的有限的视线；
c)使通过每个感光元件的有限的视线所限定的三角形重叠，以确定一个或多个多边形；以及
d)确定一个或多个多边形的中心以确定触摸事件位置。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个多边形具有基于测量的强度值的相关联的衰减，并且进一步包括：
消除其相关联的衰减低于衰减阈值的任何多边形。

3.  如权利要求1所述的方法，进一步包括基于检测器信号强度与信号阈值的比较来确定所述触摸事件的强度。

4.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透明薄片对红外(IR)光基本透明，并且其中来自所述光源元件的光包括IR波长。

5.  如权利要求4所述的方法，进一步包括采用毗邻所述感光元件设置的带通滤波器来过滤IR光，所述带通滤波器配置成对可见光基本不透明，并且所述IR光具有与由所述光源元件发射的IR光不同的IR波长。

6.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
从感光元件产生用于表示通过所述感光元件检测到的强度值的各 自的检测器信号；以及
处理所述检测器信号以确定有限的视线。

7.  如权利要求6所述的方法，其特征在于，产生检测器信号包括：
在所述光源元件关闭时采用所述感光元件之一进行第一光电流测量；
在所述光源元件打开时采用所述感光元件中的同一个感光元件进行第二光电流测量；以及
从第二光电流减去第一光电流。

8.  如权利要求6所述的方法，其特征在于，产生检测器信号包括采用具有放大器的电路来处理所述检测器信号，并且其中所述方法进一步包括：
进行积分光电流测量达一固定的总时间ΔT；
将该固定的总时间ΔT分成N个间隔以限定具有对应的时间间隔ΔT/N的N个子测量；
将N个子测量一起相加以模拟单个积分；以及
动态地选择N以避免使放大器过载。

9.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述周界包括多个转角，并且包括使所述感光元件中的每一个毗邻多个转角中的每一个而设置。

10.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，存在n个感光元件，并且进一步包括：
确定所述感光元件中的第一个感光元件的第一组三角形；
确定所述感光元件中的第二个感光元件的第二组三角形；
从第一和第二组三角形确定第一组多边形；
确定所述感光元件中的第三个感光元件的第三组三角形并且确定所述第三组三角形与所述第一组多边形的交叉点以形成第二组多边形；以及
重复以上步骤直到第n个感光元件得出在动作d)中所使用的最后一 组多边形以确定触摸事件位置。

11.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定一个或多个多边形的中心包括：针对每个多边形，
确定所述多边形中的衰减值；以及
基于所述多边形中的衰减值来计算所述多边形的质心并且将所述质心标识为多边形中心。

12.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定一个或多个多边形的中心包括：针对每个多边形，
将所述多边形中的衰减假设为恒定值；以及
计算所述多边形的几何中心作为多边形中心。

13.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，测得的强度值通过所述感光元件被转化为检测器信号强度，并且进一步包括：
确定在所述视线上传播的光的基线测量；
基于所述基线测量来限定阈值检测器信号强度；以及
将和经衰减的视线相关联的检测器信号强度与所述阈值信号强度相比较以确定是否发生触摸事件。

14.  如权利要求13所述的方法，进一步包括：
基于所述检测器信号强度的变化来调节基线测量；以及
基于经调节的基线测量来调节所述阈值信号强度。

15.  一种用于感测一个或多个触摸事件的位置的触摸屏系统，包括：
透明薄片，所述透明薄片具有周界和发生一个或多个触摸事件的顶部表面；
多个光源元件，所述多个光源元件发射光并且可操作地毗邻所述周界而设置以将光耦合到所述透明薄片中从而经由全内反射在其中传播；
多个感光元件，所述多个感光元件可操作地毗邻所述周界而设置以检测来自所述感光元件的光并且响应于此而产生具有代表检测到的光强度的信号强度的检测器信号，其中所述一个或多个触摸事件导致沿着对应于选择感光元件的视线中的至少一个的光强度的衰减；以及
控制器，所述控制器可操作地耦合至所述光源元件和所述感光元件并且被配置成控制来自所述光源元件的光的发射并且处理所述检测器信号以：
I.将每个感光元件中的检测器信号强度与衰减阈值相比较以确定通过限制给定感光元件的经衰减的视线中的多个而限定的一个或多个三角形；
II.确定通过一个或多个三角形中的至少一个交叉点而形成的至少一个多边形的位置；以及
III.计算所述至少一个多边形的中心以限定对应的一个或多个触摸事件的位置。

16.  如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步被配置成基于所述检测器信号强度与所述信号阈值的比较来确定所述触摸事件的强度。

17.  如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述透明薄片对红外(IR)光基本透明，其中从光源发射的光包括IR光，并且其中所述感光元件被配置成检测IR光。

18.  如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述周界包括多个转角，并且其中所述感光元件中的每一个毗邻多个转角中的每一个而设置。

19.  如权利要求15所述的系统，进一步包括显示器单元，所述显示器单元毗邻所述透明薄片的底部表面而设置，使得用户通过所述透明薄片观看所述显示器单元。

20.  如权利要求15所述的系统，进一步包括毗邻所述感光元件中的每一个而设置的带通滤波器，所述带通滤波器中的每一个被配置成对可见光基本不透明，并且所述IR光具有与由光源元件发射的IR光不同的IR波长。

21.  如权利要求15所述的系统，进一步包括可操作地耦合至所述感光元件中的一个的电路，所述电路被配置成提供降低或消除由于干扰照明而引起的干扰电流的补偿电流。

22.  如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述电路包括可操作地连接至处理器的数模转换器，所述处理器将反馈控制信号提供至所述数模转换器以改变补偿电流。

使用平面透明薄板的稳固的光学触摸屏系统和方法
本申请根据美国法典第35卷第119条要求2011年11月28日提交的美国临时申请61/564024的优先权的权益，且基于其内容并通过引用将其内容整体结合于此。
领域
本公开涉及一种光学触摸屏，并且具体涉及使用平面透明薄板并且可检测多个触摸事件的稳固的触摸屏系统和方法。
背景技术
具有触摸屏功能的显示器的市场快速发展。因此，已开发多种传感技术来实现具有触摸屏功能的显示器。然而，现有的技术对于具体应用各具有导致显示器的制造的显著增加的成本的性能缺点。
触摸屏功能在移动设备应用中获得广泛应用，诸如智能电话、电子书阅读器、膝上型计算机和平板计算机。此外，诸如用于台式计算机和壁装式屏幕的更大的显示器甚至变得更大。当使用传统触摸屏技术(诸如，投射电容式触摸(PCAP)技术)时，显示器尺寸的这种增加伴随着显示器成本的增加。
因此，需要使触摸屏的总体厚度和重量最小以供从最小的手持设备到最大的显示器的广泛范围的应用。此外，触摸屏还需要具有更稳固的功能，诸如，改进的触摸定位精度、免除指纹和多点触控功能。
发明内容
本公开的一个方面为确定在透明薄片上的触摸事件的位置的方法，该透明薄片具有周界，并且光源元件和感光元件可操作地毗邻该周界设置。该方法包括使用感光元件来测量来自光源元件的光的强度值，其中光在光源元件和感光元件之间的视线上在透明薄片中内部地传播。该方法还包 括：基于与衰减阈值相比的强度值，确定每个感光元件的有限的视线。该方法还包括使通过每个感光元件的有限的视线限定的三角形重叠以确定一个或多个多边形。该方法附加地包括确定一个或多个多边形的中心以确定触摸事件位置。
在一些实施例中，每个多边形具有基于测得的强度值的相关联的衰减，并且进一步包括：消除其相关联的衰减低于衰减阈值的任何多边形。在一些实施例中，该方法进一步包括基于检测器信号强度与信号阈值的比较来确定触摸事件的强度。在一些实施例中，透明薄片对红外(IR)光基本透明，并且其中来自光源元件的光包括IR波长。在其他实施例中，采用毗邻感光元件设置的带通滤波器过滤IR光，带通滤波器配置成对可见光基本不透明，并且IR光具有与由光源元件发射的IR光不同的IR波长。在一些实施例中，该周界包括多个转角，并且包括使感光元件每一个毗邻多个转角的每一个设置。
在一些实施例中，该方法进一步包括从感光元件产生代表通过感官元件检测到的强度值的各自的检测器信号，并且处理该检测器信号以确定有限的视线。在其他实施例中，产生检测器信号包括：在光源元件关闭时采用感光元件中的一个进行第一光电流测量；在光源打开时采用感光元件中的同一个进行第二光电流测量；以及从第二光电流减去第一光电流。
在一些实施例中，产生检测器信号包括采用具有放大器的电路处理检测器信号，并且其中该方法进一步包括：进行积分光电流测量一段固定的总时间ΔT；将该固定的总时间ΔT分成N个间隔以限定具有对应的时间间隔ΔT/N的N个子测量；将N个子测量一起相加以模拟单个积分；以及动态地选择N以避免使放大器过载。
在一些实施例中，存在n个感光元件，并且进一步包括：确定感光元件中的第一个感光元件的第一组三角形；确定感光元件中的第二个感光元件的第二组三角形；从第一和第二组三角形确定第一组多边形；确定感光元件中的第三个感光元件的第三组三角形并且确定第三组三角形与第一组多边形的交叉点以形成第二组多边形；以及重复以上步骤直到第n个感 光元件得出在动作d)中所使用的最后一组多边形以确定触摸事件位置。在一些实施例中，确定一个或多个多边形的中心包括针对每个多边形：确定多边形中的衰减值；并且基于多边形中的衰减值计算多边形的质心并且将质心标识为多边形中心。
在一些实施例中，确定一个或多个多边形的中心包括针对每个多边形：将多边形中的衰减假设为恒定值；以及计算多边形的几何中心作为多边形中心。在一些实施例中，测得的强度值通过感光元件转化为检测器信号强度，并且进一步包括：确定沿着视线传播的光的基线测量；基于基线测量限定阈值检测器信号强度；并且将和经衰减的视线相关联的检测器信号强度与阈值信号强度相比较以确定是否发生触摸事件。在其他实施例中，该方法进一步包括：基于检测器信号强度的变化调节基线测量；以及基于经调节的基线测量调节阈值信号强度。
本公开的另一方面是用于感测一个或多个触摸事件的触摸屏系统。该系统具有透明薄片，该透明薄片具有周界和发生一个或多个触摸事件的顶部表面。该系统还具有多个光源元件，多个光源元件发射光并且可操作地毗邻周界设置以将光耦合到透明薄片中从而经由全内反射在其中传播。该系统进一步包括多个感光元件，多个感光元件可操作地毗邻周界设置以检测来自感光元件的光并且响应于其产生具有代表检测到的光强度的信号强度的检测器信号。一个或多个触摸事件导致沿着对应于选择感光元件的视线中的至少一个的光强度的衰减。该系统还包括可操作地耦合至光源元件和感光元件的控制器。该控制器被配置成控制光从光源元件的发射并且处理检测器信号以1)将每个感光元件中的检测器信号强度与衰减阈值相比较以确定通过限制给定感光元件的经衰减的视线中的多个限定的一个或多个三角形，2)确定通过一个或多个三角形中的至少一个交叉点形成的至少一个多边形的位置，以及3)计算该至少一个多边形的中心以限定对应的一个或多个触摸事件的位置。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者表示本公开的实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本公开的本质和特性的概观或框架。所包括的附图用于提供对本公开的进一步理解，且被结合到 本说明书中并构成其一部分。附图示出本公开的各个实施例，并与本描述一起用于说明本公开的原理和操作。
在一些实施例中，控制器进一步被配置成基于检测器信号强度与信号阈值的比较确定触摸事件的强度。在一些实施例中，透明薄片对红外(IR)光基本透明，其中从光源发射的光包括IR光，并且其中感光元件被配置成检测IR光。在一些实施例中，该周界包括多个转角，并且其中感光元件中的每一个毗邻多个转角的每一个而设置。在一些实施例中，该系统进一步包括每一个毗邻感光元件的每一个设置的带通滤波器，带通滤波器每一个配置成对可见光基本不透明，并且IR光具有与由光源元件发射的IR光不同的IR波长。在一些实施例中，该系统进一步包括可操作地耦合至感光元件之一的电路，该电路被配置成提供降低或消除由于干扰照明而引起的干扰电流的补偿电流。在一些实施例中，电路包括可操作地连接至处理器的数模转换器，该处理器将反馈控制信号提供至数模转换器以改变补偿电流。
将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的实施例可认识到。权利要求书被结合到以下陈述的详细描述中并构成其一部分。
附图简述
图1为根据本公开的示例触摸屏系统的正面图；
图2为触摸屏系统的透明薄板的截面图；
图3为透明薄板的转角的特写的、自上而下的视图，并且包括示出了转角是有斜面的示例的特写视图并且其中感光元件(以虚线示出)毗邻有斜面的转角设置；
图4为图1的示例触摸屏系统的更详细的正面图，并且示出了与感光元件中的一个相关联的示例视线；
图5为在边缘26处的透明薄片的特写截面图，其示出了光源元件如何边缘耦合至透明薄片的示例；
图6A类似于图5并且显示其中光源元件在底部表面处面耦合至透明薄板的示例，并且还示出设置在顶部表面上以从上面的视角挡住光源元件框；
图6B类似于图6A并且示出其中框对红外光(IR)辐射透明，但是对可见光辐射不透明的示例，其中框设置在光源元件和透明薄板的底部之间；
图7为触摸屏的透明薄板、光源元件和感光元件的正面图，其示出了通过测量由感光元件测得的光线的扇形图的衰减(阻挡)来确定触摸事件的位置的方法的步骤；
图8类似于图7并且示出了通过形成与光线扇形图(即，视线)相关联中心线和确定中心线的交叉点的方法的步骤；
图9类似于图7并且显示包括两个触摸事件的情况；
图10类似于图9并且显示与图9的两个触摸事件的光线扇形图相关联的多个交叉点；
图11是基于从在示例触摸屏系统中进行的测量所获得数据的对于测得的信号A(实线)、基准信号A₀(点线)和阈值T(虚线)的(经处 理的)检测器信号(相对单位)的信号强度相对于时间(微秒)的代表性曲线图；
图12为通过将触摸屏系统可操作地设置在传统显示器单元的顶上而形成的示例触敏显示器的示意性立体图；
图13为比图12更详细的显示示例触敏显示器的分解立体图；
图14A为示出了如何将触摸屏系统与传统显示单元结合的示例的示例触敏显示器的示意性截面、部分分解图；
图14B类似于图14A并且示出了可操作地设置在传统显示器单元的集成显示器组件顶部的触摸屏系统；
图15A为对降低环境光的不利影响有用的触敏显示器的示例配置的特写局部截面图；
图15B类似于图15A并且示出了具有比图15A更薄的配置的示例触敏显示器；
图15C类似于图15B并且示出其中感光元件200被设置成使得其朝向颠倒的示例实施例；
图15D类似于15C并且示出了其中感光元件200毗邻平板波导520的以相对于水平面成检测器角度ψ的成角度的面527设置的示例实施例；
图16A类似于图9并且(使用较暗的线)突出通过有限的视线形成的一个示例三角形；
图16B类似于图16A，但是移除了大多数非触摸多边形；
图17A示出了具有六个感光元件的示例触摸屏系统的多边形，其中仅留下表示误触摸的一个小多边形(虚线椭圆)；
图17B类似于图17A，除了被图17A中的虚线椭圆标识为非触摸多边形的一个小多边形已基于其小衰减值被消除；
图18为示出了由通过感光元件和光源元件定义的所有视线形成的网格的示意图，其中特写插图显示如何在网格中限定像素；
图19A为示出了通过SART算法基于原始测量数据确定的多边形的位置的透明屏幕的计算机图像；
图19B类似于图19A并且示出了该方法的有界多边形实施例的SART结果；以及
图20为配置成通过使用电流注入来降低干扰照明的不利影响的示例电路的示意图。
将在以下详细描述中陈述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施本文中以及权利要求书和附图中描述的本公开可认识到。
为了参考起见在某些附图中显示了笛卡尔坐标，但是笛卡尔坐标不旨在关于方向或取向的限制。
具体实施方式
图1为根据本公开的示例触摸屏系统10的示意图。触摸屏系统10可例如连同蜂窝电话和能够无线通信的其他电子设备、音乐播放器、笔记本计算机、移动设备、游戏控制器、计算机“鼠标”电子图书阅读器等等的显示器用于多种消费电子物品。
触摸屏系统10包括透明薄板20和以下讨论的毗邻透明薄板周界设置的光源100和感光元件200。可任选的框40用于覆盖光源100和感光元件使得它们不能被观看者从上面看到。术语“框”在本文中广泛地用于表示用于至少阻挡可见光并且配置成保持触摸系统10的一些部分不被用户500(参见图14B)观看到的任何遮光构件、膜、部件等等。因此，本文中所使用的术语“框”不限于如用于手表等的传统机械框的在透明薄片边缘处的构件。
触摸屏10包括控制器300，控制器300(例如，经由总线301)可操作地连接至光源100和感光元件200并且配置成控制触摸屏系统10的操作。如以下更详细描述的，控制器300包括处理器302、设备驱动器304和接口电路306。在示例中，感光元件200包括光电二极管。
图2为透明薄片20的截面图，以及图3为透明薄片的转角的特写、自上而下的视图。透明薄片20包括主体部分或主体21、顶部表面22、底部表面24和限定周界27的至少一个边缘26。示例透明薄片20一般为矩形并且包括限定四个转角28的四个边缘26，并且透明薄片的该示例作为实例用于以下讨论。可使用透明薄片20的其他形状，诸如圆形。
图3中的特写插图示出了其中转角28中的一个是有斜面的示例实施例，并且以虚线示出可毗邻有斜面的转角可操作地设置的感光元件200中的一个。如以下所描述的，特写插图中还以虚线示出光线104沿着视线105传播。
透明薄片20具有厚度TH，该厚度是基本上均匀的(即，顶部和底部表面22和24基本上平行)。在示例中，透明薄片20为矩形并且具有在X方向中的尺寸(长度)LX和在Y方向中的长度LY，并因此具有通过四个边缘26限定的四个转角28.一般地，透明薄片20可具有其中边缘26限定多个转角28(例如，对于六边形的六个转角)的形状。
透明薄片20可一般由可形成为薄平面薄片的任何合适的透明材料(诸如，塑料、丙烯酸衍生物、玻璃等等)制成，并且支持光在其主体21中传输而不会由于散射或吸收引起大量损耗。在实施例中，透明薄片20可以是化学强化玻璃，诸如碱石灰类型玻璃。用于透明薄片20的示例玻璃为通过离子交换硬化的铝硅酸盐玻璃。这些类型的玻璃可包括Na₂O(氧化钠)、CaO(石灰)和SiO2(二氧化硅)，但还可包括诸如MgO、Li₂O、K₂O、ZnO、和ZrO₂之类的氧化物。一旦通过离子交换硬化，这些类型的玻璃呈现使它们对于触摸屏应用以及其他应用(例如，玻璃盖板)可取的某些特性。关于适合于用作透明薄片20的碱石灰类型的玻璃的配方或生产，或以上两者的进一步详细说明可在2007年7月31日提交的美国专利申请11/888,213、2009年8月7日提交的美国专利申请12/537,393、在2009年8月21日提交的美国专利申请12/545,475、和2009年2月25日提交的美国专利申请12/392,577中的一个或多个中找到，这些专利申请通过引用结合于此。用于透明薄片的示例性玻璃为来自美国纽约州康宁 市的康宁公司的玻璃。而且，诸如低铁玻璃或其他低铁离子交换的玻璃的示例性玻璃对于IR波长光104是透明的。
图4为类似于图1的触摸屏系统10的示意图，但图4示出了系统的更多细节并且为了易于说明省略了框40。光源100实际上为光源阵列，该光源阵列包括显示毗邻透明薄片20的周界27可操作地设置的光源元件102。示例光源元件102为发光二极管(LED)。而且在实施例中，光源元件102每个按照诸如在850nm和950nm之间的IR波长发射光104。在以下讨论中，光104在适当的情况下也被称为“光线”104或“多个光线”或“光束”104或“多个光束”104。
图4示出了在光源元件102中的一个和对应的示例感光元件200之间的示例视线105。注意，在矩形透明薄片20的示例中，每个光源元件102具有到在相对边缘26的转角28上的两个感光元件200的视线105。因此，对于透明薄片20的矩形配置，来自每个光源元件102的光104沿着视线105入射在两个感光元件200上。
在示例中，光源元件102可操作地安装在柔性电路板(“柔性电路”)110上，柔性电路板110而后安装至与透明薄片20的每个边缘26相关联的印刷电路板(PCB)112。在实施例中，如以下更详细讨论的，光源元件102边缘在边缘26处耦合至透明薄片20。柔性电路110和PCB112作为示例在图4中被显示为以平行于透明薄片20的平面取向。柔性电路110和PCB112还可按照垂直于透明薄片20的平面取向。
在触摸屏系统10的一般操作中，处理器302驱动光源元件102的顺序激活并且还控制每次光源激活在感光元件200处的光104的检测。感光元件200响应于正检测的光104产生电检测器信号SD，其中检测器信号的强度代表对于光沿着其传播的特定视线105的检测的光的强度。因此，每个视线105可被认为是已与某一光强度相关联的光学路径。接口电路306的部分可以接近感光元件200放置。例如，前置放大器和模数转换器可接近感光元件200放置，以特别是当处理器位于中央时消除可在处理器302和感光元件200之间的长导线中被诱发的噪声。
在示例中，处理器302控制光发射和检测过程，以例如通过从光源元件102将特性(例如，调制)提供至光104、或通过门控感光元件降低噪声等、或以上两者来优化光104的检测。
图5为在边缘26的一个处的透明薄片20的特写截面图，其示出了光源元件102如何光耦合至透明薄片的示例。在图5的示例中，光源元件102例如使用胶或粘合剂103边缘耦合至透明薄片20的边缘26。还注意，图5示出了其中柔性电路110和PCB112垂直于透明薄片20的平面布置的示例实施例。在示例中，胶或粘合剂103为匹配于透明薄片20的折射率的折射率。
当给定光源102被激活时，它发射传播到透明薄片20的主体21中的光104(光线)。具有超过透明薄片20的临界内部反射角度θ_C(参见图5)的角度的光104的一部分经由全内反射保持被捕获到透明薄片主体21中并且在其中传播。如果内部反射的光104的传播保持不间断，则内部反射的光104将沿着其视线105的长度传播并在到达对应的感光元件200。感光元件200被配置成将检测的光104转换成上述电检测器信号SD，在示例中，上述电检测器信号SD为光电流。如以下所描述的，电检测器信号SD然后被发送至处理器302以供处理。因此，透明薄片20充当支持更大量的传导模式的光波导，即，光线104在透明薄片内以超过临界内部反射角度θ_C的宽范围的内部反射角度θ传播。
图6A类似于图5并且示出了其中光源元件102毗邻透明薄片20的底部表面24设置并且光耦合至透明薄片20的底部表面24。与边缘耦合配置相比，该面耦合配置提供包括更简单制造、无框需求、和增加的触摸敏感度的若干优点。当光线104发射到透明薄片20中时，多个模式按照以上结合边缘耦合配置所讨论的不同反弹角度进行传播。边缘耦合配置更可能产生处于低反弹角度的模式，而表面耦合配置产生了处于更高反弹角度的模式。因为具有更高反弹角度的光线104更频繁地照射顶部表面22，因此具有更高反弹角度的光线104提供增加的触摸敏感度，从而提供了与触摸事件TE交互的更大机会。
为了防止光源元件102不被用户500透过透明薄片20看到，可使用框40。在示例中，框40为至少对可见光波长不透明并且可任选地以IR波长传输的膜的形式。用于框40的示例膜包括吸收在包括可见光和IR波长的大范围的波长上的光的黑涂料。在图6B所示的另一示例中，框40可设置在光源元件102和透明薄片20之间，在这种情况下，框需要对发光元件的波长基本上透明。在该情况下，光104的适当的波长为IR波长。
模型表明，与对于图5的边缘耦合配置的大约80％相比，由光源元件102输出的光104的大约28％可利用图6的面耦合结构被捕获到透明薄片20中。
继续参照图5以及图6A和6B，当发生触摸事件TE时，诸如当个人的手指F触摸透明薄片20的顶部表面时，其改变了全内反射条件。这导致光104被散射出透明薄片主体21作为在顶部表面22被触摸的点处(或更精确地，在小区域上的)的散射光104S，从而使光束104衰减。达到对应的视线105的对应的感光元件200的光104的强度的降低导致电检测器信号SD的减弱的信号强度(例如，减小的光电流)(例如，与基线光电流测量相比)，并且指示已发生触摸事件TE。如以下更详细讨论的，测得的电检测器信号SD的阈值T可用于确定是否已发生触摸事件TE。
图7为透明薄片20、光源元件102和感光元件200的正视图，其示出了如何确定触摸事件TE的发生和位置。如上所讨论的，来自给定光源元件102的光104具有到位于光源元件对面(即，与相同边缘26的转角28不相关)的感光元件200的视线105。图7示出了基于示例触摸事件TE限定感光元件200-1、200-2、200-3和200-4的各自的视线105-1、105-2、105-3和105-4的有限的光束104-1、104-2、104-3和104-4以及对应的衰减的或“断裂的”光束104-B1、104B2、104B3、和104-B4。触摸事件TE的精确位置使用以下描述的算法确定。
触摸事件TE的位置分辨率通过在透明薄片20的边缘26处的光源元件102的密度确定，在透明薄片20的边缘26处的光源元件102的密度 片20具有长度LX＝432mm和长度LY＝254mm，具有围绕边缘26分布的252个光源元件102，并且光源元件中的80个沿着长边缘以及光源元件中的46个沿着短边缘。对于具有10mm直径的圆形尺寸(其大约是手指触摸的尺寸)的触摸事件，5.25mm的光源元件102的间距确保触摸事件TE将破坏至少一个光束104，即，将截断至少一个视线105。
控制器300配置成提供激活光源元件102所必要的功能，使得光源元件102以选择的方式发射光104。控制器300还配置成接收和处理来自感光元件200的电检测器信号SD，以确定在透明薄板20的顶部表面22上的发生触摸事件TE的一个或多个位置。
具体而言，再次参照图4，控制器300包括上述处理器302(例如，微处理器)、上述设备驱动器(驱动器单元)304、和上述接口电路306。处理器302经由信号线、总线等等耦合至驱动器电路304和接口电路306。处理器302配置成执行控制和安排驱动器电路304和接口电路306的活动的计算机可读代码(软件程序)，以实现上述功能和操作并且以执行用于本文所描述的方法的多种计算。例如，处理器302可将控制信号(未示出)提供至驱动器电路304，以指示何时激活和去激活(即，打开和关闭)各自的光源元件102以及感光元件200。
接口电路306从感光元件200接收电检测器信号SD并且处理这些信号使得它们可被输入到处理器302中。例如，当感测元件200包括光电二极管时，接口电路306可将适当的偏置条件提供至光电二极管，使得光电二极管能够正确地感测光104。在这方面，接口电路306可配置成使得在特定的时间间隔期间特定的感光元件200活动而其他的不活动。
接口电路306还可(例如，与积分和清除电路)被配置成处理来自光电二极管的模拟电检测器信号SD(例如，模拟光电流)并且将其转换成用于处理器302的数字格式。这种配置改善了信噪比。用于将光源元件102和感光元件200电连接至控制器300的两个示例选项为使用总线(诸如I²C(两线接口))的菊花链或从控制器到每个单个感光元件的分布式结构(home run)。前一选项简化了接线，而后者改善了性能。
控制300经由合适的电连接(诸如，上述总线301总线或如电缆)电连接至光源元件102和感光元件200。在示例中，控制器300的一些部分驻留在PCB112上。
处理器302可利用合适的硬件来实现，诸如标准数字电路、可操作用于执行软件和/或固件程序的已知的处理器中的任一个、或一个或多个可编程数字设备或系统(诸如可编程只读存储器(PROM)、可编程阵列逻辑器件等等)。示例性处理器302为可从美国亚利桑那州钱德勒的微芯科技公司，购买的PIC微处理器。
而且，虽然控制器300被显示为被分割成某些功能块(即，处理器302、驱动器304、和接口306)，此类块可通过单独的电路实现和/或结合到一个或多个功能单元中。处理器302可执行不同的软件程序以执行用于基于以下所述的方法计算一个或多个触摸事件TE的一个或多个位置的不同技术。
如上所讨论的，控制器300配置成通过选择感光元件200协调光源元件的激活和光104的检测。激活光源元件102的示例方法为其中顺序地激活在给定方向中的周界周围的光源元件的追赶(chase)方法。然而，可使用激活光源元件102的不同的方法和顺序。例如，如果在选择的时间量之后已感测没有触摸事件TE，则排序可能降到低功率状态，在该低功率状态下光源元件102不经常被激活或以不同的顺序被激活(例如，仅奇数光源元件)。在一些情况下，例如，当首先检测到触摸事件TE时，还可以更高频率激活光源元件102，以提高确定触摸事件的位置的分辨率。
单个触摸事件方法
本公开的一个方面包括确定触摸屏系统10上的单个触摸事件TE的位置的方法。该方法中的第一步骤包括激活每个光源元件102以产生对应的光束104。该第一步骤还包括测量对应感光元件200处的光束强度以获得所有对应感光元件的光束强度的基线测量。基线测量强度通过电检测器信号SD的基线信号强度表示。该基线测量允许将光束104的基线 强度与触摸事件光束强度相比较以确定是否已发生触摸事件TE并且发生触摸事件TE的位置。以下讨论执行该基线测量步骤的示例方法。
最简单的触摸位置感测方法是基于由于触摸事件TE中断的(即，衰减的)光束104的三角测量。在该方法中，如果由于触摸事件TE引起的在给定光源元件102和给定感光元件200之间沿着视线105的衰减超过预确定的阈值，则如图7中通过断裂的光束104-B(即，光束104-B1、104-B2、104-B3和104-B4)所示，该光束(或，相当于视线)被标记为的衰减的、中断的或“断裂(broken)”的。在图7中，为了便于说明，仅显示有限数量的断裂的光束104-B。
该方法中的第二步骤为用沿着断裂的光束的每个扇形图的中心所取的单个中心线104C代替断裂的光束104-B的扇形图。因为存在四个感光元件200，因此，如图8所示，存在四个中心线104C(即，104-C1到104-C4)。
第三步骤包括计算中心线104C的交叉点109的位置。为了便于说明，仅标记一些交叉点109。由于有限的角度分辨率，中心线104C将不会所有相交在单个点。相反，四个中心线104C一般产生多达六个交叉点109的群，交叉点109具有接近触摸事件TE的真实中心的(x,y)位置。因此，第四步骤包括对中心线交叉点109的(x,y)坐标求平均，以给出触摸事件TE的位置的最终估计(x’,y’)。
一般地，如果t为触摸事件的数量以及p为感光元件200的数量，则t个触摸事件的中心线交叉点的最大数量N_M为N_M＝t²p(p-1)/2。对于单个触摸事件TE，t＝1且N_M＝t²p(p-1)/2。应当注意的是，所考虑的触摸屏系统10的特定示例具有单个触摸事件TE和四个感光元件200，从而产生最多六个中心线交叉点。因此，如果中心线交叉点的实际数量N_A超过最大数量N_M，则指示存在比所假设的t个触摸事件多的多个触摸事件。
例如，对于单个触摸事件(t＝1)和四个感光元件(p＝4)，如果N_A>6，则已发生多个触摸事件。因此，本文所公开的方法的一个方面包括计算t个触摸事件的中心线交叉点的最大数量N_M、测量中心线触摸事 件的实际数量N_A、和将N_M和N_A的值相比较，其中N_A>N_M表示超过t个触摸事件。
该方法在辨别触摸事件TE的数量为一个还是大于一个的情况下尤其有用，即，通过测量实际中心线交叉点的数量N_A并且将N_A和与单个触摸事件相关联的N_M的值相比较以确定触摸事件TE的实际数量是否大于一个。
进行模拟以将实际触摸位置与计算的触摸位置(x’,y’)相比较以确定如上所述的示例触摸屏参数的误差量。模拟指示误差为大约0.98mm，该误差远小于光源元件102的示例5.25mm间距。通过测试大量的随机点，发现最坏情况下的位置误差为约3mm。
用于两个触摸事件的方法
上述方法非常适用于单个触摸事件并且可被扩展以应用于两个触摸事件。现描述这种两个触摸事件方法。
图9类似于图7并且示出与两个触摸事件TE1和TE2相关联的光线104的扇形图，并且为了便于说明仅显示有限的光线104-1到104-4。图10类似于图9，并且基于图9的光线104的扇形图示出中心线104C。如可从图10中可以看出，对于两个触摸事件TE1和TE2，中心线104C的许多交叉点109不接近实际触摸事件位置。然而，还可观察到，中心线交叉点109趋向于接近触摸事件TE1和TE2的位置聚集。利用中心线104C的轨迹的这种特性来计算两个触摸事件TE1和TE2的位置(x’₁,y’₁)和(x’₂,y’₂)。
因此，在一个实施例中，以与涉及单个触摸事件TE的情况大致相同的方式计算所有中心线交叉点109的交叉点坐标(x₁,y₁)、(x₂,y₂)等。如果使用四个感光元件200，则对于给定的触摸事件，光束交叉点的最大数量N_B为6(参见以上用于N_B的公式)。因此，如果测得的光束交叉点的数量大于六，则得出的结论是存在至少两个触摸事件TE1和TE2。
对于多个触摸事件，因为伪交叉点趋向于位于距离触摸事件的实际位置相对大距离处，因此，该方法的下一步骤包括寻找中心线交叉点109的群。此外，由于触摸屏系统10的离散角度分辨率的缘故，可以预期，在与对应的触摸事件TE1和TE2相关联的中心线交叉点109中将存在一些扩展。增加对触摸事件的敏感度的一个方法是增加感光元件的数量。在示例中，至少一个感光元件沿着边缘26设置在相邻转角28的中间以增加可能沿着透明薄片20的对角线发生的多个触摸事件的测量敏感度。
在示例中，确定已发生有效触摸事件的要求被定义为全部都在特定距离公差D内的中心线交叉点109的最小数量M。示例要求为在具有半径D＝4mm的圆中存在至少M＝3个交叉点109。可选择交叉点109的距离公差D和最小数量M以优化用于确定触摸事件TE的有效性的结果。在示例中，在距离公差D中可存在Q个交叉点109，其中Q≥M。
在下一步骤中，该方法包括对Q≥M交叉点群的(x₁,y₁)、(x₂,y₂)等坐标求平均，以分别得出触摸事件TE1和TE2的计算的(x’₁,y’₁)和(x’₁,y’₁)。如在单点触摸方法中的示例中，触摸事件TE1或TE2的位置的计算的精确度可以是大约几mm。
用于多个触摸事件TE的上述算法一般适用于两个触摸，但尤其是当触摸事件位于屏幕对角线附近时，上述算法易受某些触摸事件位置的伪触摸结果的影响。该缺陷通过紧缩上述中心线交叉点要求(例如对于给定距离公差D需要更大数量M的中心线交叉点109)来减轻。
示例基线测量方法
如上所述，确定触摸事件TE的位置(或两个触摸事件TE1和TE2的位置)的方法中的一个步骤包括：当不存在触摸事件时，首先执行检测器信号强度的基线测量。现讨论执行基线测得的示例方法。
示例基线测量方法利用感光元件200提供对来自触摸屏系统10中的每个光源元件102的每个光束104的未经衰减的强度。如果与采用感光元件200检测未衰减的光束104相关联的估计的检测器信号强度具有在任 意单位的强度(例如，以mA为单位的光电流)中的幅度A₀(t)，则可及时校正广义的电流测量以给出对于每个光束的从0到1变化的估计的光束传输函数G(t)。对于所有p个光元件，G(t)→G(p,t)。
假设有关利用感光元件200的强度测得的平均噪声的一些指示，可定义合理的检测阈值T。例如，如果每秒测量N_B个光束104，并且不可能以超过每K秒一次的频率发生误触摸事件的检测，则误触摸的可能性可通过1/(N_BK)给出。如果每个传输测量G(p,t)具有方差σ²，则检测阈值可被设置为T＝G(p,t)＝1–zσ，其中z为由递归关系erf(z/√2)＝(NK-1)/NK定义的标准偏差，其中“erf”为误差函数并且“√2”为2的平方根。
下面的表1示出了对于具有以50Hz运行的256个光束104(产生N_BK＝(256)(50Hz)＝12,800)的示例触摸屏系统10，作为误触平均时间(MTFT)检测的函数的z的示例值。由发明者创造的示例触摸屏系统10示出了开关积分器的原理的证明并且具有大约100的信噪比(SNR)，从而导致z＝5的检测阈值和5％的触摸屏敏感度。该检测阈值可通过将触摸事件TE定义为需要两个或多个光束同时被断裂的触摸事件来放宽。

一旦确定归一化传输G(t)，则该方法包括定义两个检测状态，即，被定义为G(t)≥T＝1–σz的空闲状态(“IDLE(空闲)”)和被定义为G(t)<T＝1–σz的被触摸的状态(“TOUCHED(触摸)”)。在空闲 时间期间，累计从G(t)的新采样的偏差并且以简单的方式计算标准偏差σ。该计算的标准偏差σ而后用于细化在不同的照明水平和多个光束强度和SNR下的检测阈值T。
可在触摸屏系统10中利用以下示例算法执行基线测量方法，其中使用平均偏差s而不是RMS偏差σ。此外，经验地选择噪声乘数(multiplier)，以将误触发减少到可接受的值。该算法在每个光束104上独立且并行地操作。在以下即将描述的算法中，跟踪步长Δ为基线估计基于实际测得的信号变化的量。平滑因子ε用于平滑信号变化(以下参见步骤7)。
1.以跟踪步长Δ、平滑因子ε、噪声乘数因子z、基准幅度的合理的起始估计A₀和平均信道噪声s开始。
2.测量对于给定视线105的给定光束104的信号幅度A。
3.如果测得的信号幅度A超过基线估计A₀，则将基线估计设置为当前输入信号，从而使得A₀跟踪两面噪声分布的上端。
4.如果测得的信号幅度A低于基线估计A₀，则减小基线估计A₀＝A₀–Δ。
5.设置归一化的信号幅度G＝A/A₀。
6.如果T＝(A₀–A)>zs，则指示“TOUCHED”状态。
7.否则，如果T＝(A₀–A)≤zs，则指示“IDLE”状态。可任选地，这里可通过设置s＝(1–ε)s+ε(A₀–A))细化对s的估计。
8.对剩余的光束104从步骤2进行重复。
图11是基于从在示例触摸屏系统10中进行的测量所获得数据的对于由A(实线)表示的测得的电检测器信号SD、基准信号A₀(点线)和阈值T(虚线)的信号强度(相对单位)相对于时间(微秒)的代表性曲线图。曲线图示出了信号阈值T如何跟踪基线信号A₀并且还示出了分别大致在125ms、145ms、157ms和185ms处的不同时刻处发生的四个不同触摸事件TE(即，TE1到TE4)。
当选择常量Δ、ε、z和s时，会进行一些折衷。在示例中，跟踪步长Δ需要被设置成足够大以说明基线估计的变化，但是不会太大到通过使基线很大改变以掩盖触摸事件的发生来掩盖触摸事件TE。在示例中，定义最大信号“下垂(droop)”，在该最大信号之下将不会按照Δ调节基线。在示例中，z的值可被选择成正好高到足以消除假光束断裂事件。可能需要一些经验数据来确定z的合适值。
可以本领域技术人员已知的各种方式调整算法以在给定组的条件下获得最优性能。作为示例，可使该算法对可导致不正常的基准值A₀的脉冲噪声较不敏感。这可通过跟踪平均基线信号并且产生经平均的信号以便使测得的信号中的任何尖峰平缓来完成。
而且，可调谐基线信号值A₀的调节以在各种触摸事件TE之中进行处理和区分，诸如透明薄片20的顶部表面上的指纹、顶部表面的清洁、屏幕上的压敏可粘便笺的铺设等等。
此外，系统能够利用该方法来确定触摸事件TE的强度。这对于一些可基于触摸事件TE的强度选择不同可能的计算过程的实施例中尤其有利。例如，强触摸事件TE可对应于计算程序的选择或激活，然而轻触摸事件将对应于供选择的行动。
本文所公开的基线跟踪方法具有多个优点。第一，非线性滤波允许快速峰值跟踪并且能够在触摸事件期间保持基线。第二，可针对动态环境条件自动地调节触摸阈值，从而使系统更稳固地检测触摸事件并且避免误触摸事件。第三，该方法可适应不返回至之前确定的基线的触摸事件，诸如停在透明薄片20的顶部表面22的蒸汽或残留。第四，该方法可抑制可能另外将基线重新设置成极值的脉冲噪声。第五，该方法可滤除被认为是触摸事件的持久的污迹。
触敏显示器
图12为通过将触摸屏系统10可操作地毗邻传统显示器单元410(诸如液晶显示器)设置并且可操作地设置在该传统显示器单元410上(例如， 顶上)形成的示例触敏显示器400的示意性立体图。图13为比图12更详细的显示示例触敏显示器400的分解立体图。触敏显示器400包括框40，在一个示例中框40毗邻边缘26驻留在透明薄片20表面22的顶上。触摸屏系统10可操作地设置在显示器410的顶上并且在示例中包括底板12，底板12支撑组成触摸屏系统的多个部件。
图14A为示出了如何将触摸屏系统10与传统显示单元410结合的示例的示例触敏显示器400的示意性截面、部分分解图。传统显示器单元410以液晶显示器的形式显示，其包括发射光416的背光单元414、薄膜晶体管(TFT)玻璃层420、液晶层430、具有顶部表面452的滤色片玻璃层、和具有顶部表面462的顶部偏振片层460，所有均按如图所示地排列。框架470围绕滤色片玻璃层450的边缘设置。光源元件102被可操作地支撑在框架470中，并且柔性电路被支撑在滤色片玻璃层450的顶部表面452上并且在框架470中。这形成具有正面482的集成显示器组件480。
现参照图14B，为了形成最终的触敏显示器400，通过将透明薄片可操作地设置在组件的正面482上将透明薄片20添加至传统显示单元410的集成显示组件480。透明薄片20包括以IR透明但可见不透明层的形式的上述框40。吸收层41还可包括在透明薄片20的边缘26处，以防止光104反射出透明薄片的边缘。
在图14A和图14B的触敏显示器400的实施例中，光源元件102通过IR透明框40面耦合至透明薄片20的底部24。还存在形成于透明薄片20和顶部偏振片层460的可选的空气间隙474。在示例中，多个标记(未示出)可通过透明薄片20或在透明薄片20上提供给用户500以引导用户与触摸屏系统10交互。作为示例，标记可包括留出用于指示用户选择、软件执行等的透明薄片20的顶部表面22上的区域。
进一步光感测元件安排
在图6A和图6B所示的触摸屏系统10的示例实施例中，光源元件102安装在或接近周界27处的透明薄板20的底部表面上。在该配置中，多达一半的光104直接照射透明薄片20发光并且进入用于500所在的上方 的空间中。如果对象(诸如，用户的手(未示出))碰巧接近透明薄片20的顶部表面22，则该对象可反射一部分的光104，并且可发现该经反射的光中的一些途经感光元件200中的一个。如果对象移开，则检测来自对象的经反射的光的相同的感光元件现将停止感测这种光。这甚至将在检测信号中表示并且可模仿触摸事件TE。由于该被模仿的触摸事件信号由悬停在透明薄片20的顶部表面22上的对象导致，因此该被模仿的触摸事件信号还被称为“悬停信号”。
为了确保仅实际触摸事件被触摸屏系统10检测，仅通过全内反射在透明薄片20的主体21中传播的被引导的光104可被感光元件200检测。以上所讨论的某些实施例(诸如，图6A和图6B中所示的实施例)解决抑制环境光的问题。
图15A为有益于降低环境光600(并且尤其是日光)对来自光源元件102的光104的不利影响的触敏显示器400的示例配置的特写局部截面图。该示例配置包括具有顶部表面522和底部表面524的平板波导520.平板波导520通过其顶部表面522毗邻透明薄片20的底部表面设置。平板波导520毗邻透明薄片的边缘26排列并且向内延伸一段短距离使得其至少覆盖感光元件200。在截面图中示出了感光元件200中的一个。
平板波导520通过设置在框架上表面和平板波导的底部表面524之间的支柱(stand-off)构件550远离框架上表面472。设置在透明薄片20的底部表面24上的IR透明框40用作阻断可见光但传输IR光104的滤波器。反射层540设置在平板波导520的顶部表面522的一部分上，并且用于协助使IR光104向感光元件200反射，感光元件200毗邻平板波导的底部表面524的一部分设置。在示例中，框架上表面472包括光吸收层541。
通过将框40用作使具有大约950nm的IR波长的光104通过单阻断包括环境光600的其他波长的光(诸如，日光、室内光或不是光104的任何其他光)的IR滤波器，感光元件200可在没有来自环境光的大量干扰的情况下检测光104。反射层540充当屏蔽以防止环境光600被直接入射到 感光元件200上同时还协助使光104向感光元件反射。此处，该反射协助可包括可能另外不通过全内反射在透明薄片20的主体21中反射的反射光。
继续参照图15A，考虑光104经由全内反射在透明薄片20的主体21中传播。由于给定光线104穿过透明薄片20朝向感光元件200，因此该给定光线104有机会在通过微型波导的开始和反射层540的前缘限定的窗口145处进入平板波导520。不进入该窗口145的光线104继续在透明薄片主体21中传播并且最终在边缘26处被设置在其上的吸收层41吸收。
进入窗口145的光线104有机会在感光构件200上入射。为此，光线104必须经历在微型波导520中在其下表面处的内反射并且从反射层540反射以向感光元件200传播。应当注意，反射层540防止光线104重新进入透明薄片20并且一般不提供光线在照射感光元件200之前逃脱的机会。
现考虑环境光(即，环境光线)600。环境光线600的行为部分地依赖于环境光线与透明薄片20的顶部表面22所形成的入射角α。如果入射角α很浅(即，α接近于90度，或掠入射)，环境光线600将从顶部表面22反射并且不进入透明薄片主体21.具有小入射角α的环境光线600将直接穿过透明薄片20传播。如果这种环境光线600入射在反射层540上，则它们将被反射回透明薄片20的顶部表面22。
如果环境光线600穿过透明薄片20并且还穿过窗口145并且进入平板波导520，则可见光波长将被IR透明框40吸收。环境光600的IR部分将继续传播，但将离开平板波导520的底部表面，从而穿过框架上表面472和平板波导的底部表面之间的空气间隙。环境光线600的该IR分量被在框架470的框架上表面472上的吸收层541吸收。
因此，图15A的配置增强了在存在环境光600的情况下感光元件200中的光104的检测，基本上防止环境光到达感光元件。这对可在外面的直接环境光600(尤其是日光)下使用的任何触摸屏系统10是有利的。
图15B类似于15A并且示出了其中触敏显示器400具有比图15A更薄的配置的示例实施例。在图15B的配置中，平板波导520现毗邻框架470的侧面设置而不是在框架的上表面472的顶部。在该实施例中，IR透明框40被延伸了框架470的宽度。
图15C类似于图15B并且示出其中感光元件200被设置成使得其朝向颠倒的示例实施例。在该配置中，光104进入平板波导520，平板波导520相对于透明薄片10配置使得光向上朝感光元件200全内反射。平板波导520包括配置成容纳感光元件200的搁架521。这种配置的优点在于，光检测元件200背离环境光500的大方向。这也避免了对IR透明框40的需要。
图15D类似于15C并且示出了其中感光元件200毗邻平板波导520的以相对于水平面成检测器角度ψ的成角度的面527设置的示例实施例。在示例中，“水平”相对于平面525定义，平面525由平板波导520的平面底部表面524限定。在示例中，检测器角度ψ可在0和90度之间，而在另一示例中可在0和135度之间。在其中环境光600可入射在光源元件200上的情况下，IR透明框40可设置在平板波导520和透明薄片20之间以覆盖光源元件。
多触摸事件的稳固的检测
本公开的一方面包括用于多个触摸事件的稳固的检测方法。稳固的触摸事件方法利用基于层析成像的算法，该基于断层的算法可处理多个触摸事件和尤其适用于相对高数量的同时触摸事件(诸如，五个或更多)。
而不是利用以上所讨论的光束断裂(beam-break)方法和中心线的交叉点，本发明的方法使用层析成像技术，其中透明薄片20被视为一个成象平面。与以上所描述的相比，在该部分所公开的触摸屏系统和方法的原理差别在于，本发明的系统和方法受益于具有稳固的处理器302(诸如， 用于处理电检测器信号SD的FPGA、ASIC)的触摸屏系统和用于检测多个触摸事件TE的更复杂的层析成像算法的使用。
查找多个触摸事件TE的层析程序方法的示例包括执行与进行对沿着与每个感光元件相关联的各自的视线105传播的光104的强度的测量相关联的步骤，其包括如上所述的确定基线测量。
然后，在下一步骤中，分析每个感光元件200的强度测得的组以找出“间隙”，即，其中衰减超过衰减阈值TA的强度值。典型的触摸事件的可靠检测需要大约1％功率分辨率。与光源元件102相关联的间隙的两端的坐标和给定感光元件200的坐标限定两个有限的视线105，两个有限的视线105与特定感光元件和光源元件形成三角形。在示例中，存储与三角形中的每个视线105相关联的强度，使得稍后可如以下所述的基于衰减值执行加权平均(即，质心)计算。
图16A类似于图9并且(使用暗线)突出通过限定有限的视线105-1的光束104-1形成的一个示例三角形107。作为示例，图16A的触摸屏系统10在左上和右上转角中仅具有分别以虚线所示的两个感光元件200。
在处理第一感光元件200的所有测得的强度之后，产生三角形107的列表。为下一个感光元件产生类似的三角形列表。在图16A中呈现总共七个三角形107.
然后，检查第一和第二感光元件的三角形107之间的所有可能的重叠。所得的重叠的三角形限定四角形的列表，如图16A所示，四角形目前是限定可能的触摸位置TE1、TE2、TE3和TE4的多边形。对下一个感光元件200重复该过程，从而检查三角形107的列表迄今为止产生的与多边形111的重叠。对所有g个感光元件200重复该过程。
在产生可能的触摸多边形111之后，确定与每个多边形111相关联的衰减强度(即，电检测器信号SD的强度)。由于多边形111的数量相对小(例如，10到20)，因此，如果假设均匀地衰减，则可解决nxm的系统，其中n为多边形111的数量并且m为超过(即，大于)衰减阈值TA(即，在由三角形限定的区域内)的测得的数量。参照图16B，图16B 表示具有三个感光元件200(但具有相同配置的触摸事件TE1到TE4)的触摸屏系统，剩余的m个多边形然后限定触摸事件TE1到TE4。应当注意，一个多边形111保持与触摸事件TE无关。该多边形111表示误触摸事件并因此被排除。
可更加数学地陈述该方法。首先，对于每个感光元件102k，检查连续的归一化强度测量Mi的组或阵列，并且查找其中Mi<TA(i1≤i≤i2)的间隔。光源元件102-i1和102-i2的坐标和检测器102k的坐标形成三角形。
一旦完成所有感光元件200的三角形107的列表，就确定第一和第二检测器的三角形107的交叉点，其中两个三角形的交叉点将产生多边形111中的一个。所有多边形的列表被称为“2代(generation)”。
接着，标识来自第三感光元件200的三角形107与2代多边形111的任一个的交叉点以产生“3代”多边形111。重复该过程以获得g代多边形111，其中g为感光元件200的数量。
接着，针对低于衰减阈值T的每个测量M_i，求解以下方程：
Σj=1pwijXj=-ln(Mi)---(1)]]>
其中w_ij表示从给定感光元件200到给定光源元件102的视线105穿过多边形的长度j。参数X_j为对于多边形j的每单元长度的衰减。
接着，由于以上方程(1)可表示多个测量，因此，方程的总数m超过多边形111的数量p。因此，方程(1)可以以矩阵形式写成：
WX＝M。  (2)
两边都乘以W的转置矩阵，即，转置的W^T，产生：
(W^T W)X＝W^T M，  (3)
其允许X表示为：
X＝(W^TW)^-1W^T M  (4)
矩阵(W^TW)为pxp维。现使用方程(4)确定与每个多边形111相关联的衰减。如果任何多边形的衰减低于(小于)衰减阈值T，则该多边形不代表触摸事件TE。然后，剩余的多边形111被认为代表触摸事件TE。
接着，计算每个剩余的多边形111的质心坐标(x’,y)(例如，几何中心)，并且该质心坐标(x’,y)被认为是测得的触摸事件坐标。每个多边形111的面积及其对应的衰减值被提供至处理器302.
在示例中，假设给定多边形111的衰减值为常数，例如，与多边形相关联的衰减值的平均值。在以下更详细讨论的另一示例中，衰减值为基于与给定多边形111相关联的衰减值的变化的加权平均或质心。
图17A示出了具有六个感光元件200的触摸屏系统10的多边形111，其中仅一个小多边形111(虚线椭圆)表示误触摸。图17B类似于图17A，除了通过图17A中的虚线椭圆标识的一个小多边形111已基于其小衰减值被消除。所得的多边形111均与实际触摸事件TE1到TE5的位置紧密关联。
有界多边形SART方法
图18为示出了对于上述具有四个转角感光元件200和沿着长边缘的八十个光源元件200以及沿着短边缘的四十六个光源元件的示例触摸屏配置，由通过光源元件102和感光元件200的集合形成的视线105限定的网格。沿边缘26所示的尺寸是以毫米为单位。参照图18中的特写图，网格111限定像素109，像素109为由网格限定的最小区域。在示例中，像素109通过将透明薄片20的顶部表面22分割成等于或小于选择触摸事 件分辨率的小区域。像素109可具有正方形或圆形形状，并且在一些实例中，像素可重叠。
因此，每个多边形111包括一个或多个像素109，并且每个像素已与衰减值相关联。
因此，在示例实施例中，利用联合代数重建技术(SART)算法确定与给定多边形111中的像素109相关联的衰减值。在该方法的这个方面中，可使用像素109的子集，从而可比通过利用全SART算法采用全部集合的像素更快地确定解决方案。
SART算法基于关系：
xj=xj+λ1Σi=1mwijΣi=1m(bi-Σj=1nwijxjΣj=1nwij)---(5)]]>
对于每个测量点i，我们可写出方程：
Σj=1nwijxj=bi]]>
其中b_i＝–ln(M_i)，其中M_i为测得的光强度，x_j为像素j的单位衰减，以及w_ij为贡献给测得的I的权重(即像素区域的一小部分)。它也可以是给定的像素内的线长度。
因此，项(以矩阵形式写为B-WX)表示满足方程(5)的误差。SART算法与来自涉及给定像素的所有等式的误差的组合成比例地调节x_j的值。误差的正确的组合由系数w_ij确定。最后，整个调节通过系数λ进行缩放，这是确定收敛速度的调节步骤。如果λ太大，则迭代过程可能发散。如果λ太小，则将需要更多的迭代才收敛。
在示例中，不是设法解矩阵方程WX＝B，而是通过以下关系使整体衰减达到最小
minXΣj=1nxj]]>
同时仍满足由矩阵关系WX≥B给出的约束条件。由于算法的性质，非零衰减像素109的数量不可能超过的测得的数量(即，等式的数量)。
如果线性成本函数被替换为作为次线性的非线性函数，则具有较少的非零衰减像素的解决方案是有利的。一个这种函数将为：
minXΣj=1nxj]]>
并且约束条件WX≥B。
图19A为通过SART算法基于原始测量数据确定的多边形相对于透明薄片20的计算机屏幕图像。图19B类似于图19A并且示出了该方法的有界多边形实施例的SART结果。
通过两步测量过程减少照明干扰
给出来自光源元件102的以光电流i_d的形式的检测器信号SD，和来自外来(即，外部或环境)光源的干扰光电流i_e，则抑制信号干扰的一个方法将进行两次测量。第一测量将为在光源元件102关闭的情况下的光电流，以确定平均干扰功率。第二测量将是光源元件102打开的情况。两次测量相减将抵消来自测得的外来的光电流的直流干扰。然而，干扰光通常具有不能被抵消的随机散粒噪声项。因此，虽然经校正的检测器信号在未校正的检测器信号上进行改进(即，具有更好的SNR)，但经校正的检测器信号SD仍部分地受到噪声的污染。
对于缓慢变化的干扰，在感光元件102关闭的情况下测量周期可用长时间常数来过滤，以抑制散粒噪声污染。在感光元件打开的情况下进行的测量可通过减去干扰信号的平均值来校正。
对于快速变化的干扰源，可使用示例两步方法，该两步方法包括：在光源元件102打开的情况下进行光电流测量以及然后减去在光源元件102关闭的情况下的相同的光电流测量。与上述滤波的方法相比，这导致来自干扰功率的3dB更糟的散粒噪声成分，但是提供对干扰变化的最快的跟踪。如果，如果设计自定义积分器，则可在光源元件102打开时向上积分，并且然后在光源元件关闭时向下积分相同时间。这相当于进行两次测量并且将两次测量相减。
上述用于改善检测器信号SD的SNR的示例两步测量方法的更详细的描述如下所示。恒定光电流i_d具有与RMS电流起伏相关的随机散粒噪声电流，其中q为电子的基本电荷以及Δf为以Hz为单位的信号频率带宽。具有积分时间Δt的开关积分器具有1/Δt的有效噪声带宽。对电容C积分，在周期结束，信号为使得
本公开的示例为暗电流的两步测量以降低或消除干扰光电流的不利影响。在第一测量步骤中，对干扰光电流i_e积分以产生来自干扰信号的电荷估计，即i_eΔt并且第二测量步骤测量检测器信号光电流id加干扰光电流信号并且产生静电荷(i_e+i_d)Δ并且将两次测量相减导致对检测器信号光电流的估计i_dΔt，并且σ=]]>2q(2ie+if)/Δt.]]>电荷SNR则为：
SNR=idΔt2q(2ie+id).]]>
因为干扰光电流i_e被积分两次，而期望的检测器光电流i_d仅被积分一次，因此上述SNR的方程表示干扰光电流i_e两次贡献其公平份额(fair share)。可通过减去低通过滤版本的干扰光电流i_e实现对信噪比的改进。 非线性数字滤波器可被实现为具有参数化地依赖于测量和过滤器值之间的误差的时间常数。该策略将允许对背景光的改变的快速适应，并且在若干采样周期之后将渐近地取得测得的方差。移除背景估计的方差给出电荷SNR：
SNR=idΔt2q(ie+id)---(2)]]>
当i_e>>i_d时，该方程比方程1好大约3dB。
通过电流注入减少干扰照明
图20A为配置成通过使用电流注入来降低干扰照明的不利影响的电路700的示意图。电路700包括以光电二极管形式的感光元件200。如上所述，光电二极管200接收光104并且响应产生光电流i_d+i_e。光电二极管与数模转换器(DAC)并联地设置并且驱动放大器710。放大器710可以是跨阻放大器或积分放大器。
在图20中以虚线框B1示出用于电路700的跨阻放大器配置并且该跨阻放大器配置包括限定反馈电阻(跨阻值)R_F的的反馈电阻器712。跨阻放大器配置调节输出电压V_out以使两个输入电压匹配。由于正输入被接地，该电路也将负输入强制到零伏。如果输入电流i_in＝i_d流入，则输出电压必须通过反馈电阻器712将电流拉成i_x＝i_d，从而将V_out限制为–R_F·i_d。
在框B2中示出了用于电路700的相关部分的开关积分器配置，并且该开关积分器配置将框B1的电阻器712替代为与复位开关716并联设置的具有反馈电容C_F的电容器714。复位开关716从时刻t＝T₀到时刻t＝T₀+ΔT打开。光电流i_d被转换为由如下定义的电压V_out：
Vout=1CF&Integral;T0T0+ΔTiddt]]>
在用于电路700的任一配置中，放大器710对输入电流i_in敏感并且产生与i_in成比例的输出电压V_out。
DAC 720在其输入端连接至处理器302并且其输出端连接至放大器710的输入电流求和节点。电流的极性使得它从二极管光电流中减去。DAC 720从光电二极管200中拉出一固定的但可编程的量的电流并且防止该电流使放大器710过载。处理器302包括伺服控制DAC电流以将放大器710保持在线性区域中的软件。这可以多种方式完成。一种方式包括在光源元件102关闭(即，没有光104击中光电探测器200)的情况下进行光电流的周期测量。
软件反馈回路然后经由反馈信号V_out调节DAC输出以提供零平均测得的电流。当已经实现零条件时，DAC输出将会是补偿电流i_cc，在一个实施例中，该补偿电流i_cc恰好抵消与干扰照明相关联的干扰光电流i_e。软件反馈回路基于系统10的操作条件的变化改变补偿电流，例如，更多或更少环境光产生更多或更少干扰光。
一般而言，在任何条件下对来自光电二极管200的总电流的估计可被视为DAC补偿电流加放大器光电流。通过使用DAC 720处理光电流的最大部分并且然后使用放大器710仅测量由于触摸事件TE引起的起伏，系统10可忍受比仅单独放大器可能的大得多的光电流水平。无论DAC720是否用于通过补偿电流i_cc精确地抵消干扰光电流i_e，DAC减法和残留的(干扰的)光电流测得的组合可扩展可测得的光电流的范围。
因此，通过补偿电流i_cc归零(nulling)或补偿(或降低)干扰光电流可通过将第二输入添加至放大器710的求和节点来完成。在该节点处的负电流由DAC 720提供，DAC 720由处理器302伺服以在光源元件102关闭(即，光104不入射在光电检测器200上)时产生零光电流读取。当使通过抵消电流引入的热噪声和散粒噪声最小时，可完成该归零。
因此，本公开的示例方法包括通过在光源元件102关闭时采用感光元件200中的一个进行第一光电流测量来产生检测器信号SD以确定补偿光电流。该方法而后包括在光源元件102打开的情况下采用感光元件200 中的同一个进行第二光电流测量。接着该方法包括从第二光电流测量减去第一光电流测量。
防止放大器饱和
除简单地消除由于干扰DC照射引起的偏移之外，防止放大器710从这种照明饱和也是很有用的。可通过减小输入处理通道的增益、通过合成负光电流归零额外的信号电流、或通过改变系统的积分时间来防止过载。
可在跨阻放大器中通过降低跨阻值R_F来实现增益衰减。然而，这具有增加系统噪声的缺点。对于通常积分一段固定时间ΔT的开关积分器，积分电容器714上的dV/dt随着额外光电流而上升，因此积分电压可超过在固定积分时间期间的线性范围。避免使积分器的动态范围过载的一个方法是更频繁地读取和重置积分电容器以避免饱和。如果积分被分成N个更短的积分，每一个为时间ΔT/N，则对于时间ΔT的总光电流可被视为N个子测得的每一个的结果之和。该技术允许通过将多个更短时间测量一起相加来适应任意基线电流。
因此，本公开的示例方法包括通过进行积分光电流测量一段固定的总时间ΔT产生检测器信号SD。该方法还包括将固定的总时间ΔT分成N个间隔以限定具有对应时间间隔ΔT/N的N个子测量。该方法进一步包括将N个自测量一起相加以模拟单个积分，并且然后动态地选择N以避免使放大器710过载。
通过软件中的减法减小干扰照明
如果DAC720在过载时完全饱和，则DAC的输出可用于自适应地设置积分时间。如果单个测量超过DAC720的线性范围，则对于连续的n，积分时间可被减小为1/(nT)直到测量回落到线性范围内。
为了实现检测器信号SD的期望的SNR，进行n次测量并且将n次测量一起相加以完成一个测量周期。经过滤的DC干扰被数字地减去，仅留下包括干扰信号的不可避免的散粒噪声成分的经校正的检测器信号SD。
虽然已参照具体方面和特征描述了本文中的实施例，将理解这些实施例仅说明期望的原理和应用。因此，应当理解，可对说明性实施例作出多种修改，而且可设计其它设置，而不背离所附权利要求的精神和范围。