(57)【要約】本発明は導波路ベースの光学式タッチスクリーンセンサの送信又は受信光素子用の改善された設計に関し、少なくとも１の収束レンズが送信素子又は受信素子の本体内に取り込まれている。改善された設計の光素子はより機械的にロバストであり、タッチスクリーンアセンブリに取り込みやすく、迷光や外部物質の侵入にほとんど影響されない。一実施例においては、収束レンズは平面波を往復する光をコリメートする。別の実施例においては、収束レンズは外部点を往復する光を集束させる。更に別の実施例においては、送信素子又は受信素子が更に少なくとも１の発散レンズを具えている。送信及び受信素子及び付随する導波路は好ましくは好ましくは露光性パターン形成が可能なポリマを具えている。【選択図】図３
2010509622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子デバイス用の入力デバイスであって：
少なくとも１の光源と；
複数の光検出素子で光強度を検出するための少なくとも１の光検出器と；
平面を規定する入力領域と；
第１の屈折率を有する第１の物質からなる、付随するスラブ領域を有する複数の導波路を具える導波路構成と；
を具え、
前記付随するスラブ領域の各々が、実質的に真直な末端面と、少なくとも１の収束レンズとを有し；
前記光源が、前記導波路構成の、付随する第１のセットのスラブ領域を有する第１の導波路セットに光を結合し；
前記第１の導波路セットが、前記付随する第１のセットのスラブ領域に前記光を配向し；
前記収束レンズが、光ビームの第１のグリッドを生成するために前記入力領域平面内に前記光を集束させ；
前記光ビームの第１のグリッドが第１の方向に前記入力領域を横切り、前記導波路構成の、付随する第２のセットのスラブ領域を有する第２の導波路セットによって、前記光検出器の光検出素子に配向されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の入力デバイスにおいて、前記付随する第１のセットのスラブ領域を有する前記第１の導波路セットが、前記付随する第２のセットのスラブ領域を有する前記第２の導波路セットの対応する導波路の方向に前記入力領域を横切って光ビームを送信することを特徴とする入力デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載の入力デバイスにおいて、前記収束レンズが前記第１の物質と異なる屈折率を有する第２の物質からなり、ルネベルグレンズ、フレスネルレンズ、チャープ回折格子、面内レンズ又はその組合せからなる群から選択されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の入力デバイスにおいて、前記収束レンズが面内レンズであることを特徴とする入力デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載の入力デバイスにおいて、前記収束レンズが前記第１の物質の屈折率未満の屈折率を有する第２の物質からなり、形状において両凹、平凹又は半円凹であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載の入力デバイスにおいて、前記第２の物質が空気であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項７】
請求項４に記載の入力デバイスにおいて、前記収束レンズが前記第１の物質の屈折率より大きい屈折率を有する第２の物質からなり、形状において両凸、平凸又は半円凸であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項８】
請求項１に記載の入力デバイスにおいて、各光ビームが平面波にコリメートされることを特徴とする入力デバイス。
【請求項９】
請求項１に記載の入力デバイスにおいて、各光ビームが前記入力領域内に配置された点に集束することを特徴とする入力デバイス。
【請求項１０】
請求項１に記載の入力デバイスにおいて、各々の付随するスラブ領域が少なくとも１の発散レンズを更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載の入力デバイスにおいて、各々の付随するスラブ領域がビーム拡大器構成中に１の発散レンズと１の収束レンズとを具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１２】
請求項１に記載の入力デバイスにおいて：
前記光源が、前記導波路構成の、付随する第３のセットのスラブ領域を有する第３の導波路セットに光を結合し；
前記第３の導波路セットが、前記付随する第３のセットのスラブ領域に前記光を配向し；
前記収束レンズが、光ビームの第２のグリッドを生成するために前記入力領域平面内に前記光を集束させ；
前記光ビームの第２のグリッドが、前記第１の方向と異なる、第２の方向に前記入力領域を横切り、前記導波路構成の、付随する第４のセットのスラブ領域を有する第４の導波路セットによって、前記光検出器の光検出素子に配向されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載の入力デバイスにおいて、前記付随する第３のセットのスラブ領域を有する前記第３の導波路セットが前記付随する第４のセットのスラブ領域を有する前記第４の導波路セットの対応する導波路の方向に前記入力領域を横切って光ビームを送信することを特徴とする入力デバイス。
【請求項１４】
請求項１２に記載の入力デバイスにおいて、前記収束レンズが前記第１の物質と異なる屈折率を有する第２の物質からなり、ルネベルグレンズ、フレスネルレンズ、チャープ回折格子、面内レンズ又はその組合せからなる群から選択されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１５】
請求項１４に記載の入力デバイスにおいて、前記収束レンズが面内レンズであることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１６】
請求項１５に記載の入力デバイスにおいて、前記収束レンズが前記第１の物質の屈折率未満の屈折率を有する第２の物質からなり、形状において両凹、平凹又は半円凹であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１７】
請求項１６に記載の入力デバイスにおいて、前記第２の物質が空気であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１８】
請求項１５に記載の入力デバイスにおいて、前記収束レンズが前記第１の物質の屈折率より大きい屈折率を有する第２の物質からなり、形状において両凸、平凸又は半円凸であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１９】
請求項１２に記載の入力デバイスにおいて、各光ビームが平面波にコリメートされることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２０】
請求項１２に記載の入力デバイスにおいて、各光ビームが前記入力領域内に配置された点に集束することを特徴とする入力デバイス。
【請求項２１】
請求項１２に記載の入力デバイスにおいて、各々の付随するスラブ領域が少なくとも１の発散レンズを更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２２】
請求項２１に記載の入力デバイスにおいて、各々の付随するスラブ領域がビーム拡大器構成中に１の発散レンズと１の収束レンズとを具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２３】
請求項１２に記載の入力デバイスにおいて、前記入力領域が四辺形であり、付随する第１及び第３のセットのスラブ領域を有する前記第１及び第３の導波路セットが、前記入力領域の隣接する第１及び第３の輪郭に沿って配置され、付随する第２及び第４のセットのスラブ領域を有する前記第２及び第４の導波路セットが、前記入力領域の隣接する第２及び第４の輪郭に沿って配置されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２４】
請求項２３に記載の入力デバイスにおいて、前記入力領域が矩形であり、前記第２の方向が前記第１の方向に対して実質的に垂直であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２５】
請求項２４に記載の入力デバイスにおいて、前記入力領域が矩形であり、前記第１、第２、第３及び第４の導波路セットと結合された、前記第１、第２、第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端面が前記入力領域の対応する輪郭に実質的に平行であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２６】
請求項２５に記載の入力デバイスにおいて、前記第１の方向が前記入力領域の第１及び第２の輪郭に対して実質的に垂直であり、前記第２の方向が前記入力領域の第３及び第４の輪郭に対して実質的に垂直であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２７】
請求項１に記載の入力デバイスにおいて、ユーザが前記入力領域と対話することによって前記電子デバイスに入力を提供することを特徴とする入力デバイス。
【請求項２８】
請求項２７に記載の入力デバイスにおいて、前記ユーザが指又はスタイラスを用いて前記入力領域と対話することを特徴とする入力デバイス。
【請求項２９】
請求項１２に記載の入力デバイスにおいて、ユーザが前記入力領域と対話することによって前記電子デバイスに入力を提供することを特徴とする入力デバイス。
【請求項３０】
請求項２９に記載の入力デバイスにおいて、前記ユーザが指又はスタイラスを用いて前記入力領域と対話することを特徴とする入力デバイス。
【請求項３１】
請求項１に記載の入力デバイスにおいて、前記導波路構成がフォトリソグラフィ的に規定される構成であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項３２】
請求項１に記載の入力デバイスにおいて、前記第１の物質が誘電物質であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項３３】
請求項３２に記載の入力デバイスにおいて、前記誘電物質がポリマであることを特徴とする入力デバイス。
【請求項３４】
請求項１２に記載の入力デバイスにおいて、前記導波路構成がフォトリソグラフィ的に規定される構成であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項３５】
請求項１２に記載の入力デバイスにおいて、前記第１の物質が誘電物質であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項３６】
請求項３５に記載の入力デバイスにおいて、前記誘電物質がポリマであることを特徴とする入力デバイス。
【請求項３７】
請求項１に記載の入力デバイスが、前記入力領域平面に対して垂直な方向に前記光ビームの第１のグリッドをコリメートするために、前記第１及び第２の導波路セットと結合された前記第１及び第２のセットのスラブ領域の前記末端に近接する第１及び第２の外部レンズを更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項３８】
請求項１２に記載の入力デバイスが、前記入力領域平面に対して実質的に垂直な方向に前記光ビームの第１のグリッドをコリメートするために適用される、前記第１及び第２の導波路セットと結合された前記第１及び第２のセットのスラブ領域の前記末端に近接する第１及び第２の外部レンズと、前記入力領域平面に対して実質的に垂直な方向に前記光ビームの第２のグリッドをコリメートするために適用される、前記第３及び第４の導波路セットと結合された前記第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端に近接する第３及び第４の外部レンズとを更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項３９】
請求項２５に記載の入力デバイスが、前記入力領域平面に対して実質的に垂直な方向に前記光ビームの第１のグリッドをコリメートするために適用される、前記第１及び第２の導波路セットと結合された前記第１及び第２のセットのスラブ領域の前記末端に近接する第１及び第２の外部レンズと、前記入力領域平面に対して実質的に垂直な方向に前記光ビームの第２のグリッドをコリメートするために適用される、前記第３及び第４の導波路セットと結合された前記第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端に近接する第３及び第４の外部レンズとを更に具え、前記第１、第２、第３及び第４の導波路セットと結合された前記第１、第２、第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端面が、前記第１、第２、第３及び第４の外部レンズの焦点面に配置されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項４０】
請求項３９に記載の入力デバイスが、前記第１、第２、第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端と前記第１、第２、第３及び第４の外部レンズとの間に透明な物質を更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項４１】
請求項４０に記載の入力デバイスにおいて、前記透明な物質が前記第１の物質の屈折率と実質的に等しい屈折率を有することを特徴とする入力デバイス。
【請求項４２】
請求項４０に記載の入力デバイスにおいて、前記透明な物質が前記各々の導波路セット及び付随するスラブ領域に各々の外部レンズを取り付けるための接着剤であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項４３】
請求項４２に記載の入力デバイスにおいて、前記透明な物質が前記第１の物質の屈折率と実質的に等しい屈折率を有することを特徴とする入力デバイス。
【請求項４４】
電子デバイス用の入力デバイスであって、当該入力デバイスが、入力領域と、第１の物質から形成され、第１の末端と第２の末端を有し、内部に配置された収束レンズを有するスラブ導波路と、遠位端と前記スラブ導波路の前記第１の末端と光学連通する近位端とを有する光導波路とを具え、前記スラブ導波路の前記第２の末端が真直であり、前記入力領域の側面と実質的に平行であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項４５】
請求項４４に記載の入力デバイスにおいて、前記収束レンズが前記第１の物質と異なる屈折率を有する第２の物質から形成され、ルネベルグレンズ、フレスネルレンズ、チャープ回折格子、面内レンズ又はその組合せからなる群から選択されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項４６】
請求項４５に記載の入力デバイスにおいて、前記第２の物質が前記第１の物質の屈折率未満の屈折率を有することを特徴とする入力デバイス。
【請求項４７】
請求項４６に記載の入力デバイスにおいて、前記第２の物質が空気であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項４８】
請求項４４に記載の入力デバイスにおいて、前記スラブ導波路が発散レンズを更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項４９】
請求項４８に記載の入力デバイスにおいて、前記発散レンズと前記収束レンズが、ビーム拡大器構成内にあることを特徴とする入力デバイス。
【請求項５０】
請求項４４に記載の入力デバイスにおいて、前記光導波路が前記第１の物質から形成され、前記スラブ導波路の前記第１の末端で統合形成されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項５１】
請求項４４に記載の入力デバイスが、前記光導波路の前記遠位端に光学連通する光源であって、使用時に前記光源からの光が前記スラブ導波路への前記光導波路に誘導され、前記収束レンズによって前記入力領域平面に集束し、前記スラブ導波路の前記第２の末端から前記入力領域を横切り入射されるような配置の光源を更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項５２】
請求項５１に記載の入力デバイスにおいて、前記収束レンズが前記光を実質的な平面波にコリメートすることを特徴とする入力デバイス。
【請求項５３】
請求項５１に記載の入力デバイスにおいて、前記収束レンズが前記入力領域内の点に前記光を集束させることを特徴とする入力デバイス。
【請求項５４】
請求項５１に記載の入力デバイスが、前記入力領域平面に対して実質的に垂直な方向に前記光を集束させるための、長軸を有する外部レンズを更に具え、当該外部レンズが前記スラブ導波路の前記第２の末端に対して実質的に平行な前記長軸に配置されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項５５】
請求項５１に記載の入力デバイスが、前記スラブ導波路の上方に近接して配置された開口部素子を更に具え、当該開口部素子が前記光に対し不伝導であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項５６】
請求項４４に記載の入力デバイスが、前記スラブ導波路の前記第２の末端の方向に前記入力領域を横切り光を入射するように適用される光源と、前記光導波路の前記遠位端と光学連通する検出器であって、使用時に前記光が前記スラブ導波路の前記第２の末端に入力され、前記収束レンズによって前記光導波路に集束し、前記光導波路によって前記検出器へ誘導されるような配置の検出器とを更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項５７】
請求項５６に記載の入力デバイスが、前記スラブ導波路の上方に近接して配置された開口部素子を更に具え、当該開口部素子が前記検出器の動作範囲にわたって不伝導であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項５８】
電子デバイス用の入力デバイスであって、当該入力デバイスが、入力領域と、第１の物質から形成され、各々が第１の末端と第２の末端を有し、収束レンズを含む複数のスラブ導波路と、各々が遠位端と、対応するスラブ導波路の前記第１の末端と光学連通する近位端とを有する同様の複数の光導波路とを具え、前記スラブ導波路の前記第２の末端が真直であり、前記入力領域の側面と実質的に平行であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項５９】
請求項５８に記載の入力デバイスが、前記光導波路の前記遠位端に光学連通する光源であって、使用時に前記光源からの光が前記スラブ導波路への前記光導波路に誘導され、前記収束レンズによって前記入力領域平面に集束し、前記スラブ導波路の前記第２の末端から前記入力領域を横切り入射されるような配置の光源を更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項６０】
請求項５８に記載の入力デバイスが、前記スラブ導波路の前記第２の末端の方向に前記入力領域を横切る光を入射するように適用される光源と、前記光導波路の前記遠位端と光学連通する多素子検出器であって、使用時に前記光が前記スラブ導波路の前記第２の末端に入力され、前記収束レンズによって前記光導波路に集束され、前記光導波路によって前記多素子検出器の素子へ誘導されるような配置の多素子検出器とを更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は導波路ベースの光学式タッチスクリーンセンサの送信及び受信光素子のための改善された設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書全体にわたる従来技術の記述は、このような従来技術が広く知られている、あるいは当該分野の共通の一般的知識の一部を形成することの認容として決して見なされるべきではない。
【０００３】
図１は米国特許第５，９１４，７０９号、第６，１８１，８４２号及び第６，３５１，２６０号、並びに、米国特許出願番号２００２／００８８９３０Ａ１及び２００４／０２０１５７９Ａ１に記載の光学式タッチスクリーンセンサ１０の動作を例示している。この光学式タッチスクリーンセンサ設計において、統合された光導波路１１、１２を用いて、スクリーンを横切る光ビームアレイ１３を入射し、その後反対側のスクリーンで収集し、位置感応型（すなわち多素子）検出器１７に伝導する。タッチイベント１４（例えば、指又はスタイラスによって）が陰影１５として検出され、位置はタッチする対象により遮断された特定のビームから決定される。タッチスクリーンセンサは通常２次元かつ矩形であり、スクリーンの隣辺に沿った送信導波路である２つのアレイ（Ｘ，Ｙ）と、スクリーンの他の二辺に沿った受信導波路である、２つの対応するアレイ（Ｘ，Ｙ）とを有している。送信側の一部分として、一実施例においては単一の光源１８（発光ダイオード（ＬＥＤ）、又は垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ））がある形状のスプリッタ１９を介してＸ及びＹの双方の送信アレイを形成する複数の導波路に光を入射する。別の実施例においては、別個の光源がＸ及びＹの送信アレイの各々のために用いられる。送信側についての現存する設計において、導波路アレイは光源から水平（すなわちＸ，Ｙ）面に誘導される光ビームを拡大するレンズ１６の列に誘導し、その後スクリーン面を横切り入射される場合に、水平面内でコリメートする。鉛直面でのコリメーションは、例えば、図１に示していないが、円柱レンズのような、外側の鉛直方向コリメーティングレンズ（ＶＣＬ）で得ることができる。受信側は本質的には同一であり、各辺において導波路アレイ及びレンズがスクリーンのベゼル内に配置される。ベゼルの幅を最小化するために、送信及び受信素子が可能な限り短いことが所望される。構成のコスト及び容易性の理由のために、露光性パターン形成が可能なポリマ物質以外で導波路及びレンズを形成することが非常に好まれる。光学式タッチスクリーンは一般的に赤外線で動作してディスプレイと干渉するのを防ぐが、必要に応じて可視光を用いることができる。
【０００４】
米国特許第５，９１４，７０９号、第６，１８１，８４２号及び米国特許出願番号２００４／０２０１５７９Ａ１に示されるような現存する設計の送信及び受信素子は鉛直面におけるコリメーションの困難さを生じ、アセンブリの容易性のために、光学式タッチスクリーンの辺に沿った各アレイ中の総ての送信又は受信素子に対し単一のＶＣＬを用いることが便利である。ＶＣＬ２３及びコモンベース２８上の（基板２６に作られた）従来の送信素子２０の位置は、図２ａ（平面図）及び２ｂ（側面図）に示され、基板２６の末端はＶＣＬ２３の背部に対し接合されている。代替的に送信素子２０はコモンベース２８の上に逆位に配置されうる。送信素子２０は一般的に下方及び上方クラッド層の間にサンドイッチされるが（図４ｂに示されるように）、これらは単純化のために省略されている。送信素子２０の全体的に屈曲した末端面２１が、ＶＣＬ２３の焦点面２２に配置されることは難しいことが分かるであろう。従って、特定の出現光線２４は好ましくは鉛直方向にコリメートされうるが、これは他の光線２５の場合にはない。送信側では、不完全なコリメーションからの鉛直方向におけるビームの不可避な拡がりは単純に迷光の原因となる。しかしながら、受信側においては、受信素子に入力される面外の周辺光の潜在性のために、問題は潜在的により深刻である（この作用は図２ｂの光線２５の方向を反転することによって分かるであろう）。
【０００５】
屈曲した末端面２１に対する焦点面２２の最適位置は、屈曲した末端面の頂点と基板２６の末端との間のギャップ２７に完全に依存していることが更に分かるであろう。位置を得る際の簡単なアプローチは、ＶＣＬ２３に対し基板２６を接合することであり、当該技術分野において公知のいくつかの方法において得られうる（例えば、ビジョンシステムを有するピックアンドプレースマシン）。にもかかわらず、ギャップ２７は基板２６が屈曲した末端面２１の頂点を越えて隆起する量によって支配され、その精度は基板を切るのに用いられたツールに依存している。合わせマークによって、ダイシングソーは一般的に約１０μｍの精度でシリコンウェハを切断でき、このアプリケーションにとっておそらくは十分である。しかしながら、コストの理由によって、プラスチック基板や、唯一の次元変数が（相対的に制御しやすい）熱膨張である非シリコン（ｕｎｌｉｋｅ  ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いることが好ましく、プラスチック基板の寸法は、湿度及び温度的かつ機械的な履歴に依存することが更に知られ、制御するのがはるかに難しい。これらの理由のために、正確な内層の位置合わせは、フレキシブルディスプレイのような多層プラスチックデバイスの構成においては、既知の問題である。
【０００６】
現存する設計の送信及び受信素子の有する更に別の問題は、屈折面となる屈曲した末端面２１が空気／ポリマ界面のような大きな屈折率差を有する界面でなければならないことである。従って上方のクラッディング（光学絶縁及び導波路の機械的保護について大いに所望される）が蒸着される際に、米国特許第７，２１８，８１２号（全体において引用によりここに取り込まれる）に述べたように、パターン形成されて、屈曲した末端面をカバーしないようにしなければならない。しかしながら、例えば、光学式タッチスクリーンセンサのアセンブリ中に、曝露された屈曲した末端面が損傷するといったリスクがある。屈曲した末端面２１が光学面であるという事実は更に、送信素子２０とＶＣＬ２３との間のギャップ２７が、２つの構成を接続するのを助け、外部物質がギャップに入り、光を遮断するのを防ぐ透明な接着剤で充填できないことを意味している。
【０００７】
従来技術の不利な点の少なくとも１つを克服又は改善し、有用な代替物を提供することが本発明の目的である。
【発明の概要】
【０００８】
この目的のために、本発明の第１の態様は、
少なくとも１の光源と；
複数の光検出素子で光強度を検出するための少なくとも１の光検出器と；
平面を規定する入力領域と；
第１の屈折率を有する第１の物質からなる、付随するスラブ領域を有する複数の導波路を具える導波路構成と；
を具え、
前記付随するスラブ領域の各々が、実質的に真直な末端面を有し、内部に配置された少なくとも１の収束レンズを含み、
前記光源が、前記導波路構成の、付随する第１のセットのスラブ領域を有する第１の導波路セットに光を結合し；
前記第１の導波路セットが、前記付随する第１のセットのスラブ領域に前記光を配向し；
前記収束レンズが、光ビームの第１のグリッドを生成するために前記入力領域平面内に前記光を集束させ；
前記光ビームの第１のグリッドが第１の方向に入力領域を横切り、前記導波路構成の、付随する第２のセットのスラブ領域を有する第２の導波路セットによって、前記光検出器の光検出素子に配向される電子デバイス用の入力デバイスを提供している。
【０００９】
好ましくは、付随する第１のセットのスラブ領域を有する前記第１の導波路セットは、付随する第２のセットのスラブ領域を有する前記第２の導波路セットの対応する導波路の方向に前記入力領域を横切って光ビームを送信している。
【００１０】
好ましくは前記収束レンズは前記第１の物質と異なる屈折率を有する第２の物質からなり、ルネベルグレンズ、フレスネルレンズ、チャープ回折格子又は面内レンズから選択される。
【００１１】
より好ましくは、前記収束レンズは面内レンズである。
【００１２】
一実施例においては、前記第２の物質は前記第１の物質の屈折率未満の屈折率を有し、前記収束レンズは形状において両凹、平凹、又は半円凹である。好ましくは第２の物質は空気である。代替的な実施例においては、第２の屈折率は前記第１の屈折率より大きく、前記収束レンズは形状において両凸、平凸又は半円凸である。
【００１３】
好ましくは、各光ビームは平面波にコリメートされる。
【００１４】
代替的に、各光ビームは前記入力領域内に配置された点に集束している。
【００１５】
好ましくは、各々の付随するスラブ領域は更に少なくとも１の発散レンズを含んでいる。より好ましくは、各々の付随するスラブ領域はビーム拡大器構成内に１の発散レンズと１の収束レンズとを含んでいる。
【００１６】
更なる好ましい実施例においては、前記光源が、前記導波路構成の、付随する第３のセットのスラブ領域を有する第３の導波路セットに光を結合し；
前記第３の導波路セットが、前記付随する第３のセットのスラブ領域に前記光を配向し；
前記収束レンズが、光ビームの第２のグリッドを生成するために前記入力領域平面内に前記光を集束させ；
前記光ビームの第２のグリッドが、前記第１の方向と異なる、第２の方向に入力領域を横切り、前記導波路構成の、付随する第４のセットのスラブ領域を有する第４の導波路セットによって、前記光検出器の光検出素子に配向されている。
【００１７】
好ましくは、付随する第３のセットのスラブ領域を有する前記第３の導波路セットが、付随する第４のセットのスラブ領域を有する前記第４の導波路セットの対応する導波路の方向に前記入力領域を横切り光ビームを送信している。
【００１８】
好ましくは、前記入力領域は四辺形であり、付随する第１及び第３のセットのスラブ領域を有する前記第１及び第３の導波路セットが、前記入力領域の隣接する第１及び第３の輪郭に沿って配置され、付随する第２及び第４のセットのスラブ領域を有する前記第２及び第４の導波路セットが、前記入力領域の隣接する第２及び第４の輪郭に沿って配置される。
【００１９】
より好ましくは、前記入力領域は矩形であり、前記第２の方向が前記第１の方向に対して実質的に垂直である。より好ましくは、有限な前記第１、第２、第３及び第４の導波路セットと結合された、前記第１、第２、第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端面が前記入力領域の対応する輪郭に実質的に平行である。より好ましくは、前記第１の方向が前記入力領域の前記第１及び第２の輪郭に対して実質的に垂直であり、前記第２の方向が前記入力領域の前記第３及び第４の輪郭に対して実質的に垂直である。
【００２０】
好ましくは、ユーザは前記入力領域と対話することにより前記電子デバイスに入力を提供している。より好ましくは、ユーザは指又はスタイラスを用いて前記入力領域と対話している。
【００２１】
好ましくは、前記導波路構成は、フォトリソグラフィ的に規定される構成である。
【００２２】
好ましくは、前記第１の物質は誘電物質である。より好ましくは、前記誘電物質はポリマである。
【００２３】
一実施例においては、前記入力デバイスは更に、前記第１及び第２の導波路セットと結合された前記第１及び第２のセットのスラブ領域の前記末端に近接し、前記入力領域平面に対して垂直な方向に前記光ビームの第１のグリッドをコリメートする第１及び第２の外部レンズを具えている。
【００２４】
更なる実施例においては、前記入力デバイスは更に、前記第３及び第４の導波路セットと結合された前記第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端に近接し、前記入力領域平面に対して垂直な方向に前記光ビームの第２のグリッドをコリメートする第３及び第４の外部レンズを具えている。
【００２５】
更なる実施例においては、前記入力デバイスが更に、  
前記第１及び第２の導波路セットと結合された前記第１及び第２のセットのスラブ領域の前記末端に近接し、前記入力領域平面に対して垂直な方向に前記光ビームの第１のグリッドをコリメートする第１及び第２の外部レンズと；
前記第３及び第４の導波路セットと結合された前記第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端に近接し、前記入力領域平面に対して垂直な方向に前記光ビームの第２のグリッドをコリメートする第３及び第４の外部レンズと；
を具え、前記第１、第２、第３及び第４の導波路セットと結合された前記第１、第２、第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端面が、前記第１、第２、第３及び第４の外部レンズの前記焦点面に配置されている。
【００２６】
好ましくは前記入力デバイスは更に、前記第１、第２、第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端と、前記第１、第２、第３及び第４の外部レンズとの間に透明な物質を具えている。より好ましくは、前記透明な物質は前記第１の物質の屈折率に実質的に等しい屈折率を有している。
【００２７】
好ましくは、前記透明な物質は接着剤であり、付随するスラブ領域を有する各々の導波路セットに各外部レンズを取付けている。より好ましくは、前記透明な物質は前記第１の物質の屈折率に実質的に等しい屈折率を有している。
【００２８】
有利なことに、本発明の少なくとも好ましい実施例による光素子は、より機械的にロバストであり、タッチスクリーンアセンブリに取り込みやすく、迷光や外部物質の侵入にほとんど影響されない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
本発明は添付図による例示のみによって述べられる。
【００３０】
【図１】図１は光ビームの面内集束を提供するためにレンズに取り込まれる導波路ベースの光学式タッチスクリーンセンサの動作を例示している。
【図２】図２ａ（平面図）及び２ｂ（側面図）は従来の送信素子に対する鉛直方向コリメーティングレンズの位置決めを示している。
【図３】図３は本発明の第１の実施例による収束レンズを含む送信素子を示している。
【図４】図４ａ（平面図）及び４ｂ（側面図）は、露光性パターン形成が可能なポリマを用いて収束レンズに取り込まれた送信素子の構成を例示している。
【図５】図５は空気からなる平凹レンズを含む、本発明の第１の実施例による送信素子を示している。
【図６】図６は隣接する送信素子のアレイからのシート光の射出を例示している。
【図７】図７は空気からなる両凹レンズを含む、本発明の第１の実施例による別の送信素子を示している。
【図８】図８は本発明の第２の実施例による収束レンズを含む送信素子を示している。
【図９】図９は各々が本発明の第２の実施例による収束レンズを含む１対の送信及び受信素子を示している。
【図１０】図１０は空気からなる両凹レンズを含む、本発明の第２の実施例による送信素子を示している。
【図１１】図１１は収束レンズ及び発散レンズを含む、本発明の第３の実施例による送信素子の末端面に対する送信素子を示している。
【図１２】図１２ａ（平面図）及び１２ｂ（側面図）は、本発明の第１の実施例による送信素子の末端面に対する鉛直方向コリメーティングレンズの位置決めを示している。
【図１３】図１３ａは従来の受信素子の側面図を示している。図１３ｂは面外の周辺光の捕捉を防ぐための開口部を具える従来の受信素子の側面図を示している。
【図１４】図１４は面外の周辺光の捕捉を防ぐための開口部を具える、本発明の第１の実施例による受信素子の側面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
米国特許第５，９１４，７０９号、第６，１８１，８４２号及び第６，３５１，２６０号、並びに、米国特許出願番号２００２／００８８９３０Ａ１及び２００４／０２０１５７９Ａ１に開示された導波路ベースの光学式タッチスクリーンセンサ技術は、携帯電話、コンピュータ、ゲーム及び携帯型情報端末（ＰＤＡ）を含む、多様な消費者の電子デバイスに対する潜在的なアプリケーションを有している。このようなデバイスについて許容可能にするために、様々な構成が、許容可能なコストで作られ、構築されることが本質的である。例えば米国特許第３，７６４，８１３号及び第４，３０１，４４７号に開示されたような、対になった光源アレイと検出器でのアプローチと比較すると、この導波路ベースの技術は１の光源と１の検出器とのみを要求し、有意なコストの利点を提供する。導波路及び付随するコリメーティング構成がこのタッチスクリーンセンサ技術の構成を可能にすれば、ローコストな方法で大量生産できることが本質的であり、ポリマ物質でのみ満たすことができる要求である。フォトリソグラフィ／湿式の生成方法を用いて処理されうる露光性パターン形成が可能なポリマは、パターン形成される容易かつ軽度の条件（例えば、溶媒生成前のＵＶ曝露）と、処理設備が比較的ローコストのために特に好ましい。
【００３２】
露光性パターン形成が可能なポリマの例は、アクリル酸及びシロキサンを含んでいる。１の特に好適な物質の種類はＵＶ硬化性シロキサンポリマであり、例えば、米国特許第６，８００，７２４号及び第６，８１８，７２１号（その各々が全体において引用によりここに取り込まれる）に開示されるような縮合反応によって合成されている。シロキサンポリマはシリコン、ガラス及びプラスチックを含む多様な基板物質に対し優良な粘着性を有する。光重合開始剤又は熱重合開始剤は硬化率を増加するために添加されうる。商業上利用可能な光重合開始剤の例は、１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトン（イルガキュア１８４）、２−メチル−１−［４−（メチルチオ）フェニル］−２−モルホリノプロパン−１−オン（イルガキュア９０７）、２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン（イルガキュア６５１）、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−（４−モルホリノフェニル）−ブタノン−１（イルガキュア３６９）、４−（ジメチルアミノ）ベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニル−プロパン−１−オン（ダロクール１１７３）、ベンゾフェノン（ダロクールＢＰ）、１−［４−（２−ヒドロキシエトキシ）−フェニル］−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン（イルガキュア２９５９）、４’−ビス（ジエチルアミノ）ベンゾフェノン（ＤＥＡＢ）、２−クロロチオキサントン、２−メチルチオキサントン、２−イソプロピルチオキサントン、ベンゾイン及び４，４’−ジメトキシベンゾインを含んでいる。可視光で硬化するために、開始剤は例えば、カンファーキノンにすることができる。２又はそれ以上の光重合開始剤の混合物は更に用いられうる。例えば、イルガキュア１０００は８０％のダロクール１１７３と２０％のイルガキュア１８４との混合物である。熱硬化するために、過酸化物の形態での有機過酸化物（例えばジベンゾイルペルオキシド）、ペルオキシジ炭酸、過酸エステル（ｔｅｒｔ−ブチルパーベンゾエート）、パーケタール、ヒドロペルオキシド、並びにＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）が開始剤として用いられうる。
【００３３】
安定剤、可塑剤、コントラストエンハンサ、染料又は充填剤のような、他の添加剤は必要に応じてポリマ特性を促進するように添加されうる。
【００３４】
光学的にパターン形成することによる導波路形成に好適なポリマ物質の薄膜はスピンコーティング、浸漬コーティング、メニスカスコーティング、押出コーティング、及びスロットコーティングを含む多様な方法により基板上に蒸着されうる。これらの薄膜は例えばマスク位置合わせ又はステッパにおいてマスクを通り、又はレーザ直接書込手段によって、光学的にパターン形成される。マスクを通っての曝露は高度な構成のスループットに一般的に好ましい。
【００３５】
前述したように、導波路ベースの光学式タッチスクリーンセンサの送信及び受信素子の現存する設計にはいくつかの問題が存在する。これらの問題は迷光が受信構成に入力されるのを可能にする鉛直面内の不完全なコリメーションと、鉛直方向コリメーティングレンズの簡易な接合位置のために十分な精度で基板を切断する困難さと、曝露された屈曲した末端面に対する機械的損傷のリスクと、接着剤が送信又は受信素子と鉛直方向コリメーティングレンズとの間に配置できないという事実とを含んでいる。
【００３６】
以下のセクションは送信素子用の変更された設計に的を絞っているが、受信素子が一般的に送信素子の鏡像であることが分かるであろう。特に指定のない限り、送信素子に対する総ての設計変更は、受信素子と等しく同様に適用される。
【００３７】
図２ａ及び２ｂによると、総ての上述の問題は現存する設計において、水平面におけるコリメーションが屈曲した末端面２１で生じ、それが光学面であるという事実によって生じている。本発明においては、水平方向のコリメーションが、仮に送信素子の本体内に取り込まれた１又はそれ以上の収束レンズによって行われた場合は、末端面は鉛直方向コリメーティングレンズに対して真直にでき、接合できるであろう。プレーナ導波路に好適な多くの種類の収束レンズが当該技術分野において知られ、導波路面における楕円体の弯入を具えるジオデシックレンズ（“Ｇｅｏｄｅｓｉｃ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｌｅｎｓ  ａｎａｌｙｓｉｓ”，Ｗ．Ｈ．Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．６７，１２９３−１２９９（１９７７））と、高指数物質の成形した上塗層を具えるルネベルグレンズ（米国特許第４，８５６，８６１号、米国特許第４，９７９，７８８号）と、チャープ回折格子（米国特許第４，２６２，９９６号、米国特許第４，４４０，４６８号）と、様々なタイプのフレスネルレンズ（米国特許第４，３６７，９１６号、米国特許第４，４４５，７５９号、“Ｉｏｎ−ｍｉｌｌｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｌｅｎｓｅｓ  ａｎｄ  ｌｅｎｓ  ａｒｒａｙｓ  ｉｎ  ＧａＡｓ”，Ｔ．Ｑ．Ｖｕ＆Ｃ．Ｓ．Ｔｓａｉ，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．７，１５５９−１５６６（１９８９））を含んでいる。
【００３８】
しかしながら構成の点で、最も便利な収束レンズは導波路物質と異なる屈折率を有する透明な物質からなる単純な面内凹又は凸レンズである。プレーナ導波路において光を収束又は発散する面内レンズは当該技術分野において公知であり、レンズ物質は、周囲の導波路よりも高い又は低い屈折率を有している（“Ａ  ｎｅｗ  ｇｕｉｄｅｄ−ｗａｖｅ  ｌｅｎｓ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ｍ．Ｍ．Ｍｉｎｏｔ  ａｎｄ  ＣＣ．Ｌｅｅ，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．８，１８５６−１８６５（１９９０）；“Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｌｏｗ−ｌｏｓｓ  ｔａｐｅｒｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ”，ＣＷ．Ｃｈａｎｇ，Ｍ．Ｌ．Ｗｕ  ａｎｄ  Ｗ．Ｆ．Ｈｓｉｅｈ，ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．１５，１３７８−１３８０（２００３）；日本国特開昭５６−０７８８１４号公報；米国特許第４，７５５，０１４号；米国特許第５，２５３，３１９号；米国特許第６，９８０，７１８号；米国特許第６，９３５，７６４号）。本出願においては、送信素子がポリマからなり、処理条件（例えば、蒸着温度）の点からレンズ用に用いられた物質がポリマと互換性がなければならない。一般的には、屈折率差が可能な限り大きく、送信素子の長さを最小化することが好ましい。屈折率差が比較的大きく（ポリマ指数ｎｐｏｌｙｍｅｒ〜１．５１３、空気指数ｎａｉｒ〜１）、処理が簡単なため（更なる処理が要求されない）、面内レンズは空気からなることが特に好ましい。空気の屈折率はポリマ未満であるため、空気からなる面内収束レンズは、形状において凹面（例えば、両凹、平凹又は半円凹）である。代替的に、面内収束レンズは高屈折率の物質からなり、この場合、形状において凸面（例えば、両凸、平凸又は半円凸）である。
【００３９】
本発明と米国特許出願番号２００６／００８８２４４Ａ１（全体において引用により取り込まれる）は、スラブ領域内に含まれる面内収束レンズについて双方述べているが、米国特許出願番号２００６／００８８２４４Ａ１において、スラブ領域がコリメーションに寄与する屈曲した末端面を有する場合に、含まれる本発明のレンズは自身によって要求された信号光のコリメーションを行う点で異なっている。米国特許出願番号２００６／００８８２４４Ａ１の送信及び受信素子でできるように、本発明の送信及び受信素子が１又はそれ以上の発散レンズを含んでいることを理解すべきである。
【００４０】
本発明の第１の実施例により収束レンズを取り込む送信素子３０は、図３に示されている。送信導波路３１は点３４でスラブ導波路３３に光３２を誘導し、その上で、発散角２φで広がり、送信平面波３９を形成するように末端面３８から射出する、光学軸３７に平行な光線３６に光を実質的にコリメートする収束レンズ３５に直面する。重大なことに、末端面３８は真直であり、ダイシングソー、レーザカッター等で容易に切断できる。末端面は更に光学軸３７に対して垂直であり、光線３６は垂直入射で直面し、屈折されない。好ましくは、送信導波路３１は収束レンズ３５に対して対称的に配置される。より好ましくは、送信導波路及び収束レンズはスラブ導波路３３に対して対称的に配置される。収束レンズ３５は発散角２φ内の総ての光線を捕捉するのに十分な幅と、実質的に光学軸３７に沿って光線をコリメートするための正確な屈曲とを有する限りにおいては、多様な形状を有しうる。
【００４１】
収束レンズを取り込む送信素子３０を構成するための方法は、図４ａ及び４ｂによって以下の限定されない例で述べられている。
【実施例１】
【００４２】
米国特許第６，８１８，７２１号に開示の手段に続いて、低い屈折率のポリマＡは、２５００ｃＰの粘度（２０℃で）及び１．４８３の屈折率（室内灯でのアッベ屈折計上で２０℃で測定）で調製された。高い屈折率のポリマＢは、２２００ｃＰの粘度（２０℃で）及び１．５０９の屈折率（２０℃で測定）で調製された。好適な光重合開始剤がポリマＡ及びポリマＢの双方に添加された。
【００４３】
ポリマＡはシリコンウェハ４０上でスピンコーティングされ、水銀灯からのＵＶ光で硬化され、厚さ２０μｍ及び屈折率１．４８５で（２０℃、８５０ｎｍで）下方クラッド層４１を形成した。ポリマＢは下方クラッド層４１上にスピンコーティングされて、コア層４２を形成し、マスクを通してＵＶ光でパターン形成された。曝露されないポリマＢ物質は次いでイソプロパノール内で溶解されて、入力導波路３１と空気からなる収束レンズ３５を取り込む送信素子３０を形成した。曝露されたコア層４２は１１μｍの厚さと１．５１３の屈折率（２０℃、８５０ｎｍで）を有していた。最終的に保護上方クラッド層４３はスピンコーティング及びポリマＡの第２層を硬化するＵＶによって蒸着された。コア層に対するのと同一の方法で上方クラッド層４３をパターン形成して（米国特許第７，２１８，８１２号に開示のように）、硬化したポリマＡで収束レンズ３５を充填するのを防ぐことが必要であると留意すべきである。収束レンズは一時的に硬化しないポリマＡで一時的に充填されるが、この物質は次の生成ステップにおいて除去される。パターン形成された上方クラッド層４３における開口部４４の正確な位置決めは、収束レンズがカバーされない限りにおいては特に重要ではない。更なる機械的保護が要求される場合、カバープレート４５が収束レンズ上に固定されうるが、構築されるタッチスクリーンセンサにおいて送信素子３０がスクリーンベゼル内に一般的に配置されるため、これは必要ではない。
【００４４】
収束レンズ３５が空気からなる場合、更なる処理ステップは送信素子３０にそれを取り込むのに要求されないことがわかるであろう。コア層の変更と上方クラッド層のマスク設計以外何も要求せず、従って構成の容易さが好まれる。しかしながら、更なる処理ステップの支出によって、上方クラッド層４３が蒸着され、パターン形成される前又は後のいずれかに、ポリマＢと有意に異なる屈折率を有する他の硬化性ポリマＣで収束レンズを充填することが可能である。適切なマスク設計で、実質的にどの形状のレンズ３５も送信素子３０内に取り込まれうることが更に分かるであろう。
【００４５】
総ての以降の例は、例１に述べた処理によって作られた例示的な送信素子について述べる。特に指定のない限り、入力導波路３１は８μｍの幅、１１μｍの高さを有する。これらの寸法で、及び、０．０２８の比較的大きなコア／クラッド屈折率の差（すなわち、硬化ポリマＡ及びＢ間の屈折率の差）で、入力導波路は８５０ｎｍの一般的な動作波長でマルチモード化されること（すなわち、いくつかの光学モードをサポートすること）が当該技術分野の当業者は分かるであろう。これらのパラメータは更に発散角２φで固定され、約１６°になるように実験的に測定される。
【００４６】
以下の２の限定されない例は、本発明の第１の実施例による送信素子３０について述べ、空気からなる、単一の含まれる収束レンズ３５は、送信光を実質的に平面波にコリメートするのに用いられる（図３に示すように）。素子は８５０ｎｍの波長用に設計され、単純化のために、幾何学的な光線構成のアプローチはこれら及び総ての以降の例に用いられ、すなわち、点３４（入力導波路３１からの光が、スラブ導波路３３に入力される）は、点光源であると仮定され、発散光線はスラブ導波路内で球体波面を形成すると仮定される。実際には、入力導波路の限界幅及び（一般的な）マルチモードな性質は複雑な波面を生じさせるが、これは本発明の本質に影響を与えない。
【実施例２】
【００４７】
図５は本発明の第１の実施例による送信素子３０を示し、凹面正面５１と平面背面５２を具える平凹レンズ５０を含んでいる。本例においては、平凹レンズ５０が空気からなり、スラブ導波路３３の全幅にわたって拡がっており、これにより、第１のスラブ導波路領域５３と第２のスラブ導波路領域５４に分割している。このような設計は、湿式生成の構成処理に対し有利であり、溶媒の通過と、レンズ５０を形成するのに必要な曝露されない物質の除去を助けている。第２のスラブ導波路領域は、末端面３８が真直であるが集束機能を有さないことを可能にし、従って、いずれの長さにもできることが分かるであろう。例えば、送信素子３０の全長を最小化するほど任意に短くできる。実際には、第２のスラブ導波路領域は少なくとも３０μｍの長さ５５を有すべきであり、末端面３８を形成する方形切断処理のための十分なマージンを許容している。全長を最小化するために、第１及び第２のスラブ導波路領域間のギャップ５９は構成処理の限界内で可能な限り小さくすべきである。例えばフォトリソグラフィ／湿式の生成方法を用いて処理された露光性パターン形成が可能なポリマでは、ギャップ５９は少なくとも５乃至ｌ０μｍにすべきである。他の物質及び／又は他のフォトリソグラフィツールでは、ギャップはおそらくはより小さくなされうることに留意せよ。第１のスラブ導波路領域は２６７０μｍの長さ５６と７５０μｍの幅５７とを有し、角度２φ＝１６°内の第１の導波路スラブ領域内の発散光が凹面正面５１を満たすように選択される。それは、高い方の屈折率ｎ２の媒体内の点光源から射出する光線が、楕円体の界面を通って低い方の屈折率ｎ１の媒体を通過する場合、その偏心率がｎ１／ｎ２に等しく、点光源がその遠焦点に配置されるように選択された楕円の一部分である界面の場合にコリメートされるという、幾何学的構成の公知の結果である（“Ｏｐｔｉｃｓ”，Ｅ．Ｈｅｃｈｔ，２ｎｄｅｄ．，Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ（１９８７），ｐ．１２９−１３２）。このケースにおいては従って、凹面正面５１が偏心率＝ｎａｉｒ／ｎｃｏｒｅ〜１／１．５１３であり及び点３４で遠焦点を有する楕円の一部分にする必要がある。
【００４８】
第１のスラブ導波路領域５３と平凸レンズ５０のこの特定の設計で、実質的にコリメートされる光線５８は第２のスラブ導波路領域５４の全幅から入射され、いくつかの送信素子が図６に示すように、アレイ内に互いに隣接して配置される場合、本質的に非干渉性のシート光を入射できる。これは薄い接触物体がビームによって欠損されうる機会を最小化し、受信側導波路が送信側導波路に（水平面において）完全に配置される要求を緩和する。
【００４９】
にもかかわらず、他の送信導波路構成が好ましいという他の考察が示されている。例えば、米国特許出願番号２００６／０１８８１９６Ａｌ（全体において引用によりここに取り込まれる）に指摘されるように、ポリマ物質は一般的に大きな熱光学係数を有し（すなわち、屈折率が周囲温度で有意に変わる）、レンズ面５１での屈折（スネルの法則によって支配される）は温度依存性である。従って、平凹レンズ５０の楕円状の凹面正面５１が１の特定温度で完全に光をコリメートするが、その他の温度ではなされず、光出力損失の原因を表わし、隣接する受信素子内での可能性のあるクロストークを表わしている。この温度の効果を許容するために、各送信素子について小さな「充填因子」を有することが好ましく、平凹レンズ５０の一部分のみが、第１のスラブ導波路領域５３内に発散する光によって照射される。
【実施例３】
【００５０】
図７は本発明の第１の実施例による別の送信素子３０を示し、空気からなる両凹レンズ７０を含み、凹面正面７１と凹面背面７２とを具えている。両凹レンズ７０はスラブ導波路３３の全幅にわたって拡がり、第１のスラブ導波路領域７３と第２のスラブ導波路領域７４とに分割している。凹面正面７１は点３４で中央配置される円弧となるように設計され、この点から射出する光線は、垂直入射で正面７１と直面し、屈折されることなく通過する。光線は次いで凹面背面７２に直面し、出力光線７５にコリメートするように設計される。幾何学的構成の別の公知の結果（“Ｏｐｔｉｃｓ”，Ｅ．Ｈｅｃｈｔ，２ｎｄｅｄ．，Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ（１９８７），ｐ．１２９−１３２）において、低い方の屈折率ｎ１の媒体の点光源から射出する光線は、双曲面の界面を通って高い方の屈折率ｎ２の媒体を通過する場合、その偏心率がｎ２／ｎ１と等しく、点光源がその遠焦点で配置されるように選択された双曲線の一部分である界面の場合に完全にコリメートされる。この場合においては従って、凹面背面７２が偏心率＝ｎｅｆｆ／ｎａｉｒであり、点３４に遠焦点を有する双曲線の一部分にする必要があり、ここで“ｎｅｆｆ”は点３４と面７２との間のポリマ／空気経路の有効屈折率である。
【００５１】
本発明の第２の実施例による収束レンズを取り込む送信素子８０が図８に示されている。送信導波路８１は点８４でスラブ導波路８３に光８２を誘導し、その上では、発散角２φで拡がり、末端面８７から射出し外部点８８に収束する光線に光を集束させる収束レンズ８５に直面する。好ましくは図９に示したように、外部点８８は光学軸８９上、スクリーン領域９０を横切る途中に配置される。この対称的な配置は第１の実施例の好ましい態様のままであり、受信素子９１は送信素子８０の鏡像であり、各受信素子は送信素子と対にされる。タッチスクリーンの幅が一般的に１００ｍｍ程度であり、一方、送信素子８０の長さが１ｍｍ程度であるため、点８４から収束レンズ８５までの距離は、収束レンズから外部点８８までの距離より約２０倍分小さい。第１の実施例と比較すると、この第２の実施例は、実施例２に及び米国特許出願番号２００６／０１８８１９６Ａ１に上述したように、ポリマ屈折率の温度誘発性の変化に対する抵抗力に富むため、有利である。特に、温度変化はスクリーンを横切って焦点（すなわち、イメージ）をかなり往復移動させるが、受信素子で捕捉される光の量に大きな変化を生じさせない。
【実施例４】
【００５２】
図１０は本発明の第２の実施例による送信素子８０を示し、空気からなる両凹レンズ１００を含み、凹面正面１０１と凹面背面１０２とを具えている。両凹レンズ１００はスラブ導波路８３の全幅にわたって拡がり、第１のスラブ導波路領域１０３と第２のスラブ導波路領域１０４とに分割している。凹面正面１０１は形状において楕円体であり、偏心率＝ｎａｉｒ／ｎｃｏｒｅ〜１／１．５１３であり、点８４で遠焦点を有する楕円の一部分を具えている。凹面背面１０２は更に形状において楕円体であり、偏心率＝ｎａｉｒ／ｎｃｏｒｅ〜１／１．５１３であるが、外部点８８で遠焦点を有する楕円の一部分を具えている。その遠焦点が更に遠いために凹面背面１０２の局所的な屈曲は凹面正面１０１の局所的な屈曲よりもより小さいことが分かるであろう。
【００５３】
光線１０５が末端面８７に対してもはや垂直ではなく、従ってそこで屈折されることに留意すべきである。しかしながら、入射角が零に非常に近いため、この更なる屈折は小さく、両凹レンズ１００の形状に対する微調節で（必要に応じて）代償されうる。
【００５４】
本発明の第３の実施例による送信素子１１０は図１１に示されている。このケースにおいては、収束レンズ１１１に加えて、送信素子１１０が発散レンズ１１２を更に含んでいる。当該技術分野における当業者は発散レンズ１１２及び収束レンズ１１１がビーム拡大器構成内に配置されることを認識し、例えばＣｈａｎｇら（“Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｌｏｗ−ｌｏｓｓ  ｔａｐｅｒｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ”，ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．１５，１３７８−１３８０（２００３））によって述べられている。米国特許出願番号２００６／００８８２４４Ａ１に開示のように、発散レンズ１１２は送信素子１１０内の光の発散角を増大させるようになり、これによりその全長を低減する。図１１に示したように、収束レンズ１１１は本発明の第１の実施例にあるのと同一の方法で光学軸１１５に対して平行に伝播する平面波１１４内に実質的に発散光線１１３をコリメートするように設計される。代替的に、収束レンズ１１１は本発明の第２の実施例にあるのと同一の方法で光学軸１１５上の外部点へ発散光線１１３を集束させるように設計されうる。
【００５５】
従来技術を超える本発明の送信及び受信素子の利点が、第１に、第１の実施例による送信素子３０と鉛直方向コリメーティングレンズ（ＶＣＬ）２３とのアセンブリを示す図１２ａ及び１２ｂによって、第２に、従来の送信素子２０とＶＣＬ２３とのアセンブリを示す図２ａ及び２ｂによって説明されるであろう。明確さのために、上方クラッド層が図１２ａ及び１２ｂから省略されている。第１の利点は、末端面３８がＶＣＬ２３に対して直接的に接合され、それらの間のいかなるギャップ２７も除去されることである。ＶＣＬ２３及び送信素子３０はコモンベース２８に双方とも結合され、好ましくは、末端面３８とＶＣＬ面１２０との間の界面で互いに更に結合される。好ましくは塗布された透明な接着剤は、屈折損失を最小化するために、コア層４２に実質的に同様の屈折率を有している。より好ましくは、コア層４２、ＶＣＬ２３及び透明な接着剤の屈折率は総て実質的に同様である。代替的に指数合致する流体は、末端面３８とＶＣＬ面１２０との間の界面に配置される。
【００５６】
第２の利点は末端面３８の全体がＶＣＬ２３の焦点面２２に配置されて、入射光線１２１が鉛直面においてコリメートされ、面外の迷光が送信素子３０から入射し、又は、対応する受信素子に入るのを防ぐことができる。当該技術分野における当業者はコア層４２を通って伝播する光１２２が収束（空気）レンズ３５を横切る場合、垂直方向制限の不足は光線１２３によって表わされる面外の発散を生じることを理解するであろう。しかしながらこのような光線はスクリーンベゼル１２４によって、又は、下方クラッド層４１及び基板４０によって遮断され、受信構成に対する迷光の原因となる。
【００５７】
第３の利点はアセンブリ処理において、送信素子３０の末端面３８がＶＣＬ２３の焦点面２２に自動配置されることである。これは図２ａに示された状況と対照的であり、ギャップ２７は方形切断処理の精度に依存する臨界寸法である。
【００５８】
これらの利点の総てが、送信素子３０の末端面がもはや屈折面ではなく、代わりに光学軸３７に対して真直かつ垂直にできる特徴に由来することが分かるであろう。この特徴は、第２及び第３の実施例の送信素子８０及び１１０によって、及び、一般的には送信素子の鏡像である受信素子によって、共有されている。
【００５９】
特に受信素子に関する、本発明の更なる利点は、開口処理時にＶＣＬの有無に無関係に、受信素子によって捕捉される周辺光の量を低減するのを補助することである。基板１３４上の下方クラッド層１３１、コア層１３２、及び上方クラッド層１３３を含む従来の受信素子１３０での迷光の問題は、図１３ａの側面図で示されている。光線１３５によって表わされた周辺光は、入射角の範囲内で、スラブ導波路１３７のレンズ面１３６によって屈折され、送信導波路１２によって捕捉され、位置感応型検出器に誘導され、システムのＳ／Ｎ比を下げることができることが分かるであろう。直接的な日光のような明るい周辺光において、検出器素子は均一に飽和され、有効にシステムをブラインドする。波長選択フィルタ（例えば、米国特許第６，１８１，８４２号に開示されるような）を光学経路（例えば、送信導波路と検出器との間に）挿入して、所望されない光を遮断することが直接的である。例えば、信号光がＩＲ内にある場合、可視光遮断フィルタが用いられうる。しかしながら、「帯域内」周辺光（すなわち、信号波長での周辺光）は、検出器素子を飽和するのに十分な強度である。
【００６０】
光学式タッチシステムにおける周辺光の問題を低減するための公知の方法（例えば、米国特許第４，３４６，３７６号及び第４，４８４，１７９号参照）は、広い波長範囲にわたり不伝導な１又はそれ以上のシート（例えば、ブラックプラスチック）を有する受信側構成を「開口」することである。図１３ｂの側面図に示したように、従来の受信素子は上方クラッド層１３３の頂部上にブラックプラスチックの一部分１３８を配置し、レンズ面１３６の末端上に隆起し、そうしなければ捕捉される周辺光１３５を遮断することによって開口できる。しかしながら、例えばアセンブリ中に、ブラックプラスチックの一部分が光学経路に偏向して、システムを動作不能にするリスクがある。
【００６１】
本発明はこの問題に対する解決を提供する。図１４は本発明の第１の実施例による受信素子１４０の側面図を示し、コア層１３２のスラブ導波路１３７が収束空気レンズ１４１によって第１のスラブ導波路領域１４２と第２のスラブ導波路領域１４３とに分割される。前と同様、開口するブラックプラスチックの一部分１３８がレンズ面１３６の末端上に隆起するが、第２のスラブ導波路領域１４３によって光学経路に偏向するのが防がれる。周辺光１３５が第２のスラブ導波路領域の第１の表面１４４で捕捉されうるが、第２の表面１４５に対して屈折され、従って第１のスラブ導波路領域１４２に入力されない。上方クラッド層１３３を第２のスラブ導波路領域（輪郭１４６に示されたような）をカバーするのに十分な精度で上方クラッド層１３３をパターン形成することが可能であり（構成方法及び第２のスラブ導波路領域１４３の大きさに依存して）、開口部１３８の隆起部分を支持することに留意せよ。しかしながら、開口部が光学経路に偏向されることを防ぐ必要はない。
【００６２】
同様の開口技術を送信側で用いて、環境内に逃避する信号光の量を低減することができる。この場合における開口シートは信号波長で不伝導であることのみが必要であるが、当然ながら他の波長で不伝導にできる。
【００６３】
導波路アレイと、送信側及び受信側の双方上に付随する光素子を有する、図１に示された形式の光学式タッチセンサについて、本発明の原理は送信素子、又は受信素子、又はその双方のいずれかに適用できる。米国特許第７，０９９，５５３号に開示された、別形式の光学式タッチセンサは導波路アレイと受信側にのみ付随する光素子を有し、送信側導波路は複数の切子面を有するバルク構成の光パイプによって置換される。この場合においては、本発明の原理は更に受信素子に適用できる。
【００６４】
当該技術分野における当業者は、本発明に好ましい面内レンズが低い方の屈折率物質、特に空気からなる場合、ある度合の面外の光学損失が光がレンズを横切ると同時に垂直方向制限を低減することにより生じることが分かるであろう。例示によって、図５に示した例２の平凹空気レンズ構成においては、第１のスラブ導波路領域５３と第２のスラブ導波路領域５４との間の間隔は、１０μｍのギャップ５９を仮定すると、末端で約８５μｍである。光学損失はスラブ導波路（第１のスラブ導波路領域５３）の外から自由空間に発散する単一ガウスモードを仮定し、特定波長のギャップを横切った後に第２のスラブ導波路（第２のスラブ導波路領域５４）でのオーバラップを算出することによって推定できる。本明細書で用いられる導波路パラメータ（波長８５０ｎｍ及び１１μｍのスラブの高さ）については、損失は１０μｍのギャップに関し０．０１６ｄＢ、８５μｍのギャップに関し１．１ｄＢと推定される。
【００６５】
１．１ｄＢ（すなわち、〜２３％）の面外喪失は理想的ではないが、基礎的な面内凹面空気レンズを構成することの単純化及び経済性を許容可能に考えていると推測される。当然ながら本発明の範囲内の総てである他の型の収束レンズを用いて面外損失を避ける多くの手段がある。１のアプローチは、スラブよりも高い屈折率を有する物質から面内レンズを構成することである。別のアプローチは、空気ギャップがより短い、フレスネルレンズ又はチャープ回折格子のようなより複雑な形状を有する空気レンズを構成することである。更に別のアプローチは、幾何学的レンズ、あるいは、ルネベルグレンズ又は上塗層型のフレスネルレンズのような上塗層型のレンズを用いることである。しかしながら、簡単な面内空気レンズと比較すると、これらの代替物の総ては更なる構成処理ステップを要求し、それらの多くは極端に高程度の構成精度を要求する複雑な構成である。
【００６６】
本発明は特定例について記載されているが、本発明が多くの他の形態で具体化されうることが当該技術分野の当業者は分かるであろう。
【図１】
2010509622.tif 000003
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年7月14日(2009.7.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子デバイス用の入力デバイスであって：
少なくとも１の光源と；
複数の光検出素子で光強度を検出するための少なくとも１の光検出器と；
平面を規定する入力領域と；
第１の屈折率を有する第１の物質からなる、付随するスラブ領域を有する複数の導波路を具える導波路構成であって、各スラブ領域が付随する導波路の平面の延在部を提供する導波路構成と；
を具え、
前記付随するスラブ領域の各々が、実質的に真直な末端面と、内部に配置された少なくとも１の収束レンズとを有し、前記真直な末端面は前記付随する導波路から離れており；
前記光源が、前記導波路構成の、付随する第１のセットのスラブ領域を有する第１の導波路セットに光を結合し；
前記第１の導波路セットが、前記付随する第１のセットのスラブ領域に前記光を配向し；
前記収束レンズが、光ビームの第１のグリッドを生成するために前記入力領域平面内に前記光を集束させ；
前記光ビームの第１のグリッドが第１の方向に前記入力領域を横切り、前記導波路構成の、付随する第２のセットのスラブ領域を有する第２の導波路セットによって、前記光検出器の光検出素子に配向されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の入力デバイスにおいて：
前記光源が、前記導波路構成の、付随する第３のセットのスラブ領域を有する第３の導波路セットに光を結合し；
前記第３の導波路セットが、前記付随する第３のセットのスラブ領域に前記光を配向し；
前記収束レンズが、光ビームの第２のグリッドを生成するために前記入力領域平面内に前記光を集束させ；
前記光ビームの第２のグリッドが、前記第１の方向と異なる、第２の方向に前記入力領域を横切り、前記導波路構成の、付随する第４のセットのスラブ領域を有する第４の導波路セットによって、前記光検出器の光検出素子に配向されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項３】
電子デバイス用の入力デバイスであって、当該入力デバイスが、入力領域と、第１の物質から形成され、第１の末端と第２の末端を有し、内部に配置された収束レンズを有するスラブ導波路と、遠位端と前記スラブ導波路の前記第１の末端と光学連通する近位端とを有する光導波路とを具え、前記スラブ導波路の前記第２の末端が真直であり、前記入力領域の側面と実質的に平行であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項４】
電子デバイス用の入力デバイスであって、当該入力デバイスが、入力領域と、第１の物質から形成され、各々が第１の末端と第２の末端を有し、内部に収束レンズを有する複数のスラブ導波路と、各々が遠位端と、対応するスラブ導波路の前記第１の末端と光学連通する近位端とを有する同様の複数の光導波路とを具え、前記スラブ導波路の前記第２の末端が真直であり、前記入力領域の側面と実質的に平行であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の入力デバイスであって、前記収束レンズが前記第１の物質と異なる屈折率を有する第２の物質からなり、ルネベルグレンズ、フレスネルレンズ、チャープ回折格子、面内レンズ又はその組合せからなる群から選択されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載の入力デバイスにおいて、前記収束レンズが前記第１の物質の屈折率未満の屈折率を有する第２の物質からなる面内レンズであることを特徴とする入力デバイス。
【請求項７】
請求項６に記載の入力デバイスにおいて、前記第２の物質が空気であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項８】
請求項１又は２に記載の入力デバイスにおいて、各々の前記光ビームが実質的な平面波にコリメートされることを特徴とする入力デバイス。
【請求項９】
請求項１又は２に記載の入力デバイスにおいて、各々の前記光ビームが前記入力領域内に配置された点に集束することを特徴とする入力デバイス。
【請求項１０】
請求項１又は２に記載の入力デバイスにおいて、各々の前記付随するスラブ領域が発散レンズを更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載の入力デバイスにおいて、前記発散レンズと前記収束レンズとが、ビーム拡大器構成内にあることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１２】
請求項２に記載の入力デバイスにおいて、前記入力領域が矩形であり、前記第１、第２、第３及び第４の導波路セットと結合された、前記第１、第２、第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端面が前記入力領域の輪郭に実質的に平行であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１３】
請求項２又は１２に記載の入力デバイスにおいて、
前記第１及び第２の導波路セットと結合された前記第１及び第２のセットのスラブ領域の前記末端に近接し、前記入力領域平面に対し垂直な方向に前記光ビームの第１のグリッドをコリメートするように適用された第１及び第２の外部レンズと、
前記第３及び第４の導波路セットと結合された前記第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端に近接し、前記入力領域平面に対し垂直な方向に前記光ビームの第２のグリッドをコリメートするように適用された第３及び第４の外部レンズと、
を更に具え、前記第１、第２、第３及び第４の導波路セットと結合された、前記第１、第２、第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端面が前記第１、第２、第３及び第４の外部レンズの焦点面に配置されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１４】
請求項１３に記載の入力デバイスが、前記第１、第２、第３及び第４のセットのスラブ領域の前記末端と、前記第１、第２、第３及び第４の外部レンズとの間に透明な接着剤を更に具え、当該接着剤が前記第１の物質の屈折率に実質的に等しい屈折率を有することを特徴とする入力デバイス。
【請求項１５】
請求項３又は４に記載の入力デバイスにおいて、各々の前記スラブ導波路が発散レンズを更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１６】
請求項１５に記載の入力デバイスにおいて、前記発散レンズ及び前記収束レンズが、ビーム拡大器構成内にあることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１７】
請求項３又は４に記載の入力デバイスにおいて、各々の前記光導波路が前記第１の物質から形成され、対応するスラブ導波路の前記第１の末端で統合形成されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１８】
請求項３に記載の入力デバイスが、前記光導波路の前記遠位端に光学連通する光源であって、使用時に前記光源からの光が前記スラブ導波路への前記光導波路に誘導され、前記収束レンズによって前記入力領域平面に集束し、前記スラブ導波路の前記第２の末端から前記入力領域を横切り入射されるような配置の光源を更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項１９】
請求項４に記載の入力デバイスが、前記光導波路の前記遠位端に光学連通する光源であって、使用時に前記光源からの光が前記スラブ導波路への前記光導波路に誘導され、前記収束レンズによって前記入力領域平面に集束し、前記スラブ導波路の前記第２の末端から前記入力領域を横切り入射されるような配置の光源を更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２０】
請求項１８又は１９に記載の入力デバイスにおいて、各々の前記収束レンズが前記光を実質的な平面波にコリメートすることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２１】
請求項１８又は１９に記載の入力デバイスにおいて、各々の前記収束レンズが前記入力領域内の点に前記光を集束されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２２】
請求項１８又は１９に記載の入力デバイスが、前記入力領域平面に対して実質的に垂直な方向に前記光を集束させるための、長軸を有する外部レンズを更に具え、当該外部レンズが各々の前記スラブ導波路の前記第２の末端に対して実質的に平行な前記長軸に配置されることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２３】
請求項１８又は１９に記載の入力デバイスが、各々の前記スラブ導波路の上方に近接して配置された開口部素子を更に具え、当該開口部素子が前記光に対し不伝導であることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２４】
請求項３に記載の入力デバイスが、前記スラブ導波路の前記第２の末端の方向に前記入力領域を横切り光を入射するように適用される光源と、前記光導波路の前記遠位端と光学連通する検出器であって、使用時に前記光が前記スラブ導波路の前記第２の末端に入力され、前記収束レンズによって前記光導波路に集束し、前記光導波路によって前記検出器へ誘導されるような配置の検出器とを更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２５】
請求項４に記載の入力デバイスが、前記スラブ導波路の前記第２の末端の方向に前記入力領域を横切る光を入射するように適用される光源と、前記光導波路の前記遠位端と光学連通する多素子検出器であって、使用時に前記光が前記スラブ導波路の前記第２の末端に入力され、前記収束レンズによって前記光導波路に集束され、前記光導波路によって前記多素子検出器の素子へ誘導されるような配置の多素子検出器とを更に具えることを特徴とする入力デバイス。
【請求項２６】
請求項２４又は２５に記載の入力デバイスが、各々の前記スラブ導波路の上方に近接して配置された開口部素子を更に具え、当該開口部素子が前記検出器の動作範囲にわたって不伝導であることを特徴とする入力デバイス。
【国際調査報告】
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