基于光柵結(jié)構(gòu)與補償光源的光波導式光學觸摸屏的制作方法
【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 補償光源的光波導式光學觸摸屏。
【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，但是不耐磨損，透光率低并且反應速度慢；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，需要導體做 觸控，使用環(huán)境局限，且對溫度濕度接地等環(huán)境要求高（參見http://www.sunonway.com/ chumopin/1092.htm)。而紅外觸摸屏因為采用紅外光源，對人眼無影響，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)射與接受感測原件構(gòu)成，并在屏幕表面形成紅外探 測網(wǎng)，任何觸摸物體均可改變觸電上的紅外線進而被轉(zhuǎn)化成觸控的位置坐標。很明顯，這種 觸控不強制要求必須是手指，只要是任何可以阻擋光線的實物都可以產(chǎn)生觸摸，具有交互 方便和不受可見光干擾的優(yōu)點。但同樣的，紅外的發(fā)射光源成本高，且實際應用中，對系統(tǒng) 的穩(wěn)定性要求極高，不論哪一個紅外發(fā)射管出現(xiàn)問題，都將影響到觸摸屏的靈敏及準確性。 并且，由于紅外光源一般為點光源，需要一定的厚度和長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，也就是人機交互必須是 接觸式的，但對于掛壁式大屏幕觸摸屏，或者一些公共場合的觸摸屏，這種零距離接觸式操 作無疑限制了操作者的人機互動自由和屏幕的大小。市場上現(xiàn)有的非接觸式交互是基于計 算機視覺的人機交互，其利用計算機實時處理攝像頭所拍攝的視頻信息，對人體實現(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， 且不適用于移動顯示式的小屏幕和精細控制(參見http: //www.microsoft.com/en-us/ kinectforwindows/)〇
[0004] 目前有一種基于光柵的光波導式觸摸屏（專利【申請?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題，但顯示光在經(jīng)過光柵和手指的反射之后，光 強明顯下降，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光波導，不僅對生產(chǎn)成本造成壓力，對光柵的制作也是不小 的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光柵的光波導式觸摸 屏，更具體的是在傳統(tǒng)背光中加入對人眼不敏感的補償或者獨立光源，用于耦合并成為檢 測光，從而可以提高觸控光信號強度，該觸摸屏在改善觸控靈敏度，觸點準確度的基礎(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。
[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)與補償光源的光波導式光學觸摸屏，包括透明保護層、光波導 層、背光源和導光板，其特點在于，還包括分別設置在所述的光波導層的相對兩側(cè)壁上的光 電探測器、設置在所述的光波導層上的光柵和補償光源，所述的光波導層是由沿X方向和Y 方向的透明光波導構(gòu)成光波導矩陣。
[0008] 所述的光柵將補償光源的光轉(zhuǎn)化為沿著光波導層傳播的波導模式信號光，當產(chǎn)生 觸控時，觸控點對應的波導中的波導模式信號光的強弱變化被所述的光電探測器接收，并 轉(zhuǎn)化為電流信號。
[0009] 優(yōu)選的，距離觸摸屏使用者由近及遠依次是所述的透明保護層、光波導層、光柵， 液晶層、背光板光學膜、導光板和反射板，在靠近所述的導光板處設置所述的補償光源和背 光源，所述的光柵完全覆蓋在所述的光波導層的表面，所述的補償光源與背光源共用所述 的導光板，補償光源的波長小于450nm。
[0010] 所述的補償光源發(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依次是所述的透明保護層、液晶層、背光 板光學膜、第二導光板、光波導層、光柵、第一導光板和反射板，在靠近所述的液晶層的第二 導光板處設置所述的背光源，在遠離所述的液晶層的第一導光板處設置所述的補償光源， 所述的光柵完全覆蓋所述的光波導層的表面，補償光源是波長大于700nm的可見光長波長 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依次是所述的透明保護層、光波導層、液 晶層、背光板光學膜、導光板和反射板，在靠近所述的導光板處設置所述的補償光源和背光 源，所述的光柵覆蓋在所述的光波導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)補償光源的波段范圍選擇，保證補償光源能耦合進所述的 光波導層。
[0015] 所述的補償光源單獨控制時，使用周期性工作的脈沖的工作方式，其發(fā)光時間應 控制在液晶顯示屏像素刷新時間以內(nèi)。
[0016] 所述的相鄰的光波導之間具有平行的金屬或者導電線條，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] 所述的補償光源不應對觸摸屏的顯示色彩及人眼的觀察效果產(chǎn)生影響；其波長范 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] 所述的光柵將補償光源全部或部分耦合入波導中傳播，并最終被光電探測器檢測 到。
[0019] 所述的補償光源和背光源可以分開控制，補償光源可以周期性的點亮，其周期應 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)明通過補償光源的使用，克服了現(xiàn)有技術(shù)中背光源在短波長的發(fā)光效率低 下，從而造成耦合光強太弱，觸控響應信號不靈敏的問題。同時可以通過周期性點亮的工作 方式，降低能耗以及補償光源可能對人眼觀看顯示內(nèi)容所帶來的干擾。
【附圖說明】
[0022] 圖1人眼的視覺暫留示意圖
[0023] 圖2用于背光源的LED光譜
[0024] 圖3人眼對可見光的明視場響應曲線
[0025] 圖4垂直入射下，周期為360納米的光柵± 1級衍射
[0026] 圖5垂直入射下，周期為750納米的光柵±1級衍射
[0027] 圖6基于光柵結(jié)構(gòu)與補償光源的光波導式光學觸摸屏的實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖
[0028] 圖7實施例1的光源設置
[0029] 圖8實施例1的照度模擬
[0030] 圖9基于光柵結(jié)構(gòu)與補償光源的光波導式光學觸摸屏的實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖
[0031] 圖10基于光柵結(jié)構(gòu)與補償光源的光波導式光學觸摸屏的實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖
[0032] 圖11實施例3的一種光源放置方式
[0033] 圖12實施例3的一種光柵放置方式
[0034] 圖13實施例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，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā) 明作進一步詳細說明，應當理解，此處所描述的具體實施例僅用于解釋此發(fā)明，并不用于限 定本發(fā)明的保護范圍。
[0036] 根據(jù)布拉格相位條件，光柵波導的正負一級親合公式如公式（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為波導內(nèi)部的入射角，T為 光柵周期，波導有效折射率為Neff，波導材料的折射率為ni，對于+1級衍射，公式（1)取正 號，對于-1級衍射，公式（1)取負號。并且有0e[0j)。則對任意的波導，應有ni>Nrff>n(1， 因此公式（1)可表示為公式（2)。
[0040] 為了使+1級衍射光成為波導中的耦合光，化簡公式⑵可得其對應的光柵周期T 應滿足以下條件：
[0042] 同樣的，為了使一 1級衍射光成為波導中的耦合光，化簡公式（2)可得其對應的光 柵周期T應滿足以下條件：
[0044] 其中，A為真空中的入射光波長。
[0045] 由公式⑶和公式⑷可知，當入射角0和光柵周期T確定時，此波導中一級衍射 光被耦合得入射光波長被唯一確定。為了說明原理，本實施方式不考慮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)可化簡為公式（