CN1799019A - 光电输入设备、制造这种设备的方法以及借助于这种设备测量目标移动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电输入设备(10)，其中输入由探测到的目标(M)的移动形成，该输入设备设有光模块(11)，该光模块(11)包括安装在载板(4)上的至少一个激光器(1)，该激光器发出辐射束(S)，该辐射束(S)被导引到靠近目标(M)的板(V)处，并在被反射后引起激光器(1)谐振腔的变化，谐振腔的变化代表着目标(M)的移动，这种变化可以在模块(11)内被测量到。依照本发明，靠近目标(M)的板(V)包括位于目标(M)的突出部分内的第一部分(V1)和第二部分(V2)，辐射束(S)可以穿过该第一部分(V1)，该第一部分(V1)具有相对于载板(4)的固定位置，第二部分(V2)沿垂直于载板(4)的方向可以移动，并且包括信号装置，在第二部分(V2)移动时信号装置可以提供信号，该信号可以被该设备(10)的用户观察到。以这种方式，这种设备(10)可以借助于用户触觉，优选借助于用户听觉向人类用户提供反馈。本发明还包括制造这种设备的方法以及使用这种设备输入目标(M)的移动的方法。

Description

光电输入设备、制造这种设备的方法以及借 助于这种设备测量目标移动的方法
技术领域
本发明涉及一种光电输入设备，其中输入由探测到的目标的移动形成，该输入设备设有光模块，光模块包括：至少一个具有谐振腔、用以产生测量辐射束的激光器；将辐射束导引到靠近目标的板上的光学装置，以及将来自被目标反射的测量辐射束的辐射转换为电信号的转换装置，其中转换部件由激光器的谐振腔与测量在工作期间的谐振腔变化的测量装置组合而成，该谐振腔的变化由来自透过谐振腔的测量辐射束的反射辐射与谐振腔内的驻波的干涉引起，谐振腔的变化代表着目标相对于模块的相对移动，其中光模块包括安装在载板上的激光器，光学装置包括安装在载板上并与激光器对准的光学部件，由激光器发出的测量辐射束的光学分量从该光学部件行进到靠近目标的板上。
这类设备特别适合用作PC的输入装置，在这种情形下，通常所说的鼠标的功能就可以被取代。在打印机或扫描仪中，输入或输出媒介的移动也可以借助于这种设备来探测。本发明还涉及制造这类设备的方法，以及借助于这类设备测量目标移动的方法。
背景技术
从2002年8月8日公布的美国专利说明书US2002/0104957可以获知开始段落提到的这类设备。
在该文献中，参看图9a，其中示出位于载板上的输入设备，载板采用设有安装销(mounting pin)的底座(foot)的形式，激光器被安装得使其谐振腔平行于载板。所述设备包括三个这样的激光器，彼此间成120度安装(参看图9b)。
在这些激光器周围设置有环形体，环形体的内部形成为会聚反射镜，该会聚反射镜将激光器发出的测量辐射束经由透镜引导到模块顶盖(cap)内的窗口(window)处。在所述窗口上面的移动目标处反射的一部分辐射重新进入一个(或多个)激光器的谐振腔。该谐振腔与测量部件一起形成用于反射辐射的转换装置，谐振腔内出现的变化代表着目标的相对移动。测量装置例如可以是用于测量激光器谐振腔的阻抗变化的装置。辐射探测器也可以适当地被用作此目的。
这种已知设备的缺陷在于它对用户并不是足够友好的。例如，特别是如果该设备很小并打算用于例如膝上型计算机或便携计算机或者用于移动电话时，使用该设备的人员在“点击或双击”鼠标时会出现错误，尽管这些动作可以被这类设备良好地探测到。
发明内容
因此，对于已知设备的目的是提供一种如开始段落提及类型的设备，该设备是对用户非常友好而且易于应用在非常小的装置中。
为了达到这个目标，依照本发明，在开始段落中提及类型的这类设备的特征在于板在靠近目标处包括第一部分和第二部分，第一部分处于目标的突出部分内，允许辐射束穿过，并处于相对于载板的固定位置处，第二部分处于目标的突出部分内，并沿垂直于载板的方向是可以移动的，并包括发信号装置，在沿垂直于载板的方向移动的情形中，该发信号部件发出可以被该设备的用户用其中一种感官感觉到的信号。
本发明首先基于的是已知的设备不能给予用户足够反馈的这种认识。虽然已知的设备在标准情况下包括显示设备，用户可以在该显示设备上监视他操作的结果，然而实际上已经发现这经常是不够的。本发明另外还基于的是触觉可以构成一种特别有效形式的反馈的这种认识。特别是在上述点击操作这种情形中，板的可移动部分可以提供这种反馈。本发明最后基于的是上述措施可以有效地克服两种内在相冲突的需求这种认识，即一方面，不期望可移动的板，因为即使板是透明的，也会不利地影响光电设备的操作，另一方面，刚硬的板不向用户提供反馈。
在一个优选实施例中，发信号装置包括按钮，该按钮在被按压之后回弹，并且在被按压时向用户提供触觉的感受。这证明是对用户最友好的反馈。优选地，按钮一旦被按压就给出可以被用户听到的声频信号。按钮包括薄的弯曲钢制膜被证明特别适合于这个目的。当按钮被按压时，可以产生点击声音并很好地回弹。
在依照本发明的这种设备的一个有利实施例中，板的第一部分包括一个圆形透明的块状体，该块状体附接在载板上，按钮在其中心包括一个圆孔，块状体处于该圆孔之内，所述块状体的顶面与按钮的顶面基本平齐，或者设置得如能够使按钮被按压所需那样地低。在这个实施例中，测量束被经由透明块导引到板的固定部分处，该固定部分中心地处于例如用户手指的下面。在此情形中，测量束可以在到达板和设于板上的目标之前在块体内反射很多次。设备的正确操作需要很长的光程。
另外的改进的特征在于板的第一部分包括附接在载板上的环形透明的块状体，按钮设于该块状体内，块状体的顶面与按钮的顶面基本平齐，或者设置得如能够使按钮被按压所需那样地低。同时，在这种改进中，使用例如反射元件例如反射镜(面)将测量束导引进透明块内。这种改进的优点在于测量束在被侧壁多次反射的同时以类似螺旋的方式从块体行进到板处。在此情形中，因为环形部分在外部具有最大可能的圆周，所以在目标投射之内的光程可以特别长。
优选地，这种设备包括激光器，该激光器的谐振腔平行于其(最大的)表面而延伸。这样的激光器比较廉价，易于安装到载板上，而且使得与载板成小角度地将辐射束引导到透明块状体内变得很容易。这样的小角度使通过多次反射将光程延长变得更加容易。优选地，测量装置采用安装在载板上的辐射探测器的形式，光学元件作为镜面安装在顶盖(cap)的侧壁上，该顶盖安装到载板上，并且该顶盖可以包括块状体。
在一种有利的改进中，这种设备包括使声频信号能够被探测到的扩音器。如果需要，信号可以在被内置式(很小)扬声器放大之后被再现。扩音器的电信号还可以有利地被用来将设备从节能睡眠模式中唤醒。当这种设备不工作一段时间时，可以借助于内置式饭店电路(hotelcircuit)进行设定使该设备进入这种睡眠模式。从而，这种设备非常适合应用在例如无线的、靠电池供电的计算机鼠标中。
一种测量目标相对于输入设备的移动的方法，依照本发明其特征在于为此目的采用如前述任一权利要求所述的光电输入设备。优选地，移动目标由该设备的用户的手指形成。
一种制造光电输入设备的方法，其中输入由探测到的目标的移动形成，该输入设备设有光模块，该光模块包括：至少一个具有谐振腔、用以产生测量辐射束的激光器；将辐射束导引到靠近目标的板上的光学装置，以及将来自被目标反射的测量辐射束的辐射转换为电信号的转换装置，其中转换部件由激光器的谐振腔与测量在工作期间的谐振腔变化的测量装置组合而成，该谐振腔的变化由来自透过谐振腔的测量辐射束的反射辐射与谐振腔内的驻波的干涉引起，谐振腔的变化代表着目标相对于模块的相对移动，其中光模块由安装有激光器的载板形成，光学装置由安装在载板上并与激光器对准的光学元件形成，用于激光器发出的测量辐射束，将由激光器发出的测量辐射束从所述位置被导引到靠近目标的板上，其特征在于在目标附近，所述板由两部分形成，即第一部分和第二部分，该第一部分处于所述目标的突出部分内，并被设计成传输辐射束，和设置在相对于载板的固定位置处，该第二部分处于所述目标的突出部分内，并被形成为以便可以沿垂直于所述载板的方向移动，和设置有发信号装置，在沿垂直于载板的方向移动的情形中，该发信号部件发出可以被该设备的用户的一种感官感觉到的信号。优选地，按钮被用作发信号装置，因为按钮能够经由触觉以及经由听觉向人类用户提供反馈。
将参考下述一个(或多个)实施例本发明的这些和其它方面将显而易见并且参考下述一个(或多个)实施例将说明本发明的这些和其它方面。
附图说明
图1是依照本发明的光电输入设备第一个实施例的概略透视图；
图2是沿图1所示设备的线II-II所取的概略横截面图；
图3是依照本发明的光电输入设备的第二实施例的透视图；
图4是沿图3所示的设备的线IV-IV所取的横截面图。
具体实施方式
附图并未按照比例绘制，并且为了清楚起见，某些尺寸例如厚度方向的尺寸都被夸大化。在各个附图中，只要可能，相应的区域或部分用相同的参考数字来表示。
图1是依照本发明的光电输入设备第一个实施例的概略透视图，图2是沿线II-II所取的概略横截面图。由于图2的横截面图是圆对称的，因此仅示出其一半。该实施例的输入设备10包括具有载板4的模块11，在这种情形中该载板是PCB(印刷电路板)4。激光器1和光电二极管3安装在导线分布图上，导线分布图设在该载板4上。对于激光器1和光电二极管3的上部连接(upper connection)使用导线连接20。光学装置2位于激光器1和光电二极管3的一侧，该光学部件2采用反射镜2的形式，在本实施中为平面镜，该反射镜2接收由激光器1发出的测量辐射束S并将该辐射束(在此情形中以相对于载板(参看图2)成大约30度的角度)发送到透明块状体6(在此情形中为圆形)，该透明块状体6位于激光器1的另一侧，设置在载板4上。激光器1和光电二极管3以及块体6外的整个辐射路径S都设置在透明封装8内。在本实施例中，模块11包括多个激光器1，在图中仅仅示出其中一个。同样，与每个激光器1相关联的部件2、3也以相应的数目出现。
在此情形中，块状体6整个由透明合成树脂制成，此处为PMMA。辐射束S进入块体6(参看图2)，并在多次内反射之后到达板V的顶面。依照本发明，所述板V包括两个部分V1和V2，V1由固定设置的块体6形成，V2由设有圆孔的金属膜5形成，具有约100μm厚的所述膜放置在环形块66上并附接在其上，所述膜在此情形中是非透明合成树脂。两个部分V1、V2都设置在板V之上的移动目标M的突出部分内，特别是人的手指。当膜5与块体6分离并处于比块体6稍高的位置时，可以用手指M按压膜5，从而例如一旦点击或双击膜5，就经由触觉向用户提供反馈。此外，采用按钮形式的所述膜5在被按压时发出声频信号，该声频信号经由用户的听觉增强了反馈。当膜5已被按压之后，膜5回弹到原始位置，并准备被再次按压。
在移动手指M处反射的辐射到达激光器1的谐振腔，并且由于移动产生的干涉的出现而引起变化。在本实施例中，采用辐射探测器3(在此情形中为光电二极管3)测量激光器1的谐振腔内出现的变化，其中由激光器1发出的一部分辐射也入射到该辐射探测器3上。这种情况例如通过采用也设置于块体66上的另外的反射镜(未示出)发生。如果需要，载板4可以设有用于激光器1的冷却件(未示出)。不透明的块体66和不透明的按钮5使模块11遮蔽掉环境光。块状体6的侧面16在此情形中被成形为向外倾斜，以便在辐射束S进入块体6时可以抵消辐射束S的反射。
本实施例的设备10还包括在此情形中位于载板4底侧的扩音器33，借助于该扩音器33，由膜5发出的声频信号可以被记录下来，并且如果需要的话经由很小的扬声器34放大该声频信号。在本实施例中，该设备10形成计算机鼠标的一部分，而且设有通常所说的饭店电路(hotelcircuit)(未示出)，如果鼠标在某一时间段空闲的话，该饭店电路促使电流供给到要中断的设备10的最重要元件。结果，在那种情形中的电流消耗就很低。只有扩音器33和控制电路(图中未示出)设置有永久电源。在按压底部5时由扩音器33发出的电信号在本实施例中被用来开启供给所有需要的元件的电源。从而，设备10可以很容易地被用户从“睡眠模式”唤醒，而无需为此目的而给出很多额外的设定。
本实施例中的这种设备10采用依照本发明的方法如下地制造。取PCB 4作为基础(参看图2)，PCB 4的顶侧设有导线分布图，以电学连接有源部件例如激光器1和光电二极管3。在板4顶侧的预定、精确限定的位置处设置焊接区域(图中未示出)，不但特别用于对准敏感的部件例如激光器1和光电二极管3，而且特别用于块状体6，66。这些区域的尺寸被选择为基本上等于要放置的部件的尺寸，这些部件例如为激光器1，光电二极管3以及块体6、66。在底侧上给所有这些部件1，3，6，66设有金属层(图中未示出)。
接着，用拾取放置机器(pick-and-place machine)将上述这些部件1，3，6，66相对精确地放置在上述焊接区域上。在焊接过程期间将这些部件附接在板4上，其中自动校正所放置的这些部件的很小偏差。
这样，模块11的部件1，3，5，6彼此充分精确对准就能够以容易而又快速并且廉价的方法获得。同样，其它部件也可以这样地安装。在对所述部件实施这种表面安装之后，电学有源部件所需的额外电学连接就可以例如通过导线连接来进行。
随后，如果需要，提供硅酮合成树脂液滴8，覆盖激光器1、光电二极管3和反射镜2，并为这些部件提供辐射透明的封装8，整个辐射路径S位于该封装8之内。电学有源部件1、3的电学连接(图中未示出)延伸到模块11以外，并且可以处于载板4之上或之下。在例如通过加热对封装8固化之后，将按钮5放置在块体66上并例如借助于粘合剂将按钮5附接在其上，该按钮5在其制造之前或制造过程中设置有圆孔。现在，设备10就可以准备使用。可以同时制造大量数目的设备10。这些设备10可以用分离技术如锯切法(sawing)彼此分离开。单个设备10的尺寸大约为30×30mm，高度不超过大约10mm。块体6具有10mm的高度和5mm的直径。
图3是依照本发明的光电输入设备的第二实施例的透视图，图4是沿图3所示的设备的线IV-IV所取的横截面图，同样，在这种情形中仅示出其一半。这里将只讨论该第二实施例与第一实施例最重要的差别。在本实施例中，板V的V1和V2部分由透明的环形体6形成，位于该环形体6内的钢制膜5放在该环形体6上并附接在其上。同样，在此情形中，两个部分5，6都位于目标M的突出部分之内，按钮稍微突出到环之上。这种变形具有的优点在于光程长度可以很长，特别是如果辐射束S穿过块体6螺旋地行进时，从而这种长的光程长度对适当操作光电探测目标M的移动有着很有利的影响。另外的优点在于模块11包括相对较少的部件，而且按钮5不需要设置孔，从而可以更好更长久地起作用。在本实施例中，辐射束S以直角进入块体6。在所述块体的底侧处，由于块体6设有一个内部反射镜2因此形成有一个充气腔26，辐射束S经由该内部反射镜2在被块体6的侧壁多次反射后到达块体6的顶面。与此相关的是，如果需要，块体的外侧可以设有反射的不透明涂层。从而，可以使模块遮蔽掉环境辐射。本实施例的设备10的制造可以以类似于上述第一实施例的方式进行。
本发明并不限于上面描述的各个实施例，在本发明的范围内很多改变和修改对于本领域的普通技术人员都是可能的。例如，所制造的这些设备具有不同的几何形状和/或不同的尺寸。同样，也可以有利地采用具有与这些部件相关的仅仅一个激光器1的设备。而且，还可以利用玻璃或陶瓷基板替代PCB基板。
还应当注意，无论是否采用集成电路的形式，这种设备都可以包括其他的有源和无源半导体元件或电子元件例如二极管和/或晶体管以及电阻器和/或电容器。当然，制造过程应适当地进行修改。由此可以仅以电学方式确定激光器谐振腔的相应改变。同样，可以增加处理器或其它电子设备来读取和/或控制激光器。
最后应当注意，尽管本发明旨在特别用于人类用户的情形中，但是用户可以替代地为例如动物。用户甚至还可以包括例如机器人形式的机器或装置。

Claims (14)

1.一种光电输入设备(10)，其中输入由探测到的目标(M)的移动形成，该输入设备设有光模块(11)，该光模块(11)包括：至少一个具有谐振腔、用以产生测量辐射束(S)的激光器(1)；将辐射束(S)导引到靠近目标(M)的板(V)上的光学装置(2)，以及将来自被目标(M)反射的测量辐射束(S)的辐射转换为电信号的转换装置(C)，其中转换装置(C)由激光器(1)的谐振腔与测量在工作期间的谐振腔变化的测量装置(3)组合而成，该谐振腔的变化由来自透过谐振腔的测量辐射束(S)的反射辐射与谐振腔内的驻波的干涉引起，谐振腔的变化代表着目标(M)相对于模块(11)的相对移动，其中光模块(11)包括安装在载板(4)上的激光器(1)，光学装置(2)包括安装在载板(4)上并与激光器(1)对准的光学元件(2)，由激光器(1)发出的测量辐射束(S)通过该光学元件(2)行进到靠近目标(M)的板(V)上，其特征在于靠近目标(M)的所述板(V)包括第一部分(V1)和第二部分(V2)内，该第一部分(V1)处于目标(M)的突出部分内，允许辐射束(S)穿过，并处于相对于载板(4)的固定位置上，该第二部分(V2)处于目标(M)的突出部分内，沿垂直于载板(4)的方向可以移动，并且包括发信号装置，在沿垂直于载板(4)的方向移动的情形中，该发信号装置发出可以由该设备(10)的用户用其中一种感官感觉到的信号。
2.如权利要求1所述的光电设备(10)，其特征在于所述发信号装置包括按钮(5)，该按钮在被按压之后回弹，并且在被按压时为用户的触觉提供感受。
3.如权利要求2所述的光电设备(10)，其特征在于所述按钮一旦被按压，就发出可以被用户听到的声频信号。
4.如权利要求2或3所述的光电设备(10)，其特征在于所述按钮(5)包括很薄弯曲的钢制膜。
5.如权利要求3或4所述的光电设备(10)，其特征在于所述设备包括扩音器(33)，声频信号借助于该扩音器(33)被转换为电信号。
6.一种光电设备(10)，其特征在于所述电信号被用来将所述设备从节能睡眠模式中唤醒。
7.如权利要求2，3，4，5或6所述的光电设备(10)，其特征在于所述板的第一部分(V1)包括附接在载板(4)上的圆形透明块状体(6)，所述按钮(5)在其中心部位包括圆孔(5A)，块状体(6)处于该圆孔(5A)内，所述块状体的顶面与按钮(5)的顶面基本平齐，或者被设置成能使按钮(5)被按压所需那样地低。
8.如权利要求2，3，4，5或6所述的光电设备(10)，其特征在于所述板的第一部分(V1)包括附接在载板(4)上的环形透明块状体(6)，所述按钮(5)处于该块状体(6)内，块状体(6)的顶面与按钮(5)的顶面基本平齐。
9.如权利要求7或8所述的光电设备(10)，其特征在于在所述透明块状体(6)的底侧附近，所述测量辐射束(S)以一定角度被引入所述透明块状体内，使得所述测量辐射束(S)螺旋地移动到所述块状体(6)的顶侧。
10.如前述任一权利要求所述的光电设备(10)，其特征在于所述板的部分(V1，V2)的尺寸适合于由人手指形成的目标(M)。
11.如前述任一权利要求所述的光电设备(10)，其特征在于所述激光器(1)以这样的方式附接在载板(4)上：使得激光器的谐振腔平行于所述载板。
12.一种测量目标(M)相对于输入设备(10)的移动的方法，其特征在于为此目的使用如前述任一权利要求所述的光电输入设备(10)。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述目标(M)是由该设备的人类用户的手指形成的。
14.一种制造的光电输入设备(10)的方法，其中输入由探测到的目标(M)的移动形成，该输入设备设置有光模块(11)，该光模块(11)包括：至少一个具有谐振腔、用以产生测量辐射束(S)的激光器(1)；将辐射束(S)导引到靠近目标(M)的板(V)上的光学部件(2)，以及将来自被目标(M)反射的测量辐射束(S)的辐射转换为电信号的转换装置(C)，其中转换装置(C)由激光器(1)的谐振腔与测量在工作期间的谐振腔变化的测量装置(3)组合而成，该谐振腔的变化由来自透过谐振腔的测量辐射束(S)的反射辐射与谐振腔内的驻波的干涉引起，谐振腔的变化代表着目标(M)相对于模块(11)的相对移动，其中光模块(11)由安装有激光器(1)的载板(4)形成，光学装置(2)由安装在载板(4)上并与激光器(1)对准的光学元件(2)形成，用于由激光器(1)发出的测量辐射束(S)，使由激光器(1)发出的测量辐射束(S)从所述位置被导引到靠近目标(M)的板(V)上，其特征在于在目标(M)附近，所述板(V)由两部分(V1，V2)形成，即第一部分(V1)和第二部分(V2)，该第一部分(V1)处于所述目标(M)的突出部分内，被设计成传输辐射束(S)，并设置在相对于载板(4)的固定位置处，该第二部分(V2)处于所述目标(M)的突出部分内，被形成为可以沿垂直于所述载板(4)的方向移动，并设置有发信号部件，在沿垂直于载板(4)的方向移动的情形中，该发信号装置发出可以由该设备的用户用其中一种感官感觉到的信号。
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