Keep in Touch, Optically (光學式觸控) 原理篇

Keep in Touch, Optically (光學式觸控) 原理篇
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Yo, 繼前幾篇介紹觸控 (詳見http://www.wretch.cc/blog/KisPlay/1121944, http://www.wretch.cc/blog/KisPlay/1136090)

今天再來介紹一下光學式觸控的原理吧~這篇對於有興趣想了解的朋友應該滿有幫助的~

[光學式觸控] 可能無法從字面上知道它的作動原理, 也沒有多少人了解這個技術背後採用了那些元件, 畢竟電阻、電容式的觸控面板一直都是市場的主流. 然而隨著現代人螢幕越買越大、要求越來越高,以及製造商在製作大尺寸電阻電容的觸控面板成本壓力下, 光學式觸控技術漸漸浮上了檯面. 再加上現在LED元件技術提升, 巿場上越來越多產品使用光學式來取代帶舊有的電阻電容式產品. 特別是在桌上型螢幕這樣的尺寸大小, 也已經有越來越多廠商投入. 接下來就來了解一下光學式觸控技術的原理吧!

一般在巿場上能看到的光學式觸控螢幕大致分為幾種: 紅外線式、CMOS/CCD式、內嵌式、投影式…等. 所有這些光學式觸控皆是由遮光效應產生影子, 再由一個感光元件感測到陰影變化進而判斷位置所在. 本篇將與大家討論分享CMOS/CCD光學式觸控, 而其它光學式觸控… 就等以後有時間再補充啦~

「CMOS/CCD光學式觸控」故名思義是由CMOS或CCD camera當做感光元件來分辨陰影的所在. 目前一般巿面上看到的都是CMOS光學式觸控, CCD的觸控已經非常少了, 最主要原因除了用CMOS成本比較低以外, CMOS的表現也比CCD更適合用在觸控螢幕上. 因為要把觸控元件整合在螢幕上, 感光元件一定是越小越好, 且本體的散熱要佳, 避免在使用時, 螢幕還有燈管在感光元件不遠的後方不斷加熱造成感應失效. 而CMOS跟CCD比起來不僅體積小且散熱好, 適用於大量生產且不需要影像品質太好的應用中. 另一方面, CCD提供的影像品質遠超過觸控螢幕所需, 我們只要找到可以分辨陰影就足夠的CMOS感光元件, 而不需要可以分辨出到底使用者是用食指還是中指來做觸控的CCD.

接下來說明一下它的作動原理.

CMOS光學觸控架構是由兩顆CMOS分別平貼在螢幕的左上及右上角, 以作為感光元件來觀測陰影到底發生在何處. 另外, 整組架構上還包括了反射條(貼在右、左、下三邊)及兩顆看不見但一樣平貼在左上與右上角的LED 發射器(emitters, 通常與CMOS綁在一起).

LED之不可見光波長通常落在850um~950um, CMOS前的那塊lens會濾掉其他波段的光. 反射條上的微結構則通常是菱鏡(prism), 利用聚光的效果來讓CMOS偵測得更清楚. Touch的作動原理即是由這兩顆LED發射器, 射出不可見光至反射條上, 左右的兩顆CMOS各自就會看到一條亮亮的反射條(通常稱為光軸).

當有觸控發生, 光線被遮住產生陰影於反射條上(下圖ABCD點為陰影), 這時CMOS看到的就不是一條完整的光軸, 而是被陰影切成一段一段的光軸, 此時藉由觸控IC進行邏輯運算, 即可算出陰影位置後送回系統做出判斷觸控點的座標囉.

邏輯運算的algorithm部份通常是各廠商自己的know-how, 不過大部分都是用三角函數來算坐標點—藉由觸控點(上圖左邊的紅點)的位置與兩顆CMOS構成的三角形, 算出三角形左上與右上的兩個角度(上圖 α, β)後再用三角函數計算出位置.

嘿, 說到這裡就需要聊聊光學式觸控在偵測觸控點上的限制了. 因為三角函數在角度近於0度的時候, 因為這時不管你用sin、cos還是tan, 它算出來不是0就是∞, 這就是為什麼很多人在用CMOS觸控時都發現螢幕上緣部分有點不準, 特別是中間往兩邊偏一點的地方更是不準. 而且不僅有上方不準的缺點, 在多點觸控時還很多時候無法判斷觸控點是真實點還是鬼影. 以兩點觸控來說 (上圖2紅點觸控點), 鬼影發生在當兩觸控點點在螢幕上時, CMOS總共會看到四個陰影, 但這時有兩個就是假的(上圖2粉紅點為鬼影), 因為是由陰影位置來做輸入判斷, 在四取二的情況下, 很多時候會造成誤判.

通常兩顆CMOS可以做到兩點的多點式觸控, 想要達到能清楚分辦三點的觸控能力則需要更聰明的人工智慧及運算能力, 或是兩顆以上的CMOS架構. 但兩點以上的多點觸控鬼影通常更多, 也就需要更強大的邏輯運算來支援了~

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