使用光学触敏设备的器械检测的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请根据美国法典35§119(e)要求在2014年9月2日提交的题为“pendetectionwithanopticaltouchsensitivedevicetitle”的美国临时专利申请第62/044,875号的优先权。前述申请的全部内容通过引用整体合并于此。

本发明总体涉及检测触敏设备中的触摸事件。

背景技术：

用于与计算设备交互的触敏显示器变得更加常见。存在许多不同的技术用于实施触敏显示器和其他触敏设备。这些技术的示例包括例如电阻触摸屏、表面声波触摸屏、电容触摸屏以及某些类型的光学触摸屏。

然而，这些方法中的许多方法目前遭受缺点。例如，一些技术可以对小尺寸的显示器良好地运作，例如用在多种现代移动手机中，但是不能很好地扩展到更大屏幕尺寸，如与笔记本电脑或甚至台式计算机一起使用的显示器中。对于需要特殊处理的表面或在表面中使用特殊元件的技术，以线性因子n为倍数增加屏幕尺寸意味着特殊处理必须被扩展以处理n²倍更大面积的屏幕或者意味着需要n²倍更多的特殊元件。这可能导致不可接受的低生产率或过高的成本。

一些技术的另一个缺点是其不能或很难处理多点触摸事件。当多个触摸事件同时发生时发生多点触摸事件。这可能在原始检测的信号中引入分歧，然后这必须被解决。重要的是，该分歧必须以快速且计算高效的方式被解决。如果太慢，则该技术将不能给予系统所需要的触摸采样率。如果计算过于繁重，则这将抬高该技术的成本和能量消耗。

另一个缺点是该技术可能不能满足增加分辨率的需求。假设触敏表面是具有l×w的长和宽尺寸的矩形。进一步假设该应用需要分别以δl和δw的精确度定位触摸点。则有效的需求分辨率是r＝(lw)/(δlδw)。我们将把r表达为触摸点的有效数量。随着技术的发展，r中的分子一般将增加并且分母一般将降低，因此导致需要的触摸分辨率r的整体增加趋势。

因此，存在对改善的触敏系统的需求。

技术实现要素：

光学触敏设备检测由器械(例如，钢笔、尖笔)导致的触摸事件并且将这些事件与由手指导致的触摸事件区分开。在一些实施例中，也可以区分不同的器械。

光学触敏设备包括多个发射器和检测器。每个发射器产生由检测器接收的光束。优选地，光束以使得许多光束可以同时被检测器接收的方式多路复用。触摸事件例如由于受抑全内反射而干扰光束。指示哪些光束已经被干扰的信息被分析以检测一个或多个触摸事件。该分析还将器械触摸事件与手指触摸事件区分开。

器械可以在多种不同的基础上与手指区分开。一个示例是接触区域。这可以包括接触区域的尺寸、形状和不对称性。器械的接触区域还可以被设计为包括多个不相交区。另一个示例是衰减率。器械可以由将展现出比手指更高的衰减率的材料构成。还可以使用时间特性。接触表面的手指通常比接触表面的器械具有不同的时间形貌。实际器械关于衰减或增强光束的响应还可以被设计为与由手指导致的响应不同。因为器械是制造的，所以可以实现更多种类的响应，包括将入射光束重新定向到不同的方向以及将入射光束分裂成多个出射光束。波长是可以用于区分器械与手指和其他器械的又一个自由度。

有源器械可以包括发射器和检测器的使用。发射器可以将附加光束注入到系统中。这些附加光束可以用于检测器械的存在。这些附加光束还可以被设计为识别器械。这些附加光束还可以用作来自器械的独立通信通道。检测器可以用在相反的方向。由发射器在外围产生的光束可以被检测并且这可以用于检测器械的存在。被检测的光束还可以用作到器械的通信通道。一些器械还可以具有附加离带(outofband)通信，诸如通过无线信道。

其他形态也可以被用于检测器械触摸事件。示例包括手掌触摸和声音。由于器械被保持在用户手中，器械触摸事件通常伴随着附近的手掌触摸。这可以用于帮助识别器械触摸事件。由于器械触摸事件和手指触摸事件的不同声音和振动特征，声音或振动信息也可以被用于区分器械触摸事件与手指触摸事件。

其他方面包括组件、设备、系统、改进、方法、过程、应用、计算机可读介质以及与以上任意一个相关的其他技术。

附图说明

现在将通过参考附图以示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是根据一个实施例的光学触敏设备的示图。

图2是根据一个实施例的用于确定触摸事件的位置的流程图。

图3a-3f说明与光束的触摸交互的不同机制。

图4是二元的和模拟的触摸交互的曲线图。

图5a-5c是不同形状的光束占用空间(footprint)的俯视图。

图6a-6b是说明触摸点分别行进通过窄光束和宽光束的俯视图。

图7是针对图6的窄光束和宽光束的二元的和模拟的响应的曲线图。

图8a-8b是说明发射器有源区域覆盖率的俯视图。

图8c是说明交替的发射器和检测器的俯视图。

图9a-9e是器械的不同类型二维接触区域的俯视图。

图10a说明手指触摸随时间的发展。

图10b和图10c说明器械触摸随时间的发展。

图11是用于定义器械响应的命名的示图。

图12a-12b是使用内部波导通道的尖端结构的前视图和侧截面图。

图12c说明图12a-12b中的尖端结构的操作。

图13是重新定向光线的尖端结构的示图。

图14是波长选择性尖端结构的示图。

图15是使用光栅的尖端结构的示图。

图16是具有中等折射率的尖端结构的示图。

图17a是注入器尖端的侧视图。

图17b-17d是不同类型的注入器尖端的俯视图。

图18是用于限制可能的器械触摸的流程图。

具体实施方式

该详细描述被分为两部分。部分a提供触敏系统的各个方面的描述和多点触摸事件的检测的描述。这些在手指触摸的环境中进行描述，但是该概念也适用于器械(例如，钢笔或尖笔/铁笔(stylus))触摸。部分b提供检测器械触摸的描述，包括不同类型的器械之间的区分。以下是详细描述的目录：

部分a：触摸检测

i.引言

ii.物理设施

iii.处理阶段

部分b：器械检测

iv.引言

v.无源器械检测

vi.有源器械检测

vii.附加形态

部分a：触摸检测

i.引言

a.设备概述

图1是根据一个实施例的光学触敏设备100的示意图。该光学触敏设备100包括控制器110、发射器/检测器驱动电路120以及触敏表面组合件130。该表面组合件130包括表面131，在该表面上将检测触摸事件。为方便起见，由表面131定义的区域有时候可以被称为有源区域或有源表面，即使该表面本身可能是完全无源的结构。组合件130还包括沿有源表面131周边布置的发射器和检测器。在该示例中，存在被标记为ea-ej的j个发射器和被标记为dl-dk的k个检测器。该设备还包括触摸事件处理器140，其可以被实施为控制器110的一部分或如在图1中单独示出。标准化的api可以被用于与触摸事件处理器140通信，例如在触摸事件处理器140与控制器110之间通信，或者在触摸事件处理器140与连接到该触摸事件处理器的其他设备之间通信。

发射器/检测器驱动电路120充当控制器110与发射器ej和检测器dk之间的接口。发射器产生由检测器接收的“光束”。优选地，由一个发射器产生的光线被不止一个检测器接收，并且每个检测器接收来自不止一个发射器的光线。为方便起见，“光束”将指代从一个发射器到一个检测器的光线，即使其可能是去到许多检测器的大扇形光的一部分而不是单独的光束。从发射器ej到检测器dk的光束将被称为光束jk。图1明确地标记光束al、a2、a3、e1和ek作为示例。在有源区域131内的触摸将干扰某些光束，从而改变在检测器dk处的接收。关于这些变化的数据被传送给触摸事件处理器140，该触摸事件处理器分析该数据以确定触摸事件在表面131上的(多个)位置(和时间)。

如图1所示的光学方法的一个优势是该方法很好地扩展到更大屏幕尺寸。由于发射器和检测器是围绕外围定位的，因此以线性因子n为倍数增加屏幕尺寸意味着边缘也被扩展n倍而不是n²倍。

这些触敏设备可以用在各种应用中。触敏显示器是一类应用。触敏显示器包括用于平板电脑、笔记本电脑、台式电脑、游戏机、智能手机以及其他类型的计算设备的显示器。触敏显示器还包括用于电视、数字标识、公共信息、白板、电子阅读器的显示器以及其他类型的优良分辨率显示器。然而，触敏显示器也可以用在更小或更低分辨率显示器上：简单的手机、用户控制器(复印机控制器、打印机控制器、家电的控制器等)。这些触敏设备还可以用在不同于显示器的应用中。在其上检测触摸的“表面”可以是无源元件，诸如印刷图像或只是一些坚硬的表面。该应用可以用作用户界面，类似于轨迹球或鼠标。

b.过程概述

图2是根据一个实施例用于确定触摸事件的位置的流程图。该过程将使用图1的设备来说明。该过程200大致分为两个阶段，其将被称为物理阶段210和处理阶段220。从概念上讲，两个阶段之间的分界线是一组透射系数tjk。

透射系数tjk是从发射器j到检测器k的光束与如果没有与光束交互的触摸事件时所透射的光束相比的透射率。在下面的示例中，我们将使用0(完全被阻挡的光束)到1(完全透射的光束)的数值范围。因此，未被触摸事件干扰的光束jk具有tjk＝1。完全被触摸事件阻挡的光束jk具有tjk＝0。被触摸事件部分地阻挡或衰减的光束jk具有0<tjk<1。例如根据触摸交互的性质或在光被偏转或被散射到其通常不会达到的检测器k的情况下，tjk>1是可能的。

这种比量度(specificmeasure)的使用纯粹是示例。可以使用其他的量度。特别地，由于我们对被干扰的光束最感兴趣，因此可以使用相反的度量诸如(1-tjk)，因为其通常是0。其他示例包括吸收、衰减、反射或散射的度量。此外，虽然图2使用tjk作为物理阶段210与处理阶段220之间的分界线来解释说明，但是并不需要明确地计算tjk。也不需要在物理阶段210与处理阶段220之间有清晰的划分。

返回图2，物理阶段210是根据物理设置确定tjk的过程。处理阶段220根据tjk确定触摸事件。在图2中示出的模型在概念上是有用的，这是因为该模型在某种程度上将物理设置和底层的物理机制与后续处理分开。

例如，物理阶段210产生透射系数tjk。触敏表面组合件130的许多不同物理设计是可能的，并且将根据最终应用来考虑不同的设计折中。例如，发射器和检测器可以较窄或较宽、具有较窄的角度或较宽的角度、具有不同的波长、具有不同的功率、相干或不相干等。作为另一个示例，不同类型的多路复用可以被用于允许来自多个发射器的光束被每个检测器接收。这些物理设置和运行模式中的几种在下面描述，主要在部分ii中描述。

方框210的内部示出过程210的一种可能的实施方式。在这个示例中，发射器向多个检测器传送212光束。横跨触敏表面行进的一些光束被触摸事件干扰。检测器以多路复用光学形式从发射器接收214光束。所接收的光束被解复用216以将独立光束jk彼此区分。然后确定218每个独立光束jk的透射系数tjk。

处理阶段220还可以以许多不同的方式实施。候选触摸点、线成像、位置插值、触摸事件模板和多回扫方法都是可以被用作处理阶段220的一部分的技术示例。这些技术中的若干技术在下面描述，主要在部分iii中描述。

ii.物理设施

触敏设备100可以以许多不同的方式实施。以下是设计变体的一些示例。

a.电子装置

关于电子方面，需要注意图1本质上是示例性和功能性的。图1中的不同方框的功能可以在相同的组件中被一起实施。

例如，控制器110和触摸事件处理器140可以被实施为硬件、软件或这两者的组合。它们也可以在一起被实施(例如，具有在soc中的处理器上运行的代码的soc)或者单独地被实施(例如，控制器作为asic的一部分，并且触摸事件处理器作为在与asic通信的独立处理器芯片上运行的软件)。示例实施方式包括专用硬件(例如，asic或已编程的现场可编程门阵列(fpga))以及运行软件代码(包括固件)的微处理器或微控制器(嵌入式的或独立的)。在制造之后可以通过更新软件来修改软件实施方式。

发射器/检测器驱动电路120用作控制器110与发射器和检测器之间的接口。在一种实施方式中，至控制器110的接口实际上是至少部分数字的。关于发射器，控制器110可以发送控制发射器的操作的命令。这些命令可以是指令，例如比特位序列，该比特位序列意味着采取某些动作：开始/停止光束的传送，更改为光束的某些模式或序列，调整功率，使电路上电/掉电。这些命令也可以是更简单的信号，例如“光束使能信号”，其中当光束使能信号为高时发射器传送光束，而当光束使能信号为低时不传送光束。

电路120将接收到的指令转换为驱动发射器的物理信号。例如，电路120可以包括耦接到数模转换器的一些数字逻辑，以便将接收到的数字指令转换为用于发射器的驱动电流。电路120还可以包括用于操作发射器的其他电路系统：例如将电调制施加到光束上(或施加到驱动发射器的电信号上)的调制器、控制回路以及来自发射器的模拟反馈。发射器还可以发送信息给控制器，例如提供报告其当前状态的信号。

关于检测器，控制器110还可以发送控制检测器的操作的命令，并且检测器可以返回信号给控制器。检测器还传送关于由检测器接收到的光束的信息。例如，电路120可以从检测器接收原始的或放大的模拟信号。然后，该电路可以调节这些信号(例如，噪声抑制)，将这些信号从模拟形式转换为数字形式，并且也许还应用一些数字处理(例如，解调制)。

b.触摸交互

图3a-图3f说明与光束的触摸交互的不同机制。图3a说明基于受抑全内反射(tir)的机制。光束(示出为虚线)通过光学透明的平面波导302从发射器e传播到检测器d。光束通过全内反射被限制到波导302。波导可以由例如塑料或玻璃构成。与透明波导302接触的物体304(诸如手指或尖笔)具有比正常围绕波导的空气更高的折射率。在接触区域的上方，由物体导致的折射率的增加干扰波导中的光束的全内反射。全内反射的干扰增加了从波导泄漏的光，衰减穿过接触区域的任意光束。相应地，物体304的移除将停止穿过的光束的衰减。穿过触摸点的光束的衰减将导致检测器处较低的功率，由此可以计算降低的透射系数tjk。

图3b说明基于光束阻挡的机制。发射器产生极为接近表面306的光束。与表面306接触的物体304将部分阻挡或完全阻挡接触区域内的光束。图3a和图3b说明触摸交互的一些物理机制，但是也可以使用其他机制。例如，触摸交互可以基于偏振的变化、散射或传播方向或传播角度的变化(竖直的或水平的)。

例如，图3c说明基于传播角度的不同机制。在该示例中，光束经由tir被引导在波导302中。光束以某一角度撞击波导-空气界面并且以相同的角度被反射回来。然而，触摸304改变了光束正在传播的角度。在图3c中，光束在触摸304之后以更陡峭的传播角度行进。检测器d具有作为传播角度的函数而变化的响应。检测器d可以对以原始传播角度行进的光束更敏感或者其可以更不敏感。无论如何，被触摸304干扰的光束将在检测器d处产生不同的响应。

在图3a-图3c中，触摸物体也是与光束交互的物体。这将被称为直接交互。在间接交互中，触摸物体与中间物体交互，而中间物体与光束交互。图3d示出使用中间阻挡结构308的示例。正常地，这些结构308不阻挡光束。然而，在图3d中，物体304接触阻挡结构308，这导致阻挡结构308部分阻挡或完全阻挡光束。在图3d中，结构308被显示为离散的物体，但是其不是必须如此。

在图3e中，中间结构310是可压缩的部分透射的薄片。当没有触摸时，薄片以某一数量衰减光束。在图3e中，触摸304压缩薄片，因此改变光束的衰减。例如，薄片的上部可能比下部更加不透明，使得压缩减小透射率。可替代地，薄片可以具有某一密度的散射部位(site)。压缩增加接触区域的密度，由于相同数量的散射部位占据更小的体积，因此降低透射率。类似的间接方法也可以被用于受抑tir。注意该方法可以被用于基于压缩的程度或速率来测量接触压力或触摸速度。

该触摸机制还可以增强透射，作为对降低透射的代替或附加。例如，图3e中的触摸交互可以增加透射而不是降低透射。薄片的上部可以比下部更加透明，使得压缩增加透射率。

图3f示出由于触摸交互导致发射器与检测器之间的透射率增加的另一个示例。图3f是俯视图。发射器ea正常地产生由检测器d1接收的光束。当没有触摸交互时，ta1＝1并且ta2＝0。然而，触摸交互304阻挡光束到达检测器d1并且将一些被阻挡的光散射到检测器d2。因此，检测器d2将比其正常情况接收来自发射器ea的更多的光。因此，当存在触摸事件304时，ta1减小并且ta2增加。

如将在部分b中详细描述的，如果物体304是器械，则该器械可以被设计为具有某一触摸交互特性。例如，由器械304导致的触摸交互可以作为波长的函数而变化，或者该交互可以随着器械被倾斜、平移、旋转或其他移动而改变。与器械304的触摸交互也可以取决于光束的传播方向。器械304也可以是有源设备，具有其自己的(多个)发射器和/或(多个)检测器。器械304还可以包括(多个)再发射器(re-emitter)，所述再发射器检测入射光束并且然后再发射光束，可能在再发射之前改变光束。

为简单起见，在该部分a的剩余部分中，将假设触摸机制主要具有阻挡特征，也就是说从发射器到检测器的光束将被干涉触摸事件部分阻挡或全部阻挡。这不是必需的，但是便于说明各种概念。

为方便起见，触摸交互机制有时候可以被分类为二元交互或模拟交互。二元交互是作为触摸的函数基本具有两种可能响应的交互。其示例包括非阻挡和全阻挡，或者非阻挡和10％以上的衰减，或者非受抑和受抑tir。模拟交互是对触摸具有“灰度”响应的交互：非阻挡经过渐变为部分阻挡直至阻挡。触摸交互机制是二元交互还是模拟交互部分地取决于触摸和光束之间的交互的性质。尽管其可能取决于光束的竖直尺寸，但其不取决于光束的横向宽度(如下面所描述的，其还可以被操纵以获得二元衰减或模拟衰减)。

图4是说明二元触摸交互机制与模拟触摸交互机制相比较的曲线图。图4以曲线图示出作为触摸的深度z的函数的透射率tjk。维度z是进入和离开有源表面。曲线410是二元响应。在低的z处(即，当触摸还没有干扰光束时)，透射率tjk处于其最大值。然而，在一些点z0处，触摸打断光束并且透射率tjk相当突然地降到其最小值。曲线420示出模拟响应，其中从最大tjk到最小tjk的转变发生在较宽范围的z上。如果曲线420表现良好，则可能根据tjk的测量值来估计z。

c.发射器、检测器和耦合器

每个发射器向多个检测器传送光。通常，每个发射器同时向不止一个检测器输出光。类似地，每个检测器接收来自多个不同发射器的光。光束可以是可见光、红外光和/或紫外光。术语“光/光线”旨在包括所有这些波长，并且诸如“光学”等术语应该相应地解释。

用于发射器的光源的示例包括发光二极管(led)和半导体激光器。也可以使用ir源。光束的调制可以通过直接调制光源或通过使用外部调制器(例如液晶调制器或偏转镜调制器)来实现。用于检测器的传感器元件的示例包括电荷耦合器件、光电二极管、光敏电阻、光电晶体管和非线性全光检测器。通常，检测器输出电信号，该电信号是所接收的光束的强度的函数。

除了主光源和传感器元件以外，发射器和检测器还可以包括光学器件和/或电子器件。例如，光学器件可以用于耦接在发射器/检测器与期望的光束路径之间。光学器件还可以再成形或以其他方式调节由发射器产生的或由检测器接收的光束。这些光学器件可以包括透镜、菲涅尔透镜、反光镜、滤镜、非成像光学器件和其他光学组件。

在本公开中，为了清楚起见，光学路径将被展开示出。因此，光源、光束以及传感器将被示出为处于一个平面内。在实际的实施方式中，光源和传感器通常将与光束不在同一平面内。可以使用各种耦接方法。平面波导或光学滤镜可以用于耦接去到/来自实际光束路径的光线。也可以使用自由空间耦接(例如，透镜和反光镜)。还可以使用组合，例如沿一个维度为波导并且沿其他维度为自由空间。在2011年7月22日提交的美国申请第61/510,989号“opticalcoupler”中描述了各种耦合器设计，该专利申请通过引用以其全部内容并入本文。

d.光束路径

触敏系统的另一方面是光束和光束路径的形状和位置。在图1-2中，光束被显示为直线。这些直线应当被解释为表示光束，但是光束本身不必是窄的“铅笔状”光束。图5a-图5c示出不同的光束形状。

图5a示出点式发射器e、点式检测器d以及从发射器到检测器的窄的“铅笔状”光束510。在图5b中，点式发射器e产生被宽检测器d接收的扇形光束520。在图5c中，宽发射器e产生由宽检测器d接收的“矩形”光束530。这些是光束的俯视图，并且示出的形状是光束路径的占用空间(footprint)。因此，光束510具有线状的占用空间，光束520具有三角形的占用空间，其在发射器处为窄并且在检测器处为宽，并且光束530具有相当恒定宽度的矩形占用空间。在图5中，如通过光束路径所看到的，检测器和发射器由其宽度来表示。实际光源和传感器可能不是这么宽。相反，光学器件(例如，圆柱形的透镜或反光镜)可以用于有效地将实际光源和传感器的横向范围变宽或变窄。

图6a-图6b和图7示出占用空间的宽度如何能够确定透射系数tjk表现为二元量还是模拟量。在这些图中，触摸点具有接触区域610。假设触摸是完全阻挡的，从而照射接触区域610的任意光都将被阻挡。图6a示出随着触摸点从左向右移动跨过窄光束发生的事情。在最左侧的情况下，光束完全不被阻挡(即，最大tjk)直到接触区域610的右边缘干扰光束。在该点处，光束被完全阻挡(即，最小tjk)，这也是中间情景的情况。光束继续完全被阻挡直到整个接触区域移动穿过光束。然后，光束再次完全不被阻挡，如右手边的情景所示。图7中的曲线710示出作为接触区域610的横向位置x的函数的透射率tjk。最小tjk和最大tjk之间的急剧转变示出该响应的二元性质。

图6b示出随着触摸点从左向右移动跨过宽光束发生的事情。在最左侧的情景中，光束刚开始被阻挡。透射率tjk开始下降但是处在最小值和最大值之间的某一值处。随着触摸点阻挡更多的光束，透射率tjk继续降低，直到光束被全部阻挡的中间情景。然后随着接触区域退出光束，透射率tjk开始再次增加，如右手边的情况所示。图7中的曲线720示出作为接触区域610的横向位置x的函数的透射率tjk。在x的宽范围上的转变示出该响应的模拟性质。

图5-图7考虑个体光束路径。在大多数实施方式中，每个发射器和每个检测器将支持多个光束路径。

图8a是说明由点式发射器产生的光束图案的俯视图。发射器ej将光束发送到宽检测器d1-dk。为了清晰起见将三个光束画上阴影：光束j1、光束j(k-1)以及中间光束。每个光束具有扇形占用空间。全部占用空间的聚合是发射器ej的覆盖区域。也就是说，落在发射器ej的覆盖区域内的任何触摸事件都将干扰来自发射器ej的至少一个光束。图8b是类似的示图，区别之处在于发射器ej是宽发射器并且产生具有“矩形”占用空间的光束(实际上是梯形的，但是我们将称之为矩形)。这三个带阴影的光束用于与图8a中相同的检测器。

注意每个发射器ej可以不为每个检测器dk产生光束。在图1中，考虑将从发射器ea行进到检测器dk的光束路径ak。首先，由发射器ea产生的光可能不在该方向上传播(即发射器的辐射角可能不足够宽)，因此可能根本没有物理光束，或者检测器的接收角可能不足够宽而使得检测器没有检测到入射光。第二，即使存在光束并且它是可检测的，由于光束路径没有位于产生有用信息的位置，因此它可能被忽略。因此，透射系数tjk可能不具有发射器ej和检测器dk的所有组合的值。

来自发射器的个体光束的占用空间和来自发射器的全部光束的覆盖区域可以使用不同的量来描述。空间范围(即宽度)、角度范围(即发射器的辐射角、检测器的接收角)以及占用空间形状是可以用于描述个体光束路径以及个体发射器的覆盖区域的量。

从一个发射器ej到一个检测器dk的单个光束路径可以通过发射器ej的宽度、检测器dk的宽度和/或限定两者之间的光束路径的角度和形状来描述。

这些个体光束路径可以被聚合在针对一个发射器ej的所有检测器上，用于为发射器ej产生覆盖区域。发射器ej的覆盖区域可以通过发射器ej的宽度、相关检测器dk的聚合宽度和/或限定来自发射器ej的光束路径的聚合的角度和形状来描述。注意，个体占用空间可以重叠(见图8b接近发射器处)。因此，发射器的覆盖面积可以不等于其占用空间的总和。(发射器的占用空间的总和)/(发射器的覆盖面积)的比率是重叠量的一个度量。

个体发射器的覆盖区域可以被聚合在全部发射器上以获得该系统的全部覆盖。在这种情况下，全部覆盖区域的形状不是如此的感兴趣，因为它应该覆盖全部有源区131。然而，并非该有源区域131内的所有点都将被同等地覆盖。一些点可能被许多光束路径横穿，而其他点可能被很少的光束路径横穿。光束路径在有源区域131上的分布可以通过计算多少个光束路径横穿该有源区域内的不同(x，y)点来表征。光束路径的取向是该分布的另一方面。从全部以大体相同方向传播的三个光束路径得出的(x，y)点通常将是比全部以彼此间隔60度角传播的三个光束路径横穿的点更弱的分布。

上面对发射器的讨论也适用于检测器。在图8a-8b中为发射器构造的示图也可以被构造用于检测器。然后，检测器dk的覆盖区域是由检测器dk接收的光束的全部占用空间的聚集。所有检测器覆盖区域的聚集给出整个系统覆盖。

e.有源区域覆盖范围

有源区域131的覆盖范围取决于光束路径的形状，但是也取决于发射器和检测器的布置。在大多数应用中，该有源区域的形状是矩形，并且发射器和检测器沿着该矩形的四个边定位。

在优选方法中，不是只将发射器定位在沿着某些边并且只将检测器定位在沿着其他边，而是发射器和检测器沿着这些边交错定位。图8c示出这种方案的一个示例，其中发射器和检测器沿所有四个边缘交替。阴影的光束示出发射器ej的覆盖区域。

f.多路复用

由于多个发射器向多个检测器传送多个光束，并且由于个体光束的行为通常是所期望的，因此使用多路复用/解复用方案。例如，无论光线是来自由一个发射器产生的一个光束还是来自由多个发射器产生的多个光束，每个检测器通常都输出表示入射光的强度的单个电信号。然而，透射率tjk是个体光束jk的特性。

可以使用不同类型的多路复用。根据所使用的多路复用方案，光束的透射特性(包括其内容以及它们被发射的时间)可以改变。因此，多路复用方案的选择可以影响光学触敏设备的物理构造及其操作两者。

一种途径是基于码分多路复用。在这种途径中，由每个发射器产生的光束使用不同的代码来编码。检测器接收光信号，该光信号是来自不同发射器的光束的组合，而所接收的光束可以基于代码被分隔成其组分。这在美国专利申请第13/059,772号“opticalcontrolsystemwithmodulatedemitters”中进一步详细描述，该专利申请通过引用被并入本文。

另一种类似的途径是频分多路复用。在该途径中，来自不同发射器的光束被不同的频率调制，而不是被不同的代码调制。这些频率足够低以至于被检测的光束中的不同的组分可以通过电子滤波或其他电子或软件手段来恢复。

还可以使用时分多路复用。在该途径中，不同的发射器在不同的时间发送光束。光束和透射系数tjk基于时序来识别。如果仅使用时间多路复用，则控制器必须足够快地循环通过发射器以满足所需要的触摸采样率。

通常与光学系统一起使用的其他多路复用技术包括波长分隔多路复用、偏振多路复用、空间多路复用以及角度多路复用。电子调制方案(诸如psk、qam以及ofdm)也有可能被应用于区分不同的光束。

一些多路复用技术可以被一起使用。例如，时分多路复用和码分多路复用可以被组合。发射器可以被分解成每组16个发射器的8个组，而不是码分多路复用128个发射器或时分多路复用128个发射器。这8组被时分多路复用，以使得在任何一个时间仅16个发射器进行操作，并且这16个发射器被码分多路复用。这可能有利于例如使得在任意给定时间点的有效发射器的数量最小化以降低设备的功率需求。

iii.处理阶段

在图2的处理阶段220中，透射系数tjk用于确定触摸点的位置。可以使用不同的方法和技术，其包括候选触摸点、线成像、位置插值、触摸事件模板、多回扫(multi-pass)处理和光束加权。

a.候选触摸点

确定触摸点位置的一种方法是基于识别已受触摸事件影响的光束(基于透射系数tjk)并且然后将这些受干扰光束的交点识别为候选触摸点。候选触摸点的列表可以通过考虑接近该候选触摸点的其他光束或通过考虑其他候选触摸点来提炼。该途径在美国专利申请第13/059,817号“methodandapparatusfordetectingamultitoucheventinanopticaltouch-sensitivedevice”中进一步详细描述，该专利申请通过引用并入本文。

b.线成像、层析成像

该技术基于由检测器接收的一组光束形成触摸点的线图像的概念，其中视点是检测器的位置。检测器充当正注视发射器集合的一维摄像机。由于互易性，这同样也适用于发射器。由发射器传送的一组光束形成触摸点的线图像，其中视点是发射器的位置。这些线图像可以被处理以重构触摸点，例如，通过使用相关性或层析成像原理。该方法在美国专利申请第13/460,703号“detectingmultitoucheventsinanopticaltouch-sensitivedeviceusingtoucheventtemplates”以及第14/092,850号“opticaltouchtomography”中进一步详细描述，这些专利申请通过引用并入本文。

c.位置插值

定位触摸点的应用通常需要一定的精度水平。增加精度的一种方法是增加发射器、检测器和光束路径的密度，从而触摸点位置的微小变化也将干扰不同的光束。另一种方法是在光束之间插值。该方法在美国专利申请第13/460,703号“detectingmultitoucheventsinanopticaltouch-sensitivedeviceusingtoucheventtemplates”中进一步详细描述，该专利申请通过引用并入本文。

d.触摸事件模板

如果光束路径的位置和形状是已知的(这通常是具有固定的发射器、检测器和光学器件的系统的情况)，则有可能提前预测给定触摸事件的透射系数。对于所预期的触摸事件，模板可以被先验生成。然后，触摸事件的确定变成模板匹配问题。

如果使用蛮力方法，则可以为每个可能的触摸事件生成一个模板。然而，这可能导致大量的模板。例如，假设一类触摸事件被建模为椭圆形触摸区域并且假设光束是或者完全被阻挡或者完全未被阻挡的铅笔状光束。这类触摸事件可以被参数化为五个维度的函数：长轴的长度、短轴的长度、长轴的取向、在有源区内的x位置以及在有源区内的y位置。涵盖该类触摸事件的一组蛮力穷尽模板必须横跨这五个尺寸。此外，模板本身可以具有大量元素。

因此，在另一种方法中，该组模板被简化。例如，用于具有某些接触区域的触摸事件的一种可能的模板是可能被触摸影响的一组所有光束路径。然而，这是大量的光束路径，因此模板匹配将更加困难。此外，该模板对触摸区域是特别专用的。如果接触区域在尺寸、形状或位置上稍微改变，用于接触区域的模板将不再准确地匹配。而且，如果在有源区的其他地方存在附加触摸，则模板将不会良好地匹配所检测的数据。因此，尽管使用全部可能的光束路径可以产生相当有辨识度的模板，但是它在实施上也可能是计算量繁重的。可替代方案使用具有少于全部受影响的光束的模板。例如，更简单的模板可以基于将被某一接触区域干扰的仅四个光束。由于稍微不同形状、尺寸或位置的其他接触区域将仍然匹配该模板，因此这是不太专用的模板。从将需要较少的模板来覆盖可能的接触区域的空间的意义上来说，这是良好的。这种模板与基于所有干扰光束的全模板相比是不太精确的。然而，由于更小的尺寸，其也更快地匹配。这些类型的模板相对于可能的透射系数的全部集合来说通常是稀疏的。

应注意可以为某一接触区域限定一系列模板，从而增加包含在模板中的光束的数量：二光束模板、四光束模板等。在一个实施例中，被接触区域干扰的光束被从1到n顺序地排序。然后可以通过按该顺序选择前n个光束来构建n光束模板。一般来说，空间有差异或角度有差异的光束趋向于产生更好的模板。也就是说，具有相互之间呈60度运行并且不交叉在同一点的三个光束的模板趋向于比基于相互之间极为接近的三个几乎平行的光束的模板产生更稳健的模板。此外，更多的光束趋向于增加模板匹配的有效信噪比，尤其是在光束来自不同的发射器和检测器的情况下。

通常，也可以使用基础模板来生成一系列相似模板。例如，接触区域b可以与接触区域a相同，但是被向右转移。则可以从接触区域a的模板通过使用向右转移来生成相应的接触区域b的四光束模板。更一般地，接触区域a的模板可以被提取或被参数化(例如，其中参数是在不同方向上的转移量)。该提取将被称为模板模型。在一种方法中，该模型被用于生成个体模板，并且实际数据与个体模板中的每一个匹配。在另一种方法中，数据与模板模型进行匹配。然后，该匹配过程包括确定是否存在针对模板模型的匹配，并且如果是这样，则确定参数的哪个值产生匹配。

模板可以使用正域和负域两者。实际接触区域可以被“无触摸”区包围。如果在实际接触区域中发生接触，则在直接包围区域中将没有接触。因此，模板包括(a)在接触区域中被干扰的光束以及(b)在阴影区域中未被干扰的光束。

模板还可以即基于降低的透射系数又基于增强的透射系数。对于特殊类型的接触，被干扰的某些光束的透射系数应该减小。然而，触摸交互可以在其他方向上散射或反射光，并且这些方向的透射系数应该增加。

其他模板将是显而易见的，并且模板可以以若干方式进行处理。在一种直观的方法中，模板中的光束的扰动被简单相加或求平均。这可以增加此类测量的总体snr，因为每个光束添加额外的信号，而来自每个光束的噪音是假设独立的。在另一方法中，求和或其他组合可以是加权的过程，其中并非该模板中的所有光束都被赋予相等的权重。例如，接近所建模的触摸事件中心经过的光束可以被赋予比更远离触摸事件中心的光束更大的权重。可替代地，光束在模板中的角度相异性也可以通过加权来表示。角度不同的光束比不是如此不同的光束具有更大的权重。

触摸事件模板的额外示例在美国专利申请第13/460,703号“detectingmultitoucheventsinanopticaltouch-sensitivedeviceusingtoucheventtemplates”中进一步详细描述，该专利申请通过引用并入本文。

e.多回扫处理

参考图2，该处理阶段并不需要是单回扫处理，也不需要局限于单个技术。多种处理技术可以被组合或以其他方式一起使用以确定触摸事件的位置。

作为一个示例，第一阶段是依赖于快速二元模板匹配的粗略回扫。在该阶段，模板是二元的并且透射率t’jk也被假设为是二元的。二元透射率t’jk可以通过将模拟值tjk舍入或阈值化而从模拟值tjk生成。二元值t’jk与二元模板进行匹配以产生候选触摸点的初级列表。执行一些净化以完善该列表。例如，可以简单地消除冗余的候选触摸点或组合彼此接近或相似的候选触摸点。第二阶段被用于使用更精细的方法来消除误报。对于每个候选触摸点，邻近光束可以用于验证或消除作为实际触摸点的候选者。在美国专利申请第13/059,817号中描述的技术可以被用于该目的。除了考虑到光束的实际宽度外，该阶段也可以使用模拟值tjk。该阶段的输出是确定的触摸点的列表。最终阶段完善每个触摸点的位置。例如，之前描述的内插技术可以被用于以更好的精确度确定位置。由于近似位置是已知的，该阶段可以与更少数量的光束(即在局部邻域内的那些光束)一起合作，但是可以对该数据应用更大的计算量。最终结果是确定触摸位置。

其他技术也可以用于多回扫处理。例如，也可以使用线成像或触摸事件模型。可替代地，相同的技术可以被使用不止一次或以迭代形式使用。例如，可以首先使用低分辨率模板来确定一组候选触摸位置，然后可以使用更高分辨率模板或触摸事件模型来更精确地确定触摸的精确位置和形状。

f.光束加权

在处理透射系数时，对透射系数进行加权或排列优先顺序是很常见的。有效地加权意味着某些光束比其他光束更重要。可以在处理期间根据需要确定加权，或者它们可以被预先确定并从查询表或列表中检索。

对光束进行加权的一个因素是角度差异性(diversity)。通常，角度有差异的光束比具有相对较少角度差异性的光束被给予更高的权重。在给定一个光束的情况下，具有小角度差异性的第二光束(即与第一光束大致平行)可能被较低地加权，因为它提供了在第一光束所提供的信息之外的关于触摸事件位置的相对少的附加信息。相反，具有相对于第一光束的大角度差异性的第二光束在确定沿第一光束出现触摸点的位置时可能被给予更高的权重。

对光束进行加权的另一个因素是光束的发射器和/或检测器之间的位置差异(即空间差异性)。通常，较大的空间差异性被给予较高的权重，因为其代表相比于已获得的信息的“更多”信息。

用于对光束进行加权的另一个可能因素是光束的密度。如果很多光束穿过有源区的一个区域，则每个光束仅是很多光束中的一个并且任一个体光束是不太重要的并且可以被较小地加权。相反，如果较少的光束穿过有源区的一个区域，则这些光束中的每一个在其携带的信息方面是更加重要的并且可以被较多地加权。

在另一方面，标称光束透射率(即不存在触摸事件的透射率)可以用于对光束进行加权。具有较高标称透射率的光束可以被认为比具有较低标称透射率的那些光束更加“可靠”，因为具有较低标称透射率的那些光束更容易受噪声攻击。信噪比(如果可用)可以以相似的方式用于对光束进行加权。具有较高信噪比的光束可以被认为更加“可靠”并且被给予较高的权重。

不论如何确定的权重都可以被用于计算与可能的触摸位置关联的给定模板的品质因数(置信度)。光束透射率/信噪比也可以用在内插过程中，被聚集到与来源于线图像中给定的触摸阴影的内插线相关联的置信度的单个测量中。在最终触摸点位置的确定中，来源于由“可靠”光束构成的阴影的那些内插线可以比来源于可疑光束数据的那些内插线被给予更大的权重。

部分b：器械检测

iv.引言

与手指触摸不同的钢笔、尖笔或其他器械触摸的检测对于许多应用是重要的属性。在一些应用中，器械触摸事件的简单检测可能是足够的。其他应用还可能需要区分不同类型的器械的能力。

尽管独立的机制可以用于支持器械触摸检测，但优选的是能够在很少或没有硬件修改的情况下提供这些特征的光学触敏设备。器械可以粗略地分类为无源的或有源的。无源器械与在发射器和检测器之间传输的光束交互但不添加能量。有源器械可以添加能量并且可以包含其自己的(多个)发射器和(多个)检测器。有源器械可以是电池供电的并且通常还将包含另一个通信通道(例如无线连接)，以便使它们的操作与光学触摸检测系统的剩余部分相协调。器械相比于手指的一个优势是器械(尤其是其尖端)可以被设计为实现与光束的特定触摸交互。不同的器械可以被设计为实施不同的触摸交互，然后这些器械可以在此基础上被区分。

在用于检测器械触摸的光学触摸检测系统中，至少两类数据是可获得的：光束数据和单元数据。光束数据与光束在系统中经历的衰减有关。应该注意，在通常存在反射和散射的某些情况下，在触摸下的一些光束的衰减可能是负的(即存在增加的光学透射)。单元数据与触敏表面上的小区域(通常是几毫米的跨度)有关，其中穿过这些区域中的每个区域的光束的衰减值被聚集以给出在单元的该区域中的局部活动性的指示。整个触敏表面被划分成多个单元。

在一些情况下，手指、手掌和器械接触可能全部同时存在于触敏表面上。为了区别器械和其他接触以及区别器械身份(可能不止一个器械与系统相关联)，可以分析每个接触区域。

v.无源器械检测

器械可以被设计为使得其触摸交互是唯一可识别的。一些特征比其他特征更可靠，一些特征比其他特征更快可检测到，而一些特征比其他特征更容易实施。实际上，不止一个特征可以用于提供改善的器械检测和/或识别。示例特征包括：(a)接触区域，(b)在距离/区域上的接触吸收速率，(c)在时间上的接触着陆行为，(d)针对光束角度的吸收模式，(e)针对光束角度的反射模式，(f)反射与衰减的比率，(g)波长选择性行为，(h)接触材料的折射率，(i)接触材料的双折射，和/或(j)所接收的能量的再发射。这些特征均可以被用于检测器械触摸并且还可以用于区分器械触摸与其他类型的触摸(例如手指触摸)以及区分不同类型的器械。

a.接触区域

接触区域可以用于区分器械触摸与其他类型的触摸(例如，手指触摸或不同器械的触摸)。因为器械可以被设计，所以相比于人类手指来说其接触区域具有更多的自由度。接触区域可以被设计为具有不同的尺寸和形状。器械(诸如，普通的钢笔或尖笔)通常具有比人类手指小的尖端并且可以在此基础上进行区分。图9a-图9e是器械的不同类型的二维接触区域的俯视图。图9a示出具有小尖端的器械的接触区域。仅尺寸即可用于区分该器械和人类手指。图9b示出非对称的接触区域，在该示例中是细长的椭圆。因为人类手指通常具有更圆的接触区域并且因此在其触摸交互中更加各向同性，所以在x方向和y方向上的不同表现可以用于识别该器械。图9c-图9e示出包括多个不相交区的接触区域。在图9c中，接触区域是2×2阵列的接触区。在该示例中，照射接触区的光束(诸如光束910)将被衰减，而在接触区之间穿过的光束(诸如光束920)将不受影响。器械的运动可以增强这种效果，使其更容易被检测。图9d是图9c的接触区域的一维版本。这也允许器械的取向的某种确定。图9e是接触区不在直线网格上的版本。因为器械是被制造的，因此个体特征(诸如个体接触区域)可以做得比人类手指上的特征更小并且更精确。

b.衰减率

尽管手指触摸可以引起一系列光束衰减值，但一般存在手指可实现的每单位距离(接触位置下方的光束的长度)或每单位面积的最大可实现衰减率。器械可以使用具有显著较高的衰减率的材料和/或结构来设计。当被检测时，这可以形成通过专门设计的器械尖端进行触摸的强烈指示。

针对接触尺寸的衰减率基于将被提供的接触尺寸的估计来确定。这种估计是从与被评估的接触相关联的光束数据的分析可获得的(例如，通过对显示衰减的接触的邻域中的光束数量计数)。

一旦获知接触区域的尺寸(并且还可能有形状)，则几何分析可以用于估计该区域中每个光束在接触下的路径。由此，每个受影响的光束在接触下的路径的长度可以被估计并且与光束的衰减数据结合以给出在触摸下传播的每单位距离的损耗的指示，作为接触区域上方的损耗的替代指示。两种方法都可以给出有些类似的结果。

应注意，除器械之外的触摸类型的衰减率的测量也可能是有用的，例如用于当手指可能具有在手指上的污染物时进行检测。这可以用于启用特殊软件或硬件机制以优化存在污染物时的性能。

关于区分多个器械身份，器械尖端材料的机械或化学改性可以使得能够实现一系列的衰减率。所测量的器械触摸的衰减率可以用于确定接触器械的身份。

c.时间上的触摸交互

器械也可以被设计为具有与手指或其他器械不同的时间行为。图10a示出手指触摸随时间的发展。在时间t1处，手指触摸一开始显示出小的接触区域，或许在尺寸上与器械尖端一致，但是如在时间t2和t3处所示，随着手指在波导上“着陆”，接触区域通常在尺寸上迅速增加。这种在非常短的时间段内的行为形成允许手指触摸被识别的另一个区分特征。

如果器械是刚性的，则如图10b中所示，它将更快速地进行接触。在时间t1处，器械与波导进行接触并且从此之后保持相同的接触区域。在图10c中，器械是刚性的并且在时间t3处稳定到其最终位置之前在时间t2处具有一些小量的弹跳。全部这些行为都与图10a所示的手指触摸不同。辨别不同的触摸类型通常需要不超过几毫秒。

d.作为光束方向的函数变化的触摸交互

手指触摸相对于作为被干扰光束的方向的函数的由其引入的衰减量来说是相当各向同性的。然而，有意构造的器械尖端可以显示出作为感测光束的方向的函数的衰减的显著变化。器械响应将随着器械尖端而旋转，因此检测机制应该有能力识别在任何一个任意取向处的指定响应。相反，该检测过程可以产生关于器械的取向的信息。

图11是用于限定器械响应的命名的示图。原点o和由箭头指示的0角度方向相对于器械的接触区域1110被限定。例如，原点o可以是接触区域的中心，并且0角度可以是被任意选择的。入射光束1120由坐标(r,θ)限定，其中r是入射光束1120的路径相对于原点的偏移(即线段op的长度)并且θ是入射光束的传播方向。出射光束1130由相对于入射光束1120上的点p的坐标(δr,δθ)限定。出射光束1130相对于入射光束1120的传播方向是δθ，或者相对于0角度的传播方向是(θ+δθ)。出射光束1130还相对于入射光束的点p被偏移δr。从图11中可以看出，相对于原点o的偏移并不必然是(r+δr)。具有(δr＝0,δθ＝0)的出射光束与入射光束共线，具有(δr＝0)的出射光束全部具有穿过点p的路径，并且具有(δθ＝0)的出射光束全部与入射光束平行。然后，器械的响应可以由透射函数h(r,θ,δr,δθ)限定，该透射函数是由入射光束1120(r,θ)产生的出射光束1130(δr,δθ)的强度。出于方便，透射函数可以被归一化，以使得h＝1意味着出射光束1130具有与入射光束1120相同的强度。

对于“理想”手指，接触区域1110是圆形的，并且透射函数h展现一些对称性。例如，透射函数h不依赖于入射光束方向θ。而且，由于对称性，h(r,δr,δθ)＝h(-r,-δr,-δθ)。通常，透射函数h对于增加的|δr|值和|δθ|值(即对于出射光束的增加的偏移和增加的角度偏差)是单调减少的。然而，器械可以被特别地设计以违反理想手指的这些特征中的任何一个。例如，考虑之前在图9b-图9e中示出的接触区域。这些接触区域中没有一个具有不依赖于入射光束方向θ的透射函数h。

图9b-图9b中的复杂接触区域形状可以通过创建这样一种器械尖端来实施，其中个体接触区耦合触敏设备(受抑tir)的波导之外的光，并且非接触区不耦合触敏设备(受抑tir)的波导之外的光。例如，接触区可以由具有与波导匹配的折射率的透明材料构成，使得在波导中传播的光进入材料且然后被吸收或重新定向到别处。非接触区可以由反射材料构成以便将光限制到下方波导中，或者可以被构造为具有气隙以使得全内反射不受抑制。

图12a是更复杂的尖端结构的前视图。该尖端结构包括多个平行的波导通道1210。图12b是穿过波导通道1210的中心的侧截面图。每个波导通道1210是被气隙1214盖住的透明材料1212的条带。在该示例中，透明材料1212具有与触敏设备的波导匹配的折射率。还可以使用其他折射率的材料。较高的折射率可以缩短光束在尖端内的传播距离，因此允许尖端被做得更小。尖端的剩余部分由材料1216构成。材料1216可以是反射性的或吸收性的，这将产生不同的但有区别性的器械响应。

该尖端提供依赖于入射光束的方向的选择性反射特性。图12c示出单个波导通道1210的操作。光射线1220沿+y方向传播，其与也沿y方向被定向的波导通道1210平行。结果，光1220耦合到波导通道1210中。在图12c中，射线1220被示出为当在下方波导1250中传播时为虚线，而当在波导通道1210中传播时为实线。圆圈指示进入波导通道1210和退出波导通道1210的点。光1220在耦合回到下方波导1250之前在波导通道1210中经受全内反射。

相对于波导通道1210的取向不平行地传播(例如，在相对于y方向的小角度处)的光射线将较不有效地耦合。例如，沿x方向(垂直于波导通道)传播的光束可以进入波导通道中的一个或多个，但是由于通道没有其长度那么宽，因此光束将击打通道的侧壁。取决于侧壁材料是吸收性的还是反射性的，该射线将被该侧壁大部分地吸收或反射。在x方向和y方向中传播的射线的这种不同行为产生可区别的器械响应。由于透射函数h(r,θ,δr,δθ)沿某些优选的方向θ集中，因此该尖端充当一种定向滤波器。

除了设计不同模式的衰减外，器械还可以被构造为重新定向与将通过穿过波导的传播产生的那些路径不同的路径上的入射光。该类型的器械尖端通常将包括一些反射性元件。作为这种器械尖端与感测波导接触的结果，光透射将在一些光学路径中被降低并且在其他路径上被增强。例如，这不是通常将会随手指出现的模式。

图13是使用棱镜1310来重定向光的器械尖端的示例。在图13中，棱镜1310由其底部1312和两个表面1314与1316来表示。为了清晰起见，没有在图13中绘制完整的棱镜。在该示例中，棱镜1310由与下方波导1350折射率匹配(尽管折射率匹配是不必要的)的透明材料构成。光射线1320沿+y方向在波导中传播并且通过棱镜1310的底部1312耦合到棱镜1310中。该射线在涂有反射性材料的两侧1314、1316反射。在一些设计中，反射可以是全内反射的结果。出来的光射线1322被重新定向到+x方向并处于支持波导1350内的全内反射的角度。光的路线改变(re-routing)也可以使用其他元件(诸如反向反射器、光纤、光管或波导)来完成。光栅或其他光束分裂元件可以用于产生多个出口光束。

透射函数h可以以不同的方式用于识别器械触摸以及区分不同的器械。例如，许多透射函数通过展现出强烈衰减或强烈增强的某些方向来表征。该表征可以用于检测或识别器械。还可以使用衰减光束与增强光束的比例。如果有多个输出光束，则可以使用大于某一强度的光束的数量。

作为进一步的变化，器械的透射函数还可以依赖于器械的取向。图12中的器械尖端具有平底，其旨在与触敏表面齐平。如果器械是倾斜的，则该底部将不会进行相同的接触并且透射行为将是不同的。在数学上，透射函数可以被描述为h(r,θ,δr,δθ,α,β)，其中α,β限定器械相对于触敏表面的取向。在一些器械中，透射函数旨在独立于取向α,β。具有浑圆尖端的器械有助于促进这种行为，这是因为不管器械的取向如何，至少浑圆尖端对平坦触敏表面的物理接触将是相同的。可替代地，器械可以被有意地设计为具有作为器械取向α,β的函数而变化的透射函数h(r,θ,δr,δθ,α,β)。

关于区分多个器械，由于很多光束受器械触摸的影响，因此这允许不同的器械的透射函数包含待识别的独特特征。与器械识别相关联的处理工作量将非常取决于待识别的不同器械的数量。而且，其他触摸可以与一个或多个器械触摸同时发生，因此优选相当复杂的透射函数以提供稳健的识别。

e.波长选择性触摸交互

波长可以用于为触摸交互添加另一个维度。这可以允许以将会容易区分具有光谱属性(诸如窄带吸收或反射属性)的器械尖端的方式来估计触摸。可以通过使用不同的发射器类型或通过选择性使用发射器耦合器中的滤光材料(以修改由单宽带led类型产生的有限光谱)在发射器处实现不同的波长。检测器通常在宽范围的波长上是敏感的，因此来自各个发射器波长的能量可以被检测到。应注意，在一个波长处运行的发射器相对于在其他波长处运行的发射器的比例可以是小的或者附加发射器被特别提供以用于帮助识别。该方案的扩展可以是使用具有可见光波长的发射器来检测接触材料的颜色。这类颜色检测可以例如用于绘图应用，其中接触材料的颜色可以被应用于由接触追踪的路径。可替代地，可以使用宽带发射器，并且在检测器处实施波长选择性。可以使用在不同波长处敏感的检测器，或者滤光器可以与较宽带的检测器一起使用。

关于区分不同的器械，在一个实施方式中，一种器械可以在第一波长吸收(例如，由于受抑tir导致的衰减)但不在第二波长吸收，而不同的器械在第二波长处吸收而不在第一波长处吸收。可替代地，器械可以基于在不同波长处的衰减率被区分。这可以被扩展到不只仅有两个波长。

图14是在窄波长带上衰减的器械尖端的示图。该尖端包括具有与下方波导1450匹配的折射率的透明材料1410(尽管折射率匹配是不必要的)。该尖端还包括窄带光谱滤波器1412，其使得在中心为λ0的窄通带内的波长通过。光射线1420处于波长λ0，穿过波长滤波器1412，进入材料1410，然后被吸收或以其他方式被防止再次进入波导1450。光射线1422处于通带之外的波长λ0处。该射线1422被波长滤波器1412反射并且保持在波导1450内。在可替代的方案中，波长滤波器1412可以阻挡一个波长带而不是传送一个波长带。

图15是使用光栅1512的器械尖端1510的示图。光射线1520处于较短波长并且光射线1522处于较长波长。两个射线都被衍射到第一衍射级中。然而，较长波长的光射线1522的衍射角较大。被衍射的射线1520仍然以超出临界角的入射角传播并且保持限制在波导1550中。然而，被衍射的射线1522现在以小于临界角的入射角传播。失去了全内反射并且光束1522被衰减。衍射角和所产生的波长特性可以通过改变光栅的周期和/或耦合到不同衍射级中的效率来改变。

f.折射率、双折射

器械可以使用具有不同折射率的材料(包括双折射材料)来构成。然后，这些材料可以在此基础上被区分。界面处的临界角取决于界面两侧的材料的折射率。改变器械尖端的折射率将改变临界角，进而影响光束是否被透射到器械尖端中(即从波导中移除)或者被全内反射回到波导中。如果光束包括在不同入射角处的射线分布，则一些射线可以被透射并且一些射线可以被反射以使得器械的综合衰减在0到1之间。不同的入射角可以由不同的耦合器形貌(profile)提供。合成材料可以被生产为具有非常宽范围的折射率。

图16是尖端1610的示图，该尖端的折射率在空气的折射率和下方波导1650的折射率之间。入射光束1620包括横跨传播角分布传播的射线。为清楚起见，图16仅示出四个角度，两个以实线示出并且两个以虚线示出。这些射线全部超出临界角，因此这些射线在波导1650与空气接近(即没有接触的情况)的截面处经历全内反射。器械1610具有较高的折射率，因此一些较陡峭的射线(虚线)耦合到器械中，其在检测器处表现为衰减。较浅的射线(实线)依然超出与器械的界面的临界角，因此这些射线在界面处被反射并且继续在波导1650中传播。通过改变折射率，在界面处透射的射线的百分比和整体衰减可以被调整。由于折射率作为偏振和传播角度的函数而变化，因此双折射材料可以用于构造具有更复杂的透射函数的器械。

g.光的再发射

光致发光对于手指触摸来说不存在，但是可以通过一些合成材料来实现。荧光涉及接收的能量和发射的能量之间的光谱偏移。磷光不必具有光谱偏移，但是确实引入接收和发射之间的时间延迟并且还可以包括传播方向的改变。感测能量的临时“污点”的检测可以是迅速可检测的。不同的化学反应还可以提供大不相同的时间常数。

vi.有源器械检测

有源供电的器械(有源器械)可以提供额外的能力。有源器械可以单独使用光学输入/输出以结合光学触敏设备进行工作，或者可以具有无线或其他通信链路，通过该无线或其他通信链路将数据传达到触敏设备。器械尖端可以包括用于将光注入下方波导中的(多个)光学发射器、用于从波导中提取光的(多个)光学检测器，或者(多个)光学检测器和(多个)光学发射器两者。具有(多个)发射器的器械将被称为注射器器械，而具有(多个)检测器的器械将被称为提取器器械。

有源器械可以提供一些优势，可能包括以下几项。(1)有源器械可以被设计为支持不同模式的操作。此外，模式可以在器械自身上是可选择的(例如，器械颜色)。(2)添加有源功能将增加可能设计的数量，因此允许区分更大数量的可能器械身份。(3)附加按钮和其他用户控件可以被添加到有源器械。(4)可以添加力测量和报告。(5)可以例如通过使用加速度计和陀螺仪来感测并报告器械取向、位置、运动等。这可以帮助改善整体触摸性能，尤其是当器械快速移动时。(6)可以实施无线连接，其进而可以启用附加功能。例如，可以提供非接触操作。改善的器械追踪可以使用补充数据来完成。或者可以提供即将到来的器械活动的提前通知。

有源器械需要电源。电池是一个选项，可以是可替换电池或可充电电池。当器械在固定器中休息时可以再充电。

a.注射器器械

图7a-图7b是注射器器械1710的侧视图和俯视图。注射器器械1710容纳将(已调制的)光1720注入波导1750中的光发射器1712，并且该光1720可以被触敏系统的检测器检测。在图17b中，器械1710仅产生单个光束1720。来自器械的光1720可以被设计成使得其与由设备的外围上的发射器产生的光束是可区分的，例如，通过使用不同的时隙、波长和/或调制。来自器械的光束1720可以用于不同的目的。

例如，光束1720可以用作通信通道而完全不用于触摸检测(这可以通过使用前文所述的光束来实现)。被通信的数据可以包括关于器械的任意信息：例如，其身份、操作模式或操作参数、接触力、位置、取向或运动。该数据可以使用标准方法(诸如调制光束1720)来编码。单个光束1720是足够的，只要光束可以被外围上的任意检测器所检测即可。如果通过其他手段获知器械的位置，则接收光束1720的(那些)检测器可以用于确定器械的取向(旋转)。

光束1720还可以用于触摸检测。在图17b中，如果单个光束1720具有作为距离的函数而变化的特性，例如，如果单个光束1720是扇形光束使得当检测器在远方时被检测器拦截的光束部分减少，则这可以用于帮助确定器械的触摸位置。

在图17c中，器械产生三个扇形光束1720a-1720c。可以基于由检测器接收的信号的强度(或相对强度)来估计与器械1710的距离。然后，这可以用于对器械1710的位置进行三角测量。在图17d中，器械产生四个铅笔状光束1720a-1720d，其限定相对于器械的x方向和y方向。器械的x轴可以通过连接接收光束1720b和1720d的检测器的直线来估计，并且y轴可以通过连接接收光束1720a和1720c的检测器的直线来估计。x轴和y轴的交叉点确定器械1710的触摸位置。这些技术还可以与用于基于干扰在发射器和检测器之间传送的光束来确定触摸事件的先前描述的技术结合。

关于器械身份，不同的器械可以通过使其发射不同的光束来识别。光束可以使用不同的波长、时隙、频带、编码或调制等。这些可以用于区分不同的器械。

b.提取器器械

具有检测来自下方波导的光束的检测器的器械可以实施各种功能。首先，接收的光束可以用作通信通道以便将来自触敏系统的其他部分的数据发送给器械。在这种情况下，光束可以是或可以不是正常用于触摸检测的光束中的一个。在一种方案中，光束在大区域上被广播，使得即使器械的位置是未知的，器械检测器也将接收到光束。在另一种方案中，器械的位置是已知的，并且光束被指向该位置。

提取器器械也可以用于触摸检测。例如，检测器可以用于检测来自外围发射器的哪些光束被器械接收。该信息可以用于直接确定器械的位置，其替代或附加于用于基于干扰在发射器和检测器之间传送的光束来确定触摸事件的先前描述的技术。

c.双向器械

器械可以包含发射器和检测器两者，在这种情况下，该器械既是注射器器械也是提取器器械。这些器械将被称为双向器械。这种器械可以以不止一种方式与触敏系统交互。例如，其可以通过发射在检测器处接收的信号的延迟版本来模拟光致发光。可替代地，检测器可以用于使发射器活动与触敏系统的剩余部分的活动同步。发射器和检测器还可以用作双向通信通道以用于传送数据到触敏系统的剩余部分或传送来自触敏系统的剩余部分的数据。

关于器械身份，器械的一致外观以及相关的发射器调制可以提供关于器械身份的信息。而且，由器械检测器看到的具体信号可以提供关于器械的近似位置的附加信息。来自器械上的按钮等的附加模式信息也可以被传递给系统的剩余部分。

d.带外通信通道

有源器械可以具有通信通道而不是通过触摸交互，最可能是无线通道。无线链路的使用为许多其他特征提供准备好的支持，诸如当不与触敏表面接触时的模式选择和展示控制。而且，来自加速度计、陀螺仪或其他传感器类型的补充数据可以被发送，其可以与光学解决的尖端位置结合以提供改善的器械运动的感测。

由于加速度计和陀螺仪通常是趋向于随时间漂移的相对传感器，因此与由基于光波导的触摸感测的绝对测定相结合是有力的解决方案。使用加速度计的有源器械的特殊属性是极大地增加了可被处理的运动速率。加速度计数据可以通知光学波导传感器在下一次扫描中在哪里有可能发现器械尖端。这有助于补偿运动模糊。

将从内部运动传感器报告的器械的特定运动与在光波导传感器上看到的运动相关联是确定器械身份的可能方式。该传感器可以是在特别构造的器械内部或者可以是在附连到无源器械的“项圈”内。例如，普通的白板标记笔将通常完全符合作为光波导触摸系统上的无源接触。这在没有与触敏表面相关联的图形显示器但是需要确定由器械在该表面上追踪的路径的应用中可以是有用的。然而，标记的属性(诸如墨水的颜色)可能不容易被基于波导的系统检测。附连于标记笔上的补充电子装置可以向触敏系统发送数据(例如，关于器械的运动的数据)，该系统可以将该数据与触敏表面上的相应路径匹配。一旦被感测的触摸已经与器械匹配，则系统知道的属性可以被应用到与该器械相关联的报告。一个示例是标记笔的颜色。另一个示例是标记笔尖端的尺寸。为了识别以及补充所报告的运动的质量而使用运动信息可以被应用于不同于器械的物体，包括手指以及被用作与触敏表面接触的物理控制器的物体。

e.有源器械的电力管理

关于器械充电，典型的大器械的主体相当适合于使用可能不可再充电或外部可再充电的常用圆柱形电池。然而，可再充电的器械以及由触摸启动的设备支持的充电可能是优选的。例如，器械固定器可以被提供有对电池进行再充电的设施。

关于低功率模式，从固定器移除器械可能触发器械内部的电路系统准备好展示于触敏表面。否则，器械将被充电或处于备用(低功率)模式。具有补充的内部运动感测(诸如加速度计)的器械可以使用运动检测来控制内部电路活动。当器械在一段时间内不运动时，操作可以被暂停。运动传感器的不定时检查可以确保当器械与触敏表面接触时器械是全面运转的。

当这种器械在运动中和/或被确定为接近触敏表面时，触敏系统可以被置于一种模式，该模式增加手指触摸在被报告之前被分析的时间。这有利于降低写字手的侧面着落于触敏表面上时生成伪手指报告的可能性。手的侧面在完全停留在触敏表面上之前可能生成手指尺寸的接触。在这种模式中，传感器将稍微缓慢地响应于手指触摸，但是将通常是可接受的。

vii.附加形态

a.手掌管理

当器械与尺寸为不止几英寸的触敏表面一起使用时，用户有可能使写字手的侧面停留在触敏表面上。这些是普遍已知的“手掌”触摸，尽管其通常与手的侧面相关联而不是与手掌相关联。

光波导触敏系统可以适应手掌触摸，因为不是所有在手掌下方通过的光都可能被吸收，并且光束的模式可以被布置为使得一些光束很有可能在器械尖端下方穿过，而不太可能在手掌下方穿过。例如，在光学发射器和检测器围绕触敏表面的外围的情况下，通常将具有在表面的顶部和底部(或前部和后部)之间行进且穿过器械接触区域而不接触手掌接触区域的光束，手掌接触区域通常在器械尖端的左侧或右侧。

管理手掌触摸的第一步是检测该手掌触摸。检测不同于器械触摸的手掌触摸的一种方式是将触敏表面划分成可以称为“单元”的小区。在一个实施例中，可能的器械触摸被限制，包括根据图18所示的方法使用单元来排除手掌触摸。

将触敏表面划分1810成小于手掌的接触区域但大于器械的接触区域的小区(单元)。确定1812哪些光束穿过每个单元。计算1814已被触摸干扰的光束在单元内的比例。如果该比例较大1820，则拒绝该单元作为可能的器械触摸。如果该比例较小(例如，低于阈值百分比)1820，则其可能是器械触摸但是也可能是较大手掌触摸的一部分。认为这些单元是候选器械单元。对于候选器械单元，检查1822相邻的单元。基于候选器械单元或许是手掌触摸的边缘处的单元，具有显示与手掌触摸一致的光束活动的相邻单元的候选器械单元被拒绝作为器械触摸。在剩余的候选器械单元中，计算1825有效光束的角度范围。如果角度范围较小1830，则单元内的光束活动可能是在别处接触的假象并且该单元被拒绝作为器械触摸。否则1830，单元保持1832器械触摸的可行候选者。可以应用其他技术以进一步确定是否存在器械触摸。

一旦手掌活动已被识别，则一些应用可以通过对手掌信息不进行任何处理来将其丢弃。其他应用可以确定每个手掌触摸的属性，诸如位置、形状和尺寸。关于手掌触摸的信息可以用于提供增强的性能。当器械正被使用并且在触敏表面上检测到写字手的侧面时，手掌和器械尖端之间的全部进一步触摸可以被忽略。例如，在手掌的器械一侧上的手指状触摸可能与意外的手指/关节对触敏表面的触摸相关联。手掌触摸的位置和范围的一些知识有助于确定在其中将要忽略意外的触摸的小区。简单的途径可能是忽略器械尖端周围的固定尺寸的小区中的手指状触摸。

b.声音

在触敏设备的表面处的机械振动对于确定触摸该表面的材料的性质可能是有用的。例如，着陆在表面上的硬材料将通常生成尖锐的声瞬态。用来自接触麦克风或与触敏表面相关联的其他换能器的声输入增强来自波导触敏设备的信息可以提供识别材料的附加能力。

当触敏设备在与声报告一致(在允许两种感测方法的各自延迟的裕量(margin)内)的时间处检测到新的触摸时，该声信号可以与该触摸相关联。对该关联的进一步信任可以通过由该触摸的运动生成的声信号的分析以及其与触摸传感器所检测的活动的一致性来获得。

这种系统的应用的示例是检测在触敏表面上与手指触摸不同的器械触摸。如果器械尖端由与手指不相似的材料组成，然后在着陆点上生成的振动模式的特征将是不同的。尖端材料是重要的，但是器械本身的成分也是重要的。具有大质量的器械将生成与质量轻的器械不同的着陆瞬态。附加物可以被引进到器械的设计中，具体用于提供可区别的声信号特征。例如，在器械的空心体中的松散物质可以在由尖端的着陆生成的一个瞬态之后产生第二瞬态。

声信号还可以用于降低触敏系统的功率损耗。系统的扫描可以被禁用直到声信号被检测到，检测到声信号可以表明触敏表面上新触摸的到达。

而且，当触摸从表面抬升时通常存在振动。该信息对于克服光波导系统中的“卡顿”触摸问题可能是特别有用的，其中由已经抬升的触摸留下的污染物的斑点足以使系统错误地报告触摸依然存在。与抬升的触摸相关联的声信号提供了触摸实际上已经被移除并且在表面上的该位置处仅有污染物遗留的有益线索。

声检测可以强力拒绝由不相关振动活动导致的振动。这可以通过依靠声信号中的高频成分首先获得。当这些频率穿过设备的主体时通常被迅速吸收。例如，桌子上的计算机显示监视器中的声传感器通常将不接收来自桌子的大量高频振动能量，这是因为桌子材料、监视器外壳以及监视器底部下侧上的软垫将吸收高频振动能量。因此，高频能量(其也是导致快速移动声瞬态的能量)通常将仅由监视器本身的表面处引入的振动引起。而且，可以使用不止一个声传感器并且来自多个传感器的信号的分析可以确定振动是否来源于触敏区域以外的点。例如，在触敏区域的左边缘和右边缘存在接触麦克风的情况下，由触敏区域上的着陆事件生成的瞬态应该以一个时间差到达两个传感器，该时间差小于振动横穿该区域的渡越时间。如果信号在两个传感器处的到达时间相差两个传感器之间的表面的全跨度，则可以推断信号来源于触敏表面以外的点。

声信号的该渡越时间分析的扩展可以确定与由光波导触摸感测报告的位置相比较的近似位置，使得两个位置之间的相关性可以更可靠。

还可以执行信号的分析以确定瞬态和振动的上升时间和/或频谱。快速移动的瞬态边缘可以通过直接测量信号在连续时空样本上的变化的速率来识别，或者通过比较采样信号与合成的或记录的瞬态模板来识别。快速移动/高频能量还可以通过查看信号的频率内容(频谱)来检测。就傅里叶合成而言，高阶谐波在这种快速声瞬态中具有重要的量级。再次，该特性可以通过直接分析频谱内容来确定，或者通过比较该频谱与预定模板频谱来确定。

该类型的分析还可以揭露关于触摸沿着触敏表面的移动速度的信息，特别是在具有触敏表面的一些性能分析的情况下(尽管这不是必要的)。传播速度的估计可以通过分析多个换能器处的信号强度、相位或频谱来实现，或者通过单个换能器处的频谱或强度变化、相位或频谱来实现。由于速度估计可以有助于估计从一次扫描到下一次扫描的预期位置，因此速度估计对于触敏传感器可能是有用的补充数据。

当触摸快速移动时，来自触敏系统的连续报告位置可能相距很远，并且关于相同触摸的报告可能不是明显的。如果基于声信号已知速度比较高，则连续报告之间的这种关系可以被建立。

不同的触摸类型或触摸类型的具体实例可以使用声传感器来辨别。例如，两个器械可以借助于尖端材料、器械质量来区分，或者通过导致触敏表面中的振动是可区分的器械设计的附加方面来区分。

接触麦克风和类似的换能器可以被附连到触敏表面的下侧(即背离用户的一侧)，使得整齐的表面可以被展示给用户。这些器件将被连接到模拟-数字转换电路系统并且所得到的时间采样数据对于微处理系统是可用的。分析中的一些或全部可以可选地使用模拟电子设备来执行，但是这与数字处理相比可能是较不优选的。

viii.附加注意事项

附图仅以说明的目的描绘本发明的实施例。本领域技术人员将从以下讨论中容易认识到可以采用本文图示说明的结构和方法的可替代实施例，而不背离本文描述的发明的原理。

在阅读本公开的基础上，本领域技术人员还将认识到通过本文公开的原理实现的附加替代结构和功能的设计。因此，尽管特殊实施例和应用已经被图示说明和描述，但是应理解所公开的实施例不限制本文公开的明确结构和组件。本领域技术人员将认识到可以在本文公开的方法和装置的布置、操作和详细说明中做出各种修改、改变以及变体。