DE102005056658A1

DE102005056658A1 - Kompakte optische Navigationsvorrichtung mit flachem Profil

Info

Publication number: DE102005056658A1
Application number: DE102005056658A
Authority: DE
Inventors: Tong Loveland Xie
Original assignee: Avago Technologies ECBU IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2005-03-21
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2006-09-28
Also published as: KR20060101859A; US20060208170A1; GB2424514A; US7244925B2; TWI387902B; GB2424514B; JP2012181880A; CN1838049B; JP2006268852A; CN1838049A; GB0604134D0; TW200634602A

Abstract

Eine optische Navigationsvorrichtung erfasst eine relative Bewegung nicht optisch flacher Oberflächen, z. B. von Fingern, durch ein Vergleichen der erfassten Bilder der Oberflächentextur, z. B. Furchen auf dem Finger. Innerhalb eines Gehäuses sind eine Lichtquelle und ein Sensorarray nahe beieinander positioniert. Das Sensorarray ist an einem Substrat befestigt. Ein Linsenarray ist zwischen der abzubildenden Oberfläche und dem Sensorarray derart angeordnet, dass ein 1 : 1-Bild der Oberfläche, z. B. Fingeroberfläche des Benutzers, auf dem 2-D-Sensorarray gebildet wird. Die Mikrolinsen könnten entworfen sein, um mit einzelnen Pixeln auf dem Sensorarray zusammenzupassen, oder jedes Element des Linsenarrays wird verwendet, um eine Gruppe von Pixeln auf dem Sensor abzudecken. Die Mikrolinsen könnten derart positioniert sein, dass das Bild auf dem Sensorarray gebildet wird oder in einer Ebene in einem Raum gebildet wird, derart, dass das Bild von der Oberfläche defokussiert wird.

Description

Mit immer weiter ansteigender Popularität mobiler und tragbarer elektronischer Vorrichtungen sind Bedarfe nach kleinen und billigen Zeigevorrichtungen dramatisch angestiegen. Optische Navigationstechnologien, die im Inneren optischer Mäuse eingesetzt werden, bieten bei Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Flexibilität viele Vorteile gegenüber anderen Lösungen. Existierende Maussensormodule jedoch sind zu groß, um auf tragbare elektronische Vorrichtungen, wie z. B. Mobiltelefone und Personaldigitalassistenten (PDAs), angewendet zu werden.

Optische Maussensoren erfassen eine relative Bewegung durch ein Verfolgen der Veränderungen an den erfassten Bildern aus der Reflexion von der Navigationsoberfläche. Die Navigationsbilder könnten Muster von Schatten und Spitzlicht auf der Oberfläche, die durch eine schräg beleuchtete Leuchtdiode (LED) geworfen werden, oder Beugungsmuster oder Flecken, die durch die Navigationsoberfläche mit einer kohärenten Beleuchtungsquelle gebildet werden, sein. Das Herz einer optischen Maus ist das Navigationsmodul, das aus einer Lichtquelle, einem Bildsensor und einem optischen Teil (könnte ein optisches Teil beinhalten oder auch nicht), z. B. einer Abbildungslinse, besteht. Die Lichtquelle, wie z. B. eine LED oder ein Laser, wird verwendet, um eine Beleuchtung der Navigationsoberfläche bereitzustellen, während der Abbildungsabschnitt des optischen Teils Navigationsbilder auf dem Bildsensorarray bildet. Eine Abbildungslinse wird üblicherweise verwendet, um die Navigationsbilder auf ein 2D-Sensorarray abzubilden. Die Größe eines typischen Maussensormoduls ist ziemlich groß, insbesondere die Höhe. Die große Modulgröße war bisher für die Verbreitung der optischen Navigationstechnologien in Anwen dungen, wie z. B. Tischcomputermäusen, kein Problem. Sie verhindert jedoch die breiteren Anwendungen der gleichen Technologie in tragbaren elektronischen Vorrichtungen, wie z. B. Mobiltelefonen und PDAs. Für tragbare Elektroniken ist eine Zeigevorrichtung mit einer Dicke in der Größenordnung von 2 mm erwünscht, während ein typisches Maussensormodul mehr als 10 mm Raum zwischen der Navigationsoberfläche und dem Sensor erfordert.

Existierende optische Maussensoren sind hauptsächlich aufgrund der Höhe der Vorrichtungsanordnung zu groß, um in tragbare elektronische Vorrichtungen, wie z. B. Mobiltelefone, integriert zu werden. Ein typischer optischer Maussensor erfordert eine Beabstandung von mehr als 14 mm zwischen der Navigationsoberfläche und dem Bildsensor, um die Abbildungsbedingungen, die für eine Navigation erforderlich sind, zu erfüllen. Gemäß dem gegenwärtigen Modulentwurf wird die Abbildungsfunktion üblicherweise durch ein Einzellinsenelement durchgeführt. Die minimale Beabstandung zwischen der Oberfläche und dem Sensor ist durch die Sensorpixelgröße und die Arraygröße, einen optischen Wirkungsgrad (oder f/#) und die erwünschte optische Vergrößerung eingeschränkt.

Die Höhe des herkömmlichen Maussensormoduls ist hauptsächlich durch die Höhenanforderung der Bildoptiken eingeschränkt. Üblicherweise wird eine einzelne geformte Kunststoff-Linse mit einer Einheitsvergrößerung verwendet und ein 2D-Sensor mit 20 × 20 Pixeln in einer Beabstandung von 50 μm wird verwendet. In erster Ordnung ist, um eine 1:1-Abbildung zu erzielen, die Beabstandung zwischen der Navigationsoberfläche und dem Sensor vier mal die Brennweite der Bildlinse. Mit reduzierter Beabstandung zwischen der Navigationsoberfläche und dem Sensor muss die Brennweite der Abbildungslinse reduziert werden. Es ist theoretisch möglich, zu diesem Zweck eine Linse mit sehr kurzer Brennweite zu entwerfen, wodurch eine Beabstandung nahe 2 mm zwischen dem Sensor und der Navigationsoberfläche erzielt wird, obwohl in der Praxis die Aperturgröße der Linse berücksichtigt werden muss, um einen vernünftigen Lichtsammelwirkungsgrad beizubehalten. Das Verhältnis der Brennweite der Linse und des Durchmessers der Linse ist die Lichtstärke der Linse. Es ist praktisch schwierig, eine Einzelelement-Brechungslinse aufzuweisen, die einen f/# aufweist, das so klein wie 1 ist, das einen großen Sichtbereich mit einer guten Bildqualität abdecken kann. Aus diesem Grund erfordert ein typisches optisches Maussensormodul eine Beabstandung von mehr als 10 mm zwischen dem Sensor und der Navigationsoberfläche.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung oder ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.

Eine optische Navigationsvorrichtung erfasst eine relative Bewegung nicht optisch flacher Oberflächen, wie z. B. von Fingern, durch ein Vergleichen der erfassten Bilder der Oberflächentextur, wie z. B. Furchen auf dem Finger. Innerhalb eines Gehäuses sind eine Lichtquelle und ein Sensorarray nahe beieinander positioniert. Das Sensorarray ist an einem Substrat befestigt. Ein Linsenarray ist zwischen der abzubildenden Oberfläche und dem Sensorarray derart angeordnet, dass ein 1:1-Bild der Oberfläche, z. B. Fingeroberfläche des Benutzers, auf dem zweidimensionalen (2D-) Sensorarray gebildet wird. Die Mikrolinsen könnten entworfen sein, um mit einzelnen Pixeln auf dem Sensorarray zusammenzupassen, oder jedes Element des Linsenarrays wird verwendet, um eine Gruppe von Pixeln auf dem Sensor abzudecken. Die Mikrolinsen könnten derart positioniert sein, dass das Bild auf dem Sensorarray gebildet oder in einer Ebene in einem Raum gebildet wird, derart, dass das Bild von der Oberfläche defokussiert wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
2A bis 2C Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 gezeigt ist, wird bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Linsenarray anstelle der einzelnen Abbildungslinse in einer herkömmlichen optischen Navigationsvorrichtung verwendet. Innerhalb eines Gehäuses 8 sind eine Lichtquelle 10 und ein Sensorarray 12 nahe beieinander positioniert. Das Sensorarray 12 ist an einem Substrat 13, z. B. einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB), befestigt. Ein Linsenarray 14 ist derart positioniert, dass das aus der Lichtquelle 10 emittierte Licht von einer Oberfläche 20 reflektiert wird. Das Linsenarray 14 umfasst M × N Element, wobei M > 1 und N ≥ 1. Das Linsenarray 14 sammelt das von der Oberfläche 20 reflektierte Licht und bildet ein Muster auf dem 2D-Sensorarray 12 darunter. Wenn z. B. eine LED als die Lichtquelle 10 verwendet wird, könnte das Linsenarray 14 verwendet werden, um ein Bild der Oberfläche, z. B. Fingeroberfläche des Benutzers, zu bilden. Wie in den 2A–2C gezeigt ist, könnte jedes Element des Linsenarrays 14 entworfen sein, um mit einzelnen Pixeln auf dem Sensorarray (2A) zusammenzupassen, oder jedes Element des Linsenarrays wird verwendet, um eine Gruppe von Pixeln auf dem Sensor (2B) abzudecken, oder jedes Element des Linsenarrays wird verwendet, um einen Bruchteil eines Pixelbereichs auf dem Sensor (2C) abzudecken. Das Linsenarray 14 könnte derart positioniert sein, dass das Bild der Oberfläche 20 auf dem Sensorarray gebildet wird, oder eine Ebene in einem Raum, die sich von der Oberfläche 20 unterscheidet, wird auf dem Sensorarray gebildet.
Eine optische Linse 16 könnte zwischen der Lichtquelle 10 und der Oberfläche 20 platziert sein, wo der Ausgangsstrahl im Wesentlichen kollimiert ist. Es wird darstellend auf Licht Bezug genommen. Das erfindungsgemäße Konzept könnte erweitert werden, um elektromagnetische Strahlung über einen Wellenlängenbereich zu umfassen, der sich von etwa 1 Nanometer (nm) bis zu etwa 1 Meter (m) erstreckt.
Die Gesamthöhe der Vorrichtung ist wesentlich reduziert, da die Brennweite jedes Elements des Linsenarrays 14 sehr kurz sein kann, während dennoch der gleiche f/# eines Einzellinsenelements beibehalten wird.
Die Beleuchtungsquelle 10 könnte eine kohärente Lichtquelle, wie z. B. eine Laserdiode oder ein Vertikalresonator-Oberflächenemissionslaser, sein. Alternativ könnte sie eine inkohärente oder quasi kohärente Lichtquelle, wie z. B. eine Leuchtdiode (LED), oder eine Breitbandquelle mit oder ohne optisches Filter sein. Obwohl dieses Ausführungsbeispiel die Lichtquelle 10 als innerhalb des Gehäuses 8 enthalten offenbart, könnte die Oberfläche durch eine externe Lichtquelle, wie z. B. das Umgebungslicht, beleuchtet werden. Die Oberfläche selbst könnte selbst beleuchtet sein, wie in dem Fall, in dem die Oberfläche Lumineszenzmaterial umfasst, wie z. B. Elektrolumineszenzmaterial.
Das Linsenarray 14 umfasst Elemente, die brechend, beugend oder hybrid sein könnten.
Das Sensorarray 12 könnte ein Abbildungsarray eines ladungsgekoppelten Bauelements (CCD) oder eines Komplementärmetalloxidhalbleiters (CMOS) sein. Das Sensorarray 12 ist vorzugsweise positioniert, um das durch das Linsenarray gebildete Muster zu erfassen. Das Muster könnte direkt der Oberfläche entsprechen oder eine Herleitung von Oberflächeninformationen sein, wie z. B. Flecken oder Interferenz mustern, die aus dem von der Oberfläche reflektierten Licht erzeugt werden.
Die Erfindung reduziert die Beabstandung, die zwischen der Oberfläche und dem Sensorarray erforderlich ist, unter Verwendung eines unterschiedlichen optischen Entwurfskonzepts wesentlich, wodurch die Gesamthöhe des Navigationsmoduls reduziert wird.
Wie in 1 dargestellt ist, kann die Entfernung von der Oberfläche zu dem Sensorarray durch ein Verwenden eines Mehrelementlinsenarrays drastisch reduziert werden, während die gleichen optischen Eigenschaften, wie z. B. Vergrößerung und f/#, einer Einzellinsenimplementierung unter Verwendung des gleichen Sensorarrays beibehalten werden.
Ein Lichtsammelwirkungsgrad der Abbildungslinse kann entworfen sein, um gleich oder besser zu sein als in dem Fall einer Einzelelementlinse. Das Makrolinsenarray könnte derart entworfen sein, dass jedes Element einem Pixel des Sensorarrays entspricht, oder jedes Element bildet Bilder auf eine Gruppe von Pixeln in dem Sensor ab oder jedes Pixel in dem Sensor entspricht einer Gruppe von Linsenelementen.
Ein Herstellen von Makrolinsenarrays kann in vielen Weisen erzielt werden, wie z. B. Ätzen, Aufschmelzen, Replikation oder Formen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Linsenarray auf der Waferebene mit dem Sensorarray integriert. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Linsenarray ein separates Teil, das zwischen der Oberfläche und dem Sensor platziert ist.

Claims

Vorrichtung mit folgenden Merkmalen: einem Gehäuse (8); einem M × N-Array von Elementen (14) zum Sammeln elektromagnetischer Wellen von einer Oberfläche, wobei M > 1 und N ≥ 1 gilt; und einer Bewegungserfassungsschaltung, die ein Sensorarray (12) zum Aufnehmen der elektromagnetischen Wellen aufweist, die eine relative Bewegung in den Richtungen entlang der ersten und der zweiten Achse bestimmt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die elektromagnetischen Wellen aus einer Gruppe ausgewählt sind, die sichtbares Licht, Infrarotlicht, Mikrowelle, Schallwellen umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, die ferner eine Lichtquelle (10) aufweist, die innerhalb des Gehäuses positioniert ist, die wirksam ist, um die elektromagnetische Welle in Richtung der Oberfläche zu emittieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der jedes Element des M × N-Arrays (14) zumindest einem Bruchteil eines Sensors in dem Sensorarray entspricht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der jedes Element des M × N-Arrays (14) einem einzelnen Sensor in dem Sensorarray entspricht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der jedes Element des M × N-Arrays (14) einer Gruppe von Sensoren in dem Sensorarray entspricht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die Lichtquelle (10) sichtbares oder Infrarotlicht emittiert.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der jedes Element des M × N-Arrays (14) eine Linse ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die Linse ein Brechungs-, Beugungs- oder Hybridelement ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, bei der die Lichtquelle (10) eine kohärente, eine quasi kohärente oder eine nicht kohärente Lichtquelle ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die Lichtquelle (10) eine kohärente Lichtquelle ist, wobei die kohärente Lichtquelle aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Laserdioden und Vertikalresonatoroberflächenemissionslasern besteht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 10, bei der die Lichtquelle (10) eine nicht kohärente oder quasi kohärente Lichtquelle ist, wobei die Lichtquelle aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Leuchtdioden (LEDs) und Breitbandlichtquellen besteht.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 12, bei der das Sensorarray (12) ein CCD- oder ein CMOS-Abbilder ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 13, die ferner das M × N-Array (14) umfasst, das positioniert ist, um ein Muster auf der Oberfläche auf dem Sensorarray zu bilden.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 14, die ferner das M × N-Array (14) umfasst, das positioniert ist, um ein Bild einer Ebene in einem Raum, die sich von der Oberfläche unterscheidet, auf dem Sensorarray zu bilden.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 15, bei der die Muster aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Fleck, Beugung und Oberflächenbild umfasst.
Verfahren mit folgenden Schritten: Anlegen einer elektromagnetischen Quelle (10) in Richtung einer Oberfläche; Bilden eines Musters, das einer Reflexion der Oberfläche entspricht, durch Anlegen eines M × N-Arrays (14) von Sammelelementen, wobei M > 1 und N ≥ 1 gilt; Erfassen einer Serie von Mustern unter Verwendung eines Sensorarrays (12); und Analysieren der Muster zur Bestimmung einer relativen Bewegung.
Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem: die elektromagnetische Quelle (10) Licht in dem optischen Wellenlängenbereich emittiert; und wobei das Muster aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Fleck, Beugung und Oberflächenbilder umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem die Lichtquelle (10) eine kohärente Lichtquelle ist, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Laserdioden und Vertikalresonatoroberflächenemissionslasern besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem die Lichtquelle (10) eine nicht kohärente oder eine quasi kohärente Lichtquelle ist, wobei die Lichtquelle aus einer Grup pe ausgewählt wird, die aus Leuchtdioden (LEDs) und einer Breitbandlichtquelle besteht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem: das Sensorarray (12) ein CCD- oder ein CMOS-Bildarray ist; und das M × N-Array (14) ein Array von Linsen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem das M × N-Array (14) positioniert ist, um ein Muster der Oberflächen auf dem Sensorarray zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem das M × N-Array (14) positioniert ist, um ein Bild einer Ebene in einem Raum, die sich von der Oberfläche unterscheidet, auf dem Sensorarray zu bilden.