CN1570814A

CN1570814A - 带透镜的红外式免触摸输入装置及应用该装置的设备

Info

Publication number: CN1570814A
Application number: CN 03139943
Authority: CN
Inventors: 于尚民、于国庆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-26
Filing date: 2003-07-26
Publication date: 2005-01-26

Abstract

带透镜的红外式免触摸输入装置及应用该装置的设备。前述的带透镜的红外式免触摸输入装置包括：检测操作体X坐标或Y坐标的第一检测元件阵列及与之对应的第一检测电路和第一计算装置，与所述第一检测元件阵列平行且分开一定距离的第二检测元件阵列及相应的第二检测电路，置于第二检测元件阵列光路中，用于增加第二检测光栅厚度的透镜阵列，以及利用上述第二检测电路的输出信息计算操作体沿Z轴方向位置信息的第二计算装置。前述的应用带透镜的红外式免触摸输入装置的设备还包括：显示装置，将上述位置信息进行处理的主控装置，以及根据主控装置输出信息发出可视或可闻的警告操作者避免触摸显示装置屏面的警告信息的提示装置。该技术主要用于某些频繁使用的公用设备。

Description

带透镜的红外式免触摸输入装置及应用该装置的设备

技术领域

本发明涉及一种带透镜的红外式免触摸输入装置及应用该装置的设备。

背景技术

对安装在公共场所的某些设备，使用操作者众多，人员流动性大。为了避免某些传染疾病的交叉感染和传播，能够实现按键、键盘或触摸屏的输入功能，且无需触摸(即免触摸)操作的输入装置是当前所需求的。

对红外线触摸屏来说，操作体(如操作者的手指或一支铅笔等)只需深入到框架范围内遮挡红外光线就可进行输入操作，检测原理上并不要求操作体和任何屏面，例如计算机显示器的屏面相接触。之所以叫做触摸屏，是因为现有技术的设计上利用计算机显示器的屏面来定位操作体的探入深度。当操作体由外向里伸入，其端部触摸到显示器的屏面时，操作者就知道操作体已经伸入到位，可以进行输入操作了。这样的设计原理和设计意图使触摸成为必然和必须的，因此形成了必须触摸操作的技术偏见。

尽管存在上述缺点，红外线触摸屏采用对射式检测技术，对操作体坐标的检测定位较为精确，因此更有希望改进成适用于多按键键盘或一般计算机显示屏的免触摸输入装置。

业内熟知，红外线触摸屏一般包括带有四边的矩形的框架，设置在框架上的红外线发射元件和红外线接收元件，与红外线发射、接收元件相连接的检测电路，根据检测电路输出的检测信号判断计算触摸点坐标位置以获得检测结果的计算装置，在检测电路、计算装置以及利用该检测结果的主控装置之间传送检测信号和检测结果等信息的通信电路。

检测电路输出的检测信号代表了接收元件感受到的光信号的强弱，现有技术中检测信号一般已从模拟量转换成了数字量。计算装置的功能，经常是由触摸屏的单片机处理器完成。这里所说的主控装置，其功能一般是由应用该红外线触摸屏的计算机完成，该计算机也可以同时完成计算装置和主控装置的功能。通信电路可以是简单的连线，不同程序模块或存储器之间的数据调用关系，或者计算机与外部设备间的串行、并行通信装置等。

现有技术产品大多是将检测电路和计算装置都设置在框架内，应用该触摸屏的计算机同时承担主控装置的角色。从框架到计算机主机，即计算装置和主控装置之间，由RS-232或USB通信电路传递检测结果信息。

红外线触摸屏的结构和安装一般如图1和图2所示，108是触摸屏框架，101是框架的前表面，检测操作体水平坐标位置的红外发射元件阵列111和接收元件阵列111’分别相对安装在框架108的下和上边框上，工作时在框架窗口内形成竖直线状光栅。检测操作体竖直坐标位置的红外发射元件阵列112和接收元件阵列112’分别相对安装在框架108的左和右边框上，工作时在框架窗口内形成水平线状光栅。红外发射元件阵列和对应的接收元件阵列可合称为检测元件阵列，竖直和水平两线状光栅可合称为平面光栅。109是计算机显示器，触摸屏的框架安装在其前面壳体上，106是显示器的屏面。框架中间的窗口部分是全空的，只有红外光线通过，无任何实体构件。

红外线触摸屏技术由来已久，1973年授权的美国专利“Infrared light beam X-Y positionencoder for display devices”(US3775560)和“Coordinate detection system”(US3764813)已经披露了大部分现有技术，后续的专利相继提出了一些改进方案，其工作原理可参见2002年授权的美国专利“Apparatus and method to improve resolution of infrared touch systems”(US6429857)，2000年申请的中国专利“提高红外触摸屏性能的结构和方法”(00121462.4)中，披露了一种有关的细分方法。

由于现有技术的红外线触摸屏只设置平面光栅，因此只能检测操作体是否已进入该光栅平面内并确定该操作体沿显示器屏面方向的平面坐标位置，而无法检测操作体穿过平面光栅后继续探入的深度及其与显示装置屏面间的距离。

对一个免触摸输入装置，结构设计上应使操作体在输入操作时易于避免碰触到例如显示装置的屏面，同时应该具有及时提供操作体与显示装置屏面的距离信息的功能，因为该位置信息是用以判断会否发生碰触的依据。

输入装置一般并不孤立使用，要和其它装置比如显示装置等配合，才能实现更完整的技术效果。做为一个应用上述免触摸输入装置的设备，应该能够充分利用该输入装置所传来的操作体穿过平面光栅后继续探入的深度及其与显示装置屏面的距离信息，及时向操作者提供各种有助于免触摸输入的提示。而上述特征和功能恰恰是现有技术的红外线触摸屏及应用该屏之设备所不具备的。

发明内容

本发明的目的就是为了解决以上问题，对现有的红外线触摸屏进行改进，以提供一种低成本的即能检测操作体的平面坐标位置，又能检测操作体穿过该光栅平面后继续探入的深度及其与显示装置屏面的距离信息的免触摸输入装置，进而提供一种应用该输入装置的免触摸输入设备，向操作者提示操作体与显示装置屏面的距离，使操作者注意避免触摸到键盘或显示器屏面。

本发明实现上述目的的技术方案：

一种带透镜的红外式免触摸输入装置包括：检测操作体X坐标或Y坐标的第一检测元件阵列及与之对应的第一检测电路和第一计算装置，其特征在于还包括：与所述第一检测元件阵列平行且分开一定距离的第二检测元件阵列及相应的第二检测电路，置于第二检测元件阵列光路中，用于增加第二检测光栅厚度的透镜阵列，以及利用上述第二检测电路的输出信息计算操作体沿Z轴方向位置信息的第二计算装置。

一种免触摸输入设备包括：显示装置，检测操作体X坐标或Y坐标的第一检测元件阵列及与之对应的第一检测电路和第一计算装置，其特征在于还包括：与所述第一检测元件阵列平行且分开一定距离的第二检测元件阵列及相应的第二检测电路，置于第二检测元件阵列光路中，用于增加第二检测光栅厚度的凸透镜阵列，利用上述第二检测电路的输出信息计算操作体沿Z轴方向位置信息的第二计算装置，将上述位置信息进行处理的主控装置，以及根据主控装置输出信息发出可视或可闻的警告操作者避免触摸显示装置屏面的警告信息的提示装置。

采用上述技术方案，结合下面将要叙述的实施例，本发明突出的技术进步在于所提供的一种低成本输入装置不但能够检测操作体的平面坐标，还能检测操作体与显示装置屏面的距离，应用该输入装置的设备能够据此向操作者提示操作体探入深度信息和警告信息，以便其注意避免触摸到键盘或显示器屏面。由于实现了免触摸输入操作，避免了接触输入造成的疾病交叉感染和传播。按键、键盘和触摸屏在使用中不易受到触摸或按压损伤。同时，显示器屏面上触摸点处的图像也不会被操作体遮挡。

附图说明

图1是现有技术的红外线触摸屏安装在显示器上的正面示意图；

图2是现有技术的红外线触摸屏安装在显示器上的左侧面示意图；

图3是增加设置红外元件阵列和透镜阵列的输入装置安装在显示器上的正面示意图；

图4是增加设置红外元件阵列和透镜阵列的输入装置安装在显示器上的左侧面示意图；

图5是增加设置红外元件阵列和透镜阵列的输入装置安装在显示器上的俯视示意图；

图6是红外光线在发射元件和接收元件之间直接传播的示意图；

图7是框架及新增设置的红外元件阵列和透镜阵列的部分正面示意图；

图8是框架及新增设置的红外元件阵列和透镜阵列的左侧面示意图；

图9是新增设置的红外元件阵列和透镜阵列的俯视示意图；

图10是操作体进入新增设置的红外元件阵列和透镜阵列光栅区域的示意图；

图11是检测信号Uxd随操作体Z坐标的变化规律示意图；

图12是检测信号Und随操作体Z坐标的变化规律示意图；

图13是检测计算操作体Z坐标的一种流程的示意图；

图14是免触摸式电梯键盘的正面示意图；

图15是免触摸式电梯键盘的左侧面示意图；

具体实施方式

实施例1

本实施例详细介绍本发明技术方案的免触摸输入装置部分。

像图3、图4和图5所示的那样，将原红外线触摸屏的框架加厚，原来用于检测操作体平面坐标的红外发射元件阵列111、112和接收元件阵列111’、112’仍然贴近框架的前表面设置，这样检测操作体平面位置的平面光栅就离开显示器屏面一段足够远的距离L₁。在框架上红外发射元件阵列111的后面，像图4和图5所示的那样，再设置一个红外发射元件阵列115。相应地，在接收元件阵列111’的后面，再设置一个红外接收元件阵列115’。阵列115和原阵列111平行，相距Z₁；阵列115’与原阵列111’平行，也相距Z₁。阵列115的发射元件数和阵列115’的接收元件数相同，两阵列各元件分别相对。阵列115、115’的元件数可以和阵列111、111’的元件数相同，也可以不同，一般是少于后者的数目。

增加设置红外元件阵列115和115’就是设置了新光栅(即设置了第二检测光栅)，这个光栅用于检测操作体穿过平面光栅后，其端部离开显示器屏面的距离，该光栅的厚度决定了其能够连续检测的量程范围。

如图3、图4和图5所示，在红外发射元件阵列115的上方，设置有凸透镜阵列121，该透镜阵列中的凸透镜分别与发射元件阵列中的发射元件相对应，发射元件恰好位于其对应透镜的焦点上。在接收元件阵列115’的下方，设置有凸透镜阵列121’，该透镜阵列中的凸透镜分别与接收元件阵列中的接收元件相对应，接收元件恰好位于其对应透镜的焦点上。图7和图8中没有包括显示器，较详细地表示出各红外元件阵列、透镜阵列与框架之间的设置关系，以及透镜的大致形状、光线经透镜传播的全程。阵列115中某一元件发出的红外光线本来是以该发射元件为顶点的圆锥形发散发射的，经过凸透镜阵列121中对应的透镜后，变为一束平行光123射向上方凸透镜阵列121’中对应的另一透镜，经该透镜汇聚后集中照射在接收元件阵列115’中对应的红外接收元件上。在该阵列其它各元件、透镜组中，光线也是以相同的方式传播的。

从图6中可以看到，如果没有凸透镜，阵列115中某一元件发出的红外光仅有很窄的一束平行光线120到达接收元件阵列115’中的对应接收元件，平行光线的厚度不会超过发射和接收元件的直径或厚度。即采用Φ10毫米的发射、接收元件，该平行光束的厚度最大仅可能为10毫米，这样第二检测光栅的厚度太小，连续检测量程不能满足实际使用的要求。凸透镜阵列的设置使第二检测光栅的厚度有较大增加，使其连续检测量程满足实际使用的要求。

当然也可以不设置透镜阵列，而通过多设置几层仅有发射和接收元件的红外光栅的方法来加大连续检测量程，但那样成本相对较高。

图9是仅画出了接收元件阵列115’和透镜阵列121’的部分俯视图，透镜阵列121和发射元件阵列115在下方被其遮挡，因而图中不能看到。阵列中的每个凸透镜都是矩形的，其宽为S，S也就是该元件阵列中各元件间的距离；每个凸透镜长为S’，由S’确定了第二检测光栅的厚度，即该阵列元件所能检测的操作体接近显示器屏面方向的一段距离的连续量程。上述矩形的透镜相当于图9中半径为r的虚线圆形所表示的透镜切除了四个边缘部分所形成的，上下两列透镜的形状都是如此。透镜当然可以是圆形的，但那样会在两透镜间出现间隙，还是以矩形的透镜为好。

这样设置了凸透镜阵列后，将第二检测光栅的厚度增加，可用的连续检测量程扩展为S’，大于原来由发射和接收元件直径所限定的连续检测量程。透镜的成本相对较低，因此设置透镜阵列以增加连续检测量程的方案优于设置多层检测光栅的方案。

为了分析方便，可以将矩形透镜区域内各点的光强度看成是相同的。透镜材料可以选取完全透明的光学材料，也可以选取仅能透过红外光线的滤光材料。各透镜可以分立排列，或联结在一起，将透镜阵列做成一体化结构。透镜阵列也可以和平面光栅的红外滤光装置为一体化结构。如何依据凸透镜焦距和孔径设计透镜的表面曲率等，这是业内熟知的现有技术，不再赘述。

在尺寸分配上由图8可以看到，在框架边框内，除了原有元件阵列111、111’、112、112’所应保留的宽度外，其余可以都由透镜阵列所占据，因此图4、图10中，Z₁＝Z₂+S’/2。为了易于实现免触摸输入操作，应使S’10毫米，透镜靠近显示器侧边与显示器屏面间的距离L₁-Z₂-S’应大于或等于10毫米。

为了叙述的方便，如图3、图4和图5所示建立O-XYZ直角坐标系，原点O设定在框架窗口左下角平面光栅处。如图10中所示，操作体000的Z坐标，即其端部的Z坐标Z_T＝S_T+Z₂。

对应新增加设置的红外元件阵列115和115’中的各元件，同时设置相应的检测电路。

当发射元件阵列111中某一元件，比如第二号元件111.2发光时，如果操作体000进入其光栅区域，逐渐遮挡了图10中所示的对应的接收元件111’.2所能接收的光线，则该接收元件相应检测电路输出的检测信号Uxd与操作体Z坐标的变化关系曲线如图11所示，Uxd在Zxm点处于最大值，在ZxM点处于最小值，其中Zxm～ZxM大约相当于该接收元件的直径。

当发射元件阵列115中某一元件，比如第二号元件115.2发光时，如果操作体000进入了如图8所示的平行光栅123的区域内，且从左至右沿X轴方向上跨过了接收元件115’.2对应的透镜的两边，沿Z轴逐渐遮挡了图10中所示的对应的接收元件115’.2所能接收的光线，则该接收元件相应检测电路输出的检测信号Und与操作体Z坐标的变化关系曲线如图12所示，Und在Znm点处于最大值，在ZnM点处于最小值。其中O～Znm大致相当于图10中的Z₂，Znm～ZnM大约相当于透镜的长S’。

设置相应的计算装置，根据检测信号Uxd和Und的数值判断计算操作体沿Z轴的位置，即其Z坐标。

对平面光栅，只需确认操作体是否完全进入，如果Uxd接近图11中的最小值，可以知道操作体已完全进入平面光栅内，能可靠地进行输入操作。

图12中，检测信号Und与操作体Z坐标在Znm～ZnM段内的变化关系可按直线近似，从而通过Und的数值可计算出操作体的Z坐标Z_T，继而按照L₁-Z_T换算出操作体距显示器屏面的距离。

如果操作体的宽度W小于红外元件间距S，且只进入了接收元件115’.2对应的透镜的宽度范围内，未遮蔽其它透镜范围内的光线，则首先应将检测信号Und的变化量ΔUnd乘以S/W进行折算，根据折算后等效的ΔUnd值按照图12的关系曲线计算操作体的Z坐标Z_T。

如果操作体同时遮蔽了且仅遮蔽了两个相邻的透镜的光线，则折算方法是首先将两个相邻接收元件的对应检测信号的变化量相加在一起，再乘以S/W折算为一个接收元件对应检测信号的变化量，根据折算后等效的ΔUnd按照图12的关系曲线计算操作体的Z坐标Z_T。

图11和图12中，ZxM小于Znm，中间出现一小段不能提供Z坐标变化信息的空白区。如果该空白区足够短，比如小于10毫米，一般不会影响输入操作效果。也可以适当选取各结构数据，将上述空白区消除。根据以上所述，在已经检测出操作体X、Y坐标和宽度W的情况下，对操作体Z坐标数值的一种具体检测计算流程可以为图13所示。

实际上，上述一个矩形透镜区域内各点的光强度不会是完全一致的，一般是中心处大一些，靠近边缘处小一些，这将导致图12中Und相对Z的关系曲线具有更严重的非线性。解决措施有三种，一种是在透镜上设置具有不同透明度分布的遮光层或遮光片，或者在光路中另行增加设置具有不同透明度分布的遮光片，将透镜中心处的光强适当减弱，以达到矩形透镜区域内各处的光强近似相等。另一种措施是用二次或三次曲线对图12中的关系曲线进行拟合，在以后的计算中根据拟合曲线由Und计算出Z坐标。第三种是将通过实验测得的Und与Z坐标关系数据组存储起来，在计算中随时调用该组数据进行插值运算，以根据Und计算出相应的Z坐标值。

图9中的透镜是对称切割形成的，比如该矩形透镜的前、后两边与透镜光轴的距离均为相等。当然可以不对称切割，以形成前、后两边与光轴距离不相等的矩形透镜，这样可以将光强最大的区域调整到检测灵敏度要求最高的某个位置上。上述透镜也可以是能实现本发明意图的多种透镜的组合。

如何利用平面光栅检测计算操作体的X、Y坐标和宽度W，如何通过实验测定Uxd、Und相对操作体Z坐标变化的一系列数据点，划定其最小值和最大值范围，并将其信号敏感区内的变化关系曲线线性化或用二次、三次曲线拟合，或者存储实验数据并进行插值运算，这些都是现有技术，不再赘述。

上述新增加设置的元件阵列115、115’和透镜阵列121、121’也可以设置在框架的左、右两边上，或同时在框架的上、下、左、右四边上设置多个前述各阵列，发射、接收元件的位置可以互换。也可以沿Z轴方向设置两重或多重前述各阵列——仅红外元件阵列或带有相应透镜阵列，分别使用进行检测或在Z坐标检测量程上相互接续，联合使用。相应的检测电路和计算装置可随上述阵列的设置而设置。

原Y坐标检测红外元件阵列对应检测电路输出的检测信号随操作体Z坐标的变化规律与原X的基本一致，实际应用中可以只使用X、Y中的一个，也可以将X、Y检测信号联合使用。

实施例2

将主控装置，显示装置，提示装置和实施例1中所述的免触摸输入装置相结合，即构成本实施例的各种免触摸输入显示设备。

主控装置的功能主要是接收输入装置传来的触摸事件(即操作体进入X、Y光栅平面，实际上并未触摸到任何实体)、操作体X、Y平面坐标和Z坐标等检测结果信息，向显示装置和提示装置输出要显示、提示的内容和显示、提示方式等信息。主控装置可以是独立的处理器，如果本发明的免触摸输入装置和计算机显示器一起应用，所述主控装置的工作一般由计算机主机部分或全部承担。在其它应用场合，主控装置的工作可由免触摸输入装置的处理器全部或部分承担，或由其它与之有关联的处理器部分承担。

显示装置可以有多种，包括计算机显示器，信号灯，字符或图形显示灯或显示管、显示板，显示屏，投影屏幕等。为了丰富所述输入显示设备的功能，还可以再设置刻制、印刷了字符或图案的标记装置，将其置于所述显示装置的前面或与所述显示装置为一体化结构。

显示装置可用来显示配合输入装置工作的各种数字、文字、符号等字符或各种指示性图形。一般的使用中，可以将本发明的免触摸输入装置框架安装或设置于显示装置上，即显示装置位于免触摸输入装置框架的后面或后部，通过框架围成的窗口向操作者显示各种内容。显示装置的框架可以和免触摸输入装置的框架为一体化结构。

提示装置可以是前述显示装置中的一种，可以是独立的信号灯、显示板或显示屏等，也可以与前述显示装置为一体化结构，用以显示各种数字、文字、符号等字符或各种提示性图形。为了丰富所述提示装置的功能，还可以再设置刻制、印刷了字符或图案的标记装置，将其置于所述提示装置的前面或与所述提示装置为一体化结构。如果提示装置是独立的，其安装位置和方式任意，只要便于操作者观察即可。

提示装置还可以是蜂鸣器、振铃或扬声器等发声装置。提示装置和显示装置的功能也可以相互混合设置。

提示装置主要用来显示或提示操作体的Z坐标或所在Z坐标范围，或离开显示装置屏面的距离，可以具有下述功能：告知操作体正在正常的操作空间范围内进行使用操作；当操作体进入容易碰触显示装置屏面的Z坐标范围时，向操作者发出警示，以避免发生碰触或触摸。

具体应用技术方案1，将实施例1中所述的免触摸输入装置像图3、图4和图5所示的那样，安装在计算机的显示器上，将该显示器同时做为显示装置和提示装置使用。在显示器屏幕上设置一操作体探入深度提示区：A、当操作体远在X、Y光栅平面之外时，提示区显示浅白色，并提示“请使用”等类似的文字；B、当操作体进入X、Y光栅平面可以正常操作使用输入装置时，提示区显示绿色，并提示“操作正常”等类似的文字；C、当操作体穿透X、Y光栅平面过远，距离显示器屏面较近时，提示区显示黄色，并提示“注意保持距离”等类似的文字；D、当操作体距离显示器屏面很近极易发生碰触时，提示区显示红色，并提示“小心碰触屏面”等类似的文字。显示提示上述内容时，还可以同时给以声音或语音提示。

上述提示信息并不局限于该“探入深度提示区”颜色的变化，还可以是显示的图形及其形状、图案及其花样、显示的区域颜色或亮度本身的产生及其各种变化方式。

具体应用技术方案2，这是一个免触摸式电梯键盘的应用实例，如图14和图15所示，108是输入装置的框架，151是键盘屏面或面板，其上以实线印制或刻画有按键图框152。各按键图框分别代表一个键位，其中标有每个键的功能，如楼层号数字“-1、1、2、、、12”，梯门的控制“开”、“关”，故障呼叫“急呼”。电路板153设置在面板151的后面，其上设置有浅黄色键位信号灯154，这样的信号灯每个按键图框相应设置一个。图15中，由于后面的信号灯被挡住，只能看到第一列，即位于标示了“-1、3、6、9、12、急呼”的图框位置的信号灯。面板上所有数字、文字区域或其笔划部分是透明的，能透出信号灯的灯光，以便操作者看清该数字或文字，并看清以灯光强度所代表的提示信息。虚线方框不是按键图框，该方框区域也是透明的，其内标有文字“勿触！”，专门用以提示操作者不要触摸键盘面板，其后面的报警信号灯为红色。每个键位上的信号灯及对应“勿触！”提示区的信号灯的亮度都可在主控装置的控制下分别单独变化。

如图15中所示，三个阴影矩形代表了框架108上所设置的前述检测操作体X、Y和Z坐标的红外元件阵列和透镜阵列。框架和键盘其它部分框体为一体化结构，键盘面板151设置在一体化框架内，透过框架围成的窗口可以看清全部键盘面板。框架外表面101距键盘面板151的距离为55毫米，平面光栅距框架外表面5毫米，距键盘面板50毫米。选取Z₁为25毫米，Z₂为10毫米，S’为30毫米，透镜靠近键盘面板侧边与键盘面板151间的距离L₁-Z₂-S’等于10毫米。已按键盘面板上的各个键位将窗口内X、Y平面坐标区域对应划分，根据操作体的X、Y平面坐标就可以知道操作体正指向哪一个键位。

沿Z轴方向，将框架窗口附近及其内部分成几个区：

(1)从平面光栅处开始向外，即Z坐标为负值的全部区域，定义为非控区。在这个区域内，输入装置只能检测到操作体未进入平面光栅平面。

(2)从平面光栅处开始向内25毫米，定义为操作区。在这个区域内，输入装置能够正常检测到操作体的所有X、Y平面坐标信息及坐标的变化。

(3)从平面光栅处向内25～35毫米处，定义为警示区。操作体进入这个区域意味着探入过深，容易触及键盘面板。

(4)从平面光栅处向内35～50毫米处，定义为报警区。操作体进入这个区域意味着马上就要触及键盘面板。

这里可以看出，上述具体应用技术方案1中A～D四种情况所划分出的操作体所在区间，和具体应用技术方案2中(1)～(4)所划分出的四个区间是类似和一一对应的，其中C和(3)对应的警示区也可以取消不用。

对信号灯光的强弱，也从弱到强定义为微光、弱光、常光、强光四个亮度等级。

该电梯键盘的工作过程如下：

1)操作体在非控区时，所有键位信号灯只发出微光，红色信号灯不发光。

2)当操作体从非控区进入操作区，即被输入装置检测到。在这个区域内，操作体指到哪一个键位上，主控装置即将其相应X、Y平面坐标换算为键位编码，并控制与该键位对应的键位信号灯发出弱光，表明识别出操作体已选定该键位且准备对其操作。如果操作体从这个位置移向别的键位，或回到非控区停留较长时间，比如3秒，则认为已经取消对该键位的选择，对应这个键位的信号灯恢复微光。

3)如果操作体在所选定的键位上做出一个点击的动作，相应Z坐标的变化过程被检测到，主控装置即据此认为按动了该键，遂控制对应的键位信号灯发出常光，直到以后将其还原到发出微光的状态。

4)如果操作体向内深入较远，进入了警示区，则主控装置控制各键位信号灯和报警信号灯一起发出常光，警示操作者应注意后撤操作体，避免触摸到键盘面板。操作体离开警示区后，各键位信号灯和报警信号灯恢复到前述1)、2)、3)过程阶段所规定的状态，输入装置继续按1)、2)、3)所述规则进行检测。

5)如果操作体过于向内深入，进入了报警区，则主控装置控制各键位信号灯和对应“勿触！”提示的红色报警信号灯一起发出强光，警示操作者应立即后撤操作体。操作体离开报警区后，各信号灯恢复到前述1)、2)、3)、4)过程阶段所规定的状态，输入装置继续按1)、2)、3)、4)所述规则进行检测。

上述具体应用技术方案1和具体应用技术方案2中，都是由主控装置处理免触摸输入装置传来的操作体位置信息，并根据处理结果控制提示装置发出各种提示信息，包括当操作体进入D和(4)对应的报警区时，向操作者发出类似“提示区显示红色”和“各键位信号灯～红色报警信号灯一起发出强光”的警告其注意避免触摸到显示装置屏面的可视或可闻的警告信息，以及当操作体离开报警区后，取消该警告信息。

主控装置处理免触摸输入装置传来的操作体位置信息，包括两种主要处理方式。一是将其沿Z轴的坐标与一个或多个给定值相减，根据各减法结果输出相应的一个或多个连续变化的控制信息。比如将显示装置屏面的Z坐标值以及上述报警区、警示区、操作区和非控区各区之间的分界面的Z坐标值分别做为不同给定值，减得的各个连续变化的差值即表示操作体进入了哪一个区以及在该区内的相对位置。根据上述结果信息主控装置可以控制显示装置或提示装置显示连续变化的图形、图案、颜色或亮度信息，这些连续变化的显示信息示意操作体进入了哪一个区以及在该区内的相对位置，比如以手指指端或某条状物前端显示出与上述某分界面或屏面的距离。这时主控装置应包括能够进行上述减法运算的减法运算装置和能够预置或调节给定值信号的给定装置。减法运算装置可以是模拟或数字式的减法器，也可以是等效为减法器的一段或数段减法程序。类似地，上述给定装置可以是模拟或数字式的硬件或数字存储器、数字设置程序。

主控装置的另一种处理方式是将上述减法运算变为输出0、1双值信息的比较运算，上述减法运算装置相应地变为比较运算装置，给定装置所预置或设定的给定值此时可称为阀值，主控装置根据比较结果控制显示装置或提示装置显示差别比较明显的不同信息，比如图形、图案、颜色或亮度的明显变化。这样的显示信息用来示意操作体进入了哪一个区，比如以手指指端或某条状物前端显示出操作体当前处于某区内。这时主控装置应包括能够进行上述比较运算的比较运算装置，所包括的给定装置和前述处理方式中所用的相同。比较运算装置可以是模拟或数字式的比较器，也可以是等效为比较器的一段或数段比较程序。

如果前述免触摸输入装置传来的操作体沿Z轴的位置信息不是连续的数值，而是有否进入某一光栅这样的0、1双值信号，则上述减法运算装置或比较运算装置以及给定装置也应该是对应的0、1双值数字电路或程序。

类似本实施例的免触摸式键盘还可以做为自动柜员机、售货机、银行业务系统等公用设备的键盘使用。

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Claims

1、一种带透镜的红外式免触摸输入装置包括：检测操作体X坐标或Y坐标的第一检测元件阵列及与之对应的第一检测电路和第一计算装置，其特征在于还包括：与所述第一检测元件阵列平行且分开一定距离的第二检测元件阵列及相应的第二检测电路，置于第二检测元件阵列光路中，用于增加第二检测光栅厚度的透镜阵列，以及利用上述第二检测电路的输出信息计算操作体沿Z轴方向位置信息的第二计算装置。

2、如权利要求1所述的一种带透镜的红外式免触摸输入装置，其特征在于所述透镜阵列包括顺序排列或一体化并列的多个矩形凸透镜。

3、如权利要求2所述的一种带透镜的红外式免触摸输入装置，其特征在于所述透镜阵列中的矩形凸透镜的前、后两边与透镜光轴的距离不相等。

4、如权利要求2所述的一种带透镜的红外式免触摸输入装置，其特征在于所述透镜阵列中的透镜为利于红外光线通过的滤光材料制成。

5、如权利要求2所述的一种带透镜的红外式免触摸输入装置，其特征在于所述第二检测元件阵列中的发射或接收元件分别位于其相应凸透镜的焦点位置上。

6、如权利要求2所述的一种带透镜的红外式免触摸输入装置，其特征是在第一检测元件阵列和第二检测元件阵列之间或第二检测元件阵列的后面平行设置至少一个检测元件阵列，并设置与之相应的检测电路和计算装置。

7、一种免触摸输入设备包括：显示装置，检测操作体X坐标或Y坐标的第一检测元件阵列及与之对应的第一检测电路和第一计算装置，其特征在于还包括：与所述第一检测元件阵列平行且分开一定距离的第二检测元件阵列及相应的第二检测电路，置于第二检测元件阵列光路中，用于增加第二检测光栅厚度的凸透镜阵列，利用上述第二检测电路的输出信息计算操作体沿Z轴方向位置信息的第二计算装置，将上述位置信息进行处理的主控装置，以及根据主控装置输出信息发出可视或可闻的警告操作者避免触摸显示装置屏面的警告信息的提示装置。

8、如权利要求7所述的一种免触摸输入设备，其特征是所述主控装置包括比较运算装置或减法运算装置，给定装置，上述比较运算装置或减法运算装置的一个输入端接所述第二计算装置的输出信号，另一个输入端接给定装置的给定值信号，比较运算装置或减法运算装置的输出信号用以控制提示装置。

9、如权利要求8所述的一种免触摸输入设备，其特征在于所述给定装置输出的给定值信号为距所述显示装置屏面大于或等于10毫米的距离。

10、如权利要求7所述的一种免触摸输入设备，其特征是所述第二检测元件阵列与所述显示装置屏面之间的距离为大于或等于10毫米。

11、如权利要求8所述的一种免触摸输入设备，其特征是所述主控装置还包括利用比较运算装置或减法运算装置的输出信号，控制所述提示装置以图形、图案、颜色或亮度的变化方式显示操作体位置信息的控制装置。

12、如权利要求7所述的一种免触摸输入设备，其特征是所述的显示装置或提示装置为计算机显示器、信号灯、字符或图形显示灯或显示管、显示板、显示屏或投影屏幕。