CN102681730A - 光学导航装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种光学导航装置，用于接收来自物体的控制，其包括：装置表面，用于承载所述物体；设置在所述装置表面下方的光源，用于沿着第一光轴且穿过第一光学结构，将第一圆锥体形的光束投射到所述物体上；和设置在所述装置表面下方的光传感器，用于检测第二圆锥体形的光束，从而收集所述反射光的空间光强分布；所述第二圆锥体形的光束是由所述物体反射所述第一圆锥体形的光束形成，该第二圆锥体形的光束沿着第二光轴且穿过第二光学结构；其中，所述第一光轴和第二光轴的相交点位于所述装置表面的下方。

Description

光学导航装置

技术领域

本发明涉及光学导航装置，更具体地说，涉及一种具有紧凑型的和期望

为小的感应范围且不会牺牲光传感器的灵敏度的光学导航装置。

背景技术

光学导航装置是需要用户通过GUI(图形用户接口)输入的消费电子产品的必要部件。现有的设计常常将光传感器设定为尽可能接收反射光而同时不会考虑感应范围。

然而，在很多应用中，光学导航装置的感应范围应该作为主要考虑的因素。在这些情况中，感应范围必须设限于可用的范围。目前，已开发出一些电学方法，例如降低感应灵敏度，以限制感应范围。另一方面，光学导航装置是期望具有较小尺寸的，其中，可简单地通过光学方法而不是电学方法，将感应范围限制在可用的范围，以便不会牺牲传感器的灵敏度。

发明内容

本发明涉及一种用于接收来自物体的控制的光学导航装置，根据本发明的一个方面，该光学导航装置包括：装置表面，用于承载所述物体；设置在所述装置表面下方的光源，用于沿着第一光轴且穿过第一光学结构，将第一圆锥体形的光束投射到所述物体上；和设置在所述装置表面下方的光传感器，用于检测第二圆锥体形的光束，从而收集所述反射光的空间光强分布；所述第二圆锥体形的光束是由所述物体反射所述第一圆锥体形的光束形成，该第二圆锥体形的光束沿着第二光轴且穿过第二光学结构；其中，所述第一光轴和第二光轴的相交点位于所述装置表面的下方。

所述光学导航装置还包括电连接到所述光传感器的数据处理单元，其中，所述数据处理单元用于将所述光传感器收集到的所述空间光强分布按时序的先后变化转换成关于所述物体运动的信息。

所述光源包括激光器，该激光器发射相干光。所述激光器是垂直空腔表面发射激光器。所述光源可用于发射波长为850nm的光。

所述光传感器包括光感应像素阵列。所述空间光强分布包括散斑图。所述第二光学结构包括一通孔。所述第二光学结构包括透镜、棱镜、镜面反射装置或多个光导结构；每个光导结构独立地传导一部分空间相分离的所述反射光到所述光传感器。

所述装置表面是窗户平板的最外表面，该窗户平板是由可选择性地将所述光源发射的光透过的材料制成。所述窗户平板仅透过不可见光谱中的光。

根据本发明的另一个方面，一种光学导航装置包括：装置表面，用于承载所述物体；设置在所述装置表面下方的光源，用于沿着第一光轴且穿过第一光学结构，将第一圆锥体形的光束投射到所述物体上；设置在所述装置表面下方的光传感器，用于检测第二圆锥体形的光束，从而收集所述反射光的空间光强分布；所述第二圆锥体形的光束是由所述物体反射所述第一圆锥体形的光束形成，该第二圆锥体形的光束沿着第二光轴且穿过第二光学结构；和电连接到所述光传感器的数据处理单元；其中，所述第一光轴和第二光轴的相交点位于所述装置表面的下方；所述数据处理单元用于将所述光传感器收集到的所述空间光强分布的随后的变化转换成关于所述物体运动的信息；所述装置表面是窗户平板的最外表面，该窗户平板是由可选择性地将所述光源发射的光透过的材料制成。

根据本发明的又一个方面，一种光学导航装置包括：装置表面，用于承载所述物体；设置在所述装置表面下方的光源，用于沿着第一光轴且穿过第一光学结构，将第一圆锥体形的光投射到所述物体上；设置在所述装置表面下方的光传感器，用于检测第二圆锥体形的光束，从而收集所述反射光的空间光强分布；所述第二圆锥体形的光束是由所述物体反射所述第一圆锥体形的光束形成，该第二圆锥体形的光束沿着第二光轴且穿过第二光学结构；和以电连接到所述光传感器的数据处理单元；其中，所述第一光轴和第二光轴的相交点位于所述装置表面的下方；所述数据处理单元用于将所述光传感器收集到的所述空间光强分布按时序的先后变化转换成关于所述物体运动的信息；和所述第二光学结构包括一通孔。

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是依据本发明一实施例的光学导航装置的结构示意图；

图2是图1所示的光学导航装置的几何光学示意图；

图3是图1所示的光学导航装置的俯视图；

图4是依据本发明另一实施例的光学导航装置的结构示意图；

图5是光传感器所接收到的相对光强和物体表面到该装置表面的垂直距离的关系示意图。

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是依据本发明一实施例的光学导航装置的结构示意图。如图1所示，该光学导航装置100用于为侦测物体运动。该光学导航装置100包括光源101，该光源101通过圆锥形的照明光束103，照射设置在装置表面108的物体102的表面。在该实施例中，物体102是用户的手指。物体102的表面反射照明光束103。部分反射光线104穿过通孔105到达光传感器106，该光传感器106可感应包括光源101所发射的光的波长的光谱。物体表面的反射可以是镜面反射或者散反射或者两者都有。

物体102的运动可引起照射到光传感器106上的反射光的空间光强分布的变化。光传感器106是光感应像素阵列，以用于捕捉反射光的空间光强分布。通过以电连接到光传感器106的数据处理单元对当前及随后的空间光强分布所作的比较，可确定物体在x-y平面上的移动方向和距离。该光传感器106可选择性地包括在光学导航装置中。在该实施例中，数据处理单元包括微处理器。该光学导航装置另可选择为不包括数据处理单元，同时，该数据处理单元为外部连接到该光学导航装置。如果光源101是不相干光源，光传感器106可捕捉物体102的照射表面的图像。否则，如果光源101是相干光源，光传感器106可捕捉照射到光传感器阵列106上的反射光104所形成的散斑图。

根据光感应光学系统的构造，通孔105是可设置于沿反射光到光传感器106的路径中的。通孔105还包括反射镜装置或多个光导结构；多个光导结构中的每一个可传导一部分在空间上相分离的反射光到光传感器106。取决于该照明光学器件的构造设计，透镜结构107或棱镜结构是可设置于照明光路之中的。

在该实施例中，该装置表面10g是窗户平板的最表面，该窗户平板是由可选择地将光源101发射的光透过的材料制成。该窗户平板较佳的选择为可仅仅将不可见光谱透过。通孔105的大小、方向和位置及光传感器的区域一起确定可到达光传感器106的圆锥体光束范围的几何形状。光传感器106可接收的圆锥体形的反射光104和圆锥体形的照明光束相互部分重叠，从而在标示该装置的感应范围109的装置表面10g的上方形成一区域。由于该反射光104可到达光传感器106，因此仅当物体102的表面位于该感应范围109时，物体102的运动方能被检测得到。而该装置的最大感应范围由从该装置表面10g起的感应范围109的高度所定义。

如图1所示，实际的感应范围111取决于光传感器106的初始灵敏度和可检测到的物体102的表面的表面性质，该实际的感应范围111应该在最大感应范围110内。对于手指导航应用，该感应范围通常要求较小一些，通常小于0.5mm，以便当该手指仅在几乎与手指导航装置相接触时，该装置方可感应到手指的移动。

图2是图1所示的光学导航装置的几何光学示意图。如图2所示，该虚拟的光源201是真实光源的虚像，同时该虚拟光传感器202是真实光传感器的虚像。虚拟光源201可发射圆锥体形的光束203，该光束203在空气中的对角为φ_emit 204(如果照射到物体表面的圆锥体光束是会聚的，那么φ_emit为负数)。沿着照明光轴205延伸的照明主光线与该装置表面207的法线形成的夹角为θ_{cr_emit}206。上部边缘光线θ_{up_mr_emit}208与装置表面207的法线形成的夹角为：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{up}\_\mathrm{mr}\_\mathrm{emit}}\≈{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cr}\_\mathrm{emit}}-\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{emit}}}{2}---\left(1\right)$

类似地，虚拟光传感器202可接收圆锥体形的光束209，该光束209的在空气中的对角为φ_refl 210(如果从该装置表面207回溯到物体表面的圆锥体是会聚的话，那么φ_refl为负数)。沿着圆锥体形的可检测光的光轴211发射的主光线与该装置表面207的法线形成的夹角为φ_{cr_refl} 212。该主光线与照明光轴205在位置213相交。上部边缘光线φ_{up_mr_refl} 214与该装置表面207的法线形成的夹角为：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{up}\_\mathrm{mr}\_\mathrm{refl}}\≈{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{cr}\_\mathrm{refl}}-\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{refl}}}{2}---\left(2\right)$

图3是图1所示的光学导航装置的俯视图。如图3所示的x-y平面上，照明圆锥体形的光束的光斑301、可由光传感器接收的圆锥形的反射光302的光斑、虚拟光源303和投射在装置表面的虚拟光传感器304。r_{up_mr_emit}305和r_{up_mr_refl} 306分别是沿x-轴与该装置表面相截的圆锥体形照明光束和圆锥体形反射光束的光斑的半径。d307是圆锥体形的反射光308的光轴的位置相对圆锥体形的照明光309的光轴位置在该装置表面的位移。如果投射在装置表面的圆锥体形的反射光308的光轴的位置在投射的虚拟光源位置303和圆锥体形的照明光309的光轴的投射位置之间，位移d307为负数。

那么最大感应范围为：

$h_{\max }=\frac{r_{\mathrm{up}\_\mathrm{emit}}+r_{\mathrm{up}\_\mathrm{refl}}+d}{\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{up}\_\mathrm{mr}\_\mathrm{emit}}+\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{up}\_\mathrm{mr}\_\mathrm{refl}}}---\left(3\right)$

当无论光功率多小，光传感器均可响应反射光时，实际的感应范围便可等于h_max。因此，在真实情况下，实际的感应范围是h_max的一个分数，而该h_max取决于光传感器的灵敏度和物体表面的性质例如反射率和扩散率。

为了获得较小的h_max值，公式(3)的分母必须具有较大值同时分子需要保持较小值。当中的θ_{up_mr_emit}和θ_{up_mr_refl}不被期望为较大的数值，因为较大的θ_{up_rm_emit}和θ_{up_mr_refl}的值将标示圆锥体形的照明光束和光传感器可接收的圆锥体形的反射光束位于非常倾斜的方向，这将迫使光导航装置体积较大。对于分子，因为r_{up_mr_emit}和r_{up_mr_refl}均是正数，为获得较小的h_max值，最有效的方法是将该装置设计为具有负值d(d＜0)，其相当于圆锥体形的照明光束的光轴和光传感器可接收的圆锥体形的反射光束的光轴的相交点位于装置表面的下方。通过这种方式，照明部分和光感应部分将会在比较接近的位置上，这将有利于将该装置设计为具有较小尺寸。

图4是依据本发明另一实施例的光学导航装置的结构示意图。该光源401是激光器，例如是直腔面发射体激光器(VCSEL)。通孔402为简单的缝隙结构。在该实施例中，激光器用于发射相干光。该相干光的波长可为850nm。圆锥体形的照明光束403的光轴和圆锥体形的反射光束404的光轴在位于装置表面406之下的位置405相交。

对于图4所示的实施例，当d＝0.2mm(d＞0)、d＝0和d＝-0.2mm(d＜0)时，图5是光传感器所接收到的相对光强和物体表面到该装置表面z_{object-module}的垂直距离的关系示意图。对于d＝0.2mm的情况，光传感器所接收到的光强具有局部最大值。仅当z_{object-module}大于局部最大值光强所对应的点时，该光强随着z_{object-module}的增加而降低。因此，h_max将大于别的情况下所对应的值。对于d＝0和d＝-0.2mm的情况，该光强随着z_{object-module}的增加而单调地降低且具有较陡的斜率，由此使得h_max的值较小。根据公式(3)，对于d＝-0.2mm的情况，h_max为1.2mm。实际的实验感应范围大约为0.5mm，其位于计算的范围内。

上述实施例可能的应用有光学鼠标、笔记本电脑、手持式设备和别的需要用户通过GUI(图形用户接口)输入的消费电子产品。根据外形的要求，例如圆形、矩形等等，该装置可以设计为任意期望的形状。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种光学导航装置，用于接收来自物体的控制，其特征在于，包括：

装置表面，用于承载所述物体；

设置在所述装置表面下方的光源，用于沿着第一光轴且穿过第一光学结构，将第一圆锥体形的光投射到所述物体上；

设置在所述装置表面下方的光传感器，用于检测第二圆锥体形的光束，从而收集所述反射光的空间光强分布；所述第二圆锥体形的光束是由所述物体反射所述第一圆锥体形的光束形成，该第二圆锥体形的光束沿着第二光轴且穿过第二光学结构；其中，所述第一光轴和第二光轴的相交点位于所述装置表面的下方。

2.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，还包括电连接到所述光传感器的数据处理单元，其中，所述数据处理单元用于将所述光传感器收集到的所述空间光强分布按时序的先后变化转换成关于所述物体运动的信息。

3.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述光源包括激光器，该激光器发射相干光。

4.根据权利要求3所述的光学导航装置，其特征在于，所述光源用于发射波长为850nm的光。

5.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述第二光学结构包括一通孔。

6.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述第二光学结构包括透镜、棱镜、镜面反射装置或多个光导结构；每个光导结构独立地承载一部分空间相分离的所述发射光到所述光传感器。

7.根据权利要求1所述的光学导航装置，其特征在于，所述装置表面是窗户平板的最外表面，该窗户平板是由可选择性地将所述光源发射的光透过的材料制成。

8.根据权利要求7所述的光学导航装置，其特征在于，所述窗户平板仅透过不可见光谱中的光。

9.一种光学导航装置，用于接收来自物体的控制，其特征在于，包括：

装置表面，用于承载所述物体；

设置在所述装置表面下方的光源，用于沿着第一光轴且穿过第一光学结构，将第一圆锥体形的光束投射到所述物体上；

设置在所述装置表面下方的光传感器，用于检测第二圆锥体形的光束，从而收集所述反射光的空间光强分布；所述第二圆锥体形的光束是由所述物体反射所述第一圆锥体形的光束形成，该第二圆锥体形的光束沿着第二光轴且穿过第二光学结构；

电连接到所述光传感器的数据处理单元；

所述第一光轴和第二光轴的相交点位于所述装置表面的下方；

所述数据处理单元用于将所述光传感器收集到的所述空间光强分布按时序的先后变化转换成关于所述物体运动的信息；

所述装置表面是窗户平板的最外表面，该窗户平板是由可选择地将所述光源发射的光透过的材料制成。

10.根据权利要求9所述的光学导航装置，其特征在于，所述光源包括激光器，该激光器发射相干光。

11.根据权利要求9所述的光学导航装置，其特征在于，所述第二光学结构包括透镜、棱镜、镜面反射装置或多个光导结构；每个光导结构独立地承载一部分空间相分离的所述发射光到所述光传感器。

12.根据权利要求9所述的光学导航装置，其特征在于，所述窗户平板仅透过不可见光谱中的光。

13.根据权利要求10所述的光学导航装置，其特征在于，所述光源用于发射波长为850nm的光。

14.根据权利要求9所述的光学导航装置，其特征在于，所述第二光学结构包括一通孔。

15.一种光学导航装置，用于接收来自物体的控制，其特征在于，包括：

装置表面，用于承载所述物体；

设置在所述装置表面下方的光源，用于沿着第一光轴且穿过第一光学结构，将第一圆锥体形的光束投射到所述物体上；

设置在所述装置表面下方的光传感器，用于检测第二圆锥体形的光束，从而收集所述反射光的空间光强分布；所述第二圆锥体形的光束是由所述物体反射所述第一圆锥体形的光束形成，该第二圆锥体形的光束沿着第二光轴且穿过第二光学结构；

电连接到所述光传感器的数据处理单元；

所述第一光轴和第二光轴的相交点位于所述装置表面的下方；

所述数据处理单元用于将所述光传感器收集到的所述空间光强分布按时序的先后变化转换成关于所述物体运动的信息；

所述第二光学结构包括一通孔。

16.根据权利要求15所述的光学导航装置，其特征在于，所述第二光学结构包括透镜、棱镜、镜面反射装置或多个光导结构；每个光导结构独立地承载一部分空间相分离的所述发射光到所述光传感器。

17.根据权利要求15所述的光学导航装置，其特征在于，所述装置表面是窗户平板的最外表面，该窗户平板是由可选择地将所述光源发射的光透过的材料制成；所述窗户平板仅透过不可见光谱中的光。

18.根据权利要求17所述的光学导航装置，其特征在于，所述光源包括激光器，该激光器发射相干光。

19.根据权利要求18所述的光学导航装置，其特征在于，所述光源用于发射波长为850nm的光。

Images