보다 안전한 상호작용을 위한 비접촉식 터치 감지

작성자: Aimee Kalnoskas | 2019년 9월 3일

작성자: Richard Berglind, Neonode Inc. 수석 광학 엔지니어

스마트폰 및 기타 휴대용 제품에서는 다른 많은 제품에 터치 HMI(Human Machine Interface)가 선택되었습니다. 터치 감지는 구현이 쉽고, 사용하기 쉽고, 안정적이며 비용 효율적입니다. 그러나 장치를 물리적으로 접촉하는 것이 바람직하지 않으며 실제로 피해야 하는 경우도 많이 있습니다. 이러한 더욱 제한적인 애플리케이션에 대한 솔루션을 논의하기 전에 약간의 터치 감지 배경 지식이 필요합니다.

최근 시장 보고서에 따르면 터치 센싱에 대한 필요성이 점점 커지고 있습니다[1]. 보고서는 전 세계 터치 센서 시장이 2023년까지 약 84억 달러에 달해 2018~2023년 예측 기간 동안 연평균 복합 성장률(CAGR) 12.8%로 성장할 것으로 예상합니다. 일반적인 터치 감지 기술에는 저항막 방식, 정전 용량 방식, 표면 탄성파(SAW), 적외선(IR), 광학 이미징 및 최근에는 음향 펄스 인식(APR)이 포함됩니다. 가장 일반적인 구현에서 이러한 접근 방식은 모두 표면과의 실제 접촉이 필요합니다. 그러나 물리적 접촉을 원하지 않거나 피해야 하며 보다 정교한 감지 접근 방식이 필요한 애플리케이션이 존재합니다.

한 가지 가능성은 비행 시간 기술을 사용하여 터치스크린 위의 공중 상호 작용을 식별하는 것입니다[2]. Time-of-Flight는 빛이 물체에 도달하고 센서로 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하여 센서와 물체 사이의 거리를 확인하는 거리 측정 기술입니다. 정확도는 1cm 정도이므로 터치 상호작용 목적으로는 적합하지 않습니다. 정확도를 높이면 일반적으로 프레임 속도가 느려집니다. 또한 이러한 종류의 센서는 교정이 필요하며 온도 변화에 민감합니다.

또 다른 대안은 적외선 기술입니다. 기존의 적외선 터치에는 인접한 두 면에 방출기와 반대편에 수신기가 있는 화면 주위의 프레임이 필요합니다. 화면 주변의 프레임을 올리기만 하면 터치 상호작용 영역이 화면에서 올라옵니다. 그러나 결과적으로 화면 주위에 테두리가 생기면 장치에 미학적으로 통합하기 어려울 뿐만 아니라 화면을 청소하기도 어려워져 사용 목적 중 하나가 무산됩니다.

적외선 터치는 디스플레이의 한쪽 가장자리를 따라 센서를 장착하여 반사 기술을 사용하여 구현할 수 있습니다. 상호 작용 영역은 센서 외부로 투사되고 그림과 같이 디스플레이 표면 위 원하는 거리에 배치되는 빛 시트로 구성됩니다.그림 1.

그림 1. 반사 기술을 사용하는 IR 터치 센서는 상호 작용 영역이 화면 위로 올라갑니다.

적외선 터치 센서는 그림과 같이 교대로 방출기와 수신기의 배열로 구성됩니다.그림 2 . 레이저 이미터는 시준하기 쉽고 센서 모듈 내에서 내부 미광을 덜 생성하므로 LED보다 선호됩니다. 내부 미광은 감지기 외부의 물체에서 반사되는 신호 생성 빛을 방해하지 않도록 최소한으로 유지되어야 합니다. 945nm에서 작동하는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)은 방출기로 사용되고 실리콘 포토다이오드는 수신기로 사용됩니다. 성형 폴리카보네이트 렌즈는 방출기에서 나오는 빛을 시준하고 수신기의 시야를 좁히는 데 사용됩니다.

그림 2. 반사 기술 터치 센서의 전기 블록 다이어그램은 교대로 레이저 방출기와 포토다이오드 수신기를 보여줍니다.

방출기와 수신기 모두에 공유 광학 장치를 사용하면 수신기의 시야가 방출된 빛의 방향을 향해 각도를 만들게 됩니다.그림 3 (a) . 이 각도는 일반적으로 센서 감지 영역의 종횡비에 따라 17도에서 26도 사이로 달라집니다.

그림 3. (a) 방출기와 수신기는 동일한 광학 장치의 일부를 공유하므로 수신기 시야가 방출된 빛을 향해 각도를 만들게 됩니다. (b) 각 수신기는 여러 개의 방출기 빔을 살펴봅니다. 나가는 광선과 수신기의 시야 사이에 겹치는 각 영역의 중앙 부분은 채워진 원으로 표시됩니다.