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

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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
    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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