測量輸入裝置運動的方法

2023-06-01 20:18:51 2

專利名稱：測量輸入裝置運動的方法
技術領域：
本發明涉及測量輸入裝置和物體沿至少一個測量軸線的彼此相對運動的方法，該方法包括以下步驟用各個測量軸線的測量雷射束照射物體表面；以及將物體表面反射的測量光束輻射的選定部分轉換成電信號，該信號代表沿上述測量軸線的運動。
本發明還涉及具有用於執行這種方法的光學模塊的輸入裝置以及包含這種輸入裝置的設備。
歐洲專利申請EP-A0942285已提出這種方法和輸入裝置。該輸入裝置可以是一種光學滑鼠器，該滑鼠器用在計算機配置中，以使光標移過計算機顯示器或監視器，用於例如選擇顯示菜單的功能。這種光學滑鼠用手移過滑鼠墊，像常規機械滑鼠器一樣。如EP-A0942285所述，該輸入裝置也可以是「反向」的光學滑鼠。因此這種輸入裝置是不動的，例如可以裝在臺式或筆記本式或掌上計算機的鍵盤上，人的手指可以在輸入裝置盒子的透明窗口的上面移動。在後一種情況下，輸入裝置可以做得很小，因為用於測量手指運動的光學模塊可以做得很小。事實上，輸入裝置可以減小到光學測量模塊的大小。這樣，便為輸入裝置打開了新應用途徑。例如輸入裝置可以裝在行動電話上，選擇菜單上的功能和進入網際網路網頁，也可以為同樣的目地用在電視機的遙控單元上或用在虛擬筆上。
EP-A0942285公開若干個光學測量模塊的實施例，在所有實施例中，採用零差檢波法或外差檢波法。所有實施例包括衍射光柵，該光柵配置成靠近模塊窗口。該光柵反射一部分照明輻射，最好反射衍射在第一級光譜中的一個級光譜中的輻射到檢測器，該檢測器還接收物體表面反射和散射的一部分輻射。由光柵衍射到第一級光譜的雷射輻射稱為本振光束，而檢測器可用這種本振光束相干地檢測來自物體表面的輻射。本振光束和由物體表面反射的達到檢測器的輻射之間的幹涉在檢測器中引起差拍信號，該信號由平行於此表面的物體表面的相對運動確定。EP-A0942285的光學測量模塊除光柵模塊而外還包括在檢測器前面的準直透鏡、聚光透鏡和針孔光闌，這些部件必須很準確地準直。這樣便造成製造工藝複雜，增加了預定用於大量消費品的模塊成本。
本發明的目的是提供一種如開頭一段所述的方法，該方法是基於另外一種檢測原理，並應用具有較少部件的光學結構，而且這種結構容易製造。本方法的特徵在於，選擇沿測量光束反射回來並再進入發射測量光束的雷射腔的測量光束輻射，然後測量雷射腔中操作的變化，這種變化是由於再進入輻射和雷射腔中的光波相互幹涉引起的，並且代表運動。
新的方法使用了二極體雷射器中所謂的自混合效應，該方法可以測量輸入裝置和物體例如人的手指或其它物體的相對運動。這是這樣一種現象，即二極體雷射器發射的並且再進入二極體雷射器腔室中的輻射引起雷射增益變化，因而引起雷射器發射輻射的變化。物體和輸入裝置可以彼此相對運動，使得運動方向在雷射束的方向具有運動分量。在物體和輸入裝置運動時，由物體散射的輻射得到的頻率不同於照射物體的輻射的頻率，因為發生都卜勒效應。然後一部分散射光通過將照明光束聚焦在物體上的同一透鏡聚焦在二極體雷射器上。因為一部分散射光輻射經過雷射器反射鏡進入雷射腔，所以在雷射器中發生光的幹涉。這引起雷射和發射輻射的特性的基本改變。由自耦合效應引起變化的參數是功率、頻率、雷射輻射的線寬度以及雷射閾值增益。這種在雷射腔中幹涉的結果是這些參數值隨著等於兩種輻射頻率的差的頻率發生波動。這種頻差正比於物體的運動速度。因此，物體的速度以及對整個時間積分得到的物體位移可以通過測量上面參數中的一個參數值確定。該方法只需要用很少和很簡單的元件來執行，不需要很準確地對齊這些元件。
應用自混合效應來測量物體，或者一般是固體和流體的運動速度本質上是已知的。作為舉例，可以參見以下論文AppliedOptics，Vol.27，No.2，1988年1月15日，379-385頁的「Small laserDoppler velocimeter based on the self-mixing effect in a diodelaser」和Applied Optics，Vol.31，No.8，1992年6月20日，3401-3408頁的「Laser Doppler velocimeter based on theself-mixing effect in a fibre-coupled semiconductor lasertheory」，但是直到現在還沒有提出在上述輸入裝置中應用自混合效應，這種新的應用是基於這種認識應用自耦合效應的測量模塊可以作得很小和降低成本，使得它容易組裝在現有的裝置和設備中，而不另外增加太多的成本。
為了檢測運動的方向，即檢測物體沿著測量軸線是向前還是向後運動，本方法的特徵是測定代表雷射腔操作的變化的信號形狀。
該信號是非對稱信號，向前運動的非對稱性不同於向後運動的非對稱性。
在一些情況下，在難於確定自混合信號的非對稱性時，最好採用其它方法。這種方法的特徵是測定沿上述至少一個測量軸線的運動方向，測定方式是向雷射腔提供周期性變化的電流，然後將第一和第二測量信號彼此相比較，該第一、第二測量信號是分別在交替的第一半周期內和交替的第二半周期內產生的。
由二極體雷射器發射的輻射波長隨溫度增加而增加，因此，該輻射的頻率隨溫度的增加而減小，而溫度隨通過二極體雷射器的電流增加而增加。二極體雷射器的周期性變化電流加上物體反射的再回到雷射腔的輻射造成在每個半周期內產生許多輻射脈衝，因此，在測量的信號中產生相應數目的脈衝。如果輸入裝置和物體沒有相對運動，則信號脈衝的數目在每一個半周期中是相同的。但是如果裝置和物體彼此發生相對運動，則在一個半周期中脈衝的數目大於或小於下一個半周期中脈衝的數目，大於或小於取決於運動方向。通過比較一個半周期中測量的信號和下一個半周期中測量的信號，不僅可以檢測運動的速度，而且還可以檢測運動方向。
本方法的特徵還在於，第一和第二測量信號彼此相減。
測量運動的方法其特徵最好還在於，該方法可以用於通過物體和輸入裝置彼此相對地沿一個軸線的單次運動進行點擊操作，該軸線大體垂直於物體的表面。
上述單次運動還造成由物體表面散射和反射到雷射腔的測量光束輻射發生都卜勒頻移，使得通過測量雷射腔的有關參數的變化便可確定是否已經進行上述運動。在例如計算機的光標已經在輸入裝置的X-和Y-運動測量系統的控制下置於已顯示菜單目錄的要求功能上後，可以利用上述沿Z軸方向的單次運動啟動此功能。
測量方法的特徵最好還在於，該方法可以通過物體和輸入裝置沿平行於物體表面的第一方向的彼此相對運動和沿大體垂直於物體表面的第二方向的彼此相對運動，確定滾動操作和點擊操作。
滾動操作可以理解為光標穿過菜單的上下運動或下上運動。這種操作可以通過使手指在輸入裝置上面沿某個方向進行運動來實現。採用這種方法，可以執行沿平行於物體表面第一測量軸線的測量以及沿大體平行於此表面的第二測量軸線的測量。該第一測量可以提供滾動操作的信息，而第二測量可以提供關於點擊操作的信息。或者，兩個測量軸線相對於物體表面的法線形成相對角。因此兩個測量軸線的信號均包括滾動操作的信息和點擊操作的信息。通過將兩個測量操作的信號適當結合便可以分離出具體的滾動操作信息以及具體的點擊操作信息。
可以用若干種方法確定雷射腔操作特性的變化。
本測量方法第一實施例的特徵在於測量二極體雷射腔的阻抗。
二極體雷射器的阻抗是其中一個參數，該參數將因幹涉作用而發生變化，並且是輸入裝置和物體的相對運動的函數。測量二極體雷射器兩端的電壓，然後用流過二極體雷射器的已知電流值除上述測量電壓值便可確定該阻抗。
本方法優選實施例的特徵在於測量雷射輻射的強度。
測量雷射輻射強度是確定雷射腔的變化的最簡單方法，因為這種測量可以用簡單的光電二極體執行。
本發明還涉及具有執行此方法的光學模塊的輸入裝置，該模塊包括具有雷射腔的至少一個雷射器，用於產生測量光束；光學裝置，用於將測量光束聚光到靠近物體的平面上；轉換裝置，用於將物體反射的測量光束輻射轉換成電信號。上述平面可以是模塊外殼上的窗口平面，或是靠近該窗口的平面。該輸入裝置的特徵在於，轉換裝置包括雷射腔和測量雷射腔中操作變化的測量裝置的組合件，雷射腔中操作的變化是由於再進入雷射腔的受反射測量光束輻射和此腔室中的光波幹涉造成的，這種變化代表物體和模塊的相對運動。
將這種光學模塊裝在現有的輸入裝置中，便可以將這些輸入裝置作得更簡單、更便宜和更小型。另外，輸入裝置還可以用在新的方面，特別是用在消費品上。
輸入裝置的第一實施例的特徵在於，測量裝置是測量雷射腔阻抗變化的裝置。
輸入裝置的優選實施例的特徵在於，該測量裝置是測量雷射器發射的輻射的輻射檢測器。
輻射檢測器可以配置成這種方式，即該檢測器可以接受一部分測量光束的輻射。
然而，輸入裝置的此實施例的特徵最好是，輻射檢測器配置在雷射腔的一側，該側與發射測量光束的一側相對。
一般說來，二極體雷射器在其後側具有監測二極體。通常利用這種監測二極體來穩定二極體雷射器前側發射的雷射束強度。按照本發明，該監測二極體可用來檢測雷射腔中由於再進入到雷射腔的測量光束輻射引起的變化。
輸入裝置可以測量物體和裝置在平行於物體受照射表面的平面上彼此的相對運動，其特徵在於它包括至少兩個二極體雷射器和至少一個檢測器，用於測量物體和裝置沿第一和第二測量軸線的相對運動，這些軸線平行於物體的受照射表面。
如下面說明的，利用兩個或多個測量光束的該裝置和其它裝置可以具有各個測量光束的單獨檢測器。然而，如果採用分時方法，也可以對所有測量光束用一個和相同的檢測器。
可以確定物體和裝置的第三相對運動的輸入裝置的特徵在於，它包括三個二極體雷射器和至少一個檢測器，用於檢測物體和裝置沿第一、第二和第三測量軸線的相對運動，該第一和第二軸線平行於受照射的物體表面，而第三軸線大體垂直於此表面。
該輸入裝置的此實施例可以識別物體和裝置沿第三測量軸線的單次運動，並將該運動轉換成電信號，利用該信號可以確定點擊操作。
既確定滾動操作又確定點擊操作的輸入裝置的特徵在於，它包括兩個二極體雷射器和至少一個檢測器，用於測量物體和裝置沿平行於物體表面的第一測量軸線和沿大體垂直於物體表面的第二測量軸線的相對運動。
第一測量軸線用於確定滾動操作，而第二測量軸線用於確定點擊操作。
或者，該輸入裝置的特徵在於，它包括兩個二極體雷射器和至少一個檢測器，用於檢測物體和裝置沿第一測量軸線和第二測量軸線的相對運動，這些測量軸線相對於物體表面的法線形成相對的角度。
從兩個測量軸線得到的信號包括滾動操作和點擊操作的信息，適當的將兩個測量軸線的信息結合起來，便可以分離出具體的滾動操作信息以及具體的點擊操作信息。
在結構方面，該輸入裝置具有若干實施例。第一實施例的特徵在於，光學裝置包括配置在一方面的上述至少一個雷射器和相關檢測器以及另一方面的作用平面之間的透鏡。該至少一個雷射器相對於該透鏡是偏心定位的。
作用平面可以理解為測量運動的平面，即發生運動和測量光束到達的平面。該作用平面可以是裝置外殼中窗口的平面或靠近該窗口的平面。該透鏡可以是轉動對稱的透鏡或為其它形狀的透鏡。由於雷射器相對於透鏡元件處於偏心位置，所以可以確保相應的照明光束以銳角入射在輸入裝置的窗口上，使得這些光束沿相關的測量軸線具有分量。為了進行下面的說明，引入光軸這一術語，該光軸可以理解為該透鏡或模塊的對稱軸線，該光軸垂直於模塊的窗口。
如果該實施例包括兩個二極體雷射器，則其特徵在於，該二極體雷射器這樣配置，使得將這些雷射器的中心與透鏡光軸連接的線彼此形成基本上90度的角度。
如果該實施例包括三個二極體雷射器，則其特徵在於，該二極體雷射器布置成這樣，使得將這些二極體雷射器的中心與透鏡光軸相連的線相對彼此形成基本上120度的角度。
檢測器的輸出信號可以傳送到共用的信號處理電路，其中至少兩個檢測器信號用於每個測量軸線，以便確定沿相關軸線的運動。以這種方式，可以得到運動的更精確的值。
在該輸入裝置中，可以使用VCSEL(垂直腔室表面發射雷射器)型的二極體雷射器。這種雷射器沿垂直方向發射輻射，這使其適用於本裝置。然而，現在這種雷射器價格昂貴，所以很不適於用在大量消費製品上。
為此，選擇一種輸入裝置，這種輸入裝置的特徵是，每個二極體雷射器是水平發射雷射器，而且輸入裝置包括每個二極體雷射器的反射部件，該反射部件將相關二極體雷射器的光束反射到作用平面上。
水平發射二極體雷射器是廣泛應用的雷射器，比VCSEL雷射器便宜得多。如果採用具有反射部件的輸入裝置，則基本上不會增加該輸入裝置的成本。
容易製造且成本低的輸入裝置的實施例其特徵在於，該輸入裝置包括底板、蓋部件和裝納在蓋部件內的透鏡，該底板上安裝至少一個二極體雷射器和相關的檢測器，該蓋部件固定在該底板上並包括窗口。
該實施例只包括三個部分，該三個部件組裝容易，而且沒有嚴格的對齊要求。
更容易製造的輸入裝置的實施例其特徵在於，透鏡與蓋部件形成一體，該蓋部件具有向該底板彎曲的內表面。
該實施例只包括兩部分。
這些實施例的特徵最好還在於，該底板、該蓋部件和透鏡用塑料製作。
用這種材料製作的器件，價格便宜、重量輕，因此適合於用在消費品上。只有透鏡的材料應該是透明的，具有要求的光學特性。
不用透鏡的另一實施例的特徵在於，每個二極體雷射器連接於單獨的光導件的進口側，該光導件的出口側定位在裝置的窗口上。
在此實施例中，照明光束的輻射可以很好地與外界隔離，因而可以消除或顯著減少沿不同軸線運動之間的幹擾。
此實施例的特徵最好在於，該光導件是光學纖維。
光纖是柔性的，具有較小的橫截面，每單位長度基本上沒有衰減，因此裝置窗口的位置可以與二極體雷射器和檢測器分開較大的距離。
具有光學纖維的實施例其特徵最好在於，它包括三個二極體雷射器和三個光導件，而且光導件的出口側配置在一個圓周上，相互的角距離約為120度。
可以在不同方面應用輸入裝置，例如用在臺式計算機的滑鼠器上，用在臺式計算機或膝上型計算機的鍵盤上，用在不同裝置的遙控單元上，用在行動電話上等等，如權利要求27～33所述。
下面參照實施例，作為非限制性例子進行說明，從這些說明中，可以明顯看出本發明的這些和其它方面。其中

圖1a是本發明裝置第一實施例的橫截面圖；圖1b是此裝置的頂視圖2示出輸入裝置的測量方法的原理；圖3示出光學頻率和雷射腔增益隨裝置和物體彼此相對運動的變化；圖4示出測量這種變化的方法；圖5示出作為帶有光學反饋的雷射器的溫度的函數的雷射波長的變化；圖6示出在雷射器上應用周期性變化驅動電流的影響；圖7示出如何檢測運動方向；圖8是示意圖，示出具有三個測量軸線的輸入裝置；圖9a和9b示出輸入裝置的第二實施例；圖10示出該裝置的第三實施例；圖11a和11b示出該裝置的第四實施例；圖12示出裝有輸入裝置的行動電話；圖13示出裝有輸入裝置的無繩電話；圖14示出裝有輸入裝置的電視機；圖15示出裝有輸入裝置的膝上型計算機；圖16示出裝有輸入裝置的臺式計算機；圖17示出裝有輸入裝置的筆；圖18示出裝有輸入裝置的虛擬筆；圖19示出裝有輸入裝置的超聲掃描裝置；圖20和21示出用於滾動操作和點擊操作的輸入裝置的第一實施例；圖22示出這種裝置的第二實施例。
圖1a是輸入裝置的示意截面圖。該輸入裝置包括在其下側的底板1和檢測器，該底板1是用於支承在VCSEL型雷射器實施例中的二極體雷射器的支座，該檢測器例如為光電二極體。在圖1a中，只能見到一個二極體雷射器3和其相關的光電二極體4，但是通常在底板上配置至少一個第二二極體雷射器5和相關的檢測器6，如設備的頂視圖1b所示。二極體雷射器3和5分別發射雷射或測量光束13和17。在裝置的上側裝有透明窗口12，物體15例如人的手指可以在該窗口上移動。透鏡10例如平凸透鏡配置在二極體雷射器和窗口之間。該透鏡將雷射束13和17聚焦在透明窗口的上側，或聚光在上側的附近。如果物體15放在此位置上，則物體散射光束13，一部分光束13的輻射被散射到照明光束13的方向上，然後這部分輻射由透鏡10聚焦在二極體雷射器3的發射表面上，再入射到該雷射器的腔室內。如下面說明的，返回到腔室的輻射將引起腔室的變化，這種變化特別造成二極體雷射器發射的雷射輻射強度的變化。利用光電二極體4可以檢測這種變化，該光電二極體將這種輻射變化轉換成電信號，電子線路18用於處理該信號。照明光束17也聚焦在物體上，並由物體散射，散射輻射的一部分光束再入射到二極體雷射器5的腔室內。示於圖1a和1b的用於處理光電二極體6的信號的電路18和19僅用於例示的目的，或多或少是常規的形式，如圖1b所示，該電路是相互連接的。
圖2示出在應用水平發射二極體雷射器和配置在該雷射器後側面的監測光電二極體時，本發明測量的輸入裝置和測量的方法的原理。在此圖中，二極體雷射器例如二極體雷射器3示意地分別用其腔室20和其前後側面或雷射反射鏡21和22表示。該腔室的長度為L，其運動將被測量的物體用編號15表示，在物體和前側面21之間的空間構成長度為L0的外部腔。穿過前側面的發射雷射束用編號25表示，由物體向前側面方向反射的輻射由編號26表示，雷射腔中產生的一部分輻射穿過後側面，由光電二極體4捕獲。
如果物體15在照明光束13的方向運動，則反射輻射26將承受都卜勒頻移。這就意味著，該輻射的頻率變化或發生了頻移。該頻移取決於物體運動的速度，為若干kHz～MHz數量級。再進入雷射腔的頻移輻射將與光波或在腔室中產生的輻射發生幹涉，即在腔室中發生自混合效應。取決於光波和再進入腔室中的輻射之間的相移量，這種幹涉可以是相長幹涉或負幹涉，即雷射輻射的強度周期性地增加或降低。以此種方式產生的雷射輻射調製頻率準確地等於腔室中光波的頻率和再進入腔室的已都卜勒頻移的輻射頻率之間的差。該頻率差在若干kHz～MHz的數量級，因此容易檢測。自混合效應加上都卜勒頻移可使雷射腔特徵發生變化，特別使其增益或光的放大率發生變化。
這一點示於圖3，在此圖中，曲線31和32分別代表發射雷射輻射的頻率υ隨物體15和前側鏡21之間距離L0的變化，以及二極體雷射器的增益g隨該距離L0的變化。υ、g和L0是任意單位，因為距離L0變化是物體運動的結果，所以圖3的橫軸可以再換算成時間軸，使得增益曲線可以作為時間的函數畫出。作為物體速度v的函數的增益變化Δg由下面的公式表示g=-KL.cos.{4..v.tc+4.L0.tc}]]>在此公式中K是外部腔的耦合係數，它代表射出該雷射腔的輻射量；υ是該雷射輻射頻率；v是在照明光束方向的物體的速度；t代表時刻；c是光速。
根據上述兩篇論文中說明的自混合效應可以推出該公式。物體表面在其自身的平面內運動，如圖2的箭頭16所示。因為只有物體在光束的方向運動時才發生都卜勒頻移，所以該運動16應當使得它在此方向具有分量16』。因此可以測量在XZ平面上的運動，即在圖2的圖面上的運動，這種運動可以稱作X運動。圖2示出物體表面相對於系統的其餘部分具有傾斜位置。實際上，測量光束通常是傾斜光束，而物體表面的運動是發生在XY平面上的運動。Y方向是垂直於圖2的圖平面，利用第二測量光束可以測量在此方向的運動。利用由第二二極體雷射器發射的第二測量光束可以測量在此方向的運動，該光束的散射光由與第二二極體雷射器相關的第二光電二極體捕獲。使二極體雷射器相對於透鏡10偏心配置，便可以獲得傾斜照明光束，如圖1所示。
測量由物體運動造成的雷射腔增益的變化是最簡單的，因此也是最有吸引力的方法，該變化可以通過用監測二極體測量在雷射器後側面的輻射強度進行測量。通常，該二極體用於保持雷射輻射強度恆定，但是現在用於測量物體的運動。
測量增益變化和測量物體運動的另一種方法可以利用以下的原理，即雷射輻射強度正比於雷射器接頭的導帶中電子的數目，該數目又反比於該接頭的電阻。通過測量該電阻便可確定物體的運動。這種測量方法的實施例示於圖4。在此圖中，二極體雷射器的激活層由編號35表示，加在此雷射器上的電源由編號36表示。在該二極體雷射器兩端上的電壓通過電容器38加到電路40上。用通過雷射器的電流規格化的此電壓正比於雷射腔的電阻或阻抗。與二極體雷射器串聯的電感37形成二極體雷射器兩端信號的高阻抗。
除檢測運動量即物體運動經過的距離和測量速度對時間積分得到的距離外，還必須檢測運動方向。這意味著，必須檢測物體沿運動軸是向前運動還是向後運動。通過確定自混合效應引起的信號形狀便可檢測運動的方向。如圖3的曲線32所示，該信號是非對稱信號。該曲線32代表物體15正向雷射器移動的狀態。上升的斜率32』大於下降斜率32」，如Applied Optics，Vol.31，No.8，1992年6月20日，3401-3408頁的上述論文)中所述，對於物體離開雷射器的運動，該非對稱性是反向的，即，下降斜率大於上升斜率。通過確定自混合信號的非對稱性形式便可確定物體的運動方向。在某些情況下，例如，在物體的反射係數較小或在物體和二極體雷射器之間的距離較大時，確定自混合信號的形狀或非對稱性是很困難的。
在確定運動方向的另一個優選方法中，採用下面的原理，即，雷射輻射的波長λ依賴於二極體雷射器的溫度，因此依賴於流過二極體雷射器的電流。如果例如二極體雷射器的溫度增加，則雷射腔的長度增加，因而被放大的輻射的波長增加。圖5的曲線45表示發射輻射波長λ隨溫度(Td)的變化。在此圖中，水平軸Td和垂直軸λ為任意單位。
如圖6所示，如果將曲線50表示的周期性驅動電流Id加在二極體雷射器上，則二極體雷射器的溫度Td將周期性上升和下降，如曲線52所示。這樣便導致在雷射腔中的光駐波，該光波具有周期性變化頻率，並且相對於物體反射的和再進入腔室的輻射在一定時間延遲以後具有連續變化的相移。在驅動電流的每個半周期中，現在存在連續的時間段，在這些時間段中，二極體雷射器的增益取決於腔室中的波和再進入該腔室的反射輻射的相位關係可以變得較高和較低。這導致，發射輻射的強度隨時間變化(I)，如圖6的曲線54所示。該曲線代表物體靜止或不運動的狀態。在第一個半周期1/2p(a)內的脈衝數目等於第二半周期1/2p(b)內的脈衝數目。
物體的運動造成再入射到該雷射腔的輻射產生都卜勒頻移，即該頻率取決於運動方向而增加或降低。物體沿一個方向即向前方向運動時，使得再進入的輻射的波長降低，而沿相反方向的運動則使輻射的波長增加。在雷射腔中光波的周期性頻率調製的結果是，在都卜勒頻移與雷射腔中頻率調製的符號相同時，再進入腔室的都卜勒頻移輻射其作用不同於在上述頻率調製和都卜勒頻移具有相反符號情況下該輻射所具有的作用。如果兩個頻移具有同樣的符號，則光波和再進入輻射之間的相差以較慢速度變化，而雷射輻射所得的調製頻率較低。如果兩個頻移具有相反符號，則光波和該輻射之間的相差以較快速度變化，雷射輻射所得的調製頻率較高。在雷射器驅動電流的第一半周期1/2p(a)期間產生的雷射輻射的波長增加。在物體向後運動的情況下，再進入輻射的波長也增加，使得在腔室中的波的頻率和再進入此腔室的輻射的頻率之間的差降低。因此，再進入輻射波長適應發生輻射波長期間的時間段數目小於在不存在發射雷射輻射的電調製情況下的數目。這意味著如果物體向後運動，則在第一半周期中脈衝的數目小於不加上調製的數目。在雷射器溫度和產生輻射的波長降低的第二半周期1/2p(b)中，再進入輻射波長適應產生輻射的波長的時間段數目增加。因此，對於向後運動的物體，在第一半周期中的脈衝數目小於在第二半周期中脈衝的數目，這一點示於圖7的曲線58，該曲線表示物體向後方運動時發射雷射輻射的強度Ib。將此曲線與圖6的曲線54比較便可得出，在第一半周期內的脈衝數目減小，而在第二半周期內的脈衝數目增加。
從上面說明可以明顯看出，如果物體向前方運動，則第一半周期1/2p(a)內的脈衝數目大於在第二半周期1/2p(b)內的脈衝數目，在物體向前方運動時，由物體散射的和再進入雷射腔的輻射波長由於都卜勒效應而降低。通過比較圖7的曲線56可以證明這一點，該曲線56代表在物體向前移動時發射輻射的強度If。在電子處理電路中，可以從在第一半周期1/2p(a)期間計數的脈衝數中減去第二半周期1/2p(b)期間計數的光電二極體信號脈衝的數目。如果所得的信號是零，則物體是靜止的。如果所得的信號為正，則物體向前方運動。而如果該信號為負，則物體向後方運動。所得的脈衝數分別正比於向前和向後運動的速度。
在某些情況下，例如，如果在雷射器和物體之間的光程長度相當小和電調製的頻率和幅度相當小，而被檢測的運動又相當快，則由都卜勒效應產生的脈衝數目高於由電調製產生的脈衝數目。在這種情況下，仍可以通過比較第一半周期期間的脈衝數目和第二半周期期間的脈衝數目檢測運動的方向。但是，該速度將不正比於這兩個數的差。為了檢測在這種狀態下的速度，應該平均上述兩個數目，並應該從結果中減去一個常數值。由此得到的數目是速度的度量值。技術人員可以容易的設計出執行這種計算的電子線路。
也可以採用其它形狀的驅動電流，例如矩形驅動電流來代替圖5和6所示實施例中所用的三角形驅動電流Id。
如果通過測量二極體雷射腔電阻的變化來測量增益的變化，則也可以應用上述測量物體運動速度和方向的方法。
該測量方法只要求小的都卜勒頻移，例如波長的位移為1，5.10-16m的數量級時，該位移對于波長為680nm的雷射對應於100kHz數量級的都卜勒頻移。
可以用圖1的輸入裝置測量物體在一個平面中的兩個垂直方向(X和Y)或沿測量軸線的運動。該輸入裝置包括兩個垂直取向的二極體雷射器和相關的光電二極體。在該輸入裝置上加上第三二極體雷射器和相關的光電二極體可使該裝置測量沿第三Z軸方向或測量軸線的運動。該第三二極體雷射器可以配置在透鏡10的光軸上，使得第三照明光束垂直入射在窗口12和物體上，在其它方向沒有分量。這樣可以在Z方向得到最佳的測量信號，為了增加X和Y測量信號的可靠性和準確性，三個二極體雷射器最好配置在一個圓上，彼此隔開120度角。這種結構示於圖8，其中第三二極體雷射器和第三光電二極體分別用編號7和8表示。如果光電二極體4、6和8的輸出信號或電阻測量信號分別用S4、S6、S8表示，則沿X、Y和Z測量軸線的物體速度Vx、Vy和Vz可分別計算如下Vx＝2S4-S6-S8Vy＝√3.(S8-S6)Vz＝1/√2.(S4+S6+S8)執行這種計算的電子電路包括加法元件和減法元件，並且相當容易執行。
通過這種方式得到的在X和Y方向運動的速度值以及速度對運動經過時間積分得到的運動距離是更可靠的和更準確的，因為這些值是至少兩個光電二極體輸出信號的平均結果。運動誤差或不要求的運動例如稍微抬高手指的運動對光電二極體的輸出信號具有類似的影響。當通過輸出信號彼此相減的方法確定沿X和Y測量軸線的運動時，可以消除在X、Y測量信號中不要求的運動的影響。只有Z測量信號Vz表現出手指或其它物體的上/下運動，該Z測量信號通過三個光電二極體的輸出信號相加得到。
在用手指和輸入裝置沿Z軸方向的彼此相對運動來執行點擊操作的應用中，只要檢測到發生這種運動就足夠了。準確測量物體的位移是不需要的，所以Z測量是相當粗略的。甚至不需要檢測運動方向。
對相對於輸入裝置移動的物體的結構或反射係數幾乎沒有提出任何要求。已經證明，可以容易地測量白紙片和輸入裝置的相對運動。
從光學的觀點看，光學模塊的尺寸可以很小。輸入裝置的尺寸主要由必須裝在輸入裝置中的電子器件的數量和容易大量製造的方面決定。在實際的實施例中，該窗口的尺寸為3mm～5mm見方。由於用在此裝置中的測量原理，所以其部件不需要很準確地對齊，這對於大批量生產是一個很大的優點。
在圖1的實施例中，透鏡10可以用玻璃或透明塑料例如聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)製作，這種透鏡可以利用透明的粘接劑層11例如環氧樹脂層固定在支承二極體雷射器、光電二極體和處理電路的襯底上。對於此實施例，可以假定，二極體雷射器沿垂直方向輻射，因而這些雷射器可以是VCSEL式的雷射器。利用線束法可將這種雷射器容易地配置在底板上。
優選採用具有水平腔室的常規側向發射二極體雷射器，因為它們相當便宜，這種雷射器可以配置成它在垂直方向上發射。例如可以將雷射器裝在一個小臺上。然而也可以以這樣的方式安裝側向發射二極體雷射器，使得它們沿水平方向發射。圖9a是垂直截面圖，示出裝有這種雷射器的輸入裝置實施例，而圖9b是此裝置下部的頂視圖。在這些圖中，1代表底板或外殼板，電接觸插腳62從該底板上伸出。該底板具有這樣的導熱性，使得它能夠對二極體雷射器起冷卻元件的作用。示意示於圖1和8的電子線路可以裝在矽層或其它材料層60上，該層形成電路板。圖1的實施例也可以包括這種層。元件3、5和7是側向發射二極體雷射器。對於每個雷射器配置反射部件64，該反射部件反射二極體雷射器發射的水平發射光束68和70到垂直方向，然後經透鏡10射向裝置頂部的窗口12。該反射部件最好為球形，使得它們也具有一定的光功率，並將入射的發散光束68、70轉變成發散程度較小的或準直的或稍微收斂的光束。因此透鏡10的光功率可以小於圖1實施例中透鏡10的光功率。另外，在圖9a和9b的實施例中，透鏡10可以是玻璃透鏡，但最好是塑料透鏡。塑料透鏡價格便宜，重量比玻璃透鏡輕，因此很適合用在這方面，因為對這種透鏡沒有提出嚴格的光學要求。蓋子66與外殼板1一起形成裝置的外殼，該蓋子用塑料製作，具有透明窗口12。在應用三個二極體雷射器或有時只用兩個二極體雷射器時，可以用一個塑料環構成兩個反射部件，該環上覆蓋反射塗層。上述環可以形成底板1的整體部分。因此該輸入裝置主要包括塑料，並僅包括三個結構部分，這些結構部分可以容易組裝在一起。這些部分是底板1，其上裝有反射環；接觸插腳62；二極體雷射器和相關的光電二極體；透鏡10；具有窗口12的蓋子66。
圖10示出輸入裝置的優選實施例，在該輸入裝置中可以進一步將這些部分作成一體。在此實施例中，圖9a實施例的蓋子66和透鏡10可用單一的塑料部件70取代，該塑料部件的下側向底板彎曲。該彎曲面對照明光束的折射效應與圖9a中透鏡10的折射效應相同。圖10實施例的下部頂視圖未示出，因為這部分與圖9a和9b的部分相同。圖10所示的實施例只包括兩個結構部分，因此，比圖9a和圖9b所示實施例更容易組裝。
在圖8、9a、9b、10、11a和11b所示的實施例中，照明光束不聚焦在窗口的平面上。另外，因為這些光束從底板水平的不同位置射出，所以照明光束在作用平面上例如在窗口的平面上的不同位置形成照明點。這些照明光束和其散射的輻射因此在空間上是充分分開的，所以在本發明的輸入裝置中，在不同測量軸線之間的幹擾不會成為問題。如果需要，可以利用波長稍微不同的二極體雷射器來減小殘留的幹擾。為此，波長差只需幾個nm便足夠了。
消除幹擾的另一種可能方法是對二極體雷射器進行可控驅動，這種驅動在任何時刻僅使一個雷射器被激發。交替激發不同二極體雷射器的多路驅動電路可以構成這種可控驅動裝置。這種多路驅動電路可以利用一個檢測器或光電二極體來監測兩個或三個二極體雷射器。檢測器配置在每個二極體雷射器的有效範圍內，並以分時模式應用。具有這種驅動電路的實施例的另外優點是減少了輸入裝置所用電路所佔的空間和減少了功率的消耗。
圖11a和11b示出輸入裝置的一個實施例，該實施例中，用光纖將照明光引到窗口。圖11是該實施例的垂直截面圖，而圖11b是該實施例的頂視圖。光纖72、73和74的輸入端分別在光學上以已知的方式連接於二極體雷射器3、5和7。光纖的所有輸出端定位在輸入裝置的窗口上。這些光纖嵌入到固體材料例如環氧樹脂或其它透明或不透明材料作的蓋子78中。每個這種光纖形成分離器，用於由該光纖導向的輻射，既用於從相關二極體雷射器發射的照明輻射，又用於返回該雷射器的散射輻射。結果，在不同測量軸線之間的可能干擾是很小的或達到零。光纖的另一個優點是它們具有柔性，增加了設計多樣性，而且它們可以將輻射傳送任意的距離，使得二極體雷射器和光電二極體可以配置在與輸入裝置的窗口離開相當遠的地方。在圖11a和11b的實施例中，二極體雷射器和相關的光電二極體緊靠在一起配置。這些元件配置在分開的隔間79中，如圖11a所示。這些隔間的材料可以與蓋子的材料相同或是其它材料。
可以採用其它的光導件例如在透明或不透明材料體中的溝道來代替光纖。
圖8～11b的實施例可以裝兩個二極體雷射器，不用三個二極體雷射器。如果輸入裝置只需進行X和Y運動的測量，而不需要進行Z測量例如進行點擊操作，則便是這種情況。可以採用其它小型雷射裝置來代替二極體雷射器，並且可以用其它小型輻射敏感裝置來代替光電二極體。
因為可以低成本製造上述輸入裝置，所以該輸入裝置適合於裝在大量的消費設備上。因為其尺寸很小，重量輕，所以該輸入裝置可以容易的結合在現有的設備上，增加了這些設備的功能，但又不會顯著增加它們的成本和重量，而且不會改變其原來的設計。
圖12示出這種新輸入裝置的第一的和最重要的應用，即用在移動式或蜂窩式電話設備80中，該設備的前表面上具有鍵輸入部分82，該鍵輸入部分包括許多用於撥號和啟動其它功能的按鈕開關83。顯示裝置85位於該部分82的上面。天線87裝在電話80的頂表面上，當從按鈕開關83鍵入號碼例如10個鍵的號碼或其它指令時，便可將關於鍵入指令的信息通過未示出的電話傳輸線路和天線傳輸到電話公司的基站。通過按鈕開關鍵入的其它指令可以在電話線路中進行處理，啟動裝在電話線路中的不同功能，例如選擇儲存目錄中的電話號碼，或從標準信息表上發出指定的信息。由於電話裝置上裝有輸入裝置和控制光標88移過顯示裝置85的附加電路，所以可以以容易的方式執行一些現有功能，而且還可以產生新的功能。輸入裝置89可以配置在電話上的若干位置，例如配置在按鈕開關的下面，如圖12所示，或配置在側表面的一個表面上，圖12中只示出該輸入裝置的窗口。該輸入裝置的窗口最好位於握持該電話設備的手指通常可以達到的位置中的一個位置上。該設備的電路能夠顯示功能的菜單，手指在輸入裝置89的輸入窗口上移動可使光標88移到預定的功能。在垂直於窗口的方向移動手指便可啟動該功能。
該輸入裝置在結合於具有標準協議例如WAP協議或I模式網際網路協議的行動電話中時具有很大的優點。由於具有這種協議，所以該設備可以用作環球網際網路例如網際網路的終端。因為網際網路已越來越得到廣泛的傳播和應用，所以需要新的終端用戶設備。首先選擇的設備是具有機頂盒的電視機和行動電話。對於這種新的用途，這些設備應當裝有能夠很好匹配在例如電視機遙控單元或行動電話中的較小輸入裝置。本發明的輸入裝置完全滿足這些要求。
為了達到行動電話設備達到的同樣的目的，可以將此輸入裝置用在無繩電話設備上。無繩電話設備90示於圖13。該設備包括基站92和行動裝置94，該基站連接於電話或電纜網，而該行動裝置可以用在距離基站的半徑例如小於100m的範圍內。該設備94包括鍵輸入部分95和顯示裝置97，該設備94裝有如上所述的輸入裝置99，安裝方式類似於行動電話設備的方式。在圖13中，也僅示出輸入裝置的窗口。和行動電話設備一樣，設備94應當尺寸小、重量輕，並且在無繩電話設備中提供這種輸入裝置獲得的優點與行動電話設備相同，特別是如果無繩設備具有例如WAP協議或進入網際網路的I模式協議。
圖14所示的包含接收機和顯示裝置101以及遙控單元107的常規電視機100可以作成適合於進入網際網路，方法是在該電視機上加一個機頂盒105。該機頂盒通過電話或電纜網可以進入網際網路，並將從網際網路接收的信號轉換成可以由電視機處理的信號，從而顯示網際網路的信息。電視網際網路的用戶應當具有在手邊的用於輸入網際網路指令的輸入裝置，該輸入裝置應當裝在遙控單元上。按照本發明，可以在遙控單元107中裝上如前所述的光學輸入裝置109。在圖中僅示出窗口的輸入裝置109可以配置在遙控單元的常規按鍵之間或配置在握持該遙控單元的手指中任何一個手指能夠達到的其它位置上。
本發明的輸入裝置也可以用在計算機配置上，替代常規的用手驅動的跟蹤球滑鼠器或滑鼠墊。圖15示出稱作筆記本或膝上型計算機的可攜式計算機，該計算機包括底部分112和具有液晶顯示器116的蓋子部分115。該底部分接納不同的計算機模塊和鍵盤113。在該鍵盤中，可以配置本發明的光學輸入裝置119，該輸入裝置可以取代常規的滑鼠墊。該輸入裝置可以配置在常規滑鼠墊的位置上，或配置在任何可以容易達到的其它位置上。如果輸入裝置只用於測量手指在兩個方向的運動，只執行常規滑鼠墊的功能，則它只需包括兩個二極體雷射器。最好應用一種輸入裝置，該裝置包括三個二極體雷射器，因此具有點擊功能，使得它也可以取代常規的筆記本點擊按鈕。
手持或掌上計算機是小型筆記本計算機，這種掌上計算機也可以裝上本發明的光學輸入裝置，替代例如觸及顯示屏幕的筆，該筆通常用於選擇顯示菜單的功能。該光學輸入裝置可以配置在掌上型計算機的鍵盤上，但也可以配置在蓋子的內側。
圖16示出臺式計算機配置120，在該計算機中，可以各種方法應用光學輸入裝置來代替常規的跟蹤球滑鼠器。該計算機配置包括鍵盤121、計算機箱122和監視器123，該監視器可以是如圖所示地固定在支承件124上的平面液晶監示器或是陰極射線管監視器。光學輸入裝置129最好裝在鍵盤上，使得不再需要單獨的滑鼠器126和連接於計算機箱的電纜。也可以不用這種作法，而用裝有光學輸入裝置的光學滑鼠器代替跟蹤球滑鼠器，這種裝置可以被倒置，即輸入裝置的窗口可以面向底面，滑鼠器在該底面上移動。該輸入裝置可以測量這種運動，而不是像先前的應用一樣測量人的手指在窗口上的運動。光學輸入裝置的這種應用具有很高的靈敏度。該輸入裝置可以檢測相對於相當光滑的表面例如一片白紙片的運動。
在上述計算機配置中，輸入裝置可以配置在顯示器部分，例如配置在圖15所示的膝上型計算機的蓋子115上或配置在掌上計算機的蓋子上，而不配置在鍵盤部分上。該輸入裝置還可以裝在除計算機顯示器外的顯示器上。
該光學輸入裝置也可以裝在正常的筆中或裝在虛擬筆中，測量這種筆的運動。在這些應用中，可以用纖維將二極體雷射器發射的輻射引導到輸入裝置的窗口上，使得裝置的主要部分遠離筆尖。
圖17示出具有筆桿131和筆尖132的正常筆。用於輸入裝置的部件的套子形外殼136固定在與筆尖相對的筆桿端部。該套子形外殼136接納輸入裝置的二極體雷射器、光電二極體和電路。光纖133、134引導二極體雷射器發射的輻射。這些光纖例如結束於筆尖一半的地方，並形成輸入裝置的窗口，也可以將二極體雷射器和光電二極體配置在遠離筆的地方，並可以將二極體雷射器發射的輻射傳送到筆尖，然後經光纖返回到光電二極體，該光纖的一端固定於筆尖。當該筆移動書寫文字或畫圖時，便可利用輸入裝置測量其運動即跟蹤其運動，然後轉換成電信號。該信號例如可以經導線138或用無線方法立即傳輸到計算機。該計算機處理該信號，使得所寫的文字或所畫的圖可以立刻或經過相當時間在計算機的顯示屏上顯示出來，或送到另一個計算機或被歸檔。該筆還具有暫時儲存由筆書寫的文字和圖形的裝置。該筆通常只在水平面上移動，因而輸入裝置只需要包括兩個二極體雷射器和兩根光纖。在某些情況下，需要測量筆的垂直運動。對於這種情況，輸入裝置應當具有第三二極體雷射器和光纖。
圖18是虛擬筆的垂直截面圖，這種筆可以按照要求的圖案橫過無特徵的紙或其它的底面上移動，要求的圖案可以是字母、詞、圖等。該圖案可通過筆的輸入裝置傳送到各個位置上。這些位置可以利用計算機轉換成虛擬的字和圖，該虛擬的字和圖可以轉換成字母或詞，或者立刻或稍後由該計算機顯示，或送到另一個計算機，或輸送到網絡中。圖18示出的虛擬筆實施例包括具有筆尖142的筆外殼141、位於下側的底板143和在筆尖上的透明窗144。在筆的下側可接納二極體雷射器3、4和有關的光電二極體4、6以及電子線路。這些部件可以裝在層145上。該層對應於圖9a和10中的層60。光纖146、147連接於二極體雷射器，將雷射輻射引導到窗口144。用固體材料例如塑料作的套子或包套148、149固定這些光纖。
對於圖17的筆和圖18的虛擬筆，二極體雷射器和光電二極體可以配置在遠離筆的位置。由二極體雷射器發射的輻射可經光纖傳送到筆尖，然後經光纖返回到光電二極體，該光纖的一端固定於筆尖。
本發明的輸入裝置還可以用在傳真機和/或印表機設備上，以檢測紙的滑移或測量紙的前移，使得在這種設備中不再需要很精確的和昂貴的驅紙馬達。
另外，該輸入裝置還可以用在手持掃描器上，該掃描器可以用來讀出紙片上的信息，立刻或在隨後利用計算機重現該信息。這種手持掃描器裝有測量掃描器掃過紙的運動的裝置，使得可以可靠地重現信息。這種測量裝置應當是小型的、重量輕，輸入裝置很適合於這種用途。手持掃描器本質上是已知的，這裡不再說明。本發明的手持掃描器不同於已知掃描器之處在於，它包括如上所述的輸入裝置。
超聲成像技術或回波描記術是一種醫療診斷技術，在這種技術中，可利用由人體組織反射的超聲波來形成像。除完全實時成像外，這種技術類似於相互競爭的X射線成像技術和電腦斷層攝影技術(CT)，具有非侵入和非離解的優點。這種技術採用連接於計算機的掃描裝置。超聲系統具有的其它優點是它們可以作得相當小(甚至可以作成可攜式)，而且與例如也是非侵入性的磁共振成像系統相比更為廉價。在超聲掃描裝置中產生送入到人體內的超聲波。各種人體組織有差別地反射超聲波，然後在掃描裝置中檢測反射波，並將檢測結果送到計算機，由此可以進行分析，形成可被顯示的像。這種像是瞬間檢測的一部分人體的二維橫截面像，通過使掃描裝置橫向於人體運動，便可以檢驗該人體的其它部分。在此處，無需詳細說明超聲掃描裝置，因為它是眾所周知的裝置。可以將本發明的輸入裝置裝在超聲掃描設備上以記錄其運動，該設備很示意地示於圖19。該圖示出具有電纜152的掃描設備150，該電纜152將該掃描設備連接於未示出的計算機。在應用時，設備的表面154面向被檢測的人體。編號159表示在圖中只示出窗口的輸入裝置，利用該輸入裝置可以記錄設備例如沿想像線155的運動。這種具有一個或兩個測量軸線的輸入裝置提供了超聲掃描器的新的功能，因為除二維超聲圖像外，可以利用計算機獲得和處理掃描器運動的信息，使得後者可以產生被測試人體的三維圖像。該掃描設備可選擇地具有第二輸入裝置159』。因為輸入裝置是緊湊的，並且價格便宜，所以它容易裝入到現有的超聲掃描設備上，而不會增加太多的成本和重新設計該超聲掃描設備。
可以將圖12所示行動電話的輸入裝置應用在上下滾動開關中，以便滾動菜單目錄。這種輸入裝置還可以具有確定點擊的功能，這種點擊可以啟動由光標指定的菜單，該光標由上下開關控制。這種輸入裝置可以容易地由分立的組件構成，這種輸入裝置可以快速地開發許多新的應用。
圖20示出滾動和點擊輸入裝置160的第一實施例。該實施例包括兩個雷射器/二極體單元161和162，其中各個單元包括二極體雷射器和光電二極體，也可以不用這種單元而採用分開的二極體雷射器和光電二極體。在由單元161和162發射的輻射的各個路徑上分別配置透鏡163和164，該透鏡將相關單元161和162的輻射光束165和166聚焦在作用面167上，該作用面可以是窗口的平面。該窗口172構成在其中應用該輸入裝置的裝置外殼169的一部分，例如構成行動電話外殼的一部分，如圖21所示。該雷射器/二極體單元和相關的透鏡可以這樣配置，使得光束165和166的主要光線相對於窗口172的法線形成相反角度，例如對該法線分別形成正45和負45度的角度。
物體例如人的手指168可以移動經過作用面，進行滾動操作和/或點擊操作。如上所述，兩種操作造成由手指反射到雷射器/二極體單元161和162的輻射發生都卜勒頻移。這些單元的檢測器輸出信號然後輸送到信號處理和雷射驅動電子線路170。該電路計算例如控制手指168的運動，並將這些運動的信息送到其輸出端171。雷射器/二極體單元161和162、透鏡165和166、窗口172和電子線路170以及軟體可以集成在一個模塊上。該模塊可以配置在應當具有滾動和點擊功能的行動電話或其它設備上，也可以作成具有分立元件的輸入裝置。特別是可以利用構成行動電話或其它裝置如遙控器、無繩電話或可攜式計算機的一部分的微控制器或其他控制裝置來處理一部分信號。
如前所述，通過調製雷射器電流和計數由檢測器接收的脈衝便可以檢測手指或其它物體移向雷射器/二極體單元或離開該單元的運動。從這些檢測器的輸出信號Sign1和Sign2便可以按下式計算平行於窗口的速度(V滾動)和垂直於該窗口的速度(V點擊)，該輸出信號分別代表物體沿光束165和166主要光線的速度V滾動＝√2.(Sign1-Sign2)V點擊＝√2.(Sign1+Sign2)圖22示出滾動和點擊輸入裝置180的第二實施例。此實施例不同於圖20和21之處在於用單個部件182替代兩個透鏡163、164和窗口172。該部件將光束165和166聚焦在其上表面184上，該上表面構成窗口。
如果圖20～22所示的輸入裝置只需要提供滾動功能，則在原理上只需要一個二極體雷射器、透鏡和檢測器。
權利要求
1.一種測量輸入裝置和物體沿至少一個測量軸線的彼此相對運動的方法，該方法包括以下步驟用每個測量軸線的測量雷射束照射物體表面；以及將該表面反射的測量光束輻射的選定部分轉換成電信號，該電信號代表沿所述測量軸線的運動，其特徵在於，選擇沿測量光束反射回來並再進入發射測量光束的雷射腔的測量光束輻射，並且測定該雷射腔操作的變化，這些變化是由於再進入的輻射和雷射腔中的光波的幹涉引起的，並且代表運動。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過確定代表雷射腔操作變化的信號的形狀來檢測沿所述至少一個測量軸線的運動方向。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過向該雷射腔提供周期性變化的電流，並且將第一和第二測量信號相互比較，確定沿所述至少一個測量軸線的運動方向，該第一和第二測量信號分別是在交替的第一半周期和第二半周期期間產生的。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，該第一和第二測量信號彼此相減。
5.如權利要求1、2、3或4所述的方法，其特徵在於，通過物體和輸入裝置沿一軸線彼此相對的單次運動，應用該方法來確定點擊動作，該軸線基本上垂直於物體表面。
6.如權利要求1、2、3、4或5所述的方法，其特徵在於，通過使物體和輸入裝置在平行於物體表面的第一方向上彼此相對運動和在基本上垂直於物體表面的第二方向上彼此相對運動，應用該方法來確定滾動動作和點擊動作二者。
7.如權利要求1～6中任一項所述的方法，其特徵在於，測量二極體雷射腔的阻抗。
8.如權利要求1～6中任一項所述的方法，其特徵在於，測量雷射輻射的強度。
9.一種輸入裝置，其設有用於執行如權利要求1所述的方法的光學模塊，該模塊包括具有雷射腔的至少一個雷射器，用於產生測量光束；光學裝置，用於將測量光束會聚在靠近物體的平面中；以及轉換裝置，用於將物體反射的測量光束輻射轉換成電信號，其特徵在於，該轉換裝置包括雷射腔和用於測量該雷射腔操作的變化的測量裝置的組合件，這些雷射腔操作的變化是由於反射的再進入雷射腔的測量光束輻射和這個腔中的光波的幹涉引起的，並且代表物體和模塊的相對運動。
10.如權利要求9所述的輸入裝置，其特徵在於，該測量裝置是用於測量該雷射腔阻抗的變化的裝置。
11.如權利要求9所述的輸入裝置，其特徵在於，該測量裝置是用於測量由雷射器發射的輻射的輻射檢測器。
12.如權利要求11所述的輸入裝置，其特徵在於，輻射檢測器布置在雷射腔的一側，該側與發射測量光束的一側相對。
13.如權利要求9、10、11或12所述的輸入裝置，其特徵在於，該輸入裝置包括至少兩個二極體雷射器和至少一個檢測器，用於測量物體和裝置沿第一和第二測量軸線的相對運動，這些軸線平行於受照射的物體表面。
14.如權利要求9、10、11或12所述的輸入裝置，其特徵在於，該輸入裝置包括三個二極體雷射器和至少一個檢測器，用於測量物體和裝置沿第一、第二和第三測量軸線的相對運動，該第一和第二軸線平行於受照射的物體表面，而第三軸線垂直於這個表面。
15.如權利要求9、10、11或12所述的輸入裝置，其用於確定滾動動作和點擊動作二者，其特徵在於，該輸入裝置包括兩個二極體雷射器和至少一個檢測器，用於測量物體和裝置沿平行於物體表面的第一測量軸線和沿基本上垂直於物體表面的第二測量軸線的相對運動。
16.如權利要求9、10、11或12所述的輸入裝置，其用於確定滾動動作和點擊動作二者，其特徵在於，該輸入裝置包括兩個二極體雷射器和至少一個檢測器，用於測量物體和裝置沿第一和第二測量軸線的相對運動，這些軸線相對於物體表面的法線成相對的角度。
17.如權利要求9～16中任一項所述的輸入裝置，其特徵在於，該光學裝置包括布置在一方面的所述至少一個雷射器和相關檢測器與另一方面的作用平面之間的透鏡，該至少一個雷射器相對於該透鏡是偏心定位的。
18.如權利要求17所述的輸入裝置，該裝置包括兩個二極體雷射器，其特徵在於，該二極體雷射器這樣布置，使得將這些二極體雷射器的中心與透鏡光軸相連的線相對彼此形成基本上90度的角度。
19.如權利要求17所述的輸入裝置，該裝置包括三個二極體雷射器，其特徵在於，該二極體雷射器這樣布置，使得將這些二極體雷射器的中心與透鏡光軸相連的線相對彼此形成基本上120度的角度。
20.如權利要求7～19中任一項所述的輸入裝置，其特徵在於，每個二極體雷射器是水平發射雷射器，並且該裝置包括用於每個二極體雷射器的反射部件，該反射部件將來自相關二極體雷射器的光束反射到作用平面上。
21.如權利要求9～20中任一項所述的輸入裝置，其特徵在於，該輸入裝置包括底板，該底板上裝有至少一個二極體雷射器和相關檢測器，固定在該底板上並包含窗口的蓋子部件和裝納在蓋子部件內的透鏡。
22.如權利要求21所述的輸入裝置，其特徵在於，該透鏡結合在具有內表面的蓋子部件中，該內表面向底板彎曲。
23.如權利要求21或22所述的輸入裝置，其特徵在於，該底板、蓋子部件和透鏡由塑料材料製成。
24.如權利要求9～14中任一項所述的輸入裝置，其特徵在於，每個二極體雷射器聯接於分開的光導件的進口側，該光導件的出口側定位在裝置的窗口處。
25.如權利要求24所述的輸入裝置，其特徵在於，該光導件是光學纖維。
26.如權利要求24或25所述的輸入裝置，其特徵在於，該輸入裝置包括三個二極體雷射器和三個光導件，並且該光導件的出口側彼此以基本上120度的角間隔布置在圓上。
27.一種用於臺式計算機的滑鼠器，其包括如權利要求9～26中任一項所述的輸入裝置。
28.一種用於臺式計算機的鍵盤，其中結合有如權利要求9～26中任一項所述的輸入裝置。
29.一種膝上型計算機，其中結合有如權利要求9～26中任一項所述的輸入裝置。
30.一種顯示器，其中結合有如權利要求9～26中任一項所述的輸入裝置。
31.一種超聲診斷設備，其中結合有如權利要求9～14和17～26中任一項所述的至少一個輸入裝置。
32.一種手持掃描設備，其中結合有如權利要求9～14和17～26中任一項所述的至少一個輸入裝置。
33.一種遙控單元，其中結合有如權利要求9～26中任一項所述的至少一個輸入裝置。
全文摘要
一種設備的光學輸入裝置，使裝置和物體(15)彼此相對運動，該裝置便產生輸入信號，利用二極體雷射器(3、5)中的自混合效應和由運動產生的都卜勒頻移，該輸入裝置可測量運動。對於各個測量軸線(X、Y、Z)，由二極體雷射器(3、5)發射的輻射可被聚光在物體(15)運動經過的窗口(12)上。由物體散射的部分輻射再進入到雷射腔(20)中，並引起腔室特性的變化，該散射輻射的頻率由於運動已發生都卜勒頻移。利用例如光電二極體測量這種變化便可獲得運動的信息。因為這種輸入裝置小而價格低，所以它可以用在許多不同的消費設備中。
文檔編號G01B11/00GK1411587SQ01806124
公開日2003年4月16日 申請日期2001年11月2日 優先權日2000年11月6日
發明者M·D·利斯, A·L·維傑爾斯, O·T·J·A·維爾莫伊倫 申請人:皇家菲利浦電子有限公司