基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏的制作方法
基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信息显示技术领域的交互式触控技术，特别是一种基于光栅结构与 补偿光源的光波导式光学触摸屏。
【背景技术】
[0002] 触摸屏根据技术原理的不同可以归结为：电阻式，电容式，表面声波和红外式。电 阻式触摸屏具有不怕污染和低成本优势，但是不耐磨损，透光率低并且反应速度慢；表面 声波触摸屏防污差，发射换能器易碎，使用寿命短；电容触摸屏抗电磁干扰差，需要导体做 触控，使用环境局限，且对温度湿度接地等环境要求高（参见http://www.sunonway.com/ chumopin/1092.htm)。而红外触摸屏因为采用红外光源，对人眼无影响，拥有高灵敏度和稳 定性，较好的内置或外置效果使得其不影响显示器的外观，防暴性能优良。目前市场上的红 外触摸屏由装载在触摸屏上的红外线发射与接受感测原件构成，并在屏幕表面形成红外探 测网，任何触摸物体均可改变触电上的红外线进而被转化成触控的位置坐标。很明显，这种 触控不强制要求必须是手指，只要是任何可以阻挡光线的实物都可以产生触摸，具有交互 方便和不受可见光干扰的优点。但同样的，红外的发射光源成本高，且实际应用中，对系统 的稳定性要求极高，不论哪一个红外发射管出现问题，都将影响到触摸屏的灵敏及准确性。 并且，由于红外光源一般为点光源，需要一定的厚度和长度才能让光均匀分布，不能满足轻 薄和小尺寸便携的要求。
[0003] 上述触摸屏技术都要求控制者与显示屏零距离接触操作，也就是人机交互必须是 接触式的，但对于挂壁式大屏幕触摸屏，或者一些公共场合的触摸屏，这种零距离接触式操 作无疑限制了操作者的人机互动自由和屏幕的大小。市场上现有的非接触式交互是基于计 算机视觉的人机交互，其利用计算机实时处理摄像头所拍摄的视频信息，对人体实现精确 定位，比如我们熟知的kinect体感游戏，这种非接触式触控纵然有效，但其成本是较高的， 且不适用于移动显示式的小屏幕和精细控制(参见http: //www.microsoft.com/en-us/ kinectforwindows/)〇
[0004] 目前有一种基于光栅的光波导式触摸屏（专利【申请号】201310750534. 1)，这种触 摸屏虽然能解决屏幕的反射和轻薄性的问题，但显示光在经过光栅和手指的反射之后，光 强明显下降，由于除了显示光源外未加入其他光源，这种触摸屏的效率及触控灵敏度较低。 另一方面，由于光栅需要覆整个光波导，不仅对生产成本造成压力，对光栅的制作也是不小 的挑战。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于光栅的光波导式触摸 屏，更具体的是在传统背光中加入对人眼不敏感的补偿或者独立光源，用于耦合并成为检 测光，从而可以提高触控光信号强度，该触摸屏在改善触控灵敏度，触点准确度的基础上， 有效地保留了显示器的原本显色，降低环境光的干扰，极大程度地改善了用户体验。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] -种基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，包括透明保护层、光波导 层、背光源和导光板，其特点在于，还包括分别设置在所述的光波导层的相对两侧壁上的光 电探测器、设置在所述的光波导层上的光栅和补偿光源，所述的光波导层是由沿X方向和Y 方向的透明光波导构成光波导矩阵。
[0008] 所述的光栅将补偿光源的光转化为沿着光波导层传播的波导模式信号光，当产生 触控时，触控点对应的波导中的波导模式信号光的强弱变化被所述的光电探测器接收，并 转化为电流信号。
[0009] 优选的，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层、光波导层、光栅， 液晶层、背光板光学膜、导光板和反射板，在靠近所述的导光板处设置所述的补偿光源和背 光源，所述的光栅完全覆盖在所述的光波导层的表面，所述的补偿光源与背光源共用所述 的导光板，补偿光源的波长小于450nm。
[0010] 所述的补偿光源发光二极管与背光源发光二极管交替排列。
[0011] 另一优选的，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层、液晶层、背光 板光学膜、第二导光板、光波导层、光栅、第一导光板和反射板，在靠近所述的液晶层的第二 导光板处设置所述的背光源，在远离所述的液晶层的第一导光板处设置所述的补偿光源， 所述的光栅完全覆盖所述的光波导层的表面，补偿光源是波长大于700nm的可见光长波长 段或红外波段。
[0012] 另一优选的，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层、光波导层、液 晶层、背光板光学膜、导光板和反射板，在靠近所述的导光板处设置所述的补偿光源和背光 源，所述的光栅覆盖在所述的光波导层的上表面的任意一侧或下表面的任意一侧。
[0013] 所述的光栅沿着触摸屏中心方向倾斜，材料选择金属或非金属。
[0014] 所述的光栅的周期根据补偿光源的波段范围选择，保证补偿光源能耦合进所述的 光波导层。
[0015] 所述的补偿光源单独控制时，使用周期性工作的脉冲的工作方式，其发光时间应 控制在液晶显示屏像素刷新时间以内。
[0016] 所述的相邻的光波导之间具有平行的金属或者导电线条，该线条的宽度小于5微 米，厚度小于100纳米，材料为铝、银、铜或石墨烯。
[0017] 所述的补偿光源不应对触摸屏的显示色彩及人眼的观察效果产生影响；其波长范 围根据触摸屏结构的不同，可选择不同的波段范围。
[0018] 所述的光栅将补偿光源全部或部分耦合入波导中传播，并最终被光电探测器检测 到。
[0019] 所述的补偿光源和背光源可以分开控制，补偿光源可以周期性的点亮，其周期应 小于液晶显示屏刷新的周期。
[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0021] 本发明通过补偿光源的使用，克服了现有技术中背光源在短波长的发光效率低 下，从而造成耦合光强太弱，触控响应信号不灵敏的问题。同时可以通过周期性点亮的工作 方式，降低能耗以及补偿光源可能对人眼观看显示内容所带来的干扰。
【附图说明】
[0022] 图1人眼的视觉暂留示意图
[0023] 图2用于背光源的LED光谱
[0024] 图3人眼对可见光的明视场响应曲线
[0025] 图4垂直入射下，周期为360纳米的光栅± 1级衍射
[0026] 图5垂直入射下，周期为750纳米的光栅±1级衍射
[0027] 图6基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏的实施例1的结构示意图
[0028] 图7实施例1的光源设置
[0029] 图8实施例1的照度模拟
[0030] 图9基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏的实施例2的结构示意图
[0031] 图10基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏的实施例3的结构示意图
[0032] 图11实施例3的一种光源放置方式
[0033] 图12实施例3的一种光栅放置方式
[0034] 图13实施例3侧边光栅触摸屏仿真结构及其背光均匀度模拟
【具体实施方式】
[0035] 为了更加清楚地阐述发明目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发 明作进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释此发明，并不用于限 定本发明的保护范围。
[0036] 根据布拉格相位条件，光栅波导的正负一级親合公式如公式（1)所不：
[0038] 其中，&是真空中的波数，n(l是入射介质的折射率，0为波导内部的入射角，T为 光栅周期，波导有效折射率为Neff，波导材料的折射率为ni，对于+1级衍射，公式（1)取正 号，对于-1级衍射，公式（1)取负号。并且有0e[0j)。则对任意的波导，应有ni>Nrff>n(1， 因此公式（1)可表示为公式（2)。
[0040] 为了使+1级衍射光成为波导中的耦合光，化简公式⑵可得其对应的光栅周期T 应满足以下条件：
[0042] 同样的，为了使一 1级衍射光成为波导中的耦合光，化简公式（2)可得其对应的光 栅周期T应满足以下条件：
[0044] 其中，A为真空中的入射光波长。
[0045] 由公式⑶和公式⑷可知，当入射角0和光栅周期T确定时，此波导中一级衍射 光被耦合得入射光波长被唯一确定。为了说明原理，本实施方式不考虑0 >〇的斜入射情 况，只讨论0= 0的正入射情况。在这种情况下，公式（3)和公式（4)可化简为公式（ 5)， 即对于特定得波长A，其正负一级衍射光能耦合到波导中，所对应的光栅周期应满足的集 合为A:
[0047] 显然对公式（5)所确定的光栅周期，入射光中只有波长在X附近才有可能成为波 导模式并在光波导中横向传播，其他短波长的光将穿过光栅波导发射出来，而更长波长的 光则不具备耦合成波导光的能力。则对于任意的波长X2<X3，若要使得A2的一 级衍射光可以耦合到波导中，而波长小于\和波长大于X3的光透射，其光栅周期是可解 的。但对于人眼可观察的范围来说，若A:或X3对人眼不敏感，就是可忽略的。也就是说， 我们取不同的补偿光波长，对应着不同的光栅周期及触摸屏应用方式。
[0048] 对于光栅并不整面覆盖光波导的情况，由于背光源所发出的用于显示的光并不经 过光栅，因此并不会受到光栅衍射的影响。下面我们通过三种实施例来分别讨论。
[0049] 实施例1
[0050] 当光栅整面覆盖在光波导上并且所选的A2处于紫色波段，用于背光源的普通白 光LED光谱中A2含量很少，且对人眼的视觉贡献很小，A3为可见光的蓝色峰值450nm处， 根据上述分析，设置450nm以下的光成为波导模，从而作为检测光，而450nm及以上的光将 直接通过波导。由图2和图1可知，LED所产生的白光光强在450nm以下比较弱；由图3可 知，人眼对450nm以下的蓝紫光并不敏感，那么这样的设置并不会影响屏幕显色的差异。例 如，入射介质为空气n0 = 1，波导介质为玻璃nl= 1. 466，A2 = 410nm,由式（5)可知其对 应的光栅周期应为279nm〈T〈410nm，此处取光栅周期为360nm，光栅高度取200nm，占空比为 〇. 5,仿真结果如图4所示。由仿真结果可知，周期为360nm的光栅对波长为410nm的光耦 合效率达16%左右，而这一波段的光正好处于450nm以下，且对人眼不敏感。
[0051] 实施例1所对应的触控显示结构如图6所示，其组合方式按照距离触摸屏使用者 的近远依次为：透明保护层201、光波导层203、光栅204,液晶层200、背光板光学膜208、导 光板209和反射板210,在靠近所述的导光板209处设置所述的补偿光源206和背光源207， 光电探测器205设置在所述的光波导层的一组相对边的侧壁上。本实施例中光栅204全部 覆盖在光波导203上，所述的补偿光源206与背光源207共用同一块导光板。补偿光源206 发光二极管可以与背光源207发光二极管交替排列单独控制，其中补偿光源206波长应小 于450nm。这种触控显示结构在工作时，背光源发出背光，补偿光源发出补偿光，其背光源与 补偿光源的组合方式多种多样，此处列举三种：
[0052] 如图7所示，将补偿光源和背光源依次均匀交替放置，并且可以按照一定比例设 置背光源和补偿光源的光强。图中，黑色LED表示补偿光源LED，白色LED表示背光源LED， t表示补偿光源LED与背光源LED之间的贴合间隔距离，需要满足0 <t<相邻两个背光源 LED间距的一半。注意到背光及补偿光的均匀性与t有关，t越接近0,均匀性越好。此处 作为一个例子，选择t= 0的排列方式，其背光模组包括导光板及其散射网点，反射板，扩散 板。其中，背光源及补偿光源LED有五组，导光板设置为114mmX70mmX3mm，底部散射网点 为凸起的球形，高度为〇. 1_，半径r= 0. 5_，按照网格大小为1. 5_X1. 5mm的规则排列 在导光板底部，应当注意的是，这种散射网点的排列方式不是唯一的，应根据导光板的规格 及LED数目做相应调整，其目的是是为了满足出光均匀性，从而为触摸屏的背光提供保障。 其仿真结果如图8所示，其中（a)表示背光和补偿光同时工作时的照度均匀度。（b)表示背 光的均匀度，（c)表示补偿光源的照度均匀度，可以看出，这种排列方式是可以满足背光均 匀性的要求的，并且，补偿光源并不影响背光源的均匀性。这样做的好处是可以分开控制补 偿光源及背光源，从而为降低能耗提供多种可能。
[0053] 亦可以直接将白光LED工作在过压状态，使其发出偏蓝紫的白光从而将其中的蓝 紫光用作补偿光源，这样做的好处是简便易行，但对光源的寿命有所影响。
[0054] 对于本实施例所举例的360nm光栅，其对应的耦合光波长为410nm，则可以设置背 光源中紫外UV-LED和荧光粉结合产生的背光在410nm处恰有一峰值，用于补偿光波导层的 耦合，成为补偿光源。注意到后两种光源方式不需要额外添加补偿光源，因此其背光源放置 方式无需特别改变。在补偿光源206发出的补偿光通过光栅204时，会有一部分被耦合到光 波导层203中，并在其中横向传输，成为波导模；大部分光则纵向通过光波导层203、透明保 护层201，进入人眼。而耦合到光波导层203中的检测光就会被光电探测器205检测到，用 于产生触控。当操作者用实物，如手指等，接触到透明保护层201上方区域时，由于操作物 对显示光及补偿光的反射又被耦合到光波导中，光电探测器205接受更多的检测光，由X，Y 方向的探测器可以检测到这种光强的变化，从而判断出触控发生的位置。应当注意的是，本 实施中并不要求操作物一定要接触到透明保护层201，当操作物悬空到透明保护层201上 时，便可以实现非接触式触控。
[0055] 这样做的好处是：白光LED中，蓝紫光成分较少，其效率明显不高，补偿这个波段 的光源可以明显提高显示屏的效率；且可见光中450nm及以下的蓝紫光部分对人眼很不敏 感，因此不会影响人眼的观察；但蓝光探测器可以很容易探测到，因此补偿410nm的蓝紫光 有效提尚了显不光的触控精度。
[0056]在实施例1中，所设计的耦合在波导中的检测光并未占用三色光RGB的主峰波段， 因此对显示器的影响可忽略。
[0057] 实施例2
[0058] 当光栅整面覆盖在光波导上并且所选的A2处于红外波段，X:为可见光的长波 段，设置700nm以上的红外波段成为波导模，从而成为检测光，而700nm及以下的可见光可 直接通过波导。例如，入射介质为空气1^=1，波导介质为玻璃^二1.466，Ai= 650nm， 入2= 800nm，由式（5)可知其对应的光栅周期应为545nm〈T〈800nm，此处作为一个例子我们 取光栅周期为750nm，光栅高度为500nm，占空比为0. 5,仿真结果如图5所示。
[0059] 应当注意的是，与补偿蓝紫光波段不同，补偿光处于红外波段时，所对应的光栅周 期比较大，可见光的衍射效果明显，会影响人的正常观看。因此，不适宜采用图6和图7所示 的触摸屏结构及光源放置方式，而采用图9所示的触摸屏结构，其组合方式按照距离触摸 屏使用者的近远依次为：透明保护层201、液晶层200、背光板光学膜208、第二导光板211、 光波导层203、光栅204、第一导光板209和反射板210,在靠近液晶层200的第二导光板处 设置所述的背光源207,在远离液晶层200的第一导光板处设置所述的补偿光源206,光电 探测器205设置在所述的光波导层的一组对边的侧壁上。所述的光栅204全部覆盖在光波 导层203上，所述的补偿光源206与背光源207使用不同导光板，该补偿光源206的波长应 是对人眼不敏感的、波长大于700nm的可见光长波长段或红外波段。背光源与补偿光源分 别独立使用不同导光板。工作时，补偿光源206发出补偿光，通过光栅204时，会有一部分 被耦合到光波导层203中，并在其中横向传输，成为波导模；大部分光则与背光板发出的白 光一起，纵向通过扩散板、棱镜膜等背光板光学膜和透明保护层201，进入人眼。而耦合到光 波导层203中的检测光就会被光电探测器205检测到，用于产生触控。注意到在这种结构 中，背光源207并未直接通过光栅发生衍射，因此对用户体验的影响降低到了最小。与实施 例1相类似，这种结构也可以实现非接触式触控。
[0060] 这样做的好处是：目前市场上红外探测器种类较多，效率也较高，红外光作为波导 耦合光可以降低成本；光栅周期750nm的技术难度低，易于实现；红外光对人眼是不可见 的，但对探测器却很敏感，这样就能在不影响显示屏显色的情况下完美的实现更精确的触 控。
[0061] 在实施例2中，红外波段的光所对应的光栅周期比较大，一旦背光中有一部分透 过光栅并通过底部的反射板反射回来的话，就会再次经过光栅而产生较为明显的衍射光， 这样，会对显示造成一定干扰，因此设计方案2更加适合使用在外接式触控板等不需要视 觉观察的屏幕。
[0062]更进一步，无论对于实施方案1还是实施方案2,为了实现节能的效果，这些额外 加入的光源以快于视神经的反应速度的脉冲方式工作，如图1所示，在中等亮度的光刺激 下，视 力正常的人的视觉暂留时间约为〇.ls，而显示器的刷新率大约为每秒60帧，为了减 少对人眼的视觉影像干扰，脉冲时间小于像素刷新时间。
[0063] 实施例3
[0064]光栅204可以全部覆盖触控面板区域，即实施例1、2所示，也可以仅覆盖触控面板 的相邻两侧的边缘区域，如图10所示的触摸屏结构。其组合方式按照距离触摸屏使用者的 近远依次为：透明保护层201、光波导层203、液晶层200、背光板光学膜208、导光板209和 反射板210,在靠近所述的导光板209处设置所述的补偿光源206和背光源207,光电探测 器205设置在所述的光波导层的一组对边的侧壁上。本实施例中光栅覆盖在光波导层203 的下表面的一侧。液晶层200覆盖区域不包含所述的光栅204所在的一组相邻侧边。所述 的背光源与补偿光源可以分开控制，也可以共用同一光源。所述的光栅可以是倾斜的，以利 于补偿光耦合进波导后沿着触控面板中心的方向传播。
[0065]所述的补偿光源的放置方式是多种多样的：可以选择与背光源共用相同的光源， 如图10所示；也可以选择背光源与补偿光源单独使用不同的光源，如图11所示，此种放置 方式对补偿光源的光波长没有限制，但考虑到窄边框的移动设备的边缘漏光问题，这种放 置方式更加倾向于选择蓝紫光或红外光等对人眼不敏感的光波段作为补偿光源。此处作为 一个仿真实例，设置主屏幕规格同实施例1，侧边屏幕规格为70mmX3_X3mm，所述的补偿 光源206设置为一颗发光二极管，该发光二极管放置在侧边屏幕的窄边一侧，散射网点为 凸起的球形，高度〇. 1mm，半径按照多项式r= 0. 5+5. 36丨5+9. 8e^5y2的方式沿着侧边屏幕的 长边排列，其背光板结构及其背光均匀度仿真示意图如图13所示，其中，主屏幕的背光均 匀度达到89%，侧边光栅所在的背光均匀度为82%。这样做的好处是背光源与补偿光源可 以分开控制，为降低能耗提供更多种可能，同时，补偿光源光波段也可以灵活选择；背光源 的放置方式亦可以选择直接将背光的一侧作为补偿光源，如图10所示，但要注意液晶面板 不能覆盖在这一侧，选择背光中不同的波段作为耦合到波导中的检测光，对应着不同的光 栅周期，为了提高触控精度，可以选择背光源光谱中短波长峰值波段耦合所对应的光栅周 期。
[0066]实施例4
[0067]为了降低边缘漏光对人眼的干扰，可采用倾斜的金属光栅结构，为了提高反射效 率，其金属高度应高于光栅高度，其金属种类可以选择铝、银、镍等，如图12。其组合方式按 照距离触摸屏使用者的近远描述为：透明保护层201、光波导层203、液晶层200、背光板光 学膜208、导光板209和反射板210,本实施例中光栅覆盖在所述的光波导层203的上表面 的一侧，在所述的导光板209处设置所述的背光源207,补偿光源206并不单独设置，而是使 用背光源207所发出的背光的一部分作为补偿光源。光电探测器205设置在所述的光波导 层的一组对边的侧壁上。这样做的好处是减少边缘漏光，提高耦合光效率，且无需添加额外 的补偿光源。在这种侧边光栅的结构中，补偿光源发出的准直光经过边缘一侧的光栅，耦合 到光波导中，当外界产生触摸时，由于手指破坏了光波导中光的全反射，将使得触摸点位置 的信号光溢出，表现在该点的光强减弱，由光电探测器探测到这种变化的光强后，经处理确 定触摸点的位置。
[0068] 采用侧边光栅结构的好处是，在保证触控效率和精度的同时，大大减少了光栅的 使用面积，降低了成本。但要注意，由于被触摸反射而耦合进来的光并不能再次经过光栅而 被衍射，因此这种结构的触摸屏只适合接触式的触摸控制。
[0069]实验表明，本发明利用光栅的衍射，补充特定波长的补偿光，使得需要显示的背光 源不被耦合，有效提高了显示屏的高保真性，带来良好的用户体验。并且，补偿光对人眼不 敏感，但对探测器很敏感，有效提高了触控的精度。同时，波导的使用可以克服内部光干扰， 使得显示屏色彩更加纯净。特别的，补偿光源的周期性点亮能够有效的降低能耗。
【主权项】
1. 一种基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，包括透明保护层（201)、光 波导层（203)、背光源（207)和导光板（209)，其特征在于，还包括分别设置在所述的光波导 层的相对两侧壁上的光电探测器（205)、设置在所述的光波导层上的光栅（204)和补偿光 源（206)，所述的光波导层（203)是由沿X方向和Y方向的透明光波导构成光波导矩阵。2. 根据权利要求1所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，其特征在 于，所述的光栅（204)将补偿光源的光转化为沿着光波导层（203)传播的波导模式信号光， 当产生触控时，触控点对应的波导中的波导模式信号光的强弱变化被所述的光电探测器 (205) 接收，并转化为电流信号。3. 根据权利要求1所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，其特征 在于，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层（201)、光波导层（203)、光栅 (204)，液晶层（200)、背光板光学膜（208)、导光板（209)和反射板（210)，在靠近所述的导 光板（209)处设置所述的补偿光源（206)和背光源（207)，所述的光栅（204)完全覆盖在 所述的光波导层（203)的表面，所述的补偿光源（206)与背光源（207)共用所述的导光板 (209) ，补偿光源（206)的波长小于450nm。4. 根据权利要求3所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，其特征在 于，所述的补偿光源（206)发光二极管与背光源（207)发光二极管交替排列。5. 根据权利要求1所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，其特征在 于，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层（201)、液晶层（200)、背光板光 学膜（208)、第二导光板（211)、光波导层（203)、光栅（204)、第一导光板（209)和反射板 (210) ，在靠近所述的液晶层（200)的第二导光板（211)处设置所述的背光源（207)，在远离 所述的液晶层（200)的第一导光板（209)处设置所述的补偿光源（206)，所述的光栅（204) 完全覆盖所述的光波导层（203)的表面，补偿光源（206)是波长大于700nm的可见光长波 长段或红外波段。6. 根据权利要求1所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，其特征在 于，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层（201)、光波导层（203)、液晶层 (200)、背光板光学膜（208)、导光板（209)和反射板（210)，在靠近所述的导光板（209)处 设置所述的补偿光源（206)和背光源（207)，所述的光栅覆盖在所述的光波导层（203)的上 表面的一边或下表面的一边。7. 根据权利要求6所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，其特征在 于，所述的光栅（204)沿着触摸屏中心方向倾斜，材料选择金属或非金属。8. 如权利要求书1至7任一项所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸 屏，其特征在于，所述的光栅（204)的周期根据补偿光源的波段范围选择，保证补偿光源 (206) 能耦合进所述的光波导层（203)。9. 如权利要求书1至7任一项所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸 屏，所述的补偿光源（206)单独控制时，使用周期性工作的脉冲的工作方式，其发光时间应 控制在液晶显示屏像素刷新时间以内。10. 如权利要求书1至7任一项所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸 屏，所述的相邻的光波导之间具有平行的金属或者导电线条，该线条的宽度小于5微米，厚 度小于100纳米，材料为铝、银、铜或石墨烯。
【专利摘要】一种基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，包括透明保护层、光波导层、背光源和导光板，还包括分别设置在所述的光波导层的相对两侧壁上的光电探测器、设置在所述的光波导层上的光栅和补偿光源，所述的光波导层是由沿X方向和Y方向的透明光波导构成光波导矩阵。本发明利用光栅的衍射,补偿显示光中特定波长的光，并利用此补偿光源作为可在波导内传输的波导模式信号光,作为触控的检测光,降低由光栅耦合对原显示光造成的影响,有效提高显示光的高保真性和触摸屏的精度及效率；光栅覆盖方式根据需求可选择全覆盖或侧边覆盖，以降低成本，提高精度，采用补偿光源周期性工作的方式，从而降低耗能，减少干扰。
【IPC分类】G06F3/042
【公开号】CN104898895
【申请号】CN201510220923
【发明人】叶志成, 马萍
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月4日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信息显示技术领域的交互式触控技术，特别是一种基于光栅结构与 补偿光源的光波导式光学触摸屏。
【背景技术】
[0002] 触摸屏根据技术原理的不同可以归结为：电阻式，电容式，表面声波和红外式。电 阻式触摸屏具有不怕污染和低成本优势，但是不耐磨损，透光率低并且反应速度慢；表面 声波触摸屏防污差，发射换能器易碎，使用寿命短；电容触摸屏抗电磁干扰差，需要导体做 触控，使用环境局限，且对温度湿度接地等环境要求高（参见http://www.sunonway.com/ chumopin/1092.htm)。而红外触摸屏因为采用红外光源，对人眼无影响，拥有高灵敏度和稳 定性，较好的内置或外置效果使得其不影响显示器的外观，防暴性能优良。目前市场上的红 外触摸屏由装载在触摸屏上的红外线发射与接受感测原件构成，并在屏幕表面形成红外探 测网，任何触摸物体均可改变触电上的红外线进而被转化成触控的位置坐标。很明显，这种 触控不强制要求必须是手指，只要是任何可以阻挡光线的实物都可以产生触摸，具有交互 方便和不受可见光干扰的优点。但同样的，红外的发射光源成本高，且实际应用中，对系统 的稳定性要求极高，不论哪一个红外发射管出现问题，都将影响到触摸屏的灵敏及准确性。 并且，由于红外光源一般为点光源，需要一定的厚度和长度才能让光均匀分布，不能满足轻 薄和小尺寸便携的要求。
[0003] 上述触摸屏技术都要求控制者与显示屏零距离接触操作，也就是人机交互必须是 接触式的，但对于挂壁式大屏幕触摸屏，或者一些公共场合的触摸屏，这种零距离接触式操 作无疑限制了操作者的人机互动自由和屏幕的大小。市场上现有的非接触式交互是基于计 算机视觉的人机交互，其利用计算机实时处理摄像头所拍摄的视频信息，对人体实现精确 定位，比如我们熟知的kinect体感游戏，这种非接触式触控纵然有效，但其成本是较高的， 且不适用于移动显示式的小屏幕和精细控制(参见http: //www.microsoft.com/en-us/ kinectforwindows/)〇
[0004] 目前有一种基于光栅的光波导式触摸屏（专利【申请号】201310750534. 1)，这种触 摸屏虽然能解决屏幕的反射和轻薄性的问题，但显示光在经过光栅和手指的反射之后，光 强明显下降，由于除了显示光源外未加入其他光源，这种触摸屏的效率及触控灵敏度较低。 另一方面，由于光栅需要覆整个光波导，不仅对生产成本造成压力，对光栅的制作也是不小 的挑战。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于光栅的光波导式触摸 屏，更具体的是在传统背光中加入对人眼不敏感的补偿或者独立光源，用于耦合并成为检 测光，从而可以提高触控光信号强度，该触摸屏在改善触控灵敏度，触点准确度的基础上， 有效地保留了显示器的原本显色，降低环境光的干扰，极大程度地改善了用户体验。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] -种基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，包括透明保护层、光波导 层、背光源和导光板，其特点在于，还包括分别设置在所述的光波导层的相对两侧壁上的光 电探测器、设置在所述的光波导层上的光栅和补偿光源，所述的光波导层是由沿X方向和Y 方向的透明光波导构成光波导矩阵。
[0008] 所述的光栅将补偿光源的光转化为沿着光波导层传播的波导模式信号光，当产生 触控时，触控点对应的波导中的波导模式信号光的强弱变化被所述的光电探测器接收，并 转化为电流信号。
[0009] 优选的，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层、光波导层、光栅， 液晶层、背光板光学膜、导光板和反射板，在靠近所述的导光板处设置所述的补偿光源和背 光源，所述的光栅完全覆盖在所述的光波导层的表面，所述的补偿光源与背光源共用所述 的导光板，补偿光源的波长小于450nm。
[0010] 所述的补偿光源发光二极管与背光源发光二极管交替排列。
[0011] 另一优选的，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层、液晶层、背光 板光学膜、第二导光板、光波导层、光栅、第一导光板和反射板，在靠近所述的液晶层的第二 导光板处设置所述的背光源，在远离所述的液晶层的第一导光板处设置所述的补偿光源， 所述的光栅完全覆盖所述的光波导层的表面，补偿光源是波长大于700nm的可见光长波长 段或红外波段。
[0012] 另一优选的，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层、光波导层、液 晶层、背光板光学膜、导光板和反射板，在靠近所述的导光板处设置所述的补偿光源和背光 源，所述的光栅覆盖在所述的光波导层的上表面的任意一侧或下表面的任意一侧。
[0013] 所述的光栅沿着触摸屏中心方向倾斜，材料选择金属或非金属。
[0014] 所述的光栅的周期根据补偿光源的波段范围选择，保证补偿光源能耦合进所述的 光波导层。
[0015] 所述的补偿光源单独控制时，使用周期性工作的脉冲的工作方式，其发光时间应 控制在液晶显示屏像素刷新时间以内。
[0016] 所述的相邻的光波导之间具有平行的金属或者导电线条，该线条的宽度小于5微 米，厚度小于100纳米，材料为铝、银、铜或石墨烯。
[0017] 所述的补偿光源不应对触摸屏的显示色彩及人眼的观察效果产生影响；其波长范 围根据触摸屏结构的不同，可选择不同的波段范围。
[0018] 所述的光栅将补偿光源全部或部分耦合入波导中传播，并最终被光电探测器检测 到。
[0019] 所述的补偿光源和背光源可以分开控制，补偿光源可以周期性的点亮，其周期应 小于液晶显示屏刷新的周期。
[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0021] 本发明通过补偿光源的使用，克服了现有技术中背光源在短波长的发光效率低 下，从而造成耦合光强太弱，触控响应信号不灵敏的问题。同时可以通过周期性点亮的工作 方式，降低能耗以及补偿光源可能对人眼观看显示内容所带来的干扰。
【附图说明】
[0022] 图1人眼的视觉暂留示意图
[0023] 图2用于背光源的LED光谱
[0024] 图3人眼对可见光的明视场响应曲线
[0025] 图4垂直入射下，周期为360纳米的光栅± 1级衍射
[0026] 图5垂直入射下，周期为750纳米的光栅±1级衍射
[0027] 图6基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏的实施例1的结构示意图
[0028] 图7实施例1的光源设置
[0029] 图8实施例1的照度模拟
[0030] 图9基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏的实施例2的结构示意图
[0031] 图10基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏的实施例3的结构示意图
[0032] 图11实施例3的一种光源放置方式
[0033] 图12实施例3的一种光栅放置方式
[0034] 图13实施例3侧边光栅触摸屏仿真结构及其背光均匀度模拟
【具体实施方式】
[0035] 为了更加清楚地阐述发明目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发 明作进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释此发明，并不用于限 定本发明的保护范围。
[0036] 根据布拉格相位条件，光栅波导的正负一级親合公式如公式（1)所不：
[0038] 其中，&是真空中的波数，n(l是入射介质的折射率，0为波导内部的入射角，T为 光栅周期，波导有效折射率为Neff，波导材料的折射率为ni，对于+1级衍射，公式（1)取正 号，对于-1级衍射，公式（1)取负号。并且有0e[0j)。则对任意的波导，应有ni>Nrff>n(1， 因此公式（1)可表示为公式（2)。
[0040] 为了使+1级衍射光成为波导中的耦合光，化简公式⑵可得其对应的光栅周期T 应满足以下条件：
[0042] 同样的，为了使一 1级衍射光成为波导中的耦合光，化简公式（2)可得其对应的光 栅周期T应满足以下条件：
[0044] 其中，A为真空中的入射光波长。
[0045] 由公式⑶和公式⑷可知，当入射角0和光栅周期T确定时，此波导中一级衍射 光被耦合得入射光波长被唯一确定。为了说明原理，本实施方式不考虑0 >〇的斜入射情 况，只讨论0= 0的正入射情况。在这种情况下，公式（3)和公式（4)可化简为公式（ 5)， 即对于特定得波长A，其正负一级衍射光能耦合到波导中，所对应的光栅周期应满足的集 合为A:
[0047] 显然对公式（5)所确定的光栅周期，入射光中只有波长在X附近才有可能成为波 导模式并在光波导中横向传播，其他短波长的光将穿过光栅波导发射出来，而更长波长的 光则不具备耦合成波导光的能力。则对于任意的波长X2<X3，若要使得A2的一 级衍射光可以耦合到波导中，而波长小于\和波长大于X3的光透射，其光栅周期是可解 的。但对于人眼可观察的范围来说，若A:或X3对人眼不敏感，就是可忽略的。也就是说， 我们取不同的补偿光波长，对应着不同的光栅周期及触摸屏应用方式。
[0048] 对于光栅并不整面覆盖光波导的情况，由于背光源所发出的用于显示的光并不经 过光栅，因此并不会受到光栅衍射的影响。下面我们通过三种实施例来分别讨论。
[0049] 实施例1
[0050] 当光栅整面覆盖在光波导上并且所选的A2处于紫色波段，用于背光源的普通白 光LED光谱中A2含量很少，且对人眼的视觉贡献很小，A3为可见光的蓝色峰值450nm处， 根据上述分析，设置450nm以下的光成为波导模，从而作为检测光，而450nm及以上的光将 直接通过波导。由图2和图1可知，LED所产生的白光光强在450nm以下比较弱；由图3可 知，人眼对450nm以下的蓝紫光并不敏感，那么这样的设置并不会影响屏幕显色的差异。例 如，入射介质为空气n0 = 1，波导介质为玻璃nl= 1. 466，A2 = 410nm,由式（5)可知其对 应的光栅周期应为279nm〈T〈410nm，此处取光栅周期为360nm，光栅高度取200nm，占空比为 〇. 5,仿真结果如图4所示。由仿真结果可知，周期为360nm的光栅对波长为410nm的光耦 合效率达16%左右，而这一波段的光正好处于450nm以下，且对人眼不敏感。
[0051] 实施例1所对应的触控显示结构如图6所示，其组合方式按照距离触摸屏使用者 的近远依次为：透明保护层201、光波导层203、光栅204,液晶层200、背光板光学膜208、导 光板209和反射板210,在靠近所述的导光板209处设置所述的补偿光源206和背光源207， 光电探测器205设置在所述的光波导层的一组相对边的侧壁上。本实施例中光栅204全部 覆盖在光波导203上，所述的补偿光源206与背光源207共用同一块导光板。补偿光源206 发光二极管可以与背光源207发光二极管交替排列单独控制，其中补偿光源206波长应小 于450nm。这种触控显示结构在工作时，背光源发出背光，补偿光源发出补偿光，其背光源与 补偿光源的组合方式多种多样，此处列举三种：
[0052] 如图7所示，将补偿光源和背光源依次均匀交替放置，并且可以按照一定比例设 置背光源和补偿光源的光强。图中，黑色LED表示补偿光源LED，白色LED表示背光源LED， t表示补偿光源LED与背光源LED之间的贴合间隔距离，需要满足0 <t<相邻两个背光源 LED间距的一半。注意到背光及补偿光的均匀性与t有关，t越接近0,均匀性越好。此处 作为一个例子，选择t= 0的排列方式，其背光模组包括导光板及其散射网点，反射板，扩散 板。其中，背光源及补偿光源LED有五组，导光板设置为114mmX70mmX3mm，底部散射网点 为凸起的球形，高度为〇. 1_，半径r= 0. 5_，按照网格大小为1. 5_X1. 5mm的规则排列 在导光板底部，应当注意的是，这种散射网点的排列方式不是唯一的，应根据导光板的规格 及LED数目做相应调整，其目的是是为了满足出光均匀性，从而为触摸屏的背光提供保障。 其仿真结果如图8所示，其中（a)表示背光和补偿光同时工作时的照度均匀度。（b)表示背 光的均匀度，（c)表示补偿光源的照度均匀度，可以看出，这种排列方式是可以满足背光均 匀性的要求的，并且，补偿光源并不影响背光源的均匀性。这样做的好处是可以分开控制补 偿光源及背光源，从而为降低能耗提供多种可能。
[0053] 亦可以直接将白光LED工作在过压状态，使其发出偏蓝紫的白光从而将其中的蓝 紫光用作补偿光源，这样做的好处是简便易行，但对光源的寿命有所影响。
[0054] 对于本实施例所举例的360nm光栅，其对应的耦合光波长为410nm，则可以设置背 光源中紫外UV-LED和荧光粉结合产生的背光在410nm处恰有一峰值，用于补偿光波导层的 耦合，成为补偿光源。注意到后两种光源方式不需要额外添加补偿光源，因此其背光源放置 方式无需特别改变。在补偿光源206发出的补偿光通过光栅204时，会有一部分被耦合到光 波导层203中，并在其中横向传输，成为波导模；大部分光则纵向通过光波导层203、透明保 护层201，进入人眼。而耦合到光波导层203中的检测光就会被光电探测器205检测到，用 于产生触控。当操作者用实物，如手指等，接触到透明保护层201上方区域时，由于操作物 对显示光及补偿光的反射又被耦合到光波导中，光电探测器205接受更多的检测光，由X，Y 方向的探测器可以检测到这种光强的变化，从而判断出触控发生的位置。应当注意的是，本 实施中并不要求操作物一定要接触到透明保护层201，当操作物悬空到透明保护层201上 时，便可以实现非接触式触控。
[0055] 这样做的好处是：白光LED中，蓝紫光成分较少，其效率明显不高，补偿这个波段 的光源可以明显提高显示屏的效率；且可见光中450nm及以下的蓝紫光部分对人眼很不敏 感，因此不会影响人眼的观察；但蓝光探测器可以很容易探测到，因此补偿410nm的蓝紫光 有效提尚了显不光的触控精度。
[0056]在实施例1中，所设计的耦合在波导中的检测光并未占用三色光RGB的主峰波段， 因此对显示器的影响可忽略。
[0057] 实施例2
[0058] 当光栅整面覆盖在光波导上并且所选的A2处于红外波段，X:为可见光的长波 段，设置700nm以上的红外波段成为波导模，从而成为检测光，而700nm及以下的可见光可 直接通过波导。例如，入射介质为空气1^=1，波导介质为玻璃^二1.466，Ai= 650nm， 入2= 800nm，由式（5)可知其对应的光栅周期应为545nm〈T〈800nm，此处作为一个例子我们 取光栅周期为750nm，光栅高度为500nm，占空比为0. 5,仿真结果如图5所示。
[0059] 应当注意的是，与补偿蓝紫光波段不同，补偿光处于红外波段时，所对应的光栅周 期比较大，可见光的衍射效果明显，会影响人的正常观看。因此，不适宜采用图6和图7所示 的触摸屏结构及光源放置方式，而采用图9所示的触摸屏结构，其组合方式按照距离触摸 屏使用者的近远依次为：透明保护层201、液晶层200、背光板光学膜208、第二导光板211、 光波导层203、光栅204、第一导光板209和反射板210,在靠近液晶层200的第二导光板处 设置所述的背光源207,在远离液晶层200的第一导光板处设置所述的补偿光源206,光电 探测器205设置在所述的光波导层的一组对边的侧壁上。所述的光栅204全部覆盖在光波 导层203上，所述的补偿光源206与背光源207使用不同导光板，该补偿光源206的波长应 是对人眼不敏感的、波长大于700nm的可见光长波长段或红外波段。背光源与补偿光源分 别独立使用不同导光板。工作时，补偿光源206发出补偿光，通过光栅204时，会有一部分 被耦合到光波导层203中，并在其中横向传输，成为波导模；大部分光则与背光板发出的白 光一起，纵向通过扩散板、棱镜膜等背光板光学膜和透明保护层201，进入人眼。而耦合到光 波导层203中的检测光就会被光电探测器205检测到，用于产生触控。注意到在这种结构 中，背光源207并未直接通过光栅发生衍射，因此对用户体验的影响降低到了最小。与实施 例1相类似，这种结构也可以实现非接触式触控。
[0060] 这样做的好处是：目前市场上红外探测器种类较多，效率也较高，红外光作为波导 耦合光可以降低成本；光栅周期750nm的技术难度低，易于实现；红外光对人眼是不可见 的，但对探测器却很敏感，这样就能在不影响显示屏显色的情况下完美的实现更精确的触 控。
[0061] 在实施例2中，红外波段的光所对应的光栅周期比较大，一旦背光中有一部分透 过光栅并通过底部的反射板反射回来的话，就会再次经过光栅而产生较为明显的衍射光， 这样，会对显示造成一定干扰，因此设计方案2更加适合使用在外接式触控板等不需要视 觉观察的屏幕。
[0062]更进一步，无论对于实施方案1还是实施方案2,为了实现节能的效果，这些额外 加入的光源以快于视神经的反应速度的脉冲方式工作，如图1所示，在中等亮度的光刺激 下，视 力正常的人的视觉暂留时间约为〇.ls，而显示器的刷新率大约为每秒60帧，为了减 少对人眼的视觉影像干扰，脉冲时间小于像素刷新时间。
[0063] 实施例3
[0064]光栅204可以全部覆盖触控面板区域，即实施例1、2所示，也可以仅覆盖触控面板 的相邻两侧的边缘区域，如图10所示的触摸屏结构。其组合方式按照距离触摸屏使用者的 近远依次为：透明保护层201、光波导层203、液晶层200、背光板光学膜208、导光板209和 反射板210,在靠近所述的导光板209处设置所述的补偿光源206和背光源207,光电探测 器205设置在所述的光波导层的一组对边的侧壁上。本实施例中光栅覆盖在光波导层203 的下表面的一侧。液晶层200覆盖区域不包含所述的光栅204所在的一组相邻侧边。所述 的背光源与补偿光源可以分开控制，也可以共用同一光源。所述的光栅可以是倾斜的，以利 于补偿光耦合进波导后沿着触控面板中心的方向传播。
[0065]所述的补偿光源的放置方式是多种多样的：可以选择与背光源共用相同的光源， 如图10所示；也可以选择背光源与补偿光源单独使用不同的光源，如图11所示，此种放置 方式对补偿光源的光波长没有限制，但考虑到窄边框的移动设备的边缘漏光问题，这种放 置方式更加倾向于选择蓝紫光或红外光等对人眼不敏感的光波段作为补偿光源。此处作为 一个仿真实例，设置主屏幕规格同实施例1，侧边屏幕规格为70mmX3_X3mm，所述的补偿 光源206设置为一颗发光二极管，该发光二极管放置在侧边屏幕的窄边一侧，散射网点为 凸起的球形，高度〇. 1mm，半径按照多项式r= 0. 5+5. 36丨5+9. 8e^5y2的方式沿着侧边屏幕的 长边排列，其背光板结构及其背光均匀度仿真示意图如图13所示，其中，主屏幕的背光均 匀度达到89%，侧边光栅所在的背光均匀度为82%。这样做的好处是背光源与补偿光源可 以分开控制，为降低能耗提供更多种可能，同时，补偿光源光波段也可以灵活选择；背光源 的放置方式亦可以选择直接将背光的一侧作为补偿光源，如图10所示，但要注意液晶面板 不能覆盖在这一侧，选择背光中不同的波段作为耦合到波导中的检测光，对应着不同的光 栅周期，为了提高触控精度，可以选择背光源光谱中短波长峰值波段耦合所对应的光栅周 期。
[0066]实施例4
[0067]为了降低边缘漏光对人眼的干扰，可采用倾斜的金属光栅结构，为了提高反射效 率，其金属高度应高于光栅高度，其金属种类可以选择铝、银、镍等，如图12。其组合方式按 照距离触摸屏使用者的近远描述为：透明保护层201、光波导层203、液晶层200、背光板光 学膜208、导光板209和反射板210,本实施例中光栅覆盖在所述的光波导层203的上表面 的一侧，在所述的导光板209处设置所述的背光源207,补偿光源206并不单独设置，而是使 用背光源207所发出的背光的一部分作为补偿光源。光电探测器205设置在所述的光波导 层的一组对边的侧壁上。这样做的好处是减少边缘漏光，提高耦合光效率，且无需添加额外 的补偿光源。在这种侧边光栅的结构中，补偿光源发出的准直光经过边缘一侧的光栅，耦合 到光波导中，当外界产生触摸时，由于手指破坏了光波导中光的全反射，将使得触摸点位置 的信号光溢出，表现在该点的光强减弱，由光电探测器探测到这种变化的光强后，经处理确 定触摸点的位置。
[0068] 采用侧边光栅结构的好处是，在保证触控效率和精度的同时，大大减少了光栅的 使用面积，降低了成本。但要注意，由于被触摸反射而耦合进来的光并不能再次经过光栅而 被衍射，因此这种结构的触摸屏只适合接触式的触摸控制。
[0069]实验表明，本发明利用光栅的衍射，补充特定波长的补偿光，使得需要显示的背光 源不被耦合，有效提高了显示屏的高保真性，带来良好的用户体验。并且，补偿光对人眼不 敏感，但对探测器很敏感，有效提高了触控的精度。同时，波导的使用可以克服内部光干扰， 使得显示屏色彩更加纯净。特别的，补偿光源的周期性点亮能够有效的降低能耗。
【主权项】
1. 一种基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，包括透明保护层（201)、光 波导层（203)、背光源（207)和导光板（209)，其特征在于，还包括分别设置在所述的光波导 层的相对两侧壁上的光电探测器（205)、设置在所述的光波导层上的光栅（204)和补偿光 源（206)，所述的光波导层（203)是由沿X方向和Y方向的透明光波导构成光波导矩阵。2. 根据权利要求1所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，其特征在 于，所述的光栅（204)将补偿光源的光转化为沿着光波导层（203)传播的波导模式信号光， 当产生触控时，触控点对应的波导中的波导模式信号光的强弱变化被所述的光电探测器 (205) 接收，并转化为电流信号。3. 根据权利要求1所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，其特征 在于，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层（201)、光波导层（203)、光栅 (204)，液晶层（200)、背光板光学膜（208)、导光板（209)和反射板（210)，在靠近所述的导 光板（209)处设置所述的补偿光源（206)和背光源（207)，所述的光栅（204)完全覆盖在 所述的光波导层（203)的表面，所述的补偿光源（206)与背光源（207)共用所述的导光板 (209) ，补偿光源（206)的波长小于450nm。4. 根据权利要求3所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，其特征在 于，所述的补偿光源（206)发光二极管与背光源（207)发光二极管交替排列。5. 根据权利要求1所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，其特征在 于，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层（201)、液晶层（200)、背光板光 学膜（208)、第二导光板（211)、光波导层（203)、光栅（204)、第一导光板（209)和反射板 (210) ，在靠近所述的液晶层（200)的第二导光板（211)处设置所述的背光源（207)，在远离 所述的液晶层（200)的第一导光板（209)处设置所述的补偿光源（206)，所述的光栅（204) 完全覆盖所述的光波导层（203)的表面，补偿光源（206)是波长大于700nm的可见光长波 长段或红外波段。6. 根据权利要求1所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，其特征在 于，距离触摸屏使用者由近及远依次是所述的透明保护层（201)、光波导层（203)、液晶层 (200)、背光板光学膜（208)、导光板（209)和反射板（210)，在靠近所述的导光板（209)处 设置所述的补偿光源（206)和背光源（207)，所述的光栅覆盖在所述的光波导层（203)的上 表面的一边或下表面的一边。7. 根据权利要求6所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，其特征在 于，所述的光栅（204)沿着触摸屏中心方向倾斜，材料选择金属或非金属。8. 如权利要求书1至7任一项所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸 屏，其特征在于，所述的光栅（204)的周期根据补偿光源的波段范围选择，保证补偿光源 (206) 能耦合进所述的光波导层（203)。9. 如权利要求书1至7任一项所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸 屏，所述的补偿光源（206)单独控制时，使用周期性工作的脉冲的工作方式，其发光时间应 控制在液晶显示屏像素刷新时间以内。10. 如权利要求书1至7任一项所述的基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸 屏，所述的相邻的光波导之间具有平行的金属或者导电线条，该线条的宽度小于5微米，厚 度小于100纳米，材料为铝、银、铜或石墨烯。
【专利摘要】一种基于光栅结构与补偿光源的光波导式光学触摸屏，包括透明保护层、光波导层、背光源和导光板，还包括分别设置在所述的光波导层的相对两侧壁上的光电探测器、设置在所述的光波导层上的光栅和补偿光源，所述的光波导层是由沿X方向和Y方向的透明光波导构成光波导矩阵。本发明利用光栅的衍射,补偿显示光中特定波长的光，并利用此补偿光源作为可在波导内传输的波导模式信号光,作为触控的检测光,降低由光栅耦合对原显示光造成的影响,有效提高显示光的高保真性和触摸屏的精度及效率；光栅覆盖方式根据需求可选择全覆盖或侧边覆盖，以降低成本，提高精度，采用补偿光源周期性工作的方式，从而降低耗能，减少干扰。
【IPC分类】G06F3/042
【公开号】CN104898895
【申请号】CN201510220923
【发明人】叶志成, 马萍
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月4日
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