專利名稱：具有光導(dǎo)膜的光學(xué)指紋導(dǎo)航裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有光導(dǎo)膜的光學(xué)指紋導(dǎo)航裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)導(dǎo)航裝置使用光源來照射導(dǎo)航表面，使得光學(xué)成像器可以生成用于計(jì)算動作 的數(shù)字圖像。例如，光學(xué)成像器可以對表面上的手指成像并且基于連續(xù)圖像的比較來生成 導(dǎo)航信號。然而，隨著傳統(tǒng)導(dǎo)航裝置的尺寸減小，成像器的用于探測光學(xué)導(dǎo)航輸入的實(shí)體空 間也減小了。一些傳統(tǒng)的光學(xué)導(dǎo)航裝置封裝具有約2. 5mm的厚度(或光學(xué)高度)。光學(xué)高度指 的是從光學(xué)手指界面表面到相應(yīng)的傳感器之間的距離。光學(xué)高度也稱為光學(xué)軌跡。2.5mm 的光學(xué)軌跡(或高度)被認(rèn)為對于手持設(shè)備的一些實(shí)施例(諸如手機(jī)和小型便攜個人計(jì)算 機(jī)(PC)外圍設(shè)備)來說太厚了。許多光學(xué)導(dǎo)航設(shè)備使用稱作光導(dǎo)的分立式元件來將光從光源引導(dǎo)到導(dǎo)航表面。來 自光源的光傳播通過光導(dǎo)，直到其與光導(dǎo)的邊界相交。當(dāng)光與光導(dǎo)的邊界相交時，其部分地 離開光導(dǎo)并且部分地在光導(dǎo)內(nèi)反射，或者完全從光導(dǎo)的邊界反射回來并在光導(dǎo)內(nèi)沿著新的 方向傳播。這種類型的反射被稱作“全內(nèi)反射”(TIR)，并且取決于光相對于邊界的入射角 以及光導(dǎo)和光導(dǎo)外側(cè)的材料的折射率。光導(dǎo)通常是模制的透明塑料件，并且光導(dǎo)元件的厚 度直接地增加到光導(dǎo)航裝置的整體厚度上。

發(fā)明內(nèi)容
描述了手指導(dǎo)航裝置的實(shí)施例。在一個實(shí)施例中，手指導(dǎo)航裝置包括光導(dǎo)膜 (LGF)、光源、傳感器和導(dǎo)航引擎。LGF包括手指界面表面，并且LGF的至少一部分表現(xiàn)出全 內(nèi)反射(TIR)。光源與LGF光學(xué)連通，以將光從光源提供到手指界面表面。傳感器構(gòu)造為響 應(yīng)于手指與手指界面表面之間的接觸而檢測來自LGF和其他來源的光。由于小的幾何形狀 或者外部條件，可能沒有來自其他源的光。手指與手指界面表面之間的接觸更改光離開LGF 到達(dá)傳感器的反射。響應(yīng)于手指與手指界面表面之間的接觸，在傳感器的至少一部分處改 變由傳感器探測的光。導(dǎo)航引擎構(gòu)造為響應(yīng)于對于所檢測到的光的更改來產(chǎn)生橫向移動信 息，該橫向移動信息表明手指相對于傳感器的橫向移動。也描述了手指導(dǎo)航裝置的其他實(shí) 施例。也描述了方法的實(shí)施例。在一個實(shí)施例中，該方法是用于制造手指導(dǎo)航裝置的方 法。該方法包括在光導(dǎo)膜(LGF)的手指界面表面上形成多個非平面元件，將LGF耦合到傳 感器以及將光源耦合成與LGF光學(xué)連通。所述非平面元件至少部分地突出到LGF的基本平 面狀的主要表面之外。所述LGF的至少一部分表現(xiàn)出全內(nèi)反射(TIR)。傳感器構(gòu)造為響應(yīng) 于手指與手指界面表面之間的接觸和運(yùn)動而檢測來自LGF的光的圖案變化。手指與手指界 面表面之間的接觸更改TIR，以允許來自LGF的光的一部分在手指界面表面的至少一部分 上從LGF離開并與手指響應(yīng)功能相互作用。至少一部分光離開LGF、與手指相互作用并且更改到達(dá)傳感器的光的圖案。光源將光經(jīng)由LGF提供到手指界面表面。也描述了該方法的其 他實(shí)施例。也描述了系統(tǒng)的實(shí)施例。在一個實(shí)施例中，系統(tǒng)是具有光學(xué)手指導(dǎo)航能力的便攜 式電子系統(tǒng)。系統(tǒng)包括具有導(dǎo)航標(biāo)識符的顯示器、具有手指界面表面的光導(dǎo)膜(LGF)、與 LGF光學(xué)連通的光源以及光學(xué)手指導(dǎo)航裝置。LGF的至少一部分表現(xiàn)出全內(nèi)反射(TIR)。光 源將光經(jīng)由LGF提供到手指界面表面。光學(xué)手指導(dǎo)航裝置構(gòu)造為基于與手指與所述手指界 面表面之間的接觸相對應(yīng)的所檢測的光圖案中的變化來產(chǎn)生導(dǎo)航信號而移動所述導(dǎo)航標(biāo) 識符。手指與手指界面表面之間的接觸更改光離開LGF到達(dá)傳感器的反射，從而在傳感器 的至少一部分上改變由傳感器檢測到的光。也描述了該系統(tǒng)的其他實(shí)施例。根據(jù)以下詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)將會變得更加明顯，其 中附圖通過示例的方式圖示了本發(fā)明的原理。


圖1描繪了具有光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的形式的用戶輸入裝置的一個實(shí)施例的立體 圖。圖2A描繪了圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的一個實(shí)施例的截面圖。圖2B描繪了在手指相對于光導(dǎo)(LGF)定位以更改LGF的全內(nèi)反射的狀態(tài)下圖1 的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的一個實(shí)施例的截面圖。圖3A描繪了在指紋峰和指紋谷相對于LGF定位以更改LGF的全內(nèi)反射的狀態(tài)下， 圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的一個實(shí)施例的截面圖。圖3B是在指紋峰和指紋谷相對于LGF定位在另一個位置以更改LGF的全內(nèi)反射 的狀態(tài)下，圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的一個實(shí)施例的另一個截面圖。圖4A描繪了圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的另一個實(shí)施例的截面圖，其包括在LGF的 主表面上的非平面元件。圖4B描繪了關(guān)于手指的指紋峰和指紋谷的圖4A的截面圖。圖5描繪了包括不規(guī)則的非平面元件的圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的另一個實(shí)施例 的截面圖。圖6描繪了包括密封劑的圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的另一個實(shí)施例的截面圖。圖7描繪了具有光學(xué)手指導(dǎo)航的便攜式電子系統(tǒng)的一個實(shí)施例的框圖。圖8是描繪了用于使用LGF的光學(xué)手指導(dǎo)航的方法的一個實(shí)施例的流程圖。圖9是描繪了用于制作使用LGF的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的方法的一個實(shí)施例的流程 圖。在整個說明書中，相似的附圖標(biāo)記可以用于表明相似的元件。
具體實(shí)施例方式在一些實(shí)施例中將膜用作光導(dǎo)。光導(dǎo)膜(LGF)比傳統(tǒng)的光導(dǎo)更薄，并且因此可以 使用LGF來制造更薄的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置。此外，在一些實(shí)施例中，LGF包括非平面型元件， 該元件增強(qiáng)來自LGF的散射光。非平面型元件與手指相互作用，以更改光的散射。非平面 元件的幾何形狀增加離開LGF的光量；因此，由傳感器探測的圖像更強(qiáng)并且更容易探測。因此，可以減小饋送到LGF的光的量并且可以節(jié)省電池電力。傳感器探測經(jīng)過更改的光的散射。圖1以光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的形式描繪了用戶輸入裝置的一個實(shí)施例的立體 圖。光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100包括光導(dǎo)膜(LGF) 102、一個或多個光源104和傳感器106。雖 然以特定組件和功能示出并描述了光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100，但是可以以更少或更多的組件 來實(shí)施其他實(shí)施例，以有助于更多或更少的功能。在一些實(shí)施例中，LGF 102由光透射性材料膜構(gòu)成。在特定實(shí)施例中，LGF 102是 柔性的，并且在被安裝到電子裝置中時可以彎曲，以有助于在機(jī)械方面將組件設(shè)置在可用 的空間位置。LGF 102可以被彎曲并且仍然由于光源104產(chǎn)生的光的全內(nèi)反射(TIR)而保 持期望的光學(xué)特性。在其它實(shí)施例中，LGF 102基本是平面的。即使LGF 102可以具有彎 曲的幾何形狀，對于LGF 102內(nèi)的光的TIR來說，LGF 102的光學(xué)特性仍然與平面幾何形狀 類似。在一些實(shí)施例中，LGF 102可以具有拋光的表面以進(jìn)一步促進(jìn)TIR。此外，可以將反 射涂層涂布在LGF 102的表面上。在一些實(shí)施例中，LGF 102通常比傳統(tǒng)的光導(dǎo)薄得多。傳統(tǒng)的光導(dǎo)通常具有數(shù)毫 米量級的厚度。在傳統(tǒng)的厚光導(dǎo)中，光線在光離開厚光導(dǎo)之前經(jīng)受最小的從界面反射次數(shù)。 相反，在薄膜型光導(dǎo)中，存在大量的從界面的內(nèi)部反射。因此，顯著地增加了與接觸的手指 的相互作用。在一個實(shí)施例中，LGF 102的厚度在約30到約100微米之間。在特定實(shí)施例中，使用薄膜塑料制造技術(shù)(諸如沉積、鑄膜擠壓成型或者印花)來 形成LGF 102，其產(chǎn)生比使用用于形成傳統(tǒng)光導(dǎo)的技術(shù)(諸如注射成型)制造的產(chǎn)品更薄的 產(chǎn)品。因?yàn)長GF 102比傳統(tǒng)光導(dǎo)薄得多并且提供有效的、高亮度的面照明，所以減小了光學(xué) 手指導(dǎo)航裝置100的整體厚度。LGF 102包括主表面112。在圖示實(shí)施例中，主表面112是LGF 102的上表面。如 圖所示，主表面112包括基本平面狀的部分。主表面112也可以包括LGF 102的彎曲部分 的上表面。LGF 102也包括手指界面表面114。更具體地，主表面112的一部分被指定為手指 界面表面114。手指界面表面114大致是主表面112的、由手指(未示出)與LGF 102接觸 的那部分。在一些實(shí)施例中，手指界面表面114是圓形的?？蛇x擇地，手指界面表面114是 非圓形的。手指界面表面114有助于用戶接觸LGF 102。例如用戶的手指與手指界面表面114 的接觸使得在其他情況下將會通過TIR而反射的光在手指與LGF 102接觸的位置處至少部 分地離開光導(dǎo)。一些離開LGF的光由手指反射并且被引導(dǎo)回傳感器106。傳感器106探測 由于這種光反射所引起的光強(qiáng)變化。在一些實(shí)施例中，非平面元件(未示出)通過增加在 手指界面表面114處離開LGF 102的光量來增強(qiáng)從手指散射的光的量。結(jié)合圖4A、圖4B和 圖5來更詳細(xì)地描述非平面型元件。因?yàn)榭梢员O(jiān)視手指接觸并且可以計(jì)算手指運(yùn)動，所以 與手指界面表面114相接觸的手指有助于LGF102處的用戶輸入。圖2A描繪了圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的一個實(shí)施例的截面圖。光學(xué)手指導(dǎo) 航裝置100包括LGF 102、光源104、傳感器106和一個或多個隔離件206。LGF 102包括主 表面112。光源104將光引導(dǎo)到LGF 102中。LGF 102通過由光的入射角和LGF 102的邊 界兩側(cè)的材料的相對折射率而決定的TIR來內(nèi)部地反射光。也描繪出了低角度光線202和高角度光線204。在本文件中關(guān)于光的角度使用的“低”和“高”指的是光線與LGF 102的 表面的角，而不是與LGF 102的法線的角。在一些實(shí)施例中，低角度光線202在其與LGF 102與外界環(huán)境之間的界面相遇時， 被全反射。然而，高角度光線204可以在LGF 102與外界環(huán)境之間的邊界處從LGF 102離 開?？梢杂商綔y器106來探測高角度光線204和/或與手指互相作用。在一個實(shí)施例中，隔離件206位于LGF 102與傳感器106之間。隔離件102將傳 感器106保持為離開LGF 102固定距離。通過保持傳感器106與LGF 102之間的間距，隔 離件產(chǎn)生間隙208。間隙208可以容納有在周圍環(huán)境中存在的流體(諸如空氣)或者容納 有獨(dú)立的流體(諸如惰性氣體)。在一些環(huán)境中，間隙208維持真空或者相對低密度的流 體。在特定實(shí)施例中，隔離件206是一個或多個球形元件。圖2B描繪了在手指210相對于LGF 102定位以更改LGF 102的TIR的狀態(tài)下，圖 1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的一個實(shí)施例的截面圖。在圖示實(shí)施例中，手指210與LGF 102 的手指界面表面114實(shí)體地接觸，并且更改在LGF 102內(nèi)反射的光的TIR。手指210與LGF 102之間的實(shí)體接觸更改TIR并將光至少部分地散射到LGF 102之外。由于折射率從LGF 102到周圍環(huán)境改變?yōu)長GF 102到手指而引起的表面功能的改變導(dǎo)致由成像器探測到的光 學(xué)功能(散射和吸收)的改變。在一些實(shí)施例中，手指210的折射率比空氣的折射率相對 地更接近LGF 102的折射率。因此，將會從LGF-環(huán)境邊界全內(nèi)反射的低角度光線202改為 由手指210至少部分地散射，從而改變由傳感器106探測到的光圖案。此外，在手指210不 存在時將會沿著遠(yuǎn)離傳感器106的方向離開到環(huán)境中的高角度光線204可以由手指朝向傳 感器106反射，而改變由傳感器106探測到的光圖案。在特定實(shí)施例中，光從手指210反射 并且到達(dá)在其他情況下將不會到達(dá)的傳感器106。從手指210反射到傳感器106的光改變 了由傳感器106探測到的光圖案。圖3A到圖5描繪了圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的實(shí)施例的截面的放大圖。圖 3A描繪了在指紋峰302和指紋谷304相對于LGF 102定位以更改LGF 102的TIR的狀態(tài) 下，圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的一個實(shí)施例的截面圖。手指210包括多個指紋峰302。 在指紋峰302之間是指紋谷304。在特定實(shí)施例中，當(dāng)手指210與手指界面表面114接觸 時，指紋峰302與手指界面表面114直接接觸，而在指紋谷304處留下小的空氣袋306。如上所述，TIR取決于相對折射率和入射角。在一個實(shí)施例中，如果指紋峰302與 手指界面表面114在高角度光線204與手指界面表面114相遇的位置處相接觸，高角度光 線204可以至少部分地由指紋峰302反射。因此，通過與指紋峰302相接觸來更改由傳感 器106探測到的圖像。如果低角度光線202與指紋界面表面在指紋峰302所在的位置處相遇，那么在不 存在手指的情況下將會在手指界面表面114處被全內(nèi)反射的低角度光線202可以被散射。 來自低角度光線202的散射光可以朝向傳感器106散射，并且更改由傳感器106探測到的 圖像。圖3B是在指紋峰302和指紋谷304相對于LGF 102定位在另一個位置以更改LGF 102的TIR的狀態(tài)下，圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的一個實(shí)施例的另一個截面圖。在圖 示實(shí)施例中，高角度光線204在指紋谷304位于指紋界面表面114上方的位置處與手指界 面表面114相交。因此，高角度光線204可以至少部分地從LGF 102離開。類似地，低角度光線202在指紋谷304位于指紋界面表面114上方的位置處與手指界面表面114相交。因 此，低角度光線202在手指界面表面114處表現(xiàn)出TIR。指紋位置的改變導(dǎo)致光線202、204 的總體的TIR圖案改變。通過傳感器106探測圖案的改變。在一些實(shí)施例中，隨著手指210在手指界面表面114上方移動，可以改變在手指界 面表面114處高角度光線204的反射的類型以及量并且可以改變低角度光線202散射。當(dāng) 手指210定位為使得指紋峰302位于高角度光線204與手指界面表面的交叉點(diǎn)時(如圖3A 所示)，高角度光線204至少部分地由指紋峰302散射。類似地，當(dāng)手指210定位為使得指 紋峰302位于低角度光線202與手指界面表面的交叉點(diǎn)時(如圖3A所示)，低角度光線202 至少部分地由指紋峰302散射。當(dāng)手指210定位為使得指紋谷304位于高角度光線204與 手指界面表面的交點(diǎn)時(如圖3B所示)，高角度光線204可以至少部分地從LGF 102漏出。 當(dāng)手指210定位為使得指紋谷304位于低角度光線202與手指界面表面的交點(diǎn)時(如圖3B 所示)，低角度光線202表現(xiàn)出TIR。隨著手指210位置改變，由于有更多或更少的高角度 光線204和低角度光線202到達(dá)傳感器106，傳感器106檢測到這種改變。圖4A描繪了圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的另一個實(shí)施例的截面圖，其包括在 LGF 102的主表面112上的非平面元件402。在一個實(shí)施例中，非平面元件402與主表面 112不共面。在一個實(shí)施例中，非平面元件402在手指界面表面114上均勻地分布。在替 換實(shí)施例中，非平面元件402在手指界面表面114上不均勻地分布。在特定實(shí)施例中，非平 面元件402至少部分地突出到主表面112之外。在一個實(shí)施例中，非平面元件402包括手 指界面表面114上的凸塊。在替換實(shí)施例中，非平面元件402是凹陷部。非平面元件對于 LGF 102內(nèi)的光線導(dǎo)致不同的入射角。這些不同的入射角導(dǎo)致在其他情況下將會被全內(nèi)反 射的光線被散射。非平面元件402調(diào)節(jié)LGF 102的TIR并且使得來自光源104的光散射。在一個實(shí) 施例中，非平面元件402使得來自光源104的光散射，從而將至少部分光引導(dǎo)到傳感器106 中。在一些實(shí)施例中，非平面元件402使得來自光源104的光散射，從而將至少部分光引導(dǎo) 得遠(yuǎn)離傳感器106。例如，在本該由主表面112全內(nèi)反射的低角度光線406照射到非平面元 件402時，該光線可以至少部分地沿著遠(yuǎn)離傳感器106的方向離開LGF102。通過非平面元 件402而散射離開傳感器106的光也可以用于對手指界面表面114進(jìn)行照明。通過非平面 元件402而散射離開傳感器106的光也可以與手指210相互作用并且反射回傳感器106。 由非平面元件402引起的這些相互作用的效果是增大由傳感器106探測到的信號。在一個實(shí)施例中，傳感器106從被引導(dǎo)到傳感器106中的光產(chǎn)生圖像。由非平面元 件402朝向傳感器106散射的光表現(xiàn)為由傳感器106生成的靜態(tài)圖像。在特定實(shí)施例中， 對于由傳感器106生成的圖像的變化被解釋為手指210在手指界面表面114上的移動。非平面元件402的作用是相對于不具有非平面元件的平面型TIR波導(dǎo)來提高傳感 器106上方的手指峰和谷的吸收和散射的亮度和復(fù)雜度。這種亮度的增加增強(qiáng)了探測運(yùn)動 的能力。非平面元件具有從高到低的折射率變化(例如，從LGF到空氣)。在一個實(shí)施例 中，可以將氣泡或納米球弓I入具有高折射率變化的LGF膜的區(qū)域114中，來作為增加局部靜 態(tài)散射的另一種方式。然而，在一些實(shí)施例中凸塊是優(yōu)選的，因?yàn)橥箟K響應(yīng)于手指而產(chǎn)生的 變化最大。圖4B描繪了關(guān)于手指的指紋峰302和指紋谷304的圖4A的截面圖。在特定實(shí)施例中，當(dāng)手指210接觸手指界面表面114時，指紋峰302與一個或多個非平面元件402直接 接觸，而在指紋谷304處留下小的空氣袋。與非平面元件402相接觸的指紋峰302更改了 LGF 102內(nèi)的光的內(nèi)反射。例如，當(dāng)空氣與非平面元件402如圖4A的情況那樣相鄰時，照射 到非平面元件402的高角度光線404被全內(nèi)反射。而如果指紋峰302與非平面元件402如 圖4B的情況那樣相鄰，高角度光線404至少部分地離開LGF102。這種內(nèi)反射的改變至少部 分地由空氣與指紋峰302之間的折射率差引起。特定光線的內(nèi)反射的改變更改了進(jìn)入傳感 器106的光。因此，由傳感器106生成的圖像也改變。在一個實(shí)施例中，光學(xué)手指導(dǎo)航裝置 100將所生成的圖像的改變解釋為手指210穿過手指界面表面114的運(yùn)動。圖5描繪了包括棱鏡形狀或不規(guī)則的非平面元件502的圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置 100的另一個實(shí)施例的截面圖。不規(guī)則的非平面元件502可以采用任何形狀。在一些實(shí)施 例中，不規(guī)則的非平面元件502可以表現(xiàn)為隨機(jī)的形狀。例如，不規(guī)則的非平面元件502可 以是形成在手指界面表面114上的任意紋理。不規(guī)則的非平面元件502可以在手指界面表 面114上均勻地分布。在另一個實(shí)施例中，不規(guī)則的非平面元件502不在手指界面表面114 上均勻地分布。在一些實(shí)施例中，不規(guī)則的非平面元件502可以由環(huán)境元素構(gòu)成，諸如手指 界面表面114的表面上灰塵或者的油。不規(guī)則的非平面元件502更改LGF 102內(nèi)的光的內(nèi)反射。在一些實(shí)施例中，不規(guī) 則的非平面元件502將至少一部分光散射到LGF 102之外。通過傳感器106檢測朝向傳感 器106散射的光。散射得遠(yuǎn)離傳感器106的光可以照射手指界面表面114并且可以與手指 210相互作用。在一個實(shí)施例中，不規(guī)則的非平面元件502以與上述結(jié)合圖4B描述的其他非平面 元件402相似的方式來與指紋峰302和指紋谷304相互作用。例如，與不規(guī)則的非平面元 件502相接觸的指紋峰302可以吸收在其他情況下將會朝向傳感器106散射的至少一部分 光，而引起由傳感器106檢測的光的改變。圖6描繪了包括密封劑602的圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的另一個實(shí)施例的截 面圖。在一個實(shí)施例中，密封劑602覆蓋傳感器106并且對于傳感器106提供保護(hù)。在特 定實(shí)施例中，密封劑602是允許光從LGF 102傳播通過密封劑602到達(dá)傳感器106的光透 過性材料。在特定實(shí)施例中，密封劑602形成為具有允許其起到透鏡作用的光學(xué)特性。由 密封劑602形成的透鏡可以是折射元件或者菲涅耳透鏡。在另一個實(shí)施例中，密封劑602 附著到LGF 102的底部，而不是傳感器106的頂部。特別地，密封劑602可以與手指接觸區(qū) 域114對準(zhǔn)。因此，對于不同的實(shí)施例，密封劑602的精確位置可以不同，只要在傳感器106 與LGF 102之間的層疊部分中的某些位置存在空氣隙(或者諸如氣凝膠的另一個低折射率 層)。圖7描繪了具有光學(xué)手指導(dǎo)航的便攜式電子系統(tǒng)702的一個實(shí)施例的框圖。便攜 式電子系統(tǒng)702實(shí)施用戶輸入裝置100 (例如，圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100)以幫助用戶 輸入。可以實(shí)施用戶輸入裝置100的實(shí)施例的便攜式電子系統(tǒng)702的示例包括手持通信裝 置，諸如手機(jī)或全球定位系統(tǒng)(GPS)裝置。此外，在便攜式電子系統(tǒng)702的實(shí)施例范圍內(nèi)， 還可以實(shí)現(xiàn)其他類型的電子外圍設(shè)備(諸如個人音樂播放器、個人數(shù)字助手(PDA)、生物指 紋傳感器等)。通過在便攜式電子系統(tǒng)702內(nèi)實(shí)施用戶輸入裝置100的實(shí)施例，用戶輸入裝置100例如能夠有助于用戶輸入，以對用戶輸入裝置100的顯示裝置141上的內(nèi)容進(jìn)行導(dǎo)航。例 如，用戶輸入裝置100可以有助于對顯示裝置704上的導(dǎo)航標(biāo)識符706進(jìn)行控制。導(dǎo)航標(biāo)識 符706可以是光標(biāo)、突出指示(highlighter)、箭頭或其他類型的導(dǎo)航標(biāo)識符706。此外，通 過用戶輸入裝置100接收到的用戶輸入可以有助于其他類型的由用戶控制的功能，包括但 不限于音量控制、音頻回放選擇、瀏覽器控制、生物識別、電子樂器、游戲中的動作等等。可 以由用戶輸入裝置100的實(shí)施例來實(shí)施的由用戶控制的功能的類型取決于由通常由便攜 式電子系統(tǒng)702提供的功能的類型。此外，雖然圖7具體示出了便攜式電子系統(tǒng)702，但是 其他實(shí)施例可以將用戶輸入裝置100實(shí)施到便攜的但是不一定是拿在用戶的手中的電子 裝置或者通常認(rèn)為是不便攜的裝置中。便攜式電子系統(tǒng)702包括光學(xué)導(dǎo)航裝置708。雖然光學(xué)導(dǎo)航裝置708示出為具有 特定的組件并且在這里描述為實(shí)施特定的功能，但是光學(xué)導(dǎo)航裝置708的其他實(shí)施例可以 包括更少或更多的組件以實(shí)施更少或更多的功能。圖示的光學(xué)導(dǎo)航裝置708包括光學(xué)導(dǎo)航電路710和微控制器(uC)712?？偟膩碚f， 光學(xué)導(dǎo)航電路710生成信號，該信號表示在用戶輸入裝置100處的手指或其他導(dǎo)航運(yùn)動。光 學(xué)導(dǎo)航電路710之后將一個或多個信號傳送到微控制器712。從光學(xué)導(dǎo)航電路710傳送到 微控制器712的信號的示例性類型包括基于ΔΧ和ΔΥ相對位移值的通道積分信號。ΔΧ 和ΔΥ位移值可以表示用于指紋識別的特定圖案或者位移、方向和大小的矢量。這些信號 或其他信號可以表示手指與用戶輸入裝置100之間的相對運(yùn)動。光學(xué)導(dǎo)航電路710的其他 實(shí)施例可以將其他類型的信號傳送到微控制器712。在一些實(shí)施例中，微控制器712執(zhí)行各 種功能，包括將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或其他電子裝置(未示出)或從其接收數(shù)據(jù)，或 者對位移值進(jìn)行處理。為了生成導(dǎo)航信號，示出的光學(xué)導(dǎo)航電路710包括驅(qū)動器714、數(shù)字信號處理器 (DSP) 716以及圖像獲取系統(tǒng)(IAS) 718。圖像獲取系統(tǒng)718包括用戶輸入裝置100以及模 擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 722。光學(xué)導(dǎo)航電路710或者圖像獲取系統(tǒng)718的其他實(shí)施例可以包 括更少或更多的組件以執(zhí)行更少或更多的功能。在一個實(shí)施例中，光學(xué)導(dǎo)航電路710的驅(qū)動器714控制光源104的工作，以生成傳 送到手指界面表面114的光信號。驅(qū)動器714可以將光源104控制到幾個不同的亮度水平， 或者，驅(qū)動器714可以與將探測器開/關(guān)信號發(fā)送到傳感器106 —道來為光源104提供脈 沖，由此為了期望的目的而增加系統(tǒng)響應(yīng)功能。如上所述，經(jīng)反射的光信號之后被用戶輸入 裝置100的傳感器106接收和探測。在一個實(shí)施例中，用戶輸入裝置100生成對應(yīng)于傳感器106上的入射光的一個或 多個模擬電信號。用戶輸入裝置100之后將模擬信號發(fā)送到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器722。模 擬_數(shù)字轉(zhuǎn)換器722將電信號從模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并且之后將數(shù)字信號發(fā)送到數(shù)字 信號處理器716。在數(shù)字信號處理器716從模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器722接收到數(shù)字形式的信號之后，數(shù) 字信號處理器716可以使用電信號進(jìn)行額外的處理。如上所述，數(shù)字信號處理器716之后 將一個或多個信號發(fā)送到微控制器712。在一些實(shí)施例中，數(shù)字信號處理器716包括導(dǎo)航引 擎720，以基于手指相對于手指界面表面114的橫向運(yùn)動來生成橫向運(yùn)動信息。導(dǎo)航引擎 720的其他實(shí)施例可以生成其他類型的運(yùn)動信息。
更具體地，在一個實(shí)施例中，用戶輸入裝置100的傳感器106包括由獨(dú)立光探測器 組成的陣列(未示出)，該陣列被構(gòu)造為探測從手指界面表面114上的被照射的點(diǎn)反射的 光，例如，16X 16或32X32個獨(dú)立光探測器的陣列。傳感器106中的每個光探測器生成以 數(shù)字值(例如，8位數(shù)字值)形式輸出的光強(qiáng)信息。通過傳感器106以幀為單位來獲取圖 像信息，其中圖像信息的幀包括一組對于傳感器106中的每個獨(dú)立光電探測器同時獲取的 值。圖像幀獲取和跟蹤的速率可以是可編程的。在實(shí)施例中，圖像幀獲取速率范圍高達(dá)每 秒2300幀，并具有每英寸800點(diǎn)(CPI)的分辨率。雖然提供了幀獲取速率和分辨率的一些 示例，但是可以想到其他的幀獲取速率和分辨率。導(dǎo)航引擎720比較來自傳感器106的前后的圖像幀，以確定幀之間的圖像特征的 移動。特別地，導(dǎo)航引擎720通過對來自傳感器106的前后圖像幀中存在的公共特征進(jìn) 行相關(guān)來確定移動。圖像幀之間的移動表示為例如X和Y方向的運(yùn)動矢量的形式(例如 ΔΧ和ΔΥ)。之后使用運(yùn)動矢量來確定輸入裝置100相對于導(dǎo)航表面的運(yùn)動。在以下文 獻(xiàn)中提供了導(dǎo)航傳感器移動跟蹤技術(shù)的示例的更詳細(xì)的描述，并將它們通過引用全部結(jié)合 在這里題為 “NAVIGATION TECHNIQUE FOR DETECTING M0VEMENT0F NAVIGATION SENSORS RELATIVE TO AN OBJECT” 的美國專利 5，644，139 以及題為 “METHOD OF CORRELATING IMMEDIATELYACQUIRED AND PREVIOUSLY STORED FEATURE INFORMATION F0RM0TING SENSING” 的美國專利 6，222，174。圖8是描繪了用于使用LGF的光學(xué)手指導(dǎo)航的方法800的一個實(shí)施例的流程圖。 雖然特別參照了光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100，但是可以結(jié)合光學(xué)手指導(dǎo)航系統(tǒng)或用戶輸入裝置 來實(shí)施方法800的一些實(shí)施例。在塊802處，光源104產(chǎn)生光。雖然可以采用許多其他類型的光源，但是光源104 可以是發(fā)光二極管(LED)或激光器。在塊804處，光如上所述照射具有手指界面表面114 的LGF 102。LGF 102至少部分地表現(xiàn)出TIR。在塊806處，傳感器106探測從LGF 102朝向傳感器106反射的光。響應(yīng)于手指 210的接觸，傳感器106探測響應(yīng)于由LGF 102表現(xiàn)出的內(nèi)反射的更改而不同的光圖案。在 一些實(shí)施例中，傳感器106檢測由一個或多個指紋峰302和指紋谷304與手指界面表面114 的相互作用而引起的光圖案的更改。在特定實(shí)施例中，傳感器106檢測由一個或多個非平 面元件402與手指210的相互作用而引起的光圖案的更改。在塊808，傳感器106基于所檢 測到的光生成導(dǎo)航信號。圖9是描繪了用于制作使用LGF 102的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的方法的一個實(shí)施 例的流程圖。雖然特別參照光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100，但是方法900的一些實(shí)施例可以與其他 光學(xué)手指導(dǎo)航系統(tǒng)或用戶輸入裝置一道實(shí)施。在塊902處，形成LGF 102?？梢允褂萌魏芜^程來形成LGF 102，包括但不限于輥 至輥擠壓成型、物理沉積、化學(xué)沉積和熔融旋涂(meltspirming)。所使用的特定類型的形 成過程可以由LGF 102的預(yù)期功能來決定。例如，用于制作用于商業(yè)發(fā)光目的的LGF的形 成過程可以與用于制作用于在手機(jī)中照亮按鍵標(biāo)簽的LGF的形成過程不同。在塊904處， 非平面元件402形成在LGF 102上。在一些實(shí)施例中，非平面元件402至少部分地突出于 LGF 102的主表面112之外。在替換實(shí)施例中，非平面元件402包括延伸到LGF 102的主 表面112下方的凹陷?？梢允褂萌魏畏椒▉硇纬煞瞧矫嬖?02，包括但不限于印花、成層(layering)、納米壓印、模制成型、蝕刻、印刷、粘合和噴涂。在一些實(shí)施例中，非平面元件 402可以結(jié)合到手指區(qū)域114中的體膜(bulk film)中，來提供如元件402的描述那樣產(chǎn)生 的相同光學(xué)功能。例如，在一些實(shí)施例中，納米球(例如，小的空氣泡或者藍(lán)寶石球)可以 形成在LGF 102內(nèi)。在納米球(未示出)與LGF 102之間發(fā)生折射率的較大改變，使得光 線發(fā)生更大但靜態(tài)的散射。因此，手指將會引起散射強(qiáng)度的改變。在塊906處，LGF 102被耦合到檢測由非平面元件402散射的光的傳感器106。在 一個實(shí)施例中，LGF 102通過例如使用低折射率粘合劑結(jié)合而耦合到傳感器106。在另一個 實(shí)施例中，LGF 102在低折射率密封劑602位于LGF 102與傳感器106之間的狀態(tài)下耦合 到傳感器106。在一些實(shí)施例中，LGF 102經(jīng)由隔離件206耦合到傳感器106。在塊908處，光源104被耦合成與LGF 102在光學(xué)上連通。光源104可以以允許 光從光源104傳播以進(jìn)入LGF 102的任何方式耦合到LGF102。雖然以特定順序示出并描述了這里的方法的操作，但是可以改變每個方法的操作 順序，以使得可以以相反順序執(zhí)行特定操作或者使得至少可以部分地與其他操作同時執(zhí)行 特定操作。在另一個實(shí)施例中，可以以間歇和/或交替的方式實(shí)施獨(dú)特操作的指令或子操作。雖然已經(jīng)描述并示出了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但是本發(fā)明不限于這里描述和示出 的特定形式或部件布置。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等價范圍所限定。
權(quán)利要求
一種光學(xué)手指導(dǎo)航裝置，包括包括手指界面表面的光導(dǎo)膜(LGF)，其中，所述LGF的至少一部分表現(xiàn)出全內(nèi)反射(TIR)；光源，所述光源與所述LGF在光學(xué)上連通，以將光從所述光源提供到所述手指界面表面；傳感器，其構(gòu)造為響應(yīng)于手指與所述手指界面表面之間的接觸而檢測來自所述LGF的光，其中，所述手指與所述手指界面表面之間的所述接觸在所述傳感器的至少一部分上更改光離開所述LGF到達(dá)所述傳感器的反射；以及導(dǎo)航引擎，其構(gòu)造為響應(yīng)于對于所檢測到的光的更改來產(chǎn)生橫向移動信息，所述橫向移動信息表明所述手指相對于所述傳感器的橫向移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置，其中，所述LGF的厚度在約30微米到約 100微米之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置，其中，所述LGF的所述手指界面表面包括 主表面，所述主表面具有基本平面狀的部分以及至少部分地與所述基本平面狀的部分不共 面的多個非平面元件，其中，所述非平面元件更改所述TIR以將來自所述光源散的光射到 所述LGF之外。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置，其中，所述非平面元件至少部分地突出 到所述主表面的所述基本平面狀的部分之外。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置，其中，所述多個非平面元件包括形成在 所述手指界面表面上的凸塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置，其中，所述多個非平面元件包括形成在 所述手指界面表面上的凹陷部。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置，其中，所述多個非平面元件包括施加到 所述手指界面表面上的任意紋理。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置，其中，所述多個非平面元件在所述手指 界面表面上均勻地分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置，其中，所述多個非平面元件在所述手指 界面表面上不均勻地分布。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置，其中，所述光導(dǎo)膜包括所述光導(dǎo)膜內(nèi)的 多個納米球，以增加所述光導(dǎo)內(nèi)的光的靜態(tài)散射。
11.一種用于制作光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的方法，包括在光導(dǎo)膜(LGF)的手指界面表面上形成多個非平面元件，其中，所述非平面元件至少 部分地突出到所述LGF的基本平面狀的主表面之外，其中所述LGF的至少一部分表現(xiàn)出全 內(nèi)反射(TIR)；將所述LGF耦合到傳感器，所述傳感器構(gòu)造為響應(yīng)于手指與所述手指界面表面之間的 接觸而檢測來自所述LGF的光的圖案改變，其中，所述手指與所述手指界面表面之間的所 述接觸更改所述TIR，以允許來自所述LGF的所述光的一部分在所述手指界面表面的至少 一部分上從所述LGF離開、與所述手指相互作用并且更改到達(dá)所述傳感器的光的圖案；以 及將光源與所述LGF光學(xué)地連通，以將光從所述光源提供到所述手指界面表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過噴涂過程形成所述非平面元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過印刷過程形成所述非平面元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過模制成型過程形成所述非平面元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括設(shè)置在所述LGF與所述傳感器之間的隔離件， 其中所述隔離件將所述LGF支撐為大致離開所述傳感器固定的距離。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述隔離件包括至少一個球形元件。
17.一種具有光學(xué)手指導(dǎo)航功能的便攜式電子系統(tǒng)，所述便攜式電子系統(tǒng)包括顯示器，其包括導(dǎo)航標(biāo)識符；包括手指界面表面的光導(dǎo)膜(LGF)，其中，所述LGF的至少一部分表現(xiàn)出全內(nèi)反射 (TIR)；光源，所述光源與所述LGF光學(xué)地連通，以將光從所述光源提供到所述手指界面表面；光學(xué)手指導(dǎo)航裝置，其構(gòu)造為基于與手指與所述手指界面表面之間的接觸相對應(yīng)的所 檢測的光圖案中的變化而產(chǎn)生導(dǎo)航信號來移動所述導(dǎo)航標(biāo)識符，所述手指與所述手指界面 表面之間的所述接觸在所述傳感器的至少一部分上更改光離開所述LGF到達(dá)所述傳感器 的反射。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的便攜式電子系統(tǒng)，其中，所述LGF的所述手指界面表面包括 主表面，所述主表面具有基本平面狀的部分以及多個非平面元件，所述多個非平面元件至 少部分地突出到所述主表面的所述基本平面狀的部分之外并且至少部分地與所述基本平 面狀的部分不共面，其中，所述非平面元件更改所述TIR，以將來自所述光源的光散射到所 述LGF之外。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的便攜式電子系統(tǒng)，其中，根據(jù)所述LGF與所述手指的指紋峰 相對近似的折射率，所述指紋峰與至少一個所述非平面元件之間的接觸減小了向所述傳感 器的至少部分的光反射，并且，所述光學(xué)手指導(dǎo)航裝置還構(gòu)造為響應(yīng)于對從所述指紋峰與 所述非平面元件的接觸部分反射的光的減小進(jìn)行的探測，來更改所述導(dǎo)航信號。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的便攜式電子系統(tǒng)，其中，相比于從與指紋峰相接觸的第二 非平面元件反射到所述傳感器的光，至少一個指紋谷在至少一個非平面元件上方的布置將 相對更多的光從所述指紋谷下方的所述非平面元件反射到所述傳感器，并且，所述光學(xué)手 指導(dǎo)航裝置還構(gòu)造為響應(yīng)于對相對更多的光從所述指紋谷下方的所述非平面元件反射的 探測，來更改所述導(dǎo)航信號。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有光導(dǎo)膜的光學(xué)指紋導(dǎo)航裝置。光學(xué)指紋導(dǎo)航裝置的實(shí)施例包括具有手指界面表面的光導(dǎo)膜(LGF)、與LGF光學(xué)地連通以將光從光源提供到手指界面表面的光源、傳感器以及導(dǎo)航引擎。LGF的至少一部分表現(xiàn)出全內(nèi)反射(TIR)。傳感器檢測來自LGF的、響應(yīng)于手指與手指界面表面之間的接觸的光，其中手指與手指界面表面之間的接觸更改光離開LGF到達(dá)傳感器的反射。響應(yīng)于手指與手指界面表面之間的接觸，在傳感器的至少一部分處改變由傳感器探測的光。導(dǎo)航引擎構(gòu)造為響應(yīng)于所檢測到的光來生成表明手指相對于傳感器的橫向移動的橫向移動信息。
文檔編號G06K9/00GK101930323SQ20101020870
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
發(fā)明者加里·R·托特 申請人:安華高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司