DE10353381B4

DE10353381B4 - Granulationsbasierter Bewegungsdetektor, optische Maus, Computersystem und Verfahren

Info

Publication number: DE10353381B4
Application number: DE10353381A
Authority: DE
Inventors: Russel W. Fort Collins Gruhlke; William Richard Jr. Atherton Trutna
Original assignee: Avago Technologies ECBU IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2023-11-15
Also published as: TWI312600B; US7418016B2; JP2004246360A; DE20321831U1; KR20040073373A; GB2399675B; US20070153293A1; TW200415830A; GB0402798D0; DE10353381A1; KR101086549B1; DE10362097B4; US7474680B2; US20040160998A1; GB2399675A; DE10353381B8; JP4448708B2

Abstract

Granulationsbasierter Bewegungsdetektor mit folgenden Merkmalen
einer Laserquelle (101), die betreibbar ist, um einen Laserstrahl (106) zu erzeugen, der einen Fluss aufweist, der einen vorbestimmten Wert überschreitet;
einer optischen Einrichtung (107), die betreibbar ist, um den Strahl derart zu modifizieren, dass der Fluss des Strahls (106) durch eine vorbestimmte Apertur (115) den vorbestimmten Wert nicht überschreitet; und
einem Detektor, der betreibbar ist, um das Granulationsmuster des Laserstrahls (106) zu erfassen, der von einem Ziel reflektiert wird;
wobei die optische Einrichtung (107) eine Beugungsfokussierungswirbellinse aufweist, welche den Laserstrahl (106) in ein ringförmiges Bestrahlungsverteilungsmuster (300) bricht.

Description

Viele heutige Vorrichtungen verwenden Laser zur Implementierung verschiedener Funktionen. Eine optische Maus oder ein Laserpointer zum Beispiel verwendet bei ihren/seinen jeweiligen Operationen Laser. Zusätzlich verwenden viele faseroptische Kommunikationsvorrichtungen einen Laser als eine Quelle einer Signalerzeugung.
Diese Laser erzeugen optische Strahlen, die manchmal Licht erzeugen können, das ausreichend stark ist, um das menschliche Auge zu beschädigen. Eine laseroptische Zeigevorrichtung zum Beispiel verwendet üblicherweise eine Strahländerungsvorrichtung in einer optischen Ausrichtung mit dem Laser, die entworfen ist, um den Laserstrahl für seine beabsichtigte Verwendung zu fokussieren oder zu kollimieren. Deshalb kann, wenn eine Person in den Laserstrahl schaut, dies das ungeschützte Auge schädigen, wobei selbst dann, wenn der Laserstrahl nicht ausreichend stark ist, um einen Schaden zu bewirken, man ferner den Laserstrahl mit einem Vergrößerungsglas oder einer anderen Vorrichtung derart fokussieren könnte, dass der weiter fokussierte Strahl in der Lage ist, dem Auge einen Schaden zuzufügen.
Da Produkte, die Laservorrichtungen enthalten, potentiell gefährlich für das Auge sind, werden dieselben dementsprechend nach ihrem potentiellen Gefahrenpegel klassifiziert. Ein derartiges Klassifizierungsschema ist das International Standards for The Safety of Laser Products (ISSLP; = internationale Standards für die Sicherheit von Laserprodukten). Die ungefährlichsten Laser, wie dies durch die ISSLP klassifiziert ist, sind Klasse 1-Laservorrichtungen. Laser in dieser Kategorie sind definiert, um unter ziemlich vorhersehbaren Betriebsbedingungen sicher zu sein, einschließlich der Verwendung optischer Instrumente, wie zum Beispiel eines Vergrößerungsglases, zur Intra-Strahl-Betrachtung. Die Klassifizierung für die nächst ungefährlichste Kategorie von Lasern und Laserprodukten ist die Klasse 1M. Diese Klasse besteht aus Lasern, die unter ziemlich vorhersehbaren Betriebsbedingungen sicher sind, jedoch gefährlich sein können, wenn der Benutzer eine optische Vorrichtung zur Intra-Strahl-Betrachtung, d. h. ein Vergrößerungsglas, verwendet.
Gemäß den ISSLP beträgt die maximal erlaubte Leistung, d. h. annehmbarer Emissionslicht-(AEL-)Pegel, für einen häufig verwendeten Einmoden-Klasse 1-Laser mit 850 nm Wellenlänge 0,78 Milliwatt, wenn dies gemäß dem ISSLP-definierten Standard gemessen wird. Der definierte Standard ist die Menge eines Flusses (Leistung pro Einheitsfläche) durch eine 7 Millimeter (mm) große Apertur in einer Radialebene, die sich 14 mm von dem Punkt entfernt befindet, an dem der Laserstrahl die Vorrichtung verläßt. So wird, wenn der Fluß des Laserstrahls, der durch das Loch mit einer Apertur von 7 mm gelangt, weniger als 0,78 Milliwatt beträgt, der Laser als Klasse 1 sicher betrachtet.
Ein granulationsbasierter bzw. Speckle-basierter Bewegungssensor, der in einer optischen Maus verwendet werden könnte, ist eine Vorrichtung, die für ihre Funktionalität einen Laser verwendet. In einem granulationsbasierten Bewegungssensor wird ein Laserstrahl auf eine Oberfläche gerichtet und die Reflexion des Laserstrahls erzeugt ein komplexes Beugungsmuster, das Granulationsmuster genannt wird. Wenn sich der Laserstrahl relativ zu der Oberfläche bewegt, verändert sich das Granulationsmuster. Detektoren zum Empfangen des reflektierten Granulationsmusters können dann die relativen Veränderungen des Granulationsmusters bestimmen und diese Veränderungen umsetzen, um die relative laterale Bewegung der Laserstrahlquelle zu bestimmen. Für eine annehmbare Leistung jedoch wird ein Laser in einem granulationsbasierten Bewegungssensor üblicherweise bei Leistungspe geln betrieben, die das maximal erlaubte AEL für eine Klasse 1-Klassifizierung überschreiten. Dies bedeutet, dass, wenn die Leistung auf die Anforderungen der Klasse 1 reduziert wird, der granulationsbasierte Bewegungssensor unter Umständen nicht bei einem annehmbaren Pegel funktionieren kann.
EP 1 279 988 A2 offenbart eine Laserbeleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten eines streifen- oder linienförmigen Bereichs eines Gegenstands.
EP 0 964 782 B1 offenbart eine Beleuchtungseinrichtung zur Bildaufnahme mit einer quadratischen Gestaltung einer Lichtaustrittsfläche.
DE 43 35 244 A1 offenbart eine augensichere Laserbeleuchtungseinrichtung für eine Anordnung zu Bildaufnahme. Die Beleuchtungsvorrichtung leuchtet eine Fläche K1 × K2 aus.
EP 1 170 707 A2 offenbart einen Handsensor für die Echtheitserkennung von Signets auf Dokumenten. Das von einer Strahlquelle ausgesandte Strahlbündel wird in eine etwa strichförmige Abtastlinie umgewandelt.
US 6,530,697 B1 offenbart einen Multi-Moden-Faserkoppler, welcher die Reduzierung einer differentiellen Modenverzögerung während der Kopplung von Licht in eine Multi-Moden-Faser reduziert. Eine Lichtquelle, einen Kopper und eine Faser sind auf einer optischen Bank angeordnet. Die optische Bank kann ein Silizium-Wafer sein wobei alle optischen Elemente lithographisch und auf einem Wafer-Niveau gebildet sind. Anstelle eines optischen Elements kann eine Wirbellinse vorgesehen sein.
US 6,256,016 B1 offenbart ein optisches Zeigegerät, wobei eine kohärente Lichtquelle ausgerichtet ist, so dass ein kohärenter Lichtstahl durch ein Emissionsgebiet auf eine Oberfläche abgegeben wird, wo der kohärente Lichtstrahl teilweise in Richtung eines Licht-Detektionsgebietes reflektiert wird.
DE 101 61 329 A1 betrifft ein optisches Beugungselement, das eine günstige Mehrmodenfasereinkopplungs- und Reflexionsverwaltung liefert. Eine Übertragungslinse weist eine Beugungsoberfläche zum Empfangen und Parallelrichten des Lichts, das von der Lichtquelle kommt, auf. Ferner umfasst die Übertragungslinse eine optische Oberfläche (z. B. eine Beugungsoberfläche) zum Liefern einer Vergrößerung des Lichts und Fokussieren des Lichts auf das lichtleitende Medium.
Die Erfindung betrifft einen granulationsbasierten Bewegungsdetektor, eine optische Maus, ein Computersystem und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen granulationsbasierten Bewegungsdetektor, eine optische Maus, ein Computersystem oder ein Verfahren zu schaffen, mit deren Hilfe eine unter Umständen schädliche Emission aus Lasern reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine Laserquelle, die betreibbar ist, um einen Laserstrahl zu erzeugen, der einen Fluss aufweist, der einen vorbestimmten Wert überschreitet, und eine optische Einrichtung, die betreibbar ist, um den Strahl derart zu modifizieren, dass der Fluss des Strahls durch eine vorbestimmte Apertur den vorbestimmten Wert nicht überschreitet, auf. Die optische Apertur kann eine Fokussierungslinse, eine Beugungsfokussierungswirbellinse, eine Strahlteilungsvorrichtung oder ein zweidimensionales Beugungsgitter umfassen.
Durch ein Divergieren oder Beugen eines Teils des Flusses in dem Laserstrahl kann ein leistungsstärkerer Laser in der Vorrichtung verwendet werden, jedoch dennoch der ISSLP-Klasse 1-Klassifizierung entsprechen. Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren können in Vorrichtungen verwendet werden, die einen leistungsstärkeren Laser erfordern, jedoch dennoch in der Klasse 1-Klassifizierung sein müssen, wie zum Beispiel einer optischen Maus.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm einer Laserstrahlmodifizierungsvorrichtung, die eine Fokussierungslinse verwendet;
2 eine Draufsicht einer Beugungsfokussierungswirbellinse oder einer -Verwendung bei der Figur aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine Orthogonalansicht eines ringförmigen Bestrahlungsverteilungsmusters, das aus einem Modifizieren eines Laserstrahls mit der Beugungsfokussierungswirbellinse aus 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung resultiert;
4 einen Graphen des Prozentsatzes des Flusses bezüglich der Verschiebung der Apertur, der durch die Apertur gelangt, wenn die Beugungsfokussierungswirbellinse aus 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird;
5 ein Diagramm einer Laserstrahlmodifizierungsvorrichtung, die eine Strahlteilungsvorrichtung verwendet;
6A eine Draufsicht eines zweidimensionalen Beugungsgitters zur Verwendung in der Vorrichtung aus 1
6B eine Darstellung eines Arrays divergenter Laserstrahlen, die aus einem Laserstrahl resultieren, der durch das zweidimensionale Beugungsgitter aus 6A gelangt; und
7 ein Blockdiagramm eines Universalcomputersystems, das eine optische Maus umfaßt, die die Vorrichtung aus 1 beinhaltet, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 ist ein Diagramm einer Vorrichtung zum Modifizieren eines Laserstrahls zur Verwendung in einer optischen Maus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel emittiert ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL) 101 einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 850 mm entlang einer optischen Achse 102. Ein typischer VCSEL 101 weist einen zugeordneten Divergenzwinkel 125 auf, der ein Maß des weitesten Winkels ist, bei dem einzelne Strahlen des Laserstrahls von dem VCSEL 101 ausgehen. Üblicherweise ist der Divergenzwinkel 125 als der Winkel definiert, bei dem die optische Dichte (Leistung pro Einheitsfläche) des Laserstrahls auf einen Wert auf der Achse mit der Hälfte der Spitze fällt. Ein typischer Laserstrahl kann einen Divergenzwinkel 125 von bis zu etwa 20° aufweisen. Dies bedeutet, daß einzelne Strahlen des Laserstrahls auf eine divergente ungerichtete Weise bei einem Winkel von bis zu 10° von der optischen Achse 102 ausgehen. Zu Zwecken einer Laseraugensicherheit jedoch wird ein Szenario eines ungünstigsten Falls berücksichtigt, bei dem der Divergenzwinkel 125 12° beträgt.
Die optische Achse 102 des VCSEL 101 ist mit einer Kollimierungslinse 105 ausgerichtet, die sich in einer Entfernung 120 von etwa 1,5 mm von dem VCSEL 101 befindet. Die Kollimierungslinse 105 bricht den divergierenden Laserstrahl 103, um einen kollimierten Laserstrahl 106 zu erzeugen, der mit der optischen Achse 102 ausgerichtet ist. Unter Annahme eines Divergenzwinkels 125 von 12°, bevor der divergierende Laserstrahl 103 in die Kollimierungslinse 105 gelangt, beträgt der Durchmesser des kollimierten Laser strahls 106 0,62 mm. So würde ohne weitere Konditionierung der gesamte kollimierte Laserstrahl 106 ohne weiteres durch die Testapertur 115 gelangen. Die durch den VCSEL 101 emittierte Leistung ist deshalb auf das AEL mit 0,78 mW eingeschränkt, was unter Umständen keinen ausreichenden Signalpegel zur Verwendung in dem granulationsbasierten Bewegungssensor erzeugt. Deshalb wird der kollimierte Laserstrahl 106 durch ein weiteres Strahlmodifizierungsmedium 107 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung geleitet, wie unten erläutert ist.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Strahlmodifizierungsmedium 107 eine Brechungsfokussierungslinse 107. Der kollimierte Laserstrahl 106 wird durch die Fokussierungslinse 107 geleitet, die sich in einer Entfernung 121 von etwa 1 mm von der Kollimierungslinse 105 entlang der optischen Achse 102 befindet. Diese 1 mm-Entfernung zwischen der Kollimierungslinse 105 und der Fokussierungslinse 107 ist üblicherweise gleich der Dicke eines optischen Substrates, das verwendet wird, um die Linsen 105 und 107 in ihren Positionen zu halten. Die Fokussierungslinse 107 fokussiert den kollimierten Laserstrahl 106, um an einem Punkt 108 konvergiert zu sein, der sich in einer Entfernung 122 von etwa 1 mm von der Fokussierungslinse 107 entlang der optischen Achse 102 befindet. Wenn der konvergierende Laserstrahl 109 auf ein Objekt, wie zum Beispiel das Ziel 110, auftreffen würde, würde die Reflexion ein Granulationsmuster bzw. Speckle-Muster erzeugen, das durch eine Erfassungseinrichtung 111 erfaßt werden könnte. Da eine optische Maus üblicherweise auf einem Mauspad oder einer anderen flachen Oberfläche plaziert ist, fungiert das Mauspad oder die Oberfläche als ein geeignetes Ziel 110 und das reflektierte Granulationsmuster kann durch die Erfassungseinrichtung 111 in der optischen Maus erfaßt werden.
Wenn das Ziel 110 entfernt wird, d. h. die optische Mauszeigevorrichtung von der reflektierenden Oberfläche abgeho ben wird, gelangt der konvergente Laserstrahl 109 an dem Fokalpunkt 108 vorbei und fährt dann mit einem Divergieren fort. Wenn der Fluß des nun divergierenden Laserstrahls 113 an einem Punkt in einer Entfernung 123 von etwa 14 mm von der Fokussierungslinse 107 gemessen würde (was der nächste Punkt für einen menschlichen Zugang ist, wie durch die ISSPL, zum Bestimmen des AEL-Pegels für den Laser-Augensicherheitsstandard definiert ist), würde sich herausstellen, daß nur ein Teil des divergierenden Laserstrahls 113 durch die Apertur 115 mit 7 mm gehen würde.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel gelangen nur etwa 25% des divergierenden Laserstrahls 113 durch die Apertur 115. Selbst wenn die Apertur 115 zu unterschiedlichen Winkeln bezüglich der optischen Achse 102 bewegt wird (was einem Betrachten der Fokussierungslinse 107 aus unterschiedlichen Winkeln sehr ähnlich ist), sind 25% des divergenten Laserstrahls 113 üblicherweise die maximale Menge, die durch die Apertur 115 gelangt. So könnte bei diesem bestimmten Beispiel der AEL-Pegel des VCSEL 101 ganze 3,0 Milliwatt betragen, jedoch dennoch nur einen Fluß von 0,75 Milliwatt (was unter der Klasse 1-Klassifizierung ist) durch die Apertur 115 mit 7 mm erzeugen.
Weitere Beispiele werden betrachtet, bei denen das Modifizierungsmedium unterschiedlich sein kann. Anstelle eines Verwendens einer Fokussierungslinse 107 zum Beispiel, wie dies der Fall bei dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist, kann das Modifizierungsmedium 107 eine Beugungsfokussierungswirbellinse (in 1 nicht gezeigt) sein. 2 zeigt eine Draufsicht einer Beugungsfokussierungswirbellinse 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es gibt mehrere bekannte Weisen eines Erzeugens von. Beugungslicht unter Verwendung einer Beugungsfokussierungswirbellinse 200. Die Beugungsfokussierungswirbellinse 200 aus 2 wird durch ein Überlagern einer Konzentrikkantenmikrostrukturlinse 201 mit einer Radialkantenmikrostrukturlinse 202 erzeugt. Die resultierende Wirkung auf Licht, d. h. den kollimierten Laserstrahl 106, das durch die überlagerten Linsen 201 und 202 gelangt, bewirkt, daß sich Licht von der Beugungsfokussierungswirbellinse 200 weg entlang der optischen Achse 102 „dreht”.
Die sich drehende Natur von Licht, das durch die Beugungsfokussierungswirbellinse 200 gelangt, führt zu der Bildung eines ringröhrenartigen oder ringförmigen Bestrahlungsverteilungsmusters 300 in der Ebene 315 senkrecht zu der optischen Achse 102. Dieses Phänomen, das als ein „Kegel” erscheint, ist in 3 gezeigt. Wenn dies geeignet entworfen ist, d. h. mit der Klasse 1-Klassifizierung im Kopf entworfen, ist der Durchmesser des „Kegels” des ringförmigen Bestrahlungsverteilungsmusters 300 an dem 14 mm Punkt, der der Position der Apertur 115 entspricht, etwas größer als der-Durchmesser der Apertur 115 von 7 mm. So gelangt, wenn die Apertur 115 mittig auf der optischen Achse 102 ist, wenig oder kein Licht durch dieselbe.
Eine Person jedoch schaut vielleicht nicht immer direkt in die optische Achse 102. So können Teile des ringförmigen Bestrahlungsverteilungsmusters 300 in das Auge gelangen. Abhängig von dem Winkel (gemessen als Verschiebung von der optischen Achse 102), in dem man schaut, variiert auch die Menge eines Flusses. 4 zeigt einen Graphen, der den Prozentsatz 401 eines Flusses, der durch die Apertur 115 gelangt, als eine Funktion der Verschiebung 402 in Millimetern radial von der optischen Achse 102 darstellt. Ein Punkt 410 eines Szenarios eines ungünstigsten Falls tritt auf, wenn die Apertur 115 5 mm in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse 102 verschoben wird. Der maximale Fluß, der an einem bestimmten Punkt durch die Apertur gelangt, beträgt jedoch 20%. So kann ein VCSEL 101, um noch in der Klasse 1-Klassifzierung zu sein, einen AEL-Pegel von bis zu 4 Milliwatt aufweisen.
Bei einem Beispiel, das in 5 gezeigt ist, ist das modifizierende Medium ein Strahltei lungselement 500. Das Strahlteilungselement 500, das eines oder mehrere Prismen umfassen kann, wird verwendet, um die Länge eines Flusses zu reduzieren, die für einen bestimmten Betrachtungswinkel durch die Apertur 115 mit 7 mm gelangt, indem ein Teil des Laserstrahls in eine unterschiedliche Richtung gebrochen wird. Wenn der kollimierte Laserstrahl 106 in das Strahlteilungselement 500 gelangt, wird der kollimierte Laserstrahl 106 in einen ersten Satz kollimierter Laserstrahlen 501 und einen zweiten Satz kollimierter Laserstrahlen 502 geteilt. Bei diesem Beispiel divergieren die beiden Sätze kollimierter Laserstrahlen 501 und 502 bei einem geeigneten Entwurf mit einem Winkel 510, der ausreichend groß ist, so daß nur ein Satz kollimierter Laserstrahlen 501 oder 502 durch die Apertur mit 7 mm in einer Entfernung von 14 mm bei einem bestimmten Betrachtungswinkel gelangen kann. So beträgt der minimale Winkel 510 zwischen beliebigen zwei Sätzen kollimierter Laserstrahlen 501 und 502 in etwa 24,2°. Dies verdoppelt effektiv den AEL-Pegel, der für den VCSEL 101 erlaubt ist, um noch in der Klasse 1-Klassifizierung zu liegen.
Das Strahlteilungselement 500 kann den kollimierten Laserstrahl 106 in mehr als zwei Sätze kollimierter Laserstrahlen teilen. Wenn der kollimierte Laserstrahl 106 in n separate kollimierte Laserstrahlen geteilt wird, wird der maximale erlaubte SEL-Pegel mit n multipliziert. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel wird der AEL-Pegel berechnet, um gleich einer maximalen VCSEL-Leistung von 2 × 0,78 Milliwatt oder 1,56 Milliwatt zu sein. Weitere Strahlteilungsvorrichtungen 500 umfassen Beugungs- und holographische Elemente oder mehrere Brechungslinsen.
Bei noch einem Beispiel kann das Modifizierungsmedium ein Beugungsgitter 600 sein, wie in 6A gezeigt ist. Das Beugungsgitter 600 ist ein zweidimensionales Beugungselement, das eine Doppelbelichtung seiner Photoresistschicht-Beschichtung auf einem Glassubstrat, eine x-Richtung-Belichtung 601 und eine y-Richtung-Belichtung 602, umfaßt. Ein bekanntes holographisches Belichtungsverfahren, bei dem zwei kollimierte UV-Laserstrahlen auf die Photoresistoberfläche mit einem bekannten Winkel auftreffen, wird verwendet, um das zweidimensionale Beugungsgitter 600 zu erzeugen. Bei diesem Verfahren erzeugt die Interferenz der beiden kollimierten Ultraviolett-(UV-)Laserstrahlen mit gleicher Leistung ein sinusförmiges Intensitätsmuster, dessen Periode von dem Winkel zwischen den Strahlen abhängt. Je größer der Winkel ist, desto kleiner ist die Periode. Die erste Belichtung 601 erzeugt ein latentes Bild eines sinusförmigen Phasengitters entlang der x-Richtung. Nach einem Drehen des Substrates um 90° erzeugt eine zweite Belichtung 602 ein Gitter entlang der y-Richtung. Das Endergebnis ist das zweidimensionale Beugungsgitter 600, bei dem das Photoresistschichtmuster ein Oberflächenreliefgitter mit einer nahezu sinusförmigen Rillenform in sowohl der x- als auch der y-Richtung ist.
Wenn der kollimierte Laserstrahl 106 durch ein derartiges zweidimensionales Beugungsgitter 600 gelangt, wird der kollimierte Laserstrahl 106 in ein Array divergenter Laserstrahlen 65 gebeugt, die von dem zweidimensionalen Beugungsgitter 600 mit verschiedenen Winkeln ausgehen. Wenn die divergenten Laserstrahlen 615 zur Betrachtung auf einer entfernten Wand angezeigt würden, wäre ein Array von Lichtpunkten 616 zu sehen, wie zum Beispiel das, das in 6B gezeigt ist. Zu Zwecken dieser Erläuterung sind die Punkte 616 in einer einfachen x-y-Achse beginnend mit dem Punkt von dem ungebeugten Laserstrahl 620 bei (0, 0) bezeichnet. Der Punkt von dem ersten divergenten Laserstrahl 621 nach rechts ist (1, 0) usw. Mit zunehmender Entfernung zwischen der Anzeigewand und der Laserquelle wird auch die Entfernung zwischen Punkten größer.
Die Winkel zwischen den divergenten Laserstrahlen 615 werden durch die Periode des zweidimensionalen Beugungsgitters 600 bestimmt. Die Winkeltrennung für die x-Richtung beträgt etwa λ/Λ_x, wobei Λ_x die Periode des x-Gitters 601 ist und λ die Laserwellenlänge. Es gibt einen identischen Ausdruck für den Beugungswinkel für das y-Gitter 602.
Bei einem Beispiel beträgt der Winkel zwischen Gitterordnungen, wenn A 15 Mikrometer beträgt und die Wellenlängen des kollimierten Laserstrahls 106 850 nm sind, etwa 56,7 Milliradian oder etwa 3,25 Grad. 6B zeigt ein Beugungsmuster für gleiche Perioden von x-Gitter 601 und y-Gitter 602. Der Fluß in den höheren Ordnungen 650 nimmt allmählich mit der Gitterordnung ab und die höheren Ordnungen 650 erstrecken sich zu nahezu 90 Grad weg von der Normalen des zweidimensionalen Beugungsgitters 600. Die Brechungsleistung, die in die (p, q)-Ordnung gebeugt wird, kann sich als folgendes zeigen (Introduction to Fourier Optics (Einführung in Fourier-Optik), J. W. Goodman, McGraw Hill, 1968):
wobei J die Sessel-Funktion der Ordnung p oder q erster Art ist und m die Spitze-zu-Spitze-Phasenverzögerung des zweidimensionalen Beugungsgitters 600, die proportional zu einer Rillentiefe ist. Bei diesem Beispiel sind die Rillentiefen des x-Gitters 601 und des y-Gitters 602 gleich, bei anderen Beispielen jedoch können dieselben unterschiedlich sein. Wenn m = 8 Radian ist, beträgt der maximale Fluß in dem Null-Ordnung-Laserstrahl (dem ungebeugten Laserstrahl 620) etwa 2,5% des Flusses des kollimierten Laserstrahls 106. Der Fluß in den Ordnungen (0, 1), (1, 0), (0, –1) und (–1, 0) 621 beträgt etwa 0,07% des Flusses des kollimierten Laserstrahls 106. In den Ordnungen (1, 1), (1, –1), (–1, 1) und (–1, –1) beträgt der Fluß etwa 0,0019% des Flusses des kollimierten Laserstrahls 106. Die tiefen Rillen verteilen den Fluß in viele Laserstrahlen höherer Ordnung 650. Wenn das zweidimensionale Beugungsgitter 600 flacher gemacht wird, d. h. Reduzieren von m, steigt der Fluß in den niedrigen Ordnungen an. Ein Reduzieren von m auf 2 zum Beispiel erhöht den Fluß des Laserstrahls 620 nullter Ordnung auf 34% des Strahls des kollimierten Laserstrahls 106.
Ein Vorteil einer Verwendung eines zweidimensionalen Beugungsgitters 600 als Modifizierungsmedium bei dem System aus 1 besteht darin, daß durch ein Entwerfen der Raumfrequenz, bei der der Winkel zwischen divergierenden Laserstrahlen 615 ausreichend hoch ist, üblicherweise nur eine der Beugungsordnungen durch die Apertur 115 mit 7 mm gelangen kann. Deshalb ist für eine Apertur 115 mit 7 mm, die 14 mm von einem zweidimensionalen Beugungsgitter 600 entfernt ist, der Winkel zwischen divergenten Laserstrahlen 615 üblicherweise größer als etwa 24,2 Grad. Selbst wenn der Winkel zwischen den divergenten Laserstrahlen 615 weniger als 24,2 Grad beträgt, so daß mehrere divergente Laserstrahlen 615 in die Apertur 115 mit 7 mm gelangen, bewirken die divergenten Laserstrahlen 615 dennoch keinen Schaden an dem menschlichen Auge. Der Grund hierfür ist, daß die divergenten Laserstrahlen 615 nicht auf einen einzelnen Punkt auf der Retina fokussieren, sondern vielmehr auf ein Array von Punkten 616. Da ein Augenschaden üblicherweise durch ein lokalisiertes Erwärmen der Retina bewirkt wird, reduziert ein Verteilen des Lichtes in ein Array von Punkten 616 die Wahrscheinlichkeit eines Schadens an dem Auge, wobei so der maximal erlaubte AEL-Pegel für einen VCSEL 101 erhöht wird.
Da nur ein divergenter Laserstrahl 615 bei einem Einfallswinkel durch die Apertur 115 gelangt, muß nur der stärkste divergente Laserstrahl 615 (der ungebeugte Laserstrahl 620 (0, 0)) für den Augensicherheitsstandard berücksichtigt werden, da alle anderen divergenten Laserstrahlen 615 einen geringeren Betrag aufweisen. So beträgt der Fluß des ungebeugten Laserstrahls 620 für eine Gittermodulation von m = 8 etwa 2,5% des Fluß des kollimierten Laserstrahls 106, wie oben erläutert wurde. Deshalb kann ein annehmbarer AEL-Pegel für einen VCSEL 101 bei diesem Ausführungsbeispiel vierzigmal die Klasse 1-Klassifizierung sein. Selbst wenn m = 2 gilt, kann der AEL-Pegel für einen VCSEL 101 etwa dreimal die Klasse 1-Klassifizierung sein.
7 ist ein Blockdiagramm eines Universalcomputersystems 720, das eine optische Maus 742 umfaßt, die die Vorrichtung aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet. Das Computersystem 720 (d. h. Personal- oder Serversystem) umfaßt eine oder mehrere Verarbeitungseinheiten 721, einen Systemspeicher 722 und einen Systembus 723. Der Systembus 723 koppelt die verschiedenen Systemkomponenten, einschließlich des Systemspeichers 722, mit der Verarbeitungseinheit 721. Der Systembus 723 kann jeder mehrerer Typen von Bussen, einschließlich eines Speicherbus, eines Peripheriebus und eines lokalen Bus, unter Verwendung jeder einer Vielzahl von Busaufbauten sein. Der Systemspeicher 722 umfaßt üblicherweise einen Nur-Lese-Speicher (ROM) 724 und einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 725. Eine Firmware 726, die die Basisroutinen enthält, die eine Übertragung von Informationen zwischen Elementen innerhalb des Computersystems 720 unterstützt, ist ebenfalls in dem Systemspeicher 722 enthalten. Das Computersystem 720 kann ferner ein Festplattenlaufwerksystem 727 umfassen, das ebenso mit dem Systembus 723 verbunden ist. Zusätzlich können optische Laufwerke (nicht gezeigt), CD-ROM-Laufwerke (nicht gezeigt), Diskettenlaufwerke (nicht gezeigt) mit dem Systembus 723 auch durch jeweilige Treibersteuerungen (nicht gezeigt) verbunden sein.
Ein Benutzer kann Befehle und Informationen in das Computersystem 720 durch Eingabevorrichtungen, wie zum Beispiel eine Tastatur 740 und eine optische Maus 742, eingeben. Diese Eingabevorrichtungen sowie andere, die nicht gezeigt sind, sind üblicherweise mit dem Systembus 723 durch eine serielle Torschnittstelle 746 verbunden. Andere Schnittstellen (nicht gezeigt) umfassen einen Universal-Seriell-Bus (USB) und Paralleltore 740. Ein Monitor 747 oder ein anderer Typ von Anzeigevorrichtung kann auch über eine Schnittstelle, wie zum Beispiel die Graphikkarte 789, mit dem Systembus 723 verbunden sein.

Claims

Granulationsbasierter Bewegungsdetektor mit folgenden Merkmalen einer Laserquelle (101), die betreibbar ist, um einen Laserstrahl (106) zu erzeugen, der einen Fluss aufweist, der einen vorbestimmten Wert überschreitet; einer optischen Einrichtung (107), die betreibbar ist, um den Strahl derart zu modifizieren, dass der Fluss des Strahls (106) durch eine vorbestimmte Apertur (115) den vorbestimmten Wert nicht überschreitet; und einem Detektor, der betreibbar ist, um das Granulationsmuster des Laserstrahls (106) zu erfassen, der von einem Ziel reflektiert wird; wobei die optische Einrichtung (107) eine Beugungsfokussierungswirbellinse aufweist, welche den Laserstrahl (106) in ein ringförmiges Bestrahlungsverteilungsmuster (300) bricht.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß Anspruch 1, bei der die Laserquelle (101) einen Vertikalresonatoremissionslaser aufweist.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, der ferner folgendes Merkmal aufweist: ein Gehäuse, in dem die Laserquelle (101) und die optische Einrichtung (107) angeordnet sind, wobei das Gehäuse ein Fenster aufweist, durch das sich der modifizierte Laserstrahl (106) ausbreitet, wobei die vorbestimmte Apertur (115) einen Durchmesser von 7 mm aufweist und sich in einer Radialentfernung von 14 mm von dem Fenster befindet.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die optische Einrichtung (107) ferner eine Kollimierungslinse aufweist, die betreibbar ist, um den Laserstrahl zu kollimieren.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß Anspruch 1, bei dem die Beugungsfokussierungswirbellinse eine Konzentrikkantenmikrostrukturlinse aufweist, die über einer Radialkantenmikrostrukturlinse liegt.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß Anspruch 1 oder 5, bei dem das ringförmige Bestrahlungsverteilungsmuster (300) einen Durchmesser von mehr als 7 mm in einer Radialebene aufweist, die die gleiche Radialebene wie die vorbestimmte Apertur ist.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die optische Einrichtung (107) ein Strahlteilungselement (500) aufweist, das betreibbar ist, um den Laserstrahl (106) in zwei oder mehr Sätze von Strahlen zu teilen, die einen Winkel zwischen beliebigen zwei Sätzen von Strahlen aufweisen.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß Anspruch 7, bei dem das Strahlteilungselement (500) eines oder mehrere Prismen aufweist.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem der minimale Winkel zwischen beliebigen zwei Sätzen von Strahlen 24,2 Grad beträgt.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die optische Einrichtung ein Beugungsgitter aufweist, das betreibbar ist, um den Laserstrahl (106) in zwei oder mehr Sätze von Strahlen zu beugen, die zwischen beliebigen zwei Sätzen von Strahlen einen Winkel ungleich Null (510) aufweisen.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß Anspruch 10, bei dem der minimale Winkel zwischen beliebigen zwei Sätzen von Strahlen 12,1 Grad beträgt.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem das Beugungsgitter ein zweidimensionales Beugungsgitter ist.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Apertur (115) in einer Radialebene angeordnet ist, die sich in einem Einfallswinkel orthogonal zu der optischen Achse des Laserstrahls befindet.
Granulationsbasierter Bewegungsdetektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Apertur (115) in einer Radialebene angeordnet ist, die sich in keinem Einfallswinkel orthogonal zu der optischen Achse des Laserstrahls (106) befindet.
Optische Maus mit folgenden Merkmalen: einer Laserquelle (101), die betreibbar ist, um einen Laserstrahl (106) zu erzeugen, der einen Fluss aufweist, der einen vorbestimmten Wert überschreitet; einer optischen Einrichtung (107), die betreibbar ist, um den Strahl (106) derart zu modifizieren, dass der Fluss des Strahls (106) durch eine vorbestimmte Apertur (115) den vorbestimmten Wert nicht überschreitet; einem Detektor, der betreibbar ist, um das Granulationsmuster des Laserstrahls (106) zu erfassen, der von einem Ziel reflektiert wird; und einer Kommunikationseinrichtung, die betreibbar ist, um Daten über die Position der Laserquelle (101) relativ zu dem Ziel zu kommunizieren; wobei die optische Einrichtung (107) eine Beugungsfokussierungswirbellinse aufweist, welche den Laserstrahl (106) in ein ringförmiges Bestrahlungs verteilungsmuster (300) bricht.
Computersystem mit folgenden Merkmalen: einer Verarbeitungseinheit, die mit einem Bus gekoppelt ist; und einer Eingabevorrichtung, die mit dem Bus gekoppelt und betreibbar ist, um Daten an einen Prozessor zu kommunizieren, wobei die Eingabevorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Laserquelle (101), die betreibbar ist, um einen Laserstrahl (106) zu erzeugen, der einen Fluss aufweist, der einen vorbestimmten Wert überschreitet; eine optische Einrichtung (107), die betreibbar ist, um den Strahl (106) derart zu modifizieren, dass der Fluss des Strahls (106) durch eine vorbestimmte Apertur (115) den vorbestimmten Wert nicht überschreitet; einen Detektor, der betreibbar ist, um das Granulationsmuster des Laserstrahls (106) zu erfassen, der von einem Ziel reflektiert wird; und eine Kommunikationseinrichtung, die betreibbar ist, um Daten über die Position der Laserquelle (101) relativ zu dem Ziel zu kommunizieren; wobei die optische Einrichtung (107) eine Beugungsfokussierungswirbellinse aufweist, welche den Laserstrahl (106) in ein ringförmiges Bestrahlungsverteilungsmuster (300) bricht.
Verfahren mit folgenden Schritten: Erzeugen eines Laserstrahls (106), der einen Fluss aufweist, der einen vorbestimmten Wert überschreitet; und Modifizieren des Strahls (106) derart, dass der Fluss des Strahls (106) durch eine vorbestimmte Apertur (115) den vorbestimmten Wert nicht überschreitet; und Erfassen eines Granulationsmusters des Laserstrahls (106), das von einem Ziel reflektiert wird; wobei das Modifizieren des Strahls (106) ein Beugen des Strahls in ein ringförmiges Bestrahlungsmuster aufweist, derart, dass kein Teil des ringförmigen Strahlungsmusters (300), das die vorbestimmte Apertur (115) schneidet, einen resultierenden Fluss aufweist, der den vorbestimmten Wert überschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 17, das ferner folgende Schritte aufweist: Erfassen eines ersten Granulationsmusters, das von einem Ziel reflektiert wird, zu einem ersten Zeitpunkt; Erfassen eines zweiten Granulationsmusters, das von dem Ziel reflektiert wird, zu einem zweiten Zeitpunkt; und Bestimmen der Veränderung einer Position des Laserstrahls (106) bezüglich des Ziels basierend auf der Differenz des ersten Granulationsmusters und des zweiten Granulationsmusters.
Verfahren gemäß Anspruch 18, das ferner ein Kommunizieren der Veränderung der Position des Laserstrahls (106) bezüglich des Ziels an einen Prozessor in einem Computersystem aufweist.