JP2017510928A - 損失分散ｆｔｉｒ層を用いた光学式タッチスクリーン - Google Patents

Abstract

タッチセンシティブスクリーン装置は、光分散底板（１８）と、底板の表面上の入射光の位置がスクリーン上のタッチポイントの相対的位置を表すように、タッチポイントにおいてスクリーンにタッチする外部体（２２）に反応して底板上に光を伝送する手段と、を備える。底板（１８）は、拡散やエネルギー損失によって、その底板上の入射光を捉え及び分散させる。底板表面上の入射位置からの距離に伴う入射光の強度の減少が大まかに指数関数に近似するように、底板の光分散特性は存在している。装置はさらに、底板の各端において光強度を検出するための少なくとも１つのセンサ（２０）と、検出光強度と指数関数からスクリーン上のタッチポイントの相対的位置を計算し、タッチポイントの位置から得られた制御入力を表す制御信号を生成する処理手段と、を有する。

Description

本発明は、スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、電子リーダーまたは携帯ゲーム機などの電子デバイスのための光学式タッチセンシティブスクリーンに関する。

電子デバイスのためのタッチセンシティブスクリーンの提供がますます普及しつつある。従来のタッチスクリーン装置は、LCDディスプレイ面と、LCDディスプレイ面上に配置されている抵抗式または容量式のオーバーレイとを有する。抵抗式タッチスクリーンでは、LCDディスプレイ面にオーバーレイを介して圧力が加わると、そのような圧力の相対的な位置を表す電気信号がコントローラICによって生成され、ホストコンピューティング装置内のデバイスドライバまたは同様なドライバがそのような信号をキー入力やスクロール動作のようなタッチベース入力として認識する。同様に、容量式タッチスクリーンにおいて、オーバーレイに生じる電界の乱れは、タッチ動作を判別するために使用される。

抵抗式タッチスクリーンは、特に、低コスト、低消費電力とスタイラスの利用の観点から、多くの用途で好まれている。抵抗式タッチスクリーンは一般的に、導電層と抵抗層を備え、その層同士は薄いスペースで区切られている。例えば、指またはスタイラス等のポインタがスクリーンに触れることで、そこに圧力が加わると、層同士が接触し、効果的にスイッチが閉じて電流が流れる。コントローラは、層の間の電流を判別して、タッチポイントの位置を特定する。

しかし、抵抗式タッチスクリーンについては多くの欠点がある。まず、オーバーレイがあるため、スクリーンが十分に透明ではなく、直射日光で一般的に読み取れるものではない。第二に、そのようなスクリーンは圧力センシティブ層の劣化の対象となり、定期的な再校正も必要となる。さらに、検出のために圧力を加える必要があり、不十分な圧力がポインタによって加わる場合には検出されない恐れがある。最後に、抵抗式タッチスクリーンは、２つのまたはそれより多いポインタが同時にスクリーンに触れていることを識別する「マルチタッチ」という機能に対応できない。

本発明は、これらの問題の少なくともいくつかに対処し、コストと信頼性の面で改善されたタッチスクリーンを提供することを目的とする。

本発明の態様によれば、光分散損失底板と、底板の表面上の入射光の位置がスクリーン上のタッチポイントの相対的位置を表すように、タッチポイントにおいてスクリーンにタッチする外部体に反応して底板上へと光を伝送する手段と、を含むスクリーンを備えたタッチセンシティブスクリーン装置が提供される。底板は、拡散やエネルギー損失のよく制御されたメカニズムを用いて、その底板上の入射光のエネルギーを捉え及び分散させさらに失わせる。底板表面上の入射位置からの距離に伴う入射光強度の減少が大まかに指数関数に近似するように底板の光分散特性が存在する。その装置はさらに、底板の各端において光強度を検出するための少なくとも１つのセンサと、検出光強度と指数関数からスクリーン上のタッチポイントの相対的位置を計算し、タッチポイントの位置から得られた制御入力を表す制御信号を生成する処理手段と、を有する。

本発明の例示的な実施形態によれば、その装置は底板の各端での光強度を検出するための少なくとも２つのセンサを備えてよく、底板の光分散損失特性についてはセンサによって検出された光の強度比率が底板表面上の光の入射位置からの各センサの距離間の差を表す要素を含む大まかな指数関数に近似するようにしてもよい。この場合、底板の光分散損失特性は、強度の比率が、タッチポイントの相対的位置とは無関係に、底板表面上の光の入射位置から各センサまでの距離が概ね一定の差によって定義されるようなものであってよい。

底板は、光学的屈折性及び/または反射性を有する粒子または分子がドープされた光学的に透明な基板を含んでいてもよい。この場合、指数関数の勾配は、光学的屈折性及び/または反射性を有する粒子または分子が底板にドープされたレベルに依存してもよい。

処理手段は、センサ（複数可）の角感度を考慮して相対的位置の計算を調整してもよい。

本発明の例示的な実施形態によれば、スクリーンはさらに、物質を介して底板と離隔した光学的に透明な天板を備えてよく、装置はさらに、スクリーンにタッチしている外部体がないときに、天板内で照射光が概ね全反射するように天板を照射する光源を備えてよい。この場合、天板と底板の間の物質の屈折率は、光分散天板の屈折率より低くする。例えば、天板と底板の間の物質は、空気であってよい。

光源は天板の端に設けられてよく、天板表面に対して予め決められた入射角での光線によって天板を照射する。入射角と、天板の屈折率と、天板と底板の間の物質の屈折率は、スクリーンにタッチしている外部体がないとき照射光が実質的に天板内で全反射するようなものであってよい。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、その装置は、スタイラスの端にあって、スクリーン上のタッチポイントにおいて光源から底板まで光を伝送する光源を含むスタイラスを備えてもよい。

この場合には、そのスクリーンはさらに、物質を介して底板から離隔した光学的に透明な天板を含んでよいし、その装置はさらに、変調光信号によって天板を照射する光源を備えてよい。そのスタイラスは、変調光信号を検知し、それによってスタイラスとスクリーンとの間での双方向通信を可能にするための光検出器を含んでよい。

その処理手段は、双曲線の交差アルゴリズムによってタッチポイントの相対的位置を計算してもよい。

先述した本発明の態様及び他の態様は、本発明の実施例を述べる以下の説明と添付図面の参照により明らかになる。

本発明の第１実施形態におけるタッチスクリーン装置の概略断面図である。 本発明の第２実施形態におけるタッチスクリーン装置の概略断面図である。 本発明の第３実施形態におけるタッチスクリーン装置の概略断面図である。 比較的透明な板（b）と比較して、「飛散」時の損失板（a）における光の伝播の概略図である。 ドープされた損失板の端部に取り付けられた光センサでの受光強度を示す、正規化された実験的な光強度と距離とのグラフである。 透明板での従来技術の方法（b）と比較して、損失板における最初の圧力検出のためのアルゴリズム（a）を説明するための模式図である。 半径方向の距離を用いた光センサの角感度のグラフである。 本発明の例示的な実施形態において、光検出システムのノイズ関係を参照した、位置精度及び入力のグラフである。 先述した双曲線交差アルゴリズムに関連して、二つの対向するセンサを示す概略図である。 極形式での双曲線に関する図９aのセンサを示す概略図である。 双曲線の既知の特性を説明するための模式図である。 直角を形成する３つのセンサの場合を示す概略図である。 トップスクリーンの劣化に起因する背景信号のレベルの増加にもかかわらず、電子信号処理経路のダイナミックレンジを維持するための技術を示す模式図である。

図１を参照すると、本発明の第１実施形態に係るタッチスクリーン装置は、光学的に透明な天板１０及び天板１０の１つの端または複数の端に位置する１つまたは２つ以上の光源１２を備える。天板１０は、ガラスやアクリル等の任意の光学的に透明な材料で形成されてもよく、本発明はこの点で限定されることはない。当業者には明らかであるように、光源は、LEDまたは他の公知の光源で構成されてよい。照明光の焦点を合わせるため、及び/または横方向に照明光を拡散させるために、必要に応じて、レンズ（図示せず）が光源１２と天板１０の端部との間に配置されてもよい。光源は、明るい環境条件で装置が効果的に動作するように赤外線または強度変調を備えてよい。複数の光源が配置されてもよく、その場合には、各光源を独自に変調することにより、正確に接触位置を検出する能力を向上させることができる。

光の強度が強くなるほど信号対雑音比は高くなり、したがって、結果の精度もさらに向上することとなることが理解されよう。しかし、消費電力は、信号の強度に正比例する。従って、適切な時間（例えば、前タッチ検出段階中）に、変調信号のマークスペース比を調整することにより、及び/またはバースト変調することにより、及び/または光源（複数可）の電流を変化させることにより、システムの信号対雑音比を最適化しながら電気効率を向上させることができる。システムのさらなる強化は、スクリーンの選択領域で一部の光レベルを動的に調整し、他を低減することによって達成されてもよい。例えば、タッチが検出され、その位置が分かる場合、タッチの追跡を可能にするためにその領域の明るさを増加させ、電力を節約するためにスクリーンの他の領域の輝度を低減することができる。

天板１０の下方に、光学的に透明な板よりも小さい屈折率を有する任意の中間層１４が存在する。図示の例では、中間層１４は、空気で構成されているが、中間層１４に使用される物質は、天板１０に用いられる材料よりも小さい屈折率を有するという要件のみに拘束されるものであり、本発明はこの点においていかなる方法でも限定されることを意図するものではない。

天板１０内で光が全反射を起こすように、天板１０は、光源（複数可）１２によって照明される。全反射は、入射光の波が、表面における法線に対する特定の臨界角よりも大きな角度で媒体境界に当たるときに起こる現象である。屈折率が境界の他方の側で小さく、入射角が臨界角よりも大きい場合、光は、境界を通過することができず、媒体内で完全に反射される。

例えば、指やスタイラスのようなポインタ２２が天板１０に接触した場合には、減衰全反射（FIR）によって天板１０内の全反射が阻害され、一部の光２３が天板１０と中間層１４を介して送られる。指などの柔軟なポインタからの圧力が増加すると、全反射光が阻害される領域が拡大し、減衰干渉の程度が増加し、スクリーンに触れている物体の形状がある程度模倣される。したがって、ポインタの形状は他の動作を実行するために用いられる。例えば、指のタッチが検出され、その形状が決定された後、スクリーン上で指を回転させることで、形状変化を検出し、動作可能となる。

本発明の第１実施形態のタッチスクリーン装置は、さらに、光分散損失底板１８と、その端に位置する光検出器２０を備える。底板１８は、支配的な損失板を形成するように、上方からの入射光を底板１８の端部に向かって分散させ底板１８の上面及び下面から喪失させる分散特性を有する。当業者には明らかであるように、このような分散特性を達成する方法はほかに多数存在する。例えば、底板１８には、内部に微細な光学的屈折性及び/または反射性を有する粒子または分子１８aが埋め込まれていてもよい。このような分子によって、入射光が屈折及び/または反射し、結果的に底板１８内に散乱する。したがって、光の散乱/喪失が引き起こされ、端に向かって板１８を横切る光が拡散する（また、この板の上面及び下面を通じた光の喪失も引き起こされる）ため、光検出器２０により検出することができる。当業者に明らかなように、類似した分散特性及び損失特性を有する底板１８を設ける他の方法として、回折/分散性の基材を備えた底板１８をコーティングすることや、表面のパターン処理を行うことを含んでよい。

このように、ポインタ（指、スタイラス等）２２が天板１０に触れ、光が天板１０と中間層１４を通過して底板１８へ向かうと、先述の通り、その分散/損失特性によって、上からの入射光が底板１８を通じて損失作用によって端へと分散及び飛散し、その光の一部は光検出器２０によって検出される。天板１０に接触した位置が、光が入射する底板１８上の相対的位置、したがって、底板１８の端から入射光までの距離（すなわち、端の光検出器に光が到達するまでの必要移動距離）を決定するであろうことが理解されよう。その結果、光検出器によって検出される光の相対量は天板１０に接触する位置、つまり、光が入射する底板１８上の位置に完全に依存することとなるであろう。

損失底板の飛散/分散性により、板、そして光が横方向に分散し減衰する方法によって捕捉された光の量が増加する。したがって、この特性が、発生したタッチからの距離における捕捉された光の減衰動作を制御するために用いられることで、タッチポイントの位置を一意に算出し、タッチの位置精度を制御できるようになる。また、底板１８に埋め込まれた飛散/分散性物質の濃度プロファイルを制御することにより、捕捉された減衰光のプロファイルを距離で制御することも好ましい。

いずれにしても、光検出器（複数可）からのデータ、光検出器で検出された光の量及び強度を受信するために処理手段（図示せず）が設けられ、これにより、処理手段は、天板１０上のタッチポイントの位置及びタッチの性質及び/または形状を算出する。したがって、それぞれのフォトダイオードにおける相対強度及びそれらの相対的な位置の比較、並びに底板１８の分散及び減衰特性の情報により、タッチあるいは複数のタッチの位置及び性質を計算することが可能である。デバイスドライバ（図示せず）は、その後、得られたデータを、キー圧力またはスクロール動作のようなタッチベースの入力として認識しうるだろう。

したがって、先述の通り、本発明の例示的な実施形態によれば、タッチセンシティブトップスクリーンを備え、その天板の端に入射された光は全反射（TIR）する。この天板の表面に触れると、この光のうち少ない割合の光が「エバネッセント」という現象や減衰全反射（FIR）によって放出される。減衰全反射によって放出される光の割合は、天板内の光のごく一部で構成されることが理解されよう。

天板の光から放出されたこの少ない割合の光は、次に底板上に向けられる。底板には、長さ方向に進行する光について非常に多損失にするために意図的に反射/屈折粒子がドープされている。さらに、天板から出射される光のごく一部は、最初に底板に捕捉される。底板は多量にドープされているため、横方向において板は不透明に近い。底板の端におけるセンサは、端に到達した少ない割合の光を検出し、次の議論に示されるように、これを位置情報に変換する。

次に、天板と底板の動作及びタッチの位置を検出する技術を詳細に説明する。
天板に触れたときFIRによって放出されたエバネッセント光の使用は、従来技術に比べて、「ビーム破壊」、または手や指によって反射される散乱光の検出といった、いくつかの利点を有する。これらの利点には、（スクリーンより指やスタイラスが少し上である状態より）指やスタイラスがいつスクリーンをタッチしたのかをより明確に検出できることと、タッチ圧の変化の兆候を少なくともある程度明確に検出できることが含まれるが、これらに限定されない。さらなる利点は、光源と光センサの数が減少したことによる潜在性に起因するコストである。

タッチした際にFIRによって放出されたエバネッセント光の使用は、位置を撮像するために、カメラを直接使用して射出光を撮像する場面、またはそのような光をスクリーンの側にある検出器のアレイに転送する場面において、調査対象とされてきた。しかしながら、本発明の実施形態の主要な新規な特徴の一つは、位置計算のために、タッチ位置を直接撮像するためのマトリクスのセンサで必要とされずに、天板に触れた際にFIRによって放出されたエバネッセント光を使用することと、下方の損失板と共にエバネッセント光を意図的に使用することである。具体的に、損失板には、所定の帯域幅/応答時間で、最大定義された距離での所定のタッチ解像度のために必要な所望の損失係数を与えるようにドープされる。

例えばレーザーポインタよりも小さな桁の光レベルがエバネッセント圧力から放出されており、この光のうちのわずかな割合のみが損失下拡散板によって捕捉されることを考えると、一般的に端に入射する光のわずか数パーセントを運んで検出させる下板を使用することは反直感的に見えるかもしれない。しかし、本発明者らは、正確なタッチ検出のための新規なアプローチを開発した。

光検出器によって検出された信号を考慮した場合、電気的ランダムノイズは、常にセンサ及び任意の増幅/検出回路の双方において存在することが自明な現象である。このノイズは、位置に対する信号の特性に依存して、圧力の位置精度の不確実性を生ずる。もちろん信号は平均化またはフィルタリングまたはその他のノイズの影響を低減するように処理されるが、これにより、帯域幅が低減され、圧力の正確な位置を検出するための時間を増加させるという周知の効果をもたらすこととなる。

位置検出のための損失板の使用は、所定の帯域幅/時間内で特定の位置精度を達成するという必要性に取り組む。制御された方法において距離によりエネルギーを失うという明確な利点を損失板が有するので、所定のノイズレベルに対して距離の精度を高められることが分かる。

所定のノイズレベルに対する位置精度の数学的分析については、以下に詳細に記載する。

所定のノイズレベルに対する位置精度と、距離に対する強度の傾きの関係：
損失板において、光センサによって受け取られる光の強度は、式によって距離と関連付けられることが分かる。

I は、光センサでの光の強度、I0は板に入射される外挿光強度で、KLは説明したようにドーピング濃度に依存した定数、xは光の入射点から光センサまでの距離である。これを微分することで以下の式を得る。

したがって、

INをノイズ電流rms /√HZと呼ばれる入力、Bをシステムの有効帯域幅として、それぞれ定義すると、dI = IN ＊ √Bを得る。

また、ランダムな電子ノイズのガウス性質により、すべての場合のうち９９.７％を占めるように計算された圧力位置の標準偏差±３（図８に示すように）内の不確実性の距離としてΔxを定義した場合、式（b）を次のように書き換えることができる。

例えば、本発明の例示的な一実施形態で、IN = ２５０fA // √HZ、B = １０Hz、KL = ２２ｍｍ、I0 = １９９７pA、x = ８０ｍｍとすると、以下の精度を与えることとなる。

板の厚さにより、垂直方向における損失板の透明性は非損失板のものと同様であることに明瞭に留意すべきである。損失板が比較的不透明なのは、横方向のみである。

位置検出のための新規使用損失板の使用は比較的反直感的であり、比較的高い輝度のレーザーポインタを用いた使用が想定されている低損失非接触スクリーンという従来技術装置（例えば、WO２００８ / ０１８７６８）からのアプローチとは完全に対照的であることに留意すべきである。このような従来技術は、板内部での損失をできるだけ排除するため、蛍光体を使用しており、板の内部に飛散材料を使用することを意図的に回避する[３５、９７、１６１、３９、５４、９０、９９]。本発明の態様の要素は、位置精度を向上させるために、下部板の損失を制御することである。このアプローチは、使用される検出アルゴリズムが影響している。

板の内部で光を散乱させるために比較的安価な反射性/屈折性粒子を使用することは、より正確な位置精度が得られるだけでなく、（入射光を放射しその後再放出する）蛍光体を使用した場合と比較したコストの面でメリットがある。

図４は、散乱を使用した損失底板と、蛍光体を使用した比較的透明な板に基づくアプローチとの、動作モードの違いを例示している。

トップスクリーン上のエバネッセント圧力の検出に必要な濃度の散乱粒子を用いた損失底板の使用により、すべての実用的な目的における強度分布が指数関数を示す。

図５のグラフは、その板から得られ、直線距離に対して対数的にプロットしたときの実験データを示す。この関係は、理論とよく一致する。

また、本発明の新規態様は、光を散乱するために用いられるドーパントの濃度及びタイプが距離に対する光強度のグラフの勾配に影響を与えるというものである。上述したように、所定の電子ノイズレベルと所定の帯域幅/応答時間とで、必要な位置精度を達成するために、本発明の態様に従って、ドーパントの濃度は意図的に選択しうる。

したがって、本発明の例示的な実施形態の新規態様は、この損失板の特性を圧力位置の決定に利用する方法である。

損失板における光の強度は、すべての実用的な目的に対して指数関数を示すため、強度は以下の式のように表すことができる。

ここで、I1はセンサ（１）で測定した強度であり、I0は、センサ（１）からの距離d１にある板によって捕捉された光の元の強度である。KLは、距離に対する強度のグラフの傾きを決定する単なる定数である（対数プロット）。

二つのセンサ（１及び２）の強度比を見るために、上記の式１を用いると、以下の式となる。

この両辺の自然対数を取ることによって、

が与えられる。

一対のセンサ（I１及びI２）によって信号強度の比を測定し、次いで、板上に一定の信号比の経路を決定する場合、その経路は、d１-d２の値が一定である経路と一致することが分かる。

このような経路は、双曲線（http://mathworld.wolfram.com/Hyperbola.html例参照）を描くことが知られている。

これを従来技術装置（例えば、WO２００８ / ０１８７６８など）と対比すると、比較的透明な板を備える従来技術装置では二つのセンサの強度の比率が一定であれば距離も一定の比率（d１/ d２が一定）となるのに対し、上述したような損失板を用いた場合にはd１-d２は一定であるがd１/ d２が一定ではない。

より明確にこれらの違いを強調するために、図６を参照する。
損失板の特性をさらに制御することにより、光強度の分布が十分に制御され、したがって回帰分析（例えば、WO２００８ / ０１８７６８で使用されるように）は必要ないこと、また、先述した反射/屈折/散乱性物質の特定の濃度は、ノイズを含んだ位置精度を制御するために選択されることには留意すべきである。

本発明の例示的な実施形態における使用に適したアルゴリズムは、最初の圧力のおおよその位置を決定するために二対のセンサからの双曲線の交点を使用し、これはさらに、後述のように、センサの有限の角感度を考慮するために処理される。

双曲線交点による圧力位置の決定：
双曲線交差アルゴリズムの基礎
図９aに示すように、対向する二つのセンサS１及びS２を考える。
損失底板または特許に記載されている受信板と同様に、距離に対する信号強度の特性が指数関数であるため、以下の式が示される。

ここで、I0は板に入射した光の外挿強度、KLは板の特性に依存する定数である。

したがって

したがって、

一定の比率であるR12の経路は、図９bを参照して、極形式において以下に示す双曲線の経路である。

式 i及び式 iiの結果を使用して以下を得る。

ここで、a= KL.ln(R12)/2、e=d/ KL.ln(R12)

２つのセンサS１とS２との間での光強度の比R１２を測定し、d（両センサ間の距離）、及びKL（板の特性）を知ることにより、任意の対のセンサにおいてa及びeを十分に計算しうることに明瞭に留意すべきである。

図１０aに示すように、双曲線の既知の特性を考慮する。
FP=焦点から双曲線上の点までの距離
PD=双曲線上の点から準線までの距離
以下の式は、双曲線のよく知られた特性である。

図１０bに概略的に示す、直角を形成する三つのセンサS１、S２及びS３を考える。
式ivから、以下のことが分かる。

同様に

r12= r13なので、

圧力がデカルト座標（xp、yp）であれば、先に示した双曲線の性質から、以下が分かる。

上式を式（ｖ）に代入することで、以下の式を得る。

ここで、先に示したように、e12、e13、a12、a13は、すべての対のセンサ間の光強度の比から求めることができる。

式 viと同様の式は、センサ２、３、４及び別の決められた線を用いて導出することができる。
これらの２本の線の交点は、板への光の入射位置、すなわち圧力位置である。

上記の式は、互いに直交するセンサの組にのみ有効である。
センサA、B、Cにおける一般的な式を導出すると、次式で与えられる。

ここで、exyとaxyは、センサxとyにおける通常の意味を有し、ψとθは、垂直デカルト軸に対して準線 ABとACがそれぞれなす角である。

このアプローチの使用は、１本の線を生成するための３つの独立したセンサと、インターセプトポイントの生成すなわち圧力位置を決定するための少なくとも２本の線とを必要とする。

しかし、システム内にノイズがあるため、決められた光源、押圧、位置の全体の精度を向上させるために、複数のセンサの組み合わせを使用することが有利である。
センサの所定の数をnとし、独立した線数をLとする。

実際には、使用するセンサを適宜選択することで、ノイズが存在しても、スクリーンのどの領域に対しても、計算された押圧位置の精度を高めることができる。

幾何学的なアプローチだけが問題に対する解法というわけでなく、タッチ位置を決定するためにセンサを３つだけ要する三角法的に決められる解法もある。しかし、この解法は、計算の観点から、さらに複雑となるため、単純なデジタル実装に向いていない。

なお、この特定の実施形態において、先述したアルゴリズムを使用してもよいが、本発明は、必ずしもこれに限定されるものではなく、位置を決定する複数の方法は、複数の連立方程式に対する解法であると考えてよい。当業者はこれらを多くの方法で解決し得るが、行列及び/または繰り返し解法での解決に限定されるものではない。

実際のシステムでは、センサへの入射光の角度に依存する感度を光検出器が有しているので、圧力の正確な位置を見つけるために、センサの有限角感度も考慮する必要がある。この現象を組み込むことがアルゴリズム使用方法の新規な態様である。センサにおける角度に対する強度の関係は、距離に対する強度の関係とは異なり、板の端から光検出器へ光を導くために用いられる任意の光造形、レンズ効果及び/または反射/屈折面の設計を含んでもよい態様から決まることが認識される。

図７に、本発明において使用される一実施形態の角感度を示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。

したがって、圧力の位置を決定する際に、アルゴリズムは、センサ対の間の距離において定差である双曲線の交点だけでなく、センサ毎に異なる解法となる角感度の変化も考慮する必要がある。

本実施形態においてこれが達成される方法をより詳細に説明するが、先述したように、当業者にとって、これらの連立方程式を解く他の方法、例えば、行列を用いる方法は、自明である。

光学センサの角感度を考慮した圧力位置の精密化：
センサ、反射器及び/または光学素子は、その形状/性質に依存して、それらに入射する光の角度に応じたある程度の変化を示す。この角度変化は、光強度において、正確なタッチ位置を計算する場合になお考慮する必要がある。

タッチ位置を計算する際に光学センサの角感度を考慮に入れたこの改良は、第一近似でセンサの角感度が一定であることを前提としている先述したアルゴリズムを補完することが認識されるだろう。

一実施形態のために取られたアプローチは、先述したアルゴリズムに基づいた反復計算を使用するものだが、これに限定されることはない。

最初の例では、初期推定位置を板の中心とすることもできるし、または相対的なセンサ信号のレベルとその既知の位置に基づいて初期推定を行うこともできる。

この初期に推定されたタッチ位置を用いることで、先述したアルゴリズムで使用されるセンサのレベルを、各センサの法線に対する推定タッチ位置の角度に応じた変化を考慮して、センサ毎に調整することができる。

センサの選択及び各センサの調整された強度レベルは、その後、最初に、先述したアルゴリズムで使用され、そのアルゴリズムが初めて動作する。

アルゴリズムは、上述したように、多数の優先センサからの情報の平均インターセプトポイントに基づいて平均タッチ位置を返す。優先センサは、本実施形態では５個でよいが、これに限らない。

この新たに推定されたタッチ位置が当初の推定よりも、実際のタッチ位置に近くなるだろう。
この新たな推定位置は、各センサの角感度を考慮するため、及び、上述のアルゴリズムにおいて各センサに用いられる強度の値を調整するために再び使用される。

先述したアルゴリズムは再度実行され、改善されたタッチ位置が得られる。
計算されたタッチ位置が真の位置に近づくまで、この反復アプローチが繰り返され、毎回誤差が小さくなる。

圧力位置が精度の許容レベルと判定されるか確立するために、アルゴリズムの各実行の終了時に、先述したアルゴリズムに用いられる線が各々独立した対を形成することで得られるインターセプトポイント各々の、距離の平均変化を決定する簡単な試験を実行する。

要求される圧力位置の精度に応じて適切な閾値レベルを設定することにより、要求される精度でアルゴリズムが正確な圧力位置を決定したときが分かる。

したがって、本発明の態様において、垂直方向に比較的透明だが横方向に損失で、表面への入射光を飛散させ、それゆえに放散及び分散させる光学的な損失底板を含むスクリーンを備えたタッチセンシティブスクリーン装置が提供されており、その装置はさらに、スクリーンのタッチポイントにタッチした外部体に反応して板上に光を送る手段を備え、底板において入射光が当たる位置はタッチポイントの相対的位置を表す。その装置は、分散光を検出するために底板の端に設けられた光検出手段と、検出光からタッチポイントの相対的位置を計算し、タッチポイントの位置から得られる制御入力を表す制御信号を発生させる処理手段を備える。

マルチタッチ機能は、同時タッチ位置のみを計算するか、単一の位置決定と連続タッチの組み合わせを使用することによって達成してもよい。例えば、マルチタッチ機能は、時間的に分離された複数のシングルタッチに関連付けられた光レベルの変化を検出することによって提供されるが、いずれのタッチも単一のアクションに関連付けられている。第１のタッチは、そのタッチが所定の位置に残る間、確認及び検出され、第２のタッチが加わると、さらに光のレベルが変化し、したがって、検出可能となる。最初のタッチが一定のままである場合、第２のタッチの移動により変化が生じる。デバイスドライバ（図示せず）は、結果データを、キー圧力またはスクロール動作のようなタッチベースの入力として認識することができる。

好ましい実施形態では、底板により分散させた入射光を底板上で検出するために、複数のフォトダイオードを使用する。

従って、本発明は、必要に応じて、単一またはマルチタッチスクリーンアプリケーションに適合でき、また、必要に応じて、湾曲した、可撓性の、または複雑な形状や成形に比較的容易に適合できる、比較的低コストかつ信頼性のあるタッチスクリーンを製造する手段を提供する。変調された可視光、変調された赤外線または変調されていない赤外線の光源（複数可）の使用により、様々な照明条件下で、先述した技術が強固で柔軟なものになる。可視光を使用する場合、光は、周囲光と区別するために変調される必要があるだろう。しかし、赤外線源が使用される場合、必要に応じて変調または非変調にしてよい。しかし、周囲の照明はこの検出プロセスにおける入力信号として知られており、そういうわけで、この特徴がシステム内において、例えば、表示スクリーンの背景照明を増減するための有用な特徴であってもよいことが認識される。

また、独自に各光源または光源のグループを変調することによって、周波数、位相、またはコードにおいて、強化された検出システムを達成してもよい。例えば、圧力位置を決めるために、一つの光源が０度の位相シフトで周波数変調され、他方は比較的位相がシフトされている、例えば、９０度シフトされている場合、圧力位置に最も近い光源を判別することが可能である。当業者にとって明らかであるように、他の変調方式も、他の様々な機能拡張を実現するために採用しうる。

このシステムの更なる特徴は、表示スクリーン上の既知の位置に一連の明るい領域を用い、これらと光検出器によって検出された明るい領域の位置とを相関させることで、表示スクリーンとタッチ検出との間の位置合わせを行う能力である。この目的のために、光が低周波変調された「ドット」が用いられ、または（周囲の光が校正プロセスを妨害しないように）DC光が暗闇の中で用いられる。

このシステムのさらなる特徴は、傷や汚れやグリースによるトップスクリーンの劣化を補償する方法である。

トップスクリーンは環境に左右されるので、傷が付いたり、及び/または汚れやグリースを受けて、そこから底板に一部の光が入射される。このこと自体は、タッチを決定するために光強度の変化を用いるタッチ検出アプローチで想定される問題ではない。しかしながら、トップスクリーン上の傷、及び/または汚れ、グリースの増加は、長期間にわたって底板に見られる背景光の強度の増加を引き起こし、したがって、各フォトダイオードのチャネルに関連付けられた電子信号処理経路に利用可能なダイナミックレンジを減少させる。

この問題を解決するための新規な解決策は、適切なポイントで光駆動信号と概ね逆位相の補償信号を電子信号経路（複数可）へ導入することである（信号処理経路内における任意の付加的な位相シフトを適切に可能にする）。この補償信号の振幅は、トップスクリーンの任意の漸進的な劣化を考慮して、長期間にわたって自動的に制御することができる。この実施例は、図１１に概略的に示されている。

図２を参照すると、本発明の第２実施例によるタッチスクリーン装置は、光分散損失底板３０、底板３０の各端に位置する１つまたは複数の光検出器３２からなる。底板３０は、支配的損失板を形成するように、上から入射する光を端に向かって分散させる分散特性を有している。再述するが、当業者には明らかであるように、このような分散特性を達成する方法はほかに複数存在する。例えば、底板３０には、内部に微細な光学的屈折性及び/または反射性の粒子または分子１８aが埋め込まれていてもよい。このような分子により、入射光が屈折及び/または反射する。その結果、底板３０内で光が散乱し、一部が上下面を通じて失われ、それによって端に向かって底板３０を横切る光の飛散/喪失及び拡散が引き起こされ、その光が光検出器３２によって検出される。

スタイラス３４は、「先端」３６内または「先端」３６自体に光源３６aを含む。光源３６を含むスタイラスの先端３６が板３０に触れる、または向けられると、光源３６ａからの光が板３０に送られ、または結合され、分散特性によって、そこへの入射光が板３０を通って端へ向かって分散し、その光の少なくとも一部が光検出器３２によって検出される。スタイラスがタッチされた板３０上の位置は、板３０の端からの入射光の距離（すなわち、光が端の光検出器に達するまでに分散を要する距離）を決定することが理解されるだろう。その結果、光検出器３２によって検出される光の量は、板３０がタッチされた位置、及びスタイラスから放出される光の強度に完全に依存する。

底板の飛散/分散性により、板、そして光が横方向に分散し減衰する方法によって捕捉された光の量が増加することが理解されるだろう。したがって、この特性が、発生したタッチ位置からの距離における捕捉された光の減衰動作を制御するために用いられることで、タッチポイントの位置を一意に算出し、タッチの位置精度を制御できるようになる。また、底板３０に埋め込まれた散乱/分散性物質の濃度プロファイルを制御することにより、捕捉された減衰光のプロファイルを距離で制御することも可能である。

再述するが、いずれにしても、処理手段（図示せず）は、光検出器からの、検出された光の量及び強度を表すデータを受信するために設けられ、それによって、天板１０上のタッチポイントの位置及びタッチの性質を算出する。したがって、相対強度と、底板１８の分散特性及び減衰特性の知識とを比較することにより、上述したように、１つのタッチあるいは複数のタッチの位置及び性質を計算することが可能である。デバイスドライバ（図示せず）は、次に、得られたデータを、キー圧力またはスクロール動作のようなタッチベースの入力として認識することができる。

好ましい実施形態では、底板により分散及び減衰させた底板上の入射光を検出するために複数のフォトダイオードを再度使用してよい。

図２を再度参照すると、装置は、データを表すために変調された更なる光源３８を備えてよい。この場合、スタイラス３４は、スタイラスとホスト・コンピューティング・デバイスとの間の双方向通信を可能にするために、光源３８からの変調光信号を捕捉するための光検出器４０をさらに含んでよい。この場合には、光学的に透明な天板（図示せず）は、図１を参照して説明した実施形態と同様に、エアギャップを介して、底板３０の上方に配置されてもよい。この場合、光源３８からの光の入射角は、好ましくは、前述の実施形態と同様に、天板において光の全反射を起こすように設定される。

複数のスタイラスが用いられる際、個別の識別（すなわち、それぞれの光源の変調）はあってもなくてもよいし、複数のスタイラス間に幾何学的関係はあってもなくてもよいことは明らかである。加えて、スタイラスの向きを検出することができるように、スタイラスは、幾何学的に設定された複数の光源を有してもよい。本実施形態において、スタイラスは、光源と光検出器の任意の構成であってよい。スタイラスは、従来のペン形状である必要はなく、任意の適切な形状を備えてよく、または別の物体もしくは装置に組み込んでよく、さらに別のスクリーンを備えてもよい。

図３を参照すると、本発明の第３実施形態に係るタッチスクリーン装置は、光学的に透明な底板４０とそれらのそれぞれの端（複数可）に位置する１つまたは複数の光検出器４２を備える。一つまたは複数の光源５０は、スクリーンに外部から設けられており、また、タッチスクリーン領域の上を通過する手のような物体によって底板４０上に光が反射されるように傾斜している。この方法によれば、手を振るようなジェスチャー（例えば、指令を示すため）を認識することができる。この構成は、本のページをめくる動作などに代表される、全体の「広範囲」な動作の検出に特に適している。しかし、他のジェスチャーを認識するのと同様、指またはスタイラスでのタッチを検出する能力を向上させるために、例えば図１を参照して説明した実施形態で設けられているように、図３に示す装置は、さらに、天板を設けることによって改良することができることが理解されるだろう。

本発明の請求の範囲から逸脱することなく、修正及び変形が実施形態においてなされ得ることが当業者には明らかであろう。

Claims (16)

1. 光分散性の底板と、前記底板の表面上の入射光の位置がスクリーン上のタッチポイントの相対的位置を表すように、スクリーンのタッチポイントにタッチした外部体に反応して前記底板上に光を送る手段と、を含むスクリーンを備え、
   前記底板は、前記底板上の入射光を、拡散やエネルギー損失によって捕捉及び拡散し、前記底板の光分散特性は、前記底板表面上の入射位置からの距離による前記入射光の強度の減少を指数関数に近似させる特性であり、
   さらに、前記底板の各端に光強度の検出のための少なくとも１つのセンサ及び、検出光強度及び前記指数関数から前記スクリーン上の前記タッチポイントの相対的位置を計算し、前記タッチポイントの前記位置から得られた制御入力を表す制御信号を発生させる処理手段を備えることを特徴とするタッチセンシティブスクリーン装置。
2. 前記底板の各端に光強度の検出のための少なくとも２つのセンサを備え、前記底板の光分散特性は、前記センサによって検出された光の強度比率を、前記底板表面上の光入射位置から前記各センサまでの距離の差を表す要素を含む指数関数に近似させる特性であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
3. 前記底板の光分散特性は、前記タッチポイントの相対的位置に関わらず、前記底板表面上の前記光入射位置から前記各センサまでの距離が概ね一定の差であることによって前記強度比率が定義されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記底板は、光学的屈折性及び/または反射性を有する粒子または分子がドープされた光学的に透明な基板を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
5. 前記指数関数の傾きが、前記光学的屈折性及び/または反射性を有する粒子または分子が前記底板にドープしているレベルに依存することを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記処理手段は、前記センサの角感度を考慮して前記相対的位置の計算を調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
7. 前記スクリーンはさらに、前記底板との間に物質を介して前記底板と離隔した、光学的に透明な天板を備え、その装置はさらに、前記スクリーンに外部体が触れない状態において照射光を前記天板内で概ね全反射させるために前記天板を照らす光源を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のスクリーン装置。
8. 前記天板と前記底板との間の物質の屈折率は、光分散性の前記天板の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載のスクリーン装置。
9. 前記天板と前記底板との間の前記物質が空気であることを特徴とする請求項８に記載のスクリーン装置。
10. 前記光源は、前記天板の端に位置しており、予め決められた入射角の光線で前記天板を照らし、前記入射角、前記天板の屈折率、及び前記天板と前記底板との間の物質の屈折率が、スクリーンに外部体が触れない状態において、照射光を前記天板内で概ね全反射させることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載のスクリーン装置。
11. その端に光源を含み、前記スクリーンの前記タッチポイントで、前記光源から前記底板まで光を送るスタイラスを備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のスクリーン装置。
12. 前記スクリーンはさらに、前記底板との間に物質を介して前記底板と離隔した、光学的に透明な天板を備え、その装置はさらに、変調光信号によって前記天板を照らす光源を備えることを特徴とする請求項１１に記載のスクリーン装置。
13. 前記スタイラスは前記変調光信号の検出用の光検出器を含み、前記スタイラスと前記スクリーンとの間で双方向通信が可能であることを特徴とする請求項１２に記載のスクリーン装置。
14. 前記処理手段は双曲線交差アルゴリズムによって前記タッチポイントの相対的位置を計算することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載のスクリーン装置。
15. 前記処理手段は、検出された光強度の信号経路内において、前記天板の劣化によるダイナミックレンジの損失を補償することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載のスクリーン装置。
16. 概ね本明細書に添付の図面を参照して説明した、タッチセンシティブスクリーン装置。
    
    

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