CN107066150A - 触敏设备及与其相关的光学耦合元件和光学触摸面板 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及“触敏设备及与其相关的光学耦合元件和光学触摸面板”。触敏设备包括透光面板、照明安排和检测安排。照明安排被配置成通过入耦合点将光耦合进面板内，使得该光通过全内反射(TIR)在该面板的相对顶表面和底表面内传播，并使得触摸顶表面或底表面的对象引起传播光的变化。检测安排包括被安排成检测传播光的变化的光检测器。紧凑且稳健的入耦合点由片状微结构表面部分定义，该表面部分固定地安排在顶表面和底表面之一上并被配置成透射具有能够使光通过TIR在面板内传播的入射角的光。表面部分可以整合到面板内或通过透光塑料材料的薄且柔韧的膜实现，用微结构表面部分形成并被适配成附装到顶表面或底表面上。

Description

触敏设备及与其相关的光学耦合元件和光学触摸面板
本申请是申请日为2012年01月30日，申请号为201280007108.2，发明名称为“触敏设备及与其相关的光学耦合元件和光学触摸面板”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年2月2日提交的第1150071-7号瑞典专利申请以及于2011年2月2日提交的第61/438675号美国临时申请的权益，这两项申请通过引用结合在此。
技术领域
本发明涉及通过光透射穿过透光面板操作的触敏系统，并且具体地涉及用于将光耦合进这种面板的光学解决方案。
背景技术
现有技术包括不同类型的通过在固体透光面板内透射光而操作的触敏系统，通过两个被外围边缘表面连接起来的平行边界表面定义该透光面板。具体地，将光注射到该面板内，以便通过全内反射(TIR)在这些边界表面之间传播。触摸这些边界表面之一(“触摸表面”)的对象引起被一个或多个光传感器检测的传播光的变化。在一个实现方式中，例如，如在WO2008/017077、US2009/267919和WO2010/056177中所披露的，光传感器被安排在该面板后面以检测散射离开触摸对象并通过与该触摸表面相对的边界表面逃离该面板的光。在另一个实现方式中，例如，如在US7435940所披露的，光传感器被安排在该面板的外围以检测散射离开触摸对象并通过全内反射限制在该面板内的光。在又另一个实现方式中，例如，如在WO2010/006882和WO2010/134865中所披露的，光传感器被安排该面板的外围以感测透射穿过该面板的光的衰减。
为了从该面板内部实现该触摸表面的均匀照明，该入耦合点经常是狭长的并沿该面板的很大一部分延伸。在没有任何专用耦合元件的情况下，大多数现有技术文件建议将光注射穿过该外围边缘表面的狭长部分。由于光可以以相对陡的角度注射到该边缘表面上，在该边缘表面上引起比较小的反射损失，所以这种方法是可能的。而且，这种入耦合点不显著增加触摸系统的厚度。然而，通过该边缘表面的入耦合需要该边缘表面高度平坦并且没有缺陷。实现这种情况可能是困难和/或昂贵的，尤其是如果该面板是薄的和/或由如玻璃的比较易碎的材料制造而成。通过该边缘表面的入耦合还可能增加该触摸系统的足迹(footprint)。此外，如果该面板附装到安装结构上(如框架或支架)上，则可能难于光学地进入该边缘表面，并且该安装结构还很可能在该边缘表面内造成应力。这种应力会影响该边缘表面的光学质量并导致降低入耦合性能。
上述WO2010/006882和WO2010/134865建议通过附装和光学地耦合(胶合)到该顶表面或底表面的狭长楔形部分入耦合光。这种方法可以减轻对该边缘表面的表面特性的任何严格要求和/或便于安装该面板。然而，为了通过传播沿该面板的深度方向准直的光来实现该触摸表面的均匀照明，该入耦合点需要容许沿该面板的深度方向达到如下程度的光束进入：该触摸表面上的光束的足迹在该触摸表面内的连续反射之间基本上重叠。反过来，这种情况是指该楔形部分需要具有相应尺寸的光接收表面，从而产生一个可能需要从该顶表面或底表面突出至少15至20mm的楔形部分。这种楔形部分会显著增加该系统的厚度和重量。为了降低重量和成本，该楔形部分可以由塑料材料制成。另一方面，例如，为了达到所要求的大部分材料特性(例如，折射率、透射率、同质性、各向同性、耐用性、稳定性等)和该顶表面和底表面的表面平整度，该面板经常是由玻璃制成。本申请人已经发现，由于在该触摸系统的操作过程中的温度变化，塑料材料和玻璃之间的热膨胀差异会引起该楔形部分从该面板上变得松动。即使该楔形部分的微小或局部脱离也会导致该系统的性能显著下降。
本申请人已经试图通过并列附装若干个更短的楔形部分以便形成狭长的入耦合点来克服此问题。然而，如果该触摸系统要求不只一个光片通过该入耦合点被注射，从而使得通过该入耦合点透射的光在该面板的平面内不只具有一个主方向(即，如在该触摸系统的平面图中看到的)，则这些楔形部分之间的接合处会干扰(例如，反射)该入射光并导致该系统的性能显著降低。例如，WO2010/006882和WO2010/134865披露了用于通过将多个具有不同主方向的光片注射通过该入耦合点使能够具有多点触摸灵敏度的技术。
现有技术还包括US2004/0252091，其披露了一种光学触摸系统，在该光学触摸系统中，发散光束被耦合进用于通过TIR传播通过旋转棱柱形式的大楔形部分的透光面板，这些大楔形部分被安排在该面板的顶表面或底表面上。
在用于触摸系统的光学耦合元件的领域以外，众所周知，提供了带有所谓亮度增强膜(BEF)的平板显示器，该亮度增强膜是一个被设计成通过改进的光管理增加显示器亮度的透明光学膜，见例如US2005/248848以及US2010/259939。具体地，该BEF为一张带有多个棱柱形和/或透镜状元件的微结构薄片并且可以粘着到该显示器内的透光基底上。这些微结构被设计成在法线(垂直)观看方向周围的某一角度范围内增加显示器的空间平均亮度。
US6972753披露了一种光学触摸面板，在该光学触摸面板中，BEF式元件(“棱柱透镜薄片”)附装到沿导光面板安排的光源上，以便在光被引导到该导光面板的边缘表面上前增强所发射光的方向性。该棱柱透镜薄片不是耦合元件，而是保证所有光沿该面板的平面内的单条以及定义的主方向注射的上游准直器。
US6803900披露了一种用于LCD显示器的照明系统。该照明系统包括一个在其顶表面上具有微光学结构的侧受照平导光管，该导光管提供光的优先出耦合。与该导光管平行安置一个光管以便通过其外围边缘表面将光耦合到该导光管内。该光管设置有多个微光学表面结构，这些光学表面结构引起光(该光在该光管内从一端被导向另一端)重定向朝向该导光管的外围边缘表面。
WO2007/112742披露了一种光学触摸板，在该光学触摸板内，光束扩展器被安排在准直光发射器和透光面板的边缘表面中间。以多个棱柱形式的光束分离器形成在该边缘表面上，以接收扩展光束并在该面板内以准直入射角将其分成两条扩展的准直光束。该光束分离器只在该边缘表面上有用，这是因为该光束分离器被设计成沿该面板的深度方向产生两条不同方向的光束。
发明内容
本发明的目的是至少部分地克服以上所确认的现有技术的一个或多个局限性。因此，一个目标是提供一种高效且稳健的光耦合进光学触摸系统的透光面板，这种耦合减少了对边缘表面的质量的依赖并且允许光通过全内反射在面板内传播。
而另一个目标是提供一种给触摸系统增加很小重量和尺寸的入耦合点。
进一步的目标是允许通过入耦合点透射的光在面板的平面内具有不只一个主方向。
在以下说明中可能出现的这些以及其他目通过根据本发明定义的实施例的触敏设备、光学耦合元件和光学触摸面板来至少部分地实现。
本发明的第一方面是一种触敏设备，该触敏设备包括：一个透光面板，该透光面板定义了顶表面和底表面；一个照明安排，该照明安排被配置成通过一个入耦合点将光耦合进该面板内，从而使得该光通过全内反射在该顶表面和底表面中的至少一个内传播并且使得触摸该顶表面和底表面的所述至少一个的一个对象引起该传播光的变化；以及一个检测安排，该检测安排包括一个被安排成检测所述传播光的变化的光检测器；其中，该入耦合点由通过片状微结构表面部分定义，该微结构表面部分固定地安排在该顶表面和底表面之一上并被配置成透射具有能够使光通过全内反射在该面板内部传播的入射角的光。通过将入耦合点实现作为一个安排在该透光面板的顶表面或底表面上的片状微结构表面部分，光可以被耦合进该面板内，而不用考虑该面板的边缘表面的质量并且不需要显著增加该触敏设备的重量和/或尺寸。如此处所使用的，“微结构表面”包含具有在0.1μm至1000μm范围内的至少一个尺寸的表面结构。微结构和微结构表面本身在光学技术领域是众所周知的。在一个示例中，该微结构表面部分包括多个微重复棱形元件，这些棱形元件共同定义适当倾向于有待通过该表面部分透射的光(并且由此耦合进该面板)的光接收表面。具体地，鉴于相对于该顶表面和底表面的法线，以一定入射角(其超过该面板内全反射的临界角)透射该光。每个棱形元件可以包括一个以如下方式设计的光接收刻面：该表面部分的刻面共同将连贯的或连续的光接收表面定义到有待耦合进该面板内的光上。如本领域普通技术人员众所周知的，“刻面”为棱形元件的连续表面单元。每个刻面可以沿该微结构表面的纵向方向延伸，并且可以沿该微结构表面部分的横向方向并排地形成这些刻面。从而该微结构表面部分可以被设计成模仿与常规楔形部分的平面光接收表面类似的光接收前表面，但不需要该微结构表面部分显著地从该顶表面或底表面突出。实际上，该微结构表面部分可以在该顶表面或底表面上具有基本平坦的配置，并且可以被设计成从该顶表面或底表面突出1mm或以下。
通过在该顶表面或底表面内直接形成该微结构，片状表面部分的使用能够将该表面部分轻易地整合进该面板的顶表面或底表面，以便定义稳健且耐用的入耦合点。
另一种定义紧凑且稳健的入耦合点的简单方式为制作专用片状入耦合元件(其定义该微结构表面部分)并将其附装到该光透射面板的顶表面或底表面上。这种片状入耦合元件可以如此薄和柔韧以至于其能够吸收该入耦合元件与该透光面板之间的分界面内产生的任何剪切力，例如，由上述热膨胀之差引起的剪切力。从而该片状入耦合元件可以牢固且稳健地附装在该面板上。
在一个实施例中，该片状入耦合元件的厚度小于该透光面板的厚度的约1/10，并且更优选地小于该透光面板的厚度的1/20、1/30、1/40或1/50。然而，熟练人员认识到，考虑到该片状元件的材料和结构、所希望的剪切力的量值、所需要的入耦合点的耐用性、可制造性问题等，可以优化该片状入耦合元件的厚度。
作为对常规楔形部分的进一步的优点，该入耦合点的创造性实现方式能够使附加光学功能性以低成本和低复杂性增加嵌入该微结构表面部分内。例如，该微结构表面部分可以例如通过正确地设计上述刻面而将折射功能、衍射功能和漫射功能中的至少一项嵌入其光接收表面内，并且甚至可以在该光接收表面的不同部分裁剪此附加光学功能性。这种附加光学功能性的提供可以用最小结构变化的代价进一步提高触敏设备的性能。
应理解，触敏设备可以使用任何用于确定触摸对象的触摸数据的检测策略。如在背景部分中所讨论的，此类检测策略包括检测被触摸对象散射的光的能量(或等效地，功率或强度)或检测该触摸对象的下游的传播光的剩余能量(或等效地，功率或强度)。
在一个实施方案中，该微结构表面部分(22)包括在一个附装到该面板(1)上的薄膜(20)内。
在一个实施方案中，该薄膜(20)包括一个塑料材料的片状基底(25)和通过在该片状基底(25)上构造和固化树脂而形成的多个刻面(23)。
在一个实施方案中，该薄膜(20)包括一个与这些刻面(23)相对的粘性背衬(21)。
在一个实施方案中，该入耦合点(5A，5B)是狭长的并通过一系列沿该入耦合点(5A，5B)的纵向方向并列安排的单独薄膜(20)定义。
在一个实施方案中，该薄膜(20)包括至少一条沿该入耦合点(5A，5B)的横向方向延伸的弱线(60)。
在一个实施方案中，该微结构表面部分(22)被配置成从该顶表面和底表面(4，5)的所述之一突出小于1mm。
在一个实施方案中，该微结构表面部分(22)包括多个平行的狭长刻面(23)，这些狭长刻面集体模仿一个基本上连续的输入表面(31)，用于接收有待耦合入该面板(1)内的光。
在一个实施方案中，所有这些刻面(23)相对于该顶表面和底表面(4，5)的法线(N)基本上具有相同的角度。
在一个实施方案中，每个刻面(23)以多个狭长的释放表面(24)为界，这些释放表面平行于这些刻面(23)延伸并基本上垂直地倾向于这些刻面(23)。
在一个实施方案中，这些狭长刻面(23)沿纵向方向延伸并且沿该微结构表面部分(22)的横向方向分布，并且其中，该照明安排被配置成将光引导到该微结构表面部分(22)上，从而使得该微结构表面部分(22)以至少在横向方向上基本上与这些刻面(23)垂直的主要方向接收光。
在一个实施方案中，这些刻面(23)的至少一个子集具有一个单独的倾角，从而使得该微结构表面部分(22)具有影响该透射光的光功率。
在一个实施方案中，这些刻面(23)的至少一个子集设置有一种漫射表面结构。
在一个实施方案中，该漫射表面结构在这些刻面(23)上包括多个微透镜元件。
在一个实施方案中，这些刻面(23)的至少一个子集被设计成将入射光分离成给定数量的、在该面板(1)的平面内具有不同主方向的不同光束。
在一个实施方案中，这些刻面(23)设置有一个衍射光栅结构(90)，用于将该入射光分离成给定数量的不同光束。
在一个实施方案中，该照明安排被配置成将光引导到该微结构表面部分(22)上，从而使得该微结构表面部分(22)沿该入耦合点(5A，5B)的横向方向上接收准直光。
在一个实施方案中，该照明安排被配置成将光引导到该微结构表面部分(22)上，从而使得该微结构表面部分(22)沿该入耦合点(5A，5B)的横向方向上接收发散光。
在一个实施方案中，该微结构表面部分(22)被整合到该面板(1)内。
本发明的第二方面是一种用于将光耦合到触敏设备内的透光面板上的光学耦合元件，其中，该透光面板包括平行的顶表面和底表面并且被安排成通过全内反射使光从一个入耦合点传播到一个出耦合点，其中，该光学耦合元件被形成作为透光塑料材料的膜，该膜包括一个微结构表面部分和一个与该微结构表面部分相对的附装表面，该膜被适配成附装到该顶表面和底表面之一上，以便形成该入耦合点的至少一部分，通过该微结构表面部分被安排成透射具有能够使光通过全内反射在该面板内部传播的入射角的光。这种光学耦合元件为可以方便地附装到透光板的顶表面和/或底表面上的轻质部件，以便定义能够高效地将将光耦合进用于面板内从而通过TIR传播的空间高效且稳健的入耦合点。
本发明的第三方面是一种用于触敏设备的光学触摸面板，其中，该光学触摸面板包括平行的顶表面和底表面并被安排成通过全内反射使光从一个入耦合点传播到一个出耦合点，其中，该光学触摸面板进一步包括一个微结构表面部分，该微结构表面部分形成在该顶表面和底表面之一上以定义该入耦合点并且该微结构表面部分被配置成透射具有能够使光通过全内反射在该面板内传播的入射角的光。这种光学触摸面板可以被提供作为一个用于安装在该触敏设备内的单一部件。该入耦合点可以被定义成将光高效地耦合进该面板内，以通过该微结构表面部分通过TIR传播，该微结构表面部分被实现作为该顶表面和/或底表面上的空间高效和稳健的特征。
该第二和第三方面都具有该第一方面的优点和技术效果。如以上概述和如在以下详细说明中进一步举例说明的，如在附图上所示，该第一方面的实施例的任意一个可以与该第二和第三方面结合。
还有，本发明的其他的目标、特征、方面和优点将从以下详细说明和从附图中显示出来。
附图说明
现在将参考所附示意图更详细地描述本发明实施例。
图1为根据本发明实施例的一种触敏设备的俯视平面图。
图2为放大后的侧视图，展示了在图1中的设备的入耦合点处的光路。
图3展示了本发明实施例和常规耦合元件之间的对比。
图4为一种带有狭长入耦合点和出耦合点的触摸面板的俯视平面图。
图5为根据一个实施例的耦合带的俯视平面图。
图6为根据另一个实施例的耦合带的俯视平面图。
图7为用于制造微结构薄片(用于生产图5和图6中的耦合带)的生产设备的侧视图。
图8为图7的设备中生产的光片卷筒的俯视平面图。
图9A为根据一个实施例的耦合元件的透视图，以及图9B为如在触敏设备中安装的图9A中的耦合元件的俯视平面图。
具体实施方式
出于解释本发明的原理的唯一目的，以下将给出关于具体类型的触敏设备或触摸系统的披露，其中，光束被注射到透光面板内并跨该透光面板被扫描，并且基于该面板的对端处接收到的光的量值检测触摸对象。此类型的触摸系统此处也被称为“扫描FTIR系统”。
贯穿本说明书，相同的参考标号用来标识相应的元件。
图1为一种扫描FTIR系统的俯视平面图。该系统包括一个透光面板1、两个发光输入扫描器2A、2B和两个光传感器3A、3B。该面板可以是平面的或曲面的并且定义两个相对的并且通常平行的表面4、5(见图2)，这些表面通过外围边缘表面1’(图2)连接起来。辐射传播通道设置在该面板1的顶表面和底表面4、5之间，其中，这些表面4、5的至少一个(“触摸表面”)允许该传播光与触摸对象O1进行交互。典型地，来自输入扫描器2A、2B的光被注射通过全内反射(TIR)在辐射传播通道中进行传播，而传感器3A、3B安排在该传播方向的下游以便接收该光并生成指示所接收的光的能量的对应的测量信号。TIR的现象在本领域内时众所周知的而将不再进一步解释。
通常，该面板可以由在相关波长范围内透射足够辐射量的任意材料制成，以允许合理测量所透射的能量。这种材料包括玻璃、聚乙烯(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)以及聚碳酸脂(PC)。
应指出的是，该传播光只需要通过TIR在该触摸表面内被反射，并且该相对表面可以设置有反射涂层。然而，如果表面4、5两者用作触摸表面，或如果该触摸系统需要是透明的以便通过该表面4、5观察，则该触摸系统可以被设计成通过TIR在表面4、5两者内传播光。如果该触摸系统需要是透明的以便通过该表面4、5观察，则该底表面5而是可以设置有透明的以便在正确角度下观察的涂层，但其反射在该面板内传播的光。例如，至少对于一个入射角范围而言，这种涂层可以被设计成反射红外光的同时透射可见光。
在图1中，输入扫描器2A、2B各自被安排成沿狭长固定的重定向元件4A、4B生成和扫描光束，该元件被设计和安排成以所希望的方向输出光束。在该重定向元件4A、4B的下游，沿该面板1的底表面5(图2)上的狭长入耦合点5A、5B扫描这些光束。输入扫描器2A、2B、重定向元件4A、4B和入耦合点5A、5B的组合形成一种照明安排，该照明安排被配置成沿两个不同的方向R1、R2在该面板内扫描两条光束B1、B2。每条光束B1、B2至少沿其在该面板的平面(x，y平面)内主方向被适当准直，并且还可以或可以不沿深度方向(即，横向于该面板的平面)被准直。每条光束B1、B2的扫描用于从该面板的内部在该触摸表面上形成对应的光幕。每个这种光幕照亮该触摸表面或该触摸表面的一部分。光可以由能够发射所需波长范围的光的任何类型的光源生成，例如二极管激光器、VCSEL(垂直腔面发射激光器)、或LED(发光二极管)、白炽灯、卤素灯等。
通传感器3A、3B测量沿该面板1的底表面5上狭长出耦合点6A、6B接收的光，这些传感器被安排成接收当在该面板1内被扫描时的光束B1、B2。传感器3A、3B可以包括或者为能够将光转换成电测量信号的任何类型的装置的一部分，例如，光检测器、CCD或CMOS检测器等。
在图1的具体示例中，固定的重定向装置7A、7B被安排成接收耦合出的光束B1、B2并将其重定向到共同的检测点D1、D2上，同时跨该面板1扫描光束B1、B2。出耦合点6A、6B、重定向元件7A、7B以及传感器3A、3B的组合形成一种检测安排。重定向装置4A、4B、7A、7B可以通过光的反射或透射操作并且可以由衍射性光学元件(DOE)、微光学元件、反射镜、折射透镜和它们的任意组合构成。在一个实施例中，重定向装置4A、4B、7A、7B被配置成作为菲涅耳圆柱形透镜。
当对象O1被带至足够靠近该触摸表面(在本示例中未顶表面4)时，全内反射受抑并且透射光的能量降低(“衰减”)。在图1中，控制器8被安排成控制输入扫描器2A、2B的操作，并且数据处理器9被配置成获得和处理来自传感器3A、3B的时间分辨测量信号，以确定感测区内的触摸对象O1的输出数据。该触摸数据可以例如表示该对象O1的位置、形状和大小中的一项或多项。可以通过三角测量或更先进的处理技术确定该触摸数据，包括层析重建方法，如FBP(滤过反投影)、ART(代数重建技术)、SART(同时代数重建技术)等。在WO2010/006883、WO2009/077962、WO2011/049511和WO2011/139213中找出了被设计成用于触摸确定的先进数据处理技术的进一步的示例，所有这些文件通过引用结合于此。
在图1的示例中，各光束B1、B2在扫描过程中在该面板的平面内具有基本上不变的主方向。光束的“主方向”为投射到该触摸表面4上时的光束的传播方向。此处，该主方向还称为“扫描角”。在所示示例中，光束Bl、B2的主方向与该面板1的对应的边缘基本平行。然而，如在WO2010/006882中解释的，为了实现各种技术效果，例如，多点触摸功能性，可以另外配置光束的数量、它们的相互角度和它们相对于该面板的边缘的角度。
图2为图1中的接收沿该入耦合点5B的横向方向准直的入射光束的入耦合点5B的侧视图。通过基本上平坦的耦合元件20定义该入耦合点5B，该耦合元件通过胶粘层21附装在该底表面5上，该胶粘层对该输入扫描器2B(图1)生成的光透明。该耦合元件20包括一个由透光材料形成的表面结构22，并且在该耦合元件20的横向方向上包括一交错序列的光接收刻面23和释放表面24(也称为卸载表面(relief surface))。在图2的示例中，该表面结构22连接到透明基底25上。
应理解，如图4的平面图中的细线所示，刻面23和释放表面24沿该耦合元件20的纵向方向相互平行延伸。在图2的示例中，入射光被引导成沿该耦合元件20的横向方向基本上垂直于刻面23。这可以用于减少或最小化刻面23的倾角的公差对透射光的方向的影响。此外，最小化了刻面23内的反射损失，例如，如果入射光为非偏振的。如果入射光为沿该耦合元件20以基本上不变的扫描角度(参见图1)被扫描的单条准直光束，则该光束优选地被引导成也沿该耦合元件20的纵向方向垂直于刻面23。如果带有不同扫描角度的多条准直光束通过该耦合元件20被耦合进该面板1内，则这些光束仅有一条可以沿该纵向方向垂直于刻面23，但所有光束优选地沿该横向方向垂直于刻面23。这将保证在该面板内给予这些光束相同的反弹角(见下文)，并且可以使该照明安排能够具有简化的配置。同样，如果入射光在横向方向准直并且在该纵向方向散开，则入射光优选地被引导成在该横向方向上垂直于刻面23。
设计释放表面24(还可以称为“牵伸刻面(draft facet)”)以便不被入射光照亮并且从而不影响该耦合元件的光学性能。在所示示例中，释放表面24基本上与刻面23垂直，尽管其他释放表面设计是可以想象的。
如图2中所示，该耦合元件20透射入射光，从而使得光以相对于该表面4的法线N的入射角θ击中该顶表面4。此处，该入射角θ也称为“反弹角”。该光被引导至该耦合元件20上，从而使得该反弹角θ超过所谓的临界角θC，该临界角为维持全内反射的最小角。对于面板材料和空气之间的边界而言，该临界角θC大约为42°，假设该面板材料的折射率为1.5。该反弹角可以优选地超过约60°，因为本申请人已经发现表面4、5任意一个上的积水会导致约60°以下的全内反射的明显受抑，但对于更大的反弹角，受抑会更少。此外，已经发现，对于约70°以上的反弹角而言，由于人手指触摸面板材料而造成的受抑会降低。因此，通过设计该照明安排以生成在60°至70°的大致范围内的反弹角，可以最小化触摸表面上的不想要的沉积物的影响，同时最大化所希望的触摸对象的影响。目前，反弹角的最优选范围在64°至68°的范围内。
尽管图2中没有示出，但将理解，透射光可以在该结构22和该基底25、该基底25和该胶粘层21以及该胶粘层21和该面板1之间的边界中的任意一个内被折射，这是因为跨这些边界的折射率不同。熟练人员认识到，鉴于这种折射，刻面23的角和/或入射光的倾角可以被适配成在该面板1内实现所希望的反弹角θ。
该照明安排可以被设计成从该面板1照亮该触摸表面4。优选地，该照明安排应被设计成避免入射光束在该面板1内反弹，从而使得该照明安排在空间上分离的区域内照亮该触摸表面4。可以通过要求该入射光束沿该耦合元件的横向方向(图2中的x方向)至少具有最小长度来避免这种情况，从而使得该触摸表面4内的连续反射处的该光束B2的足迹F2之间没有间隙。该最小长度为该反弹角和该面板1的厚度的函数。为了达到该触摸表面4的均匀照明，该照明安排可以被设计成生成沿该深度方向(例如，如图2的x，y平面内看到的)被准直并且通过TIR传播的光束，以产生沿该触摸表面4被边对边放置的足迹F2。在这种示例中，通过F2＝2Dtanθ得出该最小长度，其中θ为反弹角，并且D为该面板1的厚度(沿z方向)。当足迹F2被边对边放置时，该足迹F2的能量分布(在x方向)可以为“顶帽”函数，即，以陡峭梯度为界的基本上均匀的能量分布。
为了容纳该照明安排和/或该面板1的公差，该照明安排而是可以标称地被设计成生成连续足迹F2之间的重叠。在这种变体中，单独足迹F2可以具有“平滑的”能量分布，即，重叠的足迹F2的组合产生该触摸表面的相对均匀的照明的那种能量分布。这种平滑的足迹F2具有能量逐渐减少的端部，并且可以例如具有类似高斯函数的能量分布(沿x方向)。为此目的，如以下进一步所讨论的，光源或该照明安排中的专用光学装置可以给予入射光所希望的光束轮廓，和/或可以通过扩散嵌入该耦合元件20内的结构来修改该入射光的能量分布。
此外，为了减少使入射光精确地聚集在该耦合元件2上的需要，或者反之亦然，该照明安排可以被设计成生成在该横向方向上具有比该耦合元件20更大的长度的入射光。
例如，为了减小用于将光从该输入扫描器2A、2B引导向该入耦合点5A、5B上的光学部件(反射镜、透镜等)的所要求的尺寸，可能令人希望的是在该照明安排中使用发散光，即，在该面板1的上游。在一个实施例中，该耦合元件20被设计有一种光功率，从而使得当被透射到该面板1上时，发散入射光沿该深度方向基本上准直。可以通过为每个刻面23设计一个专有倾角来获得该光功率，从而使得所有刻面23的结果光折射共同使该入射发散光准直。在替代性实施例中，入射发散光被耦合进该面板1内，以便当其通过全内反射传播时沿该深度方向发散。在这种实施例中，为了最小化该耦合元件20中的反射损失和/或透射光的折射，可以单独使刻面23成角，以便与入射光基本上垂直。
通常，该耦合元件20可以被设计有一种生成入射光的光束特性的所希望的变化的光功率，例如，从而使得透射光具有一定的发散度或会聚度，或者沿一个或多个方向(例如，在图1和图2中的x，z平面内或x，y平面内)被准直。
应理解，图2中扩大了该耦合元件20的尺寸及其表面结构22。在实际实现方式中，该表面结构通常为一个从该面板表面5突出小于1mm的微结构。例如，该基底可以具有约50μm至300μm的厚度，并且该表面结构可以从该基底突出约20μm至100μm。并且，该横向方向上的刻面23的数量可以大于图2中所示。可以给出刻面23的间隔作为间距，该间距为该耦合元件20的横向方向上的一个刻面23和一个释放表面24的长度。该间距为该结构22的厚度以及这些刻面23的角度的函数。典型地，该间距在约50μm至500μm的范围内。
图3为与图2中的耦合元件类似的耦合元件20的侧视图，并且旨在示出该耦合元件20被设计成与如本技术领域所使用的固体透明材料的楔形部分30相对应。图3中的虚线指示这种楔形部分30。通过适当安排这些刻面和这些释放表面，这些刻面共同定义一个用于入射光的输入表面，该输入表面功能上与该楔形部分30的前光接收表面31相对应。因此，该微结构、片状耦合元件20能够替换该常规楔形部分30。因此，该耦合元件20的输入表面由这些刻面23构成，这些刻面被以如下方式设计：这些刻面23的被照亮部分充当适当倾角的连续的或连贯的表面，用于入射光。尽管所示示例描绘了带有笔直的狭长刻面23的耦合元件20，但将理解这些刻面可以是曲面的，例如以便使来自点状光源的光耦合进该面板内。例如，这种曲面刻面可以被设计成模仿如US2004/0252091所披露的入耦合楔形部分的曲面输入表面。
图4为用于图1的触摸系统的光学面板部件的俯视平面图。该光学面板部件由透光面板1、入耦合元件20(其设置在底表面5上以定义入耦合点5A、5B)、出耦合元件40(其设置在底表面5上以定义出耦合点6A、6B)形成。将理解这些入耦合和/或出耦合元件20、40可以可替代性地或另外设置顶表面4上。还可以想象到的是这些出耦合点6A、6B被形成在该边缘表面(参见图2中的1')。如以上指出的，刻面23相互平行并且沿该耦合元件20的纵向方向延伸，从而使得该耦合元件20沿其长度具有相同的光学特性。每个入耦合元件20可以被形成作为单独的片状部件，该片状部件光学地耦合到或固定地附装到该面板1的表面上。在一个实施例中，该入耦合元件20为带有粘性背衬的微结构带(“耦合带”)的形式。可替代地，这些入耦合元件20可以被实现作为被整合到该面板1的表面内的结构。所示触摸系统(图1)的具体设计，即该照明安排和该检测安排之间的相似性，可以允许这些出耦合元件40与这些入耦合元件20类似或者甚至完全相同。图4还指示了该触摸系统的感测区45，该感测区为可以检测触摸对象的区。典型地，该感测区45被定义为被至少两个重叠光片以不同扫描角度照亮的触摸表面的表面区。
通过为该入耦合元件20设计微结构表面，该入耦合元件20的重量和大小可以被减小到最小。如果该微结构表面被整合到该面板1的底表面或顶表面4、5内，则消除了该入耦合元件20从该面板1上脱离的风险。如果该微结构表面被实现作为一个附装到该面板表面上的薄片状部件，则该部件厚度的减小允许该部件变形，并且从而吸收在该部件和该面板表面之间的接合处形成的剪切力(例如由于热膨胀之差)。由此，与如图3中所示的楔形入耦合元件相比，显著地降低了该入耦合元件局部脱离的风险。
可以通过为这些入耦合点5A、5B提供沿横向方向延伸的力吸收部分来进一步提供吸收剪切力的能力。图5展示了一个实施例，其中，一系列耦合元件20沿该入耦合点5A一个接一个被安排。横向端被安排成邻接关系，在这些元件20之间形成边界50，从而使得剪切力可以用于沿该入耦合点5A的纵向方向稍微移开这些入耦合元件20，从而减小该粘性层中(参见图2中的21)的剪切力。图6展示了一个实施例，其中，单一耦合元件20设置有用于吸收剪切力的横向弱线60，例如，挖空或打薄的部分。将理解，这些邻接端(图5)和这些弱线60(图6)可以被设计有相对于该入耦合点5A的纵向方向的任何角度。如此处所使用的，“弱线”表示弱化材料的细长部分，可以通过局部地打薄该材料，通过在该材料内提供切削、刻痕或穿孔，或者另外通过加工该材料以局部地降低其强度来产生该部分。
如上述，可以在任何扫描角度下在该面板内扫描光束，例如在不与该入耦合点5A、5B的长度垂直的扫描角度下。如在背景部分中指出的，这种非垂直扫描角需要光以一定角度通过该入耦合点5A、5B到达其横向方向并且因此可以被反射或另外分别根据图5中的边界50和图6中的弱线60分布。然而，由于该耦合元件20被实现为一个薄片状部件，所以这些边界50和弱线60具有一块微小的表面区并且因此对透射光具有最小的影响。
可以使用用于复制微结构的任何已知技术(包括压缩成型、注射成型、热压成型和晶圆级光学镜头)该耦合元件20的表面结构22。在此类工艺中，这些结构被复制到如以上所示的可以为该面板表面或单独板材的基底上。
图7为用于大量生产上述耦合带的另一种技术的示意性图示。薄、柔韧的片状材料的腹板70连续地或间歇地馈通用于在一系列站71至76内加工的制造设备。在站71内，光固化树脂组合物应用到该腹板70的表面上。关于结果表面结构的最终厚度(参见图2的结构22的厚度)，该树脂组合物被选定为可固化成一种灵活的状态。树脂组合物的示例包括但不限于基于丙烯酸脂、环氧树脂和氨基甲酸乙酯的材料。在站72中，该腹板70通过一对旋转轧辊77、78，这些旋转轧辊在树脂中复制微结构。该轧辊77在其外部表面上具有一个原底微结构成型图案77'，并且该轧辊78具有一个光滑的外围。该成型图案77'是刻面23和释放表面24(图2)的底片并且可以通过在该轧辊77上金刚石切割或者许多平行的离散圆周槽或者一单个盘绕该轧辊77的圆周的连续槽来进行生产。在站73中，通过使树脂露在辐射(例如紫外线辐射)下来固化在树脂中复制的微结构。在站74中，粘合剂应用在该腹板70的下侧以形成粘性背衬。在站75中，薄塑料或纸材料的腹板79与该腹板70结合，以形成一个用于该粘性背衬的保护片。在站76中，该微结构片缠绕到卷筒80上。
图8为该卷筒80的平面图，其中端部铺开从而显示该微结构片的表面结构22，其中，这些平行线代表刻面和释放表面之间的顶端(具有大大扩大了的间隔)。短划线81指示用于从该微结构片上提取耦合元件20的切口。将理解，图7的站76可以被用于将耦合元件从该微结构片上切下的站替换。
回到图2，已经指出，通过将刻面设计成单独地折射入射光为刻面23提供光功率。这些刻面可以可替代地或另外设置(嵌入)有其他功能结构。在一个示例中，刻面23(或其子集)结合了光漫射结构，即，散射入射光的结构。光漫射的使用会有利于减少该触摸系统的某些设计的公差的影响。例如，如以上所讨论的，这些漫射结构可以被设计成修改入射光的能量分布，例如，生成所希望的足迹(图2中的F2)的能量分布，以便允许连续反射之间的重叠。通过将这些漫射结构结合到该入耦合元件20的刻面23内，这些漫射结构安排成紧邻该面板1，该面板能够在该面板1内很好地控制光的漫射。
这些漫射结构可以被实现作为单个刻面23的曲率，从而该曲率定义该刻面23上的微透镜。该曲率可以沿该刻面23的横向方向，例如，使得该刻面表面形成圆柱形表面区的一部分。这种漫射结构可以用于修改该足迹的能量分布。该曲率也可以沿该刻面23的纵向方向，或者两个方向，以形成一个球形表面。在一个变体中，这些漫射结构可以被设计成通过入射光的衍射生成光漫射(或者部分光漫射)。不考虑实现方式，该耦合元件20可以被设计成按若干度数产生大量漫射。
在另一个示例中，这些刻面23(或其子集)结合光束分离结构。图9A为入耦合元件20的透视图，其中，沿这些刻面23的纵向方向提供了许多不透光、基本上完全相同的、平行、细长线90。如所示，这些线90基本沿这些刻面23的横向方向延伸。这些线90可以例如由不透光材料的沉积物形成或者被形成为该刻面表面内的槽。在一个实施例中，这些线90共同定义用不同的并且已经定义的扫描角度将透射光分离成多条光束的透射光栅。图9B为一个平面图，展示了这种衍射入耦合元件20的使用。在沿该入耦合元件20的方向R2上扫描入射光束，该入耦合元件将该光耦合进该面板内，以便通过TIR传播，同时在该零阶光束的侧边生成零阶光束B2和第一阶光束B1、B3。尽管附图上未示出，但该入耦合元件20还可以被设计成生成更高阶的光束。应认识到，这是一种以已经定义的扫描角度在该面板上生成多个光片的紧凑、稳健且有成本效益的方式。在一个变体(未示出)中，这些光束分离结构被实现为沿该刻面23的纵向方向安排的不同倾角的平面“子刻面”。每个倾角引起独立的入射光的折射，从而产生多条不同方向的光束。重新回到图9A，参考标号90A和90C可以表示相对于入射光稍微倾向于左侧和右侧的子刻面，并且参考标号90B可以表示垂直于入射光的子刻面。参见图9B，从而子刻面90A、90B和90C可以分别生成光束B3、B2和Bl。而在另一个变体中，通过折射和衍射结构的组合实现这些光束分离结构。
以上参考一些实施例已经主要描述了本发明。然而，本领域普通技术人员容易认识到的是，除以上披露的实施例之外的其他实施例在本发明的范畴和精神内同样是可能的。
仅给出上文中所示的和所讨论的触摸系统作为示例。本发明的入耦合结构在任何通过在透光面板内透射光操作的触摸系统中都是有用。如在背景部分中所指出的，这种触摸系统可以被配置成检测在触摸点处受抑并且然后被散射的光，或者被配置成检测由于触摸点处的受抑和散射造成的传播光的能量降低。除了背景部分给出的示例外，可以在US7432893、US2006/0114237、US2007/0075648、WO2009/048365、WO2010/006883、WO2010/006884、WO2010/006885、WO2010/006886、WO2010/064983以及WO2008/038066中找到触摸系统的一些进一步的示例，所有这些文件通过通过引用结合于此。

Claims (10)

1.一种触敏设备，包括：
一个透光面板(1)，该透光面板定义平行的顶表面和底表面(4，5)；
一个照明安排，该照明安排被配置成通过一个入耦合点(5A，5B)将光耦合进该面板(1)内，从而使得该光通过全内反射在该顶表面和底表面(4，5)中的至少一个内传播，并使得触摸该顶表面或底表面(4，5)中的至少一个的一个对象(O1)引起该传播光的变化；
一个检测安排，该检测安排包括被安排成检测该传播光的所述变化的一个光检测器(3A，3B)；
其中，该入耦合点(5A，5B)通过一个片状微结构表面部分(22)定义，该微结构表面部分固定地安排在该顶表面和底表面(4，5)之一上并被配置成透射具有能够使光通过全内反射在该面板(1)内传播的入射角的光。
2.如权利要求1所述的设备，其中，该微结构表面部分(22)包括在一个附装到该面板(1)上的薄膜(20)内。
3.如权利要求2所述的设备，其中，该薄膜(20)包括一个塑料材料的片状基底(25)和通过在该片状基底(25)上构造和固化树脂而形成的多个刻面(23)。
4.如权利要求3所述的设备，其中，该薄膜(20)包括一个与这些刻面(23)相对的粘性背衬(21)。
5.如权利要求2至4中任意一项所述的设备，其中，该入耦合点(5A，5B)是狭长的并通过一系列沿该入耦合点(5A，5B)的纵向方向并列安排的单独薄膜(20)定义。
6.如权利要求2至5中任意一项所述的设备，其中，该薄膜(20)包括至少一条沿该入耦合点(5A，5B)的横向方向延伸的弱线(60)。
7.如任意前述权利要求所述的设备，其中，该微结构表面部分(22)被配置成从该顶表面和底表面(4，5)的所述之一突出小于1mm。
8.如任意前述权利要求所述的设备，其中，该微结构表面部分(22)包括多个平行的狭长刻面(23)，这些狭长刻面集体模仿一个基本上连续的输入表面(31)，用于接收有待耦合入该面板(1)内的光。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所有这些刻面(23)相对于该顶表面和底表面(4，5)的法线(N)基本上具有相同的角度。
10.如权利要求8或9所述的设备，其中，每个刻面(23)以多个狭长的释放表面(24)为界，这些释放表面平行于这些刻面(23)延伸并基本上垂直地倾向于这些刻面(23)。
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