KR101942114B1 - 접촉 감지 시스템용 광학식 인커플링 - Google Patents

접촉 감지 시스템용 광학식 인커플링 Download PDF

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Abstract

접촉 감지 장치는 광 투과 패널(1)과, 조명 장치와, 검출 장치를 포함한다. 상기 조명장치는, 인커플링 위치(5B)를 통하여 광을 패널(1) 내로 결합시켜, 광이 내부 전반사(TIR)에 의해 상기 패널의 반대측 상단면(4) 및 바닥면(5)으로 전파하도록 하고, 상단면(4) 또는 바닥면(5)에 접촉하는 물체로 인해 전파광이 변하도록 구성된다. 상기 검출 장치는 상기 전파광의 변화를 검출하도록 배치되는 광 검출기를 포함한다. 소형이고 튼튼한 인커플링 위치(5B)는 상단면(4) 및 바닥면(5) 중 하나에 고정되게 배치되고, 패널(1)의 내부에서 TIR에 의한 광의 전파를 가능하게 하는 입사각을 가지는 광을 투과시키도록 구성된 시트 유사 미세 구조 표면부(22)에 의하여 정의된다. 상기 표면부(22)는 패널의 내에서 일체로 형성될 수 있거나, 광 투과 플라스틱 재료로 이루어지는 얇고 유연한 필름(20)으로 구현될 수 있으며, 미세 구조 표면부로 형성될 수 있고, 상단면(4) 또는 바닥면(5)에 부착되도록 마련될 수 있다.

Description

접촉 감지 시스템용 광학식 인커플링{OPTICAL INCOUPLING FOR TOUCH-SENSITIVE SYSTEMS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 여기에 참조로 포함되는 2011년 2월 2일 출원된 스웨덴 특허 출원 번호 1150071-7 및 2011년 2월 2일 출원된 미국 가출원 번호 61/438675의 이익을 주장한다.
본 발명은 광 투과 패널을 통한 광 투과에 의하여 작동하는 접촉 감지 시스템에 관한 것으로, 특히, 광을 이러한 패널 내로 결합하기 위한 광학식 해결 수단에 관한 것이다.
종래 기술은 주변 에지면에 의하여 연결되는 두 개의 평행한 경계면들에 의하여 정의되는 고체 광 투과 패널의 내부로 광을 투과시키는 것에 의해 작동하는 서로 다른 형태의 접촉 감지 시스템을 포함한다. 구체적으로, 광은 패널 내로 주입되어 경계면들 사이에서 내부 전반사(TIR)에 의해 전파된다. 경계면들 중 하나("접촉면")와 접촉하는 물체는 하나 이상의 광 센서에 의하여 검출되는 전파광의 변화를 야기한다. 하나의 구현예에서, 예를 들면, WO2008/017077, US2009/267919 및 WO2010/056177에 개시되어 있는 바와 같이, 광 센서들이 패널의 뒤쪽에 배열되어 접촉 물체로부터 산란되고 접촉면의 반대쪽 경계면을 통하여 패널을 벗어나는 광을 검출한다. 다른 구현예에서, 예를 들면, US7435940에 개시되어 있는 바와 같이, 광 센서들이 패널의 주변에 배열되어 접촉 물체로부터 산란되고 내부 전반사에 의해 패널 내부에 갇히는 광을 검출한다. 또 다른 구현예에서, 예를 들면, WO2010/006882 및 WO2010/134865에 개시되어 있는 바와 같이, 광 센서들이 패널의 주변에 배열되어 패널을 통하여 투과된 광의 감쇠를 감지한다.
패널 내로부터의 접촉면의 균일한 조도를 달성하기 위하여, 인커플링 위치가 주로 길게 연장되고 패널의 중요 부위를 따라 연장된다. 대부분의 종래 기술 문헌은, 어떠한 전용의 커플링 요소 없이, 주변 에지면의 길게 연장된 부분을 통하여 광을 주입하는 것을 제안하고 있다. 이러한 접근은, 광이 상대적으로 급격한 각도로 에지면으로 주입되어 에지면에서 반사 손실이 상대적으로 적어지기 때문에 가능하다. 또한, 이러한 인커플링 위치는 접촉 시스템의 두께에 유의하게 추가되지 않는다. 그러나, 에지면을 통한 인커플링은 매우 평면이고 결함이 없는 에지면을 필요로 한다. 이는, 특히 패널이 얇고/얇거나 유리와 같이 상대적으로 취성인 재료로 제조되는 경우에는, 달성하기 어렵고/어렵거나, 달성하는 데에 많은 비용이 요구된다. 에지면을 통한 인커플링은 또한 접촉 시스템의 점유영역에 추가될 수 있다. 더욱이, 패널이 프레임 또는 브래킷과 같은 장착 구조에 부착되고 또한 장착 구조가 에지면에서의 변형을 일으킬 가능성이 큰 경우에는, 에지면에 광학적으로 접근하는 것이 어려울 수 있다. 이러한 변형은, 에지면의 광학적 품질에 영향을 미칠 수 있으며 인커플링 성능을 감소시킬 수 있다.
상술한 WO2010/006882 및 WO2010/134865는 상단면 또는 바닥면에 부착되어 광학적으로 결합(접착)되는 길게 연장된 웨지(wedge)를 통한 광의 인커플링을 제안하고 있다. 이러한 접근은, 에지면의 표면 특성에 대한 임의의 엄격한 요건을 완화시킬 수 있고/있거나, 패널의 장착을 용이하게 한다. 그러나, 패널의 깊이 방향으로 시준되는 광을 전파하는 것에 의해 접촉면의 균일한 조도를 달성하기 위하여, 인커플링 위치는 접촉면상에서의 빔의 점유영역이 접촉면에서 연속적으로 반사된 반사광들 사이에서 기본적으로 오버랩할 정도로 패널의 깊이 방향으로 광빔을 허용할 필요가 있다. 이는, 결과적으로, 웨지가, 상단면 또는 바닥면으로부터 적어도 15 내지 20mm로 돌출할 필요가 있을 수 있는 웨지가 되게 하는 상응하는 치수의 수광면을 가질 필요가 있다는 것을 의미한다. 이러한 웨지는 시스템의 상당한 두께 및 무게를 추가할 수 있다. 무게 및 비용을 줄이기 위해, 웨지는 플라스틱 재료로 이루어질 수 있다. 반면, 예를 들면, 요구되는 벌크 재료 특성들(예를 들면, 굴절율, 투과율, 균질성, 등방성, 내구성, 안정성, 등) 및 상단면 및 바닥면의 표면 평탄도를 달성하기 위해, 패널은 주로 유리로 이루어진다. 본 출원인은 접촉 시스템의 작동 중 온도 변화의 결과, 플라스틱 재료와 유리간의 열팽창 차이에 의해 웨지가 패널로부터 헐거워질 수 있다는 것을 발견하였다. 웨지의 작거나 국부적인 분리도 시스템 성능을 현저하게 저하시킬 수 있다.
본 출원인은 몇몇의 보다 짧은 웨지를 나란하게 부착시켜 길게 연장된 인커플링 위치를 형성하는 것에 의하여 이 문제를 해소하고자 하였다. 그러나, 접촉 시스템이 인커플링 위치를 통하여 주입되는 광의 시트를 하나보다 많이 필요로 하여 인커플링 위치를 통하여 전달된 광이 패널의 평면 내에서 하나보다 많은 메인 방향을 가지는 경우(즉, 접촉면의 평면도에서 나타낸 바와 같이), 웨지들 사이의 이음은 입사광과 간섭(예를 들면, 반사)할 수 있고 시스템 성능을 현저하게 저하시킬 수 있다. 예를 들면, WO2010/006882 및 WO2010/134865는 인커플링 위치를 통하여 서로 다른 메인 방향들을 가지는 복수의 시트를 주입함으로써 다중 접촉 감도를 가능하게 하는 기술들을 개시하고 있다.
종래 기술은 또한, 패널의 상단면 또는 바닥면상에 배열된 회전된 프리즘들의 형태의 큰 웨지를 통한 TIR에 의한 전파를 위하여 발산광 빔이 광 투과 패널 내로 결합되는 광학식 접촉 시스템을 개시하는, US2004/0252091을 포함한다.
접촉 시스템용 광학식 커플링 요소의 영역의 외측에는, 향상된 광 관리를 통해 표시 휘도를 증가시키도록 설계된 투명한 광학 필름인 소위 휘도 강화 필름(BEF)을 구비하는 평판 디스플레이들을 제공하는 것이 알려져 있다(예를 들어, US2005/248848 및 US2010/259939를 참조).
구체적으로, BEF는 복수의 프리즘형 및/또는 렌즈형 요소들을 구비하는 미세 구조 시트이고, 디스플레이 내의 광 투과 기판에 부착될 수 있다. 미세 구조는 직각(수직) 시인 방향 둘레의 특정 각도 범위 내에서 디스플레이의 공간 평균 조도를 증가시키도록 설계된다.
US6972753는 BEF 형태의 요소("프리즘 렌즈 시트")가 광 가이드 패널 옆에 배치된 광원에 부착되어 광이 광 가이드 패널의 에지면 상으로 향하기 전에 발광된 광의 지향성을 강화시키는 광학식 접촉 패널을 개시하고 있다. 프리즘 렌즈 시트는 커플링 요소가 아니며, 오히려 모든 광이 패널의 평면 내에서의 단일의 명확한 메인 방향으로 주입되는 것을 보장하는 상류측 시준기(collimator)이다.
US6803900는 LCD 디스플레이용 조명 시스템을 개시하고 있다. 조명 시스템은 광의 우선적인 아웃커플링을 제공하는 그 상단면 상에 미세 광학 구조를 구비하는 측면으로 조명된 평면 광 가이드를 포함한다. 광 파이프가 그 주변 에지면을 통하여 광을 광 가이드 내로 결합시키기 위해 광 가이드와 평행하게 배치된다. 광 파이프는 광 파이프의 내부에서 일단으로부터 타단을 향하여 안내되는 광이 광 가이드의 주변 에지면을 향하여 방향이 변경되도록 하는 미세 광학 표면 구조를 구비한다.
WO2007/112742는 빔 익스팬더가 시준된 광의 이미터(emitter) 및 광 투과 패널의 에지면의 중간에 배치되는 광학식 접촉 패드를 개시하고 있다. 복수의 프리즘 형태의 빔 스플리터가 에지면에 형성되어 확대된 빔을 수신하여 패널의 내부에서 제어된 입사각을 가지는 두 개의 확대되고 시준된 빔으로 분할한다. 빔 스플리터는 패널의 깊이 방향으로 서로 다른 방향의 두 개의 빔을 생성하도록 설계되어 있기 때문에 에지면 상에서만 유용하다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 상기한 제한들 중 하나 이상을 적어도 부분적으로 극복하고자 하는 것이다. 이에 따른 일 목적은 에지면의 품질에 덜 의존적이고 광을 패널의 내부에서 내부 전반사에 의해 전파되도록 할 수 있는 광학식 접촉 시스템의 광 투과 패널 내로의 광의 효율적이고 튼튼한 결합을 제공하는 데에 있다.
또 다른 목적은 접촉 시스템에 무게 및 크기를 거의 추가하지 않는 인커플링 위치를 제공하는 데에 있다.
또 다른 목적은 인커플링 위치를 통하여 투과된 광이 패널의 평면 내에서 하나 보다 많은 메인 방향을 가지도록 하는 데에 있다.
이러한 목적들 및 아래의 설명에서 언급되는 다른 목적들이 독립 청구항들에 따른 접촉 감지 장치, 광학 커플링 요소 및 광학 접촉 패널에 의하여 적어도 부분적으로 달성되며, 그 실시예들이 종속 청구항들에 의해 정의된다.
본 발명의 제1 양태는, 상단면 및 바닥면을 정의하는 광 투과 패널; 인커플링 위치를 통하여 광을 패널 내로 결합시켜, 광이 상단면 및 바닥면 중 적어도 하나에서 내부 전반사에 의해 전파하도록 하고, 상단면 및 바닥면 중 적어도 하나에 접촉하는 물체로 인해 전파광이 변하도록 하는 조명 장치; 및 상기 전파광의 변화를 검출하도록 배치되는 광 검출기를 포함하는 검출 장치를 포함하고, 상기 인커플링 위치는 상단면 및 바닥면 중 하나에 고정되게 배치되고 패널의 내부에서 내부 전반사에 의한 광의 전파를 가능하게 하는 입사각을 가지는 광을 투과시키도록 구성된 시트 유사 미세 구조 표면부에 의하여 정의되는 접촉 감지 장치이다.
인커플링 위치를 광 투과 패널의 상단면 또는 바닥면상에 배치되는 시트 유사 미세 구조 표면부로 구현함으로써, 패널의 에지면의 품질과 관계 없이 그리고 접촉 감지 장치에 상당한 무게 및/또는 크기를 추가시키는 커플링 요소를 구비할 필요 없이 패널 내로 광이 결합될 수 있다. 여기에서 사용되는 바와 같은, "미세 구조 표면"은 0.1 내지 1000μm 범위 내의 적어도 하나의 치수를 가지는 표면 구조를 포함한다. 미세 구조 및 미세 구조 표면은 그 자체가 광학 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 일 예에서, 미세 구조 표면부는 표면부에 의하여 투과되어 (패널 내로 결합되는) 광에 대하여 적합한 경사도를 가지는 수광면을 집단적으로 정의하는 복수의 미세 복제된 프리즘형 요소를 포함한다. 구체적으로, 광은 상단면 및 바닥면의 법선에 대하여 정해지며 패널 내에서의 전반사에 대한 임계 각도를 초과하는 입사각으로 투과된다. 각 프리즘형 요소는 표면부의 패싯들이 패널 내로 결합되는 광에 대한 간섭성 광(coherent light) 또는 연속광 수신면을 집단적으로 정의하도록 설계되는 수광 패싯을 포함할 수 있다. "패싯"은 통상의 기술자에게 잘 알려진 바와 같이 프리즘형 요소의 연속적인 표면 유닛이다. 각 패싯은 미세 구조 표면부의 길이 방향으로 연장될 수 있고, 패싯들은 미세 구조 표면부의 가로 방향으로 나란하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 미세 구조 표면부는 미세 구조 표면부가 상단면 또는 바닥면으로부터 상당히 돌출될 필요가 없이 종래의 웨지의 평면형 수광면과 유사한 수광 전방면과 흡사하도록 설계될 수 있다. 사실, 미세 구조 표면부는 상단면 또는 바닥면 상에서 기본적으로 평평한 구성을 가질 수 있으며, 상단면 또는 바닥면으로부터 1mm 이하로 돌출되도록 설계될 수 있다.
시트 유사 표면부의 사용은, 상단면 또는 바닥면 내에 직접적으로 형성되는 미세 구조에 의하여, 표면부의 패널의 상단면 또는 바닥면 내로의 간단한 통합을 가능하게 하여, 튼튼하고 내구성이 있는 인커플링 위치를 정의한다.
소형이고 튼튼한 인커플링 위치를 정의하는 다른 간단한 방식은 미세 구조 표면부를 정의하는 전용의 시트 유사 인커플링 요소를 제조하여 광 투과 패널의 상단면 또는 바닥면에 부착하는 것이다. 이러한 시트 유사 인커플링 요소는 매우 얇고 유연하여 인커플링 요소 및 광 투과 패널 사이의 경계면에 발생하는 예를 들면, 상술한 열팽창의 차이로 인한 임의의 전단력을 흡수할 수 있다. 따라서, 시트 유사 인커플링 요소는 견고하고 튼튼하게 패널에 부착될 수 있다.
일 실시예에서, 시트 유사 인커플링 요소의 두께는 광 투과 패널의 두께의 약 1/10 미만이고, 보다 바람직하게는, 광 투과 패널의 두께의 약 1/20, 1/30, 1/40, 또는 1/50 미만이다. 그러나, 통상의 기술자는 시트 유사 인커플링 요소의 두께는 시트 유사 요소의 재료 및 구조, 예상되는 전단력의 양, 인커플링 위치의 요구되는 내구성, 제조 가능성 문제, 등의 관점에서 최적화될 수 있음을 인식할 것이다.
종래의 웨지에 비해 더 유리한 점으로서, 본 발명의 인커플링 위치의 구현은, 저 비용으로 복잡성이 거의 추가되지 않게, 추가적인 광학적 기능성이 미세 구조 표면부 내에 내장되도록 할 수 있다. 예를 들면, 미세 구조 표면부는, 예를 들면, 상술한 패싯들의 적절한 설계에 의하여, 굴절 기능, 회절 기능, 및 확산 기능 중 적어도 하나를 그의 수광면에 포함시킬 수 있고, 수광면의 서로 다른 부분들에서 이러한 추가적인 광학적 기능성들을 조절하는 것이 가능할 수도 있다. 이러한 추가적인 광학적 기능성의 제공은, 최소한의 구조적 변경의 비용으로, 접촉 감지 장치의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
접촉 감지 장치가 접촉 물체에 대한 접촉 데이터를 결정하는 임의의 검출 전략을 채용할 수 있음을 이해하여야 할 것이다. 이러한 검출 전략은, 배경 기술 부분에서 설명한 바와 같이, 접촉 물체에 의하여 산란되는 광의 에너지(또는 동등하게는, 출력 또는 강도)를 검출하는 것 또는 접촉 물체의 하류에서 전파광의 잔류 에너지(또는 동등하게는, 출력 또는 강도)를 검출하는 것을 포함한다.
본 발명의 제2 양태는 광을 접촉 감지 장치 내의 광 투과 패널 내로 결합시키는 광학 커플링 요소에 있어서, 상기 광 투과 패널은, 상단면 및 바닥면을 포함하고, 광을 내부 전반사에 의하여 인커플링 위치로부터 아웃커플링 위치로 전파하도록 배열되며, 상기 광학 커플링 요소는 광 투과 플라스틱 재료로 이루어진 필름으로 형성되고, 상기 필름은 미세 구조 표면부와, 상기 미세 구조 표면의 반대측에 위치되는 부착 표면을 포함하고, 상기 필름은 상기 상단면 및 상기 바닥면 중 하나에 부착되도록 마련되어, 패널의 내부에서의 내부 전반사에 의한 광 전파를 가능하게 하는 입사각을 가지는 광을 투과시키도록 배치되는 상기 미세 구조 표면부에 의하여, 인커플링 위치의 적어도 일부를 형성하는 광학 커플링 요소이다. 이러한 광학 커플링 요소는 광 투과 패널의 상단면 및/또는 바닥면에 편리하게 부착될 수 있는 무게가 가벼운 부품이어서 TIR에 의한 전파를 위하여 패널 내로 광을 효율적으로 결합할 수 있는 공간 효율적이고 튼튼한 인커플링 위치를 정의한다.
본 발명의 제3 양태는 접촉 감지 장치용 광학 접촉 패널에 있어서, 상기 광학 접촉 패널은, 상단면 및 바닥면을 포함하고, 광을 내부 전반사에 의하여 인커플링 위치로부터 아웃커플링 위치로 전파하도록 배열되며, 상기 광학 접촉 패널은 상기 상단면 및 상기 바닥면 중 하나에 형성되어 상기 인커플링 위치를 정의하며 패널의 내부에서 내부 전반사에 의한 광의 전파를 가능하게 하는 입사각을 가지는 광을 투과시키는 미세 구조 표면부를 더 포함하는 광학 접촉 패널이다. 이러한 광학 접촉 패널은 접촉 감지 장치 내의 설치를 위한 단일 부품으로 구비될 수 있다. 인커플링 위치는, 상단면 및/또는 바닥면상에 공간 효율적이고 튼튼한 특징으로 구현될 수 있는 미세 구조 표면부에 의하여, TIR에 의한 전파를 위하여 패널 내로 광을 효율적으로 결합하도록 정의될 수 있다.
제2 및 제3 양태는 제1 양태의 이점들 및 기술적 효과들을 공유한다. 제1 양태의 실시예들 중 어느 하나는, 위에서 약술되고 아래의 상세한 설명에서 더 예시되는 바와 같이, 종속 청구항들에서 정의되는 바와 같이, 도면에 도시된 바와 같이, 제2 및 제3 양태들과 조합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적들, 특징들, 양태들 및 이점들은 도면들 뿐만 아니라 아래의 상세한 설명, 첨부된 특허청구범위로부터 나타날 것이다.
첨부된 개략도들을 참조하여, 본 발명의 실시예들이 이후 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접촉 감지 장치의 평면도이다.
도 2는 도 1의 장치의 인커플링 위치에서 광 경로를 나타내는 확대 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 종래의 커플링 요소 사이의 비교를 나타낸다.
도 4는 길게 연장되는 인커플링 위치 및 아웃커플링 위치를 가지는 접촉 패널의 평면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 커플링 테이프의 평면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 커플링 테이프의 평면도이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 커플링 테이프를 생산하는 데에 사용되는 미세 구조 시트를 제조하기 위한 생산 플랜트의 측면도이다.
도 8은 도 7의 플랜트에서 생산된 시트 롤의 평면도이다.
도 9a는 일 실시예에 따른 커플링 요소의 사시도이다.
도 9b는 접촉 감지 장치에 설치된 바와 같은 도 9a의 커플링 요소의 평면도이다.
본 발명의 원리를 설명할 목적만을 위하여, 빔이 광 투과 패널로 주입되고 횡단하여 스윕(sweep)되며, 패널의 반대측 단부에서 수신되는 광량을 기반으로 접촉 물체가 검출되는 접촉 감지 장치 또는 접촉 시스템의 특정 형태에 대하여 아래에 설명될 것이다. 이러한 형태의 접촉 시스템은 또한 본원에서 "스캐닝 FTIR 시스템"으로 나타낸다.
명세서 전체에 걸쳐, 동일한 참조 부호는 대응하는 요소들을 식별하는 데에 사용된다.
도 1은 스캐닝 FTIR 시스템의 평면도이다. 상기 시스템은 광 투과 패널(1)과, 두 개의 발광 입력 스캐너(2A, 2B)와, 두 개의 광 센서(3A, 3B)를 포함한다. 패널은 평면형 또는 곡면형일 수 있고, 주변 에지면(1')(도 2)에 의하여 연결되는 두 개의 반대측 그리고 일반적으로 평행한 표면(4, 5)(도 2 참조)을 정의한다. 방사선 전파 채널이 패널(1)의 상단면(4) 및 바닥면(5) 사이에 구비되어, 상기 면들(4, 5)중 적어도 하나("접촉면")는 전파광이 접촉 물체(O1)와 상호 작용하도록 한다. 통상적으로, 입력 스캐너(2A, 2B)로부터의 광은 방사선 전파 채널 내의 내부 전반사(TIR)에 의하여 전파되도록 주입되고, 센서들(3A, 3B)은 전파 방향의 하류에 배치되어 광을 수신하고, 수신된 광의 에너지를 나타내는 각각의 측정 신호를 발생시킨다. TIR 현상은 본 기술분야에서 잘 알려져 있으므로 더 설명되지 않는다.
일반적으로, 패널은, 투과된 에너지의 분별 있는 측정을 허용하는 관련 파장 범위 내에서 충분한 방사선량을 투과시키는 임의의 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 물질로는 유리, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 및 폴리카보네이트(PC)를 포함한다.
전파광이 접촉면 내에서 TIR에 의하여 단지 반사될 필요가 있고, 반대측 표면이 반사성 코팅을 구비할 수 있음을 주목하여야 한다. 그러나, 양측 표면들(4, 5)이 접촉면들로서 사용되거나, 접촉 시스템이 상기 표면들(4, 5)을 통하여 시인되도록 투명할 필요가 있는 경우에는, 접촉 시스템은 양측 표면들(4, 5) 내에서 TIR에 의하여 광을 전파하도록 설계될 수 있다. 접촉 시스템이 상기 표면들(4, 5)을 통하여 시인되도록 투명할 필요가 있는 경우에는, 바닥면(5)이 대신에 직각으로 시인되도록 투명한 코팅을 구비할 수 있으나, 패널의 내부에서 전파하는 광에 대한 반사성을 가진다. 예를 들면, 이러한 코팅은, 적어도 입사각의 범위에 대하여, 적외선을 반사시키는 반면 가시광선을 투과시키도록 설계될 수 있다.
도 1에서는, 입력 스캐너들(2A, 2B)의 각각이, 원하는 방향의 빔을 출력하도록 설계되고 배열되는 길게 연장되고 고정된 방향 변경 요소(4A, 4B)를 따라 광의 빔을 발생시키고 스윕(sweep)하도록 배열된다. 방향 변경 요소(4A, 4B)의 하류에서, 패널(1)의 바닥면(5)(도 2)상의 길게 연장된 인커플링 위치(5A, 5B)를 따라 빔이 스윕된다. 입력 스캐너들(2A, 2B), 방향 변경 요소들(4A, 4B), 및 인커플링 위치들(5A, 5B)의 조합은 패널의 내부에서 두 개의 서로 다른 방향들(Rl, R2)로 두 개의 빔들(Bl, B2)을 스윕하도록 구성되는 조명 장치를 형성한다. 각각의 빔(Bl, B2)은 패널의 평면(x, y 평면) 내에서 적어도 그 메인 방향을 따라 적절하게 시준되고, 또한 깊이 방향으로도(즉, 패널의 평면을 횡단하여) 시준될 수 있거나 시준되지 않을 수 있다. 각각의 빔(Bl, B2)을 스윕하는 것은 패널 내로부터의 접촉면상에 각각의 광 커튼을 형성하는 역할을 한다. 이러한 각각의 광 커튼은 접촉면 또는 접촉면의 일부를 조명한다. 광은, 원하는 파장 범위 내에서 발광할 수 있는 임의의 형태의 광원, 예를 들면, 다이오드 레이저, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL, vertical-cavity surface-emitting laser), 또는 발광 다이오드(LED), 백열 램프, 할로겐 램프, 등에 의하여 발생될 수 있다.
패널(1)의 바닥면(5) 상의 길게 연장된 아웃커플링 위치(6A, 6B)를 따라 수신된 에너지는 패널(1)의 내부에서 빔들(B1, B2)이 스윕될 때 빔들(B1, B2)을 수신하도록 배열되는 센서들(3A, 3B)에 의하여 측정된다. 센서들(3A, 3B)은, 광을 전기적 측정 신호로 변환할 수 있는 임의의 형태의 장치, 예를 들면, 광검출기, CCD 또는 CMOS 검출기 등을 포함할 수 있거나, 임의의 형태의 장치의 일부일 수 있다.
도 1의 구체적인 예에서, 고정되고 길게 연장된 방향 변경 장치(7A, 7B)가 빔들(Bl, B2)이 패널(1)을 횡단하여 스윕되는 동안 공통의 검출 지점(Dl, D2)상에서 아웃커플된 빔들(Bl, B2)을 수신하고 방향을 변경하도록 배치된다. 아웃커플링 위치들(6A, 6B), 방향 변경 요소들(7A, 7B), 및 센서들(3A, 3B)의 조합은 검출 장치를 형성한다. 방향 변경 장치들(4A, 4B, 7A, 7B)은, 광의 반사 또는 투과에 의하여 동작할 수 있고, 회절 광학 소자(DOE), 미세 광학 요소, 미러, 굴절 렌즈, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 방향 변경 장치들(4A, 4B, 7A, 7B)은 프레넬(Fresnel) 원통형 렌즈로 구성된다.
물체(O1)가 접촉면(본 예에서, 상단면(4))에 충분히 가까워질 때, 내부 전반사가 방해되고, 투과된 광의 에너지가 감소한다("감쇠한다"). 도 1에서, 제어기(8)가 입력 스캐너들(2A, 2B)의 작동을 제어하도록 배치되고, 데이터 프로세서(9)가 센서들(3A, 3B)로부터의 시간 분해 측정 신호들을 획득하여 처리하도록 구성되어 감지 영역 내에서 접촉 물체(O1)에 대한 접촉 데이터를 결정한다. 접촉 데이터는, 예를 들면, 물체(O1)의 장소, 형상 및 크기 중 하나 이상을 나타낼 수 있다. 접촉 데이터는 삼각법 또는 여과 후 역투영(FBP, filtered back projection), 대수적영상구성기법(ART, algebraic reconstruction technique), 동시대수적영상구성기법(SART, simultaneous algebraic reconstruction technique), 등과 같은 토모그래피 재구성 방법을 포함하는 보다 진보된 프로세싱 기술에 의하여 결정될 수 있다. 접촉 결정에 사용하기 위해 설계되는 진보된 데이터 프로세싱 기술의 다른 예들은 WO 2010/006883, WO2009/077962, WO2011/049511, 및 WO2011/139213에서 발견되며, 이들 모두는 여기에 참조로 포함된다.
도 1의 예에서, 각각의 빔(Bl, B2)은 스윕되는 동안 패널의 평면 내에서 불변의 메인 방향을 가진다. 빔의 "메인 방향"은 접촉면(4)상에 투영된 빔의 전파 방향이다. 본원에서, 메인 방향은 또한 "스캔 각도"로 나타낸다. 도시된 예에서, 빔들(Bl, B2)의 메인 방향들은 패널(1)의 각각의 에지에 기본적으로 평행하다. 그러나, WO2010/006882에 설명된 바와 같이, 빔들의 개수, 빔들 상호간의 각도, 및 패널의 에지에 대한 빔들의 각도는 그 이외에 다양한 기술적 효과들, 예를 들면, 다중 접촉 기능성을 달성하기 위하여 구성될 수 있다.
도 2는 인커플링 위치(5B)의 가로 방향으로 시준된 입사빔을 수신할 때의 도 1의 인커플링 위치(5B)의 측면도이다. 인커플링 위치(5B)는 입력 스캐너(2B)(도 1)에 의하여 발생된 광에 대하여 투명한 접착층(21)에 의하여 바닥면(5)에 부착되는 기본적으로 평평한 커플링 요소(20)에 의하여 정의된다. 커플링 요소(20)는, 광 투과 재료로 이루어지고, 커플링 요소(20)의 가로 방향으로 교대로 배치된 수광 패싯들(facet)(23) 및 해제면들(24)(또한, 릴리프 표면으로도 나타냄)을 포함하는 표면 구조(22)를 포함한다. 도 2의 예에서, 표면 구조(22)는 투명 기판(25)에 결합된다.
도 4의 평면도에서 얇은 선들로 나타낸 바와 같이, 패싯들(23) 및 해제면들(24)은 커플링 요소(20)의 길이 방향으로 서로 평행하게 연장되는 것으로 이해되어야 한다. 도 2의 예에서, 입사광은 커플링 요소(20)의 가로 방향으로 패싯들(23)에 기본적으로 직각으로 향하게 된다. 이는 투과된 광의 방향에 대한 패싯들(23)의 경사도에서의 공차의 영향을 줄이거나 최소화하는 역할을 할 수 있다. 더욱이, 예를 들면, 입사광이 편광되지 않는 경우에는, 패싯들(23)에서의 반사 손실이 최소화된다. 입사광이 기본적으로 불변인 스캔 각도(도 1 참조)로 커플링 요소(20)를 따라 스윕되는 단일의 시준된 빔인 경우에는, 빔은 바람직하게는 커플링 요소(20)의 길이 방향으로도 패싯들(23)의 직각으로 향한다. 서로 다른 스캔 각도들을 가지는 복수의 시준된 빔들이 커플링 요소(20)를 통하여 패널(1) 내로 결합되면, 빔들 중 하나만 길이 방향으로 패싯들(23)에 수직이 될 수 있으나, 이에 반하여, 모든 빔들은 바람직하게는 가로 방향으로 패싯들(23)에 수직이 된다. 이는 빔들이 패널 내에서 동일한 바운스 각도(아래 참조)로 주어지는 것을 보장하며, 조명 장치의 단순화된 구성을 가능하게 할 수 있다. 마찬가지로, 입사광이 가로 방향으로 시준되고 길이 방향으로 발산하는 경우, 입사광은 바람직하게는 가로 방향으로 패싯들(23)에 대하여 직각으로 향한다.
"드래프트 패싯(draft facet)"으로도 나타낼 수 있는 해제면들(24)은 입사광에 의하여 조명되지 않도록 설계되어, 커플링 요소의 광학 성능에 영향을 미치지 않는다. 도시된 예에서, 해제면들(24)은, 다른 해제면 설계가 가능하지만, 기본적으로 패싯들(23)에 대하여 수직이 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 커플링 요소(20)는 입사광을 투과시켜 광이 표면(4)의 법선(N)에 대한 입사각(θ)으로 상단면(4)에 부딪히도록 한다. 본원에서, 입사각(θ)은 또한 "바운스 각도"로 나타낸다. 광은, 바운스 각도(θ)가 내부 전반사를 유지하는 최소 각도인 소위 임계 각도(θc)를 초과하도록, 커플링 요소(20)를 향한다. 패널 재료 및 공기 사이의 경계에서, 패널 재료의 굴절율을 1.5라 가정하면, 임계 각도(θc)는 대략적으로 42°이다. 본 출원인은, 바운스 각도가 약 60°미만일 때, 표면들(4, 5) 중 어느 하나 상의 물 침전물이 내부 전반사의 중대한 방해를 야기할 수 있는 반면 상기 방해가 더 큰 바운스 각도에서 덜하다는 것을 발견하였기 때문에 바운스 각도가 약 60°를 초과하는 것이 바람직할 수 있다. 더욱이, 패널 재료를 사람의 손가락으로 접촉하여 발생된 방해는 약 70°초과의 바운스 각도에서는 감소할 수 있음을 발견하였다. 이에 따라, 60°내지 70°의 대략적인 범위 내에서 바운스 각도를 발생시키기 위한 조명 장치를 설계함으로써, 접촉 물체의 원하는 영향을 최대화하면서 접촉면상에서의 침전물의 원하지 않는 영향을 최소화할 수 있다. 현재, 가장 바람직한 바운스 각도의 범위는 64°내지 68°의 범위이다.
도 2에는 도시되지 않았으나, 투과된 광은 상기 구조(22) 및 상기 기판(25) 사이, 상기 기판(25) 및 상기 접착층(21) 사이, 및 상기 접착층(21) 및 상기 패널(1) 사이의 경계들 중 어느 하나에서, 이들 경계들 간의 굴절율 차이로 인하여, 굴절될 수 있음이 이해될 것이다. 통상의 기술자는 패싯들(23)의 각도 및/또는 입사광의 경사도가 이러한 굴절의 관점에서 패널(1)의 내부에서 원하는 바운스 각도(θ)를 달성하기 위해 변경될 수 있음을 이해한다.
조명 장치가 패널(1) 내로부터 접촉면(4)을 조명하도록 설계된다. 바람직하게는, 조명 장치가 패널(1)의 내부에서 입사빔이 산란하는 것을 방지하여 공간상에서 분리된 영역들 내의 접촉면(4)을 조명하도록 설계되어야 한다. 이는, 커플링 요소의 횡단 방향(도 2의 x 방향)으로 적어도, 접촉면(4) 내에서의 연속적으로 반사된 반사광들에서의 빔(B2)의 점유영역(F2) 사이에 갭이 존재하지 않는 최소한도로 입사빔을 요구함으로써 이를 방지할 수 있다. 상기 최소한도는 바운스 각도 및 패널(1)의 두께의 함수이다. 접촉면(4)의 균일한 조도를 달성하기 위하여, 조명 장치가, 깊이 방향으로(즉, 도 2의 x, z 평면 내에서 나타내는 바와 같이) 시준되고 접촉면(4)을 따라 에지 대 에지로 위치되는 점유영역들(F2)을 생성하도록 TIR에 의하여 전파되는 광의 빔을 발생시키도록 설계될 수 있다. 이러한 예에서, 상기 최소한도는 F2 = 2D tanθ 의해 정해질 수 있고, 여기에서 θ는 바운스 각도이고, D는 패널(1)의 (z 방향으로의) 두께이다. 점유영역(F2)이 에지 대 에지로 위치될 때, (x 방향으로의) 점유영역(F2)의 에너지 분포는 "톱 햇(top hat)" 함수, 즉, 급경사에 의하여 제한되는 기본적으로 일정한 에너지 분포가 될 수 있다.
조명 장치 및/또는 패널(1)에서의 공차를 수용하기 위해, 조명 장치는 대신에 연속되는 점유영역들(F2) 사이에 오버랩을 발생시키도록 명목상 설계될 수 있다. 이러한 변형예에서, 개별적인 점유영역(F2)은 "매끄러운" 에너지 분포, 즉, 오버랩하는 점유영역(F2)의 조합이 접촉면의 상대적으로 균일한 조도를 생성하는 그러한 에너지 분포를 가질 수 있다. 이러한 매끄러운 점유영역(F2)은 에너지가 점진적으로 감소하는 단부들을 가지며, 예를 들면, 가우시안(Gaussian) 함수와 닮은 (x 방향으로의) 에너지 분포를 가질 수 있다. 이를 위하여, 입사광은 광원에 의하거나 전용의 광학 장치에 의하여 조명 장치 내에서 바람직한 빔 프로파일로 주어지고 또는 주어지거나, 입사광의 에너지 분포는, 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 커플링 요소(20)에 내장된 확산 구조에 의하여 변경될 수 있다.
더욱이, 입사광을 커플링 요소(2)의 중심에 정확하게 맞출 필요성을 줄이기 위해, 또는 그 반대의 경우에도 마찬가지로, 조명 장치가 횡단 방향으로 커플링 요소(20) 보다 큰 크기를 가지는 입사광을 발생시키도록 설계될 수 있다.
예를 들면, 광을 입력 스캐너(2A, 2B)로부터 인커플링 위치(5A, 5B)로 향하게 하는 데에 사용되는 광학 부품들(미러, 렌즈, 등)의 요구되는 크기를 줄이기 위해, 조명 장치 내에서, 즉, 패널(1)의 상류에서, 발산광을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 일 실시예에서, 커플링 요소(20)는, 발산된 입사광이 패널(1) 내로 투과될 때 기본적으로 깊이 방향으로 시준되도록 하는 광 출력을 가지도록 설계된다. 광 출력은, 모든 패싯들(23)에 의한 결과적인 광 굴절이 입사하는 발산광을 집단적으로 시준하도록, 전용의 경사도를 가지는 각 패싯(23)을 설계함으로써 얻을 수 있다. 대안적인 실시예에서, 입사하는 발산광은 패널(1)의 내부에 결합되어 내부 전반사에 의하여 전파됨에 따라 깊이 방향으로 발산한다. 이러한 실시예에서, 커플링 요소들(20) 내의 반사 손실 및/또는 투과된 광의 굴절을 최소화하기 위해, 패싯들(23)은 개별적으로 각이 져 입사광에 대하여 기본적으로 수직이 될 수 있다.
일반적으로, 커플링 요소(20)는 입사광의 원하는 빔 특성의 변화를 발생시키는 광 출력을 가지도록 설계될 수 있어, 예를 들면, 투과된 광이 특정 발산 또는 수렴을 가지거나, 하나 이상의 방향(예를 들면, 도 1 내지 도 2에서의 x, z 평면 또는 x, y 평면)으로 시준된다.
커플링 요소(20) 및 그 표면 구조(22)의 크기가 도 2에서 과장된 것으로 이해되어야 한다. 실제 구현예들에서, 표면 구조는 보통 패널면(5)으로부터 1mm미만으로 돌출하는 미세 구조이다. 예를 들면, 기판은 약 50 내지 300μm의 두께를 가질 수 있고, 표면 구조는 기판으로부터 약 20 내지 100μm 돌출할 수 있다. 또한, 가로 방향으로의 패싯들(23)의 개수는 도 2에 도시된 것보다 많을 수 있다. 패싯들(23)의 간격은 커플링 요소(20)의 가로 방향으로의 하나의 패싯(23)과 하나의 해제면(24)의 크기인 피치로 주어질 수 있다. 상기 피치는 구조(22)의 두께 및 패싯들(23)의 각도의 함수이다. 보통, 상기 피치는 약 50 내지 500μm의 범위 내에 있다.
도 3은 도 2의 커플링 요소와 유사한 커플링 요소(20)의 측면도로서, 종래 기술에서 사용되는 바와 같은, 고체 투명 재료의 웨지(30)에 대응하도록 설계되는 커플링 요소(20)를 도시하기 위한 것이다. 이러한 웨지(30)는 도 3에서 점선으로 표시된다. 패싯들 및 해제면들의 적절한 배열에 의하여, 패싯들이 집단적으로 웨지(30)의 전방 수광면(31)에 기능적으로 대응하는 입사광의 입력면을 정의한다. 이에 따라, 미세 구조의, 시트 유사 커플링 요소(20)는 종래의 웨지(30)를 대신할 수 있다. 이에 따라, 커플링 요소(20)의 입력면은 패싯들(23)의 조명된 부분들이 입사광에 대한 적절한 경사의 연속적이거나 간섭성(coherent) 면으로서 작용하도록 설계되는 패싯들(23)으로 이루어진다. 비록 도시된 예들은 일직선으로 길게 연장된 패싯들(23)을 구비하는 커플링 요소(20)를 나타내지만, 예를 들면, 점과 유사한 광원으로부터의 광을 패널 내로 결합시키도록 패싯들은 곡면일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 이러한 곡면의 패싯들은 US2004/0252091에 개시된 바와 같은 인커플링 웨지의 곡면의 입력면과 흡사하도록 설계될 수 있다.
도 4는 도 1의 접촉 시스템용 광학 패널 부품의 평면도이다. 광학 패널 부품은, 광 투과 패널(1)과, 바닥면(5)상에 구비되어 인커플링 위치들(5A, 5B)을 정의하는 인커플링 요소들(20)과, 바닥면(5)상에 구비되어 아웃커플링 위치들(6A, 6B)을 정의하는 아웃커플링 요소들(40)에 의하여 형성된다. 인커플링 및/또는 아웃커플링 요소들(20, 40)이 대안적으로 또는 추가적으로 상단면(4)상에 구비될 수 있음이 이해될 것이다. 또한 아웃커플링 위치들(6A, 6B)이 에지면(도 2의 1' 참조)상에 형성되는 것이 가능하다. 상기한 바와 같이, 패싯들(23)은 서로 평행하고 인커플링 요소(20)의 길이 방향으로 연장되어 인커플링 요소(20)는 그 크기에 따라 동일한 광학 특성을 가진다. 각 인커플링 요소(20)는 패널(1)의 표면에 광학적으로 결합되고 고정되게 부착되는 분리된 시트 유사 부품으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 인커플링 요소(20)는 접착제 후면(backing)("커플링 테이프")을 구비하는 미세 구조 테이프의 형태이다. 또는, 인커플링 요소(20)는 패널(1)의 표면에 일체로 형성된 구조로 구현될 수 있다. 도시된 접촉 시스템(도 1)의 특정 설계, 즉, 조명 장치 및 검출 장치 사이의 유사성은, 아웃커플링 요소들(40)을 인커플링 요소들(20)과 유사하게 하거나, 심지어 동일하게 할 수 있다. 도 4는 또한 접촉 물체가 검출될 수 있는 영역인 접촉 시스템의 감지 영역(45)을 나타낸다. 보통, 감지 영역(45)은 서로 다른 스캔 각도들을 갖는 적어도 두 개의 오버랩하는 광 시트들에 의하여 조명되는 접촉면의 표면 영역으로 정의된다.
미세 구조 표면을 구비하는 인커플링 요소(20)를 설계함으로써, 인커플링 요소(20)의 무게 및 크기가 최소로 저감될 수 있다. 미세 구조 표면이 패널(1)의 상단면(4) 또는 바닥면(5) 내로 일체로 형성되는 경우, 인커플링 요소(20)가 패널(1)로부터 탈착될 위험이 제거된다. 미세 구조 표면이 패널 표면에 부착되는 얇고 시트 유사 부품으로 구현되는 경우, 부품의 감소된 두께는 부품을 변형되게 하여, 예를 들면, 열팽창의 차이로 인하여, 부품 및 패널 표면 사이의 이음에 형성되는 전단력을 흡수하게 된다. 따라서, 인커플링 요소의 국부적 탈착의 위험은 도 3에 도시된 바와 같은 웨지 형상의 인커플링 요소에 비해 상당히 감소된다.
전단력을 흡수하는 능력은 가로 방향으로 연장되는 힘 흡수 부분들을 구비하는 인커플링 위치들(5A, 5B)을 제공하는 것에 의하여 더 개선될 수 있다. 도 5는 연속적인 커플링 요소들(20)이 인커플링 위치(5A)를 따라 교대로 배열되는 실시예를 도시한다. 횡단 단부들은 맞대기 관계로 배열되어 요소들(20) 사이에 경계(50)를 형성함으로써 전단력이 커플링 요소들(20)을 인커플링 위치(5A)의 길이 방향으로 약간 이격되게 이동시키도록 작용할 수 있고, 이에 따라, 접착층(도 2의 21 참조) 내의 전단력을 저감시킨다. 도 6은, 단일의 커플링 요소(20)가, 전단력을 흡수하는 역할을 하는 취약한 횡단 라인들(60), 예를 들면, 절개 또는 얇아진 부분들을 구비하는 실시예를 도시한다. 맞대기 단부들(도 5) 및 취약 라인들(60)(도 6)이 인커플링 위치(5A)의 길이 방향에 대하여 임의의 각도를 가지도록 설계될 수 있음이 이해될 것이다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "취약 라인"은 재료를 국부적으로 얇게 하는 것, 재료 내에 절개부, 자국 또는 구멍들을 구비하는 것, 또는 그렇지 않으면 재료를 그 강도가 국부적으로 감소하도록 가공하는 것에 의하여 생성될 수 있는 취약한 재료의 길게 연장된 부분을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 빔들은, 임의의 스캔 각도로, 예를 들면, 인커플링 위치(5A, 5B)의 크기에 수직하지 않는 스캔 각도로 패널 내에서 스윕될 수 있다. 배경 기술 부분에서 언급한 바와 같이, 이러한 비 수직형 스캔 각도는, 광이 그 가로 방향에 대하여 소정의 각도로 인커플링 위치(5A, 5B)를 통과할 것을 요구하며, 이에 따라, 광은 반사될 수 있거나 그렇지 않으면 각각 도 5의 경계(50) 및 도 6의 취약 라인들(60)에 의하여 방해를 받을 수 있다. 그러나, 커플링 요소(20)가 얇은 시트 유사 부품으로 구현되므로, 이들 경계들(50) 및 취약 라인들(60)은 미세 표면 영역을 가지며, 이에 따라, 투과된 광에 최소의 영향을 미친다.
커플링 요소(20)의 표면 구조(22)는 압축 성형, 사출 성형, 핫 엠보싱(hot embossing) 및 웨이퍼 레벨 옵틱(wafer level optic)을 포함하는 미세 구조들을 복제하는 임의의 알려진 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 이러한 공정들에서, 구조들은 상술한 바와 같이 패널 표면 또는 분리된 시트 재료가 될 수 있는 기판상으로 복제된다.
도 7은 상술한 커플링 테이프의 대량 생산을 위한 다른 기술의 개략도이다. 얇고 유연한 시트 재료의 웹(web)(70)은 스테이션(71 내지 76)의 순서로 가공하기 위해 연속적으로 또는 간헐적으로 제조 플랜트를 통하여 공급된다. 스테이션 71에서, 광 경화성 수지 복합재료가 웹(70)의 표면에 도포된다. 수지 복합재료는 결과적인 표면 구조의 최종 두께(도 2의 구조(22)의 두께 참조)에 대하여 유연한 상태로 경화 가능하도록 선택된다. 수지 복합재료의 예들은 아크릴레이트, 에폭시 및 우레탄계 재료들을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 스테이션 72에서, 웹(70)은 수지 내에 미세 구조를 복제하는 한 쌍의 회전 롤러(77, 78)를 통과한다. 롤러(77)는 그 외면에 마스터 음형 미세 구조 성형 패턴(77')을 가지며, 롤러(78)는 매끄러운 외면을 가진다. 성형 패턴(77')은 패싯들(23) 및 해제면들(24)(도 2)의 음형으로, 롤러(77)상의 평행한 별개의 원주방향 홈들의 어레이 또는 롤러(77)의 원주에 나선형으로 형성되는 단일의 연속된 홈을 다이아몬드 커팅함으로써 생성될 수 있다. 스테이션 73에서, 수지 내의 복제된 미세 구조가 수지를 방사선, 예를 들면, 자외선에 노출시키는 것에 의해 경화된다. 스테이션 74에서, 접착제가 웹(70)의 하측에 도포되어 접착제 후면을 형성한다. 스테이션 75에서, 얇은 플라스틱 또는 종이 재질의 웹(79)이 웹(70)과 결합되어 접착제 후면용 보호 시트를 형성한다. 스테이션 76에서, 미세 구조 시트가 롤(80)에 감긴다.
도 8은 미세 구조 시트의 표면 구조(22)를 표시하기 위해 펼쳐진 단부를 구비하는 롤(80)의 평면도로서, 평행한 선들은 (간격이 크게 과장된) 패싯들 및 해제면들의 정점들을 나타낸다. 파선들(81)은 미세 구조 시트로부터 커플링 요소(20)를 추출하기 위한 절개부를 나타낸다. 도 7의 스테이션 76은 미세 구조 시트로부터 커플링 요소들을 절단하는 스테이션으로 교체될 수 있음이 이해될 것이다.
도 2를 다시 참조하면, 패싯들을 입사광을 개별적으로 굴절시키도록 설계함으로써 패싯들(23)이 광 출력을 가질 수 있다는 것을 이미 언급한 바 있다. 패싯들(23)은 대안적으로 또는 추가적으로 기타 기능적 구조들을 구비(내장)할 수 있다. 일 실시예에서, 패싯들(23)(또는 그의 하위 세트)은 광 확산 구조, 즉, 입사광을 산란시키는 구조를 포함한다. 광 확산을 사용하는 것은 접촉 시스템의 특정 설계에서 공차의 영향을 줄이는 데에 유리할 수 있다. 예들 들면, 확산 구조는 입사광의 에너지 분포를 변경하도록, 예를 들면, 점유영역(도 2의 F2)의 원하는 에너지 분포를 발생시키도록 설계될 수 있어, 상술한 바와 같이, 연속되는 반사광들 사이의 오버랩을 허용한다. 확산 구조를 인커플링 요소(20)의 패싯들(23)에 포함함으로써, 확산 구조가 패널(1)의 바로 가까이에 배치되어, 패널(1) 내에서 적절하게 제어된 광의 확산을 가능하게 한다.
확산 구조는 개별적인 패싯(23)의 곡률로서 구현될 수 있고, 이에 따라, 곡률은 패싯(23)상의 마이크로 렌즈를 정의한다. 곡률은 패싯(23)의 가로 방향일 수 있어, 예들 들면, 패싯 면이 실린더의 표면 영역의 일부를 형성한다. 이러한 확산 구조는 점유 영역의 에너지 분포를 변경하는 데에 이용될 수 있다. 또한, 곡률이 패싯(23)의 길이 방향이거나, 양방향으로 되어 구면을 형성하도록 할 수 있다. 변형예에서, 확산 구조는 입사광의 회절에 의하여 광 확산(또는 광 확산의 일부)을 발생시키도록 설계될 수 있다. 구현예와 관계 없이, 커플링 요소(20)는 대략 어느 정도의 확산량을 생성하도록 설계될 수 있다.
다른 예에서, 패싯들(23)(또는 그의 하위 세트)은 빔 분할 구조를 포함한다. 도 9a는 비투과성, 기본적으로 동일한, 평행한, 길게 연장된 라인들(90)의 어레이가 패싯들(23)의 길이 방향으로 제공되는 인커플링 요소(20)의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 라인들(90)은 기본적으로 패싯들(23)의 가로 방향으로 연장된다. 라인들(90)은, 예를 들면, 비투과성 재료의 증착에 의하여 형성될 수 있거나, 패싯 면 내의 홈으로서 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 라인들(90)은 투과된 광을 서로 다른 그리고 적절하게 정의된 스캔 각도들을 갖는 다수의 빔들로 분할하는 투과 그레이팅을 집단적으로 정의한다. 도 9b는 이러한 회절성 인커플링 요소(20)의 사용을 도시하는 평면도이다. 0차 빔(B2) 및 0차 빔(B2)의 양측에 1차 빔들(Bl, B3)을 발생시키는 동안, 광의 입사빔이 TIR에 의한 전파를 위하여 광을 패널 내로 결합시키는 인커플링 요소(20)를 따라 R2 방향으로 스윕된다. 도면에는 도시하지 않았으나, 인커플링 요소(20)는 또한 보다 높은 차수의 빔을 발생시키도록 설계될 수 있다. 이는, 적절하게 정의된 스캔 각도들로 패널 내에서 복수의 광 시트들을 발생시키는 데에 있어, 소형이고, 튼튼하며, 비용 효과적인 방식이라는 것을 알 수 있다. 변형예(미도시)에서, 빔 분할 구조는 패싯(23)의 길이 방향으로 배열되는 서로 다른 경사도를 가지는 평면의 "서브-패싯들"로 구현된다. 각 경사도는 입사광의 전용의 굴절을 야기하여, 서로 다른 방향의 다수의 빔들을 야기한다. 도 9a로 되돌아 가면, 도면 부호90A 및 90C는 입사광에 대하여 좌측 및 우측으로 작은 경사도를 가지는 서브-패싯들을 나타낼 수 있으며, 도면 부호 90B는 입사광에 대하여 수직인 서브-패싯들을 나타낼 수 있다. 이에 따라, 도 9b를 참조하면, 서브-패싯들(90A, 90B, 90C)은 빔들(B3, B2, B1)을 각각 발생시킬 수 있다. 또 다른 변형예에서, 빔 분할 구조는 굴절성 구조 및 회절성 구조의 조합에 의하여 구현된다.
본 발명은 주로 일부 실시예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 통상의 기술자가 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 범위 및 사상 내에서 상기 개시한 실시예들 이외의 다른 실시예들이 동일하게 가능하며, 이는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정의되고 한정된다.
상기에서 도시되고 설명된 접촉 시스템은 단지 예로서 주어진다. 본 발명의 인커플링 구조는 광 투과 패널 내로 광을 투과시키는 것에 의하여 작동하는 임의의 접촉 시스템에서 유용하다. 배경 기술 부분에서 언급한 바와 같이, 이러한 접촉 시스템은 접촉점에서 방해되어 산란되는 광을 검출하도록 구성될 수 있거나, 접촉점에서의 방해 및 산란으로 인한 전파광에서의 에너지 감소를 검출하도록 구성될 수 있다. 배경 기술 부분에서 제시된 예들 이외에, 접촉 시스템의 다른 예들이 US7432893, US2006/0114237, US2007/0075648, WO2009/048365, WO2010/006883, WO2010/006884, WO2010/006885, WO2010/006886, WO2010/064983 및 WO2008/038066에서 발견될 수 있으며, 이들 모두는 본원에 참조로 포함된다.

Claims (21)

  1. 평행한 상단면(4) 및 바닥면(5)을 정의하는 광 투과 패널(1);
    인커플링 위치(5A, 5B)를 통하여 광을 패널(1) 내로 결합시켜, 광이 내부 전반사에 의해 상단면(4) 및 바닥면(5) 중 적어도 하나로 전파되고, 상기 상단면(4) 및 상기 바닥면(5) 중 적어도 하나에 접촉하는 물체(O1)로 인해 전파광이 변화하도록 구성된 조명 장치; 및
    상기 전파광의 변화를 검출하도록 배치되는 광 검출기(3A, 3B)를 포함하는 검출 장치를 포함하고,
    상기 인커플링 위치(5A, 5B)는 상기 상단면(4) 및 상기 바닥면(5) 중 하나에 고정되게 배치되고, 상기 패널(1)의 내부에서 내부 전반사에 의한 광의 전파를 가능하게 하는 입사각을 가지는 광을 투과시키도록 구성된 시트 유사 미세 구조 표면부(22)에 의하여 정의되는, 접촉 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세 구조 표면부(22)는 패널(1)에 부착된 박막(20) 내에 포함되는 접촉 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 박막(20)은, 플라스틱 재질로 이루어진 시트 기판(25)과, 상기 시트 기판(25)상에 수지를 구성하고 경화시키는 것에 의하여 형성되는 패싯들(23)을 포함하는 접촉 감지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 박막(20)은 상기 패싯들(23)의 반대측에 위치되는 접착제 후면(21)을 포함하는 접촉 감지 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인커플링 위치(5A, 5B)는 길게 연장되고 인커플링 위치(5A, 5B)의 길이 방향으로 나란하게 배열되는 연속적인 분리 박막들(20)에 의하여 정의되는 접촉 감지 장치.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막(20)은 상기 인커플링 위치(5A, 5B)의 가로 방향으로 연장되는 적어도 하나의 취약 라인(60)을 포함하는 접촉 감지 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세 구조 표면부(22)는 상단면(4) 및 바닥면(5) 중 하나로부터 1mm 미만으로 돌출되도록 구성된 접촉 감지 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세 구조 표면부(22)는 전체적으로 상기 패널(1) 내로 결합될 광을 수신하는 하나의 기본적으로 연속적인 입력면(31)과 흡사한 복수의 평행 연장 패싯들(23)을 포함하는 접촉 감지 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 패싯들(23) 모두는 기본적으로 상단면(4) 및 바닥면(5)의 법선(N)에 대하여 동일한 각도를 가지는 접촉 감지 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    각 패싯(23)은, 상기 패싯(23)에 평행하게 연장되고 상기 패싯(23)에 대하여 기본적으로 수직으로 경사진, 길게 연장된 해제면들(24)에 의하여 구획되는 접촉 감지 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 길게 연장된 패싯들(23)은 길이 방향으로 연장되고 상기 미세 구조 표면부(22)의 가로 방향으로 분포되며, 상기 조명 장치는 광을 상기 미세 구조 표면부(22)로 향하게 하여, 상기 미세 구조 표면부(22)가 적어도 가로 방향으로 패싯들(23)에 기본적으로 수직인 메인 방향의 광을 수신하는 접촉 감지 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 패싯들(23)의 적어도 하위 세트(subset)는 개별적인 경사도를 가져 상기 미세 구조 표면부(22)가 투과된 광에 영향을 미치는 광 출력을 가지는 접촉 감지 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 패싯들(23)의 적어도 하위 세트는 확산 표면 구조를 구비하는 접촉 감지 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 확산 표면 구조는 상기 패싯들(23)상의 마이크로 렌즈 요소들을 포함하는 접촉 감지 장치.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 패싯들(23) 중 적어도 하위 세트는 입사광을 상기 패널(1)의 평면 내에서 서로 다른 메인 방향을 가지는 소정의 개수의 별개의 빔들로 분할하도록 설계되는 접촉 감지 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 패싯들(23)은 입사광을 소정의 개수의 별개의 빔들로 분할하는 회절성 그레이팅 구조(90)를 구비하는 접촉 감지 장치.
  17. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조명 장치는, 광을 상기 미세 구조 표면부(22)로 향하게 하여, 상기 미세 구조 표면부(22)가 상기 인커플링 위치(5A, 5B)의 가로 방향으로 시준된 광을 수신하도록 하는 접촉 감지 장치.
  18. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조명 장치는, 광을 상기 미세 구조 표면부(22)로 향하게 하여, 상기 미세 구조 표면부(22)가 상기 인커플링 위치(5A, 5B)의 가로 방향으로 발산광을 수신하도록 하는 접촉 감지 장치.
  19. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세 구조 표면부(22)는 상기 패널(1) 내에 일체로 형성되는 접촉 감지 장치.
  20. 광을 접촉 감지 장치 내의 광 투과 패널(1) 내로 결합시키는 광학 커플링 요소에 있어서,
    상기 광 투과 패널(1)은, 평행한 상단면(4) 및 바닥면(5)을 포함하고, 광을 내부 전반사에 의하여 인커플링 위치(5A, 5B)로부터 아웃커플링 위치(6A, 6B)로 전파하도록 배열되며,
    상기 광학 커플링 요소는 광 투과 플라스틱 재료로 이루어진 필름(20)으로 형성되고,
    상기 필름(20)은 미세 구조 표면부(22)와, 상기 미세 구조 표면부(22)의 반대측에 위치되는 부착 표면(21)을 포함하고,
    상기 필름(20)은 상기 상단면(4) 및 상기 바닥면(5) 중 하나에 부착되도록 마련되어, 패널(1)의 내부에서의 내부 전반사에 의한 광 전파를 가능하게 하는 입사각을 가지는 광을 투과시키도록 배치되는 상기 미세 구조 표면부(22)에 의하여, 인커플링 위치(5A, 5B)의 적어도 일부를 형성하는 광학 커플링 요소.
  21. 접촉 감지 장치용 광학 접촉 패널에 있어서,
    상기 광학 접촉 패널은, 평행한 상단면(4) 및 바닥면(5)을 포함하고, 광을 내부 전반사에 의하여 인커플링 위치(5A, 5B)로부터 아웃커플링 위치(6A, 6B)로 전파하도록 배열되며,
    상기 광학 접촉 패널은 상기 상단면(4) 및 상기 바닥면(5) 중 하나에 형성되어 상기 인커플링 위치(5A, 5B)를 정의하며 패널(1)의 내부에서 내부 전반사에 의한 광의 전파를 가능하게 하는 입사각을 가지는 광을 투과시키는 미세 구조 표면부(22)를 더 포함하는 광학 접촉 패널.
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