(57)【要約】  タッチ事象の発生を、タッチ位置で印加された圧力に基づいて検知するための圧力検知タッチシステムおよび方法が開示される。タッチシステムは、透明シート状または透明シート内に形成された導波路の、入力エッジおよび出力エッジに夫々隣接して動作可能に配置された、光源系および検出器系を含む。タッチ事象を引き起こす、導波路のタッチ位置での圧力は、導波路を曲げるまたは撓ませる。この導波路の曲がりによって、導波路内をＦＴＩＲによって進んでいる光の光路に変化が生じる。これが次いで、出力光内の光の分布を変化させる。光の分布の変化が検出されると、タッチ事象が起こったかどうかを、さらにはタッチ事象の時間発展を判定するために使用される。出力光の変化は、タッチ位置で印加された圧力により導波路内に誘起される複屈折に起因する、偏光の変化を含み得る。タッチ事象の位置および圧力を検知するための種々の検出器構成が開示される。
2015530688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある圧力量をタッチ位置で印加することにより引き起こされるタッチ事象を、検出するための圧力検知タッチシステムにおいて、
上方表面と、下方表面と、入力エッジと、出力エッジとを有し、前記タッチ位置で圧力が印加されたときに曲がることができる、導波路、
前記入力エッジと光通信しており、かつ前記出力エッジで出力光を画成する前記導波路内に光を導入するように構成された、光源系であって、前記出力光が関連する強度分布を有し、かつ前記圧力量を印加することによって前記導波路を曲げると前記強度分布に変化が生じる、光源系、
前記出力エッジと光通信しており、かつ前記出力エッジから出る前記出力光の少なくとも一部分を検出しさらに前記導波路を曲げたときの前記強度分布の前記変化を検出し、該検出に応じて検出器信号を生成するように構成された、検出器系、および、
前記光源系および前記検出器系に動作可能に接続され、かつ前記光源系および前記検出器系の動作を制御するように構成され、さらに前記検出器信号を処理してタッチ事象が起こったかどうかを判定するように構成された、コントローラ、
を備えていることを特徴とする圧力検知タッチシステム。
【請求項２】
前記検出器系が、前記導波路の前記上方表面上に前記出力エッジに隣接して動作可能に配置された、少なくとも１つの検出器と、前記導波路の前記下方表面上に前記出力エッジに隣接して動作可能に配置された、少なくとも１つの検出器とを含み、前記上方表面上および前記下方表面上の前記検出器が、位相がずれている夫々の検出器信号を提供するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の圧力検知タッチシステム。
【請求項３】
圧力検知能力を有するディスプレイシステムにおいて、
請求項１または２による圧力検知タッチシステム、および、
ディスプレイを、該ディスプレイに隣接して動作可能に配置された前記圧力検知タッチシステムと共に有しているディスプレイユニットであって、該ディスプレイユニットのディスプレイが、容量性および抵抗性の接触検知能力のうちの１つを含んでいる、ディスプレイユニット、
を備えていることを特徴とするディスプレイシステム。
【請求項４】
前記光源系が選択された偏光の光を放射するように、該光源系が光源偏光子を含み、
前記検出器系が、第１の検出器および第２の検出器と、該第１の検出器および第２の検出器に対して動作可能に配置された、第１の検出器偏光子および第２の検出器偏光子とを含み、さらに前記検出器信号は、前記タッチ位置での前記圧力の印加によって引き起こされた誘起複屈折の量を表すものであり、さらに随意的に、
前記導波路を支持して該導波路内での前記誘起複屈折の形成を助けるように構成された、少なくとも１つの支持部材をさらに含むことを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の圧力検知タッチシステム。
【請求項５】
前記出力光の前記強度分布の前記変化が強度縞の動きを含み、前記検出器系が前記強度縞の前記動きを検出して、前記タッチ事象に関連する前記圧力量を判定することを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の圧力検知タッチシステム。
【請求項６】
前記検出器に隣接して配置された傾斜減衰器をさらに含むことで、前記検出器での前記出力光の検出を位置に敏感なものとすることを特徴とする請求項５記載の圧力検知タッチシステム。
【請求項７】
前記光源系が、選択された偏光の光を放射し、
前記検出器系が検出器偏光子を含み、さらに、
前記検出器信号が、前記タッチ位置で前記圧力を印加することに起因する、ガラスの異なる複屈折領域を通る経路変化による偏光状態の変化量を表し、
偏光の変化は、誘起複屈折と、前記ガラスの製造時に形成された既存の複屈折の異なる領域を通る光の経路変化とによるものであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の圧力検知タッチシステム。
【請求項８】
前記光源系が、選択された偏光の光を放射し、かつ、
前記検出器系が、ガラスから放射された光の偏光状態の検出を可能にする多数の検出器を、夫々の前に異なる偏光光学素子を備えて含み、
入力偏光によるリターダンスの大きさ、
入力偏光によるリターダンス、
偏光された前記光の割合、および、
前記ガラスから放射された前記光の強度の大きさ、
のうちの１以上を検出することを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の圧力検知タッチシステム。
【請求項９】
フレキシブル導波路上のタッチ位置でのタッチ事象に対する圧力の印加を検知する方法であって、
前記フレキシブル導波路の入力エッジから出力エッジまで多数の光路に光を送出し、前記出力エッジで、強度分布を有する出力光を形成するステップ、
前記導波路に圧力を印加することによって前記導波路を撓め、それにより前記多数の光路を変化させて前記出力光の前記強度分布に変化をもたらすステップ、
前記強度分布の前記変化を検出し、かつ該検出された変化を表す検出器信号を生成するステップ、および、
前記検出器信号を処理して、前記強度分布の前記変化を前記タッチ位置での前記圧力の印加と関連付けるステップ、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、その内容が引用されその全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１２年１０月４日出願の米国仮特許出願第６１／７４４，８７７号の優先権の利益を米国特許法第１１９条の下で主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、タッチセンサ式機器に関し、特にタッチ位置でのタッチ事象をタッチ位置で印加される圧力に基づいて検知することが可能なタッチシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
非機械的なタッチ機能を有するディスプレイおよび他の機器（例えば、キーボード）の市場は急速に成長している。結果として、ディスプレイおよび他の機器がタッチ機能を有することができるようにするため、タッチ検知技術が開発された。タッチ検知機能は、スマートフォン、電子ブックリーダ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、および類似の機器など、モバイル機器用途で幅広く使用されるようになってきている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シングルタッチ、マルチタッチ、スワイプ、フィンガータッチ、およびスタイラスペンタッチなど、様々なタイプの接触に反応するタッチスクリーン方式のタッチシステムが開発された。これらのシステムには、光の拡散および／または光の減衰に頼っているものもある。有効ではあるが、タッチ位置で印加された圧力に基づいてタッチ事象を検知することができる、タッチ検知への光学ベースの代替アプローチの必要性が残されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示はタッチセンサ式機器に関し、特にタッチ事象を、このタッチ事象のタッチ位置で印加された圧力に基づいて検出するタッチシステムに関する。本システムおよび方法の態様は、圧力が導波路に印加されるときに導波路内を進んでいる光の偏向、操作、または他の変化を活用する。この光ビームの変化とは、ビーム路を変化させること、ビームを多数のビームに分割すること、多数のビーム間に干渉を生成すること、多数の出力光ビームを生成すること、および入力光ビームの偏光状態を変化させることを含む。
【０００６】
本開示の態様は、光曲げ効果および光偏光効果を採用したタッチシステムを含む。このタッチシステムは、透明シート状の導波路の入力エッジおよび出力エッジに夫々隣接して動作可能に配置された、光源系および検出器系を含む。導波路は、透明シートの上方表面に隣接したイオン交換層または薄型導波路層などの、透明シートの単なる一部分を含むものでもよい。タッチ事象を生じさせる導波路上のタッチ位置での圧力は、導波路を曲げ、あるいは撓ませる。導波路の曲がりは、導波路内を進んでいるＦＴＩＲ光の光路に変化を生じさせ、これがさらに出力光における光の分布を変化させる。光の分布の変化が検出されると、この変化を用いてタッチ事象が起こったかどうか、さらにはタッチ事象の時間発展を判定する。この変化には、タッチ位置で印加された圧力により導波路内に誘起された複屈折性に起因する、偏光の変化が含まれ得る。
【０００７】
本開示の態様において、検出器を通る縞の動きを検出することなどによってタッチ事象の位置および圧力を検知するための種々の検出器構成が開示されている。さらに、出力された光を異なる検出器で検出することを採用して、ある所与のタッチ事象に対する検出器信号間の時間差を測定し、次いでこの時間差を用いてタッチ事象のタッチ位置を判定することができる。タッチ事象での圧力量の他、印加された圧力の時間発展を判定する、種々の検出器構成および検出器信号処理技術が開示される。
【０００８】
本開示のさらなる特徴および利点は以下の詳細な説明の中に明記され、ある程度は、その説明から当業者には容易に明らかになるであろうし、あるいは、以下の詳細な説明、請求項、さらに添付の図面を含め、本書において説明される開示を実施することにより認識されるであろう。
【０００９】
請求項並びに要約は、以下で明記される詳細な説明に組み込まれ、またその一部を構成する。
【００１０】
米国特許出願公開第２０１１／０１２２０９１号明細書、米国仮特許出願第６１／５６４，００３号明細書、同第６１／５６４，０２４号明細書、および同第６１／６４０，６０５号明細書を含め、本書で引用される全ての刊行物、論文、特許、公開された特許出願などは、その全体が参照することにより本書に組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本開示による一例のタッチシステムの正面図
【図１Ｂ】図１Ａのタッチシステムの一部の正面図であり、多数の光源系と多数の検出器系とが導波路の対向するエッジ付近に夫々動作可能に配置された例を示した図
【図２Ａ】多数の光源素子を含んだ光源の例を示した上面図
【図２Ｂ】多数の検出器素子を含んだ検出器の例を示した上面図
【図３】図１Ａのタッチシステムの実施形態例の断面図
【図４Ａ】図１Ａのタッチシステムの様々な実施形態例の断面図
【図４Ｂ】図１Ａのタッチシステムの様々な実施形態例の断面図
【図４Ｃ】図１Ａのタッチシステムの様々な実施形態例の断面図
【図４Ｄ】図１Ａのタッチシステムの様々な実施形態例の断面図
【図５Ａ】導波路の様々な曲がり量に対する導波路の出力エッジでの出力光の近視野像であり、曲がっていない場合を示した画像
【図５Ｂ】導波路の様々な曲がり量に対する導波路の出力エッジでの出力光の近視野像
【図５Ｃ】導波路の様々な曲がり量に対する導波路の出力エッジでの出力光の近視野像
【図６Ａ】導波路を曲げると導波路内を進んでいる光がどのようにしてより長い光路を横切るかを示した、導波路の概略側面図
【図６Ｂ】導波路を曲げると導波路内を進んでいる光がどのようにしてより長い光路を横切るかを示した、導波路の概略側面図
【図６Ｃ】導波路の入力エッジ部分の拡大図であり、曲がっていない導波路ではバウンドせずに進むコリメート光（図６Ｃ）が、曲がった導波路内をどのようにしてバウンドして進み得るか（図６Ｄ）を示した図
【図６Ｄ】導波路の入力エッジ部分の拡大図であり、曲がっていない導波路内はバウンドせずに進むコリメート光（図６Ｃ）が、曲がった導波路内をどのようにしてバウンドして進み得るか（図６Ｄ）を示した図
【図６Ｅ】導波路の出力エッジ部分の拡大図であり、曲がった導波路からの出力光がどのように出力エッジから出て不均一（不均質）な分布を有するかを示した図
【図６Ｆ】導波路の出力エッジでの出力光の強度分布を示した図であり、導波路の撓み（曲がり）量が増加するにつれて出力光の強度分布に起こる変化を説明した図
【図６Ｇ】一例の導波路の出力エッジでとられた出力光１０４−Ｏの一連の画像を示し、導波路の曲がりの増加に伴う強度分布の変化並びに強度パターンのシフトを示した画像
【図７Ａ】一例の導波路の概略断面図であり、指が中心のタッチ位置でタッチ事象ＴＥを生じさせる用意ができている状態を示した図
【図７Ｂ】指でもたらされるタッチ事象が導波路の上方表面に下向きの圧力をかけ、それにより導波路を撓ませている状態の図７Ａの導波路を示した図
【図７Ｃ】タッチ事象が出力エッジに近づいたタッチ位置で起きていることを除いて、図７Ｂに類似した図
【図８】中心位置（四角）およびエッジ位置（菱形）で印加された接触力ＦT（ニュートン、Ｎ）に対する、ある所与の出力エッジ位置で測定された出力光のパワーＰM（マイクロワット、μＷ）のプロットであり、エッジ位置の場合のパワーの変化が中心位置の場合よりもどの程度小さいかを説明した図
【図９Ａ】一例の撓んだ導波路の出力エッジで放射された出力光のシミュレーションによる遠視野像であり、２つの方向（位置）の出力光を示した画像
【図９Ｂ】一例の撓んだ導波路の出力エッジで放射された出力光の測定遠視野像であり、２つの方向（位置）の出力光を示した画像
【図９Ｃ】光点の位置に配置された光検出器によって判定した、ガラスの変形（ｍｍ）に対するパワーの割合（％）を、２つの光の方向（位置）について示したプロット
【図１０】厚さＴＨが１．２ｍｍのガラスから作製された一例の導波路に１ニュートンの瞬間的な力を印加したときの、測定されたパワーを表す電圧対時間を、２つの遠視野の光点のうちの１つについてプロットした図
【図１１Ａ】曲がり量が異なる導波路に対するレイトレースシミュレーションを示した、一例の導波路の出力エッジ部分の拡大断面図であり、検出器が下方表面に配置されている実施形態を示した図
【図１１Ｂ】曲がり量が異なる導波路に対するレイトレースシミュレーションを示した、一例の導波路の出力エッジ部分の拡大断面図であり、検出器が上方表面と下方表面の両方に配置されている実施形態を示した図
【図１２Ａ】入力光が導波路を部分的に占めている例のシミュレーションによる光線を示した一例の導波路の概略図
【図１２Ｂ】入力光が導波路の大部分を占めている例のシミュレーションによる光線を示した一例の導波路の概略図
【図１２Ｃ】入力光が導波路を実質的に完全に占めている例のシミュレーションによる光線を示した一例の導波路の概略図
【図１３】検出器信号の位相がずれるように２つの検出器が配置されている一例の検出器構成を示す、図１１Ｂに類似した図
【図１４】強度ではなく出力光の電場の合計により得られる、一連の出力光ビームのシミュレーション画像
【図１５】導波能力を高める上方および下方クラッド層を含む一例の導波路の概略部分分解側面図と、さらにクラッド導波路の下方表面と接続されるディスプレイユニットを示している図
【図１６】タッチ検知を偏光効果に頼っているタッチシステム１０の一実施形態例の概略図
【図１７】２つの検出器（ｄｅｔＡ、ｄｅｔＢ）からの検出器信号ＳＤのプロットであり、２つの検出器を使用してどのように信号検出と測定感度とを高めることができるかを示した図
【図１８Ａ】図１６のタッチシステムで検出された出力光の画像であり、タッチ位置で導波路に付与された誘起された応力複屈折性に起因して、検出される出力光の量が導波路の曲がりが増加するにつれてどのように変化するかを示している図
【図１８Ｂ】図１６のタッチシステムで検出された出力光の画像であり、タッチ位置で導波路に付与された誘起された応力複屈折性に起因して、検出される出力光の量が導波路の曲がりが増加するにつれてどのように変化するかを示している図
【図１８Ｃ】図１６のタッチシステムで検出された出力光の画像であり、タッチ位置で導波路に付与された誘起された応力複屈折性に起因して、検出される出力光の量が導波路の曲がりが増加するにつれてどのように変化するかを示している図
【図１８Ｄ】図１６のタッチシステムで検出された出力光の画像であり、タッチ位置で導波路に付与された誘起された応力複屈折性に起因して、検出される出力光の量が導波路の曲がりが増加するにつれてどのように変化するかを示している図
【図１８Ｅ】図１６のタッチシステムで検出された出力光の画像であり、タッチ位置で導波路に付与された誘起された応力複屈折性に起因して、検出される出力光の量が導波路の曲がりが増加するにつれてどのように変化するかを示している図
【図１９Ａ】図１６のタッチシステムの実施形態例の概略側面図
【図１９Ｂ】図１６のタッチシステムの実施形態例の概略側面図であり、イオン交換導波路の例を示した図
【図１９Ｃ】図１６のタッチシステムの実施形態例の概略側面図であり、イオン交換導波路の例を示した図
【図２０】図３および４Ａに示したものに類似しているが、導波領域がガラス基板の上方表面に隣接した薄層として形成されている、一例のタッチシステムの概略側面図
【図２１】図２０のタッチシステムの例における中心およびエッジでのタッチ位置について、印加された力（ニュートン）に対する集められたパワー（ナノワット）をプロットした図
【図２２】ガラスシート上にチャネル導波路領域が形成されている、タッチシステム１０の構成の例を示した上面概略図
【図２３】ガラスシート上にチャネル導波路領域が形成されている、タッチシステム１０の構成の例を示した上面概略図
【図２４】２つの異なるタッチ事象位置について、検出器信号の振幅対時間をプロットしたものであり、異なるタッチ位置での検出器信号間にどのように測定可能なタイムラグが存在し、それによりタッチ事象位置を判定するための手段を提供するかを示した図
【図２５Ａ】一例の圧力検知ディスプレイシステムの上方斜視図であり、ディスプレイユニットに接続される本書で開示されるタッチシステムを示した図
【図２５Ｂ】図２５Ａの圧力検知ディスプレイシステムの断面図
【図２６Ａ】検出器に隣接して配置された傾斜減衰器を含む、一例のタッチシステムの検出器側端部の断面図
【図２６Ｂ】正規化された伝送Ｔ対減衰フィルタ高さの一例のプロットであり、フィルタ減衰プロファイルの例を示した図
【図２７Ａ】タッチ位置で印加されている圧力量を判定するために出力信号の縞を検出するのに使用される４つの異なる検出器構成について、検出器信号対フレーム番号（＃）をプロットした図
【図２７Ｂ】タッチ位置で印加されている圧力量を判定するために出力信号の縞を検出するのに使用される４つの異なる検出器構成について、検出器信号対フレーム番号（＃）をプロットした図
【図２７Ｃ】タッチ位置で印加されている圧力量を判定するために出力信号の縞を検出するのに使用される４つの異なる検出器構成について、検出器信号対フレーム番号（＃）をプロットした図
【図２７Ｄ】タッチ位置で印加されている圧力量を判定するために出力信号の縞を検出するのに使用される４つの異なる検出器構成について、検出器信号対フレーム番号（＃）をプロットした図
【図２８Ａ】本書で説明する偏光ベースの実施形態の捕捉情報を提供する図
【図２８Ｂ】本書で説明する偏光ベースの実施形態の捕捉情報を提供する図
【図２８Ｃ】本書で説明する偏光ベースの実施形態の捕捉情報を提供する図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
特定の図に参照のためにデカルト座標が示されているが、これらの座標は方向または向きについて限定するものと意図されたものではない。
【００１３】
本開示は、以下の詳細な説明、図面、実施例、および請求項、さらにこれらの前後の説明を参照すると、より容易に理解することができる。ただし本発明の組成物、物品、機器、および方法を開示および説明する前に、本開示は他に明確に述べられていなければ、開示される特定の組成物、物品、機器、および方法に限定されず、従って当然のことながら変化し得ることを理解されたい。さらに、本書において使用される専門用語は、特定の態様を単に説明するためのものであり、限定することを意図したものではないことも理解されたい。
【００１４】
以下の本開示の説明は、本開示の実現可能な教示として、現在知られているその実施形態で提供される。このため関連技術の当業者は、本開示の有益な成果を得たまま本書で説明する本開示の種々の態様に多くの変更を加え得ることを、認識および理解するであろう。本開示の望ましい利点のいくつかは、本開示の特徴のいくつかを他の特徴を利用せずに選択することによって得ることができることも明らかであろう。従って、多くの本開示の改変および改作が、可能であり、特定の状況では望ましくさえあり得、さらに本開示の一部であることを当業者は認識するであろう。従って以下の説明は、本開示の原理の実例として提供され、これを限定するものではない。
【００１５】
開示される材料、化合物、組成物、および成分は、開示される方法および組成物に使用することができ、開示される方法および組成物と併せて使用することができ、開示される方法および組成物の準備に使用することができ、または、開示される方法および組成物の実施形態である。これらの材料および他の材料が本書で開示され、またこれらの材料の組合せ、部分集合、相互作用、群などが開示されたとき、これらの化合物の種々の個別のおよび集合的な組合せおよび置換の夫々に関する具体的な言及は明確には開示されないかもしれないが、その夫々は本書において具体的に意図されかつ説明されたものと理解されたい。
【００１６】
従って、置換基の種類Ａ、Ｂ、およびＣと置換基の種類Ｄ、Ｅ、およびＦとが開示され、さらに一例の組合せの実施形態Ａ−Ｄが開示された場合、その夫々が個別にかつ集合的に意図される。従ってこの例では、Ａ、Ｂ、および／またはＣと、Ｄ、Ｅ、および／またはＦと、さらに組合せ例Ａ−Ｄとの開示によって、各組合せＡ−Ｅ、Ａ−Ｆ、Ｂ−Ｄ、Ｂ−Ｅ、Ｂ−Ｆ、Ｃ−Ｄ、Ｃ−Ｅ、およびＣ−Ｆは具体的に意図されており、また開示されたと見なされるべきである。同様に、これらの任意の部分集合または組合せも、具体的に意図されかつ開示される。従って、Ａ、Ｂ、および／またはＣと、Ｄ、Ｅ、および／またはＦと、さらに組合せ例Ａ−Ｄとの開示によって、例えば下位群Ａ−Ｅ、Ｂ−Ｆ、およびＣ−Ｅは具体的に意図されており、また開示されたと見なされるべきである。この概念は、限定するものではないが、組成物の任意の成分、および開示される組成物の作製方法および使用方法でのステップなど、本開示の全ての態様に当てはまる。従って、実行することが可能な様々な追加のステップが存在する場合、これらの追加のステップ夫々は、開示される方法の任意の特定の実施形態または実施形態の組合せと共に実行することができること、そしてこの各組合せが具体的に意図されており、かつ開示されたと見なされるべきであることを理解されたい。
【００１７】
圧力検知タッチシステム
図１Ａは、本開示による一例の圧力検知タッチシステム（「タッチシステム」）１０の概略図である。タッチシステム１０は、様々な消費者向けエレクトロニクス商品において、例えば携帯電話、キーボード、タッチスクリーンおよび無線通信能力を有するような他の電子機器、音楽プレーヤ、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「マウス」、および電子ブックリーダなどのための、ディスプレイと共に使用することができる。
【００１８】
図１Ａの例のタッチシステム１０は、概して平面的な導光アセンブリ（「アセンブリ」）２０を含み、その詳細は以下で説明する。アセンブリ２０は導波路２２を含み、導波路の周囲Ｐに隣接して少なくとも１つの光源１００と少なくとも１つの検出器２００とが配置されている。少なくとも１つの光源１００および少なくとも１つの検出器２００は、以下でより詳細に説明するように導波路を通じて光結合されている。
【００１９】
１つの光源１００および１つの検出器２００が、例としてアセンブリ２０内に図示されている。周囲Ｐは、光源１００に隣接したエッジ（端部）２３と、検出器２００に隣接したエッジ（端部）２４とを含む。周囲Ｐは任意の適正な形状を有し得、例として長方形で示されている。アセンブリ２０は概して長方形でもよく、また図示の例において導波路２２はＸ方向に寸法（長さ）ＬＸかつＹ方向に長さＬＹを有している。
【００２０】
図１Ｂはシステム１０の一実施形態例を示し、ここでは多数の光源１００が使用され（あるいは同等に、多数の光源素子を含む光源が使用され得）、かつ多数の検出器２００（あるいは同等に、多数の検出器素子を含む検出器）が使用される。システム１０のこの構成は、１以上のタッチ事象ＴＥの位置を判定する必要があるときに特に有用である。さらに１以上の光源１００と１以上の検出器２００とをアセンブリ内に動作可能に配置して、タッチ事象の圧力の検知にアセンブリ全体（または実質的に全体）を使用し得ることを確実にすることができる。これは、例えば光源１００および／または検出器２００の組（例えば対）の起動を周期的にして、タッチ事象に関する全ての可能性のある位置を確実にカバーするものを含み得る。一例においてこの周期は、圧力を加えてタッチシステム１０から応答を引き出すタッチ事象の典型的な持続時間よりも、大幅に速い速度にすることができる。
【００２１】
検出器２００の例として、フォトダイオード、および種々の種類のフォトセンサが挙げられる。光源１００の例としては、ＬＥＤ、半導体レーザ、光ファイバベースのレーザ、および拡張光源などが挙げられる。
【００２２】
図２Ａを参照すると、光源１００はフレックス回路基板（「フレックス回路」）１１０上に動作可能に据え付けられた１以上の光源素子１０２を含み得、これがさらに、透明シート２０のエッジ２６に隣接して配置されたプリント回路基板（ＰＣＢ）１１２に据え付けられる。従って本書の詳解において、光源１００は１以上の光源素子１０２を有する光源を意味し得る。同様に図２Ｂを参照すると、検出器２００は１以上の検出器素子２０２を有する検出器を含み得る。出力光１０４ＡＢは、検出器素子２０２の１つに入射するように図示されている。一例において検出器２００は、検出器素子２０２が検出器の画素を構成するピクセル型検出器でもよい。一例のピクセル型検出器２００は、ＣＭＯＳまたはＣＣＤアレイ検出器である。
【００２３】
本開示の実施形態例では、平面的な導波路に、タッチ事象ＴＥに関連するタッチ位置ＴＬで、ある圧力量（例えば、ある相対圧力量）が印加される。本開示の複数の態様はタッチ事象ＴＥの発生を検知するものに関し、一方他の態様はタッチ事象のタッチ位置ＴＬを判定する追加の機能を含む。本開示の他の態様は、タッチ事象ＴＥで印加される圧力量を検知するものを含む。
【００２４】
一例においてタッチシステム１０は、光源１００および２００がアセンブリ２０の上方から観察者に見えないように（例えば図２５Ｂの観察者５００参照）、光源１００および２００をカバーする働きをする随意的なカバー４０を含む。一例において、カバー４０はベゼルの役割を果たす。一例においてカバー４０は、少なくとも可視光を遮断する働きをし、またタッチシステム１０のいくらかの部分がユーザから見えないようにするように構成され、または光のある波長を遮断するが別の波長を透過させるような、いかなる種類の遮光性の部材、膜、塗装、ガラス、部品、材料、テクスチャ、構造でもよい。図３では、図を簡単にするため、単に光源１００、検出器２００、および導波路２２を図示している。
【００２５】
複数の実施形態例において、カバー４０はアセンブリ２０に対し、観察者から光源１００または検出器２００が見えないよう遮る働きをする、任意の位置に存在し得る。カバー４０は連続したものである必要はなく、いくつかの部分またはセグメントから作製されたものでもよい。さらに、カバー４０を用いて検出器２００を、例えば太陽光を排除するためなど、光源１００からの光１０４以外の光を受けないよう遮蔽することができる。従って、一例においてカバーは、ある波長（例えば、可視波長）に対して実質的に不透明であり、かつ別の波長（例えば、光源１００からの光１０４での赤外波長）に対して実質的に透明なものでもよい。
【００２６】
一例においてカバー４０は、少なくとも可視波長で不透明でありかつ随意的にはＩＲ波長を透過させる、膜状のものである。一例のカバー４０用の膜として、可視およびＩＲ波長を含む広範囲の波長に亘り光を吸収する、黒色塗装が挙げられる。
【００２７】
引き続き図１を参照すると、タッチシステム１０は、１以上の光源１００および１以上の検出器２００に動作可能に接続される（例えば、バス３０１を介して）、コントローラ３００を含み得る。コントローラ３００はタッチシステム１０の動作を制御するように構成される。いくつかの実施形態においてコントローラ３００は、プロセッサ３０２、デバイスドライバ３０４、およびインターフェース回路３０６を含み、全ては動作可能に配置される。コントローラは光源信号ＳＬを用いて光源１００を制御し、また検出器２００から検出器信号ＳＤを受信して処理する。
【００２８】
一実施形態例において光源１００は、コントローラ３００のプロセッサ３０２によって光源制御信号ＳＬで波長変調される。これが、選択されたやり方で光ビーム１０４の光路ＯＰｎを変化させることにより、出力光ビーム１０４−Ｏに変化を生じさせる。この選択された変化自体が検出器信号ＳＤに現れ、この信号をコントローラ３００が処理（フィルタリング）してレーザ変調周波数を明らかにする。これは例えば、ロックイン増幅器によって達成することができる。
【００２９】
一例においてコントローラ３００は、ファームウェアおよび／またはソフトウェア（図示なし）に格納された命令を実行する、マイクロコントローラまたはコンピュータを含む。コントローラ３００は本書で説明する機能を果たすようにプログラム可能であり、これらの機能には例えば、あるタッチ事象、または多数のタッチ事象および多数の圧力に関する、相対圧力量並びにその位置を測定するために必要な、タッチシステムの動作および任意の信号処理が含まれる。本書でのコンピュータという用語は、当技術においてコンピュータと称されるような単なる集積回路に限定されるものではなく、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ、アプリケーション固有の集積回路、および他のプログラム可能な回路を広く称し、これらの用語は本書において交換可能に使用される。
【００３０】
ソフトウェアは、本書で開示される圧力検知の機能および動作を実装することができ、または実行する助けとなり得る。ソフトウェアは、コントローラ３００またはプロセッサ３０２に動作可能にインストールされ得る。ソフトウェアの機能は、実行可能なコードを有するプログラミングを含み得、またこの機能を用いて本書で開示される方法を実施することができる。このソフトウェアコードは、以下で説明する汎用コンピュータまたはプロセッサユニットによって実行することができる。
【００３１】
動作時には、コードと場合によっては関連するデータレコードとが、汎用コンピュータのプラットフォーム内、プロセッサユニット内、またはローカルメモリ内に格納される。しかしながら別の場合では、ソフトウェアを他のロケーションに格納してもよいし、および／または適切な汎用コンピュータシステムにロードするために転送してもよい。したがって本書で論じられる実施形態は、少なくとも１つの機械可読媒体に収容される１以上のコードモジュールの形の１以上のソフトウェア製品を含む。コンピュータシステムのプロセッサによって、またはプロセッサユニットによって、このコードを実行すると、本質的には本書において論じかつ説明する実施形態において実行されるやり方で、プラットフォームはカタログおよび／またはソフトウェアのダウンロード機能を実施することができる。
【００３２】
以下で論じるようにコンピュータおよび／またはプロセッサは夫々コンピュータ可読媒体または機械可読媒体を採用することができ、これは、例えば以下で説明するようにタッチ事象に関連する圧力量を判定するなどの命令を、実行のためにプロセッサに提供することに関与する、任意の媒体を称する。以下で論じるいずれのメモリも、コンピュータ可読媒体を構成する。こういった媒体は、限定するものではないが、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含め、多くの形を取り得る。不揮発性媒体は、上述のサーバプラットフォームの１つとして動作する任意のコンピュータにおける任意の記憶装置など、例えば光ディスクまたは磁気ディスクを含む。揮発性媒体は、このようなコンピュータプラットフォームのメインメモリなどのダイナミックメモリを含む。物理的伝送媒体は同軸ケーブルを含み、すなわちコンピュータシステム内のバスを含むワイヤなどの銅線および光ファイバを含む。
【００３３】
従ってコンピュータ可読媒体の一般的な形式として、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、任意の他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、任意の他の光媒体、あまり一般的に使用されていないパンチカード、穿孔テープ、任意の他の孔のパターンを有する物理的媒体などの媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭおよびＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップまたはカートリッジ、データまたは命令を転送する搬送波、こういった搬送波を転送するケーブルまたはリンク、またはコンピュータがプログラミングコードおよび／またはデータを読み取ることが可能な任意の他の媒体が挙げられる。こういった形のコンピュータ可読媒体の多くは、１以上のシーケンスの１以上の命令を実行のためにプロセッサに伝送することに関わり得る。
【００３４】
図３はシステム１０の例の断面図である。システム１０は、一例において薄型の透明シート状である導波路２２を有している。導波路２２は、入力エッジ２３と出力エッジ２４とを備えている。光源１００は入力エッジ２３に隣接して配置され、一方検出器は出力エッジ２４に隣接して配置される。導波路２２は、光源１００により放射された光１０４の波長λ（「動作波長」）に対して実質的に透明な、本体２５を有する。導波路２２は、厚さＴＨで隔てられた上方表面２６および下方表面２７を有する。導波路２２は、上方表面および下方表面に平行でありかつこれらの間の中ほどに位置する、中心平面ＰＣを有する。光源１００および検出器２００は、中心平面ＰＣ内で明るくなる中心軸ＡＣに沿って位置する。
【００３５】
他の実施形態では、ポリマー、プラスチック、および、動作波長λで実質的に透明な他の非ガラス材料などのガラス以外の材料を、導波路２２に使用してもよい。
【００３６】
システム１０は、光源１００と入力エッジ２３との間に動作可能に配置された入力光学系１２３を含む。入力光学系１２３は、（コヒーレント）光１０４を受けて、これを導波路２２に向けるように構成される。システム１０はさらに、検出器２００と出力エッジ２４との間に動作可能に配置された出力光学系１２４を含む。出力光学系１２４は、出力光１０４−Ｏを受けて、これを検出器２００に向けるまたは検出器２００へと通すことができるように構成される。一例において、出力光学系１２４は図示のように絞り（ストップ）を含む。出力光学系１２４は、レンズ素子、ミラーなどの、光を向けるまたは光を調整する他の素子または部品を含んでもよい。
【００３７】
光源１００と入力光学系１２３との組合せが光源系１０３を画成し、一方検出器２００と出力光学系１２４との組合せが検出器系２０４を画成する。光源系１０３、検出器系２０４、および導波路２２は、タッチスクリーンアセンブリ２０を構成する。
【００３８】
図３は、出力エッジ２４から出た光１０４−Ｏの制限された部分（すなわち、出力光１０４−Ｏ）のみを検出器２００が検出するよう検出器系２０４が開口制限された、一例の実施形態を示している。これによれば検出器２００は、本質的に光の全てを集めて実質的に変化しない統合測定を得るのとは対照的に、出力光１０４−Ｏの強度のばらつきの局所的変化を検出することができる。これは、導波路２２の摂動が、導波路内の光の再分配を一般にもたらすためである。
【００３９】
光１０４の再分配を効率的に検出するためには、アパーチャ１２４のサイズを導波路２０の厚さＴＨよりも小さくすることが必要である。これはアパーチャ１２４を、導波路の厚さよりも大きい検出器と共に使用することによって達成することができるし、あるいは導波路の厚さよりも小さいサイズの検出器のみを使用することによっても達成することができる。アパーチャ１２４は円形でもよいが、集光効率を最適化するために長方形でもよい。
【００４０】
上述したように他の実施形態では、タッチ事象ＴＥが起きたときに光の干渉パターン（すなわち、明暗の縞）の変化を検出することができるよう、出力光１０４−Ｏの大部分の測定がこのパターンの分布を検知することができるものを含むように検出器２００は画素化される。従って、一実施形態例では出力エッジ２４の１以上の部分が検出器２００上に結像され、これは複数の検出器２００を出力エッジにすぐに面した異なる位置に設ける事例を含む。検出器２００は、導波路の厚さＴＨよりも小さい寸法を有する光検知面をさらに含み得る。
【００４１】
システム１０は、光ビーム１０４が導波路２２を通って入力エッジ２３から出力エッジ２４へと、光線１０４−ｎと関連する多数の光路ＯＰｎを進むように構成されており、ここでｎは２以上の整数である。図３では、実例として光線１０４−ｎのうち２つの光線１０４−１および１０４−２で、２つの光路ＯＰｎが表されている。一例において異なる光路の番号ｎは、入力エッジ２３および出力エッジ２４の間を進むときに異なる数の全内部反射（「バウンド」）を受ける、光線の番号ｎに対応する。説明を簡単にするために、光線１０４−ｎを使用して異なるＴＩＲ導波モードを表し、また「光線」および「導波モード」という用語は、交換可能に使用され得る。
【００４２】
ｎ個の光線１０４−ｎによって表される導波モードが光学干渉可能であることは当業者には明らかであろう。このため出力光学系１２４は、出力エッジ２４から出るｎ個の光線１０４−ｎを受けてこれらの光線（導波モード）を干渉するように合成し、それにより出力光ビーム１０４−Ｏを形成するように構成される。出力光ビーム１０４−Ｏは、出力光ビームを検出する検出器２００に向けられる。
【００４３】
電磁気の観点から、光１０４が導波路２２内に放たれると、全電場Ｅは以下で表すことができる。
Ｅ＝ΣＥnｅｘｐ（−ｉβnｚ）          （１）
ここでＥnおよびβnは、夫々モードｎの電場分布および伝播定数である。光の強度は以下で与えられる。
Ｉ∝Ｅ12＋Ｅ22＋…＋Ｅ1Ｅ2cos（Δβ12ｚ）＋Ｅ1Ｅ3cos（Δβ13ｚ）＋…ＥmＥncos（Δβmnｚ）  （２）
ここでΔβは、モードｎとｍとの間の伝播定数の差である。
【００４４】
異なるモード間の位相差に起因して、方程式（２）は導波路２２の出力エッジ２４で干渉が生じることを示している。この位相差は、曲げ、圧力などの導波路２２に対する外部摂動に非常に敏感である。この影響をシステム１０で用いて、力感応性または感圧性のタッチ用途を可能にすることができる。
【００４５】
いくつかの実施形態において、少なくとも１つの光線１０４−ｎは導波路２２の最低次モードを表し、一方他の光線は高次モードを表す。導波路２２の最低次モードは、いかなるバウンドも受けずに直接中心軸ＡＣに沿って進む。従って入力光学系１２３および出力光学系１２４は、これらが夫々導波モードの励起および干渉した導波モードの検出に用いられるため、モード調整器と称することもできる。タッチスクリーンアセンブリ（「アセンブリ」）２０の構成は、光線１０４−ｎが前述の異なる光路ＯＰｎを進んで干渉する干渉計を画成する。光路ＯＰｎは導波路２２の本体２５内で重なり合う。
【００４６】
導波路２２は一般に、プラスチック、アクリル、ガラスなどの薄型の平面的シートに成形可能でありかつ散乱または吸収による実質的な損失なしで光ビーム１０４−ｎの伝送をサポートする、任意の適切な透明材料から作製され得る。一実施形態例において導波路の厚さＴＨは、圧力が上方表面２６のタッチ位置ＴＬで局所的に印加されたときに導波路が破損することなく撓むことができるような厚さである。厚さＴＨの例示的な範囲は、０．３ｍｍから１．５ｍｍである。タッチシステム１０の具体的な用途に合わせて他の厚さを採用してもよい。一例では、上部導波路２２Ａのみが撓み得るような厚さを有し、一方下部導波路２２Ｂは十分に厚いか、あるいはタッチ事象ＴＥによって上部導波路が撓む力を受けたときでも概して平面的なその構成を保持する剛性を有する。
【００４７】
一実施形態例において導波路２０は、ソーダ石灰タイプのガラスなど化学強化ガラスから形成され得る。一例のガラスは、イオン交換を通じて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（石灰）、およびＳｉＯ2（シリカ）を含み得るが、さらにＭｇＯ、Ｌｉ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯ、およびＺｒＯ2などの酸化物を含んでもよい。イオン交換を通じて硬化されると、こういったタイプのガラスは、タッチスクリーン用途の他、（例えば、カバーガラスのような）他の用途に望ましいものとなる特定の特性を呈する。
【００４８】
導波路シートとして使用するのに適したソーダ石灰タイプのガラスの調合または製造あるいはこの両方に関するさらなる詳細は、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、および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１以上において見出すことができる。本書において使用される例示的なガラスは、ニューヨーク州コーニング所在のコーニング社（Corning, Incorporated）によるＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスである。また、低鉄Ｇｏｒｉｌｌａガラスまたは他の低鉄イオン交換ガラスなどの例示的なガラスは、赤外の動作波長λに対して透明である。
【００４９】
図４Ａは図３のアセンブリ２０に基づくアセンブリ２０の実施形態例であるが、ここでは光源系１０３が入力光学系１２３としてシングルモードの光ファイバを含み、また検出器系２０４が出力光学系１２４としてシングルモードまたはマルチモードのいずれかの光ファイバを含む。シングルまたはマルチモードの光ファイバ１２４は、生成される出力光１０４−Ｏの局所的測定を可能にする開口制限された光学系として働く。代わりの実施形態では、多数の光ファイバ１２４を用いて出力エッジ２４の異なる位置での強度を比較してもよい。これは例えば、光ファイバ束の利用を含む。
【００５０】
図４Ｂは図３のアセンブリ２０に基づくアセンブリ２０の別の実施形態例であるが、ここでは光源系１０３が入力光学系１２３として回折格子を含み、また検出器系２０４が出力光学系１２４として回折格子を含む。上述したようにアパーチャを検出器２００に隣接させて使用して、検出プロセスを、開口制限された、従って局所的強度測定を対象としたものにすることができる。
【００５１】
図４Ｃは、図４Ｂのアセンブリ２０に類似したアセンブリ２０の別の実施形態例であるが、ここでは光源系１０３が入力光学系１２３の構成要素として、下方表面２７に配置されたプリズムを含み、また検出器系２０４が出力光学系１２４の構成要素として、下方表面２７にさらに配置されたプリズムを含む。上述したようにアパーチャを検出器２００に隣接させて使用して、検出プロセスを、開口制限された、従って局所的強度測定を対象としたものにすることができる。
【００５２】
図４Ｄは、図４Ｃのアセンブリ２０に類似したアセンブリ２０の別の実施形態例であるが、ここでは入力エッジ２３および出力エッジ２４は、光１０４を内部反射する働きをするＴＩＲ表面を画成するよう傾斜している。光源１００からの光１０４は、ある角度範囲に亘って下方表面２７から導波路２２に入り、傾斜したエッジ２３で内部反射される。この内部反射で、光１０４は光路ＯＰｎ上に導かれるように向けられる。検出器側では、光線１０４−ｎとして進んでいる光１０４が傾斜したエッジ２４から反射して、導波路２２を下方表面２７から出ていくように向けられ、ここで出力光１０４−Ｏは検出器２００で検出される。従って傾斜したエッジ２３は入力光学系１２３の構成要素を画成し、また傾斜したエッジ２４は出力光学系１２４の構成要素を画成する。上述したようにアパーチャを検出器２００に隣接させて使用して、検出プロセスを、開口制限された、従って局所的強度測定を対象としたものにすることができる。
【００５３】
タッチスクリーンの動作
システム１０の、導波路２２の上方表面２６でタッチ事象ＴＥが起きていない一般的動作では、異なる導波モードと関連付けられる光路ＯＰｎは一定のままであり、その結果、検出器側端部から導波路を出ていく出力光１０４−Ｏは時間で一定のままである。図５Ａは、タッチ事象ＴＥが起きていないときの導波路２２の出力エッジ２４での、出力光１０４−Ｏによる近視野干渉パターンの写真である。
【００５４】
図５Ｂは、図５Ａに関連するシステム１０においてタッチ事象ＴＥが中程度の圧力量で加えられている状態での、出力光１０４−Ｏによる近視野干渉パターンの写真である。近視野干渉パターンの光の分布が、図５Ａのタッチ事象を含まない条件から変化したことが分かるであろう。図５Ｃは、図５Ａおよび５Ｂに関連するシステム１０においてタッチ事象ＴＥが強い圧力で加えられている状態での、出力光１０４−Ｏによる近視野干渉パターンの写真である。近視野干渉パターンの光の分布が、図５Ｂの中程度の圧力のタッチ事象条件から変化したことが分かるであろう。
【００５５】
タッチ事象ＴＥによる圧力によって導波路２２が曲がり、これが光線１０４−ｎの相対的な光路差に変化を生じさせるため、出力光１０４−Ｏの光の分布に変化が生じる。別の言い方をすれば、導波路の曲がりは各光路ＯＰｎに夫々に影響し、その結果既存の光路差に変化が生じて、変化した光路ＯＰ´ｎの組を生み出す。従って、出力光１０４−Ｏはマルチモードの干渉パターンを画成し、このパターンは光路ＯＰｎ間の差が変化すると変化する。
【００５６】
図６Ａは、光１０４が最低次モードで第１の光路ＯＰ１を進む導波路２２の断面図であり、すなわち中心軸ＡＣに沿って導波路を真っ直ぐに通って進む。実際に、第１の光路ＯＰ１および中心軸ＡＣはこの事例では同じである。
【００５７】
図６Ｂは図６Ａと同じ導波路２２であるが、ここでは上方表面２６が中央のタッチ事象位置ＴＬでタッチ事象ＴＥを受けて導波路が曲がっている。タッチ事象ＴＥが起きていないとき、導波路２２は長さＬを有すると仮定する。タッチ位置ＴＬでタッチ事象ＴＥが起こると、中心軸ＡＣに対して測定して曲率半径Ｒで導波路２２は曲がる。
【００５８】
図６Ｂの撓んだ導波路に関連付けられる新たな光路ＯＰ１´は、図６Ａの撓んでいない上部導波路の光路ＯＰ１よりも長い。導波路の湾曲の曲率半径Ｒ＝ｒ＋δｒであり、かつこの湾曲が角度θに対するものであると仮定すると、θが比較的小さい角度である（すなわちＲが比較的大きい、これは本事例では適正な仮定である）場合には、ＯＰＡからＯＰＡ´までの光路の変化はおよそδｒであることを容易に示すことができる。
【００５９】
従って、タッチ事象による導波路２２の曲がりに起因する光路ＯＰ１とＯＰ１´との間の光路差は約δｒである。δｒが例えば約２．５μｍである場合には、これは波長８００μｍ程の赤外光の２つの波長に略等しくなる。この光路差自体が、得られる干渉パターンの検出部分でシフトしている縞に起因する出力エッジ２４の所与の点での光パワー量の変化など、出力光１０４−Ｏの変化として現れることになる。このことは、図５Ａから５Ｃに示されている。最低次の光路以外の光路での変化は、同様のやり方で変化する。
【００６０】
モード分解および付随するマルチモード干渉は、光１０４が導波路２０内で再分配される仕組みを説明する１つの手法である。この説明では出力光１０４−Ｏを、変化した干渉効果に起因して変化したパターンを有していると考えることができる。ただし光１０４の再分配を表す別の手法は、レイトレーシングに基づく幾何学的モデルを使用するものである。実際には、１ｍｍ程度の導波路厚さＴＨで回折効果は無視することができる。そのため他の実施形態では、出力光１０４−Ｏの異なる成分（光線）が導波路２０のゆがみによって方向を変え、またこの方向を変える変化によって、例えば強度パターン、強度重心の位置、概して単一の出力ビームの多数の出力ビームへの分割など、出力光の特徴が変化する。
【００６１】
実質的にコリメートな光１０４を透明ガラスシートなどの平面的な導波路２０内に注入すると（例えば、図６Ｃ参照）、光は反射されずにこれを通って進み、導波路２０の出力エッジ２４で出力光１０４−Ｏにより画成される得られるエネルギー分布は実質的に均質な分布を有する。いくらかの曲げが導入されると（図６Ｄ参照）、光１０４の一部分が上方表面２６および下方表面２７から反射され、これが出力光１０４−Ｏのエネルギー分布を変化させる。
【００６２】
図６Ｆは、様々な導波路の曲がり量に対してレイトレーシングモデルを用いて判定した、出力光１０４−Ｏの画像の例を示している。エネルギー分布は、いかなる曲がりも含まない導波路２０での実質的に均質なものから始まる（上部左の画像）。その後エネルギー分布は非対称になり、最終的に曲がりの量が導波路の厚さの半分に近くなると再び実質的に均質になる。出力にアパーチャ１２４を置くことによって、導波路の曲がりの大きさに応じた準正弦波検出器信号ＳＤが得られると期待できる。
【００６３】
図６Ｆに示されている結果は、伝播する全ての光線の強度を加算しているため、いかなる干渉効果も含んでいない。図１４は、図６Ｆに類似した画像を示しているが、これは光線の電場を加算していることを除いて同じモデルの結果である。図に見られるように、導波路２０の出力エッジ２４から２つの異なる角度で出ていく２つのビーム間の干渉効果に起因して、より高周波の縞が現れる。
【００６４】
システム１０は、２つの異なるモードで動作させることができる。第１のモードでは、略コリメート光１０４が導波路２０に対してある角度で注入され、その結果図６Ｇおよび５Ｂに見られる非常に高い周波数の縞が生成される。これらの縞の周期よりも大幅に大きくなるようにアパーチャ２１４を選ぶと、検出プロセスは縞に対して鈍感になり、図６Ｆで予測されるエンベロープの動きにのみ敏感である。第２のモードでは、光１０４は導波路２０に対して略平行に注入され、またアパーチャ２１４は縞の周期よりも著しく小さい。この場合には、検出プロセスは縞の動きに敏感であり、これにより検出感度を向上させることができる。
【００６５】
図６Ｃおよび６Ｄは、図６Ｂの導波路２２の入力エッジ部分の拡大図である。図６Ｃは、導波路に撓みがないときに全くバウンドすることなく導波路を真っ直ぐに最低次モードで進む、平行な（コリメート）入力光１０４を示している。図６Ｄは、入力したコリメート光１０４が上方表面および下方表面でバウンドすることになる、撓んだ（曲がった）導波路を示している。これは、曲がった導波路における光１０４の光路が、湾曲した中心軸ＡＣを真っ直ぐに進む場合よりもさらに長いことを意味する。このように、導波路２２の曲がりまたは撓みは、コリメート（最低次モード）光を高次モード光に変え得る。これはより大きな光路の変化をもたらし、これが出力エッジ２４での出力光１０４−Ｏの分布の、より大きな変化となる。
【００６６】
図６Ｅは導波路２２の出力エッジ部分の拡大断面図であり、図６Ｄに示されているように、導波路が撓められたときのレイトレーシングモデリングの結果に基づく光線１０４−ｎを示している。光線１０４−ｎは、撓んだ導波路２２に起因して不均質に分布される。図６Ｆは出力エッジ２４での出力光１０４−Ｏの強度分布を示し、撓み（曲がり）の量が増加するときの強度分布の変化を示している。
【００６７】
図６Ｇは、導波路２２の出力エッジ２４での出力光１０４−Ｏの一連の画像を示している。導波路２２は厚さＴＨ＝１．３ｍｍのガラスのシートであった。この厚さＴＨが各画像で表示されている。上方表面および下方表面のおおよその位置が、白い点線で示されている。出力光１０４−Ｏにおける光の分布は右へと移動し始め、シートのエッジでほとんどの光が集中する点に到達し、その後中心へと戻る。曲げ続けた場合、光は右から左へ、また左から右へと周期的に移動し続ける。光がシートの中心から移動して再び中心にくるようにさせるのに必要な曲がりはシートの厚さの半分に略等しく、これはモデルと十分一致している。
【００６８】
図７Ａは、指５０が中心のタッチ位置でタッチ事象ＴＥを生成する態勢にある、導波路２２の概略断面図である。図７Ｂは、導波路２２上で上方表面２６に下向きの圧力をかけ、それにより導波路２２を撓ませている、指５０により引き起こされるタッチ事象を示している。図７Ｃは、タッチ事象ＴＥが出力エッジ２４に近いタッチ位置ＴＬで起きていること、すなわちタッチ位置が導波路２２の中心を外れていることを除いて、図７Ｂに類似している。
【００６９】
タッチ事象の時間発展の判定
本開示の態様は、タッチ事象ＴＥの時間発展の判定を含む。例えばこれを使用して、例えば指、スタイラスペン、鉛筆の消しゴム端部、または同様の手段によって導波路２２の上方表面２６に加えられる相対圧力量を判定することができる。ここで、上部導波路２２Ａでアセンブリ３０に印加される圧力は、上方表面２６Ａに存在するコーティング層などの別の表面を通したものでもよいことに留意されたい。
【００７０】
従って一実施形態例では、処理済み検出器信号ＳＤの時間発展を使用して、タッチ事象ＴＥの時間発展を特徴付ける。例えば、物体（例えば、指５０、スタイラスペンなど）が最初に導波路２２の表面２６に接触すると、透明シートに少量の撓みが生じる。指５０が上部導波路２２を押圧し続けると上部導波路の撓みの量が変化し、その結果光路長ＯＰｎが連続的に変化する。光路の変化は、出力光１０４−Ｏに、従って処理済み検出器信号ＳＤに、連続した変化として現れる。光路の連続的な変化によって、出力光１０４−Ｏの角度分布および空間分布が変化する。この変化は、光路の変化に起因する干渉パターン、および製造誘起および応力誘起の複屈折性の異なる領域を通過する光に起因する光１０４の偏光状態を含む。
【００７１】
物体がタッチ位置ＴＬで一定圧力を印加すると、処理済み検出器信号ＳＤは変化しなくなる。この時点で、処理済み検出器信号ＳＤが一定のままとなる時間量を測定してもよい。例えばタッチ事象ＴＥに特定の圧力量だけではなく選択された持続時間も関連付けておくことを要求することによって、ある機能を実行するためにこの情報を用いることができる。さらに実施形態例では、導波路２２の上方表面２６を押圧して不注意にタッチ事象を誘発する言わば無作為のものとは対照的に、タッチ事象を意図的に引き起こすために使用される言わば指またはスタイラスペンでの一貫した圧力による選択された時間発展を、タッチ事象が含むことを要求してもよい。
【００７２】
図８は、多数の光源１００と多数の検出器２００とを有する一例のシステム１０について、ニュートン（Ｎ）で表した印加接触力ＦTに対する測定された光パワーＰMをマイクロワット（μＷ）で示したプロットである。このプロットは、図７Ｂで示されているようなタッチ位置が導波路２２の中心であるタッチ事象ＴＥからのデータを含み、これはプロットに四角で示されている。このプロットはさらに、プロットにダイヤモンドで示した、図７Ｃで示されているようなエッジ付近のタッチ事象からのデータを含む。
【００７３】
このプロットは、導波路２２のエッジ付近のタッチ事象ＴＥが中心付近のタッチ事象ほど、検出器２００での測定パワーに大きな変化を生じさせないことを示している。このデータを使用して、タッチ事象の概略位置、すなわち導波路のエッジよりも中心に近いかどうかを立証することができる。
【００７４】
システム１０のタッチ感度を明示するために、図４Ａに示したような一例の光ファイバベースの系を採用した。光源１００は、動作波長が６３２８ｎｍのレーザ方式のものであった。レーザ１００はピグテール付きのシングルモードファイバ１２３であった。コリメーティングレンズを使用し、導波路２２としての４インチ（１０．１６ｃｍ）×４インチ（１０．１６ｃｍ）のＧｏｒｉｌｌａガラス基板内に放った。マルチモードファイバ１２４が出力エッジ２４でガラス基板に突き合わせ結合され、出力光１０４−Ｏの一部分を集めてこれを検出器２００に伝えた。
【００７５】
導波路２２がタッチ位置ＴＬで圧力（力）を受けると、検出される光の強度が変化する。上で紹介して論じた図５Ａから５Ｃは、ＣＣＤカメラ方式の検出器２００によってガラスのエッジで取られた、明暗の干渉パターンの近視野像を示している。中心の干渉強度最大が上方表面２６付近から下方表面２７付近にシフトされた、著しいパターンの変化を見ることができる。
【００７６】
出力光１０４−Ｏの強度パターンの変動と共に、検出されるパワーの変化を使用して、タッチ事象に関連する印加された力の大きさを示すことができる。
【００７７】
近視野および遠視野検出
システム１０の一実施形態例は、「近視野」すなわち出力エッジ２４近くで出力光を検出し、一方別の実施形態例において、系は「遠視野」すなわち出力エッジ２４から離れたところで出力光を検出する。近視野検出は、検出器２００の前に小さい（すなわち、導波路２２の厚さＴＨよりも小さい）アパーチャ２１４を置くことによって実現することができる。この構成では、システム１０のレイトレースモデリングによって、検出済み信号ＳＤは導波路が撓められる際に周期関数になることが示され、その周期は導波路２２の厚さＴＨに近くなる。
【００７８】
遠視野検出は、実質的にコリメート光１０４を導波路２２の入力エッジ２３へと注入して、出力光１０４−Ｏを遠視野で観察することによって実現され得、これは２方向について集中されると期待される。この２方向は偶数および奇数の反射を受けた光１０４に夫々対応する。導波路２２の曲がり量が変化すると、この２方向で光パワーの分布が変化する。この２方向は、出力光１０４−Ｏを検出する距離に応じた２つの位置となる。
【００７９】
図９Ａは、撓められた導波路に対して遠視野で測定された、出力光１０４−Ｏのシミュレーションであり、出力光の２つの方向（位置）を示している。図９Ｂは、実際の撓められた導波路２２に対する測定結果を示し、出力光１０４−Ｏの強度の遠視野分布は図９Ａのモデルの結果に非常によく似ている。図９Ｃは、光点の位置に配置された第１および第２の光検出器（プロット内の曲線ＡおよびＢ）によって判定された、光の２つの方向でのガラスの変形Ｄ（ｍｍ）に対するパワーＰの％のプロットである。このプロットから分かるように、これらの光点でのパワーの量は周期的であり、２つの周期は１８０°位相がずれている。
【００８０】
図１０は、厚さＴＨが１．２ｍｍのガラスから作製された一例の導波路２２に１ニュートンの瞬間的な力を加えたときの、２つの遠視野の光点のうちの一方における電圧Ｖ対時間のプロットである。電圧は検出された光パワーを表す。このプロットは急激な推移を示し、これはタッチ事象の検出が、遠視野の出力光１０４−Ｏの異なる方向間の光パワーの移動に基づき得ることを意味する。
【００８１】
システム１０はさらに、上方表面２６および下方表面２７の一方または両方で出力光１０４−Ｏを検出するように構成され得る。曲がっている導波路２２は、上方表面２６および下方表面２７からの光１０４のバウンドのしかたを変化させるため、光がアクセスおよび検出可能である場合には、この変化を用いて導波路の曲がりを測定することができる。
【００８２】
レイトレースシミュレーション
図１１Ａおよび１１Ｂは、厚さＴＨが１．２ｍｍの導波路２２内に光１０４を注入するものに基づくレイトレースシミュレーションを描いたものである。光１０４は、光が上方表面２６および下方表面２７からバウンドするように１０°の角度で注入される。図１１Ａは導波路の曲がりのないものを示し、一方図１１Ｂは曲がりが０．３ｍｍのものを示している。図示の検出器２００は導波路２２の上方表面２６に隣接して配置されている。導波路２２の曲がりの程度が変化すると、光のバウンドの位置（および、いくつかの事例ではバウンドの数）が変化するため、検出器信号ＳＤは変化する。このモデルによれば、検出器信号ＳＤは周期的であり、１周期は導波路の厚さＴＨの半分に等しい。
【００８３】
一例の検出器２００は、中心軸ＡＣの方向においてＬＤ＝ＴＨ／（ｓｉｎθ）で画成される長さＬＤを有し、ここでＴＨは前述の導波路の厚さであり、またθは、導波路２２の上方表面２６および下方表面２７に対する光１０４の角度である。
【００８４】
図１２Ａから１２Ｃは、厚さＴＨが１．２ｍｍであり軸長が２４０ｍｍである導波路２２内を進む、光１０４のレイトレースシミュレーションを示している。入力エッジ２３を、発散（全）角が０°（図１２Ａ）、０．３°（図１２Ｂ）、および０．６°（図１２Ｃ）の均質な照明で照らした。図から分かるように、０．６°では、導波路の曲がりによって誘起される信号変調が消失するように導波路全体が光１０４で占められる。入力ビーム１０４が導波路の厚さＴＨを過度に占めるとき、最大ビーム発散δはおおよそδ＜２・ＴＨ／Ｌで与えられ、このときＬは伝播の長さである。
【００８５】
このモデルによれば、信号は周期的になると期待される（検出方式とは無関係に）。そのため、系を周期関数のゼロの近くで動作させる限り、信号は実質的に線形になる。しかしながら応答関数の位相は、ガラスの長さ、ガラスの厚さ、注入角度などの多くのパラメータに依存する。一実施形態例では、アクティブアラインメントを用いて、システム１０が確実に周期関数のゼロの近くで動作するようにすることができる。
【００８６】
２つの検出器の実施形態
図１３は、上方表面２６および下方表面２７に隣接して配置された２つの検出器２００（２００Ｕ、２００Ｌ）を採用している、システム１０の実施形態例を示している。検出器２００Ｕおよび２００Ｌは、４分の１周期位相がずれている信号ＳＤをこれらで検出するように配置される。その場合、圧力の計算に戻ることができる余弦および正弦関数がもたらされる。
【００８７】
図１３において距離Ｄxはバウンドの周期を示し、２つの検出器をＤx／４＋ｎＤx（ｎは整数）ずらして位置付けることによって、印加される力に対する信号変調は、信号周期の４分の１位相がずれることが期待される。
【００８８】
図１３に示されているものなどの一実施形態例では、２以上の検出器２００を上方表面２６および下方表面２７の一方または両方に採用することができる。一例では３つの検出器２００が使用される。３つの検出器２００のうちの２つを、出力エッジ２４に隣接して上方表面２６および下方表面２７に配置してもよく、一方３つ目を上方表面または下方表面のいずれかに、導波路２２の中央または中央付近に配置してもよい。シミュレーションは、こういった構成によって位相がずれている３つの周期的な検出器信号ＳＤの検出が可能であることを示し、相対位相は導波路２２の曲がり量に応じて変化する。
【００８９】
縞の検出
システム１０の動作の一態様では、光線１０４−ｎが導波路２２内へと放たれ、出力端部２４、上方表面２６、および下方表面２７ののうちの１以上から出力され得る出力光１０４−Ｏに基づいて出力放射照度プロファイルが測定される。その結果、干渉効果は十分考慮されていない。コリメートビーム１０４が２つの異なる角度で伝播している場合には、これらが干渉して高周波数の縞を生成する可能性がある。これらの縞は、高倍率を用いて出力ビームをＣＣＤカメラで撮像すると見ることができる。
【００９０】
実際に、出力光１０４−Ｏは比較的高周波数の縞を画成し得る。開口制限検出方式が使用される場合には、出力光１０４−Ｏをフィルタリングするために使用されるアパーチャ２１４は一般に縞の周期よりも大幅に大きい。この場合検出は、出力光ビームのエンベロープの動きにのみ敏感である。
【００９１】
入力光ビーム１０４を導波路２２の中心軸ＡＣと正確に位置合わせすることができる場合には、低周波数の縞が生じ、ピンホールで縞をフィルタリングする。そのため、ビームのエンベロープの動きを検出することに加え、この系は低周波数の縞の検出も開始する。
【００９２】
図１４は、強度ではなく光の電場を合計することによって得られる、出力光ビーム１０４−Ｏの一連のシミュレーション画像を示している。このシミュレーションでは、導波路の厚さはＴＨ＝１．２ｍｍであり、また入力ビーム１０４はコリメートされて、照明が入力端部を過度に占める状態で入力端部２３に垂直に入射した。曲がりの程度は各画像の上に示されている。
【００９３】
図から分かるように、導波路２０が曲がり始めると縞がパターンの状態で現れて、エンベロープの一般的な動きに概して加わる。近視野のフィルタリング素子が縞の周期よりも小さいと仮定すると、ビームエンベロープの動きを単に検出する場合よりもこの測定状態を大幅に敏感なものにするため、高周波数変調を検出することができる。
【００９４】
クラッド層を備えた導波路
システム１０の実施形態において、光１０４は導波路の方向に近い状態で（すなわち、実質的にコリメートされて）注入され、その結果光は非常に良く導かれる。図１５は、上方クラッド層２６Ｃおよび下方クラッド層２７Ｃのうちの少なくとも１つを含む、システム１０の実施形態例を示している。クラッド層２６Ｃおよび２７Ｃは導波路２２の屈折率よりも若干低い屈折率を有し、それにより導波路の導波特性を高める働きをする。これにより、接着剤層（エポキシ樹脂接着剤など）をクラッド層の一方または両方に加えることが可能になり、あるいは接着剤層が、導波路２２内での光１０４の伝播を妨げずに導波路２２の上方側または下方側にアンチグレア層または１以上の他のこのような性能向上層を追加することが可能になる。
【００９５】
偏光効果
タッチシステム１０は、出力ビーム１０４−Ｏの偏光状態の変化などの偏光効果を検出するように構成された偏光光学素子をさらに使用することによって改良することができる。これは、導波路本体２５内の、従って光１０４が導波路を通り過ぎる際の光１０４の光路に沿った、複屈折性の変化によって可能になる。
【００９６】
複屈折性は、屈折率が偏光および光の伝播方向に依存する材料の、光学的性質である。また、複屈折は光弾性効果としても知られている。ガラスなど複屈折が僅かな光学材料は、機械的応力に起因して光学的に異方性を示し、一方多くの結晶は、その結晶構造に起因して複屈折性である。単一軸の機械的応力の場合には、複屈折の値は、応力に平行な方向に励起する光と垂直な方向に励起する光とに対する屈折率の差である。
【００９７】
２つの直交する方向に励起している光の間の光路差は、ビームの位相遅れ（Ｒｅｔ）として知られている。ビームが直線偏光であり、かつ励起が応力の方向または応力に垂直な方向になるように調整されている場合には、１つのみの屈折率が認められるため位相遅れは検出されない。位相遅れの量は、機械的応力および応力光学係数（Ｋ）に比例する。応力光学係数はガラスの種類によって変化し、温度および波長での変化は大幅に少ない。
【００９８】
位相遅れＲｅｔの量は以下の関係式で算出することができる。
【００９９】
【数１】
2015530688.tif 000003
【０１００】
ここで、Ｒｅｔは波のリターダンス、ｎは応力の方向に対する屈折率、ｄは光路長、λは波長、σは機械的応力（引張応力で正、および圧縮応力で負）、そしてＫは応力光学係数である。σの単位はＮ／ｍｍ2またはＭＰａ（メガパスカル）である。Ｋの単位はｍｍ2／Ｎである。一般的なガラスタイプＢＫ７のＫは〜２．８×１０-6であり、以下の表は、応力複屈折に起因するリターダンスを近赤外（ＩＲ）波長に対する光路長（距離）および圧力で計算した一例である。
【０１０１】
偏光検出の簡単な実装が図１６に示されている。図示の指５０は、タッチ位置ＴＬおよびその周辺で導波路本体２５に圧力５５０を生成する、タッチ事象を生み出している。第１の偏光子５０１が光源１００と入力エッジ２３との間に配置されている。偏光子５０１は、導波路２０の上方表面２２に垂直な圧力５５０の目立った方向に対して、４５°の方向に光１０４を直線偏光するように構成される。一例において、光１０４は実質的にコリメートされて、中心軸ＡＣに平行に進む。
【０１０２】
システム１０はさらに出力エッジ２４と検出器２００との間に、例えば検出器２００にすぐ隣接して配置された第２の偏光子５１１（「アナライザ」とも呼ぶ）を含む。検出器２００は、いくつかの実施形態では、２００−Ａおよび２００−Ｂで示した２つの検出器から成ると考えることができる。一実施形態例において第２の偏光子５１１は、光１０４の偏光回転が全くない場合に検出器信号が最大になるよう、第１の偏光子５０１の位置と同じ４５°で配置される。しかしながら、第２の偏光子５１１はいかなる偏光配向を有してもよい。
【０１０３】
圧力５５０が導波路２０に印加されると、光１０４のリターダンスＲｅｔは変化する。これは、偏光子５１１の透過が変化し、かつ検出器２００−Ａからの検出器信号ＳＤAが変化することを意味している。
【０１０４】
第２の（検出器）偏光子５１１が、ｙ軸に対して＋４５°で配向されかつ第１の（光源）偏光子５０１に平行である場合、圧力５５０印加の前に最大信号に対して正規化された検出器信号ＳＤは１に等しくなる。
【０１０５】
前述の第２の検出器２００−Ｂが採用され、さらにｙ軸に対して−４５°および偏光子５１１に対して９０°で配向された独自の検出器偏光子５１２を、検出器２００−Ｂが含む場合、検出器２００−Ｂからの検出器信号ＳＤBは圧力５５０が印加されていない間ゼロになる。これはガラスの据付けによる追加の圧力を受けていないこと、そしてガラスが製造時の複屈折を含まないことを想定しており、これは後に論じる。
【０１０６】
図１７は、圧力５５０による圧縮に起因する光路に沿った誘起応力リターダンスに対する、検出器２００−Ａ（「ｄｅｔ Ａ」）および２００−Ｂ（「ｄｅｔ Ｂ」）の検出器信号ＳＤAおよびＳＤBをプロットしたものである。入力エッジ２３に入る直線偏光された光１０４は、光路ＯＰに沿ったリターダンスがゼロから増加すると、より楕円状に偏光されるようになり、またリターダンスが波の４分の１に達すると円形になる。この時点で、２つの直交する偏光子５１１および５１２の透過は同じである。
【０１０７】
導波路本体２５に半波長リターダンスを生じさせる程度まで圧力５５０が増加すると、光１０４は直線偏光に戻るが光源偏光に対して９０°回転している。この時点で偏光子５１１の透過はゼロであり、また偏光子５１２の透過は１である。リターダンスに対する２つの偏光子の透過は正弦関数であり、この２つは完全に位相がずれている。
【０１０８】
直交する偏光を検出する２つの検出器２００−Ａおよび２００−Ｂを備える利点は、２つの検出器信号ＳＤAおよびＳＤBの合計および差を採用できることである。１つの検出器は圧力からリターダンスＲｅｔの大きさを判定することができるが、２つの検出器信号の合計は、検出器に入射する光の全強度を提供する。これにより、リターダンスの変化に関する情報と、検出器から外れるまたは検出器に向かうビームの操作とで、タッチ事象ＴＥに関連する位置（タッチ位置ＴＬ）と圧力５５０の量とを分離させることができる。検出器信号ＳＤAおよびＳＤBの差は、よりリターダンスの変化に敏感であり、検出器信号のビーム操作およびリターダンス成分の分離にさらに役立つ。
【０１０９】
図１８Ａ〜１８Ｅは、ガラス導波路２０が曲がりを受けたときの、アナライザ（偏光子５１１）を通じて結像されたエネルギープロファイルの測定結果を示した画像である。アナライザが存在していなかった図６Ｇと同様に、導波路が曲げられるとビームが移動する。しかし、この移動に加えて形状およびパワーがさらに変化しており、これは光１０４の偏光が光路ＯＰに沿った複屈折に起因して変化していることを示している。これは、２つの検出器２００−Ａおよび２００−Ｂを備えてビーム操作および複屈折の信号の変化を追跡する利点を明示している。第１の画像１８Ａは圧力５５０のない状態であり、続く画像１８Ｂ〜１８Ｅは圧力の増加と共に撮られたものである。画像の強度（これは検出器信号ＳＤに対応する）は図１８Ｅで印加されている圧力量で大きく減少し、約半波長のリターダンスが応力複屈折によって導入されたことを示している。
【０１１０】
一実施形態例においてシステム１０は、光源偏光子５０１と導波路２０の入力エッジ２３との間に配置された、４分の１波長板５０３（仮想線で図示）を随意的に含む。波長板５０３が、その速軸を光源偏光子の軸に対して４５°に配向して配置される場合、円形の偏光された光１０４が導波路２０内に注入される。これにより、リターダンスが略ゼロの複屈折の変化に対する感度を、より大きくすることができる。検出器２００−Ａおよび２００−Ｂに関連する検出器信号ＳＤAおよびＳＤBは、図１７のプロットで水平軸を０．２５λずらした場合のもので説明することができ、その結果ゼロリターダンス位置は検出器信号ＳＤAおよびＳＤBが等しい位置に移動する。この構成において、２つの検出器信号ＳＤAおよびＳＤBの違いは最も高い勾配の位置であり、その結果２つの検出器信号の比率がさらに高い感度を提供する。リターダンスが略ゼロの場合、検出器２００−Ａおよび２００−Ｂでの正規化された検出器信号の比率の勾配は４πである。
【０１１１】
２つの直交する直線偏光の差は、偏光の状態を特徴付ける４つのストークスパラメータのうちの１つによって画成される。一例のタッチシステム１０は、速軸が直線偏光子（「円形アナライザ」）に対して４５°に配向されている、検出器偏光子５１１および５１２のすぐ下流に置かれた４分の１波長板（図示なし）を備えた、４つの検出器を含む。この構成において、検出器２００の１つは右旋円偏光を検出し、他方は左旋円偏光を検出する。２つの検出器間の信号の差は、ストークスパラメータのうちの別の１つを画成する。
【０１１２】
これらの異なる偏光子および４分の１波長板を、クワッドセル検出器２００の４つの部分の前に置いてもよい。２つのストークスパラメータを測定すると、ビーム１０４のリターダンスに関する情報だけではなく光路に垂直な平面内に投影された光路に沿った応力ベクトルの平均回転も提供される。２つの追加の検出器によって提供される追加の情報を、タッチ位置ＴＬと、タッチ事象ＴＥの際にタッチ位置で印加される圧力５５０の量との分離に使用することができる。
【０１１３】
図１６のシステム１０の実施形態例は、動作可能に配置されて導波路２０を支持するように構成された、少なくとも１つの支持部材５２０を含む。支持部材５２０の一実施の形態は、導波路２０の下方表面２７全体をカバーし、かつ比較的柔軟性がない。圧力が印加されるタッチ位置ＴＬの他、これを取り囲む導波路本体２５の部分において、圧力５５０が圧縮応力を生成するように、支持部材５２０は導波路２０の動きを制約する働きをする。支持部材５２０はフレーム状でもよいし、あるいは支持部材を含んでいない場合に比べて圧力５５０によって生成される圧縮応力を高めるものであれば、充填しているもの以外の別の構成を有することも可能である。
【０１１４】
図１９Ａは、２つのフレームラインの支持部材５２０が導波路２０の周囲Ｐ（図１参照）付近の上方表面２６および下方表面２７に動作可能に配置されている、システム１０の概略断面図である。任意のタッチ事象ＴＥによる圧力５５０が主として導波路２０を曲げ、かつ導波路本体２５全体に亘る圧縮および引張応力に繋がる。光路ＯＰに沿って示されているベクトル５５１の組は、圧力５５０に起因する応力の方向と、これが圧力５５０によって導波路本体２５に亘ってどのように変化するかを表している。光路差によるリターダンスが付加され、引張領域および圧縮領域は互いに補償する。
【０１１５】
タッチ位置ＴＬ付近の圧縮応力は、導波路２０の曲がりに関連する広範囲に亘る圧縮圧力または引張圧力にベクトルとして加わる。この２つの応力発生源のベクトル和の相対的重み付けは、少なくとも１つの支持部材５２０によって提供される制約次第である。光ビーム１０４が光路ＯＰ上を進むときに受けるリターダンスの付加的な性質により、接触圧力に対してリターダンスに連続的変化が生じる。
【０１１６】
据付けの制約下または外からの圧力下にないガラスは、典型的にはガラスの製造によるいくらかの量の複屈折を有する。局所的な応力領域が、ガラスを冷却して固体状態にする過程で形成され得る。高性能イメージングシステムにおいて使用されるガラスは、
典型的には２ｎｍ／ｃｍ未満の低応力複屈折をもたらす、必要とされる高度な屈折率の均質性を得るために、数週間のアニーリングを必要とすることが多い。近ＩＲでは、この応力量が、光路長５０ｍｍ当たり１００分の１波長を生成する。
【０１１７】
図１９Ｂおよび１９Ｃを参照すると、イオン交換によって化学的に硬化されたガラスプレート２０の上方側および下方側の両方に応力領域５５２が形成される。図１９Ａのようにベクトルによって応力分布を示す代わりに、陰影の暗さで応力の大きさを表し、より暗い色は応力がより大きいことを示す。図１９Ｂと１９Ｃの違いは、圧力５５０でガラスを曲げていること（図１９Ｃ）、そして光１０４の経路を、製造誘起の応力複屈折がより高い領域を通るように変えていることである。領域５５２の製造誘起の応力が、ベクトルの性質により、付近の領域の圧縮応力および曲げ応力に加わる。光ビームのリターダンスの付加的な性質が、接触圧に対するリターダンスに連続的変化を生じさせる。
【０１１８】
図２８Ａから２８Ｃは、本書で説明される偏光ベースの実施形態に対する補足情報を与える。
【０１１９】
薄型導波路領域
図２０は一例のタッチシステム１０の概略側面図であり、ここで導波路２０は、上方表面２６に隣接した比較的薄い導波路領域２９を含むガラスシート状のものである。導波路領域２９は、上の種々の実施形態例において説明したような本体２５のバルク全体が導波路として働くものに比べて、相対的に薄い光導波路として役割を果たす。
【０１２０】
導波路領域２９は、イオン交換または積層フュージョンドロープロセス、あるいは基板上に薄型導波路構造を形成する当技術において既知の任意の他の技術を用いて形成され得る。一例において光源１００は、入力エッジ２３（以後、導波路入力端部２３）で導波路の入力端部に突き合わせ結合されている一端部を有する、光ファイバ１２３の部分を介して、導波路領域２９に光結合される。検出器２００は出力エッジ２４（以後、導波路出力端部２４）で、導波路領域２９と光結合されるか、あるいはそれ以外の場合に導波路領域２９と光通信している。
【０１２１】
従って、光１０４は導波路領域２９内を導波光として進み、かつ導波路出力端部２４から出力光１０４−Ｏとして出力される。導波路領域２９はバルクの導波路本体２５よりも大幅に薄いため、導光は、回折および類似の影響を無視する光線の幾何学的アプローチよりも電磁気理論を用いて最もよく説明される。
【０１２２】
図２０のタッチシステム１０の構成に基づいた実験では、ピグテール付き半導体レーザが光源１００として使用される。Ｇｏｒｉｌｌａガラスがガラスシート２０として使用され、また導波路領域２９を形成するためにイオン交換処理を用いた。導波路領域の屈折率は本体２５の屈折率よりも高いため、光は薄いスラブ導波路を画成する導波路領域２９内で導かれる。導波路領域２９の厚さは約５０μｍであり、ガラスシートよりも大幅に薄い。従って、導波路領域２９はマルチモードをサポートするが、ガラスシート全体が導波路として使用される場合よりもかなり少ないモードである。
【０１２３】
一旦接触力がガラスシート２０の上方表面２６に加えられると、導波路領域２９内を進む異なるモード間の相対位相差が変化する。これは、本事例では干渉パターンを表す、出力光１０４−Ｏの特徴を変える働きをする。特に、出力光における光の分布が変化する。接触力（ニュートン）の大きさに対する、マルチモードファイバによって集められた（光）パワーＰ（ｎＷ）間の定量的相関関係が図２１にプロットされている。光１０４はガラスの中心を通って伝播された。ガラスシートの異なる部分（エッジ対中心）が異なる接触感度を有していることは明らかであり、この差を用いて、タッチ事象ＴＥの際に力が加えられているタッチ位置ＴＬを判定することができる。
【０１２４】
図２２は、ガラスシート２０上に形成された導波路領域２９の代わりの構成の上面図である。表面にスラブ導波路として構成されるよりもむしろ、導波路領域２９は図示のようにチャネル導波路として構成され得る。チャネル導波路領域２９は、ガラスの内部または上部に刻まれて構成され得る。図２３は、２対の光源１００および検出器２００に関連した２つの分岐網（ファンアウト）を示す、チャネル導波路領域２９の代わりの実施形態をさらに示している。チャネル導波路領域２９の間隔は均一である必要はなく、またタッチ事象ＴＥがより起こり易そうな位置または起こるように指定された位置に概して関連する特定の位置に、集中させてもよいことに留意されたい。
【０１２５】
チャネル導波路領域２９の特定のパターン次第で、様々な光源１００および検出器２００を採用して、加えられた力およびその（ｘ、ｙ）タッチ位置ＴＬを検出することができる。
【０１２６】
本開示の一態様は、２以上の検出器２００の時間応答を利用して、タッチ事象ＴＥのタッチ位置ＴＬを識別する。この技術は、導波路／ガラスシート２０の変形がタッチ位置から外向きに時間に応じて進むために用いることができる。この変形がさらに、光線１０４が導波路でとる様々な光路に異なる影響を与える。その結果が、２つの検出器の検出器信号における遅延である。
【０１２７】
図２４は、導波路／ガラスシート２０上の異なる位置での２つの異なるタッチ事象ＴＥについて、２つの異なる検出器（プロットにおけるＡおよびＢ）での時間ｔに対する検出器信号の振幅ＡＭＰ（任意単位）をプロットしたものである。ＡとＢとの信号間のタイムラグは、導波路／ガラスシート２０上の異なる位置と相関付けることができる。タッチ事象位置ＴＬに最も近い光路が最初に応答し、検出器信号にタイムラグを生じさせる。従って、一実施形態例においてコントローラ３００は、種々のタイムラグに関する情報を、種々の検出器２００での検出器信号に関連付けて、可能性のあるタッチ位置ＴＬの関数として含む。別の例においてコントローラ３００は、１以上の検出器信号での情報に基づいてタッチ位置ＴＬを算出するように構成される。
【０１２８】
圧力検知ディスプレイシステム
図２５Ａは、従来の位置ベースの検知能力を有し得る液晶ディスプレイなどの従来のディスプレイユニット４１０に隣接して、その上方に（例えば、その上に）タッチシステム１０を動作可能に配置することによって形成された、一例の圧力検知ディスプレイ４００の概略上方図である。タッチシステム１０は、本書で説明される任意の実施形態とすることができる。
【０１２９】
図２５Ｂは、タッチシステム１０を従来のディスプレイユニット４１０にどのように一体化させるかに関する例を示した、一例のタッチセンサ式ディスプレイ４００の概略断面部分分解図である。図示の従来のディスプレイユニット４１０は、光４１６を放射するバックライトユニット４１４、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ガラス層４２０、液晶層４３０、上方表面４５２を有するカラーフィルタガラス層４５０、および上方表面４６２を有する上部偏光子層４６０を、全て図示のように配列して含んだ液晶ディスプレイ方式である。フレーム４７０は、カラーフィルタガラス層４５０のエッジ周辺に配置される。光源１００は、例として、フレーム４７０内に動作可能に支持されているように図示されている。これが、上面４８２を有する一体化されたディスプレイアセンブリ４８０を形成する。
【０１３０】
最終的なタッチセンサ式ディスプレイ４００を形成するために、アセンブリ２０は従来のディスプレイユニット４１０の一体化されたディスプレイアセンブリ４８０に、上面４８２に動作可能に配置されて追加される。アセンブリ２０は、光源１００および検出器２００に隣接して配置された、ＩＲ透過性であるが目には不透明層に見える前述のカバー４０を含み得る。
【０１３１】
一例では、キーボード（図示なし）などの１以上の種々の印（図示なし）を、上方表面２６上または上方表面２６を通じてユーザ５００に対して提示し、ユーザをタッチシステム１０と相互作用するよう導いてもよい。例としてこの印は、ユーザの選択、ソフトウェアの実行などを示すために、またはユーザがタッチ事象ＴＥを生成すべき領域を示すために設けられる、導波路２２の上方表面２６上のエリアを含み得る。例えばこういった領域は、光１０４が上方表面２６の特定の部分に到達しない場合に必要になる可能性がある。
【０１３２】
縞の検出によるタッチ事象で印加された力の推定
タッチシステム１０のいくつかの用途では、タッチ位置ＴＬで印加された力（圧力）が増加すると、少なくとも１つの検出器２００が出力光１０４−Ｏの強度変化に対して均一に（滑らかに）応答しない可能性がある。従って本開示のいくつかの態様は、種々の実施形態および構成を出力光１０４−Ｏの検出のために使用する事例において、印加される力を推定するものに関する。
【０１３３】
図２６Ａおよび２６Ｂに示されている一実施形態例において、タッチシステム１０は検出器２００の前に傾斜減衰フィルタ（減衰器）１２５を含み得る。傾斜減衰器１２５は、その減衰が下部エッジから上部エッジまで均一に変化するように構成されたガラスから形成することができる。図２６Ｂは、減衰器１２５の高さに対する伝送Ｔの一例のプロットである。検出器２００の感光性部分にあたる全パワーは実質的に一定であるため、その検出器信号ＳＤは傾斜減衰によって、出力光１０４−Ｏの垂直の「質量中心」の方向において変化する。これにより検出器信号ＳＤを、印加される圧力と相関付けることができる。
【０１３４】
いくつかの事例において、タッチ位置で印加された圧力に対する検出器の応答は、完全に単調ではない可能性がある。例えば、圧力が特定の量に達するまで画像は一方向に移動し、その後ガラス（検出器）の他方のエッジに跳ぶことがある。単調範囲はそれほど小さくなく、かつ接触力は一瞬で変化しないため、本開示の態様は測定を「アンラップ」する方法を実行するものを含む。
【０１３５】
この方法は、検出器信号ＳＤを十分に速く、例えば６０Ｈｚ以上でサンプリングし、かつ力は適度に大きく（例えば１００ｇ）単調的対衝撃的に加えられると仮定する。さらに、
・容量性接触が、接触がないことを検知した場合は、常に累積測定値を０にリセットする。
・新たな位置が旧位置に適度に近い場合には、新たな位置を有効測定として使用してもよい。旧位置が単調範囲の端部に近く、そして新たな位置が範囲の他の端部に飛ぶ場合には、全範囲を最新の測定に追加する。
・旧位置が単調範囲の始まりに近く、ある範囲よりも大きいと推定され、さらに新たな位置が範囲の他の端部に飛ぶ場合には、全範囲を差し引いて最新の推定を得る。
【０１３６】
本開示の別の態様は、縞の動きの検出を採用する。出力光１０４−Ｏの縞は圧力で均一に動く傾向にあるため、ＣＭＯＳまたはＣＣＤセルの垂直ストライプ（線形アレイ）を採用してもよい。数十セルの使用で十分であろう。典型的な２Ｄアレイ画素ベースの検出器２００は数千セルを有する。線形アレイ検出器２００は出力光１０４−Ｏの垂直強度プロファイルを提供し得る。強度プロファイルは２つの成分を有し、１つは典型的には１または２のピークを有するゆっくり変化するものであり、一方２つ目は急速に変化する縞を表す。
【０１３７】
一実施形態例では、ゆっくり変化する成分を除外するためにフィルタが使用される。残りの急速に変化する成分は、縞に対応するピークを示す。縞のプロファイルが十分に速く（例えば６０Ｈｚ）サンプリングされる場合、連続したフレーム間の位相の差はコンピュータで計算することができる。これらの差の総和を出すと、タッチ位置ＴＬで加えられた圧力を表す（例えば、これに比例する）検出器信号ＳＤが生じる。
【０１３８】
従って、検出器測定の構成および方法の例は、圧力がタッチ位置ＴＬで印加されているタッチ事象の間に実行された、以下のものを含む。
【０１３９】
・全パワーの総和を出す（大きいエリアの検出器と同等）。この構成をトータルと呼ぶ。
【０１４０】
・画像中央の小さいエリアの総和を出す（小さいピンホール１と同等）。この構成をピンホール１と呼ぶ。
【０１４１】
・画像中央の真上の小さいエリアの総和を出す（小さいピンホール２と同等）。この構成をピンホール２と呼ぶ。
【０１４２】
・減衰垂直変化２０：１の大きいエリアの総和を出す（画像上部で最大減衰）。これを傾斜１構成と呼ぶ。
【０１４３】
・減衰垂直変化２０：１の大きいエリアの総和を出す（画像下部で最大減衰）。これを傾斜２構成と呼ぶ。
【０１４４】
図２７Ａは、総和パワーの合計、すなわちトータル信号（ブルー）と、検出器中央の小さいエリアの総和パワーすなわちピンホール１信号（オレンジ）とについて、検出器信号ＳＤ（任意単位）対フレーム＃Ｆをプロットしたものである。
【０１４５】
図２７Ｂは、総和パワーの合計、すなわちトータル信号（ブルー）と、検出器中央の真上の小さいエリアの総和パワーすなわちピンホール２信号（オレンジ）とについて、検出器信号ＳＤ（任意単位）対フレーム＃をプロットしたものである。
【０１４６】
図２７Ｃは、総和パワーの合計、すなわち、トータル信号（ブルー）と、線形減衰フィルタでの信号（画像上部で高減衰）すなわち傾斜１信号（オレンジ）とについて、検出器信号ＳＤ（任意単位）対フレーム＃をプロットしたものである。
【０１４７】
図２７Ｄは、総和パワーの合計、すなわち、トータル信号（ブルー）と、線形減衰フィルタでの信号（画像下部で高減衰）、すなわち傾斜２信号（オレンジ）とについて、検出器信号ＳＤ（任意単位）対フレーム＃をプロットしたものである。
【０１４８】
２７Ａから２７Ｄの４つの異なる信号のプロットに関し、傾斜２と次いでピンホール１は、タッチ位置で加えられた圧力の量の評価に使用するのに適した候補である。さらに、これらのピンホールの信号は位置に敏感であり、そのためタッチ位置ＴＬの位置判定に使用することができる。
【０１４９】
本書では実施形態を特定の態様および特徴を参照して説明したが、これらの実施形態は望ましい原理および用途の単なる実例であることを理解されたい。従って、添付の請求項の精神および範囲から逸脱することなく、この実例の実施形態の多くの改変が作製可能であり、また他の配置が考案可能であることを理解されたい。
【符号の説明】
【０１５０】
１０    タッチシステム
２０    アセンブリ
２２    導波路
２３    入力エッジ
２４    出力エッジ
２６    上方表面
２７    下方表面
２９    導波路領域
１００    光源
１０３    光源系
１０４    光
２００    検出器
２０４    検出器系
３００    コントローラ
４００    圧力検知ディスプレイ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2015530688.tif 000005
【図２Ａ】
2015530688.tif 000006
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
2015530688.tif 000009
【図４Ｂ】
2015530688.tif 000010
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
2015530688.tif 000012
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
2015530688.tif 000020
【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
2015530688.tif 000022
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
2015530688.tif 000027
【図９Ｂ】
2015530688.tif 000028
【図９Ｃ】
2015530688.tif 000029
【図１０】
2015530688.tif 000030
【図１１Ａ】
2015530688.tif 000031
【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2015530688.tif 000039
【図１７】
2015530688.tif 000040
【図１８Ａ−１８Ｅ】
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【図１９Ａ】
2015530688.tif 000042
【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
2015530688.tif 000049
【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２７Ｄ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
2015530688.tif 000059
【図２８Ｃ】
2015530688.tif 000060
【国際調査報告】
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2015530688.tif 000062
2015530688.tif 000063
2015530688.tif 000064
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