CN102200855A - 物体感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种物体感测装置。该装置包括：波导管和基底，支持液晶层，其中，辐射通过全内反射穿过波导管传播。辐射发射元件沿波导管的辐射输入表面设置，辐射接收构件被设置为接收射出波导管的辐射。辐射接收元件可被设置为从辐射发射元件横跨波导管。可选地，辐射接收元件可位于与辐射发射元件光学结合的波导管的接触辐射输入表面的表面上。

Description

物体感测装置
技术领域
本发明总地涉及一种物体感测装置，更具体地说，涉及一种物体感测(例如，触摸感测)显示装置。
背景技术
物体感测装置是一种能够感测物体的存在的装置，在某些时候确定物体在装置上的位置。越来越期望将物体感测能力整合到显示装置中，这是由于物体感测能力能够允许显示装置本身也被用作用户输入装置，而不再需要例如键盘、键区和鼠标的笨重的组件。利用物体感测显示装置，用户能够例如触摸显示器上的按钮的图像来进行选择或输入字符。物体感测显示装置能够用于诸如自动柜员机(ATM)、移动电话/蜂窝电话和个人数字助理(PDA)的应用中。
有一些不同类型的物体感测装置。电阻式触摸感测显示装置感测响应于触摸的电流变化。表面波式触摸感测显示装置感测响应于触摸的超声波变化。辐射感测式显示装置典型地包括辐射发射元件和辐射接收元件，并感测存在物体时的辐射强度与不存在物体时的辐射强度相比的辐射强度变化。
虽然辐射感测式显示装置由于大的物体感测面积而具有优势，但是需要降低辐射感测式显示装置的制造成本。
发明内容
一方面，本发明在于一种包括波导管和支持液晶层的基底的物体感测显示装置，其中，辐射通过全内反射穿过波导管传播。辐射发射元件沿波导管的辐射输入表面设置，辐射接收元件被设置为接收射出波导管的辐射。
另一方面，本发明在于一种物体感测装置，所述物体感测装置包括：波导管，通过全内反射将辐射从第一端传输到第二端；辐射发射元件，位于波导管的第一端；辐射接收元件，位于波导管的第二端。波导管的不与第一端或第二端对应的边缘没有设置辐射发射元件和辐射接收元件。
又一方面，本发明在于一种包括上述物体感测装置的物体感测显示装置。显示装置包括：共电极，形成在波导管上；薄膜晶体管阵列基底，形成有设置在共电极上的像素电极，并且在像素电极和共电极之间具有液晶层。
又一方面，本发明在于一种包含用于执行确定物体在x-y平面中的表面上的位置的方法的指令的计算机可读介质。该方法需要获得与在沿x方向的不同的点处的辐射强度相关的数据，并利用沿x方向的强度变化的比率来确定物体的y坐标。沿x方向的最小强度的点被用于确定物体的x坐标。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的物体感测显示装置的剖视图。
图2是物体感测显示装置的透视图。
图3是能够用于显示装置的物体感测装置的俯视图。
图4示出了当物体在物体感测装置的位置A时的作为x的函数的辐射强度。
图5示出了当物体在物体感测装置的位置B时的作为x的函数的辐射强度。
图6示出了在三种情况下的作为x的函数的辐射强度：当物体在物体感测装置的位置C时，当物体在物体感测装置的位置D时以及当物体在物体感测装置的位置E时。
图7和图8示出了在多个物体同时在物体感测装置上的“多点触摸”情况下的作为x的函数的辐射强度。
图9至图12、图14、图15和图17示出了物体感测显示装置的不同实施例。
图13是在示例性物体感测显示装置中的波导管的俯视图。
图16是通过薄膜晶体管制造工艺在波导管上形成的辐射接收元件的剖视图。
图17是物体感测显示装置的实施例的剖视图。
图18是物体感测显示装置的实施例的剖视图。
具体实施方式
如在这里使用的，第一元件“支持”第二元件表示第一元件起着这样的作用，即，保持第二元件在其位置使得去掉第一元件会导致第二元件分离、跌落、泄漏或以另外的方式被替换。
图1是根据本发明第一实施例的物体感测显示装置10的剖视图。如所示，物体感测显示装置10包括波导管100和支持液晶层200的薄膜晶体管(TFT)基底300。波导管100在辐射输入表面103接收辐射，辐射输入表面103光学地结合到辐射发射元件110。接收的辐射穿过波导管100传播(如箭头101所示)并到达设置在波导管100的另一侧上的辐射接收元件120。上偏振器401和下偏振器402分别设置在波导管100和TFT基底300的最外侧表面上。辅助层130形成在波导管10的内表面上以减少辐射泄漏。滤色器层301和光阻挡构件302形成在TFT基底300上。
图1中示出的类型的液晶显示器的操作原理是公知的。TFT基底300包括连接栅极、源极、漏极、存储电极和像素电极(均未示出)的电路。像素电极可形成在滤色器301和光阻挡构件302上。共电极(270)形成在辅助层130上。当电压施加到像素电极时，在像素电极和共电极之间的液晶层中形成电场，改变液晶取向并影响穿过液晶层200的光的透射。位于波导管100附近的用户观看到由于光的透射而产生的图像。用户可通过用物体600(例如，用户的手指、笔、触针(stylus))触摸图像的特定部分来将信息输入到物体感测显示装置10。
由辐射发射元件110发射的辐射(可以是红外辐射)通过全内反射穿过波导管100传播。辅助层130包括具有低折射率的材料以帮助辐射停留在波导管100中。当物体600在波导管100的外表面上(例如，触摸表面)时，会导致辐射被散射，从而阻止了全内反射并导致了一些辐射被散射开并脱离波导管100。图1中示出了被散射的辐射102。
当在显示装置10的表面上不存在物体时，辐射接收元件120接收辐射发射元件110发射的基线水平的辐射。当存在物体600时，被阻止的全内反射导致一些辐射在到达辐射接收元件120之前脱离波导管100，从而降低了到达辐射接收元件120的辐射的水平。如将在下面更详细地解释的，辐射接收元件120利用辐射水平降低的量来确定物体600的存在和位置。
与液晶显示器具有两个基底并将波导管添加到双面板液晶显示器来给予物体感测能力的显示装置相比，图1的实施例更薄、更轻、并且制造更便宜，这是由于少使用了一个基底。在图1的实施例中，波导管100起着两种作用：一种作用是作为用于物体检测的波导管，另一种作用是作为支持液晶层200的液晶显示面板。
图2是物体感测显示装置10的透视图。沿波导管100的辐射输入表面103设置的辐射发射元件110可以是安装在PCB上的一系列红外发光二极管(LED)或灯。发射的辐射的波长可以在大约850nm和大约980nm之间。优选地，辐射发射元件110与辐射输入表面103接触，使得辐射发射元件110与波导管100之间没有空气间隙。波导管100由折射率比空气的折射率高的材料制成，例如由各种有机材料(例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，折射率＝1.49))和玻璃中的一种制成。波导管100的厚度可以是大约0.1mm-10mm。辐射接收元件120可以是安装在另一PCB上的一系列红外感光光电二极管、电荷耦合器件(CCD)、光电晶体管、图像照相机等。计算机结合到支撑辐射接收元件120的PCB，以接收由每个辐射接收元件120感测的辐射量，并确定物体600的位置(见图1)。
图3是物体感测显示装置10的物体感测部分的俯视图。通常，辐射发射元件110的数量等于辐射接收元件120的数量。更具体地说，辐射发射元件110a、110b、110c等与辐射接收元件120a、120b、120c等对应。正常情况下，当未检测到物体时，以大约60Hz的频率逐行地扫描发射器-接收器对。例如，从波导管100的一端到另一端，将导通辐射发射元件110a和辐射接收元件120a，然后将导通辐射发射元件110b和辐射接收元件120b，然后是辐射发射元件110c和辐射接收元件120c等。当在正常扫描期间存在物体时，辐射接收元件120之一(其将称作辐射接收元件120i)接收降低了水平的辐射。这种低于基线(sub-baseline)辐射水平的检测触发辐射接收元件120i周围的一组辐射接收元件120同时导通。可基于哪些辐射接收元件120落在临界角θ内来确定辐射接收元件120i的导通的特定“组”。辐射在θ/2处处于峰值强度，并在所述角的最外限处下降至峰值强度的大约50％。在一些实施例中，所述“组”可以是全部的辐射接收元件120。在其他实施例中，同时导通的“组”可以是在辐射接收元件120i的左侧和右侧的预定数量的辐射接收元件120。本发明不限于哪些以及多少个辐射接收元件120响应物体存在的初始检测而导通。
图4至图8示出了利用来自辐射接收元件120的信号确定物体的位置的方法。如上所述，当检测到物体的存在时，在辐射接收元件120i周围的一组辐射接收元件120导通以获得辐射强度的“轮廓”。在图4至图8中，辐射接收元件120所排列的方向称作x方向。从辐射接收元件120到对应的辐射发射元件110的方向称作y方向。
由图3至图8示出的实施例和方法不限于用于显示装置或液晶显示器，并且它们可适用于整合了物体感测能力的非显示器的应用。没有显示部分的物体感测装置可包括波导管100、辐射发射元件110、辐射接收元件120和用于执行位置确定的计算机。
图4示出了当物体在物体感测装置的位置A时的作为x的函数的辐射强度。图中的平坦部分表示基线强度，即，当不存在物体时由辐射接收元件120检测到的辐射强度。当物体在位置A时，由于物体几乎完全阻挡了辐射到达在位置x1的辐射接收元件1201，所以在位置x1的辐射接收元件1201接收最少量的辐射。由于辐射的散布(spread)效果(见图3)，在辐射接收元件120i周围的辐射接收元件120产生如图4所示的在x1处具有抛物线的驻点(其坡度(slope)＝0)的抛物线形的强度轮廓。离辐射接收元件1201较远的辐射接收元件120受到物体的存在的影响比离辐射接收元件1201较近的辐射接收元件120受到物体的存在的影响小。通过查找抛物线的驻点，可确定物体的x坐标。
图5示出了当物体在物体感测装置的位置B时的作为x的函数的辐射强度。位置B具有与图4的位置A的y坐标相同的y坐标，而在x方向移位。辐射接收元件1202检测最低水平的辐射，抛物线的驻点在x2处。
图6示出了在三种情况下的作为x的函数的辐射强度：当物体在物体感测装置的位置C时，当物体在物体感测装置的位置D时以及当物体在物体感测装置的位置E时。三个位置均在相同的x坐标处而具有不同的y坐标。如所示，这三个位置产生具有在沿x方向的同一点处的驻点的抛物线。然而，抛物线的坡度根据y坐标而不同。由于辐射以图3中示出的方式散布的事实，所以较接近辐射发射元件110的物体阻挡辐射锥面的总宽度的更多部分。然而，由于辐射在经过物体之后并且在到达辐射接收元件120之前要传播散布较长的距离，因此，驻点处的强度不像物体更接近辐射接收元件120的情况下那么低。因此，物体越接近辐射发射元件110，则抛物线的“倾角(dip)”将越浅，并且坡度将平缓。在较接近辐射接收元件120的位置E的情况下，抛物线的驻点处于比位置C或D的强度低的强度，并且抛物线的坡度也更陡。
图7和图8示出了多个物体同时在物体感测装置上的“多点触摸”情况。在图7的情况下，有两个物体，一个在位置F，另一个在位置G。由于这两个位置具有不同的x坐标和y坐标，所以两条抛物线具有在沿x方向的不同点处的驻点，并且它们的坡度也不同。当具有像这样的多条抛物线时，确定物体位置的计算机如所示出的那样将抛物线分开，以确定每个物体的x坐标和y坐标。
图8示出了两个物体在相同的x坐标处因而产生叠加抛物线的“多点触摸”情况。在这种情况下，两条抛物线具有在相同的x坐标处的驻点，但具有不同的坡度。由于较接近辐射发射元件110的物体将比离辐射发射元件110较远的物体产生更宽的抛物线，所以叠加的抛物线将显示出两个不同的坡度。基于所述两个不同的坡度，确定物体位置的计算机将使两条抛物线分开。利用所述两条抛物线，能够确定两个物体的x坐标和y坐标。
图9至图17示出了物体感测显示装置10的不同的实施例。图9、图10和图11示出了如图1的实施例中一样的实施例，在这些实施例中，辐射接收元件120从辐射发射元件110横跨波导管100而设置。在这些实施例中，辐射接收元件120检测通过波导管100全内反射的辐射的量。参照图4至图8描述的检测物体位置的方法可应用于图9、图10和图11的实施例。
图9是物体感测显示装置10的第二实施例的剖视图。除了滤色器层301和光阻挡构件302形成在波导管100上而不是形成在TFT基底300上之外，图9的实施例与图1的实施例相似。
图10是物体感测显示装置10的第三实施例的剖视图。与图1中示出的两个基底的实施例不同，本实施例的波导管在具有两个基底的液晶显示器的顶部上。更具体地说，在本实施例中，中间基底500和TFT基底300支持液晶层200。波导管100放置在液晶装置的顶部，而没有起到支持液晶层200的作用。滤色器层301和光阻挡构件302形成在中间基底500上。辅助层130形成在波导管100的内表面上以确保全内反射。上偏振器401形成在辅助层130和中间基底500之间。共电极(未示出)形成在滤色器层301和光阻挡构件302上。
图11是物体感测显示装置10的第四实施例的透视图。除了辐射接收元件120通过光刻制造工艺直接形成在波导管100上而不是安装在PCB上并与波导管表面光学结合之外，本实施例与图2的实施例相似。
图12至图17的实施例具有设置在波导管100的与辐射输入表面103接触的表面上的辐射接收元件120。典型地，当波导管100是矩形块时，这些表面与辐射输入表面103垂直。在图12至图17示出的实施例中，辐射接收元件120检测散射的辐射102的量。
图12至图17的辐射接收元件120可以是光电二极管、光电晶体管、CCD等，并可通过薄膜晶体管制造工艺形成。当使用薄膜工艺来形成辐射接收元件120时，可使用光刻和薄膜沉积技术。优选地，辐射接收元件120形成在光阻挡区域中，从而辐射接收元件120将不会使装置的开口率减小。通过利用薄膜工艺形成辐射接收元件120，与将辐射接收元件120安装在PCB上并结合到波导管100的实施例相比，可降低制造成本。
与将辐射接收元件120设置在波导管100的一侧上的实施例(如在图1和图9至图11的实施例中)相比，将辐射接收元件120设置在波导管100上可以使物体感测显示装置10较小。
图12是物体感测显示装置10的第五实施例的剖视图。本实施例与图1的实施例的不同之处在于：辐射接收元件120设置在辅助层130上，而不是在波导管100的与辐射输入表面103相对的表面上。辐射接收元件120接收散射的辐射102，而不是如图1的实施例那样测量被全内反射而穿过波导管100传输的辐射的量。到达辐射接收元件120的辐射是通过底表面离开波导管100的辐射。
图13是在示例性物体感测显示装置10中的波导管100的俯视图。该视图示出了沿二维矩阵构造布置在波导管100上的辐射接收元件120。也就是说，辐射接收元件120可包括沿二维构造布置的多个传感器。辐射接收元件120的数量可等于或小于显示装置上的像素的数量。当辐射接收元件120的数量等于像素的数量时，辐射接收元件120可以以每个传感器对应于基底上的一个像素的矩阵构造布置。辐射发射元件110包括辐射源111、辐射引导构件112和用于沿期望的方向引导辐射的微透镜(未示出)。在该特定实施例中，辐射源111在波导管100的角落处，辐射引导构件112在辐射源111之间延伸。辐射源111可以是发射例如波长在大约850nm和大约980nm之间的红外线的任何器件(发光二极管、灯等)。由辐射源111发射的辐射利用辐射引导构件112进行分布，通过全内反射沿如坐标系所示的y方向传播。辐射穿过波导管100传播，使得辐射接收元件120在没有导致散射的物体的情况下接收特定低(或零)水平的辐射。当存在物体时，使得辐射散射，散射的辐射在与出现散射的位置对应的位置被辐射接收元件120感测到。辐射接收元件120在检测到辐射的同时，将强度读数传输到计算机(未示出)。
在图13的实施例中，可如图3的实施例那样基于逐行地执行扫描。换言之，以预选的频率(例如，60Hz)从波导管100的一端至另一端，将激活行a，然后激活行b，然后激活行c。当在行i检测到物体存在时，行i周围的一组辐射接收元件120可被激活以精确地确定哪个辐射接收元件120接收到最大量的被散射的辐射。虽然本发明不限于任何特定的“组”，但是所述“组”可以是例如行i的上方和下方的两行。可基于识别接收最大量辐射的辐射接收元件120来确定x坐标和y坐标。
本发明允许同时检测多个物体在显示表面上的位置。这允许用户通过同时触摸在图像上的两个点来进行选择，为用户能够输入信息的方式提供了更大的灵活性。辐射接收元件120布置得越密集，越能够更精确地确定物体的位置。
图14是物体感测显示装置10的第六实施例的剖视图。除了具有三个基底层而不是两个，并且辐射接收元件120形成在中间基底500上之外，第六实施例与图12中示出的第五实施例相似。更具体地说，本实施例的波导管在具有两个基底的液晶显示器的顶部。中间基底500和TFT基底300支持液晶层200，波导管100设置在中间基底500的顶部上。辐射接收元件120优选地以二维构造(例如，图13的矩阵构造)设置在滤色器层301上。辐射接收元件120接收由于物体600散射到波导管100外部的辐射，接收到最多的辐射的辐射接收元件120对应于物体600的位置。理论上，可同时检测到与辐射接收元件120的数量同样多的数量的物体600。
图15是示出辐射发射元件110的细节的物体感测显示装置10的实施例的剖视图。具体地说，辐射发射元件110包括辐射源111、辐射引导构件112和在辐射源和波导管100之间的微透镜113。波导管100和TFT基底300夹着液晶层200，辐射接收元件120设置在辅助层130和液晶层200之间。来自辐射发射元件110的辐射通过全内反射沿y方向穿过波导管100传播。当物体600存在于波导管100的表面上时，辐射被散射，使得辐射接收元件120接收在不存在物体时的基线水平之上的水平的辐射。增大了水平的辐射被转换为信号并传输到用来处理和位置确定的计算机(未示出)。
图16是通过薄膜晶体管制造工艺在波导管100上形成的辐射接收元件120的剖视图。在形成任何层之前，可形成带通滤波器来去除预定范围的辐射。然后，利用波导管100作为基底，使用诸如Si或Si-Ge的材料形成有源层120-a。可在有源层120-a上形成欧姆接触层(未示出)，并在有源层120-a上形成辐射接收源极120-s和辐射接收漏极120-d。辐射接收源极120-s和辐射接收漏极120-d由绝缘层120-i覆盖，并形成辐射接收栅极120-g。例如，图14中示出的辐射接收元件120中的每个可具有图16中示出的剖面。
图17是物体感测显示装置10的实施例的剖视图。除了吸收偏振器140之外，本实施例与图15的实施例相似。
图18也是物体感测显示装置10的实施例的剖视图。在本实施例中，辐射接收元件120沿波导管100的边缘设置在波导管100下方。也就是说，辐射接收元件120沿一个边缘在一个方向上排列。虽然本实施例与图11的实施例相似，但是这两个实施例之间的区别在于在本实施例中，辐射接收元件120设置在波导管100下方。根据图18，虽然辐射接收元件120与辅助层130之间具有间隙，但是该间隙不是必需的，并且根据实施例，辐射接收元件120与辅助层130可以彼此接触而没有间隙。
虽然已经出于清楚和理解的目的以举例说明和示例的方式详细地描述了前述发明，但是应该理解的是，在不脱离由权利要求书和前述教导所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以预见本发明的修改和可选实施例。

Claims (10)

1.一种物体感测装置，所述物体感测装置包括：
波导管和支持液晶层的基底，其中，辐射通过全内反射穿过波导管传播；
辐射发射元件，沿波导管的辐射输入表面设置；
辐射接收构件，被设置为接收射出波导管的辐射。
2.如权利要求1所述的物体感测装置，所述物体感测装置还包括接收来自辐射接收元件的信号以确定物体在波导管上的位置的计算机。
3.如权利要求1所述的物体感测装置，其中，辐射接收元件沿波导管的边缘设置，并检测通过全内反射穿过波导管传输的辐射的量。
4.如权利要求1所述的物体感测装置，其中，辐射接收元件光学结合到波导管的与辐射输入表面基本平行的表面。
5.如权利要求1所述的物体感测装置，其中，辐射接收元件检测被波导管上的物体散射的辐射的量。
6.如权利要求5所述的物体感测装置，其中，辐射接收元件光学结合到与辐射输入表面接触的表面。
7.如权利要求5所述的物体感测装置，其中，辐射接收元件光学结合到波导管的与辐射输入表面基本垂直的表面。
8.如权利要求5所述的物体感测装置，其中，辐射接收元件位于波导管和液晶层之间。
9.如权利要求5所述的物体感测装置，其中，辐射接收元件包括沿二维构造布置的多个传感器。
10.如权利要求9所述的物体感测装置，其中，辐射接收元件以每个传感器对应于基底上的一个像素的矩阵构造布置。
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