對物體的位置編碼的裝置、系統以及方法

2023-10-27 20:19:02

專利名稱：對物體的位置編碼的裝置、系統以及方法
對物體的位置編碼的裝置、系統以及方法本發明涉及用於對物體的位置編碼的裝置。本發明進一步涉及相應的系統和方法。現有技術的觸摸板(touch pad，觸控板)可能會不精確，這是因為被引導至詢問區域(工作區域(active area))外部的光會受到物體(例如手指)的幹擾。從而，由於工作區域外部的這種光的幹擾，現有技術觸摸板的一個問題就是這些觸摸板易於產生讀取錯誤。本發明的目的是解決上面提及的問題。本發明的另一目的是使得觸摸板的製造更簡單。本發明的目的通過對物體的位置編碼的裝置來實現，該裝置包括第一光源；第一準直件，所述第一準直件適於自所述第一光源形成第一準直光；承載器，所述承載器適於引導光，並且包括第一主要光改向結構和第二主要光改向結構；以及檢測器裝置，所述檢測器裝置用於對物體相對於編碼平面的工作區域的位置進行編碼；其中所述第一主要光改向結構適於將第一光束的至少一部分改向以使第一光束的至少一部分穿過所述工作區域而進入所述第二主要光改向結構中；並且其中所述第二主要光改向結構適於將自所述第一主要光改向結構接收的光改向以使自所述第一主要光改向結構接收的光到達所述檢測器裝置上。從而實現準直光束沿著承載器傳播，並且經由第一主要光改向裝置從承載器進入工作區域中。準直光確保將承載器的受控部分用於準直光的傳播。在以下的詳細說明及權利要求中披露了其他的實施方式和優點。


現在將參照附圖在下文中更充分地說明本發明，在附圖中圖1示出了用於對物體的位置編碼的裝置，其包括形成為稜柱的光改向裝置。圖2示出了用於對物體的位置編碼的裝置，其包括形成為衍射透射光柵的光改向
直ο圖3示出了用於對物體的位置編碼的裝置，其包括形成為衍射反射光柵的光改向結構。圖4示出了用於對物體的位置編碼的裝置，其包括與工作區域成直線的承載器以及形成為稜柱的光改向結構。圖5示出了用於對物體的位置編碼的裝置，其包括在工作區域上方的承載器以及形成為稜柱的光改向結構。圖6示出了對物體的位置編碼的裝置，其包括在工作區域下方的承載器以及形成為稜柱的光改向結構。圖7示出了對物體的位置編碼的裝置，其包括與形成在空氣中的工作區域成直線的承載器以及形成為稜柱的光改向結構。圖8示出了用於對物體的位置編碼的裝置，其包括與形成在空氣中的工作區域成直線的承載器以及形成為衍射結構的光改向結構。圖9示出了用於對物體的位置編碼的裝置，其包括在工作區域上方的承載器以及形成為衍射結構的光改向結構。圖10示出了對物體的位置編碼的裝置，其包括在工作區域下方的承載器以及形成為衍射結構的光改向結構。圖11示出了對物體的位置編碼的裝置，其包括與工作區域成直線的承載器以及形成為衍射結構的光改向結構。圖12示出了用於對物體的位置編碼的裝置，其包括兩個鏡以及位於光束分裂器 (beam splitter)附近的檢測器。圖13A示出了承載器與工作區域成直線的所述裝置的一個實施方式在圖12的I-I 處的橫截面圖。圖1 示出了承載器與工作區域成直線的所述裝置的一個實施方式在圖12的 II-II處的橫截面圖。圖14A示出了所述裝置的一個實施方式的在圖12的1_1處的橫截面圖，其中使承載器103的平面沿著Z-方向相對工作區域109的平面移動。圖14B示出了所述裝置的一個實施方式的在圖12的II-II處的橫截面圖，其中承載器103的平面沿著Z方向相對工作區域109的平面移動。圖15示出了包括兩個光源的所述裝置的一個實施方式。
具體實施例方式圖1示出了用於對物體的位置編碼的裝置100的一個實施方式。裝置100包括光源101。光源101可以例如是發光二極體(LED)或白熾燈泡或雷射器或垂直腔面發射雷射器(VCSEL)或有機發光二極體(OLED)等。進一步，所述裝置可以包括準直件102，例如準直透鏡或任何其他光學準直器。裝置100可以進一步包括承載器103。承載器103可以例如包括用於引導光的第一光波導110和第二光波導113。此外，承載器103可以包括第一主要光改向結構104和第二主要光改向結構105。光改向結構104、105可以例如分別形成在第一光波導110和第二光波導113中。此外，裝置100進一步包括工作區域109。工作區域109可以例如由空氣形成或形成為光學平板波導(optical slab waveguide)，例如由聚合物製成，所述聚合物例如為丙烯酸玻璃或矽玻璃。可替換地，工作區域109可以由能夠實現光的穿過和/或引導的任何其他介質製成。此外，裝置100包括檢測器108。例如，所述檢測器可以是包括多個像素的CMOS陣列或者CXD陣列，例如，檢測器108可以包括256像素的線性CMOS陣列。因此，檢測器能夠記錄多個像素上的光強度。在如圖4示出的一個實施方式中，承載器103和工作區域包含在相同的平面 401(例如圖1中的X-Y平面)中，並且如圖1所示，承載器103包圍工作區域109，例如，通過形成包圍工作區域109的方形或其他幾何圖形(例如矩形或圓形)。在承載器103和工作區域109包含在相同平面中並且承載器103包圍工作區域109的情況下，那麼工作區域109可以是控制或由導光材料(例如以上披露的矽玻璃等)製成的光平板波導。在如圖5所示的一個實施方式中，承載器103可以包含在位於包含工作區域109 的第二平面502上方的第一 X-Y平面501中。在如圖6所述的一個實施方式中，承載器103可以包含在位於包含工作區域109 的第二平面602下方的第一 X-Y平面601中。例如如圖5和圖6中所示出的，當承載器103和工作區域109包含在不同平面中時，那麼工作區域109可以是由導光材料(例如以上披露的矽玻璃等)製成的光平板波導。 進一步，當承載器103和工作區域109包含在不同平面中時，那麼承載器103可以圍繞處於另外的平面501、601中的工作區域109的邊緣設置。在圖1的一個實施方式中，準直件102可以包括在承載器103中。替換地，準直件 102可以是相對於承載器103在外部的準直透鏡。可以將來自準直件103的準直光耦合至承載器103的光波導中，以便隨後利用第一光波導110來引導該準直光。例如，可以通過第一光波導110中的全內反射來引導準直光。在一個實施方式中，經由承載器103的第一部分110中的準直件102將準直光耦合至承載器103中。承載器103的所述第一部分可以例如是圖1中描繪的方形承載器的第一側。如以上所述，形成方形承載器103的第一側110的光波導可以包含第一主要光改向結構104。第一主要光改向結構104可以例如包括數個稜鏡，例如多個稜鏡(例如五個稜鏡)。可以通過鑄造、衝壓、鑽孔、蝕刻、等等來在承載器103的第一側中形成這些稜鏡。這些稜鏡可以具有等腰三角形形狀，並且因此可以提供在X-Z平面中的面向準直光束的平面112。進一步地，沿圖1中的Z方向，稜鏡104可以一直延伸穿過承載器103。 替換地，稜鏡可以沿Z向部分地延伸穿過承載器103，例如沿Z方向延伸穿過承載器103的 90%。稜鏡可以是中空的(例如被空氣填充)，或填充了流體(例如水)，或者是實心的(例如聚合物)，不過，填充材料的折射率必須小於承載器103第一側的光波導110的折射率。 因此，在光波導110由丙烯酸玻璃製成的實例中，填充材料的折射率必須小於丙烯酸光波導的折射率(即1. 47)，以便於接近到工作區域109內的全反射。替換地，稜鏡可以包括嵌入反射器或具有反射塗層的稜鏡結構。通常，稜鏡的填充材料的折射率應當小於其中形成有稜鏡的光波導的折射率。沿圖1的X向，設置第一主要光改向結構104的稜鏡，以便以基本連續的方式基本上涵蓋光波導110的沿X方向的寬度w，g卩，耦合至光波導110內的基本上所有準直光(例如90% )將與稜鏡104相互作用(忽略光波導110中的光損耗。)沿圖1中的Y向，設置稜鏡，以便以離散方式基本涵蓋工作區域的沿Y方向的長度 L，即，將稜鏡設置使得自第一主要光改向結構104反射的光將到達工作區域109中的沿著 Y方向的某些點，並且自第一主要光改向結構反射的光將不會到達工作區域109中的沿著Y 方向的某些點。如從圖1中所見，稜鏡104可以設置為相對於準直光束111形成角度α，其中所述準直光束在圖1的X-Y平面中且在光波導Iio內被引導。在一個實施方式中，角度α選自 30° -60°的範圍，例如，將角度α選為45° (= π/4弧度)。
如果工作區域109由空氣形成，即具有大致為1的折射率，那麼稜鏡的面向準直光束的平面表面112垂直於工作區域109的平面(即X-Y平面)。在圖7中，承載器103設置在平板701上，例如有機玻璃平板。不過，當工作區域由空氣形成時，這種平板是可選的。 例如，一個實施方式可以包括承載器103以及由空氣形成的工作區域，而沒有平板701。工作區域是由空氣形成的實施方式的優點是其完全阻斷了或基本完全阻斷了接觸點中的光。 從而，可以改進對在檢測器108處檢測的光的變化的檢測。在光波導110中被引導的準直光至少部分地通過稜鏡104反射，其中準直光束與稜鏡的平面表面之間的角度為45°，並且平面表面112與工作區域平面的法線702之間的角度為0°。從而，將來自光波導110的反射光耦合至工作區域109中，並且將所述光耦合至工作區域109中，光基本垂直於工作區域平面的法線702，即基本平行於工作區域的平面。當工作區域109由空氣形成時，經由波導-空氣界面114將光耦合至工作區域中， 並且耦合至工作區域的光將會在自由空氣中被引導，並且因此基本上沿直線行進至工作區域的另一表面，所述光從所述另一表面經由空氣-波導界面115而耦合至承載器103的第二部分113中，即承載器103的第二光波導113中。如果工作區域109由平板波導形成，例如丙烯酸玻璃板(例如具有為大致1.49 的折射率)，那麼稜鏡的面向準直光束的平面表面112與工作區域109的平面(即X-Y平面，例如圖4中所見)的法線402形成不同於0°的角度。例如，稜鏡的平面表面112與工作區域109的平面的法線402之間的角度可以選自從70° -89°的範圍內，例如可以將該角度選為75°，以便確保光在平板波導109中的多個向上反射(up-bounce)和向下反射 (down-bounce)。反射(即全內反射)越多，則平板波導工作區域的靈敏度就越大，這是因為可能的接觸點就越多，在所述接觸點處平板波導中的光可能會被物體(例如手指)幹擾， 由此到達所述檢測器的光的強度可能發生改變，如下所述的。波導表面的光撞擊工作區域 109的區域提供了最大靈敏度區域。由於在第一與第二主要光改向結構104、105之間傳送的光的Y方向離散，以及在第一與第二次要光改向結構106、107(當光改向結構由稜鏡形成時)之間傳送的光的X方向離散，所述波導表面上的區域可以在這兩個方向(X和Y)都形成高靈敏度的區域處提供，也就是，沿χ-方向和Y-方向的高靈敏度區域重合。通過平板波導的厚度和光在平板波導內的傳播角度的恰當結合，可以確立該重合區域。在一個實施方式中，可以使該重合區域與鍵盤的字母-數字符號一致，從而確立字母-數字接觸板。在第一光波導110中被引導的準直光至少部分地通過稜鏡104反射，其中準直光束與稜鏡的平面表面之間的角度為大致45°，並且該平面表面與工作區域平面之間的角度不是90° (例如75° )。從而，將反射光從光波導110耦合至工作區域109中。當所述工作區域由平板波導(例如丙烯酸平板波導)形成時，光經由波導-波導界面114而耦合至所述工作區域中，並且耦合至所述工作區域內的光將在所述平板波導內經由全內反射被引導至所述工作區域中的另一表面，所述光從所述另一表面經由波導-波導界面115而耦合至承載器103的第二光波導113內。在一個實施方式中，承載器103和工作區域109可以由相同材料的形成，例如丙烯酸玻璃或矽玻璃。替換地，承載器103可以以一種材料形成，例如丙烯酸玻璃或矽玻璃，並且工作區域109可以以第二種材料形成，例如空氣或Ge-摻雜矽玻璃。承載器103的折射率η承載器> 1，例如在從約1.44至約1.56的範圍內。承載器103的第二光波導113可以例如是圖1中所示的方形承載器的第二側。例如，第二光波導113可以是與承載器103的第一部分110相對的第二側。形成方形承載器103的第二側110的光波導可以包含第二主要光改向結構105。第二主要光改向結構105可以例如包括數個稜鏡，例如多個稜鏡(例如五個稜鏡)。可以通過鑄造、衝壓、鑽孔、蝕刻等來將這些稜鏡形成在承載器103的第一側中。第二部分113的稜鏡105類似於第一部分110的稜鏡，即，具有等腰三角形形狀， 並且因此可以提供在Y-Z平面中且面向從工作區域109耦合進的光的平面表面112。進一步，沿圖1中的Z方向，稜鏡105可以一直延伸通過承載器103。替換地，稜鏡可以沿Z方向部分地延伸通過承載器103，例如，沿Z向延伸通過過承載器103的90%。稜鏡105可以是中空的(例如填充空氣)，或者填充有液體(例如水)，或者是實心的(例如聚合物)，不過，填充材料的以及因此稜鏡的折射率必須小於承載器103的第二側113的光波導的折射率，例如，填充材料的折射率必須小於丙烯酸光波導的折射率(即，1. 47)。替換地，稜鏡可以包括嵌入反射器或具有反射塗層的稜鏡結構。沿圖1中的X方向，將稜鏡105設置成以連續的方式基本覆蓋光波導113的沿著X 方向的寬度W2，S卩，從稜鏡105反射的光能夠覆蓋檢測器108的基本上整個第一部分116。沿圖1中的Y方向，將稜鏡105設置成以離散的方式基本覆蓋工作區域的沿著Y 方向的長度L，並且以一對一的方式與承載器103的第一主要光改向結構的稜鏡104的位置匹配，即，確保通過稜鏡104反射的光能夠到達稜鏡105(忽略第一波導110和第二波導 113以及工作區域109和波導-工作區域界面114、115中的損耗)。如從圖1中所見，將稜鏡105設置成相對於準直光束111形成角度α，所述準直光束在圖1的X-Y平面中且在光波導110內被引導。在一個實施方式中，角度α選自 30° -60°的範圍中，例如，將角度α選擇為45° (= π/4弧度)。如果工作區域109由空氣形成，即折射率大致為1，那麼稜鏡的面向來自工作區域 109的光的平面表面112與工作區域109的平面(即X-Y平面，例如圖7中所見)的法線 702之間形成的角度為0°，即，稜鏡的面向準直光束的平面表面112垂直於工作區域109 的平面。從工作區域109接收的光至少部分地通過稜鏡105反射，其中接收的光束與稜鏡 105的平面表面之間的角度為大致45°，並且平面表面112與工作區域平面的法線702之間的角度為0°。從而，所述反射光自稜鏡105經由第二光波導113被引導至檢測器108的第一部分116。當工作區域109由空氣形成時，所述光自經由空氣-波導界面115從工作區域耦合至第二光波導113中，並且通過全內反射來引導耦合至第二光波導113的光。如果工作區域109由平板波導形成，例如丙烯酸玻璃板(例如折射率為大致 1.49)，那麼稜鏡105的面向從工作區域109接收的光的平面112與工作區域109的平面 (即X-Y平面，如圖4中所見)的法線402形成的角度不為0°。例如，稜鏡105的平面表面112與工作區域109的平面的法線402之間的角度可以選自70° -89°的範圍內，例如，可以將該角度選擇為75°，以便確保從稜鏡105反射的光束，該光束基本平行於工作區域平面。
從而，在第二光波導113中引導從工作區域接收的光，並且所述光至少部分地通過稜鏡105反射，其中接收的光束與稜鏡105的平面表面之間的角度為45°，並且該平面表面與工作區域平面的法線402之間的角度不是0°。從而，將來自稜鏡105的反射光引導至檢測器108的第一部分116。在一個實施方式中，裝置100的承載器103進一步包括光束分裂器117。進一步， 承載器103可以包括第一次要光改向結構106和第二次要光改向結構107。第一次要光改向結構106可以包含在承載器103的第三側118中。例如，第三側 118可以包含位於第一光波導110與第二光波導113之間並且與所述第一和第二光波導成直角的第三光波導118。第二次要光改向結構107可以包含在承載器103的第四側119中。例如，第四側 119可以包含位於工作區域109的與第三光波導118相對的側上的第四光波導119。第一次要光改向結構106和第二次要光改向結構107可以類似於以上披露的第一主要光改向結構104和第二主要光改向結構105，不過要相對Z軸旋轉180°。光束分裂器117可以相對於準直光束以45°的角度定位，所述準直光束經由準直件102耦合至承載器103中。因此，將光束分裂器定位成使準直光束的大致50% (3dB)朝向第一光波導中的第一主要光改向結構104穿過，並且將所述準直光束的大致50% (3dB) 朝向第三光波導118中的第一次要光改向結構106反射。經由第一光波導110來引導穿過光束分裂器117的準直光，並且通過第一主要光改向結構104將所述準直光的至少一部分反射至工作區域109。從工作區域109，將所述光的至少一部分耦合至第二光波導113，並且將所述光的至少一部分從第二主要光改向結構 105反射，並且經由第二光波導113被引導至檢測器108的第一部分116，在該第一部分處檢測所述光的至少一部分。類似地並且根據相同的原理，經由第三光波導118引導從光束分裂器117反射的準直光，並且通過第一次要光改向結構106將所述準直光的至少一部分反射至工作區域 109。從工作區域109，將所述光的至少一部分耦合至第四光波導119中，並且所述光的至少一部分從第二次要光改向結構反射，並且經由第四光波導119被引導至檢測器108的第二部分120，在該第二部分處檢測所述光的至少一部分。在一個實施方式中，在位於檢測器108的第一部分116前方的第二光波導113中形成一柱面透鏡(未示出)，以便將來自第二波導113的光聚焦而入射在檢測器108上。類似地，在檢測器108的第二部分120前方的第四光波導119中形成一柱面透鏡，以便將來自第四光波導119的光聚焦而入射在檢測器108上。在一個實施方式中，可以通過離開單個稜鏡的空間受限射線的衍射來確定光改向結構(例如第一主要光改向結構)中的稜鏡數量。因此，從衍射方面考慮，可以通過公式
來計算光改向結構中的稜鏡的最大數量，其中λ是光波導中的光的波長，L是工作區
域的長度，並且A是從3-10的範圍中選擇的常數，例如A = 10。 在一個實施方式中，第一和第二主要光改向結構104、105分別在第一和第二光波導110、113中形成，並且垂直於包含第一和第二次要光改向結構106、107的第三和第四光波導118、119。從而，從第一主要光改向結構104傳遞至第二主要光改向結構105的光可以基本垂直(例如在1°之內)於從第一次要光改向結構106傳遞至第二次要光改向結構 107的光。在圖15示出的實施方式中，可以利用第二光源1502和第二準直件1501代替光束分裂器，其中第二光源1502以相對於第一光源101成90°的角度定位，以便產生至少一部分傳播穿過第二準直件1501並且進入第三光波導118的光。圖2示出了用於對物體的位置編碼的裝置200的一個實施方式。裝置200可以包括除了稜鏡104-107之外的圖1的實施方式中包含的所有技術特徵。在裝置200中，通過第一衍射傳送結構204和第二衍射傳送結構205和第三衍射傳送結構206以及第四衍射傳送結構207來形成第一和第二和第三以及第四光改向結構。衍射傳送結構204、206形成為以基本連續的方式分別基本覆蓋光波導110、118的沿著X方向、Y方向的寬度W、W4，S卩，耦合至光波導110、118的基本上所有的準直光都將分別與衍射傳送結構204、206相互作用(忽略光波導中的光損耗)。衍射傳送結構204、206進一步形成為以基本連續的方式分別基本覆蓋工作區域的沿Y方向、X方向的長度L、W3，即，衍射傳送結構204、206設置成使得分別從第一主要光改向結構204、第二次要光改向結構206反射的光將到達工作區域109中的分別沿著Y方向、X方向的基本上所有的點。從而，衍射傳送結構204、206提供了橫穿工作區域109的基本連續的靈敏度。圖2的衍射傳送結構205、207設置成以連續的方式分別基本覆蓋光波導113、119 的沿著X方向、Y方向的寬度W2、W5，即，從衍射傳送結構205、207反射的光能夠分別覆蓋檢測器108的第一部分116、第二部分120的基本所有部分。衍射傳送結構205、207進一步形成為以連續的方式分別基本上覆蓋工作區域的沿著Y方向、X方向的長度L、W3，並且以一對一的方式分別與承載器103的第一和第二主要光改向結構各自的衍射傳送結構204、206的位置匹配，即，確保通過第一主要/次要光改向結構反射的光能夠分別到達衍射傳送結構205、207 (忽略波導和工作區域以及波導一工作區域界面中的損耗)。圖3示出了用於對物體的位置編碼的裝置300的一個實施方式。裝置300可以包括除了稜鏡104-107之外的圖1的實施方式中包含的所有技術特徵。在裝置300中，通過第一衍射反射結構304和第二衍射反射結構305和第三衍射反射結構306以及第四衍射反射結構307來形成第一和第二和第三以及第四光改向結構。在一個實施方式中，圖1和/或圖2和/或圖3中的光改向結構可以是相同類型的，例如，所有的光改向結構可以是稜鏡或衍射傳送結構或衍射反射結構。在一個實施方式中，圖1和/或圖2和/或圖3中的光改向結構可以是不同類型， 例如，第一和第二主要光改向結構可以是稜鏡，第一和第二次要光改向結構可以是衍射傳送結構，或者第一和第二主要光改向結構可以是衍射傳送結構，並且第一和第二次要光改向結構可以是衍射反射結構等。在一個實施方式中，衍射傳送結構和/或衍射反射結構可以是光柵和/或全息圖和/或計算機產生的全息圖。圖12示出了用於對物體的位置編碼的裝置1200的一個實施方式。裝置1200可以包括圖1和/或圖2和/或圖3的實施方式中包含的所有技術特徵。
在裝置1200中，第一光波導110和第三光波導118寬於裝置100的第一和第三光波導，以便提供分別包含第一主要光改向結構104和第一次要光改向結構106的第一部分， 以及能夠平行於第一主要光改向結構104和第一次要光改向結構106來引導光1203、1204 的第二部分。在第一和第三光波導110和118的第二部分中且靠近準直件102來形成光束分裂器117。進一步，光束分裂器117可以定位成相對於準直光束成45°的角度，所述準直光束經由準直件102被耦合至承載器103中。因此，所述光束分裂器定位成使得所述準直光的大約50% (3dB)朝向第一光波導110的第二部分中第二鏡1202而穿過，並且朝向第三光波導118的第二部分中的第一鏡1201來反射所述準直光的大約50% (3dB)。通過引導分別來自第一和第三光波導110、118的第二部分中的光束分裂器117的光，能夠使所述光分別通過稜鏡104、106不受幹擾地傳播至鏡1201、1202(忽略光波導110、118中的損耗)。檢測器108可以在第一和第三光波導110、118的第一部分中且靠近工作區域109 形成。檢測器108可以形成為檢測從第一主要光改向結構104和第一次要光改向結構106 反射的光。第一鏡1201形成在第三光波導118的第二部分中，並且以便以90°的角度將來自光束分裂器117的光反射至第二主要光改向結構105上。第二鏡1202形成在第一光波導110的第二部分中，並且以便以90°的角度將來自光束分裂器117的光反射至第二次要光改向結構107上。來自第一鏡1201的入射至第二主要光改向結構105上的光可以以大約90°的角度被反射至工作區域109中。來自第二主要光改向結構105且穿過工作區域109的光可以耦合至第一光波導110的第一部分中。耦合至第一光波導110的第一部分中的光可以通過第一主要光改向結構104以大約90°的角度反射，並且反射至檢測器108的第一部分116中。以大約90°的角度將來自第二鏡1202且入射在第二次要光改向結構107上的光反射至工作區域109中。來自第二次要光改向結構107且穿過工作區域109的光可以被耦合至第三光波導118的第一部分中。耦合至第三光波導118的第一部分中的光可以通過第一次要光改向結構106以大約90°的角度反射，並且反射至檢測器108的第二部分120中。因此，裝置1200提供了單端(single-ended)裝置，即，在這種裝置中，光源101和檢測器108在裝置1200的相同部分/拐角中形成，從而使得易於電接觸這兩個特徵。如以上的公開，光改向結構可以是稜鏡、衍射透射光柵和/或衍射反射光柵。圖13A示出了該裝置一個實施方式的在I-I處的橫截面圖，其中承載器103與工作區域109成直線。準直光1301平行於第一次要光改向結構106(例如，稜鏡或衍射結構) 傳播。準直光在第三光波導118的第二部分中傳播，並且第一次要光改向結構106形成在第三光波導118的第一部分中。可見到與第一次要光改向結構106相鄰的是在第三光波導 118與工作區域109之間的光波導-工作區域界面126。圖13B示出了該裝置一個實施方式的在II-II處的橫截面圖，其中承載器103與工作區域109成直線。可以看見，形成在第二光波導113中的第二主要光改向結構105(例如，稜鏡或衍射結構)與在第二光波導113與工作區域109之間的光波導-工作區域界面 115相鄰。
如以上所提及的，在承載器103與工作區域109成直線的情況下，所述工作區域可以以空氣或平板波導形成。圖14A示出了所述裝置一個實施方式的在I-I處的橫截面圖，其中承載器103的平面相對於工作區域109平面沿Z方向移動。準直光1301平行於第一次要光改向結構 106(例如，稜鏡或衍射結構)傳播。準直光在第三光波導118的第二部分中傳播，並且第一次要光改向結構106形成在第三光波導118的第一部分中。可以看見，在第三光波導118 下方的是在第三光波導118與包含工作區域109的平板波導之間的第三光波導-平板波導界面1302。圖14B示出了所述裝置一個實施方式的在II-II處的橫截面圖，其中承載器103 的平面相對於所述裝置的工作區域109平面沿Z方向移動。可以看見，形成在第二光波導 113中的第二主要光改向結構105(例如，稜鏡或衍射結構)與處在第二光波導113與包含工作區域109的平板波導之間的第二光波導-平板波導界面1303相鄰。如以上所提及的，在承載器103平面相對於工作區域平面移動的情況下，工作區域可以形成在平板波導中。全內反射通常，當入射至所述裝置(例如圖4-圖6和圖9-圖11所見)內的表面上的光具有的入射角大於臨界角時，會通過全內反射來引導光。將光束的入射角限定為所述光束與入射表面的法線(例如，圖4中的402)之間的角度。同樣地，相對於入射表面的法線來限定臨界角。所述臨界角取決于波導109、110、113、118、119的折射率與裝置100外部的介質 (環境介質)的折射率之間的關係。利用以下方程式來限定臨界角9。,a:θ C a = arcsin(na/nw)其中na是環境介質(通常為空氣)的折射率，並且 是波導109、110、113、118、 119的折射率。正常情況下空氣的折射率為大約1。如果在接觸點(即，物體(例如手指)碰觸工作區域109的波導的點，例如圖1中點123或圖4中的點403)處，環境介質由折射率為nQ的物體取代，則局部臨界角根據下式改變θ c,。= arcsin(n。/nw)。優選地，Θ。,。大於e。,a。如果η。大於na，會出現這種情況。如果物體是手指，那麼 η。為大約1.47。優選地，將所有光束的入射角控制在兩個臨界角9_和Θ。,。之間。在這種情況下，在所述接觸點處單獨地抑制全內反射，導致所述光的至少一部分在波導外耦合。 因此，會降低在檢測器108處檢測的光束的強度。如果在另一點處，環境介質由折射率為的水滴取代，則局部臨界角根據下式改變θ c,水=arcsin(n水/nw)。水的折射率為大約1. 33。優選地，將所有光束的入射角控制在兩個臨界角θ。,#與 θ。，。之間，以便水滴不會抑制全內反射。在這樣的一個實施方式中，殘留在工作區域波導上的水將不會影響光在波導內的傳播。在整個披露內容中，以上提及的三個臨界角主要是指環境介質的臨界角9。,a、物體的臨界角Θ。,。、以及水的臨界角θ。,_工作區域波導可以由多種不同材料(例如丙烯酸玻璃)製成。如果光束在可見範圍內，並且接觸靈敏的波導由折射率大約1.49的丙烯酸玻璃製成，那麼所述臨界角大致為以下這樣空氣的臨界角9。,3為42° ；水的臨界角9。,#為63.2° ；並且物體(手指)的臨界角 9。,。為80.6°。接觸點的確定從第二主要光改向結構和/或從第二次要光改向結構反射的每個光束(如所述光束投射在XY平面上的傳播路徑所限定的)具有在檢測器108的第一部分116和/或第二部分120上的唯一入射點。在所述的實施方式中，檢測器陣列108是用於位置編碼的一維陣列。不過，檢測器陣列108可以是多維的，例如二維。通過改變沿著工作區域109內的特定傳播路徑傳播的光束的強度，在檢測器108上的對應入射點處的強度將會出現變化。通過在接觸點123、403處幹擾光束124、404的物體405(例如在接觸點123、403 處碰觸工作區域的手指)，可以降低入射至檢測器108的特定點上的給定光束124、404的強度，以便當物體405接觸工作區域109時，防止光束1M、404的至少一部分入射至檢測器 108的特定點上。接觸工作區域的物體405表示物體405處在通過工作區域109引導的所討論光的漸逝場中。物體405可以例如通過耦合出光束1M、404的至少一部分來幹擾在平板波導109內傳播的光束124、404。替換地或額外地，物體405可以通過吸收光束1M、404 的至少一部分來幹擾在平板波導109內傳播的光束124、404。替換地或額外地，物體405可以通過散射光束124、404的至少一部分來幹擾在平板波導109內傳播的光束124、404。如圖1所示，由於在工作區域109內傳播的光束121、122的相交(所述光束121、 122分別基本平行於χ軸和y軸)，通過接觸工作區域109的物體(圖1中未示出)，能夠在基本上單個的接觸點123處幹擾沿著這些方向中的每個方向傳播的光。不過，通過光源101朝向承載器103中的第一主要光改向結構104或第一次要光改向結構106發出的光也會受到所述物體的幹擾。而且，通過第二主要光改向結構105或第二次要光改向結構107朝向檢測器108重新定向的光也會受到所述物體的幹擾。不過， 通過對比到達檢測器108的不同相應點的光的對應強度改變，可以推導出單個接觸點的位置。圖1中示出的示例狀態描繪了這種情況，其中物體(未示出)在接觸點123處接觸工作區域109。通過工作區域109引導並且投射至XY平面上的兩條光束121、122在接觸點123處相交。來自這兩條光束121、122中每一條光束的光的至少一部分受到接觸點123 處的物體(未示出)的幹擾。因此，入射光的光強度將會在檢測器108處的兩點處的減小。 由於與檢測器108上的兩個入射點相對應的兩條光束121、122恰好具有一個共同的交點 (即接觸點123)，所以可以從在檢測器108處檢測的光的強度分布來推導出接觸點123的位置。因此，如圖1所描繪的，根據本發明的裝置100的包括單個光源101和單個檢測器 108的一個實施方式可以用於估算物體(未示出)與工作區域109之間的接觸點123的位置。關於7承載器中接角蟲點的不靈敏It在一個實施方式中，經由準直件102從光源101耦合至承載器103的光波導110、 118內的光相對於光波導110、118形成的入射角大於物體(未示出)的臨界角Θ。,。，以便耦合至光波導110、118內的光不會受到物體(未示出)的影響。從而，在第一和第三光波導110、118中引導的光在從光源101朝向工作區域109傳播的期間對接觸承載器103的物體(未示出)不敏感。如以上所公開的，當工作區域109包括平板波導時，那麼第一主要和第一次要光反射結構104、106相對工作區域平面/平板波導平面的法線402傾斜/歪斜，並且與該平板波導表面形成的角度θ為大約81° (即不是90° )。角度θ可以具有不同的值，例如在60°與89°之間的範圍內，例如在70°與86°之間，或者是180°減去任何所提及的角度或角度範圍。而且，第一主要和第一次要光改向結構104、106可以包括可以與平板波導表面形成不同角度的不同部分(未示出)。第一主要和第一次要光反射結構104、106相對於平板波導109的傾斜會導致反射光束121、122相對於平板波導表面109的入射角與平板波導表面109的法線形成一角度， 該角度小於物體(未示出)的臨界角θ。,。並且大於環境介質的臨界角0。,a。因此，當沒有物體接觸平板波導109時，反射光束通過平板波導109從第一主要光改向結構104朝向第二主要光改向結構105被引導，並且利用在平板波導表面109處的全內反射從第一次要光改向結構106朝向第二次要光改向結構107被引導。不過，在物體(未示出)接觸平板波導表面109的情況下，被引導的光束會受到幹擾。經由工作區域/光波導界面115、125從工作區域109耦合至承載器103的第二和第四光波導113、119的光相對於光波導113、119形成入射角，該入射角小於物體的臨界角θ。,。並且大於環境介質的臨界角9。,a。在一個實施方式中，第二主要和次要光改向結構 105,107可以以大於物體的臨界角θ。，。的角度反射入射光，以便耦合至光波導113、119的光不會受到物體的影響。從而，在第二和第四光波導113、119內引導的光在從工作區域109 傳播至檢測器108期間對接觸承載器103的物體不敏感。在一個實施方式中，光源101的強度可以調節，以避免來自環境光(例如日光)的幹擾。此外，檢測器108可以執行選通檢測(gated detection)，從而便於區域分環境光與光源101發出的光。如果工作區域109包括能夠引導光的介質的平板波導，那麼可以通過平板波導的表面至少部分地限定工作區域。圖4示出了包括傾斜稜鏡401的裝置的一個實施方式，所述傾斜稜鏡相應地將光耦合至包括平板波導的工作區域內，以及接收來自所述工作區域的光，其中所述傾斜稜鏡與所述工作區域平板波導成直線，即，所述平板波導包含在與傾斜稜鏡相同的平面中。圖5和圖6示出了包括傾斜稜鏡501、601的裝置的一個實施方式，所述傾斜稜鏡相應地將光耦合至包括平板波導502、602的工作區域，以及接收來自所述工作區域的光， 並且其中，所述工作區域/平板波導的平面沿Z方向相對於傾斜稜鏡的平面位移。圖7和圖8示出了包括形成在空氣中的工作區域的裝置的一個實施方式。圖7示出了通過稜鏡形成光改向結構的一個實施方式，並且圖8示出了通過衍射結構(例如，衍射反射光柵或衍射透射光柵)形成光改向結構的一個實施方式。圖9和圖10示出了包括傾斜衍射結構的裝置的實施方式，所述傾斜衍射結構例如為傾斜衍射透射光柵和/或傾斜衍射反射光柵，所述傾斜衍射結構相應地將光耦合至包括平板波導902、1002的工作區域內，以及接收來自所述工作區域的光，並且其中，所述工作區域/平板波導的平面相對於傾斜衍射結構的平面沿著Z方向位移。圖11示出了包括傾斜衍射結構1101的裝置的一個實施方式，所述傾斜衍射結構例如為傾斜衍射透射光柵和/或傾斜衍射反射光柵，所述傾斜衍射結構相應地將光耦合至包括平板波導1102的工作區域內，以及接收來自所述工作區域的光，其中所述傾斜衍射結構與工作區域平板波導成直線，即，所述平板波導包含在與傾斜衍射結構相同的平面中。通常，以上和/或以下描述的任何技術特徵和/或實施方式都可以結合於一個實施方式中。替換地或額外地，以上和/或以下描述的任何技術特徵和/或實施方式均可以在獨立的實施方式中。替換地或額外地，以上和/或以下描述的任何技術特徵和/或實施方式可以與以上和/或以下描述的任何多個其他技術特徵和/或實施方式結合，以形成任何多個實施方式。在列舉了若干個部件的裝置權利要求中，這些部件中的若干個部件可以通過同一個零件項來體現。在相互不同的從屬權利要求中引用或者在不同實施方式中說明的特定措施並不表明不能採用這些措施的結合來獲得優勢。應該強調的是，當術語「包括/包含」用於本說明書中時，所述術語用於明確說明所述特徵、整體、步驟或部件的存在，但不排除存在或添加一個或多個其他特徵、整體、步驟、部件或其組合。在上下文中，相同的標號可以表示相同的元件/技術特徵。
權利要求
1.一種用於對物體的位置編碼的裝置，包括-第一光源；-第一準直件，所述第一準直件適於從所述第一光源形成第一準直光；-承載器，所述承載器適於引導光，並且所述承載器包括第一主要光改向結構和第二主要光改向結構；以及-檢測器裝置，所述檢測器裝置用於對物體相對於編碼平面的工作區域的位置進行編碼；其中所述第一主要光改向結構適於將第一光束的至少一部分改向以使所述第一光束的該至少一部分穿過所述工作區域而進入所述第二主要光改向結構；以及其中所述第二主要光改向結構適於將接收自所述第一主要光改向結構的光改向以使接收自所述第一主要光改向結構的光到達所述檢測器裝置上。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述承載器進一步包括第一次要光改向結構和第二次要光改向結構，其中所述第一次要光改向結構適於將第二光束的至少一部分改向以使所述第二光束的該至少一部分穿過所述工作區域而進入所述第二次要光改向結構；以及其中所述第二次要光改向結構適於將接收自所述第一次要光改向結構的光改向以使接收自所述第一次要光改向結構的光到達所述檢測器裝置上。
3.根據權利要求2所述的裝置，包括光束分裂器結構，所述光束分裂器結構適於將所述第一準直光的至少一部分分裂成所述第一光束和所述第二光束。
4.根據權利要求2-3中任一項所述的裝置，包括第二光源以及用於從所述第二光源形成第二準直光的第二準直件，其中所述第二光束包括所述第二準直光的至少一部分。
5.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述第一主要光改向結構包括稜鏡結構。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中，所述稜鏡結構包括多個稜鏡，所述多個稜鏡包括具有平面表面的第一稜鏡。
7.根據權利要求6所述的裝置，其中，所述第一稜鏡的平面表面的法線與所述編碼平面形成在從約0°至約15°的範圍內的角度。
8.根據權利要求6至7中任一項所述的裝置，其中，所述第一稜鏡的所述平面表面垂直於所述編碼平面，並且與所述第一光束形成入射角，其中所述入射角在從30°至約60°的範圍內，優選為約45°。
9.根據權利要求6-7中任一項所述的裝置，其中，所述第一稜鏡的折射率小於所述承載器的折射率。
10.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述第一主要光改向結構包括衍射透射光柵。
11.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述第一主要光改向結構包括衍射反射光柵。
12.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述工作區域為空氣。
13.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，包括平板波導，所述平板波導具有至少部分地限定所述工作區域的第一表面區域。
14.根據權利要求13所述的裝置，其中，所述平板波導與所述第一主要光改向結構和第二主要光改向結構以及第一次要光改向結構和第二次要光改向結構都包含在 相同平面中。
15.根據權利要求13所述的裝置，其中，所述第一主要光改向結構和第二主要光改向結構以及第一次要光改向結構和第二次要光改向結構都包含在自包含所述平板波導的平面移位的平面中。
16.根據權利要求2至15中任一項所述的裝置，其中，所述承載器進一步包括第一鏡和第二鏡；其中所述第一鏡適於反射所述第一光束的一部分，並且所述第二鏡適於反射所述第二光束的一部分。
17.根據權利要求1至16中任一項所述的裝置，其中，所述裝置進一步包括第一柱面透鏡，所述第一柱面透鏡定位在所述檢測器的前方，以用於將來自所述第二主要光改向結構的光聚焦至所述檢測器上。
18.根據權利要求5所述的裝置，其中，所述稜鏡結構包括嵌入反射器或者所述稜鏡包括反射塗層。
19.根據權利要求1至18中任一項所述的裝置，其中，所述裝置適於隨著由所述檢測器檢測的接收光強度的變化來確定幹擾在所述工作區域(109)內傳播的光的物體的位置。
20.根據權利要求6所述的裝置，其中，將所述稜鏡結構中的稜鏡的側面長度確定為在所述工作區域(109)內傳播的光的波長的平方根乘以所述工作區域(109)的側面的長度進而除以一因數，所述多個稜鏡在所述側面附近形成，其中所述因數在3與10之間選擇，優選地為10。
21.根據權利要求1至20中的任一項所述的裝置，其中，所述光源的強度被調節，以便能夠抑制環境光的影響。
22.—種對物體的位置編碼的方法，包括在第一主要光改向結構內將經由準直件從光源接收的第一光束的至少一部分改向，使所述第一光束的該至少一部分穿過工作區域並且進入第二主要光改向結構內；以及-在所述第二主要光改向結構內將從所述第一主要光改向結構接收的光的至少一部分光改向以使從所述第一主要光改向結構接收的光的至少一部分光到達檢測器裝置上；-根據在所述檢測器裝置處接收的光的量來對所述物體相對於所述工作區域的位置編碼。
23.根據權利要求22所述的方法，進一步包括在第一次要光改向結構內將第二光束的至少一部分改向以使所述第二光束的該至少一部分穿過工作區域並且進入第二主要光改向結構；以及在第二次要光改向結構內將從所述第一次要光改向結構接收的光的至少一部分改向以使從所述第一次要光改向結構接收的光的至少一部分到達所述檢測器裝置上。
24.根據權利要求22所述的方法，包括將從所述準直件接收的第一光束分裂成所述第一光束和所述第二光束。
25.一種用於對物體的位置編碼的系統，所述系統包括根據權利要求1至21中任一項所述的裝置以及幹擾所述工作區域內的光的物體。
全文摘要
本發明涉及對物體的位置編碼的裝置，包括第一光源；第一準直件，其適於從第一光源形成第一準直光；承載器，其適於引導光，並且包括第一主要光改向結構和第二主要光改向結構；以及檢測器裝置，其用於對物體相對編碼平面的工作區域的位置編碼；其中第一主要光改向結構適於將第一光束的至少一部分改向以使其穿過工作區域而進入第二主要光改向結構；並且其中第二主要光改向結構適於將從第一主要光改向結構接收的光改向以使其到達檢測器裝置上。從而，能夠實現準直光束沿著承載器傳播，並且經由第一主要光改向裝置從承載器進入工作區域中。準直光確保將承載器的受控部分用於準直光的傳播。
文檔編號G02B5/04GK102576266SQ201080041205
公開日2012年7月11日 申請日期2010年7月16日 優先權日2009年7月16日
發明者亨裡克·克雷斯蒂恩·佩德森, 瓦格恩·斯蒂恩·格魯納·漢森, 麥可·林德·雅科布森 申請人:Opdi科技股份有限公司