專利名稱：指點裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般而言涉及用于對運動進(jìn)行光學(xué)檢測的裝置。具體地說，本發(fā)明涉及用作個人計算機(jī)等的外圍設(shè)備的光學(xué)指點裝置或光學(xué)導(dǎo)航裝置。
背景技術(shù)：
目前，已經(jīng)可以買到非機(jī)械式的(即光學(xué)的)鼠標(biāo)器和指點裝置。日本專利No.3771081(專利文獻(xiàn)1)中公開了一種示例。在這種技術(shù)中，用光以較小的入射角(具體地說可以是70°到85°)對操作表面進(jìn)行照射，并根據(jù)表面的微觀紋路的亮區(qū)和陰影來檢測表面的微觀紋路。一般常用LED(發(fā)光二極管)用于上述光；也可以使用激光二極管，具體地說如使用VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)來提高對微觀紋路進(jìn)行識別的能力。
日本未審查專利申請公開No.2005-50349(專利文獻(xiàn)2)公開了一種指點裝置，該裝置包括光學(xué)運動檢測電路。這種光學(xué)運動檢測電路用紅外光照射表面并根據(jù)從表面反射的光來判定圖像之間的相關(guān)，從而確定運動量。(包括在指點裝置中的)這種運動檢測電路通過對參考幀與采樣幀之間進(jìn)行相關(guān)來檢測預(yù)定方向上的運動，所述參考幀是光檢測器獲得的數(shù)字化的反射光輸出，所述采樣幀是在參考幀之后獲得的下一數(shù)字化輸出。
另外，例如，日本未審查專利申請公開No.2004-246921(專利文獻(xiàn)3)中公開的運動檢測裝置已在可買到的指點裝置中采用。該裝置包括導(dǎo)航傳感器和用于產(chǎn)生相干光的光源(例如激光二極管)。傳感器對光源發(fā)射的光造成的反射光進(jìn)行檢測，從而確定指點設(shè)備(例如鼠標(biāo)器)的運動量。
但是，當(dāng)在玻璃表面上使用專利文獻(xiàn)2或3中公開的指點設(shè)備時，它們可能不能精確操作，或者可能失靈。這是因為玻璃表面一般非常光滑，專利文獻(xiàn)2或3中公開的指點設(shè)備不能檢測到微觀紋理，而微觀紋理對于指點設(shè)備成功地執(zhí)行檢測是必須的。另外，玻璃表面的表面粗糙度大約在幾個納米，這與入射光的波長相比非常小，與光檢測器的一個象素相比甚至更小，這也使得很難檢測微觀紋理。
下面將簡要描述前述反射光的信號強度。一般地，為了將從具有一定表面粗糙度的板表面反射的光的強度作為亮/暗圖案來進(jìn)行檢測，就需要使亮/暗圖案的尺寸大于光波長，并基本上與一個檢測所用象素的尺寸相同。
另外，由于玻璃的表面粗糙度約為非常小的幾個納米，所以難以對從這樣的表面反射的光的強度改變量執(zhí)行高靈敏度檢測。
對于反射鏡，反射光的強度等于入射光的強度。但是對于玻璃等，反射光的強度會取決于其表面的反射系數(shù)而改變(反射系數(shù)取決于光的偏振方向和入射角)。反射光的平均強度IR表示為IR＝R·IIN(表達(dá)式1)其中R表示反射系數(shù)，IIN表示入射光的強度。
從該表面發(fā)射的散斑光平均強度Id一般表示為Id≈(4πσ/λ)2·IR(表達(dá)式2)需要一種能夠用在光滑板(例如玻璃板)上的指點裝置(例如光學(xué)鼠標(biāo)器)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種指點裝置，通過用孔徑部件使從板的正面反射的光與從背面反射的光在檢測器處相互重疊，該指點裝置即使在具有非常小的表面粗糙度的板上也能夠精確操作。
具體地說，本發(fā)明提供了一種指點裝置，包括光源、孔徑部件和檢測器。光源提供入射光，該入射光用于以預(yù)定入射角對板的正面進(jìn)行照射。板具有正面和背面，并對入射光的波長透明。孔徑部件具有開口，來自正面的散斑光和來自背面的散斑光穿過該開口，所述散斑光由入射光造成。檢測器對穿過開口的散斑光的強度進(jìn)行檢測。開口具有沿形成入射角的方向的縱向尺度，使得來自正面的散斑光和來自背面的散斑光在檢測器處彼此重疊。
與使用反射光的系統(tǒng)相比，這樣一種使用散斑光的導(dǎo)航系統(tǒng)信號水平較小，但是具有即使在具有非常小表面粗糙度的表面上使用時也可以進(jìn)行檢測的優(yōu)點。
本文中的術(shù)語“散斑光”指在由光照射時，物體的正面或背面上的突起或凹陷形成的獨特圖案造成的光。
指點裝置的開口可以具有矩形形狀或狹縫形狀。指點裝置還可以包括透鏡，用于使來自光源的入射光會聚或發(fā)散。優(yōu)選地，光源包括激光光源。更優(yōu)選地，激光光源包括VCSEL。
優(yōu)選地，指點裝置還在孔徑部件與板之間包括光學(xué)濾波器或透鏡。光學(xué)濾波器可以阻擋外部光，透鏡使得可以從板獲得更多的散斑光。這樣的布置提高了S/N比(信噪比)并增強了檢測靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明，由于不僅利用了由板的正面反射的光，而且利用了由背面反射的光，所以可以提高信號強度。因此，即使在具有非常小的表面粗糙度的板上，該指點裝置也可以精確工作，從而提高跟蹤性能。
本發(fā)明的指點裝置不僅可以用在透明板上，而且可以用在普通光學(xué)鼠標(biāo)可以工作的不透明板(例如白板)上。在這種情況下，主要對來自不透明板上表面的散斑光進(jìn)行檢測。


圖1A的剖視圖示出用于實施本發(fā)明的指點裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖1B的立體圖示出孔徑部件的開口形狀。
圖2A和圖2B的示意圖各自示出了用于實施本發(fā)明的孔徑部件的開口形狀。
圖3的剖視圖示出了圖1所示指點裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及從板的正面和背面反射的光的路徑。
圖4A示出了當(dāng)?shù)谝皇纠兴鯟CD捕捉到來自板的正面的散斑光時獲得的圖像，圖4B示出了當(dāng)?shù)谝皇纠兴鯟CD捕捉到來自板的背面的散斑光時獲得的圖像，圖4C示出了當(dāng)?shù)谝皇纠兴鯟CD既捕捉到來自板的正面的散斑光又捕捉到來自板的背面的散斑光時獲得的圖像。
圖5A示出了當(dāng)CCD經(jīng)過正方形開口(對應(yīng)于傳統(tǒng)開口)以與圖4A相同方式捕捉到來自板的正面的散斑光時獲得的圖像，圖5B示出了當(dāng)CCD經(jīng)過正方形開口(對應(yīng)于傳統(tǒng)開口)以與圖4B相同的方式捕捉到來自板的背面的散斑光時獲得的圖像，圖5C示出了當(dāng)CCD經(jīng)過正方形開口(對應(yīng)于傳統(tǒng)開口)以與圖4C相同的方式既捕捉到來自板的正面的散斑光又捕捉到來自板的背面的散斑光時獲得的圖像。
具體實施例方式
圖1A示出了用于實施本發(fā)明的指點裝置1。指點裝置1可以包括光源2、透鏡3、光檢測器(或光傳感器)4、以及具有開口的孔徑部件5。從光源2發(fā)射的光由透鏡3會聚或發(fā)散。所得的光以預(yù)定入射角入射到板6上，從板6反射的光造成的散斑光穿過孔徑部件5的開口。散斑光的強度由光檢測器4進(jìn)行檢測。
光源2可以是例如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。不過光源2不限于這樣的激光光源，也可以是任何類型的相干光源。光源2發(fā)射的照射光束也不一定必須是準(zhǔn)直光，例如激光(但是準(zhǔn)直光具有在X軸方向和Y軸方向跟蹤特性彼此相等的優(yōu)點)。即使不使用這樣的準(zhǔn)直光，也能夠使X軸方向和Y軸方向的跟蹤特性彼此相等。例如，可以使用具有沿X軸和Y軸延伸的十字形開口的孔徑部件(未示出)，并為十字形開口的相應(yīng)延伸部分設(shè)置激光二極管和光檢測器(未示出)，兩個激光二極管交替開啟。采用這樣的設(shè)置，同時開啟兩個激光二極管來增大輸入光束的功率也能夠增強散斑信號水平。
光源2的波長范圍可以是從約500nm到約1μm。實際上，適當(dāng)?shù)牟ㄩL是根據(jù)光檢測器4相對于波長的敏感特性來選擇的。較長的波長使散斑尺寸增大，這有利于測量，但是如上述表達(dá)式2所示會造成散斑強度下降。因此，優(yōu)選地，也根據(jù)散斑尺寸來選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL。
一般地，散斑尺寸與被照射表面上的斑點尺寸(即焦點尺寸)的倒數(shù)成比例，或者與光穿過孔徑部件的開口之后散斑光面積的倒數(shù)成比例。因此，對透鏡3進(jìn)行調(diào)整，使得出現(xiàn)在被照射表面上的斑點(即焦點)可以使斑點尺寸盡可能大。在散斑尺寸大于光檢測器4的象素尺寸時這不是什么大問題，但是當(dāng)散斑尺寸小于象素尺寸時，信噪比可能變壞。另外，盡管對透鏡3的調(diào)整使得出現(xiàn)在被照射表面上的斑點(即焦點)使散斑尺寸盡可能大，但是也可能會出現(xiàn)導(dǎo)航功能不起作用的問題。
因此，實際上，采用在某種程度上在空間上偏離準(zhǔn)直光的光而不是用準(zhǔn)直光時，可以預(yù)料整個系統(tǒng)(包括指點裝置)的功能有所提高。在此情況下，采用在空間上偏離準(zhǔn)直光的光時，工作表面上的斑點尺寸增大，散斑尺寸減小。為了減小散斑尺寸減小造成的影響，優(yōu)選為對孔徑部件5的開口尺寸進(jìn)行優(yōu)化。
將孔徑部件5與光學(xué)濾波器一同使用可以消除或減小從玻璃表面下方入射的外部光(例如環(huán)境光)的影響。
可以用透鏡3視情況或者選擇性地對光源2發(fā)射的照射光束進(jìn)行調(diào)整，使得照射光束的斑點在到達(dá)板6時具有期望的尺寸(在約0.1mm到約3mm的范圍內(nèi))。
光檢測器4可以用具有矩陣式布置的多個光接收元件(象素)的裝置來實現(xiàn)。這種器件的示例包括CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)成像器和CCD(電荷耦合器件)?；蛘?，光檢測器4也可以用長度方向沿X軸的條狀傳感器和長度方向沿Y軸的條狀傳感器來實現(xiàn)。
圖1B是示出圖1A所示指點裝置1中所用孔徑部件5的開口形狀的立體圖。在圖1A和圖1B中，為了清楚起見，標(biāo)號“X”表示孔徑部件5的開口延伸的方向，并在文中將開口延伸方向的尺度稱為“縱向尺度”。如圖1A和圖1B所示，孔徑部件5布置在板6與光檢測器4之間，使得孔徑部件5的開口沿著由光源2發(fā)射并以預(yù)定入射角入射的光行進(jìn)的方向延伸。以這種方式布置孔徑部件5使光檢測器4的相同光接收元件(象素)可以既接收到來自板6正面(即上表面)的散斑光，又接收到來自板6背面(即下表面)的散斑光。由此，即使在板6的表面粗糙度非常小時也可以獲得較大的散斑信號。
圖2A和圖2B示出了孔徑部件5的開口的示例?？讖讲考?的開口可以具有狹縫形狀，例如圖2A所示的形狀，沿橫向的邊不是直的，而是圓的，縱向尺度為a，橫向尺度為b?；蛘撸讖讲考?的開口也可以具有圖2B所示的縱向尺度為a、橫向尺度為b的矩形形狀。
使用圖2A或圖2B所示孔徑部件5使得來自板6正面的散斑光和來自其背面的散斑光可以在光檢測器4的光接收元件(象素)處彼此重疊。因此，可以獲得強度更高的散斑光。
穿過孔徑部件5的開口到達(dá)光檢測器4的光在光檢測器4的光接收元件處具有的形狀反映了孔徑部件5的開口形狀(這點將在下面說明并示于圖4A到圖4C中)。因此，為了有效地利用光檢測器4中包括的(矩形)象素，優(yōu)選地使孔徑部件5的開口具有如圖2B所示的矩形形狀。
還優(yōu)選地使得孔徑部件5的開口橫向尺寸b與光檢測器4的光接收表面寬度基本上相同。增大開口的橫向尺寸b可以提高表示信號強度的信噪比，因為光檢測器4接收的光量增大，但是散斑尺寸減小了。因此，當(dāng)光檢測器4中包括的各個光接收元件較大時，由于散斑光的改變被各個象素平均掉了，所以信噪比可能變壞。
例如，在圖3中，優(yōu)選地使距離L1處于3mm到20mm范圍內(nèi)，距離L2處于2mm到10mm范圍內(nèi)，入射角α處于30°到70°范圍內(nèi)，孔徑部件5的開口橫向尺寸約為1mm，而開口的縱向尺寸在2mm到4mm范圍內(nèi)。
例如，可以在孔徑部件5與板6之間再插入用于阻擋外部光的光學(xué)濾波器(未示出)，或者用于從板6獲得更多散斑光的透鏡(未示出)。在存在環(huán)境光的情況下，光學(xué)濾波器是實現(xiàn)操作所必須的。
本發(fā)明的指點裝置1在光檢測器的相同接收元件(象素)處不僅可以檢測來自板6正面的散斑光信號分量，而且可以檢測來自板6背面的散斑光信號分量。因此，可以將光檢測器4檢測到的信號強度增加到約2倍。對于許多玻璃桌，只有玻璃的正面(即上表面那側(cè))受到研磨。因此，在許多情況下，玻璃背面的表面粗糙度大于正面，于是由來自背面的散斑光獲得的信號一般比從正面獲得的信號更強。另外，當(dāng)正面上有指紋、塵埃等時，散斑光的強度增大。
現(xiàn)在將對來自正面的散斑光和來自背面的散斑光在光檢測器4處彼此重疊的情況下，對光接收元件(象素)處的信號強度進(jìn)行確定的方法進(jìn)行簡要說明。由于散斑光，光檢測器4可以獲得稱為“參考幀”的數(shù)字化象素輸出。在參考幀之后，光檢測器4獲得稱為“采樣幀”的數(shù)字化象素輸出。這些象素輸出被儲存在存儲器(未示出)中。用這些象素輸出來計算象素之間的亮/暗圖案以及光量。當(dāng)計算值是預(yù)定值或更小時，判定為指點裝置位于范圍之外，即位于離板6預(yù)定距離之外。否則，判定為指點裝置處于離板6預(yù)定距離之內(nèi)，從而處于跟蹤模式中。在此情況下，計算參考幀與采樣幀之間的相關(guān)值，估計并輸出參考幀與采樣幀之間的位移量Δx和Δy。
然后對是否改變參考幀進(jìn)行判定，并在需要時獲取新的參考幀。此后，再次進(jìn)行上述處理(即獲取采樣幀)，然后重復(fù)上述相同的操作和測量。
現(xiàn)在將對在玻璃板6上使用指點裝置1的示例進(jìn)行說明。應(yīng)當(dāng)注意，板6的材料不限于玻璃，而可以是對于從光源2發(fā)射的光波長透明的任何材料。
(實施例)下面將參考圖3說明根據(jù)本發(fā)明的指點裝置1的一種示例。指點裝置1的光源2由波長665nm的VCSEL實現(xiàn)。使光源2發(fā)射的照射光束通過透鏡3以入射角α(約50°)入射到玻璃板6上。使用厚度為10mm的玻璃板作為板6。使用具有1024×768象素陣列、每個象素的每條邊長度為4.6μm的CCD作為光檢測器4來接收來自板6的散斑光。使用如上所述并如圖2A所示的孔徑部件5，孔徑部件5的開口縱向尺度a為2mm，其橫向尺度b為1mm。
玻璃板6的正面與孔徑部件5之間的距離L1為8mm，孔徑部件5與光檢測器4的光接收表面之間的距離L2為4mm。這些距離不是限制性的，因此可以有其他的值。
在圖3所示的示例中，盡管光檢測器4設(shè)置成平行于工作表面(即板的表面)，但本發(fā)明不限于這種情況。例如，光檢測器4的定向可以根據(jù)從工作表面反射的光的角度進(jìn)行調(diào)整。盡管圖3圖示的結(jié)構(gòu)中光檢測器4和孔徑部件5布置在工作表面上方并沿著與之基本垂直的方向，但是本發(fā)明不限于這種情況。例如，光檢測器4和孔徑部件5可以布置成與工作表面并非成直角的角度。
平均散斑尺寸由f(f數(shù))×λ(波長)給出，并且在圖3所示的裝置結(jié)構(gòu)中約為8μm。即使光檢測器4的象素尺寸大于散斑尺寸，光檢測器4仍然可以工作；但是光檢測器4的檢測靈敏度(即信噪比)可能在某種程度上變壞。
圖4A到圖4C示出了在滿足圖3所示條件時，光檢測器4獲得的散斑光信號強度的圖像。應(yīng)當(dāng)注意，為使圖像清晰，這些圖像被圖示成與實際圖像的正負(fù)(黑白)區(qū)域相反的情況(即，圖像中的黑色部分具有更高的光強度)。
在圖4A中，圖像4a是在光檢測器4檢測到從板6正面反射的光時獲得的，實線包圍的區(qū)域40a表示來自正面的散斑光。在圖4B中，圖像4b是在光檢測器4檢測到從板6背面反射的光時獲得的，虛線包圍的區(qū)域40b表示來自背面的散斑光。在圖4C中，圖像4c是在從玻璃板6正面和背面反射的光彼此重疊時獲得的，實線和虛線包圍的區(qū)域40c表示來自正面和背面的散斑光彼此重疊的部分。如圖4C所示，孔徑部件5使來自板6正面和背面的散斑光在光檢測器4處彼此重疊。因此，與只檢測來自正面的散斑光的情況相比，提高了光檢測器4的檢測靈敏度(信噪比)。因此，即使在由玻璃等制成的光滑透明的板6上使用，這種結(jié)構(gòu)也使得可以根據(jù)來自板6的散斑光精確地檢測指點裝置1的運動。
相比之下，圖5A到圖5C示出了用與傳統(tǒng)開口對應(yīng)的正方形開口(每條邊1mm)來對同一板6的同一表面部分進(jìn)行測量的結(jié)果。在圖5A中，圖像5a是在光檢測器4檢測到從板6正面反射的光時獲得的，實線包圍的區(qū)域50a表示來自正面的散斑光。在圖5B中，圖像5b是在光檢測器4檢測從到板6背面反射的光時獲得的，虛線包圍的區(qū)域50b表示來自背面的散斑光。圖5C所示的圖像5c是在從玻璃板6的正面和背面反射的光彼此重疊時獲得的。由圖5C可以明顯看到，采用與傳統(tǒng)開口對應(yīng)的開口，來自板6正面的散斑光50a和來自背面的散斑光50b彼此不重疊。
來自正面和背面的散斑光是否彼此重疊取決于板6的厚度。但是，考慮到桌子等所用的玻璃板厚度通常為10mm到15mm，來自正面和背面的散斑光不會經(jīng)過正方形開口(對應(yīng)于傳統(tǒng)開口)彼此重疊。因此，根據(jù)本發(fā)明的孔徑部件5提供了很大的優(yōu)點。
上面的示例中進(jìn)行的說明的是使用具有一個開口的孔徑部件5的情況，該開口有縱向尺度和橫向尺度。但是，孔徑部件5不限于上述布置，而可以是例如具有多個圓形或方形開口的孔徑部件，這些圓形或方形開口沿著與孔徑部件5的上述開口延伸的方向相同的方向布置。
考慮到通常玻璃板的厚度(在10mm到15mm范圍內(nèi))，通常為提高信噪比而設(shè)置在玻璃板與光學(xué)檢測器之間的針孔孔徑不能使從正面反射的光與從背面反射的光在光檢測器的相同光接收元件處得到接收(即不能便從正面反射的光和從背面反射的光在光接收元件處彼此重疊)。具有沿一個方向延伸的開口(例如具有橢圓形開口)的光學(xué)鼠標(biāo)器也是可以買到的。但是，那些光學(xué)鼠標(biāo)器形成開口是為了從板表面向光接收元件引入較大量(以傾斜角度進(jìn)入開口的)反射光，而不是設(shè)計來使來自板的正面和背面的散斑光(散射光)在光接收元件處彼此重疊的。
為了測量來自板的正面和背面的散斑光，可以使用具有較大開口的孔徑部件，或者可以消除孔徑部件本身。但是，在此情況下，盡管可以測量來自兩個表面的散斑光，但是散斑光的對比度會由于背景光(例如環(huán)境光)而降低。這對于使用光學(xué)濾波器(光學(xué)帶通濾波器)的情況也成立。因此，考慮到提高散斑光的對比度，就需要某種類型的孔徑部件。在上述示例中，既使用光學(xué)濾波器又使用孔徑部件使得可以防止背景光(例如環(huán)境光)造成對比度降低。
盡管上文已經(jīng)說明了用于實現(xiàn)本發(fā)明的指點裝置1，但是應(yīng)當(dāng)明白，那些具體裝置結(jié)構(gòu)僅僅是示意性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，也可以采用除了上述之外的各種裝置結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)由權(quán)利要求限定的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種指點裝置，包括光源，用于提供入射光，所述入射光以預(yù)定入射角照射板的正面，所述板具有所述正面和背面并且對所述入射光的波長透明；孔徑部件，具有開口，來自所述正面的散斑光和來自所述背面的散斑光穿過所述開口，所述散斑光由所述入射光造成；以及檢測器，用于對穿過所述開口的所述散斑光的強度進(jìn)行檢測；其中，所述開口具有沿形成所述入射角的方向的縱向尺度，使得來自所述正面的散斑光和來自所述背面的散斑光在所述檢測器處彼此重疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的指點裝置，其中，所述開口具有矩形形狀或狹縫形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的指點裝置，還包括透鏡，用于使來自所述光源的所述入射光會聚或發(fā)散。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任意一項所述的指點裝置，其中，所述光源包括激光光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的指點裝置，其中，所述激光光源包括垂直腔面發(fā)射激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任意一項所述的指點裝置，還包括位于所述孔徑部件與所述板之間的光學(xué)濾波器或透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的指點裝置，其中，所述裝置還可以檢測來自對所述入射光的波長不透明的板的表面的光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種指點裝置，包括光源、孔徑部件和檢測器。光源提供入射光，該入射光用于以預(yù)定入射角對板的正面進(jìn)行照射。板具有正面和背面，并對入射光的波長透明?？讖讲考哂虚_口，來自正面的散斑光和來自背面的散斑光穿過該開口。所述散斑光由入射光造成。檢測器對穿過開口的散斑光的強度進(jìn)行檢測。開口具有沿形成入射角的方向的縱向尺度，使得來自正面的散斑光和來自背面的散斑光在檢測器處彼此重疊。
文檔編號G06F3/038GK101093428SQ200710108499
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月20日
發(fā)明者板垣信孝 申請人:安華高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司