DE102006030260B4

DE102006030260B4 - Optische Verlagerungsdetektion über verschiedenen Flächen

Info

Publication number: DE102006030260B4
Application number: DE102006030260.5A
Authority: DE
Inventors: Olivier Theytaz; Nicolas Sasselli; Boris Karamata; Nicolas Chauvin
Original assignee: Logitech Europe SA
Current assignee: Logitech Europe SA
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2026-07-01
Also published as: US7872639B2; CN1924774A; CN1924774B; US20070013661A1; US7898524B2; DE102006030260A1; US20070008286A1

Abstract

Optisches Dunkelfeld-Verlagerungsdetektionssystem (700, 1400) einer optischen Eingabevorrichtung, das zu einem Tracking auf einer Fläche (305) einer Glasschicht (315), in der Lage ist, wobei die Fläche (305) bestimmte Merkmale (705, 1405) auf sich hat, wobei das System (700) Folgendes umfaßt: eine Lichtquelle zum Beleuchten der Fläche, eine Linse (750, 1450), die so angeordnet ist, daß sie zumindest etwas Licht empfängt, welches von den bestimmten Merkmalen (705, 1405) auf der Fläche (305) gebeugt ist, aber nicht das Licht nullter Ordnung, welches von der Fläche (305) reflektiert wird, und einen optisch mit der Linse gekoppelten Detektor (740, 1440), der zumindest etwas gebeugtes Licht empfängt.

Description

Querverweise zu verwandten Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung ist mit der ebenfalls anhängigen US-provisional application Nr. 60/795,031 verwandt, die den Titel ”An Input Device for Tracking an Varied Surfaces”, trägt, und am 26. April 2006 angemeldet wurde. Diese Anmeldung wird hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Schrift aufgenommen.
Die vorliegende Anmeldung ist mit der ebenfalls anhängigen US-provisional application Nr. 60/749,996 verwandt, die den Titel ”Tracking an Varied Surfaces and Lift-Detection for an Input Device” trägt und die am 12. Dezember 2005 eingereicht wurde. Diese Anmeldung wird hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in die vorliegende Schrift aufgenommen.
Die vorliegende Anmeldung ist mit der ebenfalls anhängigen US-provisional application Nr. 60/702,459 verwandt, die den Titel ”Optical Displacement Detection an Transparent or Translucent Surfaces” trägt und die am 25. Juli 2005 eingereicht wurde. Diese Anmeldung wird hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in die vorliegende Schrift aufgenommen.
Die vorliegende Anmeldung ist mit der ebenfalls anhängigen US-provisional application Nr. 60/696,023 verwandt, die den Titel ”Optical Displacement Detection over Surfaces of Various Depth” trägt und die am 30. Juli 2005 eingereicht wurde. Diese Anmeldung wird hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Schrift aufgenommen.
Hintergrund der Erfindung
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen optische Technologie und insbesondere optische Eingabevorrichtungen.
Optische Technologie wird in vielen Zusammenhängen verwendet, darunter optische Eingabevorrichtungen, wie beispielsweise eine Maus. In den meisten dieser Vorrichtungen hat das optische System üblicherweise einen Sensor zum Feststellen der Verlagerung der optischen Vorrichtung relativ zu einer Fläche. Beispielsweise hat im Falle einer optischen Maus die Maus mindestens einen optischen Sensor, um die Bewegung der Maus auf einer Fläche, wie beispielsweise einer Tischplatte oder einem Mauspad, festzustellen. Die Bewegung der Maus auf der Fläche wird in die Bewegung eines Mauszeigers oder Cursors auf einer Anzeige übersetzt, die mit einem Host assoziiert ist.
Die Bewegung oder Verlagerung einer optischen Maus wird festgestellt, indem zwei unterschiedliche Bilder, die zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten und möglicherweise an zwei unterschiedlichen Orten auf der Fläche erfaßt wurden, verglichen werden. Die Fähigkeit einer optischen Maus zur Verfolgung, dem sogenannten ”Tracking”, hängt stark von der Qualität der Bilder ab. Wenn die Bilder eine gute Qualität haben, kann die optische Maus leichter verfolgen.
Sensoren, die in herkömmlichen optischen Mäusen verwendet werden, können auch Flächen verfolgen, die in der Lage sind, Licht zu zerstreuen bzw. diffundieren, wie beispielsweise Papier, Holz, Farbe, Metall und dergleichen. Dies liegt daran, daß die herkömmliche Bilderzeugung auf der Verwendung der optisch rauhen Natur von regulären Flächen (z. B. Holz, Stoff etc.) basiert. Somit treten Probleme mit der Abbildung auf, wenn die Oberfläche aus optischen glatten Materialien besteht, die nicht eine ausreichende Menge an Licht zerstreuen, wie beispielsweise eine Fläche aus Glas oder einem anderen transparenten Material. Ein Beispiel hierfür ist ein Glastisch. Darüber hinaus treten auch Probleme auf, wenn eine Schicht aus Glas oder einem anderen transparenten Material auf einer zerstreuenden Fläche angeordnet ist. Ein Beispiel hierfür ist eine Glasscheibe, die auf einer hölzernen Tischplatte angeordnet ist. Wir wollen eine jede dieser Situationen separat betrachten.
Wenn eine Fläche, die aus einem transparenten Material, wie beispielsweise Glas, besteht, als Verfolgungsfläche benutzt wird, wird nicht genügend Licht von der Fläche zerstreut, um die herkömmliche Verfolgung zu ermöglichen.
Wenn eine Schicht aus Glas oder einem anderen transparenten Material über einer zerstreuenden Fläche angeordnet ist, verursacht solch eine Konfiguration eine Änderung in dem Abstand (als ”Z-Abstand” bezeichnet) zwischen dem optischen Sensor und der Abbildungsfläche, d. h. der zerstreuenden Fläche unter der transparenten Schicht. Hier können herkömmliche Verfahren der Beleuchtung und Abbildung zu einer ungeeigneten Fokussierung, einer inadäquaten Beleuchtung und/oder einer Verschiebung oder einem schlechten Überlapp zwischen dem beleuchteten Fleck und dem abgebildeten Bereich fuhren. Diese Probleme können verhindern, daß der Sensor die Verlagerung (Mausbewegung) akkurat verfolgt.
Versuche, einige dieser Themen in herkömmlichen Systemen anzugehen, führen zu anderen Defiziten. Beispielsweise tritt ein Problem mit der akkuraten Detektion von Anhebevorgängen auf. Wenn beispielsweise ein Benutzer die Maus anhebt, z. B. in der Absicht, sie auf der Verfolgungsfläche zu repositionieren, ohne den Cursor auf dem Bildschirm zu bewegen, folgt der Cursor auf dem Bildschirm den Bewegungen der Maus, während diese angehoben ist, wenn er dies tatsächlich nicht tun sollte.
Darüber hinaus sind die oben beschriebenen Probleme nicht auf optische Eingabevorrichtungen beschränkt. Ähnliche Probleme existieren für andere Vorrichtungen, die optische Technik verwenden, um Bilder zu erfassen und Ort und Bewegung festzustellen. Ein Beispiel einer anderen Vorrichtung, die solche Defizite erfährt, ist ein tragbarer Scanner.
Dementsprechend ist es erstrebenswert, eine optische Vorrichtung anzugeben, die eine Verlagerung relativ zu einer Fläche akkurat verfolgen kann, selbst wenn eine Schicht aus einem transparenten Material zwischen der optischen Vorrichtung und der Verfolgungsfläche angeordnet ist, oder wenn der Benutzer wünscht, die Verfolgung nur auf einem transparenten Material durchzuführen, und ebenso ist es erstrebenswert, eine akkurate Anhebedetektion bereitzustellen.
WO 02/35181 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Überprüfung und Kontrolle eines Isolierglas-Elements oder eines Laminatglases, das aus zwei oder mehr Glasscheiben besteht. Die Vorrichtung umfaßt eine erste Lichtquelle, deren optische Achse in Reflexionsstellung mit der Glasplatte bringbar ist, und eine optische Einheit zur Bestimmung des gegenseitigen Abstandes der reflektierten parallelen Lichtstrahlen. Die optische Einheit ist durch einen orts-auflösenden opto-elektronischen Detektor gebildet, welcher mit einer Auswerte-Vorrichtung verbunden ist, die aus den Abständen und Intensitäten der reflektierten Lichtstrahlen die Dicke der einzelnen Glasscheiben bzw. Schichten des Isolierglas-Elements oder Laminatglases ermittelt. Die Vorrichtung ist jedoch nicht zum Detektieren der Verlagerung eines Geräts auf der Glasoberfläche bestimmt oder geeignet. Die WO 99/46603 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Relativbewegung einer Meßvorrichtung bezüglich einer Oberfläche. Die Vorrichtung umfaßt eine Lichtquelle, beispielsweise eine Laserdiode, die auf einem lichtdurchlässigen optischen Chip angeordnet ist. Die Lichtquelle ist fest mit dem optischen Chip verbunden und wird daher gemeinsam mit dem optischen Chip relativ zur Fläche bewegt. Licht von der Lichtquelle wird an einem Gitter gestreut, welches an der Unterseite des optischen Chips ausgebildet ist, und das gestreute Licht wird von einem weiteren Detektor detektiert. Ferner wird Licht von der Oberfläche, bezüglich der die Vorrichtung bewegt wird, reflektiert. Das vom Gitter reflektierte und von der Oberfläche reflektierte Licht wird überlagert, wobei Interferenzen entstehen, die charakteristisch sind für die relative Lage der Vorrichtung und der Fläche, auf der sie bewegt wird. Aus diesen Interferenzsignalen kann dann die Bewegung auf der Fläche rekonstruiert werden.
US 2005/0024623 A1 zeigt ein Verlagerungsdetektionssystem zur Verwendung auf optisch glatten Flächen, bei denen eine herkömmliche Verlagerungsdetektion unter Verwendung von Schattenbildern oder Pünktchenbildern schwierig ist. Diese Schrift schlägt vor, für die Verlagerungsdetektion das von der Oberfläche reflektierte, nicht jedoch das gestreute Licht zu verwenden. Aus diesem Grund ist der Detektor unter einem Ausfallswinkel angeordnet, der dem Einfallswinkel des Beleuchtungslichtes entspricht. Ferner wird für die Beleuchtung der Oberfläche ein Lichtstrahl mit einer geringen Wellenlängen-Bandbreite verwendet.
Die DE 697 25 021 T2 zeigt ein Verfahren zur Abbildung von Objekten und Mustern, welches in der Qualitätskontrolle von Halbleiter-Chipverpackungen verwendet wird, beispielsweise um festzustellen, ob jeder der aus der Verpackung herausragenden Drähte die richtigen Maße hat oder um die Koplanarität von Lötperlen auf ball-grid-Arrays zu untersuchen. Für die Untersuchung können sowohl Hellfeld- als auch Dunkelfeldbilder verwendet werden.
Die US 5 801 681 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Steuerungssignals, welches der Bewegung eines Fingers auf der ersten Fläche einer transparenten Platte entspricht. Die Platte ist durch einen kritischen Winkel charakterisiert, oberhalb dessen auf die erste Fläche einfallendes Licht nicht transmittiert wird. Eine Lichtquelle emittiert Licht durch die Platte hindurch und beleuchtet dadurch das Objekt. Ein Detektor mit einer Mehrzahl von Sektoren empfängt einen Teil des Lichtes, das von dem Objekt diffusiv gestreut und durch die Platte jenseits des kritischen Winkels transmittiert wird. Die Sektoren des Detektors sammeln in Antwort auf das einfallende Licht Ladung an. Ein Umwandlungsschaltkreis wandelt dann die angesammelte Ladung in ein Kontrollsignal um, welches zur Bewegung eines Pointers auf einer Anzeige bestimmt ist.
Die DE 20120335U1 offenbart eine optische Positioniervorrichtung, die ein Gehäuse umfasst, in dem ein Hohlraum angeordnet ist. Der Hohlraum verfügt über eine Öffnung in der Oberfläche des Gehäuses. In dem Hohlraum ist ein optisches Sensorsystem angeordnet, wobei das optische Sensorsystem über eine davor angeordnete Linse zum Leiten von optischen Signalen von und zu dem optischen Sensorsystem verfügt. Die Vorrichtung umfasst ferner eine lichtdurchlässige Platte, die entfernbar und wahlweise an dem Gerät angebracht ist, die Öffnung bedeckt und dazu geeignet ist, dass ein Objekt darauf bewegt werden kann. Das optische Sensorsystem ist dazu geeignet ein optisches Signal aufzunehmen, welches die Bewegung eines Objekts auf der Platte repräsentiert und ein zu dem optischen Signal korrespondierendes elektrisches Signal zu erzeugen.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein System und ein Verfahren, die es einer optischen Vorrichtung gestatten, eine Verfolgung auf einer zerstreuenden Fläche vorzunehmen, über der eine transparente und/oder durchscheinende und/oder optisch glatte Fläche angeordnet ist. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein System und ein Verfahren, die es einer optischen Vorrichtung gestatten, eine Verfolgung auf einer transparenten und/oder durchscheinenden und/oder optisch glatten Fläche allein vorzunehmen. Manche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf die Detektion gerichtet, daß eine optische Vorrichtung von einer Fläche angehoben wird, auf der sie zuvor ruhte. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen außerdem ein Erfassungssystem, welches den Z-Abstand (Abstand zu der Verfolgungsfläche) detektiert und die Bildqualität verbessert, indem die Effektivität des optischen Sensor-Untersystems und/oder des Beleuchtungs-Untersystems an dem detektierten z-Abstand verbessert wird.
Gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Techniken oder Verfahren zum Detektieren des z-Abstandes angegeben, wenn die Verfolgungsfläche unter einer transparenten Fläche liegt. In einer Ausführungsform wird der z-Abstand unter Verwendung einer Triangulation mit kollimierten Strahlen detektiert. Eine Quelle für kollimiertes Licht richtet einen Lichtstrahl auf eine Verfolgungsfläche unter einer Schicht aus transparentem Material. Licht wird zumindest von der Verfolgungsfläche zu einem Sensor reflektiert. Basierend darauf, wo der Lichtstrahl den Sensor schneidet bzw. auf diesen auftritt, kann der z-Abstand bestimmt werden. In einer alternativen Ausführungsform wird eine etwas divergierende Lichtquelle verwendet, so daß der beleuchtete Fleck in seiner Größe zunimmt, wenn der z-Abstand zunimmt. Somit kann die Größe des beleuchteten Flecks verwendet werden, um den z-Abstand zu bestimmen. In einer anderen Ausführungsform wird Lichtwelleninterferenz verwendet, um den Abstand zur Verfolgungsfläche zu bestimmen. In noch einer anderen Ausführungsform wird der z-Abstand unter Verwendung eines Sensors bestimmt, der eine Zeile von ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) umfaßt. Die Position, an der das von der Verfolgungsfläche reflektierte Licht die CCD-Zeile schneidet, wird verwendet, um den z-Abstand zu bestimmen.
Gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Verfahren zur Verbesserung der Bildqualität durch Verbesserung der Effektivität des optischen Sensor-Untersystems bei verschiedenen z-Abständen angegeben. In einer Ausführungsform wird eine kleine Apertur in dem Sensor-Untersystem verwendet, um die Tiefe des Lichtfeldes zu erhöhen, wodurch die Bildqualität über einen Bereich von z-Abständen verbessert wird. Alternativ werden Aperturen mit verschiedenen geringen Größen oder eine Apertur mit variabler Größe verwendet, um die Bildqualität zu verbessern. In einer Ausführungsform wird ein telezentrisches Abbildungssystem verwendet, um die Bildqualität zu verbessern. Gemäß einer anderen Ausführungsform werden mehrere Sensoren verwendet, wobei ein jeder Sensor für einen zugehörigen Bereich von z-Abständen optimiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein Abbildungssystem mit Autofokusfähigkeiten verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform wird eine Linse mit variabler Form verwendet, um die Bildqualität zu verbessern.
Gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Verfahren zum Verbessern der Bildqualität durch Verbessern der Effektivität des Beleuchtungs-Untersystems bei verschiedenen z-Abständen angegeben. In einer Ausführungsform kann die Strommenge, die zur Leistungsversorgung einer Beleuchtungs-Lichtquelle verwendet wird, basierend auf dem z-Abstand eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Lichtquellen verwendet werden, wobei eine jede Lichtquelle für die Beleuchtung einer Verfolgungsfläche unter einem zugehörigen Bereich von z-Abständen optimiert ist.
Eine optische Vorrichtung gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detektiert es, wenn sie von der Fläche angehoben wird, auf der sie ruht. In einer Ausführungsform kann für diesen Zweck eine Triangulation mit kollimierten Strahlen verwendet werden. In einer Ausführungsform erzeugt ein kollimierter Laserstrahl einen hellen Fleck in der Mitte des Sichtfeldes des Abbildungssystems. Wenn die optische Vorrichtung von der Fläche angehoben wird, bewegt sich der Fleck lateral auf der Fläche, und somit bewegt sich das Bild des Flecks in der Bildebene. Das Anheben der optischen Vorrichtung wird detektiert, wenn die laterale Verschiebung größer ist als ein spezifischer Abstand auf dem Sensorarray. In einer anderen Ausführungsform wird ein einziger Detektor geringer Größe mit einem Durchmesser D verwendet. In einer Ausführungsform führt ein Anheben dazu, daß kein Licht zu dem Detektor gelangt, und der Abfall in der Leistung zeigt das Anheben an (EIN/AUS-System). In noch einer anderen Ausführungsform wird eine geringe Apertur anstelle von oder zusätzlich zu der Linse vor dem Detektor für ein ähnliches Resultat benutzt.
Gemäß mancher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Verfahren zum Verfolgen auf einem transparenten oder durchscheinenden Material angegeben. In einer Ausführungsform wird eine Dunkelfeld-Abbildung verwendet, um Schmutzreste auf einem transparenten oder durchscheinenden Material zu verfolgen. Licht, welches von den Schmutzresten unter einer Beugungsordnung, die die nullte Ordnung übersteigt, gebeugt und gestreut wird, wird von einem Detektor gesammelt. In einer anderen Ausführungsform wird ein interferometrisches Detektionssystem für die optische Verfolgung auf einer transparenten oder durchscheinenden Fläche verwendet. Ein Referenz-Lichtstrahl wird auf einem Detektor mit einem Doppler-Verschobenen, durch Rayleigh-Streuung von dem transparenten oder durchscheinenden Material zurückgestreuten Licht überlagert. Eine digitale Signalverarbeitung wird verwendet, um aus dem sich ergebenden Signal die Bewegung zu detektieren.
Manche der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geben ein Verfahren und ein System zum Erzeugen von Merkmalen auf einer optisch glatten Fläche (z. B. transparenten oder durchscheinenden Fläche, wie beispielsweise Glas) zum Zwecke der Verfolgung an. Solche Merkmale können in Verbindung mit Dunkelfeld-Abbildungsverfahren oder herkömmlichen Abbildungsverfahren verwendet werden. Diese Ausführungsformen umfassen die Verwendung von Wassertröpfchen-Abgabesystemen, das Wischen der Fläche mit irgendwelchen Rückständen, das Verteilen/Steigern von Schmutzrückständen auf der Fläche und das Verfolgen von thermischen Punkten.
In manchen Ausführungsformen werden Wassertröpfchen (oder irgendein anderes geeignetes Fluid) auf der Glasfläche entweder durch Sputtern (tintenstrahlartiges System) oder Verdampfen (z. B. Erwärmung eines porösen Materials, das mit Wasser gefüllt ist), gefolgt von natürlicher Kondensation, abgelagert. Die Konzentration und die Größe der Tröpfchen könnten zu einem gewissen Grad gesteuert werden und die Komplexität des Detektionssystems (Optik und Detektor) stark verringern.
In anderen Ausführungsformen wird ein spezielles Staubtuch auf der Fläche vor der Benutzung der Maus verwendet. Das Staubtuch gestattet das Verteilen eines Lösungsmittelrückstandes, von Silikon-Mikroteilchen oder irgendeinem unsichtbaren Markierungsmittel.
In anderen Ausführungsformen enthält der Mauskörper bestimmte Strukturen (z. B. einen Polymerring), die die Glasfläche berühren, um Schmutzreste, die bereits auf der Glasfläche vorliegen, zu verteilen. Dies verringert das Risiko, saubere Bereiche zu haben, auf denen das Dunkelfeld-System nicht zur Verfolgung fähig wäre. Darüber hinaus kann die Maus ein Element zum Bereitstellen zusätzlichen Schmutzes auf einem optischen Level (sichtbar für den Sensor aufgrund des Dunkelfeldes) enthalten.
In manchen Ausführungsformen, die die Verfolgung eines thermischen Punktes verwenden, wird ein fokussierter Laserstrahl während einer kurzen Zeit aktiviert, um die Glasfläche lokal zu erhitzen, um einen heißen Punkt zu erzeugen. Dieser wird auf ein IR-Detektorarray abgebildet und dient als Referenz für die Verfolgung. Ein neuer heißer Punkt wird entweder erzeugt, wenn der heiße Punkt außerhalb des Sichtfeldes liegt, welches durch die Arraygröße definiert wird, oder wenn die Temperatur des heißen Punktes unter einen Detektions-Schwellenwert (relativ zu der Umgebungstemperatur) fällt.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind zwei Untersysteme in einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten. Eines dieser Untersysteme wird verwendet, wenn die Vorrichtung auf einer optisch glatten Fläche plaziert ist, während das andere dieser Untersysteme verwendet wird, wenn die Vorrichtung auf einer optisch rauhen Fläche plaziert ist.
Die vorliegende Erfindung kann in vielen unterschiedlichen Gebieten angewendet werden, und sie ist nicht auf eine Anwendung oder ein Gebiet beschränkt. Viele Techniken und Verfahren der vorliegenden Erfindung können auf eine optische Vorrichtung in irgendeinem Gebiet angewendet werden. Die Merkmale und Vorteile, die in dieser Zusammenfassung und in der folgenden detaillierten Beschreibung beschrieben werden, sind nicht allumfassend, insbesondere sind dem Durchschnittsfachmann in Anbetracht der Zeichnungen, der Beschreibung und der Ansprüche der vorliegenden Schrift viele zusätzliche Merkmale und Vorteile ersichtlich. Darüber hinaus sollte man beachten, daß die in der Beschreibung verwendete Sprache in erster Linie zum Zwecke der Lesbarkeit und der Erläuterung ausgewählt wurde, und nicht in allen Fällen gewählt wurde, um den erfinderischen Gegenstand zu schildern oder zu umschreiben, wobei auf die Ansprüche zurückzugreifen ist, die notwendig sind, um den erfinderischen Gegenstand zu bestimmen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung hat weitere Vorteile und Merkmale, die aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und anhängenden Ansprüche leicht ersichtlich werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gesehen werden, bei denen:
1 eine Darstellung eines herkömmlichen Computersystems mit einer optischen Eingabevorrichtung ist.
2 ist eine Darstellung eines herkömmlichen optischen Verlagerungsdetektionssystems einer optischen Eingabevorrichtung.
3A ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Verlagerungsdetektionssystems einer optischen Eingabevorrichtung, die von einer Verfolgungsfläche durch eine Schicht eines transparenten Materials getrennt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
3B ist eine Darstellung einer Linse mit einer Apertur.
4A ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Verlagerungsdetektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer kollimierten Lichtquelle, die Licht zu einer Verfolgungsfläche unter einer Schicht aus transparentem Material richtet.
4B ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Verlagerungsdetektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer kollimierten Lichtquelle, die Licht zu einer Verfolgungsfläche unter einer dickeren Schicht eines transparenten Materials als der in 4A gezeigten Schicht richtet.
5 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Verlagerungsdetektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, das zwei separate Lichtquellen umfaßt, wobei eine jede Lichtquelle so konfiguriert ist, daß sie eine Verfolgungsfläche unter einem unterschiedlichen Dickenbereich eines transparenten Materials beleuchtet.
6 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Verlagerungsdetektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, welches zwei separate Sensoren aufweist, wobei ein jeder Sensor zum Abbilden einer Verfolgungsfläche unter einem anderen Bereich von Dicken des transparenten Materials konfiguriert ist.
7A ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Verlagerungsdetektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, welches ein Dunkelfeld-Abbildungssystem verwendet.
7B zeigt, wie ein Beleuchtungsstrahl auf eine Fläche gerichtet werden kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7C zeigt, wie ein Beleuchtungsstrahl auf eine Fläche gerichtet werden kann, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8A zeigt eine Ausführungsform eines Dunkelfeld-Abbildungssystems zur Verwendung in einer optischen Eingabevorrichtung, gemäß der vorliegenden Erfindung.
8B zeigt eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, mit einem Untersystem zur Verfolgung auf einer transparenten Fläche, und einem anderen Untersystem zur Verfolgung auf einer regulären Fläche.
8C zeigt eine Anordnung von Lichtquellen eines Dunkelfeld-Abbildungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8D zeigt ein radiales Beleuchtungssystem eines Dunkelfeld-Beleuchtungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9A zeigt ein interferometrisches Detektionssystem für die optische Verfolgung auf einer transparenten oder durchscheinenden Fläche, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9B zeigt ein interferometrisches Detektionssystem für die optische Verfolgung auf einer transparenten oder durchscheinenden Fläche, das ein Diffraktionsgitter umfaßt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine Ausführungsform eines interferometrischen Detektionssystems, das von der Fläche eines transparenten oder durchscheinenden Materials reflektiertes Licht als Referenzstrahl verwendet, gemäß der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt eine Ausführungsform eines interferometrischen Detektionssystems mit zwei Lichtquellen und zwei Detektoren zum Detektieren einer Verlagerung entlang einer Achse.
12A ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines interferometrischen Detektionssystems mit einer Lichtquelle, gemäß der vorliegenden Erfindung.
12B ist eine Darstellung eines Querschnitts der Ausführungsform eines interferometrischen Detektionssystems, welches in 12A gezeigt ist, in einer optischen Eingabevorrichtung.
13 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines interferometrischen Detektionssystems mit einem transparenten Gitter, gemäß der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt eine Ausführungsform einer Maus mit einem Verfolgungssystem, das auf einer Tröpfchenablagerung kombiniert mit einer Dunkelfeld-Abbildung basiert.
15 zeigt eine Ausführungsform einer Maus mit einem Verfolgungssystem, das auf Tröpfchenablagerung basiert, bei dem ein Kapillarsystem für die Wassersammlung verwendet wird.
16 zeigt ein Beispiel einer Konfiguration für das Verfolgen thermischer Punkte.
17 zeigt einige Parameter und Werte, die bei der Erzeugung und dem Fühlen von heißen Punkten involviert sind.
18 zeigt die Parameter und Werte, die bei der Erzeugung und dem Fühlen von heißen Punkten in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung involviert sind.
19 zeigt eine Anhebedetektion, die eine Triangulation mit kollimierten Strahlen verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Figuren (oder Zeichnungen) zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lediglich zum Zwecke der Illustration. Man beachte, daß ähnliche oder gleiche Bezugszeichen in den Figuren eine ähnliche oder gleiche Funktionalität anzeigen können. Der Fachmann wird anhand der folgenden Diskussion erkennen, daß alternative Ausführungsformen der hier offenbarten Strukturen und Verfahren verwendet werden können, ohne von den Prinzipien der hier beschriebenen Erfindung abzuweichen. Man beachte, daß, obwohl die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit einer optischen Maus präsentiert wird, es auch andere optische Vorrichtungen gibt, die die vorliegende Erfindung verwenden können, wie beispielsweise ein optischer Scanner, ein optisches digitales Schreibsystem (z. B. Logitech IO pen von Logitech, Inc. aus Freemont, CA) oder ein optischer Drucker-Vorschubmechanismus. Man beachte ferner, daß in der folgenden Beschreibung des Wort ”transparent” manchmal als Kurzbezeichnung für ”transparent und/oder durchscheinend” verwendet wird.
1 zeigt ein Beispieldiagramm eines herkömmlichen Computersystems 100, welches Eingabevorrichtungen, nämlich eine Tastatur 41 und ein optisches Zeigegerät 110 umfaßt, die auf einer Arbeitsfläche 105 ruhen. Ein Beispiel für ein Zeigegerät 110, welches eine optische Technologie für eine Verlagerungsdetektion verwendet, ist eine optische Maus. Beispiele von Zeigegeräten, die eine optische Detektionstechnologie verwenden sowie deren Betrieb sind in dem US-Patent Nr. 5,288,993 von Bidiville et al. (erteilt am 22. Februar 1994) mit dem Titel ”Cursor Pointing Device Utilizing a Photodetector Array with Target Ball having Randomly Distributed Speckles” und im US-Patent Nr. 5,703,356 von Bidiville et al. (erteilt am 30. Dezember 1997) mit dem Titel ”Pointing Device using a Photodetector Array” beschrieben, deren relevante Abschnitte in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen werden.
2 zeigt ein herkömmliches optisches Verlagerungsdetektionssystem 200. Das herkömmliche optische Verlagerungsdetektionssystem 200, oder allgemein optische System, umfaßt ein herkömmliches Beleuchtungs-Untersystem 210 und einen herkömmlichen optischen Sensor bzw. ein Detektions-Untersystem 220. Das herkömmliche Beleuchtungs-Untersystem 210 umfaßt eine herkömmliche Beleuchtungslinse 230 und eine herkömmliche Quelle für elektromagnetische Energie bzw. Lichtquelle 250. Typischerweise ist die Lichtquelle 250 eine Art von lichtemittierender Diode (LED), beispielsweise eine herkömmliche rote LED, eine Laserdiode oder dergleichen. Im Allgemeinen ist die Lichtquelle 250 an einer Platine (nicht gezeigt) befestigt und bezüglich der Beleuchtungslinse 230 so positioniert, daß sie das Licht auf einen Beleuchtungsfleck 201 auf einer Arbeitsfläche bzw. Verfolgungsfläche 105 (”Tracking Surface”) richtet (z. B. auf eine Tischoberfläche, ein Pad, eine Kugel oder dergleichen).
Ein herkömmliches Sensor-Untersystem 220 umfaßt eine Abbildungslinse 240 und einen Sensor 260. Der Sensor 260 umfaßt typischerweise ein Bilderfassungsmodul 261, beispielsweise einen oder mehrere Fotosensor-Arrays. Manche Sensoren 260 umfassen außerdem eine Steuerschaltung 262, die mit dem Bilderfassungsmodul 261 assoziiert ist, beispielsweise in Form von Digitalschaltungen auf demselben Chip oder in demselben Package. Im Allgemeinen führt die Steuerschaltung 262 digitale Signalverarbeitung (”DSP” = Digital Signal Processing”) aus, um aus den erfaßten Bildern Bewegungsdaten abzuleiten. Die Sensoranordnung 220 ist ebenfalls typischerweise an der Platine montiert und so positioniert, daß die Abbildungslinse 240 elektromagnetische Energie (z. B. das Licht) optimal einfängt, welches von der Oberfläche 105 gestreut wird.
Die Fläche bzw. der Bereich 202 der Oberfläche 105, die bzw. der die elektromagnetische Energie streut, wird während des normalen Betriebs zu jeder Zeit von dem Sensor gescannt oder ”abgebildet”, und sie wird als abgebildete Fläche 202 bezeichnet. Man beachte, daß, obwohl die Oberfläche 105 typischerweise eine ebene Fläche ist, wie beispielsweise ein Mauspad, eine Tischplatte oder dergleichen, dies nicht notwendigerweise so sein muß. Die Fläche 105 kann eine beliebige Fläche sein, beispielsweise der Arm oder die Hand einer Person, eine Kugelfläche (wie beispielsweise in einem Trackball-Zeigegerät), die Lehne eines Stuhls oder eines Sofas oder eine beliebige andere Fläche, die in der Nähe des optischen Verlagerungsdetektionssystems 200 angeordnet werden kann. Der Sensor analysiert die Bilder, die von der Oberfläche 105 abgescannt oder aufgenommen wurden, um Verlagerungsinformation bereitzustellen. Vorzugsweise überlappt die abgebildete Fläche, oder allgemeiner, der abgebildete Bereich 202 wesentlich mit dem Beleuchtungsfleck 201, so dass das Licht effizient genutzt wird, um nur den Bereich der Arbeitsfläche 105 zu beleuchten, der durch den Sensor 260 abgebildet oder gescannt wird. Jedoch ist aufgrund einer Fehlausrichtung und anderen mechanischen Toleranzen in optischen Systemkomponenten der Beleuchtungsfleck 201 im Allgemeinen größer als der abgebildete Bereich 202, um zu garantieren, daß genug elektromagnetische Energie in Richtung auf den Sensor 260 gestreut wird.
Das Leistungsverhalten eines optischen Verlagerungsdetektionssystems 200 hängt von mehreren Faktoren ab. Beispielsweise sind eine gute Flächenbeleuchtung und eine gute Bildqualität wichtige Faktoren für das effiziente Verhalten einer optischen Eingabevorrichtung. Darüber hinaus ist die Ausrichtung all derer Komponenten, die zum optischen Weg in einem optischen Detektionssystem 200 beitragen, wichtig für die optimale Beleuchtung des abgebildeten Bereichs 202, d. h., die Ausrichtung zwischen Linsen, Lichtquelle und Sensor ist wichtig für den optimalen Überlapp des Beleuchtungsflecks 201 mit dem abgebildeten Bereich 202 auf der Arbeitsfläche 105. Die ebenfalls anhängige US-Patentanmeldung mit der Nr. 10/122,488, die am 12. April 2002 unter dem Titel ”Attachment System for Use in an Optical Illumination System” eingereicht wurde und dem Anmelder der vorliegenden Erfindung zugerechnet ist, und die in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Offenbarung durch Bezugnahme aufgenommen wird, ist auf eine Ausführungsform einer Verbesserung in dem Ausrichten von Komponenten gerichtet.
Ein weiterer Faktor der Leistungsfähigkeit besteht in der Qualität des Bildes, welches das Bilderfassungsmodul 261 erreicht. Dieser Teil hängt von der optischen Filterung des Lichtes durch die Abbildungslinse und der nachfolgenden Verarbeitung ab. Beispielsweise sind Verbesserungen in der optischen Filterung und der nachfolgenden Verarbeitung in dem US-Patent Nr. 6,256,016 (3. Juli 2001) von Piot et al. angegeben, die dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört und in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird.
Auf ähnliche Weise hat die Quelle der elektromagnetischen Energie für das Beleuchtungssystem 210 einen direkten Einfluß auf das Verhalten oder die Leistungsfähigkeit des optischen Verlagerungsdetektionssystems 200. Eine Verbesserung in Beleuchtungssystemen 210 ist beispielsweise in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit der Nr. 5/033,427 beschrieben, die am 27. Dezember 2001 eingereicht wurde unter dem Titel ”An Optical Illumination System and Method”, die vom Anmelder der vorliegenden Erfindung angemeldet wurde und in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird, und die auf ein effizientes Beleuchtungssystem gerichtet ist, welches spezialisierte Linsen umfaßt.
In manchen Ausführungsformen kann die Leistungsfähigkeit von optischen Verlagerungsdetektionssystemen auch durch mehrere Beleuchtungsfaktoren oder Charakteristika der Beleuchtungs-Subsysteme beeinflußt sein. Beispielsweise können diese Faktoren oder Charakteristika die Lichtwellenlänge, den Lichtstrahl-Einfallswinkel (der in 2 als ”α” bezeichnet ist und den Median des Lichtstrahls, beispielsweise den Mittelstrahl repräsentiert), die Homogenität der Lichtstrahlen und die Intensität umfassen. Diese Beleuchtungscharakteristika haben einen unterschiedlichen Einfluß auf das Leistungsverhalten, in Abhängigkeit von der Arbeitsfläche 105. Im Allgemeinen gilt, daß, je höher die Intensität der Lichtquelle 250 ist, desto besser das System arbeitet. Jedoch schlägt sich die Lichtintensität direkt auf den Stromverbrauch des optischen Systems nieder. In Systemen, in denen die Stromzufuhr begrenzt ist, beispielsweise bei batteriebetriebenen Systemen, ist es erstrebenswert, den Stromverbrauch zu minimieren. Demzufolge muß die Intensität die Lichtquelle 250 der Verbesserung des Leistungsverhaltens, welche sie bewirkt, angemessen sein. Verbesserungen in der Verlagerungsdetektion, die auf Beleuchtungs-Untersystemen mit mehreren Lichtquellen basieren, sind beispielsweise in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit der Nr. 10/826424 beschrieben, die am 15. April 2004 angemeldet wurde, den Titel ”Multi-Light-Source Illumination System for Optical Pointing Device” trägt, vom Anmelder der vorliegenden Erfindung angemeldet wurde und durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird.
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung sind auf die Verfolgung auf einer optisch rauhen Oberfläche (z. B. Holz, herkömmliche Mauspads etc.) gerichtet, wobei diese optisch rauhe Oberfläche unter einem transparenten Material liegt (beispielsweise ein Holztisch mit einer Glasplatte darauf). Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind auf die Verfolgung auf transparenten Oberflächen gerichtet (beispielsweise auf einem Glastisch). Diese sollen nacheinander diskutiert werden.
Verfolgung auf einer optisch rauen Oberfläche, wenn ein transparentes Material zwischen der optischen Vorrichtung und der Verfolgungsfläche angeordnet ist.
Wie oben erwähnt wurde, kann in manchen Umgebungen eine optische Eingabevorrichtung auf der Oberfläche einer transparenten oder durchscheinenden Schicht plaziert sein, die über einer Verfolgungsfläche liegt. Dies ändert den Abstand zwischen dem optischen Verlagerungsdetektionssystem und der Verfolgungsfläche. 3A ist die Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Verlagerungsdetektionssystems einer optischen Eingabevorrichtung, die von einer Verfolgungsfläche durch eine Schicht eines transparenten Materials getrennt ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Das optische Verlagerungsdetektionssystem 200 befindet sich innerhalb der optischen Eingabevorrichtung 110. Wie in 3A gezeigt ist, ruhen die Füße 310 der optischen Eingabevorrichtung 110 auf der Oberfläche 305 der transparenten Schicht 315, die über einer Verfolgungsfläche 105 liegt. Die Füße 310 haben eine Höhe c, die den Zwischenraum-Abstand zwischen der Oberfläche 305, auf der die optische Vorrichtung 310 ruht, und dem Boden der optischen Eingabevorrichtung 110 repräsentiert. Die Füße 310 sind optional und in einer Ausführungsform liegen sie nicht vor. Somit kann c in einer Ausführungsform zwischen 0 und mehreren Millimeter oder mehr liegen.
Wie in 3A gezeigt ist, hat die transparente Schicht 315 eine Dicke d, die bis zu mehrere Zentimeter betragen kann, beispielsweise 3 cm in einer Ausführungsform. Die transparente Schicht 315 kann durch transparentes oder durchscheinendes Glas, Kunststoff oder irgendein Material gebildet sein, welches gestattet, daß Licht von der Lichtquelle 250 durch es hindurch zu der darunterliegenden Verfolgungsfläche 105 und zurück zum Sensor 260 läuft. Beispielsweise wird in einer Ausführungsform eine Infrarot-Lichtquelle über einer schwarzen Glasschicht verwendet, die eine Holzfläche bedeckt. 3A zeigt außerdem einen Spalt mit einem Abstand g zwischen der Bodenfläche 325 der transparenten Schicht 315 und der Verfolgungsfläche 105. Der Spalt g kann in einer Ausführungsform zwischen 0 mm und mehreren Zentimetern reichen. Zusammengefaßt repräsentiert ein Wert z den gesamten Abstand zwischen dem Boden der optischen Eingabevorrichtung 100 und der Verfolgungsfläche 105, der den Zwischenraumabstand c, die Dicke der transparenten Schicht d und die Größe des Spalts g (der im Wesentlichen aus Luft besteht) umfaßt.
Bei diesem Beispiel verläuft das Licht von der Lichtquelle 250 durch die Beleuchtungslinse 230, um unter einem Winkel α auf der Oberfläche 305 der transparenten Schicht 315 einzufallen. Das Licht von der Lichtquelle 250 verläuft dann durch die transparente Schicht 315, wobei es sich unter einem Winkel β fortbewegt, dann durch den Spaltabstand g und zum Beleuchtungsfleck 201 auf der Verfolgungsfläche 105. Wenn der Spalt ein Luftspalt zwischen der transparenten Schicht 315 und der Verfolgungsfläche 105 ist, verläßt das Licht die transparente Schicht 315 unter einem Winkel α. Das Licht wird von der Verfolgungsfläche 105 zurück durch die transparente Schicht 315 zum Sensor 260 reflektiert. Man beachte, daß aufgrund des Brechungsindex der transparenten Schicht und dem Gesetz von Snellius das Licht, welches durch die transparente Schicht verläuft, beim Eintritt und Austritt gebeugt wird, was dazu führt, daß der beleuchtete Fleck 201 und der abgebildete Bereich 202 an einem anderen Ort auftreten, als sie auftreten würden, wenn die transparente Schicht 315 nicht vorläge. Außerdem breitet sich das Licht von der Lichtquelle 250 unter einem spitzen Winkel α bezüglich der Oberfläche der transparenten Schicht 305 und unter einem spitzen Winkel β durch die transparente Schicht hindurch zur Verfolgungsfläche 105 aus. Je größer der Abstand z ist, desto weiter entfernt in lateraler Richtung von der Lichtquelle 250 tritt der beleuchtete Fleck auf. Da der Winkel α darüber hinaus kleiner ist als der Winkel β, tritt der beleuchtete Fleck um so weiter in lateraler Richtung von der Lichtquelle 270 auf, je größer der Abstand zwischen der Oberfläche 305 und dem Boden der optischen Eingabevorrichtung 110 im Vergleich zur Dicke der transparenten Schicht 305 ist. Diese Faktoren tragen zu dem Effekt bei, der als ”Fleckverschiebung” bezeichnet wird.
Wie oben erwähnt wurde, wird die Genauigkeit der Verfolgung durch die Qualität des Bildes beeinflußt, welches vom Sensor 260 empfangen wird. Die Qualität des erfaßten Bildes hängt teilweise von der Effektivität sowohl des Sensor-Untersystems 220 als auch des Beleuchtungs-Untersystems 210 bei verschiedenen Höhen über der Verfolgungsfläche ab. Der folgende Abschnitt beschreibt Methoden zum Detektieren der Höhe über der Verfolgungsfläche. Verbesserungen am Sensor-Untersystem 220 und dem Beleuchtungs-Untersystem 210 zur Verwendung bei verschiedenen Höhen über der Verfolgungsfläche gemäß einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten in separaten Abschnitten beschrieben.
Höhendetektion
In einer Ausführungsform kann eine Detektion des Abstandes zwischen der optischen Eingabevorrichtung und der Verfolgungsfläche, die als ”z-Detektion” oder ”Höhendetektion” bekannt ist, erreicht werden, indem ein beliebiges herkömmliches z-Messelement verwendet wird. Beispielsweise verwenden manche herkömmliche z-Messelemente Infrarotstrahlen, die von der Verfolgungsfläche reflektiert werden, um die Höhe zu ermitteln. Andere z-Messelemente sind dem Durchschnittsfachmann bekannt. In einer Ausführungsform ist die z-Abstandsdetektion in das optische Sensor-Untersystem 220 und/oder das Beleuchtungs-Untersystem 210 integriert. Alternativ kann die z-Abstandsdetektion innerhalb der optischen Vorrichtung, aber separat von den Untersystemen implementiert werden.
Kollimierte-Lichtstrahlgdnge-Triangulation. In 4 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Verlagerungsdetektionssystems 200 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, mit einer kollimierten Lichtquelle 450, wie beispielsweise einem Laser, die Licht auf eine Verfolgungsfläche 105 unter einer Schicht aus einem transparenten Material 315 richtet. Manche Abschnitte des Beleuchtungs-Untersystems und des Sensor-Untersystems des optischen Verlagerungsdetektionssystems 200 sind zum Zwecke der Klarheit weggelassen. Wie ebenfalls in 4A gezeigt ist, empfängt der Sensor 460 Licht, welches:

(i) von der Oberfläche 305 der transparenten Schicht 315 reflektiert ist,
(ii) von der Bodenfläche der transparenten Schicht 325 reflektiert ist, und
(iii) von der Verfolgungsfläche 105 diffus reflektiert bzw. zerstreut ist.

Andere Mehrfachreflektionen liegen ebenfalls vor, aber sie haben eine geringe Energie.
In einer Ausführungsform wird Licht, welches von einer oder mehreren der Flächen reflektiert wird, nicht von dem Sensor 460 empfangen. Ein kollimierter Lichtstrahl 451, wie beispielsweise Laserlicht, wird unter einem spitzen Winkel α in Richtung auf die Verfolgungsfläche 105 gerichtet, und das Licht verläuft anschließend unter einem spitzen Winkel β durch die transparente Schicht 315. Somit hängen die Orte, an denen die reflektierten Lichtstrahlen den Sensor 460 schneiden, von den Abständen c, d und g ab. In 4B ist dieselbe Konfiguration der Komponenten gezeigt, wie in 4A. Jedoch ist in 4B die transparente Schicht 315 dicker, die hier als Dicke d₂ gezeigt ist, wobei d₁ < d₂. Die Abstände g und c sind in 4A und 4B gleich. Daher gilt z₁ < z₂. Man beachte, daß sich mit Anstieg der Distanz z der Auftreffort zumindest des reflektierten Strahls 454 auf den Sensor 460 von der Quelle 450 für kollimiertes Licht fortbewegt. Die Position der Auftreff- oder Schnittpunkte der reflektierten Strahlen 452, 453 und 454 kann verwendet werden, um unter Verwendung des Triangulationsverfahrens die Abstände c, d, g und z zu bestimmen. In einer Ausführungsform ist die Quelle 450 für kollimiertes Licht zur Verwendung bei der z-Detektion konfiguriert. In einer anderen Ausführungsform ist die Quelle 450 für kollimiertes Licht zur Verwendung als die Lichtquelle für die Beleuchtung der Verfolgungsfläche 105 für Abbildungszwecke konfiguriert. In einer anderen Ausführungsform ist die Quelle 450 für kollimiertes Licht zur Verwendung als die Lichtquelle zum Beleuchten der Verfolgungsfläche 105 zum Zwecke der Abbildung und zur Verwendung bei der z-Detektion konfiguriert. Der Fachmann wird erkennen, daß das oben beschriebene Triangulationsverfahren auch verwendet werden kann, um den Abstand c über einer transparenten Schicht und die Dicke d des transparenten Materials ohne eine darunterliegende Verfolgungsfläche zu bestimmen. Beispielsweise können diese Techniken verwendet werden, um c und d für eine Glasschicht ohne ein darunter plaziertes Zerstreuungssmaterial verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform können diese Techniken bzw. Verfahren außerdem verwendet werden, um festzustellen, ob die optische Vorrichtung auf einer diffundierenden (zerstreuenden) Fläche oder auf einer transparenten Fläche über einer zerstreuenden Fläche plaziert ist.
In einer alternativen Ausführungsform werden mehrere Quellen für kollimiertes Licht verwendet, um unterschiedliche z-Bereiche abzudecken. Wenn beispielsweise ein Sensor 460 eine feste Position bezüglich der Quelle 450 für kollimiertes Licht hat, würden bestimmte Abstände z verhindern, daß einer oder mehrere der reflektierten Lichtstrahlen 452, 453 und 455 auf den Sensor 460 auftreffen. Somit können mehrere Quellen für kollimiertes Licht beispielsweise unter unterschiedlichen Winkeln angeordnet werden, für eine optimale Beleuchtung der Abbildungsfläche bei unterschiedlichen Abstandsbereichen. Eine Steuerung wie beispielsweise eine Steuerung 470 kann verwendet werden, um zu steuern, welche Lichtquelle aktiv ist. Durch analysieren der Qualität des resultierenden Bildes, welches vom Sensor 460 empfangen wird, kann die Steuerung 470 die beste Lichtquelle für den bestimmten z-Abstand bestimmen.
In einer Ausführungsform ist ein kollimierter Strahl räumlich einem Beleuchtungsfleck überlagert, der durch eine andere Lichtquelle beleuchtet wird. In einer alternativen Ausführungsform wird eine Interferenz zwischen den überlagerten Lichtquellen verringert, indem die Aktivierung der Lichtquelle im Zeit-Multiplexverfahren vorgenommen wird. Beispielsweise kann eine Steuerung, wie beispielsweise die Steuerung 470, zwischen dem Aktivieren der Quelle kollimierten Lichtes für die z-Detektion und der Lichtquelle zum Beleuchten des abgebildeten Bereichs alternieren.
In einer anderen Ausführungsform ist das Licht nicht präzise kollimiert, sondern divergiert statt dessen etwas. Somit kann der Abstand z ausgehend von der Größe des Flecks bestimmt werden, an dem der reflektierte Strahl 454 den Sensor 460 schneidet bzw. auf ihn auftrifft, zusätzlich zu oder anstelle von der Position des Flecks. Eine größere Fleckgröße entspricht einem größeren z-Abstand. Diese Technik kann auch in Kombination mit dem oben beschriebenen Verfahren unter Verwendung der kollimierten Lichtquelle verwendet werden.
Interferometrisches Signal. In einer anderen Ausführungsform kann die Detektion des z-Abstandes unter Verwendung interferometrischer Verfahren erreicht werden. Ein Interferometer verwendet das Phänomen der Welleninterferenz, um Abstände zu detektieren. Selbst herkömmliche Interferometer können verwendet werden, um z-Abstände zu detektieren. Ein Interferometer kann in den Hauptsensor 460 eingebettet sein, oder es kann durch ein separates Untersystem innerhalb des optischen Verlagerungsdetektionssystems gebildet sein.
CCD-Zeile. In einer Ausführungsform umfaßt der Sensor 460 in 4A und 4B eine herkömmliche ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD, Charged Coupled Device). Die CCD-Elemente bilden eine Linie oder Zeile, die von den Lichtstrahlen 452, 453 und 454 geschnitten wird. Somit wird der Ort des Flecks oder der Flecke des reflektierten Lichtes für die Detektion des z-Abstandes verwendet.
In einer Ausführungsform kann außerdem ein einfaches Kolben-Messelement für die Höhendetektion verwendet werden.
Anhebedetektion
In manchen Ausführungsformen kann die optische Vorrichtung über die Fläche angehoben werden, und es ist oft wichtig, zu wissen, wann die optische Vorrichtung sich in der Luft befindet. Bestimmte herkömmliche Verfahren der Anhebedetektion beruhen darauf, daß ein Bild unscharf wird, um ein Anheben festzustellen. Dieses Verfahren liefert nicht immer genaue Ergebnisse. Beispielsweise kann ein relativ geringes Abheben von der Fläche dazu führen, daß der abgebildete Bereich 202 immer noch fokussiert ist, insbesondere wenn eine kleine Apertur verwendet wird, um eine längere Tiefenschärfe zu erzielen. Durch Detektieren einer Änderung in dem Abstand zwischen der optischen Maus und der Verfolgungsfläche kann eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Anheben feststellen. Somit können die oben beschriebenen Verfahren zur z-Detektion auch verwendet werden, um Änderungen in dem z-Abstand zu detektieren, die dem Anheben der optischen Vorrichtung von einer Fläche entsprechen. In noch anderen Ausführungsformen können unterschiedliche herkömmliche Verfahren der Anhebedetektion verwendet werden, z. B. Druckempfindliche Schalter an dem Boden der optischen Eingabevorrichtung.
19 zeigt, wie in einer Ausführungsform die Triangulation mit kollimierten Strahlen verwendet werden kann, um es zu detektieren, wenn eine Eingabevorrichtung von einer Fläche angehoben wird. Die Fläche, auf die sich die Diskussion hier bezieht, könnte eine optisch rauhe Fläche (z. B. Holz, Papier, etc.) oder eine optisch glatte Fläche (z. B. Glas) sein. Alternativ könnte die Fläche eine optisch rauhe Fläche unter einer optisch glatten Fläche sein (z. B. ein Holztisch, der mit einer Glasplatte bedeckt ist).
In einer Ausführungsform erzeugt ein kollimierter Laserstrahl einen hellen Fleck in der Mitte des Sichtfeldes des Abbildungssystems. Wenn die optische Vorrichtung von der Fläche angehoben wird, bewegt sich, wie in 19 gezeigt ist, der Fleck lateral auf der Fläche, und somit bewegt sich das Bild des Fleckes in der Bildebene. Wenn der Fleck nicht fokussiert ist, ist der lateral verlagerte Fleck unscharf.
Ein Anheben der optischen Vorrichtung wird detektiert, wenn die laterale Verschiebung des Flecks größer als ein bestimmter Abstand auf dem Sensorarray ist (welcher, in einer Ausführungsform, linear sein kann). In einer Ausführungsform ist dieser bestimmte Abstand vorbestimmt. In einer Ausführungsform kann ein Vergrößerungsfaktor G < 1 verwendet werden, um den Bereich der lateralen Verschiebung (d. h., die Größe des Detektor-Arrays) zu verringern.
Eine weitere effiziente und einfache Art, die laterale Verlagerung des Bildflecks zu detektieren, besteht in der Verwendung eines einzigen Detektors geringer Größe mit Durchmesser D (siehe 19) oder eines feinen Lochs vor einem Detektor (auf der optischen Achse). In einer Ausführungsform führt ein Anheben dazu, daß das Licht den Detektor nicht erreicht, und das Abfallen der Leistung zeigt das Anheben an (EIN/AUS-System).
In einer Ausführungsform könnte ein einfacher Schalter, der unter einem der Füße der Maus angeordnet ist, es anzeigen, wenn die Maus angehoben wird.
Beleuchtungs-Untersystem
In einer Ausführungsform kann eine bessere Bildqualität erreicht werden, indem die Intensität der Beleuchtung des Verfolgungsbereichs geändert wird. In einer Ausführungsform wird die Beleuchtung des Verfolgungsbereichs gesteigert, indem der Strom zu einer einzelnen Lichtquelle angehoben wird. Unter Bezugnahme wiederum auf 3A kann die Steuerung 270 verwendet werden, um den Strom zur Lichtquelle 250 zu steuern. Die Steuerung 270 kann eine Eingabe aus einem z-Abstand-Detektionssystem der optischen Vorrichtung empfangen. Da eine größere Lichtintensität benötigt wird, um eine Verfolgungsfläche 105 unter einer dickeren Schicht eines transparenten Materials 215 auf geeignete Weise zu beleuchten, kann die Steuerung 270 so konfiguriert sein, daß sie den Strom zur Lichtquelle 250 für größere z-Abstände erhöht.
In alternativen Ausführungsformen werden mehrere Lichtquellen verwendet, um die Beleuchtung einer Verfolgungsfläche bei unterschiedlichen z-Abständen zu verbessern. Beispielsweise zeigt 5 eine Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Verlagerungsdetektionssystems, welches zwei separate Lichtquellen aufweist, wobei eine jede Lichtquelle dazu konfiguriert ist, eine Verfolgsfläche unter einem anderen Bereich von Dicken des transparenten Materials zu beleuchten. Licht von der Lichtquelle 551 bewegt sich unter einem Winkel α₁ zur Oberfläche der transparenten Schicht 305 und durch die transparente Schicht 315 unter einem Winkel β₁. Licht von der Lichtquelle 552 verläuft unter einem Winkel α₂ zur Oberfläche der transparenten Schicht 305 und durch die transparente Schicht 315 unter einem Winkel β₂. Der Beleuchtungsfleck 501 der Lichtquelle 552 überlappt mit dem abgebildeten Bereich 502 der Verfolgsfläche 105. Die Lichtquelle 551 ist so angeordnet, daß sie einen Bereich 503 unter einem größeren z-Abstand vom Sensor 260 beleuchtet. Die Steuerung 570 kann verwendet werden, um die Aktivierung der Lichtquellen 551, 552 beispielsweise so zu steuern, daß nur eine Lichtquelle gleichzeitig aktiv ist. Alternative Verfahren zum Beleuchten des Abbildungsbereichs sind in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 10/826424 beschrieben, die am 15. April 2004 eingereicht wurde, den Titel ”Multi-Light-Source Illumination System for Optical Pointing Device” trägt, und in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wurde.
Sensor-Untersystem
Mit dem Verständnis von verschiedenen Ausführungsformen zum Detektieren der Höhe der optischen Eingabevorrichtung über der Verfolgungsfläche gemäß der vorliegenden Erfindung, wird nun auf ein System und ein Verfahren zum Verbessern der Bildqualität bei bestimmten Höhen durch Verbesserungen an einem herkömmlichen Sensor-Untersystem Bezug genommen. Beispielsweise stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mehrere Verfahren zum Verbessern der Bildqualität über einer Vielzahl von z-Abständen durch Ändern des Sensor-Untersystems 220 bereit.
Die Bildqualität kann durch Systeme verbessert werden, die Änderungen an der Apertur oder der Linsenkonfiguration oder der Sensorkonfiguration innerhalb des Sensor-Untersystems gestatten. Beispiele solcher Konfigurationen werden hier erwähnt.
Geringere Apertur. Unter Bezugnahme wiederum auf 3A wird die Linse 240 in einer Ausführungsform durch eine Apertur oder eine Kombination aus Apertur und Linse ersetzt, so daß das Licht, welches von der Verfolgungsfläche 105 reflektiert wird, durch die Apertur 380 gelangen muß, um den Sensor 260 zu erreichen. Dies ist in 3B zu sehen. (Der Klarheit halber ist die transparente Fläche in 3B nicht gezeigt). Eine Apertur einer festen, geringen Größe erhöht die Tiefenschärfe. Somit erscheinen Flächen innerhalb eines größeren Bereichs von Abständen fokussiert. Je geringer die Apertur ist, desto größer ist die Tiefenschärfe, aber desto geringer ist auch die Intensität. In dieser Ausführungsform ist es möglich, eine Fläche unterhalb einer transparenten Schicht mit verschiedenen Dicken d und mit verschiedenen Spaltabständen g abzubilden, vorausgesetzt, daß der Gesamtabstand z innerhalb des Bereichs von Abständen liegt, die fokussiert erscheinen.
Apertur variabler Größe. In einer Ausführungsform wird die Linse 240 durch eine Apertur oder durch eine Kombination aus Apertur und Linse ersetzt, wobei die Apertur eine variable Größe hat. In einer Ausführungsform ist es möglich, Aperturen mit unterschiedlichen Größen vor dem Sensor 260 zu platzieren. Beispielsweise können Aperturen unterschiedlicher Größe auf einer Scheibe vorliegen, die sich vor dem Sensor 260 so drehen kann, daß immer nur eine Apertur verwendet wird. Die Steuerung 270 kann so konfiguriert werden, daß sie steuert, welche Apertur der Scheibe verwendet wird. Alternativ könnte eine Apertur benutzt werden, die in ihrer Größe veränderbar ist. In diesem Fall kann die Steuerung 270 so konfiguriert sein, daß sie die Größe der Apertur steuert.
Man beachte, daß sowohl in Ausführungsformen mit geringer Apertur als auch solchen mit Aperturen variabler Größe gilt, daß, je kleiner die größte Apertur ist, desto größer der Energieverlust ist. Um den Energieverlust zu überwinden, kann die Intensität der Beleuchtung erhöht werden, indem der Strom angehoben wird, der der Lichtquelle 250 zugeführt wird. In einer Ausführungsform steuert die Steuerung 270 die Intensität des von der Lichtquelle 250 emittierten Lichtes. Alternativ oder zusätzlich können unterschiedliche Lichtquellen mit unterschiedlichen Intensitäten mit Aperturen unterschiedlicher Größe gepaart werden. In diesen Ausführungsformen kann die Steuerung 270 bestimmen, welche Lichtquelle eingeschaltet ist.
Telezentrisches Abbildungssystem. In einer Ausführungsform wird die Linse 240 durch ein telezentrisches Linsensystem ersetzt. Ein telezentrisches Linsensystem ist eine Konfiguration, in der konstruktionsbedingt die Pupille im Unendlichen angeordnet ist. Dementsprechend ist das optische Abbildungssystem in gewissem Maße unempfindlich gegenüber der Positionierung des Objekts. In einer Ausführungsform ist das telezentrische Abbildungssystem so konstruiert, daß es die Verfolgungsfläche 105 adäquat für z-Distanzen abbildet, die zwischen 0 und 10 mm betragen. Innerhalb der Schärfentiefe einer telezentrischen Linse wird eine telezentrische Linse fast keinen Vergrößerungsfehler aufweisen. Die Größe des Bildes ändert sich nicht mit dem Abstand. Allerdings verschiebt sich der abgebildete Bereich, so daß der Beleuchtungsfleck sich ebenfalls verschieben muß. Darüber hinaus überträgt ein telezentrisches Abbildungssystem weniger Energie auf den Sensor 260. Daher können Licht größerer Intensität oder unterschiedliche zusätzliche Lichtquellen verwendet werden, um das am Sensor 260 empfangene Bild zu verbessern.
Mehrere Sensoren. In 6 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Verlagerungsdetektionssystems 200 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, die zwei separate Sensoren 661, 662 umfaßt, wobei ein jeder Sensor konfiguriert ist, um eine Verfolgungsfläche 105 unter einem unterschiedlichen Bereich von Dicken des transparenten Materials 315 abzubilden. In anderen Ausführungsformen werden mehr als zwei Sensoren verwendet. Ein jeder Sensor 661, 662 ist für einen unterschiedlichen Bereich von Abständen optimiert. In dem in 6 gezeigten Beispiel ist der Sensor 661 konfiguriert, um auf einen Bildbereich 601 zu fokussieren, der sich in einer Tiefe befindet, die geeignet ist, die Verfolgungsfläche 105 abzubilden. Der Sensor 662 ist jedoch so konfiguriert, daß er auf einer Bildfläche 604 fokussiert, die für eine sehr viel dickere Schicht des transparenten Materials 315 geeignet wäre. In einer Ausführungsform ist die Steuerung 76 konfiguriert, um unter den Sensoren auszuwählen, basierend darauf, welcher Sensor die besten Bildeigenschaften liefert, wie beispielsweise Kontrast, Auflösung oder dergleichen.
Autofokussystem. In einer Ausführungsform ändert das Sensor-Untersystem die verwendete Linse, um das Bild zu fokussieren, bis das an dem Sensor empfangene Bild optimiert ist, d. h., die besten Bildeigenschaften erhalten werden. Alternativ kann das Sensor-Untersystem konfiguriert sein, um auf den z-Abstand zu reagieren. Somit kann das Resultat einer Ermittlung des z-Abstandes, welcher unter Verwendung einer der oben beschriebenen Verfahren erhalten wurde, als Eingabe in das Sensor-Untersystem benutzt werden, zur Verwendung beim Bestimmen der geeigneten Linse. Nachdem der beste Fokus gefunden wurde, kann das Beleuchtungs-Untersystem verwendet werden, um die Beleuchtung der Verfolgungsfläche zu optimieren, wie unten beschrieben wird.
Abbildungslinse mit variabler Form. In einer Ausführungsform werden Linsen mit variabler Form in dem Sensor-Untersystem verwendet. Beispielsweise haben bestimmte Linsen optische Eigenschaften, die geändert werden können, indem ein elektrisches Feld angelegt wird, um die Eigenschaften der Linsen zu ändern, beispielsweise um ihre Brennweite zu verlängern oder zu verkürzen. Somit können elektrische Felder zunehmender oder abnehmender Stärke an die Linse variabler Form angelegt werden, bis das an dem Sensor empfangene Bild optimiert ist. Eine Abbildungslinse variabler Form stellt eine Autofokus-Funktion bereit. Schwingspulen, Schrittmotoren und Piezoelemente sind ebenfalls Techniken, die verwendet werden, um ein optisches Element in einem Autofokussystem zu bewegen.
Die obige Diskussion betrifft die optische Verfolgung auf diffus reflektierenden (zerstreuenden) Flächen bei verschiedenen Tiefen unterhalb einer transparenten oder durchscheinenden Materialschicht. In manchen Umgebungen befindet sich keine diffus reflektierende Fläche innerhalb eines Bereichs des optischen Sensors unterhalb einer transparenten oder durchscheinenden Schicht. Der nächste Abschnitt beschreibt Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die die Fähigkeit haben, die Verfolgung auf einer transparenten oder durchscheinenden Materialschicht durchzuführen, ohne Notwendigkeit für eine diffus reflektierende Fläche, die unter dem Material angeordnet ist.
Verfolgung auf einer transparenten Fläche
In einer Ausführungsform wird Dunkelfeld-Bilderzeugung bzw. -Abbildung verwendet, um die Verlagerung einer optischen Vorrichtung auf einer transparenten und/oder durchscheinenden Fläche zu verfolgen. In einer Ausführungsform bezieht sich die Dunkelfilm-Abbildung auf die Abbildung unter Verwendung des Lichtes, welches von bestimmten Merkmalen auf der transparenten Fläche diffundiert bzw. gestreut wird. Nur Licht, welches von den Merkmalen (z. B. Schmutz, Partikel, etc.) gebeugt, gebrochen oder reflektiert wurde, kann in die Linse eintreten, um ein Bild zu bilden. In Abwesenheit solcher Merkmale erscheint das Sichtfeld vollständig schwarz, weil kein Licht in das Objektiv reflektiert oder gebrochen wird. Zusätzliche Information bezüglich Dunkelfeld-Abbildung kann unter den Internetadressen http://micro.magnet.fsu.edu/primer/techniques/darkfieldreflect.html und http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/darkfield/reflected/index.html gefunden werden, die hier durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen werden.
In manchen Ausführungsformen werden diese Merkmale auf natürliche Weise auf der transparenten Fläche vorliegen. Beispielsweise wird selbst eine relativ saubere Glasfläche oft manche Schmutzfleckchen, Überreste von Fingerabdrücken und etc. aufweisen. In anderen Ausführungsformen können solche Merkmale auf einer transparenten Fläche abgelagert werden. Beide Situationen werden unten beschrieben.
Verwendung auf natürliche Weise vorliegender Merkmale für die Dunkelfeld-Abbildung
7A zeigt eine Ausführungsform eines Dunkelfeld-Abbildungssystems 700. Das Dunkelfeld-Abbildungssystem 700 umfaßt Licht 751 aus mindestens einer Lichtquelle (nicht gezeigt), welches in Richtung auf eine Oberfläche 305 eines transparenten Materials 315, wie beispielsweise Glas, gerichtet ist. In einer Ausführungsform hat das transparente Material 315 Schmutzreste 705 auf der Oberfläche 110, beispielsweise ölige oder fettige Reste von Fingerabdrücken oder Lösungsmittelreste. Wie in 7A gezeigt ist, wird das Licht 751 auf die Fläche 305 einer transparenten Schicht 315 gerichtet, was zu dem reflektierten Licht 752 führt, welches nicht durch die Abbildungslinse 750 vom Detektorarray 740 gesammelt wird. Mit anderen Worten fällt das reflektierte Licht 752 (d. h., das Licht nullter Ordnung) nicht in die numerische Apertur des Objektivs. Licht 751, welches die Schmutzreste 705 trifft, wird jedoch gebeugt, und zumindest ein Teil des gebeugten Lichtes 756 fällt in die numerische Apertur des Objektivs. Somit entspricht bei dem Dunkelfeld-Abbildungssystem 700 ein dunkler Hintergrund den sauberen Abschnitten der Fläche 305, und die hellen Bereiche entsprechen den Abschnitten der Fläche 305, die Schmutzreste 705 aufweisen. Ein Vorteil des Dunkelfeld-Abbildungssystems 700 besteht darin, daß es ein Bild hohen Kontrastes von einer Glasprobe mit einem Rückstand (”schmutziges Glas”) liefert.
In einer Ausführungsform ist α_c der Winkel zwischen dem Umfangsstrahl des Beleuchtungsstrahls PR und der Linie T, die durch die Objektivapertur und das Sichtfeld ”Field of View” FOV festgelegt ist, wie in 7A gezeigt ist. In einer Ausführungsform gilt 5° < α_c < 15°.
In der Praxis macht das Erreichen solch eines kleinen Wertes α_c es erforderlich, den Beleuchtungsstrahl in der Nähe der Objektivapertur umzulenken. Dies kann mit einem Spiegel 760 oder einem optischen Element erreicht werden, das konstruiert ist, um eine interne Totalreflektion zu bewirken, wie beispielsweise ein Prisma (siehe 7B und 7C). Mehrere andere Konfigurationen sind möglich. Beispielsweise kann die Lichtquelle näher an der Verfolgungsfläche angeordnet sein, als die Linse, und es kann ein Spiegel verwendet werden, um das Licht auf die Fläche zu richten.
In einer Ausführungsform ist der Beleuchtungsstrahl mit einem durchschnittlichen Winkel θ = α_c/2 fokussiert. In einer Ausführungsform ist der Beleuchtungsstrahl mit einem Winkel θ fokussiert, der von α_c/2 – 30% bis α_c/2 + 30% reicht. Ein mäßiger Fokussierungswinkel ist aus mehreren Gründen nützlich, darunter den folgenden: das Umschalten zwischen dem Dunkelfeld- zum Hellfeld-Abbilden ist besser kontrollierbar. Wie in 7A gezeigt ist, ist der Abstand Δx geringer als für einen kollimierten Strahl, dies macht das System robuster. Ferner kann der kritische Winkel α_c, der sich über dem Sichtfeld ändert (T1 und T2 entsprechend zwei unterschiedlichen Objektiv-Sammelwinkeln) nahezu konstant gehalten werden (α_c1 ≈ α_c2), wie in 7A gezeigt ist. Bei einem kollimierten Strahl gilt im Allgemeinen α_c2 << α_c1. Darüber hinaus kann eine Übereinstimmung mit dem Augensicherheitsstandard bei einer größeren optischen Leistung sichergestellt werden, wenn ein kleiner Fokussierungswinkel verwendet wird.
8A zeigt eine Ausführungsform eines Dunkelfeld-Abbildungssystems 800 zur Verwendung in einer optischen Eingabevorrichtung 110 gemäß der vorliegenden Erfindung. In dem in 8 gezeigten Beispiel umfaßt das Dunkelfeld-Abbildungssystem 800 zwei Lichtquellen 851, 852. Typischerweise sind die Lichtquellen 851, 852 LEDs, beispielsweise herkömmliche rote LEDs, blaue LEDs, Laserdioden oder dergleichen.
In einer Ausführungsform umfaßt ein Dunkelfeld-Abbildungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung N Lichtquellen, beispielsweise VCSELs, die um das Sichtfeld herum, unter ungefähr gleichen Abständen von dem Sichtfeld und unter gleichen Abständen voneinander angeordnet sind. In einer Ausführungsform sind die Lichtquellen 851, 852, 853 LEDs, beispielsweise herkömmliche rote LEDs. In einer Ausführungsform sind die Lichtquellen 851, 852 und 853 Laserdioden, wie beispielsweise VCSELs oder dergleichen. 8C zeigt drei Lichtquellen 851, 852, 853, die auf solch eine Weise angeordnet sind, aber jede vernünftige Anzahl von Lichtquellen 851, 852, 853 kann verwendet werden. In einer Ausführungsform reicht die Anzahl von Lichtquellen von zwei bis sechs Lichtquellen.
Unter Bezugnahme wiederum auf 8A gelangt zumindest etwas von dem von den Schmutzresten 705 auf der Fläche 305 gebeugten Licht 856 durch eine Abbildungslinse 840 zum Prisma 845 und schließlich zu einem Detektorarray 860. Das Detektorarray 860 kann jede Art Sensor enthalten, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist oder oben beschrieben wurde. In einer Ausführungsform sind die Sensoren im Detektorarray 860 CMOS-Sensoren, die mit einer Schaltung (nicht gezeigt) zum Durchführen von herkömmlicher Bildverarbeitung oder digitaler Signalverarbeitung verbunden sind.
Sensor-Untersystem des optischen Dunkelfeld-Systems
In einer Ausführungsform beeinflussen zwei Parameter des Abbildungssystems das Design des Dunkelfeld-Abbildungssystems 800 stark. Die Detektion von Schmutzresten auf relativ sauberem Glas macht beispielsweise ein relativ großes Sichtfeld (FOV) 801 und eine relativ große numerische Apertur erforderlich. Beispielsweise übersteigt das Sichtfeld in einer Ausführungsform einen Durchmesser von 1 mm, und die numerische Apertur beträgt mindestens 0,3 bis 0,4. Man beachte, daß im Falle eines großen Sichtfeldes zusammen mit einer hohen numerischen Apertur eine hohe Auflösung möglich ist, die im Prinzip eine große Anzahl von Pixeln erforderlich macht. Man beachte außerdem, daß eine hohe numerische Apertur eine begrenzte Schärfentiefe ergibt, beispielsweise ungefähr 6 μm für einen Wert der numerischen Apertur von 0,4. Somit kann das Dunkelfeld-Abbildungssystem 800 extrem empfindlich gegenüber einer Defokussierung sein.
Ein Vorteil von bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie diese Beschränkungen durch ein absichtliches räumliches Unter-Abtasten bzw. Untersampling eines Bildes überwinden. Bei einem relativ sauberen Glas werden beispielsweise nur wenige helle Punkte erwartet, und nur ein heller Punkt wird für die Verfolgung benötigt. Bei einem relativ dreckigen Glas werden beispielsweise nur wenige dunkle Punkte oder Flecken erwartet, und nur ein dunkler Fleck wird für das Verfolgen benötigt. Im Falle eines sehr dreckigen Glases erzeugt beispielsweise ein sauberer Bereich (der schwarz erscheint) einen relevanten Verfolgungsgegenstand. Somit ist es in jeder der beiden Situationen unnötig, ein Bild mit hoher Auflösung zum Zwecke des Verfolgens des Fleckes zu erhalten. Darüber hinaus minimiert das räumliche Unterabtasten des Bildes die Menge von zu verarbeitender Information, und es senkt die Empfindlichkeit des Systems 800 gegenüber einer Defokussierung infolge von Variationen im z-Abstand infolge von vertikalen Vibrationen oder infolge einer Abnützung des Teils der optischen Eingabevorrichtung, welcher sich mit dem transparenten Material 315 in Kontakt befindet (z. B., die Füße 310). Beispielsweise werden in einer Ausführungsform ein Vergrößerungsfaktor von 4 und eine Pixelgröße von 20 μm für die räumliche Abtastung verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann die Defokussierung angegangen werden, indem die Form und/oder die Position des optischen Elementes in dem Abbildungs-Untersystem unter Verwendung der Verfahren, die in den obigen Abschnitten beschrieben wurden, modifiziert werden.
Man beachte außerdem, daß die Brennweite (f) der Objektivlinse 840 ungefähr das Fünffache des Sichtfeldes 801 beträgt, um die sphärische Aberration zu begrenzen. Beispielsweise beträgt das Sichtfeld 801 ungefähr 1 mm und somit die Brennweite (f) ungefähr 5 mm. Der optische Pfad hinter der Abbildungslinse 840, der das Produkt der Brennweite und des Vergrößerungsfaktors ist, liegt daher in der Größenordnung von 20 mm. Daher liegt der optische Pfad hinter der Abbildungslinse 840 in der Größenordnung von 20 mm. Um ein Dunkelfeld-Abbildungssystem 800 mit diesen Parametern in einem kompakten Formfaktor zu passen, kann der optische Weg von der Abbildungslinse 840 zum Detektorarray 860 gefaltet werden, wie in 8A gezeigt ist. Um den optischen Weg weiter zu verringern, kann die Propagation durch Luft durch eine Propagation in einem Materialstück mit einem höheren Brechungsindex ersetzt werden, wie beispielsweise einem Prisma 845. In diesem speziellen Fall hilft ein großer Bildabstand (zwischen Linse und Sensor) dabei, größere Flecken zu erzeugen (ebenfalls proportional zur Apertur). Man beachte, daß auf einer regulären (d. h. optisch rauhen) Fläche der Sensor in einer Dunkelfeld-Konfiguration unter Verwendung eines Lasers Sprenkel oder abgebildete Flecken verfolgen wird.
Man beachte, daß eine Vorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mehrere Sensoren hat. Wie in 8B zu sehen ist, wird ein Sensor benutzt, um den optischen Abstand zu messen, wenn die Vorrichtung auf einer transparenten oder durchscheinenden Fläche verwendet wird. In einer Ausführungsform ist dieser Sensor Teil eines Dunkelfeld-Abbildungs-Untersystems. Der andere Sensor ist Teil des herkömmlichen Abbildungs-Untersystems und wird verwendet, um eine optische Verlagerung zu messen, wenn die Vorrichtung auf einer optisch rauhen Fläche verwendet wird. In einer Ausführungsform werden mehrere Lichtquellen verwendet. In einer Ausführungsform liefert eine jede Lichtquelle Licht zu einem anderen Sensor. In einer Ausführungsform wird eine Steuerung verwendet, um zu bestimmen, welches Untersystem zu einer gegebenen Zeit zu verwenden ist. In einer Ausführungsform kann ein Benutzer in der Lage sein, auszuwählen, welches Untersystem zu verwenden ist. Gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein Anhebedetektionsmodul Teil eines oder beider Untersysteme.
Beleuchtungs-Untersystem des optischen Dunkelfeld-Systems
In einer Ausführungsform sollte das Sichtfeld 801 auf geeignete Weise beleuchtet werden, damit das optische Dunkelfeld-System 800 optimal funktioniert. Beispielsweise ist das System 800 so konstruiert, daß eine Beleuchtung mit einer Stärke von mindestens 1 Milliwatt verwendet wird, um das Sichtfeld 801 zu beleuchten. In einer Ausführungsform ist das System 800 mit dem Ziel konstruiert, so viele Beugungsordnungen wie möglich anzuregen, unter Verwendung eines großen Bereichs von vertikalen und radialen Beleuchtungswinkeln, während verhindert wird, daß eine reflektierte nullte Ordnung in die numerische Apertur der Linse 840 fällt. Viele Konfigurationen von Beleuchtungs-Untersystemen sind möglich, aber zum Zwecke der Illustration werden unten drei exemplarische Systeme beschrieben, die in der Lage sind, diese Konstruktionsmerkmale zu erfüllen.
Nicht-gleichförmige radiale Beleuchtung. In einer Ausführungsform sind N räumlich inkohärente Lichtquellen, beispielsweise LEDs um das Sichtfeld 801 herum unter ungefähr gleichen Abständen von dem Sichtfeld 801 und gleichen Abständen untereinander angeordnet. 8C zeigt drei Lichtquellen 851, 852, 853, die auf solche Weise angeordnet sind, aber eine jede vernünftige Anzahl von Lichtquellen 851, 852, 853 kann verwendet werden. In einer Ausführungsform beträgt die Zahl von Lichtquellen zwischen zwei und sechs. Man beachte, dass für den Fall, daß die Lichtquellen einen engen Emissionswinkel aufweisen, beispielsweise weniger als 20°, keine Fokussierungslinse benötigt wird. In einer Ausführungsform wird Licht von den Lichtquellen 851, 852, 853 kollimiert, um eine gleichförmigere Beleuchtung der Fläche 305 herzustellen. In einer Ausführungsform wird die Beleuchtung mit drei Laserquellen (VCSEL) 851, 852, 853 verwirklicht, die in einer Ebene parallel zur Glasfläche unter Winkeln von 120° zueinander angeordnet sind. In einer alternativen Ausführungsform können zwei Laser mit senkrechten Beleuchtungsrichtungen verwendet werden.
Gleichförmige radiale Beleuchtung. In einer anderen Ausführungsform kann eine gleichförmige radiale Beleuchtung erhalten werden, indem eine Laserdiode 854 in Kombination mit einem optischen Beugungselement (”Diffractive Optical Element”, DOE) 882 verwendet wird. 8C zeigt eine Ausführungsform eines radialen Beleuchtungssystems 880 eines Dunkelfeld-Abbildungssystems, welches Laser 854 und ein DOE 882 verwendet. Ein Vorteil des in 8C gezeigten radialen Beleuchtungssystems 880 besteht darin, daß nur eine Lichtquelle für eine gleichförmige radiale Beleuchtung benötigt wird. Das System ist um die optische Achse 881 herum beweglich. Das DOE 882 kann einen Diffusor enthalten oder von einem solchen gefolgt sein, um die Diversität der vertikalen Beleuchtungswinkel, die auf einen einzelnen Punkt auf der Fläche 305 des transparenten Materials 315 fallen, zu erhöhen. Beispielsweise kann das DOE 882 einen holografischen Diffusor umfassen. In Abhängigkeit von der Größe und der Anordnung der Komponenten kann ein Strahlteiler (nicht gezeigt) verwendet werden, um das Beleuchtungssystem von dem Abbildungs-Detektionssystem zu trennen. Der Strahlteiler kann zwischen der Linse 840 und dem DOE 882 angeordnet sein.
Beleuchtung von einem kontrollierten ringförmigen Emissionswinkel. In einer anderen Ausführungsform kann beispielsweise eine LED mit einem kontrollierten bzw. gesteuerten ringförmigen Emissionswinkel für die Beleuchtung verwendet werden. Alternativ können ein Bragg-Gitter oder andere Mittel zum Erzeugen eines Emissionsprofils verwendet werden, die verhindern, daß eine Reflexion nullter Ordnung in die numerische Apertur der Abbildungslinse 840 fällt. Eine Mikrohohlraum-LED oder eine Resonanzhohlraum-LED (”Resonant Cavity LED”) kann ein ringförmiges Beleuchtungsprofil liefern, welches ähnlich zu einem ist, welches mit einem Laser und einem DOE erhalten wird, wie oben unter Bezugnahme auf 8B diskutiert wurde. Wie oben erwähnt wurde, besteht ein Vorteil dieses Verfahrens in der Verwendung einer einzigen Lichtquelle für eine gleichförmige radiale Beleuchtung.
Interferometrisches Detektionssystem
9A zeigt eine Ausführungsform eines interferometrischen Detektionssystems 900 für die optische Verfolgung auf einer transparenten oder durchscheinenden Fläche für Messungen entlang der x-Achse, gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Duplikat des Systems kann für Messungen entlang der y-Achse verwendet werden. Zusätzlich könnte ein sehr ähnliches System verwendet werden, um die Verlagerung entlang der z-Achse zu messen (z. B. die Anhebedetektion). Licht 950 gelangt durch den Strahlteiler 990, so daß Licht 950 in zwei Teile aufgeteilt wird. Ein Lichtstrahl 991 ist auf den Detektor 960 gerichtet, und der andere Lichtstrahl 992 ist auf die transparente oder durchscheinende Schicht 315 gerichtet. Alternativ kann der Strahlteiler 990 durch ein Beugungsgitter oder eine andere Vorrichtung ersetzt werden, die das Licht in mindestens zwei Teile teilt.
In einer Ausführungsform wird der Lichtstrahl 992 durch die transparente Schicht 315 wie in 9A gezeigt durch Rayleigh-Streuung gestreut. Ein Teil der Rayleigh-Streuung 996 wird zurückgestreut (gekennzeichnet durch Bezugszeichen 998) und vom Detektor 960 gesammelt. Somit wird der Referenzstrahl 991 mit einer konstanten Frequenz mit zurückgestreutem Licht 998 mit einer Frequenz rekombiniert, die gemäß der Geschwindigkeit einer Relativbewegung zwischen der Lichtquelle und der Fläche 305 dopplerverschoben wurde. Die Summe der zwei interferierenden Lichtstrahlen 991, 998 erzeugt eine Schwebungsfrequenz, die gemessen werden kann, um die Geschwindigkeit der Relativbewegung zu detektieren und die Zeitspanne zu detektieren, während der die Relativbewegung auftritt, um das Ausmaß der Verlagerung zu bestimmen.
In einer Ausführungsform liegt die Schwebungsfrequenz ungefähr in dem 10 kHz-Bereich für optische Maus-Anwendungen. Darüber hinaus können in einer Ausführungsform Accelerometer verwendet werden, um die Richtung der Verlagerung zu bestimmen. Ferner kann in einer Ausführungsform ein Accelerometer für die x-Richtung und ein zweites Accelerometer für die y-Richtung verwendet werden.
In einer Ausführungsform kann das Design des Sensor-Untersystems des interferometrischen Detektionssystems dazu führen, daß das System durch Schrotrauschen beschränkt ist. Jedoch hängt der Betrieb des interferometrischen Detektionssystems 900 immernoch davon ab, daß der Detektor 960 genügend zurückgestreutes Licht 998 empfängt, um ein Signal festzustellen. Die Intensität der Rayleigh-Streuung ist invers proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge. Somit kann eine um eine Größenordnung höhere Intensität der Rayleigh-Streuung erhalten werden, indem Licht 950 mit einer kürzeren Wellenlänge verwendet wird, beispielsweise Blau (ungefähr 480 nm) anstelle von Infrarot (850 nm). Selbst ein schwaches Signal von dem zurückgestreuten Licht 998 kann unter Verwendung einer Homodyn-Verstärkung verstärkt werden, wie beispielsweise in B. E. A. Saleh und M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley, New York, 1991, diskutiert wird, deren relevante Abschnitte durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen werden.
In manchen Ausführungsformen könnte eine Dopplerverschiebung entlang der z-Achse fälschlicherweise als eine Verlagerung entlang der x- und/oder y-Achse detektiert werden. 9B zeigt eine Ausführungsform eines interferometrischen Detektionssystems 900 zum optischen Verfolgen auf einer transparenten oder durchscheinenden Fläche 305, die die z-Verlagerungen kompensiert, wobei das System ein Beugungsgitter 999 umfaßt. In dieser Ausführungsform wird das Referenzlicht (Licht, welches von der Fläche 305 reflektiert wird) bei 90° reflektiert, und das Referenzlicht 991 wird durch ein Transmissions-Beugungsgitter 999 (welches in einer Ausführungsform den Strahl nicht ablenkt) auf einen Detektor 960 gerichtet. Das zurückgestreute Licht 998 beleuchtet das Gitter 999 mit einem gegebenen mittleren Winkel von zwischen 30 und 60°. In einer Ausführungsform ist eine Linse (nicht gezeigt) vor dem Gitter 999 angeordnet, um mehr durch Rayleigh-Streuung zurückgestreutes Licht 998 zu sammeln. In einer Ausführungsform lenkt das Gitter 999 das durch Rayleigh-Streuung zurückgestreute Licht 998 in eine Richtung senkrecht zur Fläche 305 des transparenten oder durchscheinenden Materials 315 ab. Somit propagieren der Referenzstrahl 991 und der rückgestreute Strahl 998 in dieselbe Richtung zwischen dem Gitter 999 und dem Detektor 960.
Um die Verlagerung in der z-Achse akkurat zu detektieren, kann das von der Fläche des transparenten Materials reflektierte Licht als Referenzwelle 991 verwendet werden. Eine Dopplerverschiebung resultiert aus der Komprimierung oder Dehnung einer Welle entlang ihrer Propagationsrichtung. Wenn sich die Fläche 305 sowohl lateral als auch vertikal relativ zur Meßvorrichtung bewegt, ist der Referenzstrahl nur empfindlich gegenüber z-Verlagerungen, während das rückgestrahlte Licht empfindlich gegenüber sowohl x- als auch z-Verlagerungen ist. In diesem Fall wird dieselbe Dopplerverschiebung entlang der vertikalen Achse für sowohl das reflektierte als auch das durch Rayleigh-Streuung zurückgestreute Licht wahrgenommen. Da sowohl der Referenzstrahl 991 als auch der rückgestrahlte Strahl 998 dieselbe Dopplerverschiebung in z-Richtung erfahren, ist die durch den Detektor 960 empfangene Schwebungsfrequenz nur empfindlich gegenüber x-Verlagerungen. Die Schwebungsfrequenz, die gleich der Differenz der Frequenz zwischen zwei Wellen ist, ist für z-Verlagerungen Null. Somit ist das System konfigurierbar, um die z-Verlagerungen zu kompensieren. Jedoch kann die Verwendung des von der Fläche 305 reflektierten Lichtes als Referenzstrahl 991 den Homodyn-Verstärkungseffekt verringern, infolge der geringeren Reflektion an der Luft/Glas-Grenzfläche, (4%, wenn die Beleuchtung senkrecht zur Grenzfläche ist), im Verhältnis zu den 50%, die beispielsweise mit einem Strahlteiler wie in 9A erhalten werden.
Um die Referenzsignalleistung zu steigern und die Verwendung eines Strahlteilers zu vermeiden, kann alternativ eine Konfiguration des interferometrischen Detektionssystems wie diejenige verwendet werden, die in 10 gezeigt ist. 10 zeigt eine Ausführungsform eines interferometrischen Detektionssystems 1000, welches von der Fläche 305 eines transparenten oder durchscheinenden Materials 315 reflektiertes Licht 1051 als Referenzstrahl verwendet, gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel ist das Licht 1050 in einer Richtung parallel zur Fläche 305 polarisiert, und es wird unter einem niedrigeren Beleuchtungswinkel verwendet. Gemäß der Fresnelgesetze wird unter einem Winkel von 60° zur senkrechten Achse der Fläche 305 viermal so viel Licht reflektiert wie bei einer senkrechten Beleuchtung. Somit nimmt die Menge des Lichtes 1050, das von der Fläche 305 reflektiert (1051) und auf den Detektor 1060 auftrifft, zu, indem die Effekte der Polarisation und des Beleuchtungswinkels kombiniert werden. Darüber hinaus wird das Interferenzsignal verbessert, weil der Referenzstrahl des reflektierten Lichtes 1051 und das rückgestreute Licht 1098 in dieselbe Richtung propagieren. Darüber hinaus macht eine Konfiguration wie diejenige von 10 einen Strahlteiler entbehrlich, wodurch die Einfachheit und Kompaktheit der Konstruktion gesteigert werden.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines interferometrischen Detektionssystems 1100, welches von der Oberfläche 305 eines transparenten oder durchscheinenden Materials 315 reflektiertes Licht 1051 als Referenzstrahl verwendet, gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 11 gezeigt ist, erzeugt eine Dopplerverschiebung eine Änderung der Richtung des durch Rayleigh-Streuung zurückgestrahlten Lichtes 1198. Somit wird das rückgestreute Licht 1198 unter einem unterschiedlichen Winkel relativ zur Fläche 305 gesammelt, wenn das interferometrische Detektionssystem 1100 relativ zur Fläche 305 in x-Richtung bewegt wird. Ein Spiegel 1194 wird verwendet, um das durch Rayleigh-Streuung zurückgestrahlte Licht 1198 zu einem Beugungsgitter 1199 zu richten, welches verwendet wird, um das rückgestreute Licht 1198 mit dem Referenzlicht 1051 zu rekombinieren. Wie zuvor unter Bezugnahme auf 9B beschrieben wurde, lenkt das Beugungsgitter den durch Rayleigh-Streuung zurückgestreuten Lichtstrahl 1198 so ab, daß er zwischen dem Beugungsgitter 1199 und dem Detektor 1060 in dieselbe Richtung propagiert, wie der reflektierte Lichtstrahl 1051.
12A ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines interferometrischen Detektionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Lichtquelle 1251 und vier Detektoren PDX₁, PDX₂, PDY₁, PDY₂. In einer Ausführungsform wird Licht, welches von der Lichtquelle 1251 propagiert, kollimiert und in Richtung auf ein Gitter 1201 propagiert. Ein Teil des von dem Gitter 1201 gebeugten Lichtes fällt auf einen jeden der vier Detektoren PDX₁, PDX₂, PDY₁, PDY₂. Zusätzlich gelangt ein Teil des von der Lichtquelle 1251 propagierenden Lichtes durch das Gitter 1201 zu der transparenten Schicht 315, wo es einer Rayleigh-Streuung unterworfen wird (in dieser Figur nicht gezeigt). Ein Teil des durch Rayleigh-Streuung gestreuten Lichtes wird dem von dem Gitter 1201 gebeugten Licht, welches auf die vier Detektoren PDX₁, PDX₂, PDY₁, PDY₂ fällt, überlagert. Die Detektoren PDX₁, PDX₂, PDY₂, PDY₂ sind beispielsweise so angeordnet, daß zwei Detektoren PDX₁, PDX₂ auf der x-Achse zum Detektieren der x-Verlagerung liegen, und zwei der Detektoren PDY₂, PDY₂ auf der y-Achse zum Detektieren der y-Verlagerung liegen, wie in 12A gezeigt ist. 12B ist eine Darstellung eines Querschnitts der Ausführungsform eines in 12A gezeigten interferometrischen Detektionssystems innerhalb einer optischen Eingabevorrichtung. Zur Erleichterung der Diskussion enthält 12B nur die zwei Detektoren PDX₁, PDX₂, die auf der x-Achse liegen und für die Detektion der x-Verlagerung bestimmt sind.
Wie in 12A zu sehen ist, werden PDX₁, PDX₂ Signale empfangen, die der Kombination der Verlagerung in der x-Richtung und der z-Richtung entsprechen. In der gezeigten Ausführungsform wird das Vorzeichen der Verlagerung entlang der x-Achse, die durch das von PDX₁ empfangene Signal bestimmt wird, umgekehrt zu dem Vorzeichen der Verlagerung entlang der x-Achse sein, die durch das von PDX₂ empfangene Signal bestimmt wird. Um die Diskussion zu erleichtern, wird im Folgenden angenommen, daß das von PDX₁ empfangene Signal die Kombination der Verlagerung in der negativen x-Richtung und der z-Richtung repräsentiert, während das von PDX₂ empfangene Signal die Kombination der Verlagerung in der positiven x-Richtung und der z-Richtung repräsentiert. PDY₁ und PDY₂ werden Signale empfangen, die der Kombination der Verlagerung in der y-Richtung und in der z-Richtung entsprechen. In der dargestellten Ausführungsform wird das Vorzeichen der Verlagerung entlang der y-Achse, die durch das von PDY₁ empfangene Signal bestimmt wird, umgekehrt zu dem Vorzeichen der Verlagerung entlang der y-Achse sein, die von PDY₂ empfangen wird. Wiederum sei der Einfachheit halber angenommen, daß das von PDY₁ empfangene Signal die Kombination der Verlagerung in der negativen y-Richtung und der z-Richtung repräsentiert, während das von PDY₂ empfangene Signal die Kombination der Verlagerung in der positiven y-Richtung und in der z-Richtung repräsentiert.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Konfigurationen können in manchen Ausführungsformen Accelerometer verwendet werden, um die Richtung der Verlagerung zu detektieren. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, daß eine Signalverarbeitung, die auf dem Zählen der Oszillationen im Dopplersignal oder auf der Anwendung einer Frequenzanalyse (z. B. FFT) beruhen, verwendet werden können, um den Wert der x-Verlagerung und/oder den Wert der z-Verlagerung aus den Signalen zu bestimmen, die durch die Detektoren PDX₁, PDX₂ empfangen werden. Auf ähnliche Weise kann der Wert der y-Verlagerung und/oder der Wert der z-Verlagerung aus den Signalen bestimmt werden, die von den Detektoren PDY₁, PDY₂ empfangen werden.
13 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines interferometrischen Detektionssystems mit einem transparenten Gitter 1301 gemäß der vorliegenden Erfindung. In dem in 13 gezeigten Beispiel umfaßt das interferometrische Detektionssystem 1300 eine Lichtquelle 1351, ein transparentes Gitter 1301 und vier Detektoren PDX₁, PDX₂, PDY₁, PDY₂. In einer Ausführungsform wird Licht, das von der Lichtquelle 1351 propagiert, kollimiert, und es propagiert in Richtung auf das transparente Gitter 1301. Ein Teil des Lichtes von der Lichtquelle 1351, die nullte Ordnung, wird entlang Pfad 1302 gebeugt. Ein Teil des Lichtes von der Lichtquelle 1351, die erste Ordnung, wird entlang der Wege 1303a, 1303b, 1303c, 1303d (allgemein 1303) gebeugt und wechselwirkt mit der transparenten Schicht 315. Beim Schneiden bzw. Auftreffen auf die transparente Schicht 315 reflektiert ein Teil des Lichtes von der Oberfläche 305 der transparenten Schicht entlang der Wege 1304a, 1304b, 1304c, bzw. 1304d (allgemein 1304). Darüber hinaus dringt ein Teil des Lichtes, welches sich entlang der Wege 1303 ausbreitet, in die transparente Schicht 315 ein und wird entlang der Wege 1304 durch Rayleigh-Streuung zu den Detektoren PDX₁, PDX₂, PDY₁ bzw. PDY₂ gestreut. Die Detektoren PDX₁, PDX₂, PDY₁, PDY₂ sind so angeordnet, daß sie die Reflektionen des Lichtes von der Fläche 305 empfangen, wenn die optische Eingabevorrichtung 110 auf der Fläche 305 ruht. Wie oben beschrieben wurde, repräsentiert somit das von den Detektoren PDX₁, PDX₂, PDY₁, PDY₂ gesammelte Licht eine Mischung von Licht, welches entlang der Wege 1303 propagiert, welches von der Fläche 305 reflektiert wird, und dem Licht, welches durch Rayleigh-Streuung entlang der Wege 1304 gestreut wird. Von den durch die Detektoren PDX₁, PDX₂, PDY₁, PDY₂ empfangenen Signalen kann die Verlagerung in der x-, y- und z-Richtung detektiert werden, wie oben unter Bezugnahme auf 12A beschrieben wurde.
Erzeugen von Merkmalen für Dunkelfeld-Abbildung:
I) System, das auf Tröpfchenablagerung kombiniert mit Dunkelfeld basiert:
A) Prinzip:
In einer Ausführungsform kann die Ablagerung von Wassertröpfchen auf einer Glasfläche eine gute Referenz zum Verfolgen auf der Glasfläche bilden. Ein herkömmliches LED- oder Laser-Beleuchtungssystem kann ausreichend Kontrast erzeugen. Alternativ kann letzterer wesentlich durch Dunkelfeld-Beleuchtung und/oder das Vorliegen von chemischen Substanzen in den Wassertröpfchen (oder die auf der Glasfläche verbreitet sind) verbessert werden. Die Kombination aus einer Ablagerung von Flüssigkeitströpfchen und Dunkelfeld-Abbildung erscheint somit eine sehr vielversprechende Weise für die Verfolgung auf Glas.
Ein Wasser-Markierungssystem hat mehrere Vorteile. Die transparente oder durchscheinende Fläche erscheint nicht dreckig, und die Flüssigkeit wird durch natürliche Verdampfung unsichtbar. Man beachte, daß andere geeignete Fluide anstelle von Wasser ebenfalls genutzt werden können. Jedoch macht die Ablagerung von Tröpfchen in kurzen Intervallen in einer Ausführungsform ein effizientes Ejektions- bzw. Ausstoßsystem und einen Aufbewahrungstank erforderlich. Die Schlüsselelemente und Funktionen solch eines Verfolgungssystems 1400 sind in 14 gezeigt.
Die Grundfunktion und zugehörigen Elemente, die in dem System vorliegen, werden später beschrieben.
B) Sammeln
Aufgrund des Fluidverbrauchs benötigt das System einen Sammeltank 1410, der regelmäßig zu füllen oder zu ersetzen sein kann. Verschiedene Lösungen sind möglich, wie beispielsweise die folgenden:
Passives Füllen: in einer Ausführungsform besteht der Tank aus einer entsorgbaren Patrone, die ersetzt wird, wenn sie leer ist. Alternativ wird ein dauerhafter Tank mit Fluid gefüllt, welches in einer Patrone enthalten ist.
Aktives Füllen: in einer Ausführungsform wird Feuchtigkeit gesammelt und während der Benutzung der Maus in den Tank geliefert. Dies kann durch ein Peltier-Kühlsystem erreicht werden. Dieses kann die Kondensation von Feuchtigkeit, die in der Umgebungsluft enthalten ist, induzieren. Es könnten Kapillarkräfte verwendet werden, um das kondensierte Wasser in dem Tank abzuziehen. 15 zeigt eine Art, auf die Kapillarkräfte erhalten werden könnten, mit einer porösen Matrix, die aus Löchern mit graduell variierenden Größen besteht.
Semiaktives Füllen: in einer Ausführungsform ist das Feuchtigkeits-Sammelsystem nur aktiv, wenn die Vorrichtung mit einer externen Stromzufuhr verbunden ist, wenn die Maus nicht benutzt wird. In einer Ausführungsform kann die Stromzufuhr beispielsweise dadurch erhalten werden, daß die Maus mit einem USB-Anschluss verbunden wird (Plug & Fill). In einer anderen Ausführungsform wird ein Gestell (z. B. eine Maus-Docking Station) verwendet, um die Stromzufuhr für das Feuchtigkeits-Sammelsystem (Peltier-Element) bereitzustellen. In noch einer weiteren Ausführugsform wird ein Gestell/eine Docking Station verwendet, um den Fluidtank direkt zu füllen. Beispielsweise enthält das Gestell einen Tank und ein Ventil, um die Fluidabgabe zu steuern.
C) Speicherung
In einer Ausführungsform liegt das erwartete Fluidvolumen, das zu speichern ist, zwischen 0,5 und 5 ccm. Aufgrund des begrenzten Raums, der in einer Maus verfügbar ist, besteht der Speichertank 1420 in einer Ausführungsform aus einem flexiblen Material, um um die anderen inneren Komponenten der Maus zu passen. Beispielsweise besteht der Tank in einer Ausführungsform aus einer flexiblen Flasche aus Silikon.
D) Ausstoß
Tröpfchen können auf verschiedene Arten ausgestoßen werden. Im Folgenden werden Beispiele angegeben:
In einer Ausführungsform wird das Volumen der Ausstoßkammer 1430 mit einem piezoelektrischen Element wie in einem Tintenstrahl-Druckkopf überwacht. In einer anderen Ausführungsform wird das Volumen der Ausstoßkammer mit einem thermischen System überwacht. Solch ein System gestattet die Steuerung der Tröpfchengröße (zu gewissem Grade), ebenso wie die Anzahl und das Ablagerungsmuster. In einer Ausführungsform enthält die Ausstoßvorrichtung 1430 einige Öffnungen, in Abhängigkeit von der verwendeten Tröpfchenkonfiguration (siehe Abschnitt F unten).
In einer Ausführungsform wird eine poröse Matrix erwärmt (beispielsweise mit elektrischem Strom), um das Fluid verdampfen zu lassen und es der natürlichen Kondensation zu überlassen, ein zufälliges Tröpfchenmuster auf der Glasfläche zu erzeugen (siehe 15).
E) Detektion
Um den Kontrast zwischen den Tröpfchen und dem Glasflächen-Hintergrund zu erhöhen, wird in manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Dunkelfeld-Beleuchtungssystem verwendet, wie es oben beschrieben wurde. In einer Ausführungsform könnte die Steuerung von einigen der Tröpfcheneigenschaften (siehe Abschnitt G unten) zusätzlich zur Dunkelfeld-Abbildung verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform könnte die Steuerung von einigen der Tröpfcheneigenschaften (siehe Abschnitt G unten) als eine Alternative zur Dunkelfeld-Abbildung verwendet werden.
F) Verfolgung
Die Verfolgung kann durch das Ablagern eines einzigen Tröpfchens oder eines Clusters von Tröpfchen 1405 in dem Sichtfeld (FOV) des Abbildungssystems erreicht werden. Das oben beschriebene druckbasierte Ausstoßsystem steuert die Größe, Form, Anzahl und Konfiguration der Tröpfchen 1405. In einer Ausführungsform haben die Tröpfchen 1405 eine hemisphertsche Form (Meniskus infolge der Oberflächenspannung des Wassers) mit einem Durchmesser D an der Oberfläche, der zwischen 10 und 100 μm beträgt. Je geringer D ist, desto schwieriger ist die Detektion (aufgrund der geringen Größe und der kurzen Verdampfungszeit), aber desto niedriger ist auch der Flüssigkeitsverbrauch.
Es können mehrere Tröpfchenkonfigurationen verwendet werden. In einer Ausführungsform wird ein einziges Tröpfchen in der Mitte des Sichtfeldes abgelagert. In einer anderen Ausführungsform wird ein regelmäßiges Muster von Tröpfchen unter einem bekannten Abstand relativ zueinander abgelagert, beispielsweise in einer isometrischen dreieckigen Anordnung oder in einer hexagonalen Anordnung. In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein zufälliges Tröpfchenmuster abgelagert (wie es beispielsweise mit einem System erzeugt wird, welches auf Verdampfung und Kondensation beruht). Ferner können in einer Ausführungsform die physikalischen Eigenschaften der Tröpfchen zu einem gewissen Grad gesteuert werden, wie unten in Abschnitt G beschrieben wird. In einer Ausführungsform wird das Intervall zwischen einer Serie von Tröpfchen-Ablagerungen durch die Verdampfungszeit festgelegt. In einer anderen Ausführungsform wird dieses Intervall auf Grundlage der Zeit zum Erreichen der Grenze des Sichtfeldes festgelegt (d. h., es hängt von der Mausgeschwindigkeit und der Größe des Sichtfeldes ab). In noch einer anderen Ausführungsform wird dieses Intervall durch eine Kombination solcher Faktoren festgelegt.
G) Steuerung der Tröpfcheneigenschaften
In einer Ausführungsform können, um die Verfolgung zu erleichtern, manche der Tröpfcheneigenschaften zu einem gewissen Grade gesteuert werden, um die Detektion zu verbessern und die Verdampfungszeit zu erhöhen. In einer Ausführungsform kann eine chemische Substanz auf der Glasfläche verteilt sein (beispielsweise mit einem imprägnierten Staubtuch). In einer anderen Ausführungsform wird eine chemische Substanz in der Tröpfchenflüssigkeit verdünnt.
Additive wie beispielsweise alle oberflächenaktive Substanzen können die Oberflächenspannung der Tröpfchen ändern und dadurch den Tröpfchenmeniskus (d. h., den Krümmungsradius und Winkel relativ zur Oberfläche) und die Verdampfungszeit modifizieren. Die Steuerung der Meniskusform kann die Detektion bei der Dunkelfeld-Abbildung aufgrund einer größeren Sammlung von rückgestreutem Licht stark erleichtern. Darüber hinaus kann eine hydrophobe Schicht auf der Glasfläche die Verdampfungszeit signifikant verlangsamen. Dies bietet mehr Zeit für die Detektion und verringert den Flüssigkeitsverbrauch. In einer Ausführungsform können chemische Stoffe mit fluoreszierenden Eigenschaften (typischerweise im UV-Bereich) oder die nur im Nahinfraroten (NIR) Bereich sichtbar sind, zugefügt werden. Manche Materialien, die verwendet werden können, um die Tröpfcheneigenschaften zu modifizieren und ihre Detektion zu erleichtern, werden ferner im nächsten Abschnitt diskutiert.
II) Musterablagerung auf Glas vor Benutzung der Maus
In einer Ausführungsform wird ein Muster – unsichtbar für einen menschlichen Beobachter – auf der Glasfläche vor der Benutzung der Maus verteilt bzw. ausgebreitet (z. B. mit einem Staubtuch oder als Spray). Ein kontrastreiches Muster ist dann im UV-Spektrum, Nahinfrarot-Spektrum (z. B. Absorption- oder Transmissionsmuster) oder in dem sichtbaren Spektrum detektierbar, wenn ein fluoreszentes Material verwendet wird.
Beispiele für Materialien, die benutzt werden können, umfassen Kohlenwasserstoffe, Öl, Fett, Polymere, Seife, fluoreszente Moleküle etc. Einige Beispiele werden im Folgenden angegeben. In der Kategorie Kohlenwasserstoffe, Fett gibt Molybdän-Disulfid-Fett (MoS₂) gute Resultate für die Verfolgung sowohl unter sichtbarer (640 nm) als auch IR (850 nm) Beleuchtung mit Standard-Maussensoren. MoS₂-Fett ist sehr üblich für Getriebe- und Lagerschmierung und daher kostengünstig. Molybdän-Disulfid (MoS₂) Partikel verbessern die Qualität der Verfolgung. Die Glasfläche erscheint außerdem weniger dreckig als beispielsweise mit menschlichem Hand-Fett.
In einer anderen Ausführungsform kann ein (für das bloße Auge) unsichtbarer Farbstoff, der unter UV-Beleuchtung fluoresziert, verwendet werden, um die Glasfläche mit einem detektierbaren und erkennbaren Muster zu markieren (fluoreszente Tinte). Die UV-Anregung wird in einer Ausführungsform mit einer UV-LED (z. B. 375 nm) durchgeführt. Das emittierte fluoreszente Licht kann in dem sichbaren oder Nahinfrarot-Band liegen. In einer Ausführungsform wird Standardfluoreszein (C₂₀H₁₂O₅) verwendet. Alternativ sind manche unsichtbaren UV-Stempeltinten auf Glas permanent und können im blauen Band, grünen Band oder roten Band (617 nm) fluoreszieren.
In noch einer anderen Ausführungsform wird eine IR-fluoreszente Tinte verwendet. Solche Tinten haben typischerweise eine Stimulationsspitzen(Absorptionsspitzen)-Wellenlänge von 793 nm und eine Emissionswellenlänge (Fluoreszenzwellenlänge) von 840 nm. Sowohl Absorption als auch Emission können verwendet werden, um einen Kontrast für die Verfolgung zu erzeugen:
Absorption: die IR-Fluoreszenztinte kann mit einer 720 bis 740 nm IR-LED angeregt werden. Dunkle Flecken werden auf dem Sensorbild an Stellen auftreten, an denen die Tinte das Licht absorbiert.
Emission: die IR-Fluoreszenztinte kann mit einer 720 bis 740 nm IR-LED oder einer auf der roten Seite emittierenden Laserdiode stimuliert werden. Der Sensor benötigt einen 830 nm Filter, um das emittierte Fluoreszenzlicht zu detektieren.
III) Schmutzverteilung
Eine andere Ausführungsform zum Verfolgen auf Glas oder anderen transparenten oder durchscheinenden Flächen wird unten beschrieben.
Für eine Maus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Mauskörper einen Polymerring – typischerweise mit einigen Öffnungen –, der das Abbildungs-Sichtfeld umgibt (das ringartige Element kann als eine Serie von Mausfüßen angesehen werden, die miteinander in Kontakt sind oder unter engen Zwischenräumen angeordnet sind). Dieses umgebene Element ist mit der Glasfläche in Kontakt, um Schmutzreste zu verteilen, die sich bereits auf der Glasfläche befinden. Dies verringert das Risiko, saubere Bereiche auf der Glasfläche zu haben, auf denen ein Dunkelfeld-System nicht in der Lage wäre, zu verfolgen. In manchen Ausführungsformen ist das Schmutz-Verteilungselement in, an oder um die Füße einer Maus herum angeordnet.
In verschiedenen Ausfünhrungsformen besteht der Schmutz-Verteiler aus verschiedenen Materialien wie beispielsweise Schaumstoff, Polymer, Mikro-Airbrush, Teflonskater etc. Ferner variiert die Form, Textur etc. des Schmutz-Verteilers in unterschiedlichen Ausführungsformen. Beispielsweise kann der Schmutz-Verteiler kreisförmig, segmentiert usw. sein.
Darüber hinaus kann in einer Ausführungsform eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere Elemente zum Bereitstellen zusätzlichen Schmutzes enthalten. In einer Ausführungsform wäre solch ein Element ähnlich zu dem Ende eines Weichtintenstiftes, der ein fettiges Fluid oder irgendein anderes Material enthält, welches die Fläche markiert.
Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Techniken im Zusammenhang mit der oben beschriebenen Dunkelfeld-Abbildung verwendet werden können.
IV) Verfolgen thermischer Punkte:
In einer Ausführungsform wird ein heißer Punkt 1605 auf der transparenten Fläche 305 mit einem fokussierten Laserstrahl 1607 erzeugt und dann auf ein IR-Detektorarray 1610 abgebildet, um als Bezugsmerkmal für die Verfolgung zu dienen. In einer Ausführungsform wird ein neuer heißer Punkt entweder erzeugt, wenn der heiße Punkt kurz davor ist, aus dem Sichtfeld zu fallen, welches durch die Arraygröße definiert ist, oder wenn die Temperatur des heißen Punktes unter einen vorbestimmten Schwellenwert Δ₀ (relativ zur Umgebungstemperatur) fällt.
Eine mögliche Konfiguration für das Verfolgen von thermischen Punkten ist in 16 dargestellt. In einer Ausführungsform wird eine reflektive Optik verwendet, um Germaniumlinsen zu vermeiden, die andernfalls in dem IR-Bereich oberhalb des Glas-Transmissionsbereichs (5 μm) benötigt werden könnten.
Einige physikalische Erwägungen und Systemvoraussetzungen für die Implementierung solch eines Verfolgungsprinzips gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind hier im Folgenden aufgelistet:

– die Lichtquelle ist leistungsfähig genug, um einen detektierbaren heißen Punkt zu erzeugen.
– Die Lichtquellenleistung erfüllt die Augen-Sicherheitsnormen.
– Die Heizzeit t_h reicht aus, um ein ausreichendes Erwärmen zu gestatten und um den räumlichen Ort des heißen Punktes während der Maus-Verlagerung bereitzustellen.
– Die Zeitkonstante für das Abkühlen des heißen Punktes ist lang genug, um eine Temperatur während eines Zeitintervalls t, bis zur Erzeugung eines neuen Punktes über einem Detektions-Schwellenwert Δ₀ zu halten.
– Die pro Pixel verbrachte Zeit – bestimmt durch die Anzahl von Pixeln N×N, die räumliche Auflösung Δx und die maximale Mausgeschwindigkeit (0,5 m pro Sekunde) – ist lang genug, um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten.

17 zeigt einen Graph des Erwärmens über der Zeit. Einige der wichtigen Parameter, die mit dem Erzeugen und Kühlen eines Hotspots zusammenhängen, sind in 17 gezeigt. Die verwendeten/erhaltenen Werte in einer Ausführungsform werden im Folgenden angegeben:
t_h = 10 μs
t₁ = 1 ms
P_max = 100 mW
P_mean = 1 mW
Heizenergie Eh = 1 μJ
N×N = 50² Pixel
Δx = 20 μm (Resol = Pixelgröße bei G = 1)
d = 10 μm
h = 50 μm
Vergrößerungsfaktor G = 1
In einer Ausführungsform wird das Glas mit einer Quelle erwärmt, die bei Wellenlängen emittiert, die im Spektralbereich der Glasabsorption liegen, d. h. im UV- oder IR oberhalb von 5 μm. Beispiele für IR-Bereichs-Quellen sind Kaskadenlaser, die von der Firma AlpLaser hergestellt werden. In einer Ausführungsform wird das Glas mit einer Quelle erhitzt, die im Glas-Transmissions-Spektralbereich bei verfügbaren Wellenlängen emittiert (z. B. VCSEL in sichtbarem oder NIR).
In einer Ausführungsform wird eine Temperaturdifferenz von mindestens 10°C für eine erfolgreiche Verfolgung benötigt.
18 zeigt die spektralen Emissionskurven der Strahlung eines schwarzen Körpers für T = 293 Kelvin (20°C) und für T + Δt₀ (10°C) sowie die Wellenlängentransmission oder Detektionsbereiche von verschiedenen Materialien.
In manchen Ausführungsformen, mit moderatem Kühlen, welches beispielsweise mit einem Peltier-Element erreicht werden könnte, werden Detektoren wie beispielsweise HgCdZnTe oder PbSe verwendet. In anderen Ausführungsformen werden pyroelektrische Detektoren verwendet. Analog zu piezoelektrischen Materialien, bei denen eine mechanische Spannung elektrische Polarisation erzeugt, sind pyroelektrische Materialien empfindlich gegenüber einer Temperaturdifferenz. Jedoch bewegen sich in pyroelektrischen Materialien Ionen im modifizierten Kristallgitter, bis sie das Equilibrium erreichen und die Spannungsdifferenz verschwindet. Somit sind pyroelektrische Sektoren nur empfindlich gegenüber Temperaturänderungen, d. h., AC-Signalen. Im Allgemeinen werden sie mit mechanischen Choppern oder amplitudenmodulierten Quellen verwendet.
Beispiele von Gründen für Temperaturvariationen umfassen Folgendes:

– für schnelle Mausverlagerung, die Energievariation, wenn von einem Pixel zu einem anderen bewegt wird.
– Für langsame Mausverlagerungen (oder keine Verlagerungen), die Energievariation, die durch die Einschaltdauer bzw. das astverhältnis der VCSEL-Quelle erzeugt wird (Emission während t_h bei regulärem Intervall t₁).

In einer Ausführungsform wird ein zweidimensionales pyroelektrisches Detektorarray verwendet.
Es versteht sich, daß die verschiedenen Verfahren, die für das Verfolgen auf Glas (oder anderen transparenten oder durchscheinenden Flächen) beschrieben wurden, für sich oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen Verfahren verwendet werden können. Beispielsweise können auf einer Glasfläche abgelagerte Tröpfchen entweder mit einem herkömmlichen Beleuchtungssystem oder mit einer Dunkelfeld-Abbildung verwendet werden. Ferner kann die Steuerung der Fluideigenschaften zur Kontraststeigerung ebenfalls sowohl mit dem herkömmlichen Beleuchtungssystem als auch einem Dunkelfeld-Abbildungssystem verwendet werden. Ferner wird in einer Ausführungsform ein ”schlaues System” verwendet, welches von einer dieser Modalitäten zur anderen umschaltet, oder zu einer Kombination solcher Modalitäten. Beispielsweise kann die Dunkelfeld-Verfolgung allein auf dreckigem Glas verwendet werden (Verfolgen von Schmutzresten), während die Tröpfchenablagerung oder das Wischen der Fläche nur durchgeführt werden könnte, wenn das Dunkelfeld alleine nicht genügend Kontrast liefert. Solch ein Umschalten kann entweder manuell oder automatisch aktiviert werden.
In Anbetracht der oben beschriebenen Quellen und Konfigurationen beachte man, daß in einer Ausführungsform ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine der zwei Abbildungsmoden annehmen wird, in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen:
Wenn sich kein Material unter dem Glas befindet, wird die Verfolgung anhand von Verunreinigungsmerkmalen auf der Glasfläche durchgeführt.
Wenn ein streuendes Material unter dem Glas vorhanden ist, welches ein Hintergrundsignal ergibt, das größer ist, als dasjenige, das auf die soeben genannte Weise erhalten wird, wird die Verfolgung anhand von Fleckchen oder Punkten durchgeführt, die durch das Hintergrundsignal in der Abbildungsebene (d. h., an der Glasfläche) erzeugt werden.
Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß die hierin offenbarten Ausführungsformen ein neues und vorteilhaftes System und Verfahren für die Erfassung in einer optischen Vorrichtung angeben. Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich exemplarische Verfahren und Ausführungsformen. Wie dem Fachmann ersichtlich ist, kann die Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne von deren Geist oder wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Beispielsweise können die diskutierten Ausführungsformen in anderen Gebieten und Umgebungen angewendet werden, und sie können in Verbindung mit zusätzlichen Anwendungen verwendet werden, in denen eine optische Erfassung wünschenswert ist. Dementsprechend soll die Offenbarung illustrativ, aber für den Schutzbereich der Erfindung nicht limitierend aufgefaßt werden.

Claims

Optisches Dunkelfeld-Verlagerungsdetektionssystem (700, 1400) einer optischen Eingabevorrichtung, das zu einem Tracking auf einer Fläche (305) einer Glasschicht (315), in der Lage ist, wobei die Fläche (305) bestimmte Merkmale (705, 1405) auf sich hat, wobei das System (700) Folgendes umfaßt: eine Lichtquelle zum Beleuchten der Fläche, eine Linse (750, 1450), die so angeordnet ist, daß sie zumindest etwas Licht empfängt, welches von den bestimmten Merkmalen (705, 1405) auf der Fläche (305) gebeugt ist, aber nicht das Licht nullter Ordnung, welches von der Fläche (305) reflektiert wird, und einen optisch mit der Linse gekoppelten Detektor (740, 1440), der zumindest etwas gebeugtes Licht empfängt.
Optisches Dunkelfeld-Verlagerungsdetektionssystem (700) nach Anspruch 1, bei dem das System (700) ferner ein Beleuchtungs-Untersystem (800) umfaßt, das N räumlich inkohärente Lichtquellen (851, 852, 853) umfaßt, um eine nicht gleichförmige radiale Beleuchtung herzustellen.
Optisches Dunkelfeld-Verlagerungsdetektionssystem (700) nach Anspruch 1, bei dem das System (700) ferner ein Beleuchtungs-Untersystem (850) umfaßt, welches eine Laserdiode (854) und ein diffraktives optisches Element (882) umfaßt, um eine gleichförmige radiale Beleuchtung herzustellen.
Optisches Dunkelfeld-Verlagerungsdetektionssystem nach Anspruch 1, bei dem das System ein Beleuchtungs-Untersystem (880) umfaßt, welches ein diffraktives optisches Element (882) und einen sphärischen Spiegel (884) umfaßt, um eine gleichförmige radiale Beleuchtung herzustellen.
Optisches Dunkelfeld-Verlagerungsdetektionssystem (700) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, bei dem die bestimmten Merkmale (705) Schmutzreste sind und bei dem das System ferner einen Schmutzverteiler umfaßt, der mit der Fläche in Kontakt ist.
Optisches Dunkelfeld-Verlagerungsdetektionssystem (700) nach Anspruch 5, bei dem ein Material des Schmutzverteilers eines der folgenden Materialien ist: Schaumstoff, Polymer, Mikro-Airbrush und Teflon-Skater.
Optisches Dunkelfeld-Verlagerungsdetektionssystem (700, 1400) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die bestimmten Merkmale Flüssigkeitströpfchen (1405) sind.
Optisches Dunkelfeld-Verlagerungsdetektionssystem (1400) nach Anspruch 7, wobei das System ferner Folgendes umfaßt: ein Speichermodul (1420) zum Speichern einer Flüssigkeit, ein Ausstoßsystem (930), welches mit dem Speichermodul (1420) gekoppelt ist, zum Ausstoßen von Tröpfchen (1405) der Flüssigkeit auf die Fläche (305), und wobei die Linse (1450) so angeordnet ist, daß sie zumindest etwas Licht von den Flüssigkeitströpfchen (1405) auf der Fläche (305) empfängt, und der Detektor (1440) optisch mit der Linse gekoppelt ist, um das genannte Licht zu empfangen.
Optisches Dunkelfeld-Verlagerungsdetektionssystem (1400) nach Anspruch 8, bei dem die Flüssigkeit durch Wasser gebildet wird.
Optische Verlagerungsdetektionsvorrichtung zur Verfolgung auf verschiedenen Flächen, wobei die Vorrichtung Folgendes umfaßt: ein optisches Dunkelfeld-Verlagerungsdetektionssystem (700) nach Anspruch 1 und ein herkömmliches Abbildungsmodul für eine optische Verlagerungsdetektion auf einer zweiten Fläche aus einem optisch rauhen Material, wobei das herkömmliche Abbildungssystem Folgendes umfaßt: eine zweite Lichtquelle zum Beleuchten der zweiten Fläche, eine zweite Linse, die so angeordnet ist, daß sie zumindest etwas Licht von der zweiten Fläche empfängt, und einen zweiten Detektor, der optisch mit der zweiten Linse gekoppelt ist, um das genannte Licht zu detektieren.
Optische Verlagerungsdetektionsvorrichtung nach Anspruch 10, welches ferner Folgendes umfaßt: ein Anhebedetektionsmodul zum Detektieren, daß die optische Detektionsvorrichtung nicht mit der ersten Fläche (305) in Kontakt ist.