專利名稱：筆形光鼠標(biāo)的多透鏡光路光學(xué)成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種筆形光鼠標(biāo)裝置用的光學(xué)成像裝置以及與之相關(guān)的定位差異的處理與校準(zhǔn)方法。具體涉及這樣一種筆形光鼠標(biāo)裝置用的光學(xué)成像裝置以及定位差異的處理與校準(zhǔn)方法，其中，工作面反射的光線經(jīng)多個透鏡光路在圖像傳感器的光感應(yīng)面上形成影像，通過檢測圖像的移動可以判斷筆形鼠標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的光鼠標(biāo)中由于使用時景深穩(wěn)定，大多采用較小景深的光學(xué)成像裝置。在2001年5月15日發(fā)布的名稱為“CMOS數(shù)字光學(xué)導(dǎo)引芯片”的美國專利第6233368B1號中專門公開了這種光鼠標(biāo)的原理。在該專利中，利用光鼠標(biāo)內(nèi)容納的發(fā)光器照亮直接布置在光鼠標(biāo)下方的工作面，裝在里面的成像系統(tǒng)使工作面的任意圖形或特征在CMOS傳感器的光感應(yīng)面上成像。由于該鼠標(biāo)在工作時與工作面直接接觸，工作面與成像裝置的距離固定，使用傳統(tǒng)的光學(xué)成像透鏡即可保持清晰的成像。
由于鼠標(biāo)形狀與普通書寫工具形狀不同，其要整個鼠標(biāo)握在手里進(jìn)行操作，所以很難實(shí)現(xiàn)書寫及繪圖操作。已經(jīng)開發(fā)了這樣一種筆形鼠標(biāo)裝置，當(dāng)其執(zhí)行精密繪圖操作或書寫時，它能實(shí)現(xiàn)精確的光標(biāo)控制和簡單的書寫。于2000年11月21日發(fā)布的美國專利第6151015號(此后稱“015專利”)名稱為“類似筆的計算機(jī)指示裝置”中公開了這樣一種筆形鼠標(biāo)的例子。正如圖1中所示，指示裝置包括圓柱體102、發(fā)光光源104、透鏡110、光學(xué)移動傳感器108、開關(guān)106、通信鏈路116和118、按鈕112和114。發(fā)光光源104發(fā)出光，透鏡110使工作面反射的光線在光學(xué)移動傳感器108上成像。于是，當(dāng)光學(xué)移動傳感器108捕捉到通過透鏡110成像的工作面的圖像時，可從圖像的變化獲得指示裝置的運(yùn)動方向和運(yùn)動量。
然而，“015專利”的光學(xué)成像裝置在進(jìn)行繪圖或書寫時存在較大的缺點(diǎn)，當(dāng)指示裝置與工作面的距離變動較大時，由于傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的景深限制，使其工作面在圖像傳感器上的成像模糊不良，從而影響傳感器對圖像的捕捉。參照圖4對文字“X”的輸入，筆的操作通常由下筆動作和提筆動作組合而成。圖4中，當(dāng)寫下字母“X”時，書寫動作由以下步驟組成一、步驟M1在特定點(diǎn)下筆，然后寫下“/”；二、步驟M2提筆，然后在空中劃一順時針的圓??；三、步驟M3在特定的點(diǎn)下筆，寫下“\”，然后提筆。在整個書寫過程中，無論下筆和提筆都要求筆形鼠標(biāo)保持精確的定位。通常在提筆動作中與工作面分開的距離視不同的人的使用習(xí)慣而有所不同，一般小于12mm。
為了使筆形光鼠標(biāo)裝置在與工作面接觸或離開一定距離時能順利對焦，使之能正確判定鼠標(biāo)的移動方向和距離，從而能實(shí)現(xiàn)流暢的文字書寫或作圖，已經(jīng)開發(fā)出了這樣一種筆形鼠標(biāo)設(shè)備，其采用遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)或可變焦透鏡組來增加光學(xué)成像透鏡系統(tǒng)的景深。于2003年1月1日中國專利申請?zhí)?1802379.7中專門公開了名稱為“筆形光鼠標(biāo)裝置及其控制方法”(以下簡稱“79.7專利”)的這種鼠標(biāo)的原理。它的原理圖如圖2所示。它進(jìn)行了一些有益的改進(jìn)，其中采用的遠(yuǎn)心光學(xué)成像系統(tǒng)如圖3所示。圖中，10、主體，11、發(fā)光單元，12、光導(dǎo)，13、成像系統(tǒng)，13a、凸透鏡，13b、反射鏡，14、圖像傳感器，15、控制設(shè)備，16、傳送設(shè)備，17、設(shè)定按鈕，18、移動輪開關(guān)，19、接觸傳感設(shè)備，20、工作面。由于使用了遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，使透鏡系統(tǒng)的景深有所加大，筆形鼠標(biāo)在與工作面接觸或在一定的距離范圍內(nèi)移動時仍能形成較清晰的影像。然而，由于每個人的書寫習(xí)慣或應(yīng)用范圍不同，在空中移動時筆形鼠標(biāo)離工作面的距離也不同，這需要較大的景深(約6至12mm)以滿足實(shí)際的應(yīng)用。由于單透鏡光路單一焦距光學(xué)系統(tǒng)的限制，其景深越長，其透鏡光路的物距與透鏡的直徑比也要求越大，其成像的光效率越低，這就使“79.7專利”中的成像透鏡難以在筆形鼠標(biāo)的狹小的空間中取得足夠的景深和有效的光效率。而如果采用可變焦的光學(xué)成像系統(tǒng)，則需要動態(tài)調(diào)節(jié)透鏡組的焦距或動態(tài)調(diào)節(jié)透鏡與圖像傳感器之間的距離，這需要增加測距設(shè)備和驅(qū)動器件，大大提高了設(shè)計難度和制造成本。
單透鏡光路單焦距凸透鏡的成像系統(tǒng)如圖5所示，圖中，1、圖像傳感器，2、處理控制單元，3、成像透鏡，4、工作面。它的成像情況原理圖如圖11所示，工作面在其景深范圍h內(nèi)可清晰成像。圖中，當(dāng)工作面在a0處時，則其工作面上的點(diǎn)(該點(diǎn)為工作面上白色背景上的一個黑點(diǎn)，見圖15)在圖像傳感器S上的形成的清晰的影像如圖16所示，其多個相鄰的點(diǎn)在圖像傳感器的光感應(yīng)面S上形成清晰的影像如圖21所示。當(dāng)工作面由a0處沿透鏡光軸X方向移動到a1處時，工作面上的點(diǎn)在圖像傳感器的光感應(yīng)面S上形成模糊的影像，如圖17所示，其多個相鄰的點(diǎn)在圖像傳感器的光感應(yīng)面S上形成的呈片狀模糊的影像如圖19所示，圖像傳感器難以捕捉影像的運(yùn)動狀態(tài)。
需要這樣一種光學(xué)透鏡成像裝置，其能在筆形鼠標(biāo)較小的體積內(nèi)安裝，并能提供較大的景深，使筆形鼠標(biāo)在流暢書寫或繪圖時，圖像傳感器能正確捕捉影像的移動方向和距離。

發(fā)明內(nèi)容
構(gòu)思本發(fā)明就是為了解決上述問題。本發(fā)明的主要目的是提供一種能安裝在筆形鼠標(biāo)內(nèi)的光學(xué)成像裝置，它要能提供較大的景深，并能使圖像傳感器能正確捕捉其形成的影像的移動距離和方向。它根據(jù)光鼠標(biāo)的圖像傳感器只需提取影像的移動方向和距離，而不需要得到其它更為詳細(xì)的、清晰的圖像信息的這一特點(diǎn)，采用多透鏡光路的光學(xué)成像裝置以及為適應(yīng)該透鏡成像裝置形成的影像的特點(diǎn)而采用的定位差異的處理和校準(zhǔn)的方法。本發(fā)明的透鏡成像裝置同樣適用于需要增大景深的其它光學(xué)移動定位設(shè)備。
為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，根據(jù)本發(fā)明，在筆形光鼠標(biāo)的光學(xué)成像裝置中使用2條或2條以上的透鏡光路并列，每條透鏡光路對應(yīng)各自不同的獨(dú)有的景深段，使不同透鏡光路的獨(dú)有的景深段在光軸方向上互相延續(xù)組成總體的景深，從而使其總體的景深比單一透鏡光路的景深明顯延長。景深是指在光學(xué)透鏡成像裝置中在光軸方向上，使位于其上的物體或圖形反射的光線經(jīng)過透鏡光路在光軸上設(shè)定的位置上能形成所需的較清晰的影像的在光軸方向上的一段連續(xù)的位置段。在這里，各透鏡光路的獨(dú)有的景深段是指在其透鏡光路的光軸方向上，能使位于這些位置上的工作面反射的光線經(jīng)過這一透鏡光路能在圖像傳感器的光感應(yīng)面上形成所需的較清晰的影像的在光軸方向上的一段連續(xù)的位置段。在這里，透鏡光路是指光線經(jīng)過一個或一組相同的透鏡的路線的總稱。當(dāng)工作面在其總體的景深范圍內(nèi)相對光軸方向作橫向移動時，工作面反射的光線經(jīng)過2條或2條以上透鏡光路形成的影像在圖像傳感器的光感應(yīng)面上重疊，形成最少有一個清晰的影像和其它或清晰或模糊的影像重疊而成的一個特殊的重疊影像。
筆形鼠標(biāo)與工作面接觸時，即工作面位于總體的景深中最近透鏡組的一段獨(dú)有的景深段，此時，工作面反射的光線經(jīng)過和這一獨(dú)有的景深段相對應(yīng)的透鏡光路可在圖像傳感器的光感應(yīng)面上形成的較清晰的影像，而工作面反射的光線通過其它透鏡光路在光感應(yīng)面上形成的影像或清晰或模糊。清晰和模糊的影像在光感應(yīng)面上重疊，形成一個特殊的重疊影像。由圖像傳感器及其處理控制單元不斷捕捉和比較較短時間段內(nèi)影像的位移情況，則可得到影像的移動狀態(tài)。相同原理，當(dāng)筆形鼠標(biāo)與工作面相距一定的距離時，即提筆動作，工作面位于設(shè)定的總體的景深范圍內(nèi)對應(yīng)的一段獨(dú)有的景深段內(nèi)，此時，工作面反射的光線經(jīng)過和這一獨(dú)有的景深段相對應(yīng)的透鏡光路在光感應(yīng)面上形成較清晰的影像，而工作面反射的光線經(jīng)過其它透鏡光路在光感應(yīng)面上形成的影像或清晰或模糊。清晰和模糊的影像在光感應(yīng)面上重疊，形成特殊的重疊影像。通過對重疊影像的對比處理也可得到鼠標(biāo)的移動狀態(tài)。這樣，只要工作面在光軸方向上位于總體的景深范圍內(nèi)，總體的景深范圍內(nèi)總會有與工作面所在位置相對應(yīng)的獨(dú)有的景深段，工作面反射的光線經(jīng)過和這一景深段相對應(yīng)的透鏡光路在光感應(yīng)面上總能形成較清晰的影像，而工作面反射的光線經(jīng)過其它透鏡光路在光感應(yīng)面上形成的影像或清晰或模糊。清晰和模糊的影像在光感應(yīng)面上重疊，形成一個特殊的重疊影像。由圖像傳感器及其處理控制單元不斷捕捉和比較較短時間段內(nèi)影像的位移情況，則可得到影像的移動狀態(tài)，從而得到鼠標(biāo)的移動狀態(tài)。


通過結(jié)合附圖對給出的優(yōu)選實(shí)施方式的以下描述，可使本發(fā)明的上述目的和特征變得清楚，由于球面凸透鏡的成像特性，為方便說明和作圖，以下實(shí)施例主要采用球面凸透鏡作說明。其中圖1是“015專利”名稱為“類似筆的計算機(jī)指示裝置”的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是“79.7專利”名稱為“筆形光鼠標(biāo)裝置及其控制方法”的筆形鼠標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是“79.7專利”的名稱為“筆形光鼠標(biāo)裝置及其控制方法”的遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖4是表示書寫字母“X”的步驟圖；圖5是單透鏡光路單焦距成像裝置的成像示意圖；圖6是多透鏡光路光學(xué)成像裝置的一個實(shí)施例的示意圖。它的三個不同焦距的凸透鏡光軸重合，并且三個凸透鏡在同一光學(xué)平面上呈同心圓排列，它的三個不同焦距的透鏡光路的景深在光軸上相互延續(xù)；圖7是多透鏡光路光學(xué)成像裝置的另一個實(shí)施例的示意圖。它的聚焦凸透鏡采用雙鏡片獨(dú)立成像，并通過反射鏡或反射棱鏡使影像在光感應(yīng)面上疊加，其各凸透鏡光軸分離，并且其各成像凸透鏡在各自光軸上的位置已根據(jù)其清晰成像時的物距/像距的比例作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以消除成像的大小差異；圖8是多透鏡光路光學(xué)成像裝置的另一個實(shí)施例的示意圖。它三個不同焦距的凸透鏡光軸相同，從光軸上方向下直視透鏡組則見透鏡以光軸為中心按焦距從長到短自內(nèi)至外呈同心圓排列。而在光軸方向上三個不同焦距的聚焦凸透鏡根據(jù)其清晰成像時的物距/像距的比例作調(diào)整，使其按焦距從長到短使凸透鏡從上至下排列，以減少成像的大小差異；圖9是多透鏡光路光學(xué)成像裝置的另一個實(shí)施例的示意圖。它的三個凸透鏡采用自上至下疊加，并且各凸透鏡的光軸重合，它的三條透鏡光路的景深在光軸上相互延續(xù)；
圖10是多透鏡光路光學(xué)成像裝置的另一個實(shí)施例的示意圖。它采用單面凸透鏡，并且三個不同焦距的凸透鏡光軸相同并自上至下分層并以光軸為中心呈同心圓排列；圖11是單焦距光學(xué)成像裝置工作面分別在不同位置時的成像情況原理圖。它的工作面只能在較小的景深范圍內(nèi)變動時，才能在光感應(yīng)面獲得較清晰的成像；圖12是多透鏡光路光學(xué)成像裝置中不同焦距的三個凸透鏡光軸相同且在相同的光學(xué)平面上，工作面在總體景深范圍內(nèi)，工作面反射的光線經(jīng)不同焦距的透鏡光路在圖像傳感器的光感應(yīng)面上的成像情況的原理圖。圖中工作面反射的光線只有經(jīng)過與之相適應(yīng)的透鏡光路才能在圖像傳感器的光感應(yīng)面上形成清晰的影像，而經(jīng)過其它的透鏡光路形成的影像模糊；圖13是多透鏡光路光學(xué)成像裝置中不同焦距的兩個凸透鏡光軸相同并在相同的光學(xué)平面上。在工作面位于光軸上離透鏡不同距離時，即物距不同時，工作面反射的光線經(jīng)過與之相對應(yīng)的不同焦距的透鏡光路在光感應(yīng)面上清晰成像的情況的原理圖，圖中的影像大小存在明顯的差異；圖14是多透鏡光路光學(xué)成像裝置中兩個不同焦距的成像凸透鏡的位置根據(jù)物距/像距的比值調(diào)整后，在工作面位于光軸上離透鏡不同距離時，工作面反射的光線經(jīng)過與之相對應(yīng)的不同焦距的透鏡光路在光感應(yīng)面上清晰成像的情況的原理圖，經(jīng)調(diào)整后的影像大小無差異；圖15是工作面上的白色背景上的一個黑點(diǎn)；圖16是工作面上的白色背景上的一個黑點(diǎn)經(jīng)過一個透鏡光路在光感應(yīng)面上形成的清晰影像；圖17是工作面上的白色背景上的一個黑點(diǎn)經(jīng)過一個透鏡光路在光感應(yīng)面上形成的模糊影像；圖18是工作面上的白色背景上的一個黑點(diǎn)經(jīng)過多個不同景深的透鏡光路在光感應(yīng)面上形成的影像，圖中為一個清晰影像和一些模糊影像的重疊后形成的一個影像；圖19是工作面上的白色背景上的四個相鄰的黑點(diǎn)經(jīng)過一個透鏡光路在光感應(yīng)面上形成的模糊的影像；圖20是工作面上的白色背景上的四個相鄰的黑點(diǎn)經(jīng)過多個不同景深的透鏡光路在光感應(yīng)面上形成影像，圖中為四個點(diǎn)的清晰影像和模糊影像重疊而成的影像；圖21是工作面上的白色背景上的四個相鄰的黑點(diǎn)經(jīng)過一個透鏡在光感應(yīng)面上形成的清晰的影像；圖22是多透鏡光路光學(xué)成像裝置的各透鏡光軸相同情況的部份實(shí)例的透鏡組的上視圖；圖23是一改良后的透鏡光路的設(shè)置方式，它五個透鏡光路中的凸透鏡其中一個為圓形位于中間，另外四個位于其四周，圍成一圓環(huán)狀；圖24是一改良后的透鏡光路的設(shè)置方式，它四個透鏡光路中的凸透鏡把一圓形等分為四份，各占四份之一圓。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式來表達(dá)本發(fā)明的內(nèi)容。
上述附圖中，1、圖像傳感器；2、處理控制單元；3、凸透鏡；4、工作面；5、反射鏡。
圖6是多透鏡光路光學(xué)成像裝置的一個實(shí)施例的示意圖。它采用三個透鏡光路，各個透鏡光路的凸透鏡(3)具有不同的焦距且光軸重合，并且三個凸透鏡(3)在同一光學(xué)平面上依焦距從短到長從內(nèi)向外呈同心圓排列，如圖23所示。不同焦距的透鏡光路對應(yīng)的景深段在光軸上相互延續(xù)從上到下排列組成較長的總體的景深。圖6中H1、H2、H3分別為透鏡組中從內(nèi)向外三個不同焦距的透鏡光路對應(yīng)的景深段，H1、H2、H3三個景深段相互延續(xù)而使總體的景深比單個景深段明顯延長。為保證工作面在景深范圍內(nèi)移動勻有清晰的成像，H1、H2、H3三個景深段前后相互有少部份重疊。在所述的實(shí)施例中，透鏡光路是指光線經(jīng)過一個或一組相同的透鏡的路線的總稱，每一透鏡光路具有不同的焦點(diǎn)和景深段。
圖6中，當(dāng)工作面(4)位于總體的景深范圍內(nèi)的景深段h1內(nèi)，即工作面(4)位于a0處時，工作面(4)反射的光線經(jīng)過與景深段h1對應(yīng)的透鏡光路在圖像傳感器(1)的光感應(yīng)面上形成清晰的影像，而經(jīng)過與景深段h2、h3對應(yīng)的透鏡光路形成的影像模糊。當(dāng)工作面(4)位于總體的景深范圍內(nèi)的景深段h3內(nèi)，即工作面(4)位于a1處時，工作面反射的光線經(jīng)過與景深段h3對應(yīng)的透鏡光路在圖像傳感器(1)的光感應(yīng)面上形成清晰的影像，而經(jīng)過與景深段h1、h2對應(yīng)的透鏡光路形成的影像模糊。上述的不同透鏡光路形成的影像在圖像傳感器(1)的光感應(yīng)面上重疊形成特殊的重疊影像。
圖12是多透鏡光路光學(xué)成像裝置中不同焦距的三個凸透鏡光軸相同且在相同的光學(xué)平面上，工作面在總體景深范圍內(nèi)，工作面反射的光線經(jīng)不同焦距的透鏡光路在圖像傳感器的光感應(yīng)面上的成像情況的原理圖。圖中工作面反射的光線只有經(jīng)過與之相適應(yīng)的透鏡光路才能在圖像傳感器的光感應(yīng)面上形成清晰的影像，而經(jīng)過其它的透鏡光路形成的影像模糊。圖中，工作面位于總體的景深內(nèi)的景深段h2上，與景深段h2對應(yīng)的透鏡光路的焦點(diǎn)為e2，工作面反射的光線經(jīng)過焦點(diǎn)為e1的透鏡光路在焦點(diǎn)e1與圖像傳感器的光感應(yīng)面之間能形成清晰的影像為b1，而在圖像傳感器上的光感應(yīng)面S上形成模糊的影像。它形成的影像如圖17所示，為工作面上白色背景的一個黑點(diǎn)(如圖15)在光感應(yīng)面S上形成的呈圓斑狀或圓環(huán)狀的影像(具體視經(jīng)過的凸透鏡的形狀不同而不同，為方便作圖及說明，圖中勻以圓斑狀作說明)。而工作面反射的光線經(jīng)過焦點(diǎn)為e2的透鏡光路在光感應(yīng)面上形成清晰的影像為b2。它形成的影像如圖16所示，為工作面上白色背景的一個黑點(diǎn)(如圖15)在光感應(yīng)面S上形成的清晰的影像。工作面反射的光線經(jīng)過焦點(diǎn)為e3的透鏡光路在光感應(yīng)面S的右側(cè)能形成清晰的影像為b3，而在光感應(yīng)面S上形成模糊的影像。它形成的影像如圖17所示，為工作面上白色背景的一個黑點(diǎn)(如圖15)在光感應(yīng)面S上形成的呈圓斑狀或圓環(huán)狀的影像。工作面白色背景上的一個黑點(diǎn)經(jīng)焦點(diǎn)分別為e1、e2、e3的三個不同焦距的透鏡光路在光感應(yīng)面S上形成的影像相互疊加后形成一個特殊的重疊影像如圖18所示。圖20是工作面白色背景上相鄰的四個黑點(diǎn)經(jīng)多焦距多景深透鏡成像裝置在圖像傳感器的光感應(yīng)面S上的形成的特殊的重疊影像，圖中為四個清晰的點(diǎn)的影像與模糊的斑片狀的影像的重疊而成的特殊的重疊影像。當(dāng)工作面在總體景深范圍內(nèi)相對透鏡光軸作橫移動時，通過對重疊影像不斷的對比(現(xiàn)有光學(xué)鼠標(biāo)約為1500幀/秒)，可以檢測工作面的移動方向和距離。
在圖6的實(shí)施例中采用了三個透鏡光路，三個透鏡光路的景深段H1、H2、H3在光軸上相互延續(xù)，當(dāng)工作面在其總體的景深范圍內(nèi)，工作面反射的光線經(jīng)不同焦距的透鏡光路在光感應(yīng)面上形成的影像最少有1個較清晰的影像和其它或模糊或清晰的影像重疊而成。
由上面的描述可知，采用如圖6的多透鏡光路光學(xué)成像裝置比傳統(tǒng)的單透鏡光路光學(xué)裝置(如圖5)在體積相近的情況下可提供大得多的景深。
由于多透鏡光路光學(xué)成像裝置采用2個或2個以上的透鏡光路成像，其成像在圖像傳感器的光感應(yīng)面上重疊，它存在下列的三個相關(guān)的問題1、首先，多透鏡光路光學(xué)成像裝置在圖像傳感器上形成的影像是最少有1個較清晰的影像和其它或模糊或清晰的影像重疊而成的特殊影像，如圖20。而單透鏡光路光學(xué)成像裝置成像清晰時只有一個清晰的影像，如圖21所示。因此，多透鏡光路光學(xué)成像裝置的成像影像相對單透鏡光路成像裝置形成的影像的對比度有所降低，使圖像傳感器對多透鏡光路光學(xué)成像裝置的成像處理更為困難，為了解決這一問題，可以采用以下三種方法加以改善①方法一提高光學(xué)移動傳感器對光線明暗的對比靈敏度以及使用與之相適應(yīng)的圖像處理算法，使其能更好地處理低對比度的圖像。
②方法二改善工作面的圖形特征(如使用專用的鼠標(biāo)墊)和改善工作面的照明，使工作面反射的光線在圖像傳感器的光感應(yīng)面上形成影像更為清晰。
③方法三在筆形鼠標(biāo)上安裝測距裝置(未標(biāo)出)或利用安置于筆尖的開關(guān)或壓力感應(yīng)器，用于動態(tài)檢測工作面與透鏡之間的距離，把不能在光感應(yīng)面上清晰成像的透鏡光路通過光學(xué)開關(guān)(如液晶光學(xué)開關(guān)等)進(jìn)行阻斷，只把能在光感應(yīng)面上清晰成像的透鏡光路打開，從而減少模糊成像的光線對成像的干攏。此方法能明顯提高影像的品質(zhì)，但這會提高設(shè)計的難度和生產(chǎn)成本。
2、第二個存在的問題是，在如圖6所示的實(shí)施例中，不同焦距的凸透鏡在同一光學(xué)平面由內(nèi)向外呈同心圓排列，如圖22所示。圖13中，兩個凸透鏡的光學(xué)平面和光軸相同，工作面位于總體的景深范圍內(nèi)，工作面在光軸方向上的離透鏡不同距離時，工作面反射的光線經(jīng)過與之所在的位置的景深段相對應(yīng)的透鏡光路在圖像傳感器的光感應(yīng)面上清晰成像的情況的原理圖，圖中的成像大小存在明顯的差異。
定義物距f，像距l(xiāng)，工作面圖像的大小a，光感應(yīng)面上的影像大小b；由圖13中可得公式a/b＝f/l；因此可知當(dāng)像距l(xiāng)、工作面圖像的大小a保持不變時，物距f越大，則光感應(yīng)面上的影像大小b越小，則物距越大，成像越小。這就造成使用筆形鼠標(biāo)書寫或繪圖時，筆形鼠標(biāo)在離工作面不同距離移動時，工作面在圖像傳感器光感應(yīng)面上形成的影像大小存在明顯的差異，從而導(dǎo)至筆形鼠標(biāo)在離工作面不同距離沿工作面水平移動相同距離時，筆形鼠標(biāo)檢測到的移動量不同。為減這種差異，通過以下的方法可以得到改善①方法一調(diào)整不同透鏡光路的凸透鏡與圖像傳感器之間的距離。根據(jù)公式a/b＝f/l；要使a/b保持不變，則f/l也保持不變，當(dāng)工作面從a0移至a1處時，此時物距f增大，要使f/l保持不變，則像距l(xiāng)也要增大，如圖14所示，把與之相對應(yīng)的透鏡光路的凸透鏡從I0處調(diào)整至I1處，并使透鏡的焦距與之相適應(yīng)，這樣，a0＝a1，b0＝b1，f0/l0＝f1/l1＝a0/b0＝a1/b1；因此，通過把焦距較長的透鏡沿光軸方向設(shè)置在離圖像傳感器更遠(yuǎn)的適當(dāng)?shù)奈恢?，可以減少工作面離透鏡組不同距離形成的影像大小的差異。此外，經(jīng)過上述的調(diào)整后，工作面離透鏡一定距離相對光軸方向作橫向移動時，工作面反射的光線經(jīng)過不同的透鏡光路在圖像傳感器上形成的影像的移動距離會有所差異，這需要圖像傳感器的處理控制算法作與之相適應(yīng)的優(yōu)化。
圖7是應(yīng)用本方法調(diào)整后的一個實(shí)施例，它的聚焦凸透鏡采用雙鏡片獨(dú)立成像，而不同焦距的凸透鏡光軸分離，并應(yīng)用反射鏡或反射棱鏡使影像在光感應(yīng)面上疊加，通過調(diào)整各透鏡的位置可有效減少各透鏡的成像大小的差異。
圖8是應(yīng)用本方法調(diào)整后的另一個實(shí)施例。它的三個凸透鏡的光軸相同，且透鏡光路獨(dú)立，焦距不同，其不同焦距的凸透鏡按焦距從長到短使其從上至下排列。從光軸上方向下直視透鏡組可見透鏡呈同心圓狀排列，其透鏡的上視圖如圖22。
圖9是應(yīng)用本方法調(diào)整后的另一個實(shí)施例。它的三個凸透鏡的光軸相同，并且按其從小到大自上至下相互疊加。工作面反射的光線部份經(jīng)過最下層的大的凸透鏡的外周部后，從上面兩塊凸透鏡的邊緣外穿過，在光感應(yīng)面上成像，這一透鏡光路的焦距最長。工作面反射的光線另一部份經(jīng)過最下層的大的凸透鏡的中部和外周部之間的區(qū)域會聚后，再經(jīng)過中間的凸透鏡的外周部份會聚后，從上部的小凸透鏡的邊緣外越過，在光感應(yīng)面上成像，這一透鏡光路的焦距稍短。工作面反射的光線另一部份經(jīng)過最下層的大的凸透鏡的中部區(qū)域會聚后，再經(jīng)過中間的凸透鏡的中部區(qū)域會聚后，從上部的小凸透鏡穿過，在光感應(yīng)面上成像，這一透鏡光路的焦距最短。
圖10是應(yīng)用本方法調(diào)整后的另一個實(shí)施例。圖中的實(shí)施例采用單面凸透鏡，并且三個不同焦距的凸透鏡光軸相同并自上至下分層并以光軸為中心呈同心圓排列；②方法二利用在筆形鼠標(biāo)的頭部設(shè)置一壓力感受器或開關(guān)(未標(biāo)出)，用于檢測鼠標(biāo)與工作面的接觸與否，根據(jù)鼠標(biāo)與工作面接觸與分開時工作面在圖像傳感器上的成像大小的差異，并結(jié)合用戶的使用習(xí)慣的資料(含統(tǒng)計學(xué)資料以及用戶的個性化的輸入資料)，通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行調(diào)整，從而減少鼠標(biāo)的定位的差異。此方法也可結(jié)合方法一使用，以減小方法一對透鏡的位置的調(diào)整幅度則可使定位差異控制在許可的范圍。
③方法三通過使用較大物距的透鏡成像裝置，使沿光軸方向縱向移動相同距離時，移動后的物距與原物距的比值變化減少，從而使工作面在光感應(yīng)面上形成的影像大小的變化減小。
④方法四通過在鼠標(biāo)上設(shè)置測距裝置(未標(biāo)出)，用于測量筆形鼠標(biāo)與工作面的距離，根據(jù)物距/像距的比值計算出其成像的大小差異，并通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行調(diào)整。應(yīng)用此方法可準(zhǔn)確校準(zhǔn)其定位的差異，但其設(shè)計難度及生產(chǎn)成本會明顯提高。
3、第三個存在的問題是，在如圖6所示的實(shí)施例中，三個透鏡光路中不同焦距的凸透鏡在同一光學(xué)平面由內(nèi)向外呈同心圓排列，如圖22所示。在圖22中，由于組成不同透鏡光路的凸透鏡由內(nèi)向外呈同心圓排列，內(nèi)層的凸透鏡直徑較小，相對其物距可有較大的景深，但外層的凸透鏡由于直徑較大，相對其物距則景深較小。為使各透鏡光路勻有較大的獨(dú)有的景深，可改善透鏡光路中透鏡的設(shè)置方式，圖23、圖24中為另一改良的透鏡光路的設(shè)置方式。圖23中，五個透鏡光路的凸透鏡其中一個為圓形位于中間，另外四個位于其四周，圍成一圓環(huán)狀。圖24中，四個透鏡把一圓形勻等分成四份，各占四分之一圓。
在各實(shí)施方案中，由于球面凸透鏡的成像特點(diǎn)，上述的實(shí)施例中主要采用球面凸透鏡作說明，但本發(fā)明的多透鏡光路光學(xué)成像裝置中，為調(diào)整其焦距及成像品質(zhì)等，透鏡組中也常會使用凹透鏡或各類棱鏡及其它非球面鏡，但這樣并不會脫離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)，也不影響本發(fā)明的創(chuàng)新特性。
另外，由于人們的采用傾斜的握筆習(xí)慣，為校正由此產(chǎn)生的成像的梯形失真，透鏡組中也常采用各類反射鏡、棱鏡和其它非球面透鏡加以校正，在這里不再敘述。
依照本發(fā)明的筆形鼠標(biāo)用的多透鏡光路透鏡成像裝置有以下的效果在筆形鼠標(biāo)的狹小的空間內(nèi)，能提供比單焦距成像透鏡大得多的景深，并能保證其成像質(zhì)量，使圖像傳感器能正確捕捉其形成的影像的移動距離和方向，從而能使筆形鼠標(biāo)在下筆或提筆時勻能準(zhǔn)確定位，從而正確識別鼠標(biāo)在工作面上的運(yùn)動狀態(tài)。
本發(fā)明并不限于前面所述的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通的技術(shù)人員要理解的是可對它作出變化和改進(jìn)，這不會脫離由所附加的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種筆形光鼠標(biāo)裝置用的光學(xué)成像裝置，它把工作面反射的光線通過不同的透鏡光路在筆形鼠標(biāo)的圖像傳感器的光感應(yīng)面上形成影像，該光學(xué)成像裝置主要包括組成不同的透鏡光路所需的一些透鏡，但也可包含反射鏡、反射棱鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像裝置，其中不同的透鏡光路相互獨(dú)立形成影像后，其各個影像在圖像傳感器的光感應(yīng)面上疊加，形成可供圖像傳感器及其處理控制設(shè)備進(jìn)行對比處理與定位的重疊的影像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的重疊影像由2個或2個以上的影像重疊而成，其中，工作面位于總體的景深范圍內(nèi)時，最少有一個較清晰的影像與其它或模糊或清晰的影像重疊而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像裝置，其中，各個透鏡光路的光軸可相互獨(dú)立或重合，組成不同的透鏡光路的透鏡可相互獨(dú)立安置或共同組合使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像裝置，其中，各個透鏡光路對應(yīng)不同的景深段，其景深段在光軸方向上相互延續(xù)，從而延長其總體的景深。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像裝置，其中，工作面在其總體的景深范圍內(nèi)相對光軸方向作橫向移動時，在總體的景深范圍內(nèi)總會有與工作面所在位置相對應(yīng)的景深段，此時，工作面反射的光線經(jīng)過與這一景深段所對應(yīng)的透鏡光路能在圖像傳感器的光感應(yīng)面上形成較清晰的影像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種筆形光鼠標(biāo)裝置用的光學(xué)成像裝置以及與之相關(guān)的影像差異的處理和校準(zhǔn)方法。它根據(jù)光鼠標(biāo)的圖像傳感器只需連續(xù)提取間隔一定時間段內(nèi)(約1/1500秒)圖像的移動方向和距離，而不需要得到其它更為詳細(xì)的、清晰的圖像信息的這一特點(diǎn)，采用多透鏡光路光學(xué)成像裝置。在筆形光鼠標(biāo)的光學(xué)成像裝置中使用2條或2條以上的透鏡光路并列，使經(jīng)不同透鏡光路的景深段在光軸方向上相互延續(xù)，從而使其總體的景深比單光路透鏡成像系統(tǒng)的景深明顯延長。
文檔編號G06F3/0354GK1983140SQ20051013095
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月13日
發(fā)明者鄧仕林 申請人:鄧仕林