用于触摸屏的带有微结构的导光管的设计
韦晓娜，杨波，陆侃，刘鹏飞
（上海理工大学光学与电子信息工程学院影像光学仪器研究所，上海200093）
摘要：利用激光二极管作为光源，对红外触摸屏的原始结构加以改进，用激光和导光管的组合来取代单排发光二极管，设计了一种具有微结构的导光管．导光管采用ＰＭＭＡ材料，其折射率ｎ2＝1.49，在全反射的条件下，导光管微结构的几何参量通过解方程的方式获取．分别建立了导光管的光学和机械模型，建模结果表明，本文所提出的触摸屏的设计方法能够改善传统红外触摸屏存在的分辨率低、触摸方式受限制和易受环境干扰而误动作等技术上的局限，同时彻底改善了原始红外触摸屏的性能，从而克服技术和物理规律限制，满足红外触摸屏的提高分辨率和实现大尺寸的要求．
关键词：导光管；微结构；光学设计；激光触摸屏；分辨率
中图分类号：0434.3 文献标识码：Ａ
0 引言
光学触摸技术诞生于20世纪70年代．由于其巨大的市场应用价值，触摸屏技术一直得到相关技术人员相当程度的关注，并处于持续稳定的发展状态．红外触摸屏属于光电器件分析设计领域，是一种特殊的计算机外设，人们可以利用它方便、简单、自然的输入信息，无论是控制还是查询信息，完全不懂电脑的人也可以上来就操作电脑．红外触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要用于公共信息的查询，如电信局、税务局、银行、电力、城市街头信息等业务查询；也可作为完整的人机界面平台，取代鼠标、书写板甚至键盘，应用于领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等．
从触摸屏的发展历程来看，主要的进步是沿着提高分辨率和对强光干扰环境适应能力两个方面进行的．然而，传统的光学触摸系统在显示屏的一对边框内应用一整排红外（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ），并在各自相对的边框内用光电探测器来接收光信号，从而形成相应的光学探测系统进而可以检测出一个触摸事件．随着光学触摸技术的发展，每一个对应的光电探测器可以接收不止一个ＬＥＤ所发出的光，从而使得控制端可以实现对屏幕固有残渣造成的光损耗进行补偿．本文设计了一种具有微结构的导光管．采用激光二极管作为光源，对红外触摸屏的原始结构加以改进，用激光二极管和导光管的组合来取代单排ＬＥＤ，从而实现红外触摸屏的提高分辨率和实现大尺寸的要求．
1 导光管设计方法
红外线触摸屏的触控原理是在显示器上加上光点距架框，光点距架框的四边排列红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网．以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的横竖两条红外线，计算机便可即时算出触摸点位置．不过，由于只是在普通屏幕增加了框架，在使用过程中架框四周的红外线发射管及接收管很容易损坏．而且发射、接收管排列有限，分辨率不高．本文设计了一种新型红外线发射系统，替代传统的红外线发光二极管阵列，有效地简化了红外触摸屏的物理结构，对于提高系统分辨率也有相应的帮助．
1.1 导光管结构设计
导光管采用楔形结构，仅有3个表面，其中右侧表面加入三角形纹理结构，具体参量尺寸如图1．设计中利用了全反射原理，得到光楔顶角和微结构角度之间的关系，其中导光管采用ＰＭＭＡ 材料，折射率ｎ2＝1．49．当θ＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ1／ｎ2）＝ａｒｃｓｉｎ（1／1．49）＝42．16°时发生全反射，为使得光线能水平出射，微结构斜边与垂直方向之间夹角必须为45°，即微结构斜边与导光管右侧表面之间夹角为45°大于临界角42．16°，所以不会发生全反射现象．
1．2 导光管微结构的优化设计
为了提高红外触摸屏的分辨率，使出射光线是一条连续的直线，充分确保光线发射通道，要求发射模块与接收模块对准误差，导光管的出射光线之间间隔必须保持在0．5ｍｍ 之内．设计中要求各个红外管对准性能完全一致，在一定的红外管对准性能误差下，必须保证垂直入射至每个微结构倾斜表面的入射点离开微结构三角形顶点的距离大于
0．1ｍｍ，导光管下端截面宽度大于3ｍｍ．
1．3 对光线入射角的控制
当一束激光放在凸透镜的焦点处时，光线经过凸透镜发出平行光束，平行光束透过导光管上端截面垂直入射进来，打在导光管右侧表面上，平行光束经过导光管右侧表面微结构发生反射现象，最终出射光线成一直线，水平向左出射．
1．4 红外触摸屏应用
微结构阵列红外线导光管（或称光楔）是一个下底长度10ｍｍ，上底3ｍｍ，高350ｍｍ的直角梯形，在此基础上给它若干厚度形成的一个梯形台，设计中取厚度为5ｍｍ．在直角梯形斜边所在的面上均匀凿刻了613个三角锥槽，三角锥起到反射红外线的作用．它将垂直前表面入射的红外线以90°垂直反射到屏幕上，图２、图３为改进前红外触摸屏与改进后红外触摸屏结构对比图．
图２ 改进前的红外触摸屏
图３ 改进后的红外触摸屏
２ 导光管实体建模与光路模拟
采用Ｌｉｇｈｔ Ｔｏｏｌｓ软件对光路进行光学性能的模拟与检验．首先，用Ｌｕｍｉｌｅｄｓ生产的白光ＬＥＤ，典型电流为７００ｍＡ，额定功率为３ Ｗ，光通量为
８０ｌｍ，发散角度为１２０°并对其光电特性进行了均匀性筛选，选用其中匹配性较好的ＬＥＤ作为系统光源．利用软件中自带的３Ｄｏｂｊｅｃｔｓ工具制作一个长３５０ｍｍ，宽１０ｍｍ，厚度５ｍｍ的长方体，用布朗运算切除长方体的一部分，得到光楔实体的初步解（不带微结构的）．
设计中要求通过导光管上表面的光束为一束平行光，光源放在凸透镜的焦点处．从凸透镜焦点处发出的光线经过凸透镜后形成一束平行光，垂直透过导光板上表面．不同光源尺寸放在凸透镜的焦点处发射出的光线经凸透镜的发散作用后都以平行光出射，因此LED尺寸大小不影响实际效果．综合以上因素，在背光板右侧表面上均匀凿刻了６１３个三角锥槽，导光管的出射光线之间间隔必须保持在０．５ｍｍ之内，图４是利用Ｌｉｇｈｔ Ｔｏｏｌｓ光学模拟软件模拟得到的导光管结构图，图５是导光管光路示意图，图５是追加３ ０００条光线得到的结果．
图４ 导光管右侧表面微结构
图５ 对３０００条光线进行追迹的导光管光路
结果表明：对于光线经导光管右表面微结构反射后的出射光线间距离（即反射后两条光线的高度），当导光管采用ＰＭＭＡ 材料，其折射率ｎ２＝１．４９时，导光管的出射光线之间间隔为０．４７５ｍｍ，在规定要求的０．５ｍｍ之内．同时，垂直入射至每个微结构倾斜表面的入射点离开微结构三角形顶点的距离均大于０．１ｍｍ．实验中用导光管取代红外触摸屏ＬＥＤ离散型分布，使其成为连续型出射光，由图５可知，符合设计要求．图６、图７是利用ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ光学模拟软件制作的红外触摸屏亮度和散点分布图．
图６ 红外触摸屏亮度分布
图７ 红外触摸屏散点分布
表１为在标准室温２５°的工作环境下，运用美国正版Ｌｉｇｈｔ Ｔｏｏｌｓ光学软件进行光学实验数据的采集结果，表中例举了传统结构的导光管与具有微结构的导光管的光通量与光照均匀度的数值．从表１及表２中可看出，随着追击光线数量的增加，光通量及均匀度均呈递增的趋势，且微结构导光管在光通量及均匀度上相比传统的导光管有明显的优势，大大提高了出射光线的光照强度及均匀度．同时到光线数量达到７ ０００条时，出光均匀度达到８０％以上，极大地提高了导光管技术，为今后导光管的更近一
步发展提供了一个有效的改进方案．
表１ 传统导光管光学透射参量
表２ 微结构导光管光学透射参量
３ 结论
通过不断优化的方法设计了带有微结构的楔形导光管，采用激光二极管作为光源和具有微结构的导光管，对红外触摸屏的原始结构加以改进，用激光ＬＥＤ和导光管的组合来取代单排ＬＥＤ，使其成为连续型出射光，并且分别建立并模拟了导光管的导光光路和机械模型．该技术的实现克服了物理规律限制，可以满足触摸屏的高分辨率和大尺寸设计要求．
