(57)【要約】  平面透明シートを利用し、透明シート上のタッチイベントの位置を判定するように構成された光学式タッチスクリーンが開示される。光源素子と感光素子が透明シートの周辺に動作可能に設置される。光は光源素子と感光素子の間の直射線上で検出される。タッチイベントにより減衰した直射線が測定される。各感光素子に関する限界直射線によって画定される三角形を重ねることによって多角形が特定される。減衰量閾値より低い減衰量の多角形が排除される。その後、残りの多角形の中心が判定されて、タッチイベントの位置が決定される。システムと方法は、複数タッチイベントの堅牢な検出を提供する。
2015503159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周辺を有し、光源素子と感光素子が前記周辺に隣接して動作可能に設置されている透明シート上のタッチイベントの位置を特定する方法において、
ａ）前記感光素子を使って、前記光源素子からの光の強度値を測定するステップであって、前記光が前記光源素子と前記感光素子の間の直射線に沿って前記透明シートの内部を伝播するステップと、
ｂ）各感光素子に関する限界直射線を、減衰量閾値と比較した前記強度値に基づいて判定するステップと
ｃ）各感光素子に関する前記限定直射線により画定される三角形を重複させて、１つ以上の多角形を特定するステップと、
ｄ）前記１つ以上の多角形の中心を判定して、前記タッチイベント位置を特定するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記感光素子から、前記感光素子により検出された前記強度値を表すそれぞれの検出信号を生成するステップと、
前記検出信号を処理して、前記限界直射線を判定するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記検出信号を生成するステップが、
前記光源素子がオフにされたときに、前記感光素子のうちの１つで第一の光電流測定を行うステップと、
前記光源素子がオンにされたときに、前記感光素子のうちの同じ１つで第二の光電流測定を行うステップと、
前記第一の光電流を前記第二の光電流から差し引くステップと、
を含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記検出信号を生成するステップが、増幅器を有する電気回路で前記検出信号を処理するステップを含み、
前記方法が、
一定の総時間ΔＴにわたり積分光電流測定を行うステップと、
前記一定の総時間ΔＴをＮ個の間隔に細分して、それに対応する時間間隔ΔＴ／Ｎを有するＮ個の部分測定値を画定するステップと、
前記Ｎ個の部分測定値を加算して、１回の積分を模擬するステップと、
前記増幅器の過負荷を回避するために、Ｎを動的に選択するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
ｎ個の感光素子があり、
前記感光素子のうちの第一の素子に関する第一の三角形の集合を判定するステップと、
前記感光素子のうちの第二の素子に関する第二の三角形の集合を判定するステップと、
前記第一と前記第二の三角形の集合から第一の多角形の集合を判定するステップと、
前記感光素子のうちの第三の素子に関する第三の三角形の集合を判定し、前記第三の三角形の集合と前記第一の多角形の集合の交差点を特定して、第二の多角形の集合を形成するステップと、
ｎ番目の前記感光素子が動作ｄ）で使用される最後の多角形の集合に到達するまで前述のステップを繰り返して、前記タッチイベントの位置を特定するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記測定強度値が前記感光素子によって検出信号強度に変換され、
前記直射線に沿って伝播する光のベースライン測定値を特定するステップと、
前記ベースライン測定値に基づいて閾値検出信号強度を画定するステップと、
減衰した前記直射線に関連する前記検出信号強度を前記閾値信号強度と比較して、前記タッチイベントが発生したか否かを判定するステップと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
１つ以上のタッチイベントの位置を検出するタッチスクリーンシステムにおいて、
周辺と、前記１つ以上のタッチイベントがその上で発生する上面と、を持つ透明シートと、
光を発し、前記周辺に隣接して動作可能に設置されて、前記光を前記透明シートの中に結合し、全内部反射によってその中で伝播させる複数の光源素子と、
前記周辺に隣接して動作可能に設置され、前記感光素子からの前記光を検出し、それに応答して、検出された光強度を表す信号強度を有する検出信号を生成する複数の感光素子であって、前記１つ以上のタッチイベントにより、選択された前記感光素子に対応する前記直射線の少なくとも１つに沿って前記光強度が減衰する感光素子と、
前記光源素子と前記感光素子に動作可能に連結され、前記光源素子からの前記光の放出を制御し、前記検出信号を処理して、
Ｉ．各感光素子内の前記検出信号強度を減衰量閾値と比較し、所与の前記感光素子に関する前記減衰した直射線のうちの限界直射線によって画定される１つ以上の三角形を特定し、
ＩＩ．前記１つ以上の三角形の少なくとも１つの交差点によって形成される少なくとも１つの多角形の位置を特定し、
ＩＩＩ．前記少なくとも１つの多角形の中心を計算して、それに対応する１つ以上のタッチイベントの位置を定義する
ように構成されるコントローラと、
を含むことを特徴とするタッチスクリーンシステム。
【請求項８】
前記コントローラが、前記タッチイベントの前記強度を前記検出信号強度と信号閾値との比較に基づいて判定するようにさらに構成されることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記透明シートが赤外（ＩＲ）光に対して実質的に透過性であり、前記光源から発せられる前記光がＩＲ光を含み、前記感光素子が前記ＩＲ光を検出するように構成されることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記感光素子の各々に隣接して１つずつ設置されたバンドパスフィルタをさらに含み、前記バンドパスフィルタが各々、可視光と、前記光源素子により発せられる前記ＩＲ光と異なるＩＲ波長を有するＩＲ光に対して実質的に不透過性となるように構成されることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、２０１１年１１月２８日に出願された米国仮特許出願第６１／５６４０２４号明細書の米国特許法第１１９条に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容に依拠し、その全体を参照によって本願に援用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は光学式タッチスクリーン、特に堅牢な光学式タッチスクリーンシステム及び、平面透明シートを使用し、複数のタッチイベントを検出できる方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
タッチスクリーン機能を有するディスプレイの市場は急成長している。その結果、ディスプレイにタッチスクリーン機能を持たせることができるようにする様々な感知技術が開発されてきた。しかしながら、既存の技術は各々、特定の用途に関して、ディスプレイの製造コストを大幅に増大させるようなある種の性能上の欠点を有する。
【０００４】
タッチスクリーン機能はモバイル機器応用、例えばスマートフォン、電子書籍リーダ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ等においてその用途をますます広げている。これに加えて、デスクトップコンピュータや壁掛け式スクリーン等の、より大型のディスプレイはさらに大型化している。このようなディスプレイの大型化には、透過型静電容量（ＰＣＡＰ）方式等の従来のタッチスクリーン技術を使用した場合、ディスプレイのコストの増大が伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、最も小型のハンドヘルドデバイスから最も大型のディスプレイまで、幅広い範囲の用途のタッチスクリーンの全体的な厚さと重量を極小化する必要がある。さらに、より堅牢な機能、例えばより高いタッチ位置特定精度、指紋の付着しにくさ、マルチタッチ機能等を有するタッチスクリーンも求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、周辺を有する透明シート上のタッチイベントの位置を、周辺に隣接して動作可能に設置された光源素子と感光素子により特定する方法である。この方法は、感光素子を使って光源素子からの光の強度値を測定するステップを含み、光は光源素子と感光素子の間の視線に沿って透明シートの内部を伝播する。この方法はまた、各感光素子に関する限界直射線（ｌｉｍｉｔｉｎｇ  ｌｉｎｅｓ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）を減衰量閾値と比較した強度値に基づいて判定するステップを含む。この方法はまた、各感光素子に関する限界直射線によって画定される三角形を重複させて、１つ以上の多角形を特定するステップを含む。この方法は、これに加えて、１つ以上の多角形の中心を判定して、タッチイベントの位置を特定するステップを含む。
【０００７】
いくつかの実施形態において、各多角形は、測定強度値に基づく、それに関連する減衰量を有し、この方法は、それに関連する減衰量が減衰量閾値より小さい多角形をすべて排除するステップをさらに含む。いくつかの実施形態において、この方法は、検出信号強度と信号閾値との比較に基づいて、タッチイベントの強度を判定するステップをさらに含む。いくつかの実施形態において、透明シートは赤外（ＩＲ）光に対して実質的に透過性であり、光源素子からの光はＩＲ波長を含む。他の実施形態において、感光素子に隣接して設置されたバンドパスフィルタでのＩＲ光であって、バンドパスフィルタは可視光と、光源素子により発せられるＩＲ光とは異なるＩＲ波長を有するＩＲ光に対して実質的不透過性であるように構成される。いくつかの実施形態において、周辺は複数の角部を有し、この方法は、感光素子を複数の角部の各々に１つずつ隣接して配置するステップを含む。
【０００８】
いくつかの実施形態において、この方法は、感光素子から、感光素子により検出された強度値を表すそれぞれの検出信号を発生するステップと、検出信号を処理して、限界直射線を判定するステップと、をさらに含む。他の実施形態において、検出信号を生成するステップは、光源素子がオフにされたときに感光素子の１つで第一の光電流測定を行うステップと、光源素子がオンにされたときに同じ１つの感光素子で第二の光電流測定行うステップと、第一の光電流を第二の光電流から差し引くステップと、をさらに含む。
【０００９】
いくつかの実施形態において、検出信号を生成するステップは、増幅器を有する電気回路で検出信号を処理するステップを含み、この方法は、一定の総時間ΔＴにわたって積分光電流測定を行うステップと、一定の総時間ΔＴをＮ個の間隔に細分して、それに対応する時間間隔ΔＴ／Ｎを有するＮ個の部分測定値を画定するステップと、Ｎ個の部分測定値を加算して、１回の積分を模擬するステップと、増幅器の過負荷を回避するために、Ｎを動的に選択するステップと、をさらに含む。
【００１０】
いくつかの実施形態において、ｎ個の感光素子があり、この方法は、感光素子のうちの第一の素子に関する第一の三角形の集合を判定するステップと、感光素子のうちの第二の素子に関する第二の三角形の集合を判定するステップと、第一と第二の三角形の集合から第一の多角形の集合を判定するステップと、感光素子のうちの第三の素子に関する第三の三角形の集合を判定するステップと、第三の三角形の集合と第一の多角形の集合の交差点を特定して、第二の多角形の集合を形成するステップと、ｎ番目の感光素子が動作ｄ）で使用される最後の多角形の集合に到達するまで前述のステップを繰り返して、タッチイベントの位置を特定するステップと、をさらに含む。いくつかの実施形態において、１つ以上の多角形の中心を判定するステップは、各多角形に関して、その多角形内の減衰量の値を判定するステップと、その多角形の質量中心をその多角形内の減衰量の値に基づいて計算するステップと、質量中心をその多角形の中心として特定するステップと、を含む。
【００１１】
いくつかの実施形態において、１つ以上の多角形の中心を判定するステップは、各多角形に関して、その多角形内の減衰量についての一定値を仮定するステップと、その多角形の幾何学中心をその多角形の中心として計算するステップと、を含む。いくつかの実施形態において、測定強度値は感光素子によって検出信号の強度に変換され、この方法は、直射線に沿って伝播する光のベースライン測定値を特定するステップと、閾値検出信号強度をベースライン測定値に基づいて定義するステップと、減衰した直射線に関連する検出信号強度を閾値信号強度と比較して、タッチイベントが発生したか否かを判定するステップと、をさらに含む。他の実施形態において、この方法は、ベースライン測定値を検出器信号強度の変化に基づいて調整するステップと、閾値信号強度を調整後のベースライン測定値に基づいて調整するステップと、をさらに含む。
【００１２】
本発明の他の態様は、１つ以上のタッチイベントの位置を検出するタッチスクリーンシステムである。システムは、周辺と、１つ以上のタッチイベントがその上で発生する上面と、を持つ透明シートを有する。システムはまた、複数の光源素子を有し、これは光を発し、周辺に隣接して動作可能に設置され、光を透明シートの中に結合し、全内部反射によってその中で伝播させる。システムは複数の感光素子をさらに含み、これは周辺に隣接して動作可能に設置され、感光素子からの光を検出し、それに応答して、検出された光強度を表す信号強度を有する検出信号を生成する。１つ以上のタッチイベントにより、選択された感光素子に対応する直射線の少なくとも１つに沿って光強度が減衰する。システムはまた、光源素子と感光素子に動作可能に連結されたコントローラを含む。コントローラは、光源素子からの発光を制御し、検出信号を処理して、１）各感光素子内の検出信号強度を減衰量閾値と比較し、その感光素子に関する減衰した直射線のうちの限界直射線によって画定される１つ以上の三角形を特定し、２）１つ以上の三角形の少なくとも１つの交差点によって形成される少なくとも１つの多角形の位置を特定し、３）少なくとも１つの多角形の中心を計算して、それに対応する１つ以上のタッチイベントの位置を定義するように構成される。
【００１３】
上記の一般的な説明と以下の詳細な説明はどちらも、本発明の実施形態を表し、特許請求されている本発明の性質と特性を理解するための概観又は骨子を提供しようとするものであることが理解される。添付の図面は、本発明をさらによく理解するために含められ、本明細書の中に組み込まれ、その一部を構成する。図面は本発明の各種の実施形態を示しており、説明文と共に本発明の原理と動作を説明する役割を果たす。
【００１４】
いくつかの実施形態において、コントローラは、タッチイベントの強度を検出信号強度と信号閾値との比較に基づいて判定するようにさらに構成される。いくつかの実施形態において、透明シートは赤外（ＩＲ）光に対して実質的に透過性であり、光源から発せられる光はＩＲ光を含み、感光素子はＩＲ光を検出するように構成される。いくつかの実施形態において、周辺は複数の角部を含み、感光素子は複数の角部の各々に隣接して１つずつ設置される。いくつかの実施形態において、システムは、感光素子の各々に隣接して１つずつ設置されたバンドパスフィルタをさらに含み、バンドパスフィルタは各々、可視光と、光源素子により発せられるＩＲ光と異なるＩＲ波長を有するＩＲ光に対して実質的に不透過性となるように構成される。いくつかの実施形態において、システムは、感光素子のうちの１つに動作可能に連結された電気回路をさらに含み、電気回路は、干渉照明によって生じる干渉電流を低減化又は除去する補償電流を提供するように構成される。いくつかの実施形態において、電気回路はプロセッサに動作可能に接続されたデジタル−アナログ変換器を含み、プロセッサはそこにフィードバック制御信号を供給して、補償電流を変化させる。
【００１５】
本発明のその他の特徴と利点は、以下の詳細な説明に記されており、一部は当業者にとって、その説明から容易に明らかとなるか、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、添付の図面を含め、その中の記述に従って本発明を実施することにより認識されるであろう。特許請求の範囲は以下の詳細な説明の中に含められ、その一部を構成する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による例示的なタッチスクリーンシステムの正面図である。
【図２】タッチスクリーンシステムの透明シートの断面図である。
【図３】透明シートの１つの角部の拡大上面図であり、角部が面取りされ、感光素子（破線で示される）が面取り角部に隣接して設置されている例を示す拡大差し込み図を含む。
【図４】図１の例示的なタッチスクリーンシステムの、より詳細な正面図であり、感光素子の１つに関連する例示的な直射線を示す。
【図５】縁辺２６における透明シートの拡大断面図であり、光源素子が透明シートにどのように縁辺連結されるかの一例を示す。
【図６Ａ】図５と同様であり、光源素子が透明シートに底面においてどのように面連結されるかの例を示し、また、上から見たときに光源素子を遮蔽する、上面に設置されたべゼルも示す。
【図６Ｂ】図６Ａと同様であり、ベゼルが赤外（ＩＲ）放射に対しては透過性であるが、可視放射に対しては不透過性であり、ベゼルが光源素子と透明シートの底の間に設置されている例を示す。
【図７】タッチスクリーンシステムの透明シート、光源素子、感光素子の正面図であり、方法の中の、感光素子により測定された光線の扇形範囲（ｆａｎ）の減衰量（遮断）を測定することによってタッチイベントの位置を判定するステップを示す。
【図８】図７と同様であり、方法の中の、光線の扇形範囲に関連する中心線（すなわち、直射線）を形成し、中心線の交差点を判定することによってタッチイベントの位置を判定するステップを示す。
【図９】図７と同様であり、２つのタッチイベントからなるケースを示している。
【図１０】図９と同様であり、２つのタッチイベントに関する図９の光線の扇形範囲に関する各種の中心線（直射線）を示す。
【図１１】例示的なタッチスクリーンシステムにおいて行われた測定から得たデータに基づく、測定信号Ａ（実線）、ベースライン信号Ａ０（点線）、閾値Ｔ（破線）の（処理済み）検出信号の信号強度（相対単位）対時間（マイクロ秒）の代表的なグラフである。
【図１２】タッチスクリーンシステムを従来のディスプレイユニットの上には動作可能に配置することにより形成された例示的なタッチ感応ディスプレイの概略図である。
【図１３】図１２より詳細に示す、例示的なタッチ感応ディスプレイの分解概略図である。
【図１４Ａ】例示的なタッチ感応ディスプレイの概略的断面部分拡大図であり、タッチスクリーンシステムが従来のディスプレイユニットとどのように統合されるかの例を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ａと同様であり、従来のディスプレイユニットに統合されたディスプレイアセンブリの上に動作可能に設置されたタッチスクリーンシステムを示す。
【図１５Ａ】周辺光の悪影響を低減させるために有益なタッチ感応ディスプレイのための例示的構成の拡大部分断面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａと同様であり、図１５Ａのそれより薄型の構成を有する例示的なタッチ感応ディスプレイを示す。
【図１５Ｃ】図１５Ｂと同様であり、感光素子２００が上下逆さに面するように設置された例示的実施形態を示す。
【図１５Ｄ】図１５Ｃと同様であり、感光素子２００がスラブ導波路５２０の傾斜面５２７に、水平に関して検出角度ψで隣接して設置されている例示的実施形態を示す。
【図１６Ａ】図９と同様であり、限界直射線により形成される１つの例示的三角形を（より太い線を使って）強調している。
【図１６Ｂ】図１６Ａと同様であるが、タッチされていない多角形のほとんどが除去されている。
【図１７Ａ】６つの感光素子を有する例示的なタッチスクリーンシステムの多角形を示し、擬似タッチを表す１つの小さな多角形（点線の楕円）だけが残っている。
【図１７Ｂ】図１７Ａと同様であるが、タッチされていない多角形として図１７Ａの点線の楕円により特定される１つの小さな多角形が、その小さい減衰値に基づいて排除されている点が異なる。
【図１８】感光素子と光源素子によって画定されるすべての直視線により形成されるメッシュを示す概略図であり、拡大差し込み図はメッシュ内で画素がどのように画定されるかを示す。
【図１９Ａ】透明スクリーンのコンピュータ画像であり、未処理の測定データに基づいてＳＡＲＴアルゴリズムにより判定される多角形の位置を示す。
【図１９Ｂ】図１９Ａと同様であり、この方法の結合多角形型の実施形態のＳＡＲＴの結果を示す。
【図２０】電流注入の使用を通じて干渉照明の悪影響を軽減させるように構成された例示的な電気回路の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明のその他の特徴と利点は、以下の詳細な説明に記されており、これは当業者にとって、その説明から容易に明らかとなるか、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、添付の図面を含め、記載された通りに本発明を実施することにより認識されるであろう。
【００１８】
いくつかの図面には、参照しやすさのためにデカルト座標が示されているが、方向又は向きに関して限定することは意図されていない。
【００１９】
図１は、本発明による例示的なタッチスクリーンシステム１０の概略図である。タッチスクリーンシステム１０は、様々な民生用電子機器製品において、例えば無線通信可能な携帯電話やその他の電子機器、音楽プレイヤ、ノートブックコンピュータ、モバイル機器、ゲームコントローラ、コンピュータの「マウス」、電子書籍リーダ及びその他のディスプレイに関連して使用されてもよい。
【００２０】
タッチスクリーンシステム１０は、透明シート２０を含み、光源１００と感光素子２００が透明シートの周辺に隣接して設置されており、これについては後述する。所望により設置可能なベゼル４０は、光源１００と感光素子２００を覆い、これらが観察者によって上から見えないようにする役割を果たす。「べゼル」という用語は本明細書において、少なくとも可視光を遮断する役割を果たし、タッチスクリーンシステム１０の一部が使用者５００にとって見えないように構成された（図１４Ｂ参照）あらゆる遮光部材、フィルム、構成部品等を意味するように広く使用される。それゆえ、「ベゼル」という用語は、本明細書において使用される場合、腕時計等に用いられる従来の機械的ベゼルのように透明シートの縁部に配置された部材に限定されない。
【００２１】
タッチスクリーンシステム１０はコントローラ３００を含み、これは光源１００と感光素子２００に（例えば、バス３０１を介して）動作可能に接続され、タッチスクリーンシステム１０の動作を制御するように構成される。コントローラ３００は、プロセッサ３０２と、デバイスドライバ３０４と、インタフェース回路３０６とを含み、これらを以下により詳しく説明する。一例において、感光素子２００はフォトダイオードを含む。
【００２２】
図２は透明シート２０の断面図であり、図３は透明シートの角部を上から見た拡大図である。透明シート２０は、バルク部分、すなわち本体２１と、上面２２と、底面２４と、周辺２７を画定する少なくとも１つの縁辺２６と、を含む。例示的な透明シート２０は概して長方形であり、４つの角部２８を画定する４つの縁辺２６を含み、透明シートのこの例は以下の説明において例示のために使用される。透明シート２０の他の形状、例えば円を使用してもよい。
【００２３】
図３の拡大差し込み図は、角部２８の１つが面取りされている例示的実施形態を示し、面取りされた角部に隣接して動作可能に設置された感光素子２００の１つを破線で示している。拡大差し込み図には直射線１０５に沿って伝播する光１０４も破線で示されており、これについては後述する。
【００２４】
透明シート２０は厚さＴＨを持ち、これは実質的に均一である（すなわち、上面と底面２２と２４が実質的に平行である）。一例において、透明シート２０は長方形であり、Ｘ方向の寸法（長さ）ＬＸとＹ方向への長さＬＹを有し、したがって４つの角部２８が４つの縁辺２６によって画定される。一般に、透明シート２０は縁辺２６が複数の角部２８を画定する形状（例えば、六角形では６つの角部）を有することもできる。
【００２５】
透明シート２０は一般に、例えばプラスチック、アクリル、ガラス等のように薄い平面シートに形成可能で、その本体２１の内部での光の透過を支持し、拡散又は吸収による実質的な損失を生じさせない、どのような適当な透明材料で作製されてもよい。ある実施形態において、透明シート２０は化学強化ガラス、例えばソーダライムタイプのガラス等であってもよい。透明シート２０のための例示的なガラスは、イオン交換により硬化されたアルカリアルミノケイ酸ガラスである。これらのタイプのガラスはＮａ２Ｏ（ソーダ）、ＣａＯ（ライム）及びＳｉＯ２（シリカ）を含むことができるが、ＭｇＯ、Ｌｉ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＺｎＯ、ＺｒＯ２等の酸化物を含むこともできる。これらのタイプのガラスは、イオン交換により硬化されると、タッチスクリーン用及びその他の用途（例えば、カバーガラスとして）にとって望ましいものとなる特定の特性を示す。透明シート２０としての使用に適したソーダライムタイプのガラスの調製又は生産、あるいはそれらの両方に関してさらに詳しくは、２００７年７月３１日に出願された米国特許出願第１１／８８８，２１３号明細書、２００９年８月７日に出願された米国特許出願第１２／５３７，３９３号明細書、２００９年８月２１日に出願された米国特許出願第１２／５４５，４７５号明細書、２００９年２月２５日に出願された米国特許出願第１２／３９２，５７７号明細書のうちの１つ以上に記載されており、これらの特許出願を参照によって本願に援用する。透明シート２０のための例示的なガラスは、ニューヨーク州コーニング所在のコーニング社（Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎｃ．）によるＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスである。また、鉄分含有量の少ないＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラス、又はその他の鉄含有量の少ないイオン交換ガラス等の例示的なガラスは、ＩＲ波長の光１０４に対して透過性である。
【００２６】
図４は、図１のそれと同様のタッチスクリーンシステム１０の概略図を示すが、システムのより詳細部を示し、説明しやすくするために、ベゼル４０は省略されている。光源１００は実際には光源アレイであり、これは透明シート２０の周辺２７に隣接して動作可能に設置されて示されている光源素子１０２を含む。例示的な光源素子１０２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。また、ある実施形態において、光源素子１０２の各々は、例えば８５０ｎｍ〜９５０ｎｍのようなＩＲ波長の光１０４を発する。以下の説明において、光１０４はまた、適当であれば「光線」１０４又は「光ビーム」１０４とも呼ばれる。
【００２７】
図４は、光源素子１０２のうちの１つとそれに対応する例示的な感光素子２００の間の例示的な直射線１０５を示す。長方形の透明シート２０の例においては、各光源素子１０２は直射線１０５を有し、２つの感光素子２００が相対する縁辺２６の角部２８にある点に留意されたい。それゆえ、透明シート２０の長方形の構成では、各光源素子１０２からの光１０４は、それぞれの直射線１０５に沿って２つの感光素子２００に入射する。
【００２８】
一例において、光源素子１０２は柔軟回路板（「柔軟回路」という）１１０の上に動作可能に実装され、柔軟回路は今度は透明シート２０の各縁辺２６に関連するプリント回路板（ＰＣＢ）１１２に実装される。ある実施形態において、光源素子１０２は縁辺２６において透明シート２０に縁辺結合され、これを後により詳しく説明する。柔軟回路１１０とＰＣＢ１１２は図４の中では、例として透明シート２０に平行な平面内で方向付けられて示されている。柔軟基板１１０とＰＣＢ１１２は、透明シート２０に垂直な平面内で方向付けることもできる。
【００２９】
タッチスクリーンシステム１０の一般的な動作において、プロセッサ３０２は光源素子１０２の逐次的な作動を駆動し、また毎回の光源の作動時の感光素子２００での光１０４の検出を制御する。感光素子２００は、光１０４の検出に応答して電気検出信号ＳＤを生成し、この検出信号の強度は、それに沿って光が伝播する特定の直射線１０５に関して検出された光の強度を表す。それゆえ、各直射線１０５は、それに関連する特定の光強度を有する光路と考えることができる。インタフェース回路３０６の一部を感光素子２００の付近に設置できる。例えば、プリアンプとアナログ−デジタル変換器を感光素子２００の付近に設置して、特にプロセッサが中央に配置されたときのプロセッサ３０２と感光素子２００の間の長いワイヤにおいて誘発される可能性のあるノイズを除去してもよい。
【００３０】
一例において、プロセッサ３０２は発光及び検出プロセスを制御して、例えば光源素子１０２からの光１０４に特徴（例えば、変調）を提供すること、又は感光素子２００のゲート制御によってノイズを低減させること、又はこれらの両方によって光１０４の検出を最適化する。
【００３１】
図５は、縁辺２６のうちの１つにおける透明シート２０の拡大断面図であり、光源素子１０２がどのように透明シートに光学的に連結されるかの例を示す。図５の例では、光源素子１０２は例えば糊又は接着剤１０３を使って、透明シート２０の縁辺２６に縁辺結合される。また、図５は、柔軟回路１１０とＰＣＢ１１２が透明シート２０の平面に対して垂直に配置されている例示的実施形態を示している点にも留意されたい。一例において、糊又は接着剤１０３は透明シート２０の屈折率と屈折率にマッチングされている。
【００３２】
ある光源素子１０２は、作動されると光１０４（光線）を発生し、これは透明シート２０の本体２１の中へと伝播する。光１０４のうち、透明シート２０の臨界内部反射角度θＣより大きい角度を有する部分（図５参照）は、全内部反射によって透明シート本体２１の中に捕捉されたまま留まり、その中で伝播する。内部反射光１０４の伝播が妨害されないままであれば、その直射線１０５の長さ全体にわたって伝播し、対応する感光素子２００に到達する。感光素子２００は、検出光１０４を、例えば光電流である上述の電気検出信号ＳＤに変換するように構成される。電気検出信号ＳＤはすると、プロセッサ３０２に送信されて、処理され、これについては後述する。それゆえ、透明シート２０は、より多くの導波モード、すなわち透明シート内を臨界内部反射角度θＣより大きい広い範囲の内部反射角度θで伝播する光線１０４を支持する光学的導波路として機能する。
【００３３】
図６Ａは、図５と同様であり、光源素子１０２が透明シート２０の底面２４に隣接して配置され、そこに光学的に結合されている代替的な実施形態を示している。この面結合は縁辺結合の構成より有利ないくつかの点を提供し、その中には、製造しやすいこと、ベゼルが不要であること、タッチ感応性が向上すること、が含まれる。光１０４が透明シート２０へと発せられると、複数のモードが、縁辺結合の構成に関連して上述したように、異なる跳ね返り角度で伝播する。縁辺結合の構成は、小さい跳ね返り角度のモードを生成する傾向がより強く、その一方で面結合の構成は、より大きい跳ね返り角度のモードを生成する。より大きい跳ね返り角度の光線１０４はタッチ感応性を増大させるが、これは、それらがより頻繁に上面２２に当たり、これによってタッチイベントＴＥと相互作用する機会が増えるからである。
【００３４】
光源素子１０２が透明シート２０を通して使用者５００から見えないようにするために、ベゼル４０を使用することができる。一例において、ベゼル４０は、少なくとも可視波長では不透過性であり、所望に応じてＩＲ波長では透過性のフィルムの形態である。ベゼル４０のためのフィルムの一例は、可視及びＩＲ波長を含む広い波長範囲にわたる光を吸収する黒い塗料を含む。図６Ｂに示される他の例では、ベゼル４０を光源素子１０２と透明シート２０の底面２４の間に設置でき、この場合、ベゼルは発光素子の波長に対して実質的に透過性である必要がある。この場合、光１０４の使いやすい波長はＩＲ波長である。
【００３５】
モデリンクの結果、図６の面結合構成を用いた場合、光源素子１０２から出力される光１０４の約２８％が透明シート２０の中に捕捉可能であり、これに対して図５の縁辺結合の構成では約８０％であることがわかった。
【００３６】
図５及び図６Ａと６Ｂを引き続き参照すると、例えば人の指Ｆが透明シート２０の上面２２に触れる等のタッチイベントＴＥが発生すると、これが全内部反射の条件を変化させる。それによって、光１０４は散乱し、上面２２がタッチされた地点において（より正確には、小さな面積にわたって）透明シート本体２１から散乱光１０４Ｓとして放出され、それによって光ビーム１０４が減衰する。対応する直射線１０５について対応する感光素子２００に到達する光１０４の強度の低下により、（例えばベースライン光電流測定値と比較して）電気検出信号ＳＤの信号強度が減少し（例えば、光電流が減少し）、タッチイベントＴＥが発生したことを示す。測定される電気検出信号ＳＤの閾値Ｔは、タッチイベントＴＥが発生したか否かの判断に使用でき、これについては以下に詳しく説明する。
【００３７】
図７は、透明シート２０、光源素子１０２、感光素子２００の正面図であり、タッチイベントＴＥの発生と位置がどのように判定されるかを示す。前述のように、ある光源素子１０２からの光１０４は、その光源素子と反対に配置された（すなわち、同じ縁辺２６の角部２８とは関連していない）感光素子２００までの直射線１０５を有する。図７は、限界光ビーム１０４−１、１０４−２、１０４−３、１０４−４と、それに対応する減衰した、又は「中断された」ビーム１０４−Ｂ１、１０４−Ｂ２、１０４−Ｂ３、１０４−Ｂ４を示しており、これは例示的なタッチイベントＴＥに基づく、感光素子２００−１、２００−２、２００−３、２００−４に関するそれぞれの直射線１０５−１、１０５−２、１０５−３、１０５−４を画定する。タッチイベントＴＥの正確な位置は、後述のアルゴリ図を使って判定される。
【００３８】
タッチイベントＴＥの位置分解能は透明シート２０の縁辺２６における光源素子１０２の密度によって決まり、これが今度は直射線１０５の密度を決定する。透明シート２０が長さＬＸ＝４３２ｍｍ、長さＬＹ＝２５４ｍｍであり、２５２個の光源素子１０２が縁辺２６に分散され、光源素子のうち８０個が長辺に沿って配置され、光源素子のうち４６個が短辺に沿って配置されたタッチスクリーンシステム１０の例示的な構成を考える。直径１０ｍｍ（これは略、指によるタッチの大きさ）の円形のタッチイベントＴＥの場合、光源素子１０２のピッチが５．２５ｍｍであれば、タッチイベントＴＥは確実に少なくとも１つの光ビーム１０４を中断する、すなわち少なくとも１つの直射線１０５を妨害するであろう。
【００３９】
コントローラ３００は、光源素子１０２を作動させ、それが光１０４を選択された方法で発するようにするのに必要な機能を提供するように構成される。コントローラ３００はまた、感光素子２００からの電気検出信号ＳＤを受信して処理し、透明シート２０の上面２２上の、タッチイベントＴＥが発生した１つ以上の位置を判定するように構成される。
【００４０】
特に、図４を再び参照すると、コントローラ３００は上述のプロセッサ３０２（例えば、マイクロプロセッサ）と、上述のデバイスドライバ（ドライバ回路）３０４と、上述のインタフェース回路３０６と、を含む。プロセッサ３０２は、ドライバ回路３０４とインタフェース回路３０６に信号線、バス、又はその他を介して連結される。プロセッサ３０２は、ドライバ回路３０４とインタフェース回路３０６の動作を制御、調整して上述の機能と動作を実現し、上述の方法のための各種の計算を実行するコンピュータ読取可能コード（ソフトウェアプログラム）を実行するように構成される。例えば、プロセッサ３０２は制御信号（図示せず）をドライバ回路３０４に供給し、それぞれの光源素子１０２及び感光素子２００をいつ作動させ、無効にするか（すなわち、オンにし、オフにするか）を指示する。
【００４１】
インタフェース回路３０６は、感光素子２００から電気検出信号ＳＤを受信して、これらの信号を処理し、これらがプロセッサ３０２に入力されるようにする。例えば、感光素子２００がフォトダイオードを含む場合、インタフェース回路３０６はフォトダイオードに適当な偏倚条件を提供し、これらが正しく光１０４を感知できるようにしてもよい。この点で、インタフェース回路３０６は、特定の期間中に特定の感光素子２００を作動させ、それ以外は無効とするように構成されていてもよい。
【００４２】
インタフェース回路３０６はまた、（例えば、図示されていない積分ダンプ回路により）フォトダイオードからの電気検出信号ＳＤ（例えば、アナログ光電流）を処理して、これをプロセッサ３０２のためのデジタルフォーマットに変換するように構成されてもよい。この構成は信号対ノイズ比を改善する。光源素子１０２と感光素子２００をコントローラ３００に電気的に接続する２つの例示的選択肢は、Ｉ２Ｃ（２ワイヤインタフェース）等のバスを使ったデイジーチェーン型又はコントローラから個々の感光素子の各々へのスター型である。前者の選択肢は配線を簡素化し、その一方で後者は性能を改善する。
【００４３】
コントローラ３００は、光源素子１０２と感光素子２００に、上述のバス３０１、又は同様の電気ケーブル等の適当な電気接続を介して電気的に接続される。一例において、コントローラ３００のいくつかの部分はＰＣＢ１１２上にある。
【００４４】
プロセッサ３０２は適当なハードウェア、例えば標準的なデジタル回路、ソフトウェア及び／又はファームウェアプログラムを実行するように動作可能な既知のプロセッサの何れか、あるいは１つ以上のプログラム可能なデジタル機器又はシステム、例えばプログラマブルリードオンリメモリ（ＰＲＯＭ）、プログラマブルアレイロジックデバイス（ＰＡＬ）等の適当なハードウェアを使って実装してもよい。例示的なプロセッサ３０２は、アリゾナ州チャンドラー所在のＭｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．から入手可能なＰＩＣマイクロプロセッサである。
【００４５】
さらに、コントローラ３００は特定の機能ブロック（すなわち、プロセッサ３０２、ドライバ３０４、インタフェース３０６）に分割されて示されているが、このようなブロックは別々の回路によって実装し、及び／又は１つ以上の機能ユニットに組み合わせてもよい。プロセッサ３０２は、異なるソフトウェアプログラムを実行して、後述の方法に基づいて、１つ以上のタッチイベントの１つ以上の位置を計算するための異なる方式を実行してもよい。
【００４６】
上述のように、コントローラ３００は、光源素子１０２の作動と選択された感光素子２００による光１０４の検出を調整するように構成される。光源素子１０２を作動させる方法の一例は、光源素子がある方向に周辺に沿って逐次的に作動されるトラッキング法である。しかしながら、異なる方法とシーケンスで光源素子１０２を作動させることができる。例えば、選択された時間後にタッチイベントＴＥが検出されていなかった場合、シーケンス処理は、光源素子１０２の作動がより低い頻度で、又は異なる順序で行われる（例えば、奇数番号の光源素子だけ）低電力状態となってもよい。光源素子１０２はまた、例えばタッチイベントＴＥが最初に検出されたとき等、場合によってはより高い頻度で作動させて、タッチイベントの位置の判定の分解能を高めることができる。
【００４７】
１回タッチイベントの方法
本発明のある態様は、タッチスクリーンシステム１０の上の１回タッチイベントＴＥの位置を判定する方法を含む。この方法の中の第一のステップは、各光源素子１０２を作動させて、対応する光ビーム１０４を発生させるステップを含む。この第一のステップはまた、対応する感光素子２００における光ビーム強度を測定して、対応する感光素子に関するすべての光ビーム強度のベースライン測定値を得るステップを含む。ベースライン測定強度は、電気検出信号ＳＤのベースライン信号強度によって表される。このベースライン測定によって、光ビーム１０４のベースライン強度をタッチイベント光ビーム強度と比較して、タッチイベントＴＥが発生したか否か、及びどこでそれが発生したかを特定できる。このベースライン測定ステップの実行方法の一例を以下に説明する。
【００４８】
最も単純なタッチ位置検出方法は、タッチイベントのＴＥによる妨害された（すなわち、減衰した）光ビーム１０４の三角測量法に基づく。この方法においては、ある光源素子１０２とある感光素子２００の間の直射線１０５に沿って、タッチイベントＴＥにより減衰量が所与の閾値を超えると、その光ビーム（又は、これと同等に、その直射線）は減衰、妨害、又は「中断」されたとされ、これは図７の中で中断光ビーム１０４−Ｂ、すなわち光ビーム１０４−Ｂ１、１０４−Ｂ２、１０４−Ｂ３、１０４−Ｂ４によって示されている。図７において、説明しやすくするために、限定された数の中断光ビーム１０４−Ｂのみが示されている。
【００４９】
この方法の第二のステップは、中断光ビーム１０４−Ｂの扇形範囲を中断光ビームの各扇形範囲の中心に沿って得られた１本の中心線１０４Ｃに置き換えることである。４つの感光素子２００があるため、図８に示されるように、４つの中心線１０４Ｃ（すなわち、１０４−Ｃ１〜１０４−Ｃ４）がある。
【００５０】
第三のステップは、中心線１０４Ｃの交差点１０９の位置を計算するステップを含む。説明しやすくするために、交差点１０９のいくつかだけに符号が付けられている。角度分解能の制限によって、中心線１０４Ｃはすべてが１点で交差するとはかぎらない。むしろ、４つの中心線１０４Ｃは概して、タッチイベントＴＥの実際の中心の付近の（ｘ，ｙ）の位置を有する最大６つの交差点１０９の塊を作る。それゆえ、第四のステップは、中心線交差点１０９の（ｘ，ｙ）座標を平均して、タッチイベントＴＥの位置の最終予測（ｘ’，ｙ’）を得るステップを含む。
【００５１】
一般に、ｔをタッチイベントＴＥの数、ｐを感光素子２００の数とすると、ｔ回のタッチイベントに関する中心線交差点の最大数ＮＭはＮＭ＝ｔ２ｐ（ｐ−１）／２となる。１回タッチイベントＴＥの場合、ｔ＝１、ＮＭ＝ｔ２ｐ（ｐ−１）／２となる。検討中の特定のタッチスクリーンシステム１０の例では、１回タッチイベントＴＥと４つの感光素子２００があり、その結果、最大で６つの中心線交差点が得られることに留意されたい。それゆえ、中心線交差点の実際の数ＮＡが最大数ＮＭを超えた場合、これは、想定されるｔ回のタッチイベントより多くのタッチイベントがあることを示す。
【００５２】
例えば、１回タッチイベント（ｔ＝１）と４つの感光素子（ｐ＝４）の場合、ＮＡ＞６であれば、複数タッチイベントＴＥが発生している。それゆえ、本明細書で開示される方法の１つの態様は、ｔ回のタッチイベントに関する中心線交差点の最大数ＮＭを計算するステップと、中心線交差点の実際の数ＮＡを測定するステップと、ＮＭとＮＡの数値を比較するステップと、を含み、ＮＡ＞ＮＭはタッチイベントがｔ回より多いことを示す。
【００５３】
この方法はタッチイベントＴＥの数が１つか、１より大きいかを識別する場合、すなわち、中心線交差点の実際の数ＮＡを測定し、ＮＡを１回タッチイベントに関連するＮＭと比較することによって、タッチイベントＴＥの実際の数が１より大きいか否かを判定する場合に特に有益である。
【００５４】
シミュレーションを実行して、実際のタッチ位置を計算によるタッチ位置（ｘ’，ｙ’）と比較して、上述の例示的なタッチスクリーンパラメータに関する誤差量を判定した。シミュレーションの結果、誤差は約０．９８ｍｍであり、これは光源素子１０２のピッチが５．２５ｍｍの例よりはるかに小さい。多数のランダムな地点をテストしたところ、最悪の場合の位置誤差は約３ｍｍ、一般的な誤差は１ｍｍ未満であることがわかった。
【００５５】
２回タッチイベントの場合の方法
上述の方法は１回タッチイベントＴＥについて非常にうまく機能し、２回タッチイベントにも拡張して適用可能である。ここで、この２回タッチイベント方式を説明する。
【００５６】
図９は、図７と同様であり、２回タッチイベントＴＥ１とＴＥ２に関連する光線１０４の扇形範囲を示しており、説明しやすくするために、限界光線１０４−１〜１０４−４だけが示されている。図１０は、図９と同様であり、図９の光線１０４の扇形範囲に基づく中心線１０４Ｃを示している。図１０からわかるように、２回タッチイベントＴＥ１とＴＥ２がある場合、中心線１０４Ｃの交差点１０９の多くは、実際のタッチイベント位置に近くない。しかしながら、中心線交差点１０９はタッチイベントＴＥ１とＴＥ２の位置の付近では塊になる傾向があることも観察される。このような中心線１０４Ｃの軌跡の特徴を利用して、２回タッチイベントＴＥ１とＴＥ２の位置（ｘ’１，ｙ’１）と（ｘ’２，ｙ’２）を計算する。
【００５７】
それゆえ、一実施形態において、中心線交差点１０９の全部の交差点座標（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）等は、１回タッチイベントＴＥに関するケースとほとんど同じ方法で計算される。４つの感光素子２００が用いられている場合、あるタッチイベントのビーム交差点の最大数ＮＢは６である（ＮＢに関する上述の式を参照）。それゆえ、測定されたビーム交差点の数が６より大きい場合、少なくとも２回のタッチイベントＴＥ１とＴＥ２があると結論される。
【００５８】
複数タッチイベントの場合、方法の中の次のステップは、中心線交差点１０９の塊を探すステップを含み、これは、擬似交差点がタッチイベントの実際の位置から比較的長い距離だけ離れた位置にある傾向があるからである。再び、タッチスクリーンシステム１０の離散的角度分解能によって、対応するタッチイベントＴＥ１とＴＥ２に関連する中心線交差点１０９において、ある程度の広がりがあると予想される。タッチイベントに対する感度を増大させる１つの方法は、感光素子２００の数を増やすことである。一例において、少なくとも１つの感光素子を、縁辺２６に沿って隣り合う角部２８間の中央に配置して、透明シート２０の対角線に沿って発生しうる複数タッチイベントに関する測定感度を増大させる。
【００５９】
一例において、有効なタッチイベントＴＥが発生したと判定する要件は、すべてが特定の距離許容差Ｄ内にある中心線交差点１０９の最小数Ｍと規定される。例示的な要件は、半径Ｄ＝４ｍｍの円内に少なくともＭ＝３の交差点１０９があることとしてもよい。距離許容差Ｄと交差点１０９の最小数Ｍは、タッチイベントＴＥの有効性を証明するように結果を最適化するために選択できる。一例において、距離許容差Ｄ内にＱ個の交差点１０９があってもよく、Ｑ≧Ｍである。
【００６０】
次のステップで、この方法は、Ｑ≧Ｍの交差点の塊の（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）等の座標を平均して、それぞれタッチイベントＴＥ１とＴＥ２に関する計算された位置（ｘ’１，ｙ’１）と（ｘ’２，ｙ’２）に到達するステップを含む。１回タッチの方法と同様に、一例において、タッチイベントＴＥ１又はＴＥ２の位置の計算精度は数ｍｍのオーダでありうる。
【００６１】
複数タッチイベントＴＥに関する上述のアルゴリズムは一般に、２回タッチに関してはうまく機能するが、特にタッチイベントがスクリーンの対角線付近で起こった場合、特定のタッチイベント位置についての擬似タッチ結果が発生しやすい。この欠点は、上述の中心線交差点の要件を厳しくすることによって、例えば、所与の距離許容差Ｄに関する中心線交差点１０９の数Ｍをより大きくすることによって緩和される。
【００６２】
例示的なベースライン測定方法
上述のように、タッチイベントＴＥの位置（又は２回タッチイベントＴＥ１とＴＥ２の位置）を判定する方法における１つのステップは、まず、タッチイベントがないときに検出信号強度のベースライン測定を実行するステップを含む。ここで、ベースライン測定を実行する例示的な方法を説明する。
【００６３】
例示的なベーライン測定方法では、感光素子２００を使って、タッチスクリーンシステム１０の各光源素子１０２からの各光ビーム１０４の減衰していない強度を推定する。感光素子２００による減衰していない光ビーム１０４の検出に関連する検出信号強度の推定値が、任意の強度単位（例えば、ｍＡの光電流）の振幅Ａ０（ｔ）を有する場合、生成された電流測定値Ａ（ｔ）をオンザフライで修正し、各光ビームに関して０〜１で変化する推定光ビーム透過関数Ｇ（ｔ）を得ることができる。ｐ個すべての光素子について、Ｇ（ｔ）→Ｇ（ｐ，ｔ）である。
【００６４】
感光素子２００を使った強度測定値の平均ノイズに関するある程度の知識を前提として、合理的な検出閾値Ｔを定義できる。例えば、毎秒ＮＢの光ビーム１０４が測定され、擬似タッチイベントの検出がＫ秒に１回を超える頻度では発生しえない場合、擬似タッチイベントの確率は１／（ＮＢＫ）で得られる。各透過測定値Ｇ（ｐ，ｔ）が分散σ２を有する場合、検出閾値ＴはＴ＝Ｇ（ｐ，ｔ）＝１−ｚσに設定でき、式中ｚは再帰リレーションシップｅｒｆ（ｚ／√２）＝（ＮＫ＝１）／ＮＫとして定義さる標準偏差の数であり、「ｅｒｆ」は誤差関数、「√２」は２の平方根である。
【００６５】
下表１は、５０Ｈｚで伝播する２５６の光ビーム１０４を有し、したがってＮＢＫ＝（２５６）（５０Ｈｚ）＝１２，８００となる例示的なタッチスクリーンシステム１０の平均擬似タッチ時間（ＭＴＦＴ）検出に関するｚの例示的な値を示す。発明者が原理の証拠を示すために製作した例示的なタッチスクリーンシステム１０では、スイッチ式積分器を使用し、その信号対ノイズ比（ＳＮＲ）は１００のオーダであり、その結果、ｚ＝５での検出閾値と５％のタッチスクリーン感度が得られた。この検出閾値は、タッチイベントＴＥを、２つ以上の光ビームを同時に中断する必要のあるものと定義することによって簡単にできる。
【００６６】
【表１】
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【００６７】
正規化透過率Ｇ（ｔ）が特定されると、この方法は２つの検出状態、すなわちＧ（ｔ）≧Ｔ＝１−σｚとして定義されるアイドル状態（「ＩＤＬＥ」）とＧ（ｔ）＜Ｔ＝１−σｚとして定義されるタッチ状態（「ＴＯＵＣＨＥＤ」）を画定するステップを含む。ＩＤＬＥ時間中、Ｇ（ｔ）からの新しいサンプルの偏差を累積し、その後、標準偏差σを単純な方法で計算する。次に、この計算された標準偏差σを使用して、変化する照明レベル及び各種の光ビーム強度とＳＮＲに基づく検出閾値Ｔをより精緻化する。
【００６８】
ベースライン測定方法は、タッチスクリーンシステム１０において以下の例示的なアルゴリズムを使って実行でき、その中ではＲＭＳ偏差σではなく、平均偏差ｓが使用される。また、擬似トリガを容認可能な値まで低減させるためには、経験的にノイズ乗算器が選択される。アルゴリズムは、各光ビーム１０４に関して独立に平行して実行される。次に説明するアルゴリズムでは、トラッキングステップΔは、ベースライン推定を実際の測定信号に基づいて変化させる量である。スムージング係数εを使って、信号のばらつきを平滑化する（下記のステップ７参照）。
１．トラッキングステップΔ、平滑化係数ε、ノイズ増倍係数ｚ、ベースライン振幅Ａ０の合理的なスタート値推定、平均チャネルノイズｓから始める。
２．所与の直射線１０５に関するある光ビーム１０４の信号振幅Ａを測定する。
３．測定された信号振幅Ａがベースライン推定Ａ０を超える場合、ベースライン推定を現在の入力信号に設定し、Ａ０が両側ノイズ分布の上端に追従するようにする。
４．測定された信号振幅Ａがベースライン推定Ａ０未満である場合、ベースライン推定をＡ０＝Ａ０−Δに減少させる。
５．正規化信号振幅をＧ＝Ａ／Ａ０に設定する。
６．Ｔ＝（Ａ０−Ａ）＞ｚｓの場合、ＴＯＵＣＨＥＤ状態を示す。
７．あるいは、Ｔ＝（Ａ０−Ａ）≦ｚｓである場合、ＩＤＬＥ状態を示す。所望により、ｓの推定はここで、ｓ＝（１−ε）ｓ＋ε（Ａ０−Ａ）と設定することによって改善できる。
８．残りの光ビーム１０４について、ステップ２から繰り返す。
【００６９】
図１１は、例示的なタッチスクリーンシステム１０で行われる測定から取得されたデータに基づく、Ａ（実線）で示される測定電気検出信号ＳＤ、ベースライン信号Ａ０（点線）、信号閾値Ｔ（破線）の信号強度（相対単位）対時間（マイクロ秒）の代表的なグラフである。このグラフは、信号閾値Ｔがベースライン信号Ａ０に追従する様子を示し、また、異なるタイミング、それぞれだいたい１２５ｍｓ、１４５ｍｓ、１５７ｍｓ、１８５ｍｓで発生した４つの異なるタッチイベントＴＥ（すなわち、ＴＥ１〜ＴＥ４）を示している。
【００７０】
定数Δ、ε、ｚ、ｓを選択する際には、いくつかのトレードオフを行う必要がある。一例において、ベースライン推定の変化を説明するのに十分な大きさにトラッキングステップΔを設定する必要があるが、タッチイベントの発生が曖昧になるほどベースラインを大きく変化させてタッチイベントＴＥを曖昧にするような大きさにはしない。一例において、それ以下になるとベースラインがΔだけ調整されなくなる、最大信号「ドループ」が画定される。一例において、擬似ビーム破壊イベントを排除できるだけの高さとなるようにｚの数値を選択できる。ｚの適当な値を決定するには、いくつかの経験的データが必要かもしれない。
【００７１】
このアルゴリズムは、当業者にとってよく知られた様々な方法で調整し、ある条件群の下で最適性能を得るようにすることができる。たとえば、アルゴリズムを、ベースライン値Ａ０が不自然に高くなる原因となりうるインパルス性ノイズの影響を受けにくくなるようにすることができる。これは、平均ベースライン信号を追跡し、測定信号中のすべてのスパイクが弱められるように平均化されたベースライン信号を生成することによって実現できる。
【００７２】
また、ベースライン信号値Ａ０の調整量は、様々なタッチイベントＴＥ、例えば透明シート２０の上面２２上の指紋、上面のクリーニング、スクリーンへの感圧性接着メモの付着等を扱い、それらを区別できるように調節できる。
【００７３】
これに加えて、システムはこの方法を利用して、タッチイベントＴＥの強度を判定することができる。これは、異なる可能なコンピュータプロセスをタッチイベントＴＥの強度に基づいて選択できるいくつかの実施形態にとって特に有利である。例えば、強いタッチイベントＴＥをコンピュータプログラムの選択又は作動に対応させてもよく、これに対して、軽いタッチイベントは他の動作に対応する。
【００７４】
本明細書で開示されるベースライントラッキング方法には多くの利点がある。第一は、非線形フィルタ処理によって迅速なピークトラッキングが可能となり、タッチイベント中のベースラインの保持能力が得られることである。第二は、タッチ閾値を動的な環境条件に合わせて自動的に調節でき、それによってシステムがタッチイベントの検出と擬似タッチイベントの回避の点でより堅牢となることである。第三は、この方法が、以前に特定されたベースラインに戻らないタッチイベント、例えば透明シート２０の上面２２上に堆積した蒸気や残留物に対応できる点である。第四は、この方法が、この方法によらなければベースラインを極限値にリセットする可能性のあるインパルスノイズを抑制できることである。第五は、この方法により、付着した汚れをタッチイベントとならないように篩い分けることができることである。
【００７５】
タッチ感応ディスプレイ
図１２はタッチスクリーンシステム１０を従来のディスプレイユニット４１０、例えば液晶ディスプレイに隣接して、その上方に（例えばその上に）動作可能に配置することによって形成された例示的なタッチ感応ディスプレイ４００の概略図である。図１３は、例示的なタッチ感応ディスプレイ４００の分解概略図であり、図１２より詳細部を示している。タッチ感応ディスプレイ４００はベゼル４０を含み、これは一例において、透明シート２０の上面２２に、縁辺２６に隣接してある。タッチスクリーンシステム１０はディスプレイ４１０の上に動作可能に配置され、一例においては、タッチスクリーンシステムを構成する各種の構成部品を支持する筐体１２を含む。
【００７６】
図１４Ａは、例示的なタッチ感応ディスプレイ４００の概略断面部分分解図であり、タッチスクリーンシステム１０をどのように従来のディスプレイユニット４１０に統合するかの一例を示している。従来のディスプレイユニット４１０は液晶ディスプレイの形態で示されており、これは光４１６を発生するバックライトユニット４１４と、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ガラス層４２０と、液晶層４３０と、上面４５２を備えるカラーフィルタガラス層４５０と、上面４６２を備える上側偏光層４６０と、を含み、これらのすべてが図のように配置されている。フレーム４７０はカラーフィルタガラス層４５０の縁辺の周囲に設置される。光源素子１０２はフレーム４７０内に動作可能に支持され、柔軟回路１１０がカラーフィルタガラス層４５０の上面４５２の上のフレーム内に支持されている。これは、上側４８２を有する一体型ディスプレイアセンブリ４８０を形成する。
【００７７】
次に、図１４Ｂを参照すると、最終的なタッチ感応ディスプレイ４００を形成するために、透明シート２０が従来のディスプレイユニット４１０に一体化されたディスプレイアセンブリ４８０に、透明シートをアセンブリの上側４８２に動作可能に設置することによって追加される。透明シート２０は、ＩＲ透過性であるが、見た目は不透明な層の形態の上記のベゼル４０を含む。吸収層４１を透明シート２０の縁辺２６に含めて、透明シートの縁辺からの光１０４の反射を防止することができる。
【００７８】
図１４Ａと１４Ｂのタッチ感応ディスプレイ４００の実施形態において、光源素子１０２はＩＲ透過性ベゼル４０を通じて透明シート２０の底面２４に面結合される。また、所望により、透明シート２０と上側偏光層４６０の間にエアギャップ４７４を形成してもよい。一例において、各種のマーク（図示せず）を透明シート２０の上に、又はこれを通して使用者５００向けに表示し、使用者がタッチスクリーンシステム１０とやり取りするのを案内してもよい。例えば、このマークは、透明シート２０の上面２２上の、使用者の選択、ソフトウェアの実行等を示すために確保された領域を含んでいてもよい。
【００７９】
他の感光素子の配置
図６Ａと図６Ｂに示されるタッチスクリーンシステム１０の例示的実施形態において、光源素子１０２は透明シート２０の底面２４の、周辺２７又はその付近に取り付けられる。この構成では、光１０４の半分が直接透明シート２０を通じて、使用者５００がいる上方の空間の中へと光る。偶然、ある物体、例えば使用者の手（図示せず）等が透明シート２０の上面２２の付近にあると、これは光１０４の一部を反射する可能性があり、この反射光の一部が感光素子２００のうちの１つへと進むことができる。物体が遠ざかると、物体からの反射光を検出したものと同じ感光素子はその光を感知しなくなる。これは、検出信号の中にも表れ、タッチイベントＴＥの模倣となりうる。このような模倣のタッチイベント信号はまた、「ホバー信号」とも呼ばれ、これは、それが透明シート２０の上面２２の上方での物体のホバリングによって発生するからである。
【００８０】
確実に実際のタッチイベントだけがタッチスクリーンシステム１０によって検出されるようにするために、全内部反射によって透明シート２０の本体２１内で伝播する、案内された光１０４だけを感光素子２００で検出できる。図６Ａと図６Ｂに示されるような上述の特定の実施形態は、周辺光を抑制する問題に対処している。
【００８１】
図１５Ａは、光源素子１０２からの光１０４の検出に対する周辺光６００（及び特に日光）の不利な影響を低減させるために有益なタッチ感応ディスプレイ４００のための例示的な構成の拡大部分断面図である。例示的な構成は、上面５２２と底面５２４を有するスラブ導波路５２０を含む。スラブ導波路５２０は、その上面５２２が透明シート２０の底面２４に隣接した状態で設置される。スラブ導波路５２０は透明シート２０の縁辺２６に隣接して配置され、短い距離だけ内側に延び、それによって少なくとも感光素子２００を覆う。この断面図には感光素子２００の１つが示されている。
【００８２】
スラブ導波路５２０はフレーム上面４７２から、フレームの上面とスラブ導波路の底面５２４の間に設置された分離部材５５０によって分離されている。透明シート２０の底面２４に設置されたＩＲ透過性ベゼル４０は、可視光を遮断するが、ＩＲ光１０４を透過させるフィルタとしての役割を果たす。反射層５４０がスラブ導波路５２０の上面５２２の一部の上に設置され、ＩＲ光１０４を、スラブ導波路の底面５２４の一部に隣接して配置された感光素子２００へと向かって反射するのを支援する役割を果たす。一例において、フレーム上面４７２は光吸収層５４１を含む。
【００８３】
ベゼル４０を、約９５０ｎｍのＩＲ波長を有する光１０４を透過させるが、それ以外の光の波長、例えば日光、室内灯、又は光１０４以外のその他の光等の周辺光６００のそれを遮断するＩＲフィルタとして使用することによって、感光素子２００は、周辺光からの実質的な干渉を受けずに光１０４を検出できる。反射層５４０は、周辺光６００が感光素子２００に直接入射するのを防止しながら、同時に光１０４を感光素子に向かって反射するのを支援するシールドとして機能する。ここで、この反射の支援には、これがなければ全内部反射によって透明シート２０の本体２１内で反射されない光１０４を反射することを含んでいてもよい。
【００８４】
図１５Ａを引き続き参照して、全内部反射を通じて透明シート２０の本体２１内で伝播する光１０４を考える。ある光線１０４が透明シート２０を横切って感光素子２００に向かって伝播すると、小型導波路の始点と反射層５４０の前端によって画定される窓１４５でスラブ導波路５２０に入る機会がある。この窓１４５に入らない光線１０４は、引き続き透明シート本体２１内を伝播して、最終的には、その上に設置された吸収層４１の縁辺２６で吸収される。
【００８５】
窓１４５に入った光線１０４は、感光部材２００に入射する機会を有する。そうなるためには、光線１０４は小型導波路５２０の中のその下面５２４で内部反射され、反射層５４０によって反射されて、感光素子２００に向かって伝播しなければならない。反射層５４０は光線１０４が透明シート２０に入らないようにし、一般に光線が感光素子２００に当たる前に漏出する機会がなくなるようにする点に留意されたい。
【００８６】
ここで、周辺光（すなわち、周辺光線）６００について考える。周辺光線６００の挙動は、部分的には、周辺光線が透明シート２０の上面２２と成す入射角αに依存する。入射角αが非常に浅い（すなわち、αが９０度に近いか、又は低角度入射である）場合、周辺光線６００は上面２２で反射され、透明シート本体２１に入らない。より小さい入射角αを有する周辺光線６００は透明シート２０を直接通って伝播する。このような周辺光線６００が反射層５４０に入射すると、これらは反射されて戻り、透明シート２０の上面２２から出る。
【００８７】
周辺光線６００が透明シート２０を通過して、窓１４５も通過し、スラブ導波路５２０に入ると、可視波長はＩＲ透過性ベゼル４０によって吸収される。周辺光線６００のＩＲ部分は伝播を続けるが、スラブ導波路５２０の底面５２４から出て、フレーム上面４７２とスラブ導波路の底面の間のエアギャップ５２５を通過する。周辺光線６００のうちのこのＩＲ成分は、フレーム４７０のフレーム上面４７２の上の吸収層５４１によって吸収される。
【００８８】
それゆえ、図１５Ａの構成は、周辺光６００が存在するときの感光素子２００における光１０４の検出を改善し、周辺光が感光素子に到達するのを実質的に防止する。これは、屋外の直接周辺光６００、特に日光の中で使用される可能性のあるタッチスクリーンシステム１０にとって有利である。
【００８９】
図１５Ｂは、図１５Ａと同様であり、タッチ感応ディスプレイ４００が図１５Ａのそれより薄い構成である例示的実施形態を示す。図１５Ｂの構成では、スラブ導波路５２０はフレームの上面４７２の上ではなく、フレーム４７０の側面４７６に隣接してある。この実施形態において、ＩＲ透過性ベゼル４０はフレーム４７０の幅だけ広がっている。
【００９０】
図１５Ｃは、図１５Ｂと同様であり、感光素子２００が上下逆さに面するように設置された例示的実施形態を示す。この構成では、透明シート１０に関して、光が全内部反射によって感光素子２００に向かって上昇するように構成されたスラブ導波路５２０に光１０４が入る。スラブ導波路５２０は、感光素子２００を収容するように構成された棚部５２１を含む。この構成は、光検出素子２００が周辺光５００の一般的方向の反対に向く点で有利である。これによって、ＩＲ透過性ベゼル４０が不要となる。
【００９１】
図１５Ｄは、図１５Ｃと同様であり、感光素子２００が水平に関して検出角度ψで、スラブ導波路５２０の傾斜面５２７に隣接して設置される。例えば、「水平」は、スラブ導波路５２０の平坦な底面５２４によって画定される平面５２５に関して定義される。一例において、検出角度ψは０〜９０度とすることができ、他の例では０〜１３５度とすることができる。周辺光６００が感光素子２００に入射しうる場合、ＩＲ透過性ベゼル４０をスラブ導波路５２０と透明シート２０の間に設置して、感光素子を覆うことができる。
【００９２】
複数タッチイベントの堅牢な検出
本発明のある態様は、複数タッチイベントの堅牢な検出方法を含む。堅牢なタッチイベント検出方法は、複数タッチイベントを扱うことができ、５つ以上等の比較的多い回数の同時タッチイベントに特に適したトモグラフィに基づくアルゴリズムを利用する。
【００９３】
この方法は、上述のビーム中断方式と中心線交差点を使用するのではなく、透明シート２０を像平面として扱うトモグラフィ方式を採用する。この項で開示されるタッチスクリーンシステムと方法の上述のものとの主な違いは、このシステムと方法が、電気検出信号ＳＤを処理するためにＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の堅牢なプロセッサ３０２を有するタッチスクリーンシステムを利用している点と、複数タッチイベントＴＥを検出するためにより複雑なトモグラフィアルゴリズムの使用である。
【００９４】
複数タッチイベントＴＥの位置を発見するトモグラフィ方式の一例は、各感光素子に関連するそれぞれの直射線１０５に沿って伝播する光１０４の強度測定の実行に関連するステップを実行することを含み、その中には、上述のベースライン測定値を特定するステップが含まれる。
【００９５】
次いで、次のステップで、各感光素子２００の強度測定値の集合を分析して、「ギャップ」、すなわち減衰量が減衰量閾値ＴＡより大きい強度値を発見する。一般的なタッチイベントには、信頼できる検出を行うために、約１％の出力分解能が必要となる。光源素子１０２に関連するギャップの両端の座標とある感光素子２００の座標が２つの限界直射線１０５を画定し、これが特定の感光素子と光源素子と三角形を形成する。一例において、その三角形内の各直射線１０５に関連する強度を保存して、後に加重平均（すなわち、質量中心）の計算を減衰値に基づいて実行できるようにし、これについては後述する。
【００９６】
図１６Ａは、図９と同様であり、限界直射線１０５−１を画定する、光ビーム１０４−１により形成される１つの例の三角形１０７が（より太線により）強調されている。図１６Ａのタッチスクリーンシステム１０は、あくまでも例として、それぞれ左上と右上の角部の２つの感光素子２００だけを有しており、これは破線で示される。
【００９７】
第一の感光素子２００に関する測定強度をすべて処理した後に、三角形１０７の集合（ｌｉｓｔ）が生成される。同様の三角形の集合が次の感光素子について生成される。図１６Ａの中には合計で７つの三角形１０７がある。
【００９８】
次に、第一と第二の感光素子に関する三角形１０７間にありうる重複のすべてを調べる。その結果としての重複する三角形は四辺形の集合を画定し、これらは、図１６に示されるとおり、タッチイベントＴＥ１、ＴＥ２、ＴＥ３、ＴＥ４を画定しうる多角形１１１となる。このプロセスを次の感光素子２００について繰り返し、その三角形１０７の集合とそれまでに発生された多角形１１１との重複を調べる。このプロセスをすべての感光素子２００について繰り返す。
【００９９】
タッチを画定しうる多角形１１１の集合が生成されると、各多角形１１１に関連する強度減衰（すなわち、電気検出信号ＳＤの強度）を判定する。多角形１１１の数が比較的少ない（例えば、１０〜２０）ため、減衰が均一であると仮定して、ｎ×ｍの式を解くことができ、ｎは多角形１１１の数、ｍは減衰量閾値ＴＡを超える（すなわち、それより大きい）、すなわち三角形により画定される領域内の測定値の数である。図１６Ｂを参照すると、これは３つの感光素子２００を備える（ただし、タッチイベントＴＥ１〜ＴＥ４の構成は同じである）タッチスクリーンシステムを表しており、残っているｍ個の多角形がタッチイベントＴＥ１〜ＴＥ４を画定する。タッチイベントＴＥに関連しない多角形１１１が１つ残っていることに留意されたい。この多角形１１１は、擬似タッチイベントであるため、排除される。
【０１００】
この方法は、より数学的に説明できる。第一に、各感光素子１０２ｋに関して、連続する正規化強度測定値Ｍｉの集合又はアレイを調査し、Ｍｉ＜ＴＡ（ｉ１≦ｉ≦ｉ２）である間隔を見つける。光源素子１０２−ｉ１と１０２−ｉ２の座標と検出器１０２ｋの座標は三角形を形成する。
【０１０１】
すべての感光素子２００に関する三角形１０７の集合が完成すると、第一と第二の検出器の三角形１０７の公差点を判定し、２つの三角形の交差点が多角形１１１のうちの１つを作る。全多角形の集合を「世代２」と呼ぶ。
【０１０２】
次に、世代２の多角形１１１の何れかと、第三の感光素子２００からの三角形１０７の公差点を特定して、「世代３」の多角形１１１を作る。このプロセスを繰り返し、世代ｇまでの多角形１１１を取得し、ｇは感光素子２００の数である。
【０１０３】
次に、減衰量閾値Ｔ未満の各測定値Ｍｉに関して、下の方程式、
【０１０４】
【数１】
2015503159.tif 000004
【０１０５】
を解くが、式中、ｗｉｊはある感光素子２００からある光源素子１０２までの、多角形ｊを通過する直射線１０５の長さを表す。パラメータＸｊは、多角形ｊの単位長さあたりの減衰量である。
【０１０６】
次に、上記の方程式（１）は多くの測定値について表現できるため、方程式の総数ｍは多角形１１１の数ｐを超える。それゆえ、式（１）は行列形式で次のように書くことができる。
【０１０７】
【数２】
2015503159.tif 000005
【０１０８】
両辺にＷの転置、すなわち転置されたＷＴを乗じると、
【０１０９】
【数３】
2015503159.tif 000006
【０１１０】
が得られ、これによってＸは、
【０１１１】
【数４】
2015503159.tif 000007
【０１１２】
のように表現できる。
【０１１３】
行列（ＷＴＷ）の次元はｐ×ｐである。ここで、各多角形１１１に関連する減衰量が方程式（４）を使って判定される。何れかの多角形の減衰量が減衰量閾値Ｔ未満（すなわち、それより低い）と、これはタッチイベントＴＥを表すものとしては排除される。次いで、残りの多角形１１１がタッチイベントＴＥを表すものと考えられる。
【０１１４】
次に、残っている各多角形１１１に関する質量中心座標（ｘ’，ｙ’）（例えば、幾何学中心）が計算され、測定タッチイベント座標と考えられる。各多角形１１１の面積とそれに対応する減衰量の値がプロセッサ３０２に供給される。
【０１１５】
一例において、ある多角形１１１の減衰量の値が一定である、例えばその多角形に関連する減衰量の値の平均であると仮定される。以下により詳しく説明する他の例では、減衰量の値はある多角形１１１に関連する減衰量の値の変化に基づく荷重平均又は質量中心である。
【０１１６】
図１７Ａは、６つの感光素子２００を有するタッチスクリーンシステム１０の多角形１１１を示し、１つの小さな多角形１１１（点線の楕円）だけが擬似タッチを示す。図１７Ｂは、図１７Ａと同様であり、図１７Ａの点線の楕円により明示される１つの小さな多角形１１１が、その減衰量の値が小さいことに基づいて排除されている。その結果として残っている多角形１１１はすべて、実際のタッチイベントＴＥ１〜ＴＥ５の位置と密接に関連付けられる。
【０１１７】
多角形結合ＳＡＲＴ方式
図１８は、上述の例示的なタッチスクリーン構成のための光源素子１０２と感光素子２００の集合により形成される直射線１０５により画定されるメッシュ１１１を示しており、これは４つの角部の感光素子２００と、長辺に沿った８０の光源素子１０２と、短辺に沿った４６の光源素子と、を有する。縁辺２６に沿って示されている寸法の対はミリメートルである。図１８の拡大図を参照すると、メッシュ１１１は画素１０９を画定し、これらはメッシュにより画定される最小領域である。一例において、画素１０９は、透明シート２０の上面２２を選択されたタッチイベント分解能と同じかそれより小さい小領域に分割することによって画定される。画素１０９は、正方形又は丸形とすることができ、いくつかの例において、画素は重複していてもよい。
【０１１８】
したがって、各多角形１１１は１つ以上の画素１０９を含み、各画素に関連する減衰量の値がある。
【０１１９】
それゆえ、ある例示的な実施形態において、ある多角形１１１の中の画素１０９に関連する減衰量の値は同時代数的再構成法（ＳＡＲＴ）アルゴリズムを使って判定される。方法のこの態様において、画素１０９の小集合を使うことができ、それによって画素の集合全体についての全体ＳＡＲＴアルゴリズムを使用する場合よりはるかに迅速に解を得ることができる。
【０１２０】
ＳＡＲＴアルゴリズムは以下の関係に基づく。
【０１２１】
【数５】
2015503159.tif 000008
【０１２２】
各測定点ｉに関して、方程式、
2015503159.tif 000009
【０１２３】
と表すことができ、式中、ｂｉ＝−ｌｎ（Ｍｉ）であり、Ｍｉは測定された光強度、ｘｊは画素ｊの単位減衰量、ｗｉｊは測定ｉに寄与する重み（すなわち、画素面積の一部）である。これはまた、ある画素内部の線の長さとすることもできる。
【０１２４】
それゆえ、項、
2015503159.tif 000010
【０１２５】
（行列形式ではＢ−ＷＸと表される）は、方程式（５）を満たす際の誤差を表す。ＳＡＲＴアルゴリズムは、ある画素に関するすべての方程式からの誤差の組み合わせに比例してｘｊの数値を調整する。適正な誤差の組み合わせは、係数ｗｉｊによって決定される。最後に調整全体を、収束速度を決定する調節幅である係数λによって増減させる。λが大きすぎると、反復工程は発散する可能性がある。λが小さすぎると、収束までにより多くの反復が必要となる。
【０１２６】
一例において、行列方程式ＷＸ＝Ｂを解こうとするのではなく、減衰量全体を、
2015503159.tif 000011
【０１２７】
の関係を通じて極小化し、その一方で、行列関係ＷＸ≧Ｂによって与えられる制約を満たす。アルゴリズムの性質から、減衰量が非ゼロの画素１０９の数が測定の数（すなわち、方程式の数）を超えることはありえない。
【０１２８】
線形費用関数を略線形の非線形関数に置き換えると、減衰量が非ゼロの画素がより少ない解が好ましい。このような関数の１つは、
2015503159.tif 000012
【０１２９】
であり、制約はＷＸ≧Ｂである。
【０１３０】
図１９Ａは、未処理の測定データに基づくＳＡＲＴアルゴリズムによって判定された、透明シート２０に関する多角形のコンピュータスクリーン画像である。図１９Ｂは、図１９Ａと同様であり、この方法の結合多角形型の実施形態に関するＳＡＲＴ結果を示す。
【０１３１】
２ステップ測定プロセスによる照明干渉の低減
光源素子１０２のうちの１つからの光電流ｉｄの形態の検出信号ＳＤと外部（すなわち、外光又は周囲光）光源からの干渉光電流ｉｅを考えると、信号干渉を抑制する１つの方法は２回の測定を行うことである。第一の測定値は、光源素子１０２をオフにした光電流であり、平均干渉力を決定する。第二の測定値は、光源素子１０２をオンにしたものである。２つの測定値を差し引くと、測定値から外部光電流のＤＣ干渉がキャンセルされる。しかしながら、干渉光は一般に、キャンセルできないランダムショットノイズ項を有する。それゆえ、補正された検出信号ＳＤには部分的にノイズが混入するが、補正された検出信号は補正されていない検出信号より改善される（すなわち、ＳＮＲがよりよい）。
【０１３２】
ゆっくりと変化する干渉物の場合、光源素子１０２をオフにしたときの測定期間を、長い時間定数でフィルタ処理し、ショットノイズの混入を抑制することができる。次いで、光源素子をオンにして得られた測定値は、干渉信号の平均を差し引くことによって補正できる。
【０１３３】
急速に変化する干渉源の場合、２ステップ方式の一例を使用でき、これは光源素子１０２をオンにして光電流測定を行うステップと、次に、光源素子１０２をオフにして、同じ光電流測定を差し引くステップを含む。これは、上述のフィルタ方式と比較して、干渉パワーからのショットノイズの寄与を３ｄＢ悪化させるが、干渉変化を最も速く追跡できる。カスタム積分器を設計する場合、光源素子１０２をオンにしたときには上積分（ｉｎｔｅｇｒａｔｅ  ｕｐ）でき、光源素子をオフにしたときには、同じ時間だけ下積分（ｉｎｔｅｇｒａｔｅ  ｄｏｗｎ）できる。これは、２回の測定を行い、差し引くことと同等である。
【０１３４】
上記の２ステップ測定方式の例を使用して検出信号ＳＤのＳＮＲを改善する方法を、以下により詳しく説明する。一定の光電流ｉｄは、ＲＭＳ電流変動
2015503159.tif 000013
【０１３５】
での、関係するランダムショットノイズ電流を有し、式中、ｑは電子の素電荷であり、Δｆは単位がＨｚの信号周波数帯域である。積分時間Δｔでのスイッチ式積分器の有効ノイズ帯域は１／Δｔである。キャパシタンスＣに積分すると、周期の終了時に信号は
2015503159.tif 000014
【０１３６】
であり、それによって
2015503159.tif 000015
【０１３７】
となる。
【０１３８】
この開示の一例は、暗電流の２ステップ測定により干渉光電流の不利な影響を低減化又は排除することである。第一の測定ステップでは、干渉光電流ｉｅを積分して、干渉信号からの電荷推定を生成し、すなわちｉｅΔｔとなり、ここで、
2015503159.tif 000016
【０１３９】
である。第二の測定ステップでは、検出信号光電流ｉｄプラス干渉光電流信号を測定し、正味電荷（ｉｅ＋ｉｄ）Δｔを生成し、ここで、
2015503159.tif 000017
【０１４０】
である。２つの測定を差し引くことによって検出信号光電流ｉｄΔｔの推定が得られ、ここで、
2015503159.tif 000018
【０１４１】
である。従って、電荷ＳＮＲは、
2015503159.tif 000019
【０１４２】
となる。
【０１４３】
ＳＮＲに関する上記の方程式は、干渉光電流ｉｅがその相応分の２倍（ｔｗｉｃｅ  ｉｔｓ  ｆａｉｒ−ｓｈａｒｅ）寄与していることを示し、これは２回積分が行われるからであるが、その一方で、所望の検出器光電流ｉｄは１回しか積分されない。ＳＮＲの改善は、干渉光電流ｉｅをローパスフィルタで処理したものを差し引くこしによって実現できる。測定値とフィルタ処理した値の間の誤差にパラメータ的に依存する時間定数を有する非線形デジタルフィルタを利用できる。この戦略により、背景光の変化に迅速に対応でき、いくつかのサンプル周期後の測定値のばらつきが漸近的に除去される。背景推定のばらつきを排除することにより、電荷ＳＮＲは
2015503159.tif 000020
【０１４４】
となり、これはｉｅ＞＞ｉｄの場合の方程式１のそれより約３ｄＢ改善されている。
電流注入による干渉照明の低減化
図２０は、電流注入を利用して干渉照明の不利な影響を軽減するように構成された電気回路７００の概略図である。電気回路７００はフォトダイオードの形態の感光素子２００を含む。フォトダイオード２００は前述のように、光１０４を受け取り、それに応答して光電流ｉｄ＋ｉｅを生成する。フォトダイオードは、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）７２０と並列に配置され、増幅器７１０を駆動する。増幅器７１０は、トランスインピーダンスアンプ又は積分増幅器とすることができる。
【０１４５】
電気回路７００のトランスインピーダンスアンプの構成が図２０の中で破線の枠Ｂ１の中に示されており、フィードバック抵抗（トランスインピーダンス値）ＲＦを画定するフィードバック抵抗器７１２を含む。トランスインピーダンスアンプの構成は、出力電圧Ｖｏｕｔを調整して、２つの入力電圧をマッチさせる。正の入力がアースに接続されているため、回路は負の入力も強制的にゼロボルトにする。入力電流ｉｉｎ＝ｉｄが流れると、出力電圧はフィードバック抵抗器７１２を通じて電流ｉｘ＝ｉｄを引き込まなければならず、Ｖｏｕｔは−ＲＦ・ｉｄと定義される。
【０１４６】
電気回路７００の関連部分のスイッチ式積分器の構成は、枠Ｂ２の中に示されており、枠Ｂ１の抵抗器７１２の代わりに、フィードバック容量ＣＦを有し、リセットスイッチ７１６と並列に配置された容量部７１４が用いられる。リセットスイッチ７１６は、時間ｔ＝Ｔ０から時間ｔ＝Ｔ０＋ΔＴまで開く。光電流ｉｄは、
2015503159.tif 000021
【０１４７】
と定義される電圧Ｖｏｕｔに変換される。
【０１４８】
電気回路７００のどちらの構成においても、増幅器７１０は入力電流ｉｉｎに感応し、ｉｉｎに比例する出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。
【０１４９】
ＤＡＣ７２０は、その入力端でプロセッサ３０２に接続され、その出力端で増幅器７１０の入力電流加算ノードに接続される。電流の極性は、それがダイオード光電流から差し引かれるような極性である。ＤＡＣ７２０は、一定であるがプログラム可能な量の電流をフォトダイオード２００から引き出し、それによって増幅器７１０が過負荷状態になるのを防止する。プロセッサ３０２は、ＤＡＣ電流をサーボして、増幅器７１０を線形領域に保つソフトウェアを含む。これはいくつかの方法で実現できる。１つの方法は、光源素子１０２をオフにした状態で（すなわち、光１０４が光検出器２００に当たらない）光電流を周期的に測定することに関する。
【０１５０】
次に、ソフトウェアフィードバックループがフィードバック信号Ｖｏｕｔを通じてＤＡＣの出力を調整し、ゼロの平均測定電流を提供する。ゼロ状態が達成されると、ＤＡＣの出力は補償電流ｉｃｃとなり、これは、一実施形態において、干渉照明に関連する干渉光電流ｉｅを正確にキャンセルする。ソフトウェアフィードバックループは、システム１０の動作条件の変化に基づいて補償電流を変化させ、例えば周辺光の増減によって、生成される干渉光が増減する。
【０１５１】
一般に、何れかの条件下でのフォトダイオード２００からの全光電流の推定は、ＤＡＣ補償電流プラス増幅器の光電流と解釈できる。ＤＡＣ７２０を使った光電流の最大部分を扱い、次に、増幅器７１０を使ってタッチイベントＴＥによる変動だけを測定することによって、システム１０は、増幅器だけの場合に可能なものよりはるかに大きい光電流レベルに耐えることができる。ＤＡＣ７２０を使用して補償電流Ｉｃｃによって干渉光電流ｉｅを正確にキャンセルするか否かに関係なく、ＤＡＣの引き算と残留（干渉）光電流の測定の組み合わせにより、測定可能な光電流の範囲を拡張できる。
【０１５２】
それゆえ、補償電流ｉｃｃによる干渉光電流ｉｅの無効化又は補償（又は縮小）は、第二の入力を増幅器７１０の加算ノードに追加することによって行うことができる。このノードの負の電流はＤＡＣ７２０によって供給され、これはプロセッサ３０２によってサーボされて、光源素子１０２がオフにされると（すなわち、光１０４が光検出器２００に入射しない）、光電流の読取り値をゼロにする。この無効化は、熱ノイズ及び、キャンセル電流により導入されるショットノイズの両方を縮小化しながら実現できる。
【０１５３】
それゆえ、本発明の例示的な方法は、光源素子１０２をオフにして感光素子２００の１つで第一の光電流測定を行い、補償光電流を判定することによって、検出信号ＳＤを生成するステップを含む。この方法は次に、光源素子１０２をオンにして、光検出素子２００の同じ１つで第二の光電流測定を行うステップを含む。この方法は次に、第一の光電流測定値を第二の光電流測定値から差し引くステップを含む。
【０１５４】
増幅器飽和の防止
干渉ＤＣ照明によるオフセットを単純に除去することに加えて、そのような照明による増幅器７１０の飽和を防止することが有益である。入力処理チャネルのゲインを低下させること、合成された負の光電流（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ）により過剰な信号電流を無効化すること、又はシステムの積分時間を変更することによって、過負荷を防止できる。
【０１５５】
ゲインリダクションは、トランスインピーダンスアンプの中で、トランスインピーダンス値ＲＦを低下させることによって実行できる。しかしながら、これには、システムノイズを増大させるという欠点がある。通常は一定時間ΔＴだけ積分するスイッチ式積分器の場合、積分容量部７１４のｄＶ／ｄｔは余剰の光電流と共に上昇するため、積分電圧は一定の積分時間中に線形範囲を越える。積分器のダイナミックレンジの過負荷を回避する１つの方法は、積分容量部をより頻繁に読み出し、リセットして、飽和を回避することである。積分をＮ個の、各々、時間ΔＴ／Ｎの短時間積分に分割すると、時間ΔＴの総光電流は、Ｎ個の細分測定の各々の結果の合計と考えることができる。この方式では、複数のより短時間の測定値を合計することによって任意のベースライン電流を利用できる。
【０１５６】
それゆえ、本発明の例示的な方法は、一定の合計時間ΔＴにわたる積分された光電流測定を行うことによって、検出信号ＳＤを生成するステップを含む。この方法はまた、一定の合計時間ΔＴをＮ個の間隔に分割して、Ｎ個の細分測定値を判定するステップを含み、これは対応する時間間隔ΔＴ／Ｎを有する。この方法はさらに、Ｎ個の細分測定値を合計して１回の積分を模擬するステップと、次に、増幅器７１０の過負荷を回避するためにＮを動的に選択するステップを含む。
【０１５７】
ソフトウェアにおける差引による干渉照明の低減化
ＤＡＣ７２０が過負荷時にクリーンに（ｃｌｅａｎｌｙ）飽和すると、ＤＡＣの出力を使って積分時間を適応的に設定できる。１回の測定値がＤＡＣ７２０のリニアレンジを越える場合は、測定値がリニアレンジ内に戻るまで、積分時間を連続するｎ回について１／（ｎＴ）に短縮することができる。
【０１５８】
検出信号ＳＤの所望のＳＮＲを実現するために、ｎ回の測定を行い、合計して、１測定サイクルを完成させる。次に、フィルタ処理されたＤＣ干渉をデジタル式に差し引くと、干渉信号による不可避的なショットノイズを含む、補正後の検出信号ＳＤだけが残る。
【０１５９】
本明細書の実施形態を特定の態様と特徴に関して説明したが、当然のことながら、これらの実施形態は望ましい原理と用途の例に過ぎない。したがって、当然のことながら、例示的な実施形態には数多くの改変を加えてもよく、付属の特許請求の範囲の主旨と範囲から逸脱することなく、他の構成を導き出してもよい。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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