TWI442119B - 具有發光元件之光導波路及光學式觸控面板 - Google Patents

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Description

具有發光元件之光導波路及光學式觸控面板 發明領域
本發明係有關於一種具有發光元件之光導波路及使用該光導波路之光學式觸控面板。
 發明背景
以往，已知的是具有分歧構造以由一個發光元件生成複數光線之光導波路(例如專利文獻1)。此種光導波路適合用於將光線出射到光學式觸控面板之座標輸入區域。可是，習知之具有發光元件之光導波路具有寬度寬、且出射之光線的強度小之問題。
第6圖係顯示習知所使用之具有發光元件之光導波路60之一例。如第6圖所示，習知所使用之具有發光元件之光導波路60的複數分歧點62設置在垂直於主路63之導光方向64之一直線上，以均一的分配來自發光元件61之光。該構造之具有發光元件之光導波路60在相鄰之分歧路65之間具有空間(覆蓋層)66，因此寬度W3寬。又，由於分歧路65長，因此光傳送效率差，出射之光的強度小。
【先行技術文獻】
【專利文獻1】美國專利公開第2006/0188198號公報
 發明概要
習知之具有發光元件之光導波路有寬度寬、出射之光線的強度小等問題。本發明之目的在於提供一種寬度窄、且出射之光線的強度大之具有發光元件之光導波路。
本發明之要旨如下。
(1)本發明之具有發光元件之光導波路具有：發光元件、及包含用以引導來自發光元件之光且生成複數光線之芯部之光導波路，其特徵在於：芯部具有主路、及由主路在分歧點分歧出之複數分歧路，分歧點係沿著前述主路之導光方向依序設置，主路係隨著遠離前述發光元件而寬度變窄。
(2)本發明之具有發光元件之光導波路的特徵在於：芯部埋設於覆蓋層，且芯部之折射率高於覆蓋層之折射率。
(3)本發明之具有發光元件之光導波路的特徵在於：芯部與覆蓋層之最大折射率差為0.02~0.2。
(4)本發明之具有發光元件之光導波路的特徵在於：覆蓋層係由底覆蓋層與披覆蓋層構成，且芯部係形成於底覆蓋層上，且被披覆蓋層埋設於其中。
(5)本發明之具有發光元件之光導波路的特徵在於：覆蓋層之光線之出射前端部的側截面形狀為大略1/4圓弧狀之凸透鏡。
(6)本發明之光學式觸控面板具有：座標輸入區域；具有發光元件之光導波路，係生成用以橫切座標輸入區域之光線者；受光側光導波路，係接受橫切座標輸入區域之光 線者；及受光元件群，係用以檢測在受光側光導波路受光之光線的強度者，又，前述光學式觸控面板之特徵在於：具有發光元件之光導波路係如上述之具有發光元件之光導波路。
根據本發明，相較於習知之具有發光元件之光導波路60之主路63的寬度W3，可將具有發光元件之光導波路之芯部(主路)的最大寬度W1(第1圖)縮小例如50%以上，且可令出射之光線的強度為習知之具有發光元件之光導波路60的大約10倍。
圖式簡單說明
第1圖係本發明之具有發光元件之光導波路之一例的模式圖。
第2圖係本發明之具有發光元件之光導波路之其他例的模式圖。
第3圖係光學式觸控面板之模式圖。
第4圖係受光側光導波路之模式圖。
第5圖係實施例之具有發光元件之光導波路的模式圖。
第6圖係習知之具有發光元件之光導波路的模式圖。
 較佳實施例之詳細說明 [本發明之具有發光元件之光導波路]
第1圖係顯示本發明之具有發光元件之光導波路10之 一例。如第1圖所示，本發明之具有發光元件之光導波路10係具有：發光元件11、及包含引導來自發光元件11之光且可生成複數光線之芯部12之光導波路13。芯部12具有：主路14、及由主路14分枝之複數分歧路15，且自分歧路15之端部出射光線。各分歧路15由主路14分枝之分歧點16係沿著主路14之導光方向17而依序設置，主路14隨著遠離發光元件11而寬度變狹小。主路14的形狀設計成朝主路14之導光方向17延伸之一邊14a、與其相向之其他邊14b所構成之角度θ 宜為0.1°~5°。
如第1圖所示，本發明使用之具有發光元件之光導波路10的分歧點16係沿著主路14之導光方向17依序設置，主路14隨著遠離發光元件11而寬度變狹。由於在該構造之具有發光元件之光導波路10在相鄰之分歧路15之間，沒有相當於習知之具有發光元件之光導波路60之空間66(覆蓋層)的部分，因此可將主路14之寬度W1縮小50%以上。又，由於分歧路15短，因此光傳送效率佳，出射之光的強度大。出射之光的均一性相較於習知之具有發光元件之光導波路60係同等以上。
第2圖係顯示本發明之具有發光元件之光導波路20之其他例。本發明之其他例之具有發光元件之光導波路20具有：發光元件21、及包含用以引導來自發光元件21之光且生成複數光線之芯部22之光導波路23。芯部22具有：主路24、由主路24分枝之複數分歧路25，並且自分歧路25之端部出射光線。各分歧路25由主路24分枝之分歧點26係沿著 主路24之導光方向27依序設置，主路24隨著遠離發光元件21而寬度變狹。
與本發明之一例之具有發光元件之光導波路10的不同係，在主路24之形狀中，朝主路24之導光方向27延伸之一邊24a、及與其相向之其他邊24b為平行。藉由該形狀亦可縮小主路24之寬度W2。
[光學式觸控面板]
如第3圖所示，在較佳實施形態中，本發明之具有發光元件之光導波路係使用作為光學式觸控面板30之發光側光導波路31及發光元件34。該光學式觸控面板30具有：座標輸入區域32、用以生成朝縱向及橫向橫切座標輸入區域32之光線33之發光元件34及發光側光導波路31、用以接收橫切座標輸入區域32後之光線33之受光側光導波路35、及用以檢測在受光側光導波路35接收後之光線33之強度之受光元件群36。受光元件群36為複數之受光元件的集合體。
此種光學式觸控面板30當通過座標輸入區域32之光線33的一部分被手指或筆隔絕時，進入受光元件群36之光的強度會降低。藉由檢測此一情況，可辨識手指或筆的座標位置。
將習知之具有發光元件之光導波路60使用作為發光側光導波路31及發光元件34使用時，例如，要在對角尺寸為10.4英吋之光學式觸控面板30中，得到3mm左右之解像度，芯部之主路63的寬度W3係大約40條份之分歧路65、與在各分歧路65間之空間66合計後的寬度。
另一方面，使用本發明之具有發光元件之光導波路10時，芯部12之主路14的寬度W1在最寬的位置係大約40條份之分歧路15所合計的寬度，因此可比習知之具有發光元件之光導波路60狹窄約50%。
[發光元件]
本發明所使用之發光元件34只要是用以生成可通過光導波路31而橫切座標輸入區域32之光線33者，則可使用任意者。
發光元件34宜為發光二極體或半導體雷射，進而宜為VCSEL(垂直共振器面發光雷射)。VCSEL係使光相對基板面朝垂直方向共振，並可使光朝與面垂直方向出射，因此光傳送效率高。
自發光元件34出射之光的波長宜為近紅外線區域(700nm~2500nm)之任一者。
[具有發光元件之光導波路]
如第1圖所示，本發明之具有發光元件之光導波路10所使用之光導波路13包含可引導來自發光元件11之光而生成複數光線之芯部12。芯部12具有：主路14、及由主路14分歧之複數分歧路15。各分歧路15由主路14分歧之分歧點16係沿著主路14之導光方向17依序設置，主路14形成為隨著遠離發光元件11而寬度變狹小。
芯部12之主路14側的端部14c通常與發光元件11光學結合(光結合)。光結合方法沒有特別限制，但是可舉如發光元件11之光強度分布之中心位置調整成與芯部12之中心 一致之方法、或使用光路變換鏡之方法。光路變換鏡為例如進行切割加工之V溝。
芯部12之主路14的最大寬度W1亦可依據光學式觸控面板30的尺寸或解像度，但在例如500μm~5000μm。主路14之寬度W1隨著遠離發光元件11而變狹小。主路14之形狀係設計成朝主路14之導光方向17延伸之一邊14a、及與其相向之其他邊14b所構成之角度θ 宜為0.1°~5°。
由主路14分歧之分歧路15的條數亦可依據光學式觸控面板30之尺寸或解像度，但宜為30條~500條，進一步宜為50條~200條。沿著主路14之導光方向17設置之相鄰的分歧點16的間隔宜為100μm~2000μm。分歧路15的最大寬度宜為10μm~100μm。
芯部12之垂直於導光方向17之截面形狀沒有特別限制，但宜為圖案成形性優異之梯形或矩形。截面中之芯部12的高度(芯部12之厚度)宜為30μm~100μm。
以上構成之具有發光元件之光導波路10具有優異之光線33的出射特性。
芯部12一般係埋設於覆蓋層18，且由折射率比覆蓋層18高之材料所構成。形成芯部12之材料宜為圖案成形性優異之紫外線硬化樹脂。紫外線硬化樹脂可舉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、降莰烯系紫外線硬化樹脂、聚醯亞胺系紫外線硬化樹脂等。
覆蓋層18通常係由折射率比芯部12低之材料構成。覆 蓋層18之材料為玻璃、二氧化矽、金屬、樹脂等，沒有特別限制。覆蓋層18可為單層，亦可為多層。若為多層，通常係由底覆蓋層與披覆蓋層形成。覆蓋層18之厚度t宜為5μm~20μm。
芯部12與覆蓋層18之最大折射率差宜為0.01以上，更進一步宜為0.02~0.2。芯部12及形成覆蓋層18之樹脂的折射率可根據改變導入至樹脂之有機基的種類與含有量而適當的加大或縮小。例如，可藉由將環狀芳香族性之基(苯基等)導入至樹脂分子中，或者增加樹脂分子中之含有量，加大折射率。另一方面，可藉由將例如直鏈或脂肪族性之基(甲基、降莰烯基等)導入至樹脂分子中，或者增加樹脂分子中之含有量，縮小折射率。
光導波路13之構造可藉由使用電漿之乾蝕法、轉印法、曝光顯像法、光退色法等任意之方法製作。
[座標輸入區域]
本發明之光學式觸控面板30中，所謂座標輸入區域32係指由發光側光導波路31生成之光線33橫切之區域。本發明之光學式觸控面板30係藉由以手指或筆遮住通過座標輸入區域32之光線33的一部份，藉此進行座標輸入。
座標輸入區域32代表性的就是液晶顯示面板或電漿顯示面板之顯示畫面。座標輸入區域32的前面亦可為空間，亦可設有玻璃面板或丙烯酸基板。玻璃面板或丙烯酸板增加顯示畫面的耐傷性。玻璃面板或丙烯酸板的表面亦可施行防止反射(AR)處理或防眩(AG)處理。
[受光側光導波路]
第4圖係顯示本發明所使用之受光側光導波路40之一例。本發明所使用之受光側光導波路40只要是接受橫切座標輸入區域32之光線33者即可，並無特別限制。受光側光導波路40宜如第4圖所示，具有複數芯部41、及埋設芯部41之覆蓋層42。受光側光導波路40係芯部41之其中一端部朝座標輸入區域32配置，芯部41之另一端部與複數之受光元件43光學結合。
原理上，使用光導波路之光學式觸控面板30的解像度係由受光元件43光學結合(光結合)之受光側光導波路40的芯部41數目與間距來決定。因此，與受光元件43光結合之芯部41需要複數條。
可是，發光側光導波路13只要可將平行光出射到座標輸入區域32即可，因此在與發光元件11光結合之端部14c中，芯部12可為1條。
[受光元件]
本發明所使用之受光元件43係可將光信號變換為電信號，並檢測在受光側光導波路40受光之光線33的強度者。由受光元件43檢測之光線33的波長宜為近紅外線領域(700nm~2500nm)之任一者。
為複數受光元件43之集合體之受光元件群36的構造宜為將受光部(例如光電二極體)排列呈橫向一列之一次元影像感測器。此種受光元件群36可舉CMOS影像感測器或CCD影像感測器為例。
[用途]
光學式觸控面板30之用途並無特別限制，廣泛使用於個人電腦螢幕、ATM、售票機、遊戲機、平板PC、OA機器、FA機器等。
實施例 [覆蓋層形成用清漆之調製]
(成分A)具有脂環骨架之環氧系紫外線硬化樹脂(ADEKA公司製造 EP4080E) 100重量份
(成分B)光酸產生劑(SAN-APRO公司製造CPI-200K) 2重量份
將上述成分混合後調製成覆蓋層形成用清漆。
[芯部形成用清漆之調製]
(成分C)含有脂環骨架之環氧系紫外線硬化樹脂(OSAKA GAS CHEMICALS公司製造EG) 40重量部
(成分D)含有脂環骨架之環氧系紫外線硬化樹脂(Nagase ChemteX Corporation EX-1040) 30重量部(成分E)1,3,3-參(4-(2-(3-氧呾基 )丁氧基苯基)丁烷 30重量部(以日本專利公開公報特開2007-070320之實施例2為依據進行合成)
上記成分B 1重量部
乳酸41重量部
混合上述成分後調製出芯部形成用清漆。
[具有發光元件之光導波路之製作]
在厚度188μm之萘二甲酸乙二酯(PEN)膜的表面塗布上述之覆蓋層形成用清漆，並且以1000mJ/cm2 照射紫外線，其次在80℃下進行加熱處理5分鐘，如第5圖所示，得到厚度20μm之底覆蓋層51。波長830nm之底覆蓋層51的折射率為1.510。
在底覆蓋層51之表面塗布上述之芯部形成用清漆，在100℃下進行乾燥處理5分鐘後，形成芯部層。其次，使印刷有預定圖案之光罩被覆於芯部層(間距100μm)、以2500mJ/cm2 照射紫外線、進而在100℃下進行加熱處理10分鐘。
其次，以γ-丁內酯水溶液溶解除去芯部層之紫外線未照射部分，並在120℃下進行加熱處理5分鐘，然後形成芯部52之圖案。芯部52係由主路53(最大寬度W1=2030μm、高度50μm)、及沿著主路53之導光方向54依序分歧之70條分歧路55(寬度55μm、高度50μm)所構成。波長830nm之芯部52的折射率為1.592。
其次，在將凹型模型(石英製)配置成覆蓋芯部52全體之凹型模型的內部填充覆蓋層形成用清漆。由凹型模型之表面以2000mJ/cm2 照射紫外線，然後在80℃下進行加熱處理5分鐘，然後將凹型模型剝離。藉此，形成如第5圖所示之前端部56a之側截面形狀為大約1/4圓弧狀之凸透鏡(曲率半徑1.5mm)且厚度1mm之披覆蓋層56。波長830nm之披覆蓋層56的折射率為1.510。
其次，經由紫外線硬化樹脂將用以出射波長850nm之光 之發光元件57(公司製造 VCSELL)結合至芯部52之主路53的端部53c，並製作具有發光元件之光導波路50。
如第5圖所示，該具有發光元件之光導波路50中所含有之芯部52具有主路53、及由主路53分歧之複數分歧路55。主路53係形成隨著遠離結合於發光元件57之端部53c而寬度W1變窄。朝主路53之導光方向54延伸之一邊53a、及與其相向之其他邊53b所構成之角度θ 為0.8°。
[受光側光導波路之製作]
除了變更光罩，將芯部41做成如第4圖所示之形狀(未形成分歧路)以外，其他則以與實施例之具有發光元件之光導波路50同樣的方法，製作出受光側光導波路40。受光側光導波路40具有70條芯部41、及埋設芯部41之覆蓋層42。
[光學式觸控面板之製作]
分別準備上述之具有發光元件之光導波路50與受光側光導波路40各2個。各受光側光導波路40之芯部41的末端係經由紫外線硬化樹脂而與複數之受光元件43(TAOS公司製造 CMOS線性陣列感測器)結合。該等光導波路係如第3圖所示，配製成包圍對角尺寸10.4英吋之座標輸入區域32，製作出光學式觸控面板30。該光學式觸控面板30係當以手指遮蓋住座標輸入區域32之光線時，可辨識座標。
[比較例]
將光罩變更後，形成如第6圖所示之含有主路63(合計寬度W3=4885μm、高度50μm)、及分歧點62位於垂直於 主路63之導光方向64之一直線上之70條分歧路65(寬度55μm、高度50μm、空間66為15μm×69個)之芯部。除此之外則以與實施例同樣之方法製作出具有發光元件之光導波路60。除了使用該具有發光元件之光導波路60以外，其他則以與實施例同樣之方法製作出光學式觸控面板30。
[評價]
表1係顯示實施例及比較例之具有發光元件之光導波路之芯部的最大寬度W1、W3、以及使用該等之光學式觸控面板30之受光元件群36所檢測出之光強度的平均值(相對強度)。
[測定方法] [折射率]
使用旋轉塗覆法將覆蓋層形成用清漆與芯部形成用清漆分別成膜於矽晶圓上，製作出折射率測定用樣品，使用稜鏡耦合(公司製造)測量折射率。
[芯部寬度、芯部高度]
使用切割式切斷機(DISCO公司製造 DAD522)對製作出之光導波路進行截面切削，並使用雷射顯微鏡(KEYENCE公司製造)觀察切削面，並測量芯部寬度、 芯部高度。
10‧‧‧具有發光元件之光導波路
11‧‧‧發光元件
12‧‧‧芯部
13‧‧‧發光側光導波路
14‧‧‧主路
14a‧‧‧主路之一邊
14b‧‧‧主路之另一邊
14c‧‧‧主路之端部
15‧‧‧分歧路
16‧‧‧分歧點
17‧‧‧導光方向
18‧‧‧覆蓋層
20‧‧‧具有發光元件之光導波路
21‧‧‧發光元件
22‧‧‧芯部
23‧‧‧光導波路
24‧‧‧主路
24a‧‧‧主路之其中一邊
24b‧‧‧主路之另一邊
25‧‧‧分歧路
26‧‧‧分歧點
27‧‧‧導光方向
30‧‧‧光學式觸控面板
31‧‧‧發光側光導波路
32‧‧‧座標輸入區域
33‧‧‧光線
34‧‧‧發光元件
35‧‧‧受光側光導波路
36‧‧‧受光元件群
40‧‧‧受光側光導波路
41‧‧‧芯部
42‧‧‧覆蓋層
43‧‧‧受光元件
50‧‧‧具有發光元件之光導波路
51‧‧‧底覆蓋層
52‧‧‧芯部
53‧‧‧主路
53a‧‧‧主路之其中一邊
53b‧‧‧主路之另一邊
53c‧‧‧主路之端部
54‧‧‧導光方向
55‧‧‧分歧路
56‧‧‧披覆蓋層
56a‧‧‧披覆蓋層之前端部
57‧‧‧發光元件
60‧‧‧具有發光元件之光導波路
61‧‧‧發光元件
62‧‧‧分歧點
63‧‧‧主路
64‧‧‧導光方向
65‧‧‧分歧路
66‧‧‧空間
t‧‧‧厚度
W1‧‧‧寬度
θ‧‧‧角度
第1圖係本發明之具有發光元件之光導波路之一例的模式圖。
第2圖係本發明之具有發光元件之光導波路之其他例的模式圖。
第3圖係光學式觸控面板之模式圖。
第4圖係受光側光導波路之模式圖。
第5圖係實施例之具有發光元件之光導波路的模式圖。
第6圖係習知之具有發光元件之光導波路的模式圖。
10‧‧‧具有發光元件之光導波路
11‧‧‧發光元件
12‧‧‧芯部
13‧‧‧發光側光導波路
14‧‧‧主路
14a‧‧‧主路之一邊
14b‧‧‧主路之另一邊
14c‧‧‧主路之端部
15‧‧‧分歧路
16‧‧‧分歧點
17‧‧‧導光方向
18‧‧‧覆蓋層
t‧‧‧厚度
W1‧‧‧寬度
θ‧‧‧角度

Claims (7)

  1. 一種具有發光元件之光導波路，具有發光元件及光導波路，而該光導波路包含用以引導來自前述發光元件之光且生成複數光線之芯部及覆蓋層；其特徵在於：前述芯部埋設於覆蓋層，且前述芯部之折射率高於前述覆蓋層之折射率，前述覆蓋層是由底覆蓋層與披覆蓋層構成，前述芯部形成於前述底覆蓋層上，且被前述披覆蓋層埋設，前述芯部具有主路、及由前述主路在分歧點分歧出之複數分歧路，前述芯部之主路側之端部是與前述發光元件光學結合，前述分歧點係沿著前述主路之導光方向依序設置，前述主路係隨著遠離前述發光元件而寬度變窄，前述主路之朝著導光方向延伸之一邊、以及與其相對向另一邊所形成之角度為0.1°~5°，前述發光元件是發光二極體或半導體雷射。
  2. 如請求項1之具有發光元件之光導波路，其中前述芯部與前述覆蓋層之最大折射率差為0.02~0.2。
  3. 如請求項1或2項之具有發光元件之光導波路，其中前述覆蓋層之前述光線之出射前端部的側截面形狀為大略1/4圓弧狀之凸透鏡。
  4. 如請求項1之具有發光元件之光導波路，其中前述分歧 路之最大寬度為10μm~100μm。
  5. 如請求項2之具有發光元件之光導波路，其中前述分歧路之最大寬度為10μm~100μm。
  6. 如請求項3之具有發光元件之光導波路，其中前述分歧路之最大寬度為10μm~100μm。
  7. 一種光學式觸控面板，具有：座標輸入區域；具有發光元件之光導波路，是生成用以橫切前述座標輸入區域之光線；受光側光導波路，是接受橫切前述座標輸入區域之光線；及受光元件群，用以檢測在前述受光側光導波路受光之光線的強度，又，前述光學式觸控面板之特徵在於：前述具有發光元件之光導波路係如請求項1~6項中任一項之具有發光元件之光導波路。
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