軍用光學現代技術論文範文

　　軍用光學是光學的一種應用，光學是物理學的重要分支學科。也是與光學工程技術相關的學科。下面是小編為大家精心推薦的軍用光學技術論文，希望能夠對您有所幫助。

　　軍用光學技術論文篇一

　　光學觸控技術綜述

　　文章編號：1006-6268***2008***10-0016-05

　　摘要：光學觸控技術最初是1970年代引入的，最新的突破帶來了該技術的復甦。研發者已經能夠解決成本、亮環境光下的顯示效能，以及組成要素等問題，這裡只提及其中的一小部分。本文詳細介紹了這些問題是如何解決的;該技術的前景，包括深入瞭解一下光學觸控系統的幾個嶄新的發展。

　　關鍵詞：光學觸控技術;發光二極體;光學感測器

　　光學觸控技術最初是1970年代Caroll Touch公司***現在是Elo TouchSystems的一部分***發展起來的，現有不少供應商出售該項技術。和其它的觸控技術相比，光學觸控技術具有很多優點。工業界的很多人都認為，如果沒有下面將要提到的兩個相當大的缺點，光學觸控技術現在已經成為觸控技術的主流。光學觸控式螢幕技術的最新發展使得光學觸控技術復興，為其成主流觸控技術奠定了基礎。

　　引言

　　傳統的光學觸控系統是在顯示器的兩個相鄰斜面上採用紅外發光***IR***二極體***LED***陣列，並在相對的斜面邊緣放置光敏元件，用於分析系統、確定觸控動作。LED-光感測元件對在顯示器上形成光束柵格。當物體***例如手指或者鋼筆***觸控式螢幕幕遮斷了光束，就會在相應光感測元件處引起光測量值的減弱。光感測的輸出測量值可以用於確定出觸控點的座標。通常控制器是掃描光感測陣列，而不是同時測量所有的光感測器，因此這項技術有時被稱為"掃描IR"。在這項技術的高階版本中，每個光感測器測量來自不止一個LED的光，這使得控制器可以補償由於屏上不可移動的碎片而引起的光的阻斷***見圖1***。

　　這項傳統的光學觸控技術已經主要用於觸控市場中的相關領域。過去，它的廣泛應用由於兩大原因曾經受到限制：技術成本比與之競爭的其他觸控技術要高，還有在亮環境光下的顯示效能問題。後一個問題是由於背光源放大了光感測元件的背景噪聲。在有些情況下，噪聲大到無法檢測到觸控式螢幕的LED光，導致觸控式螢幕的暫時失靈。這個問題在陽光直射下最為顯著，因為陽光在紅外區域分佈有大量的能量。

　　另外，傳統的光學觸控技術由於其它的一些技術問題，例如功耗、機械包裝約束、解析度的限制導致系統檢測PDA筆等小物體的能力受限等，而沒有被手持式觸控式螢幕***例如手機和PDA等***採用。其它技術例如模擬電阻技術由於成本低很多，主導了移動裝置觸控式螢幕的市場。

　　但是光學觸控的特性還是可取的，代表了理想觸控式螢幕的屬性，包括可以去除其它觸控技術都必需的顯示屏前的玻璃或塑料層。在很多情況下，這種覆蓋層採用透明導電材料，例如氧化銦錫***ITO***，這會導致顯示屏的光學效能下降。光學觸控式螢幕的這個優勢對於很多裝置、顯示屏供應商來說是極其重要的，因為裝置的售出與使用者的感覺質量相關。

　　光學觸控的另一個長期需求的效能是感測器的數字輸出，相比之下，很多其它的觸控系統是依賴於模擬訊號處理來確定觸控位置。這些與之競爭的模擬系統通常需要不停的再校準，對訊號處理***增加了成本和功耗***的要求比較複雜，與數字系統相比精確度相對降低;並且由於操作環境引起更長時間使用後系統失靈。

　　光學觸控的另一個關鍵的優點是通常情況下沒有手指、筆或其它被識別硬體的直接接觸。這就減少了觸控式螢幕由於接觸失敗、老化、疲勞引起失靈的可能。這與低壓力觸控的要求也有關。在一個光學觸控系統中，只要與光束接觸就可以了，不需要檢測力量或者觸發系統。

　　最後，光學觸控可以執行同時觸控，這是其它觸控技術難以實現的。儘管同時觸控在過去沒有被廣泛地發展，近期由於蘋果iPhone等新裝置引起了關注，它讓同時觸控成為使用者介面不可或缺的一部分。

　　1最新技術提高

　　1.1新元件和訊號處理的改進

　　處理：自從傳統的光學觸控系統開始發展，關鍵元件如LED、光敏二極體、CMoS晶片在效能上有了長足的發展，成本大大降低。產生模塑光學和訊號處理演算法的技術也有了很大的發展和改進。因此，傳統光學觸控技術有了發展，至少與其它也在不斷髮展的觸控技術相比保持著競爭力。

　　1.2改進的光學系統設計

　　近期，Elo TouchSystems和IRTouch等公司試圖解決光學觸控的背景或環境光問題，主要採用改進邊緣***縫隙***設計、光學濾光片和更加複雜的訊號處理來增強信噪比。如，紅外LED可以通過特定頻率調製，光感測器的輸出只可以在該特定頻率下解調。由此來降低陽光對未調製的紅外光的影響。製造商聲稱的最新產品能承受75~100klx的環境光，表明這些技術在降低光學觸控對日光的敏感度方面有了不錯的成就。

　　2 新型光學觸控系統

　　新元件技術和關鍵器件的成本降低使得大量嶄新的光學觸控系統得以產生。便宜和更尖端的光學系統設計工具的結合，為現有光學觸控系統的設計和製造的再次提出創造了完善的條件。

　　現有兩大類新的光學觸控系統：一類是取決於光源的，通過阻斷來檢測觸控的;還有一類是利用環境光，而與光源無關的。另外，這些新系統還可以根據規定光束的遮斷，以及通過複雜的訊號處理來確定顯示器上方影象的觸控點來分類。本文回顧了這些新型的光學觸控系統。

　　3 Neonode

　　Neonode採用了傳統的IR觸控技術，LED以及光敏二極體，關鍵在於將其微型化以用於手持裝置。除了將該技術用於其N2手機，Neonode還將它銷售給其他的裝置製造商。但是還不清楚該技術是否被其他的手機銷售商採納。該項技術的關鍵挑戰在於斜面的高度。很多手機制造商不斷地嘗試製造能在頂面齊平或者接近齊平的新元件，他們希望顯示器儘量延伸，儘量靠近裝置的邊緣***使得顯示器的尺寸和對多媒體功能的體驗都儘可能的大***。參考圖2中給出的Neonode N2和蘋果iPhone，可以立刻明顯發現iPhone螢幕的表面是平滑的，而N2手機屏的表面是凹的。通過對樣品的檢測，N2的斜高約為1.6mm***包括包裝材料的厚度***;而iPhone的斜高為0***平滑***。其它妨礙Neonode觸控式螢幕技術在手機市場使用的問題有成本和功耗，都是因為裝置中大量的採用光電子元件***LED和光敏二極體***造成的。

　　對於這項技術及蘋果iPhone的另外一個潛在的挑戰是隻能用手指觸控的限制。亞洲智慧手機制造商更希望能夠採用觸控筆輸入，以支援字元識別。Neonode N2上的光束間隔比較寬，大約每釐米2.5個光束，手指大約能夠覆蓋9個光束交叉點。這能節約能量，但是使得觸控筆在觸控式螢幕上無法使用。即使使用大的觸控筆，由於解析度不夠，手寫識別還是無法實現。相比較而言，用於iPhone的導電軌跡間隔相對比較窄，大概每釐米25個軌跡交叉點。但是，即便是投射式電容性技術的解析度更高，它只能支援手指觸控，限制了觸控筆或是戴手套時的使用。所以這個比較結論有待討論。

　　4 NextWindow、SMART以及其它技術

　　NextWindow和SMART技術實現了基於照相機的光學觸控，至少有一個新的開始。

　　NextWindow的光學觸控式螢幕技術採用了兩個放置在顯示器相鄰邊角上的線掃描照相機***圖3***。照相機根據紅外光源的截斷來檢測任何靠近表面物體的移動。由屏表面的一個平面產生光，並由屏三個邊上的定向反射條*** 定向反射鏡使得光從入射角沿著平行但相反的路徑反射回來***反射回相機。當手指***或任何物體***觸控式螢幕幕時，控制器就分析了相機中的影象，觸控物體位置的三角關係。SMART光學觸控式螢幕技術使用的是相同的原理，區別在於它用了四個面掃描照相機。

　　即使技術上允許光學觸控技術不需要玻璃觸控表面，供應商也不會這樣做，因為需要保護LCD的軟***2H***表面。這些技術比傳統技術先進在它們的有源器件更少，因此可以減少成本，具有更長的平均失誤間隔時間***MTBF***。NextWindow銷售的觸控式螢幕的尺寸在12～120in範圍之間，到目前為止大多數應用於監視器尺寸的顯示屏***例如HP TouchSmart家用電腦***，以及用於互動數字簽名的大尺寸顯示[1]。儘管這項技術具有很高的解析度和資料傳輸率，能夠支援觸控筆的手寫識別;但是，對於小於10in，由於邊界寬度、成本、功耗的考慮不採用掌上反射顯示屏的還無法應用。總的來說，基於相機的光學觸控技術在近期內還無法應用於移動裝置。

　　5 Perceptive Pixel

　　紐約大學的研究者最新研製了一種可以同時用10個、20個，甚至更多手指觸控的大型多處觸控式螢幕。Perceptive Pixel公司的成立，旨在將該項技術商業化――儘管這項技術已經應用於互動性白板、觸控式螢幕桌、數字牆等領域，所有的這些裝置都可以由多人同時操作。

　　Perceptive Pixel技術原理是將紅外LED光引入玻璃或塑料的背投屏上。該技術應用非全內反射***FTIR***，即當手指觸控玻璃表面時，光從手指處散射出去，被垂直於普通玻璃表面的光學感測器檢測到[2]。在Perceptive Pixel應用中，光感測器是投影機旁邊的一個攝像機***見圖4***。因為該技術是為背投顯示屏設計的，它不能應用在移動裝置中。

　　6夏普、東芝-松下顯示***TMD***及其它

　　夏普、TMD以及LG-飛利浦LCD都展示了顯示屏本身作為光感測器件的光學影象觸控系統。這些新型的LCD在每個LCD畫素中集成了一個光感測器件***發光二極體或光敏電晶體***，這使得整個顯示屏成為一個大矩陣光感測器;加上合適的影象分析技術，它可以成為觸控感測器甚至一個讀卡掃描器。夏普最新展示了320×480畫素光感測解析度的3.5in LCD。由於固有的數字技術，它具有識別出同時多處觸控事件的能力***圖5***。

　　將這項技術應用於觸控式螢幕需要面臨的一個挑戰是，在有各種不同型別環境光的情況下進行訊號處理。與普通的觸控式螢幕不同，該技術需要分析一幅複雜的影象來確認是否有觸控發生。與普通的觸控式螢幕相比，這項技術需要更加先進、昂貴、耗電的處理器。另外，多種背景光的存在會使得影象分析更為複雜。另外一個需要考慮的問題是速度。比如說，手寫識別通常被認為需要至少每秒130幀的觸控識別速度，以避免識別延時。這種處理速度對於基於影象矩陣、低功耗的、用於手持裝置的觸控技術來說是一種挑戰。

　　由於移動裝置的顯示屏的尺寸、比例、解析度有很多種，生產商沒有真正的標準。因此，生產能夠用於任意顯示器的感測器將帶來高成本，並且需要處理複雜觸控感測LCD的NRE。另外，這些LCD可能具有更小的畫素-孔徑比，因此與沒有觸控感測的類似顯示屏相比亮度可能會低一些。

　　7 RPO數字波導觸控技術

　　RPO數字波導觸控***DWT***技術是基於傳統IR系統概念發展而來的光學觸控系統。這種系統採用1～2個低成本LED，用來從兩個相鄰斜邊提供可控的光源***事實上是一個紅外光平面***，然後在另兩個相鄰的斜邊上，利用聚合物光學波導來將光線引入分立的10 m管道進入一個小的光感測器矩陣***圖6***。

　　這項由傳統IR觸控改進的技術有效地解決了傳統技術所有的缺點。下面將討論這些缺點。

　　由於光電器件***LED和感測器***不再放置在顯示器的斜邊上;與傳統的光學觸控系統相比，斜面高度和寬度對觸控系統的影響減弱了。RPO展示了在顯示區域外只有2mm的觸控系統，從屏保護***鏡片***到器件外殼的內表面的側面高度只有0.5mm。

　　DWT因為只有1~2個LED和1個光感測器晶片，所以成本要低很多;由於接收端的光學訊號進入分立的光導，被光感測器矩陣的獨立畫素分別檢測而具有"數字性"，所以它的解析度要高很多。因此，筆檢測和手寫輸入識別成為了可能。

　　濾波器和孔隙化的發展使得環境光不再是個問題，因為細小光學波導作為接收管道。

　　使這項技術成為可能的關鍵是RPO公司改進的低成本光刻印刷聚合物光學波導。這家公司採用類似LCD的處理工具來沉積溼膜，用直接的光刻圖案處理薄膜，還有溶劑的改進。這聽起來很簡單，但是改進聚合物材料和用於生產大量、高強度的高解析度光導的工藝用了很多年。另外，這個RPO使用的光學系統設計非常複雜，但是在物理系統中簡單、便宜、便於整合。

　　RPO在Display Week 2007上演示了這個系統，當時用於PDA裝置的多重觸控。DWT現用於高階使用者產品之中。理論上講，這個系統可以用於任意尺寸的顯示屏，但是RPO最初是面向中小型消費類電子和車載顯示器的。

　　8 結論

　　以上這些新的光學觸控技術都可以在廣大且持續發展的觸控式螢幕市場中佔據屬於自己的一席之地。排除所有的技術缺陷，我們可以預測光學觸控技術與其它觸控技術相比具有關鍵的優點。總的來說，這些新技術，如果都歸類於"光學觸控系統"，最終可以佔據觸控式螢幕市場的一大份。

　　促進手持式觸控式螢幕迅猛發展的是蘋果iPhone以及其它智慧手機、GPS手持裝置，還有個人多媒體播放器。上面的這些技術，Neonode、夏普、TMD、RPO目標都很明確，並希望能和現有的電阻和投射式電容性觸控技術競爭。

　　參考文獻

　　[1]"Introducing the NextWindow 1900 Optical Touch Screen:A NextWindow White Paper" ***2007***.

　　[2] J. Han, "Low-Cost Multi-Touch Sensing through Frustrated Total Internal Reflection," Proceedings of the 18th Annual ACM Sympo-sium on User Interface Software and Technology ***UIST***, ***2005*** ***ACM 1-59593-023- X/05/0010***.

　　***東南大學石卉創譯自《Information Display》12/07***

　　軍用光學技術論文篇二

　　自動光學檢測技術

　　[摘要]介紹PCB製作過程中檢測技術的發展歷程，重點介紹自動光學檢測方法***AOI***的工作原理及其關鍵技術。

　　[關鍵詞]PCB檢測、自動光學檢測、檢測演算法。

　　一、PCB檢測技術發展歷程

　　在PCB的生產工藝流程中，蝕刻是重要環節之一，即用化學藥劑腐蝕掉設計線路以外多餘的銅。該工藝流程中，藥劑量、溫度、流速和腐蝕時間等因素直接影響生產的質量，控制不好將會產生諸如短路、開路、線寬缺損、殘留銅和針孔等缺陷。

　　PCB通常用目視、電測試和AOI方法檢測。

　　20世紀70年代以前，PCB檢測主要依靠人眼加放大鏡，檢測速度慢，漏檢率高，同時，還會導致檢驗人員視力下降，影響人體健康。

　　電測試的原理是根據PCB線路圖的計算機資料設計一副針床夾具和相應的網點測試程式。測試時，探針壓在PCB表面的待測點，然後通電測試每個網點的通斷，並報告存在的短路和斷路缺陷。其侷限在於○1只能檢測短路和斷路兩種缺陷，缺口、針孔和殘留銅等其他缺陷都無法檢測。○2針床夾具的成本過高，小批量生產不合適。

　　電測試受到PCB向高密度、小型化方向發展的限制。隨著線路板的密度不斷增大，電測試需不斷增加測試接點數，導致測試程式設計和針床夾具成本上升，開發測試程式和夾具通常需要數星期乃至一個多月時間，同時將導致電測試出錯和重測次數增多。對電測試構成挑戰的還有不斷減少的引腳距離。因此，電測試已不能滿足未來線路板的測試要求。

　　二、PCB自動光學測試技術

　　***2*** 自動光學檢測的工作原理

　　AOI是檢測PCB表面圖形品質***如表面缺陷、斷路和短路***的裝置，用於生產過程中半成品品質檢測，是高精密單層印製板，尤其是多層印製板加工的關鍵技術。測試系統集光學、精密機械、識別診斷演算法和計算機技術於一體，功能或鐳射自動掃描PCB，採集影象後送與計算機處理，再與資料庫中的標準資料比較，查出PCB上缺陷，用顯示器或自動標識系統顯示或標識缺陷，供維修人員修理。

　　2.PCB自動光學檢測影象處理技術

　　***3*** 影象採集

　　獲取影象是AOI的關鍵，所獲取影象的質量好壞直接影響最終的檢測效果。從使用的影象採集器件來看，目前AOI分為兩類，一類是使用高精度線掃描CCD成像;另一類是利用鐳射作為光源，用光電倍增管***PMT***作為光電轉換器件來獲取影象。

　　影象的處理是將光電器件***CCD或PMT***輸出的有關PCB資訊的電訊號轉換為計算機可識別的二進位制訊號。首先進行模/數轉換，將模擬訊號轉換為灰階數字訊號，利用PCB基材和銅的灰階值不同的特性，形成二維灰度影象，然後利用閾值法，將大於指定閾值的畫素轉換成黑***銅***畫素，等於或小於指定閾值的畫素轉換成白***基材***畫素。閾值根據材質來選取，一般在灰階數值的60～110之間，最後得到關於PCB資訊的二值***0，1***影象。

　　***2***影象處理技術

　　***A***影象特徵提取

　　對轉換後的二值影象進行分析並與標準影象比較以發現PCB上存在的缺陷。常用的分析方法有兩種。其中向量分析法是一種圖形位置搜尋技術，八支射線沿著垂直、水平和對角線由中心往外計算，在影像圖上找出主要特徵並將其分離出來，然後對這些進行測量，包括形狀、尺寸、角度和座標。由於該方法方向性很強，兩支射線間的空隙是檢測盲區，漏檢率較高，現在已經較少採用。另一種是數學形態學分析法，其優點是在將影象簡化至骨架時，可大大減少影象的資料量;對影象特徵的記錄穩定可靠且精準;新演算法的研發具有很強的彈性。

　　***B***影象處理演算法

　　在PCB檢測中，常用的演算法有四類：

　　***4*** 資料處理類：對輸入的資料進行初步過濾，過濾小的針孔和殘留銅及不需檢測孔等。

　　***5*** 測量類：對輸入資料進行特徵提取，記錄特徵程式碼、尺寸和位置並於標準資料進行比對。

　　***6*** 拓撲類：用於檢測增加或丟失的特徵。

　　***7*** 孔及細微缺陷類演算法。

　　三、AOI檢測系統

　　***8*** 常用的AOI檢測系統

　　目前AOI產品的主要供應商有以色列ORBOTECH及CAMTEK公司，日本LIOYD DOYLE和SCREEN，下面以ORBOTECH公司INSPIRE9060及V309 Blaser為例說明AOI系統的效能特點。

　　INSPIRE9060是目前世界上自動化程度較高的AOI系統，具備自動上板/下板功能，使用三個8kbyte彩色CCD成像，用形態學演算法進行影象分析處理，可檢測最小線寬/間距為75?m。

　　V309 Blaser是用鐳射來獲取影象的AOI系統，對高密度互連板HDI、細線路板及雷射鑽孔板方面具有較強的檢測能力。最小解析度為6.3?m，可檢測最小線寬/間距為50?m。

　　2.AOI的發展趨勢。