Результат интеллектуальной деятельности: ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СЕНСОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Предлагаемое оптическое устройство формирования сенсорной поверхности относится к технике оптических Touch-панелей и может применяться для ввода информации в компьютеры, банкоматы, а также для формирования интерактивных рекламных стендов.

Известен ряд устройств подобного назначения. Например, в патенте США №7006236 В2 от 28.02.2006 г. [1] 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, регистрируется телевизионной камерой. Вычислительное устройство обрабатывает видеоинформацию, поступающую с телевизионной камеры, и определяет координаты точки касания пальца с потоком структурированного излучения. В устройствах, предложенных в патентах США №6480187 от 12.11.2002 г. [2], №6492633 от 10.12.2002 г. [3], №6844539 от 18.01.2005 г. [4], №7522156 от 21.04.2009 г. [5], используются отражатель и два приемопередающих оптических модуля. При появлении на пути потоков, формируемых излучателями, входящими в состав приемо-передающих модулей пальца (стилуса), специализированный вычислитель, с помощью фотоприемников, входящих в состав приемо-передающих модулей, регистрирует угловые координаты пальца (стилуса).

Известно устройство для интерактивной локализации объектов [6], содержащее два излучателя и оптически сопряженный с ним приемник излучения, выполненный в виде линейчатого, содержащего множество фоточувствительных элементов, расположенных вдоль линии, охватывающей часть периметра «виртуальной клавиатуры», при этом пересечение потоков формируемых излучателями на поверхности приемника излучения обеспечивает создание виртуальной клавиатуры, а процессорное устройство поочередно включает один из двух излучателей и определяет координаты объекта. Это устройство наиболее близко по функциональной схеме к предлагаемому и является его прототипом. К его недостаткам можно отнести непрямоугольную форму сенсорной поверхности («виртуальной клавиатуры»), а также неэффективное использование оптических потоков, формируемых обоими излучателями, при котором в создании сенсорной поверхности используется лишь часть их излучений. Кроме того, необходимость связи линейки и излучателей с вычислителем (далее процессором) требует наличия сигнальных кабелей, что портит общую эргономику устройства, делает устройство немобильным, особенно в случае охвата им большой площади.

Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей, связанное с увеличением размера сенсорной поверхности, повышение разрешающей способности, повышение помехоустойчивости, введение свойства мобильности.

Для этого предлагается оптическое сенсорное устройство формирования сенсорной поверхности, содержащее первый и второй излучатели и оптически сопряженный с ним первый линейчатый приемник излучения, содержащий множество фоточувствительных элементов, выстроенных вдоль одной линии. В устройство также входит первый процессор, вход которого подключен к выходу первого линейчатого приемника излучения. Дополнительно в устройство введены третий и четвертый излучатели, подключенные к первому и второму выходам первого процессора, и второй линейчатый приемник излучения, оптически сопряженный с третьим и четвертым излучателями, подключенный к входу вновь введенного второго процессора. Кроме того, первый и второй излучатели подключены к первому и второму выходам второго процессора, причем третий и четвертый излучатели расположены так, что находятся в непосредственной близости с первым и последним фоточувствительными элементами первого линейчатого приемника излучения, а первый и второй излучатели расположены так, что находятся в непосредственной близости с первым и последним фоточувствительными элементами второго линейчатого приемника излучения. Кроме того, первый процессор является подчиненным, а второй главным, при этом они связаны друг с другом последовательной двухпроводной линией связи. Главный процессор управляет поочередным включением третьего и четвертого излучателей, при этом он посылает команду подчиненному процессору, на ввод информации со второго линейчатого приемника излучения, в момент включения третьего и четвертого излучателей. Кроме того, главный процессор дает команду подчиненному на поочередное включение первого и второго излучателей, вводя при этом состояние первого линейчатого приемника излучения. Таким образом, получив состояния первого и второго линейчатых приемников излучения, первый процессор определяет далее координаты пальца пользователя, пересекшего какую либо из пар оптических потоков первого, второго, третьего и четвертого излучателей.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где:

1, 2, 3, 4 - первый, второй, третий, четвертый излучатели соответственно,

5, 6 - первый и второй линейчатые приемники излучения,

7 - сенсорная поверхность,

8 - второй процессор,

9 - первый процессор,

10 - палец оператора.

На фиг. 2 приведена схема разбиения сенсорной поверхности 7 на 4 зоны, где:

α, β, γ, δ - зоны рабочей поверхности 7,

10_α - палец 10 оператора в зоне α,

10_β - палец 10 оператора в зоне β,

10_γ - палец 10 оператора в зоне γ,

10_δ - палец 10 оператора в зоне δ,

Ψ₁ - оптический поток излучателя 1,

Ψ₂ - оптический поток излучателя 2,

Ψ₃ - оптический поток излучателя 3,

Ψ₄ - оптический поток излучателя 4.

На фиг. 3 приведен пример электрической схемы линейчатого приемника излучения, где:

P₁…P_n - фототранзисторы,

DBus - шина сигналов с выходов фототранзисторов.

На фиг. 4 приведен пример практического исполнения линейчатого приемника излучения, где:

РСВ - печатная плата.

На фиг. 5 приведена оптико-геометрическая схема формирования теневых сегментов, где:

- теневые сегменты, образуемые пальцем 10,

0XY - система координат,

- координаты центров теней на поверхностях линейчатых приемников излучения,

- координаты оптических центров излучателей.

На фиг. 6 приведен пример формирования выходных сигналов фотоприемников, где:

u₁…u_n - сигналы фототранзисторов Р₁…P_n,

m - осевая оптическая линия линейчатого приемника излучения.

На фиг. 7 приведена временная диаграмма работы системы.

На фиг. 8 приведен алгоритм определения зоны нахождения пальца на поверхности 7.

На фиг. 9 приведена функциональная схем устройства, соответствующего 2-му пункту формулы изобретения, где:

20, 21 - первый и второй радиочастотные приемопередатчики.

На фиг. 10 приведена 3D-модель исполнения устройства в виде двух модулей.

Функционирование устройства формирования сенсорной поверхности осуществляется следующим образом.

Включение излучателей 1 и 2, согласно функциональной схеме фиг. 1, вызывает формирование оптических потоков Ψ₁ и Ψ₂, включение излучателей 3 и 4 вызывает формирование оптических потоков Ψ₃ и Ψ₄ и иллюстрируется на фиг. 2. Эти потоки падают на поверхности линейчатых приемников излучения 5 и 6 и регистрируются входящими в их состав фототранзисторами или фотодиодами. На фиг. 3 приведена электрическая схема выполнения линейчатых фотоприемников 5 и 6, а на фиг. 4 пример ее конструктивного исполнения. Необходимым условием применяемых там элементов Р₁…P_n является их достаточно широкий угол обзора, требуемый для приема излучений от оптически сопряженных к соответствующему линейчатому приемнику излучателей 1, 2, 3, 4. Сигналы, снимаемые с выходов P₁…P_n, образуют сигнальную шину данных - DBus, поступающую на вход главного процессора 8 для линейчатого приемника излучения 6 либо вход подчиненного процессора 9 для линейчатого приемника излучения 5.

Обозначим:

P(Ψ_i) - прямоугольная проекция потока Ψ_i на сенсорную плоскость 7,

P(Ψ_i)∩Р(Ψ_j) - пересечение проекций Р(Ψ_i) и P(Ψ_j).

Из фиг. 5 видно, что сенсорная поверхность 7 разбивается на четыре зоны - α, β, γ, δ. При этом зоны:

α≡P(Ψ₁)∩Р(Ψ₄);

β≡P(Ψ₃)∩Р(Ψ₄);

γ≡P(Ψ₂)∩Р(Ψ₃)

δ≡P(Ψ₁)∩Р(Ψ₂).

Видно, что:

- теневой сегмент образуется пальцем 9, находящемся в зоне α, при действии оптического потока Ψ₁,

- теневой сегмент образуется пальцем 9, находящемся в зоне δ, при действии оптического потока Ψ₁,

- теневой сегмент образуется пальцем 9, находящемся в зоне γ, при действии оптического потока Ψ₂,

- теневой сегмент образуется пальцем 9, находящемся в зоне δ, при действии оптического потока Ψ₂,

- теневой сегмент образуется пальцем 9, находящемся в зоне β, при действии оптического потока Ψ₃,

- теневой сегмент образуется пальцем 9, находящемся в зоне γ, при действии оптического потока Ψ₃,

- теневой сегмент образуется пальцем 9, находящемся в зоне β, при действии оптического потока Ψ₄,

- теневой сегмент образуется пальцем 9, находящемся в зоне γ, при действии оптического потока Ψ₄.

Координаты центров теней, формируемых теневыми сегментами на поверхностях линейчатых фотоприемников, при касании пальцем сенсорной поверхности 7 в зонах α, β, γ, δ, имеют вид:

- координата центра тени, формируемой четвертым излучателем на поверхности второго линейчатого приемника излучения 6,

- координата центра тени, формируемой третьим излучателем на поверхности второго линейчатого приемника излучения 6,

- координата центра тени, формируемой четвертым излучателем на поверхности второго линейчатого приемника излучения 6,

- координата центра тени, формируемой третьим излучателем на поверхности второго линейчатого приемника излучения 5,

- координата центра тени, формируемой вторым излучателем на поверхности первого линейчатого приемника излучения 5,

- координата центра тени, формируемой первым излучателем на поверхности первого линейчатого приемника излучения 6,

- координата центра тени, формируемой вторым излучателем на поверхности первого линейчатого приемника излучения 6,

- координата центра тени, формируемой первым излучателем на поверхности первого линейчатого приемника излучения 6.

Координаты оптических центров:

- первого излучателя,

- второго излучателя,

- третьего излучателя,

- четвертого излучателя.

Фиг. 6 иллюстрирует пример формирования выходных сигналов фототранзисторов Р₁…P_n при включенном 1-м излучателе и теневом сегменте .

При этом сигналы u₁…u_n имеют значения:

u₁=1, …, u_k-2=1, u_k-1=1, u_k=0, u_k+1=0, u_k+2=1, …, u_n=1.

Работа главного процессора (ГП) 8 и связанного с ним каналом связи подчиненного процессора (ПП) 9 осуществляется следующим образом, и иллюстрируется временной диаграммой, изображенной на фиг. 7.

В фазе Ф₁, ГП 8, команды которого изображены сигналом CMD_M, в момент времени t₁ выполняет команду C_M(t₁), по которой формируется импульс включения третьего излучателя - сигнал I₃. После окончания переходного процесса второго линейчатого приемника излучения 6 ГП 8 в момент времени t₂ выполняет команду C_M(t₂), после чего им же, на линии передачи данных Тх, в направлении ПП 9, формируется команда - tx(t₂). Приняв эту команду, ПП 9, выполняемые команды которого изображены сигналом CMD_S, производит чтение информации со второго линейчатого приемника излучения 6, изображенное командой C_S(t₃). Далее ГП8 выполняет команду C_M(t₄), которая инициирует на линии передачи данных Tx, команду для ПП 9 - tx(t₄). Приняв эту команду, ПП9 формирует, на линии приема данных Rx ГП 8, в момент времени t₅, считанную им же информацию со второго линейчатого приемника излучения 6, изображенную как rx(t₅). В момент времени t₆, ГП 8 выполняет команду C_M(t₆), по которой формируется импульс включения четвертого излучателя - сигнал I₄.

Далее ГП 8 в момент времени t₇ выполняет команду C_M(t₇), после чего им же, на линии передачи данных Tx, формируется команда для ПП9 - tx(t₇). Приняв эту команду, ПП9 производит чтение информации со второго линейчатого приемника излучения 6, изображенное командой C_S(t₈). Далее ГП 8 выполняет команду C_M(t₉), по которой на линии передачи данных Tx им же формируется команда для ПП 9 - tx(t₉). Приняв эту команду, ПП 9 формирует на линии приема данных Rx, в момент времени t₁₀, считанную им информацию со второго линейчатого приемника излучения 6, изображенную как rx(t₁₀).

В фазе Ф₂, ГП 8, в момент времени t₁₁, выполняет команду C_M(t₁₁), после чего им же, на линии передачи данных Tx, формируется команда для ПП9 - tx(t₁₁). Приняв ее, ПП9 выполняет команду C_S(t₁₂), которая вызывает формирование сигнала I₁. В момент времени t₁₃, ГП 8 выполняет команду C_M(t₁₃), которая инициирует чтение информации с первого линейчатого приемника излучения 5. Далее ГП 8 в момент времени t₁₄ выполняет команду C_M(t₁₄), после чего им же, на линии передачи данных Tx, формируется команда для ПП9 - tx(t₁₄). Приняв ее, ПП9 выполняет команду C_S(t₁₅), которая вызывает формирование сигнала I₂. В момент времени t₁₆, ГП 8 выполняет команду C_M(t₁₆), которая осуществляет чтение информации с первого линейчатого приемника излучения 5.

Таким образом, значения rx(t₅) и rx(t₁₀) содержат информацию о состоянии второго линейчатого приемника излучения 6, при падении на него потоков излучения последовательно третьего и четвертого излучателей 3 и 4, и формируются в фазе Ф₁. А команды C_M(t₁₃) и C_M(t₁₆), сформированные в течение фазе Ф₂, считывают в память ГП 8 значения состояния первого линейчатого приемника излучения 5 при падении на него потоков излучения последовательно первого и второго излучателей 1 и 2.

Обозначим:

M₃₂[rx(t₅)] - состояние второго линейчатого приемника излучения 6, при действии на него потока, формируемого третьим излучателем 3,

М₄₂[rx(t₁₀)] - состояние второго линейчатого приемника излучения 6, при действии на него потока, формируемого четвертым излучателем 4,

М₁₁[C_M(t₁₃)] - состояние первого линейчатого приемника излучения 5, при действии на него потока, формируемого первым излучателем 1,

M₁₂[C_M(t₁₆)] - состояние первого линейчатого приемника излучения 5, при действии на него потока, формируемого вторым излучателем 2.

Примем что:

где: F - функция преобразования выходных сигналов фотоприемников, входящих в состав линейчатого приемника излучения, в координату центра тени.

На фиг. 8 приведен алгоритм определения того, в какой из зон сенсорного поля 7 находится палец 10. Учитывая, что Х - координата центров теней на первом и втором линейчатых приемниках излучения, при условии их перпендикулярности оси ОХ, имеет фиксированные значения Х₁ и Х₂ соответственно, можно записать:

(Х₁, Y₁₁) - координата центра тени от действия первого излучателя на поверхности первого фотоприемника,

(X₁, Y₂₁) - координата центра тени от действия второго излучателя на поверхности первого фотоприемника,

(X₂, Y₃₂) - координата центра тени от действия третьего излучателя на поверхности второго фотоприемника,

(X₂, Y₄₂) - координата центра тени от действия четвертого излучателя на поверхности второго фотоприемника.

Полагается, что значениям Y₁₁=0, Y₂₁=0, Y₃₂=0, Y₄₂=0 соответствует отсутствие теней на поверхности первого или второго линейчатого приемника излучения.

Реализация этого алгоритма осуществляется в фазе Ф₃ временной диаграммы фиг. 6. При этом, в блоке:

10 - начало,

11 - проверяется условие Y₁₁=0,

12 - проверяется условие Y₂₁=0,

13 - проверяется условие Y₃₂=0,

14 - проверяется условие Y₄₂=0,

15 - переменной zone присваивается значение δ,

переменной присваивается значение (X₁, Y₁₁),

переменной присваивается значение (X₁, X₂₁),

16 - переменной zone присваивается значение α,

переменной присваивается значение (Х₁, Y₁₁),

переменной присваивается значение (X₂, Y₄₂),

17 - переменной zone присваивается значение β,

переменной присваивается значение (Х₂, Y₄₂),

переменной присваивается значение (X₂,X₃₂),

18 - переменной zone присваивается значение γ,

переменной присваивается значение (X₂, Y₃₂),

переменной присваивается значение (Х₁, Y₂₁),

19 - конец.

Расчет координат точки Π (положение пальца 10), сводится к нахождению точки (X_П, Y_П) пересечения двух прямых, проходящих через точки (X_*, Y_*), и (X_**, Y_**), и имеет вид:

причем координаты точек (Х_*, Y_*), и (X_**, Y_**), , в системе координат OXY (фиг. 5), принадлежат:

Для расчета по формуле 2 в качестве (X_*, Y_*) и (X_**, Y_**) берется один из элементов, перечисленных в правых скобках 3, с учетом того, в какой зоне (α, β, γ, δ, определенной в алгоритме фиг. 7) находится палец 10 - выбирается пара координат с соответствующим верхним индексом. Аналогично, в качестве и , берется один из элементов, перечисленных в правых скобках 4, с учетом того, какие излучатели участвуют в создании тени на поверхности линейчатых приемников излучений 5 и 6 - выбирается пара координат с соответствующим нижним индексом.

Таким образом, пересечение пальцем какой либо пары потоков Ψ₁, Ψ₂, Ψ₃, Ψ₄, возникающее при касании пальцем 10 поверхности 7, и следующее при этом образование теней на поверхностях первого и второго линейчатых приемников излучения 5 и 6, позволяет определить координаты пальца, т.е. делает эту поверхность «сенсорной».

Вычисления по формулам 1 и 2, с учетом условий 3 и 4, выполняются в фазе Ф₃ ГП 8. В этой же фазе осуществляется вывод информации о положении пальца на сенсорной поверхности 7 в пользовательское программное обеспечение, в частности в персональный компьютер, смартфон и т.п.

На функциональной схеме фиг. 9, для организации связи между главным и подчиненным процессорами 8 и 9, введены радиочастотные приемопередатчики 11 и 12. В их качестве могут использоваться, например, радиочастотные модули фирмы Nordic Semiconductor, номенклатура которых представлена в [7], либо конкретный радиочастотный модуль, представленный в [8].

Для введения в устройство свойства мобильности устройство может быть выполнено в виде двух не связанных друг с другом электрическими соединениями модулей. В первом размещается главный процессор 8, второй линейчатый приемник излучения 6, первый и второй излучатели 1 и 2 и первый радиочастотный приемопередатчик 20. Во втором блоке размещается подчиненный процессор 9, первый линейчатый приемник излучения 5, третий и четвертый излучатели 3 и 4 и второй радиочастотный приемопередатчик 21. Дополнительно в каждом модуле должны находиться источники электропитания, например аккумуляторы. Такое выполнение оптического сенсорного устройства позволяет пользователю легко изменять относительное положение первого и второго модулей, увеличивая или уменьшая размер формируемой сенсорной поверхности.

Для связи с персональным компьютером, смартфоном, планшетом и т.п. устройство может быть снабжено Wi-Fi или Bluetooth модулем.

На фиг. 10 приведена 3D-модель оптического устройства формирования сенсорной поверхности, выполненная в виде двух модулей, каждый из которых содержит 80 фототранзисторов (Р₁…P₈₀) первого и второго линейчатых приемников излучения, где:

PCB₁, PCB₂ - печатные платы первого и второго модулей,

A_1, A₂ - аккумуляторы питания первого и второго модулей,

ВТ - Bluetooth модуль.

Источники информации

1. Патент США №7006236 В2 от 28.02.2006 г.

2. Патент США №6480187 от 12.11.2002 г.

3. Патент США №6492633 от 10.12.2002 г.

4. Патент США №6844539 от 18.01.2005 г.

5. Патент США №7522156 от 21.04.2009 г.

6. Патент РФ №2278423 от 20.06.2006 г.

7. Ultra low power wireless solutions.

http://www.nordicsemi.com/eng/Products8.

8. nRF24L01. Single Chip 2.4GHz Transceiver Product Specification Revision 2.0. http://www.nordicsemi.com/eng/content/download/2730/34105/file/nRF24L01_Product_Specification_v2_0.pdf