CN114020178B - 一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，包括激光光源、波导导光层、光栅和光电探测器；波导导光层为单层；光栅以点阵单元形式分布在波导导光层上，每个点阵单元均采用两种矢量方向点阵光栅结构，包括和波导导光层相互平直的第一矢量方向点阵光栅、以及第二矢量方向点阵光栅；激光光源输出特定波长的入射光以满足衍射光在空气的衍射角大于90度的入射角入射在波导导光层上，所述两种矢量方向点阵光栅结构将衍射光耦合进波导导光层中，产生两种不同方向的波导模式，使得入射光沿X和Y坐标方向传播到波导导光层的侧壁被周边光电探测器接收，从而确定激光光源入射点的位置。有益效果是提高触控屏输出效率、降低屏幕厚度。

Description

一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组

【技术领域】

本发明涉及触控显示器件技术领域，具体涉及一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组。

【背景技术】

根据是否接触屏幕，触控技术可分为接触式和非接触式触控技术。根据触摸感测方法不同，接触式触控技术可再被细分为电阻、电容、声学式和光学式，非接触式可细分为摄像头式、电磁共振式。

电阻式触摸屏使用压力作为输入，由两层镀有导电物质的透明薄板组成，被含有微粒支点的细小空间隔开。手指接触触摸屏表面时，由于压力作用两层薄板接触导电，通过检测到接触点电压变化确定触控点坐标。电阻屏具有成本低、易于集成、耐灰尘和水汽、支持多种输入介质(导电和非导电)等优点，但是对比度有限，多点触控设计复杂，由于触控需要受到长时间的外力作用容易损坏。

电容式触控屏使用人体的点穴特性作为输入，在玻璃面板内测镀一层电容层，当手指触摸触控屏表面时，会在接触点吸收少量电荷，通过检测电流变化确定触控点坐标。电容屏具有更高的对比度和清晰度，更加耐用，但易受电磁干扰，触控漂移，只能通过带电物体触控。

表面声波式触控屏使用超声波进行检测，由一块玻璃面板组成，该玻璃面板具有发射换能器、接收换能器和反射器。发射器发射超声波，在面板表面传播，被反射器反射并被接收器接收。当手指触摸触控屏表面时，手指会吸收声波，通过检测声波能量变化确定触控点坐标。表面点波触控屏具有良好的透光性，高可见度，不受电磁干扰、高分辨率和高耐用性，但易受灰尘和水污影响，不能使用不吸收声波的硬质材料触控。

红外光学式触控屏相邻两边设有红外发射二极管阵列，相对两边设有红外探测器，红外发射二极管发射红外光，探测器接收红外光，在面板表面形成红外光网络。当手指触摸触控屏表面时，手指阻挡红外光传输，确定触控点坐标。红外光学触控屏透光率高，稳定性高，响应速度快，但分辨率由红外发射管和探测器的数量决定，受发射管发散角影响，分辨率受限，高分辨率成本高，某个或多个红外发射管出现问题会影响触控性能。

上述的接触式触控技术局限于二维，例如操作者不能方便地触摸到大尺寸屏幕每个位置，辅助工具的使用限制了用户的体验。

摄像头式触控屏由两个摄像头、反射器，玻璃面板和电路控制器组成。摄像头同时具有发射红外光和研策红外光的功能，当手指触控时，阻挡红外光传播，两个摄像头可以探测被遮挡路径，确定触控点坐标。摄像头式触控屏实现了近距离悬浮式触控，但不能真正实现远程三维触控，并且处理算法复杂，工作范围受到摄像头工作角度限制。

电磁共振式触控屏由具有共振电路的笔，传感器和控制芯片组成。传感器发射能量，触控笔储存能量，然后触控笔释放能量，被传感器接收，通过控制器分析确定触控点坐标。该技术实现了类似鼠标悬停触控功能，但成本高，易受电磁干扰，难以继承应用在电子设备中。

由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅(grating)。光波导(optical waveguide)是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导，它们通常都是光电集成器件(或系统)中的一部分，所以叫作集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤(见光学纤维)。电场包括纵电场和横电场，并且两者正交，任何电场总是既有纵电场，也有横电场。横向磁场(transverse magnetic field)，又称横磁场，即在一定条件下，磁场没有沿某一坐标方向的分量，称为横向磁场；在电场中，有横向电场与之对应。振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象；光波是电磁波，因此，光波的传播方向就是电磁波的传播方向；光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性；具有偏振性的光则称为偏振光。衍射(英语：diffraction)是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。光栅周期：从一个折射率改变点到相邻一个折射率改变点的长度。光栅常数d：光栅的重要参数，是光栅两刻线之间的距离，用d表示。

目前有一种基于点阵结构分布光栅的触控屏(201910871622.4)，这种触控屏虽然不需要额外提供光源，一定程度降低了传输损耗，但触控屏的输出效率仍然不能满足大尺寸屏幕的需求，采用一维光栅结构需要使用两层波导导光层叠加，较厚，两层波导导光层中间会产生强烈的反射，第二层波导导光层的入射光经过第一层波导导光层的耦合消耗，能量降低，影响触控效果；采用二维光栅结构效率较低，触控屏输出效率还需要进一步的优化。

【发明内容】

本发明的目的是，提出一种提高触控屏输出效率、降低屏幕厚度的光学触控模组。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，包括激光光源、波导导光层、光栅和光电探测器；所述波导导光层为单层；所述光栅以点阵单元形式分布在波导导光层上，每个点阵单元均采用两种矢量方向点阵光栅结构，包括和波导导光层相互平直的第一矢量方向点阵光栅、以及第二矢量方向点阵光栅；所述激光光源输出特定波长的入射光以满足衍射光在空气的衍射角大于90度的入射角入射在波导导光层上，所述两种矢量方向点阵光栅结构将衍射光耦合进波导导光层中，产生两种不同方向的波导模式，使得入射光沿X和Y坐标方向传播到波导导光层的侧壁被周边光电探测器接收，从而确定激光光源入射点的位置。

优选地，上述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，所述激光光源输出波长范围为400nm～1000nm的入射光；通过增加波导导光层的厚度减少入射光在波导导光层内反射次数；所述波导导光层和光栅由透明材料制成，具有高透光率。

优选地，上述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，所述两种矢量方向点阵光栅结构光栅表面有一层包覆层，所述波导导光层下方有一层衬底，所述衬底的折射率n3低于波导导光层的折射率n2，使耦合光在波导导光层全反射传播；调节包覆层的材料和折射率以调节光栅的耦合效率和耦出效率。

优选地，上述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，所述两种矢量方向点阵光栅结构是交替排列分布的2*2第一矢量方向点阵光栅和第二矢量方向点阵光栅阵列，所述第一矢量方向点阵光栅和第二矢量方向点阵光栅是一维亚波长点阵光栅，所述第一矢量方向点阵光栅和第二矢量方向点阵光栅的矢量方向夹角为80～100°。

优选地，上述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，所述两种矢量方向点阵光栅结构的光栅占空比dg取值范围为0.1～0.9，所述光栅占空比dg指所述两种矢量方向点阵光栅结构中第一矢量方向点阵光栅的空间占比。

进一步地，上述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，调整两种矢量方向点阵光栅结构的光栅占空比dg和光栅高度h，使得相对于光栅横电场和横磁场的偏振光的衍射效率不相等，并且在同等衍射效率比之下提高耦入光的衍射效率。

优选地，上述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，两种矢量方向点阵光栅结构的面积占空比dl取值范围为0.2～1，所述面积占空比dl指所述波导导光层上在一个光栅周期内交替排列分布具有两种矢量方向点阵光栅结构区域和没有两种矢量方向点阵光栅结构区域，其中具有两种矢量方向点阵光栅结构区域的空间占比。

进一步地，上述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，调整两种矢量方向点阵光栅结构的光栅周期T、面积占空比dl、和光栅高度h，调节耦合光的耦入效率和耦出损耗，提高所述光学触控模组的输出效率。

进一步地，上述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，所述第一矢量方向点阵光栅和第二矢量方向点阵光栅是单光栅周期、或多光栅周期组合、或渐变光栅周期的点阵光栅，通过使用不同光栅周期组合的点阵光栅，使得入射光在波导导光层中的衍射角大于全反射角并且小于90°。

优选地，上述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，输出到周边光电探测器的输出效率P，由下式计算：

其中Cmax和Cmin分别为光栅相对于横电波和横磁波偏振中最高、最低偏振耦入效率，Lmax和Lmin分别为最高、最低偏振的单次耦出效率，dg为光栅占空比，dl为面积占空比；n为损耗次数，由下式计算：

其中D为入射光在波导导光层传输的总距离，x为单次反射的步长，h为波导导光层层的厚度，index为波导导光层的折射率，λ为入射光波长，T为光栅周期。

本发明一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组有如下有益效果：1、采用两种矢量方向点阵光栅结构，产生两种不同方向的波导模式，波导导光层由两层减少为一层，降低了触控屏的厚度；2、通过控制光栅占空比dg和光栅高度h，使得相对于光栅的横电场和横磁场偏振光的衍射效率不相等，降低第一光栅的衍射波导模式在第二光栅和第二光栅的衍射波导模式在第一光栅的耦出效率，提高光学触控模组输出效率；3、通过控制光栅周期T、面积占空比dl、和光栅高度h，提高入射光耦入效率，降低波导光耦出效率，提高光学触控模组输出效率；4、通过使用不同光栅周期组合的点阵光栅，使得入射光在波导导光层中的衍射角大于全反射角并且小于90°。

【附图说明】

图1是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组结构示意图。

图2是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组X坐标方向或者Y坐标方向截面示意图。

图3是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组夹角80°的两种矢量方向点阵光栅结构示意图。

图4是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组夹角90°、光栅占空比0.5的两种矢量方向点阵光栅结构示意图。

图5是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组夹角90°、占空比不同的两种矢量方向点阵光栅结构示意图。

图6是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射、光栅占空比0.5时，fdtd仿真得到的光栅高度和横电波、横磁波偏振耦合效率关系图。

图7是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射、光栅占空比0.3时，fdtd仿真得到的光栅高度和横电波、横磁波偏振耦合效率关系图。

图8是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射、光栅占空比0.8时，fdtd仿真得到的光栅高度和横电波、横磁波偏振耦合效率关系图。

图9是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组面积占空比0.5时具有两种矢量方向点阵光栅结构的区域和没有两种矢量方向点阵光栅结构的区域相互交替结构示意图。

图10是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射时，对应的耦合效率与光栅周期关系图。

图11是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射时，横电波、横磁波光源所对应的单次耦出效率与光栅周期关系图。

图12是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组多周期光栅组合的两种矢量方向点阵光栅结构示意图。

图13是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组增加包覆层和衬底后的一个点阵光栅单元X坐标方向或者Y坐标方向截面示意图。

图14是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组实施例2的lighttools仿真结构示意图。

图15是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组实施例3多周期光栅组合的两种矢量方向点阵光栅结构示意图。

图16是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组实例3面积占空比为0.5、光栅表面覆盖氧化锆、波导导光层下有低折射率衬底的光学触控模组X坐标方向或者Y坐标方向截面示意图。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：1、激光光源，2、波导导光层，3、光栅，4、光电探测器，5、衬底，6、包覆层。

【具体实施方式】

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种"、“所述"和“该"也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

在本发明实施例中使用的术语“和/或"仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，字符“/"，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例1

本实施例实现一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组。

为了克服现有技术的不足，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，降低了触控屏的厚度、提高了入射光的耦合效率并降低了波导导光层中的传输损耗，并且利用光栅的偏振特性，通过控制光栅结构参数使得相对于光栅的横电场和横磁场偏振光的衍射效率不相等，尽可能提高耦入光的衍射效率，并尽可能降低波导光的耦出效率，提高光学触控模组的整体输出效率。

本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组设计原理：通过合理控制光栅的周期，占空比，光栅高度，波导导光层厚度等结构参数，尽可能提高入射光耦合效率、减少波导导光层内全反射次数和传播耦出损耗率，利用光栅的偏振选择特性，使得相对于光栅的横电场和横磁场偏振光的衍射效率不相等，降低单次耦出效率，提高照射到光电探测器的光学信号强度。

图1是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组结构示意图，图2是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组X坐标方向或者Y坐标方向截面示意图。如附图1、附图2所示，为了降低屏幕厚度，提高光学触控模组输出效率，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组技术方案：包括激光光源、波导导光层、光栅和光电探测器；所述光栅采用两种矢量方向点阵光栅结构，包括和波导导光层相互平直的第一矢量方向点阵光栅，以及第二矢量方向点阵光栅；激光光源输出的特定波长或波段的激光以满足衍射光在空气的衍射角大于90度的入射角入射在波导导光层上，波导导光层表面的两种矢量方向点阵光栅结构能够将衍射光耦合进波导导光层中，产生至少两个不同方向的波导模式，使入射光在波导导光层中的衍射角大于全反射角并且小于90°、且沿x和y方向传播到波导导光层的侧壁被光电探测器接收，从而确定激光入射点的位置。

优选的，激光光源可选输出特定单色光或宽波段的激光作为触控的检测光，波长范围为400nm-1000nm。

优选的，波导导光层为单层，可选地增加波导导光层的厚度以减少波导导光层内反射次数，即减少耦出损耗次数，提高光学触控模组输出效率。

优选的，波导导光层和光栅由透明材料制成，具有高透光率。

优选的，一维亚波长点阵光栅的矢量方向有至少两个。当光栅矢量方向为两个，两种点阵光栅晶格的矢量方向夹角80～100°(可选90°)并交替排列分布。图3是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组夹角80°的两种矢量方向点阵光栅结构示意图。如附图3所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组两种矢量方向一维亚波长点阵光栅结构的夹角是80°。两种矢量方向一维亚波长点阵光栅的占空比(光栅占空比dg)取值范围0.1～0.9，具有第一矢量方向点阵光栅的区域和具有第二矢量方向点阵光栅的区域相互交替排列分布，光栅占空比为0.5即具有第一矢量方向点阵光栅的区域和第二矢量方向点阵光栅的区域相互交替排列分布各占50％，光栅占空比为1即铺满第一矢量方向点阵光栅的区域。图4是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组夹角90°、光栅占空比0.5的两种矢量方向点阵光栅结构示意图。如附图4所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组两种矢量方向一维亚波长点阵光栅结构夹角是90°、占空比可选0.5，更适用于正方形屏幕。图5是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组夹角90°、占空比不同的两种矢量方向点阵光栅结构示意图。如附图5所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组两种矢量方向一维亚波长点阵光栅结构夹角是90°、调整两种矢量方向一维亚波长点阵光栅的占空比以调节两个矢量方向光栅对耦合光的耦入效率和耦出效率，提高光学触控模组的输出效率，更适用与长宽不等的屏幕。

优选的，调整光栅占空比dg，光栅高度h(50nm-600nm)等光栅结构参数，使得相对于光栅的横电场和横磁场偏振光的衍射效率不相等，并且在同等衍射效率比之下，尽可能提高耦入光的衍射效率。在此情况下，对于入射的非线偏振信号光，两中光栅点阵各自耦入衍射的波导模式的偏振态不相同。并且，第一光栅的衍射波导模式在第二光栅的耦出效率小于其在第一光栅的耦出效率，反之亦然。从而在利用该两种矢量方向点阵光栅实现二维触控的同时，减少耦出损耗，提高照射到光电探测器的光学信号强度。下图中TE指横电波，TM指横磁波，纵坐标是衍射效率(diffraction efficiency)，横坐标是光栅高度(grateheight，单位是nm)。图6是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射、光栅占空比0.5时，fdtd仿真得到的光栅高度和横电波、横磁波偏振耦合效率关系图。如附图6所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射、光栅占空比0.5时，fdtd仿真得到的光栅高度h与横电波、横磁波耦合效率关系，在光栅高度500nm时取到大耦合效率比值为3.16。图7是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射、光栅占空比0.3时，fdtd仿真得到的光栅高度和横电波、横磁波偏振耦合效率关系图。如附图7所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射、光栅占空比0.3时fdtd仿真得到的光栅高度h与横电波、横磁波耦合效率的关系，在光栅高度450nm时取到大耦合效率比值为4.31。图8是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射、光栅占空比0.8时，fdtd仿真得到的光栅高度和横电波、横磁波偏振耦合效率关系图。如附图8所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射、光栅占空比0.8时，fdtd仿真得到的光栅高度h与横电波、横磁波耦合效率关系，在光栅高度450nm时取到大耦合效率比值为2.80，并且光栅高度在500nm时横磁波的衍射效率大于横电波。

优选的，两种矢量方向点阵光栅结构以点阵的形式分布在波导导光层上，可优化两种矢量方向点阵光栅结构在一个光栅周期内的面积比例(面积占空比dl，0.2～1)，调节耦合光的耦入效率和耦出损耗率，提高光学触控模组的输出效率。图9是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组面积占空比0.5时具有两种矢量方向点阵光栅结构的区域和没有两种矢量方向点阵光栅结构的区域相互交替结构示意图。如附图9所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，具有两种矢量方向点阵光栅结构的区域和没有两种矢量方向点阵光栅结构的区域相互交替，面积占空比为0.5即整个波导导光层平面上具有两种矢量方向点阵光栅结构的区域和没有两种矢量方向点阵光栅结构的区域相互交替各占50％，面积占空比为1即整个波导导光层平面上铺满两种矢量方向点阵光栅结构。

优选的，调整光栅的周期p、面积占空比dl、高度h(50nm-600nm)等结构参数，调节耦合光的耦入效率和耦出损耗，提高光学触控模组的输出效率。图10是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射时，对应的耦合效率与光栅周期关系图。如附图10所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射时，fdtd仿真得到的光栅周期T与耦入效率的关系。图11是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组980nm入射光正入射时，横电波、横磁波光源所对应的单次耦出效率与光栅周期关系图。如附图11所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组fdtd仿真得到的光栅周期T与波导光单次耦出保留效率的关系。

优选的，光栅为一维光栅，可选择单光栅周期或多光栅周期组合或渐变光栅周期，通过控制光栅周期参数，满足使激光输出的入射光在波导导光层中的衍射角大于全反射角并且小于90°，光栅级数为(±1，0)和(0，±1)四者同时具备。图12是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组多周期光栅组合的两种矢量方向点阵光栅结构示意图。如附图12所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组当选择多周期光栅组合的两种矢量方向点阵光栅结构，可以调整不同周期光栅分布占比调节不同波段光的耦入效率和耦出损耗，并能增加对单一波长光可耦合的入射角度范围，增加光学触控模组的工作角度。

图13是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组增加包覆层和衬底后的一个点阵光栅单元X坐标方向或者Y坐标方向截面示意图。如附图13所示，优选的，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组光栅表面有一层包覆层，波导导光层下方有一层衬底，衬底的折射率n3要低于波导导光层的折射率n2，使耦合光能在波导导光层中可以满足全反射传播；调节包覆层的材料和折射率可以调节光栅的耦合效率和耦出效率。包覆层可以不存在，衬底可以为空气。

本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组输出到周边光电探测器的效率P由下式表示：

假设光栅矢量方向有两个，相互垂直，其中Cmax和Cmin分别为光栅相对于横电波和横磁波偏振中最高、最低偏振耦入效率，Lmax和Lmin分别为最高、最低偏振的单次耦出效率，dg为光栅占空比，dl为两种矢量方向点阵光栅结构在波导导光层表面上的面积占空比，n为损耗次数，可由下式计算：

其中D为波导光在波导导光层传输的总距离，x为单次反射的步长，h为波导层厚度，index为波导导光层的折射率，λ为光源波长，T为光栅周期。

假设光栅占空比dg为0.5，两种矢量方向点阵光栅结构在波导导光层表面上的面积占空比dl为1，光源波长λ为980nm，波导导光层折射率index为1.62，光波导厚度h为1mm，由式2可算出单次反射的步长x约为3.44mm。当调整参数使光栅不具有偏振选择特性时，假设光栅耦合效率为Cmax＝Cmin＝15％，单次耦出损耗率为Lmax＝Lmin＝20％；当调整参数使光栅具有偏振选择特性时，假设光栅耦入效率为Cmax＝15％，Cmin＝3％，单次耦出效率为Lmax＝20％，Lmin＝4％，横电波和横磁波的偏振耦合效率比为5倍，由式1可计算出，当耦出次数小于等于5次，即波导光总传输距离小与等于17.2mm时，无偏振特性的光学触控模组输出效率高；大于17.2mm时，具有偏振特性的光学触控模组输出效率高；当波导光的总传输距离达到30cm时，有偏振特性输出效率是无偏振的1799.4倍。实际应用屏幕的长度和宽度远大于17.2mm，合理调节光栅偏振横电波和横磁波的耦合效率比，可以有效提高光学触控模组输出效率。

相比现有技术，本实施例一种具有两种不同方向一维偏振衍射亚波长光栅点阵结构的光学触控模组有益效果在于：1、采用两种矢量方向点阵光栅结构，产生两种不同方向的波导模式，波导导光层由两层减少为一层，降低了触控屏的厚度；2、通过控制光栅占空比dg和光栅高度h，使得相对于光栅的横电场和横磁场偏振光的衍射效率不相等，降低第一光栅的衍射波导模式在第二光栅和第二光栅的衍射波导模式在第一光栅的耦出效率，提高光学触控模组输出效率；3、通过控制光栅周期T、面积占空比dl、和光栅高度h，提高入射光耦入效率，降低波导光耦出效率，提高光学触控模组输出效率；4、通过使用不同光栅周期组合的点阵光栅，使得入射光在波导导光层中的衍射角大于全反射角并且小于90°。

实施例2

本实施例实现一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组。

本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组是在实施例1的基础上具体实施，激光光源输出980nm的不可见单色红外光，光栅矢量方向为x和y两个方向，两种矢量方向点阵光栅等占空比交叉排列分布，铺满整个波导导光层，光栅周期为700nm单周期，光栅和波导导光层材料为透明PC，折射率为1.62，光栅占空比为0.5，光栅高度为500nm，波导导光层厚度为1mm。图14是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组实施例2的lighttools仿真结构示意图。表1是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组实施例2中lighttools仿真得到的横电波、横磁波耦合效率比5：1和横电波、横磁波耦合效率比1：1输出数据表。如附图14、表1所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组假设激光光源能量为1瓦特，波导光传输距离为29cm时，输出能量比为1796，与计算的1799理论值基本没有差距；合理控制偏振耦合效率比，能有效提高光学触控模组的输出效率。

表1一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组实施例2中lighttools仿真得到的横电波、横磁波耦合效率比5：1和横电波、横磁波耦合效率比1：1输出数据表

实施例3

本实施例实现一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组。

本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组是在实施例1的基础上具体实施。图15是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组实施例3多周期光栅组合的两种矢量方向点阵光栅结构示意图。如附图15所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，激光光源输出为532nm的单色绿光，光栅矢量方向为x和y两个方向，两组方向光栅等占比交叉排列分布，铺满整个波导导光层，两种矢量方向点阵光栅为多周期光栅组合，可取300nm、350nm、500nm和700nm周期光栅组合，每种周期光栅在两种矢量方向点阵光栅结构单元的占比相同，均为1/4，光栅和波导导光层材料为透明PC，折射率为1.55，光栅占空比为0.5，光栅高度为500nm，波导导光层厚度为1mm，激光可触控角度扩展为-50°～50°。

实施例4

本实施例实现一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组。

本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组是在实施例1的基础上具体实施。图16是一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组实例3面积占空比为0.5、光栅表面覆盖氧化锆、波导导光层下有低折射率衬底的光学触控模组X坐标方向或者Y坐标方向截面示意图。如附图16所示，本实施例一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，激光光源输出为650nm的单色红光，光栅矢量方向为x和y两个方向，两种矢量方向点阵光栅等占比交叉分布，以0.5的面积占空比分布在波导导光层上，光栅为单一周期550nm，表面镀有一层50nm的氧化锆，折射率为2.05，光栅和波导导光层材料为透明PC，折射率为1.55，光栅占空比为0.5，光栅高度为500nm，波导导光层厚度为1mm，波导导光层下方为低折射率衬底。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，包括激光光源(1)、波导导光层(2)、光栅(3)和光电探测器(4)；其特征在于：所述波导导光层(2)为单层；所述光栅(3)以点阵单元形式分布在波导导光层(2)上，每个点阵单元均采用两种矢量方向点阵光栅结构，包括和波导导光层(2)相互平直的第一矢量方向点阵光栅、以及第二矢量方向点阵光栅；所述激光光源(1)输出特定波长的入射光以满足衍射光在空气的衍射角大于90度的入射角入射在波导导光层(2)上，所述特定波长范围为400nm～1000nm的入射光，所述两种矢量方向点阵光栅结构将衍射光耦合进波导导光层(2)中，产生两种不同方向的波导模式，使得入射光沿X和Y坐标方向传播到波导导光层(2)的侧壁被周边光电探测器(4)接收，从而确定激光光源(1)入射点的位置；输出到周边光电探测器(4)的输出效率P，由下式计算：

其中Cmax和Cmin分别为光栅(3)相对于横电波和横磁波偏振中最高、最低偏振耦入效率，Lmax和Lmin分别为最高、最低偏振的单次耦出效率，dg为光栅占空比，dl为面积占空比；n为损耗次数，由下式计算：

其中D为入射光在波导导光层(2)传输的总距离，x为单次反射的步长，h为波导导光层(2)的厚度，index为波导导光层(2)的折射率，λ为入射光波长，T为光栅周期。

2.根据权利要求1所述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，其特征在于：所述激光光源(1)输出波长范围为400nm～1000nm的入射光；通过增加波导导光层(2)的厚度减少入射光在波导导光层(2)内反射次数；所述波导导光层(2)和光栅(3)由透明材料制成，具有高透光率。

3.根据权利要求2所述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，其特征在于：所述两种矢量方向点阵光栅结构光栅表面有一层包覆层(6)，所述波导导光层(2)下方有一层衬底(5)，所述衬底(5)的折射率n3低于波导导光层(2)的折射率n2，使耦合光在波导导光层(2)全反射传播；调节包覆层(6)的材料和折射率以调节光栅(3)的耦合效率和耦出效率。

4.根据权利要求2所述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，其特征在于：所述两种矢量方向点阵光栅结构是交替排列分布的2*2第一矢量方向点阵光栅和第二矢量方向点阵光栅阵列，所述第一矢量方向点阵光栅和第二矢量方向点阵光栅是一维亚波长点阵光栅，所述第一矢量方向点阵光栅和第二矢量方向点阵光栅的矢量方向夹角为80～100°。

5.根据权利要求4所述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，其特征在于：所述两种矢量方向点阵光栅结构的光栅占空比dg取值范围为0.1～0.9，所述光栅占空比dg指所述两种矢量方向点阵光栅结构中第一矢量方向点阵光栅的空间占比。

6.根据权利要求5所述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，其特征在于：调整两种矢量方向点阵光栅结构的光栅占空比dg和光栅高度h，使得相对于光栅(3)横电场和横磁场的偏振光的衍射效率不相等，并且在同等衍射效率比之下提高耦入光的衍射效率。

7.根据权利要求6所述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，其特征在于：两种矢量方向点阵光栅结构的面积占空比dl取值范围为0.2～1，所述面积占空比dl指所述波导导光层上在一个光栅周期内交替排列分布具有两种矢量方向点阵光栅结构区域和没有两种矢量方向点阵光栅结构区域，其中具有两种矢量方向点阵光栅结构区域的空间占比。

8.根据权利要求7所述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，其特征在于：调整两种矢量方向点阵光栅结构的光栅周期T、面积占空比dl、和光栅高度h，调节耦合光的耦入效率和耦出损耗，提高所述光学触控模组的输出效率。

9.根据权利要求6所述的一种基于两种矢量方向点阵光栅结构的光学触控模组，其特征在于：所述第一矢量方向点阵光栅和第二矢量方向点阵光栅是单光栅周期、或多光栅周期组合、或渐变光栅周期的点阵光栅，通过使用不同光栅周期组合的点阵光栅，使得入射光在波导导光层(2)中的衍射角大于全反射角并且小于90°。