CN1871577B - 光电输入设备 - Google Patents

Abstract

光电输入设备(10)，其输入由所探测物体的运动形成，包括光学模块(11)，其包括至少一个带有腔的能够产生测量辐射束的激光器(1)、用来将该辐射束引导到与该物体接近的平面的光学装置(2)、和用来将经过该物体反射并调制的测量辐射束转换为电信号的转换装置，该转换装置由激光器(1)的所述腔和用来测量该腔中变化的测量装置(3)组合构成。激光器(1)安装在安装板(4)上且其腔平行安装板，光学装置(2)包括安装在安装板(4)上且与激光器(1)对准的光学组件。设备(10)包括另一光学组件，其包括位于该激光器(1)旁、直接装在该安装板(4)上的块状体(5)，从投影看去，该块状体和该激光器没有重叠，而且它的最上面透明，且上侧面形成与该物体接近的平面。

Description

光电输入设备

本发明涉及一种光电输入设备，其中所述输入是通过所探测的物体的运动形成的，该设备包括一个光学模块，该光学模块包括至少一个带有腔的用来产生测量辐射束的激光器、用来将该辐射束引导到接近物体的平面的光学装置以及用来将经该物体反射和调制的测量辐射束的辐射转换成电信号的转换装置，该转换装置是由该激光器的所述腔和用来测量在工作期间该腔中的变化的测量装置组合构成的，其变化是因进入该腔的反射辐射引起的，其代表着该物体相对于该模块的运动，该光学模块包括安装在安装板上且具有与之平行的腔的激光器，该光学装置包括安装在该安装板上且与该激光器对准的光学组件，经该激光器发出的测量辐射束从那里到达接近该物体的该平面。

此类设备特别适合于用作PC的输入装置，其能够管理所谓鼠标器的文档的功能。该设备甚至更适于作为便携式单元例如移动电话中的滚动和点击设备，用来进行所谓的滚动菜单的操作。在打印机或者扫描仪中，可以用该设备探测输入和输出媒介的移动。该发明还涉及制造这种设备的实施方法和借助于这种设备测量物体运动的实施方法。

从2002年8月8日公开、公开号为US2002/0104957的美国专利申请可获知序言中提及的此类设备。在该文献中——参见图9——示出了一个输入设备，其中，形成一个安装板作为底座，其由安装销固定，上面装有激光器，激光器的腔平行于该安装板。该设备包括三个以120度装配的这种激光器(参见图9b)。在激光器周围粘附有环状体，其一个内侧面形成会聚镜，将激光器发出的测量辐射束经由透镜引导到达模块的外罩的窗口。从上面到运动物体的反射过来的辐射中的一部分再次径直进入激光器的腔中。该腔与测量装置一起构成反射辐射的转换装置，该腔中产生的变化代表着物体的相对运动。测量装置可以例如包括用于测量激光器腔的阻抗变化的装置。另外辐射探测器也适合于这个目的。

这种已知设备的缺点是它对于许多要求具有更小维度的应用来说并不十分紧凑。最重要的是，大规模制造该设备不容易并且不便宜。

因此，本发明的一个目的是制造序言中所说明的那种类型的设备，其是特别紧凑的并且制造是容易且廉价的。

为此，根据本发明，序言中说明的那种设备其特征在于，该设备包括另一光学组件，该光学组件包括一个安装在激光器附近、直接位于安装板上、并且从投影看过去与该激光器没有重叠的块状体，并且该块状体的至少最上面部件是光学透明的，且其上侧面形成与物体接近的平面。一方面，这意味着该设备能够是相对紧凑的。能够将测量辐射束以相对安装板的一个小角度引导到该块状体。由于这个小角度，该辐射束能够在到达上平面之前在该块状体的透明部件内前后反射很多次。结果，根据本发明，该设备的水平尺寸和高度都是有限的，同时相对于该辐射束来说，产生一个相对大的光学距离(optical range)，这是该设备正确工作所需的。另一方面，现在能够通过表面安装技术将该设备最重要的元件例如激光器，该光学元件(例如包括镜子)，和该块状体粘附到安装板上。借助于所谓的拾取和安置机器，能够以相对高的对准精度而且快速、便宜地做到这一点。由于该块状体尤其与该激光器决不会重叠这一事实，因此其能够容易地用透明塑料材料封装。液体透明塑料材料特别适合于此，其在涂布之后固化。

优选地使直接朝着该测量辐射束的该块状体的透明的最上面部件的第一部件的一个侧面向外倾斜。这能够使进入该块状体的测量辐射束的任何中断得以纠正。所述侧面相对于法线的角度等于例如30度。该块状体的最上面部件还包括位于第一部件上的第二部件，其侧平面近似垂直于安装板。在该部件内，该辐射束能够反射很多次。该块状体优选完全由透明塑料例如PMMA(＝聚甲基偏丙烯酸盐)或者聚碳酸酯制成。

在一个有用的变化中，该测量装置包括装在该安装板上的辐射探测器，并且该光学元件包括一个设在另一块状体的侧平面上的会聚镜，该另一块状体安装在安装板上，并且这个侧平面配备有将该激光器发出的辐射中的一部分投射到该辐射探测器上的另一镜子。

在根据本发明的输入设备的一个优选的实施例中，该激光器，该测量装置和该光学装置封装于一个固化的光学透明凝胶内，该凝胶也包含了从该激光器到该块状体的整个辐射路径。这使得该设备或者模块的至少最易受损坏和敏感的组件获得一个紧凑而且廉价的包封。这也使得其中能够产生反射的转移媒介的数量受到限制。这里采用透明硅塑料材料可以获得最好的结果。

优选该安装板是电绝缘和热绝缘材料，并且该安装板的一个侧面配备了与激光器和测量装置相连的导体单元。这对于设备的紧凑性作用很大。最重要的是该设备是廉价的，因为该设备能够在同一时间内大量制造。所谓的PCB(印刷电路板)构成特别合适的安装板。

在该变化的一个特别有利的修改中，该安装板在激光器附近具有开口，至少该开口的壁覆有导热材料，该导热材料构成激光器的散热片或者在激光器和激光器的散热片之间构成热连接。如果该开口完全填充了例如铜这样的材料，则能够将该激光器安装在它上面。如果希望如此的话，有利的是，也可以将激光器安装在开口附近，以这种方式，开口中的传导材料将激光器与固定在安装板下面的散热片连接起来。这些变化可以减小该设备的高度，或者至少是位于该模块的安装板上面的部件的高度。

根据本发明所述的结合输入设备来测量物体运动的实施方法的特征在于利用了根据上述结论之一的光电输入设备。因其紧凑性，该设备特别适用于作为输入单元，用于在移动电话的操作中进行所谓的滚动菜单操作。另外，在膝上型电脑中，该设备能够有利地用作所谓的压力软垫(pressure cushion)，以便手指操作不同菜单。

用来制造光电输入设备的实施方法，其中该输入是通过所探测的物体的运动形成的，并且该设备配备一个光学模块，其包括至少一个带有激光腔的用来产生测量辐射束的激光器、用来将该辐射束引导到接近该物体的平面的光学装置、和用来将经过该物体反射并调制的该测量辐射束的辐射转换为电信号的转换装置，其中该转换装置由该激光器的所述腔和用来测量在工作期间该腔中的变化的测量装置一起构成的，该变化是透过进入该腔的测量辐射束的反射光束与该腔中的行波之间的干涉引起的，并且其代表着该物体相对于该模块的运动，该光学模块由安装板形成，该安装板上安装有激光器，激光器的腔平行于该板，该光学装置由安装在该安装板上且与该激光器对准的光学组件构成，经该激光器发出的该测量辐射束从那里到达与该物体接近的该平面，其特征在于，根据本发明，该设备配备有另一光学组件，其包括一个装在该激光器附近、直接位于该安装板上的块状体，并且从投影看过去，它和该激光器没有一点重叠，而且至少它的最上面部件是光学透明的，并且它的上侧形成与该物体接近的该平面。以这种方式获得本发明所述的输入设备。

优选地，该测量装置由装在安装板上的辐射探测器形成，该光学元件形成为会聚镜且粘附到另一块状体的一个侧平面上，该另一块状体安装在该安装板上，并且其一个侧平面配备有另一镜子，该镜子将激光器发出的部分辐射投射到该辐射探测器上。

在一个优选实施例中，该激光器，该测量装置和该光学装置覆盖有液态光学透明凝胶，其把从该激光器到该块状体之间的所有辐射路径都包封起来，并且在涂布之后固化。

优选地，选择电绝缘和热绝缘材料作为安装板的材料，其一侧面配备有导体单元，该激光器和该测量装置与该导体单元相连。这样将最重要的部件通过表面安装方式粘附到该安装板上。最为有利的是，能够借助于标准的拾取和安置机器将该设备的这些部件例如激光器，另一光学元件，光学装置和测量装置安置在安装板上。

在一个特别有利的变例中，在将该设备的对准敏感部件例如激光器，另一光学元件，光学装置或者测量装置安置在该安装板上之前，在该安装板上形成粘接区域，选择这些区域的水平尺寸，使之几乎等于相关联部件的水平尺寸，该相关联部件一侧安装在该安装板上。结果能够进一步改善相关联部件的精确对准，其中还能够借助于这些粘接区域以自对准的方式对相关联部件的位置进行微小的校正。提供了焊料的区域特别适合于此目的。在焊料融化期间，其下面提供有金属层的部件以自对准方式相对于焊接区域对准。不需要任何电连接的部件例如块状体和另一块状体也能够有利地以这种方式进行粘附和对准。为此目的，专门在这些部件的下面提供一个金属层。激光器和探测器晶体具有标准规格的这种传导层。

利用下列附图更加具体地描述本发明的这些和其它目的以及优点，其中

图1以透视简图形式示出根据本发明的光电输入设备的一个实施例，

图2以简图形式按照图1中指示的方向I I示出该设备的一部分的侧视图，

图3以简图形式从图3指示的方向III示出该设备的一部分的透视图；以及

图4示出图1所示的设备的一个重要变例透视简图。

这些图没有按规定比例绘出，为清楚起见夸大了一些尺寸例如厚度的尺寸。在不同图中相应的区域或者部件尽可能地给出相同的参考数字。

图1所示的输入设备10包括一个模块11，其具有一个安装板4，这里是PCB4。在该板上有一个导体单元9’，这里是铜区域9的形式。在它们上安装有激光器1和光电二极管3。利用接线20将激光器1和光电二极管3从顶部连接起来。会聚镜2形式的光学装置2位于激光器1和光电二极管3的一侧上，其接受从激光器1发出的测量辐射束S——这里相对于该安装板以大约30度的角度——并且将它们导向另一光学元件(见图2或者3)，该另一光学元件包括一个块状体，其位于安装板4上该激光器1的一侧上。在这个实施例中，模块11包含多个激光器，图中仅看得到其中的两个1，1’。另外，以相应的数字表示与每个激光器1，1’相关联的部件2，3。

这里整个块状体5由透明塑料材料制成，这里是PMMA。辐射束S经由最上面部件5A的第一部件5A1进入(见图2)该物体5并且在位于第一部件5A1之上的部件5A2内部多次反射后到达物体5的顶平面V，在该顶平面上有一个运动物体M(见图1)，例如一片纸，或者如图中所示操作该设备10的人的手指M。经过该运动手指M反射的辐射逆向传播并且到达激光器1的腔中，因而产生一个变化，该变化是因手指的运动引起干涉而出现的结果。在该实施例中，借助于辐射探测器3，这里是光电二极管3，激光器1发出的一部分辐射入射到它的上面，来测量激光器1的腔中出现的变化。这些是借助于位于也是由塑料材料制成的另一块状体6的一侧平面上的另一镜子7(见图3)完成的。所述腔、另一镜子7和辐射探测器3构成转换装置C，其将经物体M反射和调制的辐射转换为电信号。上面提到的专利申请US2002/0104957中示出了其它的有关探测手指运动的细节。

如图2所示，在安装板4里接近激光器1的地方有开口12，至少开口的墙壁覆有导热材料13，这里是铜，其将激光器1与散热片14连接起来，该散热片位于安装板4与激光器1相反的一侧上。

将块状体5的最上面部件5A的第一部件5A1的每个侧平面以及相对定位的镜子2——这里相对法线30度——设置为向外倾斜。以这种方式，可以消除出现任何进入物体5的辐射束S的反射。

从投影看过去，激光器1——这里也有其余部件例如光电二极管3和另一块状体6——位于块状体5外面，这具有一个显著的优点，如图4所示。

图4在透视简图中示出图1中的设备的一个重要的变例。这里可以看到一个透明塑料封皮(envelope)8，由于在物体5和另一部件3，6之间不存在重叠，因此很容易涂布该封皮。封皮8包含了处于激光器和物体5之间的光束S的所有辐射路径，保护由此覆盖的部件并且具有稳定设备10的运行的作用，还因为作为其结果，使得干扰反射得以避免或者至少部分受到限制。如果需要的话，可将另一薄封皮——图中未示出——涂布在整个封皮8上，并且其对于辐射是不透明的。这里封皮8是基于硅的塑料材料，这是一种特别适合于此目的的材料。另外，优选的是，如图4所示，物体5的上平面V具体为拱形。结果，对于一件其中结合有该设备的装置的使用物例如移动电话来说，其能够容易地发现该表面并且适当地清洁该表面。

根据本发明的该设备，例如图中所示的实施例10，其能够借助于根据本发明所述的实施方法如下制得。起始步骤(参见例如图1)是具有开口12的PCB4，用铜层13覆盖开口12的壁。在板4的上侧面上，安装导体单元9进行电活性部件例如激光器1和光电二极管3的连接。特别针对对准敏感部件例如激光器1和光电二极管3，但是也针对块状体5，6，在板4的上侧事先确定的精确的位置上施加焊接区域——图中未示出。选择这些区域的维度，使之几乎和将要安置的部件例如激光器1，光电二极管3和物体5，6的维度相等。所有的这些部件1，3，5，6在它们的下侧都具有金属层——图中也没有示出。

然后，借助于拾取和安置装置，将上述部件1，3，5，6相对精确地安置在上述焊接区域上。然后在焊接工艺期间相对于板4进行固定，由此所安置部件的微小偏离得以自动纠正。

这以一种容易、快速和廉价的方式为模块11的部件1，3，5，6提供了一个相对彼此足够精确的对准。在将所述部件安装于该表面之后，能够用导线连接体20实现其它所需的各个电活性部件之间的电连接。热压缩技术可用于此。

然后(参见图4)，以一个硅塑料材料的微滴8形式涂布封皮，其覆盖激光器1，光电二极管3和镜子2。然后，在该微滴之内建立起处于激光器和物体5之间的光束S的辐射路径。电活性部件1，3(图中未示出)的电连接延伸到封皮8的外面或者如果需要的话，使之位于板4的下面。在封皮8固化之后——例如通过加热——设备10就处于准备使用。由于模块11的这种配置，因此能够容易地在同一时间制造大量的该设备10。能够通过分离技术例如锯切将它们彼此分离。单独一个设备10的大小大约为30×30mm，而其高度不大于10mm。物体5是10mm高，并且测得例如为5mm×5mm。

本发明不限于所述实施例中的例子，因为对专业人员来说，在本发明的框架之内，有许多变化和修改都是可行的。因而能够制得具有不同的几何结构和/或不同的尺寸的这些设备。根据应用不同，根据本发明的设备也可以包括一个或者多于两个的激光器及其相关部件。代替PCB基板，可以使用另外的基板例如玻璃或者陶瓷基板。

还应指出，该设备可以包括另外的有源或者无源半导体元件或者电子组件例如二极管和/或晶体管和电阻和/或电容，无论其是否是集成电路的形式。因此显然该制品与其目的非常适应。在这里还包括有用来读出和/或控制激光器的处理器或者其他电子装置的附加装置。

激光器的腔中代表着手指运动的变化也以一个专门的电的方式建立，例如通过测量该腔的阻抗，正如美国专利申请US2002/0104957中所述的。在这里还包括有用来读出和/或控制激光器的处理器或者其他电子装置的附加装置。

Claims (8)

1.一种光电输入设备(10)，其中所述输入是通过所探测的物体(M)的运动形成的，该设备包括光学模块(11)，该光学模块包括至少一个带有腔的能够产生测量辐射束(S)的激光器(1)、用来将该辐射束(S)引导到与该物体(M)接近的平面(V)的光学装置(2)、和用来将经过该物体(M)反射并调制的测量辐射束(S)转换为电信号的转换装置，该转换装置是由该激光器(1)的所述腔和用来测量在工作期间该腔中的变化的测量装置(3)组合构成的，该变化是由进入该腔的反射辐射引起的，该反射辐射代表着该物体(M)相对于该模块(11)的运动，该激光器(1)安装在安装板(4)上且其腔平行于安装板，该光学装置(2)包括安装在该安装板(4)上且与该激光器(1)对准的光学组件，经该激光器(1)发出的该测量光束(S)从该光学组件到达与该物体(M)接近的该平面(V)，其特征在于，该设备(10)包括另一光学组件，其包括一个装在该激光器(1)附近、直接位于该安装板(4)上的块状体(5)，并且从投影看过去，该块状体和该激光器(1)没有重叠而且至少它的最上部件(5A)是光学透明的，并且它的上侧面形成接近该物体(M)的该平面(V)。

2.如权利要求1的光电输入设备(10)，其特征在于，该块状体(5)的所述透明的最上面部件(5A)包含其一侧面朝着该测量辐射束(S)向外倾斜的第一部件(5A1)、和位于第一部件(5A1)上且其外侧面与该安装板(4)垂直的第二部件(5A2)。

3.如权利要求1的光电输入设备(10)，其特征在于，该块状体(5)整个由光学透明塑料材料制成。

4.如权利要求1，2或3的光电输入设备(10)，其特征在于，该测量装置(3)包括装在安装板的辐射探测器，其和该块状体(5)不重叠，并且所述与激光器(1)对准的光学组件包括一个设在另一块状体(6)的侧平面上起会聚作用的镜子，该另一块状体(6)装在该安装板(4)上并且其与块状体(5)不重叠，该侧平面包括另一镜子(7)，其将该激光器(1)发出的辐射中的一部分投射到该辐射探测器上。

5.如上述权利要求1、2或3之一的光电输入设备(10)，其特征在于，该激光器(1)、该测量装置(3)和该光学装置(2)都覆有固化的光学透明凝胶(8)，该凝胶也包含了从激光器到该块状体(5)的整个辐射路径。

6.如权利要求5的光电输入设备(10)，其特征在于该固化的光学透明凝胶(8)包括硅塑料材料。

7.如权利要求1、2或3之一的光电输入设备(10)，其特征在于，该安装板(4)由电绝缘且热绝缘的材料制成，并且其一侧设有导体单元(9)，该激光器(1)和该测量装置(3)与该导体单元相连。

8.如权利要求7的光电输入设备(10)，其特征在于该安装板(4)在该激光器(1)附近具有开口(12)，该开口的至少一些墙壁覆有导热材料(13)，该导热材料构成激光器(1)的散热片或者与激光器(1)的散热片(14)相连。

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