CN105009046A

CN105009046A - 压力感测触摸系统和方法

Info

Publication number: CN105009046A
Application number: CN201380063433.5A
Authority: CN
Inventors: M·陈; J·高里尔; M-J·李; W·J·米勒; D·A·诺兰; P·F·米开罗斯基
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-10-04
Also published as: US20140210770A1; JP2015530688A; KR20150063546A; TW201435689A; WO2014055809A1; US20170336919A1; CN105009046B; US20190324592A1; EP2904477A1; KR102211188B1; US10228799B2

Abstract

公开了压力感测触摸系统和方法，以用于基于在触摸位置处所施加的压力来感测触摸事件的发生。该触摸系统包括可操作地毗邻以透明片为形式或如形成在透明片中的波导的相应的输入和输出边缘进行设置的光源系统和检测器系统。引起触摸事件的在波导上的触摸位置处的压力使该波导弯曲或挠曲。波导弯曲引起通过波导中的FTIR行进的光的光路的改变。这又使输出光中的光分布改变。光分布中的改变被检测并被用于确定触摸事件是否发生，以及触摸事件的时间演化。输出光中的这些变化可包括由双折射所引起的偏振变化，该双折射由在触摸位置处所施加的压力在波导中引起。公开了各种检测器配置，以用于感测触摸事件的位置和压力。

Description

压力感测触摸系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求2012年10月4日提交的美国临时申请S/N 61/744,877的优先权益，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体结合于此。

领域

本公开涉及触敏设备，且尤其涉及能够基于在触摸位置处所施加的压力来感测在触摸位置处的触摸事件的触摸系统和方法。

背景技术

具有非机械触摸功能的显示器和其它设备(例如，键盘)的市场正迅速增长。作为结果，已开发触摸感测技术以使得显示器和其它设备能够具有触摸功能。触摸感测功能在诸如智能电话、电子书阅读器、膝上型计算机、平板计算机和类似设备之类的移动设备应用中正获得更广泛使用。

已开发触摸屏形式的触摸系统，其响应于各种类型的触摸，诸如单点触摸、多点触摸、刷扫、手指触摸和指示笔触摸。这些系统中的一些依赖于光散射和/或光衰减。尽管有效，但仍然需要用于触摸感测的替代的基于光学的方法，其可基于施加在触摸位置处的压力来感测触摸事件。

概述

本公开涉及触敏设备，且尤其涉及基于在触摸事件的触摸位置处所施加的压力来检测触摸事件的触摸系统。系统和方法的各方面利用当压力被施加于波导时在波导内行进的光的偏转、转向或其它交替(alternation)。光束的交替包括改变光束路径、将光束分成多个光束、在多个光束之间创建干涉、创建多个输出光束、以及改变输入光束的偏振状态。

本公开的各方面包括采用屈光(light-bending)效应和光偏振效应的触摸系统。该触摸系统包括可操作地毗邻以透明片为形式的波导的相应的输入和输出边缘而设置的光源系统和检测器系统。该波导还可包括透明片的仅一部分，例如，毗邻该透明片的上表面的离子交换的或薄的波导层。引起触摸事件的在波导上的触摸位置处的压力使该波导弯曲或挠曲。波导弯曲引起在该波导中行进的FTIR光的光路的改变。这又使输出光中的光分布改变。光分布中的改变被检测并被用于确定触摸事件是否发生以及触摸事件的时间演化。这些变化可包括由双折射所引起的偏振变化，该双折射是由在触摸位置处所施加的压力在波导中引起的。

本公开的各方面包括各种检测器配置，所述配置被公开以用于诸如通过检测越过检测器的条纹的运动来感测触摸事件的位置和压力。而且，在不同检测器处检测所输出的光可被用于测量对于给定的触摸事件的检测器信号之间的时间差，并接着使用该时间差以确定该触摸事件的触摸位置。公开了确定在触摸事件处的压力的量以及所施加的压力的时间演化的各种检测器配置和检测器信号处理技术。

将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的实施例可认识到。

权利要求书以及摘要纳入并作为下面阐述的详细说明的组成部分。

本文中所引用的所有出版物、文章、专利、已公开专利申请等通过引用整体结合于此，包括美国专利申请公开No.2011/0122091以及美国临时专利申请No.61/564,003、61/564,024和61/640,605。

附图说明

图1A是根据本公开的示例触摸系统的正视图；

图1B是示出了可操作地关于波导的相应的相对边缘设置的多个光源系统和多个检测器系统的示例的图1A的触摸系统的一部分的正视图；

图2A和2B是包括多个光源元件的示例光源(图2A)和包括多个检测器元件的示例检测器(图2B)的自顶向下视图；

图3是图1A的触摸系统的示例实施例的截面图；

图4A到4D是图1A的触摸系统的不同示例实施例的截面图；

图5A到5C是针对波导的不同的弯曲量在波导的输出边缘处的输出光的近场图像，其中图5A示出了没有弯曲的情况；

图6A和6B是示出了使波导弯曲如何使在波导中行进的光穿过较长的光路的波导的示意性侧视图；

图6C和6D是示出了在未弯曲的波导中以无反弹行进(图6A)的准直光如何能以其它方式在弯曲的波导中以反弹行进(图6B)的波导的输入边缘部分的特写图；

图6E是示出了来自弯曲的波导的输出光如何离开输出边缘并具有非均匀(非同质)分布的波导的输出边缘部分的特写图；

图6F示出了在波导的输出边缘处的输出光的强度分布并且示出了随着波导挠曲(弯曲)的量的增加在输出光的强度分布中发生的变化；

图6G示出了在示例波导的输出边缘处所拍摄的输出光104-O的一系列图像，其中这些图像示出了随着增加的波导弯曲在强度分布中的变化以及在强度图案中的移动。

图7A是其中手指准备在中心触摸位置创建触摸事件TE的示例波导的示意性截面图；

图7B示出了具有由手指在上表面上的波导上向下施加压力藉此使该波导挠曲所引起的触摸事件的图7A的波导；

图7C类似于图7B，除了触摸事件在更接近于输出边缘的触摸位置处发生；

图8是对于中心位置(正方形)和边缘位置(菱形)在给定的输出边缘位置处的输出光的所测得的功率P_M(以微瓦、μW为单位)对所施加的触摸的力F_T(以牛顿、N为单位)的曲线图，其示出了相比对于中心位置对于边缘位置功率的变化如何较少；

图9A和图9B是在示例挠曲的波导的输出边缘处所发出的输出光的模拟的和测量的远场图像，示出了输出光的两个方向(位置)；

图9C是对于如由布置在光斑的位置处的光检测器所确定的两个光方向(位置)的功率的％对玻璃变形(mm)的曲线图。

图10是当将1牛顿的瞬时力施加到由具有1.2mm的厚度TH的玻璃制成的示例波导时的两个远场光斑之一的电压对时间的曲线图，其中电压表示所测得的功率；

图11A和11B是示出了对于不同量的波导弯曲的模拟光线追迹，并且示出了其中检测器被布置在下表面(图11B)以及上表面和下表面两者(图11B)上的实施例的示例波导的输出边缘部分的特写截面图；

图12A到12C是示出了对于其中输入光部分地填充波导(图12A)、大部分地填充波导(图12B)以及基本上完全地填充波导(图12C)的示例的模拟光线的示例波导的示意图；

图13类似于图11B并且示出了其中两个检测器被布置以使得检测器信号是异相的示例检测器配置；

图14示出了通过对输出光的电场而不是强度进行求和而获得的输出光束的一系列模拟图像；

图15是包括提高导波能力的上包覆层和下包覆层的示例波导，并且还示出了与包覆的波导的下表面相接的显示单元的示意性部分分解侧视图；

图16是依赖偏振效应以用于触摸感测的触摸系统10的示例实施例的示意图；

图17是示出了两个检测器如何能被用于提供增强的信号检测和测量灵敏度的来自两个检测器(det A、det B)的检测器信号SD的曲线图；

图18A-18E是示出了归因于在触摸位置处被施加至波导的所引起的应力双折射而导致所检测的输出光的量如何随波导的增加的弯曲而改变的如由图16的触摸系统所检测的输出光的图像；

图19A-19C是图16的触摸系统的示例实施例的示意性侧视图，其中图19B和19C示出了示例离子交换的波导；

图20是类似于图3和图4A中所示的，但其中波导区域被形成为毗邻玻璃衬底的上表面的薄层的示意性侧视图；

图21标绘了对于图20的示例触摸系统而言对于中心和边缘触摸位置的所收集的功率(纳瓦)对所施加的力(牛顿)；

图22和23是其中在玻璃片上形成通道波导区域的触摸系统10的示例配置的自顶向下示意图；

图24是示出了在对于不同的触摸位置的检测器信号之间如何存在可测量的时滞藉此提供用于确定触摸事件位置的手段的对于两个不同的触摸事件位置的检测器信号振幅对时间的曲线图；

图25A是示出了与显示单元相接的本文中公开的触摸系统的示例压力感测显示系统的立视图；

图25B是图16A的压力感测显示系统的截面图；

图26A是包括毗邻检测器设置的倾斜的衰减器的示例触摸系统的检测器端的截面图；

图26B是示出了示例滤波器衰减分布的归一化的透射T对衰减滤波器高度的示例曲线图；

图27A到27D是对于用于检测输出信号中的条纹以确定被施加在触摸位置处的压力的量的四种不同的检测器配置的检测器信号对帧数(#)的曲线图；以及

图28A到28C向本文中所描述的基于偏振的实施例提供补充信息。

为了参考起见在某些附图中显示了笛卡尔坐标，但是笛卡尔坐标不旨在关于方向或取向的限制。

详细描述

本公开可通过下面的详细说明、附图、示例和权利要求书以及之前和之后的描述更容易地理解。然而，在公开和描述所提出的组成、制品、设备、和/或方法之前，应当理解本公开不限于所披露的特定组成、制品、设备和方法，除非另有规定，否则它们当然可以变化。也要理解本文中所使用的术语仅为了描述特定的方面而不是限制性的。

本公开的以下描述在其当前已知的实施例中作为本公开的允许教义来提供。为此，相关领域的普通技术人员将认识和理解可对本文中描述的本公开的各个方面作出许多改变，同时仍获得本公开的有益结果。还应当清楚的是，通过选择本公开的某些特征而不采用其它特征也可获得本公开期望的益处。因此，本领域普通技术人员将能认识到，在某些情况下，可能需要、甚至是期望对本公开进行的许多修改和改变，这些修改和改变也构成本公开的一部分。因此，提供以下描述用来说明本公开的原理而不是用来进行限制。

公开了可用于所公开的方法和组成、可结合所公开的方法和组成而使用、可用于所公开的方法和组成的制备、或者是所公开的方法和组成的实施例的材料、化合物、组成、以及组分。本文中披露了这些和其它材料，并且要理解当披露这些材料的组合、子集和相互作用、组等时，尽管可能为明确地披露这些化合物的每个个别和全体组合置换的特别指向，然而每种情形在本文中是特别考虑并描述的。

因此，如果披露了一类替代物A、B和C并披露了一类替代物D、E和F以及组合实施例的示例A-D，则可单独地和共同地构想每一个。因此，在此示例中，从A、B和/或C；D、E和/或F以及示例组合A-D的公开内容，可具体地构想组合A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E以及C-F中的每一个，而且应当认为上述组合中的每一个也被披露。同样，这些内容的组合的任意子集也被具体地构想和披露。因此，从A、B和/或C，D、E和/或F以及示例性组合A-D的公开内容，例如A-E、B-F和C-E的子组被具体地构想到并应当被认为被披露。这种理念适用于本公开的所有方面，包括但不限于作出和使用所公开的成分的方法中的任意成分和步骤。由此，如果存在可被执行的众多附加步骤，则可理解，这些附加步骤中的每个步骤可通过所披露方法的特定实施例或这些实施例的组合来执行，并且每个这样的组合被特别地考虑并且应当被认为是已披露的。

压力感测触摸系统

图1A是根据本公开的示例压力感测触摸系统(“触摸系统”)10的示意图。触摸系统10可例如连同蜂窝电话、键盘、触摸屏和诸如能够无线通信的其它电子设备、音乐播放器、笔记本计算机、移动设备、游戏控制器、计算机“鼠标”、电子书阅读器等等的显示器一起用于各种消费电子物品。

图1A的示例触摸系统10包括大致平面的导光组件(“组件”)20，下面描述该导光组件20的细节。组件20包括波导22，其中至少一个光源100和至少一个检测器200毗邻该波导的周界P进行设置。至少一个光源100和至少一个检测器200通过如以下更详细地解释的波导进行光耦合。

通过示例的方式，在组件20中示出一个光源100和一个检测器200。周界P包括毗邻光源100的边缘(末端)23以及毗邻检测器200的边缘(末端)24。周界P可具有任何合理的形状并且通过示例的方式被示为矩形。组件20可以是大致矩形的并且在该示例中，所示的波导22具有在X方向上的尺寸(长度)LX和在Y方向上的长度LY。

图1B示出了系统10的示例实施例，其中使用多个光源100(或者等效地，可使用具有多个光源元件的一光源)，并且使用多个检测器200(或者等效地，具有多个检测器元件的一检测器。当需要确定一个或多个触摸事件TE的位置时，系统10的该配置是尤其有用的。另外，可在组件中可操作地设置一个或多个光源100和一个或多个检测器200以确保整个(或基本上整个)组件可被用于感测触摸事件的压力。这可包括，例如，循环激活光源100和/或检测器200的组(例如，多对)以确保覆盖针对触摸事件的所有可能的位置。在示例中，可以以远快于触摸事件的典型持续时间的速率进行该循环，该触摸事件施加压力以引出来自触摸系统10的响应。

示例检测器200包括光电二极管以及各种类型的光电传感器。示例光源100包括LED、激光二极管、基于光纤的激光器、扩展的光源等。

参见图2A，光源100可包括可操作地安装在柔性电路板(“柔性电路”)110上的一个或多个光源元件102，而柔性电路板110又被安装至毗邻透明片20的边缘26而布置的印刷电路板(PCB)112。在此处的讨论中，光源100因此可意味着具有一个或多个光源元件102的光源。同样地，参见图2B，检测器200可包括具有一个多个检测器元件202的检测器。输出光104AB被示为入射在检测器元件202之一上。在示例中，检测器200可以是像素化检测器，其中检测器元件202构成检测器像素。示例像素化检测器200是CMOS或CCD阵列检测器。

在本公开的示例实施例中，压力的量(例如，压力的相对量)在与触摸事件TE相关联的触摸位置TL处被施加至平面波导。本公开的多方面针对感测触摸事件TE的发生，而其它方面包括确定触摸事件的触摸位置TL的附加功能。本公开的其它方面包括感测在触摸事件TE处所施加的压力的量。

在示例中，触摸系统10包括可选的盖40，该盖40用于覆盖光源100和200以使得观察者(参见，例如，观察者500，图15B)从组件20上方看不到它们。在示例中，盖40用作边框的角色。在示例中，盖40可以是任何类型的遮光构件、膜、涂料、玻璃、部件、材料、纹理、结构等，用于遮挡至少可见光并被配置成阻止触摸系统10的某个部分被使用者看到，或用于阻挡一个光波长而透射另一个。在图3中，为了便于说明，仅示出光源100、检测器200和波导22。

在示例实施例中，盖40可相对于组件20位于任何地方，该盖40用于阻挡观察者看见光源100或检测器200。盖40不必是连续的且可由多个部分(section)或多个段(segment)制成。进一步，盖40可被用于屏蔽检测器200免于接收除了来自光源100的光104之外的光，诸如用于抑制太阳光。因此，在示例中，盖可对一个波长(例如，可见光波长)为基本不透明的，且对另一波长(例如，对于来自光源100的光104的红外波长)是基本透明的。

在示例中，盖40是膜的形式，该膜至少在可见光波长处为不透明的且可选地在IR波长处透光。用于盖40的示例膜包括黑涂料，用于吸收在包括可见光和IR波长的很宽的波长范围上的光。

继续参见图1，触摸系统10可包括可操作地连接(例如，经由总线301)至一个或多个光源100以及一个或多个检测器200的控制器300。控制器300被配置成控制触摸系统10的操作。在某些实施例中，控制器300包括全部可操作地布置的处理器302、设备驱动器304和接口电路306。控制器经由光源信号SL来控制光源100，并且还接收并处理来自检测器200的检测器信号SD。

在示例实施例中，光源100是通过控制器300的处理器302经由光源控制信号SL进行波长调制的。这通过以选择方式改变光束104的光路OPn来引起输出光束104-O的变化。该选择改变将自身显示在检测器信号SD中，该检测器信号SD由控制器300进行处理(过滤)以产生激光调制频率。这可例如通过锁相放大器来完成。

在示例中，控制器300包括执行存储在固件和/或软件(未示出)中的指令的微控制器或计算机。控制器300是可编程的以执行本文中所描述的功能，包括触摸系统的操作以及测量例如压力的相对量以及触摸事件或多个触摸事件的位置和多重压力所需的任何信号处理。如本文中所使用的，术语计算机不仅仅限于在本领域被称为计算机的这些集成电路，而宽泛地指代计算机、处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路以及其它可编程电路，且这些术语在本文中可互换地使用。

软件可实现或有助于执行本文中所公开的压力感测功能和操作。软件可被可操作地安装在控制器300或处理器302中。软件功能可涉及编程(包括可执行代码)且这些功能可被用于实现本文中所公开的方法。可由通用计算机或下文描述的处理器单元执行这种软件代码。

在操作中，该代码以及可能地相关联的数据记录被存储在通用计算机平台内、在处理器单元内、或在本地存储器中。然而，在其它时候，该软件可被存储在其它位置处和/或被运输以加载到合适的通用计算机系统中。因此，本文中所讨论的实施例涉及由至少一个机器可读介质携带的一个或多个代码模块的形式的一个或多个软件产品。由计算机系统的处理器或处理器单元执行这种代码使得平台能够基本上以在本文中所讨论和示出的实施例中执行的方式来实现目录和/或软件下载功能。

如下文所讨论的计算机和/或处理器可各自采用计算机可读介质或机器可读介质，其指代参与向处理器提供指令以供执行的任何介质，包括例如，确定与触摸事件相关联的压力的量，如以下所解释的。以下所讨论的任何存储器构成计算机可读介质。这样的介质可采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括，例如，光盘或磁盘，诸如以上所讨论的作为服务器平台之一操作的任何计算机中的存储设备中的任何一个。易失性介质包括动态存储器，诸如这样的计算机平台的主存储器。物理传输介质包括同轴电缆、铜导线和光纤，包括含计算机系统内的总线的各类导线。

计算机可读介质的常见形式因此包括，例如：软盘、软磁盘、硬盘、磁带，任何其它磁介质、CD-ROM、DVD、任何其它光介质、不常使用的介质诸如穿孔卡片、纸带、具有孔图案的任何其它物理介质、RAM、PROM、以及EPROM、FLASH-EPROM、任何其它存储器芯片或磁带盒、传播数据或指令的载波、传播这样的载波的电缆或链路、或计算机可从中读取编程代码和/或数据的任何其它介质。可在将一个或多个指令的一个或多个序列运送至处理器以供执行中涉及这些形式的计算机可读介质中的许多。

图3是示例系统10的截面图。系统10具有波导22，在示例中，该波导22是薄的透明片。波导22具有输入边缘23和输出边缘24。光源100毗邻输入边缘23进行布置而检测器毗邻输出边缘24进行布置。波导22具有主体25，该主体25对由光源100发出的光104的波长λ(“操作波长”)基本上透明。波导22具有上表面26和下表面27，它们被厚度TH分开。波导22具有中心平面PC，该中心平面PC平行于上表面和下表面并且在两者之间是居中的(midway)。光源100和检测器200沿着在中心平面AC中照亮的中心轴AC摆放。

在其它实施例中，除了玻璃之外的材料可被用于波导22，诸如在操作波长λ处是基本上透明的聚合物、塑料和其它非玻璃材料。

系统10包括可操作地布置在光源100和输入边缘23之间的输入光学系统123。输入光学系统123被配置成接收(相干)光104并将其引导至波导22中。系统10还包括可操作地布置在光源100和输出边缘24之间的输出光学系统124。输出光学系统124被配置成接收输出光104-O并引导其或允许其传到检测器200。在示例中，输出光学系统124包括如所示的光圈(光阑)。输出光学系统124还可包括其它光引导或光调节元件或部件，诸如透镜元件、镜子等。

光源100和输入光学系统123的组合限定了光源系统103，而检测器200和输出光学系统124的组合限定了检测器系统204。光源系统103、检测器系统204和波导22构成触摸屏组件20。

图3示出了一示例实施例，其中检测器系统204是孔径受限的以使得检测器200仅检测离开输出边缘24的光104-O(即，输出光104-O)的有限部分。与收集基本上所有的光并获得将不会大幅改变的集成测量相反，这允许检测器200检测输出光104-O中的强度的变化中的局部改变。这是因为波导22的扰动通常导致波导内的光的重新分布。

为了有效地检测光104的重新分布，孔径124的尺寸需要小于波导20的厚度TH。这可通过连同大于波导厚度的检测器一起使用孔径124，或者通过仅使用具有小于波导厚度的尺寸的检测器来实现。孔径124可以是圆形的，但可以是矩形的以优化功率收集效率。

在如上所讨论的其它实施例中，检测器200是像素化的以使得输出光104-O的大部分的测量包括能够感测干涉图案(即，亮纹和暗纹)中的光的分布以使得当触摸事件TE发生时，可检测图案中的变化。因此，在一个示例实施例中，输出边缘24的一个或多个部分可被成像到检测器200上，其包括将检测器200置于正面对输出边缘的不同位置处的情况。检测器200还可具有光感测表面，该光感测表面具有小于波导厚度TH的尺寸。

配置系统10以使得光束104在与光线104-n相关联的多条光路OPn上通过波导22从输入边缘23行进到输出边缘24，其中n是整数并等于或大于2。在图3中，通过例示的方式，光路OPn中的两个是由光线104-n中的两条光线104-1和104-2表示。在示例中，不同的光路的数量n对应于当在输入和输出边缘23和24之间行进时经历不同数量的全内反射(“反弹”)的光线的数量n。为了便于说明，光线104-n被用于表示不同的TIR导模，并且可以可互换地使用术语“光线”和“导模”。

本领域技术人员将理解，由n条光线104-n所表示的导模能够光学干涉。为此，输出光学系统124被配置成接收离开输出边缘24的n条光线104-n并且组合这些光线(导模)以使得它们干涉，藉此形成输出光束104-O。输出光束104-O被引导至用于检测输出光束的检测器200。

从电磁观点，当光104被发射到波导22中时，总的电场E可由下式表示：

E＝ΣE_nexp(-iβ_nz) (1)

其中E_n和β_n分别是模式n的电场分布和传播常数。光强度由下式给出：

1 &Proportional; E_{1}^{2} + E_{2}^{2} + . . . + E_{1} E_{2} \cos ({Δβ}_{12} z) + E_{1} E_{3} \cos ({Δβ}_{13} z) + . . . E_{m} E_{n} \cos ({Δβ}_{mn} z) - - - (2)

其中Δβ是模式n和m之间的传播常数差。

归因于不同模式之中的相位差，方程(2)示出了干涉将在波导22的输出边缘24处出现。相位差对于对波导22的外部扰动(诸如弯曲、压力等)非常敏感。该效应可被用在系统10中，以使得力敏或压敏的触摸应用成为可能。

在某些实施例中，光线104-n中的至少一条表示波导22的最低阶模式，而其它光线表示较高阶模式。波导22的最低阶模式沿着中心轴A1直接行进而没有经历任何反弹。因此，输入和输出光学系统123和124还可被称为模式调节器，因为它们分别被用于激发导模并检测经干涉的导模。触摸屏组件(“组件”)20的配置限定了其中光线104-n在前述不同的光路OPn上行进并干涉的干涉仪。光路OPn在波导22的主体25内重叠。

波导22通常可由可被形成为薄平面薄片的任何合适的透明材料(诸如塑料、丙烯酸、玻璃等)制成，并且该材料支持光束104-n的透射而没有因散射或吸收而导致很大的损耗。在示例实施例中，波导厚度TH使得当在触摸位置TL处的上表面22处局部地施加压力时该波导可挠曲而没有折断。对于厚度TH的示例性范围是从0.3mm到1.5mm。可与触摸系统10的特定应用一致地采用其它厚度。在示例中，仅顶部波导22A具有允许其挠曲的厚度，而底部波导22B是足够厚的或以其它方式是刚性的以使即使当顶部波导经受因触摸事件TE而导致的挠曲力时其也保持其大致平面的配置。

在示例实施例中，波导20可由化学强化玻璃(诸如碱石灰类型玻璃)形成。示例玻璃是通过离子交换而硬化的碱铝硅酸盐玻璃。这些类型的玻璃可包括Na₂O(氧化钠)、CaO(石灰)和SiO₂(二氧化硅)，但还可包括诸如MgO、Li₂O、K₂O、ZnO和ZrO₂之类的氧化物。一旦通过离子交换进行硬化，这些类型的玻璃呈现出使它们对于触摸屏应用以及其它应用(例如，用作盖玻璃)是合乎需要的某些特性。

关于适合于用作波导片的碱石灰类型玻璃的配方或生产或以上两者的进一步细节可在2007年7月31日提交的美国专利申请No.11/888,213、2009年8月7日提交的美国专利申请No.12/537,393、2009年8月21日提交的美国专利申请No.12/545,475以及2009年2月25日提交的美国专利申请No.12/392,577中的一个或多个中找到。用于在本文中使用的示例性玻璃是来自纽约州康宁市的康宁公司的玻璃。而且，诸如低铁玻璃或其它低铁离子交换玻璃之类的示例性玻璃对红外操作波长λ透明。

图4A是基于图3A的组件的组件20的示例实施例，但其中光源系统103包括单模光纤作为输入光学系统123，并且其中检测器系统204包括单模或多模光纤作为输出光学系统124。单模或多模光纤124用作允许进行输出光104-O的局部化测量的孔径受限的光学系统。在替代实施例中，多个光纤124可被用于比较在输出边缘24处的不同位置处的强度。这包括例如利用光纤束。

图4B是基于图3A的组件的组件20的另一示例实施例，但其中光源系统103包括光栅作为输入光学系统123，并且其中检测器系统204包括光栅作为输出光学系统124。如上所讨论的，可毗邻检测器200使用一孔径以使得检测过程为孔径受限的并因此被引导至局部强度测量。

图4C是类似于图4B的组件的组件20的另一示例实施例，但其中光源系统103包括被布置在下表面27上的棱镜作为输入光学系统123的部件，并且其中检测器系统204包括同样布置在下表面27上的棱镜作为输出光学系统124的部件。如上所讨论的，可毗邻检测器200使用一孔径以使得检测过程为孔径受限的并因此被引导至局部强度测量。

图4D是类似于图4C的组件的组件20的另一示例实施例，但其中输入和输出边缘23和24是成角度的以限定用于内反射光104的TIR表面。来自光源100的光104在一系列的角度上在下表面27处进入波导22，并且在成角的边缘23处被内反射。内反射将光104引导至在光路OPn上进行引导。在检测器侧处，作为光线104-n行进的光104从成角的边缘24反射并且被引导至在下表面27处离开波导22，其中在检测器200处检测输出光104-O。成角的边缘23因此限定输入光学系统123的部件并且成角的边缘24限定输出光学系统124的部件。如上所讨论的，可毗邻检测器200使用一孔径以使得检测过程为孔径受限的并因此被引导至局部强度测量。

触摸屏操作

在其中没有触摸事件TE发生在波导22的上表面26上的系统10的一般操作中，与不同的导模相关联的光路OPn保持不变以使得在检测器末端处离开波导的输出光104-O在时间上保持恒定。图5A是当没有触摸事件TE发生时来自波导22的输出边缘24处的输出光104-O的近场干涉图案的照片。

图5B是对于与图5A相关联的系统10但在利用适度量的压力施加触摸事件TE的情况下的来自输出光104-O的近场干涉图案的照片。可以看出，近场干涉图案的光分布已经从图5A的无触摸事件条件发生了改变。图5C是对于与图5A和5B相关联的系统10但利用强压力施加触摸事件TE的来自输出光104-O的近场干涉图案的照片。可以看出，近场干涉图案的光分布已经从图5B的适度压力触摸事件条件中改变。

输出光104-O中的光分布的变化出现了，是因为来自触摸事件TE的压力使波导22弯曲，这引起了光线104-n的相对光程差的变化。所述不同的波导弯曲不同地影响每一个光路OPn，从而使得现有的光程差的变化出现了并产生了改变的一组光路OP’n。输出光104-O因此限定多模干涉图案，并且当光路OPn之间的差异改变时该图案发生改变。

图6A是波导22的截面图，其中光104在第一光路OP1(最低阶模式)上行进，即沿着中心轴AC直接通过波导行进。事实上，在此情况中，第一光路OP1和中心轴AC是相同的。

图6B是如图6A中的相同的波导22，但其中上表面26经受在中间的触摸事件位置TL处的使波导弯曲的触摸事件TE。假定波导22在没有触摸事件TE发生时具有长度L。当触摸事件TE在触摸位置TL处发生时，波导22以相对于中心轴AC测量的曲率R的半径弯曲。

与图6B的挠曲的波导相关联的新的光路OP1’长于图6A的未挠曲的顶部波导的光路OP1。假定波导的曲率具有曲率半径R＝r+δr，并且该曲率对着(subtend)一角度θ，则如果θ是相对较小的角(即，R相对较大，这在当前实例中是合理的假设)，则可容易地示出从OPA到OPA’的光路中的变化近似是δr。

因此，归因于由于触摸事件引起的波导22的弯曲，光路OP1和OP1’之间的光程差是约δr。如果δr是例如约2.5微米，则其将大致等于800微米左右的波长的红外光的两个波长。该光程差的量将使自身显示为输出光104-O的变化，例如，归因于在所得的干涉图案的被检测部分中的位移条纹的在输出边缘24处的给定点处的光功率的量的变化。这是在图5A到5C中所示的。除了最低阶光路之外的光路中的变化以类似的方式改变。

模式分解以及伴随的多模干涉是用于描述光104在波导20中获得重新分布的方式的一种方式。在该描述中，输出光104-O可被认为是具有归因于变化的干涉效应的变化的图案。然而，用于表示光104的重新分布的另一种方式是使用基于光线追迹的几何模型。实际上，在波导厚度TH处于1mm的量级的情况下，可忽略衍射效应。因此在其它实施例中，输出光104-O的不同部分(光线)被波导20的挠曲重新定向，并且该重新定向改变了输出光的特征，例如，强度图案、强度质心的位置、大致单一的输出光束到多个输出光束的划分等。

当将基本上准直的光104注入到平面波导20(诸如透明玻璃片(参见，例如，图6C))中时，光行进通过那里而没有被反射。如由波导20的输出边缘24处的输出光104-O所限定的所得的能量分布具有基本上均匀的分布。当引入某种弯曲时(见图6D)，光104的一部分从上表面和下表面26和27被反射出。这修改了输出光104-O的能量分布。

图6F示出了如针对不同量的波导弯曲使用光线追迹模型所确定的示例图像输出光104-O。对于没有任何弯曲的波导20，能量分布基本上均匀地开始。能量分布随后变得不对称并且在弯曲的量接近于一半波导厚度时再次基本上均匀地结束。通过将孔径124放置在输出处，可预期获得与波导弯曲振幅有关的准正弦检测器信号SD。

图6F中所示的结果不包括任何干涉效应，因为传播的所有光线在强度上进行累加。图14示出了类似于图6F的图像的图像，但这些图像是相同的模型的结果，除了光线在电场上进行累加。如可见，归因于在以两个不同角度离开波导20的输出边缘24的两个光束之间的干涉效应，较高频率条纹出现。

可以两种不同的模式操作系统10。在第一种模式中，以相对于波导20的某种角度注入近准直光104，导致创建非常高频率的条纹，其在图6G和5B中可见。通过将孔径214选择成显著大于这些条纹的周期，检测过程变得对这些条纹不敏感并且仅对由图6F所预测的包络的运动敏感。在第二种模式中，近乎平行于波导20注入光104并且孔径214显著小于条纹周期。在此情况中，检测过程对条纹的运动敏感，其可提高检测灵敏度。

图6C和6D是图6B的波导22的输入边缘部分的特写图。图6C示出了当不存在波导的挠曲时直接沿着波导向下而没有任何反弹的以最低阶模式行进的平行(准直的)输入光104。图6D示出了挠曲的(弯曲的)波导，其中输入的准直光104以从上表面和下表面反弹出结束。这意味着光104在弯曲波导中的光路甚至长于其直接沿着弯曲的中心轴AC向下行进的情况。因此，波导22的弯曲或挠曲可将准直的(最低阶模式)光转变成较高阶模式光。这导致较大量的光路变化，其转化为输出边缘24处的输出光104-O的分布中的较大量的变化。

图6E是示出了如图6C中所示当波导是挠曲的时候基于光线追迹建模的结果的光线104-n的波导22的输出边缘部分的特写截面图。归因于挠曲的波导22，光线104-n是非均匀分布的。图6F示出了在输出边缘24处的输出光104-O的强度分布，并且示出了随着挠曲(弯曲)的量增加强度分布的变化。

图6G示出了在波导22的输出边缘24处的输出光104-O的一系列图像。波导22是具有厚度TH＝1.3mm厚的一片玻璃。在每一个图像中指示了厚度TH。上表面和下表面的近似位置由白色虚线指示。输出光104-O光中的光分布开始移动到右边、到达其中大部分光被集中在片的边缘处的点并且随后返回到中心。如果我们保持弯曲，则光保持右-左和左-右周期方式移动。用于使得光从被集中在片上移动到再次被集中所需的弯曲近乎等于片的厚度的一半，其与模型良好吻合。

图7A是其中手指50准备在中心触摸位置创建触摸事件TE的波导22的示意截面图。图7B示出了由手指50在上表面26上的波导22上向下施加压力，藉此使波导22挠曲所引起的触摸事件。图7C类似于图7B，除了触摸事件TE发生在更接近于输出边缘24的触摸位置TL处，即，触摸位置是偏离波导22的中心的。

确定触摸事件的时间演化

本公开的各方面包括确定触摸事件TE的时间演化。这可被用于例如确定通过例如手指、指示笔、铅笔的橡皮端或类似工具被施加到波导22的上表面26的压力的相对量。这里注意的是，在顶部波导22A处施加至组件30的压力可通过驻留上表面26A的另一表面，诸如涂包覆层。

因此，在示例实施例中，经处理的检测器信号SD的时间演化被用于表征触摸事件TE的时间演化。例如，当物体(例如，手指50、指示笔等)最初接触波导22的表面26时，透明片的较小量的挠曲发生了。随着手指50继续推入顶部波导22，顶部波导的挠曲的量改变，从而使得光路长度OPn连续地改变。改变的光路显示为输出光104-O的连续变化并因此经处理的检测器信号SD的连续变化。光路中的连续变化改变输出光104-O处的角和空间分布。这包括归因于光104的光路和偏振状态的变化的干涉图案，该变化归因于光穿过制造引起和应力引起的双折射的不同区域。

一旦物体在触摸位置TL处施加恒定压力，经处理的检测器信号SD就停止改变。此时，可测量经处理的检测器信号SD保持恒定的时间量。该信息可被用于例如通过要求触摸事件TE已与不仅特定量的压力而且同样选择持续时间相关联来执行功能。进一步在示例实施例中，可需要的是，与所述任意物体在波导22的上表面26上向下压并无意地触发触摸事件相反，触摸事件具有与用于有意引起触摸事件的所述手指或指示笔一致的压力中的选择时间演化。

图8是对于具有多个光源100和多个检测器200的示例系统10，以微瓦(μW)为单位的所测得的光功率P_M对以牛顿(N)为单位的所施加的触摸的力F_T的曲线图。该曲线图包括如由曲线图中的正方形所指示并且如图7B中所示的来自具有在波导22的中心处的触摸位置的触摸事件TE的数据。该曲线图还包括如由曲线图中的菱形所指示并且如图7C中所示的来自边缘附近的触摸事件的数据。

该曲线图指示在波导22的边缘附近的触摸事件TE不产生与在中心附近的触摸事件所产生的一样大的在检测器200处的所测量的功率的变化。该数据可被用于建立触摸事件的大致位置，即，相比到波导的边缘，其是否更接近于中心。

为了证明系统10的触摸灵敏度，采用如图4A中所示的示例基于光纤的系统。光源100是具有6328nm的操作波长的激光器的形式。激光器100被猪尾式接头(pigtail)到单模光纤123。准直透镜被投入到用作波导22的4”x4”玻璃衬底中。多模光纤124在输出边缘24处被对接耦合到玻璃衬底以收集输出光104-O的一部分并将其中继至检测器200。

当波导22在触摸位置TL处经受压力(力)时，所检测的光强度改变。以上介绍和讨论的图5A到5C示出了由CCD相机形式的检测器200在玻璃的边缘处所拍摄的亮和暗干涉图案的近场图像。可看出显著的图案变化，其中中心干涉强度最大量从位于上表面26附近移动到位于下表面37附近。

在输出光104-O的强度图案的变化的情况下，检测的功率的变化可被用于指示与触摸事件相关联的所施加的力的大小。

近场和远场检测

系统10的一个示例实施例检测“近场”(即，接近于输出边缘24)中的输出光，而在另一示例实施例中，该系统检测“远场”(即，远离输出边缘24)中的输出光。近场检测可通过将小的孔径214(即，小于波导22的厚度TH)置于检测器200的前面来完成。在此配置中，系统10的光线追迹建模指示所检测的信号SD是随着波导被挠曲的周期函数，其中周期接近于波导22的厚度TH。

远场检测可通过将基本上准直的光104注入到波导22的边缘23中并且在远场中观察输出光104-O来完成，预期该输出光104-O被集中在约两个方向。这两个方向对应于分别经历偶数次反射和奇数次反射的光104。改变波导22中的弯曲的量改变了在两个方向上的光功率的分布。取决于检测输出光104-O的距离，这两个方向转化成两个位置。

图9A是对于挠曲的波导如在远场中测量的输出光104-O的模拟，示出了输出光的两个方向(位置)。图9B示出了对于实际挠曲的波导22的测量结果，其中输出光104-O的强度的远场分布紧密地类似图9A的建模的结果。图9C是对于如由布置在光斑的位置处的第一和第二光检测器(曲线图中的曲线A和B)所确定的两个光方向的功率P的％对玻璃变形D(mm)的曲线图。如可从曲线图中看出，在斑点处的功率的量是周期性的，其中两个周期异相180度。

图10是当将1牛顿的瞬时力施加到由具有1.2mm的厚度TH的玻璃制成的示例波导22时的两个远场光斑之一中的电压V对时间的曲线图。电压表示所检测的光功率。该曲线图指示一陡峭的过渡，其意味着触摸事件的检测可以是基于远场输出光104-O的不同的方向之间的光功率的转移。

系统10还可被配置用于在上表面和下表面26和27中的一者或两者处检测输出光104-O。由于弯曲波导22改变了光104从上表面和下表面26和27反弹的方式，因而该变化可被用于在光可被获取并检测的情况下测量波导弯曲。

光线追迹模拟

图11A和11B描绘了基于将光104注入到具有1.2mm的厚度TH的波导22中的光线追迹模拟。以10度的角度注入光104以使得光从上表面和下表面26和27反弹出。图11A示出了没有波导弯曲，而图11B示出了0.3mm的弯曲。检测器200被示为毗邻波导22的上表面26进行设置。检测器信号SD随着波导22的弯曲的程度改变而改变，因为光反弹的位置(并且在某些情况中，反弹的数量)改变了。根据该模型，检测器信号SD是周期性的，其中周期等于波导厚度TH的一半。

示例检测器200具有由LD＝TH/(sinθ)定义的在中心轴AC的方向上的长度LD，其中TH是前述的波导厚度并且θ是光104相对于波导22的上表面和下表面26和27的角度。

图12A到12C示出了在具有1.2mm的厚度TH并且具有240mm的轴向长度的波导22中行进的光104的光线追迹模拟。利用具有0度(图12A)、0.3度(图12B)和0.6度(图12C)的发散(全)角的均匀照明照射输入边缘23。如可见，在0.6度处，整个波导被填充有光104以使得由波导弯曲所引起的信号调制消失。当输入光束104过满填充(overfill)波导厚度TH时的最大光束发散δ由δ<2·TH/L近似给出，其中L是传播长度。

根据该模型，预期是信号将是周期性的(独立于检测方案)。因此，只要该系统以接近于周期函数的零进行操作，则该信号将是基本上线性的。然而，响应函数的相位取决于许多参数，诸如玻璃长度、玻璃厚度、注入的角度等等。在示例实施例中，主动对准可被用于确保系统10接近于周期函数的零进行操作。

双检测器实施例

图13示出了采用毗邻上表面和下表面26和27设置的两个检测器200(200U、200L)的系统10的示例实施例。布置检测器200U和200L以使得它们检测异相四分之一周期的信号SD。在该情况下，我们以允许人们反算该压力的余弦和正弦函数结束。

在图13中，距离Dx表示反弹的周期，通过将两个检测器定位成移动Dx/4+n Dx(n整数)，预期是信号调制对所施加的力将异相四分之一信号周期。

在示例实施例(诸如图13中所示的)中，可在上表面和下表面26和27中的一者或两者上采用两个或多个检测器200。在示例中，使用三个检测器200。三个检测器200中的两个可毗邻输出边缘26被设置在上表面和下表面26和27上，而第三个可被布置在上或下表面上的波导22的中间处或附近。模拟指示出这样的配置允许异相且具有根据波导22中的弯曲的量改变的相对相位的三个周期性检测器信号SD的检测。

条纹检测

在系统10的操作的一个方面，光线104-n被发射到波导22中并且基于输出光104-O来测量输出辐照度分布，该输出光104-O可从输出端24和上表面和下表面26和27中的一个或多个中被输出。因此，干涉效应未被完全考虑在内。在其中准直光束104正以两个不同的角度传播的情况中，它们可干涉并产生高频条纹。当使用高的放大率来将输出光束成像在CCD相机上时，这些条纹是可见的。

在实践中，输出光104-O可限定具有相对高的频率的条纹。在其中使用孔径受限的检测方案的情况中，用于过滤输出光104-O的孔径214通常远大于条纹周期。在此情况中，检测仅对输出光束的包络的运动敏感。

如果输入光束104可与波导22的中心轴AC精确地对准，则低频条纹将出现，并且针孔将过滤这些条纹。因此，除了检测光束包络的运动以外，该系统还将开始检测较低频率条纹。

图14示出了通过对光的电场而不是强度进行求和而获得的输出光束104-O的一系列模拟图像。在模拟中，波导厚度是TH＝1.2mm并且输入光束104是准直的并垂直入射输入端23，其中该照明过满填充(overfill)该输入端。在每一个图像上方示出了弯曲的程度。

如可见，当波导20开始弯曲时，条纹出现在图案中并且通常添加到包络的一般运动。假定近场过滤元件小于条纹的周期，使得该测量体系相比当仅检测光束包络的运动时敏感得多，可检测高频调制。

具有包覆层的波导

在系统10的实施例中，接近于波导的方向(即，基本上准直的)注入光104，从而使得该光被很好地引导。图15示出了分别包括上包覆层和下包覆层26C和27C中的至少一个的系统10的示例实施例。包覆层26C和27C具有一折射率，稍低于波导22的折射率，藉此用来增强波导的导波性质。这允许粘合层(例如，环氧粘合)被应用于包覆层中的一者或两者，或者将防眩层或其它这样的性能增强层或多层添加在波导22的上侧或下侧上而没有干扰光104在其中的传播。

偏振效应

触摸系统10可通过配置成检测偏振效应(诸如输出光束104-O的偏振状态的改变)的偏振光学器件的附加使用来进行改进。通过在波导主体25中并因此在光104穿过波导时沿着光104的光路的双折射的变化使得这成为可能。

双折射是材料的光学性质，其中材料的折射率取决于光的偏振和传播方向。双折射也被称为光测弹性(photoelasticity)。某些双折射的光学材料(诸如玻璃)因机械应力而是光学各向异性的，而很多晶体因它们的晶体结构而是双折射的。在单轴机械应力的情况中，双折射的值是在应力的平行方向上振荡的光和在垂直方向上振荡的光的折射率之差。

在两个正交方向上振荡的光之间的光程之差被称为光束的延迟(Ret)。如果光束是线性偏振的和对准的以使得振荡是在应力的方向上或垂直于应力，则没有延迟被检测到，因为仅观察到一个折射率。延迟的量与机械应力和应力光学系数(K)成比例。应力光学系统随玻璃类型而变化，并且随温度和波长变化少得多。

延迟的量Ret可通过关系式来计算：

其中Ret是波中的延迟，n是相对于应力方向的折射率，d是光程长度，λ是波长，σ是机械应力(其对于拉伸应力为正并且对于压缩应力为负)，并且K是光学应力系数。σ的单位是N/mm²或者MPa(兆帕)。K的单位是mm²/N。常见玻璃类型BK7具有～2.8x10^-6的K，并且下表是归因于在路径长度(距离)上的应力双折射以及近红外(IR)波长的压力的延迟的计算的示例。

在图16中示出偏振检测的简单实现。手指50被示为引起触摸事件，该触摸事件在触摸位置TL处和周围的波导主体25中产生压力550。第一偏振器501被设置在光源100和输入边缘24之间。偏振器501被配置成使光104在到压力550的突出方向的方向45°上线性偏振，该突出方向垂直于波导20的上表面22。在示例中，光104是基本上准直的以平行于中心轴AC行进。

系统10还包括设置在输出边缘24和检测器200之间(例如，直接毗邻检测器200)的第二偏振器511(也称为“分析器”)。检测器200在某些实施例中可被认为由两个检测器(指示200-A和200-B)构成。在示例实施例中，第二偏振器511被布置在第一偏振器501处的相同的45°上以使得不存在光104的任何偏振旋转的情况下，检测器信号是最大的。然而，第二偏振器511可具有任何偏振取向。

当压力550被施加于波导20时，光的延迟Ret改变104。这意味着偏振器511的透射改变了并且来自检测器200-A的检测器信号SD_A改变了。

如果第二(检测器)偏振器511按到y轴的+45°来取向并且平行于第一(源)偏振器501，则如归一化到在压力550的施加之前的最大信号的检测器信号SD将等于1。

如果前述第二检测器200-B被采用并且包括它自己的检测器偏振器512，该检测器偏振器512按到y轴的-45°并且到偏振器511的90°来取向，则来自检测器200B的检测器信号SD_B在没有压力550被施加时将为零。这假设了在没有来自玻璃的安装的附加压力下并且该玻璃在制造中是无双折射的，这将在稍后进行讨论。

图17标绘了检测器200-A(“det A)和200-B(“det B”)的检测器信号SD_A和SD_B对归因于通过压力550的压缩的沿着光路的所引起的应力延迟。进入输入边缘23的线性偏振光104在沿着光路OP的延迟从零增加时变得更加椭圆偏振，并且在延迟达到四分之一波时变为圆形。此时，两个正交的偏振器511和512的透射是相同的。

当压力550增加到其在波导主体25中生成半波延迟的点时，则光104恢复为线性偏振的但相对于源偏振旋转90°。此时，偏振器511的透射为零，并且偏振器12的透射是1。两个偏振器的透射对延迟是正弦的，其中这两个是完美异相的。

具有检测正交偏振的两个检测器200-A和200-B的优势是可采用两个检测器信号SD_A和SD_B的和与差。一个检测器可确定来自压力的延迟Ret的大小，但两个检测器信号的和提供在检测器上的入射光的总强度。这允许延迟改变和从检测器离开或到检测器上的光束的操纵的信息使与触摸事件TE相关联的位置(触摸位置TL)和压力550的量隔离。检测器信号SD_A和SD_B的差别对延迟的改变更为敏感并且还帮助检测器信号的光束操纵和延迟分量的隔离。

图18A-18E是示出了当玻璃波导20经历弯曲时通过分析器(偏振器511)成像的能量分布的测得结果的图像。如在其中没有分析器的图6G中，当弯曲波导时，光束移动。然而，被叠加在该运动上，形状和功率正同样改变，这指示出归因于沿着光路OP的双折射，光104的偏振正改变。这证明了具有两个检测器200-A和200-B以跟踪光束操纵和双折射的信号改变的优势。第一个图像18A是没有压力550的情况，而后续图像18B-18E是在增加的压力的情况下拍摄的。图像强度(其对应于检测器信号SD)在图18E中所施加的压力的量处被大幅降低，指示出通过应力双折射引入大约半波延迟。

在示例实施例中，系统10可选地包括设置在源偏振器501和波导20的输入边缘23之间的四分之一波长波片503(以虚像示出)。如果利用按到源偏振器轴45°来取向波片503的快轴来布置波片503，则圆偏振光104将被注入到波导20中。这允许对在零延迟附近的双折射变化的较大灵敏度。如果水平轴被移动0.25λ以使得零延迟位置被移动到检测器信号SD_A和SD_B相等的地方，则可由图17的曲线图描述与检测器200-A和200-B相关联的检测器信号SD_A和SD_A。在此配置中，两个检测器信号SD_A和SD_B的差别处于最高斜率的位置处以使得两个检测器信号的比率提供甚至更高的灵敏度。在零延迟附近，对于检测器200-A和200-B的归一化的检测器信号的比率的斜率是4π。

两个线性正交偏振之间的差别由用于表征偏振的状态的四个斯托克斯(Stokes)参数之一进行限定。示例触摸系统10包括具有正好放置在检测器偏振器511和512的下游的四分之一波片(未示出)的四个检测器，其中它们的快轴按到线性偏振器45°来取向(“圆形分析器”)。在此配置中，检测器200中的一个检测右旋圆偏振光并且另一个检测左旋圆偏振光。两个检测器之间的信号的差别限定斯托克斯参数中的另一个。

这些不同的偏振器和四分之一波片可被置于四单元(quad-cell)检测器200的四个部分的前面。测量两个斯托克斯参数不仅提供关于光束104的延迟的信息，而且提供当投射在垂直于光路的平面中时的沿着光路的应力矢量的平均旋转。由两个添加的检测器所提供的附加信息可被用在使触摸位置TL和在触摸事件TE期间被施加在触摸位置处的压力550的量隔离中。

图16的系统10的示例实施例包括可操作地布置并配置成支撑波导20的至少一个支撑构件520。支撑构件520的实施例覆盖波导20的整个下表面24并且是相对不可弯曲的。支撑构件520用于约束波导20的运动以使得压力550在施加压力的触摸位置TL处以及在波导主体25的周围部分中产生压缩应力。支撑构件520还可以是框架的形式或具有除了充气增压(plenum)的配置之外的另一配置，只要相比于没有支撑构件，该支撑构件增强由压力550所产生的压缩应力。

图19A是系统10的示意截面图，其中两个框架线支撑构件520在周界P(见图1)附近被可操作地布置在波导20的上表面和下表面26和27上。来自任何触摸事件TE的压力550将主要使波导20弯曲并且将在整个波导主体25上引起压缩和拉伸应力。沿着光路OP所示的一组矢量551表示应力的方向以及归因于压力550，其在波导主体25上如何变化。来自光程差的延迟是添加的且因此拉伸和压缩区域将彼此补偿。

在触摸位置TL附近的压缩应力将作为矢量添加到波导20的弯曲的较宽的压缩或拉伸应力。应力的两个来源的矢量求和的相对加权将取决于由至少一个支撑构件520所提供的约束。由光束104在其在光路OP上行进时所经历的延迟的附加性质产生延迟对触摸压力的连续变化。

在没有安装约束或外部压力下的玻璃通常将具有来自玻璃的制造的某个量的双折射。可在将玻璃冷却到固态中的过程中形成局部的应力区域。用在高性能成像系统中的玻璃通常需要几周的退火以获得所需的高度均匀的折射率以及所得的低应力双折射，其通常<2nm/cm。在近IR中，此量的应力每50mm的路径长度产生1/100th的波长。

参见图19B和19C，在通过离子交换进行化学硬化的玻璃板20的上侧和下侧两者上形成应力区域552。代替通过如图19A中的矢量示出应力分布，底纹的暗度表示应力的大小，其中较暗的颜色指示较大的应力。图19A和19B之间的差异是压力550使玻璃弯曲(图19C)，并且改变光104通过较高的制造引起的应力双折射的区域的路径。区域552的制造引起的应力通过矢量的性质添加到近区域压缩应力和弯曲应力。光束的延迟的附加性质将产生延迟对触摸压力的连续变化。

图28A到28C为本文中所描述的基于偏振的实施例提供补充信息。

薄的波导区域

图20是示例触摸系统10的示意性侧视图，其中波导20现在是玻璃片的形式，该玻璃片包括毗邻上表面22的相对薄的波导区域29。相比于如以上各示例实施例中所描述的主体25的整个大块用作波导，波导区域29用作相对薄的光波导。

可使用离子交换或层压的熔化拉制工艺或本领域已知的任何其它技术来形成波导区域29以用于在衬底上形成薄的波导结构。在示例中，光源100经由光纤123的一部分被光耦合至波导区域29，该光纤123具有对接耦合到输入边缘23处的波导输入端(在下文中，波导输入端23)的一端。检测器200在输出边缘24(在下文中，波导输出端24)处与波导区域29光耦合或者以其它方式与波导区域29进行光通信。

因此，光104作为被引导光在波导区域29内行进并且其在输出光104-O处从波导输出端24输出。由于波导区域29比大块波导主体25薄得多，因而使用电磁理论而不是忽视衍射和类似相应的几何光线方法来最佳描述导光。

在基于图20的触摸系统10的配置的实验中，猪尾式接头的激光二极管被用作光源100。玻璃被用于玻璃片20并且离子交换工艺被用于形成波导区域29。由于波导区域的折射率高于主体25的折射率，因而光被引导在波导区域29内，该波导区域29限定了薄板波导。波导区域29具有约50μm的厚度，其远薄于玻璃片。因此，波导区域29支持多个模式，尽管相比当玻璃片的整体被用作波导时，为少得多的模式。

一旦触摸的力被施加于玻璃片20的上表面22，在波导区域29内行进的不同模式之中的相对相位差就被改变。这用于改变输出光104-O的特征，该特征在当前实例中表示干涉图案。尤其，输出光中的光分布改变。在图21中标绘了如由多模光纤所收集的收集的(光)功率P(nW)对触摸的力(牛顿)的大小之间的定量关系。使光104传播通过玻璃中心。清楚的是，玻璃片的不同部分(边缘对中心)具有不同的触摸灵敏度，并且此差别可被用于确定在触摸事件TE期间施加力的触摸位置TL。

图22是如在玻璃片20上所形成的波导区域29的替代配置的自顶向下视图。如所示，波导区域29可被配置为通道波导，而不是被配置为面板(surface slab)波导。通道波导区域29可被配置成雕刻(sculpture)在玻璃内或在玻璃的顶上。图23还示出了通道波导区域29的替代实施例，其示出了与两对光源100和检测器200相关联的两个分支网络(散开)。注意通道波导区域29的间隔不需要是均匀的并且可被集中在特定位置中，该特定位置通常与触摸事件更可能发生或者被指定发生的地方相关联。

取决于通道波导区域20的特定图案(patter)，不同的光源100和检测器200可被用于检测施加的力和(x,y)触摸位置TL。

本公开的方面是利用两个或多个检测器200的时间响应来标识触摸事件TE的触摸位置TL。可使用该技术，因为波导/玻璃片20的变形与时间有关地从触摸位置向外继续。这进而对光线104通过波导采取的不同的光路具有不同的影响。该结果是两个检测器的检测器信号中的延迟。

图24标绘了对于在波导/玻璃片20上的不同位置处的两个不同触摸事件TE，对于两个不同的检测器的检测器信号的振幅AMP(任意单位)对时间t(曲线图中的A和B)。A和B信号之间的时滞可与波导/玻璃片20上的不同位置相关联。最接近触摸事件位置TL的光路首先响应，引起检测器信号中的时滞。因此，在示例实施例中，控制器300包括与可能的触摸位置TL有关的关于与各检测器200的检测器信号相关联的各时滞的信息。在另一示例中，控制器300被配置成基于在一个或多个检测器信号中的信息来计算触摸位置TL。

压力感测显示系统

图25A是通过毗邻常规显示单元410(诸如液晶显示器)并在该常规显示单元410之上(例如，顶上)可操作地布置触摸系统10所形成的示例压力感测显示器400的示意性立视图，该显示器可具有常规的基于位置感测能力。触摸系统10可以是本文中所描述的实施例中的任何一个。

图25B是示出了如何将触摸系统10与常规显示单元410结合的示例的示例触敏显示器400的示意性截面、部分分解图。常规显示单元410以液晶显示器的形式示出，其包括发射光416的背光单元414、薄膜晶体管(TFT)玻璃层420、液晶层430、具有上表面452的滤色片玻璃层450、以及具有上表面462的顶部偏振器层460，所有均按如所示地布置。框架470围绕滤色片玻璃层450的边缘设置。通过示例的方式示出光源100为可操作地支撑在框架470内。这形成具有正面482的集成显示器组件480。

为了形成最终的触敏显示器400，通过将组件可操作地设置在正面482上来将组件20添加到常规显示单元410的集成显示组件480。组件20可包括毗邻光源100和检测器200设置的以IR透明但可见不透明层的形式的上述盖40。

在示例中，诸如键盘(未示出)之类的各种标记(未示出)可在上表面26上或通过上表面26呈现给用户500以引导用户与触摸系统10交互。通过示例的方式，标记可包括被留出以用于指示用户选择、软件执行等或指示用户应当创建触摸事件TE的区域的波导22的上表面26上的区域。例如光104未到达上表面26的某些部分的地方可能需要这种区域。

经由条纹检测估算触摸事件的所施加的力

在触摸系统10的某些应用中，随着在触摸位置TL处所施加的力(压力)增加，该至少一个检测器200可能不均匀地(平滑地)响应于输出光104-O的强度变化。因此，本公开的各方面针对使用用于输出光104-O的检测的各种实施例和配置来估算在这些情况中的所施加的力。

在图26A和26B中所示的示例实施例中，触摸系统10可包括在检测器200前面的倾斜的衰减滤波器(衰减器)125。倾斜的衰减器125可由利用从底部边缘到顶部边缘均匀地变化的衰减配置的玻璃形成。图26B是透射T对衰减器125的高度的示例曲线图。由于撞击检测器200的光敏区域的整体功率基本上不变，因而倾斜的衰减将使检测器信号SD随输出光104-O的垂直“质心”而改变。这允许检测器信号SD与所施加的压力相关联。

在某些情况中，对在触摸位置处的所施加的压力的检测器响应可能不是完全单调的。例如，图像可在一个方向中移动直到压力到达特定量并接着跳至玻璃(检测器)的另一边缘。由于单调范围不是太小且触摸的力未立即改变，因而本公开的方面包括执行一种方法以“打开(unwrap)”测量。

该方法假定检测器信号SD足够快地(例如，60Hz或更快地)进行采样并且该力相当大(例如，100g)且被单调地对脉冲地施加。而且：

●每当电容式触摸感测无触摸时，将累积的测量值重置为0。

●如果新的位置合理接近于旧的位置，则可将新的位置用作有效的测量。如果旧的位置接近于单调范围的末端，并且新的位置跳至范围的另一端，则将整个范围添加至最近的测量。

●如果旧的位置接近于单调范围的开始且我们具有大于一个范围的估算，并且新的位置跳至范围的另一端，则减去整个范围以获得最近的估算。

本公开的另一方面采用条纹运动检测。由于输出光104-O中的条纹倾向于随压力均匀地移动，因而可采用垂直条纹(线性阵列)的CMOS或CCD单元。使用几十个单元将是足够的。典型的2D阵列基于像素的检测器200具有数以千计的单元。线性阵列检测器200可提供输出光104-O的垂直强度分布。强度分布具有两个分量：一个是缓慢变化的，其通常具有一个或两个峰，而第二个表示快速变化的条纹。

在示例实施例中，滤波器被用于消除缓慢变化的分量。剩余的快速变化的分量示出了对应于条纹的峰。如果足够快地(例如，60Hz)采样条纹分布，则可计算连续帧之间的相位之差。对这些差别积分产生一检测器信号SD，该检测器信号SD表示(例如，成比例)在触摸位置TL处的所施加的压力。

因此，示例检测器测量配置和方法包括在其中压力被施加在触摸位置TL处的触摸事件期间所执行的下列：

●对总的功率(大面积检测器的等效)积分。称此配置“TOTAL(总)”

●对图像的中间中的小区域(小针孔1的等效)积分。称此配置“PINHOLE1(针孔1)”

●对在图像的中间的正上方的小区域(小针孔2的等效)积分。称此配置“PINHOLE2(针孔2)”

●对具有衰减垂直变化20:1的大区域(在图像的顶部处的最大衰减)积分。称此“SLOPE1(斜率1)”配置。

●对具有衰减垂直变化20:1的大区域(在图像的顶部处的最大衰减)积分。称此“SLOPE2(斜率2)”配置。

图27A是对于总的集成功率即“TOTAL”信号(蓝色)和在检测器的中间中的小区域的集成功率即“PINHOLE 1”信号(橙色)的检测器信号SD(任意单位)对帧#F的曲线图。

图27B是对于总的集成功率即“TOTAL”信号(蓝色)和在检测器的中间的正上方的小区域的集成功率即“PINHOLE 2”信号(橙色)的检测器信号SD(任意单位)对帧#的曲线图。

图27C是对于总的集成功率即“TOTAL”信号(蓝色)和具有线性衰减滤波器(在图像的顶部处的高衰减)的信号即“SLOPE 1”(橙色)的检测器信号SD(任意单位)对帧#的曲线图。

图27D是对于总的集成功率即“TOTAL”信号(蓝色)和具有线性衰减滤波器(在图像的底部处的高衰减)的信号即“SLOPE 1”(橙色)的检测器信号SD(任意单位)对帧#的曲线图。

关于27A到27D的四个不同的信号曲线图，SLOPE2并接着PINHOLE1是用在评估在触摸位置处的所施加的压力的量中的合适候选。而且，PINHOLE信号是位置敏感的并因此可被用于确定触摸位置TL的位置。

虽然已参照具体方面和特征描述了本文中的实施例，将理解这些实施例仅说明期望的原理和应用。因此，应当理解，可对说明性实施例作出多种修改，而且可设计其它设置，而不背离所附权利要求的精神和范围。

Claims

1.一种用于检测由在触摸位置处施加一定量的压力所引起的触摸事件的压力感测触摸系统，包括：

波导，具有上表面、下表面、输入边缘和输出边缘，其中所述波导在压力被施加在所述触摸位置处时是可弯曲的；

光源系统，与所述输入边缘进行光通信并被配置成将光引入到所述波导中，所述波导限定在所述输出边缘处的输出光，其中所述输出光具有相关联的强度分布，并且其中由于所述一定量的压力的施加使所述波导弯曲引起了所述强度分布的变化；

检测器系统，与所述输出边缘进行光通信并被配置成检测离开所述输出边缘的所述输出光的至少一部分并且在使所述波导弯曲时检测所述强度分布的变化并且响应于此生成检测器信号；以及

控制器，可操作地连接至所述光源系统和所述检测器系统并被配置成控制所述光源系统和所述检测器系统的操作，并且进一步被配置成处理所述检测器信号以确定触摸事件是否已发生。

2.如权利要求1所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述波导具有从0.05mm到1.5mm的范围的厚度。

3.如权利要求2所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述波导由玻璃片构成，所述玻璃片对来自所述光源的光基本上透明。

4.如权利要求1-3中任一项所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述光源系统包括多个光源并且所述检测器系统包括多个检测器。

5.如权利要求1-4中任一项所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述波导具有一厚度并且其中所述检测器系统包括至少一个检测器以及毗邻所述至少一个检测器布置的至少一个孔径，其中所述至少一个孔径具有比玻璃厚度小的尺寸。

6.如权利要求1-5中任一项所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述波导具有一厚度并且其中所述检测器系统包括具有在至少一个方向上小于所述波导厚度的光敏区域的至少一个检测器。

7.如权利要求1-6中任一项所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述光源系统包括具有输入光纤、输入棱镜、输入光栅和成角的输入边缘中的一个的输入光学系统，并且其中所述检测器系统包括具有输出光纤、输出棱镜、输出光栅和成角的输出边缘中的一个的输出光学系统。

8.如权利要求1-7中任一项所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述检测器系统包括可操作地毗邻所述输出边缘布置在所述波导的所述上表面上的至少一个检测器。

9.如权利要求8所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述检测器系统包括毗邻所述输出边缘可操作地布置在所述波导的下表面上的至少一个检测器，其中在所述上表面和下表面上的检测器被布置成提供相应的异相的检测器信号。

10.一种具有压力感测能力的显示系统，包括：

如权利要求1-9中任一项所述的压力感测触摸系统；以及

具有显示器的显示单元，其中所述压力感测触摸系统可操作地毗邻所述显示器布置。

11.如权利要求10所述的显示系统，其特征在于，所述显示单元具有包括电容式和电阻式触摸感测能力中的一个的显示器。

12.如权利要求10所述的显示系统，其特征在于，所述波导被环氧树脂粘合到所述显示单元，其中环氧树脂具有比所述波导的折射率低的折射率。

13.如权利要求1-12中任一项所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述光源在至少一个方向上具有低于5度的发散。

14.如权利要求1-13中任一项所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述光源包括LED或VCSEL。

15.如权利要求1-14中任一项所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述光源发射具有选择偏振的光，并且其中所述检测器系统包括检测器偏振器，并且其中所述检测器信号表示由在所述触摸位置处施加压力导致的所引起的双折射的量。

16.如权利要求15所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述光源包括源偏振器从而使得所述光源发射具有所述选择偏振的光。

17.如权利要求16所述的压力感测触摸系统，其特征在于，所述检测器系统包括分别相对于第一和第二检测器可操作地布置的第一和第二检测器偏振器。

18.如权利要求15所述的压力感测触摸系统，其特征在于，进一步包括至少一个支撑构件，配置成支撑所述波导以促进在所述波导内的所引起的双折射的形成。

19.如权利要求1-18中任一项所述的压力感测触摸系统，其特征在于，在所述输出光中的强度分布的变化包括强度条纹的运动，并且其中所述检测器检测所述强度条纹的运动以确定与所述触摸事件相关联的压力的量。

20.如权利要求19所述的压力感测触摸系统，其特征在于，进一步包括一孔径，毗邻所述检测器布置以使检测孔径为受限的。

21.如权利要求19所述的压力感测触摸系统，其特征在于，进一步包括一倾斜的衰减器，毗邻所述检测器布置以使在所述检测器上输出光的检测为位置敏感的。

22.如权利要求1-21中任一项所述的压力感测触摸系统，其特征在于：

所述光源发射具有选择偏振的光；

所述检测器系统包括检测器偏振器；以及

所述检测器信号表示由于通过由所述触摸位置处施加压力所引起的玻璃的不同双折射区域的路径改变引起的偏振状态的改变的量。

23.如权利要求22所述的压力感测触摸系统，其特征在于，偏振的变化是来自所引起的双折射以及通过在所述玻璃的制造中所形成的现有的双折射的不同区域的光路的变化。

24.如权利要求1-23中任一项所述的压力感测触摸系统，其特征在于：

所述光源发射具有选择偏振的光；以及

所述检测器系统包括多个检测器，所述多个检测器具有位于每一个检测器前面的不同的偏振光学器件，所述多个检测器允许来自所述玻璃的所发出的光的偏振状态的检测。

25.如权利要求24所述的压力感测触摸系统，其特征在于，检测下列中的一个或多个：

相对于输入偏振的延迟的大小；

相对于所述输入偏振的延迟；

偏振的光的百分比；以及

来自所述玻璃的所发出的光的强度的大小。

26.一种感测对于在柔性波导上的触摸位置处的触摸事件的压力的施加的方法，包括：

在多个光路上将光从所述柔性波导的输入边缘发送到所述柔性波导的输出边缘以在所述输出边缘处形成具有一强度分布的输出光；

通过对所述波导施加压力来使所述波导挠曲，藉此引起所述多个光路中的变化以引起所述输出光的强度分布中的变化；

检测所述强度分布中的变化并生成表示它的检测器信号；以及

处理所述检测器信号以将强度分布中的变化与在所述触摸位置处的压力的施加相关联。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，检测所述强度分布中的变化包括相对于所述输出边缘检测近场中的输出光。