CN1678974A - 配有光学键盘和光学输入装置的设备 - Google Patents

Abstract

在设备中包括光学键盘(140)和由移动物体控制的光学输入装置(182，186)，其中该输入装置包括至少一个二极管激光器和光电二极管(182)，以用于将至少一个测量光束(184)提供到装置窗体(186)，以及用于接收由放置在窗体上的物体反射的辐射，该输入装置集成在该键盘中，从而将该测量光束(184)经由这些按键(125)的位置引导到窗体(186)。通过这种方式，该光学键盘充分简化，且输入装置的输出信号可靠性提高了。

Description

配有光学键盘和光学输入装置的设备

本发明涉及一种设备，其包括由移动物体控制的光学输入装置和光学键盘，该输入装置包括至少一个光学传感器单元，该光学传感器单元包括用于提供测量光束的二极管激光器和用于将由物体反射的测量光束辐射转换成电子信号的转换器件，该转换器件由激光器空腔和用于测量该激光器空腔在工作过程中的变化的测量器件的组合构成，该变化是由于反射的测量光束辐射再次进入到激光器空腔中与该空腔内的光波发生干涉而引起的，同时该变化表示物体的移动。

光学键盘的意思应理解为具有可移动按键(按钮)的键盘和放置在键盘表面下的平面光导的键盘，以及具有沿按键的位置引导辐射并继而将其引导到辐射敏感检测器的器件。当按下该按键时，每个按键都有一部分移动到光导内的辐射光路中，并引起检测器接收到的经由该辐射光路的辐射量发生变化。

该移动物体是例如人的手指，但是也可以是任何适合在该输入装置的透明窗体上移动的物体。

本发明特别供在小型手持设备中使用，例如用于移动电话、无绳电话、掌上电脑、个人数字助理或者遥控装置，例如电视机的遥控装置。这种设备包括用于显示从外部源接收的或者由使用者给出的或者由数字处理器(内部微型计算机)产生的信息的平面显示板。该设备还包括用于拨号输入的键盘，即选择电话号码以及其它功能，例如激活存储在数字处理器或者可从该设备所访问的外部源获得的软件程序。为了滚动软件菜单并选择该菜单的特定程序，该设备具有由使用者的手指控制的输入装置。

PCT专利申请W002/037410公开了一种本文上面提及类型的光学装置。该输入装置使用了二极管激光器内的Doppler效应与所谓的自混效应的结合。后一种效应是由该二极管激光器发射并再次进入激光器空腔的辐射引起了激光器的增益发生变化以及由此使激光器发射的辐射发生变化的现象。该装置中的窗体受到斜向激光束的照明，该激光束在手指移动的方向上具有分量。如果手指移动，由于Doppler效应，则由手指散射的激光辐射得到与照明窗体和手指的辐射不同的频率。利用将照明光束聚焦到手指上的相同透镜，使一部分散射辐射聚焦到二极管激光器上。因为一些散射辐射通过激光反射镜进入到激光器空腔内，所以在激光器空腔内发生辐射的干涉。这引发了激光器和发射辐射的特性的根本变化。由于自混效应而发生变化的参数是，激光辐射的功率、频率和谱线宽度以及激光阈值增益。激光器空腔内干涉的结果是这些参数的值波动的频率等于测量光束频率与散射辐射的频率之差。该差值大体上等于手指或者物体相对于装置窗体移动的移动速率。因而该物体的速率和通过在时间上积分得到的物体位移就可以通过测量所述参数中的一个的值而确定。该测量方法通过仅仅几个和简单的元件就能实现，并且不需要精确对准这些元件。

光学键盘需要一个或多个LED(发光二极管)或者其它类型的辐射源以及相应数量的辐射敏感检测器。每个辐射源容纳在各自的壳体中，而这些壳体以及检测器占据的空间将产生问题，特别是在便携式装置中。另外辐射源是比较昂贵的元件并且消耗很多电能。由于在便携式装置中能量是由电池提供的，因而需要很频繁地给电池充电，这会使使用者很苦恼。

本发明的一个目的是提供将光学输入装置和光学键盘集成的新概念，这在很大程度上减少了元件的数量并提高了该输入装置的性能。根据本发明的装置，其特征在于测量光束从二极管激光器到窗体的路径延伸通过光学键盘的光导。

该设备是基于对输入装置的测量光束也可以用于检测光学键盘的按键是否处于按下状态，以及基于对通过提高二极管激光器与装置窗体之间的距离能在很大程度上提高输入装置的输出信号的可靠性。输入的二极管激光器设置成在测量光束到达输入装置窗体之前，其经过所有的按键位置。

该设备的一个实施方式中的输入装置允许a/o测量滚动移动和点击移动，其特征在于该输入装置包括两个传感器单元，这些传感器单元相对于光学键盘设置，以便于第一和第二传感器单元的测量光束在到达装置窗体的光路上分别经过第一组按键的位置和第二组按键的位置，该第一和第二组共同包含所有将要被控制的按键。

如在WO02/37410中描述的那样，具有两个传感器单元的输入装置允许测量沿第一轴的点击移动以及测量沿第二轴的滚动移动，以及测量滚动移动的方向(向上或者向下滚动)。该第一和第二传感器单元的测量光束分别用于确定第一和第二组按键的状态(被按下或者未被按下)，该第一组和第二组可以具有相同数量的按键。

该设备的一个实施例中的输入装置允许a/o测量点击移动和在两个不同方向上的滚动移动，其特征在于该输入装置包括三个传感器单元，这些传感器单元相对于光学键盘设置，以便于第一、第二和第三传感器单元的测量光束在到达装置窗体的光路上分别经过第一、第二和第三组按键，该第一、第二和第三组包含所有将要被控制的按键。

而且，将不同传感器单元的测量光束用于确定与该传感器关联的该组按键的状态。允许沿三个轴测量的输入装置本身，在已经提及的WO02/37410中进行了描述。

该设备的一个优选实施方式的特征在于，该输入装置包括适合测量滚动移动和点击移动的传感器单元，并且该传感器单元具有可以确定物体出现在装置窗体上的附加器件。

该输入装置使用了最近获得的以下理解，即用于测量滚动移动的传感器单元中存在的至今未加以使用的信息，可以用于确定手指出现在输入窗体上。如果确定了这种出现，则可以推断发生了点击移动，该点击移动包括手指在窗体上的短暂停留。通过使用相同的传感器单元测量滚动和点击移动，可以节省一个传感器单元，这意味着该输入装置的成本和空间得以节省，因而也节省了该设备的成本和空间。

手指或者其它物体在输入装置窗体上的出现可以通过测量传感器输出信号中低频分量的振幅变化来确定，或者通过测量传感器单元的二极管激光器的电子驱动电流的变化来确定，再或者通过测量输出信号波动的波形来确定。

当该优选实施方式仅包括适合的传感器单元时，其测量光束经过键盘所有按键位置。然而，该优选实施例可以包括第二传感器单元，其例如用于测量沿第二轴的滚动动作，或者用于在移动信息中产生冗余以获得更可靠的传感器信号，甚至还可以包括用于所述目的的第三传感器单元。在这种情况下，不同传感器单元的测量光束控制不同按键组的状态。

这里有多种用来测量激光器空腔在工作过程中的变化的可能方式，这就产生了该设备的不同实施方式。

第一实施方式的特征在于，该测量器件是测量激光器空腔阻抗变化的器件。

第二主要实施方式的优选实施方式的特征在于，该测量器件是用于测量由激光器发射的辐射的辐射检测器。

该辐射检测器可以以其接收部分测量光束辐射的方式放置。

然而，该输入装置的这个实施方式的有利特征在于，辐射检测器设置在激光器空腔的后侧。

该激光器空腔的后侧理解为表示与发射测量光束的一侧(前侧)相对的那一侧。

该设备包括第二辐射敏感检测器，其用于测量经调制的测量辐射的低频分量，该设备的特征还在于，该第二检测器设置在激光器空腔发射测量光束的那一侧。

举例来说，该第二检测器可以设置在二极管激光器和输入装置的透镜之间，位于接收由输入装置的元件反射的辐射的位置或者接收从测量光束分离出的辐射的位置上。

光学键盘和光学输入装置的新组件可以用于不同的用途，例如权利要求13-18所要求保护的用于移动电话、无绳电话、膝上型电脑、手持电脑，台式电脑的键盘以及电视机的遥控装置。

本发明的这些和其它的方面将通过参考下文中实施方式对非限定性例子的描述而变得明显。在附图中：

图1a表示了已知的利用自混效果的光学输入装置实施方式的横截面图，以及利用该实施方式可以实现本发明；

图1b表示了该装置的顶视图；

图2表示了该输入装置的测量原理；

图3表示了激光器空腔的光频率和增益按照该装置与物体彼此相对移动的函数的变化；

图4表示了测量该变化的方法；

图5表示了激光波长按照具有光反馈的激光器的温度函数的变化；

图6表示了将周期变化驱动电流用于激光器的效果；

图7表示了如何检测移动的方向；

图8表示了具有三个测量轴的光学输入装置的示意图；

图9和图10表示了具有两个传感器单元的滚动和点击输入装置的

实施方式；

图11和12表示了具有一个传感器单元的滚动和点击输入装置的

实施方式；

图13表示了具有光学键盘的移动电话的顶视图；

图14表示了该移动电话的横截面图；

图15表示了该移动电话中的光导的实施方式的顶视图；

图16表示了这些光导的另一实施方式的顶视图；

图17表示了光学键盘与具有一个传感器单元的光学输入装置集成的实施方式；

图18表示了光学键盘与具有两个传感器单元的光学输入装置集成的实施方式；

图19表示了光学键盘与具有三个传感器单元的光学输入装置集成的实施方式；

图20表示了配有集成的光学键盘与光学输入装置的无绳电话设备；

图21表示了配有集成的光学键盘与光学输入装置的膝上型电脑；

图22表示了配有集成的光学键盘与光学输入装置的台式电脑，以及

图23表示了配有集成的光学键盘与光学输入装置的遥控器。

图1a表示了已知的光学输入装置实施方式的横截面示意图。该装置包括在其下侧的基板1，该基板是二极管激光器的载体，在本实施方式中的激光器是VCSEL类型，并且检测器例如为光电二极管。在图1a中，仅可以看到一个二极管激光器3和与之相关的光电二极管4，但是在基板上至少还可以具有第二二极管激光器5和与之相关的检测器6，如图1b的该装置的顶视图所示。该二极管激光器3和5分别发射激光束或者测量光束13和17。在该装置的上侧具有透明窗体12，人的手指15在其上移动。透镜10，例如平凸透镜，设置在二极管激光器和该窗体之间。该透镜将激光束13和17聚焦到透明窗体的上侧上或者透明窗体的上侧附近。如果物体，例如手指15，出现在该位置，它就会散射该光束13。光束13的部分辐射在照明光束13的方向上散射，并且透镜10将该部分辐射会聚到二极管激光器3的发射表面上，该部分辐射再次进入该激光器的空腔内。如将在下文中说明的那样，辐射返回到空腔内引起了该空腔的变化，这尤其导致二极管激光器发射的激光辐射的强度发生变化。这称为自混效应(self-mixing effect)。光电二极管4可以检测到由自混效应引起的强度变化，该光电二极管4将辐射变化转换为电信号。该信号在电路18中进行处理。图1a和1b所示的用于光电二极管4和6的信号的电路18和19，分别只是为了示意性目的，并且其或多或少可以是常规的。如图1b所示，该电路可以相互连接。

图2表示了输入装置的原理以及当使用了水平发射二极管激光器和设置在该激光器后表面上的监控光电二极管时的测量方法。在该图中，二极管激光器，例如二极管激光器3分别由其空腔20以及其前后表面或者激光反射镜21和22示意性表示。该空腔的长度是L。物体或者手指由附图标记15表示，将测量其移动。该物体和前表面21之间的空间形成了外部空腔，其长度是L₀。穿过前表面发射的激光束，也就是测量光束，由附图标记25表示，并且在前表面方向上由物体反射的辐射由附图标记26表示。在激光器空腔内产生的部分辐射穿过后表面并被光电二极管4捕获。

如果物体15在测量光束25的方向上移动，则反射的辐射经过Doppler频移。这意味着该辐射的频率发生变化或者产生频率偏移。该频率偏移依赖于物体移动的速度，并且具有几kHz到MHz的数量级。该频率偏移的辐射再次进入激光器的空腔与光波或者在该空腔内产生的辐射干涉，也就是在该空腔内产生自混效应。根据光波与再次进入该空腔内的辐射之间的相位偏移量，该干涉是相长的或者是相抵的，也就是说，激光器辐射的强度周期性增加或者减少。通过这种方式产生的该激光辐射调制的频率正好等于该空腔内的光波频率与再次进入该空腔的经Doppler频移的辐射频率之差。该频率差具有几kHz到MHz的数量级，因而很容易检测。自混效应与Doppler频移的结合引起激光器空腔性质的变化，特别是其增益或者光放大率变化。

这表示在图3中。在该图中，曲线31和32分别表示发射的激光辐射的频率υ和二极管激光器的增益g按照物体15与前反射镜21之间距离L₀的函数的变化。υ、g和L₀的单位都是任意的。由于距离L₀的变化是由物体移动产生的，因此图3的横轴可以重新刻度为时间轴，以便于将增益绘制成时间的函数。如WO02/37410中描述的那样，该增益变化Δg作为物体速率v的函数，由下列方程给出：

$\mathrm{\Δg}=\frac{-K.}{L}\cos .\{\frac{4\mathrm{\π}.\mathrm{\υ}.v.t}{c}+\frac{4\mathrm{\π}.L_0}{\mathrm{\λ}}\}$

在该方程中：

-K是与外部空腔的耦合系数，其代表耦合到激光器空腔之外的辐射量；

-υ是激光辐射的频率；

-v是物体在照明光束方向上的速率；

-t是时间；以及

-c是光速。

物体表面15在其自己的平面内移动，如图2中箭头16所示。因为仅对于在光束方向上的物体移动才出现Doppler频移，所以该移动16应该在该方向上具有分量16’。因此，可以测量在XZ平面上的移动，即图2的图画平面，该移动可称为X向移动。图2表示了物体表面相对于该系统的其余表面具有斜向位置。实际上，通常测量光束是斜向光束并且物体表面在XY平面内移动。Y方向垂直于图2的图画平面。在该方向上的移动可以由第二测量光束测量，该第二测量光束由第二二极管激光器发射，并且其散射光被与该第二二极管激光器相关的第二光电二极管捕获。如图1a所示，通过将一个(多个)二极管激光器相对于透镜10偏心设置，就获得了斜向的一个(多个)照明光束。

通过由监控二极管测量激光器后表面上的辐射强度来确定由物体移动引起的激光器空腔增益的变化是最简单的，因此也是最有吸引力的方法。通常，该二极管用于保持激光辐射的强度不变，但是现在它也用于测量物体的移动。

另一种测量增益变化并由此测量物体移动的方法利用了激光辐射的强度与激光结内传导带中的电子数量成比例这一事实。该数量又与结的电阻成反比。通过测量该电阻，就可以确定物体的移动。这种测量方法的实施方式在图4中示出。在该图中，二极管激光器的有源层由附图标记35表示，向该激光器供电的电流源由附图标记36表示。该二极管激光器两端的电压经由电容器38向电路40供电。通过流经激光器的电流进行标准化的电压与激光器空腔的电阻或者说阻抗成比例。与该二极管激光器串连的电感37对该二极管激光器上的信号形成了高阻抗。

除了移动量以外，即除了物体或者手指移动的距离，以及可通过将测得的速度相对于时间积分而测量的距离以外，移动的方向也是必须测量的。这意味着必须确定物体是沿移动轴向前移动还是向后移动。移动的方向可以通过确定由自混效应产生的信号的形状来检测。如图3中的曲线32所示，该信号是非对称信号。该曲线32表示的是物体15朝向激光器移动的情况。其上升斜率32’比下降斜率32”陡峭。如在WO02/37410中描述的那样，对于物体远离激光器的移动，该非对称性倒转，即下降斜率比上升斜率陡峭。通过确定该自混信号不对称性的类型，可以确定物体移动的方向。在某些情况下，例如如果物体的反射系数较小或者物体和二极管激光器的距离较大，则要确定自混信号的形状或者非对称性就变得困难了。

因此，另一种确定移动方向的方法是优选的。该方法利用的是激光器辐射的波长λ取决于二极管激光器的温度以及由此取决于流过该二极管激光器的电流的事实。如果例如二极管激光器的温度升高，则激光器空腔的长度增加并且被放大的辐射的波长也增加。图6中的曲线45表示了发射辐射的波长λ的温度(T_d)相关性。在该图中，水平轴T_d和垂直轴λ的单位都是任意的。

如图6所示，如果将曲线50表示的周期性驱动电流I_d提供给二极管激光器，则二极管激光器的温度T_d周期性地升高和降低，如曲线52所示。这就产生了激光器空腔内的光学驻波，其具有周期性变化的频率并由此相对于由物体反射并以一定延时再次进入该空腔的辐射具有连续变化的相位偏移。在驱动电流的每半个周期中，根据空腔内的波和再次进入该空腔的反射辐射之间的相位关系，当前存在二极管激光器的增益分别增大和降低的连续时间段。这就产生了如图6中曲线54所示的发射辐射的取决于时间的强度变化(I)。该曲线表示了物体静止或者不移动的情况。在第一个半周期p(a)内脉冲的数量与第二个半周期p(b)内脉冲的数量相等。

物体的移动导致再次进入激光器空腔的辐射发生Doppler频移，即该辐射的频率根据移动方向而增加或减少。物体在一个方向上，向上或者向前的移动会使再次进入的辐射的波长减小，而在相反方向上，向下或者向后的移动会使该辐射的波长增加。在Doppler频移与激光器空腔内的频率调制具有相同的符号的情况中激光器空腔内光波的周期频率调制所具有的效果与所述频率调制和Doppler频移具有相反符号的情况下的效果不同。如果这两种频率偏移具有相同的符号，则波与再次进入的辐射之间的相位差以缓慢的速率改变，激光辐射的最终调制的频率较低。如果这两个频率偏移具有相反的符号，则波与该辐射之间的相位差异以较快的速率改变，激光辐射的最终调制频率较高。在驱动激光器电流的第一个半周期p(a)期间，产生的激光辐射的波长增加。在向后移动物体的情况下，再次进入的辐射的波长也增加，所以空腔内波的频率与再次进入该空腔的辐射的频率之差较小。因此再次进入的辐射的波长与产生的辐射的波长相适合时的时间段数量要比未对发射激光辐射进行电调制的情况下的数量少。这表示如果物体向后移动，则第一个半周期内脉冲的数量比未进行调制的数量少。在第二个半周期p(b)内，其中激光器的温度和产生的辐射的波长减小，再次进入的辐射的波长与产生的辐射的波长相适应时的时间段的数量增加。因此，为了向后移动物体，第一个半周期内，即在二极管激光器加热期间的脉冲数量比第二个半周期内，即在二极管激光器冷却期间的脉冲数量少。

这在图7的曲线58中示出，该曲线示出的是物体向后移动时发射的激光辐射的强度Ib。将该曲线与图6中所示的曲线54进行对比，可以看出在第一个半周期内脉冲的数量已经减少了，而在第二个半周期内的脉冲数量已经增加了。如果物体向前移动，由此被物体散射并再次进入激光器空腔的辐射的波长由于Doppler效应而减少，则在第一个半周期p(a)内的脉冲数量比第二个半周期p(b)内的脉冲数量多。这可以通过将图7的曲线56与图6的曲线54进行对比来验证，曲线56表示物体向前移动的情况下发射的辐射的强度I_f。

在电子处理电路中，从第一个半周期p(a)期间计数的脉冲数量中减去第二个半周期p(b)期间计数的光电二极管信号脉冲的数量。如果所得到的信号是零，那么该物体是静止的。如果所得到的信号是正的，那么该物体是向前移动的，如果所得到的信号是负的，那么该物体是向后移动的。所得到的脉冲数量分别与向前和向后移动的速率成比例。

在某些情况下，例如如果激光器和物体之间的光路长度较小，且电调制的频率和振幅较小，而所要检测的移动较快，则这可能导致由Doppler效应产生的脉冲数量比电调制产生的脉冲数量多。在这种情况下，仍然可以通过比较第一个半周期期间与第二个半周期期间的脉冲数量来检测移动的方向。然而，速率不再与这两个数量的差值成比例。在这种情况下，为了确定速率，所述的两个数量需要进行平均并且从结果中减去一个常数值。通过这种方式得到的数值是速率的测量结果。本领域技术人员很容易就可以设计出实现这种计算的电路。

取代参考附图6和7描述的本实施方式中使用的三角形驱动电流I_d，还可以使用其它形状的驱动电流，例如矩形的驱动电流。

如果通过测量二极管激光器空腔的电阻变化而确定了增益变化，则也可以使用上述的测量物体移动的速率和方向的方法。

该测量方法仅需要少量Doppler频移，例如在波长方面的偏移具有1，5.10^-16m的数量级，其对应于激光波长为680nm时100kHz数量级的Doppler频率偏移。

利用图1a和1b所示输入装置可测量物体在一个平面内沿两个垂直方向(X和Y)或测量轴的移动，该装置包括两个二极管激光器，和与该二极管激光器在垂直方向上关联的光电二极管。在该装置中加入第三二极管激光器以及与其关联的光电二极管，使得还可以测量沿第三、Z-方向或测量轴的移动。该第三二极管激光器可以设置在透镜10的光轴上，以便于第三照明光束垂直入射到窗体12和物体或手指15上，并且该第三照明光束在其它方向上没有分量。然后可以获得Z方向的最佳测量信号。为了增加X和Y测量信号的可靠性和准确度，可以在一个圆周上设置三个二极管激光器，并相互之间的角距离为120°。该结构在图8中示出，其中第三二极管激光器和第三光电二极管分别由附图标记7和8表示。当光电二极管4、6和8的输出信号或者电阻测量信号分别由S₄、S₆和S₈表示时，物体沿X、Y和Z测量轴的速率V_x、V_y和V_z分别可以按照例如以下方式计算出来：

                   V_x＝2.S₄-S₆-S₈

                   V_y＝√3.(S₈-S₆)

                   V_z＝1/√2.(S₄+S₆+S₈)

执行该计算的电路包括加法和减法元件，并且相对容易实现。

通过这种方式获得的速率值以及通过相对于移动时间、持续时间进行积分获得的在X和Y方向上移动的距离更加可信和准确。这是因为它们是至少两个光电二极管输出信号的平均结果。移动误差或者不希望的移动，比如稍微抬起手指，对于光电二极管的输出信号具有相似的效果。当通过将输出信号彼此相减确定了沿X和Y测量轴的移动时，不希望的移动对X和Y测量信号的影响得以消除。只有Z-测量信号V_z表示出手指或者其它物体向上/向下的移动，该信号是通过将三个光电二极管的输出信号相加而获得的。

在本申请中，人的手指在Z方向上的移动和输入装置相对彼此的移动用于执行点击功能，其足以检测这种移动的发生。不需要对该物体位移准确测量，因此Z-测量可以相当粗劣。甚至不需要对移动方向进行检测。

几乎不需要对手指的结构或者反射系数提出要求。已经证明了一张空白的或者甚至是黑色的纸相对于该输入装置的移动都可以很容易地测量出来，因此，装置的输入也可以由除了手指之外的其它物体给出。

在例如图8所示的输入装置中，测量光束优选不聚焦在窗体平面上。由于这些光束起源于基板水平面的不同位置，因此该测量光束在操作平面中的不同位置形成光点，例如在窗体平面中。该测量光束和其散射辐射在空间上充分分开，因此不同测量轴之间的串扰通常不会引发问题。如果需要，可以通过使用具有略微不同波长的二极管激光器来减少剩余的串扰。为此，几个nm的波长差已经足够了。

消除串扰的另一种可能方式是对二极管激光器使用控制驱动器，这使得在任意时刻只有一个激光器被激活。多路驱动电路就可以构成这样的控制驱动器，该电路交替地激活不同的二极管激光器。这种多路电路允许通过一个检测器或者一个光电二极管监测两个或者三个二级光激光器，该检测器或者光电二极管设置在各个二极管激光器发出的辐射的工作范围内，并用于分时模式中。具有这种驱动电路的实施方式的其它优点是，电路需要的空间和装置的耗电量都减小了。

图9表示了光学输入装置实施方式的原理，其通常适用于测量滚动和点击移动。这种输入装置可以用于一种设备中，在该设备中通过显示器上的指针来滚动菜单列表，并通过点击来激活选中的菜单。这种输入装置可称为滚动和点击装置。

图9的滚动和点击装置60包括两个光学传感器单元62、64。每个传感器包括二极管激光器和光电二极管组件66、68。在由光电二极管66、68发射的各个测量光束74、76的光路上可以设置透镜70、72，该透镜将相关联的光束聚焦到操作平面78中，该操作平面可以是装置的窗体平面。该窗体88可以形成装置外壳82的一部分，该装置包含在该外壳中，例如如图10所示的移动电话。该二极管激光器和关联的透镜设置成使光束62、64的主光线相对于窗体88的法线具有相反的角度，例如分别具有+45°和-45°。

物体或者人的手指80在操作平面上移动来进行滚动操作，而垂直于这个平面移动来进行点击操作。如上所述，这两种操作都使手指反射到二极管激光器和光电二极管组件66和68的辐射发生Doppler频移。与这些二极管激光器相关联的检测器的输出信号提供给信号处理和激光器驱动电路84。该电路估计例如控制手指80的移动，并在其输出端86处提供关于所述移动的信息。

如前所述，通过调制激光器电流并计数光电二极管接收的脉冲，可以检测手指或者其它物体朝向和远离激光器/二极管单元的移动。这些二极管的输出信号Sign₁和Sign₂分别表示物体沿光束74、76的主光线移动的速率，根据该输出信号可以计算出平行于窗体移动的速率(V_scroll)和垂直于窗体移动的速率(V_click)，如下：

                  V_scroll＝√2.(Sign₁-Sign₂)

                  V_click＝√2.(Sign₁+Sign₂)

图11表示了用于移动电话的滚动和点击装置90的实施方式，该装置只包括一个光学传感器单元。该单个的传感器单元包括二极管激光器和光电二极管(监测二极管)组件92和用于将二极管激光器发出的测量光束会聚到输入装置的窗体78上的透镜94。该监测二极管与电路98相连接，该电路处理监测输出信号并且控制激光器驱动电流。附图标记100表示该电路的输入信号，或者用于控制输入装置以外的设备功能的界面，例如移动电话的菜单。当测量光束的主光线以锐角入射到窗体上时，其在滚动方向X和点击方向Z上都具有分量。滚动移动和点击移动都会引起反射回激光器空腔的测量光束辐射发生变化。为了确定引起该变化的是滚动移动还是点击移动，则要确定在给定的持续时间内手指是正放在窗体上或是曾经放在窗体上。如果是这种情况，就可以决定执行点击操作。因为这种操作包括手指向着窗体在Z方向上的快速移动，窗体与手指接触和手指从窗体上快速收回。

如上所述，由于手指在窗体上的移动而引起的激光器辐射调制的频率取决于环境并且为例如几kHz到1MHz的数量级。已经发现，如果手指放在窗体上，则激光器辐射也被调制，但是调制的频率远远低于滚动频率。可以通过图10中的102所表示的附加检测器(光电二极管)检测该低频调制，该检测器设置成其接收一部分经调制的辐射。通过在测量光束光路中设置分束镜(未示出)来设定入射到光电二极管102上的辐射量，该分束镜例如是部分反射镜。该分束镜向附加的光电二极管反射固定部分的测量光束辐射。该附加的光电二极管与激光器驱动和信号处理电路100连接。该电路由此可以确定是否出现点击操作，从而确定所测量的运动是点击移动还是滚动移动。

低频辐射调制的出现也可以通过监测二极管器件检测到，如图12所示。该图示出的组件92包括二极管激光器104和监测二极管106，该监测二极管用于接收在二极管激光器后侧发出的激光辐射97。一部分监测二极管信号S_d供给低通滤波器108，该滤波器仅仅使低频分量S_d传播到信号处理电路100。信号S_d其余部分作为信号S_h直接提供给电路98。

此外，在该电路中确定是否出现点击移动，即是否出现低频振幅变化，由此确定所测量的移动，即S_h的信息是点击移动还是滚动移动。也可以将整个信号S_d提供给电路98，该电路从信号S_d中分离出低频分量。

在手指放在窗体上的时间内，存在光-电反馈回路，该回路包括该二极管激光器和装置窗体，测量光束辐射在这两个元件之间来回传播，该回路还包括监测二极管和激光器驱动电路。激光器空腔内的激光辐射反馈耦合的效果是以较小的激光器驱动电流发射出等量的辐射。当手指出现在窗体上时，驱动电流减小，以便这种出现可以通过测量该驱动电流而确定，例如图4的电路中的驱动电流或者本领域技术人员公知的相似电路中的驱动电流。这种测量的结果允许确定利用该监测二极管测量的运动是点击移动还是滚动移动。

如果使用脉冲二极管激光器，则也可以通过对在激光器驱动电流的第一个和第二个半周期内产生的探测器信号中波动进行计数来确定手指是否出现在装置窗体上。如参照图6和7所述，如果手指放在窗体上，那么在第一个半周期内的波动数量与第二个半周期内的波动数量相等。

上面描述的用于检测手指是否出现在输入窗体上的方法的各个实施方式可以与一个或者多个其它实施方式相结合，从而获得冗余并因此增加测量的可靠性。这些实施方式中的每一个也可以与测量由自混效应和Doppler频移引起的激光器空腔内的变化的方法之一结合使用。

图13表示了移动电话设备的实施方式的正视图，该移动电话装置包括显示板112、麦克风114和由装置窗体116表示的光学输入装置以及数字小键盘118。该数字小键盘是简化类型的键盘并且包括少量按键，例如拨号按键122和一些其它的按键120。按键的数量可以比图13所示的数量多。该装置还可以包括具有更多功能的键盘来替代数字小键盘。

该光学输入装置集成到移动电话中时可以提供很多优点，该移动电话具有标准协议，比如WAP协议或者I-型Internet协议。通过这种协议，移动电话可以用作全球通讯网络的终端，该网络比如是国际互联网。光学输入装置的窗体116可以嵌入到移动电话外壳124的侧表面126中，如图13所示。也可以将该窗体设置在容纳数字小键盘的外壳表面中。该窗体优选是凸表面，如图13所示。这样做的优点是窗体上不会聚集灰尘和油脂，并且可以容易被人的手指感知。数字小键盘或者键盘118是光学键盘。

为了证明本发明对于这里讨论的设备类型的效果，首先将对在未决的PCT申请中描述的光学键盘进行简短的讨论，该申请的申请号是PCT/IB02/01859。

图14表示了移动电话沿图13的II-II”线的横截面图。显示器112可以是液晶显示器，其包括设置在两个衬底130、132之间的液晶材料层(未示出)。在该实施方式中显示器置于透明载体(衬底)134上，该载体在按键122的位置具有凹槽136。该衬底134由例如透明塑料制成，并且包括光导部分和容纳至少一个光源和检测器的空间。

在图15所示的顶视图中，该键盘的光导部分140(下文中的键盘光导)位于矩形ABCD中。在键盘光导的AD边设置了另一光导144。该光导(下文中的光源光导)接收光源(例如LED)发出的辐射，该光源设置在衬底中的位置142上。在键盘光导的AB边可以设置相似的光源光导144’，以接收第二光源发出的辐射，该第二光源设置在衬底中的位置142’上。

该键盘光导140这样构成，例如具有突出元件，以便于来自光源光导的光线只在X方向上的光路152和Y方向上的光路154的位置上耦合到键盘中。在光路152和光路154相交的位置156具有凹进，如图14中所示。沿键盘光导140的BC边还设置了另一光导146。该光导(下文中的检测器光导)接收来自键盘光的辐射并且将该辐射传送到设置在衬底134中的位置148上的光学检测器，该光学检测器例如是光电二极管。相似的检测器光导146’可以设置在键盘光导140的CD边上，用于将来自后一光导的辐射传送到设置在衬底中位置148’上的光学检测器。为了改善来自键盘光导的辐射与检测器光导的耦合，后者可以具有突出元件。

当按键122被按下时，它移动到键盘光导和在按键位置136上相交的光路中。该按键会部分或者全部反射沿该光路传输的光。因此，位置148和148’上的光学检测器接收的辐射量就会发生变化，从而这些检测器的输出信号发生变化。当光源光导被与其关联的光源从一侧照亮时，耦合到键盘光导中的辐射强度随着光路152和154分别与光源的位置142’和142间距的增加而减少。因此，按下特定按键而引起的检测器输出信号振幅的变化取决于该按键与光源的距离。

将该检测器或者光电二极管的输出信号提供给电路，以便测量(如果需要的话在放大之后测量)光路152和光路154的这些信号的变化，从而可以确定按下了键盘中的哪个键。

被按到键盘光导中的按键部分可以具有反射材料，以提高其反射辐射的能力。

光源(LED)可以是脉冲光源。

除了采用位置148和148’上的光电二极管，例如通过反射器或者其它光学元件，也可以将来自键盘光导的待测辐射引导到其它位置。例如，如果通过薄膜晶体管矩阵控制显示器112，则该矩阵可以由附加的晶体管扩大以测量来自键盘的辐射。当衬底134代替图14所示的衬底130用作显示器衬底时该可选方案具有吸引力。如果需要，附加晶体管的设计可以为其特殊功能而优化。

为了将光源发出并且具有不同强度的辐射部分耦合到不同的Y光路154中，光源光导144可以减少厚度，如图16所示。光源(LED)160发出的光束部分165被光源光导144的斜向上边反射为Y光路154中的光束165’，该光束朝向该光路内的一个按键。当该按键被按下，其反射部分将辐射部分地反射成为朝向检测器光导146’的光束165^II。该光导的斜向左边将该辐射反射成为朝向检测器162的光束165^III。为了提高该测量的可靠性，还可以测量穿过该按键反射部分的辐射，如光束165^IV。该光束被检测器光导146’的斜向表面朝向第二检测器162’反射。通过同样的方式，经由通过辐射源160’、光源光导144’、检测器光导146和检测器162’构成的X光路可以检测按键的按下情况。用于这种检测类型的光源160和160’应该交替地打开和关闭。

不需要持续检测该按键的位置，每秒执行几次这种检测就足够了。

沿不同的X和Y光路152和154传播的辐射光束不仅可以由不同强度区分，还可以由不同频率区分。这可以通过在光源光导144、144’和键盘光导140之间设置滤色片170来实现。该滤色片在其长度上显示不同的颜色，例如从红(外)到紫(外)。也需要在检测器支路中实现颜色辨别。这里有多种设置入射到不同的X和Y光路上的辐射光束强度的可能方式，特别是通过使光源光导的反射表面具有特定结构和/或形状。

根据本发明，如图13-16所示的光学数字小键盘或者键盘或者其它类型的键盘的设计可以通过将键盘和光学输入装置集成而大大简化。当通过(多个)二极管激光器提供并通过输入装置的(多个)检测器测量用于确定按键状态的(多个)光束时，该键盘本身不再需要包括辐射源和检测器。当通过与参照图13-16所讨论的不同方式测量所按下的按键位置时，就不再需要具有特殊结构的光源光导144、144’和检测器光导146、146’。也不再需要用于处理检测器148、148’的输出信号的电路，这是因为根据输入装置的(多个)输出信号获得了关于所按下的按键位置的信息。通过这种方式可以为光学键盘节省相当大的空间和成本。这也适用于其它类型的光学键盘。另外，沿按键的位置引导(多个)测量光束意味着二极管激光器和需要测量的物体(手指)之间距离显著增加了，其结果是输入装置的准确度和可靠性显著增加了。因此，光学键盘和光学输入装置的集成不仅为键盘提供了优点，也为输入装置提供了优点。

图17表示了光学键盘的第一实施例180，输入装置集成在其中。该光学输入装置包括二极管激光器和光电二极管组件182以及装置窗体186。该组件182设置在键盘光导140内，从而由该二极管激光器发射的测量光束184通过该光导140传播。组件152还包括用来校准测量光束的透镜器件(未示出)。透镜器件(未示出)可以设置在装置窗体186之前的测量光束光路内以将该测量光束会聚到装置窗体上。在测量光束到达窗体之前，通过反射镜器件190-195沿所有按键位置引导测量光束。

通过如参照图1-8所述的相同方式测量物体或者手指在窗体186上的滚动移动。在图17的实施方式中，单个的传感器单元也测量点击移动。如前面所描述的，因而使用附加信息来检测手指在装置窗体上的暂时出现，并由此确定是否出现点击移动，该附加信息如激光器驱动电流的变化，检测器信号中产生的低频调制等。为了测量按键是否按下和哪个按键被按下，使用如图6所示的波动，该波动是由返回到激光器空腔内的反射测量辐射而不考虑手指的移动产生的。直至现在这些被称为零阶波动的波动，已经用于区分向前的滚动移动和向后的滚动移动。为此，根据移动方向，将该零阶波动添加到由滚动移动引起的波动或者从由滚动移动引起的波动中减去该该零阶波动。根据本发明，零阶波动的第二个用途是用于检测器输出信号中。这些按键具有光学散射或者向后反射表面，当按键按下时，在键盘光导的范围内并且分别将测量辐射散射和反射到激光器空腔。由于零阶波动的数量取决于二级光激光器和发生散射的位置之间的距离，因此所按下的按键位置以及该按键的数字可以通过计数零阶波动的数量来确定。由于在前面所描述的输入装置中为了区分向前和向后的移动，对波动的数量进行了计数，因此就不需要额外的器件来确定哪个按键被按下。仅仅需要修改估计检测器信号波动的软件，这对于本领域的技术人员来说是很简单的工作。

其移动要被测量的物体或者手指是离激光器空腔最远的散射或者反射表面，并且现在设置在距离激光器空腔相当远的位置。这提供了很大的优点，即手指出现所引起的零阶波动的数量大大增加，这很大程度上有助于识别向上或者向下的滚动移动。这样，与输入装置本身相比，集成输入装置与光学键盘的滚动信号的质量和可靠性大大提高了。

由于对于滚动/点击信号而言，零阶波动数量比由任意所按下的按键引起的波动数量大，因此由手指移动产生的信号可以很容易地与所按下的按键产生的信号区分开。

图18表示了具有集成的输入装置的光学键盘的实施方式200，其包括两个二极管激光器202、204和关联的光电二极管(未示出)。该输入装置可以用来测量点击移动和沿一个轴或者两个轴的滚动移动。按键125现在被分成两组。现在通过二极管激光器202和与其关联的检测器测量第一组(图18中下边的组)按键的状态。通过反射镜210和212沿第一组按键的位置引导该二极管激光器发出的测量光束206，然后通过反射镜214和216将该测量光束引导到装置窗体186。二极管激光器204和相关的检测器用于测量第二组(图18中上边的组)按键的状态。通过反射镜218和220沿这些按键的位置引导测量光束，然后通过反射镜222和224将该测量光束引导到装置窗体。在本实施例中，通过确定哪一个测量光束的辐射光路被截断并且测量与该测量光束相关的检测器信号中零阶波动的数量来获得所按下的按键位置。

图19表示了具有集成的光学输入装置的光学键盘的实施方式230，其包括三个二极管激光器和相关的光电二极管(未示出)。按键125现在被分成三个平行的组。二极管激光器相对于这些组设置，使得测量光束238、239和240分别经过第一组(左侧)、第二组(中间)和第三组(右侧)的按键位置。测量光束239直接入射到装置窗体186上，通过反射镜244和246将测量光束238和测量光束240分别引导到该窗体。如图18的实施方式那样，通过确定哪一个测量光束的辐射光路被截断并且测量与该测量光束相关的检测器信号中零阶波动的数量来获得所按下的按键位置。测量光束238、239和240分别可以用于测量X方向上的滚动移动、Y方向上的滚动移动和Z方向上的点击移动。也可以使用一个或者两个测量光束来测量滚动移动和点击移动，并可以使用第三测量光束以获得附加信息，例如可以提高测量一种移动的可靠性。

尽管已经参照移动电话设备描述了本发明，但其也可以用于许多其它设备中，特别是那些包括光学输入装置和光学键盘的小型电池供电的设备。这种设备的一个例子是具有与移动电话相同或者相似功能的无绳电话设备。该无绳电话设备250在图20中示出。该设备包括：基座252，其与电话或者电缆网连接；以及可移动设备254，其可以在例如以基座为中心半径小于100m的区域内使用。设备254包括光学键盘256和显示器装置258。如移动电话设备一样，该设备254可以具有WAP协议或者I-模式协议以访问Internet，并具有光学输入装置260。仅示出了该输入装置的窗体，该输入装置与如上所述的光学键盘集成。该装置的窗体也可以设置在设备254的侧表面中。像移动电话设备那样，该设备254应该很小也很轻，因此在无绳电话设备中实现本发明也具有与在移动电话中实现本发明相同的优点。

本发明也可以用于便携式电脑，如笔记本或者膝上型电脑，在图21中表示了其实施方式270。该笔记本包括基部272和具有LCD显示器276的盖体部274。该基部容纳不同的电脑模块和光学键盘278。在该键盘中，设置了代替常规鼠标板的光学输入装置280。该输入装置可以设置在常规鼠标板的位置或者其它任何容易达到的位置。如上面描述的移动电话设备那样，该光学键盘和光学输入装置也是集成的。

掌上电脑，例如个人数字助理(DPA)是笔记本的小型版本。该掌上电脑也可以具有光学输入装置和其它关于笔记本电脑提及的光学装置。因为掌上电脑还应该比笔记本电脑具有更轻的重量，且体积应该更小，消耗更少的能量，所以在掌上电脑中使用本发明会提供更多的优点。

本发明还可以用于小型的游戏机。

图22表示了桌上电脑结构290，其中用光学输入装置代替了常规的轨迹球鼠标。该结构由键盘壳292、电脑机箱294和监视器296组成。该监视器可以是安装在支架298上的平板LCD监视器，如图所示，或者是CRT监视器。光学输入装置302设置在键盘壳292中，仅示出了该装置的窗体。根据本发明，键盘300是光学键盘，并且输入装置302与如上所述的键盘集成。

本发明也可以用于常规电视机结构310所使用的遥控单元320中，如图23所示，其包括接收器和具有显示器314的显示器设备312，以及扬声器316。该结构配有机顶盒318以使该设备适用于例如Internet通讯。该盒经由电话或者电缆网提供到Internet的接入，并且为了显示Internet的信息，将从Internet接收的信号转换成电视机可以处理的信号。由于Internet电视的使用者手中应该具有Internet命令的输入装置，所以该输入装置324应该集成在遥控装置320中。该遥控装置的数字小键盘或者键盘322是光学键盘，并且根据本发明，该光学输入装置按照上述方式与该键盘集成。

一般而言，本发明可以用于配有光学输入装置和光学键盘的任何设备。

Claims (18)

1.一种包括由移动物体控制的光学输入装置和光学键盘的设备，该输入装置包括至少一个光学传感器单元，该光学传感器单元包括用于提供测量光束的二极管激光器和用于将由物体反射的测量光束辐射转换成电子信号的转换器件，该转换器件是由激光器空腔和用于测量激光器空腔在工作中的变化的测量器件组合构成的，该变化是由于再次进入激光器空腔的反射测量光束辐射与该空腔内的光波发生干涉而引起的，该变化代表着物体的移动，其特征在于该测量光束从该二极管激光器到窗体的光路延伸通过光学键盘的光导。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于该输入装置包括两个传感器单元，这些传感器单元相对于光学键盘设置，以便于第一和第二传感器单元的测量光束在到达装置窗体的光路上分别经过第一组按键的位置和第二组按键的位置，该第一组按键和第二组按键的组合包括了所有要被控制的按键。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于该输入装置包括三个传感器单元，这些传感器单元相对于光学键盘设置，以便于第一、第二和第三传感器单元的测量光束在到达装置窗体的光路上分别经过第一、第二和第三组按键，该第一、第二和第三组按键包括所有要被控制的按键。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于该输入装置包括适于测量滚动移动和点击移动的传感器单元，并且该传感器单元具有可以确定物体出现在装置窗体上的附加器件。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于该附加器件由用于确定经调制的测量光束辐射是否显示出频率低于由滚动移动引起的变化频率的振幅变化的器件构成。

6.如权利要求5所述的设备，其中所述的传感器单元包括第一辐射敏感检测器，该第一辐射敏感检测器用于测量激光器空腔内的变化，其特征在于该附加器件由第二辐射敏感检测器构成，该第二辐射敏感检测器用于接收未入射到激光器空腔上的测量光束辐射。

7.如权利要求4所述的设备，其特征在于该附加器件由用于检测所述测量器件的输出信号中所述分量的电子器件构成。

8.如权利要求4所述的设备，其中所述传感器单元由激活脉冲激活，并且该测量器件在由激活脉冲确定的时间间隔内执行测量，其特征在于该附加器件包括计数器件和比较器件，以确定所述时间间隔的第一和第二个半间隔中所测量的输出信号中波动的数量是否相等。

9.如权利要求1-8中任一项所述的设备，其特征在于该输入装置的测量器件是用于测量该激光器空腔阻抗变化的器件。

10.如权利要求1-8中任一项所述的设备，其特征在于该测量器件是用于测量由该激光器发射的辐射的辐射敏感检测器。

11.如权利要求5所述的设备，其特征在于该辐射敏感检测器设置在该激光器空腔的后侧。

12.如权利要求6所述的设备，其特征在于该第二检测器设置在激光器空腔的发射测量光束的那一侧。

13.一种配有如权利要求1-12中任一项所述的集成的光学键盘和光学输入装置的移动电话设备。

14.一种配有如权利要求1-12中任一项所述的集成的光学键盘和光学输入装置的无绳电话设备。

15.一种配有如权利要求1-12中任一项所述的集成的光学键盘和光学输入装置的膝上型电脑。

16.一种配有如权利要求1-12中任一项所述的集成的光学键盘和光学输入装置的掌上电脑。

17.一种配有如权利要求1-12中任一项所述的集成的光学键盘和光学输入装置的台式电脑的键盘。

18.一种用于配有如权利要求1-12中任一项所述的集成的光学键盘和光学输入装置的电视机的遥控器。

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