小尺寸光學紅外觸摸技術(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交互技術(shù),用戶只要用手指或電子筆輕輕地觸及顯示屏上的圖符或文字,就能實現(xiàn)操作,徹底顛覆、擺脫了對鍵盤和鼠標的依賴,使人機交互更為直截了當,更便捷,更簡單。
中國觸摸屏市場從90年代末期開始興起至今已經(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)和不同原理來分,主要有電阻觸摸屏,電容觸摸屏,紅外光學觸摸屏。而各種觸摸屏的性能也是優(yōu)缺參半。
電阻觸摸屏價格便宜且易于生產(chǎn),性能穩(wěn)定,抗干擾能力強,在工業(yè)和車載市場上有普遍的應用。其缺點主要是觸摸需要一定的壓力,觸摸體驗效果不佳,反應較遲鈍,一般不支持多點觸摸或者支持偽多點。而且其觸摸的ITO 涂層若太薄則容易脆斷,太厚又會降低透光且形成內(nèi)反射降低清晰度。由于經(jīng)常被觸動,表層ITO 使用一定時間后會出現(xiàn)細小裂紋,甚至變型,因此其壽命并不長久。復合薄膜的外層采用塑料,太用力或使用銳器觸摸可能劃傷。
電容觸摸屏在消費類電子產(chǎn)品有廣泛的應用,手機,PAD等等,只需要手指輕輕滑動,觸摸體驗順暢,圓滑,但由于其感應電容隨溫度、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合薄膜組成,透光率不高。在強光照射下,無法看清畫面進行操作。
紅外光學觸摸屏利用紅外線掃描,通過物體阻擋紅外線,使得紅外接收管接收的紅外光強弱發(fā)生變化來確定觸摸位置。其具有透 光率高,支持絕緣物體操作(手套觸摸等),抗水霧、電磁干擾能力強等特點,受到業(yè)界行業(yè)應用的青睞。但紅外光學觸摸屏由于受自身原理限制,也易受強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)境干擾而誤動作,而且要求在一定的遮光環(huán)境中使用。時至今日,紅外觸摸屏已經(jīng)發(fā)展至第五代,分辨率和抗強光干擾性能顯著提高,在太陽直射環(huán)境亦可使用。更重要的是在產(chǎn)品壽命和免維護性能方面有了本質(zhì)的飛躍。采用概率函數(shù)器件冗余分布的指導思想,工作環(huán)境下壽命大于7年。足以將觸摸屏的應用推向新的水平。然而,紅外觸摸屏的工作方式也導致了一些不可避免的應用缺陷,易受強光,灰塵干擾,分辨率不高。目前,紅外觸摸屏技術(shù)的發(fā)展主要圍繞著兩個方向進行,一是運用新型傳感器實現(xiàn)觸摸屏功能,另一個是對現(xiàn)有觸摸屏技術(shù)缺陷的改進和應用功能的增強而進行。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行,同時,應用功能上的擴展如多點觸摸等給觸摸屏帶來了更豐富的功能。
目前國內(nèi)市面上的紅外觸摸屏以中大尺寸(15寸以上)為主,由于受到光學技術(shù)設(shè)計、算法、紅外燈管尺寸的限制,10寸以下的紅外光學觸摸屏成本高,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,滿足于某些行業(yè)性應用,發(fā)揮其先天優(yōu)勢,克服自身劣勢,成熟的小尺寸紅外光學觸摸產(chǎn)品為行業(yè)應用所期待。
國內(nèi)小尺寸紅外觸摸技術(shù)介紹
區(qū)別于國內(nèi)主流大尺寸傳統(tǒng)紅外光學觸摸屏,筆者發(fā)現(xiàn)一款小尺寸光學紅外觸摸屏方案—利爾達 7寸光學紅外觸摸屏LSD1TP-1R70N1D3(以下簡稱LSD1TP)。
這款光學紅外觸摸屏通過獨特的光學結(jié)構(gòu)設(shè)計和算法,克服傳統(tǒng)小尺寸紅外觸摸,成本高,技術(shù)不穩(wěn)定,易受強光、灰塵干擾等劣勢,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,壽命長等優(yōu)點,適應于車載導航,工控,醫(yī)療人機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用市場
LSD1TP 實現(xiàn)原理
LSD1TP紅外光學觸摸屏由一組紅外線發(fā)射器和探測器,光學導光,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)過導光板和觸摸表面上,探測器檢測到的光強度的變化表明一個物體的觸摸。觸摸位置和對象的大小是由多個檢測器(紅外接收管PD)相結(jié)合的測量值計算。從多傳感器的輸出可以被用來識別諸如手勢和掃描操作。
1、 光學結(jié)構(gòu)
LSD1TI紅外光學觸摸屏的導光體是觸摸系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。它引導來自LED的紅外光射向光學觸摸區(qū)域,分散紅外光束覆蓋在顯示區(qū)域上。在相反的一側(cè)它引導所收集的光從光學觸摸區(qū)域射向PD設(shè)備。 (圖1)。
圖1:導光板的基本結(jié)構(gòu)
導光體是一個注塑部分由光學級聚碳酸酯制成,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,導致四周凸起高度過高,通過導光層結(jié)構(gòu)設(shè)計,其四周凸起高度限制在1.8mm以內(nèi)。
導光層通過弧形凸臺設(shè)計,實現(xiàn)每個LED發(fā)射會對應兩個紅外接收管(PD)接收,以實現(xiàn)差分式紅外掃描,使得光學紅外觸摸屏極高的分辨率,并有效的克服灰塵及紅外、強光干擾。
2、差分式紅外掃描
傳統(tǒng)的紅外觸摸屏只能實現(xiàn)紅外發(fā)射和接收一一對應,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)量和密度來有限提高紅外觸摸的精度和分辨率。而LSD1TP紅外光學觸摸屏采用差分式紅外掃描方式,在這個系統(tǒng)中,共采用28對紅外發(fā)射接收管,每個LED發(fā)射對應兩個紅外接收管(PD)接收,如下圖2所示
每一個紅外接收管PD,根據(jù)接收到的紅外光的強弱,可以分為不同的16個等級,其lable值分0-15,從而實現(xiàn)用28對紅外發(fā)射接收管的觸摸分辨率能達到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)紅外觸摸屏無法解決的灰塵、紅外、強光的干擾,其信噪比> 10:1,保證高可靠性和極強的抗干擾能力。紅外最高掃描頻率達到400Hz,毫秒級的高速反應,使得手寫圓滑順暢。
硬件電路方案見下圖
LEDs:紅外發(fā)射管
PDs:測量LEDs發(fā)射的紅外光。
多點觸摸控制器(Controller):所有的控制硬件包括LED驅(qū)動,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, 控制多點觸摸控制器(Controller),并且通過I2C把觸點的信息發(fā)送給主機(Host)。
小尺寸紅外觸摸的應用場合:
相比于電阻/電容觸摸屏,LSD1TP光學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面色彩度更飽滿、對比度好,用戶視覺舒適度提高;
在電子書上該性能特性發(fā)揮的淋漓盡致,包括Sony,Amazon 都有紅外觸摸的電子書產(chǎn)品。
其次,LSD1TP紅外光學觸控屏不需要觸控壓力,戴上手套也可操作自如。2點觸控完全能夠滿足一般的操作需要,無論你用什么物體都可以進行觸控。白天在日光下的可視度很高,功耗低,價位適中,相較于電容屏、電阻屏性價比很高。
我們知道電容屏一個缺點是漂移:當環(huán)境溫度、濕度改變時,環(huán)境電場發(fā)生改變時,都會引起電容屏的漂移,造成不準確。因此在工作及存儲溫度有要求的地方如車載和工控的環(huán)境,極寒極熱地區(qū),紅外屏均能讓用戶操控流暢,而且反應高速精準,現(xiàn)場體驗流暢迅速,較之電阻屏和電容屏有完勝的架勢;
LSD1TP紅外光學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。
筆者就做了灰塵,防水等做了幾個測試:
試驗一:筆者灑落污垢(<0.6mm)在紅外屏上,觸摸工作正常。
試驗二: 在這款紅外屏表面灑上水,簡單擦拭,觸摸正常工作。
試驗三: 毛筆寫字,有筆鋒,書寫流暢
綜上所述,LSD1TP光學紅外觸摸屏在工業(yè)和車載等惡劣環(huán)境具有無與倫比的優(yōu)勢。是車載多媒體,工業(yè)人機界面操作,醫(yī)療器械,智能家居人機交互技術(shù)等領(lǐng)域的不錯選擇。
像最近發(fā)布的沃爾沃XC90,其中控多媒體導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 對紅外觸摸如下評價:“屏幕可以在沒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)歷過北歐的冬天,就會發(fā)現(xiàn)這是非常實用的。 因為我們使用的是紅外線觸摸技術(shù),所以這變得可行。在屏幕正前方,有一個紅外光的模塊,當手指伸入這一領(lǐng)域,屏幕就能自動感知觸摸。”