(57)【要約】折り曲げ型光学要素導波路が光をベースとしたタッチスクリーンディスプレイの周囲周りに最小幅のベゼルを使用することを可能とする。本装置及び方法はタッチスクリーン及び該タッチスクリーンに隣接して設けた導波路基板を包含している。該導波路基板は複数個の導波路及び該タッチスクリーンに隣接して設けた複数個の光学要素を包含している。該導波路はタッチスクリーンの表面に対して垂直に光を反射させるための内部反射表面を包含している。射出用及び検知用導波路が折り曲げられており且つディスプレイの側端部周りに設けられている。その結果、ディスプレイ周りのベゼルの幅を最小とすることが可能である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タッチスクリーン、
該タッチスクリーンに隣接して設けられており、複数個の導波路を包含している導波路基板であって、該導波路が第一軸に沿う第一方向に進行する光を第二軸に沿う第二方向へ反射させる内部反射表面を包含している、導波路基板、
を有している装置。
【請求項２】
請求項１において、該第一軸が該第二軸に対して垂直である装置。
【請求項３】
請求項１において、該導波路基板が、更に、該複数個の導波路へ夫々光学的に結合されている複数個の光学要素を有している装置。
【請求項４】
請求項１において、該内部反射表面が該第一軸と該第二軸とに関して実質的に４５度の角度で形成されている透明な表面である装置。
【請求項５】
請求項３において、該複数個の光学要素が該導波路基板の第一表面上に設けられており、且つ該複数個の導波路が該導波路基板の１つ又はそれ以上の第二表面上に設けられており、該第一表面及び該１つ又はそれ以上の第二表面が夫々互いに垂直である装置。
【請求項６】
請求項５において、該導波路基板の該第一表面上に設けられている該複数個の光学要素のうちの第一サブセットが該タッチスクリーンに隣接して光を与える形態とされている装置。
【請求項７】
請求項６において、該複数個の導波路のうちの第一サブセットが、光源からの光を該第一サブセットの光学要素へ夫々供給すべく設けられている装置。
【請求項８】
請求項５において、該導波路基板の該第一表面上に設けられている該複数個の光学要素のうちの第二サブセットが該タッチスクリーンに隣接する光を受取る形態とされている装置。
【請求項９】
請求項８において、該複数個の導波路のうちの第二サブセットが該第二サブセットの光学要素によって受取られた光を光イメージング装置へ伝達させるべく設けられている装置。
【請求項１０】
請求項１において、該導波路基板が、更に、該タッチスクリーンの周囲を取囲んでいるベゼルを有している装置。
【請求項１１】
請求項１０において、更に、該導波路基板の該ベゼルにより被覆されている複数個の光学要素を有している装置。
【請求項１２】
請求項３において、該光学要素がコリメート型レンズを有している装置。
【請求項１３】
請求項３において、第一サブセットの光学要素が該タッチスクリーンに隣接して光の薄層を発生する形態とされており、且つ第二サブセットの光学要素が該光の薄層における中断を検知する形態とされている装置。
【請求項１４】
請求項３において、第一サブセットの光学要素が該タッチスクリーンに隣接して光の格子を発生する形態とされており、且つ第二サブセットの光学要素が該光の格子における中断を検知する形態とされている装置。
【請求項１５】
タッチスクリーンを設け、
該タッチスクリーンに隣接して導波路基板を設け、該導波路基板が複数個の導波路を包含しており、該導波路が第一軸に沿う第一方向に進行する光を第二軸に沿う第二方向へ反射させる内部反射表面を包含している、
ことを包含している方法。
【請求項１６】
請求項１５において、該第一軸が該第二軸に対して垂直である方法。
【請求項１７】
請求項１５において、更に、該導波路基板上に、該複数個の導波路と夫々光学的に結合されている複数個の光学要素を設けることを包含している方法。
【請求項１８】
請求項１５において、更に、該第一軸と該第二軸とに関して実質的に４５度の角度で透明な表面で該内部反射表面を形成することを包含している方法。
【請求項１９】
請求項１７において、更に、該導波路基板の第一表面上に複数個の光学的要素を設け、且つ該導波路基板の１つ又はそれ以上の第二表面上に複数個の導波路を設けることを包含しており、該第一表面及び該１つ又はそれ以上の第二表面が夫々互いに垂直である方法。
【請求項２０】
請求項１９において、更に、該タッチスクリーンに隣接して光を供給するために該導波路基板の該第一表面上に該複数個の光学要素のうちの第一サブセットを設けることを包含している方法。
【請求項２１】
請求項２０において、更に、該第一サブセットの光学要素から夫々光を供給するための光源を設ける方法。
【請求項２２】
請求項１９において、更に、該タッチスクリーンに隣接する光を受取るために該導波路基板の該第一表面上に該複数個の光学要素のうちの第二サブセットを設けることを包含している方法。
【請求項２３】
請求項２２において、更に、該第二サブセットの光学要素により受取られる光を光イメージング装置へ伝達させるために該複数個の光学要素のうちの第二サブセットを設ける装置。
【請求項２４】
請求項１５において、更に、該タッチスクリーンの周囲を取囲んで該導波路基板上にベゼルを設けることを包含している方法。
【請求項２５】
請求項２４において、更に、複数個の光学要素を該導波路基板の該ベゼル内に被覆させることを包含している方法。
【請求項２６】
請求項１５において、更に、該タッチスクリーンに隣接する光の薄層を発生するために第一組の光学要素及び該光の薄層における中断を検知するために第二サブセットの光学要素を設ける方法。
【請求項２７】
請求項１５において、更に、該タッチスクリーンに隣接して光の格子を発生するための第一組の光学要素及び該光の格子における中断を検知するための第二サブセットの光学要素を設ける方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大略、光をベースとしたタッチスクリーンディスプレイに関するものであって、更に詳細には、タッチスクリーンディスプレイの周囲の周りに最小幅のベゼルを使用することを可能とする折り曲げ型光学要素導波路用装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
データ処理システム用のユーザ入力装置は多くの形式を取ることが可能である。関連性のある２つのタイプはタッチスクリーンとペンをベースとしたスクリーンである。タッチスクリーン又はペンをベースとしたスクリーンのいずれの場合であっても、ユーザは、指又はスタイラス又はペン等の入力装置のいずれかでディスプレイスクリーンをタッチすることによりデータを入力することが可能である。
【０００３】
タッチ又はペンをベースとした入力システムを与えるための１つの従来のアプローチは、ディスプレイスクリーンの上に抵抗性又は容量性の膜をオーバーレイさせることである。このアプローチは、多数の問題を有している。第一に、その膜はディスプレイを薄暗く見えるようにさせ且つ下側に存在するディスプレイを見ることを分かりにくくさせる。補償を行なうために、ディスプレイスクリーンの強度がしばしば増加される。然しながら、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント、ラップトップコンピュータ等の殆どのポータブル装置の場合には、高強度スクリーンは、通常、設けられていない。設けられている場合であっても、付加された強度は付加的なパワーを必要とし、装置のバッテリの寿命を減少させる。又、その膜は容易に損傷される。これらの膜は、従って、ペン又はスタイラス入力装置と共に使用するのに理想的なものではない。ペン又はスタイラスの運動はこの薄い膜に損傷を与えたり切れ目を発生させたりする場合がある。このことは、特に、ユーザがかなりの大きさの力で書き込みを行なう場合に言えることである。更に、その膜のコストは、スクリーンの寸法と共に著しく増減する。大型のスクリーンの場合には、従って、コストは、典型的に、法外のないものとなる。
【０００４】
タッチ又はペンをベースとした入力システムを提供する別のアプローチは、入力ディスプレイの２つの隣接するＸ−Ｙ側部に沿って供給源発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイ及び該入力ディスプレイの反対側の２つの隣接するＸ−Ｙ側部に沿って対応するフォトダイオードの相互的なアレイを使用することである。各ＬＥＤは相互的なフォトダイオードに対して指向される光ビームを発生する。ユーザが、指又はペンのいずれかでディスプレイにタッチすると、その光ビームにおける中断がディスプレイの反対側の対応するＸ及びＹフォトダイオードにより検知される。従って、Ｘ及びＹフォトダイオードにより検知された中断の座標を計算することによりデータ入力が決定される。然しながら、このタイプのデータ入力ディスプレイも多数の問題を有している。典型的なデータ入力ディスプレイに対して多数のＬＥＤとフォトダイオードとが必要とされる。ＬＥＤ及び相互的なフォトダイオードの位置も整合されることが必要である。比較的多数のＬＥＤ及びフォトダイオード、精密なアライメントに対する必要性がこのようなディスプレイを複雑で高価で且つ製造困難なものとさせている。
【０００５】
更に別のアプローチは、単一の光源から単一のアレイ検知器へ光のビームを発生し且つ受取るためのポリマー導波路の使用が関与する。これらのシステムは複雑且つ高価であり且つ送信及び受信導波路及び光学要素及び導波路の間のアライメントを必要とする傾向がある。導波路は、通常、リソグラフィプロセスを使用して製造され、そのことは調達することが高価又は困難な場合がある。更に、導波路は、典型的に、平坦である。その結果、ディスプレイ周りのベゼルは比較的幅広である。例えば、米国特許第５，９１４，７０９号を参照すると良い。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，９１４，７０９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、タッチスクリーンディスプレイの周囲周りに最小幅のベゼルを使用することを可能とする折り曲げ型光学要素導波路に対する必要性が存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、光をベースとしたタッチスクリーンディスプレイの周囲周りに最小幅のベゼルを使用することを可能とする折り曲げ型光学要素導波路用の装置及び方法に関するものである。本装置及び方法は、タッチスクリーン、及び該タッチスクリーンに隣接して設けられている導波路基板を包含している。該導波路基板は、複数個の導波路及び該タッチスクリーンに隣接して設けられている複数個の光学要素を包含している。該導波路はタッチスクリーンの表面に対して垂直に光を反射させる内部反射表面を包含している。従って、射出用及び検知用の導波路は折り曲げられており且つディスプレイの側端部周りに設けられている。その結果、ディスプレイ周りのベゼルの幅を最小とさせることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照すると、本発明の１実施例に基づくタッチスクリーンデータ入力装置が示されている。データ入力装置１０は、タッチスクリーン１４に隣接する自由空間内に光の連続的なシート即ち「薄層（ｌａｍｉｎａ）」１２を画定する。この光の薄層１２は、夫々、Ｘ及びＹ入力光源１６及び１８により形成される。光学的に該光の薄層へ結合されている光学的位置検知装置２０が、データが入力装置へエンターされた場合に発生される薄層１２における中断の位置を決定することにより入力装置へのデータエントリを検知するために設けられている。この光学的位置検知装置２０はＸ受取アレイ２２、Ｙ受取アレイ２４、プロセッサ２６を包含している。Ｘ及びＹ入力光源１６及び１８及びＸ及びＹ受取アレイ２２及び２４は、薄層１２及びタッチスクリーン１４を取囲むベゼル２８内に被覆されている。
【００１０】
動作期間中に、ユーザは、ペン、スタイラス又は指等の入力装置を使用してスクリーン１４をタッチすることにより装置１０へのデータエントリを行なう。入力装置でスクリーンをタッチする動作期間中に、該スクリーンに隣接する自由空間内の光の薄層１２が中断される。光学的位置検知装置２０のＸ受取アレイ２２及びＹ受取アレイ２４がその中断を検知する。その中断のＸ及びＹ座標に基づいて、プロセッサ２６は装置１０に対するデータエントリを決定する。
【００１１】
光薄層１２は本発明の１実施例に基づいて実質的に一様な強度のものである。従って、受取用Ｘ軸及びＹ軸アレイ２０及び２２における感応性回路の所要のダイナミックレンジは最小とされ、且つ高い補間精度が維持される。然しながら、代替的実施例において、非一様な薄層１２を使用することが可能である。この場合には、薄層１２の最も低い強度の区域は、Ｘ軸及びＹ軸アレイ２０及び２２によって使用されている光検知要素の光活性化スレッシュホールドよりも一層高いものであるべきである。
【００１２】
タッチスクリーン１４は本発明の種々の実施に基づいて任意のタイプのデータディスプレイとすることが可能である。例えば、スクリーン１４はパソコン、ワークステーション、サーバー、モーバイルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ＰＯＳ端子、パーソナルデジタルアシスタンス（ＰＤＡ）、携帯電話、それらの任意の組合わせ、又はデータエントリを受取り且つ処理する任意のタイプの装置用のディスプレイとすることが可能である。
【００１３】
薄層１２を形成するために使用されるＸ軸及びＹ軸光源１６及び１８により発生される光の波長も本発明の異なる実施例に基づいて異なるものとすることが可能である。例えば、その光は、例えば白熱供給源からの白色光のような３５０ｎｍから１１００ｎｍの拡張された波長スペクトル範囲を有する高帯域のものとすることが可能である。一方、入力光は２ｎｍ内の範囲にわたる制限されたスペクトルを有する狭帯域のものとすることが可能である。狭帯域の光の使用は、広帯域周囲ノイズ光をフィルタすることを可能とする。狭帯域の光の使用は、又、Ｘ軸受光用アレイ２０及びＹ軸受光用アレイ２２の応答プロフィルに対し光の波長を実質的にマッチングさせることを可能とする。更に別の実施例においては、均一な単一波長の光を使用することが可能である。例えば、ワイヤレス又は遠隔データ転送通信において一般的に使用されている赤外即ちＩＲ光をこの適用例において使用することが可能である。
【００１４】
光源は、そのタイプに拘わらずに、オン及びオン／オフサイクルを使用して連続的又は周期的のいずれかで動作させることも可能である。オン／オフサイクルはパワーを節約し、光源により発生される熱を最小とさせ、且つ時間的なフィルタ動作が例えば検知におけるロック等のノイズを減少させることを可能とする。オフサイクル期間中に、Ｘ受光用アレイ２０及びＹ受光用アレイ２２が受動的即ち「暗」光（ノイズ）を測定する。次いで、この暗光測定値はオンサイクル期間中に検知される能動的光から減算される。従って、この減算は周囲光により発生されるＤＣバックグラウンドをフィルタ除去する。各オフサイクル期間中に、受動的光を較正することも可能であり、そのことは、システムを変化する周囲光パターンへ調節することを可能とさせる。
【００１５】
更に別の実施例においては、Ｘ軸及びＹ軸光源１６及び１８は間欠的にオン及びオフサイクル動作させることが可能である。交互のサイクル期間中に、Ｘ軸供給源１６がオンである場合に、Ｙ軸供給源１８はオフであり且つその逆も真である。この構成は、より少ないピークパワーを必要とする。何故ならば、一度に１つの光源がオンであるに過ぎず、尚且つ夫々各Ｘ及びＹオン／オフサイクル期間中に減算フィルタ動作が発生することを可能とするからである。
【００１６】
電力消費を減少させるために、Ｘ軸及びＹ軸光源１６及び１８に対して「スリープ」モードを使用することも可能である。所定時間期間にわたりデータ入力がなされない場合には、Ｘ軸及びＹ軸光源１６及び１８の強度を減少させることが可能である。影中断がサンプルされるレートも、例えば、毎秒約５回等の低いレートで行なわれる。影中断が検知されると、Ｘ軸及びＹ軸光源１６及び１８の強度及びサンプリングレートは、全て、通常の動作モードへ増加される。所定の時間期間の後に影中断が検知されない場合には、Ｘ軸及びＹ軸光源１６及び１８は、再度、減光され且つサンプリングレートが減少される。
【００１７】
図２を参照すると、ベゼル２８の拡大図が示されている。ベゼル２８は４つの側部、即ちＸ及びＹ光入力アレイ１６，１８及びＸ及びＹ受光アレイ２０，２２を有している。複数個の光学要素３０がベゼル２８の内側周辺部に沿って設けられている。複数個の導波路３２が、夫々、複数個の光学要素３０に対して光学的に結合されている。第一サブセットの導波路３２ａが、レーザ等の光源３４と、夫々、光入力アレイ１６，１８の光学要素３０との間に延在している。第二サブセットの導波路３２ｂが、電荷結合素子又はＭＯＳイメージングチップ等のイメージング装置３６と、夫々、受光アレイ２０，２２の光学要素３０との間に延在している。２つのサブセットの導波路３２ａ，３２ｂは、各々、時折「導波路ハイウエイ」と呼称されるものを形成している。該ハイウエイに沿っての個々の導波路３２のピッチは色々な場合があるが、典型的に、１．６ミクロンである。本発明の種々の実施例において、光学要素３０は垂直にコリメートされたレンズである。
【００１８】
図３を参照すると、データ入力装置１０の断面が示されている。この断面はタッチスクリーン１４にわたって形成されている薄層１２を示している。種々の実施例において、この薄層１２は１乃至４ｍｍの厚さの範囲とすることが可能である。この断面は薄層１２の両側に位置決めされた２個の光学要素３０を示している。上述したように、光学要素３０のうちの一方（例えば、３０ａ）は薄層１２を形成するための光入力のために使用され、且つ他方（例えば、３０ｂ）はデータエントリ（即ち、薄層における中断）を検知するために使用される。導波路３２ａ及び３２ｂは光学的に、夫々、２個の光学要素３０ａ及び３０ｂへ結合されている。光学要素３０ａ，３０ｂ及び導波路３２ａ，３２ｂは一体的であるか又はベゼル２８内に被覆されている。
【００１９】
図１に例示されているような光をベースとした入力装置の場合には、典型的に高度の分解能が所望される。所望のより精緻な分解能を達成するために、多数の比較的小型の光学要素３０がベゼル２８の周囲周りに必要とされる。各光学要素３０は対応する導波路３２を有しているので、導波路ハイウエイ３２ａ及び３２ｂは比較的幅広のものとなる場合がある。その結果、ベゼル２８の幅も非常に幅広となる。携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント、ラップトップ等のポータブル装置の場合には、タッチディスプレイを取囲んでいる幅広のベゼルは好ましいものではない。
【００２０】
図４を参照すると、本発明に基づく折り曲げ型導波路基板４０の斜視図が示されている。この折り曲げ型導波路基板４０はタッチスクリーン１４の周囲を取囲んでいるベゼル４１内に埋設されているか又は一体的な複数個の光学要素３０を包含している。個々の導波路３２が上部表面から基板４０の側部即ち垂直表面へ屈曲しているので基板４０は「折り曲げ型」であると考えられる。各導波路３２内において、４５度の切断表面が内部反射ミラーを形成しており、基板４０の上部と垂直側部の表面の間に直交光路を形成している。従って、送信側において、光は光源（不図示）から基板４０の１つ又はそれ以上の側部表面に沿って個々の導波路３２ａを下方へ進行する。各導波路３２は究極的に基板４０の垂直軸に沿って上方へ屈曲する。折り曲げ部において、ミラー状表面が光を垂直軸から水平軸へ次いで対応する光学要素３０を介して反射する。受け取り側において、光は複数個の光学要素３０を介して侵入し、ミラー状表面によって内部的に反射され、次いで基板４０の側部表面又は複数の表面に沿って対応する導波路４２に沿ってイメージング装置（不図示）へ進行する。
【００２１】
図５を参照すると、基板４０の側部のうちの１つの図が示されている。この図において、光学要素３０は基板４０の上部境界に沿って示されており、且つ導波路３２の種々のハイウエイが基板４０の側部に沿って走行していることが示されている。各光学要素３０の位置において、対応する導波路３２が基板４０の側部により定義される垂直軸に沿って上方へ屈曲している。この垂直軸はディスプレイ１４の水平軸に対して垂直である。
【００２２】
図６を参照すると、折り曲げ型光学要素導波路基板４０の断面が示されている。導波路基板４０はタッチスクリーン１４に隣接して位置されている。この断面において、２個の光学要素３０がスクリーン１４の両側に示されている。例示されるように、各光学要素３０は内部反射表面４４を包含している。この反射表面４４は光学要素に対して内部的なミラーを形成しており、それは導波路が射出用又は検知用のいずれかに使用されるかに依存して垂直軸から水平軸へ又はその逆へ光を反射させることを可能とする。ミラー状表面４４はタッチスクリーン１４の表示表面に対して垂直な光ビームの９０度の偏向を形成する。従って、導波路３２は基板４０の側部／表面上に設けることが可能である。タッチスクリーン１４を取囲んでいるベゼル４１の幅は、従って、最小とされる。
【００２３】
図６Ｂを参照すると、光学要素３０の１実施例が示されている。この実施例においては、光学要素は湾曲したレンズ表面４５を有しており、それは受取った光線を内部反射表面４４上へフォーカスさせる形態とされている。内部反射表面４４は反射された光を導波路３２の近傍に位置した単一の点へ指向させる。このように、１つの軸における湾曲したレンズを介して薄層１２から受取られた光は垂直軸において導波路３２へ指向され且つその逆も又真である。
【００２４】
図６Ｃを参照すると、光学要素３０の別の実施例が示されている。この実施例においては、光学要素３０は平坦なレンズ表面４６を有しており、それは受取った光線を湾曲した内部反射表面４４上へフォーカスさせる形態とされている。内部反射表面４４は反射された光を導波路３２の近傍に位置した単一の点へ指向させる。このように、１つの軸において平坦なレンズ４６を介して薄層１２から受取った光は垂直軸における導波路３２へ指向され且つその逆も又真である。
【００２５】
図７を参照すると、別のタッチスクリーンディスプレイ装置が示されている。データ入力装置７０がタッチスクリーン１４に隣接している自由空間内に光の格子３２を画定する。この光の格子７２は、夫々、Ｘ及びＹ入力光源１６及び１８により形成される。光学的に光の格子７２へ結合されている光学的位置検知装置２０が、該入力装置へデータがエンターされる場合に発生される光の格子７２における中断の位置を決定することにより該入力装置へのデータエントリを検知するために設けられている。光学的位置検知装置２０はＸ受取アレイ２２と、Ｙ受取アレイ２４と、プロセッサ２６とを包含している。動作期間中に、ユーザはスタイラス、ペン、又は指等の入力装置を使用してスクリーン１４をタッチすることにより装置１０へのデータエントリを行なう。入力装置でスクリーンをタッチする動作期間中に、該スクリーンに隣接している自由空間内の光の格子３２が中断される。光学的位置検知装置２０のＸ受取アレイ２２及びＹ受取アレイ２４がその中断のＸ及びＹ座標を検知する。該座標に基づいて、プロセッサ２６が装置１０へのデータエントリを決定する。本発明の代替的実施例においては、図４−６に関連して上述したような最小とさせたベゼル４１を具備する折り曲げ型基板４０は光をベースとした格子入力装置７０と共に使用することが可能である。
【００２６】
前記の発明を理解の明確性の目的のために幾分詳細に説明したが、特許請求の範囲内においてある変更及び修正を実施することが可能であることは明らかである。従って、記述した実施例は制限的なものではなく例示的なものとして取られるものであり、且つ本発明は本明細書に与えた詳細に制限されるべきものではなく、特許請求の範囲及びその均等物により定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】タッチスクリーンディスプレイ装置を示した概略図。
【図２】タッチスクリーンディスプレイ装置の周囲周りに使用したベゼルを示した概略図。
【図３】タッチスクリーン装置の周囲周りに使用したベゼルの断面を示した概略図。
【図４】本発明に基づくタッチスクリーンディスプレイ装置周りに使用するベゼル及び折り曲げ型導波路基板を示した概略斜視図。
【図５】本発明の折り曲げ型導波路及びベゼルを示した概略側面図。
【図６】（Ａ）は本発明の折り曲げ型導波路及びベゼルを示した概略断面図、（Ｂ）及び（Ｃ）は本発明に基づく折り曲げ型導波路の各拡大概略図。
【図７】本発明の折り曲げ型導波路及びベゼルと共に使用することが可能な別のタッチスクリーン装置を示した概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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