DE60202053T2

DE60202053T2 - Vorderseitig beleuchtetes touchpanel

Info

Publication number: DE60202053T2
Application number: DE60202053T
Authority: DE
Inventors: T. Gary BOYD; J. Stephan PANKRATZ
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2022-02-05
Also published as: EP1374153A1; DE60202053D1; EP1374153B1; CN1256698C; CN1511301A; WO2002082358A1; US7253809B2; KR20030085590A; JP2004533006A; US20060132453A1; US6738051B2; ATE283513T1; US20020145593A1

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Touchscreens und Elektronikdisplays.
Allgemeiner Stand der Technik
Flachbildschirme werden in der Regel von hinten durch Lichtleitertafeln (die oftmals als "Hintergrundbeleuchtungen" bezeichnet werden) beleuchtet, die eine gleichförmige Beleuchtung an ein durchlässiges Lichtventil liefern. Die Hintergrundbeleuchtung kann die Primärlichtquelle für das Display oder eine Quelle ergänzender Beleuchtung bei dem vorwiegend reflektierenden (oftmals als ein "transflektiv" bezeichnetes) Display sein. Alternativ können reflektierende Flachbildschirme von einer Lichtleitertafel (oftmals als ein "Frontlicht" oder "vordere Lichtleiter" bezeichnet) von vorne beleuchtet werden, die eine gleichförmige Beleuchtung von der Betrachtungsseite eines reflektierenden Lichtventils aus liefert. Dadurch kann die Hintergrundbeleuchtung und die Plazierung eines Reflektors im Lichtventil entfallen, wodurch der Reflexionsgrad und die Helligkeit des Displays unter gutbeleuchteten Umgebungslichtbedingungen erhöht werden, wenn das Frontlicht abgeschaltet ist. Vordere Lichtleiter sollten ausreichend Klarheit aufweisen, sodaß sie das Displaybild nicht verzerren oder wesentlich dämpfen. Bevorzugt beleuchtet der vordere Lichtleiter gleichförmig auch das Display mit einem Helligkeitsniveau, das dazu ausreicht, daß das Display unter dunklen Umgebungsbedingungen lesbar wird.
Displays können auch Touchscreens enthalten, die es dem Benutzer gestatten, Informationen über einen Griffel- oder Fingerdruck einzugeben. Beispielsweise verwendet eine übliche Art von Touchscreen, die als ein "resistives Overlay-"Design bekannt ist, zwei transparente Schichten mit teilweise leitenden Beschichtungen, die durch Abstandshalter getrennt sind. Wenn die Schichten zusammengepreßt werden, wird der elektrische Widerstand in zwei Richtungen gemessen, um die Koordinaten des Kontaktpunkts zu erhalten. Die untere Schicht (die dem Display am nächsten liegende Schicht) ist in der Regel recht steif und besteht aus Glas. Die obere Schicht (die Schicht, die von dem Griffel oder Finger berührt wird) ist in der Regel recht flexibel und aus Kunststoff hergestellt.
Resistive Overlay- und andere Touchscreen-Designs werden beschrieben in dem "Carroll Touch Handbook", erhältlich bei www.carrolltouch.com. Viele solche anderen Touchscreen-Designs, einschließlich "kapazitives Overlay"-, "geführte Schallwelle"-, "akustische Oberflächenwelle"- und "Nahfeldabbildungs"-Touchscreens (siehe US-Patent Nr. 5,650,597) enthalten eine optisch klare, relativ steife Tafel auf dem Display. Einige Arten von "Abtast und Infrarot"-Touchscreens enthalten ebenfalls eine optisch klare, relativ steife Platte auf dem Display. Wie bei resistiven Overlay-Designs wird zur Ausbildung der steifen Tafel am häufigsten Glas verwendet.
Die japanische veröffentlichte Patentanmeldung Nr. JP 11344695 A (gleichwertig mit WO 9963394) zeigt einen integralen vorderen Lichtleiter und Touchscreen, bei dem der Lichtleiterabschnitt aus geformtem Kunststoff hergestellt ist. Die obere Oberfläche des Lichtleiters ist an die untere Oberfläche des Touchscreens geklebt, wobei eine Schicht aus transparentem Harz verwendet wird, und die untere Oberfläche des Lichtleiters weist ein vieleckiges oder kreisförmiges Punktemuster auf, das durch eine Tinte aus transparentem oder halbtransparentem Harz gebildet ist, das einen höheren Brechungsindex als die Lichttransmissionsplatte aufweist und ein Lichtdiffusionspigment enthält. Alternativ kann die untere Oberfläche des Lichtleiters mit "feinen Kräuselungen" oder mit "Prismen" (als sägezahnförmige Vorsprünge gezeigt) ausgebildet sein, die parallel zu der Stirnfläche des Eingangs der Lichttransmissionsplatte ausgebildet sind. Der Lichtleiter dieser Literaturstelle verwendet eine Streuung durch das oben erwähnte Lichtdiffusionspigment oder Brechung durch die oben erwähnten Kräuselungen oder Prismen, um Licht aus dem Lichtleiter in ein Lichtventil auszukoppeln. Die sägezahnförmigen Vorsprünge in dieser Literaturstelle sind so orientiert, daß der ansteigende Abschnitt des Sägezahns von dem Lichteingabeende des Lichtleiters wegweist.
Die japanische veröffentlichte Patentanmeldung Nr. JP 2000-47178A zeigt einen integralen vorderen Lichtleiter und Touchscreen, wo der Lichtleiterabschnitt keilförmig ist und ein Muster aus Abstandshaltern auf seiner oberen Oberfläche aufweist. Der Lichtleiter dieser Literaturstelle verwendet die Streuung durch die Abstandshalter, um Licht aus dem Lichtleiter in ein Lichtventil auszukoppeln.
Weitere beleuchtete Touchscreendisplayeinrichtungen sind in den japanischen veröffentlichten Patentanmeldungen Nr. JP 61188515A, JP 11065764A, JP 11110131A, JP 11174972A, JP 11260133A, JP 11316553A, JP 11065764A und JP 2000075293A und in der veröffentlichten PCT-Patentanmeldung Nr. WO 99/63394A gezeigt.
Das US-Patent Nr. 5,396,350 zeigt eine Hintergrundbeleuchtung mit einem Array von Mikroprismen, die Licht in ein durchlässiges Lichtventil reflektieren.
US-Patent Nr. 5,428,468 zeigt ein Beleuchtungssystem, das einen Wellenleiter und ein Array von Mikroprismen verwendet, die Licht aus dem Wellenleiter heraus reflektieren. Das US-Patent Nr. 5,995,690 zeigt ein Lichtauskoppelband zum Auskoppeln von Licht aus einem Wellenleiter.
Weitere beleuchtete Displayeinrichtungen mit Vordergrundbeleuchtung oder Hintergrundbeleuchtung sind gezeigt in den US-Patenten Nr. 4,373,282; 4,528,617; 4,751,615; 4,799,137; 4,811,507; 4,874,228; 5,005,108; 5,050,946; 5,054,885; 5,190,370; 5,341,231; 5,359,691; 5,485,354; 5,506,929; 5,555,109; 5,555,329; 5,575,549; 5,594,830; 5,608,550; 5,608,837; 5,613,751; 5,668,913; 5,671,994; 5,835,661; 5,894,539; 6,011,602 und 6,139,163 und in der europäischen Patentanmeldung EP 0 802 446 A1 . Aus WO-A-99/63394 ist ein von vorne beleuchteter Touchscreen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 20 bekannt.
Kurze Darstellung der Erfindung
In der Regel erfordert die Herstellung von Touchscreens einen oder mehrere Herstellungsschritte, die mit hohen Temperaturen oder anderen rauhen Verarbeitungsbedingungen verbunden sind. Beispielsweise verwenden viele Touchscreen-Designs eine leitende oder kapazitive Schicht aus Indium-Zinnoxid ("ITO"). Die Verarbeitungstemperaturen, die zum Aufbringen einer zufriedenstellenden ITO-Schicht erforderlich sind, zerstören die meisten Kunststoffsubstrate. Der Touchscreen sollte außerdem gute optische Eigenschaften aufweisen. So enthält der Touchscreen oftmals ein hitzebeständiges Glassubstrat, das eine ITO-Schicht oder andere wärmeverarbeitbare Schichten des Touchscreens tragen kann. Derartige Touchscreens können mit einem separaten vorderen Lichtleiter kombiniert werden, der ebenfalls gute optische Eigenschaften aufweisen sollte, einschließlich guter Lichtauskoppelcharakteristiken. Der vordere Lichtleiter kann beispielsweise aus einem geformten Kunststoffkeil hergestellt und die resultierende Kombination auf einem reflektierenden Lichtventil plaziert werden. Dieser Ansatz verwendet zusätzliche Teile, weist eine zusätzliche Grenzfläche in dem Weg des zugeführten Lichts und eine vergrößerte Gesamtdicke auf. Ein derartiger Ansatz gestattet. jedoch auch, daß die untere Platte des Touchscreens aus Flachglas hergestellt wird, das relativ preiswert ist und die zum Ausbilden einer Schicht aus ITO oder einem anderen aufgebrachten Material erforderlichen Verarbeitungsschritte überleben kann.
Wenngleich eine Reihe von beleuchteten Touchscreen-Einrichtungen vorgeschlagen worden sind, besteht weiterhin ein Bedarf an dünneren, effizienteren oder gleichmäßiger beleuchteten Einrichtungen, nach Einrichtungen, die leichter konstruiert sein könnten und nach Einrichtungen mit reduziertem Stromverbrauch. Viele gegenwärtige Einrichtungen verwenden nicht alles von der Lichtquelle gelieferte Licht. Wenn dieses ungenutzte Licht zu dem Display kanalisiert werden könnte, dann könnte der Stromverbrauch weiter reduziert und die Displayhelligkeit erhöht werden.
Einige der oben erwähnten beleuchteten Touchscreen-Einrichtungen verwenden Streuung oder Brechung, um Licht aus dem Lichtleiter auszukoppeln. Diese Ansätze können eine Reduzierung beim Kontrast verursachen oder Licht unter weniger als optimalen Winkeln einem Lichtventil in dem Display zuführen.
Die vorliegende Erfindung stellt unter einem Aspekt einen von vorne beleuchteten Touchscreen zur Verwendung mit einem reflektierenden Lichtventil bereit, umfassend einen vorderen Lichtleiter mit mindestens einer Lichteingabefläche, die dem Leiter Licht zuführt, eine Betrachtungsfläche, einer der Betrachtungsfläche gegenüberliegender Lichtabgabefläche und mindestens einer Komponente eines berührungsempfindlichen Wandlers, wobei die Lichtabgabefläche eine Lichtauskoppelschicht darauf aufweist, die eine im wesentlichen flache Lichtaustrittsfläche aufweist und vergrabene reflektierende Facetten enthält, die zugeführtes Licht von dem Leiter durch die Lichtaustrittsfläche auskoppeln. Der Touchscreen kann leicht hergestellt werden, beispielsweise durch Herstellen einer Komponente (zum Beispiel einer leitenden oder kapazitiven Schicht) eines berührungsempfindlichen Wandlers auf einer gewöhnlichen Flachglasplatte, und durch Laminieren der resultierenden Baugruppe auf einen Kunststoffauskoppelfilm. Eine fakultative Deckmembran kann auf dem Touchscreen aufgebracht werden, und eine fakultative Antireflexbeschichtung kann auf der Lichtaustrittsfläche des Films mit strukturierter Oberfläche aufgebracht werden.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein beleuchtetes Touchscreendisplay bereit, umfassend:

a) mindestens eine Lichtquelle;
b) einen vorderen Lichtleiter mit mindestens einer Lichteingabefläche, durch die Licht von der Quelle dem Leiter zugeführt werden kann, eine Betrachtungsfläche, eine gegenüber der Betrachtungsfläche angeordnete Lichtausgabefläche und mindestens eine Komponente eines berührungsempfindlichen Wandlers, wobei die Lichtausgabefläche eine Lichtauskoppelschicht darauf aufweist, die eine im wesentlichen flache Lichtaustrittsfläche aufweist und vergrabene reflektierende Facetten enthält, die zugeführtes Licht von dem Leiter durch die Lichtaustrittsfläche auskoppeln; und
c) ein reflektierendes Lichtventil, das ausgekoppeltes Licht von dem Leiter empfängt und mindestens einen Teil dieses Lichts durch die Betrachtungsfläche zurückschickt.

Im Vergleich zu der Verwendung eines getrennten Touchscreens und vorderen Lichtleiters können die von vorne beleuchteten Touchscreens der Erfindung eine reduzierte Gesamtdicke, eine höhere Transmission und weniger Grenzflächen aufweisen. Die Screens können unter Verwendung von gewöhnlichem Flachglas und existierenden Touchscreenherstellungsverfahren und – geräten hergestellt werden, um einen Touchscreen mit zusätzlicher Funktionalität bereitzustellen. Bevorzugt weisen die von vorne beleuchteten Touchscreens der Erfindung eine zusammengesetzte Konstruktion auf, die eine Schicht aus Glas und eine oder mehrere anderen Schichten aus anderen Materialien aufweisen (zum Beispiel leitende Schichten, Lötbahnen, Sensoren oder andere mit berührungsempfindlichen Wandlern verwandte Komponenten auf einer Hauptfläche des Touchscreens und eine mikrostrukturierte Kunststoffoberfläche und fakultative Antireflexbeschichtung auf der anderen Hauptfläche des Touchscreens). Bevorzugte Ausführungsformen der Screens koppeln effizient zugeführtes Licht aus, während sie einen guten Kontrast und eine geringe Verzerrung aufweisen. Weil der von vorne beleuchtete Touchscreen eine mikrostrukturierte reflektierende Optik aufweist, die zwischen dem Touchscreen und dem Lichtventil angeordnet ist, und weil der Touchscreen eine glatte Betrachtungsfläche aufweisen kann, sind die von vorne beleuchteten Touchscreens der Erfindung relativ robust und es ist weniger wahrscheinlich, daß sie beschädigt werden, als Touchscreens mit mikrostrukturierten optischen Merkmalen auf der Betrachtungsfläche.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine Seitenansicht eines beleuchteten, von vorne beleuchteten Touchscreendisplays der Erfindung.
2 ist eine vereinfachte Seitenansicht des Touchscreens von 1, die den allgemeinen Weg zeigt, den Umgebungs- und zugeführte Lichtstrahlen nehmen.
3 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnitts des Touchscreens von 1 und 2, die die strukturierte Lichtauskoppelschicht und den Weg, den ein zugeführter Lichtstrahl nimmt, zeigen.
4 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnitts eines beleuchteten, von vorne beleuchteten Touchscreens der Erfindung mit einem geringen Verhältnis der Plateaulänge zu Steglänge.
5 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnitts eines beleuchteten, von vorne beleuchteten Touchscreens der Erfindung mit einem hohen Verhältnis der Plateaulänge zu Steglänge.
6 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Plateaulänge zur Steglänge und Auskoppeleffizienz zeigt.
7 ist eine vergrößerte Seitenteilansicht, die eine Quelle des Lichtaustritts zeigt.
8 ist eine vergrößerte Seitenteilansicht, die eine Quelle der Doppelkontur zeigt.
9 ist eine vergrößerte Seitenteilansicht, die eine Auskoppelstruktur zeigt, die den Lichtaustritt und die Doppelkontur reduzieren kann.
10 ist eine vergrößerte Seitenteilansicht, die einen Lichtleiter und eine Auskoppelstruktur zeigt, die Lichtaustritt reduzieren können.
11 ist eine auseinandergezogene Seitenansicht eines Touchscreens und Lichtleiters der Erfindung.
12 ist eine auseinandergezogene Seitenansicht eines weiteren Touchscreens und Lichtleiters der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
Wenn Ausdrücke wie etwa "oben", "auf", "obere", "nach oben", "unterhalb", "unter", "unten" und "nach unten" in dieser Anmeldung verwendet werden, um den Ort oder die Orientierung von Komponenten in einem Display zu beschreiben, werden diese Ausdrücke lediglich der Zweckmäßigkeit halber verwendet, wobei angenommen wird, daß das Display so betrachtet wird, daß seine berührungsempfindliche Oberfläche allgemein nach oben weist. Diese Ausdrücke sollen keine erforderliche Orientierung für das fertiggestellte Display oder für den Weg bedeuten, den zugeführtes oder Umgebungslicht bei tatsächlicher Verwendung des fertiggestellten Displays einschlägt. Einige der Komponenten der vorliegenden Erfindung und ihre Beziehung zueinander können auch zweckmäßigerweise unter Vergleich zu einer Referenzebene beschrieben werden. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird als die Referenzebene die Ebene angenommen, die durch die Lichtabgabefläche des vorderen Lichtleiters gebildet wird (oder dieser gut entspricht), die bei Verwendung der oben beschriebenen Orientierungskonvention die untere Fläche des Lichtleiters wäre.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 wird ein allgemein als 10 identifiziertes beleuchtetes Touchscreendisplay in schematischer Form gezeigt. Zugeführtes (mit anderen Worten nicht aus der Umgebung kommendes) Licht von einer Quelle 42 tritt in einen Koppler 44 ein, wo es in der Regel von einer punktförmigen Quelle oder von punktförmigen Quellen in eine zeilenförmige Quelle konvertiert wird, die sich zur Verwendung in dem beleuchteten Touchscreendisplay 10 eignet. Das zugeführte Licht tritt dann in die Lichteingabefläche 14 des vorderen Lichtleiters 12 ein und verläuft dann, wie unten in 2 und 3 ausführlicher erläutert, nach unten in das reflektierende Lichtventil hinein (in diesem Fall eine reflektierende LCD) 36 und dann wieder aus diesem nach oben heraus. Der Lichtleiter 12 weist außerdem ein gegenüberliegendes Ende 15, eine Lichtaustrittsfläche 16 und eine Betrachtungsfläche 18 auf. Ein optisch transparenter Kleber (in 1 nicht gezeigt) befestigt eine strukturierte Lichtauskoppelschicht 32 an der Lichtaustrittsfläche 16 des Lichtleiters 12.
Die Betrachtungsfläche 18 und eine flexible Membran 26 weisen jeweilige leitende Beschichtungen 20 und 24 auf. Die Beschichtungen 20 und 24, die Abstandshalter 28 und die flexible Membran 26 bilden einen berührungsempfindlichen Wandler 23, der eine Anzeige eines Befehls oder einer Position auf der Betrachtungsfläche 18 liefern kann, wenn ein Finger, ein Griffel oder ein anderes geeignetes Instrument dazu verwendet wird, um nach unten auf die flexible Membran 26 zu drücken. Mit einer zugeordneten Elektronik (in 1 nicht gezeigt) können der Berührungsort auf der Betrachtungsfläche 18 interpretiert und elektronische Signale geliefert werden, um andere elektronische Einrichtungen oder Komponenten zu steuern oder auf andere Weise zu beeinflussen.
Der Lichtleiter 12 und die Schicht 32 bilden den verbleibenden Abschnitt 21 der beleuchteten Baugruppe 22 aus resistivem Touchscreen und vorderem Lichtleiter. Ein Luftspalt 35 trennt die untere Fläche 33 der Schicht 32 von einem Polarisator 38, der auf der reflektierenden LCD 36 liegt. Die reflektierende Schicht 40 befindet sich am Boden der reflektierenden LCD 36 und dient (unter der Annahme, daß die reflektierende LCD 36 geeignet moduliert wird, um den Durchtritt von Licht zu gestatten) dazu, Licht, das von der Baugruppe 22 kommt, durch die reflektierende LCD 36 zurück zur Baugruppe 22 zu schicken.
Der in 1 gezeigte beleuchtete Touchscreen verwendet einen resistiven berührungsempfindlichen Wandler. Der Fachmann erkennt, daß andere Arten von berührungsempfindlichen Wandlern bei der Erfindung verwendet werden können. Beispielsweise kann der berührungsempfindliche Wandler über einen Kontaktmechanismus arbeiten wie etwa ein kapazitives Overlay, eine geführte Schallwelle, eine akustische Oberflächenwelle oder Nahfeldabbildung. Der berührungsempfindliche Wandler kann auch über einen Nicht-Kontaktmechanismus wie etwa einen scannenden Infrarotsensor arbeiten, zum Beispiel über die Bereitstellung eines geeigneten Arrays von Lichtstrahlen und Fotosensoren über oder unter der oberen Fläche des Lichtleiters. Der Fachmann erkennt außerdem, daß bei der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von berührungsempfindlichen Wandlerkomponenten verwendet werden kann und daß die berührungsempfindlichen Komponenten keine aus ITO oder einem anderen wärmeverarbeiteten Material hergestellte leitende Schicht beinhalten müssen.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 2 werden Lichtstrahlen wie etwa der zugeführte Lichtstrahl 45 von der Quelle 42 durch Totalreflexion von der Fläche 18 weg zum gegenüberliegenden Ende 15 des Lichtleiters 12 reflektiert. Der Lichtstrahl 45 tritt bei Auftreffen auf die Lichtabgabeschicht 16 unter einem geeigneten Winkel in die strukturierte Lichtauskoppelschicht 32 ein. Wenn eine (in 1 oder 2 nicht gezeigte) Facette der Schicht 32 vom Lichtstrahl 45 unter einem geeigneten Winkel getroffen wird, wird der Lichtstrahl 45 von der Facette reflektiert, tritt durch die untere Fläche 33 der Schicht 32 aus und wird dadurch aus dem Lichtleiter 12 ausgekoppelt. Das ausgekoppelte Licht tritt durch den Luftspalt 35 hindurch und tritt dann in den Polarisator 38 und die reflektierende LCD 36 ein. Unter der Annahme, daß die reflektierende LCD 36 geeignet moduliert wird, um Licht durchzulassen, tritt der Lichtstrahl 45 in die reflektierende LCD 36 ein, trifft auf den Reflektor 40, wird durch die reflektierende LCD 36 und den Polarisator 38 zurück in die Schicht 32 und den Lichtleiter 12 reflektiert und tritt aus dem Lichtleiter 12 durch die Betrachtungsfläche 18 aus (wobei er durch die Beschichtungen 20 und 24 und die Membran 26 hindurchtritt), woraufhin der Lichtstrahl 45 von einem Betrachter 48 gesehen werden kann.
Wenn der Umgebungslichtpegel ausreichend hoch liegt, dann können von dem beleuchteten Touchscreendisplay 10 übertragene Informationen von dem Betrachter 48 gesehen werden, ohne daß eine Beleuchtung durch eine Lichtquelle 42 benötigt wäre. Umgebungslichtstrahlen wie etwa der Umgebungsstrahl 50 treten in das beleuchtete Touchscreendisplay 10 durch die Membran 26 ein, treten durch die verschiedenen oben erwähnten Komponenten und Schichten hindurch und treffen (unter der Annahme, daß die reflektierende LCD 36 geeignet moduliert wird) auf den Reflektor 40 auf und werden durch die reflektierende LCD 36 zurück zum Betrachter 48 reflektiert.
Bei dem beleuchteten Touchscreendisplay 10 wird zugeführtes Licht von der Lichtquelle 42 zwischen zwei allgemein parallelen Flächen 16 und 18 im unteren Abschnitt 21 der Touchscreenbaugruppe 22 geführt. Der Lichtleiter braucht keine allgemein parallelen Flächen aufzuweisen. Weil jedoch die Flächen 16 und 18 des in 1 und 2 gezeigten Lichtleiters allgemein parallel sind, kann der Lichtleiter 12 aus einem preiswerten dauerhaften Material wie etwa Flachglas hergestellt werden. Leitende Schichten, Lötbahnen und andere berührungsempfindliche Wandlerkomponenten können auf der ersten Hauptfläche des Lichtleiters 12 ausgebildet werden. Die Lichtauskoppelschicht, eine fakultative Antireflexbeschichtung und andere fakultative Lichtmanagementmerkmale oder -schichten können auf der zweiten Hauptfläche des Lichtleiters 12 ausgebildet werden. Wegen der relativ rauhen Verarbeitungsbedingungen, die in der Regel erforderlich sind, um solche berührungsempfindlichen Wandlerkomponenten auszubilden, werden die berührungsempfindlichen Wandlerkomponenten bevorzugt vollständig auf der ersten Hauptfläche des Lichtleiters 12 vor der Ausbildung der Lichtauskoppelschicht und anderer fakultativer Merkmale oder Schichten auf der zweiten Hauptfläche des Lichtleiters 12 ausgebildet.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Abschnitt des beleuchteten Frontlicht-Touchscreendisplays von 1 und 2 in vergrößerter Seitenansicht gezeigt. Die Lichtauskoppelschicht 32 weist eine Lichtaustrittsfläche 33 und eine obere Oberfläche mit mehreren Vorsprüngen wie etwa den Vorsprüngen 52 und 53 auf, die zum Lichtleiter 12 weisen oder zeigen (und diesen bevorzugt optisch berühren). Die Fläche 33 ist "im wesentlichen flach", das heißt, die Fläche 33 ist ausreichend flach, sodaß vermieden wird, daß eine bedenkliche Verzerrung in das Display 10 eingeführt wird. Die obere Oberfläche der Schicht 32 ist "strukturiert", das heißt, sie weist eine nichtplanare Topographie mit feingestalteten Merkmalen (wie etwa Vorsprüngen 52 und 53) auf, die die Richtung oder Intensität von die obere Oberfläche der Schicht 32 treffenden Lichtstrahlen beeinflussen können. Die Vorsprünge 52 und 53 werden von Stegabschnitten wie etwa Stegen 60a und 60b und von umschlossenen Taschen wie etwa Taschen 58a und 58b flankiert, die ein Medium (zum Beispiel Luft) enthalten, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Material, aus dem die Schicht 32 hergestellt ist. Die Vorsprünge weisen Anstiegs-, Plateau- und Facettenabschnitte wie etwa Anstieg 54a, Plateau 55a und Facette 56a auf. Zu Erörterungszwecken können Vorsprünge wie etwa Vorsprünge 52 und 53 als "allgemein trapezförmig" bezeichnet werden, auch wenn die Vorsprünge nur drei Seiten aufweisen und obwohl ein Viereck, das entsteht, wenn eine gedachte Linie gezogen wird, um die vierte Seite eines Vorsprungs zu vervollständigen, möglicherweise nicht zwei parallele Seiten aufweist.
Die Plateaus werden mit Hilfe eines transparenten Klebers 50 auf den Lichtleiter 12 laminiert. Das Plateau 55a liegt am Kleber 50 an und verläuft im allgemeinen coplanar mit den anderen Plateaus der Schicht 32. Facetten wie etwa die Facette 56a sind in der Lichtauskoppelschicht 32 "vergraben", das heißt, solche Facetten liegen innerhalb der Schicht 32, zwischen der Lichtabgabefläche 16 des Lichtleiters 12 und der Lichtaustrittsfläche 33 der Schicht 32. Der Anstieg 54a liegt neben dem Plateau 55a, das wiederum neben der Facette 56a liegt. Die Facetten befinden sich bevorzugt (wenn für den Augenblick eine etwaige dazwischenliegende Schicht aus transparentem Kleber ignoriert wird) neben oder sehr nahe bei der Lichtabgabefläche 16 und sind entfernter von der Lichtaustrittsfläche 33 beabstandet.
Facetten wie etwa die Facette 56a sind so orientiert, daß Licht von der Eingabefläche des Lichtleiters 12 wie etwa ein zugeführter Lichtstrahl 46 durch den Kleber 50 und das Plateau 55a hindurchtreten, auf die Facette 56a auftreffen, nach unten reflektiert und dadurch durch die Austrittsfläche 33 aus dem Lichtleiter 12 ausgekoppelt werden können. Das zugeführte Licht wird somit unter Verwendung einer reflektierenden Optik aus dem Lichtleiter ausgekoppelt. Viele der beleuchteten Touchscreenbaugruppen, die bisher vorgeschlagen wurden, verwenden einen Auskoppelmechanismus, der auf einer brechenden Optik basiert, beispielsweise unter Verwendung einer prismenförmigen (z.B. sägezahnförmigen) Oberfläche auf der Austrittsfläche des Lichtleiters.
Zugeführtes Licht kann bezüglich der Referenzebene unter senkrechten oder fast senkrechten Winkeln aus den Lichtleitern der Erfindung ausgekoppelt werden. Mit anderen Worten kann das zugeführte Licht bezüglich des Lichtventils unter einem Einfallswinkel von Null oder fast Null ausgekoppelt werden. Dadurch erhält man im Vergleich zu Lichtleitern, die auf einer brechenden Auskopplung basieren, eine verbesserte Kopplung von ausgekoppeltem Licht in das Lichtventil. Unter Verwendung einer brechenden Auskopplung ist es schwierig, Auskoppelwinkel zu erreichen, deren Schwerpunkt größer ist als etwa 40° bezüglich der Referenzebene. Mit anderen Worten ist es schwierig, einen Einfallswinkel von unter etwa 50° des Schwerpunkts des extrahierten Lichts bezüglich einer Normalen zum Lichtventil zu erreichen. Wenn das ausgekoppelte Licht das Lichtventil unter einem zu großen Einfallswinkel erreicht, dann reflektiert das Lichtventil Licht nicht effizient zum Betrachter oder eine zusätzliche Optik (zum Beispiel zusätzliche brechende Optik) ist erforderlich, um das ausgekoppelte Licht umzulenken.
Ein Auskoppler auf der Basis einer reflektierenden Optik ist für Schwankungen bei der Wellenlänge des zugeführten Lichts weniger empfindlich als ein Auskoppler auf der Basis einer brechenden Optik. Dadurch kann man eine verbesserte Farbgleichförmigkeit bei den beleuchteten Touchscreendisplays der Erfindung im Vergleich zu einigen beleuchteten Touchscreendisplays erhalten, die zuvor vorgeschlagen wurden. Streureflexionen, die zu störenden Doppelkonturen und einem Kontrastverlust führen können, sind ebenfalls bei reflektierenden Auskopplern im Vergleich zu brechenden Auskopplern weniger ausgeprägt. Die Streureflexionen, die in reflektierenden Auskopplern entstehen, werden im allgemeinen vom Betrachter weggelenkt. Bei brechenden Auskopplern werden einige Streureflexionen im allgemeinen zum Betrachter hingelenkt, was zu einem Verlust beim Gesamtkontrast führt. Wenn solche Streureflexionen als Rauschbänder bezeichnet werden, dann stellt ihr Vorliegen entlang der Betrachtungsachse eine Rauschquelle und einen Verlust beim Signal-Rausch-Verhältnis dar.
Durch den Einsatz einer reflektierenden Auskoppeloptik bei den beleuchteten Touchscreens der Erfindung kann man somit im Vergleich zum Einsatz einer brechenden Optik eine verbesserte Designflexibilität und Leistung erhalten.
Der Fachmann versteht, daß obwohl Stege wie etwa die Stege 60a und 60b in 3 parallel zu der Referenzebene gezeigt sind, sie nicht parallel zu sein brauchen. Außerdem brauchen Anstiege wie etwa der Anstieg 54a nicht symmetrisch bezüglich der Referenzebene geneigt zu sein. Analog brauchen Facetten wie etwa Facette 56a nicht symmetrisch zur Referenzebene geneigt zu sein.
Der Fachmann versteht außerdem, daß die Vorsprünge an der Lichtauskoppelschicht 32 andere Gestalten und Orientierungen als die, die in 3 gezeigt sind, aufweisen können, sofern eine ordnungsgemäße Auskopplung von Licht aus dem Lichtleiter 12 in die reflektierende LCD 36 stattfindet. Der Winkel, unter dem zugeführtes Licht von der Quelle 42 in den Lichtleiter 12 eintritt, und die Maße, der Abstand und die Winkelorientierung der Vorsprünge an der Lichtauskoppelschicht 32 sind bevorzugt so gewählt, daß das zugeführte Licht gleichmäßig über die Betrachtungsfläche des beleuchteten Touchscreendisplays 10 verteilt wird.
4 bis 6 veranschaulichen den Effekt des Verhältnisses der Plateaulänge zur Steglänge bei einer Gesamtlichtabgabe von dem Boden eines Lichtleiters der Erfindung. 4 zeigt eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnitts eines allgemein als 70 identifizierten beleuchteten Touchscreendisplays. Die strukturierte Lichtauskoppelschicht 71 weist Vorsprünge wie etwa Vorsprünge 72 auf, die von einem Anstieg 74, einem Plateau 76 und einer Facette 78 begrenzt und von Stegen 80a und 80b flankiert sind. Die Gesamtlänge aller Plateaus in der Schicht 71 ist kleiner als die Gesamtlänge aller Stege in der Schicht 71, oder mit anderen Worten ist das Verhältnis der Plateaugesamtlänge zur Steggesamtlänge kleiner als 1:1. Wegen der relativ kleinen Plateaugesamtfläche von Schicht 71 ist das verfügbare Auskoppelfenster relativ klein, und ein Teil des möglicherweise reflektierenden Abschnitts von vergrabenen Facetten wie etwa der Facette 78 sind möglicherweise für zugeführte Lichtstrahlen wie etwa Strahl 46a unzugänglich. Dementsprechend ist ein kleinerer Anteil derart zugeführter Lichtstrahlen in der Lage, die Facetten in der Schicht 71 unter einem geeigneten Winkel zu erreichen, sodaß die zugeführten Strahlen aus dem Lichtleiter 12 durch die Austrittsfläche 82 ausgekoppelt werden können, und die Gesamtlichtabgabe vom Lichtleiter 12 ist möglicherweise kleiner als erwünscht.
5 zeigt eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnitts eines allgemein als 90 identifizierten beleuchteten Touchscreendisplays. Die strukturierte Lichtauskoppelschicht 91 weist Vorsprünge wie etwa Vorsprung 92 auf, der von dem Anstieg 94, dem Plateau 96 und der Facette 98 begrenzt und von den Stegen 100a und 100b flankiert ist. Die Gesamtlänge aller Plateaus in der Schicht 91 ist größer als die Gesamtlänge aller Stege in der Schicht 91, oder mit anderen Worten das Verhältnis der Plateaugesamtlänge zur Steggesamtlänge ist größer als 1:1. Wegen der relativ großen Plateaufläche der Schicht 91 steht der größte Teil oder die ganze Facettenfläche zur Reflexion zur Verfügung, und zugeführte Lichtstrahlen wie etwa Strahl 46b können von Facetten in der Schicht 91 reflektiert und aus dem Lichtleiter 12 durch die Lichtaustrittsfläche 99 ausgekoppelt werden. Somit ist im allgemeinen die Gesamtlichtabgabe von dem Boden des Lichtleiters 12 in den beleuchteten Touchscreen von 5 größer als von dem beleuchteten Touchscreen von 4.
6 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Plateaulänge zur Steglänge und Lichtabgabe aus der Austrittsfläche des Lichtleiters zeigt. Im allgemeinen nimmt die Lichtabgabe (oder Auskoppeleffizienz) mit dem Verhältnis der Plateaulänge zur Steglänge in einer etwa logarithmischen Beziehung zu. Bevorzugt ist das Verhältnis der Plateaugesamtlänge zur Steggesamtlänge mindestens 1:1, besonders bevorzugt mindestens 3:1. Nachdem die volle Facette freigelegt ist und für die zugeführten Lichtstrahlen zugänglich ist, nimmt die Wichtigkeit der Plateaulänge ab und die in 6 gezeigte Kurve flacht sich ab. Im allgemeinen wird bevorzugt, daß die Steglänge größer als Null ist. Wenn beispielsweise die Lichtauskoppelschicht aus einem flexiblen Film ausgebildet wird, dann sollten die Stege bevorzugt nicht so kurz sein, daß es schwierig wird, den Film von der profilierten Werkzeugausrüstung abzuziehen, die in der Regel dazu verwendet werden würde, einen strukturierten flexiblen Film herzustellen.
7 ist eine vergrößerte teilweise Seitenansicht eines beleuchteten Touchscreens 100 der Erfindung, die eine potentielle Quelle für Lichtundichtigkeit darstellt. Einige Lichtstrahlen wie etwa Strahl 46c werden über Totalreflexion von der unteren Fläche 102 der strukturierten Lichtauskoppelschicht 104 nach oben zu einer vergrabenen Facette wie etwa Facette 103 reflektiert. Bei ausreichend niedrigen Einfallswinkeln zu der Facette wird das Licht durch die Facette gebrochen, tritt durch die Klebeschicht 105 und den Lichtleiter 108 hindurch und verläßt die obere Fläche 106 des Lichtleiters 108 mit einem hohen Einfallswinkel, weg von einer Betrachtungsachse des typischen Benutzers. Dieses Licht geht verloren und trägt nicht dazu bei, wie der Betrachter die Bildhelligkeit wahrnimmt.
8 ist eine vergrößerte teilweise Seitenansicht eines beleuchteten Touchscreens 110 der Erfindung, die eine potentielle Quelle für Doppelkontur darstellt. Einige Lichtstrahlen wie etwa Strahl 46d werden von einer Facette wie etwa der vergrabenen Facette 111 nach unten reflektiert, von der Austrittsfläche 112 der strukturierten Lichtauskoppelschicht 114 nach oben reflektiert, treten durch die Klebeschicht 115 und den Lichtleiter 118 hindurch und verlassen die obere Fläche 116 des Lichtleiters 118. Diese Lichtstrahlen verlassen den Lichtleiter 118 unter einem niedrigeren Einfallswinkel als in dem Fall des Lichtstrahls 46c in 7 und können als Doppelkonturbild der Beleuchtungsquelle sichtbar sein.
9 ist eine vergrößerte teilweise Seitenansicht, die ein beleuchtetes Touchscreen 120 der Erfindung mit einer strukturierten Lichtauskoppelschicht 124 zeigt, die die Lichtundichtigkeit reduzieren kann, wie sie in 7 gezeigt ist, und eine Antireflexbeschichtung, die die Doppelkontur der in 8 gezeigten Art reduzieren kann. Lichtstrahlen wie etwa Strahl 46e, die von der unteren Fläche 122 der Schicht 124 nach oben reflektiert werden, werden durch die vergrabene Facette 126 und den Anstieg 128 gebrochen und dann durch Brechung durch eine in der Nähe befindliche vergrabene Facette 130 und Anstieg 132 zurück in die Schicht 124 eingefangen. Lichtstrahlen wie etwa Strahl 46f, die von einer Facette wie etwa einer vergrabenen Facette 126 reflektiert werden, treffen auf die untere Fläche 122 der Schicht 124 auf und treten aufgrund des Vorliegens der Antireflexbeschichtung 125 auf der Fläche 122 durch die Fläche 122 hindurch.
Es ist leichter, eine gleichförmige Antireflexbeschichtung auf eine flache Oberfläche als auf eine strukturierte Oberfläche aufzutragen. Es ist somit einfacher, eine derartige Beschichtung auf der untersten Fläche (mit anderen Worten der Lichtaustrittsfläche) der beleuchteten Touchscreens der Erfindung als auf der untersten Fläche von beleuchteten Touchscreens zu verwenden, die eine brechende Optik verwenden, um Licht durch eine strukturierte Oberfläche auf der untersten Fläche auszukoppeln.
Der Fachmann versteht, daß auf die Austrittsfläche 33 zusätzliche Antireflexbeschichtungsschichten oder andere Lichtmanagementschichten oder -merkmale aufgebracht werden können, solange dafür gesorgt wird, daß die im wesentlichen flache Topographie der Austrittsfläche 33 beibehalten und die Einführung unerwünschter Verzerrungen in das betrachtete Bild vermieden wird.
Der Fachmann versteht außerdem, daß zum Zuführen von Licht zu den Touchscreendisplays der Erfindung mehr als eine Lichtquelle verwendet werden kann. Wieder unter Bezugnahme auf 1 können beispielsweise eine Mehrzahl von Lichtquellen entlang der Lichteingabequelle 14 plaziert werden. Auch wenn dies nicht in 1 gezeigt ist, könnte auch eine Mehrzahl von Lichtquellen entlang dem Ende 15 plaziert werden. Wenn Licht entlang sowohl der Eingabefläche 14 und dem Ende 15 zugeführt wird, dann sollten die Vorsprünge in der strukturierten Lichtauskoppelschicht 32 (z.B. Vorsprünge wie etwa die in 3 gezeigten Vorsprünge 52 und 53) bezüglich des sowohl von der Eingabefläche 14 als auch dem Ende 15 zugeführten Lichts symmetrisch orientiert sein. Wenn Licht nur entlang der Lichteingabefläche 14 zugeführt wird, dann ist das Ende 15 bevorzugt mit einer verspiegelten Oberfläche oder einem anderen geeigneten Reflektor ausgestattet, um das Ende 15 erreichendes Licht zurück in den Lichtleiter 12 zu lenken.
10 ist eine vergrößerte teilweise Seitenansicht eines beleuchteten Touchscreens 140 mit einem Lichtleiter 142 und einer strukturierten Auskoppelschicht 144, die Lichtverlust reduzieren können. Der Lichtleiter 142 ist mit einem spiegelnden oder diffusen Reflektor 146 ausgestattet, der Licht wie etwa den Lichtstrahl 46h zurück in den Lichtleiter 142 reflektiert. Die den Reflektor 146 erreichende Lichtmenge kann weiter reduziert werden, indem die Lichtquelle (in 10 nicht gezeigt) so gekippt oder voreingestellt wird, daß die Achse, entlang der der größte Teil ihrer Lichtabgabe fällt, nicht parallel zu der oberen Fläche des Lichtleiters 142 verläuft. Lichtstrahlen wie etwa Lichtstrahl 46g werden von Facetten wie etwa der vergrabenen Facette 148 nach unten reflektiert und aus der Schicht 144 ausgekoppelt. Lichtstrahlen wie etwa Lichtstrahl 46h werden vom Reflektor 146 zurück in die Schicht 144 reflektiert und durch Reflexion von Facetten wie etwa der vergrabenen Facette 150, die gegenüber der vergrabenen Facette 148 entgegengesetzt geneigt ist, nach unten reflektiert. Diese entgegengesetzt geneigten Facetten können sich entlang der Länge des Lichtleiters 142 wiederholen.
11 ist eine auseinandergezogene Seitenansicht eines beleuchteten Touchscreens 160 der Erfindung, die individuelle Schichten zeigt, die zusammen montiert werden können. Eine berührungsempfindliche Wandlerschicht 161 ist an der oberen Fläche 164 des Lichtleiters 162 ausgebildet. Optisch transparente Klebeschichten 165 und 166 sind auf gegenüberliegenden Seiten eines Trägerfilms 168 aufgebracht und abgesondert. Die strukturierte Lichtauskoppelschicht 170 ist aus Basisfilm 172 und einem lichthärtbaren Harz unter Verwendung eines geeigneten profilierten Werkzeugs ausgebildet und dann gehärtet, um die lichtgehärtete strukturierte Oberfläche 174 auf dem Basisfilm 172 zu bilden. Gegebenenfalls kann eine fakultative Antireflexbeschichtung (in 11 nicht gezeigt) auf der unteren Fläche des Basisfilms 172 aufgebracht werden. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die strukturierte Oberfläche 174 unter Verwendung eines kontinuierlichen Verfahrens auf dem Basisfilm 172 ausgebildet wird, da die Antireflexbeschichtung gleichermaßen auf der Rückseite des Basisfilms 172 unter Verwendung eines kontinuierlichen Verfahrens aufgebracht werden kann.
Die Plateauabschnitte der strukturierten Lichtauskoppelschicht 170 wie etwa die Plateaus 180a und 180b werden auf die Klebeschicht 166 laminiert, wobei dafür gesorgt wird, daß die strukturierte Oberfläche 174 der Schicht 170 nicht beschädigt und die Lufträume zwischen Vorsprüngen in der Schicht 170 nicht mit Kleber gefüllt werden. Die Klebeschicht 165 kann dann auf die Lichtabgabefläche 163 des Lichtleiters 162 laminiert werden. Die entstehende Baugruppe kann zweckmäßigerweise in der vorliegenden Form verkauft oder mit zusätzlichen Touchscreenwandler- oder Displaykomponenten kombiniert werden. Beispielsweise kann die Baugruppe mit den verbleibenden Komponenten eines kapazitiven berührungsempfindlichen Overlay-Wandlers (in 11 nicht gezeigt) kombiniert werden, um eine Touchscreeneinrichtung zu liefern, die auf einem geeigneten reflektierenden Lichtventil plaziert und mit einer Quelle zugeführten Lichts und geeigneter Steuerelektronik ausgerüstet werden kann. Als weiteres Beispiel könnten die optisch transparenten Klebeschichten 166 und 166 auf gegenüberliegenden Seiten des Trägerfilms 168 aufgetragen werden, die Klebeschicht 165 könnte auf die Plateauabschnitte der strukturierten Lichtauskoppelschicht 170 laminiert und die entstehende Baugruppe in ihrer vorliegenden Form verkauft werden, um später auf die Lichtabgabefläche eines Lichtleiters laminiert zu werden.
Gegebenenfalls könnte eine vollständigere Baugruppe hergestellt werden, indem ein Polarisator 176 über eine Klebeschicht 178 auf die obere Fläche der reflektierenden LCD 182 laminiert wird. Die reflektierende LCD 182 enthält eine Lichtmodulationseinheit 184 und eine reflektierende Schicht 186. Der Fachmann kann sich ohne weiteres andere vollständigere oder weniger vollständige Baugruppen ausdenken.
12 ist eine auseinandergezogene Seitenansicht eines weiteren beleuchteten Touchscreens 190 der Erfindung, die individuelle Schichten zeigt, die zusammengebaut und an der Lichtabgabefläche 193 des Lichtleiters 192 angebracht werden können. Eine berührungsempfindliche Wandlerschicht 191 ist an der oberen Fläche 194 des Lichtleiters 192 ausgebildet. Eine optisch transparente Klebeschicht 195 ist auf der Lichtabgabefläche 193 des Lichtleiters 192 aufgebracht. Eine strukturierte Lichtauskoppelschicht 196 ist aus Basisfilm 198 und einem lichthärtbaren Harz unter Verwendung eines geeigneten profilierten Werkzeugs ausgebildet und dann gehärtet, um die lichtgehärtete strukturierte Oberfläche 200 auf dem Basisfilm 198 zu bilden. Die strukturierte Schicht 196 wird auf die Klebeschicht 202 und den Polarisator 204 laminiert, wobei dafür gesorgt wird, daß die strukturierte Oberfläche 200 der Schicht 196 nicht beschädigt und die Lufträume zwischen Vorsprüngen in der Schicht 196 nicht mit Kleber gefüllt werden. Gegebenenfalls kann eine fakultative Antireflexbeschichtung (in 12 nicht gezeigt) auf die untere Fläche des Basisfilms 198 aufgetragen werden. Die Baugruppe von 12 weist weniger Schichten und weniger optische Grenzflächen im Lichtweg als die Baugruppe von 11 auf, erfordert aber etwas mehr Sorgfalt bei Handhabung und während der Laminierung.
Der Lichtleiter kann jede gewünschte Gesamtgröße und -dicke aufweisen, ist aber bevorzugt so dünn wie möglich, zum Beispiel 5 mm oder weniger. Der Lichtleiter kann quadratisch, rechteckig oder oval sein oder jede andere gewünschte Gestalt aufweisen, wenn er von dem beabsichtigten Displaybetrachtungspunkt aus betrachtet wird. Die Größe und Gestalt des Lichtleiters wird üblicherweise durch die Größe und Gestalt der gewünschten Displayeinrichtung oder des gewünschten Touchscreens diktiert. Lichtleiterdicken zwischen etwa 0,1 und etwa 5 mm werden bevorzugt, besonders bevorzugt etwa 1 bis etwa 2 mm.
Der Lichtleiter besteht bevorzugt aus einem optisch geeigneten Material, das hohen Temperaturen und den Schritten, die erforderlich sind, um eine berührungsempfindliche Oberfläche auf dem Lichtleiter herzustellen, standhalten kann. Wie oben erwähnt ist der Lichtleiter bevorzugt im wesentlichen planar. Wenn der Lichtleiter planar ist, kann er aus gewöhnlichem Flachglas hergestellt werden. Die Lichteingabefläche und die Betrachtungsfläche des Lichtleiters können jeweils im allgemeinen planar sein oder eine konvexe oder konkave Krümmung aufweisen. Wenn die Lichtquelle eine punktförmige oder eine linienförmige Quelle ist, kann die Lichteingabefläche mit einer konvexen Krümmung, kleinen Linsen, Prismen, einer aufgerauhten Oberfläche oder anderen Merkmalen versehen sein, um das ankommende Licht gleichförmiger zu verteilen. Die Betrachtungsfläche weist bevorzugt eine optisch glatte Endbehandlung auf, um Übertragungsverluste, unerwünschte Streuung und Verzerrung auf ein Minimum zu reduzieren.
Die Lichtauskoppelschicht kann aus einer großen Vielzahl optisch geeigneter Materialien hergestellt sein, die folgendes enthalten: Polycarbonat; Polyacrylate wie etwa Polymethylmethacrylat und Polystyrol, wobei Kunststoffe mit einem hohen Brechungsindex wie Polycarbonat bevorzugt sind. Die Lichtauskoppelschicht ist bevorzugt ein flexibler strukturierter Film, der durch Formen, Prägen, Härten oder andere Ausbildung eines formbaren Harzes an einem gedrehten Werkzeug oder einer anderen ausgebildeten Oberfläche aus Metall oder einem anderen beständigen Material, das eine negative Nachbildung der gewünschten strukturierten Oberfläche trägt, hergestellt worden ist. Verfahren zum Herstellen derartiger geformter Oberflächen und zum Formen, Prägen oder Härten des Auskoppelfilms sind dem Fachmann bekannt.
Individuelle Lichtauskoppelschichtdesigns können gegebenenfalls ohne Notwendigkeit für eine tatsächliche Schichtherstellung ausgewertet werden, indem eine geeignete Ray-Tracing-Modellierungssoftware wie etwa "ASAP" von Breault Research Organisation, Inc., "Code V" und "Light Tools" von Optical Research Associates, "Optica" von Wolfram Research, Inc. und "ZEMAX" von Focus Software, Inc., verwendet wird.
Die in der Lichtauskoppelschicht vorliegenden Facetten (die in der Lichtleiter-Auskoppelschicht-Baugruppe vergraben sind) sind bevorzugt ausreichend klein, sodaß sie für den Durchschnittsbetrachter nicht auffallen. Die Konfiguration, Gestalt und Maße der Facetten und anderer Lichtmanagementmerkmale der Lichtauskoppelschicht sind bevorzugt so gewählt, daß bei dem gewünschten Betrachtungswinkel die Auskoppeleffizienz maximiert wird und man eine gleichmäßig verteilte Lichtabgabe erhält.
Die Vorsprünge erstrecken sich bevorzugt über die gesamte Breite der Lichtauskoppelschicht. Auch wenn dies weniger bevorzugt ist, können die Vorsprünge in Form von kürzeren Segmenten vorliegen, die eine geringere als die volle Breite aufweisen und die aufeinander in Reihen und Spalten ausgerichtet oder von Reihe zu Reihe versetzt sein können. Reihen von Vorsprüngen können parallel zur Lichteingabefläche oder zu den Lichteingabeflächen oder unter einem Winkel bezüglich der Lichteingabefläche oder den Lichteingabeflächen angeordnet sein. Ganz besonders bevorzugt erstrecken sich die Vorsprünge über die ganze Breite der Lichtauskoppelschicht und verlaufen im allgemeinen parallel zu der Lichteingabefläche oder den Lichteingabeflächen.
Bei den in der Zeichnung gezeigten verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind individuelle Vorsprünge in den strukturierten Lichtauskoppelschichten so gezeigt, daß sie die gleiche Winkelorientierung, Gestalt und Maße von Vorsprung zu Vorsprung aufweisen. Die Vorsprünge brauchen nicht alle identisch zu sein und brauchen nicht alle die gleiche Winkelorientierung, Gestalt oder gleichen Maße aufzuweisen. Zur leichteren Herstellung wird allgemein bevorzugt, eine Lichtauskoppelschicht mit Vorsprüngen auszubilden, deren Anstiegs-, Plateau- und Facettensegmente die gleiche Winkelorientierung und Segmentlänge von Vorsprung zu Vorsprung aufweisen. Die Stegsegmente zwischen solchen Vorsprüngen können gegebenenfalls ebenfalls zueinander hinsichtlich der Winkelorientierung und Segmentlängen ähnlich sein. Bevorzugt sind die Vorsprünge jedoch mit einem relativ gröberen Abstand (Wiederholungsintervall) in der Nähe der Lichteingabefläche oder Lichteingabeflächen des Lichtleiters und mit einem relativ feineren Abstand weiter weg von der Lichteingabefläche beabstandet. Für einen nur von einem Ende aus beleuchteten Lichtleiter kann diese Änderung bei der Beabstandung zweckmäßigerweise dadurch erreicht werden, daß die Länge der Stegsegmente entlang der Länge der Lichtauskoppelschicht von der Lichteingabefläche zu der Fläche am anderen Ende des Lichtleiters ständig abnimmt. Ein bevorzugter Abstand beträgt etwa 0,06 bis etwa 12 Vorsprünge pro mm an der Lichteingabefläche oder den Lichteingabeflächen bis zu einem Maximum von etwa 250 bis etwa 1 Projektion pro mm weiter weg von der Lichteingabefläche oder den Lichteingabeflächen.
Der Fachmann versteht, daß der Ausbildung von Moiré- oder anderen Interferenzmustern auf eine Vielzahl von Weisen entgegengetreten oder diese verhindert werden können. Beispielsweise können die Maße, die Winkelorientierung oder die Beabstandung der Reihen von Vorsprüngen relativ zu den Maßen, der Winkelorientierung oder der Beabstandung von Pixeln oder anderen sich wiederholenden Elementen in dem reflektierenden Lichtventil verstellt werden (zum Beispiel durch Verziehen der Richtung der Reihen von Vorsprüngen um einige wenige Grade bezüglich der Richtung der Reihen von Pixeln), sodaß Interferenzmuster an der Betrachtungsfläche des Displays minimiert oder eliminiert werden.
Jedes Lichtauskoppelschichtanstiegssegment ist bevorzugt planar, doch können gegebenenfalls andere Gestalten wie etwa konvexe oder konkave Gestalten verwendet werden. Bevorzugt sind die Facetten und anderen strukturierten Oberflächenabschnitte der Lichtauskoppelschicht optisch glatt, um unerwünschte visuelle Artifakte zu vermeiden, die aufgrund der Rückstreuung des Lichts innerhalb des Lichtleiters entstehen können.
Die Lichtauskoppelschicht weist bevorzugt eine Dicke von etwa 20 Mikrometer bis etwa 500 Mikrometer, besonders bevorzugt etwa 75 bis etwa 125 Mikrometer, auf. Facettenhöhen (oder mit anderen Worten Stegtiefen) von etwa 5 bis etwa 50 Mikrometer werden bevorzugt, besonders bevorzugt etwa 7 bis etwa 20 Mikrometer.
Solange die Facetten eine ausreichende Höhe aufweisen, weist die gewählte Auskoppelschichtdicke auf die Auskoppeleffizienz einen relativ kleinen Effekt auf.
Die Auskoppeleffizienz nimmt im allgemeinen mit Facettenhöhen zu, reduziert sich mit der Lichtleiterdicke oder nimmt mit dem Vorsprungsabstand ab. Das heißt, die Auskoppeleffizienz skaliert im allgemeinen proportional zu (Facettenhöhe)/[(Lichtleiterdicke)*(Abstand)]. Etwas anders ausgedrückt skaliert die Auskoppeleffizienz im allgemeinen proportional zur Gesamtquerschnittsfläche der Facetten dividiert durch die Gesamtquerschnittsfläche der Lichtleitereingabefläche.
Die zum Aufbauen der verschiedenen Schichten in den beleuchteten Touchscreendisplays der Erfindung verwendeten Klebeschichten können druckempfindliche Kleber, Kleber, die mit Energiequellen wie etwa Wärme, UV- oder Elektronenstrahl gehärtet werden, oder ein beliebiger anderer Kleber mit annehmbaren optischen und mechanischen Eigenschaften sein. Geeignete Kleber und Verbindungstechniken sind dem Fachmann vertraut. Gegebenenfalls können eine oder mehrere der Klebeschichten nach dem Aufbau gehärtet werden, zum Beispiel durch Auftragen des Klebers auf eine oder beide der Oberflächen, die verbunden werden sollen, Zusammenfügen dieser Oberflächen zur Ausbildung einer laminierten Baugruppe und exponieren der Klebeschicht oder Klebeschichten mit geeigneter Härtungsenergie (z.B. UV- oder Elektronenstrahl) durch eine oder beide Seiten der laminierten Baugruppe, um eine Härtung zu bewirken.
Die Klebeschicht zwischen dem Lichtleiter und der Lichtauskoppelschicht sollte mit Sorgfalt aufgetragen werden. Ein derartiger Kleber kann beispielsweise auf der ganzen Lichtabgabefläche des Lichtleiters aufgetragen und die Lichtauskoppelschicht darauf laminiert werden. Gegebenenfalls kann der Kleber nur auf den Plateauabschnitten der Lichtauskoppelschicht aufgetragen und die resultierende teilweise beschichtete Oberfläche auf die Lichtabgabefläche des Lichtleiters laminiert werden, zum Beispiel wie im US-Patent Nr. 5,545,280 beschrieben. In jedem Fall sollte entsprechend darauf geachtet werden, daß die strukturierte Oberfläche der Lichtauskoppelschicht nicht beschädigt und die Taschenzwischenvorsprünge nicht mit Kleber gefüllt werden.
Gegebenenfalls können die Taschenzwischenvorsprünge vor der Laminierung mit einem geeigneten fließfähigen (und bevorzugt härtbaren) Material gefüllt werden, das einen niedrigeren Brechungsindex als das Material aufweist, aus dem die Lichtauskoppelschicht hergestellt ist. Dies kann die Laminierung der Lichtauskoppelschicht auf den Lichtleiter vereinfachen und dabei mithelfen, dem entgegenzutreten, daß der Kleber die Taschen füllt. Wenn jedoch das fließfähige Material einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem von Luft und dem Material liegt, aus dem die Lichtauskoppelschicht hergestellt ist, dann kann die Verwendung eines derartigen fließfähigen Materials die Reflexionseigenschaften der Facetten beeinträchtigen und im Vergleich zu der Verwendung von luftgefüllten Taschen die Gesamtauskoppeleffizienz reduzieren.
Die beleuchteten Touchscreens der Erfindung eignen sich insbesondere in Kleinst- oder Kleineinrichtungen, die von einer oder mehreren, von kleinen Batterien bestromten Leuchtdioden (LEDs) beleuchtet werden. Zu geeigneten Einrichtungen zählen Mobiltelefone, Pager, Personal Digital Assistants, Uhren, Armbanduhren, Rechner, Kleinbild- und Videokameras, Laptop-Computer, Fahrzeugdisplays und dergleichen. Die reflektierenden Lichtventile in solchen Einrichtungen können unter Verwendung einer Vielfalt von Farb- oder Monochromeinrichtungen hergestellt werden.
Beispielsweise kann das reflektierende Lichtventil eine reflektierende Farb-LCD sein, wie sie in dem COMPAQ iPAQ^TM Pocket-PC verwendet wird. Das reflektierende Lichtventil kann auch eine Einrichtung sein, die die Gesamtreflexion gesteuert unterdrücken kann, wie die Einrichtungen, die im US-Patent Nr. 6,064,784 und der veröffentlichten PCT-Anmeldung Nr. WO 00/75720 beschrieben werden, eine feste Graphikeinrichtung wie etwa ein Plakat oder ein Schild (z.B. eine gedruckte Speisekarte) oder ein Substrat mit veränderlichem Erscheinungsbild wie etwa Elektronikdisplaymaterial "Gyricon" (unter Entwicklung von Gyricon Media Inc.). Die beleuchteten Touchscreens der Erfindung können mit mehr als einer Lichtquelle beleuchtet werden, z.B. drei oder mehr LEDs. Ein Array von farbigen Lichtquellen (z.B. jeweils eine oder mehrere einer roten, grünen und blauen LED) können verwendet werden, wobei die Lichtquellen in dem Array unter Verwendung eines kontinuierlichen oder impulsförmigen Adressierungsverfahrens elektronisch bestromt werden. Zusätzlich zu LEDs enthalten andere geeignete Beleuchtungsquellen für die Touchscreens und Displays der Erfindung Fluoreszenz- und Glühlampen, Elektrolumineszenzlichter und dergleichen. Eine besonders bevorzugte Lichtquelle für die Touchscreens der Erfindung verwendet die LINEAR ILLUMINATION SOURCE, die in der gleichzeitig anhängigen, am 6. April 2001 eingereichten Anmeldung mit der laufenden Nummer 09/844,745 beschrieben ist.
Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die oben dargelegten veranschaulichenden Ausführungsformen beschränkt ist.

Claims

Von vorne beleuchteter Touchscreen zur Verwendung mit einem reflektierenden Lichtventil, umfassend einen vorderen Lichtleiter (12) mit mindestens einer Lichteingabefläche (14), die dem Leiter Licht zuführt, eine Betrachtungsfläche (18), eine der Betrachtungsfläche gegenüberliegende Lichtabgabefläche (16) und mindestens eine Komponente eines berührungsempfindlichen Wandlers, wobei die Lichtabgabefläche eine Lichtauskoppelschicht (32) darauf aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtauskoppelschicht (32) eine im wesentlichen flache Lichtaustrittsfläche (33) aufweist und vergrabene reflektierende Facetten (56a) enthält, die zugeführtes Licht von dem Leiter durch die Lichtaustrittsfläche auskoppeln.
Touchscreen nach Anspruch 1, wobei der Leiter gegenüber der Lichteingabefläche eine reflektierende Fläche aufweist und einige der Facetten derart geneigt sind, daß von der reflektierenden Fläche reflektiertes zugeführtes Licht aus dem Leiter über derartige geneigte Facetten ausgekoppelt wird.
Touchscreen nach Anspruch 1, wobei der Leiter eine planare Glasplatte umfaßt und die Auskoppelschicht eine strukturierte Oberfläche umfaßt, die dem Leiter zugewandt ist, und eine glatte Fläche, die vom Leiter abgewandt ist.
Touchscreen nach Anspruch 1, wobei die Auskoppelschicht einen Film mit einer strukturierten Oberfläche umfaßt, die mehrere dem Leiter zugewandte Vorsprünge umfaßt, und wobei Taschen neben den Facetten und zwischen den Vorsprüngen ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex als das Material, aus dem der Film hergestellt ist, enthalten.
Touchscreen nach Anspruch 4, wobei die Vorsprünge eine allgemein trapezförmige Gestalt aufweisen.
Touchscreen nach Anspruch 4, wobei die Vorsprünge die Facetten umfassen und ferner Anstiege und Plateaus umfassen und wobei zugeführtes Licht von der Lichtabgabefläche durch ein Plateau hindurchtritt und dann von einer Facette durch die Lichtaustrittsfläche reflektiert wird.
Touchscreen nach Anspruch 4, wobei Stege die Vorsprünge trennen und wobei die Taschen Luft enthalten.
Touchscreen nach Anspruch 7, wobei das Verhältnis der Plateaugesamtlänge zur Steggesamtlänge größer als 1:1 ist.
Touchscreen nach Anspruch 8, wobei das Verhältnis größer als 3:1 ist.
Touchscreen nach Anspruch 4, wobei die Vorsprünge Maße, einen Abstand und eine Winkelorientierung derart aufweisen, daß zugeführtes Licht über die Betrachtungsfläche gleichmäßig verteilt wird.
Touchscreen nach Anspruch 4, wobei zugeführtes Licht, das von der Austrittsfläche reflektiert und durch eine Facette gebrochen wird, wieder eingefangen wird, indem es durch eine nahegelegene Facette gebrochen und in die Lichtauskoppelschicht gelenkt wird.
Touchscreen nach Anspruch 4, wobei die Vorsprünge mit einem relativ gröberen Abstand in der Nähe der Lichteingabefläche und mit einem relativ feineren Abstand weiter weg von der Lichteingabefläche beabstandet sind.
Touchscreen nach Anspruch 4, wobei die Vorsprünge Maße, einen Abstand und eine Winkelorientierung derart aufweisen, daß auf der Betrachtungsfläche keine Moire-Muster sichtbar sind.
Touchscreen nach Anspruch 1, wobei im wesentlichen die ganze Facettenfläche für das zugeführte Licht zugänglich ist.
Touchscreen nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Antireflexbeschichtung auf der Lichtaustrittsfläche.
Touchscreen nach Anspruch 1, wobei der berührungsempfindliche Wandler einen Widerstandstouchscreen umfaßt.
Touchscreen nach Anspruch 1, wobei der berührungsempfindliche Wandler einen kapazitiven Overlay-, geführten Schallwellen- (Guided-Acoustic-Wave-), akustischen Oberflächenwellen- oder Nahfeldabbildungs-Touchscreen umfaßt.
Touchscreen nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen der Komponente auf den vorderen Lichtleiter Temperaturen oder Verarbeitungsbedingungen erfordert, die die Lichtkoppelschicht zerstören würden.
Touchscreen nach Anspruch 17, wobei die Komponente eine Schicht umfaßt, die Indium-Zinnoxid umfaßt, und die Lichtauskoppelschicht einen Kunststofffilm mit strukturierter Oberfläche umfaßt.
Beleuchtetes Touchscreendisplay, umfassend: a) mindestens eine Lichtquelle (42); b) einen vorderen Lichtleiter (12) mit mindestens einer Lichteingabefläche, durch die Licht von der Quelle dem Leiter zugeführt werden kann, eine Betrachtungsfläche (18), eine gegenüber der Betrachtungsfläche angeordnete Lichtausgabefläche (16) und mindestens eine Komponente eines berührungsempfindlichen Wandlers (20, 24, 26, 28), wobei die Lichtabgabefläche eine Lichtauskoppelschicht (32) darauf aufweist, und c) ein reflektierendes Lichtventil (36), das ausgekoppeltes Licht von dem Leiter empfängt und mindestens einen Teil dieses Lichts durch die Betrachtungsfläche zurückschickt; dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtauskoppelschicht (32) eine im wesentlichen flache Lichtaustrittsfläche aufweist und vergrabene reflektierende Facetten (56a) enthält, die zugeführtes Licht von dem Leiter durch die Lichtaustrittsfläche auskoppelt.
Display nach Anspruch 20, wobei die Auskoppelschicht einen Film mit einer strukturierten Oberfläche umfaßt, die mehrere dem Leiter zugewandte Vorsprünge umfaßt, und wobei Taschen neben den Facetten und zwischen den Vorsprüngen ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex als das Material, aus dem der Film hergestellt ist, enthalten.
Display nach Anspruch 20, weiterhin umfassend eine Antireflexbeschichtung auf der Lichtaustrittsfläche und einen Luftspalt zwischen dieser Beschichtung und dem Lichtventil.
Mobiltelefon, Pager, Personal Digital Assistant, Uhr, Armbanduhr, Rechner, Laptop-Computer oder Transportfahrzeug, umfassend ein Display nach Anspruch 20.