用于觸摸屏的帶有微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光管的設(shè)計(jì)
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(duì)紅外觸摸屏的原始結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，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(jì)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取．分別建立了導(dǎo)光管的光學(xué)和機(jī)械模型，建模結(jié)果表明，本文所提出的觸摸屏的設(shè)計(jì)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(dòng)作等技術(shù)上的局限，同時(shí)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(shí)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(jì)；激光觸摸屏；分辨率

中圖分類號(hào)：0434.3　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jià)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(jì)領(lǐng)域，是一種特殊的計(jì)算機(jī)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(jī)界面平臺(tái)，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(diǎn)歌點(diǎn)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(jìn)步是沿著提高分辨率和對(duì)強(qiáng)光干擾環(huán)境適應(yīng)能力兩個(gè)方面進(jìn)行的．然而，傳統(tǒng)的光學(xué)觸摸系統(tǒng)在顯示屏的一對(duì)邊框內(nèi)應(yīng)用一整排紅外（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ），并在各自相對(duì)的邊框內(nèi)用光電探測(cè)器來接收光信號(hào)，從而形成相應(yīng)的光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)而可以檢測(cè)出一個(gè)觸摸事件．隨著光學(xué)觸摸技術(shù)的發(fā)展，每一個(gè)對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器可以接收不止一個(gè)ＬＥＤ所發(fā)出的光，從而使得控制端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕固有殘?jiān)斐傻墓鈸p耗進(jìn)行補(bǔ)償．本文設(shè)計(jì)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(duì)紅外觸摸屏的原始結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，用激光二極管和導(dǎo)光管的組合來取代單排ＬＥＤ，從而實(shí)現(xiàn)紅外觸摸屏的提高分辨率和實(shí)現(xiàn)大尺寸的要求．

1　導(dǎo)光管設(shè)計(jì)方法

    紅外線觸摸屏的觸控原理是在顯示器上加上光點(diǎn)距架框，光點(diǎn)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(gè)紅外線網(wǎng)．以手指觸摸屏幕某一點(diǎn)，便會(huì)擋住經(jīng)過該位置的橫豎兩條紅外線，計(jì)算機(jī)便可即時(shí)算出觸摸點(diǎn)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(jì)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(duì)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(jì)

     導(dǎo)光管采用楔形結(jié)構(gòu)，僅有3個(gè)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(jì)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(shí)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(huì)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(jì)

    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(duì)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(jì)中要求各個(gè)紅外管對(duì)準(zhǔn)性能完全一致，在一定的紅外管對(duì)準(zhǔn)性能誤差下，必須保證垂直入射至每個(gè)微結(jié)構(gòu)傾斜表面的入射點(diǎn)離開微結(jié)構(gòu)三角形頂點(diǎn)的距離大于
0．1ｍｍ，導(dǎo)光管下端截面寬度大于3ｍｍ．

1．3 對(duì)光線入射角的控制

    當(dāng)一束激光放在凸透鏡的焦點(diǎn)處時(shí)，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(jìn)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(gè)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(gè)梯形臺(tái)，設(shè)計(jì)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(gè)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(jìn)前紅外觸摸屏與改進(jìn)后紅外觸摸屏結(jié)構(gòu)對(duì)比圖．

 

圖２　改進(jìn)前的紅外觸摸屏
 

圖３　改進(jìn)后的紅外觸摸屏
 

２　導(dǎo)光管實(shí)體建模與光路模擬

    采用Ｌｉｇｈｔ　Ｔｏｏｌｓ軟件對(duì)光路進(jìn)行光學(xué)性能的模擬與檢驗(yàn)．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(duì)其光電特性進(jìn)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(gè)長３５０ｍｍ，寬１０ｍｍ，厚度５ｍｍ的長方體，用布朗運(yùn)算切除長方體的一部分，得到光楔實(shí)體的初步解（不帶微結(jié)構(gòu)的）．

    設(shè)計(jì)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(diǎn)處．從凸透鏡焦點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(gè)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　Ｔｏｏｌｓ光學(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３　０００條光線得到的結(jié)果．

 

圖４　導(dǎo)光管右側(cè)表面微結(jié)構(gòu)
 

圖５　對(duì)３０００條光線進(jìn)行追跡的導(dǎo)光管光路
 

    結(jié)果表明：對(duì)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(shí)，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(shí)，垂直入射至每個(gè)微結(jié)構(gòu)傾斜表面的入射點(diǎn)離開微結(jié)構(gòu)三角形頂點(diǎn)的距離均大于０．１ｍｍ．實(shí)驗(yàn)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(jì)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(diǎn)分布圖．

 

圖６　紅外觸摸屏亮度分布
 

圖７　紅外觸摸屏散點(diǎn)分布
 

    表１為在標(biāo)準(zhǔn)室溫２５°的工作環(huán)境下，運(yùn)用美國正版Ｌｉｇｈｔ　Ｔｏｏｌｓ光學(xué)軟件進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shì)，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(shì)，大大提高了出射光線的光照強(qiáng)度及均勻度．同時(shí)到光線數(shù)量達(dá)到７　０００條時(shí)，出光均勻度達(dá)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(gè)有效的改進(jìn)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(jì)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(duì)紅外觸摸屏的原始結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，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(jī)械模型．該技術(shù)的實(shí)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(jì)要求．