在各种表面上的光学位移检测的制作方法

专利名称：在各种表面上的光学位移检测的制作方法
技术领域：
本发明大体而言涉及光学技术，且更具体而言涉及光学输入装置。
背景技术：
光学技术用于许多种环境中，包括用于例如鼠标等光学输入装置。在大多数此等装置中，光学系统通常具有一用于确定光学装置相对于一表面的位移的传感器。例如，在为光学鼠标情况下，鼠标具有至少一个用于确定鼠标在一表面上的移动的传感器，例如一桌面垫或鼠标垫。鼠标在所述表面上的移动会变换成鼠标指针或光标在一与主机配套的显示器上的移动。
光学鼠标的移动或位移是通过对在两个不同的瞬时及可能在所述表面上两个不同位置上所捕获的两个不同图像加以比较来加以确定。光学鼠标的示踪能力高度依赖于图像的质量。如果图像具有良好的质量，光学鼠标就可更容易地进行示踪。
在传统光学鼠标中所使用的传感器可在例如纸张、木材、油漆、金属及类似的能够漫射光的表面上进行示踪。这是因为传统成像方式是基于对正常表面(例如木材、布料等)的光学粗糙性质的利用。因此，当所述表面是由不会漫射足够光量的在光学上光滑的材料制成时(例如由玻璃或其他透明材料制成的表面)，成像就会出现问题。其一实例是玻璃平台。此外，当在漫射表面上放置有一层玻璃或其他透明材料时，也会出现问题。其一实例是在木制桌子顶上放置玻璃板。让我们分别考虑这些情形中的每一种情形。
当要使用由例如玻璃等透明材料制成的表面作为示踪表面时，所述表面无法漫射足够的光来实现传统的示踪。
当在一漫射表面顶上放置有一层玻璃或其他透明材料时，此种构造会造成光学传感器与成像表面(即所述透明层下面的漫射表面)之间距离(称作“z距离”)的变化。因此，传统的照明及成像方法可能会导致聚焦不正确、照明不充分、及/或被照明点及被成像区域出现点偏移或重叠较差。这些问题可使传感器无法精确地对位移(鼠标运动)进行示踪。
为解决传统系统中的某些此等问题所作的能力会带来其他缺点。例如，会带来抬起检测的精确性问题。具体来说，当用户抬起鼠标时，例如当意图在示踪表面上重新定位鼠标而不在屏幕上移动光标时，屏幕上的光标会在整个抬起过程中在事实上其不应跟随鼠标移动时跟随鼠标移动。
此外，上述问题并非仅限于光学输入装置。其他使用光学技术来捕捉图像及确定位置和移动的装置也存在类似问题。另一种可能会存在这些缺点的装置的实例是手持式扫描仪。
因此，希望提供一种甚至在光学装置与示踪表面之间放置有一层透明材料时或者在用户希望仅在透明材料上进行示踪时也可精确地对位移进行示踪、以及提供精确的抬起检测的光学装置。

发明内容
本发明的实施例包括一种使一光学装置能够在一上面放置有一透明及/或不透明及/或在光学上光滑表面的漫射表面上进行示踪的系统及方法。本发明的其他实施例包括一种使一光学装置能够在一单独的透明及/或不透明及/或在光学上光滑的表面上进行示踪的系统及方法。本发明的某些实施例旨在侦测一光学装置何时被抬离其所位于的表面上。本发明的各实施例还包括一种用于检测z距离(距示踪表面的距离)及通过提高光学传感器子系统及/或照明子系统在所检测z距离处的有效性来提高图像质量的传感系统。
根据本发明的某些实施例，提供用于在示踪表面位于一透明表面下面时检测z距离的技术。在一实施例中，使用准直光束三角测量法来检测z距离。一准直光源将光束射向一层透明材料下面的示踪表面上。光至少从所述示踪表面反射至一传感器。根据所述光束与所述传感器相交的位置，就可确定出所述z距离。在一替代实施例中，使用一略微发散的光源，以使照明点的大小随z距离的增大而增大。因此，可使用所述照明点的大小来确定z距离。在另一实施例中，使用光波干涉来确定距所述示踪表面的距离。在再一实施例中，使用一包含一行电荷耦合装置(CCD)元件的传感器来确定z距离。使用从所述示踪表面反射的光与所述CCD行相交的位置来确定所述z距离。
根据本发明的某些实施例，提供用于通过提高所述光学传感器子系统在不同z距离处的有效性来提高图像质量的技术。在一实施例中，在所述光学传感器子系统中使用一小孔径来增大视场的深度，从而提高在一z距离范围内的图像质量。另一选择为，使用若干具有各种小尺寸的孔径或一可变尺寸孔径来提高图像质量。在一实施例中，使用一焦阑成像系统来提高图像质量。根据另一实施例，使用多个传感器，其中每一传感器均针对一各自的z距离范围最佳化。另一选择为或者另外，可使用一具有自动聚焦能力的成像系统。根据一实施例，使用一可变形状的透镜来提高图像质量。
根据本发明的某些实施例，提供用于通过提高所述照明子系统在不同z距离处的有效性来提高图像质量的技术。在一实施例中，可根据z距离来调整用于为一照明光源供电的电流大小。另一选择为或另外，可使用多个光源，其中每一光源均最佳化成在一各自的z距离范围内对一示踪表面进行照明。
根据本发明某些实施例的一种光学装置检测其何时被抬离其所位于的表面上。在一实施例中，可使用准直光束三角测量法来实现该目的。在一实施例中，一准直激光光束在所述成像系统的视场中间形成一亮点。当所述光学装置被抬离所述表面时，所述光点在所述表面上侧向移动且因此所述光点在图像平面中移动。当所述光点的侧向移动大于传感器阵列上的一特定距离时，即检测到光学装置被抬离。在另一实施例中，使用单个直径为D的小尺寸检测器。在一实施例中，光学装置被抬起会使光不会传递至检测器，且功率降低会指示被抬起(ON/OFF系统)。在再一实施例中，在所述检测器前面代替透镜或除所述透镜之外还使用一小的孔径来实现类似的结果。
根据本发明的某些实施例，提供用于在一透明或不透明材料上进行示踪的技术。在一实施例中，使用暗视场成像对一透明或不透明材料上的灰尘残留物进行示踪。以超过零级次的衍射级次从所述灰尘残余物衍射及散射的光被一检测器会聚。在另一实施例中，使用一干涉式检测系统在一透明或不透明表面上进行光学示踪。一参考光束在一检测器上与来自所述透明或不透明材料的经Doppler频移的瑞利(Rayleigh)反向散射光相叠加。使用数字信号处理根据所得到的信号对移动进行检测。
本发明的某些实施例提供一种用于在一在光学上光滑的表面(例如玻璃等透明或不透明表面)上形成用于示踪的形体的方法及系统。这些形体可与暗视场成像方法或传统成像方法结合使用。这些实施例包括使用小水滴施布系统，擦拭具有某些残留物的表面，在所述表面上散布/增强灰尘残留物，及热点示踪。
在某些实施例中，通过溅射(喷墨类系统)或者在蒸发(例如加热填充有水的多孔材料)后自然冷凝，在玻璃表面上沉积小水滴(或任何其他适宜液体)。小滴的浓度及大小可在一定程度上加以控制并大大降低检测系统(光学器件及检测器)的复杂度。
在其他实施例中，在使用鼠标之前在所述表面上使用一种特殊的抹布。所述抹布能够散布溶解的残余物、硅酮微珠或任何不可见的标记剂。
在其他实施例中，鼠标本体包含某些会接触玻璃表面以使早已存在于所述玻璃表面上的灰尘残留物散布的结构(例如聚合物环)。此将降低存在暗视场系统所将不能示踪的清洁区域的风险。此外，鼠标可包含一用于提供额外的光学级(因暗视场而对传感器可见)灰尘的元件。
在某些使用热点示踪的实施例中，在一短的时间内激活一焦距激光束，以对玻璃表面进行局部加热从而形成热点。后者在一IR检测器阵列上成像并用作一示踪参考点。当所述热点处于由阵列尺寸所界定的视场以外时或者当热点温度降至一检测阈值(相对于环境温度而言)以下时，会形成一新的热点。
在本发明的一个方面中，在根据本发明一实施例的一种装置中包含两个子系统。这些子系统中的其中一个是在所述装置放置于一在光学上光滑的表面上时使用，而这些子系统中的另一个是在所述装置放置于一在光学上粗糙的表面上时使用。
本发明可应用于许多不同的领域，且并非仅限于任一种应用或领域。本发明的许多种技术可应用于任一领域中的光学装置。在本发明内容部分及下文具体实施方式
部分中所述的特征及优点并未囊括一切，且具体而言，所属技术领域的普通技术人员根据本发明的图式、说明书及权利要求书将易知许多其他特征及优点。此外，应注意，在说明书中所用的语言是主要是针对可读性及指导性目的来选择，且并非选择成界定或者限制本发明的标的物，本发明的标的物需要借助权利要求书来确定。


本发明具有其他优点及特征，结合附图阅读下文对本发明的详细说明及附图将更容易得知这些其他优点及特征，附图中图1为一具有一光学输入装置的传统计算机系统的图解；图2为一光学输入装置的传统光学位移检测系统的图解；图3A为根据本发明，一与一示踪表面相隔一层透明材料的光学输入装置的一光学位移检测系统的一个实施例的图解；图3B为一具有一孔径的透镜的图解；
图4A为根据本发明，一具有一准直光源的光学位移检测系统的一实施例的图解，所述准直光源将光射向位于一层透明材料下面的示踪表面上；图4B为根据本发明，一具有一准直光源的光学位移检测系统的一实施例的图解，所述准直光源将光射向位于一比图4A所示层更厚的透明材料层下面的示踪表面上；图5为根据本发明，一具有两个单独光源的光学位移检测系统的一实施例的图解，其中每一光源均经构造以对位于一不同透明材料厚度范围下面的示踪表面进行照明；图6为根据本发明，一具有两个单独传感器的光学位移检测系统的一实施例的图解，其中每一传感器均经构造以对位于一不同透明材料厚度范围下面的示踪表面进行成像；图7A为根据本发明，一使用一暗视场成像系统的光学位移检测系统的一实施例的图解；图7B例示根据本发明的一实施例，如何将一照明光束射至一表面上；图7C例示根据本发明的另一实施例，如何将一照明光束射至一表面上；图8A例示根据本发明的一种用于一光学输入装置中的暗视场成像系统的一实施例；图8B例示一种根据本发明的装置，其具有一用于在一透明表面上进行示踪的子系统及用于在一正常表面上进行示踪的子系统；图8C例示根据本发明一实施例的一种暗视场成像系统的光源布局；图8D例示根据本发明一实施例的一种暗视场成像系统的放射状照明系统；图8E为一图解说明在暗视场成像系统中使用多个光源的流程图；图9A例示根据本发明一实施例的一种用于在透明或半透明表面上进行光学示踪的干涉式检测系统；图9B例示根据本发明一实施例的一种用于在透明或半透明表面上进行光学示踪的包括一衍射光栅的干涉式检测系统；图10例示根据本发明的一种干涉式检测系统的一实施例，该干涉式检测系统使用自一透明或半透明材料的表面所反射的光作为参考光束；图11例示一种具有两个光源及两个用于检测沿一条轴线的位移量的干涉式检测系统；图12A为根据本发明的一种具有一个光源的干涉式检测系统的一实施例的图解；图12B为图12A所示干涉式检测系统的实施例处于一光学输入装置内部的剖视解；图13为根据本发明的一种具有一透明光栅的干涉式检测系统的一实施例的图解；图14例示一具有一示踪系统的鼠标的一实施例，所述示踪系统是基于小滴施布与暗视场成像的结合；图15例示一具有一示踪系统的鼠标的一实施例，所述示踪系统是基于小滴施布，其中使用一毛细管系统来收集水；
图16例示一种用于热点示踪的构造的一实例；图17例示在热点形成及冷却中所涉及的某些参数及值；图18例示根据本发明的一实施例，在热点形成及冷却中所涉及的某些参数及值；图19例示根据本发明的一实施例，使用准直光束三角测量来进行抬起检测。
具体实施例方式
附图(或图式)仅出于图解说明目的绘示了本发明的一较佳实施例。应注意，各附图中相同或相似的参考编号可表示相同或相似的功能。所属技术领域的技术人员根据下文说明将容易得知，也可使用本文所揭示的结构及方法的替代实施例，此并不背离本文所述发明的原理。应注意，尽管下文是在光学鼠标上下文中对本发明较佳实施例进行说明，然而还存在其他可利用本发明的光学装置，例如光学扫描仪、光学数字书写系统(例如由位于Fremont，CA的Logitech公司制造的Logitech IO笔)、或者光学打印机前进机构。还应注意，在下文说明中有时使用措词“透明”作为一简略表达来表示“透明及/或半透明”(表面能使某些或所有光通过)。
图1显示一传统计算机系统100的样品图，所述计算机系统100包括两个位于工作面105上的输入装置一键盘140及一光学指针装置110。使用光学位移检测技术的指针装置110的一实例是光学鼠标。使用光学检测接收的指针装置及其操作的实例阐述于颁予Bidiville等人(1994年2月22日颁予)且名称为“具有带随机分布的斑点的目标球的利用光电检测器阵列的光标指针装置(Cursor Pointing Device Utilizing aPhotodetector Array With Target Ball Having Randomly Distributed Speckles)”的第5,288,993号美国专利及颁予Bidiville等人(1997年12月30日颁予)且名称为“利用光电检测器阵列的指针装置(Pointing Device Utilizing a Photodetector Array)”的第5,703,356号美国专利中，这些美国专利的相关部分的全部内容以引用方式并入本文中。
图2例示一传统的光学位移检测系统200。所述传统的光学位移检测系统200或一般而言光学系统包括一传统的照明子系统210及一传统的光学传感器或检测子系统220。传统的照明子系统210包括一传统的照明透镜230及一传统的电磁能量源或光源250。通常，光源250是一种类型的发光二极管(“LED”)，例如传统的红色LED、激光二极管或类似器件。一般而言，光源250附装至一印刷电路板(“PCB”)(未图示)上并相对于照明透镜230定位成使光射向一位于工作表面或示踪表面105(例如桌面、垫、球或类似表面)上的照明点201。
传统的传感器子系统220包括一成像透镜240及一传感器260。传感器260通常包括一图像捕捉模块261，例如一个或多个光传感器阵列。某些传感器260还包括与图像捕捉模块261相关联的控制器电路262，例如呈位于同一晶粒或装置封装中的数字电路形式的控制器电路262。一般而言，控制器电路262执行数字信号处理(“DSP”)来从所捕捉图像得到移动数据。传感器总成220也通常安装于PCB上并定位成使成像透镜240最佳地捕捉自表面105散射的电磁能量(例如光)。
在正常作业过程中任一既定时刻，表面105中散射由传感器加以扫描或“成像”的电磁能量的区域202称作一成像区域202。应注意，尽管表面105通常为一平整表面，例如鼠标垫、桌面或类似表面，然而其并非必定如此。表面105可为任意表面，例如人的手臂或手、球形体(如在示踪球指针装置中)、椅子或躺椅的扶手、或任何其他可与光学位移检测系统200紧密靠近地放置的表面。所述传感器分析所扫描或取得的表面105的图像来提供位移信息。较佳地，被成像区域202基本上交叠照明点201，以使光有效地用于仅对工作表面105中被传感器260成像或扫描的区域进行照明。然而，由于光学系统组件中存在错位或者其他机械容差，照明点201通常大于被成像区域202，以保证向传感器260散射足够的电磁能量。
光学位移检测系统200的性能依赖于几种因素。例如，良好的表面照明及良好的图像质量是使光学输入装置110具有有效的性能的重要因素。另外，使所有作用于光学检测系统200中光学路径的组件对齐对于对被成像区域202进行最佳照明而言至关重要，换句话说，各透镜、光源、及传感器之间的对齐对于实现照明点201与工作表面105上被成像区域202之间的最佳交叠而言至关重要。在2002年4月12日提出申请且名称为“用于一光学照明系统中的附属系统(Attachment System for Use in anOptical Illumination System)”的同在申请中的第10/122,488号美国专利申请案即涉及一种组件对齐改良的一实施例，该美国专利申请案共同受让于本发明的受让人且其全文以引用方式并入本文中。
另一性能因素是到达图像捕捉模块261的图像的质量。这部分地依赖于成像透镜对光进行的光学滤波及随后的处理。例如，在颁予Piot等人的第6,256,016号美国专利(2001年7月3日)中即提供了对光学滤波及随后的处理的改良，该美国专利共同受让于本发明的受让人且其全文以引用方式并入本文中。
同样地，照明子系统210的电磁能量源也会直接影响光学位移检测系统200的性能。例如，在2001年12月27日提出申请且名称为“一种光学照明系统及方法(AnOptical Illumination System and Method)”的同在申请中的第10/033,427号美国专利申请案中即阐述了一种对照明系统210的改良，其涉及一种包含专用透镜的有效的照明系统，该美国专利申请案共同受让于本发明的受让人且其全文以引用方式并入本文中。
在某些实施例中，光学位移检测系统的性能还会受到几种照明因素或照明子系统的特性的影响。例如，这些因素或特性可包括光波、光束冲击角(在图2中显示为“α”，其代表光束的中线，例如中心光线)、光线的均匀性、及强度。这些照明特性会根据操作表面105而以不同方式对产生性能影响。一般而言，光源250的强度越高，系统的性能就可越好。然而，光的强度会直接影响光学系统的功率消耗。在其中电源有限的系统中，例如在由蓄电池操作的系统中，希望使功率消耗最小化。因此，光源250的强度必须与其所提供的性能提高量相当。例如，在2004年4月15日提出申请且名称为“用于光学指针装置的多光源照明系统(Multi-Light-Source Illumination System ForOptical Pointing Device)”的同在申请中的第10/826424号美国专利申请案中即阐述了基于多光源照明子系统的位移检测改良方式，该美国专利申请案共同受让于本发明的受让人且其全文以引用方式并入本文中。
本发明的各个方面涉及到在一光学上粗糙的表面(例如木材、传统鼠标垫等)上位于某种透明材料(例如一上面具有一玻璃板的木制桌子)下面时在该光学粗糙的表面上进行示踪。本发明的其他方面涉及到在透明表面(例如由玻璃制成的桌子)上进行示踪。下面让我们来依次论述这些方面。
当在光学装置与示踪表面之间放置有透明材料时在光学粗糙表面上进行示踪如上文所述，在某些环境中，可能将光学输入装置放置于一覆盖示踪表面的透明或半透明层的表面上。这会改变光学位移检测系统与示踪表面之间的距离。图3A为根据本发明，一与示踪表面相隔一层透明材料的光学输入装置中一光学位移检测系统的一实施例的图解。光学位移检测系统200位于光学输入装置110内部。如在图3A中所示，光学输入装置110的支脚310位于一覆盖一示踪表面105的透明层315的顶面305上。图中显示支脚310的高度为c-其代表光学装置310所处的顶面305与光学输入装置110的底部之间的净距离。支脚310是可选的且在一实施例中并不存在。因此，在一实施例中，c可介于0至数毫米(“mm”)之间。
图3A中显示透明层315的厚度为d，在一实施例中，厚度d可处于几厘米(“cm”)及几厘米以下的范围内，例如3cm。透明层315可为透明或半透明的玻璃、塑料、或者任何能使来自光源250的光透过其传播至下面的示踪表面105并传回至传感器260的材料。例如，在一实施例中，在一覆盖木制表面的黑玻璃层上使用红外线光源。图3A还显示透明层315的底面与示踪表面105之间的距离间隙g。在一实施例中，间隙g可介于0mm至数cm或以上之间。总体上，值z表示光学输入装置100的底部与示踪表面105之间的总距离，其包括净距离c、透明层的厚度d及间隙g(其基本上为空气)的大小。
在该实例中，光源250的光穿过照明透镜230以角度α入射于透明层315的顶面305上。然后，光源250的光穿过透明层315-以角度β行进，随后穿过间隙距离g到达示踪表面105上的照明点201。如果所述间隙为透明层315与示踪表面105之间的气隙，则光以角度α射出透明层315。光从示踪表面105反射、穿过透明层315回到传感器260。注意，由于透明层的折射率及斯涅耳定律(Snell’s Law)，穿过透明层传播的光在射入及射出时会发生弯曲，从而使被照明点201与被成像区域202出现于不同于假若不存在透明层315时其将出现的位置上。此外，光源250的光相对于透明层的表面305以一锐角α行进并以一锐角β穿过透明层到达示踪表面105。因此，z距离越大，被照明点在横向上就越远离光源250。另外，由于角度α小于角度β，因而顶面305与光学输入装置110的底部之间的距离与透明层305的厚度相比越大，被照明点在横向上就越远离光源250。这些因素会造成所称的“点偏移”。
如上文所述，示踪的精确度受传感器260所接收到的图像质量的影响。所捕捉的图像的质量部分地依赖于传感器子系统220与照明子系统210二者在示踪表面上各种高度处的有效性。下面的部分将说明用于检测在示踪表面上方的高度的技术。根据本发明某些实施例对在示踪表面上方各种高度处使用的传感器子系统220及照明子系统210所作的改良将分别在下文中的不同部分中进行说明。
高度检测在一实施例中，可使用任一种传统的z计量器来实现对光学输入装置与示踪表面之间距离的检测，称作“z检测”或“高度检测”。例如，某些传统的z计量器使用从示踪表面反射的红外线光束来确定高度。其他z计量器也为所属技术领域的技术人员所熟知。在一实施例中，将z距离检测并入光学传感器子系统220及/或照明子系统210内。另一选择为，将z距离检测构建于光学装置内，但与这些子系统相分离。
准直光束三角测量。现在参见图4A，其显示根据本发明的一种光学位移检测系统200的一个实施例的图解，其中一准直光源450(例如激光器)将光射向一位于一层透明材料315下面的示踪表面105上。为清晰起见，略去了光学位移检测系统200的照明子系统及传感器子系统的某些部分。如还在图4A中所示，传感器460接收(i)从透明层315的顶面305反射的光，(ii)从透明层的底面325反射的光，及(iii)从示踪表面105漫射的光。
还存在其他多次反射，但这些反射为低能量反射。
在一实施例中，从这些表面中的一个或多个反射的光不被传感器460接收到。一准直光束451(例如激光)以一锐角α射向示踪表面105，且所述光以一锐角β继续穿过透明层315。因此，反射光束与传感器460相交的位置依赖于距离c、d及g。现在参见图4B，其显示与图4A中所示相同的组件构造。然而，在图4B中，透明层315变厚-其显示为厚度d2，其中d1＜d2。距离g及c仍在图4A与图4B之间保持相同。因此，z1＜z2。注意，随着z距离的增大，至少反射光束454与传感器460的相交位置会远离准直光源450移动。可使用反射光束452、453、454的相交点位置、借助三角测量来确定距离c、d、g及z。在一实施例中，准直光源450构造成用于z检测。在另一实施例中，准直光源450构造成用作对示踪表面105进行照明以便于成像的光源。在另一实施例中，准直光源450构造成用作用于对示踪表面105进行照明以便于成像的光源且用于z检测。
所属技术领域的技术人员将了解，上文所述的三角测量技术也可用于检测在透明层上方的距离c以及透明材料在下面无示踪表面时的厚度d。例如，这些技术可用于确定一下面未放置有漫射材料的玻璃层的c及d。在另一实施例中，这些技术还可用于确定光学装置是放置于漫射表面上还是放置于漫射表面顶上的透明表面上。
在一替代实施例中，使用多个准直光源来涵盖不同的z范围。例如，如果传感器460相对于准直光源450处于一固定位置上，则某些距离z将使反射光束452、453、454无法与传感器460相交。因此，可例如以不同的角度布置多个准直光源，以便对处于不同距离范围的成像表面进行最佳照明。可使用一控制器(例如控制器470)来控制哪一光源有效。通过分析由传感器460接收到的所形成图像的质量，控制器470可确定出对于特定z距离而言最佳的光源。
在一实施例中，一准直光束在由另一光源所照明的照明点上进行空间叠加。在一替代实施例中，通过对光源激活在时间上进行多路复用来减小各个叠加光源之间的干涉。例如，一控制器(例如控制器470)可在激活用于z检测的准直光源与激活用于照明被成像区域的光源之间交替。
在另一实施例中，光并不是精确地准直，而是略微发散。因此，除根据反射构件454与传感器460相交的点的位置之外还可根据或者转而根据所述点的大小来确定z距离。大小越大的点对应于越大的z距离。此种技术还可与上文所述的准直光源技术结合使用。
干涉式信号。在另一实施例中，可使用干涉式技术来实现z距离检测。一种干涉仪使用波的干涉现象来检测距离。每一种传统的干涉仪均可用于检测z距离。干涉仪可嵌入于主传感器460中或者作为光学位移检测系统内的单独子系统。
CCD线。在一实施例中，图4A及4B中的传感器460包括一传统的电荷耦合装置(CCD)。CCD元件形成一与反射光束452、453、454相交的线。由此，使用反射光点的位置来进行z距离检测。
在一实施例中，还可使用一简单的机械推杆式计量器来进行高度检测。
抬起检测在某些实施例中，可将光学装置抬离所述表面，且得知光学装置处于空气中通常将很重要。某些传统的抬起检测方法依赖于使图像变得不聚焦来记录抬起情形。此种技术可能无法产生精确的结果。例如，在抬离所述表面的量相对小时，可能会形成一仍保持聚焦的被成像区域202，特别是当使用小的孔径来获得一更大的视场深度时。因此，在一实施例中，本发明可通过检测光学鼠标与示踪表面之间距离的变化来记录抬起情形。因此，上文所述的z检测方法也可用于检测z距离的变化-此对应于光学装置被抬离表面。在又一些实施例中，可使用不同的传统抬起检测方法，例如使用位于光学输入装置底部上的压敏开关。
图19例示在一实施例中当输入装置被抬离表面时如何使用准直光束三角测量来进行检测。此处所讨论的表面既可以是在光学上粗糙的表面(例如木材、纸张等)、也可以是在光学上光滑的表面(例如玻璃)。另一选择为，所述表面可以是一位于光学上光滑的表面下面的光学上粗糙的表面(例如覆盖有玻璃板的木制桌子)。
在一实施例中，一准直激光束在成像系统的视场中央形成一亮点。如在图19中所示，当光学装置被抬离所述表面时，所述点会在所述表面上横向移动且因而所述点的图像会在图像平面中移动。当离焦时，出现横向移位的点会模糊不清。
当所述点横向偏移大于传感器阵列(在一实施例中，其可为直线性的)上的一特定距离时，就会检测到光学装置被抬起。在一实施例中，该特定距离是预确定的。在一实施例中，可使用一放大因数G＜1来减小横向偏移的范围(即检测器阵列的大小)。
另一种用于检测图像点横向位移的简单有效的方法是使用直径为D的单个小尺寸检测器(参见图19)或者(在光轴上)位于一侦测器前面的针孔。在一实施例中，当被抬起时，光将不会传递至检测器，且功率的下降会指示被抬起(ON/OFF系统)。
在一实施例中，在鼠标的其中一个支脚下面放置一简单的开关就可在鼠标被抬起时提供指示。
照明子系统在一实施例中，可通过改变对示踪区域进行照明的强度来获得更佳的图像质量。在一实施例中，通过增大单个光源的电流来增强对示踪区域的照明。返回参见图3A，可使用控制器270来控制流至光源250的电流。控制器270可从光学装置的一z距离检测系统接收输入。由于在示踪表面105处于越厚的一层透明材料315下面时，对示踪表面105进行充分照明所需的光的强度越大，因而控制器270可配置成在z距离变大时增大流至光源250的电流。
在替代实施例中，使用多个光源来改善在不同z距离情况下对示踪表面的照明。例如，图5显示根据本发明的一种具有两个单独光源的光学位移检测系统的一实施例的图解，其中每一光源均构造成对处于一不同厚度范围的透明材料下面的示踪表面进行照明。光源551的光以角度α1传播至透明层的表面305并以角度β1穿过透明层315。光源552的光则以角度α2传播至透明层的表面305并以角度β2穿过透明层315。光源552的照明点501交叠示踪表面105的被成像区域502。光源551定位成在一距传感器260更大的z距离处对一区域503进行照明。控制器570可用于控制光源551、552(举例而言)的激活，以使每次仅一个光源有效。其他用于对成像区域进行照明的方法阐述于在2004年4月15日提出申请且名称为“用于光学指针装置的多光源照明系统(Multi-Light-Source Illumination System For Optical Pointing Device)”的同在申请中的第10/826424号美国专利申请案中，该美国专利申请案的全文以引用方式并入本文中。
传感器子系统在了解本发明的用于检测光学输入装置在示踪表面上的高度的各种实施例之后，现在将参见一种用于通过改善传统的传感器子系统来改善在预确定高度处的图像质量的系统及方法。例如，本发明的各实施例还提供几种用于通过修改传感器子系统220而在各种z距离内改善图像质量的系统及方法。
可通过允许修改传感器系统内的孔径或透镜构造或传感器构造来提高图像质量。在本文中对这些构造的实例加以说明。
更小的孔径。返回参见图3A，在一实施例中，透镜240由一孔径或一孔径与透镜的组合取代，从而使从示踪表面105反射的光必须穿过孔径380到达传感器260。此可见于图3B中。(为清晰起见，在图3B中未显示透明表面)。一具有固定的小尺寸的孔径会增大视场深度。因此，会有处于一更大距离范围内的表面看起来聚焦。因此，在本实施例中可对一位于具有各种厚度d的透明层下面并具有各种间隙距离g的表面进行成像，只要总的距离z处于看起来聚焦的范围内即可。
可变尺寸孔径。在一实施例中，透镜240被一孔径或一孔径与透镜的组合取代，其中所述孔径具有可变尺寸。在一实施例中，能够在传感器260前面放置不同尺寸的孔径。例如，可有不同尺寸的孔径存在于一可在传感器260前面旋转的盘上，以便每次使用一个孔径。控制器270可配置成控制使用所述盘中的哪一孔径。另一选择为，可使用一个能够改变尺寸的孔径。在此种情形中，控制器270可配置成控制孔径的尺寸。
应注意，在小孔径与可变尺寸孔径两种实施例中，孔径的尺寸越小，能量损失就越大。为克服能量损失，可通过增大施加至光源250的功率来增大照明强度。在一实施例中，控制器270控制光源250所发出的光的强度。另一选择为或者另外，可将具有不同强度的不同光源与不同尺寸的孔径配对。在这些实施例中，控制器270可决定使哪一光源接通。
焦阑成像系统。在一实施例中，以一焦阑透镜系统取代透镜240。焦阑透镜系统是一种其中通过设计而使出射光瞳位于无限远处的构造。因此，光学成像系统对定位于高至某一范围内的物体不敏感。在一实施例中，焦阑成像系统设计成充分地对z距离介于0至10mm范围内的示踪表面105进行成像。在焦阑透镜的视场深度内，焦阑透镜将几乎不会显示出放大误差。图像的大小不会随距离变化。然而，被成像区域出现偏移，从而使照明点也必须相应地偏移。另外，焦阑成像系统向传感器260发射的能量减少。因而，可使用更大强度的光或者使用不同或额外的光源来改善在传感器260处所接收到的图像。
多个传感器。现在参见图6，其显示一种具有两个单独传感器661、662的本发明光学位移检测系统200的一实施例的图解，其中每一传感器均构造成对处于一不同厚度范围的透明材料315下面的示踪表面105进行成像。在其他实施例中，使用多于两个传感器。每一传感器661、662均针对一不同的距离范围最佳化。在图6所示的实例中，传感器661配置成聚焦于图像区域601上，图像区域601处于一适合于图像示踪表面105的深度。然而，传感器662配置成聚焦于图像区域604上，图像区域604将适合于厚得多的一层透明材料315。在一实施例中，控制器670配置成根据哪一传感器提供最佳图像特性(例如对比度、分辨率或类似特性)在各传感器之间进行选择。
自动聚焦系统。在一实施例中，传感器子系统改变用于使图像聚焦的透镜，直至在传感器处接收到的图像最佳化，即获得最佳的图像特性为止。另一选择为，可将传感器子系统配置成可响应于z距离的变化。因此，可使用借助上述技术所获得的z距离确定结果作为传感器子系统的输入来用于确定适合的透镜。一旦找到最佳的焦距，然后就可如下文所述使用照明子系统使对示踪表面的照明最佳化。
可变形状成像透镜。在一实施例中，在传感器子系统中使用可变形状透镜。例如，某些透镜的光学特性可通过施加用于改变透镜特性的电场来加以改变，例如加长或缩短焦距。因此，可对可变形状透镜施加具有增大或减小的强度的电场，直至在传感器处接收到的图像最佳化为止。可变形状成像透镜会实现自动聚焦。音圈、步进电动机、及压电也是用于在自动聚焦系统中移动光学元件的技术。
上文说明涉及到在一层透明或半透明材料下面的各种深度处的漫射表面上进行光学示踪。在某些环境中，在透明或半透明层下面的光学传感器范围内不存在漫射表面。下一部分将说明无需在透明或半透明材料层下面设置漫射表面就能够在所述透明或半透明材料层上进行示踪的本发明实施例。
在透明表面上进行示踪在一实施例中，使用暗视场成像对光学装置在透明及/或半透明表面上的位移进行示踪。在一实施例中，暗视场成像是指使用由透明表面上的某些形体所漫射的光进行成像。只有已从所述形体(例如灰尘、微粒等等)衍射、折射及反射的光才能够进入透镜而形成图像。在不存在这些形体的情况下，视场看起来完全是黑的，因为没有光反射或衍射入物镜内。关于暗视场成像的其他信息可见于http://micro.magnet.fsu.Edu/primer/techniques/darkfieldreflect.html及http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/darkfield/reflected/index.html中，这些网址以引用方式并入本文中。
在某些实施例中，这些形体可原本存在于透明表面上。例如，甚至是一相对干净的玻璃表面上也将常常具有某些灰尘斑点、指纹残留物等。在其他实施例中，则可在透明表面上施布此种形体。下文将分别论述这些情形中的每一种情形。
使用原本存在的形体进行暗视场成像图7A例示一暗视场成像系统700的一个实施例。暗视场成像系统700包括从至少一个光源(未显示)射向一透明材料315(例如玻璃)的表面305的光。在一实施例中，透明材料315在表面110上具有灰尘残留物705，例如指纹或溶剂残留物中的油渍或油脂。如在图7A中所示，光751射向透明层315的表面305上，此使反射光752未穿过成像透镜750被检测器阵列740收集到。换句话说，反射光752(即零级光)未处于物镜的数值孔径内。然而，入射于灰尘残留物705上的光751发生衍射，且至少一部分衍射光756处于物镜数值孔径内。因此，在暗视场成像系统700中，黑色的背景对应于表面305中的干净部分，而亮的区域则对应于表面305中具有灰尘残留物705的部分。暗视场成像系统700的一个优点在于，其从具有残留物的玻璃样本(“脏的玻璃”)提供一高反差图像。
在一实施例中，αc是OA1(光束光轴)与由物镜孔径及检测器的光轴OA2所设定的线T之间的夹角，如在图7A中所示。在一实施例中，减小αc会增大最佳的暗视场效率(就灰尘残留物检测而言)。在一实施例中，在根据本发明一实施例的鼠标系统中，αc小于12°。在一实施例中，αc小于7°。
在实际中，达到如此小的αc值需要照明光束在物镜孔径附近存在偏转。在某些实施例中，可通过一反射镜760或者一设计成实现全内反射的光学元件(例如棱镜)来实现小的αc。(参见图7B&7C)。也可存在数种其他构造。例如，可将光源放置成比透镜更靠近于示踪表面，且可使用反射镜将光引导至所述表面上。
在一实施例中，为在工业系统中得到最佳的αc，需要仔细控制照明光束的尺寸及形状。更具体而言，不应沿距离Δx(透镜孔径与最近的镜反射光束之间的距离)存在来自镜反射光束的光，因为此种寄生光(例如由激光束强度的高斯分布引起及/或由衍射环引起)使系统无法真正地呈暗视场形态。可通过使用专门设计的衍射光学元件(DOE)控制照明光束的外围光线(图7A中的PR)来控制此种寄生光。DOE的功能是提供理想的光束切口(“刀口”)、同时抵消衍射效应。由此，沿透镜孔径平面获得台阶形强度分布(接近于“顶帽”形状)，而不是不合乎需要的具有尾部的高斯形曲线。在一实施例中，此种台阶形强度分布理想地沿Δx为0且在光束侧上为1。
在一实施例中，使照明光束以一角度θ聚焦。出于包括如下原因在内的几种原因，使用微小的聚焦角度比较有利。首先，如在图7A中所示，距离Δx小于准直光束情况-此使系统在使镜反射光处于物镜内方面更为鲁棒。第二，可减小临界角度αc在FOV内的变化。第三，可在足够大的聚焦角度内达到与眼睛安全规范1M的相符性，并可使用比在等级1中更大的功率。
为减小成像系统的尺寸，可使用反射镜及棱镜来折叠成像透镜的光学路径。图8A例示一种用于光学输入装置110中的本发明暗视场成像系统800的一实施例。在图8A所示实施例中，暗视场成像系统800包括两个光源851、852。通常，光源851、852为LED，例如传统的红色LED、激光二极管、或类似LED、或这些LED的任意组合。例如，可使一个光源851为激光器，而另一光源852为LED。
在一实施例中，一根据本发明一实施例的暗视场成像系统包括N个光源，例如VCSEL，这N个光源围绕视野与所述视野近似等间距且彼此等间距地布置。在一实施例中，光源851、852、853为LED，例如传统的红色LED。在一实施例中，光源851、852、853为激光二极管，例如VCSEL或类似激光二极管。图8C显示以此一方式排列的三个光源851、852、853，但也可使用任意合理数量的光源851、852、853。在一实施例中，光源数量从2个到6个光源不等。
返回参见图8A，从表面305上的灰尘残留物705衍射的至少某些衍射光856穿过一成像透镜840到达棱镜845并最终到达一检测器阵列860。检测器阵列880可包括所属技术领域中已知的或上文所述的任一类型。在一实施例中，检测器阵列880中的传感器是CMOS传感器，其链接至用于执行传统成像处理或数字信号处理的电路(未图示)。
暗视场光学系统的照明子系统在一实施例中，为使暗视场光学系统800最佳地工作，应对视野801进行充分照明。例如，系统800设计成使用强度至少为1mW的照明对视野801进行照明。在一实施例中，系统800的设计目标是通过使用一大的竖向及径向照明角度范围来激励尽可能多的衍射级、同时防止使受到反射的零级处于透镜840的数值孔径内。所述照明子系统可具有许多种构造，但为举例说明起见，在下文中说明三种能够满足这些设计特征的实例性系统。
不均匀的放射状照明。在一实施例中，N个空间上不相干的光源(例如LED)围绕视野801与所述视野801近似等间距且彼此等间距地布置。图8C显示三个以此种方式排列的光源851、852、853，但也可使用任意合理数量的光源851、852、853。在一实施例中，光源数量从2个到6个光源不等。应注意，假如所述光源具有一窄的发光角度，例如小于20度，则不需要使用聚焦透镜。在一实施例中，来自光源851、852、853的光得到准直以对表面305进行更均匀的照明。在一实施例中，以3个在平行于玻璃表面的平面内彼此互成120°夹角的激光光源(VCSEL)851、852、853来实现照明。在一替代实施例中，可使用2个具有垂直照明方向的激光器。
均匀的放射状照明。在另一实施例中，可使用一激光二极管854与一衍射光学元件(“DOE”)882的组合来实现均匀的放射状照明。图8C例示一暗视场成像系统中一使用一激光器854及一DOE 882的放射状照明系统880的一个实施例。图8D中所示放射状照明系统880的一个优点在于，仅需要使用一个光源来实现均匀的放射状照明。所述系统围绕光轴881对称。DOE 882可包含或者后随一漫射器来增强落于透明材料315的表面305中单个点上的竖直照明角度的多样性。例如，DOE 882可包括一全息漫射器。视各组件的尺寸及结构而定，可使用一光束分离器(未图示)使照明系统与成像检测系统相分离。光束分离器可位于透镜840与DOE 882之间。
以一受控环形发光角度进行照明。在另一实施例中，可使用一具有例如受控环形发光角度的LED进行照明。另一选择为，一布拉格光栅或其他构件产生一使零级反射不会落于成像透镜840的数值孔径内的发光轮廓。一微共振腔LED或共振腔LED(“RCLED”)可提供一与使用上文参照图8D所述的激光器及DOE所获得的环形照明轮廓相类似的环形照明轮廓。如上文所述，此种方法的一个优点是使用单个光源来实现均匀的放射状照明。
当使用多个光源851、852、853时，在一实施例中，采用一种算法来确定如何/何时接通及使用这多个光源851、852及853。图8E是一流程图，其显示根据一实施例如何使用三个激光源851、852及853。
在一实施例中，接通第一激光源851(步骤891)。然后，判定(步骤892)在表面上是否检测到足够用于计算光学位移的形体。如果检测到足够的形体，则不需要操作任何其他光源。而如果未检测到足够的形体，则接通第二光源852(步骤894)。再次判定(步骤892)在表面上是否检测到足够的形体。如果检测到足够的形体，则不需要操作任何其他光源。而如果未检测到足够的形体，则接通第三光源853(步骤895)。
在一实施例中，一旦接通另一光源，先前接通的光源便会关断。换句话说，各光源交替地接通，且在每一时刻仅有一个光源接通。而在另一实施例中，当第二光源接通时，第一光源仍保持接通，依此类推，因而在需要时同时使用这些光源。
在另一实施例中，在一个传感器画面期间，所有激光器851、852及853交替地接通。在此种实施例中，传感器拍摄长曝光图像，且在该时间期间，所有激光器交替地闪烁。
在又一实施例中，各激光源851、852及853均与检测器画面相关联。例如，激光器851接通且检测器抓拍画面#1，激光器852接通且检测器抓拍画面#2，且激光器853接通且检测器抓拍画面#3。然后，计算每一第三画面之间的关联性，并对移动量实施平均。详细地说，每当源再次接通时，均计算一关联数字。可将针对一个图像(3个画面)所获得的这3个独立的关联数字馈送给示踪算法。
根据本发明一实施例的系统具有两种模式校准模式及工作模式。在校准模式中，调节来自激光源851、852及853的脉冲的持续时间，以便使所有激光源得到等效的功率。在工作模式中，则实时地(在测量期间)调节来自激光源851、852及853的脉冲的持续时间，以便使(所有激光器的)暗视场效率分别最大化。
应注意，在此处论述三个光源只是作为实例，且根据本发明的各实施例，可使用任意数量的光源。在2004年4月15日提出申请且名称为“用于与被动式滤光相关联的光学鼠标的双重照明系统(Dual Illumination System for Optical Mouse associated withPassive Optical Filtering)”的同在申请中的第10/826,424号申请案中已大体论述了多个光源，该申请案以引用方式全文并入本文中。
干涉式检测系统图9A例示一用于在透明或半透明表面上进行光学示踪以沿x轴进行测量的本发明干涉式检测系统900的一个实施例。可使用一完全相同的系统沿y轴进行测量。另外，也可使用一非常类似的系统来测量沿z轴的位移(例如抬起检测)。光950穿过光束分离器990，以使光950分裂成两部分。其中一个光束991-称作参考光束991-射向检测器960，而另一光束990则射向透明或半透明层315。另一选择为，光束分离器990可由一衍射光栅或其他可将光分裂成至少两部分的装置来取代。
在一实施例中，如在图9A中所示，透明层315使光束992进行瑞利(Rayleigh)散射996。瑞利散射996的一部分受到反向散射998并被检测器960收集。由此，将具有恒定频率的参考光束991与经反向散射的光998重新组合，经反向散射的光998的频率根据光源与表面305之间相对运动的速度而经过多普勒频移。这两个干涉光束991、998之和产生一波-拍频，可测量所述波-拍频来检测相对运动的速度及检测出现相对运动的时间量，以便确定位移量。
在一实施例中，对于光学鼠标应用而言，所述波-拍频近似处于10kHz范围内。另外，在一实施例中，可使用加速度计来确定位移方向。此外，在一实施例中，可在x方向上使用一个加速度计并在y方向上使用另一加速度计。
在一实施例中，干涉式检测系统中传感器子系统的设计可使系统的散粒噪声受到限制。然而，干涉式检测系统900的运行仍倚靠检测器960接收足够的反向散射光998来记录信号。瑞利散射强度与波长的四次方成正比。因此，可通过使用更短波长的光950，例如蓝色光(约480nm)而非红外线(850nm)，来获得高一个数量级的瑞利散射强度。甚至可使用零差放大对来自反向散射光998的弱信号进行放大，例如如在B.E.A.Saleh及M.C.Teich所著的光子学基础(Fundamentals of Photonics)(Wiley，纽约，1991年)中所述，其相关部分以引用方式并入本文中。
在某些实施例中，可能会将沿z轴的多普勒频移误检测为沿x及/或y轴的位移。图9B例示一用于在透明或半透明表面305上进行光学示踪的可补偿z位移的本发明干涉式检测系统900的一个实施例，所述系统包括一衍射光栅999。在该实施例中，参考光(从表面305反射的光)以90度进行反射，且参考光991穿过一透射衍射光栅999(在一实施例中其并不使光束偏离)射向一检测器960。反向散射光998以介于30度与60度之间的给定平均角度照射光束999。在一实施例中，一透镜(未图示)放置于光栅999前面以收集更多的瑞利反向散射光998。在一实施例中，光栅999使瑞利反向散射光998沿一垂直于透明或半透明材料315的表面305的方向偏离。因此，参考光束991与反向散射光束998在衍射光栅999与检测器960之间沿同一方向传播。
为精确地检测沿z轴的位移，可使用从透明材料表面反射的光作为参考波991。多普勒频移起因于波沿其传播方向的压缩或膨胀。当表面305相对于测量装置同时沿横向及竖向运动时，参考光束仅对z位移敏感，而反向散射光则对x及z两种位移敏感。在此种情形中，反射光与瑞利反向散射光沿竖轴经历相同的多普勒频移。由于参考光束991与反向散射光束998二者在z方向上经历相同的多普勒频移，因而检测器960所接收到的波拍频仅对x位移敏感。对于z位移而言，拍频(其等于两个波之间的频率差)为零。因此，所述系统可配置成对z位移进行补偿。然而，由于空气/玻璃界面处的反射相对于在使用图9A中所示光束分离器时可获得的反射降低(如果垂直于所述界面进行照明，则为4％)，因而使用从表面305反射的光作为参考光束991可能会减小零差放大效应。
另一选择为，为增大参考信号功率并避免使用光束分离器，可使用一种例如在图10中所示的干涉式检测系统构造。图10例示一种使用从透明或半透明材料315的表面305反射的光1051作为参考光束的本发明干涉式检测系统1000的一个实施例。在该实例中，光1050沿一平行于表面305的方向偏振并以一减小的照明角度使用。根据菲涅耳定律，与垂直照明相比，会有多出四倍的光相对于垂直轴线以60度的角度反射至表面305。因而，通过将偏振效应与照明角度相结合，会增加从表面305反射1051并入射于检测器1060上的光1050的量。另外，由于反射光1051的参考光束与反向散射光1098沿同一方向传播，因而干涉信号得到改善。而且，例如图10所示的构造无需使用光束分离器，从而提高了设计的简单性及紧凑性。
图11例示一使用从透明或半透明材料315的表面305反射的光1051作为参考光束的本发明干涉式检测系统1100的另一实施例。如在图11中所示，多普勒频移会使瑞利反向散射光1198的方向发生改变。因此，当干涉式检测系统1100沿x方向相对于表面305移动时，相对于表面305以一不同的角度收集反向散射光1198。一反射镜1194用于使瑞利反向散射光1198射向一衍射光栅1199，所述衍射光栅1199用于将反向散射光1198与参考光1051重新组合。如上文参照图9B所述，所述衍射光栅使瑞利反向散射光束1198偏离，以使其在衍射光栅1199与检测器1060之间与反射光束1051沿同一方向传播。
图12A例示一具有一个光源1251及四个检测器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2的本发明干涉式检测系统的一个实施例。在一实施例中，从光源1251传播的光经过准直并朝光栅1201传播。从光栅1201衍射的光的一部分落于这四个检测器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2中的每一个上。另外，从光源1251传播的光的一部分穿过光栅1201到达透明层315，在透明层315中出现瑞利散射(在该图中未显示)。瑞利散射光的一部分叠加于从光栅1201衍射的落于这四个检测器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2中每一个上的光上。例如，如图12A所示，检测器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2布置成使两个检测器PDX1、PDX2位于x轴上以用于检测x位移且两个检测器PDY1、PDY2位于y轴上以用于检测y位移。图12B例示一在图12A中所示的干涉式检测系统处于光学输入装置内时的剖面图。为便于论述，图12B仅包括两个位于x轴上的用于检测x位移的检测器PDX1、PDX2。
返回参见图12A，PDX1及PDX2将接收对应于x方向与z方向上位移的组合的信号，在所示实施例中，通过PDX1所接收信号确定出的沿x轴的位移的符号将与通过PDX2所接收信号确定出的沿x轴的位移的符号相反。为便于论述，由PDX1所接收的信号将被称作代表沿负x方向与z方向的位移的组合，而由PDX2所接收的信号将被称作代表沿正x方向与z方向的位移的组合。PDY1及PDY2将接收对应于y方向与z方向上位移的组合的信号，在所示实施例中，通过PDY1所接收信号确定出的沿y轴的位移的符号将与通过PDY2所接收信号确定出的沿y轴的位移的符号相反。同样，为便于论述，由PDY1所接收的信号将被称作代表沿负y方向与z方向的位移的组合，而由PDY2所接收的信号将被称作代表沿正y方向与z方向的位移的组合。
除上文所述的构造外，在某些实施例中，可使用加速度计来检测位移的方向。所属技术领域的技术人员将知，可使用基于对多普勒信号中的振荡进行计数或应用频率分析(例如FFT)的信号处理、根据检测器PDX1、PDX2接收的信号来确定x位移的值及/或z位移的值。同样地，可据检测器PDY1、PDY2接收的信号来确定y位移的值及/或z位移的值。
图13例示一具有一透明光栅1301的本发明干涉式检测系统1300的一个实施例。在图13所示的实例中，干涉式检测系统1300包括一光源1351、一透明光栅1301、及四个检测器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2。在一实施例中，从光源1351传播的光经过准直并朝透明光栅1301传播。光源1351的光的一部分-零级光-沿路径1302衍射。光源1351的一部分-一级光-沿路径1303a、1303b、1303c、1303d(统称为1303)衍射并与透明层315相互作用。在与透明层315相交之后，所述光的一部分从透明层的表面305分别沿路径1304a、1304b、1304c、1304d(统称为1304)反射。另外，所述光的一部分沿路径1303传播，穿过透明层315并分别沿路径1304被瑞利散射至检测器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2。检测器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2定位成在光学输入装置110位于表面305上时从表面305接收反射光。因而，如上文所述，检测器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2所收集的光代表沿路径1303传播的从表面305反射的光与沿路径1304经过瑞利散射的光的混合光。根据检测器PDX1、PDX2、PDY1、PDY2所接收的信号，可如上文参照图12A所述来检测在x方向、y方向及z方向上的位移。
形成用于暗视场成像的形体I)基于小液滴施布与暗视场相结合的系统A)原理在一实施例中，在玻璃表面上施布小水滴可提供一用于在玻璃表面上进行示踪的良好的参考表面。传统的LED或激光照明系统就可形成足够的对比度。另一选择为，可通过暗视场照明及/或使化学物质存在小水滴中(或散布于玻璃表面上)来显著提高对比度。因此，小液滴与暗视场成像相组合看起来为一种极具前景的玻璃示踪形式。
水印系统具有数种优点。透明或半透明表面不会看起来很脏，且液体会因自然蒸发而消失。应注意，也可使用其他适宜的液体来取代水。然而，在一实施例中，以短的间隔内施布小液滴需要使用一有效的喷射系统以及储存罐。此种示踪系统1400的关键元件及功能显示于图14中。
所述系统中所存在的基本功能及相关元件将在下文中予以说明。
B)收集由于液体的消耗，所述系统需要使用一收集罐1410，收集罐1410可能须定期地充注或更换。可存在各种解决方案，例如被动式充注在一实施例中，所述罐由一在用光时将被更换的可弃式筒组成。另一选择为，以包含于筒内的液体对一永久性的罐进行充注。
主动式充注在一实施例中，在鼠标使用过程中收集水份并将其输送至所述罐。这可通过一Peltier冷却系统来实现。后者可使环境空气中所含的水份冷凝。可使用毛细管力使冷凝水流入所述罐内。图15例示一种其中可使用一由大小逐渐变化的孔制成的多孔基质来获得毛细管力的方法。
半主动式充注在一实施例中，水份收集系统仅在当鼠标不在使用期间连接至一外部电源时有效。在一实施例中，可例如通过将鼠标连接至一USB端口来得到电源(插入&充注)。在另一实施例中，使用一台架(例如鼠标坞站)为所述水份收集系统(Peltier元件)提供电源。在再一实施例中，使用一台架/坞站直接充注液体罐。例如，所述台架包含一个罐及一个阀门以便控制液体的输送。
C)存储在一实施例中，预计将存储的液体体积介于0.5与5cm3之间。由于鼠标中可用的空间有限，因而在一实施例中，存储罐1420由一种挠性材料制成以便贴绕于其他鼠标内部组件周围。例如，在一实施例中，所述罐由一由硅酮制成的挠性瓶组成。
D)喷射可用各种方式喷射小液滴。例如
在一实施例中，如在喷墨头中一样使用一压电元件来监测喷射室1430的容积。在另一实施例中，使用一热系统来检测喷射室的容积。这些系统能够控制小液滴的大小(在某种程度上)以及数量和施布图案。在一实施例中，喷射装置1430包含几个孔，此视所用的小液滴构形而定(参见下面的F部分)。
在一实施例中，对一多孔基质进行加热(例如使用电流)以使液体蒸发并通过自然的冷凝在玻璃表面上形成随机的小液滴图案(参见图15)。
E)检测为使小液滴与玻璃表面背景之间的对比度最大，在本发明的某些实施例中使用上文所述的暗视场照明系统。在一实施例中，除使用暗视场成像之外，还可使用对某些小液滴特性的控制(参见下面的G部分)。在另一实施例中，可使用对某些小液滴特性(参见下面的G部分)的控制来替代暗视场成像。
F)示踪可通过在成像系统的视野(FOV)中施布单个小液滴或一丛小液滴1405来实现示踪。上文所述的基于压力的喷射系统能够控制小液滴1405的大小、形状、数量及构形。在一实施例中，小液滴1405在所述表面上具有一直径为D的半球形形状(因水的表面张力而呈弯月形)，直径D介于10-100微米之间。D越小，检测就越困难(因大小较小且蒸发时间较短)，但液体消耗就越少。
可使用数种小液滴构形。在一实施例中，在视野的中央施布单个小液滴。在另一实施例中，以已知的相互间距施布一规则的小液滴图案，例如一等边三角形布局或者六角形布局。在再一实施例中，施布一随机的小液滴图案(例如使用一基于蒸发及冷凝的系统来获得)。此外，在一实施例中，可如下文在G部分中所述在某种程度上控制小液滴的物理性质。在一实施例中，通过蒸发时间来设定各串小液滴的施布之间的间隔。在另一实施例中，根据到达视野边界的时间来设定该间隔(即依赖于鼠标速度及FOV大小)。在又一实施例中，通过这些因素的组合来设定该间隔。
G)控制小液滴的性质在一实施例中，为利于进行示踪，可在某种程度上控制小液滴的某些特性，以便改善检测及延长蒸发时间。在一实施例中，可在玻璃表面上散布一种化学物质(例如使用一经过浸渍的抹布)。在其他实施例中，将化学物质稀释于小液滴的液体中。
例如表面活性剂等添加剂可改变小液滴的表面张力，并从而又改变小液滴的弯月形状(即曲率半径及相对于表面的角度)及蒸发时间。由于对反向散射光的收集量变大，因而对弯月形状进行控制可大大有利于使用暗视场成像进行检测。此外，在玻璃表面上提供一疏水性层可使蒸发时间明显变慢。此会提供更长的检测时间并减少液体消耗量。在一实施例中，添加具有荧光特性(通常在UV中激发)或者仅在NIR中可见的化学试剂。某些可用于改变小液滴特性及有利于对其进行检测的材料将在下一部分中进一步说明。
II)使用鼠标前在玻璃上施布图案在一实施例中，在使用鼠标之前在玻璃表面上散布(例如使用抹布或通过喷涂)一对观察人员而言看不到的图案。由此可在UV、NIR(例如吸收性或透射性图案)中或在可见光谱(如果利用荧光材料)中检测到一存在反差的图案。
可使用的材料的实例包括烃、油、油脂、聚合物、肥皂、荧光分子等等。在下文中提供了几个实例。在油脂类的烃中，二硫化钼(MoS2)对于标准鼠标传感器而言在可见光(640nm)照明与IR(850nm)照明两种情况下均会提供较佳的示踪结果。MoS2油脂在齿轮及轴承润滑中很常见，因此成本较低。二硫化钼(MoS2)微粒会改善示踪的质量。与例如人手上的油脂相比，还使玻璃表面看起来不太脏。
在另一实施例中，可使用一种在UV光照下会发出荧光的不可见(对裸眼而言)染料以一可检测且可辨认的图案(荧光墨水)来标记玻璃表面。在一实施例中，使用UV LED(例如375nm)来实施UV激励。所发出的荧光可处于可见光频带或NIR频带中。在一实施例中，使用标准的荧光素(C20H12O5)。另一选择为，某些UV不可见印记墨水永久地存在于玻璃上并可在蓝色频带、绿色频带或红色频带(617nm)中发出荧光。
在又一实施例中，使用一种IR荧光墨水。这种墨水通常具有793nm的模拟(吸收)峰值波长及840nm的发射(荧光)波长。吸收及发射二者可用于形成反差来进行示踪。
吸收IR荧光墨水可用一720-740nm的IR LED来模拟。在传感器图像中所述墨水吸收光的位置处将出现暗点。
发射可用一720-740nm的IR LED或一红色侧发光二极管来模拟IR荧光墨水。传感器需要使用一830nm的滤光片来检测所发出的荧光。
III.灰尘散布下面将说明另一用于在玻璃/其他透明或半透明表面上进行示踪的实施例。
在根据本发明一实施例的鼠标中，鼠标本体包含一环绕成像视野的聚合物-可能具有几个开孔(可将所述环状元件视为一系列彼此接触或紧密相间的鼠标支脚)。该环绕元件与玻璃表面接触，以散布早已存在于玻璃表面上的灰尘残留物。这会降低在玻璃表面上存在清洁区域从而使暗视场系统无法在上面进行示踪的危险。在某些实施例中，所述灰尘散布元件位于鼠标的支脚中、支脚上或者环绕所述支脚。
在不同实施例中，所述灰尘散布件是由例如泡沫、聚合物、微气刷、Teflon滑座等不同材料制成。此外，所述灰尘散布件的性质、结构等也因不同的实施例而异。例如，所述灰尘散布件可为圆形的、分段的等等。
另外，在一实施例中，一根据本发明一实施例的鼠标可包含一个或多个用于提供额外的灰尘的元件。在一实施例中，此种元件将类似于一包含油脂性液体或任何其他可进行表面标记的材料的软墨水笔的端部。
应注意，上文所述的各种技术可与上文所述的暗视场成像结合使用。
IV.热点示踪
在一实施例中，使用一聚焦的激光光束1607在透明表面305上形成一热点1605并随后使其在一IR检测器阵列1610上进行成像，以用作进行示踪的参考点。在一实施例中，当热点即将处于由阵列大小所界定的视野之外时或者热点温度降至一检测阈值ΔT0(相对于环境温度)以下时形成一新的热点。
在图16中例示一种用于热点示踪的可能构造形式。在一实施例中，使用反射性光学器件来避免使用在高于玻璃透射范围的IR(5μm)情况下原本可能需要使用的锗透镜。
下面列出根据本发明的一实施例实施此种示踪原理时的某些物理考虑因素及系统要求-光源的功率足以形成一可检测的热点。
-光源的功率符号眼睛安全规范。
-加热时间th足以实现充分的加热及在鼠标位移过程中提供热点的空间位置。
-热点冷却时间常数足够长，以在形成一新的热点之前的一时间间隔ti期间使温度保持高于一检测阈值ΔT0。
-每一像素所花费的时间-取决于像素数量N×N、空间分辨率Δx及最高鼠标速度(0.5m/s)-足够长，以得到一足够大的信噪比(SNR)。
图17例示一加热-时间曲线图。图17显示了在热点形成及冷却过程中所涉及到的某些重要参数。下面给出在一实施例中所使用/获得的值th＝10μsti＝1msPmax＝100mWPmean＝1mW加热能量Eh＝1μJN×N＝502个像素Δx＝20μm(分辨率＝像素大小，在G＝1时)d＝10μmh＝50μm放大因数G＝1在一实施例中，使用一所发出的波长处于玻璃吸收光谱范围内(即处于UV或高于5μm的IR范围内)的光源来加热玻璃。IR范围光源的实例是由AlpLaser公司制造的串级激光器。在一实施例中，使用一在玻璃透射光谱范围内发出可用波长的光源(例如处于可见光或NIR范围的VCSEL)来加热玻璃。
在一实施例中，为成功地进行示踪，需要存在至少10℃的温度差。
图18显示一在T＝293K(20℃)及T+ΔT0(10℃)情况下的黑体辐射光谱发射曲线以及各种材料的波长透射或检测范围。
在某些实施例中，在进行适度冷却情况下-可使用例如Peltier元件来实现，使用例如HgCdZnTe或PbSe等检测器。在其他实施例中，则使用热电检测器。类似于其中机械应力会产生电性极化的压电材料相类似，热电材料对温度差很敏感。然而，在热电材料中，离子会在经过改变的晶格中移动直至达到平衡且电压差消失。因此，热电检测器仅对温度变化(即对AC信号)敏感。一般而言，其与机械斩波器或调幅源一起使用。
温度变化原因的实例包括-在鼠标快速移位情况下，当从一个像素移至另一像素时的能量变化。
-在鼠标缓慢移位(或不移位)情况下，因VCSEL源(在th期间以规则的间隔ti发光)的负载循环造成能量变化。
在一实施例中，使用一2D热电检测器阵列。
应注意，上文所述的各种用于在玻璃(或者其他透明或半透明表面)上进行示踪的技术可单独使用，或者可与一种或多种其他技术结合使用。例如，可将在玻璃表面上施布小液滴与传统的照明系统或者与暗视场成像一起使用。此外，为提高对比度而对液体特性进行的控制也可与传统的照明系统或者暗视场成像系统一起使用。此外，在一实施例中，使用一“智能系统”，其能从这些形式中的一种形式转换成另一种形式或者转换成此等形式的一种组合。例如，可在单独的脏的玻璃(对灰尘残留物进行示踪)上单独使用暗视场示踪，同时可仅当单独使用暗视场将无法提供足够大的对比度时执行小液滴施布/表面擦拭。此种转换既可手动激活也可自动激活。
对于上文所述的光源及构造，应注意，在一实施例中，一种根据本发明一实施例的系统将视环境条件而处于这两种成像模式中的一种当在玻璃下面不存在材料时，对玻璃表面上的脏污形体的图像进行示踪。
当在玻璃下面存在散射材料从而使背景信号大于通过(i)所获得的背景信号时，对所述背景信号在成像平面中(即在玻璃表面处)所形成的斑点进行示踪。
根据上文说明易知，本文所揭示的实施例提供一种用于在光学装置中进行感测的新颖且较佳的系统及方法。上文说明仅揭示及阐述本发明的实例性方法及实施例。所属技术领域的技术人员应了解，本发明可实施为其他具体形式，此并不背离本发明的精神或本质特征。例如，所述实施例也可应用于其他领域及环境中，并且可与其中希望进行光学感测的其他应用结合使用。相应地，本揭示内容旨在作为对本发明范畴的例示性而非限定性说明。
权利要求
1.一种能够在材料层的表面上进行示踪的光学输入装置的暗视场光学位移检测系统，所述材料层使至少某些光穿过所述层，所述表面上具有某些形体，所述系统包括光源，其用于以照明光束对所述表面进行照明，所述照明光束具有光轴；透镜，其定位于孔径中以从所述表面上的所述某些形体接收至少某些衍射光、但不接收从所述表面镜反射的零级光；及检测器，其光学地耦合至接收所述至少某些衍射光的所述透镜，其中所述检测器具有第二光轴。
2.如权利要求1所述的暗视场光学位移检测系统，其中由所述光轴和所述孔径的第一端与所述第二光轴和所述表面的交点形成的线所形成的角度小于15度。
3.如权利要求2所述的暗视场光学位移检测系统，其中所述角度小于12度。
4.如权利要求2所述的暗视场光学位移检测系统，其中所述角度小于7度。
5.如权利要求1所述的暗视场光学位移检测系统，其中所述光学装置为鼠标。
6.如权利要求1所述的暗视场光学位移检测系统，其进一步包括用于控制所述照明光束的衍射光学元件。
7.如权利要求1所述的暗视场光学位移检测系统，其中所述衍射光学元件经设计以沿所述孔径的平面提供台阶形强度分布。
8.一种能够在材料层的表面上进行示踪的光学输入装置的暗视场光学位移检测系统，所述材料层使至少某些光穿过所述层，所述表面上具有某些形体，所述系统包括多个光源，其用于对所述表面进行照明；透镜，其定位于透镜孔径中以从所述表面上的所述某些形体接收至少某些衍射光、但不接收从所述表面镜反射的零级光；及检测器，其光学地耦合至接收所述至少某些衍射光的所述透镜。
9.如权利要求8所述的暗视场光学位移检测系统，其中响应于判定在以所述多个光源中的第一光源对所述表面进行照明的情况下所述检测器未能在所述表面上检测到足以用于计算光学位移的足够的形体数量，所述多个光源中的第二光源接通。
10.如权利要求9所述的暗视场光学位移检测系统，其中当所述第二光源接通时，所述第一光源关断。
11.一种在材料层的表面上对光学输入装置检测系统的位移进行示踪的方法，所述材料层使至少某些光穿过所述层，所述方法包括以第一光源对所述表面进行照明；判定当以所述第一光源对所述表面进行照明时，在所述表面上是否检测到足以能够计算所述光学输入装置的位移的足够的形体数量；响应于判定未检测到足够的形体数量，以第二光源对所述表面进行照明；根据所述所检测形体来计算所述光学输入装置的位移。
12.如权利要求11所述的方法，其进一步包括判定当以所述第二光源对所述表面进行照明时，在所述表面上是否检测到足以能够计算所述光学输入装置的位移的足够的形体数量；响应于判定未检测到足够的形体数量，以第三光源对所述表面进行照明。
13.如权利要求11所述的方法，其进一步包括响应于判定未检测到足够的形体数量，关断所述第一光源。
全文摘要
本发明的各实施例使光学装置能够在上面放置有透明及/或半透明及/或光学上光滑的表面的漫射表面上进行示踪。某些实施例旨在检测光学装置何时被抬离其所位于的表面。本发明的各实施例还包括一种用于检测z距离(距示踪表面的距离)及通过提高光学传感器子系统及/或照明子系统在所检测z距离处的有效性来提高图像质量的传感系统。其他实施例包括一种使光学装置能够在单独的透明及/或半透明及/或光学上光滑的表面上进行示踪的系统及方法。此可涉及到根据在透明表面上早已存在的某些形体(例如，灰尘)来进行暗视场成像。另一选择为，此可涉及到形成例如小液滴等形体、散布灰尘残留物、及形成热点-此可用于进行示踪。
文档编号G06F3/038GK101063912SQ20071008827
公开日2007年10月31日 申请日期2007年3月22日 优先权日2006年4月26日
发明者奥利维尔·塞塔兹, 尼古拉斯·萨塞利, 鲍里斯·卡拉马塔, 尼古拉斯·肖万, 奥利维尔·马西斯 申请人:罗技欧洲公司