基于tir的投影型光学触摸系统中的改善的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2012年12月20日提交的瑞典专利申请号1251474-1以及于2012 年12月20日提交的美国临时申请号61/740093的权益，这二者通过引用被并入本文。
技术领域
[0003] 本发明一般涉及光学触摸感应系统，并具体地涉及通过对在透光面板内部全内反 射（tir)传播的光进行投影测量操作的这类系统。
【背景技术】
[0004] 触摸感应系统（"触摸系统"）广泛用于各种应用中。通常，通过直接触摸该触摸 表面的或通过接近（即，没有触摸）触摸表面的、诸如手指或触笔的触摸物体来驱动触摸系 统。例如，触摸系统用作笔记本电脑的控制面板中的触摸板，以及作为用于在例如诸如移动 电话的手持设备上显示的覆盖。在显示器上覆盖的或在显示器中集成的触摸面板也被表示 为"触摸屏"。在本领域中已知许多其他应用。
[0005] 存在无数用于提供触摸灵敏度的已知技术，例如，通过将电阻式线栅、电容式传感 器、应变仪等等集成到触摸面板中。还存在各种类型的光学触摸系统，例如，其通过触摸在 触摸表面之上的物体来检测阴影投射或者检测触摸面板上的触摸物体的点散射的光。
[0006] -种具体类型的光学触摸系统使用对在限定触摸表面的透光面板内部的多个传 播路径上传播的光的投影测量。因此，当光已经通过面板时，投影测量量化各个传播路径 上的光的属性，例如，功率。光通过针对触摸表面的全内反射（tir)在面板内部传播，以使 触摸表面上的物体使一个或多个传播路径上的传播光衰减，通常表示为ftir(受抑全内 反射）。对于触摸测定，可通过简单的三角测量或通过更高级的图像重建技术来处理投影 测量，该图像重建技术在触摸表面上产二维分布干扰，即，在触摸表面上影响所测量的属 性的任何事物的"图像"。这类触摸系统的示例见于us3673327、us4254333、us6972753、 us7432893、us2006/0114237、us2007/0075648、w02009/048365、us2009/0153519、 w02010/006882、w02010/064983、w02010/134865 和w02012/105893 中。
[0007] 现有技术提出用于将光引入到面板中以及用于检测触摸表面的下行光的若干不 同方法。例如，us7432893提出了，经由附接到面板的后表面的旋转棱镜将光耦合到面板中， 以及检测直接附接到面板的前表面的光电检测器处的光。在w02010/064983中，经由连接 面板的前表面和后表面的边缘表面或者经由附接到面板的前表面和后表面的楔子将光耦 合到面板以及耦合出面板。在w02012/105893中，在面板的前表面或后表面上提供薄片状 微观结构元件，例如，透光材料的胶带，以用于将光耦合到面板或耦合出面板。
[0008] 设计该类型的光学触摸系统时的一个挑战在于实现一致的触摸测定，尽管事实是 检测器必须是检测存在影响光学信号的可靠性的潜在重大干扰的微弱光学信号中的细微 的变化。一个该种干扰是由例如来自太阳光或建筑照明的环境光导致的，其可撞击在检测 器上并影响光学信号。另一个干扰是由污染物在触摸表面上的积累导致的，诸如手印、唾液 滴、汗水、污点、液体溅出等等。污染物将与传播光相互作用并导致对光学信号的变化，这可 使得难于区分由"真实物体"导致的变化，例如，与触摸表面接触主动操纵的物体。
[0009] 在触摸感应设备中，还存在避免将部件附接到前表面的一般趋向。这些部件可围 绕触摸感应区域形成框架，并从而降低活动区域（可用于触摸交互的表面区域）与触摸感 应设备的总表面区域的比例。此外，如果部件从面板的前表面突出，则可能有必要在面板的 周围处提供外圈，以保护并隐藏部件以及可能连接到部件的任何接线。考虑到与触摸感应 设备的用户交互的性能，该种外圈可破坏用户体验并且甚至阻止某些类型的交互。外圈还 可导致污垢和其他污染物在其中外圈连接面板的区域中积累。为了克服该问题，期望设计 触摸系统用于在触摸感应设备的支撑框架中齐平地安装面板，即，使得面板的前表面基本 上与周围框架材料处于同一水平线。这也被称为"边对边"。
[0010] 在前述us7432893中，通过将光电检测器附接到前表面降低环境光的影响，以使 光电检测器背向通过前表面进入面板的环境光。该方案需要有效外圈来用于隐藏和保护光 电检测器和相关的接线。us7432893还提出间歇地测量光电检测器处的环境水平，并为所测 量的环境水平补偿各个投影测量。
[0011] 可通过专用信号处理来处理污染物的影响，该专用信号处理在一段时间内主 动地估计污染物的影响并补偿该影响，例如，如在w02011/028169、w02011/049512和 w02012/121652中所公开的。
[0012] 然而，鉴于由触摸物体导致的微弱光学信号和细微衰减，当开始增大触摸系统对 环境光和触摸表面上的污染物的健壮性时，存在进一步改善的余地。
[0013] 在触摸感应系统的领域之外的lcd显示器技术的领域中，将来自led的光作为 lcd显示器的被称为背光（blu，背光单元）的部分耦合到薄的光导面板中是已知的。光 导面板位于lcd后面且被配置为发射来自其顶表面的光，以均匀地照亮lcd的后侧。由 cornelissen等人在2010年的proc.spie7652中第7652121-7652126页发布的国际光学 设计会议 2010(internationalopticaldesignconference2010)的文章"injecting lightofhigh-powerledsintothinlightguides"（ "将高功率led的光注入薄的光 导中"）中提出了用于将led耦合到光导面板的一种方法。根据该方法，led的顶表面被修 改为具有表现类似于朗伯反射器的粗糙表面。介电多层滤波器放置在光导面板的底部上， 并且led的顶表面通过有机硅粘合剂光学地耦合到滤波器。滤波器被最优化为仅透射从 led以大于光导-空气界面处的临界角度的角度发射的光。因此，多层的目的在于仅透射可 在光导中传播的光。以较小角度发射的光被反射回朝向粗糙led表面，其中其随后通过反 射和再分布进行再循环。在由mu等人在2011年的proc.spie8170的第8170011-81700110 页中发布的文章"dielectricmultilayerangularfiltersforcouplingledstothin lightguides"（"用于将led耦合到微光导的介电多层角滤波器"）中给出了关于该内耦 合（incoupling)方法的进一步解释。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的在于至少部分克服现有技术的以上所识别出的限制中一个或多个。
[0015] 另一个目的在于提供具有对环境光降低了灵敏度的触摸敏感装置。
[0016]另一个目的在于提供具有对触摸表面上的污染物降低了灵敏度的触摸敏感装置。
[0017] 另一个目的在于提供具有平坦前表面且没有外圈或其他突出结构的触摸敏感装 置。
[0018] 又一个目的在于提供紧密的触摸感应装置。
[0019] 再一个目的在于提供适于大规模生产的触摸敏感装置。
[0020] 在下面描述中可能出现的这些目的中的一个多个以及进一步的目的，这至少部分 地由根据独立权利要求、通过从属权利要求限定其实施例的触摸敏感装置来实现。
[0021] 本发明的第一方面为触摸感应装置，其包括：透光面板，该透光面板限定前表面和 相对的后表面；多个光发射器，该多个光发射器光学地连接到透光面板，以便生成跨越透光 面板上的触摸感应区域的、通过透光面板内部的全内反射传播的传播光；多个光检测器，该 多个光检测器光学地连接到透光面板，以便限定跨越触摸感应区域的、多对光发射器和光 检测器之间的传播路径的网格；其中每个光检测器经由角滤波器光学地连接到透光面板， 该角滤波器应用到前表面和后表面中的至少一个上的外耦合区域且被配置为仅在相对于 外耦合区域的法线的有限角度范围内透射传播光；以及其中有限范围从角度下限9 、延 伸到角度上限0最大，其中角度下限0最小等于或大于临界角度0c，其通过0c=arcsin(l/ )给出，其中为透光面板在外耦合区域处的折射率。
[0022] 在一个实施例中，角度下限0剔、比临界角度超出了角度a0，其为至少5°、10° 或 15°。
[0023] 在另一个实施例中，角度下限q最小等于或大于第一截止角度9w=arcsin(nw/n面 板），其中心为水的折射率，n面板〉nw。
[0024] 在一个实施例中，角度下限0副、等于或大于第二截止角度0f=arcsin(nf/n面 板），其中化为手指脂肪的折射率，n面板〉nf。
[0025] 在一个实施例中，角度上限q最大等于或小于第三截止角度qcs=arcsin(l. 55/n 砸)，n面板〉i. 55。
[0026] 在一个实施例中，透光面板通过透光材料的层压层安装在显示设备的前表面上， 该层压层布置为与透光面板的后表面以及显示设备的前表面接触，其中角度下限0 g/j、大 约等于或大于层压截止角度0cil=arcsin(nsjss /nbtt )，其中nsjss为层压层的折射率，n 层压层[0027] 在可选实施例中，触摸感应装置进一步包括分层光吸收器，该分层光吸收器包括 透光面板的后表面上的透光材料的耦合层以及耦合层上的光吸收材料的吸收层，所述耦合 层具有折射率。角滤波器的角度下限0^、大约等于或大于吸收器截止角度 0。1(：=arcsin(n/nbtt )，并且分层光吸收器可从相应外親合端口延伸并具有宽度，该 宽度沿着延伸到相应的光检测器的检测线至少等于后表面中对以与后表面的法线成入射 角0。，。撞击后表面的传播光的连续反射之间的距离。可为优选的是，分层光吸收器被布置 为，重叠触摸感应区域的主要部分，或基本上全部的触摸感应区域。
[0028] 在一个实施例中，角滤波器被配置为对延伸到相应的光检测器的所有检测线限定 基本上相同的有限角度范围。
[0029] 在一个实施例中，角滤波器被配置为介电多层结构。触摸感应装置可进一步包括 被布置在角滤波器下方的光再循环器，以相对于角滤波器和相应的光检测器的光感应表面 限定反光外壳。
[0030] 在一个再循环器实施例中，反光外壳至少部分扩散地反射以成角度地再分布经由 角滤波器进入反光外壳的光。
[0031] 在一个再循环器实施例中，反光外壳包括与角滤波器间隔开且平行于角滤波器延 伸的反光底表面以及在反光底表面和角滤波器之间延伸的反射侧壁结构。在一个实施中， 侧壁结构可为镜面反射的，并且底表面的至少一部分为扩散反射的。
[0032] 在一个再循环器实施例中，反光外壳可由透光材料填充。
[0033] 在可选再循环器实施例中，反光外壳为中空的，并且在角滤波器上提供分裂结构 以便面向反光外壳，其中分裂结构被配置为将通过角滤波器透射的光的至少一部分透射和 再定向到反光外壳。分裂结构可以是非成像、扩散透射结构和被配置为折射由角滤波器透 射的光的成像结构中的一个。
[0034] 在一个再循环器实施例中，光检测器被布置为具有面向角滤波器的光感应表面。 在可选再循环器实施例中，光检测器被布置为突出到光外壳中，以使光感应表面面向侧壁 结构。
[0035] 在一个再循环器实施例中，反光外壳包括微观结构，其限定具有光学功率的镜面， 以便将所透射的传播光再定向到光感应表面上。
[0036] 在一个再循环器实施例中，光再循环器被配置为漏斗，其被配置为镜面反射来自 角滤波器的所透射的传播光朝向光检测器的光感应表面。
[0037] 在没有光再循环器的实施例中，透光材料的主体附接到角滤波器，并且光检测器 附接到主体，以使光检测器的光感应表面直接接收来自角滤波器的被透射的传播光。
[0038] 在一个实施例中，角滤波器被布置为，在后表面上的相应外親合端口内将传播光 透射到相应的光检测器，其中相应外耦合端口沿着延伸到相应的光检测器的检测线的广度 至少等于后表面中对以与角滤波器的法线成入射角9 、撞击角滤波器的传播光的连续反 射之间的距离。
[0039] 在一个实施例中，触摸感应装置包括镜面反射式边缘元件，其邻近外親合区域布 置在连接透光面板的前表面和后表面的边缘部分上，以便镜面反射撞击镜面反射式边缘元 件的传播光。
[0040] 在一个实施例中，传播光包括红外波长区域中的光，并且其中触摸感应装置进一 步包括布置在后表面和角滤波器中间的可见性屏蔽件，可见性屏蔽件被配置为阻止人类眼 睛可见的光，并透射所述光在红外波长区域中的至少一部分。
[0041] 在一个实施例中，每个光发射器经由角滤波器光学地连接到透光面板，该角滤波 器应用到前表面和后表面中的至少一个上的内耦合区域且被配置为仅在透光面板内部的 有限角度范围内透射来自相应的光发射器的光。内耦合区域上的角滤波器的有限角度范围 可与外耦合区域上的角滤波器的有限角度范围匹配，例如，通过内耦合区域上的角滤波器 与外耦合区域上的角滤波器完全相同。在一个实施例中，触摸感应装置进一步包括布置在 内耦合区域上的角滤波器下方的光再循环器，以便相对于角滤波器和相应的光发射器的光 发射表面限定反光外壳。
[0042] 本发明的第二方面为触摸感应装置，其包括：透光面板，其定义前表面和相对的后 表面；多个光发射器，其光学地连接到透光面板，以便生成跨越透光面板上的触摸感应区 域、通过透光面板内部的全内反射传播的传播光；以及多个光检测器，其光学地连接到透光 面板，以便限定跨越触摸感应区域的、在多对光发射器和光检测器之间的传播路径的网格； 其中透光面板通过透光材料的层压层安装在显示设备的前表面上，该层压层布置为与透光 面板的后表面以及显示设备的前表面接触；并且其中层压层具有折射率iljass，其小于透光 面板在后表面处的折射率且被选择以使层压截止角度qtu=brcsinoisjss/nbtt)比 由0c=arcsin(l/n面板）给出的临界角度0c超出了角度a0，a0为至少5°、10°或 15。。
[0043] 在一个实施例中，层压截止角度0 ^等于或大于第一截止角度0 w=arcsin(nw/ nbm)，其中nw为水的折射率，n面板〉nw。
[0044] 在另一个实施例中，层压截止角度等于或大于第二截止角度0f = arcsin(nf/nbtt )，其中nf为手指脂肪的折射率