專利名稱：用于觸摸和對象敏感顯示器的照射器的制作方法
用于觸摸和對象敏感顯示器的照射器
背景技術(shù)：
基于視覺的輸入系統(tǒng)使得人們與計算機交互更加容易。特別地，計算機辨別觸摸和標識對象的能力允許實現(xiàn)大量的自然直觀的輸入機制。因此，基于視覺的輸入技術(shù)的進一步的發(fā)展可以提供基于鍵盤和鼠標的輸入機制的實用的替代方案。為了實現(xiàn)更大的功能、緊湊性和設(shè)計靈活性，基于視覺的輸入系統(tǒng)可以與諸如平板顯示系統(tǒng)之類的顯示系統(tǒng)共享空間。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種集成的視覺和顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括顯示圖像形成層，該顯示圖像形成層被配置成發(fā)送顯示圖像以便通過顯示表面觀看。該系統(tǒng)也包括成像檢測器，該成像檢測器被配置成對相對于顯示表面法線的窄角度范圍的紅外光成像。在這里，成像的紅外光包括來自設(shè)置在顯示表面上面或附近的一個或多個對象的反射。該系統(tǒng)也包括視覺系統(tǒng)照射器，其包括視覺系統(tǒng)發(fā)射器以及可見光和紅外傳輸光導(dǎo)。視覺系統(tǒng)發(fā)射器被配置成發(fā)射紅外光以便照射所述一個或多個對象。光導(dǎo)被配置成接收來自視覺系統(tǒng)發(fā)射器的紅外光。 光導(dǎo)經(jīng)由全內(nèi)反射傳導(dǎo)紅外光，并且將紅外光投射到相對于顯示表面法線的窄角度范圍之外的所述一個或多個對象上。應(yīng)當理解的是，上面的概述被提供以便以簡化的形式引入概念的選擇，這些概念在下面的具體實施方式
中進一步加以描述。其并非意在標識要求保護的主題的關(guān)鍵或基本特征，所述主題的范圍由具體實施方式
之后的權(quán)利要求限定。此外，要求保護的主題并不限于解決上面指出的任何缺陷或者處于本公開的任何部分的實現(xiàn)方式。


圖1示出了依照本公開的一個實施例的工作臺的方面。圖2為示出依照本公開的一個實施例的光學系統(tǒng)的方面的示意性截面圖。圖3-10為示出依照本公開的不同實施例的耦合結(jié)構(gòu)的方面的示意性截面圖。圖11為示出本公開的另一個實施例中的光學系統(tǒng)的方面的示意性截面圖。圖12示出了依照本公開的一個實施例的輻照度與跨光導(dǎo)的距離的關(guān)系的曲線圖。圖13示出了依照本公開的一個實施例的針對兩個入射角范圍的濾光層反射比/P 與波長的函數(shù)關(guān)系的曲線圖。圖14為示出本公開的另一個實施例中的光學系統(tǒng)的方面的示意性截面圖。
具體實施例方式現(xiàn)在通過實例的方式并且參照特定示出的實施例描述本公開的主題。在兩個或更多實施例中可能基本上相同的部件協(xié)調(diào)地標識并且以最少的重復(fù)進行描述。然而，應(yīng)當指出的是，在不同實施例中協(xié)調(diào)地標識的部件可以至少部分地不同。應(yīng)當進一步指出的是，本公開中包括的附圖是示意性的。所示實施例的視圖通常未按比例繪制；縱橫比、特征尺寸和特征數(shù)量可能故意失真以便使得選擇的特征或關(guān)系更加容易看到。圖1示出了一個示例性實施例中的工作臺10的方面。工作臺包括大幅面的觸摸和對象敏感顯示表面12，該顯示表面可以水平地取向。在該取向下，一個或多個人可以挨著工作臺站立或就座以便從上面觀看顯示表面以及與顯示表面交互。光學系統(tǒng)14位于顯示表面之下。光學系統(tǒng)可以被配置成為工作臺提供顯示功能以及基于視覺的輸入功能。因此，光學系統(tǒng)可以包括集成的顯示和視覺系統(tǒng)。為了提供顯示功能，光學系統(tǒng)14可以被配置成通過顯示表面12投射可見圖像。為了提供基于視覺的輸入功能，光學系統(tǒng)可以被配置成捕獲置于顯示表面上面或附近的一個或多個對象16 (例如手指、棋子、電子設(shè)備、紙卡、食品或飲料)的至少部分圖像。因此，光學系統(tǒng)可以被配置成照射對象并且檢測從對象反射的光。通過這種方式，光學系統(tǒng)可以記錄置于顯示表面上面或附近的對象的位置、足跡或者其他屬性。圖1示出了隱藏在工作臺10內(nèi)且操作耦合到光學系統(tǒng)14的計算機18。在其他實施例中，計算機可以遠程地定位和/或分布，并且經(jīng)由有線或無線通信鏈接耦合到光學系統(tǒng)。不管其位置如何，計算機可以被配置成向光學系統(tǒng)提供顯示數(shù)據(jù)以及從光學系統(tǒng)接收輸入數(shù)據(jù)。此外，計算機可以被配置成處理輸入數(shù)據(jù)以便得到不同種類的信息。圖2為示出一個示例性實施例中的光學系統(tǒng)14的方面的示意性截面圖。該光學系統(tǒng)包括液晶顯示器(IXD)背光源20，該背光源被設(shè)置成將可見光投射到IXD控制層22上以及部分地通過LCD控制層22投射可見光。LCD背光源和LCD控制層一起被設(shè)置成形成可通過顯示表面12觀看的顯示圖像。IXD背光源20可以包括適當?shù)乇慌渲糜糜谠贗XD顯示系統(tǒng)中使用的任何光源；它可以包括適當?shù)牧炼仍鰪娔?、角度限制膜或其他結(jié)構(gòu)以及一個或多個光照成形 (profiling)層。在一個實施例中，IXD背光源可以包括一個或多個緊湊圓柱熒光(CCFL) 光源。在另一個實施例中，IXD背光源可以包括一個或多個發(fā)光二極管(LED)，例如紅色、綠色和藍色LED或者集成的白色LED。IXD控制層22為顯示圖像形成層，其被配置成發(fā)送顯示圖像以便通過顯示表面12 觀看；它包括二維光門控元件陣列，該陣列被配置成在空間上和時間上調(diào)制來自LCD背光源20的光的強度。在一個實施例中，光門控元件可以是耦合到紅色、綠色和藍色透射窗口的偏振LCD元件。在一個實施例中，LCD控制層和LCD背光源可以操作耦合到計算機18并且被配置成從中接收顯示數(shù)據(jù)。繼續(xù)圖2，光學系統(tǒng)14包括成像光學器件M和成像檢測器沈。成像光學器件可以為楔狀，具有基本上平坦且相對的上面的面和下面的面，這些面限定了一度或更小的楔角。 成像光學器件的上面的面可以被配置成接納從設(shè)置在顯示表面12上面或附近的一個或多個對象16反射的光。下面的面可以包括轉(zhuǎn)向膜(turning film)，該轉(zhuǎn)向膜被配置成將反射的光朝成像光學器件的彎曲邊緣面轉(zhuǎn)向。彎曲邊緣面可以支撐被配置成朝成像檢測器26 聚焦和反射光的反射菲涅耳結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，從顯示表面上的對象反射的光可以經(jīng)由來自成像光學器件的上面的面和下面的面的全內(nèi)反射(TIR)往返于彎曲邊緣面地傳播。成像檢測器沈可以被配置成對來自設(shè)置在顯示表面12上面或附近的一個或多個對象16的反射成像。成像檢測器可以被配置成捕獲對象的至少部分圖像，并且將相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)提供給計算機18。因此，計算機可以被配置成接收和處理來自成像檢測器的圖像數(shù)據(jù)，并且從而響應(yīng)對象的位置。在一個實施例中，成像檢測器可以包括數(shù)碼相機。成像檢測器沈可以對來自對象16的一些反射成像并且排除其他反射。特別地，由成像檢測器成像的反射可以被限制為相對于顯示表面法線(即垂直于顯示表面12的方向) 的窄角度范圍(例如士 10度)。鑒于所示配置的至少三個設(shè)計特征，這樣的限制可以被允許。 首先，成像檢測器可以包括被配置成接納來自成像檢測器的角度受限“視場”內(nèi)的光并且拒絕來自該視場外的光的孔徑。第二，成像光學器件M的楔形形狀可以內(nèi)在地將從上面的面耦合進來的光的接受錐限制為相對較窄的角度范圍(例如2-3度)。由于就接受錐的指向角與跨成像光學器件的位置的關(guān)系而言，成像光學器件基本上是遠心的，因而指向角的變化在跨上表面的任何位置處都可以處于表面法線的10度內(nèi)。第三，成像光學器件可以被配置成將接受窗處的位置空間映射到出射窗處的角度空間，在出射窗處可以放置成像檢測器的透鏡。由于成像光學器件展現(xiàn)的位置-角度映射和透鏡(其將出射窗處的角度內(nèi)容向后轉(zhuǎn)換成成像檢測器處的空間內(nèi)容)的原因，可以將顯示表面成像到成像檢測器上；因此，成像檢測器成像的視場包括顯示表面的圖像。由于來自顯示表面12上面或附近的對象16的反射可以基本上是漫射的，具有大的(例如朗伯型)對向角(angular subtend)，因而基本上與顯示表面12垂直地從對象向下反射的光可以被成像，但是相對于顯示表面的更大入射角的光不可以被成像。如下文中進一步描述的，這種配置可以幫助避免由于光從視覺系統(tǒng)照射器向下散射的原因而引起的捕獲的圖像中的不希望的對比度降低。成像檢測器沈可以包括一個或多個濾光器，例如濾色器或干涉濾光器，這些濾色器或濾光器設(shè)置在孔徑之前以便將成像檢測器的響應(yīng)限制到一個或多個波長帶。濾光器可以包括高通、低通或者帶通濾光器；它們可以例如是透射紅外光的、吸收可見光的和/或反射可見光的。在一個實施例中，一個或多個濾光器可以被配置成將成像檢測器的響應(yīng)限制到視覺系統(tǒng)照射器發(fā)射的窄波長帶，如下文中進一步描述的。圖2示出了光學系統(tǒng)14的僅僅一個實施例。在其他實施例中，成像光學器件M 和成像檢測器26可以由平鋪的短投(short-throw)成像檢測器代替，每個短投成像檢測器捕獲來自顯示表面12的局部化部分的圖像。因此，計算機18可以被配置成接收來自每個成像檢測器的圖像并且從中組建一幅組合的圖像。在還有其他的實施例中，偏移成像配置可以用來對設(shè)置在顯示表面上面或附近的對象成像。繼續(xù)圖2，光學系統(tǒng)14包括視覺系統(tǒng)照射器觀。視覺系統(tǒng)照射器被配置成照射設(shè)置在顯示表面上面或附近的對象，從而在從對象反射時提供如上所述被檢測的光。在所示的實施例中，視覺系統(tǒng)照射器包括視覺系統(tǒng)發(fā)射器30、光導(dǎo)32和耦合結(jié)構(gòu)34。視覺系統(tǒng)發(fā)射器30可以被配置成發(fā)射紅外光。在一個實施例中，視覺系統(tǒng)發(fā)射器可以發(fā)射以850納米為中心的窄波長帶的光。因此，視覺系統(tǒng)發(fā)射器可以包括沿著光導(dǎo)32 的一個或多個側(cè)面或邊緣設(shè)置的紅外發(fā)光二極管(IR-LED)陣列。在一個實施例中，IR-LED 可以沿著光導(dǎo)的一條邊緣設(shè)置并且彼此間隔10-20毫米，盡管也可以設(shè)想不同的間距；在另一個實施例中，IR-LED陣列可以沿著光導(dǎo)的相對邊緣分布。光導(dǎo)32可以包括具有相對的上面的面和下面的面并且被配置成接收來自視覺系統(tǒng)發(fā)射器30的紅外光的片狀或楔狀單塊。在更具體地示出光導(dǎo)的后續(xù)附圖中，附圖標記36 用來標識片狀光導(dǎo)，并且附圖標記38用來標識楔狀光導(dǎo)。繼續(xù)圖2，光導(dǎo)可以由在一個或多個紅外波長帶內(nèi)以及在一個或多個可見光波長帶內(nèi)透射的材料形成。特別地，該材料可以在視覺系統(tǒng)發(fā)射器30發(fā)射的至少一些波長以及LCD背光源20發(fā)射的至少一些波長上是透射的。光導(dǎo)可以被配置成經(jīng)由來自上面的面和下面的面的IlR傳導(dǎo)紅外光并且將紅外光投射到成像檢測器26接納的窄角度范圍之外的對象16上。耦合結(jié)構(gòu)34可以是被配置成部分地會聚來自視覺系統(tǒng)發(fā)射器30的光并且將該光耦合到光導(dǎo)32的任何收集光學器件布置。耦合結(jié)構(gòu)的若干實施例在下文中參照圖3-10加以描述。在每個實施例中，視覺系統(tǒng)發(fā)射器、耦合結(jié)構(gòu)和光導(dǎo)的相對布置和材料屬性可以被選擇成使得來自視覺系統(tǒng)發(fā)射器的發(fā)散光被收集并且耦合到光導(dǎo)中。繼續(xù)圖2，光學系統(tǒng)14包括保護層40。保護層可以包括由基本上如針對光導(dǎo)32所述的可見光和紅外透射材料形成的片。在所示的實施例中，保護層的上面的面包括被配置成減輕外界光的鏡面反射的弱漫射層42。在其他實施例中，保護層可以包括任何適當?shù)姆婪瓷渫繉?。在所示的實施例中，保護層40經(jīng)由適度漫射層44耦合到LCD控制層22，該適度漫射層被配置成掩蓋或遮蔽光學系統(tǒng)的不同的內(nèi)部部件以免通過顯示表面12觀看到。在一個實施例中，適度漫射層可以提供顯示光的大約35-45度FWHM的角度散布，使得光學系統(tǒng)的內(nèi)部部件對于觀看者而言不那么明顯。如圖2中所示，IXD控制層22可以成層狀介于光導(dǎo)32與顯示表面12之間。然而， 應(yīng)當理解的是，與本公開完全一致的其他配置可以給出不同的層配置。特別地，光導(dǎo)可以成層狀介于顯示圖像形成層與顯示表面之間，例如，如下文中進一步描述的，光導(dǎo)可以設(shè)置在 IXD控制層上方以便降低來自IXD控制層的光照損耗。并且在一些實施例中，保護層40以及漫射層42和44中的任何一個或全部可以從光學系統(tǒng)中省略，這些層的功能包含到光學系統(tǒng)的其他部件中。圖3為示出一個示例性實施例中的耦合結(jié)構(gòu)的方面的示意性截面圖。所示的耦合結(jié)構(gòu)包括桿透鏡46和角錐棱鏡48。角錐棱鏡的斜邊面平靠光導(dǎo)32的下面的面地光學耦合，其在光導(dǎo)的下面的面邊緣附近并且與該邊緣平行。桿透鏡與角錐棱鏡的基底面(basal face)對齊，處于光導(dǎo)之下且與光導(dǎo)的下面的面邊緣平行。相對于角錐棱鏡的基底面，視覺系統(tǒng)發(fā)射器30設(shè)置在桿透鏡的完全相反的側(cè)面。在一個實施例中，桿透鏡和角錐棱鏡可以由丙烯酸或聚碳酸酯形成。桿透鏡可以例如為3毫米直徑的擠壓的丙烯酸桿。在該實施例和后續(xù)實施例中，桿透鏡46被配置成縮窄視覺系統(tǒng)發(fā)射器30發(fā)射的光錐，使得絕大部分光透射通過且近乎平行于光導(dǎo)32的水平對稱平面，具有來自光導(dǎo)的上面的面和下面的面的相對較少的反射。在一些實施例中，相同的桿透鏡46可以用來將來自多個視覺系統(tǒng)發(fā)射器的光耦合到光導(dǎo)中。從圖4更加容易看出該布置，圖4從下面提供了該實施例的平面圖。在一個實施例中，桿透鏡可以跨越光導(dǎo)的下面的面邊緣。其他實施例可以包括沿著光導(dǎo)的兩個相對的下面的面邊緣中的每一個取向的桿透鏡和角錐棱鏡。在包括桿透鏡的實施例中，只有基本上處于與光導(dǎo)的水平面垂直的維度中的光被收集成較低的發(fā)散度，因此水平面內(nèi)光的橫向散布出現(xiàn)在短的光路上，這在一些情況下可能是有用的，以便在沿著光導(dǎo)的最短光路中實現(xiàn)高均勻性。在其中圓頂透鏡提供聚焦(參見下文)的其他實施例中，光在二維中被收集，并且因而可能在實現(xiàn)跨光導(dǎo)的橫向維度的相似均勻性水平之前要求沿著光導(dǎo)的更長的光路。圖5為示出另一個示例性實施例中的耦合結(jié)構(gòu)的方面的示意性截面圖。所示的耦合結(jié)構(gòu)包括桿透鏡46和菲涅耳棱鏡50。菲涅耳棱鏡平靠光導(dǎo)32的下面的面地光學耦合，其在光導(dǎo)的下面的面邊緣附近并且與該邊緣平行。桿透鏡設(shè)置在光導(dǎo)之下，與光導(dǎo)的下面的面邊緣平行，并且被配置成將光耦合到菲涅耳棱鏡中。在一個實施例中，桿透鏡可以跨越光導(dǎo)的下面的面邊緣。其他實施例可以包括沿著光導(dǎo)的兩個相對的下面的面邊緣中的每一個取向的桿透鏡和菲涅耳棱鏡。在其他實施例中，可以代替菲涅耳棱鏡而使用棱鏡光柵。在還有其他的實施例中，棱鏡光柵可以由柱鏡陣列補充以實現(xiàn)組合的屈光力(optical power)。圖6為示出另一個示例性實施例中的耦合結(jié)構(gòu)的方面的示意性截面圖。所示的耦合結(jié)構(gòu)包括桿透鏡46和具有鍍銀的斜邊面的角錐棱鏡52。角錐棱鏡的基底面被調(diào)整成平齊地靠著光導(dǎo)32的邊緣面。桿透鏡與角錐棱鏡的鄰近基底面對齊，處于光導(dǎo)之下且與光導(dǎo)的下面的面邊緣平行。在一個實施例中，桿透鏡可以跨越光導(dǎo)的下面的面邊緣。其他實施例可以包括沿著光導(dǎo)的相對的邊緣面取向的兩個桿透鏡和兩個角錐棱鏡。還有其他的實施例可以包括具有未鍍銀的斜邊面的角錐棱鏡，并且在彎折(fold)處使用TIR。在這樣的情況下，光收集發(fā)散度可以為低，以便維持高耦合效率。圖7為示出另一個示例性實施例中的耦合結(jié)構(gòu)的方面的示意性截面圖。所示的耦合結(jié)構(gòu)包括桿透鏡46和具有鍍銀的斜面的梯形棱鏡M。梯形棱鏡的長基底面包括相對的第一和第二末端區(qū)域。長基底面的第一末端區(qū)域被調(diào)整為平靠著光導(dǎo)32的邊緣面。長基底面的第二末端區(qū)域與桿透鏡對齊，處于光導(dǎo)之下且與光導(dǎo)的下面的面邊緣平行。在一個實施例中，梯形棱鏡可以由丙烯酸或聚碳酸酯形成。在一個實施例中，桿透鏡可以跨越光導(dǎo)的下面的面邊緣。其他實施例可以包括沿著光導(dǎo)的兩個相對的邊緣面中的每一個取向的桿透鏡和梯形棱鏡。在還有其他的實施例中，耦合結(jié)構(gòu)可以包括具有未鍍銀的斜面的梯形棱
^Mi ο圖8為示出另一個示例性實施例中的耦合結(jié)構(gòu)的方面的示意性截面圖。所示的耦合結(jié)構(gòu)包括桿透鏡46。桿透鏡的軸可以位于光導(dǎo)32的水平對稱平面內(nèi)，并且與光導(dǎo)的邊緣面平行地取向。在一個實施例中，桿透鏡可以跨越光導(dǎo)的邊緣面。其他實施例可以包括沿著光導(dǎo)的兩個相對的邊緣面中的每一個取向的桿透鏡。圖9為示出另一個示例性實施例中的耦合結(jié)構(gòu)的方面的示意性截面圖。所示的耦合結(jié)構(gòu)包括桿透鏡46和柱鏡陣列56。桿透鏡可以在光導(dǎo)38的斜邊緣面附近取向且與該斜邊緣面平行。在一個實施例中，柱鏡陣列可以嵌入接合到光導(dǎo)的斜邊緣面的膜中。在其他實施例中，桿透鏡可以由一維復(fù)合拋物面型聚光器(ID-CPC)收集器代替。在還有其他的實施例中，柱鏡陣列可以由ID-CPC收集器補充以便實現(xiàn)組合的屈光力，并且在一個實施例中，ID-CPC可以代替桿透鏡和柱鏡陣列二者。圖9中所示的耦合結(jié)構(gòu)尤其可以用來將光耦合進楔狀光導(dǎo)38的斜邊緣面，使得耦合到光導(dǎo)中的光經(jīng)由上面的面離開，如圖中所示。在該配置中，離開上面的面的光的空間均勻性與耦合進斜邊緣面的光的角度均勻性有關(guān)。因此，希望的是耦合結(jié)構(gòu)提供作為入射角的函數(shù)的非常均勻的光輸入。這在圖9的實施例中通過選擇跨有限范圍和角度并且以高的角度均勻性投射光的ID-CPC和/或柱鏡陣列56而實現(xiàn)。此外，桿透鏡46可以被選擇為收集比柱鏡陣列的出射錐稍微更尖銳的角度范圍上的光。以上描述的耦合結(jié)構(gòu)實施例包括僅僅在一維中具有屈光力的收集光學器件(桿透鏡、棱鏡、柱鏡陣列、ID-CPC收集器和光柵)。因此，這些收集光學器件僅僅收集來自視覺系統(tǒng)發(fā)射器30的一維的光。它們因而可以跨越光導(dǎo)的整個邊緣長度以便收集來自設(shè)置在邊緣處的多個視覺系統(tǒng)發(fā)射器的光，如圖4的平面圖中通過實例所示。然而，在其他實施例中，耦合結(jié)構(gòu)可以包括在二維中具有屈光力的類似收集光學器件，例如圓頂透鏡和2D-CPC 收集器。在這樣的實施例中，耦合結(jié)構(gòu)可以包括一系列收集光學器件，這些收集光學器件耦合到相應(yīng)的一系列視覺系統(tǒng)發(fā)射器并且進一步耦合到光導(dǎo)32。這樣的布置在圖10中通過實例示出，其中收集光學器件58包括2D收集光學器件。應(yīng)當指出的是，盡管上面標識的不同收集光學器件可以提供到光導(dǎo)中的改進的耦合效率，但是它們可能不是在所有情況下都需要。例如，當在光導(dǎo)32的邊緣處耦合時，可以在不使用收集光學器件的情況下實現(xiàn)高耦合效率，但是由于耦合的光的較高的角度散布， 漫射光提取層(參見下文)必須提供與其中光以較低發(fā)散度收集的情況相比小得多的漫射強度。這是因為更多的光經(jīng)受更大更高數(shù)量的反射。然而，在其中光從光導(dǎo)底側(cè)耦合的配置中，當不以顯著低的發(fā)散度收集光時，可能招致耦合損耗?，F(xiàn)在參照圖9，楔狀光導(dǎo)38包括基本上平坦且相對的上面的面和下面的面。上面的面和下面的面限定楔角，該楔角在一些實例中可以介于0度與1度之間。高度不等的相對的第一和第二邊緣面被設(shè)置成鄰近上面的面和下面的面。如圖9中所示，來自視覺系統(tǒng)發(fā)射器30的紅外光經(jīng)由耦合結(jié)構(gòu)進入光導(dǎo)并且經(jīng)由IlR通過光導(dǎo)傳播。光從第一邊緣面朝第二邊緣面?zhèn)鲗?dǎo)，在亞臨界入射角下遇到上面的面或下面的面，并且基本上準直地折射出光導(dǎo)的上面的面。在圖9所示的實施例中，耦合的光相對于相對的上面的面或下面的面的入射角在每次反射時減少兩倍的楔半角。由此可見，光進入的邊緣面處的入射角映射到沿著光從其逸出的上面的面或下面的面的位置。由于只有違反IlR條件的光才離開光導(dǎo)，因而從光導(dǎo)投射的所有光都在典型地處于離臨界角幾度內(nèi)的大角度下離開，所述臨界角由光導(dǎo)介質(zhì)的折射率、光導(dǎo)周圍的介質(zhì)(例如空氣)的折射率、入射邊緣面處光的角度以及在更高階下楔的厚度和楔耦合面處輸入光的垂直位置確定。因此，這些參數(shù)可以被選擇成使得絕大多數(shù)光以相對較大的出射角離開光導(dǎo)。提供大的出射角是有利的，因為它最小化了來自視覺系統(tǒng)照射器的可能為成像檢測器26接納的散射光量。此外，可以證明，在大的θ值下逸出光導(dǎo)的上面的面的光通量的空間分布由耦合到光導(dǎo)中的光通量的角度分布控制，如上文中所指出的。圖11為示出另一個示例性實施例中的光學系統(tǒng)的方面的示意性截面圖。光學系統(tǒng)60包括片狀光導(dǎo)36和如圖8中所示的耦合結(jié)構(gòu)34。在圖11所示的實施例中，光導(dǎo)可以包括大約3毫米的Β270玻璃厚片，其為S1Ott Glass公司的產(chǎn)品。該產(chǎn)品在850納米處具有每米路徑長度54%至50%的透射比。光導(dǎo)36包括基本上平坦且相對的上面的面和下面的面，以及基本上等高的鄰近上面的面和下面的面的相對的第一和第二邊緣面。來自視覺系統(tǒng)發(fā)射器30的紅外光從第一邊緣面朝第二邊緣面?zhèn)鲗?dǎo)；通過從相對的面反射，耦合到光導(dǎo)中的紅外光經(jīng)由IlR通過光導(dǎo)傳播。如下文中進一步所描述的，可以以各種不同的方式打破(即破壞)IlR條件，導(dǎo)致上面的面或下面的面處的不同的觸摸和/或?qū)ο髾z測模式。例如，將手指施加到光導(dǎo)36或者光導(dǎo)與其光學耦合的保護層44的上面的面上可以破壞IlR條件，從而允許光逸出光導(dǎo)并且從手指反射。然后，反射的光可以在關(guān)于表面法
9線的相對較小的角度下向后通過光導(dǎo)傳播，并且被成像檢測器26成像。此外，由于反射光的通量取決于手指與光導(dǎo)的上面的面之間的接觸面積，操作鏈接到成像檢測器的計算機可以被配置成響應(yīng)所述一個或多個對象與顯示表面之間的增大的或者減小的接觸面積。通過這種方式，計算機可以檢測施加到表面上的壓力并且響應(yīng)于觸摸事件和/或持續(xù)施加的壓力而采取適當?shù)膭幼鳌{(diào)高音量、放大圖片等等。上面描述的觸摸感測模式依賴于被接觸對象光學“濕潤”的光導(dǎo)面。然而，許多對象由于其材料屬性或拓撲結(jié)構(gòu)的原因不會可靠地濕潤它們被放置成與之接觸的表面。此夕卜，可能希望的是，視覺系統(tǒng)能夠感測在顯示表面附近但是未觸摸顯示表面的對象。因此， 可以設(shè)想更加一般化的對象感測模式，可以代替上述觸摸感測或者除了上述觸摸感測之外還制定這些對象感測模式。如下文中進一步描述的，可以在缺乏來自被檢測的對象的任何接觸的情況下在受控制的程度上破壞IlR條件。因此，這里描述的光學系統(tǒng)可以被配置成允許基于觸摸感測以及基于視覺并且感測和跟蹤顯示表面附近的對象。因此，在光學系統(tǒng)60中，漫射層62設(shè)置在光導(dǎo)36的上面的面上，與上面的面和下面的面平行。漫射層部分地破壞光導(dǎo)的上面的面與其上方的層(在所示的實施例中為保護層44)之間的界面處的TIR。通過與漫射層相互作用，在別的情況下將借助于IlR通過光導(dǎo)吸取的一些光獲得超臨界入射角，這允許其逸出光導(dǎo)。逸出光可以相對于其中IlR被破壞的界面向上或向下行進。向上行進的光可以照射置于顯示表面12上面或附近的一個或多個對象16。不管漫射層62設(shè)置在下面的面上還是上面的面上，都可以發(fā)生TIR的破壞和光向上從光導(dǎo)36逸出。在其中漫射層設(shè)置在光導(dǎo)的下面的面上的實施例中，可以使用居間的空氣間隙或者其他低折射率層以便確保TIR條件延伸通過適當小的入射角，以便光學隔離光導(dǎo)并且防止耦合到下面的層中的光損耗。將漫射層設(shè)置在光導(dǎo)的下面的面上提供了對于可見顯示光減小對比度損失的優(yōu)點，因為降低的顯示對比度的弱漫射效應(yīng)隨著漫射器離顯示層的距離的減小而降低。此外，當使用設(shè)置在光導(dǎo)的下面的面上的表面起伏(relief)型漫射層時，一個顯著的優(yōu)點是逸出光的方向偏置。特別地，朝上面的面逸出的光通量可以相對于在相反方向上逸出的通量大20%-30%。通過這種方式，逸出光可以更加高效地照射顯示表面12上的對象。在一個實施例中，漫射層62可以包括體積型漫射層，其中多個光漫射特征分布在光導(dǎo)36上或光導(dǎo)36內(nèi)的三維體積中。在一個實例中，體積型漫射層可以包括柔性膜，該柔性膜具有分布且固定于其中的密度受控的光散射中心，例如顆粒。柔性膜可以經(jīng)由折射率匹配的粘合劑或者以任何其他適當?shù)姆绞浇雍系焦鈱?dǎo)的上面的面或下面的面。一個示例性體積型漫射膜層是Fusion Optix公司的產(chǎn)品ADF0505。體積型漫射層62在設(shè)置到光導(dǎo)36的上面的面上時提供了特定的優(yōu)點。當以此方式設(shè)置體積型漫射層時，可以在沒有居間的空氣間隙的情況下將光導(dǎo)直接附著到其上方的層。空氣間隙的省略對于表面起伏型漫射層而言可能不是有利的(參見下文)，所述表面起伏型漫射層的漫射屬性可以通過光學濕潤而減小。從工程的觀點來看，消除空氣間隙是有用的；此外，它可以減少由外界光在層狀結(jié)構(gòu)中的菲涅耳反射造成的光學偽像。然而，應(yīng)當指出的是，即使將漫射層直接層疊(laminate)到光導(dǎo)的頂面上，也仍然可以在下面的面與適度漫射器(圖11中未示出)之間使用空氣間隙，所述漫射器可以層疊到LCD控制層22的頂側(cè)。在這種情況下，光學系統(tǒng)的不同空氣界面中的任何界面處的防反射涂層可以用來幫助減少由于外界光的反射而引起的對比度損失。在另一個實施例中，漫射層62可以包括表面起伏型漫射層，其中多個光漫射特征設(shè)置在光導(dǎo)36上或光導(dǎo)36內(nèi)的二維表面上。例如，漫射層可以包括凹凸小透鏡或者凹陷或凸起的周期性或非周期性陣列。這些陣列可以用作提取特征，從而提供對于逸出光的精確控制。在一個實施例中，所述表面特征可以直接成型到光導(dǎo)上。適當?shù)某尚图夹g(shù)包括作為實例的熱成型和紫外鑄造。在另一個實施例中，具有這樣的特征的膜可以層疊到光導(dǎo)的面上，在其上軋制(例如通過熱壓軋制)或者通過絲網(wǎng)印刷形成。具體而言，絲網(wǎng)印刷是可以提供低的前期成本以及低的批量生產(chǎn)成本的示例性選項。在這樣的情況下，可以避免與一些漫射器技術(shù)關(guān)聯(lián)的有問題的換裝成本。此外，絲網(wǎng)印刷、軋制和類似的方法可以將可替換方法所需的分層數(shù)量減少一個?？梢酝ㄟ^軋制或絲網(wǎng)印刷而施加的表面特征包括白色TIR 破壞點、微點或者漫射墊。在其他實施例中，點、微點或漫射墊可以是可見光透明的，但是為紅外光反射的，例如嵌入到光導(dǎo)內(nèi)的二向色涂敷表面起伏。當利用防反射涂層涂敷時，設(shè)置到下面的面上的漫射層可能較不易于散射外界光，從而提供具有總體上更加清晰且較少乳白色的外觀的顯示表面。關(guān)于這點，應(yīng)當理解的是，當任何漫射層置于顯示表面之前時，顯示對比度可能降低。當給定的漫射器置于更遠離顯示表面的平面處時，顯示對比度損失會增大。此外，對于給定的分開距離而言，當漫射層的漫射強度增加時，顯示對比度損失增大。為了幫助降低與通過漫射器觀看顯示層所造成的直接圖像退化相反的由于漫射外界反射而引起的對比度損失，可以將防反射涂層施加到空氣間隙的兩側(cè)，其在漫射器(層疊或成型到光導(dǎo)的下面的面上)的下面的面上以及在放置或?qū)盈B到顯示器的頂面上的適度漫射器的上面的面上。當使用設(shè)置在光導(dǎo)的下面的面上的表面起伏型漫射器時，一個顯著的優(yōu)點包括與朝底部逸出的光能相比，散射的光朝頂部的多達30%的方向偏置，從而提高了朝顯示表面12上面或附近的對象投射的光的使用效率?？梢詮臄?shù)學上描述來自體積型和表面起伏型漫射層的光的漫射。當對這樣的漫射建模時，方便的是通過高斯分布表示基本上平坦的漫射層的特性，該高斯分布在方向余弦空間中旋轉(zhuǎn)對稱并且具有由漫射強度ο確定的寬度。因此，希望的目標σ可以與如下所述的期望的所需正態(tài)傳輸分布剖面有關(guān)。對于體積型漫射層而言，/7個同等的高斯函數(shù)的卷積給出 θβΙ =^12 +
其中θ ,.為每個層的角度散射剖面的半高全寬(FWHM)，θ表示在所有漫射層同等的假設(shè)下的相同角寬度，并且θ㈣為對于具有同等散射剖面的η個連續(xù)層的得到的有效角度散
射剖面。在漫射介質(zhì)內(nèi)部，光路相對于表面法線按因子 增加，其中 — 1
P cm0avs ‘
并且0_為/7個高斯函數(shù)的平均。對于體積型漫射層而言，光路加倍，因此 β — hr β"
Ucff — ^acp17M ‘并且此外，
權(quán)利要求
1.一種集成的視覺和顯示系統(tǒng)，包括顯示圖像形成層，其被配置成發(fā)送顯示圖像以便通過顯示表面觀看；成像檢測器，其被配置成對相對于顯示表面法線的窄角度范圍的紅外光成像，成像的紅外光包括來自設(shè)置在顯示表面上面或附近的一個或多個對象的反射；視覺系統(tǒng)發(fā)射器，其被配置成發(fā)射紅外光以便照射所述一個或多個對象；以及可見光和紅外傳輸光導(dǎo)，其具有相對的上面的面和下面的面，被配置成接收來自視覺系統(tǒng)發(fā)射器的紅外光，經(jīng)由來自上面的面和/或下面的面的全內(nèi)反射傳導(dǎo)紅外光，并且將紅外光投射到相對于顯示表面法線的窄角度范圍之外的所述一個或多個對象上。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中光導(dǎo)成層狀介于顯示圖像形成層與顯示表面之間。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中顯示圖像形成層成層狀介于光導(dǎo)與顯示表面之間。
4.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中視覺系統(tǒng)發(fā)射器包括沿著光導(dǎo)的一個或多個邊緣設(shè)置的多個紅外發(fā)射器。
5.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中光導(dǎo)為楔狀，具有鄰近上面的面和下面的面的高度不等的相對的第一和第二邊緣面，并且其中來自視覺系統(tǒng)發(fā)射器的紅外光從第一邊緣面朝第二邊緣面?zhèn)鲗?dǎo)，在亞臨界入射角下遇到上面的面或下面的面，并且折射出光導(dǎo)以照射所述一個或多個對象。
6.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中光導(dǎo)為片狀，具有鄰近上面的面和下面的面的高度基本上相等的相對的第一和第二邊緣面，以及被設(shè)置成與上面的面和下面的面平行的漫射層，并且其中來自視覺系統(tǒng)發(fā)射器的紅外光從第一邊緣面朝第二邊緣面?zhèn)鲗?dǎo)，與漫射層相互作用，并且漫射出光導(dǎo)以照射所述一個或多個對象。
7.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中漫射層包括分布在光導(dǎo)上或光導(dǎo)內(nèi)的三維體積上的多個光漫射特征。
8.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中漫射層包括設(shè)置在光導(dǎo)上或光導(dǎo)內(nèi)的二維表面中的多個光漫射特征。
9.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中漫射層的光漫射強度隨著離視覺系統(tǒng)發(fā)射器的距離的增加而增大。
10.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中光漫射強度隨著離視覺系統(tǒng)發(fā)射器的距離的增加而連續(xù)地增大。
11.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中相對的收集光學器件將紅外光耦合進光導(dǎo)的相對邊緣，并且其中漫射層的光漫射強度在最靠近相對邊緣處較弱并且在光導(dǎo)的中間較強。
12.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中光導(dǎo)包括被設(shè)置成與漫射層平行并且在漫射層的與顯示表面相對的一側(cè)的反射和透射濾光層，其中與較低入射角的光相比，該濾光層對于較大入射角的光較多反射且較少透射，并且其中與可見光相比，該濾光層對于紅外光較多反射且較少透射。
13.權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中濾光層包括干涉濾光器、二向色濾光器和皺褶濾光器中的一個或多個。
14.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進一步包括計算機，該計算機被配置成將顯示數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示圖像形成層并且接收來自成像檢測器的圖像數(shù)據(jù)，其中該計算機響應(yīng)設(shè)置在顯示表面上面或附近的所述一個或多個對象的位置并且響應(yīng)所述一個或多個對象與顯示表面之間的增大的或者減小的接觸面積。
全文摘要
一種集成的視覺和顯示系統(tǒng)包括顯示圖像形成層，其被配置成發(fā)送顯示圖像以便通過顯示表面觀看；成像檢測器，其被配置成對相對于顯示表面法線的窄角度范圍的且包括來自顯示表面上面或附近的一個或多個對象的反射的紅外光成像；視覺系統(tǒng)發(fā)射器，其被配置成發(fā)射紅外光以便照射對象；可見光和紅外傳輸光導(dǎo)，其具有相對的上面的面和/或下面的面，被配置成接收來自視覺系統(tǒng)發(fā)射器的紅外光，經(jīng)由來自上面的面和下面的面的TIR傳導(dǎo)紅外光，并且將紅外光投射到相對于顯示表面法線的窄角度范圍之外的對象上。
文檔編號G02F1/13357GK102472917SQ201080037119
公開日2012年5月23日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者鮑威爾 K., 馬薩爾卡 P., 貝蒂徹 S., 拉奇 T. 申請人:微軟公司