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光學(xué)技術(shù)優(yōu)秀論文
光學(xué)技術(shù)是新興的技術(shù)，對于我們的生活科技有著(zhù)重要的影響作用。以下是小編為大家精心整理的光學(xué)技術(shù)優(yōu)秀論文，歡迎大家閱讀。
摘要：
光學(xué)觸摸技術(shù)最初是1970年代引入的，最新的突破帶來(lái)了該技術(shù)的復蘇。研發(fā)者已經(jīng)能夠解決成本、亮環(huán)境光下的顯示性能，以及組成要素等問(wèn)題，這里只提及其中的一小部分。本文詳細介紹了這些問(wèn)題是如何解決的;該技術(shù)的前景，包括深入了解一下光學(xué)觸摸系統的幾個(gè)嶄新的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：
光學(xué)觸摸技術(shù);發(fā)光二極管;光學(xué)傳感器
光學(xué)觸摸技術(shù)最初是1970年代Caroll Touch公司(現在是Elo TouchSystems的一部分)發(fā)展起來(lái)的，現有不少供應商出售該項技術(shù)。和其它的觸摸技術(shù)相比，光學(xué)觸摸技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)界的很多人都認為，如果沒(méi)有下面將要提到的兩個(gè)相當大的缺點(diǎn)，光學(xué)觸摸技術(shù)現在已經(jīng)成為觸摸技術(shù)的主流。光學(xué)觸摸屏技術(shù)的最新發(fā)展使得光學(xué)觸摸技術(shù)復興，為其成主流觸摸技術(shù)奠定了基礎。
引言
傳統的光學(xué)觸摸系統是在顯示器的兩個(gè)相鄰斜面上采用紅外發(fā)光(IR)二極管(LED)陣列，并在相對的斜面邊緣放置光敏元件，用于分析系統、確定觸摸動(dòng)作。LED-光傳感元件對在顯示器上形成光束柵格。當物體(例如手指或者鋼筆)觸摸屏幕遮斷了光束，就會(huì )在相應光傳感元件處引起光測量值的減弱。光傳感的輸出測量值可以用于確定出觸摸點(diǎn)的坐標。通�？刂破魇菕呙韫鈧鞲嘘嚵�，而不是同時(shí)測量所有的光傳感器，因此這項技術(shù)有時(shí)被稱(chēng)為"掃描IR"。在這項技術(shù)的高級版本中，每個(gè)光傳感器測量來(lái)自不止一個(gè)LED的光，這使得控制器可以補償由于屏上不可移動(dòng)的碎片而引起的光的阻斷。
這項傳統的光學(xué)觸摸技術(shù)已經(jīng)主要用于觸摸市場(chǎng)中的相關(guān)領(lǐng)域。過(guò)去，它的廣泛應用由于兩大原因曾經(jīng)受到限制：技術(shù)成本比與之競爭的其他觸摸技術(shù)要高，還有在亮環(huán)境光下的顯示性能問(wèn)題。后一個(gè)問(wèn)題是由于背光源放大了光傳感元件的背景噪聲。在有些情況下，噪聲大到無(wú)法檢測到觸摸屏的LED光，導致觸摸屏的暫時(shí)失靈。這個(gè)問(wèn)題在陽(yáng)光直射下最為顯著(zhù)，因為陽(yáng)光在紅外區域分布有大量的能量。
另外，傳統的光學(xué)觸摸技術(shù)由于其它的一些技術(shù)問(wèn)題，例如功耗、機械包裝約束、分辨率的限制導致系統檢測PDA筆等小物體的能力受限等，而沒(méi)有被手持式觸摸屏(例如手機和PDA等)采用。其它技術(shù)例如模擬電阻技術(shù)由于成本低很多，主導了移動(dòng)設備觸摸屏的市場(chǎng)。
但是光學(xué)觸摸的特性還是可取的，代表了理想觸摸屏的屬性，包括可以去除其它觸摸技術(shù)都必需的顯示屏前的玻璃或塑料層。在很多情況下，這種覆蓋層采用透明導電材料，例如氧化銦錫(ITO)，這會(huì )導致顯示屏的光學(xué)性能下降。光學(xué)觸摸屏的這個(gè)優(yōu)勢對于很多設備、顯示屏供應商來(lái)說(shuō)是極其重要的，因為設備的售出與使用者的感覺(jué)質(zhì)量相關(guān)。
光學(xué)觸摸的另一個(gè)長(cháng)期需求的性能是傳感器的數字輸出，相比之下，很多其它的觸摸系統是依賴(lài)于模擬信號處理來(lái)確定觸摸位置。這些與之競爭的模擬系統通常需要不停的再校準，對信號處理(增加了成本和功耗)的要求比較復雜，與數字系統相比精確度相對降低;并且由于操作環(huán)境引起更長(cháng)時(shí)間使用后系統失靈。
光學(xué)觸摸的另一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)是通常情況下沒(méi)有手指、筆或其它被識別硬件的直接接觸。這就減少了觸摸屏由于接觸失敗、老化、疲勞引起失靈的可能。這與低壓力觸摸的要求也有關(guān)。在一個(gè)光學(xué)觸摸系統中，只要與光束接觸就可以了，不需要檢測力量或者觸發(fā)系統。
最后，光學(xué)觸摸可以執行同時(shí)觸摸，這是其它觸摸技術(shù)難以實(shí)現的。盡管同時(shí)觸摸在過(guò)去沒(méi)有被廣泛地發(fā)展，近期由于蘋(píng)果iPhone等新設備引起了關(guān)注，它讓同時(shí)觸摸成為用戶(hù)界面不可或缺的一部分。
1最新技術(shù)提高
1.1新元件和信號處理的改進(jìn)
處理：自從傳統的光學(xué)觸摸系統開(kāi)始發(fā)展，關(guān)鍵元件如LED、光敏二極管、CMoS芯片在性能上有了長(cháng)足的發(fā)展，成本大大降低。產(chǎn)生模塑光學(xué)和信號處理算法的技術(shù)也有了很大的發(fā)展和改進(jìn)。因此，傳統光學(xué)觸摸技術(shù)有了發(fā)展，至少與其它也在不斷發(fā)展的觸摸技術(shù)相比保持著(zhù)競爭力。
1.2改進(jìn)的光學(xué)系統設計
近期，Elo TouchSystems和IRTouch等公司試圖解決光學(xué)觸摸的背景或環(huán)境光問(wèn)題，主要采用改進(jìn)邊緣(縫隙)設計、光學(xué)濾光片和更加復雜的信號處理來(lái)增強信噪比。如，紅外LED可以通過(guò)特定頻率調制，光傳感器的輸出只可以在該特定頻率下解調。由此來(lái)降低陽(yáng)光對未調制的紅外光的影響。制造商聲稱(chēng)的最新產(chǎn)品能承受75~100klx的環(huán)境光，表明這些技術(shù)在降低光學(xué)觸摸對日光的敏感度方面有了不錯的成就。
2 新型光學(xué)觸摸系統
新元件技術(shù)和關(guān)鍵器件的成本降低使得大量嶄新的光學(xué)觸摸系統得以產(chǎn)生。便宜和更尖端的光學(xué)系統設計工具的結合，為現有光學(xué)觸摸系統的設計和制造的再次提出創(chuàng )造了完善的條件。
現有兩大類(lèi)新的光學(xué)觸摸系統：一類(lèi)是取決于光源的，通過(guò)阻斷來(lái)檢測觸摸的;還有一類(lèi)是利用環(huán)境光，而與光源無(wú)關(guān)的。另外，這些新系統還可以根據規定光束的遮斷，以及通過(guò)復雜的信號處理來(lái)確定顯示器上方圖像的觸摸點(diǎn)來(lái)分類(lèi)。本文回顧了這些新型的光學(xué)觸摸系統。
3 Neonode
Neonode采用了傳統的IR觸摸技術(shù)，LED以及光敏二極管，關(guān)鍵在于將其微型化以用于手持設備。除了將該技術(shù)用于其N(xiāo)2手機，Neonode還將它銷(xiāo)售給其他的設備制造商。但是還不清楚該技術(shù)是否被其他的手機銷(xiāo)售商采納。該項技術(shù)的關(guān)鍵挑戰在于斜面的高度。很多手機制造商不斷地嘗試制造能在頂面齊平或者接近齊平的新元件，他們希望顯示器盡量延伸，盡量靠近設備的邊緣(使得顯示器的尺寸和對多媒體功能的體驗都盡可能的大)。參考圖2中給出的Neonode N2和蘋(píng)果iPhone，可以立刻明顯發(fā)現iPhone屏幕的表面是平滑的，而N2手機屏的表面是凹的。通過(guò)對樣品的檢測，N2的斜高約為1.6mm(包括包裝材料的厚度);而iPhone的斜高為0(平滑)。其它妨礙Neonode觸摸屏技術(shù)在手機市場(chǎng)使用的問(wèn)題有成本和功耗，都是因為設備中大量的采用光電子元件(LED和光敏二極管)造成的。
對于這項技術(shù)及蘋(píng)果iPhone的另外一個(gè)潛在的挑戰是只能用手指觸摸的限制。亞洲智能手機制造商更希望能夠采用觸摸筆輸入，以支持字符識別。Neonode N2上的光束間隔比較寬，大約每厘米2.5個(gè)光束，手指大約能夠覆蓋9個(gè)光束交叉點(diǎn)。這能節約能量，但是使得觸摸筆在觸摸屏上無(wú)法使用。即使使用大的觸摸筆，由于分辨率不夠，手寫(xiě)識別還是無(wú)法實(shí)現。相比較而言，用于iPhone的導電軌跡間隔相對比較窄，大概每厘米25個(gè)軌跡交叉點(diǎn)。但是，即便是投射式電容性技術(shù)的分辨率更高，它只能支持手指觸摸，限制了觸摸筆或是戴手套時(shí)的使用。所以這個(gè)比較結論有待討論。
4 NextWindow、SMART以及其它技術(shù)
NextWindow和SMART技術(shù)實(shí)現了基于照相機的光學(xué)觸摸，至少有一個(gè)新的開(kāi)始。
NextWindow的光學(xué)觸摸屏技術(shù)采用了兩個(gè)放置在顯示器相鄰邊角上的線(xiàn)掃描照相機(圖3)。照相機根據紅外光源的截斷來(lái)檢測任何靠近表面物體的移動(dòng)。由屏表面的一個(gè)平面產(chǎn)生光，并由屏三個(gè)邊上的定向反射條( 定向反射鏡使得光從入射角沿著(zhù)平行但相反的路徑反射回來(lái))反射回相機。當手指(或任何物體)觸摸屏幕時(shí)，控制器就分析了相機中的圖像，觸摸物體位置的三角關(guān)系。SMART光學(xué)觸摸屏技術(shù)使用的是相同的原理，區別在于它用了四個(gè)面掃描照相機。
即使技術(shù)上允許光學(xué)觸摸技術(shù)不需要玻璃觸摸表面，供應商也不會(huì )這樣做，因為需要保護LCD的軟(2H)表面。這些技術(shù)比傳統技術(shù)先進(jìn)在它們的有源器件更少，因此可以減少成本，具有更長(cháng)的平均失誤間隔時(shí)間(MTBF)。NextWindow銷(xiāo)售的觸摸屏的尺寸在12～120in范圍之間，到目前為止大多數應用于監視器尺寸的顯示屏(例如HP TouchSmart家用電腦)，以及用于交互數字簽名的大尺寸顯示[1]。盡管這項技術(shù)具有很高的分辨率和數據傳輸率，能夠支持觸摸筆的手寫(xiě)識別;但是，對于小于10in，由于邊界寬度、成本、功耗的考慮不采用掌上反射顯示屏的還無(wú)法應用�？偟膩�(lái)說(shuō)，基于相機的光學(xué)觸摸技術(shù)在近期內還無(wú)法應用于移動(dòng)設備。
5 Perceptive Pixel
紐約大學(xué)的研究者最新研制了一種可以同時(shí)用10個(gè)、20個(gè)，甚至更多手指觸摸的大型多處觸摸屏。Perceptive Pixel公司的成立，旨在將該項技術(shù)商業(yè)化――盡管這項技術(shù)已經(jīng)應用于交互性白板、觸摸屏桌、數字墻等領(lǐng)域，所有的這些設備都可以由多人同時(shí)操作。
Perceptive Pixel技術(shù)原理是將紅外LED光引入玻璃或塑料的背投屏上。該技術(shù)應用非全內反射(FTIR)，即當手指觸摸玻璃表面時(shí)，光從手指處散射出去，被垂直于普通玻璃表面的光學(xué)傳感器檢測到[2]。在Perceptive Pixel應用中，光傳感器是投影機旁邊的一個(gè)攝像機(見(jiàn)圖4)。因為該技術(shù)是為背投顯示屏設計的，它不能應用在移動(dòng)設備中。
6夏普、東芝-松下顯示(TMD)及其它
夏普、TMD以及LG-飛利浦LCD都展示了顯示屏本身作為光傳感器件的光學(xué)圖像觸摸系統。這些新型的LCD在每個(gè)LCD像素中集成了一個(gè)光傳感器件(發(fā)光二極管或光敏晶體管)，這使得整個(gè)顯示屏成為一個(gè)大矩陣光傳感器;加上合適的圖像分析技術(shù)，它可以成為觸摸傳感器甚至一個(gè)讀卡掃描器。夏普最新展示了320×480像素光傳感分辨率的3.5in LCD。由于固有的數字技術(shù)，它具有識別出同時(shí)多處觸摸事件的能力(圖5)。
將這項技術(shù)應用于觸摸屏需要面臨的一個(gè)挑戰是，在有各種不同類(lèi)型環(huán)境光的情況下進(jìn)行信號處理。與普通的觸摸屏不同，該技術(shù)需要分析一幅復雜的圖像來(lái)確認是否有觸摸發(fā)生。與普通的觸摸屏相比，這項技術(shù)需要更加先進(jìn)、昂貴、耗電的處理器。另外，多種背景光的存在會(huì )使得圖像分析更為復雜。另外一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是速度。比如說(shuō)，手寫(xiě)識別通常被認為需要至少每秒130幀的觸摸識別速度，以避免識別延時(shí)。這種處理速度對于基于圖像矩陣、低功耗的、用于手持設備的觸摸技術(shù)來(lái)說(shuō)是一種挑戰。
由于移動(dòng)設備的顯示屏的尺寸、比例、分辨率有很多種，生產(chǎn)商沒(méi)有真正的標準。因此，生產(chǎn)能夠用于任意顯示器的傳感器將帶來(lái)高成本，并且需要處理復雜觸摸傳感LCD的NRE。另外，這些LCD可能具有更小的像素-孔徑比，因此與沒(méi)有觸摸傳感的類(lèi)似顯示屏相比亮度可能會(huì )低一些。
7 RPO數字波導觸摸技術(shù)
RPO數字波導觸摸(DWT)技術(shù)是基于傳統IR系統概念發(fā)展而來(lái)的光學(xué)觸摸系統。這種系統采用1～2個(gè)低成本LED，用來(lái)從兩個(gè)相鄰斜邊提供可控的光源(事實(shí)上是一個(gè)紅外光平面)，然后在另兩個(gè)相鄰的斜邊上，利用聚合物光學(xué)波導來(lái)將光線(xiàn)引入分立的10 m管道進(jìn)入一個(gè)小的光傳感器矩陣(圖6)。
這項由傳統IR觸摸改進(jìn)的技術(shù)有效地解決了傳統技術(shù)所有的缺點(diǎn)。下面將討論這些缺點(diǎn)。
由于光電器件(LED和傳感器)不再放置在顯示器的斜邊上;與傳統的光學(xué)觸摸系統相比，斜面高度和寬度對觸摸系統的影響減弱了。RPO展示了在顯示區域外只有2mm的觸摸系統，從屏保護(鏡片)到器件外殼的內表面的側面高度只有0.5mm。
DWT因為只有1~2個(gè)LED和1個(gè)光傳感器芯片，所以成本要低很多;由于接收端的光學(xué)信號進(jìn)入分立的光導，被光傳感器矩陣的獨立像素分別檢測而具有"數字性"，所以它的分辨率要高很多。因此，筆檢測和手寫(xiě)輸入識別成為了可能。
濾波器和孔隙化的發(fā)展使得環(huán)境光不再是個(gè)問(wèn)題，因為細小光學(xué)波導作為接收管道。
使這項技術(shù)成為可能的關(guān)鍵是RPO公司改進(jìn)的低成本光刻印刷聚合物光學(xué)波導。這家公司采用類(lèi)似LCD的處理工具來(lái)沉積濕膜，用直接的光刻圖案處理薄膜，還有溶劑的改進(jìn)。這聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是改進(jìn)聚合物材料和用于生產(chǎn)大量、高強度的高分辨率光導的工藝用了很多年。另外，這個(gè)RPO使用的光學(xué)系統設計非常復雜，但是在物理系統中簡(jiǎn)單、便宜、便于集成。
RPO在Display Week 2007上演示了這個(gè)系統，當時(shí)用于PDA設備的多重觸摸。DWT現用于高端用戶(hù)產(chǎn)品之中。理論上講，這個(gè)系統可以用于任意尺寸的顯示屏，但是RPO最初是面向中小型消費類(lèi)電子和車(chē)載顯示器的。
8 結論
以上這些新的光學(xué)觸摸技術(shù)都可以在廣大且持續發(fā)展的觸摸屏市場(chǎng)中占據屬于自己的一席之地。排除所有的技術(shù)缺陷，我們可以預測光學(xué)觸摸技術(shù)與其它觸摸技術(shù)相比具有關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)�？偟膩�(lái)說(shuō)，這些新技術(shù)，如果都歸類(lèi)于"光學(xué)觸摸系統"，最終可以占據觸摸屏市場(chǎng)的一大份。
促進(jìn)手持式觸摸屏迅猛發(fā)展的是蘋(píng)果iPhone以及其它智能手機、GPS手持設備，還有個(gè)人多媒體播放器。上面的這些技術(shù)，Neonode、夏普、TMD、RPO目標都很明確，并希望能和現有的電阻和投射式電容性觸摸技術(shù)競爭。
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