TW200525436A - Touch input screen using a light guide - Google Patents

Description

200525436 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種顯示裝置，其具有一具有觸摸式勞幕 功能性的顯示器。 【先前技術】 在各種顯示器技術中，觸摸式輸入螢幕為吾人所熟知。 此等螢幕通常使用一對（用於一維座標偵測）平行對準的透 明薄膜’該等薄膜係由例如PET箔、聚甲基丙稀酸甲酉旨 (PMMA)或聚碳酸酯製成。每一薄膜容納一薄的、透明且導 電的氧化銦錫（ITO)膜。該等兩個薄膜通常由約5〇〇_ι〇⑼ 之氣隙而彼此分離。附著至該等薄膜之IT〇膜面向彼此，音 即該等薄膜係對準的，使得該等ΙΤ0膜配置於該等兩個薄膜 之間。 、 通常，基於電阻器之觸摸式螢幕係作為附加模組應用於 給定的顯示面板。沿著兩個高電阻ΙΤ〇膜中之一者的兩個相 對邊緣中之每一邊緣，應用一具有極低電阻之電極。當在 該等低電阻電極之上施加電壓時，在ΙΤ〇膜上產生等電位線 (平行於該等電極）。該等線之電位自（例如）ΙΤ〇膜一端處的〇 V.交化至另一端處的10ν。當藉由手指、筆或一些其它適當 的指示物件接觸面向顯示面板周圍之薄膜時，會使此薄膜 以及相關聯之ΙΤΟ電阻器變形，直至該薄膜接觸到面向顯示 面板之薄膜，其中該等兩個ΙΤ0膜彼此接觸。結果，接觸位 置處的等電位線之電位被轉移至面向顯示面板之薄膜。根 據電的觀點’此薄膜為浮動的，且當在零電流流動的情況 96070.doc 200525436 下量測此浮t + , 、于體之電位時，可自量测到的電壓計算接 為了進行一 觸位置 維座標偵測，將一對額外的平行對準 電極附著至另一锋π 丁叮訂早之透明 之箄… 額外對配置其電極使得該 4包位線垂直於現有電極對之等電位缘 及Υ座標。 7 額外對 從而，可量測乂 =之觸摸式螢幕具有諸多缺點，其中成本是主要的 缺‘，，、占。例如，PDA尺寸的觸摸式㈣成本在$1G_$2G之 内’而urn歸成本為$或更高。對於終端使用者 而言:重要因素為所得螢幕前_)效能，其包括諸如照 X儿X對比度、回應時間等參數。配備有觸摸式榮幕 之LCD的F〇S效能顯著地比沒有觸摸式營幕之相同咖之 F〇S效能差。觸摸式螢幕LCD之惡化的f〇s效能係（舉例而十 歸因於： ^ •由薄膜中之電阻器產生的光散射導致模糊的圖像及減小 的對比度； •由薄膜中之電阻器導致的螢幕變色； •薄膜及IT0膜中之光吸收，其減小感受到的亮度； •面向顯不器之薄膜與顯示器本身之間的界面，其導致不 當反射、干涉圖案及減小的視角。 可使用抗反射塗層來減少反射。然而，需要將該等抗反 射塗層塗覆於薄膜-空氣界面處，同時必須將IT〇膜沉積於 該薄膜之另一側上，此導致昂貴的雙側沉積、處理及加工 程序。此外’抗反射塗層不會抑制由ΙΤ〇膜產生之光散射及 變色’且其可增加透射損失。為了減少反射，可在薄膜之 96070.doc 200525436 間使用折射率匹配流體作為媒體來代替空氣。然而，此將 導致ITO膜之間的歐姆接觸惡化。 央國專利申請案GB 2 074 428揭示了具有一層狀光導之 觸摸敏感裝置，在該層狀光導内，可藉由經由手指對光導施 加壓力而由全内反射捕集來自光源（諸如CRT之螢幕）之 光。光導之邊緣裝配有光偵測器，其回應於光導内之光的 俘獲。 可能藉由將光偵測器輸出與CRT光柵位置進行比較來判 定光導上確切的觸摸位置。 GB 2 〇74 428之一問題在於，光導之空氣界面導致光學干 涉及反射。另一問題在於，任何光導表面污染（諸如指紋、 灰塵、劃痕等）均可導致將光捕集於光導内之事實且光彳貞測 器可回應於此捕集到的光。因此，可積測到污染，此導致 所謂的’’鬼觸（ghost touch)，，，即意外觸摸式輸入。 【發明内容】 本發明之一目的為提供一種觸摸式螢幕顯示裝置，其具 有卓越的螢幕前效能且避免鬼觸式輸入。 此目的係由根據請求項1之顯示裝置而達成。較佳之實施 例由附屬的請求項加以界定。 根據本發明之一態樣，一種顯示裝置包括_具有觸摸式 螢幕功能性的顯示器，意即，該顯示裝置經配置用於偵測 4 ,、、、員示器之邊幕上的輸入位置。為此目的，該螢幕包含一 配置有光源之第一光導，該光源發射光進入該第一光 導。第一光導以此方式與其周圍光學匹配，使得光源之光 96070.doc 200525436 正常情況下藉由全内反射而限制在第一光導内。"正常情況 下在此it形下應被理解為表示不發生使用者與勞幕之互 動的情況。 田使用者藉由手指、筆或_些其它指示物件於輸入位置 處與觸摸式螢幕進行實體互動時，第一光導中光之全内反 射狀態受到干擾，使得光自第—光導被提取。 -亥螢幕進-步包含-第二光導，其經配置使得使用者盥 觸摸式螢幕之互動建立第一與第二光導之間的接觸。： 外’該螢幕包含一將第—及第二光導分離之媒體。該媒體 具有比第-及第二光導各自之折射率低的折射率。 以兩種方式來完成對輸入位置之债測藉。提供呈（例如） 光债測器或光感應器形式的光債測構件，其偵測自第一光 導提取之光抑或第—光導中光強度之減小。光偵測構件亦 經配置以使光债測事件與觸摸式營幕上發生使用者互動之 輸入位置相聯繫。 本發明是有利的’因為可在大多數類型之顯示器(諸如 LCD、CRT、不同類型之咖技術（例如⑽d、㈣ 觸摸·之可靠價測。可於其中應用本發明的 投影營幕等等。 ^之^視裝置、電視機、 當顯示裝置之使用者與配置於螢幕前的第二光導建 ^接觸時，對觸摸式輸入之偵測成為可能，其導致鬼觸式 輸入將被避免之事實。觸握★恶笪 Λ觸杈式螢幕（意即，第二光導）上之 紋 '污垢、灰塵或其它非吾人所樂見之物質將不會導致； 96070.doc 200525436 來自苐一光導之光的不當向外耗合。 此外’由於將第-與第二光導分離之媒體，非吾人所半 見之反射及干涉圖案之影響得以減輕。此係歸因於與先： 技術中所使用的光導_空氣界面相比，光導_媒體界面將具2 較低的Fresnel反射係數之事實。 在先刚技術中，當光線入射於顯示器上時（尤其是在淺角 的情況下）’表面·空氣界面上的反射逐漸增加，對於接近％。 之入射角而言幾乎達到100%。若遇到多個表面-空氣界面， 則全反射甚至將發生於相對較小的人射角下。此外，若表 面-空氣界面係由相對較大的距離(大於約2〇〇㈣自彼此分 離，則陰影將發生在顯示器上。 由於兩光導之間的媒體’減小了表面反射之負面影響， 且獲得了具有大大增加之視角的顯示器。 根據本發明之一較佳實施例，當光導由於使用者互動而 處於彼此(光學)接觸狀態時’自第—光導提取之光進入第二 光導。較佳地’隨後將光偵測構件配置成鄰接第二光導， ，於與其基本上相同之平面。例如，將光偵測器定位於沿 弟一光導之邊緣。 第二光導較佳由可撓性材料製成。在此狀況下，使用者 與觸摸式螢暮之互動導较笛-i、# 接角丨 '蛍眷之互動V致弟—先導被偏斜成與第一光導相 面向弟-光導的第二光導之表面較佳經構造使得該表面 具有某-粗糙度。此為有利的’因為表面之粗糙度防止第 一光導黏著至第一光導。 96070.doc -10- 200525436 根據本發明之另一實施例，媒體為具有在13(M 48範圍 内之折射率的液體，該液體密封於配置在第一及第二光導 之間的ΊΓ %脹谷器中。此實施例是有利的，因為當使用者 使第二光導偏斜時，密封於可膨脹容器中的液體可容易地 在該容器中移動。 較佳之液體包括基於氟之矽流體或酒精/水混合物。此是 有利的，因為此等類型之液體對溫度相當不敏感。此外， 此等類型之液體為透明且無色的、化學惰性的、非散射性 的且具有較低折射率。 根據本發明之又一實施例，第一及第二光導由具有在 1.49-1.58範圍内之折射率的材料（較佳為pMMA)組成。可藉 由使用射出成型製程來容易地製造此光導。 根據本發明之再一實施例，經配置以發射光進入第一光

【實施方式】

於該顯示裝置中。 -土私觸取氧之顯示裝置1〇〇，其配置有 )平面顯不器1 02，本發明可有利地應用 具有根據本發明之觸摸式螢幕功能性之 96070.doc 200525436 顯示裝置包含兩個井 光偵測構件可以多種分離該等兩個光導之媒體，且 同方式配置於該顯示裝置中，如將 “述的那樣。例如， 模組。在顯示裝置置於顯示器之外部作為附加 #、、 由（例如）電視機、投影螢幕或CRT組成的 ’况下》亥等光偵测構件可配置於顯示器之兩個邊緣⑻、 104處。在顯示裝置包含主動式矩陣基板的狀況下，該等光 债測構件亦可配署M _ u ;不虞置之基板中，藉此將該等 測構件置放於顯示裝置内部。 圖之上0卩刀展不了 一顯示裝置之顯示器201之示意性正 視圖在π亥顯不器上藉由“列如)黏著劑配置了兩個光導：一 内部光導2〇2及一外部光導2〇7。圖2之下部分展示了顯示器 2〇1之示意性側視圖。在外部光導207之兩個邊緣配置了呈 (例如）光㈣器形式之光偵測構件加。當顯示裝置不含有 主動式矩陣基板時，例如，當顯示裝置包括電視機、CRT 或投影螢幕時’較佳使用此光積測器配置。將光價測構件 連接至CPU 204或具有處理能力之一些其它適當的構件。 CPU 了有利地包含應用該觸摸式螢幕功能性之裝置中現有 的處理構件。然而，該等兩個光導及該等光债測構件可為 /、有其自身CPU之獨立系統’該獨立系統連接至該待為其 提供觸摸式螢幕功能性之裝置’且與其協作。使用者可使 用呈筆205之形式的指示裝置來建立與顯示器之接觸。 内邛光V 202具有光源208，該光源208經配置以發射光進入 内部光導。 調適内部光導202與液體209(密封於可膨脹容器内之液 96070.doc 12- 200525436 體）之間的光學匹配，使得光源208之光210藉由全内反射限 制於該内部光導内。液體209包含基於氟之矽流體或具有在 1·3(Μ·48範圍内之折射率的酒精/水混合物。光導2〇2、 由ΡΜΜΑ或具有約1 ·5 〇之折射率的玻璃型材料製成。實務 上，可使用任何為透明、無色、化學惰性且非散射性之液 體，只要其折射率小於光導材料之折射率但足夠接近以提 供良好的光學匹配。 圖3展不了該顯示裝置之顯示器3〇1之側視圖。藉由（例如） 筆305進行之與外部光導3〇7之實體接觸使外部光導偏斜成 與内部光導3 02接觸。此擾亂了内部光導中之全内反射，且 在内部光導與外部光導之接觸界面處，來自光源3〇8之光 310被提取並引導向光偵測構件3〇3。因此，可藉由判定自 光源經由光導而照射於光偵測構件3〇3上之光3 1〇之（多個） 入射點來判疋顯示器上之接觸點。在接觸點處，光被散射 於多個方向上。圖3展示了通常發生於諸多方向上之此散射 的簡化圖。同樣應注意在圖3中，展示了對χ座標之偵測。 Υ座標之偵測係由配置成垂直於偵測X座標之偵測器的光 偵測構件來執行（參看圖2)。 藉由使用圖3中所示之配置，對觸摸式輸入之偵測僅在顯 示裝置之使用者與配置於顯示器前的外部光導建立接觸時 才是可能的，其導致鬼觸式輸入將得以避免之事實。顯示 器外部（意即，外部光導）上之指紋、污垢、灰塵或其它非吾 人所樂見之物質將不會導致來自内部光導之光的意外向外 輕合。此外，將内部與外部光導分離之液體3〇9將減輕不當 96070.doc •13- 200525436 反射及干涉圖案之影響。猶後將對此進行詳細描述。面向 第一光導並被偏斜成與第一光導接觸的外部光導之表面可 視情況加以建構以防止與内部光導黏結。 圖4展示了用於债測光之另一配置，其中光_構件被整 合於顯示裝置之基板中。當顯示裝置具有主動式矩陣基板 日守，此光偵測配置為較佳。此為（例如）LCD及不同類型之 LED技術（例如〇LED、PLED等）之狀況。 圖4之下方部分展示了顯示裝置螢幕4〇1之示意性側視 圖。呈薄膜電晶體（TFT)形式之光偵測構件4〇3被整合於顯 示裝置之主動式矩陣基板409中以偵測入射光。内部光導 402具有光源408，該光源408經配置以發射光進入内部光 導。應注意，相較於圖2中所示之配置，在此狀況下僅需要 自内部光導之一側發射光。光偵測構件4 〇 3不一定要包含 TFT。基板409可能是由感光性材料構成，該感光性材料經 配置以偵測自光導202提取並被引導向光偵測構件4〇3之 光。 現在參考圖5’藉由（例如）筆505進行的與外部光導507之 實體接觸使外部光導偏斜成與内部光導502接觸。此擾亂了 内部光導内之全内反射，且於内部光導與外部光導之接觸 界面處，來自第一光源508之光5 10被提取且被顯著地引導 向基板中的光偵測構件503。因而，可能藉由判定自光源經 由光導而照射於光偵測構件503上的光5 10之（多個）入射點 來判定顯示器上之接觸點。在接觸點處，光被散射於多個 方向上。換言之，可說成是外部光導507上之接觸點充當發 96070.doc -14- 200525436 射光至TFT 503上的光源。 圖6展不了可應用本發明之顯示裝置601之一部分之示意 圖。其包含位於列或選擇電極6〇7與行或資料電極6〇6之交 叉區域的元件或像素6〇8之一矩陣。藉由列驅動器6〇4來選 擇列電極，而藉由資料暫存器6〇5來為行電極提供資料。為 此目的，若必要，首先在處理器6〇3中處理進入的資料6〇2。 列驅動器604與資料暫存器605之間的相互同步經由驅動線 6 0 9而發生。 來自列驅動器604之訊號經由薄膜電晶體（TF丁)61〇來選 擇圖像電極，該等薄膜電晶體（TFT)610之閘極623被電連接 至各列電極607，而源極624被電連接至各行電極。出現在 行電極606處的訊號經由TFT而傳輸至耦合於汲極625的像 素6 0 8之圖像電極。其它圖像電極被連接至（例如）一（或多個） 共同反電極。資料暫存器605亦含有若干開關611，藉由開 關611，可將進入的資料傳輸至行電極6〇6(情況6na"抑或 在感測階段可感測TFT 610之狀態（開關61丨之情況6Ub)。 半導體材料之一特徵為光電性，其意為當TFT曝露於光 日^在TFT 610中誘導出光誘導之洩漏電流。因此，習知顯示 器中之TFT係由光排斥層（未圖示），諸如黑矩陣層，而遮蔽 任何入射光。藉由在光排斥層中製造一開口或藉由以對特 定波長不透明之另一材料之層來代替光排斥層，可使TFT 對（特定波長之）外部光敏感。 光束可局部地照明TFT 610，且儲存於與該tft相關之電 容器608上的電壓因照明而下降。在下一寫入循環期間於寫 96070.doc -15- 200525436 入新資訊前感測此電壓降（開關61丨之情況611b)使得能夠區 分經故意照明之像素與未照明之像素。將感測導的資訊儲 存於處理器603中並可藉由使用專用軟體來偵測自顯示裝 置外部撞擊於顯示器上之光的入射點。 圖7說明了配置於光導之間之液體可減小反射及干涉圖 案之原因。圖7包含外部光導707及内部光導7〇2。此等光導 包含PMMA且具有1.5之折射率（n2)。將具有14之折射率 之液體709配置在該等光導之間。内部光導（如先前實施例 中）附著至一顯示裝置之顯示器701。外部光導外側上之媒 體為空氣’因而具有1〇之折射率。（丨）中所定義之Fresnel 反射描述了具有不同折射率之兩個媒體之間之界面處的入 射光之一部分的反射。 外部光導707之空氣_PMMA界面處的Fresnei反射因而為 4%。在使用空氣而非液體7〇9之狀況下，光線將進一步向 第二、第三及第四空氣界面傳播，且在該等空氣界面中每 一界面處將產生額外反射。對於pmma_液體界面而言，

Fresnel反射等於〇·12%，其為反射之顯著減少。注意，此等 讀係對於具有G。之人射角的光而給出。顯然，液體 之使用將增加發射一定量之光的顯示裝置（例如lc以之可 見度。 田光線在淺角度情況下入射時，減少空氣界面之數量的 重要性變得更為顯著。在彼狀況下，空氣界面中之反射首 96070.doc -16 - 200525436 先逐漸增加’然後料接近9G。之人射角而言急劇升高至約 ⑽L!諸多空氣界面’則即使對於較小人射角亦將 發生全反射。此外’若遇到多個空氣界面，該等界面由相 純大距離（大於約·㈣所分離，収影將發生在顯示 m上換5之，當與作為本發明之狀況的單一PMMA•空氣 界面相比較時，使用諸多PMMA_空氣界面，顯示器之視角 減小得更為快速。 當考量與内部光導7G2中光之全内反射相關聯之條件及 與光轉合至光導中相關聯之困難時，較佳使用具有約Μ而 t 1·48之折射率的液體/流體7〇9。此僅是因為增加了光導内 I生全内反射之入射角的範圍。#向圖7,對於内部光導 702,酋具冑大於反正弦（1就5)書之人射角的光線將捕集 於光導中。另一方面，若液體7〇9將具有1.48之折射率，則 八有大於反正弦（1.48/1.5卢81。之入射角的光線將捕集於光 :中。明顯地，90。_81。=9。為發生全反射之入射角的狹窄 範圍，且小於81。之角度將自内部光導洩漏出來，導致顯示 器上清晰可見之亮點及可能的鬼觸式輸入。當考慮到可用 光源（LED、IR燈等）之尺寸、光導之實際尺寸、準直及光耦 合問題時，較佳選擇液體使得滿足以下條件： η2 -ηλ >0.1 然而，液體之折射率並非侷限於此值。 儘管已參照本發明之特定例示性實施例來描述本發明， 但諸多不同替代實施例、修改及其類似物對於熟習此項技 術者將顯而易見。因此，所描述之實施例並非意欲限制由 96070.doc -17- 200525436 所附申請專利範圍所界定的本發明之範疇。 【圖式簡單說明】 圖1展示了可於其中應用本發明之先前技術顯示裝置之 一實例； 圖2展示展示了一顯示裝置之顯示器的示意性正視圖及 側視圖，根據本發明之一實施例在該顯示器上配置兩個光 導； 圖3展示了其全内反射受到擾亂的光導之側視圖； 圖4展示了一顯示裝置之顯示器之示意性正視圖及側視 圖’根據本發明之另一實施例在該顯示器上配置兩個光導； 圖5展不了圖4之光導之側視圖，該光導之全内反射受到 擾亂； 圖6展不了本發明可應用於其的顯示裝置之一部分的示 意圖；及 圖7說明了反射及干涉圖案之減少。 【主要元件符號說明】 100 顯示裝置 101 鍵盤 102 LCD平面顯示器 103 邊緣 104 邊緣 201 顯示器 202 内部光導 203 光偵測構件 96070.doc -18- 200525436 204 CPU 205 筆 206 接觸 207 外部光導 208 光源 209 液體 210 光 301 顯示器 302 内部光導 303 光偵測構件 305 筆 307 外部光導 308 光源 309 液體 310 光 401 顯示裝置螢幕 402 内部光導 403 光偵測構件 408 光源 409 基板 502 内部光導 503 光偵測構件 505 筆 507 外部光導 96070.doc - 19- 200525436 508 509 510 601 602 603 604 605 606 607 608 609 610 623 624 625 701 702 707 709 光源 媒體 光 顯示裝置 資料 處理器 列驅動器 貧料暫存器 行或資料電極 列或選擇電極 元件或像素 驅動線 薄膜電晶體（TFT) 閘極 源極 汲極 顯示器 内部光導 外部光導 液體 96070.doc -20-

Claims (1)

1. 200525436 十、申請專利範圍： 1 · 一種顯示裝置，其包括一顯示器，該顯示裝置經配置以 偵測該顯示器之一螢幕（301)上之一輸入位置，其中該螢 幕（301)包含： 一第一光導（302)、及一經配置以發射光（31〇)進入該第 一光導（302)中之光源（308)，該第一光導（302)與其周圍光 學匹配之方式使得自該光源（308)發射之該光（3 1〇)係藉 由全内反射而被限制在該第一光導（302)内，且當一使用 者在該輸入位置處與該螢幕（301)進行實體互動時被自該 第一光導（302)提取； 一苐一光導（307) ’其經配置使得該使用者與該螢幕 (301)之互動在該第一光導（3〇2)與該第二光導（3〇7)之間 建立一接觸；及 一位於該第一光導與該第二光導之間之媒體（3〇9)，該 媒體具有一低於該第一光導及該第二光導各自之折射率 的折射率。 2·如請求項1之顯示裝置，其中當在該第一光導與該第二光 導之間建立接觸時，自該第一光導（3〇2)提取之光之至少 部分進入該第二光導（307)中，該經提取之光藉由全内反 射而被限制在該第二光導（3〇7)内。 3·如凊求項1之顯示裝置，其中該顯示裝置進一步包含偵測 構件（303)，用於侧自該第一光導（3〇2)提取之光且使對 遠光之該偵測與該輸入位置相聯繫。 月求員2及3之顯不裝置’其中該光偵測構件（3〇3)係配 96070.doc 200525436 置成鄰接該第二光導（3G7)，與其處於基本上相同之平面 内。 5.如明求項！之顯示裝置，其令該使用者與由一可繞性材料 衣成之邊第二光導（3〇7)進行實體地互動。 6·如明求項1之顯示裝置，其中該顯示裝置進一步包含偵測 構件，用於债測該第一&導内之光強度之一減小，並使 光強度之該減小與該輪入位置相聯繫。 7·如凊求項！之顯示裝置，其中該第二光導（5〇7)面向該第一 光V (502)之一表面經建構以防止在建立該第一光導與該 第二光導之間之該接觸時與該第一光導黏結。 8·如明求項i之顯示裝置，其中該媒體（5〇巧為一具有一在 1.3 0 1.48之範圍内的折射率的液體，該液體係密封於一 配置於該第一光導（5〇2)與該第二光導（5〇7)之間之可膨 脹容器内。 9·如清求項8之顯示裝置，其中該液體（5〇9)包含基於氟之矽 流體或酒精/水混合物。 10·如請求項1之顯示裝置，其中該第一光導（5〇2)及該第二光 導（507)由一具有一在149_158之範圍内的折射率的材料 組成。 11·如睛求項10之顯示裝置，其中該材料包括聚甲基丙烯酸 甲酯。 12·如請求項丨之顯示裝置，其中經配置以發射光（5 1〇)進入該 第一光導（502)内之該光源（5 〇8)發射具有一位於可見光 譜之外之波長的光。 96070.doc 200525436 13.如請求項12之顯示裝置，其中該光源（508)之該光（5 10)為 紅外光或近紫外光。 96070.doc