JP2015503157A - 交替反射レンズファセットを有する光学要素 - Google Patents

交替反射レンズファセットを有する光学要素 Download PDF

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Abstract

連結された複数のセグメントを含む光ベースのタッチ表面のための光学要素であって、各セグメントは、それぞれの光エミッタと対になっており、各セグメントは、反射又は屈折ファセットの波状の一連の対を含み、各対における第１のファセットは、セグメントに関連付けられた第１の光エミッタから放出された光を平行化するような向きに置かれ、各対における第２のファセットは、セグメントに関連付けられた第２の光エミッタから放出された光を平行化するような向きに置かれ、セグメントに関連付けられた第１の光エミッタは、セグメントと対になった光エミッタであり、セグメントに関連付けられた第２の光エミッタは、隣接するセグメントと対になった光エミッタである。【選択図】 図８９

Description

本発明の分野は、光ベースのタッチスクリーンである。
多くの消費者電子デバイスは、現在、指又はスタイラスタッチユーザ入力と共に使用するためのタッチセンサ式スクリーンを組み込んでいる。これらのデバイスは、移動電話及び車載娯楽システムのような小型スクリーンデバイスからノートブックコンピュータのような中型スクリーンデバイス、更に空港の搭乗手続きステーションのような大型スクリーンデバイスに及んでいる。
ほとんどの従来のタッチスクリーンシステムは、抵抗式又は容量式層に基づいている。このようなシステムは、容易に拡張可能ではないので、全ての網羅的な解決法を提供するほど十分に万能ではない。
従来のタッチスクリーンシステムの従来技術が示されている図１を参照されたい。このようなシステムは、ＬＣＤディスプレイ表面６０６、ＬＣＤ表面の上に置かれた抵抗式又は容量式オーバーレイ８０１、及びオーバーレイに接続してオーバーレイからの入力を意味のある信号に変換するコントローラ集積回路（ＩＣ）７０１を含む。コンピュータのようなホストデバイス（図示せず）は、コントローラＩＣ７０１から信号を受信し、デバイスドライバ又はそのような他のプログラムは、信号を解釈してキー押下又はスクロール移動のようなタッチベースの入力を検出する。
従来の抵抗式タッチスクリーンの従来技術が示されている図２を参照されたい。図２には、薄い空間によって分離された導電及び抵抗層８０２が示されている。ＰＥＴフィルム８０３が、導電コーティング８０６の上に重なった上部回路層８０４の上に重なっている。同様に、スペーサドット８０８を備えた導電コーティング８０７が、ガラス層６０７の上に重なった底部回路層８０５の上に重なっている。指又はスタイラスのようなポインタ９００がスクリーンにタッチした時に、抵抗層の間に接触が生じてスイッチを閉じる。コントローラ７０１は、層間の電流を測定してタッチポイントの位置を導出する。
抵抗式タッチスクリーンの利点は、その低コスト、低電力消費、及びスタイラスサポートである。
抵抗式タッチスクリーンの欠点は、オーバーレイの結果として、スクリーンが十分に透明ではないことである。別の欠点は、圧力がタッチ検出に必要であり、すなわち、十分な圧力なしにスクリーンにタッチしたポインタは検出されないままである。この結果、抵抗式タッチスクリーンは、指のタッチを十分に検出しない。別の欠点は、抵抗式タッチスクリーンが直射日光においてほぼ読み取り不能であることである。別の欠点は、抵抗式タッチスクリーンがスクラッチに弱いことである。更に別の欠点は、抵抗式タッチスクリーンが「マルチタッチ」と呼ぶ２つ又はそれよりも多いポインタが同時にスクリーンにタッチしていることを識別できないことである。
従来の表面容量式タッチスクリーンの従来技術が示されている図３を参照されたい。図３には、被覆ガラス基板８１０の上に重なるタッチ表面８０９が示されている。ガラス８１１の２つの側面は、均一な導電性インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）コーティング８１２によって被覆される。これに加えて、二酸化珪素ハードコーティング８１３が、ＩＴＯコーティング層８１２のうちの１つの前部側面上に被覆される。電流を発生させるための電極８１４が、ガラスの４つのコーナに取り付けられる。指又はスタイラスのようなポインタ９００がスクリーンにタッチし、少量の電流を接触のポイントに引き込む。コントローラ７０１は、次に、４つの電極を通過する電流の割合に基づいてタッチポイントの位置を決定する。
表面容量式タッチスクリーンの利点は、指タッチサポート及び耐久性のある表面である。
表面容量式タッチスクリーンの欠点は、オーバーレイの結果として、スクリーンが完全に透明ではないことである。別の欠点は、作動のための制限された温度範囲である。別の欠点は、タッチスクリーンの容量性の性質に起因するポインタ移動の制限された取り込み速度である。別の欠点は、表面容量式タッチスクリーンが無線周波数（ＲＦ）干渉及び電磁（ＥＭ）干渉の影響を受けやすいことである。別の欠点は、タッチ場所決定の精度がキャパシタンスに依存することである。別の欠点は、表面容量式タッチスクリーンを手袋で使用できないことである。別の欠点は、表面容量式タッチスクリーンが大きいスクリーン境界を必要とすることである。この結果、表面容量式タッチスクリーンは、小さいスクリーンデバイスと共に使用できない。更に別の欠点は、表面容量式タッチスクリーンがマルチタッチを判別できないことである。
従来の投影容量式タッチスクリーンの従来技術が示されている図４を参照されたい。図４には、複数の水平（ｘ軸）及び垂直（ｙ軸）電極を形成するエッチングＩＴＯ層８１５が示されている。エッチング層８１５は、外側ハードコート層８１６及び８１７、ｘ軸電極パターン８１８、ｙ軸電極パターン８１９、及びその中間のＩＴＯガラス８２０を含む。ＡＣ信号７０２が、一方の軸上の電極を駆動し、スクリーンを通る反応が、他方の軸上の電極を通してループバックする。スクリーンにタッチしているポインタ９００の位置は、水平及び垂直電極間の信号レベル変化７０３に基づいて決定される。
投影容量式タッチスクリーンの利点は、指マルチタッチ検出及び耐久性のある表面である。
投影容量式タッチスクリーンの欠点は、オーバーレイの結果として、スクリーンが完全に透明ではないことである。別の欠点は、その高コストである。別の欠点は、作動のための制限された温度範囲である。別の欠点は、タッチスクリーンの容量性の性質に起因する制限された取り込み速度である。別の欠点は、典型的に５”未満である制限されたスクリーンサイズである。別の欠点は、表面容量式タッチスクリーンがＲＦ干渉及びＥＭ干渉の影響を受けやすいことである。更に別の欠点は、タッチ場所決定の精度がキャパシタンスに依存することである。
米国特許出願出願番号第１２／３７１，６０９号明細書 米国特許出願出願番号第６１／３１７，２５５号明細書 米国特許第７，３３３，０９５号明細書 米国特許出願第１２／４８６，０３３号明細書 米国特許公開第２００９／０１８９８７８ Ａ１号明細書 米国特許出願出願番号第１３／０５２，５１１号明細書 米国特許公開第２０１１／０１６３９９８号明細書 米国特許出願出願番号第１２／６６７，６９２号明細書 米国特許公開第２０１１／００４３４８５号明細書
Ｄｉｅｔｚ、Ｐ．Ｈ．、Ｙｅｒａｚｕｎｉｓ、Ｗ．Ｓ．及びＬｅｉｇｈ、Ｄ．Ｌ．著「双方向ＬＥＤを使用した超低コスト感知及び通信」、ユビキタスコンピューティング（ＵｂｉＣｏｍｐ）国際会議、２００３年１０月
すなわち、従来のタッチスクリーンは、小さい移動デバイス及び大きいスクリーンを有するデバイスとの一般的な使用に対して理想的ではないことが認められるであろう。すなわち、上述の従来の抵抗及び容量式タッチスクリーンの欠点を克服するタッチスクリーンを提供することは有益であると考えられる。
本発明の態様は、スクリーンに同時にタッチしている２つ又はそれよりも多いポインタの場所を明確に推測することができる光ベースのタッチスクリーンを提供する。
本発明の更に別の態様は、その表面に３方向マイクロレンズを有する特別に構成されたレンズの使用により、ディスプレイスクリーンの３つの他の縁部に沿ってレシーバに光を向けるディスプレイスクリーンの１つの縁部に沿ったエミッタを提供する。
すなわち、本発明の実施形態により、連結した複数のセグメントを含む光ベースタッチ表面のための光学要素を提供し、各セグメントは、それぞれの光エミッタと対にされ、各セグメントは、反射又は屈折ファセットの波状の一連の対を含み、各対における第１のファセットは、セグメントに関連付けられた第１の光エミッタから放出された光を平行化するような向きに置かれ、各対における第２のファセットは、セグメントに関連付けられた第２の光エミッタから放出された光を平行化するような向きに置かれ、セグメントに関連付けられた第１の光エミッタは、セグメントと対になった光エミッタであり、セグメントに関連付けられた第２の光エミッタは、隣接するセグメントと対になった光エミッタである。
これに加えて、本発明の実施形態により、連結された複数のセグメントを含む光ベースタッチ表面のための光学要素を提供し、セグメントのうちの交替するものは、それぞれ交替する光エミッタ及び光レシーバと対になっており、各セグメントは、反射又は屈折ファセットの波状の一連の対を含み、各対における第１のファセットは、セグメントに関連付けられた光エミッタから放出された光を平行化するような向きに置かれ、各対における第２のファセットは、セグメントに関連付けられた光レシーバ上に平行化光を向けるような向きに置かれ、セグメントに関連付けられた光レシーバは、セグメントに関連付けられた光エミッタに隣接する光レシーバのうちの１つである。
本発明は、図面と共に与えられる以下の詳細説明からより完全に理解され、かつ認められるであろう。
図の参照のために、以下の要素のインデックス及びその数字を提供する。１００の番号が付いた要素は、一般的に光ビームに関し、２００の番号が付いた要素は、一般的に光源に関し、３００の番号が付いた要素は、一般的に光レシーバに関し、４００及び５００の番号が付いた要素は、一般的に導光体に関し、６００の番号が付いた要素は、一般的にディスプレイに関し、７００の番号が付いた要素は、一般的に回路要素に関し、８００の番号が付いた要素は、一般的に電子デバイスに関し、９００の番号が付いた要素は、一般的にユーザインタフェースに関するものである。１０００の番号が付いた要素は、流れ図の作動である。
同様に番号が付けられた要素は、同じタイプの要素を表すが、それらは、同一の要素である必要はない。
（表）
（表１）
（表）
（表）

（表）
（表）
（表）
（表）
従来のタッチスクリーンシステムの従来技術を示す図である。 従来の抵抗式タッチスクリーンの従来技術を示す図である。 従来の表面容量式タッチスクリーンの従来技術を示す図である。 従来の投影容量式タッチスクリーンの従来技術を示す図である。 互いの近くに位置決めされた複数のエミッタを含み、本発明の実施形態に従って第１のスクリーン縁部に沿った位置に光が光ファイバ導光体によって案内されるタッチスクリーンの一部分を示す図である。 本発明の実施形態による１６のエミッタ及び１６のレシーバを有するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態によりスクリーンに同時にタッチする２つのポインタの検出を示す図６のタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態によりスクリーンに同時にタッチする２つのポインタの検出を示す図６のタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態によりスクリーンに同時にタッチする２つのポインタの検出を示す図６のタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態による２つの指のグライド移動を検出するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態による２つの指のグライド移動を検出するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態による図６からのタッチスクリーンの回路図を示す図である。 本発明の実施形態による光ベースのタッチスクリーンシステムを示す概略図である。 本発明の実施形態による図１３のタッチスクリーンシステムを示す略断面図である。 本発明の実施形態によるエミッタと、レシーバと、センサ要素よりも小さいポインタをタッチスクリーンシステムが読み取ることを可能にする光学要素との配置を示す概略図である。 本発明の実施形態によるエミッタと、レシーバと、特にスタイラスを含むセンサ要素よりも小さいポインタをタッチスクリーンシステムが検出することを可能にする光学要素との配置を示す概略図である。 本発明の実施形態によりスクリーンを覆う幅広光ビームを備えたタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態による平行化レンズを示す概略図である。 本発明の実施形態により光レシーバと協働する平行化レンズを示す概略図である。 本発明の実施形態によりエミッタに面するマイクロレンズの表面を有する平行化レンズを示す概略図である。 本発明の実施形態によりレシーバに面するマイクロレンズの表面を有する平行化レンズを示す概略図である。 本発明の実施形態により幅広ビームタッチスクリーンを備えた電子デバイスを示す概略図である。 本発明の実施形態により２つのレシーバによって検出された１つのエミッタからの重なり合った光ビームを示す図２２の電子デバイスの図である。 本発明の実施形態により１つのレシーバによって検出された２つのエミッタからの重なり合った光ビームを示す図２２の電子デバイスの図である。 本発明の実施形態によりスクリーン上のポイントが少なくとも２つのエミッタ−レシーバ対によって検出されることを示す図２２の電子デバイスを示す図である。 本発明の実施形態により光信号の強度分布を示す幅広ビームタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態により２つのエミッタからの重なり合った光信号の強度分布を示す幅広ビームタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態により１つのエミッタからの２組の重なり合った光信号の強度分布を示す幅広ビームタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態によりマイクロレンズパターンを持たないエミッタ及びレシーバレンズを備えた幅広ビームタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態によりマイクロレンズパターンを有するエミッタ及びレシーバレンズを備えた幅広ビームタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態によりマイクロレンズパターンを有するエミッタ及びレシーバレンズを備えた幅広ビームタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態によりマイクロレンズパターンを持たないエミッタ及びレシーバレンズを備えた幅広ビームタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態によりマイクロレンズパターンを有するエミッタ及びレシーバレンズを備えた幅広ビームタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態によりマイクロレンズパターンが一体化されたレンズを備えた２つのエミッタを示す概略図である。 本発明の実施形態によりマイクロレンズパターンが一体化されたレンズを備えた２つのレシーバを示す概略図である。 本発明の実施形態によりディスプレイ及び外側ケーシングを備えた電子デバイスの関連での単一ユニット導光体の側面を示す概略図である。 本発明の実施形態により表面上にフェザーパターンを適用したレンズの２つの異なる角度からの側面を示す概略図である。 本発明の実施形態により幅広ビームタッチスクリーンの一部分を示す概略図である。 本発明の実施形態によりレンズ上にエッチングされたマイクロレンズに入射して出射する光ビームを示す略上面図である。 本発明の実施形態によりディスプレイ及び外側ケーシングを有するデバイスの関連での二重ユニット導光体の側面を示す概略図である。 本発明の実施形態によりＰＣＢ及び外側ケーシングを有するデバイスの関連内の導光体ユニットを示す図である。 本発明の実施形態による図４１の導光体ユニットを示す上面図である。 本発明の実施形態による電子デバイス内の導光体の側面切り欠きを示す概略図である。 本発明の実施形態により電子デバイスの一部分と光ビームを折り返すための少なくとも２つのアクティブ表面を有する導光体の上側部分との側面切り欠きを示す概略図である。 本発明の実施形態によりディスプレイを覆う保護ガラスの一体部分として形成された透明光学タッチ導光体の部分を示す概略図である。 本発明の実施形態によりスクリーンの縁部を隠すようなった図４４の電子デバイス及び導光体を示す概略図である。 本発明の実施形態によりエミッタの反対側からディスプレイの上方に延びる単一ユニットである導光体を示す概略図である。 本発明の実施形態による二重ユニット導光体を示す概略図である。 本発明の実施形態によりユーザによって保持されたタッチスクリーンデバイスを示す概略図である。 本発明の実施形態によりスクリーンを覆う幅広光ビームを備えたタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態によりデバイスの関連での導光体を示す略側面図である。 本発明の実施形態によるデバイスの関連での導光体を示す略上面図である。 本発明の実施形態によるデバイスの関連での導光体を示す略底面図である。 本発明の実施形態によりエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態により３つの角度から示された反射ファセットの波状の角度パターンを備えた光学要素を示す概略図である。 本発明の実施形態により２つの隣接するエミッタからの光を反射、平行化、及びインターリーブする光学要素を示す概略図である。 本発明の実施形態によりマルチファセット光学要素を示す概略図である。 本発明の実施形態により９つのファセットのための光分布に対する様々な反射ファセットパラメータの効果を示す簡略なグラフである。 本発明の実施形態によりスクリーンを横切る幅広光ビームを備えたタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態によりスクリーンを横切る２つの幅広光ビームを備えたタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態によりスクリーンを横切る３つの幅広光ビームを備えたタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンにおける幅広ビームの光分布を示す簡略なグラフである。 本発明の実施形態により指先がスクリーンを横切って動いた時の３つの幅広ビームからの検出信号を示す概略図である。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンにおける重なり合った幅広ビームの光分布を示す簡略なグラフである。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンにおける重なり合った幅広ビームの光分布を示す簡略なグラフである。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンにおける重なり合った幅広ビームの光分布を示す簡略なグラフである。 本発明の実施形態により指先が３つの異なる位置でスクリーンを横切って動いた時の幅広ビームからの検出信号を示す簡略なグラフである。 本発明の実施形態により４つの光学要素及び４つの隣接するエミッタを示す概略図である。 本発明の実施形態により２つのエミッタからのビームを共通経路に沿うように向ける回折面を示す概略図である。 本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンとスクリーンを横切る幅広ビームとを示す概略図である。 本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンとスクリーンを横切る２つの幅広ビームとを示す概略図である。 本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンとスクリーンを横切る３つの幅広ビームとを示す概略図である。 本発明の実施形態によりエミッタ及び隣接するレシーバのために光を反射及びインターリーブする平行化光学要素を示す概略図である。 本発明の実施形態により光エミッタの第１の向きに関して不明瞭であるマルチタッチ場所を示す図である。 本発明の実施形態により光エミッタの第１の向きに関して不明瞭であるマルチタッチ場所を示す図である。 本発明の実施形態により光エミッタの第１の向きに関して不明瞭であるマルチタッチ場所を示す図である。 本発明の実施形態により光エミッタの第１の向きに関して不明瞭であるマルチタッチ場所を示す図である。 本発明の実施形態により光エミッタの第２の向きに関して明瞭である図７５のマルチタッチ場所を示す図である。 本発明の実施形態により光エミッタの第２の向きに関して明瞭である図７６のマルチタッチ場所を示す図である。 本発明の実施形態により光エミッタの第２の向きに関して明瞭である図７７のマルチタッチ場所を示す図である。 本発明の実施形態により光ビームが４つの軸に沿って向けられたタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態により２つの格子の向きを有する光エミッタ及び光レシーバの交替構成を示す概略図である。 本発明の実施形態により交替する光エミッタ及び光レシーバの構成を示す概略図である。 本発明の実施形態により２つのレシーバによって検出されたエミッタからの２つの幅広光ビームを示す概略図である。 本発明の実施形態による２つの幅広ビームとこれらの間の重なりのエリアとを示す概略図である。 本発明の実施形態により光ビームを検出する縁部に置かれたタッチポイントを示す概略図である。 本発明の実施形態によりディスプレイスクリーンの２つの縁部に沿って光をレシーバに向けるディスプレイスクリーンの１つの縁部に沿ったエミッタを示す概略図である。 本発明の実施形態により実質的に平坦な２面を有する埋め込み空洞の反復パターンを備えたレンズ面を有する３方向に光を屈折するためのレンズを示す概略図である。 本発明の実施形態により実質的に平坦な３面を有する埋め込み空洞の反復パターンを備えたレンズ面を有する３方向に光を屈折するためのレンズを示す概略図である。 本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンとスクリーンを横切る対角幅広ビームとを示す概略図である。 本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンとスクリーンを横切る対角幅広ビームとを示す概略図である。 本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンとスクリーンを横切る対角幅広ビームとを示す概略図である。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンにおける対角幅広ビームにわたる光分布を示す略グラフである。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンにおける３つの重なり合った対角幅広ビームにわたる光分布を示す略グラフである。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンにおける３つの重なり合った対角幅広ビームを横切って指をグライドさせた時のタッチ検出を示す略グラフである。 本発明の実施形態により指先が３つの異なる位置でスクリーンを横切って動いた時の対角線幅広ビームからの検出信号を示す略グラフである。 本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれ、それによってスクリーンを横切る対角及び直交幅広ビームが１つのレシーバによって検出されるタッチスクリーンのための第１の実施形態を示す概略図である。 本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれ、それによってスクリーンを横切る対角及び直交幅広ビームが１つのレシーバによって検出されるタッチスクリーンのための第２の実施形態を示す概略図である。 スタイラスによる従来技術のタッチスクリーン上へのユーザ書き込みを示す概略図である。 本発明の実施形態によりユーザの手のひらがタッチスクリーンに置かれている時のスタイラスの位置を検出する光ビームを示す概略図である。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンを取り囲むフレームを示す概略図である。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンのコーナのためのエミッタ、レシーバ、及び光学要素の第１の実施形態を示す概略図である。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンのコーナのためのエミッタ、レシーバ、及び光学要素の第２の実施形態を示す概略図である。 本発明の実施形態により赤外線光を通すプラスチック材料から作られた光学構成要素を示す図である。 本発明の実施形態により導光体を備えたタッチスクリーンの側面図を示す概略図である。 本発明の実施形態により各側面上に３つの光学構成要素のブロックを備えたタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態により図１０７のエミッタブロックのうちの１つを示す拡大図である。 本発明の実施形態によりスクリーンの上で光を誘導するためのスクリーンの第１の縁部に沿った長くて薄い導光体を有し、かつ誘導された光を検出するためにかつ検出した光値を計算ユニットに通信するためにスクリーンの反対縁部に沿って配置された光レシーバのアレイを有するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態によりスクリーンの上で光ビームを誘導するためのスクリーンの第１の縁部に沿った光エミッタのアレイを有し、かつ誘導された光ビームを受光するためのかつそれらをを導光体の両端に置かれた光レシーバに更に向けるための長くて薄い導光体を有するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態により各々が長くて薄い導光体の各端部に結合された２つの光エミッタを示す図である。 本発明の実施形態によりハードプレスの発生を検出するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態によりハードプレスの発生を検出するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態によりハードプレスの発生を検出するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態によりハードプレスの発生を検出するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の実施形態により圧力が剛的に装着された７インチＬＣＤスクリーンに印加された時の検出された光の増加を示す棒グラフである。 本発明の実施形態により圧力が剛的に装着された７インチＬＣＤディスプレイに印加された時の検出された光の増加を示す棒グラフである。 本発明の実施形態によりスクリーンガラスの裏面の画像及びそこに行われたタッチを取り込むためにスクリーンガラスディスプレイの真下に位置決めされた画像センサを示す概略図である。 本発明の実施形態によりピクセルに分割されたディスプレイ及び３つのタッチ検出を示す概略図である。 本発明の実施形態によりラップトップコンピュータのヒンジ上に位置決めされ、かつスクリーンを指しているカメラセンサを示す概略図である。 本発明の実施形態によりタッチエリアを見ているカメラを示す略側面図である。 本発明の実施形態によりタッチエリアを見ているカメラを示す略上面図である。 本発明の実施形態によりカメラによって取り込まれた画像に基づいてタッチポインタを位置付けるためにタッチエリアと２つの画像軸、すなわち、画像ｘ軸及び画像ｙ軸とを見ているカメラを示す概略図である。 本発明の実施形態によりカメラによって取り込まれた画像に基づいてタッチポインタを位置付けるためにタッチエリアと、２つのスクリーン軸、すなわち、スクリーンｘ軸及びスクリーンｙ軸とを見ているカメラを示す概略図である。 本発明の実施形態により異なる角度からタッチエリアを各々が取り込む２つのカメラを示す概略図である。 本発明の実施形態により異なる角度からタッチエリアを各々が取り込む２つのカメラを示す概略図である。 本発明の実施形態により異なる角度からタッチエリアを各々が取り込む４つのカメラを示す概略図である。 本発明の実施形態により完全なタッチエリアを見ているカメラのカメラ視点からの概略図を示す図である。 本発明の実施形態により互いに接するスタイラスとスタイラスの鏡像とを示すタッチエリアの一部分の概略図である。 本発明の実施形態により図１２９に関してタッチエリアの中心に近づいて移動したスタイラスとスタイラスの鏡像とを示す概略図である。 本発明の実施形態により図１２９に関してタッチエリアの底部に近づいて移動したスタイラスとスタイラスの鏡像とを示す概略図である。 本発明の実施形態により互いに離間したスタイラスとスタイラスの鏡像とを示す概略図である。 本発明の実施形態により３次元で指された位置を決定する方法を示す略流れ図である。 本発明の実施形態によりカメラの向きを決定するのに使用される６つのタッチアイコンを表示するタッチエリアを示す概略図である。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンシステムにおけるエミッタ及びレシーバレンズの向かい合う行を示す図である。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンシステムにおけるエミッタ及びレシーバレンズの向かい合う行を示す図である。 本発明の実施形態によりタッチスクリーンシステムにおける複数のエミッタ−レシーバ対によってタッチ場所を決定するための技術を示す概略図である。 本発明の実施形態による図１３５及び１３６の構成のための導光体フレームを示す図である。 本発明の実施形態により光ベースのタッチスクリーンのためのタッチ検出の方法を示す略流れ図である。 ユーザがスクリーン上に２つの指を置いてそれらを軸の周りに回転させる回転動作を示す図である。 ユーザがスクリーン上に２つの指を置いてそれらを軸の周りに回転させる回転動作を示す図である。 ユーザがスクリーン上に２つの指を置いてそれらを軸の周りに回転させる回転動作を示す図である。 本発明の実施形態によるタッチスクリーン上の様々な位置でのタッチ事象を示す図である。 本発明の実施形態によりタッチスクリーン上の様々な位置でのタッチ事象を示す図である。 本発明の実施形態によりタッチスクリーン上の様々な位置でのタッチ事象を示す図である。 本発明の実施形態によりタッチスクリーン上の様々な位置でのタッチ事象を示す図である。 本発明の実施形態により図１４３に示すタッチ事象中の光飽和を示す棒グラフである。 本発明の実施形態により図１４４に示すタッチ事象中の光飽和を示す棒グラフである。 本発明の実施形態により図１４５に示すタッチ事象中の光飽和を示す棒グラフである。 本発明の実施形態により図１４６に示すタッチ事象中の光飽和を示す棒グラフである。 本発明の実施形態により同時のはす向かいのタッチの位置を決定する方法を示す略流れ図である。 本発明の実施形態により時計回り及び反時計回りの動作の間で判別する方法を示す略流れ図である。 本発明の実施形態により光ベースのタッチスクリーンのための較正及びタッチ検出の方法を示す略流れ図である。 本発明の実施形態によりタッチによって発生される信号と機械的影響によって発生される信号との間の差を示す図である。 本発明の実施形態により光ベースのタッチスクリーンを較正する時にパルス強度を設定するための制御回路を示す概略図である。 本発明の実施形態により光ベースのタッチスクリーンを較正するための最小電流から最大電流に及ぶパルス強度に対する較正パルスのプロットを示す図である。 本発明の実施形態により光ベースのタッチスクリーンを較正するための略パルス図及び対応する出力信号グラフを示す図である。 本発明の実施形態によりエミッタ又はレシーバのような構成要素をプリント回路基板上に位置決めする精度を増すために毛管効果がどのように使用されるかを示す図である。 本発明の実施形態により加熱オーブンを通過した後の図１５８のプリント回路基板を示す図である。 本発明の実施形態による光ベースのタッチスクリーン及びそのためのＡＳＩＣコントローラを示す概略図である。 本発明の実施形態による光ベースのタッチスクリーンのコントローラのためのチップパッケージの回路図を示す図である。 本発明の実施形態による図１６１のチップパッケージへの接続のために各行に４又は５光エミッタを備えた６行の光エミッタの回路図を示す図である。 本発明の実施形態によりエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態により２つのコントローラを用いて構成されたタッチスクリーンを示す略応用図である。 従来のチップを使用した走査シーケンスの性能対本発明の専用コントローラを使用した走査の性能を示すグラフである。 本発明の実施形態によりエミッタ及びレシーバのシフト位置合わせ配置を有するタッチスクリーンを示す概略図である。 本発明の実施形態により各スクリーン縁部に沿って交替するエミッタ及びレシーバを有するタッチスクリーンを示す概略図である。
本発明の態様は、光ベースのタッチスクリーンに関するものである。
説明を明確にするために、本明細書を通して「タッチスクリーン」という語は、電子ディスプレイを含んでも又は含まなくてもよいタッチセンサ式表面を指すための一般的な語として使用される。従って、本明細書で使用される「タッチスクリーン」という語は、特に、多くのラップトップコンピュータに含まれるマウスタッチパッド、及び手持ち式電子デバイスのカバーを含む。「光学タッチスクリーン」という語は、特に予想される光の強度と検出された光の強度との差に基づいてタッチを検出するスクリーンを含む光ベースのタッチスクリーンを指す一般的な語として使用され、検出される光の強度は、予想される光の強度よりも強い又は弱いものとすることができる。「スクリーンガラス」という語は、透明なスクリーン表面を指す一般的な語として使用される。スクリーンは、特にガラスから、又は特にクリスタル、アクリル、及びプラスチックを含むガラス以外の材料から製造することができる。本発明の一部の実施形態において、スクリーンは、近赤外線光を通すが、それ以外は不透明である。
説明を明確にするために、本明細書を通して「エミッタ」という語は、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）及び光をディスプレイ表面に向けるレンズ又は反射器に光を出力する光ファイバ又は管状導光体の出力端を含む発光要素を指すための一般的な語として使用される。「レシーバ」という語は、特にフォトダイオード（ＰＤ）及びディスプレイ表面を横断した光ビームを受光してこれを光検出要素又は特に電荷結合デバイス（ＣＣＤ）又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサである画像センサに向ける光ファイバ又は管状導光体の入力端を含む光検出要素を指すための一般的な語として使用される。
図５を参照すると、本発明の実施形態により第１のスクリーン縁部に沿った位置に光ファイバ導光体４０１によって光が案内される互いの近くに位置決めされた複数のエミッタ２０１−２０３を含むタッチスクリーンの一部分が示されている。タッチスクリーンのこの部分は、第２のスクリーン縁部に沿った位置から光ファイバ導光体４０２によって光が案内される互いの近くに位置決めされた複数のレシーバ３０１−３０５を含む。
本発明の実施形態により、光ベースのタッチスクリーンは、特に赤外線又は近赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む１つ又はそれよりも多くのエミッタ、及びタッチスクリーン又はタッチ表面を取り囲む周囲に沿って配置された特にフォトダイオード（ＰＤ）を含む複数のレシーバを含む。エミッタは、スクリーン表面に実質的に平行に光を投影し、この光がレシーバによって検出される。スクリーンの一部分の上に置かれた指又はスタイラスのようなポインタが光ビームの一部を遮り、それに応答してレシーバの一部は光の強度を検出しない。レシーバの位置の形状及びレシーバが検出する光の強度は、ポインタのスクリーン座標を決定するのに十分である。エミッタ及びレシーバは、コントローラによる選択的起動及び停止に対して制御される。一般的に、各エミッタ及びレシーバは、Ｉ／Ｏコネクタを有し、信号が、起動されるエミッタ及びレシーバを指定するために送信される。
本発明の実施形態において、複数のエミッタが、矩形のスクリーンの２つの隣接する側面に沿って配置され、複数のレシーバが、他方の２つの隣接する側面に沿って配置される。これに関して、図６を参照すると、本発明の実施形態による１６のエミッタ２００及び１６のレシーバ３００を有するタッチスクリーン８００の図が示されている。エミッタ２００は、タッチスクリーンの上部全体に赤外線又は近赤外線光ビームを放出し、それぞれのエミッタ２００の真向いの対応するレシーバ３００によって検出される。ポインタがタッチスクリーン８００にタッチした時に、ポインタは、レシーバ３００の一部に光が到達することを遮る。どの光ビームがポインタによって遮られたかをレシーバ出力から識別することにより、ポインタの場所を決定することができる。
光ベースのタッチスクリーンは、ディスプレイの上に物理層を配置せず、これは、従来の容量式及び抵抗式タッチスクリーンよりも有利なユーザ体験を提供する。従来の容量式及び抵抗式タッチスクリーンオーバーレイにスタイラスで書き込む場合に、スタイラスは、ディスプレイ表面から取り除かれ、視差効果を生じる。対照的に、オーバーレイ及び保護ガラスを持たない光ベースのタッチスクリーンにスタイラスで書き込む場合に、スタイラスは、書込み表面と接触し、自然の書込み効果を生じる。
ここで図７−９を参照すると、本発明の実施形態によるスクリーンに同時にタッチする２つのポインタ９０１及び９０２の検出を示す図６のタッチスクリーン８００が示されている。２つ又はそれよりも多いポインタがスクリーンに同時にタッチした場合に、これは「マルチ−タッチ」と呼ぶ。スクリーンにタッチしているポインタ９０１及び９０２は、レシーバ３００の一部に光が届かないように遮る。本発明の実施形態により、ポインタ９０１及び９０２の位置は、ポインタが遮っている赤外線ビームの交差した線から決定される。対照的に、従来技術の抵抗に基づく及びキャパシタンスに基づくタッチスクリーンは、一般的にマルチタッチを検出することができない。
２つ又はそれよりも多いポインタが共通の水平又は垂直軸に沿って同時にスクリーン８００にタッチした場合に、ポインタの場所は、遮られているレシーバ３００によって決定される。図７のポインタ９０１及び９０２は、共通の垂直軸に沿って位置合わせしており、タッチスクリーン８００の底縁に沿った同じレシーバ３００、すなわち、ａ、ｂ、ｃ、及びｄのマークが付いたレシーバを実質的に遮っている。タッチスクリーン８００の左縁に沿って、レシーバ３００の２つの異なる組が遮られる。ポインタ９０１は、ｅ及びｆのマークが付いたレシーバを遮り、ポインタ９０２は、ｇ及びｈのマークが付いたレシーバを遮っている。従って、２つのポインタは、２つの場所に位置することが決定される。ポインタ９０１は、レシーバａ−ｄ及びレシーバｅ及びｆから遮られた光ビームの交点に位置付けられたスクリーン座標を有し、ポインタ９０２は、レシーバａ−ｄ及びレシーバｇ及びｈから遮られた光ビームの交点に位置付けられたスクリーン座標を有する。
図８及び９に示すポインタ９０１及び９０２は、共通の水平又は垂直軸に沿って位置合わせしておらず、異なる水平位置及び異なる垂直位置を有する。遮られたレシーバａ−ｈから、ポインタ９０１及び９０２が互いに対角線上に反対にあることが決定される。これらは、図８に示すようにタッチスクリーン８００の上部右及び底部左にそれぞれタッチしているか、又は図９に示すようにタッチスクリーン８００の底部右及び上部左にそれぞれタッチしているかのいずれかである。
図８と図９の判別は、（ｉ）同じ意味を両方のタッチパターンに関連付けること、又は（ｉｉ）意味を２つのタッチパターンの１つだけに関連付けることによって解決される。（ｉ）の場合に、ＵＩは、両方のタッチパターン図８及び図９の効果が同じになるようにそのアイコンを配置する又はそうでなければ構成される。例えば、タッチスクリーン８００のいずれかの２つの対角線上の反対のコーナにタッチすることは、スクリーンをアンロックするように作動する。
（ｉｉ）の場合に、ＵＩは、タッチパターン図８及び図９の１つだけがそれに関連付けられた意味を有するように、そのアイコンを配置する又はそうでなければ構成される。例えば、タッチスクリーン８００の上部右及び底部左コーナにタッチすることは、スクリーンをアンロックするように作動し、タッチスクリーン８００の底部右及び上部左のタッチは、それに関連付けられた意味を持たない。この場合に、ＵＩは、図８が正しいタッチパターンであると判断する。
対角に向いたマルチタッチの位置を決定することは、エミッタ及びレシーバのシフト位置合わせ配置に関して及び４つの軸に沿って向けられた光ビームに関して以下に更に説明する。曖昧なマルチタッチを解決する追加の方法は、以下に説明するＡＳＩＣコントローラによって可能である高速走査周波数に関して説明する。
ここで図１０及び１１を参照すると、本発明の実施形態による２つの指のグライド移動を検出するタッチスクリーン８００の図が示されている。図１０及び１１に示されているグライド移動は、ポインタ９０１及び９０２を互いに近づける対角線上のグライドである。グライドの方向は、遮られるレシーバ３００の変化から決定される。図１０及び１１に示すように、遮られるレシーバは、ａ及びｂから右の方のレシーバ３００に、かつｃ及びｄから左の方のレシーバ３００に変化している。同様に、遮られるレシーバは、ｅ及びｆから下の方のレシーバ３００にかつｇ及びｈから上の方のレシーバ３００に変化している。ポインタ９０１及び９０２が離れるように動く反対方向のグライドでは、遮られるレシーバが反対方向に変化する。
ポインタ９０１及び９０２が共通の垂直又は水平軸に位置合わせしている場合に、グライドパターンを識別する時の不明瞭さはない。ポインタ９０１及び９０２が共通の垂直又は水平軸に位置合わせしていない場合に、図１０及び１１に示すように、グライドパターンを識別するのに不明瞭さが存在する場合がある。このような不明瞭さの場合にかつ図８及び９に関して上述したように、図１０及び１１を判別することは、（ｉ）同じ意味を両方のグライドパターンに関連付けること、又は（ｉｉ）意味を２つのグライドパターンの１つだけに関連付けることのいずれかによって解決される。
同じ意味を両方のグライドパターンに関連付けることは、ユーザがスクリーン上に２つの指を置いてスクリーンの対角線に沿って指を広げるピンチズーム動作で実行することができる。このような動作は、スクリーンに表示された図形の倍率を上げるためのズームイン作動を起動する。このような動作は、ピンチズームが、上部左から底部右への対角線に沿って又は上部右から底部左の対角線に沿って行われたか否かにかかわらず同じ意味を有する。
類似の考察は、ユーザがスクリーン上に２つの指を置いて、スクリーンに表示された図形の倍率を下げるためにスクリーンの対角線に沿って指を近づけるズームアウト動作に適用される。この動作も、動作がそれに沿って行われるスクリーンの対角線にかかわらず同じ意味を有する。
図１２を参照すると、本発明の実施形態による図６からのタッチスクリーン８００の回路図が示されている。エミッタ及びレシーバは、コントローラ（図示せず）によって制御される。エミッタは、スイッチＡからそれぞれの信号ＬＥＤ００−ＬＥＤ１５を受信し、ＶＲＯＷ及びＶＣＯＬから電流リミッタＢを通して電流を受け入れる。レシーバは、シフトレジスタ７３０からそれぞれの信号ＰＤ００−ＰＤ１５を受信する。レシーバ出力が、信号ＰＤＲＯＷ及びＰＤＣＯＬを通してコントローラに送信される。スイッチＡ及び電流リミッタＢのコントローラの作動は、その内容がこれにより引用によって本明細書に組み込まれる「光ベースのタッチスクリーン」という名称の２００９年２月１５日出願の本出願人の現在特許出願中の出願である米国特許出願出願番号第１２／３７１，６０９号明細書に記載されている。
本発明の実施形態により、エミッタは、バイナリストリングをシフトレジスタ７２０に送信する第１のシリアルインタフェースを通して制御される。バイナリストリングの各ビットは、エミッタの１つに対応し、対応するエミッタを起動又は停止するか否かを示し、ここでビット値「１」が起動を示し、ビット値「０」が停止を示す。シフトレジスタ７２０内のビットストリングをシフトすることによって次のエミッタが起動及び停止される。
同様に、レシーバは、バイナリストリングをシフトレジスタ７３０に送信する第２のシリアルインタフェースによって制御される。シフトレジスタ７３０でビットストリングをシフトすることによって次のレシーバが起動及び停止される。シフトレジスタ７２０及び７３０の作動は、その内容がこれにより引用によって本明細書に組み込まれる「光ベースのタッチスクリーン」という名称の２００９年２月１５日出願の本出願人の現在特許出願中出願である米国特許出願出願番号第１２／３７１，６０９号明細書に記載されている。
図１３を参照すると、本発明の実施形態による光ベースのタッチスクリーンシステムの概略図が示されている。図１３のタッチスクリーンは、オーバーレイを必要としない。代わりに、小さい赤外線透過フレーム４０７がディスプレイを取り囲み、スクリーンの向かい合う側に位置決めされたエミッタ２００とレシーバ間にビームを反射する。指又はスタイラスのようなポインタが、特定のエリア９０５のスクリーンにタッチした場合に、エミッタ２００によって発生された１つ又はそれよりも多くの光ビームが遮られる。遮られた光ビームが、レシーバの１つ又はそれよりも多くによって受け入れた光の対応する減少によって検出され、ポインタの場所を決定するのに使用される。
図１４を参照すると、本発明の実施形態による図１３のタッチスクリーンシステムの概略断面図が示されている。図１４には、ＬＣＤディスプレイ６００の部分Ａ−Ａの断面図及びその周囲の赤外線透過フレーム４０７が示されている。断面図は、フレーム４０７の切り欠き部４０８によって反射されてディスプレイ表面の上で実質的に平行に向けられた光１００を放出するエミッタ２００を示している。指９００がディスプレイ表面に近づいた時に、エミッタによって放出されてニアタッチの位置の上に向けられた光の一部１０１が指によって遮られ、光の一部１０２は、指先とスクリーンガラスの間を通る。指９００がディスプレイ表面にタッチした時に、エミッタによって放出されてタッチ場所の上に向けられた光の全てが指９００によって遮られる。
タッチスクリーンシステム構成第１
図１５を参照すると、本発明の実施形態によりセンサ要素よりも小さいポインタをタッチスクリーンシステムが読み取ることを可能にするエミッタ、レシーバ、及び光学要素の配置の概略図が示されている。図１５には、ミラー又は光学レンズ４００、エミッタ２００、幅広反射光ビーム１０５、ポインタ９００、及びレシーバ３００が示されている。ミラー又は光学レンズ４００は、第２のミラー又は光学レンズによってレシーバ３００に集束される幅広光ビームを発生させる。幅広ビームは、ポインタが幅広ビームの一部分を遮った時にレシーバ３００で検出される光の量のアナログ変化を感知することを可能にする。従って、図１５のポインタ９００は、幅広ビーム１０５の一部分だけを遮る。幅広ビームは、エミッタを互いに遠く離して装着されるようにし、レシーバを互いに遠く離して装着されるようにする。この結果、これは、少ないエミッタ及び少ないレシーバしか要求されないことによって材料の請求額を低減する。
図１６を参照すると、本発明の実施形態により特にスタイラスを含むセンサ要素よりも小さいポインタをタッチスクリーンシステムが検出することを可能にするエミッタ、レシーバ、及び光学要素の配置の概略図が示されている。図１６には、ミラー又は光学レンズ４００、エミッタ２００、幅広反射光ビーム１０５、ポインタ９００、及びレシーバ３００が示されている。ミラー又は光学レンズ４００は、第２のミラー又は光学レンズによってレシーバ３００に集束される幅広光ビームを発生させる。ポインタ９００が幅広ビームの一部分を遮った場合に、特にポインタ９００がミラー又はレンズ４００の前に置かれた場合に、幅広ビームは、レシーバ３００で検出される光の量のアナログ変化の感知を可能にする。ポインタ９００は、図１６に示すように、ポインタ９００の先端によって遮られるビーム１０６によって示される幅広ビーム１０５の一部分だけを遮る。幅広ビームはまた、エミッタを互いに遠く離して装着し、レシーバを互いに遠く離して装着することを可能にする。次に、これは、少ないエミッタ及び少ないレシーバしか要求されないことによって材料の請求額を低減する。
幅広ビームなしでは、一般的に、検出されないビーム間の空間が存在し、ビームにわたる先端が細いスタイラスのユーザドラッグと先端が細いスタイラスによる異なるビーム上のユーザタップを区別することが不可能になる。更に、広く空間を空けられた狭いビームにより、狭いビームを横切るためにポインタタッチは非常に正確にすべきである。
図１７を参照すると、本発明の実施形態によりスクリーンを覆う幅広光ビームを備えたタッチスクリーンの概略図が示されている。幅広ビームを使用するタッチスクリーンシステムは、その内容がこれにより引用によって本明細書に組み込まれる「幅広ビームトランスミッタ及びレシーバを備えた光学タッチスクリーン」という名称の２０１０年３月２４日出願の本出願人の特許仮出願である米国特許出願出願番号第６１／３１７，２５５号明細書に記載されている。
図１７に示すエミッタ及びレシーバは、比較的広く幅広く離間している。一般的に、エミッタは同時に起動されない。代わりに、エミッタは１つずつ起動され、その光ビームのカバレージエリアは、実質的に接続されている。
図１７は、タッチスクリーン又はタッチ表面８００を有するタッチシステムの上面図及び側面図を示している。タッチシステムは、表面がディスプレイスクリーンを含むか否かにかかわらずタッチセンサ式機能を表面に提供する。更に、物理的表面が必要なく、空気を通して光ビームを投影することができ、光ビームを遮断する空中のポインタの場所を検出することができる。
図１７には、エミッタ２００、反射器４３７及び４３８、及び計算ユニット７７０に結合されたレシーバ３００が示されている。エミッタ２００及びレシーバ３００は、スクリーン８００の真下に位置決めされる。エミッタ２００は、反射器４３７にスクリーン８００の下の光の弧１４２を投影する。エミッタ２００と反射器４３７の間の距離は、反射器４３７で弧が幅広ビームに広がるのに十分である。本発明の様々な実施形態において、エミッタ２００と反射器４３７の間の距離は、特に幅広ビームの幅、望ましいタッチ分解能、エミッタ特性、及び光学反射器特性を含むファクタに応じて、約４ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、又はそれよりも大きいとすることができる。
反射器４３７は、スクリーン表面の帯にわたる幅広ビーム１４４のように光を平行化する。幅広ビーム１４４は、反射器４３８に到達し、これは、（ｉ）スクリーン８００の下に光ビームを向け直し、かつ（ｉｉ）幅広ビーム１４４を弧１４３に狭める。従って、幅広ビーム１４４は、スクリーン８００の表面の下のレシーバ３００の１つの表面に収束する。レシーバ３００の各々によって検出される光の強度が計算ユニット７７０に通信される。
図１７の構成は、幅広光ビームが全スクリーン表面を覆うという利点があり、それによってスクリーン上のあらゆる場所でのタッチセンサ式機能を可能にする。更に、相対的に少ないエミッタ及びレシーバ構成要素しか必要ではないので、タッチスクリーンの材料の費用が低減される。
タッチスクリーンシステム構成第２
構成２−５は、タッチ場所を正確に識別するために複数のエミッタ−レシーバ対を使用する。上述の構成の一部では、エミッタ及びレシーバの向かい合う行が存在し、各エミッタは、それぞれのレシーバの反対側にある。構成２及び３では、エミッタは、レシーバとシフト位置合わせされる。例えば、各エミッタは、２つの向かい合うレシーバの間の中間点に対向するように位置決めすることができる。これに代えて、各エミッタは、反対のレシーバと軸外に位置合わせすることができるが、２つのレシーバ間の中間点に対向していない。
本発明の実施形態は、平行化レンズの２つのタイプ、すなわち、（ｉ）従来の平行化レンズ、及び（ｉｉ）複数の幅広発散ビームを形成するために光を屈折させるマイクロレンズの表面に結合された平行化レンズを利用する。光源が従来の平行化レンズのフォーカスに位置決めされた場合に、レンズは、特に図１５−１７に示すように、実質的に平行のビームで光を出射する。光源が従来の平行化レンズとそのフォーカスの間に位置決めされた場合に、レンズは幅広ビームを出射し、その外縁は、特に図２３−２６に示すように互いに平行ではない。
図１８を参照すると、本発明の実施形態により光エミッタと協働する平行化レンズの概略図が示されている。図１８には、（Ａ）平坦な透明ガラス５２４を通して光ビーム１９０を伝達する光エミッタ２００が示されている。ビーム１９０はガラスによって変化しない。
図１８には、（Ｂ）平行化レンズ５２５のフォーカスに位置決めされたエミッタが示されている。ビーム１９０はレンズ５２５によって平行化される。
図１８には、（Ｃ）平行化レンズ５２５とレンズのフォーカスの間に位置決めされたエミッタが示されている。ビーム１９０はレンズ５２５によって部分的に平行化され、すなわち、出射幅広ビームは完全に平行ではない。
図１９を参照すると、本発明の実施形態による光レシーバと協働する平行化レンズの概略図が示されている。図１９には、（Ａ）平坦な透明ガラス５２４を通して伝達された実質的に平行の光ビーム１９１が示されている。ビーム１９１は、ガラスによって変化しない。
図１９には、（Ｂ）平行化レンズ５２５のフォーカスに位置決めされたレシーバ３００が示されている。ビーム１９１は、平行化レンズ５２５によってレシーバ３００上に屈折される。
図１９には、（Ｃ）平行化レンズ５２５とレンズのフォーカスの間に位置決めされたレシーバ３００が示されている。ビーム１９１はレンズ５２５によって平行化されるが、レシーバ３００がレンズのフォーカスにないので、ビームはその上に収束しない。
エミッタ又はレシーバから外に向いているマイクロレンズの外面に結合された平行化レンズは、光を２つのステップで伝達する。光がレンズの本体を通過した場合に、光ビームは、従来の平行化レンズによって同様に平行化される。しかし、光がマイクロレンズの表面を通過した場合に、光は、特に図３０、３１及び３３−３５に示すように、複数の幅広発散ビームに屈折される。図３４及び３５では、マイクロレンズ面４４４を有する平行化レンズ４３９及び４４０が示されている。図３４では、光エミッタ２０１及び２０２が、平行化レンズ４３９及び４４０の焦点距離内に位置付けられ、レンズ４３９及び４４０に入射するエミッタからの幅広光ビームが示されている。光は、従来の平行化レンズと同様にレンズを通過した時に平行化される。平行化された光がマイクロレンズ面４４４を通過した時に、複数の幅広発散ビームに屈折され、そのうちの３つが図３４に示されている。図３５では、光レシーバ３０１及び３０２が、平行化レンズの焦点距離内に位置付けられ、マイクロレンズ面４４４を通してレンズ４３９及び４４４に入射する光ビームが示されている。入射ビームは、レンズ本体内部の幅広発散ビームに屈折される。屈折されたビームは、レンズ４３９及び４４０の平行化部分によって誘導され、ビームを光レシーバ３０１及び３０２上に集中させる。
図２０を参照すると、本発明の実施形態によりエミッタに面するマイクロレンズの表面を有する平行化レンズの概略図が示されている。図２０は、（Ａ）エミッタ２００に面する表面にエッチングされたマイクロレンズを有する平面ガラス５２６を示している。光ビーム１９０は、様々な角度でガラス５２６に入射する。各入射ポイントで、マイクロレンズは、入射ビームを広い弧１９２に屈折させる。線１８３は、各弧の中間がガラス５２６へのビームの接近の角度に応じて異なる方向にどのように向けられるかを示している。
図２０は、（Ｂ）エミッタ２００に面する表面上にエッチングされたマイクロレンズを有する平行化レンズ５２７を示している。マイクロレンズのないレンズのフォーカスが決定され、エミッタ２００はそのポイントに位置付けられる。光ビーム１９０は、様々な角度で平行化レンズ５２７に入射する。各入射ポイントで、マイクロレンズは、入射ビームを広い弧１９２に屈折させる。線１８４は、平行化レンズ５２７へのビームの接近の角度にかかわらず、各弧の中間がどのように同じ方向に向けられるかを示している。このレンズのタイプは、平行ビームではなく光の弧を出射するが、弧の全てが実質的に均一に向けられるので「マルチ方向平行化レンズ」と呼ぶ。
図２０は、（Ｃ）同じ平行化レンズ５２７であるが、エミッタ２００がレンズとフォーカスの間に位置決めされる平行化レンズを示している。出射弧１９２は、線１８５によって示される（Ａ）の弧と（Ｂ）の弧の間の方向に向けられる。
図２１を参照すると、本発明の実施形態によるレシーバに面するマイクロレンズの表面を有する平行化レンズの概略図が示されている。図２１は、（Ａ）レシーバ３００に面する表面上にエッチングされたマイクロレンズを有する平面ガラス５２６を示している。平行ビームとしてガラス５２６に入射する光ビーム１９１が示されている。各出射ポイントで、マイクロレンズは、ビームを広い弧１９２に屈折させる。線１８６は、各弧の中間が同じ方向にどのように向けられるかを示している。弧はレシーバ３００上に収束しない。
図２１はまた、（Ｂ）レシーバ３００に面する表面上にエッチングされたマイクロレンズを有するマルチ方向平行化レンズ５２７を示している。マイクロレンズのないレンズのフォーカスが決定され、レシーバ３００は、そのポイントに位置付けられる。光ビーム１９１は、実質的に平行のビームとしてレンズ５２７に入射する。各出射ポイントで、マイクロレンズは、入射ビームを広い弧１９２に屈折させる。線１８７は、各弧の中間がレシーバ３００に向けてどのように向けられるかを示している。
図２１は、（Ｃ）同じレンズ５２７であるが、レシーバ３００がレンズとフォーカスの間に位置決めされることを示している。
本明細書を通して使用される「平行化レンズ」という語は、マルチ方向平行化レンズを含む。
図２２を参照すると、本発明の実施形態による幅広ビームタッチスクリーンを備えた電子デバイスの概略図が示されている。図２２には、２つのエミッタ２０１及び２０２と３つのレシーバ３０１、３０２、及び３０３とを備えた電子デバイス８２６が示されており、エミッタ及びレシーバは、ディスプレイ６３６の向かい合う縁部に沿って置かれる。レシーバ３０１、３０２、及び３０３の各々で検出された光強度は、計算ユニット７７０に通信される。各エミッタ及びレシーバは、それぞれ４４１、４４２、４４３、４３９、及び４４０のラベルが付いたそれぞれの１次レンズを使用する。エミッタ及びレシーバは、エミッタによって放出されエミッタレンズによって向け直された光が向かい合ったレンズによってレシーバに逆に向けられるようにするように同じレンズ配置を使用する。
各エミッタからの光ビームがその２つの向かい合うレシーバレンズを覆うことが望ましい。このような条件は、そのレンズとそのレンズのフォーカスとの間に各エミッタを位置付けることによって達成される。従って、エミッタは、フォーカスにはなく、この結果、その光は、そのレンズによって平行化される代わりに広げられる。各レシーバは、同様にそのレンズとそのレンズのフォーカスの間に位置決めされる。
図２３を参照すると、本発明の実施形態による２つのレシーバによって検出される１つのエミッタからの重なり合った光ビームを示す図２２の電子デバイス８２６の図が示されている。図２３には、エミッタ２０１からの２つの幅広光ビームが示されており、その一方がレシーバ３０１で検出され、他方がレシーバ３０２でそれぞれ検出される。一方のビームの左及び右側は、それぞれ１４５及び１４６のマークが付けられ、他方のビームの左及び右側は、それぞれ１４７及び１４８のマークが付けられる。図２３の影のエリアは、タッチが両方の幅広ビームの一部分を遮っているディスプレイ６３６上のエリアを示す。従って、このエリアのタッチは、２つのエミッタ−レシーバ対、すなわち、２０１−３０１及び２０１−３０２によって検出される。
図２４を参照すると、本発明の実施形態により１つのレシーバによって検出される２つのエミッタからの重なり合う光ビームを示す図２２の電子デバイス８２６の図が示されている。図２４には、幅広ビームが示されており、エミッタ２０１からの幅広ビーム及びエミッタ２０２からの別の幅広ビームは、両方ともレシーバ３０２で検出される。一方のビームの左及び右側は、それぞれ１４５及び１４６のマークが付けられており、他方のビームの左及び右側は、それぞれ１４７及び１４８のマークが付けられる。図２４の影のエリアは、両方の幅広ビームの一部分をタッチが遮っているディスプレイ６３６上のエリアを示す。従って、このエリアでのタッチは、２つのエミッタ−レシーバ対、すなわち、２０１−３０２及び２０２−３０２によって検出される。
ここで図２５を参照すると、本発明の実施形態により少なくとも２つのエミッタ−レシーバ対によってスクリーン上のポイントが検出されることを示す図２２の電子デバイス８２６の図が示されている。図２５は、図２３及び２４の幅広ビームを示しており、ディスプレイ６３６上の影の楔におけるタッチが少なくとも２つのエミッタ−レシーバ対によって検出されることを示している。２つのエミッタ−レシーバ対は、図２３に示すように、２つのレシーバを備えた１つのエミッタ、又は図２４のように１つのレシーバを備えた２つのエミッタのいずれかである。より具体的には、エミッタの行の近くで発生したタッチは、一般的には前者によって検出され、検出器の行の近くで発生したタッチは、一般的には後者によって検出される。スクリーンを同様に構成されたエミッタ、レンズ、及びレシーバで取り囲むことにより、いずれのポイントも、２つのエミッタ−レシーバ対によって同様に検出することができる。
図２６を参照すると、本発明の実施形態により光信号の強度分布を示す幅広ビームタッチスクリーンの概略図が示されている。図２６には、レンズ４３９にエミッタ２０１によって放出された広角光ビームが示されている。光ビームは、ディスプレイ６３６の上を横断し、レンズ４４１及び４４２に実質的に跨がる。光は、レシーバ３０１及び３０２で検出される。
図２６には、検出された光の強度のグラフが示されている。検出された光の総量は、グラフの下の陰のエリアに対応する。スクリーンにタッチしている物体がこの光の一部を遮る。スクリーンにタッチしている物体が幅広ビームにわたって左から右に動いた場合に、遮られた光の量が増し、相応に、物体がビームの左縁からビームの中心に進んだ場合に、検出される光の総量は減少する。同様に、物体がビームの中心からビームの右縁に進んだ場合に、遮られた光の量が減少し、相応に検出される光の総量が増す。
光ビームの縁部で検出された光強度が厳密に正であり、従って、これらの縁部でタッチが検出されたことを保証することに注意されたい。
図２７を参照すると、本発明の実施形態により２つのエミッタからの重なり合う光信号の強度分布を示す幅広ビームタッチスクリーンの概略図が示されている。図２７は、エミッタ２０１及び２０２からの検出される光を示している。ディスプレイ６３６上のタッチポイント９８０は、これらのエミッタからの光を様々に遮る。エリア９７３は、タッチポイント９８０によるエミッタ２０１からの光の減衰を示し、エリア９７３及び９７４の結合は、ポイント９８０によるエミッタ２０２からの光の減衰に対応する。２つのエミッタ−レシーバ対２０１−３０２及び２０２−３０２の光減衰を比較することにより、正確なタッチ座標が決定される。
図２８を参照すると、本発明の実施形態により１つのエミッタからの重なり合う光信号の２組の強度分布を示す幅広ビームタッチスクリーンの概略図が示されている。図２８に示すように、タッチポイント９８０は、エミッタ−レシーバ対２０１−３０１及びエミッタ−レシーバ対２０１−３０２によって検出されるエリアの内側にある。エリア９７６として示されるレシーバ３０２での光信号の減衰は、エリア９７５として示されるレシーバ３０１での減衰よりも大きい。２つのエミッタ−レシーバ対２０１−３０１及び２０１−３０２における光減衰を比較することにより、正確なタッチ座標が決定される。
タッチポイント９８０の位置を決定することは、エミッタがそれに沿って位置決めされた縁部に平行の軸、すなわち、ｘ軸と縁部に垂直の軸、すなわち、ｙ軸とに沿った位置を決定することを必要とする。本発明の実施形態により、大体のｙ座標が最初に決定され、次に、決定されたｙ座標を有するポイントに対する予想減衰値に基づいてかつ実際の減衰値に基づいて、正確なｘ座標が決定される。次に、決定されたｘ座標は、正確なｙ座標を決定するのに使用される。タッチポイント９８０が、静止又は運動中のいずれかで既にスクリーンにタッチしている場合に、タッチポイントの前のｘ及びｙ座標が、次のｘ及びｙ座標への近似値として使用される。これに代えて、１つの前の座標だけが、第１の次の座標を計算するのに使用され、第２の次の座標は、第１の次の座標に基づいて計算される。これに代えて、前の座標は使用されない。
図２９を参照すると、本発明の実施形態によりマイクロレンズパターンを持たないエミッタ及びレシーバレンズを備えた幅広ビームタッチスクリーンの概略図が示されている。図２９には、ディスプレイ６３６、エミッタ２０１及び２０２、対応するエミッタレンズ４３９及び４４０、レシーバ３０１、３０２、及び３０３、及び対応するレシーバレンズ４４１、４４２、及び４４３を備えた電子デバイス８２６が示されている。それぞれのエミッタ２０１及び２０２からの２つの光ビーム１５１及び１５２は、レンズ４４２の外縁に位置決めされたポイント９７７に到達する。ビーム１５１及び１５２が異なる入射角でポイント９７７に近づくので、これらは、レシーバ３０２上に収束しない。具体的には、光ビーム１５２はレシーバ３０２に到達し、光ビーム１５１はレシーバ３０２に到達しない。
非収束を直すために、マイクロレンズの精細パターンが、レンズの表面に沿った多くのポイントでレシーバレンズに一体化される。マイクロレンズは、入射光を配分し、それによって各マイクロレンズに到着する光の一部分がレシーバに達する。これに関して、図３０及び３１を参照すると、本発明の実施形態によるマイクロレンズパターンを有するエミッタ及び検出器レンズを備えた幅広ビームタッチスクリーンの概略図が示されている。図３０は、位置９７７でマイクロレンズによって角度θにわたって入射ビーム１５１が広がるのを示しており、従って、ビームの一部分がレシーバ３０２に確実に達するようにする。図３１は、位置９７７で同じマイクロレンズによって角度ψにわたって入射ビーム１５２が広がるのを示しており、従って、このビームの一部分も確実にレシーバ３０２に達するようにする。各レシーバレンズに沿った多くの位置にマイクロレンズを配置することにより、異なる角度から位置に入射する光ビームは、全てレシーバによって検出される。検出された光強度は、レシーバに結合された計算ユニット７７０に通信される。
図３２を参照すると、本発明の実施形態によるマイクロレンズパターンを持たないエミッタ及びレシーバレンズを備えた幅広ビームタッチスクリーンの概略図が示されている。図３２には、ディスプレイ６３６、エミッタ２０１及び２０２、対応するエミッタレンズ４３９及び４４０、レシーバ３０１、３０２、及び３０３、及び対応するレシーバレンズ４４１、４４２、及び４４３を備えた電子デバイス８２６が示されている。エミッタ２０１によって放出されてそれぞれのレシーバ３０１及び３０２によって検出される２つの光ビームは、タッチポイント９８０の正確な位置を決定するのに必要である。しかし、マイクロレンズパターンのないレンズ４３９は、ビーム交差ポイント９８０をレシーバ３０１に屈折させることができない。すなわち、図３２を参照すると、レンズ４３９は、図のようにビーム１５３を屈折させることができない。ポイント９８０に交差する１５４として示されるビームだけが検出される。
この検出問題を直すために、マイクロレンズが、レンズの表面に沿った多くのポイントでエミッタレンズに一体化される。マイクロレンズは、光の一部分が望ましいレシーバに達するように出射光を配分する。これに関して、図３３を参照すると、本発明の実施形態によるマイクロレンズパターンを有するエミッタ及びレシーバレンズを備えた幅広ビームタッチスクリーンの概略図が示されている。図３３は、マイクロレンズ位置９８２から出る光の一部分が複数のレシーバに達することを示している。従って、ポイント９８０のタッチは、レシーバ３０１及び３０２によって検出される。ポイント９８０を通過するビームが異なる位置９８１及び９８２のマイクロレンズによって発生されることが図３２及び３３から観察されるであろう。図３２及び３３のレシーバによって検出される光強度値は、計算ユニット７７０に通信される。
従って、エミッタ及びレシーバレンズに一体化されたマイクロレンズパターンは、検出される多数の重なり合う光ビームを発生させる。タッチスクリーン上の各ポイントは、同じエミッタレンズ上にある複数のマイクロレンズからの複数の光ビームによって横断される。マイクロレンズは、複数の光ビームが望ましいレシーバに確実に達するようにする。図３４を参照すると、本発明の実施形態によるマイクロレンズパターン４４４を一体化したそれぞれのレンズ４３９及び４４０を備えた２つのエミッタ２０１及び２０２の概略図が示されている。図３５を参照すると、本発明の実施形態によるマイクロレンズパターン４４４を一体化したそれぞれのレンズ４３９及び４４０を備えた２つのレシーバ３０１及び３０２の概略図が示されている。
一部の場合には、エミッタ及びレシーバレンズの最外面にマイクロレンズを付けないことが有利である。最外面はユーザに見えるので、眼に見える表面を滑らかにするために、これらの表面にマイクロレンズを付けるのは見た目が悪い場合がある。更に、最外面は、引っかき傷及びほこりや汚れがつきやすく、マイクロレンズの性能を劣化させる場合がある。従って、本発明の実施形態において、マイクロレンズは、図３６、３７、及び４０で以下に示すように、ユーザに露出されていない面に一体化される。
図３６を参照すると、本発明の実施形態によりディスプレイ及び外側ケーシングを有する電子デバイスの関連での単一ユニット導光体の側面を示す概略図が示されている。図３６には、ディスプレイスクリーン６３７、スクリーン６３７の上方の外側ケーシング８２７、及びスクリーン６３７の下のエミッタ２００を備えた電子デバイスの一部分の切欠図が示されている。導光体４５０は、光ビーム１００を受け取ってスクリーン６３７の上方に光ビームを反射し、光ビームは、検出のためにスクリーン６３７の表面にわたって横断する。導光体４５０は、スクリーン６３７表面の上方に光ビーム１００を投影するための内部反射面４５１及び４５２を含む。導光体４５０の部分４４５は、１次レンズとして機能し、受光した光ビーム１００を平行化する。太く示されたエミッタ２００に面する部分４４５の表面は、その上にエッチングされたマイクロレンズのパターンを有する。従って、マイクロレンズはユーザの眼に見えず、損傷及びほこりから保護される。
部分４４５の表面は、エミッタ２００からの入射光ビーム１００を散乱させるためのフェザーパターンを有する。反射面４５１及び４５２は、光ビーム１００を反射する。反射面４５１は凹面であり、反射面４５２は、入射光ビーム１００に対して４５度の角度に向けられた平面反射器である。
光ビーム１００は、平坦面４５３を通って導光体４５０から出る。面４５４は、導光体４５０を外側ケーシング８２７に接続するように機能する。面４５４は、タッチシステムによって使用されるアクティブ光ビームの平面の上方に位置付けられ、美的な目的のために角度が付けられる。
面４５２の反射特性は、ほこりと汚れが面４５２にたまらないことを要求し、特に金属又はプラスチックで製造される場合がある外側ケーシング８２７が面４５２に接触しないことを要求し、そうでなければ、面４５２の反射率が損なわれることになる。従って、外側ケーシング８２７は、面４５２の上方に置かれ、それによってほこりと汚れから面４５２を保護し、外側ケーシング８２７は、面４５２と同一平面にならず、それによってケース材料が面４５２に接触することがない。入射光ビームに対して４５度の角度に平面反射器を保つことで、面４５２は、ディスプレイ６３７の上面の上方に位置付けられる。従って、導光体４５０によるディスプレイ６３７の上方のデバイスの高さＨ３は、面４５２の高さＨ１に加えて外側ケーシング８２７の厚みＨ２を含む。
受光側では、４５０に類似の導光体が、スクリーン６３７を通して伝達された光ビーム１００を受け入れ、光ビームを対応する１つ又はそれよりも多くのレシーバに向けるために使用される。従って、面４５３で導光体４５０に入射した光ビームは、面４５２によって、次に、面４５１によって向け直され、部分４４５のマイクロレンズパターン表面を通って１つ又はそれよりも多くのレシーバに出射する。受光側では、部分４４５の表面は、上述したように光ビームを散乱させるパターンを有する。
図３７を参照すると、本発明の実施形態による表面上にフェザーパターンを施されたレンズの２つの異なる角度からの概略側面図が示されている。図３７には、内部反射部分４５６、内部平行化レンズ４５７、及びエッチングマイクロレンズ４５８を有する導光体４５５が示されている。レンズ４５７で導光体４５５に入射した光ビーム１０１は、面４５９を通って光ビーム１０５のように導光体から出射する。
類似の導光体が、スクリーンを横断したビームを受光してそれらをレシーバ上に集束させるために使用される。この場合に、面４５９で入射した光ビームは、内部反射部分４５６によってスクリーン表面の下に反射され、平行化レンズ４５７によってレシーバ上に再集束させられ、マイクロレンズ４５８によって再分配される。一般的に、光ビームがエミッタ側に向けられた方向とは逆に受光側に向けられるように、同じレンズ及びマイクロレンズがエミッタ及び検出器と共に使用される。
平行化レンズ４５７は、図３７の底部に示すように丸みを帯びた底縁を有する。エミッタ側で入射光を適切に屈折させるために、マイクロレンズ４５８は、図３７の底部及び図３８に示すように、扇のように広がるフェザーパターンに形成される。
図３８を参照すると、本発明の実施形態による幅広ビームタッチスクリーンの一部分の概略図が示されている。レンズ４６１の表面に施されたフェザーパターン４６０が示されている。類似の隣接するレンズは、幅広ビーム１５８を放出するエミッタ２００に関連付けられる。
図３９を参照すると、本発明の実施形態によりレンズにエッチングされたマイクロレンズに入射してそこから出射する光ビームの上面図が示されている。各マイクロレンズが広角にわたって幅広ビームを広げる光源として機能するように、マイクロレンズ４６２に入射して光ビーム１０２に屈折される実質的に平行化された光ビーム１０１が図３９に示されている。
タッチスクリーンシステム構成第３
構成第２では、マイクロレンズの製造にいくつかの問題が生じる。１つの問題は、マイクロレンズの扇形フェザーパターンを正確に形成することが困難であるという点である。扇／フェザーパターンの代わりに互いに平行に配置されたマイクロレンズを使用することが望ましい。
第２の問題は、構成第２で導光体を製造するのに使用されるモールドに関するものである。図３６を参照すると、部分４４５の前部側面が導光体４５０の直線的に延びた背部表面部分と平行になるように、エミッタ２００に対向する部分４４５の外面が垂直であることが望ましい。しかし、厳密に平行な表面を製造するのは困難である。更に、導光体４５０がその底部で広くなる場合に、そのモールドから取り除くのが容易でなくなる。従って、２つの表面は、一般的に楔を形成し、エミッタ２００に面する部分４４５の表面は、完全に垂直ではない。これを補償するために、マイクロレンズは、入射光ビームの平面に垂直になるように配置される。
第３の問題は、最適性能のためにマイクロレンズをその対応するエミッタ又はレシーバに対して正確に配置すべきであるという制約である。このような位置決めに対する許容誤差は低い。従って、正確に位置付けることができるように導光体の部分４４５を分離し、更にアセンブリの間に望ましい又は電子デバイスの衝撃による移動に対するロバスト性に対して望ましい導光体の残りの部分に対するより大きい許容誤差を可能にすることが望ましい。
図４０−４２及び４８に示されている構成第３は、これら及び他の問題を克服するように機能する。
図４０を参照すると、本発明の実施形態によるディスプレイ６３７及び外側ケーシング８２７を有する電子デバイスの関連での二重ユニットガイドの側面を示す概略図が示されている。図４０には、図３６に類似の構成であるが、導光体４５０が上側部分４６３と下側部分４６４に分かれている構成が示されている。マイクロレンズは、下側部分４６４の上面４６６に位置付けられる。従って、マイクロレンズは、導光体４６４の平行化レンズ部分に組み込まれていない。
構成第２では、平行化レンズの曲線形状にマイクロレンズのための扇／フェザーパターンをエッチングしておくことが必要になる。対照的に、構成第３では、マイクロレンズが矩形表面４６６にエッチングされ、平行行として配置される。本明細書では「管状配置」と呼ぶ平行配置が図４２に示されている。具体的には、平行な一連のマイクロレンズ４６７が、図４２の導光体４６４の上面に沿って示されている。
構成第３の利点は、モールドが導光体４６４の上部から持ち上がった１つの平面であるので、導光体の平坦上面が可能な限りスクリーン表面に平行に成形することができるということである。更に、構成第３では、導光体の部分４６４だけしか位置決めに対する低い許容誤差の要件を持たない。部分４６３は、その表面が要素のフォーカスに置かれないので高い許容誤差を有する。
図４０に示すように、表面４６５で導光体ユニット４６４に入射するエミッタ２００によって放出された光ビーム１００は、反射面４５１によって反射されて表面４６６を通り、導光体ユニット４６３に入る。導光体ユニット４６３の内側で、光ビーム１００は面４５２によって反射され、面４５３を通ってディスプレイ６３７の上に出る。
図４０は、ディスプレイ６３７の上の導光体によって追加された高さＨ３が、内部反射面４５２の高さＨ１及び外側ケーシング８２７の厚みの高さＨ２を含むことを示している。
図４１を参照すると、本発明の実施形態によりＰＣＢ７００及び外側ケーシング８２７を有するデバイスの関連内での導光体ユニット４６３及び４６４の図が示されている。導光体ユニット４６４の上面の管状パターンは、精細パターンである。このパターンが光ビームを正確に配分するためには、導光体４６４は、そのそれぞれのＬＥＤ又はＰＤに対して正確に置かれる。対照的に、導光体ユニット４６３は、平坦反射面を有し、このような正確な配置を必要としない。図４１は、導光体ユニット４６３及び４６４の相対的な位置決めを示す。この配置は、距離５２３によって表され、１ｍｍまでの許容誤差を有する。距離５２２は、導光体ユニット間の高さを表している。
図４２を参照すると、本発明の実施形態による図４１の導光体ユニット４６３及び４６４の上面図が示されている。管状パターン４６７が、導光体ユニット４６４の上面に現れている。
タッチスクリーンシステム構成第４
構成第４は、ディスプレイの上方の導光体の高さを低減する反射導光体及びレンズを使用する。構成４の反射導光体及びレンズは、構成第２のフェザーパターンレンズ、構成第３の管状パターンレンズ、及び構成第５の交替反射ファセットと共に使用するのに適している。デバイスの縁部と同一平面のディスプレイ表面を備えた多くの電子デバイスが設計される。これは、美的な特徴であることが多く、光ベースのタッチスクリーンを電子デバイスに一体化する場合に、隆起したリムを最小にするか又は排除することが望ましい。眼に見える突出したリムがないことで、デバイスの外面がより滑らかになりかつ平らになる。
更に、光ベースのタッチスクリーンでは、隆起したリムがディスプレイの縁部を超えてディスプレイの周りの幅を占める。デバイスの縁部にシームレスに延びるディスプレイ表面を備えた多くの電子デバイスが設計される。これは、美的な特徴であることが多く、光ベースのタッチスクリーンを電子デバイスに一体化する場合に、反射隆起リムがディスプレイのシームレスな拡張部に見えるように設計することが望ましい。
構成第４は、ベゼルの高さを低減してディスプレイの縁部とデバイスの外側境界の間にシームレスな遷移を提供することによってこれらの目的を達成し、より魅力的な美的設計をもたらす。構成第４の導光体は、細長い丸い縁部を有する外側ケーシングに一体化され、それによって鋭い角度及び直線表面を和らげる。
構成第４は、２つのアクティブミラー表面、すなわち、入射光を折り返してフォーカス位置に集束させるパラボラ反射面とフォーカス位置からの光を集めて光をスクリーンにわたるビームに平行化する楕円形の屈折表面を利用する。
図４３を参照すると、本発明の実施形態による電子デバイス内の導光体の概略側面図が示されている。図４３には、外側ケーシング８２８とディスプレイ６３７の間の導光体４６８が示されている。エミッタ２００からの光ビームは、表面４４５を通って導光体４６８に入る。マイクロレンズのフェザーパターンが、光ビーム１００を散乱させるために表面４４５の下側部分に存在する。光ビーム１００は、内部凹型反射面４６９によって及びパラボラ反射面４７０によって反射され、楕円形反射面４７１を通って導光体４６８を出る。楕円形屈折表面４７１は、ディスプレイ６３７の表面に平行な平面に光ビーム１００の少なくとも一部分を向け直す。光ビーム１００は、ディスプレイ６３７の他端で、ビームを光レシーバ３００に向ける類似の導光体によって受光する。光レシーバ３００によって検出された光強度は、計算ユニット７７０に通信される。
図４４を参照すると、本発明の実施形態により電子デバイスの一部分及び光ビームを折り返すための少なくとも２つのアクティブ表面を備えた導光体の上側部分の簡略な側面の切取図が示されている。図４４には、導光体の上側部分４７２が示されている。表面４７３は、パラボラ又はパラボラに準じる部分の一部であり、又はこれに代えて焦線４７５を有する自由な形態である。焦線４７５及び表面４７３及び４７４は、ディスプレイ６３７のリムに沿って延びている。表面４７４は、楕円又は楕円に準じる部分の一部であり、又はこれに代えて焦線４７５を有する自由な形態である。
エミッタ側で、光ビームが導光体に入り、パラボラミラー４７３が、導光体の内側のフォーカスにビームを反射する。屈折楕円レンズ４７４は、パラボラミラー４７３と同じフォーカスを有する。楕円レンズ４７４は、フォーカスからの光をディスプレイ６３７上の平行化光ビームに屈折させる。レシーバ側で、平行化光ビームが導光体に入り、楕円レンズ４７４によってフォーカスに屈折される。パラボラミラー４７３は、導光体の内側のフォーカスからのビームを平行化出射ビームに反射する。
図４３の表面４６９は、９０度上方に光ビーム１００を折り返す。表面４６９は、パラボラの一部として形成される。本発明の一実施形態において、表面４６９は、完全に垂直ではなく僅かに傾斜している入力表面４４５に対して、かつ単一のポイントよりも広い光源のための収差に対して修正される。
表面４６９及び４７０は、光ビームを折り返すために内部反射を使用する。従って、これらの表面は、ほこり及び引っかき傷から保護しなければならない。図４４では、表面４７３が外側ケーシング８２９によって保護される。導光体の下側部分４７２（図示せず）は、電子デバイス内の深いところにあり、従って、保護される。
構成第４を使用すると、反射面４７３の実質的に全てがディスプレイ６３７の上面の下に位置付けられる。従って、この構成は、構成第２よりも電子デバイスに高さを追加しない。図４３を参照すると、本構成における導光体によって追加される高さＨ３’は、構成第２における対応する高さＨ３よりも小さい外側ケーシングの厚みＨ２に大体等しい。更に、図４３の表面４７１及び図４４の表面４７４の凸面形状は、図３６の垂直面４５３よりもユーザがきれいにしやすい。従って、ユーザは、ディスプレイ６３７及び表面４７１に貯まったほこりと汚れを容易に拭き取ることができる。外側ケーシング８２８が表面４７１の上方にある代わりに表面４７１の高さと同じ平面にあるので、構成第４は、図３６の面４５４に対する必要性を排除することに注意されたい。
図４３の表面４７１の凸面形状は、図３６の垂直面４５３よりもベゼルをより眼に見えない突出部にする。
一部の電子デバイスは、デバイスの４つの縁部に延びるガラスの平面シートで覆われている。デバイスの縁部の近くのガラスの下側は、黒色で塗装され、ディスプレイは、ガラスの中央の透明な矩形の窓を通して見られる。このようなデバイスの例は、カリフォルニア州クパチーノ所在のアップル・インコーポレーテッドによって製造されるＩＰＨＯＮＥ（登録商標）、ＩＰＯＤ ＴＯＵＣＨ（登録商標）、及びＩＰＡＤ（登録商標）、及びフラットパネルコンピュータモニタ及びテレビジョンの様々なモデルを含む。一部の場合には、（ａ）導光体がスクリーンガラスから離れたユニットであり、従って、その間の境界が目立つことがあり、かつ（ｂ）導光体がスクリーンの下で延び、従って、導光体の下側が黒で塗装されている場合でも、導光体の底部とスクリーンガラスの間の高さの違いが目立つために、本明細書に説明する様々なタッチスクリーンを取り囲む導光体は、見た目が美しくない場合がある。本発明の実施形態は、この問題を克服するために２ユニット式導光体を利用する。
１つのこのような実施形態において、導光体の上部ユニットが、スクリーンガラスに結合される。これに関して、図４５を参照すると、本発明の実施形態によるディスプレイ６３７を覆う保護ガラス６３８の一体部分として形成される透明光学タッチ導光体４７６の部分の概略図が示されている。保護ガラス６３８の下側の日光フィルタシート６３９は、黒の塗装の代わりに、光ビーム１００を遮ることなくディスプレイ６３７の縁部を隠すように機能する。導光体４７６は、外側楕円表面４７８及び内側パラボラ表面４７７を有し、外側ケーシング８３０に滑らかに結合する。光ビーム１００は、図４４のように導光体４７６を通過する。
一部の場合には、一体化された反射レンズを備えた保護ガラスカバーの製造コストは、高価である場合がある。従って、本発明の代替の実施形態において、黒い物体が導光体の上部及び底部ユニット間に置かれる。黒い物体の高さは、電子デバイス内で、保護ガラスの下側の黒の塗装の高さに合わせられる。これに関して、図４６を参照すると、本発明の実施形態によるスクリーン縁部を密封するようなっている図４４の電子デバイス及び導光体の概略図が示されている。図４６には、黒い塗装又はこれに代えてディスプレイ６３７を覆う保護ガラス６４０の下側の日光フィルタシート６４１が示されている。黒色プラスチック要素４８２が、黒い塗装／日光フィルタシート６４１に一列に配置され、それによって保護ガラス６４０の縁部はユーザには見えない。黒色プラスチック要素４８２は、赤外線光を透過して光ビーム１００を通過させる。
図４７を参照すると、本発明の実施形態によりエミッタ２００の反対側からディスプレイ６３７の上方に延びる単一ユニットである導光体４８３の概略図が示されている。外側ケーシング８３２の一部分が、導光体４８３の上部と同一平面であるように示されている。導光体４８３の下側部分は、マイクロレンズのフェザーパターン４８４を有し、エミッタ２００から到着する光ビームを散乱させる。受光側では、光ビームは、導光体４８３に類似の導光体の底部から出てレシーバに向う。同じフェザーパターン４８４がレシーバまでの途中で光ビームを分解する。
図４８を参照すると、本発明の実施形態による二重ユニット導光体の概略図が示されている。図４８には、上部ユニット４８５及び底部ユニット４８６を有する導光体が示されている。外側ケーシング８３２の一部分が、導光体ユニット４８５の上部と同一平面である。ディスプレイ６３７は、導光体ユニット４８５の右に示されている。導光体ユニット４８６の上面は、マイクロレンズの管状パターン４８７を有し、エミッタ２００から到着する光ビームを分割する。受光側では、光ビームは、図４８に示す導光体に類似の導光体の底部を通って外に出てレシーバに向う。同じ管状パターン４８７が、レシーバまでの途中で光ビームを分割する。
図３６及び４０に関して上述したように、管状パターン４８７を有する導光体ユニット４８６の位置決めは、高い精度を必要とし、導光体ユニット４８５の位置決めは、このような精度を必要としない。光ビームにおける管状パターン４８７の効果は、そのそれぞれのエミッタ又はレシーバに対するその正確な配置に応じて異なる。導光体ユニット４８５におけるアクティブ表面は、大部分自己包含型であり、すなわち、これらが図４４の焦線４７５のような内部焦線に両方の集束されるので、より耐性がある。
デバイススクリーンの下のエミッタ及びレシーバの配置、及び各エミッタ又はレシーバの反対側の平行化反射要素の配置は、デバイスの厚みに制限を課すことに注意されたい。第１の制限は、デバイスの厚みが少なくともスクリーンの厚みとエミッタ又はレシーバの厚みとの和でなくてはならないことである。第２の制限は、スクリーンの上方で上向きに反射される光を適切に平行化するために、エミッタ又はレシーバの反対側の反射要素が、特に図３７及び３８に示すように、凸面「スマイル」形状に湾曲されるという点である。凸面形状は、デバイスの総厚みに追加される。
タブレット及び電子書籍読取器の設計者は、可能な限りスリムな形状因子を達成するように努めている。従って、本発明の実施形態により、レシーバ及び平行化レンズは、スクリーンの下に置かれる代わりにスクリーンの周りの境界部分の内側に置かれる。これは、デバイスを閉じるためのスクリーン以外の境界エリアを提供するタブレット及び電子書籍読取器に対して特に有利である。
図４９を参照すると、本発明の実施形態によるユーザによって保持されたタッチスクリーンデバイスの概略図が示されている。図４９には、手９３０が持つフレーム８４０によって囲まれたタッチスクリーン８００を備えたデバイス８２６が示されている。
図５０を参照すると、本発明の実施形態によりスクリーンを覆う幅広光ビームを備えたタッチスクリーンの概略図が示されている。図５０は、タブレット又は電子書籍読取器のような電子デバイスの関連でのタッチスクリーン８００を備えたタッチシステムの上面図及び側面図を示している。図５０はまた、光を平行化するための空隙５５５によって分離されたレンズの対５５０及び５５１に各々が結合されているエミッタ２００及びレシーバ３００を示している。側面図は、タッチスクリーン８００を取り囲むデバイスケース８２７及びフレーム８４９を示している。フレーム８４９は、ユーザがデバイスを保持するためのグリップを提供し、要素２００、３００、５５０、及び５５１を収めるのに十分広い。
光は、硬いレンズよりも複数の空気−プラスチック界面を使用して短い距離にわたって効率的に平行化される。エミッタ、レシーバ、及びレンズは、タッチスクリーン８００の表面と実質的に同一平面上にある。デバイスの高さに沿ったレンズ５００及び５５１の平坦な曲線のないプロフィールは、レンズ５００及び５５１の場合に光がスクリーン表面の平面に沿ってのみ投影されるという事実のために、図３７及び３８のレンズのプロフィールよりも低い。デバイス形状因子に追加される高さは、スクリーンを横切って光を向けるためのタッチスクリーン８００の上方のベゼル又はレンズ５５１の高さだけである。マイクロレンズパターンが、例えば、重なり合ったビームを発生させるのに使用される場合に、マイクロレンズパターンを含む第３のレンズが追加される。これに代えて、マイクロレンズパターンは、２つのレンズ５００及び５５１の一方に形成することができる。
図５１−５３を参照すると、本発明の実施形態によるデバイスの関連での導光体の側面図、上面図、及び底面図の概略図がそれぞれ示されている。図５１は、ディスプレイ６３５及びディスプレイ６３５と実質的に同一平面にある横から見たエミッタ２００を示す側面図である。マルチレンズアセンブリがディスプレイ６３５の上方で光を反射して幅広ビームを出射する。図５１は、空隙５５５及び５５６によって分離された３つの部分５５０−５５２を備えたマルチレンズアセンブリを示している。部分５５０及び５５１は、空隙５５５の下で接続されており、ディスプレイ６３５を取り囲む硬いフレームの一部を形成している。フレームは、横を向いたエミッタ２００又は類似の形状のレシーバを収容するための空洞２２０を含む。レンズ部分５５０及び５５１は、共に上述したように幅広平行化ビームを発生させる。レンズ部分５５２は、図４１及び４２に関して上述したようにマイクロレンズの管状パターンを含む。図５１は、ディスプレイ６３５の上方で交差するビーム１０５の光線を示している。ＰＣＢ７００は、エミッタ２００、ディスプレイ６３５、及び導光体フレームを支持するための基板を形成する。
図５２は、空隙５５５及び５５６によって分離されたレンズ部分５５０−５５２を示す上面図である。図５２は、レンズ部分５５０及び５５１が幅広光ビームをどのように平行化するかを示すために３つの平行化ビーム１０５を示している。図５２はまた、レンズ部分５５０及び５５１によって形成された硬いフレームにレンズ部分５５２を接合する小さいコネクタ５５９を示している。従って、全ての３つの部分５５０−５５２は、プラスチックの単一部分から形成することができる。
図５３は、３つのエミッタ２００を収容するエミッタ／レシーバの空洞２２０を備えたレンズ部分５００を示す底面図である。
タッチスクリーンシステム構成第５
本発明の実施形態により、高分解能タッチ感度は、構成第２及び第３に関して上述したような共通エリアに跨がる２つ又はそれよりも多くのエミッタ−レシーバ対信号を結合することによって達成される。構成第５は、重なり合った検出を提供するための代替の光学要素とエミッタ及びレシーバの代替の配置とを提供する。
重なり合った検出ビームを提供するために様々な方法を使用することができる。１つの方法は、スクリーンを横切って僅かに異なる高さに投影される２つの個別の幅広ビームを提供することである。両方のビームが共通スクリーンエリアを覆い、従って、そのエリアにおけるタッチに対する複数の検出信号を提供する。別の方法は、両方のビームが一度に起動された場合に２つの幅広ビームの光線をインターリーブする光学要素を提供することであり、これは、２つのビームからの微小光線をインターリーブするために回折構造を使用して、又は２つの光源からの０．１−０．６ｍｍ程度のビームをインターリーブするために僅かに大きい交替ファセットを使用することで達成することができる。一般的に、２つのビームは別々に起動される。従って、これらは、共通のスクリーンエリアを覆うが、実際にはインターリーブされない。この後者の代替は以下に説明する。
図５４を参照すると、本発明の実施形態によりエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーン８００の概略図が示されている。図５５を参照すると、本発明の実施形態により３つの角度から示した反射ファセットの波状の角度パターンを備えた光学要素５３０の概略図が示されている。図５５には、光学要素５３０の３つの図、（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）が示されている。エミッタからの光が、広角オーバラッピングビームとして光学要素５３０に入る。図５５は、要素５３０の表面５４１に面するエミッタ２００−２０２を示している。それぞれのエミッタ２００−２０２からの幅広ビーム１０７−１０９が、表面５４１を通って要素５３０に入る。図５５はまた、隣接するエミッタ要素間の距離又はピッチを示している。
幅広ビーム１０７−１０９の各々は、２つのピッチに跨がり、同様に幅広ビームは、隣接するエミッタ間のエリアで重なり合う。要素５３０の表面５４２は、隣接するエミッタで交互に向けられるファセットの波状のパターンとして形成される。図５５（ｃ）は、表面５４２上の交互になった影と影でないファセットを示している。エミッタ２００と２０１の間の要素５３０では、エミッタ２００を向いた影のファセットが、エミッタ２０１に向けられた影でないファセットと交互にされる。エミッタ２０１と２０２の間の要素５３０では、エミッタ２０２を向いた影のファセットが、エミッタ２０１を向いた影でないファセットと交互にされる。
図５６を参照すると、本発明の実施形態による２つの隣接するエミッタからの光を反射、平行化、及びインターリーブする光学要素の概略図が示されている。図５６に示すように、要素５３０の各反射ファセットは、その対応するエミッタからの光線を平行化し、それによって２つのエミッタからの平行化光線をインターリーブする。図５６は、２つの隣接するエミッタ２００及び２０１からの光を反射及び平行化する光学要素５３０を示している。要素５３０の交替ファセットが、これらの２つの要素上にフォーカスする。平行化光線をインターリーブすることにより、要素５３０は、重なり合った幅広ビームでスクリーンを横切る２つのエミッタからの光を平行化する。反対側のスクリーン縁部の要素５３０は、幅広ビームをそれぞれのレシーバに向ける。
表面５４２上の各ファセットは、その要素に集束させるために正確に角度が付けられる。各ファセットの表面エリアは、十分な量の光が検出のために提供されるように構成される。
光学要素５３０の代替の実施形態は、反射の代わりに屈折を通して入射幅広ビームを平行化及びインターリーブする。このような場合に、波状のマルチファセット表面が、光学要素５３０の入射又は出射表面に置かれる。反射ファセットの場合に、ファセットが光学要素の内側で光を向け直す。
時には、例えば、電力を節約するために、低周波数モードでタッチスクリーンを稼働することが望ましい。構成第５は、正確な低周波数走査モードを可能にする。本発明の実施形態により、スクリーン軸に沿った２つの検出信号が各タッチ場所に対して提供される。低周波数モードでは、第１の走査中に全ての他のエミッタレシーバ対が起動され、従って、１つのスクリーン軸に沿って対の半分だけを起動するが、それにもかかわらずスクリーン全体をカバーする。第２の走査中に、この軸に沿った残りのエミッタ−レシーバ対が起動される。従って、奇数のエミッタ−レシーバ対が最初に起動され、次に、偶数のエミッタ−レシーバ対が起動され、従って、２つのフルスクリーン走査を提供し、全てのエミッタ及びレシーバ要素にわたって均一に使用を広げる。電力消費を最小限に維持するために、矩形スクリーンの短い方の縁部に沿ったエミッタ−レシーバ対だけが起動される。
本発明の代替の実施形態において、スクリーンの両方の軸が走査され、各走査された軸は、スクリーンに向けられる初期タッチ情報を提供する。従って、単一の軸の複数の走査を連続して起動する代わりに、代替の実施形態において、個別の軸の走査の連続起動が作動される。４つの走査のシーケンスは、４つのサンプリング間隔で起動され、すなわち、（ｉ）第１のスクリーン軸に沿ったエミッタ−レシーバ対の最初の半分が走査され、（ｉｉ）第２のスクリーン軸に沿ったエミッタ−レシーバ対の最初の半分が起動され、（ｉｉｉ）第１のスクリーン軸に沿ったエミッタ−レシーバ対の第２の半分が起動され、更に（ｉｖ）第２のスクリーン軸に沿ったエミッタ−レシーバ対の第２の半分が起動される。
反射要素の設計
光学要素の交替反射又は屈折ファセットを設計する目的は、エミッタからレシーバへの直線信号勾配Ｓ（ｘ）により、補間の基礎として適正な勾配を提供する光分布を発生させることである。いくつかのパラメータが光分布に影響を与える。
図５７を参照すると、本発明の実施形態によるマルチファセット光学要素５３０の概略図が示されている。図５７には、以下に説明するように光学要素の各ファセットからの光を制御するパラメータが示されている。
光強度分布は、その３乗ｃｏｓ3θに従って極角θに依存する。角度θは、異なるファセットに進む単一のエミッタ又はレシーバ要素のビーム間の距離１１０と、エミッタ又はレシーバ要素及び要素５３０間の距離１１１との関数である。
ファセット幅Ｂは、容易に調節可能なパラメータである。
フレネル損失Ｆは、ビームが光学要素５３０に入射した場合に、要素５３０の屈折率によって起こる反射による光損失の量である。ブルースターの角度の下での様々な角度θ間のフレネル損失Ｆの偏差は１％未満であり、従って、ごく僅かである。
ファセットビーム幅Ｙは、単一ファセットビームによって覆われる総幅である。交替ファセットは、隣接するファセットのフォーカスが隣接するエミッタ２０２に合った時にエミッタ２０１からの光のギャップを発生させる。各ファセットからの光はギャップを覆う。ファセットビーム幅Ｙは、ファセット幅Ｂ及び隣接するファセットの幅に依存する。図５７は、エミッタ２０１に向けられたファセット５４５、５４７、及び５４９と、エミッタ２０２に向けられた隣接するファセット５４８及び５４６とを共に覆うそれぞれのファセットビーム幅Ｙ545、Ｙ547、及びＹ549を示している。
図５８を参照すると、本発明の実施形態による９つのファセットに対する光分布における反射ファセットパラメータθ、Ｙ、及びＢの効果を示す略グラフが示されている。図５８のグラフは、実際の光分布及び基準線形関数を示している。図５８に示すように、実際の光分布信号は実質的に線形である。グラフのデータは、全ての態様で１の値を割り当てられるｘ軸上の位置０に位置決めされた中心ファセットに基づいて正規化される。従って、ファセット幅Ｂは、グラフではＢｎｏｒｍのラベルが付けられ、ファセット幅は、中心ファセットの幅に対して正規化される。一般的には、角度パラメータθは、ｘ軸に沿った位置０と２の間のｃｏｓ３とラベルが付けられたθ曲線の平面部分における図５８に示すようなθの小さい値に対して平面の傾斜曲線を提供する。小さいθに対する勾配は、パラメータＢを調節することによって増し、次に、これはＹｆａｃｔｏｒのラベルが付けられたパラメータＹに影響を与える。完全な信号は、グラフでｓｉｇｎａｌのラベルが付けられており、実質的に線形である。
パラメータθ、Ｂ、Ｆ、及びＹの関数としてのファセットに対する光強度ｋは、次式のように表される

従って、ファセットの照度ｋは、中心ファセットに対するθ＝０に基づいて正規化される。
表Ｉは、１つのエミッタ又はレシーバ要素に集束させた一連の９つのファセットにおける各ファセットに対するパラメータを列挙している。表Ｉでは、１の幅を有する中心ファセットに基づいて、ｘ−ｐｏｓが、中心ファセットからミリメートルの距離を示し、Ｂが、ミリメートルのファセット幅を示し、Ｂ−ｎｏｒｍが、正規化されたファセット幅を示し、Ｙｆａｃｔｏｒが、中心ファセットビームの幅に正規化されたファセットビーム幅を示し、Ｓｉｇｎａｌが、各ファセットに対する正規化信号値を示し、Ｌｉｎｅが、基準直線に対する信号値を示している。
（表Ｉ）
表ＩＩは、エミッタ及び隣接するレシーバのような２つの隣接する要素に集束させた一連の交替ファセットに対するパラメータを列挙している。表ＩＩでは、ファセット番号１−５は、エミッタにフォーカスが合っており、ファセット番号６−９は隣接するレシーバにフォーカスが合っている。３つの値が、各ファセットに対して列挙され、すなわち、その幅、Ｂ、エミッタに対する中心ファセットの中心に対してｘ軸に沿ったその位置、ｘ−ｐｏｓ、及びファセットの外縁の位置、ｂｏｒｄｅｒ＿ｐｏｓが列挙されている。全てのファセット値はミリメートルで示されている。
（表ＩＩ）
要素５３０によって発生される信号
図５９を参照すると、本発明の実施形態によるスクリーンを横切る幅広光ビームを備えたタッチスクリーンの概略図が示されている。図６０を参照すると、本発明の実施形態によるスクリーンを横切る２つの幅広光ビームを備えたタッチスクリーンの概略図が示されている。図６１を参照すると、本発明の実施形態によるスクリーンを横切る３つの幅広光ビームを備えたタッチスクリーンの概略図が示されている。図５９に示すように、スクリーン８００は、エミッタ及びレシーバによって囲まれている。エミッタ−レシーバ対２００−３００によって検出されるスクリーン８００上の幅広検出エリアを表す幅広ビーム１６７が示されている。幅広ビーム１６７は、上述されているが図５９−６１に示されていない要素５３０のような光学要素によって発生される。第１の要素５３０がエミッタ２００からの光を平行化し、第２の要素５３０がレシーバ３００に幅広ビーム１６７の集束させる。グラフ９１０は、幅広ビーム１６７の幅全体で検出される信号強度の勾配を示している。
図６０は、それぞれのエミッタ−レシーバ対２０１−３０１及び２０２−３０２によって検出されるスクリーン８００上の幅広検出エリアを表す隣接する幅広ビーム１６８及び１６９を示している。それぞれのグラフ９１１及び９１２は、幅広ビーム１６８及び１６９の幅にわたって検出される信号強度の勾配を示している。
図６１は、図５９及び６０の３つの幅広ビームを示している。図６１に示すように、ビーム１６７の左半分は、ビーム１６８の半分に重なり合っており、ビーム１６７の右半分は、ビーム１６９の半分に重なり合っている。グラフ９１０−９１２における強度勾配は、ビーム１６７の幅に沿ったいずれの位置のタッチも２つの重なり合った幅広ビームの２つの勾配に沿って検出されることを示す。同様に、スクリーン上のいずれの位置のタッチも、各軸上の２つの重なり合った幅広ビームの２つの勾配に沿った垂直及び水平軸の両方で検出される。正確なタッチ座標は、検出信号勾配に基づいて２つの信号のタッチ場所を補間することによって計算される。図５６は、２つの重なり合ったビームの幅にわたる光信号減衰勾配９２０及び９２１を示している。光信号減衰勾配９２０は、エミッタ要素２００から放出されたビームに対応し、光信号減衰勾配９２１は、エミッタ要素２０１から放出されたビームに対応する。従って、ビームは、要素のすぐ上方で最大強度を有し、いずれの側でも徐々に減っていく。重なり合ったビームに対して２つの異なる傾斜勾配を有することは、以下に説明するように正確なタッチ場所を計算するのに有利である。
図６２を参照すると、本発明の実施形態によるタッチスクリーンにおける幅広ビームの光分布の略グラフが示されている。図６２の下側部分は、幅広ビーム１６７にわたる経路を示しており、図６２の上側部分は、この経路に沿った信号強度分布を示すグラフである。グラフのｘ軸は、ミリメートルの単位での水平方向のスクリーン寸法を表している。グラフのｙ軸は、スクリーン軸に沿って１０ｍｍに置かれたエミッタ−レシーバ対２００−３００によって検出されるベースラインの信号強度を表している。信号は、１０ｍｍのピッチで配置されたエミッタ及びレシーバ要素を備えたスクリーンに対応する。従って、検出される幅広ビームは２０ｍｍに及ぶ。グラフにおけるスパイクは、隣接する要素で交互に光線の集束させる上述の光学要素５３０の交替ファセットによって起こる。従って、スパイクは、測定されるエミッタ−レシーバ対に属するファセットに対応し、隣接するトラフは、隣接するエミッタ−レシーバ対に属するファセットに対応する。これらのスパイクにかかわらず、測定されるスクリーン軸に沿った指又は別の物体の検出信号は、指が狭いスパイク及びトラフチャネルより広いので、ビームの全２０ｍｍスパンに沿った比較的滑らかな勾配を有する。従って、指は、指がスクリーンの軸に沿って摺動する時に実質的に均一のままである一連のスパイクを遮る。例えば、指先は、約６ｍｍの幅であるが、図６２のグラフには、１０ｍｍに８−９のスパイクが存在する。
図６３を参照すると、本発明の実施形態により指先がスクリーンを横切って移動した時の３つの幅広ビームからの検出信号の概略図が示されている。図６３には、スクリーンの軸に沿って３つの隣接した幅広ビームにわたって指先が移動した時の指先の３つの検出信号が示されている。信号の各々から、指が幅広ビームに入った時に指がビームの小さい部分を塞いだことが明らかである。指がビームの中心に向けて軸に沿って動いた時に、ビーム強度の約４０％を指が遮るまで指はビームを徐々に遮り、予想されるベースライン信号の６０％の最小検出によってグラフに示されている。指が更に軸に沿って移動した時に、指は、徐々にビームを遮らなくなる。検出曲線の形状は、図６２に示す光ビームにおけるピーク及びトラフにかかわらず比較的滑らかである。ピークのために少なくとも部分的である図６３の検出曲線に沿った僅かな変動があるが、これらの変動は最小であり、信号の傾向を大きく歪めることはない。
図６４−６６を参照すると、本発明の実施形態によるタッチスクリーンにおける重なり合った幅広ビームの光分布の略グラフが示されている。総合すると、図６２及び６４−６６は、１０ｍｍの空間が空けられたエミッタ−レシーバ対を備えたスクリーン上の３つの隣接する幅広光ビームにわたる光分布を示している。これらの図から分るように、光学要素５３０のファセットは、２つのエミッタ−レシーバ対による重なり合ったタッチ検出を提供する。図６４は、測定されるスクリーン軸に沿った位置０に置かれたエミッタ−レシーバ対からの光信号を示している。図６５は、測定されるスクリーン軸に沿った位置２０ｍｍに置かれたエミッタ−レシーバ対からの光信号を示している。図６６は、図６２、６４、及び６５の３つのエミッタ−レシーバ対からの光信号を示しており、これらの光ビームがスクリーン表面の重なり合ったエリアをどのように覆うかを示している。図６３は、指先がスクリーン軸に沿って動いた時の図６６の３つのエミッタ−レシーバ対の３つの検出信号を示している。
タッチ検出信号は、指を使用する時よりも先の細いスタイラスを使用する時の方が滑らかでない。例えば、スタイラスチップが光信号におけるピークをあまり覆わないので、スクリーンを横切って動く２ｍｍスタイラスチップは、６ｍｍの指よりも検出信号の変動を生じ、従って、信号ピークに入って出る動きは、遮られた信号のより大きい部分を変化させる。これにもかかわらず、本発明の実施形態は、この欠点を克服し、複数の検出信号を補間することにより、精度の高いレベルでスタイラスタッチ場所を決定する。
図６７を参照すると、本発明の実施形態により指先が３つの異なる位置でスクリーン全体に動く時の幅広ビームからの検出信号の略グラフが示されている。図６７の底部には、幅広ビーム１６７にわたって指でトレースされる３つの経路９２５−９２７が示されている。経路９２５は、ＬＥＤ２００の近くにあり、経路９２６はスクリーン中央であり、経路９２７はＰＤ３００に近い。図６７の上側部分におけるグラフは、ＬＥＤ縁部、スクリーン中央、及びＰＤ縁部それぞれとしてグラフの凡例にラベルが付けられた３つの経路９２５−９２７を横切る時の指先の３つの検出信号を示している。グラフにおける３つの検出信号は、実質的に重なり合っている。従って、信号は、その深度に沿って均一に検出され、信号は、スクリーンの単に１つの軸に沿ったタッチの関数として変化する。従って、第１の軸に沿ったタッチ場所を決定することは、第２の軸に沿った検出信号とは無関係である。更に、信号の強度は、第２の軸に沿って均一であり、信号をロバストにする。
様々なスクリーンサイズのサポート
構成第５の一部の実施形態は、２つの隣接する光放出又は受光要素に集束させた交替ファセットを有する光学要素を含む。このような光学要素が光エミッタ又はレシーバから分離している場合に、エミッタ又はレシーバは、一般的に特定のピッチで空間を開けられる。このような光学要素がエミッタ又はレシーバと共に硬いモジュールとして形成される場合に、組み込まれるエミッタ又はレシーバは、反射ファセットに対して正確に位置付けられる。隣接するモジュールに視準されたファセットは、そのモジュールに同様に置かれた隣接するモジュールにおける組み込み式エミッタ又はレシーバに従って視準される。このような位置決めは、スクリーンのサイズをピッチの整数倍に潜在的に制限する。例えば、エミッタ間の１０ｍｍのピッチでは、スクリーン寸法は１０ｍｍの整数倍でなくてはならない。本発明の実施形態は、以下に説明するようにこの制限を克服することができる。
図６８を参照すると、本発明の実施形態による４つの光学要素及び４つの隣接するエミッタの概略図が示されている。図６８には、１つの行に配置された４つの光学要素５３１−５３４が示されている。各要素は、エミッタ２００−２０３のそれぞれのエミッタの反対側に位置付けられる。同じ構成が、レシーバに対して又は交替するエミッタ及びレシーバに対して組み立てられる。レシーバの場合に、エミッタ２００−２０３は、レシーバによって置換され、交替するエミッタ及びレシーバの場合に、エミッタ２００及び２０２は、レシーバで置換される。
光学要素５３１、５３２、及び５３４は、全てが同じ幅、例えば、１０ｍｍ、すなわち、ｗ１＝ｗ２＝ｗ４である。エミッタ２００とエミッタ２０１の間のピッチＰ１は、標準的な間隔、例えば、１０ｍｍである。光学要素５３１のファセットは、１０ｍｍの標準的なピッチであるエミッタに対して構成される。ピッチＰ２及びＰ３は標準にしなくてもよい。デバイス製造業者が非標準ピッチで単一のエミッタを挿入することを可能にすることにより、製造業者は、いずれのスクリーンサイズも受け入れることができる。光学要素５３３の幅ｗ３は、非標準サイズに対してカスタマイズされ、例えば、９６ｍｍのスクリーン長に対して、ｗ３は、１０ｍｍの代わりに６ｍｍであり、ピッチＰ２及びＰ３は、各８ｍｍである。光学要素５３２は、ハイブリッド要素であり、要素５３２の左半分は、標準的な１０ｍｍピッチに従って位置決めされたエミッタ２００及び２０１に視準したファセットを有し、要素５３２の右半分は、エミッタ２０１及び２０２に視準したファセットを特別に有し、ここでエミッタ２０２は、非標準配置を有する。光学要素５３４は、その左半分がエミッタ２０２及び２０３に視準したファセットを有し、その右半分が２つの標準的なピッチエミッタに視準されるので、ハイブリッド要素である。光学要素５３３は完全に非標準的であり、標準的な要素と同じ幅ではなく、エミッタ２０２に視準されるそのファセットを１つおきに有する。この例では、エミッタ２０２からのビームの幅は、標準的な２０ｍｍ幅と比べると大体１６ｍｍである。従って、エミッタ２０２は、光学要素５３３に僅かに近づけて置かれる。
回折面
上述したように、回折面が本発明の実施形態で使用され、２つのエミッタからビームを共通経路に沿って向ける。図６９を参照すると、本発明の実施形態により、２つのエミッタからのビームを共通経路に沿って向ける回折面の概略図が示されている。図６９には、光の弧１０７及び１０８を２つの平行化レンズ５２５に放出するエミッタ２００及び２０１が示されている。幅広ビーム１６７及び１６８は、レンズ５２５を出て、屈折表面５６０に入り、両方のビーム１６７及び１６８をスクリーンを横切る幅広ビーム１９３内に向ける。類似の光学配置が、幅広ビーム１９３を反対側のスクリーン縁部の２つのレシーバに分割する。各エミッタは、それぞれの反対側のレシーバと共に別々に起動される。２つのエミッタからのビームは、上述したように、ビーム１９３の幅に沿った異なる信号勾配を有する。２つの検出信号が、以下に提供される式（２）及び（３）からタッチ場所を計算するのに使用される。
平行の重なり合うビーム
上述したように、スクリーンの上で僅かに異なる高さで投影された平行幅広ビームは、本発明の代替の実施形態で使用され、スクリーン上のタッチ事象に対する複数の検出信号を提供する。
交替するエミッタ及びレシーバ
本発明の代替の実施形態において、エミッタ及びレシーバは、各スクリーン縁部に沿って交互に位置決めされる。図７０を参照すると、本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンの概略図が示されている。図７１を参照すると、本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンとスクリーンを横切る幅広ビームとの概略図が示されている。図７２を参照すると、本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンとスクリーンを横切る２つの幅広ビームとの概略図が示されている。図７３を参照すると、本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンとスクリーンを横切る３つの幅広ビームとの概略図が示されている。図７１−７３は、上述の図５９−６１に類似の重なり合った幅広ビームを示している。
図７４を参照すると、本発明の実施形態によるエミッタ及び隣接するレシーバのための光を反射及びインターリーブする平行化光学要素の概略図が示されている。図７４は、隣接する光ビームをインターリーブする光学要素５３０を示しており、第１のビームがエミッタ２００から出射し、第２のビームが隣接するレシーバ３０１に入射している。図７４はまた、第１のビームに対する信号勾配９２０及び第２のビームに対する信号勾配９２１を示している。タッチが両方のビーム上で検出された時に、傾斜した勾配は、以下に説明するように補間による正確なタッチ場所の決定を可能にする。
図６７に関して上述したように、検出信号は、幅広ビーム内のタッチ場所の深度によって変化しない。従って、隣接する重なり合った幅広ビームの反対側の方向は、タッチ検出信号に影響を与えない。次に、これは、各ビームの方向にかかわらず重なり合ったビームからの信号の補間を可能にする。
マルチタッチ検出
マルチタッチ場所は、２つの軸に平行の方向に光を放出する光エミッタを通して明確に識別することが困難であることが多い。図７５−７８を参照すると、本発明の実施形態による光エミッタの第１の向きに比較して曖昧なマルチタッチ場所の図が示されている。図７５及び７６に示すように、対角線上に向けられたマルチタッチの位置を決定する場合の曖昧さが存在する。マルチタッチが２つよりも多いポインタを含む場合に、更に曖昧さが存在する。例えば、図７５及び７６に示されている２つのタッチケースは、図７７に示されている３つのタッチケースに比較して、及び図７８に示されている４つのタッチケースに比較して曖昧である。これらのケースの各々で、行及び列インジケータａ−ｈは、同じ位置の光の不在を示している。このような曖昧さは、１つのポインタの影が別のポインタの一部分を覆い隠す効果を示す「ゴースト」によって起こる。
本発明の実施形態により、ゴーストは、タッチ検出のための格子の向きの２組の使用によって解消される。
図７９−８１を参照すると、本発明の実施形態により光エミッタの第２の向きに比較して明確である図７５−７７のマルチタッチ場所の図が示されている。図７０及び７１に関して上述したような交替するエミッタ及びレシーバの構成の使用、及び２組の検出軸を発生させるための追加の光学要素の使用は、重要な利点を提供する。１つの利点は、重なり合った幅広ビームのロバストな組を発生させ、それによって高精度でタッチ座標を決定するために複数の検出信号を補間することができる。別の利点は、第２組の軸における重なり合った幅広ビームを発生させることであり、それによって第２組の軸上のタッチ検出も正確である。
二重ユニット導光体が図４１及び４２に関して上述された。上述したように、導光体の下側部分４６４は、エミッタ及びレシーバに集束させた反射ファセット又はレンズを含み、上側部分４６３は、エミッタ及びレシーバに比較して精密な配置を必要としない反射面及びレンズを含む。構成第５では、交替反射又は屈折ファセットが下側部分の一部を形成する。３方向に光ビームを配分するための３側面屈折空洞が、上側部分の一部として形成される。構成第５では、マイクロレンズ４６７の使用は必要ない。これに代えて、交替ファセットが、図１０５に関して以下に説明するようにエミッタ又はレシーバを含む透明なプラスチックモジュールに形成される。これらのモジュールの配置は、下側部分４６４を置換し、上側部分４６３は残る。
図８２を参照すると、本発明の実施形態による光ビームが４つの軸に沿って向けられたタッチスクリーンの概略図が示されている。図８２には、スクリーン８００の上縁に沿った光エミッタ２００の行、及びスクリーン８００の底縁に沿った光レシーバ３００の行が示されている。スクリーン８００の左及び右縁は、結合したエミッタ−レシーバ要素２３０の向かい合う行を含む。要素２３０は、エミッタとして及びレシーバとして作用する。本発明の実施形態において、エミッタ及びレシーバは、ペンシルベニア州マルヴァーン所在のＶｉｓｈａｙコーポレーションによって製造される反射及び透過型センサのような単一ユニットに結合される。本発明の別の実施形態において、ＬＥＤが、光放出及び検出の両方のために使用される。ＬＥＤ及び現在の電流制限抵抗器を使用して光を放出して検出する集積回路は、２００３年１０月のユビキタスコンピューティング（ＵｂｉＣｏｍｐ）国際会議のＤｉｅｔｚ、Ｐ．Ｈ．、Ｙｅｒａｚｕｎｉｓ、Ｗ．Ｓ．及びＬｅｉｇｈ、Ｄ．Ｌ．著「双方向ＬＥＤを使用した超低コスト感知及び通信」に説明されている。
図８３を参照すると、本発明の実施形態により２つの格子の向きを備えた光エミッタ及び光レシーバの代替の構成の概略図が示されている。図８３には、スクリーン周囲の周りの光レシーバ３００との交替パターンの光エミッタ２００が示されている。各エミッタによって放出された光は、向かい合うスクリーン縁部の２つのレシーバによって検出され、２つのレシーバは、その間のエミッタによって分離されている。
エミッタからの光が２つの向かい合うレシーバの外縁に達するように、各エミッタから放出された幅広ビームは、３つの光学レンズの距離を跨がなくてはならない。これは、共通のエミッタからの光を検出する２つのレシーバが、互いに隣接して位置決めされ、従って、各エミッタから放出された幅広ビームが、２つの光学レンズの距離だけに跨がればよいシフト位置合わせされたエミッタ及びレシーバを備えた上述の構成とは対照的である。
図８４を参照すると、本発明の実施形態による交替する光エミッタ及び光レシーバの構成の概略図が示されている。図８４に示すように、エミッタ２０１は、底部スクリーン縁部に沿ってレシーバ３０３と３０４の間に置かれ、エミッタ２０２は、スクリーン上縁に沿ってレシーバ３０１と３０２の間に置かれる。エミッタ２０１からの光は、レシーバ３０１及び３０２によって検出され、エミッタ２０２からの光は、レシーバ３０３及び３０４によって検出される。
図８５を参照すると、本発明の実施形態により２つのレシーバによって検出されるエミッタからの２つの幅広光ビームの概略図が示されている。図８５には、レンズ４４０から出てレシーバ３０１及び３０２それぞれによる検出のためにレンズ４４１及び４４３に到達するエミッタ２０１からの２つの幅広ビームが示されている。１つの幅広ビームは、縁部１４５及び１４６によって境界を付けられ、他方の幅広ビームは、縁部１４７及び１５８によって境界を付けられる。平行線模様の三角形のエリアは、タッチがレシーバ３０１及び３０２で検出される重複部分を示す。
図８６を参照すると、本発明の実施形態による２つの幅広ビームとこの間の重複部分のエリアとの概略図が示されている。エミッタ２０１からの１つの幅広ビームが、レンズ４４０から出てレシーバ３０１による検出のためにレンズ４４１に到達する。幅広ビームは、縁部１４５及び１４６によって境界を付けられる。エミッタ２０２からレシーバ３０３への別の幅広ビームは、縁部１４７及び１４８によって境界を付けられる。平行線模様のダイヤモンド形のエリアは、タッチがレシーバ３０１及び３０３で検出される重複部分を示す。
従って、エミッタ−検出器対が向かい合うスクリーン縁部に置かれている場合に、スクリーン上のいずれの位置も２つのエミッタ−検出器対によって検出され、上述したように正確なタッチ場所を計算することができることが当業者によって認められるであろう。
図８７を参照すると、本発明の実施形態による検出光ビームの縁部に位置するタッチポイント９８０の概略図が示されている。図８７は、タッチポイント９８０の位置を正確に決定するために光ビームがエミッタ及びレシーバレンズの縁部まで延びるのが望ましいことを示している。
図８８を参照すると、本発明の実施形態によりディスプレイスクリーンの２つの縁部に沿ったレシーバに光を向けるディスプレイスクリーンの１つの縁部に沿ったエミッタの概略図が示されている。図８８には、ディスプレイスクリーンの１つの縁部のエミッタ２００からディスプレイスクリーンの反対側の縁部に沿ったレシーバ３００及び３０１に放出された光ビームの第１の対と、エミッタ２００からディスプレイスクリーンの隣接する左縁に沿ったレシーバ３０４及び３０５に放出された光ビームの第２の対が示されている。光ビームの第３の対（図示せず）は、エミッタ２００からディスプレイスクリーンの隣接する右縁のレシーバに放出される。光ビームの第２及び第３の対の各々は、光ビームの第１の対に対して約４５度の角度に向けられる。
図８８には、レンズ４３９の左約４５度に向けられたレンズ４４２及び４４３にエミッタ２００からの光を屈折させるために使用されるレンズ４３９が示されている。本発明の実施形態において、レンズ４３９は、１．４−１．６程度の屈折率を有するプラスチック材料から作られる。従って、約８４度の入射の角度は、４５度の角度で光を屈折させるのに必要である。しかし、このような入射の大きい角度では、内部反射のために失われる光の量が大きい。スループットを改善するために、上述したように約４５度の屈折の角度を達成するための２つの空気／プラスチック界面が使用される。
３方向マイクロレンズ
図８９及び９０を参照すると、本発明の実施形態により実質的に平面の２面及び３面の埋め込み空洞の反復パターンを備えたレンズ面を有する３方向に光を屈折させるためのレンズの概略図が示されている。エミッタ又はレシーバに面する平らな表面は、３面の空洞を形成する図８９ではエミッタ又はレシーバから遠く、２面の空洞を分ける図９０ではエミッタ又はレシーバに近い。
このような３側面レンズが一部の実施形態で使用される。第１の実施形態において、隣接するビームをインターリーブするための交替ファセットを有する追加の光学構成要素のないレンズが使用される。この実施形態において、幅広ビームがスクリーンを覆うが補間のための２つ又はそれよりも多くの検出信号を提供するために必ずしも重なり合わない。この実施形態に対する一般的な使用ケースは、指入力であり、スタイラス入力ではない。三方向レンズは、４つの異なる軸上の検出を可能にし、マルチタッチケースにおける曖昧さ及びゴーストを排除する。三方向レンズはまた、追加のタッチ場所情報を提供し、すなわち、２の代わりに４つの軸及び追加の情報が、単一のタッチに対してもタッチ場所の精度を増す。
第２の実施形態において、レンズは、隣接するビームをインターリーブするための交替ファセットを備えた又は重なり合う検出信号を提供する代替の構成を備えた追加の光学構成要素と共に使用される。この実施形態において、重なり合った幅広ビームは、補間のための２つ又はそれよりも多くの検出信号を提供する。この実施形態に対する一般的な使用ケースは、指及びスタイラス入力である。三方向レンズ及びインターリーブファセットを２つの個別の構成要素に形成することができる。インターリーブファセット構成要素の不明確な配置に対する許容誤差は低いが、三方向レンズ構成要素の不明確な配置に対する許容誤差は高いので、インターリーブファセット構成要素は、三方向構成要素よりもエミッタ又はレシーバの近くに位置付けられる。これに代えて、三方向レンズ及びインターリーブファセットを単一の硬い構成要素に形成することができる。例えば、回折格子が、２つの光源からの信号をインターリーブし、３方向にビームを分割する。
図８９には、その下面上にマイクロレンズのパターン５２８を備えたレンズ５２７が示されている。図８９に示すマイクロレンズパターンは、３つの実質的に平面の側面を有し、各側面は、異なる方向に光を屈折させる。マイクロレンズのパターン５２８が、レンズの上側部分の底縁に沿って鋸歯状の反復パターンを形成する。各マイクロレンズ５２８の３つの壁は、意図されたレシーバに向けてレンズから出る時に光を広い弧に広げるために僅かに湾曲している。
平行化レンズ部分（図示せず）が、平行ビームの光をマイクロレンズ５２８に向けるためにレンズ５２７の下に置かれる。
本発明の一部の実施形態において、レンズ５２７は、２レンズ配置の一部であり、レンズ５２７は、エミッタ又はレシーバから離れて及びスクリーン表面の近くに２つのレンズの上側のものを形成している。対照的に、図４１に示す２部分レンズは、下側部分の上部にマイクロレンズパターンを有する。
交替ファセット構成要素からの平行化ビームを適切にインターリーブするために、三側面空洞のピッチは、交替ファセットのピッチよりも小さくなくてはならない。理想的には、空洞のピッチは、可能な限り小さく作らなくてはならない。約０．６ｍｍの交替ファセットでは、空洞は、０．２ｍｍ又はそれよりも小さくなくてはならない。隣接する平面の各対間の２面角は、１．６の屈折率を有するプラスチックを使用して４５度の屈折を達成するために約１２２°である。しかし、対角線軸の異なるセットでは異なる角度が望ましいことがあり、又は２面角が異なる場合には、異なる屈折率を有するプラスチックが望ましいことがある。
図８９に示すように、入射平行化光は、２つの空気／プラスチック界面を通して屈折され、約４５度である屈折の角度で現れる。マイクロレンズの内側平面に沿った第１の界面は、入射光を約５８度である屈折の角度に屈折し、第２の界面は、光を屈折して約４５度である屈折の角度で現わす。
図９１−９３を参照すると、本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれたタッチスクリーンとスクリーンを横切る対角幅広ビームとの概略図が示されている。図９１及び９２は、エミッタ２００及び２０１からレシーバ３００への対角線状の幅広ビームと対応する信号勾配９１０を示している。図９３は、エミッタ２０２及び２０４からレシーバ３０２及び３０４への対角線状の幅広ビームと、対応する信号勾配９１１及び９１２とを示している。これらの幅広ビームは、図８８の幅広ビーム１６７に重なり合っており、それによって補間のための複数のタッチ検出を提供する。
図９４を参照すると、本発明の実施形態によりタッチスクリーンにおける対角線状の幅広ビームにわたる光分布の略グラフが示されている。図９４の底部は、幅広ビーム１６７と第２の軸システムに従ってこのビームに交差する経路９２５とを示している。要素間のピッチが１単位である場合に、次に、このビームの幅は１／√２単位である。従って、要素間のピッチが１０ｍｍである場合に、次に、対角線軸に沿ったビームの直径は約７ｍｍである。図９４の上側部分は、幅広ビーム１６７全体の光分布を示している。図６０の垂直ビームの２０ｍｍと比べて、信号は、対角ビームの約１４ｍｍの直径に跨がる。図６２に関して上述したように、ビームの幅にわたる信号勾配は、正確なタッチ場所を決定するための複数の検出信号の補間を可能にする。
図９５を参照すると、本発明の実施形態によりタッチスクリーンの３つの重なり合う対角線幅広ビームにわたる光分布を示す略グラフが示されている。図９５は、図６６に類似の第２の軸システムにおける３つの重なり合うビームにわたる信号分布を示している。異なる幅が、これらのビームの２組によって覆われる。
図９６を参照すると、本発明の実施形態によるタッチスクリーンの３つの重なり合う対角線幅広ビームにわたって指がグライドした時のタッチ検出の略グラフが示されている。図９６は、３つの隣接した重なり合うビームにわたって通過する指の受付が各ビームによってどのように検出されるかを示している。最大検出信号は、ベースライン信号強度の約４０％であり、これは、指がビームの中心に来た時に発生する。この場合に、指は、ビームの光の総量の約６０％を遮る。これは、図６３の同じ指によって遮られる光の量、すなわち、４０％より多い。この差は、垂直ビームより対角ビームが狭いからである。従って、６ｍｍの指先は、ビームの光の大きい部分を遮る。検出信号は、タッチ場所を決定するために実質的に平滑でロバストである。
図９７を参照すると、本発明の実施形態により指先が３つの異なる位置でスクリーンの上を移動した時の対角線幅広ビームからの検出信号の略グラフが示されている。図９７は、タッチ検出が幅広ビームの深度に沿って安定したままであり、図６７に関して上述したようにビームの幅にわたる位置に従ってのみ変化することを示している。
図９８を参照すると、本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれ、それによってスクリーンを横切る対角及び直交幅広ビームが１つのレシーバによって検出されるタッチスクリーンの第１の実施形態の概略図が示されている。図９８は、各スクリーン縁部に沿って位置した等しい数の要素を有する実施形態を示している。３つのビーム１６７−１６９が１つのレシーバ３００に対して示されており、すなわち、１つは、向かい合うエミッタ２００に向けられ、残りの２つは、隣接するスクリーン縁部のエミッタ２０１及び２０２に向けられる。対角ビームは、互いに垂直でない２つの軸を発生させる。
図９９を参照すると、本発明の実施形態により交替するエミッタ及びレシーバによって囲まれ、それによってスクリーンを横切る対角及び直交幅広ビームが１つのレシーバによって検出されるタッチスクリーンに対する第２の実施形態の概略図が示されている。図９９は、隣接するスクリーン縁部に沿って位置した異なる数の要素を備えた実施形態を示している。３つのビーム１６７−１６９が１つのレシーバ３００に対して示されており、すなわち、１つが、向かい合うエミッタ２００に向けられ、残りの２つが、１つが反対側の縁部にもう１つが隣接する縁部に位置するエミッタ２０１及び２０２に約４５度の角度で向けられる。これらの対角線状ビームは、互いに垂直の２つの軸を発生させる。
手のひらの拒否
ユーザが、スタイラスで書き込む時に小指の下の手のひらの側に位置するユーザの小指球筋をタッチスクリーンの上に乗せた時に、一般的にゴーストが発生する。手のひらのこの部分は、タッチスクリーンの大きいエリアを塞ぎ、スクリーンの垂直軸に沿った一連の光ビームを遮ることが多く、それによって垂直軸に沿ったスタイラスのタッチ場所を隠す。
図１００を参照すると、従来技術のタッチスクリーンにユーザがスタイラスで書き込んでいる概略図が示されている。図１００には、スタイラス９３１を持つ手９３０が示されており、タッチスクリーン８００上に線９３２が描かれている。ユーザの手のひらは、スクリーン８００に乗っており、破線として示される光ビームの２つの列、すなわち、スクリーンの水平軸に沿った列１１３とスクリーンの垂直軸に沿った列１１４を遮っている。垂直軸上のスタイラスの先端の位置は、列１１４内にある。ビーム１１５は、スタイラスの先端を検出するが、水平軸位置を提供するだけである。
本発明の実施形態は、図１００に示す欠点を克服する。図１０１を参照すると、本発明の実施形態によりユーザの手のひらがタッチスクリーンに乗っている場合のスタイラスの位置を検出する光ビームの概略図が示されている。検出軸の２組、すなわち、直交の組と対角線状の組を提供することにより、スタイラスの２次元位置が決定される。図１０１は、ビーム１１５及び１１６がスタイラスを一意的に検出することを示している。上述したように、信号が補間される重なり合った幅広ビームを各検出が含むので、スタイラスの位置は、ビーム１１５及び１１６が互いに垂直でないにもかかわらず高精度で決定される。ユーザの手のひらの底部が対角線状のビーム１１７を遮っていない時には、次に、ビーム１１７は、手のひらから離れたスタイラスの位置を検出する。このような場合に、ビーム１１６及び１１７が、スタイラス位置を検出するのに使用される。これに代えて、全ての３つの検出ビーム１１５−１１７を使用することができる。
スタイラスで書き込むためにユーザがスクリーンにユーザの手のひらを置く場合に起こるスタイラスと指入力の両方を指示するタッチスクリーンによって起こる別の問題は、アイコン上のタップとしての手のひらとスクリーン間の初期接触の誤った解釈であり、それに応答してデバイスは、アイコンが軽く叩かれた意図されないアプリケーションを起動する。手のひらがスクリーン上に乗せられた状態で、接触のエリアは、手のひらのタッチをスクリーンタップとして拒否するのに使用される。それにもかかわらず、初期接触は、スクリーンの小さい表面エリアを覆うことがあり、従って、スクリーンタップとして誤って解釈されることがある。
本発明の実施形態により、スクリーンの上方の光ビームは、スクリーンに近づいた時に手のひらを検出するのに使用される。一実施形態において、これは、ビーム１０２ではなくビーム１０１を遮って近づいていく指９００を示す図１４に例示されるように、スクリーンの上のいくつかの高さに各エミッタから光を投影することによって達成される。別の実施形態において、エミッタ及びレシーバの複数の層が、スクリーンの周りに配置され、ユーザ入力動作空洞に対して及び特にスクリーンの上部に折り畳まれた空洞フレームに対して上述したように、スクリーンの上の異なる高さで物体を検出するのに使用される。
図１０２を参照すると、本発明の実施形態によりタッチスクリーンを取り囲むフレームの概略図が示されている。図１０２は、図４９のフレーム８４９に類似のタッチスクリーンを取り囲むフレーム８４９を示している。エミッタ２００及びレシーバ３００の２つの重ねられた行がフレームに提供される。電子デバイスのディスプレイに共に組み立てられた時に、エミッタ及びレシーバの積み重なった行は、ディスプレイ表面の上方に上げられ、２つの高さで、すなわち、エミッタ及びレシーバの低い方の行によるスクリーン上とエミッタ及びレシーバの上の方の行によるスクリーンの上方での２つの高さで物体検出を提供する。ユーザの手のひらがスクリーンにタッチを始めた時に、スクリーンの上方でホバリングする大きい手のひらエリアが検出される。それによって手のひらがスクリーンに近づいていること及びいずれのスクリーンタップも不注意であることをデバイスが判断することができるようになる。
本発明の別の実施形態において、スクリーンの上方をホバリングする手のひらを検出するためにエミッタ及びレシーバの１つの行を提供し、スクリーン上のタッチは、特に容量式又は抵抗式タッチセンサを含むディスプレイに与えられている従来の検出システムによって検出される。
本発明の実施形態により、ユーザインタフェースは、手のひらが検出された時に機能を起動するためのスクリーンタップを使用不能にする。手のひらが検出された時に、ユーザインタフェースは、ユーザがアイコンをタッチしてタッチスクリーンに沿ってタッチした位置から指をグライドさせることでアプリケーションを起動するように構成される。すなわち、２組のユーザインタフェース動作を提供する。手のひらが検出されなかった時に、動作の第１の組が使用される。動作の第１の組により、アイコン上のタップがアイコンに関連付けられたアプリケーション又は機能を起動する。手のひらがスクリーンの上方でホバリングしているのが検出された時に、動作の第２の組が使用される。動作の第２の組により、ユーザは、アイコンに関連付けられたアプリケーション又は機能を起動するためにアイコンにタッチし、次に、タッチスクリーンに沿ってタッチ場所から指をグライドさせることが要求される。従って、デバイスは、ユーザがスクリーンに手のひらを置いた時に意図しないアプリケーションを起動することはない。動作の第２の組は、アイコンの起動を使用不能にせず、タッチ及びグライド動作によってユーザがそれを望む場合に、アイコンに関連付けられたアプリケーション又は機能をユーザが起動することを可能にする。
コーナの周りの要素の配置
スクリーンコーナは、エミッタ及びレシーバを配置するためのいくつかの問題を呈する。１つの問題は、２つのエミッタを同じ位置、すなわち、各スクリーン縁部に対して１つ配置する必要があるということである。問題は、図４０に示されているレイアウトによって複雑になり、それによってエミッタ及びレシーバ要素は、スクリーン表面の下に位置付けられ、従って、これらの要素によって形成された矩形は、スクリーンを取り囲むレンズのフレームよりも小さい。この問題を克服する１つの方法は、ＰＣＢ上の実質的に同じ位置に２つのエミッタを配置することであり、エミッタの１つをＰＣＢの上面上に配置し、他のエミッタをＰＣＢの下面上に配置する。しかし、この方法は、光学要素のコネクタ及び位置決めを複雑にする。
別の問題は、重なり合ったビームがスクリーン縁部に延びるということである。エミッタ及びレシーバは、スクリーンの下にあるが、タッチ検出は、スクリーンを取り囲む光学要素の内縁によって境界を付けられた全エリアをカバーする。
本発明の実施形態は、上述したように、直交及び対角検出軸と共に使用するのに適する構成を提供する。図１０３を参照すると、本発明の実施形態によるタッチスクリーンのコーナのためのエミッタ、レシーバ、及び光学要素の第１の実施形態の概略図が示されている。図１０３は、エミッタ又はレシーバ要素及びそのそれぞれの光学要素の第１のコーナの構成を示している。レシーバ３００−３０３及びエミッタ２００−２０２は、２つの隣接するスクリーン縁部に沿って交互に配置される。実線が、エミッタからの光ビームを示し、破線が、レシーバに到達する光ビームを示している。エミッタ及びレシーバ３００、２００、３０２、２０２、及び３０３は、標準的なピッチに従って位置決めされ、光学要素５３０はそれに応じて構成される。レシーバ３０１及びエミッタ２０１は、ある角度の向きに配置され、その幅広ビームは、ビームの半分が第１の向きに、例えば、スクリーンの垂直軸に沿って横断するように、更にビームのもう半分が第２の向きに、例えば、スクリーンの水平軸に沿って横断するように分割される。更に、ビームを分割するための三側面空洞を有する第２のレンズを含む実施形態において、上述したように、幅広ビームの半分が、１つのスクリーン縁部に沿って発生する対角ビームの第１の対に分割され、ビームのもう半分が、隣接するスクリーン縁部に沿って発生する対角ビームの第２の対に分割される。ハイブリッド光学要素５３１は、エミッタ２０１及びレシーバ３０２のためのビームを重ね合わせるために提供される。光学要素５３１は、要素の右半分が要素３０の右半分と同じであるので、「ハイブリッド光学要素」と呼ぶが、左半分における反射又は屈折ファセットの部分は、非標準位置及びエミッタの方向に向けられる。同様に、ハイブリッド光学要素５３２は、エミッタ２００及びレシーバ３０１に対するビームを重ね合わせるために提供される。ハイブリッド光学要素５３２の下側半分は、要素５３０の左半分に類似である。コーナの要素５３３の両方の半分は、一意的に構成され、すなわち、左半分が、エミッタ２０１及び３０１に対するビームに重なり、右半分が、エミッタ２０１及びレシーバ３０２に対するビームに重なる。コーナの光学要素５３４の両方の半分も、エミッタ２００及び２０１に対して及びレシーバ３０１に対して一意的に構成される。
図１０４を参照すると、本発明の実施形態によるタッチスクリーンのコーナのためのエミッタ、レシーバ、及び光学要素の第２の実施形態の概略図が示されている。図１０４は、エミッタ又はレシーバ要素及びそのそれぞれの光学要素の代替のコーナの構成を示している。図１０４に示す構成では、１つのエミッタ２０１だけが、非標準ピッチ及び方向に置かれる。標準光学要素５３０は、ハイブリッド光学要素５３１及び５３２及び固有のコーナの光学要素５３３と共に使用される。光学要素５３１−５３３は、図示のエミッタ−レシーバ構成に対して構成され、従って、図１０３の要素５３１−５３３とは異なる。
一体化モジュール
一般的に、２つのフォーカスに視準した交替反射又は屈折ファセットを使用したタッチシステムのためのアセンブリエラーに対する低い許容誤差が存在する。エミッタ又はレシーバの配置におけるオフセットは、反射ファセットのフォーカスから外れるようにしてしまい、このようなシステムの精度及び性能を低下させることになる。本発明の実施形態により、望ましいアセンブリの精度を保証するために、反射又は屈折ファセット及びエミッタ又はレシーバを含む硬いモジュールブロックが準備される。このようなモジュールブロックは、タッチスクリーン構成要素を一体化する処理を単純化するために、及び製造業者に対する許容誤差チェーンを最小にするために有用である。これらのモジュールブロックは、タッチスクリーンの高速アセンブリのためにディスプレイの縁部に沿った行に互いに容易に位置決めされるように形成される。反射又は屈折ファセットに比較して正確な位置にエミッタ及びレシーバを配置する高い許容誤差要件は、モジュールブロックの製造中に対処され、従って、デバイス製造業者から高精度アセンブリの負担を取り除く。
単純化された製造は、光学要素及び電子構成要素を単一のユニットに一体化することによって達成される。従って、複雑な表面を１つの構成要素に集めることができ、それによって高いアセンブリ許容誤差に対する必要性を低減する。
図１０５を参照すると、本発明の実施形態による赤外線光を透過させるプラスチック材料から作られた光学構成要素が示されている。図１０５には、前に向いたＬＥＤ２３６を含む光学構成要素４８８と、ＬＥＤ信号を処理するための電子機器とが示されている。光学構成要素４８８は、電気パッド７６０及び７６１に接続される。光学構成要素４８８は、２つのエミッタ、すなわち、エミッタ２３５及びエミッタ２３６から平行化光ビームを伝達するのに使用される。エミッタ２３５は、隣接する光学構成要素４８９に含まれる。上述の交替エミッタ−レシーバ実施形態において、光学構成要素４８８は、１つのエミッタ及び１つのレシーバに対する平行化光ビームを伝達するのに使用される。例えば、隣接するモジュール４８９は、エミッタ２３５の代わりにレシーバを含む。
エミッタ２３５からの光ビームは、光学構成要素４８９を出てタイトフィット表面４９１を通り、タイトフィット表面４９０を通って光学構成要素４８８に入る。図１０５は、波状のマルチファセット反射面４９３上の交替ファセットに衝突するエミッタ２３５及び２３６からの非平行光ビームを示している。構成要素４８８及び４８９は、実質的に同一であり、互いにフィットしている。従って、デバイス製造業者は、構築ブロックとしてこれらの構成要素を使用し、ディスプレイの各縁部に沿った行にこれらの構築ブロックの列を配置することによってタッチスクリーンを製造することができる。典型的な配置は、（ａ）２つの隣接するディスプレイ縁部にエミッタ構成要素が配置され、他方の２つの縁部にレシーバ構成要素が配置されているもの、及び（ｂ）全ての４つのディスプレイ縁部に交替エミッタ／レシーバ構成要素が配置され、すなわち、各エミッタが隣接するレシーバを有するものである。明らかに、エミッタ及びレシーバ構成要素は、実質的に同一の形状をしており、同じ行に互いに位置決めすることができる。
光学構成要素４９４は、ＬＥＤ２３７が前方向きの代わりに側方向きであることを除いて、光学構成要素４８８に類似である。図１０５は、光学構成要素４９４から出る平行化光ビーム１００を示している。ピン９８９及び９９０は、プリント回路基板上の光学構成要素４９４を案内する。
光学構成要素４９５は、前から見た時の光学構成要素４８８である。図１０５は、光学構成要素４９５から出る平行化光ビーム１００を示している。
類似の光学構成要素（図示せず）は、スクリーン表面を横切る光ビームを受光するために提供される。これらの構成要素では、エミッタがレシーバで置換され、電子構成要素がレシーバ信号を処理する。このような光学構成要素は、平行化光ビームを受光し、ビームを２つの異なるレシーバに向ける。
図１０６を参照すると、本発明の実施形態により導光体を備えたタッチスクリーンの概略側面図が示されている。図１０６には、ディスプレイ６４２、光学要素４９６、光学要素４９６内のフォトダイオード３９４、光学要素４９７、及び光学要素４９７内のエミッタ２３８が示されている。光学要素４９６及び４９７は、プリント回路基板７６２に接続される。エミッタ２３８は、非平行光ビームを放出し、図１０５に関して上述したように、非平行ビームは、光学要素４９７から出る前に平行化ビームに変換され、又は実質的に平行化ビームである。非平行ビームの別の部分は、図１０５には示されていない隣接するモジュールによって平行化される。光学要素４９７から出たビーム１００は、上方に向けられ、導光体４９８によってディスプレイ６４２の上に反射される。本発明の実施形態において、タッチ場所を決定するための２つの座標系を提供するために３方向に光ビームを屈折させるように、３方向屈折空洞が、光学要素４９８の下面上にエッチング又はそうでなければ形成される。光ビーム１００は、スクリーン６４２の反対側の導光体４９９に入り、ディスプレイ６４２の下で光学要素４９６に反射される。２つの座標系をサポートする実施形態において、３方向屈折空洞は、同様に光学要素４９９の下側に存在する。上述したように、光学要素４９６及びその隣接する光学要素は、示されていないが、入射光ビームをフォトダイオード３９４上に集束させる。本発明の一実施形態において、導光体４９８及び４９９が、ディスプレイ６４２を取り囲むフレームとして構成される。
図１０６のタッチスクリーンでは、光ビームの２つのタイプの再方向付けが起こる。第１の再方向付けは、単一のフォーカスに向けられた複数のファセットを必要とする。第２の再方向付けは、９０度の角度で入射ビームを均一に向け直し、又は構成第４に関して上述したように入射光ビームを狭いウエスト又はフォーカスに折り返す。一部の実施形態において、平行化ビームは、屈折空洞により、第１及び第２の再方向付けの間で３方向に屈折される。
再方向付けの第１のタイプは、エミッタ又はレシーバが多くのファセットの焦点に対して特定の場所に位置することを要求する。従って、エミッタ又はレシーバ及びその反射面の位置決めは、配置の変動に影響を受け易い。従って、エミッタ又はレシーバのアセンブリは、反射ファセットのその対応する表面と共にエラーの低い許容誤差を有する。再方向付けの第２のタイプは、反射を含み、一部の場合には、３方向における均一の屈折は、反射器の位置の変動に対して及び導光体に位置付けられた屈折空洞のパターンに対してロバストである。すなわち、導光体の部分の組み立ては、誤差に対して高い許容誤差を有する。
スクリーン表面の上方で光を反射する導光体は、他のタッチスクリーン構成要素とは別に製造して組み立てることができる。従って、図１０６では、導光体４９８及４９９は、光学要素４９６及び４９７とは離れて示されている。
図１０７を参照すると、本発明の実施形態により各側面に３つの光学構成要素のブロックを備えたタッチスクリーンが示されている。ブロック５００及び５０１は、エミッタであり、ブロック５０２及び５０３は、レシーバである。ブロックは、アクティブエリア９９１を発生させ、スタイラス又は指のｘ−ｙタッチ場所は、検出された塞がれた光に基づいて計算することができる。各ブロックに同じタイプの更に多くの光学構成要素を追加することで、発生されるアクティブエリアを拡大するのに役立つ。
図１０８を参照すると、本発明の実施形態による図１０７のエミッタブロックの１つの拡大図が示されている。図１０８には、スクリーンの１つの縁部からそれぞれの幅広ビーム１６７、１６８、及び１６９を放出する３つのエミッタ２３９、２４０、及び２４１が示されており、それぞれの幅広ビーム１６７、１６８、及び１６９は、それぞれの信号１７０、１７１、及び１７２として読み取られる。信号勾配は、その対角線の方向によって示されている。スクリーンの反対側の縁部で、信号１７０、１７１、及び１７２の各々は、それぞれの光学構成要素によってそれぞれのレシーバに向け直される。スクリーンにタッチする指又はスタイラスのような物体の正確な位置は、以下に説明するようにレシーバの遮られた光の値に基づいて決定される。
タッチスクリーンシステム構成第６
構成第６は、エミッタ又はレシーバをスクリーン縁部に沿って置かれた長くて薄い導光体の１つの終点に結合することにより、低減された数の構成要素を使用する。このような導光体は、「光学タッチパネルのための照明」という名称の米国特許第７，３３３，０９５号明細書に記載されている。
図１０９を参照すると、本発明の実施形態により、向けられた光を検出して検出した光の値を計算ユニット７７０に通信するために、スクリーン上で光を向けるためのスクリーンの第１の縁部に沿った長くて薄い導光体５１４を有し、スクリーンの反対側の縁部に沿って配置された光レシーバ３００のアレイを有するタッチスクリーンの図が示されている。光エミッタ２００は、導光体の両方の終点に結合される。導光体５１４は、タッチスクリーン８００の１つの縁部に沿って位置決めされる。光は、スクリーン縁部に沿って導光体５１４に放出され、反射器５１５によってスクリーン表面の上に向け直される。複数のレシーバ３００が、タッチスクリーン８００の反対側の縁部に沿って置かれ、構成第２及び３に関して上述したように、複数のレシーバがタッチを検出することを可能にする。
図１１０を参照すると、本発明の実施形態によりスクリーンに光ビームを向けるためのスクリーンの第１の縁部に沿った光エミッタ２００のアレイを有し、更に向けられた光ビームを受光し導光体５１４の両終端に置かれた光レシーバ３００に更に向けるための長くて薄い導光体５１４を有するタッチスクリーンが示されている。レシーバ３００で検出された光値は、計算ユニット（図示せず）に通信される。本発明の別の実施形態により、１つの光レシーバ３００だけが、導光体５１４の１つの終点に結合される。導光体５１４は、タッチスクリーン８００の１つの縁部に沿って位置決めされる。複数のエミッタが、タッチスクリーンの反対縁部に沿って置かれ、構成第２及び第３に関して上述したように、複数のエミッタの連続起動に基づいてレシーバ３００にタッチを検出させる。スクリーン表面の上に放出された光は、反射器５１５によって向け直される。光は、スクリーン縁部に沿った導光体５１４に受光され、導光体５１４の長さを通ってレシーバ３００に向けられる。
図１１１を参照すると、本発明の実施形態により各々が長くて薄い導光体５１４の終点に結合された２つの光エミッタ２０１及び２０２が示されている。導光体５１４は、タッチスクリーンの１つの縁部に沿って位置決めされる。光１００は、スクリーン縁部に沿って導光体５１４に放出され、反射器５１５によってスクリーン表面の上に向け直される。複数のレシーバが、タッチスクリーンの反対側の縁部に沿って置かれ、構成第２及び３に関して上述したように、複数のレシーバがタッチを検出することを可能にする。各エミッタ２０１及び２０２は別々に起動され、従って、レシーバは、２つのエミッタの各々からの遮られた光に基づいてタッチを検出する。導光体の長さに沿ったいずれかの定められた位置で放出された光１００の量は、位置とエミッタ間の距離の関数として減少する。従って、各エミッタ２０１及び２０２からの検出された光の異なる量は、構成第２及び３に関して上述したように、タッチの正確な位置を計算するのに使用される。
本発明の実施形態は、構成第２及び３に関して上述したように、図１０９の出射光ビーム１０１又は図９６の入射光ビーム１０２を広範囲に屈折させるために、導光体の外面にマイクロパターン５１６をエッチング又はそうでなければ形成することによって米国特許第７，３３３，０９５号明細書の導光体を改良する。マイクロパターン５１６は、導光体５１４に沿った均一の実質的に平行なグルーブのパターンであり、構成第２に関して上述した扇形パターンよりも単純に形成される。導光体５１４は、導光体５１４の内側に光散乱器ストリップ５１７を含む。マイクロパターン５１６及び光散乱器ストリップ５１７は、図１０９及び１１０に示されている。
タッチスクリーンシステム構成第７
構成第７は、タッチ作動中に追加されたタッチスクリーン上の圧力の検出を可能にする。圧力の検出は、軽いタッチとハードプレスの区別を可能にし、個別の作動をタッチとプレスに関連付けるユーザインタフェースに有用である。例えば、ユーザは、タッチすることによってボタン又はアイコンを選択することができ、プレスすることによってボタン又はアイコンに関連付けられた機能を起動することができる。このようなユーザインタフェースは、「移動コンピュータユニットのためのユーザインタフェース」という名称の本出願人の現在特許出願中の米国特許出願第１２／４８６，０３３号明細書に記載されている。
本発明の一部の実施形態において、タッチ対応デバイスは、ＰＣＢのようなベース平面、ベース平面に固定された導光体フレーム、及び導光体フレームの内側で固定されていないタッチスクリーンを吊るす又は「浮かせる」ためにベース平面に取り付けられた弾性部材を含む。タッチスクリーン上のプレスは、ｚ軸に沿って浮いているタッチスクリーンを歪め、導光体フレームの多くを露出させる。上述したようにスクリーンの上に光を向ける導光体フレーム反射器は、露出によってより多くの光がスクリーンを横切ることができるように形成される。従って、スクリーン上のハードプレスが起こった時に、レシーバの多くは、検出した光における突然の増加を検出する。更に、ハードプレスの検出は、同時に検出されるタッチに応じて条件を付けることができ、従って、周囲光における突然の増加によるハードプレスの誤った検出を防ぐ。下向きの圧力が解除された時に、弾性部材が、導光体フレーム内の元の位置にスクリーンを戻す。
図１１２−１１５を参照すると、本発明の実施形態によるハードプレスの発生を検出するタッチスクリーン８００が示されている。図１１２は、安静位置のタッチスクリーン８００を示しており、スクリーン８００は、プリント回路基板７００上に装着されたフレックス空隙８４３を発生させる弾力性支持部材８４１及び８４２によって支持される。図１１２は、２つの導光体５１８及び５１９を示し、一方は、スクリーン８００上のエミッタ２００からの光１００をレシーバ３００に向けるためにスクリーン８００のいずれかの側にある。各導光体５１８及び５１９の小さい上側部分だけが、スクリーン８００の上方に延びている。レシーバ３００は、検出された光強度を計算ユニット（図示せず）に通信する。
図１１３は、部材８４１及び８４２にフレックス空隙８４３を圧縮及び狭めさせるスクリーン上を押し下げる指９００を示している。この結果、導光体５１８及び５１９のより大きい部分は、スクリーン８００の上方に露出され、従って、（ａ）エミッタ２００からの多くの光１００がスクリーン８００を横断し、レシーバ３００によって検出することができ、かつ（ｂ）より多くの周囲光１０１がレシーバ３００に達することができる。様々な実施形態において、検出された光におけるこれらの増加のいずれか又は両方が、ハードプレスを示すのに使用される。他の実施形態において、印加された下向き圧力の量が、追加の検出光の量に基づいて決定され、従って、ハードタッチとハードではないタッチの判別を可能にする。
一部の実施形態において、導光体フレームは、下向きの圧力がスクリーン８００に印加されなかった場合に弾性部材８４１及び８４２の上方の力を釣り合わせるためにスクリーン８００の縁部の上に延びる図１１４に示す突出リップ５２０及び５２１を含む。弾性部材８４１及び８４２は、取り分け、可撓性装着材料、捩りバネ、弾性ポリマー体、又は油圧サスペンションシステムを含むことができる。図１１５は、単一のＰＣＢ７００上に配置されたエミッタ２００と、計算ユニット７７０に結合されたレシーバ３００と、弾性部材８４１及び８４２とを示している。
他の実施形態において、タッチスクリーンは、フレームに対して移動することができない。しかし、スクリーンは、ハードプレスに応じて幾分伸縮又は曲げることができる。スクリーンの屈曲は、レシーバの多くの検出された光の突然の増加を引き起こし、スクリーン上のハードプレスを示す。上述したように、ハードプレスの検出は、同時に検出されるタッチに応じて条件付けることができ、従って、デバイスへの衝撃に応じたハードプレスの誤った検出を防ぐ。
図１１６及び１１７を参照すると、本発明の実施形態により、固定された７インチＬＣＤスクリーンに圧力が印加された時の検出された光の増加を示す棒グラフが示されている。棒グラフは、ソフトタッチが起こった時（図１１６）及びハードタッチが起こった時（図１１７）のスクリーンの１つの縁部に沿った各エミッタからの検出される光の量を示している。光エミッタ及び光レシーバは、シフト位置合わせされ、それによって各エミッタからの光が２つのレシーバによって検出される。従って、２つの棒が各エミッタに対して示され、２つのレシーバの各々によって検出された光を示す。両方の棒は、光が検出されなかった場合にタッチがＬＥＤ４の反対側のレシーバで検出されたことを示す。棒グラフは、ソフトタッチの場合よりもハードタッチの場合に隣接するエミッタからより多くの光が検出されることを示している。
タッチスクリーンシステム構成第８
構成第８は、スクリーン表面の下に位置する少なくとも１つのカメラをタッチスクリーンに提供し、スクリーン表面及びスクリーン表面にタッチするポインタ又は複数のポインタの画像を取り込む。本発明の一部の実施形態において、スクリーンピクセルは、光センサを含み、その各々は、「スクリーンガラス画像」と本明細書で呼ぶスクリーンガラスの下側の画像のピクセルを発生させる。
以下に説明するように、本発明の実施形態による方法は、空間及び時間フィルタを使用して正確なタッチ座標を決定する。構成第８へのこれらの方法の適用は、タッチ座標に対するサブピクセル精度をもたらす。
タッチ場所の中心のスクリーンガラス画像のピクセルは、一般的に完全に遮られており、すなわち、各このようなピクセルで検出された光のレベルは、指定された閾値よりも下であり、ピクセルがタッチ物体によって塞がれていることを示す。タッチ場所の縁部に沿ったスクリーンガラス画像のピクセルは、一般的に部分的に遮られており、すなわち、各このようなピクセルで検出される光のレベルは、指定された閾値よりも上であり、ピクセルがタッチ物体によって部分的にしか遮られていないことを示す。
スクリーンガラス画像データを受信する計算ユニットは、ピクセルの値によって示されるようなそのピクセルに関連付けられたタッチ検出強度に基づいて、相対的な重みを各ピクセル座標に割り当てる。計算ユニットは、更に、その関連付けられた重みに基づいてピクセル座標を補間し、タッチ座標を決定する。一部の実施形態において、計算ユニットは、周囲を有するタッチエリアを計算し、タッチエリアの縁部は、上述の補間に基づいてサブピクセルレベルで計算される。以下に説明する時間フィルタは、取り分け、一連の接続したタッチが持続時間にわたってグライド移動に連結された時に適用される。
図１１８を参照すると、本発明の実施形態によりスクリーンガラスの下側及びそこに行われたタッチの画像を取り込むためにスクリーンガラスディスプレイ６３５の下に位置決めされた画像センサ８４４の概略図が示されている。取り込まれた画像データは、分析のために計算ユニット７７０に送信される。
図１１９を参照すると、本発明の実施形態によりピクセルに分割されたディスプレイ６３５及び３つのタッチ検出９０６−９０８の概略図が示されている。タッチ検出の各々の縁部がピクセルのそれぞれの部分を覆うことに注意されたい。上述の加重ピクセル座標補間は、タッチ９０６及び９０７に対する座標及びエリア９０７及び９０８の輪郭のようなタッチエリアの輪郭を識別するのに使用される。本発明の一部の実施形態において、補間は、完全に塞がれたピクセルを含む。本発明の他の実施形態において、補間は、部分的に塞がれたピクセルだけを含む。
タッチスクリーンシステム構成第９
構成第９は、タッチスクリーンに対するポインタの３次元位置を決定するための手段をタッチスクリーンに提供する。この構成では、低コストタッチスクリーンは、深度情報を決定するためにカメラを使用する。１つ又はそれよりも多くのカメラが、アクティブタッチエリアの鏡像を取り込むためにタッチスクリーンの側面に装着され、鏡像は、タッチスクリーンの上方のポインタの高さを決定するために処理される。本発明は、光沢のある表面を有する任意のサイズのタッチスクリーン上に具現化することができる。
図１２０を参照すると、本発明の実施形態によりラップトップコンピュータ８４８のヒンジ７７１上に位置決めされてスクリーン６４３を向いているカメラセンサ８４４の概略図が示されている。
図１２１を参照すると、本発明の実施形態によるタッチエリア９９２を見ているカメラ８４４を示す略側面図が示されている。
図１２２を参照すると、本発明の実施形態によるタッチエリア９９２を見ているカメラ８４４を示す略上面図が示されている。図１２２の破線は、カメラ８４４によって取り込まれる空間の容積を示す。
図１２３を参照すると、本発明の実施形態によりカメラ８４４によって取り込まれる画像に基づいてタッチポインタを位置付けるためのタッチエリア９９２を見ているカメラ８４４と、２つの画像軸、すなわち、画像ｘ軸及び画像ｙ軸とを示す概略図が示されている。図１２４を参照すると、本発明の実施形態によりカメラ８４４によって取り込まれる画像に基づいてタッチポインタを位置付けるためのタッチエリア９９２を見ているカメラ８４４と、２つのスクリーン軸、すなわち、スクリーンｘ軸及びスクリーンｙ軸との概略図が示されている。カメラ８４４によって取り込まれる視線に沿ったスクリーン表面は、画像ｙ軸に沿って向けられる。画像ｘ軸は、タッチスクリーン表面の平面に沿った画像ｙ軸に垂直である。これらの軸をスクリーン縁部に平行に延びるスクリーン軸から区別するために、前者の軸は、本明細書では「画像軸」と呼び、後者の軸は、本明細書では「スクリーン軸」と呼ぶ。画像軸に対するタッチ座標は、スクリーン軸座標に変換することができる。
カメラ８４４によって取り込まれる画像は、一般的に、ポインタとタッチスクリーンの表面上のポインタの反射との両方を含む。取り込まれた画像内のポインタ及びその反射の位置に基づいて、ポインタがスクリーン上に又はスクリーンの上方に位置決めされた時でさえもポインタ位置を決定することができる。ポインタがスクリーンにタッチした時に、取り込まれる画像におけるポインタ及びその反射は、図１２９−１３１に示すように互いに接している。ポインタがスクリーンの上方にある時に、取り込まれる画像におけるポインタ及びその反射は、図１３２に示すように互いに離間している。
画像の底縁に沿ったｘ軸及びカメラの視線に沿ったスクリーン表面のｙ軸に対して取り込まれた画像を分析することができることは当業者によって認められるであろう。ポインタがスクリーンにタッチしている時に、ｘ及びｙ軸に沿った取り込まれた画像におけるポインタの場所を投影することによってポインタのｘ及びｙ座標を決定することができる。
ポインタがスクリーンにタッチせずにスクリーンの上方に位置決めされた時に、ポインタのｘ座標は、上述したように、すなわち、ｘ軸に沿って取り込まれた画像におけるポインタの場所を投影することによって決定することができる。ポインタのｙ座標を決定するために、取り込まれた画像におけるポインタと反射されたポインタの場所とを結合する線に沿って適切な位置が選択され、その場所の位置がｙ軸に沿って投影される。一部の場合には、適切な位置は、ポインタと反射されたポインタとの位置を結合する線の中間点である。他の場合に、適切な位置は、カメラがスクリーン表面に対して向けられる方位角に基づいている。
スクリーン表面の上方のポインタの高さは、取り込まれた画像におけるポインタとポインタの反射との間の距離に基づいて決定することができることは当業者によって認められるであろう。
複数のカメラの使用は、手によって覆い隠されている場合があるマルチタッチ情報及びスタイラス情報のような追加の情報を提供する。図１２５及び１２６を参照すると、本発明の実施形態により異なる角度からタッチエリア９９２を各々が取り込む２つのカメラ８４４及び８４５の概略図が示されている。各カメラは、図１２６に示すように画像軸のそれぞれの組を有する。図１２７を参照すると、本発明の実施形態により異なる角度から各々がタッチエリア９９２を取り込む４つのカメラ８４４−８４７の概略図が示されている。
図１２８を参照すると、本発明の実施形態により完全なタッチエリア９９２を見ているカメラ８４４のカメラ視点からの概略図が示されている。図１２８には、カメラ８４４によって取り込まれた画像に対する画像ｘ及びｙ軸が示されている。
図１２９を参照すると、本発明の実施形態により互いに接しているスタイラス９０３とスタイラスの鏡像６４５とを示すタッチエリア９９２の一部分の概略図が示されている。スタイラス９０３の画像ｘ及びｙ座標は、スタイラス９０３の位置を画像ｘ及びｙ軸に投影することによって決定される。投影を補助するために、スタイラス９０３とその鏡像６４５の間の中心線９９６が使用される。
図１３０を参照すると、本発明の実施形態により図１２９に関してタッチエリア９９２の中心に近づいて動いたスタイラス９０３及びスタイラスの鏡像６４５を示す概略図が示されている。スタイラス９０３の画像ｘ及びｙ座標は、スタイラス９０３の位置を画像ｘ及びｙ軸に投影することによって決定される。投影を補助するために、スタイラス９０３とその鏡像６４５の間の中心線９９７が使用される。
図１３１を参照すると、本発明の実施形態により図１２９に関してタッチエリア９９２の底部に近づいて動いたスタイラス９０３及びスタイラスの鏡像６４５を示す概略図が示されている。スタイラス９０３の画像ｘ及びｙ座標は、スタイラス９０３の位置を画像ｘ及びｙ軸に投影することによって決定される。投影を補助するために、スタイラス９０３とその鏡像６４５の間の中心線９９８が使用される。
図１３２を参照すると、本発明の実施形態により互いに離間したスタイラス９０３とスタイラスの鏡像６４５を示す概略図が示されている。スタイラス９０３と鏡像６４５の間の距離は、タッチエリア９９２の上方のスタイラス９０３の高さを決定するために使用することができる。スタイラス９０３と鏡像６４５の間の中心線９９９は、スタイラス９０３の画像ｙ座標を決定するための補助として使用される。
本発明の実施形態により、図１２９−１３２のスタイラス９０３は、先の尖っていないスタイラスである。先の尖っていないスタイラスは、その比較的大きいヘッドが画像処理によって検出し易いので有利である。先の尖っていないスタイラスは、その比較的大きいヘッドが先の尖ったスタイラスよりも光を多く遮るので、構成第２−６において有利である。
図１３３を参照すると、本発明の実施形態により３次元ポインタ位置を決定する方法の簡略な流れ図が示されている。作動１０１１で、スクリーン表面の画像が取り込まれる。画像は、図１２９−１３２に関して上述したように、ポインタとスクリーン表面上のポインタの反射とを含む。作動１０１２で、それぞれの画像のスタイラスの位置に対応する図１２９−１３２のｘ座標に示すように、その軸に沿った画像のポインタの場所に対応する第１のスクリーン軸に沿ったポインタ位置が決定される。作動１０１３で、図１２９−１３２の中心線９９６−９９９に示すように、ポインタとその反射の位置間の中間点を通って延びる線に対応する第２のスクリーン軸に沿ったポインタ位置が決定される。作動１０１４で、スクリーン上方のポインタの高さが、取り込まれた画像におけるポインタとその反射の間の距離に基づいて決定される。
取り分け、スクリーンがカメラを剛的に装着して製造される場合のように、カメラ位置がスクリーンに対して既知又は固定されている時に、画像座標からスクリーン座標への画像対スクリーン変換を決定することができる。取り分け、カメラがユーザによって手動で装着される場合のように、スクリーンに対するカメラの位置が未知である時には、画像対スクリーン変換を決定するために、次に、カメラの向きを決定するための手順が必要である。１つのこのような手順は、既知のスクリーン座標を用いてスクリーン上に一連のタッチアイコンを表示することである。図１３４を参照すると、本発明の実施形態によるカメラ方位を決定するのに使用される６つのタッチアイコン９６５−９７０を表示するタッチエリア９９２の概略図が示されている。カメラ８４４は、タッチ事象を取り込むためにタッチエリアに向けられる。ユーザは、様々なアイコンにタッチするように示されている。一部の実施形態において、各アイコンは、一度に１つ個々に表示されている。ユーザがアイコンにタッチした時に、タッチの画像座標が決定され、アイコンの既知のスクリーン座標に適合される。画像座標とスクリーン座標の連続適合対は、画像対スクリーン変換を決定するのに使用される。本発明の実施形態において、上述したように、ユーザがアイコンにタッチした事象は、ポインタがその反射に接している時に取り込まれた画像から認識される。
構成第２及び第３の作動
以下の説明は、正確なタッチ検出を達成するためのタッチスクリーンの周りの構成第２及び第３に示す光学要素の配置に対する作動の方法に関するものである。これらの方法は、精細タッチポイントを有するペン及びスタイラスサポートに対して有利であり、単指及び多指タッチに対する非常に正確なタッチ場所決定を提供する。
図１３５及び１３６を参照すると、本発明の実施形態によるタッチスクリーンシステムにおけるエミッタレンズ及びレシーバレンズの向かい合う行が示されている。各エミッタ及びレシーバレンズの背後には、対応するそれぞれの光エミッタ２００又は光レシーバ３００が位置決めされる。図１３５に示すように、各エミッタ２００は、エミッタによって放出された光ビームを検出する２つのレシーバ３００の向かい側に位置付けられる。同様に、各レシーバ３００は、２つのエミッタ２００の向かい側に位置付けられ、両方のエミッタから放出された光ビームを受光する。
図１３５は、（Ａ）２つのレシーバ３００に跨がるエミッタ２００からの単一のフルビーム１７３、（Ｂ）２つのレシーバ３００の左のレシーバによって検出される１７４で示されたフルビームの部分、（Ｃ）２つのレシーバ３００の右のレシーバによって検出される１７５で示されたフルビームの部分、（Ｄ）タッチスクリーンを覆う複数のエミッタ２００に対する複数のビーム１７６、及び（Ｅ）タッチスクリーンを覆う複数のエミッタ２００に対する複数のビーム１７７を示している。一般的に、各エミッタ２００は単独で起動される。タッチポイントが複数のビームによって検出される精密タッチ検出を以下に説明する。スクリーン上のポイントが少なくとも１つのビーム１７６及び１つのビーム１７７によって検出されることは、（Ｄ）及び（Ｅ）から認められるであろう。
電力を節約するために、タッチスクリーンがアイドル状態の場合に、ビーム、すなわち、ビーム１７６又はビーム１７７の１つの組だけが、走査掃引で及びエミッタ２００の最少数を有する軸に対してのみ走査される。走査は、ビーム１７６とビーム１７７の間でトグルし、従って、軸に沿った２つの走査掃引は、軸に沿って全てのエミッタ−レシーバ対を起動する。エミッタの大きい数を有する他の軸は、タッチが存在する時に、又は信号が予想されるノイズレベルよりもその基準値から高い時に、又はいずれかの軸に対する基準値の更新が行われる時に走査されるだけである。基準値を以下に詳しく説明する。
図１３６は、（Ａ）左に１５度の角度でレシーバ３０１に光を伝達するエミッタ２０１、（Ｂ）右に１５度の角度でレシーバ３０２に光を伝達するエミッタ２０１、（Ｃ）左に１５度の角度でレシーバ３０２に光を伝達するエミッタ２０２、及び（Ｄ）入射光を屈折させる微細構造を示している。図１３６に示すエミッタレンズ及びレシーバレンズには、（ｉ）エミッタレンズ面に沿った複数の位置から左右の双方向に光を放出するために、かつ（ｉｉ）レシーバレンズ面に沿ったいずれの位置の入射のいずれの角度で受光した光もレシーバによって確実に検出されるように（Ｄ）に示す微細構造が備えられる。
図１３７を参照すると、本発明の実施形態によりタッチスクリーンシステムにおける複数のエミッタ−レシーバ対によってタッチ場所を検出するための技術の概略図が示されている。図１３７には、タッチスクリーン上の各々が幅ｋの２つの光学レシーバレンズ５０８及び５０９の向かい側に位置決めされた幅ｋの光学エミッタレンズ５０６が示されている。スクリーンにタッチしているポインタ９００は、光学エミッタレンズ５０６から放出された光ビームの一部分を遮る。光学エミッタレンズ５０６は、両方の光学レシーバレンズ５０８及び５０９を覆う重なり合うビームを放出する。幅広ビームの広がり角度は、スクリーンの寸法及びｘ軸に沿ったレンズ幅ｋに依存する。別の光学エミッタレンズ５０７も示されており、光学レシーバレンズ５１０の下に要素幅の半分ｍだけずらしてある。
本発明の実施形態により、光学エミッタレンズ５０６の少なくとも１つの表面は、複数の隆起でテクスチャ加工される。各隆起は、２つの向かい合うレシーバレンズ５０８及び５０９に跨がる光のビームを広げる。従って、光学エミッタレンズ５０６の表面に沿った多くのポイントの各々からの光は、両方の向かい合うレシーバレンズ５０８及び５０９に到達し、隣接するレシーバによって検出される光ビームは重なり合う。構成第２では、これらの隆起は、フェザーパターンを形成し、構成第３では、これらの隆起は、管状パターンを形成する。
本発明の実施形態により、隆起は、マイクロレンズを形成し、各々がタッチスクリーン構成に応じて大体０．２−０．５ｍｍのピッチを有する。フェザーパターンの場合に、隆起は、扇形を形成し、そのピッチは、隆起が内側に向けて進んで互いに近くになる時に狭くなる。管状パターンの場合に、各マイクロレンズのピッチは、マイクロレンズの長さに沿って一定のままである。
各レシーバレンズ５０８及び５０９の少なくとも一方の表面は、レシーバレンズ面に沿った多くのポイントの各々に到着する光の少なくとも一部分がレシーバフォトダイオードに達するように類似の表面をしている。
本発明の実施形態により、出力ｘ及びｙ座標は、時間的及び空間的にフィルタリングされる。以下の説明は、ｘ座標の決定に関し、同じ方法がｙ座標の決定に適用されることは当業者によって認められるであろう。
構成第２及び３は、タッチ場所が少なくとも２つのエミッタ−レシーバ対によって検出されることを示している。図１３７は、ｘ軸に沿って物体９００のタッチ場所を検出する２つのこのようなエミッタ−レシーバ対５０６−５０８及び５０６−５０９を示している。図１３７には、ビーム５０６−５０８がビーム１７８によって示され、ビーム５０６−５０９がビーム１７９によって示されている。図１３７は、３つの検出エリア、すなわち、（ｉ）右に傾斜した線で満たされた楔として示されたエミッタ−レシーバ対５０６−５０８によって検出されるスクリーンエリア、（ｉｉ）左に傾斜した線の楔として示されたエミッタ−レシーバ５０６−５０９によって検出されるスクリーンエリア、及び（ｉｉｉ）斜線が交差したパターンの楔として示された両方のエミッタ−レシーバ対５０６−５０８及び５０６−５０９によって検出されるスクリーンエリアを示している。この第３のスクリーンエリアの左と右の境界は、線Ｘ1及びＸ2それぞれとして示されている。
物体９００のタッチ場所（Ｘp、Ｙp）のｘ座標Ｘpを決定するために、ｙ軸に沿った全てのエミッタ−レシーバ対内で最大タッチ検出信号を有するエミッタ−レシーバ対のｙ軸に沿った位置に対応する初期ｙ座標Ｙinitialが決定される。図１３７では、このエミッタ−レシーバ対は５０７−５１０である。図１３７のＸ1及びＸ2で示された線は、これらが位置（Ｘa、Ｙinitial）及び（Ｘb、Ｙinitial）で線ｙ＝Ｙinitialに交差するまで横断される。座標Ｘa及びＸbが図１３７に示されている。次に、物体９００のｘ座標は、加重平均値を使用して判断される。
Ｘp＝（ＷaＸa＋ＷbＸb）／（Ｗa＋Ｗb） （２）
ここで、重みＷa及びＷbは、ビーム１７８及びビーム１７９に対するそれぞれの正規化信号差である。使用される信号差は、ベースライン又は予想の光値と実際に検出された光値との差である。このような差は、物体がスクリーンにタッチして予想される光の一部分を遮っていることを示す。エミッタの行の近くで発生するタッチの検出信号は、図１４３−１５０に関して以下に説明するように、レシーバの行の近くで発生するタッチとは異なるので、重みＷa及びＷbは正規化される。タッチスクリーン設計は、物体がビームの長さに沿った様々な部分でビームに交差した時の異なる信号強度及び減衰パターンを判断するために試験される。異なるシナリオ、例えば、ビームのエミッタの近くの物体のシナリオ、ビームのレシーバの近くの物体のシナリオ、及びスクリーンの中央の物体のシナリオが試験される。タッチが検出された時に、検出レシーバの検出パターンは、適切なシナリオを選択するために分析され、選択されたシナリオに従って信号が正規化される。重みの較正及び更に別の正規化について以下に説明する。類似の加重平均値は、ｙ座標Ｙpを決定するのに使用される。
ポインタ９００が２つよりも多いエミッタ−レシーバ対によって検出される場合に、上述の加重平均値は、次式に一般化される。
Ｘp＝Σ（Ｗn／Ｘn）／（ΣＷn） （３）
従って、重みＷnは、正規化された信号差であり、Ｘnは、重み位置である。
本発明の一実施形態において、ポインタ９００が小さい物体である場合に、最も大きい信号差が、位置を計算するために２つの最も近い信号と共に使用される。これは、小さい物体に対する信号差が小さいという事実を補償し、従って、ノイズが主要な誤り要因になる。２つの最も近い信号の使用はノイズによる誤りを低減する。本発明の別の実施系他では、２つの最も大きい信号差だけが使用される。
図１３８を参照すると、本発明の実施形態による図１３５及び１３６の構成のための導光体フレームの図が示されている。図１３８には、光学エミッタレンズ５１１及び光学レシーバレンズ５１２を備えた導光体フレームの４つの縁部が示されている。フレームの内縁がビーム１８２によって完全に覆われないことに注意されたい。従って、本発明の一部の実施形態において、破線の矩形によって示される内側タッチエリア９９３だけが使用される。
信号ノイズによる誤りを低減するために、上述したように決定された空間的にフィルタリングされた現在の座標値及び以前の座標値を使用して、最終座標が時間フィルタの出力として決定される。現在のｘ座標に与えられるフィルタ重みが高い程、出力はその値に近づき、フィルタの影響は少なくなる。一般的に、両方の座標値に対して実質的に等しい重みの使用は、強力なフィルタをもたらす。本発明の一実施形態において、時間フィルタはローパスフィルタであるが、他のフィルタも本発明によって意図される。本発明の実施形態により、異なる事前に指定されたフィルタ重み係数を異なるケースで使用することができる。代替の実施形態において、フィルタ重み係数は、必要に応じて計算される。
適切なフィルタ係数の選択は、走査周波数、タッチ物体がスクリーンの上を動く速度、物体の動きが直線に沿っているか否か、及びタッチ物体のサイズに基づいている。
一般的に、走査周波数が高い程、現在の座標値は、以前の座標値の近くにあり、より強力なフィルタが使用される。走査周波数は、物体の動きの速度及び方向を推定するのに使用される。走査周波数に基づいて、閾値距離が２つの入力値に割り当てられ、閾値は高速移動を示す。現在と以前の座標値の差が閾値距離よりも大きい場合に、出力座標が実際のタッチ場所のかなり背後に遅れないように、より弱いフィルタが使用される。以下のフィルタ：
ｏｕｔｐｕｔ＿ｖａｌ＝１／１０＊ｐｒｅｖｉｏｕｓ＿ｖａｌ＋９／１０＊ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｖａｌ （４）
が、この場合に良い結果を提供することが実験によって見出されている。更に、以下に説明するラグ値は、この場合に出力値に等しくリセットされる。
現在と以前の座標値の間の差が閾値距離よりも小さい場合に、ラグ値が決定される。ラグ値は、軸に沿った速度及び方向を示す。以下の値：
ｌａｇ＝５／６＊ｌａｇ＋１／６＊ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｖａｌ （５）
が、この場合によい結果を提供することが実験によって見出されている。フィルタ重み係数は、ラグ値と現在の座標値の間の差に基づいて選択される。一般的に、高速の動き又は方向における突然の変化のいずれかを示すこの差が大きい程、フィルタは弱い。
例えば、タッチ物体が静止している場合に、ラグ値は、最終的に現在の座標値に近似的に等しくなる。このような場合に、信号ノイズは、空間的に計算されたタッチ場所における小さい差を生じる場合があり、厄介なジッタ効果を起こす場合があり、すなわち、タッチスクリーンが物体ジッタを表示することになる。強力な時間フィルタの使用は、このようなジッタをかなり弱める。
タッチ物体が速く動くか又は方向を突然変えた場合に、強力な時間フィルタは、実際のタッチ場所と表示されたタッチ場所との間の知覚することができるラグを生じる場合がある。スタイラスで書き込んでいる人の場合に、書かれる線は、スタイラスから遅れる場合がある。このような場合に、弱い時間フィルタの使用がこのような遅れを軽減する。
スクリーンにタッチしている指又は他の先端が円い物体のように、タッチ物体が比較的大きいスクリーンエリアを覆う時に、実際の指の動きと表示された動きのトレースとの間のラグは、指がラグのエリアを覆っているのでより知覚できなくなる。このような場合に、異なる時間フィルタが使用される。
使用される物体のタイプ、すなわち、指対スタイラスは、予想されるユーザ挙動を知ることによって推測することができ、例えば、指のタッチに対して意図されたユーザインタフェースは、指が使用されることを仮定する。物体のタイプは、物体によって作られた影のエリアによって推測することができる。影になったエミッタ信号に基づいて決定されたタッチエリアのサイズは、従って、時間フィルタ重み係数を選択する場合に使用されるファクタである。
図１３９を参照すると、本発明の実施形態による光ベースのタッチスクリーンのためのタッチ検出の方法の簡略な流れ図が示されている。作動１０２１で、現在の座標値が、複数のエミッタ−レシーバ対からの信号を処理する空間フィルタに基づいて受光される。閾値距離が、走査周波数に基づいて提供される。作動１０２２で、現在の座標値と以前の座標値の間の差が、閾値距離と比較される。差が閾値距離よりも小さいか又は等しい場合に、作動１０２３で新しいラグ値が式（５）のように計算される。作動１０２４で、時間フィルタ重み係数が、現在の座標値とラグ値の間の差に基づいて決定される。作動１０２５で、時間フィルタが、式（４）のように出力座標値を計算するために適用される。
作動１０２２で、現在の座標値と以前の座標値の間の差が閾値距離よりも大きい場合に、弱いフィルタ重み係数が作動１０２６で選択される。作動１０２７で、時間フィルタが、式（４）のように出力座標値を計算するために適用される。作動１０２８で、ラグ値が出力座標値に設定される。
本発明の実施形態は、２つのタッチがタッチスクリーンの２つのコーナで同時に発生するマルチタッチ作動を検出する方法及び装置を提供する。このようなマルチタッチの例は、ユーザがスクリーン８００上に２つの指９００を置いて軸の周りで指を回転させる図１４０−１４２に示されている回転動作である。図８及び９に関して上述したように、上部左及び底部右タッチと底部左及び上部右タッチを光ベースのシステムが区別するのは困難である。シフト位置合わせされたエミッタ及びレシーバの使用により、以下に説明するようにこのような区別が可能になる。
本発明の実施形態により、第１の軸に沿ったレシーバからのデータが、２つの軸に沿ったタッチ場所を決定するのに使用される。図１４３−１４６を参照すると、タッチスクリーン上の様々な位置の指９００のタッチ事象が示されており、対応する図１４７−１５０は、本発明の実施形態によるタッチ事象中の光飽和のそれぞれの棒グラフを示している。図１４３は、２つのエミッタの間でエミッタの行の近くに位置するタッチを示している。図１４４は、レシーバを遮るレシーバの行の近くに位置するタッチを示している。図１４５は、エミッタを遮るエミッタの行の近くに位置するタッチを示している。図１４６は、２つのレシーバの間のレシーバの行の近くに位置するタッチを示している。
図１４７−１５０の各々は、２つの棒グラフ、すなわち、ｘ軸に沿ったレシーバの光飽和を示す上部グラフ、及びｙ軸に沿ったレシーバの光飽和を示す底部グラフを含む。レシーバの各行は、エミッタの向かい合う行にシフト位置合わせされる。従って、各エミッタは２つのレシーバによって検出される。相応に、図１４７−１５０は、各エミッタに対する２つの棒を１つのレシーバに対して１つの棒で示している。
図１４７−１５０は、４つの異なる検出パターンを示している。図１４７は、２つのそれぞれのエミッタから主に１つのレシーバによって検出される光の不在を示している。光の不在は中程度である。図１４８は、その２つのそれぞれのエミッタから主に１つのレシーバによって検出される光の不在を示している。光の不在は大きい。図１４９は、遮られたエミッタからの予想される光の大きい不在を検出する２つの隣接するレシーバを示している。両方のレシーバは、隣接する要素からの何らかの光を検出する。図１５０は、遮られたエミッタからの予想される光の中程度の不在を検出する２つの隣接するレシーバを示している。両方のレシーバは、隣接するエミッタから何らかの光を検出する。表ＩＩＩは、これらの異なるパターンを要約している。
（表ＩＩＩ）
本発明の実施形態により、マルチタッチの位置の決定は、表ＩＩＩに示されたパターンに基づいている。従って、図１４１に関して、レシーバの２つの行に沿った４つの検出ポイントが示されている。検出Ｄ１−Ｄ４は、スクリーンの上部右及び底部左コーナのタッチポイント９７１を検出する。各ポイントの検出パターンが、タイプ１又は３又はタイプ２又は４か否かに基づいて、検出パターンは、対応するタッチがエミッタに近いか又はレシーバに近いかを判断する。各タッチは、２つの独立したインジケータ、すなわち、Ｘ軸検出器及びＹ軸検出器を有する。従って、図１４１の検出ポイント９７１に対して、検出Ｄ１及びＤ３は、タイプ２又は４であり、検出Ｄ２及びＤ４は、タイプ１又は３である。対照的に、図１４２の検出ポイント９７１に対して、検出Ｄ２及びＤ４は、タイプ２又は４であり、検出Ｄ１及びＤ３は、タイプ１又は３である。
独立した検出ポイントの評価に加えて、様々な検出パターンを格付けし、どのタッチポイントがエミッタ又はレシーバに近いかを判断することができる。
更に、回転動作がタッチポイント９７１からタッチポイント９７２に実行された時に、検出の移動は、動作がエミッタから離れてレシーバに向けてグライドしたか又はその逆も同様に判別する。特に、その後の検出が比較され、判別は、各検出パターンがタイプ１又は３に似るようになるか又はタイプ２又は４に似るようになるか否かに基づいている。
図１５１を参照すると、本発明の実施形態により、はす向かいの同時のタッチの位置を決定するための簡略な流れ図が示されている。作動１０３１で、図１４１及び１４２に示されているｘ座標Ｄ１及びＤ２及びｙ座標Ｄ３及びＤ４のような２つのｘ座標及び２つのｙ座標が検出される。作動１０３２で、検出されたｘ座標が表Ｉに列挙されたもの中から検出のパターンを識別するために分析される。作動１０３３で、検出されたｘ座標は、作動１０３２で検出されたパターンに基づいて及び表ＩＩＩの「タッチ場所」列に基づいて、指定されたスクリーン縁部の近く又は遠くで発生したタッチに従って格付けされる。ｙ座標は、指定された縁部からの距離を表している。作動１０３４で、各格付けされたｘ座標は、対応するｙ座標と対にされる。作動１０３５−１０３７は、ｘ座標に対して実行された作動１０３２−１０３４と同様にｙ座標に対して実行される。作動１０３８で、結果の２組が比較される。
図１５２を参照すると、本発明の実施形態による時計回り及び反時計回りの動作を判別する方法の簡略な流れ図が示されている。作動１０４１で、２つのグライド動作がｘ軸に沿って検出される。各グライド動作は、一連の連続したタッチ場所として検出される。従って、図１４１及び１４２に関して、第１のグライド動作は、ｘ座標Ｄ１で始まった連続した一連のタッチ場所として検出され、第２の同時グライド動作は、ｘ座標２Ｄ２で始まった連続した一連のタッチ場所として検出される。作動１０４２で、ｘグライド検出は、表ＩＩＩに列挙されたパターンの中から各列で発生した検出のタイプを決定するために分析される。
作動１０４３で、ｘグライド検出は、作動１０４２で決定された検出のパターンに基づいて及び表ＩＩＩの「タッチ場所」列に基づいて、指定されたスクリーン縁部の近く又は遠くで発生したタッチに従って格付けされる。作動１０４３は、時間間隔にわたる一連の連続したタッチ検出に関連するものである。各連続は、一般的に、グライドが指定された縁部の近く又は遠くであるか否かに応じて、表ＩＩＩに列挙されたパターン１及び３、又はパターン２及び４のタッチ検出を含む。グライドを含む個々の検出を分析することに加えて、一連のタッチ検出は、グライドが経時的な検出の強度の比較に基づいて指定された縁部の近く又は遠くに動いたか否かを判断するために分析される。例えば、複数のパターン１検出を有する検出の１つの連続では、遮られた光の量が時間と共に増加する場合に、グライドは、レシーバに向けて動いており、そうでなければグライドは、エミッタに向けて動いていると推測される。
ｙ座標は、エミッタの縁部のような指定された縁部からの距離を表している。作動１０４４で、各格付けされたｘ軸グライドは、対応するｙ軸グライドと対にされる。作動１０４５−１０４７は、ｘ軸グライドのために実行される作動１０４２−１０４４と同様にｙ軸グライドのために実行される。作動１０４８で、２つの結果の組が比較される。ステップ１０４９で、回転動作が時計周り又は反時計周りか否かに関する判別が行われる。
図５４及び７０は、エミッタ及びレシーバの配置を示しており、各ビームの右及び左半分は、図６１及び７３に示すように隣接するビームに重なり合う。３つのビーム、すなわち、ビーム１６７、１６８、及び１６９がこれらの図に示されている。ビーム１６７の左半分は、ビーム１６８の右半分に重なり、ビーム１６７の右半分は、ビーム１６９の左半分に重なっている。従って、ビーム１６７内のいずれの位置のタッチも、２つのビームによって検出される。２つの検出ビームは、図面の光検出エリア９１０−９１２に示すようにビームの幅に沿って異なる検出勾配を有する。
光減衰の勾配は、ビームの幅にわたって実質的に線形である。従って、異なる検出信号の加重平均値が、上述の式（２）及び（３）を使用して１つの軸に沿った位置を計算するのに使用される。式（２）は、サンプルの数ｎに拡張される。例えば、ビームａの中心での指がビームａの予想信号の４０％を遮り、ビームｂの予想信号を全く遮らない場合に、Ｗａ及びＷｂは、それぞれ０．４及び０であり、位置Ｘｐは、次式として計算される。
Ｘp＝（０．４*Ｘa＋０*Ｘb）／（０．４＋０）＝Ｘa
Ｘpの同じ値が、指よりも狭いためにビームａの予想信号の２０％しか遮らないスクリーン位置のスタイラスに対して得られる。
同様に、ビームａ及びｂの中心の間の指が両方のビームからの予想される光の類似の量、例えば、３０％を遮る場合に、Ｘpは、次式として計算される。
Ｘp＝（０．３*Ｘa＋０．３*Ｘb）／（０．３＋０．３）＝１／２（Ｘa＋Ｘb）
これは、ＸaとＸbの間の中間点である。
位置合わせされたエミッタ及びレシーバのシステムにおける位置計算は、シフト位置合わせされたエミッタ及びレシーバのシステムにおける位置計算とはいくつかの態様で異なる。位置合わせされたエミッタ及びレシーバのシステムでは、ビームがタッチ場所を指定するのに使用される座標系に位置合わせされる。この場合に、タッチ場所は、第２の軸に沿ったタッチ場所に関係なく第１の軸に沿って計算される。対照的に、シフト位置合わせされたシステムでは、１次ビーム座標、例えば、ビームａに対するＸaが、第２の軸上の仮定されたタッチ座標、Ｙinitialに基づいて決定される。
更に、位置合わせされたエミッタ及びレシーバのシステムでは、ビームに交差する物体によって発生された減衰及び信号強度パターンが、ビームの長さに沿った全ての位置で実質的に同じである。図６７及び９７に関して上述したように、物体がビームの幅にわたって動いた場合に、物体は、ビームのエミッタ、検出器、又はスクリーン中央の近くでビームに交差したか否かにかかわらず、実質的に類似の信号パターンを発生させる。従って、検出パターンに基づく重みＷa、Ｗb、．．．、Ｗnの初期正規化がシフト位置合わせシステムでは必要であり、位置合わせシステムでは必要ない。
光を遮る物体が、図６１及び７３のビーム１６７のようなビームの中央に置かれた場合に、隣接するビームの一部分が遮られる。例えば、ビーム１６７の４０％が遮られ、ビーム１６８の５％が遮られる。しかし、信号は、ランダムノイズ及び信号の変動を説明する場合がある交替ファセットによっても起こるノイズのその両方を含む。タッチが事実上ビーム１６７の中心にあるか又は中心から僅かにずれているかを判断するための技術が要求される。
本発明の実施形態により、各信号の複数のサンプルが取られ、信号ノイズを取り除くために結合される。更に、隣接するビーム１６８及び１６９は、全ての３つの信号が中間信号の中心近くでタッチを検出する図６３及び９６に示すように、そのそれぞれの光学要素によってビーム１６７の中心近くで重なり合うように構成される。主検出信号が１つのビームに集中する場合に、両方の左及び右の隣接するビームからの検出信号は、タッチ場所計算を微調節するのに使用される。具体的には、隣接ビーム１６８及び１６９のフィルタリングされた信号が、ビーム１６７の中心からのオフセットを決定するのに使用される。
２組の軸に沿って光ビームを生成する３方向レンズを備えた光学要素を有する実施形態において、第２の軸システム上の位置を決定するために対角検出ビームに類似の計算が行われる。上述したように、タッチ物体は、典型的に、直交信号よりも大きい対角信号の部分を遮る。
シフト位置合わせされたエミッタ−レシーバ構成に関して上述した空間及び時間フィルタは、位置合わせされたエミッタ−レシーバ構成にも同様に適用される。
タッチスクリーン構成要素の較正
図１５３を参照すると、本発明の実施形態による光ベースのタッチスクリーンのための較正及びタッチ検出の方法の簡略な流れ図が示されている。一般的に、各エミッタ／レシーバ対信号は、機械的及び構成要素の耐性によって他の対の信号とは極めて異なる。全ての信号レベルが許容可能なＳＮ比を有する事前に指定された範囲になるように、個々のエミッタ及びレシーバの較正が実行される。
本発明の実施形態により、較正は、（ｉ）パルス持続時間及び（ｉｉ）パルス強度、すなわち、エミッタ電流を個々に設定することによって行われる。電力消費の理由で、大電流及び短パルス持続時間が好ましい。信号が事前に指定された範囲の下である場合に、パルス持続時間及び／又はパルス強度が増す。信号が事前に指定された範囲の上である場合に、パルス持続時間及び／又はパルス強度は減少する。
図１５３に示すように、較正（作動１０５１）は、ブートアップ（作動１０５０）で行われ、信号が事前に指定された範囲の外側で検出された時（作動１０５５）に実行される。較正は、タッチが検出されなかった時（作動１０５３）にのみ実行され、同じ軸上の全ての信号が安定している時（作動１０５４）、すなわち、信号差は、持続時間にわたってノイズレベル内にある。
各エミッタ／レシーバ対に対する基準信号値は、タッチを認識し、近くのタッチ座標の加重平均値をコンピュータ計算するための比較の基礎として使用される。エミッタ／レシーバ対に対する基準信号値は、正常な信号レベルである。基準信号値は、ブートアップ時に集められ、周囲光の変化又は機械的な変化のような変化が検出された時に更新される。一般的に、図１５３に示すように、基準信号値は、信号が安定している時（作動１０５４）、すなわち、信号変動が経時的にサンプルの何らかの数Ｎにわたって予想範囲にある時に更新される（作動１０５６）。
スクリーンのタッチエリアの内側のタッチは、スクリーン表面を僅かに屈曲させることがあり、これは、タッチエリアの外側のフォトダイオードの検出信号値に影響を与える反射を引き起こす。このような屈曲は、スタイラスのようなタッチ物体が細く先端が尖っている場合により顕著である。このような屈曲を考慮に入れるために、タッチが検出された時（作動１０５３）、タッチエリアの外側の全ての安定信号（作動１０５８）は、基準更新を受ける（作動１０５９）。タッチが存在せずに全ての信号が安定している（作動１０５４）が、軸に沿った信号が予想ノイズレベル以上に基準値とは異なる（作動１０５５）場合に、エミッタが較正される（作動１０５１）。基準値の再較正及び更新は、スクリーンフレームの屈曲又は捩れによる機械的な応力による信号値のような一時的な信号値の影響を防ぐために、安定した信号を必要とする。
ノイズによる誤りを更に防ぐために、エミッタ／レシーバ対の結果が予想ノイズレベルよりも前の結果とは異なる場合に新しい測定が実行され、最良適合を得るために両方の結果が前の結果と比較される。最終値が予想ノイズレベル内である場合に、カウンタが増分される。そうでなければカウンタはクリアされる。基準値を更新する場合及び再較正する時に、信号が安定又は不安定であるかを判断するために引き続きカウンタが使用される。
各完全な走査の後で、信号は、そのそれぞれの基準値によって正規化される。正規化された信号がタッチ閾値の下ではない場合に、基準値の再較正又は更新が必要であるか否かの検査が行われる。正規化された信号がタッチ閾値よりも下である場合に、タッチが検出される（作動１０５３）。
突然の障害による偽警報タッチ検出の危険性を低減するために、指が最初にスクリーンにタッチした時のようなスクリーンとの接触の初期ポイントを検出するための閾値は、スクリーンにタッチしている間のスクリーンに沿った指のグライドのような接触のポイントの移動を検出するための閾値よりも厳密である。すなわち、スクリーン表面に沿った物体の移動を検出するのに必要な差に比べて、初期タッチを検出するためには高い信号差が必要である。更に、初期接触は、タッチが有効であること及びタッチの位置が実質的に同じ位置に留まっていることを再走査が確認するまで保留として処理される。
タッチ物体のサイズを決定するために（作動１０５７）、遮られた信号の範囲及びその振幅が測定される。大きい物体に対しては、大きい物体のタッチが、実際にスクリーンにタッチする前に物体がスクリーンに近づいた時に一般的に検出されるので、タッチが安定するまでスクリーンとの接触の初期ポイントを検出するための待ち時間が存在する。更に、大きい物体がタッチエリアに垂直でない方向からスクリーンに近づいた時に、次の位置は、第１の接触位置から僅かに移動している。
しかし、ペン又はスタイラスのような小さい接触エリアを有する物体は、典型的には、意図されたスクリーン位置に直接に置かれる。従って、本発明の一部の実施形態において、精細物体の初期接触を検出するための待ち時間は、短縮されるか又は完全に省略される。
タッチスクリーンを備えたデバイスがポーチ又はポケットに収納されている時の一定のタッチの検出を防ぐために、タッチを発生させる物体のサイズを制限することが有利であることが見出されている。
作動１０５３では、有効タッチを表す信号と機械的な影響から発生する信号とを区別することも必要である。これに関して、図１５４を参照すると、本発明の実施形態により、タッチによって発生した信号と機械的影響によって生じた信号との差を示す図が示されている。図１５４の４つのグラフの各々は、１つのスクリーン軸に沿った走査中の検出ビーム１−１０を示している。図１５４から分るように、信号勾配が、有効タッチと機械的影響とを区別する。
図１５５を参照すると、本発明の実施形態により光ベースのタッチスクリーンを較正する時にパルス強度を設定するための制御回路図が示されている。図１５６を参照すると、本発明の実施形態により光ベースのタッチスクリーンを較正するための最小電流から最大電流にわたるパルス強度に対する較正パルスのプロットが示されている。図１５６は、６つの異なるパルス持続時間（パルス時間１−パルス時間６）に対するプロット及び各プロットに対する１６のパルス強度レベル（１−１６）を示している。
図１５５の制御回路は、それぞれの可変抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４を備えた４つのトランジスタを含む。抵抗器の値は、信号レベルを制御し、その値の間の比は、図１５５に示すパルス曲線の勾配を制御する。
図１５７を参照すると、本発明の実施形態により光ベースのタッチスクリーンを較正するための簡略なパルス図と対応する出力信号のグラフとが示されている。簡略なパルス図は、図１５７の左に示され、タッチスクリーンを較正する時に制御回路によって管理される異なるパルス持続時間ｔ0、．．．、ｔnを示している。図１５７に示すように、パルスの持続時間を制御するために複数のステップが使用され、パルス電流を制御するために複数のステップが使用される。対応する出力信号グラフが、図１５７の右に示されている。
図１５７に示すように、異なるパルス持続時間は、異なる立ち上がり時間及び異なる振幅をもたらす。信号ピークは、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）サンプラが、そのサンプル及び保持回路を閉じた時間の近くで起こる。最大出力信号を取得するために、エミッタパルス持続時間は、Ａ／Ｄサンプリング窓の終わり又は終わりの近くで終了するように制御される。Ａ／Ｄサンプリング時間が固定されているので、Ａ／Ｄサンプリングの開始とパルス起動期間中のタイミングｔdとは、重要なファクタである。
タッチスクリーン構成要素のアセンブリ
上述したように、光ベースのタッチスクリーンに対して適切な精度を達成するために、それぞれの光エミッタ及び光レシーバに集束する光学ガイドを位置合わせする時に最小の許容誤差が要求される。小さいミスアラインメントが、光ビームを変化させることによってタッチ検出の精度を深刻に劣化させる可能性がある。表面に装着されるレシーバ及びトランスミッタをそれぞれの導光体に適切に位置合わせされるように正確に配置することは困難である。
この難しさのために、本発明の実施形態において、導光体及びトランスミッタ又はレシーバは、図１０５−１０８に関して上述したように、単一のモジュール又は光学要素に結合される。
一部の事例では、例えば、標準的なエミッタ及びレシーバ構成要素を使用するためにエミッタ又はレシーバを光学要素に結合しないことが有利であることがある。このような事例では、構成要素の精密配置が重要である。
本発明の一部の実施形態において、フェザーパターンを含む光学レンズは、スクリーンにわたって適合するフレームの一部である。図３７は、ＬＥＤ２００から分離しているこのようなフレーム４５５の断面図を示している。
図１５８を参照すると、本発明の実施形態により、基板、取り分け、プリント回路基板又は光学構成要素上へのエミッタ又はレシーバのような構成要素の位置決めの精度を上げるために毛管効果がどのように使用されるかが示されている。図１５８には、光学構成要素又は一時的ガイド５１３に位置合わせされることになるエミッタ又はレシーバ３９８が示されている。光学構成要素又は一時的ガイド５１３は、ガイドピン７６４によってプリント回路基板７６３に固定される。半田パッド７６５が、構成要素半田パッド７６６からオフセットして置かれる。プリント回路基板７６３は、次に、半田付けのために加熱オーブンに挿入される。
図１５９を参照すると、本発明の実施形態により加熱オーブンを通過した後の図１５８のプリント回路基板７６３が示されている。図１５９に示すように、構成要素３９８は、光学構成要素又は一時的ガイド５１３のノッチ及び空洞７６９によって案内されて半田の毛管効果によって所定位置に吸い込まれる。一時的ガイドが使用される場合に、これは、次の半田付けのために再使用することができる。
図１５８及び１５９に関して説明した処理は、電子デバイスの大量生産における使用に適している。
光ベースのタッチスクリーンのためのＡＳＩＣコントローラ
本発明の態様は、一連のエミッタ及び検出器に対して走査プログラムを実行する新しい光ベースのタッチスクリーンＡＳＩＣコントローラのためのプログラマブル状態機械の設計及び使用に関するものである。走査プログラムは、走査シーケンス、電流レベル、及びパルス幅を決定する。コントローラは、ＬＥＤ電流制御のための集積ＬＥＤドライバ、光検出器電流測定のための集積レシーバドライバ、及びシリアル周辺インタフェース（ＳＰＩ）のような標準的なバスインタフェースを使用してコントローラとホストプロセッサ間の通信を可能にするための集積Ａ／Ｄコンバータを含む。
本発明によると、プログラムは、例えばＳＰＩを通してコントローラ上にロードされる。その後、走査実行が、ホストプロセッサとは独立して行われ、全体的なシステム電力消費を最適化する。走査データが準備できた時に、コントローラは、ＩＮＴピンを通してホストプロセッサに割り込みを出す。
図１６０を参照すると、本発明の実施形態による光ベースのタッチスクリーン８００及びそのＡＳＩＣコントローラの概略図が示されている。
図１６１を参照すると、本発明の実施形態による光ベースのタッチスクリーンのコントローラのためのチップパッケージ７３１の回路図が示されている。
図１６１に示すように、チップパッケージ７３１は、チップパッケージの外側にある複数の光エミッタ２００を選択的に起動するためのエミッタドライバ回路７４０、及び光エミッタ２００をエミッタドライバ回路７４０に接続するための信号伝導ピン７３２を含む。エミッタドライバ回路７４０は、その内容がこれにより引用によって本明細書に組み込まれる２００９年２月１５日出願の「光ベースのタッチスクリーン」という名称の本出願人の現在特許出願中の特許出願である米国特許出願出願番号第１２／３７１，６０９号明細書に記載されている。取り分け、２００９年７月３０日に米国特許公開第２００９／０１８９８７８ Ａ１号明細書に公開されたこの出願の段落［００７３］、段落［００８７］−［００９１］、及び図１１を参照されたい。
エミッタドライバ回路７４０は、プログラマブル電流ソースを通して各エミッタ−検出器対のための個々の光エミッタパルス持続時間及びパルス電流を構成するための回路７４２を含む。回路７４２は、その内容がこれにより引用によって本明細書に組み込まれる２０１１年３月２１日出願の「シフト位置合わせされたエミッタ及びレシーバレンズを備えた光ベースのタッチスクリーン」という名称の本出願人の現在特許出願中の特許出願である米国特許出願出願番号第１３／０５２，５１１号明細書に記載されている。取り分け、２０１１年７月７日に米国特許公開第２０１１／０１６３９９８号明細書に公開されたこの出願の段落［０３４３］−［０３５８］及び図９９−１０１を参照されたい。
チップパッケージ７３１は、チップパッケージの外側の複数の光検出器３００を選択的に起動するための検出器ドライバ回路７５０、及び光検出器３００を検出器ドライバ回路７５０に接続するための信号伝導ピン７３３を含む。検出器ドライバ回路７５０は、連続フィードバック帯域通過フィルタを実行することによって光検出器３００から受け入れた電流をフィルタリングするための回路７５５、及び帯域通過フィルタリングされた電流をデジタル化するための回路７５６を含む。回路７５５は、取り分け、上記に引用された米国特許公開第２００９／０１８９８７８ Ａ１号明細書の段落［００７６］、段落［１０７］−［０１６３］、及び図１４−２３Ｂに記載されている。チップパッケージ７３１は、光検出器３００で検出された光の測定量を表す検出信号を発生させるための検出器信号処理回路７５３を含む。
チップパッケージ７３１は、ホストプロセッサ７７２と通信するためのＩ／Ｏピン７３６を更に含む。チップパッケージ７３１は、エミッタドライバ回路７４０及び検出器ドライバ回路７５０を制御するためのコントローラ回路７５９を更に含む。コントローラ回路７５９は、シリアル周辺インタフェース（ＳＰＩ）７７５のためのバス規格を使用してホストプロセッサ７７２と通信する。チップパッケージ７３１は、光ベースのタッチスクリーンのための少なくとも１つの追加のコントローラ７７４とのコントローラ回路７５９の作動を調節するためのチップ選択（ＣＳ）ピン７３７を更に含む。
図１６１に示すコントローラは、チップパッケージ７３１内に上述の要素の全てをパッケージ化し、それによって（ｉ）５２エミッタ−レシーバ対のような走査シーケンス全体の自動実行を可能にし、かつそれによって（ｉｉ）ホストプロセッサ７７２による次の分析のためにコントローラ回路７５９に位置決めされたレジスタアレイに検出信号を格納する。このレジスタアレイは、少なくとも５２の１２ビットレシーバ結果のためのストレージを提供する。個々のエミッタ−レシーバ対のための個々のパルス持続時間及びパルス電流を構成するためのコントローラ回路７５９における追加のレジスタが提供される。５２の固有のエミッタ−レシーバ対をサポートするために、少なくとも１０４のレジスタを提供し、すなわち、個々のパルス持続時間を構成するための５２のレジスタと、個々のパルス電流を構成するための５２のレジスタとを提供する。
図１６２を参照すると、本発明の実施形態によりチップパッケージ７３１のピン７３２に接続するための各行に４又は５光エミッタを備えた６行の光エミッタの回路図が示されている。図１５０に示すように、１１行、すなわち、ＬＥＤ＿ＲＯＷ１、．．．、ＬＥＤ＿ＲＯＷ６、及びＬＥＤ＿ＣＯＬ１、．．．、ＬＥＤ＿ＣＯＬ５が、２６光エミッタのための２次元アドレス指定を提供するが、光エミッタは、タッチスクリーンの２つの縁部の周りに物理的に配置される。表ＩＶは、光エミッタＬＥＤからＬＥＤ＿ＲＯＷ及びＬＥＤ＿ＣＯＬピンへのＬＥＤ多重マッピングを示している。より一般的に、ＬＥＤ行列は、コントローラ上のｍ＋ｎＩ／ＯピンによってサポートされるＬＥＤのｍｘｎアレイを含むことができる。
従って、ＬＥＤは、行及び列Ｉ／Ｏピンの選択によってアクセスされる。コントローラは、行及び列を選択するためのプッシュ−プルドライバを含む。ＬＥＤの行及び列座標がＬＥＤ及びプッシュ−プルドライバの物理的配置には関係ないことは当業者によって認められるであろう。特に、ＬＥＤは、矩形の行列に物理的に位置決めする必要はない。
本発明のコントローラの代替の実施形態において、プッシュ−プルドライバの代わりに電流ソースドライバが使用される。本発明のコントローラの別の実施形態において、プッシュ−プルドライバのうちの一部は、電流ソースドライバに結合され、プッシュ−プルドライバのうちの他のものは、電流シンクドライバに結合される。
（表ＩＶ）
光ベースのタッチスクリーンにエミッタ及びレシーバのための専用コントローラを有する利点は、電力の節約及び性能である。従来のシステムでは、テキサス州ダラス所在のテキサス・インストルメンツによって製造されたＭＳＰ４３０チップのような従来のチップがエミッタ及びレシーバを制御している。電力節約に関して、従来のチップは、電力を消費するチップ要素の全てへのアクセスを提供しない。更に、従来のチップでは、エミッタに同期して外部要素を電源オン及びオフにすることができない。例えば、従来のチップでは、レシーバに接続した増幅器ユニット及びレシーバ光検出電流をデジタル化するためのアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）をエミッタの起動に同期してオン及びオフにすることができない。従来のシステムでは、これらの要素は、走査シーケンス全体を通して電源オンにされたままである。対照的に、本発明の専用コントローラは、エミッタの起動に同期してマイクロ秒の分解能でこれらの要素を電源オン及びオフにすることができる。コントローラブロックのこの及び他のそのような選択的起動は、タッチシステムの総電力消費をかなり低減する。実際に、増幅器、ＡＤＣ、及び他のコントローラブロックに対する電力消費は、その全体の電力消費が光エミッタ起動電力に比べて無視することができる程度に低減される。従って、システム電力消費は、光エミッタを起動するための電力消費にほとんど同じである。
本発明の専用コントローラが一連のエミッタ−レシーバ対を走査した時に、ＬＥＤドライバは、ＬＥＤ電流制御レジスタ及びＬＥＤパルス長制御レジスタにおける設定に従って電流の量をＬＥＤに供給する。表Ｖは、２．７Ｖの電源を有する１００Ｈｚの５０のエミッタ−レシーバ対に対する専用コントローラの電力消費を示している。パルス持続時間及びパルス電流は、構成レジスタを使用して回路７４２を通して設定される。電流消費は、次式のように計算される。
１００Ｈｚ×５０起動対×パルス持続時間（μｓ）×パルス電流（Ａ）＝バッテリからの電流消費（μＡ）
電力消費は、次式のように計算される。
電流消費（μＡ）*電圧（Ｖ）＝電力（ｍＷ）
（表Ｖ）
性能に関して、スクリーンの周りの全てのエミッタ−レシーバ対の走査を完了するのに必要な時間は、特に高速スタイラストレーシングに対して重要である。図１６３を参照すると、本発明の実施形態によりエミッタ２００及びレシーバ３００によって囲まれたタッチスクリーンの概略図が示されている。エミッタ２００は、走査シーケンスで走査され、例えば、エミッタ２００は、図１６３に示す１−１６の順番に走査することができる。タッチポイント９００は、先端が細いスタイラスを使用して高速スクロールで人間が署名を書くことによって行われたタッチに対応する。３つの位置がタッチポイント９００に対して示されている。時間ｔ１で、エミッタ１が起動された時に、スタイラスは、場所ａに位置付けられる。時間ｔ２で、エミッタ１６が起動された時に、スタイラスは、ユーザがユーザの名前を署名した時の迅速な動きのために場所ｂに位置付けられる。しかし、時間ｔ２でのスクリーン上の検出位置は、場所ｂとは異なる場所ｃであり、これは、時間ｔ２でエミッタ１６が起動された時に、スタイラスが時間ｔ１の位置から移動しているからである。ｘ座標検出とｙ座標検出の間のこのような時間ラグは、スクリーン上のスタイラスのタッチ場所の検出に誤りを生じる。これらの誤りは、高速のスタイラスの書込みにおいて最も顕著である。従って、可能な限り早く走査シーケンス全体を完了することが望ましい。
本発明の専用コントローラは、従来のチップよりも速く走査シーケンスを完了する。本発明の専用コントローラは、走査シーケンス全体を自動的に実行するのに必要なパラメータを格納するレジスタアレイを含む。専用コントローラは、更に、走査シーケンスに対するフィルタリングされたデジタル結果を格納するためのレジスタアレイを含む。対照的に、従来のチップでは、全てのレジスタが利用可能というわけではなく、レジスタの構成データが自動的に解析されない。従って、従来のチップを使用した走査シーケンス中に、更に別のエミッタ起動を構成し、かつ結果を読み取るための一部のサイクルが必要である。
本発明の実施形態により、単一の専用コントローラによってサポートすることができるよりもエミッタ及びレシーバの数が多い構成に対して、複数のコントローラが使用される。複数のコントローラの各々は、走査を実行する前に構成され、次に、走査が急速な連続で各コントローラによって実行される。この実施形態において、全てのコントローラにレジスタを構成した後で、ホストが、図１６１に示されているチップ選択（ＣＳ）ピンを使用して第１のコントローラチップを選択し、かつそのチップを起動する。そのチップ上の走査シーケンスが完了した時に、チップは、割り込みをホストに送る。次に、ホストは、そのＣＳピンを使用して第２のコントローラチップを選択し、かつ第２のチップの走査シーケンスを実行する。コントローラチップの全てがそのそれぞれの走査を完了した後、ホストは、各チップから結果を読取り、かつタッチ場所を計算する。
これに関して、図１６４を参照すると、本発明の実施形態によりデバイス１及びデバイス２として示される２つのコントローラによって構成されたタッチスクリーンを示す略応用図が示されている。図１６４には、ＬＥＤ及びシフト位置合わせされたＰＤによって囲まれたタッチスクリーン８００が示されている。２６のＬＥＤ、ＬＥＤ1−ＬＥＤ26が、第１のスクリーン縁部に沿ってデバイス１からのＬＥＤピンに接続され、この縁部に沿った追加のＬＥＤ、ＬＥＤ1−ＬＥＤCRが、デバイス２からのＬＥＤピンに接続される。反対側の縁部に沿って、ＰＤが、ＬＥＤにシフト位置合わせされる。デバイス１ＬＥＤからの光を検出するＰＤは、デバイス１ＰＤピンに接続され、デバイス２ＬＥＤからの光を検出するＰＤは、デバイス２ＰＤピンに接続される。各ＬＥＤを２つのＰＤに接続している破線は、各ＬＥＤからの光が２つのＰＤによってどのように検出されるかを示している。各ＰＤは、２つのＬＥＤからの光を検出する。
図１６４に示すように、デバイス１のＰＤ27は、デバイス１のＬＥＤ26から及びデバイス２のＬＥＤ1からの光を検出する。従って、ＰＤ27は、デバイス１のＰＤ27ピンに及びデバイス２のＰＤ1ピンに接続される。デバイス１のＬＥＤ26からの光を検出した時に、ＰＤ27は、デバイス１のＰＤ27ピンを通してサンプリングされ、その結果がデバイス１に格納され、デバイス２のＬＥＤ1からの光を検出した時に、ＰＤ27は、デバイス２のＰＤ1ピンを通してサンプリングされ、その結果がデバイス２に格納される。従って、各コントローラは、ＬＥＤの起動とそれぞれのＰＤの起動とを調節する。ホストプロセッサは、２つのデバイスからのＰＤ結果を補間することによってデバイス１−デバイス２の境界に沿ったタッチ場所を計算する。
図１６５を参照すると、従来のチップを使用した走査シーケンスの性能と本発明の専用コントローラを使用した走査の性能とのグラフが示されている。各完全スクリーン走査の持続時間は、専用コントローラよりも従来のチップの方が長い。専用コントローラは、走査シーケンスと走査シーケンスの間に電源を落とすことができ、特に走査シーケンスと走査シーケンスの間の時間のストレッチが、従来のチップの使用よりも専用コントローラを使用した方が大きいので、更に別の電力節約を提供する。複数の走査のタッチポイントを接続するために、ホストプロセッサは、スプライン補間又は他のこのような予測符号化アルゴリズムを使用して、ユーザのペンストロークに適合する滑らかな線を発生させることができる。重要なのは、本発明の専用コントローラを使用した場合に、各タッチポイントが非常に正確であることである。
更に、本発明の専用コントローラを使用したホストが従来のチップを使用した時に可能な制限値を超えて走査周波数を増加させることができることが図１６５から明らかである。例えば、ホストは、本発明のコントローラを使用して１０００Ｈｚで５０のエミッタ−レシーバ対を走査することができる。対照的に、従来のチップを使用したタッチスクリーンは、一般的に１００Ｈｚ又はそれ未満の周波数で作動する。１０００Ｈｚに対応する高サンプリング速度は、経時的な正確なタッチ場所計算を可能にする。次に、これは、スタイラスが固定されたままの場合に、上述のジッタ効果を実質的に排除するタッチ座標の時間的フィルタリングを可能にし、スタイラス位置とスクリーンに沿ったスタイラスの経路を表す線との間の上述の時間ラグを実質的に低減する。
１０００Ｈｚでの５０程度のエミッタ−レシーバ対のこのような高サンプリング速度は、個々のＬＥＤが起動の前に構成を必要とする場合には達成することができない。本発明の専用コントローラは、走査シーケンス全体を自動的に起動するためのレジスタ及び回路を提供することにより、このような高サンプリング速度を達成する。
短時間に複数の走査シーケンスを完了する更に別の利点は、タッチ信号の曖昧性の除去である。曖昧な信号の問題は、図８及び９に関して上述されている。上述したように、光検出器の同じ検出パターンが、図８及び９に示すようにスクリーンの対角線に沿った２つの同時タッチに対して受光される。スクリーン上に２つの指を置いた時に、第１及び第２のタッチの間に固有の遅延が存在する。非常に短い時間に複数の走査シーケンスを完了することで、本発明のシステムは、明瞭な第１のタッチを決定することができる。次に、第２のタッチが検出された時に第１のタッチが維持されていると仮定して、第２のタッチ場所が容易に解決される。例えば、１つのタッチが上部左コーナにあり、タッチ検出パターンが図８及び９に示すようなものであると決定された場合に、第２のタッチ場所は、スクリーンの底部右コーナになくてはならない。
従って、本発明による専用コントローラは、電力効率が高くかつ高精度であり、高サンプリング速度を可能にすることが当業者によって認められるであろう。ホストは、１００Ｈｚ又はそれ未満に対応する低電力に対して、又は５００Ｈｚ−１０００Ｈｚのような高周波数走査に対してコントローラを構成する。
ジッタ及びラグが、スタイラスタッチのような比較的小さいエリアを覆うタッチよりも指タッチのような比較的大きいエリアを覆うタッチに対して顕著でないので、適切な構成の決定は、特にタッチポインタによって覆われるタッチスクリーンのエリアに基づいている。光ベースタッチスクリーン信号の影になったエリアのサイズによって決定されたポインタによって覆われるエリアに基づいて、ホストは、指又はスタイラスが使用されているか否かを決定し、電力と精度のトレードオフに基づいて適切な走査速度を構成する。
本発明の実施形態により、専用コントローラは、ＬＥＤを選択的に起動するための走査範囲レジスタ、及び各起動に対して電流の量及び持続時間を指定するための電流制御及びパルス持続時間レジスタを含む。走査範囲レジスタは、各スクリーン縁部に沿って起動される第１のＬＥＤ及び第１のＰＤ、各縁部に沿って起動されるＬＥＤの数、及び起動されるＬＥＤ間のステップ係数を指定する。０のステップ係数は、各ステップで次のＬＥＤが起動されることを示し、１のステップ係数は、全ての他のＬＥＤが起動されることを示す。従って、奇数だけ又は偶数だけのＬＥＤを起動するために、１のステップ係数が使用される。２又はそれよりも大きいステップ係数は、２つ又はそれよりも多くのＬＥＤのステップそれぞれに対して使用することができる。追加のレジスタが、各ＬＥＤと共に起動されるＰＤの数を構成する。０の値は、各ＬＥＤが単一の対応するＰＤと共に起動されることを示し、１の値は、各ＬＥＤが２つのＰＤと共に起動されることを示す。各ＬＥＤと共に起動されるＰＤの数は、タッチスクリーンの周りの利用可能なＰＤの数と同じにすることができる。
電力を節約するために、初期タッチ場所を検出するための低分解能走査を有することが有利である。ホストは、例えば、タッチが検出されなかった時にこのモードで実行することができる。タッチが検出された時に、ホストは、図１３５に関して上述したように、正確なタッチ場所を計算するために高分解能走査モードに切り換える。コントローラ走査シーケンスレジスタにより、どのエミッタも１つのレシーバと共に起動され、すなわち、ステップ＝０である。図１３５（ｄ）の走査シーケンスは、各スクリーン縁部のシーケンスで使用された初期ＰＤの図１３５（ｅ）とは異なる。具体的には、第１のＰＤ、すなわち、ＰＤ０が、図１３５（ｄ）で使用され、第２のＰＤ、すなわち、ＰＤ１が、図１３５（ｅ）で使用される。各スクリーン縁部に沿って使用される初期ＰＤは、レジスタによって構成される。
各ＬＥＤが１つよりも多いＰＤと共に起動される時に、ＬＥＤは、ＰＤの各々に対して別々に起動される。各このような個別の起動は、それぞれの電流制御及びパルス持続時間レジスタを有する。
本発明のコントローラは、電流を望ましいＬＥＤに向けるために多重通信回路を自動的に制御する。ＬＥＤ多重通信回路制御は、走査制御レジスタによって設定される。ドライバがＬＥＤをパルス駆動した時に、コントローラは、正しいＰＤレシーバを自動的に同期する。１２ビットＡＤＣレシーバ情報がＰＤデータレジスタに格納される。走査の完了時に、コントローラは、割り込みをホストプロセッサに出し、かつ自動的に待機モードに入る。次に、ホストは、ＳＰＩインタフェースを通して走査シーケンス全体に対するレシーバデータを読み取る。
一部のタッチスクリーン構成では、エミッタは、レシーバにシフト位置合わせされ、エミッタは、１つよりも多いレシーバによって検出され、かつ各検出レシーバに対して１つ又はそれよりも多くの回数起動される。例えば、エミッタは、速く連続して３回起動することができ、各起動と共に異なるレシーバが起動される。更に、レシーバは、周囲光強度を決定するためにエミッタ起動間の間隔中に起動される。
他のタッチスクリーン構成では、エミッタ及びレシーバが位置合わせされているが、各エミッタは、１つよりも多いレシーバによって検出され、各エミッタは、各検出レシーバに対して別々に起動される。エミッタ−レシーバ起動パターンは、その内容が引用によって本明細書によって組み込まれている２０１０年１月５日出願の「タッチスクリーンの走査」という名称の本出願人の現在特許出願中の特許出願である米国特許出願出願番号第１２／６６７，６９２号明細書に記載されている。取り分け、２０１１年２月２４日に米国特許公開第２０１１／００４３４８５号明細書に公開されたこの出願の段落［００２９］、［００３０］、［００３３］、及び［００３４］を参照されたい。
図１６６を参照すると、本発明の実施形態によりエミッタ及びレシーバのシフト位置合わせ配置を有するタッチスクリーン８００の概略図が示されている。図１６６には、スクリーン８００の南端に沿ったエミッタ２０４−２０８、スクリーン８００の北端に沿ったシフト位置合わせされたレシーバ３０６−３１１、スクリーン８００の東端に沿ったエミッタ２０９−２１１、及びスクリーン８００の西端に沿ったシフト位置合わせされたレシーバ３１２−３１５が示されている。レシーバの各縁部は、スクリーン８００のコーナのタッチを検出するために反対側の縁部に沿ったエミッタの数よりも１つ又はそれよりも多いレシーバを有することに注意されたい。ビーム１７４は、エミッタ２０４の起動及びレシーバ３０６による検出を示している。表ＶＩは、エミッタ−レシーバ対の観点からの起動シーケンスを列挙している。
（表ＶＩ）
起動番号１０の２０８−３１１は、スクリーン８００の水平方向の寸法に沿った最後の起動である。起動番号１１は、スクリーン８００の垂直方向の寸法に沿った第１の起動である。このようなコーナの回転は、スクリーン縁部に沿った起動パターンを変化させる。具体的には、スクリーン縁部に沿った起動パターンは、形式ＡＡ−ＡＢ−ＢＢ−ＢＣ−ＣＣ−ＣＤであり、各対の第１の文字がエミッタを示し、第２の文字がレシーバを示している。従って、ＡＡ−ＡＢでは、同じエミッタが２つのレシーバと共に起動され、ＡＢ−ＢＢでは、２つのエミッタが同じレシーバと共に起動される。起動番号１１のようにコーナを回転する時に、パターンがリセットされる。エミッタ２０９及びレシーバ３１１が向かい合うスクリーン縁部に沿って置かれていないので、アクティブエミッタ２０９は、以前に起動されたレシーバ３１１によって検出されない。代わりに、エミッタ２０９は、レシーバ３１２によって検出され、従って、垂直方向スクリーン寸法に沿って新しいＡＡ−ＡＢ−ＢＢ−ＢＣ．．．起動パターンを開始する。コントローラは、スクリーン縁部に沿った走査が完了した時間を示す走査シーケンスレジスタに基づいてパターンリセットを処理する。
図１６７を参照すると、本発明の実施形態により各スクリーン縁部に沿って交替するエミッタ及びレシーバを有するタッチスクリーン８００の概略図が示されている。図１６７に示すように、各エミッタは、２つのレシーバの間に置かれ、何らかの数ｎに対して、定められた縁部に沿ったｎエミッタ及びｎ＋１レシーバをもたらす。図１６７は、１０のエミッタ２０４−２１３及び１４のレシーバ３０６−３１９によって囲まれたタッチスクリーン８００を示している。図１６３に関して上述したように、各エミッタは、２つのレシーバと対にされる。図１６７の破線の矢印１７４及び１７５は、エミッタ２０４の２つの起動、すなわち、レシーバ３１６によって検出される起動及びレシーバ３１５によって検出される別の起動を示す。
本発明の実施形態により、起動シーケンスが、スクリーン縁部に沿ったエミッタのシーケンスの最後に達した時に、隣接する縁部に沿ってエミッタを起動する起動パターンが再始動される。本発明の別の実施形態により、各エミッタの検出レシーバとの向きの角度は、エミッタがそれに沿って配置されている縁部の法線から実質的に４５度である。このような場合に、隣接する縁部に沿ったレシーバは、スクリーンのコーナの近くでエミッタからの光を検出することができる。従って、起動パターンは再始動されないが、代わりに、一連の起動エミッタがコーナを曲がる時に継続される。これに代えて、コントローラは、各スクリーン寸法に沿ってコントローラによって起動される最後のＬＥＤのインデックスを格納するレジスタの使用によって、コーナを曲がった時に起動パターンを再始動することができる。
本発明の実施形態により、コントローラは、単純な状態機械であり、かつＡＲＭコアのようなプロセッサコアを含まない。従って、本発明のコントローラのコストは低い。本発明のコントローラを使用する光ベースのタッチスクリーンは、容量式タッチスクリーンが多数の信号を統合してタッチ場所を計算するためにプロセッサコアを必要とするので、同等の容量式タッチスクリーンよりもコストが低い。迅速な応答時間を達成するために、容量式タッチスクリーンは、この計算をホストプロセッサにオフロードする代わりにタッチ場所を計算するための専用プロセッサコアを使用する。次に、これは、容量式タッチスクリーンに対する材料の請求額を上げる。対照的に、本発明の光ベースのタッチスクリーンは、２つの隣接するレシーバ値を使用して軸に沿ったタッチ場所を計算し、ホストがタッチ場所を計算することを可能にし、この結果として低コストコントローラの使用を可能にする。
本発明の実施形態により、複数のコントローラが、タッチスクリーン８００を制御するように作動することができる。上述したように、チップパッケージ７３１は、光ベースのタッチスクリーンのための少なくとも１つの追加のコントローラ７７４と走査コントローラ回路７５９の作動を調節するためのチップ選択（ＣＳ）ピン７３７とを含む。
本発明の実施形態により、コントローラは、上述の構成第５のタッチスクリーンのための起動シーケンスをサポートする。第１の実施形態において、図５４に示すように、エミッタが２つのスクリーン縁部に沿って位置決めされ、真向かいのそれぞれのレシーバが、残りの２つのスクリーン縁部に沿って位置決めされる。各エミッタは、２ピッチ幅広光ビームをそのそれぞれのレシーバに送る。図５５に関して上述した要素５３０のような光学要素は、この幅広ビームを隣接する幅広ビームと交互にし、スクリーンを覆う２組の重なり合った幅広ビームを発生させ、例えば、１つおきにビームを含む組がスクリーンを覆う。図６０は、それぞれのエミッタ２０１及び２０２によって発生されたビーム１６８及び１６９によって覆われた連続エリアを示しており、エミッタ２００が、エミッタ２０１と２０２の間にある。
２つの起動シーケンスを提供し、すなわち、タッチが検出されなかった時の低分解能検出のための起動シーケンスと１つ又はそれよりも多くの検出されたタッチをトレースするための高分解能検出のための起動シーケンスとを提供する。低分解能検出では、１つおきにエミッタ−レシーバ対が１つのスクリーン縁部に沿って起動される。矩形のスクリーンでは、短い方の縁部が使用される。構成要素の使用を均一に配分するために、エミッタ−レシーバ対の奇数及び偶数組が交互に起動される。従って、低分解能検出では、各エミッタは、１つのレシーバと共に起動されるように構成され、ステップ係数は１であり、すなわち、１つおきにエミッタが起動される。高分解能検出モードでは、各エミッタは、１つのレシーバと共に起動されるように構成され、ステップ係数は０であり、すなわち、あらゆるエミッタが起動される。このモードでの走査は、エミッタが並んだ両方のスクリーン縁部に沿ってエミッタを起動する。
代替の実施形態において、エミッタ及びレシーバは、図７０に示すようにスクリーン縁部に沿って交互に配置される。各エミッタが２ピッチ幅広ビームをそのそれぞれのレシーバに送る。図５５に関して上述した要素５３０のような光学要素は、この幅広ビームと隣接する幅広ビームを交互にして、スクリーンを覆う２組の重なり合う幅広光ビームを発生させ、例えば、１つおきにビームを含むセットがスクリーンを覆う。図６９は、それぞれのエミッタ２０１及び２０２によって発生されたビーム１６８及び１６９によって覆われる連続エリアを示しており、レシーバ３００が、エミッタ２０１と２０２に間に置かれている。
この実施形態において、３つの起動シーケンス、すなわち、１つの軸上の検出を使用する低分解能検出のための起動シーケンス、２つの軸上の検出を使用する高分解能検出のための起動シーケンス、及び４つの軸における検出を使用する高分解能検出のための起動シーケンスを提供する。低分解能検出では、１つおきにエミッタ−レシーバ対が１つのスクリーン縁部に沿って起動される。矩形のスクリーンでは、短い縁部が使用される。構成要素の使用を均一に配分するために、ビームの奇数及び偶数の組が交互に起動される。しかし、隣接するビームが反対方向に視準されるので、エミッタは、エミッタのインデックスが単一のスクリーン縁部に沿って増分されるように構成されるようにＡＳＩＣ ＬＥＤコネクタに接続される。従って、ステップ係数は０であり、すなわち、１つおきにビームが起動され、起動の列は、アクティブ縁部に沿った最後のエミッタで終了する。代替の実施形態において、エミッタは、エミッタのインデックスが一連のビームと共に増分されるように構成されるようにＡＳＩＣ ＬＥＤコネクタに接続される。この場合に、ステップ係数は１であり、すなわち、１つおきにビームが起動される。
２つの軸に沿ったビームを使用する高分解能検出モードでは、各エミッタは、１つのそれぞれのレシーバと共に起動されるように構成され、ステップ係数は０であり、起動の列は、全てのエミッタをカバーする。
４つの軸に沿ったビームを使用する高分解能検出モードでは、複数の起動が実行される。第１の起動は、水平及び垂直軸に沿ってビームを起動する。初期エミッタインデックスは、初期レシーバインデックスに符合し、エミッタインデックスは、レシーバインデックスと共に増分される。第２の起動列は、対角ビームの第１の組を起動する。この場合に、初期エミッタ及びレシーバインデックスは、初期エミッタからの対角ビームの１つの終点を定義する。次に、エミッタインデックスは、スクリーンの周りのレシーバインデックスと共に増分される。第３の起動列が対角ビームの第２の組を起動する。この場合に、初期エミッタ及びレシーバインデックスは、初期エミッタからの第２の対角ビームの終点を定義する。
本発明は、小型、中型、及び大型スクリーンを含むタッチセンサ式スクリーンを備えた電子デバイスに対する様々な応用を有する。このようなデバイスは、取り分け、コンピュータ、家庭娯楽システム、車載娯楽システム、セキュリティシステム、ＰＤＡ、携帯電話、電子ゲーム及び玩具、デジタルフォトフレーム、デジタル楽器、電子書籍読取器、ＴＶ、及びＧＰＳナビゲータを含む。
以上の明細書では、本発明をその特定の例示的な実施形態に関して説明した。しかし、添付の特許請求の範囲に示すような本発明の広範な精神及び範囲から逸脱することなく様々な修正及び変形を特定の例示的な実施形態に対して行うことができることは明らかであろう。従って、本明細書及び図面は、制限の意味ではなく例示的な意味と見なすものとする。
５２７ レンズ
５２８ マイクロレンズのパターン

Claims (55)

  1. 光ベースのタッチ表面のための光学要素であって、
    連結した複数のセグメント、
    を含み、
    反射又は屈折ファセットの波状の一連の対を含む各セグメントが、それぞれの光エミッタと対になっており、
    各対における第１のファセットが、前記セグメントに関連付けられた第１の光エミッタから放出された光を平行化するような向きに置かれ、各対における第２のファセットが、該セグメントに関連付けられた第２の光エミッタから放出された光を平行化するような向きに置かれ、
    前記セグメントに関連付けられた前記第１の光エミッタは、該セグメントと対になった前記光エミッタであり、該セグメントに関連付けられた前記第２の光エミッタは、隣接するセグメントと対になった前記光エミッタである、
    ことを特徴とする光学要素。
  2. 前記複数のセグメントの各々に対して、該セグメントに関連付けられた前記第１の光エミッタから放出される光が、該セグメントにより、前記タッチ表面のエリアにわたる平行化光ビームの第１のローカル空間光強度分布を発生させるように向けられ、該セグメントに関連付けられた前記第２の光エミッタから放出される光が、該セグメントにより、該タッチ表面の該エリアにわたる平行化光ビームの第２のローカル空間光強度分布を発生させるように向けられ、
    前記第１及び第２のローカル空間光強度分布は、異なる分布である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光学要素。
  3. 前記複数のセグメントの各々に対して、前記第１のローカル空間光強度分布が、空間位置の関数として実質的に線形であるように、該セグメントに関連付けられた前記第１の光エミッタの近くのその一連のファセット対の前記第１のファセットのうちの第１の複数のものが、該第１の光エミッタからの該第１のファセットの距離の関数として減少するサイズを含み、該第１の光エミッタから遠い該第１のファセットのうちの第２の複数のものが、該第１の光エミッタからの該第１のファセットの距離の関数として増加するサイズを含むことを特徴とする請求項２に記載の光学要素。
  4. 光ベースタッチ表面アセンブリのためのモジュール式構成要素であって、
    請求項１に記載の光学要素の複数のセグメントのうちの少なくとも１つ及び単一ユニットにそれと対になった光エミッタと、
    モジュール式構成要素の成形された外縁のうちの１つを隣接するモジュール式構成要素の逆向き成形された外縁に沿って位置決めすることにより、モジュール式構成要素に含まれる前記セグメントのうちの１つに隣接するセグメントを含む類似の隣接モジュール式構成要素とのモジュール式構成要素の相互取り付けを容易にする２つの逆向き成形された外縁と、
    を含むことを特徴とするモジュール式構成要素。
  5. ハウジングと、
    前記ハウジングに装着された表面と、
    前記表面の１つの縁部に沿って位置決めされた請求項１に記載の１組の第１の光学要素であって、光エミッタが、該第１の光学要素の組のセグメントと対になって前記ハウジングに装着された前記１組の第１の光学要素と、
    前記１つの縁部と反対の前記表面の縁部に沿って位置決めされ、連結した複数の類似セグメントを含む１組の第２の光学要素であって、反射又は屈折ファセットの波状の一連の対を含む各セグメントが、それぞれの光レシーバと対になっており、各対における第１のファセットが、平行化光を該セグメントに関連付けられた第１の光レシーバに向け、各対における第２のファセットが、平行化光を該セグメントに関連付けられた第２の光レシーバに向け、該セグメントに関連付けられた該第１の光レシーバが、該セグメントと対になった該光レシーバであり、該セグメントに関連付けられた該第２の光レシーバが、隣接するセグメントと対になった該光レシーバであり、該光レシーバが、該第２の光学要素の組の該セグメントと対になって前記ハウジングに装着された前記１組の第２の光学要素と、
    前記表面にタッチするポインタの場所を前記光レシーバの出力によって決定されるような該ポインタによって遮られた前記光エミッタから放出された光の量に基づいて決定するために前記ハウジングに装着され、かつ該光レシーバに接続された計算ユニットと、
    を含むことを特徴とする光学タッチ検出システム。
  6. 前記第１の光学要素の組の前記複数のセグメントの各々に対して、該セグメントの前記一連のファセット対の各々の前記第１のファセットによって向けられた前記平行化光は、前記第２のファセットによって向けられた前記平行化光に少なくとも部分的に重なり、
    前記計算ユニットは、３つの隣接する光エミッタによって放出された光を受光する少なくとも３つの光レシーバの出力に基づいて前記表面にタッチする前記ポインタの前記場所を決定する、
    ことを特徴とする請求項５に記載の光学タッチスクリーン。
  7. 前記第１の光学要素の組の前記セグメントは、全てが同じ長さを有するわけではなく、前記第２の光学要素の組の前記セグメントも、全てが同じ長さを有するわけではないことを特徴とする請求項５に記載の光学タッチスクリーン。
  8. 前記１つの縁部に隣接する前記表面の縁部に沿って配置された請求項１に記載の１組の第３の光学要素を更に含み、
    前記第１の光学要素の組のうちの１つの前記セグメントのうちの１つ及び前記第３の光学要素の組のうちの１つの前記セグメントのうちの１つが、同じエミッタと対になっている、
    ことを特徴とする請求項５に記載の光学タッチスクリーン。
  9. 光ベースのタッチ表面のための光学要素であって、
    連結した複数のセグメント、
    を含み、
    前記セグメントの交替するものが、交替する光エミッタ及び光レシーバとそれぞれ対になっており、各セグメントが、反射又は屈折ファセットの波状の一連の対を含み、
    各対における第１のファセットが、前記セグメントに関連付けられた光エミッタから放出された光を平行化するような向きに置かれ、各対における第２のファセットが、該セグメントに関連付けられた光レシーバ上に平行化光を向けるような向きに置かれ、
    前記セグメントに関連付けられた前記光レシーバは、該セグメントに関連付けられた前記光エミッタに隣接する光レシーバのうちの１つである、
    ことを特徴とする光学要素。
  10. 前記複数のセグメントの各々に対して、該セグメントに関連付けられた前記光エミッタから放出された光が、該セグメントにより、前記タッチ表面のエリアにわたる平行化光ビームのローカル空間光強度分布を発生させるように向けられ、
    前記セグメントに関連付けられた前記光エミッタの近くのその一連のファセット対の前記第１のファセットのうちの第１の複数のものが、前記光エミッタからの該第１のファセットの距離の関数として減少するサイズを含み、該光エミッタから遠くの該第１のファセットのうちの第２の複数のものが、該光エミッタからの該第１のファセットの距離の関数として増加するサイズを含み、
    前記ローカル空間光強度分布は、空間位置の関数として実質的に線形である、
    ことを特徴とする請求項９に記載の光学要素。
  11. 光ベースタッチ表面アセンブリのためのモジュール式構成要素であって、
    請求項９に記載の光学要素の複数のセグメントのうちの少なくとも１つ及び単一ユニットにそれと対になった光エミッタ及びレシーバと、
    モジュール式構成要素の成形された外縁のうちの１つを隣接するモジュール式構成要素の逆向き成形された外縁に沿って位置決めすることにより、モジュール式構成要素に含まれる前記セグメントのうちの１つに隣接するセグメントを含む類似の隣接モジュール式構成要素とのモジュール式構成要素の相互取り付けを容易にする２つの逆向き成形された外縁と、
    を含むことを特徴とするモジュール式構成要素。
  12. ハウジングと、
    前記ハウジングに装着された表面と、
    前記表面を取り囲む請求項９に記載の光学要素のフレームであって、交替する複数の光エミッタ及び光レシーバが、該フレームの該光学要素内のセグメントと対になって前記ハウジングに装着された前記フレームと、
    前記ハウジングに装着され、かつ前記光レシーバの出力から決定されるようなポインタによって遮られた前記エミッタから放出された光の量に基づいて前記表面上の物体の場所を決定するために該光レシーバに接続された計算ユニットと、
    を含むことを特徴とする光学タッチ検出システム。
  13. 前記光学要素のフレームの内側のレンズのフレームを更に含み、該レンズの各々が、前記エミッタによって放出された平行化光を３方向に屈折させるためのかつ３方向からの平行化ビームを前記レシーバ上に向けるための３つの実質的に平面のファセットの反復パターンによって形成された埋め込み空洞のパターンを含むことを特徴とする請求項１２に記載の光学タッチ検出システム。
  14. 前記計算ユニットは、同時に前記表面上にある少なくとも２つの物体の前記場所を決定することを特徴とする請求項１３に記載の光学タッチ検出システム。
  15. 前記計算ユニットは、同時に前記表面上にある少なくとも３つの並んでいない物体の前記場所を決定することを特徴とする請求項１３に記載の光学タッチ検出システム。
  16. 前記計算ユニットは、同時に前記表面上にある少なくとも４つの並んでいない物体の前記場所を決定することを特徴とする請求項１３に記載の光学タッチ検出システム。
  17. 前記計算ユニットは、ユーザによって保持されているスタイラスの前記表面上の前記場所を該ユーザの手のひらが前記エミッタから放出された前記光の一部を該スタイラスに到達しないように遮っている時に決定することを特徴とする請求項１３に記載の光学タッチ検出システム。
  18. ３つの実質的に平面のファセットの反復パターンによって形成された埋め込み空洞の反復パターンを有するレンズ面、
    を含むことを特徴とする３方向に光を屈折させるためのレンズ。
  19. タッチスクリーンのための光学配置であって、
    エミッタ又はレシーバと、
    前記エミッタ又はレシーバと協働する平行化光学要素と、
    前記平行化光学要素と協働する請求項１８に記載のレンズと、
    を含むことを特徴とする光学配置。
  20. 前記平行化光学要素は、反射器を含むことを特徴とする請求項１９に記載の光学配置。
  21. 前記平行化光学要素は、屈折レンズを含むことを特徴とする請求項１９に記載の光学配置。
  22. 前記平行化光学要素は、２つのフォーカスに対して光を平行化する一連の交替ファセットを含むことを特徴とする請求項１９に記載の光学配置。
  23. 前記空洞のピッチが、前記交替ファセットのピッチの半分未満であることを特徴とする請求項２２に記載の光学配置。
  24. 前記空洞は、３面であり、
    各埋め込み空洞の左及び右平面が、約１２２°の２面角で該空洞の中間平面の横にある、
    ことを特徴とする請求項１８に記載のレンズ。
  25. 約１．６の屈折率を有するプラスチック表面を含むことを特徴とする請求項２４に記載のレンズ。
  26. 前記空洞は、２面であり、
    各空洞の左及び右平面が、約６４°の２面角を形成する、
    ことを特徴とする請求項１８に記載のレンズ。
  27. 光学タッチスクリーンであって、
    ハウジングと、
    前記ハウジングに装着されたディスプレイと、
    前記ディスプレイの縁部に沿って前記ハウジングに装着された請求項１に記載の複数のレンズと、
    前記ディスプレイにわたって３方向に屈折される光パルスを前記レンズのうちの少なくとも１つを通して発信するために前記ハウジングに装着された複数の光エミッタと、
    前記屈折光パルスを前記レンズのうちの少なくとも１つを通して受光するために前記ハウジングに装着された複数の光レシーバと、
    前記エミッタによって放出された前記光パルスを部分的に遮る前記ディスプレイ上のポインタの場所を前記レシーバの出力に基づいて決定するために前記ハウジングに装着され、かつ該レシーバに接続された計算ユニットと、
    を含み、
    前記エミッタ及び前記レシーバは、前記ディスプレイの縁部に沿って交互態様に配置される、
    ことを特徴とする光学タッチスクリーン。
  28. 前記ポインタは、複数の前記光パルスを遮るユーザの手の一部に位置合わせされることを特徴とする請求項２７に記載の光学タッチスクリーン。
  29. 前記計算ユニットは、前記エミッタによって放出された前記光パルスを部分的に遮る前記ディスプレイ上の２つのポインタの場所を前記レシーバの出力に基づいて決定することを特徴とする請求項２７に記載の光学タッチスクリーン。
  30. 前記計算ユニットは、前記エミッタによって放出された前記光パルスを部分的に遮る前記ディスプレイ上の３つのポインタの場所を前記レシーバの出力に基づいて決定することを特徴とする請求項２７に記載の光学タッチスクリーン。
  31. 前記エミッタ及び前記レシーバは、前記ディスプレイの縁部に沿って固定ピッチで配置され、
    前記屈折された光パルスは、直交光パルスの２つの格子を形成する、
    ことを特徴とする請求項２７に記載の光学タッチスクリーン。
  32. 前記エミッタ及び前記レシーバは、短い方のスクリーン縁部に沿って第１のピッチでかつ長い方のスクリーン縁部に沿って第２のピッチで配置され、
    前記屈折された光パルスは、直交光パルスの格子及び非直交光パルスの別の格子を形成する、
    ことを特徴とする請求項２７に記載の光学タッチスクリーン。
  33. ディスプレイスクリーンに同時にタッチする２つ又はそれよりも多いポインタの場所を識別する方法であって、
    ２つの軸に平行な方向に前記ディスプレイスクリーンの上に光を放出するように複数の光エミッタを制御する段階であって、該放出された光の一部分が、該ディスプレイスクリーンに同時にタッチしている２つ又はそれよりも多いポインタによって遮られる前記制御する段階と、
    複数の光レシーバによって検出された光の量を測定する段階と、
    ２つの異なる軸に平行な方向に前記ディスプレイスクリーンの上に光を放出するように前記複数の光エミッタを更に制御する段階であって、該放出された光の一部分が、該ディスプレイスクリーンに同時にタッチしている前記２つ又はそれよりも多いポインタによって遮られる前記更に制御する段階と、
    前記複数の光レシーバによって検出された光の量を更に測定する段階と、
    前記ディスプレイスクリーン上の前記２つ又はそれよりも多いポインタの場所を推測するために前記測定する段階及び前記更に測定する段階の結果を処理する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
  34. 前記更に制御する段階及び前記更に測定する段階は、前記ディスプレイスクリーン上の前記２つ又はそれよりも多いポインタの前記場所が、前記測定する段階の結果だけによっては明確に推測できない場合にのみ実行されることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
  35. 光ベースのタッチスクリーンのためのコントローラであって、
    光ベースのタッチスクリーンに結合されたチップパッケージと、
    前記チップパッケージの外側にある複数の光エミッタを選択的に起動するための該チップパッケージの内側のエミッタドライバ回路と、
    前記チップパッケージの外側にある複数の光検出器を選択的に起動するための該チップパッケージの内側の検出器ドライバ回路と、
    前記複数の光検出器上で検出された光の測定量を表す検出信号を発生させるための検出器信号処理回路と、
    前記チップパッケージの外側の前記複数の光エミッタを該チップパッケージの内側の前記エミッタドライバ回路に接続するための第１の複数の信号伝導ピンと、
    前記チップパッケージの外側の前記複数の光検出器を該チップパッケージの内側の前記検出器ドライバ回路にかつ前記検出器信号処理回路に接続するための第２の複数の信号伝導ピンと、
    前記エミッタドライバ回路及び前記検出器ドライバ回路を制御するための前記チップパッケージの内側のコントローラ回路と、
    ホストプロセッサと通信するためのかつタッチされている前記タッチスクリーン上の１つ又はそれよりも多くの場所を該ホストプロセッサが識別するように該ホストプロセッサに前記検出器信号処理回路によって発生された検出信号を出力するための少なくとも１つの入力／出力ピンと、
    を含むことを特徴とするコントローラ。
  36. 前記コントローラ回路は、走査パターンを構成するためのプログラマブルレジスタを含み、それによって前記複数の光エミッタの各々が、前記複数の光検出器のうちの１つ又はそれよりも多くと対になり、かつ該複数の光検出器の各々が、該複数の光エミッタのうちの１つ又はそれよりも多くと対になることを特徴とする請求項３５に記載のコントローラ。
  37. 前記複数の光エミッタ及び光検出器は、２組の重なり合う幅広光ビームをそれぞれ放出及び検出するように配置され、
    前記コントローラ回路は、初期タッチを検出する前記幅広光ビームの一方の組の走査シーケンスを発生させ、かつ該初期タッチを検出した後に該幅広光ビームの両方の組の走査シーケンスを発生させるように構成可能である、
    ことを特徴とする請求項３６に記載のコントローラ。
  38. 前記光エミッタ及び光検出器は、水平及び垂直タッチスクリーン軸に沿った実質的に同時の検出を与えるために１ミリ秒又はそれ未満の前記２組の重なり合う幅広光ビームをそれぞれ放出及び検出するように起動されることを特徴とする請求項３７に記載のコントローラ。
  39. 前記光エミッタ及び光検出器は、ユーザが前記タッチスクリーン上に２つの指を置いた時に２つの指のうちの第１のものの初期タッチ場所を検出するために少なくとも５０Ｈｚの速度で前記２組の重なり合う幅広光ビームをそれぞれ放出及び検出するように起動され、
    前記ホストプロセッサは、前記初期タッチ場所に基づいて前記２つの指の第２のタッチ場所を識別する、
    ことを特徴とする請求項３８に記載のコントローラ。
  40. アナログ／デジタルコントローラ（ＡＤＣ）と、
    増幅器と、
    デジタルコントローラコアと、
    を更に含み、
    前記光エミッタ及び光検出器は、少なくとも１００Ｈｚの速度で前記２組の重なり合う幅広光ビームをそれぞれ放出及び検出するように起動され、
    前記コントローラは、前記ＡＤＣ、前記増幅器、及び前記デジタルコントローラコアを必要な時だけ選択的に起動することによって電力の消費が２ミリワット未満である、
    ことを特徴とする請求項３８に記載のコントローラ。
  41. 前記光エミッタ及び光検出器は、少なくとも５００Ｈｚの速度で前記２組の重なり合う幅広光ビームをそれぞれ放出及び検出するように起動され、
    前記ホストプロセッサは、１００Ｈｚ又はそれ未満の速度で前記識別されたタッチ場所を更新し、
    前記ホストは、各識別されたタッチ場所に対する複数起動の統計値に基づいてＳＮ比を高める、
    ことを特徴とする請求項３８に記載のコントローラ。
  42. 前記コントローラは、電力の消費が２０ミリワット未満であることを特徴とする請求項４１に記載のコントローラ。
  43. 前記複数の光エミッタ及び光検出器は、２組の重なり合う幅広光ビームをそれぞれ放出及び検出するように配置され、
    前記コントローラ回路は、両方の組の前記幅広光ビームの交替する走査シーケンスを発生させて初期タッチを検出するように構成可能である、
    ことを特徴とする請求項３６に記載のコントローラ。
  44. 前記複数の光エミッタ及び光検出器は、４つの軸の各々に沿って２組の重なり合う幅広光ビームをそれぞれ放出及び検出するように配置され、
    前記コントローラ回路は、前記４つの軸上に両方の組の幅広光ビームの走査シーケンスを発生させるように構成可能である、
    ことを特徴とする請求項３６に記載のコントローラ。
  45. 前記エミッタドライバ回路は、
    対応する複数のエミッタ−検出器対のための個々の光エミッタパルス持続時間値を格納するための複数のレジスタと、
    前記格納されたパルス持続時間値に従って光エミッタパルスを発生させるための回路と、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項３６に記載のコントローラ。
  46. 前記エミッタドライバ回路は、
    対応する複数のエミッタ−検出器対のための個々の光エミッタパルス電流値を格納するための複数のレジスタと、
    前記格納されたパルス電流値に従って光エミッタパルスを発生させるための回路と、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項３６に記載のコントローラ。
  47. 前記光エミッタパルスを発生させるための前記回路は、前記光エミッタを駆動するためのプログラマブル電流ソースを含むことを特徴とする請求項４６に記載のコントローラ。
  48. 前記検出器信号処理回路は、前記光検出器から受け入れた電流をフィルタリングするための回路を含むことを特徴とする請求項３５に記載のコントローラ。
  49. 電流をフィルタリングするための前記回路は、連続フィードバック帯域通過フィルタを実行する回路を含むことを特徴とする請求項４８に記載のコントローラ。
  50. 前記検出器信号処理回路は、前記帯域通過フィルタリングされた電流をデジタル化する回路を含むことを特徴とする請求項４９に記載のコントローラ。
  51. 前記コントローラ回路は、周囲光値を表す第１のデジタル化電流値を光エミッタの起動中に検出された光を表す第２のデジタル化電流値から減算することを特徴とする請求項５０に記載のコントローラ。
  52. 前記コントローラ回路は、ユーザ定義シーケンスに従う順序で前記光エミッタ及び前記光検出器を起動するための回路を含むことを特徴とする請求項３５に記載のコントローラ。
  53. 前記コントローラ回路は、前記複数の光エミッタのユーザ定義の部分集合と前記複数の光検出器のユーザ定義の部分集合とを選択するためのかつ該選択された光エミッタ及び該選択された光検出器をユーザ定義のシーケンスに従う順序で起動するための回路を含むことを特徴とする請求項３５に記載のコントローラ。
  54. タッチスクリーンシステムであって、
    ハウジングと、
    前記ハウジング上に装着された表面と、
    前記表面上のタッチ場所を決定するために前記ハウジングに装着されたホストプロセッサと、
    前記表面にわたって発信される光を放出するための複数の光エミッタと、
    検出された前記エミッタによって放出された光に基づいて出力値を生成するための複数の光レシーバと、
    前記ホストプロセッサから走査構成設定値を受信し、該走査構成設定値に従って実質的に中断されない走査シーケンスで前記エミッタを起動し、かつ前記レシーバからの出力値を格納するために該ホストプロセッサ、該エミッタ、及び該レシーバに接続された請求項３５に記載の第１及び第２のコントローラと、
    を含み、
    前記光エミッタ及び前記光レシーバの数が、前記第１及び第２のコントローラの各々の信号伝導ピンによってサポートされる該光エミッタ及び光レシーバのそれぞれの数よりも多い、
    ことを特徴とするタッチスクリーンシステム。
  55. 第１のエミッタが、前記第１のコントローラに接続され、第２のエミッタが、前記第２のコントローラに接続され、
    前記第１のエミッタからの光及び前記第２のエミッタからの光が、前記コントローラの両方に接続されたレシーバによって検出され、
    検出された前記第１のエミッタによって放出された光に対する前記レシーバ出力値は、前記第１のコントローラによって格納され、検出された前記第２のエミッタによって放出された光に対する該レシーバ出力値は、前記第２のコントローラによって格納される、
    ことを特徴とする請求項５４に記載のタッチスクリーンシステム。
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