CN101776956A - 光学位移模块和减小其光学指向装置大小的方法 - Google Patents

光学位移模块和减小其光学指向装置大小的方法 Download PDF

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Abstract

一用于一主机装置的一输入装置的光学位移系统包括：一衬底；一孔径；一光源和一附着到所述衬底的传感器芯片；一将由所述光源发射的光引导到一物件的一表面的照明光学器件。所述传感器芯片被配置以在由所述光源发射的所述光分散/反射于所述物件的所述表面上后接收至少部分所述光。

Description

光学位移模块和减小其光学指向装置大小的方法
本申请为发明名称为“光学位移模块和减小其光学指向装置大小的方法”的原中国发明专利申请的分案申请。原申请的申请号为200510082619.2；原申请的申请日为2001年11月6日；原发明专利申请案的优先权日为2001年8月14日。
技术领域
本发明涉及一种基于光学位移系统的输入装置。
背景技术
光学技术广泛应用于各种消费产品。一个所述产品为一具有光学位移系统的输入装置，如，鼠标。所述光学位移系统或光学模块包括一光学传感器封装、一LED及一透镜。传感器封装包括一上面定义有电子电路的传感器芯片、复数个金属针(pin)及一密封芯片的封装。
所述LED发射分散于外部表面上并由传感器芯片接收的光。所述传感器芯片使用接收的图像来确定鼠标的移动。鼠标的移动对应于由鼠标输入到主机计算机的位移信息。位移信息为由鼠标测量或检测的位移。具有所述光学位移系统的鼠标通常称作光学传感器鼠标或光电鼠标。光电鼠标通常优于具有使用机械球以获得位移信息的机械位移系统的鼠标。一个原因是光学系统通常仅具有固态装置且无可移动部件，如，位移球，其很可能由于堵塞或磨损而发生故障。另一个原因是光学系统可具有比机械系统更紧凑的大小，尤其是使用近来半导体制造技术中的改进。
减小位移系统的大小使得鼠标或输入装置能够具有较小的形状因素，借此设计人员在改变产品的内部结构以满足用户要求方面有更大自由度。另外，较小大小的鼠标便于携带且为许多消费者所需要。因此，尽管光学位移系统与机械位移系统相比已经很小，但是减小其大小仍然很有用。
发明内容
在一实施例中，一用于主机的输入装置包括向主机输入命令的至少一个选择按钮、一外壳及一提供于所述外壳内以向主机提供位移信息的光学位移系统。所述系统包括：一具有上表面与下表面的印刷电路板(PCB)；一提供于PCB的下表面附近的光源，所述光源被配置以沿给定方向发射光，所述发射光的方向定义一光源轴；和一耦接到PCB并被配置以在由光源发射的光分散于物件表面上后接收至少一部分光的传感器封装。传感器芯片接收至少一部分分散光，其中至少一部分分散光沿成像轴行进，所述成像轴由成像光学器件和传感器芯片定义。光源轴与成像轴并不彼此正交。
在一实施例中，用于主机装置的输入装置的光学位移系统包括：一耦接到主印刷电路板(PCB)并被配置以沿光源轴发射光的光源；一将由光源发射的光引导到物件表面的透镜布置；一结合到衬底并被配置以在由光源发射的光分散/反射于物件表面上后接收至少一部分光的传感器封装；和一附着到输入装置的外壳的底部部分并向上延伸以夹紧传感器封装来确保透镜传感器组套在一固定位置的第一夹具，所述组套包含透镜布置和传感器封装。至少一部分光沿成像轴行进，使得所述传感器封装可接收至少一部分光。
在另一个实施例中，用于主机装置的输入装置的光学位移系统包括：一衬底；一孔径；一光源和一附着到衬底的传感器芯片；一将由光源发射的光引导到物件表面的照明光学器件。所述传感器芯片被配置以在由光源发射的光分散/反射于物件表面上后接收至少一部分光。
附图说明
图1说明一具有光学位移系统的鼠标。
图2说明一光学位移系统的分解图。
图3说明一光学位移系统的横截面图。
图4A说明一根据本发明的一实施例的光学位移系统的示意性配置。
图4B说明一具有塑料托架以将透镜和传感器封装固持于底壳的光学系统。
图4C-4G说明根据本发明的各种实施例具有将传感器封装、透镜和底壳固持在一起的夹具或卡钉的光学系统。
图5A说明一根据本发明的一实施例具有提供于PCB之下的光源的光学位移系统。
图5B说明一向下倾斜以提供不与成像轴正交的光源轴的光源，其中根据本发明的一实施例所述光源轴与照明轴对准。
图5C说明一具有可旋转约180度以在系统的右侧提供额外空间的传感器封装的光学系统，其中根据本发明的一实施例光源轴与照明轴对准。
图6说明一根据本发明的一实施例具有指向下方的光源的光学位移系统。
图7A、7B和7C说明一根据本发明的一实施例具有放置于传感器封装之下的光源的光学位移系统。
图7D说明根据本发明的一实施例的一光学系统和与系统相关的光学轴。
图8说明一具有包括光源的传感器封装的光学位移系统或模块，其中光源根据本发明的一实施例以伸缩电缆连接到主PCB。
具体实施方式
本发明涉及具有被配置以确定位置变化或位移的光学系统的输入装置。因此，本输入装置一般称作光学位移系统。然而，尽管本文所描述的实施例涉及确定输入装置的位移而不是其实际位置，但其也可称作光学定位系统。本发明的特定实施例仅为说明的目的而展现。所属领域的技术人员将认识到可以许多不同方式实施本发明，包括通过修改或改变本文揭示的特定实施例。
图1说明具有光学位移系统的鼠标100。所述鼠标为示范性输入装置。所述鼠标用于向主机(如，计算机)输入命令。所述输入命令通过根据鼠标相对于与桌子、衬垫或其它表面相关的给定点或区域的移动来提供位移信息而进入。位移信息用于将光标放置在主机的显示区域的所要位置上。一旦完成此放置，可通过按压或触碰按钮中的一个(如，鼠标的左按钮102或右按钮104)而选择所要的动作。
图2说明光学位移系统200的分解图。鼠标的底座或底壳202具有开口203以通过其发射光。所述光分散于鼠标所放置的桌子或物件的表面上。同时一些光也从表面反射。位移系统200接收并处理此分散/反射光(形成表面图像)以获得鼠标的位移信息。
位移系统200包括透镜布置204、在透镜之上的印刷电路板(PCB)206、接合到PCB的上表面的光学传感器封装208、接合到PCB的上表面的发光二极管(LED)210、和固持传感器封装与LED的夹具212。如本文所用，术语“光源”、“LED”和“激光器”可互换使用。LED或光源可为可见光、红外线、激光、VCSEL等。如所属领域的技术人员众所周知，透镜布置一般包括成像透镜和照明光学器件。然而，透镜布置可仅指成像透镜或照明光学器件。
图3说明光学位移系统300的横截面图。所述系统包括鼠标的底壳302、透镜布置304、PCB 306、传感器封装308、LED 310和托架312。鼠标放置在物件(如，桌子或书桌)的表面320上。LED和传感器封装都放置在PCB的上侧。由LED 310发射的光最初垂直于成像轴330行进。也就是说，所述光具有与成像轴正交的光源轴340或沿其行进。如本文所用，光源轴为由LED发射的光的方向。成像轴为由传感器芯片的光学轴定义的方向。
LED发射的光在接触表面320前被折射或反射至少两次(如果算上与进入并退出透镜相关的折射就是四次)。光经由底壳的开口314接触表面。接着光分散/反射于所述表面上，使得部分分散/反射光被引导到传感器芯片。也就是说，分散/反射光沿成像轴行进以进入传感器芯片。成像轴与表面正交。传感器芯片经由成像透镜处理从分散/反射光获得的表面的图像，以确定位移信息，如移动的方向和幅度。
由传感器封装和LED定义的横向距离350为约32mm(或约1.28英寸)。尽管此为一相对较小的尺寸，但是仍需要更进一步减小横向距离以使光学系统更小。
图4说明根据本发明的一实施例的光学位移系统400的示意性配置。所述系统包括底壳404、透镜布置406、传感器封装408和光源或LED 410。光源提供于极接近于传感器封装处以减小系统的大小。光源可为LED、激光器或发射光(包括可见光和红外线)的其它装置。透镜布置可包括成像透镜或与传感器封装和照明透镜对接的组件(未图式)或与光源对接的组件(未图式)。在一实施中，PCB 412提供于传感器封装和光源之上。系统400被放置在桌子或物件上以提供具有跟踪表面的鼠标。
图4B说明具有放置在传感器封装424和透镜布置426顶部上的塑料托架422的光学系统420。复数个螺杆428被旋入到托架中以将这个透镜传感器组套按压在适当位置。孔径425定义在透镜布置426之上。
图4C说明根据本发明的一实施例的光学系统430。透镜传感器组套432通过使用两组夹具436和438固持于底壳434。第一组436(透镜的部分)向上延伸以夹紧传感器封装。第二组438(底壳434的部分)向上延伸以夹紧透镜(第一与第二组中的每个都可包含一个或一个以上的挂钩)。孔径435定义在透镜之上。为说明简单，并未展示关于传感器芯片的孔径435的正视图。相同描述适用于下文图4D-4G。
图4D说明具有以一组夹具446(底壳的部分)附着到底壳444的透镜442的光学系统400。由弹簧钢丝或冲压钣金制成的卡钉448将传感器封装449固持于透镜442。孔径445定义于透镜之上。
图4E说明具有带有两组夹具453和454的透镜452的光学系统450。第一组453闭锁于底壳457的挂钩456上。第二组454夹紧于传感器封装458上。孔径455定义于透镜之上。
图4F说明具有透镜传感器组套462的光学系统460，其中所述透镜传感器组套462通过从底壳466向上延伸的单组夹具464固持在适当位置。孔径465定义在透镜之上。
图4G说明具有透镜传感器组套472的光学系统470，其中所述透镜传感器组套472通过使用卡钉474固持在适当位置。卡钉474又附着到底壳478的部分476。孔径475定义在透镜之上。
与常规配置相比较，因为图4C-4G的光学系统配置不需要螺杆且要求较少组件，所以使得系统能够较快组装。又，如系统460和470的一些系统提供更紧凑的设计。
图5A说明根据本发明的一实施例具有提供于PCB之下的LED(或光源)的光学位移系统500。系统500包括提供于主PCB 506下面的透镜布置502和LED 504。透镜布置提供用于成像表面且以一给定角度照明所述表面的光学器件。在一实施例中，传感器封装提供于一衬底上(不是PCB)，即，数字506代表衬底，但不是PCB。
如本文所用，术语“衬底”可为承载、固持或支撑组件的任何材料，如，半导体芯片。因此，衬底包括具有已焊接到PCB的一个或一个以上电子组件的PCB。衬底也可为塑料或可为可以各种方式(如，通过焊接、胶合或超声波焊接)附着组件(如，传感器封装)的其它材料体。
传感器封装可为以不透明塑料过压成型的引线框架制成的Dual In Line(DIL)封装。传感器芯片装配在凹腔中，并接合到各种引线框架连接件且由透明涂层保护。传感器封装也可为SMD型，其中封装的电连接件接触处于PCB上并且要求无孔焊接的铜焊垫；或可为DEL或SMD，其中传感器芯片安装于引线框架上且被接合，接着以透明塑料过压成型；或可为用于传感器芯片连接的小载体(下侧安装有传感器芯片的PCB或陶瓷衬底)结块连接件和接触件；或其它类型。
传感器封装可以各种不同方式(如，以模制封装)提供于PCB上，如芯片可直接安装于PCB上(如，板上芯片)，或经由小载体(陶瓷衬底、迷你PCB或其它)。在某些实施例中，传感器封装可通过使传感器封装的金属针或引线向上而不是向下延伸而提供于PCB之下。传感器封装包括孔径(未图式)以经由透镜接收分散/反射光。为了达到这个目的，成像光学器件(未明确展示)与封装的孔径对准。次衬底或PCB 510结合到LED 504以向用于发射光的LED提供能量。系统500相对于桌子512而放置于一给定高度处。系统500还包括将上文组件固持在适当位置的挂钩或夹具(见图4C-4G)。
由LED反射的光具有相对于桌子512的表面定义一锐角的光源轴513，该锐角一般为10-45度(优选为15-25度)。光源轴由LED定义，如，LED发射的光的平均方向。在此系统中，照明轴大体上与光源轴对准。因此，光不需要朝向表面反射，这与光被反射两次从而被引导到表面的系统300不同。因此，由于本光学系统500中较简单的光路径和使用较少的光学表面，所以系统500中的光损耗少于系统300的光损耗。
沿光源轴513发射的光沿照明轴514退出照明光学器件并接触桌子512的表面。一接触，光就分散并反射于桌子上。一部分分散光沿成像轴516进入传感器封装的孔径。如由传感器封装的传感器芯片的成像光学器件所定义的成像轴516大体上与桌子的表面和由孔径所定义的平面正交。因此，与系统300不同，光源轴与成像轴彼此不正交。另外，因为LED 504结合到次PCB且被放置于主PCB之下，所以系统500可小于光学系统300，如小于约20mm。
如本文所用，术语“折射”、“反射”、“分散”用于指改变光路径。尽管这些术语在光学上的含义略有不同，但是在本文中可互换使用(尤其在权利要求书中)，除非另有明确指示。如本文所用，术语“引导”具有广泛定义来表示可由任何材料(如，透镜、镜子、或不透明物件)以任何方式改变光的路径，且包括上文所有三个术语的含义。类似地，本文还使用术语“弯曲”来表示以任何方式改变光路径。
图5B和5C说明在图2的系统200上改进的光学系统。图5B说明了向下倾斜以提供不与成像轴536正交的光源轴的光源。然而，由于传感器封装540和透镜542的布置/配置，所以系统530具有未使用的空间541。
图5C说明可旋转约180度以在根据本发明的一实施例的系统的右侧上提供额外空间的传感器封装552的光学系统550。通过使传感器封装围绕成像轴旋转180度并通过靠近LED 556提供边缘554，空间558被释放以用于其它使用。另一方面，提供远离LED的传感器封装孔径555。这个配置可通过移除LED夹具的一部分560且还可通过重新设计透镜以具有较低高度562来实现，使得传感器封装可旋转180度且可几乎完全提供于透镜之上。因此，透镜组合要求最小的覆盖区(footprint)。
图6说明根据本发明的一实施例具有垂直指向下方的LED或光源的光学位移系统600。系统包括底壳602、放置于底壳上的透镜布置604、提供于透镜布置604之上的衬底(如，PCB)606、和安装于PCB 606上的LED 608和安装于PCB上的传感器封装610。LED和传感器封装极接近于彼此而放置。LED 608发射光垂直向下穿过由PCB定义的孔。对应于发射光的路径的光源轴大体上与桌子614的表面正交。所述LED为表面安装装置(SMD)LED。
透镜布置604包括采集由LED发射的光并将其引导(经由折射、反射或衍射)到桌子的表面的照明组件616。光经由照明轴(未图式)接触表面。接着光从表面分散/反射并进入透镜布置604的成像光学组件618。传感器芯片的成像光学器件的光学轴定义成像轴613。光源轴612和成像轴613大体上彼此平行。
在本实施例中，由LED发射的光在接触表面前仅弯曲一次，而不是如在系统300中至少弯曲两次。因此，LED和传感器封装可较紧密的放置在一起。另外，由于系统600的较简单的光路径和使用较少的光学表面，所以其减少了光损耗。
图7A说明了根据本发明的一实施例具有放置于传感器封装之下的LED或光源的光学位移系统700。所述系统包括鼠标(如，鼠标100)的底壳702，提供于底壳702之上的透镜布置704、安装于衬底(如，PCB)708下侧上的LED 706，和安装于PCB 708顶部上的传感器封装710。LED 706直接提供于传感器封装之下以减小光学系统的大小。LED垂直朝向桌子712的表面发射光。接着光被引导到桌子，使得光可以照明角度接触桌子。光从表面分散/反射且由传感器芯片接收以处理表面图像来获得位移信息。传感器芯片的成像光学器件的光学轴定义成像轴714。在一实施中，成像轴714与光源轴彼此平行。在其它实施中，这些轴不平行。
图7B说明了对应于系统700的光学系统或模块700′。图7C说明了系统700′的分解图。底壳702′包括第一孔径701以暴露物件的表面。透镜布置704′提供于底壳上。衬底(如，PCB)708′包括使分散/反射光能借助于成像透镜和孔径行进穿过PCB到传感器封装710′的开口707。传感器封装包括对准于PCB开口以接收分散/反射光的传感器孔径709。PCB 708′还包括被配置以在其中定位光源706′(如，LED)的定位孔711。光源发射光向下穿过孔711到物件表面。
图7D说明根据本发明的一实施例的光学系统750和与系统750相关的各种光学轴。系统750对应于系统700和700′。如图7D中所示，光源轴由LED垂直指下方而定义。沿此轴行进的光被弯曲以定义照明轴。接着，沿照明轴被弯曲或行进的光接触表面。结果，根据表的面不同，光被分散或被反射，或者既被分散又被反射。至少一部分分散/反射光由传感器芯片经由其孔径沿成像轴被接收。在本实施例中，成像轴正交于表面且平行于光源轴。
图8说明了根据本发明的一实施例具有放置于PCB下面的传感器封装和光源(如，LED)的光学位移系统800。系统800包括鼠标的底壳802、提供于底壳802之上的透镜布置804、提供于PCB 807之下的光源806和提供于PCB 807之下的传感器封装810。在本实施例中，PCB 807为通过柔性扁平电缆连接到主PCB(简单导线连接也可以)的次PCB或衬底。在此配置中，主PCB可位于鼠标内的任何地方。或者，PCB 807可为鼠标的主PCB。
透镜布置804包括照明光学器件804A和成像透镜804B。光源、传感器封装、透镜布置和PCB共同定义一模块。所述模块还可包括夹具(未图式)以将这些组件固持在适当位置。模块通过使用柔性电连接件812连接到鼠标的其余部分。在本实施例中，光源和传感器封装被提供于储存用于光源和传感器芯片的半导体晶粒的单个封装装置814上。
包含传感器晶粒、光源、衬底、盖子(机械参考和孔径)和电连接件(未图示)的传感器封装子组合可通过使用图4C和4E中说明的任何夹具而附着到透镜。或者，如图4D所说明，子组合可通过独立夹具或卡钉而附着到透镜。在上面的两种配置中，透镜通过从底壳向上延伸的夹具而被附着到底壳(见图4C-4G)。或者，子组合、透镜和底壳可以单个夹具或卡钉被固持在一起(图4F和4G)。可使用其它附着，如，胶合、超声波焊接等。
在本实施例中，在PCB 807之下，传感器芯片和LED彼此极接近地放置。在本实施中，所述LED为表面安装装置(SMD)。或者，LED可呈芯片形式。光源轴和成像轴彼此平行。
如先前所论述，已根据仅用于说明性目的的特定实施例描述了本发明。因此，本发明的范围应根据所附的权利要求书来阐释。

Claims (12)

1.一种用光学输入装置中以测量所述光学输入装置相对于一表面的位移的模块，所述模块包括：
衬底；
光源，其耦合到所述衬底，且经配置以发射沿光源轴行进的光；
传感器芯片，其耦合到所述衬底，且经配置以在由所述光源发射的所述光分散于所述表面后接收至少部分所述光，由所述传感器芯片接收的所述至少部分所述光沿成像轴行进；以及
用于所述模块的盖子，所述盖子包括：
第一孔径，其允许来自所述光源的所述光行进到所述表面，其中所述模块外部的透镜布置将由所述光源发射的所述光引导到所述表面，以及
第二孔径，其允许分散于所述表面的所述光行进到所述传感器芯片。
2.根据权利要求1所述的模块，其中所述光源是激光。
3.根据权利要求1所述的模块，其中所述光源是发光二极管(LED)。
4.根据权利要求3所述的模块，其中所述LED是预先封装的。
5.根据权利要求1所述的模块，其中所述光源轴和所述成像轴彼此互相平行。
6.根据权利要求1所述的模块，其中所述模块能安置在所述光学输入装置的外壳的底部部分上。
7.根据权利要求1所述的模块，其中所述模块能安置在所述透镜布置上，其附着到所述光学输入装置的外壳的底部部分。
8.根据权利要求1所述的模块，其中所述透镜布置引导所述分散的光到所述传感器芯片。
9.根据权利要求1所述的模块，其中所述模块能连接到所述光学输入装置中的印刷电路板(PCB)。
10.根据权利要求9所述的模块，其中所述模块使用柔性扁平电缆连接到所述PCB。
11.根据权利要求1所述的模块，其中所述衬底是PCB。
12.根据权利要求3所述的模块，其中所述LED是使用芯片直接贴装技术(chip-on-boarded)的。
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