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CN107111383B - 非接触输入装置及方法 - Google Patents

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CN107111383B CN201580069674.XA CN201580069674A CN107111383B CN 107111383 B CN107111383 B CN 107111383B CN 201580069674 A CN201580069674 A CN 201580069674A CN 107111383 B CN107111383 B CN 107111383B
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Abstract

一种非接触输入装置(10)，其具有光成像单元(13)和设置于光成像单元(13)的一侧的显示器(11)，在该光成像单元(13)中，俯视时交叉的第一、第二微小反射面(20、21)分别在同一平面上立起地配置有多个，该非接触输入装置(10)使显示器(11)的图像(11a)作为第一实像(12)形成于光成像单元(13)的另一侧，并对接触第一实像(12)的指示构件(34)的图像位置进行光学检测，其中，在显示器(11)的正面具有光传感器(26)，在光传感器(26)中并排地设置有仅检测来自正面侧的光的传感器元件(28)，非接触输入装置借助于光成像单元(13)将来自指示构件(34)的反射光作为第二实像(35)形成于显示器(11)上，并通过光传感器(26)检测第二实像(35)的位置。

Description

非接触输入装置及方法
技术领域
本发明涉及在空中形成实像且能够一边观察该实像(例如，触控面板像)一边通过指示构件(例如，手指)的操作来进行信号输入的非接触输入装置及方法(即，以非接触的方式来检测再现图像的指示位置的装置及方法)。
背景技术
一直以来，已知这样的技术：在显示器(显示屏)上显示图像，当用手指按图像的特定位置时，通过压敏传感器等检测按压部分的XY坐标，并根据该输入信号进行接下来的动作(例如，参照专利文献1)。
另外，如专利文献2所记载那样，也提出了如下的方案：在显示器的正上方沿XY轴并行地排列多个发光元件和受光元件而形成矩阵，在用手指、笔等障碍物触摸显示器的表面的情况下，该障碍物横切矩阵，从而检测出与显示器抵接的位置。
另一方面，在专利文献3中提出了如下的方法及装置：使用光成像单元，将显示器的图像和使红外线在显示器表面漫反射而成的图像同时作为再现图像而在空中显示，并利用二维红外线照相机来检测触摸再现图像的指示构件的位置，从而检测出再现图像的指示位置，其中，所述光成像单元是以如下方式形成的：使在透明平板的内部平行且隔开一定间隔地分别排列有多个第一、第二平面光反射部而成的第一、第二光控制面板，以第一、第二平面光反射部在俯视图中成为垂直状态的方式抵接或者接近配置。
另外，如专利文献4所记载那样，还提出了如下的装置：使光传感器内置于构成液晶面板的晶体管形状面中，来识别手指在液晶表面上进行的多次触摸或者触摸笔的移动形状。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-39745号公报
专利文献2：日本特开2000-56928号公报
专利文献3：日本特许第5509391号公报
专利文献4：日本特开2011-29919号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1、2所记载的触控面板中，为这样的结构：存在平面状的显示器，在显示器中显示特定的平面图像，按压该显示器上的特定的位置，并能够检测输入位置。因此，在用手指、笔等按压图像的情况下，必须与显示器面或者触控面板面接触或者碰撞，有时候会弄脏显示器等或者给显示器带来损伤。
在专利文献3中，除了显示器之外，还需要红外线的发生单元(红外线光)、红外线的漫反射面以及红外线照相机，装置结构变得更复杂。另外，因为红外线发生单元、红外线照相机被配置在与显示器和光成像单元不同的位置，因此存在需要设置空间这一问题。并且，因为在显示器的正面侧设置红外线的漫反射面，因此存在显示器的光的一部分被吸收的问题。而且，在专利文献3中，由于使用了光成像单元，因此，虽然没有如透镜那样用于成像的焦点距离，但是，尤其在使用红外线照相机的情况下，需要选定设置位置并进一步进行针对影像的焦点(中心)调整。
在专利文献4中，提出了具有带背光源的液晶面板和利用反射光检测触摸到液晶面板这一情况的光传感器的光学式触控面板，但触控面板不是空中成像式。
而且，虽然在ATM等中也使用触控面板，其中该触控面板使用了显示器，但因为不确定的大量的人接触画面，因此不卫生，在防止接触感染方面不是有效的。
另外，当朝向显示器照射光时，其反射光从显示器辐射，有时候难以看清显示器。
本发明就是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种非接触输入装置及方法，其中，使形成的图像成为不是来自其它光源的反射光的空间图像，通过手指、指示棒、触摸笔等指示构件来指示该空间图像的特定位置并检测该位置，即使不与显示器进行物理上的接触也能够进行信号输入。
用于解决课题的手段
依据所述目的的本发明的非接触输入装置具有光成像单元和隔开距离地设置于该光成像单元的一侧的显示器，在所述光成像单元中，俯视时交叉的第一微小反射面和第二微小反射面分别在同一平面上立起地配置有多个，所述光成像单元通过对应的所述第二微小反射面接收来自各所述第一微小反射面的第一反射光而形成第二反射光，所述非接触输入装置使所述显示器的图像作为第一实像形成于所述光成像单元的另一侧，并对接触该第一实像的指示构件的图像位置进行光学检测，其中，在所述显示器的正面具有光传感器，在所述光传感器中并排地设置有仅检测来自正面侧的光的传感器元件，所述非接触输入装置借助于所述光成像单元将来自所述指示构件的反射光作为第二实像形成于所述显示器上，并通过所述光传感器检测该第二实像的位置。
在本发明的非接触输入装置中，优选的是，从所述显示器发出的光的一部分或者全部被进行了高频调制(例如，几千Hz～200兆Hz)。
另外，优选的是，从所述显示器发出的光包含红外线，各所述传感器元件是红外线传感器元件。
在此，优选使所述光传感器(红外线传感器)形成为片状。
并且，在本发明的非接触输入装置中，优选的是，在各所述传感器元件的背侧设置有非透光件。在所述传感器元件是可见光的光传感器元件的情况下，使用遮断可见光的非透光件，在所述传感器元件是红外线传感器元件的情况下，使用遮断红外线的非透光件。
另外，依据所述目的的本发明的非接触输入方法使用光成像单元和隔开距离地设置于该光成像单元的一侧的显示器，在所述光成像单元中，俯视时交叉的第一微小反射面和第二微小反射面分别在同一平面上立起地配置有多个，所述光成像单元通过对应的所述第二微小反射面接收来自各所述第一微小反射面的第一反射光而形成第二反射光，在该非接触输入方法中，使所述显示器的图像作为第一实像形成于所述光成像单元的另一侧，并对接触该第一实像的指示构件的图像位置进行光学检测，其中，在所述显示器的正面设置有光传感器，在所述光传感器中并排地设置有(仅)检测来自正面侧的光的传感器元件，使接触所述第一实像的所述指示构件的图像作为第二实像形成于所述显示器的正面，并通过所述光传感器检测所述第二实像的位置。
并且，在本发明的非接触输入方法中，优选的是，从所述显示器发出的光包含红外线，各所述传感器元件是红外线传感器元件。
发明效果
在本发明的非接触输入装置及非接触输入方法中，在显示器的正面具有光传感器，在该光传感器中并排地设置有仅检测来自正面侧的光的传感器元件，借助于光成像单元将来自指示构件的反射光作为第二实像形成于显示器上，并通过光传感器检测第二实像的位置，因此不具有特别的红外线发生单元和红外线照相机等，能够比较简单地检测出指示构件的位置。
另外，光成像单元与透镜(照相机)不同，不具有特别的焦点距离，因此即使显示器的位置改变，指示构件的图像也在原来的显示器上成像，能够更准确地检测出指示构件(例如，手指、笔尖等)的位置。
特别地，在本发明的非接触输入装置及非接触输入方法中，在从显示器发出的光包含红外线且光传感器的传感器元件是红外线传感器元件的情况下，利用无法目视的红外线能够检测出指示构件的位置。
另外，在本发明的非接触输入装置中，在光传感器形成为片状的情况下，具有光传感器的显示器的制造变得容易，也能够采用通常的显示器。而且，在使用可见光来作为光的情况下，能够直接将以往的“光传感器液晶垫(pad)”用于显示器。在这种情况下，优选在传感器元件的背侧配置非透光件，使传感器元件仅检测来自正面侧的光。此外，在使光传感器形成为片状并载置于显示器上的情况下，可以是与显示器分体的结构。
关于由片状的光传感器接收的第二实像，根据各传感器元件的受光数据而求出进行了寻找重心位置等运算处理的指示构件(例如，指尖)的位置。
在此，在将显示器的图像设为键盘等情况下，优选在各个键盘的中心设置特别的光线图像(例如，射光圈)。由此，光传感器的位置也能够与光线图像一致，从而提高检测精度。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的非接触输入装置的说明图。
图2是用于该非接触输入装置的光成像单元的说明图。
图3的(A)、(B)分别是用于该非接触输入装置的显示器的说明图。
具体实施方式
接着，参照附图对使本发明具体化的实施例进行说明。
如图1所示，本发明的一个实施例的非接触输入装置10具有平面状的显示器11和光成像单元13，该光成像单元13与显示器11具有例如30～60度的角度α，并且，该光成像单元13与显示器11分开地形成，使显示于显示器11的图像11a(参照图2)入射，并将显示器11的图像11a作为第一实像12成像于对称位置。此外，在此，作为显示器，除了通常的液晶显示器那样为平面板状的显示器之外，也可以使用在内部具有光源的立体状的显示器、或者如键盘那样仅在一侧具有凹凸的显示器，根据情况，还可以使用在内部具有光源(背光源)的广告牌(电光显示器等静止图像显示器)那样的显示器。特别地，静止图像可以是立体或者平面状的静止图像。
另外，在光成像单元13将透明塑料、玻璃等透明材料作为主要材料来使用的情况下，在光从空气中向透明材料入射并从透明材料向空气中射出时，产生由透明材料的材质所引起的折射，因此考虑折射角来确定显示器11的位置。此外，显示器相对于光成像单元的位置在某种程度上是自由的，不需要在使用透镜系统的情况下的对焦。
如图2所详细表示那样，光成像单元13具有以使一面侧抵接或者接近的方式配置的厚度分别是t1、t2(例如，0.1～5mm)的平板状的第一、第二光控制面板14、15。在第一、第二光控制面板14、15内部，多个带状的平面光反射部18、19以与一侧的面垂直的方式以一定的间距(p1、p2)并排形成。在此，第一、第二光控制面板14、15的立起设置的平面光反射部18、19在俯视图中交叉地(在本实施例中以垂直状态)配置。
第一、第二光控制面板14、15的平面光反射部18、19以外的部分由玻璃或者透明塑料等透明材料形成。该平面光反射部18、19由反射效率高的金属片、蒸镀金属、在中间部具有粘结剂层的金属片或者镜面片构成，优选使正反两面为反射面，即使在仅一面为反射面的情况下，本发明也适用。此外，关于光成像单元13的制造方法，例如在WO2009/131128A1等中有记载。另外，对于反射效率高的金属，例如存在铝、银、钛、镍、铬等。
通常，各平面光反射部18、19的间距p1、p2相同且第一、第二光控制面板14、15的厚度t1、t2相同在生产效率上是优选的，因此，以后，设定平面光反射部18、19的间距为p，设定第一、第二光控制面板14、15的厚度为t。当俯视这样的光成像单元13时，如图1的局部放大图所示，平面光反射部18、19交叉而形成多个正方形的框。这种情况下的一个框(即，一层的框)的纵横比γ(高度/宽度)为厚度(t)/间距(p)。纵横比γ为大约1～4.5，但为了通过一个平面光反射部18、19多次反射后获得更明亮的第一实像12，优选将纵横比γ设为2.5～4.5(更详细为，超过3且为4.5以下)。
通过第一、第二光控制面板14、15的一个框的部分形成了在俯视图中交叉的第一、第二微小反射面20、21。该第一、第二微小反射面20、21分别在同一平面上立起地配置有多个。因此，来自配置于光成像单元13的一侧的显示器11的光在位于近前侧(显示器11侧)的第一光控制面板14的各第一微小反射面20上反射(第一反射光)，进而在第二光控制面板15的对应的第二微小反射面21上反射(第二反射光)，从而在光成像单元13的另一侧形成第一实像12。该第一实像12形成于空间部，成为与形成于显示器11的图像11a相同的大小。此外，除了入射光和反射光仅在一个框中进行反射之外，还包括超越一个框进行反射的情况。
下面，参照图1、图3的(A)和(B)，对用于非接触输入装置10的显示器11进行说明。该显示器11基本上是液晶类型，其具有背光源24、液晶显示部25、作为光传感器的一例的片状的红外线传感器26以及正面的透明保护板28a。
优选的是，背光源24发出可见光，并且发出红外光，在这种情况下，优选向来自背光源24的光(一部分或者全部)施加高频调制。在背光源24分别具有发出可见光的发光单元A和发出红外光的发光单元B双方的情况下，也可以仅向发光单元B施加高频调制。此外，作为背光源24，可以使用发光二极管或荧光灯。另外，作为显示器，也可以使用例如有机或者无机的场致发光的显示器。
如图3的(A)和(B)所示，在设置于显示器11的正面的片状的红外线传感器26中，多个红外线传感器元件(传感器元件的一例)28呈格子状排列，且在上下配置有导线29、30。在红外线传感器元件28的背侧，设置有导电性或者非导电性的非透光件27，红外线传感器元件28仅检测来自正面侧的光。此外，25a表示透明片。
红外线传感器元件28和导线29、30透明，使得可见光和红外光良好地通过。该红外线传感器26仅对红外线产生反应而发生电动势。此外，作为红外线传感器元件，也可以使用对可见光和红外光产生反应的传感器，并在上部设置仅使红外线通过的滤光器。红外线传感器元件和导线的任意一方或者双方也可以是不透明的，在这种情况下，优选尽可能地使面积和宽度变窄来提高显示器的孔径比。
液晶显示部25为周知的结构，作为可见光的发光部的一部分的R(红)、G(绿)、B(蓝)滤色器并排地配置，在R、G、B滤色器各自的正下方配置有液晶单元，利用通过液晶单元进行了通断和亮度调整的来自背光源24的下部的光，进行可见光的发光。因此，利用该液晶显示部25显示出规定形状(例如，键盘等)的图像11a。
本发明也可以应用于并排地使用了R、G、B(或者其它颜色)发光二极管来作为显示器的结构中。也可以是，排列R、G、B发光二极管和红外线传感器作为一个块，显示器是将该块呈平面状排列而成的。
在此，在使用可见光来作为光并使用可见光的光传感器的情况下，也可以在排列成平面状的各块上设置红外线遮断片。
在不能从显示器发出充分强度的红外线的情况下，也可以在光成像单元13的另一侧配置红外线的照明器32，该照明器32对形成显示器11的图像11a的第一实像12的整个范围进行照明。形成为这样的结构：对来自该照明器32的光(红外线)设置遮光罩(反射器)，使光线不向红外线传感器26和光成像单元13入射。对来自该照明器32的光进行高频调制以与自然光进行区别。当然，在红外线传感器接收被高频调制后的红外线并进行信号处理的情况下，在其控制电路中具有过滤电路，其中，所述过滤电路仅将通过红外线传感器元件28入射的光(被转换成电信号)中的特定的频率(高频)作为信号输入。
接着，对使用了非接触输入装置10的非接触输入方法进行说明。
如图1所示，将光成像单元13配置于规定的位置，在光成像单元13的一侧配置显示器11。在该显示器11上显示例如触控面板的图像11a，例如能够利用切换开关等变换成任意的图像。因为显示器11发光，因此，其光线通过光成像单元13，由此在以光成像单元13为中心的对称位置处再现形成于显示器11的图像11a的第一实像12。
在这种情况下，第一实像12形成于空间，即使改变显示器11的位置，第一实像12也不会模糊，能够再现鲜明的图像。当作为指示构件的一例的手指34接触该第一实像12时，来自显示器11的光(红外线)被照射到手指34上，来自手指34的反射光(手指34的图像)经由光成像单元13作为第二实像35成像于显示器11上。此外，r1～r4表示来自手指34的反射光。
因为该第二实像35成为鲜明的图像，因此利用红外线传感器26对其位置进行光学检测。由此，能够鲜明地识别出手指34压住了第一实像12的哪个部分。该第二实像35与显示器11的位置无关地成为鲜明的图像。另外，在图1中，θ表示指示构件(手指34)与第二实像35相对于光成像单元13对称。此外，在此，在来自显示器11的光不发出具有固定值以上的亮度的红外线的情况下，优选使用红外线的照明器32。
第二实像35的位置通过下述方式识别：检测片状(平面状)的红外线传感器26的哪个红外线传感器元件28接收了光线，并对检测到的数据进行图像处理。
在以上的实施例中，作为检测实像的光，使用了无法目视的红外线，但即使是可见光，也能够应用本发明。在这种情况下，通过向可见光施加高频调制，能够与干扰光区别开。在此，也能够将光传感器设为可见光传感器，并组装于R、G、B的发光部的块中。
优选在这种情况下的各传感器元件的背面设置遮光部件，而仅检测来自显示器的正面侧的光。优选使传感器元件和与其连结的导线是透明的，但即使是非透光的，也能够应用本发明。另外，在不使用红外光的情况下，可以是通常的液晶面板，但也可以使用发出规定颜色的发光二极管组。
本发明不限于以上的实施例，例如，显示器的图像也可以是黑白图像而不是彩色图像。
另外，在本发明中，显示器中不仅仅显示图像，也包括显示被照光或者透光而成的实物像等的显示器。即，作为显示器，在如通常的广告牌那样使用透光性的部件(平面部件、曲面部件)的情况下，可以在各传感器元件的背侧设置遮光部件，也可以使用传感器元件仅检测来自正面侧的光(可见光或者红外光)的显示器。
本发明也适用于组合以上说明的各构成要素来形成非接触输入装置的情况。
另外，传感器片可以是能够与显示器分离的结构、或者接合结构。
产业上的可利用性
如果将本发明的非接触输入装置及方法(以非接触的方式来检测再现图像的指示位置的装置及方法)利用于各种机械的操作盘，则能够使具有操作按钮的操作盘(例如，键盘、触控面板)的再现图像显示于空间中，当按下再现图像的操作按钮时，能够获得输入信号。因此，本发明的非接触输入装置及方法不仅能够用于工厂的机械操作盘，还能够最适用于便携电话、电脑、汽车、船等的触控面板。
标号说明
10：非接触输入装置；11：显示器；11a：图像；12：第一实像；13：光成像单元；14：第一光控制面板；15：第二光控制面板；18、19：平面光反射部；20：第一微小反射面；21：第二微小反射面；24：背光源；25：液晶显示部；25a：透明片；26：红外线传感器；27：非透光件；28：红外线传感器元件；28a：透明保护板；29、30：导线；32：照明器；34：手指；35：第二实像。

Claims (5)

1.一种非接触输入装置，其具有光成像单元和与该光成像单元具有30度～60度的角度且隔开距离地设置于该光成像单元的一侧的显示器，在所述光成像单元中，俯视时交叉的第一微小反射面和第二微小反射面分别在同一平面上立起地配置有多个，所述光成像单元通过对应的所述第二微小反射面接收来自各所述第一微小反射面的第一反射光而形成第二反射光，所述非接触输入装置使所述显示器的图像作为第一实像形成于所述光成像单元的另一侧，并对接触该第一实像的指示构件的图像位置进行光学检测，其特征在于，
来自所述显示器的光包含红外光，
在所述显示器的正面具有红外线传感器，在所述红外线传感器中并排地设置有仅检测来自正面侧的红外光的红外线传感器元件，所述非接触输入装置借助于所述光成像单元将来自所述指示构件的反射光作为第二实像形成于所述显示器上，并通过所述红外线传感器检测该第二实像的位置。
2.根据权利要求1所述的非接触输入装置，其特征在于，
从所述显示器发出的红外光的一部分或全部被进行了高频调制。
3.根据权利要求2所述的非接触输入装置，其特征在于，
所述红外线传感器形成为片状。
4.根据权利要求1所述的非接触输入装置，其特征在于，
在各所述红外线传感器元件的背侧设置有非透光件。
5.一种非接触输入方法，在该非接触输入方法中使用光成像单元和与该光成像单元具有30度～60度的角度且隔开距离地设置于该光成像单元的一侧的显示器，在所述光成像单元中，俯视时交叉的第一微小反射面和第二微小反射面分别在同一平面上立起地配置有多个，所述光成像单元通过对应的所述第二微小反射面接收来自各所述第一微小反射面的第一反射光而形成第二反射光，在该非接触输入方法中，使所述显示器的图像作为第一实像形成于所述光成像单元的另一侧，并对接触该第一实像的指示构件的图像位置进行光学检测，其特征在于，
来自所述显示器的光包含红外光，
在所述显示器的正面设置有红外线传感器，在所述红外线传感器中并排地设置有检测来自正面侧的红外光的红外线传感器元件，使接触所述第一实像的所述指示构件的图像作为第二实像形成于所述显示器的正面，并通过所述红外线传感器检测所述第二实像的位置。
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