基于光柵結(jié)構(gòu)與補(bǔ)償光源的光波導(dǎo)式光學(xué)觸摸屏的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信息顯示技術(shù)領(lǐng)域的交互式觸控技術(shù)，特別是一種基于光柵結(jié)構(gòu)與 補(bǔ)償光源的光波導(dǎo)式光學(xué)觸摸屏。
【背景技術(shù)】
[0002] 觸摸屏根據(jù)技術(shù)原理的不同可以歸結(jié)為：電阻式，電容式，表面聲波和紅外式。電 阻式觸摸屏具有不怕污染和低成本優(yōu)勢(shì)，但是不耐磨損，透光率低并且反應(yīng)速度慢；表面 聲波觸摸屏防污差，發(fā)射換能器易碎，使用壽命短；電容觸摸屏抗電磁干擾差，需要導(dǎo)體做 觸控，使用環(huán)境局限，且對(duì)溫度濕度接地等環(huán)境要求高（參見(jiàn)http://www.sunonway.com/ chumopin/1092.htm)。而紅外觸摸屏因?yàn)椴捎眉t外光源，對(duì)人眼無(wú)影響，擁有高靈敏度和穩(wěn) 定性，較好的內(nèi)置或外置效果使得其不影響顯示器的外觀，防暴性能優(yōu)良。目前市場(chǎng)上的紅 外觸摸屏由裝載在觸摸屏上的紅外線發(fā)射與接受感測(cè)原件構(gòu)成，并在屏幕表面形成紅外探 測(cè)網(wǎng)，任何觸摸物體均可改變觸電上的紅外線進(jìn)而被轉(zhuǎn)化成觸控的位置坐標(biāo)。很明顯，這種 觸控不強(qiáng)制要求必須是手指，只要是任何可以阻擋光線的實(shí)物都可以產(chǎn)生觸摸，具有交互 方便和不受可見(jiàn)光干擾的優(yōu)點(diǎn)。但同樣的，紅外的發(fā)射光源成本高，且實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)系統(tǒng) 的穩(wěn)定性要求極高，不論哪一個(gè)紅外發(fā)射管出現(xiàn)問(wèn)題，都將影響到觸摸屏的靈敏及準(zhǔn)確性。 并且，由于紅外光源一般為點(diǎn)光源，需要一定的厚度和長(zhǎng)度才能讓光均勻分布，不能滿足輕 薄和小尺寸便攜的要求。
[0003] 上述觸摸屏技術(shù)都要求控制者與顯示屏零距離接觸操作，也就是人機(jī)交互必須是 接觸式的，但對(duì)于掛壁式大屏幕觸摸屏，或者一些公共場(chǎng)合的觸摸屏，這種零距離接觸式操 作無(wú)疑限制了操作者的人機(jī)互動(dòng)自由和屏幕的大小。市場(chǎng)上現(xiàn)有的非接觸式交互是基于計(jì) 算機(jī)視覺(jué)的人機(jī)交互，其利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理攝像頭所拍攝的視頻信息，對(duì)人體實(shí)現(xiàn)精確 定位，比如我們熟知的kinect體感游戲，這種非接觸式觸控縱然有效，但其成本是較高的， 且不適用于移動(dòng)顯示式的小屏幕和精細(xì)控制(參見(jiàn)http: //www.microsoft.com/en-us/ kinectforwindows/)〇
[0004] 目前有一種基于光柵的光波導(dǎo)式觸摸屏（專利【申請(qǐng)?zhí)枴?01310750534. 1)，這種觸 摸屏雖然能解決屏幕的反射和輕薄性的問(wèn)題，但顯示光在經(jīng)過(guò)光柵和手指的反射之后，光 強(qiáng)明顯下降，由于除了顯示光源外未加入其他光源，這種觸摸屏的效率及觸控靈敏度較低。 另一方面，由于光柵需要覆整個(gè)光波導(dǎo)，不僅對(duì)生產(chǎn)成本造成壓力，對(duì)光柵的制作也是不小 的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光柵的光波導(dǎo)式觸摸 屏，更具體的是在傳統(tǒng)背光中加入對(duì)人眼不敏感的補(bǔ)償或者獨(dú)立光源，用于耦合并成為檢 測(cè)光，從而可以提高觸控光信號(hào)強(qiáng)度，該觸摸屏在改善觸控靈敏度，觸點(diǎn)準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上， 有效地保留了顯示器的原本顯色，降低環(huán)境光的干擾，極大程度地改善了用戶體驗(yàn)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0007] -種基于光柵結(jié)構(gòu)與補(bǔ)償光源的光波導(dǎo)式光學(xué)觸摸屏，包括透明保護(hù)層、光波導(dǎo) 層、背光源和導(dǎo)光板，其特點(diǎn)在于，還包括分別設(shè)置在所述的光波導(dǎo)層的相對(duì)兩側(cè)壁上的光 電探測(cè)器、設(shè)置在所述的光波導(dǎo)層上的光柵和補(bǔ)償光源，所述的光波導(dǎo)層是由沿X方向和Y 方向的透明光波導(dǎo)構(gòu)成光波導(dǎo)矩陣。
[0008] 所述的光柵將補(bǔ)償光源的光轉(zhuǎn)化為沿著光波導(dǎo)層傳播的波導(dǎo)模式信號(hào)光，當(dāng)產(chǎn)生 觸控時(shí)，觸控點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)中的波導(dǎo)模式信號(hào)光的強(qiáng)弱變化被所述的光電探測(cè)器接收，并 轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。
[0009] 優(yōu)選的，距離觸摸屏使用者由近及遠(yuǎn)依次是所述的透明保護(hù)層、光波導(dǎo)層、光柵， 液晶層、背光板光學(xué)膜、導(dǎo)光板和反射板，在靠近所述的導(dǎo)光板處設(shè)置所述的補(bǔ)償光源和背 光源，所述的光柵完全覆蓋在所述的光波導(dǎo)層的表面，所述的補(bǔ)償光源與背光源共用所述 的導(dǎo)光板，補(bǔ)償光源的波長(zhǎng)小于450nm。
[0010] 所述的補(bǔ)償光源發(fā)光二極管與背光源發(fā)光二極管交替排列。
[0011] 另一優(yōu)選的，距離觸摸屏使用者由近及遠(yuǎn)依次是所述的透明保護(hù)層、液晶層、背光 板光學(xué)膜、第二導(dǎo)光板、光波導(dǎo)層、光柵、第一導(dǎo)光板和反射板，在靠近所述的液晶層的第二 導(dǎo)光板處設(shè)置所述的背光源，在遠(yuǎn)離所述的液晶層的第一導(dǎo)光板處設(shè)置所述的補(bǔ)償光源， 所述的光柵完全覆蓋所述的光波導(dǎo)層的表面，補(bǔ)償光源是波長(zhǎng)大于700nm的可見(jiàn)光長(zhǎng)波長(zhǎng) 段或紅外波段。
[0012] 另一優(yōu)選的，距離觸摸屏使用者由近及遠(yuǎn)依次是所述的透明保護(hù)層、光波導(dǎo)層、液 晶層、背光板光學(xué)膜、導(dǎo)光板和反射板，在靠近所述的導(dǎo)光板處設(shè)置所述的補(bǔ)償光源和背光 源，所述的光柵覆蓋在所述的光波導(dǎo)層的上表面的任意一側(cè)或下表面的任意一側(cè)。
[0013] 所述的光柵沿著觸摸屏中心方向傾斜，材料選擇金屬或非金屬。
[0014] 所述的光柵的周期根據(jù)補(bǔ)償光源的波段范圍選擇，保證補(bǔ)償光源能耦合進(jìn)所述的 光波導(dǎo)層。
[0015] 所述的補(bǔ)償光源單獨(dú)控制時(shí)，使用周期性工作的脈沖的工作方式，其發(fā)光時(shí)間應(yīng) 控制在液晶顯示屏像素刷新時(shí)間以內(nèi)。
[0016] 所述的相鄰的光波導(dǎo)之間具有平行的金屬或者導(dǎo)電線條，該線條的寬度小于5微 米，厚度小于100納米，材料為鋁、銀、銅或石墨烯。
[0017] 所述的補(bǔ)償光源不應(yīng)對(duì)觸摸屏的顯示色彩及人眼的觀察效果產(chǎn)生影響；其波長(zhǎng)范 圍根據(jù)觸摸屏結(jié)構(gòu)的不同，可選擇不同的波段范圍。
[0018] 所述的光柵將補(bǔ)償光源全部或部分耦合入波導(dǎo)中傳播，并最終被光電探測(cè)器檢測(cè) 到。
[0019] 所述的補(bǔ)償光源和背光源可以分開(kāi)控制，補(bǔ)償光源可以周期性的點(diǎn)亮，其周期應(yīng) 小于液晶顯示屏刷新的周期。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：
[0021] 本發(fā)明通過(guò)補(bǔ)償光源的使用，克服了現(xiàn)有技術(shù)中背光源在短波長(zhǎng)的發(fā)光效率低 下，從而造成耦合光強(qiáng)太弱，觸控響應(yīng)信號(hào)不靈敏的問(wèn)題。同時(shí)可以通過(guò)周期性點(diǎn)亮的工作 方式，降低能耗以及補(bǔ)償光源可能對(duì)人眼觀看顯示內(nèi)容所帶來(lái)的干擾。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1人眼的視覺(jué)暫留示意圖
[0023] 圖2用于背光源的LED光譜
[0024] 圖3人眼對(duì)可見(jiàn)光的明視場(chǎng)響應(yīng)曲線
[0025] 圖4垂直入射下，周期為360納米的光柵± 1級(jí)衍射
[0026] 圖5垂直入射下，周期為750納米的光柵±1級(jí)衍射
[0027] 圖6基于光柵結(jié)構(gòu)與補(bǔ)償光源的光波導(dǎo)式光學(xué)觸摸屏的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖
[0028] 圖7實(shí)施例1的光源設(shè)置
[0029] 圖8實(shí)施例1的照度模擬
[0030] 圖9基于光柵結(jié)構(gòu)與補(bǔ)償光源的光波導(dǎo)式光學(xué)觸摸屏的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖
[0031] 圖10基于光柵結(jié)構(gòu)與補(bǔ)償光源的光波導(dǎo)式光學(xué)觸摸屏的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖
[0032] 圖11實(shí)施例3的一種光源放置方式
[0033] 圖12實(shí)施例3的一種光柵放置方式
[0034] 圖13實(shí)施例3側(cè)邊光柵觸摸屏仿真結(jié)構(gòu)及其背光均勻度模擬
【具體實(shí)施方式】
[0035] 為了更加清楚地闡述發(fā)明目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā) 明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋此發(fā)明，并不用于限 定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0036] 根據(jù)布拉格相位條件，光柵波導(dǎo)的正負(fù)一級(jí)親合公式如公式（1)所不：
[0038] 其中，&是真空中的波數(shù)，n(l是入射介質(zhì)的折射率，0為波導(dǎo)內(nèi)部的入射角，T為 光柵周期，波導(dǎo)有效折射率為Neff，波導(dǎo)材料的折射率為ni，對(duì)于+1級(jí)衍射，公式（1)取正 號(hào)，對(duì)于-1級(jí)衍射，公式（1)取負(fù)號(hào)。并且有0e[0j)。則對(duì)任意的波導(dǎo)，應(yīng)有ni>Nrff>n(1， 因此公式（1)可表示為公式（2)。
[0040] 為了使+1級(jí)衍射光成為波導(dǎo)中的耦合光，化簡(jiǎn)公式⑵可得其對(duì)應(yīng)的光柵周期T 應(yīng)滿足以下條件：
[0042] 同樣的，為了使一 1級(jí)衍射光成為波導(dǎo)中的耦合光，化簡(jiǎn)公式（2)可得其對(duì)應(yīng)的光 柵周期T應(yīng)滿足以下條件：
[0044] 其中，A為真空中的入射光波長(zhǎng)。
[0045] 由公式⑶和公式⑷可知，當(dāng)入射角0和光柵周期T確定時(shí)，此波導(dǎo)中一級(jí)衍射 光被耦合得入射光波長(zhǎng)被唯一確定。為了說(shuō)明原理，本實(shí)施方式不考慮0 >〇的斜入射情 況，只討論0= 0的正入射情況。在這種情況下，公式（3)和公式（4)可化簡(jiǎn)為公式（