Design of Internal Coupling Structure for Touch Panel Devices Using Optical Coupling of a Pen-Shaped Light Source with Optical Waveguides

In this paper, an optical touch panel device is newly proposed, with operating principle based on the optical coupling between a pointing pen having a built-in light source and perpendicularly crossed optical waveguide arrays. In order to enable an external light to couple into a waveguide core, the auxiliary pyramidal structures are introduced into all intersecting points located periodically along optical waveguides. The shape is optimized for minimizing the unwanted propagation loss due to the same structure by a ray tracing method. For the optical waveguide with the size of $50{\times}50{\mu}m^2$, the bottom width, height, and slope angle of the optimized pyramidal structure are $50{\mu}m$, $22.5{\mu}m$, and $42^{\circ}$, respectively. The optical coupling efficiency of about 97.8% and the average propagation loss of 0.3 dB/mm were achieved for the optimized touch panel. Finally, it is found from the tolerance analysis that tilting of the pen up to ${\pm}12^{\circ}$ can be allowed.

광원을 내장한 펜의 출력광과 광 도파로의 광 결합을 이용하는 터치 패널 장치의 내부 광 결합 구조 설계

본 연구에서는 광원을 내장하고 있는 포인팅 펜(pointing pen)의 출력광과 광 도파로 배열 사이의 광 결합을 이용하여 펜의 접촉여부와 접촉 위치를 검출하는 광학식 터치 패널 장치를 제안한다. 펜의 출력광과 광 도파로 배열 간의 광 결합을 최대화하고, 동시에 특정 광 도파로로 결합된 광속이 적은 손실로 전파할 수 있도록 하기 위해 광 도파로의 교차점 마다 부가적인 피라미드 구조를 삽입하였다. 광 도파로 단면의 크기가 $50{\times}50{\mu}m^2$인 경우 광선 추적법을 통해 결정된 피라미드의 최적 구조는 밑변의 폭, 높이, 경사각이 각각 $50{\mu}m$, $22.5{\mu}m$, $42^{\circ}$이었다. 이때 광 결합 효율은 97.8%이었으며, 전파손실은 평균적으로 0.3 dB/mm이었다. 그리고 펜의 기울어짐에 대한 허용 각도는 ${\pm}12^{\circ}$임을 확인하였다.