СЕНСОРНАЯ ПАНЕЛЬ НА ОСНОВЕ СВЕТОВОДОВ
LIGHT WAVEGUIDE-BASED TOUCH PANEL

Предлагаемое изобретение относится к технике оптико-электронных измерительных систем, TouchScreen-панелей и устройств для ввода информации в компьютерные системы и системы управления. Предлагаемая сенсорная панель отличается от устройств аналогичного назначения простотой конструкции и дешевизной изготовления. С ее помощью можно реализовать новые варианты их конструктивного исполнения.
Известен ряд устройств аналогичного применения, использующих оптические методы определения координат точки касания пальцем или стилусом поверхности экрана (монитора).
Большую группу таких устройств образуют те, в которых используется триангуляционный метод определения координат точки касания. Так, в устройствах, предложенных в патентах США №6480187 от 12.11.2002 г. [1], №6492633 от 10.12.2002 г. [2], №6844539 от 18.01.2005 г. [3], №7522156 от 21.04.2009 г. [4], используется регулярная отражающая структура, расположенная на трех сторонах четырехугольного экрана. Далее, при помощи 2-х сканирующих приемо-передающих оптических модулей, расположенных на краях четвертой стороны, анализируется уровень отраженных от этой структуры излучений. При появлении на их пути пальца (стилуса) вычислитель, входящий в состав этих устройств, регистрирует угловые координаты затененной области. Недостатком этого класса устройств является то, что приемные модули представляют собой механические оптико-электронные сканеры.
Имеется также группа устройств, в которых триангуляционный метод определения координат точки касания основан на 2-х конвергентных и расположенных в углах сенсорного экрана телевизионных камерах. Так, в патенте США №8164581 от 24.04.2012 г. [5], кроме этого используются 2 источника инфракрасного (ИК) излучения, которые в свою очередь подсвечивают отражатели, расположенные вдоль сторон экрана и отражающие падающие на них световые потоки в сторону телевизионных камер. Далее, с помощью вычислительного устройства, связанного с телевизионными камерами, рассчитываются координаты объекта (пальца, стилуса), пересекающего путь распространения отраженного излучения. В патентах США №7333094 от 19.02.2008 г. [6], №7333095 от 19.02.2008 г. [7], №7477241 от 13.01.2009 г. [8], №7573465 от 11.08.2011 г. [9] используется ИК-излучатель, выполненный в виде оптического элемента специальной пространственной геометрии, позволяющей направить излучение, подводимое к его торцу от источника света, в сторону телевизионных камер. Недостатком данного типа устройств является необходимость предварительной геометрической юстировки входящих в их состав телевизионных камер, использование при изготовлении подобных устройств большого количества монтажных и юстировочных элементов.
Существенное упрощение подобных устройств удается получить с использованием в их составе оптических световодов. К ним относятся устройства, описанные в патентах США №7477816 от 13.01.2009 г. [10], №7627209 от 1.12.2009 г. [11], №7496265 от 24.02.2009 г. [12], №7805036 от 28.09.2010 г. [13], №7817886 от 19.10.2010 г. [14], №7957615 от 7.06.2011 г. [15], №8111958 от 7.02.2012 г. [16]. Все они содержат по одному набору приемных и передающих световодов, причем выходные торцы передающих световодов оптически сопряжены с входными торцами приемных, а к их входным торцам подводится ИК-излучение лазера или светодиода. Выходные торцы приемных световодов оптически связаны с фотоприемниками, или, как предложено в патенте США №7809221 от 5.10.2010 г. [17] - фотодиодный массив.
Известно также устройство подобного назначения, предложенное в патенте РФ №2278423 от 15.10.2004 г. [18], содержащее два ИК-излучателя, связанных с выходами вычислителя и оптически сопряженных с фотоприемниками, подключенными к этому же вычислителю, линия расположения фоточувствительной поверхности которых охватывает часть периметра контролируемой поверхности. Осуществляя поочередное включение ИК-излучателей, вычислитель вводит координаты затененных фотоприемников и определяет координаты пальца (стилуса), пересекшего путь распространения излучений.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является патент США №8184108 от 22.05.2012 г. [19], в котором используются световоды, сформированные на полимерной подложке. Это устройство включает в себя два набора световодов - приемный и передающий, входные торцы первого из которых оптически сопряжены с выходными торцами второго набора, а выходные подведены к фотодиодному массиву, при этом входные торцы второго набора световодов оптически связаны с ИК-излучателем. При этом его излучение, проходя вдоль каждого из световодов, образует на их выходных торцах потоки, распространяемые вдоль сенсорной поверхности и достигающие входных торцов приемных световодов. Распространяясь далее по ним, излучения достигают фотодиодного массива и регистрируются входящим в состав устройства процессором. Анализируя яркость отдельных элементов этого массива, процессор определяет зону, в которой произошло пересечение оптических потоков пальцем или стилусом. К недостаткам данного устройства можно отнести наличие второго набора световодов, усложняющего конструкцию устройства.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение и удешевление оптических, в частности инфракрасных, сенсорных панелей.
Для этого в известное устройство, содержащее набор световодов, выполненный в виде полостей в полимерном материале, входные торцы которых размещены на границе сенсорной панели и оптически сопряжены с входящим в состав устройства источником ИК-подсветки, а выходные торцы этого набора световодов оптически связаны с фотодиодным массивом, выход которого в свою очередь подключен к входу вычислителя, введен второй источник ИК-подсветки, оптически сопряженный с входными торцами световодов, причем первый и второй излучатели выполнены в виде точечных, связанных с выходом вычислителя, при этом их потоки падают на входные торцы всех приемных световодов, а пересечение обоих потоков на входных торцах образует рабочую область сенсорной панели, кроме того, вычислитель включает поочередно один из излучателей и, введя значения сигналов с фотодиодного массива для каждого из излучателей, вычисляет координаты пальца или стилуса, пересекшего рабочую область.
На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где:
1
2
1, 2 - источники ИК-подсветки, с телесным углом распространения излучения ψ и ψ соответственно,
3 - фотодиодный массив,
4 - вычислитель,
5 - полимерная основа,
6 - световоды.
На фиг. 2 приведена геометрическая схема сформированных в  полимерной основе световодов, где:
Ω - входной торец,
7 - выходной торцовый отражатель,
φ - поток излучения, исходящий от отражателя 7.
На фиг. 3 приведена геометрическая схема сенсорной панели, выполненной с двумя слоями полимерных основ, где:
8 - вскрытия в верхнем слое,
9 - нижний слой,
ω - потоки излучений, прошедшие через вскрытия 8.
На фиг. 4 приведена оптико-геометрическая схема формирования изображения теней от пальца оператора, где:
10 - палец, перекрывающий оптические потоки,
11 - тени, формируемые при освещении пальца излучателями 1 и 2.
На фиг. 5 приведена оптическая модель образования частичного затенения входного торца световода, где:
- площадь освещенного торца i-го световода,
- площадь затененного торца i-го световода,
- площадь освещенного торца i+1-го световода,
а - ширина торца,
i
X - линейная координата края торца.
На фиг. 6 - геометрическая схема отдельного световода.
Функционирование устройства осуществляется следующим образом.
1
2
ИК-излучатели 1 и 2 (фиг. 1) создают потоки ИК-излучений, телесные углы распространения которых  ψ и ψ соответственно охватывают входные торцы световодов 6, выполненных в виде платы-основания 5, и размещены таким образом, чтобы пространственный указатель 10, помещенный между и перед ними, отбрасывал тень 11 на входы световодов 6, что иллюстрируется на фиг. 4.
Полимерная основа представляет собой пластину полимера, например полиметилметакрилата [20], которая для большей прочности может быть нанесена на стеклянную поверхность.
Световоды (фиг. 6) формируются при помощи специального штампа следующим образом: штамп под высоким давлением и при высокой температуре вдавливают в слой полиметилметакрилата, который в данный момент процесса находится в жидком состоянии. При остывании полимер фиксирует необходимую форму, после чего штамп удаляют [21].
Как изображено на фиг. 2, входные апертуры световодов при этом находятся на стороне, обращенной в сторону ИК-излучателей, а сформированные в окончаниях световодов отражатели 7 направляют достигшее их излучение φ в сторону фотодиодного массива. Для уменьшения оптических потерь боковые поверхности световодов 6 могут иметь зеркальное покрытие, например из осажденного алюминия [22].
Полимерные основания со сформированными в них световодами могут быть уложены друг на друга таким образом, чтобы входные торцы световодов располагались в шахматном порядке, что позволит повысить разрешающую способность устройства. Этот вариант конструктивного исполнения изображен на фиг. 3. При этом верхнее основание должно иметь вскрытия 8, позволяющие оптическим потокам ω, направляемым отражателями 7 вверх, получить оптическую связь с фотодиодным массивом.
i
i
Разрешающая способность также может быть увеличена при расширении горизонтальной протяженности входных апертур, что иллюстрируется на фиг. 5. Если считать, что граница тени проходит на расстоянии ΔΧ от левого края торца, а его ширина равна а и что сигнал, снимаемый с фотодиодного массива и соответствующий частично засвеченному i-му торцу световода, равен U и пропорционален засвеченной площади , то можно записать:
Аналогично для полностью засвеченного торца, ближнего к i-му, можно записать:
Из 1 и 2 можно получить:
i
i
Таким образом, уточненная X - координата правой границы тени равна X+ΔX.
1
1
2
2
Вычислитель 4 по координатам центров теней, сформированным от действия первого и второго излучателей - (Х, Υ) и (Х, Υ), и координатам этих излучателей в системе координат OΧΥ - (, ) и (, ), определяет координаты пальца (стилуса), аналогично тому, как описано в [18].
Источники информации
1. Патент США №6480187 от 12.11.2002 г.
2. Патент США №6492633 от 10.12.2002 г.
3. Патент США №6844539 от 18.01.2005 г.
4. Патент США №7522156 от 21.04.2009 г.
5. Патент США №8164581 от 24.04.2012 г.
6. Патент США №7333094 от 19.02.2008 г.
7. Патент США №7333095 от 19.02.2008 г.
8. Патент США №7477241 от 13.01.2009 г.
9. Патент США №7573465 от 11.08.2011 г.
10. Патент США №7477816 от 13.01.2009 г.
11. Патент США №7627209 от 1.12.2009 г.
12. Патент США №7496265 от 24.02.2009 г.
13. Патент США №7805036 от 28.09.2010 г.
14. Патент США №7817886 от 19.10.2010 г.
15. Патент США №7957615 от 7.06.2011 г.
16. Патент США №8111958 от 7.02.2012 г.
17. Патент США №7809221 от 5.10.2010 г.
18. Патент РФ №2278423 от 15.10.2004 г.
19. Патент США №8184108 от 22.05.2012 г.
20. Аракчеева Е.М, Танклевская Е.М, Нестеров С.И. Получение фотонных кристаллов в структурах на основе полупроводников и полимеров с использованием метода наноимпринта. Журнал технической физики, 2005.
21. Лапшинов Б.А. Технология литографических процессов. Учебное пособие - Московский государственный институт электроники и математики. М., 2011.
22. Дорофеев С.Г, Васильев Р.Б. Вакуумное напыление тонкопленочных структур. Московский государственный университет им. Ломоносова. М., 2011.