CN1838049B - 具有紧凑低外廓的光学导航设备及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

光学导航设备通过比较所捕获的表面结构例如手指褶皱的图像来检测非光学平面如手指的相对运动。光源和传感器阵列相互接近地布置在外壳内。传感器阵列安装在衬底上。透镜阵列插入要成像的表面与传感器阵列之间，以将表面例如使用者手指表面的1∶1图像形成到二维传感器阵列上。微透镜可以设计以与传感器阵列上的单独象素匹配，或透镜阵列的每个元件用于覆盖传感器上的一组象素。微透镜可以布置为使得图像形成到传感器阵列上，或形成于空间平面中以使图像从表面离焦。

Description

具有紧凑低外廓的光学导航设备及其使用方法
技术领域
本发明涉及紧凑的低外廓光学导航设备。
背景技术
随着移动式和便携式电子设备普及程度的不断增长，对于小型低成本指点设备的需求已显著增长。光学鼠标中使用的光学导航技术提供了在精度、可靠性和灵活性方面超过其他解决方案的许多优点。但是，现有的鼠标传感器模块太大而不能应用到便携式电子设备，例如蜂窝电话和个人数字助理(PDA)中。
光学鼠标传感器通过追踪从离开导航表面的反射所捕获的图像中的变化来检测相对运动。导航图像可以是由倾斜照明的发光二极管(LED)所投射在表面上的阴影和亮点的图样，或由相干照明源在导航表面形成的衍射图样或斑点。光学鼠标的核心是导航模块，该导航模块由光源、图像传感器以及例如成像透镜的光学零件(可以包括光学零件，也可以不包括)组成。光源如LED或激光器用于提供导航表面的照明；而光学零件的成像部分将导航图像形成于图像传感器阵列上。成像透镜通常用于将导航图像成像到2D传感器阵列上。通常的鼠标传感器模块尺寸相当大，特别是高度。对于扩大光学导航技术在例如桌面计算机鼠标中的应用，模块尺寸大还不是问题。但是，其阻碍了该技术更加广泛地应用于便携式电子设备例如蜂窝电话和PDA中。对于便携式电子器件，期望有厚度在2mm量级的指点设备，而通常的鼠标传感器模块在导航表面与传感器之间需要超过10mm的空间。
现有光学鼠标传感器太大而不能集成到便携式电子器件例如蜂窝电话中，主要是由于设备组件的高度。通常的光学鼠标传感器在导航表面和图像传感器之间需要超过14mm的间距以满足导航所需成像条件。按照目前的模块设计，成像功能通常是由单透镜元件来进行的。表面和传感器之间的最小间距受到传感器象素尺寸和阵列尺寸、光学效率(或f数)和所期望的光学放大倍率的限制。
传统鼠标传感器模块的高度主要受到成像光学器件高度需求的限制。通常单个塑料模制透镜用于单位放大倍率，使用具有50um点距、20x20象素的2D传感器。首先，为了获得1∶1成像，导航表面与传感器之间的间距应该是4x成像透镜焦距。当导航表面与传感器之间的间距减小时，成像透镜的焦距也必须减小。理论上为此目的可以设计很短焦距的透镜，从而在传感器和导航表面之间获得接近2mm的间距，但实际上必须考虑透镜的孔径尺寸以保持合理的采光效率(light collection efficiency)。透镜焦距与透镜直径之比是透镜的f数。具有小于1的f数、能够以良好图像质量覆盖大视场的单个元件折射透镜是实际上难以得到的。因此，通常的光学鼠标传感器模块在传感器与导航表面之间需要超过10mm的间距。
发明内容
光学导航设备通过比较所捕获的表面结构例如手指褶皱的图像来检测非光学平面如手指的相对运动。光源和传感器阵列相互接近地布置在外壳内。传感器阵列安装在衬底上。透镜阵列插入要成像的表面与传感器阵列之间，以将表面例如使用者手指表面的1∶1图像形成到二维(2D)传感器阵列上。微透镜可以设计以与传感器阵列上的单独象素匹配，或透镜阵列的每个元件用于覆盖传感器上的一组象素。微透镜可以布置为使得图像形成到传感器阵列上，或形成于空间平面中以使图像从表面离焦。
在一个方面，本发明公开了一种装置，该装置包括：外壳；光源，所述光源朝向表面发射电磁波；元件的MxN阵列，所述元件阵列用于收集来自所述表面的电磁波，其中M＞1，N≥1；运动检测电路，所述电路具有传感器阵列，所述传感器阵列用于接收所述电磁波，所接收的电磁波用于确定沿着第一和第二轴线方向的相对运动。
在另一个方面，本发明涉及一种方法，该方法包括：应用朝向表面的电磁源；通过应用收集元件的MxN阵列形成对应于所述表面反射的图样，其中M＞1，N≥1；用传感器阵列检测一系列图样；分析所述图样以确定相对运动。
附图说明
图1图示了本发明的实施例。
图2A-C图示了本发明的实施例。
具体实施方式
如图1所示，在本发明的一种实施例中，使用透镜阵列取代传统光学导航设备中的单个成像透镜。光源10和传感器阵列12相互接近地布置在外壳8内。传感器阵列12安装在衬底13例如印刷电路板(PCB)上。透镜阵列14被布置成使得从光源10发射的光被反射离开表面20。透镜阵列14包括MxN个元件，其中M＞1，N≥1。透镜阵列14收集反射离开表面20的光并在下面的2D传感器阵列12上形成图样。例如，当使用LED作为光源10时，透镜阵列14可以用于形成表面例如使用者手指表面的图像。如图2A-C所示，透镜阵列14的每个元件可以设计为与传感器阵列上的单独象素匹配(图2A)，或者，透镜阵列的每个元件用于覆盖传感器上的一组象素(图2B)，或者，透镜阵列的每个元件用于覆盖传感器上一个象素区域的一小部分(图2C)。透镜阵列14可以布置使得表面20的图像形成于传感器阵列上，或者在传感器阵列上形成空间上不同于表面20的平面。
光学透镜16可以置于光源10与表面20之间，输出光束在该处被基本准直。所提到的光是例证性的。创造性的概念可以延伸到包括电磁辐射，该电磁辐射覆盖了从约1纳米(nm)延伸到约1米(m)的波长范围。
此设备的总体高度得到了显著减小，因为透镜阵列14每个元件的焦距可以非常短，同时仍然保持了与单个透镜元件相同的f数。
照明源10可以是相干光源例如激光二极管或垂直腔面发射激光器。可选地，其可以是非相干或准相干光源例如发光二极管(LED)，或者带有或不带滤光器的宽带光源。尽管此实施例将光源10公开为包含在外壳8内部，也可以用外部光源例如环境光照明该表面。表面自身可以被自照明，就像当表面包括发光材料，例如电致发光时的情况一样。
透镜阵列14包含可以是折射的、衍射的或混合的元件。
传感器阵列12可以是电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)成像阵列。传感器阵列12优选地布置为捕获由透镜阵列形成的图样。该图样可以直接对应于表面，或者是表面信息的衍生物，例如由离开表面的反射光所产生的斑点或干涉图样。
本发明使用不同的光学设计概念显著减小了表面和传感器阵列之间所需的间距，从而减小了导航模块的总体高度。
如图1中所图示的，通过使用多元件透镜阵列，在保持与使用相同传感器阵列的单个透镜实现方式相同的光学特性例如放大倍率和f数的同时，可以显著减小表面到传感器的距离。
成像透镜的集光效率可以设计为与单个元件透镜情况下相等或更好。大透镜阵列可以设计使得每个元件对应于传感器阵列的一个象素，或者每个元件将图像映射到传感器中一组象素，或者传感器中每个象素对应于一组透镜元件。
大透镜阵列的制造可以以多种方式实现，例如刻蚀、回流(reflow)、复制(replication)或模制。根据本发明的一种实施例，透镜阵列集成到晶片级的传感器阵列。在另一实施例中，透镜阵列是置于表面和传感器之间的单独零件。

Claims (22)

1.一种装置，包括：
外壳；
光源，所述光源朝向表面发射电磁波；
元件的MxN阵列，所述元件的MxN阵列用于收集所述表面的电磁波，其中M＞1，N≥1；以及
运动检测电路，所述电路具有传感器阵列，所述传感器阵列用于接收由所述元件的MxN阵列收集的电磁波，
其中，所述元件的MxN阵列被布置为在所述传感器阵列上形成所述表面的图样，所述图样受到分析以确定相对运动。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁波从包括可见光、红外光、微波和声波的组中选择。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述光源位于所述外壳内。
4.根据权利要求3所述的装置，所述元件的MxN阵列的每个元件对应于所述传感器阵列中传感器的至少一小部分。
5.根据权利要求3所述的装置，所述元件的MxN阵列的每个元件对应于所述传感器阵列中的单个传感器。
6.根据权利要求3所述的装置，所述元件的MxN阵列的每个元件对应于所述传感器阵列中的一组传感器。
7.根据权利要求3所述的装置，其中所述光源发射可见光或红外光。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述元件的MxN阵列的每个元件是透镜。
9.根据权利要求8所述的装置，所述透镜是折射的、衍射的或混合的元件。
10.根据权利要求3所述的装置，其中所述光源是相干光源、准相干光源和非相干光源之一。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述光源是相干光源，所述相干光源从由激光二极管和垂直腔面发射激光器组成的组中选择。
12.根据权利要求3所述的装置，其中所述光源是非相干光源或准相干光源，所述光源从由发光二极管和宽带光源组成的组中选择。
13.根据权利要求3所述的装置，其中所述传感器阵列是电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体成像器之一。
14.根据权利要求3所述的装置，其中，所述元件的MxN阵列被布置为在所述传感器阵列上形成在空间上不同于所述表面的平面的图像。
15.根据权利要求3所述的装置，其中，所述元件的MxN阵列形成图样，所述图样从包括斑点、衍射和表面图像的组中选择。
16.一种方法，包括：
应用朝向表面的电磁源；
通过应用收集元件的MxN阵列形成对应于所述表面反射的图样，其中M＞1，N≥1；
用传感器阵列检测一系列图样；并且
分析所述图样以确定相对运动。
17.根据权利要求16所述的方法，其中：
所述电磁源发射光学波长范围内的光；并且
其中所述图样从包括斑点、衍射和表面图像的组中选择。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述光源是从由激光二极管和垂直腔面发射激光器所组成的组中选择的相干光源。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述光源是非相干光源和准相干光源之一，所述光源从由发光二极管和宽带光源所组成的组中选择。
20.根据权利要求16所述的方法，其中：
所述传感器阵列是电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体成像阵列之一；并且
所述元件的MxN阵列是透镜阵列。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述元件的MxN阵列布置为将所述表面的图样形成到所述传感器阵列上。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述元件的MxN阵列布置为将在空间上不同于所述表面的平面的图像形成到所述传感器阵列上。
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