CN110647257B - 基于点阵结构分布光栅的触控屏 - Google Patents

Abstract

一种基于点阵结构分布的光栅触控屏，包括激光光源、光波导层、光栅和光电探测器，本发明通过在光波导层上合理设置点阵结构分布的光栅，使激光光源通过光栅触控屏到达周边光电探测器的检测光的效率最大，从而有效地提高了触控屏的灵敏度。

Description

基于点阵结构分布光栅的触控屏

技术领域

本发明涉及信息显示，特别是一种基于点阵结构分布光栅的触控屏。

背景技术

根据触控屏不同的技术原理，可以分为四种基本类型：电阻式触控屏、电容式触控屏、表面声波式触控屏和红外触控屏。

电阻式触控屏是利用两层高透明的导电层组成触控屏，通常用一种弹性材料将两导电层隔开，当触控屏上的压力足够大，两层之间发生接触，传感器读到触点电压，以此来确定触控点坐标。电阻屏具有高精度、低成本等优势，并且屏幕不受灰尘、水汽和油污影响，可以用任何物体来触摸，但是其透光率低，不耐磨。

电容式触控屏是玻璃屏内表面和夹层各涂一层ITO，当手指触摸电容屏时，由于人体电场，手指和工作面形成一个耦合电容，手指会吸走一个很小的电流，控制器通过电流变化来确定触摸位置信息。电容屏具有耐磨损和寿命长的优势，但当环境温度、湿度改变时会发生漂移，易受电磁信号影响，而且必须是导体才能触控。

表面声波式触控屏是由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接收器组成，当手指触摸屏幕时，触点上的声波会被阻止，由此确定触控坐标。表面声波式触控屏光学性能好和耐刮擦，但易受灰层、水滴和油污等影响。

上述三种触控屏主要应用于中小尺寸显示设备。

红外触控屏是在显示器四边排布红外发射管和红外接收管，当用户触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的红外线，据此可以判断出触控点在屏幕上的位置。红外触控屏目前在大尺寸触控市场占据主导地位，但仍然是传统的接触式触控，因此触摸屏尺寸受到限制。

上述的触控屏都要求操作者和触控屏之间进行接触式交互，这种接触式交互必须要考虑操作者可进行交互的物理限制，这无疑限制了触控屏尺寸的大小。目前市场上存在的非接触式交互主要基于图像处理的人机交互，但这种交互方式存在成本高、算法复杂和延迟大等缺点。

目前有一种基于光栅的光学触控屏(专利申请号：201410203219.1)，这种触控屏虽然无需额外提供光源，但显示光经过光栅多次反射之后，光强会显著下降，由于只利用了显示光，这种触控屏的效率及触控精度较低。另一方面，由于光波导上整面都有光栅，会带来较大的传输损耗。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于点阵结构分布光栅的触控屏，使用激光光源作为交互媒介触控的检测光，可以给操作者提供更大的操作空间，从而能够实现与大尺寸触控屏的交互。此外，由于使用了点阵结构光栅，有效地降低了耦合光在光波导层中的传输损耗，从而极大的提高触控屏的效率、透光性能以及灵敏度。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于点阵结构分布的光栅触控屏，包括激光光源、光波导层、光栅和光电探测器，其特点在于，所述的光栅点阵结构地分布在所述的光波导层上，在所述的光波导层的周边或两相邻边设置所述的光电探测器，所述的激光光源输出特定波长的激光作为触控的检测光，选择所述的光栅的周期、占空比、光栅高度、控制反射次数n、损耗效率和耦合效率，使触控屏的效率最大。

当所述的光栅为一维结构时，所述的光波导层分为上下两层，在上下两光波导层上设置点阵的光栅结构，且上下两层光波导上的光栅方向互相垂直；当光栅为二维结构时，在X方向和Y方向设置点阵的光栅结构。

在点阵结构单元里的光栅是单周期或渐变周期。

当所述的光波导层的长和宽相等时，则在所述的光波导层的两相邻边设置所述的光电探测器；当所述的光波导层的长和宽不相等时，则在所述的光波导层两个相对的短边和其中一个长边设置所述的光电探测器。

在所述的光波导层与所述的光电探测器之间设有滤光片。

在所述的光波导层的下方依次为隔离层和显示屏。

光栅的周期能够使得激光耦合进光波导层，光栅整面覆盖在光波导层时，触控屏的效率为：

其中，C_j为区域j光栅的耦合效率，区域j的范围是[(j-1)Nd，jNd)，d为单次反射的传输距离，N为正整数，

n为耦合光在波导层与光栅交界处发生反射的次数。L_i为第i次反射的光栅损耗效率。优选的，设置合适的光栅周期、占空比和光栅高度控制反射次数n、损耗效率L_i和耦合效率C_j使得触控屏的效率C_t最大。

所述的光栅以点阵结构分布在光波导层上，点阵与点阵之间不存在光栅。

点阵结构分布的光栅触控屏的效率可表示为：

其中，C_j为区域j光栅的耦合效率，duty_j为区域j点阵结构的占空比，区域j的范围是[(j-1)Nd，jNd)，d为单次反射的传输距离，N为正整数，

n为耦合光在波导层与光栅交界处发生反射的次数。k_i为损耗系数，k_i∈[0，1]。L_i为第i次反射的光栅损耗效率。优选的，设置的点阵结构的周期和占空比，使得触控屏效率C_d最大。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过使用激光光源作为交互媒介，可以给操作者提供更大的操作空间，从而能够实现与大尺寸触控屏的交互。此外，由于使用了点阵结构光栅，有效地降低了耦合光在光波导层中的传输损耗，从而极大的提高触控屏的灵敏度。

附图说明

图1(a)，1(b)是本发明基于点阵结构光栅的触控屏的示意图。

图2是入射光正入射时，入射角与光栅周期的关系图。

图3是入射光正入射时，对应的±1级耦合效率与光栅周期的关系图。

图4是入射光正入射时，对应的单次损耗与光栅周期的关系图。

图5是光波导层之上整面覆盖光栅的结构示意图。

图6是光波导层之上覆盖点阵结构光栅示意图。

图7(a)，7(b)是不同点阵周期选取，光斑对应的第一次反射位置示意图。

图8是本发明第一实施例的结构示意图。

图9是本发明第二实施例的结构示意图。

图10是本发明第三实施例的结构示意图。

图中：201-激光光源，202-光波导层，203-光栅，204-光电探测器。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1(a)，图1(b)，由图可见，本发明基于点阵结构光栅的触控屏，包括激光光源201、光波导层202、光栅203和光电探测器204，所述的光栅以点阵结构覆盖在所述光波导层202之上或者内嵌在光波导层202中。其中点阵结构不限于图1的矩形，可以是其他任意图形。所述的光电探测器204分别被设于光波导层 202的四个侧壁或者相邻的两个侧壁。

所述的光栅203使特定波长的激光光源201的光成为可在光波导层202内传输的波导模，当产生触控时，激光通过光栅203进入光波导层202并在光波导层中横向传输，最终到达所述的光电探测器204，导致相应光电探测器电流变大，以此判断触控发生的位置。下面通过理论分析证明本发明的可行性。

光栅波导的+1级和-1级衍射方程：

其中，k₀为真空中的波数，n₀是入射介质的折射率，θ为入射光的入射角，T为光栅周期，n_eff为波导有效折射率，n₁为波导折射率。公式(1)中绝对值部分，对于+1 级衍射光取正号，-1级衍射光取负号。并且有n₁＞n₀，

由公式(1)变形可得，要使+1级衍射光成为波导中的波导模式，光栅周期因满足以下条件：

同理-1级衍射光应该满足以下条件：

其中，λ为真空中入射光波长。

当入射光波长λ和入射角度θ确定时，只要光栅周期T满足公式(2)、公式(3)，入射光便能成为波导模并在光波中横向传输。当波导折射率n₁＝1.59，入射光波长λ＝532nm时，入射角度θ与光栅周期T关系如图2所示，据此可以选择合适的光栅周期T。图3是正入射时即θ＝0时，光栅耦合效率与光栅周期的关系图，图4是正入射时单次损耗与光栅周期的关系图，单次损耗是指耦合光在光波导层与光栅交界处反射时产生的损耗。

首先讨论在光波导层上整面覆盖光栅时触控屏的效率，此处讨论的光栅为均匀光栅，参阅图5，D为耦合光在波导层中传输的总距离，d为单次反射的传输距离， h为波导层厚度，

为衍射角，设输入光强为I，光斑面积为A，那么触控屏效率即输出功率P₀和输入功率比值，存在以下关系：

P₀＝P_i*C*(1-L)ⁿ (4)

P_i＝I*A (5)

其中，C为光栅耦合效率，L为单次反射损耗效率，n为反射的次数。

对于大屏触控，损耗的产生主要是由于波导中的耦合光在波导层与光栅交界处反射时会有一部分光通过光栅耦合出去，这就意味着在交界处每发生一次反射，就会产生一次损耗，损耗会随着光学膜尺寸变大而增加，显然这很难满足大屏触控所要求的效率。

为了降低损耗，提高触控屏的效率，于是提出了基于点阵结构的光栅触控屏。点阵结构光栅的设计，虽然降低了耦合效率，但极大地降低了总的损耗，从而极大地提高了触控的效率。

接下来讨论在光波导层上以点阵结构覆盖光栅时触控屏的效率，以矩形点阵结构为例，但不应以此限制本发明的保护范围。参阅图6，T_d为点阵光栅的周期，w_j为区域j点阵有光栅部分长度，设duty_j为区域j点阵占空比，根据公式(4)，那么矩形点阵光栅的输出功率可表示为：

其中k_i为损耗系数，k_i∈[0，1]。

通过具体的算法优化可以得出最优的点阵结构光栅，使得触控屏的效率最大即P₀最大。下面将具体介绍优化过程，因为k_i的值由点阵结构的周期T_d和点阵占空比决定，所以最优效率优化主要对点阵结构的周期和占空比进行优化。参阅图7(a)，假设扫描的点阵结构光栅的周期上限为：

其中N为正整数，所取的N值应该使得光斑包含的点阵个数大于等于1个。参阅图 7(b)，设扫描的点阵结构光栅的周期下限为：

当T_dmin≤T_d≤T_dmax时，第一次全反射的光斑便可以落在点阵结构的不同位置，可以根据实际需求，选取合适的扫描步长，获取一组等间距的点阵结构周期，在每一个扫描周期下扫描不同的占空比。当确定点阵周期和占空比时，便可以根据几何关系由程序计算出公式(8)中不同的k_i值，最终便可求得输出功率P₀。依次类推，可求一组P₀，然后筛选出最大的P₀，获得与其对应的点阵周期和占空比。

下面，通过具体实施列来详细说明。

实施例1

图8为本发明基于点阵结构光栅的触控屏的实施例1的结构截面示意图。为了保护光栅203，采用了内嵌的方式将光栅203以点阵结构内嵌于光波导层202中。光电探测器204被设于光波导层202的四个侧壁或者相邻的两个侧壁。当光栅203 为一维结构时，所述的光波导层分为上下两层且上下两层光波导上的光栅方向互相垂直，优选的，设置的上下两层光波导上的光栅结构和点阵结构，两方面分别满足权利要求1和权利要求2的最大条件；当光栅203为二维结构时，优选的，设置的 X方向和Y方向的光栅结构和点阵结构，两方面分别满足权利要求1和权利要求2 的最大条件。为了减少环境光干扰，在光波导层202紧邻光电探测器204的侧壁贴有滤光片。光波导层202是透明材料。光波导层202下方分别为隔离层和显示屏，但应用场景不限于显示屏，隔离层的目的是为了不影响耦合光在光波导层202下表面全反射。

工作时，激光光源发出激光，首先通过光栅203。在激光通过光栅203时，有一部分光会被耦合进光波导层202，成为波导模，并在光波导中横向传输；大部分光会纵向通过光波导层202。当耦合光沿横向传输最终到达光波导层202侧壁时，会被位于侧壁的光电探测器204检测，光电探测器204检测到的光强会变大，根据光电探测器的位置及其光强大小可确定触控发生的位置。本方案可实现非接触式触控。

实施例2

图9为本发明基于点阵结构光栅的触控屏的实施例2的结构截面示意图。与第一个实施例不同的是，本实施例通过在光栅203结构上镀一层高折射率介质，可以保护光栅203和提高光栅耦合效率。光电探测器204被设于光波导层202的四个侧壁或者相邻的两个侧壁。当光栅203为一维结构时，所述的光波导层分为上下两层且上下两层光波导上的光栅方向互相垂直，优选的，设置的上下两层光波导上的光栅结构和点阵结构，两方面分别满足权利要求1和权利要求2的最大条件；当光栅 203为二维结构时，优选的，设置的X方向和Y方向的光栅结构和点阵结构，两方面分别满足权利要求1和权利要求2的最大条件。为了减少环境光干扰，在光波导层202紧邻光电探测器204的侧壁贴有滤光片。光波导层202是透明材料。光波导层202的下方分别为隔离层和显示屏，但应用场景不限于显示屏，隔离层的目的是为了不影响耦合光在光波导层202下表面全反射。

工作方式类似第一实施例，可实现非接触式触控。

实施例3

图10为本发明基于点阵结构光栅的触控屏的实施例3的截面结构示意图。本实施例采用双层光波导层202和光栅203结构，光栅203为二维结构，采用这种结构可以有效的提高触控屏的效率，和第一实施例一样，采用了内嵌的方式将光栅203 以点阵结构内嵌于光波导层202中。光电探测器204被设于光波导层202的四个侧壁或者相邻的两个侧壁。为了减少环境光干扰，在光波导层202紧邻光电探测器204 的侧壁贴有滤光片。光波导层202是透明材料。光波导层202下方分别为隔离层和显示屏，但应用场景不限于显示屏，隔离层的目的是为了不影响耦合光在光波导层 202下表面全反射。

工作时，激光光源发出激光，首先通过上层光栅203。在激光通过光栅203时，有一部分光会被耦合进光波导层202，成为波导模，并在上层光波导层202中横向传输；大部分光会纵向通过上层光波导层202，之后通过下层光栅203，有一部分光会被耦合进下层光波导层202，成为波导模，并在下层光波导层202中横向传输；大部分光会纵向通过下层光波导层202，当耦合光沿横向传输最终到达光波导层202 侧壁时，会被位于侧壁的光电探测器204检测，光电探测器204检测到的光强会变大，根据光电探测器的位置及其光强大小可确定触控发生的位置。本方案可有效提高触控屏的效率和精度以及可实现非接触式触控。

实验表明，本发明利用光栅的衍射，使特定波长的激光成为可在波导内传输的波导模，作为触控的检测光，由光电传感器根据检测到的光强大小判断发生触控的位置，可以实现非接触式触控。通过对光栅采用内嵌和镀膜的方法，有效的保证了触控屏的使用寿命，同时通过点阵结构光栅的使用，有效提高触控屏的灵敏度。

Claims (6)

1.一种基于点阵结构分布的光栅触控屏，包括激光光源(201)、光波导层(202)、光栅(203)和光电探测器(204)，其特征在于，所述的光栅(203)点阵结构地分布在所述的光波导层(202)上，在所述的光波导层(202)的周边或两相邻边设置所述的光电探测器(204)，所述的激光光源(201)输出特定波长的激光作为触控的检测光，选择所述的光栅(203)的周期、占空比、光栅高度、控制反射次数n、损耗效率和耦合效率，使触控屏的效率最大，且满足如下条件：

当所述的光栅(203)整面覆盖在所述光波导层(202)时，触控屏的效率公式如下：

其中，C_j为区域j光栅的耦合效率，区域j的范围是[(j-1)Nd，jNd]，d为单次反射的传输距离，N为正整数，

n为耦合光在波导层与光栅交界处发生反射的次数，L_i为第i次反射的光栅损耗效率；

当所述的光栅(203)以点阵结构分布在所述光波导层(202)时，触控屏的效率如下：

其中，C_j为区域j光栅的耦合效率，duty_j为区域j点阵结构的占空比，区域j的范围是[(j-1)Nd，jNd]，d为单次反射的传输距离，N为正整数，

n为耦合光在波导层与光栅交界处发生反射的次数，k_i为损耗系数，k_i∈[0，1]，L_i为第i次反射的光栅损耗效率。

2.根据权利要求1所述的基于点阵结构分布的光栅触控屏，其特征在于，当所述的光栅(203)为一维结构时，所述的光波导层(202)分为上下两层，在上下两光波导层上设置点阵的光栅结构，且上下两层光波导上的光栅方向互相垂直；当光栅为二维结构时，在X方向和Y方向设置点阵的光栅结构。

3.根据权利要求1所述的基于点阵结构分布的光栅触控屏，其特征在于，在点阵结构单元里的光栅(203)是单周期或渐变周期。

4.根据权利要求1所述的基于点阵结构分布的光栅触控屏，其特征在于，当所述的光波导层(202)的长和宽相等时，则在所述的光波导层的两相邻边设置所述的光电探测器(204)；当所述的光波导层(202)的长和宽不相等时，则在所述的光波导层两个相对的短边和其中一个长边设置所述的光电探测器(204)。

5.根据权利要求1所述的基于点阵结构分布的光栅触控屏，其特征在于，在所述的光波导层(202)与所述的光电探测器(204)之间设有滤光片。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于点阵结构分布的光栅触控屏，其特征在于，在所述的光波导层(202)的下方依次为隔离层和显示屏。

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