KR102465077B1 - 유손실 분산형 ftir 층을 갖는 광학 터치 스크린 - Google Patents

유손실 분산형 ftir 층을 갖는 광학 터치 스크린 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학적으로 분산시키는 베이스 플레이트(18)를 포함하는 스크린, 및 상기 베이스 플레이트의 표면 상에 입사되는 빛의 위치가 상기 스크린에서의 터치 포인트의 상대적인 위치를 나타내도록 상기 터치 포인트에서 상기 스크린을 터치하는 외부 신체(22)에 반응하여 상기 베이스 플레이트로 빛을 전달하기 위한 수단을 포함하고, 상기 베이스 플레이트(18)는 퍼짐 및 에너지 손실로 입사된 빛을 포획 및 분산시키도록 형성되고, 상기 베이스 플레이트의 광학적으로 분산시키는 특성은 상기 베이스 플레이트 표면에 입사되는 위치로부터 거리에 따라 상기 입사되는 빛의 세기 감소가 지수함수에 근접하도록 하기 위한 것이며, 터치 스크린 장치는 상기 베이스 플레이트의 개개의 모서리에 빛의 세기를 감지하기 위한 적어도 하나의 센서(20), 및 상기 감지된 빛 세기 및 상기 지수함수로부터 상기 스크린 상에서의 상기 터치 포인트의 상대적인 위치를 계산하고 상기 터치 포인트의 상기 위치로부터 얻어지는 제어 입력을 나타내는 제어 신호를 발생시키기 위한 수단을 포함하는 터치 감응성 스크린 장치를 제공한다.

Description

유손실 분산형 FTIR 층을 갖는 광학 터치 스크린{OPTICAL TOUCH SCREEN WITH A LOSSY DISPERSIVE FTIR LAYER}
본 발명은 스마트폰, 태블릿, 노트북, 전자책 또는 휴대용 게임기와 같은 전자 장치에 사용되는 광학 터치 감응식 스크린에 관한 것이다.
전자 장치에 사용되는 터치 감응식 스크린의 공급은 널리 증가되고 있다. 종래 터치 스크린 장치는 LCD 디스플레이 표면 및 상기 LCD 표면 상에 구비되는 저항식 또는 정전식 오버레이(overlay)를 포함한다. 저항식 터치 스크린에서, 압력이 LCD 디스플레이 표면에 적용되면 오버레이를 통해 이러한 압력의 상대적인 위치를 나타내는 전기적 신호가 컨트롤러 IC에 의해 발생되고, 호스트 컴퓨터 장치에서 디바이스 드라이버 또는 이에 준하는 것은 키 프레스(key press) 또는 스크롤 동작(scroll action)과 같은 터치 기반 입력과 같은 신호를 해석한다. 유사하게, 정전식 터치스크린에서 오버레이에서 형성된 전기장에서의 방해는 터치 동작을 결정하는데 사용된다.
저항식 터치 스크린은 특히 낮은 비용, 저전력 소비 및 스타일러스 지원의 측면에서 많은 분야에 선호되고 있다. 일반적으로 저항식 터치 스크린은 얇은 공간으로 분리된 전도층과 저항층을 포함한다. 손가락 또는 스타일러스와 같은 포인터(pointer)가 스크린을 터치하고 압력이 가해지면, 층 사이에 접촉이 만들어지고, 이에 의해 효과적으로 스위치를 닫고 전류 흐름을 야기시킬 수 있다. 컨트롤러는 터치 포인트의 지점에서 얻어지는 층간 전류를 결정한다.
그러나, 저항식 터치 스크린과 관련된 많은 단점이 있다. 첫째로, 오버레이 때문에 스크린은 완전하게 투명하지 않으며, 일반적으로 직접적인 태양광에서 읽을 수 없다. 두번째로, 이러한 스크린은 압력 감응층이 저하되고 주기적인 재보정이 요구된다. 또한, 감지를 위해 압력이 요구된다. 따라서, 충분하지 않은 압력이 포인터에 의해 가해지면 감지되지 않는다. 마지막으로, 저항식 터치 스크린은 "멀티-터치(multi-touch)"로 알려진, 두개 이상의 포인터가 스크린을 터치하면 식별하지 못한다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점 중 일부를 해결하고 비용과 신뢰성 측면에서 향상된 터치 스크린을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 광학적으로 분산시키고 손실있는 베이스 플레이트, 및 터치 포인트에서 스크린을 터치하는 외부 신체에 반응하여 상기 베이스 플레이트로 빛을 전달하기 위한 수단을 포함하고, 이는 상기 베이스 플레이트의 표면에 입사된 빛의 위치가 상기 스크린 상에서의 상기 터치 포인트의 상대적인 위치를 나타내도록 하며, 상기 베이스 플레이트는 포획(capture) 및 분산(disperse) 모두가 가능하도록 형성되고, 그 후 퍼짐(spread)과 에너지 손실의 조절된 메커니즘을 이용하여 입사된 빛의 에너지를 손실하게 한다. 상기 베이스 플레이트의 광학적으로 분산시키는 특성은 상기 베이스 플레이트 표면 상에 입사된 빛 위치로부터 거리에 따라 상기 입사된 빛의 세기 감소가 실질적으로 지수함수와 근접하게 하기 위한 것이고, 상기 장치는 상기 베이스 플레이트의 개개의 모서리에서 빛의 세기를 감지(detect)하기 위한 적어도 하나의 센서, 및 상기 감지된 빛 세기 및 상기 지수함수로부터 상기 스크린 상의 터치 포인트의 상대적인 위치를 계산하고 상기 터치 포인트의 위치로부터 얻어지는 제어 입력(control input)을 나타내는 제어 신호(contrl signal)를 발생시키기 위한 처리 수단을 더 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 장치는 상기 베이스 플레이트의 개개의 모서리에서 빛의 세기를 감지하기 위한 적어도 두개의 센서를 포함하고, 상기 베이스 플레이트의 광학적으로 분산시키고 손실있는 특성은 상기 센서에 의해 감지된 빛의 세기 비(intensity ratio)가 상기 베이스 플레이트 표면에 입사된 빛의 위치로부터 상기 센서의 개개의 거리 사이의 차이를 나타내는 원소를 포함하면서 실질적으로 지수함수에 근접하기 위한 것일 수 있다. 이런 경우, 상기 베이스 플레이트의 광학적으로 분산시키고 손실있는 특성은 상기 터치 포인트의 상대적인 위치와 관계없이, 상기 세기 비가 상기 베이스 플레이트 표면에 입사되는 빛의 위치로부터 상기 센서의 개개의 거리에서의 차이를 실질적으로 일정하게 한정하기 때문일 수 있다.
상기 베이스 플레이트는 광학적으로 굴절 및/또는 반사시키는 입자 또는 분자로 도핑(doping)된 광학적으로 투명한 기판을 포함할 수 있다. 이런 경우, 상기 지수함수의 기울기는 상기 광학적으로 굴절 및/또는 반사시키는 입자 또는 분자로 상기 베이스 플레이트의 도핑 레벨(level)에 따라 결정된다.
상기 처리 수단은 상기 센서(들)의 각 감도(angular sensitivity)를 고려하여 상기 상대적인 위치 계산을 조절하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 예시적인 구현예에 따르면, 상기 스크린은 상기 베이스 플레이트와 이들 사이의 물질(substance)로 이격된, 광학적으로 투명한 탑 플레이트를 추가적으로 포함할 수 있고, 상기 장치는 외부 신체가 스크린을 터치하지 않는 경우 상기 조명하는 빛이 상기 탑 플레이트 내에서 실질적으로 전체 내부 반사되도록 하기 위해 상기 탑 플레이트를 조명하도록 형성된 광원을 추가적으로 포함할 수 있다. 이런 경우, 탑 플레이트와 베이스 플레이트 사이에서의 물질의 굴절률은 광학적으로 분산시키는 탑 플레이트의 굴절률보다 작다. 예를 들어, 상기 탑 플레이트 및 상기 베이스 플레이트 사이의 물질은 공기일 수 있다.
광원은 상기 탑 플레이트의 모서리에 구비될 수 있고, 상기 탑 플레이트 표면에 대해 예정된 입사각에서 광선으로 상기 탑 플레이트를 조명하도록 형성될 수 있으며, 여기서 입사각, 상기 탑 플레이트의 굴절률 및 상기 탑 플레이트와 상기 베이스 플레이트 사이의 물질은, 외부 신체가 스크린을 터치하지 않는 경우 상기 조명하는 빛이 상기 탑 플레이트 내에서 실질적으로 전체 내부로 반사되도록 하기 위함일 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 구현예에 따르면, 상기 장치는 말단에 광원을 포함하는 스타일러스를 포함할 수 있고, 상기 스크린 상에서의 터치 포인트에서 상기 베이스 플레이트로 상기 광원에서의 빛이 전달하도록 형성될 수 있다.
이런 경우, 상기 스크린은 상기 베이스 플레이트로부터 이들 사이의 물질로 이격되게 구비되는, 광학적으로 투명한 탑 플레이트를 추가적으로 포함할 수 있고, 상기 장치는 조절된 광 신호로 상기 탑 플레이트를 조명하도록 형성된 광원을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 스타일러스는 상기 조절된 광학 신호를 감지하기 위한 광검출기(photo detector)를 포함할 수 있고, 이에 의해 상기 스타일러스와 상기 스크린 사이의 양방향 통신을 가능하다.
상기 처리 수단은 쌍곡선 교차 알고리즘(hyperbolic intersection algorithm)으로 상기 터치 포인트의 상대적인 위치를 계산하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 예시적인 구현예에 따른 터치 스크린 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 예시적인 구현예에 따른 터치 스크린 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 예시적인 구현예에 따른 터치 스크린 장치의 단면도이다.
도 4는 (b) 상대적으로 투명한 플레이트와 비교하여 (a)"산란(scatter)"을 갖는 유손실 플레이트에서의 빛 전파를 나타낸 것이다.
도 5는 도핑된 유손실 플레이트의 모서리에 구비된 광센서에 의해 수신되는 빛 세기를 나타내는, 정규화된 실험적 빛 세기 대 거리를 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 (b) 투명 플레이트에 대한 종래 방법과 비교하여 (a) 유손실 플레이트의 초기 프레스 감지에 대한 설명된 알고리즘을 나타내는 다이어그램이다.
도 7은 방사 거리로 광 센서의 각 감도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 구현예에서 광 감지 시스템 노이즈 관계를 나타나는 위치 정확도 및 입력을 나타낸 그래프이다.
도 9a는 설명된 쌍곡선 교차 알고리즘에 관하여 두개의 마주보는 센서를 나타낸 다이어그램이다.
도 9b는 극형식(polar form)에서 나타낸 쌍곡선에 대해 도 9a의 센서를 나타낸 다이어그램이다.
도 10a는 쌍곡선의 알려진 특성을 나타내는 다이어그램이다.
도 10b는 직각을 형성하는 세개의 센서의 경우를 나타내는 다이어그램이다.
도 11은 탑 스크린의 열화로 야기되는 백그라운드 신호(background signal)의 증가된 레벨에도 불구하고 전자 신호 처리 경로의 다이나믹 레인지(dynamic range)를 유지하는 기술을 나타낸 다이어그램이다.
도 1의 그림을 나타내는, 본 발명의 제1 예시적인 구현예에 따른 터치 스크린 장치는 광학적으로 투명한 탑 플레이트(10) 및 이들의 하나의 모서리 또는 복수의 모서리에 구비되는 하나 이상의 광원(12)을 포함한다. 탑 플레이트(10)는 유리 또는 아크릴과 같은 광학적으로 투명한 물질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 광원은 LED 또는 다른 공지된 광원을 포함할 수 있고, 이는 통상의 기술자로부터 자명할 것이다. 렌즈(미도시)는 필요한 경우 광원(12) 및 탑 플레이트(10)의 모서리 사이에 제공될 수 있고, 이는 초점에 모으고 조명하는 빛을 측면으로 퍼뜨리기 위해서이다. 광원은 장치가 주위가 밝은 조건에서 효과적으로 작동되게 하기 위해 적외선 또는 세기 조절될 수 있다. 복수의 광원이 제공될 수 있고, 이런 경우 각각의 광원을 조절하여 터치 위치를 정확하게 감지할 수 있는 감지능을 향상시킬 수 있다.
빛의 세기가 크면 클수록 신호 대 노이즈 비(signal to noise ratio)는 높아질 것이고, 따라서 결과의 정확도도 높아질 것이다. 그러나, 전력 소비는 신호의 세기에 정비례한다. 따라서, 적절한 시간(예를 들어 전-터치 감지 단계 동안)에 조절된 신호의 마크 스페이스 비(mark space ratio)를 조절 및/또는 조절을 버스팅(bursting) 및/또는 광원(들)에서 전류를 변경함으로써 전기 효율은 향상될 수 있고 시스템의 신호 대 노이즈 비는 최적화될 수 있다. 또한 시스템의 향상은 스크린의 선택된 영역에서 일부 조도(light level)를 동력학적으로 조절하고, 다른 조도를 감소시켜 이루어질 수 있다. 예를 들어, 터치가 감지되면 터치의 위치는 알려지고, 그 영역에서의 밝기는 향상될 수 있으며, 터치가 추적되고 스크린의 다른 영역에서의 밝기는 전력을 절약하기 위해 감소된다.
탑 플레이트(10) 하부에 구비되고, 광학적으로 투명한 플레이트보다 낮은 굴절률을 갖는 선택적인 중간층(middle layer, 14)이 구비된다. 실시예에서 나타낸 바와 같이, 중간층(14)은 공기로 이루어질 수 있으나, 탑 플레이트(10)에 사용되는 물질보다 낮은 굴절률을 갖는 물질이면 이에 제한되는 것은 아니다.
탑 플레이트(10)는 광원(들)(12)에 의해 조명되며, 이는 탑 플레이트(10) 내 빛이 내부 전반사가 되도록 하기 위해서다. 내부 전반사는 입사된 빛 파장이 표면의 수직방향에 대해 임계각(critical angle)보다 큰 각으로 매질 경계면에 부딪히는 경우 일어나는 현상이다. 굴절률이 경계면의 다른 면보다 낮고 입사각이 임계각보다 큰 경우 빛은 경계면을 통과하지 못하고 매질 내에서 전체 반사된다.
결과적으로, 손가락 또는 스타일러스(22)와 같은 포인터(pointer)가 탑 플레이트(10)를 터치하고, 탑 플레이트(10) 내의 내부 전반사는 저해된 내부 전반사(frustrated total internal reflection, FIR)에 의해 중단되고, 일부 빛(23)이 플레이트(10) 및 중간층(14)을 통과하여 전달된다. 손가락과 같은 유연한 포인터로부터 증가된 압력은 전체적으로 내부로 반사되는 빛의 더 큰 영역이 방해받게 하고, 저해된 방해의 정도를 증가시키면서 스크린을 터치하는 물체의 형상을 모방한다. 따라서, 포인터의 형상은 또 다른 작동(action)을 수행하는데 사용될 수 있다: 예를 들어, 손가락 터치가 감지되고 형상이 결정되면, 작동은 스크린 상에서 손가락을 회전시켜 수행되고 형상의 변화가 감지될 수 있으며 그 결과 작동될 수 있다.
본 발명의 제1 예시적인 구현예의 터치 스크린 장치는 광학적으로 분산시키고 손실있는 바텀 플레이트(bottom plate, 18) 및 이들 모서리에 구비되는 광검출기(20)를 더 포함할 수 있다. 바텀 플레이트(18)는 이에 입사된 빛을 이들 각각의 모서리로 분산되게 할 뿐 아니라, 이러한 플레이트의 상부 및 하부 표면에서 손실되게 하는 분산 특성을 가지며, 이러한 방법으로 우세하게 유손실 플레이트를 형성한다. 이러한 분산 특성은 통상의 기술자에게 자명한 복수의 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 플레이트(18)에는 미세한 광학적으로 굴절 및/또는 분산시키는 입자 또는 분자(18a)가 삽입될 수 있다. 이러한 분자는 입사된 빛을 굴절 및/또는 반사되게 하여 결과적으로 바텀 플레이트(18) 내에서 산란되게 할 수 있으며, 이에 따라 플레이트(18)를 지나 모서리로 빛을 산란/손실 및 널리 퍼지게 하며(이 플레이트의 상부 및 하부 표면을 통과하여 빛이 손실되게 할 수 있음), 따라서 광검출기(20)로 감지될 수 있다. 유사한 분산 및 유손실 특성을 갖는 바텀 플레이트(18)를 제공하는 또 다른 방법은 회절/분산 물질로 바텀 플레이트(18)를 코팅하거나 표면 패터닝하는 것을 포함할 수 있다.
따라서, 포인터(예를 들어, 손가락, 스타일러스 등)(22)가 탑 플레이트(10)를 터치하고 따라서 광이 탑 플레이트(10) 및 중간층(14)을 통과하여 바텀 플레이트(18)까지 빛이 통과되도록 하면, 이의 분산시키고/손실있는 특성은 입사된 빛을 플레이트(18)를 통해 모서리쪽으로 향하게 하는 손실되는 방법으로 분산시키고 산란시키며, 빛이 광검출기(20)에 감지된다. 탑 플레이트(10)가 터치되는 위치는 빛이 입사되는 바텀 플레이트(18)에서의 상대적인 위치를 결정할 수 있고, 따라서 바텀 플레이트(18)의 모서리로부터 입사된 빛의 거리를 결정할 수 있다(즉, 빛이 이동되어 광검출기 모서리에 도달하기까지의 거리). 결국, 광검출기로 검출되는 빛의 상대적인 양은 탑 플레이트(10)가 터치되는 위치에 따라 결정되고, 따라서 빛이 입사되는 바텀 플레이트(18)에서의 위치에 따라 결정된다.
손실있는 바텀 플레이트의 산란/분산 특성은 플레이트로 포획되는 빛의 양을 증가시키고, 측면 방향으로 분산되고 줄어들게 한다. 따라서, 이러한 특성은 본래 터치로부터 거리에 따라 포획된 빛의 줄어듦을 조절하는데 사용할 수 있고, 따라서 터치 포인트의 위치는 계산될 수 있고 터치 위치의 정확도를 제어할 수 있다. 바텀 플레이트(18)에 삽입된 산란/분산시키는 물질의 농도 프로파일(profile)을 제어함으로써 거리에 따라 줄어드는 포획된 빛의 프로파일을 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 처리 수단(미도시)은 감지되는 빛의 양과 세기를 나타내는 광검출기(들)로부터 데이터를 수신하기 위해 제공되며, 따라서 터치 포인트의 탑 플레이트(10)에서의 위치 및 터치의 종류 및/또는 형상을 계산할 수 있다. 따라서, 각각의 광다이오드에서의 상대적인 세기 비교 및 이들의 상대적인 위치뿐 아니라, 바텀 플레이트(18)의 분산시키고 줄어드는 특성의 정보에 따라 위치 터치의 종류 또는 복수의 터치를 계산할 수 있다. 장치 드라이버(미도시)는 그 후 키 프레스 또는 스크롤 작동과 같은 터치 기반 입력과 같은 최종 데이터를 해석할 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 구현예에 따르면, 탑 플레이트의 모서리로 주입되는 빛은 내부 전반사(TIR) 현상에 의해 수용되는 터치 감응성 탑 스크린을 제공한다. 탑 플레이트의 표면 터치는 "소실(evanescence)" 또는 저해된 내부 반사(FIR)의 현상에 의해 빛의 일부가 방출된다. 저해된 내부 반사에 의해 방출되는 빛 부분은 탑 플레이트에서의 빛의 매우 작은 일부를 포함한다.
이러한 탑 플레이트로부터 방출되는 빛의 매우 작은 퍼센트는 반사/굴절 입자로 도핑된 바텀 플레이트로 향하고, 바텀 플레이트의 길이를 따라 이동하는 빛이 손실되게 한다. 또한 탑 플레이트로부터 방출된 빛의 작은 퍼센트만이 바텀 플레이트에서 초기에 포획된다. 바텀 플레이트는 큰 농도로 도핑되어, 측면 방향에서 불투명에 가깝다. 바텀 플레이트의 모서리에서의 센서는 모서리에 도달하는 작은 퍼센트의 빛을 감지하고 하기에서 기술하는 바와 같이 이를 위치 정보로 변환한다.
다음으로 터치 위치를 감지하기 위한 탑 및 바텀 플레이트의 작동 및 기술을 상세히 설명한다.
터치되면 FIR에 의해 방출되는 소실되는 빛의 사용은 "빔 브레이킹(beam breaking)", 또는 손이나 손가락에 의해 반사된, 확산광의 감지와 같은 종래 기술과 비교하여 많은 이점을 가진다. 이러한 이점은 손가락 또는 스타일러스가 스크린을 터치하는 경우의 선명한 감지(종래보다 향상됨)에 제한되지 않고, 터치 압력에 따른 변화의 도수(indication)를 포함한다. 추가적인 이점은 감소된 수의 광원 및 센서로 인한 비용 감소이다.
터치하면 FIR에 의해 방출되는 소실되는 빛의 사용은 일부 조사 대상이 되며, 조사 대상은 위치를 이미지화하기 위해 카메라가 이러한 방출된 빛을 이미지화하는데 사용되는 위치 또는 이러한 빛이 스크린의 일면에서 다수의 검출기로 다시 향하게 하는 위치일 수 있다. 그러나, 본 발명의 구현예에서 중요하고 신규한 특징 중 하나는 탑 플레이트가 터치되는 경우 FIR에 의해 방출되는 소실광의 사용이고, 아래의 손실되는 플레이트와 함께 사용하여 터치의 위치를 직접적으로 이미지화하기 위한 행렬의 센서에 대한 필요 없이 위치를 계산할 수 있다. 특히, 손실되는 플레이트는 고유한 대역폭(bandwidth)/응답 시간으로, 결정된 최대 거리에서 고유의 터치 해상도에 필요한 요구되는 손실 계수를 제공하여 도핑될 수 있다.
소실되는 프레스로부터 방출되는 낮은 조도, 예를 들어 레이저 포인터보다 작은 계산 차수(orders of magnitude)인 빛을 가지면서, 이러한 빛의 작은 퍼센트만이 손실되는 아래의 확산 플레이트에 의해 포획되는 것은 입사된 빛의 작은 퍼센트만이 감지되는 모서리로 전달되게 하부 플레이트를 사용하는 것은 직관에 반대되는 것이다. 그러나, 본 발명은 정확한 터치 감지를 위해 신규한 방법을 개발하였다.
광검출기로 감지되는 신호를 고려하는 경우 전기적 램덤 노이즈(random noise)는 항상 센서 및 임의의 증폭/감지 회로 모두에서 항상 존재하는 것으로 알려진 현상이다. 이러한 노이즈는 위치에 대해 신호의 특성에 따라 프레스의 위치 정확도에 불확실성을 야기시킨다. 물론 신호가 평균화, 필터되거나 그렇지 않으면 노이즈 효과를 감소시키기 위해 처리될 수 있으나, 대역폭을 감소시키는 효과는 널리 알려진 것이며 프레스의 정확한 위치를 감지하기 위한 시간이 증가된다.
위치 감지를 위한 손실있는 플레이트의 사용은 주어진 대역폭/시간 내에서 정확한 위치를 감지할 수 있다. 손실있는 플레이트는 제어된 방법에서 거리에 따라 에너지가 손실되는 특별한 이점을 가지며, 따라서 주어진 노이즈 레벨에 대해 거리에서의 더 큰 정확도를 제공할 수 있다.
주어진 노이즈 레벨에 대한 위치 정확도를 수리적으로 분석하고 이를 하기에서 상세히 설명한다.
세기 대 거리의 기울기와 주어진 노이즈 레벨에 대한 위치 정확도 간의 관계
유손실 플레이트에서 광센서에 의해 수신되는 빛의 세기는 하기 식에 의해 거리와 관련될 수 있다:
Figure 112016110556010-pct00001
식(a)
여기서 I는 광센서에서의 빛 세기이고, I0는 플레이트로 주입되는 곳에서의 외삽된 빛 세기이며, KL은 도핑 노도에 좌우되는 상수이고, x는 빛의 주입 포인트에서 광센서까지의 거리이다.
이를 미분하면 이와 같다.
Figure 112016110556010-pct00002
따라서:
Figure 112016110556010-pct00003
식(b)
노이즈 전류 rms/√Hz를 나타나는 입력으로서 IN을 정의하고, 시스템의 효과적인 대역폭으로 B를 정의하면, dl=IN*√B이다.
△x를 계산된 프레스 위치의 ±3의 표준편차(도 8에 나타냄)에서의 거리 불확실성으로 정의하고, 램덤 전자 노이즈의 가우시안 성질 때문에 모든 경우에 99.7%로 설명되며, 식(b)을 다음과 같이 재작성될 수 있다:
Figure 112016110556010-pct00004
식(c)
예를 들어, 본 발명의 예시적인 구현예에서 IN=250fA/√Hz, B=10Hz, KL=22mm, I0=1997pA, x=80mm, 정확도는 다음과 같다:
△x=±1mm
수직 방향에서의 유손실 플레이트의 투명도는 플레이트가 얇기 때문에 무손실 플레이트와 동일하다. 유손실 플레이트는 측면 방향에서만 상대적으로 불명하다.
위치 감지를 위한 유손실 플레이트의 신규한 사용은 비교적 직관과 반대되는 것이고, 종래 장치에서 택한 접근과는 완전히 상반되며, 종래 장치는 비교적 크게 밝은 레이저 포인터와 함께 사용하기 위한 낮은 손실 무접촉 스크린이 예상된다(예를 들어 WO2008/018768). 이러한 종래 기술은 형광체를 사용하고 플레이트 내에 산란되는 물질의 사용을 의도적으로 피하며, 이는 플레이트 내에서 가능한 많은 손실을 제거하도록 시도하기 때문이다[35,97,161,39,54,90,99]. 본 발명의 측면에서 원소는 위치 정확도를 향상시키기 위해 하부 플레이트에서 소실을 제어한다. 이러한 접근은 사용되는 감지 알고리즘에 대한 세분화를 갖는다.
위치 정확도가 크면 클수록, 플레이트 내에서의 산란을 위해 사용되는 비교적 값이 싼 반사/굴절 입자의 사용은 형광체(방출한 후 입사된 빛을 재-방사함)를 사용하는 것과 비교하여 비용 이점을 갖는다.
도 4는 산란을 이용하는 유손실 바텀 플레이트와 형광체를 사용하는 비교적 투명한 플레이트에 기반한 접근 간의 작동 모드에서의 차이를 예시화하였다.
탑 스크린에서의 소멸되는 프레스를 감지하는데 필요한 농도로 산란 입자를 갖는 유손실 바텀 플레이트의 사용은 사실상 급격히 증가하는 세기의 분배를 제공하기 위해서다.
도 5의 그래프는 이러한 플레이트로부터 얻어진 실험 데이터를 나타내고, 직선 거리에 대한 로그값으로 표시하였다. 이러한 관계는 이론과 일치한다.
본 발명의 신규한 측면은 빛을 산란시키기 위해 사용되는 도판트(dopant)의 농도와 종류가 세기 대 거리의 기울기에 영향을 미친다. 이러한 농도는 본 발명의 측면에 따라 의도적으로 선택될 수 있고, 이는 전술한 바와 같이 주어진 전자 노이즈 레벨과 주어진 대역폭/반응에 따른 요구되는 위치 정확도를 수행하기 위함이다.
따라서, 본 발명의 예시적인 구현예의 신규한 측면은 이러한 유손실 플레이트의 특성이 프레스의 위치를 결정하는데 사용되는 방법이다.
유손실 플레이트에서의 빛의 세기는 사실상 크게 증가하기 때문에 이러한 경우 세기는 아래의 식으로 나타낼 수 있다:
Figure 112016110556010-pct00005
식 1
여기서 I1은 센서(1)에서 측정된 세기이고, I0는 플레이트에 의해 포획되는 빛의 최초 세기이며, 이는 센서(1)로부터 거리(d1)에서 이다. KL은 세기 대 거리 그래프의 기울기를 결정하는 상수이다(로그로 표시됨).
상기 식 1을 사용하여 두개의 센서(1 및 2)에 대한 세기 비를 구하고, 하기 식이 나타난다:
Figure 112016110556010-pct00006
식 2
양면의 자연 로그를 취하여 이를 다시 배열하면 다음과 같다
Figure 112016110556010-pct00007
식 3
한 쌍의 센서(I1 및 I2)로 나타낸 신호 세기의 비가 측정되면, 플레이트에서의 일정한 신호 비의 경로가 결정되고, 경로는 d1-d2의 값이 상수인 곳에서 과정을 따른다.
이러한 경로는 쌍곡선을 설명한다(예를 들어, 참고: http://mathworld.wolfram.com/Hyperbola.html).
이는 종래 장치(예를 들어 WO2008/018768)와 상반되는 것이고, 이는 비교적 투명한 플레이트에 있어서 두개의 센서에 대한 세기의 상수비가 거리의 상수비(d1/d2는 상수)로 나타나는 반면, 전술한 바와 같은 유손실 플레이트에서는 d1-d2가 상수이고 d1/d2는 상수가 아니다.
이러한 차이는 도 6을 참고하면 더욱 명확해질 것이다.
유손실 플레이트의 더 많이 제어된 본질 때문에 빛 세기의 분배가 잘 제어되며, 따라서 회귀분석(regression analysis, WO2008/018768에서 사용된 바와 같음)은 필요하지 않으며, 전술한 바와 같이 반사/회절/산란 물질의 특정 농도는 노이즈에 따라 위치 정확도를 제어하기 위해 선택된다.
본 발명의 예시적인 구현예에서 사용하기에 적합한 알고리즘은 두쌍의 센서에서의 포물선 교차를 사용하여 프레스의 제1 근접 위치를 결정하고 센서의 유한 각 감도를 설명하기 위해 추가로 처리되며, 이를 하기에 기술한다.
쌍곡선 교차에 의한 프레스 위치 결정:
쌍곡선 교차 알고리즘의 핵심
도 9a에 나타난 바와 같이 두개의 마주보는 센서 S1 및 S2를 고려한다.
거리 특성에 관한 지수의 신호 세기에 대해, 본 발명에서 설명된 유손실 버텀 또는 리시버 플레이트의 경우 하기와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016110556010-pct00008
여기서 I0는 플레이트에 입사된 빛의 외삽 세기이고, KL은 플레이트의 특성에 따른 상수이다.
따라서:
Figure 112016110556010-pct00009
또한 이런 이유로:
d2-d1=KL·In(R12) 식 i
일정비 R12의 경로는 도 9b를 참고하면 하기 극형식(polar from)으로 나타난다:
d1=a·(e2-1)/(1+e·cosθ), a=(d2-d1)/2 및 e=d/2a 식 ii
식 i 및 식 ii에서의 결과를 이용하여 하기를 얻는다:
d1=a·(e2-1)/(1+e·cosθ) 식 iii
여기서 a=KL·InlR12l/2, 및 e=d/(KL·InlR12l)
두개의 센서 S1 및 S2 사이의 빛 세기의 비 R12를 측정하고 d(두개 센서 사이의 거리), KL(플레이트의 특성), a 및 e를 알면 임의의 센서 쌍을 완전히 계산할 수 있다.
도 10a에 나타난 바와 같이 알려진 쌍곡선의 특성을 고려한다.
FP=쌍곡선에서 초점부터 포인트까지의 거리
PD=쌍곡선상의 포인트에서 준선(directrix)까지의 거리
하기 식은 쌍곡선의 잘 알려진 특성이다
e=FP/PD 식 iv
직각 S1, S2 및 S3를 형성하는 세개의 센서를 고려하고, 이를 도 10b에 나타내었다.
식 iv로부터 다음을 알 수 있다:
r12=e12·D12
그리고 유사하게
r13=e13·D13
그리고 r12=r13이기 때문에
D12/D13=e13/e12 식 v
프레스가 직교 좌표계 위치 (xp, yp)이면, 앞에서 나타낸 쌍곡선의 특성으로부터 다음을 알고 있다.
Figure 112016110556010-pct00010
Figure 112016110556010-pct00011
이를 식 v에서 이용하고 다음을 얻는다:
Figure 112016110556010-pct00012
식 vi
앞에서 나타낸 바와 같이 e12, e13, a12, a13은 쌍의 센서 사이에서의 빛 세기의 비로부터 결정될 수 있다.
식 vi와 유사하게 센서 2, 3 및 4를 이용하여 얻어질 수 있고, 또 다른 라인이 결정된다.
이들 두개의 라인의 교차는 플레이트에 주입된 빛의 위치이고 따라서 프레스 위치이다.
상기 식은 서로 직각인 센서 쌍에서만 유효하다.
센서 A, B, C에 대한 더욱 일반적인 식은 얻어질 수 있고 다음과 같이 주어진다:
Figure 112016110556010-pct00013
식 vii
여기서 exy 및 axy는 센서 x 및 y에 대한 일반적인 의미이고, ψ 및 θ는 직교좌표계의 축에 대한 각각의 방위각 AB 및 AC이다.
이러한 접근의 이용은 하나의 라인을 발생시키기 위해 세개의 독립적인 센서가 필요하고 교차 포인트를 발생시키기 위해서는 적어도 두개의 라인이 필요하며 따라서 프레스 위치를 결정한다.
그러나, 시스템에서 노이즈의 존재 때문에 예정된 광원, 터치 프레스, 위치의 전체 정확도를 향상시키기 위해 복수의 센서를 조합하여 사용하는 것이 유리하다.
주어진 센서(들)의 수(n)에 대해, 독립적인 라인의 수는 하기와 같이 L로 주어진다:
L=n!/(n-3)!·3!
실제로, 스크린의 임의의 주어진 영역에 대해 사용되는 센서의 신중한 선택은 노이즈의 존재에서 계산된 프레스 위치의 정확도를 향상시킬 수 있다.
기하학적 접근으로는 문제를 해결할 수 없고, 터치 위치를 결정하기 위해 세개의 센서만 필요한 삼각법으로 해결될 수 있다; 그러나 이러한 해법은 각각의 계산에서 더 많은 혼란을 가져오고 간단한 디지털 장치에 적합하다.
이러한 특별한 구현예에서 전술한 알고리즘이 사용될 수 있으나; 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 위치를 결정하는 복수의 방법이 복수의 연립 방정식으로 해결될 수 있다. 이는 통상의 기술자에 의해 많은 방법으로 해결될 수 있고 매트릭스 및/또는 반복으로 해결되는 것에 제한되지 않는다.
프레스에 대한 정확한 위치를 찾기 위해 센서의 유한한 각 감도가 고려될 필요가 있고, 실제 시스템에서 광검출기는 센서에 도착하는 입사 빛의 각도에 따라 감도를 갖는다. 이러한 현상을 결합하는 것은 알고리즘이 사용되는 방법에서 신규한 것이다. 센서에 대해 거리에 대한 세기 관계가 아니라, 각도에 대한 세기 관계는 임의의 빛 형상의 디자인, 렌즈의 디자인 및/또는 플레이트의 모서리에서 광검출기로 빛을 유도하는데 사용되는 반사/굴절 표면을 포함하는 측면에 의해 결정된다.
도 7에서, 본 발명에서 사용되는 일 구현예의 각 감도를 나타내지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
따라서, 프레스의 위치를 결정하는 경우 알고리즘은 센서 쌍 사이의 거리에서 일정한 차이를 나타내는 선의 쌍곡선 교차뿐 아니라 서로 다른 센서로 서로 다른 해결책을 제공하는 각 감도의 변화를 고려하여야 한다.
본 발명의 예시적인 구현예에서 수행되는 이러한 방법을 하기에서 더욱 상세히 설명하며 전술한 바와 같이 당업자가 매트릭스를 이용하는 것과 같이 연립 방정식을 해결하는 다른 방법으로 해결될 수 있다.
광센서의 각 감도를 설명하는 프레스 위치의 개선
센서의 형상/물질, 반사체 및/또는 광학에 따라 이들 상에 입사되는 광의 각도에 따라 변화의 정도를 나타낸다. 빛 세기에서의 이러한 각도 변화는 이러한 정확한 터치 위치가 계산되는 경우를 설명하는데 필요하다.
터치 위치를 계산하는데 있어서 광센서의 각 감도를 고려한 이러한 개선은 전술한 알고리즘을 보충한 것이고, 이의 첫번째 접근은 센서들의 각 감도가 일정한 것으로 가정하는 것이다.
제1 구현예에 대해 적용된 이러한 접근은 전술한 알고리즘을 토대로 반복 계산을 사용하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
우선, 플레이트의 중앙은 초기 예상된 위치로 사용될 수 있거나 초기 예상은 상대적인 센서 신호 레벨 및 이들의 알려진 위치를 토대로 만들어질 수 있다.
이러한 초기 예상된 터치 위치를 사용하면, 전술한 알고리즘에 의해 사용되는 센서 레벨은 각각의 센서에 대해 수직 방향의 예상된 터치 위치의 각에 반응하여 변화를 설명하기 위해 개별적으로 조절될 수 있다.
센서 선택 및 각각의 센서에 대한 조절된 세기 레벨은 전술한 알고리즘 및 첫번째로 작동하는 알고리즘에 의해 사용된다.
전술한 알고리즘은 평균 터치 위치를 응답하고, 이는 우선시되는 센서의 수로부터 정보의 평균 인터셉트 포인트(intercept point)를 바탕으로 한 것이며, 예시적인 구현예에서 5개의 센서일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 새로운 예상된 터치 위치는 최초의 예상보다 실제 터치 위치에 근접한다.
이러한 새로운 예상된 위치는 각각의 센서의 각 감도를 설명하고 전술한 알고리즘에서 각각의 센서에 사용되는 세기 값을 조절하는데 재차 사용된다.
전술한 알고리즘은 두번째로 작동되고 얻어진 터치 위치가 개선된다.
이러한 반복 접근은 계산된 터치 위치가 실제 위치에 근접할 때까지 반복될 수 있고, 할 때마다 에러는 점점 작아진다.
프레스 위치가 정확도에서 수용가능한 레벨로 결정되면 이를 확립하기 위해 알고리즘의 각각의 작동의 말단에 간단한 테스트를 수행하고, 이는 전술한 알고리즘에서 사용되는 각각의 독립적인 라인들에 대해 얻어지는 인터셉트 포인트의 각각의 거리에서의 평균 변화를 결정한다.
프레스 위치 정확도의 요구되는 레벨을 위해 적절한 한계 레벨(threshold level)을 설정함으로써, 알고리즘이 요구되는 정확도로 정확한 프레스 위치를 언제 결정하는지 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 측면에 따르면, 터치 감응성 스크린 장치는 광학적으로 손실되는 베이스 플레이트를 포함하고, 이는 수직 방향에서 비교적 투명하지만 수평 방향에서 손실되고 산란되게 형성되며, 따라서 표면에 입사된 빛을 소멸시키고 분산시키며, 장치는 터치 포인트에서 상기 스크린을 터치하는 외부 신체에 반응하여 상기 플레이트에 빛을 전달하는 수단을 포함하고, 상기 베이스 플레이트에서의 위치는 상기 터치 포인트의 상대적인 위치를 나타내는 입사된 빛이며, 광 감지 수단은 분산되는 빛을 감지하기 위해 상기 베이스 플레이트의 모서리에 구비되고, 상기 감지된 빛으로부터 상기 터치 포인트의 상대적인 위치를 계산하고 상기 터치 포인트의 상기 위치로부터 얻어지는 제어 입력을 나타내는 제어 신호를 발생시키는 처리 수단을 더 포함한다.
복수의 터치 기능은 터치 위치를 동시에 계산하거나 단일 위치 결정 및 연속된 터치의 조합을 이용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 멀티-터치 기능은 시간으로 분리된 복수개의 단일 터치와 관련된 빛 레벨의 차이를 감지함으로써 제공될 수 있으나, 이는 단일 작동과 관련된다: 제1 터치가 확인되고 감지되며, 이러한 터치는 제자리에 남아있는 동안 제2 터치가 추가되고 이는 빛 레벨을 추가로 변화하게 하여 감지될 수 있다. 제1 터치가 일정하게 남아 있으면 제2 터치의 이동에 의해 변화가 생겨 작동될 수 있다. 장치 드라이버(미도시)는 키 프레스 또는 스크롤 작동과 같은 터치 기반 입력에 따라 최종 데이터를 해석할 수 있다.
바람직한 구현예에서, 복수의 광 다이오드는 바텀 플레이트에 입사되는 광을 감지하는데 사용되고 바텀 플레이트에 의해 분산된다.
따라서, 본 발명은 비교적 저렴하고 신뢰성 있는 터치 스크린을 제공하는 수단을 제공하고, 이는 필요에 따라 단일 또는 멀티-터치 스크린에 적용될 수 있으며, 필요에 따라 휘어진, 가요성 또는 복잡한 형상 또는 몰딩에 비교적 용이하게 적용된다. 조절된 가시광, 조절된 자외선 또는 조절되지 않은 자외선 광원의 사용은 다양한 빛 조건에서 설명된 기술이 단단하고 유연하게 한다. 가시광이 사용되는 경우 빛은 임의의 빛으로부터 빛이 구별되도록 조절되는게 필요하다. 그러나, 자외선 소스가 사용되는 경우 이는 필요에 따라 조절되거나 조절되지 않을 수 있다. 그러나, 임의의 빛은 이러한 감지 과정에서 입사된 신호이고, 이러한 특징은 예를 들어 디스플레이 스크린의 배경 조명을 증가시키거나 감소시키는 시스템에서 유용한 특징으로 사용될 수 있다.
또한, 진동수, 상 또는 코드에서 각각의 광원 또는 광원 그룹을 독특하게 조절함으로써 향상된 감지 시스템을 만들 수 있다. 예를 들어, 프레스의 위치를 해결하기 위해, 프레스와 가까운 광원을 결정하는 것이 가능하고, 하나의 광원이 0 도 위상 변화(phase shift)를 갖는 진동수에서 조절되는 경우 다른 하나는 예를 들어 90 도로 위상 변화된다. 또한 다양한 다른 향상을 이루기 위해 통상의 기술자에게 자명한 다른 조절 계획도 가능하다.
기술된 시스템의 추가적인 특징은 알려진 위치에서 디스플레이 스크린 상의 일련의 밝은 영역을 이용하여 디스플레이 스크린과 터치 감지 사이에 자가-보정 정렬(self-calibrate alignment)할 수 있고, 그 후 광 검출기로 감지됨에 따라 밝은 영역의 위치와 이를 서로 관련되게 할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 낮은 진동수로 조절된 빛의 "도트(dot)"가 사용될 수 있거나, DC 빛은 어두운 곳에서도 사용될 수 있다(따라서 임의의 빛은 보정 과정을 방해하지 않는다).
이러한 시스템의 추가적인 특징은 스크래치, 먼지, 기름으로 인해 탑 스크린이 열화되는 곳을 보상하는 방법이다.
탑 스크린이 주변 환경에 노출되기 때문에 스크린은 스크래치가 발생하고 먼지 또는 기름이 달라붙을 수 있으며, 이는 바텀 플레이트로 일부 빛을 주입한다. 이는 다름 아닌 상상되는 터치 감지 접근에 대한 문제가 아니라, 터치를 결정하기 위해 빛 세기에서의 변화를 사용하기 때문이다. 그러나, 탑 스크린에서의 스크래치, 먼지 및 기름의 양이 증가하면 장시간에 걸쳐 바텀 플레이트에서 나타나는 배경 조명 세기가 증가하고, 따라서 각각의 광다이오드 채널과 관련된 전자 신호 처리 경로에 이용가능한 다이나믹 레인지를 감소시킨다.
이러한 문제를 해결하기 위한 신규한 방법은 적절한 포인트에서 전기 신호 경로(들)로 주입하는 것이고 보상 신호(들)는 실질적으로 신호 구동 빛에 대해 역위상이다(신호 처리 경로에서 임의의 추가적인 위상 변화가 적절히 허용됨). 이러한 보상 신호(들)의 진폭은 장시간에 걸쳐 자동적으로 제어될 수 있고, 따라서 탑 스크린의 임의의 점진적인 저하를 허용한다. 이러한 실행의 실시예를 도 11에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제2 예시적인 구현예에 따른 터치 스크린 장치는 광학적으로 분산시키고 손실있는 바텀 플레이트(30) 및 이들 각각의 모서리에 구비되는 하나 이상의 광 검출기(32)를 포함한다. 바텀 플레이트(30)는 입사된 빛을 이들 모서리 방향으로 분산되게 하는 분산시키는 특성을 가지며, 이런 이유로 손실있는 플레이트를 형성한다. 이러한 분산시키는 특성은 당업자에게 자명한 바와 같이 복수의 서로 다른 방법으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 플레이트(30)는 광학적으로 굴절 및/또는 반사되는 미세한 입자 또는 분자(18a)가 삽입될 수 있다. 이러한 분자는 입사된 빛이 굴절 및/또는 반사되게 하고 결과적으로 바텀 플레이트 내에서 산란되며, 일부는 탑 및 바텀 표면을 통과하여 손실되고, 이에 의해 모서리 방향으로 플레이트(30)를 지나 빛이 산란/손실 및 퍼지게 하며, 따라서 광 검출기(32)에 의해 검출될 수 있다.
스타일러스(34)가 제공되고, 이는 "펜촉(nib)"(36)에서 광원(36a)을 포함한다. 광원(36a)을 포함하는 스타일러스 펜촉(36)이 터치 또는 플레이트(30) 방향으로 향하면 광원(36a)에서의 빛은 플레이트(30)로 전달 또는 결합되고, 이러한 분산시키는 특성은 입사된 광이 모서리 방향으로 플레이트(30)를 통해 분산되게 하며, 상기 빛의 적어도 일부는 광 검출기(32)에 의해 검출된다. 스타일러스가 터치되는 플레이트(30)에서의 위치는 플레이트(30)의 모서리로부터 입사된 빛의 거리(즉, 빛이광 검출기 모서리에 도달하도록 분산되는데 필요한 총 거리)를 결정한다. 결과적으로, 광 검출기(32)에 의해 검출되는 빛의 양은 플레이트(30)가 터치하는 위치 및 스타일러스로부터 방출된 광의 세기에 따라 결정된다.
바텀 플레이트의 산란/분산시키는 특성은 플레이트에 의해 포획되는 빛의 양을 증가시키고, 빛은 측면 방향으로 분산되고 약화된다. 따라서, 이러한 특성은 본래 터치에서의 거리에 따라 포획된 빛의 약화 거동을 조절할 수 있고, 따라서 터치 포인트의 위치는 계산될 수 있고 터치 위치의 정확도를 조절할 수 있다. 바텀 플레이트(30)에 삽입되는 산란/분산시키는 물질의 농도 프로파일을 조절하여 거리에 따라 약화되는 포획된 빛의 프로파일을 조절할 수 있다.
결국, 처리 수단(미도시)은 감지되는 빛의 양 및 세기를 나타내는, 광 검출기로부터 수신되는 데이터를 제공하고, 따라서 터치 포인트 및 터치 재질의 탑 플레이트(10)에서의 위치를 계산한다. 따라서, 상대적인 세기의 비교 및 바텀 플레이트(18)의 분산되고 약화되는 특성의 인지에 의해 전술한 바와 같이 터치의 위치, 재질 또는 복수의 터치를 계산할 수 있다. 장치 드라이버(미도시)는 그 후 키 프레스 또는 스크롤 작동과 같은 터치 기반 입력으로서 최종 데이터를 해석할 수 있다.
바람직한 구현예에서, 복수의 광 다이오드는 바텀 플레이트에 입사되고 분산되며 약화되는 빛을 감지하는데 사용될 수 있다.
도 2에 나타난 바와 같이, 장치는 데이터를 제공하기 위해 조절될 수 있는 광원(38)을 선택적으로 더 포함할 수 있다. 이런 경우, 스타일러스(34)는 상기 광원(38)으로부터 조절된 빛 신호를 포획하기 위한 광 검출기(40)를 더 포함하여 스타일러스와 호스트 컴퓨터 장치 간 양방향 통신이 가능하다. 이런 경우, 광학적으로 투명한 탑 플레이트(미도시)는 바텀 플레이트(30) 상부에 제공될 수 있고, 이들 사이에 공기 갭을 가지며, 이는 도 1을 참조하여 설명된 구현예와 같다. 이런 경우, 광원(38)으로부터 입사된 빛의 각도는 전술한 구현예에서와 같이 탑 플레이트에서의 빛이 내부 전반사가 되도록 형성되는 것이 바람직하다.
복수의 스타일러스가 특별한 식별(identification) 유무(즉, 각각의 광원 조절) 및 이들 간 기하학적 관계 유무에 상관없이 사용될 수 있다. 또한, 스타일러스는 하나 이상의 광원을 가질 수 있고, 기하학적으로 형성되어 스타일러스의 배향(orientation)이 감지될 수 있다. 이러한 구현예에서 스타일러스는 광원 및 광검출기의 임의의 형상일 수 있다. 종래 펜 형상인 것이 요구되지 않으나, 임의의 적합한 형상을 포함할 수 있고 또 다른 물체 또는 장치와 결합될 수 있으며, 또 다른 스크린을 포함할 수도 있다.
도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제3 예시적인 구현예에 따른 터치 스크린 장치는 광학적으로 투명한 바텀 플레이트(40) 및 이들 각각의 모서리(들)에 구비되는 하나의 광검출기 또는 광검출기들(42)을 포함한다. 하나 이상의 광원(50)은 스크린의 외부에 제공되고, 터치 스크린 영역 위로 지나가는 손과 같은 물체가 바텀 플레이트(40)로 빛을 아래로 반사하도록 기울어진다. 이러한 방법에서, 손을 흔드는 것(예를 들어, 명령을 인식하는 것)과 같은 제스처는 인식될 수 있다. 이러한 형상은 특히 책의 페이지를 넘기는 것과 같은 전체 "스위핑(sweeping)" 동작을 감지하는데 적합하다. 그러나, 도 3에 나타낸 장치는 탑 플레이트의 배치에 의해 더욱 향상될 수 있고, 도 1을 참고하여 설명되는 구현예에서 제공되는 바와 같이 손가락 또는 스타일러스 터치 감지능이 향상될 뿐 아니라, 다른 제스처 인식능이 향상된다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 구현예를 통상의 기술자의 수준에서 변경과 변형될 수 있다.

Claims (16)

  1. 광학적으로 분산시키는 베이스 플레이트를 포함하는 스크린, 및 상기 베이스 플레이트의 표면 상에 입사되는 빛의 위치가 상기 스크린에서의 터치 포인트의 상대적인 위치를 나타내도록 상기 터치 포인트에서 상기 스크린을 터치하는 외부 신체에 반응하여 상기 베이스 플레이트로 빛을 전달하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 베이스 플레이트는 퍼짐 및 에너지 손실로 입사된 빛을 포획 및 분산시키도록 형성되고, 상기 베이스 플레이트의 광학적으로 분산시키는 특성은 상기 베이스 플레이트 표면에 입사되는 위치로부터 거리에 따라 상기 입사되는 빛의 세기 감소가 지수함수에 근접하도록 하기 위한 것이며,
    터치 감응성 스크린 장치는 상기 베이스 플레이트의 개개의 모서리에 빛의 세기를 감지하기 위한 적어도 하나의 센서, 및 상기 감지된 빛 세기 및 상기 지수함수로부터 상기 스크린 상에서의 상기 터치 포인트의 상대적인 위치를 계산하고 상기 터치 포인트의 상기 위치로부터 얻어지는 제어 입력을 나타내는 제어 신호를 발생시키기 위한 처리 수단을 포함하는, 터치 감응성 스크린 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 상기 베이스 플레이트의 개개의 모서리에 빛의 세기를 감지하기 위한 적어도 두개의 센서를 포함하고, 상기 베이스 플레이트의 광학적으로 분산시키는 특성은 상기 센서에 의해 감지되는 빛의 세기 비가 상기 베이스 플레이트 상에 입사되는 빛의 위치로부터 상기 센서의 개개의 거리간 차이를 나타내는 원소를 포함하면서 지수함수에 근접하게 하기 위한 것인, 터치 감응성 스크린 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 광학적으로 분산시키는 특성은 상기 터치 포인트의 상대적인 위치와 관계없이, 상기 세기 비가 상기 베이스 플레이트 표면 상에 입사되는 빛의 위치로부터 상기 센서 개개의 거리 차이를 일정하게 한정되게 하기 위한 것인, 터치 감응성 스크린 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트는 광학적으로 굴절 및/또는 반사시키는 입자 또는 분자로 도핑된 광학적으로 투명한 기판을 포함하는, 터치 감응성 스크린 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 지수함수의 기울기는 상기 광학적으로 굴절 및/또는 반사시키는 입자 또는 분자를 갖는 상기 베이스 플레이트의 도핑 레벨에 따라 결정되는, 터치 감응성 스크린 장치.
  6. 제1항, 제2항 및 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 수단은 상기 센서(들)의 각 감도를 고려하여 상기 상대적인 위치 계산이 조절되도록 형성된, 터치 감응성 스크린 장치.
  7. 제1항, 제2항 및 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크린은 광학적으로 투명한 탑 플레이트를 더 포함하고, 상기 탑 플레이트와 베이스 플레이트 사이의 물질로 상기 베이스 플레이트와 이격되게 구비되며, 상기 터치 감응성 스크린 장치는 상기 스크린을 외부 신체가 터치하지 않는 경우 조명하는 빛이 상기 탑 플레이트 내에서 실질적으로 전체 내부 반사되게 상기 탑 플레이트를 조명하도록 형성된 광원을 더 포함하는, 터치 감응성 스크린 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 탑 플레이트와 베이스 플레이트 사이에서의 물질의 굴절률은 광학적으로 분산시키는 탑 플레이트의 굴절률보다 작은, 터치 감응성 스크린 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탑 플레이트와 상기 베이스 플레이트 사이에서의 물질은 공기인, 터치 감응성 스크린 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 광원은 상기 탑 플레이트의 모서리에 구비되고 예정된 입사각에서 광선으로 상기 탑 플레이트를 조명하도록 형성되며, 상기 입사각, 상기 탑 플레이트의 굴절률 및 상기 탑 플레이트와 상기 베이스 플레이트 사이에서의 물질은 외부 신체가 스크린을 터치하지 않는 경우 상기 조명하는 빛이 상기 탑 플레이트 내에서 실질적으로 전체 내부 반사되도록 하기 위한 것인, 터치 감응성 스크린 장치.
  11. 제1항, 제2항 및 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크린 장치는 스타일러스를 포함하고 상기 스타일러스의 말단에 광원을 포함하며, 상기 스크린 상의 터치 포인트에서 상기 베이스 플레이트까지 상기 광원으로부터의 빛을 전달하도록 형성되는, 터치 감응성 스크린 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스크린은 광학적으로 투명한 탑 플레이트를 더 포함하고, 상기 베이스 플레이트로부터 이격되게 구비되며 상기 탑 플레이트와 상기 베이스 플레이트 사이에는 물질을 가지며, 상기 터치 감응성 스크린 장치는 조절된 광학 신호로 상기 탑 플레이트를 조명하도록 형성된 광원을 더 포함하는, 터치 감응성 스크린 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 스타일러스는 상기 조절된 광 신호를 감지하기 위한 광검출기를 포함하고, 이에 의해 상기 스타일러스와 상기 스크린 간 양방향 통신이 가능한, 터치 감응성 스크린 장치.
  14. 제1항, 제2항 및 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 수단은 쌍곡선 교차 알고리즘에 의해 상기 터치 포인트의 상기 상대적인 위치를 계산하도록 형성되는, 터치 감응성 스크린 장치.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 처리 수단은 탑 스크린의 열화(deterioration) 때문에 상기 감지된 빛 세기 신호의 경로에서 다이나믹 레인지(dynamic range)의 손실을 보상하도록 형성되는, 터치 감응성 스크린 장치.
  16. 삭제
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