WO2010082499A1 - 光ポインティング装置および該装置を搭載した電子機器 - Google Patents

光ポインティング装置および該装置を搭載した電子機器 Download PDF

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light
pointing device
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contact surface
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三宅隆浩
三木錬三郎
野呂哲史
上田稔
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シャープ株式会社
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    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/042—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means
    • G—PHYSICS
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    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0354—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of 2D relative movements between the device, or an operating part thereof, and a plane or surface, e.g. 2D mice, trackballs, pens or pucks
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    • G06F2203/033—Indexing scheme relating to G06F3/033
    • G06F2203/0338—Fingerprint track pad, i.e. fingerprint sensor used as pointing device tracking the fingertip image

Definitions

  • the present invention relates to an input device, and more particularly to an optical pointing device that can be mounted on an electronic device such as a mobile phone.
  • Small electronic devices typified by portable information terminals such as mobile phones and PDAs (Personal Digital Assistants) employ a user interface using a keypad, and such keypads input numbers and characters. It comprises a plurality of buttons and a direction button.
  • GUI Graphic User Interface
  • the function of an electronic device such as a portable information terminal changes in a similar manner to a computer
  • the input method is also a method of performing a desired function operation by using conventional menu keys and other function keys as direction keys.
  • a pointing device that can be operated like a mouse or a touch pad used in computers has been demanded.
  • Patent Document 1 an optical pointing device that extracts a change in a contact surface by observing a pattern of a subject such as a fingertip that contacts the device with an image sensor.
  • the contact surface is illuminated by the light source, the pattern on the contact surface is imaged on the image sensor by the lens, and the movement of the fingertip is converted into an input signal from the detected change in the pattern.
  • the optical pointing device in order to form an image on the image sensor with light from the contact surface, a distance from the contact surface to the image sensor is required, and the vertical length of the optical pointing device could not be shortened. . Since a small electronic device typified by a portable information terminal is required to have a small thickness, the optical pointing device is also required to shorten the length in the vertical direction.
  • Patent Document 2 in order to illuminate the finger contact surface with the LED light source, it is necessary to guide light for illuminating the finger to the finger contact surface using a space above the folding element. That is, due to the restrictions of the illumination optical system, the portion above the bending element is thick, the thickness of the optical pointing device is not thinned, and the merit of the thin imaging optical system is impaired.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and relates to an optical pointing device using a bending element, and by realizing an illumination optical system that illuminates a subject without increasing the thickness, a more compact optical pointing device. Is to provide.
  • an optical pointing device of the present invention is A contact surface with which the subject contacts;
  • a light source module having a light source such as an LED for illuminating the contact surface;
  • a bending element such as a prism having an inclined surface for bending the reflected light from the contact surface;
  • An imaging element such as a lens for imaging the reflected light as an image;
  • An optical pointing device having an image sensor such as a CCD for capturing the image,
  • the inclined surface of the bending element changes the optical path of the scattered reflected light from the contact surface, and transmits and refracts light from the light source module that illuminates the contact surface to guide it to the contact surface.
  • the inclined surface of the bending element is contacted by transmitting and refracting light from the reflection surface that changes the light path of the scattered reflected light from the contact surface and the light source module that illuminates the contact surface. It is also used as a transmissive refracting surface leading to the surface, realizing reduction of optical components and reduction in size and thickness of the optical pointing device.
  • the optical axis of the imaging optical system that forms the image on the imaging element, and the optical axis of the illumination optical system that illuminates the contact surface with the light from the light source module is characterized by being different.
  • the illumination light can be prevented from entering the image sensor as stray light, the noise component can be reduced and the image recognition rate can be improved.
  • the light source module that illuminates the contact surface includes a light source such as an LED and a lens that suppresses the light divergence of the divergent light from the light source. .
  • the light from the light source module can be efficiently transmitted to the contact surface. For this reason, light emission amount can be reduced and power consumption can be reduced. Furthermore, since stray light is reduced, noise components can be reduced and the image recognition rate can be greatly improved.
  • the light source module that illuminates the contact surface is composed of an element that bends diverging light from a light source such as an LED in the normal direction of the inclined surface of the bending element.
  • the optical pointing device of the present invention light can be illuminated obliquely to the subject, and the subject's shadow is likely to be generated.
  • the contrast becomes high, and the recognition rate of the subject is increased. Can be improved.
  • the light source module that illuminates the contact surface has a light exit surface as an element that bends the diverging light from the light source such as the LED in the normal direction of the inclined surface of the bending element.
  • a light exit surface as an element that bends the diverging light from the light source such as the LED in the normal direction of the inclined surface of the bending element.
  • An inclined prism or a diffraction element is used.
  • the prism or the diffractive element can be integrally formed with a mold part for sealing the light source such as the LED, so that the number of parts can be reduced and the cost can be reduced.
  • the inclined surface of the bending element is used as a reflection surface of the scattered reflected light from the subject and a light refracting surface of the light from the light source module that illuminates the subject surface.
  • a thin illumination optical system can be realized, and a more compact optical pointing device can be realized.
  • an embodiment of the present invention will be described by taking an optical pointing device using an LED as a light source as an example.
  • the present invention is not limited to the configurations of the following embodiments. Any device that adopts the same configuration, such as a scanner-type device such as a fingerprint authentication system, can be applied to all optical input interfaces.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the first embodiment of the optical pointing device 1 of the present invention.
  • An image of a subject such as a fingertip is captured as scattered reflected light from the contact surface 11 that is the upper surface in the vertical direction of the prism 12 that is a bending element.
  • the scattered reflected light is reflected by the inclined surface 13 within the prism 12 that is the bending element, forms an image by the lens 14 that is the imaging element, and is captured as image data by the imaging element 15.
  • changes in the contact surface 11 are extracted by image processing, and the amount and direction of movement of the subject can be obtained.
  • an LED light source 16 constituting a light source module for illuminating the subject is disposed under the prism 12 serving as the bending element.
  • the prism 12 which is the bending element of the present invention and the contact surface 11 are formed integrally with the cover portion of the optical pointing device 1 to reduce the thickness, and the inclined surface 13 can be formed with high accuracy. 1 assembly is improved.
  • the lens 14 that is an imaging element is formed integrally with the falling prism 23.
  • the positional relationship among the inclined surface 13, the lens 14 as the imaging element, and the falling prism 23 can be managed with high accuracy.
  • the diaphragm 22 is affixed outside the effective surface of the lens 14 as the imaging element in order to block stray light that becomes a problem when entering the lens 14 as the imaging element.
  • the imaging element 15 is bonded on, for example, the circuit board 21 and sealed with a transparent resin 20b.
  • the LED light source 16 is also bonded on the same circuit board 21 and sealed with a transparent resin 20a to form a light source module, but is separated from the transparent resin 20b, and the light from the LED light source 16 propagates inside the resin. Thus, leakage into the image sensor 15 is prevented.
  • the circuit board 21 on which the LED light source 16 and the image sensor 15 are mounted is transparent to the optical system such as the prism 23 and the lens 14 that is an imaging element, and seals the LED light source 16 and the image sensor 15.
  • the top surfaces of the resins 20a and 20b are assembled with the atlas as a reference.
  • An object such as a fingertip comes into contact with the contact surface 11.
  • the subject is illuminated with the illumination light indicated by the optical axis M of the illumination optical system emitted from the LED light source 16, and is scattered and reflected.
  • the subject forms a scattered reflection image, but a part of the scattered reflection light becomes imaging light indicated by the optical axis L of the imaging optical system.
  • the scattered reflection image is transmitted through the prism 12, reflected by the inclined surface 13, and preferably subjected to optical path conversion by total reflection, and an image is formed on the image sensor 15 by the lens 14 as an imaging element.
  • An image formed on the image sensor 15 is captured as image data in a DSP (Digital Signal Processor) (not shown).
  • DSP Digital Signal Processor
  • the image sensor 15 is an image sensor such as a CMOS or CCD, and continuously captures the image of the contact surface 11 at regular intervals.
  • the image to be captured is an image that is shifted by a predetermined amount from the image captured immediately before.
  • the amount of displacement of the same part in the image is compared by the DSP to determine the amount and direction of movement of the subject.
  • FIG. 2 uses the illumination optical system of the optical pointing device 1 of the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 uses the imaging optical system of the optical pointing device 1 of the first embodiment of the present invention as a subject. It is a figure for demonstrating regarding a case.
  • the optical system of the optical pointing device 1 includes a prism 12 that is a bending element of the present invention having a contact surface 11 and an inclined surface 13 with which a fingertip 10 that is a subject contacts, a lens 14 that is an imaging element, an imaging element 15, The LED light source 16 illuminates the fingertip 10.
  • the LED light source 16 for illuminating the fingertip 10 is disposed below the prism 12, and the light emitted from the LED light source 16 is transmitted and refracted through the inclined surface 13 of the prism 12, and the contact surface 11 is allowed to pass through. Illuminate from an oblique direction indicated by the optical axis M of the illumination optical system.
  • Fig. 4 shows a top view of the device of Fig. 1.
  • the LED light source 16 is oblique to the optical axis L of the imaging optical system so that the emitted light does not coincide with the optical axis L of the imaging optical system when viewed from above, that is, from the fingertip 10 side that is the subject. To place.
  • the optical axis M of the illumination optical system directed in the direction of irradiating the fingertip 10 from the LED light source 16 different from the optical axis L of the imaging optical system, illumination light that does not strike the fingertip 10 is applied to the image sensor 15. It becomes difficult to enter, the recognition rate can be improved, and malfunction is less likely to occur.
  • the fingertip 10 that is the subject contacts the contact surface 11.
  • the fingertip 10 is illuminated from an oblique direction with illumination light of the optical axis M of the illumination optical system emitted from the LED light source 16, and is scattered and reflected as shown in FIG.
  • the fingertip 10 When the fingertip 10 comes into contact with the contact surface 11, it mainly forms a scattered reflection image of the fingerprint.
  • the fingerprint image passes through the prism 12 as indicated by the optical axis L of the imaging optical system, and Reflected by the inclined surface 13, preferably totally reflected, and an image is formed on the image sensor 15 by the lens 14 that is an imaging element.
  • the reflection on the inclined surface 13 may be Fresnel reflection, but by making total reflection, more light can be bent, the brightness of the resulting image can be brightened, and the signal-to-noise ratio can be increased.
  • the illumination light transmitted through the contact surface 11 illuminates the fingerprint, and scattered reflected light from the fingerprint is imaged on the image sensor 15.
  • the illumination light needs to be transmitted through the contact surface 11, the illumination light needs to be incident at an angle that does not totally reflect the contact surface 11 as much as possible. That is, when the refractive index of the prism 12 is n, the incident angle ⁇ of the illumination light with respect to the contact surface 11 is ⁇ ⁇ ArcSin (1 / n) (1) It is necessary to satisfy. Further, when the apex angle of the prism 12 is ⁇ , the incident angle of the illumination light on the inclined surface 13 is ⁇ , and the incident angle from the inclined surface 13 into the prism 12 is ⁇ , the following relationship is established.
  • the incident angle ⁇ of the illumination light to the inclined surface needs to be larger than 4.8 °.
  • the illumination light is not transmitted through the contact surface 11 but is totally reflected.
  • the total reflection condition of the illumination light is broken, the light is transmitted through the contact surface to illuminate the fingerprint, and the scattered light from the fingerprint is imaged on the image sensor 15.
  • the incident angle ⁇ of the illumination light with respect to the contact surface 11 is ⁇ > ArcSin (1 / n) (3) It is necessary to satisfy.
  • the apex angle of the prism 12 is ⁇
  • the incident angle of the illumination light on the inclined surface is ⁇
  • the exit angle from the inclined surface into the prism 12 is ⁇
  • the incident angle ⁇ of the illumination light with respect to the contact surface 11 needs to be larger than 41.8 ° from the equation (3).
  • the incident angle ⁇ of the illumination light to the inclined surface needs to be smaller than 4.8 °.
  • both the transmitted light on the contact surface 11 and the totally reflected light on the contact surface 11 illuminate the fingertip 10 as the subject, and the scattered light from the fingerprint or the like is imaged.
  • a method capable of forming an image on the lens 15 there are no restrictions on the equations (2) and (3). That is, light with a wide incident angle range on the contact surface 11 can be used.
  • the imaging element 14 has been described using a lens in the present embodiment, but a pinhole may be used in addition to the lens.
  • a pinhole When a pinhole is used, the imaging element 14 can be made thin, which is advantageous for downsizing.
  • a lens when a lens is used, more light can be captured with a small size, so that the brightness of the obtained image can be increased and the signal-to-noise ratio can be increased.
  • the inclined surface 13 of the prism 12 serving as the bending element reflects the imaging light indicated by the optical axis L of the imaging optical system from the contact surface 11, preferably all.
  • the reflective surface which is an optical path conversion surface to be reflected, and the transmissive refracting surface that transmits and refracts illumination light indicated by the optical axis M of the illumination optical system from the LED light source 16 that illuminates the contact surface 11 and guides it to the contact surface 11.
  • the illumination light indicated by the optical axis M of the illumination optical system is incident on the contact surface 11 from an oblique direction, unevenness of the fingertip 10 that is the subject, that is, a shadow of the fingerprint is likely to occur, and a fingerprint image is formed.
  • a high contrast can be obtained and the recognition sensitivity can be improved.
  • FIG. 5 is a view for explaining the optical system of the second embodiment of the optical pointing device 1 according to the present invention in the case where the fingertip 10 is used as a subject.
  • the LED light source 16 arranges the condensing lens 17 on the light emitting surface 16a.
  • the condenser lens 17 is integrally formed with a sealing resin 20a provided to prevent the LED light source 16 from deteriorating.
  • the lens surface of the condensing lens 17 can be arranged relatively close to the LED exit surface 16a, and the lens surface of a small area has an effect of condensing even light rays with high divergence among the LED exit light. . That is, at this time, the condenser lens 17 is configured as a lens that suppresses the light divergence of the LED light source 16.
  • the divergent light from the LED light source 16 is condensed by the condenser lens 17 and can be efficiently irradiated in the direction of the fingertip 10 through the inclined surface 13 of the prism 12 that is a bending element.
  • the condenser lens 17 is a hemispherical lens surface or a bullet surface, the effect becomes larger.
  • FIGS. 6 and 7 are diagrams for explaining the optical system of the third embodiment of the optical pointing device 1 according to the present invention in the case where the fingertip 10 is used as a subject.
  • a tapered surface 18 is provided on the light emitting surface 16a of the LED light source 16, the illumination light is refracted by the tapered surface 18, and the optical axis M of the illumination optical system is bent.
  • the element 12 is arranged to be inclined in the normal direction of the inclined surface 13 of the prism 12. With this configuration, the optical axis M of the illumination optical system can be refracted so as to enter the contact surface 11 more obliquely.
  • the LED light source 16 it is not necessary to place the LED light source 16 at an angle, and the light source surface of the resin mold 20 for sealing the LED light source 16 is simply formed as a tapered surface 18 at an angle. This is preferable in terms of cost and alignment.
  • a diffraction element is provided on the light emitting surface 16a of the LED light source 16, the illumination light is diffracted by the diffraction element, and the optical axis M of the illumination light is a bending element.
  • the prism 12 is disposed so as to be inclined in the normal direction of the inclined surface 13 of the prism 12. Also with this configuration, the optical axis M of the illumination optical system can be incident on the contact surface 11 more obliquely.
  • the LED light source 16 itself does not need to be inclined and can be configured by simply forming a diffraction grating on the surface portion of the resin mold 20 for sealing the LED light source 16. If the relief grating is employed, the diffraction grating can be manufactured simultaneously with the molding of the resin mold 20 for sealing the LED light source 16.
  • FIG. 8A to (C) of FIG. 8 are diagrams showing the configuration of the mobile phone.
  • 8A is a front side of the mobile phone 100
  • FIG. 8B is a back side of the mobile phone 100
  • FIG. 8C is a side view of the mobile phone 100. On the side.
  • the mobile phone 100 of this embodiment includes a monitor-side casing 101, an operation-side casing 102, a microphone section 103, a numeric keypad 104, a monitor section 105, a speaker section 106, and the optical pointing device 107 of the present invention.
  • the speaker unit 106 and the microphone unit 103 are used for inputting and outputting audio information.
  • the monitor unit 105 is used for outputting video information. In the fourth embodiment, the monitor unit 105 is also used for displaying input information from the optical pointing device 107.
  • the optical pointing device 107 is arranged on the upper part of the numeric keypad 104 shown in FIG. 8A.
  • the arrangement method and the direction of the optical pointing device 107 are limited to this. Do not mean.
  • the mobile phone 100 according to the fourth embodiment is a so-called folding in which an upper casing and a lower casing are connected via a hinge, as shown in FIGS.
  • the portable phone 100 on which the optical pointing device 107 can be mounted is not limited to a folding type.
  • the folding type is the mainstream as in this embodiment, and products with a thickness of 10 mm or less in the folded state have also appeared. If portability is taken into account, its thickness is an extremely important factor.
  • the components that determine the thickness of the operation side casing 102 excluding an internal circuit board (not shown) are the microphone unit 103, the numeric keypad 104, The optical pointing device 107 is obtained.
  • the thickness of the optical pointing device 107 is the largest, and the thinning of the optical pointing device 107 directly leads to the thinning of the mobile phone 100. Therefore, the optical pointing device of the present invention is an invention suitable for reducing the thickness of electronic devices such as mobile phones.
  • Optical pointing device 10 Subject (fingertip) 11 Contact surface 12 Bending element (prism) 13 Inclined surface 14 Imaging element (lens) 15 Image sensor 16 LED light source 17 Condensing lens 18 Tapered surface 20 Resin mold 21 Circuit board 22 Aperture 23 Falling prism 24 Cover DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Mobile phone 101 Monitor side case 102 Operation side case 103 Microphone part 104 Numeric keypad 105 Monitor part 106 Speaker part 107 Optical pointing device L Optical axis of imaging optical system M Optical axis of illumination optical system

Abstract

　ＬＥＤ光源（１６）から照射された光は、折り曲げ素子であるプリズム（１２）の傾斜面（１３）を透過屈折し、接触面（１１）を照明する。前記照明光は接触面（１１）上の被写体で散乱反射し、該損乱反射光の一部がプリズム（１２）を透過し、傾斜面（１３）で光路変換され、結像素子であるレンズ（１４）により像を結ぶ。前記像は、撮像素子（１５）に画像データとして取り込まれる。画像処理により、撮像素子（１５）から得られた画像データから接触面（１１）の変化が抽出され、被写体の動きの量と方向を得ることができる。これによって、小型で薄型の光ポインティング装置が実現される。

Description

光ポインティング装置および該装置を搭載した電子機器
　本発明は入力装置に関し、より詳細には、携帯型電話機等の電子機器に搭載可能な光ポインティング装置に関する。
　携帯電話やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）などの携帯情報端末に代表される小型の電子機器では、キーパッドを利用したユーザーインターフェースを採用しており、このようなキーパッドは、数字及び文字を入力するための複数個のボタンと、方向ボタンにより構成されている。一方、近年、携帯情報端末のディスプレイ部の高性能化に伴い、携帯情報端末においても、ＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）の採用が主流となってきている。
　このように携帯情報端末等電子機器の機能がコンピューターと類似に変化することにより、その入力方法も、従来のメニューキーおよびその他の機能キーを方向キーとして用いることで所望する機能の動作を行う方法では不便となり、コンピューターに用いられているようなマウスやタッチパッドのような操作を可能とするポインティング装置が求められるようになってきた。
　前記ポインティング装置として、装置に接触する指先等被写体の模様を撮像素子で観察することで接触面の変化を抽出する光ポインティング装置が提案されている（特許文献１）。この構成では、光源により接触面を照明し、接触面の模様をレンズで撮像素子に結像させ、検出した前記模様の変化から指先の動きを入力信号に変換している。
　しかし上記の結像光学系では、接触面からの光を撮像素子に結像させるために、接触面から撮像素子までの距離が必要となり、光ポインティング装置の垂直方向の長さを短くできなかった。携帯情報端末に代表される小型の電子機器では装置の厚みが薄いことが求められることから、光ポインティング装置においても、厚みである垂直方向の長さを短くすることが求められる。
　前記要求を満たすため、接触面の直下にプリズム等光路の折り曲げ素子を配置し、光路を水平方向に折り曲げることで、光路を長く保ちながら光ポインティング装置の垂直方向の長さを短くする方法が提案されている（特許文献２、３）。この技術では光路を水平方向に折り曲げているため、光路が長くなっても装置の垂直方向の長さには影響しない。このため光路を長く取りながら垂直方向の長さが短いポインティング装置の実現を図っている。
　しかしながら、上記特許文献２では、ＬＥＤ光源で指接触面を照明するために、前記折り曲げ素子より上部のスペースを使用して指を照らすための光を指接触面まで導く必要がある。つまり照明光学系の制約により、折り曲げ素子より上の部分が厚くなり、光ポインティング装置の厚みが薄くできておらず、薄型の結像光学系のメリットが損なわれている。
　また、上記特許文献３でも、同様に照明用光学系を、折り曲げ素子より上部に配置する必要があり、その分、厚みが厚くなる課題があった。
日本国公開特許公報「特開２００７－５２８５５４」 日本国公表特許公報「特表２００８－５０７７８７」 日本国公表特許公報「特表２００８－５１０２４８」
　本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、折り曲げ素子を使用した光ポインティング装置に関して、厚みを増加させることなく被写体を照明する照明光学系を実現することで、より小型の光ポインティング装置を提供するものである。
　上記課題を解決するため、この発明の光ポインティング装置は、
　被写体が接触する接触面と、
　接触面を照明するＬＥＤ等を光源とする光源モジュールと、
　前記接触面からの反射光を折り曲げる傾斜面を有したプリズム等の折り曲げ素子と、
　前記反射光を像として結像させるレンズ等の結像素子と、
　前記像を撮像するＣＣＤ等の撮像素子と、を有する光ポインティング装置であって、
　前記折り曲げ素子の傾斜面は前記接触面からの散乱反射光を光路変換するとともに、前記接触面を照明する前記光源モジュールからの光を透過屈折させて前記接触面に導くことを特徴とする。
　この発明の光ポインティング装置においては、前記折り曲げ素子の傾斜面を、前記接触面からの散乱反射光を光路変換する反射面と、前記接触面を照明する光源モジュールからの光を透過屈折させて接触面に導く透過屈折面として兼用することとなり、光学部品の削減と光ポインティング装置の小型薄型化を実現している。
　また、一実施形態の光ポインティング装置では、前記像を撮像素子に結像させる結像光学系の光軸と、前記光源モジュールからの光で前記接触面を照明する照明光学系の光軸が、異なることを特徴とする。
　この発明の光ポインティング装置においては、前記照明光が迷光として撮像素子に入射することを回避できるため、ノイズ成分を低減でき、像の認識率を改善できる。
　また、一実施形態の光ポインティング装置では、接触面を照明する光源モジュールが、ＬＥＤ等の光源と、前記光源からの発散光の光発散度を抑制するレンズから構成されていることを特徴とする。
　この発明の光ポインティング装置においては、前記光源モジュールからの光を効率的に前記接触面まで伝送することができる。このため、光出射量を削減でき、消費電力を低減できる。さらに、迷光も減るため、ノイズ成分を低減でき、像の認識率を大幅に改善できる。
　また、一実施形態の光ポインティング装置では、接触面を照明する光源モジュールが、ＬＥＤ等の光源からの発散光を、前記折り曲げ素子の傾斜面の法線方向へ曲げる素子から構成されていることを特徴とする。
　この発明の光ポインティング装置においては、被写体に対して光を斜めから照明することができ、被写体の影が発生しやすく、指紋等被写体像を結像させるときコントラストが高くなり、被写体の認識率を向上することができる。
　また、一実施形態の光ポインティング装置では、接触面を照明する光源モジュールが、前記ＬＥＤ等の光源からの発散光を、前記折り曲げ素子の傾斜面の法線方向へ曲げる素子として、光出射面が傾斜しているプリズムあるいは回折素子を用いることを特徴とする。
　この発明の光ポインティング装置においては、前記プリズムあるいは回折素子を、前記ＬＥＤ等の光源を封止するモールド部と一体成形が可能なため、部品点数を削減でき、低コスト化ができる。
　この発明の光ポインティング装置によれば、折り曲げ素子の傾斜面を、被写体からの散乱反射光の反射面と、前記被写体面を照明する光源モジュールからの光の透過屈折面として兼用することで、小型かつ薄型の照明光学系を実現でき、より小型の光ポインティング装置が実現できる。
本発明の第１実施形態の光ポインティング装置を説明する断面図である。 本発明の第１実施形態の光ポインティング装置の照明光学系を説明するための図である。 本発明の第１実施形態の光ポインティング装置の結像光学系を説明するための図である。 本発明の第１実施形態の光ポインティング装置を説明する上面図である。 本発明の第２実施形態の光ポインティング装置の照明光学系を説明するための図である。 本発明の第３実施形態の光ポインティング装置の照明光学系を説明するための図である。 本発明の第３実施形態の光ポインティング装置の別の照明光学系を説明するための図である。 本発明の光ポインティング装置を用いた携帯型電話機の一実施例を示した図であり、（Ａ）は正面側を示し、（Ｂ）は背面側を示し、（Ｃ）は側面側を示している。
　以下、本発明の実施の一形態について、光源としてＬＥＤを用いた光ポインティング装置を例として説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態の構成に限定されるもではない。指紋認証システム等のスキャナー型装置等、同一の構成を採用するものであれば、光入力インターフェイス全般に適用可能である。
　なお、以下の実施形態においては、同一の機能および作用を示す部材については、同一の符号を付し、説明を省略する。
　(第１実施形態)
　図１は本発明の光ポインティング装置１の第１実施形態の構成を説明するための断面図である。
　本図では図示されない指先等被写体の像は、折り曲げ素子であるプリズム１２の垂直方向上側の面である接触面１１から散乱反射光として取り込まれる。この折り曲げ素子であるプリズム１２内で前記散乱反射光は、傾斜面１３を反射し、結像素子であるレンズ１４により像を結び、撮像素子１５により画像データとして取り込まれる。撮像素子１５から得られた画像データは画像処理により接触面１１の変化が抽出され、前記被写体の動きの量と方向を得ることができる。また、前記被写体を照明するために光源モジュールを構成するＬＥＤ光源１６が前記折り曲げ素子であるプリズム１２の下に配置されている。
　本発明の折り曲げ素子であるプリズム１２と前記接触面１１が、光ポインティング装置１のカバー部と一体で構成することで厚みを削減するとともに、前記傾斜面１３を高精度に形成でき、光ポインティング装置１の組み立て性があがる。
　結像素子であるレンズ１４は、立ち下げプリズム２３と一体に構成されている。前記立ち下げプリズム２３をカバー２４に組み付ける構造とすることで、前記傾斜面１３、結像素子であるレンズ１４および立ち下げプリズム２３の位置関係を高精度に管理できる。
　絞り２２は、前記結像素子であるレンズ１４に入射すると問題となる迷光を遮断するために結像素子であるレンズ１４の有効面外に貼付けられている。
　撮像素子１５は、例えば回路基板２１上に接合されて透明樹脂２０ｂで封止されている。ＬＥＤ光源１６も同一回路基板２１上に接合されており、透明樹脂２０ａで封止され光源モジュールを構成しているが透明樹脂２０ｂとは分離されており、ＬＥＤ光源１６の光が樹脂内部を伝播して前記撮像素子１５に漏れこむのを防いでいる。
　なお、ＬＥＤ光源１６、撮像素子１５が搭載されている回路基板２１は、前記プリズム２３や結像素子であるレンズ１４等の光学系とは、前記ＬＥＤ光源１６、撮像素子１５を封止する透明樹脂２０ａ、２０ｂの上面をアタリ基準として組みたてられている。
　接触面１１の上には指先等の被写体が接触する。前記被写体は、ＬＥＤ光源１６から発せられた照明光学系の光軸Ｍで示される照明光で照明され、散乱反射する。前記被写体は、散乱反射像を形成するが、前記散乱反射光の一部が結像光学系の光軸Ｌで示される結像光となる。前記散乱反射像は、プリズム１２内部を透過し、前記傾斜面１３で反射、好ましくは全反射により光路変換され、結像素子であるレンズ１４により撮像素子１５上に像を結ぶ。前記撮像素子１５上に結んだ像は、図示されないＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）に画像データとして取り込まれる。
　前記撮像素子１５は、ＣＭＯＳやＣＣＤ等のイメージセンサであり、前記接触面１１の像を一定の間隔で撮影し続ける。被写体が移動した場合、撮影される画像は直前に撮影したものとは、所定量ずれた画像となる。前記画像中の同一部分のずれ量を前記ＤＳＰで比較して、前記被写体の移動量と移動方向を判断している。
　図２は本発明の第１実施形態の光ポインティング装置１の照明光学系を、図３は本発明の第１実施形態の光ポインティング装置１の結像光学系を、被写体として指先１０を使用した場合に関して説明するための図である。
　該光ポインティング装置１の光学系は、被写体である指先１０が接触する接触面１１と傾斜面１３を有する本発明の折り曲げ素子であるプリズム１２、結像素子であるレンズ１４、撮像素子１５と、前記指先１０を照明するＬＥＤ光源１６から構成されている。
　前記指先１０を照明するためのＬＥＤ光源１６は、プリズム１２の下部に配置されており、ＬＥＤ光源１６から照射された光は、プリズム１２の前記傾斜面１３を透過屈折し、前記接触面１１を照明光学系の光軸Ｍで示す斜め方向から照らす。
　図１の装置を上から見た図を図４に示す。ＬＥＤ光源１６はその出射光が、上から即ち被写体である指先１０側から見た状態で結像光学系の光軸Ｌとは一致しないように、結像光学系の光軸Ｌに対して斜めに配置する。ＬＥＤ光源１６からの指先１０を照射する方向に向かう照明光学系の光軸Ｍが、結像光学系の光軸Ｌと異なるようにすることで、指先１０に当たらない照明光が撮像素子１５に入射しにくくなり、認識率の向上が図れ、誤動作しにくくなる。
　前記接触面１１の上には被写体である指先１０が接触する。前記指先１０は、前記ＬＥＤ光源１６から発せられた照明光学系の光軸Ｍの照明光で斜め方向から照明され、図３に示すように散乱反射する。
　指先１０は接触面１１に接触したとき、主に指紋の散乱反射像を形成するが、前記指紋の像は、結像光学系の光軸Ｌで示すように、プリズム１２内部を透過し、前記傾斜面１３で反射、好ましくは全反射され、結像素子であるレンズ１４により撮像素子１５上に像を結ぶ。前記傾斜面１３での反射は、フレネル反射でも良いが全反射とすることで、より多くの光を折り曲げられ、得られる像の明るさが明るくでき、信号対ノイズ比を高くすることができる。
　このとき指紋の像を形成する方法として、接触面１１を透過した照明光が指紋を照明し、指紋からの散乱反射光を撮像素子１５に結像させる方法がある。この場合は、照明光は接触面１１を透過させる必要があるため、照明光ができるだけ接触面１１で全反射しない角度で入射させる必要がある。つまり、プリズム１２の屈折率をｎとしたとき、照明光の接触面１１に対する入射角θは　　
　　　θ　＜　ＡｒｃＳｉｎ（１／ｎ） 　　（１）
を満たす必要がある。またプリズム１２の頂角をα、照明光の傾斜面１３への入射角をγ、傾斜面１３からプリズム１２内への入射角をβとした場合、下記の関係がある。
　　　γ　＝　ＡｒｃＳｉｎ （ｎ×Ｓｉｎ（α－θ）)　　（２）
　例えば、図２においてプリズム１２の屈折率ｎを１．５とした場合、照明光の接触面１１に対する入射角θは（１）式より、４１．８°より小さくする必要がある。
　このときプリズムの頂角α＝４５°とすると、照明光の傾斜面への入射角γは、４．８°より大きくする必要がある。
　また、指紋の像を形成する方法として、指が接触面１１に接触していない場合、照明光が接触面１１を透過せず、全反射する状態であり、指が接触した場合、接触部分で照明光の全反射条件が崩れ、接触面を光が透過して指紋を照明し、指紋からの散乱光を撮像素子１５に結像させる方法がある。この場合は、照明光を接触面１１で全反射させる必要があるため照明光ができるだけ接触面１１で透過しない角度で入射させる必要がある。つまり、プリズムの屈折率をｎとしたとき、照明光の接触面１１に対する入射角θは　　
　　　θ　＞　ＡｒｃＳｉｎ（１／ｎ）　　（３）
を満たす必要がある。またプリズム１２の頂角をα、照明光の傾斜面への入射角をγ、傾斜面からプリズム１２内への出射角をβとした場合、前記（１）式の関係がある。
　例えば、図２においてプリズム１２の屈折率ｎを１．５とした場合、照明光の接触面１１に対する入射角θは（３）式より、４１．８°より大きくする必要がある。
　このときプリズムの頂角α＝４５°とすると、照明光の傾斜面への入射角γは、４．８°より小さくする必要がある。
　なお、指が接触面１１に接触したときに、前記接触面１１での透過光も、接触面１１での全反射光も被写体である指先１０を照明し、指紋等からの散乱光を撮像素子１５に結像できる方式の場合であれば、上記（２）式および（３）式の制約はなくなる。即ち、接触面１１への広い入射角範囲の光を利用できる。
　なお、結像素子１４に関して、本実施形態ではレンズを使用して説明したが、レンズの他にピンホールを用いることも可能である。ピンホールを用いた場合、結像素子１４を薄くすることができるため、小型化に有利である。一方レンズを用いた場合、小さなサイズでより多くの光を取り込めるため、得られる像の明るさが明るくでき、信号対ノイズ比を高くすることができる。
　以上、本実施形態の光ポインティング装置１においては、前記折り曲げ素子であるプリズム１２の傾斜面１３を、接触面１１からの結像光学系の光軸Ｌで示される結像光を反射好ましくは全反射させる光路変換面である反射面と、前記接触面１１を照明するＬＥＤ光源１６からの照明光学系の光軸Ｍで示される照明光を透過屈折させて接触面１１に導く透過屈折面として兼用することとなり、部品点数の削減、低コスト化および光ポインティング装置の小型薄型化を実現できる。
　また、接触面１１に対して照明光学系の光軸Ｍで示される照明光が斜め方向から入射することにより、被写体である指先１０の凹凸即ち指紋の影が発生しやすく、指紋像を結像させるとき高いコントラストが得られ、認識感度を向上させることができる。
　(第２実施形態)
　図５は本発明の光ポインティング装置１の第２実施形態の光学系を、被写体として指先１０を使用した場合に関して説明するための図である。
　本実施形態では、光源モジュールとして、図５に示すようにＬＥＤ光源１６が、発光面１６ａ上に集光レンズ１７を配置する。
　このとき集光レンズ１７はＬＥＤ光源１６の劣化を防ぐために設けられる封止樹脂２０aと一体成形されている。これにより集光レンズ１７のレンズ面がＬＥＤ出射面１６ａに比較的近接して配置することができ、小面積のレンズ面でＬＥＤ出射光のうち発散度が高い光線まで、集光できる効果がある。すなわち、このとき集光レンズ１７は、ＬＥＤ光源１６の光発散度を抑制するレンズとして構成されている。
　ＬＥＤ光源１６の発散光は、前記集光レンズ１７により集光され、折り曲げ素子であるプリズム１２の傾斜面１３を介し、効率よく指先１０の方向を照射することができる。
　よって、無駄になる光を少なくすることで、迷光等のノイズ成分を低減し、撮像素子１５へ入射する信号の品質を向上させるとともに、ＬＥＤ光源１６の消費電力を抑えることができる。また、前記集光レンズ１７の形状を、半球レンズ面あるいは砲弾面にすると、その効果はより大きくなる。
　(第３実施形態)
　図６および図７は、本発明の光ポインティング装置１の第３実施形態の光学系を、被写体として指先１０を使用した場合に関して説明するための図である。
　第１実施形態で述べたように、接触面に対して照明光が斜め方向から入射することにより、指紋等被写体の凹凸の影が発生し易く、被写体の像に高いコントラストが得られ、認識感度を向上させることができる。
　本実施形態では、接触面１１に対して、より光を斜め方向から照射する方法に関して述べる。
　図６のように、照明光学系の光軸Ｍが、折り曲げ素子であるプリズム１２の傾斜面１３の法線方向に傾けて配置すると、接触面１１に対して、より光を斜め方向から照射することが可能である。しかしながら、ＬＥＤ光源１６自体を傾けて配置することは、組み立て性に問題がある。
　そこで、図７のように光源モジュールとして、ＬＥＤ光源１６の発光面１６ａの上に、テーパー面１８を設けて、該テーパー面１８で照明光を屈折させ、照明光学系の光軸Ｍが、折り曲げ素子であるプリズム１２の傾斜面１３の法線方向に傾けて配置する。本構成により照明光学系の光軸Ｍが、接触面１１に対してより斜めに入射するように屈折させることが可能となる。
　図７の構成によると、ＬＥＤ光源１６自体を傾けて配置する必要がなく、ＬＥＤ光源１６を封止するための樹脂モールド２０の光出射面をテーパー面１８として斜めに成形するだけで構成することができ、コスト面や位置あわせの面で好適である。
　また、他の方法として図示はしないが、光源モジュールとして、ＬＥＤ光源１６の発光面１６ａの上に回折素子を設け、該回折素子で照明光を回折させ、照明光の光軸Ｍが折り曲げ素子であるプリズム１２の傾斜面１３の法線方向に傾けて配置する。本構成によっても、照明光学系の光軸Ｍを、接触面１１に対してより斜めに入射させることが可能となる。この場合もＬＥＤ光源１６自体を傾けて配置する必要がなく、ＬＥＤ光源１６を封止するための樹脂モールド２０の表面部分に回折格子を形成するだけで構成することができる。前記回折格子はレリーフ型を採用すれば、ＬＥＤ光源１６を封止するための樹脂モールド２０の成形と同時に作製することが可能である。
　(第４実施形態)
　第４実施形態では、電子機器である携帯型電話機へ本発明の光ポインティング装置を搭載した場合に関して説明する。
　図８の（Ａ）～（Ｃ）は、携帯型電話機の構成を示した図である。図８の（Ａ）は、携帯型電話機１００の正面側であり、図８の（Ｂ）は、携帯型電話機１００の背面側であり、図８の（Ｃ）は、携帯型電話機１００の側面側である。
　本実施形態の携帯型電話機１００は、モニター側筐体１０１、操作側筐体１０２、マイク部１０３、テンキー１０４、モニター部１０５、スピーカー部１０６、および本発明の光ポインティング装置１０７を備えている。
　スピーカー部１０６およびマイク部１０３は、音声情報を入出力するために用いられる。モニター部１０５は、映像情報を出力するために用いられ、本第４実施形態においては、光ポインティング装置１０７からの入力情報を表示するためにも用いられる。
　尚、第４実施形態において、光ポインティング装置１０７は、図８の（Ａ）に示すテンキー１０４の上部に配置されているが、配置方法および光ポインティング装置１０７の向きについては、これに限定されるわけではない。
　なお、第４実施形態の携帯型電話機１００は、図８の（Ａ）～（Ｃ）に示すように、上部の筐体と下部の筐体とがヒンジを介して接続されている、いわゆる折りたたみ式の携帯型電話機１００を例として挙げているが、光ポインティング装置１０７を搭載することができる携帯型電話機１００は、もちろん折りたたみ式に限るものではない。しかしながら、携帯型電話機においては、本実施形態のように折りたたみ式が主流であり、折りたたんだ状態で厚みが１０ｍｍ以下の製品も登場してきている。携帯性を考慮するならばその厚みは極めて重要な要素となっている。
　図８の背面図（Ｂ）、側面図（Ｃ）に示す操作側筐体１０２において、図示されない内部の回路基板等を除いて、その厚みを決定する部品は、マイク部１０３、テンキー１０４、
光ポインティング装置１０７となる。この中で、光ポインティング装置１０７の厚さが最も厚く、光ポインティング装置１０７の薄型化は、携帯型電話機１００の薄型化に直接繋がる。よって、本発明の光ポインティング装置は携帯型電話機等電子機器の薄型化に好適な発明である。
　１　光ポインティング装置　
　１０　被写体（指先）
　１１　接触面　
　１２　折り曲げ素子（プリズム）
　１３　傾斜面　
　１４　結像素子（レンズ）　
　１５　撮像素子
　１６　ＬＥＤ光源　
　１７　集光レンズ
　１８　テーパー面　　
　２０　樹脂モールド　
　２１　回路基板　　
　２２　絞り　　
　２３　立ち下げプリズム
　２４　カバー　　
　１００　携帯型電話機
　１０１　モニター側筐体
　１０２　操作側筐体
　１０３　マイク部
　１０４　テンキー
　１０５　モニター部
　１０６　スピーカー部
　１０７　光ポインティング装置
　Ｌ　結像光学系の光軸　　
　Ｍ　照明光学系の光軸

Claims (6)

  1. 　被写体が接触する接触面と、
    　前記接触面を照明する光源モジュールと、
    　前記接触面からの反射光を折り曲げる傾斜面を有した折り曲げ素子と、
    　前記反射光を像として結像させる結像素子と、
    　前記像を撮像する撮像素子を有し、
    　前記折り曲げ素子の傾斜面は、前記接触面からの散乱反射光を光路変換するとともに、前記接触面を照明する光源モジュールからの光を透過屈折させて前記接触面に導くことを特徴とする光ポインティング装置。
  2. 　前記像を撮像素子に結像させる結像光学系の光軸と、前記光源モジュールからの光で前記接触面を照明する照明光学系の光軸が、異なることを特徴とする請求項１記載の光ポインティング装置。
  3. 　前記光源モジュールは、光源と、
    　前記光源からの発散光の光発散度を抑制するレンズから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ポインティング装置。
  4. 　前記光源モジュールは、光源と、
    　前記光源からの発散光を、前記折り曲げ素子の傾斜面の法線方向へ曲げる素子から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ポインティング装置。
  5. 　前記光源からの発散光を、前記折り曲げ素子の傾斜面の法線方向へ曲げる素子は、光出射面が傾斜しているプリズムあるいは回折素子であることを特徴とする請求項４記載の光ポインティング装置。
  6. 　請求項１～５に記載の光ポインティング装置を備えたことを特徴とする電子機器。
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