CN102073391A

CN102073391A - 光学导航装置

Info

Publication number: CN102073391A
Application number: CN2010105050780A
Authority: CN
Inventors: 洛萨·韦斯特维克; 斯蒂芬·C·阿诺德; 约翰·D·格里菲斯; 海蒂·L·霍尔; 斯里尼瓦斯·T·劳
Original assignee: Flextronics International USA Inc
Current assignee: Nanchang OFilm Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2009-11-22
Filing date: 2010-10-09
Publication date: 2011-05-25
Also published as: US9046939B2; JP2015005310A; US8711097B2; JP2011113560A; US20140320410A1; JP5913505B2; JP5699302B2; US20110122060A1

Abstract

一种能够感应物体的运动的光学导航装置，比如感应用户手指的运动，从而使得该运动能够控制消费数字装置的特性，比如控制显示器屏幕上的光标。所述装置包括基板，LED、反射器和图像传感器安装到该基板。LED发出的光由椭圆体型反射镜引导向对于LED发出的光透明的窗并穿过所述窗，然后由用户手指背部反射而穿过所述窗、穿过透镜并且到达图像传感器。所述反射器被定位成以一定的倾角将光引导向所述窗，所述倾角在与屏幕的法线成65度至70度的范围内。另外，所述反射器被以收集在LED邻近区域中的大的立体角的范围内的光。反射器的弯曲形状可以是椭圆体的一部分，LED可以被布置于椭圆体的一个焦点处，而所述窗被布置于椭圆体的另一个焦点处。

Description

光学导航装置

技术领域

本发明涉及一种光学导航装置，其能够基于物体的运动而可操作地移动光标。

背景技术

用于控制光标在电子装置的显示器上的位置的指点式装置已经为人所熟知。这样的装置包括外接光标、轨迹板、游戏杆、指点杆、轨迹球等。如同轨迹球源于使机械光标翻转，从而当用户手指移动轨迹球时光标保持静止，近来还已知通过手指或其他物体在电子装置表面上方的移动来提供光标导航，比如光学光标被翻转、保持在固定位置、并且能够感应用户手指在光学传感器上方的移动。这样的装置可以称为光学游戏杆或光学手指导航装置。

基于这样的背景技术，开发出了本教旨。

发明内容

这里公开了一种光学导航装置，其能够基于物体的移动而可以操作以移动光标。所述装置包括：光源，其具有顶面，光从所述顶面射出；弯曲型反射器，其被布置成邻近所述光源并在所述光源的顶面的上方以收集并沿第一方向反射来自所述光源的光；物面，所述物面被布置于所述反射器的第一方向中，所述物面对于来自所述光源的光透明，由所述反射器反射的光被引导穿过所述物面并由位于所述物面上方的物体反射回和穿过所述物面；透镜，其被布置于所述物面的下方以收集并沿第二方向引导被物体反射后回传穿过所述物面的光；和图像传感器，其被布置于所述透镜的第二方向中，以接收由物体反射回的并由所述透镜引导的光。

光源可以发出近红外光。光源可以发出波长在850nm的范围内的光。反射器的形状可以具有二次曲线的旋转体的部分。反射器的形状可以具有椭圆体的部分并且光源可以被布置于所述椭圆体的一个焦点(foci)处。所述反射器可以由施加有反射性涂层的曲面构成。所述曲面可以以塑料构件的形式形成。物面可以由聚碳酸酯热塑性树脂构成。

所述装置还可以包括位于物面和透镜之间的孔径光阑。透镜可以包括位于透镜的朝向物面的侧的第一透镜面和位于透镜的朝向图像传感器的侧的第二透镜面。第一透镜面可以是二次曲线面(conic surface)。第二透镜面可以是非球状面。第一透镜面可以是二次曲线面和第二透镜面可以是非球状面。

所述装置还包括包围图像传感器的壳体，所述壳体使光从所述壳体的外侧仅通过透镜传送到图像传感器。所述装置还包括基板，光源、反射器和图像传感器安装到该基板。所述装置还包括外壳体，其中物面是外壳体的一部分。所述外壳体可以安装到该基板。

所述物面可以是窗的一个面，其中窗和透镜由传输LED的光谱区中的光并拒斥LED的光谱区之外的周围光的材料制成。窗和透镜均由莱克桑(Lexan，聚碳酸脂的商标)构成。窗和透镜由具有彼此不同的透射曲线的材料构成，使得窗和透镜的组合透射率对于近似770nm以下的基本上全部的波长范围内的光非常低。窗包括莱克桑121-21051，透镜包括莱克桑121-31142。第一方向相对于物面的法向成一定角度，所述角度在60度至75度的范围内，在65度至70度的范围内，或者在近似67度的范围内。

另外公开了一种光学导航装置，其能够基于物体的运动而可操作用以移动光标，所述装置包括：光源，其具有顶面，光从所述顶面射出；弯曲型反射器，其被布置成邻近所述光源并且被定位在所述光源的顶面的上方以收集并沿第一方向反射来自所述光源的光，其中所述弯曲型反射器的形状具有椭圆体的部分并且所述光源被布置于所述椭圆体的一个焦点处；外壳体，所述外壳体具有被布置于所述反射器的第一方向中的窗，所述窗对于来自所述光源的光透明，由所述反射器反射的光被引导穿过所述窗并由位于所述窗的上方的物体反射回和穿过所述窗；透镜，其被布置于所述窗的下方以收集并沿第二方向引导被物体反射后回传穿过所述窗的光；图像传感器，其被布置于所述透镜的第二方向中，以接收由物体反射回的并由所述透镜引导的光；基板，所述光源、所述反射器和所述图像传感器安装到所述基板；和内壳体，所述内壳体与所述基板接触以在与所述基板组合的状态下包围所述图像传感器，所述壳体在其中限定有相对于所述透镜布置的开口部，使来自所述壳体外侧的光仅通过所述透镜到达所述图像传感器。

附图说明

图1是光学导航装置的截面立体图。

图2是图1的光学导航装置的截面正视图。

图3是图1的光学导航装置的局部分解立体图。

图4是图1的光学导航装置的局部分解立体图，比图3进行了更进一步的分解。

图5是图1的光学导航装置的局部分解立体图，比图4进行了更进一步的分解。

图6是图1的光学导航装置的局部分解立体图，示出了位于装置的底部的圆顶状开关。

图7是图1的光学导航装置的所选择的部分的立体图。

图8是图1的光学导航装置的所选择的部分的立体图。

图9是图1的光学导航装置的所选择的部分的立体图。

图10是图1的光学导航装置的所选择的部分的侧视图，示出了LED发出的多条光线，并且特别地示出了被沿着第一总的方向反射的大部分光线。

图11是图1的光学导航装置的所选择的部分的俯视图，示出了LED发出的多条光线，并且特别地示出了被沿着第一总的方向反射的大部分光线。

图12示出了图1的光学导航装置的窗和透镜的光谱透射率。

具体实施方式

虽然本发明的实施方式可以想象到各种修改例和替代的形式，这里已经借助于附图中的示例示出了本发明的具体实施方式并且对其进行详细说明。但是，应该明白，这不试图将本发明限制于特定形式的公开，而是本发明能够涵盖如权利要求中限定的本发明的实施方式的全部的修改例、等效例和替换。

在图1和图2中示出了光学导航装置20。所述装置20包括安装有LED24的基板22。曲面型反射器组件26接收并反射来自LED24的光，并将所述光引导向设置于用于装置20的外壳体30的透明窗28。用户的手指(未示出)可以被置于窗28上以将光反射向定位在图像传感器34的上方的物镜32，其中图像传感器34被安装到基板22。物镜32由安装于基板22的透镜保持壳体36保持在适当的位置，并且物镜32与基板22一起完全围绕图像传感器34，使得光仅能经由透镜32而传送到图像传感器34。柔性印刷电路板(FPC)42被电气连接到LED 24和图像传感器34，如图3中所示。

基板22可以是任意的适当的基板，但是一种适当的材料可以是刚性FPC的刚性部(其也已知为刚柔性FPC，或任意的包括刚性部和柔性部的FPC)。另外，其可以是传统的类似FR4的PCB型材料，或者其可以是安装有加强件的FPC。通过采用用于基板22的刚性材料，能够保持LED 24、反射器26、透镜32和传感器34的相对定位。另外，可以由购买光学导航装置的公司确定装置的底部具有刚性面，在所述刚性面上可以安装圆顶型开关46(图6)或其他适当的开关，比如待整合光学导航装置20的消费数码产品中所需要的那样。

装置20中的LED 24可以是发出850nm的范围中的光的IR LED。类似地，窗28可以是对850nm的范围中的光的材料并且反射或吸收其他颜色的光。该材料的一个示例是比如Lexan^TM 121-21051的聚碳酸酯热塑性树脂，该聚碳酸脂材料是主要吸收其他波长的光的材料。可以使用任意其他用于LED和用于窗的带宽的颜色或波长。使用可视光谱以外的波长会有一些优势，因为能够阻挡大部分的人工照明光和太阳光进入装置20。能够整合到装置20中的LED的一个示例是一个来自Unity Opto Technology的示例。所述LED 24可以被焊接到基板20或者以任意其他的适当的方式被安装。

反射器26上的一部分具有反射性面40。反射性面40能够通过将适当的反射性涂层(例如，铝、铬或其他材料)、金属箔或者其他材料施加到反射器26上形成的适当的弯曲面而生成。替代地，反射性面40可能由适当的金属或其他适当的材料构成。反射器26可以具有允许反射器26精确地并且容易地相对于LED 24、透镜32和传感器34定位的其他部分。替代地，反射器26和透镜保持壳体36可以组合到单个的壳体/反射器中。反射器26可以由任意适当的材料构成。期望所述反射器由塑料形成以轻量化、廉价、并易于成形以使所述曲面具有非常专有的形状。反射器也可以由其他适当的材料形成。

反射面40的形状有助于收集从LED 24沿不同方向发出的光线，并沿窗28的方向引导这些不同的光线。用于反射面40的适当形状的一个示例是椭圆体部(绕其主轴旋转的椭圆形)。通过将LED 24布置于椭圆的一个焦点处，则反射器26所反射的光线通常会通过椭圆的另一个焦点(如所熟知的，焦点是在椭圆的主轴上的两个特定点，特定词称为聚集(focus))。通过设计反射器26的形状和位置及窗28的相对定位，反射性面40能够被构造成使得椭圆的另一个焦点通常位于窗28的上表面的附近，其中用户的手指会被置于所述上表面的附近。结果使得大部分被反射的光被引导向窗28，用于可能的由手指的反射。在一个实施方式中，椭圆体反射器26具有0.605mm的曲率半径和-0.85的二次曲线常数。

来自LED/反射器的光以相对于图像传感器34成斜角的方式冲击手指以增加手指的表面上的对比度会是有利的，这样能够改进图像传感器对手指的表面形状(比如用户的指纹)的成像能力。例如，所述光通常可以从反射器26以圆锥体状光束的形式被引导，所述圆锥体的锥角是相对于图像传感器34的中心轴的范围在60度至75度的范围内的角度，图像传感器34的中心轴穿过透镜32并且沿着窗28的表面的法向。更具体地，所述角相对于中心轴在65度至70度的范围内，或者更具体地在67度的范围内。反射器26相对于LED 24的定向可以选择成优化照射窗28的光的均匀性。

外壳体30可以形成为(当接触基板22时)防止从外部不经由窗28而进入壳体的内部。窗可以具有6 x 6 x 0.6mm的尺寸。壳体30可以经由任意适当的胶粘剂或环氧树脂安装到基板20。

透镜保持壳体36(也可以称为内壳体)可以由任意适当的材料构成。期望所述壳体36由塑料构成以轻量化、廉价、并且能够形成为非常特定的形状。所述壳体36还可以由其他适当的材料形成。如图3至图5所示，在一个示例中，透镜保持壳体36可以包括比如腿部48的零件(feature)，所述腿部48与形成在反射器26中的圆形开口部50匹配以精确控制反射器26和透镜32之间的相对定位。反射器26还可以经由适当的胶粘剂或环氧树脂并通过适当的固化处理(例如，经由热熔柱(heat stake)或者超声焊接)而安装到透镜保持壳体36。另外，透镜保持壳体36可以包括在透镜保持壳体36中形成的开口部52，LED 24的部分通过开口部52被接收和/或来自LED 24的光穿过开口部52传递到反射器26。透镜保持36可以包括凹部区，当壳体36安装到基板22时，该凹部区防止光通过限定在透镜保持壳体的顶部中的圆形开口部54以外的区域进入包括有图像传感器34的凹部区。透镜32由透镜保持壳体36以使通过开口部54进入的任意光穿过透镜34的方式保持在适当的位置处。开口部54还可以用作用于使光穿过到达图像传感器34的孔径光阑。另外，壳体36可以具有上述的各特性，同时不阻挡来自LED 24或反射器26的光照射所述窗(或在窗上产生阴影)。壳体36可以经由任意适当的胶粘剂或环氧树脂(可以包括用于固化环氧树脂的回执处理或冷却处理)安装到基板20。

透镜32可以是任何适当的将从用户的手指反射的光聚集到图像传感器34上的透镜。透镜32可以被收纳在透镜保持壳体36的更深的凹部区域中。例如，透镜32可以通过UV-固化环氧树脂或胶粘剂安装到壳体36(或者经由螺纹配置而被螺纹连接在壳体36内)。在一个实施方式中，透镜32包括在其物体侧的锥形面和在其图像侧的非球形面。虽然也可以使用其他适当的材料，但在本实施方式中，透镜可以由比如Lexan^TM 121-31142的吸收型光聚合物构成。下面的表1中包含了关于本实施方式的进一步的详细内容。

表格1

用于手指鼠标的PC物镜 N.A.0.208

物镜焦距0.44 最大可用增益-0.506

半域42.84(2) 旁轴图像畸变0.506

半DIAG.0.43(2) 最佳焦距-0.044

物镜畸变0.001(3)

主波长850

810-890消色差性

半径

SURF. 通光孔径轴向光束半径厚度玻璃代码玻璃注释基准玻璃

1 0.854 0.00000 0.600 (1，5) LEXAN121

2 0.531 0.00000 0.540 空气

3 0.098^* 停止 0.69483 0.626 (1，5) LEXAN121

4 0.304 -0.26301 0.516 空气

5 0.00000 -0.044 图像

^*不超过

Z = \frac{{CY}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (k +) C^{2} Y^{2}}} + {DY}^{4} + {EY}^{6} + {FY}^{8} + {GY}^{10} + {HY}^{12} + {IY}^{14} + {JY}^{16} + {KY}^{18}

SURF3 k＝-26.08382

D＝0.00000000e+00 E＝0.00000000e+00 F＝0.00000000e+00 G＝0.00000000e+00

H＝0.00000000e+00 I＝0.00000000e+00 J＝0.00000000e+00 K＝0.00000000e+00

SURF4 k＝-0.38561

D＝3.46187384e+00 E＝-2.00639182e+01 F＝7.23039552e+02 G＝0.00000000e+00

H＝0.00000000e+00 I＝0.00000000e+00 J＝0.00000000e+00 K＝0.00000000e+00

注意：

1)根据成本和易购性，替换任何光学级聚碳酸酯

2)物体尺寸：1.2 x 1.2MM，图像尺寸：0.6 x 0.6MM

3)

WV 0.85000 0.81000 0.89000

LEXAN121 1.57195 1.57332 1.57076

光瞳位置直径全部尺寸(mm)

入口 0.922 0.196 设计者

出口 -2.988 1.468 配置

可用于光学导航装置20或其他类似装置的图像传感器34的一个示例是STM微电子公司生产的ST VD5376，替代地也可以使用任何其他适合的图像传感器。图像传感器34可以在其顶面具有活动区域并且在其中具有各种处理元件，用以执行比如用于检测用户手指相对于装置20的移动的算法的图像处理功能。图像传感器34可以被焊接到基板22或以任何其他适当的方式进行安装。

如在图3至图6中能够看到的，各种其他的电子部件44也可以被焊接到(或者以任何其他适当的方式安装到)基板22。根据LED 24和/或图像传感器34的操作的要求，这些电子部件可包括有源(active)部件或无源(passive)部件。

图9和图10示出了LED 24射出的大部分光线60如何被反射器26沿第一方向朝向窗28引导。能够看出，虽然一些光线60未被反射离开反射器26或者被沿着不同于所期望的窗28的顶面上的区域的方向反射，但大多数的光线被沿着该方向反射。

图12示出了相对于波长的三个透射率曲线。第一曲线100是窗28相对于波长的透射率。如能够看到的，窗28在近似700nm以上具有近似90％的透射率，并且在近似660nm以下具有非常低的透射率，而在400nm的区域中透射率形成超过40％的尖峰。第二曲线102是透镜32相对于波长的透射率。如能够看到的，透镜32在近似800nm以上具有近似90％的透射率，并且在近似770nm以下具有非常低的透射率，而在500nm的区域中透射率形成接近10％的尖峰。曲线104中示出了窗28和透镜32的组合的或级联的透射率104，其在近似820nm以上具有超过80％的透射率，而在近似770nm以下具有非常低的透射率。如能够看到的，通过为窗28和透镜32选择具有不同尖峰的两种不同的材料，对于较低的波长具有不同的尖峰的两种不同的材料使两种光学组件28和32的组合透射率对于在LED 24发出的波长以下的波长非常低。这有助于防止装置20外侧的漫射光到达图像传感器34。

这里公开的装置20的一个主要的优点在于装置所达到的紧凑的体积和尺寸限制范围(constraint)。具体地，除FPC 42之外，装置20可以适配在6.5mm x 6.5mm x 2.24mm或更小的范围内。这对于现有技术中的导光管和棱镜来说并不易于实现(可接收的性能)，并且其部分地通过使用椭圆体形反射器26来实现。发现在这样的体积限制范围内在装置中使用导光管可能要求透镜将LED发出的光准直到导光管中。即使采用这样的额外的光学元件，仍存在导光管内的完全内部反射问题及窗28的上部面上的1.2mm x1.2mm照射区的非均匀照射问题。

通过比较，这里说明的采用椭圆体反射器的装置提供了在相对于LED的较大立体角范围上的光收集能力、将大量的光重定向成为能够穿透窗的朝向用户手指的倾斜的光束、以合理地均匀地照射区域照射手指、并允许将LED和图像传感器布置在所述体积限制范围内。

虽然在附图和先前的说明中已经详细示出和说明了本发明的实施方式，应认为这样的图示和说明为示例，而不是对特性的限制。例如，上面说明的特定的实施方式可以与其他的所说明的实施方式组合和/或在其他的方式配置(例如，处理元件可以另外的顺序进行)。因此，应明白已经示出和说明的仅是示例性实施方式及其变形例。

Claims

1.一种光学导航装置，其能够基于物体的运动而可操作地移动光标，所述装置包括：

光源，其具有顶面，光从所述顶面射出；

弯曲型反射器，其被布置成邻近所述光源并在所述光源的顶面的上方以收集并沿第一方向反射来自所述光源的光；

物面，所述物面被布置于所述反射器的第一方向中，所述物面对于来自所述光源的光透明，由所述反射器反射的光被引导穿过所述物面并由位于所述物面上方的物体反射回和穿过所述物面；

透镜，其被布置于所述物面的下方以收集并沿第二方向引导被物体反射后回传穿过所述物面的光；和

图像传感器，其被布置于所述透镜的第二方向中，以接收由物体反射回的并由所述透镜引导的光。

2.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述光源发出近红外光。

3.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述光源发出波长在850nm的范围内的光。

4.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述反射器的形状为二次曲线旋转体的一部分。

5.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述反射器的形状具有椭圆体的一部分并且所述光源被布置于所述椭圆体的一个焦点处。

6.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述反射器由施加有反射涂层的曲面构成。

7.根据权利要求6所述的光学导航装置，其特征在于，所述曲面以塑料构件的形式形成。

8.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述物面由聚碳酸酯热塑性树脂构成。

9.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，还包括位于所述物面和所述透镜之间的孔径光阑。

10.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述透镜包括：在所述透镜的朝向所述物面的一侧的第一透镜面；和在所述透镜的朝向图像传感器的一侧的第二透镜面。

11.根据权利要求10所述的光学导航装置，其特征在于，所述第一透镜面是二次曲线面。

12.根据权利要求10所述的光学导航装置，其特征在于，所述第二透镜面是非球状面。

13.根据权利要求10所述的光学导航装置，其特征在于，所述第一透镜面是二次曲线面，并且所述第二透镜面是非球状面。

14.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，还包括围绕所述图像传感器的壳体，所述壳体允许光从所述壳体的外侧仅通过所述透镜传送到所述图像传感器。

15.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，还包括基板，所述光源、所述反射器和所述图像传感器安装到所述基板。

16.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，还包括外壳体，其中所述物面是所述外壳体的一部分。

17.根据权利要求16所述的光学导航装置，其特征在于，所述外壳体被安装到所述基板。

18.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述物面是一窗的一个面，其中所述窗和所述透镜由以下材料制成：即传输所述LED的光谱区中的光并拒斥所述LED的光谱区之外的环境光。

19.根据权利要求18所述的光学导航装置，其特征在于，所述窗和所述透镜均由莱克桑构成。

20.根据权利要求19所述的光学导航装置，其特征在于，所述窗和所述透镜由具有彼此不同的透射曲线的材料构成，使得所述窗和所述透镜的组合透射率对于近似770nm以下的基本上全部的波长范围内的光非常低。

21.根据权利要求19所述的光学导航装置，其特征在于，所述窗包括莱克桑121-21051，所述透镜包括莱克桑121-31142。

22.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述第一方向相对于所述物面的法向成一定角度，所述角度在60度至75度的范围内。

23.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述第一方向相对于所述物面的法向成一定的角度，所述角度在65度至70度的范围内。

24.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述第一方向相对于所述物面的法向成一定的角度，所述角度在大约67度的范围内。

25.一种光学导航装置，其能够基于物体的运动而可操作用以移动光标，所述装置包括：

光源，其具有顶面，光从所述顶面射出；

弯曲型反射器，其被布置成邻近所述光源并且被定位在所述光源的顶面的上方以收集并沿第一方向反射来自所述光源的光，其中所述弯曲型反射器的形状具有椭圆体的部分并且所述光源被布置于所述椭圆体的一个焦点处；

外壳体，所述外壳体具有被布置于所述反射器的第一方向中的窗，所述窗对于来自所述光源的光透明，由所述反射器反射的光被引导穿过所述窗并由位于所述窗的上方的物体反射回和穿过所述窗；

透镜，其被布置于所述窗的下方以收集并沿第二方向引导被物体反射后回传穿过所述窗的光；

图像传感器，其被布置于所述透镜的第二方向中，以接收由物体反射回的并由所述透镜引导的光；

基板，所述光源、所述反射器和所述图像传感器安装到所述基板；和

内壳体，所述内壳体与所述基板接触以在与所述基板组合的状态下包围所述图像传感器，所述壳体在其中限定有相对于所述透镜布置的开口部，使来自所述壳体外侧的光仅通过所述透镜到达所述图像传感器。

26.根据权利要求25所述的光学导航装置，其特征在于，所述外壳体被安装到所述基板。