TWI582661B - 非接觸輸入裝置及方法 - Google Patents

Description

非接觸輸入裝置及方法 發明領域

本發明是有關於一種非接觸輸入裝置及方法，其是在空中形成實像，且看著該實像(例如，觸控面板像)並利用指示機構(例如，手指)之操作而可輸入訊號(即，以非接觸方式檢測再生圖像之指示位置的裝置及方法)。

發明背景

以往至今，眾所周知的是於顯示器(顯像器)顯示圖像，並當用手指按壓圖像之特定處時，藉由感壓感測器等來檢測按壓部分之XY座標，並根據該輸入訊號進行下一個動作(例如，參照專利文獻1)。

又，如專利文獻2所記載，亦提案有一方案，其是在顯示器之正上方，將發光元件與受光元件沿著XY軸平行排列多數個而形成矩陣，並在以手指或筆等之障礙物觸碰顯示器表面時，藉由該障礙物橫越矩陣，檢測抵接於顯示器的位置。

另一方面，專利文獻3中，提案有一種方法及裝置，其是使用一種光成像機構，該光成像機構是將第1、第 2平面光反射部以平行且以一定間隔分別排列於透明平板內部的第1、第2光控制面板抵接或接近地配置成第1、第2平面光反射部在俯視下成為正交狀態，且將顯示器的圖像與使紅外線漫射於顯示器表面的圖像同時作為再生圖像顯示於空中，並利用二次元紅外線照相機檢測已觸碰到顯示器之再生圖像的指示機構的位置，來檢測顯示器之再生圖像的指示位置。

又，如專利文獻4所記載，亦提案有一裝置，其是在構成液晶面板之電晶體形狀面內設光感測器，辨識手指在液晶表面之進行的多點觸碰或觸控筆之行動的形狀。

先行技術文獻 專利文獻

[專利文獻1]

日本特開2006-39745號公報

[專利文獻2]

日本特開2000-56928號公報

[專利文獻3]

日本專利第5509391號公報

[專利文獻4]

日本特開2011-29919號公報

發明概要

然再者，專利文獻1、2記載之觸控面板中，是以 下之構造：平面狀之顯示器存在於背面側，特定之平面圖像顯示於顯示器，按壓該顯示器上之特定的位置便可檢測輸入位置。因此，用手指或筆等按下圖像時，必然會與顯示器面接觸或碰撞，而有顯示器髒污或顯示器出現刮痕的情形。

專利文獻3中，除了顯示器面板之外亦還需要紅外線之光源、紅外線的漫射面、紅外線照相機，而有裝置構成變得更加複雜的問題。

進再者，專利文獻4中，雖提案有一光學式觸控面板，其具備附帶背光之液晶面板、與利用反射光檢測觸碰到液晶面板之光感測器，但觸控面板並非是空中成像式。

進再者，ATM等雖使用採用了顯示器之觸控面板，但因不特定之多數人士會觸碰畫面，因此不甚衛生，無法有效地防止接觸感染。

又，當光朝向顯示器照射時，該反射光從顯示器放射，會有不易看見顯示器的情形。

本發明是有鑑於上述情況而作成者，目的在於提供一種非接觸輸入裝置及方法，其是使成像之圖像作為非來自其他光源之反射光的空間圖像，並以手指、指示棒、觸控筆等之指示機構指出該空間圖像之特定位置並檢測該位置，即使不是以物理方式接觸顯示器亦可輸入訊號。

符合前述目的之第1發明之非接觸輸入裝置具有：顯示器，具有多數個發光區塊，且該發光區塊之一部分或 是全部組裝有光感測器；及光成像機構，俯視下交叉之第1、第2微小反射面分別豎立設置於同一平面上地配置多數個，並以對應之前述第2微小反射面接收來自前述各第1微小反射面之第1反射光而作為第2反射光， 又，利用前述光成像機構將配置於前述光成像機構之其中一側之前述顯示器的圖像成像於前述光成像機構之另一側作為第1實像，並使觸碰到前述第1實像之指示機構(例如，手指或觸控筆)的圖像成像於前述光成像機構之其中一側(通常是顯示器上)作為第2實像，並用前述顯示器之光感測器檢測前述第2實像的位置。

再者，顯示於前述顯示器之圖像有觸控面板像、鍵盤像等，但亦可為通常顏色或是黑白的畫面(圖像)(以下，非接觸輸入方法亦相同)。

第1發明之非接觸輸入裝置中，較佳的是：前述光感測器是紅外線感測器，前述各發光區塊宜除了可見光之發光部以外，還具有紅外線發光部與前述紅外線感測器。再者，紅外線感測器宜使用過濾器等而不檢測可見光，但並非必須條件，光感測器亦可為可見光的光感測器。

第1發明之非接觸輸入裝置中亦可為：前述光感測器是紅外線感測器，又前述各發光區塊除了可見光之發光部以外還具有前述紅外線感測器，並除了前述顯示器，另外具有從前述光成像機構之側照射觸碰到前述第1實像之前述指示機構的紅外線發光機構，並可利用前述紅外線感測器來檢測前述第2實像的位置。

第1發明之非接觸輸入裝置中，前述可見光之發光部宜具有R發光機構、G發光機構、及B發光機構。在此，R意味著紅色，G是綠色，B是藍色。

第1發明之非接觸輸入裝置中，前述顯示器宜為液晶式。因此，液晶面之背側具有光源(背光)。再者，在發光區塊具有紅外線發光部時，宜在光源包含紅外線發光源。

又，第1發明之非接觸輸入裝置中，前述顯示器亦可為發光二極體式。此時，可見光之發光部可使用三原色之發光二極體，紅外線發光部可使用紅外線發光二極體。

再者，第1發明之非接觸輸入裝置中，光成像機構可使用日本特許第5036898號公報所記載者，亦可為日本特許第4734652號公報所記載之將具有2個正交之光反射面的單位光學元件成平面狀排列配置者。

第2發明之非接觸輸入方法是使用顯示器及光成像機構，前述顯示器具有多數個發光區塊且該發光區塊之一部分或是全部組裝有光感測器，前述光成像機構是俯視下交叉之第1、第2微小反射面分別豎立設置於同一平面上地配置多數個，且以對應之前述第2微小反射面接收來自前述各第1微小反射面之第1反射光而作為第2反射光， 又，前述非接觸輸入方法利用前述光成像機構將配置於前述光成像機構之其中一側之前述顯示器的圖像成像於前述光成像機構之另一側作為第1實像，並以前述顯示器的 光感測器檢測碰觸到前述第1實像之指示機構的圖像成像而形成於前述光成像機構之其中一側之第2實像的位置。

第2發明之非接觸輸入方法中，較佳的是：前述光感測器是紅外線感測器，前述各發光區塊除了具有R發光機構、G發光機構、及B發光機構之可見光的發光部以外，還具有前述紅外線感測器。

該非接觸輸入方法中，前述各發光區塊亦可具有紅外線發光部，又亦可另外具有朝向前述指示機構來照射紅外線的紅外線發光機構，亦可同時設置。

又，從前述顯示器發出的光(亦包含紅外線)，或來自紅外線發光機構之紅外線宜施加高頻率的調變，與自然光做區別。

本發明之非接觸輸入裝置及方法是將顯示器之圖像用光成像機構成像為位於空間內之第1實像，並使觸碰到該第1實像之指示機構的圖像以光成像機構在光成像機構之其中一側、例如在顯示器成像為第2實像，並以光感測器檢測該第2實像的位置，因此可比較簡單地檢測指示機構的位置。又，如習知，不需要特別的二次元紅外線照相機等。

又，相對於光成像機構，即使顯示器之位置改變，指示機構之圖像亦可在原本的顯示器上成像。

本發明之非接觸輸入裝置及方法中，顯示器具有紅外線發光部與紅外線感測器時，則與可見光之變化無關， 可只用紅外線來檢測指示機構的位置。又，從另外設置紅外線之紅外線發光機構發光時，便可簡化顯示器的構造。

再者，將可見光作為光來使用時，便可將習知之「光感測器-液晶板」直接利用於顯示器。此時，若將顯示器之圖像作為鍵盤等，宜將特別之光線圖像(例如，聚光部)設於各個鍵盤圖像。藉此，光感測器之位置亦可與光線圖像吻合，而提升檢測精度。

10‧‧‧非接觸輸入裝置

11‧‧‧顯示器

11a‧‧‧圖像

12‧‧‧實像(第1實像)

13‧‧‧光成像機構

14‧‧‧第1光控制面板

15‧‧‧第2光控制面板

18、19‧‧‧平面光反射部

20‧‧‧第1微小反射面

21‧‧‧第2微小反射面

24‧‧‧背光

25‧‧‧液晶部

25a‧‧‧液晶部本體

26‧‧‧R發光機構

27‧‧‧G發光機構

28‧‧‧B發光機構

29‧‧‧方格

30‧‧‧顯示部

31、32‧‧‧透明電極

33‧‧‧紅外線發光部

34‧‧‧紅外線感測器

36、37‧‧‧透明電極

39~41、41a‧‧‧保護板材

42‧‧‧偏向過濾器

43‧‧‧障壁

45‧‧‧指示機構

45a‧‧‧第2實像

50‧‧‧非接觸輸入裝置

51‧‧‧顯示器

52‧‧‧R發光機構

53‧‧‧G發光機構

54‧‧‧B發光機構

55‧‧‧紅外線發光部

56‧‧‧紅外線感測器

57‧‧‧障壁

58‧‧‧方格

60、61‧‧‧透明電極

63‧‧‧透明保護板材

64‧‧‧保護板材

65‧‧‧偏向過濾器

67‧‧‧非接觸輸入裝置

68‧‧‧顯示器

69‧‧‧圖像

70‧‧‧實像(第1實像)

71‧‧‧紅外線發光機構

73‧‧‧發光區塊

74‧‧‧R發光機構

75‧‧‧G發光機構

76‧‧‧B發光機構

77‧‧‧紅外線感測器

r1~r4、r1’~r4’‧‧‧紅外線

α‧‧‧角度

θ‧‧‧第1實像與第2實像相 對於光成像機構形成為對 稱的情形

圖1是本發明之第1實施例中非接觸輸入裝置的說明圖。

圖2是使用於同非接觸輸入裝置之光成像機構的說明圖。

圖3的(A)、(B)是分別使用於同非接觸輸入裝置之顯示器的說明圖。

圖4是使用於同非接觸輸入裝置之變形例中顯示器的說明圖。

圖5的(A)、(B)是分別使用於本發明之第2實施例中非接觸輸入裝置之顯示器的說明圖。

圖6是本發明之第3實施例中非接觸輸入裝置的說明圖。

圖7是使用於同非接觸輸入裝置之顯示器的說明圖。

接著，參照附圖，並針對已具體化本發明之實施例來說明。

如圖1、圖2所示，本發明之第1實施例中非接觸輸入裝置10具有光成像機構13，其是與平面狀之顯示器11具有30~60度之角度α分開形成，並入射顯示於顯示器11之圖像而使顯示器11之圖像在對稱位置成像為實像12。再者，在此，作為顯示器，如一般的液晶顯示器除了使用平面板狀者以外，亦可使用在內部具有光源之立體狀者、如鍵盤只在單側具有凹凸者(以下實施例亦相同)。又，若是光成像機構13是將透明塑膠、玻璃等之透明材作為主要材料使用的情形下，從空氣中入射到透明材，並從透明材出射到空氣中時，由於會產生因透明材之材質造成的折射，因此會考慮折射角來決定顯示器11的位置(以下實施例中亦相同)。再者，相對於光成像機構之顯示器的位置則有某種程度自由，並不需要使用鏡片時的聚焦。

如圖2中詳細顯示，光成像機構13具有平板狀的第1、第2光控制面板14、15，而該平板狀的第1、第2光控制面板14、15是將其中一面側抵接或接近地配置且各厚度為t1、t2(例如，0.1~5mm)。分別與其中一側之面垂直且為多數個之帶狀的平面光反射部18、19以一定間距(p1、p2)排列形成於第1、第2光控制面板14、15內部。在此，第1、第2光控制面板14、15之平面光反射部18、19在俯視下成交叉(該實施例中為正交狀態)配置。

第1、第2光控制面板14、15是平面光反射部18、19以外的部分由玻璃或是透明塑膠等之透明材所形成。該平面光反射部18、19是宜為由反射效率較好之金屬片、蒸 氣沈積金屬、或是在中間部具有接著劑層之金屬片、鏡面片所構成，且表裏兩面均為反射面，但若只有單面為反射面時，亦可適用於本發明。再者，針對光成像機構13之製造方法記載於例如WO2009/131128A1等。又，反射效率較高之金屬有鋁、銀、鈦、鎳、鉻等。

通常，由於各平面光反射部18、19之間距p1、p2相同，且第1、第2光控制面板14、15之厚度t1、t2相同，故在生產效率上較佳，因此，之後都將平面光反射部18、19之間距當作p，第1、第2光控制面板14、15之厚度當作t來處理。當俯視如此的光成像機構13時，如圖1之部分放大圖所示，平面光反射部18、19交叉並形成多數個正方形的框。此時之一個框(即，一層分量的框)的長寬比γ(高度/寬度)為厚度(t)/間距(p)。長寬比γ雖在1~4.5左右，但為了用一個平面光反射部18、19進行複數次反射來獲得更加明亮的實像12，宜為2.5~4.5(更加詳言之是超過3，且在4.5以下)。

在第1、第2光控制面板14、15之一個框的部分，形成俯視下呈交叉之第1、第2微小反射面20、21。該第1、第2微小反射面20、21分別豎立設置多數個於相同平面上。因此，來自配置於光成像機構13之一側之顯示器11的光在位於面前側(顯示器11側)之第1光控制面板14的各第1微小反射面20反射(第1反射光)，並在對應之第2微小反射面21進一步反射(第2反射光)，而在光成像機構13之另一側形成實像12。該實像12形成於空間部，並與形成於顯示器11之圖像11a為相同大小。再者，除了入射光與反射光只在一個 框中進行反射的情形以外，亦包含跨越一個框反射的情形。

接著，參照圖3(A)、(B)、圖4，針對使用於非接觸輸入裝置10之顯示器11來說明。該顯示器11基本上為液晶類型，具有背光24、液晶部25、及顯示部30，而該顯示部30配置有成格子狀的多數個方格(發光區塊)29，又該多數個方格(發光區塊)29具有：個別為可見光之發光部之一例、即R發光機構26、G發光機構27、及B發光機構28(以下單純稱為RGB發光機構26~28)。在此，R發光機構26、G發光機構27、B發光機構28本身並不發光，而是指背光24之光通過液晶部25時呈R(紅)、G(綠)、B(藍)發光的部分，亦可用單色過濾器來代替。

液晶部25為眾所周知之構造，利用在上下個別朝X、Y方向配置成格子狀的帶狀透明電極31、32來供電，並可在遮光狀態與透光狀態下，以方格單位(即，RGB發光機構26~28單位)控制。配置於顯示部30之方格29以方格29為單位，除了RGB發光機構26~28以外，還具有紅外線發光部33與光感測器之一例之紅外線感測器34。在紅外線感測器34的上下，從紅外線感測器34獲得光訊號(亦有供電之情形)之帶狀透明電極36、37是朝上下配置成格子狀。再者，圖3(A)、(B)中，39~41、41a是表示透明之保護板材，42是表示偏向過濾器，43是表示各方格29之障壁。又，背光24之光源中，包含紅、藍、綠之可見光，並且使用包含紅外光之光源。又，使用透明電極31、32來控制液晶部25，並使 用透明電極36、37控制紅外線感測器34。在此，25a是表示液晶部本體。再者，圖4所示之透明電極31、32及36、37是與圖3所示之透明電極31、32及36、37方向不同地來表示。因此，圖4所示之顯示器11是圖3所示之顯示器11之變形例。又，光感測器可設於發光區塊之全部，亦可設於除去一部分之發光區塊。

針對該顯示器11之動作來說明。在背光24亮燈之狀態下，經由透明電極31、32，開關與各方格29內之RGB發光機構26~28、對應紅外線發光部33的(即，為正下方)液晶部25時，就會從一個方格29產生可見光及紅外線光。藉此，便可在顯示器11上形成圖像11a，並且從顯示器11產生均勻照度之紅外線。

如圖1、圖2所示，來自顯示於顯示器11之圖像11a的光(r1~r4)進入光成像機構13，並在其之另一側形成實像12(第1實像，以下相同)。再者，顯示器11與實像12是以光成像機構13為中心而左右對稱或上下對稱地形成。此時，從顯示器11之紅外線發光部33發出之紅外線成為面狀並與實像12之位置重疊地形成，但無法辨識。

在此，如圖1所示，當將指示機構45之一例及手指(可為觸控筆、指示棒等)放在實像12之預定位置時，從指示機構45就會有紅外線之反射光產生，該圖像經由光成像機構13，在顯示器11側(即，顯示器11上)成像為第2實像45a。如圖1所示，來自指示機構45之紅外線的反射光在r1’、r3’之回程上入射於光成像機構13，並在光成像機構13折曲反射， 通過r2’、r4’之回程而成像第2實像45a。由於第2實像45a是紅外線形成的成像，因此無法目視。圖1(圖6亦相同)中，θ是表示第1實像12(70)與第2實像45a相對於光成像機構13形成為對稱的情形。再者，r1~r4、r1’~r4’是表示有助於成像之紅外線光束之外側的紅外線。

在此，以配置於顯示器11之紅外線感測器34檢測指示機構45之紅外線圖像，藉此，可檢測按壓實像12之哪個部分。例如，實像12是鍵盤等時，便可檢測鍵盤之按壓位置。

因此，該非接觸輸入裝置10中，不需要外加之紅外線發光部或紅外線照相機等。

接著，針對本發明之第2實施例之非接觸輸入裝置50來說明。與第1實施例之非接觸輸入裝置10的構成要素相同時，附加相同編號並省略詳細說明(以下實施例中亦相同)。

如圖1、圖2所示，該非接觸輸入裝置50具有光成像機構13，其是與平面狀之顯示器51具有30~60度的角度α地分開形成，入射顯示於顯示器51的圖像11a並在對稱位置成像為實像12。

將顯示器51之部分放大圖顯示於圖5(A)，並將顯示器51之截面放大部顯示於圖5(B)。該非接觸輸入裝置50之顯示器51並非液晶式，而是使用發光二極體式來形成圖像。因此，顯示器51中，除了分別用發光二極體形成之R發光機構52、G發光機構53、B發光機構54(可見光之發光部) 以外，還設有具備發光二極體構成之紅外線發光部55、光電二極體等構成之紅外線感測器(光感測器之一例)56的大量方格(發光區塊)58。57是表示分割各方格58之障壁，60、61是表示對R發光機構52、G發光機構53、B發光機構54之各發光二極體供給電力並接收來自紅外線感測器56之訊號的帶狀透明電極。再者，透明電極61亦可為不透明。又，63是表示透明保護板材，64是表示保護板材，65是表示偏向過濾器。

藉此，可從顯示器51發出：包含紅綠藍之光之可見光線的圖像、與紅外線，顯示於顯示器51之圖像11a經由光成像機構13在其對稱位置的空間形成實像12。

當用指示機構45接觸實像12時，該反射紅外線經由光成像機構13而將紅外線圖像(第2實像45a)成像於顯示器51的表面，可利用紅外線感測器56檢測其位置。

圖6所示之本發明之第3實施例之非接觸輸入裝置67具有光成像機構13，其是與平面狀之顯示器68具有30~60度的角度α地分開形成，入射來自顯示於顯示器68之圖像(鍵盤像、觸控面板像等)69的光，並且該圖像69在對稱位置成像為實像(第1實像)70。在此，照射紅外線於實像70之全體的紅外線發光機構71是設於光成像機構13的另一側。例如，該紅外線發光機構71是由紅外線發光二極體或是紅外線燈等所構成，將觸碰到實像70之指示機構45從光成像機構13之側確實地照射，並使反射光朝向光成像機構13來發射。再者，原則上，紅外線發光機構71不會朝向光成像 機構13照射光(紅外線)。

如圖7所示，顯示器68具有多數個發光區塊(方格)73，各發光區塊73具有：具備R發光機構74、G發光機構75、B發光機構76之可見光的發光部、及光感測器之一例之紅外線感測器77。

再者，顯示器68為液晶式時，RGB發光機構74~76之底部設有液晶部，顯示器68為發光二極體式時，RGB發光機構74~76則分別由發光二極體構成。

因此，第3實施例之非接觸輸入裝置67中，利用紅外線發光機構71，以紅外線照射指示機構(手指、觸控筆等)45，如圖6所示，位於h1、h3之範圍之紅外線反射光通過光成像機構13並在顯示器68上成像為第2實像45a。h2、h4是表示通過光成像機構13並通過外側的紅外線。利用紅外線感測器77檢測第2實像45a的位置。再者，在第2實像45a之面積較大時，會被大量紅外線感測器77檢測，因此宜進行圖像處理，例如，求取其重心位置，作為顯示器68的輸出。

在以上之第1~第3實施例中非接觸輸入.裝置10、50、67中，為了將來自紅外線發光部33、55、紅外線發光機構71之紅外線訊號與外部的紅外線區別，宜施加調變使其為開關訊號或是波形訊號。該調變在非接觸輸入裝置10時是控制液晶來進行，在非接觸輸入裝置50時則是對於給予紅外線發光部(發光二極體)55之電力施加調變，在非接觸輸入裝置67時則是對於給予紅外線發光機構71之電力施加 調變。

紅外線感測器34、56、77將已接收之紅外線暫時轉變成電訊號後，通過過濾器並選擇必要訊號。

以上實施例中，除了可見光以外，使用了紅外光，但亦可不使用紅外光，只使用可見光，構成非接觸輸入裝置。此種情況下，紅外線發光部不存在於方格之中，而具有可見光之光感測器取代紅外線感測器。因此，亦可轉用為使用於一般的個人電腦之光感測器式的觸控面板。

此種情況下，宜對可見光施加調變，進而亦可為光感測器只檢測可見光的一部分的光。又，紅外線亦包含比可見光線波長更長的光線，例如遠紅外線等。

本發明不限於以上之實施例，例如，替換第1~第3之實施例中非接觸輸入裝置之一部分之構成來實施的情形亦可適用於本發明。

第1~第3之實施例中，已具體地說明了發光區塊(方格)之形狀、構造，但可進行在不變更本發明之要旨的範圍的改良、變更形狀。

又，前述實施例中，使用了RGB發光機構，但亦可替換順序，進而亦可組合RGB以外之顏色，進而亦可為單色。

產業上之可利用性

本發明之非接觸輸入裝置及方法(以非接觸方式檢測再生圖像之指示位置的裝置及方法)利用於各種機械之操作盤時，會使具有操作按鈕之操作盤(例如，鍵盤、觸控面板)的再生圖像顯示於空間，並當按壓再生圖像之操作 按鈕時，就可得到輸入訊號。因此，本發明之非接觸輸入裝置及方法不單是工廠之機械的操作盤，亦可適合使用於行動電話、個人電腦、汽車、船等之觸控面板。

10‧‧‧非接觸輸入裝置

11‧‧‧顯示器

12‧‧‧實像(第1實像)

13‧‧‧光成像機構

14‧‧‧第1光控制面板

15‧‧‧第2光控制面板

18、19‧‧‧平面光反射部

20‧‧‧第1微小反射面

21‧‧‧第2微小反射面

45‧‧‧指示機構

45a‧‧‧第2實像

50‧‧‧非接觸輸入裝置

51‧‧‧顯示器

r1~r4、r1’~r4’‧‧‧紅外線

α‧‧‧角度

θ‧‧‧第1實像與第2實像相對於光 成像機構形成為對稱的情形

Claims (3)

1. 一種非接觸輸入裝置，具有：顯示器，具有多數個發光區塊，且該發光區塊之一部分或是全部組裝有光感測器；及光成像機構，俯視下交叉之第1、第2微小反射面被配置成分別豎立設置多數個於同一平面上，並以對應之前述第2微小反射面接收來自前述各第1微小反射面之第1反射光來作為第2反射光；該非接觸出入裝置並利用前述光成像機構將配置於前述光成像機構之其中一側之前述顯示器的圖像成像於前述光成像機構之另一側作為第1實像，並使觸碰到前述第1實像之指示機構的圖像成像於前述光成像機構之其中一側作為第2實像，並用前述顯示器之光感測器檢測前述第2實像的位置，前述非接觸輸入裝置之特徵在於：前述光感測器為紅外線感測器，又前述各發光區塊除了可見光之發光部以外還具有前述紅外線感測器，且除了前述顯示器之外，還另外具有從前述光成像機構之側照射觸碰到前述第1實像之前述指示機構的紅外線發光機構，並利用前述紅外線感測器來檢測前述第2實像的位置。
2. 如請求項1之非接觸輸入裝置，其中前述顯示器是液晶式。
3. 如請求項1之非接觸輸入裝置，其中前述顯示器是發光二極體式。