DE102008010945A1

DE102008010945A1 - Zeigegerät

Info

Publication number: DE102008010945A1
Application number: DE102008010945A
Authority: DE
Inventors: Nobutaka Itagaki
Original assignee: Avago Technologies ECBU IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: US7791735B2; DE102008010945B4; KR100958004B1; DE102008010945A9; GB0803482D0; KR20080079218A; GB2446961B; CN101256454B; US20080204761A1; JP2008210100A; CN101256454A; TW200901011A; TWI362604B; JP5108330B2; GB2446961A

Abstract

Zur Verbesserung der Genauigkeit des Detektierens der Position einer optischen Maus sogar auf einem glatten Substrat wird ein Zeigegerät bereitgestellt, das Folgendes enthält: eine Lichtquelle, die einfallendes Licht zum Beleuchten einer Vorderfläche eines Substrats in einem vorgegebenen Einfallswinkel aussendet, wobei das Substrat eine Rückfläche sowie die Vorderfläche aufweist und für die Wellenlänge des einfallenden Lichts durchlässig ist; einen Detektor, der die Intensität von Fleckenlicht von der Vorderfläche und der Rückfläche detektiert, wobei das Fleckenlicht von dem einfallenden Licht erzeugt wird; und Beine, die mit dem Substrat in Kontakt stehen und die Vorderfläche des Substrats durch Reibung zwischen den Beinen und dem Substrat aufladen.

Description

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung 2007-045450 , eingereicht in Japan am 26. Februar 2007.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum optischen Detektieren von Bewegung, und insbesondere ein optisches Zeigegerät oder ein optisches Navigationsgerät, das als ein Peripheriegerät verwendet wird, das an einen Personalcomputer, etc., angeschlossen ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Das Japanische Patent Nr. 3771081 offenbart eine nicht-mechanische oder optische Maus und ein Zeigegerät, die derzeit kommerziell erhältlich sind. Ein solches Gerät sendet Licht aus und beleuchtet eine Arbeitsebene in einem kleinen Einfallswinkel, 70° bis 85°, und detektiert eine feine Textur der Oberfläche auf der Grundlage von beleuchteten und abgeschatteten Abschnitten. Im Allgemeinen wird eine LED zum Erzeugen von Licht verwendet, wohingegen in einigen Fällen eine Laserdiode (insbesondere ein VCSEL) verwendet wird, um die Effizienz der Identifizierung der feinen Textur zu verbessern.
Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-50349 beschreibt ein Zeigegerät, das einen optischen Bewegungsdetektionsschaltkreis enthält, der den Bewegungsbetrag mittels Aussendens von Infrarotlicht und Detektierens einer Korrelation zwischen Bildern auf der Grundlage des von einer Oberfläche reflektierten Lichts ermittelt. Der Bewegungsdetektionsschaltkreis (Zeigegerät) korreliert einen Bezugsframe, der aus digitalisierten Ausgabewerten des reflektierten Lichts gebildet wird, die von einem optischen Detektor erhalten werden, mit einem Abtastframe, der aus digitalisierten Ausgabewerten gebildet wird, die im Anschluss an den Bezugsframe erhalten wurden, um die Bewegung in einer vorgegebenen Richtung zu überprüfen.
Ein bekanntes Zeigegerät, das derzeit kommerziell erhältlich ist, ist zum Beispiel ein Bewegungsdetektionsgerät, das in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-246921 beschrieben ist. Dieses Gerät enthält eine Lichtquelle, die kohärentes Licht erzeugt, wie zum Beispiel eine Laserdiode, und einen Navigationssensor. Das Gerät detektiert reflektiertes Licht des Lichts von der Lichtquelle, um den Bewegungsbetrag des Zeigegerätes (zum Beispiel einer Maus) zu ermitteln.
Das in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-50349 oder der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-246921 beschriebene Zeigegerät arbeitet möglicherweise nicht korrekt oder hat möglicherweise eine Fehlfunktion, wenn es auf einer Oberfläche verwendet wird, die aus Glasmaterial hergestellt ist. Das resultiert aus der Tatsache, dass ein Äquivalent der feinen Textur, die in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-50349 und in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-246921 detektiert werden kann, nicht detektiert wird, weil das Glasmaterial extrem wenig Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweist. Des Weiteren trägt die Tatsache, dass die Oberflächenrauigkeit der Glasoberfläche, die ungefähr einige weinige Nanometer beträgt, viel kleiner ist als nicht nur die Wellenlänge des einfallenden Lichts, sondern auch als jeder Pixel in dem optischen Detektor, ebenfalls zu der Schwierigkeit des Detektierens einer feinen Textur bei.
Die Signalintensität des oben beschriebenen reflektierten Lichts wird nun kurz erläutert. Um die Intensität von Licht, das von einer Substratoberfläche, die eine gewisse Oberflächenrauigkeit aufweist, reflektiert wird, als eine Grauskalenänderung zu detektieren, muss im Allgemeinen die Größe der Grauskalenänderung größer sein als die Wellenlänge des Lichts und im Wesentlichen die gleiche wie die Größe eines Pixels, das zur Detektion verwendet wird.
Da die Oberflächenrauigkeit eines Glasmaterials extrem klein ist, das heißt, etwa einige wenige Nanometer, ist es schwierig, den Betrag der Änderung der Intensität des von einer solchen Oberfläche reflektierten Lichts mit hoher Empfindlichkeit zu detektieren.
Bei der Spiegelreflexion ist die Intensität von reflektiertem Licht im Wesentlichen gleich der Intensität von einfallendem Licht, variiert aber entsprechend dem Reflexionskoeffizienten der Oberfläche, wenn ihr Material Glas oder dergleichen ist (der Reflexionskoeffizient hängt von der Polarisationsrichtung und dem Einfallswinkel des Lichts ab). Wenn R als der Reflexionskoeffizient und I_IN als die Intensität des einfallenden Lichts angenommen wird, so wird die durchschnittliche Intensität I_R des reflektierten Lichts durch die folgende Gleichung ausgedrückt: IR = R × IIN (Gleichung 1)
Im Allgemeinen wird die durchschnittliche Intensität I_d von Fleckenlicht, das von der Oberfläche ausgesandt wird, durch die folgende Gleichung ausgedrückt: Id ≅ (4πσ/λ)2 × IR (Gleichung 2)
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zeigegerät, wie zum Beispiel eine optische Maus, bereitzustellen, das auch auf einem glatten Substrat, das aus Glas oder dergleichen hergestellt ist, verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Zeigegerät gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ein Zeigegerät bereit, das sogar auf einem Substrat mit einer extrem geringen Oberflächenrauigkeit präzise arbeitet, indem eine Apertur benutzt wird, um reflektiertes Licht von der Vorderfläche und der Rückfläche des Substrats auf einem Detektor einander zu überlagern.
Zur Verbesserung der Genauigkeit des Detektierens der Position einer optischen Maus sogar auf einem glatten Substrat wird ein Zeigegerät bereitgestellt, das Folgendes enthält: eine Lichtquelle, die eingerichtet ist, einfallendes Licht zum Beleuchten einer Vorderfläche eines Substrats in einem vorgegebenen Einfallswinkel auszusenden, wobei das Substrat eine Rückfläche sowie die Vorderfläche aufweist und für die Wellenlänge des einfallenden Lichts durchlässig ist; einen Detektor, der eingerichtet ist, die Intensität von Fleckenlicht von der Vorderfläche und von der Rückfläche zu detektieren, wobei das Fleckenlicht von dem einfallenden Licht erzeugt wird; und Beine, die mit dem Substrat in Kontakt bringbar sind und eingerichtet sind, die Vorderfläche des Substrats durch Reibung zwischen den Beinen und dem Substrat aufzuladen.
Insbesondere wird ein Zeigegerät bereitgestellt, das Folgendes enthält:
eine Lichtquelle, die einfallendes Licht zum Beleuchten einer Vorderfläche eines Substrats in einem vorgegebenen Einfallswinkel aussendet, wobei das Substrat eine Rückfläche sowie die Vorderfläche aufweist und für die Wellenlänge des einfallenden Lichts durchlässig ist;
einen Detektor, der die Intensität von Fleckenlicht von der Vorderfläche und der Rückfläche detektiert, wobei das Fleckenlicht von dem einfallenden Licht erzeugt wird; und
Beine, die mit dem Substrat in Kontakt stehen und die Vorderfläche des Substrats durch Reibung zwischen den Beinen und dem Substrat aufladen. Ein Navigationssystem, das auf diese Art Fleckenlicht verwendet, hat im Vergleich zu einem Verfahren, das reflektiertes Licht verwendet, den Vorteil, das es in der Lage ist, eine sehr kleine Oberflächenrauigkeit zu detektieren, auch wenn der Signalpegel des Fleckenlichts klein ist.
Der Begriff "Fleckenlicht" (oder Speckle-Licht) meint insbesondere das Licht, das von einem bestimmten Muster erhalten wird, das durch Unregelmäßigkeiten auf der Vorderfläche oder der Rückfläche eines Gegenstandes gebildet wird, wenn der Gegenstand mit Licht bestrahlt wird. Der Fachmann wird erkennen, dass als Fleckenmuster oder Specklemuster oder Granulation insbesondere eine körnige Struktur bezeichnet werden kann, die bei entsprechender Beleuchtung einer Fläche (zum Beispiel optische Unebenheiten in der Größenordnung der Wellenlänge) im Fernfeld reflektierten Lichts bei dessen Abbildung auf einen Detektor sichtbar werden kann. Ein einzelner Lichtfleck innerhalb dieses Musters kann als Speckle (Sprenkel, Tupfen) bezeichnet werden.
Ein bevorzugter Aspekt des Zeigegerätes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet des Weiteren eine Apertur mit einer Öffnung, durch die das Fleckenlicht hindurchtritt, und die Längsrichtung der Öffnung liegt in der Richtung des Einfallswinkels, so dass das Fleckenlicht von der Vorderseite mit dem Fleckenlicht von der Rückseite auf dem Detektor überlappt. Ein bevorzugter Aspekt der Öffnung des Zeigegerätes ist eine rechteckige Öffnung, die sich in der Längsrichtung erstreckt, oder ein Schlitz mit einer Öffnung in der Längsrichtung. Ein bevorzugter Aspekt des Zeigegerätes beinhaltet des Weiteren eine Linse zum Fokussieren oder Divergieren des einfallenden Lichts von der Lichtquelle. Ein bevorzugter Aspekt der Lichtquelle ist eine Laserlichtquelle. Die Laserlichtquelle ist besonders bevorzugt ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (im Weiteren als ein "VCSEL", Vertical Cavity Surface Emitting Laser, bezeichnet).
Ein bevorzugter Aspekt des Zeigegerätes beinhaltet des Weiteren ein optisches Filter oder eine Linse zwischen der Apertur und dem Substrat, weil das optische Filter externes Streulicht blocken kann und die Linse es ermöglicht, mehr Fleckenlicht von dem Substrat zu erhalten, so dass das Signal-Rausch-Verhältnis und damit die Detektionsgenauigkeit verbessert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Signalintensität erhöht werden, da nicht nur reflektiertes Licht von der vorderen Oberfläche des Substrats, sondern auch reflektiertes Licht von der rückseitigen Oberfläche verwendet wird. Des Weiteren bewirkt eine Bewegung des Zeigegerätes Reibung zwischen den Beinen und dem Substrat, so dass das Substrat elektrisch aufgeladen wird. Darum werden Staubpartikel in der Luft zu dem Substrat angezogen, um die scheinbare (oder effektive) Oberflächenrauigkeit des Substrats zu erhöhen, was eine weitere Erhöhung der Signalintensität ermöglicht. Somit kann ein Zeigegerät selbst auf einem Substrat mit einer extrem geringen Oberflächenrauigkeit präzise arbeiten, und die Verfolgbarkeitspräzision (Tracking Performance) wird verbessert.
Des Weiteren kann das Zeigegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nicht nur auf einem transparenten oder lichtdurchlässigen Substrat verwendet werden, sondern auch auf einem Substrat, auf dem eine typische optische Maus arbeiten kann, wie zum Beispiel eine weiße Platte. In diesem Fall kommt zu detektierendes Fleckenlicht überwiegend von der Oberseite oder oberen Fläche der weißen Platte. Kurzbeschreibung der Figuren
1A ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau eines Zeigegerätes 1 zeigt, das zum implementieren eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und 1B ist eine perspektivische Ansicht, welche die Form der Öffnung einer Apertur 5 zeigt, die in 1A verwendet wird.
2 ist eine schematische Ansicht, welche die Form der Öffnung der Apertur zeigt, die zum Implementieren eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3 ist eine Querschnittsansicht, die den inneren Aufbau des in 1 gezeigten Zeigegerätes 1, die Position der Apertur 5 und die Pfade des reflektierten Lichts von der Vorderfläche und der Rückfläche eines Substrats 6 zeigt.
4A ist eine Fotografie, die mit Hilfe einer im Beispiel beschriebenen CCD erhalten wurde, um das Fleckenlicht von der Vorderfläche des Substrats 6 abzubilden; 4B ist eine Fotografie, die mit Hilfe der im Beispiel beschriebenen CCD erhalten wurde, um Fleckenlicht von der Rückfläche des Substrats abzubilden; und 4C ist eine Fotografie, die mit Hilfe der im Beispiel beschriebenen CCD erhalten wurde, um Fleckenlicht von sowohl der Vorderfläche als auch der Rückfläche des Substrats 6 abzubilden.
5A ist eine Fotografie, die mit Hilfe der CCD, wie in 4, erhalten wurde, um Fleckenlicht von der Vorderseite des Substrats 6 durch eine quadratische Apertur (die einer herkömmlichen Apertur entspricht) hindurch abzubilden; 5B ist eine Fotografie, die mit Hilfe der CCD, wie in 4, erhalten wurde, um Fleckenlicht von der Rückseite des Substrats 6 durch die quadratische Apertur (die einer herkömmlichen Apertur entspricht) hindurch abzubilden; und 5C ist eine Fotografie, die mit Hilfe der CCD, wie in 4, erhalten wurde, um das Fleckenlicht von sowohl der Vorderfläche als auch der Rückfläche des Substrats 6 durch die quadratische Apertur (die einer herkömmlichen Apertur entspricht) hindurch abzubilden.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
1A zeigt ein Zeigegerät 1, das zum Implementieren eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das Zeigegerät 1 enthält eine Laserlichtquelle 2, eine Linse 3, die an einer beliebig ausgewählten Position angeordnet ist und das Licht von der Lichtquelle 2 fokussiert oder divergiert, einen optischen Detektor 4, der Fleckenlicht empfängt, das von dem Licht erhalten wird, das von der Lichtquelle 2 unter einem vorgegebenen Einfallswinkel auf ein Substrat 6 auftrifft, eine Apertur 5 mit einer Öffnung, durch die ein Teil des reflektierten Lichts von dem Substrat 6 hindurchtritt, und Beine 7, die mit dem Substrat 6 in Kontakt stehen und das Zeigegerät 1 tragen oder stützen.
Die Lichtquelle 2 kann zum Beispiel ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) sein. Die Lichtquelle 2 ist jedoch nicht auf eine solche Laserlichtquelle beschränkt, sondern kann auch eine andere zum Beispiel kohärente Lichtquelle sein. Der von der Lichtquelle 2 ausgesandte Strahl braucht kein kollimiertes Licht wie Laserlicht zu sein (obgleich kollimiertes Licht den Vorteil hat, die gleichen Verfolgbarkeitseigenschaften sowohl in der X-Achse als auch in der Y-Achse aufzuweisen). Wenn unkollimiertes Licht verwendet wird, so können eine (nicht gezeigte) kreuzförmige Apertur mit Öffnungen, die sich entlang der X-Achse bzw. entlang der Y-Achse erstrecken, und eine Laserdiode und ein optischer Detektor (nicht gezeigt), die entlang einer jeden der Längsrichtungen der kreuzförmigen Apertur angeordnet sind, verwendet werden. In diesem Fall werden zum Beispiel die Laserdioden alternierend bzw. im Wechsel eingeschaltet, um die gleichen Verfolgbarkeitseigenschaften in der X-Achse und in der Y-Achse zu erzeugen. Alternativ können in einer solchen Anordnung die zwei Laserdioden gleichzeitig bzw. simultan eingeschaltet werden, um die Leistung des Eingangsstrahls zu erhöhen und das Fleckensignal zu verstärken.
Eine Lichtquelle mit einer Wellenlänge innerhalb eines Bereichs von etwa 500 nm bis etwa 1 μm kann als die Lichtquelle 2 verwendet werden. In der Praxis wird eine geeignete Wellenlänge unter Berücksichtigung der Wellenlängenempfindlichkeitseigenschaften und dergleichen des optischen Detektors 4 ausgewählt. Eine längere Wellenlänge ist für eine Messung vorteilhaft, weil die Fleckengröße (Speckle-Größe) größer wird; die Fleckenintensität (Speckle-Intensität) hingegen wird verringert, wie oben beschrieben (Gleichung 2). Es ist somit bevorzugt, eine zweckmäßige Wellenlänge auch im Hinblick auf die Fleckengröße auszuwählen.
Im Allgemeinen ist die Fleckengröße umgekehrt (oder invers) proportional zu dem Reziproken der Spotgröße auf der beleuchteten Oberfläche oder dem Reziproken der Fläche des Fleckenlichts, nachdem es an der Apertur beschränkt wird. Das Justieren der Linse in einer solchen Weise, dass die Position des Punktes oder Spots (Brennpunkt) mit der beleuchteten Ebene übereinstimmt bzw. koinzidiert, maximiert somit die Spotgröße. Eine Fleckengröße, die größer als die Pixelgröße des optischen Detektors ist, stellt kein schwerwiegendes Problem dar, während eine Fleckengröße, die kleiner als die Pixelgröße ist, das Signal-Rausch-Verhältnis verringern kann. Wenn andererseits die Linse so justiert wird, dass die Position des Punktes (Brennpunkt) mit der beleuchteten Ebene übereinstimmt, so kann die Fleckengröße maximiert werden, wohingegen eventuell nachteiligerweise keine Navigationsfunktion erhalten wird.
In der Praxis kann daher eine Verbesserung der Funktionalität des Gesamtsystems (wie zum Beispiel eines Zeigegerätes) erwartet werden, indem kollimiertes Licht durch Licht ersetzt wird, das nicht perfekt kollimiert ist. Die Verwendung von Licht, das nicht perfekt kollimiert ist, erhöht die Punktgröße auf der Betriebsebene und verringert somit die Fleckengröße. Um die Auswirkung der kleineren Fleckengröße zu verringern, ist es bevorzugt, die Aperturgröße "b" einzustellen bzw. zu optimieren.
Die Verwendung sowohl der Apertur als auch eines optischen Filters kann die Auswirkung von externem Licht (wie zum Beispiel Umgebungslicht), das von dem unteren Teil der Glasfläche her auftrifft, beseitigen oder verringern.
Alternativ kann der Strahl von der Lichtquelle 2 beliebig mit der Linse 3 justiert werden, so dass die Punktgröße des Strahls eine gewünschte Größe (etwa 0,1 mm bis etwa 3 mm) aufweist, wenn der Strahl das Substrat 6 erreicht.
Als der optische Detektor 4 kann zum Beispiel ein Bauelement verwendet werden, das eine Mehrzahl von Lichtempfangselementen (Pixel) aufweist, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind (wie zum Beispiel ein CMOS-Bildsensor oder eine CCD). Alternativ kann der optische Detektor 4 eine Kombination aus einem Streifensensor mit seiner Längsrichtung in der X-Achse und einem Streifensensor mit seiner Längsrichtung in der Y-Achse sein.
Die Beine 7 sind aus einem Material hergestellt, das die Oberfläche des Substrats 6 durch Reibung zwischen den Beinen 7 und dem Substrat 6 auflädt. Wenn das Substrat 6 aus Glas hergestellt ist, so können die Beine 7 aus einem Material der triboelektrischen Reihe auf der negativen Seite bestehen, um das Substrat 6 positiv aufzuladen, wie zum Beispiel Fluorharz (Polytetrafluorethylen), Polyacetalharz (Derlin^®), Silizium, Polyethylen und Polyvinylchlorid (PVC). Wenn sich das Zeigegerät 1 bewegt, so wird Reibung zwischen dem Substrat 6 und den Beinen 7 erzeugt. Infolge dessen wird das Substrat 6, wenn es aus Glas hergestellt ist, positiv aufgeladen, so dass negativ geladene Staubpartikel in der Luft zu dem Substrat 6 angezogen werden und daran anhaften. Dies kann darum die scheinbare (oder effektive) Oberflächenrauigkeit des Substrats 6 und damit die Intensität des Fleckensignals erhöhen.
1B ist eine perspektivische Ansicht, welche die Form der Öffnung der Apertur 5, die in 1A verwendet wird, zeigt. Um die Längsrichtung der Öffnung der Apertur 5 in 1B zu verdeutlichen, wird der Buchstabe "X", der die Richtung bezeichnet, sowohl in 1A als auch in 1B gezeigt. Wie in den 1A und 1B gezeigt, befindet sich die Apertur 5 in einer solchen Weise vor dem optischen Detektor 4, dass die Längsrichtung der Öffnung der Apertur 5 in der Verlaufsrichtung des einfallenden Lichts liegt, das von der Lichtquelle 2 in einem vorgegebenen Einfallswinkel ausgesandt oder emittiert wird. Durch eine derartige Anordnung der Apertur 5 können dieselben Lichtempfangselemente (Pixels) in dem optischen Detektor 4 das Fleckenlicht sowohl von der Vorderfläche (oder der Oberseite) als auch von der Rückfläche (oder der Unterseite) des Substrats 6 empfangen. Infolge dessen kann auch dann, wenn die Oberflächenrauigkeit des Substrats 6 extrem gering ist, ein starkes Fleckensignal erhalten werden.
2A und 2B zeigen die Apertur 5 mit der oben beschriebenen Öffnung. Die Öffnung der Apertur in 2A hat eine Länge "a" in der Längsrichtung und eine Länge "b" in der Breitenrichtung, und die Seiten der Öffnung in der Breitenrichtung sind nicht gerade, sondern kreisförmig. Die Öffnung der Apertur in 2B ist rechteckig und hat eine Länge "a" in der Längsrichtung und eine Länge "b" in der Breitenrichtung.
Die Verwendung der in 2A oder 2B gezeigten Apertur 5 macht es möglich, das Fleckenlicht von der Vorder- und der Rückfläche des Substrat 6 auf den Lichtempfangselementen (Pixeln) in dem optischen Detektor 4 zu überlagern oder zu superpositionieren, so dass ein Fleckenlicht mit höherer Intensität erhalten werden kann.
Das Licht, das durch die Öffnung der Apertur 5 hindurchtritt und dann den optischen Detektor 4 erreicht, hat eine Form, welche die Form der Öffnung der Apertur 5 auf den Lichtempfangselementen (Pixeln) in dem optischen Detektor 4 wiedergibt (bezüglich der Form siehe die 4A bis 4C, die später beschrieben werden). Die Form der Öffnung der Apertur 5 ist vorzugsweise rechteckig, wie in 2B gezeigt, um effektiv die (rechteckigen) Pixel ausnutzen zu können, die den optischen Detektor 4 bilden.
Die Breite der Öffnung der Apertur 5 kann im Wesentlichen von der gleichen Größe sein wie die Lichtempfangsoberfläche des optischen Detektors 4. Eine breitere Öffnung erhöht die Menge des Lichts, das der optische Detektor 4 empfängt, und verbessert somit das Signal-Rausch-Verhältnis der Signalintensität, wohingegen die Größenordnung der Flecken verringert wird. Wenn also jedes der Lichtempfangselemente, die den optischen Detektor 4 bilden, groß ist, so wird die Änderung des Fleckenlichts in jedem Pixel gemittelt, was in einigen Fällen ein schlechteres Signal-Rausch-Verhältnis zur Folge hat.
Zum Beispiel ist es in 3 bevorzugt, die Distanz L1 auf 3 mm bis 20 mm, die Distanz 12 auf 2 mm bis 10 mm, den Einfallswinkel α auf 30° bis 70°, die Breite der Apertur auf 1 mm und die Länge der Apertur auf 2 mm bis 4 mm einzustellen.
Des Weiteren können ein (nicht gezeigtes) optisches Filter zum Sperren von externem Streulicht, eine (nicht gezeigte) Linse zum Vergrößern des Fleckenlichts von dem Substrat oder dergleichen zwischen der Apertur 5 und dem Substrat 6 angeordnet werden. Das optische Filter ist vorteilhaft oder notwendig, wenn das Zeigegerät in Gegenwart von Umgebungslicht betrieben wird.
Gemäß dem oben beschriebenen Zeigegerät 1 kann nicht nur die Signalkomponente des Fleckenlichts von der Vorderfläche des Substrats 6, sondern auch die Signalkomponente des Fleckenlichts von der Rückfläche des Substrats 6 an denselben Lichtempfangselementen (Pixeln) in dem optischen Detektor 4 detektiert werden. Die Intensität des mit dem optischen Detektor 4 detektierten Signals kann daher im Wesentlichen verdoppelt werden. Im Fall eines Schreibtisches aus Glas ist oft nur die Vorderfläche (oder die obere Fläche) des Glases poliert. Die Oberflächenrauigkeit der Rückseite des Glases ist somit oft ausgeprägter als die Oberflächenrauigkeit der Vorderseite, so dass das Signal des Fleckenlichts von der Rückseite des Glases stärker sein kann als das von der Vorderfläche.
Es wird nun kurz beschrieben, wie die Signalintensität bestimmt werden kann, die mittels der Lichtempfangselemente (Pixel) in dem Abschnitt erhalten wird, wo das Fleckenlicht von der Vorderfläche mit dem Fleckenlicht von der Rückfläche auf dem optischen Detektor 4 überlappt. Der optische Detektor 4 detektiert das oben beschriebene Fleckenlicht und erzeugt digitalisierte Pixelausgabewerte, die als ein "Bezugsframe" (oder "Referenzframe") bezeichnet werden. Im Anschluss an den "Bezugsframe" erzeugt der optische Detektor 4 digitalisierte Pixelausgabewerte, die als ein "Abtastframe" (oder "Sampleframe") bezeichnet werden. Diese Ausgabewerte werden in einem (nicht gezeigten) Speicher gespeichert. Pixel-zu-Pixel Grauskalenänderungen und die Lichtmenge werden anhand der Pixelausgaben berechnet. Wenn die auf diese Weise berechnete Lichtmenge kleiner oder gleich ist als ein Festwert, so wird befunden, dass sich das Zeigegerät von dem Substrat 6 entfernt befindet. Anderenfalls wird befunden, dass sich das Zeigegerät nahe dem Substrat 6 befindet und erfolgreich verfolgt (oder getrackt) werden kann. In diesem Fall wird der Korrelationswert zwischen dem "Bezugsframe" und dem "Abtastframe" berechnet, und der Betrag der Differenz zwischen dem Bezugsframe und dem Abtastframe wird vorhergesagt, um die Beträge der Differenzen Δx und Δy auszugeben.
Dann wird befunden, ob der "Bezugsframe" ersetzt wird oder nicht, und es wird nach Bedarf ein neuer Bezugsframe erhalten. Der Prozess kehrt dann zu dem Schritt "Erhalten eines Abtastframes" zurück, und eine ähnliche Messung wird wiederholt.
Im folgenden Beispiel wird ein Fall beschrieben, in dem das oben beschriebene Zeigegerät 1 auf dem Substrat 6, das aus Glasmaterial hergestellt ist, verwendet wird. Es ist anzumerken, dass das Material des Substrats 6 nicht auf das oben beschriebene Glasmaterial beschränkt ist, sondern dass auch andere Materialien verwendet werden können, solange sie für die Wellenlänge des von der Lichtquelle 2 ausgesandten Lichts durchlässig bzw. transparent sind.
Ein Beispiel des Zeigegerätes 1 gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 3 beschrieben. In diesem Beispiel wurde ein VCSEL mit einer Wellenlänge von 665 nm als die Lichtquelle 2 in dem Zeigegerät 1 verwendet. Der von der Lichtquelle 2 ausgesandte Strahl traf durch die Linse 3 hindurch mit einem Einfallswinkel α (etwa 50°) auf das Substrat 6 auf. Ein 10 mm dickes Glassubstrat wurde als das Substrat 6 verwendet. Eine CCD, in der 1024 mal 768 Pixel – jedes Pixel mit einer Fläche von 4,6 μm mal 4,6 μm im Quadrat – in einer Matrix angeordnet waren, wurde als der optische Detektor 4 zum Empfangen von Fleckenlicht von dem Substrat 6 verwendet. Die in 2A gezeigte Apertur wurde als die Apertur 5 verwendet. Die Öffnung der Apertur hatte eine Länge "a" von 2 mm in der Längsrichtung und eine Länge "b" von 1 mm in der Breitenrichtung. Die Beine 7 des Zeigegerätes 1 wurden aus Derlin^® hergestellt.
Die Distanz L1 von der Oberfläche des Substrats 6 zu der Apertur 5 betrug 8 mm, und die Distanz 12 von der Apertur 5 zu der Lichtempfangsoberfläche des optischen Detektors 4 betrug 4 mm. Die Distanzen sind nicht auf diese Werte beschränkt, sondern es können auch andere Werte gewählt werden.
In dem in 3 gezeigten Beispiel ist zwar der optische Detektor 4 parallel zu der Arbeitsebene (Substratfläche) angeordnet, aber die Art und Weise, wie der optische Detektor 4 angeordnet ist, ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann die Ausrichtung des optischen Detektors 4 entsprechend dem Winkel des reflektierten Lichts von der Arbeitsebene (Substratfläche) justiert werden. Obgleich 3 eine Konfiguration zeigt, in welcher der optische Detektor 4 und die Apertur 5 oberhalb der Arbeitsebene (Substratfläche) in der Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Arbeitsebene (Substratfläche) angeordnet sind, ist die Art und Weise, wie der optische Detektor 4 und die Apertur 5 angeordnet sind, nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel können der optische Detektor 4 und die Apertur 5 auch in einem anderen vorgegebenen Winkel als einem rechten Winkel angeordnet sein.
Die durchschnittliche Fleckengröße ist durch f (F-Zahl) × λ (Wellenlänge) gegeben und beträgt in der Konfiguration des in 3 gezeigten Gerätes etwa 8 μm. Andererseits ist das Gerät auch dann noch betreibbar, selbst wenn die Pixelgröße des optischen Detektors größer als diese Fleckengröße ist. In diesem Fall jedoch kann die Detektionsempfindlichkeit (das Signal-Rausch-Verhältnis) des optischen Detektors geringfügig verringert sein.
Die 4A bis 4C zeigen Bilder, welche die Signalintensität des Fleckenlichts veranschaulichen, das mittels des optischen Detektors 4 unter den Verhältnissen erhalten wird, die 3 entsprechen. Es ist anzumerken, dass die positiven und negativen (schwarzen und weißen) Punkte in den eigentlichen Bildern wegen der besseren Erkennbarkeit umgekehrt (oder invers) dargestellt sind (das heißt, schwarze Abschnitte in den Bildern haben höhere Lichtintensitäten).
4A zeigt ein Bild (4a), das erhalten wird, wenn der optische Detektor 4 das Fleckenlicht von der Vorderfläche des Substrats 6 detektiert. In der Figur entspricht das Fleckenlicht von der Vorderfläche der Region (40a), die von der durchgezogenen Linie umrahmt ist. 4B zeigt ein Bild (4b), das erhalten wird, wenn der optische Detektor 4 das Fleckenlicht von der Rückfläche des Substrats 6 detektiert. In der Figur entspricht das Fleckenlicht von der Rückseite der Region (40b), die von der gestrichelten Linie umrahmt ist. 4C zeigt ein Bild, in dem das Fleckenlicht von der Vorderfläche des Substrats 6 mit dem Fleckenlicht von der Rückfläche überlappt. In der Figur entspricht der Abschnitt, wo das Fleckenlicht von der Vorderfläche mit dem Fleckenlicht von der Rückfläche überlappt, der Region (40c), die von der durchgezogenen Linie und der gestrichelten Linie umrahmt wird. Wie in 4C gezeigt, wurde die Detektionsempfindlichkeit (das Signal-Rausch-Verhältnis) des optischen Detektors 4 verbessert, indem die Apertur 5 dafür verwendet wird, das Fleckenlicht von der Vorder- und der Rückseite des Substrats 6 zu überlagern, im Vergleich zu dem Fall, wo nur das Fleckenlicht von der Vorderfläche detektiert wurde. Infolge dessen wurde selbst auf dem glatten lichtdurchlässigen Substrat aus Glasmaterial oder dergleichen die Bewegung des Zeigegerätes 1 in einer präzisen Weise auf der Grundlage des Fleckenlichts von dem Substrat 6 erfolgreich detektiert.
Andererseits zeigen die 5A bis 5C die Ergebnisse, die durch Messen desselben Oberflächenabschnitts desselben Substrats 6 durch eine quadratische Apertur (1 mm mal 1 mm im Quadrat) hindurch, die einer herkömmlichen Apertur entsprach, erhalten wurden. 5A zeigt ein Bild (5a), das erhalten wird, wenn der optische Detektor 4 das Fleckenlicht von der Vorderfläche des Substrats 6 detektiert. In der Figur entspricht das Fleckenlicht von der Vorderfläche der Region (50a), die von der durchgezogenen Linie umrahmt ist. 5B zeigt ein Bild (5b), das erhalten wird, wenn der optische Detektor 4 das Fleckenlicht von der Rückfläche des Substrats 6 detektiert. In der Figur entspricht das Fleckenlicht von der Rückfläche der Region (50b), die von der gestrichelten Linie umrahmt ist. 5C entspricht einem Bild, das von dem Fleckenlicht von der Vorder- und der Rückfläche des Substrats 6 erhalten wird. Wie in 5C gezeigt, wird festgestellt, dass, wenn die Apertur, die der herkömmlichen Apertur entsprach, verwendet wurde, das Fleckenlicht (50a) von der Vorderfläche des Substrats 6 nicht mit dem Fleckenlicht (50b) von der Rückfläche überlappt.
Ob das Fleckenlicht von der Vorderfläche mit dem Fleckenlicht von der Rückfläche überlappt oder nicht, hängt von der Dicke des Substrats 6 ab. Wenn jedoch berücksichtigt wird, dass die Dicke des Glassubstrats, das für einen Tisch oder dergleichen verwendet wird, im Allgemeinen etwa 10 mm bis 15 mm beträgt, so überlappt sich das Fleckenlicht von der Vorder- und der Rückfläche nicht, wenn die oben beschriebene quadratische Apertur (die der herkömmlichen Apertur entspricht) verwendet wird. Es ist somit erwiesen, dass die Apertur gemäß der vorliegenden Anmeldung einen extrem vorteilhaften Effekt bereitstellt.
In dem obigen Beispiel wurde die Verwendung der Apertur 5 mit nur einer Öffnung beschrieben, die sich sowohl in der Längs- als auch in der Breitenrichtung erstreckt. Die Apertur 5 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel ist es möglich, eine Apertur mit einer Öffnung zu verwenden, die mittels Anordnens einer Anzahl von kleinen kreisrunden oder quadratischen Öffnungen in der Längsrichtung gebildet wird.
Im Allgemeinen ist in Anbetracht der Dicke eines typischen Glassubstrats (in einem Bereich von 10 mm bis 15 mm) anzumerken, dass, wenn eine blendenöffnungsartige Apertur („pinhole"), die vor dem optischen Detektor angeordnet ist, verwendet wird, um einfach das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, dieselben Lichtempfangselemente in dem optischen Detektor kein reflektiertes Licht sowohl von der Vorder- als auch von der Rückfläche empfangen können (das heißt, reflektiertes Licht von der Vorder- und der Rückseite überlappt sich nicht auf den Lichtempfangselementen). Andererseits ist eine optische Maus mit einer Öffnung kommerziell erhältlich, die in der Längsrichtung länglich gestaltet ist (zum Beispiel eine elliptische Öffnung). Die Öffnung einer solchen optischen Maus ist jedoch dafür konfiguriert, mehr reflektiertes Licht von der Vorderfläche des Substrats (schräg auf die Öffnung einfallend) zu den Lichtempfangselementen zu leiten, aber ist nicht dafür konfiguriert, das Fleckenlicht (Streulicht) von der Vorder- und der Rückfläche des Substrats auf die Lichtempfangselemente zu überlagern.
Andererseits ist es, um das Fleckenlicht von der Oberfläche und der Unterfläche zu messen, möglich, eine Apertur mit einer großen Öffnung zu verwenden oder keine Apertur selbst zu verwenden. In diesem Fall kann zwar das Fleckenlicht von beiden Flächen gemessen werden, doch wird der Kontrast des Fleckenlichts aufgrund des Hintergrundlichts (wie zum Beispiel des Umgebungslichts) verringert. Das ist auch selbst dann der Fall, wenn ein optisches Filter (BPF) verwendet wird. Es kann darum die eine oder andere Art einer Apertur eingesetzt werden, unter dem Gesichtspunkt des Verbesserns des Kontrasts des Fleckenlichts. In dem oben beschriebenen Beispiel kann die Verwendung des optischen Filters (BPF) und der Apertur eine Schwächung des Kontrasts infolge des Hintergrundlichts (wie zum Beispiel des Umgebungslichts) vermeiden.
In der obigen Beschreibung wurde das Zeigegerät 1, das zum Implementieren eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verwendet wird, lediglich exemplarisch beschrieben. Es ist dem Fachmann natürlich klar, dass, um die in den Ansprüchen dargelegte vorliegende Erfindung zu implementieren, eine große Zahl von Gerätekonfigurationen verwendet werden kann, die sich von der oben beschriebenen Gerätekonfiguration unterscheiden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2007-045450 [0001]
- JP 3771081 [0003]
- JP 2005-50349 [0004, 0006, 0006]
- JP 2004-246921 [0005, 0006, 0006]

Claims

Ein Zeigegerät, das aufweist: eine Lichtquelle, die einfallendes Licht zum Beleuchten einer Vorderfläche eines Substrats in einem vorgegebenen Einfallswinkel aussendet, wobei das Substrat eine Rückfläche sowie die Vorderfläche aufweist und für eine Wellenlänge des einfallenden Lichts durchlässig ist; einen Detektor, der die Intensität von Fleckenlicht von der Vorderfläche und der Rückfläche detektiert, wobei das Fleckenlicht von dem einfallenden Licht erzeugt wird; und Beine, die mit dem Substrat in Kontakt stehen und die Vorderfläche des Substrats durch Reibung zwischen den Beinen und dem Substrat aufladen.
Das Zeigegerät nach Anspruch 1, wobei die Beine Fluorharz, Polyacetalharz, Silizium, Polyethylen oder Polyvinylchlorid, PVC, aufweisen oder aus einem oder mehreren dieser Materialien bestehen.
Das Zeigegerät nach Anspruch 1 oder 2, das des Weiteren eine Apertur aufweist, die eine Öffnung aufweist, durch die das Fleckenlicht hindurchtritt, wobei eine Längsrichtung der Öffnung in der Richtung des Einfallswinkels liegt, so dass das Fleckenlicht von der Vorderfläche mit dem Fleckenlicht von der Rückfläche auf dem Detektor überlappt.
Das Zeigegerät nach Anspruch 3, wobei die Öffnung eine rechteckige Öffnung ist, die sich in der Längsrichtung erstreckt, oder ein Schlitz ist, der eine Öffnung in der Längsrichtung aufweist.
Das Zeigegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das des Weiteren einer Linse zum Fokussieren oder Streuen des einfallenden Lichts von der Lichtquelle aufweist.
Das Zeigegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lichtquelle eine Laserlichtquelle ist.
Das Zeigegerät nach Anspruch 6, wobei die Laserlichtquelle ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator ist.
Zeigegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das des Weiteren ein optisches Filter oder eine Linse zwischen der Apertur und dem Substrat aufweist.