TWI387902B - 光學導向裝置及光學導向方法 - Google Patents

光學導向裝置及光學導向方法 Download PDF

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Description

光學導向裝置及光學導向方法
本發明係有關於小型且具低度輪廓之光學導向裝置。
 發明背景
隨著行動及可攜式電子裝置之日益增加的普及性，小型且低成本指標裝置之需求業已急遽上升。光學滑鼠中所使用之光學導向技術在正確性、可靠度與可變性方面提供許多優於其他解決方案之優點。然而，現存的滑鼠感應器模組過大以致於無法應用至可攜式電子裝置如行動電話與個人數位助理(PDA)。
光學滑鼠感應器透過來自導向表面之反射追蹤被捕捉影像之改變的方式來偵測相對動作。導向影像可為傾斜照射發光二極體(LED)投射於該表面上之陰影與強光的圖案，或該導向表面與一同調發光源所形成的衍射圖案或斑點。光學滑鼠之中心為一包含一光源、一影像感應器及一光學件(可含或不含一光學件)如顯影透鏡之導向模組。該光源如LED或雷射被用以提供該導向表面之照明；而該光學件之顯影部分在影像感應陣列上形成導向影像。顯影透鏡通常被用以將該導向影像顯影至一2D感應陣列。典型滑鼠感應模組之尺寸相當大，特別是其高度。大型模組尺寸從未構成光學導向技術在比方說桌上型電腦滑鼠應用中之擴散的阻礙。然而，它阻止相同技術在可攜式電子裝置如行動電話與PDA上之更廣泛的應用。對於可攜式電子來說，具有2mm之厚度的指標裝置是可接受的，而典型的滑鼠感應模組在該導向表面與該感應器之間需要大於10mm之間距。
現存的光學滑鼠感應器過大以致於無法整合至可攜式電子裝置如行動電話中，這主要是因為裝置總成之高度所致。典型的光學滑鼠感應器在該導向表面與該影像感應器之間需要大於14mm之間距以滿足導向所需之顯影條件。根據現行的模組設計，顯影功能基本上是由一單一的透鏡元件執行的。該表面與該感應器之間的最小間距受限於感應器像素尺寸與陣列尺寸、光學效能(或f/#)及期望光學倍率。
傳統滑鼠感應模組之高度主要受限於影像光學之高度需求。基本上，單一塑膠模鑄透鏡使用單位倍率，而2D感應器則在50微米高度上使用20x20個像素。首先，為了達成1比1的顯影，該導向表面與該感應器之間的間距將為該顯影透鏡之聚焦長度的4倍。當該導向表面與該感應器之間的間距縮短時，該顯影透鏡之聚焦長度必須縮短。理論上，可以為此設計一十分短的聚焦長度透鏡，進而在該感應器與該導向表面之間達成一接近2mm之間距，雖然實際上該透鏡之孔徑尺寸必須被考量以維持合理的光蒐集效能。該透鏡聚焦長度與該透鏡直徑之間的比率為該透鏡之聚焦比數(f－number)。實際上難以使一單一元件折射透鏡具有一小於1的聚焦比數以涵蓋具有良好影像品質之大檢視範圍。鑑此，典型的光學滑鼠感應器模組在該感應器與該導向表面之間需要大於10mm之間距。
 發明概要
一光學導向裝置透過比較表面組織如手指隆起部之被捕捉影像的方式來偵測非光學平坦表面如手指之相對動作。在一罩體中，一光源與一感應器陣列被定位於末梢上。該感應器陣列被固定於一基板上。一透鏡陣列穿插於待顯影表面與該感應器陣列之間，以將表面如使用者之手指表面的1比1影像形成於該2D感應器陣列上。微透鏡可被設計成配合該感應器陣列上之單獨像素，或透鏡陣列之各個元件可用以涵蓋該感應器上之一像素群組。該微透鏡可定位成，使該影像形成於該感應器陣列上或形成於一空間之平面上使該影像從該表面散焦。
圖式簡單說明
第1圖例示本發明之一實施例；以及第2A－C圖例示本發明之其他實施例。
 較佳實施例之詳細說明
如第1圖所示，在本發明之一實施例中，一透鏡陣列被用以取代傳統光學導向裝置中之單一顯影透鏡。在一罩體8中，一光源10與一感應器陣列12被定位於末梢上。該感應器陣列12被固定於一基板13如印刷電路板(PCB)上。一透鏡陣列14被定位於，使該光源10所發射之光線從一表面20反射出去。該透鏡陣列14包括MxN個元件，其中M大於1且N大於或等於1。該透鏡陣列14蒐集從該表面20反射之光線，並在位於其下方之該2D感應器陣列12上形成一圖案。舉例來說，當LED被做為該光源10使用時，該透鏡陣列14可用以形成表面如使用者之手指表面的影像。如第2A－C圖所示，該透鏡陣列14之各個元件可以設計成配合該感應器陣列(第2A圖)上之單獨像素，或者該透鏡陣列之各個元件可用以涵蓋該感應器(第2B圖)上之一像素群組，抑或是該透鏡陣列之各個元件可用以涵蓋該感應器(第2C圖)上之一像素區域的片斷。該透鏡陣列14可以定位成，使該表面20之影像形成於該感應器陣列上或一與該表面20不同之空間平面被形成於該感應器陣列上。
一可選配的透鏡16可置於該光源10與該表面20之間，在該處，輸出光束被實質準直。光線在此係以例示目的說明之。本發明之概念可延伸以包括在大約1奈米到大約1公尺之波長範圍內的電磁輻射。
該裝置之整體高度被大幅降低，因為該透鏡陣列14之各該元件的聚焦長度可以非常短，且可在此同時維持單一透鏡元件相同的聚焦比數。
該光源10可為一同調光源如雷射二極體或面射型雷射二極體。選擇性地，其可為一非同調或擬同調光源如發光二極體(LED)或含或不含光纖之寬頻源。雖然本實施例將該光源10揭示成容納於該罩體8中，該表面可以一外部光源如環境光線照明之。該表面本身可以自行照明，如同在該表面包括冷光材料如電激發光材料之情形一般。
該透鏡陣列14包括折射、繞射或混合元件。
該感應器陣列12可為一電荷藕合元件(CCD)或一互補金屬氧化半導體(CMOS)顯影陣列。該感應器陣列12宜被定位成可以捕捉該感應器陣列所形成之圖案。該圖案可以直接對應至該表面或為表面資訊之衍生物，如從該表面反射之光線所產生的斑點或干擾圖案。
本發明使用一不同的光學設計概念來顯著降低該表面與該感應器陣列之間所需的間距，進而降低該導向模組之整體高度。
如第1圖所示，透過使用一多重元件透鏡陣列，表面至感應器陣列之距離可以大幅縮短，並可使用相同感應器陣列來維持單一透鏡實施例的相同光學性質如倍率及聚焦比數。
該顯影透鏡之光線蒐集效能可以設計成等於或優於單一元件透鏡之範例。該微透鏡陣列可設計成，使各該元件對應至該感應器陣列之一像素，或各該元件將影像印繪至該感應器中之一像素群組，或該感應器中之各該像素對應至一透鏡元件群組。
該微透鏡陣列之製造可以多種方式達成，如蝕刻、回焊、複製或模鑄。根據本發明之一實施例，該透鏡陣列在晶圓等級上被整合至該感應器陣列。在另一實施例中，該透鏡陣列為一置於該表面與該感應器之間之分離件。
8．．．罩體
10．．．光源
12．．．感應器陣列
13．．．基板
14．．．透鏡陣列
16．．．透鏡
20．．．表面
第1圖例示本發明之一實施例；以及第2A－C圖例示本發明之其他實施例。
8．．．罩體
10．．．光源
12．．．感應器陣列
13．．．基板
14．．．透鏡陣列
16．．．透鏡
20．．．表面

Claims (23)

  1. 一種光學導向裝置，包括：一罩體；一從一表面蒐集電磁波之MxN元件陣列，其中M大於1且N大於或等於1；以及一動作偵測電路，其具有一感應器陣列以接收該電磁波並決定沿第一及第二軸之方向上的相對動作；其中該MxN陣列係被定位以在該感應器陣列上形成一與該表面不同之空間平面的影像。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該電磁波係選自下列群組之一：可見光、紅外光、微波及音波。
  3. 如申請專利範圍第2項之裝置，進一步包括一位於該罩體中之光源，該光源可朝該表面發射電磁波。
  4. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該MxN元件陣列中之各元件對應至該感應器陣列中之一感應器的至少一片段。
  5. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該MxN元件陣列中之各元件對應至該感應器陣列中之一單一感應器。
  6. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該MxN元件陣列中之各元件對應至該感應器陣列中之一感應器群組。
  7. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該光源發射可見光或紅外光。
  8. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中該MxN元件陣列中之各元件為一透鏡。
  9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中該透鏡為一折射、繞射或混合元件。
  10. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該光源為同調、擬同調及非同調光源中之一者。
  11. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該光源為一同調光源，該同調光源係選自下列群組之一：雷射二極體及面射型雷射二極體。
  12. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該光源為一非同調或擬同調光源，該光源係選自下列群組之一：發光二極體(LED)及寬頻光源。
  13. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該感應器陣列為CCD及CMOS顯影器中之一者。
  14. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該圖案係選自下列群組之一：斑點、衍射、及表面影像。
  15. 一種光學導向方法，包括：朝一表面施加一電磁源；透過施加一MxN集合元件陣列形成一對應至該表面之一反射的圖案，其中M大於1且N大於或等於1；以一感應器陣列偵測一系列圖案；以及分析該圖案以決定相對動作；其中該MxN集合元件陣列為一透鏡陣列，其被定位以在該感應器陣列上形成一與該表面不同之空間平面的影像。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中： 該電磁源在光學波長範圍內發射光線；以及其中該圖案係選自下列群組之一：斑點、衍射、及表面影像。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該光源為一同調光源，該同調光源係選自下列群組之一：雷射二極體及面射型雷射二極體。
  18. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該光源為一非同調或擬同調光源，該光源係選自下列群組之一：發光二極體(LED)及寬頻光源。
  19. 如申請專利範圍第15項之方法，其中：該感應器陣列為CCD及CMOS顯影陣列中之一者。
  20. 一種光學導向裝置，包括：一罩體；一動作偵測電路，其具有一感應器陣列以接收該電磁波並決定沿至少一軸之方向上的相對動作；以及一MxN元件陣列，其係被安插於該動作偵測電路與一光源之間，其中M大於1且N大於或等於1，該MxN元件陣列從一表面蒐集電磁波，其中該MxN元件陣列中之各元件對應至該感應器陣列中之一感應器群組。
  21. 如申請專利範圍第20項之裝置，其中該MxN元件陣列被定位以在該感應器陣列上形成該表面之圖案。
  22. 如申請專利範圍第20項之裝置，其中該MxN元件陣列包含一透鏡陣列，該透鏡陣列之各透鏡具有較短的聚焦長 度，且該透鏡陣列具有與單一透鏡元件相同的聚焦比數。
  23. 如申請專利範圍第20項之裝置，其中該MxN元件陣列係於晶圓層次整合至該感應器陣列。
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