CN102859475A - 用在触屏中的位置检测系统和在此使用的棱镜薄膜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于触屏的双光源位置检测系统，该系统利用视差确定放入物的位置，本发明还公开一种在宽范围内明亮地反向反射的棱镜薄膜，用于增强视差确定位置的精度。该位置检测系统包括至少一个设置成接收通过检测区的光辐射并产生表示图像的信号的摄像机；设置成靠近该摄像机的两个分开的光辐射源，用于输出至少覆盖一部分检测区的光辐射，该光辐射源可以是LED或红外发射器；以及沿着该检测区的至少一部分周边设置的棱镜薄膜，该棱镜薄膜将来自两个辐射源的光辐射反向反射给摄像机。该棱镜薄膜包括具有二面角误差e1、e2和e3的多个三角形立方体角元件，使得e1≈e2≠0，而e3≈0，以增强来自两个分开的LED或IR发射器的光辐射沿着检测区的侧面反向反射的效果。如果两个摄像机安装在触屏的同一侧的相对的角中，并且两个双辐射源与这些摄像机结合，能够对同时放入的两个物体的位置进行明确的确定。

Description

用在触屏中的位置检测系统和在此使用的棱镜薄膜
相关申请的交叉参考
本申请主张2009年12月11日提交的美国临时申请号61/285,684和2010年10月26日提交的61/406,644的优先权，其两者结合于此供参考。
技术领域
本发明总的涉及用于检测触屏或位置检测系统内的物体的位置的系统和方法以及用于其中的反向反射的（回射的）薄膜或棱镜薄膜。特别是，本发明涉及用在触屏或位置检测系统中的低轮廓位置（low profileposition）检测系统，以及以较大的观察角并且在入射角的大范围内明亮地反向反射的棱镜薄膜。
背景技术
一些与触屏有关的位置检测系统检测由放入的不透明的物体（例如手指、笔尖等）引起的辐射（例如，光）的中断。这种系统一般利用安装在该触屏同一侧的相对的角中的诸如LED或红外发射器的辐射发射器。每个LED或红外发射器光源在触屏的范围内发射平行于视场表面的90°扇形图案的光。
正如美国专利4,507,557号所公开的，反向反射的片材可以围绕该触屏的有效（实际）范围的周边设置。反向反射的片材一般设置成向后朝着原始源（originating source）反射从LED光源所接收的光。入射在该片材上的前表面上的光照射在反向反射的（反光的）元件上，并且沿着与入射方向名义上/标称180度的方向通过该前表面往回反射。数字摄像机设置在LED光源安装同样的相对的角，以检测通过该触屏的范围反向反射的光，并且感测在这个辐射中的由不透明的物体引起的任何中断的存在。
关于在触屏应用和/或位置检测系统中利用某些常规的反向反射的片材的一个问题是脏物和/或潮气（水分）可能穿过该结构并不利地影响反向反射的片材的反向反射性。关于在触屏应用和/或位置检测系统中利用某些常规的反向反射的片材的另一个问题是在感兴趣的整个区域（例如，检测区域）中难以获得一致的背景，不透明的物体在该背景上被对比。许多常规的反向反射的片材结构提供不一致的背景并且有许多检测信号很弱的部分，特别是在角区或角区附近。这使得在这些区域很难检测不透明物体的运动。
在工作中，放入/插入的物体的位置通常用三角测量确定。当诸如手指末端的放入/插入物体中断从LED光源或红外发射器辐射的光束的图案时，在被两个数字摄像机接收的反向反射的光的图案中沿着水平轴线形成不连续的阴影。每个数字摄像机沿着摄像机的视场的水平轴线的点（point）产生不连续的阴影自动记录为光强度中的倾斜/下降（dip）的信号。数字控制电路接收这些数字摄像机的信号并且将该阴影的水平位置转换成角度θ1、θ2，该角度的顶点源于该数字摄像机。由于数字摄像机在触屏的同一侧的相对两端分开已知的距离D，放入的物体的Y坐标可以利用公式y=D(1/tanθ1+1/tanθ2)由数字控制电路计算，而X坐标可以用x=y(1/tanθ1)来计算。
发明内容
下面描述的本发明的实施例意图不是排他的或将本发明限制在下面详细描述的准确的形式。而是，这些实施例选择并描述成以便本领域的其他技术人员可以明白和理解本发明的原理和实践。
虽然这种现有的触屏结构一般适用于它们预定的目的，但是本申请人已经观察到这种触屏结构一次只能够可靠地检测单个触摸。两个触摸在每个摄像机信号中产生两个倾斜/眼高差（dip），一个用于每个物体。由于在第二个摄像机信号中那个倾斜对应第一个摄像机信号中给定的倾斜是不清楚的，因此得到的信号数据可能是不明确的，使得不能确定两个放入的物体的坐标位置的确定性。
本发明的第一方面是在触屏的平面内布置（配置，排列collocation）源和检测器两者。这使垂直于该触屏的平面的摄像机尺寸能够最小化。源沿着摄像机的水平轴线的定位也使视差效果最大化。
本发明的第二方面涉及具有摄像机的位置检测系统，该摄像机利用视差明确地确定放入物的位置。为此，该位置检测系统包括摄像机，该摄像机设置成接收通过检测区的电磁辐射，其产生表示图像的信号；设置在靠近所述摄像机的两个间隔开的电磁辐射源，用于输出覆盖至少一部分检测区的电磁辐射；以及沿着该检测区的至少一部分周边设置的棱镜薄膜，该薄膜将来自所述两个源的所述电磁辐射反向反射给所述摄像机。在这种结构中，摄像机产生在检测区的任何不透明的放入物体的双（两个）图像，根据该物体到摄像机的镜头的角度和距离，该图像反过来允许数字处理器能够进行基于视差的该检测区中的该物体的位置计算。如果两个摄像机安装在该触屏的同一侧的相对的角中，并且两个双辐射源以与这些摄像机组合使用，两个同时放入的物体的位置能够清楚地确定。可选地，如果希望只有一个触摸能力，那么仅一个摄像机与双辐射源组合是必需的。
本申请人还观察到现有技术的棱镜薄膜的反向反射的性质限制基于视差的位置计算的精度。这种计算精度随着两个电磁辐射源的之间分开的距离而增加。但是现有技术的棱镜薄膜具有用于有效反向反射的有限范围的观察角。因此，两个辐射源间隔开越远，视差图像的一个或另一个或两者变成越不明亮或越暗，并且信噪比变成越小。
因此，本发明的第三方面是提供一种棱镜薄膜，其沿着该薄膜的水平轴线在非常宽范围的观察角内是明亮地反向反射的。为此，本发明的棱镜薄膜包括多个三角形的立方体角反向反射元件，该三角形的立方体角反向反射元件具有二面角误差e1、e2和e3，使得e1≈e2≠0，而e3≈0。优选│e1│和│e2│在大约0.02°和0.20°之间。该多个三角形的立方体角反向反射元件的大约一半可以具有在大约0.02°和0.2°之间二面角误差e1、e2，而剩余一半的多个三角形的立方体角反向反射元件具有在大约-0.02°和-0.20°之间二面角误差e1、e2。此外，三角形的立方体角元件可以是具有大约8°和20°之间角度（canted）的比较平行边（edge-more-parallel）。最后，为了进一步增强宽范围入射角的反向反射性，该棱镜薄膜可以包括设置在反向反射的基质的至少一部分上的金属化层。
在本发明的又一方面，描述一种棱镜薄膜并且包括没有固定的棱镜薄膜，其具有包括多个三角形的立方体角反向反射元件的反向反射基质；并且其中反向反射的光的图案在0°和60°入射角处具有大于竖直伸展/传播（spread）的水平的伸展/传播（spread）。此外，在水平方向的伸展是竖直方向伸展的1.5倍。
在一个或多于一个前面的实施例中的棱镜薄膜，其中该三角形立方体角元件的角度在-10°和-6°之间，而另一个实施例在-15°和-6°之间。
在本发明的又一个实施例中，一种棱镜薄膜包括没有固定的棱镜薄膜，其具有反向反射的基质，该基质包括多个三角形的立方体角反向反射元件。该反向反射的立方体角元件具有二面角误差e1、e2和e3，使得e1≈e2≠0，而e3≈0。其中，多个三角形的立方体角元件具有在-10°和-6°之间的角度。
从下面的详细描述对本领域的技术人员来说本发明的其他特征和优点将变成很明白。但是，应当理解，本发明的优选的详细描述和各种实施例以及其他实施例以说明的方式而不是限制的方式给出。在本发明的范围内可以进行许多变化和修改而不脱离本发明的精神实质，并且本发明包括所有的这种修改。
附图说明
通过接合附图参考本发明的优选实施例的更详细的描述，本发明的这些以及其他目的和优点将更全面地理解和明白，其中：
图1是根据本发明的多方面的触屏系统的示意图；
图2是根据本发明的图1触屏系统的剖视图；
图3和图4是根据本发明的棱镜薄膜实施例的剖视图；
图3a是根据本发明的棱镜薄膜实施例的剖视图；
图5是棱镜薄膜的平面图，具有如图3和图4所示的有角的立方体角反向反射元件阵列；
图6是根据本发明多方面的示范性的有角的立方体角反向反射结构的平面图；
图7是图6所示的有角的立方体角反向反射元件的棱镜薄膜的平面图；
图8是沿着9-9线截取的图5的剖视图；
图9示出存在于本发明的立方体角的各面上的二面角误差e1、e2和e3；
图10A-10H是对0°和60°入射角（贝塔）具有在0°、16°和-8°角的边比较平行的（edge-more-parallel）常规的立方体角的光点的示意图；
图11A-11D是对0°和60°入射角（贝塔）具有在0°和16°角的边比较平行的的本发明的立方体角的光点的示意图；
图12A、12C、12E、13A、13C、13E是对0°、60°和-8°入射角（贝塔）由消像差的具有在0°和16°角的边比较平行的的常规立方体角产生的模拟光返回图案；
图12B、12D、12F、13B、13D、13F是对0°、60°和-8°入射角（贝塔）由消像差的具有在0°和16°角的边比较平行的的常规立方体角产生的模拟光返回图案；
图14是对于具有16/9的纵横比的不同的屏幕尺寸摄像机信号的示范性光点。
具体实施方式
现在以详细描述的方式更详细地说明本发明，该详细描述表示当前已知的实施本发明的最好的方式。但是应当明白，这种描述不是用来子安置本发明，而是为了说明本发明的总的特征而提供。
在触屏中利用具有正角（角隅）的棱镜的阵列的一个缺点是“闪光”现象。在一些入射角，来自LED的光能够进入棱镜薄膜，只有两个立方体角面的反射（bounce off）返回到摄像机光圈。这在摄像机信号中以这个特定的角度形成强烈的“尖峰”（脉冲）。
在摄像机信号中“尖峰”的存在是不希望的。迄今许多应用，希望选择只在入射角发生在触屏几何形状中看不见的闪光的角隅。一般的触屏看见入射角在60°范围之外。下面的图显示具有垂直于该触屏的平面的反向反射/回射的条纹的触屏的闪光位置。对于+7°和+15.5°的角隅，人们能够读出该闪光的位置：分别是45°和30°。如果角隅范围为大约-19°到-0.5°，则能够看到在感兴趣的入射角（0°-60°）没有闪光发生。以类似的方式，具有=+15.5°的角隅的棱镜在大约30°的入射角产生闪光。
如果反向反射的薄膜稍微倾斜，以便不再垂直于该触屏的平面，多少能够改变闪光的位置。为了说明这一点，下面的图表示出具有各种角隅的三角形立方体角的反向反射的效果，作为入射角（β）和取向角（ωs）的函数。在白色中重叠的是“闪光”在触屏的几何形状中出现的角度。重叠在黑色中的是在触屏几何形状中遇到的角度。四条黑线对应反向反射的薄膜的不同的倾斜（-30°、-10°、10°、30°）。该图表示出在倾斜的反向反射器的情况下避免闪光要求较窄的角隅范围。例如，如果角隅的范围从大约-15°到大约0°，则具有倾斜10°的反向反射薄膜的触屏将避免闪光。
授予Hoopman的美国专利4588258公开一种具有一般的负角隅的反向反射的物品，当利用多组具有在每对中朝着彼此倾斜的立体的立体轴线的匹配对时，产生宽角（wide angularity）。
为了本申请的目的，一些术语用于本文定义的特定的含义，而其他术语按照行业认可的实线利用，例如当前的ASTM定义。
2009年1月12日提交的美国专利申请序列号12/351,913，名称为“用于触屏用途的反向反射器和定位系统”（具有与本申请共同的发明人并且转让给相同的受让者）为了全面理解本发明必要时结合于此供参考。
正如这里所用的，术语“立方体”或“立方体角元件”（也叫做“立方体角棱镜”或“立方体角”或“立方体角反向反射元件”）包括由三个相互相交的面构成的元件，其二面角通常在90度的量级，但是不必正好是90度。
这里所用的术语“立体形状”是指沿着主折射光线的方向立方体周边的投影限定的两维几何形状。例如，三角形的立方体具有是三角形的立体形状。
这里所用的术语“二面角误差”是指实际的二面角和90度之间的差。每个立方体角元件具有三个二面角误差e1、e2和e3。对于具有是等腰三角形的立体形状的有角的立方体角，我们采用常规，因而标记e3赋予具有相同（但是镜像的）形状的两个面之间的二面角。
这里所用的术语“反向反射的基质”是指在其第二表面上具有凸形的或凹形的立方体角元件阵列的材料的厚度。第一表面可以是平的或在大致对应于在后表面上的该立方体角元件的阵列的图案中可以是多少有点不平整。对于凸形的立方体角元件，术语“基质厚度”是指立方体角元件设置在其上的材料的厚度。对于凹形立方体角元件，术语“反向反射的基质厚度”是指该凹形立方体角元件形成凹腔于其中的该材料的总厚度。
这里所用的术语“立方体轴线”是指由立方体角元件的三个相交的面形成的内部空间的三分（tri-sector）的中心轴线。这里所用的术语“有角的立方体角”是指其轴线不垂直于该片材表面的立方体角，角隅被测量为立方体轴线和片材表面法线之间的角度。应当指出，当存在角隅时，垂直于片材表面的平面图示出在顶点的面角不都是120度。
这里所用的术语“入射角”是指照明轴和光轴（反向反射器轴）之间的角。入射角在入射光线和反向反射器轴线之间测量。入射角是入射光线对反向反射器轴线所成角度的量的测量值，与法线无关。
这里所用的术语“多-面-平行的角隅”（在“多面平行中有角的”或“在多面平行/面比较平行（face-more-parallel）方向有角的”）和“多边平行/边比较平行（edge-more-parallel）的角隅”是指立方体相对于主折射光线的定位。当立方体面和主折射光线之间的角都不等于35.26°时，根据关于与35.26°显著不同的主折射光线的该面角分别是大于35.26°或小于35.26°，该立方体是“多面平行的/面比较平行的（face-more-parallel）”或“多边平行的/边比较平行的（edge-more-parallel）”。在主折射光线名义上垂直该反向反射器的前表面的片材或其他反向反射器的情况下，对于面比较平行的立方体，选择的立方体面也将比无角的立方体的任何面更加平行于反射器的前表面。
根据本发明多方面的示范性的位置检测系统100示于图1。图1示出显示器102（例如，计算机显示器、触屏显示器等）的平面图，该显示器具有由升高的框架或边界106围绕的屏幕区或视场104。虽然以计算器显示器的背景示出，但是位置检测系统100可以用于任何类型的光学位置检测系统。基本上垂直于显示屏的102的视场的该边界106的内表面，具有棱镜薄膜（本文也叫做反向反射的薄膜108）。在下面详细讨论的该棱镜薄膜108提供围绕该视场104（本文也叫做检测场）的至少一部分的反向反射表面。也就是，棱镜薄膜108提供将来自原始辐射源的辐射反射回该原始源的表面。
棱镜薄膜108的结构（成分）可以通过利用粘结剂或其他连接手段直接施加于框架106，或者它可以首先以粘结带的形式制造，该粘结带随后施加于边界106的内表面，希望棱镜薄膜以这样的方式对齐，使得与该棱镜薄膜相关的最大入射角的平面基本上平行于视场，检测场和/或显示器，以使在感兴趣的区域中的物体的可能的检测最佳化。正如在下面更加详细地讨论的，棱镜薄膜108包括具有多层的反向反射的薄膜，其中该多层之一包括反射入射的辐射的多个三角形立方体角反向反射元件。在可选的实施例中，薄膜可以仅仅包括单层，该单层包括多个三角形立方体角反向反射元件。该三角形立方体角可以具有范围在-10°和-6°之间的负的角隅。
下面描述的本发明的实施例意图不是排他的或将本发明限制在下面详细描述的准确的形式。而是，这些实施例选择并描述成以便本领域的其他技术人员可以明白和理解本发明的原理和实践。
图1所示的位置检测系统100还包括两个双辐射的源110、112，每个源包括两个间隔开的点源（或基本上点源）111a、111b和113a、113b。双辐射第一源110可以设置在视场104的一个角，而第二源112可以设置在视场104的另一个角。在优选实施例中，双辐射的第一源110和第二源112沿着同一侧114安装。如图1所示，侧面114可以不具有棱镜薄膜108，该棱镜薄膜108设置在视场104的其他三侧上。本领域的普通技术人员将容易明白，双辐射的源110、112的精确位置可以根据包括环境、用途等的各种设计考虑变化。同样本领域的普通技术人员将会明白，视场的整个周边可以用棱镜薄膜108围绕。
双辐射的源110、112一起用辐射照明整个视场104，该辐射沿着平行于该视场104的平面的方向延伸。双辐射的源可以提供任何希望的电磁辐射频谱。即，该辐射源可以选择成以任何希望的频率范围或以任何希望的波长工作。例如，该源可以是红外辐射源、射频辐射源、可见光辐射源、发光二极管（LED）、激光器、红外发射器等。在优选实施例中，双辐射的源110、112的点源111a、111b和113a、113b是红外光发射二极管。
围绕该视场设置的棱镜薄膜108将红外辐射反射回相应的原始源，如视场内的箭头所示。因此，例如，来源于源110的点源111a、111b的红外辐射的双光线朝着显示屏的一侧向外延伸并且被反射180°返回到源110，如图1所示。电磁辐射被朝着其源被棱镜薄膜108反向反射。覆盖该棱镜薄膜108的三角形立方体角反向反射元件的一层或多层起作用，使得大多数红外辐射能够通过（例如，双通道传输大约74%到大约100%）并且基本阻挡可见光，使薄膜的外观变黑。这些方面将在下面进一步描述。
双辐射的源110、112的点源111a、111b和113a、113b分别沿着透镜115和116的任何一侧上的水平轴线H1对称地设置（如图2所示），其理由将在下面变明白。该轴线H1与棱镜薄膜108的纵轴线H2共面。透镜115和116分别设置在摄像机117、118的前面。透镜115和116将反向反射的辐射聚焦在摄像机117和118的图像捕捉装置上。点源111a、111b和113a、113b设置成离开透镜115、116一定距离x，如图2所示。在优选实施例中，对于其最长侧在大约17到30英寸范围之间触屏，该距离x优选在大约1和6mm之间，理由将在下面讨论。更优选，对于这样尺寸的触屏距离X在大约2和4mm之间。摄像机117、118可以是线扫描摄像机和/或区域扫描摄像机。摄像机117、118的图像捕捉装置可以包括由光敏元件（例如像素点/像素）阵列形成的电荷耦合器件（CCD）传感器。线扫描摄像机通常得到单行像素上的图像。与常规的摄像机一样。区域扫描摄像机包括像素的CCD传感器（通常为矩形形式），其产生对应得到的图像的长度和宽度的二维帧。被反射的辐射通过相应的透镜（例如根据辐射源的位置，透镜115或透镜116），并且形成被CCD传感器检测的物体的图像。该CCD传感器将检测的发光二级管阵列上的辐射转换成电信号并且输出该检测量。线扫描摄像机的一个单个扫描行通常可以看作与观察行的每个单一点相关的亮度的一维映射。线性扫描产生行/线（line），其在Y轴线上示出在灰度级中每个给定点的亮度（例如，对于8比特CCD传感器从0到225级，或对于10比特传感器从0到1023）。来自摄像机117、118的输出可以由控制单元119处理。该控制单元119包括数字处理器，其通过视差算法将从摄像机接收的输出信号处理成表示物体109的X和Y坐标的位置的信号。本领域的技术人员将会明白，取自区域扫描摄像机的扫描将产生与观察区的每个点相关的亮度的二维映射。
参考图1和图2将能够最好地理解位置检测系统100的操作，该操作将参考双辐射源110进行说明。双辐射源110从其一对点源111a、111b发射两个红外辐射光束。视场104具有沿着框架106三侧的棱镜薄膜108，其中两个点源111a、111b被定向。由两个点源111a、111b产生的两个不同的红外辐射光束由于其彼此不同的2x位移以不同的角度照射放入视场104中的物体109，产生位于物体109每侧的物体109的两个阴影。照射棱镜薄膜108的两个红外辐射光束被反射返回到线扫描摄像机117。该红外辐射通过透镜115到线扫描摄像机117，其反过来用将图像聚焦在包括放入的物体109的图像和在其侧面的阴影的该摄像机的CCD上。
物体109和侧面/侧翼阴影之间沿着水平轴线H1分开的量与物体109和点光源111a、111b之间的距离成线性比例，当物体109最接近于光源111a、111b时最大，当物体109最远离点光源111a、111b时最小。侧面阴影的距离分开的量也与点光源111a、111b之间的距离2x成比例。如果从该物体109和其侧面的阴影的观察的分离量通过视差算法距离2x是已知的，那么物体109和透镜115的前面之间的距离可以精确地计算。成比例的线扫描产生对应于沿着棱镜薄膜108的纵轴线H2的图像的对应的行图像/线图像，该图像具有取决于用于沿着扫描器的行的各点的线扫描的摄像机的分辨率的数字化的亮度值。对于不接收辐射的行图像中的任何位置，产生逻辑值0。例如，如果诸如笔尖或人手指的不透明的物体109进入该视场，阴影投射在透镜和对应的线扫描摄像机上，这导致非常小的变化或没有变化被用于特定像素或像素区域的线扫描摄像机检测到。在检测到辐射的位置，该辐射放射（discharge）与该线扫描摄像机有关的对应于CCD传感器，产生取决于摄像机的分辨率的非常高的信号值。物体109的图像和位于其侧面的阴影的组合在由摄像机产生的图像信号中产生倾斜/下降/眼高差（dip）或凹点（trough）（或甚至三个不连续的眼高差或凹点），其沿着轴线H2的宽度通过视差算法（或查由这种算法生成的表）由控制电路119的数字处理器转换成物体109和点辐射源111a、111b之间的距离。此外，角度θ1可以从沿着摄像机117的CCD水平轴线的该倾斜/下降（或一组倾斜/下降）的中点的位置，通过控制电路119的数字处理器来确定。因此，单个放入物体的109的位置能够由与双辐射源110和控制电路119的数字处理器组合的单个摄像机117完全确定。虽然该确定起初可以是极坐标，但是很容易转换成笛卡尔坐标X、Y。而且，正如只有一个摄像机和双光源的组合确定单个放入物体的X和Y位置一样，如果提供如图1所示的两个双辐射源110、112和线扫描摄像机117、118的组合，并且同时操作，那么两个同时放入的物体的X和Y位置可以明确地确定。
现在讨论棱镜薄膜（本文也叫做反向反射薄膜）108。参考图3，根据本发明多方面的示范性棱镜薄膜108以剖视图的形式示出。该棱镜薄膜108包括具有第一表面122和第二表面124的第一基质120。该棱镜薄膜的第一表面122（也叫做前表面）大致是平的（并且基本光滑的）。该第二表面124也大致是平的并且固定于第二基质126。
该第二基质126具有第一表面128和第二表面130。如图3所示，第二基质126的第一表面128大致是平的（并且通常是光滑的）并且通常面对第一基质120的第二表面124。第二基质126的第二表面130也大致是平的并且固定于反向反射的基质132。
第一和第二基质120和126可以用诸如具有较高的弹性模量的聚合物构成。该聚合物可以是各种聚合物，包括但不限于聚碳酸酯、聚酯、聚苯乙烯、聚芳酯、苯乙烯-丙烯腈嵌段共聚物、尿烷、丙烯酸脂、纤维素酯、乙烯不饱和亚硝酸亚、硬环氧丙烯酸盐、丙烯酸等，丙烯酸和聚碳酸酯聚合物是优选的。优选地，该第一和第二基质被染色和/或整个/全部第一和第二基质具有均匀地分配的染料。在一个实施例中，该第一基质120具有全部/遍及分配的红色染料，而第二基质126具有全部/遍及分配的蓝染料。在另一个实施例中，该第一基质120具有全部/遍及分配的蓝色染料，而第二基质126具有全部/遍及分配的红染料。该第一基质120和第二基质126两者具有整个均匀分配的染料。本领域的技术人员容易明白，本发明的多方面包括利用任何希望的颜色或各种颜色的组合，以得到这里所讨论的希望的功能性、美学外观等。例如，基质120、126可以具有整个分配的不同的颜色的染料。例如，见美国公开申请20030203211和20030203212（转让给予本申请相同的受让人），为了全面理解本发明必要时其结合于此供参考。
基质优选选择为在红外波长中是非常可透过的并且对可见光波长是不透过的，这将提供基本黑的外观，由薄膜提供的明亮的背景优选做成尽可能明亮并均匀，以能够检测在棱镜薄膜108的区域（例如，视场104）内的物体109。
该反向反射的基质132具有第一表面134和第二表面136。如图3所示，第一表面大致是平的（并且通常是光滑的）并且大致面向第二基质126的第二表面130。该第二表面136包括或者另外限定多个立方体角反向反射元件140，并且可以与用于施加的粘结剂143面向。包括形成在其中的立方体角元件140的反向反射的基质132，可以用诸如具有高弹性模量的聚合物的透明的塑料构成。该聚合物可以选自很宽的范围，包括但不限于聚碳酸酯、聚酯、聚苯乙烯、聚芳酯、苯乙烯-丙烯腈嵌段共聚物、尿烷、丙烯酸脂、纤维素酯、乙烯不饱和亚硝酸亚、硬环氧丙烯酸盐、丙烯酸等，其中丙烯酸和聚碳酸酯聚合物是优选的。
与图3和图4的提供的多层薄膜不同，图3a的棱镜薄膜提供单层薄膜，为了简便起见，相同的附图标记用来描述图3a的实施例。根据本发明多方面的示范性棱镜薄膜108以剖视图的方式示出。该反向反射的基质具有第一表面134和第二表面136。如图3a所示，第一表面134大致是平的（并且通常是光滑的）。第二表面包括或者限定多个立体角反向反射元件140，并且可以与用于施加的粘结剂143面对。包括形成在其中的立方体角元件140的该反向反射的基质132可以用诸如具有高弹性模量的聚合物的塑料构成。
在图4所示的另一个实施例中，第一和第二基质120、126可以用单个基质150代替。该基质150具有单一的染料层薄膜，以用前表面152和后表面154吸收可见光。该后表面154面向反向反射的基质132，正如上面关于第二基质所讨论的。该前表面152大致是光滑的。在一个实施例中，基质150染黑色。与单个染色层有关的好处是使整个薄膜结构比较薄并且增加透过该单个染色层150的均匀性。
在一个优选实施例中，包括形成在其中立方体角元件的反向反射的基质132用例如具有大约1.49的折射率的丙烯酸材料制造。当然，在不脱离本发明的范围的情况下也可以采用具有较高或较低的折射率的其他的合适的材料。立方体角元件可以利用例如，在美国专利6,015,214（RE 40,700）和6,767,102（RE 40,455）中（转让给与本申请相同的受让人）公开的任何方法形成在该基质内或形成为该基质的一部分，为了全面理解本发明必要时上述文献结合于此供参考。
正如在下面更加详细地描述的，该基质的折射率、立方体角元件的尺寸和角隅可以选择成提供希望的反向反射性和均匀性。虽然已经关于整体地形成为该基质的一部分的立方体角元件描述了本发明，但是应当明白，本发明能够应用于与基质分开地形成并且结合于该基质的立方体角元件（例如，通过铸造或模制）。
多个立方体角元件140用合适的金属被金属化142，例如铝、银、镍、金等。这种金属化能够通过在立方体角元件的表面上沉积（例如，喷镀或真空沉积）金属薄膜来提供。该基质的金属化的立方体角一侧能够用粘结剂143涂覆或者嵌入粘结剂143中（形成，例如，类似透明胶带的产品）。立方体角元件的金属化使显示器能够净化，否则易受反向反射的薄膜108的反向反射性具有有害影响的污染物和/或湿气影响。美国专利7,445,374（转让给与本申请相同的受让人），为了全面理解本发明必要时其结合于此供参考。
现在参考图5至图8并继续参考图3，反向反射的薄膜108包括设置在阵列200中或者形成为阵列200（图5）的多个单个的立方体角元件140（图3）。每个立方体角元件140由三个在顶点204相交的基本上但不完全垂直的面202形成。这些面以二面角边206彼此相交。在彼此相交的面202之间的二面角边206的角通常叫做二面角。在几何形状完美的立方体角元件中，三个二面角每个正好是90°。但是，在本发明中，特定的图案误差有意包含在三个二面角的两个中，以便增强被检测的沿着棱镜薄膜108的纵轴线反向反射的辐射的亮度，这将在下文中详细描述。
正如图6所示，每个立方体角元件140具有有三个底边210的三角形的立方体形状。在本实施例中，每个立方体角元件140具有等腰三角形立方体形状。其中底边中的两个（即，具有长度a和b的底边）具有大致相同的长度。可选地，一个或多个立方体角元件140可以具有非等腰三角形立方体形状。由于立方体角元件140的底边210是线性的并且在共同的平面内，所以这种阵列通过相交的多组槽形成。如图5所示，每个立方体角元件140由三个V形槽212、214、216形成，这三个V形槽是三组槽的每一个部件，以相交的图案的形式横过阵列200以形成配对的立方体角元件。名义上所有三组槽被切割成相同的深度，但是一组或多组槽能够竖直地偏离（即，相对于另一个切割浅或深）。还有，其中一组槽能够水平地偏离，使得立方体形状不同于三角形。这样的立方体仍然被认为是三角形立方体角，并且在本发明的范围内。在图6所示的实施例中，相邻侧a和b的面具有大约38.5度（例如，38.5211度）的半槽角，而相邻侧c的面具有大约28.3度（例如28.2639度）的半槽角。
阵列200可以，例如，以希望尺寸的大致方形板（tile）折叠（replicate）若干次。在优选实施例中，这种板以图7所示线性设置提供，其纵轴对应围绕图1所示的位置检测系统的边界106设置的薄膜108的条的纵轴，具有有相同立方体角取向的一个板或多个板的片被称为没有固定的片（unpinned sheeting）。
在棱镜薄膜中，立方体角元件通常与作为配对部分的至少一个另外的立方体角元件一起使用，并且通常与这种元件的阵列一起使用。这种阵列示于图5至图7中，并且这种配对在图8中以剖视图的形式示出。图6和图8所示的在图5和图7的阵列中重复的立方体角元件优选在边比较平行（edge-more-parallel）的方向是具有在8°和24°之间的角，并且更优选在12°和20°之间。在另一个示范性实施例中三角形立方体角元件具有在-10°和-6°之间的角，并且在另一个实施例中在-15°和-6°之间。在前面的示范性实施例中，每个立方体角元件在边比较平行的方向具有15.5°的角。此外，每个立方体角元件具有大约0.006和0.0055之间的立方体深度，更优选0.002和0.0045英寸。在这个示范性实施例中，每个立方体角元件具有大约0.00325英寸的立方体深度。
如上所述，本发明的一方面涉及提供一种具有高亮度值的反向反射的薄膜。因此，高折射棱镜片被用于实现这个目的。但是棱镜片的选择潜在地包括希望的均匀性。常用的触屏显示器的几何形状是这样的，使得其入射角在0到60度范围内。本领域的普通技术人员容易明白，这是非常大的范围，在这个范围用棱镜片保持均匀的亮度。由于观察角也变化，在选择立方体几何形状和尺寸时应当特别注意，以实现高亮度和良好的均匀性的结合。
对于棱镜片应用，三角形立方体角棱镜是最通常使用的，因为它能够利用常规的划线/裁定（ruling）或金刚石车削技术直接机械加工成基质。已经研制出一种算法，以模拟作为具有相等槽深度的等腰三角形的立方体角切割的几何形状和尺寸的函数的信号亮度和均匀性。对于这些立方体角，几何形状和尺寸由两个参数完全确定：立方体角隅和立方体深度。本领域的普通技术人员容易明白，其他类型的三角形立方体角是可能的，包括例如，不等边三角形和双水平/双层（bi-level）或三水平/三层（tri-level）切割的槽组。在这情况下，不是立方体角隅/立方体深度组合本身确定信号亮度和均匀性，而是每个方向的入射光的有效孔径尺寸。
本申请人发现，如果特定图案的误差e1、e2和e3有意包含在立方体角的面之间的名义上90°二面角中，则能够增强由双辐射源110、112产生的放入物109图像和位于其侧面的阴影的亮度。
参考图9能够最好地理解构成本发明一部分的图案的误差e1、e2和e3，图9示出具有三个三角形面202a、202b和202c的单个立方体角元件。正如关于图6所说明的，这些面202a、202b和202c相交以形成三个基本二面角边206和三个基本二面角e1、e2和e3，二面角e1、e2和e3分别表示面202b、202c；202a、202c和202a、202b之间的角度。在本发明的立方体角中，每个二面角包括与理想的90°值的图案误差或偏差e1、e2和e3，使得e1≈e2，并且e3≈0。优选│e1│和│e2│>0.033°（或2分）并且│e3│<0.033°（或2分）。更优选，│e1│和│e2│在大约0.035°和0.10°之间，和在大约0.03°和0.20°之间，而│e3│为约0°。在优选实施例中，│e1│和│e2│两者均为0.063°（或3.8分），而│e3│为0°。在又一个优选实施例中，e1和e2≠0，（e1+e2）/2>0.03°，更优选（e1+e2）/2>0.05°。在再一个实施例中，e3<0.03°，并且更优选e3<0.015°。在又一个实施例中，│e1-e2│<0.06°，更优选│e1-e2│<0.03°。
一种方式，误差设置可以通过切割V形槽实现，该槽以一个角形成相邻立方体角元件的相对面202c，该角具有增加或者减小二面角0.063°的作用。这些V形槽对应于图5和图7所示的立方体角阵列的水平V形槽。但是，这种技术将使所有的立方体角具有有相同符号的误差图案，即，e1和e2要么全都是正的，要么全都是负的，并且本申请人已经观察到，包括正误差和负误差两者的优点是将有利地减少薄膜性能对制造过程中产生的二面角变化的敏感性。实现一组二面角的正误差和负误差的一种方法如下。沿着图5和图7所示的三角形的短边切割水平槽所用的切割器沿着一个方向倾斜。这使在切割器一侧上的立方体角元件中e1和e2增加，并且相应地减少该切割器的另一侧上的立方体角元件中e1和e2。这种倾斜的切割器用来切割每个其他的槽。然后该基质被旋转180°并且遗漏的槽被切割。这得到具有交错行立方体角的立方体角阵列，其中e1和e2分别是+0.063°和-0.063°。
图10A-10H中示出的光点（spot）与图11A-D的光点比较示出：具有0°、16°和-8°边比较平行的并且具有本发明的误差图案e1、e2和e3的立方体角的阵列有利地包含光在触屏的平面内尽可能多的伸展/传播。当立方体角被暴露于点光源时，由于每个面反射出的光又被另外两个立方体面反射，所以立方体角三个面的每个面产生两个反向反射的光点。图10A-10H是对于0°和60°入射角（贝塔）具有0°和60°的常规的立方体角的光点示意图，其中所有的二面角为90°（即，e1=e2=e3=0°）。图10A-10H示出，对于角隅（cant）和入射角的所有组合，立方体角表面的所有六个反向反射的光点被精确地反向反射180°返回到点光源，以便它们全都汇聚在相同的X、Y坐标上。相反，如图11A-11D所示，当二面角误差图案e1=6分，e2=6分，e3=0被引进该立方体角时，该立方体的三个面不是相对于点光源正好180°反向反射六个光点，而是在发散点（大约0.4°）反向反射六个光点中的四个光点。由于x轴线对应于触屏的平面，图11A-11D示出：包括本发明的角隅和二面角误差的图案立方体角有利地包含光尽可能多在触屏的平面内伸展/传播（延伸）。
图12A-12F和13A-13F表示考虑到衍射时的预计的反向反射的光的图案。图12A、12C、12E、13A、13C、13E是对于0°和60°入射角（贝塔）具有0°和60°的常规的立方体角的光图案的示意图，其中所有的二面角为90°（即，e1=e2=e3=0°）。图12B、12D、12F、13B、13D、13F示出当二面角图案的误差e1=6分，e2=6分，e3=0被引进该立方体角时这种立方体角的光图像的示意图的差。一般而言，反向反射的光更加沿着X轴线集中，正如关于图13B、13D、13F最清楚地看到的。这些图的比较证实关于图10A-10H和图11A-11D所得出的结论，即，包含有本发明的角隅和二面角误差图案有利地包含光尽可能多地在触屏的平面内传播。
正如在图13B、13D、13F所提供的，没有固定（unpinned）的棱镜薄膜包括多个三角形的立方体角反向反射元件，其中当反射时该光源产生具有水平传播/伸展和大于竖直传播/伸展的光图案。在0°和60°入射角，该水平传播/伸展至少大1.5倍，并且以60°返回的总的光至少为以0°返回的光的10%，并且在一些情况下大于30%。
最后，图14是对于具有16/9的纵横比的不同的屏幕尺寸摄像机信号的示范性曲线图。正如在该曲线图中清楚地看到的，对于17英寸、19英寸、22英寸、26英寸和30英寸屏幕尺寸，最大信号强度从不低于大约2.0，而在观察角为90°时最大信号强度可以高至30.0。因此，本发明的反向反射材料在90°时提供足够的反向反射，以在摄像机中产生在优选实施例中所用的容易检测的信号。
因此根据本发明将看到与触屏和位置检测系统一起使用的（用于触屏和位置检测系统的）非常有利的棱镜薄膜。虽然已经关于目前认为最实际和最优选的实施例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将会明白本发明不限于所公开的实施例，在本发明的范围内可以对其进行许多修改和等同物设置，本发明的范围根据权利要求的最宽解释以便包含所有等同结构和产品。
公开、专利和专利申请指本发明全部。本文所引用的参考文献结合于此供参考。

Claims (28)

1.一种位置检测系统，其包括：
摄像机，该摄像机设置成接收通过检测区的电磁辐射，该电磁辐射产生表示图像的信号；
电磁辐射源，该电磁辐射源设置在靠近所述摄像机，用于输出至少覆盖一部分检测区的电磁辐射；以及
沿着该检测区的至少一部分周边设置的棱镜薄膜，该薄膜将来自所述源的所述电磁辐射反向反射给所述摄像机，其中该棱镜薄膜包括具有二面角误差e1、e2和e3的多个三角形立方体角反向反射元件，使得e1≈e2≠0，而e3≈0。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电磁辐射源是IR发射器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中│e1│和│e2│在大约0.03°和0.20°之间。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个三角形立方体角元件具有在约8°和24°之间的角。
5.根据权利要求1的所述系统，其中所述三角形立方体角反向反射元件具有在大约0.002和0.0055英寸之间的立方体深度。
6.一种棱镜薄膜，其包括：
没有固定的棱镜薄膜，该薄膜具有包括多个三角形立方体角反向反射元件的反向反射基质，并且
其中所述反向反射的立方体角元件具有二面角误差e1、e2和e3，使得e1≈e2≠0，而e3≈0。
7.根据权利要求6所述的棱镜薄膜，还包括设置在所述反向反射的立方体角反向反射元件的至少一部分上的金属化层。
8.根据权利要求6所述的棱镜薄膜，其中所述多个三角形立方体角元件具有在约12°和20°之间的角。
9.根据权利要求6所述的棱镜薄膜，其中所述多个三角形立方体角元件是有角的边比较平行的。
10.根据权利要求6所述的棱镜薄膜，其中所述多个三角形立方体角反向反射元件的大约一半具有在大约0.03°和0.20°之间二面角误差e1、e2，而多个三角形立方体角反向反射元件的剩余的一半具有在大约-0.03°和-0.20°之间二面角误差e1、e2。
11.根据权利要求6所述的棱镜薄膜，其中所述三角形立方体角反向反射元件具有在大约0.002和0.0055英寸之间的立方体深度。
12.根据权利要求7所述的棱镜薄膜，其中所述薄膜对于红外光是可透过的，但是对可见光是不可透过的。
13.根据权利要求6所述的棱镜薄膜，其中所述第一基质用红外染料染色并且在可见光中呈现是黑色。
14.根据权利要求7所述的棱镜薄膜，其中所述金属化层用铝和金的其中之一形成。
15.根据权利要求6所述的棱镜薄膜，其中│e1-e2│/2>0.03°。
16.根据权利要求6所述的棱镜薄膜，其中│e1-e2│2>0.05°。
17.根据权利要求6所述的棱镜薄膜，其中e3<0.05°。
18.根据权利要求6所述的棱镜薄膜，其中e3<0.025°。
19.根据权利要求6所述的棱镜薄膜，其中e1-e2<0.06°。
20.根据权利要求6所述的棱镜薄膜，其中e1-e2<0.03°。
21.一种棱镜薄膜，其包括：
没有固定的棱镜薄膜，其具有包括多个三角形立方体角反向反射元件的反向反射的基质；
光源；并且
其中当反射时所述光源在0°和60°入射角产生水平伸展大于竖直伸展的光的图案。
22.根据权利要求21所述的棱镜薄膜，其中在0°和60°入射角该水平伸展至少1.5倍大。
23.根据权利要求22所述的棱镜薄膜，其中在以60°返回的总的光是以0°返回的光的至少10%。
24.根据权利要求21所述的棱镜薄膜，其中在以60°返回的总的光是以0°返回的光的至少30%。
25.根据权利要求21所述的棱镜薄膜，其中所述三角形立方体角元件具有在-10°和-6°之间的角。
26.一种位置检测系统，其包括：
摄像机，该摄像机设置成接收通过检测区的电磁辐射，所述电磁辐射产生表示图像的信号；
设置在靠近所述摄像机的电磁辐射源，用于输出覆盖至少一部分检测区的输出电磁辐射；以及
沿着该检测区的至少一部分周边设置的棱镜薄膜，该薄膜将来自所述源的所述电磁辐射反向反射给所述摄像机，其中该棱镜薄膜包括多个三角形立方体角反向反射元件和辐射源，并且当反射时该辐射源在0°和60°入射角产生其水平伸展大于竖直伸展的光的图案。
27.一种棱镜薄膜，其包括：
没有固定的棱镜薄膜，其具有包括多个三角形立方体角反向反射元件的反向反射的基质，并且
其中该反向反射的立方体角元件具有二面角误差e1、e2和e3，使得e1≈e2≠0，而e3≈0，其中该多个三角形立方体角元件具有在-10°和-6°之间的角。
28.根据权利要求27所述的棱镜薄膜，其中所述多个三角形立方体角元件具有在-15°和-6°之间的角。
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