УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ СЕНСОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2013 года по МПК G06F3/42 

Предлагаемое изобретение относится к технике оптико-электронных измерительных систем и устройств ввода информации в компьютерные системы и системы управления. С помощью данного устройства сенсорная поверхность может быть организована в тех местах, где использование известных систем затруднено или вообще невозможно.

Известен ряд устройств подобного назначения. Например, в патенте США №7006236 В2 от 28.02.2006 г. предлагается устройство, создающее виртуальную сенсорную поверхность, касание которой в определенных местах эквивалентно нажатию кнопок. Данное устройство содержит телевизионную камеру, оптически сопряженный с ней источник структурированного освещения и вычислительное устройство. Введение пальца в создаваемый источником структурированного освещения поток излучения, регистрируется телевизионной камерой. Вычислительное устройство обрабатывает видеоинформацию, поступающую с телевизионной камеры, и определяет координаты точки касания пальца с потоком структурированного излучения.

Известно также устройство (WO 2006/025891 А2), в котором предлагается, среди всего прочего, использование в автомобиле сенсорной панели, закрепляемой на руле и позволяющей распознавать определенные жесты водителя, для чего он должен, естественно, соприкасаться пальцами руки с этой панелью.

Наиболее близким по техническому решению является патент РФ №2278423 от 15.10.2004 г. на «Устройство для интерактивной локализации объектов» (прототип). В этом устройстве используются два источника подсветки (излучатели) и оптически сопряженный с ними фотоприемник, представляющий собой линейку фоточувствительных элементов, причем фотоприемник охватывает часть периметра контролируемой поверхности. Пересечение оптических потоков излучателей с чувствительной поверхностью фотоприемника и образует поверхность «виртуальной клавиатуры».

Кроме того, в устройство входит вычислительное устройство, осуществляющее управление излучателями, ввод информации с линейки фотоприемников и определение координат точки пересечения пальцем потока излучений, создаваемых излучателями.

Алгоритм работы вычислительного устройства основан на определении центров теней на поверхности линейного фотоприемника, создаваемых при поочередном включении излучателей, и дальнейшем определении координат точки пересечения 2-х линий, соединяющих центр теней с оптическим центром соответствующего излучателя.

Недостатком перечисленных систем является необходимость размещения фотоприемных устройств (телевизионных камера, фототранзисторы или фотодиоды) в непосредственной близости от сенсорного поля. В случае использования телевизионной камеры есть вероятность нарушения работы системы из-за паразитных засветок и бликов. Использование Touchpad-a, закрепляемого на рулевом колесе автомобиля, ухудшает его эргономику и затрудняет управление.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение устройства и повышение надежности.

Для этого в известное устройство, содержащее первый и второй излучатели, массив, содержащий N оптических приемников и вычислительное устройство, входы которого связаны с выходами каждого из N оптических приемников, а выходы подсоединены к первому и второму излучателям, дополнительно вводятся N приемных световодов, первый торец каждого из которых оптически связан с одним из оптических приемников, а второй торец расположен вдоль линии, находящейся в одной плоскости с оптическими центрами первого и второго излучателей и оптически сопряжен с ними, при этом сенсорная поверхность устройства представляет собой плоскость, образуемую пересечением пучков излучения от первого и второго излучателя со вторыми торцами N оптических волокон, а вычислительное устройство осуществляет поочередное включение одного из двух излучателей, ввод сигналов с каждого из N фотоприемников последовательно при первом и при втором включенном излучателе и рассчитывает координаты точки пересечения пальцем оператора сенсорной поверхности.

Данное техническое решение позволяет организовать сенсорную поверхность в ранее недоступных местах, например в районе верхнего сектора рулевого колеса автомобиля.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства,

где:

1, 2 - излучатели,

3¹…3^N - световоды,

4¹…4^N - фотоприемники,

5 - вычислительное устройство,

6 - сенсорная поверхность.

Устройство функционирует следующим образом.

Вычислительное устройство 5 осуществляет поочередное включение одного из 2-х излучателей 1 и 2. В их качестве могут использоваться светодиоды ИК-диапазона.

Эти излучатели формируют потоки Ψ₁, Ψ₂ соответственно, при этом часть потоков, формируемых излучателями 1 и 2, которая охватывает вторые торцы приемных световодов 3¹…3^N и обозначаемая $${\Psi }_1^S$$ , $${\Psi }_2^S$$ соответственно, образует при их пересечении некий объем, т.е. геометрически:

$$СП={\psi }_1^S{\displaystyle \cap {\psi }_2^S}$$ ,

где:

СП - объем пространства, занимаемый сенсорным полем, в котором регистрируется нахождение пальца оператора.

Максимальная протяженность этого объема в направлении, в котором должно происходить его пересечение пальцем оператора, равна диаметру торца световода, и может составлять доли миллиметра. Плоскость же, ограничивающая этот объем и обращенная в сторону оператора, образует сенсорную поверхность 6.

Сказанное иллюстрирует фиг.2, где:

1, 2 - излучатели,

Ψ₁, Ψ₂ - световые потоки, формируемые излучателями 1 и 2,

$${\Psi }_1^S$$ , $${\Psi }_2^S$$ - световые потоки, пересечение которых формирует сенсорную поверхность 6,

6 - сенсорная поверхность,

3¹…3^N - приемные световоды,

Ω - входная апертура приемных световодов,

D - диаметр световодов,

П - палец оператора,

П¹ - область затенения 1-го излучателя,

П² - область затенения 2-го излучателя.

При отсутствии на пути потоков, $${\Psi }_1^S$$ $${\Psi }_2^S$$ каких либо препятствий, попавшие в входную апертуру Ω приемных световодов 3¹…3^N излучения, последовательно, при поочередном включении излучателей 1 и 2, передаются к фотоприемпикам 4¹…4^N. При пересечении пальцем сенсорной поверхности 6 происходит перекрытие части излучений $${\Psi }_1^S$$ $${\Psi }_2^S$$ , при этом происходит затенение определенных торцов приемных световодов и, следовательно, изменение величин сигналов, вырабатываемых соответствующими фотоприемниками.

На фиг.2 приведена ситуация, когда при включении излучателя 1 и пересечении пальца П сенсорной поверхности 6 возникает затенение зоны П¹, а при включении излучателя 2 - затенение зоны П². При этом происходит уменьшение величины сигналов фотоприемников, находящихся в соответствующих зонах.

Вычислительное устройство 5 определяет группы фотоприемников, на которые перестает попадать излучение и вычисляет для каждой из них номер центрального элемента затененного участка (например i при включенном 1-м излучателе и j при включенном 2-м).

Далее определение координат объекта производится следующим образом.

Вычислительное устройство 5, по номерам i и j, выбирает из записанных в его память констант, соответствующие этим номерам координаты торцов световодов (относительно некоторой системы координат 0XY)-(Xⁱ, Yⁱ), (X^j, Y^j). Принимая, что координаты точечных источников излучения 1, 2 в системе $$0XY-(X_1^R,Y_1^R)$$ , $$(X_2^R,Y_2^R)$$ соответственно, уравнения прямых, проходящих через точки (Xⁱ, Yⁱ), ( $$X_1^R$$ , $$Y_1^R$$ ) и (X^j, Y^j), ( $$X_2^R$$ , $$Y_2^R$$ ) в представим в виде системы 1:

1) $$\frac{Y-Y^i}{Y_1^R-Y_i}=\frac{X-X^i}{X_1^R-X^j}$$ ;

$$\frac{Y-Y^i}{Y_2^R-Y^j}=\frac{X-X^j}{X_1^R-X^j}$$ .

Координаты центра сечения пальца затенившего соответствующие торцы световодов, определяются как точка пересечения этих прямых, т.е. как решение системы уравнений 1, относительно X, Y.

На фиг.3 приведен второй вариант функциональной схемы устройства, где:

7, 8 - осветительные световоды.

В этой схеме излучения, требуемые для его создания сенсорной поверхности, формируются с помощью осветительных световодов 7 и 8, первый торец которых оптически связан с излучателем, а второй - оптически сопряжен со вторыми торцами приемных световодов.

Функционирования устройства в данном случае осуществляется аналогично схеме, описанной выше. Т.е. при последовательном включении 1-го и 2-го излучателей, часть оптических потоков, исходящих из световодов 7 и 8, и падающая на вторые торцы приемных световодов 3¹…3^N регистрируется фотоприемниками 4¹…4^N, сигналы с которых поступают на вход вычислительного устройства 5. Причем алгоритм его работы в этом случае остается прежним, а именно - поочередное включение излучателей 1 и 2, ввод значений сигналов с выходов фотоприемников 4¹…4^N и расчет пространственных координат пальца оператора по формуле 1, в случае если он пересекает сенсорную поверхность.

8 качестве массива фотоприемников в предлагаемом устройстве может использоваться ПЗС либо КМОП фотоприемные матрицы. При этом торцы приемных световодов должны находиться в одной плоскости и быть оптически связанными со светочувствительной поверхностью фотоприемной матрицы, причем требуется, чтобы каждый из торцов перекрывал не менее одного ее пикселя.

Функциональная схема устройства, реализующего данную формулу, изображена на фиг.4, где:

9 - фотоприемная матрица.

При этом вычислительное устройство должно осуществлять ввод видеоинформации при включенном излучателе 1, а затем при включенном излучателе 2, т.е. осуществлять ввод величины сигналов каждого пикселя, образующего фоточувствительную поверхность матрицы. При прохождении пальца оператора сквозь сенсорную поверхность видеосигнал, в соответствующих пикселях, уменьшается. Аналогично, как и в случае использования дискретных фотоприемников, вычислительное устройство по номерам не засвеченных пикселей определяет номера не засвеченных торцов приемных световодов, и далее по формуле 1 расчет координат X, Y пальца оператора.

Используя цветную, либо 2-спектральную фотоприемную матрицу, можно исключить необходимость поочередного включения излучателей 1 и 2. Для этого используются излучатели, работающие в двух спектральных диапазонах, например в «синем» (B) и «красном» (R), с максимумами в области 470 nm и 610 nm соответственно, лежащими в спектральных диапазонах субпикселей, составляющих каждый пиксел цветной фотоприемной матрицы (например типа ICX413AQ фирмы Sony [4]).

Функциональная схема данного варианта исполнения устройства приведена на фиг.5, где:

10 - двухспектральный (цветной) матричный фотоприемник.

При этом анализируя первую цветовую (например R) составляющую видеосигнала, представляющего состояния соответствующих субпикселей, можно определить координаты незасвеченных торцов световым потоком первого излучателя (например «красного»), а анализируя вторую цветовую (например В) составляющую - определить координаты незасвеченных торцов световым потоком второго излучателя (например «синего»). Далее по описанному выше алгоритму работы вычислителя 5 можно определить координаты пальца, пересекшего сенсорную поверхность 6.

В случае, если общий диаметр пучка приемных световодов 3¹…3^N имеет величину, не позволяющую оптическое соединение с фото приемной матрицей 9 или 10, между плоскостью, в которой располагаются вторые торцы приемных световодов и фотоприемной матрицей, должна быть размещена фокусирующая линза, осуществляющая построение изображения общего торца жгута на фотоприемной поверхности матрицы. Сказанное иллюстрируется на фиг.6, где:

11 - жгут объединяющий приемные световоды,

12 - общий торец жгута,

13 - фокусирующая линза.

Вычислительное устройство может быть выполнено на базе производительного процессора, ориентированного на потоковую обработку видеоинформации, например типа TMS320DM8148 на основе технологии DaVinci [5]. Кроме того, в случае использования телевизионной камеры, имеющей стандартный USB интерфейс, она может быть подключена непосредственно к персональному компьютеру, на котором и будут реализованы вычисления координат пальца оператора.

Литература.

1 - Патент США №7006236 В2 от 28.02.2006 г.

2 - Международный патент № WO 2006/025891 А2.

3 - Патент РФ №2278423 от 15.10.2004 г. (прототип).

4 - Diagonal 28.40 mm (Type 1.8) Frame Readout CCD Image Sensor with Square Pixel for Color Cameras. Справочный материал фирмы Sony.

5 - http://www.ti.com/lsds/ti/dsp/platform/davinci/device.page.

Изобретение относится к технике оптико-электронных измерительных систем и устройств ввода информации в компьютерные системы и системы управления. Техническим результатом является обеспечение упрощения устройства и повышения надежности устройства. Устройство для создания сенсорной поверхности содержит первый и второй излучатели, массив, содержащий N оптических приемников, вычислительное устройство и N приемных световодов, первый торец каждого из которых оптически связан с одним из оптических приемников, а второй торец расположен вдоль линии, находящейся в одной плоскости с оптическими центрами первого и второго излучателей и оптически сопряжен с ними, при этом сенсорная поверхность устройства представляет собой плоскость, образуемую пересечением пучков излучения от первого и второго излучателя со вторыми торцами N оптических волокон, а вычислительное устройство осуществляет поочередное включение одного из двух излучателей, ввод сигналов с каждого из N фотоприемников последовательно при первом и при втором включенном излучателе и рассчитывает координаты точки пересечения пальцем оператора сенсорной поверхности. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для создания сенсорной поверхности, содержащее первый и второй излучатели, массив, содержащий N оптических приемников и вычислительное устройство, входы которого связаны с выходами каждого из N оптических приемников, а выходы которого подсоединены к первому и второму излучателям, отличающееся тем, что дополнительно содержит N приемных световодов, первый торец каждого из которых оптически связан с одним из оптических приемников, а второй торец расположен вдоль линии, находящейся в одной плоскости с оптическими центрами первого и второго излучателей, и оптически сопряжен с ними, при этом сенсорная поверхность устройства представляет собой плоскость, образуемую пересечением пучков излучения от первого и второго излучателя со вторыми торцами N оптических волокон, а вычислительное устройство осуществляет поочередное включение одного из двух излучателей, ввод сигналов с каждого из N фотоприемников последовательно при первом и при втором включенном излучателе и рассчитывает координаты точки пересечения пальцем оператора сенсорной поверхности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит два осветительных световода, причем первый торец каждого из них оптически связан с одним из излучателей, а второй торец оптически сопряжен со вторыми торцами N приемных световодов, при этом сенсорная поверхность образуется пересечением пучков излучений, исходящих из вторых торцов осветительных световодов, со вторыми торцами N приемных световодов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый из N оптических приемников представляет собой, по меньшей мере, один фоточувствительный пиксел единого матричного фотоприемника, а вторые торцы всех приемных световодов располагаются в одной плоскости, оптически связанной с этим матричным фотоприемником, при этом его выход подключен ко входу вычислительного устройства, причем вычислительное устройство осуществляет ввод состояния пикселей матричного фотоприемника при одном, а затем при другом включенном излучателе и рассчитывает координаты точки пересечения пальцем оператора сенсорной поверхности.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что каждый пиксел матричного фотоприемника состоит, по крайней мере, из двух цветовых субпикселей с различающимися спектральными чувствительностями, соответствующими спектрам первого и второго излучателей, причем эти излучатели включены постоянно, а вычислительное устройство вводит состояния цветовых субпикселей матричного фотоприемника и рассчитывает координаты точки пересечения пальцем оператора сенсорной поверхности.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что между торцами приемных световодов и фотоприемной матрицей располагается оптически сопряженная с ними фокусирующая линза.