具有定形照射的光学定位装置制造方法及图纸

一个实施例涉及一种光学位移传感器，用于通过确定在连续帧中光学特性的位移来传感数据输入装置和表面（３０４）之间的相对移动。该传感器包括照射器和检测器。照射器有光源和照射光学器件（５０６），以用平面相前照射部分表面（５１０）。检测器有多个光敏元件（５０２）和成像光学器件（５１２）。照射器和检测器配置成使表面（５１０）的照射部分与比检测器的光敏元件（５０２）视场大５０％相比要小。还说明了其它实施例。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及光学定位装置(OPD),以及使用这种装置感测 移动的方法。
技术介绍
指示装置，例如计算机鼠标或跟踪球，用于将数据输入到个人计 算机和工作站中，并与它们对接。这种装置允许在监控器上光标快速 重新定位，且在许多文本、数据库和图形程序中都很有用。用户通过 在一个表面上移动鼠标，使光标在与鼠标的移动成比例的方向和距离 上移动来控制光标。备选的是，手在静止装置上的移动也可用于同样 目的。计算机鼠标有光学和机械两种型式。机械鼠标通常使用旋转球来 检测移动，且一对轴编码器与^M矣触以产生数字信号，由计算机用来 移动光标。机械鼠标的一个问题在于，由于污垢积累等原因在持续使 用后易于不精确和出故障。此外，机械元件特别是轴编码器的移动和 综合磨损必然限制装置的有用寿命。上述机械鼠标问题的一个解决方案是开发光学鼠标。光学鼠标已 经非常普及，因为它们更为健壮，且可提供更好的指示精确度。光二极管(LED)、捕获综合图像的二维CMOS (互补金属氧化物半 导体)检测器、以及使连续图像相关联以确定鼠标已移动的方向、距 离和速度的软件。这种技术通常提供良好的精确度，但却有光学效率 低和相对高的图像处理要求等问题。另 一途径是使用 一维阵列的光传感器或检测器，如光电二极管。 表面的连续图像由成像光学器件捕获，转换到光电二极管上，并作比 较以检测鼠标的移动。光电二极管可直接用导线连接成组，便于移动 检测。这降低了光电二极管的要求，并能作快速模拟处理。这种鼠标 的一个实例在授予Dandhker等人的美国专利No. 5,907，152中公开。在于它使用相干光源，例如激光器。来自相干源的光从粗糙表面散射 开来产生光的随机强度分布，称为斑点(speckle)。使用基于斑点的 图案有几个优点，包括高效的基于激光器的光产生以及即使在正常入 射照射下的高对比度图像。这就允许有更高效的系统，并节省电流消这在无线应用中很有利，可以延长电池寿命。虽然在基于LED的常规光学鼠标上有了重大改进，但这些基于斑 点的装置仍因许多原因并不能完全令人满意。具体地说，使用激光器 斑点的鼠标并未展示出当今技术水平的鼠标通常所需求的精确度，通 常需要有小于0.5 %或左右的路径误差。示装置的某些问题的解决方案
技术实现思路
一个实施例涉及一种光学位移传感器，用于通过确定在连续帧中 光学特性的位移来感测数据输入装置和表面之间的相对移动。该传感 器至少包括照射器和检测器。照射器有光源和照射光学器件，以照射 部分表面。检测器有多个光敏元件和成像光学器件。照射器和检测器配置成使表面的照射部分与比检测器光敏元件视场大50 %相比要小。另 一实施例涉及一种通过确定在连续帧中光学特性的位移来感测 数据输入装置和表面之间相对移动的方法。照射由光源产生，且照射 被照射光学器件映射到部分表面上。照射从表面的照射部分反射，且 反射的照射被成像光学器件映射到检测器中光敏元件排列上。表面的 照射部分与比光敏元件浮见场大50 %相比要小。另一实施例涉及一种光学位移传感器，用于通过确定在连续帧中 光学特性的位移来感测数据输入装置和表面之间的相对移动。该传感 器至少包括光源、照射光学器件、光敏元件排列以及成像光学器件。 照射光学器件适用于以第 一形状照射部分表面，且光敏元件排列包括 类似于第一形状的第二形状。成像光学器件适用于映射从表面照射部 分反射的照射，以使反射的照射覆盖光敏元件排列。 还公开了其它实施例。附图说明本专利技术的这些和其它各种特性和优点从以下的详细说明和从附图 中就可更充分理解，^旦这些说明和附图不应被认为是将所附权利要求 限制在所示的具体实施例上，而仅是为了作解释和理解，附图包括图1A和1B分别示出从光滑表面反射的光的衍射图案和从粗糙表 面反射的光的干涉图案中的斑点；图2示出按照本专利技术实施例的基于斑点的鼠标的功能方框图； 图3示出按照本专利技术实施例的光电二极管阵列的方框图； 图3示出按照本专利技术实施例的聚光光学器件的功能方框图； 图5示出按照本专利技术实施例的结构照射的光学图；图，每个轴都有多行；以及图7示出按照本专利技术实施例的检测器元件的各种排列。具体实施方式照射错位和效率低的问题现有基于斑点的光学定位装置的 一个问题在于，有可能被反射的 照射与检测器错位，而不能覆盖才全测器的整个光电二极管阵列。为了可靠地覆盖整个检测器阵列，现有的OPD通常配置成对远大于检测器视场的图像平面部分进行照射，以确保光电二极管阵列完全被反射的 照射覆盖，而不管潜在的错位问题。但是，具有大的照射区域就降低了光电二极管检测的反射照射的亮度强度。因此，为解决或避免现有OPD中错位问题的尝试经常导致 损失光电二极管阵列可用的反射光，或对照射亮度提出更高的要求。 如以下详述，本专利技术的一个方面公开了对上述照射错位和低效率问题的解决方案。本文公开的OPD实施例本公开内容一般涉及用于光学定位装置(OPD)的传感器，以及 基于从表面反射的光的随机强度分布图案，称为斑点的位移来感测传 感器和表面之间相对移动的方法。OPD包括但不限于用于向个人计算 机输入数据的光学鼠标或跟踪球。在说明书中提到一个实施例或实施例，，是指，结合该实施 例说明的 一个具体特性、结构或特征-f皮包括在本专利技术的至少 一个实施 例中。在说明书中各个地方出现的短语在一个实施例中，，不一定全 部指同一实施例。一般来说，用于OPD的传感器包括照射器，它具有光源和照射 光学器件以照射部分表面；检测器，它具有多个光敏元件和成像光学器件；以及信号处理或混合信号电子电路，用于组合来自各个光敏元 件的信号，以产生检测器的输出信号。在一个实施例中，检测器和混合信号电子电路是使用标准CMOS 工艺和设备制造的。优选的是，本专利技术的传感器和方法提供了一种光 学高效检测体系结构，即使用产生均匀相前(phase-front)的结构照 射和远心斑点成像，以及使用模拟和数字电子电路组合的简化信号处 理配置。这种体系结构减少了专用于传感器中的信号处理和位移估算 的电力量。已发现，使用斑点检测技术并按照本专利技术适当配置的传感 器可以符合或超过通常对OPD所期望的所有性能标准，包括最大位移 速度、精确度和％路径误差率。基于斑点的位移传感器介绍本节讨论申请人所理解和相信的基于斑点的位移传感器的工作原 理。虽然这些工作原理对于理解4艮有用，但本专利技术的实施例不应不必 要地受这些原理的限制。参阅图1A，所示波长的激光器光被示为射到表面上的第一入射波 102和第二入射波104，每个都与表面法线形成入射角e。产生衍射图 案106,它具有的周期性为A/2m> e。形成对比的是，参阅图IB,任何具有尺寸大于光波长(即大约 >lpm )的形态不规则的一般表面倾向于使光114以近似Lambertian形 式散射到全部范围。如果使用相干光源如激光器，则在由具有有限孔 径的平方律检测器检测时，空间相干的散射光会产生复杂的干涉图案 116。亮区和暗区的这种复杂干涉图案116称为斑点。斑点图案116的 准确性质和对比度取决于表面粗糙度、光的波长及其空间相干程度、 以及聚光或成像光学器件。虽然常常是高度复杂，但斑点图案116的 明显特征是有一段任何粗糙表面光学器件成像，于是当表面上的位 置相对激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学位移传感器，用于通过确定连续帧中光学特性的位移来感测数据输入装置和表面之间的相对移动，所述传感器包括：照射器，具有光源和照射光学器件，以通过具有基本上平面相前的照射光束照射部分所述表面；检测器，具有多个光敏元件和成像光学器件；以及其中所述照射器和所述检测器配置成使所述表面的所照射部分与比所述检测器的所述光敏元件视场大５０％相比要小。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-5-21 60/573,394;US 2005-5-16 11/129,9671.一种光学位移传感器，用于通过确定连续帧中光学特性的位移来感测数据输入装置和表面之间的相对移动，所述传感器包括照射器，具有光源和照射光学器件，以通过具有基本上平面相前的照射光束照射部分所述表面；检测器，具有多个光敏元件和成像光学器件；以及其中所述照射器和所述检测器配置成使所述表面的所照射部分与比所述检测器的所述光敏元件视场大50％相比要小。2. 如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述照射光学器件 包括衍射和折射光学器件，以使落在所述检测器视场之外的光最少。3. 如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述多个光敏元件 包括沿第 一轴排列成基本上直线的第一组多个光敏元件以及沿第二轴 排列成基本上直线的第二组多个光敏元件，且其中第二轴不平行于第 ——#。4. 如权利要求3所述的光学位移传感器，其中第二轴与第一轴成 大约90度的角。5. 如权利要求3所述的光学位移传感器，其中第一组和第二组多 个光敏元件沿第一轴和第二轴排列，以形成L 、 T 、 +，，、X 、 V 、 △或方形阵列。6. 如权利要求5所述的光学位移传感器，其中所述照射器还配置 成使所述表面的所照射部分在所述表面上定义对应的L 、 T、+ 、 X 、 △或方形。7. 如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述照射器还配置 成使所述表面的所照射部分在形状和区域上对应于所述检测器的所述 光敏元件的视场。8. 如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述照射器还配置 成使所述表面的所照射部分充分大于所述检测器的视场，以为光学位移传感器组件在工作和制造中的误差提供预定的容限，且其中所述表 面的所照射部分与比所述检测器的视场大50 %相比要小。9. 如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述光敏元件包括 光电二极管，且所述光源包括激光器。10. 如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述光学位移传 感器是基于斑点的位移传感器，适用于基于从所述表面反射的光所产 生的复杂干涉图案来识别所...

【专利技术属性】
技术研发人员：CB卡利斯尔，JI特里斯纳迪，CB罗克斯洛，DA莱霍蒂，
申请(专利权)人：硅光机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]