小尺寸光學(xué)紅外觸摸技術(shù)性能探討

 觸摸屏技術(shù)概況

觸摸屏技術(shù)是一種革命性的人機(jī)交互技術(shù)，用戶(hù)只要用手指或電子筆輕輕地觸及顯示屏上的圖符或文字，就能實(shí)現(xiàn)操作，徹底顛覆、擺脫了對(duì)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的依賴(lài)，使人機(jī)交互更為直截了當(dāng)，更便捷，更簡(jiǎn)單。

中國(guó)觸摸屏市場(chǎng)從90年代末期開(kāi)始興起至今已經(jīng)二十年有余，觸摸技術(shù)也是層出不窮，新型觸摸屏不斷涌現(xiàn)。若按不同觸摸介質(zhì)和不同原理來(lái)分，主要有電阻觸摸屏，電容觸摸屏，紅外光學(xué)觸摸屏。而各種觸摸屏的性能也是優(yōu)缺參半。

電阻觸摸屏價(jià)格便宜且易于生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，在工業(yè)和車(chē)載市場(chǎng)上有普遍的應(yīng)用。其缺點(diǎn)主要是觸摸需要一定的壓力，觸摸體驗(yàn)效果不佳，反應(yīng)較遲鈍，一般不支持多點(diǎn)觸摸或者支持偽多點(diǎn)。而且其觸摸的ITO 涂層若太薄則容易脆斷，太厚又會(huì)降低透光且形成內(nèi)反射降低清晰度。由于經(jīng)常被觸動(dòng)，表層ITO 使用一定時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)細(xì)小裂紋，甚至變型，因此其壽命并不長(zhǎng)久。復(fù)合薄膜的外層采用塑料，太用力或使用銳器觸摸可能劃傷。

電容觸摸屏在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品有廣泛的應(yīng)用，手機(jī)，PAD等等，只需要手指輕輕滑動(dòng)，觸摸體驗(yàn)順暢，圓滑，但由于其感應(yīng)電容隨溫度、濕度或接地情況的不同而變化，其穩(wěn)定性較差，往往會(huì)產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，易受水霧、油污、電磁等干擾。在惡劣的環(huán)境下，穩(wěn)定性和可靠性不是很高。另外電容觸摸屏的觸摸層由多層復(fù)合薄膜組成，透光率不高。在強(qiáng)光照射下，無(wú)法看清畫(huà)面進(jìn)行操作。

紅外光學(xué)觸摸屏利用紅外線掃描，通過(guò)物體阻擋紅外線，使得紅外接收管接收的紅外光強(qiáng)弱發(fā)生變化來(lái)確定觸摸位置。其具有透 光率高，支持絕緣物體操作(手套觸摸等)，抗水霧、電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，受到業(yè)界行業(yè)應(yīng)用的青睞。但紅外光學(xué)觸摸屏由于受自身原理限制，也易受強(qiáng)光和灰塵的干擾等缺陷。

紅外觸摸屏現(xiàn)狀

紅外觸摸屏是利用紅外線掃描原理實(shí)現(xiàn)觸摸 ，早期紅外觸摸屏出現(xiàn)于1992年，分辨率只有32×32。易受環(huán)境干擾而誤動(dòng)作，而且要求在一定的遮光環(huán)境中使用。時(shí)至今日，紅外觸摸屏已經(jīng)發(fā)展至第五代，分辨率和抗強(qiáng)光干擾性能顯著提高，在太陽(yáng)直射環(huán)境亦可使用。更重要的是在產(chǎn)品壽命和免維護(hù)性能方面有了本質(zhì)的飛躍。采用概率函數(shù)器件冗余分布的指導(dǎo)思想，工作環(huán)境下壽命大于7年。足以將觸摸屏的應(yīng)用推向新的水平。然而，紅外觸摸屏的工作方式也導(dǎo)致了一些不可避免的應(yīng)用缺陷，易受強(qiáng)光，灰塵干擾，分辨率不高。目前，紅外觸摸屏技術(shù)的發(fā)展主要圍繞著兩個(gè)方向進(jìn)行，一是運(yùn)用新型傳感器實(shí)現(xiàn)觸摸屏功能，另一個(gè)是對(duì)現(xiàn)有觸摸屏技術(shù)缺陷的改進(jìn)和應(yīng)用功能的增強(qiáng)而進(jìn)行。紅外觸摸屏的發(fā)展主要是隨著提高分辨率和改善抗干擾性能進(jìn)行，同時(shí)，應(yīng)用功能上的擴(kuò)展如多點(diǎn)觸摸等給觸摸屏帶來(lái)了更豐富的功能。

目前國(guó)內(nèi)市面上的紅外觸摸屏以中大尺寸(15寸以上)為主，由于受到光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)、算法、紅外燈管尺寸的限制，10寸以下的紅外光學(xué)觸摸屏成本高，技術(shù)不穩(wěn)定，且易受紅外光、灰塵干擾。為了充分發(fā)揮紅外觸摸屏技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足于某些行業(yè)性應(yīng)用，發(fā)揮其先天優(yōu)勢(shì)，克服自身劣勢(shì)，成熟的小尺寸紅外光學(xué)觸摸產(chǎn)品為行業(yè)應(yīng)用所期待。

國(guó)內(nèi)小尺寸紅外觸摸技術(shù)介紹

區(qū)別于國(guó)內(nèi)主流大尺寸傳統(tǒng)紅外光學(xué)觸摸屏，筆者發(fā)現(xiàn)一款小尺寸光學(xué)紅外觸摸屏方案—利爾達(dá) 7寸光學(xué)紅外觸摸屏LSD1TP-1R70N1D3(以下簡(jiǎn)稱(chēng)LSD1TP)， 網(wǎng)頁(yè)鏈接：http://www.lierda.com/topic/hwp.html

這款光學(xué)紅外觸摸屏通過(guò)獨(dú)特的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和算法，克服傳統(tǒng)小尺寸紅外觸摸，成本高，技術(shù)不穩(wěn)定，易受強(qiáng)光、灰塵干擾等劣勢(shì)，相比電阻/電容觸摸，具有透光率高，支持手套等操作，抗干擾能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于車(chē)載導(dǎo)航，工控，醫(yī)療人機(jī)互換及其他惡劣工作環(huán)境行業(yè)中使用。徹底顛覆了紅外觸摸屏原先的應(yīng)用市場(chǎng)

LSD1TP 實(shí)現(xiàn)原理

LSD1TP紅外光學(xué)觸摸屏由一組紅外線發(fā)射器和探測(cè)器，光學(xué)導(dǎo)光，控制電路和控制軟件組成。發(fā)射器發(fā)射脈沖紅外光經(jīng)過(guò)導(dǎo)光板和觸摸表面上，探測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)度的變化表明一個(gè)物體的觸摸。觸摸位置和對(duì)象的大小是由多個(gè)檢測(cè)器(紅外接收管PD)相結(jié)合的測(cè)量值計(jì)算。從多傳感器的輸出可以被用來(lái)識(shí)別諸如手勢(shì)和掃描操作。

1、 光學(xué)結(jié)構(gòu)

LSD1TI紅外光學(xué)觸摸屏的導(dǎo)光體是觸摸系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。它引導(dǎo)來(lái)自LED的紅外光射向光學(xué)觸摸區(qū)域，分散紅外光束覆蓋在顯示區(qū)域上。在相反的一側(cè)它引導(dǎo)所收集的光從光學(xué)觸摸區(qū)域射向PD設(shè)備。 (圖1)。

圖1：導(dǎo)光板的基本結(jié)構(gòu)

導(dǎo)光體是一個(gè)注塑部分由光學(xué)級(jí)聚碳酸酯制成,是區(qū)別與傳統(tǒng)紅外屏的關(guān)鍵部件，其主要作用是：

區(qū)別于傳統(tǒng)紅外觸摸其紅外發(fā)射、接收管直接放置在TFT顯示屏上圍四周，導(dǎo)致四周凸起高度過(guò)高，通過(guò)導(dǎo)光層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其四周凸起高度限制在1.8mm以?xún)?nèi)。

導(dǎo)光層通過(guò)弧形凸臺(tái)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)LED發(fā)射會(huì)對(duì)應(yīng)兩個(gè)紅外接收管(PD)接收，以實(shí)現(xiàn)差分式紅外掃描，使得光學(xué)紅外觸摸屏極高的分辨率，并有效的克服灰塵及紅外、強(qiáng)光干擾。

2、差分式紅外掃描

傳統(tǒng)的紅外觸摸屏只能實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射和接收一一對(duì)應(yīng)，紅外接收管(PD)的lable值僅為0或者1,依靠紅外發(fā)射接收管子的數(shù)量和密度來(lái)有限提高紅外觸摸的精度和分辨率。而LSD1TP紅外光學(xué)觸摸屏采用差分式紅外掃描方式，在這個(gè)系統(tǒng)中，共采用28對(duì)紅外發(fā)射接收管，每個(gè)LED發(fā)射對(duì)應(yīng)兩個(gè)紅外接收管(PD)接收，如下圖2所示

每一個(gè)紅外接收管PD，根據(jù)接收到的紅外光的強(qiáng)弱，可以分為不同的16個(gè)等級(jí)，其lable值分0-15，從而實(shí)現(xiàn)用28對(duì)紅外發(fā)射接收管的觸摸分辨率能達(dá)到1024*600以上，DPI為500。另外這樣的差分式紅外掃描結(jié)合軟件的算法能夠有效克服傳統(tǒng)紅外觸摸屏無(wú)法解決的灰塵、紅外、強(qiáng)光的干擾，其信噪比> 10:1，保證高可靠性和極強(qiáng)的抗干擾能力。紅外最高掃描頻率達(dá)到400Hz，毫秒級(jí)的高速反應(yīng)，使得手寫(xiě)圓滑順暢。

硬件電路方案見(jiàn)下圖

LEDs：紅外發(fā)射管

PDs：測(cè)量LEDs發(fā)射的紅外光。

多點(diǎn)觸摸控制器(Controller)：所有的控制硬件包括LED驅(qū)動(dòng)，放大器，乘法器，電壓調(diào)節(jié)器， 濾波器都集成在Controller

微處理器 (MSP)：執(zhí)行控制軟件部分， 控制多點(diǎn)觸摸控制器(Controller),并且通過(guò)I2C把觸點(diǎn)的信息發(fā)送給主機(jī)(Host)。

小尺寸紅外觸摸的應(yīng)用場(chǎng)合：

相比于電阻/電容觸摸屏，LSD1TP光學(xué)紅外觸摸屏透光率高，與安裝了電容和電阻式觸摸屏的顯示器相比畫(huà)面色彩度更飽滿(mǎn)、對(duì)比度好，用戶(hù)視覺(jué)舒適度提高;

在電子書(shū)上該性能特性發(fā)揮的淋漓盡致，包括Sony,Amazon 都有紅外觸摸的電子書(shū)產(chǎn)品。

其次，LSD1TP紅外光學(xué)觸控屏不需要觸控壓力，戴上手套也可操作自如。2點(diǎn)觸控完全能夠滿(mǎn)足一般的操作需要，無(wú)論你用什么物體都可以進(jìn)行觸控。白天在日光下的可視度很高，功耗低，價(jià)位適中，相較于電容屏、電阻屏性?xún)r(jià)比很高。

我們知道電容屏一個(gè)缺點(diǎn)是漂移：當(dāng)環(huán)境溫度、濕度改變時(shí)，環(huán)境電場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，都會(huì)引起電容屏的漂移，造成不準(zhǔn)確。因此在工作及存儲(chǔ)溫度有要求的地方如車(chē)載和工控的環(huán)境，極寒極熱地區(qū)，紅外屏均能讓用戶(hù)操控流暢，而且反應(yīng)高速精準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)流暢迅速，較之電阻屏和電容屏有完勝的架勢(shì);

LSD1TP紅外光學(xué)觸摸屏采用差分紅外掃描原理及軟件算法有效解決了傳統(tǒng)紅外觸摸觸控精度、分辨率不高，易受灰塵和紅外干擾等劣勢(shì)。

筆者就做了灰塵，防水等做了幾個(gè)測(cè)試：

試驗(yàn)一：筆者灑落污垢(<0.6mm)在紅外屏上，觸摸工作正常。

試驗(yàn)二： 在這款紅外屏表面灑上水，簡(jiǎn)單擦拭，觸摸正常工作。

試驗(yàn)三： 毛筆寫(xiě)字，有筆鋒，書(shū)寫(xiě)流暢

綜上所述，LSD1TP光學(xué)紅外觸摸屏在工業(yè)和車(chē)載等惡劣環(huán)境具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。是車(chē)載多媒體，工業(yè)人機(jī)界面操作，醫(yī)療器械，智能家居人機(jī)交互技術(shù)等領(lǐng)域的不錯(cuò)選擇。

像最近發(fā)布的沃爾沃XC90，其中控多媒體導(dǎo)航屏就采用了這樣的紅外觸摸技術(shù). 其司首席觸摸屏工程師Jens Henriksson 對(duì)紅外觸摸如下評(píng)價(jià)：“屏幕可以在沒(méi)有施加壓力的情況下感知您的手指，因此您可以帶著手套操作觸摸屏。如果您曾經(jīng)歷過(guò)北歐的冬天，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這是非常實(shí)用的。 因?yàn)槲覀兪褂玫氖羌t外線觸摸技術(shù)，所以這變得可行。在屏幕正前方，有一個(gè)紅外光的模塊，當(dāng)手指伸入這一領(lǐng)域，屏幕就能自動(dòng)感知觸摸。”