JP2012195585A - 光学ナビゲーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体検出感度の低下を抑制し、小型な光学ナビゲーション装置を提供する。
【解決手段】光学ナビゲーション装置１００は、上面に物体１０２が位置する装置表面部１０８と、装置表面部１０８の下方に配置され、物体に対して照射光１０３からなる第一光錐を第一光軸に沿って第一光学構造部を通過させて照射する光源１０１と、装置表面部１０８の下方に配置され、照射光１０３からなる第一光錐が上記物体に反射することによって生じた反射光１０４からなる第二光錐を第二光軸に沿って第二光学構造部を通過させて検出し、当該検出した反射光の空間強度プロファイルを得る光センサと、を備え、上記第一光軸と上記第二光軸との交差点が、装置表面部１０８の下方に位置する、という構成をとる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学ナビゲーション装置にかかり、特に、小型、かつ、検出感度が低下することなく所望の狭い検出範囲を有する光学ナビゲーション装置に関する。

光学ナビゲーション装置は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）を通してユーザ入力を必要とする電子機器の構成要素として不可欠である。ここで、既存の光学ナビゲーション装置は、検出範囲外にある場合も、常に、可能な限り反射された光を受光する光センサを有する。

米国特許第７５１１８２５号明細書

一方で、既存の光学ナビゲーション装置においては、物体の検出範囲が重要な検討事項とされるべきである。つまり、既存の光学ナビゲーション装置においては、物体の検出範囲は、使用可能な範囲に限定する必要がある。ここで、物体の検出範囲を限定する方法として、例えば、電気的に検出感度を低下させることが行われている。

しかしながら、電子的方法ではなく光学的方法で、物体の検出感度が低下することなく、物体の検出範囲を使用範囲に限定することができる小型な光学ナビゲーション装置が望まれている。

本発明の一形態である、所定の物体からの入力を受け付ける光学ナビゲーション装置は、
上面に上記物体が位置する装置表面部と、
上記装置表面部の下方に配置され、上記物体に対して照射光からなる第一光錐を第一光軸に沿って第一光学構造部を通過させて照射する光源と、
上記装置表面部の下方に配置され、上記照射光からなる第一光錐が上記物体に反射することによって生じた反射光からなる第二光錐を第二光軸に沿って第二光学構造部を通過させて検出し、当該検出した反射光の空間強度プロファイルを得る光センサと、
を備える。
そして、上記第一光軸と上記第二光軸との交差点が、上記装置表面部の下方に位置する、という構成をとる。

そして、上記光学ナビゲーション装置では、さらに上記光センサに電気的に接続された演算処理部を備え、当該演算処理部は、上記光センサによって得られた上記空間強度プロファイルの変化を、上記物体の動きを表す情報に変換する、
という構成をとる。

また、上記光学ナビゲーション装置では、上記光源は、コヒーレント光を照射するレーザ照射装置にて構成される、という構成をとり、当該レーザ照射装置は、例えば、ＶＣＳＥＬ（vertical cavity surface-emitting laser）である。また、上記光源は、例えば、波長が８５０ｎｍである光を照射する、という構成をとる。

また、上記光学ナビゲーション装置では、上記光センサは、複数の光検出素子を有する光検出素子アレイにて構成されていてもよい。また、上記空間強度プロファイルは、スペックルパターンにて形成されていてもよい。また、上記第二光学構造部は、開口部にて形成されていてもよく、レンズ、プリズム、ミラーアセンブリ、又は、光センサに反射光の空間的に分離した一部をそれぞれ独立して伝達する複数の導光構造部、にて構成されていてもよい。

また、上記光学ナビゲーション装置では、上記装置表面部は、上記光源によって照射された光を選択的に伝達する部材にて構成されたウィンドウプレートの最も外側に位置する外面にて形成されている、という構成をとる。そして、上記ウィンドウプレートは、不可視光帯域の光のみを伝達する、という構成であってもよい。

さらに、上記光学ナビゲーション装置は、携帯電話機などの電子機器に搭載可能であり、このとき、上記光学ナビゲーション装置の上記装置表面部が、電子機器の筺体表面に配置されて構成されているとよい。

本発明は、以上のように構成されることにより、電子的方法ではなく光学的方法で、物体の検出感度が低下することなく、物体の検出範囲を使用範囲に限定することができると共に、小型化を図ることができる光学ナビゲーション装置を提供することができる。

本発明に関連する光学ナビゲーション装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態１における幾何光学の観点から見た光学ナビゲーション装置の構成を示す概略図である。 図２に開示した光学ナビゲーション装置の上面概略図である。 本発明の実施形態２における光学ナビゲーション装置の構成を示す図である。 図４に開示した光学ナビゲーション装置における、光センサによって受光された相対強度と、装置表面部から物体の外面までの垂直距離と、の関係を示すグラフである。

以下、本願における光学ナビゲーション装置の実施形態の詳細を説明する。但し、本願における光学ナビゲーション装置の理解に特に重要ではないいくつかの構成については、明白であるため開示しておらず、かかる構成は、いわゆる当業者において自明である。

また、本願において開示する光学ナビゲーション装置は、以下に説明する実施形態の内容に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内において、いわゆる当業者によって種々の変更や改良が可能である。例えば、本発明の技術的思想の範囲内において、異なる実施形態において開示した要素や特徴は、相互に組み合わせたり、相互に置換してもよい。

＜実施形態１＞
図１は、本願の第１の実施形態における光学ナビゲーション装置の構成を示している。図１に示すように、本実施形態における光学ナビゲーション装置１００は、装置表面部１０８上に配置される物体の動きを検出するよう構成されている。そして、光学ナビゲーション装置１００は、照射光１０３の光錐によって装置表面部１０８上に位置する物体１０２の外面を照光する光源１０１を備えている。

ここで、本実施形態において、上記物体１０２は、例えばユーザの指であり、当該物体１０２の外面は、照射光１０３を反射する。そして、反射光１０４の一部は、開口部１０５を通過して、光源１０１から照射された光の波長を含む帯域において感度が良好な光センサ１０６へと進む。なお、物体１０２の外面による反射は、鏡面反射、散乱反射、又は、これら両方によるものである。

ここで、上記物体１０２の動きは、光センサ１０６に入射される反射光１０４の空間強度プロファイルに変化を引き起こす。上記光センサ１０６は、反射光の空間強度プロファイルを検出する光検出素子アレイにて形成されている。

また、光学ナビゲーション装置は、光センサ１０６に電気的に接続され搭載された演算処理部（図示せず）を備えている。この演算処理部は、現在及びその後の反射光の空間強度プロファイルを検出することによって、ｘ−ｙ平面上における物体の動く方向と距離を検出することができる。

本実施形態における上記演算処理部は、マイクロプロセッサである。演算処理部は光学ナビゲーション装置に外部から電気的に接続されているので、当該光学ナビゲーション装置は、演算処理部を装備していなくてもよい。

ここで、光源１０１が非コヒーレントである場合には、光センサ１０６は、物体１０２の照光された外面の像を検出する。一方、光源１０１がコヒーレントである場合には、光センサ１０６は、当該光センサアレイ１０６に入射された反射光１０４によって形成されたスペックルパターンを検出する。

上記開口部１０５は、上述したような光を検出するシステムの構造に応じて、光センサ１０６への反射光１０４の光路の間に配置されたレンズ又はプリズムと一体化して構成されている。開口部１０５は、ミラーアセンブリ、又は、それぞれ独立して光センサ１０６への反射光の空間的に分離した一部を通過させる多数の導光構造を備えていてもよい。また、開口部１０５は、光学的な構造に基づいて、照射光の光路の間に配置されたレンズ構造体１０７やプリズム構造体を備えていてもよい。

本実施形態では、ウィンドウプレートの最も外側の表面に上記装置表面部１０８が形成されている。ウィンドウプレートは、光源１０１によって照射された光を選択的に伝達（通過）させる部材で形成されており、望ましくは、不可視光帯域における光だけを透過するよう構成されている。

光センサ１０６の領域と共に、開口部１０５の大きさ、方向、位置は、光センサ１０６に到達することができる光錐の幾何学的な特性を決定する。ここで、光センサ１０６によって受光できる反射光１０４の光錐と、照射光１０３の光錐とは、光学ナビゲーション装置における物体の検出領域１０９（図１の斜線部分）を装置表面部１０８上に形成するよう重なり合う。反射光１０４は、光センサ１０６に到達するため、これにより、物体の外面１０２が検出領域１０９内に位置するときに、物体１０２の動作を検出することができる。装置表面部１０８から検出領域１０９の高さ１１０は、光学ナビゲーション装置の最大検出範囲として定義されることとなる。

図１に示すように、実効検出範囲１１１は、最大検出範囲１１０内であり、光センサ１０６の限界感度と物体１０２の外面の外面特性とによって決まる。光学ナビゲーション装置が指検出装置である場合には、物体の検出範囲は一般的に小さくする必要があり、通常は、実行検出範囲１１１は、０．５ｍｍ以下である。従って、指検出装置は、指が、指検出装置にほぼ接触する場合にのみ、当該指の動作に対する感度がよいこととなる。

図２は、図１に開示した光学ナビゲーション装置を、幾何光学的な観点から示した概略図である。図２を参照すると、符号２０１に示した仮想光源２０１が、実際の光源の仮想イメージであり、符号２０２に示した仮想光センサ２０２が、実際の光センサの仮想イメージである。仮想光源２０１は、大気中に角度φ_ｅｍｉｔ２０４の範囲の光錐ビーム２０３を照射する。なお、物体の外面への照射光の光錐が一点に集中している場合には、φ_ｅｍｉｔは、負の値となる。照射光の光軸２０５に対応する当該照射光の主光線は、装置表面部２０７の法線に対して角度θ_{ｃｒ＿ｅｍｉｔ}２０６を成す。また、上側周辺光線が装置表面部２０７の法線に対して成す角度θ_{ｕｐ＿ｍｒ＿ｅｍｉｔ}２０８は、下記（数１）で導き出せる。

同様に、仮想光センサ２０２は、空気中において角度φ_ｒｅｆｌ２１０の範囲の光錐ビーム２０９を受光する。なお、装置表面部２０７から物体の外面まで遡る光錐が一点に集中している場合には、φ_ｒｅｆｌは、負の値となる。そして、検出された光錐の光軸２１１に対応する主光線は、装置表面部２０７の法線に対して角度θ_{ｃｒ＿ｒｅｆｌ}２１２を成し、当該主光線は、符号２１３の位置で照射光２０３の光軸２０５と交差する。また、上側周辺光線θ_{ｕｐ＿ｍｒ＿ｒｅｆｌ}２１４が装置表面２０７の法線に対して成す角度は、下記（数２）で導き出せる。

図３は、図１における光学ナビゲーション装置の上面図の概略を示す。図３には、ｘ−ｙ平面に沿って形成された装置表面部（１０８）上における照射光の光錐の光点３０１と、光センサによって受光可能な反射光の光錐の光点３０２と、を表示すると共に、装置表面部（１０８）に投影された仮想光源３０３と仮想光センサ３０４とを表示している。この図において、ｒ_{ｕｐ＿ｍｒ＿ｅｍｉｔ}３０５とｒ_{ｕｐ＿ｍｒ＿ｒｅｆｌ}３０６とは、装置表面部（１０８）で交差する照射光の光錐と反射光の光錐との各上限周辺光線の位置における、それぞれｘ軸方向の光点３０１，３０２の半径を示している。

図３において符号３０７に示す距離ｄは、装置表面部（１０８）における照射光の光錐の光軸３０９の位置に対する、反射光の光錐の光軸３０８の位置の距離ｄである。装置表面部（１０８）上に照射された反射光の光錐の光軸３０８の位置が、装置表面部（１０８）上に投影された仮想光源３０３の位置と、装置表面部（１０８）上における照射光の光錐の光軸３０９の位置との間にある場合には、距離ｄ３０７は負の値となる。

このとき、最大検出範囲ｈ_ｍａｘは、下記（数３）によって表される。

ここで、実際の検出範囲は、どんなに光出力が小さくても光センサが反射光に反応可能である場合に、ｈ_ｍａｘに等しくなる。従って、実際の検出範囲は、光センサの感度と、物体の外面の反射率や拡散性のような特性と、に応じてｈ_ｍａｘの一部となる。

上記ｈ_ｍａｘの値を小さくするためには、上記（数３）の分子が小さく保たれる必要があり、また、当該（数３）の分母を大きくする必要がある。ここで、照射光と光センサによって受光される反射光との各光錐は、光学ナビゲーション装置を大きなサイズにさせしまうべく非常に傾いて位置しているため、大きな値のθ_{ｕｐ＿ｍｒ＿ｅｍｉｔ}とθ_{ｕｐ＿ｍｒ＿ｒｅｆｌ}とは望ましくない。また、上記（数３）の分子において、ｒ_{ｕｐ＿ｍｒ＿ｅｍｉｔ}とｒ_{ｕｐ＿ｍｒ＿ｒｅｆｌ}とは正の値であるため、小さなｈ_ｍａｘを得る最も効果的な方法は、距離ｄが負の値となるよう（ｄ＜０）、光学ナビゲーション装置を設計することである。これは、照射光の光錐の光軸２０５と、光センサで受光可能な反射光の光錐の光軸２１１と、の交差点が、装置表面部２０７より下方に位置することに対応している。これにより、照光部材と光検出部材とをより近づけて配置することができるため、光学ナビゲーション装置の小型化を図ることができる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図４は、本願における他の実施形態における光学ナビゲーション装置を示している。本実施形態においては、光源４０１がＶＣＳＥＬ（vertical cavity surface-emitting laser）であり、開口部４０２が単にスリット構造で形成されている。本実施形態におけるＶＣＳＥＬは、波長が８５０ｎｍであるレーザ光を発光するレーザ照射装置にて構成されている。そして、照射光の光錐の光軸４０３と反射光の光錐の光軸４０４とは、装置表面部４０６より下方に位置する符号４０５で示す位置で交差している。

図５は、図４に示す構成の光学ナビゲーション装置において、ｄ＝０．２ｍｍ（ｄ＞０），ｄ＝０ｍｍ，ｄ＝−０．２ｍｍ（ｄ＜０）のそれぞれの場合における、光センサによって受光された相対強度（ａ．ｕ．）と、装置表面部から物体の外面までの垂直距離ｚ_{ｏｂｊｅｃｔ−ｍｏｊｕｌｅ}（ｍｍ）と、の関係を示すグラフである。

図５に示すように、ｄ＝０．２ｍｍのケースでは、光センサによる受光強度は、極大となる箇所を有し、上記ｚ_{ｏｂｊｅｃｔ−ｍｏｊｕｌｅ}が極大強度に対応する箇所より大きくなるときのみ、当該ｚ_{ｏｂｊｅｃｔ−ｍｏｊｕｌｅ}の増加と共に、受光強度は低下する。従って、ｈ_ｍａｘの値は、他のケースよりも高くなる。また、ｄ＝０ｍｍとｄ＝−０．２ｍｍのケースでは、ｚ_{ｏｂｊｅｃｔ−ｍｏｊｕｌｅ}の増加と共に全体が同じように、及び、小さいｈ_ｍａｘの値を可能にするよう急勾配で、受光強度は低下する。上記（数３）の数式によると、ｄ＝−０．２ｍｍのケースにおいては、ｈ_ｍａｘが１．２ｍｍであることがわかる。そして、実際に試験に基づく検出範囲は、計算により算出された範囲内の約０．５ｍｍである。

上述した実施形態で説明した光学ナビゲーション装置は、光学マウス、ラップトップコンピュータ、携帯型電子機器、その他のＧＵＩ（Graphical User Interface）を通じてユーザ入力が必要な電子機器に適用可能である。そして、光学ナビゲーション装置は、必要とされる外観に応じて、例えば、円形や矩形、その他の形状など、いかなる形状に形成されていてもよい。

以上、本発明について、上述した実施形態を参照して説明したが、本発明は上述した内容に限定されず、本発明の技術的思想の範囲に含まれる種々の変形や改良も含まれる。

１０１ 光源
１０２ 物体
１０３ 照射光
１０４ 反射光
１０５ 開口部
１０６ 光センサ
１０７ レンズ構造体
１０８ 装置表面部
１０９ 物体検出領域
２０１ 仮想光源
２０２ 仮想光センサ
２０３ 照射光の光錐
２０５ 照射光の光軸
２０７ 装置表面部
２０９ 反射光の光錐
２１０ 反射光の光軸
２１３ 照射光の光軸と反射光の光軸との交差点
３０１ 照射光の光点
３０２ 反射光の光点
３０３ 仮想光源
３０４ 仮想光センサ
３０８ 反射光の光軸
３０９ 照射光の光軸
４０１ 光源
４０２ 開口部
４０３ 照射光の光軸
４０４ 反射光の光軸
４０５ 照射光の光軸と反射光の光軸との交差点
４０６ 装置表面部

Claims (12)

1. 所定の物体からの入力を受け付ける光学ナビゲーション装置であって、
   上面に前記物体が位置する装置表面部と、
   前記装置表面部の下方に配置され、前記物体に対して照射光からなる第一光錐を第一光軸に沿って第一光学構造部を通過させて照射する光源と、
   前記装置表面部の下方に配置され、前記照射光からなる第一光錐が前記物体に反射することによって生じた反射光からなる第二光錐を第二光軸に沿って第二光学構造部を通過させて検出し、当該検出した反射光の空間強度プロファイルを得る光センサと、
   を備え、
   前記第一光軸と前記第二光軸との交差点が、前記装置表面部の下方に位置するよう構成した、
   光学ナビゲーション装置。
2. 請求項１に記載の光学ナビゲーション装置であって、
   前記光センサに電気的に接続された演算処理部を備え、
   前記演算処理部は、前記光センサによって得られた前記空間強度プロファイルの変化を、前記物体の動きを表す情報に変換する、
   光学ナビゲーション装置。
3. 請求項１又は２に記載の光学ナビゲーション装置であって、
   前記光源は、コヒーレント光を照射するレーザ照射装置にて構成されている、
   光学ナビゲーション装置。
4. 請求項３に記載の光学ナビゲーション装置は、
   前記レーザ照射装置は、ＶＣＳＥＬ（vertical cavity surface-emitting laser）である、
   光学ナビゲーション装置。
5. 請求項３又は４に記載の光学ナビゲーション装置であって、
   前記光源は、波長が８５０ｎｍである光を照射するよう構成されている、
   光学ナビゲーション装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光学ナビゲーション装置であって、
   前記光センサは、複数の光検出素子を有する光検出素子アレイにて構成されている、
   光学ナビゲーション装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の光学ナビゲーション装置であって、
   前記空間強度プロファイルは、スペックルパターンにて形成されている、
   光学ナビゲーション装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の光学ナビゲーション装置であって、
   前記第二光学構造部は、開口部にて形成されている、
   光学ナビゲーション装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の光学ナビゲーション装置であって、
   前記第二光学構造部は、レンズ、プリズム、ミラーアセンブリ、又は、光センサに反射光の空間的に分離した一部をそれぞれ独立して伝達する複数の導光構造部、にて構成されている、
   光学ナビゲーション装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の光学ナビゲーション装置であって、
    前記装置表面部は、前記光源によって照射された光を選択的に伝達する部材にて構成されたウィンドウプレートの最も外側に位置する外面にて形成されている、
    光学ナビゲーション装置。
11. 請求項１０に記載の光学ナビゲーション装置であって、
    前記ウィンドウプレートは、不可視光帯域の光のみを伝達する、
    光学ナビゲーション装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の光学ナビゲーション装置が装備された電子機器であって、
    前記光学ナビゲーション装置の前記装置表面部が、電子機器の筺体表面に配置されて構成されている、
    電子機器。
    

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