CN101930323B - 具有光导膜的光学指纹导航装置 - Google Patents

具有光导膜的光学指纹导航装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了具有光导膜的光学指纹导航装置。光学手指导航装置的实施例包括具有手指界面表面的光导膜(LGF)、与LGF光学地连通以将光从光源提供到手指界面表面的光源、传感器以及导航引擎。LGF的至少一部分表现出全内反射(TIR)。传感器检测来自LGF的、响应于手指与手指界面表面之间的接触的光，其中手指与手指界面表面之间的接触更改光离开LGF到达传感器的反射。响应于手指与手指界面表面之间的接触，在传感器的至少一部分处改变由传感器探测的光。导航引擎构造为响应于所检测到的光来生成表明手指相对于传感器的横向移动的横向移动信息。

Description

具有光导膜的光学指纹导航装置
技术领域
本发明涉及具有光导膜的光学指纹导航装置。
背景技术
光学导航装置使用光源来照射导航表面，使得光学成像器可以生成用于计算动作的数字图像。例如，光学成像器可以对表面上的手指成像并且基于连续图像的比较来生成导航信号。然而，随着传统导航装置的尺寸减小，成像器的用于探测光学导航输入的实体空间也减小了。
一些传统的光学导航装置封装具有约2.5mm的厚度(或光学高度)。光学高度指的是从光学手指界面表面到相应的传感器之间的距离。光学高度也称为光学轨迹。2.5mm的光学轨迹(或高度)被认为对于手持设备的一些实施例(诸如手机和小型便携个人计算机(PC)外围设备)来说太厚了。
许多光学导航设备使用称作光导的分立式元件来将光从光源引导到导航表面。来自光源的光传播通过光导，直到其与光导的边界相交。当光与光导的边界相交时，其部分地离开光导并且部分地在光导内反射，或者完全从光导的边界反射回来并在光导内沿着新的方向传播。这种类型的反射被称作“全内反射”(TIR)，并且取决于光相对于边界的入射角以及光导和光导外侧的材料的折射率。光导通常是模制的透明塑料件，并且光导元件的厚度直接地增加到光导航装置的整体厚度上。
发明内容
描述了手指导航装置的实施例。在一个实施例中，手指导航装置包括光导膜(LGF)、光源、传感器和导航引擎。LGF包括手指界面表面，并且LGF的至少一部分表现出全内反射(TIR)。光源与LGF光学连通，以将光从光源提供到手指界面表面。传感器构造为响应于手指与手指界面表面之间的接触而检测来自LGF和其他来源的光。由于小的几何形状或者外部条件，可能没有来自其他源的光。手指与手指界面表面之间的接触更改光离开LGF到达传感器的反射。响应于手指与手指界面表面之间的接触，在传感器的至少一部分处改变由传感器探测的光。导航引擎构造为响应于对于所检测到的光的更改来产生横向移动信息，该横向移动信息表明手指相对于传感器的横向移动。也描述了手指导航装置的其他实施例。
也描述了方法的实施例。在一个实施例中，该方法是用于制造手指导航装置的方法。该方法包括在光导膜(LGF)的手指界面表面上形成多个非平面元件，将LGF耦合到传感器以及将光源耦合成与LGF光学连通。所述非平面元件至少部分地突出到LGF的基本平面状的主要表面之外。所述LGF的至少一部分表现出全内反射(TIR)。传感器构造为响应于手指与手指界面表面之间的接触和运动而检测来自LGF的光的图案变化。手指与手指界面表面之间的接触更改TIR，以允许来自LGF的光的一部分在手指界面表面的至少一部分上从LGF离开并与手指响应功能相互作用。至少一部分光离开LGF、与手指相互作用并且更改到达传感器的光的图案。光源将光经由LGF提供到手指界面表面。也描述了该方法的其他实施例。
也描述了系统的实施例。在一个实施例中，系统是具有光学手指导航能力的便携式电子系统。系统包括具有导航标识符的显示器、具有手指界面表面的光导膜(LGF)、与LGF光学连通的光源以及光学手指导航装置。LGF的至少一部分表现出全内反射(TIR)。光源将光经由LGF提供到手指界面表面。光学手指导航装置构造为基于与手指与所述手指界面表面之间的接触相对应的所检测的光图案中的变化来产生导航信号而移动所述导航标识符。手指与手指界面表面之间的接触更改光离开LGF到达传感器的反射，从而在传感器的至少一部分上改变由传感器检测到的光。也描述了该系统的其他实施例。
根据以下详细描述并结合附图，本发明的其他方面和优点将会变得更加明显，其中附图通过示例的方式图示了本发明的原理。
附图说明
图1描绘了具有光学手指导航装置的形式的用户输入装置的一个实施例的立体图。
图2A描绘了图1的光学手指导航装置的一个实施例的截面图。
图2B描绘了在手指相对于光导(LGF)定位以更改LGF的全内反射的状态下图1的光学手指导航装置的一个实施例的截面图。
图3A描绘了在指纹峰和指纹谷相对于LGF定位以更改LGF的全内反射的状态下，图1的光学手指导航装置的一个实施例的截面图。
图3B是在指纹峰和指纹谷相对于LGF定位在另一个位置以更改LGF的全内反射的状态下，图1的光学手指导航装置的一个实施例的另一个截面图。
图4A描绘了图1的光学手指导航装置的另一个实施例的截面图，其包括在LGF的主表面上的非平面元件。
图4B描绘了关于手指的指纹峰和指纹谷的图4A的截面图。
图5描绘了包括不规则的非平面元件的图1的光学手指导航装置的另一个实施例的截面图。
图6描绘了包括密封剂的图1的光学手指导航装置的另一个实施例的截面图。
图7描绘了具有光学手指导航的便携式电子系统的一个实施例的框图。
图8是描绘了用于使用LGF的光学手指导航的方法的一个实施例的流程图。
图9是描绘了用于制作使用LGF的光学手指导航装置的方法的一个实施例的流程图。
在整个说明书中，相似的附图标记可以用于表明相似的元件。
具体实施方式
在一些实施例中将膜用作光导。光导膜(LGF)比传统的光导更薄，并且因此可以使用LGF来制造更薄的光学手指导航装置。此外，在一些实施例中，LGF包括非平面型元件，该元件增强来自LGF的散射光。非平面型元件与手指相互作用，以更改光的散射。非平面元件的几何形状增加离开LGF的光量；因此，由传感器探测的图像更强并且更容易探测。因此，可以减小馈送到LGF的光的量并且可以节省电池电力。传感器探测经过更改的光的散射。
图1以光学手指导航装置100的形式描绘了用户输入装置的一个实施例的立体图。光学手指导航装置100包括光导膜(LGF)102、一个或多个光源104和传感器106。虽然以特定组件和功能示出并描述了光学手指导航装置100，但是可以以更少或更多的组件来实施其他实施例，以有助于更多或更少的功能。
在一些实施例中，LGF 102由光透射性材料膜构成。在特定实施例中，LGF 102是柔性的，并且在被安装到电子装置中时可以弯曲，以有助于在机械方面将组件设置在可用的空间位置。LGF 102可以被弯曲并且仍然由于光源104产生的光的全内反射(TIR)而保持期望的光学特性。在其它实施例中，LGF 102基本是平面的。即使LGF 102可以具有弯曲的几何形状，对于LGF 102内的光的TIR来说，LGF 102的光学特性仍然与平面几何形状类似。在一些实施例中，LGF 102可以具有抛光的表面以进一步促进TIR。此外，可以将反射涂层涂布在LGF 102的表面上。
在一些实施例中，LGF 102通常比传统的光导薄得多。传统的光导通常具有数毫米量级的厚度。在传统的厚光导中，光线在光离开厚光导之前经受最小的从界面反射次数。相反，在薄膜型光导中，存在大量的从界面的内部反射。因此，显著地增加了与接触的手指的相互作用。在一个实施例中，LGF 102的厚度在约30到约100微米之间。
在特定实施例中，使用薄膜塑料制造技术(诸如沉积、铸膜挤压成型或者印花)来形成LGF 102，其产生比使用用于形成传统光导的技术(诸如注射成型)制造的产品更薄的产品。因为LGF 102比传统光导薄得多并且提供有效的、高亮度的面照明，所以减小了光学手指导航装置100的整体厚度。
LGF 102包括主表面112。在图示实施例中，主表面112是LGF 102的上表面。如图所示，主表面112包括基本平面状的部分。主表面112也可以包括LGF 102的弯曲部分的上表面。
LGF 102也包括手指界面表面114。更具体地，主表面112的一部分被指定为手指界面表面114。手指界面表面114大致是主表面112的、由手指(未示出)与LGF 102接触的那部分。在一些实施例中，手指界面表面114是圆形的。可选择地，手指界面表面114是非圆形的。
手指界面表面114有助于用户接触LGF 102。例如用户的手指与手指界面表面114的接触使得在其他情况下将会通过TIR而反射的光在手指与LGF 102接触的位置处至少部分地离开光导。一些离开LGF的光由手指反射并且被引导回传感器106。传感器106探测由于这种光反射所引起的光强变化。在一些实施例中，非平面元件(未示出)通过增加在手指界面表面114处离开LGF 102的光量来增强从手指散射的光的量。结合图4A、图4B和图5来更详细地描述非平面型元件。因为可以监视手指接触并且可以计算手指运动，所以与手指界面表面114相接触的手指有助于LGF102处的用户输入。
图2A描绘了图1的光学手指导航装置100的一个实施例的截面图。光学手指导航装置100包括LGF 102、光源104、传感器106和一个或多个隔离件206。LGF 102包括主表面112。光源104将光引导到LGF 102中。LGF 102通过由光的入射角和LGF 102的边界两侧的材料的相对折射率而决定的TIR来内部地反射光。也描绘出了低角度光线202和高角度光线204。在本文件中关于光的角度使用的“低”和“高”指的是光线与LGF 102的表面的角，而不是与LGF 102的法线的角。
在一些实施例中，低角度光线202在其与LGF 102与外界环境之间的界面相遇时，被全反射。然而，高角度光线204可以在LGF 102与外界环境之间的边界处从LGF 102离开。可以由探测器106来探测高角度光线204和/或与手指互相作用。
在一个实施例中，隔离件206位于LGF 102与传感器106之间。隔离件102将传感器106保持为离开LGF 102固定距离。通过保持传感器106与LGF 102之间的间距，隔离件产生间隙208。间隙208可以容纳有在周围环境中存在的流体(诸如空气)或者容纳有独立的流体(诸如惰性气体)。在一些环境中，间隙208维持真空或者相对低密度的流体。在特定实施例中，隔离件206是一个或多个球形元件。
图2B描绘了在手指210相对于LGF 102定位以更改LGF 102的TIR的状态下，图1的光学手指导航装置100的一个实施例的截面图。在图示实施例中，手指210与LGF 102的手指界面表面114实体地接触，并且更改在LGF 102内反射的光的TIR。手指210与LGF 102之间的实体接触更改TIR并将光至少部分地散射到LGF 102之外。由于折射率从LGF 102到周围环境改变为LGF 102到手指而引起的表面功能的改变导致由成像器探测到的光学功能(散射和吸收)的改变。在一些实施例中，手指210的折射率比空气的折射率相对地更接近LGF 102的折射率。因此，将会从LGF-环境边界全内反射的低角度光线202改为由手指210至少部分地散射，从而改变由传感器106探测到的光图案。此外，在手指210不存在时将会沿着远离传感器106的方向离开到环境中的高角度光线204可以由手指朝向传感器106反射，而改变由传感器106探测到的光图案。在特定实施例中，光从手指210反射并且到达在其他情况下将不会到达的传感器106。从手指210反射到传感器106的光改变了由传感器106探测到的光图案。
图3A到图5描绘了图1的光学手指导航装置100的实施例的截面的放大图。图3A描绘了在指纹峰302和指纹谷304相对于LGF 102定位以更改LGF 102的TIR的状态下，图1的光学手指导航装置100的一个实施例的截面图。手指210包括多个指纹峰302。在指纹峰302之间是指纹谷304。在特定实施例中，当手指210与手指界面表面114接触时，指纹峰302与手指界面表面114直接接触，而在指纹谷304处留下小的空气袋306。
如上所述，TIR取决于相对折射率和入射角。在一个实施例中，如果指纹峰302与手指界面表面114在高角度光线204与手指界面表面114相遇的位置处相接触，高角度光线204可以至少部分地由指纹峰302反射。因此，通过与指纹峰302相接触来更改由传感器106探测到的图像。
如果低角度光线202与指纹界面表面在指纹峰302所在的位置处相遇，那么在不存在手指的情况下将会在手指界面表面114处被全内反射的低角度光线202可以被散射。来自低角度光线202的散射光可以朝向传感器106散射，并且更改由传感器106探测到的图像。
图3B是在指纹峰302和指纹谷304相对于LGF 102定位在另一个位置以更改LGF 102的TIR的状态下，图1的光学手指导航装置100的一个实施例的另一个截面图。在图示实施例中，高角度光线204在指纹谷304位于指纹界面表面114上方的位置处与手指界面表面114相交。因此，高角度光线204可以至少部分地从LGF 102离开。类似地，低角度光线202在指纹谷304位于指纹界面表面114上方的位置处与手指界面表面114相交。因此，低角度光线202在手指界面表面114处表现出TIR。指纹位置的改变导致光线202、204的总体的TIR图案改变。通过传感器106探测图案的改变。
在一些实施例中，随着手指210在手指界面表面114上方移动，可以改变在手指界面表面114处高角度光线204的反射的类型以及量并且可以改变低角度光线202散射。当手指210定位为使得指纹峰302位于高角度光线204与手指界面表面的交叉点时(如图3A所示)，高角度光线204至少部分地由指纹峰302散射。类似地，当手指210定位为使得指纹峰302位于低角度光线202与手指界面表面的交叉点时(如图3A所示)，低角度光线202至少部分地由指纹峰302散射。当手指210定位为使得指纹谷304位于高角度光线204与手指界面表面的交点时(如图3B所示)，高角度光线204可以至少部分地从LGF 102漏出。当手指210定位为使得指纹谷304位于低角度光线202与手指界面表面的交点时(如图3B所示)，低角度光线202表现出TIR。随着手指210位置改变，由于有更多或更少的高角度光线204和低角度光线202到达传感器106，传感器106检测到这种改变。
图4A描绘了图1的光学手指导航装置100的另一个实施例的截面图，其包括在LGF 102的主表面112上的非平面元件402。在一个实施例中，非平面元件402与主表面112不共面。在一个实施例中，非平面元件402在手指界面表面114上均匀地分布。在替换实施例中，非平面元件402在手指界面表面114上不均匀地分布。在特定实施例中，非平面元件402至少部分地突出到主表面112之外。在一个实施例中，非平面元件402包括手指界面表面114上的凸块。在替换实施例中，非平面元件402是凹陷部。非平面元件对于LGF 102内的光线导致不同的入射角。这些不同的入射角导致在其他情况下将会被全内反射的光线被散射。
非平面元件402调节LGF 102的TIR并且使得来自光源104的光散射。在一个实施例中，非平面元件402使得来自光源104的光散射，从而将至少部分光引导到传感器106中。在一些实施例中，非平面元件402使得来自光源104的光散射，从而将至少部分光引导得远离传感器106。例如，在本该由主表面112全内反射的低角度光线406照射到非平面元件402时，该光线可以至少部分地沿着远离传感器106的方向离开LGF102。通过非平面元件402而散射离开传感器106的光也可以用于对手指界面表面114进行照明。通过非平面元件402而散射离开传感器106的光也可以与手指210相互作用并且反射回传感器106。由非平面元件402引起的这些相互作用的效果是增大由传感器106探测到的信号。
在一个实施例中，传感器106从被引导到传感器106中的光产生图像。由非平面元件402朝向传感器106散射的光表现为由传感器106生成的静态图像。在特定实施例中，对于由传感器106生成的图像的变化被解释为手指210在手指界面表面114上的移动。
非平面元件402的作用是相对于不具有非平面元件的平面型TIR波导来提高传感器106上方的手指峰和谷的吸收和散射的亮度和复杂度。这种亮度的增加增强了探测运动的能力。非平面元件具有从高到低的折射率变化(例如，从LGF到空气)。在一个实施例中，可以将气泡或纳米球引入具有高折射率变化的LGF膜的区域114中，来作为增加局部静态散射的另一种方式。然而，在一些实施例中凸块是优选的，因为凸块响应于手指而产生的变化最大。
图4B描绘了关于手指的指纹峰302和指纹谷304的图4A的截面图。在特定实施例中，当手指210接触手指界面表面114时，指纹峰302与一个或多个非平面元件402直接接触，而在指纹谷304处留下小的空气袋。与非平面元件402相接触的指纹峰302更改了LGF 102内的光的内反射。例如，当空气与非平面元件402如图4A的情况那样相邻时，照射到非平面元件402的高角度光线404被全内反射。而如果指纹峰302与非平面元件402如图4B的情况那样相邻，高角度光线404至少部分地离开LGF102。这种内反射的改变至少部分地由空气与指纹峰302之间的折射率差引起。特定光线的内反射的改变更改了进入传感器106的光。因此，由传感器106生成的图像也改变。在一个实施例中，光学手指导航装置100将所生成的图像的改变解释为手指210穿过手指界面表面114的运动。
图5描绘了包括棱镜形状或不规则的非平面元件502的图1的光学手指导航装置100的另一个实施例的截面图。不规则的非平面元件502可以采用任何形状。在一些实施例中，不规则的非平面元件502可以表现为随机的形状。例如，不规则的非平面元件502可以是形成在手指界面表面114上的任意纹理。不规则的非平面元件502可以在手指界面表面114上均匀地分布。在另一个实施例中，不规则的非平面元件502不在手指界面表面114上均匀地分布。在一些实施例中，不规则的非平面元件502可以由环境元素构成，诸如手指界面表面114的表面上灰尘或者的油。
不规则的非平面元件502更改LGF 102内的光的内反射。在一些实施例中，不规则的非平面元件502将至少一部分光散射到LGF 102之外。通过传感器106检测朝向传感器106散射的光。散射得远离传感器106的光可以照射手指界面表面114并且可以与手指210相互作用。
在一个实施例中，不规则的非平面元件502以与上述结合图4B描述的其他非平面元件402相似的方式来与指纹峰302和指纹谷304相互作用。例如，与不规则的非平面元件502相接触的指纹峰302可以吸收在其他情况下将会朝向传感器106散射的至少一部分光，而引起由传感器106检测的光的改变。
图6描绘了包括密封剂602的图1的光学手指导航装置100的另一个实施例的截面图。在一个实施例中，密封剂602覆盖传感器106并且对于传感器106提供保护。在特定实施例中，密封剂602是允许光从LGF 102传播通过密封剂602到达传感器106的光透过性材料。在特定实施例中，密封剂602形成为具有允许其起到透镜作用的光学特性。由密封剂602形成的透镜可以是折射元件或者菲涅耳透镜。在另一个实施例中，密封剂602附着到LGF 102的底部，而不是传感器106的顶部。特别地，密封剂602可以与手指接触区域114对准。因此，对于不同的实施例，密封剂602的精确位置可以不同，只要在传感器106与LGF 102之间的层叠部分中的某些位置存在空气隙(或者诸如气凝胶的另一个低折射率层)。
图7描绘了具有光学手指导航的便携式电子系统702的一个实施例的框图。便携式电子系统702实施用户输入装置100(例如，图1的光学手指导航装置100)以帮助用户输入。可以实施用户输入装置100的实施例的便携式电子系统702的示例包括手持通信装置，诸如手机或全球定位系统(GPS)装置。此外，在便携式电子系统702的实施例范围内，还可以实现其他类型的电子外围设备(诸如个人音乐播放器、个人数字助手(PDA)、生物指纹传感器等)。
通过在便携式电子系统702内实施用户输入装置100的实施例，用户输入装置100例如能够有助于用户输入，以对用户输入装置100的显示装置141上的内容进行导航。例如，用户输入装置100可以有助于对显示装置704上的导航标识符706进行控制。导航标识符706可以是光标、突出指示(highlighter)、箭头或其他类型的导航标识符706。此外，通过用户输入装置100接收到的用户输入可以有助于其他类型的由用户控制的功能，包括但不限于音量控制、音频回放选择、浏览器控制、生物识别、电子乐器、游戏中的动作等等。可以由用户输入装置100的实施例来实施的由用户控制的功能的类型取决于由通常由便携式电子系统702提供的功能的类型。此外，虽然图7具体示出了便携式电子系统702，但是其他实施例可以将用户输入装置100实施到便携的但是不一定是拿在用户的手中的电子装置或者通常认为是不便携的装置中。
便携式电子系统702包括光学导航装置708。虽然光学导航装置708示出为具有特定的组件并且在这里描述为实施特定的功能，但是光学导航装置708的其他实施例可以包括更少或更多的组件以实施更少或更多的功能。
图示的光学导航装置708包括光学导航电路710和微控制器(uC)712。总的来说，光学导航电路710生成信号，该信号表示在用户输入装置100处的手指或其他导航运动。光学导航电路710之后将一个或多个信号传送到微控制器712。从光学导航电路710传送到微控制器712的信号的示例性类型包括基于ΔX和ΔY相对位移值的通道积分信号。ΔX和ΔY位移值可以表示用于指纹识别的特定图案或者位移、方向和大小的矢量。这些信号或其他信号可以表示手指与用户输入装置100之间的相对运动。光学导航电路710的其他实施例可以将其他类型的信号传送到微控制器712。在一些实施例中，微控制器712执行各种功能，包括将数据发送到主机计算机系统或其他电子装置(未示出)或从其接收数据，或者对位移值进行处理。
为了生成导航信号，示出的光学导航电路710包括驱动器714、数字信号处理器(DSP)716以及图像获取系统(IAS)718。图像获取系统718包括用户输入装置100以及模拟-数字转换器(ADC)722。光学导航电路710或者图像获取系统718的其他实施例可以包括更少或更多的组件以执行更少或更多的功能。
在一个实施例中，光学导航电路710的驱动器714控制光源104的工作，以生成传送到手指界面表面114的光信号。驱动器714可以将光源104控制到几个不同的亮度水平，或者，驱动器714可以与将探测器开/关信号发送到传感器106一道来为光源104提供脉冲，由此为了期望的目的而增加系统响应功能。如上所述，经反射的光信号之后被用户输入装置100的传感器106接收和探测。
在一个实施例中，用户输入装置100生成对应于传感器106上的入射光的一个或多个模拟电信号。用户输入装置100之后将模拟信号发送到模拟-数字转换器722。模拟-数字转换器722将电信号从模拟信号转换为数字信号并且之后将数字信号发送到数字信号处理器716。
在数字信号处理器716从模拟-数字转换器722接收到数字形式的信号之后，数字信号处理器716可以使用电信号进行额外的处理。如上所述，数字信号处理器716之后将一个或多个信号发送到微控制器712。在一些实施例中，数字信号处理器716包括导航引擎720，以基于手指相对于手指界面表面114的横向运动来生成横向运动信息。导航引擎720的其他实施例可以生成其他类型的运动信息。
更具体地，在一个实施例中，用户输入装置100的传感器106包括由独立光探测器组成的阵列(未示出)，该阵列被构造为探测从手指界面表面114上的被照射的点反射的光，例如，16×16或32×32个独立光探测器的阵列。传感器106中的每个光探测器生成以数字值(例如，8位数字值)形式输出的光强信息。通过传感器106以帧为单位来获取图像信息，其中图像信息的帧包括一组对于传感器106中的每个独立光电探测器同时获取的值。图像帧获取和跟踪的速率可以是可编程的。在实施例中，图像帧获取速率范围高达每秒2300帧，并具有每英寸800点(CPI)的分辨率。虽然提供了帧获取速率和分辨率的一些示例，但是可以想到其他的帧获取速率和分辨率。
导航引擎720比较来自传感器106的前后的图像帧，以确定帧之间的图像特征的移动。特别地，导航引擎720通过对来自传感器106的前后图像帧中存在的公共特征进行相关来确定移动。图像帧之间的移动表示为例如X和Y方向的运动矢量的形式(例如ΔX和ΔY)。之后使用运动矢量来确定输入装置100相对于导航表面的运动。在以下文献中提供了导航传感器移动跟踪技术的示例的更详细的描述，并将它们通过引用全部结合在这里：题为“NAVIGATION TECHNIQUE FOR DETECTING MOVEMENTOF NAVIGATION SENSORS RELATIVE TO AN OBJECT”的美国专利5,644,139以及题为“METHOD OF CORRELATING IMMEDIATELYACQUIRED AND PREVIOUSLY STORED FEATURE INFORMATION FORMOTING SENSING”的美国专利6,222,174。
图8是描绘了用于使用LGF的光学手指导航的方法800的一个实施例的流程图。虽然特别参照了光学手指导航装置100，但是可以结合光学手指导航系统或用户输入装置来实施方法800的一些实施例。
在块802处，光源104产生光。虽然可以采用许多其他类型的光源，但是光源104可以是发光二极管(LED)或激光器。在块804处，光如上所述照射具有手指界面表面114的LGF 102。LGF 102至少部分地表现出TIR。
在块806处，传感器106探测从LGF 102朝向传感器106反射的光。响应于手指210的接触，传感器106探测响应于由LGF 102表现出的内反射的更改而不同的光图案。在一些实施例中，传感器106检测由一个或多个指纹峰302和指纹谷304与手指界面表面114的相互作用而引起的光图案的更改。在特定实施例中，传感器106检测由一个或多个非平面元件402与手指210的相互作用而引起的光图案的更改。在块808，传感器106基于所检测到的光生成导航信号。
图9是描绘了用于制作使用LGF 102的光学手指导航装置100的方法的一个实施例的流程图。虽然特别参照光学手指导航装置100，但是方法900的一些实施例可以与其他光学手指导航系统或用户输入装置一道实施。
在块902处，形成LGF 102。可以使用任何过程来形成LGF 102，包括但不限于辊至辊挤压成型、物理沉积、化学沉积和熔融旋涂(meltspinning)。所使用的特定类型的形成过程可以由LGF 102的预期功能来决定。例如，用于制作用于商业发光目的的LGF的形成过程可以与用于制作用于在手机中照亮按键标签的LGF的形成过程不同。在块904处，非平面元件402形成在LGF 102上。在一些实施例中，非平面元件402至少部分地突出于LGF 102的主表面112之外。在替换实施例中，非平面元件402包括延伸到LGF 102的主表面112下方的凹陷。可以使用任何方法来形成非平面元件402，包括但不限于印花、成层(layering)、纳米压印、模制成型、蚀刻、印刷、粘合和喷涂。在一些实施例中，非平面元件402可以结合到手指区域114中的体膜(bulk film)中，来提供如元件402的描述那样产生的相同光学功能。例如，在一些实施例中，纳米球(例如，小的空气泡或者蓝宝石球)可以形成在LGF 102内。在纳米球(未示出)与LGF 102之间发生折射率的较大改变，使得光线发生更大但静态的散射。因此，手指将会引起散射强度的改变。
在块906处，LGF 102被耦合到检测由非平面元件402散射的光的传感器106。在一个实施例中，LGF 102通过例如使用低折射率粘合剂结合而耦合到传感器106。在另一个实施例中，LGF 102在低折射率密封剂602位于LGF 102与传感器106之间的状态下耦合到传感器106。在一些实施例中，LGF 102经由隔离件206耦合到传感器106。
在块908处，光源104被耦合成与LGF 102在光学上连通。光源104可以以允许光从光源104传播以进入LGF 102的任何方式耦合到LGF102。
虽然以特定顺序示出并描述了这里的方法的操作，但是可以改变每个方法的操作顺序，以使得可以以相反顺序执行特定操作或者使得至少可以部分地与其他操作同时执行特定操作。在另一个实施例中，可以以间歇和/或交替的方式实施独特操作的指令或子操作。
虽然已经描述并示出了本发明的特定实施例，但是本发明不限于这里描述和示出的特定形式或部件布置。本发明的范围由权利要求及其等价范围所限定。

Claims (19)

1.一种光学手指导航装置，包括：
包括手指界面表面的光导膜(LGF)，其中，所述LGF的至少一部分表现出全内反射(TIR)；
光源，所述光源与所述LGF在光学上连通，以将光从所述光源提供到所述手指界面表面，其中所述光导膜进一步包括厚度在30微米到100微米之间的薄膜，该薄膜被配置用于提升内部光反射的数量以及与所述手指界面表面接触的手指的光相互作用；
传感器，其构造为响应于手指与所述手指界面表面之间的接触而检测来自所述LGF的光，其中，所述手指与所述手指界面表面之间的所述接触在所述传感器的至少一部分上更改光离开所述LGF到达所述传感器的反射；以及
导航引擎，其构造为响应于对于所检测到的光的更改来产生横向移动信息，所述横向移动信息表明所述手指相对于所述传感器的横向移动。
2.根据权利要求1所述的光学手指导航装置，其中，所述LGF的所述手指界面表面包括主表面，所述主表面具有基本平面状的部分以及至少部分地与所述基本平面状的部分不共面的多个非平面元件，其中，所述非平面元件更改所述TIR以将来自所述光源散的光射到所述LGF之外。
3.根据权利要求2所述的光学手指导航装置，其中，所述非平面元件至少部分地突出到所述主表面的所述基本平面状的部分之外。
4.根据权利要求2所述的光学手指导航装置，其中，所述多个非平面元件包括形成在所述手指界面表面上的凸块。
5.根据权利要求2所述的光学手指导航装置，其中，所述多个非平面元件包括形成在所述手指界面表面上的凹陷部。
6.根据权利要求2所述的光学手指导航装置，其中，所述多个非平面元件包括施加到所述手指界面表面上的任意纹理。
7.根据权利要求2所述的光学手指导航装置，其中，所述多个非平面元件在所述手指界面表面上均匀地分布。
8.根据权利要求2所述的光学手指导航装置，其中，所述多个非平面元件在所述手指界面表面上不均匀地分布。
9.根据权利要求1所述的光学手指导航装置，其中，所述光导膜包括所述光导膜内的多个纳米球，以增加所述光导内的光的静态散射。
10.一种用于制作光学手指导航装置的方法，包括：
在光导膜(LGF)的手指界面表面上形成多个非平面元件，其中，所述非平面元件至少部分地突出到所述LGF的基本平面状的主表面之外，其中所述LGF的至少一部分表现出全内反射(TIR)；
将所述LGF耦合到传感器，所述传感器构造为响应于手指与所述手指界面表面之间的接触而检测来自所述LGF的光的图案改变，其中，所述手指与所述手指界面表面之间的所述接触更改所述TIR，以允许来自所述LGF的所述光的一部分在所述手指界面表面的至少一部分上从所述LGF离开、与所述手指相互作用并且更改到达所述传感器的光的图案；以及
将光源与所述LGF光学地连通，以将光从所述光源提供到所述手指界面表面，其中所述光导膜的厚度进一步配置在30微米到100微米之间，用于提升内部光反射的数量以及与所述手指界面表面接触的手指的光相互作用。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过喷涂过程形成所述非平面元件。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，通过印刷过程形成所述非平面元件。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，通过模制成型过程形成所述非平面元件。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括设置在所述LGF与所述传感器之间的隔离件，其中所述隔离件将所述LGF支撑为大致离开所述传感器固定的距离。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述隔离件包括至少一个球形元件。
16.一种具有光学手指导航功能的便携式电子系统，所述便携式电子系统包括：
显示器，其包括导航标识符；
包括手指界面表面的光导膜(LGF)，其中，所述LGF的至少一部分表现出全内反射(TIR)，其中所述光导膜进一步包括厚度在30微米到100微米之间的薄膜，该薄膜被配置用于提升内部光反射的数量以及与所述手指界面表面接触的手指的光相互作用；
光源，所述光源与所述LGF光学地连通，以将光从所述光源提供到所述手指界面表面；
光学手指导航装置，其构造为基于与手指与所述手指界面表面之间的接触相对应的所检测的光图案中的变化而产生导航信号来移动所述导航标识符，所述手指与所述手指界面表面之间的所述接触在传感器的至少一部分上更改光离开所述LGF到达所述传感器的反射。
17.根据权利要求16所述的便携式电子系统，其中，所述LGF的所述手指界面表面包括主表面，所述主表面具有基本平面状的部分以及多个非平面元件，所述多个非平面元件至少部分地突出到所述主表面的所述基本平面状的部分之外并且至少部分地与所述基本平面状的部分不共面，其中，所述非平面元件更改所述TIR，以将来自所述光源的光散射到所述LGF之外。
18.根据权利要求17所述的便携式电子系统，其中，根据所述LGF与所述手指的指纹峰相对近似的折射率，所述指纹峰与至少一个所述非平面元件之间的接触减小了向所述传感器的至少部分的光反射，并且，所述光学手指导航装置还构造为响应于对从所述指纹峰与所述非平面元件的接触部分反射的光的减小进行的探测，来更改所述导航信号。
19.根据权利要求17所述的便携式电子系统，其中，相比于从与指纹峰相接触的第二非平面元件反射到所述传感器的光，至少一个指纹谷在至少一个非平面元件上方的布置将相对更多的光从所述指纹谷下方的所述非平面元件反射到所述传感器，并且，所述光学手指导航装置还构造为响应于对相对更多的光从所述指纹谷下方的所述非平面元件反射的探测，来更改所述导航信号。
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