JP2006268852A - 小型で背丈の低い光ナビゲーションデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】携帯機器向けの背丈の低いポインティングデバイスを提供すること。
【解決手段】指の隆線のような表面テクスチャの撮影画像を比較することにより、指のような光学的平面ではない表面の相対移動を検出する光ナビゲーションデバイス。ハウジングの中に光源とセンサアレイを近接配置する。センサアレイは基板に取り付けられる。撮影すべき表面とセンサアレイの間にレンズアレイを配置し、ユーザの指の表面のような表面の一対一画像を二次元センサアレイ上に形成する。マイクロレンズアレイをセンサアレイの各画素に対応するように設計し、あるいは、レンズアレイの各要素を使用してセンサの画素のグループをカバーする。マイクロレンズアレイは、画像がセンサアレイ上に形成されるような位置に配置され、あるいは、画像の焦点が表面から外れるような空間的平面に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は光学入力装置に関する。

可搬携帯電子機器のかつてない普及に伴ない、小型で低コストなポインティングデバイスの必要性が急増している。光学マウスの内部に使用される光ナビゲーション技術は、精度、信頼性、及び、自由度において、他の解決手段に比べて多くの利点を持つ。しかしながら、従来のマウスセンサは大きすぎて、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）のような携帯電子機器に使用することができない。

光学マウスセンサは、ナビゲーション表面からの反射によって得られた撮影画像間の変化をトラッキングすることにより、相対移動を検出する。ナビゲーション画像は、発光ダイオード（ＬＥＤ）によって斜めに照明された表面上の影と光のパターンである場合もあれば、コヒーレント光源を使用してナビゲーション表面に形成された回折像又は斑点である場合もある。光学マウスの心臓部は、光源、画像センサ、及び例えば撮像レンズのような光学部品（光学部品を更に含む場合もあれば含まない場合もある）からなるナビゲーションモジュールである。例えばＬＥＤやレーザのような光源を使用して、ナビゲーション表面を照らしながら、光学部品の撮像部により、ナビゲーション画像が画像センサアレイ上に形成される。撮像レンズは一般に、ナビゲーション画像を二次元センサアレイ上に形成するのに使用される。一般的なマウスセンサモジュールのサイズは非常に大きく、特に高さが高い。デスクトップコンピュータのマウスのような用途における光ナビゲーション技術の普及において、モジュールサイズが大きいことは問題にならなかった。しかしながら、この技術を携帯電話やＰＤＡのような形態電子機器に応用する場合、モジュールサイズが大きいことは普及の妨げとなる。携帯電子機器の場合、２ｍｍ程度の厚さのポインティングデバイスが望ましいのに対し、通常のマウスセンサモジュールでは、ナビゲーション表面とセンサとの間に１０ｍｍ以上の隙間が必要となる。

従来の光学マウスセンサは大きすぎて、特に、装置アセンブリの高さが原因で、携帯電話のような携帯電子機器に組み込むことができない。一般的な光学マウスセンサでは、ナビゲーションに必要な撮影条件を確保するために、ナビゲーション表面と画像センサとの間に１４ｍｍ以上の隙間が必要となる。現行のモジュール設計によれば、撮影機能は、単一のレンズ要素によって実施されるのが一般的である。ナビゲーション表面と画像センサとの間の最小間隔は、センサの画素サイズ、アレイサイズ、光学的効率（即ち、Ｆ番号）、及び、所望の光学倍率によって制限を受ける。

従来のマウスセンサモジュールの高さは、主として撮像光学部品の高さによって制限を受ける。一般的には、一枚のプラスチック成形レンズを単位倍率で使用し、５０μｍピッチの２０×２０画素の二次元センサが使用される。最初の要件として、一対一の撮影を実現するためには、ナビゲーション表面とセンサの間の間隔は、撮像レンズの焦点距離の４倍になるであろう。ナビゲーション表面とセンサの間の間隔が短くなるのに従って、撮像レンズの焦点距離も短くしなければならない。そのため理論上は非常に短い焦点距離のレンズを設計することも可能であり、従って、センサとナビゲーション表面との間の隙間を２ｍｍ近くにすることも可能であるが、実際には、妥当な光収集効率を得るために、レンズの開口サイズを考慮しなければならない。レンズ焦点距離とレンズの直径の比率は、レンズのＦ番号と呼ばれる。実際には、良好な画像品質で広い視野をカバーすることが可能な、１未満のＦ番号を持つ単一要素の屈折レンズを作成することは難しい。そのため、一般的な光学マウスセンサモジュールでは、センサとナビゲーション表面との間に１０ｍｍ以上の隙間が必要となる。

従って、本発明の１つの目的は、背丈の低いポインティングデバイスを提供することである。

指の隆線のような表面テクスチャの撮影画像を比較することにより、指のような光学的平面ではない表面の相対移動を検出する光ナビゲーションデバイス。ハウジングの中に、光源とセンサアレイを近接配置する。センサアレイは基板に取り付けられる。撮影すべき表面とセンサアレイとの間にレンズアレイを配置し、ユーザの指の表面のような表面の一対一画像が二次元（２Ｄ）センサアレイ上に形成されるようにする。マイクロレンズはセンサアレイの各画素に対応するように設計され、あるいは、レンズアレイの各要素を使用してセンサの画素グループをカバーする。マイクロレンズは、画像がセンサアレイ上に形成される位置に配置され、あるいは、画像の焦点が表面から外れるような空間的平面に形成される。

図１に示すように、本発明の一実施形態では、従来の光ナビゲーションデバイスにおける単一の撮像レンズに代えて、レンズアレイを使用する。ハウジング８の中に、光源１０とセンサアレイ１２を近接配置する。センサアレイ１２は基板１３（例えばプリント回路基板（ＰＣＢ））に取り付けられる。レンズアレイ１４は、光源１０から発せられた光が表面２０で反射されるような位置に配置される。レンズアレイ１４は、Ｍ×Ｎ個の要素を有する。ただし、Ｍ＞１、Ｎ≧１である。レンズアレイ１４は、表面２０からの反射光を収集し、その下にある二次元センサアレイ上にパターンを形成する。例えば、ＬＥＤを光源１０として使用した場合、レンズアレイ１４を使用すれば、例えばユーザの指の表面のような表面の画像を形成することができる。図２Ａ〜図２Ｃに示すように、レンズアレイ１４の各要素がセンサアレイの各画素に対応するように設計される場合もあれば（図２Ｂ）、レンズアレイの各要素を使用してセンサの画素グループをカバーする場合もあり（図２Ｂ）、あるいは、レンズアレイの各要素を使用してセンサの１つの画素領域の一部をカバーする場合もある（図２Ｃ）。レンズアレイ１４は、表面２０の画像がセンサアレイ上に形成されるような位置に配置することができ、又は、表面２０とは空間的に異なる平面における画像がセンサアレイ上に形成されるような位置に配置される。

光学レンズ１６は、光源１０と表面２０の間に配置され、表面２０において出力ビームは実質的に平行化される。光が、例として描かれている。本発明の概念は、約１ナノメートル（ｎｍ）〜約１メートル（ｍ）の波長範囲にわたる電磁放射を含むように拡張することができる。

デバイスの全高を大幅に低くできる理由は、単一レンズ要素の場合のＦ番号を維持したまま、レンズアレイ１４の各要素の焦点距離を非常に短くすることができるからである。

光源１０には、レーザダイオードや面発光レーザのようなコヒーレント光源が使用される。あるいは、光源には、非コヒーレント光源、若しくは、発光ダイオード（ＬＥＤ）や広帯域光源のような準コヒーレント光源を使用することもでき、広帯域光源は光学フィルタを備えていてもいなくてもよい。この実施形態では、光源１０がハウジング８の中に収容されているように描かれているが、例えば周辺光（環境光）のような外部光源を使用して表面を照らしてもよい。また、表面が、例えばエレクトロルミネッセンスのような蛍光材料を有する場合のように、表面それ自体が自己発光するものであってもよい。

レンズアレイ１４は、屈折性要素から構成されるものであっても、回折性要素から構成されるものであってもよく、複合型の要素から構成されるものであってもよい。

センサアレイ１２には、電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）の撮像アレイが使用される。センサアレイ１２は、レンズアレイによって形成されたパターンを撮影する位置に配置されることが望ましい。このパターンは、表面に直接対応するものであってもよいし、表面情報からの導出物（例えば、表面からの反射光によって生成される斑点パターンや干渉縞）であってもよい。

本発明によれば、異なる光学設計概念を使用することにより、表面とセンサアレイの間に必要とされる隙間を大幅に短くすることができ、従って、ナビゲーションモジュールの全高を低くすることができる。

図１に示すように、複数要素のレンズアレイを使用することにより、同じセンサアレイを使用した単一レンズの光学特性（例えばＦ番号）と同じ光学特性を維持したまま、表面からセンサアレイまでの距離を劇的に短縮することができる。

撮像レンズの光収集効率は、単一要素レンズの場合の光収集効率と同じ又はそれ以上に設計することができる。マイクロレンズアレイは、各要素がセンサアレイの１つの画素に対応するように設計してもよいし、各要素が画像をセンサの画素グループにマッピングするように設計してもよいし、センサの各画素がレンズ要素のグループに対応するように設計してもよい。

マイクロレンズアレイの製造は種々の方法によって行うことができ、例えば、エッチング、リフロー、複製、又は、モールディングによって行うことができる。本発明の一実施形態によれば、レンズアレイはウェハレベルでセンサアレイに一体化される。他の実施形態において、レンズアレイは表面とセンサの間に配置された独立した要素にする場合がある。

本発明の種々の例示的実施形態を以下に列挙する。
１．ハウジングと、
Ｎ＞１、Ｎ≧１として、表面から電磁波を収集するための要素のＭ×Ｎアレイと、
前記電磁波を受信するためのセンサアレイを有し、第１の軸及び第２の軸に沿った方向の相対移動を判定する移動検出回路と
からなる装置。
２．前記電磁波は、可視光、赤外線、マイクロ波、音波からなるグループの中から選択される、１に記載の装置。
３．前記ハウジングの中に配置され、電磁波を前記表面に向けて放射する光源を更に含む、２に記載の装置。
４．前記Ｍ×Ｎアレイの各要素は、前記センサアレイにおけるセンサの少なくとも一部に対応する、３に記載の装置。
５．前記Ｍ×Ｎアレイの各要素は、前記センサアレイにおける単一のセンサに対応する、３に記載の装置。
６．前記Ｍ×Ｎアレイの各要素は、前記センサアレイ内のセンサのグループに対応する、３に記載の装置。
７．前記光源は可視光又は赤外線を放射する、３に記載の装置。
８．前記Ｍ×Ｎアレイの各要素はレンズである、７に記載の装置。
９．前記レンズは、屈折性、回折性、又は複合型の要素である、８に記載の装置。
１０．前記光源は、コヒーレント光源、準コヒーレント光源、及び非コヒーレント光源のうちのいずれか１つである、３に記載の装置。
１１．前記光源はコヒーレント光源であり、該コヒーレント光源は、レーザダイオード及び面発光レーザからなるグループの中から選択される、１０に記載の装置。
１２．前記光源は非コヒーレント光源又は準コヒーレント光源であり、該光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）及び広帯域光源からなるグループの中から選択される、３に記載の装置。
１３．前記センサアレイは、ＣＣＤ撮像素子及びＣＭＯＳ撮像素子のうちのいずれか一方である、３に記載の装置。
１４．前記表面のパターンを前記センサアレイ上に形成する位置に配置されたＭ×Ｎアレイを更に含む、３に記載の装置。
１５．前記表面とは空間的に異なる平面の画像を前記画像センサ上に形成する位置に配置されるＭ×Ｎアレイを更に含む、３に記載の装置。
１６．前記パターンは、斑点、回折像、及び、表面画像からなるグループの中から選択される、３に記載の装置。
１７．電磁気発生源を表面に向けて使用するステップと、
Ｍ＞１、Ｎ≧１として収集要素のＭ×Ｎアレイを使用することにより表面の反射に対応するパターンを形成するステップと、
センサアレイを使用して一連のパターンを検出するステップと、
前記パターンを分析し、相対移動を判定するステップと、
からなる方法。
１８．前記電磁気発生源は、光波長範囲の光を放射し、前記パターンは、斑点、回折像、及び表面画像からなるグループの中から選択される、１７に記載の方法。
１９．前記光源は、レーザダイオード及び面発光レーザからなるグループの中から選択されたコヒーレント光源である、１８に記載の方法。
２０．前記光源は、非コヒーレント光源及び準コヒーレント光源のうちのいずれか一方であり、前記光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）及び広帯域光源からなるグループの中から選択される、１８に記載の方法。
２１．前記センサアレイは、ＣＣＤ画像アレイ及びＣＭＯＳ画像アレイのうちのいずれか一方であり、
前記Ｍ×Ｎアレイはレンズアレイである、１７に記載の方法。
２２．前記Ｍ×Ｎアレイは、前記表面からのパターンを前記センサアレイ上に形成する位置に配置される、２１に記載の方法。
２３．前記Ｍ×Ｎアレイは、前記表面とは空間的に異なる平面における画像を前記センサアレイ上に形成する位置に配置される、２１に記載の方法。

本発明の一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態を示す図である。

Claims (23)

1. ハウジングと、
   Ｎ＞１、Ｎ≧１として、表面から電磁波を収集するための要素のＭ×Ｎアレイと、
   前記電磁波を受信するためのセンサアレイを有し、第１の軸及び第２の軸に沿った方向の相対移動を判定する移動検出回路と
   からなる装置。
2. 前記電磁波は、可視光、赤外線、マイクロ波、音波からなるグループの中から選択される、請求項１に記載の装置。
3. 前記ハウジングの中に配置され、電磁波を前記表面に向けて放射する光源を更に含む、請求項２に記載の装置。
4. 前記Ｍ×Ｎアレイの各要素は、前記センサアレイにおけるセンサの少なくとも一部に対応する、請求項３に記載の装置。
5. 前記Ｍ×Ｎアレイの各要素は、前記センサアレイにおける単一のセンサに対応する、請求項３に記載の装置。
6. 前記Ｍ×Ｎアレイの各要素は、前記センサアレイ内のセンサのグループに対応する、請求項３に記載の装置。
7. 前記光源は可視光又は赤外線を放射する、請求項３に記載の装置。
8. 前記Ｍ×Ｎアレイの各要素はレンズである、請求項７に記載の装置。
9. 前記レンズは、屈折性、回折性、又は複合型の要素である、請求項８に記載の装置。
10. 前記光源は、コヒーレント光源、準コヒーレント光源、及び非コヒーレント光源のうちのいずれか１つである、請求項３に記載の装置。
11. 前記光源はコヒーレント光源であり、該コヒーレント光源は、レーザダイオード及び面発光レーザからなるグループの中から選択される、請求項１０に記載の装置。
12. 前記光源は非コヒーレント光源又は準コヒーレント光源であり、該光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）及び広帯域光源からなるグループの中から選択される、請求項３に記載の装置。
13. 前記センサアレイは、ＣＣＤ撮像素子及びＣＭＯＳ撮像素子のうちのいずれか一方である、請求項３に記載の装置。
14. 前記表面のパターンを前記センサアレイ上に形成する位置に配置されたＭ×Ｎアレイを更に含む、請求項３に記載の装置。
15. 前記表面とは空間的に異なる平面の画像を前記画像センサ上に形成する位置に配置されるＭ×Ｎアレイを更に含む、請求項３に記載の装置。
16. 前記パターンは、斑点、回折像、及び、表面画像からなるグループの中から選択される、請求項３に記載の装置。
17. 電磁気発生源を表面に向けて使用するステップと、
    Ｍ＞１、Ｎ≧１として収集要素のＭ×Ｎアレイを使用することにより表面の反射に対応するパターンを形成するステップと、
    センサアレイを使用して一連のパターンを検出するステップと、
    前記パターンを分析し、相対移動を判定するステップと、
    からなる方法。
18. 前記電磁気発生源は、光波長範囲の光を放射し、前記パターンは、斑点、回折像、及び表面画像からなるグループの中から選択される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記光源は、レーザダイオード及び面発光レーザからなるグループの中から選択されたコヒーレント光源である、請求項１８に記載の方法。
20. 前記光源は、非コヒーレント光源及び準コヒーレント光源のうちのいずれか一方であり、前記光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）及び広帯域光源からなるグループの中から選択される、請求項１８に記載の方法。
21. 前記センサアレイは、ＣＣＤ画像アレイ及びＣＭＯＳ画像アレイのうちのいずれか一方であり、
    前記Ｍ×Ｎアレイはレンズアレイである、請求項１７に記載の方法。
22. 前記Ｍ×Ｎアレイは、前記表面からのパターンを前記センサアレイ上に形成する位置に配置される、請求項２１に記載の方法。
23. 前記Ｍ×Ｎアレイは、前記表面とは空間的に異なる平面における画像を前記センサアレイ上に形成する位置に配置される、請求項２１に記載の方法。
    

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