CN102023336A - 带有发光元件的光波导路和具有它的光学式触摸面板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供带发光元件的光波导路和具有它的光波导路的光学式触摸面板。以往的带发光元件的光波导路(40)的分支点(42)沿与主路(44)的导光方向(45)正交的方向设置，因此主路的宽度(W2)宽。各分支路(46)的长度差大，所以从各分支路射出的光的强度不均匀。本发明的带发光元件的光波导路(10)，芯(13)具有主路(14)和从主路在多个分支点(16)分支出的多个分支路(15)。主路具有相对的两边(14a、14b)，两边中的一边(14a)具有分支点，另一边(14b)没有分支点。多个分支点设于与主路的导光方向(17)大致平行的直线上。主路随着远离发光元件(11)而宽度(W1)变细。不具有分支点的另一边与主路的导光方向所成的角度(θ)是0.3°～1.7°。

Description

带有发光元件的光波导路和具有它的光学式触摸面板
技术领域
本发明涉及具有用于从一个发光元件生成多条光线的新型分支构造的带有发光元件的光波导路。还涉及具有该带有发光元件的光波导路的光学式触摸面板。
背景技术
以往，公知有具有用于从一个发光元件生成多条光线的分支构造的带有发光元件的光波导路(例如，专利文献1)。这种带有发光元件的光波导路适合用于对光学式触摸面板的坐标输入区域射出光线。
图8表示具有以往的分支构造的带有发光元件的光波导路40。以往的带有发光元件的光波导路40将来自发光元件41的光分配给各分支路46，沿与芯43的主路44的导光方向45正交的方向设置分支点42。
这样构造的带有发光元件的光波导路40在相邻的分支路46之间需要有间隙47，因此，存在主路44的宽度W2变宽这样的问题(在间隙47中填充有包层(clad layer))。此外，由于各分支路46的长度差较大，所以也存在分支路46之间的光传播效率容易产生差、从各分支路46射出的光的强度容易变得不均匀这样的问题。
专利文献1：美国专利公开2006/0188198号
具有以往的分支构造的带有发光元件的光波导路40，由于其分支点42设于与主路44的导光方向45正交的方向，所以存在主路44的宽度W2较宽这样的课题。而且，由于各分支路46的长度差较大，因此，存在从各分支路46射出的光的强度容易变得不均匀这样的课题。
发明内容
本发明的目的在于实现一种具有与以往相比主路的宽度较窄、从各分支路射出的光线的强度均匀的构造的、带有发光元件的光波导路。
本发明的要旨如下。
(1)本发明的带有发光元件的光波导路具有发光元件和光波导路，该光波导路包括引导来自发光元件的光而生成多条光线的芯。芯具有主路和从主路在多个分支点分支出的多个分支路。主路具有相对的两个边，两个边中的一个边具有分支点，另一个边不具有分支点。多个分支点设于与主路的导光方向大致平行的直线上。主路的导光方向严格地说规定在从芯分支出分支路之前的位置。所谓“大致平行”是指连结各分支点所成的直线相对于与主路的导光方向真正平行的方向偏离小于0.1°。主路随着远离发光元件其宽度逐渐变细。不具有分支点的另一个边与主路的导光方向所成的角度θ是0.3°～1.7°。
(2)本发明的光学式触摸面板具有本发明的带有发光元件的光波导路。
采用本发明，与以往的带有发光元件的光波导路的主路的最大宽度相比，能够将带有发光元件的光波导路的芯的主路的最大宽度例如缩窄40％以上。本发明的带有发光元件的光波导路的主路具有两个边，一个边具有分支点，另一个边不具有分支点。通过使本发明的带有发光元件的光波导路的不具有分支点的一侧的边与主路的导光方向所成的角度θ为0.3°～1.7°的范围内，能使从各分支路射出的光线的强度均匀。
本发明的光学式触摸面板通过使用本发明的带有发光元件的光波导路，能使所谓的边框部分缩窄。
附图说明
图1是本发明的带有发光元件的光波导路的说明图。
图2是本发明的光学式触摸面板的说明图。
图3的(a)是本发明的带有发光元件的光波导路的一个例子的说明图，图3的(b)是本发明的带有发光元件的光波导路的另一个例子的说明图。
图4是表示光在光波导路内的传播的说明图。
图5是带有受光元件的光波导路的说明图。
图6是用于测量本发明的带有发光元件的光波导路的光强度的构成图。
图7是本发明的带有发光元件的光波导路的实施例1的光强度分布曲线图。
图8是以往的带有发光元件的光波导路的说明图。
具体实施方式
带有发光元件的光波导路
如图1所示，本发明的带有发光元件的光波导路10具有发光元件11和光波导路12。光波导路12包括引导来自发光元件11的光的芯13。芯13具有主路14和多个分支路15。各分支路15在各分支点16从主路14分支出。主路14具有两个边14a、14b，一个边14a具有分支点16，而另一个边14b不具有分支点16。
该构造的带有发光元件的光波导路10无需在相邻的分支路15之间设置如以往那样的间隙，所以能使主路14的最大宽度W1缩窄。而且，由于各分支路15的长度差较小，所以能使各分支路第15之间的光传播效率难以产生差异，能使从各分支路15射出的光的强度均匀。
光学式触摸面板
在优选的实施方式中，如图2所示，本发明的带有发光元件的光波导路10用作光学式触摸面板20的发光侧光波导路21和发光元件22。
光学式触摸面板20包括坐标输入区域23、发光侧光波导路21、发光元件22、受光侧光波导路24和受光元件25。发光侧光波导路21用于生成横穿坐标输入区域23的光线26。受光侧光波导路24用于接收横穿了坐标输入区域23的光线26。受光元件25用于检测由受光侧光波导路24接收到的光线26的强度。
光学式触摸面板20，在用手指、笔等遮挡通过坐标输入区域23的光线26的一部分时，由于进入受光元件25的一部分的光的强度降低，所以能识别手指、笔等的位置坐标。
在将以往的光波导路用作发光侧光波导路的情况下，例如，为了在对角12.1英寸的光学式触摸面板中得到3mm左右的分辨率，芯的主路的宽度为约170条分支路和各分支路间的间隙之和。
另一方面，将本发明的带有发光元件的光波导路10同样用作对角12.1英寸的光学式触摸面板的情况下，各分支路15之间不需要间隙，因此，芯13的主路14的宽度W1与以往产品相比，最大能够缩窄40％以上。
发光元件
本发明的带有发光元件的光波导路10所采用的发光元件11只要能够生成通过光波导路12并横穿坐标输入区域23的光线26，可以使用任意的构件。
发光元件11优选是发光二极管或半导体激光器，更优选是VCSEL(垂直共振器面发光激光器)。VCSEL因为使光在基板的垂直方向共振，沿基板的垂直方向射出光，所以在光传播方面较为优异。
从发光元件11射出的光的波长优选近红外线区域(700nm～2500nm)中的任意长度。
光波导路
本发明的带有发光元件的光波导路10所采用的光波导路12包括引导来自发光元件11的光而生成多条光线的芯13。芯13的靠主路14侧的端部14c通常和发光元件11光学性耦合(称为光耦合)。
光耦合的方法没有特别限制，例如有将发光元件11的光强度分布的中心位置和芯13的中心调整成对齐的方法、使用光路变换镜的方法。作为光路变换镜，例如使用由切割加工形成的V型槽。
芯13具有主路14和多个分支路15。各分支路15在各分支点16从主路14分支出。主路14具有两个边14a、14b，一个边14a具有多个分支点16，而另一个边14b不具有分支点16。
在本说明书中，所谓“分支点16”是指相邻的分支路15的侧壁汇合的部分。而且，所谓“导光方向17”是指如图4所示地在芯13内传播的光19的行进方向，严格地说，是指如图1所示地在从芯13分支出分支路15前的主路14内的光的行进方向。
芯13的主路14的最大宽度W1取决于光学式触摸面板的大小，例如是500μm～10000μm。主路14的高度(厚度)优选是30μm～100μm。
如图3的(a)和图3的(b)所示，各分支点16位于一条直线上，该直线与主路14的导光方向17大致平行。所谓“大致平行”是指各分支点16所成的直线相对于与主路14的导光方向17真正平行的方向偏离小于0.1°。
作为各分支点16所成的直线与主路14的导光方向17大致平行的那样的光波导路12的构造，例如有如图3的(a)所示的主路14的具有分支点16的边14a不与导光方向17平行的构造。例如还有如图3的(b)所示的主路14的具有分支点16的边14a与导光方向17大致平行的构造。
主路14随着沿主路14的导光方向17远离发光元件11而宽度逐渐变细。主路14的不具有分支点16的一侧的边14b和主路14的导光方向17所成的角度θ是0.3°～1.7°，优选是0.3°～1.5°，更优选是0.4°～1.0°。
若主路14的不具有分支点16的一侧的边14b和主路14的导光方向17所成的角度θ小于0.3°，则难以使从各分支路15射出的光线的强度均匀。
此外，当上述的角度θ大于1.7°时，主路14的最大宽度W1变宽，接近具有以往的分支构造的带有发光元件的光波导路40的主路44的宽度W2，所以不能充分地得到本发明的效果。
通过使主路14的不具有分支点16的一侧的边14b和主路14的导光方向17所成的角度θ为0.3°～1.7°，能同时实现使从各分支路15射出的光线的强度均匀和使主路14的最大宽度W1缩窄。
从1个主路14分支出的分支路15的条数取决于光学式触摸面板的大小，但优选是40条～500条。相邻的分支点16的沿导光方向17的间隔优选是100μm～1000μm。芯13(主路14和分支路15)的截面形状没有特别限制，但是优选图案形成性优异的梯形或矩形。这样构成的光波导路12的光线的射出特性优异。
芯13通常被埋设于包层18，由比包层18折射率高的材料形成。用于形成芯13的材料优选是图案形成性优异的紫外线固化树脂。
作为紫外线固化树脂，可列举丙烯酸系紫外线固化树脂、环氧系紫外线固化树脂、硅氧烷系紫外线固化树脂、降冰片烯系紫外线固化树脂、聚酰亚胺系紫外线固化树脂等。
包层18通常由折射率比芯13的折射率低的材料所形成。包层18的材料可以是玻璃、硅、金属、树脂等，没有特别限制。包层18既可以是单层也可以是多层。在包层18为两层的情况下，由下包层和上包层形成。包层18的厚度t优选是5μm～20μm。
芯13和包层18的最大折射率差优选是0.01以上，更优选是0.02～0.2。用于形成芯13和包层18的树脂的折射率能够通过导入树脂的有机基的种类、含量而适宜增加或减小。
例如，通过将环状芳香性的基(苯基等)导入树脂分子中，或增加树脂分子中的环状芳香性的基的含量，能增大树脂的折射率。
另一方面，例如，将直链或环状脂肪性的基(甲基、降冰片烯基等)导入树脂分子中，或增加树脂分子中的直链或环状脂肪性的基的含量，能减小树脂的折射率。
光波导路12的构造能够通过复制法、曝光显影法、光漂白法、利用等离子体的干蚀刻法等任意的方法制造。
坐标输入区域
在本发明中，所谓坐标输入区域23是指从发光侧光波导路21生成的光线26所横穿的区域。本发明的光学式触摸面板20通过用手指、笔遮挡横穿坐标输入区域23的光线26进行坐标输入。
有代表性的坐标输入区域23是液晶显示器、等离子体显示器的显示画面。坐标输入区域23的前面可以是空间，为了增强耐损伤性，也可以在表面使设置玻璃板、丙烯酸板。也可以在玻璃板和丙烯酸板表面实施AR(防反射)处理、AG(防眩光)处理。
受光侧光波导路
本发明所采用的受光侧光波导路24只要能接收横穿了坐标输入区域23的光线26即可，没有特别限制。如图5所示，带有受光元件的光波导路30优选具有多个芯31和用于埋设芯31的包层34。在带有受光元件的光波导路30中，芯31的一个端部朝向坐标输入区域23配置，芯31的另一个端部与受光元件33光学性耦合。
使用光波导路的光学式触摸面板的分辨率，在原理上取决于与受光元件33光学性耦合(光耦合)的受光侧光波导路32的芯31的条数。因此，需要多条芯31。但是，发光侧光波导路12只要能够向坐标输入区域23射出平行光26即可，所以与发光元件11光耦合的部分的芯13的主路14是1条即可。
受光元件
本发明所采用的受光元件33具有将光信号转换为电信号的功能，用于检测由受光侧光波导路32接收到的光的强度。由受光元件33检测出的光的波长优选近为红外线区域(700nm～2500nm)的中的任意长度。
受光元件33的构造优选为将受光部(例如发光二极管)沿横向排成一列而成的线型图像传感器。作为这样的受光元件33，列举有CMOS图像传感器、CCD图像传感器。
实施例1
调制包层形成用清漆
(成分A)具有脂环骨架的环氧系紫外线固化树脂(ADEKA公司制EP4080E)100重量份；
(成本B)光酸产生剂(san-apro公司制CPI-200K)2重量份；
将以上成分混合来调制包层形成用清漆。
调制芯形成用清漆
(成分C)含有芴骨架的环氧系紫外线固化树脂(大阪GasChemicals公司制OGSOL EG)40重量份；
(成分D)含有芴骨架的环氧系紫外线固化树脂(Nagasechemtex公司制EX-1040)30重量份；
(成分E)1，3，3-三(4-(2-(3-氧杂环丁烷基)丁氧基苯基)丁烷30重量份(按照日本特开2007-070320的实施例2合成)；
上述成分B：   1重量份；
乳酸乙酯：    41重量份；
将以上成分混合来调制芯形成用清漆。
制作带有发光元件的光波导路
在厚度为188μm的聚萘二甲酸乙二醇酯膜的表面上涂敷包层形成用清漆，以1000mJ/cm2照射紫外线，接着以80℃加热处理5分钟，形成厚度20μm的下包层。下包层的波长830nm下的折射率为1.510。
在下包层的表面上涂敷芯形成用清漆，以100℃干燥处理5分钟而形成芯层。接着，在芯层上覆盖(间隙100μm)印刷有规定图案的光掩模，以2500mJ/cm2照射紫外线，再以100℃加热处理10分钟。
接着，用γ-丁内酯水溶液溶解除去芯层的未照射紫外线部分，以120℃加热处理5分钟，形成芯的图案。形成有图案的芯由主路(最大宽度2780μm、高度50μm)和沿着主路的导光方向依次分支出的274条分支路(宽度15μm、高度50μm)构成。主路的具有分支点一侧的边与主路的导光方向平行(图3的(b)的构造)。芯的波长830nm下的折射率是1.592。
接着，以覆盖芯整体的方式配置凹型模具(石英制)，在凹型模具的内部填充包层形成用清漆。从凹型模具表面(外侧)以2000mJ/cm2照射紫外线之后，以80℃加热处理5分钟，之后剥离凹型模具。由此，顶端部的侧截面形状形成大致1/4圆弧状的凸透镜(曲率半径1.5mm)那样的、厚1mm的上包层。上包层的波长830nm下的折射率是1.510。
接着，将射出波长850nm的光的发光元件(Optowell社制VCSEL)借助紫外线固化树脂与芯的主路侧的端部相耦合，制作成了带有发光元件的光波导路。
如图1所示，该带有发光元件的光波导路10所具有的芯13包括主路14和从主路14分支出的多个分支路15。主路14具有两个边14a、14b，一个边14a有分支点16，另一个边14b没有分支点。主路14随着远离与发光元件11耦合的端部而宽度W1逐渐变窄。主路14的具有分支点16的一侧的边14a与主路14的导光方向17平行。主路14的不具有分支点的一侧的边14b和主路14的导光方向17所成的角度θ是0.6°。
实施例2
改变光掩模，使主路14的不具有分支点的一侧的边14b和主路14的导光方向17所成的角度θ为0.4°。除此以外，和实施例1相同地制作了带有发光元件的光波导路10。
实施例3
改变光掩模，使主路14的不具有分支点的一侧的边14b和主路14的导光方向17所成的角度θ为1.0°。除此以外，和实施例1相同地制作了带有发光元件的光波导路10。
比较例1
改变光掩模，形成如图8所示那样的、包括主路44和274条分支路46的芯43，该274条分支路46沿与主路44的导光方向45正交的方向配置分支点42而成。芯43的主路44的最大宽度W2是8205μm，高度是50μm，分支路46的宽度是15μm、高度是50μm，相邻的分支路46之间的间隙47是15μm(×273个)。除此以外，和实施例1相同地制作了带有发光元件的光波导路40。
比较例2
改变光掩模，使主路14的不具有分支点的一侧的边14b和主路14的导光方向17所成的角度θ为0.2°。除此以外，和实施例1相同地制作了带有发光元件的光波导路10。
评价1
表1表示由实施例1～3和比较例1得到的带有发光元件的光波导路的、芯的主路的最大宽度。实施例1～3的带有发光元件的光波导路与比较例1的带有发光元件的光波导路相比，芯主路的最大宽度窄40％以上。
表1
  构成 角度θ(°)  主路的最大宽度(μm)   主路的最大宽度(％)
 实施例1   图1 0.6   2.780   33.9
 实施例2   图1 0.4   1.863   22.7
 实施例3   图1 1.0   4.614   56.2
 比较例1   图8 -   8.205   100.0
评价2
光强度测量用样品的制作
改变光掩模，使芯31为图5的构造，制作了带有受光元件的光波导路30。芯31的条数是274条，芯31的宽度是15μm，高度是50μm。除此以外，和实施例1相同地制作了带有受光元件的光波导路30。
将受光元件33(Hamamatsu Photonics公司制CMO S线型传感器阵列)借助紫外线固化树脂与带有受光元件的光波导路30的、受光侧光波导路32的芯31的末端光耦合。
为了测量光强度，如图6所示，使制作出的带有发光元件的光波导路10和带有受光元件的光波导路30不隔有坐标输入区域地直接相对。使受光元件33的控制部经由挠性印刷电路板与USB装入单元(National Instruments公司制)相连接，经由USB接口与能够监视光强度的计算机相连接。
从带有发光元件的光波导路10的发光元件11射出波长850μm、强度7μW的光。光通过发光侧光波导路12、受光侧光波导路32到达受光元件33，检测出如图7所示那样的光强度分布。
将所得到的光强度分布的有效区域(除了上升、下降的部分之外的区域)中的、光强度的偏差(最大值-最小值)示于表2中。实施例1～3的带有发光元件的光波导路与比较例2的带有发光元件的光波导路相比，从各分支路射出的光的均匀性优异。
表2
Figure GSA00000106238100121
测量方法
折射率
分别利用旋涂法在硅晶圆上对包层形成用清漆和芯形成用清漆进行成膜，制作折射率测量用样品，用棱镜耦合器(Sairon公司制)测量了折射率。
芯宽度、芯高度
用切块机(DISCO公司制DAD522)对所制作出的光波导路进行截面切削，用激光显微镜(基恩士公司制)观察切削面，测量了芯宽度、芯高度。
产业上的可利用性
使用了本发明的带有发光元件的光波导路的光学式触摸面板的用途没有特别限制，能够使用于微机监视器、ATM、游戏机、平板式PC等。

Claims (2)

1.一种带有发光元件的光波导路，其具有发光元件和光波导路，该光波导路包括引导来自上述发光元件的光而生成多条光线的芯，其特征在于，
上述芯具有主路和从上述主路在多个分支点分支出的多个分支路，
上述主路具有相对的两个边，上述两个边中的一个边具有上述分支点，另一个边不具有上述分支点，
上述多个分支点设于与上述主路的导光方向大致平行的直线上，
上述主路随着远离上述发光元件其宽度逐渐变细，
不具有上述分支点的另一个边与上述主路的导光方向所成的角度θ是0.3°～1.7°。
2.一种光学式触摸面板，其具有权利要求1所述的带有发光元件的光波导路。
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