TWI497376B - 在光學觸敏裝置中使用之光學耦合器總成 - Google Patents

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Description

在光學觸敏裝置中使用之光學耦合器總成
本發明大體上係關於光學耦合器，特別是在觸敏裝置中所使用之光學耦合器。
本申請案主張2011年7月22日申請之美國臨時專利申請案第61/510,989號之權益，其全文以引用的方式併入本文中。
用於與計算裝置互動之觸敏顯示器變得更加普遍。存在用於實施觸敏顯示器及其他觸敏裝置之數項不同技術。此等技術之實例包含例如電阻式觸控螢幕、表面聲波觸控螢幕、電容式觸控螢幕及特定類型的光學觸控螢幕。
然而，許多此等途徑當前遭受缺點。例如，一些技術可對於如在許多現代行動電話中所使用之小型顯示器運行良好，但是對於如與膝上型電腦或甚至桌上型電腦一起使用之顯示器中之較大的螢幕大小擴展得不是很好。對於需要一特殊處理之表面或使用該表面中之特別元件之技術，以一線性因數N增大螢幕大小意味著該特殊處理必須按比例調整以處置N2 大之螢幕面積或意味著需要與許多特殊元件的N2 倍一樣多之元件。此可引起不可接受之低產量或過高成本。
一些技術之另一缺點在於其等無法或難以處置多觸碰事件。當同時發生多個觸碰事件時，發生一個多觸碰事件。此可能在原始偵測到之信號中引入模糊度，接著必須解析 該等模糊度。重要的是，必須以一迅速及計算高效的方式解析該等模糊度。若過慢，則該技術將無法遞送系統所要之觸碰取樣速率。若計算過於密集，則此將提高該技術之成本及功率消耗。
另一缺點在於多項技術可能無法滿足增大的解析度需求。假定觸敏表面係長度及寬度尺寸為LxW之長方形。進一步假定一應用需要觸碰點分別以一精確度δ1及δw定位。有效的所需解析度於是為R=(L W)/δ1 δw)。吾人將R表示為觸碰點之有效數目。隨著技術進步，R中之分子通常將增大且分母通常將減小，因此導致所需觸碰解析度R之一整體增大趨勢。
因此，需要改良式觸敏系統。
一種光學觸敏裝置能夠判定多個同時觸碰事件之位點。該光學觸敏裝置包含多個發射器及偵測器，該等發射器及偵測器透過該光學觸敏裝置上之表面上之一波導而與一光學耦合器總成耦合。該耦合器可側面耦合或邊緣耦合至該波導。對於該側面耦合情況或該邊緣耦合情況，該耦合器亦可經組態以重定向光束以適應發射器及偵測器相對於該波導之任何定向。該耦合器亦可經組態以橫向地或垂直地平移光束以適應發射器及偵測器之任何位置。更一般言之，該耦合器及該觸敏裝置亦經組態以防止進入該波導之環境光命中該等發射器及偵測器。各發射器產生由該等偵測器所接收之光束。觸碰事件干擾該等光束。
現將舉例而言參考隨附圖式而描述本發明之實施例。
I.引言 A.裝置概觀
圖1係根據一實施例之一光學觸敏裝置100之一圖。光學觸敏裝置100包含一控制器110、發射器/偵測器驅動電路120及一觸敏表面總成130。表面總成130包含在上面偵測到觸碰事件之一作用區131。為了方便起見，作用區131有時可稱作作用表面或表面，因為該作用區自身可為一整個被動結構，諸如一光學波導。總成130亦包含沿著作用區131之周邊配置之發射器及偵測器。在此實例中，存在標記為Ea至EJ之J個發射器及標記為D1至DK之K個偵測器。該裝置亦包含一觸碰事件處理器140，觸碰事件處理器140可實施為控制器110之部件或如在圖1中所展示單獨實施。一標準化API可用於例如在觸碰事件處理器140與控制器110之間或在觸碰事件處理器140與連接至該觸碰事件處理器之其他裝置之間與觸碰事件處理器140通信。
發射器/偵測器驅動電路120用作控制器110與發射器Ej及偵測器Dk之間的一介面。該等發射器產生由該等偵測器所接收之光「束」。較佳地，由一個以上偵測器接收由一發射器所產生之光，且各偵測器自一個以上發射器接收光。為了方便起見，「光束」將指代自一發射器至一偵測器之光，即使其可為通向許多偵測器之許多光之部分而非一單獨光束。自發射器Ej至偵測器Dk之光束將稱作光束jk。圖 1將光束a1、a2、a3、e1及ek清楚標記為實例。作用區131內之觸碰將干擾特定光束，因此變更在偵測器Dk處所接收之光束。關於此等變更之資料被傳達至觸碰事件處理器140，觸碰事件處理器140分析該資料以判定表面131上之觸碰事件之位點(及時間)。
B.程序概觀
圖2係用於判定根據一實施例之觸碰事件之位點之一流程圖。將使用圖1之裝置來圖解說明此程序。程序200大致分成將稱作一實體階段210及一處理階段220之兩個階段。因此，兩個階段之間的分界線為透射係數Tjk之一子組。
與若不存在與光束互動之觸碰事件則將已透射之光束相比，透射係數Tjk為自發射器j至偵測器k之光束之透射率。
此特定量測之使用純粹為一實例。可使用其他量測。特定言之，由於吾人對中斷光束最感興趣，故可因其通常為0而使用一相反量測，諸如(1至Tjk)。其他實例包含吸收、衰減、反射或散射之量測。此外，儘管將透射係數Tjk用作為實體階段210與處理階段220之間的分界線而說明圖2，但是無需明確計算透射係數Tjk。亦無需實體階段210與處理階段220之間的一清楚劃分。
再參考圖2，實體階段210為自實體設置判定透射係數Tjk之程序。處理階段220自透射係數Tjk判定觸碰事件。在圖2中所展示之模型在概念上有用，因為其稍微分開實體設置與來自後續處理之基礎實體機制。
例如，實體階段210產生透射係數Tjk。觸敏表面總成 130之許多不同實體設計係可能的，且將取決於最終應用而考量不同設計折衷。例如，發射器及偵測器可更窄或更寬，角度更窄或角度更寬，具有各種長度、各種功率，相干或不相干等。作為另一實例，不同類型的多工可用於允許由各偵測器接收來自多個發射器之光束。
區塊210內部展示程序210之一可能實施方案。在此實例中，發射器將光束傳輸至多個偵測器212。跨觸敏表面行進之一些光束受觸碰事件干擾。偵測器以一多工光學形式自發射器接收光束214。該等接收之光束經解多工以彼此區分個別光束jk 216。接著判定各個別光束jk之透射係數Tjk 218。
處理階段220亦可以許多不同方式實施。候選觸碰點、線成像、位點內插、觸碰事件樣板及多遍式途徑為可用作處理階段220之部分之技術之所有實例。
II.實體設置
觸敏裝置100可以數種不同方式實施。下文係設計變動之一些實例。
A.電子裝置
關於電子態樣，應注意，圖1本質上係例示性的及功能性的。來自圖1中之不同框之功能可在相同組件中一起實施。
B.觸碰互動
可使用用於與一光束觸碰互動之不同機制。一實例為受抑全內反射(TIR)。在受抑TIR中，一光束藉由全內反射而 限制於一光學波導，且觸碰互動以一些方式干擾全內反射。圖3A至圖3B圖解說明用於與一光束觸碰互動之一受抑TIR機制。
觸碰互動亦可係直接的或間接的。在一直接互動中，觸碰物件(例如，一手指或尖筆)為與光束互動之物件。例如，一手指可具有高於空氣之一折射率，因此抑制當該手指直接接觸一波導時之TIR。在一間接互動中，觸碰物件與一中間物件互動，該中間物件與光束互動。例如，手指可造成一高折射率物件接觸該波導，或可造成波導或周圍材料之折射率變更。
應注意，一些類型的觸碰互動除可用於量測觸碰之存在外，亦可用於量測接觸壓力或觸碰速度。亦應注意，一些觸碰機制可增強透射而非降低透射，或一些觸碰機制除可降低透射外亦可增強透射。圖3C圖解說明與增強透射之一光束之一觸碰互動。為了簡便起見，在本發明描述之剩餘部分中，將假定該觸碰機制主要具有一阻擋性質，此意味著自一發射器至一偵測器之一光束將部分或全部被一中间觸碰事件阻擋。此並非所需但便於闡釋各種概念。
為了方便起見，觸碰互動機制有時可分類為二進位型或類比型。一個二進位互動為基本上具有根據觸碰之兩個可能回應之一互動。實例包含非阻擋及全部阻擋，或非阻擋及10%+衰減，或不受抑及受抑TIR。一類比互動為具有對觸碰之一「灰階」回應之一互動：經過部分阻擋或阻擋之階度之非阻擋。
C.發射器、偵測器及耦合器
各發射器將光傳輸至數個偵測器。通常，各發射器將光同時輸出至一個以上偵測器。相似地，各偵測器自數個不同發射器接收光。光束可係可見光、紅外光及/或紫外光。術語「光」意在包含所有此等波長且據此解釋諸如「光學」之術語。
發射器之光源之實例包含發光二極體(LED)及半導體雷射。亦可使用IR源。光束之調變可在外部或內部。用於偵測器之感測器元件之實例包含電荷耦合裝置、光電二極體、光敏電阻器、光電晶體及非線性的所有光學偵測器。
發射器及偵測器除可包含主光源、感測器元件外，亦可包含光學裝置及/或電子裝置。例如，發射器及偵測器可併入透鏡或附接至透鏡以散佈及/或準直發射光或入射光。此外，可變設計之一或多個光學耦合器總成(耦合器)可用於將發射器及偵測器耦合至波導。波導、耦合器及任何中间光學元件皆具有高於空氣之一相似折射率以促進貫穿各光束之整個光學路徑之TIR。此等元件可使用具有與波導及耦合器相似的一折射率之一結合劑而實體上耦合在一起。或者，在沿著光學路徑之不同點處，空氣間隙可存在於元件之間來代替一結合劑。
D.光束路徑
圖4A至圖4C係不同形狀之光束覆蓋區之俯視圖或側視圖。一觸敏系統之另一態樣為光束之形狀及光束路徑之位點。在圖1至圖2中，光束展示為線。此等線應解釋為代表 光束，但是該等光束自身可具有不同形狀及覆蓋區。一點發射器及點偵測器產生具有一線狀覆蓋區之一窄的「筆形」光束。一點發射器及寬偵測器(反之亦然)產生具有一三角形覆蓋區之一扇形光束。一寬發射器及寬偵測器產生具有寬度相當恆定之一長方形覆蓋區之一「長方形」光束。取決於覆蓋區之寬度，透射係數Tjk表現為二進位量或類比量。若當一觸碰點經過光束時透射係數自一極限值相當突然地轉變成另一極限值，則該透射係數為二進位。例如，若光束非常窄，則其將全部被阻擋或全部不被阻擋。若光束係寬的，則其可在觸碰點經過該光束時部分被阻擋，從而導致一更像類比之行為。
光束可在橫向(水平)方向以及垂直方向兩者上具有覆蓋區。一光束之橫向覆蓋區可與一光束之水平覆蓋區相同或不同。
自發射器發射且由偵測器接收之光之方向及散佈可在散佈中發生改變或與意欲覆蓋作用區131之光束覆蓋區所成之角度發生改變。為了使光束成形以達成意欲之覆蓋區，透鏡可附接至發射器及偵測器。例如，點發射器及偵測器可結合透鏡使用以在水平或垂直方向上散佈光。
圖5A至圖5B係圖解說明藉由發射器及偵測器之作用區覆蓋範圍之俯視圖。如上文，發射器及偵測器沿著作用區之周邊配置。所有發射器可配置在該作用區之兩側上，例如如在圖5A中所圖解說明之兩個相鄰垂直側上。相似地，所有偵測器可配置在作用區之其他兩側上。或者，發射器 及偵測器可根據如在圖5B中所圖解說明之一型樣而混合或交錯。此圖案可為各偵測器之間的一發射器或另一更複雜的配置。
在多數實施方案中，各發射器及各偵測器將支援多個光束路徑，然可能不存在自各發射器至每個偵測器之一光束。來自一發射器之所有光束之覆蓋區之聚合將稱作該發射器之覆蓋面積。所有發射器之覆蓋面積可被聚合而獲得系統之總覆蓋範圍。
可使用不同量來描述個別光束之覆蓋區：空間範圍(即，寬度)、角度範圍(即，發射器之輻射角度、偵測器之接受角度)及覆蓋區形狀。可藉由一發射器之寬度、一偵測器之寬度及/或界定兩者之間的光束路徑之角度及形狀而描述自該發射器至該偵測器之一個別光束。可藉由一發射器之寬度、相關偵測器之聚合寬度及/或界定來自該發射器之光束路徑之聚合之角度及形狀而描述該發射器之覆蓋面積。應注意，個別覆蓋區可重疊。(一發射器之覆蓋區之總和)/(發射器之覆蓋面積)之比為重疊量之一量測。
所有發射器之總覆蓋面積應覆蓋整個作用面積131。然而，並非會相等地覆蓋作用面積131內之所有點。許多光束路徑可橫跨一些點，同時少得多之光束路徑橫跨其他點。作用區131上之光束路徑之分佈之特徵可在於計算多少光束路徑橫跨該作用區內之不同(x,y)點。光束路徑之定向為該分佈之另一態樣。自皆大致在相同方向上延伸之三個光束路徑導出之一(x,y)點通常將為弱於皆以彼此成60度 角延伸之三個光束路徑橫跨之一點之一分佈。
上文對於發射器所述之概念亦適用於偵測器。一偵測器之覆蓋面積為由偵測器所接收之光束之所有覆蓋區之聚合。
III.光學耦合器總成及有關硬體 A.大體描述
如上文所介紹，光學觸敏裝置100包含光學地耦合至發射器及偵測器之一平面光學波導與一光學耦合器總成(或耦合器)。該光學觸敏裝置亦可包含一印刷電路板(PCB)、一環境光屏蔽、一IR透射層、一或多個空氣間隙及相關環境光吸收表面及一顯示模組之任何一或多者。
波導延伸經過一顯示模組之橫向邊緣。該波導具有平行於其底面之一頂面。該波導之頂面經定向以接收觸碰輸入。該波導之底面光學地耦合至該顯示模組之橫向範圍外之耦合器。如上文所述，光束行進通過使用TIR之波導。即，光束以大於與該波導之頂面及底面之法線成一臨界角之角度自該波導之頂面及底面上反射。在該波導之頂面之一作用區131內接收使用受抑TIR所偵測到之觸碰事件。
耦合器可側面耦合或邊緣耦合至波導。對於側面耦合情況或邊緣耦合情況兩者，該耦合器亦可經組態以重定向光束以適應發射器及偵測器相對於該波導之任何定向。該耦合器亦可經組態以橫向地或垂直地平移光束以適應發射器及偵測器之任何位置。更一般言之，該耦合器及觸敏裝置亦經組態以防止進入該波導之環境光命中發射器及偵測 器。
耦合器可由一單件材料或若干光學耦合件形成。各發射器及偵測器可具有自自身耦合器以將光耦合至波導中或自波導耦合出光。或者，發射器及/或偵測器可共用一耦合器。該耦合器可由任何數目種材料(包含例如玻璃或塑膠)製成。
發射器及偵測器沿著顯示模組之周邊配置在波導之底面下面。沿著顯示模組之周邊定位發射器及偵測器包含將該等發射器及偵測器定位在顯示模組616之外側邊緣外面，使得該等發射器及偵測器在該顯示模組側面、旁邊、周圍。沿著顯示模組之周邊定位發射器及偵測器亦包含將該等發射器及偵測器定位在顯示模組616之底側下面接近該顯示模組之側邊緣。該等發射器及偵測器電耦合至可包含或電耦合至發射器/偵測器驅動電路120之PCB。
光學觸敏裝置經組態以結合經組態以顯示影像之一顯示(或螢幕)模組操作，然而該顯示模組無需係該光學觸敏裝置之部件。為了清楚起見而闡釋該顯示模組。圖6至圖14中之裝置之圖式不按比例繪製以突顯耦合器設計之態樣，且預期該顯示模組及作用區實際上將遠大於耦合器及有關硬體。
B.側面耦合之光學耦合器
圖6A至圖6B係包含一側面耦合之光學耦合器總成602之一光學觸敏裝置600之側視圖。在耦合器602中，偵測器及發射器606經定向以在平行於波導604之頂面及底面之一方 向上分別接收及發射光，使得光在其橫向地行進通過波導604之實質上相同橫向方向上離開發射器。
1.耦合器結構及通過該耦合器之光束傳輸
耦合器602側面耦合至波導604之底面。通常，側面耦合由直接或間接地光學地耦合至波導604之底面之在耦合器602之頂面上之一單個平面耦合表面630組成。儘管如所示耦合表面630為耦合器602之一整個表面，但是無需係此情況。
關於通過耦合器602之光束傳輸，考量光束進入偵測器606之光束之情況。光束在接近耦合表面630時經由TIR而自波導604之頂面上反射且透過耦合表面630而進入耦合器602。該等光束再次經由TIR而自耦合器602之底面上反射朝向偵測器606。耦合器602之底面光學地平行於該耦合器之頂面(包含耦合表面630)，且因此亦平行於波導604之頂面及底面。取決於耦合器602之結構，光束可在離開光學耦合器602並進入偵測器606前經由光學耦合器602內之TIR而額外反射一或多次。例如若在耦合表面630與偵測器606之間存在一實質橫向距離，則此可能會發生。
光束透過一發射器/偵測器(E/D)介面632離開耦合器602朝向偵測器606。該等光束接著在進入該偵測器前經過一空氣間隙(未清楚標記)。在替代實施方案中，發射器/偵測器606未透過空氣間隙而直接結合或以其他方式附至E/D介面632(未展示)。離開發射器606之光束將橫跨與如上文所述進入偵測器606之光束相反之通過耦合器602至波導604 中之路徑。
通常，E/D介面632相對於耦合表面630及/或反射光束之耦合器內之任何其他中間表面成某一角度。E/D介面632之角度經組態以將該等光束自其等將自波導604之頂面及底面TIR之角度重定向成其等將分別進入及離開發射器及偵測器606之角度。在圖6A之實例中，E/D介面632相對於耦合器602之頂面及底面成一非零角。在其他實施方案中，可使用平行於或垂直於耦合表面630之一E/D介面來替代一成角度之E/D介面。對於進入/離開此一結構中之偵測器/發射器606之光束，該等光束自相對於E/D介面成一角度之耦合器之至少一其他表面上反射。
圖6A及後續圖式中之虛線圖解說明自沿著偵測器/發射器606之垂直範圍之不同點進入/離開該偵測器/發射器之例示性光束。追蹤通過耦合器602及波導604之此等光束以闡釋由通過如上文所說明之光學觸敏裝置600之光束所採用之路徑。此等光束代表理想化之光束，實際上光束將在水平及垂直方向上成若干度而散佈，此歸因於貫穿整個光學系統出現之缺陷。此非理想化之光束散佈係有用的且可依賴於該非理想化之光束散佈而增大光束對作用區131之覆蓋範圍。
圖6B圖解說明與裝置600之剩餘部分隔離之耦合器602。
2.環境光防止/拒斥
光學觸敏裝置600可包含用於防止環境光進入發射器及偵測器606之若干不同機構。此類機構為接近光學耦合器 之表面(具有或不具有定位為接近該等表面之額外環境光吸收表面)之空氣間隙。一實例為在耦合器902之底面附近之空氣間隙628，環境光吸收表面614定位在耦合器902之底面附近。
通常，若環境光以相對於耦合器之一內表面之法線成小於臨界角之一角度入射在該表面上，則該環境光將透過該表面而自該耦合器耦合出。對於命中波導之多數環境光，此採取透過耦合器表面以相對於該波導之頂面及底面之法線成小於臨界角之一角度進入耦合器之環境光之形式。在耦合器602中，此環境光透過耦合器602之底面而自耦合器602耦合出。此環境光接著經過空氣間隙628且被環境光吸收表面614吸收。然而，此原理通常適用於入射在該耦合器之任何表面上之任何光。
在圖6中，虛線標記之光代表進入耦合器602之最接近命中一發射器/偵測器606之環境光。儘管圖解說明為以相對於波導604之頂面成一不明顯角度進入，但是接近發射器/偵測器606進入之光之入射角實際上小到可以忽略，且因此該環境光比所圖解說明更接近命中發射器/偵測器606。
另一此類機構為環境光屏蔽610。此屏蔽610光學地內插在波導604與耦合器602之間以及在發射器/偵測器606之間。光屏蔽610橫向地延伸至耦合器602之耦合表面630之邊緣，且實務上可用於至少部分判定耦合表面630之表面積。屏蔽610防止以小於臨界角之一角度進入波導604且接近發射器/偵測器606之環境光命中發射器/偵測器606。此 包含進入波導604且比E/D介面之起點更橫向接近發射器/偵測器606之環境光。
另一此類機構為阻擋可見波長範圍中之光同時允許紅外光範圍中之光經過之一IR透射層612。IR透射層612光學地內插在耦合器602與波導604之底面之間，且覆蓋耦合表面630。取決於偵測器及發射器606之可操作波長範圍，IR透射層612可能或可能不會影響該等組件之效能。用IR透射層612阻擋可見光可減少在波導604下方的裝置600之組件之不想要的加熱。IR透射層612亦用作一審美功能，從而造成在波導604下方的裝置600之組件歸因於IR透射層612之不透明性而不被看見。IR透射層612在作用區及/或顯示器616上之精確的橫向範圍可取決於實施方案而改變。
3.個別及共用的耦合器
圖6C至圖6D係包含一側面耦合之光學耦合器總成之一光學觸敏裝置之俯視圖。該俯視圖圖解說明波導604、顯示模組616及作用區131之相對橫向範圍。如上文所說明，波導604橫向延伸經過且覆蓋顯示模組616、包含耦合表面630之耦合器602及發射器/偵測器606。自上而下看，該耦合器之一部分為耦合器表面630，另一部分被光屏蔽610覆蓋。
圖6C圖解說明數個發射器及/或偵測器606之間共用各相對少的耦合器602(在此情況下四個)之一實施方案。圖6D圖解說明各發射器及偵測器606具有其自身耦合器602之一實施方案。在另一實施方案中，所有發射器與偵測器(未 展示)可共用一單個耦合器。
4.耦合器內之光束旋轉
圖7A至圖7B係包含一側面耦合之光學耦合器總成之一光學觸敏裝置700之側視圖，其中耦合器702經組態以將定向為垂直於波導704之頂面及底面之光束重新引導在發射器/偵測器706之間。在耦合器702中，此藉由組態耦合器702之E/D介面732使之平行於耦合表面730且垂直於光束行進通過波導704之橫向方向而達成。即，行進通過波導704之光束在進入/離開偵測器/發射器706時旋轉近似90度。
以相對於E/D介面732成一非零角而配置耦合器702之至少一其他表面以經由TIR而反射透過耦合表面730朝向E/D介面732進入耦合器702之光束。此組態之結果係橫向行進通過波導704之光束自耦合器702之一成角度表面上反射以垂直行進通過E/D介面732。
儘管圖7A將E/D介面732圖解說明為平行於耦合表面730，但是亦設想使用一非平行之E/D介面732之其他實施方案用於達成光束之90度旋轉。通常，光束旋轉之角度為E/D介面732相對於耦合表面730之角度及光束將彈回之在耦合器730內之任何中間表面之角度之一函數。
關於環境光拒斥/防止，圖7A圖解說明與IR透射層612功能相似的一IR透射層712。圖7A亦圖解說明最接近撞擊在發射器/偵測器606上之環境光。以小於臨界角之角度進入波導704之一些環境光透過E/D介面732而離開耦合器702。此環境光在E/D介面732與偵測器/發射器706之間的空氣間 隙內折射。歸因於此折射，防止該環境光命中偵測器/發射器706。儘管為了清楚起見未展示，但是裝置700亦可併入額外空氣間隙及環境光吸收表面。
圖7B圖解說明與裝置700之剩餘部分隔離之耦合器702。
5.鏡面反射及光導管
圖8A至圖8B係包含一側面耦合之光學耦合器總成之一光學觸敏裝置之側視圖，該光學耦合器總成經組態以透過一垂直光導管而將光重新引導至定向在與光學波導相反的一方向上之發射器及偵測器中。
以與如前文所述之任何其他角度大致相同的方式完成重新引導使得其等在與其等橫向行進方向相反的一方向上行進。可僅使用TIR藉由使用一個以上耦合器表面而實現180度光束旋轉。或者，如在耦合器802中所圖解說明，此亦可藉由用一反射(或鏡面反射或鍍銀)塗層來塗敷耦合器之至少一表面818而實現。入射在反射表面818上之光束將鏡面反射。儘管與TIR比較，此造成一些透射損耗，但是使用一反射表面及鏡面反射提供更大的耦合器設計靈活性。例如，與一等效的完全TIR耦合器結構比較，反射表面可允許相當大的空間節省。
再次使用朝向偵測器806行進之光束之實例，光束透過耦合表面830進入耦合器802且被垂直於耦合表面830之耦合器802之一反射表面818鏡面反射。在額外反射表面818之一或多次額外反射後，該等光束經由TIR而自平行於耦合表面830之兩個額外耦合器表面上反射。該等光束接著 經過E/D介面832並進入偵測器806。又，離開一發射器806之光束在通過耦合器802之一相反路徑上行進。
耦合器802亦包含用於垂直平移光束而僅具相當小的損耗且光束角度不變更之一光導管(未清楚標記)。在耦合器802中，該光導管由兩個或兩個以上平行反射表面818構成。光在一特定行進方向上自反射表面818鏡面上反射。儘管圖解說明為在垂直方向上，但是該耦合器亦可包含一水平光導管(未展示)。光導管因其允許發射器及偵測器定位為遠離耦合表面830之緊湊型耦合器設計而變得有用。例如，如在圖8中所圖解說明，該光導管允許發射器及偵測器卷折在外邊緣顯示模組816下面。
關於環境光拒斥，裝置800相似地包含一濾光層812。儘管為了清楚起見而未展示，但是裝置800亦可併入一或多個光屏蔽、間隙及光吸收層。又，虛線標記之光代表最接近命中發射器及偵測器806之環境光。在此情況下，環境光行進通過光導管且透過耦合器802之底面而離開。
圖8B圖解說明與裝置800之剩餘部分隔離之耦合器802。
C.邊緣耦合之光學耦合器
圖9A至圖9B係包含一邊緣耦合之光學耦合器總成902之一光學觸敏裝置900之側視圖。在耦合器902中，偵測器及發射器906經定向以在垂直於波導904之頂面及底面之一方向上分別接收及發射光，使得光在相對於其橫向行進通過波導904之方向旋轉90度之一方向上離開該發射器。
1.耦合器結構及通過該耦合器之光束傳輸
耦合器902邊緣耦合至波導904之一側邊緣表面。通常，該邊緣耦合由直接或間接光學地耦合至波導904之側邊緣之在耦合器902之一側邊緣表面上之一單個平面耦合表面930組成。
關於通過耦合器902之光束傳輸，考量進入偵測器906之光束之情況。耦合器902包含之兩個表面，該兩個表面相對於耦合表面930成非零角且相對於彼此成非零角以重新引導光束使之朝向偵測器906。該兩個表面垂直地接合在波導904之頂面與底面之間的一點處。因此，自波導904入射之光束將自該兩個表面不同地反射。
第一表面922(或刻面)塗敷有一反射材料。經由鏡面反射而重新引導入射在反射表面922上之所有光束之子組使之朝向偵測器906。第二表面924可能或可能不會塗敷有反射材料。經由TIR及/或鏡面反射而重新引導入射在第二表面924上之光束使之朝向偵測器906。在一些例項中，光束將在被定向為朝向偵測器906前自兩個表面上反射。
就其他耦合器而言，取決於耦合器902之結構，光束可經由在離開耦合器902並進入偵測器906前經由光學耦合器902內之TIR或鏡面反射而額外反射一或多次。例如若在耦合表面930與偵測器906之間存在一實質垂直距離，則此可能會發生。
光束透過一發射器/偵測器(E/D)介面932離開耦合器902朝向偵測器906。該等光束接著在進入偵測器906前經過一空氣間隙(未清楚標記)。在替代實施方案中，發射器/偵測 器906未透過空氣間隙而直接結合或以其他方式附至E/D介面932(未展示)。離開發射器906之光束將橫跨與如上文所述進入偵測器906相反之光束之通過耦合器602至波導604中之路徑。
在裝置900中，E/D介面932相對於耦合表面930成直角。在其他實施方案中，可使用相對於該耦合表面成另一角度(或零度角)之一E/D介面來替代932。對於進入/離開此一結構中之偵測器/發射器906之光束，該等光束自相對於E/D介面成一角度之耦合器之至少一其他額外表面上反射。通常，可在E/D介面與耦合表面之間使用自耦合器表面上之額外反射及/或使用耦合器表面上之額外反射塗層而實現任何角度。
圖9B圖解說明與裝置900之剩餘部分隔離之耦合器902。
2.環境光防止/拒斥
光學觸敏裝置900可包含與前文所述相同的所有環境光防止/斥拒機構。在耦合器902中，虛線標記之光代表進入耦合器902之最接近命中發射器及偵測器906之環境光。此環境光在其經過E/D介面932後而經過空氣間隙時被折射並遠離發射器/偵測器906。
3.個別及共用的耦合器
圖9C至圖9D係包含一邊緣耦合之光學耦合器總成之一光學觸敏裝置之俯視圖。該俯視圖圖解說明波導904、顯示模組916及作用區131之相對橫向範圍。如上文所說明，波導904被耦合器902包圍且覆蓋顯示模組916。角區(未標 記)可為耦合器902之延伸，或由其他材料製成。
與圖6C相似，圖9C圖解說明數個發射器及/或偵測器906之間共用各相對少的耦合器902(在此情況下四個)之一實施方案。與圖6D相似，圖9D圖解說明各發射器及偵測器具有其自身耦合器902之一實施方案。在另一實施方案中，所有發射器與偵測器(未展示)之間可共用一單個耦合器。
4.耦合器內之光束旋轉
圖10A至圖10B、圖11A至圖11B、圖12及圖14係包含邊緣耦合之光學耦合器總成之光學觸敏裝置之各種實施方案之側視圖，該等光學耦合器總成經組態以將光重新引導至定向在與光學波導相反的一方向上之發射器及偵測器中。就側面耦合之耦合器而言，邊緣耦合之耦合器可經組態以在將光束耦合至發射器及偵測器中前將該等光束旋轉成任何角度。
在耦合器1002中，光束被重新引導180度而在與其等透過耦合表面1300離開波導1004時行進之方向相反的方向上行進。此係在耦合器1002中僅使用具有耦合器1002之兩個額外表面(除重新引導自波導1004通過耦合表面1030之光束之兩個表面1022及1024外)之TIR而實現。該兩個額外表面相對於彼此成非零角使得入射光束經由TIR而自該等額外表面之一或多者上反射並朝向偵測器/發射器1006。僅使用TIR反射來達成此光束重新引導之一缺點在於與其他可能的耦合器設計相比較，其可能需要更多空間及一更複雜的耦合器設計。
圖10B圖解說明與裝置1000之剩餘部分隔離之耦合器1002。
圖11A及圖11B圖解說明用於達成大角度的光束重新引導(諸如180度光束重新引導)之耦合器1002之一可能替代物。與耦合器1002相比，在耦合器1102中，耦合器1102之更多表面覆蓋有反射塗層。例如，表面1024及一或多個額外表面可塗敷有反射塗層。因此，光束係使用鏡面反射而非TIR而重新引導在耦合器內。因此，光束可透過較大角度使用比在一僅TIR等效耦合器中相對小的空間以歸因於來自反射表面之有缺陷的反射之一些光損耗為代價而重新引導。
圖11B圖解說明與裝置1100之剩餘部分隔離之耦合器1102。
5.光導管
圖12及圖14圖解說明併入光導管之額外耦合器設計。來自圖12之耦合器1202與來自圖11A及圖11B之耦合器1102功能相似，除存在一光導管外。來自圖14之耦合器1402與來自圖13之耦合器1302功能相似，除存在一垂直光導管外。如上文，該等光導管可使用塗敷有反射塗層1218及1418之耦合器1202及1402之平行表面來實施。
6.側面及邊緣耦合之耦合器
圖13A至圖13B、圖14係包含一光學耦合器總成1302之一光學觸敏裝置1300之側視圖，光學耦合器總成1302側面耦合至一光學波導1304且包含邊緣耦合在一起之多個部 分。側面耦合至波導1304之第一部分1302a與上文關於圖6至圖8所述之側面耦合之耦合器功能相似。邊緣耦合至第一部分1302a之第二部分1302b與上文關於圖9至圖12所述之邊緣耦合之耦合器功能相似，除第一部分1302a執行波導功能外。
IV.應用
可在各種應用中使用上文所述之觸敏裝置。觸敏顯示器為一種類別之應用。此包含平板電腦、膝上型電腦、桌上型電腦、遊戲機、智慧型電話及其他類型的計算裝置之顯示器。其亦包含TV、數位看板、公共資訊、白板、電子閱讀器之顯示器及其他類型的良好解析度顯示器。然而，亦可在較小顯示器或較低解析度顯示器上使用該等觸敏裝置：較簡單的行動電話、使用者控制項(影印機控制項、印表機控制項、設備控制項等)。亦可在除顯示器外之應用中使用此等觸敏裝置。在上面偵測到觸碰之「表面」可為一被動元件(諸如一印刷影像)或僅為一些硬表面。此應用可用作與一軌跡球或滑鼠相似的一使用者介面。
V.額外考量
圖式僅為了闡釋目的而描繪本發明之實施例。熟習此項技術者將容易自下文討論認知可在不背離本文所述的本發明之原理之情況下採用本文所闡釋之結構及方法之替代實施例。
當閱讀本揭示內容時，熟習此項技術者亦將透過本文所揭示之原理而明白額外替代的結構及功能設計。因此，雖 然已闡釋及描述特定實施例及應用，但是應瞭解所揭示之實施例不限於本文所揭示之精確結構及組件。可在不背離隨附申請專利範圍所定義之精神及範疇之情況下對本文所揭示之方法及設備之配置、操作及細節作出將為熟習此項技術者所明白之各種修改、變更及變動。
100‧‧‧光學觸敏裝置
110‧‧‧控制器
120‧‧‧發射器/偵測器驅動電路
130‧‧‧觸敏表面總成
131‧‧‧作用區
140‧‧‧觸碰事件處理
600‧‧‧光學觸敏裝置
602‧‧‧側面耦合之光學耦合器總成
604‧‧‧波導
606‧‧‧偵測器/發射器
610‧‧‧環境光屏蔽
612‧‧‧紅外光(IR)透射層
614‧‧‧環境光吸收表面
616‧‧‧作用區/顯示器
628‧‧‧空氣間隙
630‧‧‧耦合表面
632‧‧‧發射器/偵測器(E/D)介面
700‧‧‧光學觸敏裝置
702‧‧‧耦合器
704‧‧‧波導
706‧‧‧發射器/偵測器
708‧‧‧印刷電路板
712‧‧‧紅外光(IR)透射層
716‧‧‧顯示模組
730‧‧‧耦合表面
732‧‧‧發射器/偵測器(E/D)介面
800‧‧‧裝置
802‧‧‧耦合器
806‧‧‧偵測器/發射器
812‧‧‧濾光層
816‧‧‧外邊緣顯示模組
818‧‧‧反射表面
830‧‧‧耦合表面
832‧‧‧發射器/偵測器(E/D)介面
900‧‧‧光學觸敏裝置
902‧‧‧邊緣耦合之光學耦合器總成
904‧‧‧波導
906‧‧‧偵測器/發射器
916‧‧‧顯示模組
922‧‧‧第一表面
924‧‧‧第二表面
930‧‧‧耦合表面
932‧‧‧發射器/偵測器(E/D)介面
1000‧‧‧裝置
1002‧‧‧耦合器
1004‧‧‧波導
1006‧‧‧偵測器/發射器
1022‧‧‧表面
1024‧‧‧表面
1030‧‧‧耦合表面
1100‧‧‧裝置
1102‧‧‧耦合器
1202‧‧‧耦合器
1218‧‧‧反射塗層
1300‧‧‧光學觸敏裝置
1302‧‧‧光學耦合器總成
1302a‧‧‧第一部分
1302b‧‧‧第二部分
1304‧‧‧光學波導
1402‧‧‧耦合器
1418‧‧‧反射塗層
a1‧‧‧光束
a2‧‧‧光束
a3‧‧‧光束
D1-Dk‧‧‧偵測器
e1‧‧‧光束
Ea-EJ‧‧‧發射器
ek‧‧‧光束
圖1係根據一實施例之一光學觸敏裝置之一圖。
圖2係根據一實施例之用於判定觸碰事件之位點之一流程圖。
圖3A至圖3B圖解說明用於與一光束觸碰互動之一受抑TIR機制。
圖3C圖解說明與一光束增強透射之一觸碰互動。
圖4A至圖4C係不同形狀之光束覆蓋區之俯視圖。
圖5A至圖5B係圖解說明由發射器及偵測器之作用區覆蓋範圍之俯視圖。
圖6A至圖6B係包含一側面耦合之光學耦合器總成之一光學觸敏裝置之側視圖。
圖6C至圖6D係包含一側面耦合之光學耦合器總成之一光學觸敏裝置之俯視圖。
圖7A至圖7B係包含一側面耦合之光學耦合器總成之一光學觸敏裝置之側視圖，該光學耦合器總成經組態以將光重新引導至定向為垂直於光學波導之發射器及偵測器中。
圖8A至圖8B係包含一側面耦合之光學耦合器總成之一光學觸敏裝置之側視圖，該光學耦合器總成經組態以透過 一垂直光導管而將光重新引導至定向在與光學波導相反的一方向上之發射器及偵測器中。
圖9A至圖9B係包含一邊緣耦合之光學耦合器總成之一光學觸敏裝置之側視圖。
圖9C至圖9D係包含一邊緣耦合之光學耦合器總成之一光學觸敏裝置之俯視圖。
圖10A至圖10B、圖11A至圖11B及圖12係包含邊緣耦合之光學耦合器總成之光學觸敏裝置之各種實施方案之側視圖，該等光學耦合器總成經組態以將光重新引導至定向在與光學波導相反的一方向上之發射器及偵測器中。
圖13A至圖13B、圖14係包含一光學耦合器總成之一光學觸敏裝置之側視圖，該光學耦合器總成側面耦合至一光學波導且包含邊緣耦合在一起之多個部分。
100‧‧‧光學觸敏裝置
110‧‧‧控制器
120‧‧‧發射器/偵測器驅動電路
130‧‧‧觸敏表面總成
131‧‧‧作用區
140‧‧‧觸碰事件處理
a1‧‧‧光束
a2‧‧‧光束
a3‧‧‧光束
D1-Dk‧‧‧偵測器
e1‧‧‧光束
Ea-EJ‧‧‧發射器
ek‧‧‧光束

Claims (23)

  1. 一種用於與一顯示器一起使用之光學觸敏裝置，該觸敏裝置包括：一平面光學波導，其在該顯示器之一表面上延伸，該波導具有一頂面及一底面；發射器及偵測器，其等沿著該顯示器之一周邊配置且在該波導之該底面下方；一光學耦合器總成，其沿著該顯示器之該周邊定位於該波導下方，該光學耦合器總成將由該等發射器所產生之光束耦合至該波導中及自該波導耦合出至該等偵測器，該等光束經由全內反射(TIR)而傳播通過該波導，其中該波導之該頂面上之觸碰干擾該等光束，該觸敏裝置基於該等干擾而判定觸碰事件，該光學耦合器總成包括：一上表面及一下表面，該上表面及該下表面皆平行於該波導之該底面而被形成，該上表面形成光線自該波導進入或離開至該波導之介面，一斜面(diagonal surface)，該斜面接合該上表面及該下表面並與該下表面成一銳角及與該上表面成一鈍角而形成，該銳角及該鈍角係被測量於該光學耦合器總成內，及其中該斜面及該下表面中之一者形成光線自一發射器或一偵測器進入或離開至該發射器或該偵測器之一介面，該斜面及該下表面中之另一者係於該光學耦合器總 成內光線之TIR發生於其上之一表面。
  2. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成透過該波導之該底面而將該等光束耦合至該波導中及自該波導耦合出。
  3. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成透過該波導之一邊緣而將該等光束耦合至該波導中及自該波導耦合出。
  4. 如請求項3之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成包括複數個刻面表面，該複數個刻面表面包括一刻面表面相對於該波導之該底面成一光學非平行及非垂直角度而定向。
  5. 如請求項4之光學觸敏裝置，其中該等刻面表面之至少一者包括一反射塗層。
  6. 如請求項4之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成經組態以使用TIR而將該等光束之一子組耦合在該波導與該等發射器及偵測器之間。
  7. 如請求項6之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成經組態以使用鏡面反射而將該等光束之一剩餘子組耦合在該波導與該等發射器及偵測器之間。
  8. 如請求項6之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成經組態以使用鏡面反射及TIR而將該等光束之一剩餘子組耦合在該波導與該等發射器及偵測器之間。
  9. 如請求項4之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成經組態以使用鏡面反射及TIR而將該等光束耦合在該波導 與該等發射器及偵測器之間。
  10. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成包括一第一部分及一第二部分，該第一部分側面光學地耦合至該波導，該第二部分毗連耦合至該第一部分，該第二部分光學地耦合至該等發射器及偵測器。
  11. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該等發射器及偵測器經定向以在實質上垂直於該波導之平面之一方向上分別發射及接收光束。
  12. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成經組態使得傳遞經過該光學耦合器之光束在自其等進入該光學耦合器之方向旋轉近似90度之一方向上離開。
  13. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該等發射器及偵測器經定向以在實質上平行於該波導之該平面之一方向上分別發射及接收光束。
  14. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成經組態使得傳遞經過該光學耦合器總成之光束在其等進入該光學耦合器總成之一相同方向上離開。
  15. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成經組態使得傳遞經過該光學耦合器總成之光束在與其等進入該光學耦合器總成之方向成近似成180度之一方向上離開。
  16. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該等光學耦合器總成、發射器及偵測器定位在該顯示器之一側邊緣外面。
  17. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該等發射器及偵測器 定位在該顯示器下面。
  18. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成包括一光導管，該光導管經組態以在實質上垂直於該波導之該平面之一方向上重新引導光束達一距離。
  19. 如請求項18之光學觸敏裝置，其中該光導管包括一或多個反射表面。
  20. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成包括：一平面耦合表面，其中光束透過該耦合表面與相對於來自該波導之該底面之一法線成大於一臨界角之角度而耦合至該波導，使得該等光束全部在該波導內部反射；及一平面光拒斥表面，其中透過該耦合表面以小於該臨界角之角度進入該光學耦合器總成之環境光以小於該臨界角之角度撞擊該平面光拒斥表面並離開該光學耦合器總成。
  21. 如請求項20之光學觸敏裝置，其中該平面光拒斥表面光學地平行於該平面耦合表面，且該光學耦合器總成由具有與該波導相同的一折射率之一材料構成。
  22. 如請求項1之光學觸敏裝置，其包括一紅外光透射層，該紅外光透射層光學地耦合在該波導之該底面與該光學耦合器總成之間，該紅外光透射層經組態以過濾可見環境光。
  23. 如請求項1之光學觸敏裝置，其中該光學耦合器總成包括： 一平面耦合表面，其中光束透過該耦合表面與相對於來自該波導之該底面之一法線成大於一臨界角之角度而耦合至該波導，使得該等光束全部在該波導內部反射；及一光屏蔽表面，其光學耦合在該波導之該底面與該光學耦合器總成之間，該光屏蔽經組態以阻擋透過該波導以小於該臨界角之一角度而入射在該等發射器及偵測器上之環境光。
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