TWI398681B - 附有發光元件之光波導及設有其之光學觸控面板 - Google Patents

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TWI398681B
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Akiko Nagafuji
Yusuke Shimizu
Noriyuki Juni
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Nitto Denko Corp
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Description

附有發光元件之光波導及設有其之光學觸控面板 發明領域
本發明有關於一種附有發光元件之光波導，其係包含有用以由一個發光元件生成多數光線之新穎的分支構造者。又，有關於一種包含有該附有發光元件之光波導的光學觸控面板。
 發明背景
歷來，已知有一種附有發光元件之光波導，其係包含有用以由一個發光元件生成多數光線的分支構造(譬如專利文獻1)。此種附有發光元件之光波導可合宜地使用於將光線射出至光學觸控面板之座標輸入區域。
於第8圖顯示具有習知之分支構造的附有發光元件之光波導40。習知之附有發光元件之光波導40係將來自發光元件41之光分配至各分支46，因此分支點42設置於與芯材43之主路徑44的導光方向45正交之方向。
此種構造之附有發光元件之光波導40，由於與相鄰之分支路徑46之間必須要有間隙47，因此有主路徑44之寬度W2 變寬之問題(於間隙47充填包覆層)。又，各分支路徑46之長度的差異大，因此易於分支路徑46間之光傳送效率產生差異，並且有由各分支路徑46射出之光的強度易變得不均一之問題。
【習知文獻】
【專利文獻】
【專利文獻1】美國專利公開2006/0188198號
具有習知之分支構造的附有發光元件之光波導40，由於分支點42係設置於與主路徑44之導光方向45正交的方向，而有主路徑44之寬度W2 變寬之課題。且由於各分支路徑46之長度差異大，故有由各分支路徑46射出之光的強度易變得不均一之課題。
本發明之目的在於實現一種附有發光元件之光波導，其係具有主路徑的寬度較習知更為狹窄，且由各分支路徑射出之光線的強度均一之構造。
本發明之要旨係如下述。
(1)本發明之附有發光元件之光波導具有發光元件及包含芯材之光波導，前述芯材係導引來自前述發光元件之光並生成多數光線者。芯材係包含有主路徑，以及由主路徑在多數之分支點分支的多數分支路徑。主路徑係包含有對向之兩邊，且前述兩邊中，一邊包含有分支點而另一邊未包含分支點。多數分支點係設於與主路徑之導光方向大略平行之直線上。主路徑之導光方向嚴格來說，係以分支路徑由芯材加以分支開前的位置來規定。所謂「大略平行」係指由各分支點所在之直線與主路徑之導光方向二者真正的平行方向之偏移低於0.1°。主路徑係隨著越遠離發光元件，寬度變得越狹窄。未包含分支點之另一邊與主路徑之導光方向所成的角度θ為0.3°至1.7°。
(2)本發明之光學觸控面板係包含有本發明之附有發光元件之光波導。
依本發明，係可讓附有發光元件之光波導其芯材的主路徑之最大寬度較習知之附有發光元件之光波導之主路徑的最大寬度狹窄譬如40%以上。本發明之附有發光元件之光波導的主路徑具有兩個邊，一邊包含有分支點而另一邊不包含分支點。本發明之附有發光元件之光波導係藉由令不包含分支點該側的邊與主路徑之導光方向所成的角度θ為0.3°至1.7°之範圍，而讓由各分支路徑射出的光線之強度為均一。
本發明之光學觸控面板藉由使用本發明之附有發光元件之光波導，可讓所謂框緣部分變狹窄。
圖式簡單說明
第1圖係本發明附有發光元件之光波導之說明圖。
第2圖係本發明之光學觸控面板之說明圖。
第3(a)圖係本發明之附有發光元件之光波導一例的說明圖，第3(b)圖係本發明之附有發光元件之光波導的其他例之說明。
第4圖係顯示於光波導內之光的傳播之說明圖。
第5圖係附有受光元件之光波導的說明圖。
第6圖係用以測量本發明之附有發光元件之光波導的光強度之構造圖。
第7圖係本發明之附有發光元件之光波導的實施例1之光強度分佈圖。
第8圖係習知之附有發光元件之光波導的說明圖。
 用以實施發明之最佳形態 [附有發光元件之光波導]
如第1圖所示，本發明之附有發光元件光波導10係包含有發光元件11及光波導12。光波導12係包含導引來自發光元件11之光之芯材13。芯材13係包含有主路徑14及多數之分支路徑15。各分支路徑15係在各分支點16由主路徑14分支開。主路徑14係包含有兩個邊14a,14b，一個邊14a包含有分支點16而另一邊14b未包含有分支點16。
此構造之附有發光元件之光波導10，由於在相鄰之分支路徑15之間不需設置如習知之間隙，故可縮小主路徑14之最大寬度W1 。又，因各分支路徑15之長度的差異少，故各分支路徑15間之光傳送效率不易產生差異，可讓由各分支路徑15射出之光的強度為均一。
[光學觸控面板]
於較佳之實施形態中，如第2圖所示，本發明之附有發光元件之光波導10係作為光學觸控面板20之發光側光波導21及發光元件22使用。
光學觸控面板20包含有座標輸入區域23、發光側光波導21、發光元件22、受光側光波導24及受光元件25。發光側光波導21係生成橫跨座標輸入區域23之光線26。受光側光波導24係接受橫跨座標輸入區域23之光線26。受光元件25係檢測以受光側光波導24而接受之光線26的強度。
光學觸控面板20以手指或筆等遮掉通過座標輸入區域23之光線26的一部分時，進入受光元件25之一部分的光之強度係降低，因此可確認手指或筆等之位置座標。
將習知之光波導作為發光側光波導使用時，譬如為以對角12.1吋之光學觸控面板獲得3mm程度之解像度，芯材之主路徑的寬度係約170條之分支與各分支間之間隙的合計。
另一方面，將本發明之附有發光元件之光波導10使用於同樣對角12.1吋之光學觸控面板時，由於不需要各分支路徑15間之間隙，故芯材13之主路徑14的寬度W1 相較於習知者最大係可狹窄40%以上。
[發光元件]
本發明之附有發光元件之光波導10所用的發光元件11，只要是生成通過光波導12並橫跨座標輸入區域23之光線26者，可使用任意者。
發光元件11宜為發光二極體或半導體雷射，更理想者為VCSEL(重直空腔表面發光雷射)。VCSEL係於基板之垂直方向讓光共振，並於基板的垂直方向射出光，因此光傳送優異。
由發光元件11射出之光的波長宜為近紅外線區域(700nm至2500nm)之任一者。
[光波導]
本發明之附有發光元件之光波導10所用的光波導12，係包含導引來自發光元件11之光並生成多數光線之芯材13。芯材13之主路徑14側的端部14c一般係與發光元件11光學性地結合(稱為光學連接)。
光學連接之方法並無特別限制，譬如調整成發光元件11之光強度分佈的中心位置與芯材13之中心一致的方法，或使用光程轉換鏡之方法。作為光程轉換鏡，譬如使用以切削加工而形成之V型之溝。
芯材13包含有主路徑14與多數之分支路徑15。各分支路徑15係以各分支點16而由主路徑14分支開。主路徑14包含有兩個邊14a,14b，一個邊14a包含有多數分支點16而另一邊14b未包含分支點16。
於本說明書中，「分支點16」係指相鄰之分支路徑15之側壁會合的部分。又，「導光方向17」係如第4圖所示，於芯材13內傳播之光19的進行方向，嚴格來說，如第1圖所示，是指於分支路徑15由芯材13分支開前之主路徑14內的光的前進方向。
芯材13之主路徑14的最大寬度W1 亦與光學觸控面板的大小有關，譬如為500μm至10,000μm。主路徑14之高度(厚度)宜為30μm至100μm。
如第3(a)圖及第3(b)圖所示，各分支點16係於一直線上，且該直線與主路徑14之導光方向17大略平行。所謂「大略平行」係指由各分支點16所在之直線與主路徑14之導光方向17二者真正的平行方向之偏移低於0.1°。
作為各分支點16所在之直線係與主路徑14之導光方向17大略平行此種光波導12之構造，譬如有如第3(a)圖所示之主路徑14中包含有分支點16之邊14a係未與導光方向17平行之構造。又，譬如有如第3(b)圖所示之主路徑14中包含有分支點16之邊14a係與導光方向17大略平行之構造。
主路徑14係沿著主路徑14之導光方向17而隨著越遠離發光元件11，寬度變得越狹窄。主路徑14中未包含分支點16該側之邊14b與主路徑14之導光方向17所成的角度θ係0.3°至1.7°，宜為0.3°至1.5°，更理想者為0.4°至1.0°。
主路徑中未包含分支點16該側的邊14b與主路徑14的導光方向17所成的角度θ小於0.3°時，不易讓由各分支路徑15射出之光線的強度為均一。
又，前述之角度θ超過1.7°時，主路徑14之最大寬度W1 變寬廣，接近具有習知之分支構造的附有發光元件之光波導40其主路徑44的寬度W2 ，因此無法充分獲得本發明之效果。
藉由讓主路徑14中未包含分支點16該側的邊14b與主路徑14之導光方向17所成的角度θ為0.3°至1.7°，係可同時讓由各分支路徑15射出之光線的強度為均一，且縮小主路徑14的最大寬度W1 。
由一個主路徑14分支開的分支路徑15的數量亦與光學觸控面板的大小有關，宜為40條至500條。相鄰分支點16的導光方向17之間隔宜為100μm至1,000μm。芯材13(主路徑14及分支路徑15)的截面形狀並無特別限制，宜為圖案化性優良之台形或矩形。此種構成之光波導12係光線的出射特性優異。
芯材13通常埋設於包覆層18，且藉由折射率較包覆層18高之材料而形成。形成芯材13之材料宜為圖案化性優良之紫外線硬化樹脂。
作為紫外線硬化樹脂，可舉出丙烯酸系紫外線硬化樹脂、環氧系紫外線硬化樹脂、矽氧烷系紫外線硬化樹脂、降莰烯(norbornene)系紫外線硬化樹脂、聚醯亞胺系紫外線硬化樹脂等。
包覆層18通常係以折射率較芯材13低之材料而形成。包覆層18之材料係玻璃、矽、金屬、樹脂等，並無特別限制。包覆層18可為單層亦可為多數層。包覆層18為雙層時，係由下層包覆層及上層包覆層組成。包覆層18之厚度t宜為5μm至20μm。
芯材13與包覆層18之最大折射率差宜為0.01以上，進而宜為0.02至0.2。形成芯材13及包覆層18之樹脂的折射率係可依導入於樹脂之有機基的種類及含量而適宜地增減。
譬如將導入環狀芳香性之基(苯基等)導入樹脂分子中，或藉由增加環狀芳香性之基的樹脂分子中之含量而增大樹脂的折射率。
另一方面，譬如將直鏈或環狀脂肪性之基(甲基、降莰烯基等)導入樹脂分子中，或藉由增加直鏈或環狀脂肪性之基的樹脂分子中之含量而減少樹脂的折射率。
光波導12之構造係可藉由使用電漿之乾式蝕刻法、轉印法、曝光顯像法、光致褪色法等之任意的方法而加以製作。
[座標輸入區域]
於本發明中，座標輸入區域23係指橫跨由發光側光波導21生成之光線26的區域。本發明之光學觸控面板20係藉由手指或筆等而遮掉橫跨座標輸入區域23之光線26來進行座標輸入。
座標輸入區域23代表性的是液晶顯示器及電漿顯示器之顯示畫面。座標輸入區域23之正面可為空間，而為增加耐損傷性，亦可於表面備有玻璃板或壓克力板。於玻璃板或壓克力板之表面可施有AR(Anti-reflection：抗反射)處理或AG(Anti-glare：抗眩光)處理。
[受光側光波導]
本發明所用之受光側光波導24只要是接受橫跨座標輸入區域23之光線26者，並無特別限制。如第5圖所示，附有受光元件之光波導30宜包含有多數之芯材31及埋設芯材31之包覆層34。於附有受光元件之光波導30，芯材31其中一方的端部係朝向座標輸入區域23而配置，芯材31之另一方的端部係與受光元件33光學性地連結。
使用光波導之光學觸控面板的解像度在理論上，係以光學性地結合(光學連接)於受光元件33之受光側光波導32之芯材31的數目而加以決定。因此，芯材31需為多數條。惟，發光側光波導12只要可於座標輸入區域23射出平行光26者即可，因此與發光元件11光連結之部分的芯材13之主路徑14可為一條。
[受光元件]
本發明所用之受光元件33具有將光訊號轉換為電性訊號之功能，且檢測以受光側光波導32接受之光的強度。藉由受光元件33檢測之光的波長宜為近紅外線區域(700nm至2500nm)之任一者。
受光元件33之構造宜為讓受光部(譬如光二極體)橫向一列地排列之一次元圖像感測器。作為此種受光元件33，可舉出CMOS圖像感測器及CCD圖像感測器。
【實施例1】 [實施例1] <包覆層形成用清漆調製>
(成分A)具有脂環骨架之環氧系紫外線硬化樹脂(ADEKA CORPORATION製EP4080E)100重量部
(成分B)具有光酸產生劑(PAG)(San-Apro Ltd.製CPI-200K)2重量部
混合上述成分而調製包覆層形成用清漆。
<芯材形成用清漆的調製>
(成分C)包含茀骨架之環氧系紫外線硬化樹脂(OSAKA GAS CHEMICALS CO.,Ltd.製之OGSOL EG)40重量部
(成分D)包含茀骨架之環氧系紫外線硬化樹脂(Nagase ChemteX Corporation製EX-1040)30重量部
(成分E)1,3,3-三(4-(2-(3-oxetanyl))丁氧基苯基)丁烷30重量部(依日本專利特開2007-070320實施例2而合成)
前述成分B　1重量部
乳酸乙酯　41重量部
混合前述之成分而調製芯材形成用清漆。
<附有發光元件之光波導製作>
於厚度188μm之聚萘二甲酸乙二醇酯膜之表面塗佈包覆層形成用清漆，並以1,000mJ/cm2 照射紫外線，其次，以80℃進行五分鐘加熱處理，獲得厚度20μm之下層包覆層。於波長830nm中之下層包覆層的折射率為1.510。
於下層包覆層之表面塗佈芯材形成用清漆，並以100℃進行五分鐘乾燥處理而形成芯材層。其次，將印刷有預定圖案的遮罩被覆於芯材層(間隔100μm)，並以2,500mJ/cm2 照射紫外線，進而，以100℃進行十分鐘加熱處理。
其次，以γ-丁內酯水溶液溶解除去芯材層之紫外線未照射部分，並以120℃進行五分鐘加熱處理，形成芯材之圖案。經圖案化之芯材係由沿著主路徑(最大寬度2,780μm、高度50μm)與主路徑的導光方向而依次分支開的274條分支(寬度15μm、高度50μm)所形成。主路徑中包含有分支該側之邊係與主路徑之導光方向平行(第3(b)圖構造)。於波長830nm中之芯材的折射率為1.592。
其次，配置凹型模(石英製)俾被覆芯材全體，並於凹型模之內部填充包覆層形成用清漆。由凹型模之表面(外側)以2,000mJ/cm2 照射紫外線後，以80℃進行五分鐘加熱處理，之後，剝離凹型模。藉此，形成如前端部之側剖面形狀為約1/4圓弧狀之凸透鏡(曲率半徑1.5mm)此種之厚度1mm的上層包覆層。於波長830nm中之上層包覆層的折射率為1.510。
其次，經紫外線硬化樹脂而讓射出波長850nm之光的發光元件(OPTOWELL CO.,Ltd.製VCSEL)結合於芯材的主路徑側的端部，製作附有發光元件之光波導。
如第1圖所示，包含於該附有發光元件之光波導10的芯材13，係包含有主路徑14以及由主路徑14分支開的多數分支路徑15。主路徑14包含有兩個邊14a,14b，於一方之邊14a有分支點16，而於另一方之邊14b無分支點。主路徑14係隨著越遠離結合於發光元件11之端部，寬度W1 越變得狹窄。主路徑14中包含有分支點16該側之邊14a係與主路徑14之導光方向17平行。主路徑14中未包含有分支點該側之邊14b與主路徑14之導光方向17所成之角度θ為0.6°。
[實施例2]
變更遮罩，且讓主路徑14中未包含有分支點該側之邊14b與主路徑之14之導光方向17所成之角度θ為0.4°。除此外係與實施例1相同地製作附有發光元件之光波導10。
[實施例3]
變更遮罩，且讓主路徑14中未包含有分支點該側之邊14b與主路徑之14之導光方向17所成之角度θ為1.0°。除此外係與實施例1相同地製作附有發光元件之光波導10。
[比較例1]
變更遮罩，形成如第8圖所示之芯材43，該芯材43係包含有主路徑44，以及分支點42與主路徑44之導光方向45正交而配置之274條分支46。芯材43之主路徑44的最大寬度W2 係8,205μm、高度為50μm，分支46之寬度為15μm、高度為50μm，相鄰之分支46間之間隙47為15μm(×273個)。此外係與實施例1相同地製作附有發光元件之光波導40。
[比較例2]
變更遮罩，且讓主路徑14中未包含有分支點該側之邊14b與主路徑之14之導光方向17所成之角度θ為0.2°。除此外係與實施例1相同地製作附有發光元件之光波導10。
[評價1]
於表1顯示實施例1至3及比較例1所獲得之附有發光元件之光波導的芯材其主路徑的最大寬度。可知實施例1至3之附有發光元件之光波導相較於比較例1之附有發光元件之光波導，芯材主路徑之最大寬度係狹窄40%以上。
[評價2] <光強度測量用式樣製作>
變更遮罩，令芯材31為第5圖之構造而製作附有發光元件之光波導30。芯材31之數量為274條，芯材31之寬度為15μm、高度為50μm。除此外係與實施例1相同地製作附有發光元件之光波導30。
經紫外線硬化樹脂而讓受光元件33(Hamamatsu Photonics K.K.製CMOS線性感測器陣列)光學連接於附有受光元件之光波導30其受光側光波導32之芯材31的末端。
為測量光強度，如第6圖所示，不經座標輸入區域而讓所製作之附有發光元件之光波導10與附有受光元件之光波導30直接對向。經可撓性基板而將受光元件33之控制部連接於USB讀取單元(National Instruments Corporation製)，並經USB埠而將光強度連接於可加以監控之電腦。
由附有發光元件之光波導10的發光元件11射出波長850μm、強度7μW之光。光係通過發光側光波導12、受光側光波導32而到達受光元件33，檢測出如第7圖所示之光強度分佈。
於表2顯示所獲得之光強度分佈的有效區域(除掉上升、下降部分之區域)中的光強度差異(最大值-最小值)。可知實施例1至3之附有發光元件之光波導相較於比較例2之附有發光元件之光波導，由各分支射出之光的均一性優異。
[測量方法] [折射率]
讓包覆層形成用清漆與芯材形成用清漆分別於矽晶圓上以旋轉塗佈而成膜，製作折射率測量用式樣，並使用稜鏡耦合(SNU Precision Co.,Ltd.製)來測量折射率。
[芯材寬度、芯材高度]
使用切削式裁切機(DISCO Inc.製DAD522)對所製作之光波導進行截面切削，並以雷射顯微鏡(KEYENCE CORPORATION.製)觀察切削面而測量芯材寬度、芯材高度。
【產業之可利用性】
使用本發明之附有發光元件之光波導的光學觸控面板之用途並無特別限制，可使用於個人電腦螢幕、ATM、遊戲機、平板電腦等。
10．．．附有發光元件之光波導
11．．．發光元件
12．．．發光側光波導
13．．．芯材
14．．．主路徑
14a．．．主路徑之一邊
14b．．．主路徑之另一邊
14c．．．主路徑之端部
15．．．分支
16．．．分支點
17．．．導光方向
18．．．包覆層
19．．．光
20．．．光學觸控面板
21．．．發光側光波導
22．．．發光元件
23．．．座標輸入區域
24．．．受光側光波導
25．．．受光元件
26．．．光線
30．．．附有受光元件之光波導
31．．．芯材
32．．．受光側光波導
33．．．受光元件
34．．．包覆層
40．．．附有發光元件之光波導
41．．．發光元件
42．．．分支點
43．．．芯材
44．．．主路徑
45．．．導光方向
46．．．分支
47．．．分支間的間隙
W1 ．．．最大寬度
W2 ．．．寬度
t．．．厚度
θ．．．角度
第1圖係本發明附有發光元件之光波導之說明圖。
第2圖係本發明之光學觸控面板之說明圖。
第3(a)圖係本發明之附有發光元件之光波導一例的說明圖，第3(b)圖係本發明之附有發光元件之光波導的其他例之說明。
第4圖係顯示於光波導內之光的傳播之說明圖。
第5圖係附有受光元件之光波導的說明圖。
第6圖係用以測量本發明之附有發光元件之光波導的光強度之構造圖。
第7圖係本發明之附有發光元件之光波導的實施例1之光強度分佈圖。
第8圖係習知之附有發光元件之光波導的說明圖。
10．．．附有發光元件之光波導
11．．．發光元件
12．．．發光側光波導
13．．．芯材
14．．．主路徑
14a．．．主路徑之一邊
14b．．．主路徑之另一邊
14c．．．主路徑之端部
15．．．分支路徑
16．．．分支點
17．．．導光方向
18．．．包覆層
W1 ．．．最大寬度
t．．．厚度

Claims (2)

  1. 一種附有發光元件之光波導，係具有發光元件及包含芯材之光波導，前述芯材係導引來自前述發光元件之光並生成多數光線者，其特徵在於：前述芯材包含有主路徑，以及由前述主路徑在多數之分支點分支開的多數分支路徑，前述主路徑包含有對向之兩邊，且前述兩邊中，一邊包含有前述分支點而另一邊未包含前述分支點，前述多數分支點設於與如下述之方向大略平行之直線上，前述方向係與來自前述發光元件之光入射的前述主路徑之入射端面正交的方向，前述主路徑隨著越遠離前述發光元件，寬度變得越狹窄，未包含前述分支點之另一邊與正交於前述主路徑之入射端面的方向所成的角度θ為0.3°至1.7°。
  2. 一種光學觸控面板，其特徵在於包含有如申請專利範圍第1項所載之附有發光元件之光波導。
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