包括光學輸入器件和至少一個具有公共輻射源的其他光學器件的設備的製作方法
2023-05-14 21:56:46 2
專利名稱：包括光學輸入器件和至少一個具有公共輻射源的其他光學器件的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括受移動目標控制的光學輸入器件並且也包括至少一個被提供有電磁輻射的其他光學器件的一種設備。
背景技術：
移動目標例如是人的手指，但也可以是適合在輸入器件的窗口上被移動的任何目標。
本發明特別預定用於小型手持式設備例如行動電話、個人數字備忘錄、手持式計算機中。這種設備包括平面顯示面板，用於顯示從外部源接收或由使用者輸入的或由數字處理器(內部微處理器)產生的信息。該設備還包括一個鍵盤，用於撥號輸入即選擇電話號碼和其它功能，類似於啟動存儲在數字處理器內或可從該設備所接入的外部源獲得的軟體程序。該設備還包括一個照明器件，用於在日光不足的條件下為鍵盤照明。為了滾動軟體菜單並選擇這樣的菜單中的特定程序，該設備設有利用使用者的手指控制的輸入器件。
用於在顯示面板上移動光標並且用於在光標的給定位置上點擊的輸入器件常規地由集成在例如筆記本的鍵盤內的襯墊(pad)構成。這種襯墊需要一定的空間並且不太適合用於手持式設備中。已經被開發和正在開發的光學輸入器件更適合於這樣的應用。
EP-A 0 942 285描述了這樣一種輸入器件，其特點能夠是一種倒置的光學滑鼠。該輸入器件是固定的並且可以內置在臺式計算機或筆記本計算機或手持式計算機的鍵盤內，並且通過在輸入器件的外殼內的透明窗口上移動手指來進行控制。這種輸入器件可以很小，因為用於測量手指移動的光學模塊可以做得很小。實際上，輸入器件對於光學模塊而被縮小。EP-A 0 942 285中描述的輸入器件的所有實施例均採用零差或外差檢測。在光學模塊中，靠近模塊窗口布置有一個衍射光柵。光柵將二極體雷射器的一部分測量射束反射到檢測器，後者也接收受被手指反射和散射的一部分輻射。被光柵反射並被檢測器俘獲的雷射輻射被表示為本地振蕩器射束。檢測器用這一本地振蕩器射束來相干地檢測來自手指的輻射。受手指反射的並隨本地振蕩器射束到達檢測器的輻射的幹擾從檢測器引起拍頻信號，該信號是由與窗口表面平行的手指移動所確定的。EP-A 0 942 285的光學測量模塊除了二極體雷射器和光柵外還包括準直透鏡、聚焦透鏡和布置在檢測器前面的針孔光闌，這些元件要求非常精確地被對準。
在本申請人名下的在先專利申請中描述了一種由較少元件構成並且易於製造的較簡單的光學輸入器件。這種輸入器件在二極體雷射器中採用所謂的自我混合效應。這是由二極體雷射器發出的並再次射入雷射腔的輻射引起雷射器增益的變化以及因此引起雷射器發出的輻射的變化的現象。在這種設備中，用一個偏斜雷射射束為窗口照明，其在手指被移動的方向上有一個分量。如果手指被移動，由於Doppler效應，被手指分散的雷射輻射所獲得的頻率與照明窗口和手指的輻射的頻率有所不同。一部分散射的輻射被用於將照明射束聚焦在手指上的同一透鏡聚焦在二極體雷射器上。因為有些散射輻射通過發生在雷射腔內的雷射器鏡象輻射幹擾而進入雷射腔。這帶來的問題是雷射器和發出的輻射的特性會發生根本改變。由於自我混合效應而改變的參數是功率、頻率和雷射輻射的射線寬度以及雷射器閾值增益。雷射腔內幹擾的結果是這些參數值隨著一個頻率波動，該頻率等於測量射束的頻率與散射輻射的頻率之間的差。這一差值等於手指或相對於器件窗口移動的一個目標的速度。因此，通過測量所述參數之一的值能夠確定目標的速度以及通過時間上的積分確定目標的位移。這種測量方法可以僅僅利用少數簡單的部件來完成，並且不需要精確對準這些部件。
上述類型的每個其他器件都需要電磁輻射用於其功能作用，並且這種輻射一般是由獨立的發光二極體(LED)或用於各個器件的另一光源來提供。各個光源被容納在其自身的外殼內，因此，在將許多光學功能集成在一個設備中時，光源外殼所佔據的空間就會成為問題，特別是在手持式設備中。而且，這些光源的輻射效率低，因此其消耗大量的電能。由於手持式設備中的能量是由電池提供的，所以需要頻繁地為這些電池充電，這給使用者帶來不便。由於輻射源是相對昂貴的部件，所以許多這種部件的使用使總設備昂貴。
發明內容
本發明的目的是提供一種如前所述的設備，其中用於為器件生成輻射的裝置僅僅佔據該設備本身體積很小的一部分，並且其中這些裝置消耗的電功率很小。該設備的特徵在於，輸入器件包括用於為輸入器件的窗口提供至少一個測量射束的至少一個二極體雷射器，所述測量射束測量目標相對於窗口的移動，並且輸入器件的至少一個二極體雷射器的背面被光學耦合到至少一個其他光學器件，以便為這樣的器件提供輻射。
二極體雷射器的背面理解為表示二極體雷射器的相對於發射測量射束的一側的輻射發射側。
輸入器件可以提供有一個以上的二極體雷射器。在這種情況下，輸入器件的一個以上二極體雷射器還可以向所述其它器件提供輻射。輸入器件的每個二極體雷射器還可以向不同的一個其他器件提供輻射，或輸入器件的所有二極體雷射器也可以向所有其它器件提供輻射。輸入器件的一個二極體雷射器還有可能向一個其他器件提供輻射，而輸入器件的每個其餘二極體雷射器還向所有其餘的其他器件提供輻射。
本發明有益地利用了二極體雷射器在雷射晶體的兩個相對側即正面和背面發光的事實。在二極體雷射器的常規應用中，正面被用作光源，而背面面對一個輻射靈敏檢測器即監視二極體，後者通常用於控制雷射射束的強度。在按照本發明的設備中，在二極體雷射器的正面發射的雷射射束被用作輸入器件的測量射束，而二極體雷射器背面發射的射束被用作該設備中存在的另一器件的照明射束。用於測量雷射輻射強度並用於確定目標相對於輸入器件窗口的移動的輻射靈敏檢測器即光電二極體可以布置在通常位置以外的在輸入器件中或在至少一個所述其他設備中的位置上。
該設備的第一實施例的特徵在於，輸入器件的至少一個二極體雷射器被光學耦合到一個光學鍵盤的光導。
光學鍵盤理解為表示一種具有了移動鍵(按鈕)並且在鍵盤表面的下面布置有平面光導的鍵盤，而且具有沿著鍵的位置將輻射引導到輻射靈敏檢測器的裝置。每個鍵具有一個部分，在按下每個鍵時，鍵的這一個部分進入光導內的輻射路徑，並改變檢測器通過此光路接收到的輻射量。這種光學鍵盤本身是公知的，例如參見EP-A 1 094 482，並且涉及具有顯示器和光學鍵盤的可攜式通信設備。從相同的光源即多個LED給顯示器的背光和光導提供輻射。該設備不包括帶有一或多個二極體雷射器的光學輸入器件。
該設備的第二實施例的特徵在於，輸入器件的至少一個二極體雷射器被光學耦合到用於為平面顯示面板照明的發光裝置。平面顯示面板可以是採用背光為光閥的矩陣或用於生成顯示圖像的像素均勻照明的任何顯示面板。此類顯示面板的例子有液晶面板或基於電泳或電致發光的顯示面板。可以通過類似於鏡面的靜止裝置引導從二極體雷射器發出的輻射到光導。在輸入器件和顯示器件被嵌入該設備的不同部分中的情況下，這二者之間可彼此傾斜，可以使用柔性裝置例如光纖將二極體雷射器的輻射引向光導。
該設備的第三實施例的特徵在於，輸入器件的至少一個二極體雷射器被光學耦合到由於為該設備的鍵盤照明的照明器件。
這種照明器件本身特別地從US-A5,815225中公知，並且其涉及使用光管將輻射從液晶顯示背光光源向機械鍵盤傳送的膝上型計算機。這允許在差的自然光或人造照明條件時看清楚鍵盤和外圍工作區。
該設備的第四實施例的特徵在於，輸入器件的至少一個二極體雷射器被耦合到該設備的光學麥克風。
光學麥克風採用光束和例如用於測量被麥克風的膜片反射的射束移動的位置靈敏檢測器，這種移動是由於膜片的振動引起的。這種麥克風的測量射束可以由光學輸入器件的二極體雷射器來提供。
相對於光學輸入器件，幾種主要的實施例是可能的。
這些實施例的第一實施例的特徵在於，輸入器件包括靠近窗口布置的用於分離一部分測量射束作為參考射束的部分透射目標，以及包括具有小開口以接收參考射束和被目標反射的測量射束輻射的輻射靈敏檢測裝置。
這種光學輸入器件本身從EP-A 0 942 285中公知，並且其僅僅涉及輸入器件，沒有將其集成在包括多個光學器件的一個設備內。具體地說，部分透射目標是一個衍射光柵，並且輻射靈敏裝置中的小開口是利用布置在光電二極體前面的一個針孔來實現的。
在第二和優選的主要實施例中，其中光學輸入器件包括用於將目標反射的測量射束輻射變換成電信號的變換裝置，其特徵在於，變換裝置是由雷射腔和用於測量雷射腔的操作變化的測量裝置構成的，這些變化是由於再次射入雷射腔的反射測量射束輻射的幹擾和雷射腔內的光波造成的，並且代表目標的移動。
這一主要實施例的這種光學輸入器件包括很少的部件，並且比第一主要實施例的器件易於製造。
第二主要實施例的第一實施例的特徵在於，測量裝置是用於測量雷射腔阻抗變化的裝置。
第二主要實施例的優選實施例的特徵在於，測量裝置是用於測量由雷射器發出的輻射的輻射檢測器。
輻射檢測器可以以接收測量射束的部分輻射的方式被安排。
然而，輸入器件的這一實施例的優選特徵在於，輻射檢測器被布置在發射測量射束的雷射腔的一側上。
例如，可以將這樣的強度測量光電二極體布置在二極體雷射器和輸入器件的透鏡之間的在它接收被輸入器件部件反射的輻射的位置上或在它接收從測量射束分離的輻射的位置上。
具有用於測量一個目標的移動和該設備在與該目標的照明表面平行的一個平面內的相對移動的輸入器件的一種設備的特徵在於，光學輸入器件包括至少一個二極體雷射器和用於測量目標與該器件沿著第一和第二測量軸的相對移動的至少一個檢測器，這些軸平行於目標的照明表面。
如後面所述的，可以為該器件和採用兩個或以上測量射束的其它器件提供用於各個測量射束的獨立檢測器。然而，如果採用分時方案，也可以使用同一個檢測器用於所有的測量射束。
具有允許測量目標與器件的第三相對移動的輸入器件的一種設備的特徵在於，光學輸入器件包括三個二極體雷射器和用於測量目標與器件沿著第一、第二和第三測量軸的相對移動的至少一個檢測器，第一和第二軸平行於目標的照明表面，而第三軸大致垂直於該表面。
輸入器件的這一實施例識別目標與器件沿著第三測量軸的單一移動，並且將其變換成電信號，利用該電信號可以確定點擊動作。
具有允許確定滾動動作和點擊動作的光學輸入器件的一種設備的特徵在於，光學輸入器件包括兩個二極體雷射器以及至少一個檢測器，用於測量目標與該器件沿著與目標表面平行的第一測量軸和沿著與目標表面大致垂直的第二測量軸的相對移動。
第一測量軸用於確定滾動動作，而第二測量軸用於確定點擊動作。
或者，該設備的特徵可以在於，光學輸入器件包括兩個二極體雷射器以及至少一個檢測器，用於測量目標與該器件沿著第一和第二測量軸的相對移動，這些軸相對於目標表面的法線在相反的角度上。
來自兩個測量軸的信號包括有關滾動動作和點擊動作的信息，並且通過適當組合兩個測量軸的信息能隔離特定的滾動動作信息以及特定的點擊動作信息。
這種新設備可以用於不同應用中，例如用於行動電話、無繩電話、膝上型計算機或手持式計算機中。
本發明的這些及其它方面參照下面所述的實施例將是顯而易見的並將參照這些實施例利用非限制性示例進行闡述。
在附圖中圖1表示其中採用本發明的一種行動電話的第一實施例；圖2表示這種行動電話的第二實施例；圖3表示一種公知的光學輸入器件；圖4a以截面圖表示一種新型光學輸入器件的一個實施例；圖4b是這個實施例的頂視圖；圖5表示這種輸入器件的測量原理；圖6表示雷射腔的光學頻率和增益作為器件與目標彼此相對移動的函數的變化；圖7表示測量此變化的方法；圖8表示雷射器波長作為具有光學反饋的雷射器的溫度的函數的變化；圖9表示對雷射器使用周期性變化的驅動電流的效果；圖10表示如何檢測移動的方向；圖11表示具有三個測量軸的一種光學輸入器件的示意圖；圖12a和12b表示其中使用光纖的輸入器件的一個實施例；圖13和14表示滾動和點擊輸入器件的第一實施例；圖15表示該器件的第二實施例；
圖16表示用於本發明的設備中的發射LCD面板的示意圖；圖17表示與這種面板一起使用的一種發光裝置的一個實施例；圖18是一種反射LCD面板的示意圖；圖19表示與這種面板使用的一種發光裝置的一個實施例；圖20a和20b表示用於本發明的設備中的一種圖像靈敏顯示器件的兩個實施例；圖21表示如何能夠從光學輸入器件向顯示面板的發光裝置提供輻射；圖22到27表示從具有不同數量的二極體雷射器的光學輸入器件向不同數量的其它光學器件提供輻射的一些示例；圖28是具有光學鍵盤的一種行動電話的頂視圖；圖29是這種行動電話的截面圖；圖30是這種行動電話中的光導的一個實施例的頂視圖；圖31是這些光導的另一實施例的頂視圖；圖32表示光學輸入器件與光學鍵盤的集成；圖33表示其中實施本發明的一種無繩電話；和圖34表示其中實施本發明的一種膝上型計算機。
具體實施例方式
圖1表示這種新輸入器件的第一和重要應用，即應用在移動或蜂窩電話設備1中。該設備的正面具有按鍵輸入部分或鍵盤3，其包括用於撥號輸入和其它功能的許多按鈕開關(鍵)4。一個顯示器件5被設置在鍵盤部分3上方，並在電話1的頂表面上設有天線7。在撥號時，例如從按鈕開關4輸入十-鍵撥號或其它指令，有關輸入指令的信息通過容納在電話內的沒有表示的發射電路和天線發送到電話公司的基站。可以在電話電路中處理通過按鈕開關輸入的其它指令，以啟動電話電路內置的不同功能，例如選擇存儲列表的一個給定電話號碼，或發送標準消息表中的一個給定消息。通過給電話設備提供一個輸入器件10和附加電路來控制光標8在顯示設備5上的移動，就能用便捷的方式執行一些現存的功能，並且能創建新功能。圖1中僅僅表示了其窗口的一個輸入器件10可以布置在電話上的各個位置上，例如圖1所示，在按鈕開關的下方，或在一個側表面上。輸入器件的窗口最好是位於保持手持式電話設備的手指經常放置的位置之一上。該設備的電路能夠顯示一個功能菜單，並且在輸入器件10的輸入窗口上移動手指就能將光標8移動到給定功能。在垂直於窗口的方向上移動手指就能啟動這一功能。
如果將一種標準協議例如是WAP協議或I-模式Internet協議集成在行動電話內，輸入器件10會提供很大的優點。採用這種協議，該設備能夠用作全球通信網絡例如Internet的終端。由於這越來越廣泛地被推廣，需要一種新的終端用戶設備。首選是行動電話和帶機頂盒的電視機。對於新的用途，這些設備應該裝備有適合於例如行動電話或TV遙控器的小型輸入器件。
應該注意到，對於較新的用途，顯示器件5與鍵盤相比往往比圖1中所示的要大。這就意味著用於集成光學輸入器件的鍵盤中可用的空間受到限制，並且這種器件應該很小。包括兩個部分並且可以摺疊打開以便使用的新型行動電話可以使用大的顯示器。在圖2中示意地表示這種行動電話。
光學輸入器件可以採用EP-A 0 924 285中所述的那種類型的器件。引自EP-A 0 924 285的圖3表示用於測量一個表面12例如手指表面平移的輸入器件。該器件包括用於提供測量射束15的二極體雷射器14，射束15入射到表面12上。部分發射衍射光柵16被布置在靠近表面12。在通過一個空間濾波器之後，被光柵反射的光和被表面12反射的光都入射到一個輻射靈敏檢測器22。該濾波器由透鏡18和針孔20組成。檢測器上的幹涉光產生一個拍頻信號，即依賴於表面平移的振蕩信號。被光柵反射的並且被檢測器22俘獲的輻射射束被用作本地振蕩器射束。這一射束最好包括被光柵按零階反射的輻射。光柵還會產生也可供利用的加、減一階射束19和21。圖3中的標號17表示被表面12散射的光。有關這種器件及其實施例的細節請參見EP-A 0 924285。
優選地，利用在發明人的實驗室中新近開發的輸入器件。這種基於另一種檢測概念的器件易於製造並具備更多的能力。
圖4a是這種輸入器件30的示意性截面圖。該器件在其較低側面上有一個用於承載二極體雷射器(在本實施例中為類型VCSEL的雷射器)和檢測器例如光電檢測器的基板31。在圖4a中只能看到一個二極體雷射器33及其有關的光電二極體34，但是如圖4b的器件的頂視圖中所示，可看見在基板上至少還提供有第二二極體雷射器35及其有關的檢測器36。二極體雷射器33和35分別發射雷射或測量射束43和47。在器件的上側面上，提供有透明窗口42，手指45可以在窗口上移動。一個透鏡例如平面-凸透鏡40被布置在二極體雷射器和窗口之間。該透鏡將雷射射束43和47聚焦在透明窗口上或靠近其上側面。如果一個目標例如手指45出現在這一位置上，它散射射束43。射束43的一部分輻射被散射到照明射束43的方向，並且該部分被透鏡40會聚在照明射束43的發射表面上並且重新進入此雷射器的腔內。如下所述，返回到雷射腔的輻射會引起此腔的變化，這隨之導致由二極體雷射器發射的雷射輻射的強度發生變化。這被稱作自我混合效應。按照該器件的原始雛形，光電二極體44能夠檢測到自我混合效應造成的強度變化，這將輻射變化變換成電信號。該信號在一個電子電路48中進行處理。圖4a和4b中所示的分別用於光電二極體34和36的信號的電路18和19僅僅是示意目的，並且可以或多或少是常規的。如圖4b所示，這些電路可以互連。
圖5表示輸入器件的原理，以及在水平發射二極體雷射器和監視光電二極體被布置在雷射器背面時使用的測量方法。圖中的二極體雷射器例如二極體雷射器33可以用其雷射腔50及其正面和背面或分別利用雷射器反射鏡51和52來表示。雷射腔的長度是L。其移動有待測量的目標或手指用標號45表示。目標與正面21之間的空間構成外腔，其具有的長度是L0。用標號55代表從正面發射的雷射射束，而標號56代表被目標在正面方向反射的輻射。在雷射腔內產生的一部分輻射通過背面並且被光電二極體34俘獲。
如果目標45在照明射束43方向中移動，反射輻射56就會經歷Doppler頻移。這意味著此輻射的頻率改變或發生頻移。此頻移取決於目標的移動速度，並且具有從數kHz到MHz的量級。重新進入雷射腔的頻移輻射與腔內產生的光波或輻射發生幹涉，即，在腔內發生自我混合效應。根據光波與再次射入腔內的輻射之間的相移量，這一幹涉會被加強或抵消，即雷射輻射的強度被周期性加強或降低。按這種方式產生的雷射輻射調製的頻率正好等於腔內的光波與再次射入腔內的Doppler頻移輻射之間的頻率差。這一頻率差具有從數kHz到MHz的量級並因而易於檢測。自我混合效應與Doppler頻移的組合引起雷射腔的行為特別是其增益或光放大倍數的變化。
這表示在圖6中。在此圖6中，曲線61和62分別代表發射的雷射輻射頻率v和二極體雷射器增益g作為目標15與正面反射鏡21之間距離L0的函數的變化。v，g和L0可以採用任意單位。由於距離L0是目標移動的結果，所以可以在時間軸上重新定標圖6的橫坐標，以便將按時間函數繪製增益。作為目標速度v函數的增益變化Δg由以下公式給出g=-KL.cos.{4...tc+4.L0.tc}]]>在此公式中K是外腔的耦合係數，其表示耦合到雷射腔外的輻射量；ν是雷射輻射的頻率；v是目標在照明射束方向上的速度；t是時間，和c是光速。
可以根據以下文章中所公開的自我混合效應理論推導出這一公式「Small laser Doppler velocimeter based on the self-mixingeffect in a diode laser」in Applied Optics，Vol.27，No.2，15January 1988，pages 379-385和「Laser Doppler velocimeter basedon the self-mixing effect in a fiber-coupled semiconductorlasertheory」in Applied Optics，Vol.31，No.8，20 June1988，pages401-3408。這些文章公開了自我混合效應用於測量目標或一般地固體和流體的速度的使用，但是沒有建議在此所討論的輸入器件中自我混合效應的使用。這種使用是基於採用自我混合效應的測量模塊可以做得既小又便宜以致於能夠容易安裝並且不會給現有設備增加很多附加成本的認識。
目標表面45在其自身平面內移動，在圖5中如箭頭46所示。由於只對於目標在射束方向中的移動才產生Doppler頻移，所以此移動46在該方向上應該有一個分量46』。因而有可能測量XZ平面即圖5所示平面內的移動，該移動被稱為X移動。圖5表示目標表面相對於系統中其餘部分具有一個傾斜位置。實際上，通常測量射束是一個傾斜射束，而目標表面的移動將發生在XY-平面內。Y-方向垂直於圖5的平面。可以用由第二二極體雷射器發射的第二測量射束測量該方向上的移動，並且用與第二二極體雷射器有關的第二光電二極體捕獲其散射的光。如圖4a所示，相對於透鏡40偏心地布置二極體雷射器獲得傾斜照明射束。
原版設備中通過由監視二極體測量雷射器背面的輻射強度，確定目標移動造成的雷射腔增益變化是最為簡單的，並因而是最具吸引力的方式。通常，這種二極體保持雷射輻射的強度不變，而現在它被用於測量目標的移動。
測量增益變化並因而測量目標移動的另一種方法利用雷射輻射的強度與雷射器結(junction)內導帶中的電子數量成比例的事實。該數量又與結的電阻成反比。通過測量這一電阻就能確定目標的移動。
圖7表示這種測量方法的一個實施例。在此圖中用標號65代表二極體雷射器的有源層，並且用標號66代表用於為雷射器供電的電流源。二極體雷射器上的電壓通過電容器68提供給電子電路70。按照通過雷射器的電流歸一化的這一電壓與雷射腔的電阻或阻抗成正比。與二極體雷射器串聯的電感67對於二極體雷射器上的信號構成一個高阻抗。
除了移動量即通過相對於時間集中測量的速度能夠測量的目標或手指移動距離之外，還需要檢測移動的方向。這就意味著必須確定目標沿一個移動軸是向前還是向後移動。可以通過確定由於自我混合效應產生的信號形狀來檢測移動方向。如圖6中圖形62所示，該信號是一個非對稱信號。圖形62代表目標朝雷射器移動的情況。上升斜率62』比下降斜率62」更加陡峭。按照Applied Optics，Vol.31，No.8，20June 1988，pages401-3408的文章所述，對於目標遠離雷射器的移動，非對稱被反向，即下降斜率比上升斜率陡峭。通過確定自我混合信號的非對稱類型，就能確定目標的移動方向。在某些環境下，例如對於目標的反射係數較小或目標與二極體雷射器之間的距離較大，可能難以確定自我混合信號的形狀或非對稱性。
因此優選確定移動方向的另一種方法。該方法利用了雷射輻射的波長λ取決於二極體雷射器的溫度並因而取決於流過二極體雷射器的電流的這一事實。例如，如果二極體雷射器的溫度增加，雷射腔的長度就會增大，而被放大的輻射的波長增加。圖8的圖形75表示發射的輻射的波長λ的溫度(Td)相關性。在此圖中，水平軸Td和垂直軸λ都是任意單位。
如果如圖9所示對二極體雷射器提供用圖形80代表的周期性驅動電流Id，二極體雷射器的溫度Td就會如曲線82所示周期性上升和下降。這樣會在雷射腔內產生一個穩定的光波，它具有周期性變化的頻率，並因而相對於被目標反射的並利用一定的時間延遲被再次射入腔內的輻射具有連續變化的相移。在驅動電流的每半周期內，現在存在連續時間段，其中二極體雷射器增益較高和較低，這取決於腔內波與被反射的再次射入腔內的輻射的相位關係。這得到圖9中的圖形84表示的發射輻射的一個時間相關的強度變量(I)。該曲線代表目標的靜止或非移動的狀態。前半周期1/2p(a)內的脈衝數等於後半周期1/2p(b)內的脈衝數。
目標的移動造成再次射入雷射腔內的輻射的Doppler頻移，即輻射的頻率隨移動方向增大或減小。目標朝一個方向即正向移動引起再次射入輻射的波長的減小，而反方向移動引起該輻射的波長增大。在雷射腔內對光波進行周期性頻率調製的作用是在Doppler頻移與雷射腔內頻率調製的符號相同的情況下，再次射入腔內的Doppler頻移輻射的作用與在所述頻率調製與Doppler頻移的符號相反的情況中這種輻射的作用是不同的。如果兩個頻移的符號相同，波與再次射入輻射之間的相位差就會以低速率變化，並且所導致的雷射輻射的調製頻率較低。如果兩個頻移的符號相反，波與輻射之間的相位差就會以高速率變化，並且所導致的雷射輻射的調製頻率較高。在雷射器驅動電流的前半周期1/2p(a)期間，產生的雷射輻射的波長增大。在後向移動目標的情況下，再次射入輻射的波長也會增大，因此腔內的波與再次射入腔內的輻射之間的頻率差較低。這樣，再次射入輻射的波長適應所產生輻射的波長所需的時間段數就會比沒有對發射的雷射輻射進行電子調製的情況下要小。也就是說，如果目標反向移動，前半周期內的脈衝數就會小於沒有應用調製時的數量。在雷射器溫度和產生的輻射波長下降的後半周期1/2p(b)期間，再次射入輻射的波長適應所產生輻射的波長所需的時間段數會增加。因此，對於反向移動目標，前半周期內的脈衝數小於後半周期內的脈衝數。
這表示在圖10中的圖形88中，該圖形表示目標朝反向移動時發射的雷射輻射的強度Ib。與圖9中的圖形84相比，前半周期內的脈衝數減少了，而後半周期內的脈衝數增加。如果目標朝正向移動，被目標散射並再次射入雷射腔內的輻射的波長就會因Doppler效應而降低，前半周期1/2p(a)內的脈衝數要大於後半周期1/2p(b)內的脈衝數。通過將圖10中代表目標正向移動情況下發射的輻射強度If的圖形86與圖9中的圖形84相比，就能驗證此。
在電子處理電路中，從前半周期1/2p(a)期間計數的脈衝數中減去在後半周期1/2p(b)期間計數的光電二極體信號脈衝數。如果所得到的信號是零，則目標就是靜止的。如果所得到的信號是正的，則目標正向移動，而如果此信號是負的，則目標反向移動。所得到的脈衝數分別與正向和反向移動速度成比例。
在某些環境下，例如如果雷射器與目標之間的光學路徑相對短並且電調製的頻率與幅度相對小，而要檢測的移動又相對快，則由於Doppler效應產生的脈衝數有可能高於電調製所產生的脈衝數。在這種情況下，將前半周期期間的脈衝數與後半周期內的脈衝數相比較，仍然能檢測出移動方向。然而，速度卻不是與這兩數之差成正比。在這種情況下，為了確定速度，所述兩個數應該被平均，並且應從結果中減去一個固定值。由此獲得的數就是速度的度量值。本領域的技術人員能夠容易地設計執行這種計算的電子電路。
替代參照圖9和10所述實施例中使用的三角形驅動電流Id，還可以使用不同形狀例如矩形的驅動電流。
如果通過測量二極體雷射腔電阻的變化來確定增益變量，也可以採用所述的測量目標移動的速度和方向的方法。
該測量方法僅僅需要小的Doppler頻移，例如在波長方面，1.5.10-16m量級的頻移，這對應於680nm的雷射器波長的100kHz量級的Doppler頻移。
可以用圖4的輸入器件測量目標沿著一個平面內兩個垂直(X和Y)方向或測量軸的移動，該器件包括垂直定向的兩個二極體雷射器和相關的光電二極體。為該器件增加第三二極體雷射器和有關的光電二極體使該器件能夠測量沿第三Z-方向或測量軸的移動。第三二極體雷射器可以布置在透鏡40的光軸上，以便第三照明射束垂直入射到窗口手指42和目標或手指45上，並且在其它方向上沒有分量。這樣就可以獲得最佳的Z方向的測量信號。為了增加可靠性及X和Y測量信號的精度，三個二極體雷射器可以布置在一個圓圈上並且彼此間隔120°角距離。在圖11中表示這種結構，其中分別用標號37和38代表第三二極體雷射器和第三光電二極體。如果分別用S34、S36和S38代表光電二極體34，36和38的輸出信號或電阻測量信號，則能如下分別計算出目標沿X，Y和Z測量軸的速度Vx、Vy和VzVx＝2.S34-S36-S38Vy＝√3.(S38-S36)Vz＝1/√2.(S34+S36+S38)用於執行這種計算的電子電路包括加法和減法元件，並且相對容易實現。
速度值以及以這種方式獲得的通過相對於移動的時間時長的積分的X和Y方向上的移動距離就更加可靠和精確，因為這是至少兩個光電二極體的輸出信號取平均的結果。移動誤差或不希望的移動例如手指稍微抬起對光電二極體的輸出信號都有類似的影響。由於沿X和Y測量軸的移動是通過輸出信號彼此相減來確定的，所以不希望的移動對X和Y測量信號的影響被消除。通過相加三個光電二極體的輸出信號獲得的Z測量信號僅僅指示手指或另一目標的上/下移動。
在手指朝Z方向移動並且彼此有關的輸入器件被用於執行點擊功能的應用下，足以檢測到這樣的移動發生。沒有必要精確測量目標的位移，因此Z測量可以相當粗糙。甚至不需要檢測移動方向。
對這種結構或手指的反射係數幾乎不必設置任何要求。業已證明也很容易測量到一片白紙相對於輸入器件的移動，因此設備的輸入也可能是由於手指之外的某種目標給予的。
從光學觀點來看，光學輸入器件的尺寸可以非常小。窗口42的直徑可以是幾mm，或尺寸為幾平方mm。器件的電子裝置不需要靠近光學裝置布置，可以將電子裝置布置在設備中有一定可利用空間的位置上。由於在此器件中採用了這種測量原理，其部件不要求精確對準，這對大批量生產是非常有利的。
在圖11所示的輸入器件中，測量射束不聚焦在窗口平面內。另外，由於這些射束源自基板層上的不同位置，照明射束在作用平面上例如在窗口的平面的不同位置上形成照明光點。照明射束及其散射輻射在空間上充分分散，因此不同測量軸之間的串擾通常不會造成問題。必要時，可以用波長稍有不同的二極體雷射器來減少殘餘串擾。為此，幾nm的波長差別就足夠了。
消除串擾的另一種可能性是對二極體雷射器採用控制驅動，這在任一時間僅僅啟動一個雷射器。其電路交替驅動不同的二極體雷射器的多路復用驅動電路能夠構成這樣的控制驅動。這種多路復用電路允許利用一個檢測器或光電二極體監視兩或三個二極體雷射器，其中這一個檢測器或光電二極體布置在各個二極體雷射器的輻射的範圍內，並且用於分時模式中。採用這種驅動電路的實施例的附加優點是減少電路所需的空間和器件的電功率消耗。
不採用透鏡40和摺疊式反射鏡，在採用水平發射二極體雷射器的情況下，也能利用光纖將雷射射束引導到窗口42。圖12a和12b表示採用這種光纖提供的輸入器件的任意實施例。圖12a是垂直截面圖，而圖12b是該實施例的頂視圖。光纖92，93和94的輸入端分別按公知的方式耦合到二極體雷射器33，35和37。光纖的所有輸出端位於器件的窗口上。光纖可以嵌入在一個固體材料例如樹脂或其它透明或不透明材料的帽96中。這每個光纖對通過光纖引導的射束無論是來自有關二極體雷射器的照明射束還是返回到此雷射器的散射輻射構成一個隔離器。結果，使不同測量軸之間的串擾很小或甚至沒有。如果不嵌入光纖，能利用其柔軟的特性，這在設計設備中的輸入器件時增加可能性。另外，光纖能在任意距離上傳送輻射，以致於二極體雷射器和光電二極體可以布置在距輸入器件的窗口很遠的距離。在圖12a和12b的實施例中，二極體雷射器及其有關的光電二極體被靠近布置在一起，並且這些元件如圖12a所示可以布置在有關獨立的倉室97內。一方面二極體雷射器以及另一方面光電二極體也可以定位在較大距離上，並且通過透明媒體或光纖進行光學耦合。
在輸入器件必須僅僅測量X和Y-移動，而不需要例如點擊功能的Z-測量時，它能夠用兩個二極體雷射器代替圖11中所示的三個二極體雷射器來操作。
然而，通過正確布置二極體雷射器並因而相對於窗口布置測量射束以及正確處理光電二極體的信號，就有可能利用僅有兩個二極體雷射器的輸入器件執行X，Y個Z-方向上的測量。這種輸入器件可以用於滾動菜單圖表的上-下滾動器中，並且能確定激活菜單的點擊，利用受上-下開關控制的光標來指向菜單。可以稱作光學滾動開關的這種輸入器件容易利用允許快速新研製的分立部件製成。
圖13表示光學滾動開關100的第一實施例。它包括兩個雷射器/二極體單元101，102，這在原始版本中均包括二極體雷射器和光電二極體。在這種新設備中，用獨立的二極體雷射器和光電二極體替代這樣的單元。在分別由二極體雷射器101和103發射的各個射束105，106的路徑中，布置有透鏡103，104，其將有關的射束聚焦在動作平面107上，例如這可以是器件窗口的平面。此窗口112可以構成容納該設備的設備外殼109的一部分，例如圖14中的側視圖所示的行動電話。二極體雷射器和有關的透鏡是這樣布置的，使得射束105和106的主要射線相對於窗口112的法線成相對的角度，例如分別在+45°和-45°角度上。
目標或手指108在動作平面上移動用於滾動動作並且垂直於該平面移動用於點擊動作。如上所述，這兩種動作都引起被手指朝向二極體雷射器101和102反射的輻射的Doppler頻移。與這些二極體雷射器有關的檢測器的輸出信號被提供給信號處理和雷射器驅動電子電路110。該電路評估例如控制手指108的移動並且在其輸出111上提供有關所述移動的信息。
雷射器/二極體單元101和102、透鏡103和104、窗口112和電子電路110及軟體可以集成在一個模塊內。該模塊被設置在應提供有滾動和點擊功能的行動電話或另一設備中。有可能利用分立元件實施此輸入器件。特別地，信號處理部分可以由構成行動電話或其它設備一部分的微控制器或其它控制裝置來執行，例如遙控器、無繩電話或可攜式計算機。
如上所述，通過調製雷射器電流並且對檢測器接收的脈衝計數，能檢測到手指或其它目標朝向和/或遠離雷射器/二極體單元的移動。根據這些檢測器的分別代表目標沿射束105和106的主要射線的速度的輸出信號Sign1和Sign2，能如下計算出與窗口平行的速度(Vscroll)和與窗口垂直的速度(Vclick)vscroll＝√2.(Sign1-Sign2)vclick＝√2.(Sign1+Sign2)圖15表示光學滾動開關120的第二實施例。這個實施例與圖13和14所示的不同之處在於，兩個透鏡103和104及窗口112被單個元件122所替代。該元件將射束105和106聚焦在構成器件窗口的其上表面124上。
如果圖13到15的輸入器件需要僅僅提供滾動功能，原理上僅需要一個二極體雷射器、透鏡和檢測器。
其中集成有例如光學滾動開關的輸入器件的行動電話等等設備通常包括一個顯示器，例如液晶顯示面板。圖16的示意圖表示常規的透射(transmission)液晶面板130。該面板包括例如由向列類型的液晶材料層132構成的被密封在兩個透明的例如玻璃板134和135之間的層132。驅動電極136和137被布置在每個板上。至少電極137被劃分成大量的行和列，以致於在顯示面板中限定了大量圖像元素或像素。如圖中所示，利用驅動端子138和139驅動矩陣電極，控制不同的像素。這樣，能在所要求的位置即像素位置上對液晶材料132施加一個電場。這樣的電場造成液晶材料132的有效折射率的改變，即對準及其延長分子的光偏振特性的改變。通過像素的光根據在有關像素的位置上是否存在局部電場而經受或不經受偏振旋轉。利用布置在電極136和觀眾眼睛之間的偏振濾光片141，將偏振變化轉換成強度變化，以使觀眾看到或看不到像素。看到和看不到的像素共同構成一個例如每秒能夠迅速改變25或50次的圖像。其中由行和列電極的交叉點構成像素並且直接由這些電極之間的電壓來控制像素的一種顯示面板被稱為無源矩陣顯示器。
替代無源矩陣顯示器，可以採用一種有源矩陣顯示器。在這種顯示面板中，控制電子電路由布置在板135上的電晶體陣列構成。各個像素現在由其自身的電晶體優選為薄膜電晶體(TFT)來控制。例如在EP-A 0 266 184中描述了這兩種類型的顯示器。有源矩陣顯示器能夠顯示優異質量和高解析度的彩色圖像，並且開發出能夠顯示越來越複雜的信息的顯示裝置。無源矩陣顯示器易於製作並且消耗相對低的功率。這些顯示器適合於其中對亮度、像素數量和響應時間要求適中的應用。
LCD面板是不發射的，即，它們不生成光。相反，直視透射型LCD面板配備有背光裝置。圖17表示背光裝置143的一個實施例。該裝置包括由光源和例如由玻璃或透明塑料形成的平面光導145構成的一個透明光導板1。圖17僅僅表示了此板的一部分。此板145具有面對液晶層132(圖17中沒有表示)的上主平坦表面147、下主平坦平面148和圖17中僅僅表示了一面的四個側表面15。通常在至少一個側表面150的對面布置有安置在一個拋物線型反射器160中的至少一個光源152。板145設有許多光散射元件154。來自光源152的光線156通過側表面150進入板145並且在到達散射元件154之前根據光線的方向被一次、兩次或多次完全內部反射。這種元件朝不同方向反射入射到其上的光。用光線158代表的一部分反射光所具有的方向是穿過板的上表面147並且傳播到液晶層132。其餘的反射光進一步在板145內傳播，直至到達另一散射元件155。用光線159代表的被這一元件反射的一部分光通過板145的上表面147並且在板內進一步傳播。這一直進行，直至通過側表面150進入板內的絕大部分光被耦合到板外並且指向液晶層132。
考慮到反射顯示面板的設想應用，圖18是一個實施例的反射LCD面板170的示意圖。該面板包括類似於圖16中液晶層132的一個液晶層172。層172被夾在類似於圖16中板134的一個透明板174和第二板175之間。板174設有一個相對電極，而板175載有每個像素一個的控制電晶體陣列，用層177示意性表示這一控制陣列。板175的正面一側179是反射的。反射面板170的作用與圖16中的透射面板130相同，唯獨成像光被反射而不發射。
反射面板中的控制電晶體被布置在液晶層172下面並因而不覆蓋該層的部分，液晶層的基本上全部表面面積即被有效的即空白的像素區佔用。這表示反射面板具有比透射面板高的解析度。另外，入射到面板上的幾乎所有光都被反射和被調製並用於顯示圖像。反射顯示面板對可用光的使用效率要遠遠大於透射面板。而且，反射顯示面板可以利用環境光，因此面板在明亮或日光環境下使用時不需要額外的照明。顯示圖像的對比度隨著環境光強度的增大而增大，因為成像反射光的強度也增大，而黑像素的黑度則不會改變。如果在環境光增強的環境中使用透射顯示面板，顯示圖像的對比度會下降。由此顯而易見，反射顯示面板一般需要從為照明裝置供電的電池獲取相當少的功率。
這種照明裝置是一種正面照明裝置而不是背光裝置。正面照明裝置的一個實施例在圖19中表示。在光導板145』的上面一側147』上現在設置了散射元件154』和155』，以使光能夠通過板的下面一側148』發射。除了發射光的方向之外，圖19的正面照明裝置與圖17的背光裝置具有相同的元件並且按圖17的背光裝置相同的方式工作，因此無需進一步解釋圖19。
實現進一步集成對於行動電話特別有吸引力，也就是將顯示面板與固態照相機加以組合以獲得一種圖像靈敏顯示器件。WO02/1406中描述了一種反射圖像靈敏顯示器件。在圖20a和20b中非常示意地表示該器件的兩個實施例。在這些附圖中，標號150』代表正面照明裝置，而標號170代表具有正面玻璃184的反射顯示面板。標號182代表圖像傳感器例如CCD傳感器。在圖20a的實施例中，圖像靈敏陣列被布置在正面玻璃184的頂上，而圖20b的實施例中該陣列被布置在正面玻璃184和顯示面板170之間。照相機功能所需的透鏡裝置是由諸如Fresnel透鏡的平面衍射透鏡和布置在圖像靈敏陣列(LCD)正面的一或多個表面上的微透鏡陣列構成的。有關圖像靈敏顯示器件及其實施例的具體說明，請參見WO02/11406。
按照本發明，提供給背面光導或正面光導的輻射是由出現在同一設備中的光學輸入器件的二極體雷射器提供的。這在圖21中示意地表示顯示設備被嵌入在設備中和輸入器件相同的那一部分中的情況。圖21表示二極體雷射器202、會聚透鏡204和窗口206，這些元件共同構成光學輸入器件。二極體雷射器的背面被布置在光導200的側面，這表示在截面圖中。光導200在透射面板的情況下類似於圖17的光導145，在反射面板的情況下類似於圖19的光導145』。由雷射器背面發出的雷射輻射沿著光導傳播，以致二極體雷射器的背面構成用於顯示面板的照明裝置的輻射源。必要時，可以用一個發散透鏡208來確保雷射器背面發射的光線在光導的主面上具有所需的入射角。
由於二極體雷射器的背面不能夠再用於測量雷射器生成的光的強度和測量自我混合信號，需要在二極體雷射器正面布置一個檢測器，例如光電二極體216。圖21所示的光電二極體216是這樣布置的，以使其接收利用空間反射鏡214從測量射束210中分離出來的次射束212。還可能利用受輸入器件的光學元件之一表面反射的輻射測量強度和自我混合信號，例如透鏡204的表面、窗口206的內表面或二極體雷射器的正面反射鏡。如此布置的測量光電二極體216能夠接收這樣的反射輻射。
如參照圖7所述，還可以通過確定雷射腔的阻抗來測量雷射強度和自我混合信號。
如圖21所示，不用在光導上布置自身帶有其封裝的雷射器，還可以在光導材料或例如在矽層的一個中間層上直接安置一小塊裸雷射器，以致能節省成本和空間。
光學輸入器件的窗口206如圖21所示可以嵌入在行動電話的外殼218的一個側壁219。還可能將窗口布置在容納鍵盤的這一外殼的表面中。如圖21所示，此窗口最好是一個凸表面。這具有的優點是窗口不會聚集塵埃並且易於用手指來檢測。
如果將光學輸入器件嵌入在行動電話的同時容納鍵盤的第一部分中，而顯示器件如圖2所示布置在第二部分中，來自二極體雷射器背面的輻射能通過光纖傳送到顯示器件的照明裝置。可以通過圖2中所示的連接行動電話的兩部分2和6的鉸鏈9引導光纖。
如果光學輸入器件包括第二和第三二極體雷射器，第二二極體雷射器或第二和第三二極體雷射器的後向發射雷射射束就可以用於為顯示器件的光導照明。如果行動電話除了顯示器件之外還包括第二和第三光學器件，就可以用存在的第二和第三二極體雷射器分別為這些器件提供後向發射的雷射射束。如果輸入器件僅僅包括第一和第二二極體雷射器，而設備包括三個光學器件，可以將第一二極體雷射器的雷射射束提供給第一光學器件，而將第二二極體雷射器的雷射射束提供給第二和第三光學器件。如果輸入器件僅僅包括一個二極體雷射器而該設備具有一個以上光學器件，來自這一二極體雷射器的後向發射射束就可以分布在其它光學器件上。其它光學器件的分布比是由這些器件各自所需的輻射量所確定的。
根據光學輸入器件中二極體雷射器的數量以及其它輸入器件的數量和種類，雷射輻射分布的幾種實施例是可能的。
圖22表示第一實施例，其中光學輸入器件220僅僅包括一個二極體雷射器222，而設備包括兩個其它光學器件230和240。用一個分束器例如半透明反射鏡或部分透射反射鏡223將來自二極體雷射器的後向發射雷射射束224分離成兩個射束225和226。利用光纖227和228分別將射束225和226引向光學器件230和240。在本圖和以下的附圖中，分別用標號229和221代表輸入器件的透鏡和窗口。
圖23表示輸入器件僅包括一個二極體雷射器而該設備包括三個其它光學器件的情況。用兩個分束器251和252將來自二極體雷射器222的後向發射射束254分離成三個射束254、255和256。利用光纖258、259和260分別將這些射束引向相應的其它光學器件230、240和250。分束器的劃分比即它們的透射反射比是由各個不同類型器件230、240和250所需的輻射量所確定的。
如圖24所示可以用一個光柵262代替分束器251和252。設計光柵，以致分別按非偏轉零階射束256和朝反方向偏轉的正、負一階射束25衍射入射輻射。適當選擇光柵的參數例如光柵溝槽的深度和溝槽寬度與光柵間距的比例就能獲得所需的輻射分布。可以按圖22和23所述相同的方式利用光導或光纖將射束引導到相應的其它光學器件裝置。這一點同樣適用於以下實施例，其中僅利用示例表示出光纖。
圖25所示實施例的設備有三個其它光學器件，而輸入器件有兩個二極體雷射器222和224。來自二極體雷射器222的後向發射射束224被提供給光纖258，而來自二極體雷射器262的射束264被一個分束器266分離成兩個射束268和269，提供給光纖259和260。
圖26所示實施例的設備也有三個其它光學器件，但是也有三個二極體雷射器222、262和272。可以分別利用光纖258、259和260將這些二極體雷射器各自的射束224、264和274提供給不同的一個其它光學器件。如果一個光學器件所需的輻射量明顯大於其它器件，可以將來自兩個二極體雷射器的輻射提供給該器件，而來自另一二極體雷射器的射束可以被分離成兩個射束用於其它光學器件。
圖27所示實施例的設備包括具有三個二極體雷射器的一個輸入器件，並包括兩個其它光學器件。現在可以利用透鏡276合成來自二極體雷射器222和262的射束224和264並且通過光纖259傳送到需要大量輻射的那一個其它光學器件。二極體雷射器272的射束被傳送到另外一個其他的光學器件。
前述的其它光學器具還可以包括光學鍵盤、一般的鍵盤照明和光學麥克風。
圖28是具有光學鍵盤的行動電話280的一個實施例的前視圖。圖中的標號282代表面板上的鍵，而標號283代表顯示器件。圖中還表示了被嵌入電話外殼285中的麥克風284。
圖29是沿圖28中II-II』線提取的行動電話的一個截面圖。顯示器283可以是包括布置在兩個基板286、287之間的一層液晶材料(未表示)的液晶顯示器。在本實施例中，顯示器位於透明載體(基板)288上，基板在鍵282的位置設有凹槽。
例如用透明塑料製成的基板288包括一個光導部和用於至少一個光源和檢測器的空間。在圖30中，鍵盤的光導部分290(以下稱為鍵盤光導)位於矩形ABCD之內。在鍵盤光導的AD一側設有另一個光導293。這一光導(以下稱為源光導)從布置在基板中位置292處的例如LED光源接收輻射。可以在鍵盤光導的AB一側布置一個類似的光源光導213』，用於從布置在基板中位置12』處的第二光源接收輻射。
鍵盤光導290例如設有伸出元件，使得來自源光導的光僅僅在X方向的光路300和Y方向的光路301處耦合到鍵盤內部。如圖29中所示，在光路300與光路301交叉的位置304設有一個凹槽。
沿著鍵盤光導390的BC一側布置另一個光導297。這一光導(以下稱為檢測器光導)從鍵盤光源接收輻射，並且將這一輻射傳遞給布置在基板288中位置298處的一個光學檢測器例如光電二極體。可以在鍵盤光導290的CD一側布置一個類似的檢測器光導297』，以便從後一個光導向布置在基板中位置298』處的光學檢測器傳遞輻射。為了改善從鍵盤光導進入檢測器光導的輻射的耦合，後者可以設有伸出元件。
在按下鍵282時，此鍵移入鍵盤光導並且進入在鍵位置289處交叉的光路。這樣的鍵會部分或完全反射沿著這些光路傳播的光。結果，位置298和298』處的光學檢測器所接收的輻射量就會改變，以致這些檢測器的輸出信號也改變。由於光源光導是從一側受其有關的光源照射的，所以耦合進入鍵盤光導的輻射強度會隨著光路300，301分別距光源位置292，292』的距離增大而減小。因此，檢測器輸出信號振幅因按下特定鍵而引起的改變取決於該鍵距光源的距離。
檢測器或光電二極體的輸出信號被提供給電子檢測電路，用於在放大之後在需要時對光路200和光路301中這些信號的改變進行檢測，從而提供確定按下了鍵盤上的哪個鍵的可能性。
被按入鍵盤光導的鍵部分可以設有反射材料來改善其反射輻射的能力。
光源(LED)可以是脈衝光源。
在位置299和298』上替代光電二極體還可以用反射器或其它光學部件將待測量的來自鍵盤光導的輻射引導到其它位置。例如，如果用一個薄膜電晶體陣列來控制顯示器283，可以用用於測量來自鍵盤的輻射的附加電晶體擴大這一距陣。這種選擇在基板288被用作顯示器基板替代圖29中基板的情況下是有吸引力的。必要時，可以優化附加電晶體的設計用於其特殊功能。
為了將從光源發射的並具有不同強度的輻射部分耦合到不同的光路301，可以如圖31所示削減光源光導293的厚度。來自光源(LED)310的射束部分315被光源光導293傾斜的上面一側朝著光路中的鍵反射變成射束315』進入Y光路301。在按下鍵時，其反射部分朝著檢測器光導297部分反射的輻射是射束315II。這一光導傾斜的左側朝檢測器312反射的輻射是射束315III。為了改善測量的可靠性，也可以測量通過鍵反射部分輻射的射束315IV。第二檢測器光導297』的傾斜表面朝第二檢測器312』反射這一射束。同樣，可以利用輻射源310』、光源光導293』、檢測器光導297』和檢測器312』通過X光路檢測鍵的按下狀態。對於此類檢測，光源312、312』應該被交替接通和斷開。
不需要連續檢測鍵的位置，並且每秒數次執行這種檢測就足夠了。
不僅可以按不同的強度還可以按不同的頻率來區別沿著不同的X和Y光路300和301傳送的輻射射束。這通過在光源光導293，293』與鍵盤光導290之間布置濾色器320來實現。此濾色器在其長度上顯示例如從紅(外)到紫(外)變化的色彩。在檢測器分支中，也應該實現色彩鑑別。有幾種可能性來設置入射到不同X和Y光路上的射束強度，特別是賦予光源光導的反射表面特定的結構和/或形狀。由於這些細節與本發明無關，不需要在此處討論。而且，在參照圖28，29，30和31所述的類型之外，本發明還可以用於其它類型的光學鍵盤。
圖32的示意圖表示如何利用光學鍵盤330實施本發明。用標號334表示鍵盤的鍵。由二極體雷射器和光學裝置及窗口352構成的方框350代表的輸入器件220被容納在鍵盤的光導332內。利用部分透射反射鏡335，336和全反射鏡337將反向發射雷射射束344反射到若干列鍵。這種設計能夠為沿不同光路傳播的射束345，346和347提供不同的強度。在光路中通過鍵的位置之後，利用全反射鏡338和部分透射反射鏡339和340將射束引導到檢測器342。
本發明還可以利用用於鍵盤照明的照明裝置來實施，鍵盤可以是光學鍵盤或不同類型的鍵盤。參見圖2，所示的行動電話在其上部分6裝備有這種照明器件。圖2中僅僅表示了照明器件的窗口360。該器件非常簡單，並包括窗口和從一個光學輸入器件的二極體雷射器背面到窗口的光導。窗口360的形狀可以象一個合適分布發光的透鏡。該窗口可以布置在設備上蓋中的任意位置，假定發射的射束為鍵盤提供適當的照明。
圖28的行動電話中容納的麥克風284可以是光學麥克風，這理解為表示用光學裝置測量膜片移動的一種麥克風。這些光學裝置包括向膜片發射光束的光源和用於接收被膜片反射的射束的光學檢測器。在光源與膜片和在膜片與檢測器之間可以布置透鏡。在受到語音或其它聲源激勵時，膜片會振動，這造成被膜片反射的光束角度發生變化。例如，膜片與檢測器之間的透鏡會將這些變化轉換成反射射束在檢測器平面內形成的光點位置的變化。位置靈敏檢測器將位置變化轉換成檢測器電輸出信號的變化。
按照本發明，光學輸入器件的至少一個二極體雷射器的反向發射射束被用作光學麥克風的光束。二極體雷射射束可以通過固態或柔性(光纖)光導傳送到光學麥克風。
儘管本發明是參照行動電話來描述的，但它還可以用於幾種其它設備，特別是電池供電的小型設備，除了光學輸入器件還包括參照行動電話所述的其它光學器件。此類設備的一個例子就是與行動電話設備功能相同或類似的無繩電話設備。無繩電話設備360如圖33所示。
該設備包括連接到電話或有線網絡的基站362和能夠在距基站一定半徑範圍內例如小於100m內使用的行動裝置364。設備364包括鍵盤365和顯示器件367。按照與所述的行動電話設備相同的方式，設備364可以具備用於接入Internet的WAP協議或I-模式協議，以及如上所述的光學輸入器件368。鍵盤365可以是光學鍵盤，麥克風369可以是光學麥克風，並且顯示設備、光學鍵盤和光學麥克風當中至少有一個可以獲得來自光學輸入器件368的至少一個二極體雷射器的輻射。與行動電話設備一樣，設備364應該小而輕，以便在無繩電話設備中本發明的實施提供和行動電話設備中一樣的優點。
本發明還可以用於稱為筆記本或膝上型計算機等可攜式計算機，圖34表示這樣一個實施例370。筆記本包括基座部分372和帶LCD顯示器375的蓋部分374。基座部分容納不同的計算機模塊和鍵盤373。在鍵盤中，布置有一個光學輸入器件377替代傳統的滑鼠墊。輸入器件可以布置在常規滑鼠板的位置，或布置在任何其它易於接觸的位置。筆記本的蓋部中設有照明器件378，圖中僅僅表示了該器件的窗口。鍵盤可以是光學鍵盤，並且顯示器件375、光學鍵盤373和照明器件378當中至少有一個可以獲得來自光學輸入器件377的至少一個二極體雷射器的輻射。
例如稱為個人數字助理(DPA)類型的一種手持式計算機是筆記本的縮小版本。這種手持式計算機也可以配備有光學輸入器件和參照筆記本計算機所述的其它光學器件。另外，手持式計算機的重量和尺寸應該更小，並且比筆記本計算機耗能更小，在手持式計算機中採用本發明能提供更多的優點。
本發明還可以用於小型遊戲計算機中。
權利要求
1.包括由移動目標控制的光學輸入器件並且也包括至少一個被提供電磁輻射的其他光學器件的一種設備，其特徵在於，輸入器件包括至少一個二極體雷射器，用於為輸入器件的窗口提供至少一個測量射束，所述測量射束測量目標相對於窗口的移動，並且其中輸入器件的至少一個二極體雷射器的背面被光學耦合到至少一個其他光學器件，以便為這樣的器件提供輻射。
2.按照權利要求1的設備，其特徵在於，輸入器件的至少一個二極體雷射器被光學耦合到一個光學鍵盤的光導。
3.按照權利要求1或2的設備，其特徵在於，輸入器件的至少一個二極體雷射器被光學耦合到用於為平坦顯示面板照明的照明裝置。
4.按照權利要求1，2或3的設備，其特徵在於，輸入器件的至少一個二極體雷射器被光學耦合到用於為該設備的鍵盤照明的照明器件。
5.按照權利要求1，2，3或4的設備，其特徵在於，輸入器件的至少一個二極體雷射器被光學耦合到該設備的光學麥克風。
6.按照權利要求1-5之一的設備，其特徵在於，輸入器件包括靠近窗口布置的部分透射目標，以便將一部分測量射束分離成參考射束，並且包括具有小開口的輻射靈敏檢測裝置，用於接收參考射束和被目標反射的測量射束。
7.按照權利要求1-5之一的設備，其中光學輸入器件包括用於將目標反射的測量射束輻射轉換成電信號的轉換裝置，其特徵在於，轉換裝置是由雷射腔和用於測量雷射腔的操作變化的測量裝置的組合構成的，這些變化是由於再次射入雷射腔的反射測量射束以及此腔內的光波的幹涉引起的並代表目標的移動。
8.按照權利要求7的設備，其特徵在於，測量裝置是用於測量雷射腔的阻抗變化的裝置。
9.按照權利要求7的設備，其特徵在於，測量裝置是用於測量由雷射器發出的輻射的輻射檢測器。
10.按照權利要求9的設備，其特徵在於，輻射檢測器被布置在雷射腔的發射測量射束的一側。
11.按照權利要求7，8，9或10的設備，其特徵在於，光學輸入器件包括至少兩個二極體雷射器和至少一個檢測器，用於測量目標與器件沿著第一和第二測量軸的相對移動，所述測量軸與目標的被照明表面平行。
12.按照權利要求7，8，9或10的設備，其特徵在於，光學輸入器件包括三個二極體雷射器和至少一個檢測器，用於測量目標與器件沿著第一，第二和第三測量軸的相對移動，第一和第二測量軸與目標的被照明表面平行，而第三測量軸與這一表面基本上垂直。
13.按照權利要求7，8，9或10的設備，具有用於確定滾動動作和點擊動作的光學輸入器件，其特徵在於，光學輸入器件包括兩個二極體雷射器和至少一個檢測器，用於測量目標與器件沿著與目標表面平行的第一測量軸和沿著與目標表面基本上垂直的第二測量軸的相對移動。
14.按照權利要求7，8，9或10的設備，具有用於確定滾動動作和點擊動作的光學輸入器件，其特徵在於，光學輸入器件包括兩個二極體雷射器和至少一個檢測器，用於測量目標與器件沿著第一和第二測量軸的相對移動，這些軸相對於目標表面的法線在相反的角度上。
15.一種行動電話，包括根據權利要求1到14之一的設備。
16.一種無繩電話，包括根據權利要求1到14之一的設備。
17.一種膝上型計算機，包括根據權利要求1到14之一的設備。
18.一種手持式計算機，包括根據權利要求1到14之一的設備。
全文摘要
在包括由移動目標控制的光學輸入器件(220)並且還包括至少一個被提供電磁輻射(225，226)的其他光學器件(230，240)的一種設備中，其中輸入器件包括至少一個二極體雷射器(222)，用於為輸入器件的窗口(221)提供至少一個測量射束，輸入器件的至少一個二極體雷射器的背面被光學耦合到至少一個其他光學器件，以便為這樣的器件提供輻射。以這樣的方式，能節省空間和成本，這使得該設備非常適合於小型與電池供電的類似於行動電話、手持式計算機和膝上型計算機等等的行動裝置。
文檔編號G06F3/042GK1653413SQ03811087
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月13日 優先權日2002年5月17日
發明者R·杜伊維, F·G·C·韋維格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司