專利名稱：基于多普勒頻移和激光自混和的光學(xué)輸入設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)輸入設(shè)備，其基于物體與該設(shè)備的相對(duì)移動(dòng)，該設(shè)備包括設(shè)有透明窗口并且容納了至少一個(gè)光學(xué)傳感器單元的模塊，該光學(xué)傳感器單元包括具有用于生成測(cè)量光束的激光腔的激光器、用于將測(cè)量光束會(huì)聚到作用平面中并且將物體反射的測(cè)量光束輻射會(huì)聚到激光腔中從而在激光器中產(chǎn)生自混和效應(yīng)的會(huì)聚裝置，以及用于測(cè)量自混和效應(yīng)結(jié)果的測(cè)量裝置，該效應(yīng)是由所述運(yùn)動(dòng)決定的。
本發(fā)明還涉及幾種包括這種光學(xué)輸入設(shè)備的裝置。
背景技術(shù)：
作用平面理解為表示其中測(cè)量光束遇到物體并且受到該物體和設(shè)備相對(duì)移動(dòng)的影響的平面。該作用平面可以是該設(shè)備窗口的平面或者接近該窗口的平面。激光自混和效應(yīng)理解為表示二極管激光器發(fā)射并反射到激光腔中的輻射造成激光腔工作變化的現(xiàn)象，該變化是由于再次進(jìn)入該腔的反射輻射與激光腔中生成的光波干涉引起的。該光學(xué)輸入設(shè)備利用了與多普勒效應(yīng)相結(jié)合的自混和效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是在物體沿著光束傳播方向移動(dòng)的情況下由該物體反射的輻射光束經(jīng)歷所謂多普勒頻移的頻率偏移的現(xiàn)象。如果反射光束再次進(jìn)入發(fā)射光束的激光器的激光腔，則將出現(xiàn)激光腔工作的變化，該變化是由物體的移動(dòng)決定的。因此，通過(guò)測(cè)量這些變化，例如通過(guò)測(cè)量在該激光器前側(cè)或后側(cè)發(fā)射的光束變化，或者通過(guò)測(cè)量激光腔的電特性，能夠確定該物體的移動(dòng)。該移動(dòng)表示了將要輸入到該輸入設(shè)備構(gòu)成部件的裝置中的數(shù)據(jù)。
PCT申請(qǐng)WO02/37410中公開了這種輸入設(shè)備，其描述了該輸入設(shè)備的工作原理、該設(shè)備的多個(gè)實(shí)施例和可能的用途，該申請(qǐng)?jiān)诒疚闹幸胱鳛閰⒖肌?br> 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，盡管已經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證了該設(shè)備的原理，但是在某些情況下其沒(méi)有按照最佳的方式發(fā)揮作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種如前文中所述類型的輸入設(shè)備，其在所述情況下表現(xiàn)出足夠的性能。根據(jù)本發(fā)明，該輸入設(shè)備的特征在于會(huì)聚裝置適于提供自混和效應(yīng)，該效應(yīng)小于可能的最大值，但大于對(duì)于物體與設(shè)備窗口之間距離的擴(kuò)展范圍的檢測(cè)閾值。
本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí)，輸入設(shè)備的性能對(duì)于物體與設(shè)備窗口之間的距離變化是敏感的。已經(jīng)確定了如果二極管激光器發(fā)射的輻射光束(下文中稱作測(cè)量光束)完全聚焦到物體上，則獲得最大的自混和效果，該最大值大于實(shí)際所需的值。如果該物體未處于測(cè)量光束的焦點(diǎn)，則反向耦合到激光腔中的測(cè)量光束輻射量劇烈減少。這種減少存在兩個(gè)原因。第一個(gè)原因是在物體平面中形成的光點(diǎn)尺寸大于由聚焦到物體上的光束形成的光點(diǎn)尺寸。這表示前一種光點(diǎn)的強(qiáng)度比后一種光點(diǎn)的強(qiáng)度小得多。第二個(gè)原因在于激光器前表面的圖像不再與前表面本身重合，該圖像是由通過(guò)會(huì)聚裝置并且在物體處反射的測(cè)量光束形成的。因此，再次進(jìn)入激光腔的測(cè)量光束輻射量減少比物體上光點(diǎn)中的輻射量快得多。因此，沿著測(cè)量光束軸的物體相對(duì)小的偏移會(huì)造成再次進(jìn)入激光腔的測(cè)量光束輻射這樣的減少，從而使自混和效應(yīng)變得很小，致使不能通過(guò)可靠的方式檢測(cè)到該效應(yīng)。換句話說(shuō)，這種效應(yīng)已經(jīng)降低到可接受的級(jí)別、即檢測(cè)閾值之下。
此外，已經(jīng)確定了在設(shè)計(jì)測(cè)量范圍內(nèi)，即物體與設(shè)備之間的距離范圍內(nèi)，該自混和效應(yīng)會(huì)由于二極管激光器可能具有的多模式性質(zhì)而改變。對(duì)于某些不可預(yù)知的距離而言，該自混和效應(yīng)可以下降到檢測(cè)閾值之下。
根據(jù)本發(fā)明，該光學(xué)輸入設(shè)備設(shè)有會(huì)聚裝置，其適于對(duì)設(shè)備窗口與物體之間距離的延伸范圍提供位于物體上的基本上恒定的光點(diǎn)尺寸，以及在激光腔中提供該光點(diǎn)的基本恒定的圖像。這樣，再次進(jìn)入激光腔的測(cè)量光束輻射量能夠保持基本恒定，并且保持在對(duì)應(yīng)于檢測(cè)閾值的級(jí)別以上，以及能夠減少激光器的多模特性的影響。光點(diǎn)尺寸和圖像之前的術(shù)語(yǔ)“基本上恒定”理解為表示光點(diǎn)尺寸和圖像位置的變化分別相對(duì)于平均光點(diǎn)尺寸和平均圖像位置較小。作為另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這種微小變化可以使電子信號(hào)檢測(cè)電路的性能更好。
該設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例的特征在于該會(huì)聚裝置是由會(huì)聚分別位于不同軸向位置的邊界光束部分、中央光束部分和中間光束部分的裝置構(gòu)成的。
這樣，由測(cè)量光束在不同軸向位置形成的光點(diǎn)具有基本上相同的尺寸，該尺寸大于常規(guī)理想透鏡形成的光點(diǎn)尺寸，該透鏡僅在其圖像平面中形成具有最小尺寸的光點(diǎn)，例如衍射極限光點(diǎn)。
關(guān)于可以用于獲得軸向位移圖像的會(huì)聚裝置的特性類型(通常稱作像差)，幾個(gè)實(shí)施例都是可能的。第一實(shí)施例的特征在于該會(huì)聚裝置具有預(yù)定量的非球面度。
第二實(shí)施例的特征在于該會(huì)聚裝置具有預(yù)定量的像散。
第三實(shí)施例的特征在于該會(huì)聚裝置具有預(yù)定量的彗差。
該輸入設(shè)備能夠由幾種會(huì)聚裝置實(shí)現(xiàn)。第一實(shí)施例的特征在于該會(huì)聚裝置為透鏡裝置。
第二實(shí)施例的特征在于該會(huì)聚裝置為反射鏡裝置。
第三實(shí)施例的特征在于該會(huì)聚裝置為衍射裝置。
該輸入設(shè)備還可以包括透鏡與反射鏡裝置的組合、透鏡與衍射裝置的組合，或者反射鏡與衍射裝置的組合，由此優(yōu)選使衍射裝置與透鏡或者反射鏡集成，即該衍射裝置設(shè)置在透鏡或者反射鏡裝置的表面上。
該光學(xué)輸入設(shè)備進(jìn)一步的特征在于該會(huì)聚裝置包括至少一個(gè)元件，其覆蓋了測(cè)量光束的整個(gè)橫截面。
可選的是，該輸入設(shè)備的特征在于該會(huì)聚裝置包括會(huì)聚元件陣列，其小于測(cè)量光束的橫截面，并且共同覆蓋了該橫截面。
該陣列的每個(gè)會(huì)聚元件形成了其自身的圖像。為了實(shí)現(xiàn)所有圖像均位于該系統(tǒng)的軸上，優(yōu)選根據(jù)球形設(shè)置該會(huì)聚元件。
如WO02/37410所述，該輸入設(shè)備可以包括不只一個(gè)傳感器單元。傳感器單元的數(shù)量確定了測(cè)量軸的數(shù)量或者能夠測(cè)量物體移動(dòng)的方向。利用三個(gè)傳感器單元，能夠測(cè)量沿著窗口平面中的X軸和Y軸的移動(dòng)，以及沿著垂直于窗口平面的Z軸的移動(dòng)。利用兩個(gè)傳感器單元，能夠測(cè)量沿著X軸和Y軸的移動(dòng)，或者沿著X軸和Z軸的移動(dòng)或者沿著Y軸和Z軸的移動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明修改的會(huì)聚裝置可以僅設(shè)置在傳感器單元中，其對(duì)于物體沿著Z軸的位移是最關(guān)鍵的。如果所有傳感器單元共用相同的會(huì)聚裝置，則本發(fā)明可以在所有傳感器單元中實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明可以用于WO03/102717中所述的特定輸入設(shè)備中。這樣產(chǎn)生了一種光學(xué)輸入設(shè)備，其用于測(cè)量至少包括滾動(dòng)動(dòng)作和點(diǎn)擊動(dòng)作的移動(dòng)，其特征在于至少一個(gè)傳感器單元測(cè)量滾動(dòng)動(dòng)作和點(diǎn)擊動(dòng)作，并且向包含在測(cè)量裝置中的信號(hào)分析裝置提供傳感器信號(hào)，并且該信號(hào)分析裝置包括用于區(qū)分典型用于點(diǎn)擊動(dòng)作的第一信號(hào)時(shí)間曲線圖與典型用于滾動(dòng)動(dòng)作的第二信號(hào)時(shí)間曲線圖的裝置。
該設(shè)備可以明顯地識(shí)別滾動(dòng)動(dòng)作與點(diǎn)擊動(dòng)作。此外，可以減少傳感器單元的數(shù)量。
該設(shè)備的實(shí)施例的特征在于該信號(hào)分析裝置包括用于將不同時(shí)間間隔獲得的測(cè)量結(jié)果組合起來(lái)的存儲(chǔ)和/或延遲裝置。
如WO03/102717所述，利用本實(shí)施例，能夠非常可靠地確定滾動(dòng)動(dòng)作的符號(hào)，即向上滾動(dòng)或者向下滾動(dòng)的符號(hào)。
本實(shí)施例進(jìn)一步的特征在于利用激勵(lì)脈沖激勵(lì)所述至少一個(gè)傳感器單元，并且使分析裝置與傳感器單元時(shí)間同步，從而在激勵(lì)脈沖確定的測(cè)量時(shí)間間隔過(guò)程中進(jìn)行分析。
通常，該激勵(lì)脈沖就是用于控制二極管激光器的電流脈沖。在每個(gè)電流脈沖時(shí)采樣傳感器單元信號(hào)。
本發(fā)明還可以用于WO03/102751中所述的特定光學(xué)輸入設(shè)備中。這樣導(dǎo)致了用于測(cè)量至少包括滾動(dòng)動(dòng)作和點(diǎn)擊動(dòng)作的移動(dòng)的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)傳感器單元既測(cè)量滾動(dòng)動(dòng)作又測(cè)量點(diǎn)擊動(dòng)作，并且包括可以在設(shè)備窗口上確定物體存在的附加裝置。
在該設(shè)備中，利用一個(gè)傳感器單元能夠確定滾動(dòng)動(dòng)作和點(diǎn)擊動(dòng)作。
優(yōu)選的是，該設(shè)備進(jìn)一步的特征在于該附加裝置是由用于確定物體反射的測(cè)量光束是否包含一個(gè)振幅成分的裝置構(gòu)成的，該振幅成分具有比滾動(dòng)動(dòng)作產(chǎn)生的頻率低的頻率。
該設(shè)備的第一實(shí)施例的特征在于該附加裝置是由輻射敏感檢測(cè)器構(gòu)成的，其設(shè)置為接收未入射到激光腔上的測(cè)量光束輻射。
該設(shè)備的第二實(shí)施例的特征在于該附加裝置是由用于檢測(cè)該傳感器單元的輸出信號(hào)中所述成分的電子裝置構(gòu)成的。
根據(jù)本發(fā)明的輸入設(shè)備可以用于多種裝置中，例如移動(dòng)電話、無(wú)繩電話裝置、膝上型電腦、手持計(jì)算機(jī)、桌面電腦的鼠標(biāo)、桌面電腦的鍵盤、電視機(jī)的遙控器和筆。


參照下文中所述的實(shí)施例，通過(guò)非限定性舉例的方式描述本發(fā)明的這些及其他方面，使其顯而易見。在附圖中圖1a表示了光學(xué)輸入設(shè)備的第一實(shí)施例的橫截面圖；圖1b表示了該設(shè)備的頂視圖；圖2表示了用于該設(shè)備的測(cè)量方法的原理；圖3表示了作為該設(shè)備與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的函數(shù)的該激光腔光學(xué)頻率和增益的變化；圖4a表示了光線在包括常規(guī)透鏡的輸入設(shè)備中的傳播；圖4b表示了光線在包括所采用的透鏡第一實(shí)施例的輸入設(shè)備中的傳播；圖4c表示了光線在包括所采用的透鏡第二實(shí)施例的輸入設(shè)備中的傳播，和；圖5分別表示了分別對(duì)于圖4a-4c所示的透鏡而言，作為該設(shè)備與物體之間距離的函數(shù)的自混和效應(yīng)；圖6表示了包括反射鏡會(huì)聚裝置的輸入設(shè)備的實(shí)施例的橫截面圖；圖7表示了用于輸入設(shè)備中的多個(gè)偏轉(zhuǎn)器元件的實(shí)施例；圖8表示了集成透鏡和多偏轉(zhuǎn)器元件；圖9a和9b表示了包括像散會(huì)聚裝置的輸入設(shè)備實(shí)施例的相互垂直的橫截面圖；圖9c表示了由該實(shí)施例在不同的軸向位置處形成的圖像光點(diǎn)；圖10表示了該輸入設(shè)備實(shí)施例的橫截面圖，其中該會(huì)聚裝置是由小透鏡陣列構(gòu)成的。
具體實(shí)施例方式
圖1a表示了其中能夠使用本發(fā)明的輸入設(shè)備的橫截面示意圖。該設(shè)備包括位于其下側(cè)的基板1，其為二極管激光器和檢測(cè)器的載體，在這種情況下該激光器類型為垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，并且該檢測(cè)器例如為光電二極管。在圖1a中，僅有一個(gè)二極管激光器3及其相關(guān)的光電二極管4是可見的，但是通常至少將第二二極管激光器5及其相關(guān)的光電二極管6設(shè)置在該基板上，如圖1b中該設(shè)備的頂視圖所示。該二極管激光器3和5分別發(fā)射激光束或者測(cè)量光束13和17。在其上側(cè)，該設(shè)備設(shè)有透明窗口12，物體15(例如人的手指)將要在其上移動(dòng)。將透鏡10設(shè)置在二極管激光器與該窗口之間，該透鏡10例如是平凸透鏡。該透鏡將激光束13和17會(huì)聚在該透明窗口的上側(cè)或上側(cè)附近。如果在該位置存在物體15，則使光束13散射。一部分光束輻射13沿著測(cè)量光束13的方向散射，并且透鏡10將這部分光束會(huì)聚到二極管激光器3的發(fā)射表面上，該部分光束入射到該二極管激光器的腔中。如下文中所述，返回到該腔中的輻射引起在該腔中的變化，尤其導(dǎo)致由該二極管激光器發(fā)射的激光輻射強(qiáng)度的變化。光電二極管4和電子電路18能夠檢測(cè)這種變化，該光電二極管4將輻射變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，該電子電路18用于處理該信號(hào)。測(cè)量光束17也會(huì)聚到物體15上從而散射，并且一部分散射輻射入射到二極管激光器5的腔中。電路18和處理來(lái)自光電二極管6的信號(hào)的電路19僅具有示例性的目的，并且或多或少可以為常規(guī)的。如圖1b所示，這些電路可以互連。
圖2表示了在使用垂直發(fā)射二極管激光器以及設(shè)置在該激光器的后表面處的光電二極管的情況下，該輸入設(shè)備和測(cè)量方法的原理。在該圖中，二極管激光器(例如二極管激光器3)分別由其腔20以及其前、后表面或者激光反射鏡21和22表示。該腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。將要測(cè)量其移動(dòng)的物體由附圖標(biāo)記15表示。該物體與前表面之間的空間構(gòu)成了外部腔，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)0。附圖標(biāo)記25表示發(fā)射通過(guò)該前表面的激光束，附圖標(biāo)記26表示該物體沿著該前表面的方向反射的輻射。該激光腔中生成的部分輻射通過(guò)后表面，并且被光電二極管4捕獲。
如果該物體沿著激光或者測(cè)量光束13的方向移動(dòng)，則反射輻射經(jīng)歷多普勒頻移。這表示該輻射的頻率變化，即出現(xiàn)頻移。該頻移取決于物體移動(dòng)的速度，并且具有幾kHz到MHz的數(shù)量級(jí)。入射到激光腔中的頻移輻射與該腔中生成的光波干涉，即在該腔中出現(xiàn)自混和效應(yīng)。根據(jù)該光波與入射到激光腔中的輻射之間的相移量，該干涉為相長(zhǎng)的或是相消的，即激光器發(fā)射的輻射強(qiáng)度增大或降低。當(dāng)物體15移動(dòng)時(shí)，測(cè)量光束25的強(qiáng)度周期性地增大或降低。按照這種方式生成的激光輻射的調(diào)制頻率恰好等于該腔中的光波與入射到該腔中的多普勒頻移輻射的頻率差。該頻率差具有幾kHz到MHz的數(shù)量級(jí)，從而容易檢測(cè)。多普勒頻移與自混和效應(yīng)的組合造成了激光腔性質(zhì)的變化；特別是其增益或者光放大率變化。
如圖3所示。在該圖中，曲線31和32分別表示作為物體15與前反射鏡21之間的距離L0的函數(shù)的發(fā)射激光輻射的頻率ν的變化和二極管激光器的增益g的變化。ν、g和L0為任意的單位。由于距離L0的變化是物體移動(dòng)的結(jié)果，所以能夠沿著時(shí)間軸改變圖3的橫座標(biāo)的比例，從而按照時(shí)間的函數(shù)繪制增益的曲線。作為物體15速度v的函數(shù)的增益變化Δg由以下等式表示Δg＝-(K/L).cos(4π.ν.v.t/c+4π.L0.t/c)在該等式中-K為與外部腔的耦合系數(shù)；其表示了從激光腔向外耦合的輻射量；-ν是激光輻射的頻率；-v是物體沿著激光束傳播方向的速度；-t為時(shí)間，以及-c是光速。
根據(jù)自混和效應(yīng)的理論能夠獲得該等式，例如在1988年1月15日出版的《應(yīng)用光學(xué)》Vol.27，No.2第379～385頁(yè)中的論文“基于二極管激光器中的自混和效應(yīng)的小型激光多普勒測(cè)速計(jì)(Small laserDoppler velocimeter based on the self-mixing effect in a diodelaser)”中公開了這種理論。注意，該論文沒(méi)有公開自混和效應(yīng)在本文中所述類型的輸入設(shè)備中的使用。如圖2中的箭頭16所示，物體表面在其自身的平面中移動(dòng)。因?yàn)閮H僅對(duì)于沿著測(cè)量光束傳播方向物體的移動(dòng)才出現(xiàn)多普勒頻移，所以該移動(dòng)應(yīng)當(dāng)使其具有沿著該方向的成分16’。因此，可以測(cè)量沿著XZ平面的移動(dòng)；即圖2的附圖平面，該移動(dòng)能夠稱作X移動(dòng)。
圖2表示了該物體具有相對(duì)于該系統(tǒng)其它部件的偏斜位置。實(shí)際上，該測(cè)量光束通常是偏斜光束，并且會(huì)在XY平面中發(fā)生物體表面的移動(dòng)，由此Y方向垂直于圖2的附圖平面。利用第二測(cè)量光束能夠測(cè)量該方向上的移動(dòng)，該光束是由第二二極管激光器發(fā)射的，并且利用第二光電二極管捕獲該光束的散射輻射，該光電二極管是與第二二極管激光器相關(guān)聯(lián)的。如圖1所示，通過(guò)使二極管激光器相對(duì)于透鏡10偏心設(shè)置，可以獲得該偏斜測(cè)量光束。
通過(guò)設(shè)置在激光器后小表面處的光電二極管測(cè)量該位置處的輻射強(qiáng)度，來(lái)測(cè)量由物體移動(dòng)造成的激光腔增益變化是最簡(jiǎn)單的，并且因此是最引人關(guān)注的方式。常規(guī)手段是將這種光電二極管用于保持激光輻射的強(qiáng)度恒定，但是現(xiàn)在將其用于測(cè)量物體15的移動(dòng)。
如上述的WO02/37410中所述，通過(guò)確定激光結(jié)的阻抗，也能夠測(cè)量增益變化，從而測(cè)量物體的移動(dòng)。因此，利用了激光輻射的強(qiáng)度與所述結(jié)中的導(dǎo)帶中電子數(shù)量成正比這一事實(shí)。
除了移動(dòng)量之外，還必須確定移動(dòng)的符號(hào)，即該物體沿著移動(dòng)軸正向運(yùn)動(dòng)還是反向運(yùn)動(dòng)，該移動(dòng)量即物體移動(dòng)的距離，通過(guò)將測(cè)得的速度相對(duì)于時(shí)間積分就能夠確定該距離。通過(guò)確定由自混和效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)的形狀就能夠檢測(cè)移動(dòng)的符號(hào)。如圖3中的圖形32所示，該信號(hào)為非對(duì)稱信號(hào)。該圖形32表示了物體15朝激光器移動(dòng)的情況。上升沿32’比下降沿32”陡。如果該物體遠(yuǎn)離激光器移動(dòng)，則下降沿比上升沿陡。通過(guò)確定自混和信號(hào)的非對(duì)稱類型，能夠確定該物體的移動(dòng)符號(hào)。
優(yōu)選的是，通過(guò)向激光腔提供周期性變化電流，并且將分別在第一半周期和第二半周期過(guò)程中生成的第一與第二測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較，來(lái)確定該物體與該設(shè)備的相對(duì)移動(dòng)的符號(hào)。如WO02/37410中所述，周期性電流產(chǎn)生了固定的光波，該光波是在激光腔中產(chǎn)生的，從而具有周期性變化的頻率，并且因此相對(duì)于該物體反射并且入射到該腔中的輻射具有連續(xù)變化的相移。這導(dǎo)致所發(fā)射的激光束的時(shí)間相關(guān)強(qiáng)度變化。在電流的周期中，生成多個(gè)發(fā)射激光脈沖。如果該物體相對(duì)于該設(shè)備靜止，則在第一半周期中的脈沖數(shù)量等于第二周期中的脈沖數(shù)量。如果該物體沿著一個(gè)方向移動(dòng)，則第一半周期中的脈沖數(shù)量大于第二半周期中的脈沖數(shù)量。如果該物體沿著相反的方向移動(dòng)，則在第一半周期中的脈沖數(shù)量小于第二半周期中的脈沖數(shù)量。通過(guò)將第一半周期中產(chǎn)生的脈沖數(shù)量與第二半周期中產(chǎn)生的脈沖數(shù)量進(jìn)行比較，就能夠確定該物體沿著測(cè)量軸移動(dòng)的符號(hào)。關(guān)于這種確定移動(dòng)參考符號(hào)的方法的更多詳細(xì)情況可以參照WO02/37410。
在WO02/37410中所述的輸入設(shè)備中，會(huì)聚裝置或者透鏡10具有這種類型，并且設(shè)置為將測(cè)量光束聚焦到物體15上。實(shí)際上，這表示測(cè)量光束聚焦到該設(shè)備窗口12上表面的平面中，這是因?yàn)楫?dāng)利用該設(shè)備時(shí)，手指或者物體會(huì)放在該表面上并且在其上移動(dòng)。透鏡10將部分由該物體散射的輻射聚焦到激光腔中。如果該物體焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，即測(cè)量光束聚焦到該物體上，則利用該透鏡將前表面經(jīng)由反射散射物體表面成像到其自身上。在這種情況下，形成在物體表面上的光點(diǎn)強(qiáng)度是最大的，入射到激光腔上的散射輻射的量也是最大的，這樣可以獲得最大的自混和效應(yīng)以及最大的測(cè)量信號(hào)。然而，只有在物體焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)并且保持焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的情況下才是這種情況。這表示必須對(duì)二極管激光器、會(huì)聚裝置和物體的相互位置設(shè)定嚴(yán)格的要求，這對(duì)于該輸入設(shè)備試圖作為消費(fèi)產(chǎn)品而言是個(gè)缺點(diǎn)。
如果測(cè)量光束未聚焦到物體上，則該物體上形成的光點(diǎn)尺寸會(huì)大于焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的情況下的光點(diǎn)尺寸，使得光點(diǎn)強(qiáng)度顯著減小，并且因此朝二極管激光器散射的輻射強(qiáng)度也顯著減小。此外，前表面不再成像到其自身上，這進(jìn)一步減少了入射到激光腔中的輻射量。這兩種效應(yīng)對(duì)于較小的散焦而言，已經(jīng)造成了自混和效應(yīng)降低到不可接受的程度，并且因此造成測(cè)量信號(hào)降低到小于可檢測(cè)(閾值)程度以下的程度。輸入設(shè)備的聚焦敏感度的問(wèn)題在用于生成點(diǎn)擊功能的輸入設(shè)備中變得特別明顯。如WO02/37410所述，該點(diǎn)擊功能要求該物體垂直于設(shè)備窗口移動(dòng)，因此要求其沿著Z軸移動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明，取代可以僅在一個(gè)平面(即圖像平面)中形成最小光點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)透鏡，利用具有明確像差的的透鏡能夠解決這個(gè)問(wèn)題。該具有明確像差的透鏡，或者一般而言的會(huì)聚系統(tǒng)，使得其將二極管激光器的前小表面在圍繞常規(guī)透鏡成像平面的預(yù)定Z范圍內(nèi)成像為尺寸基本上恒定的光點(diǎn)。該光點(diǎn)尺寸大于利用常規(guī)透鏡形成的光點(diǎn)尺寸，但是仍然足夠小以獲得對(duì)于整個(gè)Z范圍而言在足夠長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)連續(xù)處于閾值級(jí)別以上的測(cè)量信號(hào)，或者在其為周期性信號(hào)的情況下，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)處于閾值級(jí)別以上的測(cè)量信號(hào)。因?yàn)樵谠摲秶鷥?nèi)，該物體上形成的光點(diǎn)尺寸基本上為恒定的，所以入射到二極管激光腔中的輻射量也基本上為恒定的。因此，測(cè)量信號(hào)振幅的變化在所述范圍內(nèi)保持很小，這增強(qiáng)了該信號(hào)處理電路的性能。按照這種方式本發(fā)明提供了第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
所采用的透鏡或者會(huì)聚裝置的設(shè)計(jì)取決于輸入設(shè)備的設(shè)計(jì)以及使用該設(shè)備的條件。如果這些條件和設(shè)備參數(shù)是已知的，則本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)出需要的采用的透鏡。例如，圖4b和4c表示了取代圖4a所示的標(biāo)準(zhǔn)透鏡10的第一種所采用透鏡的不同實(shí)施例。該標(biāo)準(zhǔn)透鏡例如為具有兩個(gè)凸折射表面23和24的對(duì)稱雙凸透鏡，這兩個(gè)表面具有相同的曲率半徑。該透鏡使二極管激光器3的前表面FF成像為透鏡成像平面中的光點(diǎn)SP1，該前表面設(shè)置在透鏡的物平面OP中。這表示使來(lái)自二極管激光器3的一個(gè)點(diǎn)p1的所有輻射光線結(jié)合為像平面PL1中的一個(gè)點(diǎn)p3。圖4a-4c表示了由這些光線產(chǎn)生的邊緣光線40、41，中央光線43、44和中間光線。
實(shí)際上，尤其由于激光器發(fā)出的光束所具有的高斯強(qiáng)度分布，來(lái)自物平面中一點(diǎn)的光線未會(huì)聚為單一平面中的點(diǎn)狀光點(diǎn)，并且激光束未聚焦到單一平面中，但是該光束會(huì)聚為具有最小直徑的光束。因此，該光束在給定的Z范圍內(nèi)具有所謂最窄的收縮，該Z范圍即沿著透鏡光軸OO’的方向的范圍。圖4a中的NCR表示了該最窄的收縮范圍。對(duì)于設(shè)計(jì)為形成最小的、例如衍射極限光點(diǎn)的常規(guī)透鏡而言，該范圍小。
根據(jù)本發(fā)明，例如通過(guò)創(chuàng)建具有范圍NCR的長(zhǎng)度的多個(gè)子范圍來(lái)放大該范圍，這些子范圍彼此相鄰并且可以相互混和。這可以利用透鏡的非球面效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這表示光束的邊緣光線會(huì)聚到不同于該光束的中央光線和中間光線的另一軸向點(diǎn)上。大體上講，每種透鏡都具有非球面性，并且常規(guī)上，如圖4a的透鏡的情況，例如通過(guò)使一個(gè)透鏡表面或者兩個(gè)透鏡表面成為非球面來(lái)采取措施設(shè)法對(duì)其校正。非球面表面理解為表示基本形狀為球面的表面，但其實(shí)際形狀與球面形狀存在偏差以便校正由透鏡或者反射鏡的基本形狀引起的球差。
圖4b表示了根據(jù)本發(fā)明的一部分輸入設(shè)備的第一實(shí)施例，其中利用了透鏡50的非球面特性。能夠利用透鏡的固有非球面性，這是因?yàn)楣馐l(fā)射存在大的夾角；特別是外部光線入射到透鏡表面上。完全為了示例的目的，將透鏡50的后表面54表示為平整到一定程度，即折射表面54的曲率半徑大于前折射表面53的曲率半徑，從而表示非球面性。來(lái)自物點(diǎn)p1并且通過(guò)透鏡50的邊緣光線在平面PL2中的點(diǎn)p3處相交，該平面PL2比平面PL1更接近透鏡50。通過(guò)透鏡50的中央光線43和44在平面PL3中的點(diǎn)p4處相交，該平面PL3比平面PL1距離透鏡更遠(yuǎn)，并且通過(guò)該透鏡50的中間光線在點(diǎn)p3與p4之間的點(diǎn)p5處相交，并且在本實(shí)施例中相交的位置接近平面PL1。因此，該透鏡50比透鏡10對(duì)于邊緣光線具有更多的透鏡光焦度，而對(duì)于中央光線具有更少的透鏡光焦度。這樣，已經(jīng)將該透鏡的焦深，即最窄收縮的范圍放大到ΔZ，其比圖4a中的NCR大得多。因此，透鏡50在平面PL2與PL3之間的任意平面中、因而在范圍ΔZ中形成的光點(diǎn)尺寸基本上是恒定的。
圖4c表示了一部分輸入設(shè)備的第二實(shí)施例，其中利用了非球面性。透鏡60的非球面度與圖4b中的透鏡50的非球面度相反。通過(guò)使透鏡60的后折射表面64定形為球面與楔形的組合，能夠獲得相反的非球面度。該透鏡按照與透鏡50偏轉(zhuǎn)光線相反的方式使光線偏轉(zhuǎn)。通過(guò)透鏡60的邊緣光線在接近平面PL3的點(diǎn)p6處相交，該平面PL3比平面PL1距離透鏡更遠(yuǎn)，而中央光線在平面PL2中的點(diǎn)p7處相交，該平面PL2比平面PL1更接近透鏡。中間光線在平面PL1中的點(diǎn)p8處相交。同樣對(duì)于透鏡60而言不變的是由其在范圍ΔZ中的任意平面中形成的光點(diǎn)尺寸基本上恒定。
圖5表示了圖4a、4b和4c的透鏡分別對(duì)激光自混和效應(yīng)所具有的效果。沿著垂直軸以任意單位繪制了自混和效應(yīng)Sme，沿著水平軸也以任意單位繪制了將要測(cè)量其移動(dòng)的該物體的Z位置。圖5的曲線A與圖4a的透鏡10相關(guān)。如果該物體設(shè)置在透鏡的成像平面PL1中，則利用這種透鏡獲得了最大的自混和效應(yīng)。然而，如果該物體從平面PL1移出，則該自混和效應(yīng)快速降低到由Dth表示的檢測(cè)閾值以下。分別與圖4b和4c的透鏡50和60相關(guān)的曲線B和C重合。利用這些透鏡獲得的自混和效應(yīng)小于利用透鏡10獲得的最大效應(yīng)，但是仍然保持在對(duì)應(yīng)于范圍ΔZ的閾值以上，該范圍比透鏡10提供足夠的自混和效應(yīng)所針對(duì)的范圍大得多。因此，其中由透鏡50或者透鏡60構(gòu)成會(huì)聚裝置的輸入設(shè)備允許該設(shè)備與將要測(cè)量其移動(dòng)的物體之間的距離發(fā)生較大變化。因此，這種輸入設(shè)備能夠用于更多的應(yīng)用領(lǐng)域。
取代透鏡，該輸入設(shè)備也可以包括如圖6所示的反射鏡。在該圖中，附圖標(biāo)記70表示反射鏡，其將二極管激光器發(fā)出的測(cè)量光束13會(huì)聚到該設(shè)備的窗口12上。在必須進(jìn)一步降低該輸入設(shè)備的高度的情況下，例如在應(yīng)當(dāng)很薄的裝置中，優(yōu)選這種反射鏡。反射鏡的形狀能夠適于獲得需要的非球面度量，并且因此獲得需要的軸向范圍的擴(kuò)大，在該軸向范圍內(nèi)光點(diǎn)尺寸近似恒定。
取代一個(gè)透鏡元件或者一個(gè)反射鏡元件的會(huì)聚裝置還可以包括至少兩個(gè)透鏡元件或者至少兩個(gè)反射鏡元件。該會(huì)聚裝置還可以包括至少一個(gè)透鏡元件與至少一個(gè)反射鏡元件的組合。在這些會(huì)聚裝置的每一個(gè)中，可以根據(jù)本發(fā)明，采用至少一個(gè)折射表面。
利用小型的分立光束偏轉(zhuǎn)器也能夠?qū)崿F(xiàn)這種擴(kuò)大，每個(gè)偏轉(zhuǎn)器設(shè)置在光束的不同部分中，從而使每個(gè)相應(yīng)的光束部分朝不同的軸向位置偏轉(zhuǎn)，如圖7所示。光束偏轉(zhuǎn)器組82、84和86與光束偏轉(zhuǎn)器組82’、84’和86’相對(duì)于光軸OO’對(duì)稱設(shè)置。光束偏轉(zhuǎn)器的折射表面與光軸之間的夾角從外向中心增大。因此，偏轉(zhuǎn)器82、82’使光束部分83、83’偏轉(zhuǎn)的角度大于偏轉(zhuǎn)器84、84’使光束部分85、85’偏轉(zhuǎn)的角度，并且后一角度大于偏轉(zhuǎn)器86、86’使光束部分87、87’偏轉(zhuǎn)的角度。優(yōu)選的是，這些光束偏轉(zhuǎn)器集成在一個(gè)光學(xué)元件80中，其可以稱作多偏轉(zhuǎn)元件。為了僅說(shuō)明偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，入射到元件80上的光束13’為準(zhǔn)直光束，并且光束部分83、85、87、83’、85’和87’是準(zhǔn)直光束部分。因?yàn)楣馐鴳?yīng)當(dāng)聚焦，所以應(yīng)當(dāng)將該元件與元件80之前的會(huì)聚元件(例如透鏡)組合。優(yōu)選的是，將該元件與會(huì)聚元件集成。圖8表示了這種會(huì)聚多偏轉(zhuǎn)元件90的實(shí)施例，其具有經(jīng)修改的透鏡結(jié)構(gòu)。其前表面91為用作常規(guī)透鏡表面的球面或者非球面表面，而其后表面93為其中表面92、94、96、96’、94’和92’使通過(guò)它們的光束部分沿著不同方向偏轉(zhuǎn)的組合表面。優(yōu)選的是，這些偏轉(zhuǎn)表面為曲面，從而使它們與前表面一起提供所需的會(huì)聚功能。
為了清楚，圖7和8中僅表示了幾個(gè)偏轉(zhuǎn)元件。偏轉(zhuǎn)元件的數(shù)量可以更大，使得光束部分變小，并且以大量偏轉(zhuǎn)角度偏轉(zhuǎn)，從而在所需的軸向范圍ΔZ上獲得更加均勻的分布。如圖8所示的會(huì)聚和偏轉(zhuǎn)元件包括大量偏轉(zhuǎn)表面，其提供了與圖4b和4c的非球面透鏡元件類似的效果。
可以按照與圖8的透鏡表面93類似的方式修改圖6中的反射鏡70的反射表面。這種經(jīng)修改的反射鏡表面包括二維彎曲反射表面陣列，其相對(duì)于系統(tǒng)光軸以不同角度定向。所有反射鏡表面使入射輻射會(huì)聚，并且每個(gè)表面在一個(gè)方向上反射入射光束部分，該方向不同于其它表面反射入射光束部分的方向。
能夠用于本發(fā)明的輸入設(shè)備的另一種會(huì)聚裝置利用了像散。具有像散的光學(xué)系統(tǒng)在兩個(gè)垂直的平面中具有不同的(透鏡)光焦度，這兩個(gè)平面稱作切向平面和徑向平面。這種系統(tǒng)不具有單一焦點(diǎn)，而具有兩條焦線，它們彼此垂直。公知的用于提高透鏡系統(tǒng)像散的方法是在該系統(tǒng)中包含柱面透鏡，該透鏡僅在一個(gè)平面中具有透鏡光焦度。圖9a表示了沿著包含柱面透鏡100的一部分輸入設(shè)備的XZ平面的橫截面圖，該柱面透鏡100在XZ平面中具有透鏡光焦度。在沒(méi)有該柱面透鏡的情況下，則激光器發(fā)出的光束13聚焦到圖9b所示的既處于XZ平面又處于YZ平面中的位置102處。因?yàn)橥哥R100在XZ平面中具有透鏡光焦度，所以該光束聚焦到該平面中比位置102更接近透鏡系統(tǒng)的位置104處。在位置104處形成的光點(diǎn)為橢圓光點(diǎn)，其長(zhǎng)軸處于Y方向上。在YZ平面(圖9b)中，該光束聚焦到位置106處，并且該位置的光點(diǎn)為橢圓光點(diǎn)，其長(zhǎng)軸位于X方向上。如圖9c所示，沿著Z方向觀察，該光點(diǎn)從長(zhǎng)軸處于X方向的橢圓形，經(jīng)由圓形(在位置102處)，變?yōu)殚L(zhǎng)軸處于Y方向上的橢圓形。在從位置104到位置106的Z范圍內(nèi)，光點(diǎn)尺寸變化足夠小，從而實(shí)現(xiàn)由移動(dòng)通過(guò)該范圍的物體反射到二極管激光器3的輻射量變化保持足夠小，以能夠獲得近似恒定的自混和信號(hào)。
通過(guò)在該系統(tǒng)中包括平面平行板也能夠?qū)⑾裆⒁胪哥R系統(tǒng)或反射鏡系統(tǒng)中，該平面平行板相對(duì)于激光束光軸以銳角設(shè)置。通過(guò)設(shè)置為光束偏斜通過(guò)會(huì)聚透鏡，能夠使該系統(tǒng)在不包括額外元件的情況下具有像散。如果該輸入單元應(yīng)當(dāng)非常緊湊以便適合安裝到小型裝置中，則優(yōu)選這種解決方案。顯而易見的是，還能夠使包括一個(gè)或多個(gè)反射鏡的會(huì)聚系統(tǒng)具有像散。
彗差是另一種公知的透鏡像差，其通常是不想要的，但是現(xiàn)在能夠有利地對(duì)其加以利用，并且如果需要能夠增大彗差以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。通過(guò)引入預(yù)定量的彗差，能夠獲得圖像光點(diǎn)，其尺寸在較大軸向范圍上近似恒定，并且可以相對(duì)于常規(guī)所需的圖像光點(diǎn)使其放大和/或變形。利用彗差光點(diǎn)獲得的自混和信號(hào)大于閾值，并且在相對(duì)較大軸向范圍上近似恒定。
取代折射元件，該會(huì)聚裝置還可以包括衍射元件。衍射元件通過(guò)衍射而非折射來(lái)改變光束的波前。衍射元件例如衍射透鏡，如菲涅爾透鏡或者波帶片，其包括多個(gè)相互交替的第一區(qū)域和第二區(qū)域，這些第一和第二區(qū)域具有不同的光學(xué)特性。例如，該第一和第二區(qū)域可以具有不同的透明度或者不同的反射系數(shù)，或者它們可以將不同的相移引入通過(guò)它們的光束部分中。在后一種情況下，該第一和第二區(qū)域可以設(shè)置在不同平面中，或者具有不同的折射系數(shù)。如果該衍射元件為透鏡，則該區(qū)域?yàn)榄h(huán)形區(qū)域。因?yàn)樵撦斎朐O(shè)備采用了單一波長(zhǎng)(激光)光束，所以設(shè)置在該設(shè)備中的衍射元件將不會(huì)引起彩色效果，因此這種元件適用于該輸入設(shè)備中。
通過(guò)采用衍射元件的參數(shù)，例如該區(qū)域的周期和形狀，能夠使該元件具有所需的明確的非球面度、或像散或者彗差的量，使得利用這種元件形成的圖像光點(diǎn)在相對(duì)較大軸向區(qū)域中近似恒定，并且實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。
衍射元件不僅可以取代折射元件或者反射元件，還可以與這種元件組合起來(lái)。為了減少該輸入設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)有效表面的數(shù)量，優(yōu)選將衍射元件與其它元件集成。例如，該衍射結(jié)構(gòu)可以設(shè)置在折射透鏡的表面上，或者反射鏡的反射表面上。按照這種方式能夠在不同種類的元件上分配所需的光學(xué)功能，或者能夠?qū)崿F(xiàn)附加的光學(xué)功能。
取代覆蓋整個(gè)光束橫截面的元件，該會(huì)聚裝置還可以由小元件陣列構(gòu)成，例如小透鏡，其具有不同的光焦度并且因此使入射光束部分會(huì)聚到不同的軸向位置處。為了實(shí)現(xiàn)將小透鏡形成的圖像光點(diǎn)定位在光軸OO’上，可以將小透鏡設(shè)置在相對(duì)于該軸的不同方向上。優(yōu)選的是，將該小透鏡設(shè)置在球面配置中，例如設(shè)置在球面透明載體上。圖10表示了這種小透鏡陣列的實(shí)施例的橫截面圖。該小透鏡112和120使光束部分122和130會(huì)聚到光軸OO’上的位置134處。小透鏡114和118使光束部分124和128會(huì)聚到軸向位置136處，而小透鏡116使光束部分126會(huì)聚到軸向位置132處。實(shí)際上，小透鏡的數(shù)量大于圖10所示的數(shù)量，以便獲得更好的均勻度。
取代小透鏡陣列，該會(huì)聚裝置還可以由小反射鏡元件陣列或者小衍射元件陣列構(gòu)成，這些元件具有不同的光焦度，并且優(yōu)選設(shè)置為在該系統(tǒng)的軸上形成圖像。
在包括兩個(gè)或多個(gè)測(cè)量光束路徑，即包括兩個(gè)或多個(gè)二極管激光器與相關(guān)檢測(cè)器的光學(xué)輸入設(shè)備中，這些測(cè)量路徑中的每一個(gè)可以包括其自身的會(huì)聚裝置。給定測(cè)量路徑所要測(cè)量的移動(dòng)確定了本發(fā)明是否應(yīng)當(dāng)用于這個(gè)路徑中。如果在兩個(gè)或多個(gè)測(cè)量路徑中實(shí)施本發(fā)明，則能夠設(shè)置為這些路徑共用根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的相同會(huì)聚裝置，例如透鏡。例如，在包括用于確定沿第一和第二方向的滾動(dòng)移動(dòng)的第一和第二測(cè)量路徑以及用于確定點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)的第三測(cè)量路徑的輸入設(shè)備中，僅在第三測(cè)量路徑中實(shí)施本發(fā)明就足夠了。該第一和第二測(cè)量路徑從而可以具有公共的會(huì)聚裝置。
本發(fā)明的輸入設(shè)備能夠用于多種類型的裝置中，例如用于與桌上電腦相關(guān)的光學(xué)鼠標(biāo)或者手持或膝上型電腦中，從而在顯示器上移動(dòng)光標(biāo)，以選擇所顯示菜單的功能。為了選擇構(gòu)成菜單的功能或者項(xiàng)，沿著平行于該輸入設(shè)備窗口的平面方向在該窗口上移動(dòng)手指(物體)。這種移動(dòng)稱作滾動(dòng)動(dòng)作。為了激勵(lì)選定的功能，沿著垂直于窗口的方向移動(dòng)手指。這種動(dòng)作稱作點(diǎn)擊動(dòng)作。為了測(cè)量不同方向上的移動(dòng)，例如在窗口平面中X方向和Y方向上以及垂直于該平面的Z方向上的移動(dòng)，可以使用二極管激光器、相關(guān)光電檢測(cè)器以及透鏡的分別組合。這種組合可以稱作光學(xué)傳感器單元。幾個(gè)光學(xué)傳感器單元可以共用相同的透鏡或者會(huì)聚裝置，由此該傳感器單元的測(cè)量光束沿著不同方向通過(guò)該透鏡。
該輸入設(shè)備可以是小型的，這是因?yàn)槟軌蚴乖摴鈱W(xué)傳感器單元非常小。這樣開辟了輸入設(shè)備的新用途。該輸入設(shè)備可以嵌入例如移動(dòng)電話中，以選擇菜單的項(xiàng)以及用于訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁(yè)，或者嵌入其它手持裝置中，例如個(gè)人數(shù)字助理(PDA)或者光學(xué)筆中，利用該光學(xué)筆能夠數(shù)字發(fā)送圖形或者手寫數(shù)據(jù)和/或?qū)D形或手寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，例如計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。在文獻(xiàn)WO02/37410中描述了這些用途。本發(fā)明能夠用于該文獻(xiàn)中所述的所有實(shí)施例中，由此優(yōu)選使得該輸入設(shè)備的這些實(shí)施例中存在的所有傳感器單元共用根據(jù)本發(fā)明所采用的會(huì)聚裝置。
在WO02/37410中所述的滾動(dòng)和點(diǎn)擊設(shè)備中，第一傳感器單元用于確定滾動(dòng)動(dòng)作的速度和方向，第二傳感器單元用于確定點(diǎn)擊動(dòng)作。這些傳感器單元例如相對(duì)于該窗口的設(shè)備以相對(duì)的銳角設(shè)置。如WO03/102717中所述，通過(guò)利用相同的傳感器單元，并且通過(guò)確定來(lái)自該傳感器單元的信號(hào)是具有與點(diǎn)擊動(dòng)作相關(guān)的第一典型時(shí)間曲線圖還是具有與點(diǎn)擊動(dòng)作相關(guān)的第二典型時(shí)間曲線圖，也能夠獲得滾動(dòng)動(dòng)作與點(diǎn)擊動(dòng)作之間的明確區(qū)別以及對(duì)滾動(dòng)動(dòng)作非常可靠的測(cè)量。因此，利用了使用者決不會(huì)同時(shí)滾動(dòng)和點(diǎn)擊的事實(shí)，并且利用了以下理解，即點(diǎn)擊動(dòng)作生成的傳感器單元信號(hào)與滾動(dòng)動(dòng)作生成的傳感器單元信號(hào)完全不同。點(diǎn)擊動(dòng)作是快速、短周期移動(dòng)，其前后為非運(yùn)動(dòng)周期，并且因此生成脈沖狀響應(yīng)作為傳感器輸出信號(hào)。能夠獨(dú)立于各個(gè)使用者的手指機(jī)動(dòng)化和點(diǎn)擊的方向(向上點(diǎn)擊或向下點(diǎn)擊)來(lái)檢測(cè)點(diǎn)擊動(dòng)作。滾動(dòng)動(dòng)作生成輸出信號(hào)，該信號(hào)在相同時(shí)間間隔中比點(diǎn)擊動(dòng)作生成的單一波動(dòng)(即脈沖)具有多得多的信號(hào)波動(dòng)。
通過(guò)這樣最佳地利用來(lái)自一個(gè)傳感器單元的信號(hào)，能夠減少該輸入設(shè)備中傳感器單元的數(shù)量，從而減少二極管激光器的數(shù)量。這樣的優(yōu)點(diǎn)顯著，因?yàn)槎O管激光器是該設(shè)備中最貴的元件，并且能夠簡(jiǎn)化該設(shè)備使其占據(jù)使用該設(shè)備的裝置中更少的空間。還可以保持傳感器單元的原始數(shù)量，并且使用分離的傳感器單元用于其它功能或者測(cè)量。
優(yōu)選的是，為了分析用于測(cè)量在一定時(shí)間間隔內(nèi)的滾動(dòng)動(dòng)作和點(diǎn)擊動(dòng)作的傳感器輸出信號(hào)，利用了在其它時(shí)間間隔內(nèi)獲得的移動(dòng)數(shù)據(jù)。當(dāng)分析在給定時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)得的信號(hào)時(shí)，考慮過(guò)去的測(cè)量和以后的測(cè)量可以非常可靠地確定滾動(dòng)動(dòng)作的移動(dòng)方向，即向上滾動(dòng)還是向下滾動(dòng)。在時(shí)間上延遲對(duì)所述給定時(shí)間間隔內(nèi)獲得的信號(hào)的分析可以利用所述進(jìn)一步的測(cè)量，即在所述給定的時(shí)間間隔之后實(shí)施的測(cè)量。參照WO03/102717，通過(guò)獲取由一個(gè)傳感器單元獲得滾動(dòng)動(dòng)作和點(diǎn)擊動(dòng)作的方法，提供更多細(xì)節(jié)和可能性。
本發(fā)明還能夠用于其中利用相同的一個(gè)或多個(gè)傳感器單元使用另一種方法確定滾動(dòng)和點(diǎn)擊動(dòng)作的光學(xué)輸入設(shè)備中。WO03/102751中描述了這種方法。后一種方法基于以下理解，即能夠?qū)鞲衅鲉卧獪y(cè)量光束中目前為止未使用的信號(hào)用于檢測(cè)設(shè)備窗口上是否存在手指。單獨(dú)的點(diǎn)擊動(dòng)作可以包括手指朝設(shè)備窗口和遠(yuǎn)離設(shè)備窗口的快速移動(dòng)，點(diǎn)擊動(dòng)作前后是沒(méi)有發(fā)生移動(dòng)的時(shí)間間隔。另一種可能的點(diǎn)擊動(dòng)作是將手指放在窗口上，收回手指，并且將其再次放到窗口上。在朝窗口移動(dòng)和遠(yuǎn)離窗口移動(dòng)之間，手指在窗口上停留一段短時(shí)間間隔。如果出現(xiàn)這種在窗口上的停留或者出現(xiàn)，則能夠斷定發(fā)生了點(diǎn)擊動(dòng)作。利用測(cè)量滾動(dòng)動(dòng)作的傳感器單元能夠?qū)嵤┻@種檢測(cè)。
優(yōu)選的是，通過(guò)確定入射到二極管激光腔中的測(cè)量光束輻射是否包括以小于滾動(dòng)移動(dòng)造成的振幅變化的頻率變化的振幅成分，來(lái)確定該窗口上是否存在物體或者手指?，F(xiàn)在，將傳感器單元的輸出信號(hào)的高頻成分用于確定滾動(dòng)動(dòng)作，而將相同信號(hào)的低頻和DC成分用于確定該設(shè)備窗口上是否存在手指，由此確定是否發(fā)生了點(diǎn)擊動(dòng)作。利用附加的光電檢測(cè)器可以測(cè)量該較低頻率成分?？蛇x擇的是該較低頻率成分可以與傳感器單元輸出信號(hào)分離。
本發(fā)明可以用于在二極管激光器中使用多普勒頻移和自混和的任意光學(xué)輸入設(shè)備中，而與該設(shè)備中的傳感器單元數(shù)量無(wú)關(guān)。該設(shè)備可以包括一個(gè)傳感器單元，用于僅確定滾動(dòng)動(dòng)作或者確定滾動(dòng)動(dòng)作以及點(diǎn)擊動(dòng)作，或者可以包括兩個(gè)傳感器單元，用于測(cè)量沿著該設(shè)備窗口平面中的兩個(gè)(X和Y)方向的移動(dòng)或者測(cè)量這些移動(dòng)以及垂直于該窗口(Z方向)的移動(dòng)，或者可以包括三個(gè)傳感器單元，用于測(cè)量后三種移動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)輸入設(shè)備，其基于物體與該設(shè)備的相對(duì)移動(dòng)，該設(shè)備包括設(shè)有透明窗口并且容納了至少一個(gè)光學(xué)傳感器單元的模塊，該光學(xué)傳感器單元包括具有用于生成測(cè)量光束的激光腔的激光器、用于將測(cè)量光束會(huì)聚到作用平面中并且將物體反射的測(cè)量光束輻射會(huì)聚到激光腔中從而在激光器中產(chǎn)生自混和效應(yīng)的會(huì)聚裝置，以及用于測(cè)量自混和效應(yīng)結(jié)果的測(cè)量裝置，該效應(yīng)是由所述移動(dòng)決定的，其特征在于會(huì)聚裝置適于提供自混和效應(yīng)，該效應(yīng)小于可能的最大值，但大于對(duì)于物體與設(shè)備窗口之間距離的擴(kuò)展范圍的檢測(cè)閾值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該會(huì)聚裝置是由會(huì)聚分別位于不同軸向位置的邊界光束部分、中央光束部分和中間光束部分的裝置構(gòu)成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該會(huì)聚裝置具有預(yù)定量的非球面度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該會(huì)聚裝置具有預(yù)定量的像散。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該會(huì)聚裝置具有預(yù)定量的彗差。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該會(huì)聚裝置為透鏡裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該會(huì)聚裝置為反射鏡裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該會(huì)聚裝置為衍射裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該會(huì)聚裝置包括至少一個(gè)元件，其覆蓋了測(cè)量光束的整個(gè)橫截面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該會(huì)聚裝置包括會(huì)聚元件陣列，其小于測(cè)量光束的橫截面并且共同覆蓋該橫截面。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其用于測(cè)量至少包括滾動(dòng)動(dòng)作和點(diǎn)擊動(dòng)作的移動(dòng)，其特征在于至少一個(gè)傳感器單元既測(cè)量滾動(dòng)動(dòng)作又測(cè)量點(diǎn)擊動(dòng)作，并且向包含在測(cè)量裝置中的信號(hào)分析裝置提供傳感器信號(hào)，以及其特征在于信號(hào)分析裝置包括用于區(qū)分典型用于點(diǎn)擊動(dòng)作的第一信號(hào)時(shí)間曲線圖與典型用于滾動(dòng)動(dòng)作的第二信號(hào)時(shí)間曲線圖。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該信號(hào)分析裝置包括用于將不同時(shí)間間隔獲得的測(cè)量結(jié)果組合起來(lái)的存儲(chǔ)和/或延遲裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于由激勵(lì)脈沖激勵(lì)所述至少一個(gè)傳感器單元，并且其特征在于該分析裝置與傳感器單元時(shí)間同步，從而在測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行分析，該測(cè)量時(shí)間間隔是由激勵(lì)脈沖決定的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其用于測(cè)量至少包括滾動(dòng)動(dòng)作和點(diǎn)擊動(dòng)作的移動(dòng)，其特征在于該至少一個(gè)傳感器單元既測(cè)量滾動(dòng)動(dòng)作又測(cè)量點(diǎn)擊動(dòng)作，并且包括可以確定設(shè)備窗口上是否存在物體的附加裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該附加裝置是由用于確定物體反射的測(cè)量光束是否包括頻率低于滾動(dòng)動(dòng)作產(chǎn)生的頻率的振幅成分的裝置構(gòu)成的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該附加裝置是由輻射敏感檢測(cè)器構(gòu)成的，其設(shè)置為接收未入射到激光腔上的測(cè)量光束輻射。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)輸入設(shè)備，其特征在于該附加裝置是由用于檢測(cè)該傳感器單元的輸出信號(hào)中所述成分的電子裝置構(gòu)成的。
18.一種移動(dòng)電話裝置，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的光學(xué)輸入設(shè)備。
19.一種無(wú)繩電話裝置，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的輸入設(shè)備。
20.一種膝上型計(jì)算機(jī)，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的輸入設(shè)備。
21.一種手持計(jì)算機(jī)，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的輸入設(shè)備。
22.一種用于桌面型計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的輸入設(shè)備。
23.一種用于桌面型計(jì)算機(jī)的鍵盤，其中集成了根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的輸入設(shè)備。
24.一種用于電視機(jī)的遙控器，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的輸入設(shè)備。
25.一種筆，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的輸入設(shè)備。
全文摘要
一種光學(xué)輸入設(shè)備，其基于物體(15)與該設(shè)備的相對(duì)移動(dòng)，并且其包括至少一個(gè)光學(xué)傳感器單元，該光學(xué)傳感器單元包括具有用于生成測(cè)量光束(13)的激光腔的激光器(3)、用于將測(cè)量光束會(huì)聚到作用平面中并且將物體反射的測(cè)量光束輻射會(huì)聚到激光腔中從而在激光器中產(chǎn)生自混和效應(yīng)的會(huì)聚裝置(50)，以及用于測(cè)量自混和效應(yīng)結(jié)果的測(cè)量裝置，該效應(yīng)是由所述移動(dòng)決定的，該會(huì)聚裝置(50)適于提供自混和效應(yīng)，該效應(yīng)小于可能的最大值，但大于物體與設(shè)備之間距離的擴(kuò)展范圍(ΔZ)的檢測(cè)閾值。這樣可以在物體與設(shè)備之間距離的擴(kuò)展范圍中獲得所需的自混和效應(yīng)。
文檔編號(hào)G06F3/0354GK1947085SQ200580012271
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月9日
發(fā)明者M·D·利斯, A·L·韋耶斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司