CN113924543B - 改进的触摸感测设备 - Google Patents
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Abstract
公开了触摸感测设备，该触摸感测设备包括：面板，该面板限定了触摸表面以及与触摸表面相对的后表面，该触摸表面在具有法向轴线的平面中延伸；显示器，该显示器被布置在后表面附近，并且被构造成通过触摸表面的显示部分来显示图像；多个发射器和检测器，该多个发射器和检测器沿着面板的周边布置并且被布置在面板之下；其中，发射器被布置成发射不可见光，并且第一光引导表面和第二光引导表面被布置成接收光并且引导光以基本上平行于触摸表面的方式横跨触摸表面，其中，该设备包括至少一个光学滤波器，该至少一个光学滤波器被布置在触摸表面的显示部分外侧并且被构造成过滤可见光。
Description
技术领域
本发明涉及通过在面板上方传播光来运行的触摸感测设备。更具体地，本发明涉及通过完全或部分随机的折射、反射或散射来控制和调整面板上方光路径的光学和机械解决方案。
背景技术
在一种被称为“表面上方光学触摸系统”的触摸感测面板中，一组光学发射器围绕触摸表面的外围布置以发射光，该光在触摸表面上方被反射以行进和传播。一组光检测器也围绕触摸表面的外围布置，以从触摸表面上方接收来自该组发射器的光。即，在触摸表面上方建立了交叉的光路径的网格，也称为扫描线。接触触摸表面的物体将使在光的一个或多个扫描线上的光减弱，并且引起由一个或多个检测器所接收的光的变化。物体的位置(坐标)、形状或面积可以通过对在检测器处接收的光进行分析来确定。触摸感测设备的光学和机械特征影响光在发射器/检测器和触摸表面之间的散射，从而相应地影响检测到的触摸信号。例如，在光机械组件的对齐方面的变化对检测过程产生影响，这可能导致次优的触摸检测性能。在触摸检测过程中，例如信噪比、检测精度、分辨率、伪影(artefacts)的存在等因素可能受到影响。虽然现有技术系统旨在在这些因素(例如检测精度)方面进行改进，但在必须对触摸系统进行更复杂且昂贵的光机械修改方面，通常存在相关的折衷。这通常导致触摸系统不太紧凑、并且制造过程更复杂、更昂贵。为了降低系统成本，可能希望使光电组件的数量最小化。一些现有技术系统依赖于对触摸感测设备(例如光发射器和光检测器)的各种组件的精确对齐来改进对性能的控制。然而，由于在组件的对齐方面的小的公差，这种系统可能难以可靠地实现。这种精确对齐在大规模生产中可能很难实现。
发明内容
本发明的目的是至少部分地克服现有技术的上述限制中的一个或多个。
这些目的中的一个或多个、以及从以下描述中可能出现的其他目的通过根据独立权利要求所述的触摸感测设备至少部分地被实现，该触摸感测设备的实施例由从属权利要求限定。
根据第一方面，提供一种触摸感测设备，该触摸感测设备包括：面板，该面板限定了触摸表面以及与触摸表面相对的后表面，该触摸表面在具有法向轴线的平面中延伸；显示器，该显示器被布置在后表面附近，并且被构造成通过触摸表面的显示部分来显示图像；多个发射器和检测器，该多个发射器和检测器沿着面板的周边布置并且被布置在面板之下，其中，发射器被布置成发射不可见光，并且第一光引导表面和第二光引导表面被布置成接收光并且引导光以基本上平行于触摸表面的方式横跨触摸表面，其中，该设备包括至少一个光学滤波器，该至少一个光学滤波器被布置在触摸表面的显示部分外侧并且被构造成过滤可见光。
本公开的一些示例提供了触摸感测设备，该触摸感测设备检测到的光具有更好的信噪比。
本公开的一些示例提供了触摸感测设备，该触摸感测设备具有改进的分辨率和小物体的检测精度。
本发明的一些示例提供了触摸感测设备，该触摸感测设备具有横跨触摸表面的更均匀的扫描线覆盖。
本公开的一些示例提供了具有更少的检测伪影的触摸感测设备。
本公开的一些示例提供了更紧凑的触摸感测设备。
本公开的一些示例提供了制造成本更低的触摸感测设备。
本公开的一些示例提供了使用更可靠的触摸感测设备。
本公开的一些示例提供了更坚固的触摸感测设备。
本公开的一些示例提供了触摸感测设备，该触摸感测设备可以适应在其光机械组件的对齐方面更大的变化，同时保持高的触摸检测精度和分辨率。
本公开的其它目的、特征、方面以及优点将从以下详细描述、所附权利要求以及附图中显现。
应该注意，当在本说明书中使用时，术语“包括/包含”是用于具体说明所述特征、整体、步骤或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、组件或其群组的存在或增加。
附图说明
通过以下本发明的示例的参照附图进行的描述，本发明的示例的这些和其他方面、特征以及优点将能够变得明显且得到解释，在附图中：
图1a是根据本公开的一个示例的触摸感测设备的俯视图；
图1b是根据本公开的一个示例的触摸感测设备的俯视图；
图2是根据本公开的一个示例的触摸感测设备的以横截面侧视图示出的示意图；
图3是根据本公开的一个示例的触摸感测设备的以横截面侧视图示出的示意图；
图4是根据本公开的一个示例的触摸感测设备的以横截面侧视图示出的示意图；
图5是根据本公开的一个示例的触摸感测设备的以横截面侧视图示出的示意图。
具体实施方式
在下文中，本发明的实施例将针对触摸感测设备的特定示例而呈现。贯穿说明书，相同的附图标记用于表示对应的元件。
图1a是包括面板101的触摸感测设备100的俯视图，该面板限定了在具有法向轴线104的平面中延伸的触摸表面102。触摸感测设备100包括沿着面板101的周边布置的多个发射器105和检测器106。
图1b是与图1a相同的视图，但是其中，组件108覆盖了发射器105和检测器106。
图2a是包括面板101的触摸感测设备100的示意图，该面板限定了在具有法向轴线104的平面中延伸的触摸表面102。在一个示例中，面板101是光能透射的面板。触摸感测设备100包括沿着面板101的周边布置的多个发射器105和检测器106。为了清晰地呈现，图2a仅示出发射器105。多个发射器105和检测器106固定到沿着周边延伸的第一框架元件108。因此，发射器105和检测器106相对于第一框架元件108具有基本固定的位置。发射器105和检测器106可以安装到PCT或基部，该PCT或基部固定到第一框架元件108。基部117可以通过螺钉、销钉、卡环、夹子、夹具、粘合剂或任何其他固定元件来固定到第一框架元件108。基部117可以布置在第一框架元件108的凹槽118中，这可以提供基部117到第一框架元件108中的有利的组装和互锁效应。基部117可以基本上与面板101延伸所处的平面平行地安装。与面板101平行地布置基部使得触摸感测设备100在垂直于平面的方向上(即沿着法向轴线104)的宽度最小化。因此，可以提供更加紧凑的触摸感测设备100。然而，应当理解，基部117可以相对于面板101成不同的角度而布置，以使朝向触摸表面102反射的光的量最大化。
发射器105被布置成发射光112。光引导表面111被布置成接收来自发射器的光并且引导光以基本上平行于触摸表面102的方式横跨触摸表面102。光的减弱(例如通过物体触摸触摸表面102)提供了如上所述的对触摸位置的检测。
光引导表面111可以包括漫射光散射元件表面。漫射光散射表面有效地充当用于漫射发射光的光源。
在图2中，可见性滤波器120被布置在前表面102上，以将发射器105和检测器106以及设备100的内部结构隐藏(遮挡)而无法通过前表面102可见。
可见性滤波器120对于可见光是不能透射(反射和/或吸收)的，对于近红外(NIR)光是能透射的，并且优选地仅对于在传播光的波长区域中的NIR光是能透射的。可见性滤波器120可以被实施为一层或多层的涂层或膜。可见性滤波器120可以被实施为在覆盖玻璃上的涂层，例如，IR能透射的印刷物、涂料或带状物。可见性滤波器也可以被实施为薄板，该薄板被保持成与覆盖玻璃接触或者距覆盖玻璃一定距离。在图2中，可见性滤波器120从面板101的边缘朝面板的中心延伸，直到可见性滤波器与显示组件106基本平行或重叠，然而可见性滤波器120可以朝面板的中心进一步延伸。这确保了发射器105和检测器106所在的空间基本上被隐藏而不可见(使用可见光)。在图3中，可见性滤波器120被布置在面板101的后表面上。这使得前表面102能够完全平坦。这还防止了在制造或使用期间可见性滤波器120的划伤或其他损坏。
图4示出了发射器105的示意图，该发射器被安装到具有第一光引导表面110和第二光引导表面111的第一框架元件108。第一光引导表面110可以包括漫射光散射表面。漫射光散射表面有效地充当用于漫射发射光的光源。这使得增大了横跨触摸表面102的扫描线的宽度并且改进了对小物体的检测。漫射光散射表面和光引导表面111之间的距离可以最大化，使得漫散射光可以在更宽的角度上传播，从而进一步增大扫描线的宽度。特别地在靠近面板101边缘的触摸表面102处，这使得改进了对小物体的检测。
在图4中，可见性滤波器120被布置在第一光引导表面110上，以将漫射光散射表面的潜在的高度可见的白色表面、以及发射器105和检测器106隐藏而使其不可见。
如图5所示，光可以在第一光引导表面110和第二光引导表面111以及在第一框架元件108上的第三光反射表面113之间反射。这可以提供紧凑的触摸感测设备100，因为当光的路径在第三光反射表面113处被附加反射折叠时，垂直于法向104的方向上的最大尺寸可以减小。即发射器105和/或检测器106可以更靠近面板侧部布置，并且与布置在面板101下方的进一步的显示元件122的干扰最小。
第三光引导表面113可以包括漫射光散射元件113。漫射光散射元件113有效地充当用于漫射发射光的光源。这使得增大了横跨触摸表面102的扫描线的宽度并且改进了对小物体的检测。漫射光散射元件113和光引导表面110、111之间的距离可以最大化，使得漫散射光可以在更宽的角度上传播，从而进一步增大扫描线的宽度。特别地在靠近面板101的边缘的触摸表面102处，这使得改进了对小物体的检测。下面进一步描述漫散射元件113的不同示例。
因此，发射器105可以被布置成将光发射到第三光反射表面113上。任意多个漫反射表面113可以沿着这种光路径布置，以对扫描线宽度进行优化并且使光损失最小化。第一光引导表面110和/或第二光引导表面111可以包括镜面反射表面。将漫射光散射元件113布置在光的路径中提供了在触摸表面102的平面103中的光的优化的覆盖。漫射光散射元件113相对于发射器105、检测器106以及面板101的位置和特征可以改变，以优化触摸感测设备100的性能以用于各种应用。在提供如在此大致描述的有利优点的同时，可以在本公开的范围内设想进一步的改变。为了清楚地进行呈现，所描述的示例主要涉及与发射器105有关的前述元件，然而应当理解，对应的布置也可以应用于检测器106。下面进一步描述了漫射光散射元件108的不同变化。
在图5中，可见性滤波器120被布置在第三光引导表面113上，以将漫射光散射表面113的潜在高度可见的白色表面、以及发射器105和检测器106隐藏而使其不可见。
面板101包括与触摸表面102相对的后部表面119、以及在触摸表面102和后部表面119之间延伸的面板侧部。第一光引导表面110和第二光引导表面111可以沿着垂直于法向轴线104的方向104’布置在面板侧部内，以通过面板101接收来自发射器105的光或者将光引导到检测器106。
第一光引导表面110和第二光引导表面111可以沿着垂直于法向轴线104的方向104’布置在面板侧部外侧，以围绕面板侧部接收来自发射器105的光或者将光引导到检测器106。围绕面板101引导光使得反射损失最小化并且使得可用于触摸检测过程的光的量最大化。
然而可以设想，在一些示例中，发射器105和/或检测器106在垂直于法向轴线104的方向104’上至少布置在面板侧部外侧或者至少部分地布置在面板侧部外侧。
优选地，光的波长可以大于850nm(例如940nm)以增加反射。因此，可用于触摸检测的光的量可以增大。
第二光引导表面111可以包括漫射光散射元件。
如上所述，第三光引导元件113可以包括漫射光散射元件113。现在将描述漫射光散射元件113的进一步示例。
漫射光散射元件113可以由有凹槽的表面形成，其中凹槽通常竖直地延伸或基本上被随机化。优选地，在水平平面中，凹槽密度大于每毫米10个。可选地，凹槽深度高达10微米。优选地，平均凹槽宽度小于2微米。形成漫射光散射元件113的凹槽可以通过对表面进行刮擦或刷涂来形成。漫射光散射元件113可以直接由第一框架元件108的表面形成。框架元件108可以是挤压型材部件，或者可替代地，框架元件108由刷涂的金属板制成。优选地，框架元件108由阳极氧化金属(例如阳极氧化铝)形成。这同样可以应用于第二框架元件109。用于对光进行漫反射的凹槽可以通过刮擦或刷涂铝的阳极氧化层来形成。在一个实施例中，阳极氧化是反射类型的。在一种示例中，阳极氧化金属(例如阳极氧化铝)在可见光谱范围内呈黑色，但在近红外范围内(例如波长大于800nm)则是漫射光散射的。使用940nm以上的波长可能特别地有利，在940nm以上许多阳极氧化材料开始显著地(例如大约50％)反射。漫射光散射元件113可以布置在接收来自发射器105的发射光的表面处或在接收来自发射器的发射光的表面中。还可以通过在框架元件108的至少一部分的本体中分布散射颗粒(例如TiO2)来实现。
漫射光散射元件113可以被构造为基本上理想的漫反射器，也被称为朗伯(Lambertian)漫射器或近朗伯漫射器，其在围绕漫射光散射元件的半球中的所有方向上产生相等的亮度。许多固有漫射材料形成近朗伯漫射器。在替代方案中，漫射光散射元件108可以是具有明确限定的光散射特性的所谓经设计的漫射器。这提供了受控制的光管理和对光散射能力的调整(tailoring)。具有凹槽状或其他波状结构的膜的尺寸可以被确定成使特定角度处的光散射最优化。漫射光散射元件113可以包括全息漫射器。在变型中，经设计的漫射器被调整成促进到环绕半球中的某些方向上的漫反射，特别地促进到如下角度的漫反射：该角度提供了在触摸表面102上方且横跨触摸表面的光的期望的传播。
漫射光散射元件可以被构造成显示出至少50％的漫反射，优选地显示出至少90％的漫反射。
漫射光散射元件113可以被实施为例如通过阳极氧化、涂覆、喷涂、层压、胶合等施加的涂层、层或膜。在一个示例中，散射元件113被实施为哑光白色涂料或油墨。为了实现高漫反射性，优选地，涂料/油墨中包含具有高折射率的颜料。一种这样的颜料是TiO2，其折射率n＝2.8。漫射光散射元件113可以包括具有不同的折射率的材料。还可以期望例如减少菲涅耳(Fresnel)损失，用于使涂料填料和/或涂料载体的折射率与施加有该涂料填料和/或涂料载体的表面上的材料的折射率相匹配。通过使用陶氏化学公司提供的EVOQUETM预复合聚合物技术，可以进一步提高涂料的性能。存在许多其他作为商购可得的漫射器使用的涂覆材料，例如氟聚合物Spectralon、聚氨酯瓷釉、硫酸钡基涂料或溶液、粒状PTFE、微孔聚酯、漫反射器产品、由Bayer AG公司提供的聚碳酸酯膜等。
可替代地，漫射光散射元件113可以被实施为平坦的或板状的装置，例如，上述经设计的漫射器、漫射膜或由例如粘合剂附接的白纸。根据其它可替代方案，漫射光散射元件113可以被实施为在外表面上的可能与反射材料的覆盖涂层结合的半随机化(非周期性)的微结构。
微结构可以通过蚀刻、压花、模塑、喷砂、刮擦、刷涂等布置在这种外表面和/或内表面上。漫射光散射元件113可以包括可以在模塑过程期间形成的沿着这种内表面的空气袋。在另一替代方案中，漫射光散射元件113可以是光能透射的(例如光能透射的漫射材料或光能透射的经设计的漫射器)并且在外表面处覆盖有反射材料的涂层。漫射光散射元件113的另一示例是布置在粗糙表面上的反射涂层。
漫射光散射元件113可以包括透镜镜片或衍射光栅结构。透镜镜片结构可以合并到膜中。漫射光散射元件113可以包括各种周期性结构，例如布置到内表面和/或外表面上的正弦波纹。周期长度可以在介于0.1mm至1mm之间的范围内。周期结构可以对齐以实现在期望方向上的散射。
因此，如上所述，漫射光散射元件113可以包括：白色或彩色的涂料、白色或彩色的纸、Spectralon、由反射材料覆盖的光能透射的漫射材料、漫射聚合物或漫射金属、经设计的漫射器、反射式的半随机微结构、由漫射材料制成的模制空气袋或膜、包括例如透镜镜片的不同的经设计的膜、或者其他微镜片结构或光栅结构。优选地，漫射光散射元件113具有低的NIR吸收。
在上述实施例中的任何一个的变型(其中，漫射光散射元件提供反射器表面)中，漫射光散射元件可以没有镜面分量或者具有可以忽略的镜面分量。这可以通过使用空气中的哑光漫射膜、内部反射本体漫射器或者本体能透射的漫射器来实现。这通过避免通常由具有镜面分量的漫射器界面产生的窄的、叠加的镜面扫描线，并且仅提供宽的、扩散的扫描线轮廓，从而使得能够有效地扩宽扫描线。通过从触摸信号中移除叠加的镜面扫描线，系统可以更容易地使用宽的、扩散的扫描线轮廓。优选地，漫射光散射元件的镜面分量小于1％，甚至更优选地小于0.1％。可替代地，在镜面分量大于0.1％的情况下，优选地，漫射光散射元件被构造成具有表面粗糙度，以降低光泽度。例如漫射光散射元件具有微结构。
触摸感测设备可以进一步包括屏蔽层(未示出)。屏蔽层可以围绕面板101的周边限定不透明的框架。例如通过使由漫射光散射元件113漫反射的光的在远离面板101的方向上的部分进行循环，屏蔽层可以提高在期望方向上提供漫反射光的效率。
面板101可以由玻璃、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或者聚碳酸酯(PC)制成。面板101可以被设计成覆盖在显示装置或监视器(未示出)上或者集成到显示装置或监视器中。可以设想，即在触摸的输出不需要通过面板101经由所述显示装置来呈现，而是替代地显示在另一个外部显示器上或者传输到任何其他装置、处理器、存储器等的情况下，面板101不需要是光能透射的。
在图6中，可见性滤波器120被布置在第二光引导表面111上，以减少表面11的漫射光散射表面的潜在的高度可见的白色表面的视觉影响。
在图2至图6中所示的可见性滤波器120的位置可以在任何构造中进行组合，以进一步增强设备的外观美观性，并且使面板120下方的组件和表面的可见性最小化。
如在此所使用的，发射器105可以是能够在期望波长范围内发射射线的任何类型的装置，例如二极管激光器、VCSEL(竖直空腔表面发射激光器)、LED(发光二极管)、白炽灯、卤素灯等。发射器105还可以由光纤的端部形成。发射器105可以产生任何波长范围内的光。下面的示例假定光是在红外(IR)范围中产生的，即光的波长大于约750nm。类似地，检测器106可以是能够将光(在相同的波长范围内)转换成电信号的任何装置，例如光检测器、CCD装置、CMOS装置等。
关于以上讨论，“漫反射”是指光从表面反射，使得入射光线以多个角度反射，而不是像“镜面反射”中那样仅以一个角度反射。因此，当被照射时，漫反射元件将在元件上的每个位置处通过在大的立体角上的反射来发射光。漫反射也被称为“散射”。
以上主要参照一些实施例描述了本发明。然而，如本领域技术人员所容易理解的，在仅由所附的专利权利要求所限定和限制的本发明的范围和精神内，除了以上公开的实施例之外，其他实施例同样是可能的。
例如，上文所示出和讨论的发射器和检测器的具体布置只是作为示例给出的。本发明的联接结构在通过如下的方式运行的任何触摸感测系统中都是有用的：以横跨面板的方式传输由多个发射器产生的光，并且在多个检测器处检测所接收的光的变化，所接收的光的变化是由在接触点处与传输的光的相互作用造成的。
Claims (16)
1.触摸感测设备(100)，所述触摸感测设备包括
面板(101)，所述面板限定了触摸表面(102)以及与所述触摸表面(102)相对的后表面(119)，所述触摸表面在具有法向轴线(104)的平面(103)中延伸，
显示器(122)，所述显示器被布置在所述后表面(102)附近，并且被构造成通过所述触摸表面的显示部分来显示图像，
多个发射器(105)和检测器(106)，所述多个发射器和检测器沿着所述面板的周边(107)布置并且被布置在所述面板(101)之下，
其中，所述发射器被布置成发射不可见光(112)，并且至少一个光引导表面(110，111，113)被布置成接收光并且引导所述光以基本上平行于所述触摸表面的方式横跨所述触摸表面，
其中，所述设备包括至少一个光学滤波器(120)，所述至少一个光学滤波器被布置在所述触摸表面的显示部分外侧并且被构造成过滤可见光，
其中，所述触摸感测设备包括框架元件(108)，并且所述框架元件(108)包括所述至少一个光引导表面，
其中，所述框架元件(108)由金属制成，并且所述至少一个光引导表面是刷涂的和/或阳极氧化的金属表面。
2.根据权利要求1所述的触摸感测设备，其中，光学滤波器(120)被定位在所述面板(101)的触摸表面上。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的触摸感测设备，其中，光学滤波器(120)被定位在所述面板(101)的后表面(119)上。
4.根据任一项前述权利要求所述的触摸感测设备，其中，所述触摸感测设备(100)的至少一个光引导表面包括靠近所述后表面(119)的第一光引导表面110。
5.根据权利要求4所述的触摸感测设备，其中，光学滤波器(120)被定位在所述第一光引导表面(110)上。
6.根据任一项前述权利要求所述的触摸感测设备，其中，所述至少一个光引导表面包括靠近所述触摸表面(102)的第二光引导表面(111)。
7.根据权利要求6所述的触摸感测设备，其中，光学滤波器(120)被定位在所述第二光引导表面(111)上。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的触摸感测设备，其中，所述触摸感测设备(100)的至少一个光引导表面进一步包括靠近所述后表面的第三光引导表面(113)。
9.根据权利要求8所述的触摸感测设备，其中，光学滤波器(120)被定位在所述第三光引导表面(113)上。
10.根据前述权利要求中任一项所述的触摸感测设备，其中，所述至少一个光引导表面包括漫射光散射元件。
11.根据权利要求10所述的触摸感测设备，其中，所述漫射光散射元件是阳极氧化铝表面。
12.根据权利要求10所述的触摸感测设备，其中，所述漫射光散射元件被构造成散射波长为800nm以上的光。
13.根据前述权利要求中任一项所述的触摸感测设备，其中，所述多个发射器(105)和检测器(106)被安装在基部(117)上，并且所述基部被安装在与所述面板(101)平行的平面中或在与所述面板(101)垂直的平面中。
14.根据前述权利要求中任一项所述的触摸感测设备，其中所述光学滤波器(120)从所述面板(101)的边缘朝向所述面板(101)的中心延伸，直到所述光学滤波器与所述显示器基本平行或重叠。
15.根据前述权利要求中任一项所述的触摸感测设备，其中，所述光学滤波器(120)被配置为隐藏所述多个发射器(105)和检测器(106)而使其在可见光谱中不可见。
16.根据前述权利要求中任一项所述的触摸感测设备，其中，所述光学滤波器(120)被配置为不能透射可见光而能透射近红外光。
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