CN101256454A - 指点设备 - Google Patents

Abstract

为了提高对光学鼠标甚至在光滑底板上的位置进行检测的精度，本发明提供了一种指点设备，其包括光源、检测器和腿，所述光源提供用于以预定入射角照明底板前表面的入射光，所述底板既具有前表面也具有后表面，并对入射光的波长而言是透明的，所述检测器对来自前后表面的散斑光的强度进行检测，所述散斑光是由入射光产生的，所述腿与底板接触，并通过腿与底板之间的摩擦而使底板的前表面带有电荷。

Description

指点设备

技术领域

本发明涉及用于以光学方式检测运动的设备，更具体地说，涉及光学指点设备或光学导航设备，这些设备用作与个人电脑等连接的周边设备。

背景技术

专利文献1公开了当前可买到的非机械的、或光学的鼠标和指点设备。这样的设备发射光并以70°至85°的较小入射角照明工作平面，根据高亮部分和阴影部分来检测表面的精细纹理。通常用LED来产生光，但是在某些情况下，用激光二极管(特别是VCSEL)来改善对精细纹理的识别性能。

专利文献2描述了一种指点设备，其包括光学运动检测电路，该电路通过发射红外光并根据从表面反射的光来检测图像之间的相关性，从而确定运动量。运动检测电路(指点设备)把从光学检测器获得的反射光的数字化输出值形成的参考帧与该参考帧之后获得的数字化输出值形成的采样帧进行相关，以检查沿预定方向的运动。

一种当前可买到的已知指点设备例如是专利文献3中描述的运动检测设备。该设备包括光源和导航传感器，所述光源(例如激光二极管)产生相干光。该设备对来自光源的光的反射光进行检测，以确定指点设备(例如鼠标)的运动量。

在由玻璃材料制成的表面上使用时，专利文献2或专利文献3所描述的指点设备可能不能正常工作，或可能误操作。这是由于不能检测到与专利文献2或3中可检测的精细纹理相当的情况，因为玻璃材料具有的表面不规则性微乎其微。此外，玻璃表面的表面粗糙度在几个纳米量级，不仅比入射光的波长小得多，而且比光学检测器中的各个像素也小得多，这也增大了对精细纹理进行检测的难度。

现在将对上述反射光的信号强度进行简单说明。一般地，为了以灰度改变的形式来检测从具有一定表面粗糙度的底板表面反射的光的强度，灰度变化的大小需要大于光的波长，并基本上与检测所用的像素尺寸一样。

由于玻璃材料的表面粗糙度非常小，即在几个纳米，所以难以以高灵敏度对从这样的表面反射的光的强度改变量进行检测。

在镜面反射中，反射光的强度基本上等于入射光的强度，但是在表面的材料为玻璃等的时候会根据表面的反射系数而变化(反射系数取决于光的偏振方向和入射角度)。用R表示反射系数，I_IN表示入射光强度，则反射光的平均强度I_R由下面的等式表示：

I_R＝R×I_IN(等式1)

一般地，从表面发射的散斑光的平均强度I_d由下面的等式表示：

$\mathrm{Id}\≅{(4\mathrm{\π\σ}/\mathrm{\λ})}^2\×I_R$ (等式2)

[专利文献1]日本专利No.3771081

[专利文献2]日本专利公开No.2005-50349

[专利文献3]日本专利公开No.2004-246921

发明内容

[本发明要解决的问题]

需要一种能够在由玻璃等制成的光滑表面上使用的指点设备(例如光学鼠标)。

[解决问题的方式]

本发明提供了一种指点设备，通过使用孔径将来自底板前后表面的反射光叠加在检测器上，该设备即使在具有非常小的表面粗糙度的底板上也能够精确工作。

具体地说，本发明提供了一种指点设备，包括：光源，其提供用于以预定入射角对底板的前表面进行照明的入射光，所述底板既具有所述前表面也具有后表面，并且对所述入射光的波长而言是透明的；

检测器，其对来自所述前表面和所述后表面的散斑光的强度进行检测，所述散斑光是由所述入射光产生的；和

腿，其与所述底板接触，并通过所述腿与所述底板之间的摩擦而使所述底板的所述前表面带有电荷。与使用反射光的方法相比，这样使用散斑光的导航系统具有这样的优点：尽管散斑光的信号水平较小，但其具有对非常小的表面粗糙度进行检测的能力。

术语“散斑光”表示在物体受到光照明时，由物体的前表面或后表面上的不规则性所形成的特定图案所获得的光。

根据本发明的指点设备的一个优选方面还包括具有开口的孔径，散斑光穿过所述开口，所述开口的纵向落在所述入射角的方向上，使得来自所述前表面的所述散斑光与来自所述后表面的所述散斑光在所述检测器上叠加。该指点设备的开口的一个优选方面是沿所述纵向延伸的矩形开口或者槽，所述槽具有沿所述纵向的开口。该指点设备的一个优选方面还包括透镜，所述透镜用于使来自所述光源的所述入射光聚焦或发散。该光源的一个优选方面是激光光源。该激光光源更优选为垂直腔面发射激光器(下文中称为“VCSEL”)。

该指点设备的一个优选方面还在所述孔径与所述底板之间包括光学滤波器或透镜，因为光学滤波器可以阻挡外部杂散光，透镜使得可以从底板获得更多散斑光，从而可以提高S/N比并因而提高检测精度。

[本发明的优点]

根据本发明，由于不仅使用来自底板前表面的反射光，而且使用来自后表面的反射光，所以可以提高信号强度。此外，指点设备的运动造成腿与底板之间的摩擦，使底板带有电荷。因此，空气中的尘埃微粒被吸引到底板，增大了底板的外观表面粗糙度，能够进一步提高信号强度。这样，即使在具有特别小的表面粗糙度的底板上，该指点设备也可以精确地工作，提高了跟踪性能。

此外，根据本发明的指点设备不仅可以用在透明底板上，而且可以用在通常光学鼠标可以工作的底板(例如白板)上。在此情况下，要检测的散斑光主要来自白板的上表面。

附图说明

图1A是示出用于实施本发明的指点设备1结构的剖视图，图1B是示出了图1A中所用孔径5的开口形状的立体图。

图2是示出了用于实施本发明的孔径的开口形状的示意图。

图3是示出了图1所示指点设备1的内部结构、孔径5的位置、以及来自底板6的前后表面的反射光路径的剖视图。

图4A是使用示例中所述CCD对来自底板6前表面的散斑光进行成像所获得的照片；图4B是使用示例中所述CCD对来自底板6后表面的散斑光进行成像所获得的照片；图4C是使用示例中所述CCD对来自底板6的前表面和后表面的散斑光进行成像所获得的照片。

图5A是像图4中一样用CCD对来自底板6前表面并经过方形孔径(对应于传统孔径)的散斑光进行成像所获得的照片；图5B是像图4中一样用CCD对来自底板6后表面并经过方形孔径(对应于传统孔径)的散斑光进行成像所获得的照片；图5C是像图4中一样用CCD对来自底板6的前表面和后表面并经过方形孔径(对应于传统孔径)的散斑光进行成像所获得的照片。

具体实施方式

图1A示出了用于实施本发明的一种指点设备1。指点设备1包括激光光源2、透镜3、光学检测器4、孔径5和腿7，其中，透镜3设在任选位置处并使来自光源2的光聚焦或发散，光学检测器4接收由从光源2以预定入射角向底板6入射的光所获得的散斑光，孔径5具有使来自底板6的反射光部分地经过的开口，腿7与底板6接触并支撑指点设备1。

光源2例如可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。但是，光源2不限于这样的激光光源，而可以是相干光源。从光源2发射的光束不一定要是激光那样的准直光(但是准直光具有沿X轴和Y轴都提供相同跟踪特性的优点)。在使用非准直光的时候，可以使用具有分别沿X和Y轴延伸的开口的十字形孔径(未示出)以及沿十字形孔径的各个纵向设置的激光二极管和光学检测器(未示出)。在此情况下，例如，交替地开启激光二极管以沿X轴和Y轴提供相同的跟踪特性。或者，在这样的构造中，可以同时开启两个激光二极管以提高输入光束的功率并增强散斑信号。

可以用波长在从约500nm至约1μm范围内的光源作为光源2。实际上，会将光学检测器4的波长灵敏度特性等考虑在内来选择适当的波长。较长的波长有利于测量，因为散斑尺寸也较大，但是散斑强度会如上所述降低(见等式2)。因此，优选地，在散斑尺寸方面也选择适当的波长。

一般地，散斑尺寸与被照明表面上的斑点尺寸的倒数成反比，或者，在受到孔径处限制之后，与散斑光的面积成反比。因此，以使斑点位置(焦点)与被照明平面一致的方式调节透镜可以使斑点尺寸最大化。比光学检测器的像素尺寸更大的散斑尺寸不会造成严重的问题，但是比像素尺寸更小的散斑尺寸可能降低S/N。另一方面，在将透镜调整为使得斑点位置(焦点)与被照明平面一致的时候，可以使散斑尺寸最大化，但是可能不利地得不到导航功能。

因此，实际上，可以期望通过用并非完全准直的光代替准直光来改善整个系统(例如指点设备)的功能。使用并非完全准直的光增大了工作平面上的斑点尺寸，因而减小了散斑尺寸。为了减小较小散斑尺寸带来的影响，优选地对孔径尺寸“b”进行优化。

既使用孔径又使用光学滤波器可以消除或减小从玻璃表面下部入射的外部光(例如环境光)带来的影响。

或者，可以用透镜3对来自光源2的照射光束进行任意调节，以使得在照射光束到达底板6时，照射光束的斑点尺寸成为所需尺寸(约0.1mm至约3mm)。

作为光学检测器4，例如可以使用具有以行和列的方式布置的多个光接收元件(像素)的器件(例如CMOS成像器或CCD)。或者，光学检测器4可以是由纵向沿X轴的条状传感器与纵向沿Y轴的条装传感器构成的组合。

腿7由这样的材料制成：该材料通过腿7与底板6之间的摩擦来使底板6的表面带有电荷。在底板6由玻璃制成时，腿7可以是用于使底板6带正电的负侧摩擦电序列材料，例如氟树脂(聚四氟乙烯)、聚醛树脂

硅、聚乙烯和聚氯乙烯(PVC)。随着指点设备1移动，底板6与腿7之间产生摩擦。由此，在由玻璃制成时，底板6被带有正电，使得空气中带有负电的尘埃微粒被吸引并粘附到底板6上。因此，这样可以提高底板6的外在表面粗糙度并因而提高散斑信号的强度。

图1B是示出图1A中所用孔径5的开口形状的立体图。为了使图1B中孔径5的开口纵向清楚，图1A和图1B中都示出了表示方向的字符“X”。如图1A和图1B所示，孔径5以下述方式位于光学检测器4的前方：孔径5的开口的纵向落在从光源2以预定入射角发射的入射光的行进方向上。通过这样设置孔径5，光学检测器4中相同的光接收元件(4)可以既接收到来自底板6前表面(即上表面)的散斑光，又接收到来自其后表面(即下表面)的散斑光。由此，即使底板6的表面粗糙度非常小，也可以获得较大的散斑信号。

图2A和图2B示出了具有上述开口的孔径5。图2A中孔径的开口沿纵向具有长度“a”并沿宽度方向具有长度“b”，开口沿宽度方向的侧面不是直线，而是圆形。图2B中孔径的开口是矩形的，沿纵向具有长度“a”并沿宽度方向具有长度“b”。

使用图2A或图2B中所示的孔径5使得来自底板6前后表面的散斑光可以在光学检测器4的光接收元件(像素)上叠加，从而可以获得具有更高强度的散斑光。

穿过孔径5的开口然后到达光学检测器4的光具有下述形状：该形状反映了孔径5的开口在光学检测器4的光接收元件(像素)上的形状(对于该形状，参见下文将要说明的图4A至图4C)。从对形成光学检测器4的(矩形)像素进行有效利用的角度来看，孔径5的开口形状优选为图2B所示的矩形。

孔径5的开口宽度可以有与光学检测器4的光接收表面大体相等的尺寸。较宽的开口增大了光学检测器4接收到的光量并因而提高了信号强度的S/N比，但减小了散斑大小。因此，在形成光学检测器4的各个光接收元件较大的时候，散斑光的变化在各个像素中受到平均，造成某些情况下S/N比变差。

例如，在图3中，优选地将举例L1设定为3mm至20mm，举例L2设定为2mm至10mm，入射角α设定为30°至70°，孔径宽度设定为1mm，孔径长度设定为2mm至4mm。

还可以在孔径5与底板6之间插入用于阻挡外部杂散光的光学滤波器(未示出)、用于使来自底板的散斑光增强的透镜(未示出)等。在存在环境光的情况下操作指点设备时，光学滤波器是必须的。

根据上述指点设备1，在光学检测器4中的相同光接收元件(像素)上不仅可以检测到来自底板6前表面的散斑光的信号成分，而且可以检测到来自底板6后表面的散斑光的信号成分。因此，光学检测器4所检测到的信号强度可以大体上加倍。在玻璃桌面的情况下，通常只有玻璃的前侧(即上方那侧)受到抛光。这样，玻璃后侧的表面粗糙度通常比前侧的表面粗糙度更大，因此来自玻璃后侧的散斑光的信号可以比来自前表面的信号更高。

下面将简要说明如何确定来自前表面的散斑光与来自后表面的散斑光在光学检测器4上重叠的部分中由光接收元件(像素)获得的信号强度。光学检测器4检测上述散斑光并产生称为“参考帧”的数字化像素输出值。在“参考帧”之后，光学检测器4产生称为“采样帧”的数字化像素输出值。这些输出值被储存在存储器(未示出)中。像素间的灰度变化以及光量将根据这些像素输出来计算。在这样计算出的光量等于或小于固定值时，指点设备被判定为离开了底板6，否则，指点设备被判定为靠近底板6并得到了成功跟踪。在此情况下，计算“参考帧”与“采样帧”之间的相关值，并预计参考帧与采样帧之间的差异量以输出差异量Δx和Δy。

然后，判断“参考帧”是否被替换，并根据需要获得新的参考帧。然后，此过程返回“获得采样帧”的步骤，并重复类似的测量。

在下面的示例中，将对上述指点设备1用在由玻璃材料制成的底板6上的情况进行说明。注意，底板6的材料不限于上述玻璃材料，而可以是其他材料，只要它们对于从光源2发射的光的波长而言是透明的即可。

下面将参考图3对根据本发明的指点设备1的一种示例进行说明。在该示例专用，用具有665nm波长的VCSEL作为指点设备1中的光源2。从光源2发射的光束穿过透镜3以入射角α(约50°)入射到底板6上。用10mm厚的玻璃底板作为底板6。用CCD作为光学检测器4来接收来自底板6的散斑光，该CCD中以矩阵方式布置了1024×768个像素，每个像素是4.6μm×4.6μm的方形。用图2A所示的孔径作为孔径5。孔径的开口沿纵向具有2mm的长度“a”，沿宽度方向具有1mm的长度“b”。指点设备1的腿7由

制成。

从底板6表面至孔径5的举例L1为8mm，从孔径5至光学检测器4的光接收表面的举例L2为4mm。这些举例不限于这些值，也可以选用其他的值。

在图3所示的示例中，尽管光学检测器4布置成与工作平面(底板表面)平行，但是布置光学检测器4的方式不限于这种。例如，可以根据来自工作平面(底板表面)的反射光角度来调节光学检测器4的方向。尽管图3示出的结构中，光学检测器4和孔径5以与工作平面(底板表面)大体垂直的方向布置在该平面上方，但光学检测器4和孔径5的布置方式不限于这种。例如，可以以除了直角之外的预定角度来布置光学检测器4和孔径5。

平均散斑尺寸由f(F数)×λ(波长)表示，在图3所示的设备构造中约为8μm。另一方面，即使在光学检测器的像素尺寸大于该散斑尺寸的情况下，设备也可以工作。但是在此情况下，光学检测器的检测灵敏度(S/N比)可能略有降低。

图4A至图4C示出了在与图3对应的条件下由光学检测器4获得的散斑光的信号强度的图像。注意，为了清楚起见，实际图像中的正负(黑白)点以相反方式显示(即，这些图像中的黑色部分具有更高的光强度)。

图4A示出了在光学检测器4对来自底板6前表面的散斑光进行检测时获得的图像(4a)。在该图中，来自前表面的散斑光对应于由实线包围的区域(40a)。图4B示出了在光学检测器4对来自底板6后表面的散斑光进行检测时获得的图像(4b)。在该图中，来自后表面的散斑光对应于由虚线包围的其余(40b)。图4C示出了来自底板6前表面的散斑光与来自后表面的散斑光叠加的图像。在该图中，来自前表面的散斑光与来自后表面的散斑光叠加的部分对应于由实线和虚线包围的区域(40c)。如图4C所示，通过用孔径5对来自底板6前后表面的散斑光进行叠加，与只检测来自前表面的散斑光的情况相比，光学检测器4的检测灵敏度(S/N比)得到了提高。这样，即使在由玻璃材料等制成的光滑透明底板上，也可以根据来自底板6的散斑光以精确的方式成功地检测指点设备1的运动。

另一方面，图5A至图5C示出了通过与传统孔径对应的方形孔径(1mm乘以1mm)对同一底板6的同一表面部分进行测量所获得的结果。图5A示出了在光学检测器4对来自底板6前表面的散斑光进行检测时获得的图像(5a)。在该图中，来自前表面的散斑光对应于由实线包围的区域(50a)。图5B示出了在光学检测器4对来自底板6后表面的散斑光进行检测时获得的图像(5b)。在该图中，来自后表面的散斑光对应于由虚线包围的区域(50b)。图5C对应于由来自底板6的前后表面的散斑光获得的图像。如图5C所示，可以看到在使用与传统孔径对应的孔径时，来自底板6前表面的散斑光(50a)不与来自后表面的散斑光(50b)叠加。

来自前表面的散斑光与来自后表面的散斑光是否叠加取决于底板6的厚度。但是，考虑到桌子等所用的玻璃底板的厚度通常约为10mm至15mm，在使用上述方形孔径(与传动孔径对应)时，来自前后表面的散斑光不会彼此叠加。因此证明，根据本申请的孔径提供了特别有利的效果。

在上述示例中，已经对使用具有一个开口的孔径5、该开口沿纵向和宽度方向都延伸的情况进行了说明。但是孔径5不限于这种情况。例如，可以使用具有下述开口的孔径：该开口通过沿纵向布置若干个小的圆形或方向开口而形成。

一般地，考虑到通常玻璃底板的厚度(在从10mm到15mm的范围内)，应注意在使用布置在光学检测器前方的针孔状孔径来简单地改善S/N比时，光学检测器中的相同光接收元件不能将来自前后表面的反射光都接收到(即，来自前后表面的反射光不会在这些光接收元件上彼此叠加)。另一方面，可以买到这样的光学鼠标：其具有沿纵向呈细长形的开口(例如椭圆形开口)。但是，这种光学鼠标的开口被设置成将来自底板前表面的更多反射光(倾斜入射到开口上)导向光接收元件，而不是设置为使来自底板前后表面的散斑光(散射光)在光接收元件上叠加。

另一方面，为了测量来自上下表面的散斑光，可以想到用具有较大开口的孔径或不使用孔径本身。在此情况下，尽管可以测量来自这两个表面的散斑光，但由于背景光(例如环境光)而降低了散斑光的对比度。即使在使用光学滤波器(BPF)的情况下也有这样的情况。因此，从改善散斑光的对比度的角度来看，必须有某种孔径。在上述示例中，使用光学滤波器(BPF)和孔径可以防止由于背景光(例如环境光)而使对比度降低。

在上面的说明中，用来实施本发明的指点设备1只是以示例方式说明的。为了实施由权利要求阐述的本发明，应当明白，本领域技术人员容易想到，可以采用多种与上述构造不同的设备构造。

Claims (8)

1.一种指点设备，包括：

光源，其提供用于以预定入射角对底板的前表面进行照明的入射光，所述底板既具有所述前表面也具有后表面，并且对所述入射光的波长而言是透明的；

检测器，其对来自所述前表面和所述后表面的散斑光的强度进行检测，由所述入射光产生所述散斑光；和

腿，其与所述底板接触，并通过所述腿与所述底板之间的摩擦而使所述底板的所述前表面带有电荷。

2.根据权利要求1所述的指点设备，其中，所述腿由氟树脂、聚醛树脂、硅、聚乙烯或聚氯乙烯制成。

3.根据权利要求1或2所述的指点设备，还包括具有开口的孔径，所述散斑光穿过所开口，其中，所述开口的纵向落在所述入射角的方向上，使得来自所述前表面的所述散斑光与来自所述后表面的所述散斑光在所述检测器上叠加。

4.根据权利要求1所述的指点设备，其中，所述开口是沿所述纵向延伸的矩形开口，或者是槽，所述槽具有沿所述纵向的开口。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的指点设备，还包括透镜，所述透镜用于使来自所述光源的所述入射光聚焦或发散。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的指点设备，其中，所述光源是激光光源。

7.根据权利要求6所述的指点设备，其中，所述激光光源是垂直腔面发射激光器。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的指点设备，在所述孔径与所述底板之间还包括光学滤波器或透镜。

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