CN105074518B - 基于tir的投影型光学触摸系统中的改善 - Google Patents

Abstract

触摸感应装置通过光受抑(FTIR)操作并包括透光面板(1)，其限定前表面(5)和相对的后表面(6)，光发射器，其光学地连接到面板(1)，以便生成通过面板内部的全内反射传播的光，以及光检测器(3)，其光学地连接到面板(1)，以便在多对光发射器和光检测器(3)之间限定面板(1)内部的传播路径的网格。每个光检测器(3)经由角滤波器(20)光学地连接到面板(1)。滤波器(20)应用到前表面和后表面(5,6)中的至少一个上的外耦合区域且被配置为仅在相对于外耦合区域的法线的有限角度范围内透射光。有限范围从角度下限θ_最小延伸到角度上限θ_最大。角度下限θ_最小等于或大于临界角度θ_c，其由θ_c＝arcsin(1/n_面板)给出，其中n_面板为透光面板(1)在外耦合区域处的折射率。

Description

基于TIR的投影型光学触摸系统中的改善

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年12月20日提交的瑞典专利申请号1251474-1以及于2012年12月20日提交的美国临时申请号61/740093的权益，这二者通过引用被并入本文。

技术领域

本发明一般涉及光学触摸感应系统，并具体地涉及通过对在透光面板内部全内反射(TIR)传播的光进行投影测量操作的这类系统。

背景技术

触摸感应系统(“触摸系统”)广泛用于各种应用中。通常，通过直接触摸该触摸表面的或通过接近(即，没有触摸)触摸表面的、诸如手指或触笔的触摸物体来驱动触摸系统。例如，触摸系统用作笔记本电脑的控制面板中的触摸板，以及作为用于在例如诸如移动电话的手持设备上显示的覆盖。在显示器上覆盖的或在显示器中集成的触摸面板也被表示为“触摸屏”。在本领域中已知许多其他应用。

存在无数用于提供触摸灵敏度的已知技术，例如，通过将电阻式线栅、电容式传感器、应变仪等等集成到触摸面板中。还存在各种类型的光学触摸系统，例如，其通过触摸在触摸表面之上的物体来检测阴影投射或者检测触摸面板上的触摸物体的点散射的光。

一种具体类型的光学触摸系统使用对在限定触摸表面的透光面板内部的多个传播路径上传播的光的投影测量。因此，当光已经通过面板时，投影测量量化各个传播路径上的光的属性，例如，功率。光通过针对触摸表面的全内反射(TIR)在面板内部传播，以使触摸表面上的物体使一个或多个传播路径上的传播光衰减，通常表示为FTIR(受抑全内反射)。对于触摸测定，可通过简单的三角测量或通过更高级的图像重建技术来处理投影测量，该图像重建技术在触摸表面上产二维分布干扰，即，在触摸表面上影响所测量的属性的任何事物的“图像”。这类触摸系统的示例见于US3673327、US4254333、US6972753、US7432893、US2006/0114237、US2007/0075648、WO2009/048365、US2009/0153519、WO2010/006882、WO2010/064983、WO2010/134865和WO2012/105893中。

现有技术提出用于将光引入到面板中以及用于检测触摸表面的下行光的若干不同方法。例如，US7432893提出了，经由附接到面板的后表面的旋转棱镜将光耦合到面板中，以及检测直接附接到面板的前表面的光电检测器处的光。在WO2010/064983中，经由连接面板的前表面和后表面的边缘表面或者经由附接到面板的前表面和后表面的楔子将光耦合到面板以及耦合出面板。在WO2012/105893中，在面板的前表面或后表面上提供薄片状微观结构元件，例如，透光材料的胶带，以用于将光耦合到面板或耦合出面板。

设计该类型的光学触摸系统时的一个挑战在于实现一致的触摸测定，尽管事实是检测器必须是检测存在影响光学信号的可靠性的潜在重大干扰的微弱光学信号中的细微的变化。一个该种干扰是由例如来自太阳光或建筑照明的环境光导致的，其可撞击在检测器上并影响光学信号。另一个干扰是由污染物在触摸表面上的积累导致的，诸如手印、唾液滴、汗水、污点、液体溅出等等。污染物将与传播光相互作用并导致对光学信号的变化，这可使得难于区分由“真实物体”导致的变化，例如，与触摸表面接触主动操纵的物体。

在触摸感应设备中，还存在避免将部件附接到前表面的一般趋向。这些部件可围绕触摸感应区域形成框架，并从而降低活动区域(可用于触摸交互的表面区域)与触摸感应设备的总表面区域的比例。此外，如果部件从面板的前表面突出，则可能有必要在面板的周围处提供外圈，以保护并隐藏部件以及可能连接到部件的任何接线。考虑到与触摸感应设备的用户交互的性能，该种外圈可破坏用户体验并且甚至阻止某些类型的交互。外圈还可导致污垢和其他污染物在其中外圈连接面板的区域中积累。为了克服该问题，期望设计触摸系统用于在触摸感应设备的支撑框架中齐平地安装面板，即，使得面板的前表面基本上与周围框架材料处于同一水平线。这也被称为“边对边”。

在前述US7432893中，通过将光电检测器附接到前表面降低环境光的影响，以使光电检测器背向通过前表面进入面板的环境光。该方案需要有效外圈来用于隐藏和保护光电检测器和相关的接线。US7432893还提出间歇地测量光电检测器处的环境水平，并为所测量的环境水平补偿各个投影测量。

可通过专用信号处理来处理污染物的影响，该专用信号处理在一段时间内主动地估计污染物的影响并补偿该影响，例如，如在WO2011/028169、WO2011/049512和WO2012/121652中所公开的。

然而，鉴于由触摸物体导致的微弱光学信号和细微衰减，当开始增大触摸系统对环境光和触摸表面上的污染物的健壮性时，存在进一步改善的余地。

在触摸感应系统的领域之外的LCD显示器技术的领域中，将来自LED的光作为LCD显示器的被称为背光(BLU，背光单元)的部分耦合到薄的光导面板中是已知的。光导面板位于LCD后面且被配置为发射来自其顶表面的光，以均匀地照亮LCD的后侧。由Cornelissen等人在2010年的Proc.SPIE 7652中第7652121-7652126页发布的国际光学设计会议2010(International Optical Design Conference 2010)的文章“Injecting Light of High-Power LEDs into Thin Light Guides”(“将高功率LED的光注入薄的光导中”)中提出了用于将LED耦合到光导面板的一种方法。根据该方法，LED的顶表面被修改为具有表现类似于朗伯反射器的粗糙表面。介电多层滤波器放置在光导面板的底部上，并且LED的顶表面通过有机硅粘合剂光学地耦合到滤波器。滤波器被最优化为仅透射从LED以大于光导-空气界面处的临界角度的角度发射的光。因此，多层的目的在于仅透射可在光导中传播的光。以较小角度发射的光被反射回朝向粗糙LED表面，其中其随后通过反射和再分布进行再循环。在由Mu等人在2011年的Proc.SPIE8170的第8170011-81700110页中发布的文章“Dielectricmultilayer angular filters for coupling LEDs to thin light guides”(“用于将LED耦合到微光导的介电多层角滤波器”)中给出了关于该内耦合(incoupling)方法的进一步解释。

发明内容

本发明的目的在于至少部分克服现有技术的以上所识别出的限制中一个或多个。

另一个目的在于提供具有对环境光降低了灵敏度的触摸敏感装置。

另一个目的在于提供具有对触摸表面上的污染物降低了灵敏度的触摸敏感装置。

另一个目的在于提供具有平坦前表面且没有外圈或其他突出结构的触摸敏感装置。

又一个目的在于提供紧密的触摸感应装置。

再一个目的在于提供适于大规模生产的触摸敏感装置。

在下面描述中可能出现的这些目的中的一个多个以及进一步的目的，这至少部分地由根据独立权利要求、通过从属权利要求限定其实施例的触摸敏感装置来实现。

本发明的第一方面为触摸感应装置，其包括：透光面板，该透光面板限定前表面和相对的后表面；多个光发射器，该多个光发射器光学地连接到透光面板，以便生成跨越透光面板上的触摸感应区域的、通过透光面板内部的全内反射传播的传播光；多个光检测器，该多个光检测器光学地连接到透光面板，以便限定跨越触摸感应区域的、多对光发射器和光检测器之间的传播路径的网格；其中每个光检测器经由角滤波器光学地连接到透光面板，该角滤波器应用到前表面和后表面中的至少一个上的外耦合区域且被配置为仅在相对于外耦合区域的法线的有限角度范围内透射传播光；以及其中有限范围从角度下限θ_最小延伸到角度上限θ_最大，其中角度下限θ_最小等于或大于临界角度θ_c，其通过θ_c＝arcsin(1/n_面板)给出，其中n_面板为透光面板在外耦合区域处的折射率。

在一个实施例中，角度下限θ_最小比临界角度超出了角度Δθ，其为至少5°、10°或15°。

在另一个实施例中，角度下限θ_最小等于或大于第一截止角度θ_w＝arcsin(n_w/n_面板)，其中n_w为水的折射率，n_面板>n_w。

在一个实施例中，角度下限θ_最小等于或大于第二截止角度θ_f＝arcsin(n_f/n_面板)，其中n_f为手指脂肪的折射率，n_面板>n_f。

在一个实施例中，角度上限θ_最大等于或小于第三截止角度θ_cs＝arcsin(1.55/n_面板)，n_面板>1.55。

在一个实施例中，透光面板通过透光材料的层压层安装在显示设备的前表面上，该层压层布置为与透光面板的后表面以及显示设备的前表面接触，其中角度下限θ_最小大约等于或大于层压截止角度θ_c,l＝arcsin(n_层压层/n_面板)，其中n_层压层为层压层的折射率，n_层压层<n_面板。

在可选实施例中，触摸感应装置进一步包括分层光吸收器，该分层光吸收器包括透光面板的后表面上的透光材料的耦合层以及耦合层上的光吸收材料的吸收层，所述耦合层具有折射率n_耦合层<n_面板。角滤波器的角度下限θ_最小大约等于或大于吸收器截止角度θ_c,c＝arcsin(n_耦合层/n_面板)，并且分层光吸收器可从相应外耦合端口延伸并具有宽度，该宽度沿着延伸到相应的光检测器的检测线至少等于后表面中对以与后表面的法线成入射角θ_c,c撞击后表面的传播光的连续反射之间的距离。可为优选的是，分层光吸收器被布置为，重叠触摸感应区域的主要部分，或基本上全部的触摸感应区域。

在一个实施例中，角滤波器被配置为对延伸到相应的光检测器的所有检测线限定基本上相同的有限角度范围。

在一个实施例中，角滤波器被配置为介电多层结构。触摸感应装置可进一步包括被布置在角滤波器下方的光再循环器，以相对于角滤波器和相应的光检测器的光感应表面限定反光外壳。

在一个再循环器实施例中，反光外壳至少部分扩散地反射以成角度地再分布经由角滤波器进入反光外壳的光。

在一个再循环器实施例中，反光外壳包括与角滤波器间隔开且平行于角滤波器延伸的反光底表面以及在反光底表面和角滤波器之间延伸的反射侧壁结构。在一个实施中，侧壁结构可为镜面反射的，并且底表面的至少一部分为扩散反射的。

在一个再循环器实施例中，反光外壳可由透光材料填充。

在可选再循环器实施例中，反光外壳为中空的，并且在角滤波器上提供分裂结构以便面向反光外壳，其中分裂结构被配置为将通过角滤波器透射的光的至少一部分透射和再定向到反光外壳。分裂结构可以是非成像、扩散透射结构和被配置为折射由角滤波器透射的光的成像结构中的一个。

在一个再循环器实施例中，光检测器被布置为具有面向角滤波器的光感应表面。在可选再循环器实施例中，光检测器被布置为突出到光外壳中，以使光感应表面面向侧壁结构。

在一个再循环器实施例中，反光外壳包括微观结构，其限定具有光学功率的镜面，以便将所透射的传播光再定向到光感应表面上。

在一个再循环器实施例中，光再循环器被配置为漏斗，其被配置为镜面反射来自角滤波器的所透射的传播光朝向光检测器的光感应表面。

在没有光再循环器的实施例中，透光材料的主体附接到角滤波器，并且光检测器附接到主体，以使光检测器的光感应表面直接接收来自角滤波器的被透射的传播光。

在一个实施例中，角滤波器被布置为，在后表面上的相应外耦合端口内将传播光透射到相应的光检测器，其中相应外耦合端口沿着延伸到相应的光检测器的检测线的广度至少等于后表面中对以与角滤波器的法线成入射角θ_最小撞击角滤波器的传播光的连续反射之间的距离。

在一个实施例中，触摸感应装置包括镜面反射式边缘元件，其邻近外耦合区域布置在连接透光面板的前表面和后表面的边缘部分上，以便镜面反射撞击镜面反射式边缘元件的传播光。

在一个实施例中，传播光包括红外波长区域中的光，并且其中触摸感应装置进一步包括布置在后表面和角滤波器中间的可见性屏蔽件，可见性屏蔽件被配置为阻止人类眼睛可见的光，并透射所述光在红外波长区域中的至少一部分。

在一个实施例中，每个光发射器经由角滤波器光学地连接到透光面板，该角滤波器应用到前表面和后表面中的至少一个上的内耦合区域且被配置为仅在透光面板内部的有限角度范围内透射来自相应的光发射器的光。内耦合区域上的角滤波器的有限角度范围可与外耦合区域上的角滤波器的有限角度范围匹配，例如，通过内耦合区域上的角滤波器与外耦合区域上的角滤波器完全相同。在一个实施例中，触摸感应装置进一步包括布置在内耦合区域上的角滤波器下方的光再循环器，以便相对于角滤波器和相应的光发射器的光发射表面限定反光外壳。

本发明的第二方面为触摸感应装置，其包括：透光面板，其定义前表面和相对的后表面；多个光发射器，其光学地连接到透光面板，以便生成跨越透光面板上的触摸感应区域、通过透光面板内部的全内反射传播的传播光；以及多个光检测器，其光学地连接到透光面板，以便限定跨越触摸感应区域的、在多对光发射器和光检测器之间的传播路径的网格；其中透光面板通过透光材料的层压层安装在显示设备的前表面上，该层压层布置为与透光面板的后表面以及显示设备的前表面接触；并且其中层压层具有折射率n_层压层，其小于透光面板在后表面处的折射率n_面板且被选择以使层压截止角度θ_c,l＝arcsin(n_层压层/n_面板)比由θ_c＝arcsin(1/n_面板)给出的临界角度θ_c超出了角度Δθ，Δθ为至少5°、10°或15°。

在一个实施例中，层压截止角度θ_c,l等于或大于第一截止角度θ_w＝arcsin(n_w/n_面板)，其中n_w为水的折射率，n_面板>n_w。

在另一个实施例中，层压截止角度θ_c,l等于或大于第二截止角度θ_f＝arcsin(n_f/n_面板)，其中n_f为手指脂肪的折射率，n_面板>n_f。

在一个实施例中，光发射器光学地耦合到透光面板，以生成传播光，以便以等于或大于层压截止角度θ_c,l的角度撞击层压层。

本发明的第三方面为触摸感应装置，其包括：透光面板，其限定前表面和相对的后表面；多个光发射器，其光学地连接到透光面板，以便生成跨越透光面板上的触摸感应区域的、通过透光面板内部的全内反射传播的传播光；以及多个光检测器，其光学地连接到透光面板，以便限定跨越触摸感应区域的、在多对光发射器和光检测器之间的传播路径的网格；其中在透光面板的后表面上提供分层光吸收器，所述分层光吸收器包括在透光面板的后表面上的透光材料的耦合层以及耦合层上的光吸收材料的吸收层，并且其中耦合层具有折射率n_耦合层，其小于透光面板在后表面处的折射率n_面板且被选择以使吸收器截止角度θ_c,c＝arcsin(n_耦合层/n_面板)比由θ_c＝arcsin(1/n_面板)给出的临界角度θ_c超出了角度Δθ，Δθ为至少5°、10°或15°。

在一个实施例中，吸收器截止角度θ_c,c等于或大于第一截止角度θ_w＝arcsin(n_w/n_面板)，其中n_w为水的折射率，n_面板>n_w。

在另一个实施例中，吸收器截止角度θ_c,c等于或大于第二截止角度θ_f＝arcsin(n_f/n_面板)，其中n_f为手指脂肪的折射率，n_面板>n_f。

在一个实施例中，光发射器光学地耦合到透光面板，以生成传播光，以便以等于或大于吸收器截止角度θ_c,c的角度撞击耦合层。

在一个实施例中，分层光吸收器被布置为重叠触摸感应区域的主要部分，或者基本上全部的触摸感应区域。

应理解的是，可将第一方面的实施例中的任何一个进行修改并实施作为第二和第三方面的实施例。例如，每个光检测器可经由角滤波器光学地连接到透光面板，该角滤波器应用到前表面和后表面中的至少一个上的外耦合区域且被配置为仅在相对于外耦合区域的法线的有限角度范围内透射光，其中有限范围从角度下限θ_最小延伸到角度上限θ_最大，并且其中角度下限θ_最小可以等于或大于临界角度θ_c，该临界角度θ_c由θ_c＝arcsin(1/n_面板)给出，其中n_面板为透光面板在外耦合区域处的折射率。

本发明的其他目的、特征、方面和优点将在以下详细描述、所附的权利要求以及附图中得以出现。

附图说明

现将参考随附的示意性附图更详细地描述本发明的实施例。

图1为透光面板的截面图，以示出使用TIR用于触摸检测的原理。

图2为示例性说明触摸感应装置的俯视图。

图3为基于来自基于TIR的投影型触摸感应装置的能量信号生成的衰减模式的3D绘图。

图4为根据第一实施例的光外耦合结构的截面图。

图5A为关于第一实施例中所包括的角滤波器的入射角的函数的透射的绘图，并且图5B为通过角滤波器透射的角度范围的透视图。

图6为用于示出角滤波器的特征角度和面板的特征角度的截面图。

图7为用于示出环境光经由触摸表面上的污染物内耦合的截面图。

图8为示出两层面板中的反弹角度之间的关系的截面图。

图9A为用于示出被层压到显示设备的面板中的反弹角度的截面图，并且图9B示出在光内耦合和外耦合结构之间具有分层光吸收器以控制用于在面板中传播光的反弹角度的面板。

图10A为根据第二实施例的光外耦合结构的截面图。

图10B-10C为根据第三实施例的光外耦合结构的截面和平面图。

图10D-10H为第一到第三实施例的变型的截面图。

图11A-11B为第一可选外耦合结构的截面和平面图。

图12A-12B为第二可选外耦合结构的截面和平面图。

图13A-13B为组合有分层光吸收器的外耦合结构的截面图。

图14A-14B为根据第一实施例的光内耦合结构的截面和平面图，并且图14C-14D为第一实施例的变型的截面图。

图15A-15B为布置在面板上以将光耦合到和/或耦合出面板的结构的序列的仰视图。

图16为作为面板内部的入射角的函数的面板-水界面处的光反射率的曲线图。

图17A-17B为在图9B中的面板上不存在和存在分层光吸收器的情况下，在手指点击之前、期间和之后测量的信号衰减的曲线图。

具体实施方式

在下文中，各种发明的光耦合结构将被呈现作为安装在示例性说明的基于TIR的投影型触摸感应装置。贯穿本说明书，相同的参数数字用于标识相应的元件。

1.触摸感应装置

图1示出基于传播光的衰减的触摸检测的概念，通常是指FTIR(受抑全内反射)。根据该概念，沿多个良好地限定的传播路径在面板1内部透射光。面板1在一个或多个层中由固体材料制成并且可具有任何形状。面板1限定内部辐射传播通道，其中通过内部反射传播光，在下文中也指“反弹”。在图1的示例中，在面板1的边界表面5、6之间限定传播通道，并且前表面5允许传播光与触摸物体7交互，并从而限定触摸表面4。通过将光注入到面板1中实现交互，以便当光传播通过面板1时，通过前表面5中的全内反射(TIR)反射光。可通过后表面6中的TIR或相对其上的反射涂层来反射光。还可想到的是，传播通道与后表面6间隔开，例如，如果面板包括多层不同的材料。因此，面板1可由任何固体材料(或材料的组合)制成，该固体材料透射足够量的在相关的波长范围中的光，以允许可感应地测量所透射的能量。该类材料包括玻璃、聚酯的(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)和聚碳酸酯(PC)。面板1通常具有在1.3-1.7范围中的折射率。例如，PMMA具有大约1.5的折射率且PC在近红外(NIR)中具有大约1.6的折射率。面板1可被设计为覆盖在显示设备或监视器(未示出)上或集成到显示设备或监视器中。

如图1所示，与触摸表面4紧靠着或接触的物体7可在触摸点处与传播光交互。在该交互中，可通过物体7散射部分的光，可通过物体7吸收部分光，并且部分光可继续以其原始方向传播通过面板1。因此，触摸物体7导致全内反射的局部衰减或“受抑”，这导致所透射的光的能量(或等效的是，功率或强度)中的减少，如通过到图1中的触摸物体7的右边的细线所指示。

图2示出的是基于FTIR的概念的触摸感应装置100的示例性实施例。发射器2在面板1的下方沿触摸表面4的周围分布，以将光投射在面板1上的内耦合结构上，以便在面板1内部捕获至少部分光，以用于通过传播通道中的内部反射进行的传播。检测器3在面板1的下方沿触摸表面4的周围分布，并光学地耦合到面板1以便从各个外耦合结构接收部分传播的光。来自每个发射器2的光从而将在面板1内部传播到多个光传播路径D上的许多不同检测器3。即使光传播路径D对应于通过面板1内部的内部反射传播的光，光传播路径D可被概念地表示为“检测线”，其延伸穿过多对发射器2和检测器3之间的触摸表面4，如由图2中的虚线所示。因此，检测线对应于传播路径在触摸表面4上的投影。从而，发射器2和检测器3共同限定触摸表面4上的检测线的网格(“检测网格”)，如在俯视图中所示。将要理解的是，图2为示例，并且(显著地)较大数目的发射器2和/检测器3可以被包括在装置100中。此外，发射器2和检测器3的分布可不同。

如本文所使用，发射器2可以为能够以所需波长范围内发射辐射的任何类型的设备，例如二极管激光器、VCSEL(垂直腔面发射激光器)、LED(发光二极管)、白炽灯、卤素灯等等。发射器2还可由光纤的端部形成。发射器2可生成任何波长范围内的光。以下示例假设生成在近红外(NIR)内的光，即，在大约750nm-1400nm的波长。类似地，检测器3可以是能够将(相同波长范围中的)光转化为电信号的任何设备，诸如光电检测器、CCD设备、CMOS设备等等。

检测器3共同提供通过信号处理器10接收和取样的输出信号。输出信号包含许多子信号，也表示为“投影信号”，每个表示由某个光检测器3从某个光发射器2接收的光的能量。根据实施，信号处理器10可需要处理输出信号，以用于分离各个投影信号。投影信号表示通过检测器3在各个检测线D上接收的光的能量、强度或功率。每当物体触摸检测线时，在该检测线上接收的能量减少(“衰减”)。

信号处理器10可被配置为处理投影信号，以便确定触摸物体的性质，诸如位置(例如，在图2中示出的x、y坐标系统)、形状或面积。该测定可包括基于衰减的检测线的直接三角策略，例如，如在US7432893和WO2010/015408中所公开的，或重新创建跨越触摸表面1的衰减值的分布(出于简化的目的，被称为“衰减模式”)的更高级的处理，其中每个衰减值表示局部的光衰减度。图3的3D绘图中给出了这种衰减模式的示例，其中增大的衰减的峰值表示触摸物体。可进一步由信号处理器10或由分离的设备(未示出)处理衰减模式，以用于确定触摸物体的位置、形状或面积。例如，可通过用于基于投影信号值重新构建图像的任何可用的算法产生衰减模式，包括层析重建方法，诸如滤波反投影、基于FFT的算法、ART(代数重建技术)、SART(联合代数重建技术)等等。可选地，可通过修改一个或多个基函数以及/或者通过诸如贝叶斯反演的统计方法生成衰减模式。被设计用于触摸测定的这些重建技术和/或其他的重建技术的示例可见于在WO2009/077962、WO2011/049511、WO2011/139213、WO2012/050510、WO2013/062471、WO2013/133757、WO2013/165305和WO2013/165306，这些专利通过引用并入本文。

在所示的示例中，装置100还包括控制器12，其被连接以用于选择性地控制发射器2的激活以及可能地，从检测器3读取数据。根据实施，可顺序地或同时激活发射器2和/或检测器3，例如，如WO2010/064983中所公开的。信号处理器10和控制器12可被配置为分离的单元，或者它们可被合并在单个单元中。信号处理器10和控制器12中的一者或两者可至少部分通过由诸如CPU的处理单元14执行的软件来实施。

现将参考图4-12详细说明，来阐述关于光的外耦合和检测的结构的实施例。通常，这些实施例是在图2中所示的触摸感应装置的背景中进行呈现的。

2.外耦合结构

图4示出可沿图2中的触摸感应装置的任何一个检测线D截取的截面。出于简化的目的，仅示出了在外耦合结构处和周围的装置的一部分。外耦合结构由薄片状角滤波器20制成，该薄片状角滤波器20被应用为其前表面在触摸表面4的外围处到达面板1，以便限定用于面板1中的光传播的外耦合端口。检测器3被应用为其光感应表面3A在角滤波器20的后面上。在可选方案(未示出)中，在表面3A和滤波器20之间放置透光材料的垫片。角滤波器20被设计为仅透射给定角度范围内的光，即，以相对滤波器20的法线N(图5B)的某个入射角撞击滤波器20的光。图5A是关于入射角的函数的滤波器20的透射的绘图。如所示，滤波器20透射下限θ_最小和上限θ_最大之间的给定角度范围内的光，而反射以其他入射角撞击滤波器的光。任何标准可用于定义限制θ_最小、θ_最大，例如，绝对或最大透射的百分比(例如，25、50或75)。图5B示出与滤波器20的前表面上的单个位置相关的角度范围。如所示，角度范围等于在滤波器20的面板中的所有方向。优选地，角度范围在滤波器20上的所有位置处基本上相同。

应理解的是，滤波器20不需被设计限定所有波长的给定角度范围，而是仅用于包括传播光的波长的有限波长范围。在优选实施例中，角滤波器20对有限波长范围之外的所有角度起反射作用。在一个示例中，传播光具有带有20nm带宽的波长850nm，并且滤波器20被设计为具有在800-900nm的波长范围中的角度范围[θ_最小-θ_最大]，并且将对在从400nm到800nm的波长处的光起反射作用，并且可能地，还对在高于900nm以上波长处的光起反射作用，而与入射角无关。可选地，可在角滤波器20的前面或后面安装专用波长滤波器，以便吸收或反射所有入射角的有限波长范围之外的射入光。

还应理解的是，滤波器20被设计为关于具体安装提供角度范围[θ_最小-θ_最大]，即，当将其前面安装到面板1且将其后侧安装到表面3A(或垫片)时。例如，设计可适于面板1的折射率和光感应表面3A(或垫片)的折射率。

滤波器20可被设计作为至少两种不同材料的介电多层结构，类似于干扰滤波器。其落入光学设计领域中的技术人员的触及范围内，以用于选择合适的材料和层的数量来实现在通过发射器2生成的波长处的光所需的角度范围。

在本发明的实施例中，滤波器20被定制为抑制在光感应表面3A处接收的与有用光的量相关的环境光的量，即，来自各个内耦合结构的已经在一个或多个检测线上传播的光。该效果可通过将滤波器20的角度范围修改为滤波器20上的传播光的入射角(AOI)来实现。环境光通常包含日光和/或来自人工光源的光。该类环境光包含NIR光，其中如果该NIR光落在表面3A上，则其将干扰面板1内部的传播NIR光的检测。如通过图4中所示的射线A1所示例说明的，落在前表面5上的环境光被折射到面板1中并且如果不撞击角滤波器20的话，将撞击表面3A。角滤波器20被设计为将环境光A1反射回到朝向前表面5。如通过射线P1所示例说明的，通过TIR在面板1中传播的且在滤波器20的角度范围内的AOI处照在滤波器的光被透射到光感应表面3A。图4还指示通过TIR在面板1中传播的且在较小AOI处照在滤波器20的射线P2，该较小AOI在滤波器20的角度范围之外。该射线P2由滤波器20反射。落在触摸表面4上的任何环境光将被透射通过面板1，而与其相对触摸表面4的角度无关，如通过射线A2所示例说明的。环境光将不被面板1中的TIR捕获，这是因为其可以不以大于临界角度的角度而被折射到面板1中(参见下面)。

角滤波器20的使用提供用于选择光的简单技术，该光被传递到检测器3以在投影信号中表示。角滤波器20允许以低成本和高可靠性相对容易地制造装置100。

本申请已经了解到可通过小心地选择滤波器20的下限θ_最小来实现有利的技术效果。图6在截面图中示出面板1的一部分，其中面板1的不同特征角度以及滤波器20的限制θ_最小、θ_最大被映射到前表面5上的位置。在该示例中，假设面板1由单个材料制成且在前表面5和后表面6处具有相同折射率n_面板。所有的角度相对于前表面5的法线N进行限定。

图6指示临界角度θ_c，其由θ_c＝arcsin(1/n_面板)给出且为在表面5、6之间通过TIR传播的光的最小AOI。图6还指示用于传播光和放置在前表面5上的水之间的交互的截止角度θ_w。以低于θ_w的AOI照在表面5上的传播光将部分耦合出面板1并耦合到表面5上的水中，而以高于θ_w的AOI处的传播光将在表面5和水之间的界面处完全被反射。根据斯内尔定律：n_面板·sin(θ_w)＝n_w·sin(90°)，其产生θ_w＝arcsin(n_w/n_面板)，其中水的折射率n_w在范围1.31-1.34中，这取决于温度、波长、盐含量等等。图6还指示用于传播光和放置在前表面5上的手指脂肪之间的交互的截止角度θ_f。以低于θ_f的AOI照在表面5的传播光将部分耦合出面板1并耦合到表面5上的手指脂肪中，而以高于θ_f的AOI的传播光将在表面5和手指脂肪之间的界面处完全反射。根据斯内尔定律：n_面板·sin(θ_f)＝n_f·sin(90°)，其产生θ_f＝arcsin(n_f/n_面板)，其中手指脂肪的折射率n_f在范围1.36-1.48中，这取决于温度、波长、组分等等。在G L Thomas和T E Reynoldson在J.Phys.D:Appl.Phys第8卷第724-729(1975)页中发布的“Someobservations on fingerprint deposits”中提出的测量结果指示n_f可分布在1.40-1.54的范围中，其中直方图峰值在1.48-1.50。

即使截止角度θ_w和θ_f可不具有普遍可应用值，假定水和手指脂肪的折射率落在各自范围内，则执行实验以对于特定的使用情形分别确定n_w和n_f的平均值或以其他方式可表示的值是可能的。本文的示例假设n_w＝1.33且n_f＝1.45-1.46。对于由具有n_面板＝1.51的钠钙玻璃制成的面板，假设n_w＝1.33且n_f＝1.46，则截止角度为定θ_c＝41.5°，θ_w＝62°且θ_c＝75°。对于由具有n_面板＝1.49的PMMA制成的面板，假设n_w＝1.33且n_f＝1.45，则截止角度为θ_c＝42°，θ_w＝63°且θ_c＝77°。

在一个实施例中，将滤波器20的角度范围设置为θ_w≈θ_c<θ_最大<90°。这将确保所有的传播光到达光感应表面3A，同时防止大部分的环境光照到光感应表面3A。

可通过将θ_最小设置为超过θ_c来实现对干扰(即，在光感应表面3A处的不良信号分量)的进一步抑制。

在一个该种实施例中，将角度范围设置为θ_最小＝θ_c+Δθ<θ_最大<90°，其中Δθ等于或大于例如5°、10°或15°。已经发现该实施例减小通过触摸表面4上的沉积物(诸如水、唾液、指印、汗水等等)(本文中被共同表示为“污染物”或“表面污染物”)耦合到面板1中的环境光的影响。参考图4中的射线A2，其中提到落在触摸表面4上的所有环境光将通过面板1。然而，本申请已经发现这仅对于完全干净的触摸表面4为真。如图7中所指示，触摸表面4上的污染物30可允许环境光以接近或大于θ_c的入射角漏进面板1中并通过其中的TIR而被捕捉到。本申请已经了解到该环境光可对在检测器3处测量的信号水平具有相当大的影响。出人意外地，本申请还已经发现所捕捉到的环境光被很大程度上集中到滤波器20处的AOI的有限范围，接近以及高于临界角度θ_c。因此，可通过选择θ_最小＝θ_c+Δθ来防止所捕捉到的环境光的一部分到达检测器3，其中角跨度Δθ等于或大于AOI的有限范围。当前可信的是，环境光到AOI的有限范围的集中是由污染物30中的米氏散射以及污染物液滴的折射导致的，从而导致环境光以轻微扩大的分布进入面板，如由图7中的32所指示。由于污染物液滴中的米氏散射和折射导致的扩大可在±5°到±10°的范围中。环境光通常以许多不同的角度落在污染物30上。由于以低于θ_c的角度进入面板1的所有环境光将通过面板1并且由于环境光的强度通常随着相对面板的法线N的角度的增大而减小，因此所捕捉到的环境光将以θ_c且略微高于θ_c进行集中。还应注意的是，如果面板1的折射率大于污染物30的折射率：n_面板>n_cont，则经由污染物30折射到面板1中的环境光的AOI可不超过arcsin(n_cont/n_面板)。

本申请已经发现，通过将滤波器20设计为具有在下限θ_最小和截止角度θ_w或θ_f之间的给定关系来实现进一步的有利的和未预期的效果。

在一个该种实施例中，将角度范围设置为θ_最小≤θ≤θ_最大，其中θ_最小≥θ_w且θ_最大<90°。因此，滤波器20被设计为仅以等于或大于水的截止角度θ_w的AOI来透射光。该实施例具有显著地减小来自触摸表面4上的含水沉积物对产生的投影信号的影响的能力。如以上所指出，以低于θ_w的AOI照在水上的传播光的一部分将至少部分地耦合出面板1并与水交互。因此，与传播光的其余物质相比，以低于θ_w的AOI到达滤波器20的传播光的一部分通过水已经被更加显著地衰减。该实施例还具有减小用户之间的以及甚至单个用户的手指之间的手指交互中的差异影响的能力。这些差异可使得难以正确地检测触摸表面上的所有触摸物体，并且这可要求信号处理器10被配置有用于重新得到和处理投影信号的大动态范围。已经发现手指交互中差异的重要部分源于手指上的不同湿润水平。该实施例的滤波器设计将抑制投影信号中湿度的影响，并因此减小手指交互中差异的影响。

在该实施例中，通过滤波器20透射的传播光已经以为θ_w的或高于θ_w的AOI撞击在触摸表面4上。以这些AOI，传播光将仍耦合到形成表皮的部分的手指的最外层中，这是由于已知该层(角质层)为具有在红外中大约1.55的折射率，例如，根据R.J.Scheuplein在1964年的J.SOC.COS.CHEM.第15期第111-122页中发布的“A survey of some fundamentalaspects of the absorption and reflection of light by tissue”以及Anderson和Parrish在1981年的皮肤病学研究杂志第77卷第1期第13-19页中发布的“The optics ofhuman skin”中提出的测量结果。这意味着传播光关于至少到达截止角度θ_sc＝arcsin(1.55/n_面板)的AOI耦合到手指中。如果n_面板≤1.55，则截止角度θ_sc为不相关的，并且所有低于90°的AOI将与角质层(以及手指的其他外层)交互。如果n_面板≥1.55，如果存在抑制高于θ_sc的AOI的传播光的需要，则可想到的是为滤波器20设置n_最大≤θ_sc。

还应注意的是，该实施例可消除或至少显著地抑制已经经由触摸表面4上的水耦合到面板中的以及已经通过TIR被传播到滤波器20的环境光。如以上所说明，该环境光具有arcsin(n_污染物/n_面板)的最大AOI，其等于θ_w，其中n_污染物＝n_w。

在另一个实施例中，将角度范围设置为θ_最小≤θ≤θ_最大，其中θ_最小≥θ_f且θ_最大<90°。该实施例具有显著减小对由触摸表面4上的含手指脂肪的沉积物(例如，指纹)产生的投影信号的影响的能力。指纹通常为触摸表面上的污染物的主要部分，并且是当关于检测触摸物体处理投影信号时的关注的主要问题。因此，重大的技术实现是能够抑制指纹的影响，并且这将降低对信号处理器10追踪和补偿表面污染物的要求。该实施例还具有进一步降低手指交互中的差异的影响的能力，这是因为其抑制通过手指上的脂肪导致的交互。此外，该实施例可基本上消除或至少显著地抑制已经经由触摸表面4上的手指脂肪耦合到面板中的以及已经通过TIR被传播到滤波器20的环境光。该环境光具有arcsin(n_污染物/n_面板)的最大AOI，其等于θ_f，其中n_污染物＝n_f。

回到图4，可相对应被透射到光感应表面3A上的传播光的AOI的范围最优化(在各个检测线的方向中的)滤波器20的宽度W。为了确保全部的该传播光(即，具有适当AOI的光)照在滤波器至少一次，可将宽度W设置为超过后表面中反弹之间的相关最小距离(“最小反弹距离”)。如果面板由单个材料制成，则通过2·t·tan(θ_最小)给出最小反弹距离，其中t为面板1的厚度。为了实现限制在θ_最小、θ_最大内的传播光的一致检测，可期望的是将宽度设置为超过后表面中反弹之间的相关最大距离(“最大反弹距离”)。如果面板由单个材料制成，则通过2·t·tan(θ_最大)给出最大反弹距离。在实践中，可通过其他设计考虑给出宽度W，其可(但不必须)设置滤波器20的限制θ_最大。进一步，本领域技术人员能够为包含一层以上的面板计算最小反弹距离和最大反弹距离。

关于角滤波器的上述设计规则被给出用于具有单个折射率的面板1。然而，当将角滤波器20应用到由具有不同折射率的两层或更多层制成的面板1时，相应设计规则可应用于角滤波器20。图8示出由具有折射率n₁的顶层以及具有折射率n₂的底层形成的面板1。在前表面5处具有入射角θ₁的光将以入射角θ₂＝arcsin(n₁/n₂·sin(n₁))撞击后表面6。这意味着如果将滤波器20安装在后表面6上，则应相对于如在后表面6处所表示的前表面5处的临界角度θ_c，或者相对于人如在后表面6处所表示的前表面5处的截止角度θ_w、θ_f设置滤波器20的限制θ_最小、θ_最大。本领域技术人员了解到θ_c、θ_w和θ_f的以上表述中的n_面板为其中安装了滤波器的外耦合区域处面板1的折射率。在图8的示例中，n_面板＝n₂。

如图9A所示，如果通过透光材料的层压层36的方式将面板1层压到显示器34，则可出现不同的情况。如果显示器34不将光反射回到面板1，则层压层36可被设计具有小于面板的折射率n_层压层。这将导致以等于或大于θ_c,l＝arcsin(n_层压层/n_面板)的角度撞击面板和层压层36之间的界面的光在该界面处被完全反射。以例如如在图9A中通过虚线箭头指示的较小角度撞击界面的光将经由层压层36透射到显示器34。这意味着在表面5、6之间通过TIR传播的以及照在滤波器20的光的最小AOI为θ_c,l而不是θ_c。在该种实施例中，可根据θ_最小≤θ≤θ_最大设置滤波器20的角度范围，其中θ_最小≥θ_c,l且θ_最大<90°。当然，根据以上所描述的实施例，可替代地相对于θ_w或θ_f设计角度范围。

应注意的是，当期望从外部设备“光学地隔离”面板中的传播光时，通常可在面板1的后表面6和任何外部设备之间引入层压层36，由此凭借θ_c,l>θ_c将传播光转换到更大的入射角。基于前述讨论，应理解的是，期望选择层压层36的材料，以使θ_c,l≥θ_w或θ_c,l≥θ_f，以便减小由触摸表面4上的污染物导致的衰减。在另一个变型中，可期望选择层压层36的材料，以使θ_c,l≥θ_c+Δθ，其中Δθ被选择用于减小经由触摸表面4上的污染物进入面板的环境光的影响，如以上参考图7所讨论的。

即使面板1未被层压到显示器34，也可实施类似的概念。图9B中示出了该概念，其中层37、38的组件被应用到后表面6以在将发射器2耦合到面板1的内耦合结构以及在该示例中经由角滤波器20将检测器3耦合到面板1的外耦合结构之间延伸。透光材料的耦合层37应用到后表面6且光吸收层38应用到耦合层37。可将层37、38提供作为薄的、薄片状元件。光吸收层38至少吸收由发射器2注入的波长范围中的光并且优选地在可见波长范围中可透射，以使例如下面的显示器可穿透前表面5。该种显示器可从吸收层38间隔开或附接(层压)到吸收层38。耦合层37的折射率n_耦合层可被定制为与面板1的折射率n_面板相关，以便选择性地限定在面板1中传播的光的最小AOI。因此，如果耦合层37被设计为具有比面板更小的折射率n_耦合层，则在表面5、6之间通过TIR传播的以及到达外耦合位置的光的最小AOI为θ_c,c＝arcsin(n_耦合层/n_面板)而不是θ_c。应理解的是，可选择耦合层37的材料，以使θ_c,c≥θ_w或θ_c,c≥θ_f，以便减小由触摸表面4上的污染物导致的衰减。在另一个变型中，可选择耦合层37的材料，以使θ_c,c≥θ_c+Δθ，其中Δθ被选择用于降低经由触摸表面4上的污染物进入面板的环境光的影响，如以上参考图7所讨论的。

即使层37、38的组件不延伸跨越内耦合结构和外耦合结构之间的整个后表面6，仍获得有利的效果。例如，层37、38的组件可从内耦合结构和外耦合结构两者间隔开。下面参考图13A-13B和图14D进一步讨论进一步的可选方案。

应注意的是，使用层压层36或耦合层37以控制传播光的最小AOI的概念，不是必须与外耦合结构中的角滤波器以及/或者内耦合结构中的角滤波器组合，以便减小环境光或污染物的影响(参见下面)。然而，在某些实施中，该种组合可能是期望的。例如，角滤波器20可安装在外耦合结构中以阻止落在前表面5上的环境光，并朝向外耦合结构(参见图4中的射线A1)折射。然而，应理解的是，可通过其他技术，例如，通过传播光的调制或通过在外耦合结构以上的前表面5上安装专用屏蔽层来减小该种环境光的影响。这还可能有利的是，将用于控制传播光的最小AOI的层压层36和耦合层37与外耦合结构中的角滤波器组合，以便放松分别对层36、37和滤波器20的要求。因此，可通过角滤波器20补偿层36、37的不太理想的选择，反之亦然。可将滤波器20的下限设置为：θ_最小≥θ_c,c。当然，可替代地相对于θ_w或θ_f设计角度范围，如上文中所描述。

还应注意的是，出于高效利用光的目的，光发射器2可耦合到面板1，以使所注入的光以基本上等于或超过θ_c,l的AOI撞击层压层36(或耦合层37)，以避免有用的光漏进层36(或37)中。该种实施例还可用于进一步减小前表面5上污染物的影响。在图9B中，内耦合结构注入射线P1，其在表面污染不存在的情况下将在前表面5处镜面地反射并然后耦合到层37中且被层38吸收。然而，如所示出的，射线P1照在前表面5上的污染物30，并且通过射线S1表示的一些产生的散射光可传播到外耦合位置。如果被检测器3感应到，则散射光S1可破坏触摸的检测。将理解的是，如果设计了内耦合结构，则可减小污染的影响，以使以维持面板1中的传播的角度注入主要部分的或理想状态下的全部的注入光，如通过图9B中的射线P2所表示。

在前述中，已经假设分别通过面板和水以及手指脂肪之间的界面处的TIR角度给出截止角度θ_w或θ_f。然而，应理解的是，TIR角度对应于界面处的100％反射，并且界面处的该反射率不显示TIR角度处的步长变化，而是连续的、但急剧升降的、增大的AOI内的函数，直至TIR角度。这在图16中示出，其为作为AOI、θ的函数的面板与水的界面处的反射率R的曲线图，由以下等式给出：

其中n_面板＝1.51并且n_w＝1.33。

如从图16理解，可行的是，限定截止角度θ_w和θ_f在给定的100％反射的一个比例，例如0.25或0.50，同时仍实现分别对水和手指脂肪的影响的基本上完全的抑制。在实践中，这意味着可行的是，将截止角度从TIR角度略微调整朝向较小的AOI：θ_w＝arcsin(n_w/n_面板)-δθ以及θ_f＝arcsin(n_f/n_面板)-δθ，其中δθ通常小于2°。如本文所使用的，对θ_w和θ_f的任何参考旨在内在地包括该细小转换δθ。

通常，可期望限制各个检测器3的尺寸，并具体地限制光感应表面3A的大小。例如，光检测器的成本可随尺寸增大。此外，较大的检测器通常具有较大的容量，这可导致检测器的较慢响应(更长的起落时间)。了解的是，在不牺牲一致地检测传播光的能力的情况下，可能难以减小图4的实施例中的检测器3的广度W。

图10A示出至少部分克服该问题的可选实施例。如图4，角滤波器20应用到后表面6，但检测器3被布置为其光感应表面3A基本上垂直于面板1的主要大小。如本文所使用，“基本上垂直”旨在包括偏离垂线大约±20°或更少。垫片22被放置在角滤波器20和光感应表面3A之间。垫片22可由任何合适的透光材料制成，诸如塑料材料或玻璃或硅化合物、胶、凝胶等等。在图10A的示例中，垫片22是由于面板1的相同材料制成，即n_垫片＝n_面板。通过垂直地布置表面3A，与图4中的实施例相比，可显著地减小表面3A的大小。当角滤波器的大小为W时，可通过W/tan(θ_最小)给出表面3A的最小垂直大小，以确保在表面3A处接收从滤波器20透射的所有光。可进一步通过选择垫片22的材料减小表面3A的大小，以使n_垫片<n_面板，从而导致透射光远离法线折射并在表面3A的位置处产生较小的投影高度。

即使图10A中的外耦合结构允许较小的光感应表面3A，表面3A的大小仍取决于滤波器20的角度范围。进一步地，表面3A的垂直大小对装置100的厚度具有直接影响。目前，认为图10A中的实施例仅当θ_最小大于大约45°时有用，以避免外耦合结构的高度变得过度。

该问题至少部分由图10B-10C中示出的实施例克服。如图10B中的截面所示，角滤波器20应用到后表面6，并且光再循环器40布置在滤波器20下方，与光感应表面3A具有周围关系。再循环器40被设计为内部地反射由滤波器20透射的光并修改透射光的角度分布。再循环器40在光感应表面3A周围限定反射外壳。外壳由垫片材料22填充，例如，关于图10A所讨论的任何垫片材料。再循环器40包括具有用于检测器3(被示出为安装在PCB45上)的开口的反射底表面42A以及从底表面42A延伸到滤波器20的反射侧壁42B。在所示出的实施例中，底表面42A对照射的光起到扩散反射作用，而侧壁42B对照射的光起到镜面反射作用。如本文所使用，“镜面反射”被给出为其普通意义，其是指来自表面的光的镜面状反射，其中来自单个射入方向(射线)的光反射到单个射出方向。镜面反射通过反射规律描述，该反射规律陈述射入光(入射光线)的方向和所反射的射出光(所反射的光线)的方向相对于表面法线有相同角度，并且该入射、法线和反射的方向共面。如本文所使用，“扩散反射”被给出其普通意义，其是指光从表面的反射，以使入射射线以许多角度而不是仅以如镜面反射的一个角度反射。扩散反射也被已知为“散射”。本领域技术人员应理解的是，许多表面/元件/材料显示镜面反射和扩散反射的组合。如本文所使用，当扩散至少20％的反射光时，认为表面为“扩散反射”。扩散反射和镜面反射之间的关系为所有表面/元件/材料的可测量性质。

为了示例说明外耦合结构的功能，图10B示出通过滤波器20透射到再循环器40的并折射到再循环器40的单个射线P1。射线照在底壁42A并扩散地反射，如通过环绕的射线46所指示。扩散反射的光在再循环器40中在大的立体角度内传播，并且部分的该光线通过滤波器20被镜面反射到光感应表面3A上。尽管未示出，其他部分的扩散反射光很可能相对侧壁42B、角滤波器20和底壁42A在再循环器40中经历进一步的反射，并最终撞击表面3A。应注意的是，角滤波器20还将来自再循环器40的光透射回到面板1中，特别是在给定的角度范围内具有入射角的光，其可以但不必须地与角度范围[θ_最小-θ_最大]完全相同。如果这些角度范围为完全相同，或者至少部分重叠，则需要在再循环器40内通过扩散反射再分布光，以防止从面板1进入再循环器40的光经由滤波器20逃离回到面板1中。如果滤波器20被设计为使得角度范围足够不同(参见下面图10E)，则再循环器40可被配置有仅镜面反射壁42A、42B。

在图10B的实施例中，使用镜面侧壁42B确保朝向再循环器40的底部通过镜面反射再定向经由滤波器20进入再循环器40的全部光，其中其通过底壁42A中的扩散反射再分布或通过光感应表面3A直接接收。扩散反射光通常但不必须以垂直于底壁42A的主要方向发射，如图10B中所示。例如，底壁42A可为近朗伯扩散器。如图10B中所示，使用平面底壁42A确保大部分的扩散反射光以角度范围之外的AOI击中滤波器20，以便通过滤波器20将主要部分的扩散反射光反射回到再循环器40中。

在可选方案中，底壁42A和侧壁42B为扩散反射的。在另一个可选方案中，侧壁42B为扩散反射的，而底表面42A为镜面反射的。在所有实施例中，一部分底壁42A和/或侧壁42B为扩散反射的是可能的。通常，可能有利的是提供扩散散射于被布置为使得撞击这些表面的光的重要部分将在角度范围内以其他方式镜面反射到滤波器20上的表面。

在另一个可选方案中，底壁42A既不是镜面反射也不是扩散反射，而是提供有微观结构，该微观结构被配置为通过相对滤波器20的镜面反射以及可能地通过相对镜面侧壁42B的反射将照射的光反射和再定向到光感应表面3A上。因此，微观结构形成具有为射入光定制的光学功率的镜面，即，通过滤波器20透射的以及在底壁42A上直接地或通过侧壁42B中的反射击中微观结构的光。使用镜面反射侧壁42B可便于微观结构的设计，但使用扩散反射侧壁42B或其组合是可能的。微观结构可被实施为薄片状菲涅尔镜。

与图4和图10A中的实施例相比，由于再循环器40被设计用于通过内部反射保留一部分的透射光，直至其撞击表面3A，因此在角滤波器20的大小和光感应表面3A的所需尺寸之间不存在直接关系。此外，存在关于再循环器40放置检测器3的大的自由度，并且其甚至可被容纳在侧壁42B中而不是底壁42A中。应理解的是，可在没有外耦合效率的任何主要损失的情况下，相对于制造需求最优化外耦合结构。此外，可放松组件偏差。

如图10C的平面图所示，假设射入光通过角度范围[θ_最小-θ_最大]内的AOI撞击角滤波器20，则角滤波器20和再循环器40的组合将在面板1的平面中收集来自所有方向的光。因此，图10C中的外耦合结构可在面板1的平面中接受来自许多不同方向的光，并限定来自不同发射器(参见图2)的检测线的端点。在图10C的示例中，再循环器40在平面视图中为圆形的，但其他形状为可能的，例如，椭圆的或多边形的。如关于图4所描述，可期望的是再循环器沿每条检测线的广度W等于至少最小反弹距离或至少最大反弹距离。

在所有实施例中，如果存在的话，再循环器40的镜面反射壁可通过被施加到垫片材料22的外部涂层、层或薄膜来实施，例如，诸如铝、铜或银的金属或多层结构，如本领域技术人员已知的。

在所有实施例中，如果存在的话，再循环器40的扩散反射壁可通过被施加到垫片材料22的扩散反射材料的外部涂层、层或薄膜来实施。在一个实施中，扩散反射材料为无光泽的白涂料或墨。为了实现高扩散反射率，涂料和/或墨可优选地包含具有高折射率的颜料。一个该种颜料为TiO₂，其具有折射率n＝2.5-2.7。例如，还可能理想的是，为涂料粘合剂(媒介)的折射率降低菲涅尔损失，以匹配垫片22的折射率。例如，取决于折射率，一些媒介是可用的，诸如氧化的大豆醇酸树脂、桐油、丙烯酸树脂、乙烯树脂和聚醋酸乙烯酯树脂。可通过使用例如由陶氏化学公司(Dow Chemical Company)提供的EVOQUE^TM预复合高分子技术来进一步改善涂料的性质。存在商业上可获得的许多其他扩散反射涂层材料，例如，含氟聚合物材料、聚脲搪瓷、基于硫钡酸的涂料或溶液、粒状PTFE、微孔聚酯、聚碳酸酯薄膜、扩散反射器产品等等。此外，可使用白纸。可选地，扩散反射材料可以是所谓的工程扩散器。工程扩散器的示例包括全息扩散器，诸如由Luminit LLC公司提供的所谓的LSD薄膜。

根据其他可选方案，再循环器40的扩散反射壁可被实施为垫片材料22中的微观结构，该垫片材料22具有镜面反射材料的覆盖涂层。例如，可通过蚀刻、浮雕、模制、喷砂等等在垫片材料22中提供微观结构。可选地，微观结构可作为薄膜或薄片附接在垫片材料22上。以上所述的具有为射入光定制的光学功率的镜面还可被提供作为垫片材料22中或垫片材料22上的微观结构。

下面依据对图4中的外耦合结构的变型的描述。除非明确地排出，否则可根据关于图10B-10C描述的任何实施例、可选方案以及变型来配置底壁42A和侧壁42B。

图10D示出外耦合结构，当角滤波器20和光感应表面3A的宽度W小于最大反弹距离或者甚至小于最小反弹距离时，其可改善外耦合结构的能力，以实现在限制θ_最小、θ_最大内的传播光的一致检测。这通过提供边缘表面来实现，该边缘表面连接前表面5和后表面6，其中镜面反射涂层48在角滤波器20的位置处。如所示出，涂层48将操作用于将在角滤波器20之上通过的传播光反射回到面板1中，包括以角度范围[θ_最小-θ_最大]之外的AOI照在滤波器20的传播光以及不照在角滤波器20的传播光。应了解的是，涂层48将在不改变其AOI的情况下反射射入光。因此，反射光的一部分将具有落在滤波器20的角度范围内的AOI。将通过滤波器20将该反射光透射到该程度，即其在背向触摸表面4的其过程中照在滤波器20上。从而，反射涂层48操作用于增大外耦合效率。

并非严格必需的是，直接邻近涂层48的边缘表面布置角滤波器20，以执行其增大外耦合效率的功能。然而，该种放置可为优选的是，确保可通过涂层48将不同检测线上的光反射到角滤波器20上。

在本文所公开的所有实施例中，反射涂层48一般可被实施用于增大外耦合效率。

图10E示出图10B中的外耦合结构的变型。再循环器40被配置为中空实例，即，不具有垫片材料。这通过在其射出表面上提供给角滤波器20分裂光学元件52，以使得通过角滤波器20透射的光进入中空再循环器40来实现。在分裂光学元件52不存在的情况下，穿过滤波器20的光将已经通过射出表面中的TIR反射回到滤波器20中。在一个实施例中，元件52为折射射入光的透射成像部件。因此，成像部件52限定为穿过滤波器20的光定制的光学功率，例如，以将光折射到光感应表面3A上以及/或者底壁和侧壁42A、42B的专用部分上。从而，壁42A、42B可以是但不必须是镜面反射的。该种成像部件52可实现光到再循环器40中的高效耦合，但可要求相对于滤波器20和再循环器40的细致定位。可通过跨越成像部件52的表面的微观结构来限定光学功率。在一个实例中，微观结构限定薄片状菲涅尔透镜。

在另一个实施例中，分裂光学元件52是非成像、扩散透射部件(“透射扩散器”)。在该实施例中，进入再循环器40的光为扩散的。由于光成角度地再分布在入口上，因此壁42A、42B可以是但不必须是镜面反射的。优选地，透射扩散器52相对射入光具有移位不变形，因此其不一定具有相对射入光的具体位置。在一个实例中，在没有折射结构的情况下配置透射扩散器52。可以通过简单的、健壮的和有成本效益的方式将该种透射扩散器52实施作为扩散颗粒的薄膜。可通过着色、喷涂、层压、粘合等等将薄膜施加到滤波器20。任何内在地透明的材料可以被用于形成薄膜，例如，无光泽的白涂料或墨。然而，可使涂料最优化以获得所需的扩散透射率，例如，通过包括具有低折射率的颜料或不同材料的球面物。在另一个示例中，透射扩散器52在背朝滤波器20的侧面上包括折射结构。在该透射扩散器中，也被称之为工程扩散器，可将折射结构实施作为被定制用于生成所需扩散透射的微观结构(例如，微观透镜、微观锥体或微观棱镜)的布置(例如，随机的、伪随机的、六边的等等)。工程扩散器可以是分离的平坦的或薄片状设备，其附接到滤波器20，或者可以是通过蚀刻、浮雕、模制、喷砂等等提供的滤波器20上的表面结构。将要理解的是，还可在图10A中的实施例中实施分裂光学元件52，以避免对在角滤波器20和检测器3之间的垫片材料22的需要。

图10F示出图10B中的外耦合结构的进一步变型。这里，当安装在PCB 45上时，检测器3为侧视的。检测器3插入到垫片材料22中，以使光感应表面3A突出越过再循环器40的底表面42A并垂直于面板1和角滤波器20的大小。通过在再循环器40内部布置侧视检测器3，可行的是为底表面42A中的给定开口提供增大的光感应表面3A，特别是如果光感应表面3A在检测器3的周边延伸的话。增大的光感应表面3A可导致增大的外耦合效率。在变型中，检测器3的顶表面可提供有扩散反射结构，以增强再循环器40内部的光的角度再分布。

图10G示出图10B中的外耦合结构的进一步变型，其中再循环器40被配置为漏斗，其被定制用于将通过滤波器20透射的光定向到光感应表面3A上。漏斗由镜面反射的壁42A、42B来限定。应注意的是，再循环器40可具有除了图10G中示出的以外的其他形状。例如，底壁42A可为抛物线的。可通过光学系统最优化，诸如通过射线追迹获得其他合适的形状。此外，壁42A、42B可并入共同的漏斗结构，其可为抛物线的或具有任何优化的形状。再循环器40以及可选地滤波器20可与检测器3被整合到包装中，其在装置的制造期间附接到后表面6。

图10H示出图4中的外耦合结构的变型。在图10H中，装置100进一步包括可见性滤波器50，其被布置为从通过前表面5的视图隐藏(屏蔽)角滤波器20、检测器3以及装置100的内部结构。可见性滤波器50不透射(反射和/或吸收)可见光并且透射NIR光，并优选地仅透射在传播光的波长区域中的NIR光。在一个层或多层中，可见性滤波器50可被实施作为涂层或薄膜。在图10H中，可见性滤波器50从角滤波器20的内边缘延伸到面板1的边缘，尽管可见性滤波器50可朝向面板的中心进一步延伸越过角滤波器20。在图10H中，可见性滤波器50被布置在面板1下方，在后表面6和角滤波器20的中间。这使得前表面5能够为完全平坦的和自由的投影元件。在未示出的变型中，可见性滤波器50布置在角滤波器20和检测器3中间。在未示出的进一步变型中，可见性滤波器50应用到前表面5。将要理解的是，可结合本文所描述的任何外耦合结构实施可见性滤波器50。

除了通过在检测器3的前面布置以上所述的多层结构之外，还存在用于在外耦合结构中整合角滤波器的其他方式。例如，可通过在几何上以及机械上来限制可到达检测器的光线的结构形成角滤波器，如下面参考图11-12所说明。

图11为如附接到面板1的第一可选外耦合结构的侧视图，并且图11B为外耦合结构的俯视图。外耦合结构通过限定从外耦合端口60到光感应表面3A的成角度限制的传播路径来形成角滤波器20。角滤波器20通过透光材料22的主体上的非透射层61-63来进行限定，例如，关于图10A讨论的任何垫片材料。层61和62被布置在主体的顶部上，以在主体和面板1之间的界面处限定外耦合端口60。层61为吸收光的且形成为环形部分的。层61仅需要吸收主体内部的光。层62为镜面反射的且形成为半圆形的，其可延伸到环形部分的内半径，如所示出，或者延伸到环形部分的外半径(即，在层61和面板1之间)。主体的顶部附接到面板1的后表面6，并且光检测器3附接到主体的短侧，以便在层61、62下方屏蔽表面3A。层63为镜面反射的且附接到主体的底侧。

图11A示出一个传播射线P1，其以滤波器20的角度范围内的AOI穿过外耦合端口60，并通过层63反射到表面3A上。图11A还示出传播射线P2，其通过TIR在面板1中传播并穿过外耦合端口60，并通过层63反射到吸收射线的层61上。如所示，层61-63的结构限定滤波器20的角度范围。层61沿各个检测线的宽度限定关于主体的给定垂直高度的θ_最小。为了在面板的平面中实现关于所有的检测线的类似的θ_最小，层61成形为环形部分，尽管可想到更多复杂的形状来用于实现相应的效果。

图12A为如附接到面板1的第二可选外耦合结构的侧视图，并且图12B为外耦合结构的俯视图。如同图11中的第一变型，外耦合结构通过附接到透光材料的主体的层71-73形成角滤波器20，其中该透光材料附接到面板1的后表面6。层71布置在主体的顶部上，以在主体和面板1之间的界面处限定外耦合端口70。层71为镜面反射的，并且在该示例中形成为半圆形。层72为透光的并附接到主体的底表面，并具有折射率，该折射率导致以高于θ_最小的AOI撞击外耦合端口70的光在主体和层72之间的界面处通过TIR反射，而以较小AOI处的光被透射到层72中且被光吸收材料的层73吸收。应了解的是，层72的折射率由n₇₂＝n_面板·sin(θ_最小)给出。外耦合结构的功能通过穿过滤波器20的一个射线P1以及耦合到层72中的一个射线P2示例说明。

在第一和第二变型两者中，可想到的是，主体的折射率n_垫片被选择在主体和面板之间的界面中通过TIR产生所需的θ_最大：n_垫片＝n_面板·sin(θ_最大)。

图13A示出图4中的实施例的变型，其中层87、88(下文中表示为“分层吸收器”)的组件邻近外耦合结构附接到后表面6。层87为透光的并附接到后表面6，并且层88为吸收光的并附接到层87。层87、88可被分别配置为与耦合层37和光吸收层38对应，如以上参考图9B所描述的。从而，分层吸收器将吸收以低于θ_c,c＝arcsin(n_耦合层/n_面板)的AOI撞击在其上的所有光，其中n_耦合层为耦合层87的折射率。应了解的是，分层吸收器可与角滤波器20组合，以限制到达检测器3的光的角度。可在各个检测线的方向中将分层吸收器配置有宽度W1≥2·t·tan(θ_c,c)，以确保具有低于θ_c,c的AOI的传播光照在耦合层87上至少一次。在该外耦合结构中以及本文所描述的所有其他外耦合结构中，由于分层吸收器关于在面板1中朝向外耦合结构传播的光有效地形成角滤波器，因此提供分层吸收器可放松对角滤波器20的要求，并且可甚至可能省略角滤波器20。角度限制θ_c,c可被选择用于为层37、38(图9B)的组件减小如以上所描述的环境光和污染物的影响。分层吸收器可与本文所描述的所有外耦合结构组合。作为进一步的示例，图13B示出与图10B中的外耦合结构的该组合，其包括再循环器40。

可通过增大分层吸收器的宽度W1来减小对污染物的灵敏度。在一个极端中，层87、88的组件从外耦合结构到内耦合结构跨越整个后表面6。在该极端中，分层吸收器与图9B中层37、38的组件完全相同。增大的宽度W1的改进的原因被认为是，到达检测器3的传播光更少受表面污染物中的光散射影响。如相关图9B所提及的，当在面板1中传播的光击中表面污染物时，该光被散射，并且所散射的光的部分将在面板1中传播并可能相对表面污染物进一步被散射等等。这意味着作为关于到达滤波器20的光的AOI的函数的强度分布以及通过检测器3接收的光的量将取决于触摸表面4上的污染物的当前分布。例如，这可使得难以检测触摸表面4上的手指点击，因为手指点击留下可在检测器3处导致信号改变的指纹，该指纹至少部分掩饰由手指从触摸表面举起导致的信号改变。分层吸收器的较大宽度W1将降低由表面污染物中的光散射导致的强度再分布。在图17A-17B中看出该效果，其中图17A-17B示出为被皮脂严重污染的触摸表面上的检测线测量的时间分辨信号衰减，同时短的手指点击(向下触摸，随后向上触摸)发生在时间窗口Δt内。图17A示出在没有分层吸收器的情况下的面板结果，并且图17B示出在具有在内耦合结构和外耦合结构之间(参见图19B)跨越整个后表面的分层吸收器(θ_c,c＝70°)的情况下的结果。信号衰减被限定为I/I0，其中I为检测器3处的所测量的强度，并且I0为在没有手指在检测线上的情况下的所测量的强度。如所示，所测量的衰减在向下触摸处上升到峰值并然后在向上触摸处返回到升高的水平。升高的水平是由通过触摸表面上的手指点击留下的指纹导致的。然而，向下触摸和向上触摸之间的衰减中的差异是图17B相比于图17A增加了2倍。应理解的是，分层吸收器可改善在手指点击期间检测向上触摸事件的能力。

3.内耦合结构

通常，任何类型的内耦合结构可用于将光耦合到触摸感应装置的面板1中。在某些实施例中，可能有利的是内耦合结构包括类似于上述外耦合结构中的一个的角滤波器。将参考图14详细说明该光内耦合结构的一些实施例。通常，在图2中所示的触摸感应装置的背景中呈现这些实施例。

图14A示出可沿图2中的触摸感应装置的检测线D中的任一个截取的截面。出于简化的目的，仅示出了在内耦合结构处和周围的装置的一部分。内耦合结构包括薄片状角滤波器120，该薄片状角滤波器120被应用为其前面到面板1的后表面6限定内耦合端口在触摸表面4的外围处。在所示出的示例中，角滤波器120被实施为多层结构，其可类似于或者甚至完全等同于以上关于图4-5描述的角滤波器20。再循环器140布置在角滤波器120下方，与发射器2的光发射表面2A具有周围关系。再循环器140限定反射外壳在光发射表面2A的周围。外壳由垫片材料122填充，例如，关于图10A讨论的任何垫片材料。再循环器140包括具有用于发射器2(被示出为安装在PCB 45上)的开口的反射底表面142A以及从底表面142A延伸到滤波器120的反射侧壁142B。

角滤波器120被配置为仅在相对于滤波器120的法线的给定角度范围[θ_最小’-θ_最大’]内透射来自再循环器140内的光。以其他入射角的光被镜面地或扩散地反射回到再循环器140中。

在图14A的实施例中，底表面142A对照射的光起到扩散反射作用，而侧壁142B对照射的光起到镜面反射作用。内耦合结构的功能被示例说明用于源自光发射表面2A的一些射线。如所示，在光的发散光束中从表面2A发射光。一些光以被直接透射到面板1(示出的一个光线)中的角度发射到滤波器120上，而其他光相对滤波器120被反射回到朝向底表面142A(示出的一个光线)，其中其被扩散地反射，如由环绕的射线46所指示。该扩散发射的光中的一些通过滤波器120被直接或在侧壁142B中的反射之后透射到面板1中。其余的扩散反射光将通过再循环器140内部的进一步反射再循环。因此，再循环器140通过再循环器140内部的多次反射来操作而逐步地将来自发射器2的光集中到角度范围[θ_最小’-θ_最大’]中。由于光的速度，相比于通过信号处理器10来采样来自检测器3的数据所使用的时间比例，该过程是即时的。在变型中，底壁142A和侧壁142B两者为扩散反射的。在另一个可选方案中，侧壁142B为扩散反射的，而底表面142A为镜面反射的。在所有实施例中，仅底壁142A和/或侧壁142B的一部分为扩散反射的是可能的。

使用角滤波器120提供简单、高效和健壮的技术，以用于在面板1内部的良好限定的角度范围[θ_最小’-θ_最大’]内提供光。

应注意的是，如果面板1由单个材料组成，则可将内耦合结构的宽度W设置为小于内耦合光的最小反弹距离，其由2·t·tan(θ’_最小)给出。这确保通过角滤波器120透射的以及以θ’_最小或以上的角度撞击前表面5的光将不被反射回到角滤波器120上。

图14A的内耦合结构被配置为在角度范围[θ_最小’-θ_最大’]内将光引入到面板1中，该角度范围至少大约匹配外耦合结构中角滤波器20的角度范围[θ_最小-θ_最大]。内耦合和外耦合结构之间的角度范围的(大约)匹配将确保有效地利用可用的光能量，并且通过类推以上参考图9B的讨论，其还可减小表面污染物的影响。可通过在内耦合结构和外耦合结构中安装完全相同的角滤波器20、120以内在地实现匹配。

如图14B中的平面图中所示，假设射入光通过角度范围[θ_最小’-θ_最大’]内的AOI撞击角滤波器120，则角滤波器120和再循环器140的组合将光耦合到面板中，以用于在面板1的平面中的所有方向中传播。因此，图14B中的内耦合结构可限定关于不同检测器3(参见图2)的检测线的起点。在图14B的示例中，再循环器140在平面图中为圆形的，但其他形状也是可能的，例如椭圆的或多边形的。

图14C示出图14A中的内耦合结构的变型。这里，当安装在PCB 45上时，发射器2为侧发射的。发射器2插入到垫片材料122中，以使光发射表面2A突出越过再循环器140的底表面142A并垂直于面板1和角滤波器120的大小。通过在再循环器140内部布置侧发射发射器2，为底表面142A中的给定开口增大光发射表面2A是可能的。此外，发射器2的顶表面可提供有扩散发射表面，以增强再循环器140中的角度再分布。此外，由于来自发射器2的光被至少部分朝向底壁142A和侧壁142定向，而不是直接针对如图14A中的角滤波器120，因此可改善角度再分布。

图14D示出图14A中的实施例的变型，其中由层87、88组成的以上提及的分层吸收器，邻近内耦合结构附接到后表面6。出于图13A-13B中的相同原因，分层吸收器优选地具有宽度W1≥2·t·tan(θ_c,c)，并且如以上所说明，分层吸收器的效果可随增大的宽度W1而增加。分层吸收器可与所有可想到的内耦合结构组合。在该内耦合结构以及本文所描述的所有其他内耦合结构中，使用分层吸收器可实现完全省略角滤波器20。

还应注意的是，可结合本文所描述的任何内耦合结构实施以上所描述的可见性滤波器(参见图10H中的50)，例如，在后表面6和角滤波器120中间。

图15A为触摸感应装置的一部分的底部平面视图，以示出一系列发射器2和/或检测器3，其经由可见性滤波器50光学地耦合到靠近面板边缘中的一个的面板1，该可见性滤波器50被应用到后表面6以沿着面板边缘作为连贯的、延长的条带延伸。每个发射器2和检测器3通过耦合结构耦合到面板1，该耦合结构由角滤波器20/120和再循环器40、140形成。角滤波器20/120和再循环器40、140的组合被布置为沿面板边缘的离散单元。图15B示出可选实施，其中角滤波器20/120被应用到可见性滤波器50上，以沿着面板边缘作为连贯的、延长的条带延伸。因此，相同的角滤波器20/120用于沿面板边缘将所有发射器2和/或检测器3耦合到面板1。再循环器40/140可在角滤波器120上边对边布置，如所示，或者它们可被布置为具有类似于图15A的相互间隔。

可在一系列的操作中将图15A-15B中的耦合结构应用到面板1，该一系列的操作包括将可见性层50应用在面板1上，将角滤波器20/120应用到可见性层50上，以及将预制造的再循环器40/140应用在角滤波器20/120上。可选地，角滤波器20/120和再循环器40/140可被提供作为单个预制造的条带，其附接到面板1上的可见层50上(如果存在)。在另一个可选方案中，通过面板上在原位的一系列的处理步骤产生再循环器40/140，包括，例如，将垫片材料22/122附接到角滤波器20/120，将专用涂层应用到侧壁42B/142B，同时掩饰底壁42A/142A，将专用涂层应用到底壁42A/142A，同时掩饰检测器/发射器2、3的开口，以及将检测器/发射器2、3附加到开口。

尽管已经结合当前被认为最具有实践性和优选的实施例描述了本发明，将要理解的是，本发明并不局限于所公开的实施例，相反，其旨在覆盖随附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等效布置。

例如，尽管可通过使用关于外耦合和内耦合两者的角滤波器(特别是多层结构)获得技术优点，可想到的是，可通过对前表面或后表面的直接附接或者通过经由边缘表面的光学耦合来组合利用角滤波器的发明性外耦合结构以及传统内耦合结构，例如，如在背景部分中讨论的大的棱镜或薄片状微观结构。

在某些安装中，内耦合结构和外耦合结构中的一者或两者可布置在前表面5上而不是后表面6上。

前述说明指示下限θ_最小的某些选择(例如，相对于截光角、度θ_c,l、θ_c,c、θ_w、θ_f)导致重大的性能改善。然而，当下限θ_最小在从临界角度θ_c增大时，例如，在至少某些安装中的步骤1°中，性能逐步地改善是可能的。因此，某些安装的测试可指示以另一个选择的θ_最小实现可接受的性能改善，例如，在θ_c和θ_w之间的、在θ_w和θ_f之间的以及在θ_f和θ_sc之间的任何角度。相同情况用于选择层压层/耦合层的折射率，以用于经由截止角度θ_c,l/θ_c,c抑制污染物的影响。

Claims (41)

1.一种触摸感应装置，其包括：

透光面板(1)，其限定前表面(5)和相对的后表面(6)；

多个光发射器(2)，其光学地连接到所述透光面板(1)，以便生成传播光，所述传播光通过所述透光面板(1)内部的全内反射、跨越所述透光面板(1)上的触摸感应区域(4)进行传播；

多个光检测器(3)，其光学地连接到所述透光面板(1)，以便限定跨越所述触摸感应区域(4)的、在多对光发射器(2)和光检测器(3)之间的传播路径(D)的网格；

其中每个光检测器(3)经由角滤波器(20)光学地连接到所述透光面板，该角滤波器(20)被应用到所述前表面和后表面(5,6)中的至少一个上的外耦合区域且被配置为仅在相对于所述外耦合区域的法线的有限角度范围内透射所述传播光；以及

其中所述有限角度范围从角度下限θ_最小延伸到角度上限θ_最大，其中所述角度下限θ_最小等于或大于临界角度θ_c，所述临界角度θ_c通过θ_c＝arcsin(1/n_面板)给出，其中n_面板为所述透光面板(1)在所述外耦合区域处的折射率。

2.根据权利要求1所述的触摸感应装置，其中所述角度下限θ_最小比所述临界角度超出角度Δθ，所述角度Δθ为至少5°、10°或15°。

3.根据权利要求1所述的触摸感应装置，其中所述角度下限θ_最小等于或大于第一截止角度θ_w＝arcsin(n_w/n_面板)，其中n_w为水的折射率，n_面板>n_w。

4.根据权利要求1所述的触摸感应装置，其中所述角度下限θ_最小等于或大于第二截止角度θ_f＝arcsin(n_f/n_面板)，其中n_f为手指脂肪的折射率，n_面板>n_f。

5.根据任一前述权利要求所述的触摸感应装置，其中所述角度上限θ_最大等于或小于第三截止角度θ_sc＝arcsin(1.55/n_面板)，n_面板>1.55。

6.根据权利要求1-4中的任一项所述的触摸感应装置，其中所述透光面板(1)通过透光材料的层压层(36)安装在显示设备(34)的前表面上，该层压层(36)布置为与所述透光面板(1)的所述后表面以及所述显示设备(34)的所述前表面接触，并且其中所述角度下限θ_最小大约等于或大于层压截止角度θ_c,l＝arcsin(n_层压层/n_面板)，其中n_层压层为层压层(36)的折射率，n_层压层<n_面板。

7.根据权利要求1-4中的任一项所述的触摸感应装置，还包括分层光吸收器，所述分层光吸收器包括所述透光面板(1)的所述后表面(6)上的透光材料的耦合层(37,87)以及所述耦合层(37,87)上的光吸收材料的吸收层(38,88)，所述耦合层(37,87)具有折射率n_耦合层<n_面板。

8.根据权利要求7所述的触摸感应装置，其中所述角滤波器(20)的所述角度下限θ_最小大约等于或大于吸收器截止角度θ_c,c＝arcsin(n_耦合层/n_面板)。

9.根据权利要求8所述的触摸感应装置，其中所述分层光吸收器从相应的外耦合端口延伸并具有宽度(W1)，该宽度(W1)沿着延伸到所述相应的光检测器(3)的检测线(D)至少等于在所述后表面(6)中对以与所述后表面(6)的法线成入射角θ_c,c撞击所述后表面(6)的传播光的连续反射之间的距离。

10.根据权利要求8所述的触摸感应装置，其中所述分层光吸收器被布置为重叠所述触摸感应区域(4)的主要部分，或基本上全部所述触摸感应区域(4)。

11.根据权利要求1-4中的任一项所述的触摸感应装置，其中所述角滤波器(20)被配置为：对于延伸到所述相应的光检测器(3)的所有检测线(D)，限定基本上相同的有限角度范围。

12.根据权利要求1-4中的任一项所述的触摸感应装置，其中所述角滤波器(20)被配置为介电多层结构。

13.根据权利要求12所述的触摸感应装置，还包括光再循环器(40)，所述光再循环器(40)布置在所述角滤波器(20)下方，以相对于所述角滤波器(20)和所述相应的光检测器(3)的光感应表面(3A)限定反光外壳。

14.根据权利要求13所述的触摸感应装置，其中所述反光外壳包括与所述角滤波器(20)间隔开且平行于所述角滤波器(20)延伸的反光底表面(42A)以及在所述反光底表面(42A)和所述角滤波器(20)之间延伸的反射侧壁结构(42B)。

15.根据权利要求14所述的触摸感应装置，其中所述侧壁结构(42B)为镜面反射的，并且所述底表面(42A)的至少一部分为扩散反射的。

16.根据权利要求13所述的触摸感应装置，其中所述反光外壳为至少部分扩散反射的。

17.根据权利要求13所述的触摸感应装置，其中所述反光外壳由透光材料(22)填充。

18.根据权利要求13所述的触摸感应装置，其中所述反光外壳为中空的，并且其中，分裂结构(52)设置在所述角滤波器(20)上以便面向所述反光外壳，其中所述分裂结构(52)被配置为将通过所述角滤波器(20)透射的光的至少一部分透射和再定向到所述反光外壳中。

19.根据权利要求18所述的触摸感应装置，其中所述分裂结构(52)为非成像的、扩散透射结构。

20.根据权利要求18所述的触摸感应装置，其中所述分裂结构(52)为被配置为折射由所述角滤波器(20)透射的光的成像结构。

21.根据权利要求13所述的触摸感应装置，其中所述光检测器(3)被布置有面向所述角滤波器(20)的所述光感应表面(3A)。

22.根据权利要求14所述的触摸感应装置，其中所述光检测器(3)被布置为突出到所述光外壳中，以使所述光感应表面(3A)面向所述侧壁结构(42B)。

23.根据权利要求13所述的触摸感应装置，其中所述反光外壳包括微观结构(42A)，所述微观结构(42A)限定具有光学功率的镜面，以便将所透射的传播光再定向到所述光感应表面(3A)上。

24.根据权利要求13所述的触摸感应装置，其中所述光再循环器(40)被配置为漏斗，所述漏斗被配置为朝向所述光检测器(3)的所述光感应表面(3A)镜面反射来自所述角滤波器(20)的所透射的传播光。

25.根据权利要求12所述的触摸感应装置，其中所述透光材料的主体(22)附接到所述角滤波器(20)，并且其中所述光检测器(3)附接到所述主体(22)，以使所述光检测器(3)的光感应表面(3A)直接接收来自所述角滤波器(20)的所透射的传播光。

26.根据权利要求1-4中的任一项所述的触摸感应装置，其中所述角滤波器(20)被布置为将所述传播光透射到在所述后表面(6)上的相应外耦合端口内的所述相应的光检测器(3)，其中所述相应外耦合端口沿着延伸到所述相应的光检测器(3)的检测线(D)的广度(W)至少等于在所述后表面(6)中对以与所述角滤波器(20)的法线成入射角θ_最小撞击所述角滤波器(20)的传播光的连续反射之间的距离。

27.根据权利要求1-4中的任一项所述的触摸感应装置，还包括镜面反射式边缘元件(48)，所述镜面反射式边缘元件(48)邻近所述外耦合区域布置在连接所述透光面板(1)的所述前表面(5)和所述后表面(6)的边缘部分上，以便镜面反射撞击所述镜面反射式边缘元件(48)的传播光。

28.根据权利要求1-4中的任一项所述的触摸感应装置，其中所述传播光包括红外波长区域中的光，并且其中所述触摸感应装置还包括布置在所述后表面(6)和所述角滤波器(20)中间的可见性屏蔽件(50)，所述可见性屏蔽件(50)被配置为阻止人类眼睛可见的光，并透射所述传播光在红外波长区域中的至少一部分。

29.根据权利要求1-4中的任一项所述的触摸感应装置，其中每个光发射器(2)经由角滤波器(120)光学地连接到所述透光面板(1)，该角滤波器(120)应用到所述前表面和后表面(5,6)中的至少一个上的内耦合区域，且被配置为仅在所述透光面板(1)内的有限角度范围内透射来自相应的光发射器(2)的光。

30.根据权利要求29所述的触摸感应装置，其中所述内耦合区域上的所述角滤波器(120)的所述有限角度范围与所述外耦合区域上的所述角滤波器(20)的所述有限角度范围匹配。

31.根据权利要求30所述的触摸感应装置，其中所述内耦合区域上的所述角滤波器(120)与所述外耦合区域上的所述角滤波器(20)完全相同。

32.根据权利要求29所述的触摸感应装置，还包括光再循环器(140)，所述光再循环器(140)布置在所述内耦合区域上的所述角滤波器(120)的下方，以便相对于所述角滤波器(120)和所述相应的光发射器(2)的光发射表面(2A)限定反光外壳。

33.一种触摸感应装置，其包括：

透光面板(1)，其限定前表面(5)和相对的后表面(6)；

多个光发射器(2)，其光学地连接到所述透光面板(1)，以便生成传播光，所述传播光通过所述透光面板(1)内部的全内反射、跨越所述透光面板(1)上的触摸感应区域(4)进行传播；以及

多个光检测器(3)，其光学地连接到所述透光面板(1)，以便限定跨越所述触摸感应区域(4)的、在多对光发射器(2)和光检测器(3)之间的传播路径(D)的网格；

其中所述透光面板(1)通过透光材料的层压层(36)安装在显示设备(34)的前表面上，该层压层(36)被布置为与所述透光面板(1)的所述后表面(6)以及所述显示设备(34)的所述前表面接触；以及

其中所述层压层(36)具有折射率n_层压层，所述层压层(36)的折射率n_层压层小于所述透光面板(1)在所述后表面(6)处的折射率n_面板，且所述折射率n_层压层被选择以使层压截止角度θ_c,l＝arcsin(n_层压层/n_面板)比由θ_c＝arcsin(1/n_面板)给出的临界角度θ_c超出角度Δθ，所述角度Δθ为至少5°、10°或15°。

34.根据权利要求33所述的触摸感应装置，其中所述层压截止角度θ_c,l等于或大于第一截止角度θ_w＝arcsin(n_w/n_面板)，其中n_w为水的折射率，n_面板>n_w。

35.根据权利要求33所述的触摸感应装置，其中所述层压截止角度θ_c,l等于或大于第二截止角度θ_f＝arcsin(n_f/n_面板)，其中n_f为手指脂肪的折射率，n_面板>n_f。

36.根据权利要求33-35中的任一项所述的触摸感应装置，其中所述光发射器(2)光学地耦合到所述透光面板(1)，使得所述传播光被生成为以等于或大于所述层压截止角度θ_c,l的角度撞击所述层压层(36)。

37.一种触摸感应装置，其包括：

透光面板(1)，其限定前表面(5)和相对的后表面(6)；

多个光发射器(2)，其光学地连接到所述透光面板(1)，以便生成传播光，所述传播光跨越所述透光面板(1)上的触摸感应区域(4)、通过所述透光面板(1)内部的全内反射传播；以及

多个光检测器(3)，其光学地连接到所述透光面板(1)，以便限定跨越所述触摸感应区域(4)的、在多对光发射器(2)和光检测器(3)之间的传播路径(D)的网格；

其中分层光吸收器设置在所述透光面板(1)的所述后表面上，所述分层光吸收器包括所述透光面板(1)的所述后表面(6)上的透光材料的耦合层(37,87)以及所述耦合层(37,87)上的光吸收材料的吸收层(38,88)，以及

其中所述耦合层(37,87)具有折射率n_耦合层，所述耦合层(37,87)的折射率n_耦合层小于所述透光面板(1)在所述后表面(6)处的折射率n_面板，且所述折射率n_耦合层被选择以使吸收器截止角度θ_c,c＝arcsin(n_耦合层/n_面板)比由θ_c＝arcsin(1/n_面板)给出的临界角度θ_c超出角度Δθ，所述角度Δθ为至少5°、10°或15°。

38.根据权利要求37所述的触摸感应装置，其中所述吸收器截止角度θ_c,c等于或大于第一截止角度θ_w＝arcsin(n_w/n_面板)，其中n_w为水的折射率，n_面板>n_w。

39.根据权利要求37所述的触摸感应装置，其中所述吸收器截止角度θ_c,c等于或大于第二截止角度θ_f＝arcsin(n_f/n_面板)，其中n_f为手指脂肪的折射率，n_面板>n_f。

40.根据权利要求37-39中的任一项所述的触摸感应装置，其中所述光发射器(2)光学地耦合到所述透光面板(1)，使得所述传播光被生成为以等于或大于所述吸收器截止角度θ_c,c的角度撞击所述耦合层(37,87)。

41.根据权利要求37-39中的任一项所述的触摸感应装置，其中所述分层光吸收器被布置为重叠所述触摸感应区域(4)的主要部分，或基本上全部的所述触摸感应区域(4)。