摸屏技术综述及专利分析

欧晓丹　徐国祥　陈玉华　张旭光

摘要：文章简要介绍了近几年出现的多种新型触摸屏技术，按照技术原理将其大致归为5类：3D式触摸屏、投影式触摸屏、柔性触摸屏、具有触觉感受的触摸屏以及其他类型触摸屏，并给出了部分技术的相关专利分析，由此对未来触摸屏技术的发展方向做出预测，以期能够为相关企业提供参考。

关键词：新型触摸屏；专利分析

中图分类号：TP311 文獻标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）01-0153-03

触摸屏的出现，给用户带来了相比传统按键和键盘更加直观、便捷的交互体验。从技术角度，传统的触摸屏大致可分为几类：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、光电式触摸屏、表面声波式触摸屏和电磁式触摸屏。近几年，随着材料技术、生产技术和计算机技术的发展，许多新型的触摸屏不断浮现。该文对几种新型的触摸屏技术进行简介，并就此对未来发展方向进行分析。

1 3D式触摸屏

3D触摸屏主要包括3D显示和3D触控。3D显示就是使显示画面具有3D效果，而3D触控主要是指触摸屏能够感测3D触控手势或触控对象的3D位置。

1.1 3D显示技术

常见的3D显示有佩戴偏振片的3D显示和裸眼3D显示。例如，2010年洛杉矶举办的SIGGRAPH会议上，Immersion公司展出了一款3D触摸屏，用户可佩戴偏振眼镜与屏幕上的3D图像进行交互[1]。

这种3D显示由于需要佩戴专用眼镜，使用不方便，因此很多公司和研究机构致力于研究不需要佩戴任何眼镜的裸眼3D显示技术。其原理大都采用了视差障壁（Parallax Barrier）技术：利用具有立面狭缝特征的“视差栅栏”[2]，使左右眼分别接受90°相位差的两组图像，来使用户感受到立体效果。例如，株式会社IP舍路信公司申请的一项申请号为JP2010-520779的专利，其中公开了一种显示裸眼立体画面的触摸屏系统，通过视差屏障薄片将触摸屏上的菜单等图案显示成立体效果[3]。

目前还出现了一些特殊的裸眼3D显示技术，例如苹果公司研究出了一种多层触摸屏，由多个透明的OLED层叠加，并单独进行控制，可以根据显示图像的需要形成不同的景深，达到立体的显示效果，该项技术已于2011年7月向美国专利和商标局提出了专利申请[4]。

1.2 3D触控技术

3D触控允许用户在3D空间中实现触控操作，通过捕捉操作对3D空间中的位置，来判断用户的操作。与传统的平面触控相比，具有更加丰富的触控手势，更强的用户交互性。

例如，苹果公司申请的一项申请号为US11/255348的专利中公开了一种三维图像生成和显示系统：利用3D摄像机检测用户在三维空间中的手势，并对手势进行识别，利用投影将虚拟的手势变化输出显示[5]。在上海交通大学的申请号为CN201110430702的专利中，公开了一种手持式的3D人机交互工具，设置具有3个面的触摸屏，分别构成X、Y、Z轴，将每个面上的触摸，转换成三维空间的触摸信号，实现对三维空间中的物体进行触控[6]。

2 投影式触摸屏

投影式触摸屏主要利用激光投影原理，将显示画面投射到平面或者物体表面上，并利用现有的触控技术或者摄像机定位，获取触控坐标，来实现交互。由于投影式触摸屏支持多种类型的显示载体，并且只需要固定尺寸的设备即可显示较大尺寸的画面，因此在许多领域应用广泛，例如橱窗展示、广告板、大型游戏界面等需要较大显示区域的场合，当然也可以将投影设备尺寸做小，用于便携式设备。

2.1大尺寸投影触摸屏

思特传媒、盛邦新业、摩拓为、保创光电等公司都推出了以玻璃为显示载体的投影式触摸屏，基本原理都是利用投影仪将画面投射显示在玻璃上，再采用摄像机或触摸膜捕捉用户的触摸位置，从而实现交互。

2.2 便携式投影触摸屏

对于小型化的便携式投影触摸设备，比较有代表性的产品之一就是赛路恩（Celluon）公司的evoMouse和Magic Cube，该产品采用3D Electronic Perception Technology （EPT） 技术，相关专利申请号为CN01817826.X的专利中公开了一种检测和定位用户-对象与虚拟传送设备的交互作用的准三维方法和装置[7]，利用红外激光在平面上以一定角度投影显示出键盘，并利用一组摄像机传感器检测手指触摸位置，通过坐标映射，实现对应按键的触摸。

在CES2010年的展会上，Light Blue Optics公司展出的一款投影产品Light Touch，可以将任意平面投影成触摸屏，相关的申请号为GB0823457.7 的专利中公开了一种触敏全息显示设备[8]，将显示界面以锐角投影到物体表面，远程触摸检测器检测触摸对象在投影图像上或者边沿的触摸位置，从而实现交互。

2011年，微软在其游戏产品Kinect的基础上，和卡耐基梅隆大学合作开发了一款名为OmniTouch的可佩带式投影触摸屏，可将设备佩戴在身上，在墙面、纸张等上投影出虚拟界面，通过深度摄像机感测用户的触摸位置，从而实现交互。

3 柔性触摸屏

传统触摸屏大都是由硬质材料制成，例如玻璃和硬质塑料，在尺寸和形状上所限制，且容易破裂。而新型的柔性触摸屏具有更强的抗震性和多样化的形状。

在柔性触摸屏领域，采用的大都是柔性OLED技术，即采用基于有机材料的电流驱动型半导体发光器件。器件由夹在透明阳极、金属阴极和夹在它们之间的有机层构成，并形成于柔性基板上。当电极加正向电压时，由于电荷迁移在发光层产生激子，进而激发发光分子产生光子而发光[9]。其柔性基板大都采用PET基片或者PI基片。

柔性触摸屏技术上专利申请量较大的公司有三星、柯达、富士、LG，比亚迪、鸿富锦等，其中三星公司的申请量最大，下图为2001年到2011年，三星公司在柔性触摸屏技术领域的专利申请量，从图中可以看出2003年后相关申请量呈上升趋势，并在2005-2011连续保持高位。

图1 2001年-2011年三星公司柔性触摸屏相关专利申请量

近几年，柔性触摸屏频繁出现在各大展会上。例如2008年在日本横滨召开的FPD International展会上，三星公司展示了其使用柔性AMOLED（有源矩陣有机发光二极管）技术制作的手机，柔性屏幕可以随意扭曲，且能耗超低。从2001年开始，与AMOLED技术相关的专利公开量也呈逐年递增的趋势[10]。

2009年2月，亚利桑那州州立大学柔性显示器中心（Flexible Display Center）宣布了一项柔性显示器技术[12]，在可饶式，无玻璃的基板上开发世界第一个触摸屏主动矩阵显示器（touchscreenactive matrix display），第一次展示了在柔性屏上实现用户交互。该项目由柔性显示器中心和E-Ink公司、杜邦-帝人薄膜公司的共同合作开发。结合了柔性显示器中心的低温薄膜晶体管技术，杜邦-帝人薄膜公司的高效能Teonex聚萘二甲酸乙二酯（PolyethyleneNaphthalate ，PEN）技术及E-INK公司的VizplexTM技术，形成主动矩阵电泳显示器。并整合由EINK公司及EPSON公司共同开发的低功耗显示控制器实现触摸交互。该款柔性触摸屏支持手指和触摸笔输入，且只有当电子纸被启用时才会消耗电力，该中心还于2012年5月30日宣布其研究出了世界上最大的采用先进的混合氧化薄膜晶体管（TFTs）技术的柔性彩色OLED显示屏原型[12]。

韩国浦项大学、成均大学和首尔大学合作研究，采用石墨烯作为透明电极的柔性有机EL元件，实现了优于采用ITO时的发光效率和电流效率[13]。

4 具有触觉感受的触摸屏

触摸屏虽然具有更生动的交互性，却缺乏传统按键的触感，因此不断有公司和研究机构在如何增强触摸屏触觉感受方面开展研究，其实现方式也多种多样。

4.1震动方式的触觉反馈

英默森（immersion）公司多年来专注于触摸屏的触觉反馈研究，目前已申请多项相关专利，可谓是该领域的先驱，其中较多的是利用致动器实现震动反馈，例如，其中申请号为200780034005.4的一项专利中公开了一种局部触觉反馈装置，可将触觉反馈限定在某一个形变区域内。

苹果公司申请的申请号为CN201080041564.X的一项专利[14]中公开了一种用于使触觉反馈局部化的方法和装置，依靠设备上的多个独立的致动器来提供输入键盘激活反馈。当用户在虚拟键盘上进行输入时，只有触控到的准确字母才会产生触觉震动反馈，从而使用户感知输入的正确性。

4.2改变摩擦系数的触觉反馈

近几年还出现了一些改变触摸屏摩擦系数的触觉反馈方式，使用户能够感知粗糙度的变化。

例如，诺基亚公司申请的申请号为CN200680055745.1的一项专利[15]中公开了一种触觉型触摸屏，在触摸屏上设置多个电压可控的凸起，电压增加程度与凸起的程度相关，通过调节电压来调节凸起的高度，从而改变触摸屏的摩擦系数和粗糙程度。用户交互时，可通过不断的调节摩擦系数，使用户感受到某些区域的表面粗糙度不同于其他区域。

芬兰的Senseg公司推出了一款具有摩擦感的触控屏，可通过屏幕表面的静电场模拟手指和屏幕间的各种不同摩擦。在其申请号为CN200880107664.0的相关专利[16]中提到，该技术是基于一个发现：皮下环形小体可以用电容电耦合和适当规格的控制电压来刺激，通过适当地改变手指与触摸屏活性表面的电场，会出现能够移动手指的力，由此引起感觉器官有例如振动的错觉。

索尼公司近期申请了一系列具有摩擦感反馈的触控笔的相关专利，在触控笔的笔头处采用了一种“滚球夹持机构”，触控笔在接收到来自手机或平板的指令时会通过致动器增强或减小阻力，从而让用户体验到相应的摩擦感反馈。

4.3凸感键盘

Tactus公司在2012年的SID展会上展示了一款新型的触摸屏，触屏上有一层薄膜，称为“力反馈层”，里面储存有液体，接收到指令后，液体会集中到键盘按键的位置，呈现出一个类似实体按键的凸腔，使用户按键时有操作实体键盘一样的手感。而当屏幕不使用时，液体则会返回到原来的位置，使屏幕恢复平整。该技术已于2009年1月5日向美国专利与商标局提出专利申请[17]。

5 其他触摸屏技术

5.1透明触摸屏

透明触摸屏基本原理是在透明玻璃底板上层叠由透明电极构成的阳极、空穴传输层、发光层，电子传输层、阴极，然后用密封材料密封。通过在电极间加载电压，空穴和电子在发光层内重新结合而发光。由于采用透明电极，能够显现出透明或者半透明的效果。例如，在2010年美国拉斯维加斯举办的CES展会上，三星展出了一款14英寸OLED透明屏幕的笔记本产品，关闭时，OLED透明度高达40%[18]。

5.2光电式的Zero Touch触摸屏

美国德克萨斯州农工大学推出了一项称为ZeroTouch的触摸屏技术[19]，窗口边缘安装了多个LED和红外传感器，红外光束在其中纵横交错，能检测任何达到或穿过窗口平面的物体，并记录其位置和大小，能同时识别多达20个独立的触摸点。用户可通过触摸或者穿过窗口进行操作。

Citron公司2009年申请的一项申请号为DE102009004983.3的专利中也公开了一种多点触控板，同样采用在边框设置若干交织的接收器和发送器的方式，通过对触摸时阻断的光线进行计算，得到触控点的位置。

5.3其他特殊触摸屏

Wacom公司推出了一款能将任何纸张变成触摸屏的平板电脑[20]，由动作感应器和压感笔两部分组成，使用的时候，将动作感应器放在纸张旁边，使用压感笔在纸张上写字、涂鸦，动作感应器捕捉压感笔的动作，甚至是笔迹的粗细，并将其转换成图片保存。

2011年designboom与富士通公司以及日本设计协会DA合作举办的竞赛“未来计算机生活”中， 韩国设计师yonggu do等人设计的“ecopad” [21] 配备有一块能发电的触摸屏，触摸屏下有一层纳米压电膜，当用户在触摸屏上按压的时候，压电膜能够产生电力，并为本机电池充电。

6 结束语

通过对几种类型的新型触摸屏的简要介绍，可以看出，除了触摸屏本身性能在不断优化外，触摸屏正向多元化方向发展，笔者预测未来在3D触摸屏和投影触摸屏方面还会有更多发展空间，柔性触摸屏技术的完善和市场化进程也会加快、并且还会出现更多具有触觉反馈感受的触摸屏，期待未来的触摸屏能够带给用户更加生动和便捷的交互体验。

参考文献：

[1] Catherine de Lange， Future on display： 3D touchscreens made for two[EB/OL].http：//www.newscientist.com/article/dn19251-future-on-display-3d-touchscreens-made-for-two.html， 2010-08-05.

[2] 株式会社夏普.显示板和显示设备：日本，2004-68801[P].20040311.

[3] 株式会社IP舍路信.裸眼立体画面显示系裸眼立体画面显示装置、游戏机、视差屏障薄片：日本，2010-520779[P].2009-07-15.

[4] Josh Lowensohn.Apple files for patent on 3D， multilayer display[EB/OL].http：//news.cnet.com/8301-27076_3-20081449-248/apple-files-for-patent-on-3d-multilayer-display/，2011-07-21

[5] 苹果公司.三维图像形成和显示系统：美国，11/255348[P].2005-10-21.

[6] 上海交通大学.一种手持式3D人机交互工具.中国，201110430702.X[P].2011-12-20.

[7] 卡尼斯塔公司. 检测和定位用户-对象与虚拟传送设备的交互作用的准三维方法和装置：中国，01817826.X[P].2001-09-07.

[8] Light Blue Optics 公司.触敏全息显示设备：英国，0823457.7[P].2008-12-24.

[9] 李小芘，柔性O L E D[J].记录媒体技术，2009，（1）：59-64.

[10] 罗佳秀，范兵.AMOLED技术领域全球专利布局分析[J].中国集成电路，2012（Z1）：88-93.

[11] 亚利桑那州州立大学柔性显示器中心开发第一个触摸屏柔性显示器[J].电子与电脑，2009（3）：73.

[12] The Flexible Display Center Produces Largest Flexible Color OLED Display Manufactured With Mixed Oxide Thin Film Transistors， Marketwire [EB/OL].http：//www.marketwire.com/press-release/flexible-display-center-produces-largest-flexible-color-oled-display-manufactured-with-1662878.htm，2012-05-30.

[13] Tae-Hee Han，et al.Extremely efficient flexible organic light-emitting diodes with modified graphene anode.nature photonics，2012，6（2），105-110.

[14] 苹果公司.用于使觸觉反馈局部化的方法和装置：中国，20108004156.X[P].2010-07-16.

[15] 诺基亚公司.触觉型触摸屏：中国，200680055745.1[P].2006-09-27.

[16] 森赛格公司.用于感觉刺激的方法和设备：中国200880107664.0[P].2008-09-17.

[17] Craig Michael Ciesla.用户界面系统：美国，12/319344[P].2009-01-05.

[18] 中国OLED网，三星展世界首台透明OLED笔记本电脑.[EB/OL] http：//www.oledw.com/oled-news/201001/1963.shtml.2010-01-08.

[19] Moeller， J. and Kerne， A.， ZeroTouch： An Optical Multi-Touch and Free-Air Interaction Architecture， Proc. CHI 2012， 2165-2174.

[20] 随时随地挥洒创意 Wacom Inkling数位笔抢先评测，数字娱乐技术，2011（10）.

[21] 威锋网，富士通设计大奖赛评委会特别奖作品赏：ecopad充电触屏[EB/OL]，http：//tech.weiphone.com/2011-05- 28/Fujitsu_design_works_Grand_Prix_Special_Jury_Prize_Award_ecopad_charge_touch_236024.shtml，2011-05-28.