用于觸摸屏的帶有微結構的導光管的設計
韋曉娜，楊波，陸侃，劉鵬飛
（上海理工大學光學與電子信息工程學院影像光學儀器研究所，上海200093）

摘要：利用激光二極管作為光源，對紅外觸摸屏的原始結構加以改進，用激光和導光管的組合來取代單排發光二極管，設計了一種具有微結構的導光管．導光管采用ＰＭＭＡ材料，其折射率ｎ2＝1.49，在全反射的條件下，導光管微結構的幾何參量通過解方程的方式獲取．分別建立了導光管的光學和機械模型，建模結果表明，本文所提出的觸摸屏的設計方法能夠改善傳統紅外觸摸屏存在的分辨率低、觸摸方式受限制和易受環境干擾而誤動作等技術上的局限，同時徹底改善了原始紅外觸摸屏的性能，從而克服技術和物理規律限制，滿足紅外觸摸屏的提高分辨率和實現大尺寸的要求．

關鍵詞：導光管；微結構；光學設計；激光觸摸屏；分辨率

中圖分類號：0434.3　　　　文獻標識碼：Ａ　

0　引言

    光學觸摸技術誕生于20世紀70年代．由于其巨大的市場應用價值，觸摸屏技術一直得到相關技術人員相當程度的關注，并處于持續穩定的發展狀態．紅外觸摸屏屬于光電器件分析設計領域，是一種特殊的計算機外設，人們可以利用它方便、簡單、自然的輸入信息，無論是控制還是查詢信息，完全不懂電腦的人也可以上來就操作電腦．紅外觸摸屏在我國的應用范圍非常廣闊，主要用于公共信息的查詢，如電信局、稅務局、銀行、電力、城市街頭信息等業務查詢；也可作為完整的人機界面平臺，取代鼠標、書寫板甚至鍵盤，應用于領導辦公、工業控制、軍事指揮、電子游戲、點歌點菜、多媒體教學、房地產預售等．

    從觸摸屏的發展歷程來看，主要的進步是沿著提高分辨率和對強光干擾環境適應能力兩個方面進行的．然而，傳統的光學觸摸系統在顯示屏的一對邊框內應用一整排紅外（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ），并在各自相對的邊框內用光電探測器來接收光信號，從而形成相應的光學探測系統進而可以檢測出一個觸摸事件．隨著光學觸摸技術的發展，每一個對應的光電探測器可以接收不止一個ＬＥＤ所發出的光，從而使得控制端可以實現對屏幕固有殘渣造成的光損耗進行補償．本文設計了一種具有微結構的導光管．采用激光二極管作為光源，對紅外觸摸屏的原始結構加以改進，用激光二極管和導光管的組合來取代單排ＬＥＤ，從而實現紅外觸摸屏的提高分辨率和實現大尺寸的要求．

1　導光管設計方法

    紅外線觸摸屏的觸控原理是在顯示器上加上光點距架框，光點距架框的四邊排列紅外線發射管及接收管，在屏幕表面形成一個紅外線網．以手指觸摸屏幕某一點，便會擋住經過該位置的橫豎兩條紅外線，計算機便可即時算出觸摸點位置．不過，由于只是在普通屏幕增加了框架，在使用過程中架框四周的紅外線發射管及接收管很容易損壞．而且發射、接收管排列有限，分辨率不高．本文設計了一種新型紅外線發射系統，替代傳統的紅外線發光二極管陣列，有效地簡化了紅外觸摸屏的物理結構，對于提高系統分辨率也有相應的幫助．

1.1　導光管結構設計

     導光管采用楔形結構，僅有3個表面，其中右側表面加入三角形紋理結構，具體參量尺寸如圖1．設計中利用了全反射原理，得到光楔頂角和微結構角度之間的關系，其中導光管采用ＰＭＭＡ 材料，折射率ｎ2＝1．49．當θ＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ1／ｎ2）＝ａｒｃｓｉｎ（1／1．49）＝42．16°時發生全反射，為使得光線能水平出射，微結構斜邊與垂直方向之間夾角必須為45°，即微結構斜邊與導光管右側表面之間夾角為45°大于臨界角42．16°，所以不會發生全反射現象．

 

1．2　導光管微結構的優化設計

    為了提高紅外觸摸屏的分辨率，使出射光線是一條連續的直線，充分確保光線發射通道，要求發射模塊與接收模塊對準誤差，導光管的出射光線之間間隔必須保持在0．5ｍｍ 之內．設計中要求各個紅外管對準性能完全一致，在一定的紅外管對準性能誤差下，必須保證垂直入射至每個微結構傾斜表面的入射點離開微結構三角形頂點的距離大于
0．1ｍｍ，導光管下端截面寬度大于3ｍｍ．

1．3 對光線入射角的控制

    當一束激光放在凸透鏡的焦點處時，光線經過凸透鏡發出平行光束，平行光束透過導光管上端截面垂直入射進來，打在導光管右側表面上，平行光束經過導光管右側表面微結構發生反射現象，最終出射光線成一直線，水平向左出射．

1．4 紅外觸摸屏應用

    微結構陣列紅外線導光管（或稱光楔）是一個下底長度10ｍｍ，上底3ｍｍ，高350ｍｍ的直角梯形，在此基礎上給它若干厚度形成的一個梯形臺，設計中取厚度為5ｍｍ．在直角梯形斜邊所在的面上均勻鑿刻了613個三角錐槽，三角錐起到反射紅外線的作用．它將垂直前表面入射的紅外線以90°垂直反射到屏幕上，圖２、圖３為改進前紅外觸摸屏與改進后紅外觸摸屏結構對比圖．

圖２　改進前的紅外觸摸屏
 

圖３　改進后的紅外觸摸屏
 

２　導光管實體建模與光路模擬

    采用Ｌｉｇｈｔ　Ｔｏｏｌｓ軟件對光路進行光學性能的模擬與檢驗．首先，用Ｌｕｍｉｌｅｄｓ生產的白光ＬＥＤ，典型電流為７００ｍＡ，額定功率為３ Ｗ，光通量為
８０ｌｍ，發散角度為１２０°并對其光電特性進行了均勻性篩選，選用其中匹配性較好的ＬＥＤ作為系統光源．利用軟件中自帶的３Ｄｏｂｊｅｃｔｓ工具制作一個長３５０ｍｍ，寬１０ｍｍ，厚度５ｍｍ的長方體，用布朗運算切除長方體的一部分，得到光楔實體的初步解（不帶微結構的）．

    設計中要求通過導光管上表面的光束為一束平行光，光源放在凸透鏡的焦點處．從凸透鏡焦點處發出的光線經過凸透鏡后形成一束平行光，垂直透過導光板上表面．不同光源尺寸放在凸透鏡的焦點處發射出的光線經凸透鏡的發散作用后都以平行光出射，因此LED尺寸大小不影響實際效果．綜合以上因素，在背光板右側表面上均勻鑿刻了６１３個三角錐槽，導光管的出射光線之間間隔必須保持在０．５ｍｍ之內，圖４是利用Ｌｉｇｈｔ　Ｔｏｏｌｓ光學模擬軟件模擬得到的導光管結構圖，圖５是導光管光路示意圖，圖５是追加３　０００條光線得到的結果．

圖４　導光管右側表面微結構
 

圖５　對３０００條光線進行追跡的導光管光路
 

    結果表明：對于光線經導光管右表面微結構反射后的出射光線間距離（即反射后兩條光線的高度），當導光管采用ＰＭＭＡ 材料，其折射率ｎ２＝１．４９時，導光管的出射光線之間間隔為０．４７５ｍｍ，在規定要求的０．５ｍｍ之內．同時，垂直入射至每個微結構傾斜表面的入射點離開微結構三角形頂點的距離均大于０．１ｍｍ．實驗中用導光管取代紅外觸摸屏ＬＥＤ離散型分布，使其成為連續型出射光，由圖５可知，符合設計要求．圖６、圖７是利用ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ光學模擬軟件制作的紅外觸摸屏亮度和散點分布圖．

圖６　紅外觸摸屏亮度分布
 

圖７　紅外觸摸屏散點分布
 

    表１為在標準室溫２５°的工作環境下，運用美國正版Ｌｉｇｈｔ　Ｔｏｏｌｓ光學軟件進行光學實驗數據的采集結果，表中例舉了傳統結構的導光管與具有微結構的導光管的光通量與光照均勻度的數值．從表１及表２中可看出，隨著追擊光線數量的增加，光通量及均勻度均呈遞增的趨勢，且微結構導光管在光通量及均勻度上相比傳統的導光管有明顯的優勢，大大提高了出射光線的光照強度及均勻度．同時到光線數量達到７　０００條時，出光均勻度達到８０％以上，極大地提高了導光管技術，為今后導光管的更近一
步發展提供了一個有效的改進方案．

表１　傳統導光管光學透射參量
 

表２　微結構導光管光學透射參量
 

３　結論

    通過不斷優化的方法設計了帶有微結構的楔形導光管，采用激光二極管作為光源和具有微結構的導光管，對紅外觸摸屏的原始結構加以改進，用激光ＬＥＤ和導光管的組合來取代單排ＬＥＤ，使其成為連續型出射光，并且分別建立并模擬了導光管的導光光路和機械模型．該技術的實現克服了物理規律限制，可以滿足觸摸屏的高分辨率和大尺寸設計要求．