歐曉丹　徐國祥　陳玉華　張旭光

摘要：文章簡要介紹了近幾年出現(xiàn)的多種新型觸摸屏技術(shù)，按照技術(shù)原理將其大致歸為5類：3D式觸摸屏、投影式觸摸屏、柔性觸摸屏、具有觸覺感受的觸摸屏以及其他類型觸摸屏，并給出了部分技術(shù)的相關(guān)專利分析，由此對未來觸摸屏技術(shù)的發(fā)展方向做出預(yù)測，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)企業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：新型觸摸屏；專利分析

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）01-0153-03

觸摸屏的出現(xiàn)，給用戶帶來了相比傳統(tǒng)按鍵和鍵盤更加直觀、便捷的交互體驗(yàn)。從技術(shù)角度，傳統(tǒng)的觸摸屏大致可分為幾類：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、光電式觸摸屏、表面聲波式觸摸屏和電磁式觸摸屏。近幾年，隨著材料技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多新型的觸摸屏不斷浮現(xiàn)。該文對幾種新型的觸摸屏技術(shù)進(jìn)行簡介，并就此對未來發(fā)展方向進(jìn)行分析。

1 3D式觸摸屏

3D觸摸屏主要包括3D顯示和3D觸控。3D顯示就是使顯示畫面具有3D效果，而3D觸控主要是指觸摸屏能夠感測3D觸控手勢或觸控對象的3D位置。

1.1 3D顯示技術(shù)

常見的3D顯示有佩戴偏振片的3D顯示和裸眼3D顯示。例如，2010年洛杉磯舉辦的SIGGRAPH會議上，Immersion公司展出了一款3D觸摸屏，用戶可佩戴偏振眼鏡與屏幕上的3D圖像進(jìn)行交互[1]。

這種3D顯示由于需要佩戴專用眼鏡，使用不方便，因此很多公司和研究機(jī)構(gòu)致力于研究不需要佩戴任何眼鏡的裸眼3D顯示技術(shù)。其原理大都采用了視差障壁（Parallax Barrier）技術(shù)：利用具有立面狹縫特征的“視差柵欄”[2]，使左右眼分別接受90°相位差的兩組圖像，來使用戶感受到立體效果。例如，株式會社IP舍路信公司申請的一項(xiàng)申請?zhí)枮镴P2010-520779的專利，其中公開了一種顯示裸眼立體畫面的觸摸屏系統(tǒng)，通過視差屏障薄片將觸摸屏上的菜單等圖案顯示成立體效果[3]。

目前還出現(xiàn)了一些特殊的裸眼3D顯示技術(shù)，例如蘋果公司研究出了一種多層觸摸屏，由多個(gè)透明的OLED層疊加，并單獨(dú)進(jìn)行控制，可以根據(jù)顯示圖像的需要形成不同的景深，達(dá)到立體的顯示效果，該項(xiàng)技術(shù)已于2011年7月向美國專利和商標(biāo)局提出了專利申請[4]。

1.2 3D觸控技術(shù)

3D觸控允許用戶在3D空間中實(shí)現(xiàn)觸控操作，通過捕捉操作對3D空間中的位置，來判斷用戶的操作。與傳統(tǒng)的平面觸控相比，具有更加豐富的觸控手勢，更強(qiáng)的用戶交互性。

例如，蘋果公司申請的一項(xiàng)申請?zhí)枮閁S11/255348的專利中公開了一種三維圖像生成和顯示系統(tǒng)：利用3D攝像機(jī)檢測用戶在三維空間中的手勢，并對手勢進(jìn)行識別，利用投影將虛擬的手勢變化輸出顯示[5]。在上海交通大學(xué)的申請?zhí)枮镃N201110430702的專利中，公開了一種手持式的3D人機(jī)交互工具，設(shè)置具有3個(gè)面的觸摸屏，分別構(gòu)成X、Y、Z軸，將每個(gè)面上的觸摸，轉(zhuǎn)換成三維空間的觸摸信號，實(shí)現(xiàn)對三維空間中的物體進(jìn)行觸控[6]。

2 投影式觸摸屏

投影式觸摸屏主要利用激光投影原理，將顯示畫面投射到平面或者物體表面上，并利用現(xiàn)有的觸控技術(shù)或者攝像機(jī)定位，獲取觸控坐標(biāo)，來實(shí)現(xiàn)交互。由于投影式觸摸屏支持多種類型的顯示載體，并且只需要固定尺寸的設(shè)備即可顯示較大尺寸的畫面，因此在許多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，例如櫥窗展示、廣告板、大型游戲界面等需要較大顯示區(qū)域的場合，當(dāng)然也可以將投影設(shè)備尺寸做小，用于便攜式設(shè)備。

2.1大尺寸投影觸摸屏

思特傳媒、盛邦新業(yè)、摩拓為、保創(chuàng)光電等公司都推出了以玻璃為顯示載體的投影式觸摸屏，基本原理都是利用投影儀將畫面投射顯示在玻璃上，再采用攝像機(jī)或觸摸膜捕捉用戶的觸摸位置，從而實(shí)現(xiàn)交互。

2.2 便攜式投影觸摸屏

對于小型化的便攜式投影觸摸設(shè)備，比較有代表性的產(chǎn)品之一就是賽路恩（Celluon）公司的evoMouse和Magic Cube，該產(chǎn)品采用3D Electronic Perception Technology （EPT） 技術(shù)，相關(guān)專利申請?zhí)枮镃N01817826.X的專利中公開了一種檢測和定位用戶-對象與虛擬傳送設(shè)備的交互作用的準(zhǔn)三維方法和裝置[7]，利用紅外激光在平面上以一定角度投影顯示出鍵盤，并利用一組攝像機(jī)傳感器檢測手指觸摸位置，通過坐標(biāo)映射，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)按鍵的觸摸。

在CES2010年的展會上，Light Blue Optics公司展出的一款投影產(chǎn)品Light Touch，可以將任意平面投影成觸摸屏，相關(guān)的申請?zhí)枮镚B0823457.7 的專利中公開了一種觸敏全息顯示設(shè)備[8]，將顯示界面以銳角投影到物體表面，遠(yuǎn)程觸摸檢測器檢測觸摸對象在投影圖像上或者邊沿的觸摸位置，從而實(shí)現(xiàn)交互。

2011年，微軟在其游戲產(chǎn)品Kinect的基礎(chǔ)上，和卡耐基梅隆大學(xué)合作開發(fā)了一款名為OmniTouch的可佩帶式投影觸摸屏，可將設(shè)備佩戴在身上，在墻面、紙張等上投影出虛擬界面，通過深度攝像機(jī)感測用戶的觸摸位置，從而實(shí)現(xiàn)交互。

3 柔性觸摸屏

傳統(tǒng)觸摸屏大都是由硬質(zhì)材料制成，例如玻璃和硬質(zhì)塑料，在尺寸和形狀上所限制，且容易破裂。而新型的柔性觸摸屏具有更強(qiáng)的抗震性和多樣化的形狀。

在柔性觸摸屏領(lǐng)域，采用的大都是柔性O(shè)LED技術(shù)，即采用基于有機(jī)材料的電流驅(qū)動型半導(dǎo)體發(fā)光器件。器件由夾在透明陽極、金屬陰極和夾在它們之間的有機(jī)層構(gòu)成，并形成于柔性基板上。當(dāng)電極加正向電壓時(shí)，由于電荷遷移在發(fā)光層產(chǎn)生激子，進(jìn)而激發(fā)發(fā)光分子產(chǎn)生光子而發(fā)光[9]。其柔性基板大都采用PET基片或者PI基片。

柔性觸摸屏技術(shù)上專利申請量較大的公司有三星、柯達(dá)、富士、LG，比亞迪、鴻富錦等，其中三星公司的申請量最大，下圖為2001年到2011年，三星公司在柔性觸摸屏技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量，從圖中可以看出2003年后相關(guān)申請量呈上升趨勢，并在2005-2011連續(xù)保持高位。

圖1 2001年-2011年三星公司柔性觸摸屏相關(guān)專利申請量

近幾年，柔性觸摸屏頻繁出現(xiàn)在各大展會上。例如2008年在日本橫濱召開的FPD International展會上，三星公司展示了其使用柔性AMOLED（有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管）技術(shù)制作的手機(jī)，柔性屏幕可以隨意扭曲，且能耗超低。從2001年開始，與AMOLED技術(shù)相關(guān)的專利公開量也呈逐年遞增的趨勢[10]。

2009年2月，亞利桑那州州立大學(xué)柔性顯示器中心（Flexible Display Center）宣布了一項(xiàng)柔性顯示器技術(shù)[12]，在可饒式，無玻璃的基板上開發(fā)世界第一個(gè)觸摸屏主動矩陣顯示器（touchscreenactive matrix display），第一次展示了在柔性屏上實(shí)現(xiàn)用戶交互。該項(xiàng)目由柔性顯示器中心和E-Ink公司、杜邦-帝人薄膜公司的共同合作開發(fā)。結(jié)合了柔性顯示器中心的低溫薄膜晶體管技術(shù)，杜邦-帝人薄膜公司的高效能Teonex聚萘二甲酸乙二酯（PolyethyleneNaphthalate ，PEN）技術(shù)及E-INK公司的VizplexTM技術(shù)，形成主動矩陣電泳顯示器。并整合由EINK公司及EPSON公司共同開發(fā)的低功耗顯示控制器實(shí)現(xiàn)觸摸交互。該款柔性觸摸屏支持手指和觸摸筆輸入，且只有當(dāng)電子紙被啟用時(shí)才會消耗電力，該中心還于2012年5月30日宣布其研究出了世界上最大的采用先進(jìn)的混合氧化薄膜晶體管（TFTs）技術(shù)的柔性彩色OLED顯示屏原型[12]。

韓國浦項(xiàng)大學(xué)、成均大學(xué)和首爾大學(xué)合作研究，采用石墨烯作為透明電極的柔性有機(jī)EL元件，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于采用ITO時(shí)的發(fā)光效率和電流效率[13]。

4 具有觸覺感受的觸摸屏

觸摸屏雖然具有更生動的交互性，卻缺乏傳統(tǒng)按鍵的觸感，因此不斷有公司和研究機(jī)構(gòu)在如何增強(qiáng)觸摸屏觸覺感受方面開展研究，其實(shí)現(xiàn)方式也多種多樣。

4.1震動方式的觸覺反饋

英默森（immersion）公司多年來專注于觸摸屏的觸覺反饋研究，目前已申請多項(xiàng)相關(guān)專利，可謂是該領(lǐng)域的先驅(qū)，其中較多的是利用致動器實(shí)現(xiàn)震動反饋，例如，其中申請?zhí)枮?00780034005.4的一項(xiàng)專利中公開了一種局部觸覺反饋裝置，可將觸覺反饋限定在某一個(gè)形變區(qū)域內(nèi)。

蘋果公司申請的申請?zhí)枮镃N201080041564.X的一項(xiàng)專利[14]中公開了一種用于使觸覺反饋局部化的方法和裝置，依靠設(shè)備上的多個(gè)獨(dú)立的致動器來提供輸入鍵盤激活反饋。當(dāng)用戶在虛擬鍵盤上進(jìn)行輸入時(shí)，只有觸控到的準(zhǔn)確字母才會產(chǎn)生觸覺震動反饋，從而使用戶感知輸入的正確性。

4.2改變摩擦系數(shù)的觸覺反饋

近幾年還出現(xiàn)了一些改變觸摸屏摩擦系數(shù)的觸覺反饋方式，使用戶能夠感知粗糙度的變化。

例如，諾基亞公司申請的申請?zhí)枮镃N200680055745.1的一項(xiàng)專利[15]中公開了一種觸覺型觸摸屏，在觸摸屏上設(shè)置多個(gè)電壓可控的凸起，電壓增加程度與凸起的程度相關(guān)，通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)節(jié)凸起的高度，從而改變觸摸屏的摩擦系數(shù)和粗糙程度。用戶交互時(shí)，可通過不斷的調(diào)節(jié)摩擦系數(shù)，使用戶感受到某些區(qū)域的表面粗糙度不同于其他區(qū)域。

芬蘭的Senseg公司推出了一款具有摩擦感的觸控屏，可通過屏幕表面的靜電場模擬手指和屏幕間的各種不同摩擦。在其申請?zhí)枮镃N200880107664.0的相關(guān)專利[16]中提到，該技術(shù)是基于一個(gè)發(fā)現(xiàn)：皮下環(huán)形小體可以用電容電耦合和適當(dāng)規(guī)格的控制電壓來刺激，通過適當(dāng)?shù)馗淖兪种概c觸摸屏活性表面的電場，會出現(xiàn)能夠移動手指的力，由此引起感覺器官有例如振動的錯(cuò)覺。

索尼公司近期申請了一系列具有摩擦感反饋的觸控筆的相關(guān)專利，在觸控筆的筆頭處采用了一種“滾球夾持機(jī)構(gòu)”，觸控筆在接收到來自手機(jī)或平板的指令時(shí)會通過致動器增強(qiáng)或減小阻力，從而讓用戶體驗(yàn)到相應(yīng)的摩擦感反饋。

4.3凸感鍵盤

Tactus公司在2012年的SID展會上展示了一款新型的觸摸屏，觸屏上有一層薄膜，稱為“力反饋層”，里面儲存有液體，接收到指令后，液體會集中到鍵盤按鍵的位置，呈現(xiàn)出一個(gè)類似實(shí)體按鍵的凸腔，使用戶按鍵時(shí)有操作實(shí)體鍵盤一樣的手感。而當(dāng)屏幕不使用時(shí)，液體則會返回到原來的位置，使屏幕恢復(fù)平整。該技術(shù)已于2009年1月5日向美國專利與商標(biāo)局提出專利申請[17]。

5 其他觸摸屏技術(shù)

5.1透明觸摸屏

透明觸摸屏基本原理是在透明玻璃底板上層疊由透明電極構(gòu)成的陽極、空穴傳輸層、發(fā)光層，電子傳輸層、陰極，然后用密封材料密封。通過在電極間加載電壓，空穴和電子在發(fā)光層內(nèi)重新結(jié)合而發(fā)光。由于采用透明電極，能夠顯現(xiàn)出透明或者半透明的效果。例如，在2010年美國拉斯維加斯舉辦的CES展會上，三星展出了一款14英寸OLED透明屏幕的筆記本產(chǎn)品，關(guān)閉時(shí)，OLED透明度高達(dá)40%[18]。

5.2光電式的Zero Touch觸摸屏

美國德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)推出了一項(xiàng)稱為ZeroTouch的觸摸屏技術(shù)[19]，窗口邊緣安裝了多個(gè)LED和紅外傳感器，紅外光束在其中縱橫交錯(cuò)，能檢測任何達(dá)到或穿過窗口平面的物體，并記錄其位置和大小，能同時(shí)識別多達(dá)20個(gè)獨(dú)立的觸摸點(diǎn)。用戶可通過觸摸或者穿過窗口進(jìn)行操作。

Citron公司2009年申請的一項(xiàng)申請?zhí)枮镈E102009004983.3的專利中也公開了一種多點(diǎn)觸控板，同樣采用在邊框設(shè)置若干交織的接收器和發(fā)送器的方式，通過對觸摸時(shí)阻斷的光線進(jìn)行計(jì)算，得到觸控點(diǎn)的位置。

5.3其他特殊觸摸屏

Wacom公司推出了一款能將任何紙張變成觸摸屏的平板電腦[20]，由動作感應(yīng)器和壓感筆兩部分組成，使用的時(shí)候，將動作感應(yīng)器放在紙張旁邊，使用壓感筆在紙張上寫字、涂鴉，動作感應(yīng)器捕捉壓感筆的動作，甚至是筆跡的粗細(xì)，并將其轉(zhuǎn)換成圖片保存。

2011年designboom與富士通公司以及日本設(shè)計(jì)協(xié)會DA合作舉辦的競賽“未來計(jì)算機(jī)生活”中， 韓國設(shè)計(jì)師yonggu do等人設(shè)計(jì)的“ecopad” [21] 配備有一塊能發(fā)電的觸摸屏，觸摸屏下有一層納米壓電膜，當(dāng)用戶在觸摸屏上按壓的時(shí)候，壓電膜能夠產(chǎn)生電力，并為本機(jī)電池充電。

6 結(jié)束語

通過對幾種類型的新型觸摸屏的簡要介紹，可以看出，除了觸摸屏本身性能在不斷優(yōu)化外，觸摸屏正向多元化方向發(fā)展，筆者預(yù)測未來在3D觸摸屏和投影觸摸屏方面還會有更多發(fā)展空間，柔性觸摸屏技術(shù)的完善和市場化進(jìn)程也會加快、并且還會出現(xiàn)更多具有觸覺反饋感受的觸摸屏，期待未來的觸摸屏能夠帶給用戶更加生動和便捷的交互體驗(yàn)。

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