基于亚波长光栅耦合的光学式触控和指纹识别技术研究

Touching sensing, as one of the main techniques for intelligent human-machine interaction, is significant in both industry and scientific research. Among the touch approaches, optical ‘touching’ has become a hot topic in 3D visual interaction, due to the advantages of non-contact virtual touching and direction sensing. Different from the conventional image recognition based on camera and optical detector arrays, we propose a novel approach by using sub-wavelength gratings to couple and convert the human eye insensitive blue-purple light from display screen or outer incident to waveguide light for optical sensing and fingerprint recognition. Taking advantage of the dependence of waveguide modes on the direction of incident light, three dimensional sensing is achieved. Via appropriate design of the pitch and profile of gratings, the coupling efficiency of purple -blue light as waveguide light is optimized, while the display of the screen is kept intact, By this approach, direct touching, close virtual touching, and remote optical control can be achieved, simultaneously. Laser interference and direct writing lithography are both applied to fabricate the mould of the device, and Nano-Imprinting is utilized for large scale production. Millisecond response time, over 10 touch points, and touch and fingerprint recognition functions integrated optical touch will be demonstrated in this project, which is believed to afford a robust approach for 3D intelligent interaction.

触控是人机智能交互的主要方式之一，其实用价值和科研意义重大。光学式“触控”具有非接触方位感知的优势，可用于三维虚拟显示和交互，是显示领域的研究重点。区别于光学成像和探测器阵列感知技术，本项目设计和制备具有带阻滤波功能的亚波长纳米光栅耦合器，从而有效过滤人眼不敏感的蓝紫光，并将其转化为横向传播的光波导模式用于光学触控和指纹识别。光波导模式的强度和传播方向依赖于入射光角度，利用该关联关系可以获取入射光方位角信息，从而实现三维感知。通过合理设计纳米光学结构的周期和形貌，在提高蓝紫光过滤效率的同时，增加波导层的显示光透射效率，可以实现轻薄透明的接触、近邻悬浮和远程控制三种方式兼容的触控感知。采用激光干涉和直写制备光学触控膜母版，并利用压印技术实现大面积制备。项目将实现亚毫秒级响应、10点以上触控、指纹识别和触控功能集成的新型光触控，从而为未来3D智能光交互提供强有力的解决方案。

信息显示技术的发展离不开人机交互技术的进步。历经鼠标、键盘、惯性陀螺、电容触控、红外光学、语音输入和手势识别等多种方式，越来越智能的人机交互方式不断给人们带来功能更加强大和更加自然的使用界面。然而，随着屏幕尺寸超出人体物理极限，直接触控越来越无法满足交互的需求，摆脱物理限制的远程遥控成为技术发展方向。惯性陀螺由于所指位置与实际偏离导致触控的瞬时性、连续性和顺畅感较差。图像识别由于算法复杂和对成像要求高只能识别单人简单动作。.综合考虑到大屏幕人机交互的瞬态、快速、精确和无物理限制需求，本项目提出一种基于亚波长光栅的直接触控和远程遥控兼容的光波导式交互技术。通过光栅耦合作用将入射触控激光转换为沿着波导全反射横向传输的光信号，并最终达到位于波导侧壁的光电探测器转换为可以判别触控位置信息的电信号。项目的主要工作为：.（a）发现光栅的将入射光耦入成波导模式和将波导模式光耦出衬底导致损耗的矛盾。光栅的这种损耗是全反射次数的幂函数，尺寸越大，损耗越强。为了解决这一矛盾，创新性提出了一种光栅结构点阵分布的触控技术。该技术虽然牺牲了一定的耦合输入信号，但是大大降低光栅对光信号的耦出损耗，为基于光栅的大屏幕光学式人机交互技术的实用化奠定了坚实的基础，申报中国和PCT各一项。.（b）利用一维亚波长光栅的TE偏振光衍射效率大于TM偏振光的特点，通过优化光栅参数提高偏振比，提出了光栅矢量相互垂直的点阵分布式偏振复用光学触控技术。将相互方向相互垂直的光栅放置于同一个衬底面之上，降低了器件厚度和成本，申报国际和国内专利各一项。.（c）采用激光干涉光刻和纳米压印，完成了大面积透明光栅制备和电路封装，通过对光栅周期的精确调控实现了可见外挂式和红外内置式的光学触控功能演示。在32寸显示器上实现了亚毫秒响应时间和100微米触控精度的接近商业化功能演示。.（d）在柔性衬底上实现了基于光栅耦合的全屏指纹识别，申请国际和国内专利各一项。