JP2016530617A - 回折格子を有する導光板 - Google Patents

Abstract

本例により提供される装置は、複数の回折格子を備えた導光板を有しており、光は導光板内で全反射によって伝播し、導光板に隣接する物体の存在に応じて光が散乱する。【選択図】図１

Description

タッチディスプレイは、種々の方法で実施することができる。ディスプレイによっては、容量性タッチセンサー又は抵抗性タッチセンサーを有し、ディスプレイに対するタッチイベントにより、そのタッチを示す電気的変化が生じる。その他に、タッチイベントの位置を求めるための画像処理とともに、例えば、減衰全反射（ＦＴＩＲ，frustrated total internal reflection）等の光学的手法を用いたディスプレイもある。

ＦＴＩＲでは、光は、臨界角において導光板内を伝播し、ユーザーが指でパネルにタッチしたとき、指の方が導光板よりも屈折率が高いため、接触点において光は逃げて反射する。光が逃げるか又は散乱すると、カメラが反射を記録することができ、又は代わりに光検出器が、伝播した光の減衰を検出して、タッチイベントが発生したと判断することができる。

詳細な説明の欄において以下の図面を参照する。

回折格子を備えた導光板を有する装置例のブロック図である。 回折格子を備えた導光板を有する別の装置例による光伝播の一例を示す説明図である。 回折格子を備えた導光板を有する別の装置例による光伝播の別の例を示す説明図である。 回折格子を備えた導光板を有する他の装置例を示す説明図である。 回折格子を備えた導光板を有する他の装置例を示す説明図である。 回折格子を備えた導光板を有する他の装置例を示す説明図である。 回折格子を備えた導光板を有するシステム例のブロック図である。 回折格子を備えた導光板を有する装置を実施する方法例のフローチャートである。

幾つかの例は、上述した図に示されており、それらについて以下に詳細に説明する。図は、必ずしも縮尺通りに描かれているわけではなく、図の様々な特徴及び表示は、明確及び／又は簡潔にするために縮尺において又は図式的に誇張して示されている場合がある。

減衰全反射（frustrated total internal reflection, ＦＴＩＲ）を用いて実施される光学ベースのタッチディスプレイは、少なくとも１つのオプトカプラにより導光板に対して光学的に接続された複数の発光体を有する場合がある。オプトカプラにより、発光体からの光は適切な角度、すなわち臨界角に方向付けされ、それにより、光は、一部が導光板内を垂直に通過してタッチ検出のために失われるのではなく、反射して導光板の内部を伝播する。

オプトカプラは、光を臨界角に向けるのに有益であるが、少なくとも、発光体と導光板との間に配置されるという意味で、場合によってはディスプレイのサイズを実質的に大きくする可能性がある。このサイズの増加は、幾つかの用途では許容可能である場合もあるが、他の用途では小型化が有益であると考えられる場合がある。

図１は、一例としての装置１００を示している。本装置は、導光板（light guide panel）１０２と、導光板１０２に隣接しており、導光板１０２に光を伝える発光体１０４と、導光板１０２に隣接しており、導光板１０２により伝播した光を検出する光検出器１０６とを備えている。導光板１０２は、複数の回折格子１０８を有するものとすることができ、タッチ入力を受けるタッチエリア１１０を含むことができる。様々な実施態様では、タッチエリア１１０は、第１の主面（major surface）の周辺部によって定めることができ、発光体１０４及び光検出器１０６は、図示しているように、第１の主面とは反対側の第２の主面に隣接して配置することができる。本明細書における「主面」という用語は、導光板１０２のより面積の広い面を定義するために使用することができ、導光板１０２は２つの対向した主面を有することができ、それらの長さ及び幅は導光板１０２の厚さ（すなわち、２つの主面間の距離）よりも大きい。同様に、「非主面（minor surface）」は、２つの対向した主面間の面（複数の場合もある）を指すことができる。

発光体１０４は、少なくとも１つの光ビームの形態で光を生成することができる。発光体１０４は、例えば、１以上のレーザー、１以上の発光ダイオード（「ＬＥＤ」）等を含むことができる。

発光体１０４からの光は、オプトカプラを使用することなく、導光板１０２の複数の回折格子１０８を介して、導光板１０２が直接受けることができる。複数の回折格子１０８は、発光体１０４からの光を、対応する複数の指向性光ビームにして角度をなして導光板１０２内に散乱（scatter）させて、光を導光板１０２内で全反射（total internal reflection）により伝播させることができる。導光板１０２のタッチエリア１１０に隣接する物体の存在（本明細書では、「タッチイベント」と呼ぶ）により、伝播光は、ＦＴＩＲにより散乱することができ、それに応じて光検出器１０６に達する光の量が変化する。検出された変化により、本明細書においてより十分に記載するように、タッチイベントの位置の決定を可能にすることができる。

回折格子１０８は、ＦＴＩＲに適した臨界角に光を向けることができるため、装置１００は、回折格子のない導光板を有する装置に比べて複雑度を低減させて構成することができる。例えば、本明細書に記載の導光板は、全反射に対して適切な角度に光ビームを向けるためにかさばるオプトカプラの使用の回避を可能にすることができる。したがって、発光体１０４及び光検出器１０６は、導光板１０２に隣接して配置することができ、それによってより小型化を可能にすることができる。幾つかの実施態様では、発光体１０４及び／又は光検出器１０６は、実際には、導光板１０２に当接させることができる。

様々な実施態様において、装置１００は、複数の発光体１０４及び／又は複数の光検出器１０６を有する。これらの実施態様のうちの様々な実施態様では、１つの発光体１０４から放出された光は、１つの光検出器１０６又は複数の光検出器１０６によって検出することができ、それにより、装置１００は、発光体１０４ごとに１つの光検出器１０６、発光体１０４ごとに２つ以上の光検出器１０６、又は光検出器１０６ごとに２つ以上の発光体１０４を有する。様々な実施態様では、発光体１０４及び／又は光検出器１０６は、光透過性接着剤、エポキシ樹脂若しくは糊、又は例えばエッジファスナー等のような別の接続部材によって導光板１０２に接続することができ、又は空隙を通して光を伝達することができる。

図示した実施態様は、発光体１０４と導光板１０２との間に、かつ光検出器１０６と導光板１０２との間にも回折格子１０８を有しているが、他の構成も可能である。幾つかの実施態様では、光検出器１０６と導光板１０２との間の回折格子１０８を省略することができる（別の場所に図示する）。

本明細書に記載する様々な実施態様による、導光板による光伝播の一例を、図２Ａ及び図２Ｂに示している。図２Ａにおいて、発光体２０４は、回折格子２０８を介して導光板２０２に光２１４を伝達し、それにより、光２１４が、角度をなして導光板２０２内に伝達されるようにし、光２１４を導光板２０２内で全反射によって伝播させる。例えば、導光板２０２に隣接する物体２１２（例えば、指）の存在等のタッチイベントが、図２Ｂに示しているように光２１４を散乱させることができる。物体２１２による光２１４の散乱により、導光板２０２を伝播し続け、したがって光検出器２０６によって検出される光２１４の量の減衰をもたらすことができる。光検出器２０６によって検出される光２１４の量の変化は、導光板２０２のタッチ領域２１０へのタッチが光２１４の経路に沿って生じたことを、装置２００に対して示すことができる。

図３は、導光板３０２による光伝播の別の例を示している。導光板３０２は、例としての回折格子３０８と、発光体（ここでは、回折格子３０８によって見えない）と、導光板３０２の反対側（この場合、下側）にある光検出器３０６と、タッチエリア３１０とを備えており、これらは全て点線（hashed lines）で示されている。

回折格子３０８の幾つかの組３１６からの光ビーム３１４の経路の表現例もまた、同様に点線によって示している。個々の点線矢印は、必ずしも個々の別個の光ビーム３１４を表しているわけではないが、代わりに、光ビーム３１４の経路の角度の広がりを表すことができる。光ビーム３１４は、図示したものとは異なる角度の広がり、形状及びフットプリントを有することができることに留意されたい。

図示しているように、複数の回折格子３０８は、光を、導光板３０２に対する、対応する複数の指向性光ビーム３１４へと散乱させるようにパターン化された実質的に平行な溝の組３１６を複数備えていてもよい。回折格子３１８における各組３１６は、格子長Ｌと、格子幅Ｗと、溝の向きθと、ピッチΛとによって定めることができる。回折格子３０８の各組３１６は、溝の向き及び格子ピッチによって制御される方向で、かつ、以下のように格子長及び格子幅によって制御することのできる角度の広がり
で、指向性光ビーム３１４を放出することができる。
ただし、λは指向性光ビーム３１４の波長である。格子配向角度θによって指定される溝の向きと、Λによって指定される格子ピッチすなわち周期とが、指向性光ビーム３１４の方向を制御することができる。したがって、回折格子３０８の個々の組３１６は、光をタッチエリア３１０に対して有効に向けることにより、デッドスポットなく、かつタッチエリア３１０の角にタッチ範囲（touch coverage）がある状態で、発光体３０４から放出されてタッチエリア３１０を横切って伝播する光の量を最大限にし、タッチエリア３１０の外周部の外側の光の損失を最小限にするように構成することができる。

タッチイベントの位置を求めるために、個々の光検出器３０６は、予測される光の量の変化を求めることができ、光検出器３０６からのデータの組合せは、タッチイベントの位置に関する情報を提供することができる。例えば、図３に示す装置３００の場合、水平縁のうちの１つ（ｘ軸）に沿った光検出器３０６及び垂直縁のうちの１つ（ｙ軸）に沿った光検出器３０６は、予測される光の量の減衰を求めることができる。ｘ位置及びｙ位置の組合せは、タッチイベントに対する座標を提供することができる。

上述した例に示すように、発光体及び光検出器は、導光板の主面に隣接する導光板の周辺部に沿って交互に配置されている。様々な他の実施態様では、発光体及び光検出器は、異なる配置とすることができる。例えば、図４に示すように、（複数の）発光体（回折格子４０８によって見えない）は、導光板４０２の２つの隣接する周縁部に沿って配置することができ、（複数の）光検出器３０６は、導光板４０２の反対側の周縁部に沿って配置することができる。他の図示しない実施態様では、（複数の）発光体は、第１の周縁部に沿って配置し、（複数の）光検出器は、第２の周縁部に沿って配置することができる。他の図示しない実施態様では、発光体及び光検出器３０６は、図３に示したもの以外の何らかのパターンで交互に配置することができる。本開示の範囲内で、他の様々な構成が可能である。

様々な実施態様では、（複数の）発光体及び／又は（複数の）光検出器は、図５及び図６に示すように、導光板の非主面に沿って配置することができる。図５に示すように、導光板５０２は、導光板５０２の非主面に沿った回折格子５０８を含み、回折格子５０８が発光体５０４と導光板５０２との間にあるように、発光体５０４は導光板５０２の非主面に隣接している。同様に、光検出器５０６は、導光板５０２の対向する非主面に隣接して配置されている。図６に示すもの等の他の実施態様では、光検出器６０６は、導光板６０２の主面に隣接して配置することができ、回折格子６０８及び発光体６０４は、導光板６０２の非主面に沿って配置されている。本開示の範囲内で他の様々な構成が可能である。

本明細書に記載する回折格子の様々な実施態様は、複数の製造工程のうちの任意のものを用いて形成することができる。幾つかの実施態様では、回折格子は、インプリントリソグラフィ工程によって形成することができる。これらの実施態様のうちの幾つかでは、インプリントリソグラフィ工程は、導光板の大量の製造を可能にすることができる、ロール・ツー・ロール方式を用いて行うことができる。導光板は、インプリントし、スタンドアロンディスプレイパネルとして使用することができ、又は、フレーム若しくは適切な接着剤、エポキシ樹脂若しくは硬化糊を用いて別の基板に取り付けるか若しくは積層してディスプレイパネルを形成することができる。後者の例のうちの幾つかでは、導光板は、回折格子とともにインプリントされ、後に別の基板（例えば、剛性基板等）に取り付けられるフィルムを備えたものとすることができる。様々な実施態様では、導光板は、限定されないがプラスチック又はガラス等の任意の適切な材料を含むことができる。

幾つかの実施態様では、回折格子は、アディティブ・フォトリソグラフィ又はサブトラクティブ・フォトリソグラフィ工程によって形成することができる。前者の実施態様のうちの幾つかでは、回折格子は、回折格子を形成する導光板の露出領域のマスキング（例えば、フォトレジストを用いる）、露光、現像及びエッチング、又は導光板の露出領域への材料の堆積により形成することができる。

図７は、回折格子７０８を有する、例としての導光板７０２を示している。回折格子７０８は、図２Ａ、図２Ｂに示した、導光板に埋め込まれた回折格子と比べて、導光板７０２の残りの面との関係で隆起している。様々な実施態様では、図７の導光板７０２の回折格子７０８は、上述したフォトリソグラフィ工程によって形成することができる。図８は、別の例としての導光板８０２を示している。回折格子８０８を有するフィルム８２０が、導光板８０２を形成している基板８１８の上に配置されている。本開示の範囲内で他の様々な構成が可能である。

本明細書に記載する様々な導光板及びこうした導光板を含む装置は、スタンドアロンデバイスとすることができるか、又は図９に示すシステム９００等、様々なタイプのシステムに組み込むことができる。様々な実施態様では、システム９００は、限定されないが、表示装置、デスクトップコンピューター、ノート型コンピューター、ハンドヘルドコンピューター、タブレットコンピューター、コンバーチブルコンピューター、スマートフォン、携帯情報端末、携帯電話機、テレビ受像機、小売用販売時点情報管理（point of sale）コンピューター、ゲームコンピューター又はデジタルカメラ等のシステムとすることができる。

図示するように、システム９００は、回折格子９０８を備えた導光板９０２と、導光板９０２に隣接する少なくとも１つの発光体９０４と、導光板９０２に隣接する少なくとも１つの光検出器９０６とを含むことができる。回折格子９０８は、本明細書に記載したように、光が角度をなして導光板９０２内に伝達されるようにして、導光板９０２内で全反射により光を伝播し、導光板９０２のタッチエリアに隣接する物体の存在に応じて光を散乱させることができる。（複数の）発光体９０４は、光を回折格子９０８に伝達することができ、（複数の）光検出器９０６は、導光板９０２によって伝播した光を検出することができる。

システム９００は、コントローラー９２２を更に含むことができる。様々な実施態様では、コントローラー９２２は、（複数の）光検出器９０６によって検出された光の量の変化を求めることができる。そして、コントローラー９２２は、少なくとも部分的にその変化に基づいて、物体が隣接している導光板９０２の位置を特定することができる。

図１０に、本明細書に記載の様々な実施態様による、複数の回折格子を備えた導光板に対するタッチイベントの位置を求める様々な方法１０００のフローチャートを示している。フローチャートは、様々な処理を特定の順序で示すものであるが、本図面は、本開示内容を何らかの特定の順序に限定することを意図したものではない。さらに、本図面は、全ての実施態様に対して全ての動作が必要であることの示唆を意図したものではない。

図１０を参照すると、複数の回折格子を備えた導光板に対するタッチイベントの位置を求める方法１０００は、まずブロック１００２から始まる。本ブロックでは、複数の回折格子を備えた導光板における第１の位置に光を提供する。光は、例えば、少なくとも１つの発光体等の光源によって提供することができる。回折格子を備えたエリアにおいて導光板に光を提供することにより、光は、導光板内で全反射により伝播することができる。伝播光は、少なくとも部分的に、導光板に隣接した物体の存在に応じて散乱しうる。

方法１０００は、ブロック１００４に進むことができる。本ブロックでは、導光板における第２の位置において光を検出する。光は、少なくとも１つの発光体により検出することができる。様々な実施態様では、発光体は、２つ以上の発光体からの光を検出するように構成することができる。

方法１０００は、ブロック１００６に進むことができる。本ブロックでは、光検出器によって検出された光量の変化を求める。様々な実施態様では、発光体は、導光板における第１の位置に第１の光量を提供することができる。光検出器は、第２の位置において第２の光量を検出することができる。光量の変化（すなわち、第１の量と第２の量との差）は、少なくとも部分的には散乱（すなわち、ＦＴＩＲ）によりタッチイベントが発生したことを示しうる。光量の変化は一般的に、光検出器に達する光量の、散乱による減衰である。

方法１０００は、ブロック１００８に進むことができる。本ブロックでは、光検出器によって検出された光量の変化に少なくとも部分的に基づいて、物体が隣接する導光板上の第３の位置を特定する。様々な実施態様では、上記第３の位置は、導光板のタッチエリアに配置することができ、これらの実施態様のうちの少なくとも幾つかにおいて、タッチエリアは、導光板の周辺部によって定めることができる。実施態様によっては、（複数の）発光体及び／又は（複数の）光検出器は、導光板の周縁部に沿って配置することができる。

例示的な実施形態の様々な態様について、本明細書では、当業者が自身の研究の内容を他の当業者に伝えるために一般的に用いる用語を用いて記載している。当業者には、記載した態様のうちの幾つかのみを用いて代替的な実施形態を実施することができることが明らかとなろう。説明の目的で、例示的な実施形態が完全に理解されるために、具体的な数、材料及び構成を示している。当業者には、具体的な詳細なしに代替的な実施形態を実施することができることが明らかとなろう。他の場合では、例示的な実施形態を不明瞭にしないために、既知の特徴は省略されるか又は簡略化されている。

本明細書では、幾つかの実施形態について例示し記載したが、当業者には、本開示の範囲から逸脱することなく、図示し記載した実施形態に代えて、同じ目的を達成するように考えられた多種多様の代替及び／又は等価の実施形態又は実施態様を用いることができることが理解されよう。当業者は、実施形態を多種多様な方法で実施することができることを容易に理解するであろう。本出願は、本明細書において考察した実施形態のあらゆる適合又は変形を包含するように意図されている。したがって、実施形態は、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されることが明白に意図されている。

Claims (15)

1. 複数の回折格子を備えた導光板であって、光を全反射により前記導光板内で伝播させ、前記導光板に隣接する物体の存在に応じて散乱させる導光板と、
   前記導光板に隣接しており、前記複数の回折格子に光を送る発光体と、
   前記導光板に隣接しており、前記導光板によって伝播した光を検出する光検出器と
   を備えた装置。
2. 前記光検出器は、前記発光体からの光量を検出するものであり、
   前記導光板に隣接する前記物体の存在に応じた光の散乱により、前記光検出器により検出される光量の減衰が生じる、請求項１に記載の装置。
3. 前記発光体は、前記導光板の表面における第１の周縁部に隣接しており、
   前記光検出器は、前記導光板の表面における第２の周縁部に隣接している、請求項１に記載の装置。
4. 前記導光板が主面を有し、前記主面の周辺部によりタッチエリアが定められている、請求項１に記載の装置。
5. 前記主面が第１の主面であり、
   前記導光板は、前記第１の主面とは反対側にある第２の主面を有し、
   前記発光体及び前記光検出器は、前記導光板の前記第２の主面に隣接している、請求項４に記載の装置。
6. 前記発光体が複数の発光体のうちの一つであり、
   前記光検出器が複数の光検出器のうちの一つである、請求項１に記載の装置。
7. 前記複数の回折格子は、光を、前記導光板に対する、対応する複数の指向性光ビームへと散乱させるようにパターン化された実質的に平行な溝の組を複数有するものである、請求項１に記載の装置。
8. 実質的に平行な前記溝の複数の組に含まれる一つの組の格子ピッチ及び格子配向が、該組によって散乱する光の方向を制御するものである、請求項７に記載の装置。
9. 前記組の格子長及び格子幅が、該組によって散乱する光の角度の広がりを制御するものである、請求項７に記載の装置。
10. 前記導光板が、基板と前記基板に配置されたフィルムとを備えており、
    前記フィルムが前記複数の回折格子を有するものである、請求項１に記載の装置。
11. 前記装置が、表示装置と、デスクトップコンピューターと、ノート型コンピューターと、ハンドヘルドコンピューターと、タブレットコンピューター又はスレートコンピューターと、コンバーチブルコンピューターと、スマートフォンと、携帯情報端末と、携帯電話機と、テレビ受像機と、小売用販売時点情報管理コンピューターと、ゲームコンピューターと、デジタルカメラとの中から選択された一つである、請求項１に記載の装置。
12. 複数の回折格子を備えた導光板における第１の位置に光を提供するステップであって、前記光は、全反射により前記導光板内で伝播し、前記導光板に隣接する物体の存在に少なくとも部分的に応じて散乱する、ステップと、
    前記導光板における第２の位置において前記光を検出するステップと、
    前記光検出器によって検出された光量の変化に少なくとも部分的に基づいて、前記物体が隣接する導光板上の第３の位置を特定するステップと
    を含む方法。
13. 前記光検出器によって検出された光量の変化を求めるステップを更に含む請求項１２に記載の方法。
14. 前記光を提供するステップは、前記第１の位置に第１の光量を提供するステップを含み、
    前記光を検出するステップは、前記第２の位置における第２の光量を検出するステップを含み、
    前記第１の量と前記第２の量との差を求めるステップを更に含む請求項１２に記載の方法。
15. 全反射により光を導光板内で伝播させる、複数の回折格子を備えた導光板と、前記導光板に隣接しており、前記複数の回折格子を通じて前記導光板に光を送る発光体と、前記導光板に隣接しており、前記導光板によって伝播した光を検出する光検出器とを備えたディスプレイと、
    前記光検出器によって検出された光量の変化を求め、前記変化に少なくとも部分的に基づいてタッチイベントの位置を特定するコントローラーと
    を備えた装置。