CN102541302B - 光学导航装置和使用光学导航装置的移动电子设备 - Google Patents

光学导航装置和使用光学导航装置的移动电子设备 Download PDF

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CN102541302B CN201110009129.5A CN201110009129A CN102541302B CN 102541302 B CN102541302 B CN 102541302B CN 201110009129 A CN201110009129 A CN 201110009129A CN 102541302 B CN102541302 B CN 102541302B
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Abstract

本发明涉及一种光学导航装置和使用光学导航装置的移动电子设备，该装置包括光源，具有导航表面的光传导窗口，用于阻挡环境光并吸收散射光的第一遮光罩，用于检测来自于光传导窗口的光的传感器和位于所述光源和所述传感器之间用于阻挡从所述光源到所述传感器的直射光的第二遮光罩。所述光传导窗口包括至少一个折射面。所述折射面位于从所述光源到所述传感器的光路中。

Description

光学导航装置和使用光学导航装置的移动电子设备
技术领域
本发明涉及光学导航装置。本发明也涉及使用光学导航装置的移动电子设备。
背景技术
光学导航设备使用光源照亮导航表面以便光学成像器能够生成用于计算运动的数字图像。例如，光学成像器能够将手指成像于一表面，并基于连续图像的比较生成导航信号。然而，随着传统导航设备尺寸的减小，用于检测光学导航输入的光学元件和传感器的物理空间也减小了。
例如，一些传统的光学导航设备包具有大约2.5mm的厚度或光高(opticalheight)。光高是指从光学手指接口的表面(optical finger interface surface)到相应的传感器之间的距离。光高也可指作光轨。对于一些手持式设备的实施，例如移动电话和小型的便携式PC外围设备，大约2.5mm的光高或者厚度被认为太厚了。在使用光学透镜引导光从光学手指接口的表面到相应的传感器的传统光学导航设备中，将光高减小到大约2.5mm以下是不实际的。
发明内容
尽管在本申请中公开的光学导航装置是通过一些实施例进行说明和描述的，然而通过查阅和理解该详细说明所进行的等同替换和改变对于本领域的技术人员来说是显而易见的。
根据本发明的一个方面，提供了一种光学导航装置，其包括：具有导航表面的光传导窗口；位于所述光传导窗口下侧的光源；用于阻挡环境光的第一遮光罩；位于所述光传导窗口下侧的传感器；位于所述光源和所述传感器之间的第二遮光罩，用于阻挡从所述光源到所述传感器的直接光；其中，所述光传导窗口包括第一折射面和第二折射面；第一折射面位于所述光源顶部，以用于将光折射到顶部导航表面，第二折射面用于将反向散射光从所述顶部导航表面导向所述传感器，以检测相关物体的运动。
在一实施例中，所述光源是以单横模(single lateral mode)发射相干光辐射的顶部发射激光器。
在一实施例中，所述光源是单模垂直腔表面发射激光器。
在一实施例中，所述光传导窗口是由折射率在1.5到1.8之间的材料制成。
在一实施例中，所述第一折射面具有大约50度的角度。
在一实施例中，所述第二折射面具有大约60度到大约80度范围内的角度。
在一实施例中，所述光源的顶部表面和所述顶部导航表面之间的距离为大约0.5mm到大约1.0mm之间。
在一实施例中，所述传感器包括光电二极管阵列，来自于外部的移动物体的反向散射光在所述光电二极管阵列上形成光斑图形，并且所述传感器检测所述光斑图形横穿所述光电二极管阵列的移动来确定所述物体的相对移动。
在一实施例中，所述光源中心到所述光电二极管阵列边缘的距离在大约1.7mm到大约2.3mm之间。
在一实施例中，所述第一遮光罩和所述光传导窗口注塑为一体成型结构。
在一实施例中，所述第一折射面和所述第二折射面上均覆盖有防反光膜。
在一实施例中，所述第一折射面和所述第二折射面中的至少一个上设置有透镜。
在一实施例中，将所述传感器的设置位置为当物体位于所述顶部导航表面时，所述传感器接收最多所述物体散射产生的反向散射光，并且当外部的移动物体离开所述顶部导航表面时，到达所述光电二极管阵列的所述反向散射光将显著减少。
在一实施例中，进一步包括PCB基板，所述传感器和所述光源电连接到所述PCB基板上。
在一实施例中，进一步包括设置在所述PCB基板底面的开关。
在一实施例中，从所述顶部导航表面到所述PCB基板底部的距离在大约1.2mm到大约1.5mm之间。
根据本发明的另一个方面，提供一种光学导航装置，其包括：光源；具有导航表面的光传导窗口；第一遮光罩，用于阻挡环境光；传感器，用于检测来自于所述光传导窗口的光；第二遮光罩，位于所述光源和所述传感器之间，以用于阻挡从所述光源到所述传感器的直射光；其中，所述光传导窗口包括至少一个折射面，所述折射面位于从所述光源到所述传感器的光路中。
在一实施例中，所述折射面位于从所述光源到所述顶部导航表面的光路中。
在一实施例中，所述折射面位于从所述顶部导航表面到所述传感器的光路中。
根据本发明的再一个方面，提供一种移动电子设备，其包括权利要求17所述的光学导航装置。
在一实施例中，所述移动电子设备包括超薄移动电话、手提电脑或平板电脑。
在一实施例中，所述折射面位于从所述光源到所述顶部导航表面的光路中。
在一实施例中，所述折射面位于从所述顶部导航表面到所述传感器的光路中。
在一实施例中，所述光源是以单横模(single lateral mode)发射相干光辐射的顶部发射激光器。
在一实施例中，所述光源是单模垂直腔表面发射激光器。
在一实施例中，所述光传导窗口是由折射率在1.5到1.8之间的材料制成。
在一实施例中，所述第一折射面具有大约50度的角度。
在一实施例中，所述第二折射面具有大约60度到大约80度范围的角度。
在一实施例中，所述光源顶部表面和所述顶部导航表面之间的距离在大约0.5mm到大约1.0mm的范围内。
在一实施例中，所述传感器包括光电二极管阵列，来自于外部的移动物体的反向散射光在所述光电二极管阵列上形成光斑图形，并且所述传感器检测所述光斑图形横穿所述光电二极管阵列的移动来确定所述物体的相关移动。
在一实施例中，所述光源中心到所述光电二极管阵列边缘的距离在大约1.7mm到大约2.3mm之间。
在一实施例中，所述第一遮光罩和所述光传导窗口注塑为一体成型结构。
在一实施例中，所述第一折射面和所述第二折射面上均覆盖有防反光膜。
在一实施例中，所述第一折射面和所述第二折射面中的至少一个上设置有透镜。
在一实施例中，将所述传感器的位置设置为当物体位于所述顶部导航表面时，所述传感器接收最多所述物体散射产生的反向散射光，并且当外部的移动物体离开所述顶部导航表面时，到达所述光电二极管阵列的所述反向散射光将显著减少。
在一实施例中，所述光学导航装置进一步包括PCB基板，所述传感器和所述光源电连接到所述PCB基板上。
在一实施例中，所述光学导航装置进一步包括设置在所述PCB基板底面的开关。
在一实施例中，从所述顶部导航表面到所述PCB基板底部的距离为大约1.2mm到大约1.5mm之间。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是根据本发明第一实施例的光学导航装置的横截面图；
图2是不与物体相接触的光学导航装置的结构示意图；
图3是与物体相接触的光学导航装置的结构示意图；
图4是光学导航装置的立体结构示意图；
图5是根据本发明第二实施例的光学导航装置的横截面图；
图6是根据本发明第三实施例的光学导航装置的横截面图；
图7是根据本发明第四实施例的光学导航装置的横截面图；
图8是根据本发明第五实施例的光学导航装置的横截面图；
图9是根据本发明第六实施例的光学导航装置的横截面图；
图10是根据本发明第七实施例的光学导航装置的横截面图；
图11是根据本发明第八实施例的光学导航装置的横截面图。
具体实施方式
参考如下所公开的本发明申请的光学导航装置的优选实施例。尽管对于相关领域的技术人员来说，某些对于理解所述光学导航装置并非十分重要的特征为了清楚起见未加以说明，仍然详细描述了本发明申请所公开的光学导航装置的示范性实施例。
此外，应当理解，在本发明申请中公开的所述光学导航装置并不局限于下面描述的特定实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以对其进行各种改变或等效替换。例如，在本发明公开的范围内，不同的示范性实施例的部件和/或特征可以相互结合和/或相互代替。
图1是根据本发明第一实施例的光学导航装置(optical navigationmodule，缩写为ONM)的横截面图。光学导航装置包括光源101、光传导窗口103、第一遮光罩102、第二遮光罩109、传感器105和印刷电路板(printedcircuit board，缩写为PCB)基板106。第一遮光罩102和光传导窗口103形成该光学导航装置的外壳。第一遮光罩102和第二遮光罩109可以设计为一体成型结构，并且可以使用双射成型法，与光传导窗口103注塑在一起。传感器105和光源101可电连接到PCB基板106上。传感器105可以是驱动IC或者其他设备。PCB基板106可以是刚性PCB基板。
光源101可以是红外线光源。在本实施例中，光源101可以是顶部发射激光器，其以单横模(single lateral mode)发射相干光辐射。更具体地说，光源101是单模垂直腔表面发射激光器。也可以使用其他类型的相干光源作为光源101。
第一遮光罩102用于阻挡环境光和吸收散射光。第二遮光罩109设置在光源101和传感器105之间，用于阻挡从光源101到传感器105的直射光。在第一遮光罩102下侧构造两个腔体，第二遮光罩109将这两个腔体隔开。一个腔体用于放置光源101，另一个腔用于放置传感器105。在光传导窗口103上设置有第一通孔114和第二通孔115，从而该光传导窗口103提供该两个腔体中的部件和光学导航装置的顶部表面之间的无阻挡光路。
光传导窗口103可以是红外光传导窗口。光传导窗口103可以使用选择性地传导光源101的某些波长的光(特别地，大约850nm)而阻挡其它波长的光的材料制成。在本实施例中，光传导窗口103使用折射率在1.5到1.8之间的材料制成。该材料不会显著地削弱由光源101产生的红外光，但是会显著地吸收可见光。
光传导窗口103包括顶部导航表面112、第一折射面110和第二折射面111。顶部导航表面112可以与第一遮光罩102的顶部表面的高度相同。第一折射面110位于光源101的顶部，以将光折射到顶部导航表面112。第二折射面111用于将反向散射光从顶部导航表面112导向传感器105，以检测物体的相对移动。可选择地，第一折射面110和第二折射面111可具有防反射涂层，以减少表面的非涅尔反射损失。
如图1和图2所示，光源101位于第一折射面110的正下方。第一折射面110可以具有0度到大约90度的第一角度。在本实施例中，第一折射面110的第一角度113大约是50度。由于折射发生在第一折射面110上，第一折射面110将引导穿过第一通孔114并导向顶部导航表面112。当没有物体存在时，光(图中虚线示出)到达顶部导航表面112并射离该装置。
如图1和图3所示，靠近顶部导航表面放置移动物体，光在物体表面进行散射。部分散射光通过第二通孔115到达第二折射面111，该第二折射面111具有0度到大约90度范围的第二角度116。在本实施例中，位于第二折射面111上的第二角度116为大约60度到大约80度之间。光通过第二折射面111再次折射并射入传感器105。物体并非光学导航装置的一部分。该物体可以是人体手指或者其他移动物体。
如图1所示，传感器105用于检测来自于光传导窗口103的光。传感器105包括光电二极管(PD)阵列104。因为干涉，来自于外部的移动物体的反向散射光在光电二极管阵列上形成带有亮斑和暗斑的光斑图形。该物体横穿顶部导航表面112的相对移动导致了该光斑图形横穿PD阵列104表面的移动。传感器105通过读取来自于PD阵列104的光电流，以检测和计算光斑图形横穿光电二极管阵列的相对移动。
传感器105的位置设置为当放置物体在顶部导航表面112上时，传感器105可接收到最多的该物体散射产生的反向散射光。当被追踪的外表面移离顶部导航表面112时，因为第二通孔115对光的阻挡，使得到达PD阵列104的反向散射光将显著减少。
如图4所示，移动信息可被转换为电信号，该电信号可以被通过柔性电路板(Flexible Printed Circuit，缩写为FPC)108连接的外部系统所读取。
如图1至图3所示，可选择地，该光学导航装置可具有设置在该装置底部的触摸开关107，用于方便用户通过在该光学导航装置上点击选择输入。
在本发明的一个实施例中，光学导航装置的总厚度(从顶部导航表面112到PCB基板106底部)在大约1.2mm到大约1.5mm之间。从光源101的顶部到光传导窗口103的顶部的厚度在大约0.5mm到大约1.0mm之间。光源101中心和PD阵列的边缘之间的距离在大约1.7mm到2.3mm之间。
如图5所示，在本实施例中，光学导航装置的光传导窗口103进一步包括第一透镜120。第一透镜120位于第一折射面110上。第一透镜120可以将顶部导航表面112上的光束转换为理想大小。第一透镜120可以是微型镜片阵列。
如图6所示，在本实施例中，光学导航装置的光传导窗口103进一步包括第二透镜121。第二透镜121位于第二折射面111上。第二透镜121可以增加PD阵列104上的光聚。第二透镜121可以是微型镜片阵列。
如图7所示，在本实施例中，光学导航装置的光传导窗口103进一步包括第一透镜120和第二透镜121。第一透镜120位于第一折射面110上。第二透镜121位于第二折射面111上。第一透镜120可以将顶部导航表面112上的光束转换为理想大小。第二透镜121可以增加PD阵列104上的光聚。
如图8所示，在本实施例中，第二折射面111是平面。第二折射面111具有角度为0度的第二角度。本实施例的结构非常简单。如图9所示，在本实施例中，光学导航装置的光传导窗口103进一步包括第一透镜120。第一透镜120位于第一折射面110上。第一透镜120可以将顶部导航表面112上的光束转换为理想大小。
如图10所示，在本实施例中，第一折射面110是平面。第一折射面110具有角度为0度的第一角度113。本实施例的结构非常简单。如图11所示，在本实施例中，光学导航装置的光传导窗口进一步包括第二透镜121。第二透镜121位于第二折射面111上。第二透镜121可以增加PD阵列104上的光聚。
在本发明中，使用折射结构来缩短往返光路，从而减小该装置的高度。该光学导航装置使用基于折射的光学结构和最少数量的光表面，来将光学导航装置的高度减小到小于大约1.5mm。光高可以减小到小于大约0.9mm。该光学导航装置仍然可以保持大的有效照射面积从而导航传感器工作。
本发明所述的光学导航装置可以用于一些移动电子设备，例如超薄移动电话、手提电脑、平板电脑和任何其他的需要用户通过图形用户界面(graphicaluser interface，缩写为GUI)输入的消费类电子产品。
尽管本发明申请公开的光学导航装置和移动电子设备通过参考一定数量的优选实施例进行特定的描述和阐明，但是应当注意，各种改变或等效变换并未脱离本发明的保护范围。

Claims (39)

1.一种光学导航装置，其特征在于，包括：
具有顶部导航表面的光传导窗口；
位于所述光传导窗口下侧的光源；
用于阻挡环境光的第一遮光罩；
位于所述光传导窗口下侧的传感器；
位于所述光源和所述传感器之间的第二遮光罩，用于阻挡从所述光源直接照射到所述传感器的光；其中，
所述光传导窗口包括第一折射面和第二折射面；第一折射面位于所述光源顶部，以用于将光折射到顶部导航表面，第二折射面用于将反向散射光从所述顶部导航表面导向所述传感器，以检测相关物体的运动；
所述第二遮光罩顶部插入所述光传导窗口，所述第二遮光罩顶面低于所述第一遮光罩顶面、并高于所述光传导窗口的底面；所述第二遮光罩与光传导窗口注塑在一起。
2.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述光源是以单横模发射相干光辐射的顶部发射激光器。
3.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述光源是单模垂直腔表面发射激光器。
4.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述光传导窗口是由折射率在1.5到1.8之间的材料制成。
5.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述第一折射面具有大约50度的角度。
6.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述第二折射面具有大约60度到大约80度范围内的角度。
7.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述光源的顶部表面和所述顶部导航表面之间的距离为大约0.5mm到大约1.0mm之间。
8.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述传感器包括光电二极管阵列，来自于外部的移动物体的反向散射光在所述光电二极管阵列上形成光斑图形，并且所述传感器检测所述光斑图形横穿所述光电二极管阵列的移动来确定所述物体的相对移动。
9.根据权利要求8所述的光学导航装置，其特征在于，所述光源中心到所述光电二极管阵列边缘的距离在大约1.7mm到大约2.3mm之间。
10.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述第一遮光罩和所述光传导窗口注塑为一体成型结构。
11.根据权利要求1所述的一种光学导航装置，其特征在于，所述第一折射面和所述第二折射面上均覆盖有防反光膜。
12.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述第一折射面和所述第二折射面中的至少一个上设置有透镜。
13.根据权利要求8所述的光学导航装置，其特征在于，将所述传感器的设置位置为当物体位于所述顶部导航表面时，所述传感器接收最多所述物体散射产生的反向散射光，并且当外部的移动物体离开所述顶部导航表面时，到达所述光电二极管阵列的所述反向散射光将显著减少。
14.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，进一步包括PCB基板，所述传感器和所述光源电连接到所述PCB基板上。
15.根据权利要求14所述的光学导航装置，其特征在于，进一步包括设置在所述PCB基板底面的开关。
16.根据权利要求14所述的光学导航装置，其特征在于，从所述顶部导航表面到所述PCB基板底部的距离在大约1.2mm到大约1.5mm之间。
17.一种光学导航装置，其特征在于，包括：
光源；
具有顶部导航表面的光传导窗口；
第一遮光罩，用于阻挡环境光的；
传感器，用于检测来自于所述光传导窗口的光；
第二遮光罩，位于所述光源和所述传感器之间，以用于阻挡从所述光源直接照射到所述传感器的光；其中
所述光传导窗口包括至少一个折射面，所述折射面位于从所述光源到所述传感器的光路中；
所述第二遮光罩顶部插入所述光传导窗口，所述第二遮光罩顶面低于所述第一遮光罩顶面、并高于所述光传导窗口的底面；所述第二遮光罩与光传导窗口注塑在一起。
18.根据权利要求17所述的光学导航装置，其特征在于，所述折射面位于从所述光源到所述顶部导航表面的光路中。
19.根据权利要求17所述的光学导航装置，其特征在于，所述折射面位于从所述顶部导航表面到所述传感器的光路中。
20.一种移动电子设备，其特征在于，包括权利要求17所述的光学导航装置。
21.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述移动电子设备包括超薄移动电话、手提电脑或平板电脑。
22.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述折射面位于从所述光源到所述顶部导航表面的光路中。
23.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述折射面位于从所述顶部导航表面到所述传感器的光路中。
24.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述光源是以单横模发射相干光辐射的顶部发射激光器。
25.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述光源是单模垂直腔表面发射激光器。
26.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述光传导窗口是由折射率在1.5到1.8之间的材料制成。
27.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述至少一个折射面包括第一折射面，所述第一折射面具有大约50度的角度。
28.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述至少一个折射面包括第二折射面，所述第二折射面具有大约60度到大约80度范围的角度。
29.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述光源顶部表面和所述顶部导航表面之间的距离在大约0.5mm到大约1.0mm的范围内。
30.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述传感器包括光电二极管阵列，来自于外部的移动物体的反向散射光在所述光电二极管阵列上形成光斑图形，并且所述传感器检测所述光斑图形横穿所述光电二极管阵列的移动来确定所述物体的相关移动。
31.根据权利要求30所述的移动电子设备，其特征在于，所述光源中心到所述光电二极管阵列边缘的距离在大约1.7mm到大约2.3mm之间。
32.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述第一遮光罩和所述光传导窗口注塑为一体成型结构。
33.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述至少一个折射面包括第一折射面和第二折射面，所述第一折射面和所述第二折射面上均覆盖有防反光膜。
34.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述至少一个折射面包括第一折射面和第二折射面，所述第一折射面和所述第二折射面中的至少一个上设置有透镜。
35.根据权利要求30所述的移动电子设备，其特征在于，将所述传感器的设置位置为当物体位于所述顶部导航表面时，所述传感器接收最多所述物体散射产生的反向散射光，并且当外部的移动物体离开所述顶部导航表面时，到达所述光电二极管阵列的所述反向散射光将显著减少。
36.根据权利要求20所述的移动电子设备，其特征在于，所述光学导航装置进一步包括PCB基板，所述传感器和所述光源电连接到所述PCB基板上。
37.根据权利要求36所述的移动电子设备，其特征在于，所述光学导航装置进一步包括设置在所述PCB基板底面的开关。
38.根据权利要求36所述的移动电子设备，其特征在于，从所述顶部导航表面到所述PCB基板底部的距离为大约1.2mm到大约1.5mm之间。
39.根据权利要求17所述的光学导航装置，其特征在于，所述光传导窗口的光表面仅包括所述至少一个折射面和所述顶部导航表面。
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