CN101351765B - 用于基于波导的光学触摸屏的改进光学元件及方法 - Google Patents

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Abstract

数据输入设备具有至少一个与预定波长光源相连的传输元件，至少一个光接收元件以及检测设备以检测所述预定波长光线的中断，所述光线从所述的传输元件延伸至所述的接收元件，其中至少一个所述传输元件和所述接收元件(20)包括至少一个波导，所述波导具有光传输核心(26)和非核心部分(28、25、27、200)以及一个或多个中断装置(30、40、50、71、81)，所述装置适合减小非核心部分中杂散光(42、60、201)的传输。中断适合散射、吸收、转移或阻挡杂散光，以及可以用于一种或多种上包层(27)、下包层(25)、衬底(28)或公共底座(200)。

Description

用于基于波导的光学触摸屏的改进光学元件及方法
技术领域
本发明涉及用于基于波导光学触摸屏的传输和接收波导的改进设计。在优选形式中，提供了优越的信噪比以及不易受杂散光的影响。
背景技术
说明书中的任何对现有技术的讨论不应被视为承认这种现有技术广为人知或形成本领域通用知识的一部分。
由于使用极其方便，非常需要用于计算机和其他诸如移动电话、个人数字助理(PDA)和手持式游戏之类的消费电子设备的触摸屏输入设备或传感器。过去，多种方法已经用于提供触摸屏输入设备。最通用的方法使用柔性电阻覆盖层，尽管覆盖层容易损坏，会引起眩光问题以及趋向使背后屏幕变暗而需要使用额外电力以补偿这种变暗。电阻装置还可以对湿度敏感，以及电阻覆盖层的成本和驱动器功率消耗与周长的二次方成比例。另一种方法是电容式触摸屏，也需要覆盖层。在这种情况下，覆盖层通常更耐用，但是仍然存在眩光和变暗问题。
在另一个通用方法中，在显示器前建立光束(通常是红外线)矩阵，通过一个或多个光束中断检测触摸事件。已知这种“光学”触摸屏很长时间(US3,478,220；US3,673,327)，光束由诸如发光二极管(LED)或者垂直腔面发射激光器(VCSEL)之类的光源阵列生成并且由相应的检测器阵列(诸如光电晶体管或者光电二极管)检测。这种类型的光学触摸屏具有自由覆盖层的优点以及可以在多种环境光条件(US4,988,983)下使用，但是主要的成本问题在于它需要大量光源和检测器组件以及支持电子器件。由于这种系统的空间分辨率取决于光源和检测器的数量，因此随着分辨率的提高，组件成本增加。
美国专利5,914,709、6,181,842和6,351,260以及美国专利申请2002/0088930 A1和2004/0201579 A1，于此每个都全文并入作为参考文献，公开了一种改进的光学触摸屏传感器，其中使用了波导以分配和收集光束矩阵。如下参考图1的讨论，该方法仅需要单一光源和单一多元件检测器，表明了实质上的成本降低。
图1示出了光学触摸屏传感器10的操作，与美国专利5,914,709、6,181,842和6,351,260以及美国专利申请2002/0088930 A1和2004/0201579 A1中的描述类似。在该光学触摸屏传感器设计中，单一光源(例如LED或VCSEL)经由某种形式的1×N分路器13将光线发射进入“传输”集成光波导阵列12。然后光波导12发射并行阵列，间隔穿过显示区域15的光束14，然后所述光束在显示区域的另一端通过类似的“接收”集成光波导阵列16收集以及导入至位置灵敏(也就是多元件)检测器17。触摸事件18(例如用手指或铁笔)被检测为阴影19，其位置通过由触摸物体阻挡的特定光束确定。
触摸屏传感器通常是二维矩形，带有沿显示区域相邻两边的两个传输波导阵列(X，Y)，以及沿显示区域另两边的两个对应接收波导阵列。在某一结构中，单一光源将光线发射至多个波导，所述波导形成X和Y传输阵列。在另一个版本中，每个X和Y传输阵列分别使用独立的光源。在传输一侧，波导阵列将引导光线从光源至排镜片110，所述镜片在水平(也就是X，Y)平面内扩大所引导的光束，然后当光束发射穿过显示区域时在水平平面内对光束进行校准。垂直平面内的校准可以利用外部垂直准直透镜(VCL)实现，例如柱面透镜(图1中未示出)。接收一侧本质上是相同的，以及波导阵列和透镜元件置于每条边上并且由屏幕的边框保护。为了最小化边框的宽度，需要传输和接收元件尽可能短。
通常与集成光波导一起，“传输”光波导12和“接收”光波导16都包括构图光波导核心(折射率为n1)阵列，所述阵列由包层(折射率为n2，其中n2＜n1)围绕并且安装在机械鲁棒衬底上。经常地，光波导核心和衬底之间的包层部分称作“下包层”或“底包层”，包层剩余部分称作“上包层”或“顶包层”。
在上述类型的光学触摸屏传感器中，每个“接收”波导16与多元件检测器17的单个元件111中的整数(通常为一，但是也可以更多)光通信。应该理解对于这种系统精确地确定触摸事件的位置，关键是在每个间隔束14中的光如实地由接收波导16引导至多元件检测器17相应的元件111。如果多元件检测器17的单独元件111接收来自任何光源的光而非来自合适接收波导16的，例如由检测器的信噪比测量，触摸屏传感器的性能将下降。杂散光的一种可能光源是由传输或接收一侧透镜俘获的环境光。杂散光的另一个可能光源是由衬底或接收波导16的包层而非波导核心俘获的间隔束14中的信号光线。
本发明的一个目的在于改善现有技术或者至少提供一种商业替代，以及至少在优选实施例中提高光学触摸屏传感器的性能。
发明内容
除非本文明确地要求，否则在描述和权利要求中，“包括”以及类似词语将直译为包括的意思，而非不包括或详尽的意思；也就是说，“包括，但不限于”的意思。
在第一方面，本发明提供了一种数据输入设备，所述设备具有至少一个传输元件、至少一个光线接收元件以及检测设备以检测从所述传输元件延伸至所述接收元件的光束的遮断，其中所述传输元件和所述接收元件的至少一个包括至少一个波导，每个波导具有用于传输预定波长光线的光传输核心以及非核心部分，所述非核心部分包括上包层、下包层和衬底中的至少一个，以及一个或更多中断装置，所述中断装置应用于所述非核心部分并且适合减小所述非核心区域内的杂散光的传输，所述中断不与所述核心部分接触。
在第二方面，本发明提供了一种用于减小数据输入设备中杂散光传输的方法，所述数据输入设备包括至少一个传输元件、至少一个接收元件以及检测设备以检测从所述传输元件延伸至所述接收元件光束的遮断，其中至少一个所述传输元件和所述接收元件包括至少一个波导，每个波导具有用于传输预定波长光线的光传输核心以及非核心部分，所述非核心部分包括上包层、下包层和衬底中的至少一个，以及其中所述方法包括向所述非核心部分应用一个或多个中断装置，所述中断装置适合减小非核心部分中杂散光的传输。
优选地，所述光束穿过输入区域，所述传输和接收元件置于所述输入区域相对的两边。
优选地，所述输入区域呈四边形，沿输入区域的第一和第三边安排第一组所述传输和接收元件，以及沿输入区域的第二和第四边安排第二组所述传输和接收元件。更优选地，所述输入区域为矩形，来自所述第一组的光束方向本质地与来自所述第二组的光束方向垂直。优选地，所述第一和所述第二传输元件相邻，而所述第一和所述第二接收元件相邻。
优选地，用户通过与输入区域的相互作用将输入提供给数据输入设备。更优选地，用户用手指或铁笔与输入区域相互作用。
优选地，非核心部分包括上包层、下包层和衬底中的一个或多个。
中断可能适合吸收或散射杂散光。
在实施例中，中断包括转移杂散光的装置，
其中所述中断包括多个切割进衬底的光散射槽。
替代地或者另外地，中断包括应用于一个或多个包层或衬底的光吸收涂层。
对于本发明的目的，术语“预定波长”和“操作波长”是指光源11发出并由波导12和16传输的光的波长，而术语“信号光”是指由光源11发出的光。本领域普通技术人员应该理解，通常光源发出的光处于一个波长范围而不是单一波长；如果光源是诸如VCSEL之类的激光则该波长范围相对较窄，而如果是诸如LED之类的非激射源则相对较宽。典型地，由于廉价光源和检测器的可用性，“预定波长”处于近红外(也就是700nm至1000nm)，因而信号光不干扰用户的显示感觉。然而，预定波长也可以在可见光或任何其他适合光谱范围内。本发明书假定预定波长大约为850nm，但是应该理解本发明的实施例也适合其他预定波长，包括可见光。
术语“环境光”是指从除了光源11之外的任何光源发出的光，典型地是室内灯光或者阳光。环境光通常包括紫外、可见和红外波长范围，典型地包括预定波长，以及有关光线触摸屏传感器因为多元件检测器17典型地包括硅光电二极管或者光电晶体管阵列，广泛地对1000nm以下波长敏感。
术语“杂散光”是指在包层或衬底中，也就是说“传输”光波导12或者“接收”光波导16的非核心部分，被俘获或引导的任何波长的光。
当应用于材料时术语“高吸收”意味着材料对于给定波长或者波长范围具有的光吸收至少为10dB/cm，更优选地至少20dB/cm，以及最优选地至少30dB/cm。
由于成本和制造方便等原因，高度优选地形成光学构图聚合物材料之外的波导和透镜元件。
优选地，所述预定波长的光由所述中断吸收。优选地，所述中断由在紫外、可见光和红外光谱范围具有宽带吸收的衬底组成，因此杂散光由所述中断吸收。替代地，所述中断由掺杂有机染料的聚合物组成，所述有机染料在所述预定波长具有高吸收。此外，聚合物可以由在光谱的紫外、可见光和红外范围具有宽带吸收的衬底掺杂，因此杂散光由所述中断吸收。
替代地，杂散光由所述中断散射。
在实施例中，所述中断沿所述波导边缘沉积的材料组成，例如沿衬底和/或包层的边缘。优选地，所述材料的折射率实质上与相应的衬底或包层的折射率相近。
在另一个优选实施例中，所述材料位于至少一部分所述衬底表面上。优选地，这种材料的折射率略高于衬底的折射率。在优选绘制中帮助任何衬底中的杂散光引导至所述材料。优选地，所述材料位于衬底表面上，所述表面与和包层相连的表面相对。替代地，所述材料位于衬底和包层之间。
优选地，所述波导由聚合物材料组成。聚合物材料可以是热固化聚合物。替代地，聚合物材料可以是通过光化辐射固化的聚合物，优选地通过紫外辐射。优选地，聚合物材料是硅氧烷聚合物。优选地，所示光波导结构通过紫外光刻构图。
如上所述，优选地所述波导包括下包层、构图核心和上包层。通常，所述下包层与相应的衬底相连。优选地，所述下包层、构图核心和上包层由紫外固化聚合物组成，以及所述构图核心由紫外光刻构图。甚至更优选地，紫外固化聚合物是硅氧烷聚合物。
优选地，所述衬底由玻璃或聚合物材料组成。更优选地，组成所述衬底的聚合物材料选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、诸如聚甲基丙烯酸甲酯之类的丙烯酸盐以及聚酰亚胺。
在另一个实施例中，中断由公共底座(common base)提供，其上安装有外部垂直准直透镜(VCL)和相应的传输/接收元件。在该实施例中，公共底座可以包括在预定波长具有高吸收的材料，或者由在预定波长具有高吸收的材料覆盖。替代地或附加地，公共底座可以包括在紫外、可见光以及近红外光谱范围具有宽带吸收的物质或由该物质覆盖。公共底座还可以由折射率高于衬底折射率的材料组成，以优先地引导杂散光至公共底座。在另一个实施例中，外部VCL和公共底座可以形成单一结构。在该具体的实施例中，公共底座可以由在预定波长具有高吸收的材料覆盖，但是不能包括这种材料因为VCL在光路中。
在另一个实施例中，中断包括多个光散射槽，所述散射槽切割进衬底或者另一层，例如公共底座，而不是直接在光路中。该实施例可以与任何前述实施例结合。
前述实施例可以与开孔或定位装置结合以限制杂散光直接进入衬底，或者杂散光直接从衬底传输至多元件检测器。
附图说明
下面将参考附图以示例的方法描述本发明，其中：
图1示出了带有透镜的基于波导光学触摸屏传感器的操作，以提供光束的平面聚焦；
图2a(平面图)和图2b(侧视图)示出了光波导阵列接收元件的结构，及其关于外部垂直准直透镜的定位；
图3a(平面图)和图3b(侧视图)示出了根据本发明第一实施例的接收元件；
图4示出了根据本发明第二实施例的接收元件；
图5示出了根据本发明第三实施例的接收元件；
图6示出了根据本发明第四实施例的接收元件；
图7a和图7b示出了根据本发明第五实施例的接收元件；
图8示出了根据本发明第六实施例的接收元件。
具体实施方式
如背景部分所述，美国专利5,914,709、6,181,842和6,351,260以及美国专利申请2002/0088930 A1和2004/0201579 A1公开了改进型光学触摸屏传感器，所述传感器仅需要单一光源和单一多元件检测器，以及使用波导以分配和收集光束矩阵。
为了提高用于消费电子设备这种类型光学触摸屏传感器在商业上的可行性，应该以最低的成本制造和组装不同部件。具体地，波导和相关的准直光学必须能够以低成本的形式大规模生产，目前仅有聚合物材料满足该要求。具体地优选的是可以用光刻/湿法处理方法加工的光学构图聚合物，因为它们可以通过方便和温和的条件(例如紫外暴露及其后的溶剂处理)构图，以及加工设备相对较低的成本。
光学构图聚合物的示例包括丙烯酸盐(acrylates)和硅氧烷(siloxanes)。材料具体地适合的等级是紫外固化硅氧烷聚合物(siloxanepolymers)，例如通过美国专利6,800,724和6,818,721中公开的缩合反应合成，其中于此每个都全文并入本发明作为参考文献。硅氧烷聚合物对多种衬底材料具有良好的粘接，包括硅、玻璃和塑料。可以增加光引发剂或热引发剂以提高固化速率。商业上可用的光引发剂示例包括1-羟基环己基苯基甲酮(1-hydroxy-cyclohexyl-phenyl-ketone)(Irgacure：氯[二氯苯氧基]苯酚184)、2-甲基-1-[4-(甲基硫代苯基)-2-吗啉代丙酮(Irgacure：氯[二氯苯氧基]苯酚907)、2，2-二甲氧基-2苯基苯乙酮(Irgacure：氯[二氯苯氧基]苯酚651)、2-苯基-2-N-二甲氨基-1-(4-吗啉苯基)-丁酮(Irgacure：氯[二氯苯氧基]苯酚369)、对二甲氨基二苯甲酮、2，2-二甲基-2-羟基苯乙酮(Darocur 1173)、二苯甲酮(Darocur BP)、1-[4-(2-羟乙氧基)-苯基]-2-羟基-2-甲基丙酮(Irgacure：氯[二氯苯氧基]苯酚2959)、四乙基米氏酮(DEAB)、2-氯噻吨酮、2-甲基噻吨酮、2-异丙基噻吨酮、二苯乙醇酮和二甲氧基安息香胶。对于可见光固化，引发剂可以例如是樟脑酮。也可以使用两种或两种以上的光引发剂混合物。例如，氯[二氯苯氧基]苯酚1000是80％Darocur 1173和20％氯[二氯苯氧基]苯酚184的混合物。对于热固化，可以使用过氧化物形式存在的有机过氧化物(例如过氧化苯甲酰过氧化物)、过二碳酸钠、过酸酯(过苯甲酸叔丁酯)、过缩酮(perketal)、过氧化氢以及AIBN(偶氮二异丁腈)作为引发剂。
可以加入其他添加剂，例如稳定剂、增塑剂、对比增强剂、染料或填充剂，以增强聚合物所需性能。
在本说明书中，光波导和相关透镜将作为从光学构图硅氧烷聚合物使用光刻/湿法刻蚀加工制造的例证。然而，应该理解波导和透镜可以由本领域公知的任何其他材料系统组成，用于集成光波导，例如玻璃，以及通过本领域任何其他公知的装置构图，例如反应离子刻蚀。
在使用光束矩阵的任何“光学”触摸屏传感器中，从具体光束确定触摸事件的位置，所述光束被触摸物体阻挡。在带有光源和检测器成对阵列的常规光学触摸屏传感器中，通常通过保证每个检测器接收仅从相应光源发出的光线或者对其敏感实现触摸位置的精确确定，以及因此提出了许多策略，包括光源和/或检测器的顺序激活(US 3,764,813、US3,775,560)以及光源调制(US 5,179,369)。然而，这些策略不能用于仅带有单一光源的触摸屏传感器中。在这种情况下，如图1所示，只有当每个间隔束14如实地经由接收波导16引导至多元件检测器17的相应元件111时才能实现触摸位置的精确确定。如果多元件检测器17的相应元件111从任何光源而非适合接收波导16接收“杂散”光，则触摸屏传感器的性能将下降。
为了示出基于波导光线触摸屏传感器中的杂散光问题，现在将参考图2a(平面图)和图2b(侧视图)描述“接收一侧”光波导阵列结构。其中示出了接收一侧光波导阵列的单一元件20，所述阵列配有垂直准直透镜(VCL)21。接收元件20包括带有弯曲前表面23的厚片波导22，以及与多元件检测器的相应元件进行光学通信的输出波导24。厚片波导22和输出波导24通常包括下包层25、构图核心层26和上包层27，每个都顺序沉积在衬底28上。优选地，下包层25、构图核心层26和上包层27都由光学构图聚合物组成，但是可以包括任何对预定波长透明的其他波导材料。
在操作中，横穿输入区域的光线29通过VCL 21首先聚焦于垂直平面，然后通过弯曲前表面23聚焦于水平平面(也就是说衬底平面)。聚焦光线通过厚片波导22传播，以及由输出波导24收集。应该理解对于VCL21为了准确地聚焦光线进入厚片波导22，两个部件必须在垂直平面上精确地排列。为了方便这种排列，接收元件20和VCL 21可以安装在公共底座200上。替代地，VCL 21可以制造成(比如说通过注射成型)带有基座，所述基座可以作为公共底座，在这种情况下VCL 21和公共底座200形成单一整体。优选地，接收元件20“倒置”安装在公共底座200上，如图2a和图2b所示衬底最高。该优选的一个原因是VCL 21和厚片波导22关键的垂直排列仅由上包层27的厚度确定，所述厚度比衬底28和下包层25的组合厚度更容易控制，如果使用替代的“正确的方式”组件则需要控制该厚度。具体地，衬底28的厚度精确度由衬底制造商的生产过程限制。
适合下包层25、构图核心层26和上包层27的聚合物薄膜材料可以通过多种方法沉积在衬底28上，包括旋转涂覆、浸渍涂覆、半月板涂覆、挤出涂覆、帘式涂覆、滚筒涂覆、喷涂涂覆、条缝涂覆、丝网印刷和刮胶。然后这些薄膜可以根据需要用光进行光学构图，或者通过掩蔽，例如掩蔽校准器或步进电机，或者通过激光直接写入程序；对于高吞吐量制造，通过掩蔽暴露通常是优选的。
虽然不是必须的，出于若干原因，对于衬底28优选地包括塑料材料，而不是诸如硅之类的更为传统的光电衬底材料。较低的成本和减小的重量是优选塑料衬底的两个原因。对于整个接收(以及传输)元件阵列有利于灵活性，例如方便与系统中不同其他部件的对准。使用塑料衬底的另一个原因是在光学部件组件期间，有利于衬底透明，例如以至于机器视觉系统可以定位对准标志。可以使用很大范围的塑料衬底，包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及聚酰亚胺(PI)，所有这些都已用于平面显示器产业(W.A.McDonald，Journal of Materials Chemistry，vol.14，pp.4-10，2004)。其中，PET是截至目前使用最广泛的，因为它廉价并且大量广泛使用(例如Melinex
Figure S2006800491011D00091
或Mylar
Figure S2006800491011D00092
)，具有高表面质量(也就是说光滑，波导制造必不可少)。聚碳酸酯同样廉价和广泛使用。
然而本领域普通技术人员应该理解，许多塑料在1μm以下的近红外区是透明的，以及图2a和图2b示出了很难防止部分光线29进入衬底28并被衬底俘获，尤其是如果衬底28由折射率高于下包层25折射率的材料组成。例如，VCL 21和接收元件20之间的部分光线穿过下包层25，以及取决于设计细节甚至可以穿过衬底28。该光线将在下包层和/或衬底中被俘获，VCL 21和接收元件20之间的任何垂直未对准都可能加重这种影响。由于衬底28通常比下包层(200μm数量级)、核心和上包层(每个10μm数量级)厚得多，因此可能有相当数量的所接收光线在衬底28中而非核心层26中被俘获和/或引导。在图2b中这种衬底引导杂散光用箭头201表示。应该理解，由于单一衬底可以承担全部接收波导阵列，所述阵列引导光线至多元件检测器，例如参见图3a，衬底中引导的光线201是来源背景强度，降低了检测器阵列所接收信号的信噪比。注意，实际上衬底28由折射率高于下包层25折射率的材料组成是有利的，以至于下包层25中的任何杂散光优先地耦合进衬底28，而后通过下述方法之一去除。
有若干其他方法可以使杂散光在常规传输或接收元件的衬底中被俘获。例如，环境光可以被衬底从传输一侧或者接收一侧俘获。具体到传输一侧，另一杂散光源是光源11；由于1×N分路器13通常制造在“传输”光波导12同一衬底上，光源11与1×N分路器13的未对准可能导致相当数量的光能发射进入衬底。同样，在一些基于波导光学触摸屏传感器中，具体的是那些带有大量传输和接收元件的传感器，在屏幕面板中可能没有足够的空间放入所有传输和接收波导以接近光源和检测器。在这种情况下，使用1×2分路器和2×1组合器是有利的，以分别减少传输和接收波导的数量。这些分路器和组合器是本领域公知的集成光波导，以及公知当1×2分路器实质上无损时。2×1组合器往往产生3dB的损失。也就是，仅有50％的2×1组合器两个输入手臂中的光线耦合进入输出手臂，其他50％辐射进入包层。如果使用这种2×1组合器，在接收一侧将有杂散光的额外重要来源。
考虑到许多方法可以在衬底或者光学触摸屏传感器的传输或接收一侧波导阵列的包层中俘获和引导杂散光，以及该杂散光可以在传感器操作中造成的困难，特别需要减少这种杂散光或者防止其传输的方法。
在波长方面，杂散光将包括预定波长(通常在近红外区，来自信号光或环境光)的光，以及还可以包括其他波长的环境光，具体的在可见光区。本说明书描述了减少杂散光传输的方法，所述杂散光包括可见和近红外波长，以及仅包括近红外波长。注意，去除“波段外”环境光的方法(也就是说除预定波长以外波长的环境光)是光学触摸屏传感器领域中公知的，通常涉及光路中可见光拦截滤波器的放置。一般地，滤波器与面板结合(US 4,737,633)。在基于波导光学触摸屏传感器中，例如滤波器可以放置在接收波导阵列自由空间末端或者接收波导阵列和多元件检测器之间(US 6,181,842)。然而，由于这些现有技术滤波器都在光路中，它们不能用于去除操作(也就是预定)波长的杂散光。迄今为止还不知道从基于波导光学触摸屏传感器中去除操作波长杂散光的方法。
现在将参考图3a和图3b描述本发明的第一实施例。在该实施例中，用于减少杂散光传输的中断是应用于波导衬底一部分的涂层或者材料以将杂散光去除出衬底。如图3a(平面图)和图3b(侧视图)所示，在接收波导24转向多元件检测器之后，可以沿衬底28的边缘31放置材料珠30(例如胶线)。优选地，材料珠30和衬底28具有相近的折射率，以便引导进衬底28的任何杂散光与材料珠30耦合，然后散射(如箭头32所示)而非后向反射出衬底边缘31(如箭头33所示)，其中它可以造成检测器处的进一步的背景噪声。
优选地，材料珠30还包括在操作波长具有高吸收的诸如有机染料之类的物质。材料珠30也可以包括在光谱的可见光区和近红外光区具有宽带吸收的物质，以去除被衬底28俘获的环境光。它还可以包括多个散射中心，例如微粒或空穴，以散射被衬底28俘获的环境光。本领域普通技术人员应该理解，如果散射中心的尺寸与环境光波长在可比较的数量级，这些散射中心最为有效。方便起见，材料珠30可以包括聚合物材料，例如热固化或紫外固化胶，所述材料可以沿边缘31挤压。清晰起见，图3b未示出接收元件20和接收波导24。使用材料珠的另一个优势是可以安排它与下包层25以及上包层27接触，以及将因此吸收导入进这两层中的杂散光。
图4示出了根据本发明第二实施例。在示例中，中断包括沉积在衬底28的暴露表面41上的涂层40。注意在这种情况下，图2a和图2b所示的优选的“倒置”组件是有利的。优选地，涂层40的折射率高于衬底28的，以至于引导进衬底28的杂散光42优先进入涂层40。本领域普通技术人员应该知道，优选地，涂层40的折射率略高于衬底28的折射率，以最大化光剥离效应(light stripping effect)(M.J.F.Digonnet et al.，Optics LettersVol.10，pp.463-465，1985)。优选地，涂层40还包括在操作波长具有高吸收的诸如有机染料之类的物质。方便起见，涂层40可以是聚合物材料。涂层40还可以包括在光谱的可见光区和近红外光区具有宽带吸收的物质，以去除被衬底28俘获的环境光。它还可以包括多个散射中心，例如微粒或空穴，以散射被衬底28俘获的环境光。重要的是，涂层40不需要以任何特殊的方式沉积，以及不同于波导层，它需要是高质量、整齐沉积的薄膜。例如它可以是用于封装VCL/接收阵列组件或者将它们作为整体保护的灌装材料。由于这种封装/灌装材料在任何情况下用于保护组件，以及仅在光学部件组装之后应用，因此这是特别优选的实施例。
在本发明的第三实施例中，如图5所示，通过衬底28和下包层25之间的吸收材料层50提供中断。优选地，吸收层50由与用于下包层25、构图核心层26以及上包层27的材料类似的聚合物材料，以及以与下包层25类似的方式进行使用和固化。吸收层50包括在操作波长具有高吸收的诸如有机染料之类的物质。它也可以包括在光谱的可见光区和近红外光区具有宽带吸收的物质，以去除被衬底28或者下包层25俘获的环境光。它还可以包括多个散射中心，例如微粒或空穴(void)，以散射被衬底28或者下包层25俘获的环境光。注意，尽管可以使用诸如有机染料之类的在操作波长具有高吸收的物质对下包层25或者上包层27进行掺杂，但是通常是不利的，因为该物质也会吸收在构图核心层26中传播的所需信号光。光波导领域的普通技术人员应该理解，沿光波导核心传播的相当一部分光能延伸至包层，以至于包层材料应该在操作波长高度透明。否则，通常不利于下包层25或者上包层27包括多个散射中心。
在本发明另一个实施例中，中断由构成波导衬底的材料提供。该衬底可由在预定波长具有高吸收的材料制造，以及还优选地在可见光区，以至于任何耦合或者泄露进衬底的杂散光能够被快速吸收。波导衬底可以由在预定波长具有固有吸收的材料组成；例如硅在小于1μm的近红外区具有高吸收，以及可以吸收杂散信号光和环境光。替代地，波导衬底可以包括诸如聚合物之类的材料，由在操作波长具有高吸收的诸如有机染料之类的物质掺杂。所示衬底也可以包括在光谱的可见光区和近红外光区具有宽带吸收的物质，以去吸收环境光。它还可以包括多个散射中心，例如微粒或空穴，以散射环境光。该实施例简单的优势在于不需要额外的涂层以从衬底中剥离杂散光，以及适用于不考虑接收元件与公共底座的方向性。
然而如前所述，优选地使用由聚合物材料组成的衬底，以及由于这些材料通常在预定波长透明，它们需要用吸收物质掺杂。由于衬底材料已经满足若干要求，例如低成本和高表面质量，很难获得适用于本实施例的聚合物衬底材料。在附加材料要求中，已经发现(美国专利11/355668，于此全文并入本发明作为参考文献)当经由紫外光刻在聚合物衬底上制造聚合物波导时，衬底需要包括可以吸收紫外光的物质。通过该实施例，具体地当衬底具有固有宽带吸收或者包括宽带吸收物质时，将需要机器视觉系统的替代以至于这种设备不能通过这种衬底定位对准标志。
图6示出了本发明的第四实施例，应用于“倒置”组件。该实施例使用公共底座200用于元件20和VCL 21的按照和对准。公共底座200形成了中断，所述中断由折射率高于衬底28的材料组成，以至于引导进衬底28的杂散光60被优先导入公共底座200。优选地，公共底座200包括在操作波长具有高吸收的材料，或者例如由诸如有机染料之类的物质掺杂的聚合物材料，所述材料在操作波长具有高吸收。公共底座200还可以包括在光谱的可见光区和近红外光区具有宽带吸收的物质，以吸收被衬底28俘获的环境光。它还可以包括多个散射中心，例如微粒或空穴，以散射环境光。替代地，公共底座200可以被包括在操作波长具有高吸收的诸如有机染料之类物质的材料覆盖。所述材料也可以包括在光谱的可见光区和近红外光区具有宽带吸收的物质，以吸收环境光，或者多个散射中心，例如微粒或空穴，以散射环境光。由于VCL 21在光路中以及不能在操作波长具有吸收，所述涂层替代具体地适用于公共底座200和VCL 21形成整体单元的结构，比如说单片注射成型塑料。
可以看出，所有上述实施例都涉及聚合物材料的使用，可以是应用于衬底的胶线或灌装混合物、衬底本身的材料，或者包括至少在操作波长具有高吸收或散射物质的公共底座或涂层。如上所述，优选地操作波长为近红外，例如850nm。高吸收物质可以优选地是聚合物相容的有机染料，例如可从H.W.Sands Corp获得的近红外染料之一(例如SDA5688或者SDA8435)，然而本领域普通技术人员应该知道许多其他可以溶解或者分散在聚合物中的红外吸收材料(例如炭黑)。诸如炭黑之类的在光谱的可见光和近红外区具有宽带吸收的材料可以方便地去除杂散信号光和环境光。高散射物质优选地是多个微泡或者微粒，带有折射率明显不同于组成衬底，公共底座或者涂层材料的物质。H.W.Sands Corp的许多近红外染料还有在大约365nm的近紫外区低吸收的额外优点，典型地用于固化紫外固化聚合物，因此不期望干扰胶线或灌装混合物的紫外固化。此外，它们不应被紫外固化过程分解。然而如果选定的红外吸收材料是紫外吸收的或者对紫外光敏感，则使用热固化胶或者灌装混合物代替。
注意，在集成光波导领域中涉及使用吸收区以去除杂散光的方案是公知的，例如参见欧洲专利申请0883000A1和美国专利6,920,257，其中部分与本发明的中断类似。然而这些方案尚未应用于基于波导光学触摸屏传感器的具体应用。
图7a示出了本发明的第五实施例，例如用切割锯在衬底28中切割或刻划多个槽71。这些槽用于将杂散光散射出衬底；它们可以是平直的或者弯曲的，以及可以延伸穿过全部衬底厚度，衬底厚度的一小部分或者其中不同深度的结合。此外，如图7b所示，带槽衬底可以用吸收层或者散射层40覆盖，如前面图4所述。应该理解，槽也可以切割在公共底座200中。
图8示出了根据本发明第六实施例，其中衬底(在本示例中示出为带有光散射槽71和吸收层40)由广谱不透明材料81(诸如铝板)覆盖，所述材料带有覆盖衬底28端面83相当一部分的加工唇(machined lip)82或保护，从而阻挡环境或信号光直接进入衬底。也可以使用类似的保护装置以防止环境或信号光直接进入公共底座200。
如果相当数量的杂散光留在衬底或公共底座中，除了任何或全部前述实施例的努力，哦那个国类似的保护装置可以防止杂散光到达多元件检测器。
参考图4，将根据本发明第二实施例，通过带有两个不同光剥离灌装混合物的制造和组装举例说明本发明的原理。
示例1
根据美国专利No.6,818,721中公开的程序，制备较低折射率聚合物A，其粘度为2500cP(20℃)，折射率(20℃，用室内灯光在阿贝折射仪上测定)为1.483。制备较高折射率聚合物B，其粘度为2200cP(20℃)，折射率为1.509(20℃)。在聚合物A和聚合物B中加入合适的光引发剂。
聚合物A旋转涂覆至衬底28上，所述衬底由带有共挤出紫外吸收层的聚碳酸酯Makrolon
Figure S2006800491011D00151
UV(拜尔)组成，以及用来自汞灯的紫外线固化以形成厚度为20μm，折射率为1.485(20℃，850nm)的下包层25。聚合物B旋转涂覆至下包层25上以及用穿过掩蔽的紫外光构图；然后未暴露聚合物B材料溶解在异丙醇中以形成包括输出波导24和带有曲面23的平板波导22的构图核心层26。构图核心层26厚度为11μm，折射率为1.513(20℃，850nm)。最后，通过旋转涂覆和紫外构图聚合物A的第二层沉积保护性上包层27。如美国专利申请No.2005/0089298A1中所公开的，于此全文并入本发明作为参考文献，需要以和构图核心层26相同的方式构图上包层27，以至于曲面23仍未覆盖。衬底28、下包层25、构图核心层26和上包层27一起包括接收元件20。
接收元件20和VCL 21用粘合剂(未示出)在公共底座200上组装在一起。接收元件20如图4所示“倒置”安装，以至于衬底28在最上方。优选地，粘合剂是紫外固化的，但是也可以使用热固化的粘合剂。组成VCL 21和公共底座200的材料不是特别重要，但是优选地是聚合物材料。如果使用紫外固化粘合剂，则公共底座200需要由对固化光透明的材料组成。
在该示例中，聚碳酸脂衬底材料的折射率大约为1.56，也就是说高于下包层聚合物(1.485)的折射率，以至于杂散光被优先导入衬底而非下包层25。为了防止杂散光降低信噪比，衬底28的最上层表面用光剥离层40(如图4所示)覆盖，所述光剥离层包括在预定波长(850nm)具有高吸收的物质。在该示例中，层40包括由染料SDA 8700(H.W. SandsCorp)掺杂的紫外固化环氧Norland 61(折射率约为1.55)，在衬底28的最上层表面挤出。SDA 8700在844nm具有最大吸收以及峰值衰减系数为3.O×1051.mo-1.cm-1，因而对吸收任何850nm杂散光最为有效。
示例2
如示例1所述，接收元件20和VCL 21在公共底座200上制造和组装。为了防止杂散光降低信噪比，通过挤出由染料SDA 8700和炭黑掺杂的紫外固化环氧Norland 61覆盖衬底28的最上层表面。在该示例中，所述染料将特定地吸收预定波长及其邻近的光，而所述炭黑将吸收在可见和近红外区的环境光。
参考图5，将根据本发明第三实施例，通过带有附加光吸收层的接收元件的制造和组装举例说明本发明的原理。
示例3
根据示例1制备聚合物A和聚合物B。通过用染料SDA 8700(H.W.Sands Corp)掺杂聚合物A制备光吸收聚合物C。聚合物C旋转涂覆至衬底28上，所述衬底由带有共挤出紫外吸收层的聚碳酸酯
Figure S2006800491011D00161
UV(拜尔)组成，以及用来自汞灯的紫外线固化以形成厚度为20μm的吸收层50。然后聚合物A旋转涂覆至吸收层50上，以及用来自汞灯的紫外线固化以形成厚度为20μm，折射率为1.485(20℃，850nm)的下包层25。聚合物B旋转涂覆至下包层25上以及用穿过掩蔽的紫外光构图；然后未暴露聚合物B材料溶解在异丙醇中以形成包括输出波导24和带有曲面23的平板波导22的构图核心层26。构图核心层26厚度为11μm，折射率为1.513(20℃，850nm)。最后，通过旋转涂覆和紫外构图聚合物A的第二层沉积保护性上包层27。衬底28、吸收层30、下包层25、构图核心层26和上包层27一起包括接收元件20。
接收元件20和VCL 21用粘合剂(未示出)在公共底座200上组装在一起。接收元件20如图4所示“倒置”安装，以至于衬底28在最上方。优选地，粘合剂是紫外固化的，但是也可以使用热固化的粘合剂。组成VCL 21和公共底座200的材料不是特别重要，但是优选地是聚合物材料。如果使用紫外固化粘合剂，则公共底座200需要由对固化光透明的材料组成。在示例中，预定波长的杂散光由吸收层50吸收，从而不会降低多元件检测器的信噪比。
示例4
该示例证明了光散射槽减少沿衬底材料传输光量的效力。850nm光经由SMF 28光纤发射至一块聚碳酸脂衬底材料(10mm宽×50mm长×170μm厚)，以及使用电能表监测从衬底发射的能量。该块聚碳酸脂被另一块聚碳酸脂替换，后者除了用切割锯在其中一面切割了10个100μm深的槽之外与前者相同，以及接收到的能量减少了12dB。然后覆盖所述衬底面并且所述槽由广谱吸收涂料填充，以及接收到的能量又减少了4dB。
相应地可以看出，通过以槽的形式提供中断，所述槽切割在沿适合的广谱吸收材料例如涂料或与其结合的非核心部分，可以实现杂散光传输的大幅度减少。
示例5
根据示例1制备聚合物A和聚合物B。聚合物A旋转涂覆至衬底28上，所述衬底由包括炭黑的Lexan FR700(GE塑料)组成，以及用来自汞灯的紫外线固化以形成厚度为20μm，折射率为1.485(20℃，850nm)的下包层25。聚合物B旋转涂覆至下包层25上以及用穿过掩蔽的紫外光构图；然后未暴露聚合物B材料溶解在异丙醇中以形成包括输出波导24和带有曲面23的平板波导22的构图核心层26。构图核心层26厚度为11μm，折射率为1.513(20℃，850nm)。最后，通过旋转涂覆和紫外构图聚合物A的第二层沉积保护性上包层27。衬底28、下包层25、构图核心层26和上包层27一起包括接收元件20。
接收元件20和VCL 21用粘合剂(未示出)在公共底座200上组装在一起。接收元件20如图4所示“倒置”安装，以至于衬底28在最上方。优选地，粘合剂是紫外固化的，但是也可以使用热固化的粘合剂。组成VCL 21和公共底座200的材料不是特别重要，但是优选地是聚合物材料。如果使用紫外固化粘合剂，则公共底座200需要由对固化光透明的材料组成。
在该示例中，所述Lexan衬底在预定波长以及可见光区具有高吸收。任何杂散光将被吸收以及防止到达检测器阵列，从而最大化信噪比。
尽管参考某些具体的示例描述本发明，但是本领域普通技术人员应该理解本发明可以通过许多其他形式体现。此外，尽管本发明是按照基于波导光学触摸屏传感器的接收元件描述的，但是本发明的原理也可以应用于传输元件。

Claims (58)

1.一种数据输入设备，所述设备具有至少一个传输元件、至少一个接收元件以及与所述接收元件进行光通信的检测设备，并且适用于检测从所述传输元件延伸至所述接收元件的信号光的遮断，所述遮断与所述数据输入设备的输入相关联，
其中，所述传输元件和所述接收元件的至少一个包括至少一个波导，每个波导具有用于传输所述信号光的光传输核心以及非核心部分，以及应用于所述非核心部分以及适合减小非核心部分中到达所述检测设备的杂散光的数量的中断，所述中断不与所述核心部分相连。
2.根据权利要求1中所述的数据输入设备，其中所述传输元件与所述信号光的光源耦合。
3.根据权利要求1中所述的数据输入设备，其中所述中断适合散射所述杂散光。
4.根据权利要求1中所述的数据输入设备，其中所述中断适合吸收所述杂散光。
5.根据权利要求1中所述的数据输入设备，其中所述中断适合转移所述杂散光。
6.根据权利要求1中所述的数据输入设备，其中所述中断适合阻挡杂散光进入或离开所述非核心部分。
7.根据权利要求3中所述的数据输入设备，其中所述中断包括所述非核心部分中的多个光散射槽。
8.根据权利要求3中所述的数据输入设备，其中所述中断包括嵌入在所述非核心部分的微粒和/或空穴。
9.根据权利要求7中所述的数据输入设备，其中所述中断至少在所述波导的衬底中形成。
10.根据权利要求8中所述的数据输入设备，其中所述中断至少在所述波导的衬底中形成。
11.根据权利要求6中所述的数据输入设备，其中所述中断包括应用于所述非核心部分的不透明罩。
12.根据权利要求1中所述的数据输入设备，其中所述中断包括应用于所述非核心部分的涂层。
13.根据权利要求12中所述的数据传输设备，其中所述涂层的折射率略高于所述非核心部分的折射率。
14.根据权利要求12所述的数据传输设备，其中所述涂层包括在所述信号光的波长处具有高吸收的物质。
15.根据权利要求13所述的数据传输设备，其中所述涂层包括在所述信号光的波长处具有高吸收的物质。
16.根据权利要求1中所述的数据输入设备，其中所述中断包括在光谱的紫外、可见光和近红外区具有宽带吸收的物质。
17.根据权利要求1中所述的数据输入设备，其中所述中断包括掺杂有光吸收染料的聚合物。
18.根据权利要求1中所述的数据输入设备，其中所述中断包括沿所述波导边缘沉积的材料。
19.根据权利要求1所述的数据输入设备，其中所述非核心部分包括上包层、下包层和衬底的至少一个。
20.根据权利要求19中所述的数据输入设备，其中所述中断设置在所述波导的衬底和下包层之间。
21.根据权利要求1中所述的数据输入设备，其中所述中断包括其上形成有相应传输/接收元件的衬底，所述衬底包括至少在所述信号光的波长处具有高吸收的材料。
22.根据权利要求21所述的数据输入设备，其中所述衬底包括在光谱的紫外、可见光和红外区具有宽带吸收的材料。
23.根据权利要求所述的数据输入设备，其中所述衬底的折射率略高于所述传输/接收元件的折射率。
24.根据权利要求22所述的数据输入设备，其中所述衬底的折射率略高于所述传输/接收元件的折射率。
25.根据权利要求1中所述的数据输入设备，其中所述中断包括其上安装有相应传输/接收元件的公共底座，所述公共底座包括或涂敷有至少在所述信号光的波长处具有高吸收的材料。
26.根据权利要求25中所述的数据输入设备，其中所述公共底座包括在光谱的紫外、可见光和红外区具有宽带吸收的材料。
27.根据权利要求25中所述的数据输入设备，其中所述公共底座的折射率高于所述非核心部分的折射率。
28.根据权利要求26中所述的数据输入设备，其中所述公共底座的折射率高于所述非核心部分的折射率。
29.根据权利要求1中所述的数据输入设备，其中相应传输或接收元件包括多个中断。
30.一种用于减少数据输入设备中杂散光传输的方法，所述数据输入设备包括至少一个传输元件、至少一个光接收元件以及与所述接收元件进行光通信的检测设备，并且适用于检测从所述传输元件延伸至所述接收元件的信号光的遮断，所述遮断与所述数据输入设备的输入相关联，其中所述传输元件和所述接收元件的至少一个包括至少一个波导，每个波导具有用于传输所述信号光的光传输核心以及非核心部分，其中所述方法包括向所述非核心部分应用适合减少非核心部分中到达所述检测设备的杂散光的数量的中断，所述中断不与所述核心部分接触。
31.根据权利要求30中所述的方法，其中所述传输元件与所述信号光的光源耦合。
32.根据权利要求30所述的方法，其中所述中断适合散射所述杂散光。
33.根据权利要求30所述的方法，其中所述中断适合吸收所述杂散光。
34.根据权利要求30所述的方法，其中所述中断适合转移所述杂散光。
35.根据权利要求30所述的方法，其中所述中断适合阻挡所述杂散光进入或者离开所述非核心部分。
36.根据权利要求32所述的方法，其中所述中断包括所述非核心部分中的一个或多个光散射槽。
37.根据权利要求32所述的方法，其中所述中断包括嵌入在所述非核心部分的微粒和/或空穴。
38.根据权利要求36中所述的方法，其中所述中断至少在所述波导的衬底中形成。
39.根据权利要求37中所述的方法，其中所述中断至少在所述波导的衬底中形成。
40.根据权利要求35所述的方法，其中所述中断作为应用于所述非核心部分的不透明罩。
41.根据权利要求30所述的方法，其中所述中断包括应用于所述非核心部分的涂层。
42.根据权利要求41中所述的方法，其中所述涂层的折射率略高于所述非核心部分的折射率。
43.根据权利要求41所述的方法，其中所述涂层包括在所述信道光的波长处具有高吸收的物质。
44.根据权利要求42所述的方法，其中所述涂层包括在所述信道光的波长处具有高吸收的物质。
45.根据权利要求30所述的方法，其中所述中断包括在光谱的紫外、可见和红外区具有宽带吸收的物质。
46.根据权利要求30所述的方法，其中所述中断包括掺杂有光吸收染料的聚合物。
47.根据权利要求30所述的方法，其中所述中断沿所述波导的边缘设置。
48.根据权利要求30所述的方法，其中所述中断包括其上形成有相应传输/接收元件的衬底，所述衬底包括至少在所述信号光的波长处具有高吸收的材料。
49.根据权利要求48中所述的方法，其中所述衬底包括在光谱的紫外、可见光和红外区具有宽带吸收的材料。
50.根据权利要求48中所述的方法，其中所述衬底的折射率略高于所述传输/接收元件的折射率。
51.根据权利要求49中所述的方法，其中所述衬底的折射率略高于所述传输/接收元件的折射率。
52.根据权利要求31所述的方法，其中所述中断作为其上安装有相应传输/接收元件的公共底座，所述公共底座包括或涂敷有至少在所述信号光的波长处具有高吸收的材料。
53.根据权利要求52中所述的方法，其中所述公共底座包括在光谱的紫外、可见光和红外区具有宽带吸收的材料。
54.根据权利要求52中所述的方法，其中所述公共底座的折射率高于所述非核心部分的折射率。
55.根据权利要求53中所述的方法，其中所述公共底座的折射率高于所述非核心部分的折射率。
56.根据权利要求30所述的方法，其中所述相应传输或接收元件包括多个中断。
57.根据权利要求30所述的方法，其中所述非核心部分包括上包层、下包层和衬底的至少一个。
58.根据权利要求57所述的方法，其中所述中断设置于所述波导的衬底和下包层之间。
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Granted publication date: 20100825

Termination date: 20121024