JP5615904B2 - 反射光を使用する光学的タッチスクリーンシステム - Google Patents

Description

本発明は、光ベースのタッチスクリーンに係る。

指又はスタイラスタッチユーザ入力で使用するためのタッチ感知スクリーンを伴う多数の消費者向け電子装置が現在製造されている。これらの装置は、移動電話や車用娯楽システムのような小型スクリーン装置から、ノートブックコンピュータのような中間サイズのスクリーン装置や、空港のチェックインステーションのような大型スクリーン装置までの範囲である。

ほとんどの従来のタッチスクリーンシステムは、抵抗層又は容量層に基づくものである。このようなシステムは、容易に拡張できないので、あらゆる面で解決策をなすに充分な多様性がない。

従来のタッチスクリーンシステムを示す図１を参照する。このようなシステムは、ＬＣＤディスプレイ表面、ＬＣＤ表面上に配置される抵抗性又は容量性オーバーレイ、このオーバーレイに接続して、オーバーレイからの入力を有意義な信号に変換するコントローラ集積回路（ＩＣ）を備えている。コンピュータのようなホスト装置（図示せず）は、コントローラＩＣからの信号を受信し、そして装置ドライバ又はそのような他のプログラムが信号を解釈して、キー押し又はスクロール移動のようなタッチベース入力を検出する。

従来の抵抗性タッチスクリーンを示す図２を参照する。図２には、薄いスペースで分離された導電性及び抵抗性の層１が示されている。指又はスタイラスのようなポインタ２がスクリーンにタッチすると、抵抗性層間に接触が生じて、スイッチを閉じる。コントローラ３は、層間の電流を決定し、タッチ点の位置を導出する。

抵抗性タッチスクリーンの利点は、低コストで、低電力消費で且つスタイラスサポートであることである。

抵抗性タッチスクリーンの欠点は、オーバーレイのために、スクリーンが完全に透明でないことである。別の欠点は、スクリーンが周期的な再校正を必要とすることである。別の欠点は、タッチ検出に圧力が必要なことであり、即ちポインタは、充分な圧力をかけずにスクリーンにタッチしても、検出されない。その結果、抵抗性タッチスクリーンは、指では充分に機能しない。別の欠点は、抵抗性タッチスクリーンが、一般的に、直射日光では読めないことである。別の欠点は、抵抗性タッチスクリーンが、スクラッチに敏感なことである。更に別の欠点は、抵抗性タッチスクリーンが、２つ以上のポインタがスクリーンに同時にタッチすること、「マルチタッチ」と称する、を見分けられないことである。

従来の表面容量性タッチスクリーンを示す図３を参照する。図３に示すように、ガラス基板１の両面には、均一な導電性インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）被覆が設けられる。更に、ＩＴＯ被覆層の一方の前面には二酸化シリコンの硬い被覆が設けられる。電流を発生するためにガラスの４隅には、電極２が取り付けられる。指又はスタイラスのようなポインタ３がスクリーンにタッチし、少量の電流を接触点へ引き出す。次いで、コントローラ４が、４つの電極に流れる電流の割合に基づいて接触点の位置を決定する。

表面容量性タッチスクリーンの利点は、指タッチサポートであり且つ耐久性のある表面であることである。

表面容量性タッチスクリーンの欠点は、オーバーレイのために、スクリーンが完全に透明でないことである。別の欠点は、動作のための温度範囲が限定されていることである。別の欠点は、タッチスクリーンの容量性のために、ポインタ移動の捕獲速度に限度があることである。別の欠点は、表面容量性タッチスクリーンが、高周波（ＲＦ）干渉及び電磁（ＥＭ）干渉を受け易いことである。別の欠点は、タッチ位置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、表面容量性タッチスクリーンが手袋と共に使用できないことである。別の欠点は、表面容量性タッチスクリーンが周期的な再校正を必要とすることである。別の欠点は、表面容量性タッチスクリーンが大きなスクリーン境界を必要とすることである。その結果、表面容量性タッチスクリーンは、小さなスクリーン装置には使用できない。更に別の欠点は、表面容量性タッチスクリーンがマルチタッチを見分けられないことである。

従来の投影容量性タッチスクリーンを示す図４を参照する。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型ＩＴＯ層１が示されている。ＡＣ信号２が一方の軸を駆動し、スクリーンを通る応答が他方の電極を経てループバックする。スクリーンにタッチするポインタの位置は、水平電極と垂直電極との間の信号レベル３に基づいて決定される。

投影容量性タッチスクリーンの利点は、指マルチタッチ検出であり且つ耐久性のある表面であることである。

投影容量性タッチスクリーンの欠点は、オーバーレイのために、スクリーンが完全に透明でないことである。別の欠点は、コストが高いことである。別の欠点は、動作のための温度範囲が限定されていることである。別の欠点は、タッチスクリーンの容量性のために、捕獲速度に限度があることである。別の欠点は、スクリーンサイズに限度があり、典型的に５”未満なことである。別の欠点は、表面容量性タッチスクリーンが、ＲＦ干渉及びＥＭ干渉を受け易いことである。更に別の欠点は、タッチ位置決定の精度がキャパシタンスに依存することである。

従って、従来のタッチスクリーンは、小型の移動装置及び大きなスクリーンを伴う装置に一般的に使用するには不向きであることが明らかである。

本発明は、従来の抵抗性及び容量性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。

本発明の態様は、とりわけ、（ｉ）遮断光及び反射光の両方に応答するタッチスクリーン、（ii）選択的エリアタッチのタッチスクリーン、（iii）反射素子が埋め込まれたタッチスクリーン、（iv）多層スクリーンを伴うタッチスクリーン、（ｖ）広い光ビームを伴うタッチスクリーン、及び（vi）画像センサ及び画像処理ロジックを伴うタッチスクリーン、を含むタッチスクリーンの種々の実施形態に係る。

遮断光及び反射光の両方に応答するタッチスクリーン
本発明のこれら実施形態では、１つ以上の光源により光ビームが放射される。スクリーンにタッチする指又はスタイラスのようなポインタは、若干の放射光を遮断すると共に、若干の放射光を反射する。遮断光及び反射光を測定することにより、スクリーン上のポインタの位置が決定される。

選択的エリアタッチのタッチスクリーン
本発明のこれら実施形態では、スクリーンのサブエリアは、タッチ感知であるが、スクリーンの他部分は、タッチ感知ではない。一般的に、選択的エリアタッチは、中型サイズ及び大型サイズスクリーンに使用され、スクリーンの全表面積がタッチ感知である必要はない。

例えば、ユーザインターフェイスは、テキスト入力のためのタッチ感知キーボードを含む。スクリーン内のキーボードの位置が指定され、次いで、キーボードのキーへのタッチを検出できるように光源及び光検出器が配置される。即ち、光源及び光検出器は、ユーザインターフェイスに一致するように整列される。

本発明は、選択的エリアタッチの低コストタッチスクリーンを提供する上で特に効果がある。従来の容量性及び抵抗性タッチスクリーンは、必要とされるスクリーンオーバーレイが、一般的に、スクリーン表面のサブエリアのみをカバーするのに使用できないので、コスト高となる。更に、従来の容量性及び抵抗性タッチスクリーンに使用される配線は、一般的に、スクリーン全体を横断する。従って、大型のスクリーンでは、配線が長く且つ厚いものとなる。

対照的に、本発明は、拡張可能であり、タッチスクリーンのコストは、一般的に、タッチ感知サブエリアの周囲長さに比例する。

反射素子が埋め込まれたタッチスクリーン
本発明のこれらの実施形態では、光を反射する素子がタッチスクリーン内に埋め込まれる。１つ以上のポインタがスクリーンにタッチするか又はスクリーンに接近するときに、光センサ又はカメラを使用してスクリーンの画像が捕獲される。画像を分析して、１つ以上のポインタの位置、特に、マルチタッチの位置を決定する。

多層スクリーンを伴うタッチスクリーン
本発明のこれら実施形態では、スクリーンは、複数の層を含む。１つ以上の光源により放射された光は、ある層を通してガイドされ、そして１つ以上の光検出器により受け取られた光は、他の層を通してガイドされる。

広い光ビームを伴うタッチスクリーン
本発明のこれらの実施形態では、近赤外線ＬＥＤのような細い光源からの光が、レンズ又は反射素子を使用して、スクリーンエリアの広い帯にわたって投影するように広げられる。光の細い円錐体を広げるために、光源がスクリーンの縁から比較的長距離に配置される。一実施形態では、光源は、ビームを徐々に広げることができるように、スクリーンの縁から適当な距離において、スクリーンの下に配置される。広げられたビームは、スクリーンの縁付近に配置された反射板によりスクリーン表面上で反射される。

本発明の別の実施形態では、光源がスクリーンの縁に沿って配置される。スクリーンの表面上で光を反射する反射板も、光源から適当な距離だけ離れて、同じスクリーンの縁に沿って配置され、光ビームを、スクリーン表面上で反射する前に徐々に広げられるようにする。光源は、実質的にスクリーンの縁に沿った距離において細い円錐状の光を放射し、光は、スクリーン表面上で広いビームとして反射される。スクリーンにタッチする指又はスタイラスのようなポインタは、ある放射光を遮断する。遮断光を測定することで、スクリーン上のポインタの位置が決定される。

本発明の一実施形態では、広いビームは、各光検出器から適当な距離だけ離れて配置された反射板を経て、スクリーン横断後に細い光検出器へ収斂する。光検出器は、スクリーンの下又はスクリーンの縁に沿って配置される。

画像センサ及び画像処理ロジックを伴うタッチスクリーン
本発明のこれら実施形態では、スクリーンにわたって投影された光の画像が少なくとも１つの画像センサによって捕獲される。画像センサ及びそのレンズの焦点距離のために、ポインタがスクリーンにタッチするときに捕獲される画像は、ポインタとセンサとの間の距離に依存する。特に、ポインタは、センサに一連のサブパターンを発生し、サブパターンの数は、センサからポインタまでの距離に基づいて変化する。従って、ポインタの位置は、画像におけるサブパターンの数に基づいて、一部分、計算される。

説明を容易にするために、本明細書全体を通じて、「ガラススクリーン」という語は、透明なスクリーン表面を指すための一般的用語として使用される。スクリーンは、ガラスで構成されてもよいし、又はとりわけ、結晶、アクリル及びプラスチックを含む非ガラス材料で構成されてもよい。本発明のある実施形態では、スクリーンは、近赤外線を透過できるが、それ以外は、非透過である。

説明を容易にするために、本明細書全体を通じて、「タッチスクリーン」という語は、電子的ディスプレイを含んでも含まなくてもよいタッチ感知表面を含むための一般的用語として使用される。従って、「タッチスクリーン」という語は、とりわけ、多くのラップトップコンピュータ、及びハンドヘルド電子装置のバックカバーに含まれるマウスタッチパッドを含む。

従って、本発明の一実施形態によれば、複数の反射素子が埋め込まれた近赤外線透過スクリーンと、電子的コンポーネントの選択的作動を制御する回路が接続された回路板と、光を放射するために回路板に接続された少なくとも１つの光源と、この少なくとも１つの光源により放射されそして反射素子により反射された光を検出するために回路板に接続された少なくとも１つの光検出器と、を備えたタッチスクリーンシステムが提供される。

更に、本発明の一実施形態によれば、ディスプレイスクリーンと、電子的コンポーネントの選択的作動を制御する回路が接続された回路板と、光を放射するために回路板に接続された複数の近赤外線ＬＥＤと、ディスプレイスクリーンの第１縁に沿って受け取った光を検出するために回路板に接続された第１の複数のホトダイオードと、ディスプレイスクリーンの第２縁に沿って受け取った光を検出するために回路板に接続された第２の複数のホトダイオードと、を備え、前記回路が、第１の複数のホトダイオードで検出された近赤外線ＬＥＤからの遮断光に応答して信号を発生すると共に、第２の複数のホトダイオードで検出された近赤外線ＬＥＤからの反射光に応答して信号を発生するようにしたタッチスクリーンシステムが提供される。

更に、本発明の一実施形態によれば、指定の水平及び垂直スクリーン座標に複数のボタンを表示するためのディスプレイスクリーンと、受け取った光を検出するためにディスプレイスクリーンに結合された複数のホトダイオードと、ディスプレイスクリーンに結合された複数のレンズとを備え、指定の水平及び垂直スクリーン座標は、ディスプレイスクリーンのタッチ感知サブエリアに広がり、ホトダイオード及びレンズは、タッチ感知サブエリアにおけるディスプレイスクリーンのタッチを検出するように配置され、そしてディスプレイスクリーンの他部分は、タッチのスクリーン座標を検出するように機能しないタッチスクリーンシステムが提供される。

更に、本発明の一実施形態によれば、タッチ感知サブエリアを含むディスプレイスクリーンと、受け取った光を検出するためにディスプレイスクリーンに結合された複数のホトダイオードと、ディスプレイスクリーンに結合された複数のレンズとを備え、ホトダイオード及びレンズは、タッチ感知サブエリア内のディスプレイスクリーンのタッチの位置を検出するように配置され、ディスプレイスクリーンの他部分は、タッチの位置を検出するように機能しないタッチスクリーンシステムが提供される。

更に、本発明の一実施形態によれば、実質的に互いに平行な複数の層を含むディスプレイスクリーンと、電子的コンポーネントの選択的作動を制御する回路が接続された回路板と、ディスプレイスクリーンの第１層を通してガイドされる光を放射するために回路板に接続された複数の近赤外線ＬＥＤと、ディスプレイスクリーンの第２層を通してガイドされる光を受け取るために回路板に接続された複数のホトダイオードとを備え、前記回路が、複数のホトダイオードで検出された光に応答して信号を発生するようにされたタッチスクリーンシステムが提供される。

更に、本発明の一実施形態によれば、スクリーンと、光を放射するためにスクリーンに結合された複数の光源と、光源により放射された光を検出すると共に、放射光の不存在が検出されたときにスクリーン上でのタッチの位置を識別するためにスクリーンに結合された複数のホトダイオードと、スクリーンの一部分にわたって広い光ビームを発生するために複数の光源に各々結合された複数のレンズとを備え、スクリーンの実質的に接続されたエリアが隣接する広いビームによってカバーされるようにしたタッチスクリーンシステムが提供される。

更に、本発明の一実施形態によれば、複数の反射素子が埋め込まれたガラススクリーンと、そのガラススクリーンを通して光を投影するためのディスプレイスクリーンバックライトと、電子的コンポーネントの選択的作動を制御する回路が接続された回路板と、受け取った光を検出するために回路板に接続され且つガラススクリーンの周囲の一部分に沿って配列された複数の光検出器とを備えたタッチスクリーンシステムが提供される。ポインタがスクリーン付近に接近するか又はタッチすると、バックライトがポインタにより少なくとも１つの反射素子へ反射され、その反射素子が少なくとも１つの光検出器に光を反射する。従って、接近するポインタが、少なくとも１つの光検出器による検出光の増加によって確認される。

更に、本発明の一実施形態によれば、複数の反射素子が埋め込まれたガラススクリーンと、このガラススクリーンを通して光を反射する前部光ディスプレイスクリーンと、電子的コンポーネントの選択的作動を制御する回路が接続された回路板と、受け取った光を検出するために回路板に接続され且つガラススクリーンの周囲の一部分に沿って配列された複数の光検出器とを備えたタッチスクリーンシステムが提供される。ポインタがスクリーン付近に接近するか又はタッチすると、前部光がポインタにより少なくとも１つの反射素子へ反射され、その反射素子が少なくとも１つの光検出器に光を反射する。従って、接近するポインタが、少なくとも１つの光検出器による検出光の増加によって確認される。

更に、本発明の一実施形態によれば、第１及び第２の複数の反射素子が埋め込まれたガラススクリーンと、電子的コンポーネントの選択的作動を制御する回路が接続された回路板と、受け取った光を検出するために回路板に接続され且つガラススクリーンの周囲の一部分に沿って配列された複数の光検出器とを備えたタッチスクリーンシステムが提供される。ガラススクリーンに入る周囲光の一部分が、少なくとも１つの第１の反射素子によりスクリーン上で反射される。ポインタがスクリーンに接近するか又はタッチすると、スクリーン上で反射された光がポインタにより少なくとも１つの第２反射素子へ反射され、その反射素子が少なくとも１つの光検出器に光を反射する。従って、接近するポインタが、少なくとも１つの光検出器による検出光の増加によって確認される。

更に、本発明の一実施形態によれば、光検出器は、スクリーンの下に配置され、そして光は、スクリーンの下で、スクリーンの周囲に配置されたレンズを経て反射される。或いは又、本発明の一実施形態によれば、光は、スクリーンガラスを直接通過することによりスクリーンの下を貫通する。

或いは又、本発明の一実施形態によれば、光検出器は、スクリーンガラス内に配置され、更に、回路板の回路が光検出器の選択的作動を制御する。

更に、本発明の一実施形態によれば、複数のＬＥＤがスクリーンの下に配置され、そして光は、スクリーン表面の上で、スクリーンの周囲に配置されたレンズを経て反射される。或いは又、本発明の一実施形態によれば、光は、スクリーンを直接通過することによりスクリーンの上を貫通する。

或いは又、本発明の一実施形態によれば、ＬＥＤは、スクリーンガラス内に配置され、更に、回路板の回路がＬＥＤの選択的作動を制御する。

本発明は、添付図面を参照した以下の詳細な説明から完全に理解されよう。

従来のタッチスクリーンシステムを示す図である。 従来の抵抗性タッチスクリーンシステムを示す図である。 従来の表面容量性タッチスクリーンシステムを示す図である。 従来の投影容量性タッチスクリーンシステムを示す図である。 本発明の一実施形態による１６個のＬＥＤ及び１６個のＰＤを有するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の一実施形態によりスクリーンに同時にタッチする２つのポインタを検出するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の一実施形態によりスクリーンに同時にタッチする２つのポインタを検出するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の一実施形態によりスクリーンに同時にタッチする２つのポインタを検出するタッチスクリーンを示す図である。 本発明の一実施形態により２つの指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。 本発明の一実施形態により２つの指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。 本発明の一実施形態による図５のタッチスクリーンの回路図である。 本発明の一実施形態により４つのＬＥＤがスクリーンの４隅に配置され且つ複数のＰＤがスクリーンの４辺に沿って配置されたタッチスクリーンを示す図である。 本発明の一実施形態により遮断光及び反射光に応答するタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態によりユーザインターフェイスボタンと整列された選択的エリアタッチを伴うタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態により選択的エリアタッチの別のタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態により反射素子がスクリーンに埋め込まれたタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態による多層スクリーンを伴うタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一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簡単な図である。 本発明の一実施形態による図１８のタッチスクリーンシステムの簡単な断面図である。 本発明の一実施形態による４個のＬＥＤ及び４個のホトダイオードを伴う光ベースのタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態により遮断光及び反射光を測定してタッチの位置を決定するタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態による図２１のタッチスクリーンシステムで使用する反射レンズの簡単な図である。 本発明の一実施形態によりＰＤがタッチスクリーンの３つの縁に沿って配置されたタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態によるタッチスクリーンディスプレイ及びそれを取り巻くフレームの一部分を示す簡単な図である。 本発明の一実施形態によるＡ−Ａで示された図２４の断面の投影図である。 本発明の一実施形態により側部から光を放射するダイオードを伴うタッチスクリーンシステムのＬＥＤの簡単な図である。 本発明の一実施形態により上から光を放射するダイオードを伴うタッチスクリーンシステムのＬＥＤの簡単な図である。 本発明の一実施形態により細いビームへと収束されるＬＥＤにより放射された光を収束する光学素子の簡単な図である。 本発明の一実施形態によりタッチスクリーン上で反射光を検出するためにタッチスクリーンの平面下に配置されたＰＤの簡単な図である。 本発明の一実施形態によりセンサ素子より小さいポインタをタッチスクリーンシステムが読み取れるようにするホトダイオード、ホトトランジスタ及び光学的素子の構成体の簡単な図である。 本発明の一実施形態による選択的エリアタッチのタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態による選択的エリアタッチのタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態による選択的エリアタッチのタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態による選択的エリアタッチのタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態により４つのＬＥＤ及び４つのＰＤがスクリーンを取り巻いているタッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一実施形態により図３５の光ビームの２つを指が遮断するところを示す簡単な図である。 本発明の一実施形態によりスクリーンの縁に対して光ビームが対角方向に収束されるタッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一実施形態により図３７の光ビームの１つを指が遮断するところを簡単に示す図である。 本発明の一実施形態によりスクリーン表面の一部分を横切って２つの非直交方向に投影される光ビームを使用するタッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一実施形態により２つの隣接スクリーン縁の各々に沿って単一のＬＥＤ及び複数のＰＤが配置されたタッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一実施形態によりディスプレイエリアの２つの隣接縁に沿って８個のＬＥＤが配置されそしてディスプレイエリアの反対縁に沿って８つのＰＤが配置されたタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態によりスイープジェスチャーを使用することによりピクチャー又はページをパンするためのズームユーザインターフェイスモードの簡単な図である。 本発明の一実施形態によるメニューユーザインターフェイスモードの簡単な図である。 本発明の一実施形態によるテキスト入力ユーザインターフェイスモードの簡単な図である。 本発明の一実施形態により反射素子が埋め込まれたタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態により反射素子が埋め込まれたタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態により受光素子が埋め込まれたタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態により光源が埋め込まれ且つ受光素子が埋め込まれたタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態により分散した位置から到来する光を読み取るピクチャーアレイを伴うタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態によりポインタから図４９のタッチスクリーンへ反射して戻される光の簡単な図である。 本発明の一実施形態によりポインタから図４９のタッチスクリーンへ反射して戻されるディスプレイからの光の簡単な図である。 本発明の一実施形態によりポインタからタッチスクリーンへ反射して戻されるガラスの下の光の簡単な図である。 本発明の一実施形態により反射素子がスクリーンガラスに埋め込まれた検出点を有するタッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一実施形態によりスクリーンガラスへ光を投影する図５３のタッチスクリーンの隅に配置された光源の簡単な図である。 本発明の一実施形態によりスクリーンガラスへ光を投影する図５３のタッチスクリーンの縁に沿って配置された光源の簡単な図である。 本発明の一実施形態によりスクリーンガラスへ光を投影する図５３のタッチスクリーンの縁に沿って配置された光源の簡単な図である。 本発明の一実施形態によりスクリーンガラスへ光を投影する光源の簡単な図である。 本発明の一実施形態によりスクリーンガラスへ光を投影する、スクリーンガラスの下に配置された図５７の３つの光源の構成体の簡単な図である。 本発明の一実施形態によりスクリーンガラスへ光を投影する上部放射ＬＥＤがスクリーンガラスの下に配置された図５５の構成の光源の上面図及び側面図を簡単に示す。 本発明の一実施形態によりスクリーンガラスへ光を投影する側部放射ＬＥＤがスクリーンガラスに沿って配置された図５５の構成の光源の上面図及び側面図を簡単に示す。 本発明の一実施形態によりタッチスクリーンシステムのガラススクリーン内の望ましい位置へ光を向ける光ガイドの簡単な図である。 本発明の一実施形態によりＬＥＤで放射された光をガイドするための光導体として働くタッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一実施形態によりマイクロ構造体がガラスに埋め込まれた図６２のタッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一実施形態によりタッチスクリーンの表面上に光をガイドするタッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一実施形態によりファイバがスクリーンに一体化されたタッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一実施形態により光源に対して垂直に配置された図５３のタッチスクリーンシステムのための光検出器の簡単な図である。 本発明の一実施形態により光源に対して垂直に配置された図５３のタッチスクリーンシステムのための光検出器の簡単な図である。 本発明の一実施形態により光源に対して垂直に配置された図５３のタッチスクリーンシステムのための光検出器の簡単な図である。 本発明の一実施形態によりタッチスクリーンに埋め込まれた反射素子により再指向されて光検出器に向けられる反射光の簡単な図である。 本発明の一実施形態によりタッチスクリーンの複数のエリアへ反射されて光検出器に向けられる光の簡単な図である。 本発明の一実施形態により光検出器として働くカメラを伴う図５３のタッチスクリーンシステムの簡単な図である。 本発明の一実施形態により、図５３のタッチスクリーンからの反射光を捕獲するカメラレンズ、スクリーンにタッチするポインタから種々の距離にあるカメラ、及びそのカメラにより捕獲された対応する画像の簡単な図である。 本発明の一実施形態により、図５３のタッチスクリーンからの反射光を捕獲するカメラレンズ、スクリーンにタッチするポインタから種々の距離にあるカメラ、及びそのカメラにより捕獲された対応する画像の簡単な図である。 本発明の一実施形態により、図５３のタッチスクリーンからの反射光を捕獲するカメラレンズ、スクリーンにタッチするポインタから種々の距離にあるカメラ、及びそのカメラにより捕獲された対応する画像の簡単な図である。 本発明の一実施形態により、図５３のタッチスクリーンからの反射光を捕獲するカメラレンズ、スクリーンにタッチするポインタから種々の距離にあるカメラ、及びそのカメラにより捕獲された対応する画像の簡単な図である。 本発明の一実施形態により、図５３のタッチスクリーンからの反射光を捕獲するカメラレンズ、スクリーンにタッチするポインタから種々の距離にあるカメラ、及びそのカメラにより捕獲された対応する画像の簡単な図である。 本発明の一実施形態により、図５３のタッチスクリーンからの反射光を捕獲するカメラレンズ、スクリーンにタッチするポインタから種々の距離にあるカメラ、及びそのカメラにより捕獲された対応する画像の簡単な図である。 本発明の一実施形態により、図５３のタッチスクリーンからの反射光を捕獲するカメラレンズ、スクリーンにタッチするポインタから種々の距離にあるカメラ、及びそのカメラにより捕獲された対応する画像の簡単な図である。 本発明の一実施形態により、図５３のタッチスクリーンからの反射光を捕獲するカメラレンズ、スクリーンにタッチするポインタから種々の距離にあるカメラ、及びそのカメラにより捕獲された対応する画像の簡単な図である。 本発明の一実施形態により埋め込まれた反射素子から発生されるカメラセンサのサブパターンを示す簡単な側面図である。 本発明の一実施形態により３つの異なるポインタタッチ位置から反射される光ビームの画像である。 本発明の一実施形態により３つの異なるポインタタッチ位置から反射される光ビームの画像である。 本発明の一実施形態により３つの異なるポインタタッチ位置から反射される光ビームの画像である。 本発明の一実施形態により３つの異なるポインタタッチ位置から反射される光ビームの画像である。 本発明の一実施形態により３つの異なるポインタタッチ位置から反射される光ビームの画像である。 本発明の一実施形態により３つの異なるポインタタッチ位置から反射される光ビームの画像である。 本発明の一実施形態により３つの異なるポインタタッチ位置から反射される光ビームの画像である。 本発明の一実施形態により反射素子が埋め込まれたタッチスクリーンの複数の点における光のシミュレーションを簡単に示す。 本発明の一実施形態により反射素子が埋め込まれたタッチスクリーンの複数の点における光のシミュレーションを簡単に示す。 本発明の一実施形態により反射素子が埋め込まれたタッチスクリーンの複数の点における光のシミュレーションを簡単に示す。 本発明の一実施形態により図８８のタッチスクリーンに対し４ｍｍｘ４ｍｍの指先を照明するＬＥＤから放射される光を簡単に示す。 本発明の一実施形態により図８８のタッチスクリーンに対し４ｍｍｘ４ｍｍの指先を照明するＬＥＤから放射される光を簡単に示す。 本発明の一実施形態により図８８のタッチスクリーンに対してカメラで捕獲されたテスト結果の画像である。 本発明の一実施形態により図８８のタッチスクリーンに対してカメラで捕獲されたテスト結果の画像である。 本発明の一実施形態により図８８のタッチスクリーンに対してカメラで捕獲されたテスト結果の画像である。 本発明の一実施形態により下層がＬＥＤから放射された光を透過しそして上層が反射光を透過する二層タッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一実施形態によりフィラメント状の光ガイドを伴う多層タッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一実施形態により多層タッチスクリーンの異なる層を通してガイドされる光ビームを簡単に示す。 本発明の一実施形態により異なる方向に向けて反射素子が埋め込まれた多層タッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一実施形態により広い光ビームがスクリーンをカバーするタッチスクリーンの簡単な図である。 本発明の一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簡単な図である。 本発明の一実施形態による羽根状パターンが適用されたレンズ及び光ビームの簡単な上面図である。

本発明の態様は、光ベースのタッチスクリーン及び光ベースのタッチ表面に係る。本発明の実施形態によれば、光ベースのタッチスクリーンは、そのタッチスクリーン又はタッチ表面を取り巻く周囲に沿って配列された１つ以上の赤外線又は近赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）及び複数のホトダイオード（ＰＤ）を備えている。ＬＥＤは、スクリーン表面に実質的に平行に光を投影し、この光は、ＰＤによって検出される。スクリーンの一部分上に置かれた指又はスタイラスのようなポインタは、ある光ビームを遮断し、それに対応して、あるＰＤは、検出する光強度が低くなる。ＰＤの位置の幾何学形状及びそれが検出する光強度は、ポインタのスクリーン座標を決定するのに充分である。ＬＥＤ及びＰＤは、コントローラによって選択的に作動及び不作動にされるよう制御される。一般的に、各ＬＥＤ及びＰＤは、Ｉ／Ｏコネクタを有し、そしてどのＬＥＤ及びどのＰＤが作動されるか特定ために信号が送信される。

本発明の一実施形態では、複数のＬＥＤが長方形スクリーンの２つの隣接する縁に沿って配列され、そして複数のＰＤが他の２つの隣接する縁に沿って配列される。この点に関して、本発明の一実施形態により１６個のＬＥＤ１３０及び１６個のＰＤ１４０を有するタッチスクリーン１００を示す図５について説明する。ＬＥＤ１３０は、タッチスクリーンの上面を横切って赤外線又は近赤外線光ビームを放射し、この光ビームは、ＬＥＤの真向かいにある対応するＰＤ受光器により検出される。ポインタがタッチスクリーン１００にタッチすると、あるＰＤ受光器１４０に到達する光が遮断される。ＰＤ受光器の出力から、どの光ビームがポインタにより遮断されたか識別することにより、ポインタの位置を決定することができる。

本発明の一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１０及び２０を検出するタッチスクリーンを示す図６−８について説明する。２つ以上のポインタがスクリーンに同時にタッチするとき、これを「マルチタッチ」と称する。スクリーンにタッチするポインタ１０及び２０は、光があるＰＤ受光器１４０に到達するのを遮断する。本発明の一実施形態によれば、ポインタ１０及び２０の位置は、それらポインタが遮断する赤外線ビームの交差線から決定される。対照的に、従来の抵抗ベース及びキャパシタンスベースの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つ以上のポインタが共通の水平又は垂直軸に沿ってスクリーン１００に同時にタッチすると、遮断されたＰＤ受光器１４０によりポインタの位置が決定される。図６のポインタ１０及び２０は、共通の垂直軸に沿って整列されて、タッチスクリーン１００の底縁に沿った実質的に同じＰＤ受光器１４０、即ちａ、ｂ、ｃ及びｄとマークされたＰＤ受光器を遮断する。タッチスクリーンの左縁に沿って、ＰＤ受光器１４０の２つの異なるセットが遮断される。ポインタ１０は、ｅ及びｆとマークされたＰＤ受光器を遮断し、ポインタ２０は、ｇ及びｈとマークされたＰＤ受光器を遮断する。従って、２つのポインタは、２つの位置に存在すると決定される。ポインタ１０は、ＰＤ受光器ａ−ｄ及びＰＤ受光器ｅ、ｆから遮断される光ビームの交点に位置するスクリーン座標を有し、ポインタ２０は、ＰＤ受光器ａ−ｄ及びＰＤ受光器ｇ、ｈから遮断される光ビームの交点に位置するスクリーン座標を有する。

図７及び８に示すポインタ１０及び２０は、共通の水平又は垂直軸に沿って整列されず、異なる水平位置及び異なる垂直位置を有する。遮断されるＰＤ受光器ａ−ｈから、ポインタ１０及び２０は、互いに対角方向に対向していると決定される。それらは、図７に示すように、タッチスクリーン１００の右上及び左下に各々タッチするか、又は図８に示すように、タッチスクリーン１００の右下及び左上に各々タッチする。

図７と図８との間の区別は、（ｉ）両タッチパターンに同じ意味を関連付けるか、又は（ii）２つのタッチパターンの片方のみに意味を関連付けるか、又は（iii）遮断されたＰＤで検出される光の量を測定することにより解決される。ケース（ｉ）では、図７及び図８の両タッチパターンの作用が同じであるように、ＵＩがそのアイコンを配置するか、さもなければ、そのようにＵＩが構成される。例えば、タッチスクリーン１００の２つの対角方向に対向する隅にタッチすると、スクリーンをアンロックするように動作される。

ケース（ii）では、図７及び図８のタッチパターンの片方のみに意味を関連付けるように、ＵＩがそのアイコンを配置するか、さもなければ、そのようにＵＩが構成される。例えば、タッチスクリーン１００の右上及び左下の隅にタッチすると、スクリーンをアンロックするように動作され、タッチスクリーン１００の右下及び左上にタッチすると、何の意味も関連付けられていない。このケースでは、ＵＩは、図７が正しいタッチパターンであると区別する。

ケース（iii）では、ＰＤに接近した指は、ＰＤから離れた指よりも、ＰＤに到達する光のより多くを遮断する。これは、その一部分は、接近した指は、離れた指より、ＰＤに到達する周囲光のより多くを遮断するためである。ＰＤｅ及びｆの光強度は、ＰＤｇ及びｈで検出された光強度と比較される。同様に、ＰＤａ及びｂで検出された光強度は、ＰＤｃ及びｄで検出された光強度と比較される。ＰＤｅ、ｆ及びＰＤｃ、ｄで検出された光が、ＰＤｇ、ｈ及びＰＤａ、ｂで検出された光より多い場合には、指は、図７に示すように位置していると推測される。同様に、ＰＤｅ、ｆ及びＰＤｃ、ｄで検出された光が、ＰＤｇ、ｈ及びＰＤａ、ｂで検出された光より少ない場合には、指は、図８に示すように位置していると推測される。比較は、各縁に沿った各遮断ＰＤを別々に加算又は平均化することに基づき、即ちｅ＋ｆ対ｇ＋ｈ、及びａ＋ｂ対ｃ＋ｄに基づく。或いは又、比較は、２つの縁に沿った遮断ＰＤを加算又は平均化することに基づき、即ち値ａ＋ｂ＋ｅ＋ｆ、ａ＋ｂ＋ｇ＋ｈ、ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ、及びｃ＋ｄ＋ｇ＋ｈの最大及び最小に基づく。最大及び最小値は、指の位置を決定する。例えば、ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆが最大値でありそしてａ＋ｂ＋ｇ＋ｈが最小値である場合には、指は、図７に示すように位置していると推測される。

本発明の一実施形態により２本指グライド（滑走）移動を検出するタッチスクリーンを示す図９及び１０について説明する。図９及び１０に示すグライド移動は、ポインタ１０及び２０を互いに接近させる対角方向グライドである。グライドの方向は、どのＰＤ受光器１４０が遮断されるかの変化から決定される。図９及び１０に示すように、遮断されるＰＤ受光器は、ＰＤ受光器１４０に対してａ及びｂから右へ変化し、そしてＰＤ受光器１４０に対してｃ及びｄから左へ変化する。同様に、遮断されるＰＤ受光器は、ＰＤ受光器１４０に対してｅ及びｆから底部へ変化し、そしてＰＤ受光器１４０に対してｇ及びｈから頂部へ変化する。ポインタ１０及び２０が離れるように移動する逆方向のグライドについては、遮断されるＰＤ受光器が逆方向に変化する。

ポインタ１０及び２０が共通の垂直又は水平軸に整列されたときは、グライドパターンの識別に不明瞭さは生じない。ポインタ１０及び２０が共通の垂直又は水平軸に整列されないと、図９及び１０に示すように、グライドパターンの識別に不明瞭さが生じ得る。このような不明瞭さの場合、図７及び８を参照して上述したように、図９と図１０との間の区別は、（ｉ）両グライドパターンに同じ意味を関連付けるか、又は（ii）２つのグライドパターンの片方のみに意味を関連付けるか、又は（iii）遮断されたＰＤで検出される光の量を測定及び比較することにより解決される。

本発明の一実施形態による図５のタッチスクリーン１００の回路図である図１１について説明する。ＬＥＤ１３０及びＰＤ１４０は、コントローラ（図示せず）によって制御される。ＬＥＤは、ＬＥＤスイッチＡから各信号ＬＥＤ００−ＬＥＤ１５を受信し、そしてＶＲＯＷ及びＶＣＯＬから電流リミッタＢを経て電流を受け取る。ＰＤは、シフトレジスタ１２０から各信号ＰＤ００−ＰＤ１５を受け取る。ＰＤ出力は、信号ＰＤＲＯＷ及びＰＤＣＯＬを経てコントローラへ送られる。ＬＥＤスイッチＡ及び電流リミッタＢのコントローラの動作は、２００９年２月１５日に出願された“LIGHT-BASED TOUCH SCREEN”と題する本出願人の同時係争中の米国特許出願第１２／３７１，６０９号に説明されており、その内容は、ここに参考として援用される。

本発明の一実施形態によれば、ＬＥＤは、シフトレジスタ１１０へバイナリストリングを送信する第１のシリアルインターフェイスを経て制御される。バイナリストリングの各ビットは、ＬＥＤの１つに対応し、そして対応ＬＥＤを作動すべきか不作動にすべきかを指示し、ビット値“１”は、作動を指示し、ビット値“０”は、不作動を指示する。シフトレジスタ１１０内のビットストリングをシフトすることにより次々のＬＥＤが作動され不作動にされる。

同様に、ＰＤは、シフトレジスタ１２０へバイナリストリングを送信する第２のシリアルインターフェイスにより制御される。シフトレジスタ１２０内のビットストリングをシフトすることにより次々のＰＤが作動され不作動にされる。シフトレジスタ１１０及び１２０の動作は、２００９年２月１５日に出願された“LIGHT-BASED TOUCH SCREEN”と題する本出願人の同時係争中の米国特許出願第１２／３７１，６０９号に説明されており、その内容は、ここに参考として援用される。

図５に示す実施形態とは対照的に、本発明の別の実施形態によれば、図１２に示すように、４つのＬＥＤ１３０がタッチスクリーンの４隅に配置され、そして複数のＰＤ１４０がスクリーンの４辺に沿って配列される。ＬＥＤ１３０が点灯すると、スクリーンの表面に実質的に平行に弧状の光を投影する。ＰＤ１４０は、ＬＥＤ１３０及びＰＤ１４０の位置に基づいてこの光の各部分を検出する。４つのＬＥＤ１３０は、スクリーンの一部分上に置かれた指のようなポインタのスクリーン座標を、ＰＤ１４０により検出される光強度に基づいて決定するのに充分なものである。

本発明は、とりわけ、（ｉ）遮断光及び反射光の両方に応答するタッチスクリーン、（ii）選択的エリアタッチのタッチスクリーン、（iii）反射素子が埋め込まれたタッチスクリーン、（iv）多層スクリーンを伴うタッチスクリーン、（ｖ）広い光ビームを伴うタッチスクリーン、及び（vi）画像センサ及び画像処理ロジックを伴うタッチスクリーン、を含むタッチスクリーンの多数の形式で具現化することができる。本発明の多数の具現化は、コンフィギュレーション１ないし３３として編成して以下に説明する。

本発明の一実施形態による遮断光及び反射光に応答するタッチスクリーンシステムを簡単に示す図１３について説明する。図１３には、ガラススクリーン２１０と、コンポーネントを制御する回路２２５が装着されたプリント回路板２２０とを備えたタッチスクリーンシステムが示されており、前記コンポーネントは、複数の近赤外線ＬＥＤ２３０、第１の複数のＰＤ２５０、及び第２の複数のＰＤ２６０である。回路２２５は、ＬＥＤ２３０により放射されてスクリーン２１０にタッチするポインタによりＰＤ２５０から遮断された光に応答して信号を発生すると共に、ポインタによりＰＤ２６０へ反射された光に応答して信号を発生するように動作する。

図１３のタッチスクリーンシステムの詳細は、コンフィギュレーションNo.１−３及び図２１−３０を参照して以下に説明する。

本発明の一実施形態によりユーザインターフェイスボタンに整列された選択的エリアタッチを伴うタッチスクリーンシステムの簡単な図である図１４について説明する。選択的エリアタッチとは、スクリーンのサブエリアがタッチ感知であり、スクリーンの残り部分が非タッチ感知であるタッチスクリーンを指す。一般的に、選択的エリアタッチは、スクリーン表面全体がタッチ感知であることを必要としない中型サイズ及び大型サイズのスクリーンに使用される。図１４のタッチスクリーンは、少数のＬＥＤ及びＰＤを使用して、タッチ感知サブエリアにおいてタッチ検出を最適化するように戦略的に配置することにより、低コスト解決策を提供する。

例えば、ユーザインターフェイスは、テキスト入力用のタッチ感知キーボードを含む。スクリーン内のキーボードの位置が指定され、次いで、キーボードのキーへのタッチを検出できるようにＬＥＤ及びＰＤが配置される。即ち、ＬＥＤ及びＰＤは、ユーザインターフェイスに一致するように整列される。別の例では、ユーザインターフェイスは、スクリーンの隅に手書きするためのスタイラスサポートを含んでもよい。

本発明は、選択的エリアタッチを伴う低コストタッチスクリーンを提供する上で特に効果的である。従来の容量性及び抵抗性タッチスクリーンは、必要とされるスクリーンオーバーレイが、一般的に、スクリーン表面のサブエリアのみをカバーするのに使用できないので、コスト高となる。更に、従来の容量性及び抵抗性タッチスクリーンに使用される配線は、一般的に、スクリーン全体を横断する。従って、大型のスクリーンでは、配線が長く且つ厚いものとなる。

対照的に、本発明は、拡張可能であり、タッチスクリーンのコストは、一般的に、タッチ感知サブエリアの周囲長さに比例する。例えば、図３２に示したタッチスクリーンは、キーパッドユーザインターフェイスとして、スクリーンの隅に単一のＬＥＤのみを使用すると共に、その隅に合流する縁にＰＤを使用する。ＰＤは、キーパッドボタンの１つにおいてスクリーンにタッチするポインタにより反射された光を検出し、これは、どのボタンにタッチしたか決定するのに充分である。

図１４には、ボタン２１５のアレイを含むタッチ感知サブエリア２１３を含むガラススクリーン２１０と、複数のＰＤ２７０を制御する回路２２５が装着されたプリント回路板２２０とを備えたタッチシステムが示されている。又、図１４には、ＰＤ２７０へ光を向けるレンズ２８０も示されている。

本発明の一実施形態による選択的エリアタッチの別のタッチスクリーンシステムの簡単な図である図１５について説明する。図２５に示すタッチ感知サブエリア２１３は、長方形でなく、ユーザインターフェイスデザイナにより自由に指定される。ＰＤ２７０は、サブエリア２１３に基づいて配置及び方向付けされ、タッチスクリーンは、サブエリア２１３内のタッチを検出するように機能するが、サブエリア２１３の外部のタッチは検出しない。

図１４及び１５のタッチスクリーンシステムの詳細は、コンフィギュレーションNo.４−１４及び図３１−４４を参照して以下に説明する。

本発明の一実施形態により反射素子がスクリーンに埋め込まれたタッチスクリーンシステムの簡単な図である図１６について説明する。図１６には、反射素子２１７が埋め込まれたガラス２１０と、コンポーネントを制御する回路２２５が装着されたプリント回路板２２０とを備えたタッチスクリーンが示され、コンポーネントは、複数のＬＥＤ２３０及び複数のＰＤ２７０である。又、図１６には、ＬＥＤ２３０により放射された光を反射素子２１７へ向けるレンズ２４０も示されている。ポインタがスクリーン２１０にタッチしたときには、ポインタにより反射された光がＰＤ２７０において検出され、これを使用して、ポインタの位置が決定される。

図１６のタッチスクリーンシステムの詳細は、コンフィギュレーションNo.１５−２９及び図４５−９２を参照して以下に説明する。図９３−９５は、図１６のタッチスクリーンシステムのシミュレーションのテスト結果を示している。

本発明の一実施形態による多層スクリーンを伴うタッチスクリーンシステムの簡単な図である図１７について説明する。図１７には、多層ガラス２９０と、コンポーネントを制御する回路２２５が装着されたプリント回路板２２０とを備えたタッチスクリーンが示され、コンポーネントは、ＬＥＤ２３０及びＰＤ２７０である。ＬＥＤ２３０から放射された光は、ガラス２９０のある層を経てガイドされ、そしてＰＤにより受け取られた光は、ガラス２９０の他の層を通して送られる。

図１７のタッチスクリーンシステムの詳細は、コンフィギュレーションNo.３０−３１及び図９６−９９を参照して以下に説明する。

本発明の一実施形態による光ベースタッチスクリーンシステムの簡単な図である図１８について説明する。図１８のタッチスクリーンシステムは、オーバーレイを必要としない。むしろ、赤外線又は近赤外線ＬＥＤ２及びホトレセプタがスクリーンの両面に位置されて赤外線透過ベゼルの後方に隠されたディスプレイが小さなフレーム１で取り巻かれる。指又はスタイラスのようなポインタがスクリーンの特定エリアにタッチすると、ＬＥＤにより発生された１つ以上の光ビームが遮られる。遮られた光ビームは、１つ以上のホトレセプタにより受け取られる光の対応する減少により検出され、それを使用して、ポインタの位置が決定される。

図１８のタッチスクリーンシステムは、上述した従来の抵抗性及び容量性タッチスクリーンシステムの欠点を克服する。特に、図５のタッチスクリーンシステムは、マルチタッチを検出することができる。このシステムは、低電力要求の低コストシステムである。スクリーン表面は、オーバーレイがないので、１００％透過である。このシステムは、速いポインタ移動を捕獲することができる。このシステムは、広い温度範囲で動作できる。このシステムは、小型及び大型の両スクリーンをサポートする。このシステムは、校正を必要としない。このシステムは、耐久性のあるガラス方面を有する。

図１８のタッチスクリーンシステムの欠点は、ディスプレイを取り巻く約４ｍｍのベゼルの高さである。

本発明の一実施形態による図１８のタッチスクリーンシステムの簡単な断面図である図１９について説明する。図１９は、ＬＣＤディスプレイ及びそれを取り巻く赤外線透過フレームの断面Ａ−Ａの断面図である。この断面図は、図２４−２９を参照して以下に詳細に述べるように、ＬＥＤ放射光がフレームの切欠部により反射され且つディスプレイ表面上を実質的に平行に向けられるところを示している。指がディスプレイ表面付近に接近するにつれて、ＬＥＤにより放射されそして近タッチの位置上に向けられたある光は、指により遮断され、又、ある光は、指先とスクリーンガラスとの間を通過する。指がディスプレイ表面にタッチすると、ＬＥＤにより放射されてタッチ位置上に向けられた全ての光が指により遮断される。

本発明の一実施形態による８個のＬＥＤ及び８個のホトダイオードを伴う光ベースのタッチスクリーンシステムの簡単な図である図２０について説明する。図２０に示すシステムは、とりわけ、典型的に７”ないし８”のＬＣＤ範囲のＬＣＤパネル、典型的に９”ないし１３”の範囲のｅ−ブックリーダー及びネットブック用のスクリーン、並びに典型的に４２”ないし１００”を越える範囲のＨＤＴＶパネル及び電子ビルボードを含む広範囲のスクリーンサイズについて有効である。

図２０に示すように、ポインタのタッチを決定できる１６個の位置があり、即ち４つの水平線と４つの垂直線の交点がある。従って、このシステムは、図４１−４４を参照して以下に詳細に述べるように、これらの位置に表示される数字及び文字のような１６個のアイコンに対するタッチ入力を識別することができる。

従って、当業者であれば、本発明は、選択的エリアタッチにより、タッチ感知機能を、ディスプレイの指定のサブエリア、とりわけ、ディスプレイの右上、ディスプレイの右下、ディスプレイの中央、又はディスプレイ全体に局所化できるようにすることが明らかであろう。タッチ感知機能を伴うサブエリアは、デザイナーによって選択でき、それに応じて、ＬＥＤ及び光検出器を配置及び方向付けすることができる。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１
タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１−３は、ポインタから反射された光を使用してポインタの位置を決定することに係る。対照的に、従来の光ベースのタッチスクリーンは、ポインタにより遮断された光だけを使用して、ポインタの位置を決定する。

本発明の一実施形態により遮断光及び反射光を測定してタッチの位置を決定するタッチスクリーンシステムの簡単な図である図２１について説明する。図２１は、４つの近赤外線ＬＥＤ ＮＩＲ１、ＮＩＲ２、ＮＩＲ３及びＮＩＲ４がスクリーンの下縁に沿って配列され、４つのＰＤ Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３及びＰｄ４がスクリーンの上縁に沿って配列され、４つの更なるＰＤ Ｐｄ５、Ｐｄ６、Ｐｄ７及びＰｄ８がスクリーンの右縁に沿って配列されたところを示す上面図である。ＰＤ Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３及びＰｄ４は、各ＬＥＤ ＮＩＲ１、ＮＩＲ２、ＮＩＲ３及びＮＩＲ４に直接対向して配置される。スクリーンそれ自体は、ＬＥＤ及びＰＤにより定められた境界内に位置されるが、図示されていない。

とりわけ、スクリーンにタッチする指又はスタイラスであるポインタＰｎｔｒは、１つ以上のＬＥＤにより放射された光を遮断するだけでなく、１つ以上のＬＥＤにより放射された光を反射もする。遮断された光は、Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３及びＰｄ４の１つ以上により、予想される光の減少として識別される。反射された光は、Ｐｄ５、Ｐｄ６、Ｐｄ７及びＰｄ８の１つ以上により、予想される光の増加として識別される。遮断光及び反射光の位置があいまって、ポインタＰｎｔｒの位置を決定する。

図２１において、例えば、各ＬＥＤ ＮＩＲ１、ＮＩＲ２、ＮＩＲ３及びＮＩＲ４からの光ビームＬｂ１、Ｌｂ２、Ｌｂ３及びＬｂ４は、各ＰＤ Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３及びＰｄ４に向けて示されている。同様に、反射光ビームＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３及びＰｂ４は、各ＰＤ Ｐｄ５、Ｐｄ６、Ｐｄ７及びＰｄ８に向けて示されている。光ビームＬｂ１、Ｌｂ２、Ｌｂ３又はＬｂ４の１つの経路において適当な位置にポインタが配置されたときに反射光ビームＰｂ１、Ｐｂ２、Ｐｂ３又はＰｂ４が発生される。図２１に示したように、Ｐｄ７に対向するＬｂ１の経路にＰｎｔｒが配置される。遮断光は、Ｐｄ１において検出され、そして反射光は、Ｐｄ７において検出され、従って、Ｐｄ１からの垂直線と、Ｐｄ７からの水平線との交点におけるポインタＰｎｔｒの位置が決定される。この場合、反射光ビームＰｂ１、Ｐｂ２及びＰｂ４は、発生されない。

図２１のタッチスクリーンシステムを動作するコントローラは、ＬＥＤを別々にパルス作動する。単一のＬＥＤが作動されると、そこから直接対向位置にあるＰＤが読み取られると共に、ＰＤ Ｐｄ５、Ｐｄ６、Ｐｄ７及びＰｄ８の各々も読み取られる。ポインタＰｎｔｒがスクリーンにタッチすると、Ｐｎｔｒにより遮断された光は、ＰＤ Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３及びＰｄ４の１つ以上において識別されると共に、Ｐｎｔｒにより反射された光は、ＰＤ Ｐｄ５、Ｐｄ６、Ｐｄ７及びＰｄ８の１つ以上において識別される。図２１を参照すれば、ＮＩＲ１が作動されたときにＰｄ１で検出される信号は、遮断ビームＬｂ１の結果として、各ＬＥＤ ＮＩＲ２、ＮＩＲ３及びＮＩＲ４が作動されたときにＰｄ２、Ｐｄ３及びＰｄ４で検出される信号より低く、Ｐｄ７の信号は、反射ビームＰｂ３の結果としてＰｄ５、Ｐｄ６及びＰｄ８の信号より高い。従って、Ｐｎｔｒの位置は、座標（Ｐｄ１、Ｐｄ７）であると決定される。

当業者であれば、ポインタにより反射され及びＰＤにより読み取られる光の輝度を分析することで、ポインタの水平位置及び垂直位置の両方を決定できることが明らかである。特に、図２１を参照すれば、ＰＤ Ｐｄ７が反射光を検出した場合に、Ｐｄ７からの水平線上のどこかにポインタが位置されていると推定される。更に、Ｐｄ７により読み取られる反射光の強度は、Ｐｄ７からポインタまでの距離の関数である。ポインタがＰｄ７に近いほど、Ｐｄ７により読み取られる反射光の強度が高い。従って、反射光の強度を使用して、どの垂直線にポインタが位置しているか推定することができる。強度を使用して距離を推定することは、反射光の特徴であるが、遮断光は、そうではない。従って、反射光は、一般に、遮断光より多くの情報を与える。

本発明の一実施形態による図２１のタッチスクリーンシステムを使用する反射レンズの簡単な図である図２２について説明する。タッチスクリーンの４つの縁Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３及びＥ４が示されている。図２２に示すように、４つの縁の２つだけに反射レンズが設けられている。第１の反射レンズは、ＬＥＤ ＮＩＲ１、ＮＩＲ２、ＮＩＲ３及びＮＩＲ４が位置された縁Ｅ１に設けられ、各ＬＥＤ ＮＩＲ１、ＮＩＲ２、ＮＩＲ３及びＮＩＲ４から放射された光ビームＬｂ１、Ｌｂ２、Ｌｂ３及びＬｂ４を、スクリーンの表面を横切って、各ＰＤ Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３及びＰｄ４へ向ける。第２の反射レンズが縁Ｅ３に設けられ、スクリーンの表面を横切って各ＰＤ Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３及びＰｄ４へ光ビームを向ける。

図２９を参照して以下に述べるように、反射光を検出するＰＤ Ｐｄ５、Ｐｄ６、Ｐｄ７及びＰｄ８は、スクリーン表面の下に位置され、スクリーンの上に反射レンズを必要としない。従って、縁Ｅ２は、反射レンズを有していない。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.２
本発明の一実施形態によりＰＤがタッチスクリーンの３つの縁に沿って配置されたタッチスクリーンシステムの簡単な図である図２３について説明する。縁Ｅ４に沿ってＰＤを追加することにより、タッチスクリーンシステムは、Ｐｎｔｒの位置の決定に高い精度を達成することができる。更に、タッチスクリーンシステムは、マルチタッチを決定することができ、即ちスクリーンに同時にタッチする複数のポインタの位置を決定することができる。

図２１のシステムと同様に、ＮＩＲは、別々にパルス作動される。ＮＩＲが作動されると、ＮＩＲに対向して縁Ｅ３に沿ったＰＤと、縁Ｅ２及びＥ４に沿ったＰＤが読み取られる。遮断光は、縁Ｅ３に沿ったＰＤにより検出される。反射光は、縁Ｅ２及びＥ４に沿ったＰＤにより検出される。

単一ポインタタッチのケースでは、図２１のシステムのように、縁Ｅ２及びＥ４に沿ったＰＤのセットが、縁Ｅ２に沿ったＰＤの単一セットより高い解像度を得る。特に、縁Ｅ２に沿ったＰＤ及び縁Ｅ４に沿ったＰＤで検出される反射光の相対的強度は、各縁からポインタまでの距離を決定する。

複数ポインタタッチのケースでは、例えば、２つのポインタがスクリーンの２つの対角方向の隅にタッチすると考える。第１ポインタは、縁Ｅ４より縁Ｅ２に接近しており、そして第２ポインタは、縁Ｅ２より縁Ｅ４に接近している。各ポインタにとって、近い方の縁へ反射された光は、遠い方の縁へ反射された光より明るい。近い方の縁及び遠い方の縁へ反射される光の相対的強度は、縁と縁との間の各ポインタの位置を決定する。更に、遮断光が、縁Ｅ３に沿った非隣接ＰＤで検出された場合、これは、２つのポインタがスクリーンにタッチしていることも指示する。例えば、反射光が、Ｅ３の付近のＥ２に沿ったＰＤで検出されると共に、Ｅ１の付近のＥ４に沿ったＰＤでも検出された場合、これは、２つのポインタがスクリーンにタッチすることを指示する。反射光が、Ｅ３の付近のＥ２に沿ったＰＤ、及びＥ１の付近のＥ２に沿った非隣接ＰＤで検出され、中間のＰＤが反射光を検出しない場合、これは、２つのポインタがスクリーンにタッチすることを指示する。

本発明の一実施形態によるタッチスクリーンディスプレイ及びそれを取り巻くフレームの一部分を示す簡単な図である図２４を参照されたい。

又、本発明の一実施形態によるＡ−Ａで示された図２４の断面の投影図である図２５を参照する。図２５には、赤外線透過フレーム１、赤外線ＬＥＤ３、及びディスプレイ５が示されている。フレーム１は、とりわけ、ホトフレーム、モニタ、ＴＶ又はｅ−ブックである。又、図２５には、フレーム１の切欠部２も示されている。切欠部２からのエアギャップは、４５°の表面をもつミラーを形成し、これは、反射光４をディスプレイ５の表面上に向ける。

本発明の一実施形態により側部から光を放射するダイオードを伴うタッチスクリーンシステムのためのＬＥＤの簡単な図である図２６を参照する。図２６には、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）Ｌ１、製品ケーシングＣ１、レンズ及び埃プロテクタＬｇ１、並びに側部放射ダイオードを伴うＬＥＤ Ｃｂ１が示されている。

本発明の一実施形態により上から光を放射するダイオードを伴うタッチスクリーンシステムのためのＬＥＤの簡単な図である図２７を参照する。図２７には、ＬＣＤ Ｌ１、製品ケーシングＣ１、上部放射ダイオードを伴うＬＥＤ Ｃｂ１、並びにそのＬＥＤＣｂ１から光を受け取ってＬ１の表面上に光を向け直す光ガイドＬｇ１が示されている。

本発明の一実施形態により細いビームへと収束されるＬＥＤにより放射された光を収束する光学素子の簡単な図である図２８を参照する。図２８には、ＬＣＤ Ｌ０、ＰＤ Ｌ１、並びにＬ１付近のＬＥＤ（図示せず）により放射されて光学的素子Ｏ１により収束された光ビームＬｉ１であって、ポインタＰ１がＬＣＤ Ｌ０に充分接近しているときだけ反射ビームＲ１へと反射される光ビームが示されている。光学的素子Ｏ１の収束は、収束されたビームＲ１だけがＯ１を経てＰＤ L１へ通されるように保証する。

本発明の一実施形態によりタッチスクリーン上で反射光を検出するためにタッチスクリーンの平面下に配置されたＰＤの簡単な図である図２９を参照する。図２９には、ディスプレイＬ１、このＬ１の上に横たわる保護ガラスＧ１、このＧ１の下に位置するＰＤ Ｐｄ１が示されている。ポインタＰ１は、反射光ビームＰI１を発生し、これは、Ｇ１の切欠部によってＰｄ１へ向けられる。従って、反射光ビームＰI１は、Ｇ１の下のＰｄ１により検出される。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.３
本発明の一実施形態によりセンサ素子より小さいポインタをタッチスクリーンシステムが読み取れるようにするホトダイオード、ホトトランジスタ及び光学的素子の構成体の簡単な図である図３０を参照する。図３０には、ミラー又は光学的レンズ９０１、赤外線ＬＥＤ９０２、反射光ビーム９０３、ポインタ９０４、及びＰＤ９０５が示されている。ミラー又は光学的レンズ９０１は、広い光ビームを発生し、これは、第２ミラー又は光学的レンズによりＰＤ９０５に収束される。広いビームは、ポインタがその広いビームの一部分を遮断するときに、ＰＤ９０５で検出される光の量の相似的変化を感知できるようにする。広いビームは、ポインタ９０４がミラー又はレンズ９０１の前方に置かれたときに、相似的変化を感知できるようにする。又、広いビームは、ミラー又はレンズを互いに離れて装着できるようにする。

広いビームでないと、検出されずに進むビーム間に一般的にスペースが生じ、ユーザがビームを横切ってポインタを引っ張るか、ユーザが異なるビームをタップするか区別することができない。更に、広く離間された細いビームでは、細いビームに交差するために、ポインタのタッチが非常に正確でなければならない。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.４
タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.４−１４は、選択的エリアタッチ、即ちポインタ位置検出をスクリーンのサブエリアに局所化する能力に係る。選択的エリアタッチは、タッチ機能をスクリーンの１つ以上の指定のエリア、例えば、スクリーンの１つの隅に限定することにより、大きなスクリーンのためのタッチ機能を与えるコストを著しく下げるものである。対照的に、抵抗性及び容量性タッチスクリーン膜は、スクリーンのサブエリアのみをカバーすることができない。更に、抵抗性及び容量性タッチスクリーン技術は、信号ラインがスクリーンの全長又は全幅に延びる大型スクリーンの場合のように、信号ラインが長いときには、たとえタッチ位置がスクリーンの１つの隅に制限されても、うまく機能しない。

本発明の一実施形態による選択的エリアタッチのタッチスクリーンシステムの簡単な図である図３１を参照する。図３１には、プリント回路板（ＰＣＢ）Ｌｂ１に装着された３つのＬＥＤ、及びＰＣＢ Ｃｂ１に装着された８つのＰＤが示されている。ＰＣＢ Ｌｂ１及びＣｂ１は、単一の集積回路（図示せず）を経て制御できるように、ケーブルＫ１により接続される。ＰＤは、スクリーンの表面付近でポインタにより遮断された光を検出するために上部に沿って３つが配列され、そしてポインタにより反射された光を検出するために側部に沿って５つが配列される。

図３１に示す構成は、タッチスクリーン機能がスクリーンの一部分のみで行えるように選択的エリアタッチをサポートする。選択的エリアタッチは、とりわけ、スクリーンを取り巻くのに非常に多数のＬＥＤ及びＰＤが必要であるために全スクリーン用のタッチ機能を与えるのにコストがかかり且つ電力を消費する大型スクリーンにとって効果的である。スクリーンの縁の部分に沿って少数のＬＥＤ及びＰＤを設けるだけで、コストが節減される。更に、ＰＤを互いに接近して配置することにより、スクリーンのタッチ感知エリアに高精度のタッチ機能が達成される。

図３１には、ＰＤ配列体に整列されたボタンアイコンＰ１が示され、即ちスクリーンの上縁に沿った３つのＰＤに整列された３列のボタンと、スクリーンの右縁に沿った５つのＰＤに整列された５行のボタンとが示されている。このような整列は、ボタンＰ１のどの１つがユーザによりタッチされたかの正確な検出を可能にする。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.５
本発明の一実施形態による選択的エリアタッチの別のタッチスクリーンシステムの簡単な図である図３２を参照する。図３２には、ＰＣＢ Ｃｂ１に装着された単一のＬＥＤ Ｌｄ１及び８つのＰＤが示されている。ＰＤは、Ｌｄ１からの反射光を読み取り、即ちＬｄ１により放射されて、スクリーンに接近するか又はタッチするポインタ（図示せず）により反射された光を読み取る。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.６
本発明の一実施形態による選択的エリアタッチの別のタッチスクリーンシステムの簡単な図である図３３を参照する。図３３には、ＰＣＢに装着された３つのＬＥＤ Ｌ１、Ｌ２及びＬ３と、５つのＰＤ Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３、Ｐｄ４及びＰｄ５とが示されている。又、図３３には、ＬＥＤから放射された光を、スクリーン表面に実質的に平行で且つその付近にある平面に沿って向ける光学的素子Ｏ１も示されている。ＰＤは、ＬＥＤからの反射光を読み取り、即ちＬＥＤにより放射されて、スクリーンに接近するか又はタッチするポインタ（図示せず）により反射された光を読み取る。

ＬＥＤは、別々に作動される。反射光がＰＤにおいて検出された場合には、現在作動されたＬＥＤに基づいて列座標が決定され、そして反射光を検出したＰＤに基づいて行座標が決定される。例えば、ポインタが“１”とマークされたボタンにタッチした場合には、最も左のＬＥＤが作動されたときに、上から２番目のＰＤが反射光を検出する。同様に、ポインタが“２”とマークされたボタンにタッチした場合には、中央のＬＥＤが作動されたときに、上から２番目のＰＤが反射光を検出する。従って、当業者であれば、直列に作動される単一行のＬＥＤを使用すると共に、並列に作動される単一列のＰＤを使用して、ポインタタッチの二次元位置が決定されることが明らかであろう。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.７
本発明の一実施形態による選択的エリアタッチの別のタッチスクリーンシステムの簡単な図である図３４を参照する。図３４には、小さなＰＣＢ上に互いに接近して装着された３つのＬＥＤ Ｌ１、Ｌ２及びＬ３と、５つのＰＤ Ｐｄ１、Ｐｄ２、Ｐｄ３、Ｐｄ４及びＰｄ５とが示されている。ＰＤは、ＬＥＤからの反射光を読み取る。第１の光学的素子Ｏ１は、各ＬＥＤから放射された光を、スクリーンの対応列上に、スクリーンに実質的に平行に、向ける。第２の光学的素子Ｏ２は、反射光をＰＤへ向ける。図３４のシステムは、図３３のシステムと同様に動作するが、光学的素子Ｏ１及びＯ２は、小さなＰＣＢを使用して、全てのＬＥＤ及びＰＤを収容できるようにする。光学的素子Ｏ１は、各ＬＥＤからの光がスクリーンの指定のエリア上に向けられるように保証する。光学的素子Ｏ２は、ポインタにより反射された光が、スクリーンの指定のエリアからＰＤへ向けられるように保証する。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.８
本発明の一実施形態により４つのＬＥＤ及び４つのＰＤがスクリーンを取り巻いているタッチスクリーンの簡単な図である図３５を参照する。図３５に示すタッチスクリーンは、一般的に、大きなスクリーンであり、例えば、４２”のテレビディスプレイである。

本発明の一実施形態により図３５の光ビームの２つを指が遮断するところを示す簡単な図である図３６も参照する。指で遮断された光は、各ＰＤによって検出され、指の位置を指示する。ユーザインターフェイスは、ポインタの配置を検出できるＬＥＤ及びＰＤの位置に整列されたスクリーン上の位置にアイコン又はボタンを表示する。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.９
本発明の一実施形態によれば、図３５及び３６に示す以上のＬＥＤ及びＰＤが使用されて、互いに接近して配置される。例えば、図３５及び３６のように２つの縁の各々について２つのＬＥＤではなく、１０個のＬＥＤが、２つの縁の各々に沿って、互いに５ｍｍの間隔で、各縁の一部分に集中して配置される。それに対応する数のＰＤが、同様の濃密な配列で、他の縁の一部分に配置される。従って、ＬＥＤによって放射された光ビームは、スクリーンのサブエリア上に濃密なマトリクスを形成する。

ＬＥＤ及びＰＤのこのような配列は、スクリーンのタッチ感知サブエリアにおけるタッチ及びジェスチャーの正確な精密な検出を行えるようにする。図３５及び３６に示すように、ホトダイオードは、スクリーンのタッチ感知サブエリアに接近して配置されるのが好ましい。このような配列は、各タッチが、その位置を感知するＰＤに接近しているので、ポインタタッチ位置検出の精度を改善する。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１０
本発明の一実施形態によりスクリーンの縁に対して光ビームが対角方向に収束されるタッチスクリーンの簡単な図である図３７を参照する。

本発明の一実施形態により図３７の光ビームの１つを指が遮断するところを簡単に示す図である図３８も参照する。図３７及び３８は、スクリーンにタッチするポインタの位置を、遮断された単一の光ビームによって決定できることを示している。このようなコンフィギュレーションは、装置のユーザインターフェイスを動作するのに若干のボタンしか必要とされないときに、特に効果的である。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１１
本発明の一実施形態によりスクリーン表面の一部分を横切って２つの非直交方向に投影される光ビームを使用するタッチスクリーンの簡単な図である図３９を参照する。又、図３９は、単一のＬＥＤからの光ビームを複数の方向にガイドすることで、異なるスクリーン縁に沿って配置されたセンサによりそれらビームを感知できることも示している。

このようなコンフィギュレーションは、遮断光を検出するＰＤの組み合わせに基づいて区別できる複数のスクリーン座標を与える。例えば、２本のビーム間の各交点は、反射光を検出する２つのＰＤにより独特に識別される。更に、１つのＰＤのみが光の欠落を検出する場合には、ビームが交差するエリアから離れて遮断光ビームに沿ってポインタが配置されたと推定することができる。従って、ビームが交差するエリアから離れてビームの経路に沿ったどこかでスクリーンに付加的なボタン又はアイコンを配置することができる。１つのビームのみが遮断されたと検出されるときには、ユーザインターフェイスは、ポインタがそれにタッチしたと推定するので、その１つのビームに関連した付加的なアイコン又はボタンに対応する機能を作動することができる。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１２
本発明の一実施形態により２つの隣接スクリーン縁の各々に沿って単一のＬＥＤ及び複数のＰＤが配置されたタッチスクリーンの簡単な図である図４０を参照する。レンズ（図示せず）が、一方の縁における各ＬＥＤからの光を、他方の縁における各ＰＤへ向ける。このコンフィギュレーションでは、光ビームがスクリーンの寸法よりも短い。図４０に示すように、交差する光ビームによりノードが発生される。ノードにタッチするポインタの位置は、遮断光を検出するホトダイオードの組み合わせにより検出される。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１３
本発明の一実施形態によれば、１つのＬＥＤが複数のＰＤに光ビームを放射するのではなく、第１のスクリーン縁の一部分に沿って配置された複数のＬＥＤが、第２の隣接スクリーン縁の区分に沿った同じ複数のＰＤへ光ビームを放射する。更に、第２の縁の区分に沿って配置された複数のＬＥＤが、第１のスクリーン縁の区分に沿った同じ複数のＰＤへ光ビームを放射する。第１及び第２の縁に沿って、ＬＥＤ及びＰＤは、ＰＤ ＬＥＤ ＰＤ ＬＥＤ ＰＤ ＬＥＤ．．．としてインターレースされる。一方の縁のＬＥＤから放射される光ビームは、１つ以上のレンズにより、隣接縁に沿った１つ以上のＰＤに向けられる。従って、ＬＥＤにより放射され、レンズにより指向されそしてＰＤにより受け取られる複数の光ビームは、スクリーンのサブエリア上に十文字パターンを形成し、ポインタタッチ位置及びポインタジェスチャーを正確に検出できるようにする。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１４
タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１４は、高い画像忠実度及び低コストが重要である場合に、とりわけ、ノートブックコンピュータ、ＧＰＳナビゲータ、電子ゲーム及び玩具、デジタルホトフレーム、モニタ、ＴＶ、及びｅ−ブックを含む、大きなスクリーンを伴う装置に特に有用である。ディスプレイをカバーするオーバーレイはない。ＬＥＤ及びＰＤの数は、必要なユーザ入力、例えば、テキスト及び数字入力、を検出するのに必要な最小値に保持される。

電子ゲーム、デジタルホトフレーム、モニタ、ＴＶ及びｅ−ブックについては、画質が非常に重要なファクタである。特に、このような装置は、完全な透明さを要求し、オーバーレイを望ましからぬものにする。又、このような装置は、純粋且つ現実的なカラー、広い視野角、高いコントラスト比、及び高い輝度も要求する。画質は、ＬＣＤスクリーンのコスト及び品質にある程度依存する。高品質のＬＣＤは、高価であるが、最良の画質を与える。

抵抗性及び容量性ベースのシステムのような従来のタッチスクリーンシステムは、多数の欠点がある。それらは、ＬＣＤガラスの上に付加的なガラス又はプラスチック層を要求し、画質の低下を引き起こす。又、それらは、スクリーンの内部層から望ましからぬ反射があり、コントラスト比が低く、変色があり、視野角が狭く、且つバックライトの要求が高い。

更に、デジタルホトフレームのような装置のコストは、主として、ＬＣＤ、アプリケーションプロセッサ及びそのメモリによって左右される。従来のタッチスクリーンの抵抗性及び容量性オーバーレイは、装置のコストを倍増させる。

本発明のタッチスクリーンシステムは、これらの欠点を全て克服する。本発明のタッチスクリーンシステムは、ディスプレイ表面にわたり目に見えない光フィールドを投影するためのレンズとしてディスプレイスクリーンの周りに小さなベゼルを使用する。このベゼルは、一般的に、赤外線透過プラスチックより成る。とりわけ、デジタルホトフレームのようなある装置では、ベゼルは、従来のホトフレームに似ているので、望ましい。

ベゼルの下で、ＬＥＤ及びホトレセプタは、スクリーンの両側に配列される。コントローラは、ＬＥＤをパルス作動して、ディスプレイ表面にわたって目に見えない光フィールドを生成する。ポインタは、スクリーンにタッチすると、この光フィールドを遮断する。遮断光は、ホトレセプタにより検出され、これを使用して、タッチの位置が決定される。付加的な信号処理を使用して、マルチタッチ、ポインタ輪郭、高速スイープ及び他のジェスチャーが識別される。

本発明のタッチスクリーンシステムは、高速サンプリングレートを有し、スクリーン上の高速移動を検出して、複雑な指又はスタイラスのジェスチャーを正確に追跡することができる。本発明のタッチスクリーンシステムは、複数の同時のポインタタッチを検出し、各タッチのエリアを測定し、そして各ポインタの動き及び速度を追跡することができる。

本発明の一実施形態によりディスプレイエリアの２つの隣接縁に沿って８個のＬＥＤが配置されそしてディスプレイエリアの対向縁に沿って８つのＰＤが配置されたタッチスクリーンシステムの簡単な図である図４１を参照する。図４１には、ディスプレイエリアの２つの隣接縁に沿って配置された赤外線ＬＥＤ１−８と、ディスプレイエリアの対向縁に沿って配置された赤外線光検出器９−１６とが示されている。ディスプレイエリアの一方の縁における各ＬＥＤは、ディスプレイの対向縁における対応する光検出器と共に、検出線を定義する。検出線は、水平又は垂直に向けられる。ＬＥＤがターンオンされると、そのＬＥＤに対向する対応光検出器がＬＥＤからの光を感知する。この光は、予想される光である。しかしながら、検出線上のポインタの存在は、予想される光を遮断し、ＬＥＤからの予想される光の少なくとも一部分が光検出器により検出されないときに検出される。

水平及び垂直の検出線は、交点において交差する。点１８は、このような交点である。ポインタ１９は、ディスプレイエリアの一部分上をスイープして、ジェスチャーを生成する。矢印２０は、ポインタ１９により遂行されるスイープジェスチャーを指示する。このスイープジェスチャーは、ポインタ１９が、ディスプレイエリア上をスイープするときにＬＥＤからの光を遮断するために、対応するＬＥＤ１、２及び３からの予想される光の存在を感知する光検出器１３、１４及び１５によって検出される。光の不存在は、左から右へ直列に感知され、即ちポインタ１９が左から右へスイープするにつれて、光検出器１３が、予想される光の不存在を検出し、次いで、光検出器１４が、予想される光の不存在を検出し、次いで、光検出器１５が、予想される光の不存在を検出する。同様に、ポインタ１９が右から左へスイープするときには、予想される光の存在も、右から左へ直列に感知される。

一般的に、少なくとも２つの検出線が左から右へスイープされるときに、左から右へのスイープが検出される。左から右へのスイープは、ユーザインターフェイスコマンド、例えば、とりわけ、ホトフレームに表示される一連のピクチャーにおいて次のピクチャーを表示するためのコマンド、又はｅ−ブックの手前のページを表示するためのコマンドを作動させる。

矢印１７は、矢印２０とは逆方向、即ち右から左へのスイープジェスチャーを指示する。右から左へのスイープは、ユーザインターフェイスコマンド、例えば、とりわけ、ホトフレームに表示される一連のピクチャーにおいて前のピクチャーを表示するためのコマンド、又はｅ−ブックの次のページを表示するためのコマンドを作動させる。

左から右又は右から左へのスイープは、垂直の検出線上のどこかで検出することができ、即ちスイープは、交点を横断する必要がない。同様に、アップ又はダウンスイープは、水平の検出線上のどこかで検出することができる。従って、交点の外側で付加的なジェスチャーサポートが与えられる。従って、ユーザインターフェイスは、交点にボタンを表示し、そしてボタンエリアの外側にスイープを指示することができる。インターフェイスは、矢印により、又はスイープの経路に沿ってスライドする動的なビデオオブジェクトにより、スイープを指示することができる。本発明の一実施形態によれば、ユーザインターフェイスは、ユーザがスイープ検出をオン及びオフにトグルできるようにする。この場合、検出されたスイープは、スイープ検出がターンオンされたときだけユーザインターフェイスコマンドを作動させる。

本発明の別の実施形態によれば、ユーザインターフェイスは、ユーザが複数の考えられるモードからユーザインターフェイスモードを選択できるようにする。各ユーザインターフェイスモードは、コマンドの異なるセットをスイープジェスチャーに関連させる。例えば、第１のモードは、右から左へのスイープが次のピクチャー又はページへナビゲートし、そして左から右へのスイープが手前のピクチャー又はページへナビゲートする標準ビューモードである。第２のモードは、見ているピクチャー又はページがディスプレイより大きく、ピクチャー又はページの一部分しか表示されないズームモードである。表示される部分は、「可視ウインドウ」と称される。ズームモードでは、スイープジェスチャーを使用してピクチャー又はページをパンし、即ちピクチャー又はページ上で可視ウインドウを効果的にスライドさせてピクチャー又はページの異なる部分を表示する。右から左へのスイープは、例えば、ピクチャー又はページを左へパンし、可視ウインドウを右へ効果的にスライドさせて表示エリアの右に対してそれまで外部であったピクチャー又はページの部分を表示することができる。同様に、左から右へのスイープは、例えば、ピクチャー又はページを右へパンし、可視ウインドウを左へ効果的にスライドさせて表示エリアの左に対してそれまで外部であったピクチャー又はページの部分を表示することができる。垂直のスイープは、例えば、ピクチャー又はページをアップ方向又はダウン方向にパンすることができる。又、対角方向のスイープは、水平及び垂直の合成スイープとして検出されて、ピクチャー又はページを対角方向にパンすることができる。

本発明の一実施形態によりスイープジェスチャーを使用することによりピクチャー又はページをパンするためのズームユーザインターフェイスモードの簡単な図である図４２を参照する。ポインタが２つ以上の隣接する垂直検出線上を右から左へスイープするとき、現在表示されているピクチャー又はページが左へパンされる。ポインタが２つ以上の隣接する垂直検出線上を左から右へスイープするときは、現在表示されているピクチャー又はページが右へパンされる。ポインタが２つ以上の隣接する水平検出線上を上から下へスイープするときは、現在表示されているピクチャー又はページがダウン方向にパンされる。ポインタが２つ以上の隣接する水平検出線上を下から上へスイープするときは、現在表示されているピクチャー又はページがアップ方向にパンされる。

図４２には、水平及び垂直検出線の交点にズームボタン１が示されている。ズームボタン１に対してタップすると、ユーザインターフェイスコマンド、例えば、とりわけ、ズームモードにトグルイン及びズームモードからトグルアウトするか、或いは倍率を増加又は減少するようにズームファクタを変化させるコマンドを発生する。矢印２は、右から左へのスイープジェスチャーを示す。矢印３は、下から上へのスイープジェスチャーを示す。スイープジェスチャーは、ディスプレイエリアの右側に沿ったアイコンにより占有される交点を除いて、垂直及び水平の検出線上のどこでも検出することができる。

本発明の一実施形態によるメニューユーザインターフェイスモードの簡単な図である図４３を参照する。図４３には、スクリーンの左縁に沿って３つの設定、即ち輝度、コントラスト及び有線同等機密（ＷＥＰ）が示されている。スライドバー１は、付加的な設定が利用できることを指示する。スライドバー１の上部に示されたアップ矢印をタップすると、３つの設定を他の設定に変更させ、設定のリストを通してナビゲートさせる。スライドバー１の下部に示されたダウン矢印をタップすると、設定を、設定リストを通して他方向にナビゲートさせる。

スライドバー２は、対応する設定、即ち輝度設定、コントラスト設定及びＷＥＰキャラクタストリングの現在値を指示する。スライドバー２の右又は左矢印をポインタでタップすることにより、ユーザは、設定値を各々インクリメント又はデクリメントさせる。スライドバー２の右から左への矢印に長くタッチすると、そのタッチを放すまで、設定値をインクリメント又はデクリメントし続けることができる。

図４３の各ボタンは、交差する検出線間の十字点に位置され、ポインタがどのボタンにタッチしたか識別できるようにする。アイコン３をタップすると、テキスト及び数字を入力するためにアルファニューメリックキーパッドを表示するユーザインターフェイスコマンドを発生する。

本発明の一実施形態によるテキスト入力ユーザインターフェイスモードの簡単な図である図４４を参照する。表示されたキーボードで「マルチタップ」と称される繰り返しタップを使用することにより、ユーザは、ボタンに関連した複数のキャラクタの１つを選択する。従って、キャラクタ及び数字のフルセットを入力に利用することができる。更に、Ｔ９のような予想テキストアルゴリズムを使用して、ワードを入力する上でユーザの助けとなることができる。図４４に示すボタン１は、キャラクタｗ、ｘ、ｙ、ｚ及び数字９に関連している。各ボタンは、水平及び垂直の検出線間の十字点に位置され、従って、ポインタがどのボタンにタッチしたか検出することができる。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１５
タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１５−２９は、タッチスクリーンシステムのガラス前面に埋め込まれる反射素子に係るものである。

本発明の一実施形態により反射素子が埋め込まれたタッチスクリーンシステムの簡単な図である図４５を参照する。図４５には、反射素子６０１が埋め込まれたガラス６００が示されている。バックライト又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）によりガラス６００の下から発生される光が指にあたって、反射光線６０２、６０３、６０４及び６０５を発生する。反射光線は、反射素子６０１によりガラス６００を通して１つ以上の光検出器へ向けられる。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１６
本発明の一実施形態により反射素子が埋め込まれた別のタッチスクリーンシステムの簡単な図である図４６を参照する。図４６には、発光素子５０１及び５０２が埋め込まれたガラス５００が示されると共に、ガラス５００に埋め込まれるか又はガラス５００の下に位置する光検出器５０３も示されている。発光素子５０１及び５０２は、異なる角度で光を放射するように配置され、ポインタにより反射される光に基づいてガラス５００上のポインタの高さを決定できるようにする。

図４６の指は、ガラス５００上の２つの高さにおいて示されている。発光素子５０１及び５０２は、光検出器５０２によってどの光放射器が検出されたか決定するために別々に作動される。光放射器５０１及び５０２は、ガラス５００に対して異なる角度でビームを放射するので、指がガラス５００から遠くにあるときには、光放射器５０２からの光が光検出器５０３によって検出されるが、光放射器５０１からの光は検出されず、そして指がガラス５００に接近して配置されたときには、光放射器５０１からの光が光検出器５０３によって検出されるが、光放射器５０２からの光は検出されない。光放射器５０１及び５０２は、別々に作動されるので、光放射器の位置及び方向は、ガラス５００上の指の位置及び高さを決定する。

一般に、特定のシステムに使用される光放射器及び光検出器の数は、要求される機能、解像度、及びコスト制約に基づいて変化する。あるシステムでは、光放射器及び光検出器は、ユーザインターフェイスアイコン及びジェスチャーにより使用される指定のスクリーン位置におけるタッチ及び接近度を検出するために戦略的に配置される。従って、光放射器及び光検出器の配置及び方向は、ユーザインターフェイスの設計に基づく。タッチスクリーンコントローラは、光放射器及び光検出器の既知の位置及び方向を使用して、スクリーンにタッチする指又はスクリーンにタッチする指の位置及び高さを計算する。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１７
本発明の一実施形態により受光素子が埋め込まれたタッチスクリーンシステムの簡単な図である図４７を参照する。図４７には、ガラス３００、受光素子３０１、受光素子３０１の行から信号を読み取るための行制御線３０３、及びそのような全ての行制御線３０３から信号を読み取るための制御線３０４が示されている。受光素子３０１は、ガラス３００に埋め込まれ、そしてディスプレイ光、即ちディスプレイにより放射されて１つ以上のポインタによりガラス５００に反射されて戻された光を使用するか、又は周囲光を使用するか、或いはディスプレイ光と周囲光の組み合わせを使用して、ポインタの画像を読み取るように機能する。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１８
本発明の一実施形態により光源が埋め込まれ且つ受光素子が埋め込まれたタッチスクリーンシステムの簡単な図である図４８を参照する。図４８には、ガラス７００、受光素子７０１、光源７０２、光源７０２の行を制御すると共に受光素子７０１の行から信号を読み取るための行制御線７０３、及びそのような全ての行制御線７０３を制御し且つそのような全ての行制御線７０３から信号を読み取るための制御線７０４が示されている。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.１９
本発明の一実施形態により分散した位置から到来する光を読み取るピクチャーアレイを伴うタッチスクリーンシステムの簡単な図である図４９を参照する。図４９には、ガラス４０１、ガラス４０１への光を遮断する反射素子が埋め込まれたエリア４０２、指向された光４０３、二次元又は三次元ピクチャーアレイ４０４、及び付加的な光源４０５が示されている。スクリーンの各反射素子からの光は、ピクチャーアレイ４０４の対応する位置に投影され、タッチされた反射素子の位置を、そのタッチを検出するピクチャーアレイ４０４内のピクセルの位置に基づいて検出できるようにされる。

スクリーンにより放射された光を使用して、スクリーンにタッチするポインタの位置を検出するときには、タッチが検出光の増加に対応する。というのは、ポインタが、投影された光を、反射素子を経てピクチャーアレイ４０４に反射するからである。対照的に、周囲光を使用して、スクリーンにタッチするポインタの位置を検出するときには、タッチが検出光の減少に対応する。というのは、ポインタは、周囲光が反射素子を経てピクチャーアレイ４０４に保護されるのを遮断するからである。

或いは又、ピクチャーアレイ４０４の画像を分析して、スクリーンにタッチするポインタの輪郭を位置付けてもよい。この場合、ピクチャーアレイ４０４の画像は、スクリーン表面の画像に対応する。

本発明の一実施形態によりポインタから図４９のタッチスクリーンへ反射して戻される光の簡単な図である図５０を参照する。図５０には、ディスプレイ８０１、光検出器８０２、付加的な光源８０３、埋め込まれた反射素子８０４、及びディスプレイ８０１のためのガラス前面８０５が示されている。

ガラス前面８０５の内側に埋め込まれた反射素子は、（ｉ）図５０に上向きの矢印で示すように、スクリーン上に光を投影するために、光源８０３から到着する光を再指向し、そして（ii）ポインタによりスクリーンへ反射された光を、光検出器８０２へ指向する。

本発明の一実施形態によりポインタから図４９のタッチスクリーンへ反射して戻されるディスプレイからの光の簡単な図である図５１を参照する。図５１には、バックライト９０、ディスプレイ９１、光検出器９２、保護ガラス９３及びＬＣＤ９４が示されている。保護ガラス９３内に埋め込まれた反射素子は、ポインタによりスクリーンへ反射されて戻される光を光検出器９２に向ける。ディスプレイ９１からのバックライトは、変調され、光検出器９２と同期される。

本発明の一実施形態によりガラスの下の光がポインタからタッチスクリーンへ反射して戻されるところを簡単に示す図５２を参照する。図５２には、メインボード８０、ディスプレイ８１、受光器８２、光ビーム８３及び保護ガラス８４が示されている。保護ガラス８４には反射素子を埋め込む必要がない。光は、スクリーン表面上に弧状に投影され、そしてポインタは、到来する光ビームを実質的に逆方向に反射し、受光器８２で検出されるようにする。受光器８２は、複数の光ビームを検出するピクセルアレイであるのが好ましい。飽和したピクセルを分析することで、タッチポインタの位置が指示される。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.２０
本発明の一実施形態により反射素子がスクリーンガラスに埋め込まれた検出点を有するタッチスクリーンの簡単な図である図５３を参照する。スクリーンガラスには、図５３にドットとして示す反射素子が埋め込まれている。赤外線又は近赤外線を放射するＬＥＤは、タッチスクリーンの光源として使用される。

図５０を参照して上述したように、ＬＥＤは、スクリーンガラスの縁からガラスを通して光を放出する。光は、埋め込まれた反射素子によりアップ方向に投影される。ポインタは、アップ方向の投影光を反射素子へ反射して戻し、反射素子は、その光を、光センサ、又は二次元ピクセルアレイを伴う画像センサへ投影する。

本発明の一実施形態によりスクリーンガラスへ光を投影する図５３のタッチスクリーンの隅に配置された光源の簡単な図である図５４を参照する。この実施形態では、放射される全ての光ビームは、隣接ビーム間に小さな角度変化を伴って、タッチスクリーンの隅から発生される。反射素子と光源との間の距離が増加するにつれて、隣接する反射素子に向けられる光ビーム間の角度が減少する。従って、１３”又は４２”スクリーンのような大型スクリーンでは、スクリーンの遠方端に位置された隣接する反射素子に向けられる光ビーム間の角度が非常に小さくなる。

好ましくは、図４９のピクチャーアレイ４０４と同様の二次元又は三次元ピクチャーアレイも、ここに、使用される。スクリーン内の各反射素子からの光は、ピクチャーアレイの対応位置に投影され、従って、タッチされる反射素子の位置を、そのタッチを検出するピクチャーアレイ内のピクセルの位置に基づいて決定することができる。

別の実施形態では、タッチスクリーンの隅に位置された光源は、次々の光ビームを個々に放出するように構成される。従って、いつでも１つの光ビームが１つの反射素子に向けて発生されるだけである。ポインタが光を光センサ（図示せず）に反射して戻すときに、タッチスクリーンは、光ビームが向けられた単一の反射素子の位置に対応するものとしてポインタの位置を決定する。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.２１
本発明の一実施形態によりスクリーンガラスへ光を投影する図５３のタッチスクリーンの縁に沿って配置された光源の簡単な図である図５５及び５６を参照する。好ましくは、図５５に示すように、タッチスクリーンシステムは、光源によって放射される光ビームが重畳しないように、即ち非重畳の円錐体を発生するように、構成される。従って、各円錐体の角度には、タッチスクリーンの幅に基づく上限がある。例えば、光源が長いスクリーン縁に沿って距離ｄの間隔で配置される場合、タッチスクリーンの幅をｗとすれば、最大角度（単位ラジアン）は、次のように表される。

従って、図５６のように、光源が５ｍｍの間隔である場合に、３０ｍｍのタッチスクリーン幅に対して、最大角度は約１０°であり、１１０ｍｍのタッチスクリーン幅に対して、最大角度は約２．５°である。

本発明の一実施形態によりスクリーンガラスへ光を投影する光源の簡単な図である図５７を参照する。又、本発明の一実施形態によりスクリーンガラスへ光を投影する、スクリーンガラスの下に配置された図５７の３つの光源の構成体の簡単な図である図５８も参照する。

図５７には、スクリーンガラスの左縁に整列された反射楔が示されている。スクリーンガラスは、ある厚みを有するものとして示されている。楔の対角面は、平面でもよいし、楕円ミラーのようにカーブしていてもよい。楔は、スクリーンの下の光源から光ビームを受け取り、そしてその光ビームをスクリーンガラスへ反射する。図５７に示すように、楔の底は、光の円錐を個別のビームへ分断するように構成され、各ビームは、楔により反射されたときに、スクリーン表面に実質的に平行にスクリーンガラスを通るように向けられる。

スクリーンを通して到着する光ビームを光センサ又はピクセルアレイに向けるために、対応する反射楔（図示せず）がスクリーンの反対縁に配置される。

本発明の一実施形態によりスクリーンへ光を投影する上部放射ＬＥＤがスクリーンガラスの下に配置された図５５の構成の光源の上面図及び側面図を簡単に示す図５９を参照する。ＰＣＢは、ガラススクリーンの下に配置され、そしてＬＥＤは、ガラス側部の下で、側部に対してＰＣＢに装着される。図５７の楔のような光学的素子は、スクリーンガラスを通して進むように示された光の円錐の角度を制御する。図５９には、２つの上部放射ＬＥＤと、スクリーンガラスの縁に沿って設けられてそれらＬＥＤからの光をスクリーンガラスを通るように向ける反射板又は光学的素子との上面図及び側面図が示されている。

図５７及び５８の構成体は、図５９の光円錐を投影するように変更することができ、この場合に、反射素子は、スクリーンガラスを通る平行なスワス(swath)ではなく、膨張する円錐へ光を向ける。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.２２
本発明の一実施形態によりスクリーンガラスへ光を投影する側部放射ＬＥＤがスクリーンガラスに沿って配置された図５５の構成の光源の上面図及び側面図を簡単に示す図６０を参照する。図６０には、２つの側部放射ＬＥＤと、ガラススクリーンの縁に沿った反射板との上面図及び側面図が示されている。図５９のＬＥＤは、スクリーン表面の下にあるが、図６０のＬＥＤは、スクリーンガラスレベルに整列されている。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.２３
本発明の一実施形態によりタッチスクリーンシステムのガラススクリーン内の望ましい行先へ光を向ける光ガイドの簡単な図である図６１を参照する。図６１に示したように、フィラメント状光ガイドは、ガラススクリーンの縁に沿った所から望ましい行先へ光を向ける。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.２４
本発明の一実施形態によりＬＥＤで放射された光をガイドするための光導体として働くタッチスクリーンの簡単な図である図６２を参照する。図６２は、光ガイドとして働くタッチスクリーンの側面図である。

本発明の一実施形態によりマイクロ構造体がガラスに埋め込まれた図６２のタッチスクリーンの簡単な図である図６３を参照する。図６３は、タッチスクリーンの下部に埋め込まれたマイクロ構造体がタッチスクリーンの上面を通る光の部分を漏洩することを示している。スクリーンにタッチするポインタにより反射された光は、光検出器への光ガイドへと導かれる。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.２５
本発明の一実施形態によりタッチスクリーンの表面上に光をガイドするタッチスクリーンの簡単な図である図６４を参照する。図６４に示すように、光が平行平面プレートに沿って導入され、タッチスクリーンの表面上に退出する。或いは又、平行平面プレートに代わって楔形プレートが使用されてもよい。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.２６
本発明の一実施形態によりファイバがスクリーンに一体化されたタッチスクリーンの簡単な図である図６５を参照する。小さなファイバを使用して、光源からの光を収集し、光を望ましい行先へガイドする。ファイバは、丸いファイバ又は方形のファイバであり、扇状又は格子状に配列される。図６５には、格子状に配列されたファイバの上面図及び側面図が示されている。あるスクリーンでは、格子状配列が好ましい。というのは、扇状配列は、ディスプレイのピクセル構造と相まって、望ましからぬ波紋パターンを生成することがあるからである。

ファイバは、タッチスクリーンに挿入することができる。或いは又、タッチスクリーンは、ファイバより成るように設計されてもよい。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.２７
本発明の一実施形態により光源に対して垂直に装着された図５３のタッチスクリーンシステムのための光検出器の簡単な図である図６６−６８を参照する。光検出器は、とりわけ、ホトダイオード、光センサ、又はカメラである。図６６に示すように、光検出器は、光源により放射される光の方向に垂直に装着される。このような構成は、漏洩を最小にする。光検出器に到達する光の量は、一般的に、光源により放射される光の量より少ないので、光検出器は、スクリーンの長い縁に沿って配置されるのが好ましく、又、光源は、その短い縁に沿って配置されるのが好ましい。更に、各光検出器は、埋め込まれた反射素子の単一の列から光を捕獲するのが好ましい。対応的に、光検出器から見た角度は、スクリーンの長さに依存する。光検出器が短い縁に沿って距離ｄの間隔にされ、長い縁が長さｘである場合には、光検出器から見た最大角度（単位ラジアン）は、

である。例えば、光検出器が５ｍｍの間隔である場合に、４０ｍｍのタッチスクリーン長さに対して、最大視野角は約７°であり、１４５ｍｍのタッチスクリーン長さに対して、最大視野角は約２°である。図６７は、簡単な光ガイド幾何学形状を伴うタッチスクリーンを示し、そして図６８は、二層照明を伴うタッチスクリーンを示す。

光ビームを、スクリーン表面上で反射させる前に長い距離走行させることで、幅の広い実質的に平行な光ビームをスクリーン表面にわたって投影することができる。一方、光を、スクリーン表面上に投影する前に短い距離走行させるだけの場合には、光ビームは、その光源に細い端をもつ円錐形状となる。同様に、単一の光検出器への漏れが最小の状態で全幅ビームが収斂するようにするには、幅の広い光ビームを、それがスクリーンを横断した後に、長い距離を横断させるのが効果的である。

本発明の一実施形態によりタッチスクリーンに埋め込まれた反射素子により再指向されて光検出器に向けられる反射光の簡単な図である図６９を参照する。図６９に示すように、ポインタから反射された光は、スクリーンへガイドされて戻される。光は、スクリーンに埋め込まれた反射素子の１つで停止し、スクリーンの下の光検出器により検出される。

本発明の一実施形態によりタッチスクリーンの複数のエリアへ反射されて光検出器に向けられる光の簡単な図である図７０を参照する。図７０に示したように、ポインタによりスクリーン表面の複数のエリアへ反射される光は、スクリーンに埋め込まれた反射素子により反射されて、スクリーン表面の外側の光検出器へ向けられる。従って、ポインタにより反射された光は、光検出器へ反射されて戻される。

反射素子と光検出器との間に１０ｍｍの格子間隔がある場合には、光検出器によって光の約０．６％が検出され、又、反射素子と光検出器との間に１５ｍｍの格子間隔がある場合には、光検出器によって光の約０．４％が検出される。一般的に、光検出器により検出される光の量は、使用する光検出器及び光学的素子のサイズに依存する。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.２８
コンフィギュレーションNo.２８は、タッチスクリーンの光検出器として使用されるカメラチップに係る。カメラにより捕獲されたタッチスクリーンの画像は、タッチスクリーンにタッチするか又はタッチスクリーンに接近するポインタの位置を推定するのに使用される。

本発明の一実施形態により光検出器として働くカメラを伴う図５３のタッチスクリーンシステムの簡単な図である図７１を参照する。カメラセンサに最適な画像を得るために、カメラは、タッチスクリーンの縁に対してある角度に向けられ、そして広い角度で光を収集するように配置される。一般的に、光が退出するタッチスクリーンの表面は、カメラのレンズとほぼ同心的でなければならない。

横方向の角度を最小にするために、カメラをタッチスクリーンの隅に装着するのが好ましい。或いは又、２つ以上のカメラを使用してもよい。

ポインタがスクリーンにタッチするか、又はスクリーン付近に接近すると、スクリーンに埋め込まれた反射素子からの、図７１のパターンの１つのような、パターンが、カメラチップに投影される。カメラセンサにおける光パターンは、カメラとポインタとの間の距離に関する情報を与える。

図７１の２つの左側部分は、カメラレンズから２つの異なる距離に光が反射されるタッチスクリーンを示す。図７１の２つの右側部分は、カメラセンサにおける対応パターンを示す。図７１に示すように、カメラとポインタとの間の大きな距離は、カメラセンサにおける非常に多数のサブパターンに対応する。

本発明の一実施形態により、スクリーンにタッチするポインタからカメラが１０ｍｍ離れた状態で、図５３のタッチスクリーンからの反射光をカメラレンズが捕獲するところを簡単に示す図７２を参照する。

又、本発明の一実施形態により、スクリーンの縁から１０ｍｍに置かれて５ｍｍの間隔にされた３つの反射素子から、図７２のカメラで捕獲された画像である図７３も参照する。

本発明の一実施形態により、スクリーンにタッチするポインタからカメラが２０ｍｍ離れた状態で、図５３のタッチスクリーンからの反射光をカメラレンズが捕獲するところを簡単に示す図７４を参照する。

又、本発明の一実施形態により、スクリーンの縁から２０ｍｍに置かれて５ｍｍの間隔にされた３つの反射素子から、図７４のカメラで捕獲された画像である図７５も参照する。

本発明の一実施形態により、スクリーンにタッチするポインタからカメラが３０ｍｍ離れた状態で、図５３のタッチスクリーンからの反射光をカメラレンズが捕獲するところを簡単に示す図７６を参照する。

又、本発明の一実施形態により、スクリーンの縁から３０ｍｍに置かれて５ｍｍの間隔にされた３つの反射素子から、図７６のカメラで捕獲された画像である図７７も参照する。

本発明の一実施形態により、スクリーンにタッチするポインタからカメラが３９ｍｍ離れた状態で、図５３のタッチスクリーンからの反射光をカメラレンズが捕獲するところを簡単に示す図７８を参照する。

又、本発明の一実施形態により、スクリーンの縁から３９ｍｍに置かれて５ｍｍの間隔にされた３つの反射素子から、図７８のカメラで捕獲された画像である図７９も参照する。図７３、７５、７７及び７９における各捕獲画像を比較することにより、画像におけるサブパターンの数は、ポインタとカメラレンズとの間の距離に対応することが明らかであろう。

本発明の一実施形態により埋め込まれた反射素子から発生されるカメラセンサのサブパターンを示す簡単な側面図である図８０を参照する。図７２、７４、７６及び７８のコンフィギュレーションにおいて、１ｍｍ厚みのディスプレイスクリーンの縁に沿った光源は、カメラレンズから２０ｍｍ離れている。このようなコンフィギュレーションでは、５つのサブパターンがカメラセンサに発生され、即ち正に中心の画像に対応する中心サブパターンと、その中心サブパターンの各側の反射画像に対応する２つのサブパターンとが発生される。これらサブパターンは、異なるフィールド深さからの、即ちビーム方向に沿った異なる位置における異なる距離からの、光の焦点に対応する。短い焦点距離は、より少ないが大きなサブパターンを発生し、そして長い焦点距離は、より多いが小さいサブパターンを発生する。従って、長い焦点距離が好ましい。というのは、システムにとって、素子のサイズを測定するより、素子の数をカウントする方が容易だからである。

本発明の一実施形態により３つの異なるポインタタッチ位置から反射される光ビームの画像である図８１−８７を参照する。図８１の３つの上部は、実際のカメラセンサ画像を示し、そして図８１の３つの下部は、カメラレンズとカメラセンサとの間の対応する光学系を示す。最も右の部分は、カメラレンズから離れたポインタタッチ位置に対応するカメラセンサの画像の６つのサブパターンを示す。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.２９
コンフィギュレーションNo.２９は、タッチスクリーンの光検出器として使用される光センサに係る。カメラに勝る光センサの利点は、光検出に使用できるセンサ面積が大きいことである。ＬＥＤ及び光センサは、検出感度を改善するために周波数変調される。

本発明の一実施形態により反射素子が埋め込まれたタッチスクリーンの複数の点における光のシミュレーションを簡単に示す図８８−９０を参照する。図８８には、埋め込まれた反射素子を表す円形ドットがタッチスクリーン上に示されている。図８９に示すように、円形ドットは、２０％の相対的充填ファクタを有し、そしてタッチスクリーンに対するピクセル寸法は、約３ｍｍｘ３ｍｍである。

本発明の一実施形態により図８８のタッチスクリーンに対し４ｍｍｘ４ｍｍの指先を照明するＬＥＤから放射される光を簡単に示す図９１及び９２を参照する。ＬＥＤと、反射素子により占有されるエリアとの間の距離は、約１０ｍｍである。ＬＥＤから到来する光の約３％が指先を照らす。図９１の暗い線は、ガラスから漏れ出す光を表し、そして明るい線は、ガラス内部の光を表す。図９１は、白いダイヤモンドで示されたＬＥＤから１０ｍｍ離れたドット位置においてガラス表面から漏れ出す光を示す。

図９２は、ドット位置に到達する光ビームだけを示す。図９２の右上隅に示された小さなボックスは、反射光を捕獲するカメラを表す。

本発明の一実施形態により図８８のタッチスクリーンに対してカメラで捕獲されたテスト結果の画像である図９３−９５を参照する。テストでは、寸法が３０ｍｍｘ４０ｍｍ、厚みが１ｍｍの大きなスクリーンディスプレイが使用された。又、テストでは、厚みが５ｍｍの簡単な光ガイドが使用された。テストは、焦点長さｆ＝１．４ｍｍ、直径が０．７ｍｍのカメラレンズに基づいて行われた。テストは、カメラレンズから異なる距離においてタッチスクリーン上の３つの点からシミュレーションされた。

図９３−９５に示す画像は、移動電話のカメラを使用して捕獲された。図９３は、スクリーンにタッチするポインタがない場合の周囲状態を示し、図９４は、ポインタがスクリーンにタッチする場合の状態を示す。図９５は、図９３の画像を図９４の画像から差し引き、そしてその差を１０のファクタでスケールアップしたときの結果を示す。

カメラレンズからポインタまでの距離は、捕獲された画像におけるサブパターンの数及びそれらの位置から決定される。サブパターンの位置は、光が到着する方向を決定する。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.３０
コンフィギュレーションNo.３０及び３１は、光を放射しそして光を検出するのに使用される個別の層を伴う多層タッチスクリーンに係るものである。

漏れを最小にするために、スクリーン表面に２つ以上の層を使用して、光の放出に使用する層と、光の検出に使用する層とを分離させる。タッチスクリーンの平面を横切って光を向けるために小面付き又はカーブした格子を使用するのが好ましい。タッチスクリーンのための反射板は、円筒形にされてもよいし、他の形状にされてもよい。

本発明の一実施形態により下層がＬＥＤから放射された光を透過しそして上層が反射光を透過する二層タッチスクリーンの簡単な図である図９６を参照する。タッチスクリーンの側部に沿ったスペースを減少するために、光ビームを細く収束し、光ビームをタッチスクリーンの異なる層に沿って向けると共に、光源が単一グループに密集するのを回避することが好ましい。光源は、分散させねばならない。

本発明の一実施形態によりフィラメント状の光ガイドを伴う多層タッチスクリーンの簡単な図である図９７を参照する。図９７は、スペースを減少するために多層に配列されたフィラメント状光ガイドを通過する光を示している。図９７のタッチスクリーンは、適当な数の光ビームを収容するためにフィラメント状の光ガイドが水平及び垂直の両方に延びるようにして複数の段階でアッセンブルされる。スペースを減少するためにスクリーンに光ファイバが取り付けられてもよい。

異なる時間に光ビームを放射することにより、信号対雑音比が高くされると共に、検出精度がより精密にされる。暗い周囲光信号を規則的にサンプリングすることにより、検出感度が向上される。特に、信号対雑音比は、暗い周囲光信号をアクティブな信号から差し引くことで、高くされる。この差し引きは、デジタルドメインではなく、アナログドメインで具現化されるのが好ましい。というのは、デジタルドメインにおける画像の差し引きは、一般的に、高い解像度を要求するからである。

本発明の一実施形態により多層タッチスクリーンの異なる層を通してガイドされる光ビームを簡単に示す図９８を参照する。漂遊光が入射するのを防止すると共に、反射光が間違った方向に送られるのを防止するために、光ビームは、タッチスクリーンの異なる層を通してガイドされる。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.３１
本発明の一実施形態により異なる方向に向けて反射素子が埋め込まれた多層タッチスクリーンの簡単な図である図９９を参照する。図９９に示されたように、入射光及び反射光は、タッチスクリーンに埋め込まれた反射素子で停止され、異なる方向に向けられる。２つの異なる方向に埋め込まれた反射素子を使用することで、光放射器と光検出器との間の漏れを最小にし、漂遊光が入射するのを防止し、反射光が間違った方向に送られるのを防止する。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.３２
本発明の一実施形態により幅広の光ビームがスクリーンをカバーするタッチスクリーンの簡単な図である図１００を参照する。幅広のビームを使用するタッチスクリーンシステムは、２０１０年３月２４日に出願された“OPTICAL TOUCH SCREEN WITH WIDE BEAM TRANSMITTERS AND RECEIVERS”と題する本出願人の米国プロビジョナル特許出願第６１／３１７，２５５号に説明されており、その内容を参考としてここに援用する。

図１００に示すＬＥＤ及びＰＤは、比較的広い間隔にされている。一般的に、ＬＥＤは、同時に作動されない。むしろ、それらは、前後に作動され、光ビームのカバレージエリアが実質的に接続される。

図１００は、タッチスクリーン又はタッチ表面１０００を有するタッチシステムの上面図及び側面図を示す。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どうかに関わらず表面に対するタッチ感知機能を与える。更に、物理的な表面は要求されず、光ビームは、空気を通して投影することができ、そして光ビームを遮断する空中のポインタの位置を検出することができる。

又、図１００には、ＬＥＤ１００２、反射板１００４、１００５、及びＰＤ１００７も示されている。ＬＥＤ１００２及びＰＤ１００７は、スクリーン１０００の下に配置される。ＬＥＤ１００２は、スクリーン１０００の下の光の弧１００３を反射板１００４に投影する。ＬＥＤ１００２と反射板１００４との間の距離は、弧が反射板１００４において幅広のビームへと拡散するに充分なものである。本発明の種々の実施形態では、ＬＥＤ１００２と反射板１００４との間の距離が、とりわけ、スクリーンサイズ、必要なタッチ解像度、ＬＥＤ特性、及び光学的反射板特性を含むファクタに基づいて、約４ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、又はそれ以上でよい。

反射板１００４は、光をスクリーン表面のスワスを横切って幅広のビーム１００１として向ける。幅広のビーム１００１は、反射板１００５に到達し、この反射板は、（ｉ）反射ビームをスクリーン１０００の下に再指向し、そして（ii）幅広のビーム１００１を弧１００６へと細くする。従って、幅広のビーム１００１は、スクリーン１０００の表面の下で１つのＰＤ１００７の表面へと収斂する。

図１００の構成は、幅広の光ビームが全スクリーン表面をカバーし、スクリーン上のどこででもタッチ感知機能を可能にするという点で効果がある。更に、比較的僅かなＬＥＤ及びＰＤコンポーネントを必要とするだけであるから、タッチスクリーンの材料コストが節減される。

タッチスクリーンシステムコンフィギュレーションNo.３３
本発明の一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簡単な図である図１０１を参照する。光検出器１１に関連したレンズの表面に羽根状パターン１０が適用されて示されている。羽根状パターン１０は、光源に関連したレンズの表面に適用されてもよい。

羽根状パターン１０は、光検出器１１のレンズに適用されたときには、均一な角度ではなく、異なる角度から光検出器１１に光を伝達するように働く。羽根状パターン１０は、光源のレンズに適用されたときには、光源から異なる角度で放射された光をスクリーン上に均一な方向に伝達するように働く。光の弧１２は、羽根状パターン１０を通して出力されて光検出器１１へ向けられた光出力を示す。

本発明の一実施形態による羽根状パターン２１が適用されたレンズ及び光ビーム２０、２２の簡単な上面図である図１０２を参照する。光ビームは、図１０２において、平行なビームとしてレンズ２１に入りそして非平行なビームとしてレンズ２１を出るように示されている。同様に、羽根状パターンレンズが光源の前に挿入されたときには、非平行な光ビーム２２がレンズに入り、そして平行なビーム２０として出る。

本発明は、小型サイズ、中間サイズ及び大型サイズのスクリーンを含むタッチ感知スクリーンを伴う電子装置に広く適用される。このような装置は、とりわけ、コンピュータ、家庭用娯楽システム、車用娯楽システム、セキュリティシステム、ＰＤＡ、セルラーフォン、電子ゲーム及び玩具、デジタルホトフレーム、デジタル楽器、ｅ−ブックリーダー、ＴＶ、及びＧＰＳナビゲータを含む。

以上、本発明は、その特定の規範的実施形態を参照して説明された。しかしながら、それらの特定の規範的実施形態は、特許請求の範囲に規定された本発明の広い精神及び範囲から逸脱せずに種々の変更や修正がなされることが明らかであろう。従って、明細書及び添付図面は、本発明を例示するものであって、限定するものではない。

１０、２０：ポインタ
８０：メインボード
８１：ディスプレイ
８２：受光器
８３：光ビーム
８４：保護ガラス
９０：バックライト
９１：ディスプレイ
９２：光検出器
９３：保護ガラス
９４：ＬＣＤ
１００：タッチスクリーン
１１０、１２０：シフトレジスタ
１３０：発光ダイオード（ＬＥＤ）
１４０：ホトダイオード（ＰＤ）
２１０：ガラススクリーン
２１３：タッチ感知サブエリア
２１５：ボタン
２１７：反射素子
２２０：プリント回路板
２２５：制御回路
２３０：近赤外線ＬＥＤ
２４０：レンズ
２５０、２６０、２７０：ＰＤ
２８０：レンズ
２９０：多層ガラス
３００：ガラス
３０１：受光素子
３０３：行制御線
３０４：制御線
４０１：ガラス
４０２：エリア
４０３：光
４０４：二次元又は三次元ピクチャーアレイ
４０５：付加的な光源
５００：ガラス
５０１、５０２：光放射素子
５０３：光検出器
７００：ガラス
７０１：受光素子
７０２：光源
７０３：行制御線
７０４：制御線
８０１：ディスプレイ
８０２：光検出器
８０３：付加的な光源
８０４：埋め込まれた反射素子
８０５：ガラス前面
９０１：ミラー又は光学的レンズ
９０２：ＬＥＤ
９０３：反射光ビーム
９０４：ポインタ
９０５：ＰＤ

Claims (14)

1. ガラス、結晶、アクリル、及びプラスチックからなるグループの内の一つ以上から成る単一層の赤外線透過スクリーンカバーであって、赤外線光を反射するための複数の反射素子が宙に浮いた状態で埋め込まれた近赤外線透過スクリーンカバーと、
   電子的コンポーネントの選択的作動を制御する回路が接続された回路板と、
   赤外線光を放射するために前記回路板に接続された少なくとも１つの光源であって、前記赤外線の一部が、前記スクリーンカバーの上方に又は前記スクリーンカバーに接触して位置する物体によって前記スクリーンカバー内へ反射され、そして、前記反射素子の幾つかによって前記スクリーンカバー内で更に反射される、前記光源と、
   前記更に反射された光を検出するために、前記回路板に接続された少なくとも１つの光検出器と、
   前記少なくとも一つの光検出器によって検出された光量に基づいて、前記物体が上方に又は接触して位置される前記スクリーンカバー上の一つ以上の位置を検出するために前記少なくとも一つの光検出器に接続された計算ユニットと、
   を備えたタッチスクリーンシステム。
2. 前記少なくとも１つの光源により前記反射素子に向けて放射された前記光をガイドするための少なくとも１つの光学要素を更に備えた、請求項１に記載のタッチスクリーンシステム。
3. 前記更に反射された光を前記少なくとも一つの光検出器に案内するための少なくとも一つの光学要素を更に備える、請求項１に記載のタッチスクリーンシステム。
4. 前記少なくとも一つの光学要素が楕円ミラーを含む、請求項２又は３に記載のタッチスクリーンシステム。
5. 前記少なくとも一つの光学要素が、入射光の円錐を個別の光ビームに分断するように構成されている請求項２又は３に記載のタッチスクリーンシステム。
6. 前記少なくとも一つの光学要素が、前記分断されたビームを実質的に平行な光ビームに反射するように構成されている請求項５に記載のタッチスクリーンシステム。
7. 前記埋め込まれた反射素子が、平面又はカーブした対角面を有する楔形である請求項１に記載のタッチスクリーンシステム。
8. 前記少なくとも１つの光検出器は、少なくとも１つのカメラ又は少なくとも一つのホトダイオードを含む、請求項１に記載のタッチスクリーンシステム。
9. 前記少なくとも１つの光源は、前記スクリーンカバーの下に配置される、請求項１に記載のタッチスクリーンシステム。
10. 前記少なくとも１つの光検出器は、前記スクリーンカバーの下に配置される、請求項１に記載のタッチスクリーンシステム。
11. スクリーン表面に対する物体の位置を決定する情報処理方法であり、前記スクリーン表面が、ガラス、結晶、アクリル、及びプラスチックからなるグループの内の一つ以上から成る単一層の近赤外線透過スクリーンカバーであって、赤外線光を反射するための複数の反射素子が宙に浮いた状態で埋め込まれた近赤外線透過スクリーンカバーを備え、少なくとも一つの光源が赤外線を放射し、前記赤外線の一部が、前記スクリーンカバーの上方に又は前記スクリーンカバーに接触して位置する物体によって前記スクリーンカバー内へ反射され、そして、前記反射素子の幾つかによって前記スクリーンカバー内で更に反射され、前記方法が、
    前記スクリーンカバーの一部に、向けられたカメラによって、前記更に反射された光の画像を捕獲し、
    前記捕獲された画像の光パターンに基づき且つ前記カメラと前記カメラのセンサ上の前記光パターンから得られるポインタとの間の距離に関する情報に基づいて、前記スクリーン表面に対する前記物体の位置を、計算ユニットによって、決定することを含む、前記方法。
12. 前記捕獲された画像の少なくとも一つが、前記物体を表す複数のサブパターンを含み、
    前記決定する工程が、サブパターンの数に基づいて、前記カメラと前記物体との間の距離を決定する、請求項１１記載の方法。
13. 前記決定する工程が、前記サブパターンのサイズに基づいて、前記カメラと前記物体との間の距離を決定する、請求項１２記載の方法。
14. カメラによって、周囲光の画像を捕獲し、
    周囲光の画像の少なくとも一つにおける画素値を、前記更に反射された光の画像の少なくとも一つにおける対応する画素値から、前記計算ユニットによって、減算することを更に含み、
    前記決定する工程が、前記減算された画素値に基づいて、前記スクリーン表面に対する前記物体の位置を決定する、請求項１１記載の方法。

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