专利名称：计算机系统的用户输入设备的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及一种用户输入设备，特别涉及一种计算机系统的用户输入设备。
2.现有技术的说明计算机系统的用户输入设备可以采取许多形式。所感兴趣的两种形式的用户输入设备是触摸屏和基于笔的屏幕。触摸屏通过用户以手指触摸显示屏来提供用户输入。基于笔的屏幕通过用户以记录笔或钢笔接触显示屏来提供用户输入。
提供触摸屏或基于笔的屏幕的一个常规方法是在显示屏上覆盖一个阻性或容性薄膜。常规薄膜方法的一个问题是薄膜容易被破坏。常规薄膜方法的另一个问题是这个方法的成本对于标准尺寸或较大的显示屏来说太贵，因为它是随周长以平方测量的。常规薄膜方法的另一个问题是大量半透明的薄膜覆盖在显示屏上。于是薄膜使得显示屏看起来显得模糊。为了补偿，显示屏应该提供更大强度的光输出，但这样并不总是足够有效的。例如，在便携式计算机的情况下，通常没有另外的光强度，并且，如果有的话，将会导致额外的功率消耗，而使便携式计算机的电池过度紧张。
提供触摸屏或基于笔的屏幕的另一种方法是使用成组红外发光二极管(LED)来提供光，使用对应的成组光电晶体管来检测光。常规基于光的方法的一个主要问题是它需要大量部件。并且这些部件对于在便携式计算机上使用还太大。常规基于光的方法的另一个问题是它不能提供基于笔的屏幕所需的高分辨率。另外，常规基于光的方法由于所需的大量部件而太贵。
提供触摸屏或基于笔的屏幕的另一种方法是使用光缆、液晶显示屏(LCD)作为可控掩膜，并使用一种多路复用方案。这样一种方法在美国专利No.5,196,836中进行了描述。在这里，虽然只使用了一个光发射器，但从光缆输出的光的扩散严重到需要可控LCD掩膜来顺序地同时隔离只从一个光缆输出的光。从隔离的光缆接收的光也需要在接收端进行隔离。给定这个结构，系统必须采用多路复用方案扫描通过每个光缆，这使得该方法非常慢。此外，该方法不能产生基于笔的屏幕所需的高分辨率，并且制作起来还相当昂贵。
因此，需要能够以适度的成本提供高分辨率的改进的用户输入设备。
发明概述概括地说，本发明涉及采用光格栅提供位置信息的电子设备的用户输入设备。采用引导光的发射和接收的波导产生和处理光格栅。可选地，可以使用光学器件来增强用户输入设备的操作。该用户输入设备特别适合于作为计算机系统等的用户输入设备来使用。
本发明可以以许多方式实施，包括作为装置、系统和方法。下面讨论本发明的几个实施例。
依据本发明的一个实施例的装置包括光源；光耦合以接收来自光源的光的发射波导部分，发射波导部分由绝缘材料形成，包括多个光发射波导，光发射波导响应于从光源接收的光产生第一组光束，第一组光束从第一方向的光发射波导发出；接收波导部分，与第一方向的发射波导分开放置，接收波导部分由绝缘材料形成，包括多个光接收波导，光接收波导用于接收从光发射波导发出的第一组光束；以及光检测器，与接收波导部分光耦合，接收来自接收波导部分的光接收波导的光，光检测器测量来自接收波导部分的光接收波导的光的光强度。该实施例还包括在光学上位置接近发射波导部分的透镜，以将从光发射波导发出的第一组光束向接收波导部分的对应的光接收波导校准。
作为电子设备的输入设备，本发明的另一个实施例包括至少一个光源；在多个光检测元件检测光强度的光检测器；以及，包括多个波导的金属版印刷限定的波导结构。光源将光耦合进波导结构的第一组波导，波导结构从耦合进波导的光产生光束格栅(grid of lightbeam)。光束格栅穿过一个输入区域，然后由波导结构的第二组波导引向光检测器。
作为确定相对于输入设备的用户输入的方法，本发明的一个实施例包括如下操作提供一个光源；从光源产生多个平行光束；同时将平行光束引导通过输入设备的输入区域，输入区域相对于输入设备被定位；同时接收已经通过输入区域后的特定平行光束；确定所接收的每个平行光束的光强度；以及，根据所确定的光强度值确定相对于输入区域是否有用户输入。
本发明的优点是很多的。本发明的一个优点是可获得高分辨率。本发明的另一个优点是输入设备的成本适中，并明显低于常规设计，因为成本是随周长以线性计算的，从而使得该输入设备在普通和大尺寸显示屏上特别有好处。本发明的又一个优点是显示屏强度不受妨碍。本发明的又一个优点是输入设备需要很少的相对较小、便宜且容易安装在二维表面上的部件。
通过下面结合附图进行的、以例示方式显示出本发明的原理的详细说明，本发明的其他方面和优点将变得明显。
附图简要说明通过下面结合附图进行的详细说明，本发明将变得容易理解，其中相似的标号代表相似的结构部件，其中
图1是依据本发明的一个实施例的输入位置检测系统的方框图；图2是计算机系统的示意图；图3是依据本发明的一个实施例的输入设备的示意图；图4是依据本发明的一个实施例的输入设备的原理图；图5显示了依据本发明的一个实施例的波导安排的原理图；图6A和6B是图5中所示波导的横断面图；图6C是显示依据本发明的一个实施例的波导部分的结构构造的示意图；图6D是依据本发明的一个实施例用于制作图6C中所示波导的制作过程的流程图；图6E是显示输出波导的示意图；图6F是依据本发明的另一个实施例用于制作波导结构的制作过程的流程图；图7A是显示光耦合进波导的示意图；图7B是显示波导耦合到接收器的示意图；图7C是依据本发明的一个实施例用于实施接收器的ASIC布局的方框图8是依据本发明的一个实施例的初始化处理的流程图；图9是依据本发明的一个实施例的阈值调节处理的流程图；图10A是依据本发明的一个实施例的阴影检测处理的流程图；图10B和10C是显示依据本发明的一个实施例的阴影检测处理的例子的示意图；图11A和11B是显示将微透镜接近波导放置以减轻从波导发射出的光的扩散的原理图；以及图12A-12D是依据本发明的其他实施例的输入设备的原理图。
发明详细说明本发明涉及采用光格栅提供位置信息的电子设备的用户输入设备。采用引导光的发射和接收的波导来产生和处理光格栅。可选地，可以使用光学器件来增强用户输入设备的操作。该用户输入设备特别适合于作为计算机系统等的用户输入设备来使用。
下面参考图1-12D讨论本发明的实施例。然而，本领域普通技术人员将会容易地理解，这里关于这些附图所给出的详细说明是例示性目的，本发明还延伸到这些有限实施例之外。
图1是依据本发明的一个实施例的输入位置检测系统100的方框图。输入位置检测系统100包括将光送往波导104的光源102。波导104将输入光重新引导成多个光束106，该多个光束106通过传输媒介108引向波导110。波导110将接收的光束107作为光束114送往光接收器112。然后光接收器112根据每个光束114的所接收光的强度级确定光接收器112接收的每个光束114是“开”还是“关”。
光接收器112将被阻塞(例如，由用户输入)同时被引导通过传输媒介108的那些光束106识别为“关”光束。用户的手指(触摸输入)或记录笔(基于笔的输入)阻止一个或多个光束106到达波导110和光接收器112。被阻塞的特定的一个或多个光束106于是提供了用户输入相对于光束106的位置，光束106最好相对于传输媒介108(例如，显示屏)具有一预先确定的相对位置。因此，光接收器112确定为“关”的一个或多个光束114表明用户输入的位置。
可选地，输入位置检测系统100可以在发射端、即接近波导104的输出端包括透镜116(例如，聚合物微透镜阵列)。透镜116最好是将光束106通过传输媒介108送往相应波导110的校准透镜。输入位置检测系统100还可以在接收端(即，接近波导110的输入端)包括透镜118。透镜118将通过传输媒介108引导的光束引导进相应波导110。
图2是计算机系统200的示意图。计算机系统200是适合于使用依据本发明的输入设备的代表性计算机系统。计算机系统200包括一个具有CD-ROM驱动器204和软盘驱动器206的计算机机箱202。计算机系统200还包括显示设备208、键盘210和指点器(例如鼠标)212。图2中所示的计算机系统200是一个台式计算机系统，其中，显示设备208通常是一个通过电缆(未显示)耦合到计算机机箱202的单独制造物品。计算机系统200的键盘210和指点器212使用户能够向计算机系统200提供用户输入。
如上所述，本发明涉及由诸如计算机的电子设备使用的基于光格栅的输入设备。依据本发明的一个实施例，将输入设备放在显示设备208的屏幕区域214上，并固定到显示设备208的环绕屏幕部分214的周围部分216上。输入设备最好不延伸出或阻挡屏幕区域214。或者，输入设备可以与显示设备208做成一个整体。用户能够通过遮断由输入设备产生的光格栅的特定部分来向计算机系统200提供用户输入。因此，输入设备不同于常规的触摸屏或基于笔的屏幕，但以大致相同的方式向计算机系统200提供了位置信息。依据本发明的另一个实施例，可以将输入设备放在便携式计算机的显示屏上或与其为一整体。虽然依据本发明的输入设备最好放在显示屏上或与其为一整体，应该认识到，依据本发明的输入设备还可以放在除了显示屏的其他表面上。例如，输入设备可以围绕一个用于笔或触摸输入的衬垫、底板或输入板。
输入设备还可以用在除了计算机系统的用户输入的各种环境中。例如，输入设备可用于机器人定位，在这里，输入设备提供机器人定位信息。作为另一个例子，输入设备可以与安全或应急传感器一起使用，在这里，光束的中断作为一个开关操作。
图3是依据本发明的一个实施例的输入设备300的示意图。输入设备300是具有左边302、底边304、右边306和顶边308的矩形结构。输入设备300在两边产生许多平行光束，输入设备300在另两边接收许多平行光束。与输入设备300相联系的光检测器判断所接收的光束，以确定任何用户输入相对于矩形结构的位置参考。输入设备300包括一个从光源引导光或将光引向光检测器的波导结构。波导结构包含波导部分310-316，每个波导部分310-316具有多个波导。波导作为光通道来操作。在图3中，将波导部分310和312显示为分别具有多个波导318和320。每个波导用于产生光束或接收光束。
在这个实施例中，将输入设备300放在计算机系统的显示设备的屏幕区域周围。例如，可以通过将输入设备300固定在显示设备208的外围部分216来将输入设备300放在图2中所示的计算机系统200的显示设备208的屏幕区域214的周围。可以以各种方式将输入设备300保持在适当位置。例如，可以将输入设备制作或安装进显示设备，或用机械方法固定在围绕显示设备308的显示设备的外围部分上。在一种情况下，一个卡扣(snap-in)式塑料框架支持输入设备300的部件，该塑料框架可以结合在显示设备208中。或者，在显示设备是一个平面显示器(例如，便携式计算机的平板显示器)的另一种情况下，可以将支持显示设备的部件的组件结合进围绕平面显示器的金属挡板上。
虽然图3显示的输入设备300具有矩形结构，但依据本发明的输入设备不必是规则的或矩形的。事实上，与依据本发明的输入设备一起使用的波导结构在输入设备所采取的形状方面提供了灵活性。
图4是依据本发明的一个实施例的输入设备400的原理图。输入设备400是输入设备300的详细示意图，其中，分别采用两个光源和两个接收器来发射和接收光格栅。然而，图4没有显示出输入设备400的诸如图3中所示的输入设备300的机箱。
输入设备400包括第一发射器402、第二发射器404、主接收器406和从接收器408。另外，输入设备400包括波导部分410、412、414和416。波导部分410-416的安排为使得它们沿输入区域(例如显示设备的屏幕区域)的外围的周围放置。从接收器408与主接收器406进行通信，主接收器406与一个主机(例如计算机系统200)进行通信。
输入设备400还可以包括透镜部分422、424、426和428，虽然图3中未显示，但这些透镜部分也最好位于输入设备400的机箱内。透镜部分422、424、426和428中的每一个分别对应于波导部分410、412、414和416。透镜部分422、424、426和428的安排接近波导部分410-416，因此放在输入区域(例如显示设备的屏幕区域)的外围的周围。
输入设备400的操作如下。当发射器402被激活时，光被耦合进与发射器402相邻的波导部分410的末端。被耦合进波导部分410的光然后被引向波导部分410内的多个波导(即，光通道)。波导部分410内的这些波导中的每一个产生一个水平光束418，水平光束418横穿过显示设备的屏幕区域，到达波导部分412。波导部分412包含对应于波导部分410中的波导的多个波导。来自波导部分410的光束418被引向波导部分412中的波导并与其对准，以使得所接收的光束被引向从接收器408的光检测元件。从接收器408与波导部分412的末端邻接(或几乎邻接)，以便在从接收器408的光检测元件从波导部分412内的每个相应波导接收光。
同样，当发射器404被激活时，光被耦合进与发射器404相邻的波导部分414的末端。被耦合进波导部分414的光然后被引向波导部分414内的多个波导(即，光通道)。波导部分414内的这些波导中的每一个产生一个垂直光束420，垂直光束420横穿过显示设备的屏幕区域，到达波导部分416。波导部分416包含对应于波导部分414中的波导的多个波导。来自波导部分414的光束420被引向波导部分416中的光通道并与其对准，以使得所接收的光束被引向主接收器406的光检测元件。主接收器406与波导部分416的末端邻接(或几乎邻接)，以便在主接收器406的光检测元件从波导部分416内的每个相应波导接收光。
当输入设备400包括透镜部分418-424时，虽然通过减少扩散增强了操作，但操作基本相同。采用透镜的好处是光被校准，以使得光束可以横穿过较大屏幕区域，并简化波导部分的制作。离开波导部分410的水平光束418由透镜部分422校准，然后由透镜部分424再次聚焦，从而使水平光束418由波导部分412中的波导接收。同样，离开波导部分414的水平光束420由透镜部分426校准，然后由透镜部分428再次聚焦，从而使水平光束420由波导部分416中的波导接收。
发射器402和404最好是光源。例如，每个接收器402和404可以是发光二极管(LED)。由发射器发出的光的波长可以在很大范围内变化。然而，波长最好在0.38到1.10微米的范围内。更适宜地，光的波长在0.40到0.48微米的范围内。或者，光的波长在0.70到0.95的范围内。在一个实施例中，用作为发射器的LED可以是波长大约为0.43微米的蓝氮化镓LED。下面参考图5、6A、6B、6C和6D说明波导部分410-416。
可以以多个不同方式设计从接收器408和主接收器406。例如，接收器406和408可以由定制的专用集成电路(ASIC)或带有光敏区域的其他电路来实施。
接收器406和408还耦合到或包括将来自光敏区域的光敏测量量变换成数字量、然后将数字量发送给主机的电路。这个电路可以以许多方式实现，包括在专用集成电路(IC)或在ASIC或包含光敏区域的其他电路上实现。不考虑实施形式，接收器406和408执行处理任务，以操作输入设备400。采用ASIC方法的优点是光敏器件(光检测元件)可以与执行由接收器406和408执行的其他处理任务的逻辑元件在同一个集成电路上形成。光敏器件还可以以许多方式制成。电荷耦合器件(CCD)适合于光检测，但它们的电路比CMOS电路需要更多的硅，并消耗更多能量。CMOS技术不能制造CCD传感器，但如同本领域所公知的，其他光敏器件可以采用CMOS技术来制造。下面将参考图7C讨论ASIC方法的其他细节。
图5显示了依据本发明的一个实施例的波导安排500的原理图。波导安排500显示出从光源通过一对波导部分到接收器的光耦合。波导安排500例如适合于图4中所示的输入设备400的波导部分414和416。
波导安排500包括第一波导部分502和第二波导部分504，形成一对用于一个方向的输入的波导部分。当光506加到波导部分502的一个末端时，形成多个光束508，并由波导部分502中的多个光发射波导(即，光发射通道)引向波导部分504。每个光束508被引向波导部分504的一个对应的光接收波导(即，光接收通道)。波导部分504的光接收波导然后将从光束508接收的光引向波导部分504的末端，在这里(为接收器)产生多个光束510。每个光束510对应于在波导部分504的一个光接收波导中接收的光。使波导安排500在确定时有用的输入方向是垂直于光束508(即，图5中的水平方向)。
图6A和6B是图5中所示的波导部分504和502的横断面图。在图6A中，将波导部分600显示为具有光接收边602和光输出端603。光接收边602包括多个波导(通道)来接收光。特别地，将光接收边602显示为具有许多光接收波导，在这里显示了光接收波导604、606、608、610和612。这些光接收波导中的每一个在波导部分600的光输出端603分别具有对应的光输出波导(通道)614、616、618、620和622。光接收波导604、606、608、610和612和光输出波导614、616、618、620和622在波导部分600内部。
在图6B中，波导部分624包括光输出边626和光输入端628。光输出边626具有多个光输出波导(通道)630、632、634、636和638。光输出波导630、632、634、636和638中的每一个对应于波导部分600的光接收波导612、610、608、606和604中的相应一个。波导部分624的光输入端628被显示为具有多个光输入波导(通道)，在这里显示了光输入波导640、642、644、646和648。光输入波导640、642、644、646和648中的每一个在波导部分624的光输出边626分别具有对应的光输出波导(通道)630、632、634、636和638。光输入波导640、642、644、646和648和光输出波导630、632、634、636和638在波导部分600内部。
为了使波导部分的尺寸保持较小但允许它们提供高分辨率，波导部分最好包括波导层。图6C是显示依据本发明的一个实施例的波导部分650的结构构造的示意图。波导部分650包括第一衬底652，支持在第一衬底652的上表面上的波导654和在第一衬底652的下表面上的波导656。波导部分650还包括第二衬底658，支持在第二衬底658的上表面上的波导660和在第二衬底658的下表面上的波导662。波导660、656的高度、宽度和形状可以变化很大。然而，在一个合适的实施例中，高度大约为5微米，宽度大约为10微米，而形状为矩形。然后将一聚酯层664夹在第一和第二衬底652和658及其相关的波导之间，并将波导部分650用光学胶保持在一起。波导部分650的波导层的优点是帮助提供高分辨率。波导部分650的结构构造也被称作为波导层状结构。为了容易显示，图6C中所示的波导部分650未显示图6A和6B中所示通道的弯曲。希望将输入设备的组件(机箱)保持为断面高度小于2mm。在一个实施例中，单个波导层(即，带有波导的玻璃板)是760微米厚，玻璃板大约为0.7mm厚，二苯并环丁烯(BCB)层厚度可变(例如在大约0.5至50微米的厚度范围内)。因此，波导夹层结构的两个单波导层(即，在双面上带有成行单个波导的玻璃板)和在两个波导层之间的一聚酯层(例如，大约5密耳)的总共厚度大约为4mm。
图6D是依据本发明的一个实施例用于制作图6C中所示波导部分650的制作过程670的流程图。最初，制作过程670获得672一片玻璃。玻璃片作为单个波导的构造的支持衬底。接着，将BCB层加到674玻璃片的第一面，进行温和地烘烤。BCB是光敏材料。然后，将光敏BCB曝光并显影676，以形成通道。接着，将BCD层烤干678。换言之，由金属版印刷处理形成通道。此后，可以由下述处理在衬底的另一面上形成通道。将玻璃片翻过来680。将BCB层加到682玻璃片的第二面，进行温和地烘烤。然后，将光敏BCB曝光并显影683，以形成通道。然后将BCD层烤干684。然后将玻璃片用激光切割685成单个波导。激光蚀刻和切割是标准工艺过程。最后，可以用聚酯条和光学胶将两个单个波导合并686在一起(参见图6C)。聚酯条用于将合并的单个波导彼此分开或隔离。在方框686之后，制作过程670完成并结束。
图6E是显示扩口波导690、692和694的示意图。扩口波导可以用在发射和/或接收波导的末端。例如，光输出波导630-638接近波导部分624的光输出边的部分可以是扩宽的或如图6E所示逐渐变细的。通过将光输出波导扩宽可以降低光的光衍射扩散。同样，扩宽光输入波导增大了入射光耦合的面积。
图6F是依据本发明的另一个实施例用于制作波导结构的制作过程696的流程图。一般来说，波导结构包括衬底、低指数(index)折射层和高指数折射层。在参考图6D讨论的实施例中，玻璃可以既用作衬底又用作低指数折射层，而BCB层可以用作为高指数折射层。
在任何情况下，制作过程696如下。最初，获得衬底材料696-1。判决框696-2然后确定该衬底材料的折射系数(IOR)是否低于要使用的波导材料的折射系数。当判决框696-2确定该衬底材料的折射系数不低于波导材料的折射系数时，则获得696-3一个带有低折射系数(低IOR)的材料。然后将材料加到696-4衬底的两面。如果低IOR材料需要烘烤或弯曲，则执行这样的操作。因此，其上带有材料的衬底具有低于波导材料的折射系数的折射系数。另一方面，当判决框696-2确定该衬底材料的折射系数低于波导材料的折射系数时，则绕过方框696-3和696-4。
衬底材料的所需特性包括坚硬、低的热膨胀系数、低的水吸附能力、对低IOR材料的波导材料的表面附着性以及低成本。合适的衬底材料包括玻璃、一些塑料、陶瓷。低IOR层的所需特性包括比波导材料低的IOR、光学透明度、对衬底材料和波导材料的附着性、作为涂层运用或作为薄膜生长、低的热膨胀系数、低的水吸附能力以及低成本。
在方框696-4之后或当判决框696-2确定出衬底材料的折射系数低于要使用的波导材料的折射系数时在方框696-2之后，获得一片波导材料696-5。波导材料的所需特性包括比低IOR材料或衬底材料高的IOR、光学透明度、对衬底材料和波导材料的附着性、作为涂层运用或作为薄膜生长、低的热膨胀系数、低的水吸附能力以及低成本。然后涂敷波导材料的第一面696-6。一旦被涂敷，波导材料的第一面可以被金属版印刷构图696-7，以形成单个波导。然后涂敷波导材料的第二面696-8。一旦被涂敷，波导的第二面可以被构图696-9，以形成单个波导。因此，通过这个处理，在衬底的双面上都制成单个波导，从而提高了波导可以提供的象素密度(即，分辨率)，并减小了尺寸需求和成本(参见图6C)。此后，波导部分从制作的衬底和波导材料上剪切下来696-10。
图7A是显示光耦合进波导部分的示意图。如图所示，波导部分是图6B中所示的波导部分624。特别地，发光二极管(LED)700包括光输出部分702，根据提供给LED 700的端口704和706的电信号从光输出部分702输出光。光输出部分702与波导部分624的末端628相邻接(或几乎邻接)，从而将光提供给波导部分624。LED 700最好具有相对短的波长，例如蓝LED。更特别地，LED 700是一个430纳米(nm)蓝氮化镓LED，可从Stanley公司得到。Stanley蓝氮化镓LED的输出光强度大约为100毫坎德拉。LED进入一个T1插件，其中T1插件是直径大约为3.2毫米(mm)的小插件。
图7B是显示波导部分到接收器的光耦合的示意图。如图所示，波导部分是图6A中所示的波导部分600。特别地，波导部分600通过其光接收波导604-612接收并引导光到在光学上与波导部分600耦合的接收器。在这个所示实施例中，光接收波导604-612在光学上耦合到作为接收器操作的集成电路器件710的光检测区域708。集成电路器件710可以以各种方式附着到(或接近)波导部分600。例如，输入设备的机箱(参见图3)、粘合剂或一些其他机械结构可以提供对集成电路器件710相对于波导部分600的机械支持，以提供所需的光耦合。
图7C是依据本发明的一个实施例用于实施接收器的ASIC布局720的方框图。ASIC布局720包括各种功能逻辑模块。发射器驱动器722向发射器(光源)提供电源(PWR)和接地(GND)信号，以使其发光。时钟电路724向发射器驱动器722提供一个时钟信号，从而根据与该时钟信号相联系的占空度控制发射器的操作。ASIC布局720还包括检测由接收器接收的光的光电检测器及相关电路726。光电检测器及相关电路的输出是表明那些在x和y方向为黑的象素的信号。然后由处理电路728处理这些输出信号。例如，处理电路执行下面讨论的阴影处理。处理电路728包括一个先进先出(FIFO)缓冲器730，在这里暂时存储要被送到主机的数据。通信电路732检索存储在FIF0缓冲器730中的数据，并将数据输出到主机。接收器720与数据(DATA)和接地(GND)信号电连接。处理电路728和通信电路732也接收来自时钟电路724的时钟信号，用于与时钟信号同步处理。ASIC布局720还包括初始化电路734，用于启动和初始化光电检测器及相关电路726和处理电路728。
图8是依据本发明的一个实施例的初始化处理800的流程图。初始化处理800在开始激活802光源。例如，参看图4，光源402和404(发射器)将被激活。接着，读取每个光读出元件的光强度值804。即，参看图4，接收器406和408的光读出元件进行操作以测量出其每个光读出元件的输入的光强度值。此后，具有低于一预定阈值的光强度值的光读出元件被禁止806。不再使用被禁止的光读出元件，因为它们不对应于对应波导的光接收通道。换言之，初始化处理800的操作使波导的光接收通道与接收器406和408的适当的光读出元件有效地对准。一般来说，这种处理是需要的，因为它有助于输入设备400的制造、设计和安装，特别是因为在波导内的通道非常窄并且接收器一般将包括一个超过波导末端尺寸的光读出元件的区域。例如，在图7B中，集成电路器件710的光检测区域708比波导600的末端603要大。在方框806之后，初始化处理800完成并结束。
图9是依据本发明的一个实施例的阈值调节过程900的流程图。阈值调节过程900最初读取902在周围光条件下的每个允许光读出元件的光强度值。然后，根据已经被读出的光强度值确定一个“开”阈值904。接着，在接收器中设置“开”阈值906。举例来说，“开”阈值可以由周围电流(current)加上n(周围电流-黑电流)来设置906，其中n是一个整数。在方框906之后，阈值调节过程900完成并结束。
阈值调节处理900用于为接收器周期地并经常地设置“开”阈值量，以便接收器能够正确地在“开”和“关”条件之间判别。通过周期地并经常地更新“开”阈值量，输入设备能够补偿可能会影响由光读出元件测量的光强度值的周围光条件的变化。例如，如果具有依据本发明的输入设备的计算机系统用户最初在暗处开始使用计算机系统，然后打开了一盏灯(将光朝向波导)，则周围光条件改变，由于周围光条件的这种改变，输入设备不能正常地操作。因此，阈值调节处理900能够补偿周围光条件的变化，以使得输入设备能以可靠的方式工作，而不考虑周围光条件或其变化。
图10A是依据本发明的一个实施例的阴影检测处理1000的流程图。检测到的阴影与对依据本发明的输入设备的用户触摸或记录笔触摸相联系。手指或记录笔对具有安装在其上的依据本发明的输入设备的显示设备的触摸使得一个阴影被产生，因为由输入设备产生的特定光束将被阻挡。由于交叉通过(即光格栅)屏幕区域表面的特定光束被阻挡(或中断)，因此接收器对于这些光读出元件测量出非常低的强度，所以产生了阴影。由于这些特定光束被阻挡，接收器于是将这些特定光束检测为“关”。
阴影检测处理1000最初为每个允许光读出元件读取1002光强度值。然后，对于那些被确定为“关”的允许光读出元件，存储1004标识符。接着，从接收器将这些为“关”的允许光读出元件的标识符传送给主接收器1006。主接收器然后从这些标识符确定最小阴影1008。通过确定最小阴影1008，输入设备能够将记录笔或钢笔输入与同时触摸屏幕的用户的手判别开来。在确定出最小阴影1008之后，将最小阴影的坐标位置传送给主机1010。在方框1010之后，阴影检测处理1000完成并结束。
下面参考图10B和10C说明阴影检测处理1000的一个例子。在图10B和10C中，将光检测单元编号为0，1，2，3，...，n。在这些例子中，假设只有那些未接收光的光检测单元(例如，黑单元)输出一个信号。在处理中，将每个黑单元的地址按顺序输入到一个逻辑阵列。然后逻辑阵列最好首先扔出可能存在的任何阴影的除了第一个和最后一个象素的其他所有象素，在先进先出(FIFO)缓冲器中的存储器中只留下模式第一个，最后一个；第一个，最后一个，…。例如对于图10B，FIFO将包含3，6；12，12。处理然后选择最小阴影，并输出其中心和宽度。在这个例子中，将12、1送到主机。在另一个例子中，对于图10C，FIFO将包含12、16，然后将14、5送到主机。
通过选择最小阴影送到主机，阴影检测处理1000能够滤除两个物体例如记录笔和手同时触摸屏幕的情况。通过识别和选择最小阴影，阴影检测处理1000能够在两个物体之间进行区分，并选择出所需的一个。然而，当来自手的阴影覆盖了记录笔的阴影时，这个技术并不起作用，但这种情况通常不会发生。发送阴影的宽度是因为这给出了记录笔的宽度。这对于在笔屏幕上的书法是很有用的，并且对于测量应用也是潜在有用的。另外，如上所述，依据本发明的输入设备可选地还包括透镜(例如，衍射透镜)，以便将由发射波导输出的光校准到接收波导。透镜可以是单个透镜，也可以是透镜阵列。假设波导很小(例如3-6微米)，透镜常常被称为微透镜。进一步地，输入设备的接收端还可以包括将光聚焦进接收波导的透镜(例如，衍射透镜)。
图11A和11B是显示将微透镜接近波导放置以减轻从波导发射的光的扩散的原理图。在图11A中，光学装置1000将微透镜1102接近波导1104的输出端放置。微透镜1102用以校准从波导1104发出的光。因此，横穿过一个输入区域的光束是校准光束1106。具有扩口部分的波导1108在横穿过输入区域之后接收校准光束。波导然后将接收的光引向接收器。在图11B，光学装置1110与发射端的光学装置1000类似，不同之处是处于接收端。特别地，透镜1112在横穿过输入区域之后接收校准光。透镜1112将接收的校准光束聚焦在波导1114上。
透镜的使用用于简化波导的结构，因为蚀刻波导的厚涂层既困难又耗时。例如，可能认为5μm为中等程度，10μm稍微有点厚，20μm就相当厚了。波导中的光扩散量反比于该维数中的波导的尺寸，所以越厚的涂层意味着越深的波导，意味着越少的扩散。因此，应用透镜，则可以为波导使用较薄的涂层(例如，5微米)。使用透镜的另一个优点是发射器所需的功率(即，光强度)可以减小。
透镜一般是用塑料制成的。透镜可以以几种不同的方式制作。一种方法是通过注射装置在衬底上沉积小滴树脂，其中注射装置控制小滴的特性和位置。这种处理提供了很高的质量，但比较昂贵。因此，最好用于母板制作。另一种方法涉及金属版印刷蚀刻，然后在衬底上熔化并重新凝固塑料。传统的诸如高质量模塑和浮雕等方法也可以使用，并且比较便宜。透镜可以从生产微透镜阵列的许多厂商(例如，加拿大的TR Labs of Alberta)获得。
图4所示并且如上所述的输入设备的实施例可能是本发明的一个最佳实施例。然而，应该理解，也可以使用本发明的其他实施例。在这些实施例中，波导部分、发射器和接收器的数目可以变化。虽然由于部件的制造还可能提供实际限制，所以对于较大周长的输入区域可能需要更多的部件，但一般来说，部件越少越便宜。图12A-12D是依据本发明的其他实施例的输入设备的原理图。这些实施例以与图4相同的方式显示了依据本发明的输入设备的不同安排。在每个实施例中，虚线表示从发射器(光源)通过波导、穿过输入区域、进入波导的光路。此外，虽然未显示，这些实施例可以以与图4中所示类似的方式包括透镜。图12A是带有具有四个部分的波导结构的两个发射器(T1，T2)、两个接收器(R1，R2)实施例的原理图。图12B是带有具有两个部分的波导结构的一个发射器(T1)、一个接收器(R1)实施例的原理图。图12C是带有具有一个部分的波导结构的一个发射器(T1)、一个接收器(R1)实施例的原理图。通过只具有一个部分，虽然制作成本可能会更高，但避免了相对光学波导部分的对准。图12D是带有具有一个部分的波导结构的一个发射器(T1)、四个接收器(R1、R2、R3、R4)实施例的原理图。应用图12D所示的实施例，可以覆盖大输入区域的情况。由于接收器在可以提供光检测的波导或象素数目上有限制，所以本发明使用另外的接收器以便能够调整到较大周长的输入设备。
从上面的描述中，本发明的许多特征和优点都变得明显，因此由附带的权利要求书覆盖本发明的所有这些特征和优点。此外，由于对于本领域普通技术人员可以容易地作出许多修改和改变，所以不希望将本发明限制在所显示和说明的确切结构和操作上。因此，任何合适的修改和等效都可以视为落入本发明的范围之内。
权利要求
1.一种装置，包括光源；光耦合以接收来自所述光源的光的发射波导部分，所述发射波导部分由绝缘材料形成，包括多个光发射波导，光发射波导响应于从所述光源接收的光产生第一组光束，所述第一组光束在第一方向从光发射波导发出；接收波导部分，在第一方向与所述发射波导分开放置，所述接收波导部分由绝缘材料形成，包括多个光接收波导，光接收波导用于接收从所述光发射波导发出的所述第一组光束；以及光检测器，与所述接收波导部分光耦合，接收来自所述接收波导部分的光接收波导的光，所述光检测器测量来自所述接收波导部分的光接收波导的光的光强度。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述装置是一个电子设备的输入设备。
3.如权利要求2所述的装置，其中，在所述发射波导部分和所述接收波导部分之间产生一个输入区域。
4.如权利要求3所述的装置，其中，用户可以通过以手指或记录笔与输入区域相互作用来向电子设备提供输入。
5.如权利要求1所述的装置，其中，光发射波导和光接收波导具有矩形横截面。
6.如权利要求3所述的装置，其中，所述装置是一个与输入区域相互作用的计算机系统的用户输入装置。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述光检测器是一个具有光读出区域的集成电路，其中光读出区域与所述接收波导部分光耦合，以便从所述接收波导部分的光接收波导接收光。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括在光学上位置接近所述发射波导部分的透镜，以将从光发射波导发出的所述第一组光束向所述接收波导部分的对应的光接收波导校准。
9.如权利要求1所述的装置，其中，光发射波导和光接收波导是金属版印刷限定的波导。
10.如权利要求9所述的装置，其中，在产生第一组光束时，每个光发射波导以至少45度弯曲方式重新引导从所述光源接收的光。
11.如权利要求8所述的装置，其中，所述装置是一个用于向计算机系统提供用户输入的输入设备，以及其中，所述光检测器是一个具有光读出区域的集成电路，其中光读出区域与所述接收波导部分光耦合，以便从所述接收波导的光通道接收光。
12.一种电子设备的输入设备，包括至少一个光源；在多个光检测元件检测光强度的光检测器；以及，包括多个波导的金属版印刷限定的波导结构，其中，所述光源将光耦合进所述波导结构的第一组波导，所述波导结构从耦合进波导的光产生光束格栅，光束格栅穿过一个输入区域，然后由所述波导结构的第二组波导引向所述光检测器。
13.如权利要求12所述的输入设备，其中，所述金属版印刷限定的波导结构是绝缘材料，并且其中，第一组波导通过输入区域向第二组波导的对应波导发送光束。
14.如权利要求13所述的输入设备，其中，所述输入设备还包括在光学上位置接近所述波导结构的透镜，以将从第一组波导发出的光束进行校准。
15.如权利要求12所述的输入设备，其中，所述输入设备还包括在光学上位置接近所述波导结构的透镜，以将从第一组波导发出的光束进行校准。
16.如权利要求15所述的输入设备，其中，所述透镜是在一条接近发出光束的第一组波导的光射出端放置的材料中形成的微透镜。
17.如权利要求12所述的输入设备，其中，光发射波导和光接收波导是金属版印刷限定的波导。
18.如权利要求17所述的输入设备，其中，光发射波导和光接收波导是在衬底材料上形成的。
19.如权利要求12所述的输入设备，其中，所述输入设备向计算机系统提供用户输入，以及其中，所述光检测器是一个具有光读出区域的集成电路，其中光读出区域与所述接收波导部分光耦合，以便从所述接收波导的光通道接收光。
20.如权利要求19所述的输入设备，其中，集成电路的光读出区域包括多个光敏单元。
21.如权利要求12所述的输入设备，其中，所述波导结构包括多个部分。
22.如权利要求22所述的输入设备，其中，第一波导部分产生水平光束，第二波导部分产生垂直光束，第三波导部分与第一波导部分通过输入区域相对放置，从第一波导部分接收水平光束，第四波导部分与第三波导部分通过输入区域相对放置，从第二波导部分接收垂直光束。
23.如权利要求12所述的输入设备，其中，所述波导结构是一个单一结构。
24.如权利要求12所述的输入设备，其中，电子设备是具有显示设备的计算机系统，显示设备包括屏幕区域和外围部分，其中，所述输入设备固定在显示设备的外围部分上，所述输入设备的输入区域置于显示设备的屏幕区域上。
25.一种用于确定相对于输入设备的用户输入的方法，所述方法包括(a)提供一个光源；(b)从光源产生多个平行光束；(c)同时将平行光束引导通过输入设备的输入区域，输入区域相对于输入设备被定位；(d)同时接收已经通过输入区域后的特定平行光束；(e)确定所接收的每个平行光束的光强度；以及(f)根据所确定的光强度值确定相对于输入区域是否有用户输入。
26.如权利要求26所述的方法，其中，所述方法确定用户输入相对于输入设备的位置，以及其中，所述方法还包括(g)根据所确定的光强度值确定用户输入相对于输入设备的位置。
全文摘要
这里公开了一种用于电子设备的用户输入设备。用户输入设备应用光格栅提供了定位信息。光格栅是从光源和波导产生的。还采用波导和光检测器来接收和处理光格栅。可选地,可以采用光学器件来增强用户输入设备的操作。该用户输入设备特别适合用作为计算机系统等的用户输入设备。
文档编号G06F3/042GK1260060SQ98804781
公开日2000年7月12日 申请日期1998年3月12日 优先权日1997年3月14日
发明者D·S·格拉安, D·A·弗朗西斯 申请人:波亚桑纳公司