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CN1856766A - 用于显示监视器的坐标检测系统 - Google Patents

用于显示监视器的坐标检测系统 Download PDF

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CN1856766A
CN1856766A CNA2004800272373A CN200480027237A CN1856766A CN 1856766 A CN1856766 A CN 1856766A CN A2004800272373 A CNA2004800272373 A CN A2004800272373A CN 200480027237 A CN200480027237 A CN 200480027237A CN 1856766 A CN1856766 A CN 1856766A
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CN
China
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light
layer
optical detection
detection device
photoconduction
Prior art date
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Pending
Application number
CNA2004800272373A
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安德烈娅·吉拉尔多
加利莱奥·J·A·德斯图拉
胡戈·J·科内利森
马丁·J·J·亚克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
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Abstract

本发明涉及一种用于检测显示监视器屏幕上输入位置的装置。该装置包括光导层(301)，其具有一种光学结构，使得从装置外部入射到该层(301)上的光(303)的一部分(304)被限制在该层(301)内。由用户可操纵地遥控输入设备发射入射光(303)，用于与该装置进行互动。例如，遥控输入设备是激光指示器(205)。该装置中的光检测装置(803)检测限制在该层(301)内的光(304)。因此可以确定来自输入设备的光(207)进入该层(301)的输入位置(206)。

Description

用于显示监视器的坐标检测系统
发明领域
本发明涉及一种用户输入装置，用于检测作为用户与该装置互动结果的、相对于该装置的输入位置。优选地，该装置包括显示监视器。
背景技术
为改善用户和计算机之间的互动性，将触摸屏显示器引入多媒体信息亭、教育中心、自动售货机、电子游戏、PC等。触摸屏显示器就是可以受物理接触影响的显示屏幕，其允许用户通过触摸计算机屏幕上的图标、图片、字符或其它可视对象与计算机进行互动。通常用手指、为防止屏幕变脏和玷污的笔或者一些其它合适的触针或定点设备进行触摸，即与屏幕建立物理接触。
有时用于提供直接互动性的物理接触并不是最佳的选择，例如当屏幕很大时和/或当屏幕位置与用户有一定距离时。例如，在做陈述时，与屏幕进行互动的用户将妨碍观众的视野。
在这种情况下，使用依靠光源提供的光束是与屏幕进行互动的一种很好的选择。为了互动的目的，与使用普通的红外线遥控相比，使用人眼可见的光源是一种更具吸引力的选择。
欧洲专利说明书EP 0 572 182 B1公开了一种具有集成光学输入装置的显示单元。该显示单元具有液晶显示(LCD)板，其包括在LCD板的其中一个基底上布置的沿X轴和Y轴方向的多根导线。这些导线是用于引导平行于基底表面的光的光波导(optical wave guide)。用于感应光信号的光接收元件布置在每个光波导的末端部分。
当从光笔发射的光与基底相接触时，发射光的接触部分的X和Y坐标由光接收元件来确定，该光接收元件例如为光电传感器。EP 0 572182 B1中存在的一个问题是光波导形成在LCD板的某层基底或多层基底上。由于在基底上形成波导的过程相当复杂，这使得该显示单元难于制造且造价昂贵。此外，由于波导实际上必须在制造时在基底上形成，并且因此不能在制造显示单元后将其添加到该显示单元中，所以在基底上形成波导这一事实不利于显示单元制造的灵活性。
发明概要
本发明的一个目标是提供一种用户输入装置，优选为一种与显示设备相结合的用户输入装置，其用于检测在该装置屏幕上的输入位置，该装置易于制造并且显示设备的图像质量所受的影响尽可能地小。在上下文中，“输入位置”应理解为包括相对于装置的坐标，表示发生用户互动的位置，例如由光笔发出的光进入该装置的位置。
该目标通过如权利要求1所述的装置实现。从属权利要求定义了优选实施例。
根据本发明的一方面，提供了一种坐标检测系统，其中在该装置内布置了光导层。该光导层具有一种光学结构，用于当光从装置外部入射到该层上时，将一部分光限制在该层内，并且当光从装置内部入射到该层上时，使光穿过该层传送。该系统具有光检测装置，用于检测被限制在该层内的光。
本发明的想法是将具有某些光学特性的光导层布置在装置中。该光导层具有一种光学结构，一方面，从装置外部入射到该层上的一部分光被限制在该层内，另一方面，对于从装置内部入射到该层上的光，该层基本上透明并且几乎所有的光都穿过该层传送。
源于外部的光由用户操纵的、用于与装置进行互动的遥控输入设备发出。例如，遥控输入设备包含光笔或激光笔。源于装置内部的光由显示监视器自身发出。为了不降低所显示图像的亮度和对比度，光最好以尽可能小的衰减通过该层。
该装置中的光检测装置例如为光电检测器(photo detector)，用于对输入设备发出光的受限制部分进行检测。通过检测被限制在该层中的光，可以确定从输入设备发出的光入射到该层上的输入位置(入射点)，该输入设备诸如为激光指示器、或者某些其它适当的聚焦光学指示装置。
本发明是有优势的，因为能以很灵活的方式提供对入射光的可靠检测。具有箔、薄膜等结构的光导层易于装配在装置中，或者易于与显示监视器集成，并且能够用于诸如LCD、CRT的大多数类型的显示监视器，以及诸如OLED、PLED等的不同类型的LED技术。可以应用本发明的设备包括移动电话屏幕、PDA、便携式电脑、不同类型的监视设备、电视机、投影屏幕等。可以通过粘合剂或任何其它合适的附着方式，将该层附着在显示监视器中适当的基底上。而且，由于透明属性，该层仅对从显示监视器内部射到该层上的光造成很小的传输损失。此外，该层还具有一个优点，不需要与显示监视器的底层像素完全对准或对齐，这方便了该层的装配过程。
根据本发明的一个实施例，将疏导装置(canalizing means)布置在该层中，用于疏导限制在该层中的光，使得受限制光在平行于该层平面的第一方向和第二方向上传播。优选但不必须地，第一方向垂直于第二方向，从而在该层的平面内定义X轴和Y轴。这是有好处的，因为进入光检测装置的光量越大，光检测装置的敏感性就必须越低。而且，如果进入光检测装置的光束有些聚焦，这意味着检测装置的曝光区域较小，那么坐标检测将会更准确。
根据本发明的另一个实施例，疏导装置包括布置在该层内的锥体形状的结构。该锥体结构的顶角约为90度，该光学结构能够捕获从装置外部入射到该层上的一部分光，并且在第一和第二方向对光进行疏导。通过改变该锥体的几何参数，可以定制光学性能。可选地，该疏导装置包括具有斜光栅的体全息(volume holographic)结构。该光学结构也能够捕获从装置外部入射到该层上的一部分光，并且在第一和第二方向上对光进行疏导。通过改变该全息结构的倾斜角和/或光栅间距，可以定制光学特性。
根据本发明的另一个实施例，光检测装置包括比如光电检测器形式的第一光检测装置和第二检测装置，用于检测限制在该层内、并且分别在第一方向和第二方向上传播的光。第一光检测装置布置在该层的第一边缘并且检测在第一方向上传播的光，从而确定从装置外部射到该层上的光入射点的x坐标。第二光检测装置布置在该层的不与所述第一边缘相对的第二边缘，并且检测在第二方向上传播的光，从而确定从装置外部射到该层上的光入射点的y坐标。该实施例是有优势的，因为沿该层的边缘布置第一和第二光检测装置，提供了一种可以置于显示监视器前的独立检测单元。
根据本发明的另一个实施例，该装置包括显示监视器，诸如LCD、LED类型显示器、电子墨水(electronic ink)显示器或任何其它类型的有源矩阵显示器。将光检测装置集成在显示监视器的有源矩阵基底中，并且该装置包括光耦合装置，如倾斜安装的小镜子，用于将限制在该层内的光从该层耦合到集成在有源矩阵基底内的光检测装置。例如，显示监视器包括有源矩阵液晶显示器(AMLCD)，并且光检测装置包括有源矩阵基底的薄膜晶体管(TFT)。
半导体材料具有光电特性，这意味着当曝光时可以在TFT中产生光感生电流。因此，例如在传统液晶显示器中的TFT通过阻光层(1ight-rejecting layer)来屏蔽任何入射光。
通过在该层上制造开口或者以另一种对特定波长不透明的材料层来代替该层，可以使TFT对(具有特定波长的)外部光线敏感。该实施例具有的优点是可以提供平稳的集成解决方案，这是因为已有的TFT可以作为光电检测器使用，因此不需要给系统提供额外的光电检测器。
根据本发明的另一个实施例，将光导层布置在该装置前板的外表面上。这样的好处是可以把坐标检测系统看作独立系统，其不必集成在显示监视器的内部。与用于显示监视器的现有技术坐标检测系统相反，不需要在监视器的基底上形成检测系统的一部分，但是可以在显示监视器的制造和销售之后将光导层附着在显示器的前板上。由于可以集成在现有的显示系统中，因此可以缩短投放市场的时间。
根据本发明的一个优选实施例，将具有光源的光导布置在该光导层的外表面上，该光源用于将光射入光导内。调节光导与周围物体之间的光学匹配，使得光源发出的光正常情况下通过全内反射被限制在光导内。与屏幕的物理接触(例如，用户的触摸输入)干扰了光导内的全内反射，从而从光导中提取出光并将其引导至光导层。
优选地，将光导布置在光导层的外表面上，并使光导与该光导层物理接触。然而，可能在光导层和光导之间布置某种光传输介质。例如，该介质可以是折射率比光导和光导层的折射率都低的液体。光导对于源自遥控输入设备的光优选是透明的。
当该装置的用户提供触摸输入时，全内反射的状态将被干扰，并且从光导中提取出光并将其引导至光导层。然后通过确定来自光源经由光导射到光导层上的光的入射点，可以确定该装置上的接触点。
该实施例是很有优势的，因为它能使装置检测出与装置之间的光接触和物理接触。这样，用户可以根据情况进行触摸输入或使用激光指示器等进行遥控输入。
根据本发明的另一个实施例，在第一和第二光检测装置上安装光学滤波器，以提高对入射到各个光检测装置上的光的选择性。对于单色光，光学滤波器增强了对单色光的选择性。可以根据选择性来区分射到光检测器上的光和环境光。在光源是脉冲类型的情况下，光检测器和/或光学滤波器适用于通过与脉冲光同步和/或通过将光学滤波器设置成仅传递感兴趣带宽来处理脉冲光。
根据本发明的另一个实施例，在光检测装置上布置电信号滤波器，用于提高对于光检测装置产生的电信号的选择性，该电信号是光射到所述光检测装置上产生的。这样的好处是，可以对用于指示显示器上位置的光进行处理，例如调制，随后在电信号滤波器中进行解调。
通过所附的权利要求和下文中的描述，本发明更多的特点和优点将显而易见。本领域的技术人员应该认识到，除了下文中将要说明的实施例之外，还可以将本发明的不同特点结合起来得到其他实施例。
附图简要说明
通过举例和参考附图，将对本发明进行详细描述，其中：
图1示出了可以应用本发明的、现有技术显示设备的示例；
图2示出了根据本发明一个实施例的显示设备和坐标检测系统的前视示意图；
图3示出了根据本发明一个实施例的疏导装置的前视图和侧视图；
图4示出了根据本发明一个可选实施例的疏导装置的侧视图；
图5示出了可以应用本发明的显示设备的一部分的示意图；
图6示出了根据本发明一个实施例的用于将光耦合到有源矩阵基底的光耦合装置的侧视图；
图7示出了根据本发明一个实施例的布置在光导层外表面上的光导的前视图和侧视图；
图8示出了布置在光导层外表面上的光导的侧视图。
详细实施例
图1示出了便携式计算机形式的显示设备100，该计算机上具有键盘101和LCD平面屏幕102，可以将本发明有益地应用于该显示设备中。如下文中的描述，可以将包括光导层和光检测装置的本发明坐标检测系统以多种不同的方式布置在该显示设备中。例如，可以将光导层布置在显示设备的内部，或者优选将其附着在屏幕的外部。可以将光检测装置布置在屏幕的两个边缘103、104上，但是也可以将其布置在显示设备的基底上，从而将光检测装置置于显示设备的内部。
图2示出了显示设备屏幕201的前视示意图，通过粘合(adhesive)将光导层202布置在屏幕201上。在光导层的两个边缘布置光检测装置203，例如光电检测器。将光检测装置连接到CPU 204或其它具有处理能力的适当装置。典型地，CPU包括应用了该坐标检测系统的显示设备中已有的处理装置，该显示设备例如是便携式计算机、移动电话、投影屏幕、电视机等。然而，该检测系统可以是本身具有CPU的独立系统，该独立系统与应用了坐标检测的显示设备相连接和协作。用户采用激光笔205形式的光发射设备来指示屏幕上的一个光点206。
该层具有一种光学结构，使得对于从显示设备外部入射到该层上的光207，将其中一部分光限制在该层内并且在该层平面的X和Y方向进行疏导。对于从显示设备内部入射到该层上的光，该层是透明的并且所有的光基本上都透过该层发射出去。光检测装置检测限制在该层内的光。通过检测限制在该层内的在X和Y方向上被疏导的光，可以确定从显示设备外部入射到该层上的光入射点206，该光是从激光笔中发射出来的。
图3的上半部分示出了光导层301的一部分的前视图，该层中布置有锥体形状的疏导装置、光折射单元302。图3的下半部分示出了光导层301和锥体形状疏导装置302的侧视图。将疏导装置302布置在光导层301中，以捕获从显示设备外部入射到光导层上的光303的一部分，并且对限制在该层中的光进行疏导，使得受限制光304在平行于该层所在平面的第一方向和第二方向上传播。第一方向优选但不必须垂直于第二方向，使得在该层的平面内定义X轴和Y轴。通过改变锥体的几何参数，诸如顶角、底面积、高度等，可以定制光学性能。
图4示出了根据本发明的疏导装置的可选实施例。图4中示出了光导层401的侧视图，其中疏导装置402由具有斜光栅的体全息结构组成。该光学结构也能捕获从显示设备外部入射到该层上的光403的一部分，并且对限制在该层中的光进行疏导，使得受限制光404在第一和第二方向(X和Y方向)上传播。通过改变该全息结构的倾斜角度和/或光栅间距，可以定制光学特性。
图5示出了可以应用本发明的显示设备501的一部分的示意图。它包含元素或像素508的矩阵，该元素或像素508位于行或选择电极507和列或数据电极506的交叉区域。通过行驱动器504选择行电极，而通过数据寄存器505为列电极提供数据。为此，如果需要的话，首先在处理器503中对输入数据502进行处理。通过驱动线509使行驱动器504和数据寄存器505之间互相同步。
来自行驱动器504的信号通过薄膜晶体管(TFT)510来选择图像电极，TFT 510的栅极523电连接到行电极507上，源极524电连接到列电极506上。通过该TFT将出现在列电极506上的信号传递到与漏极525相连的像素508的图像电极上。其它图像电极连接到例如一个(或多个)公共计数电极(counter electrode)上。数据寄存器505还包括开关511，通过开关511，可以将输入数据传递到列电极506(511a处)，或者在感测阶段，可以感测TFT 510的状态(开关511的511b处)。
半导体材料具有光电特性，这意味着当TFT曝光时，TFT 510中产生光感生电流。因此传统显示器中，通过诸如黑矩阵层的阻光层(未示出)为TFT遮蔽任何入射光。通过在阻光层上制造开口，或者通过用另一种对特定波长不透明的材料层来代替该阻光层，可以使该TFT对(特定波长的)外部光敏感。
来自例如激光笔的(聚焦)光束可以局部地照射TFT 510，并且与该TFT相关的电容508上储存的电压由于该照射而下降。在下一个写周期中写新信息之前，对该电压下降(开关511的511b处)进行感测，能够区分有意照射的像素和未被照射的像素。将感测信息存储在处理器503中，并且使用专门软件，可以检测出从显示设备外部入射到显示器上的光的入射点。
图6示出了一种光耦合装置，其为倾斜布置的镜605。如前所述，将疏导装置602布置在光导层601中，以捕获从显示设备外部入射到光导层上的光603的一部分，并且对限制在该光导层中的光进行疏导，使得受限制光604在上述第一和第二方向上传播。镜605用于将受限制光604耦合到布置有有源矩阵基底的显示器606上。对于有源矩阵的描述参考图5。如图5所示，TFT 607形式的光检测装置用于检测从显示设备外部入射到光导层601上的光的入射点。注意为了简化，在图6中仅示出一个TFT 607。在实际应用中，每个像素使用一个TFT。使用光耦合装置605，则只需要在显示器的两个边缘(见图2)处的TFT上布置的阻光层(未示出)中开口，在此处光从光导层向下耦合到TFT。可选地，如果用另一种材料的不透明层代替所述阻光层，那么只需要在所述两个边缘进行替换。
图7示出了根据本发明一个实施例的布置在光导层外表面上的光导。图7的上半部分示出了显示设备屏幕701的前视示意图，其上具有光导层702。TFT形式的光检测装置703集成在显示设备的有源矩形基底中，用于检测入射光。在光导层702上布置有光导704。光导704具有光源708，用于向该光导内发射光。图7的下半部分示出了屏幕701的侧视图。调节光导704和周围物体之间的光学匹配，使得通过全内反射将光源708发出的光限制在光导内。
图8示出了屏幕801的侧视图。通过例如笔805与光导804的物理接触干扰全内反射，从而从光导中提取出光809，并将其引导至光导层802。如图2所示，光导层802具有锥体形状的疏导装置806，用于捕获从光导804入射到该光导层的光809的一部分，并且对限制在该光导层中的光进行疏导，使得受限制光807在平行于该光导层平面的X方向和Y方向(Y方向如图8所示)上传播。优选地，光导804布置在光导层802的外表面上，并且光导与光导层物理接触。然而，可以将某种光传输介质布置在光导层802和光导804之间。当全内反射状态被干扰并且光从光导804离开进入光导层802时，通过确定从光源808经光导804射到光导层802上的光809的入射点，可以确定显示器上的接触点810。镜812形式的光耦合装置将受限制光807耦合到布置有有源矩阵基底的显示器813上。对于有源矩阵的描述参考图5。如图5所示，TFT 803形式的光检测装置用于检测入射光，由此检测显示器上的接触点810。注意在接触点810处，光809在多个方向上散射。换句话说，可以说接触点810作为发射光809的光源。图8示出了通常在很多个方向上发生的这种散射的简化视图。
该实施例是十分有优势的，因为它能够使系统检测到与显示器的光接触和物理接触。
对于光输入，光导804是透明的，并且如前所述实现检测，例如图2所示。
很显然对于本领域的技术人员，可以对所描述的多个实施例作出各种变形、修改和组合。因此这些实施例不是为了限制本发明的范围，而是由所附权利要求来限定本发明的范围。

Claims (14)

1、一种用户输入装置，用于检测相对于所述装置的输入位置，其中所述装置包括：
光导层(301)，该光导层具有一种光学结构，用于将从外部入射到所述装置上的光(303)的一部分(304)限制在所述光导层中，该入射光(303)由用户可操作的、用于与所述装置进行互动的遥控输入设备生成，并且该光学结构用于使所述受限制光(304)穿过所述光导层(301)向光检测装置(303)传播，所述光检测装置用于检测所述受限制光(304)并且将所述受限制光的检测和所述输入位置关联起来。
2、如权利要求1所述的装置，其中所述光导层(301)包括疏导装置(302)，用于在与所述层(301)的平面平行的第一方向和与所述层(301)的平面平行的第二方向上对限制在所述层(301)中的所述光(304)进行疏导。
3、如权利要求2所述的装置，其中所述第一方向与所述第二方向基本垂直。
4、如权利要求2所述的装置，其中所述疏导装置(302)包括锥体形状的结构。
5、如权利要求2所述的装置，其中所述疏导装置(402)包括体全息结构。
6、如权利要求1所述的装置，其中所述光检测装置(203)包括：
第一光检测装置(203)，用于检测在与所述层(202)的平面平行的第一方向上传播的受限制光(304)；以及
第二光检测装置(203)，用于检测在与所述层(202)的平面平行的第二方向上传播的受限制光(304)。
7、如权利要求1所述的装置，包括显示监视器。
8、如权利要求7所述的装置，其中所述显示监视器(102)包括液晶显示器、LED显示器或电子墨水显示器。
9、如权利要求7所述的装置，其中所述显示监视器(501)包括有源矩阵型显示器，并且其中所述光检测装置(607)与所述显示器的有源矩阵基底(606)集成在一起，还包括光耦合装置(605)，用于将来自所述层(601)的所述受限制光(604)的至少一部分耦合到所述光检测装置(607)。
10、如权利要求7所述的装置，其中将所述层(202)布置在所述显示监视器屏幕的外表面上。
11、如权利要求1所述的装置，还包括：
光导(804)，其布置在所述层(802)的外表面上，并且具有用于将光(809)发射到所述光导(804)内的光源(808)，以这样的方式使所述光导与周围物体在光学上匹配：通过全内反射将所述发射光(809)限制在所述光导(804)内，并且当用户在所述输入位置处与所述装置发生物理接触时，从所述光导(804)中提取所述发射光(809)并引导其进入所述层(802)中。
12、如权利要求1所述的装置，还包括布置在所述光检测装置(803)上的光滤波器，用于提高对入射到所述光检测装置(803)上的光的选择性。
13、如权利要求1所述的装置，还包括布置在所述光检测装置(803)上的电信号滤波器，用于提高对作为光照射到所述光检测装置(803)上的结果由所述光检测装置(803)产生的电信号的选择性。
14、如权利要求1所述的装置，其中所述光检测装置(803)包括光电检测器。
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