CN102317889A - 光定位装置以及搭载有该装置的电子设备 - Google Patents
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Abstract
根据本发明，从LED光源(16)射出的光透射作为折射元件的棱镜(12)的倾斜面(13)并折射之后，照明接触面(11)。所述照明光经接触面(11)上的被摄体漫反射，而后该漫反射光的一部分透射棱镜(12)并经由倾斜面(13)而变换光其路，继而通过作为成像元件的透镜(14)形成像。摄像元件(15)取得作为图像数据的所述像。通过图像处理，能够从摄像元件(15)所提供的图像数据中提取接触面(11)的变化，以及获得被摄体的移动量和移动方向。由此，能够实现薄小型的光定位装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种输入装置，更详细地说涉及一种可搭载于便携式电话机等电子设备上的光定位装置。
背景技术
在以便携式电话机以及PDA(Personal Digital Assistants：个人数字助理)等便携式信息终端为代表的小型电子设备中，利用键盘作为用户接口，此类键盘由用于输入数字及文字的多个按键和方向键所构成。而近年来，随着便携式终端的显示部的高性能化发展，采用GUI(Graphical User Interface：图形用户界面)的便携式终端渐成主流。
由于便携式信息终端等电子设备的功能不断趋向电脑化发展，历来的输入方法，即，以目录键以及其他功能键作为方向键来启动所希望的功能的输入方法愈显不便，因此，对于能够进行像计算机的鼠标或者触屏似的操作的定位装置的需求在不断扩大。
作为所述定位装置，已有提案揭示了通过摄像元件来观察与装置相接触的指尖等被摄体的模样，从而提取接触面的变化的光定位装置(专利文献1)。根据该结构，利用光源照明接触面，利用透镜在摄像元件上形成接触面的模样的像，并基于检测出的所述模样的变化，将指尖动作变换成输入信号。
但是，在所述成像光学系统中，为了使来自接触面的光在摄像元件上成像，接触面和摄像元件之间需要一定距离，因此无法缩短光定位装置的垂直方向长度。对于以便携式信息终端为代表的小型电子设备，要求其具有较薄的装置厚度，从而，光定位装置也被要求缩小其厚度即垂直方向长度。
为了满足所述要求，已有提案揭示了通过在接触面的正下方配置棱镜等光路折射元件，将光路折曲成水平方向，从而能在保持较长的光路的情况下缩短光定位装置的垂直方向长度的方法(专利文献2，3)。根据该技术，由于是将光路折曲成水平方向，因此，即使光路变长也不会对装置的垂直方向长度造成影响。从而，能够实现光路较长且垂直方向长度较短的定位装置。
但是，根据所述专利文献2，为了利用LED光源来照明手指接触面，必须利用所述折射元件上部的空间，将用于照射手指的光引导至手指接触面。即，由于照明光学系统的制约，导致折射元件以上的部分变厚，而无法使光定位装置的厚度变薄，不利于发挥薄型成像光学系统的优点。
另外，所述专利文献3也同样，必须在折射元件的上部配置照明用光学系统，因此也存在厚度变厚的问题。
专利文献1：日本国公开专利公报，特开2007-528554号
专利文献2：日本国公开专利公报，特表2008-507787号
专利文献3：日本国公开专利公报，特表2008-510248号
发明内容
本发明是鉴于上述问题而开发的，其涉及使用了折射元件的光定位装置，其目的在通过实现能够在保持装置厚度不增加的情况下照明被摄体的照明光学系统，提供更小型的光定位装置。
为了达成上述目的，本发明的光定位装置的特征在于：包括与被摄体接触的接触面、用于照明所述接触面的光源模块、具有用于折射来自所述接触面的漫反射光的倾斜面的折射元件、对来自所述接触面的漫反射光进行成像而获得像的成像元件以及用于拍摄所述像的摄像元件，所述折射元件的倾斜面对来自所述接触面的漫反射光进行光路变换，并使用于照明所述接触面的光源模块的光透射和折射，从而将该光导向所述接触面。
在本发明的光定位装置中，将所述折射元件的倾斜面兼用为：用于对来自所述接触面的漫反射光进行光路变换的反射面；通过使来自用于照明所述接触面的光源模块的光透射和折射，将该光导向接触面的透射折射面。从而能够削减光学部件数以及实现光定位装置的小型薄型化。
另外，本发明的一实施方式的光定位装置的特征在于：使所述像在摄像元件上成像的成像光学系统的光轴与以来自所述光源模块的光照明所述接触面的照明光学系统的光轴为不同的光轴。
根据本发明的光定位装置，能够避免所述照明光成为杂光射入摄像元件中，因此能够降低噪音成分以及改善像的识别率。
此外，本发明的一实施方式的光定位装置的特征在于：用于照明接触面的光源模块由LED等光源和用于抑制来自所述光源的散射光的光散射度的透镜所构成。
根据本发明的光定位装置，能将来自所述光源模块的光高效率地传送到所述接触面。因此，能够削减光出射量以及降低消费功率。并且，由于杂光也减少，因此能够降低噪音成分以及大幅改善像的识别率。
另外，本发明的一实施方式的光定位装置的特征在于：用于照明接触面的光源模块具备有用于将LED等光源的散射光向所述折射元件的倾斜面的法线方向折射的元件。
根据本发明的光定位装置，能够从斜方向来照明被摄体，因此容易形成被摄体的影子，对指纹等被摄体进行成像时的对比度变高，从而能够提高被摄体的识别率。
此外，本发明的一实施方式的光定位装置的特征在于：在用于照明接触面的光源模块中，作为向所述折射元件的倾斜面的法线方向折射来自所述LED等光源的散射光的元件，使用光出射面为倾斜面的棱镜或者衍射元件。
根据本发明的光定位装置，可对所述棱镜或者衍射元件与用于封装所述LED等光源的成型部进行一体成型，因此能够削减部件个数以及实现低成本化。
根据本发明的光定位装置，能将所述折射元件的倾斜面兼用为：对来自所述被摄体的漫反射光进行反射的反射面；使来自用于照明所述被摄体的光源模块的光透射和折射的透射折射面。从而能够实现小型薄型的照明光学系统，以及实现更小型的光定位装置。
附图说明
图1是说明本发明的实施方式1的光定位装置的剖面图。
图2是说明本发明的实施方式1的光定位装置的照明光学系统的图。
图3是说明本发明的实施方式1的光定位装置的成像光学系统的图。
图4是说明本发明的实施方式1的光定位装置的俯视图。
图5是说明本发明的实施方式2的光定位装置的照明光学系统的图。
图6是说明本发明的实施方式3的光定位装置的照明光学系统的图。
图7是说明本发明的实施方式3的光定位装置的其他照明光学系统的图。
图8是表示采用了本发明的光定位装置的便携式电话机的一实施例的图，其中，(A)表示正面侧，(B)表示背面侧，(C)表示侧面侧。
具体实施方式
以下，就本发明的一实施方式，以使用LED作为光源的光定位装置为例进行说明。但本发明并不限定于以下实施方式的结构。例如在指纹认证系统等扫描装置中，只要具有与本实施方式相同的结构，可应用于所有的光输入接口。
在以下的实施方式中，对具有相同功能以及作用的部件，付与相同的标记，并省略其说明。
(实施方式1)
图1是说明本发明的光定位装置1的实施方式1的结构的剖面图。
从作为折射元件的棱镜12的垂直方向上侧的面即接触面11，取得作为漫反射光的本图中未图示的指尖等被摄体的像。在该作为折射元件的棱镜12内，所述漫反射光被倾斜面13所反射，并由作为成像元件的透镜14形成像，然后由摄像元件15作为图像数据取得该像。通过对摄像元件15所取得的图像数据进行图像处理，提取接触面11的变化，从而能获得所述被摄体的移动量和移动方向。另外，为了照明所述被摄体，构成光源模块的LED光源16被配置在作为所述折射元件的棱镜12的下方。
通过使作为本发明的折射元件的棱镜12和所述接触面11，与光定位装置1的外罩部构成一体化结构，能够削减厚度并能高精度地形成所述倾斜面13，从而能提高光定位装置1的组装性。
作为成像元件的透镜14与下倾棱镜23构成一体化结构。通过采用将所述下倾棱镜23装入外罩24中的结构，能够对所述倾斜面13、作为成像元件的透镜14以及下倾棱镜23的位置关系进行高精度管理。
光圈22被粘合在作为所述成像元件的透镜14的有效面外侧，以遮断杂光，若该杂光射入作为成像元件的透镜14内，将导致各种问题。
摄像元件15被例如接合在电路基板21上的透明树脂20b所封装。LED光源16也被接合在同一电路基板21上，且被透明树脂20a所封装，构成光源模块。但是，透明树脂20a与透明树脂20b相互分离，以防止LED光源16的光在树脂内部传播之后漏射到所述摄像元件15中。
在此，以用于封装所述LED光源16和摄像透镜15的透明树脂20a、20b的上面作为接合基准，对搭载有LED光源16和摄像元件15的电路基板21、由所述棱镜23和作为成像元件的透镜14等构成的光学系统进行组装。
指尖等被摄体接触到接触面11时，所述被摄体被LED光源16发出的、如照明光学系统的光轴M所表示的照明光所照明，并漫反射该照明光。所述被摄体形成漫反射像，但所述漫反射光的一部分成为如成像光学系统的光轴所表示的成像光。所述漫反射像透过棱镜12的内部，由所述倾斜面13反射，优选是通过全反射而变换其光路，并通过作为成像元件的透镜14在摄像元件15上形成像。然后，未图示的DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)取得在所述摄像元件15上形成的像被作为图像数据被取得。
所述摄像元件15为CMOS或CCD等图像传感器，其以一定的时间间隔连续拍摄所述接触面11的像。如果摄体进行了移动，移动后拍摄到的图像与移动前拍摄的图像相比，会有一定量的位移。通过利用所述DSP对所述图像中的同一部分的位移量进行对比，来判断所述被摄体的移动量和移动方向。
图2是说明本发明的实施方式1的光定位装置1的照明光学系统的图，图3是说明本发明的实施方式1的光定位装置1的成像光学系统的图，图2与图3中均以指尖10作为被摄体。
该光定位装置1的光学系统包括：具备供作为被摄体的指尖10进行接触的接触面11和倾斜面13的、作为本发明的折射元件的棱镜12；作为成像元件的透镜14；摄像元件15；用于照明所述指尖10的LED光源16。
用于照明所述指尖10的LED光源16被配置在棱镜12的下部，从LED光源16射出的光透过棱镜12的所述倾斜面13而折射，然后以照明光学系统的光轴M所表示的斜方向照射到所述接触面11上。
图4表示了对图1的装置进行俯视时的情况。以俯视时，即，从作为被摄体的指尖10侧进行观察时，按照使LED光源16的射出光与成像光学系统的光轴L不一致的方式，将LED光源配置在相对于成像光学系统的光轴L倾斜的位置上。由于使照明光学系统的光轴M与成像光学系统的光轴L成为不同的光轴，未照射到指尖10的照明光将难以射入摄像元件15中，从而能够提高识别率以及防止误动作，其中光轴M与光源16照射指尖10的方向相一致。
作为被摄体的指尖10接触到所述接触面11时，从所述LED光源16发出的、照明光学系统的光轴M所表示的照明光从斜方向照明所述指尖10，并发生图3所示的漫反射。
指尖10接触到接触面11时，主要是形成指纹的漫反射像，所述指纹的像如成像光学系统的光轴L所示，透过棱镜12的内部之后，被所述倾斜面13所反射，在此优选为全反射，然后通过作为成像元件的透镜14，在摄像元件15上形成像。所述倾斜面13的反射可以是菲涅耳反射，但是全反射时能够使更多的光进行折射，从而获得更明亮的像，以及提高信噪比。
在此，作为形成指纹像的方法，例如有由透过接触面11的照明光来照明指纹，并在摄像元件15上对指纹的漫反射光进行成像的方法。在此情况下，必须使照明光透过接触面11，因此必须以尽量不让接触面11对照明光进行全反射的角度射入该照明光。即，当棱镜12的折射率为n时，照明光相对于接触面11的入射角θ必须满足以下关系：
θ＜ArcSin(1/n) (1)
另外，设棱镜12的顶角为α，照明光相对于倾斜面13的入射角为γ，从倾斜面13向棱镜12内的入射角为β时，满足以下关系：
γ＝ArcSin(n×Sin(α-θ)) (2)
例如，图2中的棱镜12的折射率n为1.5时，根据式(1)，照明光相对于接触面11的入射角θ必须小于41.8°。
此时，若棱镜的顶角α＝45°，照明光向倾斜面的入射角γ必须大于4.8°。
另外，作为形成指纹像的方法还有如下方法：在手指未接触到接触面11的情况下，照明光就不透过接触面11，而成为全反射状态；当手指接触时，接触部分的照明光全反射条件被破坏，光能够透过接触面而照明指纹，并使来自指纹的散射光成像于摄像元件15上。在此情况下，必须通过接触面11对照明光进行全反射，因此必须以尽量使照明光不能透过接触面11的角度射入该照明光。即，当棱镜的折射率为n时，照明光相对于接触面11的入射角θ必须满足以下关系：
θ＞ArcSin(1/n) (3)
另外，设棱镜12的顶角为α，照明光相对于倾斜面13的入射角为γ，从倾斜面向棱镜12内的入射角为β时，满足以上式(1)的关系。
例如，图2中的棱镜12的折射率n为1.5时，根据式(3)，照明光相对于接触面11的入射角θ必须大于41.8°。
此时，若棱镜的顶角α＝45°，照明光向倾斜面的入射角γ必须小于4.8°。
只要是当手指接触到接触面11时，透过所述接触面11的光和被接触面11全反射的光均能照明作为被摄体的指尖10，并能在摄像元件15上对指纹等的散射光进行成像的方法，就不受以上式(2)以及式(3)的约束。即，能够在较广的入射角范围内利用射入接触面11的光。
在此，关于成像元件14，本实施方式中使用了透镜，但除了透镜之外也可以利用小孔。利用小孔时，能够使成像元件14变薄，因此有益于小型化。而使用透镜时，能够通过较小的尺寸来聚集较多的光，因此能够获得较亮的像，并能够提高信噪比。
以上，在本实施方式的光定位装置1中，将作为所述折射元件的棱镜12的倾斜面13兼用为反射面和透射折射面，从而能够削减部件数，实现低成本化以及实现光定位装置的小型薄型化。其中，所述反射面是指对来自接触面11的、成像光学系统的光轴L所表示的成像光进行反射，优选是全反射的光路变换面；所述透射折射面是指对来自用于照明所述接触面11的LED光源16的、照明光学系统的光轴M所表示的照明光进行透射折射，从而将该照明光导向接触面11的面。
另外，由于是相对于接触面11以斜方向射入如照明光学系统的光轴M所表示的照明光，因此容易形成作为被摄体的指尖10的凹凸即指纹的影子，从而能够提高对指纹进行成像时的对比度，并能够提高识别灵敏度。
(实施方式2)
图5是说明本发明的光定位装置1的实施方式2的光学系统的图，在此也以指尖10作为被摄体。
在本实施方式中，作为光源模块，如图5所示，在LED光源16的发光面16a上配置有聚光透镜17。
此时，聚光透镜17与为了防止LED光源16的劣化而设置的封装树脂20a构成一体化结构。由此，能够在相对于LED出射面16a较近的位置上配置聚光透镜17的透镜面，从而能够通过较小面积的透镜面对LED出射光中的散射度较高的光线也进行聚光。即，在此，作为用于抑制LED光源16的光散射度的透镜，形成了聚光透镜17。
LED光源16的散射光被所述聚光透镜17聚集之后，通过作为折射元件的棱镜12的倾斜面13，能够高效地照射向指尖10的方向。
由此，通过减少被浪费掉的光，能降低杂光等噪音成分，并提高射入到摄像元件15中的信号的品质，以及能够抑制LED光源16的消费功率。另外，所述聚光透镜17具有半球型透镜面或者抛物面的形状时其效果更大。
(实施方式3)
图6以及图7是表示本发明的光定位装置1的实施方式3的光学系统的图，在此也以指尖10作为被摄体。
如在实施方式1中进行的说明，由于是相对于接触面以斜方向射入照明光，因此易于形成指纹等被摄体的凹凸的影子，以及在被摄体像上获得较高的对比度，从而能够提高识别灵敏度。
在本实施方式中，说明相对于接触面11以斜方向射入光的方法。
如图6所示，当照明光学系统的光轴M向着作为折射元件的棱镜12的倾斜面13的法线方向倾斜时，能以更倾斜的方向对接触面11照射光。但是，对LED光源116本身进行倾斜配置的方法在组装性上存在困难。
在此，如图7所示，作为光源模块，在LED光源16的发光面16a上设置锥形面18，通过该锥形面18来折射照明光，使照明光学系统的光轴M向着作为折射元件的棱镜12的倾斜面13的法线方向倾斜。根据该结构，能够使照明光学系统的光轴M折曲成为相对于接触面11更为倾斜的入射方式。
根据图7的结构，无需对LED光源16本身进行倾斜配置，只需将用于封装LED光源16的成型树脂20的光出射面形成为倾斜的锥形面18即可，因此有利于成本以及对位的双方面。
另外，在此虽未图示，作为光源模块，可以在LED光源16的发光面16a上设置衍射元件，通过该衍射元件对照明光进行衍射，从而使照明光的光轴M向作为折射元件的棱镜12的倾斜面13的法线方向倾斜。根据该结构，能够使照明光学系统的光轴M以相对于接触面11更倾斜的方式射入。此时，也不需要对LED光源16本身进行倾斜配置，而只需在用于封装LED光源16的成型树脂20的表面部分形成衍射光栅即可。如果所述衍射光栅采用的是浮雕型，在对用于封装LED光源16的成型树脂20进行成型时，可同时形成该衍射光栅。
(实施方式4)
在实施方式4中，说明在作为电子设备的便携式电话机中搭载本发明的光定位装置的情况。
图8的(A)～(C)是表示便携式电话机的结构的图。图8的(A)表示的是便携式电话机100的正面侧，图8的(B)表示的是便携式电话机100的背面侧，图8的(C)表示的是便携式电话机100的侧面侧。
本实施方式的便携式电话机100包括监视器侧框体101、操作侧框体102、传声器部103、数字键104、监视器部105、扬声器部106以及本发明的光定位装置107。
扬声器部106以及传声器部103用于输入和输出声频信息。监视器部105用于输出视频信息，其在本实施方式4中，用于显示光定位装置107提供的输入信息。
在实施方式4中，光定位装置107被配置在图8的(A)所表示的数字键104的上部，但对于光定位装置107的配置方法以及方向并无限定。
作为实施方式4的便携式电话机100，在此如图8的(A)～(C)所示，列举由上部框体和下部框体通过合叶连接而成的所谓折叠式便携式电话机100进行说明。当然，可搭载光定位装置107的便携式电话机100并不限定于折叠式的便携式电话机。但是，便携式电话机以本实施方式所述的折叠式为主流，并且，目前已有折叠时的厚度为10mm以下的产品。考虑到携带便利性，厚度是一个非常重要的因素。
在图8的背面图(B)、侧面图(C)所表示的操作侧框体102中，除了未图示的电路基板等，决定厚度的部件还包括传声器部103、数字键104、光定位装置107。其中，光定位装置107最厚，光定位装置107的薄型化直接关系到便携式电话机100的薄型化。因此，本发明的光定位装置是利于对便携式电话机等电子设备进行薄型化的发明。
标号说明
1 光定位装置
10 被摄体(指尖)
11 接触面
12 折射元件(棱镜)
13 倾斜面
14 成像元件(透镜)
15 摄像元件
16 LED光源
17 聚光透镜
18 锥形面
20 成型树脂
21 电路基板
22 光圈
23 下倾棱镜
24 外罩
100 便携式电话机
101 监视器侧框体
102 操作侧框体
103 传声器部
104 数字键
105 监视器部
106 扬声器部
107 光定位装置
L 成像光学系统的光轴
M 照明光学系统的光轴
Claims (6)
1.一种光定位装置，其特征在于：
包括与被摄体接触的接触面、用于照明所述接触面的光源模块、具有用于折射来自所述接触面的漫反射光的倾斜面的折射元件、对来自所述接触面的漫反射光进行成像而获得像的成像元件以及用于拍摄所述像的摄像元件，
所述折射元件的倾斜面对来自所述接触面的漫反射光进行光路变换，并使用于照明所述接触面的光源模块的光透射和折射，将该光导向所述接触面。
2.根据权利要求1所述的光定位装置，其特征在于：
使所述像在摄像元件上成像的成像光学系统的光轴与以来自所述光源模块的光照明所述接触面的照明光学系统的光轴为不同的光轴。
3.根据权利要求1所述的光定位装置，其特征在于：
所述光源模块由光源和用于抑制来自所述光源的散射光的光散射度的透镜所构成。
4.根据权利要求1所述的光定位装置，其特征在于：
所述光源模块由光源和用于向所述折射元件的倾斜面的法线方向折射来自所述光源的散射光的元件所构成。
5.根据权利要求4所述的光定位装置，其特征在于：
用于向所述折射元件的倾斜面的法线方向折射来自所述光源的散射光的元件是光出射面为倾斜面的棱镜或者衍射元件。
6.一种电子设备，其特征在于：
具备权利要求1～5所述的光定位装置。
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