压力感测触摸系统和方法
【专利说明】压力感测触摸系统和方法 相关申请的交叉引用
[0001] 本申请根据35U. S.C. § 119要求2012年10月4日提交的美国临时申请S/N 61/744, 877的优先权益，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整 体结合于此。 领域
[0002] 本公开涉及触敏设备，且尤其涉及能够基于在触摸位置处所施加的压力来感测在 触摸位置处的触摸事件的触摸系统和方法。
【背景技术】
[0003] 具有非机械触摸功能的显示器和其它设备（例如，键盘）的市场正迅速增长。作 为结果，已开发触摸感测技术以使得显示器和其它设备能够具有触摸功能。触摸感测功能 在诸如智能电话、电子书阅读器、膝上型计算机、平板计算机和类似设备之类的移动设备应 用中正获得更广泛使用。
[0004] 已开发触摸屏形式的触摸系统，其响应于各种类型的触摸，诸如单点触摸、多点触 摸、刷扫、手指触摸和指示笔触摸。这些系统中的一些依赖于光散射和/或光衰减。尽管有 效，但仍然需要用于触摸感测的替代的基于光学的方法，其可基于施加在触摸位置处的压 力来感测触摸事件。 概述
[0005] 本公开涉及触敏设备，且尤其涉及基于在触摸事件的触摸位置处所施加的压力来 检测触摸事件的触摸系统。系统和方法的各方面利用当压力被施加于波导时在波导内行进 的光的偏转、转向或其它交替（alternation)。光束的交替包括改变光束路径、将光束分成 多个光束、在多个光束之间创建干涉、创建多个输出光束、以及改变输入光束的偏振状态。
[0006] 本公开的各方面包括采用屈光（light-bending)效应和光偏振效应的触摸系统。 该触摸系统包括可操作地毗邻以透明片为形式的波导的相应的输入和输出边缘而设置的 光源系统和检测器系统。该波导还可包括透明片的仅一部分，例如，峨邻该透明片的上表面 的离子交换的或薄的波导层。引起触摸事件的在波导上的触摸位置处的压力使该波导弯曲 或挠曲。波导弯曲引起在该波导中行进的FTIR光的光路的改变。这又使输出光中的光分布 改变。光分布中的改变被检测并被用于确定触摸事件是否发生以及触摸事件的时间演化。 这些变化可包括由双折射所引起的偏振变化，该双折射是由在触摸位置处所施加的压力在 波导中引起的。
[0007] 本公开的各方面包括各种检测器配置，所述配置被公开以用于诸如通过检测越过 检测器的条纹的运动来感测触摸事件的位置和压力。而且，在不同检测器处检测所输出的 光可被用于测量对于给定的触摸事件的检测器信号之间的时间差，并接着使用该时间差以 确定该触摸事件的触摸位置。公开了确定在触摸事件处的压力的量以及所施加的压力的时 间演化的各种检测器配置和检测器信号处理技术。
[0008] 将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点在某种程度 上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描 述、权利要求书以及附图的本文所述的实施例可认识到。
[0009] 权利要求书以及摘要纳入并作为下面阐述的详细说明的组成部分。
[0010] 本文中所引用的所有出版物、文章、专利、已公开专利申请等通过引用整体结合 于此，包括美国专利申请公开No. 2011/0122091以及美国临时专利申请No. 61/564, 003、 61/564,024 和 61/640,605。
【附图说明】
[0011] 图IA是根据本公开的示例触摸系统的正视图；
[0012] 图IB是示出了可操作地关于波导的相应的相对边缘设置的多个光源系统和多个 检测器系统的示例的图IA的触摸系统的一部分的正视图；
[0013] 图2A和2B是包括多个光源元件的示例光源（图2A)和包括多个检测器元件的示 例检测器（图2B)的自顶向下视图；
[0014] 图3是图IA的触摸系统的示例实施例的截面图；
[0015] 图4A到4D是图IA的触摸系统的不同示例实施例的截面图；
[0016] 图5A到5C是针对波导的不同的弯曲量在波导的输出边缘处的输出光的近场图 像，其中图5A示出了没有弯曲的情况；
[0017] 图6A和6B是示出了使波导弯曲如何使在波导中行进的光穿过较长的光路的波导 的示意性侧视图；
[0018] 图6C和6D是示出了在未弯曲的波导中以无反弹行进（图6A)的准直光如何能以 其它方式在弯曲的波导中以反弹行进（图6B)的波导的输入边缘部分的特写图；
[0019] 图6E是示出了来自弯曲的波导的输出光如何离开输出边缘并具有非均匀（非同 质）分布的波导的输出边缘部分的特写图；
[0020] 图6F示出了在波导的输出边缘处的输出光的强度分布并且示出了随着波导挠曲 (弯曲）的量的增加在输出光的强度分布中发生的变化；
[0021 ]图6G示出了在示例波导的输出边缘处所拍摄的输出光104-0的一系列图像，其中 这些图像示出了随着增加的波导弯曲在强度分布中的变化以及在强度图案中的移动。
[0022] 图7A是其中手指准备在中心触摸位置创建触摸事件TE的示例波导的示意性截面 图；
[0023] 图7B示出了具有由手指在上表面上的波导上向下施加压力藉此使该波导挠曲所 引起的触摸事件的图7A的波导；
[0024] 图7C类似于图7B，除了触摸事件在更接近于输出边缘的触摸位置处发生；
[0025] 图8是对于中心位置（正方形）和边缘位置（菱形）在给定的输出边缘位置处的 输出光的所测得的功率P m(以微瓦、μ W为单位）对所施加的触摸的力Ft(以牛顿、N为单 位）的曲线图，其示出了相比对于中心位置对于边缘位置功率的变化如何较少；
[0026] 图9Α和图9Β是在示例挠曲的波导的输出边缘处所发出的输出光的模拟的和测量 的远场图像，示出了输出光的两个方向（位置）；
[0027] 图9C是对于如由布置在光斑的位置处的光检测器所确定的两个光方向（位置） 的功率的％对玻璃变形（_)的曲线图。
[0028] 图10是当将1牛顿的瞬时力施加到由具有I. 2mm的厚度TH的玻璃制成的示例波 导时的两个远场光斑之一的电压对时间的曲线图，其中电压表示所测得的功率；
[0029] 图IlA和IlB是示出了对于不同量的波导弯曲的模拟光线追迹，并且示出了其中 检测器被布置在下表面（图11B)以及上表面和下表面两者（图11B)上的实施例的示例波 导的输出边缘部分的特写截面图；
[0030] 图12A到12C是示出了对于其中输入光部分地填充波导（图12A)、大部分地填充 波导（图12B)以及基本上完全地填充波导（图12C)的示例的模拟光线的示例波导的示意 图；
[0031] 图13类似于图IlB并且示出了其中两个检测器被布置以使得检测器信号是异相 的示例检测器配置；
[0032] 图14示出了通过对输出光的电场而不是强度进行求和而获得的输出光束的一系 列模拟图像；
[0033] 图15是包括提高导波能力的上包覆层和下包覆层的示例波导，并且还示出了与 包覆的波导的下表面相接的显示单元的示意性部分分解侧视图；
[0034] 图16是依赖偏振效应以用于触摸感测的触摸系统10的示例实施例的示意图；
[0035] 图17是示出了两个检测器如何能被用于提供增强的信号检测和测量灵敏度的来 自两个检测器（det A、det B)的检测器信号SD的曲线图；
[0036] 图18A-18E是示出了归因于在触摸位置处被施加至波导的所引起的应力双折射 而导致所检测的输出光的量如何随波导的增加的弯曲而改变的如由图16的触摸系统所检 测的输出光的图像；
[0037] 图19A-19C是图16的触摸系统的示例实施例的示意性侧视图，其中图19B和19C 示出了示例离子交换的波导；
[0038] 图20是类似于图3和图4A中所示的，但其中波导区域被形成为毗邻玻璃衬底的 上表面的薄层的示意性侧视图；
[0039] 图21标绘了对于图20的示例触摸系统而言对于中心和边缘触摸位置的所收集的 功率（纳瓦）对所施加的力（牛顿）；
[0040] 图22和23是其中在玻璃片上形成通道波导区域的触摸系统10的示例配置的自 顶向下示意图；
[0041] 图24是示出了在对于不同的触摸位置的检测器信号之间如何存在可测量的时滞 藉此提供用于确定触摸事件位置的手段的对于两个不同的触摸事件位置的检测器信号振 幅对时间的曲线图；
[0042] 图25A是示出了与显示单元相接的本文中公开的触摸系统的示例压力感测显示 系统的立视图；
[0043] 图25B是图16A的压力感测显示系统的截面图；
[0044] 图26A是包括毗邻检测器设置的倾斜的衰减器的示例触摸系统的检测器端的截 面图；
[0045] 图26B是示出了示例滤波器衰减分布的归一化的透射T对衰减滤波器高度的示例 曲线图；
[0046] 图27A到27D是对于用于检测输出信号中的条纹以确定被施加在触摸位置处的压 力的量的四种不同的检测器配置的检测器信号对帧数（#)的曲线图；以及
[0047]图28A到28C向本文中所描述的基于偏振的实施例提供补充信息。
[0048] 为了参考起见在某些附图中显示了笛卡尔坐标，但是笛卡尔坐标不旨在关于方向 或取向的限制。 详细描述
[0049] 本公开可通过下面的详细说明、附图、示例和权利要求书以及之前和之后的描述 更容易地理解。然而，在公开和描述所提出的组成、制品、设备、和/或方法之前，应当理解 本公开不限于所披露的特定组成、制品、设备和方法，除非另有规定，否则它们当然可以变 化。也要理解本文中所使用的术语仅为了描述特定的方面而不是限制性的。
[0050] 本公开的以下描述在其当前已知的实施例中作为本公开的允许教义来提供。为 此，相关领域的普通技术人员将认识和理解可对本文中描述的本公开的各个方面作出许多 改变，同时仍获得本公开的有益结果。还应当清楚的是，通过选择本公开的某些特征而不采 用其它特征也可获得本公开期望的益处。因此，本领域普通技术人员将能认识到，在某些情 况下，可能需要、甚至是期望对本公开进行的许多修改和改变，这些修改和改变也构成本公 开的一部分。因此，提供以下描述用来说明本公开的原理而不是用来进行限制。
[0051] 公开了可用于所公开的方法和组成、可结合所公开的方法和组成而使用、可用于 所公开的方法和组成的制备、或者是所公开的方法和组成的实施例的材料、化合物、组成、 以及组分。本文中披露了这些和其它材料，并且要理解当披露这些材料的组合、子集和相互 作用、组等时，尽管可能为明确地披露这些化合物的每个个别和全体组合置换的特别指向， 然而每种情形在本文中是特别考虑并描述的。
[0052] 因此，如果披露了一类替代物A、B和C并披露了一类替代物D、E和F以及组合实 施例的示例A-D，则可单独地和共同地构想每一个。因此，在此示例中，从A、B和/或C ;D、 E和/或F以及示例组合A-D的公开内容，可具体地构想组合A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、 C-E以及C-F中的每一个，而且应当认为上述组合中的每一个也被披露。同样，这些内容的 组合的任意子集也被具体地构想和披露。因此，从A、B和/或C，D、E和/或F以及示例性 组合A-D的公开内容，例如A-E、B-F和C-E的子组被具体地构想到并应当被认为被披露。 这种理念适用于本公开的所有方面，包括但不限于作出和使用所公开的成分的方法中的任 意成分和步骤。由此，如果存在可被执行的众多附加步骤，则可理解，这些附加步骤中的每 个步骤可通过所披露方法的特定实施例或这些实施例的组合来执行，并且每个这样的组合 被特别地考虑并且应当被认为是已披露的。 压力感测触摸系统
[0053] 图IA是根据本公开的示例压力感测触摸系统（"触摸系统"）10的示意图。触摸 系统10可例如连同蜂窝电话、键盘、触摸屏和诸如能够无线通信的其它电子设备、音乐播 放器、笔记本计算机、移动设备、游戏控制器、计算机