CN104729771A - 用于检测显示装置上的表面剪切力的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了用于检测显示装置上的表面剪切力的装置和方法。一种显示装置包括：光学感测阵列，用于检测光；背光，朝向显示装置的表面发射光；以及光学薄膜层，在显示装置的表面处，该光学薄膜层配置为，在第一剪切力被施加到在显示装置的表面处的第一接触点时，在第一剪切力的方向上在第一接触点前面的前方区域反射具有第一波长的光，并在第一接触点后面的与前方区域相反的后方区域反射具有第二波长的光，第一波长不同于第二波长。

Description

用于检测显示装置上的表面剪切力的装置和方法

技术领域

本发明的实施方式涉及用于检测显示装置上的表面剪切力的装置和方法。

背景技术

显示装置已经变得日益流行并被广泛地使用，诸如在手机、计算机监视器、电视机、平板等中。这些显示装置可以是任何类型的显示器，包括有机发光器件(OLED)显示器、液晶显示器(LCD)等。具体地，例如已经发展了包括光学传感器的显示装置，用于检测使用者与显示装置的交互作用(例如，经由使用者的手指或经由触控笔的使用而与显示装置的交互作用)。

然而，虽然具有集成的光传感器的显示装置能够检测使用者交互作用(例如，使用者的触摸)的位置，但是显示装置在检测由使用者的触摸交互作用的力的能力上受到限制。具体地，显示装置基本上不能检测由使用者施加在显示装置上的剪切力(或剪力)。与显示装置的剪切力交互作用的示例可以是当使用者通过其手指在显示装置上的一点施加向下的压力并在保持手指的位置和向下压力时在沿着显示装置的表面的任意方向上施加水平力。在水平(剪切)力小于摩擦力的情形下，手指不会移动，这可以是静态(isometric)手势或静态剪切力。当水平(剪切)力超过摩擦力时，存在剪切力和移动，诸如硬拖(hard drag)。

能够感测使用者在显示装置上的剪切力的显示装置可以扩展使用者与显示器之间的交互作用的广度(breadth)。

发明内容

本发明的实施方式的多个方面指向一种显示装置，该显示装置能够感测由使用者引起的与显示装置的剪切力交互作用。

根据本发明的一些实施方式，一种显示装置可以具有感测各种使用者手势的增强能力，尤其当这样的使用者手势将其自身表现为对显示装置的可检测的剪切时。

根据本发明的一实施方式，提供一种显示装置，该显示装置包括：光学感测阵列，用于检测光；背光(backlight)，朝向显示装置的表面发射光；以及光学薄膜层，在显示装置的该表面处，该光学薄膜层配置为，当第一剪切力被施加在显示装置的该表面处的第一接触点时，在第一剪切力的方向上在第一接触点前面的前方区域反射具有第一波长的光，并在第一接触点后面的与前方区域相反的后方区域反射具有第二波长的光，第一波长不同于第二波长。

第一波长和第二波长可以是对应于红外光的不同波段的光谱分布。

光学薄膜层可以包括适于在第一剪切力的方向上变厚并在与第一剪切力的方向相反的方向上变薄的可变形表面层。

第一波长可以大于第二波长。

光学薄膜层可以包括适于在第一剪切力的方向上压缩并在与第一剪切力的方向相反的方向上拉伸的光子晶体层。

第一波长可以小于第二波长。

光子晶体层可以包括具有嵌入的空隙的聚合物。

光子晶体层可以包括基于聚合物的蛋白石(opals)。

显示装置可以配置为通过检测在第一接触点从光学薄膜层反射的光的第一光谱偏移以及在第二接触点从光学薄膜层反射的光的第二光谱偏移而同时地测量在第一接触点处的第一剪切力以及在第二接触点处的第二剪切力。

根据本发明的另一实施方式，一种用于感测在显示装置的表面处的剪切力的方法，该显示装置包括用于检测光的光学感测阵列、用于朝向显示装置的表面发射光的背光、以及在显示装置的所述表面处的光学薄膜层，所述方法包括：检测在显示装置的所述表面处的第一接触点；在第一剪切力被施加在显示装置的所述表面处的第一接触点时，通过光学薄膜层在第一剪切力的方向上在第一接触点前面的前方区域反射具有第一波长的光；在第一剪切力被施加时，通过光学薄膜层在第一接触点后面的与所述前方区域相反的后方区域反射具有第二波长的光，第二波长不同于第一波长；以及通过光学感测阵列感测具有第一波长和第二波长的反射光。

第一波长和第二波长可以是对应于红外光的波长。

第一波长可以大于第二波长。

光学薄膜层可以包括适于在第一剪切力的方向上变厚且在与第一剪切力的方向相反的方向上变薄的可变形表面层以及在可变形表面层上的对于可见光的抗反射膜。

光学薄膜层可以包括适于在第一剪切力的方向上压缩并在与第一剪切力的方向相反的方向上拉伸的光子晶体层。

光子晶体层可以包括具有嵌入的空隙的聚合物。

光子晶体层可以包括基于聚合物的蛋白石。

所述方法还可以包括：通过检测在第一接触点从光学薄膜层反射的光的第一光谱偏移以及在第二接触点从光学薄膜层反射的光的第二光谱偏移，同时地测量在第一接触点的第一剪切力以及在第二接触点的第二剪切力。

根据本发明的另一实施方式，一种显示装置包括：背光，用于发射光；下线偏振片，在背光上；上线偏振片，在下线偏振片上；液晶显示器，在下线偏振片和上线偏振片之间；以及光学感测阵列，用于在剪切力被施加在显示装置的表面时检测在液晶显示器的光反射不对称性。

显示装置还可以包括在液晶显示器上的双折射材料层，该双折射材料层可以在下线偏振片和上线偏振片之间。

显示装置还可以包括在上线偏振片上的红外波导前光(infraredwaveguide front light)。

显示装置还可以包括在液晶显示器上的光学层，并且光学感测阵列可以包括配置为对检测光学层的由于触摸输入引起的物理变化灵敏的多个传感器。

该多个传感器可以包括：第一传感器，对第一峰值波长灵敏；以及第二传感器，对第二峰值波长灵敏。

显示装置还可以包括：第一滤波器，与第一传感器对准，该第一滤波器可以配置为使包括第一峰值波长的第一波长段通过；以及第二滤波器，与第二传感器对准，该第二滤波器可以配置为使包括第二峰值波长的第二波长段通过。

该多个传感器可以对检测相对于没有触摸输入的情况下反射的光的静态波长偏移预定量的波长灵敏。

附图说明

通过参照附图详细描述本发明的示例实施方式，本发明的实施方式的以上和其它的方面将变得更加明显，附图中：

图1A是根据本发明一实施方式的包括处于未受扰状态的可变形光学薄层的显示装置的表面的截面图；

图1B是根据本发明一实施方式的图1A所示的显示装置受到剪切力的表面的截面图；

图2A是根据本发明一实施方式的包括处于未受扰状态的光子晶体层的显示装置的表面的截面图；

图2B示出根据本发明一实施方式的图2A所示的显示装置的表面受到向前剪切力的截面图；

图2C示出根据本发明一实施方式的图2A所示的显示装置的表面受到向后剪切力的截面图；

图3A示出根据本发明一实施方式的图1A和图2A所示的显示装置的受到定向剪切力(directional shear force)的横向表面的被感测到的光学图像；

图3B示出根据本发明一实施方式的图1A和图2A所示的显示装置的受到多点触摸剪切力的横向表面的被感测到的光学图像；

图3C示出根据本发明一实施方式的图1A和图2A所示的显示装置的受到另一种多点触摸剪切力的横向表面的被感测到的光学图像；

图3D示出根据本发明一实施方式的图1A和图2A所示的显示装置的受到另一种多点触摸剪切力的横向表面的被感测到的光学图像；

图4示出当剪切力被施加到其上时包括双折射材料的显示装置的俯视图；

图5A示出根据本发明一实施方式的包括双折射层的显示装置的截面图；

图5B示出根据本发明另一实施方式的包括双折射层的显示装置的截面图；

图5C示出根据本发明一实施方式的光学感测阵列的截面图；以及

图6示出根据本发明一实施方式的LCD装置。

具体实施方式

在下文，将参照附图更全面地描述本发明的实施方式，附图中示出本发明的示例实施方式。如本领域技术人员将理解的，所描述的实施方式可允许各种变形和可选地形式，而没有脱离本发明的精神或范围。为了本发明的描述的清晰，可以省略对于本发明的完整理解不需要的一些元件或特征。

在本说明书中使用的术语用于描述特定的实施方式，而不旨在限制本发明。例如，将理解，虽然这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述不同的元件，但是这些元件将不受这些术语的狭义解释限制。代替地，这些术语仅用于将一个部件与其它部件区别开。此外，以单数形式使用的表述包括复数表述，除非其在上下文具有明显不同的含义。在本说明书中，将理解，术语诸如“包括”、“包含”、“具有”等旨在指示在本说明书中公开的特征、数字、步骤、动作、成分、部件或其组合的存在，而并不旨在排除一个或更多其它的特征、数字、步骤、动作、成分、部件或其组合可存在或可被添加的可能性。

将理解，当一元件或层被称为在另一元件或层“上”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，它可以直接在另一元件或层上、直接连接到或直接联接到另一元件或层，或者还可以存在一个或多个居间的元件或层。类似地，当一元件或层被称为“连接在”或“联接在”另一元件或层时，该元件或层可以直接或间接地“连接在”或“联接在”所述另一元件或层。当一元件被称为“直接在”另一元件或层上、“直接连接到”、“直接联接到”、“直接连接在”或“直接联接在”另一元件或层时，不存在居间的元件或层。相同的附图标记始终指代相同的元件。当在这里使用时，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任意和所有组合。

为了便于描述，这里可以使用空间关系术语诸如“在…下面”、“以下”、“下”、“在…上”、“上”等来描述一个元件或特征与另一个(些)元件或特征如附图所示的关系。将理解，空间关系术语旨在涵盖除了附图中示出的取向之外装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或特征“下面”或“下方”的元件将会取向为在该其它元件或特征“上面”或“上方”。因而，示例术语“在…下面”可以涵盖之上和之下两种取向。装置可以被另外地取向(旋转90度或在其它取向)并且这里使用的空间关系描述语应当被相应地解释。

除非另外地定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员通常理解的相同含义。还将理解，诸如通用词典中所定义的术语，除非此处加以明确定义，否则应当被解释为具有与它们在相关领域的语境中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化的或过度形式化的意义。此外，在描述本发明的实施方式时，“可以”的使用指的是“本发明的一个或多个实施方式”。

附图中的相同的附图标记表示相同的元件，并可以省略其重复描述。

根据本发明的实施方式，显示装置能够响应于使用者的与显示装置的交互作用(例如，当使用者触摸显示器时)而改变在其表面处的性质。显示装置的响应于使用者交互作用的该变化在接触点处产生偏离未被触摸的显示器的正常光学性质的增强的光学性质。显示装置在其表面处的改变的光学性质(例如，光学双折射、材料厚度、或光学双折射和材料厚度二者)指示在接触点处的压力和剪切力。根据实施方式，光反射或光干涉的光学变化被嵌入在显示装置中的光传感器检测，从而识别在被触摸的表面处的力的方向和大小。

被反射的光可以例如使用被包括在嵌入于显示装置中的光传感器内的具有带通选择性的传感器阵列来检测。在一个实施方式中，该阵列包含两种传感器，每种传感器具有对不同波长的近红外光的灵敏性(例如，对检测不同且相对窄带宽的IR光是灵敏的)。这样的灵敏性差异可以例如通过使用与两个窄带IR滤波器结合的传感器来实现。可选地，传感器可以基于被调制为具有不同的点尺寸的量子点，以通过适合的截止滤波器实现不同的波长选择性。可选地，传感器可以基于横向或常规法布里珀罗谐振器，其尺寸被调制以实现不同的共振频率。

检测器也可以通过在所述阵列中包括两种以上的带通传感器来实现更大的剪切力方向和大小辨别力。

在仅使用具有相同波长调制的检测器阵列的另一实施方式中，所调制的波长可以从标称波长偏移(例如，稍微更长的波长)。剪切力可以导致在剪切接触前面的反射光中标称波长朝向较长波长的偏移，传感器可以检测反射光强度的增加，在剪切接触点后面标称波长朝向较短波长的偏移可以使得传感器检测较低的反射光强度，因为传感器对在其峰值灵敏度之外的光不那么灵敏。

因而，本发明的实施方式可以被包括在如本领域普通技术人员所公知的具有用于检测光的装置的任何适合的显示装置(例如，包括光传感器的显示装置)中。

由于本发明的实施方式能够感测在显示装置的表面处的剪切力，所以可以实现许多新的特性和应用。例如，在显示装置的触摸屏上的任何位置能够经由在显示装置上引起剪切力的使用者静态移动而控制显示器上的虚拟指针，类似于指点杆()如何控制计算机上的指针。类似地，作为另一示例，剪切力的可检测能力能够用于实现虚拟控制杆。可选地，或者除了指向之外，本发明的剪切感测能力可以用于指示“拖曳”，类似于移动具有按钮之一被按下的计算机鼠标。

在一些实施方式中，这些应用可以例如被应用于具有有限屏幕面积的小型显示装置(例如，智能手表)的环境中。此外，因为使用者的静态移动倾向于被更精细地控制，所以指针的控制可以更精确。然而，本发明的实施方式不限于单点手势，因为多点静态手势也可以被检测，这将在下面更详细地描述。

图1A是根据本发明一实施方式的包括处于未受干扰的状态的薄膜反射层(例如，可变形光学薄层)的显示装置的表面的截面图。

参照图1A，显示装置100包括显示表面102和在显示表面102上的光学薄膜层(例如，可变形的光学薄膜层、可变形的特定波长反射层、或对于可见光的抗反射膜)104。图1A示出处于缺省状态的显示装置100，也就是，显示装置100处于没有使用者与显示装置100的表面的交互作用的状态。如所示的，当显示装置100处于未被触摸的状态时，光学薄膜层104具有在各处均一的厚度，并具有对于特定波长(λ)106的光调制的反射特性。根据本发明的实施方式的显示装置可以从显示表面102下面产生光，使得光被发射穿过显示表面102并使得光到达光学薄膜层104。

另外，光学薄膜层104可以被设计为使得具有特定波长λ的光被朝向光源反射回去并被反射到显示装置100内的光学感测阵列。

根据本发明的另一些实施方式，光学薄膜层可以自身是可变形的，因此可变形的表面是光学薄膜层中固有的。因此，根据本发明的一些实施方式，光学薄膜层可以是具有软的或可变形的结构(例如，聚合物涂层)的抗反射涂层。

此外，光学薄膜层可以是正常地反射近红外光而透射可见光并关于光学薄膜层材料的厚度具有改变的IR反射性能的反射材料。换言之，光学薄膜层材料的厚度可以与光学薄膜层材料的波长反射性能直接相关。根据本发明的实施方式，较厚的光学薄膜层可以反射具有较长波长的光，而较薄的光学薄膜层可以反射具有较短波长的光。

包括IR反射材料的光学薄膜层104可以利用干涉配置使得峰值反射率在其中(例如，从光学薄膜层104的邻近显示表面102的下表面的)第一反射和(例如，从光学薄膜层104的与下表面相反的上表面的)第二反射相长地叠加的波长处实现以在特定波长具有强的反射率。当峰值反射率发生在红外光谱中时，光学薄膜层104可以用作热反射镜，该热反射镜对于可见光是光学透明的而在IR光的窄带中表现出强的反射。

因而，包括反射材料的光学薄膜层104可以被调制为将具有任何适当的或期望的波长λ的光反射回到处于未被触摸状态的光学感测阵列。例如，光学薄膜层104可以被调制为反射具有与红外(IR)光的窄带宽相对应的波长的光，该红外光的窄带宽对应于可由嵌入的光学感测阵列检测的光的带宽。

根据本发明的另一些实施方式，光学薄膜层104可以是对于可见光的抗反射层(例如，其中第一和第二反射异相地叠加用于相消结合)。这样的薄光学层可以反射近红外光的宽波段(以及深蓝或紫外光的宽波段)。包括其光谱响应的光学反射性能可以在压力下由于光学层的变形而改变，具有光谱信息的反射光被嵌入的光学感测阵列检测。

图1B是根据本发明一实施方式的图1A所示的显示装置的表面受到剪切力的截面图。

参照图1B，使用者手指108向显示装置100施加向前的剪切力，从而导致光学薄膜层104的变形。

在本实施方式中，光学薄膜层104是位于显示装置100的触摸屏的显示表面102之上的反射薄膜。根据本实施方式，当使用者的手指施加剪切力到光学薄膜层104时，在剪切力的方向上(例如，在接触点前面的前方区域)发生光学薄膜层104的变厚，在剪切力的相反方向上(例如，在接触点后面的后方区域)发生光学薄膜层104的变薄。

因此，当与光学薄膜层104接触并且向下的压力与在方向D1上的横向力或压力一起被施加时，光学薄膜层104在光学薄膜层104的远离触摸点部分P2的松弛部分P1处的厚度T1可以大于光学薄膜层104在触摸点部分P2处的厚度T2。此外，光学薄膜层104的邻近触摸点部分P2且在松弛部分P1与触摸点部分P2之间的部分P3可以具有比松弛部分P1的厚度T1大的厚度T3。

光学薄膜层104的厚度上的差异产生反射的功率谱上的差异(或在光学薄膜层104的薄区域与厚区域之间的差别峰值反射率)。如图1B所示，光学薄膜层104的相对厚的区域反射具有特定波长110的光并且光学薄膜层104的相对薄的区域反射具有另一波长112的光，该另一波长112的光不同于相对厚的区域反射的光(即，具有波长110的光)。此外，光学薄膜层104的相对厚的区域和相对薄的区域二者均反射具有与缺省厚度的光学薄膜层104所反射的不同的波长的光。图1A示出光学薄膜层104的缺省厚度，该光学薄膜层104跨越显示表面102均匀地反射具有缺省波长106的光。图1B还示出在光学薄膜层104没有被显著扰动的区域处(例如，在光学薄膜层104的远离触摸点部分P2的松弛部分P1)的缺省反射率。

根据本发明的实施方式，在施加剪切力时获得的反射数据的采样光学图像中，因为在许多波长处的大反射，指尖将是明显可见的，并且在手指前面和后面的区域会具有区别性的反射光谱，因而，这些反射的符号、取向和大小可以指示剪切力的方向和大小。因此，通过使显示装置100解释不同的反射光谱(例如，通过显示装置100内的光学传感器)，显示装置100能够辨别由使用者施加在显示装置100上的剪切力的方向。下面将结合图3A-3D讨论关于当剪切力被施加在显示装置上时显示装置的表面的光学成像的进一步公开。

图2A是根据本发明实施方式的包括处于未受到干扰的状态的光子晶体层的显示装置的表面的截面图。

参照图2A，显示装置200包括在显示装置200的表面处的光子晶体层202，光子晶体层202包括具有一个折射率、嵌入在具有不同的折射率的体材料203内的多个物体或空隙201。物体201是在体材料203中的周期性纳米结构，其次波长特征与窄带的光相互作用并可以对于变形高度灵敏。这样的变形可以是弹性的，如果施加的压力在弹性变形极限内。在光子晶体层202的变形期间，这些光子晶体纳米结构的密度和单个晶体的结构能够改变，从而改变它们反射的光的波长。

根据本发明的一些实施方式，光子晶体层202可以包括任何适当的光子晶体材料诸如具有嵌入的空隙的聚合物材料。当光子晶体层202被压缩时，较高能量的光子诸如近IR(例如，800nm)光可以在压缩点处或附近被反射。当光子晶体层202被拉伸时，较低能量的光诸如远IR(例如，900nm)光可以在拉伸点处或附近被反射。光子晶体层202或体材料203可以使用任何适当的制造方法诸如卷对卷制造(roll-to-roll manufacturing)而制造在基板诸如像聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)一样的塑料薄膜或其它适当的柔性和/或可拉伸的基底材料上。在一些实施方式中，光子晶体层的总厚度可以小于约0.1毫米厚。

在本发明的另一些实施方式中，光子晶体层202可以由可被拉伸和挤压或压缩的合成橡胶制成，导致反射的峰值波长的显著变化。光子晶体层202的周期性纳米结构201可以是对各种外部触发(例如，压缩和拉伸)具有光学响应的基于聚合物的蛋白石。在一些实施方式中，光子晶体蛋白石可以通过IR波长中的偏移而在光学上响应机械应力，使得对由显示装置显示的可见光图像存在可忽略的光学影响。

图2A示出处于缺省状态的显示装置200。也就是，显示装置200处于没有使用者与显示装置200的表面的交互作用的状态。如图2A所示，当显示装置200处于未被触摸的状态时，光子晶体层202具有到处均一的厚度并被调制为对于具有特定波长(λ)204的光具有强的反射率。根据本发明的实施方式的显示装置可以从光子晶体层202下面产生光，使得光穿过光子晶体层202朝向使用者发射。另外，周期性纳米结构201被设计为使得具有特定波长λ的光被朝向光源(例如，朝向光学感测阵列)反射回去。

周期性纳米结构201可以被调制为在其未被触摸的状态反射具有任何适当波长λ的光。例如，周期性纳米结构201可以被调制为反射具有与红外(IR)光(例如，具有在从约750nm至1000nm的范围内的波长的光)相对应的波长的光。

图2B示出根据本发明实施方式的图2A所示的显示装置的表面受到向前的剪切力的截面图。图2C示出根据本发明实施方式的图2A所示的显示装置的表面受到向后的剪切力的截面图。

参照图2B，使用者手指206向显示装置200的表面施加向前的剪切力，导致在剪切力方向上在接触点前面的前方区域处的光子晶体层202的体材料203的变形和周期性纳米结构201的压缩，使得周期性纳米结构201在接触点前面被更密集地布置或者被压缩。剪切力还导致在与剪切力相反的方向上在接触点后面的后方区域中周期性纳米结构201的拉伸区域，使得周期性纳米结构201在接触点后面较不密集地布置或被拉伸。参照图2C，使用者手指206向显示装置200的表面施加向后的剪切力，导致在剪切力的方向上在接触点前面的前方区域处的光子晶体层202的体材料203的变形和物体或周期性纳米结构201的聚集，并导致在与剪切力相反的方向上在接触点后面的后方区域处的周期性纳米结构201的相对稀疏的区域。

在本实施方式中，周期性纳米结构201被嵌入在体材料203内以形成位于显示装置200的表面处的光子晶体层202。根据本实施方式，当使用者的手指施加剪切力到光子晶体层202时，在力的方向上(例如，关于力的方向在触摸位置的前面)导致周期性纳米结构201的密度增加的区域，并在与力相反的方向上(例如，关于力的方向在触摸位置的后面)导致周期性纳米结构201的密度减小的区域。另外，当受到来自使用者手指206的压力时，周期性纳米结构201自身缩小。因而，在来自接触点周围的光子晶体层202的反射率中可以存在可测量的不对称性。除了在手指206下面发生的压缩之外，体材料203的拉伸和压缩(其导致接触点周围的周期性纳米结构201的重新配置)能够指示剪切力的方向和大小。

在接触点处，光子晶体层202的拉伸和压缩产生反射的功率谱上的差异(例如，拉伸区域和压缩区域之间的差异峰值反射率在接触点处发生)。如图2B和图2C所示，光子晶体层202的具有增大密度的周期性纳米结构201的区域反射具有特定波长210的光，并且光子晶体层202的具有减小密度的周期性纳米结构201的区域反射具有另一波长208的光，具有另一波长208的光不同于具有波长210的光的反射率。此外，光子晶体层202的周期性纳米结构201的密度增加的区域和密度减小的区域反射与具有缺省厚度的光子晶体层202反射的光的波长不同的波长的光。图2A示出反射具有缺省波长204的光的光子晶体层202的缺省厚度。图2B和图2C还示出在光子晶体层202没有被显著地扰动的区域处(例如，在远离使用者的手指的区域处)的缺省反射率。

根据本发明的实施方式，在反射数据的采样光学图像中，因为在许多波长处的大反射，指尖将是明显可见的，并且在手指前面和后面的区域将具有区别性的反射光谱，因而，这些光谱反射的符号、取向和大小指示剪切力的方向和大小。因此，通过使显示装置200解释差异的反射程度(例如，通过显示装置200内的光学传感器)，显示装置200能够辨别由使用者施加在显示装置200上的剪切力的方向。

在图1A和图2A中示出的本发明的实施方式提供能够利用现有的光学感测显示装置感测剪切力并具有可忽略的视觉干扰(visual interference)的显示装置。这些实施方式能够通过添加单个附加层(例如，对于可见光的软的抗反射层或光子晶体层)到显示装置而实现。此外，附加层可以附着到显示装置的最外层作为在制造显示装置之后对于显示装置的可选添加。另外，这些实施方式可以被设计为具有对显示器的亮度和光学性能的可忽略的影响，因为在一些实施方式中，附加层可以被调制为影响目标IR波段中的光而不使离开显示器的可见光减弱或变形。

在图1A和图2A中示出的本发明的实施方式产生具有指示剪切力方向的区别性光学特征的图像。在一些实施方式中，通过调制光学薄膜层(例如，反射膜)或光子晶体，光学特征能够在IR光中被看到(例如，在剪切力方向上在接触点前面的区域可以在第一调制或预定的光波长诸如800nm处具有峰值反射率，在接触点后面的另一区域可以在第二调制或预定的光波长诸如900nm处具有峰值反射率)。与手指触摸位置相对应的区域指示由手指引起的宽波段反射，而围绕该宽波段反射区域的材料的拉伸和压缩区域具有在光学上彼此截然不同的反射率性能。因此，不需要移动的各种手势(即，静态手势)能够被解释。虽然本发明的实施方式已经被描述为反射IR光，但是它们可以被调制为如所期望地反射具有任何适当波长的光。

图3A示出根据本发明实施方式的图1A和图2A所示的显示装置的受到定向剪切力(directional shear force)的横向表面的被感测的光学图像。

参照图3A，响应于由使用者施加在显示装置上的剪切力308的被感测光学图像300包括接触点302、邻近接触点302且在接触点302后面并与剪切力308的方向相反的后方区域304、以及邻近接触点302且在接触点302前面与剪切力308的方向相对应的前方区域306。

响应于剪切力308，如以上结合图1A-2C所述发生显示装置的表面的变形。由于例如可变形的IR反射层或光子晶体层的存在引起的变形导致后方区域304和前方区域306表现出不同的相应光学特征。在一些实施方式中，后方区域304可以反射具有第一波长(例如，800nm)或第一波段的光，前方区域306可以反射具有第二波长(例如，大于第一波长，例如900nm)或第二波段的光。例如，在一些实施方式中，其中显示装置包括可变形的光学薄层，在接触点302后面的后方区域304可以反射具有比在接触点302前面的前方区域306处反射的光的波长小的波长的光。在另一些实施方式中，例如，其中显示装置包括光子晶体层，取决于光子晶体层相对于反射光方向的取向，在接触点302后面的后方区域304可以反射具有比在前方区域306处反射的光的波长小或大的波长的光。

因而，根据本发明的实施方式，显示装置中的光学感测装置可以用于检测具有特定波长(或波段)的光的反射从而检测从后方区域304到前方区域306发生的剪切力的方向。也就是，第一波长和第二波长可以是对应于红外光的不同波段的光谱分布。例如，当感测800nm的光和900nm的光时，显示装置能够检测在从对应于800nm的光的区域到对应于900nm的光的区域的方向上的剪切力。根据本发明的另一些实施方式，显示装置被调制为反射具有其它波长的光(例如，具有IR的其它波长的光)。

另外，因为在接触点处，对应于使用者的手指发生宽波段反射的区域，所以本发明的实施方式也可以利用该信息来检测剪切力及其方向。例如，在本发明的一些实施方式中，显示装置可以首先感测宽波段反射的区域，如果存在该区域，则检测不同波长的光是否存在于宽波段反射区域的周围。

图3B示出根据本发明实施方式的图1A和图2A所示的显示装置的受到多点触摸剪切力(multi-touch shear force)的横向表面的被感测的光学图像。

参照图3B，响应于由使用者施加在显示装置上的两个同时发生的剪切力328，所感测的光学图像320包括两个接触点322、在邻近每个接触点322且在每个接触点322后面并与每个相应的剪切力328的方向相反的后方区域324、邻近每个接触点322且在每个接触点322前面并与每个相应剪切力328的方向相对应的前方区域326、以及位于两个接触点322之间的中心点330。根据本实施方式，使用者做出一手势，其中一个接触点322对应于向上剪切力并且另一接触点322对应于向下剪切力，两个剪切力在中心点330周围发生且与中心点330相关。因此，显示装置能够检测此手势并例如响应于该手势在显示屏上进行旋转动作。

图3C示出根据本发明实施方式的图1A和图2A所示的显示装置的受到另一种多点触摸剪切力的横向表面的被感测的光学图像。

参照图3C，响应于由使用者施加在显示装置上的两个同时发生的剪切力348，所感测的光学图像340包括两个接触点342、邻近每个接触点342且在每个接触点342后面并与每个相应的剪切力348的方向相反的后方区域344、邻近每个接触点342且在每个接触点342的前面对应于每个相应剪切力348的方向的前方区域346、以及位于两个接触点342之间的中心点350。根据本实施方式，使用者做出一手势，其中两个接触点342对应于关于中心点350的向外剪切力。因此，显示装置能够检测此静态展开(stretch)手势并例如响应于该手势在显示屏上进行“放大”动作。

图3D示出根据本发明实施方式的图1A和图2A所示的显示装置的横向表面受到另一种多点触摸剪切力的被感测的光学图像。

参照图3D，响应于由使用者施加在显示装置上的两个同时发生的剪切力368，所感测的光学图像360包括两个接触点362、邻近每个接触点362且在每个接触点362后面并与每个相应剪切力368的方向相反的后方区域364、邻近每个接触点362且在每个接触点362前面对应于每个相应剪切力368的方向的前方区域366、以及位于两个接触点362之间的中心点370。根据本实施方式，使用者做出一手势，其中两个接触点362对应于关于中心点370的向内剪切力。因此，显示装置能够检测此静态捏合手势，并例如响应于该手势在显示屏上进行“缩小”动作。

图3C和图3D中示出的由本发明的实施方式感测的手势(即，分别是静态展开手势和静态捏合手势)包括在显示屏上的相反剪切力，因而不能通过测量在显示器上的净剪切来检测。因而，本发明的实施方式提供检测多手指剪切力的能力，该多手指剪切力包括在显示器上导致为零的净剪切力的多手指剪切力。

此外，本发明的实施方式能够检测硬滑动(hard slide)，该硬滑动能够通过跨过显示装置的表面的光滑动(light swipe)来辨别。硬滑动可以在使用者用来自使用者手指的压力按压在显示器上并且使用者在保持该压力的同时滑动手指越过显示器时出现(也就是，硬滑动是其中剪切力超过显示器与触摸显示器的物体诸如手指之间的摩擦力使得触摸显示器的物体滑动越过显示器的表面的移动方式)。在此情形下，使用者通过手指的移动并通过在移动手指时在显示器上施加剪切力而与显示器相互作用。因而，本发明的实施方式能够将硬滑动感测为平移越过显示器的光学剪切特征。根据本发明的一些实施方式，硬滑动的检测可以用于允许例如不同的卷动功能或关于显示装置的各种其它用户体验，诸如点击和拖动手势或输入。

此外，本发明的实施方式可以向显示装置提供增加的安全性。因为由使用者实施的静态剪切力手势难以被第二方观察者辨别，所以本发明的实施方式可以提供通过利用静态手势来解锁显示装置的能力。例如，根据本发明的实施方式，使用者的手指不需要对于使用者来说可见地移动从而输入静态剪切手势的组合来解锁装置。

图4示出当剪切力被施加到其上时包括双折射材料的显示装置的俯视图。

许多有机材料(诸如与杆状或盘状分子混合的聚酰亚胺)表现出光学双折射性能并被用作液晶显示器中的光学补偿膜。在受压时，尤其当位于偏振片之间时，此双折射能够改变以产生与力的轴一致的图案。

参照图4，显示装置400包括双折射材料层。根据本实施方式，使用者在接触点402处与显示装置400相互作用并在显示装置400上施加剪切力404。如所示的，响应于剪切力404，显示装置400在接触点402周围表现出不对称的光反射(例如，在剪切力的方向上在接触点前面的光的反射图案不同于在接触点后面的光的反射图案)。因此，根据本发明的实施方式的显示装置能够检测与接触点有关的这些不对称的光反射图案以确定在显示器上剪切力的存在和方向。双折射材料可以是任何适当的光学双折射材料诸如聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、或表现出光学双折射的任何其它适合的塑料，诸如已知作为用于加宽液晶显示器的视角的A板或C板的材料。

图5A示出根据本发明实施方式的包括双折射层的显示装置的截面图。

参照图5A，显示装置500包括亮度增强膜502、在亮度增强膜502上的光学感测阵列504、在光学感测阵列504上的第一或下线偏振片506、在第一线偏振片506上的液晶显示器508、在液晶显示器508上的双折射材料510、以及在双折射材料510上的第二或上线偏振片512。根据本实施方式，显示装置500是从背后照亮的，使得显示装置500从亮度增强膜502下面发射包括IR光514的光到外部。

为了响应于使用者施加的剪切力对应力图案成像，双折射材料510被定位在液晶显示器508与第二线偏振片512之间。根据本发明的实施方式，第一线偏振片506和第二线偏振片512彼此垂直地布置。除了可见光之外，IR光也穿过显示装置500使得IR光能够被反射离开使用者的手指。在本实施方式中，IR光穿过第一线偏振片506和第二线偏振片512两次，第一次在由背光发射时，第二次在被使用者的手指反射时。

如图4所示，此被反射的IR光在双折射材料510被按压的区域穿过在手指前面的区域以及穿过在手指后面的区域，从而在接触点周围产生能够被光学感测阵列504检测的IR光的反射图案。

根据本发明的另一些实施方式，液晶显示器508可以位于第一和第二线偏振片下面。

图5B示出根据本发明另一实施方式的包括双折射层的显示装置的截面图。

参照图5B，显示装置550包括与图5A所示的显示装置500的层类似的层。因此，与图5A中示出的元件相同的那些元件的描述可以被省略，下面将描述对图5A所示的显示装置500的添加和变形。

显示装置550还包括IR波导前光516。另外，由于IR波导前光516的添加，没有IR光的背光518透射穿过显示装置550。

因而，根据本实施方式，由IR波导前光516产生的IR光从使用者的手指反射回来，并响应于使用者的手指对IR光的反射而穿过第一线偏振片506和第二线偏振片512。因此，根据本实施方式，IR光穿过第一线偏振片506和第二线偏振片512一次。

此外，根据本发明的实施方式，为了避免干扰显示装置的显示图像，光学剪切力感测可以在其中显示器被切换为黑色的黑色帧发生，在显示器的正常运行期间黑色帧被***在显示图像的帧之间(例如，***在顺序的帧之间)。

虽然图5A和图5B中示出的实施方式是LCD，但是本发明的实施方式可以结合任何适合的显示装置例如有机发光二极管显示装置来使用。根据一些实施方式，有机发光层可以被***在第一线偏振片下面。

图5C示出根据本发明的一些实施方式的图5A和图5B中示出的光学感测阵列504的更多细节。

如图5C所示，光学感测阵列504可以包括例如多个第一传感器504a和多个第二传感器504b(例如，在光学感测阵列504内交替布置或顺序的，或者根据显示装置的设计的任何其它适当的布置)。取决于使用者是否施加剪切力到显示面板，第一传感器504a和第二传感器504b可以对近红外光中的与反射光的期望峰值波长相对应的不同波长(或不同的波长段)灵敏。也就是，第一传感器504a和第二传感器504b可以分别对检测不同的和相对窄带宽的IR光灵敏。

例如，第一传感器504a可以对检测与在显示器的在剪切力触摸输入前面的区域处反射的光的期望波长相对应的峰值波长或波段灵敏，第二传感器504a可以对检测与显示器的在剪切力触摸输入后面的区域处反射的光的期望波长相对应的峰值波长或波段灵敏。可选地，光学感测阵列504的传感器可以对检测相对于在没有触摸输入(例如，在静态)时反射的光的波长偏移峰值预定量的一个波长(或波长段)灵敏。

因而，光学感测阵列504可以配置为检测由于施加到显示装置的触摸输入(例如，剪切力)而引起的显示装置的光学层的物理变化。为了检测光学层的这样的物理变化，光学感测阵列504可以包括对检测光的不同峰值波长或不同波长段灵敏的第一传感器504a和第二传感器504b。在一些实施方式中，第一传感器504a和第二传感器504b可以是相同类型的传感器，但是可以包括分别被第一传感器504a和第二传感器504b包括或分别与第一传感器504a和第二传感器504b对准的不同窄带IR滤波器530a和530b，其配置为取决于剪切力是否被施加到显示面板而透射与反射光的期望峰值波长相对应的不同IR波段，如上所讨论的。在一些实施方式中，滤波器530a和530b可以分别与传感器504a和504b集成。可选地，滤波器530a和530b可以被形成或定位为在光学感测阵列504上方的一个或多个分离层，并与第一传感器504a和第二传感器504b中的相应传感器对准。

在另一实施方式中，第一传感器504a和第二传感器504b可以包括被调制为分别具有不同点尺寸的基于量子点的传感器，并且不同的基于量子点的传感器可以每个利用相应的合适的截止滤波器来实现不同的波长选择性。

因此，根据一些实施方式，取决于剪切力或触摸输入是否被施加到显示器，第一和第二传感器可以分别被调制为对例如两个不同的波长(或波段)灵敏，该两个不同的波长(或波段)被期望为反射光的两个峰值波长。

根据另一实施方式，光学感测阵列504可以包括多个传感器，该多个传感器对处于静态的(即，在显示器上没有任何触摸输入)反射光的波长偏离峰值(例如，偏离预定量)的一个波长(或波段)灵敏，使得传感器对检测由于触摸输入引起的反射波长的变化灵敏，如以上讨论的。

图6示出根据本发明的一个实施方式的LCD装置。

由于电光介质的液体本性，LCD能够在施加力时流动。因而，显示装置的液晶层本身是双折射层。在LCD上的剪切力产生取决于剪切力的位置、压力和方向的临时间距变化。间距变化导致通常即使用裸眼也是可见的光学或光透射变化，如图6所示。在显示装置中嵌入的波长选择的光学感测阵列可以对检测这种图案并确定力方向的轴和幅度是特别灵敏的。外表上的该变化是临时的，因为液晶具有还原到其缺省取向和位置的能力。因此，光学检测器可以具有相对快的响应时间，并且检测器阵列的扫描速度可以适于检测液晶的取向和位置的变化。因此，本发明的一些实施方式可以在没有单独的双折射层的情形下或在具有双折射层但对图5A和图5B所示的层没有显著变形的情形下实现，并可以仅通过液晶显示层来实现。

参照图6，LCD装置600被示出为对使用者的触摸起反应。在接触点，显示屏表现出这样的光学变化，该光学变化靠近接触点更加明显并远离接触点不那么明显。具体地，在接触点处的LCD变化在由使用者的手指施加的剪切力的方向上更明显。根据本发明的实施方式，LCD装置600可以被设计为包括光学感测阵列，该光学感测阵列能够检测在显示器的这些光学变化，并能够解释该显示器变化以确定在LCD装置600上的使用者的剪切力。

虽然已经结合某些示例性实施方式描述了本发明，但是将理解，本发明不限于所公开的示例性实施方式，而是，相反地，旨在涵盖被包括在权利要求及其等同物的精神和范围内的各种变形和等同布置。

本申请要求于2013年12月23日提交的名称为“用于光学感测触摸屏的表面剪切力的技术”的美国临时申请序列号61/920399的优先权和权益，其全部内容通过引用结合于此。

Claims (25)

1.一种显示装置，包括：

光学感测阵列，用于检测光；

背光，朝向所述显示装置的表面发射光；和

光学薄膜层，在所述显示装置的所述表面处，所述光学薄膜层配置为，在第一剪切力被施加在所述显示装置的所述表面处的第一接触点时，在所述第一剪切力的方向上在所述第一接触点前面的前方区域反射具有第一波长的光，并在所述第一接触点后面的与所述前方区域相反的后方区域反射具有第二波长的光，所述第一波长不同于所述第二波长。

2.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述第一波长和所示第二波长是对应于红外光的不同波段的光谱分布。

3.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述光学薄膜层包括适于在所述第一剪切力的方向上变厚并在与所述第一剪切力的方向相反的方向上变薄的可变形表面层。

4.根据权利要求3所述的显示装置，其中所述第一波长大于所述第二波长。

5.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述光学薄膜层包括适于在所述第一剪切力的方向上压缩并在与所述第一剪切力的方向相反的方向上拉伸的光子晶体层。

6.根据权利要求5所述的显示装置，其中所述第一波长小于所述第二波长。

7.根据权利要求5所述的显示装置，其中所述第一波长大于所述第二波长。

8.根据权利要求5所述的显示装置，其中所述光子晶体层包括具有嵌入的空隙的聚合物。

9.根据权利要求5所述的显示装置，其中所述光子晶体层包括基于聚合物的蛋白石。

10.根据权利要求1所述的显示装置，其中所述显示装置配置为通过检测在所述第一接触点从所述光学薄膜层反射的光的第一光谱偏移以及在第二接触点从所述光学薄膜层反射的光的第二光谱偏移而同时测量在所述第一接触点处的所述第一剪切力和在所述第二接触点处的第二剪切力。

11.一种用于感测在显示装置的表面处的剪切力的方法，该显示装置包括用于检测光的光学感测阵列、用于朝向所述显示装置的表面发射光的背光、以及在所述显示装置的所述表面处的光学薄膜层，所述方法包括：

检测在所述显示装置的所述表面处的第一接触点；

在第一剪切力被施加在所述显示装置的所述表面处的所述第一接触点时，通过所述光学薄膜层在所述第一剪切力的方向上在所述第一接触点前面的前方区域反射具有第一波长的光；

在所述第一剪切力被施加时，通过所述光学薄膜层在所述第一接触点后面的与所述前方区域相反的后方区域反射具有第二波长的光，所述第二波长不同于所述第一波长；以及

通过所述光学感测阵列感测具有所述第一波长和所述第二波长的反射光。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一波长和所述第二波长是对应于红外光的波长。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一波长大于所述第二波长。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述光学薄膜层包括适于在所述第一剪切力的方向上变厚且在与所述第一剪切力的方向相反的方向上变薄的可变形表面层以及在所述可变形表面层上的抗反射膜。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述光学薄膜层包括适于在所述第一剪切力的方向上压缩并在与所述第一剪切力的方向相反的方向上拉伸的光子晶体层。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述光子晶体层包括具有嵌入的空隙的聚合物。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述光子晶体层包括基于聚合物的蛋白石。

18.根据权利要求11所述的方法，其中所述方法还包括：

通过检测在所述第一接触点从所述光学薄膜层反射的光的第一光谱偏移以及在第二接触点从所述光学薄膜层反射的光的第二光谱偏移，同时测量在所述第一接触点处的所述第一剪切力和在所述第二接触点处的第二剪切力。

19.一种显示装置，包括：

背光，用于发射光；

下线偏振片，在所述背光上；

上线偏振片，在所述下线偏振片上；

液晶显示器，在所述下线偏振片和所述上线偏振片之间；以及

光学感测阵列，用于在剪切力被施加在所述显示装置的表面时检测在所述液晶显示器的光反射不对称性。

20.根据权利要求19所述的显示装置，还包括在所述液晶显示器上的双折射材料层，其中所述双折射材料层在所述下线偏振片和所述上线偏振片之间。

21.根据权利要求20所述的显示装置，还包括在所述上线偏振片上的红外波导前光。

22.根据权利要求19所述的显示装置，还包括在所述液晶显示器上的光学层，其中所述光学感测阵列包括多个传感器，该多个传感器配置为对检测由于触摸输入引起所述光学层的物理变化灵敏。

23.根据权利要求22所述的显示装置，其中所述多个传感器包括：

第一传感器，对第一峰值波长灵敏；以及

第二传感器，对第二峰值波长灵敏。

24.根据权利要求23所述的显示装置，还包括：

第一滤波器，与所述第一传感器对准，其中所述第一滤波器配置为使包括所述第一峰值波长的第一波长段通过；以及

第二滤波器，与所述第二传感器对准，其中所述第二滤波器配置为使包括所述第二峰值波长的第二波长段通过。

25.根据权利要求22所述的显示装置，其中所述多个传感器对检测相对于在没有触摸输入的情况下反射的光的静态波长偏移预定量的波长灵敏。