JP2008505399A - 光を基礎としたタッチスクリーンに使用する柔軟性のある導波路基板用の装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
タッチスクリーンディスプレイと使用することが可能な柔軟性のある光学的導波路基板。該導波路基板は柔軟性のあるベース物質を包含している。第一屈折率値を有する第一光学層を該柔軟性のあるベース物質の上に形成する。次いで、該第一光学層の上に第二光学層を形成し、該第二光学層をパターン形成して複数個の光学要素と導波路とを夫々形成する。該第二光学層は、第一屈折率値より高い第二屈折率値を有している。最後に、該第二光学層の上に第三光学層を形成する。該第三光学層は該第二屈折率値より低い第三屈折率値を有している。従って、高N第二層がより低いN第一及び第三層の間に挟まれ、高N及び低N物質が接触する箇所において内部反射表面を形成している。該ベース物質及び第一、第二、第三光学層は、柔軟性のある導波路基板を形成する。
【選択図】 図1
【選択図】 図1
Description
本発明は、大略、光を基礎としたタッチスクリーンディスプレイに関するものであって、更に詳細には、タッチスクリーンディスプレイと共に使用することが可能な光学要素導波路を製造する装置及び方法に関するものである。
データ処理システム用のユーザ入力装置は多くの形態を取ることが可能である。関連性のある2つのタイプはタッチスクリーンとペンを基礎としたスクリーンである。タッチスクリーン又はペンを基礎としたスクリーンのいずれの場合においても、ユーザは、指、又はスタイラスかペン等の入力装置のいずれかでディスプレイスクリーンをタッチすることによりデータを入力することが可能である。
タッチ又はペンを基礎とした入力システムを提供するための1つの従来のアプローチは、ディスプレイスクリーン上に抵抗性又は容量性の膜をオーバーレイされることである。このアプローチは多数の問題を有している。第一に、その膜はディスプレイが薄暗く見えるようにさせ且つ下側に存在するディスプレイを見ることを不鮮明なものとさせる。補償するために、ディスプレイスクリーンの強度がしばしば増加される。然しながら、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント、ラップトップコンピュータ等の殆どのポータブル装置の場合には、高強度スクリーンは通常設けられていない。設けられている場合には、付加された強度が付加的なパワーを必要とし、その装置のバッテリの寿命を減少させる。該膜は、又、容易に損傷される。これらの膜は、従って、ペン又はスタイラス入力装置と共に使用するのに理想的なものではない。ペン又はスタイラスの運動がこの薄い膜を損傷したり切れ目を発生させたりする場合がある。このことは、ユーザがかなりの量の力で書き込みを行なう場合に特に言えることである。更に、該膜のコストはスクリーンの寸法と共に著しく増減する。大きなスクリーンの場合には、コストは典型的に法外なものである。
タッチ又はペンを基礎とした入力システムを提供するための別のアプローチは、入力ディスプレイの2つの隣接するX−Y側部に沿って供給源発光ダイオード(LED)のアレイ及び該入力装置の反対側の2つの隣接するX−Y側部に沿っての対応するフォトダイオードの相互的なアレイを使用することである。各LEDはその相互的なフォトダイオードに指向される光ビームを発生する。指又はペンのいずれかでユーザがディスプレイにタッチすると、光ビームにおけるその中断がディスプレイの反対側上の対応するX及びYフォトダイオードにより検知される。従って、X及びYフォトダイオードにより検知される中断の座標を計算することによりデータ入力が決定される。然しながら、このタイプのデータ入力も多数の問題を有している。典型的なデータ入力ディスプレイに対して多数のLEDとフォトダイオードとが必要とされる。LED及び相互的なフォトダイオードの位置は、又、整合されることを必要とする。比較的多数のLED及びフォトダイオード、及び精密なアライメントに対する必要性がこのようなディスプレイを複雑で、高価で且つ製造困難なものとさせている。
更に別のアプローチは単一の光源から単一のアレイ検知器へ光のビームを発生し且つ受取る両方のためにポリマー導波路の使用が関与する。これらのシステムは複雑且つ高価なものである傾向があり且つ送信及び受信導波路及び光学要素及び導波路との間のアライメントを必要とする。該導波路は、通常、リソグラフィプロセスを使用して製造され、そのことは高価であるか供給することが困難である場合がある。更に、該導波路は、典型的に、平坦である。その結果、ディスプレイの周りのベゼルは比較的幅広である。例えば、米国特許第5,914,709号を参照すると良い。
従って、タッチスクリーンディスプレイと共に使用することが可能な廉価で柔軟性のある光学導波路を製造する装置及び方法に対する必要性が存在している。
本発明はタッチスクリーンディスプレイと共に使用することが可能な廉価で柔軟性のある光学的導波路を製造する装置及び方法に関するものである。本装置は、柔軟性のあるベース物質を包含している。第一屈折率値を有する第一光学層を該柔軟性のあるベース物質の上に形成する。次いで、該第一光学層の上に第二光学層を形成し、該第二光学層をパターン形成して複数個の光学要素及び導波路を夫々形成する。該第二光学層は、又、該第一屈折率値よりも高い第二屈折率値を有している。最後に、該第二光学層の上に第三光学層を形成する。該第三光学層は該第二屈折率値より低い第三屈折値を有している。従って、高N第二層は、より低いN第一及び第三層の間に挟まれており、高Nと低N物質とが接触している箇所において内部反射表面を形成している。該ベース物質、及び第一、第二及び第三光学層は、従って、柔軟性のある導波路基板を形成する。
図1を参照すると、本発明の1実施例に基づくタッチスクリーンデータ入力装置が示されている。このデータ入力装置10はタッチスクリーン14に隣接している自由空間内に光の連続的なシート即ち「薄層」12を画定している。この光の薄層12はX及びY入力光源16及び18夫々により形成される。光の薄層12へ光学的に結合されている光学的位置検知装置20が、入力装置へデータがエンターされる場合に発生される薄層12における中断の位置を決定することにより入力装置へのデータエントリを検知するために設けられている。光学的位置検知装置20はX受取アレイ22、Y受取アレイ24、プロセッサ26を包含している。X及びY入力光源16及び18及びX及びY受取アレイ22及び24は、薄層12及びタッチスクリーン14を取囲んでいる単一の導波路基板28内により形成されている。
動作期間中に、ユーザは、ペン、スタイラス又は指等の入力装置を使用してスクリーン14をタッチすることにより装置10へのデータエントリを行なう。入力装置でスクリーンをタッチする動作期間中に、該スクリーンに隣接する自由空間における光の薄層12が中断される。光学的位置検知装置20のX受取アレイ22及びY受取アレイ24がその中断を検知する。その中断のX及びY座標に基づいて、プロセッサ26は装置10へのデータエントリを決定する。
光の薄層12は本発明の1実施例に基づいて実質的に一様な強度である。受取用X軸及びY軸アレイ20及び22における感光性回路の所要のダイナミックレンジが最小とされ且つ高い補間精度が維持される。然しながら、代替的実施例において、非一様な薄層12を使用することが可能である。この場合においては、薄層12の最も低い強度区域がX軸及びY軸アレイ20及び22により使用される光検知要素の光活性化スレッシュホールドよりもより高いものとすべきである。
タッチスクリーン14は、本発明の種々の実施例に基づき任意のタイプのデータディスプレイとすることが可能である。例えば、スクリーン14はパソコン、ワークステーション、サーバー、モーバイルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、POS端子、パーソナルデジタルアシスタンス(PDA)、携帯電話、それらの任意の組合わせ、又はデータエントリを受取り且つ処理する任意のタイプの装置用のディスプレイとすることが可能である。
薄層12を形成するために使用されるX軸及びY軸光源16及び18により発生される光の波長は、本発明の異なる実施例に基づいて異なる場合がある。例えば、その光は、例えば白熱供給源からの白色光のように350nm乃至1100nmの拡張された波長スペクトル範囲を有する広帯域のものとすることが可能である。代替的に、入力光は2nm内の範囲の制限されたスペクトルを有する狭帯域のものとすることが可能である。狭帯域の光の使用は、広帯域周囲ノイズ光をフィルタすることを可能とする。狭帯域光の使用は、又、X軸受光アレイ20及びY軸受光アレイ22の応答プロフィルに対する光の波長の実質的なマッチングを可能とする。更に別の実施例においては、均一な単一の波長の光を使用することが可能である。例えば、ワイヤレス又は遠隔データ転送通信において一般的に使用されている赤外即ちIR光をこの適用例において使用することが可能である。
図2Aを参照すると、その上に製造した複数個の柔軟性のある導波路基板28を包含するシート30が示されている。1実施例によれば、複数個の導波路28は単一のシート30上に製造される。個々の基板28はシート30の表面上の長く薄いストリップ状に並列して製造される。基板28を製造した後に、シート30を切断し、個別的な導波路基板28に個別化する。シート30は例えばナイフ、鋸歯などを使用して多様な良く知られた技術のうちのいずれか1つを使用して切断することが可能である。シート30上の導波路28の製造の詳細について以下に説明する。
図2Bを参照すると、シート28から切断した柔軟性のある導波路基板28が示されている。図2において明らかなように、導波路基板28は基板28の片側に設けられた複数個の光学要素32を包含している。種々の実施例によれば、光学要素32はレンズ、回折格子、フィルタ、ブラック格子、カップリングホルン(coupling horn)等を包含することが可能である。導波路34は各光学要素32へ光学的に結合されている。複数個の導波路34がグループ化され且つ時折導波路ハイウエイ36として呼称される状態で基板28の長さに沿って並列に走行している。
図2Cは柔軟性のある導波路基板28の斜視図である。この図において、光学要素32は基板28の片側に沿って示されている。光学要素32へ光学的に結合されている個別的な導波路34は光学的ハイウエイ36に沿ってグループ化した状態で示されている。個別的な導波路34は基板28(図には示していない)の長さを走行している。
図2Dを参照すると、入力装置10のタッチスクリーンディスプレイ14の周りの導波路基板28の斜視図が示されている。柔軟性のある導波路基板28の1つの適用例は、入力装置10に対するX及びY入力光源16,18及びX及びY受取アレイ22,24を与えるためにそれらを容易に使用することが可能であるということである。図に示したように、導波路基板28はタッチスクリーン14の周囲周りに設けられており、光学要素32は内側に向いた形態とされている。従って、タッチスクリーンのX及びY光入力側における光学要素32はタッチスクリーン14の上方に光の薄層12を形成するために使用される。説明の便宜上、個別的な導波路34はこの図には示していない。代替的に、ディスプレイ14のX及びY受取側における光学要素32は薄層12における中断を検知することによりデータ入力を解読するために使用される。光源38はタッチスクリーン14の光入力側に沿っての光学要素32へ結合されている導波路34へ光を供給する。MOS装置又はCCD等のイメージング装置39がタッチスクリーン14のX及びY受取側に沿っての光学要素32へ結合されている導波路34に隣接して設けられている。
図3Aを参照すると、本発明の別の実施例に基づく多層の柔軟性のある導波路基板28が示されている。この実施例においては、2つの層の光学要素32が基板28の片側に沿って設けられている。第一即ち底部の層の光学要素32aが離隔した間隔で設けられている。第二層の光学要素32bが第一層の上方に設けられている。第二層の光学要素32bは第一層の光学要素の間に交互配置されている。上述した実施例と同様に、光学要素32a及び32bの導波路34は基板28の長さを走行するハイウエイ36にグループ化されている。
図3Bを参照すると、図3Aの多層の柔軟性のある基板を例示した概略図が示されている。この図において、第一層のレンズ32a及び第二層のレンズ32bがタッチスクリーン14の周囲周りに示されている。図3Aの交互配置された二層型構造の1つの利点は、光学要素32の与えられた寸法に対してより大きな分解能を与えることである。
例えば、図3Cに例示したように、光学要素32は各々約1mmの幅を有している。そうであるから、交互配置された光学要素32の間の距離は約1/2mmである。従って、図3Bのタッチスクリーン14は1/2mm又はそれ以上の中断を分解する能力を有している。対照的に、幅が約1mmの光学要素からなる単一層のみを具備する基板28は1mmの分解能を有するに過ぎない。上述した寸法は例示的なものであり何等本発明を制限するものとして解釈されるべきではない。より小さな又はより大きな光学要素32を夫々使用することによりより細かい又はより粗い分解能を達成することが可能である。
図4Aを参照すると、別の実施例に基づくタッチスクリーン14と共に使用される折り曲げ型導波路基板40の断面が示されている。「折り曲げ型」導波路と呼称されるこの実施例は前述した同時係属中の親出願に記載されている。この実施例においては、基板40は平坦な内部反射表面42を包含しており、それは基板40の側部表面上に導波路を折り曲げることを可能とする。導波路が側部表面上にあるので、基板28の幅を減少させることが可能である。上述したその他の実施例のように、図4Aの基板40は、本明細書に記載したように、製造され、次いでシート30から切断される。
図4Bを参照すると、タッチスクリーンディスプレイ14周りに設けられた折り曲げ型導波路40の部分的斜視図が示されている。例示したように、導波路の光学要素32がタッチスクリーン14の周囲周りで導波路40の上側に沿って設けられている。個別的な導波路34は折り曲げられており且つ基板40の側部表面に沿ってハイウエイ36にグループ化されている。光源38及びイメージング装置39が、導波路34が終端する箇所に隣接して示されている。
図4Cにおいて、別の実施例に基づくタッチスクリーン14と共に使用される折り曲げ型導波路基板40の断面が示されている。この実施例も「折り曲げ型」導波路と呼称されるものであり、前述した同時係属中の親出願に記載されている。この実施例においては、基板40は湾曲した内部反射表面42を包含しており、それは導波路を基板40の側部表面上へ折り曲げることを可能とする。導波路が側部表面上にあるので、基板28の幅を減少させることが可能である。上述したその他の実施例のように、図4Cの基板40は、本明細書に記載したように、製造され、次いでシート30から切断される。
図5を参照すると、本発明の導波路基板28,40,90の種々の実施例を製造する製造ステップを例示したフローチャート50が示されている。最初のステップ(ボックス52)において、低N光学物質がシート30の上にコーティングされる。種々の実施例において、シート30はプラスチック又はポリカーボネート等の柔軟性があるが機械的に強力な物質から形成される。そのシートは透明であるか又は不透明のいずれかとすることが可能である。種々の実施例によれば、任意の低N光学的に透明な物質を使用することが可能である。次のステップ(ボックス54)において、高Nの光学的に透明な物質をシート30の上にコーティングさせる。次いで光学要素32及び導波路34をホトリソグラフィを使用して高Nの光学的透明物質内に形成する(ボックス56)。特に、高N層をマスクし且つパターン形成して光学要素32及び導波路34を形成する。別の低N光学層をパターン形成した高N光学層の上に形成する(ボックス58)。従って、高N物質は2つのより低いN層の間に挟まれ、高Nと低N物質とが接触する箇所において内部反射表面を形成する。その結果、光学要素32と導波路34とが形成される。最後のステップにおいて、基板28をシート30から切断する(ボックス60)。図3A−3Cの多層柔軟性基板及びその基板を基本的に同一の技術を使用して製造することが可能である。第一層の光学要素32及び導波路34を形成した後に、第二N層の上に中間層を形成する。次いで、ステップ52−58において詳細に説明した前述したプロセスを繰返す。
図6を参照すると、本発明の別の実施例に基づく導波路基板の製造を例示する概略図が示されている。この実施例の場合には、基板28又は40が一連の処理ステーションを介してベース物質の連続的なストリップを通過させることにより製造される。最初にステーション60において、ベース物質62のスプールが供給される。ベース物質62が処理ステーション64へ供給され、そこで第一低N層が付与される。ベース物質がステーション64の周りに回転するに従い、UV硬化装置65が第一N層を硬化させる。ステーション66において、第二高N層が付与され且つ同様の態様で硬化される。ステーション68において、該第二層の上にフォトレジスト層が付与され且つ硬化される。次いでパターン形成用マスクがステーション70において付与される。そのパターンは光学要素32と導波路34とを画定する。その後に、光学要素32と導波路34とを形成することのない第二高N層の部分がステーション72においてエッチング即ち除去される。次いで、ステーション74において第三低N層が付与される。次いで、導波路基板28又は40の処理ストリップがステーション80においてスプールされる。1実施例においては、各処理ステーションの円周は各導波路基板28又は40の長さと実質的に同一である。このように、ベース物質のスプールは各々が等しい長さの複数個の直列した導波路基板28又は40に製造することが可能である。そのスプールは、後に各基板の長さに等しい周期的な間隔で切断されて個別的な基板へ個別化させる。
図7A及び7Bを参照すると、本発明に基づく別の柔軟性導波路を例示した概略図が示されている。柔軟性導波路基板90は、複数個の光学要素32及び2つの導波路ハイウエイ36a及び36bに配列された対応する導波路34を包含している。導波路基板90は、又、ハイウエイ36aと36bとを分離する折り曲げ部を包含している。導波路ハイウエイ36a及び36bは折り曲げ部92の対応する側部上に延在している。個別的な基板が製造され且つ個別化された後に(上述した態様のうちのいずれか1つにおいて)、導波路90は該折り曲げ部に沿って折り曲げることが可能である。図7Bに例示したように、柔軟性のある導波路90の2つの側部が互いに約90度に位置決めされている状態が示されており、該折り曲げ部の2つの側部は外側へ延在している。この構成は光源及び/又はイメージング装置(両方共図示していない)を折り曲げ部92の両側におけるハイウエイ36a及び36bの個別的な導波路34に近接し又は隣接して位置決めさせるのに便利なものとさせている。
前述した発明は理解を明確する目的のために幾分詳細に説明しているが、特許請求の範囲内においてある変更又は修正を行うことが可能であることは明らかである。従って、説明した実施例は制限的なものではなく例示的なものとして取られるべきであり、且つ本発明は本明細書に与えた詳細に制限されるべきものではなく特許請求の範囲及びその均等物により定義されるべきである。
Claims (23)
- 柔軟性のあるベース物質、
該柔軟性のあるベース物質上に形成されており、第一屈折率値を有している第一光学層、
該第一光学層の上に形成されており複数個の光学要素及び導波路を夫々形成すべくパターン形成されており、該第一屈折率値より一層高い第二屈折率値を有している第二光学層、
該第二光学層上に形成されており該第二屈折率値より低い第三屈折率値を有している第三光学層、
を有しており、該ベース物質と、第一、第二及び第三光学層とが柔軟性のある導波路基板を形成している装置。 - 請求項1において、該第一屈折率値及び該第三屈折率値が実質的に同一である装置。
- 請求項1において、該柔軟性のあるベース物質がプラスチック又はポリカーボネ−トのうちの1つを有している装置。
- 請求項1において、該第二光学層が、更に、該複数個の光学要素及び導波路の夫々の間に複数個の内部反射表面を形成すべくパターン形成されている装置。
- 請求項4において、該複数個の光学要素が該導波路基板の第一表面上に形成されており且つ複数個の導波路が該導波路基板の第二表面上に形成されており、該第一表面及び該第二表面が互いに実質的に直角である装置。
- 請求項1において、該光学要素が以下のタイプの光学要素、即ちレンズ、回折格子、フィルタ、ブラック格子、又はカップリングホルンのうちの1つを有している装置。
- 請求項1において、該第二光学層内にパターン形成されている該複数個の光学要素が多層に配列されている装置。
- 請求項7において、該多層における該複数個の光学要素が交互配置されている装置。
- 請求項1において、更に、該柔軟性のある導波路基板が実質的にその周囲周りに形成されている光を基礎としたタッチスクリーンと、該光を基礎としたタッチスクリーンに隣接して光を与える形態とされている該柔軟性のある導波路基板の該複数個の光学要素のうちの第一サブセットと、該光を基礎としたタッチスクリーンに対して行なわれるデータ入力を検知する形態とされている該柔軟性のある導波路基板の光学要素の第二サブセットとを有している装置。
- 請求項9において、更に、該第一サブセットの光学要素と夫々関連している該導波路へ光学的に結合されている光源を有している装置。
- 請求項10において、更に、該第二サブセットの光学要素と夫々関連している該導波路へ光学的に結合されているイメージング装置を有している装置。
- 柔軟性のあるベース物質であって、その上に複数個の柔軟性のある導波路基板が形成されている柔軟性のあるベース物質を有しており、該柔軟性のある導波路基板の各々が、
該柔軟性のベース物質上に形成されており第一屈折率値を有している第一光学層と、
該第一光学層上に形成されており複数個の光学要素及び導波路を夫々形成すべくパターン形成されており、該第一屈折率値より高い第二屈折率値を有している第二光学層と、
該第二光学層上に形成されており、該第二屈折率値より低い第三屈折率値を有している第三光学層とを、
有している装置。 - 請求項12において、該複数個の基板が該柔軟性のあるベース物質上に並列ストリップ状に配列されている装置。
- 請求項12において、該柔軟性のあるベース物質が連続的なストリップであり、且つ該柔軟性のある導波路基板が該柔軟性のあるベース物質上に直列的に形成されている装置。
- 請求項12において、該導波路基板が複数個の光学要素と導波路とを有している装置。
- 請求項15において、該光学要素が多層状に配列されており且つ該光学要素が交互配置されている装置。
- 請求項15において、該光学要素が以下のタイプの光学要素、即ちレンズ、回折格子、フィルタ、ブラック格子、又はカップリングホルンのうちの1つを有している装置。
- 請求項12において、該柔軟性のある導波路基板が、更に、該複数個の光学要素及び導波路の夫々の間に複数個の内部反射表面を形成すべくパターン形成されている装置。
- 請求項18において、該複数個の光学要素が該柔軟性のある導波路基板の第一表面上に形成されており、且つ該複数個の導波路が該柔軟性のある導波路基板の第二表面上に形成されており、該第一表面と該第二表面とが互いに実質的に直角である装置。
- 柔軟性のあるベース物質上に第一屈折率値を有している第一光学物質を設け、
該第一光学層上に該第一屈折率値より高い第二屈折率値を有している第二光学層を設け、複数個の光学要素と導波路とを夫々形成するために該第二光学層をパターン形成し、
該第二光学層の上に形成される該第二屈折率値より低い第三屈折率値を有する第三光学層を設ける、
ことを包含しており、該ベース物質及び第一、第二、第三光学層が柔軟性のある導波路基板を形成する方法。 - 請求項20において、更に、該ベース物質上に複数個の該柔軟性のある導波路基板を形成することを包含している方法。
- 請求項21において、該複数個の柔軟性のある導波路基板を形成することが、更に、
該第一、該第二及び該第三光学層を該ベース物質上に並列ストリップ状に設け、
該ベース物質を切断して該個々の柔軟性のある導波路基板を個別化させる、
ことを包含している方法。 - 請求項22において、該複数個の柔軟性のある導波路基板を形成することが、更に、
該第一、第二及び第三光学層を該柔軟性のあるベース物質の連続的なストリップ状に離隔した間隔で逐次設け、
該連続的な柔軟性のあるベース物質を離隔した間隔で切断して該個別的な導波路基板を個別化させる、
ことを包含している方法。
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