用于觸摸屏的帶有微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光管的設(shè)計
韋曉娜,楊波,陸侃,劉鵬飛
(上海理工大學(xué)光學(xué)與電子信息工程學(xué)院影像光學(xué)儀器研究所,上海200093)
摘要:利用激光二極管作為光源,對紅外觸摸屏的原始結(jié)構(gòu)加以改進,用激光和導(dǎo)光管的組合來取代單排發(fā)光二極管,設(shè)計了一種具有微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光管.導(dǎo)光管采用PMMA材料,其折射率n2=1.49,在全反射的條件下,導(dǎo)光管微結(jié)構(gòu)的幾何參量通過解方程的方式獲?。謩e建立了導(dǎo)光管的光學(xué)和機械模型,建模結(jié)果表明,本文所提出的觸摸屏的設(shè)計方法能夠改善傳統(tǒng)紅外觸摸屏存在的分辨率低、觸摸方式受限制和易受環(huán)境干擾而誤動作等技術(shù)上的局限,同時徹底改善了原始紅外觸摸屏的性能,從而克服技術(shù)和物理規(guī)律限制,滿足紅外觸摸屏的提高分辨率和實現(xiàn)大尺寸的要求.
關(guān)鍵詞:導(dǎo)光管;微結(jié)構(gòu);光學(xué)設(shè)計;激光觸摸屏;分辨率
中圖分類號:0434.3 文獻標(biāo)識碼:A
0 引言
光學(xué)觸摸技術(shù)誕生于20世紀(jì)70年代.由于其巨大的市場應(yīng)用價值,觸摸屏技術(shù)一直得到相關(guān)技術(shù)人員相當(dāng)程度的關(guān)注,并處于持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展?fàn)顟B(tài).紅外觸摸屏屬于光電器件分析設(shè)計領(lǐng)域,是一種特殊的計算機外設(shè),人們可以利用它方便、簡單、自然的輸入信息,無論是控制還是查詢信息,完全不懂電腦的人也可以上來就操作電腦.紅外觸摸屏在我國的應(yīng)用范圍非常廣闊,主要用于公共信息的查詢,如電信局、稅務(wù)局、銀行、電力、城市街頭信息等業(yè)務(wù)查詢;也可作為完整的人機界面平臺,取代鼠標(biāo)、書寫板甚至鍵盤,應(yīng)用于領(lǐng)導(dǎo)辦公、工業(yè)控制、軍事指揮、電子游戲、點歌點菜、多媒體教學(xué)、房地產(chǎn)預(yù)售等.
從觸摸屏的發(fā)展歷程來看,主要的進步是沿著提高分辨率和對強光干擾環(huán)境適應(yīng)能力兩個方面進行的.然而,傳統(tǒng)的光學(xué)觸摸系統(tǒng)在顯示屏的一對邊框內(nèi)應(yīng)用一整排紅外(Light?。牛恚椋簦簦椋睿纭。模椋铮洌?,LED),并在各自相對的邊框內(nèi)用光電探測器來接收光信號,從而形成相應(yīng)的光學(xué)探測系統(tǒng)進而可以檢測出一個觸摸事件.隨著光學(xué)觸摸技術(shù)的發(fā)展,每一個對應(yīng)的光電探測器可以接收不止一個LED所發(fā)出的光,從而使得控制端可以實現(xiàn)對屏幕固有殘渣造成的光損耗進行補償.本文設(shè)計了一種具有微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光管.采用激光二極管作為光源,對紅外觸摸屏的原始結(jié)構(gòu)加以改進,用激光二極管和導(dǎo)光管的組合來取代單排LED,從而實現(xiàn)紅外觸摸屏的提高分辨率和實現(xiàn)大尺寸的要求.
1 導(dǎo)光管設(shè)計方法
紅外線觸摸屏的觸控原理是在顯示器上加上光點距架框,光點距架框的四邊排列紅外線發(fā)射管及接收管,在屏幕表面形成一個紅外線網(wǎng).以手指觸摸屏幕某一點,便會擋住經(jīng)過該位置的橫豎兩條紅外線,計算機便可即時算出觸摸點位置.不過,由于只是在普通屏幕增加了框架,在使用過程中架框四周的紅外線發(fā)射管及接收管很容易損壞.而且發(fā)射、接收管排列有限,分辨率不高.本文設(shè)計了一種新型紅外線發(fā)射系統(tǒng),替代傳統(tǒng)的紅外線發(fā)光二極管陣列,有效地簡化了紅外觸摸屏的物理結(jié)構(gòu),對于提高系統(tǒng)分辨率也有相應(yīng)的幫助.
1.1 導(dǎo)光管結(jié)構(gòu)設(shè)計
導(dǎo)光管采用楔形結(jié)構(gòu),僅有3個表面,其中右側(cè)表面加入三角形紋理結(jié)構(gòu),具體參量尺寸如圖1.設(shè)計中利用了全反射原理,得到光楔頂角和微結(jié)構(gòu)角度之間的關(guān)系,其中導(dǎo)光管采用PMMA 材料,折射率n2=1.49.當(dāng)θ<arcsin(n1/n2)=arcsin(1/1.49)=42.16°時發(fā)生全反射,為使得光線能水平出射,微結(jié)構(gòu)斜邊與垂直方向之間夾角必須為45°,即微結(jié)構(gòu)斜邊與導(dǎo)光管右側(cè)表面之間夾角為45°大于臨界角42.16°,所以不會發(fā)生全反射現(xiàn)象.
1.2 導(dǎo)光管微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
為了提高紅外觸摸屏的分辨率,使出射光線是一條連續(xù)的直線,充分確保光線發(fā)射通道,要求發(fā)射模塊與接收模塊對準(zhǔn)誤差,導(dǎo)光管的出射光線之間間隔必須保持在0.5mm 之內(nèi).設(shè)計中要求各個紅外管對準(zhǔn)性能完全一致,在一定的紅外管對準(zhǔn)性能誤差下,必須保證垂直入射至每個微結(jié)構(gòu)傾斜表面的入射點離開微結(jié)構(gòu)三角形頂點的距離大于
0.1mm,導(dǎo)光管下端截面寬度大于3mm.
1.3 對光線入射角的控制
當(dāng)一束激光放在凸透鏡的焦點處時,光線經(jīng)過凸透鏡發(fā)出平行光束,平行光束透過導(dǎo)光管上端截面垂直入射進來,打在導(dǎo)光管右側(cè)表面上,平行光束經(jīng)過導(dǎo)光管右側(cè)表面微結(jié)構(gòu)發(fā)生反射現(xiàn)象,最終出射光線成一直線,水平向左出射.
1.4 紅外觸摸屏應(yīng)用
微結(jié)構(gòu)陣列紅外線導(dǎo)光管(或稱光楔)是一個下底長度10mm,上底3mm,高350mm的直角梯形,在此基礎(chǔ)上給它若干厚度形成的一個梯形臺,設(shè)計中取厚度為5mm.在直角梯形斜邊所在的面上均勻鑿刻了613個三角錐槽,三角錐起到反射紅外線的作用.它將垂直前表面入射的紅外線以90°垂直反射到屏幕上,圖2、圖3為改進前紅外觸摸屏與改進后紅外觸摸屏結(jié)構(gòu)對比圖.
圖2 改進前的紅外觸摸屏
圖3 改進后的紅外觸摸屏
2 導(dǎo)光管實體建模與光路模擬
采用Light?。裕铮铮欤筌浖饴愤M行光學(xué)性能的模擬與檢驗.首先,用Lumileds生產(chǎn)的白光LED,典型電流為700mA,額定功率為3 W,光通量為
80lm,發(fā)散角度為120°并對其光電特性進行了均勻性篩選,選用其中匹配性較好的LED作為系統(tǒng)光源.利用軟件中自帶的3Dobjects工具制作一個長350mm,寬10mm,厚度5mm的長方體,用布朗運算切除長方體的一部分,得到光楔實體的初步解(不帶微結(jié)構(gòu)的).
設(shè)計中要求通過導(dǎo)光管上表面的光束為一束平行光,光源放在凸透鏡的焦點處.從凸透鏡焦點處發(fā)出的光線經(jīng)過凸透鏡后形成一束平行光,垂直透過導(dǎo)光板上表面.不同光源尺寸放在凸透鏡的焦點處發(fā)射出的光線經(jīng)凸透鏡的發(fā)散作用后都以平行光出射,因此LED尺寸大小不影響實際效果.綜合以上因素,在背光板右側(cè)表面上均勻鑿刻了613個三角錐槽,導(dǎo)光管的出射光線之間間隔必須保持在0.5mm之內(nèi),圖4是利用Light?。裕铮铮欤蠊鈱W(xué)模擬軟件模擬得到的導(dǎo)光管結(jié)構(gòu)圖,圖5是導(dǎo)光管光路示意圖,圖5是追加3?。埃埃皸l光線得到的結(jié)果.
圖4 導(dǎo)光管右側(cè)表面微結(jié)構(gòu)
圖5 對3000條光線進行追跡的導(dǎo)光管光路
結(jié)果表明:對于光線經(jīng)導(dǎo)光管右表面微結(jié)構(gòu)反射后的出射光線間距離(即反射后兩條光線的高度),當(dāng)導(dǎo)光管采用PMMA 材料,其折射率n2=1.49時,導(dǎo)光管的出射光線之間間隔為0.475mm,在規(guī)定要求的0.5mm之內(nèi).同時,垂直入射至每個微結(jié)構(gòu)傾斜表面的入射點離開微結(jié)構(gòu)三角形頂點的距離均大于0.1mm.實驗中用導(dǎo)光管取代紅外觸摸屏LED離散型分布,使其成為連續(xù)型出射光,由圖5可知,符合設(shè)計要求.圖6、圖7是利用LightTools光學(xué)模擬軟件制作的紅外觸摸屏亮度和散點分布圖.
圖6 紅外觸摸屏亮度分布
圖7 紅外觸摸屏散點分布
表1為在標(biāo)準(zhǔn)室溫25°的工作環(huán)境下,運用美國正版Light Tools光學(xué)軟件進行光學(xué)實驗數(shù)據(jù)的采集結(jié)果,表中例舉了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光管與具有微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光管的光通量與光照均勻度的數(shù)值.從表1及表2中可看出,隨著追擊光線數(shù)量的增加,光通量及均勻度均呈遞增的趨勢,且微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光管在光通量及均勻度上相比傳統(tǒng)的導(dǎo)光管有明顯的優(yōu)勢,大大提高了出射光線的光照強度及均勻度.同時到光線數(shù)量達到7?。埃埃皸l時,出光均勻度達到80%以上,極大地提高了導(dǎo)光管技術(shù),為今后導(dǎo)光管的更近一
步發(fā)展提供了一個有效的改進方案.
表1 傳統(tǒng)導(dǎo)光管光學(xué)透射參量
表2 微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光管光學(xué)透射參量
3 結(jié)論
通過不斷優(yōu)化的方法設(shè)計了帶有微結(jié)構(gòu)的楔形導(dǎo)光管,采用激光二極管作為光源和具有微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光管,對紅外觸摸屏的原始結(jié)構(gòu)加以改進,用激光LED和導(dǎo)光管的組合來取代單排LED,使其成為連續(xù)型出射光,并且分別建立并模擬了導(dǎo)光管的導(dǎo)光光路和機械模型.該技術(shù)的實現(xiàn)克服了物理規(guī)律限制,可以滿足觸摸屏的高分辨率和大尺寸設(shè)計要求.