CN105103092A - 用于感测触摸屏位移的触摸屏系统和方法 - Google Patents

Abstract

配置了一种触摸屏系统，当向盖板上表面施加压力或力量时，检测盖板的位移。通过来自盖板下表面的光源的光反射，光源和光检测器被配置成处于光学通信中。盖板的位移改变了落在检测器上的反射光的量。可以使用检测器信号来测量位移的量和位移的时间演变。该触摸屏系统可以与触敏显示单元集成在一起，以形成一个既具有压力感测功能又具有触摸感测功能的显示系统。

Description

用于感测触摸屏位移的触摸屏系统和方法

相关申请的交叉参照

本申请根据35U.S.C.§119要求于2012年10月4日提交的、申请号为61/744,831的美国临时申请的优先权，此其内容整体作为引用被依赖和包含。

技术领域

本发明关于触敏设备，尤其是用于感测触摸屏位移的触摸屏系统和方法。

背景技术

对显示器和其它设备(例如键盘)来说，具有非机械触摸功能的市场快速增长。结果是，使显示器和其它设备能具有触摸功能的触摸感测技术得到发展。触摸感测功能在移动设备应用中获得了广泛的适用，移动设备诸如智能电话、电子书阅读器、笔记本电脑和平板电脑。

响应于多种类型的触摸，例如单点触摸、多点触摸和重击，触摸屏形式的触摸系统得到发展。基于与触摸表面形成光学接触，某些系统依靠光散射和/或光衰减，其相对于支架保持固定。公开号为2011/0122091的美国专利申请中描述了一个这样的触摸屏系统的示例。

有效的同时，对触摸感测来说仍然需要可替代的基于光学的方法，其可以对感测一个触摸事件提供所需的灵敏度，该触摸事件利用足够的力度来位移触摸屏。可以使用这样的触摸事件来增加触摸屏另一个方面的功能。

发明内容

本发明的一个方面的一种触摸屏系统，其被配置为当向盖板上表面施加压力或力时检测盖板的位移。光源和光检测器被配置成通过从盖板下表面反射来自光源的光而进行光学通信。盖板的位移改变了落在检测器上的反射光的量。可以使用检测器信号来测量位移的量和位移的时间演化。触摸屏系统可以与触敏显示单元相连接，来形成应用了压力感测和触摸感测双重功能的显示系统。

随后的详细描述将阐述本发明的附加功能和优势，并且某种程度上该描述对本领域技术人员来说是显而易见的，或者是通过实现此处所描述的公开被认可，包括随后的详细描述、权利要求和附图。

权利要求和摘要被并入且构成下面阐述的详细描述。

此处引用的所有出版物、论文、专利、已发布的专利申请等作为引用被整体并入进来。

附图说明

图1A和1B是根据本发明的示例触摸屏系统的俯视图；

图2A是抬高的部件分解图，图2B是示例触摸屏系统的盖板、托脚(stand-off)构件和框架的组装图；

图2C是抬高的部件分解图，图2D是另一个示例触摸屏系统的盖板、托脚构件和框架的组装图；

图3A是触摸屏系统的边部分的特写横截面视图，它示出了如何通过来自盖板的下表面的反射将光源和光检测器进行光学耦合；

图3B和图3C是光源和光检测器的俯视图，沿着光检测器平面反射的光的周边，示出了没有触摸事件时的光检测器上的反射的光的第一区域；

图4A与图3A类似，其显示了在触摸位置上施加一个手指按压(力)，该压力促使将盖板向支架位移，并且使得反射到光检测器上的光的量得到减少；

图4B、图4C分别与图3B、图3C类似，显示了光检测器上反射的光的减少的区域；

图5A是检测器信号SD对盖板在Z方向的位移的关系图，示出了反射到光检测器的光的量的变化是如何导致检测器信号的改变；

图5B是检测器信号SD对多个触摸事件TE1、TE2和TE3的时间的关系图，在它们之间触摸事件的按压被释放，因而盖板返回到其原始位置；

图6A与图3A类似，它描述了一个示例实施例，其中光检测器和盖板的下表面定义了一个Fabry-Perot(法布里-波罗)腔；

图6B和图6A类似，但是它没有倾斜的光源，而是使用光学组件来将光束指向一个与盖板下表面相关的角度；

图6C与图6A类似，不同之处在于：在触摸位置施加一个力，该力使得盖板朝着支架位移，并且该力改变了Fabry-Perot腔的距离δz以及腔传输；

图7A到图7C是示例实施例的横截面图，其中盖板的位移改变了光在光源和光检测器之间的传送；并且

图8是示例显示系统的一个原理图，该显示系统包括一个触敏显示单元，它与此处所公开的触摸屏系统相连接。

图中的某些地方所显示的笛卡尔坐标是用于参考的目的，而不应看作是对方位或方向的限制。

详细描述

参考下面的详细说明、附图、示例、权利要求和前后的描述，可以更容易地理解本发明。然而，在公开和描述本组成、物品、设备及方法之前，应当可以理解的是本发明不局限于特定的组成、物品、设备和公开的方法，除非另外指明，当然像这样的是不同的。还应当可以理解的是此处所使用的术语只是用于描述特定方面的目的，而不意指限制性的。

在当前已知的实施例中，提供了本发明的以下描述，其作为本发明的有效教导。为此，相关领域的技术人员将认识并理解可以对此处所描述的发明的多个方面进行某些改变，而仍然取得本发明的效益。还有比较明显的是：不利用其它功能，通过选择本发明的某些功能就可以获得本发明的一些所需要的利益。因此，本领域技术人员将认识到对本发明的诸多修改和改编是可能的，甚至在某些环境下是必需的，并且以上诸多修改和改编是本发明的一部分。因此，以下所提供的描述只作为对本发明的原理的阐述，而不具有限制性。

所公开的材料、混合物、组成和组件，它们可以为了公开方法和组成的实施例而被使用，或者与实施例联合使用，或者是为了准备实施例而使用，或者就是实施例。这些和其它材料在此处被公开，并且可以理解的是：当公开这些材料的组合、子集、交互、群组等时，且对这些混合物的每一个多样的单个或集体的组合和置换的特定引用没有被明确公开，其每一个都是特别考虑且在此处描述。

因此，如果公开了一个替代集合A、B、C，同时公开了一个替代集合D、E、F，并且公开了一个组合的实施例A-D，那么每一个都要单独和整体考虑。这样，在本例中，每一个组合A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E和C-F都要特别考虑，并且应当认为是从发明A、B和/或C；D、E和/或F以及示例组合A-D公开。同样地，这些的任何子集或组合是特别考虑且公开。因此，例如，子群组A-E、B-F、C-E是特别考虑，并且应当认为是从发明A、B和/或C；D、E和/或F以及示例组合A-D公开。这个观念应用到本发明的所有方面，包括但不局限于，组成的任何组件以及制作和利用所公开组成的方法的步骤。因此，如果可以执行多个附加的步骤，可以理解的是：可以根据所公开方法的任何特定实施例或实施例组合，来执行每一个附加的步骤，并且这样的每个组合是特别考虑且应当认为是公开的。

图1A和图1B是根据本发明的触摸屏系统(“系统”)10的示例实施例的俯视图。图2A和图2C是系统10一部分的抬高的部件分解图，而图2B和图2D是对应的组装图。图3A是示例系统10的末尾部分的一个特写横截面示意图。可以在多个消费类电子物品中使用系统10，例如，与智能电话显示器、键盘、触摸屏和其它诸如能无线通信的其它电子设备相连接，如音乐播放器、笔记本电脑、移动设备、游戏控制器、电脑“鼠标”、电子书阅读器等等。

根据上述的图，系统10包括盖板20(也称为“覆盖屏幕”)、支架50和至少一个托脚构件30，它将盖板和支架相隔开。在一个示例中，托脚构件30是有弹性的，因此可以通过托脚构件的压缩来改变盖板和支架之间的距离。在另一个示例中，托脚构件30允许盖板20弯曲，因此当向盖板施加压力或力时，盖板就局部地向支架的平面移动得更近。在一个示例实施例中，当在触摸位置局部地施加压力时，托脚构件30既是有弹性又允许盖板弯曲。还在一个示例实施例中，可配置支架50与触敏显示器相连接，将结合图8讨论。

盖板20可以由玻璃、陶瓷或者玻璃陶瓷制成，并且对工作波长λ来说盖板可以是透明的、半透明的或者不透明的。盖板20具有上表面22、下表面24和边26。边26定义了周长27。盖板20的一个玻璃示例是纽约康宁公司(Corning，Inc.)的大猩猩玻璃(Glass)。

在一个示例实施例中，盖板20包括一个盖28，其位于边26附近，可以在上表面22上、或者下表面24上或者这两个表面上。盖28至少对可见光来说是不透明的。当被置于下表面24上时，盖28可以部分或者接近全反射的；当被置于上表面22上时，盖28可以是吸收光的。

在一个示例中，盖28可以是任何类型的光阻构件、遮光板、薄膜、颜料、玻璃、组件、材料、纹理、结构等，它用于至少阻止可见光，并且配置阻止触摸系统10的某些部分被用户看到，或者在一个示例中当传送另一个时阻止一个波长的光。

至少一个托脚构件30紧邻于盖板20的下表面24，或者位于一条或多条边26附近，由此被盖28覆盖。根据图2A和图2B，示例托脚构件30是垫片的形式，它包括上表面32、下表面34、边36，并且定义一中央孔38。在图2C和图2D所示的另一个示例中，在下表面24处在盖板20的角落处有四个小的方形托脚构件30。用于弹性托脚构件30的示例材料包括弹性体、泡沫塑料、弹簧、橡胶、波纹管、海绵或者类似的可变性的材料，当移除变形的力量时，这些材料能够返回到其原始形状。

支架50具有上表面52、下表面53、边56和一个中心孔58。支架50的示例材料包括金属或塑料。

系统10还包括至少一个光学位移感测设备100，在一示例中该感测设备包括传感头101和微控制器150。传感头101包括一个光源110，光源110可操作地相对于光检测器120而放置，最好如图3A所描述的那样。传感头101和微控制器150通过电线路160相连。光源110的示例包括：LED、激光二极管、基于光纤的激光、扩展光源、点光源等等。光检测器120可以是一组光电二极管、大面积光电传感器、线性光电传感器、它们的集合，或者是一组光电二极管、CMOS检测器、CCD摄像头等等。示例传感头101是OSRAM近距离传感器、类型SFH7773，它使用一个850nm的光源110和一个高线性光源作为检测器120，或者是威世(Vishay)近距离传感器VCNL3020。

可配置控制器150来控制系统10的操作。在一些实施例中，控制器300包括处理器302、设备驱动器304和接口电路306，所有这些均可操作地排列在例如主板上或者例如集成到单一的集成电路芯片或结构中。控制器150运行存储在固件和/或软件(未显示)中的指令。在一个示例中，可对控制器150编程来执行此处描述的功能，包括：触摸屏系统的操作和任何需要测量的信号处理，例如，压力或力的相对大小和/或盖板的位移。此处所使用的术语计算机不局限于本领域中所指的看作为计算机的那些集成电路，还更广义的指计算机、处理器、微控制器、微机、可编程逻辑控制器、专用集成电路和其它可编程电路，并且这里可交替地使用这些术语。

可以由软件来实现或者辅助执行这里所公开的压力感测功能和操作。可以将软件安装在控制器300或者处理器302中。软件的功能可以要求编程，包括可运行的代码，并且可以使用这样的功能来实现这里所公开的方法。可以由通用计算机或者下面将描述的处理器单元来运行这样的软件代码。

在运转中，可以在通用计算机平台内、或者处理器单元内或者局部存储器内存储代码和可能相关的数据记录。然而，在其它时候，可以在其它位置存储该软件，和/或传送该软件以将其装载到合适的通用计算机系统之中。因此，这里所讨论的实施例要求一个或多个软件，它们以一个或多个代码模块的形式，由至少一个机器可读的介质来装载。计算机系统的处理器或者处理单元运行这样的代码，且允许平台实现分类和/或软件下载功能，本质上是这里所讨论和描述的实施例中执行的方法。

根据图3A，控制器150通过光源信号SL来控制光源110，并且接收和处理来自光检测器120的检测信号SD。

在存在多个传感头101的情况下，可以使用单一的微控制器来控制所有光学传感头的操作。而且，多个传感头101和单个微控制器可以通过多个电连接线路160连接在一起，线路160被认为是单个光学位移感测设备。在一个示例中，多个电线路160表现为总线的形式。

在本发明的示例实施例中，在与触摸事件TE相关联的触摸位置TL处施加一定量的压力(例如，相对的量的压力或力)。本发明的多个方面涉及感测触摸事件TE的发生，包括作为以下将解释的盖板20的位移的函数的相对的量的所施加的力。还可以确定位移的时间演变(或者叫做随着时间推移的多个位移)。

特别根据图3A，在一个示例中，光学位移感测设备100紧邻盖板20的下表面24排列，且位于盖28下方。传感头101、光源110和光检测器120并排地排在一起。所显示排列的光源110与盖板20的下表面24的距离为d1，所显示排列的光检测器位于距离d2处。在一个示例中，d1＝d2。光源110射出光112，光112从下表面24反射以形成反射的光114。有一些光112是与竖直方向(Z方向)成一定的角度而发射，原因是光112发散了，或者是光源1120倾斜了，或者是两个原因都有。由光检测器120来接收某些反射的光114。光检测器120上所能检测的反射光114的区域被描述为a1，它可以是整个的光检测活动区域，但通常只是整个活动区域的一部分。

图3B是传感头101的一个俯视图，它显示了光检测器20的平面中的反射的光114的外周长，即正被照亮的光检测器的区域a1。图3C与图3B类似，它描述了线性光检测器120，而不是一个区域光检测器。在线性检测器的情况中，区域a1是反射的光114的周边的朝外的(径向)程度的线性测量。响应于覆盖光检测器120的区域a1的反射的光114，光检测器生成检测器信号SD，用来表示所检测的功率P1的量。

图4A本质上与图3A相同，不同之处是：悬在盖板20上方的手指F现在向下按压到盖板上表面22上，在触摸事件位置TL处产生一个触摸事件TE。触摸事件TE有一个相关联的力AF。在托脚构件30具有弹性的情况下，力AF促使一个或多个托脚构件进行压缩，其允许盖板20在Z方向进行移动(例如位移)。盖板20的原始位置以阴影显示。最大位移D＝ΔZ可以相当小，例如，从0.5毫米到若干毫米。这将使得盖板20的下表面24与光源110更接近，转而将导致入射在光检测器120上的反射的光114的量更小。更小量的反射光114表示为覆盖光检测器120的反射光的更小区域a2。更小量的反射光将使得用检测器信号SD来表示所检测的功率的更小的量P2。

图4B和图4C分别与图3A和图3B类似，分别显示了缩小尺寸的反射光114的外围和光检测器120上更小区域a2的反射光。

对一个示例触摸事件TE，图5A是检测器信号SD对盖板在Z方向的位移关系的示意图。图5A的示意图显示了当位移从0变到ΔZ时，检测器信号SD是如何在最大值SD_MAX和最小值SD_MIN之间进行变化的。可确认在最大位移ΔZ时光检测器120上很少发生反射光114，因此可以通过其完整的从Z＝0到Z＝ΔZ的过程来跟踪位移。

对由力AF“释放”R所分割的一系列触摸事件TE1、TE2、TE3，图5B是检测器信号SD与时间关系的示意图。图5的示意图显示了当释放来自触摸事件TE的力AF时，当触摸屏从开始位移到接下来返回其原始位置时，检测器信号SD是如何改变的。可以使用这种类型的连续触摸事件来执行一个特定的动作，它不同于比如说单个触摸事件在SD对时间的示意图中只产生单个倾斜(dip)。

图6A与图3A类似，描述了一个实施例，其中光源110相对于Z轴倾斜，因此光112在下表面24上以与表面法线成一定角度而入射。这允许光112是准直光束，而不是发散光束。图6B与图6A类似，显示了一个示例，使用光束操纵元件202来操纵光束112，以与下表面24形成一个角度。在一个示例中，可以使用一个或多个光学元件204来辅助处理光束112，例如校准光束、或者使光束定形或者限制光束。

可以使用反射/近距离检测方法(图4A)或Fabry-Perot检测方法(图6A)来实施倾斜感测。可以通过倾斜传感头100来做这个。在一个示例中，可以通过倾斜光源100来完成倾斜感测。当盖板20发生位移时，倾斜光源100增加了光束的移动。这允许检测器120与盖板20的下表面24更接近，并仍然功能正常。

图6A还显示了一个示例，其中可将局部反射构件122放在光检测器120附近。这样在下表面24和局部反射构件122之间定义一个Fabry-Perot腔。在一个示例实施例中，下表面24包括一个可选择的反射涂层，这样Fabry-Perot就具有合适的锐度(finesse)。在该配置中，盖板20的下表面24与局部反射构件122之间的位移δz的改变将会导致由Fabry-Perot腔所发送并由光检测器120所检测的光的量的巨大改变。这是因为Fabry-Perot腔的传输随着距离δz的变化而强烈改变。

图6C与图6A类似，不同之处在于：在上表面22向盖板20施加手指F，在触摸位置TL产生一个触摸事件。手指F使用上述的力AF，使盖板20位移了ΔZ，因此Fabry-Perot间隔发生δz的改变，进而导致检测器信号SD的改变。

在上述示例中，托脚构件30可以是实质上不可压缩的，以致于弯曲盖板20来导致检测器信号SD的改变。另外，检测器信号SD的改变可以来自于弯曲盖板20和压缩至少一个托脚构件30的二者组合。

图7A是由在边26和下表面24处的托脚构件30所支持的盖板20的横截面图。光源110放在一条边26附近，光检测器120放在相反的边附近。光112通过盖板20从光源110向光检测器120行进。可操作且未显示的微控制器150与光源110和光检测器120连接在一起。

在图7A中，手指F位于盖板20的上方、上表面22的附近。在图7B中，手指F通过在盖板上按压在触摸位置TL创建一个触摸事件TE。使用力AF来压缩托脚构件30。这导致光束112向着光检测器120方向“行进”，进而改变由光检测器检测的光的量。

图7C与图7B类似，不同之处在于：手指F导致只有一个托脚构件30压缩，因而盖板20倾斜了。这促使光束以不同的光学路径从光源110向光检测器120行进，因为光束只通过盖板20的一部分。与图7A的配置相比较，不同的光学路径将导致不同的检测器信号SD。可以使用这个差异来检测是否发生触摸事件。

显示系统

可以将触摸系统10与传统的位置感测显示系统组合，例如如那些基于电容的和基于电阻的。图8是一个压力感测显示器400的示例的抬高的示意图，显示器400是通过将触摸系统10放在传统显示单元410附近和上方(例如顶部)而形成的，其中传统显示单元410例如液晶显示器，该显示器可以具有传统的位置感测的能力。以液晶显示器的形式所显示的传统显示单元410包括一个用于发射光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的滤色玻璃层450以及具有上表面462的顶部偏光层460，所有这些按显示中排列。在滤色玻璃层450的边周围放置一个支架470。以示例的方式所显示的光源100在支架470内被支持。这形成了一个具有顶边482的集成显示系统480。

为了形成最终的触敏显示器400，通过放置系统10于顶边482之上，将系统10增加到传统显示单元410的集成显示系统480中。

在一个示例中，可以在系统10上或通过系统10向用户500呈现多种标记或标识(未显示)，例如键盘，以指导用户与触摸系统10进行交互。通过示例的方式，该标记可以包括透明板20上表面22上留出的区域，以指示用户进行选择、运行软件等，或者指示一个应当由用户创建触摸事件TE的区域。例如，可以要求这样的区域，其中光112无法到达上表面26A的特定部分。

虽然在这里根据特定的方面和功能来描述了实施例，但可以理解的是这些实施例仅仅是为了解释所要求的原理和应用。因此，可以理解的是可以对所描述的实施例做很多改变，并且可以设计其它的排列而不背离附属权利要求的精神和范围。

Claims (14)

1.一种用于感测触摸事件的触摸屏系统，包括：

具有上表面、下表面和周边的盖屏；

支架，其具有中央孔并且通过至少一个有弹性的托脚构件而远离盖屏；以及

用于发射光的光源，所述光源与光检测器通过邻近所述周边的盖屏下表面的一部分的反射来进行光学通信，使得当通过压缩至少一个托脚构件使盖屏朝着支架位移时，光检测器所检测的反射的光的量发生改变。

2.根据权利要求1的触摸屏系统，进一步包括微控制器，可操作地与光源及光检测器相连接，并且被配置为接收来自光检测器的检测器信号并从检测器信号确定盖屏的位移的量。

3.根据权利要求1或权利要求2的触摸屏系统，其中光检测器和盖屏定义含传送的Fabry-Perot腔，并且当盖屏移动时该传送发生改变，进而导致光检测器所检测的光的量的改变。

4.根据权利要求3的触摸屏系统，进一步包括局部反射构件，其放置在紧邻光检测器表面附近以定义Fabry-Perot腔。

5.根据权利要求1-4中任何一个的触摸屏系统，其中每个光源和光检测器都定义一传感头，并且该系统包括多个传感头，可操作地将多个传感头放置在紧邻盖板周边和下表面附近，且可操作地将多个传感头与微控制器相连接。

6.根据权利要求5的触摸屏系统，其中将来自多个传感头的信号输出至计算机，并用于确定至少一个触摸事件的位置和/或相关的力。

7.根据权利要求6的触摸屏系统，进一步包括基于电容或基于电阻的系统，以确定两个或多个同时发生的触摸事件的位置，其中将来自多个传感头的信号输出至计算机，并用于确定两个或多个同时发生的触摸事件的相关的力。

8.根据权利要求1-7中任何一个的触摸屏系统，进一步包括盖，其紧邻于所述周边且在上表面和下表面的至少一个之上，配置该盖以用于阻止至少可见波长的光。

9.根据权利要求1-8中任何一个的触摸屏系统，其中盖屏下表面紧邻所述周边的从中反射来自激光器的光的部分包括反射涂层。

10.根据权利要求1-9中任何一个的触摸屏系统，其中来自光源的光具有红外波长。

11.根据权利要求1-10中任何一个的触摸屏系统，其中盖板对于可见波长的光是透明的。

12.根据权利要求1-11中任何一个的触摸屏系统，其中配置该支架以与触敏显示器相连接。

13.一种显示系统，包括：

根据权利要求1-12中任何一个的触摸屏系统；和

具有显示器的显示单元，与触摸屏可操作地相连接。

14.根据权利要求13的显示系统，其中显示单元包括电容和电阻触摸感测功能中的一种。