CN103477312A

CN103477312A - 用于触摸感测的像素内滤光传感器技术

Info

Publication number: CN103477312A
Application number: CN2012800192513A
Authority: CN
Inventors: D·E·斯洛伯汀
Original assignee: Perceptive Pixel Inc
Current assignee: Perceptive Pixel Inc
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2013-12-25
Also published as: JP2014512622A; EP2699990A1; JP6018624B2; KR20140022843A; WO2012145496A1; EP2699990A4; US20120268427A1

Abstract

用于触摸感测的像素内滤光传感器技术，其中波导接收由光源发射的红外光并且使接收到的红外光的至少一些红外光在波导内经历全内反射。抑制层相对于波导放置，以便在触摸输入被提供时接触波导。抑制层导致抑制接收到的红外光在波导内在抑制层与波导之间的接触点处的全内反射。像素内传感器显示器显示通过波导和抑制层可感知的图像，并且包括各光电传感器。各光电传感器具备与图像中每一像素对应的一个光电传感器，并且感测至少一些在接触点处从波导逃逸的红外光。

Description

用于触摸感测的像素内滤光传感器技术

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年4月19日提交的美国临时申请No.61/477,007的权益，该申请通过全部援引通用地纳入于此。

技术领域

本公开涉及用于触摸感测的像素内滤光传感器技术。

背景技术

具有集成光电传感器的液晶显示器（LCD）正在开发中，以便在纤细形状因子内且低成本地实现触摸输入能力。将氢化非晶硅（a-Si:H）光电二极管或光电晶体管结合到薄膜晶体管（TFT）衬底内的像素内传感器（SIP）LCD先前已由他人（例如Abileah和Den Boer）公开。这些设备结构利用TFT板中已经存在的a-Si:H层。这一设计的潜在缺点在于，触摸信号——信噪比（SNR）可能受到可见环境光强度和所显示的图像的严重影响，因为来自所显示的图像的可见光可以从滤色器衬底中的各个光学层反射回LCD TFT衬底。这可能导致不可预测的操作以及错误触摸。另外，可能不存在清晰触摸阈值点——触摸可在手指没有触摸显示器的情况下被记录。

发明内容

描述了涉及用于触摸感测的像素内滤光传感器技术的各技术。

在一方面，触敏显示设备包括：红外光源；波导，被配置成接收由光源所发射的红外光并且导致至少某些接收到的红外光在波导内经历全内反射；以及相对于波导放置以便在触摸输入被提供时接触波导的抑制层。抑制层被配置成导致抑制接收到的红外光在波导内在抑制层与波导之间的接触点处的全内反射，使得接收到的红外光在波导内经历全内反射的某些在接触点处从波导逃逸。触敏显示设备还包括像素内传感器显示器，像素内传感器显示器被配置成显示通过波导以及抑制层可感知的图像并且包括各光电传感器。各光电传感器具备与图像中每一像素对应的一个光电传感器，并且被配置成感测在接触点处从波导逃逸的至少某些红外光。

各实现可包括以下特征中的一个或多个。例如，这些光电传感器中的每一个可能对红外光敏感，而相比于红外光而言对可见光较不敏感。在这一示例中，这些光电传感器中的每一个可对红外光敏感，而对可见光不敏感。

这些光电传感器中的每一个可以包括被配置成吸收可见光并且透射红外光的第一层，以及被配置成感测透射过第一层的红外光的第二层。这些光电传感器中的每一个可以包括被配置成吸收其波长在400和700纳米之间的光并且透射其波长长于700纳米的光的第一层，以及被配置成感测透射过第一层的其波长在700和880纳米之间的光的第二层。

这些光电传感器中的每一个可以包括氢化硅锗合金（a-SiGe:H）。这些光电传感器中的每一个可以包括微晶硅。这些光电传感器中的每一个可以包括具有1.7至1.8eV有效带隙的第一层，以及被配置成感测透射过第一层的光的第二层。

这些光电传感器中的每一个可以包括其厚度为约0.2至0.5微米并且包括高掺杂p型非晶硅的第一层，以及配置成感测透射过第一层的光并且包括氢化硅锗合金（a-SiGe:H）和微晶硅中的至少一者的第二层。这些光电传感器中的每一个可以包括其厚度为约0.2至0.5微米并且包括高掺杂n型非晶硅的第一层，以及配置成感测透射过第一层的光并且包括氢化硅锗合金（a-SiGe:H）和微晶硅中的至少一者的第二层。

在某些示例中，这些光电传感器中的每一个可以包括包含三元合金的第一层，以及被配置成感测透射过第一层的光并且包括氢化硅锗合金（a-SiGe:H）和微晶硅中的至少一者的第二层。在这些示例中，三元合金可以包括锗氮比（a-SiGeN），锗氧比（a-SiGeO），锗碳比（a-SiGeC:H），或a-SiGeN:H层。

在某些实现中，抑制层可以是易弯曲抑制层，该易弯曲抑制层相对于波导来放置以便在易弯曲抑制层物理变形时易弯曲抑制层能够接触波导。在这些实现中，易弯曲抑制层可以被配置成在易弯曲抑制层物理变形至接触波导时，导致抑制接收到的红外光在波导内在易弯曲抑制层与波导之间的接触点处的全内反射，以使得在波导内经历全内反射的接收到的红外光中的某些在接触点处从波导逃逸。此外，在这些实现中，波导可以接触像素内传感器显示器。

在一些示例中，波导可以是易弯曲波导，抑制层可以相对于易弯曲波导来放置，以便在易弯曲波导物理变形时抑制层能够接触易弯曲波导，并且抑制层可被配置成在易弯曲波导物理变形至接触抑制层时导致抑制接收到的红外光在易弯曲波导内在抑制层与易弯曲波导之间的接触点处的全内反射，以使得在易弯曲波导内经历全内反射的接收到的红外光中的某些在接触点处从易弯曲波导逃逸。在这些示例中，抑制层可以接触像素内传感器显示器。

此外，触敏显示设备可以包括被定位以接收触摸输入并且基于触摸输入导致波导和抑制层相接触的包层（cladding layer）。这些光电传感器中的每一个可以包括一个光电检测器，该光电检测器包括被配置成过滤可见光的第一层以及被配置成感测透射过第一层的红外光的第二层。在感测红外光时由光电检测器生成的电可以流过第一层和第二层中的每一者。另外，这些光电传感器中的每一个可以包括被配置成过滤可见光的第一层，以及包括被配置成感测透射过第一层的红外光的第二层的光电检测器。第一层可被定位成光电检测器上的窗口，并且在感测红外光时由光电检测器生成的电可以流过第二层，但可以不流过第一层。

所描述的技术的实现可包括硬件、至少部分以硬件执行的方法或过程、或具有编码有可执行指令的计算机可读存储介质，其中当该可执行指令被处理器执行时执行操作。

一个或多个实现的细节在以下的附图和说明书中阐述。其他特征将从说明书和附图以及权利要求书中显而易见。

附图说明

图1是示例触敏显示器的示意剖面图。

图2A和3是受抑全内反射层的示例的示意剖面图。

图2B是包层的示例的示意剖面图。

图4是示例光电传感器阵列的示图。

图5是示出带有具有一带隙范围的光敏层的太阳能电池的量子效率对波长的曲线。

图6和7是光电传感器的示例的示意剖面图。

具体实施方式

为降低环境光SNR和触摸阈值问题，可能期望将受抑全内反射（FTIR）技术与SIP LCD相集成。为了将FTIR触摸感测技术与像素内传感器显示器相集成，还可能期望使SIP传感器仅对红外（IR）光敏感（而对来自环境源的可见光以及从所显示图像反射的可见光不敏感）。在FTIR的某些实现中，IR光从受所捕获的IR光激励的波导中出现，其中触摸抑制了全内反射。在这些实现中，IR光在接触点处从波导逃逸，并且在SIP LCD中的光电传感器对IR光敏感的情况下可被这些光电传感器检测到。在典型的FTIR配置中，包含IR过滤器的顶膜用于降低环境光对触摸SNR的干扰。假如SIP对可见光（必定穿透顶层薄片，因为顶层薄片必需透射可见光，这样人们能看到所显示的图像）不敏感，这可以与SIP LCD一起使用。即使没有环境光的影响，对于从所显示的图像反射的可见光而言甚至在这一实现中仍然可能存在问题。这可通过使SIP对可见光不敏感来补救。

图1示出了示例触敏显示器100。触摸显示器100包括FTIR层110和SIP显示器120。FTIR层110可以包括光源、波导以及抑制层。光源将光（例如，红外光）注入波导，并且所注入的光在波导内经历全内反射。在触摸输入被提供至FTIR层110时，波导和抑制层接触以导致抑制光在波导内的全内反射。抑制光在波导内的全内反射导致波导内至少某些光在接触点处逃逸。所逃逸的光可被感测以检测提供至FTIR层110的触摸输入的发生和位置。FTIR层110可以是任何类型的FTIR实现。下面参考图2A至3描述FTIR层的更详细示例。

SIP显示器120是显示透射过FTIR层110的图像的像素传感器显示器。SIP显示器120包括由SIP显示器120所显示的图像的每一像素处的光电传感器。SIP显示器120的光电传感器检测在触摸输入被提供至FTIR层110时从FTIR层110逃逸的光（例如，红外光）。SIP显示器120基于SIP显示器120中哪些光电传感器检测到已从FTIR层110逃逸的光来确定触摸输入的发生和位置。SIP显示器120可以是任何类型的像素内传感器显示器。例如，SIP显示器120可以是SIP LCD或SIP有机发光二极管（OLED）显示器。SIP显示器120可以接触FTIR层110（例如，可以光学地附着于FTIR层110）或可与FTIR层110间隔开一气隙（例如，由FTIR层110和/或SIP显示器120的表面上的微观粗糙度所定义的小气隙）。

SIP显示器120的传感器输出被供应到合适的计算机或能够处理各种公知图像处理操作（诸如校正、背景消减、去噪、以及对每一帧的分析）的其他电子设备。随后计算机或其他电子设备可采用机器视觉跟踪技术将所捕捉的传感器数据转换成分立的触摸事件和笔划。这样的处理可由任何合适的计算系统来执行。

图2示出了示例FTIR层200。如图所示，FTIR层200包括辐射源202、波导204、以及波导204上方的易弯曲抑制层206。易弯曲抑制层206相对于波导204来定位，以便在易弯曲抑制层206和波导204之间存在小间隙212。在一些实现中，突起214可以在抑制层206上或作为抑制层206的一部分形成，以保持易弯曲抑制层206和波导204之间的间隙212。在这样的实现中，突起214（例如，表面粗糙度）可以与易弯曲抑制层206一体地形成，即，突起214与抑制层206一起形成单块无缝连续材料。

在一些实现中，突起214是抑制层206表面上存在的微粗糙度的结果，其中突起214之间的间隔是随机的或半随机的。在一些情况下，突起214是从不同于抑制层206的材料形成的。例如，玻璃隔片可用于将丙烯酸树脂波导与聚碳酸酯抑制层分开。突起214之间的间隔可以是随机的、伪随机的或周期性的。

电磁辐射（例如，红外（IR）辐射）从辐射源202中发射出并且被耦合至波导204。由于波导204与包围波导204的介质之间的折射率之差，所耦合的辐射中的至少一些则经历TIR并且继续沿波导204行进。例如，波导204可以从空气所围绕的丙烯酸树脂层形成。给定丙烯酸树脂（n=1.49）与空气（n=1.0）之间的折射率之差，由辐射源202以适当入射角引入波导204的辐射通过TIR在丙烯酸树脂层内并沿着丙烯酸树脂层传播。

为了抑制在波导204中传播的辐射的TIR，易弯曲抑制层206由其折射率与波导204相当并且足够柔性来对输入所施加的压力作出响应以便可以作出与波导层204的充分接触的材料形成。例如，易弯曲抑制层206可以由诸如聚乙烯醇缩丁醛（PVB）等相对易弯曲的材料形成。抑制层206可以由其他材料形成，包括但不限于，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚乙烯对苯二甲酸脂（PET），聚碳酸酯（PC），聚氯乙烯（PVC），透明聚氨酯（TPU），或三醋酸纤维素（TAC）。由此，在抑制层206开始与波导层204接触时，由于TIR而传播的辐射的至少一部分受“抑制”，并且从波导204中逃逸。在一些情况下，辐射210的至少一部分210a继续在波导204中通过TIR传播，如图2A中所示。另外，当作为显示器的一部分被集成时，抑制层206可以由对于显示器光源所发射的波长范围呈透明的材料形成。例如，PVB在频谱的可见和近红外区域两者中高度透光。

在一些实现中，抑制层206可被配置成具有基本上一致的厚度，该厚度在大致100μm至300μm的范围内。在为抑制层206选择适当厚度时，可以考虑以下考虑事项。如果抑制层206太薄，则可能例如在制造期间难以操纵和处理。另一方面，如果抑制层206太厚，则可能导致视差问题，其中用户感知接触点从用户尝试与之交互的实际对象（由显示器光源产生）移位（例如，移位了抑制层206的厚度）。在替换实现中，抑制层206可被配置成比100μm（例如，约10μm或约30μm）薄，或比300μm（例如，约1mm或约2mm）厚。

由于易弯曲抑制层206与波导204之间存在气隙212，在缺失某外部刺激时对波导204内的TIR发生很少的抑制或不发生对TIR的抑制。然而，当易弯曲抑制层206例如被用户的手指220按压时，易弯曲抑制层206的一部分在对应于按压点的区域201（由虚线圆标识）中与波导层204接触。当易弯曲抑制层206的该部分与波导204接触时，波导204内的全内反射在区域201处被抑制，从而导致至少一些辐射从波导204逃逸。应当注意，尽管突起214与波导204接触，但在不向抑制层206施压时突起214与波导204之间的接触区与在抑制层206被按压时层206与波导204之间的接触区相比相对较小。因此，当不对抑制层206施压时，突起214与波导204之间的接触区中可能发生的对TIR的抑制是可忽略的。

如图2A中所示，一些辐射（由箭头“A”表示）从波导204的表面204a逃逸。SIP显示器120对从表面204a逃逸的辐射进行成像。作为结果，SIP显示器120可以对连续时刻有区分地感测接触点，这些接触足够有力以致使易弯曲抑制层206变形，从而其相对于在不施压时抑制层206所接触的波导204的该部分而言接触波导204的相当大部分。即，对于易弯曲抑制层206上的“单个”接触点，诸如图2A中手指220的接触，与易弯曲抑制层206的开始与波导204接触的区域对应的单个接触“区”被SIP显示器102有区分地感测。同样，当两个或更多个对象（例如，用户的两个或更多个手指）并发地接触并按压易弯曲抑制层206时，多个接触区被SIP显示器120有区分地（且并发地）感测。为方便讨论，贯穿本公开使用术语“接触点”来更一般地指代作出接触的任何区划或区域。

辐射源202可以包括多个发光二极管（LED），这些LED直接靠着波导204的边缘排列，以便使电磁辐射至全内反射的耦合最大化。可改为使用其他电磁辐射源，诸如举例而言激光二极管。在一些实现中，源202可被选择以发射电磁频谱的红外（IR）部分中的辐射，以使得该辐射不干扰可见辐射。

在一些实现中，波导204由支持红外光的TIR但对显示器光源所发射的波长范围也是透明（或至少是透光的）以便使对显示器的干扰最小化的材料形成。例如，波导204可以由包括玻璃或诸如丙烯酸树脂等塑料的材料形成。波导204还可以由包括但不限于PMMA、PC、PVC、PVB、TPU、或PET的材料形成。局部按压的抑制层206可以随着抑制层206开始与波导层204接触而引起波导层204或抑制层206的显著局部变形。作为对比，波导层204或抑制层206中远离波导204与抑制层206之间接触区的部分可以经历小的变形或不经历变形。这样的明显局部变形可以导致顺应抑制层206与波导层204之间的物理接触区增大，由此导致增加量的IR在接触点区域中从波导204逃逸。在一些情况下，波导204的边缘被抛光，以最大化对来自源202的辐射的TIR耦合。

在一些实现中，波导204可被配置成具有基本上一致的厚度，该厚度在大致0.5mm至20mm的范围内。在为波导204选择适当厚度时，可以考虑以下考虑事项。在一些情况下，如果波导204太薄，它可能不会提供足够刚性的表面，例如，波导可能因受到预期要在使用期间施加的典型接触力而过度弯曲。另选地或另外地，不足量的光可能被耦合至波导。在一些情况下，如果波导204太厚，则这可能导致重量和成本增加。另选地或另外地，触摸视图视差可能过多。

在一些实现中，包层可被定位在抑制层206的表面上或抑制层206的表面上方。图2B示出被定位在抑制层206上方的包层205的示例。包层205可以在抑制层206被诸如手指或指示笔等对象接触时保护抑制层206不受损害和/或污染。当作为显示器的一部分被集成时，包层205对显示器光源所发射的波长范围也是透明的（或至少是透光的）。

如图2B的示例中所示，包层205可以包括防炫光层205a、红外（IR）过滤器205b以及非润湿层205c。IR过滤层205b过滤出入射在包层205上的环境IR光，以便降低（例如，防止）环境IR光被误测为接触点的发生。IR过滤层中可以使用的材料的示例包括ClearAS，在市场上可从Sumitomo Osaka Cement公司购买到。防炫光层205a是放置在IR过滤层205b顶面上的防刮、低摩擦的膜。可用作防炫光层的膜包括例如，带纹理聚酯膜，诸如可从MacDermid购买到的Autotex。

在一些情况下，包层205的相当部分区域可以与抑制层206接触，以使得包层205看上去使抑制层206“润湿”。这样的“润湿”区域可以更改抑制层206与包层205之间所反射的可见光的量，从而得到当黑暗图像被显示时触敏设备200中看上去像斑点的部分。然而，通过在IR过滤层205b的底面上形成抗润湿层205c，可以减少润湿区域的大小和数量。类似于防炫光层205a，抗润湿层205c也可以是聚酯膜，诸如Autotex。在一些情况下，表面抑制层206足够粗糙，从而不必将抗润湿层205c包括在包层205中。另选地，在一些情况下，包层205可以由聚四氟乙烯（PTFE）单膜或丙烯酸树脂膜来形成。

包层205中的膜可使用例如光学粘合剂接合在一起。在图2B的示例中，包层205与抑制层206之间存在气隙。包层205与抑制层206之间的气隙可以使用例如包层205底面的表面粗糙度（例如，非润湿层205c的表面粗糙度）或抑制层206的表面粗糙度来维持。

如图2A中所示，由于当抑制层206接触波导204时的FTIR，从波导204逃逸的辐射可因例如抑制层206的表面纹理、抑制层206内的大量散射、或波导204与抑制层206之间的不完全接触而在许多不同方向上进行。例如，一些逃逸的辐射可以在朝抑制层206的方向上行进，如图2A中箭头“B”所示，而一些辐射可以背离抑制层206行进，如图2A中箭头“A”所示。如果抑制层206和波导204的折射率是相当的，则一部分辐射将以与就在抑制TIR之前辐射在波导204中行进的方向平行或基本上平行（例如，10°或更小、20°或更小、30°或更小、45°或更小，取决于抑制层206与波导204之间的折射率之差）的方向逃逸，如图2A中箭头“B”所示。作为结果，一部分逃逸的辐射可能永远不能到达SIP显示器120。允许从受抑TIR光中捕捉足够量的光以检测接触点而不管可能永远不被成像的大部分逃逸辐射的一种方式可以是增加入射至波导204的辐射强度。然而，这一方式可导致操作效率被降低。因此，替换方式可以是将抑制层206配置成收集和/或指引（steer）至少一部分从波导204朝SIP显示器120逃逸的辐射。

在顺应抑制层206被配置成收集和/或指引朝向SIP显示器120的辐射（从波导204逃逸并且入射在抑制层206上）的实现中，抑制层206可被配置成在一定范围的角度内指引逃逸辐射，以使得逃逸辐射被指引朝向SIP显示器120上基本在波导204与易弯曲抑制层206之间接触点下方的位置。通过收集并且指引辐射朝向SIP显示器120，可以增加操作效率。作为结果，可以使用较不强大的辐射源202。此外，通过将更多的FTIR逃逸辐射指引朝向SIP显示器120，可以降低无法感测接触的概率。

抑制层可以由具有光指引微结构的工程材料形成，这些光指引微结构在工程材料的表面之内或之上形成，其中这些光指引微结构被配置成在一个或多个特定方向上指引辐射/光。可以在易弯曲抑制层内或易弯曲抑制层上采用这些工程材料以及用于重定向从波导204逃逸的辐射的光指引微结构的各种实现。例如，可以在易弯曲抑制层上形成反射涂层，以便将从波导逃逸的辐射反射回设备内部。在2010年4月9日提交的待审并共同拥有的题为“Touch Sensing（触摸感测）”的美国专利申请S/N.12/757,937中描述的技术和结构中的任一种可以应用于抑制层206，其整体通过引用通用地结合于此。

图3示出了另一示例FTIR层300。如图所示，FTIR层300包括辐射源302、易弯曲波导304、以及与波导304相邻的抑制层306。抑制层306相对于易弯曲波导304来定位，以使得抑制层306和易弯曲波导304之间存在小间隙312。在一些实现中，突起314可以在抑制层306上或作为抑制层306的一部分形成，以保持易弯曲波导304和抑制层306之间的间隙312。在这样的实现中，突起314（例如，表面粗糙度）可以与抑制层306一体地形成，即，突起314与抑制层306一起形成单块无缝连续材料。在一些实现中，可以在抑制层306的表面上形成具有随机（或半随机）间隔的突起的微粗糙度层，该微粗糙度层基本上像突起314那样起作用。在一些情况下，突起314由不同于抑制层306和/或波导304的材料形成。例如，玻璃隔片可用于将丙烯酸树脂波导与聚碳酸酯抑制层分隔开。突起314之间的间隔可以是随机的、伪随机的或周期性的。

电磁辐射（例如，红外（IR）辐射）从辐射源302中发射出并且被耦合至易弯曲波导304。由于易弯曲波导304与包围易弯曲波导304的介质之间的折射率之差，所耦合的辐射中的至少一些则经历TIR并且继续沿易弯曲波导304行进。例如，波导304可以由空气所围绕的薄层顺应丙烯酸树脂形成。给定丙烯酸树脂（n=1.49）与空气（n=1.0）之间的折射率之差，由辐射源302以适当入射角引入波导304的辐射通过TIR在丙烯酸树脂层内并沿着丙烯酸树脂层传播。

波导304由可足够柔性来对输入所施加的压力作出响应以使得可以作出与抑制层306的充分接触的材料形成。例如，波导304可以由诸如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯对苯二甲酸脂（PET）或透明聚氨酯（TPU）等材料形成。还可以使用其他材料。

为了抑制在波导304中传播的辐射的TIR，抑制层306由其折射率与顺应波导304相当或高于顺应波导304的材料形成。由此，在顺应波导304开始与抑制层306接触时，由于TIR而沿波导304传播的辐射的至少一部分受“抑制”，并且从波导304中逃逸。在一些情况下，辐射310的至少一部分继续在波导304中通过TIR传播，如图3中所示。刚性或非刚性材料都可用于形成抑制层306。另外，当作为显示器的一部分被集成时，抑制层306可以由对于显示器光源所发射的波长范围呈透明（或至少透光）的材料形成。例如，抑制层306可以由玻璃或PMMA形成，这两者在频谱的可见和近红外区域两者中一般是透光的。另选地，抑制层306可以由诸如聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、TPU等相对易弯曲的材料形成，或由诸如PET或PC等更刚性的材料形成。还可以使用其他材料。

局部按压波导304可以随着波导304开始与抑制层306接触而引发抑制层306的显著局部变形。作为对比，抑制层306中远离波导304与抑制层306之间接触区的部分可以经历小的变形或不经历变形。这样的显著局部变形可以导致顺应波导304与抑制层306之间的物理接触区增大，由此导致增加量的IR在接触点区域中从顺应波导304逃逸。

在一些实现中，抑制层306可被配置成具有基本上一致的厚度，该厚度在大致100μm至300μm的范围内。在为抑制层306选择适当厚度时，可以考虑以下考虑事项。如果抑制层306太薄，则可能例如在制造期间难以操纵和处理。另一方面，如果抑制层306太厚，则可能导致视差问题，其中用户感知接触点从用户尝试与之交互的实际所显示的对象移位（例如，移位了抑制层306的厚度）。在替换实现中，抑制层306可被配置成比100μm（例如，约10μm或约30μm）薄，或比300μm（例如，约1mm或约2mm）厚。

由于抑制层306与易弯曲波导304之间存在气隙312，在缺失某外部刺激时波导304内发生对TIR很少的抑制或不发生对TIR的抑制。然而，当易弯曲波导304例如被用户的手指320按压时，易弯曲波导304的一部分在对应于按压点的区域301（由虚线圆标识）中与抑制层306接触。如上所述，在一些实现中，易弯曲波导304与抑制层306之间的接触可导致抑制层306的局部变形。当抑制层306与波导204接触时，波导304内的全内反射在区域301内被抑制，从而导致至少一些辐射从易弯曲波导304逃逸。应当注意，尽管突起314还与波导304接触，但在不向易弯曲波导304施压时突起314与波导304之间的接触区与在易弯曲波导304被按压时抑制层306与易弯曲波导304之间的接触区相比相对较小。因此，当不对易弯曲波导304施压时，突起314与波导304之间的接触区域中可能发生的对TIR的抑制是可忽略的。

如图3中所示，辐射中的一些（由箭头“A”表示）从易弯曲波导304的表面304a逃逸，并且在朝向SIP显示器120的方向上行进。SIP显示器120对从表面304a逃逸的辐射进行成像。作为结果，SIP显示器120可以对连续时刻有区分地感测接触点，这些接触点足够有力以致使易弯曲波导304变形，从而其相对于在不施压时波导304所接触的抑制层306的该部分而言接触抑制层306的相当大部分。即，对于波导304上的“单个”接触点，诸如图3中手指320的接触，与抑制层306与波导304接触的该部分对应的单个接触“区”被SIP显示器102有区分地感测。同样，当两个或更多个对象（例如，用户的两个或更多个手指）并发地接触并按压波导304时，多个接触区被有区分地（且并发地）感测。为方便讨论，贯穿本公开使用术语“接触点”来更一般地指代作出接触的任何区划或区域。

辐射源302可以包括多个发光二极管（LED），这些LED直接靠着波导304的边缘排列，以便使电磁辐射至全内反射的耦合最大化。可改为使用其他电磁辐射源，诸如举例而言，激光二极管。在一些实现中，可以选择源302来发射电磁频谱的红外（IR）部分中的辐射，以使得其发射不干扰可见光。

在一些实现中，易弯曲波导304由支持红外光的TIR的材料形成。另外，当作为显示器的一部分被集成时，易弯曲波导304可以被选择以便对显示器光源所发射的波长范围透明（或至少透光），以便最小化对显示器的干扰。在一些情况下，易弯曲波导304的边缘被抛光，以最大化对来自源302的辐射的TIR耦合。

在一些实现中，波导304可被配置成具有基本上一致的厚度，该厚度在大致0.50mm至2mm的范围内。在为波导304选择适当厚度时，可以考虑以下考虑事项。如果波导304太薄，不足量的辐射可以从源302被耦合至波导304。然而，与在利用一个或多个LED作为光源302的实现相比，在利用一个或多个激光作为光源302的实现中，使用较薄波导304并且仍然具有足够量的辐射耦合至波导304是有可能的。另选地，如果波导304太厚，响应于光触摸的波导变形可能不足以创建足够辐射外耦合以供检测触摸。另外，这可能使设备所显示的输出图像质量降级并且产生过多的触摸视差。

在一些情况下，即使波导304没有被按压到足够开始与抑制层306接触，用手指、指示笔或其他对象接触波导304也可导致对波导304内全内反射的无意抑制。另外，这样的对象可能损坏波导304。因此，在一些实现中，包层305被定位在易弯曲波导304顶部，或是与波导304光学接触、或是包层305与波导304之间带有薄气隙的分层放置。如果包层与波导光学接触，包层305由其折射率低于波导304的材料形成，以维护辐射在波导304内的全内反射。包层305可以降低（例如，防止）无意FTIR的发生，并且用作波导304与接触对象之间的屏障。另外，包层305可以在波导304被诸如手指或指示笔等对象接触时保护波导304不受损害和/或污染。当作为显示器的一部分被集成时，包层305对显示器光源所发射的波长范围也是透明的（或至少是透光的）。例如，包层可以由聚四氟乙烯（PTFE）或丙烯酸树脂膜来形成。

在一些实现中，包层305包括多个层。以上参考图2B所描述的包层可用作包层305。

如图3中所示，由于当顺应波导304接触抑制层306时的FTIR，从顺应波导304逃逸的辐射可因例如抑制层306的表面纹理、抑制层306内的大量散射、或顺应波导304与抑制层306之间的不完全接触而在许多不同方向上行进。例如，从顺应波导304逃逸的一些辐射可以在背离抑制层306的方向上行进，而一些逃逸的辐射可以朝向抑制层306行进。作为结果，一部分逃逸的辐射（如图3中箭头“B”所示）可能永远不能到达SIP显示器120。允许从受抑TIR捕捉足够量的光以产生位置而不管永远不被成像的逃逸辐射的一种方式可以是增加入射至易弯曲波导304的辐射的强度。然而，这一方式可导致操作效率被降低。因此，替换方式可以是将抑制层306配置成收集和/或指引从顺应波导304逃逸并且朝向SIP显示器120入射在抑制层306上的辐射。

在抑制层306被配置成收集和/或指引从顺应波导304逃逸并且入射在层306上的辐射的实现中，抑制层306可被配置成在一定范围的角度内指引逃逸辐射，以使得逃逸辐射被指引朝向基本在顺应波导304与抑制层306之间接触点下方的位置。通过收集辐射并且朝向SIP显示器120的最优区域指引辐射，可以增加操作效率。作为结果，可以使用较不强大的辐射源302，并且可以降低杂散光的问题。此外，通过将更多的FTIR逃逸辐射指引朝向SIP显示器120，可以降低无法感测接触的概率。抑制层可以由具有光指引微结构的工程材料形成，这些光指引微结构在工程材料的表面之内或之上形成，其中这些光指引微结构被配置成在一个或多个特定方向上指引辐射/光。

在一些情况下，在抑制层上或在抑制层内采用的工程制造微结构包括衍射光学元件（DOE）。一般而言，DOE结构是包括数量级为光波长的折射率变化图案并且主要对入射辐射进行衍射的结构。DOE结构可以被数字地生成或被光学地记录成相干光的两个波前之间的干扰图案。在一些实现中，DOE中折射率变化图案可以通过将干扰图案转移至材料来形成，以使得表示干扰图案的强度最小值和最大值的一系列条纹与折射率变化图案相对应。例如，可以使用诸如干扰光刻等技术将干扰图案转移至记录材料。该图案可由折射率或厚度跨一种或多种不同材料的周期性、随机、半随机或数学复杂的确定性变化来表示。在一些情况下，所转移的干扰图案的条纹与光栅结构相对应。取决于设计和构造，DOE结构在一个或多个方向上透射或反射入射辐射。DOE结构可以包括在材料表面上或材料表面内形成的表面散射结构，或通过至少一部分的材料块一体地形成的体散射结构。

DOE结构包括被称为全息光学元件（HOE）的一类结构，全息光学元件可被认为落入两个类别：薄全息结构以及厚（体）全息结构。一般而言，薄全息结构包括与辐射入射在其上的表面基本垂直地变化的折射率变化表面结构或平面，并且一般用于透光地将一定范围的波长指引至一个或多个特定方向。它们可以与诸如镜等单独反射元件结合使用，以用于反射操作。另一方面，厚全息结构可以包括与辐射入射在其上的表面基本平行地延伸的折射率变化平面，并且一般使用布拉格（Bragg）选择性来反射或透射以一个或多个具体入射角入射至一个或多个特定方向的窄范围的波长。

在一些实现中，HOE中折射率变化平面可以通过将干扰图案转移至材料来形成，以使得表示干扰图案的强度最小值和最大值的一系列条纹与折射率变化平面相对应。例如，可以使用诸如干扰光刻等技术将干扰图案转移至记录材料。在一些情况下，所转移的干扰图案的条纹与光栅结构相对应。

光学建模软件包可用于促进对薄或厚全息结构的设计以便在所需方向上指引辐射。Code

是可被用于设计薄或厚全息结构以便在所需方向上引导辐射的这种光学建模软件包的一个示例。其他光学建模软件包也是可用的。

在2010年4月9日提交的待审并共同拥有的题为“Touch Sensing（触摸感测）”的美国专利申请S/N.12/757,693中描述的技术和结构中的任一个可以应用于抑制层306，其整体通过引用通用地结合于此。

对于SIP显示器120中所使用的光电传感器，a-Si:H对红外光（长于～700nm的波长）不敏感，尤其在TFT制造的小厚度（微米的十分之几）特性处。a-Si:H具有1.7eV的带隙。在一些实现中，在光电传感器中可以使用氢化硅锗合金（a-SiGe:H）或微晶硅，以便相比于a-Si:H将光电响应进一步扩展至红外频谱（更长的波长）。例如，具有1.4eV带隙的a-SiGe:H会对850nm的光敏感。然而，a-SiGe:H同样仍然也对可见光敏感。以下描述的技术降低这一材料的可见感光性，同时保持FTIR触摸感测所需的IR感光性。

图4示出示例光电传感器阵列400。光电传感器阵列400可用在SIP显示器120中，光电传感器阵列400包括用于SIP显示器120中每一像素的光电传感器。尽管图4为简便起见示出九个光电传感器，但光电传感器阵列400可以包括多得多的光电传感器。

光电传感器阵列400中的光电传感器基于与TFT工艺兼容的材料，并且对红外（IR）光敏感而对可见光较不敏感或对可见光完全不敏感。TFT工艺通常基于a-Si:H，但也可以基于多晶硅或诸如非晶铟镓锌氧化物（IGZO）等非晶半导体氧化物材料。如图所示，光电传感器阵列400中光电传感器中的每一个是具有顶层410和底层420的双层光电传感器。顶层410吸收可见光（大致400-700nm），并且主要透射波长长于700nm的光。所透射的光入射在底层420上，底层420可以是a-SiGe:H感光层、微晶硅或低带隙非晶半导体氧化物。取决于锗的含量，a-SiGe:H对一些所透射的近红外光敏感，理想地在700至880nm范围。一般而言，a-SiGe:H可优选为微晶硅作为底部光电传感器材料，因为a-SiGe:H具有高得多的吸收系数，由此可使用薄得多的层。这与TFT制造时间和工艺更兼容。但是，在一些实现中可以使用微晶硅。应当理解，在非晶半导体氧化物的情况下，可以通过选择合金成分来设计类似结构，以使得顶层具有大致1.7至1.8eV带隙以吸收可见光而底层具有较低带隙以检测红外光。

图5示出针对带有具有一带隙范围的光敏层的太阳能电池的量子效率对波长，最高为a-Si:H而最低为微晶硅。这两者之间存在具有增加量的锗以及相应较低带隙的层。量子效率是层的光学吸收的良好表示。为实现所公开的图4中示出的双层光电传感器，可以使用具有1.7至1.8eV有效带隙的顶层410。采用这一带隙，大部分可见光将被吸收。

图6示出可在光电传感器阵列400中使用的光电传感器600的示例。如图6中所示，光电传感器600包括光电检测器610（例如，光电二极管或光电二极管设备）。在光电传感器600中，顶层410和底层420是光电检测器610的一部分。在这一示例中，在检测入射在光电检测器610上的光（例如，红外光）时，电流过顶层410和底层420。因此，由于电流过顶层410，顶层410用作对可见光的过滤器，因此顶层410中使用的材料可被设计成将顶层410的影响限制在仅感测红外光。鉴于此，顶层410可被设计成限制在吸收可见光时生成的光电流。

不同于太阳能电池，顶层410可具有非常低的量子效率用于生成光电流。以下概述了用于实现生成小的光电流或不生成光电流的上层可见过滤层410的各种可能性。重要的是注意到，期望不影响光电二极管或光电晶体管的性能，因此层410的导电性应被考虑在内。

在一些实现中，厚的（～0.2-0.5微米）高掺杂p型或n型非晶硅可用于顶层410。层410中硼或磷的高含量将在光电二极管实现中确保低的光生载流子生存期，且由此确保低的可见光光电流。该厚度可被优化以吸收大部分可见光，而不对二极管增加太多串联电阻。

在一些示例中，三元合金可用于顶层410。非晶硅带隙通过添加锗来降低而通过添加氮、氧或碳来增加是公知的。还知道的是，诸如感光性等电特性采用加入合金来显著地降低，尤其在三元合金的情况下。带隙～1.7eV的层可以在这些具有适当比例的锗和氮、氧或碳的三元合金中制备：a-SiGeN、a-SiGeO、或a-SiGeC:H层。a-SiGeN:H可能是合乎需要的，因为在TFT的制造中a-SiGeN:H通常用作栅极电介质。等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统具有从硅烷和氨气中沉积SiN的规定。a-SiGeN:H可以使用硅烷、锗和氨以类似方式通过PECVD形成。这一方法可用在光电晶体管设计的情况中，其中该层的差导电性是不重要的考虑事项。

图7示出可在光电传感器阵列400中使用的光电传感器700的另一示例。如图7中所示，光电传感器700包括光电检测器710（例如，光电二极管或光电二极管设备）。在光电传感器700中，底层420作为光电检测器710的一部分而顶层410不是。顶层410位于光电检测器710自身的外部，并且仅起到被定位在光电检测器710上的光学过滤器“窗口”的作用。在这一示例中，在检测入射在光电检测器710上的光（例如，红外光）时，电流过底层420但不流过顶层410。因此，由于电不流过顶层410，所以用于顶层410的材料可在不那么关注吸收可见光时生成的光电流的情况下进行选择。贯穿本公开所描述的材料中的任一种可用于光电传感器700中的顶层410。

已经描述了多个实现。然而，可以理解，可作出各种修改。

在所公开实现中的一些实现中，基于FTIR的触摸传感器可以与像素中传感器显示器一起使用，并且触摸事件可基于像素内传感器显示器中光电传感器所观察的光的变化而被记录，这些光因为由诸如举例而言手指等适当输入机制作出与波导的接触而从基于FTIR的触摸传感器逃逸的光中得到。可以使用任何类型的基于FTIR的触摸传感器。例如，贯穿本公开所描述的像素内传感器显示器和光电传感器技术可以与基于FTIR的触摸传感器相集成，基于FTIR的触摸传感器在2010年4月9日提交的待审并共同拥有的题为“Touch Sensing（触摸感测）”的美国专利申请S/N.12/757,693中、在2010年4月9日提交的待审并共同拥有的题为“Touch Sensing（触摸感测）”的美国专利申请S/N.12/757,937中、以及在2010年6月1日提交的待审并共同拥有的题为“TouchSensing（触摸感测）”的美国专利申请S/N.12/791,663中描述。美国专利申请S/N.12/757,693、12/757,937以及12/791,663通过引用通用地整体结合于此。

所描述的系统、方法和技术可以以数字电子电路、计算机硬件、固件、软件或这些元件的组合来实现。实现这些技术的设备可包括适当的输入和输出设备，计算机处理器，以及被有形地包含在机器可读存储设备中供可编程处理器执行的计算机程序产品。实现这些技术的过程可由执行指令的程序以便通过操作输入数据和生成输出来执行所需功能的可编程处理器执行。这些技术可在可编程系统上可执行的一个或多个计算机程序中实现，可编程系统包括被耦合以接收来自数据存储系统的数据和指令并且将数据和指令传送至数据存储系统的至少一个可编程处理器、至少一个输入设备、以及至少一个输出设备。每一计算机程序可用高级过程或面向对象编程语言来实现，或如果需要，每一计算机程序可用汇编语言或机器语言来实现；并且在任何情况下，该语言可以是汇编或解释语言。合适的处理器包括，作为示例，通用和专用微处理器两者。一般而言，处理器将接收来自只读存储器或随机存取存储器的指令和数据。适于有形地实现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失存储器，包括，作为示例，半导体存储设备，诸如可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）和闪存设备；磁盘，诸如内置硬盘或可移动盘；磁光盘；以及紧致盘只读存储器（CDROM）。上述各项中的任一个可由特别设计的ASIC（专用集成电路）补充或被结合在ASIC中。

可以理解，可作出各种修改。例如，如果所公开的技术中的各步骤以不同次序来执行和/或如果所公开的系统中的各组件以不同方式被组合和/或由其他组件替换或补充，则可获得其他有用的实现。因此，其他实现在以下权利要求书的范围内。

Claims

1.一种触敏显示设备，包括：

红外光源；

波导，所述波导被配置成接收由所述光源发射的红外光并且使接收到的红外光中的至少一些红外光在所述波导内经历全内反射；

抑制层，所述抑制层相对于所述波导来放置以便在触摸输入被提供时接触所述波导，所述抑制层被配置成导致抑制接收到的红外光在所述波导内在所述抑制层与所述波导之间的接触点处的全内反射，以使得在所述波导内经历全内反射的接收到的红外光中的一些红外光在所述接触点处从所述波导逃逸；以及

像素内传感器显示器，所述像素内传感器显示器被配置成显示通过所述波导和所述抑制层能感知的图像，并且包括各光电传感器，所述各光电传感器具有与所述图像的每一像素对应的光电传感器并且被配置成感测在所述接触点处从所述波导逃逸的所述红外光中的至少一些红外光。

2.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，所述各光电传感器中的每一个对红外光敏感而相比于红外光而言对可见光较不敏感。

3.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，所述各光电传感器中的每一个对红外光敏感而对可见光不敏感。

4.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，所述各光电传感器中的每一个包括：

被配置成吸收可见光并且透射红外光的第一层；以及

被配置成感测透射过第一层的红外光的第二层。

5.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，所述各光电传感器中的每一个包括：

被配置成吸收具有波长在400和700纳米之间的光并且透射具有波长长于700纳米的光的第一层；以及

被配置成感测透射过第一层的具有波长在700和880纳米之间的光的第二层。

6.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，所述各光电传感器中的每一个包括氢化硅锗合金（a-SiGe:H）。

7.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，所述各光电传感器中的每一个包括微晶硅。

8.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，所述各光电传感器中的每一个包括：

具有1.7至1.8eV有效带隙的第一层；以及

被配置成感测透射过第一层的光的第二层。

9.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，所述各光电传感器中的每一个包括：

具有厚度为约0.2至0.5微米并且包括高掺杂p型非晶硅的第一层；以及

被配置成感测透射过第一层的光并且包括氢化硅锗合金（a-SiGe:H）和微晶硅中的至少一者的第二层。

10.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，所述各光电传感器中的每一个包括：

具有厚度为约0.2至0.5微米并且包括高掺杂n型非晶硅的第一层；以及

11.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，所述各光电传感器中的每一个包括：

包括三元合金的第一层；以及

12.如权利要求11所述的触敏显示设备，其特征在于，所述三元合金包括锗氮比（a-SiGeN）。

13.如权利要求11所述的触敏显示设备，其特征在于，所述三元合金包括锗氧比（a-SiGeO）。

14.如权利要求11所述的触敏显示设备，其特征在于，所述三元合金包括锗碳比（a-SiGeC:H）。

15.如权利要求11所述的触敏显示设备，其特征在于，所述三元合金包括a-SiGeN:H层。

16.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，

所述抑制层是易弯曲抑制层，所述易弯曲抑制层相对于所述波导被放置成使得在所述易弯曲抑制层物理变形时所述易弯曲抑制层能够接触所述波导。

所述易弯曲抑制层被配置成在所述易弯曲抑制层物理变形到接触所述波导时，导致抑制接收到的红外光在所述波导内在所述易弯曲抑制层与所述波导之间的接触点处的全内反射，以使得在所述波导内经历全内反射的接收到的红外光中的一些红外光在所述接触点处从所述波导逃逸。

17.如权利要求16所述的触敏显示设备，其特征在于，所述波导与所述像素内传感器显示器接触。

18.如权利要求11所述的触敏显示设备，其特征在于，

所述波导是易弯曲波导；

所述抑制层相对于所述易弯曲波导被放置成使得在所述易弯曲波导物理变形时所述抑制层能够接触所述易弯曲波导。

所述抑制层被配置成在所述易弯曲波导物理变形到接触所述抑制层时，导致抑制接收到的红外光在所述易弯曲波导内在所述抑制层与所述易弯曲波导之间的接触点处的全内反射，以使得在所述易弯曲波导内经历全内反射的接收到的红外光中的一些红外光在所述接触点处从所述易弯曲波导逃逸。

19.如权利要求18所述的触敏显示设备，其特征在于，所述抑制层与所述像素内传感器显示器接触。

20.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，还包括被定位以接收触敏输入并且基于所述触敏输入使所述波导和所述抑制层接触的包层。

21.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，所述光电传感器中的每一个包括光电检测器，所述光电检测器包括被配置成过滤可见光的第一层以及被配置成感测透射过第一层的红外光的第二层，其中在感测红外光时由所述光电检测器所生成的电流经第一层和第二层中的每一者。

22.如权利要求1所述的触敏显示设备，其特征在于，所述光电传感器中的每一个包括被配置成过滤可见光的第一层以及包括被配置成感测透射过第一层的红外光的第二层的光电检测器，其中第一层被定位为所述光电检测器上的窗口，并且在感测红外光时由所述光电检测器所生成的电流经第二层但不流经第一层。