CN102696003A - 光学指向装置及具备该光学指向装置的电子设备 - Google Patents

光学指向装置及具备该光学指向装置的电子设备 Download PDF

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CN102696003A CN2011800052532A CN201180005253A CN102696003A CN 102696003 A CN102696003 A CN 102696003A CN 2011800052532 A CN2011800052532 A CN 2011800052532A CN 201180005253 A CN201180005253 A CN 201180005253A CN 102696003 A CN102696003 A CN 102696003A
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Abstract

本发明提供一种光学指向装置及具备该光学指向装置的电子设备。为了通过减少部件数量来实现超薄型且安装性能优异的光学指向装置，本发明的光学指向装置(10)包括：对被摄物(1)照射光的光源(2)；具有对来自被摄物(1)的散射光进行成像的成像部(4)且在内部对来自被摄物(1)的散射光进行传输的导光体(6)；以及对从导光体(6)射出的来自被摄物(1)的散射光进行拍摄的摄像部(7)。而且，在射入导光体(6)内部的来自被摄物的光线(L)射出到导光体(6)外部之前的光路中，导光体(6)在使光线(L)不与空气相接触的条件下对其进行导光。

Description

光学指向装置及具备该光学指向装置的电子设备
技术领域
本发明涉及输入装置，具体涉及能够装载在移动电话等移动信息终端上的光学指向装置及具备该光学指向装置的电子设备。
背景技术
在以移动电话、PDA(Personal Digital Assistants:个人数字助理)等移动信息终端为代表的小型电子设备中，一般采用小键盘作为输入信息的用户界面。小键盘通常由用于输入数字和字符的多个按钮和方向按钮(十字键)构成。近年来，随着移动信息终端的显示部能够呈现图形等，作为向用户显示信息的显示方式，主要采用以二维的方式使用显示部的GUI(GraphicalUser Interface：图形用户界面)。
这样移动信息终端实现了高性能化，且具备与计算机同等的显示功能，由此使用菜单选择键和其它功能键作为方向键的以往移动信息终端的输入装置已不再适合用来选择在GUI上呈现的图标等，由此造成了不便。因此，即使是移动信息终端中也要求是像计算机所使用的鼠标或触摸板那样能够进行直观操作的指向装置。
为此，提出了一种光学指向装置来作为能够装载在移动信息终端上的指向装置，该光学指向装置通过用摄像元件观察与装置相接触的指尖等被摄物的图样，并获取接触面上被摄物的图样变化，从而检测到被摄物的动作。例如专利文献1所记载的光学指向装置中，利用LED等光源对接触面上的被摄物进行照明，并用聚光透镜将从被摄物散射出来的光聚焦到摄像元件上，用图像传感器等摄像元件对被摄物的像连续地进行拍摄，并提取出所拍摄的图像数据与之前刚拍摄的图像数据之间的变化量，基于该变化量计算出被摄物的动作，并将被摄物的动作作为电信号来输出。通过使用这种光学指向装置，能够使显示器上所显示的光标等与被摄物的动作相应地进行移动。
专利文献1所记载的光学式操纵杆中的光学系统为了实现装置的小型化和薄型化，由以下四个部件构成：具有第1反射面和第1平凸透镜部的第1波导管；具有第2反射面和第2平凸透镜部的第2波导管；与被摄物相接触的罩子；以及设置在第1平凸透镜部与第2平凸透镜部之间的空间内的孔。在现有技术中，被摄物表面的散射光射入罩子，在第1波导管、第2波导管中被导波，在摄像元件上成像。为了实现装置的薄型化，在第1波导管、第2波导管中设有光路变换元件，通过将光路变换到装置的宽度方向上，来限制装置在高度方向上变大的情况。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公布专利公报“特表2008－510248号公报(2008年4月3日公布)”
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在现有的光学指向装置中，从被摄物散射出来的光线在射入摄像部之前的光路中，至少要透过用以保护免受外部冲击等的罩部和用于使来自被摄物的散射光成像的波导管的内部。而且，波导管由多个部件构成，因此制造时需要进行多道制造工序和组装工序，从而无法提供低成本的光学指向装置。此外，由于部件数量较多，因此需要进行高精度的安装，从而导致制造时的生产率降低。
而且，装置由多个部件构成、各部件形成用于组装的结构都会导致光学指向装置难以实现薄型化。
本发明是鉴于上述问题点而完成的，其目的在于提供一种通过减少部件数量而得到的超薄型且安装性能优异的光学指向装置及具备该光学指向装置的电子设备。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述问题，本发明的光学指向装置包括：光源，该光源对被摄物照射光；导光体，该导光体具有对来自所述被摄物的散射光进行成像的成像部，且使来自所述被摄物的散射光在所述导光体的内部传输；以及摄像部，该摄像部对从所述导光体射出的被摄物的散射光进行拍摄，该光学指向装置的特征在于，在射入所述导光体的内部的被摄物的散射光射出到所述导光体的外部之前的光路中，所述导光体在使该散射光不与空气相接触的条件下对所述散射光进行导光。
根据上述结构，在射入导光体的内部的被摄物的散射光射出到所述导光体的外部的光路中，导光体在使该散射光不与空气相接触的条件下对其进行导光，即在单一的导光体中设有入射部、成像部和出射部，因此，能够减少装置的部件数量，从而能够实现超薄型的光学指向装置。而且，通过减少部件数量，能够降低光学指向装置制造时的成本。而提高安装性能还能提高生产率。而且，通过在所射入的被摄物的散射光射出到所述导光体的外部之前的光路中，在使被摄物的散射光不与空气接触的条件下对其进行导波，由此能消除被摄物的散射光透过与空气层之间的界面时所产生的全反射或光量损失。因此，若采用上述结构，能够降低LED的光输出，从而能够实现光学指向装置的低功耗。另外，通过高精度地制作用于使导光体成形的模具，能够高精度地制造具有成像特性的导光体。
发明效果
根据本发明，能够提供一种通过减少部件数量而得到的超薄型且安装性能优异的光学指向装置及具备该光学指向装置的电子设备。
本发明的其它目的、特征以及优点通过以下所示的记载可以充分了解。另外，本发明的优点通过参照附图的以下说明将变得明白。
附图说明
图1是表示实施方式1的光学指向装置的简要结构的剖视图。
图2是表示图1所示的光学指向装置的另一结构的剖视图。
图3是表示图1所示的光学指向装置的又一结构的剖视图。
图4是表示实施方式2的光学指向装置的简要结构的剖视图。
图5是表示图4所示的光学指向装置的另一结构的剖视图。
图6是表示图4所示的光学指向装置的又一结构的剖视图。
图7是表示实施方式3的光学指向装置的简要结构的剖视图。
图8(a)是表示图7所示的光学指向装置所具备的衍射元件的具体形状的剖视图，图8(b)～(e)分别是表示衍射元件的刻槽图案的一个例子的俯视图。
图9表示装载有本发明的光学指向装置的电子设备即移动电话的一个例子，图9(a)是表示上述移动电话的外观的一个例子的主视图，图9(b)是表示上述移动电话的外观的一个例子的后视图，图9(c)是表示上述移动电话的外观的一个例子的侧视图。
具体实施方式
关于本发明的各实施方式，以使用LED(Light Emitting Diodes：发光二极管)作为光源的光学指向装置为例进行说明。本发明的光学指向装置通过对指尖等被摄物照射光，并用摄像部接受从被摄物反射而来的光，由此检测被摄物的动作。以下，对各实施方式的光学指向装置的结构进行具体说明。此外，对表示相同功能和作用的部件标注相同的标号，并省略其说明。
[实施方式1]
根据图1～图3来说明本发明的实施方式1。图1是表示实施方式1的光学指向装置10的简要结构的剖视图。如图1所示，本发明的光学指向装置10包括：用于对被摄物1进行照明的光源2；在内部传输来自被摄物1的散射光的导光体6；以及对从所述导光体6的出射部5射出的被摄物1的像进行拍摄的摄像部7。导光体6使来自被摄物1的散射光在入射部3射入，在成像部4成像，并使该散射光从出射部5射出。
图1中，为了简化说明，将被摄物1与导光体6分开表示。但在使用光学指向装置10时，被摄物1是与导光体6的上表面相接触的。
此外，为了简化说明，将光学指向装置10的厚度方向(图1中的纵向)设为z轴，将光学指向装置10的宽度方向(图1中的横向)设为y轴。将从光学指向装置10的下部向着上部的方向设为z轴的正方向，并将从光源2向着摄像部7的方向设为y轴的正方向(导光方向)。此外，也将z轴的正方向称为垂直方向，将y轴的正方向称为水平方向。还将光学指向装置10的纵深方向设为x轴，将从图1所示的光学指向装置20的里侧向着前侧的方向设为x轴的正方向。
如图1所示，从光源2射出的光线M在对光源2进行了密封的透光性树脂2a的内部被导波，经由导光体6而照到被摄物1上，并在被摄物1的表面(凹凸形状)发生散射。被摄物1所散射出来的一部分光从设置在导光体6上的入射部3射入导光体6的内部。从入射部3射入的光线L经形成在导光体6下表面的成像部4而发生聚焦和反射。该成像部4使射入的光线L反射，并使该反射后的光线L聚焦。这里，为了简化说明，将涉及到上述反射和聚焦的成像部4的功能简记为“聚焦和反射”。
成像部4可以使用例如蒸镀了反射膜的反射聚焦透镜，以对射入的光线L进行聚焦和反射。蒸镀的反射膜可以列举由铝、镍、金、或银构成的金属膜，或者介电分色膜等。另外，也可以在上述成像部4的透镜面上形成上述反射膜，但也可以形成由多层反射率高于金属的介质膜层叠而成的多层介质膜。此外，若使用在蒸镀了铝等的金属膜上层叠介质膜而成的膜来作为金属增强反射膜，则能够使反射率高于由金属单体形成的蒸镀膜。
此外，成像部4的表面形状也可以由具有单一曲率半径的球面构成。此外，成像部4的表面形状也可以由导光方向(图1中y轴的正方向)和与导波方向垂直的方向(图1中与y、z方向垂直的方向：x方向)上的曲率半径各不相同的圆环面构成，以对摄像部7中被摄物的像的光学像差(非点像差、球面像差、彗形像差等)、图像失真进行校正。此外，成像部4的表面形状也可以由非球面或自由曲面构成。但是，若考虑光学指向装置10的组装性能，则成像部4的表面形状优选由较为简单的面形状来构成。
经具有上述形状的成像部4反射和聚焦后的光线L从设置在导光体6上的出射部5向导光体6的外部射出。从导光体6的出射部5射出的光线L聚焦到摄像部7上。在图1所示的光学指向装置10中，来自被摄物1的散射光从设置在导光体6上的入射部3射入后，在到达出射部7之前的光路中，沿着y轴的正方向被导光。
本实施方式的光学指向装置10中，导光体6能够使来自被摄物1的散射光射入，并使射入的光成像，然后向摄像部射出。从入射部射入的被摄物1的散射光在成像和出射之前(散射光到达出射部5之前的光路中)，在导光体6的内部沿y轴的正方向被导波。从而，导光体6的特征在于，至少从入射部3到出射部5之间的部分由单一材料构成。
图1所示的光学指向装置10采用被摄物1与导光体6的上表面直接接触的结构，没有另外设置罩部。从而，导光体6不仅具有对散射光进行导光的功能，还具有作为罩部的功能。通过采用这种结构，至少能够削减罩子的厚度，从而能够实现超薄型的光学指向装置。另外，通过减少光学指向装置的部件数量，能够降低成本。而且，在组装装置时无需高精度地配置各部件，能够提高制造时的生产率。
另外，在使用多个元件使来自被摄物的散射光成像的光学系统中，光线透过不同材料之间的界面时，光量会有损失。而本实施方式的光学指向装置10中的导光体6所采用的结构则是在来自被摄物1的散射光射入并成像然后向外部射出之前，在单一材料的内部对散射光进行导光(传输)。因此，消除了因在透过不同材料时发生的界面上的光量损失。因而，根据本实施方式的光学指向装置10的结构，能够高效地将来自被摄物1的散射光引导至摄像部7。其结果是，能够减小光源2的光输出，从而能够实现光学指向装置10的低功耗。另外，在本实施方式的光学指向装置10中，由于具备采用上述结构的导光体6，因此只需在导光体6的出射部5的后部设置摄像部7，就能对被摄物1的动作进行拍摄。
在图1所示的光学指向装置10中，光源2及摄像部7分别被透光性树脂2a及7a模塑成形，用以保护表面。另外，光源2及摄像部7也可以分别采用不被透光性树脂2a及7a模塑成形的结构。但是，保护表面能够提高耐久性，因此，光源2及摄像部7的表面优选分别被透光性树脂2a及7a模塑成形。作为透光性树脂2a及7b的材料，使用例如硅树脂或环氧树脂等热固性树脂、或者丙烯酸树脂、聚碳酸酯树脂等热塑性树脂。透光性树脂7a优选由例如对波长850nm的光具有与导光体6相同的折射率的材料来构成。另外，透光性树脂7a也可以由与导光体6的折射率之差在0.3以下的材料构成。通过使用这种材料，能够使透光性树脂7a与导光体6之间的界面上的光量损失/全反射处于不会影响实际使用的水平。另外，如图1所示，当透光性树脂7a与出射部5分离时，为了抑制透光性树脂7a与导光体6之间的界面上的光量损失/全反射，优选在透光性树脂7a与出射部5之间填充粘接剂，使其处于无空气层的状态。
图2是表示图1所示的光学指向装置10的另一结构的剖视图。在图2所示的光学指向装置10中，在导光体6的与被摄物1相接触的面上形成有反射面8。另外，将摄像部7设置在导光体6的与被摄物1相反的一侧。
来自被摄物1的一部分散射光从入射部3射入导光体6内部。从入射部3射入的光线L经形成在导光体6下表面的成像部4而发生聚焦和反射。成像部4使用与图1所示的成像部4相同的反射聚焦透镜，以对射入的光线L进行聚焦和反射。例如，使用蒸镀了金属膜或多层介质膜、或者金属增强反射膜的反射聚焦透镜。之后，经成像部4反射后的光线L在导光体6内部沿y轴的正方向被导波。然后，被设置在导光体6的上表面的反射面8反射，光路变换到出射部5一侧，并从设置在导光体6下表面的出射部5射出。从导光体6射出的光线L聚焦到摄像部7上。
来自被摄物1的散射光在从设置于导光体6上的入射部3射入后，经过成像部4及反射面8而到达出射部7之前的光路中，沿着y轴的正方向被导光。反射面8能够使经成像部4反射和聚焦的光线L向出射部5一侧反射。反射面8上形成有反射膜。作为蒸镀在反射面8上的反射膜，可以列举由铝、镍、金、或银构成的金属膜或者介电分色膜等。
在图1所示的光学指向装置10中，经成像部4聚焦的光线L从设置在导光体6上表面的出射部5射出，因此将摄像部7设置在导光体6的上侧。而在图2所示的光学指向装置10中，经成像部4聚焦的光线L被设置在导光体6表面的反射面8反射，在光路发生了变换后，从设置在导光体6下表面的出射部5射出，再在摄像部7上成像。因此，将摄像部7设置在导光体6的下部。也就是说，在图2所示的光学指向装置10中，由于设置在导光体6上表面的反射面8使光线L的光路发生了变换，因此将摄像部7设置在导光体6的下表面。在这一点上，图2所示的光学指向装置10不同于图1所示的结构。
因此，根据图2所示的光学指向装置10，能够将光源2和摄像部7设置在同一平面上。而将光源2和摄像部7安装在同一基板上，则无需分开准备用于安装光源2的基板和用于安装摄像部7的基板，能够进一步减少部件数量。
另外，图2所示的光学指向装置10也与图1所示的结构相同，光源2及摄像部7被透光性树脂2a及7a模塑成形，其表面受到保护。作为透光性树脂2a及7b的材料，使用例如硅树脂或环氧树脂等热固性树脂、或者丙烯酸树脂、聚碳酸酯树脂等热塑性树脂。
图3是表示图1所示的光学指向装置10的又一结构的剖视图。在图3所示的光学指向装置10中，在导光体6的入射部3的下侧设有作为光路变换部的棱镜(光路变换部)9a。
如图3所示，来自被摄物1的散射光从入射部3射入导光体6内部。从入射部3射入的光线L经设置在入射部3下部的作为光路变换部的棱镜9a，其光路发生变换。经棱镜9a光路发生了变换的光线L被形成在导光体6上表面的成像部4聚焦和反射。成像部4使用与图1所示的成像部4相同的反射聚焦透镜，以对射入的光线L进行聚焦和反射。例如，使用蒸镀了金属膜或多层介质膜、或者金属增强反射膜的反射聚焦透镜。经成像部4反射和聚焦的光线L从设置在导光体6下表面的出射部5射出，并射入摄像部7。
另外，图3所示的光学指向装置10中的导光体6在其表面上除入射部3、棱镜9a、成像部4及出射部5以外的区域中，设有遮光部10a、10b、10c。
来自被摄物1的散射光在从设置于导光体6上的入射部3射入后，经过棱镜9a及成像部4而到达出射部7之前的光路中，沿着y轴的正方向被导光。
图3所示的光学指向装置10在从导光体6的入射部3射入的被摄物1的散射光到达成像部4之前的光路上设有棱镜9a，这一点不同于图1及图2所示的结构。即，图3所示的光学指向装置10中，利用设置在入射部3正下方的棱镜9a，将来自被摄物1的散射光向成像部4导光。
通过这样在入射部3的正下方设置棱镜9a，由此能够增大从入射部3射入的光线L的受光角，从而能高效地将来自被摄物1的散射光向成像部4一侧引导。因此，根据图3所示的光学指向装置10，能够增大在摄像部7的信号光量，从而能够降低光源2的光输出，降低光源2的功耗。
另外，在棱镜9a的表面蒸镀有反射膜。作为该反射膜，可以列举由铝、镍、金、或银构成的金属膜、介电分色膜、或者由介质或金属构成的增强反射膜等。此外，为了消除因反射而造成的光量损失，优选将棱镜9a设置成使从入射部3射入的光线L发生全反射的角度。
另外，图3所示的光学指向装置10中，在导光体6的表面上除入射部3、棱镜9a、成像部4及出射部5以外的区域中，设有遮光部10a、10b、10c。这一点不同于图1及图2所示的结构。若来自被摄物1的散射光直接射入摄像部7、或有未通过成像光路的光线射入摄像部7时，会在摄像部7中产生噪声。从而会导致光学指向装置10发生误动作，降低光学指向装置10的操作性。因此，通过如图3所示那样在棱镜9a、出射部5等构成成像系统的各个元件的有效直径的外周部设置遮光部件10a、10b、10c，能够减小相对于信号光量的噪声。
[实施方式2]
根据图4～图6来说明本发明的实施方式2。图4是表示实施方式2的光学指向装置20的简要结构的剖视图。光学指向装置20中，光线经设置在导光体6内部的成像部4而向与导光方向相反的方向(y轴的负方向)反射和成像，这一点不同于实施方式1。以下，对于实施方式2中与实施方式1相同的结构，省略其说明。
另外，图4中，与导光体6的上表面相接触的被摄物1是指尖等被摄物，是光学指向装置20要检测其动作的对象物。这里，为了使被摄物10相对于光学指向装置20的状态容易理解，方便起见将被摄物10表示得小于光学指向装置20。
如图4所示，光学指向装置20包括：对被摄物1照射光的光源2；在内部传输来自被摄物1的散射光的导光体6；以及对从导光体6射出的光(成像光)进行拍摄的摄像部7，光源2和摄像部7安装在电路基板11上。
光学指向装置20的导光体6使来自被摄物1的散射光从入射部3射入，在成像部4成像，并从出射部5射出，且该导光体6还设有凸缘部。该凸缘部是为了在组装光学指向装置20时调整其与电路基板11的组装精度而设置的。这里，虽然未示出凸缘部的详细形状，但该凸缘部通过例如射出成型等而与导光体形成为一体。
这里，对经被摄物1散射的光线到达摄像部7的光路进行说明。
首先，光源2向与导光体6的上表面相接触的被摄物1发出光线M。从光源2发出的光线M通过用于保护光源2的透光性树脂2a，被棱镜9a折射而照射到被摄物1上。即，从光源2发出的光线M是从相对于被摄物1倾斜的方向(与被摄物1形成一定的入射角)射入的。
导光体6由折射率大于空气的材质构成。因此，当到达导光体6上表面的光线M未与被摄物1相接触时，其中一部分光线M将透过导光体6的上表面，剩下的一部分光线M则在导光体6的上表面发生全反射。此时，若光线M相对于导光体6上表面的入射角满足全反射的条件，则光线M不会透过导光体6的上表面，而是发生全反射，射向导光体6的内部。另一方面，当光线M与被摄物1相接触时，光线M在被摄物1的表面被反射，并从导光体6的入射部3射入导光体6内部。此外，光源2由例如LED等来实现，特别优选的是由高亮度的红外发光二极管来实现。关于导光体6的具体材质将在后文中进行叙述。
当被摄物1与导光体6的上表面相接触时，从光源2发出的光线M将在被摄物1的表面上发生散乱反射。在被摄物1的表面反射后的光线M从入射部3射入，并在导光体6内部传输。从入射部3射入的光线L在棱镜9a处发生全反射，沿y轴的正方向被导波。在棱镜9a处发生了全反射的光线L被反射面8a反射，到达成像部4。然后，在成像部4被反射而向y轴的负方向折返，并在反射面8a及反射面8b上交替(依次)地反射，然后从导光体6的出射部5射出。从导光体6的出射部5射出的光线L射入摄像部7。
由此，在本实施方式的光学指向装置20中，导光体6包括：使来自被摄物1的一部分散射光射入导光体6内部的入射部3；设置在入射部3的正下方且将从入射部3射入的被摄物1的散射光的光路(前行方向)变换到成像部4一侧的棱镜9a；使从入射部3射入的光线L(被摄物1的散射光)成像的成像部4；以及使经成像部4聚焦后的光线L(成像光)向摄像部7射出的出射部5。
而且，在导光体6中，从入射部3射入的光线L在被成像部4反射之前的光路中，在导光体6内部沿y轴的正方向被导波，而在从成像部4到达摄像元件7之前的光路中，沿y轴的负方向被导光。即，在导光体6中传输的光线L经由成像部4，其导光方向从y轴的正方向变换到y轴的负方向。从而，导光体6的入射部3到出射部5之间的部分由单一材料来构成。另外，在使用光学指向装置20时，被摄物1是与导光体6的上表面相接触的。由此，导光体6也起到罩子的功能，从而无需用另外的部件来构成罩子。因此，根据光学指向装置20，能够削减罩子那部分的厚度，从而能够实现超薄型的光学指向装置。另外，通过减少光学指向装置的部件数量，能够降低成本。而且，在组装光学指向装置时无需高精度地配置部件，能够提高制造时的生产率。
另外，在使用多个元件使来自被摄物的散射光成像的光学系统中，光线透过不同部件时，光量会有损失。而本实施方式的光学指向装置10中的导光体6所采用的结构则是在被摄物1的散射光入射并成像然后向外部射出之前，在单一材料的内部对散射光进行导光。因此，因射入不同材料内部时发生的界面上的光量损失也被消除。因而，能够高效地将被摄物1的散射光引导至摄像部7。其结果是，能够实现光学指向装置20的低功耗。另外，由于在导光体6中传输的光(光线L)的光路在成像部4处被折弯，因此，能够使入射部3至出射部5之间的光路长度变长。因而，即使是为了抑制光学像差(非点像差、球面像差、彗形象差等)，也能使导光体6的y轴方向长度小于光线L的光路长度。其结果是，能够实现光学指向装置20的小型化和薄型化。
另外，如图4所示，在电路基板11上，安装有用于对被摄物1照射光的光源2、和对来自被摄物1的散射光进行拍摄的摄像部7。而且，光源2及摄像部7分别被透光性树脂2a及7a密封。通过设置透光性树脂2a及7a，光源2及摄像部7的表面受到保护，其耐久性得到提高。作为透光性树脂2a及7b的材料，使用例如硅树脂或环氧树脂等热固性树脂、或者丙烯酸树脂、聚碳酸酯树脂等热塑性树脂。
接下来，对电路基板11的结构进行说明。本实施方式的光学指向装置20中，在一块电路基板11上安装光源2和摄像部7。光源2和摄像部7通过引线接合安装或芯片倒装的方式与电路基板11进行电连接。电路基板11的表面形成有电路。电路基板11上形成的电路用于控制光源2的发光时刻，还接受从摄像部7输出的电信号以检测被摄物1的动作。电路基板11是由同一材料构成的平面状基板，例如由印刷基板或引线框等来形成。
摄像部7接受从光源2照射并被被摄物1所反射的光线L。然后，根据所接受的光对入射部3上的像进行成像，并将其转换成图像数据。具体而言，摄像部7是CMOS或CCD等图像传感器(摄像元件)。摄像部7包括未图示的DSP(Digital Signal Processor：计算部)，将所接受的光线L作为图像数据写入DSP。摄像部7按照电路基板11的指示，以一定的间隔持续地对被摄物1的像进行拍摄。
当与入射部3相接触的被摄物1发生了移动时，摄像部7所拍摄的图像将变成与之前刚拍摄得到的图像不同的图像。摄像部7在DSP中对拍摄得到的图像数据与之前刚拍摄得到的图像数据的同一部位的值分别进行比较，从而计算出被摄物1的移动量和移动方向。即，当与导光体6的入射部3相接触的被摄物1发生了移动时，拍摄得到的图像数据是表示相对于之前刚拍摄得到的图像数据偏离了规定量的值的图像数据。摄像部7在DSP中根据该规定量计算出被摄物1的移动量和移动方向。摄像部7将所计算出的移动量和移动方向作为电信号输出到电路基板11。此外，DSP也可以不设置在摄像部7内部，而设置在电路基板11上。在这种情况下，摄像部7将拍摄得到的图像数据依次发送到电路基板11。
如果总结摄像部7的处理，则摄像部7在入射部3上不存在被摄物1时，对入射部3的像进行拍摄。然后，当入射部3上有被摄物1与其接触时，摄像部7拍摄被摄物1的表面的像。例如，在被摄物1是指尖的情况下，摄像部7拍摄指尖指纹的像。这里，由于摄像部7拍摄得到的图像数据是与入射面3上不存在被摄物1时的图像数据不同的图像数据，因此，摄像部7的DSP向电路基板11发送表示入射面3上有被摄物1与其相接触的信号。然后，如果被摄物1发生移动，则DSP对之前刚拍摄得到的图像数据进行比较，计算出被摄物1的移动量和移动方向，并将表示所计算出的移动量和移动方向的信号发送到电路基板11。
接下来，对透光性树脂2a及7a、以及电路基板11进行说明。图4所示的光学指向装置20中，透光性树脂2a及7a的形状大致为长方体。透光性树脂2a及7a的底面与电路基板11的上表面紧密接触。另外，在透光性树脂2a及7a中形成有分别与光源2及摄像部7紧密接触的凹部。由此，安装在电路基板11上的光源2和摄像部7分别被透光性树脂2a及7a进行树脂密封，因此，形成了将电路基板11、光源2、摄像部7、及透光性树脂2a及7a构成为一体的基板部12。因此，能够减少光学指向装置20的部件数量，还能减少安装的工序数目。从而，能够降低光学指向装置20的制造成本，并且能够实现对被摄物1的检测精度较高的光学指向装置20。
接下来，对导光体6的结构和形状进行详细说明。导光体6形成有组装光学指向装置20时所用的凸缘部等。从而对光源2和摄像部7等构成光学指向装置20的各部件、各元件进行保护。导光体6位于基板部12的上侧，且与基板部12的侧面及上表面紧密接触。这里，将导光体6的Z轴负侧的表面，即安装在基板部12上且在形成为光学指向装置20时，没有露出到外部的表面部分称为导光体6的背面。换言之，将导光体6的表面、即与基板部12相对的一面称为背面。另外，将导光体6的表面、即位于与被摄物1相接触的面相反的一侧且露出到外部的表面部分称为导光体6的底面。即，导光体6的背面的一部分(接触面)与基板部12的侧面及上表面紧密地接触。另外，导光体6的底面(接触面)与基板部12的底面形成为同一平面。导光体6的上表面与导光体6的底面(接触面)及基板部12的底面平行，导光体6的两个侧面形成为与导光体6的上表面、及导光体6的底面(接触面)和基板部11的底面成一定角度的面。这里的“导光体6的两个侧面”是指导光体6的没有露出到外部且与基板部12相接触的侧面。这种由成一定角度的面形成的导光体6的两个侧面，可以举出例如锥形面(在这种情况下，基板部12的两个侧面也是锥形面)。通过采用这种结构，在组装时，导光体6容易嵌入基板部12。但并不限于这种形状，如图4所示，也可以是上述两个侧面与底面相垂直的结构。
图4所示的棱镜9a构成导光体6的一部分，位于光源2的上方且位于入射部3的下方。而且，该棱镜9a形成在导光体6背面的凹部中，该凹部位于导光体6背面未与基板部11相接触的部分。棱镜9a上形成有倾斜面。棱镜9a使从光源2照射出的光线Ｍ在倾斜面处向被摄物1折射，以此来改变光线M的光路。另外，棱镜9a使从被摄物1反射的光线L在倾斜面处发生全反射，从而在导光体6内部使光线L的光路变换到Y轴的正方向。换言之，棱镜9a使从被摄物1反射并从入射部3射入导光体6内部的光发生反射，以将其向水平方向导光。这样，棱镜9a的倾斜面使光线M透过，而使光线L发生全反射。例如，导光体6使用折射率在1.5左右的吸收可见光型的聚碳酸酯树脂或丙烯树脂。
成像部4对来自被摄物1的散射光进行反射和聚焦，并在摄像部7上生成被摄物1的像。成像部4位于摄像部7的上方且相对于摄像部7位于y轴的正方向。此外，成像部4形成在导光体6背面的凹部中，该凹部位于导光体6背面未与基板部11相接触的部分。在光学指向装置20中，成像部4上形成有正交的两个方向的曲率不同的圆环面。成像部4的透镜形状并不限于此，也可以是正交的两个方向的曲率半径相等的球面，还可以是非球面或自由曲面。在光学指向装置20中，成像部4的透镜形状为圆环面，以对正交的两个方向上的摄像部7的光学像差(非点像差、球面像差、彗形象差)或图像失真进行校正。成像部4利用该圆环面使反射的光线L发生反射，从而在摄像部7上成像。为了使成像部4高效地对光线L进行反射，成像部4的圆环面上蒸镀有金属(例如铝、镍、金、银、介电分色膜等)的反射膜。
对在导光体6的内部进行导光的光线L的光路进行变换的反射面8a及8b通过反射，使在棱镜9a处发生了全反射的光线L射入成像部4，并且使从成像部4反射的光线L射入摄像部7。反射面8a及8b分别位于导光体6的上表面及摄像部7的上方。反射面8a及8b是通过在导光体8的上表面蒸镀反射膜而形成的。用于形成反射面8a及8b的反射膜会露出到外部而很容易被用户看到，因此，希望使用在外观上尽量不显眼的膜。
反射面8b将从成像部4反射后在反射面8a处被反射的光线L再次向反射面8a反射。反射面8b位于摄像部7的上方且相对于摄像部7位于y轴的正方向，并位于导光体6的背面。反射面8b通过在导光体6的背面蒸镀反射膜来形成。用于形成反射面8a及8b的反射膜优选能高效地对光进行反射的反射膜。
这里，再次对从光源2发出的光线被被摄物1反射而射入摄像部7的光路进行说明。首先，从光源2照射的光线M在棱镜9a处发生折射并透过棱镜9a而到达导光体6的表面。当被摄物1与导光体6的入射部3相接触时，光线M将在被摄物1的表面上发生散射。在被摄物1的表面反射后的光线M从入射部3射入，并在导光体6内部传输。从入射部3射入的光线L在棱镜9a处发生全反射，其前行方向被变换至y轴的正方向。在棱镜9a处发生了全反射的光线L被反射面8a反射，然后到达成像部4。然后，在成像部4被反射而使导光方向向y轴的负方向折返，并在反射面8a及反射面8b上依次反射，然后从导光体6的出射部5射出。从导光体6射出的光线L射入摄像部7。
由此，在光学指向装置20中，导光体6不仅起到以往的罩子的功能，还起到成像光学系统的功能。因而，即使是增大光学系统的光路长度来抑制光学像差(非点像差、球面像差、彗形象差等)，也能使导光体6的y轴方向长度小于光线L的光路长度。其结果是，能够实现光学指向装置20的小型化和薄型化。
如上所述，本实施方式的光学指向装置20中，导光体6不仅起到对光线L进行导光的功能，还起到罩子的功能。由此，能够减少光学指向装置20的部件数量，还能减少组装的工序数目。而通过减少部件数量，能够在组装时进行高精度的组装，从而提高产品的生产率。由此，能够降低光学指向装置20的制造成本。
另外，在导光体6、成像部4、摄像部7各自作为独立的部件进行组装时，必须有组装用的接触面、嵌合形状等形状。例如，设有不同部件彼此嵌合的嵌合形状的结构是导致公差变小的主要因素。而且，在嵌合形状为复杂形状的情况下，生产率有可能降低。但是，像光学指向装置20那样使导光体6与具有成像特性的成像部4形成为一体时，就不需要上述复杂的形状。即，当导光体6与具有成像特性的成像部4形成为一体时，能够减少部件数量，不需要组装用的接触面(小端)或嵌合形状之类的复杂形状。而且，若存在有所需最低限度的光学面，就连调节余量也无需确保，从而能够减小导光体6的厚度。因此，能够减小光学指向装置20的厚度(z轴方向的尺寸)。
图5是表示图4所示的光学指向装置20的另一结构的剖视图。图5所示的光学指向装置20中，来自被摄物1的散射光在导光体6中从成像部4到达出射部5的光路中，仅被反射面8a反射一次，这一点不同于图4所示的结构。通过采用这种结构，能够拉开设置在导光体6中的入射部3与摄像部7之间的距离。因此，能够减少因未通过光线L的光路(成像光路)而射入摄像部7的光所产生的噪声。其结果是，根据图5所示的结构，能够提供一种操作性能优异的光学指向装置20。
图6是表示图4所示的光学指向装置20的又一结构的剖视图。图6所示的光学指向装置20将成像部4设置在导光体6的上表面，这一点不同于图4及图5的结构。在图6所示的光学指向装置20中，从导光体6的入射部3射入的被摄物1的散射光(光线L)经作为光路变换部的棱镜9a，向导光方向即y轴的正方向发生全反射。然后，在反射面8a及8b处发生反射，并到达成像部4。
这样，光线L经过反射面8a及8b的两次反射，从棱镜9a到达成像部4。因此，图6所示的光学指向装置20中，将成像部4设置在导光体6的上表面。通过这样将成像部4设置在导光体6的上表面，在组装时无需设计复杂的导光体6的形状。例如，考虑通过成形来制造上述导光体6时，模具加工变得较为容易。因此，能够减少加工费用，从而降低光学指向装置20的制造成本。另外，通过简化导光体6的形状，能够提高成形精度，从而提高产品的生产率。
[实施方式3]
根据图7及图8(a)～(c)说明本发明的实施方式3。图7是表示实施方式3的光学指向装置30的简要结构的剖视图。以下，对于实施方式3中与实施方式1、2相同的结构，省略其说明。
如图7所示，在本实施方式的光学指向装置30中，从导光体6的入射部3射入的被摄物1的散射光(光线L)经过衍射元件9b，向导光方向即y轴的正方向反射。即，本实施方式的光学指向装置30使用衍射元件9b来作为光路变换部，这一点不同于实施方式1、2。如图7所示，衍射元件9b位于光源2的上方且位于入射部3的下方，并位于导光体6的背面的不与基板部12相接触的部分。在衍射元件9b处发生了反射的光线L，其光路被变换成朝向反射面8a。
根据图8，对衍射元件9b的具体形状进行说明。图8(a)是表示衍射元件9b的截面形状的简要结构的剖视图。衍射元件9b是利用+1级反射衍射光的反射型衍射元件。为了增强+1级光，衍射元件9b的形状优选为例如图8(a)所示的截面形状为火焰的形状。通过使用图8(a)所示的火焰形状的衍射元件9b，不仅能够提高光的利用效率，还能抑制成为杂散光的零级光、-1级光和高次衍射光。从而，在光学指向装置30中，能够防止光学系统的成像性能变差。
另外，为了提高反射率，优选在衍射元件9b的外侧表面(Z轴负侧的表面)蒸镀反射膜(例如铝、镍、金、银、介电分色膜等)。这里，如图8(a)所示，将衍射元件9b的火焰形状的刻槽深度(Z方向上的长度)设为t。刻槽深度t最好是+1级衍射效率最大时的深度。例如，当导光体6的折射率为n，光源2发出的光的波长为λ时，刻槽深度t最好是t＝λ/(2n)。
此外，衍射元件9b的火焰形状的刻槽图案最好是图8(b)那样等间距的直线，且为了尽可能的增大衍射角，使上述间距尽可能地小。但在制造方面，通过使用车刀对模具进行切削加工来制作刻槽并成形是最有利于控制成本的。因此，当考虑能够通过切削加工来高精度地制作刻槽的范围时，衍射元件9b的刻槽间距最好设计在0.8～3.0μm之间。
而且，为了提高对投影在摄像部7上的被摄物1的像进行成像的成像性能，通过将衍射元件9b的刻槽图案设计成图8(c)所示的曲线，能够对像的失真进行校正。此外，也可以如图8(d)所示那样设计衍射元件9b，以使衍射元件9b的刻槽间距非等间距，而是间距逐渐变化的图案，由此在某一方向上具有透镜效果。在这种情况下，在摄像部7上，能够对因X轴方向和Y轴方向上焦距的不同而产生的光学像差(非点像差、球面像差、彗形象差)进行校正。
此外，如图8(e)所示，通过使衍射元件9b的刻槽图案成为曲线且间距不等的图案，能够对像的失真和光学像差(非点像差、球面像差、彗形象差)进行校正。
此外，作为衍射元件9b的其它具体例子，也可以使用反射型的菲涅耳透镜来作为衍射元件9b。作为菲涅耳透镜的具体结构，可以列举截面形状为火焰形状的结构。另外，为了提高反射率，最好在衍射元件9b的外侧表面蒸镀反射膜(例如铝、镍、金、银、介电分色膜等)。当衍射元件9b使用菲涅耳透镜时，与导光体6的一部分中形成棱镜或大块型透镜的情况相比，能够使导光体6的厚度均匀。因此，能够提高导光体6的强度，并能实现光学指向装置30的薄型化。
另外，在衍射元件9b使用全息透镜时，能够对通常的透镜无法校正的光学像差(非点像差、球面像差、彗形象差等)进行校正。因此，能够提高成像性能，使被摄物1的像鲜明地呈现在摄像部7上。
由此，在光学指向装置30中，使用衍射元件9b来使从被摄物1反射的光线向水平方向(y轴的正方向)反射。从而，与在导光体6中形成棱镜9a的情况相比，能够使导光体6的厚度均匀。因此，能够提高导光体6的强度，并能实现薄型化。除此之外，还能使光源2所照射出的光线M以均匀的光强照射到入射部3。
此外，在将从被摄物1反射的光线L向水平方向折弯的光学指向装置(例如专利文献1的结构)中，在装置设计上，折弯元件(棱镜、衍射元件等)的大小，尤其是Z轴方向上的长度会对光学指向装置的厚度产生很大的影响。即，为了将光学指向装置设计得较薄，而减小折弯元件(棱镜、衍射元件等)的Z轴方向上的长度十分重要。然而，折弯元件(棱镜、衍射元件等)的大小并不是能够自由设计的，而是取决于检测被摄物1的区域的大小。而且，为了检测出被摄物1的样子，该区域必须具有一定程度的面积。因而，若想要确保用于检测被摄物1的区域的面积，则必然会使折弯元件(棱镜、衍射元件等)变大，从而导致无法减小光学指向装置的厚度(Z轴方向大小)。
而本实施方式的光学指向装置30中，使用能够将z轴方向的长度减小得比棱镜更小的衍射元件9b来作为折弯元件。从而，能够进一步实现光学指向装置30的薄型化。
另外，在实施方式3的光学指向装置30中，也采用与实施方式2所示的方法相同的方法，以电路基板11的两个侧面、透光性树脂2a及7a的y轴负方向的侧面、以及透光性树脂2a及7a的y轴正方向的侧面及上表面为基准，将导光体6组装到基板部12的上方。因此，能够高精度地配置基板部12与导光体6之间的位置关系。从而，能够高精度地配置构成光学指向装置30的各个部、各个元件，因此能够实现对被摄物1的检测精度较高的光学指向装置30。其结果是，能够实现薄型且操作性能优异的光学指向装置。
[实施方式4]
最后，利用图9说明装载有光学指向装置40的电子设备。图9是表示装载有光学指向装置40的移动电话100的外观图。图9(a)是移动电话100的主视图，图9(b)是移动电话100的后视图，图9(c)是移动电话100的侧视图。图9(a)～(c)中，示出了以移动电话作为电子设备的例子，但本发明的电子设备并不限于此。电子设备可以举出例如PC(尤其是移动PC)、PDA、游戏机、电视机等的遥控器等。
如图9(a)～(c)所示，移动电话100具有监视器侧壳体101和操作侧壳体102。监视器侧壳体101包括监视器部105和扬声器部106，操作侧壳体102包括麦克风部103、键盘104和光学指向装置40。装载在移动电话100上的光学指向装置40可以使用上述实施方式1～3中说明的光学指向装置10、20、30中的任一种。
此外，本实施方式中，如图9(a)所示，光学指向装置40设置在键盘104的上部。但光学指向装置40的设置方法及其朝向并不限于此。
扬声器部106将声音信息输出到外部，麦克风部103将声音信息输入到移动电话100。监视器部105输出图像信息，在本实施方式中，用于显示来自光学指向装置40的输入信息。
此外，本实施方式的移动电话100如图9(a)～(c)所示，上部的壳体(监视器侧壳体101)与下部的壳体(操作侧壳体102)经由铰链连接，即列举了折叠式移动电话100作为例子。由于移动电话100的主流是折叠式，因此本实施方式中列举了折叠式移动电话的例子，但能够装载光学指向装置40的移动电话100并不限于折叠式。
近年来，折叠式的移动电话100中出现了在折叠状态下厚度为10mm以下的移动电话。若考虑移动电话100的携带性，则其厚度成为非常重要的因素。在图9(a)～(c)所示的操作侧壳体102中，除未图示的内部电路基板等以外，决定上述厚度的部件为麦克风部103、键盘104和光学指向装置40。其中，光学指向装置40的厚度最厚，光学指向装置40的薄型化直接关系到移动电话100的薄型化。因而，上述能够实现薄型化的本发明的光学指向装置是适合移动电话100那样需要实现薄型化的电子设备的发明。
本发明不限于上述各实施方式，可在权利要求书所示的范围内进行各种变更，关于适当组合不同实施方式中分别揭示的技术手段而得到的实施方式，也包含在本发明的技术范围内。
本发明的光学指向装置如上所述，在射入所述导光体内部的被摄物的散射光射出到所述导光体外部之前的光路中，所述导光体在不使该散射光与空气相接触的条件下对其进行导光。
另外，如上所述，本发明的电子设备具备所述光学指向装置。
因此，能够提供一种通过减少部件数量而得到的超薄型且组装性能优异的光学指向装置及具备该光学指向装置的电子设备。
另外，本发明的光学指向装置中，所述成像部最好使来自所述被摄物的散射光向与导光方向相反的方向反射。
根据上述结构，所述成像部使来自所述被摄物的散射光向与导光方向相反的方向反射，因此，与导光方向仅为正方向的结构相比，能够对摄像部的光学像差和图像失真进行校正。因此，根据上述结构，能够在摄像部得到画质优良的被摄物的像。而且，在摄像部得到画质优良的被摄物的像能够消除光学指向装置的误动作，从而提高操作性能。另外，通过在成像部进行反射，能够使来自被摄物的散射光从成像部返回被摄物一侧，从而能够减小光学指向装置的宽度方向尺寸。
另外，本发明的光学指向装置中，最好在所述导光体的上表面和下表面中的至少一个表面上形成有反射面。
根据上述结构，由于来自被摄物的散射光在反射面上被反射，因此能够确保在导光体内部传输的散射光的光路较长。
另外，在本发明的光学指向装置中，所述导光体最好具有：将来自所述被摄物的散射光射入的入射部；以及将从该入射部射入的来自所述被摄物的散射光的光路变换至导光方向的光路变换部。
根据上述结构，能够高效地将从入射部入射的来自被摄物的散射光引导至成像部一侧。从而，能够提高在摄像部接收到的被摄物的信号光量。另外，通过将光路变换部设置在入射部的正下方，能够高效地将来自被摄物的散射光向成像部的方向引导。
另外，本发明的电子设备最好具备所述光学指向装置。
根据上述结构，所述电子设备具有容易实现薄型化的所述光学指向装置。在装载光学指向装置的情况下，光学指向装置的厚度将大幅地影响电子设备的厚度，因此即使具备所述光学指向装置，也能够实现电子设备的薄型化。
另外，在本发明的光学指向装置中，所述光路变换部最好是棱镜或衍射元件。通过将这样的光路变换部设置在入射部的正下方，能够高效地将来自被摄物的散射光向成像部的方向引导。
另外，在本发明的光学指向装置中，导光体的出射部最好与所述摄像部分离。
通过采用上述结构，在组装光学指向装置时，将导光体设置在安装有光源和摄像部的电路基板上，由此能够检测出被摄物的动作。通过采用导光体的出射部与摄像部分离而非相粘接的结构，有利于进行例如电路基板等的故障检查工序。
另外，在本发明的光学指向装置中，所述导光体的出射部与摄像部之间的空隙最好用在特定波长下具有与导光体相同的折射率的材料、或者与导光体的折射率之差较小的材料来填充。通过在所述导光体的出射部与所述摄像部之间的空隙中填充折射率与导光体相同或与导光体的折射率之差较小的树脂材料，当导光体的出射部的后部为空气时，能够使经过全反射而无法达到摄像部的光线射出。即，能够将来自被摄物的散射光作为成像光而高效地引导至摄像部。通过采用上述结构，能够在摄像部增大像的边缘，提高组装性能。另外，通过在所述导光体的出射部与所述摄像部之间的空隙中填充树脂，能够提高光学指向装置的强度，从而能够实现耐久性优异的装置。
工业上的实用性
本发明能够适用于PC和移动电话等输入装置中，特别适用于要求小型、薄型的携带设备。
标号说明
1被摄物(手指)
2光源
2a透光性树脂
3入射部
4成像部
5出射部
6导光体
7摄像部
7a透光性树脂
8a反射面
8b反射面
9a棱镜(光路变换部)
9b衍射元件(光路变换部)
10a遮光部
10b遮光部
10c遮光部
11电路基板
12基板部
10、20、30、40光学指向装置
100小型电子设备
101监视器侧壳体
102操作侧壳体
103麦克风部
104键盘
105监视器部
106扬声器部
L光线
M光线

Claims (5)

1.一种光学指向装置，其特征在于，包括：
光源，该光源对被摄物照射光；
导光体，该导光体具有对来自所述被摄物的散射光进行成像的成像部，且使来自所述被摄物的散射光在所述导光体的内部传输；以及
摄像部，该摄像部对从所述导光体射出的来自所述被摄物的散射光进行拍摄，
在射入所述导光体的内部的被摄物的散射光射出到所述导光体的外部之前的光路中，所述导光体在使该散射光不与空气相接触的条件下对所述散射光进行导光。
2.如权利要求1所述的光学指向装置，其特征在于，
所述成像部使来自所述被摄物的散射光向与导光方向相反的方向反射。
3.如权利要求1或2所述的光学指向装置，其特征在于，
在所述导光体的上表面和下表面中的至少一个表面形成有反射面。
4.如权利要求1至3的任一项所述的光学指向装置，其特征在于，
所述导光体具有：使来自所述被摄物的散射光射入的入射部；以及将从该入射部射入的来自所述被摄物的散射光的光路变换至导光方向的光路变换部。
5.一种电子设备，其特征在于，
具备如权利要求1至4的任一项所述的光学指向装置。
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