CN112602045A - 光波导光发射器及触摸屏 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于控制光的光学装置以及一种光学触摸感测装置，尤其是通过在透明基底中直接激光写入以在透明基底中制造一个或更多个光波导来形成的此类装置。
Description
技术领域
本发明涉及用于控制光的光学装置和光学触摸感测装置，具体地，通过在透明基底中直接激光写入以在透明基底中制造一个或更多个光波导来形成这种装置。
背景技术
透明的、立体的和全息的显示器已经成为研究的长期目标，并且时常呈现在流行的科幻小说中。但是，由于种种原因，已经证明将它们从幻想的领域转移到现实是困难的。例如，在透明材料中嵌入电子器件是困难的。这就是为什么仅有的商业使用形式的透明显示器使用投影仪，即，平视显示器。传统的透明显示器通常具有低透明度(例如＜50％)和差的图像质量。另一方面，全息显示器要求所有像素以明确定义的相位发光，这已被证明难以从概念验证演示中放大。最后，立体显示器需要将像素分布在透明体积内，并且理想地应当仅向期望的方向发光，这在不牺牲全视差的情况下，从来没有得到证明。
显示器已经成为人类生活必不可少的部分并且已经成为像电视、计算机和智能手机的技术的必要成分，从而创造了一年价值大于3000亿美元的全球电子显示器产业。持续的研究和投入已经催生出许多不同的显示器技术，最重要的显示器技术是阴极射线管、液晶显示器(LCD)、等离子体显示面板、基于量子点的LED、数字光处理、电子纸和有机发光二极管(OLED)，每个都提供独特的优点和缺点。所有这些技术所共有的缺点之一是：无法使用除了(接近)平坦表面之外的具有低透明度并且不允许来自不同像素的相干光发射的任何东西。克服这些问题中的一些或全部将允许建造透明的、立体的或甚至全息的显示器。
透明显示器由于其优良的外观而经常用于流行小说中，但实际上也开启了全新的使用场景，从在窗口中实现的显示器到在增强现实或虚拟现实眼镜中的堆叠显示器。迄今为止，已经证明它们难以建造。迄今最先进的原型是使用透明电极的OLED显示器，但它们迄今为止未能离开实验室。
立体显示器不是从平面而是从体积内发光，这是为什么立体显示器的像素被称为体素的原因。存在许多不同类型的立体显示器，这些立体显示器由各种各样不同的技术支持，但是它们都具有在其体积内创建3D图像的目的。立体显示器是通过设计裸眼式的，这意味着3D图像对于肉眼是直接可见的。理想地，图像可被投影到稀薄空气中，并且关键地还允许遮挡：如果体素在所有方向上均匀地辐射，则所有物体均被显示为透明的，即，物体的正面和背面两者都是同时可见的并且覆加的。为了避免这种情况，体素应仅在特定方向上发光，从而导致3D图像的一部分可以遮挡另一部分的效果。
在某种意义上，全息显示器是终极显示器，因为它们原则上能够忠实地重新创建从场景发射的整个光图案。存在用于生成此类光图案的两种方法：光场显示器(射线光学图)和全息显示器(波前图)，它们有时可互换地使用，即使仅后一种模型能够描述相干相位波前且是我们将使用的模型。创建高质量全息显示器需要独立于显示器的实际尺寸的波长数量级的像素间距，因此对于普通尺寸的显示器来说，通常大于1011的像素数是必要的。从每个像素发射的光必须具有与所有其他像素的明确定义的相位关系，这就是为什么通常使用单个激光器作为光源，然后光从该光源分布在所有像素上。所有像素之间的相对相位必须在0至2π之间是可调谐的，这然后允许创建从显示器发射的任意波前。迄今最先进的全息显示器使用由激光器从背面照亮的空间光调制器，但是在它们的尺寸和特征上仅保持非常有限的窄视角。
用于显示器的触摸识别技术目前几乎仅通过使用电阻式或电容式触摸识别来实现。电阻式触摸识别技术遭受各种问题，由于屏幕顶部上的附加材料层而导致有限的图像质量、需要力(下压)来记录触摸事件、通常仅对某个水平(IP67)是防水的并且不在水下工作。
此外，电容式触摸显示器需要在屏幕的顶部上的薄膜导体的薄片，这限制了透明度。它们不能与表面上的水滴适当地起作用，并且如果整个表面是湿的，则完全不起作用。由于高的片电阻，将电容式触摸技术扩展到大显示器尺寸也仍然是有问题的。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型发光和触摸感测技术，以实现例如透明的、立体的和全息的显示器的便利的、经济的和可扩展的构造。
本申请提出了一种解决所有上述问题的新颖的技术，并且是基于使用利用飞秒激光的直接激光写入技术在透明基底内的光波导的制造。一般来说，光波导起源于(可形成显示器面的)透明材料的侧面，其中来自一个或更多个光源的光可输入到光波导中。光波导可以终止于透明基底内的任何期望的点处，从而产生明确定义的光的发射方向并且因此导致视觉显示器的创建。此外，本申请还介绍了光波导可用于实现透明基底中的触摸识别的两种方式。
在本发明的第一方面中，提供了一种用于控制光的光学装置，该光学装置包括透明基底和一个或更多个光波导，透明基底具有用于发射光的一个或更多个表面，一个或更多个光波导借助于直接激光写入形成在透明基底内，且在朝向一个或更多个表面弯曲之前各自延伸穿过透明基底，并终止于透明基底内的一个或更多个输出处或透明基底的一个或更多个表面处。(一个或更多个)微型光波导包括透明基底的折射率的微小改变，这使得能够维持透明基底的高透明度，因为这些光波导对于肉眼是不可见的。此外，多个光波导和输出可进一步被配置为在(例如，垂直于透明基底的表面以便例如形成用于LCD显示器或手电筒的背光源的)单个方向上发射光。
在本发明的第二方面，提供了一种光学触摸感测装置，该光学触摸感测装置包括透明基底、一个或更多个光源、一个或更多个光电探测器以及一个或更多个光波导，透明基底具有一个或更多个触摸表面，一个或更多个光波导借助于直接激光写入形成在基底内；其中，光波导中的每一个都与光源中的至少一个以及光电探测器中的至少一个光学通信，并且光波导中的每一个都包括一个或更多个输出，光可以从一个或更多个输出被发射；其中，该装置被配置为当物体接近或接触触摸表面时，确定通过一个或更多个光波导传输的光的振幅变化，并且将所传输的光的振幅变化与触摸表面上的一个或更多个点相关联。根据本发明的第二方面，光波导使得能够在具有高透明度的透明基底中形成高精度的触摸功能。这有利地实现同一透明基底的一个或更多个表面(即，多个表面)上的触摸感测功能，其中即使触摸表面是湿的或是在水下的，触摸功能也起作用。
在本发明的第二方面的优选实施例中，一个或更多个光波导的至少一个输出基本上垂直于触摸表面，并且该装置被配置为基于所确定的来自通过一个或更多个光波导的输出的光的振幅变化来确定背向反射(backreflection)的变化。这有利地实现了使用光波导的一个或更多个输出的触摸感测功能。在该优选实施例中，当物体(如手指或笔)触摸波导的输出时，通过测量光振幅变化并根据所确定的光振幅变化计算背向反射的水平来确定触摸。
在本发明的第二方面的可替代优选实施例中，一个或更多个波导基本上平行于触摸表面形成，并且该装置被配置为当物体(如手指或笔)接近或触摸该触摸表面时，根据通过一个或更多个波导的光振幅变化来确定消逝场的变化。这有利地使得能够使用波导的一个或更多个纵向路径进行触摸感测，并且是通过测量当物体紧密接近或接触触摸表面时波导的消逝场的变化以及计算由此引起的光学功率传输的损耗水平来确定的。
在本发明的第一方面和第二方面的优选实施例中，用于控制光的光学装置和/或光学触摸感测装置进一步包括多个光波导，其中多个光波导的相应输出形成视觉显示器。通过提供多个光波导，该装置可以被配置为形成像素或体素以便形成高度透明的、立体的或全息的显示器。
在本发明的第一方面和第二方面两者的可替代地优选实施例中，用于控制光的光学装置和/或光学触摸感测装置进一步包括多个光波导，其中多个光波导的相应输出形成用于视觉显示器的背光源。通过提供其输出朝向视觉显示器(即，液晶显示器(LCD))定位的多个光波导，用于控制光的光学装置可以被配置为高效率的LCD背光源，如图6所示。在其优选的实施方式中，用于控制形成背光源的光的光学装置针对LCD的每个子像素均具有一个波导。这有益地允许背光源将具有恰当波长(颜色)和偏振的光引导到每个子像素，由此，将颜色过滤的光损耗削减三倍，并且将偏振过滤的光损耗削减二倍(组合削减了六倍)。在上述背光源实施例的优选实施方式中，透明基底包括楔形物，楔形物用于朝向透明基底的一个或更多个输出或一个或更多个表面反射光，如图7所示。这使得能够使用切入到透明基底(例如导致全内反射的玻璃)中的楔形物来实现面外的光发射。
在本发明的第一方面和第二方面两者的优选实施例中，用于控制光的光学装置和/或光学触摸感测装置进一步包括一个或更多个光源，一个或更多个光源被配置为将光传输到多个光波导中的每一个的输入中，其中，一个或更多个光源是单模光源和/或多模光源。单模光的配置使得光波导中的曲率更小，由此使得(可集成在小型电子装置中的)基底/显示表面更薄且分辨率更高，而由于多模光源更便宜，因此多模光的配置能够使得构造成本降低。
在本发明的第一方面和第二方面两者的另一个优选实施例中，用于控制光的光学装置和/或光学触摸感测装置的多个光波导的相应输出形成阵列。阵列可以是栅格的形式。这有利地使得能够形成用于视觉显示器的多个像素。
在本发明的第一方面和第二方面两者的另一优选实施例中，多个光波导的输出形成在距透明基底的表面的不同距离处。这有利地实现了各种各样的光发射或显示器几何形状。
在本发明的第一方面和第二方面两者的另一个优选实施例中，透明基底包括玻璃(优选硼硅酸盐玻璃)或晶体(优选蓝宝石)或热塑性聚合物。这使得能够形成极薄且高度透明的基底/显示器，更高的透明度对于立体显示器，甚至对于离透明基底的表面更远距离处的光波导输出都是有利的，以便最小化通过透明基底的光振幅的损耗并且实现高图像分辨率。
根据本发明的第一方面和第二方面两者，一个或更多个光波导借助于直接激光写入来形成。使用飞秒激光进行直接激光写入有利地使得能够在透明基底内直接形成波导，从而允许以高精密度和低成本创建高度透明的显示器和/或光学触摸感测表面。
在本发明的第三方面中，提供了一种集成的光学触摸感测显示装置，该集成的光学触摸感测显示装置包括本发明的第一方面的用于控制光的光学装置和本发明的第二方面的光学触摸感测装置以及可选地本发明的一个或更多个优选实施例。具体来说，在优选实施例中，透明基底中的多个光波导既可用于将光引导到透明基底的表面用于显示目的，同时还充当用于光的背向反射的导管，且借此实现触摸感测功能。在可替代实施例中，由于光波导的小尺寸，一个以上的光波导集合可直接激光写入透明基底中，其中第一光波导集合引导输入光用于显示目的，而第二光波导集合引导光用于触摸感测功能。
附图说明
图1A至1C示出了结合本发明的优选实施例的直接激光写入的显示器。
图2A至2C示出了使用包括5x5像素栅格的本发明的优选实施例来形成的显示器原型图像。分别照明每个光波导，然后在计算机中叠加图像。使用高分辨率显微镜和彩色相机获取图片。
图2A示出了用具有650nm的波长的红光照亮的栅格。
图2B示出了用具有540nm的波长的绿光照亮的栅格。
图2C示出了用具有450nm的波长的蓝光照亮的栅格。
图3示出了根据本发明的光学装置的优选实施例。
图4示出了基于图3的光学装置的根据本发明的光学装置的优选实施例。
图5示出了本发明的优选实施例，其中楔形物被切入到透明基底中并用于使用全内反射将光反射出平面。
图6A至6C示出了使得能够在透明基底上进行触摸识别的光学触摸感测装置的不同实施例。
图7A至7C示出了根据本发明的优选实施例的立体显示器。通过使用基底材料的透明度和来自波导的光发射的定向性，使用直接激光写入来制造这种立体显示器。
图7A示出了展示汽车的圆柱形立体显示器的渲染图。
图7B示出了具有两个体素的深度的立体显示器的示意图。箭头指示来自在体素的位置处终止的波导的光发射方向。每个箭头方向产生一个新的观察方向(“静态体”)。
在图7C中，通过旋转圆柱体，水平视差仅需要每个体素一个波导(“体扫描”)。
具体实施方式
图1A至1C示出了根据本发明的优选实施例的用于控制光的光学装置1，该光学装置1包括透明基底2和一个或更多个光波导6，该透明基底2具有用于发射来自一个或更多个外部光源5的光4的一个或更多个表面3，该一个或更多个光波导6借助于直接激光写入形成在该透明基底2内并且各自在朝向一个或更多个表面3弯曲之前延伸穿过透明基底2并且在透明基底2内的一个或更多个输出7处终止或在透明基底2的一个或更多个表面3处终止。
图1A是实施为直接激光写入显示器的本发明的第一方面和第二方面的光学装置1的优选实施例的渲染图像，其中从光源(未示出)发射的光在玻璃透明基底2下方的不透明壳体中被发射和检测。
图1B是透明基底2的发光表面3中的一个的近处渲染图，其中由虚线指示的小显示区域8将光波导6的输出7框起来。输出7表示像素，光波导6由曲线示出。
图1C示出了包括单个像素行9的本发明的优选实施例，该单个像素行9包括构成各个像素的多个光波导输出7。从图1C可以看出，光波导6的最小曲率半径如何限制显示器的厚度。图1C还示出在优选实施例中，在其中输入光4的透明基底2的表面3a中的光波导6的输入如何在朝向表面3b弯曲之前远离表面3b向下弯曲，光4随后从表面3b经由输出7发射。
根据本发明的优选实施例，使用飞秒激光直接写入方法以在透明材料中制造光波导6，这些光波导6然后充当像素/体素。光波导6起源于显示器的侧表面3并且连接至光源5，从而将光4引导至显示器的表面3内或者显示器的表面3处的某个点，光4从该某个点发射(见图1C)。可以通过将许多这样的光波导6组合在阵列中来创建视觉显示器。
使用激光写入制造的光波导的特性在不同的材料(其中包括玻璃和聚合物材料)与写入配置之间变化，但是它们都包括材料中的小折射率修改，这些特性对于肉眼是不可见的，因此允许创建透明显示器。此外，由于波导可采取任意路径并在透明基底内的任何点处终止以发射它们的光，因此可实现各种各样的显示器几何形状。
除此之外，根据本发明的优选实施例，实现了用于在透明基底/显示器中实现触摸识别的两种技术：第一种技术通过检测垂直于透明基底表面的光波导的背向反射的变化来工作；第二种技术通过测量平行于透明基底表面的光波导的消逝场的变化来工作。下面将关于图6A至6C更详细地描述这些技术。
下表示出了在给定某个折射率对比度和阶跃折射率分布的情况下，在1m的传播距离上，将由于消逝耦合而产生的传送功率保持为低于1：10.000所需的最小像素/光波导间距。使用650nm的波长和n包层＝1.456来计算这些值，更小的波长将具有更小的模场并且随后允许更小的波导间距。
表1
由根据本发明的优选实施例的直接激光写入的视觉显示器的原型产生的图像可以在图2A至2C中看到。5x 5像素栅格包括折射率对比度为10-4、间距50μm的直的多模波导。将波长为450nm、540nm和650nm的光(蓝光、绿光和红光)输入到由熔融石英制作为显示芯片的透明基底中，以便展示其显示彩色图像的能力。使用Nufern 780HP光纤经由对接耦合进行耦合。所测量的插入损耗为7.5dB。通常，损耗将强烈地取决于显示器的尺寸、基底材料、波长和光波导弯曲半径。在康宁公司大猩猩玻璃中，激光写入波导的最低报告损耗是0.027dB/cm。尽管在本发明的原型实施方式中，光波导是直的，但真实的视觉显示器的特征可以是具有90°向上弯曲或更复杂几何形状的光波导。
图3示出了根据本发明的光学装置的优选实施例，其中一个或更多个光波导和输出被配置为在垂直于表面的单个方向上向透明基底发射光，以便形成用于照亮物体的透明屏幕，以供观看者通过照亮的屏幕进行检查。根据图3中的示例性实施方式，用于控制光的光学装置1包括玻璃的透明基底2和多个光波导6，光波导6借助于直接激光写入形成在透明基底2中。玻璃基底2为长方体形状，并且形成光波导2使得光波导2在玻璃基底2的两个不同表面3a、3b之间形成界面。从形成在玻璃基底2的第一表面3a上用于输入光的第一端10开始，在朝向玻璃基底2的第二表面3b弯曲大致90°以进行发光之前，每个光波导6都平行于玻璃基底2的长侧面延伸穿过玻璃基底2，并在第二表面3b的输出7处终止。在光波导6的第一端10处放置光源5。光源5包括三个激光二极管5a至5c，第一激光二极管5a被配置为发射红光4a，第二激光二极管5b被配置为发射绿光4b，以及第三激光二极管5c被配置为发射蓝光4c。在图3中，每个激光二极管的相应输出11与光波导6的第一端10光耦合，光波导6被配置为用作由激光二极管5a至5c产生的光的输入。在操作期间，从每个激光二极管5a至5c发射的光进入光波导6的第一端10，相应的激光二极管5a至5c与光波导6的第一端10对准。光4在到达光波导6的第二端7之前在各自的光波导6内反射并行进穿过各自的光波导6，光波导6的第二端7被配置为充当光4在玻璃基底2的第二表面3b处的输出7。
图4是本发明的进一步优选实施方式，该实施方式包括如以上关于图3所描述的光学装置1及其其他特征，其中，多个光波导和输出都被配置为在垂直于表面的单个方向上向透明基底发射光，以便形成用于LCD显示器的背光源。根据图4，LCD像素层12与玻璃基底2的第二发光表面3b光耦合。LCD像素层12包括相应的红色、绿色和蓝色颜色过滤器13，并且对于每个颜色过滤器13均有两个偏振器14，液晶层15位于这两个偏振器14之间。颜色过滤器13以及它们各自的液晶15和偏振器14与玻璃基底2的输出7对准并与玻璃基底2的输出7光耦合，使得从玻璃基底2的第二表面3b发射的光4行进穿过颜色过滤器13、偏光器14和液晶15，并在LCD像素层12的表面处散射。
在上文关于图3和4所描述的那些的可替代实施方式中，应注意，如图5中所示，切入到玻璃基底2中的楔形物16还可用以使用全内反射将光4反射出平面。这对于如关于图4所描述的示例的LCD背光源实施方式尤其有用，其中不需要全透明度。
实验上已经报告了使用退火处理，弯曲半径降至16.6mm(90°弯曲，1dB损耗，.X＝1550nm)。已证明对于折射率对比度相似的光纤的低得多的弯曲半径，例如，对于康宁公司的ClearCurve ZBL光纤为5mm(360°弯曲，＜0.1dB损耗，A＝1550nm)。
在我们的原型中将已证明的50μm的像素间距与来自苹果(d＝55μm的iPhone X)、三星(d＝44.6μm的Galaxy S8)或索尼(d＝31.7μm的Xperia Z5 Premium)的现有技术装置的像素间距进行充分地比较。如构造全息显示器所必需的，降低像素间距不可避免地导致相邻波导开始消逝耦合的问题，即，来自一个波导的功率被传送到另一波导。此消逝耦合的强度取决于在波导中传播的光场的模直径，其本身取决于折射率对比度。
在实验上，高达Δn＝2 10-2的折射率对比度已经在由熔融石英制成的透明基底中得到证明，理论上允许在650nm波长下ω＝2.05μm的最小模场直径和d＝10.55μm的像素周期(参见表1)。由于所有颜色都可以在一个光波导中被引导，根据本发明的优选实施方式，单色显示器可以具有与多色显示器相同的像素密度。
2D显示器的重要品质因子是视角。如果观看者从侧面观看显示器，则如同LCD的情况，图像质量可能受损。通常，视角取决于光波导输出的波前特性。在单模光波导的情况下，可以直接从高斯光束的光束发散角推断视角并读取θ＝λ/πω0，其中θ是发散角，ω0是光束直径。为了实现适用于通用2D显示器的大于30°的发散角，必须实现小于1μm的模场直径。创建这种小波导需要高折射率对比度(见表1)。增大视角的更现实的想法可以被分组成两个子组：相干方法和非相干方法。在相干方法中，离开光波导的光束的波前以最大化视角的方式成形。这可通过使用引导可在光源处或在光波导期间的任何点处产生的较高阶模式的光波导、使用在形成显示器的透明基底表面上的微透镜或通过在写入过程期间直接修改波导的末端来实现。另一种可能性是在显示表面上产生均匀散射点(例如，纳米点、金粒子)。
在非相干方法中，目标不是形成波前，而是破坏波前中的相干性，从而导致具有大发散角的许多微小光源。这可以使用在光波导的输出处的散射介质结合低相干长度光源来完成。
当前使用的电阻式或电容式触摸识别系统难以结合透明显示器来实现。根据本发明的第二方面，呈现了使用光波导实现透明触摸识别的两种方式。
根据本发明的第二方面的优选实施例的第一技术依赖于以下事实：如果物体(如手指)触摸垂直于表面的光波导的输出，则进入光波导的菲涅耳背向反射发生变化。这种背向反射的变化可以使用定向耦合器和光电二极管来检测，并且可以使用光纤代替熔融石英芯片来在实验上证明，以避免耦合问题(参见以下补充信息)，因为光纤的光学特性非常接近于直接激光写入的光波导的光学特性。在图6A的图表中示出了通过将手指按压在光纤的输出上而产生的在光源的方向上的背向反射的变化，其中，在手指触摸或阻挡光4的输出6时振幅向下尖峰，随后在移除(即，将手指抬起远离输出6)时向上尖峰。在这方面，可以在补充信息中发现更多数据。可以使用例如快速光电二极管17和(在AC模式下的)示波器来测量这种变化。
根据本发明的第二方面的另一个优选实施例的第二技术优选地通过直接激光写入光波导6的栅格来实现，该光波导6的栅格在透明基底2的表面下方并靠近透明基底2的表面且与透明基底2的表面平行。这使得消逝场18能够根据行进穿过光波导的光4形成在显示器的表面3处。如果物体接触光波导6上方的表面3，那么此消逝场18被阻挡，从而减少通过光波导6的光4的传输。另外，指尖的油性涂层改变了全内反射条件，再次导致传输的光的下降(见图1B和1C)。光的传输的这种减少可以用二极管来测量，并且使用数据来确定表面3上的触摸位置。
图6B示出了根据本发明的可替代的优选实施例的应用上述第二技术的光学触摸感测装置1。其示出了光波导6如何可以被直接激光写入透明基底2的表面3的下方并且非常靠近透明基底2的表面3。当光4被输入到光波导6中时，产生消逝场18。消逝场18的至少一些部分在透明基底2上方传播。用例如手指或笔触摸消逝场18改变光4的传输。
图6C示出了图6B中所示的本发明的可替代优选实施例的更详细的说明。
根据图6B中所示的图表，展示了根据已证明的本发明的优选实施例的触摸系统的功能。波长为630nm的光从光纤输入到光波导中，并且由光电二极管在自由空间中收集以测量传输的变化。示出了根据接近表面的笔的光传输的振幅的变化。
已经证明了7.52mm的激光写入光波导的写入深度。一旦已经实现数十厘米的写入深度，可以通过将光波导深深嵌入透明基底(如玻璃)内来实现立体显示器。这种方法的优点是光波导在它们的终止点处将光发射(即，输出而不是均匀地发光)到锥体中。这有益地允许遮挡。然而，为了产生多个不同的视角，各个光波导被配置为在体积内的单个点处终止(参见图7B)。根据该实施方式，可以可选地实现以例如大于30Hz的频率结合人眼的视觉暂留进行视觉显示器的快速旋转以便大大减少所需的光波导的数量(参见图4C)。在其他实施方式中，通过实现多个发射方向，较低的旋转速度也是可能的(例如，两个相反的方向将使所需旋转速度减半)。除了低得多的所需光波导数之外，旋转的额外益处在于围绕旋转轴线的视角的数目仅受到光源的切换速度(水平视差)的限制。全视差将仍然需要每个“体素”多个光波导来实现多个垂直视角。
向全息显示器提供改进的立体需要在全息显示器的情况下增加像素的数量和增加像素的密度以及对像素进行相位控制的性能。因此，实现根据本发明的优选实施例的光波导视觉显示器的优点是使用定向耦合器将来自单个光源的发射分布在所有像素上并且使用移相器控制发射的相对相位是容易的。此外，根据本发明的优选实施例的装置的高透明度可以使得能够创建多个紧密间隔的发射层，从而有效地增加像素密度。此外，本发明的这种优选实施例还提供增加的形状灵活性，其可被实现以创建例如大大降低所需像素密度的弯曲的显示器面。
总之，本发明的优选实施例提出了光学装置，该光学装置可以被实现以便形成包括形成像素和/或体素的多个光波导的新颖显示器，就实现透明的、立体的和全息的显示器而言，这些光波导提供了优于当前技术的优点。此外，本发明的优选实施例还提供了一种新颖的触摸识别，该触摸识别高度准确、在水下工作、能够以非常高的速度操作并且适合于与透明的视觉显示器集成。
补充信息
提供以下实验信息以帮助理解本发明及其可能的实施方式。
实验设置
为了测试用于本发明的可能实施方式的参数，使用具有50mm x 17mm x 1mm(长度、宽度、高度)尺寸的熔融石英芯片进行实验。写入芯片中的是直波导的5x5阵列，在芯片表面下方267μm与767μm之间，伴有50μm间隔，这构成视觉显示器(制造细节参见下文)。为了最大的稳定性，将熔融石英芯片安装在铝块上，并使用Nufern 780HP光纤将光耦合进入光波导，该光纤本身安装在平移台(Thorlabs 6-Axis NanoMax)上。使用ChoherentChameleon Ti：蓝宝石激光器与A.P.E HarmoniXX SHG组合产生波长为450nm和540nm的光。使用Hobbes FC–2005Fibre Checker Pro产生波长为650nm的光。
图2中的图片是使用长距离显微镜(具有0.6X摄像管与7：1可调谐变焦组合的Optem 10X M Plan Apo物镜)和成像源DFK 24UP031相机制成的。单独照亮每个光波导，并且随后在减去背景噪声之后叠加图像。芯片的总插入损耗是7dB。
制造细节
使用直接飞秒激光写入来制造视觉显示器和触摸识别芯片：在此过程中，将超短激光脉冲(200fs，0.3mJ，100kHz，800nm)紧密地聚焦到熔融石英样品中，引起非线性吸收并且永久地增加聚焦体积中的折射率。通过一系列这样的脉冲追踪出引导区域。芯片布局中的细节见下文。
模场直径
通常，光波导的模场直径与折射率分布紧密相关。对于阶跃折射率单模波导，模场直径可通过Marcuse方程近似：
1.619 2.879
w(V,a)≈2(0.65+V3/2+V6)·a
其中，w是模场直径，a是波导纤芯直径，V＝2πa/λNA
具有波长λ和数值孔径NA＝sqrt(n2 core-n2 cladding)的光纤参数。设置
示出了针对V＝1.8724获得了最小模场半径。使用耦合模式方程，可以计算取决于光波导分离的消逝耦合强度。如表1所示，光波导间隔极大取决于光波导的反射率对比度/数值孔径。使用650nm的波长计算所有值，因为它是彩色显示器中典型地使用的最长波长。较短的波长允许较小的模场直径，因此至少在单模传播的情况下允许较近的间隔。如果多个波长在一个波导中传播，则根据波导的截止波长，这些波长中的一些可能经历多模行为。
应注意，飞秒激光直接写入波导具有比阶跃折射率更复杂的折射率分布，并且因此所呈现的计算应被视为近似。
最小波导间隔适用于透明基底材料中的整个传播长度以及光与光波导耦合的区域，除非透明有源光学开关可以被实现到基底中，潜在地允许稍微更高的像素密度。本发明的可能实施方式的其他选择将是极大失配相邻光波导的传播常数以抑制消逝耦合或允许波导之间的耦合，但是以使得当光波导到达其终点时光耦合回到其原始光波导的方式调整耦合区域。如果不要求完美的透明度，正交偏振光可以被发送到相邻的光波导中，从而允许泄漏的光在透明基底的显示表面处被偏振器阻挡。
安德森本地化(Anderson localisation)还可用于将光限制在原始波导中。
触摸识别
根据本发明的一个或更多个优选实施例的实施方式，提供了使用光波导来实现触摸识别的两种不同的方式。
在第一种方法中，垂直于表面的光波导用于识别触摸事件，并且在优选的实施方式中，这些垂直于表面的光波导是用于形成视觉显示器的像素的相同的光波导。根据该方法，在(可由例如石英制成的)透明基底的表面和空气之间的界面处，发生菲涅耳反射，从而导致从光波导的输出发射的光中的一些朝向(一个或更多个)光源向后反射。在示例性实施方式中，向后反射的光的量取决于石英和空气的折射率差异。如果物体(例如，手指)触摸光波导的输出，那么该差异改变，因为指尖由于其油性和水性而具有与空气不同的折射率。可以使用例如光纤分束器和光电二极管来监测这种背向反射的变化。在实验过程中，确定了触摸芯片的输出导致光纤芯片耦合的偏移，这可能潜在地产生错误的结果。为了证明本发明的这种优选实施方式所达到的效果，触摸光纤(Nufern 780HP)的输出，因为该光纤具有与本发明的集成光波导的性能非常相似的性能。使用785nm激光二极管(Thorlabs LP785-SF20)并用光隔离器(Thorlabs IOT-5-780-MP)、单模光纤分束器(Thorlabs FC780-50B-FC/PC)和快速光电二极管(Thorlabs DET10A)稳定以防止背向反射。从(2mW)激光器发射的光被发射到光纤分束器的输入模式中的一个中，并且一个输出模式被用作“触摸光纤”。将快速光电二极管连接至另一个输入模式并且在AC输入模式(高阻抗)下用示波器(R&SRTM3004)监测其输出电压。用手指触摸光纤的输出产生如图3A中所呈现的信号。
由于背向反射的量取决于接触波导的面的材料的折射率，所以直接在例如根据本发明第二方面的优选实施例的手指触摸与水之间进行区分。使用(780nm)抗反射涂覆纤维导致背向反射振幅的特别显著的变化：当纤维面被水涂覆时，背向反射增加46％，并且当用手指触摸该面时，背向反射增加88％。
对于根据本发明的可替代优选实施例的第二触摸识别方法，从光波导发射的光的消逝场以平行于该透明基底的表面的非常近的距离写入。从光波导发射的光的至少一部分在透明基底的表面的显示器面上方传播，且可由触摸该光波导的物体(例如，手指)阻挡。为了测量这种效果，在实验过程中，将具有633nm波长的光输入光波导中并且监测输出处的强度下降。为了校正当触摸熔融石英芯片时可能发生的输入耦合变化，在样本中更高深度处制造附加的参考波导，并且将该参考波导耦合至与表面光波导相同的以Y形接头形式的输入光波导。这使得能够测量表面光波导与参考光波导相比的相对传输，这独立于与芯片的耦合性能。代替使用手指作为物体，使用橡胶尖笔(rubber-tipped pen)作为触摸物体。平移台用于以0.5mm的步长将笔降低到芯片表面上。当橡胶尖笔接触芯片时，穿过表面波导的传输下降4％，变化显著高于0.4％的功率测量误差。
在传统智能手机中发现的常用电阻式和电容式触摸识别系统具有超过10-2s的延迟，并且由于由智能手机中的其他电子部件(或类似物)产生的噪声，增加其速度是困难的。本发明所采用的光学方法使得能够在更高的频率下执行，仅由光电二极管读出速度和穿过显示器的光传播的时间限制，这两者都处于10-9s水平。由于其高频率，所发射的光不受来自其他电子部件的噪声的不利影响。
光耦合注意事项
对于本发明的一个或更多个优选实施例的实施方式，即使原则上可以由单个光源产生所有像素的光，或者在彩色图像的情况下由至少三个光源产生所有像素的光，对于大多数情景，优选的是具有连接到相应于每个像素的每个单独光波导的分离的光源。为了将光源连接到每个光波导所需的透明基底的表面积可以由最小像素间距乘以总像素数来确定。如果像素彼此尽可能紧密地间隔开，则可实现与透明基底的视觉显示区域的表面积类似的表面积。
在进一步的实施例中，透明移相器可在基底中实现，以便大大减少所需的光源的数量。由此，来自一个光波导的功率可使用靠近相应像素位置的干涉结构分布在各个像素上。
为了实现本发明，可以将不同类型的光源耦合到光波导上。原则上，只要来自给定显示技术的每个像素的光与本发明的每个光波导的耦合，所有主要的显示技术都与本发明兼容并且可以与此结合使用。与波导的这种耦合的性能取决于模场分布。本发明的第一方面的优选实施方式将是将LCD层形式的视觉显示器插入(夹在)两片透明基底之间，理想地使用玻璃作为基底。这种实施方式基本上非常类似于上述背光源实施例，其中，光波导形成LCD背光源，另一特征是从第一(片)透明基底的多个光波导的输出发射的光进一步耦合到已经通过LCD层的第二(片)透明基底(即，玻璃)的多个光波导的输入中，第二透明基底位于该LCD层之上。
总体上，在优选实施方式中，更容易使用具有更大尺寸的多模光波导并且大大降低光源与光波导之间的模态重叠要求。另一方面，多模光波导典型地具有更大的弯曲半径。根据另一个实施方式，(一个或更多个)光源可以借助于将经由光纤所发射的光发送至形成视觉显示器的透明基底中的光波导而远离显示器定位。
与传统的半导体显示器和/或触摸识别装置相比，根据本发明的这种光学装置的制造的优点在于本发明不需要单个单片结构来提供所有的光。相反，在传统装置的制造中，在生产期间发生缺陷的可能性与显示器的尺寸成正比，并且随着显示器的尺寸而增加，即，显示器越大，包含的像素越多，在生产过程中越容易发生缺陷。
Claims (13)
1.一种用于控制光的光学装置(1)，包括：
透明基底(2)，所述透明基底(2)具有用于发射来自一个或更多个外部单模光源(5)的光的一个或更多个表面(3)；
一个或更多个光波导(6)，所述一个或更多个光波导(6)用于引导所发射的光，其中，所述一个或更多个波导(6)借助于直接激光写入形成在所述透明基底(2)内，且在朝向所述一个或更多个表面(3)弯曲之前各自延伸穿过所述透明基底，且各自终止于所述透明基底内的多个输出(7)处或所述透明基底的所述一个或更多个表面处。
2.一种光学触摸感测装置(1)，包括：
透明基底(2)，所述透明基底(2)具有一个或更多个触摸表面(3)；
一个或更多个单模光源(5)；
一个或更多个光电探测器(17)；
一个或更多个光波导(6)，所述一个或更多个光波导(6)借助于直接激光写入形成在所述透明基底内，其中，所述光波导中的每一个均与所述光源中的至少一个以及至少一个光电探测器光学通信，并且所述光波导中的每一个包括多个输出，光可以从所述多个输出被发射；
其中，所述装置被配置为当物体接近或接触所述触摸表面时，确定通过所述一个或更多个光波导传输的光的振幅变化，并且将所传输的光的振幅变化与所述触摸表面上的一个或更多个点相关联，其中，所述一个或更多个光波导的至少一个输出基本上垂直于所述触摸表面，且所述装置被配置为基于所确定的来自通过所述一个或更多个光波导的输出的光的振幅变化来确定背向反射的变化。
3.根据权利要求2所述的光学触摸感测装置，其中，所述波导中的一个或更多个基本上平行于所述触摸表面，并且所述装置被配置为当诸如手指或笔的物体接近或触摸所述触摸表面时，根据通过所述一个或更多个波导的光振幅的变化来确定消逝场的变化。
4.根据权利要求1和2中任一项所述的光学装置，还包括多个光波导，其中，所述多个光波导的相应的输出形成视觉显示器(8)。
5.根据权利要求1和2中任一项所述的光学装置，还包括多个光波导，其中，所述多个光波导的相应的输出形成用于视觉显示器的背光源。
6.根据权利要求5所述的光学装置，其中，所述多个波导包括用于所述视觉显示器的每个子像素的一个波导。
7.根据权利要求5或6所述的光学装置，其中，所述透明基底包括用于朝向所述透明基底的所述一个或更多个输出或所述一个或更多个表面反射光的楔形物。
8.根据权利要求1、2或4至7中任一项所述的光学装置，还包括：
一个或更多个光源，所述一个或更多个光源被配置为将光传输到所述多个光波导的每一个的输入中，其中，所述一个或更多个光源包括多模光源。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的光学装置，其中，所述多个光波导的相应的输出形成阵列。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述多个光波导的输出形成在距所述透明基底的表面不同距离处。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述透明基底包括优选为硼硅酸盐玻璃的玻璃、优选为蓝宝石的晶体或热塑性聚合物中的一种。
12.一种集成的光学触摸感测显示装置，包括权利要求1和2所述的光学装置。
13.根据权利要求12所述的集成的光学触摸感测显示装置，还包括权利要求3至11中任一项所述的特征。
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