专利名称：在显示面板中进行触摸压力感测的制作方法
在显示面板中进行触摸压力感测
背景技术：
一些计算机系统包括集成的显示和输入面板，例如触摸屏。该特征可见于如下系统中，该系统的范围遍及从小的手持装置到大式样的多用户平台。可结合多种技术以在面板中提供适当的显示和输入功能。举例而言，液晶显示器(LCD)技术可与阻抗输入技术、电容输入技术或基于红外线(IR)视觉的输入技术相结合。无论所使用的技术如何，期望显示和输入面板具有关于照明的高能效。这种考虑对手持装置和大式样的平台而言是至关重要的，其中在手持装置中，能量使用限制了电池寿命；而大式样的平台消耗相当大的照明功率。除了延长电池寿命并限制能量使用之外，增加的照明效率在某些情况下可降低显示和输入面板的生产成本(这是通过减少所需光发射元件的数量来提供适当水平的照明来达成的)。当面板中的输入技术基于视觉、使用与显示器的照明源相独立的额外照明源时，这些因素尤其重要。
发明内容
本公开的一个实施例提供了一种触摸压力敏感面板。该面板包括局部可弹性变形的波导，该局部可弹性变形的波导具有外表面以用于从用户接收局部触摸压力和与该外表面相对的润湿表面。该面板还包括不可润湿层，该不可润湿层具有布置在润湿表面下方的不可润湿表面。在该配置中，该局部触摸压力通过润湿表面可逆地增加该不可润湿表面的局部光学润湿性。该面板还包括成像检测器，其被配置成接收由于局部光学润湿而耦合到该不可润湿层的光，从而提供输入图像。提供上述发明内容以通过简化方式来介绍本公开的选定部分，而并不是表明关键或必要特征。由权利要求书所定义的请求保护的主题并不限于本发明内容部分的内容，也不限于满足本文所注明的问题或优点的实施例。
附图I示出了根据本公开的实施例的示例性计算机系统的各个方面。附图2示出了根据本公开的实施例的示例性控制器的各个方面。附图3是根据本公开的实施例的、从用户接收触摸输入的显示和输入面板的示意性截面图。附图4是根据本公开的实施例的、从用户接收触摸输入之前或之后的显示和输入面板的示意性截面图。附图5到附图8是根据本公开的实施例的、显示和输入面板的示意性截面图。附图9说明了根据本公开的实施例的、从触摸压力敏感面板的用户接收输入的示例性方法。
具体实施例方式现将藉由实例通过参考以上所描述的实施例对本公开的各个方面进行描述。在一
3个或多个实施例中基本相同的部件、过程步骤和其他要素被等同地进行标识且以最小重复的方式进行描述。但应当注意，被等同地进行标识的要素也可在某种程度上不同。还将注意的是，包含于本公开中的附图是示意性的且总体上并没有按比例绘制。而是，各附图比例、 纵横比以及附图中所示部件的数量可适当地进行改变以使得特定特征或关系易于观察。附图I示出了一实施例中的实例性计算机系统10的各个方面。所示的计算机系统是一种大式样、多用户、表面型的计算平台。在本公开的其他实施例中，计算机系统可以是板片式计算机或膝上型计算机、便携式媒体播放器、蜂窝电话，或固定或手持视频游戏系统。计算机系统10包括显示和输入面板12。该面板可包括被配置成在其外表面16上形成可视显示图像14并从该相同外表面接收用户输入的任何结构。计算机系统还包括操作上耦接到面板的控制器18。更具体而言，控制器被配置成提供控制信号到面板致使该面板通过外表面投射显示图像。控制器进一步被配置成从面板接收反映在外表面处所接收的用户输入的输入信号。这种输入可例如包括一个或多个被从位置上进行分辨的用户的手或触针(stylus)的触摸点。除了以上所注明的功能之外，控制器18可被配置成实施计算机系统10的任何其他功能。为此，控制器包括逻辑子系统20和存储子系统22，如在附图2中所示并将在以下进一步进行描述。现返回到附图1，面板12包括图像收发器24。该图像收发器可包括被配置成从外表面16接收输入图像并投射显示图像的任何部件。该输入图像可从位置和时间上分辨外表面上用户触摸点的位置。因此，可提供输入图像以作为视频，视频的分辨率和帧率(frame rate)适于展现某种所期望形式的输入。这种输入可包括何时何地用户触摸或拍击外表面、沿着该外表面行进手指或触针、离开外表面等。另外，该输入图像可展现所谓的多触摸用户输入(在外表面上包括多于一个的触摸点)。在图像收发器24中所接收的输入图像可通过将预定波长段(例如窄带红外光)的光用作照明源来形成。因此，图像收发器可包括一个或多个与预定波长段匹配的波长选择滤光器，以使得来自照明源的光比杂散光或周围光更优先地被检测，这将在下文中进一步描述。该方案有助于降低来自显示图像14的散射光和宽带周围光的干涉。使用窄带红外光来进行辐照的一个特别的优点在于，所选择的波长段对用户而言是不可见的。本公开包含提供窄带红外光以作为用于形成输入图像的照明源的各种模式。当显示图像14例如通过IXD阵列进行门控时，除了用于显示图像的白光以外，还可从图像收发器24内的深处发射窄带红外光。该方案通过适当设计的LCD阵列利用了红外光的显著透射性。然而，由于在LCD阵列中以及另外在图像收发器中的吸收和散射损耗，该方案可能不会提供所期望的高效率。例如850nm的光穿过LCD阵列的透射效率处于16-27%的范围内。 当IXD阵列包括像素内传感器(SIP)技术时，其中非透明传感元件嵌设在显示元件中的一些或全部中，则照明损耗仍然会较高，这将在下文中进行阐述。此外，提供通过LCD阵列的红外辐照的视觉系统尤其可易于受周围光干涉。这是因为可能需要抑制红外线感知的像素区域的灵敏度以降低周围环境的可视性，但是在这样做时，必须增加红外辐照的光功率以调适灵敏度损失。尽管触摸输入信噪比(signal-to-noise)可以以此方式改进，但是照明效率进一步降低。鉴于这些缺陷，在此描述的实施例中，红外光从图像收发器的上层进行投射，其中一些实施例包括薄的、视觉上透明的红外光波导，其主要保持显示对比度和颜色。
继续参见附图1，显示和输入面板12包括照明源和照明波导。更具体而言，该面板包括边缘安装的红外光发射二极管(IRLED)阵列26和红外光波导28。在一个实施例中， IRLED阵列可包括沿着波导的一个边缘均匀分布的十个或十个以上的LED。该阵列中的每个LED可以例如以850纳米的峰值波长进行发射；每个LED可包括被配置成将其出射输出传输到波导内的透镜和/或其他部件。红外光波导28可透射显示图像14的可见光和耦合到其内的红外光。另外，波导可基本上是非散射性的。如在附图I中图示性地所提出的那样，来自IRLED阵列26的光藉由全内反射(TIR)通过该波导传播。通过如下措施有助于促成TIR:使光相当于波导的上、下表面具有大入射角；以及使该波导材料相对于围绕在波导周围的材料具有较大的折射率。然而，该波导可被设计成使得用户的触摸局部地抑制或消除TIR条件，以允许一些引导光从波导逸出，并被接收到图像收发器24内，且形成输入图像。本公开包含各种模式，通过这些模式，用户触摸可致使一些来自红外光波导28的光被接收到图像收发器24内。举例而言，与外表面16接触的手指或触针的出现可致使一些光在接触点处从该波导折射出去并通过用户的手指进行散射。一些散射光将以小于临界角的角度再次进入到该波导内，将径直通过该波导且可在该图像收发器中进行成像。该方案尽管有益，但具有某些缺陷。首先，用户简单地通过触摸外表面16，可将湿气、油和/或其他残留物留在该外表面上。与用户的手指或触针相类似，该残留物能够提取出(extract)和散射来自红外光波导 28的光，从而降低输入图像对比度并导致输入伪像(artifact)。当外表面具有光滑的低摩擦涂层时，这些结果可能更加严重，这可允许残留物在较大散射区域中聚集成连珠状(bead up)。此外，因为一些提取出的光以大入射角散射回到该波导中，并因此不会从波导逸出，所以直接触摸润湿的收集效率可较低；即使该大角度光从该波导逸出波导，其也会从图像收发器中检测器的有限宽的接受性中被排除出来。另外，即使对于以适当的小角度进行散射的光而言，通过该波导下表面的反射损耗可进一步使输入图像强度变弱。再者，一些由用户触摸所提取出的光可被用户的手指或手重新散射到围绕面板12的周围环境中。这样就避免了光被图像收发器捕获，这对视觉系统效率损失具有直接的帮助。这些缺陷可限制通过对波导的直接触摸润湿可获得的效率。为了解决这些问题，同时仍提供其他优点，本公开描述了另一种模式，用户触摸通过该模式能使一些来自红外光波导28的光被接收到图像收发器24中。如下所述，用户触摸输入可局部地致动光阀，该光阀局部地消除了 TIR条件并使来自该波导的光直接耦合到图像收发器中。该方案很大程度上避免了上述损失效率的光散射。为此，该波导可局部弹性变形(如附图3所示)，以使得用户在外表面16上的局部触摸压力使与该外表面相对的润湿表面30延伸到图像收发器内。在此处，该波导的润湿表面可逆地启动或增加与图像收发器的不可润湿表面32 (布置在润湿表面的下方)的局部光学润湿接触。自然地，在局部触摸压力下，局部光学润湿性直接增加。这种接触能够使该波导与图像收发器之间直接光学耦合或增加该波导与图像收发器之间的直接光学耦合。继而，当移除触摸压力时，波导迅速地返回到静止尺寸，如附图4所示。这里，该波导的润湿表面抑制或降低了与不可润湿表面的润湿接触，从而消除或降低该波导与图像收发器之间的直接光耦合。因此，这里所描述的显示和输入面板为触摸压力敏感面板；红外光波导28的润湿表面30以及图像收发器24的不可润湿表面32构成压力敏感光阀。在润湿位置处，该阀可选地允许或禁止实际上任何角度的光在该波导中的传播以传输到图像收发器中。当阀开启时，接收到图像收发器中的光由于局部光学润湿可被图像收发器内的成像检测器成像。成像检测器可获得或发送作为控制器18的输入的视频，其中局部光学润湿被从位置上和时间上进行分辨。通过该配置，从该波导提取出的光以大入射角(例如70-80度)传输到图像收发器中，并没有会降低收集效率的额外散射。这些因素能使更多的光被收集在当前所揭示的系统的图像收发器中，例如是其他可比系统(在该可比系统中，TIR通过用户在外表面 16上的触摸直接被抑制)中光的4-5倍。在一些实施例中，可影响以上注明的效率增加，以能对显示和输入面板设计进行其他改进。举例而言，对于给定的周围辐照水平，可降低图像收发器24的灵敏度，因为此时将相对于来自耦合到视觉系统中的周围光的噪声来增强对应于输入图像的信号。另外，增加的效率能降低控制器18的、涉及输入图像成形和/或处理的计算需求。再者，增加的效率能降低适宜视觉系统照明所需的照明源的数量和/或大小。附图5示出更特定实施例中的显示和输入面板12A。在附图5中，图像收发器24A 包括像素内传感器(SIP)层34。该SIP层可包括光敏元件的矩形阵列，其分布在显示元件的矩形阵列中，以使得两个阵列位于基本上相同的几何平面中。在一个实施例中，显示器和光敏元件的共线行可共享公共寻址线或扫描线。在一个实施例中，该SIP层可包括用于每个显示像素的一个光敏元件，以使得显示图像分辨率和输入图像分辨率相同。在其他实施例中，显示图像分辨率可高于或低于输入图像分辨率。SIP层34的光敏元件例如可以是电荷耦合装置(CCD)元件、互补型金属氧化物半导体(CMOS)元件或娃锗(silicon-germanium)检测区域。在一个实施例中，每个光敏元件可被如下波长选择滤光元件所掩蔽，该波长选择滤光元件对可见光的透射性比用于输入图像照明的窄带红外光低得多。在一个实施例中，每个显示元件可以是光发射元件， 如彩色LED元件(例如红色，绿色，蓝色)。在另一实施例中，每个显示元件可以是光选通 (light-gating)元件,例如彩色IXD元件。每个显示元件和每个光敏元件可在操作上I禹合到控制器18。以这种方式，控制器可引导显示图像的信息并接收和处理输入图像。该SIP结构在显示和输入面板12A中是有益的，这是因为其避免了在投射视觉系统照明中通过显示阵列所固有的透射损失。举例而言，在850纳米的情况下，典型的IXD面板仅可提供15-27%的透射率。配置成透过该阵列的红外线背光将因此在单次通过该阵列后损失其三分之二到六分之五的强度。该SIP配置避免这些损失，在光阀处于开启状态时， 提供从光源到该波导并到光敏阵列元件的几乎径直的光路。在附图5所示的实施例中，允许SIP层34夹于玻璃片36A和36B之间。对于这里所描述的显示和输入面板而言，期望在SIP层周围具有牢固支承，该面板的上层可顺应应力并为相对非刚性的。在SIP层34包括光选通阵列的实施例中，图像收发器24A包括背光件38。背光件可包括如何适宜的白光源，例如紧凑型荧光灯，电弧灯，红色、绿色和蓝色LED的离散阵列， 或白色LED阵列。背光件可进一步包括适宜的光传播部件，例如集成的壳体或腔体、边缘照明的导光板(LGP)、转变膜和/或漫射片。在SIP层包括光发射阵列的实施例中，可省略背光件。
在附图5所示的实施例中，波导28A包括波长选择层40，其被配置成阻挡至少一些入射到外表面16上的周围红外光。在一个实施例中，波长选择层可为二色性层；其可被配置成透射可见光而反射红外光。在另一实施例中，波长选择层可通过吸收周围红外光而阻挡周围红外光。在该实施例中，可减小周围红外光的干涉以对显示图像亮度或色彩具有小的影响。在该位置处使用波长选择层是可能的，因为如上所述，对于形成触摸压力输入图像而言，所反射的红外光通过外表面16的透射并非是必需的。在一个实施例中，波长选择层40可设计成至少一些对红外光是透明的，以使得发射触针(例如光笔)也可用于提供输入。在一个实施例中，来自触针的峰值发射可与IRLED 阵列26的峰值发射不同。在另一实施例中，波长选择层可在红外区或别处提供足够的透明性，以能实现外表面16上方的对象的至少某种分辨率，这将在以下进行进一步描述。在图5所示的实施例中，红外光波导28A还包括低摩擦涂层42，其粘结或层叠到波长选择层40。可设计低摩擦涂层以具有光滑感以及各种其他所期望的特征，如硬度、耐潮湿性、抗生锈性、降低炫光性。在这些和其他实施例中，波长选择层和低摩擦涂层可具有相对非刚性，即局部可弹性变形。红外光波导28A还包括传播层44。该传播层局部可弹性变形，S卩，其是柔软的且能顺应来自触摸压力输入的弱机械应力，且当触摸压力移除时返回到其静止形状和尺寸。举例而言，可由柔软的具有顺应性的有机硅(silicone)来形成传播层。具有顺应性的有机硅例如为Sylgard 184(密歇根的“Dow Corning Company of Midland”公司的产品)。在其他实例中，可使用较硬的有机娃、透明的氨基甲酸酯(c I ear urethane )或聚氨基甲酸酯、基于软丙烯酸酯(acrylic)弹性体的材料或乙烯基聚合物(vinyl polymer),乙烯基聚合物如能够以一定硬度范围来制造的柔性聚氯乙烯(PVC)。例如，布置在传播层一波长选择层40 和低摩擦涂层42上方的各层，可利用热和/或粘接剂或任何其他适当方式，通过模制、层叠粘合到传播层。红外光波导28A的层状结构允许可用于获得各种益处的多种变型。例如，传播层 44不必包括单种材料，而是可包括具有不同特性的多层。例如，具有规定硬度和厚度的一层可具有润湿表面30。该层可层叠到略微较硬的介质上，在一种配置中，该略微较硬的介质可包括对传播层的平衡。因此，传播层可包括由软材料制成的一个或多个层。对于多个层的情况，这些层可通过光学粘合剂方式、层叠方式和/或模制方式接合在一起。因为降低的厚度，该配置可呈现较软材料的高弹性，并呈现改进的不可润湿性。在另一实施例中，可省略波长选择层40以确保某些特性。在没有波长选择层的情况下，由对外表面16的触摸润湿所致的对TIR的抑制将仍然提供输入信号，虽然该输入信号的强度是通过光阀直接耦合的、由所执行的触摸压力所导致的输入的1/4至1/5。该特征例如可用于区分非常轻的触摸。在另一实施例中，省略波长选择层40，传播层44可包括布置在其上表面上的具有受控密度的散射中心。该散射中心可连续地从传播层提取少量的光并将其向上散射通过外表面16。该散射的光可用作次照明源以照亮正好在外表面上方悬停(hover)的物体，以使其的反射可对输入图像做出贡献。在该特定实施例中，替代的波长选择和/或角度选择滤光层或次级波长选择和/或角度选择滤光层可布置在该波导的下方以减小由于向下散射到达检测阵列的泄露光所致的输入图像对比度的损失。在一个实施例中，该次级滤光层可将该光反射回外表面上方的物体。在此情况下，在这些滤光层的光谱透射方面可以考量各种性能的权衡，以为悬停和触摸提供适宜的信号水平。继续参照附图5，红外光波导28A还包括夹于波长选择层40和传播层44之间的低指数包覆层45。在其他实施例中，该低指数包覆层可用于波长选择层的场合。由于该低指数包覆层的折射指数低于传播相(propagation phase),故该低指数包覆层可将传播层与位于其上的各层隔离，从而促进在传播层中的TIR并阻挠传播层中的光与外表面相交。以这种方式，使聚集在外表面上的残留物的作用可进一步被减小。在其他实施例中，红外光波导的两个或以上层的功能可合并于单个层中。例如，可省略波长选择层40，且低摩擦涂层 42可由低指数光学隔离介质形成，从而用作包覆层。本公开包含可逆的、在显示和输入面板中的红外光波导和图像收发层之间进行局部润湿的各种模式。在附图5所示的实施例中，图像收发器24A包括光滑的不可润湿层46， 其粘结或层叠到玻璃片36A上，位于SIP层34上方。在该实施例中，不可润湿层具有光滑的、静止地平的不可润湿表面32，且传播层44具有光滑的、静止地平的润湿表面30，与不可润湿表面相对。继续参照附图5，低指数流体48的薄层可设置于传播层44和光滑的不可润湿层 46之间，该低指数流体具有比传播层和光滑的不可润湿层低的折射指数。该低指数流体可包括空气、聚合物流体或凝胶、有机硅流体或硅凝胶，或实际上可以是任何化学上具有惰性的光学透明流体。因此，低指数流体的折射指数可位于1-1. 4的范围。注意，位于该范围内的较高的指数可对照射光范围(6tendUe)施加额外的约束以获得到红外光波导内的高耦合效率。然而，该波导材料的折射指数可以以某种程度增加以减轻这种约束。因此，传播层和低指数流体之间折射指数的差值Az7大于0. 3是所期望的。当红外光波导28A上不施加触摸压力时，低指数流体48的内部压力或不可压缩性可在润湿表面30和不可润湿表面32之间提供分离，以使得传播层维持与SIP层34的光学非耦合。然而，当施加触摸压力时，低指数流体可从触摸区域流走，允许润湿表面接触不可润湿表面，以使传播层光学耦合到SIP层。在一些实施例中，支架阵列或其它支承结构(图未示)可将传播层与不可润湿层分开。在一些实施例中，支架密闭地密封到传播层且密封到不可润湿层，以形成将两个层分开的压力袋(pocket)阵列。在这些和其它实施例中，该两个层可带有诸如静电荷，从而进一步促进分开。这里所描述的显示和输入面板可具有在触摸压力区域和其感知位置之间的、典型地约为若干个像素的偏移量，这是由于红外光透射过光阀的大入射角所致。可通过降低不可润湿表面32下方的各个层的厚度来降低这种偏移量。在一些实施例中，偏移量可通过软件方式进行校正。另外，耦合到该波导的多于一侧(例如相对侧)的多个辐照源的使用可提供关于触摸位置大致对称的偏移量，以维持触摸位置精度，同时为图像增加光亮(bloom)。 然而，可通过调整不可润湿层或润湿层的各种参数(包括例如厚度)来限制这种光亮。附图6在另一更具体的实施例中示出显示和输入面板12B。在附图6中，有纹路的(textured)不可润湿层50具有有纹路的不可润湿表面32。与先前实施例中光滑的不可润湿层46相比，可将有纹路的不可润湿层放置成与传播层44直接接触，而并不致力于将各层分开。在一个实施例中，有纹路的不可润湿层可具有规则或不规则的、“起伏不平的”不可润湿表面，如表面突出的漫射片的光漫射表面。在一个实施例中，有纹路的不可润湿层的廓形梯度可主要包括基本空间频率，从而需要最小触摸压力以获得完全的直接润湿，而同时对显示器光的大角度散射进行限制。大体上，”起伏不平的”表面在其廓形中包含邻近基本空间频率的内容，因此”起伏不平的”表面及其输出为给定水平的触摸压力提供更有效的光阀耦合。另外，当具有低漫射特性的、随机凹陷的或“起伏不平的”表面被用作有纹路的不可润湿层时，显示品质可受最小影响。该方案降低了通过这些层所观察的显示图像的连线-断线(line-on-line-off,L0L0)对比度的损失。尽管具有相对锋利顶点的棱柱形阵列膜可用于其他实施例中，在廓形中的该锋利顶点可具有至少至少两种负作用第一，可需要较高的触摸压力以获得完全润湿；第二，因为由表面突出所引起的散射，因此在显示图像中可能会存在增加的对比度损失。在起初的试验中，20°和30°的表面突出的漫射片(来自加利福尼亚州托兰斯的 Luminit, LLC公司)能充分地完成任务。然而，读者将会理解，这些层的光漫射特性对这里所描述的物体而言是次要的。布置在Sylgard 184传播层之下的该20°片在非润湿响应时间中具有某种滞后，而该30°片具有快的响应。较硬的传播层(例如硬有机硅，聚氨基甲酸酯或氨基甲酸酯，或乙烯基聚合物)可在有纹路的不可润湿表面的形貌中容忍较低的凹陷高度，以更快地去润湿。因此，可将较小的光学漫射不可润湿表面与较硬的(且可能是较薄的)传播层结合使用以获得更好的显示图像对比度。例如，肖氏A型(Shore A)硬度范围为 60-75的传播层能与Luminit 30°片相当好地起作用，而硬度范围处于肖氏A型硬度值75 与肖氏D型(Shore D)硬度值40之间的传播层能与Luminit 15°片或20°片相当好地起作用。依赖于材料的表面张力也可在压力高灵敏性所需的硬度范围上具有某种改变。举例而言，柔性聚氯乙烯的使用可能要求略微不同的硬度以获得与利用有机硅所获得的触摸压力敏感度相同的触摸压力敏感度。当使用有纹路的不可润湿层时，期望该层对显示图像产生最小的对比度损失，而与此同时保持触摸压力的高敏感度。在一个实施例中，有纹路的不可润湿表面可包括如下介质，该介质具有相对低的折射指数(例如η ( 0.4)以有助于降低显示器光的散射并因此保持显示图像对比度。在包括有纹路的不可润湿层50的实施例中，可将抗反射(AR)涂层施加到该层的 “起伏不平的”顶侧以降低存在周围可见光的情况下显示图像中的对比度损失。该AR涂层可降低朝向观察者反射的背散射(backscatter)的量，从而改进存在周围光的情况下的对比度，该周围光可存在于显示阵列上方的层中。仍在该实施例中，可将低指数包覆层布置在外表面16的正好下方，且低指数流体 48可设置在有纹路的不可润湿层50与传播层44之间。在此情形中，由于红外光波导的降低的接收性(acceptance)，故到达SIP层的输入光的量可在角度上受限。然而，可以多种方式来增加该接收性(例如通过增加该波导相对于低指数流体的折射指数，或通过适当地降低耦合到波导边缘内的照明光源的范围来增加该接收性)，以使光有效地耦合到波导内。将会注意到，一些苯基有机娃(phenylated silicone)具有高至O. 53的折射指数,而典型的有机硅具有大约O. 4的折射指数。另外，如果将低指数流体与有纹路的不可润湿层结合使用，或甚至与带有支架的光滑的不可润湿层结合使用，则具有类似折射指数的导光层可被增添到红外光波导上方，例如正好位于顶层下方，以维持对光的引导。在此情形中，对于给定的光源大小，可降低红外辐照的发散性(divergence)以获得耦合到波导内的高效率和范围匹配。此外，将较高指数介质用于传播层可增加传播层及其包覆层(低指数流体之下且低指数膜层之上)之间的折射指数差异，这可导致波导的增加的角度接收性。
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请注意，高于传播层下方的低指数流体的、传播层上方的低指数包覆层的使用可允许光在角度上“受限”(bucketized)于波导内，以使得大部分传播光的角度在这些层之间来回“弹射” (bounce),而允许一部分具有低角度特性的传播光透射通过略微较高的低指数包覆层到达上层。这种不使用滤光器的限制(bucketizing)可用于降低允许到达传播层上方的上层的部分光。然而，当将波长选择滤光层正好耦合到该略微高的低指数包覆层时， 该部分光可由滤光层反射，从而防止到达上表面。尽管附图6示出了润湿有纹路的不可润湿层50的光滑传播层44，但等同地，也包含相反的配置。即，有纹路的传播层可布置成直接与光滑的不可润湿层接触。该方案可要求传播层厚度的增加，选择不同的材料以响应于触摸压力来维持适当的可变形能力。在该实施例中，可适当地设置传播层上的表面结构的方位以限制或防止”泄露的”光沿着传播路径而散射。举例而言，传播层可在其底表面上支承包括棱柱形阵列的润湿层，且棱柱与照明边缘垂直地对准。该结构可阻碍“泄露的”光沿着传播路径散射，以维持横跨显示和输入面板的均匀的触摸压力响应。该棱柱形阵列可具有低凹陷高度和/或低折射指数以限制显示图像中的对比度损失。当棱柱形阵列通过交互表面(alternating faces)折射来自显示器的光时，其并不是随机地散射光；棱柱沿着沿着传播路径的对准可用于阻止泄露光。在附图5所示的实施例中，其中润湿表面30和不可润湿表面32分别是平的且是光滑的，通过红外光波导的图像的分辨力可以是优良的，除了基于光阀的触摸输入检测之外，能允许透视视觉(see-through vision)。透视视觉可允许检测悬停,例如正好置于外表面16上方的手、手指或触针的悬停和来自有源触针的输入的悬停。然而，在附图6所示的实施例中，其中使用了有纹路的不可润湿层50，这种输入可具有较小的分辨力，但是仍然可通过适当的软件、增益调节和集成时段(integration-period)调节等来检测。用于悬停检测的红外辐照可以以红外线背光单元(BLU)的形式来提供，该背光单元诸如IRLED阵列、通过楔形物进行耦合的一个或多个IRLED、或带有转变膜的IRLED边缘照明的LGP。在另一实施例中，可使用离散的或基于阵列的LGP或侧部发光条带，亦或如上所述的那样，使用耦合到红外光波导的传播层的“泄露”结构。利用这里所述的方案，两个相邻触摸事件的分辨力是多种参数的函数，这些参数包括传播层及其位于其上的各层的硬度和厚度以及不可润湿层的各特性。可改变该参数以调适显示和触摸输入功能之间的性能上的权衡。例如，将由两毫米厚的Sylgard 184所制成的适度硬的传播层和30° Luminit的表面突出的漫射片结合使用，以作为不可润湿层。 利用这些层，可以区分以大约3毫米的间距分开的两相邻手指甲的触摸。然而，较硬或较厚的顶部保护膜或片层的使用增加了被润湿的区域的面积，降低了分辨率。即使这样，很大程度上由于直接耦合以区分周围和触摸的固有能力，输入图像中的高对比度梯度也有助于将被润湿的区域和邻近的间隔开各触摸点区分开。在没有位于传播层44上方的波长选择层的实施例中，对于给定的周围光照，可降低传感器增益或灵敏度。该策略去除或减小了由于源于触摸的受抑制的TIR散射所致的较弱信号，而仍然能促进来自直接润湿的更强的耦合信号。尽管SIP层34的光敏感阵列元件的实际灵敏度可通过降低增益来减小，但为了获得较高的触摸信号与周围信号的比率，另一选择是减少有效响应而无需调整增益。在一个实施例中，可通过在SIP层上方添加部分透射层来调节灵敏度。例如，中性滤光器(neutraldensity filter)可正好布置在光滑的不可润湿层46下方。然而，为降低可视显示图像的衰减，可替代地使用一个或多个滤谱器。例如，可将光谱滤光器布置在SIP面板的每个光敏元件的上方以降低近红外线波长处的透射。在另一实施例中，可包括衰减层，其包括对显示图像的可见光基本上透明的红外光吸收染料。可调节该染料浓度以获得所期望的灵敏度。 在一特定实施例中，该染料可包含在有纹路的不可润湿层50内。对灵敏度及因此的效率进行权衡以增大触摸信号与周围信号的比率的配置提供了关于简洁性、显示颜色逼真度和成本方面的优点。相比而言，当以大角度进行观察时，二色性涂层可略微地改变显示颜色且可给系统增加成本和复杂度。抗反射(AR)涂层可用在与空气间隙(或其他显著低指数层)交界的各层表面上，以减小存在可见周围光的情况下显示性能的对比度损失。附图7和8在另外的更加具体的实施例中示出了显示和输入面板。作为集成的 SIP层的替代，这些实施例包括IXD阵列52和分开的红外线视觉系统。为了增加到视觉系统内的接收性，漫射器54耦合到LCD阵列与视觉系统之间。然而，将会理解，在一些实施例中，可省略漫射器，因为来自LCD盒(cell)结构本身的衍射可提供适当的、可由具有适当设置的摄像机增益以及集成时段等的视觉系统所检测的低角度内容。由于输入图像光通过大角度入射角(例如，70-80度)经由本文所述的局部光阀方案直接耦合到不可润湿层中，因此这种衍射尤其强。在附图7所示的实施例中，红外线视觉系统包括楔形成像光学器件56，其将反射型转变膜58支承在其下表面上。在另一实施例中，可将透射型转变膜布置在楔形成像光学器件的上表面上。该转变膜和边缘反射器6 —道将输入图像引导到摄像机62处。该成像光学器件接收基本上远心的(telecentric)光(telecentric light);因此,来自传播层44 的大角度光的某些部分必须被转变或散射，否则会成像失败。因此，漫射器54布置在IXD 阵列的下方。该漫射器使得来自被润湿的触摸区域的大角度光的部分被散射到楔形接收件中。在另一实施例中，棱柱形阵列可用于将光向下转变到楔形接收件中。也可使用棱柱形转变膜和漫射器的结合来实现“漫射转变膜”。另外，棱柱形阵列膜可通过层叠等方式被润湿到IXD阵列的下侧，以允许可能已通过TIR进行反射的且随后被吸收的大角度光从TIR 耦合出射并以大角度朝向楔形成像光学器件逸出。在该实施例中，大角度光可直接耦合到楔形物内而无需使用转变膜58。在附图8所示的实施例中，红外线视觉系统包括以适宜的距离布置在IXD阵列52 的下方的摄像机62。在该实施例中，摄像机被配置成直接接收通过IXD阵列的红外光。摄像机的接收锥(acceptance cone),尽管并非远心,但仍可排斥许多通过IXD阵列接收的大角度光。因此，漫射器54将一部分来自被润湿的触摸区域的大角度光散射到摄像机的接收锥内。在一个实施例中，通过利用布置在LCD阵列和摄像机之间的菲涅耳透镜，该摄像机系统可制成远心的。在图7和图8的实施例中，漫射器54可以是体积类型的(volume-type)漫射器(其散射或折射中心以三维方式分布)或表面突出类型的漫射器。表面突出的漫射器可提供有限的散射角度，该有限的散射角度对限制对比度损失是有益的。另一方面，体积型漫射器的较大角度分布可允许改进的显示图像的视角和均匀性。在一些实施例中，漫射器54是可切换的。例如，聚合物分散型液晶(PDLC)或聚合物网络型液晶(PNLC)可切换的漫射片可在较多漫射状态和较少漫射(例如无漫射)状态之间被电子地驱动，在较多漫射状态和较少漫射(例如无漫射)状态之间具有中间状态。通过具有处于较多漫射状态的漫射器的视觉系统所进行的成像允许光由于光阀触摸压力润湿而重新散射到视觉系统接收件中，而以较少的漫射状态所进行的成像允许视觉系统能透视LCD面板并能看到触摸表面之外。因此，以规定模式在较多漫射和较少漫射状态之间切换以用于继起的(subsequent)和/或交替的(alternating)巾贞允许视觉系统对触摸压力输入数据和外表面上方物体的输入图像进行巾贞抓取(frame-grab)。在一个实施例中，带有可切换漫射器的视觉系统可用于对外表面上方进行观察以检测用户的手或触针的悬停。该输入例如可用于维持显示和输入面板的有源模式。可切换漫射器还可与另一漫射器结合使用以用于改进红外线触摸响应。举例而言，在LCD阵列下侧(通过层叠等方式)进行润湿的第一可切换漫射器可提供对超越IXD结构所散射的光范围的大角度光的某种额外提取。然而，可利用位于下面的第二可切换漫射器来进一步降低该光的大出射角，其中在该第一可切换漫射器和该第二可切换漫射器之间具有空气间隙。 在该实施例中，各可切换漫射器的使用实现了红外光的重要部分重定向到视觉系统接收件中，但输入图像也可通过漫射器的非漫射状态获得，以能够对超越外表面范围的悬停进行成像。通过利用可切换漫射器以从面板的下侧进行红外光提取，从对视觉系统进行感知的光阀触摸压力收集的红外光的效率可在视觉系统不包含在显示层中的系统中进行改进。在另一实施例中，已设置在外表面16上方或正在悬停在外表面16上方的物体例如可利用与红外辐照源完全不同的波长范围(可见光)的光来观察。在一个实施例中，显示图像本身可提供这些物体的下侧照明。在其他实施例中，可使用边框和/或周围可见光。因此，任何上述配置可用于提供基于如下两个贡献的输入图像(I)在外表面16上的局部触摸压力，即，通过将来自红外光波导的润湿表面的红外光直接耦合到布置在其下方的不可润湿表面；以及(2)使用不同波长范围的光，对外表面上方的物体进行直接观察。该实施例在如下情况下尤其有利，即其中通过滤谱(spectral filteting)对强的周围红外线的拒绝被用于改进的触摸压力分辨率。另外，其提升了以宽带检测器或离散的红外线和可见光检测器阵列为特征的现有视觉系统技术(包括SIP技术)。以此方式，可特别地将成像检测器配置成接收由已设置在外表面上方或正在悬停在外表面上方的物体所反射的可见光。通过利用红外线检测器进行触摸压力检测且将可见光传感器用于触摸表面上方的物体，可以独立地对于每个检测模式的性能进行最优化。上述配置允许各种从触摸压力敏感面板的用户接收输入的方法。因此，现继续针对上述配置，通过举例的方式对一些这类方法进行描述。然而，将会理解，这里所描述的方法以及其它完全落入本公开范围内的方法也能够以其它配置方式来实现。自然，每种方法的执行可改变输入条件以用于随后的执行且因此调用复杂的做出决定的逻辑。该逻辑全部包含在本公开中。另外，在一些实施例中，这里所描述和/或图示的一些处理步骤可被省略，而不会脱离本公开的范围。类似地，所表明的处理步骤的次序对获得所期望的结果而言并非总是必需的，而是为了便于说明和描述而提供的。可重复执行一个或多个所描述的动作、功能或操作，这取决于所用的特定的策略。附图9示出了一种用于从触摸压力敏感面板的用户接收输入的示例性方法64。该面板可以是具有如上所述在图7和图8的上下文中进行描述的可在较多漫射状态和较少漫射状态之间切换的漫射器、LCD阵列和分开的视觉系统的显示和输入面板。在方法64的66处，漫射器被切换到较多漫射状态，该较多漫射状态是对通过不可润湿层的局部光学润湿而从红外光波导提取的光进行成像所期望的。在68处，接收视频， 其中局部光学润湿被分辨。可提供该视频以作为到控制器(操作上耦合到面板)的输入。在 70处,基于所分辨的光学润湿(optical wetting)的面积来估计该波导外表面上的用户触摸压力。在一些实施例中，红外线触摸信号的强度可随着触摸压力的增加而增大至成像系统像素的饱和点，以使得时域上的相对强度或每种周围环境在时域上的相对强度也可用于确定相对触摸压力，该相对触摸压力可用于确定显示和输入面板中特征参数或模式的调整。超出饱和点的话，触摸图像的宽度变成至关重要的量化物(quantifier)。尽管触摸宽度随着各个指头和用户改变，对于给定的所识别的触摸而言，相对宽度可用于获得相对压力信息。举例而言，相对较大的润湿区域可表明用户正在重重地按压波导，而相对较小的区域可表明用户正在轻轻地触摸波导。控制器可被配制成将触摸压力的这种差异解释为输入的不同形式。在72处，漫射器被切换到较少漫射状态，该较少漫射状态是通过外表面的直接视觉所期望的，以用于分辨悬停在外表面上方的用户的手等。在74处，接收视频，其中外表面上方的物体由视觉系统直接观察。在一个实施例中，当漫射器被切换到较少漫射状态时，鉴于相对于触摸压力所引起的光学润湿的直接光耦合，用于透视视觉的输入图像强度较低，因此耦合到视觉系统中的摄像机的增益和/或集成时段可增加。替代地，具有峰值发射波长(与用于触摸图像的照明的波长不同)的用于悬停图像的照明可与多缺口、带通或低通滤光层结合使用，以允许以改进的透射效率来透视悬停图像。举例而言，可将二色性滤光层设计成反射处于940 nm的大角度红外光以用于触摸压力光阀检测，而允许具有低峰值波长(例如850 nm)的红外光具有较大的正常透射性以及对可见光的良好的透射性。该配置可允许近红外线和可见光的透视成像。另外，可通过显示器边框中的照明或穿过显示器面板阵列的照明来提供近红外线的照明光。对于布置在边框中的照明的情况而言，可将该边框制成使观察者看起来不透明，而对于近红外线照射光而言是透明的，这是通过由诸如聚合单片或多片材料形成边框覆盖物而达成的，该聚合单片或多片具有屏幕印刷油墨，该屏幕印刷油墨包括红外光透射且可见光吸收性染料。通过利用边框中的照明，悬停在该表面上方的物体的照明可更加有效。该方法从74处返回。如上所注明的那样，本文所述的该方法和功能可通过计算机系统10来实施，如在附图2中示意性地示出。通过在操作上对逻辑子系统20和存储子系统22进行耦合，计算机系统可配置成实施任何方法，即，本文所描述的计算、处理或控制功能。更具体而言，存储子系统22可具有如下指令，该指令使逻辑子系统20实施各种方法。为此，该逻辑子系统可包括一个或多个配制成执行指令的物理装置。例如，该逻辑子系统可配置成执行作为一个或多个程序、例程、对象、部件、数据结构或其它逻辑构造的部分的指令。可实施该指令以执行任务，实现数据类型，转变一个或多个装置的状态，或获得所期望的结果。该逻辑子系统可包括一个或多个处理器，该处理器被配置成执行软件指令。替代地或附加地，该逻辑子系统可包括一个或多个硬件或固件逻辑机器，其被配置成执行硬件或固件指令。可选地，该逻辑子系统可包括分布在两个或更多个装置中的部件，其在一些实施例中可被远距离地进行定位。
存储子系统22可包括一个或多个物理的非瞬时性的装置，其被配置成保持数据和/或可由逻辑子系统20执行的指令以实施本文所描述的方法和功能。当实施这些方法和功能时，可转变存储子系统的状态(例如用于保持不同数据)。该存储子系统可包括可移除的媒体和/或内置装置。该存储子系统可包括光学存储装置、半导体存储装置和/或磁存储装置等等。该存储子系统可包括具有一个或多个如下特征的装置易失、非易失、动态、静态、读/写、只读、随机存取、顺序存取、位置可寻址、文件可寻址和内容可寻址。在一个实施例中，该逻辑子系统和存储子系统可集成到一个或多个共用装置中，如可集成到专用集成电路(ASIC)或所谓的芯片上系统(system-on-a-chip)中。在另一实施例中，存储子系统可包括计算机系统可读的可移除媒体，其可用于存储和/或传输数据和/或指令，该指令可执行以实施本文所述的方法和过程。术语“模块”和/或“引擎”用于描述计算机系统10的、被实施以执行一个或多个特定功能的方面。在一些情况下，这种模块或引擎可通过执行由存储子系统22所保持的指令的逻辑子系统20来例示。将会理解，不同的模块和/或引擎可通过相同的应用、代码块、 对象、例程和/或功能来例示。类似地，在某些情况下，相同的模块和/或引擎可通过不同的应用、代码块、对象、例程和/或功能来例示。如附图2所示，计算机系统10可包括诸如显示器的用户界面部件。该显示器可提供由存储子系统22所保持的数据的视觉表示。由于本文所描述的方法和过程改变由存储子系统所保持的数据，并由此转变存储子系统的状态，故可类似地将显示状态转变成在视觉上表示基本数据的变化(underlying data)。该显示器可包括一个或多个实际上利用任何类型技术的显示装置。该显示装置可与逻辑子系统20和/或存储子系统22以共用外壳的方式结合，或者该显示装置可以是外围显示装置。最后，将会理解，以上本文所描述的物品、系统和方法是本公开的非限制性实例的实施例，对其进行各种变更和扩展也是可以考虑的。因此，本公开包括本文所描述的物品、 系统和方法的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合及其任何和所有等同方式。
权利要求
1.一种触摸压力敏感面板(12),其包括局部可弹性变形的波导(28)，其具有用于从用户接收局部触摸压力的外表面(16)和与该外表面相对的润湿表面(30);不可润湿层(46，50)，其具有布置在润湿表面下方的不可润湿表面(32)，以使得局部触摸压力通过润湿表面可逆地增加不可润湿表面的局部光学润湿性；以及成像检测器(62)，其被配置成接收由于局部光学润湿而耦合到该不可润湿层的光。
2.根据权利要求I的面板，其中局部光学润湿性在局部触摸压力下方直接增加。
3.根据权利要求I的面板，还包括布置在不可润湿层下方的光发射元件或光选通阵列且被配置成形成由控制器弓I导的可视显示图像。
4.根据权利要求3的面板，其中该阵列包括LCD阵列，且其中漫射器布置在该阵列的下方且被布置成将透过该阵列的光散射到摄像机。
5.根据权利要求4的面板，还包括支承转变膜的楔形成像光学器件，其中该光学器件设置在该阵列的下方且被布置成将透过该阵列的光引导到摄像机。
6.根据权利要求4的面板，其中该摄像机定位在该阵列的下方且被布置成直接接收通过该阵列的红外光。
7.根据权利要求4的面板，其中漫射器可至少在较多漫射状态和较少漫射状态之间进行电子切换，且其中控制器进一步被配置成将漫射器切换到较多漫射状态以从摄像机接收对来自用户的局部触摸压力从位置上进行分辨的图像；以及将漫射器切换到较少漫射状态以从摄像机接收对来自用户的非触摸输入从位置上进行分辨的图像。
8.根据权利要求I的面板，其中该波导包括局部可变形的传播层，光在该局部可变形的传播层中通过全内反射进行传播；以及设置在该传播层上方的波长选择层，该波长选择层被配置成阻挡入射到该外表面上的至少一些周围红外光。
9.根据权利要求I的面板，其中润湿表面与不可润湿表面通过隔离件、静电力和位于润湿表面与不可润湿表面之间的流体的内部压力或不可压缩性中的一个或多个分开。
10.一种从触摸压力敏感面板(12)的用户接收输入方法(64)，该方法包括从该面板中的成像检测器￠2)接收￠8)视频，在该视频中，对不可润湿表面(32)的局部光学润湿从位置和时间上进行分辨，该局部光学润湿是由在局部可弹性变形的波导 (28)的外表面(16)上所接收的局部触摸压力所引起的，该局部可弹性变形的波导(28)具有与该外表面相对的润湿表面(30)，其中，该不可润湿表面径直地布置在该润湿表面的下方。
全文摘要
在显示面板中进行触摸压力感测。一种触摸压力敏感面板，其包括局部可弹性变形的波导，该波导具有外表面以接收来自用户的局部触摸压力；以及与该外表面相对的润湿表面。该面板还包括不可润湿层，该不可润湿层具有布置在润湿表面下方的不可润湿表面，以使得局部触摸压力通过润湿表面可逆地增加该不可润湿表面的局部光学润湿性。该面板还包括成像检测器，其被配置成接收由于局部光学润湿而耦合到该不可润湿层的光。
文档编号G06F3/041GK102609138SQ201210023919
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月3日 优先权日2011年2月3日
发明者K.鲍威尔, S.巴蒂彻, T.拉奇 申请人:微软公司