TWI476364B - 感測方法與裝置 - Google Patents

Description

感測方法與裝置

本發明係為一種感測方法與裝置，特別是應用於感測一物體之位置之感測方法與裝置。

當前的觸控裝置可以依據其工作原理的不同而區分為電阻式觸控、電容式觸控、光學式觸控等類型，其中光學式觸控具有觸感輕、材料成本低等優點。

簡單來說，光學式觸控的作法是利用光源接收遮斷原理，在觸控面板的周圍或底部設置光源與感測單元，當光源投射之出射光線遭遮斷時，代表使用者正在進行觸控操作，並因此導致光源所發出的出射光線無法沿著原本的出射方向前進，而感測單元則對應此種遮斷現象而傳送相對應之信號予信號相連之處理電路，進而判斷出觸控點的位置。

請參見第一圖，其係習用技術將光學感測作法應用於觸控系統之示意圖。此種觸控系統10包含：底板101、分別設置於底板101之左上方角落與右上方角落的第一影像感測模組103、第二影像感測模組104、信號連接於第一影像感測模組103與第二影像感測模組104的處理電路106，以及設置在底板101周圍之反射元件102。其中該等影像感測模組係用以擷取觸控區域107內的影像，而處理電路106則是根據該等影像感測模組擷取到的影像計算出待測物體11在觸控區域107的位置。

在第一圖中，觸控系統10係利用影像感測模組發出紅外光而照射至待測物體11與反射元件102後，再經紅外光照射而產生的影像來判斷待測物體11的位置，影像感測模組接收而得的影像可被區分為兩個部份，分別是透過反射元件102而反射的部份，此部份在影像中形成亮度較高的亮區(bright zone)，以及因為待測物體11遮蔽所形成的暗區。

易言之，以習用技術為基礎的觸控系統10藉由反射元件102在影像中所形成的亮區來搭配待測物體11所形成的暗區使用，因此反射元件102在底板101所構成的範圍相當於觸控系統10所能提供的觸控區域107。換言之，當使用者利用手指或觸控筆等待測物體11進行觸控操作時，其觸控區域107必須被限制在反射元件102所區隔出的範圍內。

由於習用技術所使用的觸控系統10必須使用反光元件102產生的亮區作為判斷待測物體11位置的參考，這也使得習用技術產生以下的缺失：

首先，由於底板101與反射元件102佔有一定體積而不易攜帶，因此觸控區域必須受到底板101與反射元件102的實體尺寸之限制而被限制其使用環境。其次，底板101與反射元件102的使用也代表額外的製造成本，因此習用技術的作法將使觸控裝置的單價提升許多而有待改進。換言之，習用技術的作法對可攜式電子裝置等應用將造成製造與使用時很大的限制。

如前所述，習用技術中的觸控裝置藉由反射元件102將入射光線(如紅外光)反射至觸控區域107後，透過第一影像感測模組103與第二影像感測模組104擷取觸控區域107內的影像，接著再以第一影像感測模組103與第二影像感測模組104所擷取到的影像為基礎，利用處理電路106來計算出觸控點的座標，但是這樣的作法必須使用以回復反射材質(retro-reflective material)製成的反射元件102而使生產成本提高、觸控區域受到限制。

本發明的目的就是在提供一種感測方法，應用於感測一物體之位置，該感測方法包含以下步驟：驅動一光源產生一平面光；該物體反射該平面光而形成一反射光分佈；以及根據該反射光分佈而估計出該物體與該光源間之一相對距離。

本發明的再一目的是提供一種感測裝置，應用於感測一物體之位置，該感測裝置包含：一光源，其係產生一平面光；以及一第一感測單元，設置於該光源之一側，該第一感測單元係根據一反射光分佈而估計出該物體與該光源間之一相對距離，其中該反射光分佈係由該物體反射該平面光而形成。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測方法中，該光源係為一雷射光源或一發光二極體光源。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測方法中，該光源係發出一出射光線，而驅動該光源產生該平面光之步驟係包含：該出射光線透過一柱狀鏡而產生該平面光；或該出射光線透過可轉動之一微機電反射鏡而產生該平面光。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測方法中，根據該反射光分佈而估計出該物體與該光源間之該相對距離之步驟係包含以下步驟：取得包含該反射光分佈之一第一影像；以及根據該第一影像中對應於該反射光分佈之複數個像素而得出一第一位置參數。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測方法中，得出該第一位置參數之步驟係包含：對該第一影像中對應於該反射光分佈之複數個像素進行一質心位置計算而得出該第一位置參數；以及根據一參考紀錄與該第一位置參數而估計出該物體與該光源間之該相對距離。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測方法中，該參考記錄係包含複數個參考位置參數，而該等參考位置參數透過一設定流程將一待測物體移動至與該光源間分別相距為複數個預設之相對距離，並對該待測物體所反射該平面光而形成之複數個參考反射光分佈分別進行該質心位置計算而得出。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測方法中，該質心位置計算係指將該等像素上之亮度作為該等像素所對應之權重，搭配該等像素在該第一影像之位置、該等像素之個數進行計算。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測方法更包含以下步驟：取得包含一反射光分佈之一第二影像；以及根據該第二影像中對應於該反射光分佈之複數個像素而得出一第二位置參數。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測方法中，該等影像係分別透過一第一感測單元與一第二感測單元得出，其中該等感測單元係分別設置於該光源之兩側。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測方法中，該第一感測單元與該第二感測單元在垂直方向與該出射光線所在之水平面所分別形成之距離相異。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測方法中，根據該反射光分佈而估計出該物體與該光源間之該相對距離之步驟係包含以下步驟：得出該物體在一第一時點與該光源間之一第一相對距離；得出該物體在一第二時點與該光源間之一第二相對距離；以及根據該第一相對距離與該第二相對距離而判斷該物體在該第一時點與該第二時點間之移動。

本發明的又一目的是提供一種一種感測裝置，應用於感測一物體之位置，該感測裝置包含：一光源，其係產生一平面光；以及一感測單元，設置於該光源之一側，該感測單元係根據一反射光分佈而估計出該物體與該感測單元間之一相對距離，其中該反射光分佈係由該物體反射該平面光而形成。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置中，該光源係為一雷射光源或一發光二極體光源。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置中，該光源係發出一出射光線，而該出射光線係透過一柱狀鏡或透過可轉動之一微機電反射鏡而產生該平面光。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置更包含：一控制單元，信號連接於該第一感測單元，其係根據該第一感測單元所感測包含該反射光分佈之一第一影像，並由該第一影像中對應於該反射光分佈之複數個像素而得出一第一位置參數。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置更包含：一儲存單元，信號連接於該控制單元，其係提供一參考紀錄予該控制單元，其中該控制單元對該第一影像中對應於該反射光分佈之複數個像素進行一質心位置計算而得出該第一位置參數，並根據該參考紀錄與該第一位置參數而估計出該物體與該光源間之該相對距離。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置中，該參考記錄係包含複數個參考位置參數，而該等參考位置參數透過一設定流程將一待測物體移動至與該光源間分別相距為複數個預設之相對距離，並對該待測物體所反射該平面光而形成之複數個參考反射光分佈分別進行該質心位置計算而得出。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置中，該質心位置計算係指將該等像素上之亮度作為該等像素所對應之權重，搭配該等像素在該第一影像之位置、該等像素之個數進行計算。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置更包含：一第二感測單元，信號連接於該控制單元，該第二感測單元係根據一反射光分佈而估計出該物體與該光源間之該相對距離，其中該反射光分佈係由該物體反射該平面光而形成。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置中，該第一感測單元與該第二感測單元係分別設置於該光源之兩側。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置中，該第一感測單元與該第二感測單元在垂直方向與該出射光線所在之水平面所分別形成之距離相異。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置，其中更包含：一調整單元，設置於該第一感測單元與該第二感測單元間，其係使該等感測單元在水平方向所形成之間距動態調整。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置中，該控制單元係於一第一時點得出該物體與該光源、該第一感測單元間之一第一相對距離，於一第二時點得出該物體與該光源、該第一感測單元間之一第二相對距離，並根據該第一相對距離與該第二相對距離而判斷該物體在該第一時點與該第二時點間之移動。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置更包含：一傳送單元，電連接於該感測單元，其係將該感測畫面傳送至與該感測裝置信號連接之一控制主機，並將該物體與該光源間之該相對距離轉換為一游標顯示。

在本發明的較佳實施例中，上述之感測裝置，其中該平面光定義之一感測區域係位於一實體觸控平面或一立體操作平面。

本發明因採用第一感測單元感測該平面光在該物體所產生之平面光分佈而得出該物體與該光源、該第一感測單元間之相對距離，因此可以判斷該物體在不同時點之位置變化。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

為了改善習用技術因為使用反射元件102所造成的缺失，本案發明人於我國專利申請第099117670號提出了利用反射光分佈而取得觸控位置變化的作法，以下利用第二圖(a)(b)對該作法進行闡釋。

請參見第二圖(a)，其係一種改善習用技術使用反射元件與底板之作法，改以分設兩處之影像感測器而擷取觸控待測物體影像並判斷觸控待測物體的位置之示意圖。

就外觀來看，此種作法與習用技術同樣使用了第一影像感測模組203、第二影像感測模組204與處理電路206，但是其中的第一影像感測模組203與第二影像感測模組204因為內部構造與取得影像的原理與習用技術不同，因此不需要使用反光元件與底板。

簡單來說，此種作法係對包含待測物體21本身產生的反射光之反射影像進行處理，而不需要利用反光元件所產生的亮區，其目的是為了取得包含反射光影像之特徵資料，如：待測物體21影像之面積、長寬比、邊界、色彩、亮度等參數後，再依據這些影像資料或影像之特徵資料來計算出待測物體21的位置。

在第二圖(a)中，第一影像感測模組203沿著第一感測路徑d1來感測待測物體21的位置，而第二影像感測模組204則沿著第二感測路徑d2來感測待測物體21的位置，因此，只要處理電路206能取得該等感測路徑的直線方程式，並計算出這些感測路徑的交點，就能得出待測物體21的位置。

請參見第二圖(b)，其係在第二圖(a)中的第二影像感測模組之內部構造示意圖。由第二圖(b)可以看出，第二影像感測模組204包含：影像感測器2041、只能讓紅外光通過的紅外光濾光裝置2042、紅外光發射裝置2043、光學鏡片2044、光學鏡片組2045。而第一影像感測模組203的內部構造與第二影像感測模組204相當類似，差異僅在紅外光發射裝置2043與光學鏡片2044二者相對於其他元件之相對距離。

此種作法透過第一影像感測模組203與第二影像感測模組204擷取得包含觸控待測物體21反射紅外光之影像，該等影像感測器所取得之包含反射影像的影像資料可以直接傳給處理電路206處理，或利用第一影像感測模組203與第二影像感測模組204進行前置處理後，再將感測而得的信號、資訊傳送至處理電路206。

由於前述作法直接利用待測物體21表面所形成的反射光，因此改善了習用技術必須使用反射元件的缺失，然而此作法中的第一影像感測模組203與第二影像感測模組204均需使用紅外光發射裝置，因此本案提出了更為簡便的作法，減少了所需使用之紅外光發射裝置的個數，更進一步降低生產成本。

請參見第三圖(a)，其係本發明所提出利用反射光分佈而估計待測物體之位置的觸控感測方法之流程圖。簡單來說，本發明所提出的感測方法包含以下步驟：驅動光源產生平面光(步驟S31)；待測物體反射平面光而形成反射光分佈(步驟S33)；以及根據反射光分佈而估計出待測物體與光源間之相對距離(步驟S35)。

簡單來說，本發明的構想是以單一個光源搭配影像感測模組使用，透過影像感測模組取得包含待測物體之反射光分佈的影像後，再利用這些影像判斷出待測物體的位置。而此處的光源可以是一個點光源，因此如：雷射光、發光二極體(light-emitting diode，簡稱為LED)等均可作為發生出射光線的光源。

較佳的方式是利用肉眼看不到但感測單元可以感測得到的紅外線(Infrared，簡稱為IR)雷射二極體(LD)或是發光二極體(LED)作為光源，亦即波長大於780nm波的長的光源為佳，如850nm波長或是940nm波長，即便待測物體的材質不同，也不會影響其反射亮度。再者，若待測物體的顏色為深色，則在待測物體上所形成的反射光會略暗，但在光源本身的亮度很高且集中的情形下，待測物體顏色對於反射光分佈的影響並不大。

在步驟S31中，驅動光源產生平面光之步驟可以選擇性的將出射光線透過一個繞射光學元件(Diffractive Optical Element)(如：柱狀鏡)而產生平面光；或將出射光線透過一個微機電反射鏡(micro-electromechanical systems mirror，簡稱為MEM Mirror)而產生。

倘若光源所產生的出射光線經過的是繞射光學元件(如：柱狀鏡)時，便可直接產生平面光；另一方面，若使用的是微機電反射鏡時，則需透過微機電控制系統對微機電反射鏡進行來回、快速轉動的控制，並藉此將光源所發出之光點轉換為平面光。

使用發光二極體作為光源時，此處的平面光可能產生的偏移角度大約為十幾度的範圍，但在理想狀況下，利用平面偏差小於五度之平面光來搭配本發明時較適合，因此在偏移角度較大的情況，則可以搭配透鏡使用而使光源產生的平面光較為集中。若使用雷射作為光源時，由於雷射光的光束較為集中，因此產生的平面光也會較理想，便可以不需額外搭配透鏡來集中光束。

請參見第三圖(b)，其係在步驟S35中，根據反射光分佈，而估計出待測物體與光源間之相對距離之步驟之細部流程圖。由第三圖(b)可以看出，步驟S35可進一步包含以下步驟：利用感測單元取得包含反射光分佈之第一影像(步驟S351)；以及根據第一影像中對應於反射光分佈之複數個像素而得出第一位置參數(步驟S353)。

再者，為了實現在步驟S353中，根據第一影像中對應於反射光分佈之複數個像素而得出第一位置參數之步驟，觸控感測裝置可以選擇以感測單元、控制單元之一者來實現，或利用二者彼此搭配等方式來進行，而步驟S353係可包含以下步驟：

首先對第一影像中對應於反射光分佈之複數個像素進行質心位置計算而得出第一位置參數(步驟S3531)；在得出第一位置參數後，再搭配先前取得的參考紀錄來使用，也就是接著根據參考紀錄與第一位置參數而估計出待測物體與光源間之相對距離(步驟S3533)。

關於步驟S3531所述，對第一影像中對應於反射光分佈之複數個像素進行質心位置計算而得出第一位置參數的作法可以參見下述關係式，

其中(X1,Y1)代表計算得出的第一位置參數，而Xi,Yi分別代表各像素在數位影像中的位置，而Ii則是各像素點的亮度，也就是利用各像素點的亮度作為權重，計算出對應於待測物體位置的第一位置參數，例如：具有亮度的像素點所形成的重心，並以此處計算而得的第一位置參數作為判斷待測物體位置的依據。

易言之，只要待測物體所形成的反射光分佈之中心、重心或平均值落在影像內時，即可以對應查表方式或內插法等方式進行計算而得出待測物體與光源或感測單元的相對距離。假設第一影像的解析度為：640x480像素，這時候根據質心計算而得的結果可能會有小數點，因此計算出來的相對距離所能提供的精準度較影像所能提供的解析度還高，例如：1/2、1/4、1/8個像素點的解析度(sub-pixel，次畫素的位置)。

在步驟S3533中，用來輔助第一位置參數所使用的參考記錄指的是透過設定流程而得之複數個參考位置參數所構成的比對相對距離所使用的資訊。

簡單來說，此處的設定流程是預先在一個參考物體的位置為已知的情況下，取得參考物體在該等預設參考位置時的反射光分佈，並將這些類型的反射光分佈透過質心位置計算等方式，得出一個與實際位置、距離之關係式，之後在實際進行觸控操作時，再利用關係式來判斷實際上觸控物體與光源、感測單元之間的距離。此種關係式的呈現可以是利用查表方式、確實得出一個相對距離d、偏移角度θ與質心位置間的公式、或是以圖表來呈現待測物體與光源、感測單元間的相對距離d與偏移角度θ的關係。

不同的物體在相同位置時，在物體所呈現的反射光分佈也大致相同，因此對感測單元所感測而得的影像而言，包含反射光分佈的像素在畫面上的位置大致上都是固定的，透過設定流程將參考物體移動至與光源間分別相距為複數個預設之相對距離，並對參考物體所反射平面光而形成之複數個參考反射光分佈分別進行質心位置計算而得出複數個參考位置參數後，便可以將這些參考紀錄儲存於儲存單元(如：非揮發式記憶體)。

也就是說，透過設定流程來提供包含了複數個參考位置參數的參考紀錄，這些參考位置參數指的是在設定流程進行過程中，分別將參考物體移動至與光源間分別相距為複數個預設之相對距離時，由於參考物體與光源間的相對距離為已知，因此可以得出包含在該些預設之相對距離d時，反射光分佈所對應的偏移角度θ、透鏡之焦距f等資訊的參考紀錄。

請參見第四圖(a)，其係本發明所提出根據待測物體所反射而成之反射光分佈，而估計出待測物體與光源間之相對距離之感測裝置之系統方塊圖。另一方面，第四圖(b)則為本發明所提出根據待測物體所反射而成之反射光分佈，而估計出待測物體與第一感測單元間之相對距離之感測裝置之系統方塊圖。

在第四圖(a)(b)中，感測裝置40包含：光源401，以及第一感測單元403，其中第一感測單元403係設置於光源之一側，例如設置在光源401的上方、下方、左側、右側，其中較佳的情況係將第一感測單元403設置在光源的上方。其中第四圖(a)與第四圖(b)的差異為，前者係估計出待測物體41與光源401間之相對距離，而後者則估計出待測物體41與第一感測單元403間之相對距離。

首先光源401發出的光線透過透鏡402產生平面光，接著利用互補式金氧半電晶體影像感測器(CMOS Image Sensor，簡稱為CIS)，或一般的感光耦合元件(Charge Coupled Device Sensor，簡稱為CCD Sensor)來實現第一感測單元403，第一感測單元403的感測平面根據在待測物體41表面反射平面光而成的反射光分佈而估計出待測物體41與光源401間之相對距離d，其中反射光分佈係由待測物體41反射平面光43而形成。

需注意的是，光源401所產生的平面光所在的平面並不需要限定為水平面，當平面光所在的平面與水平面平行時，理想上其觸控區域可以是無限遠，當平面光與水平面間形成切線時，則觸控區域相當於平面光所在的區域，也就是由透鏡402至切線之間所形成的範圍。

再者，在第四圖(a)(b)中，第一感測單元403的位置與光源401的位置只要在相對於待測物體41的同一方向即可，因此，第一感測單元403無論是位在光源401的上方、下方、左側、右側等位置均可。在本發明中，感測影像的水平方向代表的是角度(θ)的資訊，而垂直方向可用來得到距離(R)的資訊，所以第一感測單元403之較佳位置係設置在光源401的上方或是下方。不過，如果不需要距離(R)的資訊，則將第一感測單元403設置在光源401的左側或右側亦可。

承上，對感測裝置40而言，較佳的設置方式是將光源401設置在感測裝置40內的相對下方，並於光源401上方設置第一感測單元403，這是因為當光源401位於感測單元403的下 方時，所產生的光線之均勻度較容易控制，而使待測物體41在物理空間上的角度、距離較容易用來定位或游標控制。

除了光源401與第一感測單元403外，第四圖(a)(b)之感測裝置還可包含彼此信號連結的控制單元406、儲存單元407、傳送單元408。

將控制單元406信號連接於第一感測單元403，在第一感測單元403感測而得到包含反射光分佈之第一影像後，由於第一影像將包含由待測物體所反射而亮度較高的光點，因此控制單元406可以根據由第一影像中對應於反射光分佈之複數個像素，進而得出代表待測物體位置之第一位置參數。

將儲存單元407信號連接於控制單元406，藉以提供參考紀錄予控制單元406，其中控制單元406對第一影像中對應於反射光分佈之複數個像素進行質心位置計算而得出該第一位置參數，並根據參考紀錄與第一位置參數而估計出待測物體與光源間之該相對距離。

傳送單元408，電連接於第一感測單元403，其係將感測畫面傳送至與感測裝置信號連接之主機，並將待測物體與光源401間之該相對距離轉換為游標顯示，此處的主機可以是電腦、手機、個人數位助理(Personal Digital Assistant，簡稱為PDA)或不同類型之可攜式電子裝置。

請參見第四圖(c)，其係利用本發明所提出之觸控裝置搭配通用序列匯流排使用之示意圖。由第四圖(a)(b)的說明可以得知，本發明可以將光源401與第一感測單元403結合在一個觸控感測裝置中，因此可以將觸控感測裝置結合通用序列匯流排(Universal Serial Bus，簡稱為USB)408的功能，進而形成一個可以即插即用的裝置。

此外，本發明所提出之觸控感測裝置皆可進一步包含第二感測單元，簡單來說，第二感測單元與第一感測單元的用法相當類似，也就是將第二感測單元信號連接於控制單元，第二感測單元根據待測物體反射平面光所形成的反射光分佈而估計出待測物體與光源間之相對距離。

請參見第五圖(a)(b)(c)(d)，其係本發明所提出之感測裝置包含第一感測單元503與第二感測單元504時，透過調整單元52而彼此相連接之示意圖。在此種應用時，第一感測單元與第二感測單元可以分別設置在光源的兩側。也就是分別利用第一感測單元取得包含反射光之第一影像，以及利用第二感測單元來取得包含反射光分佈之第二影像；以及根據第二影像中對應於反射光分佈之複數個像素而得出第二位置參數。

當感測裝置同時包含第一感測單元503與第二感測單元504時，還可以包含：調整單元52，設置於第一感測單元503與第二感測單元504間，其係使該等感測單元在水平方向所形成之間距動態調整。

其中第一感測單元503與第二感測單元504係分別設置於光源501之兩側，而第一感測單元503與第二感測單元504在垂直方向與出射光線所在之水平面所分別形成之高度可以彼此相等或相異。為了便於說明起見，在第五圖(a)(b)中，假設平面光所在的水平面相當於感測裝置50底部所在的水平面。

在第五圖(a)中，假設第一感測單元503與出射光線所在之水平面所形成的第一高度h1，以及第二感測單元504與出射光線所在之水平面所形成的第二高度h2彼此相等；而第五圖(b)則假設第一高度h1與第二高度h2之高度相異。此外，第五圖(c)則用來說明光源501所在的高度h3亦可以被調整成與 第一高度h1、第二高度h2相等之情形。

再者，無論第一高度h1、第二高度h2、第三高度h3是否相等，調整單元52之長度均可以動態調整，當調整單元52的長度被縮至最短時，感測裝置50可被收納成為如第五圖(d)所示之外觀。

歸納前述的說明可以得知本發明提供了幾種較佳實施例：第一種較佳實施例如第四圖(c)所示，利用一個感測單元搭配一個光源使用，利用相對距離d、偏移角度θ便可以偵測一個觸控點或多個觸控點的位置。

第二種較佳實施例如第五圖(a)所示，利用兩個設置在相同高度的感測單元，當兩個感測單元的高度相同時，只能取得偏移角度θ的資訊，而無相對距離d的資訊

第三種較佳實施例則如第五圖(b)所示，雖然同樣以兩個感測單元來實現，但是這兩個感測單元的設置位置之高度並不相同，而能同時取得偏移角度θ與相對距離d的資訊，因此可以藉此而在任意平面上定義一個虛擬的操作範圍，此時該等感測單元在水平方向所形成之間距係可動態調整，也讓本發明的應用更為廣泛。

當然，無論在應用時，第一感測單元與第二感測單元之間的設置是否等高，或是如第四圖(c)中，只使用了單一個感測單元，光源與感測單元之間的位置可以如前述各圖中，相對設置於彼此之上方、下方，即不同高度之處，也可以如第五圖(c)一樣，設置於相等高度之位置。亦即，在前述之較佳實施例中，對於感測單元與光源間的相對位置之描述，僅屬於本發明在應用時的可能變化，而其他可能之位置配置在此便不討論。

除了在單一時點根據反射光分佈而估計出待測物體與光源間之該相對距離外，本發明更可以被應用至不同時點對待測物體之位置進行感測，也就是判斷待測物體在一段時間內的移動情形，進而應用於觸控之連續操作的情形。

再者，本發明在判斷反射光的分佈時，待測物體即便不是位於一個實體觸控平面上，而是位於一個立體操作平面時，感測單元均能夠感測相對應產生的反射光分佈。因此，在本發明中，待測物體之位置可以在實際的一個觸控平面上移動，也可以是在一個立體而懸空的虛擬平面上改變。也就是說，根據平面光的形成，本發明將感測單元所能感測之範圍定義出感測區域改變，只要待測物體在感測區域上產生位置變化時，便會產生相對應之反射光分佈的變化，而本發明再藉此判斷出待測物體的位置為何。

在連續時點之觸控位置判斷的應用中，用來判斷待測物體位置之步驟係包含以下步驟：得出待測物體在第一時點與光源間之第一相對距離；得出待測物體在第二時點與光源間之第二相對距離；並根據第一相對距離與第二相對距離而判斷待測物體在第一時點與第二時點間之移動。

通常來說，由於設定流程較為費時，因此可能是在感測裝置出廠前便預先進行而儲存起來。當然，也可以在觸控裝置出廠後才啟動設定流程。後者可以當作使用一段期間之後，為了防止感測單元受到碰撞或其他因素而偏移時，可以動態地感測較新且較具有參考紀錄；也可以由使用者在開始執行觸控操作之前，先進行設定流程後，才啟用觸控操作流程。此種作法雖然較為費時，但其優點則是較為彈性，也就是可以讓使用者選擇所希望使用觸控區域，並據此而調整第一感測單元與第二感測單元之間的間距後才進行。

再者，即便是在感測裝置出廠之前就預先儲存了參考紀錄的應用下，仍然可以提供設定流程，藉此作為校準使用。由於設定流程係用以輔助本發明在進行觸控流程時的判斷，因此在何時應用設定流程，以及如何進行設定流程等變化並非本案所著重的，在此便不再特別論究。

請參見第六圖(a)(b)(c)，其係為本發明所提供之感測裝置在利用不同的傳輸介面而與主機系統進行資料交換而將觸控位置操作轉換為游標操作之示意圖。為了便於說明，此處主要以筆記型電腦作為主機的舉例，但在實際應用中，無論是行動式電子裝置、固定式的電子裝置或其他類型之提供觸控操作的應用仍可以適用本發明。

在第六圖(a)中，感測裝置50被安裝在筆記型電腦55內，也就是在筆記型電腦55的鍵盤前端內嵌感測裝置50，使得感測單元間所形成的感測區間成為可以提供觸控控制功能的觸控區域。在第六圖(b)中，感測裝置50透過實體連接埠，如：適配器(dongle)的方式連接於筆記型電腦55上，在此種應用中，包含第一感測單元503與第二感測單元504的第一構件與第二構件可以透過長度可調整的連接元件來調整之間的距離，也就是說，第一感測單元503與第二感測單元504之間的距離可以變化，因此觸控區域的尺寸也較為彈性。

除了如第六圖(a)(b)所示，以實體的電連接方式將感測裝置50搭配筆記型電腦55使用外，感測裝置50還可以如第六圖(c)所示，透過各類型的有線、無線網路57等方式與筆記型電腦55、手機56等類型的主機進行資料的交換與傳輸，搭配主機上的螢幕來顯示動態感測的結果，利如游標的顯示。

本發明改善了習用技術必須透過反射元件來界定觸控區域的缺失，而提出了一個可以在開放式空間進行觸控操作的作法，也就是以虛擬的平面作為觸控區域並進行觸控操作。

需注意的是，為了簡化說明起見，上述的舉例係以觸控點個數為一個，以及在單一時點的情形進行說明。事實上，在實際應用中，類似的流程仍被套用至觸控點個數多於一個的情況，也就是針對多點觸控的情形加上判斷式，並同樣以反射光分佈作為判斷待測物體位置的參考基礎。

另一方面，對動態的觸控操作而言，相當於在前後不同的複數個時點得出觸控點(待測物體)與光源/感測單元間的相對距離、位置，進而根據相對距離、位置的變化得出待測物體的移動情形，因此可以進一步將此應用至游標的操作。也就是說，利用第一感測單元，在第一時點得出待測物體與第一感測單元間之第一相對距離、位置後；再於第二時點得出待測物體與該第一感測單元間之第二相對距離、位置，在得出第一相對距離、位置與第二相對距離、位置後，便可以根據第一相對距離、位置與第二相對距離、位置而判斷待測物體在第一時點與第二時點間之移動。

需注意的是，在本發明中，待測物體在不同時點之位置並不被限定需位於特定之觸控平面，也就是說，感測單元感測而得的反射光分佈並不會因為待測物體之位置不在特定之實體觸控平面上而無法進行判斷。實際上，待測物體之位置係可在由平面光所定義之感測區域上移動、改變，以下便利用第七圖(a)(b)來說明待測物體可能的位置。

請參見第七圖(a)，其係本發明所提供之感測裝置在光源所產生之平面光位於實體觸控平面時，感測待測物體於實體觸控平面上的位置變化之示意圖。在此圖中，待測物體所進行的觸控操作與感測裝置50所在的平面相同，也就是說，待測物體係直接碰觸到一個實體觸控平面，而第一感測單元503同樣接收由待測物體反射而得的反射光分佈，作為後續判斷待測物體位置之變化所使用。

請參見第七圖(b)，其係本發明所提供之感測裝置在光源所產生之平面光位於立體操作平面時，感測待測物體於立體空間進行懸空操作時的位置變化之示意圖。在此圖中，待測物體在進行操作時的位置高於與感測裝置50所在的平面相同，也就是說，待測物體並不是進行一個確實碰觸於實體之觸控平面的觸控操作，而是在一個立體空間中的虛擬平面中改變其位置，而第一感測單元503同樣可以接收由待測物體反射而得的反射光分佈，作為後續判斷待測物體相對於光源501或第一感測單元503的位置變化所使用。

綜上所述，依據本發明所之感測方法與感測裝置，對於感測裝置在應用時的便利性得以大幅提升，也提高了觸控區域的大小。需注意的是，儘管在上述的較佳實施例中，係以儲存單元預先存放了經由設定流程而得出的參考紀錄，並以此為基礎作為後續比對質心位置所使用，但在實際應用中，這個設定流程除了在出廠時設定外，也可以在應用前以動態進行，也就是可以彈性的根據環境(如：第一感測單元與第二感測單元的間距可以彈性變化)的設定而取得參考紀錄。

在本領域中的習知技藝者均可瞭解：在上述的說明中，作為舉例之各種邏輯方塊、模組、電路及方法步驟皆可利用電子硬體、電腦軟體，或二者之組合來實現，且該些實現方式間的連線方式，無論上述說明所採用的是信號連結、連接、耦接、電連接或其他類型之替代作法等用語，其目的僅為了說明在實現邏輯方塊、模組、電路及方法步驟時，可以透過不同的手段，例如有線電子信號、無線電磁信號以及光信號等，以直接、間接的方式來進行信號交換，進而達到信號、資料、控制資訊的交換與傳遞之目的。因此說明書所採的用語並不會形成本案在實現連線關係時的限制，更不會因其連線方式的不同而脫離本案之範疇。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

本案圖式中所包含之各元件列示如下：

10．．．觸控系統

101．．．底板

103、203．．．第一影像感測模組

104、204．．．第二影像感測模組

106、206．．．處理電路

401、501．．．光源

402．．．透鏡

403、503．．．第一感測單元

43．．．平面光

406．．．控制單元

102‧‧‧反射元件

11、21、41‧‧‧待測物體

107‧‧‧觸控區域

2042‧‧‧紅外光濾光裝置

2043‧‧‧紅外光發射裝置

2044‧‧‧光學鏡片

2045‧‧‧光學鏡片組

40、50‧‧‧感測裝置

407‧‧‧儲存單元

408、508‧‧‧傳送單元

504‧‧‧第二感測單元

52‧‧‧調整單元

55‧‧‧筆記型電腦

57‧‧‧網路

56‧‧‧手機

本案得藉由下列圖式及說明，俾得更深入之了解：

第一圖，其係習用技術將光學感測作法應用於觸控系統之示意圖。

第二圖(a)，其係一種改善習用技術使用反射元件與底板之作法，改以分設兩處之影像感測器而擷取待測物體影像並判斷待測物體位置之示意圖。

第二圖(b)，其係影像感測器感測到之影像中的待測物體位置與對應角度圖。

第三圖(a)，其係本發明所提出利用反射光分佈而估計物體之位置的觸控感測方法之流程圖。

第三圖(b)，其係在步驟S31中，根據反射光分佈而估計出物體與光源間之相對距離之步驟之細部流程圖。

第四圖(a)，其係本發明所提出根據物體所反射而成之反射光分佈而估計出物體與光源間之相對距離之感測裝置之系統方塊圖。

第四圖(b)，其係本發明所提出根據物體所反射而成之反射光分佈而估計出物體與第一感測單元間之相對距離之感測裝置之系統方塊圖。

第四圖(c)，其係利用本發明所提出之觸控裝置搭配通用序列匯流排使用之示意圖。

第五圖(a)(b)(c)(d)，其係本發明所提出之感測裝置包含第一感測單元與第二感測單元時，透過調整單元而彼此相連接之示意圖。

第六圖(a)(b)(c)，其係為本發明所提供之感測裝置在利用不同的傳輸介面而與主機系統進行資料交換而將觸控位置操作轉換為游標操作之示意圖。

第七圖(a)，其係本發明所提供之感測裝置在光源所產生之平面光位於實體觸控平面時，感測待測物體於實體觸控平面上的位置變化之示意圖。

第七圖(b)，其係本發明所提供之感測裝置在光源所產生之平面光位於立體操作平面時，感測待測物體於立體空間進行懸空操作時的位置變化之示意圖。

S31、S33、S35．．．步驟

Claims (34)

1. 一種感測方法，應用於感測一物體之位置，該感測方法包含以下步驟：驅動一光源產生一平面光；該物體反射該平面光而形成一反射光分佈；以及根據該反射光分佈而估計出該物體與該光源間之一相對距離，其係包含以下步驟：取得包含該反射光分佈之一第一影像；根據該第一影像中對應於該反射光分佈之複數個像素進行一質心位置計算而得出一第一位置參數；以及根據一參考紀錄與該第一位置參數而估計出該物體與該光源間之該相對距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中該質心位置計算係指將該等像素上之亮度作為該等像素所對應之權重，搭配該等像素在該第一影像之位置進行計算。
3. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中該光源係為一雷射光源或一發光二極體光源。
4. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中該光源係發出一出射光線，而驅動該光源產生該平面光之步驟係包含：該出射光線透過一柱狀鏡而產生該平面光；或該出射光線透過可轉動之一微機電反射鏡而產生該平面光。
5. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中該參考記錄係包含複數個參考位置參數，而該等參考位置參數透過一設定流程將一待測物體移動至與該光源間分別相距為複數個預設之相對距離，並對該待測物體所反射該平面光而形成之複數個參考反射光分佈分別進行該質心位置計算而得出。
6. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中更包含以下步驟：取得包含一反射光分佈之一第二影像；以及根據該第二影像中對應於該反射光分佈之複數個像素而得出一第二位置參數。
7. 如申請專利範圍第6項所述之感測方法，其中該等影像係分別透過一第一感測單元與一第二感測單元得出，其中該等感測單元係分別設置於該光源之兩側。
8. 如申請專利範圍第7項所述之感測方法，其中該第一感測單元與該第二感測單元在垂直方向與該出射光線所在之水平面所分別形成之相對距離相異。
9. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中根據該反射光分佈而估計出該物體與該光源間之該相對距離之步驟係包含以下步驟：得出該物體在一第一時點與該光源間之一第一相對距離；得出該物體在一第二時點與該光源間之一第二相對 距離；以及根據該第一位置與該第二相對距離而判斷該物體在該第一時點與該第二時點間之移動。
10. 如申請專利範圍第1項所述之感測方法，其中該平面光定義之一感測區域係位於一實體觸控平面或一立體操作平面。
11. 一種感測裝置，應用於感測一物體之位置，該感測裝置包含：一光源，其係產生一平面光；一第一感測單元，設置於該光源之一側，該第一感測單元係根據一反射光分佈而估計出該物體與該光源間之一相對距離，其中該反射光分佈係由該物體反射該平面光而形成；一控制單元，信號連接於該第一感測單元，其係根據該第一感測單元所感測包含該反射光分佈之一第一影像，並由該第一影像中對應於該反射光分佈之複數個像素而得出一第一位置參數；以及一儲存單元，信號連接於該控制單元，其係提供一參考紀錄予該控制單元；其中，該控制單元對該第一影像中對應於該反射光分佈之複數個像素進行一質心位置計算而得出該第一位置參數，並根據該參考紀錄與該第一位置參數而估計出該物體與該光源間之該相對距離。
12. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，其中該質心位置計算係指將該等像素上之亮度作為該等像素所對應之權重，搭配該等像素在該第一影像之位置進行計算。
13. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，其中該光源係為一雷射光源或一發光二極體光源。
14. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，其中該光源係發出一出射光線，而該出射光線係透過一柱狀鏡或透過可轉動之一微機電反射鏡而產生該平面光。
15. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，其中該參考記錄係包含複數個參考位置參數，而該等參考位置參數透過一設定流程將一參考物體移動至與該光源間分別相距為複數個預設之相對距離，並對該參考物體所反射該平面光而形成之複數個參考反射光分佈分別進行該質心位置計算而得出。
16. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，其中更包含：一第二感測單元，信號連接於該控制單元，該第二感測單元係根據一反射光分佈而估計出該物體與該光源間之該相對距離，其中該反射光分佈係由該物體反射該平面光而形成。
17. 如申請專利範圍第16項所述之感測裝置，其中該第一感測單元與該第二感測單元係分別設置於該光源之兩側。
18. 如申請專利範圍第17項所述之感測裝置，其中該第一感測單元與該第二感測單元在垂直方向與該出射光線所在之水平面所分別形成之距離相異。
19. 如申請專利範圍第17項所述之感測裝置，其中更包 含一調整單元，設置於該第一感測單元與該第二感測單元間，其係使該等感測單元在水平方向所形成之間距動態調整。
20. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，其中該第一感測單元係於一第一時點得出該物體與該光源間之一第一相對距離，於一第二時點得出該物體與該光源間之一第二相對距離，並根據該第一相對距離與該第二相對距離而判斷該物體在該第一時點與該第二時點間之移動。
21. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，其中更包含：一傳送單元，電連接於該感測單元，其係將該感測畫面傳送至與該感測裝置信號連接之一控制主機，並將該物體與該光源間之該相對距離轉換為一游標顯示。
22. 如申請專利範圍第11項所述之感測裝置，其中該平面光定義之一感測區域係位於一實體觸控平面或一立體操作平面。
23. 一種感測裝置，應用於感測一物體之位置，該感測裝置包含：一光源，其係產生一平面光；一第一感測單元，設置於該光源之一側，該第一感測單元係根據一反射光分佈而估計出該物體與該第一感測單元間之一相對距離，其中該反射光分佈係由該物體反射該平面光而形成；一控制單元，信號連接於該第一感測單元，其係根據該第一感測單元所感測包含該反射光分佈之一第一影像，並由該 第一影像中對應於該反射光分佈之複數個像素而得出一第一位置參數；以及一儲存單元，信號連接於該控制單元，其係提供一參考紀錄予該控制單元；其中，該控制單元對該第一影像中對應於該反射光分佈之複數個像素進行一質心位置計算而得出該第一位置參數，並根據該參考紀錄與該第一位置參數而估計出該物體與該光源間之該相對距離。
24. 如申請專利範圍第23項所述之感測裝置，其中該質心位置計算係指將該等像素上之亮度作為該等像素所對應之權重，搭配該等像素在該第一影像之位置進行計算。
25. 如申請專利範圍第23項所述之感測裝置，其中該光源係為一雷射光源或一發光二極體光源。
26. 如申請專利範圍第23項所述之感測裝置，其中該光源係發出一出射光線，而該出射光線係透過一柱狀鏡或透過可轉動之一微機電反射鏡而產生該平面光。
27. 如申請專利範圍第23項所述之感測裝置，其中該參考記錄係包含複數個參考位置參數，而該等參考位置參數透過一設定流程將一待測物體移動至與該光源間分別相距為複數個預設之相對距離，並對該待測物體所反射該平面光而形成之複數個參考反射光分佈分別進行該質心位置計算而得出。
28. 如申請專利範圍第23項所述之感測裝置，其中更包 含一第二感測單元，信號連接於該控制單元，該第二感測單元係根據一反射光分佈而估計出該物體與該光源間之該相對距離，其中該反射光分佈係由該物體反射該平面光而形成。
29. 如申請專利範圍第28項所述之感測裝置，其中該第一感測單元與該第二感測單元係分別設置於該光源之兩側。
30. 如申請專利範圍第29項所述之感測裝置，其中該第一感測單元與該第二感測單元在垂直方向與該平面光所分別形成之距離相異。
31. 如申請專利範圍第29項所述之感測裝置，其中更包含一調整單元，設置於該第一感測單元與該第二感測單元間，其係使該等感測單元在水平方向所形成之間距動態調整。
32. 如申請專利範圍第23項所述之感測裝置，其中該第一感測單元係於一第一時點得出該物體與該第一感測單元間之一第一相對距離，於一第二時點得出該物體與該第一感測單元間之一第二相對距離，並根據該第一位置與該第二相對距離而判斷該物體在該第一時點與該第二時點間之移動。
33. 如申請專利範圍第23項所述之感測裝置，其中更包含一傳送單元，電連接於該感測單元，其係將該感測畫面傳送至與該感測裝置信號連接之一控制主機，並將該物體與該光源間之該相對距離轉換為一游標顯示。
34. 如申請專利範圍第23項所述之感測裝置，其中該平 面光定義之一感測區域係位於一實體觸控平面或一立體操作平面。