键盘光导装置.pdf

一种用于照亮手持装置内键盘按键的光导装置。所述光导装置包括膜和光学耦合到所述膜的发光二极管。所述膜提供光的基本全内反射。与所述按键相对的所述膜的表面包括多个离散区域，所述区域中的每一个具有一个或多个微结构化特征，使得所述区域中的每一个通过反射和重新导向光使射入所述膜的光超出全内反射的临界角，由此从所述膜提取大部分入射到所述区域上的光。所述区域中的每一个内的所述微结构化特征被调整，使得这些所述区域从所述光源获得基本均匀的光提取。所述光导装置可使用仅一个发光二极管作为光源，来提供足够的按键照明。

1.  一种光导装置，包括：
膜，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其中所述第一和第二表面提供光的基本全内反射；
光源，光学耦合到所述膜；
多个离散的区域，位于所述第一表面上，其中所述区域中的每一个具有一个或多个微结构化特征，使得所述区域中的每一个从所述膜提取入射到所述区域上的相当一部分光，并且其中所述区域中的每一个内的所述微结构化特征被调整，使得所述区域从所述光源获得基本均匀的光提取。

2.  根据权利要求1所述的光导装置，还包括反射器，所述反射器连接到所述膜的具有所述第二表面的一侧。

3.  根据权利要求1所述的光导装置，其中所述光源在所述膜的斜截角处光学耦合。

4.  根据权利要求1所述的光导装置，其中所述区域被布置用于提取光以照亮键盘的按键。

5.  根据权利要求1所述的光导装置，其中所述区域中的每一个内的每个所述微结构化特征包括微结构化的弧。

6.  根据权利要求1所述的光导装置，其中所述区域中的每一个内的所述微结构化特征包括不连续的微结构化特征。

7.  根据权利要求1所述的光导装置，其中所述光源包括仅一个发光二极管。

8.  根据权利要求1所述的光导装置，其中多个所述微结构化特征中提取的光的强度在特定强度值的的10％的范围内。

9.  一种用于制备光导装置的方法，包括：
提供膜，所述膜具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其中所述第一和第二表面提供光的基本全内反射；
将光源光学耦合到所述膜；以及
在所述第一表面上形成多个离散的区域，其中所述区域中的每一个具有一个或多个微结构化特征，使得所述区域中的每一个从所述膜提取入射到所述区域上的相当一部分光，并且其中所述区域中的每一个内的所述微结构化特征被调整，使得所述区域从所述光源获得基本均匀的光提取。

10.  根据权利要求9所述的方法，还包括将反射器连接到所述膜的具有所述第二表面的一侧。

11.  根据权利要求9所述的方法，其中所述耦合步骤包括将所述光源在所述膜的斜截角处光学耦合的步骤。

12.  根据权利要求9所述的方法，其中所述形成步骤包括布置所述区域以提取光，用于照亮键盘的按键。

13.  根据权利要求9所述的方法，其中所述形成步骤包括在所述膜的所述区域中的每一个内形成微结构化的弧。

14.  根据权利要求9所述的方法，其中所述形成步骤包括在所述膜的所述区域中的每一个内形成不连续的微结构化特征。

15.  根据权利要求9所述的方法，其中所述耦合步骤包括使用仅一个发光二极管作为所述光源。

16.  根据权利要求9所述的方法，其中所述形成步骤包括布置所述区域中的每一个内的所述微结构化特征中的每一个的间距，以使得多个所述微结构化特征中提取的光的强度在特定强度值的的10％的范围内。

17.  一种用于手持装置的键盘单元，包括：
键盘，具有多个按键；
反射器，具有第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面；
接触板，位于所述反射器的第二侧面，并且所述接触板具有多个触点，所述多个触点响应按键触发而提供电信号；和
光导装置，位于所述键盘和所述反射器的第一侧面之间，所述光导装置包括：
膜，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其中所述第二表面对入射到所述第二表面的相当一部分光进行反射；
光源，光学耦合到所述膜；以及
多个离散的区域，位于所述第一表面上，其中所述区域中的每一个具有一个或多个微结构化特征，使得所述区域中的每一个从所述膜提取入射到所述区域上的相当一部分光，并且其中所述区域中的每一个内的所述微结构化特征被调整，使得所述区域从所述光源获得基本均匀的光提取。

18.  根据权利要求17所述的键盘单元，其中所述光源在所述膜的斜截角处光学耦合。

19.  根据权利要求17所述的键盘单元，其中所述区域中的每一个内的所述微结构化特征中的每一个包括微结构化的弧。

20.  根据权利要求17所述的键盘单元，其中所述区域全部处于以所述光源为中心的60°圆锥内。

21.  根据权利要求17所述的键盘单元，其中所述多个微结构化特征中提取的光的强度在特定强度值的的10％的范围内。

22.  根据权利要求17所述的键盘单元，其中所述光源包括仅一个发光二极管。

键盘光导装置
技术领域
本发明涉及用于照亮手持装置的按键的光导装置，并且在某些实施例中仅使用一个发光二极管或其他光源来照亮。
背景技术
手持装置包括按键或按钮，用于使用者将命令或信息输入到装置里。例如，手机或移动电话包括键盘中的按键，用于使用者输入电话号码。这些装置使用多个发光二极管(LED)在足够的强度下照亮按键，从而使用者可以在黑暗或光线暗淡的环境下看见按键。手持装置的一种趋势是它们被制备得更小(或更薄)并且更轻，这些特征也为消费者所期望的。因此，期望减少手持装置所用的LED的数量，从而减小手持装置的键盘的尺寸，并且降低成本。
发明内容
一种符合本发明的光导装置，其包括光学耦合到膜的光源，膜具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，第一表面和第二表面共同提供光的基本全内反射。第一表面包括多个离散的区域，并且每个区域具有一个或多个微结构化特征，使得每个区域从膜提取入射到区域上的相当一部分光，并且每个区域中的微结构化特征被调整，使得这些区域从光源获得基本均匀的光提取。
一种制备符合本发明的光导装置的方法，其包括以下步骤：提供一种膜，其具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，第一表面和第二表面共同提供光的基本全内反射；将光源光学耦合到膜；以及在第一表面上形成多个离散的区域。每个区域具有一个或多个微结构化特征，使得每个区域从膜提取入射到区域上的相当一部分光，并且每个区域中的微结构化特征被调整，使得这些区域从光源获得基本均匀的光提取。
一种用于符合本发明的手持装置的键盘单元，其包括：具有多个按键的键盘；反射器，其具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面；接触板，安装在反射器的第二侧面上，具有多个触点，所述多个触点响应按键触发而提供电信号；以及光导装置，安装在键盘和反射器第一侧面之间。该光导装置包括光学耦合到膜的光源，膜具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，第一表面和第二表面共同提供光的基本全内反射。光导装置的第一表面包括多个离散的区域，并且每个区域具有一个或多个微结构化特征，使得每个区域从膜提取入射到区域上的相当一部分光，并且每个区域中的微结构化特征被调整，使得每个区域从光源获得基本均匀的光提取。
附图说明
附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，并且它们结合具体实施方式阐明本发明的优点和原理。在附图中，
图1是表示带有发光键盘的手持装置的示意图；
图2是示出发光键盘单元的构造的分解示意图；
图3是示出从微结构化的膜提取光以照亮按键的侧视图；
图4是示出在其具体离散区域内具有微结构化特征以照亮键盘按键的膜的俯视图；
图5是膜的具体区域内、具有特定间距的微结构化特征的俯视图；以及
图6是示出使用单个光源照亮键盘的所有按键的俯视图，其中按键位于相对于光源的特定角分布的范围内。
具体实施方式
本发明的实施例包括用于照亮手持装置(例如移动电话)的键盘的光导装置。在某些实施例中，单个LED或其他光源将光投射到光导装置中，该光导装置使用按键下方的微结构化特征来提取光。该微结构化特征主要通过全内反射(TIR)来提取光。第一次与微结构化特征接触时未被提取的光，会通过微结构化特征和可选的反射器再循环，然后在与微结构化特征后续的接触时被提取。微结构化特征可以是(例如)一段圆弧或螺旋形弧，其中LED发出的光优选地在所有弧的中心或沿弧的其他位置被提取，或者微结构化特征可以是排列成(例如)矩形或六边形图案、或其他规则或不规则图案的小透镜。在光导装置的每个提取区域内，微结构化特征可以是连续的，例如弧或棱镜，也可以是不连续的，例如规则或不规则图案的小透镜、或其他微结构化特征。一种制备不连续的微结构化特征的系统和方法，在提交于2005年12月27日、名称为“Cutting Tool Using Interrupted Cut Fast ToolServo”(使用快速中断切削伺服工具的刀具)的美国专利申请No.11/318707中有所描述，该专利申请以引用的方式全部并入本文。
每个区域内的微结构化特征之间的间距可进行优化，以提供足够的并且基本均匀的光来照亮按键。作为另外一种选择或除此之外，微结构的高度也可以进行优化。如果使用例如小透镜的离散的微结构，则各个小透镜之间的间距也可以进行优化。某些实施例中仅使用一个LED便可照亮键盘上的所有按键，与需要多个LED光源的键盘相比，降低了键盘的成本，减小了尺寸。在其他实施例中，光导装置使用多个光源。
图1是表示带有键盘12的手持装置10的示意图，并且示出键盘上的按键11的示例性布局。键盘可包括任何数量和任意布局的按键。使用者通过例如按下按键来触发按键，以便将信息或命令输入手持装置10。例如，如果手持装置10为移动电话，那么键盘通常包括十二个按键，每个按键代表0-9的每个数字以及符号“*”和“#”。手持装置10可包括带有键盘的任何类型的手持装置。键盘通常包括照亮每个按键的方式，使得使用者在黑暗或光线暗淡的环境中可以看见并且识别按键。
图2是示出发光键盘单元的构造的分解示意图，对应手持装置10的键盘12。在该示例性实施例中，键盘单元包括以下元件：包含多个按键21的键盘外壳14；具有多个用于提取光的微结构化特征17的光导膜16；光学耦合到膜16的光源26；可选的反射器18；以及具有多个触点24的接触板20。每个按键21通过每个区域17内的微结构化特征照亮，并且触发其中一个触点24。例如，按键19a通过区域19b内的微结构化特征传导光源26发出的光来照亮，并且当按键19a被压下时，它便触发触点19c，从而可以将信息或具体命令输入手持装置10。按键21、微结构化特征17以及触点24在图2中显示为4×3的圆圈矩阵，仅作为示例性目的。键盘可以具有任意构造和任何数量的按键、微结构化特征和触点，并且它们可以具有多种其他形状，例如矩形、三角形、椭圆形、多边形或其他形状。
键盘外壳14通常由可容纳每个按键21的塑性材料构成，这些按键也通常由塑性材料构成。作为另外一种选择，可使用其他材料制成外壳14和按键21。键盘外壳14容许每个按键21移动，以使得它们可以在被压下时触发触点24。
膜16可以由(例如)聚合物微结构化膜构成，该膜被构造为用于TIR以及用于在微结构化特征上提取光。微结构化特征可包括提供光提取作用的任何类型的微米尺寸特征，例如小透镜、棱镜或其他几何形状构造。微米尺寸的特征通常具有(尽管并非必须)至少一个小于一毫米的维度(高度、宽度或长度)。微结构化特征17可以通过多种技术在膜16内制成。通常，首先加工金属工具，在该工具内制造负微结构。例如，可使用电火花线加工、金刚石车削加工、飞切、铣削、磨削、雕刻或蚀刻对工具进行加工。然后，将粘性材料施用到工具，固化粘性材料或使其固化，再从工具上移除该材料而制成膜。由此，工具内的负特征(例如凹陷)产生膜内的正特征(例如凸起)。在这种情况下，微结构化特征为膜内的凹陷，并且膜可经过直接加工以产生凹陷状(优选地为弧形)的微结构化特征。作为另外一种选择，可使用第二次生成的模具制备膜，其方法包括：加工第一工具以形成凹陷，使用第一工具制备具有凸起的第二工具，然后通过第二工具制备膜，以在膜内形成凹陷的微结构化特征。
制备膜16的材料的实例包括具有以下参数的光学膜：厚度t＝0.250毫米(mm)-0.600mm；折射率n＝1.4-1.6；功率吸收系数□α<0.01/厘米(cm)。也可使用具有不同参数的膜。这类光学膜的一个例子是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，但任何能够产生TIR的光学膜都可使用。当使用LED作为光源时，膜16的厚度可取决于与其耦合的LED的尺寸。否则，当使用LED作为光源时，如果LED的尺寸不限制膜厚度，只能通过LED发出的光的波长和膜的折射率来限制光导装置的厚度。
反射器18(如果使用)可由能提供基本反射入射光的任何材料构成。例如，其可由抛光的金属材料构成。用于制作反射器18的材料的例子包括：可得自3M公司的增强型镜面反射片(ESR)膜，该膜的反射比R>0.95，厚度t＝0.100mm-0.200mm。
光源26光学耦合到膜16以将光透射到膜16内。例如，光源26可使用光学粘合剂固定到膜16的斜截角、或其他边缘、或靠近边缘的位置。光源26还电连接到电源，例如手持装置10的电池，以为其提供电力。用于实现光源16的光源的例子包括LED、边发射型LED、有机LED(OLED)、或其他点光源。光源26可以采用折射率匹配的材料耦合到膜16上，并且光源可以具有微结构化表面以更好地耦合。另外，还可以在光源26和膜16之间形成气隙。作为角隅位置的替代形式，光源可以位于其他位置，包括按键的中心线位置。另外，可以使用多个光源，每个光源沿光导装置的边缘位于任何位置，该位置由(例如)用户限定或按键的布局决定。例如，如果单个光源不能为具体的键盘提供最佳的或所需的设计，则可将另外的光源引入设计，直到实现所需程度的亮度和均匀度。
接触板20通常由可容纳每个触点24的塑性材料构成，作为选择，其可由其他类型的材料构成。经由按键21施加到触点24上的物理压力提供与压下的按键相对应的电信号。与按键相对应的电信号由手持装置10内的其他元件接收并处理。
键盘外壳14、膜16、可选的反射器18和接触板20可通过多种方式连接在一起以形成键盘12。例如，在手持装置10的外壳内，这些元件可以边缘处夹在一起，或者使用物理压力固定在一起。这些元件也可以使用粘合片或粘合带层合到一起。
图3是示出在示例性实施例中照亮键盘12的膜16中具有微结构化特征30的区域、反射器18和光源26的侧视图。图4是示出膜16和光源26的俯视图，膜上的区域17中的每一个具有微结构化特征。如图3和图4所示，要照亮的区域为按键下方的圆圈，以便能在黑暗或光线暗淡的环境下看清按键。不需要照亮光导装置(膜16)的整个平面。需要在按键21的位置提取光，其中每个微结构化特征17提取适当部分的光，从而使光可以传播到所有按键，并且为按键提供基本均匀的光或特定照明范围内的光。每个区域内微结构化特征之间的间距可以进行调整，以提供微结构化特征17之间基本均匀的光提取，由此为按键21提供基本均匀的照明或特定范围的照明。除此之外或作为调整间距的另一种选择，微结构化特征的尺寸和形状也可以进行调整，以优化或控制任何按键位置的光提取。
在图3所示的示例性构造中，每个微结构化特征(例如特征30)被切削为与膜16成45°角(32)。光源26发出的光线33射入微结构化特征32上并且被向上反射从而照亮按键28。由于反射的方向，光线33以大约90°角(34)射入膜16的顶部表面，超出TIR的临界角，因此光逸出膜而不是在膜内反射。在微结构化特征32对光进行反射时，少量的光会从膜的底部漏出，此时反射器18便会将漏出的光反射回膜16内。在一个示例性实施例中，为了匹配光源26，膜16的厚度t＝0.250mm-0.600mm。另外在一个示例性实施例中，弧(微结构化特征30)的深度23为0.007mm，宽度25为0.014mm，并且被切削成45°角32。微结构化特征也可以具有其他深度和角度，以使得该特征反射和改变光的方向超出TIR临界角，从而使光可以穿过膜，照亮按键。
图3旨在仅作为位于按键下方以照亮按键的微结构化特征构造的一个示例。其他示例性实施例可包括不是弧或除此之外的不同的微结构化特征，微结构化特征的不同构造、不同维度(高度、长度和宽度)、以及不同材料或厚度。
图5是膜16的具体区域40中微结构化特征的俯视图，该膜用于照亮该示例性实施例中键盘的按键。区域40对应区域17的其中一个，并且弧41对应微结构化特征30。间距42是指每个区域内微结构化特征41之间的间隔。在一个示例性实施例中，间距随着区域与光源之间的距离增加而减小，但在其他实施例中间距可按其他方式布置。另外，在某些示例性实施例中，弧被切削成面向光源，以使得光以近似直角射入其表面，从而加强向上反射以照亮按键。作为另外一种选择，微结构化特征不需要为弧，在膜内可形成其他多种形状或构造。例如，微结构化特征可以是圆锥形、棱锥形、小透镜或可优化尺寸和布局以便在按键下方使用一个或多个光源提取光的其他形状。微结构化特征的间距可以是常数，或根据按键下方膜内的每个区域而变化，并且弧可以被切削或成形为(例如)螺旋状或同心环、或其他构造，例如根据提取器的对称性而变化间距的网格。此外，微结构化特征的尺寸和形状也可以进行调整以控制光提取。另外，区域40中微结构化特征可以是连续的或不连续的。不连续的微结构化特征可以包括(例如)一个或多个弧41，具有沿其边缘的一个或多个平坦部分。
图6是一个俯视图，示出在按键位于相对于光源的特定角分布56内时，使用单个光源54照亮键盘52的所有按键50。具体地讲，建模显示了当要照亮的所有按键位于60°或更小的圆锥内(角分布56)，只需要一个光源。
多种技术可用于得到适当的微结构化特征间距，以便获得所需的光提取。例如，可使用光学建模或试验证据获取所需的膜参数，以实现所需的光提取。对于光学建模，可使用光迹追踪软件例如ASAP程序(可得自美国亚利桑那州图森市布里奥特研究公司(Breault Research，Tucson，Arizona，U.S.A.))和iSIGHT优化软件程序(可得自美国北卡罗莱纳州凯里市英吉尼奥斯软件公司(Engineous Software，Cary，NorthCarolina，U.S.A.))，以获取每个区域内微结构化特征的所需间距，以实现所需的亮度。膜可通过这些技术进行设计，以在微结构化特征之中提供基本均匀的光提取。作为另外一种选择，膜可使用这些技术进行设计，以使得微结构化特征之中提取的光的强度在特定强度值的10％的范围内、或在其他范围内。根据所需的光提取、键盘上按键的布局、以及一个或多个光源的位置，可生成每个区域的间距值。间距值可用于加工对应照亮每个按键的区域内的微结构化特征。
虽然已结合示例性实施例描述了本发明，但应当理解的是，对本领域的技术人员来说，本发明的多种修改形式都是显而易见的，本专利申请旨在包括任何修改或变化。例如，用于膜的不同类型的材料以及微结构化特征的维度可在不脱离本发明范围的情况下使用。本发明应当仅受限于权利要求书及其等于物。