基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信息显示技术领域的交互式触控技术，特别是一种基于光栅结构与 补偿光源的光波导式光学触摸屏。
【背景技术】
[0002] 触摸屏根据技术原理的不同可以归结为：电阻式，电容式，表面声波和红外式。电 阻式触摸屏具有不怕污染和低成本优势，但是不耐磨损，透光率低并且反应速度慢；表面 声波触摸屏防污差，发射换能器易碎，使用寿命短；电容触摸屏抗电磁干扰差，需要导体做 触控，使用环境局限，且对温度湿度接地等环境要求高（参见http://www.sunonway.com/ chumopin/1092.htm)。而红外触摸屏因为采用红外光源，对人眼无影响，拥有高灵敏度和稳 定性，较好的内置或外置效果使得其不影响显示器的外观，防暴性能优良。目前市场上的红 外触摸屏由装载在触摸屏上的红外线发射与接受感测原件构成，并在屏幕表面形成红外探 测网，任何触摸物体均可改变触电上的红外线进而被转化成触控的位置坐标。很明显，这种 触控不强制要求必须是手指，只要是任何可以阻挡光线的实物都可以产生触摸，具有交互 方便和不受可见光干扰的优点。但同样的，红外的发射光源成本高，且实际应用中，对系统 的稳定性要求极高，不论哪一个红外发射管出现问题，都将影响到触摸屏的灵敏及准确性。 并且，由于红外光源一般为点光源，需要一定的厚度和长度才能让光均匀分布，不能满足轻 薄和小尺寸便携的要求。
[0003] 上述触摸屏技术都要求控制者与显示屏零距离接触操作，也就是人机交互必须是 接触式的，但对于挂壁式大屏幕触摸屏，或者一些公共场合的触摸屏，这种零距离接触式操 作无疑限制了操作者的人机互动自由和屏幕的大小。市场上现有的非接触式交互是基于计 算机视觉的人机交互，其利用计算机实时处理摄像头所拍摄的视频信息，对人体实现精确 定位，比如我们熟知的kinect体感游戏，这种非接触式触控纵然有效，但其成本是较高的， 且不适用于移动显示式的小屏幕和精细控制(参见http: //www.microsoft.com/en-us/ kinectforwindows/)〇
[0004] 目前有一种基于光栅的光波导式触摸屏（专利【申请号】201310750534. 1)，这种触 摸屏虽然能解决屏幕的反射和轻薄性的问题，但显示光在经过光栅和手指的反射之后，光 强明显下降，由于除了显示光源外未加入其他光源，这种触摸屏的效率及触控灵敏度较低。 另一方面，由于光栅需要覆整个光波导，不仅对生产成本造成压力，对光栅的制作也是不小 的挑战。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于光栅的光波导式触摸 屏，更具体的是在传统背光中加入对人眼不敏感的补偿或者独立光源，用于耦合并成为检 测光，从而可以提高触控光信号强度，该触摸屏在改善触控灵敏度，触点准确度的基础上， 有效地保留了显示器的原本显色，降低环境光的干扰，极大程度地改善了用户体验。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] -种基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，包括透明保护层、光波导 层、背光源和导光板，其特点在于，还包括分别设置在所述的光波导层的相对两侧壁上的光 电探测器、设置在所述的光波导层上的光栅和补偿光源，所述的光波导层是由沿X方向和Y 方向的透明光波导构成光波导矩阵。
[0008] 所述的光栅将补偿光源的光转化为沿着光波导层传播的波导模式信号光，当产生 触控时，触控点对应的波导中的波导模式信号光的强弱变化被所述的光电探测器接收，并 转化为电流信号。
[0009] 优选的，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层、光波导层、光栅， 液晶层、背光板光学膜、导光板和反射板，在靠近所述的导光板处设置所述的补偿光源和背 光源，所述的光栅完全覆盖在所述的光波导层的表面，所述的补偿光源与背光源共用所述 的导光板，补偿光源的波长小于450nm。
[0010] 所述的补偿光源发光二极管与背光源发光二极管交替排列。
[0011] 另一优选的，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层、液晶层、背光 板光学膜、第二导光板、光波导层、光栅、第一导光板和反射板，在靠近所述的液晶层的第二 导光板处设置所述的背光源，在远离所述的液晶层的第一导光板处设置所述的补偿光源， 所述的光栅完全覆盖所述的光波导层的表面，补偿光源是波长大于700nm的可见光长波长 段或红外波段。
[0012] 另一优选的，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层、光波导层、液 晶层、背光板光学膜、导光板和反射板，在靠近所述的导光板处设置所述的补偿光源和背光 源，所述的光栅覆盖在所述的光波导层的上表面的任意一侧或下表面的任意一侧。
[0013] 所述的光栅沿着触摸屏中心方向倾斜，材料选择金属或非金属。
[0014] 所述的光栅的周期根据补偿光源的波段范围选择，保证补偿光源能耦合进所述的 光波导层。
[0015] 所述的补偿光源单独控制时，使用周期性工作的脉冲的工作方式，其发光时间应 控制在液晶显示屏像素刷新时间以内。
[0016] 所述的相邻的光波导之间具有平行的金属或者导电线条，该线条的宽度小于5微 米，厚度小于100纳米，材料为铝、银、铜或石墨烯。
[0017] 所述的补偿光源不应对触摸屏的显示色彩及人眼的观察效果产生影响；其波长范 围根据触摸屏结构的不同，可选择不同的波段范围。
[0018] 所述的光栅将补偿光源全部或部分耦合入波导中传播，并最终被光电探测器检测 到。
[0019] 所述的补偿光源和背光源可以分开控制，补偿光源可以周期性的点亮，其周期应 小于液晶显示屏刷新的周期。
[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0021] 本发明通过补偿光源的使用，克服了现有技术中背光源在短波长的发光效率低 下，从而造成耦合光强太弱，触控响应信号不灵敏的问题。同时可以通过周期性点亮的工作 方式，降低能耗以及补偿光源可能对人眼观看显示内容所带来的干扰。
【附图说明】
[0022] 图1人眼的视觉暂留示意图
[0023] 图2用于背光源的LED光谱
[0024] 图3人眼对可见光的明视场响应曲线
[0025] 图4垂直入射下，周期为360纳米的光栅± 1级衍射
[0026] 图5垂直入射下，周期为750纳米的光栅±1级衍射
[0027] 图6基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏的实施例1的结构示意图
[0028] 图7实施例1的光源设置
[0029] 图8实施例1的照度模拟
[0030] 图9基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏的实施例2的结构示意图
[0031] 图10基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏的实施例3的结构示意图
[0032] 图11实施例3的一种光源放置方式
[0033] 图12实施例3的一种光栅放置方式
[0034] 图13实施例3侧边光栅触摸屏仿真结构及其背光均匀度模拟
【具体实施方式】
[0035] 为了更加清楚地阐述发明目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发 明作进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释此发明，并不用于限 定本发明的保护范围。
[0036] 根据布拉格相位条件，光栅波导的正负一级親合公式如公式（1)所不：
[0038] 其中，&是真空中的波数，n(l是入射介质的折射率，0为波导内部的入射角，T为 光栅周期，波导有效折射率为Neff，波导材料的折射率为ni，对于+1级衍射，公式（1)取正 号，对于-1级衍射，公式（1)取负号。并且有0e[0j)。则对任意的波导，应有ni>Nrff>n(1， 因此公式（1)可表示为公式（2)。
[0040] 为了使+1级衍射光成为波导中的耦合光，化简公式⑵可得其对应的光栅周期T 应满足以下条件：
[0042] 同样的，为了使一 1级衍射光成为波导中的耦合光，化简公式（2)可得其对应的光 栅周期T应满足以下条件：
[0044] 其中，A为真空中的入射光波长。
[0045] 由公式⑶和公式⑷可知，当入射角0和光栅周期T确定时，此波导中一级衍射 光被耦合得入射光波长被唯一确定。为了说明原理，本实施方式不考虑0 >〇的斜入射情 况，只讨论0= 0的正入射情况。在这种情况下，公式（3)和公式（4)可化简为公式（