基于光柵的光學(xué)觸控屏的制作方法
【專利摘要】一種基于光柵的光學(xué)觸控屏，包括玻璃基板、光柵、光波導(dǎo)層、光接收器和透明保護(hù)層，本發(fā)明在液晶顯示系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用光柵的衍射，使通過彩色濾光片的顯示光中特定波長的光成為可在波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)牟▽?dǎo)模，以此作為觸控的檢測光，光柵周期與濾光片中不同子像素一一對應(yīng)。本方案無需額外提供光源，節(jié)約成本，有效提高顯示光的色純度。檢測光是像素中的三原色之一，提高了觸控精度，觸控精度可達(dá)像素級別。
【專利說明】基于光柵的光學(xué)觸控屏
【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)，特別是具有光柵和波導(dǎo)陣列，并且光柵周期和顯示器件的像素陣列對應(yīng)的一種基于光柵耦合和波導(dǎo)傳光的觸控技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]觸控技術(shù)根據(jù)技術(shù)原理的不同,主要有聲(表面聲波技術(shù))、光(紅外技術(shù)，光學(xué)技術(shù)，全息觸控)、電(電阻式和電容式)、壓(矢量壓力傳感技術(shù))四種變量感知方式。依據(jù)聲光電壓這四種變量感知技術(shù)，當(dāng)前市場上商業(yè)化的主流觸摸屏產(chǎn)品有:(I)電阻觸摸屏；
[2]電容觸摸屏；(3)表面聲波觸摸屏；(4)紅外觸摸屏。
[0003]電阻觸摸屏是在玻璃面板的外側(cè)貼上導(dǎo)電薄膜，通過按壓改變按壓電的導(dǎo)電性能，感知位置信息。電阻屏用廉價的硬筆或硬物(如指甲)就可以在上面書寫，使用方便，精度可以達(dá)到顯示屏的像素精度。但是，導(dǎo)電薄膜會因?yàn)殚L時間受到外力作用而產(chǎn)生劃痕和磨損，造成屏幕顯示效果越來越差。
[0004]電容觸摸屏是在玻璃面板的內(nèi)側(cè)用半導(dǎo)體工藝或印刷工藝在玻璃或薄膜上形成一個電容層，當(dāng)用手指觸摸到玻璃面板的外側(cè)時，會引起電容的變化，由此感知位置信息。電容屏的理論精度能達(dá)到l_2mm，但由于手指或電容筆的筆頭都較粗，實(shí)際很難定位至1-2mm的范圍，屏幕對手指和電容筆的感知精度不高，在電容屏上不易寫出較小號的字體。
[0005]表面聲波觸摸屏由聲波發(fā)生器、反射器和聲波接收器組成，聲波發(fā)生器能發(fā)送一種高頻聲波跨越屏幕表面，當(dāng)手指觸及屏幕時，觸點(diǎn)上的聲波即被阻止，由此確定坐標(biāo)位置。表面聲波觸摸屏不受溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，分辨率高，壽命長。但不便應(yīng)用于超過30寸的熒幕，且由于該技術(shù)無法加以封裝，容易受到表面臟污及水分的破壞。
[0006]紅外觸摸屏由裝載觸摸屏上的紅外線發(fā)射與接收感測原件構(gòu)成，如圖2所示，在屏幕表面上形成紅外線探測網(wǎng)，任何觸摸物體可改變觸點(diǎn)上的紅外線進(jìn)而被轉(zhuǎn)化成觸控的坐標(biāo)位置。詳細(xì)原理在美國專利US5162783以及國內(nèi)許多專利都有描述。紅外觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)是可用手指、筆或任何可阻擋光線的物體來觸摸；高度的穩(wěn)定性，不會因?yàn)闀r間、環(huán)境的變化產(chǎn)生漂移等。但需要提供紅外線發(fā)射光源，故成本高。由于共用外圍電路，所有紅外發(fā)射管“光-電阻特性”和“結(jié)電容”都要保持一致。實(shí)際應(yīng)用中，若某個或多個紅外線發(fā)射管出現(xiàn)問題，都將影響觸摸屏的定位性能。同時，紅外發(fā)射管有一個發(fā)射角，接收管有較大范圍的接收角，如果周圍反射到一定程度，就會影響觸控精度，且分辨率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于液晶顯示系統(tǒng)的基于光柵的光學(xué)觸控屏，該觸控屏在提高觸控精度的同時，改善顯示器的顯色性、通過降低反射率提高顯示器可讀性,并能有效節(jié)約成本。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0009]一種用于液晶顯示系統(tǒng)的基于光柵的光學(xué)觸控屏，其特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括透明基板、光柵、光波導(dǎo)層、透明保護(hù)層和光接收器，在液晶顯示系統(tǒng)之上，依次設(shè)置透明基板、光波導(dǎo)和透明保護(hù)層，所述的光柵內(nèi)嵌在所述的光波導(dǎo)層中、或內(nèi)嵌在所述的透明基板，或者所述的光柵單獨(dú)一層位于所述的光波導(dǎo)層和所述的透明基板之間，所述的光接收器與所述光波導(dǎo)層相鄰安裝。
[0010]所述的光波導(dǎo)層分為上光波導(dǎo)層和下光波導(dǎo)層，所述的光柵單獨(dú)一層置于上光波導(dǎo)層和下光波導(dǎo)層之間，或者嵌入所述的上光波導(dǎo)層中或下光波導(dǎo)層中。
[0011]所述的上光波導(dǎo)層和下光波導(dǎo)層是一維或者二維的波導(dǎo)陣列，當(dāng)所述的上光波導(dǎo)層的波導(dǎo)陣和下光波導(dǎo)層的波導(dǎo)陣列都是一維并且兩個波導(dǎo)陣列垂直時，相應(yīng)的光柵為二維結(jié)構(gòu)；當(dāng)所述的上光波導(dǎo)層的波導(dǎo)陣和下光波導(dǎo)層的波導(dǎo)陣列都是一維并且平行時，相應(yīng)的光柵為一維結(jié)構(gòu)。
[0012]所述的光柵位置與彩色濾光片中紅、綠和藍(lán)三色像素的一種或多種陣列相對應(yīng)。
[0013]所述的光柵周期方向沿著所述的光波導(dǎo)層的波導(dǎo)的行進(jìn)方向，優(yōu)選光柵周期方向和光波導(dǎo)平行。
[0014]所述的光接收器安裝在所述光波導(dǎo)層的兩個相鄰邊或者直接位于光波導(dǎo)層的上方，每一個探測器至少對應(yīng)一個波導(dǎo)；所述的光接收器貼附在光波導(dǎo)層的側(cè)面，或直接貼附在光波導(dǎo)層的頂面或者底面；所述的光波導(dǎo)層的光波導(dǎo)陣列為一維時，光接收器放置在光波導(dǎo)的兩端；
[0015]當(dāng)所述的光波導(dǎo)層的光波導(dǎo)為二維時，光接收器放置在二維光波導(dǎo)陣列的四個邊。
[0016]所述的光接收器和光波導(dǎo)層的接觸面具有帶通濾光片或者染料。
[0017]所述的光波導(dǎo)之間設(shè)置高反射的銀、鋁或銅線條。
[0018]所述的光波導(dǎo)的材料是單層材料或多層材料，所述的光波導(dǎo)材料折射率是單一的或漸變的。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0020]本發(fā)明在彩色濾光片的基礎(chǔ)上使用光柵耦合顯示光，觸控精度可以達(dá)到顯示屏的像素精度；無需額外提供發(fā)射光源，節(jié)約成本；納米光柵的使用，不影響顯示效果的同時，還提高了色純度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明第一種基于光柵的光學(xué)觸控屏結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為一維光波導(dǎo)與光接收器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3 (a)為波長440nm入射光的波導(dǎo)耦合效率的探測示意圖。
[0024]圖3 (b)為波長440nm入射光的及波導(dǎo)耦合效率隨角度變化曲線圖。
[0025]圖4為二維光波導(dǎo)與光接收器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖5為本發(fā)明第二種基于光柵的光學(xué)觸控屏結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖6為本發(fā)明第三種基于光柵的光學(xué)觸控屏結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖7為CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值曲線圖。
[0029]圖8為光柵周期458nm時透射光和耦合光相對輻射功率圖。
[0030]圖9為本發(fā)明第一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。[0031]圖10為本發(fā)明第二種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖11為本發(fā)明第三種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖中:201-玻璃基板，202-光柵，203-光波導(dǎo)層，204-透明保護(hù)層，205-光接收器,206-彩色濾光片，207-偏光板
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0035]一種基于光柵的光學(xué)觸控屏，包括基板，光柵，光波導(dǎo)層，光接收器和透明保護(hù)層，其特點(diǎn)在于在液晶顯示系統(tǒng)之上，依次放置透明基板、光柵、光波導(dǎo)以及透明保護(hù)層，如圖1所示。
[0036]所述的光柵可以內(nèi)嵌在波導(dǎo)或者透明基板，或者單獨(dú)一層位于波導(dǎo)和基板之間。所述的光柵可以是浮雕型也可以是鑲嵌型。
[0037]所述光接收器安裝在所述光波導(dǎo)層的任意至少兩個邊或者直接位于光波導(dǎo)層的上方或者下方，接收器的接受面朝向光波導(dǎo)層。每一個探測器至少對應(yīng)一個波導(dǎo)。光柵位置與彩色濾光片中紅、綠和藍(lán)三色像素的一種或多種陣列相對應(yīng)。對應(yīng)不同顏色像素的光柵周期不同。本方案利用光柵的耦合特性，將通過彩色濾光片的特定光波，尤其是將波長小于對應(yīng)像素透射最大值的光，耦合到光波導(dǎo)層構(gòu)成檢測光，并由光接收器判斷檢測光光強(qiáng)的變化。為了提高接收器的信噪比，接收器前面可以涂有和光波導(dǎo)接受光顏色相同的濾光層。
[0038]所述的光柵周期方向沿著波導(dǎo)的行進(jìn)方向，優(yōu)選光柵周期方向和光波導(dǎo)平行。當(dāng)波導(dǎo)陣列為一維，光柵為一維結(jié)構(gòu)，當(dāng)波導(dǎo)陣列為二維時，光柵為二維結(jié)構(gòu)。
[0039]當(dāng)光波導(dǎo)陣列為一維時，所述的探測器位置及其判斷觸控點(diǎn)的工作方式為:探測器放置在光波導(dǎo)的兩端，兩端的探測器可以一一正對，這樣其對應(yīng)波導(dǎo)相同，如圖2所示。通過任意一端探測器的電壓或者電流變化，來判斷觸控點(diǎn)對應(yīng)的光波導(dǎo)。波導(dǎo)傳輸距離越大，損耗也越大，因此可同時通過兩端探測器強(qiáng)度差異來判斷觸控點(diǎn)在沿著光波導(dǎo)方向上的位置。
[0040]所述的探測器判斷觸控點(diǎn)在沿著光波導(dǎo)方向上位置的工作方式也可以通過波導(dǎo)兩端的信號相應(yīng)時間差得到。
[0041]該設(shè)置還可以判斷入射光的角度。在單波長情況下，當(dāng)入射角度變大，和入射光反側(cè)的波導(dǎo)的耦合光強(qiáng)度變小，和入射光同側(cè)的波導(dǎo)耦合光強(qiáng)度先變大再減少；同側(cè)的光強(qiáng)大于反側(cè)光強(qiáng)。光波導(dǎo)對應(yīng)的接收器也有同樣的趨勢，因此通過兩側(cè)的信號強(qiáng)弱變化和差異，可以判斷入射角度。如圖3a所示，為440nm處，左右兩端光接收器探測波導(dǎo)耦合效率的示意圖，以及圖3b所示波導(dǎo)耦合效率隨角度的變化曲線。
[0042]當(dāng)光波導(dǎo)為二維時，所述的探測器位置及其判斷觸控點(diǎn)的工作方式為:探測器放置在二維光波導(dǎo)陣列的兩個相鄰邊，如圖4所示。通過兩邊的探測器響應(yīng)分別判斷觸控點(diǎn)的兩個維度位置。
[0043]為了提高光波導(dǎo)之間的光隔離度，從而能夠精確確定位置，在光波導(dǎo)之間可以設(shè)置高反射的金屬線條如銀、鋁和銅等。這些金屬線條可以形成電容觸控。[0044]所述的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以內(nèi)嵌在基板內(nèi)或者浮在基板之上，其折射率不小于與其相鄰基板折射率。當(dāng)探測器貼附在基板的上下表面時，所述的光波導(dǎo)在探測器位置正對時折射率和基板一樣。這樣可以使得波導(dǎo)光可以順利入射到探測器。
[0045]所述的光柵材料為金屬或者透明介質(zhì)材料。
[0046]為了提高耦合效率，光波導(dǎo)和光柵可以分別為或者同時為多層結(jié)構(gòu)。
[0047]其結(jié)構(gòu)設(shè)置還可以為基板、光柵，光波導(dǎo)層，透明保護(hù)層和光接收器，其特點(diǎn)在于在液晶顯示系統(tǒng)之上，依次放置透明基板、光波導(dǎo)陣列、光柵以及透明保護(hù)層，如圖5所示。光柵單獨(dú)一層，或者嵌入光波導(dǎo)層。
[0048]其結(jié)構(gòu)設(shè)置還可以為基板、光柵，光波導(dǎo)層，透明保護(hù)層和光接收器，其特點(diǎn)在于在液晶顯示系統(tǒng)之上，依次放置透明基板、下光波導(dǎo)陣列、光柵、上光波導(dǎo)陣列和透明保護(hù)基板，如圖6所示。光柵單獨(dú)一層，或者嵌入上下波導(dǎo)的一層
[0049]一種基于光柵的光學(xué)觸控屏，其基板、光柵和波導(dǎo)陣列的位置關(guān)系可以為波導(dǎo)陣列、光柵和波導(dǎo)陣列的三層結(jié)構(gòu)。上下兩層的波導(dǎo)陣列可以是一維或者二維。當(dāng)上下兩層都是一維時并且兩個波導(dǎo)陣列垂直時，探測器位于上下波導(dǎo)陣列的相鄰兩個邊，光柵為二維結(jié)構(gòu)；當(dāng)上下兩層都是一維時并且平行時，探測器位于波導(dǎo)陣列的相對的兩個邊，光柵為
一維結(jié)構(gòu)。
[0050]所述的光波導(dǎo)材料是單層材料或多層材料，所述的光波導(dǎo)材料折射率是單一的或漸變的。所述光波導(dǎo)層為對光透明的玻璃或塑料。
[0051]光柵波導(dǎo)+1級、-1級的耦合公式如公式(I)所示。其中，1?是真空中的波數(shù)，n0是入射介質(zhì)的折射率，Θ為波導(dǎo)內(nèi)的入射角，T為光柵周期，Ill為波導(dǎo)折射率，nrff為波導(dǎo)有效折射率。公式(I)中絕對值部分，對于+1級衍射光取正號，-1級衍射光取負(fù)號。并且
有 IVn0,
【權(quán)利要求】
1.一種用于液晶顯不系統(tǒng)的基于光柵的光學(xué)觸控屏，其特征在于其構(gòu)成包括基板(201)，光柵(202)，光波導(dǎo)層(203)，透明保護(hù)層(204)和光接收器(205)，在液晶顯示系統(tǒng)之上，依次設(shè)置透明基板(201)、光波導(dǎo)(203)和透明保護(hù)層(204)，所述的光柵(203)內(nèi)嵌在所述的光波導(dǎo)層(203)中、或內(nèi)嵌在所述的透明基板(201)，或者所述的光柵(203)單獨(dú)一層位于所述的光波導(dǎo)層(203)和所述的透明基板(201)之間，所述的光接收器(205)與所述光波導(dǎo)層(203)相鄰安裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光柵的光學(xué)觸控屏，其特征在于所述的光波導(dǎo)層(203)分為上光波導(dǎo)層和下光波導(dǎo)層，所述的光柵(202)單獨(dú)一層置于上光波導(dǎo)層和下光波導(dǎo)層之間，或者嵌入所述的上光波導(dǎo)層中或下光波導(dǎo)層中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光柵的光學(xué)觸控屏，其特征在于所述的上光波導(dǎo)層和下光波導(dǎo)層是一維或者二維的波導(dǎo)陣列，當(dāng)所述的上光波導(dǎo)層的波導(dǎo)陣和下光波導(dǎo)層的波導(dǎo)陣列都是一維并且兩個波導(dǎo)陣列垂直時，相應(yīng)的光柵(202)為二維結(jié)構(gòu)；當(dāng)所述的上光波導(dǎo)層的波導(dǎo)陣和下光波導(dǎo)層的波導(dǎo)陣列都是一維并且平行時，相應(yīng)的光柵(202)為一維結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光柵的光學(xué)觸控屏，其特征在于所述的光柵(202)位置與彩色濾光片中紅、綠和藍(lán)三色像素的一種或多種陣列相對應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光柵的光學(xué)觸控屏，其特征在于所述的光柵(202)周期方向沿著所述的光波導(dǎo)層的波導(dǎo)的行進(jìn)方向，優(yōu)選光柵周期方向和光波導(dǎo)平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光柵的光學(xué)觸控屏，其特征在于所述的光接收器(205)安裝在所述光波導(dǎo)層(203)的兩個相鄰邊或者直接位于光波導(dǎo)層的上方，每一個探測器至少對應(yīng)一個波導(dǎo)；所述的光接收器(205)貼附在光波導(dǎo)層(203)的側(cè)面，或直接貼附在光波導(dǎo)層(203)的頂面或者底面；所述的光波導(dǎo)層的光波導(dǎo)陣列為一維時，光接收器(205)放置在光波導(dǎo)的兩端；
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于光柵的光學(xué)觸控屏，其特征在于當(dāng)所述的光波導(dǎo)層的光波導(dǎo)為二維時，光接收器(205)放置在二維光波導(dǎo)陣列的兩個鄰邊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光柵的光學(xué)觸控屏，其特征在于所述的光接收器(204)和光波導(dǎo)層(205)的接觸面具有帶通濾光片或者染料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的基于光柵的光學(xué)觸控屏，其特征在于所述的光波導(dǎo)之間設(shè)置高反射的銀、鋁或銅線條。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的基于光柵的光學(xué)觸控屏，其特征在于所述的光波導(dǎo)的材料是單層材料或多層材料，所述的光波導(dǎo)材料折射率是單一的或漸變的。
【文檔編號】G02F1/1333GK104020896SQ201410203219
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】葉志成, 崔杰, 洪芃力 申請人:上海交通大學(xué)