KR20130133307A - 내부전반사를 이용한 광학 터치 스크린 - Google Patents

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앤더스 얀슨
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Abstract

하나 이상의 물체에 의한 터치를 위해 노출되어 있는 상부 표면을 갖는 광 투과성 물질의 층, 상기 상부 표면 아래에 위치하는 복수의 발광기, 광에 들어갈 때, 상부 표면을 터치하는 어떠한 물체에 의해서도 광 빔이 흡수되지 않는 경우 광 빔이 층에 들어갈 때 내부전반사에 의해 층에 가둬지도록 하는 각도로 발광기에 의해 발산되는 광 빔을 층 내로 지향시키기 위한 제 1 렌즈 조립체, 광 빔을 검출하고 검출된 광량을 나타내는 출력을 생성하기 위한 복수의 광 검출기, 층의 표면에서 광 빔을 광 검출기를 향해 지향시키기 위한 제 2 렌즈 조립체, 및 광 검출기의 출력을 기초로 하여, 상부 표면을 터치하는 하나 이상의 물체의 각각의 하나 이상의 위치를 결정하기 위한 계산 유닛을 포함하는 터치 스크린.

Description

내부전반사를 이용한 광학 터치 스크린{OPTICAL TOUCH SCREEN USING TOTAL INTERNAL REFLECTION}
본 발명의 분야는 광 기반 터치 스크린(light-based touch screen)이다.
오늘날의 많은 소비자 전자 장치가 손가락 또는 스타일러스 터치 사용자 입력과 함께 사용될 수 있는 터치 감응성 스크린과 함께 구현된다. 이들 장치의 범위는 소형 스크린 장치, 가령, 모바일 전화기 및 차량 엔터테인먼트 시스템에서, 중형 스크린 장치, 가령, 노트북 컴퓨터까지, 그리고 대형 스크린 장치, 가령, 공항의 체크-인 스테이션까지이다.
대부분의 종래의 터치 스크린 시스템은 저항성 또는 정전용량성 층을 기반으로 한다. 이러한 시스템은 쉽게 확장 가능하지 않기 때문에, 모두를 아우르는 해결책을 제시하기에 충분히 다용도가 아니다.
종래 기술의 터치 스크린 시스템이 도시되어 있는 도 1이 참조된다. 이러한 시스템은 LCD 디플레이 표면(606), LCD 표면 상에 배치되는 저항성 또는 요량성 오버레이(801), 및 상기 오버레이로 연결되며 오버레이로부터의 입력을 유의미한 신호로 변환하는 제어기 집적 회로(IC)(701)를 포함한다. 호스트 장치(도시되지 않음), 가령 컴퓨터는 제어기 IC(701)로부터 신호를 수신하고, 장치 드라이버 또는 이러한 그 밖의 다른 프로그램이 상기 신호를 해석하여 터치-기반 입력, 가령 키 누름 또는 스크롤 움직임을 검출할 수 있다.
종래 기술의 저항성 터치 스크린이 도시되어 있는 도 2가 참조된다. 도 2에 얇은 공간에 의해 분리된 전도성 및 저항성 층(802)이 도시되어 있다. PET 필름(803)이 상부 회로 층(top circuit layer)(804)를 덮고, 상기 상부 회로 층은 전도성 코팅(806)을 덮는다. 마찬가지로, 스페이서 도트(808)를 갖는 전도성 코팅(807)이 하부 회로 층(bottom circuit layer)(805)을 덮고, 상기 하부 회로 층은 유리 층(607)을 덮는다. 포인터(900), 가령, 손가락 또는 스타일러스가 스크린을 터치할 때, 저항성 층들과 접촉이 발생하여 스위치를 폐쇄한다. 제어기(701)는 층들 간 전류를 결정해 터치 포인트의 위치를 추론할 수 있다.
저항성 터치 스크린의 이점은 낮은 비용, 낮은 전력 소비량, 및 스타일러스 지원이다.
저항성 터치 스크린의 단점은 오버레이의 결과로서, 스크린이 완전히 투명하지 않다는 것이다. 또 다른 단점은 터치 검출을 위해 입력이 필요하다는 것인데, 즉, 충분한 압력 없이 스크린을 터치하는 포인터는 검출되지 않는다는 것이다. 따라서 저항성 터치 스크린은 손가락 터치를 잘 검출하는 스크린은 아니다. 또 다른 단점은 저항성 터치 스크린은 직사광에서 판독될 수 없는 것이 일반적이라는 것이다. 또 다른 단점은 저항성 터치 스크린은 스크래치에 민감하다는 것이다. 또 다른 단점은 저항성 터치 스크린이 둘 이상의 포인터가 스크린을 동시에 터치(이른바, "다중-터치(multi-touch)")하고 있음을 알아차리지 못한다는 것이다.
종래의 표면 정전용량성 터치 스크린의 종래 기술이 도시되어 있눈 도 3이 참조된다. 도 3에 코팅된 유리 기판(810)을 덮는 터치 표면(809)이 도시되어 있다. 유리의 2개의 단면(facet)이 균일한 전도성 인듐 틴 옥사이드(ITO)(812)로 코팅된다. 덧붙여, 실리콘 다이옥사이드 하드 코팅(813)이 ITO 코팅 층(812) 중 하나의 층의 전면 상에 코팅된다. 전극(814)이 전류를 발생시키기 위해 유리의 4개의 모서리에 부착된다. 포인터(900), 가령, 손가락 또는 스타일러스가 스크린을 터치하고, 접촉점으로 소량의 전류가 흐른다. 그 후 제어기(701)가 4개의 전극을 통과하는 전류의 비율을 기초로 터치 포인트의 위치를 결정한다.
표면 정전용량성 터치 스크린의 이점은 손가락 터치 지원과 오래 가는 표면(durable surface)이다.
표면 정전용량성 터치 스크린의 단점은 오버레이의 결과로서, 스크린이 완전히 투명하지는 않다는 것이다. 또 다른 단점은 제한된 동작 온도 범위이다. 또 다른 단점은 터치 스크린의 정전용량성 속성으로 인한 포인터 움직임의 제한된 캡처 속도(capture speed)이다. 또 다른 단점은 표면 정전용량성 터치 스크린이 무선 주파수(RF) 간섭 및 전자기(EM) 간섭에 취약하다는 것이다. 또 다른 단점은 터치 위치 결정의 정확도가 커패시턴스(capacitance)에 따라 달라진다는 것이다. 또 다른 단점은 표면 정전용량성 터치 스크린이 장갑과 함께 사용될 수 없다는 것이다. 또 다른 단점은 표면 정전용량성 터치 스크린은 넓은 스크린 경계부를 필요로 한다는 것이다. 따라서, 표면 정전용량성 터치 스크린은 소형 스크린 장치와 함께 사용될 수 없다. 또 다른 단점은 표면 정전용량성 터치 스크린이 다중-터치를 구별할 수 없다는 것이다.
종래 기술의 투영 정전용량성 터치 스크린(projected capacitive touch screen)이 도시된 도 4가 참조된다. 도 4에서, 복수의 수평(x-축) 및 수직(y-축) 전극을 형성하는 ITO 층(815)이 도시된다. 에칭된 층(815)은 외부 하드 코팅 층(816 및 817), x-축 전극 전극 패턴(818), y-축 전극 패턴(819), 및 ITO 유리(820)를 중앙에 포함한다. AC 신호(702)는 하나의 축 상에서 전극을 구동시키고, 또 다른 축 상의 전극을 통한 스크린 루프 백을 통해 응답한다. 스크린을 터치하는 포인터(900)의 위치가 수평 전극과 수직 전극 사이의 신호 레벨 변화(703)를 기초로 결정된다.
투영 정전용량성 터치 스크린의 이점은 손가락 다중-터치 검출과 오래 가는 표면이다.
투영 정전용량성 터치 스크린의 단점은 오버레이의 결과로서, 스크린이 완전히 투명한 것은 아니라는 것이다. 또 다른 단점은 그들의 높은 비용이다. 또 다른 단점은 제한된 동작 온도 범위이다. 또 다른 단점은 제한된 동작 온도 범위이다. 또 다른 단점은 터치 스크린의 정전용량성 속성으로 인한 제한된 캡처 속도이다. 또 다른 단점은 제한된 스크린 크기, 일반적으로, 5" 미만인 스크린 크기이다. 또 다른 단점은 표면 정전용량성 터치 스크린이 RF 간섭과 EM 간섭에 취약하다는 것이다. 또 다른 단점은 터치 위치 결정의 정확도가 커패시턴스에 따라 달라진다는 것이다.
종래의 광학 터치 스크린이 스크린의 하나의 가장자리로부터 스크린 표면을 가로질러 광 검출기(photo detector)가 중단되지 않는 빔을 검출하는 곳까지 광 빔을 투영시킨다. 스크린 상에 위치하는 물체가 투영된 광 빔들 중 하나 이상을 차단하고 광 검출기들 중 일부가 예상 광을 검출하지 않을 때 터치가 검출된다.
종래의 광학 터치 스크린의 단점은 광을 스크린을 가로질러 투영시키기 위해 광학 터치 스크린은 스크린 둘레에 돌출된 베젤(raised bezel)을 요구한다는 것이다. 이 요구사항은 장치의 가장자리가 스크린 표면과 동일 높이인 완전히 평면인 상부 표면을 필요로 하는 일부 제품 디자인과 양립할 수 없다.
종래의 광학 터치 스크린의 또 다른 단점은 "고스팅(ghosting)"이라고 알려진 아티팩트(artifact)이다. 고스팅은, 포인터, 가령 손가락이 광 빔을 완전히 차단할 때 그리고 차단된 빔의 그림자 내부에서 발생하는 두 번째 포인터가 검출되지 않게 될 때, 상기 두 번째 포인터가 검출기에 도달하는 광량에 영향을 미치지 않기 때문에, 발생된다.
따라서 앞서 기재된 종래의 저항성 및 정전용량성 터치 스크린의 단점을 극복하고, 동일 높이 디자인(flush device design)을 가능하게 하고, 단일 빔의 경로에서 복수의 물체를 검출할 수 있는 터치 스크린을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 양태는 디스플레이를 덮는 고체 또는 액체 층을 통과해, 디스플레이 위에서 상기 디스플레이를 가로지르는 광 빔을 포함하는 광 기반 터치 스크린을 제공하며, 이로써, 스크린을 동시에 터치하는 둘 이상의 포인터의 위치가 모호하지 않게 추론될 수 있다.
따라서 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 컴퓨팅 장치용 터치 스크린이 제공되며, 상기 터치 스크린은 하우징과, 상기 하우징에 장착되며, 상기 하우징의 외부로부터의 하나 이상의 물체에 의해 터치되도록 노출된 상부 표면을 갖는 광 투과성 물질의 층과, 광 빔을 발산시키기 위해 상부 표면 아래에서 상기 하우징에 장착된 복수의 발광기와, 상기 광 빔이 층에 들어갈 때 상기 상부 표면을 터치하는 어떠한 물체에 의해서도 광 빔이 흡수되지 않는 경우 상기 층의 상부 표면과 하부 표면에서의 내부전반사에 의해 상기 층에 가둬지도록 하는 각도로 발광기에 의해 발산된 광 빔을 상기 층 내부로 지향시키기 위한 제 1 렌즈 조립체와, 광 빔을 검출하고 검출된 광량을 나타내는 출력을 생성하기 위해 상기 상부 표면 아래에서 상기 하우징에 장착되는 복수의 광 검출기와, 상기 층의 표면에서의 광 빔을 상기 복수의 광 검출기 중 하나 이상 쪽으로 지향시키기 위한 제 2 렌즈 조립체와, 상기 하우징에 장착되고 수광기로 연결되며, 광 검출기의 출력을 기초로 하여, 상기 상부 표면을 터치하는 하나 이상의 물체의 각각의 하나 이상의 위치를 결정하기 위한 계산 유닛을 포함하고, 상기 층에서의 광 빔은, 물체와 접촉하게 될 때 상부 표면에서 부분적으로 흡수된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 컴퓨팅 장치용 터치 스크린이 추가로 제공되는데, 상기 터치 스크린은 하우징과, 상기 하우징에 장착되며, 상기 하우징의 외부로부터의 하나 이상의 물체에 의한 터치를 위해 노출된 상부 표면을 포함하는 광 투과성 물질의 층과, 광 빔을 발산하기 위해 상기 상부 표면 아래에 상기 하우징에 장착되는 복수의 발광기와, 상기 광 빔이 상기 층에 들어갈때, 상기 층의 상부 표면과 하부 표면에서의 내부전반사에 의해 상기 층에 가둬지도록 하는 각도로 상기 발광기에 의해 발산되는 광 빔을 상기 층 내부로 지향시키기 위한 상기 하우징에 장착되는 제 1 렌즈 조립체와, 광 빔을 검출하고 검출된 광량을 나타내는 출력을 생성하기 위해 상기 상부 표면 아래에서 상기 하우징에 장착되는 복수의 광 검출기와, 상기 층의 표면에서의 광 빔을 상기 복수의 광 검출기 중 하나 이상 쪽으로 지향시키기 위한 상기 하우징에 장착된 제 2 렌즈 조립체와, 광 검출기의 출력을 기초로 하여, 상기 상부 표면을 터치하는 하나 이상의 물체의 각각의 하나 이상의 위치를 결정하기 위해 상기 하우징에 장착되고 상기 수광기로 연결되는 계산 유닛을 포함하며, 상기 층 내 광 빔은 물체와 접촉할 때 상기 상부 표면에서 상기 층 내부로 후방 산란되어, 상기 제 2 렌즈 조립체가 상기 광 빔을 산란되지 않을 때보다 더 많은 광 검출기에게 지향시키도록 한다.
본 발명은 도면을 참조하여 이하의 구체적인 내용으로부터 더 완전하게 이해될 것이다.
도 1은 종래의 터치 스크린 시스템의 종래 기술 도시이다.
도 2는 종래의 저항성 터치 스크린의 종래 기술 도시이다.
도 3은 종래의 표면 정전용량성 터치 스크린의 종래 기술 도시이다.
도 4는 종래의 투영 정전용량성 터치 스크린의 종래 기술 도시이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 터치 스크린 검출 채널의 단순화된 도시이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 터치 스크린 시스템에서 스크린 축을 따라 배향되는 광 빔의 단순화된 도시이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 터치 스크린 시스템에서의 부채형으로 스크린을 가로지르는 광 빔 확산의 단순화된 도시이다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 원형 또는 아크형 검출 구역을 생성하는 스크린 가장자리를 따라 분포되는 결합된 전송기-수신기 요소의 단순화된 도시이다.
도 9는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 서로 가까이 위치설정되는 복수의 발광기를 포함하는 터치 스크린의 일부분의 도시이며, 여기서, 광 섬유 도광체에 의해 광이 제 1 스크린 가장자리를 따르는 위치로 안내된다.
도 10은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 16개의 발광기와 16개의 수광기를 갖는 터치 스크린의 다이어그램이다.
도 11-13은 도 10의 터치 스크린의 다이어그램으로서, 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 스크린을 동시에 터치하는 2개의 포인터의 검출을 보여준다.
도 14 및 15는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 2개의 손가락 글라이드(glide) 움직임을 검출하는 터치 스크린의 다이어그램이다.
도 16은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 도 10의 터치 스크린의 회로도이다.
도 17은 본 발명의 하나의 실시에에 따르는, 광 기반 터치 스크린 시스템의 단순화된 다이어그램이다.
도 18은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 도 17의 터치 스크린 시스템의 단순화된 단면도이다.
도 19는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린 시스템이 스크린을 터치하는 손가락 끝의 정확한 위치를 결정할 수 있게 하는 발광기, 수광기, 및 광학 요소의 배열을 단순화하여 도시한다.
도 20은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린 시스템이 스타일러스 등의 센서 요소보다 작은 포인터를 검출할 수 있게 하는 발광기, 수광기, 및 광학 요소의 배열을 단순화하여 도시한다.
도 21은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광역 광 빔이 스크린을 덮는 터치 스크린의 단순화된 다이어그램이다.
도 22는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 시준 렌즈의 단순화된 도시이다.
도 23은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 수광기와 협업하는 시준 렌즈의 단순화된 도시이다.
도 24는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 발광기를 대면하는 마이크로-렌즈의 표면을 갖는 시준 렌즈의 단순화된 도시이다.
도 25는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 수광기를 대면하는 마이크로-렌즈의 표면을 갖는 시준 렌즈의 단순화된 도시이다.
도 26은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 광역 빔 터치 스크린을 갖는 전자 장치의 단순화된 도시이다.
도 27은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 도 26의 전자 장치의 다이어그램으로서, 2개의 수광기에 의해 검출되는 하나의 발광기로부터의 겹치는 광 빔을 도시한다.
도 28은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 도 26의 전자 장치의 다이어그램으로서, 하나의 수광기에 의해 검출되는 2개의 발광기로부터의 겹치는 광 빔을 도시한다.
도 29는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 도 26의 전자 장치의 다이어그램으로서, 적어도 2개의 발광기-수광기 쌍에 의해 스크린 상의 포인트가 검출되는 것이 도시된다.
도 30은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 광역 빔 터치 스크린의 단순화된 도시로서, 광 신호의 광도 분포를 도시한다.
도 31은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 광역 빔 터치 스크린의 단순화된 도시로서, 2개의 발광기로부터의 겹치는 광 신호의 광도 분포를 도시한다.
도 32는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 광역 빔 터치 스크린의 단순화된 다이어그램으로서, 하나의 발광기로부터의 겹치는 광 신호의 2개의 세트의 광도 분포를 도시한다.
도 33은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 마이크로-렌즈 패턴을 갖지 않는 발광기 및 수광기를 갖는 광역 빔 터치 스크린의 단순화된 다이어그램이다.
도 34 및 35는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 마이크로-렌즈 패턴을 갖는 발광기 및 수광기 렌즈를 갖는 광역 빔 터치 스크린의 단순화된 다이어그램이다.
도 36은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 마이크로-렌즈 패턴을 갖지 않는 발광기 및 수광기 렌즈를 갖는 광역 빔 터치 스크린의 단순화된 다이어그램이다.
도 37은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 마이크로-렌즈 패턴을 갖는 발광기 및 수광기 렌즈를 갖는 광역 빔 터치 스크린의 단순화된 다이어그램이다.
도 38은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 마이크로-렌즈 패턴을 일체 구성으로서 갖는 렌즈를 포함하는 2개의 발광기의 단순화된 다이어그램이다.
도 39는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 마이크로-렌즈 패턴을 일체 구성으로서 갖는 렌즈를 포함하는 2개의 수광기의 단순화된 다이어그램이다.
도 40은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 디스플레이 및 외부 케이스를 갖는 전자 장치의 맥락에서, 단일 유닛 도광체의 측면 도시의 단순화된 다이어그램이다.
도 41은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 표면 상의 인가된 깃털 패턴을 갖는 렌즈의, 서로 다른 2개의 각도에서 본, 단순화된 측면 도시이다.
도 42는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 광역 빔 터치 스크린의 일부분의 단순화된 다이어그램이다.
도 43은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 렌즈에 에칭되는 마이크로-렌즈로 들어가고 빠져 나오는 광 빔의 단순화된 다이어그램의 부감도이다.
도 44는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 디스플레이 및 외부 케이스를 갖는 장치의 맥락에서, 이중-유닛 도광체의 측방도의 단순화된 도시이다.
도 45는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, PCB 및 외부 케이스를 갖는 장치의 맥락 내에서, 도광체 유닛의 그림이다.
도 46은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 도 45의 도광체 유닛의 상부 도시이다.
도 47은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 손가락 터치를 검출하기 위한 광 기반 터치 스크린을 위한 이동 정렬(shift align)된 발광기 및 검출기의 단순화된 다이어그램이다.
도 48은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 도 47의 스크린 상에서의 손가락 터치 검출의 단순화된 도시이다.
도 49는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 전자 장치 내 도광체의 측방 단면의 단순화된 도시이다.
도 50은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 전자 장치의 일부분 및 광 빔을 접기 위한 적어도 2개의 활성 표면을 갖는 도광체의 상부 부분의 측방 단면의 단순화된 도시이다.
도 51은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 디스플레이를 덮는 보호성 유리의 일체형 부분으로서 형성되는 투명 광학 터치 도광체의 섹션의 단순화된 도시이다.
도 52는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 스크린의 가장자리를 감추기 위해 적합한 도 50의 전자 장치 및 도광체의 단순화된 도시이다.
도 53은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 대향하는 발광기로부터 디스플레이 위까지 뻗어 있는 단일 유닛인 도광체의 단순화된 다이어그램이다.
도 54는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 이중-유닛 도광체의 단순화된 다이어그램이다.
도 55는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 사용자가 잡는 터치 스크린 장치의 단순화된 다이어그램이다.
도 56은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 광역 광 빔이 스크린을 덮는 터치 스크린의 단순화된 다이어그램이다.
도 57-59는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 장치의 맥락에서, 도광체의 측방도, 부감도, 및 저면도이다.
도 60은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 발광기 및 수광기에 의해 감싸지는 터치 스크린의 단순화된 도시이다.
도 61은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 3개의 각도로 도시된, 반사성 단면의 파동치는 다각 패턴을 갖는 광학 요소의 단순화된 도시이다.
도 62는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 2개의 이웃하는 발광기로부터의 광을 반사, 시준, 및 인터리브하는 광학 요소의 단순화된 도시이다.
도 63은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 다중-단면 광학 요소의 단순화된 다이어그램이다.
도 64는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 9개의 단면에 대한 광 분포에 영향을 미치는 다양한 반사성 단면 파라미터를 도시하는 단순화된 그래프이다.
도 65는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 스크린을 횡단하는 광역 광 빔을 갖는 터치 스크린의 단순화된 도시이다.
도 66은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 스크린을 횡단하는 2개의 광역 광 빔을 갖는 터치 스크린의 단순화된 도시이다.
도 67은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 스크린을 횡단하는 3개의 광역 광 빔을 갖는 터치 스크린의 단순화된 도시이다.
도 68은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 터치 스크린에서의 광역 빔의 광 분포의 단순화된 그래프이다.
도 69는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 손가락이 스크린을 가로질러 이동할 때 3개의 광역 빔으로부터의 검출 신호의 단순화된 도시이다.
도 70 내지 72는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린에서 겹치는 광역 빔의 광 분포의 단순화된 그래프이다.
도 73은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 3개의 서로 다른 위치에서 손가락 끝이 스크린을 가로질러 이동할 때 광역 빔으로부터의 검출 신호의 단순화된 그래프이다.
도 74는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 4개의 광학 요소 및 4개의 이웃하는 발광기의 단순화된 다이어그램이다.
도 75는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 하나의 공통 경로를 따르는 2개의 발광기로부터 광을 지향시키는 회절성 표면의 단순화된 다이어그램이다.
도 76은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 교대하는 발광기와 수광기로 둘러싸인 터치 스크린의 단순화된 다이어그램이다.
도 77은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 교대하는 발광기 및 수광기로 둘러싸이는 터치 스크린, 그리고 상기 스크린을 횡단하는 광역 빔을 단순화하여 도시한다.
도 78은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 교대하는 발광기 및 수광기로 둘러싸이는 터치 스크린, 그리고 상기 스크린을 횡단하는 2개의 광역 빔을 단순화하여 도시한다.
도 79는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 교대하는 발광기 및 수광기로 둘러싸이는 터치 스크린, 그리고 상기 스크린을 횡단하는 3개의 광역 빔을 단순화하여 도시한다.
도 80은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 발광기 및 이웃하는 수광기에 대해 광을 반사시키고 인터리브하는 시준 광학 요소의 단순화된 도시이다.
도 81 내지 84는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 발광기의 제 1 배향에서 모호한 다중-터치 위치를 도시한다.
도 85-87은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 발광기의 제 2 배향에서 명확화된 도 81 내지 83의 다중-터치 위치를 도시한다.
도 88은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 광 빔이 4개의 축을 따라 지향되는 터치 스크린의 단순화된 도시이다.
도 89는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 2개의 격자 배향을 갖는 발광기 및 수광기의 교대하는 구성의 단순화된 도시이다.
도 90은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 교대하는 발광기 및 수광기의 구성의 단순화된 도시이다.
도 91은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 하나의 발광기로부터의 2개의 광역 광 빔이 2개의 수광기에 의해 검출되는 것의 단순화된 도시이다.
도 92는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 2개의 광역 빔 및 이들 간 겹치는 영역의 단순화된 도시이다.
도 93은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 광 빔을 검출하는 가장자리에 위치하는 터치 포인트의 단순화된 도시이다.
도 94는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 손가락 터치 검출을 위해 설계된 스크린에서의 손가락 크기의 터치 포인트의 단순화된 도시이다.
도 95는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 디스플레이 스크린의 2개의 가장자리를 따르는 수광기로 광을 지향시키는 디스플레이 스크린의 하나의 가장자리를 따르는 발광기를 단순화하여 도시한다.
도 96 및 97은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 실질적으로 평면인 2면 및 3면 오목 공동의 반복되는 패턴이 있는 렌즈 표면을 갖는, 3개의 방향으로 광을 굴절시키기 위한 렌즈의 단순화된 도시이다.
도 98-100은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 교대하는 발광기와 수광기로 둘러싸인 터치 스크린, 그리고 스크린을 횡단하는 대각 광역 빔의 단순화된 도시이다.
도 101은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 터치 스크린에서의 대각 광역 빔에 걸쳐 있는 광 분포의 단순화된 그래프이다.
도 102는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 터치 스크린에서 겹치는 3개의 대각 광역 빔에 걸친 광 분포의 단순화된 그래프이다.
도 103은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 터치 스크린에서 서로 겹치는 3개의 대각 광역 빔에 걸친 손가락 글라이드가 있을 때의 터치 검출의 단순화된 그래프이다.
도 104는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 3개의 서로 다른 위치에서 손가락이 스크린을 가로질러 이동할 때 대각 광역 빔으로부터의 검출 신호의 단순화된 그래프이다.
도 105는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 교대하는 발광기 및 수광기에 의해 둘러싸이는 터치 스크린에 대한 제 1 실시예의 단순화된 도시로서, 이로써, 스크린을 횡단하는 대각 및 직교 광역 빔이 하나의 수광기에 의해 검출된다 .
도 106은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 교대하는 발광기 및 수광기로 둘러싸인 터치 스크린에 대한 제 2 실시예의 단순화된 도시로서, 이로써, 스크린을 횡단하는 대각 및 직교 광역 빔이 하나의 수광기에 의해 검출된다.
도 107는 스타일러스를 이용해 종래 기술의 터치 스크린 상에 기입하는 사용자를 단순화하여 도시한다.
도 108은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 사용자의 손바닥을 터치 스크린에 기댈 때 스타일러스의 위치를 검출하는 광 빔의 단순화된 도시이다.
도 109는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 터치 스크린을 둘러싸는 프레임의 단순화된 도시이다.
도 110은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 터치 스크린의 모서리에 대한 발광기, 수광기, 및 광학 요소의 제 1 실시예의 단순화된 도시이다.
도 111은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 터치 스크린의 모서리에 대한 발광기, 수광기, 및 광학 요소의 제 2 실시예의 단순화된 도시이다.
도 112는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 적외선 광에 투명한 플라스틱 물질로 반들어진 광학 구성요소를 도시한다.
도 113은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 도광체를 갖는 터치 스크린의 측방도를 단순화하여 도시한다.
도 114는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 각각의 측부 상의 3개의 광학 구성요소의 블록을 갖는 터치 스크린의 도시이다.
도 115는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 도 114의 발광기 블록들 중 하나의 확대도이다.
도 116은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 커버 유리를 갖는 터치 스크린 조립체의 단순화된 도시이다.
도 117은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 커버 유리를 갖는 스크린 조립체에서 내부 반사된 광을 산란시키는 터치의 단순화된 도시이다.
도 118은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 커버 유리를 갖는 스크린 조립체에서 내부 반사된 광을 흡수하는 터치 물체의 단순화된 도시이다.
도 119는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 커버 유리를 갖는 터치 스크린 조립체의 단순화된 도시이다.
도 120은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 도 119의 터치 스크린 조립체에서 광 빔 경로의 단순화된 도시이다.
도 121는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 커버 유리를 갖는 터치 스크린 조립체의 단순화된 도시이다.
도 122는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 2개의 대각 터치 포인트를 검출하는 발광기 및 수광기의 단순화된 도시이다.
도 123은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 3개의 터치 포인트를 검출하느 발광기 및 수광기의 단순화된 도시이다.
도 124는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 커버 유리를 갖는 터치 스크린 조립체의 단순화된 도시이다.
도 125는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 복수의 터치 검출 신호를 명확화하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 126은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 커버 유리를 갖는 터치 스크린 조립체의 단순화된 도시이다.
도 127은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 터치 스크린을 도시하며, 상기 터치 스크린은 광을 스크린 위로 지향시키기 위한 스크린의 제 1 가장자리를 따르는 얇고 긴 도광체와, 지향된 광을 검출하고 지향된 광 값을 계산 유닛으로 통신하기 위한 상기 스크린의 대향하는 가장자리에 배열된 수광기의 어레이를 가진다.
도 128은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 스크린 위로 광 빔을 지향시키기 위한 스크린의 제 1 가장자리를 따르는 발광기의 어레이와 지향된 광 빔을 수신하고 상기 빔을 도광체의 두 단부 모두에 위치하는 수광기로 추가로 지향시키기 위한 얇고 긴 도광체를 가진다.
도 129는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 2개의 발광기를 도시하며, 각각의 발광기는 얇고 긴 도광체의 각각의 단부로 연결된다.
도 130 내지 133은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 센 누름(hard press)의 출현을 검출하는 터치 스크린을 도시한다.
도 134 및 135는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 압력이 고정-장착되는 7-인치 LCD 스크린으로 가해질 때, 검출되는 광의 증가를 도시하는 막대 차트이다.
도 136 및 137는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린 시스템에서의 발광기 및 수광기 렌즈의 대향하는 줄을 도시한다.
도 138은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 터치 스크린 시스템에서의 복수의 발광기-수광기 쌍에 의해 터치 위치를 검출하기 위한 기법의 단순화된 도시이다.
도 139는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 도 136 및 137의 구성을 위한 도광체 프레임의 도시이다.
도 140은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 광 기반 스크린을 위한 터치 검출을 위한 방법의 단순화된 흐름도이다.
도 141 내지 143은 사용자가 스크린 상에 2개의 손가락을 위치시키고, 하나의 축을 중심으로 이들 손가락을 회전하는 회전 제스처를 도시한다.
도 144-147은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린의 다양한 위치에서의 터치 이벤트를 도시한다.
도 148-151은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 도 144-147에서 도시된 터치 이벤트 동안의 광 포화의 각각의 막대 차트이다.
도 152는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 동시 발생하는 대각 방향의 대향하는 터치들을 결정하기 위한 방법의 단순화된 흐름도이다.
도 153은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 시계 방향 제스처와 반-시계 방향 제스처를 구별하기 위한 방법의 단순화된 흐름도이다.
도 154는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 기반 터치 스크린을 위한 교정 및 터치 검출을 위한 방법의 단순화된 흐름도이다.
도 155는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치에 의해 생성되는 신호와 기계적 효과에 의해 생성되는 신호 간의 차이를 보여준다.
도 156은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 기반 터치 스크린을 교정할 때, 펄스 강도를 설정하기 위한 제어 회로의 단순화된 다이어그램이다.
도 157은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 기반 터치 스크린을 교정하기 위한, 최소 전류 내지 최대 전류의 펄스 강도에 대한 교정 펄스의 도표이다.
도 158은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 기반 터치 스크린을 교정하기 위한, 단순화된 펄스 다이어그램 및 이에 대응하는 출력 신호 그래프이다.
도 159는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 발광기 또는 수광기 같은 구성요소를 인쇄 회로 기판 상에 위치설정하는 것의 정확도를 증가시키기 위해 모세관 효과가 사용되는 방식을 도시한다.
도 160은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 열처리 오븐을 통과한 후의 도 159의 인쇄 회로 기판을 도시한다.
도 161은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 기반 터치 스크린 및 이를 위한 ASIC 제어기의 단순화된 도시이다.
도 162는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 기반 터치 스크린의 제어기에 대한 칩 패키지의 회로도이다.
도 163은 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 도 162의 칩 패키지로의 연결을 위한, 각각의 줄에 4개 또는 5개의 광 발광기를 갖는 6개의 광 발광기 줄에 대한 회로도이다.
도 164는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 발광기 및 수광기에 의해 둘러싸이는 터치 스크린의 단순화된 도시이다.
도 165는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 2개의 제어기를 포함하도록 구성된 터치 스크린을 도시하는 단순화된 적용도이다.
도 166은 종래의 칩 vs. 본 발명의 전용 제어기를 이용한 스캔 시퀀스 성능을 비교하는 그래프이다.
도 167은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 발광기 및 수광기의 이동 정렬(shift-align)된 배열을 갖는 터치 스크린의 단순화된 도시이다.
도 168은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 각각의 스크린 가장자리를 따르는 교대하는 발광기 및 수광기를 갖는 터치 스크린의 단순화된 다이어그램이다.
도 169는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 표면의 상부 상에 유연한 압축 층을 갖는 터치 표면의 단순화된 도시이다.
도 170은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 도 169의 터치 표면의 확대도이다.
도 171은 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 도 169의 터치 표면의 유연한 압축성 층을 눌러 상기 층에 임프레션을 생성하는 물체의 단순화된 도시이다.
도 172는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 표면의 상부 상에 유연한 압축성 층을 갖는 대안적 터치 표면의 단순화된 도시이다.
도 173은 도 172의 터치 표면의 유연한 압축성 층을 눌러 상기 층에 임프레션을 생성하는 물체의 단순화된 도시이다.
도 174는 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 표면의 상부 상에 유연한 압축성 층을 갖는 또 다른 대안적 터치 표면의 대안적 도시이다.
도면을 참조하기 위해, 다음의 요소 인덱스 및 이들의 도면부호가 제공된다. 100번대로 번호 매겨진 요소들은 일반적으로 광 빔과 관련되고, 200번대로 번호 매겨진 요소들은 일반적으로 광원과 관련되며, 300번대로 번호 매겨진 요소들은 일반적으로 수광기와 관련되며, 400번대 및 500번대로 번호 매겨진 요소들은 일반적으로 도광체와 관련되며, 600번대로 번호 매겨진 요소들은 일반적으로 디스플레이와 관련되며, 700번대로 번호 매겨진 요소들은 일반적으로 회로 요소와 관련되며, 800번대로 번호 매겨진 요소들은 일반적으로 전자 장치와 관련되며, 900번대로 번호 매겨진 요소들은 일반적으로 사용자 인터페이스와 관련된다. 1000번대로 번호 매겨진 요소들은 흐름도의 동작이다.
유사하게 번호 매겨진 요소들은 동일한 유형의 요소들을 나타내지만, 반드시 동일한 요소인 것은 아니다.
Figure pct00001

Figure pct00002

Figure pct00003

Figure pct00004

Figure pct00005

Figure pct00006

Figure pct00007
본 발명의 양태는 광 기반 터치 스크린(light-based touch screen)과 관련된다.
설명의 편의를 위해, 본 명세서 전체에 걸쳐, 용어 "터치 스크린(touch screen)"은 전자 디스플레이를 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 터치 감응성 표면을 지칭하는 일반적인 용어로서 사용된다. 따라서, 본원에서 사용될 때 용어 "터치 스크린"은 많은 랩톱 컴퓨터, 및 핸드헬드 전자 장치의 커버에 포함된 마우스 터치패드 등등을 포함한다. 용어 "광학 터치 스크린"은 광 기반 터치 스크린을 지칭하는 일반적인 용어로서 사용되며, 검출된 광도가 예상된 광도(light intensity)보다 높거나 낮을 수 있는 경우, 예상 광도와 검출 광도 간의 차이를 기반으로 터치를 검출하는 스크린을 포함한다.
설명의 간결함을 위해, 본 명세서 전체에 걸쳐, 용어 "발광기(emitter)"는 발광 요소(light emitting element), 가령, 발광 다이오드(LED), 및 광을 렌즈 또는 반사체(reflector)로 출력하는 광섬유 또는 관형 도광체의 출력 단부를 지칭하는 일반적인 용어로서 사용되며, 상기 렌즈나 반사체는 광을 디스플레이 표면에 걸쳐 지향시킨다. 용어 "수광기(receiver)"는 광 검출 요소, 가령, 광 다이오드(photo diode)(PD), 및 디스플레이 표면을 가로 질러 온 광 빔을 수광하고 이들을 광 검출 용소 또는 이미지 센서 쪽으로 지향시키는 광섬유 또는 관형 도광체의 입력 단부를 지칭하는 일반적인 용어로서 사용되며, 상기 이미지 센서의 예로는 전하 결합 장치(CCD: charge coupled device) 또는 상보적 금속 옥사이드 반도체(CMOS: complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서가 있다.
터치 검출의 일반적인 원리는 물체, 가령, 손가락이 스크린 상에 위치할 때 전송기와 수광기 사이의 광의 결합이 변경된다는 것이다. 신호가 어떻게 변경됐는지와 어느 전송기 및 수광기가 영향받았는지를 결정함으로써 손가락의 위치가 계산된다. 한 번에 하나씩 전송기를 펄스화함으로써, 어느 전송기가 특정 수광기에게 광을 전송했는지가 결정된다. 터치 검출을 위해 필요한 정보는 손기락이 스크린을 터치하는 중인지 여부를 나타내는 신호와, 터치가 위치하는 곳을 나타내는 신호이다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라 터치 스크린 검출 채널이 단순화되어 도시된 도 5가 참조된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 송신기와 각각의 수신기 사이에 신호를 전달하기 위한 채널이 존재한다. 채널 신호는 터치가 존재, 즉, 채널을 통과하지 않는지 여부를 나타낸다. 아래에서 설명된 바와 같이, 복수의 터치가 동시에 발생할 때, 신호들은 또한 채널 내 터치의 횟수도 인코딩한다. 이 경우를 일반적으로 "다중-터치"라고 지칭한다. 다음의 두 가지 유형의 채널이 존재한다.
A. 손가락이 송신기와 수신기 사이의 신호를 활성화시키는 채널,
B. 손가락이 송신기와 수신기 사이의 신호를 차단하는 채널
채널 A의 경우, 거의 0인 로우 신호(low signal)가 터치 없음을 나타내고, 하이 신호(high signal)가 터치 있음을 나타낸다. 채널 A는 채널 당 둘 이상의 터치를 검출하는 채널 A'으로 확장한다. 채널 A'의 경우, 하이 신호 값이 터치의 개수에 대응하는 여러 다른 레벨에서 나타나고, 여기서 채널에 추가되는 터치 각각이 한 단계씩 신호를 증가시킨다.
채널 B의 경우, 하이 신호가 터치 없음을 나타내고, 0에 가까운 로우 신호가 터치를 나타낸다. 채널 B는 신호 값을 복수의 범위 또는 단계로 나누는 채널 B'로 확장된다. 채널 내 추가되는 터치 각각이 한 단계씩 신호를 감소시킨다.
도 6-8은 스크린을 덮는 검출 채널의 서로 다른 배향을 도시한다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 터치 스크린 시스템에서 스크린 축을 따라 배향되는 광 빔을 단순화시켜 도시되어 있다. 도 6은 스크린(635)의 폭을 따르는 검출 채널(100)을 도시한다. 각각의 채널은 스크린(635)의 하나의 가장자리에 위치하는 발광기(200)에서 시작해 스크린(635)의 대향하는 가장자리에 위치하는 각각의 수광기(300)에서 끝난다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라 터치 스크린 시스템에서 광 빔이 부채형으로 스크린을 가로질러 확산되는 것이 단순화하여 도시된 도 7이 참조된다. 도 7은 스크린에 걸쳐 부채형으로 확산되는 검출 채널(100)을 도시한다. 모든 채널은 스크린의 하나의 모서리 내 하나의 단일 발광기(200)에서 시작하고, 각각의 채널은 스크린의 대향하는 가장자리에 위치하는 각자의 수광기(300)에서 끝난다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 원 또는 아크형 검출 구역을 생성하는 스크린 가장자리를 따라 분포된 결합형 전송기-수광기 요소를 단순하게 도시하는 도 8이 참조된다. 도 8(a)는 스크린(635) 상의 원형 구역(194-196)으로서 검출 채널을 도시한다. 광의 아크(arc)(194-196)를 발산하고 광의 아크에 삽입되는 물체의 반사를 검출하는 발광기-수광기 요소(231-233)에 의해 각각의 검출 채널은 생성된다. 검출이 도 8(b)에 도시되며, 여기서 아크(194)에 삽입되는 물체(900)가 광 빔(197)을 발광기-수광기 요소(231)로 다시 되돌려 반사시킨다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 서로 가까이 배치되는 복수의 발광기(201-203)를 포함하는 터치 스크린의 일부분이 도시된 도 9가 참조되며, 여기서, 광은 광섬유 도광체(401)에 의해 제 1 스크린 가장자리를 따르는 위치로 유도(guide)된다. 또한 터치 스크린의 일부분은 복수의 수광기(301-305)를 포함하고, 이때, 광은 광섬유 도광체(402)에 의해, 제 2 스크린 가장자리를 따르는 위치로부터 상기 복수의 수광기로 유도된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광 기반 터치 스크린은 터치 스크린 또는 터치 표면을 둘러싸는 둘레부를 따라 배열되는 하나 이상의 발광기(가령, 적외선 또는 근적외선 발광 다이오드(LED))와 복수의 수광기(가령, 광 다이오드(PD))를 포함한다. 상기 발광기는 스크린 표면에 실질적으로 평행하게 광을 투영하고, 이 광은 수광기에 의해 검출된다.
일부 실시예에서, 투영된 광이 스크린 표면 위 공중으로 송신된다. 스크린의 일부분 위에 위치하는 포인터, 가령, 손가락이나 스타일러스(stylus)가 광 빔의 일부를 차단하고, 이에 따라 수광기들 중 일부가 낮아진 광도를 검출한다. 다른 실시예에서, 투영되는 광이 스크린 표명 위의 광학 투명 층(optically transmissive layer)을 통해 송신된다. 투영되는 광은 내부 전반사로 인해 층을 빠져나가지 않으면서 스크린을 횡단한다. 이 층을 터치하는 포인터, 가령, 손가락이나 스타일러스가 광 빔 중 일부를 흡수 및/또는 산란시키며, 따라서 수광기들 중 일부가 낮아진 광도를 검출한다.
이들 실시예 각각에서, 발광기 및 수광기의 위치의 지오메트리, 및 검출되는 광도가 포인터의 스크린 좌표를 결정한다. 발광기와 수광기는 제어기에 의한 선택적 활성 및 비-활성화를 위해 제어된다. 일반적으로 각각의 발광기와 수광기는 I/O 커넥터를 가지며, 어느 발광기 및 수광기가 활성화되는지를 특정하도록 신호가 송신된다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 복수의 발광기가 장방형 스크린의 2개의 인접한 측부들을 따라 배열되고, 복수의 수광기가 나머지 2개의 인접하는 측부들을 따라 배열된다. 이와 관련해, 본 발명의 하나의 실시예에 따라 16개의 발광기(200) 및 16개의 수광기(300)를 갖는 터치 스크린(800)의 다이어그램이 도시된 도 10이 참조된다. 발광기(200)는 터치 스크린의 상부를 가로질러 적외선 또는 근적외선 광 빔을 발사하고, 상기 적외선 또는 근적외선 광 빔은 각각의 발광기(200)에 바로 대향하는 각각의 대응하는 수광기(300)에 의해 검출된다. 포인터가 터치 스크린(800)을 터치할 때, 상기 포인터는 빔의 일부분을 가로막거나, 앞서 기재된 바와 같이, 빔의 일부분을 흡수 및/또는 산란시킴으로써, 수광기(300) 중 일부에 도달하는 광량을 감소시킨다. 수광기 출력으로부터, 어느 광 빔이 포인터에 의해 차단 또는 감소되었는지를 식별함으로써, 포인터의 위치가 결정될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 스크린을 동시에 터치하는 2개의 포인터(901 및 902)의 검출을 도시하는 도 10의 터치 스크린(800)의 다이어그램인 도 11-13이 참조된다. 둘 이상의 포인터가 스크린을 동시에 터치할 때, 이는 "다중-터치(multi-touch)"라고 일컬어진다. 스크린을 터치하는 포인터(901 및 902)는 광이 수광기(300) 중 일부에 도달하지 못하게 막는다. 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 포인터가 차단하는 적외선 빔의 교차되는 선으로부터 포인터(901 및 902)의 위치가 결정된다. 이와 달리, 종래 기술의 저항(resistance) 기반 및 커패시컨스 기반 터치 스크린은 다중-터치를 검출할 수 없는 것이 일반적이다.
둘 이상의 포인터가 스크린(800)을 공통 수평 또는 수직 축을 따라 동시에 터치할 때, 포인터의 위치는 차단되는 수광기(300)에 의해 결정된다. 도 11의 포인터(901 및 902)는 공통 수직 축을 따라 정렬되고 터치 스크린(800)의 하단 가장자리를 따르는 실질적으로 동일한 수광기(300), 즉, a, b, c 및 d로 마킹된 수광기를 차단한다. 터치 스크린(800)의 왼쪽 가장자리를 따라, 수광기(300)의 2개의 서로 다른 세트가 차단된다. 포인터(901)는 e 및 f로 마킹된 수광기를 차단하고, 포인터(902)는 g 및 h로 마킹된 수광기를 차단한다. 따라서 2개의 포인터는 2개의 장소에 위치한다고 결정된다. 포인터(901)는 수광기(a-d)로부터 차단된 광 빔과 수광기(e 및 f)로부터 차단된 광 빔의 교차점에 위치하는 스크린 좌표를 갖고, 포인터(902)는 수광기(a-d)로부터 차단된 광 빔과 수광기(g 및 h)로부터 차단된 광 빔의 교차점에 위치하는 스크린 좌표를 가진다.
도 12 및 13에 도시된 포인터(901 및 902)는 공통의 수평 또는 수직 축을 따라 정렬되지 않고, 서로 다른 수평 위치 및 서로 다른 수직 위치를 가진다. 차단된 수광기(a-h)로부터, 포인터(901 및 902)가 서로 대각선 방향으로 대향하고 있음이 결정된다. 포인터들은 도 8에 도시된 것처럼, 터치 스크린(800)의 상단 우측과 하단 좌측을 각각 터치하고 있거나, 도 13에 도시된 것처럼, 터치 스크린(800)의 하단 우측과 상단 좌측을 각각 터치하고 있다.
내부 전반사를 이용하는 광 기반 터치 스크린의 경우, 산란된 광으로 인한 광 검출량의 증가를 분석함으로써, 도 12와 13의 구별이 해결된다. 이 분석은 도 122를 참조할 때 이하에서 상세히 기재된다.
대각선으로 배향된 다중-터치의 위치를 결정하는 것이 발광기와 수광기의 이동 정렬(shift-align)된 배열과 4개의 축을 따라 지향되는 광 빔을 참조하여 이하에서 더 설명될 것이다. 모호한 다중-터치를 해결하는 추가 방법이 이하에서 언급될 ASIC 제어기에 의해 활성화되는 고속 스캔 주파수(fast scan frequency)를 참조하여 기재된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르는 2-손가락 글라이드 움직임(glide movement)을 검출하는 터치 스크린(800)의 다이어그램인 도 14 및 15가 참조된다. 도 14 및 15에 도시된 2-손가락 글라이드 움직임은 포인터(901 및 902)가 서로 가까워지는 대각선 핀치(pinch) 제스처이다. 차단된 수광기(300)의 변경으로부터 글라이드의 방향이 결정된다. 도 14 및 18에서 나타난 것처럼, 차단된 수광기가 a 및 b에서 더 오른쪽에 있는 수광기(300)로 변경되고, c 및 d에서 더 왼쪽에 있는 수광기로 변경되고 있다. 마찬가지로, 차단된 수광기가 e 및 f에서 더 아래쪽에 있는 수광기(300)로 변경되고, g 및 h에서 더 위쪽에 있는 수광기(300)로 변경되고 있다. 반대 방향으로의 2-손가락 글라이드의 경우, 즉, 포인터(901 및 902)를 서로 멀어지게 하는 확산이나 역방향 핀치(reverse-pinch) 제스처의 경우, 차단된 수광기가 반대 방향으로 변한다.
포인터(901 및 902)가 공통의 수직 또는 수평 축을 따라 정렬될 때, 2-손가락 글라이드 패턴을 식별함에 있어 모호함이 전혀 없다. 포인터(901 및 902)가 공통 수직 또는 수평 축으로 정렬되지 않을 때, 도 14 및 15에서 도시된 것처럼 글라이드 패턴을 식별함에 있어 모호함이 존재할 수 있다. 이러한 모호함이 있을 때, 도 12 및 13을 참조하여 본원에서 기재된 바와 같이, 산란된 광으로 인한 광 검출의 증가를 분석함으로써 도 14와 도 15의 구별이 해결되며, 이는 도 122를 참조하여 이하에서 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르는 도 10의 터치 스크린(800)의 회로도인 도 16이 참조된다. 발광기와 수광기가 제어기(도시되지 않음)에 의해 제어된다. 상기 발광기는 스위치 A로부터의 각자의 신호(LEDOO-LED15)를 수신하고, 전류 제한기(current limiter) B를 통과하는 VROW 및 VCOL로부터 전류를 수신한다. 수광기는 시프트 레지스터(730)로부터 각각의 신호(PDOO-PD15)를 수신한다. 수광기 출력이 신호(PDROW 및 PDCOL)를 통해 제어기로 전송된다. 스위치 A와 전류 제한기 B에 대한 제어기의 동작은 2009년02월15일에 출원된 동 출원인의 미국 출원 12/371,609호(현, 미국 특허 8,339,379호) 발명의 명칭 "LIGHT-BASED TOUCH SCREEN"에 기재되어 있고, 상기 특허의 내용은 본원에 참조로서 포함된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 시프트 레지스터(720)로 2진 문자열을 전송하는 제 1 직렬 인터페이스를 통해 발광기가 제어된다. 2진 문자열(binary string)의 각각의 비트가 발광기 하나씩에 대응하고, 대응하는 발광기를 활성화 또는 비활성화시키는 것을 나타내는데, 여기서 비트 값 "1"은 활성화를 나타내고, 비트 값 "0"이 비활성화를 나타낸다. 시프트 레지스터(720) 내 비트 문자열을 시프트시킴으로써, 연속적인 발광기가 활성화 및 비활성화된다.
마찬가지로, 2진 문자열을 시프트 레지스터(730)에게 전송하는 제 2 직렬 인터페이스에 의해 수광기가 제어된다. 시프트 레지스터(730) 내 비트 문자열을 시프트시킴으로써 연속적인 수광기가 활성화 및 비활성화된다. 시프트 레지스터(720 및 730)의 동작이 앞서 참조된 미국 출원 번호 12/371,609에 기재된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르는 광 기반 터치 스크린 시스템의 단순화된 다이어그램인 도 17이 참조된다. 발광기(200)에 의해 발산되는 광의 제 1 부분이 디스플레이를 덮는 커버 유리 위의 공중을 통해 지향된다. 발광기(200)에 의해 발산되는 광의 제 2 부분이 커버 유리 내로 지향된다. 광의 제 2 부분이 내부 전반사에 의해 유도된다. 작은 적외선 투과 프레임(407)이 디스플레이를 둘러싸서, 광 빔의 제 1 부분을 스크린의 대향하는 측부 상에 배치되는 발광기(200)와 수광기 사이로 반사시킨다. 포인터, 가령, 손가락이나 스타일러스가 특정 영역(905)에서 커버 유리를 터치할 때, 발광기(200)에 의해 발생되는 하나 이상의 광 빔이 가로막힌다; 구체적으로, 빔의 제 1 부분이 손가락에 의해 차단되고 빔의 제 2 부분이 손가락에 의해 적어도 부분적으로 흡수된다. 가로막힌 광 빔이 수광기들 중 하나 이상에 의해 수신되는 광의 대응하는 감소에 의해 검출되며, 이는 포인터의 위치를 결정하는 데 사용된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르는 도 17의 터치 스크린 시스템의 단순화된 단면도인 도 18이 참조된다. 도 18에 LCD 디스플레이(635), 커버 유리(646), 및 이의 둘러싸는 적외선 투과 프레임(407)의 섹션 A-A의 단면도가 도시된다. 단면도는 프레임(407) 내 절단부(cut-out)(408)에 의해 반사되고 디스플레이 표면 위에서 실질적으로 평행으로 지향되는 광(100)을 발산하는 발광기(200)를 보여준다. 또한 단면도는 디스플레이 표면을 가로질러 커버 유리(646) 내부에서 반사되는 발산된 광(103)을 보여준다. 손가락(900)이 커버 유리(646)에 접근함에 따라, 발광기에 의해 발산되고 터치 근방 위치 위로 지향되는 광의 일부(101)가 손가락에 의해 차단되고, 광의 일부(102)가 손가락 끝과 커버 유리 사이를 통과한다. 손가락이 커버 유리에 가까이 가져가 질 때 검출되는 광의 감소는 실질적으로 선형이다. 광(103)의 내부 반사된 부분은 접근하는 손가락에 의해 영향받지 않는다. 손가락(900)이 디스플레이 표면을 터치할 때, 발광기에 의해 발산되고 터치 위치 위의 공중을 통해 지향되는 모든 광, 가령, 빔(101) 및 빔(102)이 손가락(900)에 의해 차단된다. 이에 덧붙여, 내부 반사되는 광(103)의 상당한 부분이 손가락에 의해 흡수 및/또는 산란되어, 손가락이 커버 유리를 터치할 때 검출된 광량의 급격한 하락이 야기된다. 이는 접촉이 처음 이뤄졌을 때에 대한 표시를 제공한다.
터치 스크린 시스템 구성 1
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린 시스템이 손가락 끝이 스크린을 터치하고 있는 정확한 위치를 결정할 수 있게 해주는 발광기, 수광기, 및 광학 요소의 배열의 단순화된 도시인 도 19가 참조된다. 도 19에 거울 또는 광학 렌즈(400), 발광기(200), 넓게 반사된 광 빔(wide reflected light beam)(105), 포인터(900) 및 수광기(300)가 도시된다. 거울 또는 광학 렌즈(400)가 제 2 거울 또는 광학 렌즈에 의해 수광기(300) 상으로 포커싱되는 광역 광 빔(wide light beam)을 생성한다. 포인터가 광역 빔의 일부분을 차단할 때 광역 빔에 의해 수광기(300)에서 검출되는 광량의 아날로그 변화를 감지하는 것이 가능하다. 일부 실시예에서, 거울 또는 광학 렌즈(400)가 광의 폭(105)을 따라 대략적으로 균일한 강도로 광을 분포시킨다. 따라서 손가락 끝이 광역 빔(105)을 가로질러 통과할 때, 증가하는 양의 빔을 차단하고 차단된 광량은 빔의 차단된 부분의 폭에 선형으로 비례한다. 손가락 끝은 각각의 광역 빔보다 약간 넓어서, 적어도 2개의 인접한 광역 빔에 의해 손가락 끝이 검출된다. 인접한 빔들에서 검출 신호를 보간(interpolate)함으로써 손가락의 정교한 위치가 결정된다. 광역 빔(105)이 스크린(800) 위의 공중을 통해 지향되는 시스템에서, 도 19의 포인터(900)는 광역 빔(105)의 일부분만 차단한다. 스크린(800) 위에 배치되는 커버 유리를 통한 내부 전반사에 의해 빔(105)이 지향되는 시스템에서, 포인터(900)가 커버 유리를 터치할 때 광역 빔(105)의 일부분을 흡수 및/또는 산란시킨다. 손가락 끝의 정교한 검출을 가능하게 하는 것에 추가로, 또한 광역 빔은 발광기를 서로 멀게 장착하는 것, 그리고 수광기들을 서로 멀게 장착하는 것을 가능하게 한다. 결과적으로, 이는 더 적은 발광기와 더 적은 수광기를 필요로 함으로써 물질의 비용을 감소시킨다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린 시스템이 센서 요소보다 작은 포인터, 가령, 스타일러스 등등을 검출할 수 있게 하는 발광기, 수광기, 및 광학 요소의 배열의 단순화된 도시인 도 20이 참조된다. 도 20에 거울 또는 광학 렌즈(400), 발광기(200), 광역 반사되는 광 빔(105), 포인터(900) 및 수광기(300)가 도시된다. 거울 또는 광학 렌즈(400)는 제 2 거울 또는 광학 렌즈에 의해 수광기(300)로 포커싱되는 광역 광 빔을 생성한다. 빔이 디스플레이 위의 공중을 통해 이동할 때 포인터(900)가 빔 경로를 직접적으로 차단함으로써, 또는 빔이 내부 전반사에 의해 커버 유리를 통해 유도될 때 빔의 일부분을 흡수함으로써, 광역 빔의 일부분을 차단할 때, 광역 빔에 의해 수광기(300)에서 검출되는 광량의 아날로그 변화의 감지가 가능해진다. 구성 6을 참조하여 커버 유리를 이용한 흡수에 대한 상세한 설명이 이하에서 제공된다. 도 20에서 나타난 바와 같이 포인터(900)는 광역 빔(105)의 일부분만 차단하고, 포인터(900)의 끝부분에 의해 차단되는 빔(106)으로 지시된다. 일부 실시예에서, 거울 또는 광학 렌즈(400)가 빔(105)의 폭을 따라, 가장자리의 약한 신호가 중앙에서 최대 강도가 되도록 선형으로 증가하는 계조도 강도로 광을 분포시킨다. 따라서 스타일러스가 광역 빔을 가로질러 통과함에 따라, 서로 다른 양의 빔을 차단하고, 차단된 광량은 빔의 폭 내 스타일러스의 위치에 따라 달라진다. 이러한 실시예는 도 30 및 31을 참조하여 이하에서 기재되고, 하나의 축을 따르는 2개의 발광기-수광기 쌍으로부터의 빔들이 겹치고, 스타일러스에 대한 2개의 검출 신호를 제공한다. 이는 스타일러스가 빔의 오른쪽 절반 내에 위치하는지 또는 왼쪽 절반 내에 위치하는지의 결정을 가능하게 한다. 또한 광역 빔은 발광기들을 서로 멀게 장착시키고 수광기들을 서로 멀게 장착시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 이는 더 적은 발광기와 더 적은 수광기를 필요로 함으로써 재료 비용을 감소시킨다.
광역 빔이 아닌 경우, 일반적으로, 검출되지 않는 빔들 사이의 공간이 존재하며, 이는 사용자가 미세 포인트 스타일러스(fine-point stylus)로 빔을 가로질러 드래그(drag)하는 것과 사용자가 미세 포인트 스타일러스로 서로 다른 빔을 탭(tap)하는 것을 구별할 수 없게 만든다. 덧붙이자면, 넓게 이격된 좁은 빔들의 경우, 포인터 터치가 좁은 빔을 가로지르도록 매우 정교해야 한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광역 광 빔이 스크린을 덮는 터치 스크린의 단순화된 다이어그램인 도 21이 참조된다. 광역 빔을 이용하는 터치 스크린 시스템이 2010년 03월 24일자 출원인의 가특허 출원 번호 61/317,255, 발명의 명칭 "OPTICAL TOUCH SCREEN WITH WIDE BEAM TRANSMITTERS AND RECEIVERS"에 기재되어 있고, 상기 특허 출원의 내용은 본원에 참조로서 포함된다.
도 21에 도시된 발광기와 수광기는 비교적 넓게 떨어져 이격되어 있다. 일반적으로, 발광기는 동시에 활성화되지 않는다. 대신, 이들은 하나씩 차례로 활성화되고, 이들의 광 빔의 커버리지 영역들은 실질적으로 연결되어 있다.
도 21은 터치 스크린 또는 터치 표면(800)을 갖는 터치 시스템의 평면도(top view)와 측면도(side view)를 도시한다. 상기 터치 시스템은 표면이 디스플레이 스크린을 포함하는지 여부와 무관하게 표면에 터치 감응성 기능부를 제공한다. 덧붙여, 물리적 표면이 필요하지 않고, 광 빔이 공중을 통해 투영될 수 있으며, 광 빔을 단절시키는 공중에서 포인터의 위치가 검출될 수 있다. 대안적 실시예에서, 내부 전반사에 의해 광을 유도하기 위해 커버 유리가 사용되고, 터치가 내부 반사된 광의 일부분을 흡수한다. 커버 유리를 이용한 흡수는 구성 6을 참조하여 이하에서 상세히 기재된다.
도 21에 발광기(200), 반사체(437 및 438), 및 계산 유닛(770)과 연결된 수광기(300)가 도시된다. 발광기(200) 및 수광기(300)가 스크린(800) 아래에 배치된다. 발광기(200)는 스크린(800) 아래에서 반사체(437)로 광의 아크(arc)(142)를 투영한다. 발광기(200)와 반사체(437) 간의 거리는 아크가 반사체(437)에서 광역 빔으로 확산되기에 충분하다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 발광기(200)와 반사체(437) 간 거리는 광역 빔의 폭, 요구되는 터치 분해능(touch resolution), 발광기 특성 및 광학 반사체 특성 등의 요인에 따라 달라지는 약 4㎜, 10㎜, 20㎜, 또는 그 이상일 수 있다.
반사체(437)가 광을 스크린 표면의 스워쓰(swath)를 가로지르는 광역 빔(144)으로서 시준(collimate)한다. 앞서 설명한 것처럼, 손가락 터치를 위한 시스템의 경우, 빔의 폭에 걸쳐 광을 균일하게 분포시키는 것이 바람직하고, 반면에, 스타일러스 터치를 위한 시스템의 경우, 빔의 폭에 걸쳐 여러 다른 광도로 광을 분포시키는 것이 바람직하다. 그럼에도, 빔의 폭을 따라 여러 다른 광도로 광을 분포시키는 시스템은, 빔에 걸친 광도 분포가 알려진 경우, 차단된 빔의 일부분을 기초로 하여 손가락 터치의 위치를 정교하게 결정할 수 있다. 광역 빔(144)이 반사체(438)에 도달하며, 상기 반사체(438)는 (ⅰ) 광 빔을 스크린(800) 아래로 재-지향(redirect)시키고, (ⅱ) 광역 빔(144)을 좁혀 아크(143)를 만든다. 이에 따라, 광역 빔(144)이 스크린(800)의 표면 아래에서 수광기(300)들 중 하나의 표면을 커버한다. 수광기(300) 각각에 의해 검출되는 광도는 계산 유닛(770)으로 전달된다.
도 21의 구성은 광역 광 빔이 전체 스크린 표면을 덮어서, 스크린 상 어디에서든 터치 감응성 기능을 가능하게 한다는 이점을 가진다. 추가로, 비교적 적은 발광기와 수광기 구성요소가 필요하기 때문에 터치 스크린에 대한 재료 비용이 감소한다.
터치 스크린 시스템 구성 2
구성 2-6은 터치 위치를 정교하게 식별하기 위해 복수의 발광기-수광기 쌍(emitter-receiver pair)을 이용한다. 본원에 기재되는 일부 구성에서, 발광기와 수광기의 대향하는 열이 존재하고, 각각의 발광기는 각자의 수광기와 대향한다. 구성 2 및 3에서, 발광기는 수광기와 이동-정렬(shift-align)된다. 예를 들어, 각각의 발광기는 2개의 대향하는 수광기 사이의 중간점에 대향하여 배치될 수 있다. 대안적으로, 발광기 각각이 대향하는 수광기와 비축 정렬(off-axis align)될 수 있지만, 2개의 수광기 사이의 중간점과는 대향하지 않는다.
본 발명의 실시예는 2 종류의 시준 렌즈를 채용하는데, 즉, (ⅰ) 종래의 시준 렌즈, 및 (ⅱ) 복수의 광역 발산 빔(wide divergent beam)을 형성하기 위해 광을 굴절시키는 마이크로-렌즈의 표면과 연결된 시준 렌즈를 채용한다. 광원이 종래의 시준 렌즈의 초점에 위치할 때, 도 19-21 등에서 도시된 것처럼, 렌즈는 실질적으로 평행하는 빔들로 광을 출력한다. 광원이 종래의 시준 렌즈와 이의 초점 사이에 배치될 때, 도 27-30 등에서 도시된 것처럼, 렌즈는 광역 빔을 출력하고, 광역 빔의 외부 가장자리는 서로 평행하지 않는다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라 광 발광기와 협업하는 시준 렌즈의 단순화된 도시인 도 22가 참조된다. 도 22의 (A)에 광 빔(190)을 평면 투명 유리(524)를 투과시키는 광 발광기(200)가 도시되어 있다. 빔(190)은 유리에 의해 변경되지 않는다.
도 22의 (B)에 시준 렌즈(525)의 초점에 위치하는 발광기가 도시된다. 빔(190)이 렌즈(525)에 의해 시준된다.
도 22의 (C)에 시준 렌즈(525)와 렌즈의 초점 사이에 배치되는 발광기(200)가 도시된다. 빔(190)은 렌즈(525)에 의해 부분적으로 시준되는데, 즉, 출력되는 광역 빔들이 완전히 평행한 것은 아니다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 수광기와 협업하는 시준 렌즈의 단순화된 도시인 도 23이 참조된다. 도 23의 (A)에 평면 투명 유리(524)를 통해 투과되는 실질적으로 평행인 광 빔(191)이 도시된다. 빔(191)은 유리에 의해 변경되지 않는다.
도 23의 (B)에 시준 렌즈(525)의 초점에 배치되는 수광기(300)가 도시된다. 빔(191)은 시준 렌즈(525)에 의해 수광기(300) 상으로 굴절된다.
또한 도 23의 (C)에 시준 렌즈(525)와 렌즈의 초점 사이에 배치되는 수광기(300)가 도시된다. 빔(191)이 렌즈(525)에 의해 시준되지만, 수광기(300)가 렌즈 초점에 있지 않기 때문에, 빔은 이를 커버하지 않는다.
발광기 또는 수광기 반대 방향을 바라보는, 마이크로-렌즈의 외부 표면과 연결된 시준 렌즈가 광을 2개의 스테이지로 전송한다. 종래의 시준 렌즈에서처럼, 광이 렌즈의 몸체를 통과할 때, 광 빔이 시준된다. 그러나 도 34, 35 및 37-39 등등에서 나타나는 것처럼 광이 마이크로-렌즈의 표면을 통과할 때, 광이 복수의 광역 발산 빔으로 굴절된다. 도 38 및 39에서, 시준 렌즈(439 및 440)가 마이크로-렌즈 표면(444)을 갖는 것으로 도시된다. 도 38에서, 시준 렌즈(439 및 440)의 초점 거리 내에 광 발광기(201 및 202)가 배치되고, 발광기로부터의 광역 광 빔이 렌즈(439 및 440)로 들어가는 것처럼 보인다. 종래의 시준 렌즈처럼, 광은 렌즈를 통과할 때 시준된다. 시준된 광이 마이크로-렌즈 표면(444)을 통과할 때, 복수의 광역 발산 빔으로 굴절되고, 상기 발산 빔 중 3개가 도 38에 도시된다. 도 39에서, 광 수광기(301 및 302)가 시준 렌즈의 초점 거리 내에 배치되고, 광 빔이 마이크로-렌즈 표면(444)을 통해 렌즈(439 및 440)로 들어가는 것처럼 보인다. 들어오는 빔이 렌즈 몸체 배부에서 광역 발산 빔으로 굴절된다. 굴절된 빔은 빔을 광 수광기(301 및 302)로 집광시키는 렌즈(439 및 440)의 시준 부분에 의해 지향된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 발광기를 바라보는 마이크로-렌즈의 표면을 갖는 시준 렌즈의 단순화된 도시인 도 24가 참조된다. 도 24의 (A)는 발광기(200)를 바라보는 표면 상에 에칭되는 마이크로-렌즈를 갖는 평면 유리(526)를 도시한다. 광 빔(190)은 다양한 각도로 유리(526)로 들어간다. 각각의 입구점(entry point)에서, 마이크로-렌즈가 들어오는 빔을 광역 아크(192)로 굴절시킨다. 라인(183)이 빔이 유리(526)로 접근하는 각도에 따라, 각각의 아크의 중심이 서로 다른 방향으로 배향되는 방식을 나타낸다.
도 24의 (B)는 발광기(200)를 바라보는 표면 상에 에칭된 마이크로-렌즈를 갖는 시준 렌즈(527)를 도시한다. 마이크로-렌즈 없이 렌즈의 초점이 결정되고, 발광기(200)는 상기 초점에 배치된다. 광 빔(190)은 다양한 각도로 시준 렌즈(527)로 들어온다. 각각의 입구점에서, 마이크로-렌즈가 들어오는 빔을 광역 아크(192)로 굴절시킨다. 라인(184)은 빔이 시준 렌즈(527)로 접근하는 각도와 무관하게, 각각의 아크의 중심이 동일한 방향으로 배향되는 방식을 도시한다. 이러한 유형의 렌즈는 평행한 빔이 아닌 광의 아크를 출력하기 때문에 "다중-방향 시준 렌즈(multi-directional collimating lens)"로 일컬어지지만, 모든 아크가 실질적으로 균일하게 지향된다.
도 24의 (C)는 동일한 시준 렌즈(527)를 도시하지만, 이때 발광기(200)는 렌즈와 초점 사이에 배치된다. 라인(185)으로 나타내어지는 바와 같이, 출력된 아크(192)가 (A)의 아크와 (B)의 아크 사이로 지향되도록 배향된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 수광기를 바라보는 마이크로-렌즈의 표면을 갖는 시준 렌즈의 단순화된 도시인 도 25가 참조된다. 도 25의 (A)는 수광기(300)를 바라보는 표면 상에 에칭되는 마이크로-렌즈를 갖는 평면 유리(526)를 도시한다. 광 빔(191)은 평행하는 빔으로서 유리(526)로 들어가는 것처럼 보인다. 각각의 출구점(exit point)에서, 마이크로-렌즈는 빔을 광역 아크(192)로 굴절시킨다. 라인(186)은 각각의 아크의 중앙이 동일한 방향으로 배향되는 방식으르 도시한다. 상기 아크는 수광기(300)를 커버하지 않는다.
도 25의 (B)는 수광기(300)를 바라보는 표면 상에 에칭되는 마이크로-렌즈를 갖는 다-방향 시준 렌즈(527)를 도시한다. 렌즈의 초점이, 마이크로-렌즈 없이 결정되고, 수광기(300)가 상기 초점에 배치된다. 광 빔(191)은 실질적으로 평행하는 빔들로서 렌즈(527)로 들어간다. 각각의 출구점에서, 마이크로-렌즈는 들어오는 빔을 광역 아크(192)로 굴절시킨다. 라인(187)은 각각의 아크의 중심이 수광기(300)를 향해 배향되는 방식을 도시한다.
도 25의 (C)는 동일한 렌즈(527)를 도시하지만, 이때 수광기(300)가 렌즈와 초점 사이에 배치된다.
본 명세서에서 사용될 때, "시준 렌즈(collimating lens)"라는 용어는 다-방향 시준 렌즈를 포함한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르는 광역-빔 터치 스크린을 갖는 전자 장치의 단순화된 다이어그램인 도 26이 참조된다. 도 26에 2개의 발광기(201 및 202) 및 3개의 수광기(301, 302 및 303)를 갖는 전자 장치(826)가 도시되고, 이때, 발광기와 수광기가 디스플레이(636)의 대향하는 가장자리를 따라 배치된다. 수광기(301, 302 및 303) 각각에서 검출된 광도가 계산 유닛(770)으로 전달된다. 발광기와 수광기 각각은 각각의 주 렌즈(primary lens)(441, 442, 443, 439 및 440)를 이용한다. 발광기와 수광기는 동일한 렌즈 배열을 이용해, 발광기에 의해 발산되고 발광기 렌즈에 의해 재-지향되는 광이 대향하는 렌즈에 의해 수광기 상으로 역-지향(reverse-direct)된다.
각각의 발광기로부터의 광 빔이 자신의 2개의 대향하는 수광기 렌즈를 덮는 것이 바람직하다. 이러한 조건은 각각의 발광기를 자신의 렌즈와 상기 렌즈의 초점 사이에 각각의 발광기를 배치시킴으로써, 달성된다. 따라서 발광기는 초점에 위치하지 않고, 그 결과로서, 발광기의 광은 렌즈에 의해 시준되는 대신 확산된다. 마찬가지로 각각의 수광기가 자신의 렌즈와 자신의 렌즈의 초점 사이에 배치된다.
도 26의 전자 장치(826)의 다이어그램인 도 27이 참조되며, 여기서 24개의 수광기에 의해 검출되는 하나의 발광기로부터의 겹치는 광 빔들이 도시된다. 도 27에 발광기(201)로부터의 2개의 광역 광 빔이 도시되며, 이들 중 하나의 광역 광 빔이 수광기(301)에서 검출되고, 다른 하나의 광역 광 빔은 수광기(302)에서 검출된다. 하나의 빔의 왼쪽 부분과 오른쪽 부분이 각각 (145 및 146)으로 표시되고, 다른 하나의 빔의 왼쪽 부분과 오른쪽 부분이 각각(147 및 148)로 표시된다. 도 27에서 빗금친 영역은 터치가 두 광역 빔 모두의 일부분을 차단한 디스플레이(636) 상의 영역을 가리킨다. 따라서 이 영역 내 터치는 2개의 발광기-수광기 쌍(즉, 201-301 및 201-302)에 의해 검출된다. 빔이 디스플레이 위의 공중을 통과할 때 빔 경로를 직접 차단함으로써, 또는 커버 유리를 통한 내부 전반사에 의해 유도되는 경우 빔의 일부분을 흡수함으로써 터치는 두 광역 빔 모두의 일부분을 차단한다. 커버 유리를 이용한 흡수가 구성 7을 참조하여 이하에서 상세히 기재된다.
도 26의 전자 장치(826)의 다이어그램인 도 28이 도시되고, 여기서 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 하나의 수광기에 의해 검출되는 2개의 발광기로부터의 겹치는 광 빔이 도시된다. 도 28에 광역 빔들이 도시되며, 하나는 발광기(201)로부터의 광역 빔이고, 다른 하나는 발광기(202)로부터의 광역 빔이며, 둘 모두 수광기(302)에서 검출된다. 하나의 빔의 왼쪽 부분과 오른쪽 부분은 각각 (145 및 146)으로 표시되고, 다른 하나의 빔의 왼쪽 부분과 오른쪽 부분은 각각 (147 및 148)으로 표시된다. 도 28의 빗금친 영역은 터치가 두 광역 빔 모두의 일부분을 차단하는 디스플레이(636) 상의 영역을 나타낸다. 따라서, 이 영역에서의 터치는 2개의 발광기-수광기 쌍(즉, 201-302 및 202-302)에 의해 검출된다.
지금부터 도 26의 전자 장치(826)의 다이어그램인 도 29가 참조되며, 여기서 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 적어도 2개의 발광기-수광기 쌍에 의해 스크린 상의 포인트들이 검출되는 것이 나타난다. 도 29는 도 27 및 28의 광역 빔을 도시하고, 디스플레이(636) 상의 빗금친 쐐기형 내에서의 터치가 적어도 2개의 발광기-수광기 쌍에 의해 검출되는 것을 도시한다. 2개의 발광기-수광기 쌍은 도 27에 도시된 것처럼 2개의 수광기 및 하나의 발광기이거나, 도 28에 도시된 것처럼 하나의 수광기 및 2개의 발광기이다. 더 구체적으로, 발광기 열(row) 가까이에서 발생한 터치는 전자에 의해 검출되고, 검출기 열 가까이에서 발생한 터치는 후자에 의해 검출되는 것이 일반적이다. 유사하게 배열된 발광기, 렌즈, 및 수광기로 스크린을 둘러쌈으로써, 2개의 발광기-수광기 쌍에 의해 임의의 점이 유사하게 검출될 수 있다.
광역 빔 터치 스크린의 단순화된 다이어그램인 도 30이 참조되고, 여기서, 본 발명의 하나의 실시예에 따라 광 신호의 광도 분포가 도시된다. 도 30에, 발광기(201)에 의해 발산되는 광역 각 광 빔이 도시된다. 상기 광 빔은 디스플레이(636)를 횡단하고 렌즈(441 및 442)를 실질적으로 포함한다. 상기 광은 수광기(301 및 302)에서 검출된다.
도 30에 검출된 광도의 그래프가 도시된다. 총 검출된 광은 그래프 아래의 빗금친 영역에 대응한다. 스크린을 터치하는 물체가 광의 일부분을 차단한다. 스크린을 터치하는 물체가 왼쪽에서 오른쪽으로 광역 빔을 가로지르는 경우, 물체가 빔의 왼쪽 가장자리에서 빔의 중앙으로 전진함에 따라, 차단되는 광량이 증가하고, 따라서 총 검출된 광이 감소한다. 마찬가지로, 물체가 빔의 중앙에서 빔의 오른쪽 가장자리로 전진함에 따라, 차단된 광량이 감소되고 이에 대응해 총 검출 광이 증가한다.
광 빔의 가장자리에서의 검출된 광도는 순 양의 값(strictly positive)이며, 따라서, 이들 가장자리에서의 터치가 검출됨이 보장된다.
광역-빔 터치 스크린의 단순화된 다이어그램인 도 31이 참조되며, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 2개의 발광기로부터의 겹치는 광 신호의 광도 분포를 보여준다. 도 31은 발광기(201 및 202)로부터 검출된 광을 도시한다. 디스플레이(636) 상의 터치 포인트(980)가 이들 발광기들로부터의 광을 서로 다르게 차단한다. 영역(973)은 터치 포인트(980)에 의한 발광기(201)로부터의 광의 감쇠를 나타내고, 영역(973 및 974)의 결합은 포인트(980)에 의한 발광기(202)로부터의 광의 감쇠에 대응한다. 2개의 발광기-수광기 쌍(201-302 및 202-302)의 광 감쇠를 비교함으로써, 정교한 터치 좌표가 결정된다.
광역-빔 터치 스크린의 단순화된 다이어그램인 도 32가 참조되고, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 하나의 발광기로부터의 겹치는 광 신호들의 2개의 세트의 광도 분포를 도시한다. 도 32에서 도시된 바와 같이, 터치 포인트(980)는 발광기-수광기 쌍(201-301) 및 발광기-수광기 쌍(201-302)에 의해 검출되는 영역 내부에 있다. 영역(976)으로서 도시되는 수광기(302)에서의 광 신호의 감쇠는, 영역(975)으로서 도시되는 수광기(301)에서의 감쇠보다 크다. 2개의 발광기-수광기 쌍(201-301 및 201-302)에서의 광 감쇠를 비교함으로써, 정확한 터치 좌표가 결정된다.
터치 포인트(980)의 위치를 결정하는 것은 발광기가 위치하는 가장자리에 평행하는 축, 즉, x-축과, 상기 가장자리에 수직인 축, 즉, y-축을 따르는 위치를 결정하는 것을 필요로 한다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 대략적인 y-좌표가 먼저 결정되고, 그 후, 따라서 결정되는 y-좌표를 갖는 포인트에 대한 예상되는 감쇠 값과, 실제 감쇠 값을 기초로, 정확한 x-좌표가 결정된다. 그 후, 따라서 결정된 x-좌표가 정확한 y-좌표를 결정하기 위해 사용된다. 터치 포인트(980)가 이미 스크린을 정지 상태로 또는 움직이면서 터치하고 있는 경우, 터치 포인트의 이전 x 및 y 좌표가 다음 번 x 및 y 좌표에 대한 근사값으로서 사용된다. 대안적으로, 단 하나의 이전 좌표만 사용되어 제 1 후속 좌표를 계산하고, 이때 제 2 후속 좌표는 제 1 후속 좌표를 기초로 계산된다. 대안적으로, 이전 좌표가 사용되지 않는다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 마이크로-렌즈 패턴을 갖지 않는 발광기 및 수광기 렌즈를 갖는 광역-빔 터치 스크린의 단순화된 다이어그램인 도 33이 참조된다. 도 33에 디스플레이(636), 발광기(201 및 202), 대응하는 발광기 렌즈(439 및 440), 수광기(301, 302 및 303), 및 대응하는 수광기 렌즈(441, 442 및 443)을 갖는 전자 장치(826)가 도시된다. 각각의 발광기(201 및 202)로부터 2개의 광 빔(151 및 152)이 렌즈(442)의 외부 가장자리에 위치하는 포인트(977)에 도달한다. 빔(151 및 152)이 서로 다른 입사각으로 포인트(977)에 도달하기 때문에, 이들은 수광기(302)에서 수렴하지 않는다. 특히, 광 빔(152)은 수광기(302)에 도달하고, 광 빔(151)은 수광기(302)에 도달하지 않는다.
비-수렴(non-convergence)을 해결하기 위해, 렌즈의 표면을 따르는 많은 포인트에서 마이크로-렌즈의 미세 패턴이 수광기 렌즈와 일체 구성된다. 각각의 마이크로-렌즈에 도달하는 광의 일부분이 수광기에 도착하도록, 상기 마이크로-렌즈는 들어오는 광을 분포시킨다. 이와 관련하여, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 마이크로-렌즈 패턴을 갖는 발광기 및 검출기 렌즈를 갖는 광역-빔 터치 스크린의 단순화된 다이어그램인 도 34 및 35가 참조된다. 도 34는 위치(977)에서의 마이크로-렌즈에 의해 들어오는 빔(151)이 각도 θ에 걸쳐 확산되고, 따라서 빔의 일부분이 수광기(302)에 도달하는 것이 보장되는 것이 도시된다. 도 35는 들어오는 빔(152)이 위치(977)에서의 동일한 마이크로-렌즈에 의해 각도 Ψ에 걸쳐 확산되며, 따라서 이 빔의 일부분 역시 수광기(302)에 도달하는 것이 보장되는 것이 도시된다. 각각의 수광기 렌즈에 따르는 많은 위치에서 마이크로-렌즈를 배열함으로써, 서로 다른 각도에서 위치로 들어오는 광 빔 모두 수광기에 의해 검출된다. 검출된 광도는 수광기와 연결되는 계산 유닛(770)으로 전달된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 마이크로-렌즈 패턴을 갖지 않는 발광기 및 수광기 렌즈를 갖는 광역-빔 터치 스크린의 단순화된 다이어그램인 도 36이 참조된다. 도 36에 디스플레이(636), 발광기(201 및 202), 이에 대응하는 발광기 렌즈(439 및 440), 수광기(301, 302 및 303), 및 이에 대응하는 수광기 렌즈(441, 442 및 443)를 포함하는 전자 장치(826)가 도시된다. 발광기(201)에 의해 발산되고 각각의 수광기(301 및 302)에 의해 검출되는 2개의 광 빔이 터치 포인트(980)의 정확한 위치를 결정하기 위해 희망된다. 그러나 마이크로-렌즈 패턴이 없는 렌즈(439)는 포인트(980)와 교차하는 빔을 수광기(301)로 굴절시킬 수 없다. 즉, 도 36을 참조하면, 도시된 것처럼, 렌즈(439)는 빔(153)을 굴절시킬 수 없다. (154)로 나타나는, 포인트(980)를 교차하는 빔만 검출된다.
이 검출 문제를 해결하기 위해, 마이크로-렌즈는 렌즈의 표면을 따르는 많은 포인트에서 발광기 렌즈와 일체 구성된다. 상기 마이크로-렌즈는, 광의 일부분이 원하는 수광기에 도달하도록 나가는 광(outgoing light)을 분포시킨다. 이와 관련해, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 마이크로-렌즈 패턴을 갖는 발광기 및 수광기 렌즈를 포함하는 광역 빔 터치 스크린의 단순화된 다이어그램인 도 37이 참조된다. 도 37은 마이크로-렌즈 위치(982)로부터 빠져 나오는 광의 일부분이 복수의 수광기에 도달하는 것을 도시한다. 따라서, 수광기(301 및 320)에 의해 포인트(980)에서의 터치가 검출된다. 도 36 및 37에서, 포인트(980)를 통과하는 빔이 서로 다른 위치(981 및 982)에서의 마이크로-렌즈에 의해 발생됨을 알 것이다. 도 36 및 37의 수광기에 의해 검출되는 광도 값이 계산 유닛(770)으로 전달된다.
따라서 발광기 및 수광기 렌즈와 일체 구성되는 마이크로-렌즈 패턴이 검출되는 많은 겹치는 광 빔을 생성한다. 터치 스크린 상의 각각의 포인트가 하나의 발광기 렌즈 상에 존재할 수 있는 복수의 마이크로-렌즈로부터의 복수의 광 빔에 의해 횡단된다. 상기 마이크로-렌즈에 의해 복수의 광 빔이 원하는 수광기에 도달함이 보장된다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 일체 구성되는 마이크로-렌즈 패턴(444)을 갖는 각자의 렌즈(439 및 440)를 갖는 2개의 발광기(201 및 202)의 단순화된 다이어그램인 도 38이 참조된다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 일체 구성된 마이크로-렌즈 패턴(444)을 갖는 각자 렌즈(439 및 440)를 갖는 수광기(301 및 302)의 단순화된 다이어그램인 도 39가 또한 참조된다.
구성 7을 참조하여 이하에서 설명되겠지만, 내부 전반사에 의해 광 빔이 커버 유리를 통해 스크린을 횡단하도록 유도될 때, 렌즈는 사용자에게 노출되지 않는다. 그러나 광 빔이 스크린 위의 공중을 통해 지향될 때, 렌즈의 최외부 표면이 사용자에게 보여지고, 가시적인 표면이 매끄럽게 나타나도록, 이들 노출된 표면 상에 마이크로-렌즈를 갖는 것이 덜 심미적일 수 있다. 덧붙여, 최외부 표면은 마이크로 렌즈의 성능을 저하시킬 수 있는 스크래치와 먼지 쌓임에 취약하다. 따라서 본 발명의 실시예에서, 도 40, 41 및 44에서 도시된 바와 같이 마이크로-렌즈는 사용자에게 노출되지 않는 표면 상에 일체 구성된다. 이들 렌즈가 공중 빔(through-air beam)에 대해 특히 이점을 갖지만, 내부 전반사에 의해 광 빔이 커버 유리를 통해 스크린을 횡단하도록 유도될 때, 도 40, 41 및 44에서 설명된 렌즈도 역시 커버 유리로 연결되고 사용될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 디스플레이 및 외부 케이스를 갖는 전자 장치의 맥락에서, 단일 유닛 도광체의 측면도의 단순화된 다이어그램인 도 40이 참조된다. 도 40에서, 디스플레이 스크린(637), 상기 스크린(637) 위의 외부 케이스(827), 및 상기 스크린(637) 아래의 발광기(200)를 갖는 전자 장치의 일부분의 단면도가 도시된다. 도광체(450)는 광 빔(100)을 수신하고 스크린(637) 위로 광 빔을 반사시켜, 상기 광 빔이 검출되도록 스크린(637)의 표면을 가로질러 이동하도록 한다. 도광체(450)는 스크린(637)의 표면 위로 광 빔(100)을 투영시키기 위한 내부 반사 표면(451 및 452)을 포함한다. 도광체(450)의 섹션(445)은, 광 빔(100)이 수신될 때, 상기 광 빔(100)을 시준하기 위한 주 렌즈로서 기능한다. 두껍게 표시된 발광기(200)를 대면하는 섹션(445)의 표면에 마이크로-렌즈의 패턴이 에칭된다. 따라서 상기 마이크로-렌즈는 사용자에게 보이지 않고, 손상이나 먼지로부터 보호된다.
섹션(445)의 표면은 발광기(200)로부터 들어오는 광 빔(100)을 산란시키기 위한 깃털 패턴을 가진다. 반사성 표면(451 및 452)이 광 빔(100)을 반사시킨다. 반사성 표면(451)은 오목형이고, 반사성 표면(452)은 들어오는 광 빔(100에 대해 45도 각도로 배향된 평면 반사체이다.
광 빔(100)이 평면 표면(453)을 통해 도광체(450)를 빠져 나간다. 표면(454)은 도광체(450)를 외부 케이스(827)로 연결하도록 기능한다. 표면(454)은 터치 시스템에 의해 사용되는 활성 광 빔의 평면 위에 위치하고, 심미적인 목적으로 기울어져 있다.
표면(452)의 반사 특성은 먼지가 표면(452) 상에 쌓이지 않을 것을 요구하며, 금속 또는 플라스틱으로 만들어질 수 있는 외부 케이스(827)가 표면(452)과 접촉하지 않을 것을 요구하는데, 그렇지 않을 경우, 표면(452)의 반사율이 손상될 수 있다. 따라서, 외부 케이스(827)가 표면(452) 위에 위치함으로써, 표면(452)을 먼지로부터 보호하고, 외부 케이스(827)는 표면(452)과 동일 높이가 아님으로써, 케이스 물질이 표면(452)을 터치하지 않는다. 평면 반사체가 들어오는 광 빔에 비해 45°각도일 때, 표면(452)은 디스플레이(637)의 상부 표면 위에 위치한다. 따라서 도광체(450)로 인한 디스플레이(637) 위에서의 장치 높이 H3는 표면(452)의 높이 H1과 외부 케이스(827)의 두께 H2의 합을 포함한다.
수신 측에서, 도광체(450)와 유사한 도광체가, 스크리(637)을 통해 송신된 광 빔(100)을 수신하고, 상기 광 빔을 대응하는 하나 이상의 수광기로 지향시키기 위해 사용된다. 따라서 광 빔은 표면(453)에서 도광체(450)로 들어가고, 표면(452)에 의해 재-지향된 후, 표면(451)에 의해 재-지향되고, 섹션(445)의 마이크로-렌즈 패터닝된 표면을 통해 하나 이상의 수광기에게로 빠져 나간다. 수신 측에서, 섹션(445)의 표면은, 본원에 기재된 것과 같이 광 빔을 산란시키는 패턴을 가진다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 표면에 깃털 패턴이 적용된 렌즈의 2개의 서로 다른 각도로 본 측면 도시의 단순화된 다이어그램인 도 41이 참조된다. 도 41에, 내부 반사 섹션(456), 내부 시준 렌즈(457), 및 에칭된 마이크로-렌즈(458)를 갖는 도광체(455)가 도시된다. 렌즈(457)에서 도광체(455)로 들어가는 광 빔(101)은 광 빔(105)처럼 표면(459)을 통해 도광체를 빠져나간다.
스크린을 횡단하는 빔을 수신하고 이를 수광기 상으로 포커싱하기 위해 유사한 도광체가 사용된다. 이 경우, 표면(459)에 들어온 광 빔이 내부 반사 섹션(456)에 의해 스크린 표면 아래로 반사되고, 시준 렌즈(457)에 의해 수광기 상으로 재-포커싱되며, 마이크로-렌즈(458)에 의해 재-분포된다. 일반적으로, 발광기 및 검출기와 함께 동일한 렌즈와 마이크로-렌즈가 사용되어, 광 빔이 발광 측에서 지향되는 방향과 반대 방향으로 수신 측에서 지향될 수 있다.
시준 렌즈(457)는 도 41의 하단에서 나타나는 것처럼 둥근 하부 가장자리(rounded bottom edge)를 가진다. 발광 측에서 들어오는 광을 적절하게 굴절시키기 위해, 도 41의 하단 및 도 42에서 도시된 것처럼, 마이크로-렌즈(458)가 부채처럼 확산된 깃털 패턴으로 형성된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광역-빔 터치 스크린의 일부분의 단순화된 다이어그램인 도 42가 참조된다. 깃털 패턴(460)이 렌즈(461)의 표면에 적용되는 것이 도시된다. 유사한 이웃 렌즈가 광역 빔(158)을 발산하는 발광기(200)와 연관된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 렌즈 상에 에칭된 마이크로-렌즈를 들어오고 빠져나가는 광의 평면도인 도 43이 참조된다. 도 43에서, 각각의 마이크로-렌즈가 광각에 걸쳐 광역 빔을 확산시키는 광원으로서 역할하도록, 실질적으로 시준된 광 빔(101)이 마이크로-렌즈(462)를 들어가고 광 빔(102)으로 굴절되는 것이 도시된다.
터치 스크린 시스템 구성 3
구성 2의 마이크로-렌즈의 제조 시 몇 가지 문제점이 발생한다. 한 가지 문제점은 부채 형상의 마이크로-렌즈의 깃털 패턴을 정확하게 형성하는 것이 어렵다는 것이다. 부채/깃털 패턴 대신, 서로 평행으로 배열된 마이크로-렌즈를 이용하는 것이 바람직하다.
두 번째 문제점은 구성 2로 도광체를 제조하기 위해 사용되는 몰드(mold)와 관련된다. 도 40을 참조하면, 섹션(445)의 전면 표면이 도광체(450)의 일직선 후면 표면과 평행하도록 광기(200)를 바라보는 섹션(445)의 외부 표면이 수직인 것이 바람직하다. 그러나 정확히 평행하는 표면을 제작하는 것은 어렵다. 더욱, 도광체(450)가 자신의 하부에서 더 넓어진다면, 이를 몰드로부터 용이하게 이형시킬 수 없을 것이다. 따라서 일반적으로 2개의 표면은 쐐기를 형성하고, 발광기(200)를 바라보는 섹션(445)의 표면은 완벽하게 수직이 아니다. 이를 보상하기 위해, 들어오는 광 빔의 평면에 수직이도록 마이크로-렌즈가 배열된다.
세 번째 문제점은, 광학 성능을 위해, 마이크로-렌즈가 그들의 대응하는 발광기 또는 수광기에 대해 정확하게 위치설정된다는 제약이다. 이러한 위치설정에 대한 허용오차는 낮다. 따라서 정확하게 위치설정될 수 있도록 도광체의 섹션(445)을 분리하고, 조립 중 필요할 때 또는 전자 장치의 외상으로 인한 이동에 대한 강건성(robustness)을 위해 요구될 때 도광체의 나머지 부분에 대해 더 높은 허용오차를 가능하게 하는 것이 바람직하다.
도 44-46 및 54에서 도시된 바와 같은 구성 3은 이들 및 그 밖의 다른 문제점을 극복하도록 기능한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 디스플레이(637) 및 외부 케이스(827)를 갖는 전자 장치의 맥락에서, 이중-유닛 도광체의 측면도의 단순화된 다이어그램인 도 44가 참조된다. 도 44에, 도 40과 유사한 배열이 도시되지만, 여기서, 도광체(450)가 상부 부분(463)과 하부 부분(464)으로 나뉜다. 마이크로-렌즈는 하부 부분(464)의 상부 표면(466)에 위치한다. 따라서 마이크로-렌즈가 도광체(464)의 시준 렌즈 부분에 포함되지 않는다.
구성 2에서, 시준 렌즈의 곡선 형태는 에칭된 마이크로-렌즈에 대한 부채/깃털 패턴을 필요로 했다. 이와 달리, 구성 3에서는, 마이크로-렌즈가 장방형 표면(466) 상에 에칭되고, 평행하는 열들로서 배열된다. 이러한 평행 배열, 본원에서 "관형 배열(tubular arrangement)"이라고 지칭되는 배열이 도 46에 도시된다. 특히, 도 46에서, 도광체(464)의 상부 표면을 따라 평행하는 일련의 마이크로-렌즈(467)가 도시된다.
몰드가 도광체(464)의 상부를 제거(lift off)하는 하나의 평면 표면을 갖기 때문에, 구성 3의 이점은 도광체의 평면 상부 표면이 가능한 스크린 표면과 거의 평행하게 몰딩될 수 있다는 것이다. 덧붙여, 구성 3에서, 도광체 중 부분(464)만 위치설정을 위한 낮은 허용오차 요건을 가진다. 부분(463)의 표면이 요소의 초점에 위치하지 않기 때문에, 상기 부분(463)은 더 높은 허용오차를 가진다.
도 44에, 발광기(200)에 의해 발산되는 광 빔(100)이 표면(465)에서 도광체 유닛(464)으로 들어가고, 반사성 표면(451)에 의해 표면(466)을 통해 반사되어, 도광체 유닛(463)으로 들어간다. 도광체 유닛(463) 내부에서, 광 빔(100)이 표면(452)에 의해 반사되고 표면(453)을 통해 디스플레이(637) 위로 빠져나간다.
도 44는 디스플레이(637) 위로 도광체에 의해 추가되는 높이 H3은 내부 반사성 표면(452)의 높이 H1과 외부 케이스(827)의 두께의 높이 H2의 합을 포함함을 보여준다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, PCB(700) 및 외부 케이스(827)를 갖는 장치의 맥락에서 도광체 유닛(463 및 464)의 그림인 도 45가 참조된다. 도광체 유닛(464)의 상부 표면 상의 관형 패턴(tubular pattern)은 미세 패턴이다. 이 패턴이 광 빔을 올바르게 분포시키기 위해, 도광체(464)는 자신 각자의 LED 또는 PD에 대해 정밀하게 배치된다. 이와 달리, 도광체 유닛(463)은 평면 반사성 표면을 가지며, 따라서 이러한 정밀한 배치를 필요로 하지 않는다. 도 45는 도광체 유닛(463 및 464)의 상대적 위치설정을 보여준다. 이들의 정렬은 거리(523)에 의해 표현되고, 최대 1㎜의 허용오차를 가진다. 거리(522)는 도광체 유닛들 간 높이를 나타낸다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 도 45의 도광체 유닛(463 및 464)의 평면도인 도 46이 참조된다. 관형 패턴(467)은 도광체 유닛(464)의 상부 표면 상에 나타난다.
터치 스크린 시스템 구성 4
구성 2 및 3은 도 31, 32, 36 및 37에서 작은 터치 영역(980)의 검출과 관련된다. 이러한 터치 영역 크기에 대한 일반적인 사용 경우는 스타일러스 입력이다. 그러나 예상되는 사용이 가령, 손가락 끝의 영역 같은 비교적 넓은 터치 영역을 생성할 때, 구성 2 및 3에서 사용되는 마이크로-렌즈 없이 정밀한 터치 위치가 결정될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 손가락 터치를 검출하기 위해, 광 기반 터치 스트린에 대한 이동 정렬(shift-align)된 발광기 및 검출기의 단순화된 다이어그램인 도 47이 참조된다. 도 47은 손가락 터치에 대해 의도된 시스템을 도시한다. 발광기(210)로부터의 광이 렌즈(441 및 442)에 걸친 광역 빔에 걸쳐 균일하게 분포된다. 광의 균일한 분포외에, 도 47의 시스템은 도 30의 시스템과 동일하다.
본 발명의 하나의 실시예에 다라, 도 47의 스크린 상에서의 손가락 터치 검출을 단순하게 도시한 도 48이 참조된다. 도 48은 2개의 검출 채널(201-301 및 201-302)에 의해 검출되는 큰 터치 물체(980)를 도시한다. 발광기(201)로부터의 빔의 왼쪽 절반이 검출기(301)에 도달하고, 발광기(201)로부터의 빔의 오른쪽 절반이 검출기(302)에 도달하도록, 발광기(201)로부터의 광이 실질적으로 시준된다. 각각의 채널의 상당한 부분이 포인터(980)에 의해 차단된다. 각각의 검출기로부터 차단되는 광량이 부분(975 및 976)으로서 도시된다. 이들 2개의 광량을 보간(interpolate)함으로써, 차단하는 포인터(980)의 중앙이 결정된다. 덧붙여, 이웃하는 광 빔(201-301 및 201-302)이 터치를 검출하기 때문에, 포인터(980)는 이들 2개의 빔 사이의 경계부 상에 놓인다. 따라서, 포인터(980)의 가장 왼쪽 가장자리가 차단되는 빔(201-301)의 일부분을 기초로 결정된다. 마찬가지로, 포인터(980)의 가장 오른쪽 가장자리가 차단된 빔(201-302)의 일부분을 기초로 결정된다. 따라서, 포인터에 의해 덮히는 세그먼트, 또는 2차원으로 영역이 결정된다.
터치 스크린 시스템 구성 5
구성 5는 디스플레이 위의 도광체의 높이를 감소시키는 반사성 도광체 및 렌즈를 이용한다. 구성 5의 반사성 도광체 및 렌즈는, 구성 2의 깃털 패턴 렌즈, 구성 3의 관형 패턴 렌즈, 구성 4의 시준 렌즈, 및 또한 구성 6의 대안적 반사성 면과 함께 사용되기 적합하다. 많은 전자 장치가 장치의 가장자리와 동일 높이인 디스플레이 표면을 갖도록 설계된다. 이는 종종 심미적 특징이 되고, 따라서 광 기반 터치 스크린을 전자 장치와 일체 구성할 때 돌출된 테두리(rim)를 최소화 또는 제거하는 것이 바람직하다. 시각적으로 덜 두드러지는 테두리가 장치의 더 매끄럽고, 더 수평을 이루는 외부 표면을 도출한다.
덧붙이자면, 광 기반 터치 스크린에서, 돌출된 테두리는 디스플레이 가장자리를 넘어서, 디스플레이 주변의 일정 폭을 차지한다. 많은 전자 장치가 장치의 가장자리까지 매끄럽게(seamlessly) 뻗어 있는 디스플레이 표면을 갖도록 설계된다. 이는 종종 심미적 특징이고, 따라서 광 기반 터치 스크린을 전자 장치와 일체 구성할 때, 반사성 돌출 테두리가 디스플레이의 매끄러운(seamless) 확장부이도록 설계하는 것이 바람직하다.
구성 5는 광 빔이 터치 표면 위의 공중으로 투영될 때, 베젤 높이를 감소시키고 디스플레이 가장자리와 장치의 외부 경계부 간의 매끄러운 전환을 제공함으로써, 이들 목적을 달성하고, 이로써, 더 심미적인 디자인을 도출할 수 있다. 구성 5의 도광체는 신장된 둥근 가장자리를 갖는 외부 케이스와 일체 구성됨으로써, 날카로운 각 및 직선 표면을 부드럽게 할 수 있다.
구성 5는 2개의 활성 거울 표면(active mirror surface), 즉, 들어오는 광을 초점 위치로 접고 포커싱하는 포물선형 반사성 표면, 및 초점 위치로부터의 광을 수집하고 광을 스크린을 가로지르는 빔으로 시준하는 타원형 굴절성 표면을 채용한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 전자 장치 내 도광체의 측면도의 단순화된 다이어그램인 도 49가 참조된다. 도 49에 외부 케이스(828)와 디스플레이(637) 사이의 도광체(468)가 도시된다. 발광기(200)로부터의 광 빔이 표면(445)을 통해 도광체(468)로 들어간다. 마이크로-렌즈의 깃털 패턴이 표면(445)의 하부 상에 존재하여, 광 빔(100)을 산란시킬 수 있다. 광 빔(100)은 내부 오목형 반사성 표면(469) 및 포물선형 반사성 표면(470)에 의해 반사되고, 타원형 굴절성 표면(471)을 통해 도광체(468)를 빠져나간다. 타원형 굴절성 표면(471)은 광 빔(100)의 적어도 일부분을 디스플레이(637)의 표면과 평행인 평면으로 재-지향시킨다. 빔을 광 수신기(300) 상으로 지향시키는 유사한 도광체에 의해, 광 빔(100)이 디스플레이(637)의 다른 단부에서 수신된다. 광 수신기(300)에 의해 검출되는 광도가 계산 유닛(770)으로 전달된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 전자 장치의 일부분과, 광 빔을 접기 위한 적어도 2개의 활성 표면을 갖는 도광체의 상부 부분의 측방 단면도를 단순히 도시하는 도 50이 참조된다. 도 50에, 도광체(472)의 상부 부분이 도시된다. 표면(473)은 초점 라인(475)을 갖는 포물선의 일부, 또는 의사-포물선(quasi-parabola), 또는 자유 형태를 가진다. 초점 라인(475), 및 표면(473 및 474)이 디스플레이(637)의 테두리를 따라 확장된다. 표면(474)은 초점 라인(475)을 갖는 타원의 일부, 또는 준-타원, 또는 대안적으로 자유 형태이다.
발광기 측에서, 광 빔이 도광체로 들어가고, 포물선형 거울(473)이 빔을 도광체 내부 초점으로 반사시킨다. 굴절성 타원형 렌즈(474)가 포물선형 거울(473)과 동일한 초점을 가진다. 타원형 렌즈(474)는 광을 초점으로부터 디스플레이(637) 위의 시준되는 광 빔으로 굴절시킨다. 수신기 측에서, 시준된 광 빔이 도광체로 들어가고, 타원형 렌즈(474)에 의해 초점으로 굴절된다. 포물선형 거울(473)은 도광체 내부의 초점으로부터의 빔을 시준된 출력 빔으로 반사시킨다.
도 49의 표면(469)은 광 빔(100)을 위쪽으로 90°만큼 접는다. 표면(469)은 포물선의 일부로서 형성된다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 입력 표면(445)이 완벽히 수직이 아니라 약간 기울어졌기 때문에, 그리고 또한 광원이 단일 포인트보다 넓기 때문에 발생하는 수차에 대해 표면(469)이 보정된다.
표면(469 및 470)은 광 빔을 접기 위해 내부 반사를 이용한다. 따라서 이들 표면은 먼지 및 스크래치로부터 보호될 필요가 있다. 도 50에서, 표면(473)은 외부 케이스(829)에 의해 보호된다. 도광체(472)의 하부 부분이 전자 장치 내 깊히 존재하며, 따라서 보호된다.
구성 5를 이용해, 실질적으로 모든 반사성 표면(473)이 디스플레이(637)의 상부 표면 아래에 위치한다. 따라서 광 빔을 터치 표면 위의 공중을 투영시킬 때, 이 구성은 구성 2보다 전자 장치에 높이를 덜 추가한다. 도 49로 다시 돌아와서, 본 발명의 구성의 도광체에 의해 추가되는 높이 H3'은 거의 외부 케이스의 두께 H2이며, 이는 구성 2에서의 대응하는 높이 H3보다 작다. 덧붙여, 도 40의 표면(471) 및 도 50의 표면(474)의 오목한 형태가 도 40의 수직 표면(453)보다 사용자가 세척하기에 더 용이하다. 따라서 사용자는 디스플레이(637)와 표면(471) 상에 쌓일 수 있는 먼지를 쉽게 쓸어버릴 수 있다. 외부 케이스가 표면 위에 위치하는 것 대신, 외부 케이스(828)와 표면(471)은 동일 높이기 때문에, 구성 5는 도 40의 표면(454)에 대한 필요성을 제거한다.
도 49의 표면(471)의 오목형 형태에 의해, 베젤이 도 40의 수직 표면(453)보다 시각적으로 두드러지게 된다.
일부 전자 장치에 장치의 4개의 가장자리로 확장하는 유리의 평면 시트가 덮힌다. 유리의 아랫면이 장치 가장자리 근방에서 검게 도색되고, 유리의 중앙에 위치하는 투명한 사각 창을 통해 디스플레이가 시청된다. 이러한 장치의 예로는, 캘리포니아, 쿠페르티노에 소재하는 Apple Inc.에 의해 제조되는 IPHONE®, IPOD TOUCH® 및 IPAD®, 평면 패널 컴퓨터 모니터 및 텔레비전의 다양한 모델이 있다. 일부 경우, (a) 도광체가 스크린 유리와 분리된 유닛이고 따라서 이들 사이의 경계가 눈에 띄기 때문에, 그리고 (b) 도광체의 아랫면이 검게 도색되어 있더라도, 도광체가 스크린 아래로 뻗어 있어서, 도광체의 하부와 스크린 유리 간의 높이 차이가 눈에 띄기 때문에, 본원에 기재되는 다양한 터치 스크린을 둘러싸는 도광체가 심미적이지 않게 보일 수 있다. 본 발명의 실시예는 이러한 문제를 극복하기 위해 2-유닛 도광체를 사용한다.
이러한 하나의 실시예에서, 도광체의 상부 유닛이 스크린 유리와 병합된다. 이와 관련해, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 디스플레이(637)를 덮는 보호성 유리(638)의 일체 부분으로서 형성되는 투명한 광학 터치 도광체(476)의 섹션의 단순화된 도면인 도 51이 참조된다. 보호성 유리(638)의 아랫면 상의 주광 필터 시트(daylight filter sheet)(639)가, 광 빔(100)을 차단하지 않으면서, 검은 도색 대신, 디스플레이(637)의 가장자리를 숨기는 역할을 한다. 도광체(476)는 외부 타원형 표면(478)과 내부 포물선형 표면(477)을 갖고, 외부 케이스(830)와 매끄럽게 합쳐진다. 광 빔(100)은 도 50에서처럼 도광체(476)를 통과한다.
일부 경우, 일체 구성되는 반사성 렌즈를 포함하는 보호성 유리 커버를 제작하는 비용은 높을 수 있다. 따라서 본 발명의 대안적 실시예에서, 도광체의 상부 유닛과 하부 유닛 사이에 검은색 물체가 배치된다. 전자 장치 내에서 검은색 물체의 높이가 보호성 유리의 아랫면 상의 검은 도색의 높이에 맞춰 정렬된다. 이와 관련해, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 스크린의 가장자리를 감추도록 적합화된 도 50의 전자 장치와 도광체의 단순화된 도시인 도 52가 참조된다. 도 52에, 검은 도색 또는 대안적으로 주광 필터 피스(641)가 디스플레이(637)를 덮는 보호성 유리(640)의 아랫면 상에 위치하는 것이 도시된다. 검은 플라스틱 요소(482)가 검은 도색/주광 필터 시트(641)와 정렬되어, 보호성 유리(640)의 가장자리가 사용자에 의해 식별되지 않을 수 있다. 검은 플라스틱 요소(482)는 적외선 광을 전송하여, 광 빔(100)이 통과할 수 있도록 한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 발광기(200)에서 디스플레이(637) 위까지 뻗어 있는 단일 유닛인 도광체(483)의 단순화된 다이어그램인 도 53이 참조된다. 외부 케이스(832)의 일부분이 도광체(483)의 상부와 동일 평면으로 나타난다. 도광체(483)의 하부 부분은 마이크로-렌즈(484)의 깃털 패턴을 가져서, 발광기(200)로부터 도달하는 광 빔을 산란시킬 수 있다. 수신 측에서, 광 빔이 도광체(483)와 유사한 도광체의 하부로부터 수신기 쪽으로 빠져나온다. 동일한 깃털 패턴(484)이 수신기로 가는 중인 광 빔을 분할한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 이중-유닛 도광체의 단순화된 다이어그램인 도 54가 참조된다. 도 54에 상부 유닛(485) 및 하부 유닛(486)을 갖는 도광체가 도시된다. 외부 케이스(832)의 일부분이 도광체 유닛(485)의 상부와 동일 높이가 된다. 디스플레이(637)가 도광체 유닛(485)의 오른쪽에서 나타난다. 도광체 유닛(486)의 상부 표면은 발광기(200)로부터 도착하는 광 빔을 분할하기 위해 마이크로-렌즈(487)의 관형 패턴을 가진다. 수신 측에서, 광 빔은 도 54에 도시된 도광체와 유사한 도광체의 하부로부터 수신기 쪽으로 빠져나온다. 동일한 관형 패턴(487)이 수신기로 가는 중인 광 빔을 분할한다.
도 40 및 49를 참조하여 설명될 바와 같이, 관형 패턴(487)을 갖는 도광체 유닛(486)의 위치설정은 높은 정밀함을 필요로 하며, 도광체 유닛(485)의 위치설정은 이러한 정밀함을 필요로 하지 않는다. 광 빔에 미치는 관형 패턴(487)의 효과는 각자의 발광기 또는 수신기에 대한 정밀한 배치에 따라 달라진다. 도광체 유닛(485)의 활성 표면은 매우 자족적이기 때문에 더 내성이 있는데, 즉, 이들은 모두 내부 초점 라인, 가령, 도 50의 초점 라인(475)에 포커싱된다.
장치 스크린 아래에 발광기 및 수광기를 배치하는 것과, 각각의 발광기 또는수신기에 대향하여 시준 반사성 요소를 배치하는 것은 장치의 두께를 제한한다. 첫 번째 제한 사항은 장치의 두께가 적어도 스크린 두께와 발광기 또는 수신기 두께의 합이라는 것이다. 두 번째 제한 사항은 도 41 및 42에 도시된 바와 같이, 스크린 위로 반사되는 광을 적절하게 시준하기 위해 발광기 또는 수광기에 대향하는 반사성 요소가 오목한 "웃는(smile)" 형태로 만곡되어야 한다는 것이다. 오목한 형태가 장치의 총 두께에 추가된다.
태블릿(tablet) 및 전자책 리더의 설계자는 가능한 슬림한 폼 팩터(form factor)를 얻기 위해 노력한다. 따라서 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 수신기 및 시준 렌즈는 스크린 아래에 배치되는 대신, 스크린을 둘러싸는 경계 내부에 배치된다. 이는 장치를 고정하기 위한 비-스크린 경계 영역을 제공하는 태블릿 및 전자책 리더에 있어서 특히 실현 가능하다.
본 발명의 실시예에 따라 사용자에 의해 고정되는 터치 스크린 장치의 단순화된 다이어그램인 도 55가 참조된다. 도 55에 손(hand)(930)으로 쥐는(held) 프레임(840)으로 둘러싸이는 터치 스크린(800)을 갖는 장치(826)가 도시된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광역 광 빔이 스크린을 덮는 터치 스크린의 단순화된 다이어그램인 도 56이 참조된다. 도 56은 전자 장치, 가령, 태블릿 또는 전자책 리더의 맥락에서, 터치 스크린(800)을 포함하는 터치 시스템의 평면도 및 측면도를 도시한다. 도 56은 또한 발광기(200) 및 수신기(300)를 도시하며, 이들 각각은 공극(555)에 의해 분리되는 광을 시준하기 위한 한 쌍의 렌즈(550 및 551)와 결합된다. 측부는 터치 스크린(800)을 둘러싸는 장치 케이스(827) 및 프레임(849)을 보여준다. 프레임(849)은 사용자가 장치를 쥐기 위한 그립(grip)을 제공하며, 요소(200, 300, 550 및 551)를 케이스화하기에 충분히 넓다.
솔리드 렌드(solid lens)를 이용하는 경우보다 복수의 공기-플라스틱 경계를 이용할 때 광은 짧은 거리를 걸쳐 더 효과적으로 시준된다. 발광기, 수광기, 및 렌즈는 터치 스크린(800)의 표면과 실질적으로 동평면이다. 렌즈(500 및 551)의 경우 스크린 표면의 평면을 따라서만 광이 투영된다는 사실 때문에, 장치의 높이를 따르는 렌즈(500 및 551)의 평면 비-곡선형 프로파일이 도 41 및 38의 렌즈의 프로파일보다 낮다. 장치 폼 팩터에 추가되는 유일한 높이는 터치 스크린(800) 위로의 베젤 또는 스크린에 걸쳐 광을 지향시키기 위한 렌즈(551)의 높이이다. 가령, 오버래핑 빔을 생성하기 위해 마이크로-렌즈 패턴이 사용되는 경우, 마이크로-렌즈 패턴을 포함하는 세 번째 렌즈가 추가된다. 대안적으로, 마이크로-렌즈 패턴은 2개의 렌즈(500 및 551) 중 하나 상에서 형성될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 장치의 맥락에서 도광체의 각각 단순화된 측면도, 평면도 및 저면도인 도 57-59가 참조된다. 도 57은 디스플레이(635) 및 상기 디스플레이(635)와 실질적으로 동 평면인 측방향(side-facing) 발광기(200)를 도시하는 측면도이다. 다중-렌즈 조립체가 디스플레이(635) 위로 광을 반사시키고 광역 빔을 출력한다. 도 57은 공극(555 및 556)에 의해 분리되는 3개의 섹션(550-552)을 포함하는 다중-렌즈 조립체를 도시한다. 섹션(550 및 551)은 공극(555) 아래로 연결되고, 디스플레이(635)를 둘러싸는 강성 프레임의 일부를 형성한다. 상기 프레임은 측방향 발광기(200) 또는 유사한 형태의 수신기를 수용하기 위한 공동(cavity)(220)을 포함한다. 렌즈 섹션(550 및 551)은 다함께, 앞서 기재된 바와 같이 시준된 광역 빔을 생성한다. 앞서 도 45 및 46을 참조하여 기재된 것처럼 렌즈 섹션(552)은 마이크로-렌즈의 관형 패턴을 포함한다. 도 57은 디스플레이(635) 위에서 교차하는 빔(105)의 광선을 도시한다. PCB(700)는 발광기(200), 디스플레이(635), 및 도광체 프레임을 지지하기 위한 기판을 형성한다.
도 58은 공극(555 및 556)에 의해 분리되는 렌즈 섹션(550-552)의 평면도이다. 도 58은 렌즈 섹션(550 및 551)이 광역 광 빔을 시준하는 방식을 설명하기 위해, 3개의 시준된 빔(105)을 도시한다. 도 58은 또한, 렌즈 섹션(552)을 렌즈 섹션(550 및 551)에 의해 형성되는 강성 프레임으로 연결하는 소형 커넥터(559)를 도시한다. 따라서 모든 3개의 섹션(550-552)은 단일 플라스틱 조각으로 형성될 수 있다.
도 59는 3개의 발광기(200)를 담는 발광기/수광기 공동(220)을 갖는 렌즈 섹션(500)을 보여주는 저면도이다.
터치 스크린 시스템 구성 6
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 구성 2 및 3을 참조하여 본원에서 기재된 바와 같이, 하나의 공통 영역을 포함하는 둘 이상의 발광기-수광기 쌍 신호를 조합시킴으로써 고 분해능 터치 감도(touch sensitivity)가 얻어진다. 구성 6은 겹치는 검출을 제공하기 위한 발광기 및 수광기의 대안적인 광학 요소 및 대안적인 배열을 제공한다.
겹치는 검출 빔을 제공하기 위해 다양한 방식이 사용될 수 있다. 한 가지 방식은 스크린에 걸쳐 약간 다른 높이로 투영되는 2개의 분리된 광역 빔을 제공하는 것이다. 두 빔 모두 하나의 공통 스크린 영역을 커버하고 따라서 상기 영역에서의 터치에 대한 복수의 검출 신호를 제공한다. 또 다른 방식은 2개의 빔 모두가 한 번에 활성화될 때 2개의 광역 빔 광선을 인터리브(interleave)하는 광학 요소를 제공하는 것이며, 이는 2개의 빔으로부터의 미소 광선(minute ray)을 인터리브하기 위한 회절 구조를 이용해, 또는 2개의 광원으로부터의 0.1 - 0.6㎜ 정도의 빔을 인터리브하기 위한 약간 더 큰 교대하는 단면(facet)을 이용해 이뤄질 수 있다. 일반적으로, 2개의 빔은 따로 따로 활성화된다. 따라서 이들은 공통 스크린 영역을 커버하지만, 실제로 인터리브되지는 않는다. 이러한 후자의 대안이 아래에서 설명된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 발광기와 수광기로 둘러싸이는 터치 스크린(800)의 단순화된 도시인 도 60이 참조된다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 3개의 각도에서 본 반사성 단면의 파동형 다각 패턴(undulating angular pattern)을 갖는 광학 요소(530)의 단순화된 도시인 도 61이 참조된다. 도 61에, 광학 요소(530)의 3개의 도면 (a), (b) 및 (c)이 도시된다. 발광기로부터의 광이 광각의 겹치는 빔들로서 광학 요소(530)로 들어온다. 도 61은 요소(530)의 표면(541)을 대면하는 발광기(200 - 202)를 도시한다. 각자의 발광기(200 - 202)로부터의 광역 빔(107 - 109)이 표면(541)을 통해 요소(530)로 들어간다. 도 61은 또한 발광기 요소들 간의 간격, 또는 피치(pitch)를 보여준다.
광역 빔(107-109) 각각은 2개의 피치를 포함하며, 따라서 광역 빔들이 이웃하는 발광기들 간의 영역에서 겹친다. 요소(530)의 표면(542)이 이웃하는 발광기로 교대로 지향되는 단면의 파형 패턴으로서 형성된다. 도 61(c)는 표면(542) 상의교대하는 빗금친 단면과 빗금 없는 단면을 도시한다. 발광기(200)와 발광기(201) 사이의 요소(530)에서, 발광기(200)를 향하는 빗금친 단면이 발광기(201)를 향하는 빗금 없는 단면과 인터리브된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 2개의 이웃하는 발광기로부터의 광을 반사, 시준, 및 인터리브하는 광학 요소의 단순화된 도시인 도 62가 참조된다. 도 62에 도시된 바와 같이, 요소(530)의 각각의 반사성 단면은 자신의 대응하는 발광기로부터의 광선을 시준함으로써, 2개의 발광기로부터의 시준된 광선을 인터리브한다. 도 62는 2개의 이웃하는 발광기(200 및 201)로부터의 광을 반사 및 시준하는 광학 요소(530)를 도시한다. 요소(530)의 교대하는 단면들은 이들 2개의 요소를 포커싱한다. 시준된 광선을 인터리브함으로써, 요소(530)는 2개의 발광기로부터의 광들을 스크린에 걸쳐 겹치는 광역 빔으로서 시준한다. 대향하는 스크린 가장자리의 요소(530)는 광역 빔을 각자의 수신기로 지향시킨다.
표면(542) 상의 각각의 단면(facet)은 자신의 요소를 포커싱하도록 정밀하게 기울어져 있다. 또한 충분한 광량이 제공되도록 각각의 단면의 표면적이 구성된다.
광학 요소(530)의 대안적 실시예가 반사 대신 굴절을 통해 들어오는 광역 빔을 시준하고 인터리브한다. 이러한 경우에서, 파도형 다중-단면 표면(wave-like multi-faceted surface)이 광학 요소(530)의 입력 또는 출력 표면에 위치한다. 반사성 단면의 경우, 상기 단면은 광학 요소 내부로 광을 재-지향시킨다.
예컨대, 전력을 절약하기 위해, 터치 스크린을 저주파수 모드로 실행시키는 것이 바람할 때가 있다. 구성 6은 정확한 저주파수 스캔 모드를 가능하게 한다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 스크린 축을 따르는 2개의 검출 신호가 각각의 터치 위치로 제공된다. 저주파수 모드에서, 제 1 스캔 동안 하나 걸러 하나의 발광기-수광기 쌍이 활성화됨으로써, 단 하나의 스크린 축을 따라 절반의 쌍만 활성화되지만, 그럼에도, 전체 스크린을 덮을 수 있다. 제 2 스캔 동안, 이 축을 따르는 나머지 발광기-수광기 쌍이 활성화된다. 따라서, 홀수 발광기-수광기 쌍이 먼저 활성화되고, 그 후, 짝수 발광기-수광기 쌍이 활성화됨으로써, 2번의 전체 스크린 스캔이 제공되고, 모든 발광기 및 수광기 요소를 고르게 사용할 수 있다. 전력 소모를 최소로 유지하기 위해, 장방형 스크린의 짧은 가장자리를 따르는 발광기-수광기 쌍이 활성화된다.
본 발명의 대안적 실시예에서, 스크린의 2개의 축 모두 스캔되고, 각각의 스캔된 축이 스크린에 대한 초기 터치 정보를 제공한다. 따라서, 단일 축의 복수의 스캔을 순차적으로 활성화시키는 대신, 대안적 실시예에서, 개별 축의 스캔의 순차적 활성화가 이뤄진다. 4개의 스캔의 시퀀스가 4개의 샘플링 간격에서 활성화되는데, 즉, (ⅰ) 제 1 스크린 축을 따르는 발광기-수광기 쌍의 제 1 절반이 스캔되고, (ⅱ) 제 2 스크린 축을 따르는 발광기-수광기 쌍의 제 1 절반이 활성화되며, (ⅲ) 제 1 스크린 축을 따르는 발광기-수광기 쌍의 제 2 절반이 활성화되며, (ⅳ) 제 2 스크린 축을 따르는 발광기-수광기 쌍의 제 2 절반이 활성화된다.
반사성 요소의 설계
광학 요소의 교대하는 반사성 단면 또는 굴절성 단면을 설계함에 있어 목표는, 발광기에서 수광기로의 선형 신호 계조도, S(x)를 이용해, 보간(interpolation)을 위한 토대로서 우수한 계조도(gradient)를 제공하는 광 분포를 생성하는 것이다. 많은 파라미터가 광 분포에 영향을 미친다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 다중-단면(multi-facet)의 광학 요소(530)의 단순화된 다이어그램인 도 63이 참조된다. 도 63에, 이하에서 설명될 광학 요소의 각각의 단면으로부터의 광을 제어하는 파라미터가 나타난다.
광도 분포(light intensity distribution)는 삼승값 cos3θ에 따라, 극각(polar angle) θ에 종속적이다. 각 θ는 서로 다른 단면으로 향하는 단일 발광기 또는 수광기 요소의 빔들 사이의 거리(110)와, 발광기 또는 수광기 요소와 요소(530) 사이의 거리(111)의 함수이다.
단면의 폭, B는 쉽게 조절 가능한 파라미터이다.
프레넬 손실(Fresnel loss) F는, 빔이 광학 요소(530)에 들어올 때 요소(530)의 굴절률에 의해 야기되는 반사로 인해 손실되는 광량이다. 브루스터 각(Brewster's angle)보다 작은 서로 다른 각들 간 θ 간 프레넬 손실 F의 변동은 1% 미만이며, 따라서 무시할 만하다.
단면 빔 폭 Y는 단일 단면 빔에 의해 덮히는 총 폭이다. 이웃하는 단면이 이웃 발광기(202)에서 포커싱되기 때문에, 교대하는 단면은 발광기(201)로부터의 광들 사이에 틈(gap)을 생성한다. 각각의 단면으로부터의 광이 틈을 덮는다. 단면 빔 폭 Y는 단면 폭 B와 이웃 단면의 폭에 종속된다. 도 63은 발광기(201)를 조준하는 단면(545, 547 및 549) 및 이들 발광기(202)를 조준하는 이웃하는 단면(548 및 546)을 다 함께 덮는 각자의 단면-빔 폭(Y545, Y547 및 Y549)을 도시한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 9개의 단면의 경우, 반사성 단면 파라미터 θ, Y 및 B가 광 분포에 미치는 영향을 보여주는 단순화된 그래프인 도 64가 참조된다. 또한 도 64의 그래프는 실제 광 분포와 기준 선형 함수를 보여준다. 도 64에 도시된 바와 같이, 실제 광 분포 신호는 거의 선형이다. 그래프의 데이터는 x-축 상의 위치 0에 위치하는 중앙 단면(central facet)을 기초로 정규화되며, 모든 양태에서 값 1이 할당된다. 따라서 그래프에서 단면 폭 B는 Bnorm으로 라벨링되고, 단면 폭은 중앙 단면의 폭에 대해 정규화된다. 일반적으로, 각도 파라미터(angular parameter) θ는 기울어진 곡선을 제공하며, 상기 기울어진 곡선은, x-축을 따르는 위치 0과 2 사이의 도 64의 θ 곡선의 편평한 부분으로 도시된 바와 같이, θ의 작은 값에 대해 편평하다. 파라미터 B를 조절하고, 이는 Yfactor라고 라벨링된 파라미터 Y에 영향을 줌으로써, 작은 θ에 대한 계조도가 증가한다. 그래프에서 완전한 신호가 signal이라고 라벨링되며, 대략 선형이다.
파라미터의 θ, B, F 및 Y의 함수로서의 단면 k에 대한 광도가
Figure pct00008
, (1)
에 따라 기술되며, 여기서, 단면 k의 광도가 중앙 단면에 대한 θ = 0를 기초로 정규화된다.
표 1이 하나의 발광기 또는 수광기 요소로 포커싱되는 일련의 9개의 단면의 각각의 단면에 대한 파라미터를 나열한다. 표 1에서, x-pos는 중앙 단면으로부터의 거리를 밀리미터로 나타내고, B는 단면 폭을 밀리미터로 나타내며, B-norm은 폭 1을 갖는 중앙 단면을 기초로 정규화된 단면 폭을 나타내고, Yfactor는 중앙 단면 빔의 폭으로 정규화된 단면 빔 폭을 나타내고, Signal은 각각의 단면에 대한 정규화된 신호 값을 나타내며, Line은 기준 직선에 대한 신호 값을 나타낸다.
Figure pct00009
표 2는 2개의 이웃하는 요소, 가령, 발광기와 이웃하는 수광기에 포커싱되는 일련의 교대하는 면에 대한 파라미터를 나열한다. 표 2에서, 단면 번호 1-5는 발광기에 포커싱되고, 단면 번호 6-9는 이웃하는 수광기에 포커싱된다. 각각의 단면에 대해 3개의 값이 나열되는데, 즉, 단면의 폭(B), 단면의 위치(즉, 발광기에 대한 중앙 단면의 중심에 대한 x-축을 따르는 x-pos), 및 단면의 외부 가장자리의 위치(border_pos)가 나열된다. 모든 단면 값이 밀리미터로 특정된다.
Figure pct00010
요소(530)에 의해 발생되는 신호
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광역 광 빔이 스크린을 횡단하는 터치 스크린의 단순화된 도시인 도 65가 참조된다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 2개의 광역 광 빔이 스크린을 횡단하는 터치 스크린의 단순화된 도시인 도 66이 또한 참조된다. 또한 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 3개의 광역 광 빔이 스크린을 횡단하는 터치 스크린의 단순화된 도시인 도 67이 참조된다. 도 65에 도시된 바와 같이, 스크린(800)이 발광기 및 수광기에 의해 둘러싸인다. 광역 빔(167)이 스크린(800) 상의 광역 검출 영역을 나타내는 것으로 도시되며, 발광기-수광기 쌍(200-300)에 의해 검출된다. 광역 빔(167)은 본원에 기재된(그러나 도 65-67에서는 도시되지 않음) 광학 요소, 가령, 요소(530)에 의해 발생된다. 제 1 요소(530)는 발광기(200)로부터의 광을 시준하고, 제 2 요소(530)는 광역 빔(167)을 수광기(300)로 포커싱한다. 그래프(910)가 광역 빔(167)의 폭을 가로질러 검출된 신호 강도의 계조도를 나타낸다.
도 66은 각각의 발광기-수광기 쌍(201-301 및 202-302)에 의해 검출되는 스크린(800) 상의 광역 검출 영역을 나타내는 이웃하는 광역 빔(168 및 169)을 나타낸다. 각각의 그래프(911 및 912)가 광역 빔(168 및 169)의 폭을 가로질러 검출되는 신호 강도의 계조도를 도시한다.
도 67은 도 5 및 도 66의 3개의 광역 빔을 도시한다. 도 67에 도시된 바와 같이, 빔(167)의 왼쪽 절반이 빔(168)의 절반에 의해 겹쳐지고, 빔(167)의 오른쪽 절반이 빔(169)의 절반에 의해 겹쳐진다. 그래프(910-912)에서의 강도 계조도는 빔(167)의 폭을 따르는 임의의 위치에서의 터치가 2개의 겹치는 광역 빔의 2개의 계조도를 따라 검출됨을 나타낸다. 마찬가지로, 스크린 상의 임의의 위치에서의 터치가 수직 축과 수평 축 상의 2개의 겹치는 광역 빔의 2개의 계조도를 따라 수직 축과 수평 축 모두에서 검출된다. 검출 신호 계조도를 기초로 2개의 신호의 터치 위치를 보간함으로써 정확한 터치 좌표가 계산된다. 도 62는 2개의 겹치는 빔들의 폭을 가로지르는 광 신호 감쇠 계조도(920 및 921)를 나타낸다. 광 신호 감쇠 계조도(920)는 발광기 요소(200)로부터 발산되는 빔에 대응하고, 광 신호 감쇠 계조도(921)는 발광기 요소(201)로부터 발산되는 빔에 대응한다. 따라서 빔은 요소 바로 위에서 최대 광도를 갖고, 각각의 측부에서 감소된다. 본원에서 기재된 바와 같이 겹치는 빔에 대해 2개의 서로 다른 경사 계조도를 갖는 것은 정확한 터치 위치를 계산하기 위해 유리한 점을 가진다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린에서의 광역 빔의 광 분포의 단순화된 그래프인 도 68이 참조된다. 도 68의 하부에 광역 빔(167)을 가로지르는 경로가 도시되고 도 68의 상부에 경로를 따르는 신호 강도 분포를 나타내는 그래프가 도시된다. 그래프의 x-축은 밀리미터 단위의 수평 스크린 치수를 나타낸다. 그래프의 y-축은 스크린 축을 따라 10㎜에 위치하는 발광기-수광기 쌍(200-300)에 의해 검출되는 기저 신호 강도를 나타낸다. 신호는 발광기 및 수광기 요소가 10㎜의 피치로 배열된 스크린에 대응한다. 따라서 검출된 광역 빔은 20㎜에 걸쳐 있다. 그래프 내 극점(spike)은 앞서 기재된 이웃하는 요소에서 교대로 광선을 포커싱하는광학 요소(530)의 교대하는 단면에 의해 야기된다. 따라서, 극점은 측정 대상인 발광기-수광기 쌍에 속하는 단면에 대응하고, 이웃하는 저점(trough)은 이웃 발광기-수광기 쌍에 속하는 단면에 대응한다. 이들 극점에도 불구하고, 손가락이 좁은 극점 및 저점 채널보다 더 넓기 때문에, 측정 대상인 스크린 축을 따르는 손가락 또는 또 다른 물체의 검출 신호가 빔의 전체 20㎜ 스팬에 따라 비교적 매끄러운 계조도를 가진다. 따라서 손가락이 스크린 축을 따라 글라이드에 따라, 손가락이 실질적으로 균일하게 유지되는 일련의 극점을 차단한다. 가령, 손가락 끝이 대략 6㎜ 폭을 갖고, 반면에, 도 68의 그래프에서 10㎜ 내에 8-9개 극점(spike)이 존재한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 손가락 끝이 스크린을 가로질러 움직일 때 3개의 광역 빔으로부터의 검출 신호를 단순히 도시한 도 69가 참조된다. 도 69에, 손가락 끝이 스크린 축을 따라 3개의 이웃하는 광역 빔을 횡단하여 이동할 때 손가락 끝의 3개의 검출 신호가 도시된다. 신호 각각으로부터, 손가락이 광역 빔으로 들어갈 때 손가락이 빔의 작은 부분을 차단하는 것이 자명해진다. 손가락이 빔의 중심을 향해 축을 따라 이동할 때, 손가락은, 예상 기저 신호의 60%의 최소 검출로 그래프에서 나타나는 빔 강도의 대략 40%를 차단할 때까지 점차 더 많은 빔을 차단한다. 손가락이 더 이동할 때, 손가락은 점차 더 적은 빔을 차단한다. 도 68에 도시된 광 빔 내 정점(peak)과 저점(trough)에도 불구하고, 검출 곡선의 형태는 비교적 매끄럽다. 도 69의 검출 곡선을 따르는 약간의 파동(fluctuation)이 존재하며, 상기 파동은 적어도 부분적으로 정점으로 인한 것이지만 이들 파동은 최소한이며, 신호의 경향을 실질적으로 왜곡시키지는 않는다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린 내 겹치는 광역 빔의 광 분포의 단순화된 그래프인 도 70-72가 참조된다. 하나로서 고려하면, 도 68 및 70-72는 10㎜씩 이격되어 있는 발광기-수광기 쌍을 포함하는 스크린 상의 3개의 이웃하는 광역 광 빔에 걸친 광 분포를 도시한다. 이들 도면에서 나타나는 것처럼, 광학 요소(530)의 단면은 2개의 발광기-수광기 쌍에 의한 겹치는 터치 검출을 제공한다. 도 70은 측정 대상인 스크린 축을 따르는 위치 0에 위치하는 발광기-수광기 쌍으로부터의 광 신호를 도시한다. 도 71은 측정 대상인 스크린 축을 따라 위치 20㎜에 위치하는 발광기-수광기 쌍으로부터의 광 신호를 나타낸다. 도 72는 도 68, 70 및 71의 3개의 발광기-수광기 쌍으로부터의 광 신호를 나타내고, 이들 광 빔이 스크린 표면의 겹치는 영역을 덮는 방식을 도시한다. 도 69는 손가락 끝이 스크린 축을 따라 이동할 때 도 72의 3개의 발광기-수광기 쌍에 대한 3개의 검출 신호를 나타낸다.
손가락을 이용할 때보다 미세-포인트 스타일러스를 이용할 때 터치 검출 신호가 덜 매끄럽다. 가령, 스타일러스 팁이 광 신호에서 더 적은 정점을 커버하기 때문에, 스크린을 가로질러 이동하는 2㎜ 스타일러스 팁이 6㎜ 손가락보다 검출 신호에서 더 많은 파동을 발생시키고, 따라서 신호 정점 안팎으로 움직이는 것이 차단된 신호의 더 큰 부분을 변화시킨다. 그럼에도 본 발명의 실시예는 복수의 검출 신호를 보간함으로써, 이러한 단점을 극복하고, 높은 정확도로 스타일러스 터치 위치를 결정한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 손가락 끝이 스크린의 3개의 서로 다른 위치를 가로질러 이동함에 따른 광역 빔으로부터의 검출 신호의 단순화된 그래프인 도 73이 참조된다. 도 73의 하부에, 광역 빔(167)을 가로지르는 손가락에 의해 추적되는 3개의 경로(925 - 927)가 도시된다. 경로(925)는 LED(200) 근처이고, 경로(926)는 스크린 중앙이고, 경로(927)는 PD(300) 근처이다. 도 73의 상부의 그래프가 손가락 끝이 3개의 경로(925-927)를 횡단할 때의 3개의 손가락 끝 검출 신호(그래프 범례에서 LED 가장자리, 스크린 중앙, 및 PD 가장자리로 라벨링됨)를 보여준다. 그래프 내 3개의 검출 신호들은 실질적으로 겹친다. 따라서, 신호는 깊이를 따라 균일하게 검출되고, 신호는 스크린의 단 하나의 축만 따라 터치의 함수로서 달라진다. 따라서 제 1 축을 따르는 터치 위치를 결정하는 것은 제 2 축을 따르는 검출 신호에 독립적이다. 덧붙여, 신호의 강도는 제 2 축을 따라 균일하며, 이로써 신호는 강건(robust)하다.
다양한 스크린 크기를 지원
구성 6의 일부 실시예는 2개의 이웃하는 발광 또는 수광 요소 상에 포커싱되는 교대하는 단면을 갖는 광학 요소를 포함한다. 이러한 광학 요소가 발광기 또는 수광기로부터 분리되어 있을 때, 상기 발광기 또는 수광기는 특정 피치로 이격되어 있는 것이 일반적이다. 이러한 광학 요소가 발광기 또는 수광기와 함께 강성 모듈(rigid module)로서 형성될 때, 내장된 발광기 또는 수광기가 반사성 단면에 대해 정밀하게 위치설정된다. 이웃하는 모듈을 조준하는 단면이, 자신의 모듈과 유사하게 위치하는 이웃하는 모듈에 내장된 발광기 또는 수광기에 따라 목표 설정된다. 이러한 위치설정은 스크린의 크기를 피치의 정배수(integral multiple)로 제한시킨다. 가령, 발광기들 사이의 피치가 10㎜인 경우, 스크린 치수는 10㎜의 정배수여야 한다. 본 발명의 실시예는 이하에서 설명될 방식에 따라 이러한 제한을 극복할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라 4개의 광학 요소 및 4개의 이웃하는 발광기의 단순화된 다이어그램인 도 74가 참조된다. 도 74에 일렬로 배열된 4개의 광학 요소(531 - 534)가 도시된다. 각각의 요소가 발광기(200-203) 중 각각의 발광기에 대향하도록 위치설정된다. 수광기에 대해, 또는 교대하는 발광기와 수광기에 대해 동일한 구성이 조립된다. 수광기의 경우, 발광기(200-203)가 수광기로 대체되며, 교대하는 발광기 및 수광기의 경우, 발광기(200 및 202)가 수광기로 대체된다.
광학 요소(531, 532 및 534)는 모두 동일한 폭, 가령, 10㎜을 가진다(즉, wl = w2 = w4). 발광기(200)와 발광기(201) 간의 피치 P1는 표준 간격, 가령, 10㎜이다. 10㎜의 표준 피치로 위치하는 발광기에 대해 광학 요소(531)의 단면이 구성된다. 피치 P2 및 P3는 비표준(nonstandard)적일 수 있다. 장치 제조업체가 단일 발광기를 비표준 피치로 삽입함으로써, 제조업체는 어떠한 스크린 크기를 수용할 수 있다. 광학 요소(533)의 폭, w3은 비-표준 스크린 크기에 대해 커스텀화되며, 가령, 가령, 96㎜의 스크린 길이의 경우, w3은 10㎜ 대신 6㎜이고, 피치 P2 및 P3은 각각 8㎜이다. 광학 요소(532)는 하이브리드 요소(hybrid element)인데, 요소(532)의 왼쪽 절반은 발광기(200 및 201)를 조준하는 단면을 가지며, 표준 10㎜ 피치에 따라 위치설정되고, 요소(532)의 오른쪽 절반은 특별하게 발광기(201 및 202)를 조준하는 단면을 가지며, 여기서 발광기(202)는 비표준 배치를 가진다. 또한, 광학 요소(534)의 왼쪽 절반이 발광기(202 및 203)를 조준하는 단면을 갖고, 반면에, 오른쪽 절반이 2개의 표준 피치 발광기를 조준하기 때문에, 광학 요소(534)는 하이브리드 요소이다. 광학 요소(533)는 비-표준적인데, 표준 요소만큼 넓지 않고 자신의 단면들 중 하나 걸러 하나의 단면이 발광기(202)를 조준한다. 이 예에서, 발광기(202)로부터의 빔의 폭은 표준 20㎜의 폭에 비교할 때 대략 16㎜이다. 따라서 발광기(202)는 광학 요소(533)에 약간 더 가까이 배치된다.
회절성 표면
본원에 기재될 때, 본 발명의 실시예에서 2개의 발광기로부터의 빔을 하나의 공통 경로를 따라 지향시키기 위해 회절성 표면이 사용된다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 2개의 발광기로부터의 빔을 하나의 공통 경로를 따라 지향시키는 회절성 표면의 단순화된 다이어그램인 도 75가 참조된다. 도 75에, 광의 아크(arc)(107 및 108)를 2개의 시준 렌즈(525)로 발산하는 발광기(200 및 201)가 도시된다. 광역 빔(167 및 168)이 렌즈(525)를 빠져 나와, 회절성 표면(560)으로 들어가고, 상기 회절성 표면은 빔(167 및 168)을 모두, 스크린을 횡단하는 광역 빔(193)으로 지향시킨다. 유사한 광학 배열이 광역 빔(193)을 서로 대향하는 스크린 가장자리에 위치하는 2개의 수광기 상으로 쪼갠다(split). 발광기 각각은 각자의 대향하는 수광기에 의해 따로 따로 활성화된다. 앞서 설명된 바와 같이, 2개의 발광기로부터의 빔이 빔(193)의 폭을 따라 서로 다른 신호 계조도를 가진다. 이하에서 제공되는 수학식 (2) 및 (3)으로부터 2개의 검출 신호가 터치 위치를 계산하기 위해 사용된다.
겹치는 병렬 빔들
앞서 기재된 바와 같이, 본 발명의 대안적 실시예에서, 스크린 위로 약간 상이한 높이에서 투영되는 병렬 광역 빔이 사용되어, 스크린 상의 터치 이벤트에 대한 복수의 검출 신호를 제공할 수 있다.
교대하는 발광기 및 수광기
본 발명의 대안적 실시예에서, 발광기 및 수광기가 각각의 스크린 가장자리를 따라 교대하면서 위치설정된다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 교대하는 발광기와 수광기로 둘러싸이는 터치 스크린의 단순화된 다이어그램인 도 76이 참조된다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라 교대하는 발광기와 수광기로 둘러싸이고 광역 빔이 스크린을 횡단하는 터치 스크린을 단순화하여 도시하는 도 77이 참조된다. 또한 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 교대하는 발광기와 수광기로 둘러싸이고 2개의 광역 빔이 스크린을 횡단하는 터치 스크린이 단순화되어 도시되는 도 78이 참조된다. 또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 교대하는 발광기 및 수광기에 의해 둘러싸이고 3개의 광역 빔이 스크린을 횡단하는 터치 스크린의 단순화된 도시인 도 79가 참조된다. 도 77-79는 앞서 설명된 도 65-67의 겹치는 광역 빔과 유사한 겹치는 광역 빔을 도시한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 발광기와 이웃하는 수광기에 대한 광을 반사시키고 인터리브하는 시준 광학 요소가 단순화되어 도시된 도 80이 참조된다. 도 80은 이웃하는 광 빔들을 인터리브하는 광학 요소(530)를 도시하며, 여기서 제 1 빔이 발광기(200)로부터 나오고, 제 2 빔이 이웃하는 수광기(301)로 들어간다. 도 80은 또한 제 1 빔에 대한 신호 계조도(920)와 제 2 빔에 대한 신호 계조도(921)를 도시한다. 두 빔 모두에서 터치가 검출될 때, 이하에서 기재되겠지만, 경사진 계조도(sloping gradient)가 보간에 의해 정밀한 터치 위치의 결정을 가능하게 한다.
도 73을 참조하여 앞서 설명된 바와 같이, 검출 신호는 광역 빔 내 터치 위치의 깊이에 따라 달라지지 않는다. 따라서, 겹치는 인접한 광역 빔들의 반대 방향이 터치 검출 신호에 영향을 미치지 않는다. 실제로, 이는 각각의 빔의 방향에 무관하게 겹친 빔들로부터 신호를 보간하는 것을 가능하게 한다.
구성 4를 참조하여 앞서 설명한 바와 같이, 터치 포인터가 넓다고 예상될 때, 가령, 손가락일 때, 빔이 손가락보다 약간 덜 넓다고 가정하면 손가락이 2개의 이웃하는 빔의 적어도 일부분에 걸쳐 있다고 예상되기 때문에, 광역 빔들은 겹칠 필요가 없다. 덧붙여, 손가락이 빔의 가장자리들 중 하나에서 시작하는 각각의 빔을 덮는다. 따라서 빔이 빔의 폭에 걸쳐 광을 고르게 분포시킬 때라도, 시스템은 각각의 빔의 차단된 부분을 결정할 수 있다. 가령, 빔의 50%가 차단된 경우, 손가락이 빔의 절반을 차단하고 있고, 빔의 25%가 차단된 경우, 손가락이 빔의 4분의 1을 차단하고 있다. 이는 도 80의 감쇠되는 신호 계조도(920 및 921)와 상이하다. 그 후, 둘 이상의 이웃하는 빔으로부터의 신호를 보간함으로써, 손가락의 위치가 결정된다.
다중-터치 검출
종종, 2개의 축에 평행인 방향으로 광을 발산하는 발광기를 통해 다중-터치 위치를 명료하게 식별하기 어렵다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 발광기의 제 1 배향에 관하여 모호한 다중-터치 위치가 도시된 도 81-84가 참조된다. 도 81 및 82에서 도시된 바와 같이, 대각선으로 배향된 다중-터치의 위치를 결정할 때 모호성이 존재한다. 다중-터치가 셋 이상의 포인터를 포함하는 경우 추가적인 모호성이 존재한다. 예를 들어, 도 81 및 82에 도시된 2-터치가 도 83에 도시된 3-터치 경우 및 도 84에 도시된 4-터치 경우에 비해 모호하다. 이들 경우 각각에서, 행과 열 지시자 a-h가 동일한 위치에서의 광의 부재(不在)를 나타낸다. 이러한 모호성은, 하나의 포인터의 그림자가 또 다른 포인터의 일부분을 가로막는 효과를 일컫는 "고스팅(ghosting)"으로 인한 것이다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 터치 검출을 위한 격자 배향(grid orientation)의 2개의 세트를 이용하여 고스팅이 해결된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 발광기의 제 2 배향에 관하여 모호한 도 81-83의 다중-터치 위치를 도시하는 도 85-87이 참조된다. 본원에서 도 76 및 77을 참조하여 기재된 바와 같이, 교대하는 발광기와 수광기의 배열을 이용하고, 검출 축의 2개의 세트를 생성하기 위한 추가 광학 요소를 이용함으로써, 중요한 이점이 제공된다. 한 가지 이점은 겹치는 광역 빔의 강건한 세트를 생성하는 것이며, 이로써, 높은 정확도로 터치 좌표를 결정하기 위해 복수의 검출 신호가 보간될 수 있다. 또 다른 이점은 겹치는 광역 빔을 제 2 축 세트 상에서 생성함으로써, 상기 제 2 축 세트에서의 터치 검출도 역시 정교해진다는 것이다.
앞서 도 45 및 46을 참조하여 이중-유닛(dual-unit) 도광체가 기재되었다. 거기서, 도광체의 하부 부분(464)은 발광기 및 수광기에 포커싱되는 반사성 단면 또는 렌즈를 포함하고, 상부 부분(463)은 발광기 및 수광기에 관련해 정교한 배치를 필요로 하지 않는 반사성 표면 및 렌즈를 포함한다. 구성 6에서, 교대하는 반사성 또는 굴절성 단면이 하부 부분의 일부를 형성한다. 3개의 방향으로 광 빔을 분포시키기 위한 3면 굴절성 공동(three-sided refractive cavity)이 상부 부분의 일부로서 형성된다. 구성 6에서, 마이크로-렌즈(467)가 사용될 필요가 없다. 대안적으로, 이하에서 도 112를 참조하여 기재될 바와 같이, 교대하는 면들이 발광기 또는 수광기를 포함하는 투명 플라스틱 모듈로 형성된다. 이들 모듈의 배열이 하부 부분(464)을 대체하고 상부 부분(463)은 남겨진다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 빔이 4개의 축을 따라 지향되는 터치 스크린을 단순화되어 도시하는 도 88이 참조된다. 도 88에 스크린(800)의 상부 가장자리를 따르는 일렬의 발광기(200)들과 스크린(800)의 하부 가장자리를 따르는 일렬의 수광기(300)가 도시된다. 스크린(800)의 왼쪽 및 오른쪽 가장자리는 조합된 발광기-수광기 요소(230)의 대향하는 줄을 포함한다. 요소(230)는 발광기와 수광기로서 역할한다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 발광기 및 수광기는 단일 유닛으로, 가령, 팬실베니아, 몰번에 소재하는 Vishay Corporation이 제조하는 반사성 및 투과성 센서로서 조합된다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, LED는 발광 및 검출 모두를 위해 사용된다. LED 및 전류 제한 레지스터(current limiting resistor)를 이용해 광을 발산 및 검출하는 집적 회로가, Dietz, P.H., Yerazunis, W.S. 및 Leigh, D.L., "Very low cost sensing and communication using bidirectional LEDs", International conference on Ubiquitous Computing (UbiComp), October, 2003에 기재되어 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 2개의 격자 배향을 갖는 발광기와 수광기의 교대하는 구성을 단순화하여 도시하는 도 89가 참조된다. 도 89에서, 스크린 가장자리 주변에서 발광기(200)는 수광기(300)와 교대하는 패턴으로 도시된다. 각각의 발광기에 의해 발산되는 광은 대향하는 스크린 가장자리에서의 2개의 수광기에 의해 검출되고, 2개의 수광기는 이들 사이의 발광기에 의해 분리된다.
발광기로부터의 광이 2개의 대향하는 수광기의 외부 가장자리에 도달하기 위해서, 각각의 발광기로부터 발산되는 광역 빔이 3개의 광학 렌즈의 거리에 걸쳐 있어야 한다. 이는, 앞서 기재된, 하나의 공통 발광기로부터의 광을 검출하는 2개의 수광기가 서로 인접하게 배치되며, 따라서 각각의 발광기로부터 발산되는 광역 빔이 2개의 광학 렌즈의 거리에만 걸쳐 있을 필요가 있는 이동-정렬(shift-align)되는 발광기 및 수광기를 갖는 구성과 대비되는 것이다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라 교대하는 발광기와 수광기의 구성을 단순화하여 도시하는 도 90이 참조된다. 도 90에서, 발광기(201)가 하부 스크린 가장자리를 따라 수광기(303)와 수광기(304) 사이에 위치하고, 발광기(202)는 상부 스크린 가장자리를 따라 수광기(301)와 수광기(302) 사이에 위치한다. 발광기(201)로부터의 광이 수광기(301 및 302)에 의해 검출되고, 발광기(202)로부터의 광이 수광기(303 및 304)에 의해 검출된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 하나의 발광기로부터의 2개의 광역 광 빔이 2개의 수광기에 의해 검출되는 것이 단순화되어 도시되는 도 91이 참조된다. 도 91에 발광기(201)로부터의 2개의 광역 빔이 렌즈(440)를 빠져나와 렌즈(441 및 443)에 도달하고, 수광기(301 및 302) 각각에 의해 검출되는 것이 도시된다. 하나의 광역 빔은 가장자리(145 및 146)에 의해 경계지어지고, 또 다른 광역 빔은 가장자리(147 및 148)에 의해 경계지어진다. 빗금친 삼각형 영역이, 터치가 수광기(301 및 302)에서 검출되는 겹치는 부분을 나타낸다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 2개의 광역 빔과 이들의 겹치는 영역을 단순화하여 도시한 도 92가 참조된다. 발광기(201)로부터의 하나의 광역 빔이 렌즈(440)를 빠져나와 렌즈(441)에 도달하여, 수광기(301)에 의해 검출된다. 상기 광역 빔은 가장자리(145 및 146)에 의해 경계지어진다. 발광기(202)로부터 수광기(303)로의 또 다른 광역 빔이 가장자리(147 및 148)에 의해 경계지어진다. 빗금친 다이아몬드형 영역이 수광기(301 및 303)에서 터치가 검출되는 겹치는 부분을 나타낸다.
따라서 발광기-검출기 쌍이 대향하는 스크린 가장자리에 위치할 때, 해당 분야의 통상의 기술자라면, 2개의 발광기-검출기 쌍에 의해 스크린 상의 임의의 위치가 검출되며, 따라서 앞서 기재된 바와 같이 정확한 터치 위치가 계산될 수 있음이 자명할 것이다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 빔을 검출하는 가장자리에 위치하는 터치 포인트(980)의 단순화된 도시인 도 93이 참조된다. 도 93은 터치 포인트(980)의 위치를 정확히 결정하기 위해 광 빔이 발광기 및 수광기 렌즈의 가장자리까지 뻗어 있는 것이 바람직함을 보여준다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 손가락 터치 검출을 위해 설계된 스크린 내 손가락 크기의 터치 포인트의 단순화된 도시인 도 94가 참조된다. 도 94는 큰 터치 포인트(980), 가령, 손가락 터치와, 교대하는 빔(201-301, 202-302 및 203-303)을 도시한다. 검출 신호는, 빔의 폭을 따르는 균일한 광 분포를 나타내는 사각형의 형태로 각각의 검출기 옆에서 나타난다. 빔(201-301 및 202-302)은 포인터(980)에 의해 차단되는 부분을 가진다. 포인터(980)의 위치는 빔(201-301 및 202-302)의 차단된 부분을 기초로 결정된다. 이 경우, 빔은 깔끔하게 시준되고 3개가 아니라 단 하나의 렌즈에만 걸쳐 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 디스플레이 스크린의 2개의 가장자리를 따르는 수광기로 광을 지향시키는 디스플레이 스크린의 하나의 가장자리를 따르는 발광기를 단순화하여 도시하는 도 95가 참조된다. 도 95에 디스플레이 스크린의 하나의 가장자리에 위치하는 발광기(200)로부터 상기 디스플레이 스크린의 대향하는 가장자리를 따르는 수광기(300 및 301)로 발산되는 광 빔의 제 1 쌍과, 발광기(200)로부터 디스플레이 스크린의 왼쪽에 인접한 가장자리를 따르는 수광기(302 및 303)로 발산되는 광 빔의 제 2 쌍이 도시된다. 광 빔(도시되지 않음)의 제 3 쌍이 발광기(200)로부터 디스플레이 스크린의 오른쪽에 인접한 가장자리에 위치하는 수광기로 발산된다. 광 빔의 제 2 및 제 3 쌍 각각은 상기 광 빔의 제 1 쌍에 대해 약 45°의 각도로 배향된다.
또한 도 95에, 발광기(200)로부터, 렌즈(439)의 왼쪽으로 약 45°로 배향된 렌즈(442 및 443)로 광을 굴절시키기 위해 사용되는 렌즈(439)가 도시된다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 렌즈(439)는 1.4-1.6의 굴절률을 갖는 플라스틱 물질로 만들어진다. 따라서 광이 45°의 각도로 굴절되기 위해서는 대략 84°의 입사각이 필요하다. 그러나 이러한 큰 입사각의 경우, 내부 반사로 인해 손실되는 광량이 크다. 처리량을 개선하기 위해, 앞서 기재된 바와 같이, 2개의 공기/플라스틱 계면이 사용되어, 대략 45°의 굴절 각이 얻어진다.
3방향 마이크로-렌즈
본 발명의 실시예에 따라, 광을 3개의 방향으로 굴절시키기 위한 렌즈를 단순화하여 도시하는 도 96 및 97이 참조되며, 상기 렌즈는 실질적으로 평면인 2면 및 3면 오목 공동의 반복 패턴을 갖는 렌즈 표면을 가진다. 발광기 또는 수광기에 대향하는 평면 표면이 도 96에서 발광기 또는 수광기의 원위(distal)에 위치하여, 3면 공동를 형성하고, 도 97에서 근위(proximal)에 위치하여 2개의 2면 공동을 분리시킨다.
몇 개의 실시예에서, 이러한 3면 렌즈가 사용된다. 제 1 실시예에서, 이웃하는 빔을 인터리브하기 위해 교대하는 단면을 갖는 추가 광학 구성요소 없이 렌즈가 사용된다. 이 실시예에서, 광역 빔이 스크린을 덮지만, 보간을 위한 둘 이상의 검출 신호를 제공하기 위해, 반드시 겹치는 것은 아니다. 이 실시예에 대한 통상의 사용 경우는 손가락 입력이며, 스타일러스 입력은 아니다. 다중-터치 경우에서의 모호성 및 고스팅을 제거하기 위해, 3방향 렌즈(tri-directional lens)가 4개의 서로 다른 축 상에서의 검출을 가능하게 한다. 또한 3방향 렌즈가 추가 터치 위치 정보(즉, 2개가 아닌 4개의 축)를 제공하며, 추가 정보는, 단일 터치의 경우라도, 터치 위치의 정확성을 증가시킨다.
제 2 실시예에서, 이웃하는 빔들을 인터리브하기 위한 교대하는 단면을 갖고, 겹치는 검출 신호를 제공하는 교대하는 배열을 갖는 추가 광학 구성요소를 포함하는 렌즈가 사용된다. 이 실시예에서, 겹치는 광역 빔들이 보간을 위한 둘 이상의 검출 신호를 제공한다. 이 실시예에 대한 일반적인 사용 경우는 손가락 및 스타일러스 입력이다. 3방향 렌즈 및 인터리브 단면이 2개의 개별 구성요소로 형성될 수 있다. 인터리브 단면 구성요소의 부정확한 배치에 대한 허용 오차가 낮고, 반면에 3방향 렌즈 구성요소의 부정확한 배치에 대한 허용오차는 높기 때문에, 인터리브 단면 구성요소는 3방향 구성요소보다 자신의 발광기 또는 수광기에 더 가까이 배치된다. 대안적으로, 3방향 렌즈 및 인터리브 단면이 단일 강성 구성요소로 형성될 수 있다. 예를 들어, 회절 격자(diffractive grating)가 2개의 소스로부터의 신호를 인터리브하고, 또한 빔을 3개의 방향으로 쪼갠다.
도 96에, 하부 표면 상에 마이크로-렌즈(528)의 패턴을 갖는 렌즈(527)가 도시된다. 도 96에 도시된 마이크로-렌즈 패턴은 3개의 실질저긍로 평면인 면을 가지며, 각각의 면은 광을 서로 다른 방향으로 굴절시킨다. 마이크로-렌즈(528)의 패턴이 렌즈의 상부 섹션의 하부 가장자리를 따라 톱니 반복 패턴을 형성한다. 각각의 마이크로-렌즈(528)의 3개의 벽은 약간 만곡되어, 광이 렌즈를 빠져나와 의도한 수광기로 향할 때, 광을 더 넓은 아크로 확산시킬 수 있다.
시준 렌즈 섹션(도시되지 않음)이 렌즈(527) 아래에 위치하여, 광을 병렬 빔으로 마이크로-렌즈(528)로 지향시킨다.
본 발명의 일부 실시예에서, 렌즈(527)는 2-렌즈 배열의 일부이고, 이때 렌즈(527)는 2개의 렌즈 중, 발광기 또는 수광기로부터 멀고 스크린 표면에 가까운 상부 렌즈를 형성한다. 이와 달리, 도 45에 도시된 2-섹션 렌즈가 하부 섹션의 상부 상에 마이크로-렌즈 패턴을 가진다.
교대하는 단면 구성요소로부터 시준된 빔을 적절하게 인터리브하기 위해, 3면 공동(cavity)의 피치가 교대하는 단면의 피치보다 훨씬 더 작을 필요가 있다. 이상적으로, 공동의 피치가 가능한 작아야 한다. 약 0.6㎜의 교대하는 단면의 경우, 공동은 0.2㎜ 이하여야 한다. 인접하는 평면의 쌍 각각 사이의 이면각(dihedral angle)이 대략 122°이어서, 1.6의 굴절률을 갖는 플라스틱을 이용해 45° 굴절을 얻을 수 있다. 그러나 대각 축의 서로 다른 세트에 대해 서로 다른 각이 바람직할 수 있거나, 서로 다른 굴절률을 갖는 플라스틱이 바람직할 수 있으며 이 경우 이면각이 서로 다를 것이다.
도 96에 도시된 것처럼, 들어오는 시준 광이 2개의 공기/플라스틱 계면을 통해 굴절되어, 대략 45°인 굴절각으로 나타난다. 마이크로-렌즈의 내부 평면을 따르는 제 1 계면이 들어오는 광을, 대략 58°인 굴절각으로 굴절시키고, 제 2 계면이 대략 45°인 굴절각으로 나타나도록 광을 굴절시킨다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 교대하는 발광기와 수광기에 의해 둘러싸이는 터치 스크린 및 상기 스크린을 횡단하는 대각(diagonal) 광역 빔을 단순화하여 도시하는 도 98-100이 참조된다. 도 98 및 99는 발광기(200 및 201)로부터 수광기(300)로의 대각 광역 빔 및 이에 대응하는 신호 계조도(910)를 도시한다. 도 100은 발광기(202 및 204)로부터 수광기(302 및 304)로의 대각 광역 빔 및 이에 대응하는 신호 계조도(911 및 912)를 도시한다. 이들 광역 빔은 도 95의 광역 빔(167)과 겹침으로써, 보간을 위한 복수의 터치 검출을 제공한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린에서 대각 광역 빔을 가로지르는 광 분포의 단순화된 그래프인 도 101이 참조된다. 도 101의 하부 부분은 광역 빔(167)과 제 2 축 시스템에 따라 이 빔과 교차하는 경로(925)를 도시한다. 요소들 간 피치가 1 단위인 경우, 이 빔의 폭이 1/√2 유닛이다. 따라서 요소들 간 피치가 10㎜인 경우, 대각 축을 따르는 빔은 대략 7㎜ 폭이다. 도 101의 상부 부분은 광역 빔(167)을 가로지르는 광의 분포를 도시한다. 신호는 도 69의 20㎜의 수직 빔에 비교할 때 대략 14㎜의 대각 빔에 걸쳐 있다. 도 68을 참조하여 앞서 기재된 것처럼, 빔의 폭을 가로지르는 신호 계조도에 의해, 복수의 검출 신호를 보간하는 것이 정밀한 터치 위치를 결정할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린 내 겹치는 3개의 대각 광역 빔을 가로지르는 광 분포의 단순화된 그래프인 도 102가 참조된다. 도 102는 도 72와 유사하게, 제 2 축 시스템 내 겹치는 3개의 빔에 걸친 신호 분포를 도시한다. 이들 2개의 빔 세트에 의해 서로 다른 폭이 덮힌다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린에서 손가락이 겹치는 3개의 대각 광역 빔을 가로질러 미끄러질 때 터치 검출의 단순화된 그래프인 도 103이 참조된다. 도 103은 겹치는 3개의 인접한 빔을 손가락이 갈로질러 통과하는 것의 수신이 각각의 빔에 의해 검출되는 방식을 도시한다. 최대 검출 신호는 기저 신호 강도의 대략 40%이고, 이는 손가락이 빔의 중앙에 위치할 때 발생한다. 이 경우, 손가락이 총 광 빔의 대략 60%를 차단한다. 이는 도 69의 동일한 손가락에 의해 차단된 광량, 즉, 40%보다 크다. 이러한 차이는 대각 빔이 수직 빔보다 더 좁기 때문에 발생한다. 따라서 6㎜ 손가락 끝이 빔에서 더 큰 광 부분을 차단한다. 검출 신호가 터치 위치를 결정하기 위해 실질적으로 매끄럽고 강건하다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 손가락 끝이 3개의 서로 다른 위치에서 스크린을 가로질러 이동할 때 대각 광역 빔으로부터의 검출 신호의 단순화된 그래프인 도 104가 참조된다. 도 104는 광역 빔의 깊이를 따라 터치 검출이 안정하게 유지되고, 앞서 도 73을 참조하여 설명된 바와 같이, 빔의 폭을 가로지르는 위치에 따라서만 달라짐을 보여준다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 스크린을 횡단하는 대각 및 직교 광역 빔이 하나의 수광기에 의해 검출되도록, 교대하는 발광기 및 수광기로 둘러싸인 터치 스크린에 대한 제 1 실시예를 단순화하여 도시한 도 105가 참조된다. 도 105는 각각의 스크린 가장자리를 따라 동일한 개수의 요소가 배치되는 하나의 실시예를 도시한다. 하나의 수광기(300)에 대해 3개의 빔(167-169)이 도시되는데, 즉, 하나의 빔이 대향 발광기(200)로 지향되고, 나머지 2개의 빔이 인접한 스크린 가장자리에 위치하는 발광기(201 및 202)로 지향된다. 상기 대각 빔은 서로 수직이 아닌 2개의 축을 생성한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 스크린을 횡단하는 대각 및 직교 광역 빔이 하나의 수광기에 의해 검출되도록, 교대하는 발광기와 수광기로 둘러싸인 터치 스크린에 대한 제 2 실시예가 단순화되어 도시된 도 106이 참조된다. 도 106은 이웃하는 스크린 가장자리를 따라 배치되는 서로 다른 개수의 요소를 갖는 실시예를 도시한다. 하나의 수광기(300)에 대해 3개의 빔(167-169)이 도시되는데, 즉, 하나의 빔이 대향하는 발광기(200)로 지향되고, 나머지 2개의 빔이 발광기(201 및 202)에 실질적으로 45° 각도로 지향되며, 이들 발광기 중 하나가 대향 가장자리 상에 위치하고, 또 다른 발광기는 인접한 가장자리 상에 배치된다. 이들 대각 빔은 서로 수직인 2개의 축을 생성한다.
팜 리젝션(Palm Rejection)
일반적으로, 사용자가 스타일러스를 이용해 기입(write)할 때 자신의 소지 아래의 손바닥(palm)의 측부에 위치하는 소지구 근(hypothenar muscle)으로 터치 스크린을 받칠 때, 고스팅(ghosting)이 발생한다. 손바닥의 이러한 부분이 터치 스크린의 넓은 영역을 차단하고, 종종, 스크린의 수직 축을 따라 일련의 광 빔을 차단함으로써, 수직 축을 따르는 스타일러스의 터치 위치를 숨긴다.
스타일러스로 종래 기술의 터치 스크린 상에 사용자가 기입하는 것을 단순화시켜 도시한 도 107이 참조된다. 손(930)이 스타일러스(931)를 잡고, 터치 스크린(800) 상에 선(932)을 그리는 것이 도 107에 도시된다. 사용자의 손바닥이 스크린(800)을 받칠 때, 점선으로 도시된 2개의 광 빔 시리즈, 즉, 스크린의 수평 축을 따라 시리즈(113), 및 스크린의 수직 축을 따르는 시리즈(114)를 차단한다. 수직 축 상의 스타일러스 팁의 위치가 시리즈(114) 내에 있다. 빔(115)은 스타일러스의 팁을 검출하지만, 수평 축 위치만 제공한다.
본 발명의 실시예가 도 107에서 도시된 단점을 극복한다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 사용자의 손바닥이 터치 스크린을 받칠 때, 스타일러스의 위치를 검출하는 광 빔을 단순화하여 도시하는 도 108이 참조된다. 2개의 검출 축 세트, 즉, 직교 세트 및 대각 세트를 제공함으로써, 스타일러스의 2차원 위치가 결정된다. 도 108은 빔(115 및 116)이 스타일러스를 고유하게 검출하는 것을 도시한다. 앞서 기재된 바와 같이 각각의 검출이 보간되는 신호를 갖는 겹치는 광역 빔을 포함하기 때문에, 빔(115 및 116)이 서로에 대해 수직이 아님에도 불구하고, 높은 정확도로 스타일러스 위치가 결정된다. 사용자의 손바닥의 하부가 대각 빔(117)을 차단하지 않을 때, 또한 빔(117)은 손바닥과 별개로 스타일러스 위치를 검출한다. 이러한 경우, 스타일러스 위치를 검출하기 위해 빔(116 및 117)이 사용된다. 대안적으로, 모든 3개의 검출 빔(115-117)이 사용될 수 있다.
스타일러스와 손가락 입력을 모두 지원하는 터치 스크린에서, 스타일러스를 이용해 기입하기 위해 사용자가 자신의 손바닥을 스크린 상에 위치시킬 때 발생하는 또 다른 해결과제는, 아이콘이 탭핑된 의도치 않은 애플리케이션을 장치가 런칭한 것에 응답하여, 손바닥과 스크린의 초기 접촉을 아이콘의 탭핑이라고 오해석(misinterpretation)하는 것이다. 손바닥으로 스크린을 받치면, 접촉 영역이 손바닥 터치를 스크린 탭핑이 아니라고 거절(reject)하기 위해 사용된다. 그럼에도, 초기 접촉은 스크린의 작은 표면적을 덮으므로, 스크린 탭핑이라고 오해석될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 스크린 위의 광 빔이 사용되어 손바닥이 스크린에접근할 때 손바닥을 검출할 수 있다. 하나의 실시예에서, 접근하는 손가락(900)이 빔(102)이 아닌 빔(101)을 차단하는 것을 도시하는 도 18에서 나타난 것처럼, 이는, 스크린 위의 복수의 높이에서 각각의 발광기로부터 광을 투영시킴으로써, 이뤄진다. 또 하나의 실시예에서, 사용자 입력 제스처 공동, 특히, 스크린의 상부 상에서 접히는 공동 프레임을 참조하여 앞서 기재된 것처럼, 발광기 및 수광기의 복수의 층이 스크린 둘레에 배열되고, 스크린 위의 여러 다른 높이에서 물체를 검출하도록 사용된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 터치 스크린을 둘러싸는 프레임의 단순화된 도시인 도 109가 참조된다. 도 109는 도 55의 프레임(849)과 유사한 터치 스크린을 둘러싸는 프레임(849)을 도시한다. 발광기(200) 및 수광기(300)의 적층된 2줄이 프레임에 제공된다. 전자 장치에서 디스플레이와 함께 조립될 때, 발광기 및 수광기의 적층된 줄이 디스플레이 표면 위로 돌출되고, 2개의 높이에서의 물체 검출을 제공하는데, 즉, 발광기 및 수광기의 하부 줄에 의해 스크린 상에서, 그리고 발광기 및 수광기의 상부 줄에 의해 스크린 위에서의 물체 검출을 제공한다. 사용자의 손바닥이 스크린을 터치하기 시작할 때, 넓은 손바닥 영역이 스크린 위를 호버링(hovering)하는 것이 검출된다. 이로 인해서 장치는 손바닥이 스크린에 접근하고 있다고 판단하고 임의의 스크린 탭핑이 의도되지 않은 것이라고 판단할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시예에서, 스크린 위에서 호버링하는 손바닥을 검출하기 위해, 발광기 및 수광기의 하나의 줄만 제공되고, 스크린 상의 터치는 디스플레이 상에 제공되는 종래의 검출 시스템, 가령, 정전용량성 터치 센서 또는 저항성 터치 센서에 의해 검출된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 사용자 인터페이스가 손바닥이 검출될 때 기능을 활성화시키기 위한 스크린 탭핑을 비활성화시킨다. 손바닥이 검출될 때, 사용자 인터페이스는 사용자가 아이콘을 터치하고, 터치 스크린을 따라 사용자의 손가락이 터치된 위치에서 멀어지도록 미끄러지는 것에 응답하여 애플리케이션을 런칭하도록 구성된다. 즉, 사용자 인터페이스 제스처의 2개의 세트가 제공된다. 어떠한 손바닥도 검출되지 않을 때, 제 1 제스처 세트가 사용된다. 제 1 제스처 세트의 경우, 아이콘의 탭핑이 상기 아이콘과 연관된 애플리케이션 또는 기능을 활성화시킨다. 손바닥이 스크린 위에서 호버링하는 것이 검출될 때, 제 2 제스처 세트가 사용된다. 제 2 제스처 세트의 경우, 사용자는 아이콘을 터치할 필요가 있고, 그 후 사용자의 손가락이 터치 스크린을 따라 터치 위치로부터 멀어지면서 미끄러져서, 상기 아이콘과 연관된 애플리케이션 또는 기능을 활성화시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 사용자가 자신의 손바닥을 스크린 상에 위치시킬 때 장치가 의도하지 않은 애플리케이션을 런칭하지 않는다. 제 2 제스처 세트가 아이콘의 활성화를 불능화시키며, 터치 및 글라이드 제스처에 의해, 사용자가 원할 때 사용자는 아이콘과 연관된 애플리케이션 또는 기능을 활성화시킬 수 있게 한다.
모서리 주변에 요소를 위치시키기
스크린 모서리(screen corner)가 발광기 및 수광기를 배열하기 위한 몇 가지 도전 과제를 제공한다. 한 가지 도전 과제는 2개의 발광기가 동일한 위치에 배치될 필요가 있다는 것이다(각각의 스크린 가장자리에 대해 하나씩). 도전 과제는 도 44에 도시된 레이아웃에 의해 복잡해지고, 이로써 발광기 및 수광기 요소가 스크린 표면 아래에 배치되고, 따라서 이들 요소에 의해 형성되는 장방형이 스크린을 둘러 싸는 렌즈의 프레임보다 작다. 이러한 도전 과제를 극복하기 위한 한 가지 접근법은 PCB 상의 대략적인 동일한 위치에 2개의 발광기를 배치하는 것이며, 발광기들 중 하나가 PCB의 상부 표면 상에 배치되고, 나머지 발광기가 PCB의 하부 표면 상에 배치된다. 그러나 이 접근법은 커넥터 및 광학 요소의 위치설정의 복잡함을 야기한다.
또 다른 문제는 겹치는 빔을 스크린의 가장자리로 확장시키는 것이다. 발광기 및 수광기가 스크린 아래에 위치하더라도, 터치 검출이 스크린을 둘러싸는 광학 요소의 내부 가장자리에 의해 경계 지어지는 전체 영역을 덮는다.
본 발명의 실시예가, 앞서 기재된 바와 같이, 직교 및 대각 검출 축과 함께 사용되기에 적합한 배열을 제공한다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린의 모서리에 대해 발광기, 수광기, 및 광학 요소의 제 1 실시예를 단순화하여 도시된 도 110이 참조된다. 도 110은 발광기 또는 수광기 요소의 제 1 모서리 배열 및 이들 각자의 광학 요소를 도시한다. 2개의 인접한 스크린 가장자리를 따라 수광기(300-303) 및 발광기(200-202)가 교대로 배열된다. 실선이 발광기로부터의 광 빔을 나타내고, 점선이 수광기에 도달하는 광 빔을 나타낸다. 발광기 및 수광기(300, 200, 302, 202 및 303)가 표준 피치에 따라 배치되고, 이에 따라서 광학 요소(530)가 구성된다. 수광기(301) 및 발광기(201)가 기울어져서 배향되고, 빔의 절반이 제 1 방향으로, 가령, 스크린의 수직 축을 따라 스크린을 횡단하도록, 그리고 빔의 나머지 절반이 제 2 방향으로, 가령, 스크린의 수평 축을 따라 횡단하도록 이들의 광역 빔이 분할된다. 덧붙여, 앞서 기재된 바와 같이, 빔을 쪼개기 위해 3면 공동을 갖는 제 2 렌즈를 포함하는 실시예에서, 광역 빔의 절반이 하나의 스크린 가장자리를 따라 시작되는 대각 빔들의 제 1 쌍으로 쪼개지고, 빔의 나머지 절반이 이웃하는 스크린 가장자리를 따라 시작되는 대각 빔들의 제 2 쌍으로 쪼개진다. 발광기(201)와 수광기(302)에 대한 빔들을 겹치기 위해 하이브리드 광학 요소(531)가 제공된다. 광학 요소(531)가 "하이브리드 광학 요소"라고 지칭되는데, 왜냐하면 상기 요소의 오른쪽 절반이 요소(530)의 오른쪽 절반과 동일하지만, 왼쪽 절반 상의 반사성 또는 굴절성 단면의 일부분이 발광기(201)의 비-표준 위치 및 배향으로 지향된다. 마찬가지로, 발광기(200) 및 수광기(301)에 대한 빔들을 겹치기 위해 하이브리드 광학 요소(532)가 제공된다. 하이브리드 광학 요소(532)의 하부 절반이 요소(530)의 왼쪽 절반과 유사하다. 모서리 요소(533)의 두 절반 모두 고유하게 구성되는데, 즉, 왼쪽 절반이 발광기(201) 및 수광기(301)에 대한 빔들과 겹치고, 오른쪽 절반이 발광기(201) 및 수광기(302)에 대한 빔들과 겹친다. 모서리 광학 요소(534)의 두 절반 모두도 역시, 발광기(200 및 201) 및 수광기(301)에 대해 고유하게 구성된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린의 모서리를 위한 발광기, 수광기, 및 광학 요소의 제 2 실시예를 단순화하여 도시한 도 111이 참조된다. 도 111은 발광기 또는 수광기 요소 및 이들 각자의 광학 요소의 대안적 모서리 배열을 도시한다. 도 111에서 도시된 배열에서, 단 하나의 발광기(201)가 비-표준 피치 및 배향으로 배치된다. 표준 광학 요소(530)가 하이브리드 광학 요소(531 및 532) 및 고유 모서리 광학 요소(533)와 함께 사용된다. 광학 요소(531-533)가 발광기-수광기 배열에 대해 구성되고, 따라서 도 110의 요소(531-533)와 다르다.
통합 모듈(Integrated Module)
일반적으로, 2개의 초점을 조준하는 교대하는 반사성 또는 굴절성 단면을 이용해 터치 시스템에 대한 조립체 오차에 대한 낮은 허용오차가 존재한다. 발광기 또는 수광기의 배치에서의 오프셋에 의해, 반사성 단면의 초점에서 벗어날 수 있고, 이러한 시스템의 정확도 및 성능을 저하시킬 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 필요한 조립 정밀도를 보장하기 위해, 반사성 또는 굴절성 단면을 포함하는 강성 모듈식 블록 및 발광기 또는 수광기가 제작된다. 이러한 모듈식 블록은 터치 스크린 구성요소를 통합하고 제조업체에 대한 허용오차 체인(tolerance chain)을 최소화하기 위해 유용하다. 터치 스크린의 빠른 조립을 위해 이들 모듈식 블록은 디스플레이의 하나의 가장자리를 따라 다함께 일렬로 배치되도록 형성된다. 모듈식 블록의 제조 동안, 반사성 또는 굴절성 단면에 대해 발광기 또는 수광기를 정확히 올바른 위치로 배치시키는 높은 허용 오차 요건이 핸들링됨으로써, 고 정밀도 조립에 대한 장치 제조업자의 부담을 없애준다.
광학 요소 및 전자 구성요소를 하나의 단일 유닛으로 통함시킴으로써, 단순화된 제작이 이뤄진다. 따라서 복잡한 표면이 하나의 구성요소로 모아질 수 있음으로써, 높은 조립 허용오차에 대한 필요성이 감소된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 적외선 광에 투명한 플라스틱 물질로 만들어진 광학 구성요소를 도시한 도 112가 참조된다. 도 112에 전방-대면(forward-facing) LED(236) 및 LED 신호를 다루기 위한 전자소자를 포함하는 광 구성요소(488)가 도시된다. 광학 구성요소(488)가 전기 패드(760 및 761)로 연결된다. 광학 구성요소(488)는 2개의 발광기, 즉, 발광기(235) 및 발광기(236)로부터의 시준된 광 빔을 송신하도록 사용된다. 발광기(235)는 이웃하는 광학 구성요소(489)에 포함된다. 앞서 기재된 교대하는 발광기-수광기 실시예에서, 광학 구성요소(488)는 하나의 발광기 및 하나의 수광기에 대한 시준 광을 전송하도록 사용된다. 가령, 이웃하는 모듈(489)이 발광기(235) 대신 수광기를 포함한다.
발광기(235)로부터의 광 빔이 밀착 끼움 표면(tight-fitting surface)(491)을 통해 광학 구성요소(489)를 빠져나오고, 밀착 끼움 표면(490)을 통해 광학 구성요소(488)로 들어온다. 도 105는 발광기(235 및 236)로부터의 비-평행 광 빔이 파도형 다중-단면 반사성 표면(493) 상의 교대하는 단면에 충돌하는 것을 도시한다. 구성요소(488 및 489)는 실질적으로 동일하고, 다 함께 끼워 맞춤된다. 따라서 장치 제조업체는 이들 구성요소를 빌딩 블록(building block)으로서 사용하여, 일련의 이들 빌딩 블록을 디스플레이의 가장자리 각각을 따라 한 줄로 배열함으로써, 터치 스크린을 생성할 수 있다. 일반적인 배열은 (a) 2개의 인접한 디스플레이 가장자리가 발광기 구성요소들에 의해 줄을 이루고, 나머지 2개의 가장자리는 수광기 구성요소에 의해 줄을 이루는 것, 및 (b) 모든 4개의 디스플레이 가장자리가 교대하는 교대하는 발광기/수광기 구성요소에 의해 줄을 이루는 것(즉, 각각의 발광기는 이웃하는 수광기를 가짐)이 있다. 실제로, 실질적으로 동일한 형태를 갖는 발광기 및 수광기 구성요소가 동일한 줄에 다함께 배치될 수 있다.
LED(237)가 전방-대면 대신 측방-대면(side-facing)이라는 것을 제외하고, 광학 구성요소(494)는 광학 구성요소(488)와 유사하다. 도 112는 광학 구성요소(494)를 빠져 나오는 시준된 광 빔(100)을 도시한다. 핀(989 및 990)이 인쇄 회로 기판 상의 광학 구성요소(494)를 안내한다.
광학 구성요소(495)는 전방에서 본 광학 구성요소(488)이다. 도 112는 광학 구성요소(495)를 빠져나오는 시준된 광 빔(100)을 도시한다.
스크린 표면을 횡단하는 광 빔을 수신하기 위해 유사한 광학 구성요소(도시되지 않음)가 또한 제공된다. 이들 구성요소의 경우, 발광기가 수광기로 대체되고, 전기 구성요소가 수광기 신호를 다룬다. 이러한 광학 구성요소가 시준된 광 빔을 수신하고, 빔을 2개의 서로 다른 수광기로 지향시킨다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 도광체를 갖는 터치 스크린의 측방도의 단순화된 다이어그램인 도 113이 참조된다. 도 113에, 디스플레이(642), 광학 요소(496), 상기 광학 요소(496) 내 광 다이오드(394), 광학 요소(497), 및 상기 광학 요소(497) 내 발광기(238)가 도시된다. 광학 요소(496 및 497)가 인쇄 회로 기판(762)으로 연결된다. 발광기(238)는 비-평행 광 빔을 발산시키고, 도 112를 참조하여 앞서 기재된 것처럼, 비-평행 빔이 시준된 빔 또는 실질적으로 시준된 빔으로 변환된다. 광학 요소(496 및 497)가 인쇄 회로 기판(762)으로 연결된다. 발광기(238)가 비-평행 광 빔을 발산하고, 앞서 도 112를 참조하여 설명된 바와 같이, 비-평행 빔은 광학 요소(497)를 빠져나오기 전에, 시준된 빔 또는 실질적으로 시준된 빔으로 변환된다. 도 112에 도시된 것처럼, 이웃하는 모듈에 의해 비-평행 빔의 또 다른 부분이 시준된다. 광학 요소(497)를 빠져나오는 상기 빔(100)이 상향으로(upward) 지향되고, 도광체(498)에 의해 디스플레이(642) 위에서 반사된다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 3방향 굴절 공동이 에칭되거나, 그 밖의 다른 방식으로, 광학 요소(498)의 하부 표면 상에 형성되어, 광 빔을 3방향으로 굴절시켜, 터치 위치를 결정하기 위한 2개의 좌표계를 제공할 수 있다. 광 빔(100)이 스크린(642)의 대향 측부 상의 도광체(499)로 들어오고 디스플레이(642) 아래에서 광학 요소(496)로 반사된다. 2개의 좌표 시스템을 지지하는 실시예에서, 3방향 굴절 공동이 광학 요소(499)의 아랫면 상에도 제공된다. 앞서 기재된 바와 같이, 광학 요소(496) 및 이의 이웃하는 광학 요소(도시되지 않음)는 들어오는 광 빔을 광 다이오드(394) 상으로 포커싱한다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 도광체(498 및 499)가 디스플레이(642)를 감싸는 프레임으로서 구성된다.
도 113의 터치 스크린에서, 두 가지 유형의 광 빔 재-지향(redirection)이 발생한다. 제 1 재-지향은 단일 포커스 포인트로 지향되는 복수의 단면을 필요로 한다. 구성 5를 참조하여 앞서 기재된 바와 같이 제 2 재-지향은 들어오는 빔을 90° 각도로 균일하게 재-지향하거나, 들어오는 빔을 좁은 웨이스트(waist) 또는 초점으로 접는다. 일부 실시예에서, 시준된 빔은, 굴절 공동에 의해, 제 1 및 제 2 재-지향 중, 3개의 방향으로 굴절된다.
제 1 유형의 재-지향은 발광기 또는 수광기가 많은 단면의 초점에 대해 특정 위치로 위치설정될 것을 필요로 한다. 따라서 발광기 또는 수광기 및 이의 반사성 표면의 위치설정이 배치의 변동에 민감하다. 따라서 반사성 단면의 대응하는 표면을 갖는 발광기 또는 수광기의 조립체가 낮은 허용 오차를 가진다. 반사와, 일부 경우, 3개의 방향으로의 균일한 굴절을 포함하는 제 2 유형의 재-지향은 반사체의 위치의 변동 및 도광체 내에 위치하는 굴절 공동의 패턴에 강건(robust)하다. 따라서 도광체의 이러한 부분의 조립은 높은 허용 오차를 가진다.
스크린 표면 위로 광을 반사시키는 도광체가 따로 따로 제조될 수 있고 그 밖의 다른 스크린 구성요소와 조립될 수 있다. 따라서 도 113에서, 도광체(498 및 499)가 광학 요소(496 및 497)로부터 분리되어 나타난다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 3개의 광학 구성요소의 블록이 각각의 측부 상에 위치하는 터치 스크린이 도시된 도 114가 참조된다. 블록(500 및 501)은 발광기이고, 블록(502 및 503)은 수광기이다. 상기 블록은 활성 영역(991)을 생성하며, 스타일러스 또는 손가락의 x-y 터치 위치가 검출된 차단 광을 기초로 계산될 수 있다. 동일한 유형의 더 많은 광학 구성요소를 각각의 블록에 추가하는 것이 생성되는 활성 영역을 확대하는 기능을 한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 도 114의 발광기 블록들 중 하나를 확대 도시한 도 115가 참조된다. 도 115에, 스크린의 하나의 가장자리로부터 각각의 광역 빔(167, 168 및 169)을 발산하는 3개의 발광기(239, 240 및 241)가 도시되며 상기 광역 빔은 각각의 신호(170, 171 및 172)로서 판독된다. 신호 계조도는 그들의 대각 배향(diagonal orientation)에 의해 나타내어진다. 스크린의 대향하는 가장자리에서, 신호(170, 171 및 172) 각각이 각각의 광학 구성요소에 의해 각자의 수광기 상으로 재-지향된다. 그 후, 이하에서 기재될 바와 같이 스크린을 터치하는 물체, 가령, 손가락 또는 스타일러스의 정확한 위치가 수광기에서의 차단된 광의 값을 기초로, 결정된다.
터치 스크린 시스템 구성 7
구성 7은 터치 스크린에서 내부전반사를 이용한다. 구성 1 내지 6에서, 광 빔이 스크린 표면 위 공중을 이동하는 것과 달리, 구성 7에서 광 빔이 터치 검출 시스템에서 사용되는 파장에 투과적인 유리 또는 플라스틱의 시트를 통과한다. 또 다른 실시예에서, 광이 터치 검출 시스템에서 사용되는 파장에 투과적인 액체 또는 겔 층을 통과한다.
내부전반사는 광선이 매체 경계에, 표면의 법선에 대한 특정 임계각(critical angle)보다 큰 각도로 충돌할 때 발생하는 광학 현상이다. 상기 경계부의 다른 측 상에서 굴절룰이 낮고, 입사각이 임계각보다 큰 경우, 어떠한 광도 경계부를 통과하지 않으며, 모든 광이 반사된다. 임계각은 그 이상에서 내부전반사가 발생하는 입사각이다.
광 빔이 서로 다른 굴절률을 갖는 물질들의 경계부를 횡단할 때, 상기 광 빔은 경계 표면에서 부분적으로 굴절되고, 부분적으로 반사된다. 그러나 입사각이 임계각(광이 경계부를 따라 이동하도록 광이 굴절되는 입사각)보다 큰 경우(즉, 광선이 경계부에 대한 평행에 가까워 진 경우), 광은 경계부를 횡단하기를 멈추고 대신 내부전반사를 한다. 이는, 광이 높은 굴절률을 갖는 매체로부터 낮은 굴절률을 갖는 매체로 이동할 때 발생한다. 예를 들어, 이는 유리에서 공기로 통과할 때 발생한다.
구성 7에 따르는 터치 스크린은 디스플레이 스크린 위에 유리 또는 플라스틱 시트 또는 판(pane)(커버 유리라고 일컬어짐)을 가진다. 대안적으로, 겔 층 또는 액체 충전된 색(liquid filled sac)이 디스플레이 위에 배치된다. 상기 커버 유리 또는 겔 또는 액체 충전된 색의 물질은 사용되는 파장의 광에 투과적이다. 일반적으로 광학 터치 시스템은 근적외선 범위, 즉, 1100㎚ 이하의, 가령, 940㎚의 파장을 이용한다. 커버 유리의 상부 및 하부 표면 모두 공기에 노출되며 커버 유리 내부에서 광을 내부 반사시키도록 커버 유리와 디스플레이 사이에 좁은 공극(air gap)이 제공된다. 구성 1 내지 6과 관련하여 앞서 기재된 시준 렌즈들 중 임의의 것을 이용해, 광이 커버 유리 표면에 대한 법선에 대한 임계각보다 큰 각으로 아래에서부터 커버 유리로 들어가고, 내부전반사에 의해, 커버 유리를 통과해 지향된다. 위에서부터 커버 유리를 터치하는 손가락이 터치된 위치에서의 커버 유리 내부의 광의 일부분을 흡수한다. 덧붙여, 또한 손가락은 터치된 위치에서의 커버 유리의 내부의 광의 일부분을 산란시킨다. 이들 동작 모두, 각각의 검출기에서 도달하는 광량을 감소시키고, 본원에 기재된 것처럼, 터치의 위치를 계산하기 위해 검출기 측정이 사용된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라 커버 유리를 갖는 터치 스크린 조립체를 단순화하여 도시한 도 116이 참조된다. 도 116은 스크린(635), 커버 유리(646), 발광기(200), 발광기 렌즈(564), 수광기(300) 및 수광기 렌즈(565)를 도시한다. 도 116은 부감도 및 라인 A-A를 따르는 단면도를 도시한다. 도 116의 발광기 및 수광기는 이동-정렬(shift-align)되고, 렌즈는 각각의 발광기로부터의 광이 2개의 대향하는 수광기에 도달하는 것을 보장한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 커버 유리를 갖는 스크린 조립체에서 내부 반사된 광을 산란시키는 터치 물체를 단순화시켜 도시한 도 117이 참조된다. 도 117은 스크린을 터치하는 물체에 의한 광의 산란을 도시한다. 발광기(201)에서 수광기(301 및 302)로의 광 빔(120)은 커버 유리(646) 내부에서 내부 반사되고 터치 물체(900)에 의해 산란된다. 도 117은 산란된 빔(121)을 도시한다. 그러나 터치 물체(900) 아래에서 검출 채널 빔(122)의 일부분이 수광기(301 및 302)에 도달한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 커버 유리를 갖는 스크린 조립체에서 내부 반사된 광을 흡수하는 터치 물체를 단순화하여 도시한 도 118이 참조된다. 도 118은 스크린을 터치하는 손가락(900)에 의한 광의 흡수를 나타낸다. 발광기(201)에서 수광기(301)로의 광 빔이 커버 유리(646) 내부에서 내부 반사되고, 손가락(900)으로 부분 흡수된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 커버 유리를 갖는 터치 스크린 조립체를 단순화하여 도시한 도 119가 참조된다. 도 119는 구성 7에 따르는 시스템에 대해 수정된 도 60 및 61의 렌즈 배열을 도시한다. 도 60에 도시된 바와 같이, LED(200)는 광을 시준하기 위해 공극(555)에 의해 분리되는 한 쌍의 렌즈(550 및 551)와 결합된다. 덧붙여, 도 119는 발광기(200)에 의해 발산된 광 빔을 수신하고, 내부전반사를 이용해 빔을 커버 유리(646)를 통해 전송하는 커버 유리(646)를 포함한다. 이 렌즈는 전체가 장치의 높이 아래에 있다는 점에서 도 60의 렌즈와 상이하다. 또한 도 120에 도시된 것처럼, 렌즈(551)는 광을 충분한 각 α로, 즉, 커버 유리 표면에 대한 임계각보다 작은 각으로, 커버 유리(646)의 아랫면으로 유도하기 위한 추가 굴절 단면(562)을 포함한다. 예를 들어, 유리-공기 경계에 대한 임계각은 대략 46°여서, 이 경우, 적합한 각 α은 40°이다. 커버 유리 물질, 공기, 및 저굴절률 접착제(커버 유리를 디스플레이로 적층하기 위해 접착제가 사용되는 경우)의 실제 굴절률이 각각의 실시예에 대한 임계각을 결정한다. 광학적으로 투명한 전사 테이프(transfer tape)(561), 가령, TESA Corp.(소재지: 노스 캐롤라이나, 샬롯)에서 제조된 TESA 69304 광학적으로 투명한 순수 아크릴 접착제를 이용해 렌즈(551)가 커버 유리(646)로 연결되어, 이러한 반사된 광이 커버 유리(646)로 들어갈 수 있다. 스크린의 대향하는 가장자리에서의 유사한 배열이 광을 커버 유리(646) 밖으로 안내하고 하나 이상의 각각의 광 검출기(photo detector) 상으로 안내한다. 또 다른 실시예에서 도광체(551)는 커버 유리(646)와 함께 일체형으로 주형된 플라스틱 유닛으로 형성되고, 접착성 전사 테이프(561)가 사용되지 않는다. 대안적 실시예에서, 도 121에 도시된 것처럼 광이 아래쪽에서부터가 아니라 측부로부터 커버 유리(646)로 들어간다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 도 119의 터치 스크린 조립체 내 광 빔 경로의 단순화된 도시인 도 120이 참조된다. 또한 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 커버 유리를 갖는 터치 스크린의 단순화된 도시인 도 121이 참조된다. 도 120은 발광기(200)로부터, 렌즈(550 및 551)를 통과해, 광이 내부전반사에 의해 전파하는 적합한 각도로 커버 유리(646)로 들어가는 광 빔(151)의 경로를 도시한다. 도 121는 커버 유리(646)와 디스플레이(635) 사이의 공극(563)을 도시한다. 이 공극은 커버 유리의 아랫면 상에, 커버 유리(646) 내부에서의 내부전반사를 위해 필요한 매체 경계를 생성한다. 대안적으로, 적합한 저굴절률의 접착제를 이용해 커버 유리를 스크린으로 적층(laminate)시킴으로써, 내부전반사를 위한 필요한 매체 경계가 제공된다. 커버 유리(646)는 1-2㎜ 두께인 것이 바람직하다.
구성 7은 터치 동안 차단되는 광량에 있어서 구성 1-6과 다르다. 일반적으로 구성 1-6에서의 터치는 구성 7에서의 비교 대상 터치보다 빔을 더 많이 차단한다. 그러나 앞서 기재된, 가령, 도 47, 48 및 68-76을 참조로 한 빔의 폭을 따르는 광도의 계조도 같은 원리는 구성 1-6에서와 구성 7에서 동일하다. 따라서 구성 7에서의 광 빔의 더 적은 양의 차단이 설명되면, 본원에서 기재된 신호를 보간하기 위한 방법이 구성 7에 적용 가능하다. 도 79-83, 91-92, 및 99-109를 참조하여 상세히 기재되는 바와 같이, 3개의 발산 광역 빔이 각각의 발광기를 벗어나 지향되는 발산 빔의 배열이 구성 7로도 적용 가능하며, 이때 발산 빔 모두, 내부전반사를 위한 적절한 각으로 커버 유리 내로 지향된다.
구성 7에 의해, 스크린 둘레에서 베젤을 돌출시키지 않으면서 장치를 디자인하는 것이 가능해진다. 이는 구성 1-6 에 비해 디자인 측면에서 유리하다.
또 다른 이점은 다중-터치 검출과 관련된다. 구성 1-6에서, 둘 이상의 물체가 광 빔 경로로 동시에 삽입될 때, 광 빔 그림자 패턴은 더 이상 고유의 손가락 위치와 대응하지 않고, 따라서 신호 패턴이 모호하다. 동일한 그림자 신호를 생성하는 서로 다른 터치 패턴의 예가 도 85-87에 도시되어 있다. 내부전반사를 이용하는 시스템에서, 각각의 터치가 신호에서 추가적인 부분 감소를 야기하여, 전송기와 수신기 간 터치의 개수가 계산될 수 있다.
이 계산은 시스템이 단 하나의 유형의 아이템이 스크린 상에 배치될 수 있음을 가정하는 경우 가장 단순해진다. 그렇지 않다면, 예를 들어, 하나의 두꺼운 손가락이 2개의 얇은 손가락들로 오해될 수 있다. 그러나 많은 경우, 다중-터치 제스처의 터치 각각 사이에 딜레이가 존재한다. 시스템이 터치 검출 신호의 크기의 증분 스텝(incremental step)을 검출할 때, 대형 터치 물체와 다른 복수의 터치에 의해 신호가 생성됨을 나타낸다. 따라서 시스템이 고주파수로 스크린을 샘플링하여 각각의 추가 터치가 추가될 때만다 새로운 샘플이 생성되도록, 시스템은 신호의 추가적인 부분 감소로 인해 추가 터치가 발생했음을 결정한다. 특히, 이하에서 기재된 제어기를 이용할 때, 시스템은 최대 1000㎐ 의 율로 스크린을 샘플링할 수 있음으로써, 거의 동시에 발생하는 터치들이 구별될 수 있다.
구성 7에 의해 제공되는 또 다른 이점은 터치 물체에 의한 광의 산란과 관련된다. 스크린을 터치하는 손가락이 터치된 위치에서의 커버 유리 내부의 광의 일부분을 산란시킨다. 렌즈(550 및 551)가 광을 발광기(200)로부터 시준하고 이를 하나 이상의 각각의 검출기로 지향시킨다. 터치 물체에 의한 광의 산란에 의해 광이 그 밖의 다른 검출기에 도달한다. 검출기와 연관된 시준 렌즈가 한 점으로부터 산란된 광을 시준 경로를 따라 검출기로 지향시킨다. 따라서 다중-터치를 나타낼 수 있는 경우, 시스템은 추가 검출기에게 폴링(polling)하고, 산란된 광의 검출을 기초로 다중-터치 위치를 해결한다.
이러한 이점이, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 2개의 대각 터치 포인트를 검출하는 발광기 및 수광기의 단순화된 도시인 도 122를 참조하여 예를 들어 설명된다. 도 122는 구성 7에 따르는 터치 스크린을 둘러싸는 발광기(200) 및 PD 수광기(300)의 배열이다. 2개의 터치 포인트(971 및 972)가 도시된다. 발광기(200) 및 PD 수광기(300)는 모두 1-16으로 넘버링된다. 예상 광의 감소가 PD 번호 2, 7, 11 및 15에서 발생하며, 앞서 설명된 바와 같이, 이 신호 패턴은 이들 2개의 터치 포인트들의 고유의 것이 아니다. 이 경우, 시스템은 발광기 번호 2를 활성화시키고 2개의 PD(PD 번호 11 및 PD 번호 15)를 샘플링한다. 각각의 검출기는 도면에 도시되지 않는 연관된 시준 렌즈를 가진다. 도시된 터치 패턴에서, 터치 포인트(971)가 PD 번호 15와 연관된 시준 렌즈의 경로를 따라 배치되지만, PD 번호 11과 연관된 시준 렌즈의 경로를 따라 배치되지는 않기 때문에, PD 번호 15가 PD 번호 11보다 더 많은 양의 (터치 포인트 971에 의해)산란된 광을 검출할 것이다. 마찬가지로, 시스템은 발광기 번호 15를 활성화시키고 2개의 PD(PD 번호 2 및 PD 번호 7)를 샘플링한다. 도시된 터치 패턴에서, PD 번호 2는 PD 번호 7보다 더 많은 양의 (터치 포인트(971)에 의해) 산란된 광을 검출할 것이다. 이를 기초로, 시스템은 터치가 도시된 위치에서 발생하고, 스크린의 대향 모서리에 발생하지 않았다고 결정한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 3개의 터치 포인트를 검출하는 발광기 및 수광기의 단순화된 도시인 도 123이 참조된다. 도 122의 예를 계속 들면, 도 123은 제 3 터치 포인트(980)를 추가한다. 이 경우, PD 번호 2가 자신의 발광기(번호 2)로부터 검출하는 것보다, PD 번호 7이 자신의 발광기(번호 7)로부터 예상된 광의 상당히 더 큰 감소를 검출한다. 이는 2개의 터치(972, 980)가 발광기 7로부터의 광을 흡수하지만, 단 하나의 터치(971)만 발광기 2로부터 광을 흡수한다. 이를 기초로, 시스템은 터치가 도시된 위치에서 발생했다고 결정한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 커버 유리를 갖는 터치 스크린 조립체를 단순화하여 도시한 도 124가 참조된다. 산란된 광에 대해, 도 124의 터치 스크린에서, 발광기(15)의 활성화 동안, 검출기(7 및 2)가 각각 터치 포인트(971 및 980)로부터 산란된 광을 검출하고, 반면에 발광기(2)의 활성화 동안, 검출기(15)는 터치 포인트(971)로부터 산란된 광을 검출하며, 검출기(11)는 산란된 광을 훨씬 덜 검출한다. 이는 터치 포인트(980)가 스크린의 하부 오른쪽에 있지, 상부 왼쪽 모서리에 있지 않음을 나타낸다.
일반적으로, 산란된 광의 검출을 목표로 하는 발광기 및 검출기의 활성화 시퀀스가 선택적으로 채용될 수 있다. 예를 들어, 잠재적 고스팅된 제스처가 가능할 때에만 수행될 수 있다. 또한 산란된 광을 검출하는 것을 목표로 하는 시퀀스가 고스팅을 해결할 가능성이 높은 이들 발광기-검출기 쌍만 활성화시키는 것으로 제한될 수 있다; 가령, 도 122 및 123의 검출 패턴이 발생할 때, 발광기-검출기 쌍(15-2, 15-7, 2-11 및 2-15)만 활성화된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라 복수의 터치 검출 신호를 명확화하기 위한 방법의 흐름도인 도 125가 참조된다. 단계(1060)에서 터치 스크린 주변의 발광기-수광기 쌍이 스캐닝된다. 예상되는 광의 감소가 발광기-수광기 신호 경로를 따르는 터치를 나타낸다. 적어도 2개의 x-좌표 채널 및 적어도 2개의 y-좌표 채널이 터치를 검출하는 경우, 시스템은 단계(1063-1065)를 통해 x-y 좌표를 올바르게 짝지을 수 있다. 단계(1063)에서, 시스템은 각각의 x-좌표 발광기를 모든 검출된 y-좌표 수광기와 연계시키고, 터치 검출 채널의 제 2 세트를 생성한다. 이들 채널에서, 터치는, 터치 물체에 의해 산란되는 광에 의해 야기된 검출된 광의 증가에 의해 나타내어진다. 단계(1064)에서, 시스템은 각각의 y-좌표 발광기를 검출된 모든 x-좌표 수광기와 짝을 이뤄, 터치 검출 채널의 유사한 세트를 생성한다. 단계(1065)에서, 시스템은 단계(1063 및 1064)를 기초로 가장 가능성 높은 터치를 결정하고 단계(1062)에서 터치 좌표를 출력한다.
단계(1061)에서 단 하나의 x-좌표 또는 단 하나의 y-좌표가 리턴(return)되는 경우, 시스템은 다음과 같이 단계(1062)에서 터치 좌표를 출력한다: 하나의 x-좌표 및 하나의 y-좌표가 검출되는 경우, 하나의 x, y 터치 좌표를 출력한다. 하나의 축을 따라 복수의 좌표가 검출되는 경우, 이러한 하나의 축 좌표 각각과 다른 축 상의 단일 x 또는 y-좌표가 짝을 이룬다.
터치 스크린 시스템 구성 8
구성 8은 구성 1-6에서의 공중 광 빔을, 구성 7에서 설명된 바와 같은 내부전반사 빔과 조합한다. 특정 실시예에서, 각각의 발광기-검출기 쌍 활성화는 광의 제 1 부분이 스크린 위의 공중에서 이동하는 것과 광의 제 2 부분이 커버 유리를 통해 이동하는 것을 포함한다. 광의 두 부분 모두 발광기에서 시작되고 검출기에서 도착한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 커버 유리를 갖는 터치 스크린 조립체를 단순화하여 도시한 도 126이 참조된다. 도 126은 구성 8에 따르는 터치 시스템에서 2개의 광 빔(151 및 152)을 도시한다. 두 빔 모두 발광기(200)에서 시작하고 두 빔 모두 도면에서 도시되지 않은 대향하는 검출기 상으로 수렴한다. 빔(151)은 아래서부터 커버 유리(646) 내로 지향되고, 빔(152)은 커버 유리(646) 위 공중으로 지향된다. 도광체(498)는 두 빔 모두 발광기(200)로부터 안내한다.
구성 8은 몇 가지 이점을 가진다. 이 구성은 공중 빔의 일부분을 차단하는 호버링 물체를 검출한다. 그러나 호버링 물체는 내부전반사에 영향을 미치지 않고, 내부전반사를 방해하기 위해서는 커버 유리와의 실제 접촉이 요구된다. 따라서 접촉이 발생할 때 상당한 신호 강하가 존재한다. 이로써, 시스템은 터치 제스처로부터 호버 제스처를 명확하게 구별할 수 있다.
또 다른 이점은 구성 8이 2개의 검출 시스템(공중 빔 및 내부전반사 빔)을 가진다는 것이다. 이들 시스템 중 하나가 손상될 때, 나머지 시스템이 터치 검출을 제공한다. 예를 들어, 본원에 기재될 때 공중 빔에 의해 좁은 스타일러스 포인트가 정확하게 추적되지만, 좁은 스타일러스 포인트가 내부전반사 빔을 크게 흡수하거나 방해햐지 않는다.
또 다른 이점은 구성 7을 참조하여 앞서 설명된 것처럼 내부전반사 시스템이 고스팅되는 제스처에 의해 이용 가능하다는 것이다.
터치 스크린 시스템 구성 9
구성 9는 발광기 또는 수광기를 스크린의 하나의 가장자리를 따라 배치되는 얇고 긴 도광체의 하나의 단부로 연결함으로써, 감소된 개수의 구성요소를 이용한다. 이러한 도광체는 미국 특허 7,333,095호 "ILLUMINATION FOR OPTICAL TOUCH PANEL"에 기재되어 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광을 스크린 위로 지향시키기 위한 스크린의 제 1 가장자리를 따르는 길고 얇은 도광체(514)와, 지향된 광을 검출하고 검출된 광 값을 계산 유닛(770)으로 통신하기 위한 스크린의 대향하는 가장자리를 따라 배열된 수광기(300)의 어레이를 갖는 터치 스크린이 도시된 도 127이 참조된다. 발광기(200)는 도광체(514)의 두 단부 모두로 연결된다. 도광체(514)는 터치 스크린(800)의 하나의 가장자리를 따라 위치설정된다. 광이 스크린 가장자리를 따라 도광체(514)로 발산되고, 반사체(515)에 의해 스크린 표면을 가로질러 재-지향된다. 구성 2 및 3을 참조하여 앞서 기재된 바와 같이, 복수의 수광기(300)가 터치 스크린(800)의 대양하는 가장자리를 따라 위치함으로써, 복수의 수광기가 터치를 검출할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 스크린 위로 광 빔을 지향시키기 위한 스크린의 제 1 가장자리를 따르는 발광기(200)의 어레이와, 지향된 광 빔을 수신하고 이들을 도광체(514)의 두 단부에 위치하는 수광기(300)로 추가로 지향시키기 위한 얇고 긴 도광체(514)를 갖는 터치 스크린이 도시되는 도 128이 참조된다. 수광기(300)에서의 검출된 광 값이 계산 유닛(도시되지 않음)으로 전달된다. 본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 단 하나의 수광기(300)가 도광체(514)의 하나의 단부로 연결된다. 도광체(514)는 터치 스크린(800)의 하나의 가장자리를 따라 위치설정된다. 구성 2 및 3을 참조하여 앞서 기재된 바와 같이, 복수의 발광기가 터치 스크린의 대향하는 가장자리를 따라 위치하여, 수광기(들)(300)이 복수의 발광기의 일련의 활성화를 기초로 터치를 검출할 수 있다. 스크린 표면을 가로질러 발산되는 광이 반사체(515)에 의해 재-지향된다. 광이 스크린 가장자리를 따라 도광체(514)로 수신되고, 도광체(514)의 길이를 통해 수광기(300)로 지향된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 2개의 발광기(201 및 202)가 도시된 도 129가 참조되며, 여기서, 각각의 발광기는 얇고 긴 도광체(514)의 단부로 연결된다. 도광체(514)는 터치 스크린의 하나의 가장자리를 따라 위치설정된다. 광(100)은 스크린 가장자리를 따라 도광체(514)로 발산되고, 반사체(515)에 의해 스크린 표면을 가로질러 재-지향된다. 구성 2 및 3을 참조하여 앞서 기재된 것처럼, 복수의 수광기가 터치 스크린의 대향하는 가장자리를 따라 위치함으로써, 복수의 수광기가 터치를 검출할 수 있다. 각각의 발광기(201 및 202)가 따로 따로 활성화되며, 따라서 수광기가 2개의 발광기 각각으로부터의 차단된 광을 기초로 터치를 검출한다. 도광체의 길이 방향을 따라 임의의 특정 위치에서 발산되는 광량(100)이 위치와 발광기 사이의 거리의 함수로서 감소된다. 따라서 구성 2 및 3을 참조로 하여 앞서 기재된 바와 같이, 각각의 발광기(201 및 202)로부터 검출된 서로 다른 광량이 터치의 정밀한 위치를 계산하기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 구성 2 및 3을 참조하여 앞서 기재된 바와 같이, 도 127의 나가는 광 빔(101)과 도 106의 들어오는 광 빔(102)을 넓게 굴절시키기 위해, 도광체의 외부 표면 상에 마이크로 패턴(516)을 에칭 또는 그 밖의 다른 방식으로 형성함으로써, 미국 특허 7,333,095호의 도광체를 개선한다. 마이크로 패턴(516)은 도광체(514)를 따르는 홈(groove)의 균일한 실질적으로 평행한 패턴이고, 구성 2를 참조하여 앞서 기재된 부채형 패턴보다 더 간단하게 형성될 수 있다. 또한 도광체(514)는 도광체(514) 내부에 광 산란 스트립(light scatterer strip)(517)을 포함한다. 마이크로 패턴(516) 및 광 산란 스트립(517)은 도 127 및 128에 나타난다.
터치 스크린 시스템 구성 10
구성 10은 터치 동작 중에 가해지는 터치 스크린 상의 압력의 검출을 가능하게 한다. 압력을 검출함으로써, 약한 터치와 센 누름을 구별할 수 있고, 압력 검출은 개별 동작들을 터치 및 누름으로 연계시키는 사용자 인터페이스를 위해 유용하다. 예컨대, 사용자는 버튼 또는 아이콘을 터치함으로써 선택하고, 상기 버튼 또는 아이콘을 누름으로써, 이와 연계된 기능을 활성화시킬 수 있다. 이러한 사용자 인터페이스는 본 출원인의 함께 출원된 미국 출원 12/486,033호 "USER INTERFACE FOR MOBILE COMPUTER UNIT"에 기재된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 터치에 의해 활성화되는 장치가 기저판(base plane), 가령, PCB, 상기 기저판 상에 고정 장착(rigidly mount)되는 도광체 프레임, 및 도광체 프레임 내부에 비-고정 장착된 터치 스크린을 현수 또는 "부유"하기 위한 상기 기저판에 부착되는 탄성 부재(resilient member)를 포함한다. 터치 스크린 상의 누름이 부유하는 터치 스크린을 z-축을 따라 이동(deflect)시켜, 도광체 프레임을 더 많이 노출시킨다. 앞서 기재된 바와 같이 광을 스크린 위로 지향시키는 도광체 프레임의 반사체는, 노출에 의해 더 많은 광이 스크린을 횡단할 수 있도록 형성된다. 이러한 방식으로, 스크린의 센 누름(hard press)이 발생할 때, 수광기들 중 다수가 검출된 광의 갑작스러운 증가를 검출한다. 덧붙여, 센 누름의 검출은 터치가 동시에 검출되는 것을 조건으로 할 수 있음으로써, 대기 광의 갑작스러운 증가로 인한 센 누름의 잘못된 검출이 방지된다. 하향 압력이 해제될 때, 탄성 부재가 스크린을 도광체 프레임 내 이의 본래의 위치로 복귀시킨다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 센 누름의 발생을 검출하는 터치 스크린(800)이 도시된 도 130-133이 참조된다. 도 130은 유휴 위치(rest position)인 터치 스크린(800)을 도시하며, 여기서 스크린(800)은 유연한 공극(843)을 생성하며, 인쇄 회로 기판(700) 상에 장착되는 탄성 지지 부재(841 및 842)에 의해 지지된다. 도 130은 발광기(200)로부터 광(100)을 스크린(800) 위를 통해 수광기(300)로 지향시키기 위해 스크린(800)의 각각의 측부 상에 하나씩 위치하는 2개의 도광체(518 및 519)를 도시한다. 각각의 도광체(518 및 519)의 작은 상부만 스크린(800) 위로 뻗어 있는다. 수광기(300)는 검출된 광도를 계산 유닛(도시되지 않음)으로 통신한다.
도 133은 스크린을 아래로 누름으로써, 부재(841 및 842)가 유연한 공극(843)을 압축 및 좁게 만들게 하는 손가락(900)을 도시한다. 따라서, 도광체(518 및 519) 중 많은 부분이 스크린(800) 위로 노출되고, 따라서 (a) 발광기(200)로부터의 더 많은 광(100)이 스크린(800)을 횡단하고, 수광기(300)에 의해 검출될 수 있게 하며, (b) 더 많은 대기 광(101)이 수광기(300)에 도달할 수 있게 한다. 다양한 실시예에서, 검출된 광의 이러한 증가 중 적어도 하나가 센 누름을 나타내도록 사용된다. 또 다른 실시예에서, 가해지는 하향 압력의 크기가 추가 검출되는 광의 크기를 기초로 결정됨으로써, 더 센 터치와 덜 센 터치가 구별될 수 있다.
일부 실시예에서, 어떠한 하향 압력도 스크린(800)에 가해지지 않을 때 탄성 부재(841 및 842)의 상향 힘(upward force)을 균형 상쇄시키기 위해, 도 132에 도시된 것처럼 도광체 프레임은 스크린(800)의 가장자리 위로 뻗어 있는 돌출형 테두리(protruding lip)(520 및 521)를 포함한다. 탄성 부재(841 및 842)는 유연한 장착 물질(flexible mounting material), 비틀림 스프링(torsion spring), 탄성 폴리머체(elastic polymer body), 또는 유압 현가 시스템 등등을 포함할 수 있다. 도 133은 단일 PCB(700) 상에 배열된 발광기(200), 계산 유닛(770)으로 연결된 수광기(300), 탄성 부재(841 및 842)를 도시한다.
또 다른 실시예에서, 터치 스크린은 프레임에 대해 이동 가능하지 않다. 그러나 스크린은 센 누름에 반응하여 약간 휘어지거나 구부러진다. 스크린이 휨으로써, 수광기들 중 다수에서 검출되는 광의 갑작스러운 증가가 야기되어, 스크린 상의 센 누름이 존재함을 가리키게 된다. 앞서 설명된 바와 같이, 센 누름의 검출은 터치가 또한 동시에 검출되는 것을 조건으로 함으로써, 장치의 외상에 반응하여 센 누름이 잘못 검출되는 것이 방지될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 고정 장착되는 7-인치 LCD 스크린에 압력이 가해질 때 검출되는 광의 증가를 나타내는 막대 차트인 도 134 및 135가 참조된다. 막대 차트는 약한 터치가 발생할 때(도 134) 및 센 터치가 발생할 때(도 135), 스크린의 하나의 가장자리를 따르는 각각의 발광기로부터 검출되는 광량을 도시한다. 발광기 및 수광기가 이동 정렬(shift-align)되어, 각각의 발광기로부터의 광이 2개의 수광기에 의해 검출될 수 있다. 따라서 발광기 각각에 대해, 2개의 수광기 각각에 의해 검출되는 광을 나타내는 2개의 막대가 나타난다. 두 막대 모두, 어떠한 광도 검출되지 않는 수광기의 대향 LED(4)에서 터치가 검출됨을 나타낸다. 상기 막대 차트는 약한 터치의 경우보다 센 터치의 경우 이웃하는 발광기로부터 더 많은 광이 검출됨을 보여준다.
구성 2 및 3의 동작
이하의 설명은, 내부 전반사를 기초로 정확한 터치 검출을 이루기 위해, 구성 6 및 7을 참조하여 앞서 설명된 커버 유리와 함께 사용되는, 구성 2 및 3의 터치 스크린 둘레에 광학 요소를 배열하는 것에 대한 동작 방법에 관한 것이다. 이들 방법은 미세 터치 포인트를 갖는 펜(pen) 및 스타일러스를 지원하기 위한 이점을 갖고, 단일 손가락 및 다중 손가락 터치에 대한 고도로 정확한 터치 위치 결정까지 제공한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치 스크린 시스템 내에서의 발광기 렌즈 및 수광기 렌즈의 대향하는 줄을 도시한 도 136 및 137이 참조된다. 각각의 발광기 및 수광기 렌즈 뒤에, 대응하는 각자의 발광기(200) 또는 수광기(300)가 위치설정된다. 도 138에 도시되는 바와 같이, 발광기(200) 각각은 자신이 발산한 광 빔을 검출하는 2개의 수광기(300)에 대향하도록 위치설정된다. 마찬가지로, 수광기(300) 각각이 2개의 발광기(200)에 대향하도록 위치설정되고, 두 발광기 모두로부터 발산되는 광 빔을 수신한다.
도 136은 (A) 2개의 수광기(300)에 걸쳐 뻗어 있는 발광기(200)로부터의 하나의 완전한 빔(full beam)(173), (B) 2개의 수광기(300) 중 왼쪽 수광기에 의해 검출되는 상기 완전한 빔의 일부분(174), (C) 2개의 수광기(300) 중 오른쪽 수광기에 의해 검출되는 상기 완전한 빔의 일부분(175), (D) 터치 스크린을 덮는 복수의 발광기(200)에 대한 복수의 빔(176), 및 (E) 터치 스크린을 덮는 복수의 발광기(200)에 대한 복수의 빔(177)을 도시한다. 일반적으로, 발광기(200) 각각은 홀로 활성화된다. 이하에서 정밀한 터치 검출이 기재되며, 여기서 터치 포인트가 복수의 빔에 의해 검출된다. (D) 및 (E)로부터, 스크린 상의 포인트들이 적어도 하나의 빔(176) 및 하나의 빔(177)에 의해 검출됨을 알 것이다.
전력을 보존하기 위해, 터치 스크린이 유휴 상태(idle)일 때, 단 하나의 빔 세트, 즉, 빔(176) 또는 빔(177)이 스캐닝 스위프(scanning sweep)로 가장 적은 개수의 발광기(200)를 갖는 축에 대해서만 스캐닝된다. 스캐닝이 빔(176)과 빔(177)으로 토글(toggle)하고, 따라서, 축을 따르는 2개의 스캐닝 스위프가 축을 따르는 모든 발광기-수광기 쌍을 활성화시킨다. 더 많은 개수의 발광기를 갖는 또 다른 축은, 터치가 존재할 때 또는 신호가 예상되는 노이즈 레벨보다 많이 기준 값과 다를 때 또는 어느 한 축에 대한 기준 값의 업데이트가 수행될 때에만 스캐닝된다. 기준 값이 이하에서 상세히 기재된다.
도 137은 (A) 발광기(201)가 왼쪽으로 15°의 각도로 수광기(301)로 광을 전송하는 것, (B) 발광기(201)가 오른쪽으로 15°의 각도로 수광기(302)로 광을 전송하는 것, (C) 발광기(202)가 왼쪽으로 15°의 각도로 수광기(302)로 광을 전송하는 것, 및 (D) 마이크로구조물(microstructure)이 들어오는 광을 굴절시키는 것을 도시한다. 도 137에 도시된 발광기 렌즈 및 수광기 렌즈에 (D)에 도시된 마이크로구조물이 구비되어, (ⅰ) 발광기 렌즈 표면을 따르는 복수의 위치로부터 왼쪽과 오른쪽 방향 모두로 광을 발산시키고, (ⅱ) 수광기 렌즈를 따르는 임의의 위치에서 임의의 입사각으로 수신된 광이 수광기에 의해 검출될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 터치 스크린 시스템에서 복수의 발광기-수광기에 의해, 터치 위치를 검출하기 위한 기법의 단순화된 도시인 도 138이 참조된다. 도 138에, 터치 스크린 상에서 각각 폭이 k인 2개의 광학 수광기 렌즈(508 및 509)에 대향하여 위치하는 폭 k를 갖는 광학 발광기 렌즈(506)가 도시된다. 스크린을 터치하는 포인터(900)가 광학 발광기 렌즈(506)로부터 발사되는 광 빔의 일부분을 차단한다. 광학 발광기 렌즈(506)는 광학 수광기 렌즈(508 및 509) 모두를 덮는 겹치는 빔을 발산한다. 광역 빔의 확산 각이 스크린 치수, 및 x-축을 따르는 렌즈 폭 k에 따라 좌우된다. 광학 수광기 렌즈(510) 아래에서 요소의 폭 m의 절반만큼 편이된 또 다른 광학 발광기 렌즈(507)가 또한 도시된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광학 발광기 렌즈(506)의 적어도 하나의 표면이 복수의 릿지(ridge)로 텍스처링된다. 각각의 릿지는 2개의 대향하는 수광기 렌즈(508 및 509)에 걸쳐 있는 광의 빔을 확산시킨다. 따라서, 광학 발광기 렌즈(506)의 표면을 따르는 많은 포인트 각각은 대향하는 수광기 렌즈(508 및 509)에 도달하고, 인접 수광기에 의해 검출된 광 빔들이 서로 겹친다. 구성 2에서, 이들 릿지는 깃털 패턴을 형성하고, 구성 3에서 이들 릿지는 관형 패턴(tubular pattern)을 형성한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 릿지는 터치 스크린 구성에 따라 달라지는 대략 0.2-0.5㎜의 피치를 각각 갖는 마이크로-렌즈를 형성한다. 깃털 패턴의 경우, 릿지는 부채(fan)를 형성하고, 릿지가 내측으로 진행할 때 이들의 피치는 좁아지고, 서로 가까워진다. 관형 패턴의 경우, 각각의 마이크로-렌즈의 피치가 마이크로-렌즈의 길이를 따라 일정하게 유지된다.
각각의 수광기 렌즈(508 및 509)의 적어도 하나의 표면이 마찬가지로 텍스처링되어, 수광기 렌즈 표면을 따르는 많은 포인트들 각각에 도달하는 광의 적어도 일부분이 수광기 광 다이오드에 도달한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 출력된 x 및 y 좌표가 시간 및 공간적으로 필터링된다. 이하의 기재는 x-좌표의 결정에 관한 것이고, 해당 분야의 통상의 종기술자라면 y-좌표의 결정에도 동일한 방법이 적용됨을 알 것이다.
구성 2 및 3은 적어도 2개의 발광기-수광기 쌍에 의해 터치 위치가 검출되는 것을 보여준다. 도 138은 x-축을 따르는 물체(900)의 터치 위치를 검출하는 2개의 이러한 발광기-수광기 쌍(506-508 및 506-509)을 도시한다. 도 138에서, 빔(506-508)은 빔(178)으로 표시되고, 빔(506-509)은 빔(179)으로 표시된다. 도 138은 다음의 3개의 검출 영역을 도시한다: 즉 (ⅰ) 발광기-수광기 쌍(506-508)에 의해 검출되는 스크린 영역으로서, 우향 경사 빗금으로 채워진 쐐기형으로서 그려짐, (ⅱ) 발광기-수광기(506- 509)에 의해 검출된 스크린 영역으로서, 발광기-수광기(506- 509)에 의해 검출된 스크린 영역으로서, 좌향 경사 빗금으로 채워진 쐐기형으로서 그려짐, 및 (ⅲ) 두 발광기-수광기 쌍(506-508 및 506-509) 모두에 의해 검출되는 스크린 영역으로서, 교차 빗금 패턴으로 채워진 쐐기형으로서 그려짐. 이러한 3개의 스크린 영역의 왼쪽 및 오른쪽 경계가 각각 선 X1 및 X2로 나타내어진다.
y-축을 따르는 모든 발광기-수광기 쌍 중에서 최대 터치 검출 신호를 갖는 발광기-수광기 쌍의 y-축을 따르는 위치에 대응하여, 물체(900)의 터치 위치(Xp, Yp)의 x-좌표 Xp, 초기 y-좌표(Yinitial)가 결정된다. 도 138에서, 이 발광기-수광기 쌍은 507-510이다. 그 후 도 138에서 X1 및 X2로 지정된 선이, 위치 (Xa, Yinitial) 및 (Xb, Yinitial)의 선 y = Yinitial과 교차할 때까지 가로지른다. 도 138에 좌표(Xa 및 Xb)가 도시된다. 그 후 가중 평균을 이용해 물체(900)의 x-좌표가 결정된다.
Figure pct00011
(2)
여기서, 가중치 Wa 및 Wb는 각각 빔(178) 및 빔(179)에 대한 정규화된 신호 차이이다. 사용되는 신호 차이는 기준(baseline), 또는 예상되는 광 값과 실제 검출된 광 값 간의 차이이다. 이러한 차이는 한 물체가 예상된 광의 일부분을 차단하면서 스크린을 터치하고 있음을 나타낸다. 도 144 내지 151을 참조하여 이하에서 기재되겠지만, 발광기의 줄 근처에서 발생하는 터치의 검출 신호는 수광기의 줄 근처에서 발생하는 터치와 다르기 때문에 가중치 Wa 및 Wb가 정규화된다. 터치 스크린 설계도는 실험되어, 빔의 길이 방향을 따르는 다양한 위치에서 물체가 빔을 가로지를 때 서로 다른 신호 강도 및 감쇠 패턴을 결정할 수 있다. 서로 다른 시나리오가 실험되는데, 가령, 물체가 빔의 발광기 근처에 잇는 시나리오, 물체가 빔의 수광기 근처에 있는 시나리오, 및 물체가 스크린의 중앙에 있는 시나리오가 있다. 터치가 검출될 때, 수광기를 검출하는 검출 패턴이 분석되어 적절한 시나리오를 선택할 수 있고, 신호가 선택된 시나리오에 따라 정규화된다. 가중치의 교정(calibration) 및 추가 정규화가 이하에서 기재된다. y-좌표 Yp를 결정하기 위해 유사한 가중 평균이 사용된다.
셋 이상의 발광기-수광기 쌍에 의해 포인터(900)가 검출되는 경우, 상기의 가중 평균은
Figure pct00012
(3)
와 같이 일반화되며, 여기서, 가중치 Wn이 정규화된 신호 차이이며, Xn은 가중 위치(weight position)이다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 포인터(900)가 작은 물체인 경우, 가장 가까운 2개의 신호와 함께 가장 큰 신호 차이가 사용되어 위치를 계산할 수 있다. 이는 작은 물체에 대한 신호 차이가 작고, 따라서 노이즈가 우세한 에러 인자(dominant error factor)가 된다는 사실을 보상한다. 가장 가까운 2개의 신호의 사용이 노이즈로 인한 에러를 감소시킨다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 단 2개의 가장 큰 신호 차이가 사용된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 도 136 및 137의 구성에 대한 도광체 프레임의 도시인 도 139가 참조된다. 도 139에, 광학 발광기 렌즈(511)와 광학 수광기 렌즈(512)를 갖는 도광체 프레임의 4개의 가장자리가 도시된다. 프레임의 내부 가장자리가 빔(182)에 의해 완전히 덮히지 않는다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예에서, 점선 사각형에 의해 표시되는 내부 터치 영역(993)만 사용된다.
신호 노이즈로 인한 에러를 감소시키기 위해, 앞서 언급된 바와 같이 결정된 공간적으로 필터링된 현재 좌표 값과, 이전 좌표 값을 이용해, 시간 필터의 출력으로서 최종 좌표가 결정된다. 현재 x-좌표에 주어지는 필터 가중치가 높아질수록, 출력이 상기 값에 더 가까워질 것이고, 필터의 영향이 더 낮아질 것이다. 일반적으로, 두 좌표 값 모두에 대해 실질적으로 동일한 가중치를 사용하는 것이 강력한 필터를 도출한다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 시간 필터는 저역 통과 필터(low-pass filter)이지만, 본 발명은 그 밖의 다른 필터도 고려한다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 서로 다른 경우에서, 서로 다른 사전 지정된 필터 가중 계수가 사용될 수 있다. 대안적 실시예에서, 필터 가중 계수(filter weight coefficient)가 필요에 따라 계산된다.
적절한 필터 계수의 선택은 스캐닝 주파수, 물체 움직임이 직선을 따르는지의 여부와 무관하게, 터치 물체가 스크린을 가로질러 이동하는 속도, 및 터치 물체의 크기를 기초로 이뤄진다.
일반적으로 스캐닝 주파수가 높을수록, 현재 좌표 값이 이전 좌표 값에 가깝고, 더 강력한 필터가 사용된다. 스캐닝 주파수는 물체의 움직임의 속도 및 방향을 추정하기 위해 사용된다. 스캐닝 주파수를 기초로, 2개의 입력 값에 임계 거리가 할당되고, 임계치는 고속 움직임을 가리킨다. 현재 좌표 값과 이전 좌표 값 간의 차이가 임계 거리보다 큰 경우, 출력 좌표가 실체 터치 위치보다 상당히 지연(lag)되지 않도록 더 약한 필터가 사용된다. 이 경우, 실험에 의해, 필터
Figure pct00013
(4)
가 우수한 결과를 제공함이 발견되었다. 덧붙여, 이 경우 출력 값과 동일하도록, 이하에서 기재될 지연 값(lag value)이 재설정된다.
현재 좌표 값과 이전 좌표 값 간의 차이가 임계 거리보다 작은 경우, 지연 값이 결정된다. 지연 값은 축을 따르는 속도 및 방향을 나타낸다. 이 경우, 실험에 의해, 값
Figure pct00014
(5)
이 우수한 결과를 제공함이 발견됐다. 필터 가중 계수가 지연 값과 현재 과표 값 간의 차이를 기초로 선택된다. 일반적으로, 이 차이가 커질수록(빠른 움직임 또는 갑작스러운 방향 변화를 나타냄), 필터는 더 약하다.
예를 들어, 터치 물체가 정지 상태인 경우, 결국 지연 값은 현재 좌표 값과 거의 동일하다. 이러한 경우, 신호 노이즈가 공간적으로 계산된 터치 위치에 작은 차이를 야기할 수 있고, 이는 교란시키는 지터 효과(jitter effect)를 야기할 수 있는데, 즉, 터치 스크린이 물체 지터링(jittering)을 보일 것이다. 강력한 시간 필터의 사용이 이러한 지터링을 상당히 감소시킨다.
터치 물체가 고속으로 이동하거나 갑작스러운 방향 변화를 할 때, 강 시간 필터(strong temporal filter)는 실제 터치 위치와 디스플레이되는 터치 위치 사이에 인지할만한 지연(perceptible lag)을 만들 수 있다. 스타일러스를 이용해 필기를 하는 사람의 경우, 기입된 선이 스타일러스보다 지연될 수 있다. 이러한 경우, 약 시간 필터(weak temporal filter)의 사용이 이러한 지연을 감소시킨다.
터치 물체, 가령, 스크린을 터치하는 손가락 또는 그 밖의 다른 뭉툭한 물체가 비교적 큰 스크린 영역을 덮을 때, 실제 손가락 움직임과, 상기 움직임의 디스플레이되는 자취 간의 지연이 덜 인지되는데, 왜냐하면 손가락이 지연의 영역을 덮기 때문이다. 이러한 경우, 서로 다른 시간 필터가 사용된다.
예상 사용자 거동을 인지함으로써, 가령, 손가락 터치에 대한 사용자 인터페이스가 사용되는 손가락을 가정함으로써, 손가락 vs. 스타일러스, 즉, 물체의 유형이 추론될 수 있다. 물체의 유형은 또한 물체에 의해 덮히는 그림자 영역에 의해 추론될 수 있다. 따라서 그림자 발광기 신호를 기초로 결정된 터치 영역의 크기 역시, 시간 필터 가중 계수를 선택하는 데 사용되는 인자이다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 기반 터치 스크린에 대한 터치 검출을 위한 방법의 단순화된 흐름도인 도 140이 참조된다. 동작(1021)에서, 복수의 발광기-수광기 쌍으로부터의 신호를 처리하는 공간 필터를 기초로, 현재 좌표 값이 수신된다. 스캔 주파수를 기초로 하여, 임계 거리가 제공된다. 동작(1022)에서 현재 좌표 값과 이전 좌표 값 간의 차이가 임계 거리에 비교된다. 차이가 임계 거리 이하인 경우, 동작(1023)에서, 수학식 (5)에 따라, 새로운 지연 값이 계산된다. 동작(1024)에서, 현재 좌표 값과 지연 값 간의 차이를 기초로 하여 임시 필터 가중 계수가 결정된다. 동작(1025)에서, 수학식 (4)에 따라 출력 좌표 값을 계산하기 위해, 시간 필터가 적용된다.
동작(1022)에서, 현재 좌표 값과 이전 좌표 값 간의 차이가 임계 거리보다 큰 경우, 동작(1026)에서, 약 필터(weak filter) 가중 계수가 선택된다. 동작(1027)에서, 수학식 (4)에 따라, 시간 필터가 출력 좌표 값을 계산하도록 적용된다. 동작(1028)에서, 지연 값이 출력 좌표 값이도록 설정된다.
본 발명의 실시예는 2개의 터치가 터치 스크린의 2개의 모서리에서 동시에 발생하는 다중-터치 동작을 검출하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 이러한 다중-터치의 일례가 사용자가 2개의 손가락(900)을 스크린(800) 상에 위치시키고 하나의 축을 중심으로 이들 손가락을 회전시키는, 도 141-143에 도시된 회전 제스처(rotation gesture)이다. 도 15 및 16을 참조하여 앞서 지적한 바와 같이, 광 기반 시스템은 상단 좌측(top-left) 및 하단 우측(bottom-right) 터치 vs. 하단 좌측(bottom-left) 및 상단 우측(top-right) 터치를 구별하기 어렵다. 이하에서 기재될 바와 같이, 이동-정렬(shift-align)된 발광기 및 수광기의 사용에 의해, 이러한 구별이 가능해진다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 제 1 축을 따르는 수광기로부터의 데이터가 2개의 축을 따르는 터치 위치를 결정하기 위해 사용된다. 터치 스크린의 다양한 위치에서의 손가락(900) 터치 이벤트가 도시된 도 144-147과, 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 터치 이벤트 동안의 광 포화(light saturation)의 각각의 막대 차트인 대응하는 도 148-151이 참조된다. 도 144는 발광기의 줄 근방에서 2개의 발광기 사이에 위치하는 터치를 도시한다. 도 145는 수광기의 줄 근방에 위치하여 수광기를 가로막는 터치를 도시한다. 도 146은 발광기의 줄 근방에 위치하며 발광기를 가로막는 터치를 도시한다. 도 147은 수광기의 줄 근방에서 2개의 수광기 사이에 위치하는 터치를 도시한다.
도 148-151 각각은 2개의 막대 차트를 포함한다: 즉, 상부 차트는 x-축을 따르는 수광기에서의 광 포화를 나타내고, 하부 차트는 y-축을 따르는 수광기에서의 광 포화를 나타낸다. 각각의 수광기 줄이 대향하는 발광기 줄과 이동 정렬(shift-align)된다. 따라서 각각의 발광기가 2개의 수광기에 의해 검출된다. 따라서 도 148-151은 각각의 발광기에 대해 2개의 막대(수광기별로 하나씩의 막대)를 도시한다.
도 148-151는 4개의 개별 검출 패턴을 도시한다. 도 148는 2개의 발광기 각각으로부터 하나의 수광기에 의해 주로 검출되는 광의 부재(absence)를 도시한다. 광의 부재는 중간(moderate)이다. 도 149는 2개의 발광기 각각으로부터 하나의 수광기에 의해 주로 검출되는 광의 부재를 나타낸다. 광의 부재는 크다(large). 도 150은 차단된 발광기로부터의 예상 광의 큰 부재를 검출하는 2개의 인접한 수광기를 도시한다. 두 수광기 모두, 이웃하는 요소로부터 약간의 광을 검출한다. 도 151은 차단된 발광기로부터 예상되는 광의 중간 부재(moderate absence)를 검출하는 2개의 인접한 수광기를 도시한다. 두 수광기 모두 이웃하는 발광기로부터 약간의 광을 검출한다. 표 3은 이러한 여러 다른 패턴을 요약한다.
Figure pct00015
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 다중-터치의 위치를 결정하는 것은 표 3에 나타난 패턴을 기초로 이뤄진다. 따라서 도 142를 다시 참조하면, 4개의 검출 포인트가 2개의 수광기 줄을 따라 나타난다. 검출부(D1-D4)가 스크린의 상부 우측 및 하부 좌측 모서리에서 터치 포인트(971)를 검출한다. 각각의 포인트의 검출 패턴이 유형 1 또는 유형 3인지, 또는 유형 2 또는 유형 4인지를 기초로, 검출 패턴이 대응하는 터치가 발광기에 가까운지, 또는 수광기에 가까운지를 결정한다. 각각의 터치는 2개의 독립적인 지시자(indicator)(즉, X-축 검출자, 및 Y-축 검출자)를 가진다. 따라서 도 142의 검출 포인트(971)에 대해, 검출부(D1 및 D3)는 유형 2 또는 4를 갖고, 검출부(D2 및 D4)는 유형 1 또는 3을 가진다. 이와 달리, 도 142의 검출 포인트(971)의 경우, 검출부(D2 및 D4)는 유형 2 또는 4를 갖고, 검출부(D1 및 D3)은 유형 1 또는 3을 가진다.
검출 포인트의 독립적인 평가에 추가로, 다양한 검출 패턴이 등급화되어, 어느 터치 포인트가 발광기에 가까운지, 또는 수광기에 가까운지를 결정할 수 있다.
덧붙여, 터치 포인트(971)에서 터치 포인트(972)로의 회전 제스처가 수행될 때, 검출부의 움직임이 제스처가 발광기로부터 멀어져 수광기를 향하는 글라이드인지, 또는 그 반대인지를 구별할 수 있다. 특히, 다음 번 검출이 비교되며, 각각의 검출 패턴이 유형 1 또는 3과 더 유사해지는지 또는 유형 2 또는 4와 더 유사해지는지 여부를 기초로 구별이 이뤄진다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 대각선으로 대향되는 동시 발생 터치들의 위치를 결정하기 위한 방법의 흐름도인 단순화된 흐름도인 도 152가 참조된다. 동작(1031)에서, 2개의 x-좌표 및 2개의 y-좌표, 가령, 도 142 및 143에서 나타나는 것과 같은 x-좌표(Dl 및 D2) 및 y-좌표(D3 및 D4)가 검출된다. 동작(1032)에서, 검출된 x-좌표가 분석되어, 표 1에 나열된 것들 중에서 검출 패턴을 식별할 수 있다. 동작(1032)에서 검출된 패턴을 기초로, 그리고 표 3의 "터치 위치" 열을 기초로, 지정된 스크린 가장자리로부터 가까이, 또는 멀리 발생한 터치에 따라 검출된 x-좌표가, 동작(1033)에서 등급화(rank)된다. y-좌표가 지정 가장자리로부터의 거리를 나타낸다. 동작(1034)에서, 각각의 등급화된 x-좌표가 대응하는 y-좌표와 쌍을 이룬다. x-좌표에 대해 수행되는 동작(1032-1034)과 유사하게, y-좌표에 대해 동작(1035-1037)이 수행된다. 동작(1038)에서, 2개의 결과 세트가 비교된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 시계 방향 제스처와 반시계 방향 제스처를 구별하기 위한 방법의 단순화된 흐름도인 도 153이 참조된다. 동작(1041)에서, 2개의 글라이드 제스처(glide gesture)가 x-축을 따라 검출된다. 각각의 글라이드 제스처가 일련의 연결된 터치 위치로서 검출된다. 따라서 도 142 및 143을 참조할 때, 제 1 글라이드 제스처가 x-좌표 D1에서 시작하는 일련의 연결된 터치 위치로서 검출되고, 동시적인 제 2 글라이드 제스처가 x-좌표 D2에서 시작하는 일련의 연결된 터치 위치로서 검출된다. 동작(1042)에서, x-글라이드 검출이 분석되어, 표 3에 나열된 패터들 중에서, 각각의 시리즈에서 발생하는 검출의 유형을 결정할 수 있다.
지정된 스크린 가장자리에 가까운 곳에서 또는 먼 곳에서 발생된 터치에 따라, 동작(1042)에서 결정된 검출의 패턴을 기초로, 그리고 표 3의 "터치 위치"를 기초로, x-글라이드 검출이 동작(1043)에서 등급화(rank)된다. 동작(1043)은 시간 간격에 걸쳐 일련의 연결된 터치 검출과 관련된다. 일반적으로 각각의 시리즈는, 글라이드가 지정된 가장자리에 가까운지 또는 먼지에 따라, 표 3에 나열된 패턴 1 및 3, 또는 패턴 2 및 3의 터치 검출을 포함한다. 글라이드를 포함하는 개별 검출을 분석하는 것에 추가로, 일련의 터치 검출이 또한 분석되어, 시간의 흐름에 따른 검출 강도의 비교를 기초로, 글라이드가 지정된 가장자리에 가깝게 이동 중인지 또는 멀어지게 이동 중인지를 결정할 수 있다. 가령, 복수의 패턴 1 검출을 갖는 일련의 검출에서, 차단된 광량이 시간의 흐름에 따라 증가하는 경우, 글라이드가 수광기를 향해 이동 중이며, 그렇지 않은 경우 글라이드는 발광기를 향해 이동 중이라고 추론된다.
y-좌표는 지정 가장자리, 가령, 발광기의 가장자리로부터의 거리를 나타낸다. 동작(1044)에서, 각각의 등급화된 x-축 글라이드가 대응하는 y-축 글라이드와 쌍을 이룬다. x-축 글라이드에 대해 수행된 동작(1042-1044)과 유사하게, 동작(1045-1047)은 y-축 글라이드에 대해 수행된다. 동작(1048)에서, 2개의 결과 세트가 비교된다. 단계(1049)에서, 회전 제스처가 시계 방향인지 또는 반시간 방향인지가 구별된다.
도 63 및 79는 도 70 및 82에 도시된 것처럼 각각의 빔의 오른쪽 절반과 왼쪽 절반이 이웃하는 빔과 겹치는 발광기 및 수광기의 정렬을 도시한다. 3개의 빔, 즉, 빔(167, 168 및 169)이 이들 도면에 도시된다. 빔(167)의 왼쪽 절반은 빔(168)의 오른쪽 절반과 겹치고, 빔(167)의 오른쪽 절반은 빔(169)의 왼쪽 절반과 겹친다. 따라서 빔(167) 내 임의의 위치에서의 터치가 2개의 빔에 의해 검출된다. 도면의 광 검출 영역(910-912)에 의해 도시되는 바와 같이, 2개의 검출 빔은 빔의 폭을 따르는 서로 다른 검출 계조도를 가진다.
빔의 폭에 걸친 광 감쇠의 계조도는 실질적으로 선형이다. 따라서 상기의 수학식 (2) 및 (3)을 이용하여 서로 다른 검출 신호의 가중 평균이 하나의 축을 따르는 위치를 계산하기 위해 사용된다. 수학식 (2)는 복수(n)의 샘플까지 확장된다. 가령, 빔의 중앙에서 손가락이 빔 a의 예상 신호의 40%를 차단하고, 빔 b의 예상 신호를 전혀 차단하지 않는 경우, Wa 및 Wb는 각각 0.4 및 0이고, 위치 Xp는
Figure pct00016
와 같이 계산된다.
손가락보다 좁기 때문에, 빔 a의 예상 신호의 20%만 차단하는 스크린 위치에서의 스타일러스에 대해 Xp의 동일한 값이 획득된다.
마찬가지로, 빔 a 및 b의 중앙들 사이에 손가락이 두 빔 모두로부터 예상된 유사한 광량, 즉, 30%을 차단한 경우, XP가
Figure pct00017
와 같이 계산되며, 이는 Xa와 Xb의 중간점이다.
정렬된 발광기 및 수광기의 시스템에서의 위치 계산이 이동 정렬(shift-align)된 발광기 및 수광기의 시스템에서의 위치 계산과 여러 가지 면에서 상이하다. 정렬된 발광기 및 수광기의 시스템에서, 빔이 터치 위치를 특정하도록 사용되는 좌표 시스템에 따라 정렬된다. 이 경우, 제 2 축을 따르는 터치 위치와 무관하게, 제 1 축을 따라 터치 위치가 계산된다. 이와 달리, 이동 정렬(shift-align)된 시스템에서, 주요 빔 좌표, 가령, 빔 a의 경우 Xa가 제 2 축 상의 가정된 터치 좌표, Yinitial을 기초로 결정된다.
덧붙여, 정렬된 발광기 및 수광기의 시스템에서, 빔을 가로지르는 물체에 의해 생성되는 감쇠 및 신호 강도 패턴이 빔의 길이 방향을 따르는 모든 위치에서 실질적으로 동일하다. 도 76 및 107을 참조하여 앞서 기재된 것처럼, 물체가 빔의 폭을 가로질러 이동할 때, 빔의 발광기 근처에서, 또는 검출기 근처에서, 또는 중앙 스크린에서 빔을 가로지르는지에 무관하게, 실질적으로 유사한 신호 패턴을 생성한다. 따라서 검출 패턴을 기초로 하는 가중치 Wa, Wb, Wn의 초기 정규화가 이동 정렬(shift-align)된 시스템에서 요구되고, 정렬된 시스템에서는 요구되지 않는다.
광을 차단하는 물체가 빔, 가령, 도 70 및 82의 빔(167)의 중앙에 배치될 때, 이웃하는 빔의 일부분이 차단된다. 가령, 빔(167)의 40%가 차단되고, 빔(168)의 5%가 차단된다. 그러나 신호는 랜덤 노이즈와 신호 변동(signal fluctuation)을 설명할 수 있는 교대하는 단면(facet)에 의해 발생되는 노이즈를 모두를 포함한다. 터치가 실제로 빔(167)의 중앙에서 발생하는지 또는 중앙으로부터 약간 벗어나는지를 결정하기 위한 기법이 필요하다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 각각의 신호의 복수의 샘플이 취해지고, 신호 노이즈를 필터링하기 위해 조합된다. 덧붙여, 도 72 및 106에서 나타나는 것처럼, 빔(167)의 중심 주변에서 겹치도록, 이웃하는 빔(168 및 169)이 각자의 광학 요소에 의해 구성되고, 여기서, 모든 3개의 신호가 중앙 신호의 중심 주변에서 터치를 검출한다. 주요 검출 신호가 하나의 빔으로 집중되는 경우, 왼쪽 이웃하는 빔과 오른쪽 이웃하는 빔으로부터의 검출 신호가 터치 위치 계산을 미세 조정하도록 사용된다. 특히, 이웃하는 빔(168 및 169)의 필터링된 신호가 빔(167)의 중심으로부터의 오프셋(offset)을 결정하도록 사용된다.
2개의 축 세트를 따르는 광 빔을 생성하는 3-방향 렌즈를 갖는 광학 요소를 포함하는 실시예에서, 제 2 축 시스템 상의 위치를 결정하기 위해 대각 검출 빔에서 유사한 계산이 수행된다. 앞서 기재된 바와 같이, 일반적으로, 터치 물체는 직교 신호보다 대각 신호 중 더 많은 부분을 차단한다.
이동 정렬(shift-align)된 발광기-수광기 배열을 차조하여 앞서 기재된 공간 및 시간 필터가 정렬된 발광기-수광기 배열로도 적용된다.
터치 스크린 구성요소의 교정
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 기반 터치 스크린의 교정 및 터치 검출의 방법의 단순화된 흐름도인 도 154가 참조된다. 일반적으로, 기계적 및 구성요소의 허용오차 때문에 발광기/수광기 쌍 각각의 신호는 나머지 쌍들의 신호와 상당히 다르다. 모든 신호 레벨이 허용 가능한 신호 대 노이즈 비(signal-to-noise ratio)를 갖는 지정 범위 내에 있음을 보장하기 위해 개별 발광기 및 수광기의 교정이 수행(calibration)된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, (ⅰ) 펄스 지속시간, 및 (ⅱ) 펄스 강도, 즉, 발광기 전류를 개별적으로 설정함으로써, 교정이 수행된다. 전력 소비 때문에, 큰 전류 및 짧은 펄스 지속시간이 선호된다. 신호가 지정 범위 이하일 때, 펄스 지속시간 및/또는 펄스 강도가 증가한다. 신호가 지정 범위 이상일 때, 펄스 지속시간 및/또는 펄스 강도가 감소한다.
도 154에서 도시된 바와 같이, 시동(boot up)(동작(1050)) 시, 교정(동작(1051))이 수행되고, 신호가 지정 범위 밖에서 검출될 때 수행된다(동작(1055)). 교정은 어떠한 터치도 검출되지 않을 때(동작(1053)), 그리고 동일한 축 상의 모든 신호가 안정할 때(동작(1054))에만 수행된다, 즉, 신호 차이는 시간의 흐름에 따라 노이즈 레벨 내에 있다.
각각의 발광기/수광기 쌍에 대한 기준 신호 값이 비교 토대로서 사용되어, 터치를 인식하고, 이웃과의 터치 좌표의 가중 평균을 계산할 수 있다. 발광기/수광기 쌍에 대한 기준 신호 값이 정규 신호 레벨이다. 변화, 가령, 주변광의 변화 또는 기계적 변화가 검출될 때 시동 시 기준 신호 값이 수집되고 업데이트된다. 일반적으로 도 154에서 도시된 것처럼, 신호가 안정적일 때(동작(1054)), 즉, 신호 변동이 시간의 흐름에 따라 일부 개수(N)의 샘플에 대해 예상 범위 내에 있을 때, 기준 신호 값이 업데이트된다(동작(1056)).
스크린의 터치 영역 내부의 터치가 스크린 표면을 약간 휘게 함으로써, 터치 영역 외부의 광 다이오드에서 검출된 신호 값에 영향을 미치는 반사를 야기할 수 있다. 터치 물체가 얇거나 점형(pointed)인 경우, 가령, 스타일러스인 경우, 이러한 휨은 더 두드러진다. 이러한 휨에 대해 설명하기 위해, 터치가 검출될 때(동작(1053)), 터치 영역 외부의 모든 안정한 신호(동작(1058))가 기준 업데이트를 겪는다(동작(1059)). 어떠한 터치도 존재하지 않고, 모든 신호가 안정할 때(동작(1054)), 그러나 축을 따르는 신호가 예상되는 노이즈 레벨보다 많이 기준 값과 다를 때(동작(1055)), 발광기가 교정된다(동작(1051)). 기준 값의 재교정 및 업데이트는 안정한 신호를 필요로 함으로써, 스크린 표면의 휨 또는 비틀림에 의해, 시간 신호 값, 가령, 기계적 응력(mechanical stress)으로 인한 신호 값의 영향을 피할 수 있다.
노이즈로 인한 에러를 추가로 피하기 위해, 발광기/수광기 쌍의 결과가 예상되는 노이즈 레벨보다 더 많이 이전 결과와 다른 경우, 새로운 측정이 수행되고, 두 결과 모두 이전 결과에 비교되어, 최상의 매치를 얻을 수 있다. 최종 값이 예상되는 노이즈 레벨 내에 있는 경우, 카운터가 증분한다. 그 밖의 다른 경우, 카운터가 초기화된다. 그 후 상기 카운터가 사용되어, 기준 값을 업데이트할 때 그리고 재-교정할 때, 신호가 안정한지 또는 불안정한지를 결정할 수 있다.
각각의 완전한 스캔 후, 신호가 그들 각자의 기준 값으로 정규화된다. 정규화된 신호가 터치 임계치 이하가 아닐 때, 기준 값의 재교정 또는 업데이트가 필요한지에 대해 체크된다. 정규화된 신호가 터치 임계치 이하인 경우, 터치가 검출된다(동작(1053)).
갑작스러운 장애(disturbance)로 인한 터치 검출의 오경보(false alarm)의 위험부담을 감소시키기 위해, 가령, 손가락이 스크린을 먼저 터치할 때, 스크린과의 접촉의 초기 포인트를 검출하기 위한 임계치가, 접촉 포인트의 움직임, 가령, 손가락이 스크린을 터치하면서 스크린을 따라 글라이드하는 것을 검출하기 위한 임계치보다 더 엄격하다. 즉, 스크린 표면을 따르는 물체의 움직임을 검출하기 위해 필요한 차이에 대해 초기 터치를 검출하기 위해 더 높은 신호 차이가 필요하다. 덧붙여, 재-스캔에 의해 터치가 유효하고, 터치의 위치가 대략 동일한 위치로 유지된다고 검증될 때까지 초기 접촉은 계류 중으로 처리된다.
터치 물체의 크기를 결정하기 위해(동작(1057)), 차단된 신호 및 이들의 진폭의 범위가 측정된다. 큰 물체의 터치는 일반적으로, 상기 물체가 스크린을 실제로 터치하기 전, 스크린에 가까울 때 검출되기 때문에, 큰 물체의 경우, 터치가 정착(settle)될 때까지, 스크린과의 접촉의 초기 포인트를 검출하기 위한 대기(wait)가 존재한다. 덧붙여, 큰 물체가 터치 영역에 수직이 아닌 방향으로 스크린에 다가갈 때, 뒤 이은 위치는 제 1 접촉 위치로부터 약간 이동한다.
그러나 일반적으로 작은 접촉 영역을 갖는 물체, 가령, 펜 또는 스타일러스가 의도된 스크린 위치에 직접 위치한다. 따라서 본 발명의 일부 실시예에서, 미세 물체의 초기 접촉을 검출하기 위한 대기가 단축되거나 생략된다.
터치 스크린을 갖는 장치가 파우치 또는 포켓에 저장될 때 일정한 터치의 검출을 방지하기 위해 터치를 생성하는 물체의 크기를 제한하는 것이 바람직하다.
동작(1053)에서, 유효 터치를 나타내는 신호와 기계적 효과로 인해 발생하는 신호를 구별하는 것이 또한 필요하다. 이와 관련해, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 터치에 의해 생성되는 신호와 기계적 효과에 의해 생성되는 신호 간의 차이를 나타내는 도 155가 참조된다. 도 155의 4개의 그래프 각각이 하나의 스크린 축을 따르는 스캔 동안의 검출 빔(1-10)을 도시한다. 도 155에서 도시된 것처럼, 신호 계조도가 유효 터치와 기계적 효과를 구별한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 기반 터치 스크린을 교정할 때 펄스 강도를 설정하기 위한 제어 회로의 단순화된 다이어그램인 도 156이 참조된다. 또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 기반 터치 스크린을 교정하기 위한, 최소 전류에서 최대 전류까지의 펄스 강도에 대한 교정 펄스의 도표인 도 157이 참조된다. 도 157은 6개의 서로 다른 펄스 지속시간(PULSETIME 1-PULSETIME 6)에 대한 도표를 도시하고, 각각의 도표에 대한 16개의 펄스 강도 레벨(1-16)을 도시한다.
도 156의 제어 회로는 각자의 가변 저항기(variable resistor)(Rl, R2, R3 및 R4)를 갖는 4개의 트랜지스터를 포함한다. 저항기의 값이 신호 레벨을 제어하고, 이 값들 간의 비가 도 156에 도시된 펄스 곡선의 계조도를 제어한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 기반 터치 스크린을 교정하기 위한 단순화된 펄스 다이어그램 및 이에 대응하는 출력 신호 그래프인 도 158이 참조된다. 단순화된 펄스 다이어그램이 도 158의 좌측에 있으며, 터치 스크린을 교정할 때 제어 회로에 의해 관리되는 서로 다른 펄스 지속시간, t0, ..., tN을 나타낸다. 도 158에서 도시될 때, 펄스의 지속시간을 제어하기 위해 복수의 계조도가 사용되고, 펄스 전류를 제어하기 위해 복수의 계조도가 사용된다. 대응하는 출력 신호 그래프가 도 158의 오른쪽에 있다.
도 158에 도시되는 바와 같이, 서로 다른 펄스 지속시간이 서로 다른 상승 시간(rise time) 및 서로 다른 진폭(amplitude)을 도출한다. 아날로그-디지털(A/D) 샘플러가 이의 샘플 앤 홀드 회로(sample and hold circuit)를 폐쇄하는 시점 가까이에서 신호 피크가 발생한다. 최대 출력 신호를 획득하기 위해, A/D 샘플링 윈도의 끝 부분에서, 또는 끝 부분 가까이에서 발광기 펄스 지속시간이 제어된다. A/D 샘플링 시간이 고정되어 있기 때문에, A/D 샘플링의 시작 시점과 펄스 활성화 시점 사이의 타이밍 td가 중요한 인자이다.
터치 스크린 구성요소들의 조립
앞서 기재된 바와 같이, 광 기반 터치 스크린에 대한 정확한 정밀도를 얻기 위해, 각각의 발광기와 수광기로 포커싱하는 도광체를 정렬할 때 허용오차의 최소치가 요구된다. 작은 오정렬이 광 빔을 변경시킴으로써 터치 검출의 정확도를 심각하게 저하시킬 수 있다. 수광기 및 전송기가 각자의 도광체와 적절하게 정렬되도록, 이들이 장착된 표면을 정확하게 배치시키는 것이 어렵다.
이러한 어려움 때문에, 본 발명의 하나의 실시예에서, 도 115-118을 참조하여 앞서 기재된 것처럼, 도광체 및 전송기 또는 수광기가 하나의 단일 모듈 또는 광학 요소로 결합된다.
일부 경우, 표준 발광기 및 수광기 구성요소를 이용하기 위해, 발광기 또는 수광기를 하나의 광학 요소로 결합시키지 않는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우, 구성요소의 정밀한 배치가 중요하다.
본 발명의 일부 실시예에서, 깃털 패턴을 포함하는 광학 레즈가 스크린 위에 끼워 맞춤된 프레임의 일부이다. 도 46은 LED(200)로부터 분리된 이러한 프레임(455)의 단면을 도시한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 구성요소, 가령, 발광기 또는 수광기를 기판(가령, 인쇄 회로 기판 또는 광학 구성요소) 상에 위치설정하는 정확도를 증가시키기 위해 모세관 효과(capillary effect)가 사용되는 방식을 보여주는 도 159가 참조된다. 도 159에 광학 구성요소 또는 임시 가이드(513)에 정렬될 발광기 또는 수광기(398)가 도시된다. 가이드 핀(764)에 의해 광학 구성요소 또는 임시 가이드(513)가 인쇄 회로 기판(763)에 고정된다. 솔더 패드(965)가 구성요소 솔더 패드(766)로부터 오프셋되어 배치된다. 그 후 인쇄 회로 기판(763)이 솔더링되기 위해 열처리 오븐(heat oven)으로 삽입된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 열처리 오븐을 통과한 후의 도 159의 인쇄 회로 기판(763)을 도시하는 도 160이 참조된다. 도 160에 도시된 바와 같이, 구성요소(398)가, 광학 구성요소 또는 임시 가이드(temporary guide)(513) 내 노치(768) 또는 공동(769)에 의해 안내되는 솔더의 모세관 효과에 의해 흡수되었다. 임시 가이드는 사용될 때, 다음 번 솔더링을 위해 재-사용될 수 있다.
도 159 및 160을 참조하여 기재된 공정이 전자 장치의 대량 생산 시 사용되기 적합하다.
광 기반 터치 스크린용 ASIC 제어기
본 발명의 양태들은, 일련의 발광기 및 검출기에 스캐닝 프로그램을 실행시키는 신규한 광 기반 터치 스크린 ASIC 제어기용 프로그램 가능한 상태 머신(state machine)의 설계 및 사용과 관련된다. 상기 스캐닝 프로그램은 스캔 시퀀스, 전류 레벨, 및 펄스 폭을 결정한다. 제어기는 LED 전류 제어를 위한 일체형 LED 드라이버, 광 검출기 전류 측정을 위한 일체형 수광기 드라이버, 및 일체형 A/D 변환기를 포함하여, 표준 버스 인터페이스, 가령, 직렬 주변장치 인터페이스(SPI)를 이용한, 제어기와 호스트 프로세서 간의 통신을 가능하게 할 수 있다.
본 발명에 따라, 프로그램은, 가령, SPI를 통해, 제어기로 로딩된다. 그 후, 호스트 프로세서와 독립적으로 스캐닝 실행(scanning execution)이 운영되어, 전체 시스템 전력 소모가 최적화된다. 스캔 데이터가 준비될 때, 제어기가 INT 핀을 통해 호스트 프로세서로 인터럽트를 발행한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 광 기반 터치 스크린(800) 및 ASIC 제어기의 단순화된 도시인 도 161이 참조된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르는 광 기반 터치 스크린의 제어기에 대한 칩 패키지(731)의 회로도인 도 162가 참조된다.
도 162에 도시된 바와 같이, 칩 패키지(731)는 칩 패키지의 외부에 위치하는 복수의 발광기(200)를 선택적으로 활성화시키기 위한 발광기 드라이버 회로(740)와, 발광기(200)를 발광기 드라이버 회로(740)로 연결하기 위한 신호 전도성 핀(732)을 포함한다. 상기 발광기 드라이버 회로(740)는 2009년 02월 15일에 함께 출원된 미국 특허 12/371,609호, 발명의 명칭 LIGHT-BASED TOUCH SCREEN에 기재되어 있으며, 상기 미국 특허는 본원에 참조로서 포함된다. 그 중, 2009년 07월 30일에 공개된 공개 출원 2009/0189878호에서 나타난 이 출원의 문단 [0073], 문단 [0087]-[0091]이 참조된다.
발광기 드라이버 회로(740)는 프로그램 가능한 전류 소스를 통해 각각의 발광기-검출기 쌍에 대한 개별 발광기 펄스 지속시간 및 펄스 전류를 구성하기 위한 회로(742)를 포함한다. 상기 회로(742)는 2011년 03월 21일에 함께 출원된 특허 출원 13/052,511호 발명의 명칭 LIGHT-BASED TOUCH SCREEN WITH SHIFT-ALIGNED EMITTER AND RECEIVER LENSES에 기재되어 있고, 상기 특허 출원은 본원에서 참조로서 포함된다. 그 중, 2011년 07월 07일에 미국 공개 출원 2011/0163998호로 공개된 공개문의 문단 [0343]-[0358] 및 도 99-101가 참조된다.
칩 패키지(731)는 칩 패키지의 외부에 위치하는 복수의 광 검출기(300)를 선택적으로 활성화시키기 위한 검출기 드라이버 회로(750)와, 광 검출기(300)를 검출기 드라이버 회로(750)로 연결하기 위한 신호 전도성 핀(733)을 포함한다. 검출기 드라이버 회로(750)는 연속 피드백 대역통과 필터링을 수행함으로써, 광 검출기(300)로부터 수신된 전류를 필터링하기 위한 회로(755)와, 상기 대역통과 필터링된 전류를 디지털화하기 위한 회로(756)를 포함한다. 그 중 회로(755)는 앞서 언급된 미국 출원 공개 2009/0189878Al호의 문단 [107]-[0163] 및 도 14-23B에 기재되어 있다. 또한 칩 패키지(731)는 광 검출기(300)에서 검출되는 측정 관량을 나타내는 검출 신호를 생성하기 위한 검출기 신호 처리 회로(753)를 더 포함한다.
칩 패키지(731)는 호스트 프로세서(772)와 통신하기 위한 I/O 핀(736)을 더 포함한다. 칩 패키지(731)는 발광기 드라이버 회로(740) 및 검출기 드라이버 회로(750)를 제어하기 위한 제어기 회로(759)를 더 포함한다. 직렬 주변장치 인터페이스(SPI)(775)를 위한 버스 표준을 이용해 제어기 회로(759)는 호스트 프로세서(772)와 통신한다. 칩 패키지(731)는 제어기 회로(759)의 동작을, 광 기반 터치 스크린을 위한 적어도 하나의 추가 제어기(774)와 조화시키기 위한 칩 선택(chip select)(CS) 핀(737)을 더 포함한다.
도 162에 도시된 제어기는 앞서 언급된 요소들 모두 칩 패키지(731) 내에 패키징함으로써, (ⅰ) 전체 스캔 시퀀스, 가령, 52 발광기-수광기 쌍의 자동 실행이 가능해지고, (ⅱ) 호스트 프로세서(772)에 의한 추후 분석을 위해, 검출 신호를 제어기 회로(759)에 위치하는 레지스터 어레이에 저장할 수 있다. 이 레지스터 어레이는 적어도 52개의 12-비트 수광기 결과에 대한 저장을 제공한다. 개별 발광기-수광기 쌍에 대해 개별 펄스 지속시간 및 펄스 전류를 구성하기 위해 제어기 회로(759) 내 추가 레지스터가 제공된다. 52개의 고유 발광기-수광기 쌍을 지원하기 위해, 적어도 104개의 레지스터(즉, 개별 펄스 지속시간을 구성하기 위한 52개의 레지스터와 개별 펄스 전류를 구성하기 위한 52개의 레지스터)가 제공된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 칩 패키지(731)의 핀(732)으로 연결되기 위해, 각각의 줄에 4 또는 5개의 발광기를 갖는 6개의 발광기 줄에 대한 회로도인 도 163이 참조된다. 도 150에서 도시된 것처럼 발광기가 물리적으로 터치 스크린의 2개의 가장자리 주변에 배열되어 있지만, 11개의 라인 LED_ROW1, ..., LED_ROW6 및 LED_COL1, ..., LED_COL5가 26개의 발광기에 대해 2차원 어드레싱을 제공한다. 표 4는 LED 멀티플렉스가 발광기 LED에서 LED_ROW 및 LED_COL 핀으로 매핑하는 것을 나타낸다. 더 일반적으로 LED 매트릭스가 제어기에서 m+n I/O 핀에 의해 지원되는 LED의 m×n 어레이를 포함할 수 있다.
따라서, 로우 및 컬럼 I/O 핀의 선택에 의해 하나의 LED가 액세스된다. 제어기는 푸시-풀 드라이버(push-pull driver)를 포함한다. 해당 분야의 통상의 기술자라면, LED의 로우 및 컬럼 좌표가 LED 및 푸시-풀 드라이버의 물리적 위치와 상관 없음을 알 것이다. 구체적으로, LED가 물리적으로 사각형 매트릭스로 배치될 필요는 없다.
본 발명의 제어기의 대안적 실시예에서, 푸시-풀 드라이버를 대신하여 전류소스 드라이버가 사용된다. 본 발명의 제어기의 또 다른 실시예에서, 푸시-풀 드라이버의 일부가 전류 소스 드라이버(current source driver)와 결합되고, 나머지 푸시-풀 드라이버가 전류 싱크 드라이버(current sink driver)와 결합된다.
Figure pct00018
광 기반 터치 스크린의 발광기 및 수광기에 대한 전용 제어기를 갖는 것의 이점은 전력 절약 및 성능이다. 종래의 시스템에서, 종래의 칩, 가령, 텍사스, 달라스에 위치하는 Texas Instruments의 MSP430 칩이 발광기 및 수광기를 제어한다. 전력 절약과 관련하여, 종래의 칩은 전력 소비 칩 요소들 모두로의 액세스를 제공하지 않는다. 더욱이, 종래의 칩의 경우, 발광기와 동기시켜 외부 요소를 켜고 끄는 것이 가능하지 않다. 예를 들어, 종래의 칩의 경우, 수광기로 연결된 증폭기 유닛과 수광기 광 검출 전류를 디지털화하기 위한 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 발광기의 활성화와 동기화되어 켜지고 꺼질 수 없다. 종래의 시스템에서, 이들 요소는 전체 스캔 시퀀스 동안 켜진 채 유지된다. 이와 달리, 본 발명의 전용 제어기는 마이크로초의 분해능으로 발광기 활성화와 동기하여 이들 요소를 켜고 끌 수 있다. 제어기 블록의 이러한 그리고 그 밖의 다른 선택적 활성화가 터치 시스템의 총 전력 소비를 상당하게 줄인다. 실제로, 증폭기, ADC, 및 그 밖의 다른 제어기 블록에 대한 전력 소비량이, 발광기 활성화 전력에 비하면 이들의 총 전력 소비량이 무시할만한 범위까지 감소된다. 따라서 시스템 전력 소비량이 발광기를 활성화시키기 위한 전력 소비량과 거의 동일하다.
본 발명의 전용 제어기가 일련의 발광기-수광기 쌍을 스캔할 때, LED 드라이버가 LED 전류 제어 레지스터 및 LED 펄스 길이 제어 레지스터의 설정에 따라 LED로 전류를 공급한다. 표 5는 2.7V의 전원을 이용할 때 100㎐에서의 50개의 발광기-수광기 쌍에 대한 본 발명의 전용 제어기의 전력 소비량을 나타낸다. 설정 레지스터(configuration register)를 이용해 회로(742)를 통해 펄스 지속시간 및 펄스 전류가 설정된다. 전류 소비량은 다음과 같이 계산된다:
100㎐ × 50개의 활성 쌍(activation pair) × 펄스 지속시간(㎲) × 펄스 전류(A) = 배터리로부터의 전류 소비량(㎂).
전력 소비량은 다음과 같이 계산된다:
전류 소비량(㎂) * 전압(V) = 전력(mW).
Figure pct00019
성능과 관련해, 특히, 고속 스타일러스 추적의 경우, 스크린 둘레에서 모든 발광기-수광기 쌍의 스캔을 완료하기 위해 필요한 시간이 중요하다. 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 발광기(200) 및 수광기(300)에 의해 둘러 싸인 터치 스크린의 단순화된 도시인 도 164가 참조된다. 발광기(200)는 스캔 시퀀스로 스캔되는데, 가령, 발광기(200)는 도 164에서 도시된 순서 1-16으로 스캐닝된다. 터치 포인트(900)는 미세-포인트 스타일러스를 이용해 빠르게 서명을 하는 사람에 의해 이뤄진 터치에 대응한다. 터치 포인트(900)에 대한 3개의 위치가 나타난다. 시점 t1에서, 발광기 1이 활성화될 때, 스타일러스가 위치 a에 위치한다. 사용자가 자신의 이름을 서명함에 따라, 빠른 움직임 때문에, 시점 t2에서, 발광기(16)가 활성화될 때, 스타일러스가 위치 b에 위치한다. 그러나 시점 t2에서 스크린 상에서 검출된 위치는 위치 b가 아니라 위치 c인데, 이는 시점 t2에서, 발광기(16)가 활성화될 때, 스타일러스가 시점 t1에서의 자신의 위치로부터 이동했기 때문이다. x-좌표 검출과 y-좌표 점출 간의 이러한 시간 지연이 스크린 상의 스타일러스의 터치 위이를 검출하는 데 오차를 만들어 낸다. 이들 오차는 빠르게 스타일러스 쓰기를 할 때 가장 눈에 띈다. 따라서 전체 스캔 시퀀스를 가능한 빨리 완료하는 것이 바람직하다.
본 발명의 전용 제어기는 종래의 칩보다 더 빨리 스캔 시퀀스를 완료한다. 본 발명의 전용 제어기는 전체 스캔 시퀀스를 자동으로 실행하기 위해 필요한 파라미터를 저장하는 레지스터 어레이를 포함한다. 전용 제어기는 스캔 시퀀스에 대한 필터링된 디지털 결과를 저장하기 위한 레지스터 어레이를 더 포함한다. 이와 달리, 종래의 칩의 경우, 모든 레지스터가 이용 가능한 것은 아니며, 레지스터 내 설정 데이터(configuration data)가 자동으로 파싱(parse)되지 않는다. 따라서 종래의 칩을 이용하는 스캔 시퀀스 동안, 추가 발광기 활성화를 구성하고 결과를 판독하기 위해 약간의 사이클이 요구된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 발광기 및 수광기의 개수가 하나의 전용 제어기에 의해 지원될 수 있는 것보다 많은 경우의 설정을 위해, 복수의 제어기가 사요된다. 복수의 제어기 각각은 스캔 실행 전에 설정되고, 그 후 각각의 제어기에 의해 연거푸 스캔이 실행된다. 이 실시예에서, 모든 제어기에서 레지스터를 설정한 후, 호스트는 도 162에 나타난 칩-선택(CS) 핀을 이용해 제 1 제어기 칩을 선택하고, 상기 칩을 활성화시킨다. 상기 칩 상의 스캔 시퀀스가 완료될 때, 칩이 호스트로 인터럽트를 전송한다. 그 후 상기 호스트는 이의 CS 핀을 이용해 제 2 제어기 칩을 선택하고, 제 2 칩의 스캔 시퀀스를 실행시킨다. 모든 제어기 칩이 그들 각자의 스캔을 완료한 후, 호스트는 각각의 칩으로부터 결과를 읽고 터치 위치를 계산한다.
이와 관련해, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 2개의 제어기, 즉, 장치 1 및 장치 2에 의해 설정되는 터치 스크린을 도시하는 단순화된 적용 다이어그램인 도 165가 참조된다. 도 165에, LED 및 이동 정렬(shift-align)된 PD로 둘러 싸인 터치 스크린(800)이 도시된다. 26개의 LED, 즉, LEDi-LED26이 스크린 가장자리를 따라 장치 1의 LED 핀으로 연결되고, 추가 LED, 즉, LEDi-LEDCR이 이 가장자리를 따라, 장치 2의 LED 핀으로 연결된다. 대향하는 가장자리를 따라, PD가 LED들과 이동 정렬(shift-align)된다. 장치 1의 LED로부터의 광을 검출하는 PD가 장치 1 PD 핀으로 연결되고, 장치 2의 LED로부터의 광을 검출하는 PD가 장치 2 PD 핀으로 연결된다. 각각의 LED를 2개의 PD로 연결하는 점선은 각각의 LED로부터의 광이 2개의 PD에 의해 검출되는 방식을 나타낸다. 각각의 PD는 2개의 LED로부터의 광을 검출한다.
도 165에 도시된 바와 같이, 장치 1의 PD27은 장치 1의 LED26으로부터의 광을 검출하고, 또한 장치 2의 LEDi로부터의 광을 검출한다. 따라서, PD27은 장치 1의 PD27 핀으로 연결되고, 또한 장치 2의 PDi 핀으로도 연결된다. 장치 1의 LED26으로부터의 광을 검출할 때, PD27가 장치 1의 PD27 핀에 걸쳐 샘플링되고, 그 결과가 장치 1에 저장되며, 장치 2의 LEDi로부터 광을 검출할 때 PD27은 장치 2의 PDi 핀에 걸쳐 샘플링되며 이의 결과가 장치 2에 저장된다. 따라서 각각의 제어기는 LED 활성화를 각자의 PD 활성화에 의해 조절한다. 호스트 프로세서가 2개의 장치로부터 PD 결과를 보간함으로써, 장치 1 - 장치 2의 경계를 따르는 터치 위치를 계산한다.
종래의 칩을 이용하는 스캔 시퀀스의 성능 vs. 본 발명의 전용 제어기를 이용하는 스캔의 성능을 나타내는 그래프인 도 166이 참조된다. 각각의 완전 스크린 스캔의 지속시간은 전용 제어기를 이용할 때보다 종래의 칩을 이용할 때 더 길다. 전용 제어기는 스캔 시퀀스와 스캔 시퀀스 사이에서 꺼짐으로써, 추가적인 전력 절약을 제공할 수 있는데, 특히, 스캔 시퀀스와 스캔 시퀀스 사이의 시간의 스트레치(stretch)가 종래의 칩을 사용할 때보다 전용 제어기를 사용할 때 더 길기 때문이다. 복수의 스캔의 터치 포인트들을 연결하기 위해, 호스트 프로세서는 스플라인 보간(spline interpolation) 또는 또 다른 이러한 예측성 코딩 알고리즘을 이용하여, 사용자의 펜 스트로크와 정합되는 매끄러운 라인을 생성할 수 있다. 본 발명의 전용 제어기를 이용할 때 각각의 터치 포인트가 매우 정밀한 것이 중요하다.
덧붙여, 도 166으로부터, 본 발명의 전용 제어기를 이용하는 호스트가 종래의 칩을 이용할 때 가능한 한계 이상으로 스캔 주파수를 증가시킬 수 있음이 명백하다. 가령, 호스트는 본 발명의 제어기를 이용해, 1000Hz로 50개의 발광기-수광기 쌍을 스캔할 수 있다. 이와 달리, 종래의 칩을 이용하는 터치 스크린은 일반적으로 100Hz 이하의 주파수에서 동작한다. 1000Hz에 대응하는 높은 샘플링율에 의해, 시간의 흐름에 따른 정확한 터치 위치 계산이 가능하다. 실제로, 이는 스타일러스가 정지 상태를 유지할 때, 스타일러스 위치와 스크린을 따르는 스타일러스의 경로를 나타내는 라인 사이에 앞서 기재된 지연 시간을 실질적으로 감소시키면서, 앞서 기재된 지터 효과를 실질적으로 제거하는 터치 좌표의 시간 필터링을 가능하게 한다.
1000Hz에서 50개의 발광기-수광기 쌍이라는 이러한 높은 샘플링율은, 개별 LED가 활성화 전에 설정(configuration)을 필요로 한다면, 얻어질 수 없다. 본 발명의 전용 제어기는 전체 스캔 시퀀스를 자동으로 활성화하기 위해 레지스터 및 회로를 제공함으로써 이러한 높은 샘플링율을 얻는다.
짧은 시간 내에 복수의 스캔 시퀀스를 완료하는 추가적인 이점은 터치 신호의 명확화(disambiguation)이다. 도 15 및 16을 참조하여 앞서 모호한 신호의 문제가 기재된 바 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 도 15 및 16에서 도시된 바와 같이, 스크린 대각선을 따르는 2개의 동시 터치에 대해 광 검출기의 동일한 검출 패턴이 수신된다. 스크린 상에 2개의 손가락을 배치시킬 때, 제 1 터치와 제 2 터치 간 내재된 딜레이가 존재한다. 매우 짧은 시간 내에 복수의 스캔 시퀀스를 완료함으로써, 시스템이 모호하지 않게 제 1 터치를 결정할 수 있다. 따라서 제 2 터치가 검출될 때 제 1 터치가 유지된다고 가정하면, 상기 제 2 터치 위치가 쉽게 해결된다. 가령, 하나의 터치가 상단 좌측 모서리에 있고 터치 검출 패턴이 도 15 및 16에서 나타난다고 결정한 경우, 제 2 터치 위치가 스크린의 하단 우측 모서리에 위치해야 한다.
따라서 해당 분야의 통상의 기술자라면, 본 발명에 따르는 전용 제어기가 전력 효율적이고, 높은 정확도를 가지며, 높은 샘플링율을 가능하게 함을 알 것이다. 호스트는 100Hz 이하에 대응하여 저전력으로, 또는 가령, 500Hz - 1000Hz의 고주파수 스캐닝으로, 제어기를 설정한다.
설정이 적절한지에 대한 결정은, 특히, 터치 포인터에 의해 커버되는 터치 스크린의 면적을 기초로 이뤄지는데, 왜냐하면, 비교적 넓은 영역을 커버하는 터치(가령, 손가락 터치)의 경우, 비교적 작은 영역을 커버하는 터치(가령, 스타일러스 터치)의 경우보다 지터 및 지연(lag)이 덜 두드러진다. 광 기반 터치 시스템의 그림자 진 영역의 크기에 의해 결정되는 바와 같이 포인터에 의해 커버되는 영역을 기초로, 호스트는 손가락이 사용 중인지 또는 스타일러스가 사용 중인지를 결정하며, 전력과 정확도 간의 절충(tradeoff)을 기초로 적절한 스캔 속도(scan rate)를 설정한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 전용 제어기는 LED를 선택적으로 활성화하고 전류 제어를 위한 스캔 범위 레지스터와, 각각의 활성화에 대해, 전류의 크기 및 지속시간을 특정하기 위한 펄스 지속시간 레지스터를 포함한다. 스캔 범위 레지스터는 각각의 스크린 가장자리를 따라 활성화될 첫 번째 LED 및 첫 번째 PD를 지정하고, 각각의 가장자리를 따라 활성화될 LED의 개수를 지정하며, 활성화된 LED 간의 스텝 팩터(step factor)를 지정한다. 0의 스텝 팩터는 각각의 스텝에서, 다음 번 LED가 활성화됨을 나타내고, 1의 스텝 팩터는 하나 걸러 하나의 LED가 활성화됨을 나타낸다. 따라서 홀수 번째 LED만, 또는 짝수 번째 LED만 활성화하기 위해, 1의 스텝 팩터가 사용된다. 2 이상의 스텝 팩터는 2개 이상의 LED의 스텝에 대해 각각 사용될 수 있다. 추가적인 레지스터가 각각의 LED에 대해 활성화되는 PD의 개수를 설정한다. 0의 값은 각각의 LED가 하나의 대응하는 PD에 의해 활성화됨을 나타내고, 1의 값은 각각의 LED가 2개의 PD에 의해 활성화됨을 나타낸다. 각각의 LED에 의해 활성화되는 PD의 개수는 터치 스크린 둘레에서 이용 가능한 PD의 개수와 동일할 수 있다.
전력을 절약하기 위해, 초기 터치 위치를 검출하기 위한 저 분해능 스캔 모드를 갖는 것이 바람직하다. 이 모드에서 호스트는, 예를 들어, 어떠한 터치도 검출되지 않을 때 실행될 수 있다. 터치가 검출될 때, 호스트는 고 분해능 스캔 모드로 스위칭되어, 도 136을 참조하여 앞서 기재된 것과 같이, 정밀한 터치 위치를 계산할 수 있다. 제어기 스캔 시퀀스 레지스터의 관점에서, 하나의 수광기에 의해, 모든 발광기가 활성화된다, 즉, 스텝 = 0이다. 각각의 스크린 가장자리 상의 시퀀스 내 사용되는 첫 PD에서, 도 136(d)의 스캔 시퀀스가 도 136(e)의 스캔 시퀀스와 다르다. 특히, 도 136(d)에서 제 1 PD, 즉, PD0가 사용되고, 제 2 PD, 즉, PD1이 도 136(e)에서 사용된다. 각각의 스크린 가장자리를 따라 사용될 초기 PD가 레지스터에 의해 설정된다.
둘 이상의 PD에 의해 각각의 LED가 활성화될 때, 상기 LED는 각각의 PD에 대해 따로 따로 활성화된다. 각각의 이러한 개별 활성화는 현재 제어 및 펄스 지속시간 레지스터를 가진다.
본 발명의 제어기는 원하는 LED로 전류를 지향시키도록 멀티플렉서(mux)를 자동으로 제어한다. 상기 LED 멀티플렉서 제어는 스캔 제어 레지스터에 의해 설정된다. 드라이버가 LED를 펄스화할 때 제어기는 올바른 PD 수광기를 자동으로 동기화한다. 12-비트 ADC 수광기 정보가 PD 데이터 레지스터에 저장된다. 스캐닝을 완료한 후, 제어기는 호스트 프로세서로 인터럽트를 발행하고, 자동으로 대기 모드(standby mode)가 된다. 그 후 호스트는 SPI 인터페이스를 통해 전체 스캔 시퀀스에 대한 수광기 데이터를 읽는다.
일부 터치 스크린 구성에서, 발광기는 수광기와 이동 정렬(shift-align)되고, 발광기는 둘 이상의 수광기에 의해 검출되며, 각각의 수광기 검출마다 1회 이상 활성화된다. 예를 들어, 발광기는 3회 연달아 활성화될 수 있고, 각각의 활성화의 경우, 서로 다른 수광기가 활성화된다. 더욱이, 주변광의 광도를 결정하기 위해, 수광기가, 발광기 활성화와 활성화 사이의 간격 동안 추가로 활성화된다.
또 다른 터치 스크린 구성에서, 발광기 및 수광기가 정렬되지만, 각각의 발광기는 둘 이상의 수광기에 의해 검출되고, 각각의 발광기는 각각의 수광기 검출에 대해 따로 따로 활성화된다. 발광기-수광기 활성화 패턴이 2010년 01월 05일에 출원된 본 출원인의 공동 출원된 특허 출원 US 12/667,692호 "SCANNING OF A TOUCH SCREEN"에 기재되어 있고, 상기 출원의 내용은 본원에 참조로서 포함된다. 그 중, 2011년 02월 24일에 공개된 US 공개 번호 2011/0043485호로 공개된 것에서, 단락 [0029], [0030], [0033] 및 [0034]가 참조된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 발광기 및 수광기의 이동 정렬(shift-align)된 배열을 갖는 터치 스크린(800)의 단순화된 도시인 167이 참조된다. 도 167에서, 스크린(800)의 남쪽 가장자리를 따르는 발광기(204-208), 스크린(800)의 북쪽 가장자리를 따르는 이동 정렬(shift-align)된 수광기(306), 스크린(800)의 동쪽 가장자리를 따르는 발광기(209-211), 및 스크린(800)의 서쪽 가장자리를 따르는 이동 정렬(shift-align)된 수광기(312-315)가 도시된다. 수광기의 각각의 가장자리는, 스크린(800)의 모서리에서의 터치를 검출하기 위해, 대향하는 가장자리를 따르는 발광기의 개수보다 하나 이상 더 많은 수광기를 가진다. 빔(174)은 발과기(204)의 활성화(activation)를 도시하고, 수광기(306)에 의한 검출을 도시한다. 표 6은 발광기-수광기 쌍에 대한 활성화 시퀀스를 나열한다.
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활성화 번호 10, 208-311은 스크린(800)의 수평 방향 차원을 따르는 마지막 활성화이다. 활성화 번호 11은 스크린(800)의 수직 방향 차원을 따르는 첫 번째 활성화이다. 이렇게 모서리를 도는 것은 스크린 가장자리를 따르는 활성화 패턴을 변경한다. 특히, 스크린 가장자리를 따르는 활성화 패턴은 형태 AA-AB-BB-BC-CC-CD를 갖고, 여기서, 각각의 쌍의 첫 번째 문자가 발광기를 나타내고, 두 번째 문자가 수광기를 나타낸다. 따라서, AA-AB의 경우 동일한 하나의 발광기가 2개의 수광기와 함께 활성화되고, AB-BB의 경우 2개의 발광기가 하나의 동일한 수광기와 함께 활성화된다. 모서리를 돌 때, 활성화 번호 11에서처럼, 패턴이 재설정된다. 발광기(209) 및 수광기(311)가 대향하는 스크린 가장자리를 따라 위치하지 않기 때문에, 활성 발광기(209)가 이전에 활성화된 수광기(311)에 의해 검출되지 않는다. 대신, 발광기(209)는 수광기(312)에 의해 검출되고, 따라서 수직 방향 스크린 차원을 따라 새로운 AA-AB-BB-BC ... 활성화 패턴을 시작한다. 제어기는, 스크린 가장자리를 따르는 스캔이 완료될 때를 나타내는 스캔 시퀀스 레지스터를 기초로 재설정된 패턴을 다룬다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 각각의 스크린 가장자리를 따라 교대하는 발광기와 수광기를 갖는 터치 스크린(800)의 단순화된 다이어그램인 도 168이 참조된다. 도 165에 도시된 바와 같이, 각각의 발광기가 2개의 수광기 사이에 위치하여, 특정 하나의 가장자리를 따르는 n개의 발광기 및 n+1개의 수광기(n은 임의의 수)를 도출한다. 도 165는 10개의 발광기(204-213) 및 14개의 수광기(306-319)에 의해 둘러싸인 터치 스크린(800)을 도시한다. 도 164를 참조하여 앞서 기재된 바와 같이, 각각의 발광기는 2개씩의 수광기와 쌍을 이룬다. 도 168의 점선 화살표(174 및 175)가 발광기(204)의 2개의 활성화를 가리킨다, 즉, 수광기(316)에 의해 검출된 활성화 및 수광기(315)에 의해 검출된 또 다른 활성화를 가리킨다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 활성화 시퀀스가 스크린 가장자리를 따르는 발광기의 시퀀스의 끝 부분에 도달할 때, 인접한 가장자리를 따르는 발광기를 활성화시킬 때 활성화 패턴이 재시작된다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 검출 수광기에 대한 각각의 발광기의 배향 각도가 발광기가 배열된 가장자리의 법선에 대해 실질적으로 45°이다. 이러한 경우, 인접 가장자리를 따르는 수광기가 스크린 모서리 근처의 발광기로부터의 광을 검출하도록 기능한다. 따라서 활성화 패턴은 재시작되지 않지만, 대신, 활성화된 일련의 발광기가 모서리를 돌 때 계속된다. 대안적으로, 각각의 스크린 차원을 따르는 제어기에 의해 활성화될 마지막 LED의 인덱스를 저장하기 위해 레지스터를 사용함으로써 모서리를 돌 때 제어기는 활성화 패턴을 재시작할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 제어기는 단순한 상태 머신(state machine)이고, 프로세서 코어, 가령, ARM 코어를 포함하지 않는다. 따라서 본 발명의 제어기의 비용이 낮다. 본 발명의 제어기를 이용한 광 기반 터치 스크린은 비교대상인 정전용량성 터치 스크린보다 저렴한데, 정전용량성 터치 스크린은 다수의 신호를 통합시키고 터치 위치를 계산하기 위해 프로세서 코어를 필요로 하기 때문이다. 빠른 응답 시간을 얻기 위해, 터치 위치를 계산하기 위해 정전용량성 터치 스크린은 이러한 계산을 호스트 프로세서로 분담시키는 대신, 전용 프로세서 코어를 이용한다. 이는, 정전용량성 터치 스크린을 위한 물질의 비용을 증가시킨다. 이와 달리, 본 발명의 광 기반 터치 스크린은 2개의 이웃하는 수광기 값을 이용하여, 하나의 축을 따르는 터치 위치를 계산할 수 있고, 이는, 호스트로 하여금 터치 위치를 계산할 수 있게 하고, 따라 저비용의 제어기를 사용하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 복수의 제어기가 터치 스크린(800)을 제어하도록 동작할 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 칩 패키지(731)는 광 기반 터치 스크린에 대한 적어도 하나의 추가 제어기(774)와, 스캐닝 제어기 회로(759)의 동작을 조화시키기 위한 칩 선택(CS) 핀(737)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제어기는 앞서 기재된 구성 6의 터치 스크린에 대한 활성화 시퀀스를 지원한다. 첫 번째 실시예에서, 도 63에 도시된 것처럼, 발광기가 2개의 스크린 가장자리를 따라 배치되고, 바로 대향하여 각각의 수광기가 나머지 2개의 스크린 가장자리를 따라 배치된다. 각각의 발광기는 2-피치 광역 광 빔을 자신의 각자의 수광기로 전송한다. 도 64를 참조하여 본원에 기재된 광학 요소, 가령, 요소(530)가 이러한 광역 빔을 이웃하는 광역 빔들과 인터리브되어, 스크린을 덮는 겹치는 광역 빔들의 2개의 세트를 생성한다, 가령, 매 두 번째 빔을 포함하는 세트가 스크린을 덮는다. 도 69는 각각의 발광기(201 및 202)(이들 사이의 발광기(200))에 의해 생성되는 빔(168 및 169)에 의해 커버되는 연접한 영역을 나타낸다.
2개의 활성화 시퀀스가 제공되는데, 즉, 어떠한 터치도 검출되지 않을 때 저-분해능 검출을 위한 활성화 시퀀스, 및 하나 이상의 검출된 터치를 추적하기 위한 고-분해능 검출을 위한 활성화 시퀀스가 제공된다. 저-분해능 검출에서, 하나의 스크린 가장자리를 따라 매 두 번째 발광기-수광기 쌍이 활성화된다. 사각형 스크린의 경우, 더 짧은 가장자리가 사용된다. 구성요소의 사용을 균일하게 분포시키기 위해, 발광기-수광기 쌍의 홀수 및 짝수 세트가 교대로 활성화된다. 따라서 저-분해능 검출에서 각각의 발광기가 하나씩의 수광기와 함께 활성화되도록 구성되며, 스텝 팩터(step factor)는 1이다, 즉, 매 두 번째 발광기가 활성화된다. 고 분해능 검출 모드에서, 각각의 발광기가 하나씩의 수광기와 함께 활성화되도록 구성되며, 스텝 팩터는 0이다, 즉, 모든 발광기가 활성화된다. 이 모드에서의 스캔은 두 발광기-라이닝 스크린 가장자리 모두를 따르는 발광기를 활성화시킨다.
대안적 실시예에서, 도 79에서 도시된 것처럼, 발광기 및 수광기가 스크린 가장자리를 따라 교대한다. 각각의 발광기가 2-피치 광역 빔을 자신 각자의 수광기로 전송한다. 광학 요소, 가령, 본원에서 도 64를 참조하여 기재된 요소(530)는 이 광역 빔을 이웃하는 광역 빔과 인터리브하여, 스크린을 커버하는 겹치는 광역 광 빔의 2개의 세트를 생성할 수 있다(가령, 매 두 번째 빔을 포함하는 세트가 스크린을 덮는다). 도 78은 각각의 발광기(201 및 202)(이들 사이의 수광기(300))에 의해 생성된 빔(168 및 169)에 의해 커버되는 연접한 영역을 나타낸다.
이 실시예에서, 3개의 활성화 시퀀스(즉, 하나의 축 상의 검출을 이용하는 저-분해능 검출을 위한 활성화 시퀀스, 2개의 축 상의 검출을 이용한 고 분해능 검출을 위한 활성화 시퀀스, 및 4개의 축으로의 검출을 이용한 고 분해능 검출을 위한 활성화 시퀀스)가 제공된다. 저-분해능 검출에서, 하나의 스크린 가장자리를 따라 매 두 번째 발광기-수광기 쌍이 활성화된다. 사각형 스크린의 경우, 더 짧은 가장자리가 사용된다. 구성요소의 사용을 균일하게 분포시키기 위해, 빔의 홀수 및 짝수 세트가 교대로 활성화된다. 그러나 이웃하는 빔들은 대향하는 방향으로 조준되기 때문에, 발광기들의 인덱스가 단일 스크린 가장자리를 따라 증분되도록 설정되는 방식으로, 발광기들이 ASIC LED 연결기로 연결된다. 따라서 스텝 팩터가 0이다, 즉, 매 두 번째 빔이 활성화되고, 활성화 시리즈는 활성 가장자리를 따르는 마지막 발광기에서 종료된다. 대안적 실시예에서, 발광기의 인덱스가 빔의 시리즈와 함께 증분되도록 설정되도록, 발광기가 ASIC LED 연결기로 연결된다. 이 경우, 스텝 팩터는 1이다, 즉, 매 두 번째 빔이 활성화된다.
2개의 축을 따르는 빔을 이용하는 고 분해능 검출 모드에서, 각각의 발광기는 하나의 각각의 수광기와 함께 구성되고, 스텝 팩터는 0이고, 활성화 시리즈가 모든 발광기를 커버한다.
4개의 축을 따르는 빔을 이용하는 고 분해능 검출 모드에서, 복수의 활성화가 실행된다. 첫 번째 활성화는 수평 방향 및 수직 방향 축을 따르는 빔을 활성화산다. 초기 발광기 인덱스는 초기 수광기 인덱스와 정합되고, 발광기 인덱스는 수광기 인덱스와 함께 증분된다. 제 2 활성화 시리즈는 대각 방향 빔의 제 1 세트를 활성화시킨다. 이 경우, 초기 발광기 및 수광기 인덱스가 초기 발광기로부터의 대각 방향 빔들 중 하나의 빔의 종점(endpoint)을 정의한다. 그 후 발광기 인덱스가 스크린 주변의 수광기 인덱스와 함께 증분된다. 제 3 활성화 시리즈가 대각 빔의 제 2 세트를 활성화시킨다. 이 경우, 초기 발광기 및 수광기 인덱스가 초기 발광기로부터의 제 2 대각 방향 빔의 종점을 정의한다.
탄성 터치 표면
본 발명의 하나의 실시예에 따르는, 표면의 상부 면 상의 유연한(flexible) 압축 가능한(compressible) 층을 갖는 터치 표면의 단순화된 도시인 도 169가 참조된다. 터치 검출을 제공하기 위해 표면 위를 횡단하는 광 빔이 압축 가능한 층을 통과하여 지향된다. 도 169는 PCB(700) 상의 발광기(200) 및 수광기(300)와, 도광체의 외부 가장자리에 접착되는 디스플레이(642) 위에 배치되는 탄성 있는 유연한 층(650)을 도시한다. 상기 도광체는 2개의 유닛, 즉, 상부 섹션(463) 및 하부 섹션(464)을 가진다. 일반적으로 층(650)은 디스플레이(462)의 보기를 가능하게 하도록 투명하다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르는 도 169의 터치 표면의 확대도인 도 170이 참조된다. 도 170에 도시된 것처럼, 광 빔(100)이 발광기(200)로부터 도광체 유닛(463 및 464)을 통과하여 유연한 층(650)으로 이동한다. 도 169에 도시된 바와 같이, 광 빔(100)은 각각의 수광기(300)에 의해 표면의 대향하는 가장자리에서 검출된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 도 169의 터치 표면의 층(650)을 눌러, 임프레션(impression)을 생성하는 물체의 단순화된 도시인 도 171이 참조된다. 도 171에 도시된 바와 같이, 사용자가 자신의 손가락(900)으로 층(650)을 누르고, 빔이 수광기(300)에 도달할 수 있기 전에 임의의 빔(100)을 차단 또는 방해한다. 이러한 빔(00)의 차단 또는 방해는 2개의 측정 가능한 효과, 즉, (i) 빔이 지향되는 대응하는 수광기(들)(300)에서 감소된 검출 신호, 및 (ii) 차단된 빔을 수신하는 나머지 수광기에서 증가된 검출 신호를 야기한다. 덧붙여, 임프레션이 클수록, 차단이 크다. 따라서, 일부 수광기에서 소실된 예상 광량 및 나머지 수광기에서의 증가된 검출 패턴은 손가락(900)에 의해 층(650)에 가해지는 압력의 크기를 나타낸다.
층(650)이 단일 겔형 본체로서 형성될 때, 큰 크기의 하향 압력에 의해 생성되는 깊은 임프레션은 얕은 임프레션보다 넓은 반경을 가진다. 차례로, 수광기에서 검출되는 광량은 반경의 폭을 나타내며, 상기 반경의 폭은 손가락(900)에 의해 인가되는 하향 힘의 크기를 결정한다. 일반적으로, 투과성 본체로의 임프레션에 의해 생성된 차단 및 방해된 빔의 패턴은, 물체가 투과성 본체의 표면임을 알려주지만 임프레션은 형성하지 않을 때 강성체로 투과되는 광의 방해된 내부전반사보다 더 실질적이다(more substantial).
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 표면의 상면 상에 유연한 압축 가능한 층을 갖는 대안적 터치 표면의 단순화된 도시인 도 172가 참조된다. 도 172의 터치 표면에서, 유연한 층(650)이 도광체 유닛(463)의 상부 가장자리와 동일 높이를 이루고, 디스플레이(642)의 표면 위에 현수되어, 공극(843)을 형성할 수 있다. 도 172는 발광기(200)로부터 발산되는 2개의 광 빔을 나타낸다. 제 1 광 빔(100)이 층(650)을 통과하여 횡단하고, 제 2 광 빔(101)은 공극(843)을 가로질러 이동한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 도 172의 터치 표면의 층(650)을 누르고 상기 층 상에 임프레션을 생성하는 물체의 단순화된 도시인 도 173이 참조된다. 자신의 손가락(900)으로 층(650)을 누르는 사용자가 층을 휘고, 빔(100)을 방해한다. 덧붙여, 휘어진 층이 공극(843)으로 확장되고 빔(101)을 차단한다.
본 발명의 대안적 실시예에서, 층(650)은 얇은 탄성 막이고, 공극(843) 내부의 빔만 터치 검출을 위해 사용된다. 이러한 대안적 실시예에서, 광이 막을 통해 전송되지 않고, 막이 장치를 감쌀 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 얇은 투명 탄성 막이 터치 표면으로 스냅 온(snap on) 및 스냅 오프(snap off)되는 프레임 내부에 배치된다. 하나의 실시예에서, 경찰 또는 소방서용 핸드세트가 앞서 기재된 바와 같이 일반적으로 탄성 상부 층 없이 사용되는 광 기반 터치 표면을 포함한다. 그러나 경찰관 또는 소방수가 극한 환경에 직면할 때, 물 또는 파편이 표면에 충돌하고 표면 상의 터치 검출과 간섭을 일으키는 경우, 경찰관 또는 소방수는 투명한 탄성 층을 스냅 온한다. 탄성 층이 표면을 보호하고 물 및 파편이 광 빔에 도달하여 잘못된 터치 검출을 유발하는 것을 막는다. 탄성 층을 통해 수행되는 터치는, 포인터 물체에 의해 표면으로 눌릴 때의 탄성 층의 가늘어짐(tapering) 때문에, 탄성 층 없이 수행되는 터치보다 더 거친 분해능에서 검출된다. 덧붙여, 극한 환경에서, 경찰관이나 소방수는 장갑을 착용하며, 이 역시, 장갑 낀 손가락의 표면적이 맨 손의 표면적보다 넓기 때문에 터치의 분해능을 감소시킨다. 이러한 이유로, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 이러한 유형의 핸드세트가 탄성 막 없이 사용되기 위한 고분해능 사용자 인터페이스, 및 탄성 막과 함께 사용되기 위한 저분해능 사용자 인터페이스를 제공한다. 고분해능 사용자 인터페이스와 저분해능 사용자 인터페이스의 한 가지 차이는 크기이고, 디스플레이 상에 제공되는 버튼의 밀도, 즉, 저분해능 사용자 인터페이스는 더 넓게 이격되어 있는 더 큰 버튼을 사용하고, 고분해능 사용자 인터페이스는 서로 가까이 이격되어 있는 더 작은 버튼을 사용한다. 저분해능 사용자 인터페이스는, 고분해능 사용자 인터페이스에 비해, 스캔 속도(scan rate)를 감소시키고, 표면을 스캐닝할 때 사용되는 발광기 및 수광기의 개수를 감소시킬 기회를 제공하는데, 니는 더 낮은 터치 정밀도를 필요로 하기 때문이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 스냅-온 프레임은 RFID 칩 또는 그 밖의 다른 이러한 식별자를 포함함으로써, 핸드세트가 탄성 층이 스냅 온 또는 스냅 오프될 때를 검출하고, 이에 따라, 저분해능/고분해능 사용자 인터페이스를 자동으로 토글(toggle)한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따라, 유연한 압축 가능한 층을 표면의 상면 상에 갖는 또 다른 대안적 터치 표면의 단순화된 도시인 도 174가 참조된다. 도 174는 유연한 층(650) 위로 뻗어 있는 도광체 유닛(463)의 가장자리를 도시한다. 제 1 광 빔(100)은 층(650) 위를 횡단하며, 물체가 층(650)을 터치할 때, 차단된다. 제 2 광 빔(101)은 층(650)을 통해 이동하고, 물체가 층(650)에 하향으로 압력을 가할 때만 차단되거나 방해되어, 임프레션을 형성한다. 따라서 도 174의 터치 표면이 적어도 2개의 터치 검출 레벨(즉, 초기 터치의 검출 및 압력을 동반한 터치의 검출)을 제공한다.
따라서 해당 분야의 종사자라면, 본 발명의 실시예가 핸드세트 및 디스플레이 제조업체에게 몇 가지 이점을 제공함을 알 것이다. 첫 번째 이점은 도 169-172에 도시된 바와 같이, 스크린 주변에 돌출된 베젤을 갖지 않는 광 기반 터치 표면을 가진다는 것이다. 또한 이 이점은 앞서 기재된 바와 같이, 디스플레이 위에 현수된 탄성 시트를 이용해 얻어진다. 두 번째 이점은 물방울, 먼지(dust) 및 오염물질(dirt)의 환경에서 동작하는 광 기반 터치 표면을 가진다는 것이다. 물, 먼지 및 오염물질은 층(650)의 상부 상에 안착되지만, 물, 먼지, 및 오염물질은 층(650)에 임프레션을 생성하지 않기 때문에, 터치 신호를 생성하지 않는다. 세 번째 이점은, 누르는 물체를 받치는 반-경성 겔(semi-hard gel)의 상부 층을 이용함으로써, 표면을 손가락 또는 스타일러스로 누르고 있는 사용자에게 촉감을 제공하는 광 기반 터치 표면을 가진다는 것이다. 반-경성 층이 장치로부터 사용자의 손가락 또는 스타일러스로 햅틱 피드백(haptic feedback)을 전송한다. 반-경성 물질은 종래 기술의 터치 표면 장치에서 사용되는 강성 플라스틱 및 유리 표면이 제공하는 것보다 더 압력감 있는 촉감(more compelling haptic sensation)을 사용자에게 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르는 터치 표면은, 연성 물질(soft material), 가령, 실리콘, 광 투명한 접착제, 또는 액체로 채워진 블레이더(bladder)를 이용해 도광체의 이중 사출 성형(double injection mold), 즉, "오버몰딩(overmolding)"을 수행함으로써 제작될 수 있다. 오버몰딩은 하나의 단일 프로세스나 툴에서 도광체와 연성 물질을 짝결합하고, 도광체 및 유연한 층을 2개의 별도 프로세스로 제작하는 것에 비교할 때, 비용이 낮다.
본 발명에 따르는 도광체는 특히, 높은 유리 전이 온도를 갖는 폴리카보네이트 또는 환형 올레핀 코폴리머(COC: cyclic olefin copolymer)로 만들어질 수 있다. COC는 폴리카보네이트보다 더 우수한 광학 속성, 더 우수한 화학적 내성, 더 우수한 몰드 내 유동 속성, 및 싱크 마크(sink mark)의 위험을 감소시키는 더 낮은 수축율을 가진다. 따라서 COC는 도광체 설계의 유연성과 높은 수율을 제공한다.
본 발명은 작은 크기, 중간 크기, 및 큰 크기 스크린을 포함하는 터치 감응성 스크린을 갖는 전자 장치에 널리 적용된다. 이러한 장치는 컴퓨터, 가정용 엔터테인먼트 시스템, 자동차 엔터테인먼트 시스템, 보안 시스템, PDA, 휴대 전화기, 전자 게임 및 장난감, 디지털 액자(digital photo frame), 디지털 음악 기기, 전자책(e-book) 리더, TV 및 GPS 내비게이터 등등을 포함한다.
지금까지의 기재에서, 본 발명은 특정 예시적 실시예와 관련하여 기재되었다. 그러나 이하의 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위 및 사상 내에서, 특정 예시적 실시예의 다양한 수정 및 변경이 이뤄질 수 있음이 자명할 것이다. 따라서 본 상세한 설명과 도면은 한정이 아니라 예시로 간주되어야 한다.

Claims (36)

  1. 컴퓨팅 장치를 위한 터치 스크린(touch screen)으로서, 상기 터치 스크린은
    하우징(housing),
    상기 하우징에 장착되며 상부 표면과 하부 표면을 포함하는 광 투과성 물질(light-transmissive material)의 층 - 상기 상부 표면은 상기 하우징의 외부로부터의 하나 이상의 물체(object)에 의한 터치를 위해 노출되어 있음 - ,
    광 빔(light beam)을 발산하기 위해 상기 상부 표면 아래에서 상기 하우징에 장착되는 복수의 발광기(emitter),
    상기 광 빔이 상기 층에 들어갈 때 광 빔이 상기 상부 표면을 터치하는 물체에 의해 흡수되지 않을 경우 상기 층의 상기 상부 표면과 하부 표면에서의 내부전반사에 의해 상기 층에 가둬지도록 하는 각도로, 상기 발광기에 의해 발산되는 광을 상기 층으로 지향시키도록 상기 하우징에 장착된 제 1 렌즈 조립체,
    광 빔을 검출하고 검출된 광량을 나타내는 출력을 생성하기 위해, 상기 상부 표면 아래에서 상기 하우징에 장착되는 복수의 광 검출기,
    상기 층의 표면에서 광 빔을 상기 복수의 광 검출기 중 하나 이상을 향해 지향시키기 위해 상기 하우징에 장착된 제 2 렌즈 조립체, 및
    상기 광 검출기의 출력을 기초로 하여, 상기 상부 표면을 터치하는 하나 이상의 물체의 각각의 하나 이상의 위치를 결정하기 위해 상기 하우징에 장착되고 수광기로 연결된 계산 유닛
    을 포함하며, 상기 층 내 상기 광 빔은 물체와 접촉하게 될 때 상기 상부 표면에서 부분적으로 흡수되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 투과성 물질은 적외선 광에 투과성인 유리 또는 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 투과성 물질은 적외선 광에 투과성인 투과성 겔 또는 액체가 충전된 주머니인 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 조립체와 상기 제 2 렌즈 조립체를 고정하기 위해 광학적으로 투명한 전사 테이프(transfer tape)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 조립체는 상기 발광기에 의해 발산되는 광 빔의 일부분을 상기 상부 표면 위에서 상기 층을 가로지르도록 지향시키고, 상기 제 2 렌즈 조립체는 상기 상부 표면 위로부터의 광 빔을 상기 복수의 광 검출기 중 하나 이상에게로 지향시키는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 조립체는 상기 발광기에 의해 발산되는 광 빔을 상기 층의 하나 이상의 면으로부터 상기 층 내부로 지향시키고, 상기 제 2 렌즈 조립체는 상기 층의 하나 이상의 면으로부터 나오는 광 빔을 상기 복수의 광 검출기 중 하나 이상에게로 지향시키는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  7. 제1항에 있어서, 상기 층, 상기 제 1 렌즈 조립체, 및 상기 제 2 렌즈 조립체는 하나의 단일 응집화된 유닛(single consolidated unit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  8. 제1항에 있어서, 상기 발광기는 상기 층의 2개의 이웃한 가장자리(edge)를 따라 배열되며, 상기 광 검출기는 상기 층의 나머지 2개의 이웃한 가장자리를 따라 배열되며, 상기 발광기는 상기 광 검출기와 이동-정렬(shift-align)되고, 상기 계산 유닛은, 어떠한 물체도 상기 상부 표면을 터치하지 않을 때 예상되는 출력보다 작은 상기 광 검출기의 출력을 기초로, 상기 상부 표면을 터치하는 하나 이상의 물체의 각각의 하나 이상의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  9. 제1항에 있어서, 상기 발광기와 상기 광 검출기는 상기 층의 가장자리를 따라 교대하는 시퀀스(alternating sequence)로 배열되며, 상기 계산 유닛은, 어떠한 물체도 상기 상부 표면을 터치하지 않을 때 예상되는 출력보다 작은 상기 광 검출기의 출력을 기초로, 상기 상부 표면을 터치하는 하나 이상의 물체의 각각의 하나 이상의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  10. 컴퓨팅 장치용 터치 스크린으로서, 상기 터치 스크린은
    하우징(housing),
    상기 하우징에 장착되며 상부 표면과 하부 표면을 포함하는 광 투과성 물질(light-transmissive material)의 층 - 상기 상부 표면은 상기 하우징의 외부로부터의 하나 이상의 물체(object)에 의한 터치를 위해 노출되어 있음 - ,
    광 빔(light beam)을 발산하기 위해 상기 상부 표면 아래에서 상기 하우징에 장착되는 복수의 발광기(emitter),
    상기 광 빔이 상기 층에 들어갈 때 상기 층의 상기 상부 표면과 하부 표면에서의 내부전반사에 의해 상기 층에 가둬지도록 하는 각도로, 상기 발광기에 의해 발산되는 광을 상기 층으로 지향시키도록 상기 하우징에 장착된 제 1 렌즈 조립체,
    광 빔을 검출하고 검출된 광량을 나타내는 출력을 생성하기 위해, 상기 상부 표면 아래에서 상기 하우징에 장착되는 복수의 광 검출기,
    상기 층의 표면에서 광 빔을 상기 복수의 광 검출기 중 하나 이상을 향해 지향시키기 위해 상기 하우징에 장착된 제 2 렌즈 조립체, 및
    상기 광 검출기의 출력을 기초로 하여, 상기 상부 표면을 터치하는 하나 이상의 물체의 각각의 하나 이상의 위치를 결정하기 위해 상기 하우징에 장착되고 수광기로 연결된 계산 유닛
    을 포함하며, 상기 층 내 광 빔은 물체와 접촉할 때 상기 상부 표면에서 상기 층 내부로 후방 산란되어, 상기 제 2 렌즈 조립체가 상기 광 빔을 산란되지 않을 때보다 더 많은 광 검출기에게 지향시키도록 하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  11. 제10항에 있어서, 광 투과성 물질은 적외선 광에 투과성인 유리 또는 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  12. 제10항에 있어서, 광 투과성 물질은 적외선 광에 투명한 투과성 겔 또는 액체가 채워진 주머니인 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  13. 제10항에 있어서, 제 1 렌즈 조립체와 제 2 렌즈 조립체 상에 상기 층을 고정하기 위해 광학적으로 투명한 전사 테이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 조립체는 상기 발광기에 의해 발산되는 광 빔 중 일부를 상기 상부 표면 위에서 상기 층을 가로지르도록 지향시키고, 상기 제 2 렌즈 조립체는 상기 상부 표면 위로부터의 광 빔을 상기 복수의 광 검출기 중 하나 이상에게로 지향시키는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  15. 제10항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 조립체는 상기 발광기에 의해 발산되는 광 빔을 상기 층의 하나 이상의 면으로부터 상기 층 내부로 지향시키고, 상기 제 2 렌즈 조립체는 상기 층의 하나 이상의 면으로부터 나오는 광 빔을 상기 복수의 광 검출기 중 하나 이상으로 지향시키는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  16. 제10항에 있어서, 상기 층, 상기 제 1 렌즈 조립체, 및 상기 제 2 렌즈 조립체는 단일 응집화된 유닛(single consolidated unit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  17. 제10항에 있어서, 상기 발광기는 상기 층의 2개의 이웃한 가장자리(edge)를 따라 배열되며, 상기 광 검출기는 상기 층의 나머지 2개의 이웃한 가장자리를 따라 배열되고, 상기 발광기는 상기 광 검출기와 이동-정렬(shift-align)되고, 상기 계산 유닛은, 어떠한 물체도 상기 상부 표면을 터치하지 않을 때 예상되는 출력보다 작은 상기 광 검출기의 출력을 기초로, 상기 상부 표면을 터치하는 하나 이상의 물체의 각각의 하나 이상의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  18. 제10항에 있어서, 상기 발광기와 상기 광 검출기는 상기 층의 가장자리를 따라 교대하는 시퀀스(alternating sequence)로 배열되며, 상기 계산 유닛은, 어떠한 물체도 상기 상부 표면을 터치하지 않을 때 예상되는 출력보다 작은 상기 광 검출기의 출력을 기초로, 상기 상부 표면을 터치하는 하나 이상의 물체의 각각의 하나 이상의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  19. 제10항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 조립체 및 제 2 렌즈 조립체는 상기 발광기 각각으로부터의 광 빔을 3개의 방향으로 지향시키기 위한 반복되는 3면 렌즈 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  20. 제19항에 있어서, 상기 발광기 각각으로부터 3개의 방향으로 지향되는 광은 상기 층의 3개의 서로 다른 가장자리를 따라 위치하는 광 검출기들 중 3개의 광 검출기에 의해 수신되는 것을 특징으로 하는 터치 스크린.
  21. 광 기반 터치 감응성 장치(light-based touch sensitive device)로서, 상기 장치는
    하우징,
    상기 하우징에 감싸이는 표면,
    상기 표면 위의 탄성 물질(elastic material)의 층,
    상기 하우징에 장착되며 상기 층을 통해 광 펄스를 전송하는 복수의 광 펄스 발신기(light pulse emitter),
    상기 하우징에 장착되며 상기 층을 통해 전송된 광 펄스를 수신하는 복수의 광 펄스 수신기(light pulse receiver), 및
    상기 하우징에 장착되며 상기 수신기로 연결되고, 상기 층을 터치하며 상기 층에 임프레션(impression)을 형성하는 포인터의 위치를, 상기 수신기의 출력을 기초로 하여 결정하는 계산 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 하우징에 장착되고 상기 층 및 상기 계산유닛에 연결되며, 포인터가 상기 층에 임프레션을 형성할 때 상기 층에 햅팁 진동(haptic vibration)을 생성하는 햅틱 드라이버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  23. 제21항에 있어서, 상기 층은 상기 하우징의 동일 높이 외부 표면의 적어도 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  24. 제21항에 있어서, 광 펄스를 상기 발광기로부터 상기 층 내부로, 그리고 상기 층으로부터 상기 수광기 내부로 유도하는 적어도 하나의 도광체를 상기 하우징 내에 더 포함하고, 상기 층의 상부 표면은 상기 적어도 하나의 도광체의 상부 가장자리와 동평면인 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  25. 제24항에 있어서, 오버몰딩 공정(overmolding process)에 의해 상기 적어도 하나의 도광체 및 상기 층이 다 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  26. 제21항에 있어서, 상기 층을 통해 상기 표면 위로 그리고 상기 표면을 가로지르도록 광 펄스를 유도하고, 상기 층 위에서 상기 표면을 가로지르도록 광 펄스를 유도하는 적어도 하나의 도광체를 상기 하우징 내에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 표면 및 상기 층 간의 공극, 및
    상기 층을 통해 상기 표면 위로 그리고 상기 표면을 가로지르도록 광 펄스를 유도하고, 상기 공극을 통해 상기 표면 위로 그리고 상기 표면을 가로지르도록 광 펄스를 유도하는, 상기 하우징 내 적어도 하나의 도광체
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  28. 광 기반 터치 감응성 장치로서, 상기 장치는
    하우징,
    상기 하우징에 감싸이는 표면,
    상기 표면 위의 탄성 물질의 층 - 상기 표면과 상기 층 사이에 공극이 형성됨 - ,
    상기 하우징에 장착되며, 상기 공극을 통해 상기 표면 위로 그리고 상기 표면을 가로지르도록 광 펄스를 전송하는 복수의 광 펄스 발신기,
    상기 하우징에 장착되며, 상기 광 펄스를 수신하는 복수의 광 펄스 수신기, 및
    상기 하우징에 장착되고 상기 수신기로 연결되며, 상기 수신기의 출력을 기초로 하여, 상기 층을 터치하여 상기 층에 임프레션(impression)을 형성하는 포인터의 위치를 결정하는 계산 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 하우징에 장착되고 상기 층과 상기 계산 유닛에 연결되며, 포인터가 상기 층에 임프레션을 생성할 때 상기 층에서 햅틱 진동을 생성하는 햅틱 드라이버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  30. 제28항에 있어서, 상기 층은 상기 하우징의 동일 높이 외부 표면의 적어도 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  31. 제28항에 있어서, 상기 발광기로부터 공극으로 광 펄스를 유도하고, 상기 공극에서 상기 수광기로 광 펄스를 유도하는 적어도 하나의 도광체를 상기 하우징 내에 더 포함하고, 상기 층의 상부 표면은 상기 적어도 하나의 도광체의 상부 가장자리와 동평면인 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  32. 제31항에 있어서, 오버몰딩 프로세스에 의해, 상기 적어도 하나의 도광체와 상기 층은 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  33. 제28항에 있어서, 상기 층은 제거 가능한 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 층은 스냅 온(snap-on) 동작에 의해 상기 하우징에 제거 가능하게 부착된 프레임에 부착되는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  35. 제34항에 있어서, 상기 표면은 디스플레이를 포함하고, 상기 장치는 적어도 2개의 사용자 인터페이스, 즉, 상기 층이 상기 하우징에 부착됐을 때 사용되기 위한 저분해능(low-resolution) 터치 기반 사용자 인터페이스, 및 상기 층이 상기 하우징으로부터 탈착됐을 때 사용되기 위한 고분해능(high-resolution) 터치 기반 사용자 인터페이스를 상기 디스플레이 상에 렌더링하기 위한 명령을 제공하는 프로그램 코드를 저장하는 비휘발성 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 층으로 연결된 무선 주파수 식별자(RFID), 및
    상기 RFID 칩을 통해 상기 하우징으로의 상기 층의 부착을 검출하는 상기 하우징에 장착된 RFID 판독기
    를 포함하며, 상기 프로그램 코드는, 상기 RFID 판독기가 상기 하우징으로의 상기 층의 부착을 검출할 때 저분해능 터치 기반 사용자 인터페이스를 표시하기 위한 명령을 제공하는 것을 특징으로 하는 광 기반 터치 감응성 장치.


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