CN104094203A - 用于在光学触敏装置中使用的光学耦合器 - Google Patents

Abstract

一种光学触敏装置能够确定多个同时触摸事件的位置。该光学触敏装置包括通过在光学触敏装置上的表面上的波导而与光学耦合器组件耦合在一起的多个发射器和检测器。耦合器可以侧面耦合或边缘耦合到波导。对于侧面耦合或边缘耦合两种情况，耦合器还可以被配置为将束重新取向以相对于波导而适应发射器和检测器的任何取向。耦合器还可以被配置为将束横向或纵向转换以适应发射器和检测器的任何位置。更一般地，耦合器和触敏装置还被配置为防止进入波导的环境光入射发射器和检测器。每一个发射器产生由检测器接收的光束。触摸事件干扰光束。

Description

用于在光学触敏装置中使用的光学耦合器

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年7月22日提交的美国临时专利申请61／510，989的权益，其整体内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及光学耦合器，特别是在触敏装置中使用的光学耦合器。

背景技术

用于与计算装置交互的触敏显示器变得越来越常见。存在用于实现触敏显示器和其它触敏装置的若干不同的技术。这些技术的示例包括例如电阻式触摸屏、表面声波式触摸屏、电容触摸屏和某些类型的光学触摸屏。

然而，许多这些方法目前受制于缺点。例如，一些技术可能对于小尺寸显示器运作良好，如在许多现代移动电话中所使用的，但是对于更大的屏幕尺寸不能很好地按比例，如在与笔记本或甚至台式计算机一起使用的显示器中。对于需要特殊处理表面或在表面中使用特殊元件的技术，以线性因子N增加表面尺寸意味着特殊处理必须按比例调整以处理N²的更大面积的屏幕，或者需要N²倍的许多特殊元件。这可能导致不可接受的低收益率或过高的成本。

对于某些技术的另一个缺点是它们无法或难以处理多点触摸事件。当多个触摸事件同时发生时多点触摸事件发生。这可在原始检测信号中引入歧义，其然后必须解决。重要的是，歧义必须以迅速和在计算上高效的方式解决。如果太慢，则该技术将不能提供系统所需的触摸采样率。如果计算量太大，则这将抬高该技术的成本和功率消耗。

另一个缺点是这些技术可能不能满足增加的分辨率要求。假设触敏表面是具有长度和宽度尺寸LxW的矩形，进一步假设应用要求触摸点分别以δl和δw的准确性定位，则所要求的有效分辨率是R=L W／(δlδw)。我们将R表示为触摸点的有效数量。随着技术进步，R中的分子通常将增加，并且分母通常将减小，因此导致对于所需触摸分辨率R的总体增加趋势。

因此，存在对改进的触敏系统的需求。

发明内容

一种光学触敏装置能够确定多个同时触摸事件的位置。该光学触敏装置包括通过在光学触敏装置上的表面上的波导而与光学耦合器组件耦合在一起的多个发射器和检测器。耦合器可侧面耦合或边缘耦合到波导。对于侧面耦合或边缘耦合两种情况，耦合器还可被配置为对束进行重新取向以相对于波导而适应发射器和检测器的任何取向。耦合器还可被配置为将束横向或纵向转换以适应发射器和检测器的任何位置。更一般地，耦合器和触敏装置还被配置为防止或者约束进入波导的环境光入射发射器和检测器。每一个发射器产生由检测器接收的光束。触摸事件干扰光束。

附图说明

现在将以示例的方式参照附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1是根据一个实施例的光学触敏装置的示图。

图2是根据一个实施例用于确定触摸事件位置的流程图。

图3A-3B示出对于与光束交互的触摸的受抑TIR机制。

图3C示出与光束增强透射的触摸交互。

图4A-4C是不同形状束占用空间(footprint)的顶视图。

图5A-5B是示出由发射器和检测器覆盖的有源区域的顶视图。

图6A-6B是包括侧面耦合光学耦合器组件的光学触敏装置的侧视图。

图6C-6D是包括侧面耦合光学耦合器组件的光学触敏装置的顶视图。

图7A-7B是包括侧面耦合光学耦合器组件的光学触敏装置的侧视图，所述侧面耦合光学耦合器组件被配置为将光重新定向到发射器中，并且检测器垂直于光学波导而取向。

图8A-8B是包括侧面耦合光学耦合器组件的光学触敏装置的侧视图，所述侧面耦合光学耦合器组件被配置为通过垂直光管将光重新定向到发射器中，并且检测器在与光学波导相对的方向中取向。

图9A-9B是包括边缘耦合光学耦合器组件的光学触敏装置的侧视图。

图9C-9D是包括边缘耦合光学耦合器组件的光学触敏装置的顶视图。

图10A-10B、11A-B和12是包括边缘耦合光学耦合器组件的光学触敏装置的各种实施方式的侧视图，所述边缘耦合光学耦合器组件被配置为将光重新定向到发射器中，并且检测器在与光学波导相对的方向中取向。

图13A-13B、14是包括光学耦合器组件的光学触敏装置的侧视图，所述光学耦合器组件被侧面耦合到光学波导，并且包括一起边缘耦合的多个部分。

具体实施方式

I.引言

A.装置概述

图1是根据一个实施例的光学触敏装置100的示图。光学触敏装置100包括控制器110、发射器／检测器驱动电路120和触敏表面组件130。该触敏表面组件130包括有源区域131，触敏事件在该有源区域131上方被检测。为方便起见，因为有源区域本身可以是诸如光学波导的完全被动结构，所以有源区域131有时可被称为有源表面或表面。组件130还包括沿着有源区域131的外围设置的发射器和检测器。在该示例中，存在标记为Ea-EJ的J个发射器和标记为D1-DK的K个检测器。该装置还包括触摸事件处理器140，其可被实施为控制器110的一部分，或如在图1所示的被分离实施。标准化的API可被用于与触摸事件处理器140的通信，例如在触摸事件处理器140和控制器110之间，或在触摸事件处理器140和连接到触摸事件处理器的其它装置之间的通信。

发射器／检测器驱动电路120用作在控制器110和发射器Ej和检测器Dk之间的接口。发射器产生由检测器接收的光“束”。优选地，由一个发射器产生的光由多于一个的检测器接收，并且每一个检测器接收来自多于一个发射器的光。为方便起见，“束”将指代从一个发射器到一个检测器的光，即使它可能是进入许多检测器的光的大扇形的一部分而不是单个束。从发射器Ej到检测器Dk的束将被称为束jk。图1明确地标记束a1、a2、a3、e1和eK作为示例。在有源区域131内的触摸将干扰某些束，因此改变在检测器Dk处接收的束。关于这些变化的数据被传送到触摸事件处理器140，触摸事件处理器分析数据以确定在表面131上的触摸事件的位置(和时间)。

B.过程概述

图2是根据一个实施例用于确定触摸事件的位置的流程图。将使用图1的装置来描述该过程。过程200被粗略地分成两个阶段，这两个阶段将被称为物理阶段210和处理阶段220。从概念上说，在两个阶段之间的分界线是一组透射系数Tjk。

与如果不存在与光束交互的触摸事件时将被透射的光束相比，透射系数Tjk是从发射器j到检测器k的光束的透射率。

该特定测量的使用纯属示例。其它测量可被使用。具体地，因为我们最关注中断的束，所以诸如(1-Tjk)的逆测量可被使用，因为其通常为0。其它示例包括吸收、衰减、反射或散射的测量。此外，虽然图2被解释为使用Tjk作为物理阶段210和处理阶段220之间的分界线，但是不需要明确地计算Tjk，也不需要在物理阶段210和处理阶段220之间的清楚分界。

返回图2，物理阶段210是根据物理设置确定Tjk的过程。处理阶段220根据Tjk确定触摸事件。在图2中示出的模型在概念上是有用的，因为其将物理设置和底层的物理机制与随后的处理稍微分开。

例如，物理阶段210产生透射系数Tjk。用于触敏表面组件130的许多不同的物理设计是可能的，并且根据最终应用，不同的设计权衡将被考虑。例如，发射器和检测器可更窄或更宽，具有更窄的角度或更宽的角度、各种波长、各种功率、相干与否等。作为另一个示例，不同类型的多路复用可被用于允许来自多个发射器的束由每一个检测器接收。

方框210的内部示出过程210的一个可能实施方式。在该示例中，发射器发射212束到多个检测器。穿过触敏表面的一些束被触敏事件干扰。检测器以多路复用的光学形式接收214来自发射器的束。所接收的束被去复用216以彼此区分单个束jk。然后，每一个单个束jk的透射系数Tjk被确定218。

处理阶段220还可以许多不同方式被实施。候选触摸点、线成像、位置内插、触摸事件模板和多通路(multi-pass)方法是可用作处理阶段220一部分的技术的所有示例。

II.物理设置

触敏装置100可以按照多种不同的方式被实施。下面是设计变型的一些示例。

A.电子装置

相对于电子装置方面，应该注意图1在实质上是示例性和功能性的。来自在图1中的不同框的功能可以被一起实施在相同的组件中。

B.触摸交互

针对与光束的触摸交互，不同的机制可以被使用。一个示例是受抑全内反射(TIR)。在受抑TIR中，光束由全内反射限制到光学波导，并且触摸交互以某些方式干扰全内反射。图3A-3B示出用于与光束交互的触摸的受抑TIR机制。

触摸交互还可以是直接或间接的。在直接交互中，触摸对象(例如手指或手写笔)是与光束交互的对象。例如，手指可具有比空气更高的折射率，因此当手指与波导直接接触时抑制TIR。在间接交互中，触摸对象与中间对象交互，该中间对象与光束交互。例如，手指可以使高折射率对象与波导接触，或可以导致波导或周围材料的折射率的变化。

应该注意，除了触摸的存在，一些类型的触摸交互也可被用于测量接触压力或触摸速度。同样应该注意，替代减少透射，或者除了减少透射以外，一些触摸机制也可以增强透射。图3C示出与光束增强透射的触摸交互。为简单起见，在本说明书的其余部分，触摸机制将被假设为主要是阻挡性质，这意味着从发射器到检测器的束将由干涉触摸事件部分或全部阻挡。这不是必需的，但是便于示出各种概念。

为了方便，触摸交互机制有时可被分类为二进制或模拟。二进制交互是主要具有两种的可能响应作为触摸功能的一种交互。示例包括非阻挡和完全阻挡，或非阻挡和10％+的衰减，或者未受抑和受抑的TIR。模拟交互是具有对于触摸的“灰度”响应的一种交互：非阻挡穿过部分阻挡的灰度到阻挡。

C.发射器、检测器和耦合器

每一个发射器向若干检测器发射光。通常，每一个发射器同时向多于一个的检测器输出光。类似地，每一个检测器接收来自数个不同发射器的光。光束可以是可见光、红外光和／或紫外光。术语“光”意在包括所有的这些波长并且诸如“光学”的术语由此被解释。

用于发射器的光源的示例包括发光二极管(LED)和半导体激光器。IR源也可被使用。光束的调制可以是外部的或内部的。用于检测器的传感器元件的示例包括电荷耦合器件、光电二极管、光敏电阻、光电晶体管和非线性全光探测器。

发射器和检测器还可以包括除了主光源、传感器元件之外的光学和／或电子装置。例如，发射器和检测器可结合或被附接到透镜以传播和／或准直发射或入射光。此外，不同设计的一个或多个光学耦合组件(耦合器)可被用于将发射器和检测器耦合到波导。波导、耦合器和任何干涉光学元件都具有高于空气折射率的相似折射率，从而贯穿每一个束的整个光学路径来促进TIR。这些元件可使用粘接剂物理耦合到一起，所述粘接剂具有与波导和耦合器相似的折射率。可替代地，在沿着光学路径的各个点处，空气间隙可以存在于代替粘接剂的元件之间。

D.光束路径

图4A-4C是不同形状束占用空间的顶视图或侧视图。触敏系统的另一方面是光束和束路径的形状和位置。在图1-2中，光束被示为线。这些线应该被解释为代表束，但是束本身可以是不同形状和占用空间。点发射器和点检测器产生具有线状占用空间的狭窄“笔形”束。点发射器和宽检测器(或反之亦然)产生具有三角占用空间的扇形束。宽发射器和宽检测器产生具有相当恒定宽度的矩形占用空间的“矩形”束。根据占用空间的宽度，透射系数Tjk表现为二进制量或模拟量。当触摸点穿过束时，如果透射系数从一个极限值相当突然地转换到另一个极限值，透射系数是二进制的。例如，如果束非常狭窄，则其被将完全阻挡或完全不阻挡。如果束是宽的，则其可以被部分阻挡为穿过束的触摸点，导致更多的模拟行为。

束可在横向(水平)方向以及在垂直方向两者中具有占用空间。束的横向占用空间可与束的水平占用空间相同或不同。

从发射器发射并且由检测器接收的光的方向和传播可以在旨在覆盖有源区域131的束占用空间的传播或角度中变化。为了塑造束以实现预期的占用空间，透镜可以被附接到发射器和检测器。例如，点发射器和检测器可以与透镜结合使用以便在水平或垂直方向中传播束。

图5A-5B是示出由发射器和检测器覆盖的有源区域的顶视图。如上所述，发射器和检测器沿着有源区域的外围被设置。所有的发射器可以被设置在有源区域的两侧上，例如如图5A中所示的两个相邻垂直侧。同样地，所有的检测器可以被设置在有源区域的另外两侧上。

可替代地，根据如图5B所示的模式，发射器和检测器可以被混合或交错。该模式可以是在每一个检测器之间有一个发射器，或另外更加复杂的设置。

在大多数的实施方式中，虽然可能不存在从每一个发射器到任一检测器的束，每一个发射器和每一个检测器仍将支持多束路径。从来自一个发射器的所有束的占用空间的集合体将被称为发射器覆盖区域。用于所有发射器的覆盖区域可以被集合以得到用于系统的总体覆盖。

可以使用不同的参数来描述单个束的占用空间：空间范围(即宽度)、角度范围(即针对发射器的辐射角、针对检测器的接收角)和占用空间形状。从一个发射器到一个检测器的单个束路径可由发射器的宽度、检测器的宽度和／或角度和限定在发射器和检测器两者之间的束路径的形状来描述。发射器的覆盖区域可以由发射器的宽度、相关检测器的总计宽度和／或角度和限定来自发射器的束路径的总数的形状来描述。应该注意，单个占用空间可以重叠。(发射器的占用空间的总和)／(发射器的覆盖区域)的比率是重叠量的一个测量值。

所有发射器的总体覆盖区域应该覆盖有源区域131的全部。然而，并非有源区域131内的所有点将被平均地覆盖。一些点可以被许多束路径横跨，而其它点可以被少得多的束路径横跨。在有源区域131上方的束路径的分布可以通过计算多少束路径在有源区域内横跨不同(x，y)点来表征。束路径的取向是分布的另一个方面。从大致都在相同方向中运行的三个束路径得到的(x，y)点通常将是比彼此均成60度运行的三个束路径横跨的点更弱的分布。

上述针对发射器的概念同样适用于检测器。检测器的覆盖区域是用于由检测器接收的束的所有占用空间的集合体。

III.光学耦合器组件和相关的硬件

A.一般说明

如上面所介绍，光学触敏装置100包括以光学耦合器组件(或耦合器)光学地耦合到发射器和检测器的平面光学波导。光学触敏装置还可以包括印刷电路板(PCB)、环境光屏蔽、IR透射层、一个或多个空气间隙和相关的环境光吸收表面以及显示模块中的任何一个或多个。

波导延伸经过显示模块的横向边缘。波导可由刚性或柔性材料构造。不管用于构造波导的材料类型如何，波导具有基本上或大致与底表面平行的顶表面。波导的顶表面被取向以接收触摸输入。波导的底表面被光学地耦合到显示模块的横向范围外侧的耦合器。如上所述，光束使用TIR穿过波导。也就是说，光束以大于从法线到波导顶表面和波导底表面的临界角的角度反射出波导顶表面和波导底表面。使用受抑TIR检测的触摸事件被接收在波导顶表面的有源区域131内。

耦合器可以侧面耦合或边缘耦合到波导。对于侧面耦合或边缘耦合两种情况，耦合器可以同样被配置为将束进行重新取向以相对于波导而适应发射器和检测器的任何取向。耦合器可以同样被配置为将束横向地或纵向地转换以适应发射器和检测器的任何位置。耦合器和触敏装置更一般地被配置为防止或约束进入波导的环境光入射发射器和检测器。

可以利用单片材料或者利用若干光学耦合片来形成耦合器。每一个发射器和检测器可以使到耦合器光的其自身耦合器进入和离开波导。可替代地，发射器和／或检测器可共享耦合器。可以利用包括例如玻璃或塑料的任何数量的材料制成耦合器。

发射器和检测器沿着显示模块的外围而被设置在波导底表面的下方。沿着显示模块的外围定位发射器和检测器包括将发射器和检测器定位在显示模块616外部边缘的外侧，使得发射器和检测器侧面地、横向地围绕显示模块。沿着显示模块的外围定位发射器和检测器还包括将发射器和检测器定位在接近显示模块侧边缘处的显示模块616底侧的下面。发射器和检测器被电气耦合到PCB，其可以包括或电气耦合到发射器／检测器驱动电路120。

光学触敏装置被配置为与配置用于显示图像的显示(或屏幕)模块结合操作，然而显示模块不必是光学触敏装置的一部分。为了清楚起见示出显示模块。为了突出耦合器设计的方面，在图6-14中的装置的附图并非按比例示出，并且预期显示模块和有源区域在实践中将比耦合器和相关硬件大得多。

B.侧面耦合的光学耦合器

图6A-6B是包括侧面耦合的光学耦合器组件602的光学触敏装置600的侧视图。在装置600中，检测器和发射器606被取向以在与波导604的顶表面和底表面平行的方向中分别接收和发射光，使得光退出发射器并且以与其横向通过波导604的方向基本上相同的横向方向进入检测器。

1.耦合器结构和通过耦合器的束透射

耦合器602被侧面耦合到波导604的底表面。一般地，侧面耦合件由在耦合器602顶表面上的单个平面耦合表面630组成，所述耦合器602直接地或间接地光学耦合到波导604的底表面。虽然如所示出的，耦合件表面630是耦合器602的一个表面的全部，但是这不是必需的情况。

关于通过耦合器602的束透射，考虑束进入检测器606的情况。靠近耦合件表面630，束经由TIR反射离开波导604的顶表面，并且通过耦合件表面630进入耦合器602。束再次经由TIR朝向检测器606而反射离开耦合器602的底表面。耦合器602的底表面与(包括耦合件表面630的)耦合器的顶表面光学平行，因此同样与波导604的顶表面和底表面平行。取决于耦合器602的构造，光束在退出耦合器602并且进入检测器606之前可以经由TIR在光学耦合器602内反射一次或更多附加次。例如，如果存在耦合件表面630和检测器606之间的基本上横向的距离，这种情况可能发生。

光束通过发射器／检测器(E／D)界面632朝向检测器606退出耦合器602。然后，束在进入检测器之前穿过空气间隙636。在替代实施方式中，不存在空气间隙，并且发射器／检测器606被直接接合或以其它方式固定到E／D界面632。如上所述，退出发射器606的光束将横跨从耦合器602进入波导604中的反向路径进入检测器606的那些束。

一般地，E／D界面632相对于耦合件表面630和／或反射束的耦合器内的任何其它干涉表面成角度。E／D界面632的角度被配置以便从角度(束将以该角度从波导604的顶表面和底表面进行TIR)到角度(束将以该角度分别进入和退出发射器和检测器606)重新取向束。在图6A的示例中，E／D界面632相对于耦合器602的顶表面和底表面成非零角度。在其它实施方式中，可以使用与耦合件表面630平行或垂直的E／D界面632来代替成角度的界面。对于在这种构造中进入／退出检测器／发射器606的束，束反射离开耦合器的至少一个其它表面，所述耦合器相对于E／D界面632成角度。

在图6A中的虚线和随后的附图示出沿着检测器／发射器的垂直程度从不同点进入／退出检测器／发射器606的示例光射线。这些射线通过耦合器602和波导604被追踪，以示出如上所解释的通过光学触敏装置600的由束采取的路径。表示理想化准直束的这些射线在现实光束中将在水平和垂直方向两者中传播若干度。这种束传播是有用的，并且可依赖于这种束传播由光束来增加有源区域131的覆盖。

图6B示出与装置600的其余部分分离的耦合器602。

2.环境光预防／抑制

光学触敏装置600可以包括用于防止环境光进入发射器和检测器606的若干不同机制。一种此类机制是紧靠光学耦合器表面的具有或不具有接近那些表面定位的附加的环境光吸收表面的空气间隙。示例是接近耦合器602的底表面的具有定位在附近的环境光吸收表面614的空气间隙636。

一般地，如果环境光以小于相对于内表面的法线的临界角的角度入射在耦合器内表面上，环境光将通过该表面耦合到耦合器外面。对于入射波导的大多数环境光，这采取环境光通过耦合件表面以小于相对于波导的顶表面和底表面的法线的临界角的角度进入耦合器的形式。在耦合器602中，该环境光通过耦合器602的底表面耦合到耦合器602的外面。该环境光然后穿过空气间隙636，并且由环境光吸收表面614吸收。然而，该原理一般适用于入射在耦合器任何表面上的任何光。

在图6中，虚线光表示进入耦合器602的从而接近以入射发射器／检测器606的环境光。虽然相对于波导604的顶表面成有意义的角度示为进入，但是接近发射器／检测器606的光的入射角在现实中微乎其微。

另一个这种机制是环境光屏蔽610。该屏蔽610被光学地插入在波导604和耦合器602之间，以及在发射器／检测器606之间。光屏蔽610横向延伸到耦合器602的耦合件表面630的边缘，并且可以在实践中被用于至少部分地确定耦合件表面630的表面区域。屏蔽610防止环境光以小于接近发射器／检测器606的临界角的角度进入波导604而入射发射器／检测器606。这包括环境光进入波导604比E／D界面632的开始在横向上更接近于发射器／检测器606。如果波导延伸超过其中附加光屏蔽很少或没有好处的点，则光屏蔽可以停止波导边缘变短。

另一个这种机制是IR透射层612，其在可见光波长范围中阻挡光，同时允许在红外范围中的光穿过。IR透射层612被光学地插入在耦合器602和波导604的底表面之间，并且覆盖耦合件表面630。取决于那些组件的操作波长范围，IR透射层612可以或可以不影响检测器和发射器602的性能。IR透射层612还用于美学功能，由于其不透明，导致在波导604下方的装置600的组件从视图中被隐藏。取决于实施方式，在有源区域和／或显示器616上方的IR透射层612的确切横向范围可以变化。

3.单个和共享的耦合器

图6C-6D是包括侧面耦合的光学耦合器组件的光学触敏装置的顶视图。顶视图示出波导604、显示模块616和有源区域131的相对横向范围。如上所解释的，在该示例中，波导604横向延伸经过并且覆盖显示模块616，耦合器602包括耦合件表面630和发射器检测器606。从上而下，耦合器的一部分是耦合器表面630，另一个部分由光屏蔽610覆盖。

图6C示出其中相对较少的耦合器602(在该情况中是四个)每个在数个发射器和／或检测器606之间共享的实施方式。图6D示出其中每一个发射器和检测器606具有其自身的耦合器602的实施方式。在另一个实施方式中，单个耦合器可以被共享在所有的发射器和检测器之间(未示出)。

4.在耦合器内的束旋转

图7A-7B是包括侧面耦合的光学耦合器组件的光学触敏装置700的侧视图，其中耦合器702被配置为将束重新定向在与波导704的顶表面和底表面垂直取向的发射器／检测器706之间。在耦合器702中，这通过如下配置而实现：配置耦合器702的E／D界面732平行于耦合件表面730并且垂直于通过波导704的光束传播的横向方向。也就是说，在束进入／退出检测器／发射器706时，通过波导704传播的束被旋转大约90度。

耦合器702的至少一个其它表面设置为相对于E／D界面732成非零角度，以便经由TIR将束朝向E／D界面732通过耦合件表面730反射进入耦合器702。该配置的结果是通过波导704横向传播的束被反射离开耦合器702的成角度表面，从而通过E／D界面732垂直传播。

虽然图7A示出E／D界面732平行于耦合件表面730，但是同样可预见使用非平行E／D界面732的其它实施方式来实现束的90度旋转。一般地，束被旋转通过的角度是相对于耦合件表面730的E／D界面732的角度以及将束弹开的耦合器730内的任何干涉表面的角度的函数。

相对于环境光抑制／预防，图7A示出IR透射层712，其类似于IR透射层612起作用。图7A同样示出接近进入发射器／检测器606的环境光。以小于临界角进入波导704的一些环境光通过E／D界面732退出耦合器702。该环境光在E／D界面732和检测器／发射器706之间的空气间隙736内折射。由于该折射，环境光被防止入射检测器／发射器706。虽然为了清楚起见没有示出，但是装置700还可以包含附加的空气间隙和环境光吸收表面。

图7B示出与装置700的其余部分分离的耦合器702。

5.镜面反射和光管

图8A-8B是包括侧面耦合的光学耦合器组件的光学触敏装置的侧视图，该侧面耦合的光学耦合器组件被配置为通过垂直光管将光重新定向到发射器中，并且检测器取向于与光学波导相对的方向。虽然示为将束反转一次，但是在其它实施方式中光可以多于一次按照方向被反转。

束的重定向使得它们按照与它们横向传播的方向相对的方向进行传播，这可以如先前所述的按照与任何其它角度相同的一般方式来实现。可以通过使用多于一个的耦合器表面仅利用TIR来实现180度的束旋转。可替代地，如在耦合器802中所示，这也可以通过用反射性(或镜像或镀银)涂层涂覆耦合器的至少一个表面818来实现。入射在反射性表面818上的束将镜面反射。使用反射表面和镜面反射在耦合器设计中提供更多灵活性。例如，反射表面可以允许相对于等效的完全TIR耦合器结构而显著空间节省。

再次使用朝向检测器806传播的束的示例，束通过耦合器表面830进入耦合器802，并且由与耦合件表面830垂直的耦合器802的反射表面818镜面反射。在一个或多个附加的反射离开附加的反射表面818之后，束经由TIR反射离开与耦合件表面830平行的两个附加的耦合器表面。束然后穿过E／D界面832，并且进入检测器806。再次，进入发射器806的束通过耦合器802传播反向路径。

耦合器802还包括光管(未明确标记)用于以相对少的损耗并且束角度中无变化地来垂直地转换束。在耦合器802中，光管由两个或多个平行反射表面818构成。光按照特定的传播方向镜面反射离开反射表面818。虽然在垂直方向中示出，但是耦合器还可以包括水平光管(未示出)。光管是有用的，因为它们允许紧凑的耦合器设计，其中发射器和检测器远离耦合件表面830定位。例如，如在图8中所示，光管允许发射器和检测器在显示模块816的外边缘的下方被卷起。

在如在图8A中所示的其中发射器和检测器806位于显示模块816的下方的实施方式中，构造耦合器802两个或多个可分离片有利于使装置800易于构造。例如，使用两个或多个片构造耦合器802可以提供显示器模块816的轻松插入和移除。在两片耦合器802之间的边界可以例如位于光管的水平范围和垂直范围之间。

相对于环境光抑制，装置800同样地包括光过滤层812。虽然为了清楚起见没有示出，但是装置800还可以包含一个或多个光屏蔽、气隙和光吸收层。虚线表示进入耦合器802的环境光。在该情况下，环境光传播通过光管并且通过耦合器802的底表面退出。

图8B示出与装置800的其余部分分离的耦合器802。

C.边缘耦合的光学耦合器

图9A-9B是包括边缘耦合的光学耦合器组件902的光学触敏装置900的侧视图。在耦合器902中，检测器和发射器906被取向用于在与波导904的顶表面和底表面平行的方向中分别接收和发射光，使得光按照相对于横向通过波导604的方向旋转九十度的方向退出发射器。

1.耦合器结构和通过耦合器的束透射

耦合器902边缘耦合到波导904的侧边缘表面。一般地，边缘耦合件由在耦合器902的侧边缘表面上的单个平面耦合件表面930组成，该边缘耦合件直接地或间接地光学耦合到波导904的侧边缘。

关于通过耦合器902的束透射，考虑进入检测器906的束的情况。为了将束重新定向朝向检测器906，耦合器902包括在相对于耦合件表面930成非零角度并相对于彼此成非零角度的两个表面。两个表面被垂直结合在波导904的顶表面和底表面之间的点处。因此，从波导904入射的束将不同地从两个表面反射。

第一表面922(或刻面)被涂覆以反射材料。在反射表面922上入射的所有束的子集经由镜面反射朝向检测器906被重新定向。第二表面可以或可以不被涂覆反射材料924。在第二表面924上入射的束经由TIR和／或镜面反射朝向检测器906被重新定向。在一些实例中，束在朝向检测器906被定向之前将反射离开两个表面。

如同其它耦合器，取决于耦合器902的构造，光束在退出耦合器并且进入检测器906之前，可以经由在光学耦合器902内的TIR或镜面反射反射一次或多个附加次。例如，如果耦合件表面930和检测器906之间存在基本垂直的距离，这种情况可能发生。

光束通过发射器／检测器(E／D)界面932朝向检测器906退出耦合器902。然后，束在进入检测器906之前穿过空气间隙936。在替代实施方式中，不存在空气间隙，并且发射器／检测器906被直接接合或以其它方式固定到E／D界面932。如上所述，退出发射器906的光束将横跨通过耦合器602到波导604中的反向路径，到达进入检测器906的那些束。

在装置900中，E／D界面932相对于耦合件表面930成垂直角度。在其它实施方式中，可以使用相对于耦合件表面成另一个角度(或非零角度)的E／D界面来替代。对于以这种构造进入／退出检测器／发射器906的束，束相对于E／D界面成角度地反射离开耦合器的至少一个其它的附加表面。一般地，使用附加反射离开耦合器的表面和／或使用在耦合器表面上的附加反射涂层可以在E／D界面和耦合件表面之间实现任何角度。

图9B示出与装置900其余部分分离的耦合器902。

2.环境光防止／抑制

光学触敏装置900可以包括如前面所述的所有相同的环境光防止／抑制机制。在耦合器902中，虚线光表示进入耦合器902的环境光。这种环境光在E／D界面932之后穿过空气间隙936时被反射远离发射器／检测器906。

3.单个和共享的耦合器

图9C-9D是包括边缘耦合的光学耦合器组件的光学触敏装置的顶视图。顶视图示出波导904、显示模块916和有源区域131的相对横向范围。如上所解释的，波导904通过耦合器902被分界并且覆盖显示模块916。边角区域(未标记)可以是耦合器902的扩展，或者由其它材料制成。

与图6C类似，图9C示出其中相对较少的耦合器902(在该情况中是四个)均被共享在数个发射器和／或检测器906之间的实施方式。与图6D相似，图9D示出其中每一个发射器和检测器都具有其自身耦合器902的实施方式。在另一个实施方式中，单个耦合器可以被共享在所有的发射器和检测器之间(未示出)。

4.在耦合器内的束旋转

图10A-10B、11A-B、12和14是包括边缘耦合的光学耦合器组件的光学触敏装置的各种实施方式的侧视图，所述边缘耦合光学耦合器组件被配置为将光重新定向到发射器中，并且取向器按照与光学波导相对的方向进行取向。如同侧面耦合的耦合器、边缘耦合的耦合器在将束耦合进入发射器和检测器之前可以被配置为将束旋转到任何角度。

在耦合器1002中，束被重新定向180度从而当这些束通过耦合件表面1030退出波导1004时，从与这些束传播的方向相反的方向来传播。除了通过耦合件表面1030重新定向从波导1004入射的束的两个表面1022和1024，仅使用TIR的耦合器1002的两个附加表面而在耦合器1002中实现这种束的重新定向。两个附加表面相对彼此成非零角度，以便入射束经由TIR朝向检测器／发射器1006反射离开一个或多个附加表面。仅使用TIR反射来实现该束重新定向的缺点在于其相对于其它可能耦合器设计可能需要更多空间和的更复杂的耦合器设计。

在光沿着垂直轴穿过耦合器的耦合器的实施方式中，诸如在图10A中的耦合器1002中，或通过如在图8A中所示的垂直光管，耦合器主体可以在与波导顶表面和底表面平行的任何方向被旋转。例如，耦合器1002可旋转离开所示页面的平面。作为该结果，发射器和检测器1006不必在与耦合件表面1030相同的垂直平面中。

图10B示出与在装置1000的其余部分分离的耦合器1002。

图11A和11B示出用于实现诸如180度束重新定向的大角度束重新定向的耦合器1002的一个可能的替代实施方式。在耦合器1102中，与耦合器1002相比，耦合器1002的更多表面被覆盖反射涂层。例如，表面1024和一个或多个附加表面可以被涂覆反射涂层。因此，使用镜面反射而不是TIR在耦合器内重新定向束。因此，可以使用比仅TIR等效耦合器相对更小空间通过更大角度来重新定向束。

图11B示出与在装置1100的其余部分分离的耦合器1102。

5.光管

图12和14示出包含光管的附加耦合器设计。除了存在光管，来自图12的耦合器1202类似于来自图11A和11B的耦合器1102而作用，除了存在垂直光管，来自图14的耦合器1402类似于来自图13A-13B的耦合器1302而作用。如上所述，可以使用以反射涂层1218和1418涂覆耦合器1202和1402的平行表面来实施光管。

6.侧面和边缘耦合的耦合器

图13A-13B、14是包括光学耦合器组件1302的光学触敏装置1300的侧视图，所述光学耦合器组件被侧面耦合到光学波导，并且包括一起边缘耦合的多个部分。侧面耦合到波导1304的第一部分1302a与以上有关图6-8描述的侧面耦合的耦合器相似地起作用。除了第一部分1302a执行波导的功能，边缘耦合到第一部分1302a的第二部分1302b与以上有关图9-12描述的边缘耦合的耦合器相似地起作用。

IV.应用

上述的触敏装置可用在各种应用中。触敏显示器是一类应用。这包括用于平板计算机、笔记本计算机、台式计算机、游戏机、智能电话和其它类型计算装置的显示器。其同样包括用于TV、数字标牌、公共信息、电子白板、电子阅读和其它类型的良好分辨率显示器的显示器。然而，它们可同样用在更小或更低分辨率的显示器上：更简单的蜂窝电话、用户控制(复印机控制、打印机控制、家用电器控制等)。这些触敏装置可同样用在除了显示器之外的应用中。在其上检测到触摸的“表面”可以是无源元件，诸如印刷图像或简单的一些硬表面。该应用可用作用户界面，与轨迹球或鼠标类似。

V.附加的考虑

附图示出本发明的实施例，仅用于说明的目的。本领域的技术人员将从以下讨论容易认识到，在不背离在此讨论的本发明原理的情况下，可利用在此示出的结构和方法替代实施例。

在阅读本公开时，本领域的技术人员将通过在此公开原理的理解附加的替代结构和功能设计。因此，虽然特定实施例和应用已经示出并且描述，但是应该理解，所公开的实施例并不限于在此公开的确切结构和组件。对于本领域那些技术人员明显的各种修改、变化和变型可在这里公开的方法和设备的设置、操作和细节中进行，而不背离在所附权利要求中定义的精神和范围。

Claims (23)

1.一种用于与显示器一起使用的光学触敏装置，所述触敏装置包括：

平面光学波导，其在所述显示器的表面上方延伸，所述波导具有顶表面和底表面；

发射器和检测器，其沿着所述显示器的外围并且在所述波导的所述底表面下方设置；

光学耦合器组件，其沿着所述显示器的所述外围定位，所述光学耦合器组件将由所述发射器产生的光束耦合到所述波导中并且离开所述波导到所述检测器，所述光束经由全内反射即TIR传播经过所述波导，其中在所述波导的所述顶表面上的触摸干扰所述光束，所述触敏装置基于该干扰而确定触摸事件。

2.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件将所述光束耦合到所述波导中并且通过所述波导的所述底表面离开所述波导。

3.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件将所述光束耦合到所述波导中并且通过所述波导的边缘离开所述波导。

4.根据权利要求3所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件包括多个刻面表面，每一个刻面表面以相对于所述波导的所述底表面光学非平行和非垂直的角度取向。

5.根据权利要求4所述的光学触敏装置，其中所述刻面表面中的至少一个包括反射涂层。

6.根据权利要求4所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件被配置为使用TIR而将所述光束的子集耦合在所述波导以及所述发射器和检测器之间。

7.根据权利要求6所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件被配置为使用镜面反射将所述光束的剩余子集耦合在所述波导以及所述发射器和检测器之间。

8.根据权利要求6所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件被配置为使用镜面反射和TIR将所述光束的剩余子集耦合在所述波导以及所述发射器和检测器之间。

9.根据权利要求4所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件被配置为使用镜面反射和TIR将所述光束耦合在所述波导以及所述发射器和检测器之间。

10.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件包括第一部分和第二部分，所述第一部分侧面光学地耦合到所述波导，所述第二部分粗端耦合到所述第一部分，所述第二部分光学地耦合到所述发射器和检测器。

11.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述发射器和检测器取向为在与所述波导的平面基本上垂直的方向中分别发射和接收光束。

12.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件被配置使得穿过所述光学耦合器的光束在它们进入所述光学耦合器的方向旋转大约90度的方向中退出。

13.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述发射器和检测器取向为在与所述波导的平面基本上平行的方向中分别发射和接收光束。

14.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件被配置为使得穿过所述光学耦合器组件的光束在与它们进入所述光学耦合器组件的相同方向中退出。

15.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件被配置为使得穿过所述光学耦合器组件的光束在从它们进入所述光学耦合器组件的方向的大约零度或180度的方向中退出。

16.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件、发射器和检测器位于所述显示器的侧边缘的外侧。

17.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述发射器和检测器位于所述显示器的下方。

18.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件包括光管，所述光管被配置为在与所述波导的平面基本上垂直的方向中将光束重新定向一段距离。

19.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中每一个光管包括一个或多个反射表面。

20.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件包括：

平面耦合表面，其中光束以大于相对于从所述波导的所述底表面起始的法线的临界角通过所述耦合表面耦合到所述波导，使得所述光束在所述波导内全内反射；以及

平面光抑制表面，其中以小于临界角通过耦合表面进入光学耦合器组件的环境光以小于所述临界角入射所述平面光抑制表面，并且退出所述光学耦合器组件。

21.根据权利要求20所述的光学触敏装置，其中所述平面光抑制表面与所述平面耦合表面光学地平行，并且所述光学耦合器组件由基本上具有与波导相同折射率的材料构造。

22.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其包括在所述波导底表面和所述光学耦合器组件之间光学耦合的红外透射层，所述光过滤层被配置为过滤可见环境光。

23.根据权利要求1所述的光学触敏装置，其中所述光学耦合器组件包括：

平面耦合表面，其中光束以大于相对于从所述波导底表面起始的法线的临界角通过所述耦合表面耦合到所述波导，以便所述光束在波导内全内反射；以及

在所述波导底表面和所述光学耦合器组件之间光学耦合的光屏蔽表面，所述光屏蔽被配置为阻止环境光以小于所述临界角度的角度通过波导入射在所述发射器和检测器上。