军用光学现代技术论文范文

　　军用光学是光学的一种应用，光学是物理学的重要分支学科。也是与光学工程技术相关的学科。下面是小编为大家精心推荐的军用光学技术论文，希望能够对您有所帮助。

　　军用光学技术论文篇一

　　光学触摸技术综述

　　文章编号：1006-6268(2008)10-0016-05

　　摘要：光学触摸技术最初是1970年代引入的，最新的突破带来了该技术的复苏。研发者已经能够解决成本、亮环境光下的显示性能，以及组成要素等问题，这里只提及其中的一小部分。本文详细介绍了这些问题是如何解决的;该技术的前景，包括深入了解一下光学触摸系统的几个崭新的发展。

　　关键词：光学触摸技术;发光二极管;光学传感器

　　光学触摸技术最初是1970年代Caroll Touch公司(现在是Elo TouchSystems的一部分)发展起来的，现有不少供应商出售该项技术。和其它的触摸技术相比，光学触摸技术具有很多优点。工业界的很多人都认为，如果没有下面将要提到的两个相当大的缺点，光学触摸技术现在已经成为触摸技术的主流。光学触摸屏技术的最新发展使得光学触摸技术复兴，为其成主流触摸技术奠定了基础。

　　引言

　　传统的光学触摸系统是在显示器的两个相邻斜面上采用红外发光(IR)二极管(LED)阵列，并在相对的斜面边缘放置光敏元件，用于分析系统、确定触摸动作。LED-光传感元件对在显示器上形成光束栅格。当物体(例如手指或者钢笔)触摸屏幕遮断了光束，就会在相应光传感元件处引起光测量值的减弱。光传感的输出测量值可以用于确定出触摸点的坐标。通常控制器是扫描光传感阵列，而不是同时测量所有的光传感器，因此这项技术有时被称为"扫描IR"。在这项技术的高级版本中，每个光传感器测量来自不止一个LED的光，这使得控制器可以补偿由于屏上不可移动的碎片而引起的光的阻断(见图1)。

　　这项传统的光学触摸技术已经主要用于触摸市场中的相关领域。过去，它的广泛应用由于两大原因曾经受到限制：技术成本比与之竞争的其他触摸技术要高，还有在亮环境光下的显示性能问题。后一个问题是由于背光源放大了光传感元件的背景噪声。在有些情况下，噪声大到无法检测到触摸屏的LED光，导致触摸屏的暂时失灵。这个问题在阳光直射下最为显著，因为阳光在红外区域分布有大量的能量。

　　另外，传统的光学触摸技术由于其它的一些技术问题，例如功耗、机械包装约束、分辨率的限制导致系统检测PDA笔等小物体的能力受限等，而没有被手持式触摸屏(例如手机和PDA等)采用。其它技术例如模拟电阻技术由于成本低很多，主导了移动设备触摸屏的市场。

　　但是光学触摸的特性还是可取的，代表了理想触摸屏的属性，包括可以去除其它触摸技术都必需的显示屏前的玻璃或塑料层。在很多情况下，这种覆盖层采用透明导电材料，例如氧化铟锡(ITO)，这会导致显示屏的光学性能下降。光学触摸屏的这个优势对于很多设备、显示屏供应商来说是极其重要的，因为设备的售出与使用者的感觉质量相关。

　　光学触摸的另一个长期需求的性能是传感器的数字输出，相比之下，很多其它的触摸系统是依赖于模拟信号处理来确定触摸位置。这些与之竞争的模拟系统通常需要不停的再校准，对信号处理(增加了成本和功耗)的要求比较复杂，与数字系统相比精确度相对降低;并且由于操作环境引起更长时间使用后系统失灵。

　　光学触摸的另一个关键的优点是通常情况下没有手指、笔或其它被识别硬件的直接接触。这就减少了触摸屏由于接触失败、老化、疲劳引起失灵的可能。这与低压力触摸的要求也有关。在一个光学触摸系统中，只要与光束接触就可以了，不需要检测力量或者触发系统。

　　最后，光学触摸可以执行同时触摸，这是其它触摸技术难以实现的。尽管同时触摸在过去没有被广泛地发展，近期由于苹果iPhone等新设备引起了关注，它让同时触摸成为用户界面不可或缺的一部分。

　　1最新技术提高

　　1.1新元件和信号处理的改进

　　处理：自从传统的光学触摸系统开始发展，关键元件如LED、光敏二极管、CMoS芯片在性能上有了长足的发展，成本大大降低。产生模塑光学和信号处理算法的技术也有了很大的发展和改进。因此，传统光学触摸技术有了发展，至少与其它也在不断发展的触摸技术相比保持着竞争力。

　　1.2改进的光学系统设计

　　近期，Elo TouchSystems和IRTouch等公司试图解决光学触摸的背景或环境光问题，主要采用改进边缘(缝隙)设计、光学滤光片和更加复杂的信号处理来增强信噪比。如，红外LED可以通过特定频率调制，光传感器的输出只可以在该特定频率下解调。由此来降低阳光对未调制的红外光的影响。制造商声称的最新产品能承受75~100klx的环境光，表明这些技术在降低光学触摸对日光的敏感度方面有了不错的成就。

　　2 新型光学触摸系统

　　新元件技术和关键器件的成本降低使得大量崭新的光学触摸系统得以产生。便宜和更尖端的光学系统设计工具的结合，为现有光学触摸系统的设计和制造的再次提出创造了完善的条件。

　　现有两大类新的光学触摸系统：一类是取决于光源的，通过阻断来检测触摸的;还有一类是利用环境光，而与光源无关的。另外，这些新系统还可以根据规定光束的遮断，以及通过复杂的信号处理来确定显示器上方图像的触摸点来分类。本文回顾了这些新型的光学触摸系统。

　　3 Neonode

　　Neonode采用了传统的IR触摸技术，LED以及光敏二极管，关键在于将其微型化以用于手持设备。除了将该技术用于其N2手机，Neonode还将它销售给其他的设备制造商。但是还不清楚该技术是否被其他的手机销售商采纳。该项技术的关键挑战在于斜面的高度。很多手机制造商不断地尝试制造能在顶面齐平或者接近齐平的新元件，他们希望显示器尽量延伸，尽量靠近设备的边缘(使得显示器的尺寸和对多媒体功能的体验都尽可能的大)。参考图2中给出的Neonode N2和苹果iPhone，可以立刻明显发现iPhone屏幕的表面是平滑的，而N2手机屏的表面是凹的。通过对样品的检测，N2的斜高约为1.6mm(包括包装材料的厚度);而iPhone的斜高为0(平滑)。其它妨碍Neonode触摸屏技术在手机市场使用的问题有成本和功耗，都是因为设备中大量的采用光电子元件(LED和光敏二极管)造成的。

　　对于这项技术及苹果iPhone的另外一个潜在的挑战是只能用手指触摸的限制。亚洲智能手机制造商更希望能够采用触摸笔输入，以支持字符识别。Neonode N2上的光束间隔比较宽，大约每厘米2.5个光束，手指大约能够覆盖9个光束交叉点。这能节约能量，但是使得触摸笔在触摸屏上无法使用。即使使用大的触摸笔，由于分辨率不够，手写识别还是无法实现。相比较而言，用于iPhone的导电轨迹间隔相对比较窄，大概每厘米25个轨迹交叉点。但是，即便是投射式电容性技术的分辨率更高，它只能支持手指触摸，限制了触摸笔或是戴手套时的使用。所以这个比较结论有待讨论。

　　4 NextWindow、SMART以及其它技术

　　NextWindow和SMART技术实现了基于照相机的光学触摸，至少有一个新的开始。

　　NextWindow的光学触摸屏技术采用了两个放置在显示器相邻边角上的线扫描照相机(图3)。照相机根据红外光源的截断来检测任何靠近表面物体的移动。由屏表面的一个平面产生光，并由屏三个边上的定向反射条( 定向反射镜使得光从入射角沿着平行但相反的路径反射回来)反射回相机。当手指(或任何物体)触摸屏幕时，控制器就分析了相机中的图像，触摸物体位置的三角关系。SMART光学触摸屏技术使用的是相同的原理，区别在于它用了四个面扫描照相机。

　　即使技术上允许光学触摸技术不需要玻璃触摸表面，供应商也不会这样做，因为需要保护LCD的软(2H)表面。这些技术比传统技术先进在它们的有源器件更少，因此可以减少成本，具有更长的平均失误间隔时间(MTBF)。NextWindow销售的触摸屏的尺寸在12～120in范围之间，到目前为止大多数应用于监视器尺寸的显示屏(例如HP TouchSmart家用电脑)，以及用于交互数字签名的大尺寸显示[1]。尽管这项技术具有很高的分辨率和数据传输率，能够支持触摸笔的手写识别;但是，对于小于10in，由于边界宽度、成本、功耗的考虑不采用掌上反射显示屏的还无法应用。总的来说，基于相机的光学触摸技术在近期内还无法应用于移动设备。

　　5 Perceptive Pixel

　　纽约大学的研究者最新研制了一种可以同时用10个、20个，甚至更多手指触摸的大型多处触摸屏。Perceptive Pixel公司的成立，旨在将该项技术商业化――尽管这项技术已经应用于交互性白板、触摸屏桌、数字墙等领域，所有的这些设备都可以由多人同时操作。

　　Perceptive Pixel技术原理是将红外LED光引入玻璃或塑料的背投屏上。该技术应用非全内反射(FTIR)，即当手指触摸玻璃表面时，光从手指处散射出去，被垂直于普通玻璃表面的光学传感器检测到[2]。在Perceptive Pixel应用中，光传感器是投影机旁边的一个摄像机(见图4)。因为该技术是为背投显示屏设计的，它不能应用在移动设备中。

　　6夏普、东芝-松下显示(TMD)及其它

　　夏普、TMD以及LG-飞利浦LCD都展示了显示屏本身作为光传感器件的光学图像触摸系统。这些新型的LCD在每个LCD像素中集成了一个光传感器件(发光二极管或光敏晶体管)，这使得整个显示屏成为一个大矩阵光传感器;加上合适的图像分析技术，它可以成为触摸传感器甚至一个读卡扫描器。夏普最新展示了320×480像素光传感分辨率的3.5in LCD。由于固有的数字技术，它具有识别出同时多处触摸事件的能力(图5)。

　　将这项技术应用于触摸屏需要面临的一个挑战是，在有各种不同类型环境光的情况下进行信号处理。与普通的触摸屏不同，该技术需要分析一幅复杂的图像来确认是否有触摸发生。与普通的触摸屏相比，这项技术需要更加先进、昂贵、耗电的处理器。另外，多种背景光的存在会使得图像分析更为复杂。另外一个需要考虑的问题是速度。比如说，手写识别通常被认为需要至少每秒130帧的触摸识别速度，以避免识别延时。这种处理速度对于基于图像矩阵、低功耗的、用于手持设备的触摸技术来说是一种挑战。

　　由于移动设备的显示屏的尺寸、比例、分辨率有很多种，生产商没有真正的标准。因此，生产能够用于任意显示器的传感器将带来高成本，并且需要处理复杂触摸传感LCD的NRE。另外，这些LCD可能具有更小的像素-孔径比，因此与没有触摸传感的类似显示屏相比亮度可能会低一些。

　　7 RPO数字波导触摸技术

　　RPO数字波导触摸(DWT)技术是基于传统IR系统概念发展而来的光学触摸系统。这种系统采用1～2个低成本LED，用来从两个相邻斜边提供可控的光源(事实上是一个红外光平面)，然后在另两个相邻的斜边上，利用聚合物光学波导来将光线引入分立的10 m管道进入一个小的光传感器矩阵(图6)。

　　这项由传统IR触摸改进的技术有效地解决了传统技术所有的缺点。下面将讨论这些缺点。

　　由于光电器件(LED和传感器)不再放置在显示器的斜边上;与传统的光学触摸系统相比，斜面高度和宽度对触摸系统的影响减弱了。RPO展示了在显示区域外只有2mm的触摸系统，从屏保护(镜片)到器件外壳的内表面的侧面高度只有0.5mm。

　　DWT因为只有1~2个LED和1个光传感器芯片，所以成本要低很多;由于接收端的光学信号进入分立的光导，被光传感器矩阵的独立像素分别检测而具有"数字性"，所以它的分辨率要高很多。因此，笔检测和手写输入识别成为了可能。

　　滤波器和孔隙化的发展使得环境光不再是个问题，因为细小光学波导作为接收管道。

　　使这项技术成为可能的关键是RPO公司改进的低成本光刻印刷聚合物光学波导。这家公司采用类似LCD的处理工具来沉积湿膜，用直接的光刻图案处理薄膜，还有溶剂的改进。这听起来很简单，但是改进聚合物材料和用于生产大量、高强度的高分辨率光导的工艺用了很多年。另外，这个RPO使用的光学系统设计非常复杂，但是在物理系统中简单、便宜、便于集成。

　　RPO在Display Week 2007上演示了这个系统，当时用于PDA设备的多重触摸。DWT现用于高端用户产品之中。理论上讲，这个系统可以用于任意尺寸的显示屏，但是RPO最初是面向中小型消费类电子和车载显示器的。

　　8 结论

　　以上这些新的光学触摸技术都可以在广大且持续发展的触摸屏市场中占据属于自己的一席之地。排除所有的技术缺陷，我们可以预测光学触摸技术与其它触摸技术相比具有关键的优点。总的来说，这些新技术，如果都归类于"光学触摸系统"，最终可以占据触摸屏市场的一大份。

　　促进手持式触摸屏迅猛发展的是苹果iPhone以及其它智能手机、GPS手持设备，还有个人多媒体播放器。上面的这些技术，Neonode、夏普、TMD、RPO目标都很明确，并希望能和现有的电阻和投射式电容性触摸技术竞争。

　　参考文献

　　[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).

　　(东南大学 石卉创 译自《Information Display》12/07)

　　军用光学技术论文篇二

　　自动光学检测技术

　　[摘 要]介绍PCB制作过程中检测技术的发展历程，重点介绍自动光学检测方法(AOI)的工作原理及其关键技术。

　　[关键词]PCB检测、自动光学检测、检测算法。

　　一、PCB检测技术发展历程

　　在PCB的生产工艺流程中，蚀刻是重要环节之一，即用化学药剂腐蚀掉设计线路以外多余的铜。该工艺流程中，药剂量、温度、流速和腐蚀时间等因素直接影响生产的质量，控制不好将会产生诸如短路、开路、线宽缺损、残留铜和针孔等缺陷。

　　PCB通常用目视、电测试和AOI方法检测。

　　20世纪70年代以前，PCB检测主要依靠人眼加放大镜，检测速度慢，漏检率高，同时，还会导致检验人员视力下降，影响人体健康。

　　电测试的原理是根据PCB线路图的计算机数据设计一副针床夹具和相应的网点测试程序。测试时，探针压在PCB表面的待测点，然后通电测试每个网点的通断，并报告存在的短路和断路缺陷。其局限在于○1只能检测短路和断路两种缺陷，缺口、针孔和残留铜等其他缺陷都无法检测。○2针床夹具的成本过高，小批量生产不合适。

　　电测试受到PCB向高密度、小型化方向发展的限制。随着线路板的密度不断增大，电测试需不断增加测试接点数，导致测试编程和针床夹具成本上升，开发测试程序和夹具通常需要数星期乃至一个多月时间，同时将导致电测试出错和重测次数增多。对电测试构成挑战的还有不断减少的引脚距离。因此，电测试已不能满足未来线路板的测试要求。

　　二、PCB自动光学测试技术

　　(2) 自动光学检测的工作原理

　　AOI是检测PCB表面图形品质(如表面缺陷、断路和短路)的设备，用于生产过程中半成品品质检测，是高精密单层印制板，尤其是多层印制板加工的关键技术。测试系统集光学、精密机械、识别诊断算法和计算机技术于一体，功能或激光自动扫描PCB，采集图像后送与计算机处理，再与数据库中的标准数据比较，查出PCB上缺陷，用显示器或自动标识系统显示或标识缺陷，供维修人员修理。

　　2.PCB自动光学检测图像处理技术

　　(3) 图像采集

　　获取图像是AOI的关键，所获取图像的质量好坏直接影响最终的检测效果。从使用的图像采集器件来看，目前AOI分为两类，一类是使用高精度线扫描CCD成像;另一类是利用激光作为光源，用光电倍增管(PMT)作为光电转换器件来获取图像。

　　图像的处理是将光电器件(CCD或PMT)输出的有关PCB信息的电信号转换为计算机可识别的二进制信号。首先进行模/数转换，将模拟信号转换为灰阶数字信号，利用PCB基材和铜的灰阶值不同的特性，形成二维灰度图像，然后利用阈值法，将大于指定阈值的像素转换成黑(铜)像素，等于或小于指定阈值的像素转换成白(基材)像素。阈值根据材质来选取，一般在灰阶数值的60～110之间，最后得到关于PCB信息的二值(0，1)图像。

　　(2)图像处理技术

　　(A)图像特征提取

　　对转换后的二值图像进行分析并与标准图像比较以发现PCB上存在的缺陷。常用的分析方法有两种。其中矢量分析法是一种图形位置搜索技术，八支射线沿着垂直、水平和对角线由中心往外计算，在影像图上找出主要特征并将其分离出来，然后对这些进行测量，包括形状、尺寸、角度和坐标。由于该方法方向性很强，两支射线间的空隙是检测盲区，漏检率较高，现在已经较少采用。另一种是数学形态学分析法，其优点是在将图像简化至骨架时，可大大减少图像的数据量;对图像特征的记录稳定可靠且精准;新算法的研发具有很强的弹性。

　　(B)图像处理算法

　　在PCB检测中，常用的算法有四类：

　　(4) 数据处理类：对输入的数据进行初步过滤，过滤小的针孔和残留铜及不需检测孔等。

　　(5) 测量类：对输入数据进行特征提取，记录特征代码、尺寸和位置并于标准数据进行比对。

　　(6) 拓扑类：用于检测增加或丢失的特征。

　　(7) 孔及细微缺陷类算法。

　　三、AOI检测系统

　　(8) 常用的AOI检测系统

　　目前AOI产品的主要供应商有以色列ORBOTECH及CAMTEK公司，日本LIOYD DOYLE和SCREEN，下面以ORBOTECH公司INSPIRE9060及V309 Blaser为例说明AOI系统的性能特点。

　　INSPIRE9060是目前世界上自动化程度较高的AOI系统，具备自动上板/下板功能，使用三个8kbyte彩色CCD成像，用形态学算法进行图像分析处理，可检测最小线宽/间距为75?m。

　　V309 Blaser是用激光来获取图像的AOI系统，对高密度互连板HDI、细线路板及雷射钻孔板方面具有较强的检测能力。最小解析度为6.3?m，可检测最小线宽/间距为50?m。

　　2.AOI的发展趋势。

　　(9) 在线检测：PCB生产商希望AOI能够直接与蚀刻线相连，无需人员上下板，这样既可降低人员成本，又可提高产量。

　　(10) HDI板/激光钻孔板检测：由于HDI板线路很细，其缺陷更为细小，要求增强AOI对细微缺陷的检测能力。

　　(11) 超大板检测：通讯背板的设计向高层、大板面(>1270mm×762mm)方向发展。

　　尽管AOI可以完成目视检查难以胜任的工作，可靠性仍有不完全令人满意的地方。该技术高度依赖计算机图像处理技术，如原始光学图像提供的信息不足，或者图像处理算法不够有效，将导致误判。因此，高分辨率电路板AOI技术还将进一步发展。

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