光學觸摸技術

LED-光傳感元件對在顯示器上形成光束柵格。當物體（例如手指或者鋼筆）觸摸屏幕遮斷了光束，就會在相應光傳感元件處引起光測量值的減弱。光傳感的輸出測量值可以用於確定出觸摸點的座標。通常控制器是掃描光傳感陣列，而不是同時測量所有的光傳感器，因此這項技術有時被稱為"掃描IR"。在這項技術的高級版本中，每個光傳感器測量來自不止一個LED的光，這使得控制器可以補償由於屏上不可移動的碎片而引起的光的阻斷

過去，它的廣泛應用由於兩大原因曾經受到限制：技術成本比與之競爭的其他觸摸技術要高，還有在亮環境光下的顯示性能問題。後一個問題是由於背光源放大了光傳感元件的背景噪聲。在有些情況下，噪聲大到無法檢測到觸摸屏的LED光，導致觸摸屏的暫時失靈。這個問題在陽光直射下最為顯著，因為陽光在紅外區域分佈有大量的能量。

另外，傳統的光學觸摸技術由於其它的一些技術問題，例如功耗、機械包裝約束、分辨率的限制導致系統檢測PDA筆等小物體的能力受限等，而沒有被手持式觸摸屏（例如手機和PDA等）採用。其它技術例如模擬電阻技術由於成本低很多，主導了移動設備觸摸屏的市場。

但是光學觸摸的特性還是可取的，代表了理想觸摸屏的屬性，包括可以去除其它觸摸技術都必需的顯示屏前的玻璃或塑料層。在很多情況下，這種覆蓋層採用透明導電材料，例如氧化銦錫(ITO)，這會導致顯示屏的光學性能下降。光學觸摸屏的這個優勢對於很多設備、顯示屏供應商來説是極其重要的，因為設備的售出與使用者的感覺質量相關。

光學觸摸的另一個長期需求的性能是傳感器的數字輸出，相比之下，很多其它的觸摸系統是依賴於模擬信號處理來確定觸摸位置。這些與之競爭的模擬系統通常需要不停的再校準，對信號處理（增加了成本和功耗）的要求比較複雜，與數字系統相比精確度相對降低；並且由於操作環境引起更長時間使用後系統失靈。

光學觸摸的另一個關鍵的優點是通常情況下沒有手指、筆或其它被識別硬件的直接接觸。這就減少了觸摸屏由於接觸失敗、老化、疲勞引起失靈的可能。這與低壓力觸摸的要求也有關。在一個光學觸摸系統中，只要與光束接觸就可以了，不需要檢測力量或者觸發系統。

最後，光學觸摸可以執行同時觸摸，這是其它觸摸技術難以實現的。儘管同時觸摸在過去沒有被廣泛地發展，近期由於蘋果iPhone等新設備引起了關注，它讓同時觸摸成為用户界面不可或缺的一部分。

(1).Neonode

(2).NextWindow、SMART以及其它技術

(3).PerceptivePixel

(4).夏普、東芝移動顯示(TMD)及其它

(5).RPO數字波導觸摸技術

Neonode採用了傳統的IR觸摸技術，LED以及光敏二極管，關鍵在於將其微型化以用於手持設備。除了將該技術用於其N2手機，Neonode還將它銷售給其他的設備製造商。但是還不清楚該技術是否被其他的手機銷售商採納。該項技術的關鍵挑戰在於斜面的高度。很多手機制造商不斷地嘗試製造能在頂面齊平或者接近齊平的新元件，他們希望顯示器儘量延伸，儘量靠近設備的邊緣（使得顯示器的尺寸和對多媒體功能的體驗都儘可能的大）。參考圖2中給出的 NeonodeN2和蘋果iPhone，可以立刻明顯發現iPhone屏幕的表面是平滑的，而N2手機屏的表面是凹的。通過對樣品的檢測，N2的斜高約為 1.6mm（包括包裝材料的厚度）；而iPhone的斜高為0（平滑）。其它妨礙Neonode觸摸屏技術在手機市場使用的問題有成本和功耗，都是因為設備中大量的採用光電子元件（LED和光敏二極管）造成的。

對於這項技術及蘋果iPhone的另外一個潛在的挑戰是隻能用手指觸摸的限制。亞洲智能手機制造商更希望能夠採用觸摸筆輸入，以支持字符識別。NeonodeN2上的光束間隔比較寬，大約每釐米2.5 個光束，手指大約能夠覆蓋9個光束交叉點。這能節約能量，但是使得觸摸筆在觸摸屏上無法使用。即使使用大的觸摸筆，由於分辨率不夠，手寫識別還是無法實現。相比較而言，用於iPhone的導電軌跡間隔相對比較窄，大概每釐米25個軌跡交叉點。但是，即便是投射式電容性技術的分辨率更高，它只能支持手指觸摸，限制了觸摸筆或是戴手套時的使用。所以這個比較結論有待討論。

NextWindow和SMART技術實現了基於照相機的光學觸摸，至少有一個新的開始。

NextWindow的光學觸摸屏技術採用了兩個放置在顯示器相鄰邊角上的線掃描照相機（圖3）。照相機根據紅外光源的截斷來檢測任何靠近表面物體的移動。由屏表面的一個平面產生光，並由屏三個邊上的定向反射條（定向反射鏡使得光從入射角沿着平行但相反的路徑反射回來）反射回相機。當手指（或任何物體）觸摸屏幕時，控制器就分析了相機中的圖像，觸摸物體位置的三角關係。SMART光學觸摸屏技術使用的是相同的原理，區別在於它用了四個面掃描照相機。

即使技術上允許光學觸摸技術不需要玻璃觸摸表面，供應商也不會這樣做，因為需要保護LCD的軟(2H)表面。這些技術比傳統技術先進在它們的有源器件更少，因此可以減少成本，具有更長的平均失誤間隔時間(MTBF)。NextWindow銷售的觸摸屏的尺寸在12～120in範圍之間，到目前為止大多數應用於監視器尺寸的顯示屏（例如HPTouchSmart家用電腦），以及用於交互數字簽名的大尺寸顯示[1]。儘管這項技術具有很高的分辨率和數據傳輸率，能夠支持觸摸筆的手寫識別；但是，對於小於10in，由於邊界寬度、成本、功耗的考慮不採用掌上反射顯示屏的還無法應用。總的來説，基於相機的光學觸摸技術在近期內還無法應用於移動設備。

紐約大學的研究者最新研製了一種可以同時用10個、20個，甚至更多手指觸摸的大型多處觸摸屏。PerceptivePixel公司的成立，旨在將該項技術商業化——儘管這項技術已經應用於交互性白板、觸摸屏桌、數字牆等領域，所有的這些設備都可以由多人同時操作。

PerceptivePixel技術原理是將紅外LED光引入玻璃或塑料的背投屏上。該技術應用非全內反射(FTIR)，即當手指觸摸玻璃表面時，光從手指處散射出去，被垂直於普通玻璃表面的光學傳感器檢測到[2]。在PerceptivePixel應用中，光傳感器是投影機旁邊的一個攝像機。因為該技術是為背投顯示屏設計的，它不能應用在移動設備中。

夏普、TMD以及LG-飛利浦LCD都展示了顯示屏本身作為光傳感器件的光學圖像觸摸系統。這些新型的LCD在每個LCD像素中集成了一個光傳感器件（發光二極管或光敏晶體管），這使得整個顯示屏成為一個大矩陣光傳感器；加上合適的圖像分析技術，它可以成為觸摸傳感器甚至一個讀卡掃描器。夏普最新展示了320×480像素光傳感分辨率的3.5inLCD。由於固有的數字技術，它具有識別出同時多處觸摸事件的能力（圖5）。

將這項技術應用於觸摸屏需要面臨的一個挑戰是，在有各種不同類型環境光的情況下進行信號處理。與普通的觸摸屏不同，該技術需要分析一幅複雜的圖像來確認是否有觸摸發生。與普通的觸摸屏相比，這項技術需要更加先進、昂貴、耗電的處理器。另外，多種背景光的存在會使得圖像分析更為複雜。另外一個需要考慮的問題是速度。比如説，手寫識別通常被認為需要至少每秒130幀的觸摸識別速度，以避免識別延時。這種處理速度對於基於圖像矩陣、低功耗的、用於手持設備的觸摸技術來説是一種挑戰。

由於移動設備的顯示屏的尺寸、比例、分辨率有很多種，生產商沒有真正的標準。因此，生產能夠用於任意顯示器的傳感器將帶來高成本，並且需要處理複雜觸摸傳感LCD的NRE。另外，這些LCD可能具有更小的像素-孔徑比，因此與沒有觸摸傳感的類似顯示屏相比亮度可能會低一些。

RPO數字波導觸摸(DWT)技術是基於傳統IR系統概念發展而來的光學觸摸系統。這種系統採用1～2個低成本LED，用來從兩個相鄰斜邊提供可控的光源（事實上是一個紅外光平面），然後在另兩個相鄰的斜邊上，利用聚合物光學波導來將光線引入分立的10m管道進入一個小的光傳感器矩陣。

這項由傳統IR觸摸改進的技術有效地解決了傳統技術所有的缺點。下面將討論這些缺點。

由於光電器件（LED和傳感器）不再放置在顯示器的斜邊上；與傳統的光學觸摸系統相比，斜面高度和寬度對觸摸系統的影響減弱了。RPO展示了在顯示區域外只有2mm的觸摸系統，從屏保護（鏡片）到器件外殼的內表面的側面高度只有0.5mm。

DWT因為只有1~2個LED和1個光傳感器芯片，所以成本要低很多；由於接收端的光學信號進入分立的光導，被光傳感器矩陣的獨立像素分別檢測而具有"數字性"，所以它的分辨率要高很多。因此，筆檢測和手寫輸入識別成為了可能。

濾波器和孔隙化的發展使得環境光不再是個問題，因為細小光學波導作為接收管道。使這項技術成為可能的關鍵是RPO公司改進的低成本光刻印刷聚合物光學波導。這家公司採用類似LCD的處理工具來沉積濕膜，用直接的光刻圖案處理薄膜，還有溶劑的改進。這聽起來很簡單，但是改進聚合物材料和用於生產大量、高強度的高分辨率光導的工藝用了很多年。另外，這個RPO使用的光學系統設計非常複雜，但是在物理系統中簡單、便宜、便於集成。

RPO在DisplayWeek2007上演示了這個系統，當時用於PDA設備的多重觸摸。DWT現用於高端用户產品之中。理論上講，這個系統可以用於任意尺寸的顯示屏，但是RPO最初是面向中小型消費類電子和車載顯示器的。

以上這些新的光學觸摸技術都可以在廣大且持續發展的觸摸屏市場中佔據屬於自己的一席之地。排除所有的技術缺陷，我們可以預測光學觸摸技術與其它觸摸技術相比具有關鍵的優點。總的來説，這些新技術，如果都歸類於"光學觸摸系統"，最終可以佔據觸摸屏市場的一大份。

促進手持式觸摸屏迅猛發展的是蘋果iPhone以及其它智能手機、GPS手持設備，還有個人多媒體播放器。

[1]"Introducing the Next Window 1900 Optical Touch Screen:A Next Window White Paper"(2007).

[2]J.Han,"Low-CostMulti-Touch Sensing through Frustrated TotalInternal Reflection,"Proceedings of the 18th Annual ACM Sympo-siumon User Inter face Software and Technology(UIST),(2005)(ACM1-59593-023-X/05/0010).

（東南大學石卉創譯自《InformationDisplay》12/07）