JP5166713B2 - レーザスペックルを使用する位置検出システム - Google Patents

Description

本発明は、位置検出システムに関し、特に、スペックルを利用した位置検出システムに関する。

ポインティングデバイスは、コンピュータシステムでは一般的なコンポーネントであり、これによって、オペレータは、コンピュータのグラフィカルユーザインターフェース（GUI）を使用してコンピュータを制御することができる。かかる目的のために、ここ何年かにわたって、ジョイスティック、トラックボール、機械式マウス、ライトペン、また最近では、光学マウスを含む種々のポインティングデバイスが開発されている。さらに、スタイラスを一般的に用いる、様々なタイプのディジタイザータブレット（digitizing tablet）もある。

これらのポインティングデバイスの主要な目的は、オペレータの手の動きをコンピュータが使用できる信号に変換することである。これは、ユーザの手の動きに応答して動くカーソルをコンピュータのモニタの画面に表示することによって達成される。ユーザが選択可能な命令は、一般的には、カーソルの位置で入力される。先ず、ポインティングデバイスの移動により、画面上の適切な位置にカーソルを配置し、次に、ポインティングデバイスのボタンまたはスイッチを作動させることによって、所望の命令を選択することができる。

当初は、モニタ画面上のカーソル位置の位置制御は、固定の基準フレームに対するジョイスティックまたはマウスの相対的な移動を機械的に検出することによって行っていた。マウスの場合、この基準面は、机の表面やマウスパッド上に配置することが可能である。一般的な技法は、マウスが移動するときに、作動して机上の表面や他の表面に接触して回転するマウス内部のボールを使用することである。マウスの内部には、ボールに接触し、ボールが回転すると回転する２つのローラーがある。そのうちの１つのローラーは、公称のＸ方向における動きを検出するように配向され、他方のローラーは、関連するＹ方向における動きを検出するように第１のローラに対して９０度配向されている。これらのローラーは個別のシャフト（軸）に接続される。各シャフトは、個別の光学エンコーダに接続され、これらの光学エンコーダは、各々に関連付けられたローラーの動きに対応する電気信号を出力する。この信号は、適切にエンコードされて、典型的には、２値データとしてコンピュータに送られる。コンピュータは、受信した信号をデコードして、マウスの物理的移動に対応する量だけコンピュータ画面上のカーソルを移動させる。

最近では、座標軸の方向に沿った相対的移動を示す動き信号を生成するために光学ナビゲーション技法が使用されるようになった。これらの技法は、従来のマウスやトラックボールを置き換えるために、たとえば、光学コンピュータマウスにおいて使用されており、この場合も、コンピュータシステムのウインドウユーザインターフェースにおける画面ポインタの位置制御のために使用されている。そのような技法はいくつかの利点を有しており、中でも、ごみを蓄積したり機械的な摩耗や傷を被る可動部品がないという利点を有する。

光学ナビゲーション技法を使用するシステムにおける動きは、一連の画像の相対的な変位（移動）を追跡することによって測定される。先ず、基準面のある領域の２次元的視野（たとえば、基準面のある２次元領域の画像）が、光検出器のアレイ上に集束され、光検出器の出力がディジタル化されて、対応するメモリのアレイ内に基準画像として記憶される。短い時間経過後、第２の画像がディジタル化される。動きがない場合には、基準画像に続いて取得された画像のパターンと基準画像のパターンとは本質的に同じである。一方、なんらかの動きがある場合には、第２の画像のパターンは、動きの軸に沿って移動するが、この場合、その画像のパターンの移動量は光センサのアレイの物理的移動量に対応（または一致）する。コンピュータシステムにおける位置制御のために機械式マウスの代わりに使用される光学マウスはこの技法を使用する。

実際には、基準画像のパターンと第２の画像のパターンの一連の移動バージョンとを比較することによって光学マウスの移動の方向と量を測定することができる。光学マウスの実際の動きに最も合致する移動画像は、基準画像と、移動された第２の画像の各々との相互相関をとることによって決定される。この場合、適正な移動が、最も大きな相関値を提供する可能性が最も高い。後続の画像を用い、今述べた方法を使用して光学マウスの後続の動きを示すことができる。光学ナビゲーションセンサは、下方にある照明された表面のテクスチャ（テクスチャとは表面の凹凸及び／または質感などの形状や構造のこと）の一連の画像を取得することによって動作する。この表面は微細なテクスチャを有する。

他の最近のデバイスは、元々ラップトップコンピュータで使用するために開発されたタッチパッドである。タッチパッドはユーザの指の接触に感応する。タッチパッドによって、ユーザは、タッチパッドの表面上で単に指先を動かすことによってコンピュータ画面上のカーソルを移動させることができる。ユーザの指の存在は、タッチパッドの表面の下に格子状に配列された容量性のセンサのアレイによって検出される。コンピュータ画面上のカーソルのナビゲーションは、ユーザの指とセンサのアレイとの容量結合を用いて動作する。ユーザの指は、密閉された表面上を滑るように動くが、その表面の下には、格子状に配列されて表面電界を生成する微細な導電体の２つの層がある。指先でその表面を触るとその場所における電界が歪む。接触している指先の位置を、その（センサアレイの）格子を走査して、各導電体における歪みの強度を検出することによって決定することができる。この技法は、容量性検出の形態であり、電界歪み検出（field distortion sensing）と呼ばれる。画面上におけるマウスまたはカーソルの方向は、タッチパッドの表面上の人間の指先の動きによって直接影響を受ける。支援ソフトウエアによって、マウスの加速度をカスタマイズし、さらに、マウスの「クリック」及び「ドラッグ−ロック（drag-lock）」機能を割り当てることができる。そのようなタッチパッドの大きさは製造者や型式によって異なる。２インチ四方の小さいものもある。

ジョイスティック、トラックボール、機械式マウス、ライトペン（lightpen）、光学マウス、及び、ディジタイザータブレットといった種々のナビゲーションデバイスが、コンピュータの画面上でカーソルを操作するために使用されてきた。しかしながら、携帯電話、機械式ロッカースイッチ（rocker switch）などの小型の電子商品は、従来のナビゲーション技術で構成されている。特定の予めプログラムされた電子機能の選択は、円形のディスクの一方の側を押すことによって行われる。この技術は単純で経済的である。しかし、その選択のフレキシビリティは、４つの可能な個別のロッカー位置（上／下、及び、左／右）に限定されており、それは、小さなディスプレイに結合されていることが多い。

代表的な実施形態では検出システムが開示される。この検出システムは、基板、レーザ、及びセンサアレイから構成される。基板は、第１の表面、複数の領域に概念上分割される第２の表面、及び第３の表面を有する。レーザは、基板中に、続いて、第２の表面の領域に入射する電磁放射を放出するよう構成される。センサアレイは、第２の表面から反射された電磁放射を捕捉するよう構成される。第１の誘電率を有する第１の誘電体がいくつかの領域に接触している場合、その領域に入射する電磁放射は全反射し、第２の誘電率を有する第２の誘電体が他の領域に接触している場合、その領域に入射する電磁放射のいくつかは、第２の誘電体によって反射されて基板中に戻される。センサアレイは、第２の表面における電磁放射の入射によって生じるレーザスペックルを検出し、かつ、第２の誘電体から反射された電磁放射を検出するように構成される。

別の代表的な実施形態では方法が開示される。この方法は、表面をレーザで照明すること、ある物体をその表面上の第１の位置に配置すること、照明された表面から反射された第１のパターンをセンサアレイによって捕捉すること、捕捉した第１のパターンをデータ記憶装置に格納すること、上記物体を表面上の第２の位置に移動させること、照明された表面から反射された第２のパターンをセンサアレイによって捕捉すること、及び、捕捉した第１のパターンと捕捉した第２のパターンを比較することによって、第１の位置からの物体の位置の変化を計算すること、を含む。

本明細書で提示する代表的な実施形態の他の局面及び利点については、以下の詳細な説明及び添付の図面から明らかになろう。添付の図面は、種々の代表的な実施形態をより十分に説明するために使用されるであろう視覚的表現を提供するものであり、当業者であれば、それらの実施形態及びそれらの固有の利点をより良く理解するために使用することが可能である。図面において、対応する要素には同じ参照番号が付されている。

例示のための図面に示すように、新規な位置検出システムの代表的な実施形態を本明細書において開示する。ジョイスティック、トラックボール、機械式マウス、ライトペン（lightpen）、光学マウス、及び、ディジタイザタブレットといった種々のナビゲーションデバイスが、コンピュータの画面上でカーソルを操作するために使用されてきた。しかしながら、携帯電話、機械式ロッカースイッチ（rocker switch）などの小型の電子商品は、従来のナビゲーション技術で構成されている。特定の予めプログラムされた電子機能の選択は、円形のディスクの一方の側を押すことによって行われる。この技術は単純で経済的である。しかし、その選択のフレキシビリティは、４つの可能な個別のロッカー位置（上／下、及び、左／右）に限定されており、それは、小さなディスプレイに結合されていることが多い。代表的な実施形態では、より高度のナビゲーション方式が開示される。この方式では、レーザスペックルの検出を指の動きと結合して、コンピュータマウスと類似のやり方で小型のディスプレイ上でのカーソルの動きを操作する。

以下の詳細な説明、及び図面中のいくつかの図では、同じ構成要素には同じ参照番号を付している。

図１Ａは、なめらかな反射表面１２０に入射するレーザ照射１１０を示す図である。レーザからの光１１０は、コヒーレント、すなわち、同相であり、図１Ａのように、完全になめらかな反射表面から反射されたときにもその状態を維持する。なめらかな表面１２０からの反射の結果生じた波形が反射レーザ光１１１として示されている。

図１Ｂは、微視的には粗い反射表面１２０に入射してスペックルを生じるレーザ照射１１０を示す図である。レーザ光１１０が、微視的には粗い表面１２０に入射すると、図１Ｂに示すように、入射レーザ光１１０の一部は微視的な欠落部１２１から散乱されて、センサアレイによって検出可能な明と暗の「スペックル」のパターンを生じる。この散乱は、散乱光１１２として図１Ｂに示されており、本明細書ではスペックル光１１２とも呼ぶ。

図２は、種々の代表的な実施形態で説明する検出システム２００を示す図である。図２に示すように、検出システム２００は、基板２１０、レーザ２２０、及びセンサアレイ２３０を備える。基板２１０は、第１の表面２１１、第２の表面２１２、及び第３の表面２１３を備える。レーザ２２０は、第１の表面２１１を介して基板２１０中へと光１１０、より一般的には、電磁放射１１０を放出するように構成される。この光は、続いて、第２の表面２１２に入射する。第１の誘電率を有する第１の誘電体２５０が第２の表面２１２と接触しているときに、レーザ２２０からの光１１０は、平行ビームとして放射され、基板２１０中へと進む経路２４０を辿る。そのような場合には、基板２１０の誘電率と、第２の表面２１２上への光１１０の入射角度によって、光１１０が全反射をし、このため、実質的に全ての光１１０が第１の誘電体２５０中へは入射しない。第１の誘電体２５０は、たとえば、空気または他の適切な物質とすることができる。全反射が生じるためには、基板２１０の誘電率は、第１の誘電体２５０の誘電率よりも大きくなければならない。

光１１０が第２の表面２１２から反射されると、光１１０は、第３の表面２１３へと向かう。第３の表面２１３は、第１のセクション２１３ａと第２のセクション２１３ｂを有する。第１のセクション２１３ａは反射性のもの（すなわち、鏡面性）とされており、第２の表面２１２から第１のセクション２１３ａに入射した反射光１１１のいずれもが、再び反射されて基板２１０中へと戻されるようになっている。センサアレイ２３０は、第３の表面２１３の第２のセクション２１３ｂに入射した光１１０を受けるように構成されている。しかしながら、典型的には、検出システム２００は、スペックルが存在せず、かつ、第１の誘電体２５０が第２の表面２１２と接触している状態では、レーザ２２０からの光１１０のビームが第３の表面２１３の第２のセクション２１３ｂに入射しないように構成される。しかしながら、第２の表面２１２の微小な欠陥（たとえば凹凸など）１２１、並びに、第３の表面２１３の第１のセクション２１３ａの微小な欠陥１２１によって、センサアレイ２３０上に光１１０の一部が入射することになる。したがって、センサアレイ２３０は、第２の表面２１２における光１１０の入射から生じるレーザスペックル、並びに、第２のセクション２１３ａにおける光１１０の入射／反射、及び、第２の表面２１２における後続の入射／反射から生じるあらゆるレーザスペックルを検出するように構成される。

さらに、第３の表面２１３の第１のセクション２１３ａは、第１のサブセクション２１３ａ−１と第２のサブセクション２１３ａ−２を有することができる。第１のサブセクション２１３ａ−１を反射性（または鏡面性）のものとすることができ、第２のサブセクション２１３ａ−２をそれとは異なったものとすることができる。１例として、第２のサブセクション２１３ａ−２を、光１１０を部分的にまたは完全に吸収する黒または他の材料で覆うか、または、コーティングすることができる。これによって、センサアレイ２３０に入射する無関係の光１１０を少なくして、センサアレイ２３０がスペックルの散乱光１１０をより高感度で検知するようにする。第２のサブセクション２１３ａ−２を透過性のものとして、光１１０が基板２１０から出ていくようにしてもよい。スペックルによって散乱されないレーザ２２０からの光１１０の一部は有用な情報を何ら含んでおらず、それが、センサアレイ２３０により収集できるような場合には、散乱光１１０の検出を困難にする可能性があることに留意されたい。

説明を簡単にするために、第２の表面２１２の微小な欠陥１２１、第３の表面２１３の第１のセクションの２１３ａの微小な欠陥１２１、及び、結果として生じた散乱光１１２は図２には示されていない。

図３は、種々の代表的な実施形態で説明される第２の表面２１２に垂直な角度から見た第２の表面２１２を示す図である。図３では、第２の表面２１２は複数の領域２１２ｍに概念的に分割されて示されている。その複数の領域の１つだけが、説明を簡単にするために指示されている。複数の小さな領域２１２ｍは単に概念上のものであり、説明を簡単にするためにのみ使用されていることに留意されたい。

図４は、種々の代表的な実施形態で説明される検出システム２００の別の図である。図４において、指、または、指の隆起部、または、他の適切な物質とすることができる第２の誘電体２６０が、第２の表面２１２の一部と接触している。具体的には、第２の誘電体２６０は、第２の表面２１２の複数の領域２１２ｍの１つまたは複数のものと接触し、第１の誘電体２５０は、第２の表面２１２の残りの領域２１２ｍと接触している。第２の誘電体２６０は、第１の誘電率よりも十分に大きい第２の誘電率を有しているため、第２の誘電体２６０が接触している第２の表面２１２のそれらの領域２１２ｍでは全反射は生じない。第１の誘電体２５０が接触しているそれらの領域２１２ｍにおける第２の表面２１２にレーザ光１１０が入射した結果は、図２について説明したものと同じとなろう。しかしながら、第２の誘電体２６０が接触しているそれらの領域については、反射光１１１は、第２の誘電体２６０によって付加されたスペックル、及び、第２の誘電体２６０の反射特性に依存して変更されるであろう。したがって、第２の表面２１２上の１つまたは複数の位置に第２の誘電体２６０が存在する状態でセンサアレイ２３０によって受け取られた光パターンは、第２の誘電体２６０が存在しない状態で受け取られた光パターンとは異なるであろう。

光１１０は、基板２１０を完全に通過する前に、第２の表面２１２に入射してそこから１回以上反射されうる。この場合、この反射光１１１を、第３の表面２１３から１回以上反射するようにするか、または、第３の表面２１３において全く反射されないようにすることができる。典型的には、光１１０を、センサアレイ２３０が配置されている基板の端部に向かって基板の長手方向に導くために、第２の表面２１２は、導波路として動作する第３の表面２１３に平行である。また、典型的には、光１１０は、第２の表面２１２と第３の表面２１３の両方において数回反射されることになる。

さらに、第３の表面２１３の第１のセクション２１３ａは、第１のサブセクション２１３ａ−１、第２のサブセクション２１３ａ−２を有することができる。第１のサブセクション２１３ａ−１を反射性（または鏡面性）のものとし、第２のサブセクション２１３ａ−２をそれとは別のものとすることができる。１例として、第２のサブセクション２１３ａ−２を、光１１０を部分的にまたは完全に吸収する黒または他の材料で覆うか、または、コーティングすることができる。これによって、センサアレイ２３０に入射する無関係の光１１０を少なくして、センサアレイ２３０がスペックルの散乱光１１０をより高感度で検知するようにする。第２のサブセクション２１３ａ−２を透過性のものとして、光１１０が基板２１０から出ていくようにしてもよい。スペックルによって散乱されず、かつ、第２の誘電体２６０によって反射されないレーザ２２０からの光１１０の一部は有用な情報を何ら含んでおらず、それが、センサアレイ２３０により収集できるような場合には、散乱光１１０の検出を困難にする可能性があることに留意されたい。

説明を簡単にするために、第２の表面２１２の微小な欠陥１２１、第３の表面２１３の第１のセクションの２１３ａの微小な欠陥１２１、及び、結果として生じた散乱光１１２は図４には示されていない。

センサアレイ２３０は、好ましくは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサアレイである。しかし、電荷結合素子（ＣＣＤ）、フォトダイオードアレイ、フォトトランジスタアレイなどの他の撮像デバイス（イメージングデバイス）を使用することもできる。図２及び図４に示すレーザ２２０は、好ましくは、面発光レーザ（vertical-cavity surface-emitting laser：VCSEL。あるいは、垂直共振器面発光レーザ）２２０であるが、他のタイプのレーザ２２０でもよい。レーザ２２０を他の光源、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）や類似のもので置き換えることもできる。しかしながら、レーザ２２０の方が良好なスペックルの解像度を提供するであろう。

図４に示す検出システム２００は、さらに、センサアレイ２３０からの信号４５５を収集するナビゲーション回路４７０を備える。収集された信号４５５を、メモリ４８０とすることが可能なデータ記憶装置４８０に格納することができる。検出システム２００は、また、コントローラ４９０を備えることができる。

動作時に、センサアレイ２３０を使用して連続する露光状態を捕捉することによって、第２の誘電体２６０と第２の表面２１２との間の相対的な移動を検出することができる。第２の誘電体２６０が第１の位置にある状態で、結果として生じた第１のパターンが捕捉されてナビゲーション回路４７０に送られ、ナビゲーション回路４７０は、そのパターンを、典型的には、メモリ４８０に格納する。引き続いて、第２の誘電体２６０が第２の表面２１２に対して第２の位置に移動すると、第２の誘電体２６０の位置が異なるために、第１のパターンとは異なる第２のパターンが生じる。ナビゲーション回路４７０によって第１のパターンと第２のパターンを比較することにより、第２の誘電体２６０の相対的な移動を計算することができる。

センサアレイ２３０は、用途によって決定された、時間毎に異なる可能性のあるレート（割合または速度）で（１つまたは複数の）パターンを捕捉する。捕捉されたパターンは、第２の誘電体２６０の存在及び位置によって変更された第２の表面２１２の種々の領域２１２ｍを表す。この位置情報は位置信号４７５としてコントローラ４９０に送られる。コントローラ４９０は、その後、カーソル４９７または他のインジケータ４９７を画面４９９上に配置するために使用可能な出力信号４９５を生成する。

ナビゲーション回路４７０及び／またはメモリ４８０を、ナビゲーション回路４７０に一体化された部分として、または、それとは別のものとして構成することができる。さらに、ナビゲーション回路４７０を、たとえば、専用のディジタル信号プロセッサ、特定用途向け集積回路、または、論理ゲートの組合せ（但し、これらには限定されない）として実施することができる。

図５は、種々の代表的な実施形態で説明される、レーザスペックルを使用して位置の変化を決定するための１方法５００のフローチャートである。ブロック５１０において、表面２１２は、レーザ２２０からの光１１０で照射される。次に、ブロック５１０は、ブロック５２０に制御を移す。

ブロック５２０で、照射された表面２１２から散乱されたスペックルからなるパターン（ここでは、スペックルパターンともいう）が、センサアレイ２３０によって捕捉される。次に、ブロック５２０は、ブロック５３０に制御を移す。

ブロック５３０で、捕捉されたスペックルパターンはメモリ４８０に格納される。次に、ブロック５３０は、ブロック５４０に制御を移す。

ブロック５４０で、照射された表面２１２から散乱された次のスペックルパターンがセンサアレイ２３０によって捕捉される。次に、ブロック５４０は、ブロック５５０に制御を移す。

ブロック５５０で、捕捉された上記次のスペックルパターンがメモリ４８０に格納される。次に、ブロック５５０は、ブロック５６０に制御を移す。

ブロック５６０で、捕捉された２つのスペックルパターンを比較して、表面２１２に配置されていたかもしれない物体２６０（第２の誘電体２６０）のどのような位置の変化が検出されたかを判定する。次に、ブロック５６０は、ブロック５７０に制御を移す。

ブロック５７０で、位置の変化が検出されると、ブロック５７０は、ブロック５８０に制御を移す。位置の変化が検出されなければ、ブロック５７０は、ブロック５４０に制御を移す。

ブロック５８０で、たとえば、画面４９９上のカーソル４９７である、移動インジケータ４９７は、計算された位置の変化に応じて移動される。次に、ブロック５８０は、ブロック５４０に制御を移す。

以上、位置決定とナビゲーションのためにレーザスペックルを使用するシステムを開示した。代表的な実施形態では、本明細書及び図面に開示された教示を用いて、そのような目的のために、表面上の手の動きを使用することが可能なコンパクトで低コストのシステムを提供することができる。検出プロセスは、レーザスペックルとして既知の光学現象を利用する。かかる光学現象では、集束されたレーザからの光が、微視的には粗い表面によって散乱され、結果として生じた反射光は、明と暗のスペックルのパターンを生じる。

レーザ光は、光源から放射されて、導波路に結合され、たとえば、シリコンセンサ（silicon sensor）によって検出される。導波路の表面上における指の動きによってセンサ上の光パターンが変化する。この変化をセンサアレイによって検出することができる。導波路構造はいくつかの利点を有する。第１に、レーザ出力に関連する目の安全性の問題を低減する。指が導波路に接触するまで、全反射によって、レーザ光は導波路（及びモジュール）内部に維持される。この場合、レーザ光は、導波路の外部に漏れることなく指で反射するだけである。さらに、導波路構造を使用することによって、システムを通る光路長が長くなる。光路長によりスペックルのサイズが決定され、したがって、センサアレイ上のピクセル（画素）のサイズが決定される。典型的には、センサ上のピクセルのサイズをより大きくできるようにする（これによって、感度を上げる）ために、スペックルのサイズは大きい方が好ましい。導波路構造により、モジュールの高さを高くすることなく光路長を長くすることができるが、これは、小さな移動用の用途では特に重要である。

スペックルナビゲーションは、コヒーレント光の干渉技法に基づくものであり、したがって、一般的には、レーザ源を必要とする。放射された光は、プリズム構造によって導波路に結合される。この構造を、たとえば、プラスチック部分（または塑性部分）の射出成形によって、図２及び図４に示すように導波路中に組み込むこともでき、または、導波路から分離したものとしすることもできる。次に、放射された光をその構造中を案内し、光の少なくとも一部がセンサによって捕捉されるように結合して出力する。この結合を支援するために、センサを空隙（エアギャップ）なしで、たとえば、光学接着剤によって、導波路に取り付けることができる。指または他の物体が存在しない場合、あるいは、指が静止している場合は、センサは、静止したスペックルパターンを検出するであろう。指が動く場合には、センサ上のスペックルパターンは動く。このスペックルパターンの変化をセンサで検出することができる。スペックルの動きの検出を、２つ以上の捕捉されたパターンを比較することによって実行することができる。

本明細書で詳細に説明した代表的な実施形態は例示であって限定することを意図して提示したものではない。当業者には、説明した実施形態の態様や細部に種々の変更を行って、特許請求の範囲に記載された発明の範囲に含まれる等価な実施形態を成しうることが理解されよう。

以下に、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．検出システムであって、
第１の表面、概念的に複数の領域に分割された第２の表面、及び第３の表面を有する基板であって、前記第３の表面は、第１及び第２のセクションを有することからなる、基板と、
前記第１の表面を介して前記基板中に電磁放射を放出するよう構成されたレーザであって、前記基板中に放出された前記電磁放射は、その後、前記第２の表面のいくつかの領域に入射することからなる、レーザと、
前記第２の表面から反射されて、前記第２のセクションに入射する電磁放射を捕捉するよう構成されたセンサアレイ
を備え、
第１の誘電率を有する第１の誘電体がいくつかの領域と接触している場合には、それらの領域に入射する電磁放射は全反射をし、第２の誘電率を有する第２の誘電体が他の領域と接触している場合には、それらの領域に入射する電磁放射の一部は、前記第２の誘電体によって反射されて前記基板中に戻され、前記第１のセクションの少なくとも一部が、当該一部分に入射する電磁放射を反射するように構成され、前記センサアレイが、前記第２の表面における電磁放射の入射から生じるレーザスペックルを検出するように、かつ、前記第２の誘電体から反射された電磁放射を検出するように構成されることからなる、検出システム。
２．スペックルに起因する散乱を除いて、前記第１の誘電体が１つ以上の前記領域と接触している場合には、それらの領域に入射する前記電磁放射は、前記センサアレイによって収集されない、上項１の検出システム。
３．前記レーザが垂直共振器面発光レーザである、上項１の検出システム。
４．前記電磁放射は、前記第２の表面に少なくとも２回入射し、前記第３の表面に少なくとも１回入射する、上項１の検出システム。
５．前記第３の表面の少なくとも一部が、鏡面仕上げされた（すなわち、鏡面性の）表面である、上項１の検出システム。
６．前記第１の誘電体が、指の組織と空気からなるグループから選択される、上項１の検出システム。
７．前記第２の誘電体が、指の組織と空気からなるグループから選択される、上項１の検出システム。
８．前記基板が、レーザからの電磁放射のための導波路として作用する、上項１の検出システム。
９．前記第２の表面が、前記第３の表面にほぼ平行である、上項１の検出システム。
１０．前記第２の誘電体が、指の少なくとも１つの隆起部から構成される、上項１の検出システム。
１１．データ記憶装置と、
ナビゲーション回路
をさらに備え、
前記ナビゲーション回路は、前記センサアレイからの信号を収集し、該収集された信号を前記データ記憶装置に格納し、及び、異なる時点における収集された信号を比較することによって、前記第２の表面に対する前記第２の誘電体の相対的な動きを計算するよう構成される、上項１の検出システム。
１２．コントローラをさらに備え、
位置情報が、位置情報として前記ナビゲーション回路から前記コントローラに伝送され、その後、前記コントローラは、画面上にカーソルを配置するために使用可能な出力信号を生成する、上項１１の検出システム。
１３．表面をレーザで照射するステップと、
前記照射された表面から反射されたスペックルパターンをセンサアレイによって捕捉するステップと、
前記捕捉されたスペックルパターンをデータ記憶装置に格納するステップと、
前記照射された表面から反射された次のスペックルパターンを前記センサアレイによって捕捉するステップと、
捕捉された少なくとも２つのスペックルパターンを比較することによって、位置の変化を計算するステップ
を含む、方法。
１４．位置の変化が生じた場合には、前記計算された位置の変化に応じて画面上のカーソルを移動させるステップと、
次のスペックルパターンを捕捉するステップから始めて、上述のステップを繰り返すステップ
をさらに含む、上項１３の方法。
１５．前記スペックルパターンが、前記表面に接触して配置されている物体からのスペックルから構成される、上項１３の方法。

本発明による検出システムは、基板、レーザ、及びセンサアレイを備える。基板は、第１の表面、概念的に複数の領域に分割された第２の表面、及び第３の表面を有する。レーザは、基板中に電磁放射を放出するよう構成され、この電磁放射は、その後、第２の表面の領域に入射する。センサアレイは、第２の表面から反射された電磁放射を捕捉するように構成される。第１の誘電率を有する第１の誘電体がいくつかの領域に接触している場合は、それらの領域に入射する電磁放射は全反射し、第２の誘電率を有する第２の誘電体が他の領域に接触している場合は、それらの領域に入射する電磁放射は、第２の誘電体によって反射されて基板中に戻される。センサアレイは、第２の表面における電磁放射の入射から生じるレーザスペックルを検出し、及び、第２の誘電体から反射された電磁放射を検出するように構成される。

滑らかな反射性の表面に入射するレーザ照射を示す図である。 スペックルを生じる、微視的には粗い反射性表面に入射するレーザ照射を示す図である。 種々の代表的な実施形態で説明される検出システムの図である。 種々の代表的な実施形態で説明される、第２の表面に垂直な角度から見たその第２の表面の図である。 種々の代表的な実施形態で説明される検出システムの別の図である。 種々の代表的な実施形態で説明される、レーザスペックルを使用して位置の変化を判定するための１方法のフローチャートである。

符号の説明

１１０ レーザ光
１１１ 反射レーザ光
１２０ なめらかな反射表面（微視的には粗い）
２００ 検出システム
２１０ 基板
２１１ 第１の表面
２１２ 第２の表面
２１２ｍ 第２の表面の領域
２１３ 第３の表面
２２０ レーザ
２３０ センサアレイ
２５０ 第１の誘電体
２６０ 第２の誘電体

Claims (12)

1. 検出システムであって、
   第１の表面、概念的に複数の領域に分割された第２の表面、及び第３の表面を有する基板であって、前記第３の表面は、第１及び第２のセクションを有することからなる、基板と、
   前記第１の表面を介して前記基板中に電磁放射を放出するよう構成されたレーザであって、前記基板中に放出された前記電磁放射は、その後、前記第２の表面の前記複数の領域のうちのいくつかの領域に入射することからなる、レーザと、
   前記第２の表面から反射されて、前記第２のセクションに入射する電磁放射のレーザスペックルを捕捉するよう構成されたセンサアレイ
   を備え、
   第１の誘電率を有する第１の誘電体が前記複数の領域のうちのいくつかの領域と接触している場合には、それらの領域に入射する電磁放射は全反射をし、第２の誘電率を有する第２の誘電体が前記複数の領域のうちの他の領域と接触している場合には、それらの領域に入射する電磁放射の一部は、前記第２の誘電体によって反射されて前記レーザスペックルを形成し、
   前記第３の表面の前記第１のセクションが第１のサブセクションと第２のサブセクションからなり、該第１のサブセクションは光反射性であり、該第２のサブセクションは光吸収材で覆われているかまたは光透過性であり、該第２のサブセクションは、前記第１のサブセクションと前記第２のセクションの間に配置され、これによって、前記第１の表面を介して前記基板中に入射した電磁放射は、前記第２の表面と前記第１のサブセクションとの間での反射を繰り返しつつ、該第１のサブセクションから前記第２のセクションに向かう方向に前記基板中を進行するが、前記第２のサブセクションに入射した電磁放射の該第２のサブセクションからの反射が実質的に阻止され、
   前記第２のセクションは、さらに、前記第２のセクションに向かう方向に進行してきた前記電磁放射のうち、前記第１の誘電体と前記第１のサブセクションとの間でのみ反射を繰り返して進行してきた電磁放射は、該第２のセクションに入射しないが、前記第２の誘電体によって反射された電磁放射は、該第２のセクションに入射するように配置される、検出システム。
2. 前記レーザが垂直共振器面発光レーザである、請求項１の検出システム。
3. 前記電磁放射は、前記第２の表面に少なくとも２回入射し、前記第３の表面に少なくとも１回入射する、請求項１の検出システム。
4. 前記第１の誘電体が、指の組織と空気からなるグループから選択される、請求項１の検出システム。
5. 前記第２の誘電体が、指の組織と空気からなるグループから選択される、請求項１の検出システム。
6. 前記基板が、レーザからの電磁放射のための導波路として作用する、請求項１の検出システム。
7. 前記第２の表面が、前記第３の表面にほぼ平行である、請求項１の検出システム。
8. 前記第２の誘電体が、指の少なくとも１つの隆起部から構成される、請求項１の検出システム。
9. データ記憶装置と、
   ナビゲーション回路
   をさらに備え、
   前記ナビゲーション回路は、前記センサアレイからの信号を収集し、該収集された信号を前記データ記憶装置に格納し、及び、異なる時点における収集された信号を比較することによって、前記第２の表面に対する前記第２の誘電体の相対的な動きを計算するよう構成される、請求項１の検出システム。
10. コントローラをさらに備え、
    位置情報が、位置信号として前記ナビゲーション回路から前記コントローラに伝送され、その後、前記コントローラは、画面上にカーソルを配置するために使用可能な出力信号を生成する、請求項９の検出システム。
11. 基板上の物体の位置の変化を検出する方法であって、
    第１の表面、概念的に複数の領域に分割された第２の表面、及び第３の表面を有する前記基板を設けるステップと、
    前記第１の表面を介して前記基板中にレーザからの光を放出するステップ
    を含み、
    前記基板は、第１の誘電率を有する第１の誘電体が前記複数の領域のうちのいくつかの領域と接触している場合には、それらの領域に入射する光は全反射し、第２の誘電率を有する物体が前記複数の領域のうちの他の領域と接触している場合には、それらの領域に入射する光の一部は、該物体によって反射されてスペックルパターンを形成するように構成され、
    前記基板を設ける前記ステップは、前記第３の表面を第１のセクションと第２のセクションに分割し、前記第１のセクションを、光反射性の第１のサブセクションと、光吸収材で覆われているかまたは光透過性の第２のサブセクションに分割するステップと、前記第２のサブセクションを前記第１のサブセクションと前記第２のセクションの間に配置するステップを含み、これによって、前記第１の表面を介して前記基板中に入射した光は、前記第２の表面と前記第１のサブセクションとの間での反射を繰り返しつつ、該第１のサブセクションから前記第２のセクションに向かう方向に前記基板中を進行するが、前記第２のサブセクションに入射した光の該第２のサブセクションからの反射は実質的に阻止され、
    前記第２のサブセクションを配置する前記ステップが、前記第２のセクションに向かう方向に進行してきた光のうち、前記第１の誘電体と前記第１のサブセクションとの間でのみ反射を繰り返して進行してきた光は、該第２のセクションに入射しないが、前記物体によって反射された光は、該第２のセクションに入射するように、該第２のサブセクションを配置するステップを含み、
    前記方法がさらに、
    前記第２のセクションに入射した光の前記スペックルパターンをセンサアレイによって捕捉するステップと、
    前記捕捉されたスペックルパターンをデータ記憶装置に格納するステップと、
    前記第２のセクションに入射した次の光のスペックルパターンを前記センサアレイによって捕捉するステップと、
    捕捉された少なくとも２つのスペックルパターンを比較することによって、前記位置の変化を計算するステップ
    を含むことからなる方法。
12. 位置の変化が生じた場合には、前記計算された位置の変化に応じて画面上のカーソルを移動させるステップと、
    次の光のスペックルパターンを捕捉する前記ステップから始めて、上述のステップを繰り返すステップ
    をさらに含む、請求項１１の方法。

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