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小尺寸光学红外触摸技术性能探讨
发布时间:2015-9-23 阅读:411次  

触摸屏技术概况

触摸屏技术是一种革命性的人机交互技术,用户只要用手指或电子笔轻轻地触及显示屏上的图符或文字,就能实现操作,彻底颠覆、摆脱了对键盘和鼠标的依赖,使人机交互更为直截了当,更便捷,更简单。

中国触摸屏市场从90年代末期开始兴起至今已经二十年有余,触摸技术也是层出不穷,新型触摸屏不断涌现。若按不同触摸介质和不同原理来分,主要有电阻触摸屏,电容触摸屏,红外光学触摸屏。而各种触摸屏的性能也是优缺参半。

电阻触摸屏价格便宜且易于生产,性能稳定,抗干扰能力强,在工业和车载市场上有普遍的应用。其缺点主要是触摸需要一定的压力,触摸体验效果不佳,反应较迟钝,一般不支持多点触摸或者支持伪多点。而且其触摸的ITO 涂层若太薄则容易脆断,太厚又会降低透光且形成内反射降低清晰度。由于经常被触动,表层ITO 使用一定时间后会出现细小裂纹,甚至变型,因此其寿命并不长久。复合薄膜的外层采用塑料,太用力或使用锐器触摸可能划伤。

电容触摸屏在消费类电子产品有广泛的应用,手机,PAD等等,只需要手指轻轻滑动,触摸体验顺畅,圆滑,但由于其感应电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化,其稳定性较差,往往会产生漂移现象,易受水雾、油污、电磁等干扰。在恶劣的环境下,稳定性和可靠性不是很高。另外电容触摸屏的触摸层由多层复合薄膜组成,透光率不高。在强光照射下,无法看清画面进行操作。

红外光学触摸屏利用红外线扫描,通过物体阻挡红外线,使得红外接收管接收的红外光强弱发生变化来确定触摸位置。其具有透 光率高,支持绝缘物体操作(手套触摸等),抗水雾、电磁干扰能力强等特点,受到业界行业应用的青睐。但红外光学触摸屏由于受自身原理限制,也易受强光和灰尘的干扰等缺陷。

红外触摸屏现状

红外触摸屏是利用红外线扫描原理实现触摸 ,早期红外触摸屏出现于1992年,分辨率只有32×32。易受环境干扰而误动作,而且要求在一定的遮光环境中使用。时至今日,红外触摸屏已经发展至第五代,分辨率和抗强光干扰性能显著提高,在太阳直射环境亦可使用。更重要的是在产品寿命和免维护性能方面有了本质的飞跃。采用概率函数器件冗余分布的指导思想,工作环境下寿命大于7年。足以将触摸屏的应用推向新的水平。然而,红外触摸屏的工作方式也导致了一些不可避免的应用缺陷,易受强光,灰尘干扰,分辨率不高。目前,红外触摸屏技术的发展主要围绕着两个方向进行,一是运用新型传感器实现触摸屏功能,另一个是对现有触摸屏技术缺陷的改进和应用功能的增强而进行。红外触摸屏的发展主要是随着提高分辨率和改善抗干扰性能进行,同时,应用功能上的扩展如多点触摸等给触摸屏带来了更丰富的功能。

目前国内市面上的红外触摸屏以中大尺寸(15寸以上)为主,由于受到光学技术设计、算法、红外灯管尺寸的限制,10寸以下的红外光学触摸屏成本高,技术不稳定,且易受红外光、灰尘干扰。为了充分发挥红外触摸屏技术的优势,满足于某些行业性应用,发挥其先天优势,克服自身劣势,成熟的小尺寸红外光学触摸产品为行业应用所期待。

国内小尺寸红外触摸技术介绍

区别于国内主流大尺寸传统红外光学触摸屏,笔者发现一款小尺寸光学红外触摸屏方案—利尔达 7寸光学红外触摸屏LSD1TP-1R70N1D3(以下简称LSD1TP)。

这款光学红外触摸屏通过独特的光学结构设计和算法,克服传统小尺寸红外触摸,成本高,技术不稳定,易受强光、灰尘干扰等劣势,相比电阻/电容触摸,具有透光率高,支持手套等操作,抗干扰能力强,寿命长等优点,适应于车载导航,工控,医疗人机互换及其他恶劣工作环境行业中使用。彻底颠覆了红外触摸屏原先的应用市场

LSD1TP 实现原理

LSD1TP红外光学触摸屏由一组红外线发射器和探测器,光学导光,控制电路和控制软件组成。发射器发射脉冲红外光经过导光板和触摸表面上,探测器检测到的光强度的变化表明一个物体的触摸。触摸位置和对象的大小是由多个检测器(红外接收管PD)相结合的测量值计算。从多传感器的输出可以被用来识别诸如手势和扫描操作。

1、 光学结构

LSD1TI红外光学触摸屏的导光体是触摸系统中的关键部分。它引导来自LED的红外光射向光学触摸区域,分散红外光束覆盖在显示区域上。在相反的一侧它引导所收集的光从光学触摸区域射向PD设备。 (图1)。

图1:导光板的基本结构

导光体是一个注塑部分由光学级聚碳酸酯制成,是区别与传统红外屏的关键部件,其主要作用是:

区别于传统红外触摸其红外发射、接收管直接放置在TFT显示屏上围四周,导致四周凸起高度过高,通过导光层结构设计,其四周凸起高度限制在1.8mm以内。

导光层通过弧形凸台设计,实现每个LED发射会对应两个红外接收管(PD)接收,以实现差分式红外扫描,使得光学红外触摸屏极高的分辨率,并有效的克服灰尘及红外、强光干扰。

2、差分式红外扫描

传统的红外触摸屏只能实现红外发射和接收一一对应,红外接收管(PD)的lable值仅为0或者1,依靠红外发射接收管子的数量和密度来有限提高红外触摸的精度和分辨率。而LSD1TP红外光学触摸屏采用差分式红外扫描方式,在这个系统中,共采用28对红外发射接收管,每个LED发射对应两个红外接收管(PD)接收,如下图2所示

每一个红外接收管PD,根据接收到的红外光的强弱,可以分为不同的16个等级,其lable值分0-15,从而实现用28对红外发射接收管的触摸分辨率能达到1024*600以上,DPI为500。另外这样的差分式红外扫描结合软件的算法能够有效克服传统红外触摸屏无法解决的灰尘、红外、强光的干扰,其信噪比> 10:1,保证高可靠性和极强的抗干扰能力。红外最高扫描频率达到400Hz,毫秒级的高速反应,使得手写圆滑顺畅。

硬件电路方案见下图

LEDs:红外发射管

PDs:测量LEDs发射的红外光。

多点触摸控制器(Controller):所有的控制硬件包括LED驱动,放大器,乘法器,电压调节器, 滤波器都集成在Controller

微处理器 (MSP):执行控制软件部分, 控制多点触摸控制器(Controller),并且通过I2C把触点的信息发送给主机(Host)。

小尺寸红外触摸的应用场合:

相比于电阻/电容触摸屏,LSD1TP光学红外触摸屏透光率高,与安装了电容和电阻式触摸屏的显示器相比画面色彩度更饱满、对比度好,用户视觉舒适度提高;

在电子书上该性能特性发挥的淋漓尽致,包括Sony,Amazon 都有红外触摸的电子书产品。

其次,LSD1TP红外光学触控屏不需要触控压力,戴上手套也可操作自如。2点触控完全能够满足一般的操作需要,无论你用什么物体都可以进行触控。白天在日光下的可视度很高,功耗低,价位适中,相较于电容屏、电阻屏性价比很高。

我们知道电容屏一个缺点是漂移:当环境温度、湿度改变时,环境电场发生改变时,都会引起电容屏的漂移,造成不准确。因此在工作及存储温度有要求的地方如车载和工控的环境,极寒极热地区,红外屏均能让用户操控流畅,而且反应高速精准,现场体验流畅迅速,较之电阻屏和电容屏有完胜的架势;

LSD1TP红外光学触摸屏采用差分红外扫描原理及软件算法有效解决了传统红外触摸触控精度、分辨率不高,易受灰尘和红外干扰等劣势。

笔者就做了灰尘,防水等做了几个测试:

试验一:笔者洒落污垢(<0.6mm)在红外屏上,触摸工作正常。

试验二: 在这款红外屏表面洒上水,简单擦拭,触摸正常工作。

试验三: 毛笔写字,有笔锋,书写流畅

综上所述,LSD1TP光学红外触摸屏在工业和车载等恶劣环境具有无与伦比的优势。是车载多媒体,工业人机界面操作,医疗器械,智能家居人机交互技术等领域的不错选择。

像最近发布的沃尔沃XC90,其中控多媒体导航屏就采用了这样的红外触摸技术. 其司首席触摸屏工程师Jens Henriksson 对红外触摸如下评价:“屏幕可以在没有施加压力的情况下感知您的手指,因此您可以带着手套操作触摸屏。如果您曾经历过北欧的冬天,就会发现这是非常实用的。 因为我们使用的是红外线触摸技术,所以这变得可行。在屏幕正前方,有一个红外光的模块,当手指伸入这一领域,屏幕就能自动感知触摸。”

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