JP2011508315A - 光学マウスにおける拡散光学素子 - Google Patents

Abstract

光学マウスにおける拡散光学素子の実施形態を開示する。一実施形態では、光学マウスは、追跡面に向けて光を放出するように構成された光源と、画像センサーと、追跡面よりも光学的に上流に配置され、追跡面を照明する光源からの光を拡散させる光拡散器と、画像センサーからの画像データーを受け取り、この画像データー内において追跡特徴を特定するように構成されたコントローラーとを含む。
【選択図】 図１

Description

光学コンピュータ・マウスは、光源および画像センサーを用いて、基礎となる追跡表面に対するマウスの移動を検出し、ユーザーが計算機のディスプレイ上で仮想ポインタの位置を操作することを可能にする。今日用いられている光学マウスのアーキテクチャーには、概略的に２種類ある。即ち、傾斜アーキテクチャーおよび正反射アーキテクチャーである。これらのアーキテクチャーは各々、基礎となる追跡面上に光を出射するために光源を利用し、追跡面の画像を取り込むために画像センサーを利用する。移動を追跡するには、一連の表面画像を取り込み、コントローラーによって画像において特定された１つ以上の表面の特徴の位置（１つまたは複数）の変化を追跡する。

光学マウスは、一般に、２種類の光源、発光ダイオード（ＬＥＤ）およびダイオード・レーザーのようなレーザーのうち一方を利用する。ＬＥＤは、一般に、半導体ダイを備えており、このダイの上面を通過する光を放出するように接合部が構成されている。電気リードがダイの上面に接続されており、電流がダイを通過できるようになっている。このリードは、ＬＥＤが放出する光に対して透過性がなくてもよく、画像センサーにおいて固定パターンを撮像させるようにしてもよい。

半導体ダイオード・レーザーは、一般に、ダイの側面または上面（ＶＣＳＥＬレーザーと同様）からコヒーレント光を発生する。レーザー光の大きなコヒーレンス長によって、下流側光学素子におけるビーム拡散および欠陥(imperfection)が原因で生ずる干渉パターンから、画像センサー上に固定パターンを発生させる可能性がある。このような固定パターンは、マウスの追跡性能を損なう虞れがある。

したがって、固定光学パターンのマウス追跡性能に対する影響を低減することができる光学マウスの種々の実施形態を開示する。一実施形態では、光学マウスは、追跡面に向けて光を放出するように構成されている光源と、画像センサーと、追跡面よりも光学的に上流に配置され、追跡面を照明する光源からの光を拡散させる光拡散器と、画像センサーからの画像データーを受け取り、この画像データー内において追跡特徴を特定するように構成されているコントローラーとを含む。
この摘要は、詳細な説明において以下で更に説明する概念から選択したものを、簡略化した形態で紹介するために設けられている。この摘要は、特許請求する主題の主要な特徴や必須の特徴を特定することを意図するのではなく、特許請求する主題の範囲を限定するために用いることも意図していない。更に、特許請求する主題は、本開示の任意の部分に記されている任意の欠点または全ての欠点を解決する実現例に限定されるのでもない。

図１は、光学マウスの一実施形態を示す。

図２は、拡散光源を備えている光学アーキテクチャーの一実施形態を示す。

図３は、レンズ上の拡散コーティング、およびレンズまたは光源から分離して設けられている光拡散器を図示する、光学アーキテクチャーの一実施形態を示す。

図４は、非拡散光源および拡散光源に対する角度の関数として、光強度の比較を示すグラフである。

図５は、ＬＥＤダイ、およびこのダイに接合されている電気リードの一実施形態を示す。

図６は、追跡特徴、および光学マウスの画像センサー上に撮像される固定パターンの図式表現を示す。

図７は、図６の追跡特徴および固定パターンから生ずる相関関数におけるピークの図式表現を示す。

図８は、固定パターンがない場合に光学マウスの画像センサー上に撮像される追跡特徴の図式表現を示す。

図９は、図８の追跡特徴から生ずる相関関数におけるピークの図式表現を示す。

図１０は、追跡面全域における光学マウスの動きを追跡する方法を図示するプロセス・フローを示す。

図１は、光学マウス１００の一実施形態を示し、図２は光学マウス１００の光学アーキテクチャー２００の一実施形態を示す。光学アーキテクチャー２００は、光２０４のビームが位置２１０において追跡面に入射するように、光２０４のビームを追跡面２０６に向けて放出するように構成されている光源２０２を備えている。光２０４のビームは、追跡面２０６の法線２０８に対して入射角θを有する。光学アーキテクチャー２００は、更に、光源２０２と追跡面２０６との間に配置され、光２０４のビームを平行化する平行化レンズ２１１も備えることができる。図１は携帯用マウスを示すが、図示するアーキテクチャーは他の任意の適したマウスでも使用できることは言うまでもない。

光学アーキテクチャー２００は、追跡面を照明するために拡散光が用いられるように構成されている。例えば、光源２０２は、拡散光を出力するように構成することができ、あるいは光学アーキテクチャー２００は、光源２０６から放出される光のビームを拡散するために、光源２０２と追跡面２０６との間に配置された他のエレメントを備えることもできる。追跡面を照明するための拡散光の使用は、画像センサー上に合焦する画像における固定光パターンの表出を減少させるのに役立つことができ、したがって追跡性能を改善するのに役立つことができる。これについては、以下で更に詳しく論ずる。

図２の実施形態は、正反射光学構成を有する。この構成では、光２０４の入射ビームのある部分が、２１２において示すように、正反射角γを中心とした分布で追跡面２０６から反射する。正反射角γは、入射角θに等しい。反射光２１２の一部は、レンズ２１４によって、正反射角γまたはその付近に位置付けられている画像センサー２１６上に撮像される。代替実施形態では、傾斜光学アーキテクチャーを利用してもよく、その場合、光源は追跡面に対してある傾斜角で光の入射ビームを放出するように構成されており、画像センサーは、追跡面に対してほぼ垂直に位置付けられているか、あるいは非正反射を検出するために、追跡面に対して別の適した位置に位置付けられている。正反射アーキテクチャーのマウスは、正反射の斑点(patch)を検出するように構成することができる。この斑点は、追跡面の画像において、追跡特徴として、明るい斑点となって現れる。対照的に、傾斜アーキテクチャーのマウスは、反射の斑点ではなく、追跡面の画像における影を、追跡特徴として、検出するように構成することができる。

画像センサー２１６は、画像データーをコントローラー２１８に供給するように構成されている。コントローラー２１８は、画像センサー２１６から画像データーの複数の時系列フレーム(time-sequenced frames)を取り込み、この画像データーを処理して、追跡面の複数の時系列画像において１つ以上の追跡特徴を突き止め、追跡表面の複数の時系列画像の位置（１つまたは複数）の変化を追跡して、光学マウス１００の動きを追跡するように構成されている。

実施形態によっては、光源２０２が可視スペクトルの青色領域またはその付近の光を放出するように構成される場合もある。「可視スペクトルの青色領域またはその付近」、ならびに「青色」、「青色光」等の用語は、本明細書において用いられる場合、可視光スペクトルの青色領域内またはその付近、例えば、４００〜４９０ｎｍの範囲における１つ以上の放出線または帯域を含む光を記述することとする。また、これらの用語は、蛍光増白剤を活性化することができる近−ＵＶから近−緑色領域内の光を記述することもできる。これについては、以下で更に詳しく説明する。別の実施形態では、光源２０２は、可視および／または赤外線スペクトルの別の部分における光を放出することもでき、緑色、黄色、赤色等を含むがこれらに限定されるのではない。

種々の実施形態では、光源２０２は、インコヒーレント光またはコヒーレント光を出力するように構成することができ、１つ以上のレーザー、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ（有機発光デバイス）、狭帯域幅ＬＥＤ、またはその他の任意の適した発光デバイスを利用することができる。更に、光源が青色光を出力するように構成されている実施形態では、光源２０２は、外見が青色に見える光を放出するように構成することができ、あるいは、観察者には青色以外の外観を有する光を放出するように構成することもできる。例えば、白色ＬＥＤ光源は、他の色のＬＥＤとの組み合わせ、セリウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネットのようなシンチレーターまたは燐光体との組み合わせ、あるいは他の波長の光を放出するその他の構造との組み合わせで青色ＬＥＤダイ（例えば、ＩｎＧａＮから成る）を利用して、ユーザーには白色に見える光を生成することができる。更に別の実施形態では、光源２０２は、所望の波長または帯域の光を通過させるバンド・パス・フィルタと組み合わせて包括広帯域光源(generic broadband source)を備えている。

前述のように、光源２０２は、拡散光を出力するように構成されている光拡散器を組み込むこともできる。光源パッケージング内においてＬＥＤまたはレーザー光源によって出力された光を拡散させるためには、任意の適したメカニズムを用いることができる。例えば、一実施形態では、ＬＥＤダイを備え、ポリマ基地における小さな屈折性ビーズのパッキングによってこのＬＥＤダイを包囲した光源を、光源２０２として用いることができる。屈折性ビーズは、光源内における光が光源パッケージングから離れる前に、多数の複数回屈折および／または反射させる。このように発生する大多数の屈折および反射は、ダイから放出される光の強度における任意のピークを、角度位置の関数として平滑化するので、これらは画像センサー上には撮像されず、そして更に光源によって生ずる固定パターンを排除するのに役立つことができる。このようなＬＥＤの一例に、日本、京都およびＣＡ、サンディエゴのROHM Co. Ltd.からのモデル番号SLA560BDTがある。このＬＥＤは、複数の小さなマイクロサファイアを含み、ＬＥＤダイを包囲するエポキシ・パッケージング内に含有されている。尚、これは拡散ＬＥＤ光源の一例に過ぎないこと、そして他の任意の適した拡散光源を用いてもよいことは認められよう。

別の実施形態では、下流光学素子を用いて、非拡散光源からの光を拡散させる。図３は、非拡散光源からの光を拡散させる２つの代替構造、即ち、拡散面を備えているレンズ、および他の光学構成要素とは別に設けられている専用光拡散器３０４を示す光学系３００の一実施形態を示す。拡散光光学系は、これらのエレメントのいずれか、またはこれらのエレメントの双方を、単独でまたは任意のその他の所望の光拡散器と組み合わせて備えることができる。拡散器３０４のような光拡散器は、一般に、研磨ガラス、小さなビーズ／マイクロサファイア、オパール・ガラス、回折光学素子などのような１つ以上の拡散エレメントを備えており、これらの拡散エレメントがビーム面積全域における光ビーム強度のばらつきを平滑化する。

図４は、非拡散ＬＥＤの一例および拡散ＬＥＤの一例（エポキシ内に埋め込まれたマイクロビーズを含有する）から放出された光の強度を比較したグラフを、放出される光ビームの中心に対する角度の関数として示す。最初にグラフ４０２を参照すると、非拡散光源は強度スペクトル内にピークを有する。このようなピーク４０３は、種々の要因によって生ずる可能性がある。例えば、図５を端的に参照すると、ＬＥＤの一例５００が示されている。ＬＥＤ５００は、反射器５０４内に取り付けられたダイ５０２を備えており、反射器５０４は、ダイ５０２から放出された光を当該反射器の外側に反射させるように構成されている。更に、電気リード５０６が、ダイ５０２の上面に接続されている。

ＬＥＤ５００の種々の特性が、ＬＥＤ５００によって放出される光のビームに固定パターンが生ずる原因となり得る。光ビームを拡散させる拡散エレメントがないと、これらの固定パターンは画像センサー上に撮像されるであろうし、したがってマウスの追跡性能を損なう虞れがある。例えば、リード５０６は、画像センサーには、画像フィールド内にある固定スポットのように見える可能性がある。同様に、ＬＥＤ５０２は、製造中に反射器５０４内部の意図する位置から変位する可能性があり、ビームの断面強度のばらつきを生ずる原因となる虞れがある。

再度図４を参照して、拡散光源の強度スペクトルの、角度の関数としてのグラフを４０４に示す。非拡散強度スペクトル４０２と比較すると、拡散強度スペクトル４０４には急峻なピークがないが、代わりに、ビーム中心からビーム縁まで強度が滑らかに変化している。このような光ビームでは、画像センサー上に生ずる固定パターンを減少させることができ、したがって、マウスの動きを追跡するために用いられる相関関数との干渉が減少する。

図６は、画像センサー上の画像における固定パターンの一例の模式図を示す。３つの時系列画像を６００、６０２、および６０４においてそれぞれ示す。各画像内に示す格子線は、画像センサーの個々の画素を表す。追跡特徴を６０６に示し、画像における固定パターン（例えば、ＬＥＤダイのボンディング・パッドがセンサー上に撮像されたための固定パターン）を６０８に示す。追跡特徴が画像センサーを横切って移動すると、画像６０２および６０４において見られるように、固定パターン６０８によって不明瞭になる可能性がある。このため、マウスの移動方向および移動速度を決定するために用いられる相関関数が、適正に動きを追跡する際に困難を生ずる可能性がある。例えば、図７に示すように、マウスの動きが遅い場合、この追跡特徴の移動による速度相関関数におけるピーク７０２は、ゼロ速度位置において、固定パターンによる大きなピーク７０４と重なり合う可能性がある。このため、マウスの低速追跡能力、慎重な移動を損なう虞れがあり、したがって、マウスの性能を損なう虞れがある。

次に図８および図９を参照すると、図７に示した固定パターンがない場合、追跡特徴８００は、複数の画像フレーム８０２、８０４、８０６にまたがって一層容易に、干渉もなく、追跡することができる。図９に示すように、図６の固定パターンによって生ずる大きなピークがないと、低速における速度相関関数のピーク９００は、ゼロ速度において大きなピークによって不明瞭になることはない。これによって、低速であっても、マウスの方向および速度を正しく追跡することが可能となる。

拡散光の使用によって、追跡能力以外にも、他の有利な特徴を得るに至ることも可能である。例えば、拡散光の使用によって、眼球安全性規格を満たすことを容易にすることができる。レーザー眼球安全性規格IEC 60825-1のような眼球安全性規格は、光源の見かけ光源サイズ(apparent source size)に対する光源の出力エネルギというような、種々の要因を用いて、光源によって生ずる光化学的危険および／または熱的危険を定量化する。「ホット・スポット」（即ち、角度光強度分布におけるピーク）があるＬＥＤ、またはレーザーでは、強度分布においてピークが存在すると、光源の見かけ光源サイズが、安全性の計算については小さく考えられ、したがって安全性規格の遵守に影響を及ぼす可能性がある。

光学的に追跡面の上流で光ビームを拡散するための拡散光学素子を使用することによって、光源の見かけ光源サイズを増大させように矯正することができ、したがって光源面積当たりのエネルギー・レベルを低下させることができる。これによって、デバイスの眼球安全性を判断する際の一要因として、製造許容度、誤差等によって生ずる個々のＬＥＤのばらつきをなくすことができ、これによって眼球安全性規格の遵守が促進する。拡散光源の使用は、青色光には特に有用である。これは、異なる波長毎に光化学的安全性を別々に決定できるからである。

図１０は、光学マウスの表面全域における動きを追跡する方法１０００の一実施形態を図示するプロセス・フローを示す。方法１０００は、１００２において、青色光の拡散入射ビームを追跡面に向けて出射するステップ、そして１００４において、表面の画像を検出するように構成された画像センサーを通じて追跡面の複数の時系列画像を検出するステップを備えている。次に、方法１０００は、１００６において、追跡面の複数の時系列画像において追跡特徴を突き止めるステップと、次いで１００８において複数の画像における追跡特徴の位置の変化を追跡するステップとを備えている。次いで、光学マウスによって（ｘ，ｙ）信号を計算機に供給することができる。計算機は、この（ｘ，ｙ）信号を、表示画面上のカーソルまたは他のインディケーターを定位するために用いることができる。拡散光の使用によって、画像センサーによって検出される画像における固定パターンが原因で生ずる問題を低減する、または完全に回避することも可能となる。

尚、本明細書において記載した構成および／または手法は、その性質上一例であり、多数の変形が可能であることから、これらの具体的な実施形態または例は、限定的な意味で解釈すべきことは言うまでもない。本開示の主題は、種々のプロセス、システムおよび構成、ならびにその他の特徴、機能、行為、および／または本明細書において開示した特性、更にはその任意のそして全ての同等物の新規のコンビネーションおよび非自明なコンビネーション、ならびにサブコンビネーションの全てを含む。

Claims (20)

1. 光学マウス（１００）であって、
   追跡面（２０６）に向けて光を放出するように構成された光源（２０２）と、
   画像センサー（２１６）と、
   前記追跡面（２０６）の光学的に上流に配置され、前記追跡面（２０６）を照明する前記光源（２０２）からの光を拡散するように構成された光拡散器（２０２、３０２、３０４）と、
   前記画像センサー（２１６）から画像データーを受け取り、前記画像データーにおいて追跡特徴を特定するように構成されたコントローラー（２１８）と、
   を含む、光学マウス（１００）。
2. 請求項１記載の光学マウスにおいて、前記光拡散器が前記光源の一部として組み込まれた、光学マウス。
3. 請求項１記載の光学マウスであって、更に、前記光源と前記追跡面との間に配置されたレンズを含み、前記光拡散器は、前記レンズ上に拡散面を含む、光学マウス。
4. 請求項１記載の光学マウスにおいて、前記光拡散器は、前記光源および任意のレンズとは別の専用光学エレメントとして設けられた、光学マウス。
5. 請求項１記載の光学マウスにおいて、前記光源は、青色光を放出するように構成された発光ダイオードを含む、光学マウス。
6. 請求項１記載の光学マウスにおいて、前記光源は、白色光を放出するように構成された発光ダイオードを含む、光学マウス。
7. 請求項１記載の光学マウスにおいて、前記光源はレーザーを含む、光学マウス。
8. 請求項１記載の光学マウスにおいて、前記画像センサーは、前記追跡面から反射された光の分布の正反射部分において光を検出するように構成された、光学マウス。
9. 光学マウス（１００）であって、
   可視光スペクトルの青色領域内またはその付近に波長を有する光を、追跡面（２０６）に向けて放出するように構成された発光ダイオード（２０２）と、
   前記追跡面（２０６）から反射された光の分布のうち正反射部分において光を検出するように構成された画像センサー（２１６）と、
   前記画像センサー（２１６）上に前記追跡面（２０６）の画像を形成するように構成された１つ以上のレンズ（２１４）と、
   前記追跡面（２０６）の光学的に上流に配置され、前記追跡面（２０６）を照明する前記光源（２０２）からの光を拡散するように構成された光拡散器（２０２、３０２、４０２）と、
   前記画像センサー（２１６）からの画像データーを受け取り、前記画像データーにおいて追跡特徴を特定するように構成されたコントローラー（２１８）と、
   を含む、光学マウス（１００）。
10. 請求項９記載の光学マウスにおいて、前記光拡散器は、前記光源の一部として組み込まれた、光学マウス。
11. 請求項９記載の光学マウスにおいて、前記光源は、白色光を放出するように構成された、光学マウス。
12. 請求項９記載の光学マウスであって、更に、前記光源と前記追跡面との間に配置されたレンズを含み、前記光拡散器は前記レンズ上に拡散面を含む、光学マウス。
13. 請求項９記載の光学マウスにおいて、前記光拡散器は、前記光源および任意のレンズとは別の専用光学エレメントとして設けられた、光学マウス。
14. 請求項９記載の光学マウスにおいて、前記画像センサーは、前記追跡面から反射された光の分布の正反射部分において光を検出するように構成された、光学マウス。
15. 光学マウスの動きを追跡する方法（１０００）であって、
    拡散光の入射ビームを追跡面に向けるステップ（１００２）と、
    画像センサーによって、前記追跡面の複数の時系列画像を検出するステップ（１００４）と、
    前記追跡面の前記複数の時系列画像において追跡特徴を突き止めるステップ（１００６）と、
    前記追跡面の前記複数の時系列画像にわたっての前記追跡特徴の位置変化を追跡するステップ（１００８）と、
    を含む、方法。
16. 請求項１５記載の方法において、前記光の入射ビームを前記追跡面に向けるステップは、青色光の入射ビームを前記追跡面に向けるステップを含む、方法。
17. 請求項１５記載の方法において、前記光の入射ビームを前記追跡面に向けるステップは、白色光の入射ビームを前記追跡面に向けるステップを含む、方法。
18. 請求項１５記載の方法において、光源に組み込まれた光拡散器によって前記光のビームが拡散される、方法。
19. 請求項１５記載の方法において、拡散面を有するレンズによって、前記光のビームが拡散される、方法。
20. 請求項１５記載の方法において、前記光源と前記追跡面との間に配置された専用光拡散器によって、前記光のビームが拡散される、方法。

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