DE102010002281B4

DE102010002281B4 - Optische Navigationseingabevorrichtung, Lichtleiter für eine optische Navigationseingabevorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer optische Navigationseingabevorrichtung

Info

Publication number: DE102010002281B4
Application number: DE102010002281.0A
Authority: DE
Inventors: David Wayne Dolfi
Original assignee: Pixart Imaging Inc
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: DE102010002281A1; US20100214224A1; US8259068B2

Abstract

Optische Navigationseingabevorrichtung (102) enthaltend:eine Lichtquelle (106) zum Emittieren eines Lichtstrahls, welcher einen elliptischen oder kreisförmigen Querschnitt aufweist; undeinen Lichtleiter(112), welcher bezüglich der Lichtquelle (106) positioniert ist zum Empfangen des Lichtstrahls von der Lichtquelle (106) in einer ersten Richtung und zum Umlenken des Lichtstrahls in eine zweite Richtung auf eine Beleuchtungsoberfläche (104) unter einem von Null verschiedenen Einfallswinkel, wobei der Lichtleiter(112) konfiguriert ist zum Richten des Lichtstrahls durch eine Brechungsgrenzfläche (146), die konfiguriert ist zum Beleuchten einer kreisförmigen Fläche auf der Beleuchtungsoberfläche (104);wobei der Lichtleiter (112) aufweist:eine Lichteingangsgrenzfläche (142) zum Empfangen des Lichtstrahls von der Lichtquelle (106); undeine Reflexionsoberfläche (144) zum internen Reflektieren des Lichtstrahls gemäß einer internen Totalreflexion (TIR) zu der Brechungsgrenzfläche (146), wobei die Reflexionsoberfläche (144) eine erste planare Oberfläche unter einem ersten Winkel, qtir, bezüglich einem Oberflächennormal der Beleuchtungsoberfläche (104) aufweist;wobei die Brechungsgrenzfläche (146) eine zweite planare Oberfläche unter einem zweiten Winkel, qtit, bezüglich dem Oberflächennormal der Beleuchtungsoberfläche (104) aufweist;wobei der erste Winkel, qtir, der Reflexionsoberfläche (144) zwischen ungefähr 22 bis 30 Grad und der zweite Winkel, qtit, der Brechungsgrenzfläche (146) zwischen 23 bis 3 Grad ist.

Description

HINTERGRUND
Es gibt eine relativ neue Klasse von optischen Mäusen und anderen optischen Navigationseingabevorrichtungen für EDV-Anwendungen. Diese optischen Vorrichtungen erleichtern ein Verfolgen von Eingabebewegungen auf spiegelnden Navigationsoberflächen wie beispielsweise Glastischplatten, welche nicht eine wesentliche Textur zur Abbildung aufweisen. Allgemein beruhen diese optischen Navigationseingabevorrichtungen auf Licht, welches durch kleine Teilchen und Kratzer gestreut wird. Dieses gestreute Licht erhöht leicht den Winkelbereich der im Übrigen kollimierten spiegelnden Reflexion von der Glasoberfläche. Durch Erfassen des gestreuten Lichts unter einem Winkel zu einer Achse des reflektierten Strahles unter Verwendung einer versetzten Abbildungsöffnung (d.h. die Abbildungsöffnung ist bezüglich der Hauptintensität der spiegelnden Reflexion des einfallenden Lichtes versetzt), können Bilder von solchen Streustellen auf ein Pixel-Array in einem Sensor projiziert werden, welche dann verwendet werden zum Bestimmen der Bewegung der Maus relativ zu der Tischplatte.
In dem Prozess des Verfolgens auf einer sehr glatten Oberfläche mit relativ wenigen Merkmalen, wird gestreutes Licht von solchen Merkmalen typischerweise nahe des Winkels der spiegelnden Reflexion des optischen Strahles, welcher zum Untersuchen der Oberfläche verwendet wird, gesammelt. Jedoch fällt die Streuung von einer sehr glatten Oberfläche in Bezug auf einen Abstand von der spiegelnden Reflexion schnell ab. Folglich ist das gestreute Licht in enger Nachbarschaft zu dem spiegelnd gestreuten Strahl in der Ebene der Abbildungsöffnung des optischen Systems. Jedoch ist der spiegelnd reflektierte Strahl gewöhnlich viel heller (d.h. hat eine höhere Intensität) als das gestreute Licht, welches verwendet wird zum Erzeugen der optischen Bilder. So kann eine Beleuchtungsöffnung verwendet werden zum Einstellen des äußeren Intensitätsprofils des einfallenden Lichtstrahls bei einem geeigneten Radius von dem Zentrum des Lichtstrahls. Dieses Einstellen hilft zu vermeiden, dass die Randteile des Intensitätsprofils des spiegelnd reflektierten Lichtstrahls in die Abbildungsöffnung eingehen und exzessives Rauschen für den gestreuten Lichtstrahl erzeugen.
Typische Laserstrahlen verlassen die Kollimierungsoptik des optischen Systems mit einem kreisförmigen Querschnitt unter einigem Einfallswinkel bezüglich der Navigationsoberfläche. Da der Querschnitt des einfallenden Laserstrahls kreisförmig ist, ist die resultierende Form des Lichtstrahls auf der Navigationsoberfläche elliptisch, abhängig von dem Einfallswinkel des Lichtstrahls. Die Exzentrizität der elliptischen Form basiert auf der folgenden Gleichung: $e = \frac{1}{cos (q_{i n c})}$
wobei e die Exzentrizität ist und q_inc der Einfallswinkel des einfallenden Lichtstrahls ist.
1 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem kreisförmigen Querschnitt des einfallenden Lichtstrahles und der elliptischen Form des beleuchteten Lichtflecks auf der Navigationsoberfläche. Insbesondere ist der kreisförmige Querschnitt des Lichtstrahls bei Ebene A angegeben, wo der kreisförmige Querschnitt einen konstanten Radius, r, hat. Im Gegensatz hierzu ist die elliptische Form des Lichtstrahls bei Ebene B angegeben, welche parallel zu der Navigationsoberfläche und unter einem Winkel bezüglich der Ebene A ist. Die elliptische Projektion hat zwei verschiedene Abmessungen, a und b, entlang korrespondierenden großen und kleinen Halbachsen. Obwohl die b-Abmessung der elliptischen Form bei Ebene B dieselbe sein kann wie die r-Abmessung des kreisförmigen Querschnitts bei Ebene A, ist die a-Abmessung der elliptischen Form größer als die r-Abmessung des kreisförmigen Querschnitts, aufgrund des Winkels zwischen den Ebenen A und B. Ähnliche elliptische Formen resultieren an den Beleuchtungs- und Abbildungsöffnungen, wie auch dem Bildsensor, wenn diese Vorrichtungen im Wesentlichen parallel zu der Navigationsoberfläche orientiert sind.
Da die Form des Lichtstrahls elliptisch ist in einer Ebene parallel zu der Navigationsoberfläche, kann es schwierig sein, ein Bild des Lichtstrahls durchzulassen und/oder zu erzeugen. Eine konventionelle Lösung ist es, die Öffnungen und den Bildsensor zu neigen zum Korrelieren mit dem Einfallswinkel des Lichtstrahles. Jedoch resultiert dieser Ansatz typischerweise in kompliziertem und teurem Packaging und Ausrichten, aufgrund der Präzision, mit welcher der Lichtstrahl maßgeschneidert wird, um eine richtige Abschneidung zu erzielen. Zusätzlich macht es die elliptische Form des Strahls an der Abbildungsöffnung schwierig, den spiegelnd reflektierten Lichtstrahl in enger Nachbarschaft zu der Abbildungsöffnung zu platzieren, ohne in die Abbildungsöffnung einzudringen. Auch bringen konventionelle Kollimatoren optische Eingangs- und Ausgangslinsenoberflächen mit sich, welche in Vielfachreflexionen innerhalb des Kollimators resultieren. Diese Vielfachreflexionen können zu einem gestreuten „Halo“ des Lichts um den Hauptstrahl führen, der ebenfalls in die Abbildungsöffnung eindringen und folglich in weiteren Rauschproblemen resultieren kann.
DE 10 2008 014 600 A1 offenbart eine optische Navigationseingabevorrichtung, welche aufweist: eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser, zum Emittieren eines Lichtstrahls, welcher einen im Wesentlichen elliptischen oder im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist, und einen Lichtleiter, welcher bezüglich der Lichtquelle positioniert ist zum Empfangen des Lichtstrahls von der Lichtquelle in einer ersten Richtung und zum Umlenken des Lichtstrahls in eine zweite Richtung auf eine Beleuchtungsoberfläche unter einem von Null verschiedenen Einfallswinkel, wobei der Lichtleiter konfiguriert ist zum Richten des Lichtstrahls durch eine Brechungsgrenzfläche, welche konfiguriert ist zum Beleuchten einer Fläche, auf der Beleuchtungsoberfläche.
Ein weiteres Beispiel für eine Navigationseingabevorrichtung ist in US 2005 0259 089 A1 offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG
Der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine alternative optische Navigationseingabevorrichtung bereitzustellen.
Dieses Problem wird gelöst durch eine optische Navigationseingabevorrichtung gemäß Anspruch 1, einem Lichtleiter für eine optische Navigationseingabevorrichtung gemäß Anspruch 9 und einem Verfahren zum Betreiben einer optischen Navigationseingabevorrichtung gemäß Anspruch 11.
Die abhängigen Ansprüche stellen weitere Beispiele für eine derartige optische Navigationseingabevorrichtung, einen derartigen Lichtleiter bzw. ein derartiges Verfahren dar.
Ausführungsformen einer optischen Navigationseingabevorrichtung werden beschrieben. In einer Ausführungsform umfasst die optische Navigationseingabevorrichtung einen Lichtleiter, welcher als ein Strahlformungselement wirkt. Die optische Navigationseingabevorrichtung umfasst eine Lichtquelle und den Lichtleiter. Die Lichtquelle emittiert einen Lichtstrahl, welcher einen im Wesentlichen elliptischen oder im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat. Der Lichtleiter ist bezüglich der Lichtquelle positioniert, um den Lichtstrahl von der Lichtquelle in einer ersten Richtung zu empfangen. Der Lichtleiter leitet das Licht auch in eine zweite Richtung zu einer Beleuchtungsoberfläche unter einem von Null verschiedenen Einfallswinkel (Nicht-Null-Einfallswinkel) um. Der Lichtleiter richtet den Lichtstrahl durch eine Brechungsgrenzfläche um eine im Wesentlichen kreisförmige Fläche auf der Beleuchtungsoberfläche zu beleuchten. Andere Ausführungsformen der optischen Navigationseingabevorrichtung werden ebenfalls beschrieben.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der Lichtleiter eine Lichteingangsgrenzfläche, eine Reflexionsoberfläche und eine Brechungsgrenzfläche. Die Lichteingangsgrenzfläche empfängt einen einfallenden Lichtstrahl von einer Lichtquelle in einer ersten Richtung. Der einfallende Lichtstrahl hat einen im Wesentlichen elliptischen oder im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt entlang einer Ebene genommen, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung ist. Die Reflexionsoberfläche reflektiert den einfallenden Lichtstrahl von der ersten Richtung intern auf eine Zwischenrichtung innerhalb des Lichtleiters. Die Brechungsgrenzfläche empfängt den reflektierten Lichtstrahl von der Reflexionsoberfläche und bricht den Lichtstrahl aus dem Lichtleiter heraus in eine zweite Richtung. Die zweite Richtung ist unter einem von Null verschiedenen Einfallswinkel bezüglich einer Oberflächennormalen einer Referenzebene. In einigen Ausführungsformen entspricht die Referenzebene einer Beleuchtungsoberfläche. Eine gewinkelte Projektion, genommen entlang einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu der Referenzebene ist, des reflektierten Lichtstrahles hat dieselbe Form wie der Querschnitt des einfallenden Lichtstrahles. Andere Ausführungsformen des Lichtleiters werden ebenfalls beschrieben.
Ausführungsformen eines Verfahrens werden ebenfalls beschrieben. In einer Ausführungsform ist das Verfahren ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Navigationseingabevorrichtung. Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst ein Emittieren eines Lichtstrahls mit einem im Wesentlichen elliptischen oder im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf einen Lichtleiter, welcher zwischen einer Lichtquelle und einer Beleuchtungsoberfläche eingefügt ist. Das Verfahren umfasst auch ein Richten des Lichtstrahls durch den Lichtleiter auf eine Brechungsgrenzfläche. Die Brechungsgrenzfläche bricht das Licht zu der Beleuchtungsoberfläche unter einem von Null verschiedenen Einfallswinkel bezüglich einer Oberflächennormalen der Beleuchtungsoberfläche. Das Verfahren umfasst auch ein Modifizieren des Querschnitts des Lichtstrahls an der Brechungsgrenzfläche zum Beleuchten eines im Wesentlichen kreisförmigen Lichtflecks auf der Beleuchtungsoberfläche. Andere Ausführungsformen des Verfahrens werden ebenfalls beschrieben.
Andere Aspekte und Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich von der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn diese zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, die im Wege von Beispielen der Prinzipien der Erfindung veranschaulicht sind, genommen werden.
Figurenliste

1 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem kreisförmigen Querschnitt des einfallenden Lichtstrahls und der elliptischen Form des beleuchteten Lichtflecks auf der Navigationsoberfläche.
2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines optischen Navigationssystems.
2A zeigt eine Ausführungsform der Beleuchtungsöffnungsstruktur von 2, welche die Beleuchtungsöffnung, die eine kreisförmige Form hat, definiert.
2B zeigt eine Ausführungsform einer Abbildungsöffnungsstruktur von 2, welche die Abbildungsöffnung, die eine kreisförmige Form hat, definiert.
3 zeigt ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform der optischen Navigationseingabevorrichtung von 2.
3A zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen kreisförmigen und elliptischen Querschnitten und Projektionen des einfallenden Lichtstrahls, wenn der Lichtstrahl reflektiert und gebrochen wird durch das optische Element von 3.
4 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform des optischen Elementes von 3 bezüglich der Beleuchtungsoberfläche.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der optischen Navigationseingabevorrichtung von 2.
6 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der optischen Navigationseingabevorrichtung von 2.

Durchgängig in der Beschreibung können ähnliche Bezugszeichen verwendet sein zum Identifizieren von ähnlichen Elementen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Während hierin viele Ausführungsformen beschrieben sind, verwenden zumindest einige der beschriebenen Ausführungsformen einen Lichtleiter zum Erzeugen eines kreisförmigen Lichtstrahlmusters auf einer Beleuchtungsoberfläche. Genauer ist der Lichtleiter positioniert zum Erleichtern der horizontalen Orientierung einer Beleuchtungsöffnung zum Reduzieren von Package-Komplexität (package complexity). Das kreisförmige Lichtstrahlmuster, welches erzeugt wird von dem Lichtleiter durch Anwendung von Reflexions- und Brechungswinkeln, liefert eine Präzision, die größer ist als die von konventionellen optischen Navigationseingabesystemen. Das kreisförmige Lichtstrahlmuster erlaubt auch, dass die Abbildungslinse im Winkel näher an der Richtung der spiegelnden Reflexion platziert werden kann, als dies typisch ist mit einem elliptischen Lichtstrahlmuster. Dies erlaubt eine Reduzierung der gesamten Package-Größe. Zusätzlich erlaubt dies auf glatten Oberflächen wie beispielsweise Glas, wo der Anteil von Licht, der von der Oberfläche gestreut wird, schnell abfällt, wenn man sich von der Richtung der spiegelnden Reflexion weg bewegt, ein Sammeln, durch die Linse, von gestreutem Licht, welches näher an dieser Richtung ist, was die Signalintensität erhöht.
Ausführungsformen der optischen Navigationseingabevorrichtung können implementiert werden in Lasermäusen oder anderen optischen Navigationseingabevorrichtungen. Insbesondere Ausführungsformen des Lichtleiters können verwendet werden in kompakten optischen Navigationseingabevorrichtungen zum Verfolgen von Bewegungen auf Glas oder anderen glatten Oberflächen. Verglichen mit konventionellen Verfolgungstechnologien für glatte Oberflächen erleichtert das im Wesentlichen kreisförmige Muster des Lichtstrahls (wenn in einer Ebene parallel zu einer Beleuchtungsoberfläche gesehen), welcher von dem Lichtleiter gerichtet wird, eine Platzierung der Abbildungsöffnung näher an dem spiegelnd reflektierten Lichtstrahl ohne Einfall in den Lichtstrahl.
2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines optischen Navigationssystems 100. Das veranschaulichte optische Navigationssystem 100 umfasst eine optische Navigationseingabevorrichtung 102 bezüglich einer Beleuchtungsoberfläche 104. Allgemein beleuchtet die optische Navigationseingabevorrichtung 102 Teile der Beleuchtungsoberfläche 104 zum Erzeugen von Bildern der beleuchteten Teile oder Merkmale an der Beleuchtungsoberfläche 104. Genauer bewegt sich die optische Navigationseingabevorrichtung 120 bezüglich der Beleuchtungsoberfläche 104 und erzeugt ein oder mehrere Navigationssignale, die repräsentativ sind für die Bewegung der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 bezüglich der Beleuchtungsoberfläche 104. Folglich kann die Beleuchtungsoberfläche 104 auch als eine Navigationsoberfläche bezeichnet werden. Zusätzlich kann, da die Beleuchtungsoberfläche 104 verwendet wird zum Verfolgen der Bewegung der optischen Navigationseingabevorrichtung 102, die Beleuchtungsoberfläche 104 auch als eine Verfolgungsoberfläche bezeichnet werden.
Zum Beleuchten der Beleuchtungsoberfläche 104 emittiert die optische Navigationseingabevorrichtung 102 einen Lichtstrahl, welcher mindestens teilweise durch die Beleuchtungsoberfläche 104 reflektiert wird. Die optische Navigationsvorrichtung 102 detektiert das reflektierte oder gestreute Licht von der Oberfläche und prozessiert das Licht zum Erzeugen der Navigationssignale. Beispiele wie die Navigationssignale erzeugt werden können, sind unten detaillierter beschrieben.
Die Beleuchtungsoberfläche 104 kann jeder Typ von Oberfläche sein und kann einen oder mehrere Typen von Materialkompositionen enthalten. Beispiele von typischen Beleuchtungsoberflächen 104 umfassen Holz, Stein oder Plastiklaminat-Schreibtische, wie auch Stoff oder andere texturierte Navigationspads (z.B. ein Mousepad). Einige Typen von Beleuchtungsoberflächen 104 sind hochspiegelnd, so dass im Wesentlichen das gesamte Licht, welches auf der Beleuchtungsoberfläche 104 einfällt, spiegelnd reflektiert wird und nicht in andere Richtungen diffuse gestreut wird. Ein Beispiel einer hochspiegelnden Beleuchtungsoberfläche 104 ist eine Glasoberfläche (siehe 3). Andere Ausführungsformen können andere Typen von spiegelnden Beleuchtungsoberflächen aufweisen.
Der Abstand zwischen der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 und der Beleuchtungsoberfläche 104 kann abhängig von der Anwendung, für welche die optische Navigationseingabevorrichtung 102 verwendet wird, variieren. In Oberflächennavigationsanwendungen kann die optische Navigationseingabevorrichtung 102 relativ nahe an der Beleuchtungsoberfläche 104 sein. Zum Beispiel kann ein Gehäuse der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 in direktem physikalischem Kontakt mit der Beleuchtungsoberfläche 104 sein. Alternativ können Distanzstrukturen (nicht dargestellt), welche an dem Gehäuse der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 befestigt sind, in direktem physikalischem Kontakt mit der Beleuchtungsoberfläche 104 sein. In anderen Ausführungsformen kann die optische Navigationseingabevorrichtung 102 innerhalb einiger weniger Zentimeter oder Zölle (inches) von der Beleuchtungsoberfläche 104 sein, ohne in direktem physikalischem Kontakt mit der Beleuchtungsoberfläche 104 zu sein. Im Gegensatz hierzu kann in Freiraumnavigationsanwendungen die optische Navigationseingabevorrichtung 102 relativ weit von der Beleuchtungsoberfläche 104 entfernt sein. Zum Beispiel kann die optische Navigationseingabevorrichtung 102 außerhalb des optischen Oberflächennavigationsbereichs arbeiten.
Die dargestellte optische Navigationseingabevorrichtung 102 umfasst eine Lichtquelle 106, eine optische Navigationsschaltung 108 und einen Mikrocontroller 110. Die optische Navigationseingabevorrichtung 102 umfasst auch optische Elemente 112 und 114, eine Beleuchtungsöffnungsstruktur 116, welche eine Beleuchtungsöffnung 117 definiert, und eine Abbildungsöffnungsstruktur 118, welche eine Abbildungsöffnung 119 definiert. Andere Ausführungsformen können weniger oder mehr Komponenten enthalten. Zum Beispiel können einige Ausführungsformen der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 eines oder mehrere der optischen Elemente 112 und 114 nicht aufweisen.
In einer Ausführungsform ist die Lichtquelle 106 ein Laser. Zum Beispiel kann die Lichtquelle 106 ein Vertikalkavitätsoberflächenemittierender Laser (VCSEL) sein. Alternativ kann die Lichtquelle 106 ein anderer Typ von Laser oder eine andere Lichtquelle sein.
Allgemein richtet die Lichtquelle einen Lichtstrahl auf die Beleuchtungsoberfläche 104 zum Beleuchten eines Primärbeleuchtungslichtflecks an der Beleuchtungsoberfläche 104. Wenn die Beleuchtungsoberfläche 104 im Wesentlichen spiegelnd ist, dann reflektiert der Lichtstrahl von der Beleuchtungsoberfläche 104 entlang eines spiegelnden Reflexionspfades weg. Der einfallende Lichtstrahl (d.h. das Licht, welches zu der Beleuchtungsoberfläche 104 hin wandert) kann durch das optische Element 112 und die Beleuchtungsöffnung 117, welche von der Beleuchtungsöffnungsstruktur 116 gebildet ist, hindurch gehen. 2A zeigt eine Ausführungsform der Beleuchtungsöffnungsstruktur 116 von 2, welche die Beleuchtungsöffnung 117, welche eine kreisförmige Form hat, definiert. Ähnlich kann das Licht von der Beleuchtungsoberfläche 104 durch die Abbildungsöffnung 119, welche von der Abbildungsöffnungsstruktur 118 gebildet ist, hindurchgehen. 2 zeigt eine Ausführungsform der Abbildungsöffnungsstruktur 118 von 2, welche die Abbildungsöffnung 119, die eine kreisförmige Form hat, definiert. Das Licht, welches durch die Abbildungsöffnung 119 hindurchgeht, geht dann durch das optische Element 114. Spezifische Funktionalität der optischen Elemente 112 und 114 und der Öffnungen 117 und 118 ist unten detaillierter mit Bezug auf 3 beschrieben.
Wenn es irgendwelche Oberflächenmerkmale wie beispielsweise Staub oder Kratzer an der Beleuchtungsoberfläche 102 gibt, dann kann etwas von dem einfallenden Licht entlang einem oder mehreren Streulichtpfaden, welche von dem Spiegelreflexionspfad versetzt sind, gestreut werden. Im Wesentlichen kann jeder Pfad, welcher nicht der Spiegelreflexionspfad ist als ein Streu(Nicht-Spiegel)-Lichtpfad betrachtet werden. Im Fall einer diffusen Reflexion weg von einem Oberflächenmerkmal kann das Licht in im Wesentlichen alle Richtungen diffusiert oder gestreut werden. Obwohl es viele Typen von Oberflächenmerkmalen geben kann, welche das einfallende Licht in verschiedene Richtungen streuen, umfassen einige Beispiele von Oberflächenmerkmalen Teilchen (z.B. Staub) auf der Beleuchtungsoberfläche 104, Defekte (z.B. Kratzer) in der Beleuchtungsoberfläche 104, wie auch Fehlerstellen unter oder unterhalb der Beleuchtungsoberfläche 104.
Die dargestellte optische Navigationsschaltung 108 umfasst ein Bildaufnahmesystem (image acquisition system, IAS) 120, einen Digitalsignalprozessor (digital signal processor, DSP) 122 und einen Treiber 124. In einer Ausführungsform steuert der Treiber 124 der optischen Navigationsvorrichtung 108 den Betrieb der Lichtquelle 106 (z.B. unter Verwendung eines Treibersignals) zum Erzeugen des Lichtstrahls, welcher emittiert wird auf die Beleuchtungsoberfläche 104. Wie oben beschrieben, wird dann der reflektierte oder gestreute Lichtstrahl, oder ein Teil davon, von dem Bildaufnahmesystem 120 empfangen.
Das dargestellte Bildaufnahmesystem 120 umfasst einen Bildsensor 126 und einen Analog-zu-Digitalkonverter (analog-to-digital converter, ADC) 130. Der Bildsensor 126 umfasst ein Pixel-Array 128 von einzelnen Fotosensoren, oder Fotodetektoren. Jeder Fotosensor wird als ein Bildelement (Pixel) bezeichnet.
Als ein Beispiel kann der Bildsensor 126 ein 16x16 oder 32x32 Array von einzelnen Fotodetektoren aufweisen, welche konfiguriert sind zum Detektieren von Licht, welches von der Beleuchtungsoberfläche 104 reflektiert wird. In einer Ausführungsform erzeugt der Navigationssensor 126 eine Vielzahl von elektrischen Signalen, welche einer Lichtintensität des Lichts, welches auf dem Pixel-Array 128 einfällt, entspricht. Jedes der elektrischen Signale entspricht einem der Bildelemente (oder Pixel) des Pixel-Arrays 128. Mindestens ein Teil des Lichtstrahls, welcher durch ein Oberflächenmerkmal der Beleuchtungsoberfläche 104 gestreut wird, fällt auf dem Pixel-Array 128 ein. In einer Ausführungsform erleichtert das optische Element 114 die Auflösung von mikroskopischen Oberflächenbildern an dem Pixel-Array 128. Alternativ erleichtert das optische Element 114 eine Auflösung von einem oder mehreren entfernten Objekten in einer Freiraumnavigationsumgebung.
Der Analog-zu-Digitalkonverter (analog-to-digital converter = ADC) 130 konvertiert die Vielzahl von elektrischen Signalen, welche von dem Pixel-Array 128 des Navigationssensors 126 empfangen werden, von analogen Signalen in digitale Signale (z.B. 8 Bit Digitalwerte). Der Analog-zu-Digitalkonverter 130 übermittelt dann die Digitalsignale an den Digitalsignalprozessor 122. Nachdem der Digitalsignalprozessor 122 die digitale Form der elektrischen Signale von dem Analog-zu-Digitalkonverter 130 des Bildaufnahmesystems 120 empfängt, kann der Digitalsignalprozessor 122 ein zusätzliches Prozessieren unter Verwendung der Digitalsignale durchführen.
Eine Bildinformation wird aufgenommen von dem Pixel-Array 128 des Bildsensors 126 in Sensor-spezifischen Frames. Ein Frame von Bildinformationen umfasst einen Satz von gleichzeitig aufgenommenen Werten für jeden verschiedenen Fotosensor in dem Pixel-Array 128. Von dem Pixel-Array 128 aufgenommene Bildframes umfassen Daten, welche Merkmale auf der Beleuchtungsoberfläche 104 repräsentieren. Die Rate der Bildframeaufnahme und der Verfolgungsauflösung kann programmierbar sein.
In einer Ausführungsform reicht die Bildframeaufnahmerate bis zu 2300 Frames pro Sekunde mit einer Auflösung von 800 Counts pro Inch (cpi). Obwohl einige Beispiele von Frameaufnahmeraten und -auflösungen bereitgestellt werden, sind andere Frameaufnahmeraten und -auflösungen in Erwägung gezogen.
Eine Verfolgungsengine (nicht dargestellt) innerhalb des Digitalsignalprozessors 122 vergleicht aufeinanderfolgende Bildframes von dem Pixel-Array 128 zum Bestimmen der Bewegung der Bildmerkmale zwischen den Frames. Insbesondere bestimmt die Verfolgungsengine eine Bewegung durch Korrelieren von gemeinsamen Merkmalen, welche in aufeinanderfolgenden Bildframes, die von dem Pixel-Array 128 erzeugt wurden, existieren. Die Bewegung zwischen den Bildframes wird ausgedrückt in Form von Bewegungsvektoren in, z.B., X- und Y-Richtungen (z.B. Δx und Δy) parallel zu der Beleuchtungsoberfläche 104. Die Bewegungsvektoren werden dann verwendet zum Bestimmen der Bewegung der optischen Maus bezüglich der Navigationsoberfläche. Mehr detaillierte Beschreibungen von Beispielen von Navigationssensorbewegungsverfolgungstechniken werden bereitgestellt in US-Patent Nr. 5,644,139 mit dem Titel „Navigation technique for detecting movement of navigation sensors relative to an object“, und US-Patent Nr. 6,222,174 mit dem Titel „Method of correlating immediately acquired and previously stored feature information for motion sensing“, die beide hierin durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Der digitale Signalprozessor 122 überträgt dann eines oder mehrere Signale an den Mikrocontroller 110. Beispiele von Typen von Signalen, welche von dem Digitalsignalprozessor 122 der optischen Navigationsschaltung 108 an den Mikrocontroller 110 übertragen werden, enthalten Kanalblindsignale (channel quadrature signals) basierend auf Δx und Δy relativen Verschiebungswerten. Diese Signale, oder andere Signale, können hinweisend sein auf eine Bewegung der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 bezüglich der Beleuchtungsoberfläche 104.
Alternativ können die Blind- oder anderen Signale hinweisend sein auf eine Bewegung der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 bezüglich einem entfernten Objekt oder einer Oberfläche in einer Freiraumnavigationsumgebung. Andere Ausführungsformen des Digitalsignalprozessors 122 können andere Typen von Signalen an den Mikrocontroller 110 übertragen. In einer Ausführungsform implementiert der Mikrocontroller 110 eine Vielzahl von Funktionen, einschließlich Übertragen von Daten zu und Empfangen Daten von einem Host-Computersystem (nicht dargestellt).
3 zeigt ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 von 2. Die veranschaulichte Ausführungsform umfasst die Lichtquelle 106, das optische Element 112, die Beleuchtungsöffnungsstruktur 116, welche die Beleuchtungsöffnung 117 definiert, die Abbildungsöffnungsstruktur 118, welche die Abbildungsöffnung 119 definiert, und den Bildsensor 126. Die optische Navigationseingabevorrichtung 102 ist dargestellt bezüglich der Beleuchtungsoberfläche 104, welche in diesem Beispiel ein undurchsichtiges Material 105a umfasst, welches durch ein Glasmaterial 105b abgedeckt ist. Obwohl die optische Navigationseingabevorrichtung 102 dargestellt und beschrieben ist mit bestimmten Komponenten und Funktionalitäten, können andere Ausführungsformen der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 weniger oder mehr Komponenten zum Implementieren von weniger oder mehr Funktionalität aufweisen.
Das veranschaulichte optische Element 102 umfasst eine Lichteingangsgrenzfläche 142, eine reflektierende Oberfläche 144 und eine Brechungsgrenzfläche 146. In einigen Ausführungsformen empfängt die Lichteingangsgrenzfläche 142 Licht von der Lichtquelle 106 in das optische Element 112. In einigen Ausführungsformen kollimiert die Lichteingangsgrenzfläche 142 das Licht von der Lichtquelle 106. Das Lichteingangsgrenzfläche 142 richtet das Licht auf die reflektierende Oberfläche 144 in dem optischen Element 112 hin.
Die reflektierende Oberfläche 144 ist unter einem Winkel bezüglich des Weges des Lichts innerhalb des optischen Elements 102 orientiert. In einigen Ausführungsformen ist die reflektierende Oberfläche 144 poliert, um ferner eine innere Totalreflexion (total internal reflection, TIR) des Lichts innerhalb des optischen Elements 112 zu erleichtern. In anderen Ausführungsformen wird eine reflektierende Beschichtung auf die reflektierende Oberfläche aufgetragen durch chemische Abscheidung, Adhäsion, Diffusion oder andere Formen von Materialanwendung. Die reflektierende Oberfläche 144 ist orientiert zum Erleichtern einer inneren Totalreflexion (TIR) des Lichts innerhalb des optischen Elements 112. Die reflektierende Oberfläche 144 richtet das Licht zu der Brechungsgrenzfläche 146.
In einigen Ausführungsformen hat die Brechungsgrenzfläche 146 eine planare Geometrie. Die Brechungsgrenzfläche 146 kann poliert sein zum Verbessern von optischer Transmission des austretenden Lichts. Die Brechungsgrenzfläche 146 richtet das Licht aus dem optischen Element 112 auf eine Beleuchtungsöffnungsstruktur 116. Die Brechungsgrenzfläche 146 kann ferner das Licht kollimieren, wenn es durch die Brechungsgrenzfläche 146 hindurchgeht. In einigen Ausführungsformen modifiziert die Brechungsgrenzfläche 146 die Querschnittsgeometrie des Lichtstrahls zum Beleuchten einer geometrischen Fläche auf deren Navigationsoberfläche 104. Zum Beispiel kann ein Lichtstrahl, welcher einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt hat, von der reflektierenden Oberfläche 144 zurückstrahlen zu der Brechungsgrenzfläche 146 und die Brechungsgrenzfläche 146 ändert die kreisförmige oder elliptische Form des Querschnitts in mindestens einer Richtung, wenn die Brechungsgrenzfläche den Lichtstrahl zu der Beleuchtungsoberfläche 104 hin bricht. Ein spezifisches Beispiel wie die Brechungsgrenzfläche 146 die Querschnittsgeometrie des Lichtstrahls modifizieren kann, ist in 3A gezeigt und detaillierter unten beschrieben. In einigen Ausführungsformen kann die Brechungsgrenzfläche 146 eine optische Öffnung (nicht dargestellt) aufweisen, welche auf der Oberfläche der Brechungsgrenzfläche 146 angeordnet ist zum Weitermodifizieren des Lichtstrahls, wenn er von dem optischen Element 112 zu der Beleuchtungsöffnungsstruktur 116 gerichtet wird.
In einigen Ausführungsformen ist die Beleuchtungsöffnungsstruktur 116 zwischen dem optischen Element 112 und der Beleuchtungsoberfläche 104. Die Beleuchtungsöffnungsstruktur 116 definiert eine Beleuchtungsöffnung 117. Genauer definiert die Beleuchtungsöffnungsstruktur 116 eine zweidimensionale Form der Beleuchtungsöffnung 117. In einigen Ausführungsformen ist die bestimmte Form des Querschnitts des einfallenden Lichtstrahls elliptisch an der Beleuchtungsöffnung 117 und die bestimmte Form der Projektion (d.h. entlang einer Ebene im Wesentlichen parallel zu der Beleuchtungsoberfläche 104 genommen) des gebrochenen Lichtstrahls ist kreisförmig (siehe 3A). Andere Ausführungsformen der Beleuchtungsöffnung 117 können eine Öffnung mit anderen Querschnittsgeometrien liefern.
In einigen Ausführungsformen ist das optische Element 112 in ungefähr einem Abstand von 0,5 mm von der Beleuchtungsöffnungsstruktur 116 angeordnet. Andere Ausführungsformen des optischen Elements 112 können näher oder weiter weg von der Beleuchtungsöffnungsstruktur 116 angeordnet sein.
Allgemein wird Licht, welches auf der Beleuchtungsoberfläche 104 einfällt, von der Beleuchtungsoberfläche 104 weg reflektiert entlang einem Spiegelreflexionspfad 148. Jedoch wird zumindest etwas von dem Licht, welches auf der Beleuchtungsoberfläche 104 einfällt, entlang eines Streulichtpfades 150 durch ein Oberflächenmerkmal 152 auf der Beleuchtungsoberfläche 104 gestreut. In einigen Ausführungsformen ist das Oberflächenmerkmal 152 ein Kratzer auf der Beleuchtungsoberfläche 104. In einer anderen Ausführungsform ist das Oberflächenmerkmal 152 ein Staubpartikel. In anderen Ausführungsformen ist das Oberflächenmerkmal 152 ein anderer Typ von Unregelmäßigkeit auf der Beleuchtungsoberfläche 104. Das gestreute Licht wandert entlang des Streulichtpfades 150 und kann ebenso in andere Richtungen wandern. Licht, welches entlang des Streulichtpfades 150 wandert, geht durch die Abbildungsöffnung 119, welche durch die Abbildungsöffnungsstruktur 118 definiert ist, hindurch. Zum Beispiel, wenn die Beleuchtungsoberfläche 104 Glas ist, können kleine Oberflächenkratzer oder Staubteilchen Licht entlang des Streulichtpfades 150 streuen, um auf dem Bildsensor 126 aufzutreffen anstatt dem gesamten Licht zu erlauben, entlang des Spiegelreflexionspfades 148 reflektiert zu werden.
In einigen Ausführungsformen ist die Abbildungsöffnungsstruktur 118 zwischen der Beleuchtungsoberfläche 104 und dem Bildsensor 126. Die Abbildungsöffnungsstruktur 118 ist im Wesentlichen parallel zu der Beleuchtungsoberfläche 104 orientiert. In einigen Ausführungsformen ist die Abbildungsöffnungsstruktur 118 unter einem von Null verschiedenen bezüglich der Beleuchtungsoberfläche 104 orientiert. In einigen Ausführungsformen definiert die Abbildungsöffnungsstruktur 118 eine kreisförmige Abbildungsöffnung 119. In anderen Ausführungsformen kann die Abbildungsöffnungsstruktur 118 die Abbildungsöffnung 119 definieren mit einer Form, die mit einer Geometrie des Bildsensors 126 übereinstimmt. In anderen Ausführungsformen definiert die Abbildungsöffnungsstruktur 118 eine andere Form in der Abbildungsöffnung 119.
In einigen Ausführungsformen blockiert die Abbildungsöffnungsstruktur 118 das Licht entlang des Spiegelreflexionspfades 148 und entfernt unerwünschte Streulichtbeiträge von dem Licht auf dem Streulichtpfad 150. Mindestens etwas von dem Licht, welches durch die Abbildungsöffnung 119 geht, trifft auf den Bildsensor 126 auf. Der Bildsensor 126 detektiert das Licht, welches von der Abbildungsöffnung 119 weitergegeben wurde.
3A zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen kreisförmigen und elliptischen Querschnitten und Projektionen des einfallenden Lichtstrahls, wenn der Lichtstrahl reflektiert und gebrochen wird durch das optische Element 112 von 3. Obwohl das optische Element 112 nicht in seiner Gesamtheit dargestellt ist, sind die einschlägigen Teile des optischen Elements 112 identifiziert, soweit sie den Pfad des Lichtes von der Lichtquelle 106 zu der Beleuchtungsoberfläche 104 (siehe 3) betreffen. Insbesondere zeigt 3A die Lichteingangsgrenzfläche 142, die reflektierende Oberfläche 144 und die Brechungsgrenzfläche 146 des optischen Elements 112.
Wenn der Lichtstrahl in das optische Element 112 durch die Lichteingangsgrenzfläche 142 eintritt, kann der Lichtstrahl einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt haben, welcher bei Ebene A' angezeigt ist. Jedoch kann in einigen Ausführungsformen der Lichtstrahl einen nicht kreisförmigen Querschnitt haben. Wie in 3A dargestellt, hat der kreisförmige Querschnitt einen konstanten Radius, r. In einer Ausführungsform kann die Lichtquelle 106 den Lichtstrahl mit einem kreisförmigen Querschnitt erzeugen. Alternativ kann die Lichteingangsgrenzfläche 142 den kreisförmigen Querschnitt erzeugen, wenn der Lichtstrahl durch die Lichteingangsgrenzfläche 142 hindurch in das optische Element 112 eintritt.
Wenn der Lichtstrahl durch das optische Element 112 hindurch tritt, reflektiert die Reflexionsoberfläche 144 den Lichtstrahl, z.B. durch interne Totalreflexion (total internal reflection, TIR) zu der Brechungsgrenzfläche 146 hin. Abhängig von dem Winkel der Reflexionsoberfläche 144 bezüglich dem einfallenden Lichtstrahl und der Beleuchtungsoberfläche 104, ändert die Reflexionsoberfläche 144 die Bewegungsrichtung des Lichtstrahls. Wie in 3A dargestellt, ist die gewinkelte Projektion des Lichtstrahls, welche bei Ebene B' genommen wird, elliptisch. Die elliptische Projektion des Lichtstrahls bei Ebene B' hat zwei Abmessungen a' und b', wobei b' gleich r ist und a' größer ist als r, da der Winkel, unter welchem die Reflexionsoberfläche 144 den Lichtstrahl reflektiert, dazu tendiert, den Lichtstrahl in der a'-Richtung innerhalb der Ebene B' auszudehnen. Für eine Bezugnahme entspricht die a'-Richtung der Links-Rechts-Richtung auf der Seite, und die b'-Richtung entspricht der Ein-Aus-Richtung auf der Seite.
Wenn das Licht durch die Brechungsgrenzfläche 146 hindurch tritt, modifiziert die Brechungsgrenzfläche 146 den Querschnitt des Lichtstrahls, so dass der Querschnitt des Lichtstrahls anders ist, wenn der Lichtstrahl das optische Element 112 verlässt, verglichen mit dem Querschnitt des Lichtstrahls vor dem Erreichen der Brechungsgrenzfläche 146. Besonders der Querschnitt, welcher bei Ebene C' genommen ist, gibt den Querschnitt des Lichtstrahls an, nachdem er das optische Element 112 durch die Brechungsgrenzfläche 146 verlässt. Der Querschnitt des Lichtstrahls bei Ebene C' hat eine Abmessung, a", welcher kleiner ist als der Radius, r, des ursprünglichen Querschnitts des Lichtstrahls. Die b'-Abmessung bleibt konstant und gleich dem Radius, r.
Durch Reduzieren der a"-Abmessung des Querschnitts ist die resultierende Projektion des Lichts an der Ebene D' genommen kreisförmig, mit demselben ursprünglichen Radius, r. Alternativ kann es möglich sein, die Gesamtgröße des beleuchteten Lichtflecks (z.B. durch optische Vergrößerungstechniken) zu vergrößern, während dieselbe Querschnittsgeometrie (z.B. ein Kreis) als die finale Form, welche bei Ebene D' genommen wird, beibehalten wird. In jedem Fall erlaubt die beschriebene Ausführungsform, dass der resultierende Lichtstrahl, entlang der Ebene D' genommen, eine gewinkelte Projektion aufweist, die ähnlich oder dieselbe ist wie die Querschnittsgeometrie des Lichtstrahls, die entlang Ebene A' genommen wird, selbst wenn die Projektion bei Ebene D' als gewinkelt bezüglich der Richtung des Lichtstrahls gedacht ist.
Da die projizierte Geometrie des Lichtstrahls bei Ebene D' dieselbe ist wie die Querschnittsgeometrie des Lichtstrahls bei Ebene A' können Ausführungsformen der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 leichter und erschwinglicher hergestellt und montiert werden. Insbesondere können die Öffnungsstrukturen 116 und 118 und der Bildsensor 126 horizontal angeordnet werden, anstelle von unter einem Winkel, innerhalb der optischen Navigationseingabevorrichtung 102. Als ein Ergebnis kann die Größe der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 reduziert werden, da die Öffnungsstrukturen 116 und 118 und der Bildsensor 126 näher an anderen Komponenten innerhalb der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 platziert werden können. Andere Ausführungsformen können zusätzliche Vorteile über konventionelle Technologie bieten.
4 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform des optischen Elements 112 von 3 bezüglich der Beleuchtungsoberfläche 104 für eine Bezugnahme in der Beschreibung des optischen Elements 112 ist das optische Element 112 dargestellt bezüglich einer Referenzebene 162. In der dargestellten Ausführungsform ist die Referenzebene 162 parallel zu der Beleuchtungsoberfläche 104. Zusätzlich sind mehrere Oberflächennormale 164, 166 und 168 dargestellt. Jedes Oberflächennormal 164, 166 und 168 ist senkrecht oder normal zu der Referenzebene 162. Das optische Element 112 umfasst die Lichteingangsgrenzfläche 142 zum Empfangen von Licht in das optische Element 112. Das optische Element umfasst auch eine Reflexionsoberfläche 144. In der dargestellten Ausführungsform ist die Reflexionsoberfläche 144 unter einem Winkel von q_tir bezüglich bezüglich dem Oberflächennormal 164 orientiert. Der Winkel q_tir der Reflexionsoberfläche 144 unterstützt einen identischen Winkel q_tir in dem Reflexionspfad des Lichts bezüglich der Reflexionsoberfläche 144.
Die Brechungsgrenzfläche 146 ist unter einem Winkel, q_tlt, bezüglich des Oberflächennormals 166 orientiert. Das Licht wird zu der Brechungsgrenzfläche 146 mit einem Annäherungswinkel von q₁ bezüglich des Brechungsgrenzflächennormals 170, welches normal oder senkrecht zu der Brechungsgrenzfläche 146 ist, gerichtet. Das Licht wird von der Brechungsgrenzfläche 146 unter einem Winkel von q₂ bezüglich des Brechungsgrenzflächennormals 170 gerichtet. Das Licht wandert unter einem Winkel, q_inc, bezüglich des Oberflächennormals 168.
Obwohl es mehrere verschiedene Ausführungsformen geben kann, sind die Beziehungen von q₁. q₂, q_tlt und q_inc für eine spezifische Ausführungsform in den folgenden Gleichungen ausführlich beschrieben: $2 q_{b r} + q_{1} + q_{d t} = 90 °$
$q_{i n c} + q_{2} + q_{d t} = 90 °$
In einer Ausführungsform ist der erste Winkel, q_tir, der Reflexionsoberfläche 144 zwischen ungefähr 25 bis 90 Grad und der zweite Winkel, q_tlt, der Brechungsgrenzfläche 146 ist zwischen 9 bis 12 Grad. Andere Ausführungsformen enthalten andere Winkel. Zum Beispiel für q_inc zwischen ungefähr 30 bis 40 Grad, variiert q_tir zwischen ungefähr 22 bis 30 Grad und q_tlt variiert zwischen ungefähr 23 bis 3 Grad.
Das Verhältnis des Brechungsindex, η, des Materials des optischen Elements 112 und des Brechungsindex, η_air, der Luft ist beschrieben durch die Gleichung: $\frac{sin (q_{1})}{sin (q_{2})} = \frac{η_{a i r}}{η}$
In der Ausführungsform von 4 ist der Winkel q₁ 25,9 und der Winkel q₂ ist 43,3, unter Verwendung eines Materialindex η von 1,57, annehmend, dass der Luftindex η_air gleich 1 ist. Andere Ausführungsformen können andere Winkel und/oder Brechungsindizes verwenden. Zum Beispiel variiert q₁ für q_inc zwischen ungefähr 30 bis 40 Grad, zwischen ungefähr 22 bis 28 Grad und q₂ variiert zwischen 36 bis 48 Grad.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der optischen Navigationseingabevorrichtung von 2. Die veranschaulichte optische Navigationseingabevorrichtung 180 umfasst die Lichtquelle 106, das optische Element 112, die Beleuchtungsöffnungsstruktur 116, die Abbildungsöffnungsstruktur 118, die Abbildungslinse 114 und den Bildsensor 126. Andere Ausführungsformen können weniger oder mehr Komponenten zum Implementieren von weniger oder mehr Funktionalität aufweisen.
Die Lichtquelle 106 emittiert Licht, welches durch eine Öffnung 182 hindurch geht und in das optische Element 112 eintritt. Insbesondere tritt das Licht in das optische Element 112 durch die Lichteingangsgrenzfläche 142 ein. Das optische Element 112 richtet das Licht auf die Beleuchtungsöffnungsstruktur 116. Die Beleuchtungsöffnungsstruktur 116 kann Abberationen an der Peripherie des Lichts entfernen. Das Licht trifft auf die Beleuchtungsoberfläche 104 und etwas von dem Licht wird durch die Beleuchtungsoberfläche 104 entlang des Spiegelreflexionspfades 148 reflektiert. Etwas von dem Licht, welches auf der Beleuchtungsoberfläche 104 auftrifft, wird durch die das Oberflächenmerkmal 152 oder andere Fehlerstellen, Kratzer, Teilchen oder ungleichmäßige Aspekte der Beleuchtungsoberfläche 104 gestreut. Folglich wandert etwas von dem gestreuten Licht entlang des Streulichtpfades 150, welcher separiert ist von dem spiegelnd reflektierten Licht um einen Winkel von θ. etwas von dem gestreuten Licht geht durch die Abbildungsöffnung 119 (nicht dargestellt) der Abbildungsöffnungsstruktur 118 hindurch und fällt auf der Abbildungslinse 114 ein. Die Abbildungslinse 114 richtet das gestreute Licht auf den Bildsensor 126. Wie oben beschrieben, erzeugt der Bildsensor 126 Navigationsbilder zum Detektieren einer Navigationsrichtung und ein Signal.
6 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens 190 zum Betreiben einer optischen Navigationseingabevorrichtung 102. Obwohl das Verfahren 190 in Verbindung mit der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 von 2 beschrieben wird, kann das Verfahren 190 mit anderen Typen von optischen Navigationseingabevorrichtungen implementiert werden.
Bei Block 192 emittiert die Lichtquelle 106 einen Lichtstrahl. In einigen Ausführungsformen hat der Lichtstrahl einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. In anderen Ausführungsformen hat der Lichtstrahl einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt. Der Lichtstrahl wird auf den Lichtleiter 112 gerichtet, welcher zwischen der Lichtquelle 106 und der Beleuchtungsoberfläche 104 angeordnet ist. Bei Block 194 tritt der Lichtstrahl in den Lichtleiter 112 ein, welcher den Lichtstrahl zu der Brechungsgrenzfläche 144 richtet. Die Brechungsgrenzfläche 144 bricht das Licht zu der Beleuchtungsoberfläche 104 unter einem von Null verschiedenen Einfallswinkel bezüglich einem Oberflächennormal der Beleuchtungsoberfläche 104. Bei Block 196 modifiziert die Brechungsgrenzfläche 144 den Querschnitt des Lichtstrahls zum Beleuchten eines im Wesentlichen kreisförmigen Lichtflecks auf der Beleuchtungsoberfläche 104. Das dargestellte Verfahren 190 endet dann.
In der obigen Beschreibung werden spezifische Details von verschiedenen Ausführungsformen geliefert. In einigen Ausführungsformen erleichtert die Verwendung eines Lichtstrahls mit einer kreisförmigen Projektion in einer Ebene parallel zu der Beleuchtungsoberfläche ein Montieren der Öffnungsstrukturen 116 und 118 horizontal bezüglich der Referenzebene 162, was ein Packaging und eine Platzierung der Öffnungsstrukturen 116 und 118 erleichtert. Einige Ausführungsformen der optischen Navigationseingabevorrichtung 102 erleichtern eine wesentliche Reduktion in dem Signalrauschen durch eine Reduktion von Mehrfachreflexionen zwischen der Lichteingangsgrenzfläche 142 und der Brechungsgrenzfläche 146.
Obwohl die Operationen des (der) Verfahren hierin in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt und beschrieben sind, kann die Reihenfolge der Operationen von jedem Verfahren geändert werden, so dass bestimmte Operationen in einer umgekehrten Reihenfolge durchgeführt werden oder so dass bestimmte Operationen, zumindest teilweise, gleichzeitig mit anderen Operationen ausgeführt werden. In anderen Ausführungsformen können Instruktionen oder Suboperationen von bestimmten Operationen in einer intermittierenden und/oder alternierenden Weise implementiert sein.
Obwohl spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, ist die Erfindung nicht auf die spezifischen Formen und Anordnungen von so beschriebenen und veranschaulichten Teilen beschränkt. Der Umfang der Erfindung soll definiert sein durch die hieran angehängten Ansprüche und ihre Äquivalente.

Claims

Optische Navigationseingabevorrichtung (102) enthaltend: eine Lichtquelle (106) zum Emittieren eines Lichtstrahls, welcher einen elliptischen oder kreisförmigen Querschnitt aufweist; und einen Lichtleiter(112), welcher bezüglich der Lichtquelle (106) positioniert ist zum Empfangen des Lichtstrahls von der Lichtquelle (106) in einer ersten Richtung und zum Umlenken des Lichtstrahls in eine zweite Richtung auf eine Beleuchtungsoberfläche (104) unter einem von Null verschiedenen Einfallswinkel, wobei der Lichtleiter(112) konfiguriert ist zum Richten des Lichtstrahls durch eine Brechungsgrenzfläche (146), die konfiguriert ist zum Beleuchten einer kreisförmigen Fläche auf der Beleuchtungsoberfläche (104); wobei der Lichtleiter (112) aufweist: eine Lichteingangsgrenzfläche (142) zum Empfangen des Lichtstrahls von der Lichtquelle (106); und eine Reflexionsoberfläche (144) zum internen Reflektieren des Lichtstrahls gemäß einer internen Totalreflexion (TIR) zu der Brechungsgrenzfläche (146), wobei die Reflexionsoberfläche (144) eine erste planare Oberfläche unter einem ersten Winkel, q_tir , bezüglich einem Oberflächennormal der Beleuchtungsoberfläche (104) aufweist; wobei die Brechungsgrenzfläche (146) eine zweite planare Oberfläche unter einem zweiten Winkel, q_tit, bezüglich dem Oberflächennormal der Beleuchtungsoberfläche (104) aufweist; wobei der erste Winkel, q_tir, der Reflexionsoberfläche (144) zwischen ungefähr 22 bis 30 Grad und der zweite Winkel, q_tit, der Brechungsgrenzfläche (146) zwischen 23 bis 3 Grad ist.
Optische Navigationseingabevorrichtung (102) nach Anspruch 1, wobei die Lichteingangsgrenzfläche (142) des Lichtleiters (112) auf einer Deckoberfläche des Lichtleiters (112) angeordnet ist zum Empfangen des Lichtstrahls von der Lichtquelle (106) in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung.
Optische Navigationseingabevorrichtung (102) nach Anspruch 2, wobei die Lichteingangsgrenzfläche (142) des Lichtleiters (112) eine Kollimierungslinse aufweist zum Kollimieren des Lichtstrahls von der Lichtquelle (106).
Optische Navigationseingabevorrichtung (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner enthaltend eine Beleuchtungsöffnungsstruktur (116), welche zwischen dem Lichtleiter (112) und der Beleuchtungsoberfläche (104) angeordnet ist, wobei die Beleuchtungsöffnungsstruktur (116) im Wesentlichen parallel zu der Beleuchtungsoberfläche (104) orientiert ist, wobei die Beleuchtungsöffnungsstruktur (116) eine im Wesentlichen kreisförmige Beleuchtungsöffnung (117) definiert, zum Hindurchführen von mindestens einem Teil des Lichtstrahls zu der Beleuchtungsoberfläche (104).
Optische Navigationseingabevorrichtung (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner enthaltend einen Bildsensor (126) zum Empfangen von reflektiertem Licht von der Beleuchtungsoberfläche und zum Erzeugen eines Navigationsbildes basierend auf dem reflektierten Licht, wobei der Bildsensor (126) ein Pixel-Array aufweist, welches im Wesentlichen parallel zu der Beleuchtungsoberfläche (104) orientiert ist.
Optische Navigationseingabevorrichtung (102) nach Anspruch 5, wobei der Bildsensor (126) positioniert ist zum Empfangen von gestreutem Licht von einem Oberflächenmerkmal an der Beleuchtungsoberfläche (104), wobei das gestreute Licht entlang eines Streulichtpfades (150), welcher von einem Spiegelreflexionspfad (148) versetzt ist, wandert.
Optische Navigationseingabevorrichtung (102) nach Anspruch 5 oder 6, ferner enthaltend eine Abbildungsöffnungsstruktur (118), welche zwischen der Beleuchtungsoberfläche (104) und dem Bildsensor (126) angeordnet ist, wobei die Abbildungsöffnungsstruktur (118) im Wesentlichen parallel zu der Beleuchtungsoberfläche (104) orientiert ist, wobei die Abbildungsöffnungsstruktur (118) eine im Wesentlichen kreisförmige Abbildungsöffnung (119) definiert zum Hindurchführen von mindestens einem Teil des gestreuten Lichts zu dem Bildsensor (126).
Optische Navigationseingabevorrichtung (102) nach Anspruch 7, ferner enthaltend eine Abbildungslinsenstruktur, welche innerhalb des Streulichtpfades (150) des gestreuten Lichts angeordnet ist und zwischen der Abbildungsöffnung (119) und dem Bildsensor (126) angeordnet ist, wobei die Abbildungslinsenstruktur mindestens ein optischen Element (112, 114) zum Richten des gestreuten Lichts auf den Bildsensor (126) aufweist.
Lichtleiter (112) für eine optische Navigationseingabevorrichtung (102), der Lichtleiter (112) enthaltend: eine Lichteingangsgrenzfläche (142) zum Empfangen eines einfallenden Lichtstrahls von einer Lichtquelle (106) in einer ersten Richtung, wobei der einfallende Lichtstrahl einen elliptischen oder kreisförmigen Querschnitt aufweist, genommen entlang einer Ebene senkrecht zu der ersten Richtung; eine Reflexionsoberfläche (144) zum internen Reflektieren des einfallenden Lichtstrahls von der ersten Richtung in eine Zwischenrichtung innerhalb des Lichtleiters (112); und eine Brechungsgrenzfläche (146) zum Empfangen des reflektierten Lichtstrahls von der Reflexionsoberfläche (144) und zum Brechen des Lichtstrahls aus dem Lichtleiter (112) hinaus in einer zweiten Richtung unter einem von Null verschiedenen Einfallswinkel bezüglich einem Oberflächennormal einer Referenzebene, wobei eine gewinkelte Projektion, genommen entlang einer Ebene parallel zu der Referenzebene, des gebrochenen Lichtstrahls dieselbe Form hat wie der Querschnitt des einfallenden Lichtstrahls; wobei die Reflexionsoberfläche (144) ferner konfiguriert ist zum Reflektieren des einfallenden Lichtstrahls gemäß einer inneren Totalreflexion (TIR) zu der Brechungsgrenzfläche (146), wobei die Brechungsgrenzfläche (146) eine planare Oberfläche unter einem Winkel, q_tir, bezüglich dem Oberflächennormal der Referenzebene aufweist; wobei der Winkel, q_tir, der planaren Oberfläche der reflektierenden Oberfläche bezüglich dem Oberflächennormal der Referenzebene zwischen ungefähr 22 bis 30 Grad ist; wobei die Brechungsgrenzfläche (146) eine planare Oberfläche unter einem Winkel, q_tit, bezüglich dem Oberflächennormal der Referenzebene aufweist; und wobei der Winkel, q_tit, der planaren Oberfläche der Brechungsgrenzfläche (146) bezüglich dem Oberflächennormal der Referenzebene zwischen ungefähr 3 bis 23 Grad ist.
Lichteiter nach Anspruch 9, wobei die Lichteingangsgrenzfläche (142) eine Kollimierungslinse zum Kollimieren des einfallenden Lichtstrahls von der Lichtquelle (106) aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer optischen Navigationseingabevorrichtung (102), das Verfahren enthaltend: Emittieren eines Lichtstrahls mit einem elliptischen oder kreisförmigen Querschnitt zu einem Lichtleiter (112), welcher zwischen einer Lichtquelle (106) und einer Beleuchtungsoberfläche (104) angeordnet ist; Richten des Lichtstrahls durch den Lichtleiter (112) zu einer Brechungsgrenzfläche (146), wobei die Brechungsgrenzfläche (146) konfiguriert ist zum Brechen des Lichtstrahls zu der Beleuchtungsoberfläche (104) unter einem von Null verschiedenen Einfallswinkel bezüglich einem Oberflächennormal der Beleuchtungsoberfläche (104); und Modifizieren des Querschnitts des Lichtstrahls an der Brechungsgrenzfläche (146) zum Beleuchten eines kreisförmigen Lichtflecks auf der Beleuchtungsoberfläche (104) wobei der Lichtleiter (112) aufweist: eine Lichteingangsgrenzfläche (142) zum Empfangen des Lichtstrahls von der Lichtquelle (106); und eine Reflexionsoberfläche (144) zum internen Reflektieren des Lichtstrahls gemäß einer internen Totalreflexion (TIR) zu der Brechungsgrenzfläche (146), wobei die Reflexionsoberfläche (144) eine erste planare Oberfläche unter einem ersten Winkel, q_tir , bezüglich einem Oberflächennormal der Beleuchtungsoberfläche (104) aufweist; wobei die Brechungsgrenzfläche (146) eine zweite planare Oberfläche unter einem zweiten Winkel, q_tit, bezüglich dem Oberflächennormal der Beleuchtungsoberfläche (104) aufweist; und wobei der erste Winkel, q_tir, der Reflexionsoberfläche (144) zwischen ungefähr 22 bis 30 Grad und der zweite Winkel, q_tit, der Brechungsgrenzfläche (146) zwischen 23 bis 3 Grad ist.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner enthaltend ein Kollinnieren des Lichtstrahls an einer Lichteingangsgrenzfläche (142) des Lichtleiters (112).
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, ferner enthaltend: Empfangen des Lichtstrahls von der Lichtquelle (106) an dem Lichtleiter (112) in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung; und Richten des gebrochenen Lichtstrahls zu der Beleuchtungsoberfläche (104), wobei die Beleuchtungsoberfläche (104) eine im Wesentlichen horizontale spiegelnde Beleuchtungsoberfläche (104) aufweist.