CN100394367C - 具有光学式位移传感器的电子装置及其光标控制方法 - Google Patents

Abstract

具有光学式位移传感器的电子装置及其光标控制方法，该电子装置具有测量表面及待控制光标，且待测物贴覆于测量表面，该光标控制方法包括：提供具有共振腔的激光二极管，并以激光二极管在连续且交错的多个时间区段中，产生多道具有不同极性的激光束。引导第一及第二激光束接近测量表面，由第一及第二入射轴照射在待测物上，再引导激光束的反射光及散射光重新进入共振腔。接着，在相间隔的第一时间区段及第二时间区段中，测量共振腔的电变化量，并产生第一及第二电信号。接着，由第一及第二电信号，取得待测物在第一入射轴及第二入射轴上的位移量，并由第一及第二入射轴的位移量，计算待测物在第一测量轴及第二测量轴上的位移分量，并据此移动该光标。

Description

具有光学式位移传感器的电子装置及其光标控制方法

技术领域

本发明涉及一种光学式位移传感器，特别涉及一种利用激光二极管的自我混合效应(self-mixing)及分时多任务原理所设计的光学式位移传感器。

背景技术

传统光学鼠标通过光发射器发出光束，经物体表面反射后，再由光接收器接收反射的光信号，通过分析反射光信号，取得光学鼠标与物体的相对位置移动量，以控制计算机上的光标，例如：美国专利US 6246482号、6330057号、6424407号以及6452683号。

此外，在欧洲专利EP-A 0 942 285号专利还披露了一种改良式的光学输入装置，其将传统光学鼠标的光学感测模块反向固定于一任意的电子装置，如：键盘、笔记型计算机或是数字个人助理中，并在该电子装置的壳体表面设置一透明的测量窗，当使用者的手指在上述测量窗作相对运动时，可通过传统光学鼠标的光学感测鼠标取得手指与测量窗的相对移动量，以控制计算机上的光标，或是任何的指示装置。

由于传统光学鼠标的光学感测模块，需同时使用光发射器及光接收器，且光发射器与光接收器的位置有一定的几何关系，因此其所披露的光感测模块的体积不易缩小，无法适用于一些小型电子装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就在于提供一种新型的光学式位移传感器及其光标控制方法，使一般的电子装置均能通过此传感器，对电子装置上的光标进行操控。

为达到上述目的，本发明提供一种电子装置的光标控制方法，该电子装置具有一测量表面及一待控制光标，且一待测物贴覆于该测量表面，该光标控制方法包括下列步骤：提供一激光二极管，该激光二极管具有一共振腔，并以激光二极管在连续且交错的多个时间区段中，分别产生多道具有不同极性的激光束。引导第一及第二激光束接近测量表面，分别由第一及第二入射轴照射在待测物上，再引导激光束的反射光及散射光重新进入共振腔。接着，在相间隔的第一时间区段及第二时间区段中，分别测量共振腔的电变化量，并产生第一及第二电信号。接着，分别由第一及第二电信号，取得待测物在第一入射轴及第二入射轴上的位移量，并由第一及第二入射轴的位移量，计算待测物在第一测量轴及第二测量轴上的位移分量，并据以移动该光标。此外，测量表面系可为一虚拟的表面或一实体的表面。

电子装置的光标控制方法还包括：由上述既定角度及第一、第二入射轴的位移量，计算待测物在一第三测量轴上的位移分量，其中该第一、第二及第三测量轴相互正交。当该待测物在一第三测量轴上的位移分量存在时，判断为一点选信号。

电子装置的光标控制方法还包括：引导一第三激光束接近测量表面；当有第三激光束的反射光及散射光进入共振腔时，将待测物在第一、第二测量轴上的位移分量，判断为一卷动信号。

在一较佳实施例中，第一入射轴及该第二入射轴相交于同一测量点，且第一入射轴及该第二入射轴的夹角介于75至150度之间，第一入射轴及该第二入射轴均与该测量表面的夹一既定角度，该即定角度介于0至45度之间。

本发明还提供一种具有光学式位移传感器的电子装置，具有一屏幕，用于显示一受控光标，光标可相对于一待测物在多个入射轴上的位移量而移动，该电子装置包括：一本体及设置在本体上的一光学式位移传感器。光学式位移传感器具有一测量表面，以承载该待测物，包括：一具有共振腔的激光二极管，可在连续且交错的多个时间区段中，分别产生多道具有不同的极性的激光束；多个光路，用于不同的激光束由不同的入射轴照射一待测物上，再引导各激光束的反射光及散射光重新进入共振腔；一检测单元可分别在不同的时间区段中，测量共振腔的电变化量，并产生不同的电信号，其中上述变化量是由激光束的反射光及散射光的多普勒效应所造成；一转换单元分别由不同的电信号中，取得待测物在第一入射轴及第二入射轴上的位移量；一运算单元由第一及第二入射轴上的位移量，计算待测物在一第一测量轴及一第二测量轴上的位移分量；一控制单元根据运算单元所得在第一测量轴及该第二测量轴上的位移分量，移动光标。

在一较佳实施例中，运算单元可由既定角度及第一、第二入射轴的位移量，计算待测物在一第三测量轴上的位移分量，而第一、第二及第三测量轴相互正交。又，当待测物存在第三测量轴上的位移分量时，控制单元判断该位移分量为一光标点选信号。

在一较佳实施例中，光学式位移传感器还包括一第三光路，用以引导一第三激光束接近测量表面，再引导第三激光束的反射光及散射光重新进入共振腔。当有第三激光束的反射光及散射光进入共振腔时，控制单元依据待测物在第一、第二测量轴上的位移分量卷动屏幕的图像。

在一较佳实施例中，各光路分别包括光导及设置在其上的偏光片，且各偏光片具有不同的极性。又，第一、第二及第三光导为光纤。

其次，光学式位移传感器还包括一光耦合单元，设置在激光二极管与第一、第二及第三光路之间，用以将第一、第二及第三激光束分别耦合入第一、第二及第三光路，并且引导第一、第二及第三激光束的反射光及散射光引再进入共振腔。

在一较佳实施例中，第一激光光的焦点及该第二激光光的焦点相交于同一测量点，且第一入射轴及该第二入射轴的夹角介于75至150度之间，第一入射轴及该第二入射轴均与该测量表面的夹一既定角度，该即定角度介于0至45度之间。此外，第一激光光的焦点及该第二激光光的焦点也可以不相交于同一测量点方式设置。

在一较佳实施例中，检测单元可为一电压传感器或电流传感器，可在不同的时间区段中，测量共振腔的电变化量，并输出对应的电信号。又上述运算单元及控制单元整合于一微控制器中。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下特举较佳实施例并结合附图作详细说明。

附图说明

图1A为本发明光学式位移传感器的侧视示意图。

图1B为图1A的俯视示意图。

图1C为第一、第二激光束的焦点不交于同一测量点的示意图。

图2为本发明光学式位移传感器的操作时序图。

图3A为当光学式位移传感器在第一时间区段时的示意图。

图3B为当光学式位移传感器在第二时间区段时的示意图。

图4为光学式位移传感器的测量电路图。

图5显示应用本发明光学式位移传感器的一电子装置。

图6A～6D为本发明光学式位移传感器的不同实施例示意图。

图7为本发明电子装置的另一实施例。

附图符号说明：

2   基板

4，4a，4b，4c  测量表面

20  激光二极管

21  第一光路

211 第一光导

212 第一偏光片

22  第二光路

221 第二光导

222 第二偏光片

23  第三光路

24  第四光路

25a，25b，25c  偏光镜

26  全反射镜

27  全透镜

28  共振腔

30  检测单元

31  电压源

32  电阻

33  电容

40  转换单元

50  运算单元

200 数字个人助理

250 屏幕

255  游标

260  控制单元

300  移动电话机

360  控制单元

a1   第一入射轴

a2   第二入射轴

O    测量点

P₁   第一光束

P₂   第二光束

P₃   第三光束

P₄   第四光束

t₁   第一时间区段

t₂   第二时间区段

α   入射轴与测量表面的铅直夹角

β   第一、第二入射轴的水平夹角

具体实施方式

图1A为本发明光学式位移传感器的侧视示意图，图1B为图1A的俯视示意图。如第1A、1B图所示，光学式位移传感器100用于测量在测量表面4上的待测物(图上为使用者的手指)在多个测量轴上的位移分量，包括第一光路21、第二光路22以及设置在一基板2上的激光二极管20、检测单元30、转换单元40与运算单元50。

本发明所采用的激光二极管20，如美国专利5465263号所披露，可通过外部电压或是数字控制的方式，改变激光二极管20的共振腔28的特性，产生不同极性的电射光束。因此本发明光学式位移传感器100可通过一简单的控制电路，使激光二极管20在连续且交错的多个时间区段中，分别产生具有不同极性的激光束，作为传感器的测量光源。

光学式位移传感器100分别具有第一光路21及第二光路22，其中第一光路21与第二光路22的前端相邻，对准激光二极管20，可与激光二极管20所射出的激光束耦合，并将激光束导引射向测量平面4以及待测物。第一光路21由第一光导211及设置在其前端的第一偏光片212所构成，第二光路22由第二光导221及设置在其前端第二偏光片222所构成，且第一偏光片212与第二偏光片222的偏振极性不同，因此第一光路21仅能允许第一极性的第一激光束P₁通过，第二光路22仅能允许第二极性的第二激光束P₂通过。其次，第一光导211及第二光导221为光纤，第一光路21及第二光路22可分别延伸至测量表面4底部，因此在不同的时间区段内，具有第一极性的第一激光束P₁可沿着第一光路21，由第一入射轴a1照射在待测物上，而具有第二极性的第二激光束P₂可沿着第二光路22，由第二入射轴a2照射在待测物上。

为了使传感器在设计时有更大的弹性，本发明光学式位移传感器100的激光二极管20还可作为光接收器的用。由第一光路21或是第二光路22所射出的激光束经待测物反射后，部分的反射光及散射光可分别经由第一光路21或是第二光路22重新进入激光二极管20的共振腔28中，并在共振腔28中产生自我混合效应(self-mixing)，造成共振腔28的变化量。激光二极管的自我混合效应可从下列参考文献中了解其原理：”Small laser Dopplervelocimeter based on the self-mixing effect in a diode laser”，Applied Optics，Vol.27，No.2，Jan.15，1988，Pages 379-385以及”Laser Doppler velocimeter basedon the self-mixing effect in a fiber-coupled semiconductor laser”，Applied Optics，Vol.31，No.8，Jun.20，1992，Pages 3401-3408。

由上述参考文献可知，当待测物与激光二极管20有相对位移时，激光束的反射光及散射光因多普勒效应而有频率变化，同时激光二极管20会因为反射光及散射光的自我混合效应产生一变化量Δg，而此变化量Δg与待测物的相对速度v满足下列公式：

$\mathrm{\Δg}=-\frac{K}{L}\·(\frac{4\mathrm{\π}\·v\·f\·t}{c}+\frac{4\mathrm{\π}\·L_0\·t}{c})$

其中K为共振腔28与反射光及散射光的耦合常数，v为待测物的相对速度，f为激光束的原始频率，t为时间间距，c为光速。

由上述关于自我混合效应的说明可知，当待测物在测量表面4上作相对运动时，激光二极管20会产生一变化量Δg，因此可简单通过检测单元30取得共振腔28的变化量Δg，并产生一电信号，此电信号的频率是受多普勒效应所调制。再通过一模拟转数字的转换单元40，将电信号数字化，接着，通过运算单元50计算，取得待测物在第一入射轴a1、第二入射轴a2上的位移量，进而求得待测物在第一测量轴x、第二测量轴y以及第三测量轴z上的位移分量。

如第1A、1B图所示，第一入射轴a1及第二入射轴a2相交于同一测量点O，第一入射轴a1及第二入射轴a2均与测量表面4的铅直夹角为一既定角度α，介于0至75度之间，且第一入射轴a1及第二入射轴a2的水平夹角β介于75至150度之间，由第一入射轴a1、第二入射轴a2及测量表面4的几何关系可知，第一入射轴a1、第二入射轴a2上的位移量。位移量包括距离、方向及速度。由第一入射轴a1、第二入射轴a2及测量表面4的几何关系可计算出第一测量轴x的位移分量及第二测量轴y位移分量。另外，如图1C所示，第一激光束P₁的焦点及第二激光束P₂的焦点也可以不交于同一测量点O，而是以相错于测量点O附近的方式设置。

虽然本发明光学式位移传感器100仅具有二入射轴，但激光光的入射轴与测量表面4的铅直夹角为α，第一入射轴a1与第二入射轴a2的水平夹角为β，故运算单元50可通过简单的向量运算求得z轴的位移分量。因此，当待测物在z轴上有相对位移分量时，可判断为一”点选信号”，使本发明的光学式位移传感器100同时拥有侦测水平x-y轴位移分量以及点选动作的能力。此外，测量表面4可为一虚拟的表面；测量表面4也可为一实体的表面，例如由透光材质如玻璃或塑料所构成。

图2为本发明光学式位移传感器的操作时序图，图3A及图3B分别为光学式位移传感器在第一时间区段及第二时间区段时的示意图。如图2及图3A所示，第一时间区段t₁可分为三个小时区t_p1、t_s1、t_d1，在t_p1时区中激光二极管20提供一第一极性的第一激光束P₁，经由第一光路21沿第一入射轴a1照射在待测物上，同时部份反射光及散射光也经由第一光路21重新进入共振腔28，并在t_s1时区中，使激光二极管因自我混合效应产生一变化量，接着在t_d1时区中检测单元30、转换单元40及运算单元50取得待测物在第一入射轴a1上的位移量。如图2及图3B所示，第一时间区段t₂可分为三个小时区t_p2、t_s2、t_d2，在t_p2时区中激光二极管20提供一第二极性的第二激光束P₂，经由第二光路22沿第二入射轴a2照射在待测物上，同时部份反射光及散射光也经由第二光路22重新进入共振腔28，并在t_s2时区中，使激光二极管20因自我混合效应产生一变化量，接着在t_d2时区中检测单元30、转换单元40及运算单元50取得待测物在第二入射轴a2上的位移量，进而运算单元50经计算可得到待测物在第一测量轴x、第二测量轴y以及第三测量轴z的位移分量，作为后续光标控制的用。

图4为光学式位移传感器的测量电路图。如图4所示，激光二极管20与一电压源31、一电阻32串联，形成一分压电路，在此实施例中，检测单元30为一电压传感器，电容33与电压传感器串联，用于阻绝高频噪声。当激光二极管20因自我混合效应产生一变化量Δg时，检测单元30可测得一电压变化量，此电压变化量经由转换单元40将模拟信号转换为含有距离、速度及方向的数字信号，再经由运算单元50计算的后，即可求得不同测量轴在的位移分量。其次，本发明光学式位移传感器的检测单元30也可为电流传感器，而其测量电路属于公知技术，在此即不再赘述。

图5显示应用本发明光学式位移传感器的一电子装置，由于本发明的光学式位移传感器的体积很小，因此可应用在如：笔记型计算机、移动电话机、数字个人助理、遥控器等电子装置上，作为光标控制之用。为了方便说明起见，图5仅以个人数字助理200作为一较佳实施例。

如图5所示，数字个人助理200具有一屏幕250，可显示一受控光标255，而本发明的光学式位移传感器100是设置在屏幕250的中央下方，并与个人数字助理200的控制单元260电连接。当使用者的手指在光学式位移传感器100上移动时，控制单元260可根据光学式位移传感器100所测得手指在x，y轴上的位移分量相对移动光标255，另外可根据z轴的位移分量判断使用者是否输入点选信号，再进行对应的操作。

第6A～6D图为本发明光学式位移传感器的不同实施例示意图，各个实施例分别具有不同的光耦合单元，可将具有不同极性的激光束耦合进入不同的光路中。

如图6A所示，光学式位移传感器具有一第一偏光镜25a以及一第二偏光镜25b。其中第一偏光镜25a仅可让具有第一极性的第一激光束P₁通过，并反射其它极性的激光束；第二偏光镜25b仅可让具有第三极性的第三激光束P₃通过，并反射其它极性的激光束。因此，第一、第二、第三激光束P₁～P₃可分别耦合进入第一、第二、第三光路21，22，23中，再搭配前述分时多任务的概念，即可测量在三个入射轴上，待测物的位移量，以控制光标。

如图6B所示，此实施例的光耦合单元与图6A相似，包括二偏光镜25a，25b以及一全反射镜26，配合新增的全反射镜26，除可增加光路设计的弹性的外，也可达到所需的分光功能。

图6C为一可行光耦合单元的俯视图，如图6C所示，此实施例的光耦合单元由二偏光镜25a，25b及一全透镜27组成，其合围成一正三角形区域，激光二极管20设置在正三角形区域中，且各激光束的入射方向与各镜面夹60°角，使第一、第二、第三激光束P₁～P₃可分别耦合进入第一、第二、第三光路21，22，23中。

图6D为另一可行光耦合单元的俯视图，如图6D所示，此实施例与图6C的光耦合单元相似，由三偏光镜25a～25c及一全透镜27组成，其合围成一正方形区域，激光二极管20设置在正方形区域中，且各激光束的入射方向与各镜面夹45°角，使第一、第二、第三、第四激光束P₁～P₄可分别耦合进入第一、第二、第三、第四光路21～24中。

图7为本发明电子装置的另一实施例。在此实施例中，仅以移动电话机为例，且为了简化图标，移动电话机的屏幕以及按键均省略。

如图7所示，移动电话机300具有一光学式位移传感器100、一控制单元360以及三个测量表面4a，4b，4c，其中第一测量表面4a位于移动电话机300的右侧，第二及第三测量表面4b，4c位于移动电话机300的左侧，当使用者握持移动电话机300时，右手姆指恰好对应于第一测量表面4a，食指恰好对应于第二测量表面4b，中指恰好对应于第三测量表面4c。

其次，光学式位移传感器100分别具有四个光路21～24，第一光路21及第二光路22可测量在第一测量表面4a姆指在x轴、y轴及z轴方向的位移，第三光路23可测量在第二测量表面4b食指在z轴方向的位移，第四光路24可测量在第三测量表面4c中指在z轴方向的位移。当姆指相对于第一测量表面4a移动时，控制单元360可通过光学式位移传感器100的信号控制屏幕上光标的相对移动或是进行点选动作。当食指贴覆于第二测量表面4b或是相对于第二测量表面4b的z轴方向移动时，即有一第三激光束的反射光及散射光进入激光二极管的共振腔，因此通过控制单元360，可将姆指在第一测量表面4a上的移动，视为一画面卷动信号，借此卷动屏幕，达到快速浏览的目的。当中指贴覆于第三测量表面4c或是相对于第三测量表面4c的z轴方向移动时，即有一第四激光束的反射光及散射光进入激光二极管的共振腔，因此通过控制单元360或是适当的程序设计，而可达到对应的快速键动作或是其它的特殊功能。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而其并非用以限定本发明，任何本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当然可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求书范围所界定的为准。

Claims (16)

1.一种光学式位移传感器，用在测量在一测量表面上的一待测物在多个测量轴上的位移分量，包括：

一激光二极管，该激光二极管具有一共振腔，可在连续且交错的多个时间区段中，分别产生多道激光束，其中这些激光束分别具有不同的极性；

一第一光路，该第一光路引导一第一激光束接近该测量表面，沿一第一入射轴照射一待测物上，再引导该第一激光束的反射光及散射光重新进入该共振腔；

一第二光路，该第二光路引导一第二激光束接近该测量表面，沿一第二入射轴照射该待测物上，再引导该第二激光束的反射光及散射光重新进入该共振腔；

一第三光路，用以引导一第三激光束接近测量表面，再引导第三激光束的反射光及散射光重新进入共振腔；

一检测单元，该检测单元分别在多个第一时间区段及第二时间区段中测量该共振腔的电变化量，并产生多个第一电信号及多个第二电信号，其中该变化量系由第一、第二激光束的反射光及散射光的多普勒效应所造成；以及

一转换单元，该转换单元分别由这些第一电信号及这些第二电信号，取得该待测物在该第一入射轴及该第二入射轴上的位移量；以及

一运算单元，该运算单元由该第一入射轴及该第二入射轴上的位移量，计算该待测物在一第一测量轴及一第二测量轴上的位移分量；

其中各光路分别包括光导及设置在其上的偏光片，且各偏光片具有不同的极性，用以将该第一、第二及第三激光束耦合入该第一、第二及第三光路，并且引导该第一、第二及第三激光束的反射光及散射光再进入该共振腔。

2.如权利要求1所述的光学式位移传感器，其特征在于：该第一入射轴及该第二入射轴相交于同一测量点。

3.如权利要求1所述的光学式位移传感器，其特征在于：该第一入射轴及该第二入射轴的夹角介于75至150度之间。

4.如权利要求1所述的光学式位移传感器，其特征在于：该第一入射轴及该第二入射轴均与该测量表面的夹一既定角度，该即定角度介于0至45度之间。

5.如权利要求1所述的光学式位移传感器，其特征在于：运算单元由该既定角度及该第一、第二入射轴的位移量，计算该待测物在一第三测量轴上的位移分量，而该第一、第二及第三测量轴相互正交。

6.如权利要求1所述的光学式位移传感器，其特征在于：该检测单元为一电压传感器或电流传感器。

7.如权利要求1所述的光学式位移传感器，其特征在于：该运算单元为一微控制器。

8.一种电子装置，具有一光标，该光标可相对于一待测物在多个入射轴上的位移量而移动，该电子装置包括：

一本体，该本体具有一屏幕，用于显示该受控光标；

一光学式位移传感器，该光学式位移传感器具有一测量表面，以承载该待测物，包括：

一激光二极管，该激光二极管具有一共振腔，可在连续且交错的多个时间区段中，分别产生多道激光束，其中这些激光束分别具有不同的极性；

一第一光路，该第一光路引导一第一激光束接近该测量表面，沿一第一入射轴照射一待测物上，再引导该第一激光束的反射光及散射光重新进入该共振腔；

一第二光路，该第二光路引导一第二激光束接近该测量表面，沿一第二入射轴照射该待测物上，再引导该第二激光束的反射光及散射光重新进入该共振腔；

一第三光路，用以引导一第三激光束接近测量表面，再引导第三激光束的反射光及散射光重新进入共振腔；

一检测单元，该检测单元分别在多个第一时间区段及第二时间区段中测量该共振腔的电变化量，并产生多个第一电信号及多个第二电信号，其中该变化量是由第一、第二激光束的反射光及散射光的多普勒效应所造成；以及

一转换单元，该转换单元分别由这些第一电信号及这些第二电信号，取得该待测物在该第一入射轴及该第二入射轴上的位移量；以及

一运算单元，该运算单元由该第一入射轴及该第二入射轴上的位移量，计算该待测物在一第一测量轴及一第二测量轴上的位移分量；

一控制单元，该控制单元根据该运算单元所得在该第一测量轴及该第二测量轴上的位移分量，在该屏幕上移动该光标；

其中各光路分别包括光导及设置在其上的偏光片，且各偏光片具有不同的极性，用以将该第一、第二及第三激光束耦合入该第一、第二及第三光路，并且引导该第一、第二及第三激光束的反射光及散射光再进入该共振腔。

9.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于：该第一入射轴及该第二入射轴相交于同一测量点。

10.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于：该第一入射轴及该第二入射轴的夹角介于75至150度之间。

11.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于：该第一入射轴及该第二入射轴均与该测量表面的夹一既定角度，该即定角度介于0至45度之间。

12.如权利要求9所述的电子装置，其特征在于：运算单元由该既定角度及该第一、第二入射轴的位移量，计算该待测物在一第三测量轴上的位移分量，而该第一、第二及第三测量轴相互正交。

13.如权利要求12所述的电子装置，其特征在于：当该待测物在该第三测量轴上具有该位移分量时，该控制单元判断为一点选信号。

14.如权利要求8所述的电子装置，其特征在于：所述测量表面包括第一测量表面和第二测量表面，当一待测物贴覆于第二测量表面或相对于第二测量表面的垂直方向移动时，另一待测物在第一测量表面上的移动成为卷动信号。

15.如权利要求8所述的电子装置，其特征在于：该检测单元为一电压传感器或电流传感器。

16.如权利要求8所述的电子装置，其特征在于：该运算单元及该控制单元整合在一微控制器中。

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