CN101086692A

CN101086692A - 在光学导航装置中利用内反射表面对侧光进行反射和准直

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Publication number: CN101086692A
Application number: CNA2007101086298A
Authority: CN
Inventors: 李文卿; 郭颂顺; 李赛门
Original assignee: Avago Technologies ECBU IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: US20070285392A1; TWI345721B; CN100504734C; US7568819B2; TW200805119A

Abstract

本发明公开了一种光学导航装置和方法，其利用内反射表面对来自光源的侧光进行反射和准直。光源设置成发射光。来自光源的侧光由内反射表面向工作表面反射和准直。传感器接收到的光用于测量该光学导航装相对于该工作表面的运动。

Description

在光学导航装置中利用内反射表面对侧光进行反射和准直

技术领域

本发明的实施例涉及光学导航装置。

背景技术

光学导航装置(例如光学鼠标)，传统地使用经封装的发光二极管(LED)来将光发射到工作表面上。通常，来自LED的光经过准直透镜行进并离开工作表面向传感器反射。光的反射产生了由传感器捕捉的图案。传感器可以包括例如互补金属氧化物半导体(CMOS)成像器阵列。随着光学导航装置相对于工作表面运动(或后者相对于光学导航装置运动)而迅速地对连续的图像(帧)进行捕捉和比较以测量运动量。连续图像之间的差异表明了运动量。

由于各种原因，终端用户可能想要一种小体积的光学导航装置。在一种情况下，终端用户可以是喜欢紧凑装置的流动性专业人士。在另一种情况下，终端用户可以是小孩，较小的光学导航装置可能更适合他们。在再一种情况下，终端用户可以只是因为外观而喜欢小体积的光学导航装置。

通常，光学导航装置体积减小的一个限制因素是LED组件的尺寸。通常的LED组件(例如LED封装)除了LED裸片之外，还包括反射器锥体，用于将来自LED的侧光重定向到所需方向。但是，采用反射器锥体只会增大尺寸。此外，LED封装比LED裸片大约贵三倍。

此外，可能难以对来自光源的侧光和杂散光进行完全捕捉和/或重定向，这样可能造成光学导航装置的性能下降。具体地说，杂散光噪声可能对传感器检测光学导航装置运动的能力造成干扰。此外，由于光源向全部方向而不是仅仅朝向工作表面发射光，所以如果一些光未受到重定向，就会造成照明效率降低。

发明内容

本发明的实施例涉及光学导航装置和方法，其利用内反射表面对来自光源的侧光进行反射和准直。在一种实施例中，光源设置为发射光。来自光源的侧光由内反射表面朝向工作表面反射和准直。用传感器接收到的光来测量光学导航装置相对于工作表面的运动。

在阅读下面图示于各幅附图中的详细说明之后，可以更好地理解本发明的这些以及其他的特征、方面和优点。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的光学导航装置的剖视图，该光学导航装置包括设置来对来自光源的侧光进行反射和准直的内反射表面。

图2是根据本发明一个实施例的光学导航装置的剖视图，该光学导航装置包括杂散光调节装置以减小到达传感器的杂散光的量。

图3是根据本发明一个实施例的集成光学块的剖视图，该集成光学块利用表面安装技术。

图4是根据本发明一个实施例的光学导航方法的流程图，该光学导航方法包括对来自光源的侧光进行反射和准直。

具体实施方式

现在将对本发明的实施例进行详细说明，这些实施例的示例图示于附图中。尽管将结合这些实施例来说明本发明，但是应当理解，它们并不意在将本发明局限于这些实施例。相反，本发明应当涵盖其替代、变更和等效的形式，这些形式可以包括在由权利要求限定的本发明的精神和范围内。此外，在下面对本发明的详细说明中，阐述了多个具体细节以便对本发明有更完整的理解。但是显然，本发明所属领域的普通技术人员可以不采用这些具体细节来实施本发明。在其他情况下，并未对公知的方法、过程、元件和电路进行详细说明以免不必要地使本发明的那些方面淡化。

图1是根据本发明一种实施例的光学导航装置100的剖视图。光学导航装置100可以是光标控制装置或定向装置，例如光学鼠标。光学导航装置100可以包括除了此处所述和所示之外的元件。

在本实施例中，光学导航装置100包括光源108、内反射表面112、工作表面102、传感器104、第一光线106、第二光线110、非球面124和反射表面114。在一种实施例中，内反射表面112是全内反射表面。此外，在另一种实施例中，光源108是发光二极管(LED)裸片。在再一种实施例中，光源108是经封装的LED。在再一种实施例中，光源108是激光器，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

在一种实施例中，传感器104包括例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列。传感器104可以包括其他元件，例如但不限于与成像系统有关的电路和其他电子器件。还可以想到，传感器104可以是一维(1-D)或二维(2-D)传感器阵列，该阵列包括单独光传感器的阵列，这些光传感器产生导航信息，例如图像信息或空间滤波信息。另外，在一种实施例中，传感器104可以是单个传感器，例如单个光电二极管。

当第一介质中行进的光线入射到折射率更小的第二介质上时，光线偏离法线折射，因此出射角大于入射角。当入射角增大到临界角(取决于所涉及的第一和第二介质的折射率)时，出射角达到九十度。如果入射角大于临界角，则会发生全内反射。在一种实施例中，对于内反射表面112包括的表面，其形状和位置使来自光源(例如LED裸片)的光线与表面形成超过临界角的入射角，并造成全反射。在一种实施例中，内反射表面112包括例如抛物线形或双曲线形表面。还可以想到内反射表面112可以由各种材料组成，例如聚碳酸酯或具有合适折射率的其他适宜材料。另外可以想到，光源108发射的光线可以比图1所示两条(106和110)多或者少。

在本实施例中，图1的光源108发射第一光线106(顶部光线)。第一光线106在向反射表面114行进时，经过了对第一光线106进行准直的非球面124。在到达反射表面114时，第一光线106离开反射表面114向工作表面102反射，并在到达工作表面102时候，离开工作表面102向传感器104反射。在另一种实施例中，图1的光源108发射第二光线110(侧光线)。全内反射表面112有效地将第二光线110(侧光线)向反射表面114准直和重定向。在到达反射表面114时，第二光线110离开反射表面114向工作表面102反射，并在到达工作表面102时离开工作表面102向传感器104反射。

因此，根据本实施例，未准直的侧光中一部分由内反射表面112重定向并最终到达传感器104。因此可以获得更高的光效率，因为光源108发射的光中更多的部分得到了利用。另外，通过用内反射表面112(例如全内反射表面)代替反射器锥体并与LED裸片结合使用，可以减小光学导航装置的总体尺寸。此外，LED裸片通常比经封装的LED便宜得多。因此，本发明使得可以制造更小、更经济的光学导航装置。

传感器104接收到的光被用来检测和/或测量光学导航装置100与工作表面102之间的相对运动。光学导航装置100能够利用传感器104来足够快速地拍摄工作表面102的图片(例如每秒1500幅图片或帧是个普通的速率)以使连续图像重叠。由此随着使光学导航装置相对于工作表面102运动(或使后者相对于前者运动)而对工作表面102的纹理特征进行识别和跟踪。传感器能够识别两个或更多个帧之间的共同特征并确定它们之间的距离。这种信息被转换成X和Y坐标来表示光学导航装置的运动。

图2是根据本发明一种实施例的光学导航装置200的剖视图。光学导航装置200可以是光标控制或定向装置，例如光学鼠标。光学导航装置200可以包括除了此处所示和所述之外的其他元件。

在本实施例中，光学导航装置200包括光源208、内反射表面212、表面214、工作表面202、传感器204、第一杂散光线206、第二杂散光线210、第一杂散光调节装置216和第二杂散光调节装置218。可以想到，光源208发射的杂散光线可以比图2所示的两条(206和210)多或者少。

在一种实施例中，光源208是发光二极管(LED)裸片。在另一种实施例中，光源208是经封装的LED。在再一种实施例中，光源208是激光器，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

另外，在一种实施例中，传感器204包括例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列。传感器204可以包括其他元件，例如但不限于与成像系统有关的电路和其他电子器件。另外可以想到，传感器204可以是一维(1-D)或二维(2-D)传感器阵列，该阵列包括单个光传感器的阵列，这些光传感器产生导航信息，例如图像信息或空间滤波信息。另外，在一种实施例中，传感器204可以是单个传感器，例如单个光电二极管。

此外，在一种实施例中，内反射表面212是全内反射表面。另外，在一种实施例中，第二杂散光调节装置218是全内反射楔形结构。在另一种实施例中，第一杂散光调节装置216是槽形设计。另外可以想到，实施本发明时包括的杂散光调节装置可以比图2所示的两个(216和218)多或者少。

第一杂散光调节装置216和第二杂散光调节装置218协同工作，从而有效地将干扰光学导航装置200的传感器204的杂散光减至最少。在本实施例中，第一杂散光线206由图2的光源208发射。随着第一杂散光线206离开光源208行进，第一杂散光线206进入第一杂散光调节装置216(例如槽形设计)。第一杂散光调节装置216将第一杂散光线206重定向成离开可能干扰传感器204的光路并朝向表面214。第一杂散光线206经过表面214离开，不干扰传感器204。

另外，在本实施例中，第二杂散光线210由图2的光源208发射。随着第二杂散光线210离开光源208行进，第二杂散光线210由内反射表面212(例如全内反射表面)向着第二杂散光调节装置218重定向。当第二杂散光线210到达第二杂散光调节装置218时，第二杂散光调节装置218将第二杂散光线210重定向成离开可能干扰传感器204的光路并朝向表面214。第二杂散光线210经过表面214离开，不干扰传感器204。

因此，根据本实施例，可以减小杂散光干扰，使传感器204更精确地工作。因此，可以得到跟踪精度更高的光学导航装置。

图3是根据本发明一种实施例的集成光学块300的剖视图。集成光学块300可以用于光标控制或定向装置，例如光学鼠标。集成光学块300可以包括除了此处所示和所述之外的其他元件。

在本实施例中，集成光学块300包括光源308、集成板320、光线322、传感器304和工作表面302。在一种实施例中，光源308是发光二极管(LED)裸片。在另一种实施例中，光源308是经封装的LED。在再一种实施例中，光源308是激光器，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在再一种实施例中，光源308是表面安装器件(SMD)。

在一种实施例中，传感器304包括例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列。传感器304可以包括其他元件，例如但不限于与成像系统有关的电路和其他电子器件。此外，在另一种实施例中，集成表面320可以是印刷电路板(PCB)。

传统上光源通过通孔技术安装到集成板(例如PCB)。但是，与通孔技术相容的零件通常带有需要经过集成板中的通孔引导的引线。在采用通孔技术时，经常需要人工组装或更复杂的自动组装工艺。

与传统方式相反，本发明适用于采用表面安装技术，在一种实施例中，用表面安装技术(SMT)将光源308安装到集成板320。SMT是用于构成电子电路的方法，它将元件直接安装到印刷电路板的表面上。SMT元件通常比其带引线形式的对应元件更小，因为它没有引线或者引线更小。SMT超过通孔技术的主要优点是元件更小、自动组装更简便。由于可以采用更加精确的自动机械组装方法，所以可以获得更好的总体累积公差。采用经封装的LED，累积公差通常较高，例如在几个毫米。相反，采用SMT的LED裸片，累积公差通常较低，例如在几个微米。

因此，根据本发明的这种实施例，通过采用表面安装技术，可以生产累积公差更小的集成光学块。另外，由于SMT适于更简便的自动组装工艺，所以可以降低集成光学块的成本。

图4是根据本发明一种实施例的光学导航方法的流程图400。尽管流出图400中示出了各个具体步骤，但是这些步骤只是示例性的。即，本发明的实施例也非常适于执行各种其他的或另外的步骤，或者执行流程图400中所示步骤的改变形式。可以想到，流程图400中的步骤可以以与图示不同的顺序执行。

在步骤404，由光源发射光。可以想到，光源可以沿各个方向发射光。例如，光源可以发射侧光(与工作表面平行的光线)和顶光(与工作表面垂直的光线)。可以想到，光源发射的光线可以比图1所示的两条(106和110)多或者少。另外，在一种实施例中，光源发射未经准直的光。此外，在另一种实施例中，光源是发光二极管(LED)裸片。在再一种实施例中，光源是经封装的LED。在再一种实施例中，光源是激光器，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

在步骤406，由内反射表面对来自光源的侧光进行反射和准直。在一种实施例中，内反射表面是全内反射表面。在另一种实施例中，内反射表面包括例如抛物线形或双曲线形表面。另外，可以想到，内反射表面可以由各种材料组成，例如聚碳酸酯或具有合适折射率的其他适宜材料。

在步骤408，用杂散光调节装置使到达传感器的杂散光减至最少。在一种实施例中，杂散光调节装置包括槽形设计。在另一个实施例中，杂散光调节装置包括内反射楔形结构。另外可以想到，实施本发明时包括的杂散光调节装置可以比图2所示的两个(216和218)多或者少。

在步骤410，在传感器处接收光。用传感器处接收的光来测量光学导航装置的运动。在一种实施例中，传感器包括例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列。传感器也可以包括其他元件，例如但不限于与成像系统有关的电路和电子器件。

上面说明了一种光学导航装置和方法，其利用内反射表面对来自光源的侧光进行反射和准直。在前述说明中，已经参考多项具体细节对本发明的实施例进行了说明，这些细节对于一种实施方式与另一种实施方式是不同的。因此，作为“本发明是什么、以及申请人认为本发明是什么”的独一无二的标志是由本申请所发布的、并以这些权利要求(包括任何随后的校正)授权时的具体形式存在的一组权利要求。因此，未在权利要求中明确记载的限制、元件、特性、特征、优点或属性都不应以任何方式限制该权利要求的范围。因此，说明书和附图应当认为是说明性而非限制性意义。

Claims

1.一种光学导航装置，包括：

光源，设置成发射光；

内反射表面，设置成将来自所述光源的侧光向工作表面反射和准直；和

传感器，设置成接收从所述工作表面反射的光，其中，所述传感器接收的光用于测量所述光学导航装置相对于所述工作表面的运动。

2.根据权利要求1所述的光学导航装置，其中，所述光源是发光二极管裸片。

3.根据权利要求1所述的光学导航装置，其中，所述光源是经封装的发光二极管。

4.根据权利要求1所述的光学导航装置，其中，所述内反射表面包括全内反射表面。

5.根据权利要求1所述的光学导航装置，其中，所述内反射表面包括抛物线形。

6.根据权利要求1所述的光学导航装置，其中，所述内反射表面包括双曲线形。

7.根据权利要求1所述的光学导航装置，其中，所述传感器包括互补金属氧化物半导体成像器。

8.根据权利要求1所述的光学导航装置，其中，所述传感器包括电荷耦合器件成像器。

9.一种光学导航装置，包括：

光源，设置成发射光；

传感器，设置成接收从工作表面反射的光，其中，所述传感器接收的光用于测量所述光学导航装置相对于所述工作表面的运动；以及

杂散光调节装置，用于降低到达所述传感器的杂散光量。

10.根据权利要求9所述的光学导航装置，其中，所述光源是发光二极管裸片。

11.根据权利要求9所述的光学导航装置，其中，所述光源是经封装的发光二极管。

12.根据权利要求9所述的光学导航装置，其中，所述杂散光调节装置包括槽形设计。

13.根据权利要求9所述的光学导航装置，其中，所述杂散光调节装置包括内反射楔形结构。

14.根据权利要求9所述的光学导航装置，其中，所述传感器包括互补金属氧化物半导体成像器。

15.根据权利要求9所述的光学导航装置，其中，所述传感器包括电荷耦合器件成像器。

16.一种集成光学块，包括：

发光半导体裸封装，设置成发射光，其中，用表面安装技术将所述发光二极管裸封装安装到所述集成光学块；和

传感器，设置成接收从工作表面反射的光，其中，所述传感器接收到的光用来测量所述集成光学块相对于所述工作表面的运动。

17.根据权利要求16所述的集成光学块，其中，所述传感器包括互补金属氧化物半导体成像器。

18.根据权利要求16所述的集成光学块，其中，所述传感器包括电荷耦合器件成像器。

19.根据权利要求16所述的集成光学块，其中，所述表面安装技术与自动组装相容。

20.一种光学导航方法，包括：

用光源发射光，其中，所述光包括未准直的侧光；

用内反射表面将所述侧光向工作表面反射和准直；和

在传感器处接收所述光，其中，所述传感器处接收到的所述光用于测量光学导航装置相对于所述工作表面的运动。

21.根据权利要求20所述的光学导航方法，其中，所述光源是发光二极管裸片。

22.根据权利要求20所述的光学导航方法，其中，所述光源是发光二极管封装。

23.根据权利要求20所述的光学导航方法，还包括用杂散光调节装置减少到达所述传感器的杂散光。

24.根据权利要求23所述的光学导航方法，其中，所述杂散光调节装置包括槽形设计。

25.根据权利要求23所述的光学导航方法，其中，所述杂散光调节装置包括内反射楔形结构。