在各種表面上的光學位移檢測的製作方法

2023-10-25 16:05:32

專利名稱：在各種表面上的光學位移檢測的製作方法
技術領域：
本發明大體而言涉及光學技術，且更具體而言涉及光學輸入裝置。
背景技術：
光學技術用於許多種環境中，包括用於例如滑鼠等光學輸入裝置。在大多數此等裝置中，光學系統通常具有一用於確定光學裝置相對於一表面的位移的傳感器。例如，在為光學滑鼠情況下，滑鼠具有至少一個用於確定滑鼠在一表面上的移動的傳感器，例如一桌面墊或滑鼠墊。滑鼠在所述表面上的移動會變換成滑鼠指針或光標在一與主機配套的顯示器上的移動。
光學滑鼠的移動或位移是通過對在兩個不同的瞬時及可能在所述表面上兩個不同位置上所捕獲的兩個不同圖像加以比較來加以確定。光學滑鼠的示蹤能力高度依賴於圖像的質量。如果圖像具有良好的質量，光學滑鼠就可更容易地進行示蹤。
在傳統光學滑鼠中所使用的傳感器可在例如紙張、木材、油漆、金屬及類似的能夠漫射光的表面上進行示蹤。這是因為傳統成像方式是基於對正常表面(例如木材、布料等)的光學粗糙性質的利用。因此，當所述表面是由不會漫射足夠光量的在光學上光滑的材料製成時(例如由玻璃或其他透明材料製成的表面)，成像就會出現問題。其一實例是玻璃平臺。此外，當在漫射表面上放置有一層玻璃或其他透明材料時，也會出現問題。其一實例是在木製桌子頂上放置玻璃板。讓我們分別考慮這些情形中的每一種情形。
當要使用由例如玻璃等透明材料製成的表面作為示蹤表面時，所述表面無法漫射足夠的光來實現傳統的示蹤。
當在一漫射表面頂上放置有一層玻璃或其他透明材料時，此種構造會造成光學傳感器與成像表面(即所述透明層下面的漫射表面)之間距離(稱作「z距離」)的變化。因此，傳統的照明及成像方法可能會導致聚焦不正確、照明不充分、及/或被照明點及被成像區域出現點偏移或重疊較差。這些問題可使傳感器無法精確地對位移(滑鼠運動)進行示蹤。
為解決傳統系統中的某些此等問題所作的能力會帶來其他缺點。例如，會帶來抬起檢測的精確性問題。具體來說，當用戶抬起滑鼠時，例如當意圖在示蹤表面上重新定位滑鼠而不在屏幕上移動光標時，屏幕上的光標會在整個抬起過程中在事實上其不應跟隨滑鼠移動時跟隨滑鼠移動。
此外，上述問題並非僅限於光學輸入裝置。其他使用光學技術來捕捉圖像及確定位置和移動的裝置也存在類似問題。另一種可能會存在這些缺點的裝置的實例是手持式掃描儀。
因此，希望提供一種甚至在光學裝置與示蹤表面之間放置有一層透明材料時或者在用戶希望僅在透明材料上進行示蹤時也可精確地對位移進行示蹤、以及提供精確的抬起檢測的光學裝置。

發明內容
本發明的實施例包括一種使一光學裝置能夠在一上面放置有一透明及/或不透明及/或在光學上光滑表面的漫射表面上進行示蹤的系統及方法。本發明的其他實施例包括一種使一光學裝置能夠在一單獨的透明及/或不透明及/或在光學上光滑的表面上進行示蹤的系統及方法。本發明的某些實施例旨在偵測一光學裝置何時被抬離其所位於的表面上。本發明的各實施例還包括一種用於檢測z距離(距示蹤表面的距離)及通過提高光學傳感器子系統及/或照明子系統在所檢測z距離處的有效性來提高圖像質量的傳感系統。
根據本發明的某些實施例，提供用於在示蹤表面位於一透明表面下面時檢測z距離的技術。在一實施例中，使用準直光束三角測量法來檢測z距離。一準直光源將光束射向一層透明材料下面的示蹤表面上。光至少從所述示蹤表面反射至一傳感器。根據所述光束與所述傳感器相交的位置，就可確定出所述z距離。在一替代實施例中，使用一略微發散的光源，以使照明點的大小隨z距離的增大而增大。因此，可使用所述照明點的大小來確定z距離。在另一實施例中，使用光波幹涉來確定距所述示蹤表面的距離。在再一實施例中，使用一包含一行電荷耦合裝置(CCD)元件的傳感器來確定z距離。使用從所述示蹤表面反射的光與所述CCD行相交的位置來確定所述z距離。
根據本發明的某些實施例，提供用於通過提高所述光學傳感器子系統在不同z距離處的有效性來提高圖像質量的技術。在一實施例中，在所述光學傳感器子系統中使用一小孔徑來增大視場的深度，從而提高在一z距離範圍內的圖像質量。另一選擇為，使用若干具有各種小尺寸的孔徑或一可變尺寸孔徑來提高圖像質量。在一實施例中，使用一焦闌成像系統來提高圖像質量。根據另一實施例，使用多個傳感器，其中每一傳感器均針對一各自的z距離範圍最佳化。另一選擇為或者另外，可使用一具有自動聚焦能力的成像系統。根據一實施例，使用一可變形狀的透鏡來提高圖像質量。
根據本發明的某些實施例，提供用於通過提高所述照明子系統在不同z距離處的有效性來提高圖像質量的技術。在一實施例中，可根據z距離來調整用於為一照明光源供電的電流大小。另一選擇為或另外，可使用多個光源，其中每一光源均最佳化成在一各自的z距離範圍內對一示蹤表面進行照明。
根據本發明某些實施例的一種光學裝置檢測其何時被抬離其所位於的表面上。在一實施例中，可使用準直光束三角測量法來實現該目的。在一實施例中，一準直雷射光束在所述成像系統的視場中間形成一亮點。當所述光學裝置被抬離所述表面時，所述光點在所述表面上側向移動且因此所述光點在圖像平面中移動。當所述光點的側向移動大於傳感器陣列上的一特定距離時，即檢測到光學裝置被抬離。在另一實施例中，使用單個直徑為D的小尺寸檢測器。在一實施例中，光學裝置被抬起會使光不會傳遞至檢測器，且功率降低會指示被抬起(ON/OFF系統)。在再一實施例中，在所述檢測器前面代替透鏡或除所述透鏡之外還使用一小的孔徑來實現類似的結果。
根據本發明的某些實施例，提供用於在一透明或不透明材料上進行示蹤的技術。在一實施例中，使用暗視場成像對一透明或不透明材料上的灰塵殘留物進行示蹤。以超過零級次的衍射級次從所述灰塵殘餘物衍射及散射的光被一檢測器會聚。在另一實施例中，使用一幹涉式檢測系統在一透明或不透明表面上進行光學示蹤。一參考光束在一檢測器上與來自所述透明或不透明材料的經Doppler頻移的瑞利(Rayleigh)反向散射光相疊加。使用數位訊號處理根據所得到的信號對移動進行檢測。
本發明的某些實施例提供一種用於在一在光學上光滑的表面(例如玻璃等透明或不透明表面)上形成用於示蹤的形體的方法及系統。這些形體可與暗視場成像方法或傳統成像方法結合使用。這些實施例包括使用小水滴施布系統，擦拭具有某些殘留物的表面，在所述表面上散布/增強灰塵殘留物，及熱點示蹤。
在某些實施例中，通過濺射(噴墨類系統)或者在蒸發(例如加熱填充有水的多孔材料)後自然冷凝，在玻璃表面上沉積小水滴(或任何其他適宜液體)。小滴的濃度及大小可在一定程度上加以控制並大大降低檢測系統(光學器件及檢測器)的複雜度。
在其他實施例中，在使用滑鼠之前在所述表面上使用一種特殊的抹布。所述抹布能夠散布溶解的殘餘物、矽酮微珠或任何不可見的標記劑。
在其他實施例中，滑鼠本體包含某些會接觸玻璃表面以使早已存在於所述玻璃表面上的灰塵殘留物散布的結構(例如聚合物環)。此將降低存在暗視場系統所將不能示蹤的清潔區域的風險。此外，滑鼠可包含一用於提供額外的光學級(因暗視場而對傳感器可見)灰塵的元件。
在某些使用熱點示蹤的實施例中，在一短的時間內激活一焦距雷射束，以對玻璃表面進行局部加熱從而形成熱點。後者在一IR檢測器陣列上成像並用作一示蹤參考點。當所述熱點處於由陣列尺寸所界定的視場以外時或者當熱點溫度降至一檢測閾值(相對於環境溫度而言)以下時，會形成一新的熱點。
在本發明的一個方面中，在根據本發明一實施例的一種裝置中包含兩個子系統。這些子系統中的其中一個是在所述裝置放置於一在光學上光滑的表面上時使用，而這些子系統中的另一個是在所述裝置放置於一在光學上粗糙的表面上時使用。
本發明可應用於許多不同的領域，且並非僅限於任一種應用或領域。本發明的許多種技術可應用於任一領域中的光學裝置。在本發明內容部分及下文具體實施方式
部分中所述的特徵及優點並未囊括一切，且具體而言，所屬技術領域的普通技術人員根據本發明的圖式、說明書及權利要求書將易知許多其他特徵及優點。此外，應注意，在說明書中所用的語言是主要是針對可讀性及指導性目的來選擇，且並非選擇成界定或者限制本發明的標的物，本發明的標的物需要藉助權利要求書來確定。


本發明具有其他優點及特徵，結合附圖閱讀下文對本發明的詳細說明及附圖將更容易得知這些其他優點及特徵，附圖中圖1為一具有一光學輸入裝置的傳統計算機系統的圖解；圖2為一光學輸入裝置的傳統光學位移檢測系統的圖解；圖3A為根據本發明，一與一示蹤表面相隔一層透明材料的光學輸入裝置的一光學位移檢測系統的一個實施例的圖解；圖3B為一具有一孔徑的透鏡的圖解；
圖4A為根據本發明，一具有一準直光源的光學位移檢測系統的一實施例的圖解，所述準直光源將光射向位於一層透明材料下面的示蹤表面上；圖4B為根據本發明，一具有一準直光源的光學位移檢測系統的一實施例的圖解，所述準直光源將光射向位於一比圖4A所示層更厚的透明材料層下面的示蹤表面上；圖5為根據本發明，一具有兩個單獨光源的光學位移檢測系統的一實施例的圖解，其中每一光源均經構造以對位於一不同透明材料厚度範圍下面的示蹤表面進行照明；圖6為根據本發明，一具有兩個單獨傳感器的光學位移檢測系統的一實施例的圖解，其中每一傳感器均經構造以對位於一不同透明材料厚度範圍下面的示蹤表面進行成像；圖7A為根據本發明，一使用一暗視場成像系統的光學位移檢測系統的一實施例的圖解；圖7B例示根據本發明的一實施例，如何將一照明光束射至一表面上；圖7C例示根據本發明的另一實施例，如何將一照明光束射至一表面上；圖8A例示根據本發明的一種用於一光學輸入裝置中的暗視場成像系統的一實施例；圖8B例示一種根據本發明的裝置，其具有一用於在一透明表面上進行示蹤的子系統及用於在一正常表面上進行示蹤的子系統；圖8C例示根據本發明一實施例的一種暗視場成像系統的光源布局；圖8D例示根據本發明一實施例的一種暗視場成像系統的放射狀照明系統；圖8E為一圖解說明在暗視場成像系統中使用多個光源的流程圖；圖9A例示根據本發明一實施例的一種用於在透明或半透明表面上進行光學示蹤的幹涉式檢測系統；圖9B例示根據本發明一實施例的一種用於在透明或半透明表面上進行光學示蹤的包括一衍射光柵的幹涉式檢測系統；圖10例示根據本發明的一種幹涉式檢測系統的一實施例，該幹涉式檢測系統使用自一透明或半透明材料的表面所反射的光作為參考光束；圖11例示一種具有兩個光源及兩個用於檢測沿一條軸線的位移量的幹涉式檢測系統；圖12A為根據本發明的一種具有一個光源的幹涉式檢測系統的一實施例的圖解；圖12B為圖12A所示幹涉式檢測系統的實施例處於一光學輸入裝置內部的剖視解；圖13為根據本發明的一種具有一透明光柵的幹涉式檢測系統的一實施例的圖解；圖14例示一具有一示蹤系統的滑鼠的一實施例，所述示蹤系統是基於小滴施布與暗視場成像的結合；圖15例示一具有一示蹤系統的滑鼠的一實施例，所述示蹤系統是基於小滴施布，其中使用一毛細管系統來收集水；
圖16例示一種用於熱點示蹤的構造的一實例；圖17例示在熱點形成及冷卻中所涉及的某些參數及值；圖18例示根據本發明的一實施例，在熱點形成及冷卻中所涉及的某些參數及值；圖19例示根據本發明的一實施例，使用準直光束三角測量來進行抬起檢測。
具體實施例方式
附圖(或圖式)僅出於圖解說明目的繪示了本發明的一較佳實施例。應注意，各附圖中相同或相似的參考編號可表示相同或相似的功能。所屬技術領域的技術人員根據下文說明將容易得知，也可使用本文所揭示的結構及方法的替代實施例，此並不背離本文所述發明的原理。應注意，儘管下文是在光學滑鼠上下文中對本發明較佳實施例進行說明，然而還存在其他可利用本發明的光學裝置，例如光學掃描儀、光學數字書寫系統(例如由位於Fremont，CA的Logitech公司製造的Logitech IO筆)、或者光學印表機前進機構。還應注意，在下文說明中有時使用措詞「透明」作為一簡略表達來表示「透明及/或半透明」(表面能使某些或所有光通過)。
圖1顯示一傳統計算機系統100的樣品圖，所述計算機系統100包括兩個位於工作面105上的輸入裝置一鍵盤140及一光學指針裝置110。使用光學位移檢測技術的指針裝置110的一實例是光學滑鼠。使用光學檢測接收的指針裝置及其操作的實例闡述於頒予Bidiville等人(1994年2月22日頒予)且名稱為「具有帶隨機分布的斑點的目標球的利用光電檢測器陣列的光標指針裝置(Cursor Pointing Device Utilizing aPhotodetector Array With Target Ball Having Randomly Distributed Speckles)」的第5,288,993號美國專利及頒予Bidiville等人(1997年12月30日頒予)且名稱為「利用光電檢測器陣列的指針裝置(Pointing Device Utilizing a Photodetector Array)」的第5,703,356號美國專利中，這些美國專利的相關部分的全部內容以引用方式併入本文中。
圖2例示一傳統的光學位移檢測系統200。所述傳統的光學位移檢測系統200或一般而言光學系統包括一傳統的照明子系統210及一傳統的光學傳感器或檢測子系統220。傳統的照明子系統210包括一傳統的照明透鏡230及一傳統的電磁能量源或光源250。通常，光源250是一種類型的發光二極體(「LED」)，例如傳統的紅色LED、雷射二極體或類似器件。一般而言，光源250附裝至一印刷電路板(「PCB」)(未圖示)上並相對於照明透鏡230定位成使光射向一位於工作表面或示蹤表面105(例如桌面、墊、球或類似表面)上的照明點201。
傳統的傳感器子系統220包括一成像透鏡240及一傳感器260。傳感器260通常包括一圖像捕捉模塊261，例如一個或多個光傳感器陣列。某些傳感器260還包括與圖像捕捉模塊261相關聯的控制器電路262，例如呈位於同一晶粒或裝置封裝中的數字電路形式的控制器電路262。一般而言，控制器電路262執行數位訊號處理(「DSP」)來從所捕捉圖像得到移動數據。傳感器總成220也通常安裝於PCB上並定位成使成像透鏡240最佳地捕捉自表面105散射的電磁能量(例如光)。
在正常作業過程中任一既定時刻，表面105中散射由傳感器加以掃描或「成像」的電磁能量的區域202稱作一成像區域202。應注意，儘管表面105通常為一平整表面，例如滑鼠墊、桌面或類似表面，然而其並非必定如此。表面105可為任意表面，例如人的手臂或手、球形體(如在示蹤球指針裝置中)、椅子或躺椅的扶手、或任何其他可與光學位移檢測系統200緊密靠近地放置的表面。所述傳感器分析所掃描或取得的表面105的圖像來提供位移信息。較佳地，被成像區域202基本上交疊照明點201，以使光有效地用於僅對工作表面105中被傳感器260成像或掃描的區域進行照明。然而，由於光學系統組件中存在錯位或者其他機械容差，照明點201通常大於被成像區域202，以保證向傳感器260散射足夠的電磁能量。
光學位移檢測系統200的性能依賴於幾種因素。例如，良好的表面照明及良好的圖像質量是使光學輸入裝置110具有有效的性能的重要因素。另外，使所有作用於光學檢測系統200中光學路徑的組件對齊對於對被成像區域202進行最佳照明而言至關重要，換句話說，各透鏡、光源、及傳感器之間的對齊對於實現照明點201與工作表面105上被成像區域202之間的最佳交疊而言至關重要。在2002年4月12日提出申請且名稱為「用於一光學照明系統中的附屬系統(Attachment System for Use in anOptical Illumination System)」的同在申請中的第10/122,488號美國專利申請案即涉及一種組件對齊改良的一實施例，該美國專利申請案共同受讓於本發明的受讓人且其全文以引用方式併入本文中。
另一性能因素是到達圖像捕捉模塊261的圖像的質量。這部分地依賴於成像透鏡對光進行的光學濾波及隨後的處理。例如，在頒予Piot等人的第6,256,016號美國專利(2001年7月3日)中即提供了對光學濾波及隨後的處理的改良，該美國專利共同受讓於本發明的受讓人且其全文以引用方式併入本文中。
同樣地，照明子系統210的電磁能量源也會直接影響光學位移檢測系統200的性能。例如，在2001年12月27日提出申請且名稱為「一種光學照明系統及方法(AnOptical Illumination System and Method)」的同在申請中的第10/033,427號美國專利申請案中即闡述了一種對照明系統210的改良，其涉及一種包含專用透鏡的有效的照明系統，該美國專利申請案共同受讓於本發明的受讓人且其全文以引用方式併入本文中。
在某些實施例中，光學位移檢測系統的性能還會受到幾種照明因素或照明子系統的特性的影響。例如，這些因素或特性可包括光波、光束衝擊角(在圖2中顯示為「α」，其代表光束的中線，例如中心光線)、光線的均勻性、及強度。這些照明特性會根據操作表面105而以不同方式對產生性能影響。一般而言，光源250的強度越高，系統的性能就可越好。然而，光的強度會直接影響光學系統的功率消耗。在其中電源有限的系統中，例如在由蓄電池操作的系統中，希望使功率消耗最小化。因此，光源250的強度必須與其所提供的性能提高量相當。例如，在2004年4月15日提出申請且名稱為「用於光學指針裝置的多光源照明系統(Multi-Light-Source Illumination System ForOptical Pointing Device)」的同在申請中的第10/826424號美國專利申請案中即闡述了基於多光源照明子系統的位移檢測改良方式，該美國專利申請案共同受讓於本發明的受讓人且其全文以引用方式併入本文中。
本發明的各個方面涉及到在一光學上粗糙的表面(例如木材、傳統滑鼠墊等)上位於某種透明材料(例如一上面具有一玻璃板的木製桌子)下面時在該光學粗糙的表面上進行示蹤。本發明的其他方面涉及到在透明表面(例如由玻璃製成的桌子)上進行示蹤。下面讓我們來依次論述這些方面。
當在光學裝置與示蹤表面之間放置有透明材料時在光學粗糙表面上進行示蹤如上文所述，在某些環境中，可能將光學輸入裝置放置於一覆蓋示蹤表面的透明或半透明層的表面上。這會改變光學位移檢測系統與示蹤表面之間的距離。圖3A為根據本發明，一與示蹤表面相隔一層透明材料的光學輸入裝置中一光學位移檢測系統的一實施例的圖解。光學位移檢測系統200位於光學輸入裝置110內部。如在圖3A中所示，光學輸入裝置110的支腳310位於一覆蓋一示蹤表面105的透明層315的頂面305上。圖中顯示支腳310的高度為c-其代表光學裝置310所處的頂面305與光學輸入裝置110的底部之間的淨距離。支腳310是可選的且在一實施例中並不存在。因此，在一實施例中，c可介於0至數毫米(「mm」)之間。
圖3A中顯示透明層315的厚度為d，在一實施例中，厚度d可處於幾釐米(「cm」)及幾釐米以下的範圍內，例如3cm。透明層315可為透明或半透明的玻璃、塑料、或者任何能使來自光源250的光透過其傳播至下面的示蹤表面105並傳回至傳感器260的材料。例如，在一實施例中，在一覆蓋木製表面的黑玻璃層上使用紅外線光源。圖3A還顯示透明層315的底面與示蹤表面105之間的距離間隙g。在一實施例中，間隙g可介於0mm至數cm或以上之間。總體上，值z表示光學輸入裝置100的底部與示蹤表面105之間的總距離，其包括淨距離c、透明層的厚度d及間隙g(其基本上為空氣)的大小。
在該實例中，光源250的光穿過照明透鏡230以角度α入射於透明層315的頂面305上。然後，光源250的光穿過透明層315-以角度β行進，隨後穿過間隙距離g到達示蹤表面105上的照明點201。如果所述間隙為透明層315與示蹤表面105之間的氣隙，則光以角度α射出透明層315。光從示蹤表面105反射、穿過透明層315回到傳感器260。注意，由於透明層的折射率及斯涅耳定律(Snell’s Law)，穿過透明層傳播的光在射入及射出時會發生彎曲，從而使被照明點201與被成像區域202出現於不同於假若不存在透明層315時其將出現的位置上。此外，光源250的光相對於透明層的表面305以一銳角α行進並以一銳角β穿過透明層到達示蹤表面105。因此，z距離越大，被照明點在橫向上就越遠離光源250。另外，由於角度α小於角度β，因而頂面305與光學輸入裝置110的底部之間的距離與透明層305的厚度相比越大，被照明點在橫向上就越遠離光源250。這些因素會造成所稱的「點偏移」。
如上文所述，示蹤的精確度受傳感器260所接收到的圖像質量的影響。所捕捉的圖像的質量部分地依賴於傳感器子系統220與照明子系統210二者在示蹤表面上各種高度處的有效性。下面的部分將說明用於檢測在示蹤表面上方的高度的技術。根據本發明某些實施例對在示蹤表面上方各種高度處使用的傳感器子系統220及照明子系統210所作的改良將分別在下文中的不同部分中進行說明。
高度檢測在一實施例中，可使用任一種傳統的z計量器來實現對光學輸入裝置與示蹤表面之間距離的檢測，稱作「z檢測」或「高度檢測」。例如，某些傳統的z計量器使用從示蹤表面反射的紅外線光束來確定高度。其他z計量器也為所屬技術領域的技術人員所熟知。在一實施例中，將z距離檢測併入光學傳感器子系統220及/或照明子系統210內。另一選擇為，將z距離檢測構建於光學裝置內，但與這些子系統相分離。
準直光束三角測量。現在參見圖4A，其顯示根據本發明的一種光學位移檢測系統200的一個實施例的圖解，其中一準直光源450(例如雷射器)將光射向一位於一層透明材料315下面的示蹤表面105上。為清晰起見，略去了光學位移檢測系統200的照明子系統及傳感器子系統的某些部分。如還在圖4A中所示，傳感器460接收(i)從透明層315的頂面305反射的光，(ii)從透明層的底面325反射的光，及(iii)從示蹤表面105漫射的光。
還存在其他多次反射，但這些反射為低能量反射。
在一實施例中，從這些表面中的一個或多個反射的光不被傳感器460接收到。一準直光束451(例如雷射)以一銳角α射向示蹤表面105，且所述光以一銳角β繼續穿過透明層315。因此，反射光束與傳感器460相交的位置依賴於距離c、d及g。現在參見圖4B，其顯示與圖4A中所示相同的組件構造。然而，在圖4B中，透明層315變厚-其顯示為厚度d2，其中d1＜d2。距離g及c仍在圖4A與圖4B之間保持相同。因此，z1＜z2。注意，隨著z距離的增大，至少反射光束454與傳感器460的相交位置會遠離準直光源450移動。可使用反射光束452、453、454的相交點位置、藉助三角測量來確定距離c、d、g及z。在一實施例中，準直光源450構造成用於z檢測。在另一實施例中，準直光源450構造成用作對示蹤表面105進行照明以便於成像的光源。在另一實施例中，準直光源450構造成用作用於對示蹤表面105進行照明以便於成像的光源且用於z檢測。
所屬技術領域的技術人員將了解，上文所述的三角測量技術也可用於檢測在透明層上方的距離c以及透明材料在下面無示蹤表面時的厚度d。例如，這些技術可用於確定一下面未放置有漫射材料的玻璃層的c及d。在另一實施例中，這些技術還可用於確定光學裝置是放置於漫射表面上還是放置於漫射表面頂上的透明表面上。
在一替代實施例中，使用多個準直光源來涵蓋不同的z範圍。例如，如果傳感器460相對於準直光源450處於一固定位置上，則某些距離z將使反射光束452、453、454無法與傳感器460相交。因此，可例如以不同的角度布置多個準直光源，以便對處於不同距離範圍的成像表面進行最佳照明。可使用一控制器(例如控制器470)來控制哪一光源有效。通過分析由傳感器460接收到的所形成圖像的質量，控制器470可確定出對於特定z距離而言最佳的光源。
在一實施例中，一準直光束在由另一光源所照明的照明點上進行空間疊加。在一替代實施例中，通過對光源激活在時間上進行多路復用來減小各個疊加光源之間的幹涉。例如，一控制器(例如控制器470)可在激活用於z檢測的準直光源與激活用於照明被成像區域的光源之間交替。
在另一實施例中，光並不是精確地準直，而是略微發散。因此，除根據反射構件454與傳感器460相交的點的位置之外還可根據或者轉而根據所述點的大小來確定z距離。大小越大的點對應于越大的z距離。此種技術還可與上文所述的準直光源技術結合使用。
幹涉式信號。在另一實施例中，可使用幹涉式技術來實現z距離檢測。一種幹涉儀使用波的幹涉現象來檢測距離。每一種傳統的幹涉儀均可用於檢測z距離。幹涉儀可嵌入於主傳感器460中或者作為光學位移檢測系統內的單獨子系統。
CCD線。在一實施例中，圖4A及4B中的傳感器460包括一傳統的電荷耦合裝置(CCD)。CCD元件形成一與反射光束452、453、454相交的線。由此，使用反射光點的位置來進行z距離檢測。
在一實施例中，還可使用一簡單的機械推桿式計量器來進行高度檢測。
抬起檢測在某些實施例中，可將光學裝置抬離所述表面，且得知光學裝置處於空氣中通常將很重要。某些傳統的抬起檢測方法依賴於使圖像變得不聚焦來記錄抬起情形。此種技術可能無法產生精確的結果。例如，在抬離所述表面的量相對小時，可能會形成一仍保持聚焦的被成像區域202，特別是當使用小的孔徑來獲得一更大的視場深度時。因此，在一實施例中，本發明可通過檢測光學滑鼠與示蹤表面之間距離的變化來記錄抬起情形。因此，上文所述的z檢測方法也可用於檢測z距離的變化-此對應於光學裝置被抬離表面。在又一些實施例中，可使用不同的傳統抬起檢測方法，例如使用位於光學輸入裝置底部上的壓敏開關。
圖19例示在一實施例中當輸入裝置被抬離表面時如何使用準直光束三角測量來進行檢測。此處所討論的表面既可以是在光學上粗糙的表面(例如木材、紙張等)、也可以是在光學上光滑的表面(例如玻璃)。另一選擇為，所述表面可以是一位於光學上光滑的表面下面的光學上粗糙的表面(例如覆蓋有玻璃板的木製桌子)。
在一實施例中，一準直雷射束在成像系統的視場中央形成一亮點。如在圖19中所示，當光學裝置被抬離所述表面時，所述點會在所述表面上橫向移動且因而所述點的圖像會在圖像平面中移動。當離焦時，出現橫向移位的點會模糊不清。
當所述點橫向偏移大於傳感器陣列(在一實施例中，其可為直線性的)上的一特定距離時，就會檢測到光學裝置被抬起。在一實施例中，該特定距離是預確定的。在一實施例中，可使用一放大因數G＜1來減小橫向偏移的範圍(即檢測器陣列的大小)。
另一種用於檢測圖像點橫向位移的簡單有效的方法是使用直徑為D的單個小尺寸檢測器(參見圖19)或者(在光軸上)位於一偵測器前面的針孔。在一實施例中，當被抬起時，光將不會傳遞至檢測器，且功率的下降會指示被抬起(ON/OFF系統)。
在一實施例中，在滑鼠的其中一個支腳下面放置一簡單的開關就可在滑鼠被抬起時提供指示。
照明子系統在一實施例中，可通過改變對示蹤區域進行照明的強度來獲得更佳的圖像質量。在一實施例中，通過增大單個光源的電流來增強對示蹤區域的照明。返回參見圖3A，可使用控制器270來控制流至光源250的電流。控制器270可從光學裝置的一z距離檢測系統接收輸入。由於在示蹤表面105處于越厚的一層透明材料315下面時，對示蹤表面105進行充分照明所需的光的強度越大，因而控制器270可配置成在z距離變大時增大流至光源250的電流。
在替代實施例中，使用多個光源來改善在不同z距離情況下對示蹤表面的照明。例如，圖5顯示根據本發明的一種具有兩個單獨光源的光學位移檢測系統的一實施例的圖解，其中每一光源均構造成對處於一不同厚度範圍的透明材料下面的示蹤表面進行照明。光源551的光以角度α1傳播至透明層的表面305並以角度β1穿過透明層315。光源552的光則以角度α2傳播至透明層的表面305並以角度β2穿過透明層315。光源552的照明點501交疊示蹤表面105的被成像區域502。光源551定位成在一距傳感器260更大的z距離處對一區域503進行照明。控制器570可用於控制光源551、552(舉例而言)的激活，以使每次僅一個光源有效。其他用於對成像區域進行照明的方法闡述於在2004年4月15日提出申請且名稱為「用於光學指針裝置的多光源照明系統(Multi-Light-Source Illumination System For Optical Pointing Device)」的同在申請中的第10/826424號美國專利申請案中，該美國專利申請案的全文以引用方式併入本文中。
傳感器子系統在了解本發明的用於檢測光學輸入裝置在示蹤表面上的高度的各種實施例之後，現在將參見一種用於通過改善傳統的傳感器子系統來改善在預確定高度處的圖像質量的系統及方法。例如，本發明的各實施例還提供幾種用於通過修改傳感器子系統220而在各種z距離內改善圖像質量的系統及方法。
可通過允許修改傳感器系統內的孔徑或透鏡構造或傳感器構造來提高圖像質量。在本文中對這些構造的實例加以說明。
更小的孔徑。返回參見圖3A，在一實施例中，透鏡240由一孔徑或一孔徑與透鏡的組合取代，從而使從示蹤表面105反射的光必須穿過孔徑380到達傳感器260。此可見於圖3B中。(為清晰起見，在圖3B中未顯示透明表面)。一具有固定的小尺寸的孔徑會增大視場深度。因此，會有處於一更大距離範圍內的表面看起來聚焦。因此，在本實施例中可對一位於具有各種厚度d的透明層下面並具有各種間隙距離g的表面進行成像，只要總的距離z處於看起來聚焦的範圍內即可。
可變尺寸孔徑。在一實施例中，透鏡240被一孔徑或一孔徑與透鏡的組合取代，其中所述孔徑具有可變尺寸。在一實施例中，能夠在傳感器260前面放置不同尺寸的孔徑。例如，可有不同尺寸的孔徑存在於一可在傳感器260前面旋轉的盤上，以便每次使用一個孔徑。控制器270可配置成控制使用所述盤中的哪一孔徑。另一選擇為，可使用一個能夠改變尺寸的孔徑。在此種情形中，控制器270可配置成控制孔徑的尺寸。
應注意，在小孔徑與可變尺寸孔徑兩種實施例中，孔徑的尺寸越小，能量損失就越大。為克服能量損失，可通過增大施加至光源250的功率來增大照明強度。在一實施例中，控制器270控制光源250所發出的光的強度。另一選擇為或者另外，可將具有不同強度的不同光源與不同尺寸的孔徑配對。在這些實施例中，控制器270可決定使哪一光源接通。
焦闌成像系統。在一實施例中，以一焦闌透鏡系統取代透鏡240。焦闌透鏡系統是一種其中通過設計而使出射光瞳位於無限遠處的構造。因此，光學成像系統對定位於高至某一範圍內的物體不敏感。在一實施例中，焦闌成像系統設計成充分地對z距離介於0至10mm範圍內的示蹤表面105進行成像。在焦闌透鏡的視場深度內，焦闌透鏡將幾乎不會顯示出放大誤差。圖像的大小不會隨距離變化。然而，被成像區域出現偏移，從而使照明點也必須相應地偏移。另外，焦闌成像系統向傳感器260發射的能量減少。因而，可使用更大強度的光或者使用不同或額外的光源來改善在傳感器260處所接收到的圖像。
多個傳感器。現在參見圖6，其顯示一種具有兩個單獨傳感器661、662的本發明光學位移檢測系統200的一實施例的圖解，其中每一傳感器均構造成對處於一不同厚度範圍的透明材料315下面的示蹤表面105進行成像。在其他實施例中，使用多於兩個傳感器。每一傳感器661、662均針對一不同的距離範圍最佳化。在圖6所示的實例中，傳感器661配置成聚焦於圖像區域601上，圖像區域601處於一適合於圖像示蹤表面105的深度。然而，傳感器662配置成聚焦於圖像區域604上，圖像區域604將適合於厚得多的一層透明材料315。在一實施例中，控制器670配置成根據哪一傳感器提供最佳圖像特性(例如對比度、解析度或類似特性)在各傳感器之間進行選擇。
自動聚焦系統。在一實施例中，傳感器子系統改變用於使圖像聚焦的透鏡，直至在傳感器處接收到的圖像最佳化，即獲得最佳的圖像特性為止。另一選擇為，可將傳感器子系統配置成可響應於z距離的變化。因此，可使用藉助上述技術所獲得的z距離確定結果作為傳感器子系統的輸入來用於確定適合的透鏡。一旦找到最佳的焦距，然後就可如下文所述使用照明子系統使對示蹤表面的照明最佳化。
可變形狀成像透鏡。在一實施例中，在傳感器子系統中使用可變形狀透鏡。例如，某些透鏡的光學特性可通過施加用於改變透鏡特性的電場來加以改變，例如加長或縮短焦距。因此，可對可變形狀透鏡施加具有增大或減小的強度的電場，直至在傳感器處接收到的圖像最佳化為止。可變形狀成像透鏡會實現自動聚焦。音圈、步進電動機、及壓電也是用於在自動聚焦系統中移動光學元件的技術。
上文說明涉及到在一層透明或半透明材料下面的各種深度處的漫射表面上進行光學示蹤。在某些環境中，在透明或半透明層下面的光學傳感器範圍內不存在漫射表面。下一部分將說明無需在透明或半透明材料層下面設置漫射表面就能夠在所述透明或半透明材料層上進行示蹤的本發明實施例。
在透明表面上進行示蹤在一實施例中，使用暗視場成像對光學裝置在透明及/或半透明表面上的位移進行示蹤。在一實施例中，暗視場成像是指使用由透明表面上的某些形體所漫射的光進行成像。只有已從所述形體(例如灰塵、微粒等等)衍射、折射及反射的光才能夠進入透鏡而形成圖像。在不存在這些形體的情況下，視場看起來完全是黑的，因為沒有光反射或衍射入物鏡內。關於暗視場成像的其他信息可見於http://micro.magnet.fsu.Edu/primer/techniques/darkfieldreflect.html及http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/darkfield/reflected/index.html中，這些網址以引用方式併入本文中。
在某些實施例中，這些形體可原本存在於透明表面上。例如，甚至是一相對乾淨的玻璃表面上也將常常具有某些灰塵斑點、指紋殘留物等。在其他實施例中，則可在透明表面上施布此種形體。下文將分別論述這些情形中的每一種情形。
使用原本存在的形體進行暗視場成像圖7A例示一暗視場成像系統700的一個實施例。暗視場成像系統700包括從至少一個光源(未顯示)射向一透明材料315(例如玻璃)的表面305的光。在一實施例中，透明材料315在表面110上具有灰塵殘留物705，例如指紋或溶劑殘留物中的油漬或油脂。如在圖7A中所示，光751射向透明層315的表面305上，此使反射光752未穿過成像透鏡750被檢測器陣列740收集到。換句話說，反射光752(即零級光)未處於物鏡的數值孔徑內。然而，入射於灰塵殘留物705上的光751發生衍射，且至少一部分衍射光756處於物鏡數值孔徑內。因此，在暗視場成像系統700中，黑色的背景對應於表面305中的乾淨部分，而亮的區域則對應於表面305中具有灰塵殘留物705的部分。暗視場成像系統700的一個優點在於，其從具有殘留物的玻璃樣本(「髒的玻璃」)提供一高反差圖像。
在一實施例中，αc是OA1(光束光軸)與由物鏡孔徑及檢測器的光軸OA2所設定的線T之間的夾角，如在圖7A中所示。在一實施例中，減小αc會增大最佳的暗視場效率(就灰塵殘留物檢測而言)。在一實施例中，在根據本發明一實施例的滑鼠系統中，αc小於12°。在一實施例中，αc小於7°。
在實際中，達到如此小的αc值需要照明光束在物鏡孔徑附近存在偏轉。在某些實施例中，可通過一反射鏡760或者一設計成實現全內反射的光學元件(例如稜鏡)來實現小的αc。(參見圖7B7C)。也可存在數種其他構造。例如，可將光源放置成比透鏡更靠近於示蹤表面，且可使用反射鏡將光引導至所述表面上。
在一實施例中，為在工業系統中得到最佳的αc，需要仔細控制照明光束的尺寸及形狀。更具體而言，不應沿距離Δx(透鏡孔徑與最近的鏡反射光束之間的距離)存在來自鏡反射光束的光，因為此種寄生光(例如由雷射束強度的高斯分布引起及/或由衍射環引起)使系統無法真正地呈暗視場形態。可通過使用專門設計的衍射光學元件(DOE)控制照明光束的外圍光線(圖7A中的PR)來控制此種寄生光。DOE的功能是提供理想的光束切口(「刀口」)、同時抵消衍射效應。由此，沿透鏡孔徑平面獲得臺階形強度分布(接近於「頂帽」形狀)，而不是不合乎需要的具有尾部的高斯形曲線。在一實施例中，此種臺階形強度分布理想地沿Δx為0且在光束側上為1。
在一實施例中，使照明光束以一角度θ聚焦。出於包括如下原因在內的幾種原因，使用微小的聚焦角度比較有利。首先，如在圖7A中所示，距離Δx小於準直光束情況-此使系統在使鏡反射光處於物鏡內方面更為魯棒。第二，可減小臨界角度αc在FOV內的變化。第三，可在足夠大的聚焦角度內達到與眼睛安全規範1M的相符性，並可使用比在等級1中更大的功率。
為減小成像系統的尺寸，可使用反射鏡及稜鏡來摺疊成像透鏡的光學路徑。圖8A例示一種用於光學輸入裝置110中的本發明暗視場成像系統800的一實施例。在圖8A所示實施例中，暗視場成像系統800包括兩個光源851、852。通常，光源851、852為LED，例如傳統的紅色LED、雷射二極體、或類似LED、或這些LED的任意組合。例如，可使一個光源851為雷射器，而另一光源852為LED。
在一實施例中，一根據本發明一實施例的暗視場成像系統包括N個光源，例如VCSEL，這N個光源圍繞視野與所述視野近似等間距且彼此等間距地布置。在一實施例中，光源851、852、853為LED，例如傳統的紅色LED。在一實施例中，光源851、852、853為雷射二極體，例如VCSEL或類似雷射二極體。圖8C顯示以此一方式排列的三個光源851、852、853，但也可使用任意合理數量的光源851、852、853。在一實施例中，光源數量從2個到6個光源不等。
返回參見圖8A，從表面305上的灰塵殘留物705衍射的至少某些衍射光856穿過一成像透鏡840到達稜鏡845並最終到達一檢測器陣列860。檢測器陣列880可包括所屬技術領域中已知的或上文所述的任一類型。在一實施例中，檢測器陣列880中的傳感器是CMOS傳感器，其連結至用於執行傳統成像處理或數位訊號處理的電路(未圖示)。
暗視場光學系統的照明子系統在一實施例中，為使暗視場光學系統800最佳地工作，應對視野801進行充分照明。例如，系統800設計成使用強度至少為1mW的照明對視野801進行照明。在一實施例中，系統800的設計目標是通過使用一大的豎向及徑向照明角度範圍來激勵儘可能多的衍射級、同時防止使受到反射的零級處於透鏡840的數值孔徑內。所述照明子系統可具有許多種構造，但為舉例說明起見，在下文中說明三種能夠滿足這些設計特徵的實例性系統。
不均勻的放射狀照明。在一實施例中，N個空間上不相干的光源(例如LED)圍繞視野801與所述視野801近似等間距且彼此等間距地布置。圖8C顯示三個以此種方式排列的光源851、852、853，但也可使用任意合理數量的光源851、852、853。在一實施例中，光源數量從2個到6個光源不等。應注意，假如所述光源具有一窄的發光角度，例如小於20度，則不需要使用聚焦透鏡。在一實施例中，來自光源851、852、853的光得到準直以對表面305進行更均勻的照明。在一實施例中，以3個在平行於玻璃表面的平面內彼此互成120°夾角的雷射光源(VCSEL)851、852、853來實現照明。在一替代實施例中，可使用2個具有垂直照明方向的雷射器。
均勻的放射狀照明。在另一實施例中，可使用一雷射二極體854與一衍射光學元件(「DOE」)882的組合來實現均勻的放射狀照明。圖8C例示一暗視場成像系統中一使用一雷射器854及一DOE 882的放射狀照明系統880的一個實施例。圖8D中所示放射狀照明系統880的一個優點在於，僅需要使用一個光源來實現均勻的放射狀照明。所述系統圍繞光軸881對稱。DOE 882可包含或者後隨一漫射器來增強落於透明材料315的表面305中單個點上的豎直照明角度的多樣性。例如，DOE 882可包括一全息漫射器。視各組件的尺寸及結構而定，可使用一光束分離器(未圖示)使照明系統與成像檢測系統相分離。光束分離器可位於透鏡840與DOE 882之間。
以一受控環形發光角度進行照明。在另一實施例中，可使用一具有例如受控環形發光角度的LED進行照明。另一選擇為，一布拉格光柵或其他構件產生一使零級反射不會落於成像透鏡840的數值孔徑內的發光輪廓。一微共振腔LED或共振腔LED(「RCLED」)可提供一與使用上文參照圖8D所述的雷射器及DOE所獲得的環形照明輪廓相類似的環形照明輪廓。如上文所述，此種方法的一個優點是使用單個光源來實現均勻的放射狀照明。
當使用多個光源851、852、853時，在一實施例中，採用一種算法來確定如何/何時接通及使用這多個光源851、852及853。圖8E是一流程圖，其顯示根據一實施例如何使用三個雷射源851、852及853。
在一實施例中，接通第一雷射源851(步驟891)。然後，判定(步驟892)在表面上是否檢測到足夠用於計算光學位移的形體。如果檢測到足夠的形體，則不需要操作任何其他光源。而如果未檢測到足夠的形體，則接通第二光源852(步驟894)。再次判定(步驟892)在表面上是否檢測到足夠的形體。如果檢測到足夠的形體，則不需要操作任何其他光源。而如果未檢測到足夠的形體，則接通第三光源853(步驟895)。
在一實施例中，一旦接通另一光源，先前接通的光源便會關斷。換句話說，各光源交替地接通，且在每一時刻僅有一個光源接通。而在另一實施例中，當第二光源接通時，第一光源仍保持接通，依此類推，因而在需要時同時使用這些光源。
在另一實施例中，在一個傳感器畫面期間，所有雷射器851、852及853交替地接通。在此種實施例中，傳感器拍攝長曝光圖像，且在該時間期間，所有雷射器交替地閃爍。
在又一實施例中，各雷射源851、852及853均與檢測器畫面相關聯。例如，雷射器851接通且檢測器抓拍畫面#1，雷射器852接通且檢測器抓拍畫面#2，且雷射器853接通且檢測器抓拍畫面#3。然後，計算每一第三畫面之間的關聯性，並對移動量實施平均。詳細地說，每當源再次接通時，均計算一關聯數字。可將針對一個圖像(3個畫面)所獲得的這3個獨立的關聯數字饋送給示蹤算法。
根據本發明一實施例的系統具有兩種模式校準模式及工作模式。在校準模式中，調節來自雷射源851、852及853的脈衝的持續時間，以便使所有雷射源得到等效的功率。在工作模式中，則實時地(在測量期間)調節來自雷射源851、852及853的脈衝的持續時間，以便使(所有雷射器的)暗視場效率分別最大化。
應注意，在此處論述三個光源只是作為實例，且根據本發明的各實施例，可使用任意數量的光源。在2004年4月15日提出申請且名稱為「用於與被動式濾光相關聯的光學滑鼠的雙重照明系統(Dual Illumination System for Optical Mouse associated withPassive Optical Filtering)」的同在申請中的第10/826,424號申請案中已大體論述了多個光源，該申請案以引用方式全文併入本文中。
幹涉式檢測系統圖9A例示一用於在透明或半透明表面上進行光學示蹤以沿x軸進行測量的本發明幹涉式檢測系統900的一個實施例。可使用一完全相同的系統沿y軸進行測量。另外，也可使用一非常類似的系統來測量沿z軸的位移(例如抬起檢測)。光950穿過光束分離器990，以使光950分裂成兩部分。其中一個光束991-稱作參考光束991-射向檢測器960，而另一光束990則射向透明或半透明層315。另一選擇為，光束分離器990可由一衍射光柵或其他可將光分裂成至少兩部分的裝置來取代。
在一實施例中，如在圖9A中所示，透明層315使光束992進行瑞利(Rayleigh)散射996。瑞利散射996的一部分受到反向散射998並被檢測器960收集。由此，將具有恆定頻率的參考光束991與經反向散射的光998重新組合，經反向散射的光998的頻率根據光源與表面305之間相對運動的速度而經過都卜勒頻移。這兩個幹涉光束991、998之和產生一波-拍頻，可測量所述波-拍頻來檢測相對運動的速度及檢測出現相對運動的時間量，以便確定位移量。
在一實施例中，對於光學滑鼠應用而言，所述波-拍頻近似處於10kHz範圍內。另外，在一實施例中，可使用加速度計來確定位移方向。此外，在一實施例中，可在x方向上使用一個加速度計並在y方向上使用另一加速度計。
在一實施例中，幹涉式檢測系統中傳感器子系統的設計可使系統的散粒噪聲受到限制。然而，幹涉式檢測系統900的運行仍倚靠檢測器960接收足夠的反向散射光998來記錄信號。瑞利散射強度與波長的四次方成正比。因此，可通過使用更短波長的光950，例如藍色光(約480nm)而非紅外線(850nm)，來獲得高一個數量級的瑞利散射強度。甚至可使用零差放大對來自反向散射光998的弱信號進行放大，例如如在B.E.A.Saleh及M.C.Teich所著的光子學基礎(Fundamentals of Photonics)(Wiley，紐約，1991年)中所述，其相關部分以引用方式併入本文中。
在某些實施例中，可能會將沿z軸的都卜勒頻移誤檢測為沿x及/或y軸的位移。圖9B例示一用於在透明或半透明表面305上進行光學示蹤的可補償z位移的本發明幹涉式檢測系統900的一個實施例，所述系統包括一衍射光柵999。在該實施例中，參考光(從表面305反射的光)以90度進行反射，且參考光991穿過一透射衍射光柵999(在一實施例中其並不使光束偏離)射向一檢測器960。反向散射光998以介於30度與60度之間的給定平均角度照射光束999。在一實施例中，一透鏡(未圖示)放置於光柵999前面以收集更多的瑞利反向散射光998。在一實施例中，光柵999使瑞利反向散射光998沿一垂直於透明或半透明材料315的表面305的方向偏離。因此，參考光束991與反向散射光束998在衍射光柵999與檢測器960之間沿同一方向傳播。
為精確地檢測沿z軸的位移，可使用從透明材料表面反射的光作為參考波991。都卜勒頻移起因于波沿其傳播方向的壓縮或膨脹。當表面305相對於測量裝置同時沿橫向及豎向運動時，參考光束僅對z位移敏感，而反向散射光則對x及z兩種位移敏感。在此種情形中，反射光與瑞利反向散射光沿豎軸經歷相同的都卜勒頻移。由於參考光束991與反向散射光束998二者在z方向上經歷相同的都卜勒頻移，因而檢測器960所接收到的波拍頻僅對x位移敏感。對於z位移而言，拍頻(其等於兩個波之間的頻率差)為零。因此，所述系統可配置成對z位移進行補償。然而，由於空氣/玻璃界面處的反射相對於在使用圖9A中所示光束分離器時可獲得的反射降低(如果垂直於所述界面進行照明，則為4％)，因而使用從表面305反射的光作為參考光束991可能會減小零差放大效應。
另一選擇為，為增大參考信號功率並避免使用光束分離器，可使用一種例如在圖10中所示的幹涉式檢測系統構造。圖10例示一種使用從透明或半透明材料315的表面305反射的光1051作為參考光束的本發明幹涉式檢測系統1000的一個實施例。在該實例中，光1050沿一平行於表面305的方向偏振並以一減小的照明角度使用。根據菲涅耳定律，與垂直照明相比，會有多出四倍的光相對於垂直軸線以60度的角度反射至表面305。因而，通過將偏振效應與照明角度相結合，會增加從表面305反射1051併入射於檢測器1060上的光1050的量。另外，由於反射光1051的參考光束與反向散射光1098沿同一方向傳播，因而幹涉信號得到改善。而且，例如圖10所示的構造無需使用光束分離器，從而提高了設計的簡單性及緊湊性。
圖11例示一使用從透明或半透明材料315的表面305反射的光1051作為參考光束的本發明幹涉式檢測系統1100的另一實施例。如在圖11中所示，都卜勒頻移會使瑞利反向散射光1198的方向發生改變。因此，當幹涉式檢測系統1100沿x方向相對於表面305移動時，相對於表面305以一不同的角度收集反向散射光1198。一反射鏡1194用於使瑞利反向散射光1198射向一衍射光柵1199，所述衍射光柵1199用於將反向散射光1198與參考光1051重新組合。如上文參照圖9B所述，所述衍射光柵使瑞利反向散射光束1198偏離，以使其在衍射光柵1199與檢測器1060之間與反射光束1051沿同一方向傳播。
圖12A例示一具有一個光源1251及四個檢測器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2的本發明幹涉式檢測系統的一個實施例。在一實施例中，從光源1251傳播的光經過準直並朝光柵1201傳播。從光柵1201衍射的光的一部分落於這四個檢測器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2中的每一個上。另外，從光源1251傳播的光的一部分穿過光柵1201到達透明層315，在透明層315中出現瑞利散射(在該圖中未顯示)。瑞利散射光的一部分疊加於從光柵1201衍射的落於這四個檢測器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2中每一個上的光上。例如，如圖12A所示，檢測器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2布置成使兩個檢測器PDX1、PDX2位於x軸上以用於檢測x位移且兩個檢測器PDY1、PDY2位於y軸上以用於檢測y位移。圖12B例示一在圖12A中所示的幹涉式檢測系統處於光學輸入裝置內時的剖面圖。為便於論述，圖12B僅包括兩個位於x軸上的用於檢測x位移的檢測器PDX1、PDX2。
返回參見圖12A，PDX1及PDX2將接收對應於x方向與z方向上位移的組合的信號，在所示實施例中，通過PDX1所接收信號確定出的沿x軸的位移的符號將與通過PDX2所接收信號確定出的沿x軸的位移的符號相反。為便於論述，由PDX1所接收的信號將被稱作代表沿負x方向與z方向的位移的組合，而由PDX2所接收的信號將被稱作代表沿正x方向與z方向的位移的組合。PDY1及PDY2將接收對應於y方向與z方向上位移的組合的信號，在所示實施例中，通過PDY1所接收信號確定出的沿y軸的位移的符號將與通過PDY2所接收信號確定出的沿y軸的位移的符號相反。同樣，為便於論述，由PDY1所接收的信號將被稱作代表沿負y方向與z方向的位移的組合，而由PDY2所接收的信號將被稱作代表沿正y方向與z方向的位移的組合。
除上文所述的構造外，在某些實施例中，可使用加速度計來檢測位移的方向。所屬技術領域的技術人員將知，可使用基於對都卜勒信號中的振蕩進行計數或應用頻率分析(例如FFT)的信號處理、根據檢測器PDX1、PDX2接收的信號來確定x位移的值及/或z位移的值。同樣地，可據檢測器PDY1、PDY2接收的信號來確定y位移的值及/或z位移的值。
圖13例示一具有一透明光柵1301的本發明幹涉式檢測系統1300的一個實施例。在圖13所示的實例中，幹涉式檢測系統1300包括一光源1351、一透明光柵1301、及四個檢測器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2。在一實施例中，從光源1351傳播的光經過準直並朝透明光柵1301傳播。光源1351的光的一部分-零級光-沿路徑1302衍射。光源1351的一部分-一級光-沿路徑1303a、1303b、1303c、1303d(統稱為1303)衍射並與透明層315相互作用。在與透明層315相交之後，所述光的一部分從透明層的表面305分別沿路徑1304a、1304b、1304c、1304d(統稱為1304)反射。另外，所述光的一部分沿路徑1303傳播，穿過透明層315並分別沿路徑1304被瑞利散射至檢測器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2。檢測器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2定位成在光學輸入裝置110位於表面305上時從表面305接收反射光。因而，如上文所述，檢測器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2所收集的光代表沿路徑1303傳播的從表面305反射的光與沿路徑1304經過瑞利散射的光的混合光。根據檢測器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2所接收的信號，可如上文參照圖12A所述來檢測在x方向、y方向及z方向上的位移。
形成用於暗視場成像的形體I)基於小液滴施布與暗視場相結合的系統A)原理在一實施例中，在玻璃表面上施布小水滴可提供一用於在玻璃表面上進行示蹤的良好的參考表面。傳統的LED或雷射照明系統就可形成足夠的對比度。另一選擇為，可通過暗視場照明及/或使化學物質存在小水滴中(或散布於玻璃表面上)來顯著提高對比度。因此，小液滴與暗視場成像相組合看起來為一種極具前景的玻璃示蹤形式。
水印系統具有數種優點。透明或半透明表面不會看起來很髒，且液體會因自然蒸發而消失。應注意，也可使用其他適宜的液體來取代水。然而，在一實施例中，以短的間隔內施布小液滴需要使用一有效的噴射系統以及儲存罐。此種示蹤系統1400的關鍵元件及功能顯示於圖14中。
所述系統中所存在的基本功能及相關元件將在下文中予以說明。
B)收集由於液體的消耗，所述系統需要使用一收集罐1410，收集罐1410可能須定期地充注或更換。可存在各種解決方案，例如被動式充注在一實施例中，所述罐由一在用光時將被更換的可棄式筒組成。另一選擇為，以包含於筒內的液體對一永久性的罐進行充注。
主動式充注在一實施例中，在滑鼠使用過程中收集水份並將其輸送至所述罐。這可通過一Peltier冷卻系統來實現。後者可使環境空氣中所含的水份冷凝。可使用毛細管力使冷凝水流入所述罐內。圖15例示一種其中可使用一由大小逐漸變化的孔製成的多孔基質來獲得毛細管力的方法。
半主動式充注在一實施例中，水份收集系統僅在當滑鼠不在使用期間連接至一外部電源時有效。在一實施例中，可例如通過將滑鼠連接至一USB埠來得到電源(插入充注)。在另一實施例中，使用一臺架(例如滑鼠塢站)為所述水份收集系統(Peltier元件)提供電源。在再一實施例中，使用一臺架/塢站直接充注液體罐。例如，所述臺架包含一個罐及一個閥門以便控制液體的輸送。
C)存儲在一實施例中，預計將存儲的液體體積介於0.5與5cm3之間。由於滑鼠中可用的空間有限，因而在一實施例中，存儲罐1420由一種撓性材料製成以便貼繞於其他滑鼠內部組件周圍。例如，在一實施例中，所述罐由一由矽酮製成的撓性瓶組成。
D)噴射可用各種方式噴射小液滴。例如
在一實施例中，如在噴墨頭中一樣使用一壓電元件來監測噴射室1430的容積。在另一實施例中，使用一熱系統來檢測噴射室的容積。這些系統能夠控制小液滴的大小(在某種程度上)以及數量和施布圖案。在一實施例中，噴射裝置1430包含幾個孔，此視所用的小液滴構形而定(參見下面的F部分)。
在一實施例中，對一多孔基質進行加熱(例如使用電流)以使液體蒸發並通過自然的冷凝在玻璃表面上形成隨機的小液滴圖案(參見圖15)。
E)檢測為使小液滴與玻璃表面背景之間的對比度最大，在本發明的某些實施例中使用上文所述的暗視場照明系統。在一實施例中，除使用暗視場成像之外，還可使用對某些小液滴特性的控制(參見下面的G部分)。在另一實施例中，可使用對某些小液滴特性(參見下面的G部分)的控制來替代暗視場成像。
F)示蹤可通過在成像系統的視野(FOV)中施布單個小液滴或一叢小液滴1405來實現示蹤。上文所述的基於壓力的噴射系統能夠控制小液滴1405的大小、形狀、數量及構形。在一實施例中，小液滴1405在所述表面上具有一直徑為D的半球形形狀(因水的表面張力而呈彎月形)，直徑D介於10-100微米之間。D越小，檢測就越困難(因大小較小且蒸發時間較短)，但液體消耗就越少。
可使用數種小液滴構形。在一實施例中，在視野的中央施布單個小液滴。在另一實施例中，以已知的相互間距施布一規則的小液滴圖案，例如一等邊三角形布局或者六角形布局。在再一實施例中，施布一隨機的小液滴圖案(例如使用一基於蒸發及冷凝的系統來獲得)。此外，在一實施例中，可如下文在G部分中所述在某種程度上控制小液滴的物理性質。在一實施例中，通過蒸發時間來設定各串小液滴的施布之間的間隔。在另一實施例中，根據到達視野邊界的時間來設定該間隔(即依賴於滑鼠速度及FOV大小)。在又一實施例中，通過這些因素的組合來設定該間隔。
G)控制小液滴的性質在一實施例中，為利於進行示蹤，可在某種程度上控制小液滴的某些特性，以便改善檢測及延長蒸發時間。在一實施例中，可在玻璃表面上散布一種化學物質(例如使用一經過浸漬的抹布)。在其他實施例中，將化學物質稀釋於小液滴的液體中。
例如表面活性劑等添加劑可改變小液滴的表面張力，並從而又改變小液滴的彎月形狀(即曲率半徑及相對於表面的角度)及蒸發時間。由於對反向散射光的收集量變大，因而對彎月形狀進行控制可大大有利於使用暗視場成像進行檢測。此外，在玻璃表面上提供一疏水性層可使蒸發時間明顯變慢。此會提供更長的檢測時間並減少液體消耗量。在一實施例中，添加具有螢光特性(通常在UV中激發)或者僅在NIR中可見的化學試劑。某些可用於改變小液滴特性及有利於對其進行檢測的材料將在下一部分中進一步說明。
II)使用滑鼠前在玻璃上施布圖案在一實施例中，在使用滑鼠之前在玻璃表面上散布(例如使用抹布或通過噴塗)一對觀察人員而言看不到的圖案。由此可在UV、NIR(例如吸收性或透射性圖案)中或在可見光譜(如果利用螢光材料)中檢測到一存在反差的圖案。
可使用的材料的實例包括烴、油、油脂、聚合物、肥皂、螢光分子等等。在下文中提供了幾個實例。在油脂類的烴中，二硫化鉬(MoS2)對於標準滑鼠傳感器而言在可見光(640nm)照明與IR(850nm)照明兩種情況下均會提供較佳的示蹤結果。MoS2油脂在齒輪及軸承潤滑中很常見，因此成本較低。二硫化鉬(MoS2)微粒會改善示蹤的質量。與例如人手上的油脂相比，還使玻璃表面看起來不太髒。
在另一實施例中，可使用一種在UV光照下會發出螢光的不可見(對裸眼而言)染料以一可檢測且可辨認的圖案(螢光墨水)來標記玻璃表面。在一實施例中，使用UV LED(例如375nm)來實施UV激勵。所發出的螢光可處於可見光頻帶或NIR頻帶中。在一實施例中，使用標準的螢光素(C20H12O5)。另一選擇為，某些UV不可見印記墨水永久地存在於玻璃上並可在藍色頻帶、綠色頻帶或紅色頻帶(617nm)中發出螢光。
在又一實施例中，使用一種IR螢光墨水。這種墨水通常具有793nm的模擬(吸收)峰值波長及840nm的發射(螢光)波長。吸收及發射二者可用於形成反差來進行示蹤。
吸收IR螢光墨水可用一720-740nm的IR LED來模擬。在傳感器圖像中所述墨水吸收光的位置處將出現暗點。
發射可用一720-740nm的IR LED或一紅色側發光二極體來模擬IR螢光墨水。傳感器需要使用一830nm的濾光片來檢測所發出的螢光。
III.灰塵散布下面將說明另一用於在玻璃/其他透明或半透明表面上進行示蹤的實施例。
在根據本發明一實施例的滑鼠中，滑鼠本體包含一環繞成像視野的聚合物-可能具有幾個開孔(可將所述環狀元件視為一系列彼此接觸或緊密相間的滑鼠支腳)。該環繞元件與玻璃表面接觸，以散布早已存在於玻璃表面上的灰塵殘留物。這會降低在玻璃表面上存在清潔區域從而使暗視場系統無法在上面進行示蹤的危險。在某些實施例中，所述灰塵散布元件位於滑鼠的支腳中、支腳上或者環繞所述支腳。
在不同實施例中，所述灰塵散布件是由例如泡沫、聚合物、微氣刷、Teflon滑座等不同材料製成。此外，所述灰塵散布件的性質、結構等也因不同的實施例而異。例如，所述灰塵散布件可為圓形的、分段的等等。
另外，在一實施例中，一根據本發明一實施例的滑鼠可包含一個或多個用於提供額外的灰塵的元件。在一實施例中，此種元件將類似於一包含油脂性液體或任何其他可進行表面標記的材料的軟墨水筆的端部。
應注意，上文所述的各種技術可與上文所述的暗視場成像結合使用。
IV.熱點示蹤
在一實施例中，使用一聚焦的雷射光束1607在透明表面305上形成一熱點1605並隨後使其在一IR檢測器陣列1610上進行成像，以用作進行示蹤的參考點。在一實施例中，當熱點即將處於由陣列大小所界定的視野之外時或者熱點溫度降至一檢測閾值ΔT0(相對於環境溫度)以下時形成一新的熱點。
在圖16中例示一種用於熱點示蹤的可能構造形式。在一實施例中，使用反射性光學器件來避免使用在高於玻璃透射範圍的IR(5μm)情況下原本可能需要使用的鍺透鏡。
下面列出根據本發明的一實施例實施此種示蹤原理時的某些物理考慮因素及系統要求-光源的功率足以形成一可檢測的熱點。
-光源的功率符號眼睛安全規範。
-加熱時間th足以實現充分的加熱及在滑鼠位移過程中提供熱點的空間位置。
-熱點冷卻時間常數足夠長，以在形成一新的熱點之前的一時間間隔ti期間使溫度保持高於一檢測閾值ΔT0。
-每一像素所花費的時間-取決於像素數量N×N、空間解析度Δx及最高滑鼠速度(0.5m/s)-足夠長，以得到一足夠大的信噪比(SNR)。
圖17例示一加熱-時間曲線圖。圖17顯示了在熱點形成及冷卻過程中所涉及到的某些重要參數。下面給出在一實施例中所使用/獲得的值th＝10μsti＝1msPmax＝100mWPmean＝1mW加熱能量Eh＝1μJN×N＝502個像素Δx＝20μm(解析度＝像素大小，在G＝1時)d＝10μmh＝50μm放大因數G＝1在一實施例中，使用一所發出的波長處於玻璃吸收光譜範圍內(即處於UV或高於5μm的IR範圍內)的光源來加熱玻璃。IR範圍光源的實例是由AlpLaser公司製造的串級雷射器。在一實施例中，使用一在玻璃透射光譜範圍內發出可用波長的光源(例如處於可見光或NIR範圍的VCSEL)來加熱玻璃。
在一實施例中，為成功地進行示蹤，需要存在至少10℃的溫度差。
圖18顯示一在T＝293K(20℃)及T+ΔT0(10℃)情況下的黑體輻射光譜發射曲線以及各種材料的波長透射或檢測範圍。
在某些實施例中，在進行適度冷卻情況下-可使用例如Peltier元件來實現，使用例如HgCdZnTe或PbSe等檢測器。在其他實施例中，則使用熱電檢測器。類似於其中機械應力會產生電性極化的壓電材料相類似，熱電材料對溫度差很敏感。然而，在熱電材料中，離子會在經過改變的晶格中移動直至達到平衡且電壓差消失。因此，熱電檢測器僅對溫度變化(即對AC信號)敏感。一般而言，其與機械斬波器或調幅源一起使用。
溫度變化原因的實例包括-在滑鼠快速移位情況下，當從一個像素移至另一像素時的能量變化。
-在滑鼠緩慢移位(或不移位)情況下，因VCSEL源(在th期間以規則的間隔ti發光)的負載循環造成能量變化。
在一實施例中，使用一2D熱電檢測器陣列。
應注意，上文所述的各種用於在玻璃(或者其他透明或半透明表面)上進行示蹤的技術可單獨使用，或者可與一種或多種其他技術結合使用。例如，可將在玻璃表面上施布小液滴與傳統的照明系統或者與暗視場成像一起使用。此外，為提高對比度而對液體特性進行的控制也可與傳統的照明系統或者暗視場成像系統一起使用。此外，在一實施例中，使用一「智能系統」，其能從這些形式中的一種形式轉換成另一種形式或者轉換成此等形式的一種組合。例如，可在單獨的髒的玻璃(對灰塵殘留物進行示蹤)上單獨使用暗視場示蹤，同時可僅當單獨使用暗視場將無法提供足夠大的對比度時執行小液滴施布/表面擦拭。此種轉換既可手動激活也可自動激活。
對於上文所述的光源及構造，應注意，在一實施例中，一種根據本發明一實施例的系統將視環境條件而處於這兩種成像模式中的一種當在玻璃下面不存在材料時，對玻璃表面上的髒汙形體的圖像進行示蹤。
當在玻璃下面存在散射材料從而使背景信號大於通過(i)所獲得的背景信號時，對所述背景信號在成像平面中(即在玻璃表面處)所形成的斑點進行示蹤。
根據上文說明易知，本文所揭示的實施例提供一種用於在光學裝置中進行感測的新穎且較佳的系統及方法。上文說明僅揭示及闡述本發明的實例性方法及實施例。所屬技術領域的技術人員應了解，本發明可實施為其他具體形式，此並不背離本發明的精神或本質特徵。例如，所述實施例也可應用於其他領域及環境中，並且可與其中希望進行光學感測的其他應用結合使用。相應地，本揭示內容旨在作為對本發明範疇的例示性而非限定性說明。
權利要求
1.一種能夠在材料層的表面上進行示蹤的光學輸入裝置的暗視場光學位移檢測系統，所述材料層使至少某些光穿過所述層，所述表面上具有某些形體，所述系統包括光源，其用於以照明光束對所述表面進行照明，所述照明光束具有光軸；透鏡，其定位於孔徑中以從所述表面上的所述某些形體接收至少某些衍射光、但不接收從所述表面鏡反射的零級光；及檢測器，其光學地耦合至接收所述至少某些衍射光的所述透鏡，其中所述檢測器具有第二光軸。
2.如權利要求1所述的暗視場光學位移檢測系統，其中由所述光軸和所述孔徑的第一端與所述第二光軸和所述表面的交點形成的線所形成的角度小於15度。
3.如權利要求2所述的暗視場光學位移檢測系統，其中所述角度小於12度。
4.如權利要求2所述的暗視場光學位移檢測系統，其中所述角度小於7度。
5.如權利要求1所述的暗視場光學位移檢測系統，其中所述光學裝置為滑鼠。
6.如權利要求1所述的暗視場光學位移檢測系統，其進一步包括用於控制所述照明光束的衍射光學元件。
7.如權利要求1所述的暗視場光學位移檢測系統，其中所述衍射光學元件經設計以沿所述孔徑的平面提供臺階形強度分布。
8.一種能夠在材料層的表面上進行示蹤的光學輸入裝置的暗視場光學位移檢測系統，所述材料層使至少某些光穿過所述層，所述表面上具有某些形體，所述系統包括多個光源，其用於對所述表面進行照明；透鏡，其定位於透鏡孔徑中以從所述表面上的所述某些形體接收至少某些衍射光、但不接收從所述表面鏡反射的零級光；及檢測器，其光學地耦合至接收所述至少某些衍射光的所述透鏡。
9.如權利要求8所述的暗視場光學位移檢測系統，其中響應於判定在以所述多個光源中的第一光源對所述表面進行照明的情況下所述檢測器未能在所述表面上檢測到足以用於計算光學位移的足夠的形體數量，所述多個光源中的第二光源接通。
10.如權利要求9所述的暗視場光學位移檢測系統，其中當所述第二光源接通時，所述第一光源關斷。
11.一種在材料層的表面上對光學輸入裝置檢測系統的位移進行示蹤的方法，所述材料層使至少某些光穿過所述層，所述方法包括以第一光源對所述表面進行照明；判定當以所述第一光源對所述表面進行照明時，在所述表面上是否檢測到足以能夠計算所述光學輸入裝置的位移的足夠的形體數量；響應於判定未檢測到足夠的形體數量，以第二光源對所述表面進行照明；根據所述所檢測形體來計算所述光學輸入裝置的位移。
12.如權利要求11所述的方法，其進一步包括判定當以所述第二光源對所述表面進行照明時，在所述表面上是否檢測到足以能夠計算所述光學輸入裝置的位移的足夠的形體數量；響應於判定未檢測到足夠的形體數量，以第三光源對所述表面進行照明。
13.如權利要求11所述的方法，其進一步包括響應於判定未檢測到足夠的形體數量，關斷所述第一光源。
全文摘要
本發明的各實施例使光學裝置能夠在上面放置有透明及/或半透明及/或光學上光滑的表面的漫射表面上進行示蹤。某些實施例旨在檢測光學裝置何時被抬離其所位於的表面。本發明的各實施例還包括一種用於檢測z距離(距示蹤表面的距離)及通過提高光學傳感器子系統及/或照明子系統在所檢測z距離處的有效性來提高圖像質量的傳感系統。其他實施例包括一種使光學裝置能夠在單獨的透明及/或半透明及/或光學上光滑的表面上進行示蹤的系統及方法。此可涉及到根據在透明表面上早已存在的某些形體(例如，灰塵)來進行暗視場成像。另一選擇為，此可涉及到形成例如小液滴等形體、散布灰塵殘留物、及形成熱點-此可用於進行示蹤。
文檔編號G06F3/038GK101063912SQ20071008827
公開日2007年10月31日 申請日期2007年3月22日 優先權日2006年4月26日
發明者奧利維爾·塞塔茲, 尼古拉斯·薩塞利, 鮑裡斯·卡拉馬塔, 尼古拉斯·肖萬, 奧利維爾·馬西斯 申請人:羅技歐洲公司