CN100517198C - 指点装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种指点装置，包括光源、孔径部件和检测器。光源提供入射光，该入射光用于以预定入射角对板的正面进行照射。板具有正面和背面，并对入射光的波长透明。孔径部件具有开口，来自正面的散斑光和来自背面的散斑光穿过该开口。所述散斑光由入射光造成。检测器对穿过开口的散斑光的强度进行检测。开口具有沿形成入射角的方向的纵向尺度，使得来自正面的散斑光和来自背面的散斑光在检测器处彼此重叠。

Description

指点装置
技术领域
本发明一般而言涉及用于对运动进行光学检测的装置。具体地说，本发明涉及用作个人计算机等的***设备的光学指点装置或光学导航装置。
背景技术
目前，已经可以买到非机械式的(即光学的)鼠标器和指点装置。日本专利No.3771081(专利文献1)中公开了一种示例。在这种技术中，用光以较小的入射角(具体地说可以是70°到85°)对操作表面进行照射，并根据表面的微观纹路的亮区和阴影来检测表面的微观纹路。一般常用LED(发光二极管)用于上述光；也可以使用激光二极管，具体地说如使用VCSEL(垂直腔面发射激光器)来提高对微观纹路进行识别的能力。
日本未审查专利申请公开No.2005-50349(专利文献2)公开了一种指点装置，该装置包括光学运动检测电路。这种光学运动检测电路用红外光照射表面并根据从表面反射的光来判定图像之间的相关，从而确定运动量。(包括在指点装置中的)这种运动检测电路通过对参考帧与采样帧之间进行相关来检测预定方向上的运动，所述参考帧是光检测器获得的数字化的反射光输出，所述采样帧是在参考帧之后获得的下一数字化输出。
另外，例如，日本未审查专利申请公开No.2004-246921(专利文献3)中公开的运动检测装置已在可买到的指点装置中采用。该装置包括导航传感器和用于产生相干光的光源(例如激光二极管)。传感器对光源发射的光造成的反射光进行检测，从而确定指点设备(例如鼠标器)的运动量。
但是，当在玻璃表面上使用专利文献2或3中公开的指点设备时，它们可能不能精确操作，或者可能失灵。这是因为玻璃表面一般非常光滑，专利文献2或3中公开的指点设备不能检测到微观纹理，而微观纹理对于指点设备成功地执行检测是必须的。另外，玻璃表面的表面粗糙度大约在几个纳米，这与入射光的波长相比非常小，与光检测器的一个象素相比甚至更小，这也使得很难检测微观纹理。
下面将简要描述前述反射光的信号强度。一般地，为了将从具有一定表面粗糙度的板表面反射的光的强度作为亮/暗图案来进行检测，就需要使亮/暗图案的尺寸大于光波长，并基本上与一个检测所用象素的尺寸相同。
另外，由于玻璃的表面粗糙度约为非常小的几个纳米，所以难以对从这样的表面反射的光的强度改变量执行高灵敏度检测。
对于反射镜，反射光的强度等于入射光的强度。但是对于玻璃等，反射光的强度会取决于其表面的反射系数而改变(反射系数取决于光的偏振方向和入射角)。反射光的平均强度IR表示为：
IR＝R·IIN    (表达式1)
其中R表示反射系数，IIN表示入射光的强度。
从该表面发射的散斑光平均强度Id一般表示为：
Id≈(4πσ/λ)2·IR    (表达式2)
需要一种能够用在光滑板(例如玻璃板)上的指点装置(例如光学鼠标器)。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种指点装置，通过用孔径部件使从板的正面反射的光与从背面反射的光在检测器处相互重叠，该指点装置即使在具有非常小的表面粗糙度的板上也能够精确操作。
具体地说，本发明提供了一种指点装置，包括光源、孔径部件和检测器。光源提供入射光，该入射光用于以预定入射角对板的正面进行照射。板具有正面和背面，并对入射光的波长透明。孔径部件具有开口，来自正面的散斑光和来自背面的散斑光穿过该开口，所述散斑光由入射光造成。检测器对穿过开口的散斑光的强度进行检测。开口具有沿形成入射角的方向的纵向尺度，使得来自正面的散斑光和来自背面的散斑光在检测器处彼此重叠。
与使用反射光的***相比，这样一种使用散斑光的导航***信号水平较小，但是具有即使在具有非常小表面粗糙度的表面上使用时也可以进行检测的优点。
本文中的术语“散斑光”指在由光照射时，物体的正面或背面上的突起或凹陷形成的独特图案造成的光。
指点装置的开口可以具有矩形形状或狭缝形状。指点装置还可以包括透镜，用于使来自光源的入射光会聚或发散。优选地，光源包括激光光源。更优选地，激光光源包括VCSEL。
优选地，指点装置还在孔径部件与板之间包括光学滤波器或透镜。光学滤波器可以阻挡外部光，透镜使得可以从板获得更多的散斑光。这样的布置提高了S/N比(信噪比)并增强了检测灵敏度。
根据本发明，由于不仅利用了由板的正面反射的光，而且利用了由背面反射的光，所以可以提高信号强度。因此，即使在具有非常小的表面粗糙度的板上，该指点装置也可以精确工作，从而提高跟踪性能。
本发明的指点装置不仅可以用在透明板上，而且可以用在普通光学鼠标可以工作的不透明板(例如白板)上。在这种情况下，主要对来自不透明板上表面的散斑光进行检测。
附图说明
图1A的剖视图示出用于实施本发明的指点装置的内部结构，图1B的立体图示出孔径部件的开口形状。
图2A和图2B的示意图各自示出了用于实施本发明的孔径部件的开口形状。
图3的剖视图示出了图1所示指点装置内部结构，以及从板的正面和背面反射的光的路径。
图4A示出了当第一示例中所述CCD捕捉到来自板的正面的散斑光时获得的图像，图4B示出了当第一示例中所述CCD捕捉到来自板的背面的散斑光时获得的图像，图4C示出了当第一示例中所述CCD既捕捉到来自板的正面的散斑光又捕捉到来自板的背面的散斑光时获得的图像。
图5A示出了当CCD经过正方形开口(对应于传统开口)以与图4A相同方式捕捉到来自板的正面的散斑光时获得的图像，图5B示出了当CCD经过正方形开口(对应于传统开口)以与图4B相同的方式捕捉到来自板的背面的散斑光时获得的图像，图5C示出了当CCD经过正方形开口(对应于传统开口)以与图4C相同的方式既捕捉到来自板的正面的散斑光又捕捉到来自板的背面的散斑光时获得的图像。
具体实施方式
图1A示出了用于实施本发明的指点装置1。指点装置1可以包括光源2、透镜3、光检测器(或光传感器)4、以及具有开口的孔径部件5。从光源2发射的光由透镜3会聚或发散。所得的光以预定入射角入射到板6上，从板6反射的光造成的散斑光穿过孔径部件5的开口。散斑光的强度由光检测器4进行检测。
光源2可以是例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。不过光源2不限于这样的激光光源，也可以是任何类型的相干光源。光源2发射的照射光束也不一定必须是准直光，例如激光(但是准直光具有在X轴方向和Y轴方向跟踪特性彼此相等的优点)。即使不使用这样的准直光，也能够使X轴方向和Y轴方向的跟踪特性彼此相等。例如，可以使用具有沿X轴和Y轴延伸的十字形开口的孔径部件(未示出)，并为十字形开口的相应延伸部分设置激光二极管和光检测器(未示出)，两个激光二极管交替开启。采用这样的设置，同时开启两个激光二极管来增大输入光束的功率也能够增强散斑信号水平。
光源2的波长范围可以是从约500nm到约1μm。实际上，适当的波长是根据光检测器4相对于波长的敏感特性来选择的。较长的波长使散斑尺寸增大，这有利于测量，但是如上述表达式2所示会造成散斑强度下降。因此，优选地，也根据散斑尺寸来选择适当的波长。
一般地，散斑尺寸与被照射表面上的斑点尺寸(即焦点尺寸)的倒数成比例，或者与光穿过孔径部件的开口之后散斑光面积的倒数成比例。因此，对透镜3进行调整，使得出现在被照射表面上的斑点(即焦点)可以使斑点尺寸尽可能大。在散斑尺寸大于光检测器4的象素尺寸时这不是什么大问题，但是当散斑尺寸小于象素尺寸时，信噪比可能变坏。另外，尽管对透镜3的调整使得出现在被照射表面上的斑点(即焦点)使散斑尺寸尽可能大，但是也可能会出现导航功能不起作用的问题。
因此，实际上，采用在某种程度上在空间上偏离准直光的光而不是用准直光时，可以预料整个***(包括指点装置)的功能有所提高。在此情况下，采用在空间上偏离准直光的光时，工作表面上的斑点尺寸增大，散斑尺寸减小。为了减小散斑尺寸减小造成的影响，优选为对孔径部件5的开口尺寸进行优化。
将孔径部件5与光学滤波器一同使用可以消除或减小从玻璃表面下方入射的外部光(例如环境光)的影响。
可以用透镜3视情况或者选择性地对光源2发射的照射光束进行调整，使得照射光束的斑点在到达板6时具有期望的尺寸(在约0.1mm到约3mm的范围内)。
光检测器4可以用具有矩阵式布置的多个光接收元件(象素)的装置来实现。这种器件的示例包括CMOS(互补金属氧化物半导体)成像器和CCD(电荷耦合器件)。或者，光检测器4也可以用长度方向沿X轴的条状传感器和长度方向沿Y轴的条状传感器来实现。
图1B是示出图1A所示指点装置1中所用孔径部件5的开口形状的立体图。在图1A和图1B中，为了清楚起见，标号“X”表示孔径部件5的开口延伸的方向，并在文中将开口延伸方向的尺度称为“纵向尺度”。如图1A和图1B所示，孔径部件5布置在板6与光检测器4之间，使得孔径部件5的开口沿着由光源2发射并以预定入射角入射的光行进的方向延伸。以这种方式布置孔径部件5使光检测器4的相同光接收元件(象素)可以既接收到来自板6正面(即上表面)的散斑光，又接收到来自板6背面(即下表面)的散斑光。由此，即使在板6的表面粗糙度非常小时也可以获得较大的散斑信号。
图2A和图2B示出了孔径部件5的开口的示例。孔径部件5的开口可以具有狭缝形状，例如图2A所示的形状，沿横向的边不是直的，而是圆的，纵向尺度为a，横向尺度为b。或者，孔径部件5的开口也可以具有图2B所示的纵向尺度为a、横向尺度为b的矩形形状。
使用图2A或图2B所示孔径部件5使得来自板6正面的散斑光和来自其背面的散斑光可以在光检测器4的光接收元件(象素)处彼此重叠。因此，可以获得强度更高的散斑光。
穿过孔径部件5的开口到达光检测器4的光在光检测器4的光接收元件处具有的形状反映了孔径部件5的开口形状(这点将在下面说明并示于图4A到图4C中)。因此，为了有效地利用光检测器4中包括的(矩形)象素，优选地使孔径部件5的开口具有如图2B所示的矩形形状。
还优选地使得孔径部件5的开口横向尺寸b与光检测器4的光接收表面宽度基本上相同。增大开口的横向尺寸b可以提高表示信号强度的信噪比，因为光检测器4接收的光量增大，但是散斑尺寸减小了。因此，当光检测器4中包括的各个光接收元件较大时，由于散斑光的改变被各个象素平均掉了，所以信噪比可能变坏。
例如，在图3中，优选地使距离L1处于3mm到20mm范围内，距离L2处于2mm到10mm范围内，入射角α处于30°到70°范围内，孔径部件5的开口横向尺寸约为1mm，而开口的纵向尺寸在2mm到4mm范围内。
例如，可以在孔径部件5与板6之间再***用于阻挡外部光的光学滤波器(未示出)，或者用于从板6获得更多散斑光的透镜(未示出)。在存在环境光的情况下，光学滤波器是实现操作所必须的。
本发明的指点装置1在光检测器的相同接收元件(象素)处不仅可以检测来自板6正面的散斑光信号分量，而且可以检测来自板6背面的散斑光信号分量。因此，可以将光检测器4检测到的信号强度增加到约2倍。对于许多玻璃桌，只有玻璃的正面(即上表面那侧)受到研磨。因此，在许多情况下，玻璃背面的表面粗糙度大于正面，于是由来自背面的散斑光获得的信号一般比从正面获得的信号更强。另外，当正面上有指纹、尘埃等时，散斑光的强度增大。
现在将对来自正面的散斑光和来自背面的散斑光在光检测器4处彼此重叠的情况下，对光接收元件(象素)处的信号强度进行确定的方法进行简要说明。由于散斑光，光检测器4可以获得称为“参考帧”的数字化象素输出。在参考帧之后，光检测器4获得称为“采样帧”的数字化象素输出。这些象素输出被储存在存储器(未示出)中。用这些象素输出来计算象素之间的亮/暗图案以及光量。当计算值是预定值或更小时，判定为指点装置位于范围之外，即位于离板6预定距离之外。否则，判定为指点装置处于离板6预定距离之内，从而处于跟踪模式中。在此情况下，计算参考帧与采样帧之间的相关值，估计并输出参考帧与采样帧之间的位移量Δx和Δy。
然后对是否改变参考帧进行判定，并在需要时获取新的参考帧。此后，再次进行上述处理(即获取采样帧)，然后重复上述相同的操作和测量。
现在将对在玻璃板6上使用指点装置1的示例进行说明。应当注意，板6的材料不限于玻璃，而可以是对于从光源2发射的光波长透明的任何材料。
(实施例)
下面将参考图3说明根据本发明的指点装置1的一种示例。指点装置1的光源2由波长665nm的VCSEL实现。使光源2发射的照射光束通过透镜3以入射角α(约50°)入射到玻璃板6上。使用厚度为10mm的玻璃板作为板6。使用具有1024×768象素阵列、每个象素的每条边长度为4.6μm的CCD作为光检测器4来接收来自板6的散斑光。使用如上所述并如图2A所示的孔径部件5，孔径部件5的开口纵向尺度a为2mm，其横向尺度b为1mm。
玻璃板6的正面与孔径部件5之间的距离L1为8mm，孔径部件5与光检测器4的光接收表面之间的距离L2为4mm。这些距离不是限制性的，因此可以有其他的值。
在图3所示的示例中，尽管光检测器4设置成平行于工作表面(即板的表面)，但本发明不限于这种情况。例如，光检测器4的定向可以根据从工作表面反射的光的角度进行调整。尽管图3图示的结构中光检测器4和孔径部件5布置在工作表面上方并沿着与之基本垂直的方向，但是本发明不限于这种情况。例如，光检测器4和孔径部件5可以布置成与工作表面并非成直角的角度。
平均散斑尺寸由f(f数)×λ(波长)给出，并且在图3所示的装置结构中约为8μm。即使光检测器4的象素尺寸大于散斑尺寸，光检测器4仍然可以工作；但是光检测器4的检测灵敏度(即信噪比)可能在某种程度上变坏。
图4A到图4C示出了在满足图3所示条件时，光检测器4获得的散斑光信号强度的图像。应当注意，为使图像清晰，这些图像被图示成与实际图像的正负(黑白)区域相反的情况(即，图像中的黑色部分具有更高的光强度)。
在图4A中，图像4a是在光检测器4检测到从板6正面反射的光时获得的，实线包围的区域40a表示来自正面的散斑光。在图4B中，图像4b是在光检测器4检测到从板6背面反射的光时获得的，虚线包围的区域40b表示来自背面的散斑光。在图4C中，图像4c是在从玻璃板6正而和背面反射的光彼此重叠时获得的，实线和虚线包围的区域40c表示来自正面和背面的散斑光彼此重叠的部分。如图4C所示，孔径部件5使来自板6正面和背面的散斑光在光检测器4处彼此重叠。因此，与只检测来自正面的散斑光的情况相比，提高了光检测器4的检测灵敏度(信噪比)。因此，即使在由玻璃等制成的光滑透明的板6上使用，这种结构也使得可以根据来自板6的散斑光精确地检测指点装置1的运动。
相比之下，图5A到图5C示出了用与传统开口对应的正方形开口(每条边1mm)来对同一板6的同一表面部分进行测量的结果。在图5A中，图像5a是在光检测器4检测到从板6正面反射的光时获得的，实线包围的区域50a表示来自正面的散斑光。在图5B中，图像5b是在光检测器4检测从到板6背面反射的光时获得的，虚线包围的区域50b表示来自背面的散斑光。图5C所示的图像5c是在从玻璃板6的正面和背面反射的光彼此重叠时获得的。由图5C可以明显看到，采用与传统开口对应的开口，来自板6正面的散斑光50a和来自背面的散斑光50b彼此不重叠。
来自正面和背面的散斑光是否彼此重叠取决于板6的厚度。但是，考虑到桌子等所用的玻璃板厚度通常为10mm到15mm，来自正面和背面的散斑光不会经过正方形开口(对应于传统开口)彼此重叠。因此，根据本发明的孔径部件5提供了很大的优点。
上面的示例中进行的说明的是使用具有一个开口的孔径部件5的情况，该开口有纵向尺度和横向尺度。但是，孔径部件5不限于上述布置，而可以是例如具有多个圆形或方形开口的孔径部件，这些圆形或方形开口沿着与孔径部件5的上述开口延伸的方向相同的方向布置。
考虑到通常玻璃板的厚度(在10mm到15mm范围内)，通常为提高信噪比而设置在玻璃板与光学检测器之间的针孔孔径不能使从正面反射的光与从背面反射的光在光检测器的相同光接收元件处得到接收(即不能使从正面反射的光和从背面反射的光在光接收元件处彼此重叠)。具有沿一个方向延伸的开口(例如具有椭圆形开口)的光学鼠标器也是可以买到的。但是，那些光学鼠标器形成开口是为了从板表面向光接收元件引入较大量(以倾斜角度进入开口的)反射光，而不是设计来使来自板的正面和背面的散斑光(散射光)在光接收元件处彼此重叠的。
为了测量来自板的正面和背面的散斑光，可以使用具有较大开口的孔径部件，或者可以消除孔径部件本身。但是，在此情况下，尽管可以测量来自两个表面的散斑光，但是散斑光的对比度会由于背景光(例如环境光)而降低。这对于使用光学滤波器(光学带通滤波器)的情况也成立。因此，考虑到提高散斑光的对比度，就需要某种类型的孔径部件。在上述示例中，既使用光学滤波器又使用孔径部件使得可以防止背景光(例如环境光)造成对比度降低。
尽管上文已经说明了用于实现本发明的指点装置1，但是应当明白，那些具体装置结构仅仅是示意性的。本领域技术人员应当明白，也可以采用除了上述之外的各种装置结构来实现由权利要求限定的本发明。

Claims (7)

1.一种指点装置，包括：
光源，用于提供入射光，所述入射光以预定入射角照射板的正面，所述板具有所述正面和背面并且对所述入射光的波长透明；
孔径部件，具有开口，来自所述正面的散斑光和来自所述背面的散斑光穿过所述开口，所述散斑光由所述入射光造成；以及
检测器，用于对穿过所述开口的所述散斑光的强度进行检测；
所述指点装置的特征在于，所述开口具有沿形成所述入射角的方向的纵向尺度，使得来自所述正面的散斑光和来自所述背面的散斑光在所述检测器处彼此重叠。
2.根据权利要求1所述的指点装置，其中，所述开口具有矩形形状或狭缝形状。
3.根据权利要求1或2所述的指点装置，还包括透镜，用于使来自所述光源的所述入射光会聚或发散。
4.根据权利要求1或2所述的指点装置，其中，所述光源包括激光光源。
5.根据权利要求4所述的指点装置，其中，所述激光光源包括垂直腔面发射激光器。
6.根据权利要求1或2所述的指点装置，还包括位于所述孔径部件与所述板之间的光学滤波器或透镜。
7.根据权利要求1所述的指点装置，其中，所述装置还可以检测来自对所述入射光的波长不透明的板的表面的光。
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