用于光学触摸检测装置的阻挡层和触觉表面特征的制作方法

专利2022-05-09  100


用于光学触摸检测装置的阻挡层和触觉表面特征
1.相关申请的交叉引用
2.本申请要求于2018年8月21日提交的临时申请62/720,585的权益,该临时申请以引用方式并入本文。
技术领域
3.本公开总体上涉及光学触摸检测系统,并且尤其涉及具有触觉特征的触摸表面。


背景技术:

4.用于与计算装置交互的触敏显示器变得越来越普遍。存在用于实现触敏显示器和其他触敏装置的许多技术。这些技术的示例包括例如电阻式触摸屏、表面声波触摸屏、电容式触摸屏和某些类型的光学触摸屏。
5.触敏显示器的用户体验可能会受到各种因素的负面影响。一个此种因素是触摸物体(例如,用户手指)与触敏表面之间的摩擦。例如,来自用户手指的油脂可能与表面相互作用,导致过多摩擦,负面地影响用户的触觉体验。可能出现的另一个问题是来自用户环境的光可能会从触敏表面反射,从而使用户从正在显示的内容分散注意力。例如,用户可能看到他们自己的脸部的反射显得叠加在他们正在处理的文档、他们正在观看的视频等上面。因此,需要改善的触敏表面,以提供改善的触觉体验、减小反射光的影响或两者。


技术实现要素:

6.光学触敏装置具有产生由用户体验的触觉效果的表面。
7.在一方面,光学触敏装置包括具有顶表面的平面光波导结构,该顶表面包括触觉表面特征(即,用户可以感觉到的表面特征)。该装置还包括多个发射器和检测器。发射器和检测器沿波导结构的外围布置。发射器产生的光束经由全内反射(tir)传播通过波导结构到达检测器。在波导结构的顶表面上的触摸会干扰光束,并且触敏装置基于干扰确定触摸事件。
8.在另一方面,波导结构包括平面波导,该平面波导具有平坦的无特征的顶表面以及在该顶表面上的触觉涂层。触觉涂层可以具有与平面波导相同或不同的折射率。触觉涂层可以包括经印刷材料例如经印刷图形边框、着色区或阻塞层。
9.其他方面包括部件、装置、系统、改善、方法、过程、应用、计算机可读介质以及与以上方面中的任一个有关的其他技术。
10.一些实施例涉及一种光学触敏装置,其包括触敏表面、该触敏表面上的表面特征,以及发射器和检测器。在触敏表面上面可检测触摸事件。表面特征相对于没有表面特征减小触摸物体摩擦。发射器可以产生行进穿过触敏表面到达检测器的光束。触敏表面上的触摸会干扰光束。触敏装置基于受干扰的光束确定触摸事件。可以沿触敏表面的外围布置发射器和检测器。在一些实施例中,光束通过耦合器耦合到触敏表面和从触敏表面耦合,使得发射器和检测器不沿外围布置(例如,发射器在触敏表面下方)。
11.在一些实施例中,触敏表面是平面光波导的顶表面。光束经由波导内的全内反射行进穿过触敏表面。
12.在一些实施例中,触敏表面对表面特征的位置处的触摸不敏感。
13.在一些实施例中,表面特征距触敏表面的高度小于光束的渐逝场深度。
14.在一些实施例中,表面特征是波导的一部分并且由波导的形状限定。
15.在一些实施例中,表面特征由与触敏表面的材料不同的材料形成。
16.在一些实施例中,表面特征的折射率小于触敏表面的材料的折射率。
17.在一些实施例中,表面特征包括以下中的至少一种:氟或硅树脂。
18.在一些实施例中,表面特征之间的横向间距不小于典型的人手指脊的大小。
19.在一些实施例中,表面特征包括多孔材料或嵌入的微球。
20.在一些实施例中,触敏表面进一步包括在触敏表面上并且在表面特征中的至少一些之间的填充材料。
21.在一些实施例中,表面特征的一部分包括不平行于触敏表面的平面表面。在一些实施例中,表面特征的一部分包括是三棱柱、棱锥或梯形棱柱中的至少一个的表面特征。
22.在一些实施例中,表面特征的一部分包括圆形表面。在一些实施例中,表面特征的一部分包括是半球或凸块中的至少一个的表面特征。
23.在一些实施例中,触敏装置在表面特征上以及在表面特征之间的触敏表面的部分上包括阻挡层。阻挡层的折射率小于触敏表面的材料的折射率。阻挡层的厚度基于光束的渐逝场深度。在一些实施例中,阻挡层的厚度小于渐逝场深度。
24.在一些实施例中,表面特征随机地布置在触敏表面上。
25.在一些实施例中,表面特征包括被配置为散射入射光的表面。
26.在一些实施例中,触敏装置进一步包括在表面特征上以及在表面特征之间的触敏表面的部分上的抗反射层。在一些实施例中,在表面特征之间的触敏表面的部分上的抗反射层的厚度小于光束的渐逝场深度。
27.在一些实施例中,表面特征的形状、高度或宽度中的至少一个跨触敏表面变化。
28.一些实施例涉及一种光学触敏装置,其包括光波导、发射器和检测器以及阻挡层。光波导具有触敏表面,在该触敏表面上面可检测触摸事件。发射器可以产生光束,该光束经由全内反射行进通过波导到达检测器。触敏表面上的触摸会干扰光束。触敏装置基于受干扰的光束确定触摸事件。阻挡层在触敏表面上方。阻挡层的折射率小于光波导的折射率。阻挡层的厚度小于光束的渐逝场深度。可以沿触敏表面的外围布置发射器和检测器。在一些实施例中,光束通过耦合器耦合到触敏表面和从触敏表面耦合,使得发射器和检测器不沿外围布置(例如,发射器在触敏表面下方)。
29.在一些实施例中,阻挡层的厚度变化,使得阻挡层的一部分的厚度小于渐逝场深度,并且另一部分的厚度大于渐逝场深度。
30.在一些实施例中,光学触敏装置进一步包括在触敏表面上的表面特征,该表面特征相对于不存在表面特征减小触摸物体摩擦。
31.在一些实施例中,表面特征是阻挡层的一部分并且由阻挡层的形状限定。
32.在一些实施例中,表面特征是波导的一部分并且由波导的形状限定。
33.在一些实施例中,表面特征距触敏表面的高度小于光束的渐逝场深度。
34.在一些实施例中,表面特征由与触敏表面的材料不同的材料形成。
35.在一些实施例中,表面特征的折射率小于触敏表面的材料的折射率。
36.在一些实施例中,表面特征之间的横向间距不小于典型的人手指脊的大小。
37.在一些实施例中,表面特征包括以下中的至少一种:氟或硅树脂。
38.在一些实施例中,阻挡层包括多孔材料或嵌入的微球。
39.在一些实施例中,表面特征包括多孔材料或嵌入的微球。
40.在一些实施例中,表面特征的一部分包括不平行于触敏表面的平面表面。在一些实施例中,表面特征的一部分包括是三棱柱、棱锥或梯形棱柱中的至少一个的表面特征。
41.在一些实施例中,表面特征的一部分包括圆形表面。在一些实施例中,表面特征的一部分包括是半球凸块或圆形凸块中的至少一个的表面特征。
42.在一些实施例中,表面特征随机地布置在触敏表面上。
43.在一些实施例中,表面特征的形状、高度或宽度中的至少一个跨触敏表面变化。
44.在一些实施例中,光学触敏装置进一步包括在阻挡层上的抗反射层。在一些实施例中,阻挡层和抗反射层的组合厚度小于渐逝场深度。
附图说明
45.现在将参考附图通过示例的方式描述本发明的实施例,在附图中:
46.图1是根据一个实施例的光学触敏装置的图示。
47.图2是根据一个实施例的用于确定触摸事件的位置的流程图。
48.图3a至图3b示出了根据一些实施例的用于与光束的触摸相互作用的受抑tir机制。
49.图3c示出了根据一个实施例的与光束增强透射的触摸相互作用。
50.图4a至图4c是根据一些实施例的不同形状的光束占位区(footprints)的顶视图。
51.图5a至图5b是示出根据一些实施例的发射器和检测器的有效区域覆盖的顶视图。
52.图6a是示出根据一个实施例的在波导结构的顶表面中的起伏的截面图。
53.图6b是示出根据一个实施例的在波导结构的顶表面中的台阶状表面特征的截面图。
54.图6c是示出根据一个实施例的在波导结构的顶表面中的二元表面特征的截面图。
55.图6d是示出根据一个实施例的在波导结构的顶表面中的分段平坦特征的截面图。
56.图7a至图7h是根据一些实施例的不同类型的二元表面特征的顶视图。
57.图8是根据实施例的光学触敏装置的侧视图,该光学触敏装置具有侧耦合器、带有触觉表面特征的波导结构和阻塞层。
58.图9是根据实施例的光学触敏装置的侧视图,该光学触敏装置具有边缘耦合器、带有触觉表面特征的波导结构和阻塞层。
59.图10a至图10i是示出根据一些实施例的波导结构的表面特征的截面图。
60.图11是示出根据实施例的在波导上的阻挡层的截面图。
61.附图仅出于说明的目的描绘了各种实施例。本领域技术人员将从以下讨论中容易地认识到,在不脱离本文中描述的原理的情况下,可以采用本文中所示的结构和方法的可替代实施例。
具体实施方式
62.i.引言
63.a.装置概述
64.图1是根据一个实施例的光学触敏装置100的图示。光学触敏装置100包括控制器110、发射器/检测器驱动电路120和触敏表面组件130。表面组件130包括在其上面要检测触摸事件的表面131。为了方便起见,即使表面本身可以是完全被动结构(诸如光波导),区域131有时也可以称为有效触摸区域、触敏表面或有效触摸表面。组件130还包括沿有效触摸区域131的外围布置的发射器和检测器(尽管发射器和检测器可以仅沿外围的一部分布置,或者完全不沿外围布置)。在该示例中,存在标记为ea

ej的j个发射器和标记为d1

dk的k个检测器。该装置还包括触摸事件处理器140,可以将其作为控制器110的一部分实现,也可以如图1所示单独实现。标准化api可以用于与触摸事件处理器140进行通信,例如在触摸事件处理器140与控制器110之间,或者在触摸事件处理器140与连接到触摸事件处理器的其他装置之间。
65.发射器/检测器驱动电路120用作控制器110与发射器ej和检测器dk之间的接口。发射器产生由检测器接收的光“束”。优选地,由一个发射器产生的光由多于一个检测器接收,并且每个检测器接收来自多于一个发射器的光。为方便起见,“光束”将是指从一个发射器到一个检测器的光,即使它可能是到达许多检测器的大型光扇的一部分,而不是单独光束。从发射器ej到检测器dk的光束将称为光束jk。图1明确标记了光束a1、a2、a3、e1和ek作为示例。有效区域131内的触摸将干扰某些光束,因此改变在检测器dk处接收到的光束。关于这些改变的数据被传送到触摸事件处理器140,其分析数据以确定表面131上的触摸事件的(多个)位置(和时间)。
66.如图1所示的光学方法的一个优点是,与通过诸如电阻式和电容式传感器的传感器覆盖有效触摸区域的传统触摸装置相比,该方法良好地扩展到更大的屏幕大小。由于发射器和检测器围绕外围定位,因此屏幕大小线性增大了n倍,这意味着与传统触摸装置的n2相比,外围也扩展了n倍。
67.这些触敏装置可以用于各种应用中。触敏显示器是一类应用。这类应用包括用于平板计算机、笔记本计算机、台式机、游戏控制台、智能手机和其他类型的计算装置的显示器。这类应用还包括用于电视、数字标牌、公共信息、白板、电子阅读器的显示器和其他类型的优良分辨率的显示器。然而,这些触敏装置也可以在较小或较低分辨率的显示器上使用:较简单的区域电话、用户控件(复印机控件、打印机控件、器具控件等)。这些触敏装置也可以用于显示器以外的其他应用。在其上面检测到触摸的“表面”可以是被动元件,诸如印刷图像或仅仅是一些坚硬表面。该应用可用作用户界面,类似于轨迹球或鼠标。
68.b.过程概述
69.图2是根据一个实施例的用于确定触摸事件的特性(例如,位置)的流程图。将使用图1的装置来示出该过程。过程200被大致分为两个阶段,这两个阶段将被称为物理阶段210和处理阶段220。概念上,两个阶段之间的分界线是一组透射系数tjk。
70.透射系数tjk是与没有和光束相互作用的触摸事件时透射的光束进行比较,从发射器j到检测器k的光束的透射率。使用此特定度量仅是示例。可以使用其他度量。特别地,由于我们对中断光束最感兴趣,由于逆度量通常为0,因此可以使用逆度量诸如(1

tjk)。其
他示例包括吸收、衰减、反射或散射的度量。另外,尽管使用tjk作为物理阶段210和处理阶段220之间的分界线解释了图2,但是并不需要明确计算tjk。也不需要对物理阶段210和处理阶段220之间进行明确划分。而且注意tjk可以具有时间方面。
71.回到图2,物理阶段210是从物理设置确定tjk的过程。处理阶段220从tjk确定触摸事件。因为图2所示的模型在某种程度上将物理设置和基础物理机制与后续处理分开,所以该模型在概念上是有用的。
72.例如,物理阶段210产生透射系数tjk。用于触敏表面组件130的许多不同的物理设计是可能的,并且取决于最终应用,将考虑不同的设计折衷。例如,发射器和检测器可以更窄或更宽、更窄角度或更宽角度、各种波长、各种功率、相干或不相干等等。作为另一个示例,可以使用不同类型的多路复用以允许来自多个发射器的光束由每个检测器接收。
73.框210的内部示出了过程210的一种可能的实现方式。在该示例中,发射器将光束发射(transmit)212到多个检测器。行进穿过触敏表面的光束中的一些受到触摸事件的干扰。检测器以多路复用光学形式接收214来自发射器的光束。对接收到的光束进行解复用216,以将单独光束jk彼此区分开。然后确定218每个单独光束jk的透射系数tjk。
74.处理阶段220也可以以许多不同的方式实现。候选触摸点、线成像、位置插值、触摸事件模板和多遍方法都是可以用作处理阶段220的一部分的技术的示例。
75.ii.物理设置
76.可以以多种不同方式实现触敏装置100。以下是设计变更的一些示例。
77.a.电子器件
78.关于电子方面,注意图1本质上是示例性的和功能性的。来自图1中不同框的功能可以在同一部件中一起实现。
79.b.触摸相互作用
80.可以使用用于与光束的触摸相互作用的不同机制。一个示例是受抑全内反射(tir)。在受抑tir中,光束通过全内反射被限制于光波导,并且触摸相互作用以某种方式干扰全内反射。图3a至图3b示出了用于与光束的触摸相互作用的受抑tir机制。在图3a中,以虚线示出的光束通过光学透明的平面波导302从发射器e行进到检测器d。光束通过全内反射被限制于波导302。波导可以由例如塑料或玻璃构成。在图3b中,与透明波导302接触的物体304(诸如手指或触控笔)具有比通常围绕波导的空气更高的折射率。在接触区域上面,由物体引起的折射率增加会干扰波导内光束的全内反射。全内反射的干扰增加了从波导泄漏的光,从而衰减了穿过接触区域的任何光束。对应地,物体304的移除将停止穿过的光束的衰减。穿过触摸点的光束的衰减将导致检测器处的功率降低,从此可以计算出降低的透射系数tjk。
81.注意,除了存在触摸之外,一些类型的触摸相互作用可以用于测量接触压力或触摸速度。还注意,代替降低透射或除了降低透射之外,一些触摸机制可能增强透射。图3c示出了与光束的触摸相互作用的增强透射。图3c是顶视图。发射器ea通常产生由检测器d1接收的光束。当没有触摸相互作用时,ta1=1且ta2=0。然而,触摸相互作用304阻塞光束到达检测器d1并且将被阻塞的光中的一些散射到检测器d2。因此,检测器d2从发射器ea接收的光比通常情况下更多。因此,当存在触摸事件304时,ta1减小并且ta2增大。
82.为了方便起见,可以有时将触摸相互作用机制分类为二元或模拟的。二元相互作
用是一种基本上具有两种可能的响应作为触摸函数的相互作用。示例包括非阻塞和完全阻塞,或非阻塞和10% 衰减,或未受抑和受抑tir。模拟相互作用是一种对触摸具有“灰度”响应的相互作用:非阻塞穿过部分阻塞到阻塞的渐变。
83.c.发射器、检测器和耦合器
84.每个发射器将光发射到多个检测器。通常,每个发射器同时向多于一个检测器输出光。类似地,每个检测器可以从多个不同的发射器接收光。光束可以是可见、红外(ir)和/或紫外光(uv)。术语“光”旨在包括所有这些波长,并且术语诸如“光学的”应作相应解释。
85.用于发射器的光源的示例包括发光二极管(led)和半导体激光器。也可以使用ir源。光束的调制可以是外部的或内部的。用于检测器的传感器元件的示例包括电荷耦合装置、光电二极管、光敏电阻器、光电晶体管和非线性全光检测器。
86.除了主光源、传感器元件之外,发射器和检测器还可以包括光学器件和/或电子器件。例如,发射器和检测器可以结合或附接到透镜以散布和/或准直发射或入射的光。另外,可以使用变化设计的一个或多个光学耦合组件(耦合器)以用于将发射器和检测器耦合到波导。波导、耦合器和任何插入的光学元件都具有类似的折射率,该折射率比空气的折射率高,以有助于在每个光束的整个光路中实现tir。可以使用具有与波导和耦合器类似的折射率的粘合剂将这些元件物理地耦合在一起。可替代地,在沿光路的各个点处,在元件之间可以存在气隙来代替粘合剂。
87.d.光束路径
88.触敏系统的另一方面是光束和光束路径的形状和位置。在图1至图2中,光束示为线。这些线应解释为代表光束,但光束本身可以是不同的形状和占位区。图4a至图4c是不同形状的光束占位区的顶视图。在图4a中,点发射器和点检测器产生具有线状占位区的狭窄“铅笔”光束。在图4b中,点发射器和宽检测器(反之亦然)产生具有三角形占位区的扇形光束。在图4c中,宽发射器和宽检测器产生“矩形”光束,其矩形占位区的宽度相当恒定。取决于占位区的宽度,透射系数tjk表现为二元或模拟量。如果透射系数随着触摸点穿过光束从一个极值相当突然地转变到另一个极值,则为二元的。例如,如果光束非常窄,则光束将完全被阻塞或完全不被阻塞。如果光束为宽的,则随着触摸点穿过光束光束可能会被部分阻塞,从而产生更加模拟的行为。
89.光束在横向(水平)方向以及垂直方向两者上都可能具有占位区。光束的横向占位区可以与光束的水平占位区相同或不同。
90.从发射器发射并由检测器接收的光的方向和散布可以与旨在覆盖有效区域131的光束占位区的散布或角度不同。为了使光束成形以实现预期的占位区,可以将透镜附接到发射器和检测器。例如,点发射器和点检测器可以与透镜结合使用以在水平或竖直方向上散布光束。
91.图5a至图5b是示出发射器和检测器的有效区域覆盖的顶视图。如上所述,发射器和检测器沿有效区域的外围布置。所有的发射器可以布置在有效区域的两侧上,例如,如图5a所示的两个相邻的垂直侧上。类似地,所有的检测器可以布置在有效区域的另两侧上。可替代地,可以根据如图5b所示的图案来混合或交错发射器和检测器。该图案可以是每个检测器之间一个发射器,或者是另一种更复杂的布置。
92.在大多数实现方式中,尽管可能没有从每个发射器到每个检测器的光束,但是每
个发射器和每个检测器将支持多个光束路径。来自一个发射器(或到一个检测器)的所有光束的占位区的总和将被称为该发射器(或检测器)的覆盖区域。可以汇总所有发射器(或检测器)的覆盖区域,以获得系统的整体覆盖。
93.可以使用不同的量来描述单独光束的占位区:空间范围(即,宽度)、角度范围(即,发射器的辐射角、检测器的接收角)和占位区形状。从一个发射器到一个检测器的单独光束路径可以通过发射器的宽度、检测器的宽度和/或定义发射器和检测器之间的光束路径的角度和形状来描述。发射器的覆盖区域可以通过发射器的宽度、相关检测器的总和宽度和/或定义来自发射器的光束路径的总和的角度和形状来描述。注意,单独占位区可能会重叠。(发射器的占位区之和)/(发射器的覆盖面积)之比是重叠量的一种度量。
94.所有发射器的总覆盖区域应覆盖整个有效区域131。然而,并非有效区域131内的所有点都将被相等地覆盖。一些点可能被许多光束路径遍历,而其他点被少得多的光束路径遍历。可以通过计算在有效区域内遍历不同的(x,y)点的光束路径的数量来表征有效区域131上面的光束路径的分布。光束路径的取向是分布的另一方面。从都沿大致同一方向延伸的三个光束路径得出的(x,y)点通常比由都彼此相距60度角延伸的三个光束路径遍历的点的分布更弱。
95.上面针对发射器描述的概念也适用于检测器。检测器的覆盖区域是由检测器接收的光束的所有占位区的总和。
96.e.多路复用
97.由于多个发射器将多个光束发射到多个检测器,并且由于通常期望单独光束的行为,因此使用了多路复用/解多路复用方案。例如,每个检测器通常输出指示入射光强度的单个电信号,而不管该光是来自一个发射器产生的一个光束还是来自许多发射器产生的许多光束。然而,透射率tjk是单独光束jk的特性。
98.可以使用不同类型的多路复用。取决于所使用的多路复用方案,光束的透射特性(包括其内容以及其何时透射)可能会发生变化。因此,多路复用方案的选择可能影响光学触敏装置的物理构造及其操作两者。多路复用的示例包括码分多路复用、频分多路复用、时分多路复用。通常与光学系统一起使用的其他多路复用技术包括波分多路复用、偏振多路复用、空间多路复用和角度多路复用。电子调制方案(诸如psk、qam和ofdm)也可能应用于区分不同的光束。若干种多路复用技术也可以一起使用。
99.iii.处理阶段
100.在图2的处理阶段220中,透射系数tjk用于确定触摸点的位置。可以使用不同的方法和技术,包括候选触摸点、线成像、位置插值、触摸事件模板、多遍处理和光束加权。
101.iv.波导结构
102.a.触觉表面特征
103.光学触敏装置100的有效区域可以包括光波导结构。波导结构可以是刚性的或柔性的。波导结构的顶表面(也称为触敏表面)包括触觉表面特征,其将表面形貌从连续平面改变为不同高度的小(例如,亚毫米)区。如下面进一步描述的,这些区可以是台阶(也称为二元特征或平坦平台)、圆形凸块或任何其他合适形状。可替代地,波导可以具有复杂的起伏表面。例如,此表面可以具有随机或伪随机高度轮廓。用户可以随着他们的手指跨表面移动直接感觉到触觉表面特征,或者用户可以间接感觉到触觉表面特征(例如,随着触控笔跨
表面移动)。表面特征可通过减小触摸物体(例如,手指或触控笔)与波导结构的触摸表面之间的摩擦来增强用户交互。表面特征还可以向用户给予有关用户跨表面的运动的一些反馈。
104.在一些情况下,特定特征可能会标记表面上的特定位置,例如有效区域的边缘或拐角或中心。然后,触觉反馈可以向用户提供有关其在表面上的定位的信息。
105.人的手指通常无法可靠地检测到高度小于大约10nm的表面特征。相反,具有高度大于100μm的特征的表面通常被认为是非常粗糙的。因此,在各种实施例中,策略性的表面特征的高度在10nm和100μm之间的范围内。
106.图6a至图6d示出了具有不同类型的触觉表面特征的波导结构的示例。图6a是具有起伏的顶表面602的波导结构600的截面图。因为起伏不连续,所以顶表面602具有连续变化的高度。局部起伏可以通过各种参数来表征,诸如局部梯度、局部曲率和局部倾斜角(即,相对于平坦底表面的角度)。起伏的顶表面还可以通过各种参数来表征,包括基于局部参数的量。示例包括最大统计量、平均统计量和其他统计量(例如,标准偏差)。因此,起伏的顶表面可以通过最大梯度或该梯度的平均和标准偏差来表征。最高点和最低点之间的高度差609(最大高度变化)是表征表面的另一个参数。
107.相反,当设计顶表面602时,可以在这些量上施加某些约束。光束使用tir行进通过波导结构600。即,以大于临界角的角度撞击顶表面或底表面的光束将反射离开该表面。如果顶表面和底表面平行,则光束将无限期地经历tir(理论上)。然而,起伏602导致顶表面并不总是平行于底表面。
108.与其中顶表面和底表面平行的波导相比,这会导致tir效率降低。第一,特别是取决于顶表面602的构造,顶表面可能导致更多的散射。第二,顶表面的局部倾斜可能导致光束以小于临界角的角度撞击,因此失去tir,或以随后将失去tir的角度反射。
109.第三,起伏可以减小物体604和波导结构600之间的接触量。通过受抑tir来检测顶表面上的触摸事件。也就是说,波导结构中来自tir的渐逝波被接触物体干扰。即使当接触物体与波导结构600稍微分离时,也会发生该受抑tir,但是增加间隔将降低效果。例如,如图6a所示,当手指604触摸顶表面602的局部顶峰606时,这防止了手指接触顶表面602上的其他相邻点。在该示例中,最大间隔距离608是从手指604到局部槽。该距离608优选地足够小,以使得手指604仍在渐逝场内,使得手指604仍将干扰在波导结构600中传播的光束。
110.图6b是波导结构610的截面图,其中顶表面612具有台阶状表面特征。因为表面特征的台阶高度离散变化,所以表面特征是台阶状的。在该示例中,台阶具有许多不同的高度,并且这些高度甚至可以具有对其高度的某些随机性元素,尽管在其他设计中,台阶可以具有两个、三个或另一个有限数量的不同高度。对于这种类型的表面,诸如梯度和曲率的量不太有用。相反,有用的参数包括台阶高度(相邻台阶之间的高度差,诸如614)和最大高度变化619。在图6c中,顶表面622是二元表面,这意味着它由两个不同高度的台阶构成。对于二元表面,台阶高度和最大高度变化是相同的629。
111.台阶状表面特征也会导致tir效率降低,但这是出于不同的原因。例如,台阶状表面的斜率没有变化。顶表面始终分段平行于底表面。然而,台阶之间的竖直壁可能导致渐晕或散射,而且还会通过使入射在竖直表面上的光折射出波导并进入空气中而导致直接损耗。倾斜表面(而不是竖直表面)通常引起更易于清洁的表面,因为没有陡峭的侧面沟槽以
保留污垢、油等。
112.图6d是波导结构630的截面图,其中顶表面622是分段平坦的。其他变化将是显而易见的,例如具有图6a至图6d的连续变化特征、台阶状特征和分段平坦特征的组合的顶表面。
113.图6a至图6d示出了用于触觉表面特征的不同类型的高度变化(z轴线上的变化)。触觉表面特征也可以具有不同的横向设计(在x、y平面上)。图7a至图7f是示出用于二元表面的不同类型的横向设计的顶视图。在这些图中,阴影线区域表示一个台阶高度,并且白色区域表示其他台阶高度。使用二元表面是因为它最容易说明,但是这些概念可以延展到其他类型的表面。
114.在一些实施例中,触觉表面特征在顶表面上在横向上非周期性地间隔开,并且可以具有对间隔的随机性的某种要素。在其中触敏表面是触敏显示器的一部分的配置中,周期性图案可能导致对由显示器像素矩阵(可能位于波导下方并产生图像或其他显示要素)生成的光产生不必要的干涉效果。例如,表面特征图案和由像素矩阵生成的光之间的相互作用可能导致不期望的干涉。非周期性表面特征可以减小此种不利的相互作用,并且还可以通过在一定角度范围内分散反射能量来提供防眩功能。
115.在图7a和图7b中,横向图案主要在一个方向上具有变化。在图7a中,相对较窄的条纹被放置成以沿水平方向产生变化。通过非周期性地放置条纹、改变条纹的宽度和/或形状(或中间的白色区域)和/或以略微不同的角度倾斜条纹,可以添加一些随机性。在图7b中,条纹图案还包含关于表面上的位置的一些信息。条纹的频率朝向有效区域的中心较高。在另一个变体中,条纹的占空比可以根据表面上的位置而变化。朝向表面中心的阴影线条纹覆盖的区域的百分比可能较高,而朝向边缘的区域的百分比较低。不同的变化方向也是可能的。变化可以在触敏表面上从左到右发生,或者在触敏表面上从上到下发生。其他方向性也是可能的(例如,左下到右上)。
116.图7c至图7f示出了二维图案的示例。图7c大致基于两个交叉的一维图案。图7d是圆形岛的散射。这些岛不位于规则网格上,但是它们的大小和间距从有效区域的中心移动到边缘大致增加。图7e也是岛的散射,但是形状为矩形并且大小和取向随机变化。图7f是概念的组合。基本图案类似于图7d,但是有长的矩形标记边缘并且中心方形岛标记中心。
117.图7g至图7h示出了基于径向坐标的示例。在图7g中,表面特征围绕共同的中心点大致居中。在图7h中,表面特征从共同的中心点大致放射状地发散。
118.基于类似概念的图案也可以应用于非二元表面。在一些实现方式中,制造过程可将方向性赋予表面特征。制造过程的示例包括热压印(特别是用于聚合物波导)、模制、纳米光刻、机加工和蚀刻(可以以这种方式处理玻璃波导)。横向图案也可以通过以下参数来表征:大小(宽度、高度、直径)、面积、间距、图案频率、百分比覆盖等。
119.因为顶表面高度的起伏或台阶变化可能为经由tir在波导中行进的光创建位置,从而以比波导的临界角更大的角度入射在波导的顶表面,因此波导结构顶表面的变化通常不利于tir。为了减小波导的顶表面的变化的影响,顶表面的高度变化优选地大到足以被人类触觉检测到,但是否则高度改变相对较小。例如,如果顶表面高度起伏,则表面角的变化率被限制在阈值变化率之内。可替代地,如果顶表面高度以离散的步长改变,则高度的步长改变被限制在阈值步长高度之内。这两者通常都取决于总体光学预算。在一些实施例中,来
自具有触觉表面特征的波导结构的损耗优选地将不超过来自平坦波导(没有触觉表面特征)的损耗的十倍,并且更优选地将不超过该损耗的四倍。
120.由表面特征引起的光损耗量与表面特征的高度(也称为表面调制深度)有关。在所有其他条件相同的情况下,增加表面特征的高度通常导致大量的光损耗。因此,可以将一组表面特征(例如,二元表面)设计为足够高以提供期望的触觉效果,但是足够低以使得检测器检测到足够量的光(例如,尽管表面特征造成一些光损耗,但仍可辨别出触摸事件)。
121.当表面特征的高度足够小时,可以减少光损耗的量。高度小于在波导中传播的光的波长的表面特征相对于平坦的波导表面通常导致很少或没有光损耗。例如,高度小于光波长的一半的表面特征对通过波导的传播没有实质影响。高质量的光学面镜可能具有λ/4(其中λ是波长)的表面平坦度,因此明显,此数量级的表面高度变化与低反射损耗一致。尽管没有明确定义的边界高度,在该高度以上,表面高度的变化将强烈影响反射光水平,但通常认为λ/2或更小的变化不会对镜面反射具有显著影响。因此,在其中近红外(ir)范围内的光(具有~1000nm的波长)的实施例中,表面特征可以具有在10nm与500nm之间的高度,而不会引起可用于触摸检测的光量的显著劣化。注意,如前所述,具有这些高度的表面特征在人的手指可感知的范围内。
122.表面上的表面特征的量也影响漏光量。通常,增加表面特征的数量增加光损耗的总量。因此,可以将表面特征设计为覆盖足够的波导,以为用户提供触感,但又不足以将由表面特征导致的漏光量保持在可接受的范围内。例如,将离散的表面特征印刷在波导上,使得特征所覆盖的累积表面积小于总表面积的5%。表面特征覆盖的累积表面积的百分比可以根据实现方式和期望的性能而变化。优选地,用于触摸的接触面积不减小到小于具有平坦波导(没有触觉表面特征)的情况下的接触面积的一半。注意,如果表面特征之间的空间巨大(例如,数百微米),则皮肤和许多合适的笔材料的顺应性质可使它们与触敏的表面特征之间的表面积中的许多进行接触。
123.如前所述,表面特征的形状也可能影响漏光量。具有定义的成角度边缘的形状(诸如三角形和正方形)可能比具有软边缘或圆形表面的形状(诸如坡道和半圆形)泄漏更多的光。由于光撞击顶表面的角度可以影响光束的tir,因此在一些实现方式中,可以选择边缘平行于波导底表面的表面特征,而不选择边缘不平行于底表面的特征。具有平缓倾斜表面的特征相比具有垂直表面的特征可减少漏光。因此,在一些实现方式中,具有倾斜边缘的特征不会大大改变在波导中传播的光的仰角,这些特征可能比边缘更优选。
124.在一个实施例中,起伏的阈值变化率和/或阈值台阶高度小于渐逝波延伸超过顶表面的距离,使得接触物体仍与渐逝波相互作用。该距离通常在光的波长的量级。对于起伏表面,可以选择顶表面的阈值变化率,使得任何给定起伏的峰和谷之间的高度差在光波长的数量级内。对于台阶状表面,可以将阈值台阶高度选择为在光的波长的数量级内,并且更优选地小于波长或小于波长的一半。因此,如前所述,因为特征太小而不能与光相互作用,所以特征对于传播的光的tir可能影响很小或没有影响。如果触摸相互作用具有一些顺应性,则由于这些特征在接触时会压缩,因此可以容纳更大的表面特征高度,从而降低了它们的有效特征高度。
125.关于横向图案,横向图案的间距(例如,起伏的峰之间的横向距离或台阶之间的横向距离)可以大于通过tir在波导中传播的光的波长。在各种实施例中,触觉表面特征之间
的横向间距为典型的人的手指的大小的数量级。在一些实施例中,触觉表面特征之间的横向间距为典型的指纹脊的大小的数量级,该指纹脊通常在200μm至850μm的范围内。在一些实施例中,特征之间的间距不小于典型的人手指脊的大小。然而,间距也足够小以产生期望的触觉效果。例如,触觉表面特征的平均横向大小可以小于典型的人的手指的大小但是大于光束的波长。如果在波导结构下面有显示模块(如图8和图9所示),那么触觉表面特征的横向大小也可能取决于显示模块的像素大小。对于大的显示模块,触觉表面特征可以显著小于显示像素的面积(例如,10%或更小),从而减小了所显示的图像的失真。一侧上的典型像素大小范围从大约50μm至大约500μm。
126.图10a至图10f示出了根据一些实施例的具有不同类型的触觉表面特征的波导结构的另外的示例。表面特征可以是突起1002或凹部1022。除其他性质外,突起1002和凹部1022可以由形状、高度、宽度和间距表征。尽管对于图10a至图10f中的波导中的每个,这些特性中的每个都是恒定的,但是这些特性可以跨波导表面变化。例如,突起1002或凹部1022之间的间距可以根据距波导边缘的距离而变化。作为其他示例,表面特征的形状、高度或宽度可以跨波导表面变化。可替代地,突起1002或凹部1022可以被随机地或伪随机地间隔开(例如,表面特征被设计为辊上的表面,该辊被赋予通过其上的膜(例如,波导))。
127.表面特征可以是波导的一部分(例如,如图10a中所见)或放置在波导表面的顶部上(例如,如图10b中所见)。例如,突起1002可以被印刷在波导的表面上。在另一个示例中,表面特征是放置在波导表面上的薄膜的一部分。可以以许多方式来实现产生图案化表面,诸如压印、热压印、uv纳米平版印刷、光刻、蚀刻(例如反应性离子蚀刻)以及选择性沉积方法(诸如喷墨印刷和喷涂)。
128.图10a是具有三角形突起1002(例如,三维的三棱柱或棱锥)的波导结构1000的截面图。如先前所论述,突起1002的形状可不同于图10a中所见的那些形状。例如,突起1002可以是矩形的(例如,三维的矩形棱柱)或半圆形的(例如,三维的半球凸块或圆形凸块)。图10b是具有突起1002的波导结构1010的截面图,突起1002已被添加到波导的顶表面(例如,经由印刷)。图10c是具有凹部1022的波导结构1020的截面图。图10i是具有半圆形突起1002的波导结构1010的截面图。
129.在一些实施例中,表面特征由低折射率材料制成。因此,在波导中传播的感测光反射(例如,经由tir)离开波导与低折射率材料之间的边界,使得由于表面特征而有极少光损耗或没有光损耗。低折射率材料是折射率小于波导的折射率,并且通常显著小于波导的折射率的材料。例如,折射率的降低足以在波导中感测光的任何预期仰角(相对于表面)下支持tir。例如,将折射率为1.36的uv固化液体应用于折射率为1.50的玻璃基板,可以支持仰角最大为25度的tir(入射角大于65度)。
130.例如,典型的波导由玻璃(n=1.5)或聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma)(n=1.49)制成。在该背景下,示例低折射率材料是气凝胶(主要是空气的多孔材料),或者是具有空气填充且比波导中的光的波长小得多的嵌入微球的材料(例如,聚合物)(例如,参见图10f中的材料1042)。在这两个示例中,有效折射率是固体材料的折射率(例如,n=1.41或更高)和空气的折射率(n=1.00003)的混合。因此,这些材料的有效折射率可以显著低于波导的折射率。低折射率材料的另一个示例包括具有氟的固体材料。这些氟材料可以具有足够低的折射率以在与波导的边界处引起tir。例如聚四氟乙烯(ptfe)的折射率为1.35。其他示例低折射率
的材料包括硅树脂(例如,n=1.4至1.46)。
131.在一个实施例中,波导包括低折射率材料的10μm高圆形凸块,其通过将手指从波导表面抬起短距离而引起摩擦减小。材料的低折射率导致感测光经由tir在与波导的边界处反射,因此极少或没有感测光由于凸块而损耗。例如,通过由喷墨印刷沉积低折射率材料(例如,随后通过暴露于紫外光而固化的低折射率液体)来形成凸块。
132.由于在波导中传播的光经由tir反射离开波导和低折射率材料之间的边界,因此波导可能对表面特征位置处的触摸事件不敏感(例如,如果表面特征的高度为2μm或更大)。然而,如果特征的累积表面积相对于触摸表面的总表面积足够小(例如,如果特征之间的间距显著大于特征的大小),则这没有问题。假设是这种情况,装置仍可以在所期望分辨率下检测到触摸事件。例如,具有20μm侧面的正方形占位区的间隔开200μm的表面特征仅覆盖触摸表面总面积的1%。如果表面特征的高度小于通过感测触摸事件的波导传播的光的渐逝场深度,则可以进一步减轻表面特征对触摸灵敏度的影响。在这种情况下,因为触摸物体(例如,手指)干扰了渐逝场,导致光能的损耗,所以感测光仍然受到表面特征上的触摸的影响。通常,厚度为2μm或更大的特征渲染得波导对触摸不敏感,而如果特征的厚度小于2μm,则可以检测到触摸。
133.图10d是具有斜面突起1002的波导结构1030的截面图。如上所论述,由于斜面突起1002具有倾斜的表面,所以与具有更尖锐的边缘的形状(诸如正方形)相比,它们可以减少从波导1030的漏光量。与具有垂直表面的特征相比,倾斜表面的附加优点是可以减少表面上捕获的油和污染物的量。它们还可以使表面更易于清洁。在一些实施例中,斜面突起1002具有45μm的宽度和/或10μm至20μm的高度。
134.图10e和图10f是在突起1002之间具有填充材料1042的波导结构1040的截面图。可以将填充材料1042放置在突起1002之间(或在凹部1022中)以产生减少来自波导的眩光的表面。例如,图10f中的填充材料1042包括微球,其可以增加填充材料的暴露表面的表面粗糙度。微球可以是填充有气体(例如,空气)的填充材料中的小空隙,其半径为(或小于)可见光的波长的数量级。因此,整个填充区域的折射率可以在填充材料的折射率和微球内的气体的折射率之间的某处。
135.填充材料1042可以通过以下示例工艺形成。将可固化液体施加到成型表面,然后进行处理以确保突起1002的顶部不存在液体(或至少在其上更薄)(例如,通过使结构化表面在卷对卷工艺上在辊下经过)。然后将液体暴露于固化剂(诸如uv光)以固化填充材料1042。通常在固化期间将发生一些收缩,并且这有利于使突起1002站立在固化的填充材料1042上方。此后,可以应用可选的粗糙化工艺,诸如使用仅对固化的填充材料1042腐蚀并且不对基板1040或1050腐蚀的试剂进行蚀刻。蚀刻通常留下粗糙表面。如果填充材料1042包括微球,则蚀刻可部分暴露微球,这也增加了表面粗糙度。因为粗糙化工艺使表面成为入射可见光的漫反射器,而对波导中的感测光没有漫射效果,所以在填充材料1042上产生粗糙表面的工艺是有利的。
136.b.多部分波导结构
137.在一些实现方式中,波导结构由多个部分构造。在一种方法中,波导结构包括平面波导,其具有平坦无特征的顶表面(即,平坦平行的顶表面和底表面),在平面波导的顶表面上具有触觉涂层。触觉涂层可以具有与平面波导匹配的折射率。在一些实施例中,触觉涂层
是具有触觉表面特征的触觉膜(例如,透光膜)。可以使用上述方法(或合适的可替代方法)来制造触觉涂层,并然后将其附连到波导结构的平坦无特征的顶表面。例如,可以将透光膜作为固体层施加到平面波导。可替代地,它可以作为液体施加,该液体然后固化成具有表面特征的层。在一些实现方式中,将触觉涂层作为单独的层围绕波导结构的外围施加。触觉涂层可包括经印刷材料,例如经印刷的图形边框、着色区或阻塞层。
138.图8是具有侧耦合器802以及波导结构804和阻塞层812的光学触敏装置800的侧视图。波导结构804包括具有平坦无特征的顶表面的平面波导810,并且还包括触觉涂层814。在图8的示例中,阻塞层812插入在平面波导810的顶表面与触觉涂层814的下侧之间。在其他实施例中,阻塞层812可以位于触觉涂层814的顶部上,而不是在其下方。可替代地,在该区域中可以没有触觉涂层814,其中阻塞层812直接位于平面波导810的顶部上。
139.波导结构804通过光耦合器组件(或耦合器)802光学耦合到发射器和检测器806。检测器和发射器806被取向为分别在平行于波导结构804的顶表面和底表面的方向上接收和发射光,使得光在与波导结构804内的传播方向基本相同的横向方向上离开发射器并进入检测器。在图8中,耦合器802侧面耦合到波导结构804的底表面。光学触敏装置800还可以包括印刷电路板(pcb)808和显示模块816。在该示例中,波导810和涂层814两者都延伸超过触敏表面的有效区域。
140.阻塞层812阻塞环境光830到达发射器/检测器806。从有效区域上面的触觉涂层814到阻塞层812上面的材料的转变优选是水平的,使得不能感觉到触觉边界。阻塞层812上面的涂层814可以是光滑的,而不是有意地触觉的。在一种实现方式中,阻塞层812对于可见光以及ir光束两者均是不透明的。例如,阻塞层812可以是反射层以反射掉环境光830。可替代地,阻塞层812可以是吸收外部光的吸收层。触觉涂层814允许阻塞层812移动到波导810的顶表面,而不会由于阻塞层而引入触觉边缘。这继而允许在检测器、发射器和耦合器中更大的设计自由度。
141.图9是具有边缘耦合器902以及波导结构804和阻塞层912的光学触敏装置的侧视图。与图8相比,检测器和发射器806被取向为分别在垂直于波导810的顶表面和底表面的方向上接收和发射光,使得光在相对于波导结构804中的传播方向旋转90度的方向上离开发射器。耦合器902被边缘耦合到波导结构804的侧边缘表面。在该示例中,阻塞层912位于涂层814的顶部上,而不是如图8所示在涂层814和波导810之间。
142.c.防眩光表面特征
143.如前所述,触觉表面特征可通过减小摩擦并提供触觉反馈来改善用户交互体验。触觉表面特征还可以通过扩散或散射光来减少触敏表面的眩光。换句话说,表面特征可以干扰表面上的光的光谱反射。
144.为了减少眩光,表面特征可以具有入射在表面上的可见光的波长的量级的尺寸(例如,高度、宽度、长度、表面积、大小等)。具体地,由于可见光波长在大约400nm至700nm的范围内,因此表面特征的尺寸可以是数十、数百或数千nm长。例如,减少眩光的表面特征具有可以300nm至200μm的高度调制。在一些实施例中,感测光的波长长于可见光(例如,近红外)。因此,具有可见波长量级的大小的表面特征可以有利地干扰可见光的镜面反射,同时在更长的感测波长处基本上保持镜面反射。
145.表面特征可以具有各种表面角度以使入射光在不同方向上散射。例如,参考图
10b,三角形的斜率对于每个突起1002(或一组突起1002)可以是不同的。如果使用图10b的精确几何形状,则结果将是三个基本上镜面反射(一个来自波导的顶表面,并且一个对应于三角形表面特征的每个侧面)。圆形凸块还固有地提供了可以在不同方向上散射光的各种表面角度。波导可包括多于一种的表面特征形状(例如,三角形、凸块和斜面)。为了进一步减少眩光,可以在波导上以随机(或伪随机)顺序布置表面特征。例如,蚀刻工艺可以形成具有随机特征的粗糙表面,该随机特征在各个方向上散射光。
146.d.抗反射层
147.波导可具有抗反射层以抑制光反射。防眩特征使入射到表面的光漫射,而抗反射层则经由干涉效应减小或消除了从表面反射的光量。抗反射层通常包括低折射率材料(折射率小于波导的材料)。抗反射层可以降低波导的触摸灵敏度,因为触摸物体未与波导直接接触,从而降低了其对tir的影响。为了解决这个问题,抗反射层的厚度可以选择为小于渐逝场深度,使得触摸事件仍然会减小波导内反射的光能的量。附加地或可替代地,抗反射层的厚度可以变化(包括在一些区域中完全不存在),使得触摸表面的区比其他区受抗反射层的影响小。触觉表面特征可以部分或全部由抗反射材料制成。
148.在一些实施例中,抗反射层包括减小在层界面处的折射率的改变量的一个或多个层。例如,为了减小空气(n=1.003)和波导(例如,n=1.5)之间的折射率改变,将具有n=1.3的材料布置在波导上。这减少了反射光的总量,并且可以被称为折射率匹配。优选地,给定层的折射率是给定层下方的材料的折射率的平方根。例如,如果波导具有n=1.5,则抗反射层的折射率为在波导上添加材料可增加波导表面的tir临界角。因此,减小了感测光经由tir在波导中传播的角度范围。因此,此类方法涉及在减少来自波导外部的反射与在关于用于波导内感测光的角度的柔性之间进行折衷。
149.在其他实施例中,抗反射层是干涉涂层,其通过形成彼此异相的反射光束来减少反射。图10g和图10h是根据一些实施例的具有抗反射层的波导结构1060的截面图。图10g示出了在抗反射层1062的表面和波导1060的表面处反射的光束1064。由于抗反射层1062的厚度,所以反射的光束异相一半波长,并因此具有相消干涉。由于可见光具有一定范围的波长(~400nm至700nm),所以抗反射层可以具有许多层,这些层具有不同的折射率和厚度,以对多个可见波长产生相消干涉(例如,参见图10h)。
150.尽管在单独的小节中描述了触觉表面特征、防眩光表面特征和抗反射层,但是波导可以包括这些部件的任何组合。在具有抗反射层的实施例中,抗反射层通常是最外层。如图10h所示,波导1060可以包括突起1002(触觉表面特征)和抗反射层1072。注意,尽管突起1002在图10h中被抗反射层1072覆盖,但是特征仍然足够地存在于顶表面上以减小触觉摩擦。此外,尽管本文中的实施例在检测波导上的触摸事件的情境中描述,但是波导不是必需的。例如,感测光可以在触摸表面(例如具有表面特征)上面行进,以检测与触摸表面接触(或靠近触摸表面)的触摸物体,其中触摸表面结构提供触觉效果、防眩光行为或防反射行为中的一种或多种。
151.e.用于薄波导的应用
152.如前所述,触觉表面特征、防眩光表面特征和抗反射层可以降低波导的触摸灵敏度,这意味着触摸物体衰减感测光的光能的量小于它对于平波导表面的反射量。在一些情况下,降低触摸灵敏度可能是有利的,尤其是对于薄波导。
153.在一些实施例中,可能期望减小波导的厚度(例如,成本、大小和重量的减小)。然而,随着波导的厚度减小,波导可能变得更容易受到表面污染(即使对于正常和预期量的表面污染)。其他因素保持恒定,随着波导厚度的减小,波导中感测光的内部反射数量将增加。具体而言,光束将每2t/tanθ米反射离开顶表面,其中t为波导厚度,并且θ为感测光相对于波导表面的仰角。例如,如果仰角为16
°
并且波导为3.2mm厚,则感测光每22.32mm遇到顶表面(如果波导为1m宽,则发生44.8次反射)。但是,如果波导为0.4mm厚,则感测光每2.79mm遇到顶表面(如果波导为1m宽,则发生358次反射)。由于通过波导的透射是每次反射的复合透射,因此,即使每次反射的损耗很小,大量的反射也可能导致较低的光透射。当污染物(诸如油)沉积在表面上时,在波导表面的大面积上可能发生小的损耗。例如,每次反射损耗1%(例如,由污染引起),则对于3.2mm波导,总透射率为0.99^44.8=63.7%,但是对于0.4mm波导,总透射率仅为0.99^358=2.7%。因此,较薄的波导特别容易受到污染。
154.低折射率阻挡层(例如,包括触觉表面特征的层)可以解决该问题,从而减小了薄波导的污染损耗的影响。图11示出了具有阻挡层1102的波导1104的横截面。感测光束1108经由tir传播通过波导。如图所示,阻挡层1102比渐逝场深度1106(也称为渐逝场高度)更薄。阻挡层可以具有与渐逝场深度有关的厚度并且被选择为使得对于任何给定的反射事件,期望比例的感测光可用于触摸检测。例如,如果阻挡层比渐逝场深度稍薄,则渐逝场的仅该部分(例如,总光能的10%)将受到触摸波导的物体的影响。类似地,由于表面污染所引起的幻影触摸,可能仅损耗了光能的该比例。阻挡层的厚度可以在整个触摸表面上是连续的,或者可以被图案化以在厚度上变化(例如,用于附加的防眩光效果或触觉效果)。以这种方式进行图案化提供了控制波导的最终灵敏度的另一种方式。
155.为给出特别示例,在5mm厚度的示例波导中,以30度的仰角传播的光在1.73米的跨度上从触摸表面反射100次。如果整个波导接触表面都覆盖有一些污染材料(例如,手指油),则每次反射都将导致光能的损耗。即使假设该损耗为1%,因为该损耗与波导跨度上的反射数复合在一起,所以这仍然是显著的。实际上,在100次反射的情况下,这对应于遍历整个1.73米跨度的光能的仅36.6%。尽管这对于正常工作的触摸传感器是合理的,但如果波导厚度代替地仅为0.5mm,则对于相同的1.73m跨度,反射数将增加到1,000。在这种情况下,仅0.0043%的光遍历整个跨度,从而严重损害了触摸传感器的功能。
156.然而,在0.5mm厚的波导的触摸表面上添加阻挡层,使得在触摸表面上仅10%的渐逝能量可用,可以减小每次反射的污染损耗。例如,如果损耗从1%减小到0.1%,则36.8%的光遍历0.5mm波导的整个跨度,这与为5mm波导(无阻挡层)获得的结果类似。换句话说,由阻挡层引起的灵敏度的降低减小了由污染引起的损耗,使得触摸装置对触摸表面的污染不太敏感,这继而使得能够使用更薄的波导。附加地或可替代地,可以增加表面上的触摸不敏感的触觉表面特征的数量,以降低波导的触摸灵敏度,并且类似地减小表面污染物的影响。表面特征可以形成在阻挡层的下方或上方。在一些实施例中,表面特征由与阻挡层相同的材料制成。
157.v.附加事项
158.附图仅出于说明的目的描绘了本发明的实施例。本领域技术人员将从以下讨论中容易地认识到,在不脱离本文中描述的本发明的原理的情况下,可以采用本文中所示的结构和方法的可替代实施例。
159.在阅读了本公开之后,本领域技术人员将通过本文中公开的原理来理解另外的可替代结构和功能设计。因此,尽管已示出和描述了特别实施例和应用,但是应当理解,所公开的实施例不限于本文中公开的精确构造和部件。在不脱离所附权利要求书所限定的精神和范围的情况下,可以在本文中公开的方法和设备的布置、操作和细节中进行对本领域技术人员而言显而易见的各种修改、改变和变化。

技术特征:
1.一种光学触敏装置,其包括:具有触敏表面的光波导,在所述触敏表面上面可检测触摸事件;发射器和检测器,所述发射器被配置为产生光束,所述光束经由全内反射行进通过所述波导到达所述检测器,其中在所述触敏表面上的触摸干扰所述光束,所述触敏装置基于所述受干扰的光束确定触摸事件;以及在所述触敏表面上方的阻挡层,其中所述阻挡层的折射率小于所述光波导的折射率,并且其中所述阻挡层的厚度的一部分小于所述光束的渐逝场深度。2.根据权利要求1所述的光学触敏装置,其中所述阻挡层的厚度变化,使得所述阻挡层的所述部分的厚度小于所述渐逝场深度,并且另一部分的厚度大于所述渐逝场深度。3.根据权利要求1所述的光学触敏装置,其中所述光学触敏装置进一步包括在所述触敏表面上的表面特征,所述表面特征被配置为相对于不存在表面特征减小触摸物体摩擦。4.根据权利要求3所述的光学触敏装置,其中所述表面特征是所述阻挡层的一部分并且由所述阻挡层的形状限定。5.根据权利要求3所述的光学触敏装置,其中所述表面特征是所述波导的一部分并且由所述波导的形状限定。6.根据权利要求3所述的光学触敏装置,其中所述表面特征距所述触敏表面的高度小于所述光束的渐逝场深度。7.根据权利要求3所述的光学触敏装置,其中所述表面特征由与所述触敏表面的材料不同的材料形成。8.根据权利要求3所述的光学触敏装置,其中所述表面特征的折射率小于所述触敏表面的材料的折射率。9.根据权利要求3所述的光学触敏装置,其中表面特征之间的横向间距不小于典型的人手指脊的大小。10.根据权利要求3所述的光学触敏装置,其中所述表面特征包括氟或硅树脂中的至少一种。11.根据权利要求1所述的光学触敏装置,其中所述阻挡层包括多孔材料或嵌入的微球。12.根据权利要求3所述的光学触敏装置,其中所述表面特征包括多孔材料或嵌入的微球。13.根据权利要求3所述的光学触敏装置,其中所述表面特征的一部分包括不平行于所述触敏表面的平面表面。14.根据权利要求13所述的光学触敏装置,其中所述表面特征的所述部分包括是三棱柱、棱锥或梯形棱柱中的至少一个的表面特征。15.根据权利要求3所述的光学触敏装置,其中所述表面特征的一部分包括圆形表面。16.根据权利要求15所述的光学触敏装置,其中所述表面特征的所述部分包括是半球凸块或圆形凸块中的至少一个的表面特征。17.根据权利要求3所述的光学触敏装置,其中所述表面特征被随机地布置在所述触敏表面上。18.根据权利要求3所述的光学触敏装置,其中所述表面特征的形状、高度或宽度中的
至少一个跨所述触敏表面变化。19.根据权利要求1所述的光学触敏装置,其中所述光学触敏装置进一步包括在所述阻挡层上的抗反射层。20.根据权利要求19所述的光学触敏装置,其中所述阻挡层和所述抗反射层的组合厚度小于所述渐逝场深度。
技术总结
光学触敏装置包括触敏表面,在该触敏表面上面可检测触摸事件。该装置还包括在表面上的表面特征,其相对于不存在表面特征减小触摸物体摩擦。发射器和检测器沿触敏表面的外围布置。发射器可以产生行进穿过触敏表面到达检测器的光束。触敏表面上的触摸干扰光束,并且触敏装置基于受干扰的光束确定触摸事件。表面特征还可以被布置成通过漫射光来减少眩光。在一些实施例中,抗反射层在触敏表面和表面特征的顶部上。顶部上。顶部上。


技术研发人员:R
受保护的技术使用者:贝奇克有限公司
技术研发日:2019.08.21
技术公布日:2021/6/29

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