趙婕

【摘要】觸摸屏是現(xiàn)代應(yīng)用很廣的一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，為人們的生產(chǎn)生活提供了很大方便，觸摸屏技術(shù)的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過對(duì)不同種類的觸摸屏技術(shù)的原理進(jìn)行介紹，并提出了一項(xiàng)新的觸摸屏實(shí)現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】觸摸屏;種類;原理

1.觸摸屏技術(shù)概況

我國(guó)是世界上重要的觸摸屏生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)家，越來越多的觸摸屏應(yīng)用于手機(jī)、PDA、客戶終端查詢機(jī)等系統(tǒng)。目前雖然我國(guó)的觸摸屏生產(chǎn)已具規(guī)模，但是在生產(chǎn)實(shí)力和技術(shù)水平上與國(guó)外跨國(guó)公司仍存在差距。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，特別是中國(guó)加入WTO以來，整個(gè)市場(chǎng)更趨國(guó)際化，近年來一些大型的跨國(guó)企業(yè)紛紛涌入中國(guó)市場(chǎng)，使國(guó)內(nèi)本土企業(yè)面臨殘酷的競(jìng)爭(zhēng)壓力。為此，中國(guó)企業(yè)一方面需要通過高質(zhì)量產(chǎn)品占領(lǐng)市場(chǎng)，另一方面需要通過技術(shù)創(chuàng)新擴(kuò)大競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

為了能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，國(guó)內(nèi)很多觸摸屏廠商紛紛引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的加工制造技術(shù)，國(guó)內(nèi)的很多研發(fā)機(jī)構(gòu)也通過學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)研制出了性能更好的產(chǎn)品。

目前觸摸屏應(yīng)用較多的為電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線式觸摸屏和表面聲波觸摸屏等。

1.1 電阻式觸摸屏

電阻觸摸屏是利用壓力感應(yīng)進(jìn)行控制操作，其屏體部分是一塊與顯示器表面相匹配的復(fù)合薄膜，該薄膜屏有多層，其中基層是一層玻璃或硬塑料平板，表面涂有透明氧化金屬（氧化銦 ITO）作為導(dǎo)電層，在這層之上，覆蓋一層經(jīng)過硬化處理的塑料層，它的內(nèi)表面也涂有導(dǎo)電層。這兩層之間距離非常小，僅為2.5微米，中間有許多微?。ㄐ∮?/1000英寸）的透明隔離點(diǎn)，這些隔離點(diǎn)使這兩層材料絕緣隔開（如圖1所示）。

圖1 電阻觸摸屏工作原理

如圖1所示，當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)產(chǎn)生壓力，使這兩層之間的觸摸點(diǎn)有了接觸，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)導(dǎo)電層電阻發(fā)生變化，在Y軸方向得到5V電壓，使得偵測(cè)層的電壓由零變?yōu)榉橇?，控制器得到信?hào)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的電壓值與5V相比，即可得到Y(jié)軸坐標(biāo)，同理得到X軸位置，這就是電阻技術(shù)觸摸屏的基本原理。

1.2 電容式觸摸屏

電容式觸摸屏是由四層復(fù)合玻璃屏組成，最外一層為矽土玻璃保護(hù)層，用來保護(hù)導(dǎo)體層和感應(yīng)器，當(dāng)屏幕上有塵土或油漬時(shí)，觸摸屏依然能夠正常工作。電容觸摸屏內(nèi)表面和夾層均涂有ITO，內(nèi)層ITO的作用是為屏蔽層提供良好的工作環(huán)境，夾層中ITO層為工作面。四個(gè)電極分別從四個(gè)角導(dǎo)出，當(dāng)手指觸摸在屏幕時(shí)（圖2），人體所帶的電場(chǎng)通過手指和屏幕表面形成耦合電容，在高頻電流的條件下，電容是直接導(dǎo)體，手指在接觸點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)微小的電流，這個(gè)電流分別從四個(gè)角上輸出，輸出電流與觸點(diǎn)到四角的距離成正比，控制器基于這四個(gè)電流量的計(jì)算，得出觸摸點(diǎn)準(zhǔn)確位置。

圖2 電容式觸摸屏工作原理

在電容觸摸屏的技術(shù)中將人體作為其中一個(gè)元件使用，因此當(dāng)用其他物體如帶手套的手接觸屏幕時(shí)，觸摸屏不能做出相應(yīng)反應(yīng)，但是，每當(dāng)有導(dǎo)體接近夾層ITO工作面，它們之間耦合電容超過一定值，導(dǎo)致觸摸屏出現(xiàn)誤差，在潮濕的環(huán)境里，這種情況更為嚴(yán)重。電容觸摸屏最主要的缺點(diǎn)是漂移，當(dāng)周圍環(huán)境溫度、濕度以及電場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，都能引起漂移造成誤差。另外，由于電容觸摸屏中四層復(fù)合觸摸屏對(duì)不同波長(zhǎng)的光所產(chǎn)生的透光率不同，易產(chǎn)生色彩失真的問題。

1.3 紅外技術(shù)觸摸屏

紅外線式觸摸屏的檢測(cè)器是由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成（如圖3所示）。在顯示器的四周，按照X，Y方向密布著紅外線矩陣，發(fā)射管和接收管一一對(duì)應(yīng)，縱橫交錯(cuò)，當(dāng)手指或物體觸摸在屏幕上，將橫豎兩個(gè)方向的紅外線遮擋住，主機(jī)可根據(jù)紅外對(duì)管的（X，Y）值判斷觸摸點(diǎn)的精確位置。

圖3 紅外技術(shù)觸摸屏工作原理

1.4 表面聲波觸摸屏

表面聲波，顧名思義是一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波。表面聲波觸摸屏是由四部分構(gòu)成：聲波發(fā)生器、聲波接收器、反射器和觸摸屏。

表面聲波式觸摸屏的屏幕是一塊平面或曲面的玻璃，沒有覆蓋層或貼膜，置于LED或LCD之前。表面聲波式觸摸屏將豎直和水平兩個(gè)方向的超聲波發(fā)射換能器安裝在玻璃屏幕的左上角和右下角，與之相對(duì)應(yīng)，超聲波接受換能器分別位于右上角和左下角（如圖4所示），屏幕四邊刻有45?角由疏到密間隔很小的反射條紋。當(dāng)右下角的水平方向發(fā)射換能器工作時(shí)，控制器將5.53MHz的電信號(hào)傳輸?shù)桨l(fā)射換能器中，通過發(fā)射換能器發(fā)出一個(gè)窄帶脈沖，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為500?m的聲波信號(hào)向左方傳遞，下方的反射條紋將聲波能量由屏幕表面均勻傳輸，再由上方的反射條紋將聲波能量傳輸?shù)絏軸接收換能器，因?yàn)榘l(fā)射換能器位于左下角，所以在右邊傳播的聲波信號(hào)比在左邊傳播的聲波信號(hào)早到達(dá)接受換能器，所有到達(dá)的聲波能量最終疊加成一個(gè)較寬的波形信號(hào)，接收換能器將表面聲波能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

圖4 表面聲波觸摸屏工作原理

當(dāng)沒有物體觸摸屏幕時(shí)，所接收信號(hào)的波形與參照波形保持一致;當(dāng)有手指或其他物體觸摸屏幕時(shí)，部分聲波能量被吸走，在接收波形上出現(xiàn)一個(gè)衰減缺口，計(jì)算該缺口位置，即得出X軸位置，同理可得出Y軸位置。此外，表面聲波觸摸屏根據(jù)波形衰減量大小還能感知用戶觸摸屏幕壓力大小，得出第三個(gè)參數(shù)（Z參數(shù)）。

1.5 光學(xué)觸摸屏

光學(xué)觸摸屏的工作原理如圖5所示：在觸摸屏頂部的左右兩側(cè)各安裝了一個(gè)CCD攝像頭，左側(cè)CCD攝像頭LED燈發(fā)射出光線，經(jīng)過四周反射條反射，進(jìn)入右上角的CCD攝像頭中;同理，右上角的CCD攝像頭發(fā)射的光線傳入左側(cè)的CCD攝像頭中.密布的光線在觸摸區(qū)域內(nèi)形成一張光線網(wǎng)，經(jīng)過多次反射的光線之間的空間在1mm以內(nèi)。當(dāng)觸摸屏幕上某一點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的射出光線和接收光線形成一個(gè)夾角（如圖5所示），同時(shí)兩端的CCD攝像頭與這兩條光線以及兩個(gè)攝像頭之間構(gòu)成的直線形成另外兩個(gè)夾角α和β，兩個(gè)攝像頭之間的距離是固定的，因此通過處理器的計(jì)算，就能得出該點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)觸摸反應(yīng)。當(dāng)采用多點(diǎn)觸摸時(shí)，原理也是如此。

圖5 光學(xué)觸摸屏原理圖

2.利用Wii遙控器實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸屏

Wii遙控器是日本任天堂公司一款游戲機(jī)手柄，它的頂端具有高分辨率紅外照相傳感器，能夠快速地同時(shí)跟蹤4點(diǎn)紅外光源，拍照成像為1024768像素，該紅外照相傳感器的工作頻率為100Hz，視野范圍在-45?～+45? 以內(nèi)，在其內(nèi)部還有一個(gè)內(nèi)置藍(lán)牙設(shè)備。根據(jù)Wii遙控器的特性，將作為信號(hào)接收和信號(hào)輸出設(shè)備其應(yīng)用于觸摸屏系統(tǒng)中。

圖5

在該系統(tǒng)中，由貼片紅外二極管作為系統(tǒng)的發(fā)光源，利用玻璃作為觸摸屏，紅外光在玻璃中發(fā)生全反射，玻璃表面有一個(gè)漸消失區(qū)，當(dāng)用手指觸摸玻璃表面時(shí)，紅外光在觸摸點(diǎn)反射至Wii遙控器頂端的紅外攝像頭中，Wii遙控器將此信號(hào)通過內(nèi)置藍(lán)牙傳輸?shù)诫娔X，電腦顯示其對(duì)應(yīng)觸摸點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)觸摸屏功能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)玻璃表面的四個(gè)觸摸點(diǎn)做出正確判斷。

3.結(jié)束語

本文簡(jiǎn)要介紹了幾種常見的觸摸屏技術(shù)，并提出一種新型觸摸屏實(shí)現(xiàn)方案，將Wii遙控器應(yīng)用于觸摸屏技術(shù)中，該系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)證明可以準(zhǔn)確快速對(duì)4點(diǎn)觸摸做出判斷，相比于目前常見的觸摸屏，該觸摸屏成本較低，準(zhǔn)確度高，對(duì)于未來的應(yīng)用于更多行業(yè)具有很大意義。

參考文獻(xiàn)

[1]S.J.Spencer，J.Klein，K.Minakata，V.Le，J.E.Bobrow，D.J.Reinkensmeyer.A Low Cost Parallel Robot and Trajectory Optimization Method for Wrist and Forearm Rehabilitation using the Wii， Biomedical Rototics and Biomecharonics，2008（8）869-874.

[2]Juana Hussein A.. Hazha Mustefa A.“Interference Simulation using Matlab”，2008.

[3]Rahnavardy k.;Arya.V;Wang“Frustrated-total-internal-reflection in optical fibers：investigation and application”，Lasers and Electro-optics Society Annual Meetion，1996.LEOS 96; IEEE Volume 1，18-19 Nov，1996：238-239.