专利名称：基于多普勒频移和激光自混和的光学输入设备的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种光学输入设备，其基于物体与该设备的相对移动，该设备包括设有透明窗口并且容纳了至少一个光学传感器单元的模块，该光学传感器单元包括具有用于生成测量光束的激光腔的激光器、用于将测量光束会聚到作用平面中并且将物体反射的测量光束辐射会聚到激光腔中从而在激光器中产生自混和效应的会聚装置，以及用于测量自混和效应结果的测量装置，该效应是由所述运动决定的。
本发明还涉及几种包括这种光学输入设备的装置。
背景技术：
作用平面理解为表示其中测量光束遇到物体并且受到该物体和设备相对移动的影响的平面。该作用平面可以是该设备窗口的平面或者接近该窗口的平面。激光自混和效应理解为表示二极管激光器发射并反射到激光腔中的辐射造成激光腔工作变化的现象，该变化是由于再次进入该腔的反射辐射与激光腔中生成的光波干涉引起的。该光学输入设备利用了与多普勒效应相结合的自混和效应。多普勒效应是在物体沿着光束传播方向移动的情况下由该物体反射的辐射光束经历所谓多普勒频移的频率偏移的现象。如果反射光束再次进入发射光束的激光器的激光腔，则将出现激光腔工作的变化，该变化是由物体的移动决定的。因此，通过测量这些变化，例如通过测量在该激光器前侧或后侧发射的光束变化，或者通过测量激光腔的电特性，能够确定该物体的移动。该移动表示了将要输入到该输入设备构成部件的装置中的数据。
PCT申请WO02/37410中公开了这种输入设备，其描述了该输入设备的工作原理、该设备的多个实施例和可能的用途，该申请在本文中引入作为参考。
已经发现，尽管已经实际验证了该设备的原理，但是在某些情况下其没有按照最佳的方式发挥作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种如前文中所述类型的输入设备，其在所述情况下表现出足够的性能。根据本发明，该输入设备的特征在于会聚装置适于提供自混和效应，该效应小于可能的最大值，但大于对于物体与设备窗口之间距离的扩展范围的检测阈值。
本发明基于以下认识，输入设备的性能对于物体与设备窗口之间的距离变化是敏感的。已经确定了如果二极管激光器发射的辐射光束(下文中称作测量光束)完全聚焦到物体上，则获得最大的自混和效果，该最大值大于实际所需的值。如果该物体未处于测量光束的焦点，则反向耦合到激光腔中的测量光束辐射量剧烈减少。这种减少存在两个原因。第一个原因是在物体平面中形成的光点尺寸大于由聚焦到物体上的光束形成的光点尺寸。这表示前一种光点的强度比后一种光点的强度小得多。第二个原因在于激光器前表面的图像不再与前表面本身重合，该图像是由通过会聚装置并且在物体处反射的测量光束形成的。因此，再次进入激光腔的测量光束辐射量减少比物体上光点中的辐射量快得多。因此，沿着测量光束轴的物体相对小的偏移会造成再次进入激光腔的测量光束辐射这样的减少，从而使自混和效应变得很小，致使不能通过可靠的方式检测到该效应。换句话说，这种效应已经降低到可接受的级别、即检测阈值之下。
此外，已经确定了在设计测量范围内，即物体与设备之间的距离范围内，该自混和效应会由于二极管激光器可能具有的多模式性质而改变。对于某些不可预知的距离而言，该自混和效应可以下降到检测阈值之下。
根据本发明，该光学输入设备设有会聚装置，其适于对设备窗口与物体之间距离的延伸范围提供位于物体上的基本上恒定的光点尺寸，以及在激光腔中提供该光点的基本恒定的图像。这样，再次进入激光腔的测量光束辐射量能够保持基本恒定，并且保持在对应于检测阈值的级别以上，以及能够减少激光器的多模特性的影响。光点尺寸和图像之前的术语“基本上恒定”理解为表示光点尺寸和图像位置的变化分别相对于平均光点尺寸和平均图像位置较小。作为另一个优点，这种微小变化可以使电子信号检测电路的性能更好。
该设备的优选实施例的特征在于该会聚装置是由会聚分别位于不同轴向位置的边界光束部分、中央光束部分和中间光束部分的装置构成的。
这样，由测量光束在不同轴向位置形成的光点具有基本上相同的尺寸，该尺寸大于常规理想透镜形成的光点尺寸，该透镜仅在其图像平面中形成具有最小尺寸的光点，例如衍射极限光点。
关于可以用于获得轴向位移图像的会聚装置的特性类型(通常称作像差)，几个实施例都是可能的。第一实施例的特征在于该会聚装置具有预定量的非球面度。
第二实施例的特征在于该会聚装置具有预定量的像散。
第三实施例的特征在于该会聚装置具有预定量的彗差。
该输入设备能够由几种会聚装置实现。第一实施例的特征在于该会聚装置为透镜装置。
第二实施例的特征在于该会聚装置为反射镜装置。
第三实施例的特征在于该会聚装置为衍射装置。
该输入设备还可以包括透镜与反射镜装置的组合、透镜与衍射装置的组合，或者反射镜与衍射装置的组合，由此优选使衍射装置与透镜或者反射镜集成，即该衍射装置设置在透镜或者反射镜装置的表面上。
该光学输入设备进一步的特征在于该会聚装置包括至少一个元件，其覆盖了测量光束的整个横截面。
可选的是，该输入设备的特征在于该会聚装置包括会聚元件阵列，其小于测量光束的横截面，并且共同覆盖了该横截面。
该阵列的每个会聚元件形成了其自身的图像。为了实现所有图像均位于该系统的轴上，优选根据球形设置该会聚元件。
如WO02/37410所述，该输入设备可以包括不只一个传感器单元。传感器单元的数量确定了测量轴的数量或者能够测量物体移动的方向。利用三个传感器单元，能够测量沿着窗口平面中的X轴和Y轴的移动，以及沿着垂直于窗口平面的Z轴的移动。利用两个传感器单元，能够测量沿着X轴和Y轴的移动，或者沿着X轴和Z轴的移动或者沿着Y轴和Z轴的移动。根据本发明修改的会聚装置可以仅设置在传感器单元中，其对于物体沿着Z轴的位移是最关键的。如果所有传感器单元共用相同的会聚装置，则本发明可以在所有传感器单元中实现。
本发明可以用于WO03/102717中所述的特定输入设备中。这样产生了一种光学输入设备，其用于测量至少包括滚动动作和点击动作的移动，其特征在于至少一个传感器单元测量滚动动作和点击动作，并且向包含在测量装置中的信号分析装置提供传感器信号，并且该信号分析装置包括用于区分典型用于点击动作的第一信号时间曲线图与典型用于滚动动作的第二信号时间曲线图的装置。
该设备可以明显地识别滚动动作与点击动作。此外，可以减少传感器单元的数量。
该设备的实施例的特征在于该信号分析装置包括用于将不同时间间隔获得的测量结果组合起来的存储和/或延迟装置。
如WO03/102717所述，利用本实施例，能够非常可靠地确定滚动动作的符号，即向上滚动或者向下滚动的符号。
本实施例进一步的特征在于利用激励脉冲激励所述至少一个传感器单元，并且使分析装置与传感器单元时间同步，从而在激励脉冲确定的测量时间间隔过程中进行分析。
通常，该激励脉冲就是用于控制二极管激光器的电流脉冲。在每个电流脉冲时采样传感器单元信号。
本发明还可以用于WO03/102751中所述的特定光学输入设备中。这样导致了用于测量至少包括滚动动作和点击动作的移动的光学输入设备，其特征在于至少一个传感器单元既测量滚动动作又测量点击动作，并且包括可以在设备窗口上确定物体存在的附加装置。
在该设备中，利用一个传感器单元能够确定滚动动作和点击动作。
优选的是，该设备进一步的特征在于该附加装置是由用于确定物体反射的测量光束是否包含一个振幅成分的装置构成的，该振幅成分具有比滚动动作产生的频率低的频率。
该设备的第一实施例的特征在于该附加装置是由辐射敏感检测器构成的，其设置为接收未入射到激光腔上的测量光束辐射。
该设备的第二实施例的特征在于该附加装置是由用于检测该传感器单元的输出信号中所述成分的电子装置构成的。
根据本发明的输入设备可以用于多种装置中，例如移动电话、无绳电话装置、膝上型电脑、手持计算机、桌面电脑的鼠标、桌面电脑的键盘、电视机的遥控器和笔。
参照下文中所述的实施例，通过非限定性举例的方式描述本发明的这些及其他方面，使其显而易见。在附图中图1a表示了光学输入设备的第一实施例的横截面图；图1b表示了该设备的顶视图；图2表示了用于该设备的测量方法的原理；图3表示了作为该设备与物体相对运动的函数的该激光腔光学频率和增益的变化；图4a表示了光线在包括常规透镜的输入设备中的传播；图4b表示了光线在包括所采用的透镜第一实施例的输入设备中的传播；图4c表示了光线在包括所采用的透镜第二实施例的输入设备中的传播，和；图5分别表示了分别对于图4a-4c所示的透镜而言，作为该设备与物体之间距离的函数的自混和效应；图6表示了包括反射镜会聚装置的输入设备的实施例的横截面图；图7表示了用于输入设备中的多个偏转器元件的实施例；图8表示了集成透镜和多偏转器元件；图9a和9b表示了包括像散会聚装置的输入设备实施例的相互垂直的横截面图；图9c表示了由该实施例在不同的轴向位置处形成的图像光点；图10表示了该输入设备实施例的横截面图，其中该会聚装置是由小透镜阵列构成的。
具体实施例方式
图1a表示了其中能够使用本发明的输入设备的横截面示意图。该设备包括位于其下侧的基板1，其为二极管激光器和检测器的载体，在这种情况下该激光器类型为垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)，并且该检测器例如为光电二极管。在图1a中，仅有一个二极管激光器3及其相关的光电二极管4是可见的，但是通常至少将第二二极管激光器5及其相关的光电二极管6设置在该基板上，如图1b中该设备的顶视图所示。该二极管激光器3和5分别发射激光束或者测量光束13和17。在其上侧，该设备设有透明窗口12，物体15(例如人的手指)将要在其上移动。将透镜10设置在二极管激光器与该窗口之间，该透镜10例如是平凸透镜。该透镜将激光束13和17会聚在该透明窗口的上侧或上侧附近。如果在该位置存在物体15，则使光束13散射。一部分光束辐射13沿着测量光束13的方向散射，并且透镜10将这部分光束会聚到二极管激光器3的发射表面上，该部分光束入射到该二极管激光器的腔中。如下文中所述，返回到该腔中的辐射引起在该腔中的变化，尤其导致由该二极管激光器发射的激光辐射强度的变化。光电二极管4和电子电路18能够检测这种变化，该光电二极管4将辐射变化转变为电信号，该电子电路18用于处理该信号。测量光束17也会聚到物体15上从而散射，并且一部分散射辐射入射到二极管激光器5的腔中。电路18和处理来自光电二极管6的信号的电路19仅具有示例性的目的，并且或多或少可以为常规的。如图1b所示，这些电路可以互连。
图2表示了在使用垂直发射二极管激光器以及设置在该激光器的后表面处的光电二极管的情况下，该输入设备和测量方法的原理。在该图中，二极管激光器(例如二极管激光器3)分别由其腔20以及其前、后表面或者激光反射镜21和22表示。该腔的长度为L。将要测量其移动的物体由附图标记15表示。该物体与前表面之间的空间构成了外部腔，其长度为L0。附图标记25表示发射通过该前表面的激光束，附图标记26表示该物体沿着该前表面的方向反射的辐射。该激光腔中生成的部分辐射通过后表面，并且被光电二极管4捕获。
如果该物体沿着激光或者测量光束13的方向移动，则反射辐射经历多普勒频移。这表示该辐射的频率变化，即出现频移。该频移取决于物体移动的速度，并且具有几kHz到MHz的数量级。入射到激光腔中的频移辐射与该腔中生成的光波干涉，即在该腔中出现自混和效应。根据该光波与入射到激光腔中的辐射之间的相移量，该干涉为相长的或是相消的，即激光器发射的辐射强度增大或降低。当物体15移动时，测量光束25的强度周期性地增大或降低。按照这种方式生成的激光辐射的调制频率恰好等于该腔中的光波与入射到该腔中的多普勒频移辐射的频率差。该频率差具有几kHz到MHz的数量级，从而容易检测。多普勒频移与自混和效应的组合造成了激光腔性质的变化；特别是其增益或者光放大率变化。
如图3所示。在该图中，曲线31和32分别表示作为物体15与前反射镜21之间的距离L0的函数的发射激光辐射的频率ν的变化和二极管激光器的增益g的变化。ν、g和L0为任意的单位。由于距离L0的变化是物体移动的结果，所以能够沿着时间轴改变图3的横座标的比例，从而按照时间的函数绘制增益的曲线。作为物体15速度v的函数的增益变化Δg由以下等式表示Δg＝-(K/L).cos(4π.ν.v.t/c+4π.L0.t/c)在该等式中-K为与外部腔的耦合系数；其表示了从激光腔向外耦合的辐射量；-ν是激光辐射的频率；-v是物体沿着激光束传播方向的速度；-t为时间，以及-c是光速。
根据自混和效应的理论能够获得该等式，例如在1988年1月15日出版的《应用光学》Vol.27，No.2第379～385页中的论文“基于二极管激光器中的自混和效应的小型激光多普勒测速计(Small laserDoppler velocimeter based on the self-mixing effect in a diodelaser)”中公开了这种理论。注意，该论文没有公开自混和效应在本文中所述类型的输入设备中的使用。如图2中的箭头16所示，物体表面在其自身的平面中移动。因为仅仅对于沿着测量光束传播方向物体的移动才出现多普勒频移，所以该移动应当使其具有沿着该方向的成分16’。因此，可以测量沿着XZ平面的移动；即图2的附图平面，该移动能够称作X移动。
图2表示了该物体具有相对于该系统其它部件的偏斜位置。实际上，该测量光束通常是偏斜光束，并且会在XY平面中发生物体表面的移动，由此Y方向垂直于图2的附图平面。利用第二测量光束能够测量该方向上的移动，该光束是由第二二极管激光器发射的，并且利用第二光电二极管捕获该光束的散射辐射，该光电二极管是与第二二极管激光器相关联的。如图1所示，通过使二极管激光器相对于透镜10偏心设置，可以获得该偏斜测量光束。
通过设置在激光器后小表面处的光电二极管测量该位置处的辐射强度，来测量由物体移动造成的激光腔增益变化是最简单的，并且因此是最引人关注的方式。常规手段是将这种光电二极管用于保持激光辐射的强度恒定，但是现在将其用于测量物体15的移动。
如上述的WO02/37410中所述，通过确定激光结的阻抗，也能够测量增益变化，从而测量物体的移动。因此，利用了激光辐射的强度与所述结中的导带中电子数量成正比这一事实。
除了移动量之外，还必须确定移动的符号，即该物体沿着移动轴正向运动还是反向运动，该移动量即物体移动的距离，通过将测得的速度相对于时间积分就能够确定该距离。通过确定由自混和效应产生的信号的形状就能够检测移动的符号。如图3中的图形32所示，该信号为非对称信号。该图形32表示了物体15朝激光器移动的情况。上升沿32’比下降沿32”陡。如果该物体远离激光器移动，则下降沿比上升沿陡。通过确定自混和信号的非对称类型，能够确定该物体的移动符号。
优选的是，通过向激光腔提供周期性变化电流，并且将分别在第一半周期和第二半周期过程中生成的第一与第二测量信号进行比较，来确定该物体与该设备的相对移动的符号。如WO02/37410中所述，周期性电流产生了固定的光波，该光波是在激光腔中产生的，从而具有周期性变化的频率，并且因此相对于该物体反射并且入射到该腔中的辐射具有连续变化的相移。这导致所发射的激光束的时间相关强度变化。在电流的周期中，生成多个发射激光脉冲。如果该物体相对于该设备静止，则在第一半周期中的脉冲数量等于第二周期中的脉冲数量。如果该物体沿着一个方向移动，则第一半周期中的脉冲数量大于第二半周期中的脉冲数量。如果该物体沿着相反的方向移动，则在第一半周期中的脉冲数量小于第二半周期中的脉冲数量。通过将第一半周期中产生的脉冲数量与第二半周期中产生的脉冲数量进行比较，就能够确定该物体沿着测量轴移动的符号。关于这种确定移动参考符号的方法的更多详细情况可以参照WO02/37410。
在WO02/37410中所述的输入设备中，会聚装置或者透镜10具有这种类型，并且设置为将测量光束聚焦到物体15上。实际上，这表示测量光束聚焦到该设备窗口12上表面的平面中，这是因为当利用该设备时，手指或者物体会放在该表面上并且在其上移动。透镜10将部分由该物体散射的辐射聚焦到激光腔中。如果该物体焦点对准，即测量光束聚焦到该物体上，则利用该透镜将前表面经由反射散射物体表面成像到其自身上。在这种情况下，形成在物体表面上的光点强度是最大的，入射到激光腔上的散射辐射的量也是最大的，这样可以获得最大的自混和效应以及最大的测量信号。然而，只有在物体焦点对准并且保持焦点对准的情况下才是这种情况。这表示必须对二极管激光器、会聚装置和物体的相互位置设定严格的要求，这对于该输入设备试图作为消费产品而言是个缺点。
如果测量光束未聚焦到物体上，则该物体上形成的光点尺寸会大于焦点对准的情况下的光点尺寸，使得光点强度显著减小，并且因此朝二极管激光器散射的辐射强度也显著减小。此外，前表面不再成像到其自身上，这进一步减少了入射到激光腔中的辐射量。这两种效应对于较小的散焦而言，已经造成了自混和效应降低到不可接受的程度，并且因此造成测量信号降低到小于可检测(阈值)程度以下的程度。输入设备的聚焦敏感度的问题在用于生成点击功能的输入设备中变得特别明显。如WO02/37410所述，该点击功能要求该物体垂直于设备窗口移动，因此要求其沿着Z轴移动。
根据本发明，取代可以仅在一个平面(即图像平面)中形成最小光点的标准透镜，利用具有明确像差的的透镜能够解决这个问题。该具有明确像差的透镜，或者一般而言的会聚系统，使得其将二极管激光器的前小表面在围绕常规透镜成像平面的预定Z范围内成像为尺寸基本上恒定的光点。该光点尺寸大于利用常规透镜形成的光点尺寸，但是仍然足够小以获得对于整个Z范围而言在足够长的时间周期内连续处于阈值级别以上的测量信号，或者在其为周期性信号的情况下，在足够长的时间周期内处于阈值级别以上的测量信号。因为在该范围内，该物体上形成的光点尺寸基本上为恒定的，所以入射到二极管激光腔中的辐射量也基本上为恒定的。因此，测量信号振幅的变化在所述范围内保持很小，这增强了该信号处理电路的性能。按照这种方式本发明提供了第二个优点。
所采用的透镜或者会聚装置的设计取决于输入设备的设计以及使用该设备的条件。如果这些条件和设备参数是已知的，则本领域技术人员能够设计出需要的采用的透镜。例如，图4b和4c表示了取代图4a所示的标准透镜10的第一种所采用透镜的不同实施例。该标准透镜例如为具有两个凸折射表面23和24的对称双凸透镜，这两个表面具有相同的曲率半径。该透镜使二极管激光器3的前表面FF成像为透镜成像平面中的光点SP1，该前表面设置在透镜的物平面OP中。这表示使来自二极管激光器3的一个点p1的所有辐射光线结合为像平面PL1中的一个点p3。图4a-4c表示了由这些光线产生的边缘光线40、41，中央光线43、44和中间光线。
实际上，尤其由于激光器发出的光束所具有的高斯强度分布，来自物平面中一点的光线未会聚为单一平面中的点状光点，并且激光束未聚焦到单一平面中，但是该光束会聚为具有最小直径的光束。因此，该光束在给定的Z范围内具有所谓最窄的收缩，该Z范围即沿着透镜光轴OO’的方向的范围。图4a中的NCR表示了该最窄的收缩范围。对于设计为形成最小的、例如衍射极限光点的常规透镜而言，该范围小。
根据本发明，例如通过创建具有范围NCR的长度的多个子范围来放大该范围，这些子范围彼此相邻并且可以相互混和。这可以利用透镜的非球面效应来实现，这表示光束的边缘光线会聚到不同于该光束的中央光线和中间光线的另一轴向点上。大体上讲，每种透镜都具有非球面性，并且常规上，如图4a的透镜的情况，例如通过使一个透镜表面或者两个透镜表面成为非球面来采取措施设法对其校正。非球面表面理解为表示基本形状为球面的表面，但其实际形状与球面形状存在偏差以便校正由透镜或者反射镜的基本形状引起的球差。
图4b表示了根据本发明的一部分输入设备的第一实施例，其中利用了透镜50的非球面特性。能够利用透镜的固有非球面性，这是因为光束发射存在大的夹角；特别是外部光线入射到透镜表面上。完全为了示例的目的，将透镜50的后表面54表示为平整到一定程度，即折射表面54的曲率半径大于前折射表面53的曲率半径，从而表示非球面性。来自物点p1并且通过透镜50的边缘光线在平面PL2中的点p3处相交，该平面PL2比平面PL1更接近透镜50。通过透镜50的中央光线43和44在平面PL3中的点p4处相交，该平面PL3比平面PL1距离透镜更远，并且通过该透镜50的中间光线在点p3与p4之间的点p5处相交，并且在本实施例中相交的位置接近平面PL1。因此，该透镜50比透镜10对于边缘光线具有更多的透镜光焦度，而对于中央光线具有更少的透镜光焦度。这样，已经将该透镜的焦深，即最窄收缩的范围放大到ΔZ，其比图4a中的NCR大得多。因此，透镜50在平面PL2与PL3之间的任意平面中、因而在范围ΔZ中形成的光点尺寸基本上是恒定的。
图4c表示了一部分输入设备的第二实施例，其中利用了非球面性。透镜60的非球面度与图4b中的透镜50的非球面度相反。通过使透镜60的后折射表面64定形为球面与楔形的组合，能够获得相反的非球面度。该透镜按照与透镜50偏转光线相反的方式使光线偏转。通过透镜60的边缘光线在接近平面PL3的点p6处相交，该平面PL3比平面PL1距离透镜更远，而中央光线在平面PL2中的点p7处相交，该平面PL2比平面PL1更接近透镜。中间光线在平面PL1中的点p8处相交。同样对于透镜60而言不变的是由其在范围ΔZ中的任意平面中形成的光点尺寸基本上恒定。
图5表示了图4a、4b和4c的透镜分别对激光自混和效应所具有的效果。沿着垂直轴以任意单位绘制了自混和效应Sme，沿着水平轴也以任意单位绘制了将要测量其移动的该物体的Z位置。图5的曲线A与图4a的透镜10相关。如果该物体设置在透镜的成像平面PL1中，则利用这种透镜获得了最大的自混和效应。然而，如果该物体从平面PL1移出，则该自混和效应快速降低到由Dth表示的检测阈值以下。分别与图4b和4c的透镜50和60相关的曲线B和C重合。利用这些透镜获得的自混和效应小于利用透镜10获得的最大效应，但是仍然保持在对应于范围ΔZ的阈值以上，该范围比透镜10提供足够的自混和效应所针对的范围大得多。因此，其中由透镜50或者透镜60构成会聚装置的输入设备允许该设备与将要测量其移动的物体之间的距离发生较大变化。因此，这种输入设备能够用于更多的应用领域。
取代透镜，该输入设备也可以包括如图6所示的反射镜。在该图中，附图标记70表示反射镜，其将二极管激光器发出的测量光束13会聚到该设备的窗口12上。在必须进一步降低该输入设备的高度的情况下，例如在应当很薄的装置中，优选这种反射镜。反射镜的形状能够适于获得需要的非球面度量，并且因此获得需要的轴向范围的扩大，在该轴向范围内光点尺寸近似恒定。
取代一个透镜元件或者一个反射镜元件的会聚装置还可以包括至少两个透镜元件或者至少两个反射镜元件。该会聚装置还可以包括至少一个透镜元件与至少一个反射镜元件的组合。在这些会聚装置的每一个中，可以根据本发明，采用至少一个折射表面。
利用小型的分立光束偏转器也能够实现这种扩大，每个偏转器设置在光束的不同部分中，从而使每个相应的光束部分朝不同的轴向位置偏转，如图7所示。光束偏转器组82、84和86与光束偏转器组82’、84’和86’相对于光轴OO’对称设置。光束偏转器的折射表面与光轴之间的夹角从外向中心增大。因此，偏转器82、82’使光束部分83、83’偏转的角度大于偏转器84、84’使光束部分85、85’偏转的角度，并且后一角度大于偏转器86、86’使光束部分87、87’偏转的角度。优选的是，这些光束偏转器集成在一个光学元件80中，其可以称作多偏转元件。为了仅说明偏转效应，入射到元件80上的光束13’为准直光束，并且光束部分83、85、87、83’、85’和87’是准直光束部分。因为光束应当聚焦，所以应当将该元件与元件80之前的会聚元件(例如透镜)组合。优选的是，将该元件与会聚元件集成。图8表示了这种会聚多偏转元件90的实施例，其具有经修改的透镜结构。其前表面91为用作常规透镜表面的球面或者非球面表面，而其后表面93为其中表面92、94、96、96’、94’和92’使通过它们的光束部分沿着不同方向偏转的组合表面。优选的是，这些偏转表面为曲面，从而使它们与前表面一起提供所需的会聚功能。
为了清楚，图7和8中仅表示了几个偏转元件。偏转元件的数量可以更大，使得光束部分变小，并且以大量偏转角度偏转，从而在所需的轴向范围ΔZ上获得更加均匀的分布。如图8所示的会聚和偏转元件包括大量偏转表面，其提供了与图4b和4c的非球面透镜元件类似的效果。
可以按照与图8的透镜表面93类似的方式修改图6中的反射镜70的反射表面。这种经修改的反射镜表面包括二维弯曲反射表面阵列，其相对于系统光轴以不同角度定向。所有反射镜表面使入射辐射会聚，并且每个表面在一个方向上反射入射光束部分，该方向不同于其它表面反射入射光束部分的方向。
能够用于本发明的输入设备的另一种会聚装置利用了像散。具有像散的光学系统在两个垂直的平面中具有不同的(透镜)光焦度，这两个平面称作切向平面和径向平面。这种系统不具有单一焦点，而具有两条焦线，它们彼此垂直。公知的用于提高透镜系统像散的方法是在该系统中包含柱面透镜，该透镜仅在一个平面中具有透镜光焦度。图9a表示了沿着包含柱面透镜100的一部分输入设备的XZ平面的横截面图，该柱面透镜100在XZ平面中具有透镜光焦度。在没有该柱面透镜的情况下，则激光器发出的光束13聚焦到图9b所示的既处于XZ平面又处于YZ平面中的位置102处。因为透镜100在XZ平面中具有透镜光焦度，所以该光束聚焦到该平面中比位置102更接近透镜系统的位置104处。在位置104处形成的光点为椭圆光点，其长轴处于Y方向上。在YZ平面(图9b)中，该光束聚焦到位置106处，并且该位置的光点为椭圆光点，其长轴位于X方向上。如图9c所示，沿着Z方向观察，该光点从长轴处于X方向的椭圆形，经由圆形(在位置102处)，变为长轴处于Y方向上的椭圆形。在从位置104到位置106的Z范围内，光点尺寸变化足够小，从而实现由移动通过该范围的物体反射到二极管激光器3的辐射量变化保持足够小，以能够获得近似恒定的自混和信号。
通过在该系统中包括平面平行板也能够将像散引入透镜系统或反射镜系统中，该平面平行板相对于激光束光轴以锐角设置。通过设置为光束偏斜通过会聚透镜，能够使该系统在不包括额外元件的情况下具有像散。如果该输入单元应当非常紧凑以便适合安装到小型装置中，则优选这种解决方案。显而易见的是，还能够使包括一个或多个反射镜的会聚系统具有像散。
彗差是另一种公知的透镜像差，其通常是不想要的，但是现在能够有利地对其加以利用，并且如果需要能够增大彗差以实现本发明的目的。通过引入预定量的彗差，能够获得图像光点，其尺寸在较大轴向范围上近似恒定，并且可以相对于常规所需的图像光点使其放大和/或变形。利用彗差光点获得的自混和信号大于阈值，并且在相对较大轴向范围上近似恒定。
取代折射元件，该会聚装置还可以包括衍射元件。衍射元件通过衍射而非折射来改变光束的波前。衍射元件例如衍射透镜，如菲涅尔透镜或者波带片，其包括多个相互交替的第一区域和第二区域，这些第一和第二区域具有不同的光学特性。例如，该第一和第二区域可以具有不同的透明度或者不同的反射系数，或者它们可以将不同的相移引入通过它们的光束部分中。在后一种情况下，该第一和第二区域可以设置在不同平面中，或者具有不同的折射系数。如果该衍射元件为透镜，则该区域为环形区域。因为该输入设备采用了单一波长(激光)光束，所以设置在该设备中的衍射元件将不会引起彩色效果，因此这种元件适用于该输入设备中。
通过采用衍射元件的参数，例如该区域的周期和形状，能够使该元件具有所需的明确的非球面度、或像散或者彗差的量，使得利用这种元件形成的图像光点在相对较大轴向区域中近似恒定，并且实现了本发明的目的。
衍射元件不仅可以取代折射元件或者反射元件，还可以与这种元件组合起来。为了减少该输入设备的光学系统中光学有效表面的数量，优选将衍射元件与其它元件集成。例如，该衍射结构可以设置在折射透镜的表面上，或者反射镜的反射表面上。按照这种方式能够在不同种类的元件上分配所需的光学功能，或者能够实现附加的光学功能。
取代覆盖整个光束横截面的元件，该会聚装置还可以由小元件阵列构成，例如小透镜，其具有不同的光焦度并且因此使入射光束部分会聚到不同的轴向位置处。为了实现将小透镜形成的图像光点定位在光轴OO’上，可以将小透镜设置在相对于该轴的不同方向上。优选的是，将该小透镜设置在球面配置中，例如设置在球面透明载体上。图10表示了这种小透镜阵列的实施例的横截面图。该小透镜112和120使光束部分122和130会聚到光轴OO’上的位置134处。小透镜114和118使光束部分124和128会聚到轴向位置136处，而小透镜116使光束部分126会聚到轴向位置132处。实际上，小透镜的数量大于图10所示的数量，以便获得更好的均匀度。
取代小透镜阵列，该会聚装置还可以由小反射镜元件阵列或者小衍射元件阵列构成，这些元件具有不同的光焦度，并且优选设置为在该系统的轴上形成图像。
在包括两个或多个测量光束路径，即包括两个或多个二极管激光器与相关检测器的光学输入设备中，这些测量路径中的每一个可以包括其自身的会聚装置。给定测量路径所要测量的移动确定了本发明是否应当用于这个路径中。如果在两个或多个测量路径中实施本发明，则能够设置为这些路径共用根据本发明设计的相同会聚装置，例如透镜。例如，在包括用于确定沿第一和第二方向的滚动移动的第一和第二测量路径以及用于确定点击运动的第三测量路径的输入设备中，仅在第三测量路径中实施本发明就足够了。该第一和第二测量路径从而可以具有公共的会聚装置。
本发明的输入设备能够用于多种类型的装置中，例如用于与桌上电脑相关的光学鼠标或者手持或膝上型电脑中，从而在显示器上移动光标，以选择所显示菜单的功能。为了选择构成菜单的功能或者项，沿着平行于该输入设备窗口的平面方向在该窗口上移动手指(物体)。这种移动称作滚动动作。为了激励选定的功能，沿着垂直于窗口的方向移动手指。这种动作称作点击动作。为了测量不同方向上的移动，例如在窗口平面中X方向和Y方向上以及垂直于该平面的Z方向上的移动，可以使用二极管激光器、相关光电检测器以及透镜的分别组合。这种组合可以称作光学传感器单元。几个光学传感器单元可以共用相同的透镜或者会聚装置，由此该传感器单元的测量光束沿着不同方向通过该透镜。
该输入设备可以是小型的，这是因为能够使该光学传感器单元非常小。这样开辟了输入设备的新用途。该输入设备可以嵌入例如移动电话中，以选择菜单的项以及用于访问互联网网页，或者嵌入其它手持装置中，例如个人数字助理(PDA)或者光学笔中，利用该光学笔能够数字发送图形或者手写数据和/或将图形或手写数据存储到存储器中，例如计算机存储器。在文献WO02/37410中描述了这些用途。本发明能够用于该文献中所述的所有实施例中，由此优选使得该输入设备的这些实施例中存在的所有传感器单元共用根据本发明所采用的会聚装置。
在WO02/37410中所述的滚动和点击设备中，第一传感器单元用于确定滚动动作的速度和方向，第二传感器单元用于确定点击动作。这些传感器单元例如相对于该窗口的设备以相对的锐角设置。如WO03/102717中所述，通过利用相同的传感器单元，并且通过确定来自该传感器单元的信号是具有与点击动作相关的第一典型时间曲线图还是具有与点击动作相关的第二典型时间曲线图，也能够获得滚动动作与点击动作之间的明确区别以及对滚动动作非常可靠的测量。因此，利用了使用者决不会同时滚动和点击的事实，并且利用了以下理解，即点击动作生成的传感器单元信号与滚动动作生成的传感器单元信号完全不同。点击动作是快速、短周期移动，其前后为非运动周期，并且因此生成脉冲状响应作为传感器输出信号。能够独立于各个使用者的手指机动化和点击的方向(向上点击或向下点击)来检测点击动作。滚动动作生成输出信号，该信号在相同时间间隔中比点击动作生成的单一波动(即脉冲)具有多得多的信号波动。
通过这样最佳地利用来自一个传感器单元的信号，能够减少该输入设备中传感器单元的数量，从而减少二极管激光器的数量。这样的优点显著，因为二极管激光器是该设备中最贵的元件，并且能够简化该设备使其占据使用该设备的装置中更少的空间。还可以保持传感器单元的原始数量，并且使用分离的传感器单元用于其它功能或者测量。
优选的是，为了分析用于测量在一定时间间隔内的滚动动作和点击动作的传感器输出信号，利用了在其它时间间隔内获得的移动数据。当分析在给定时间间隔内测得的信号时，考虑过去的测量和以后的测量可以非常可靠地确定滚动动作的移动方向，即向上滚动还是向下滚动。在时间上延迟对所述给定时间间隔内获得的信号的分析可以利用所述进一步的测量，即在所述给定的时间间隔之后实施的测量。参照WO03/102717，通过获取由一个传感器单元获得滚动动作和点击动作的方法，提供更多细节和可能性。
本发明还能够用于其中利用相同的一个或多个传感器单元使用另一种方法确定滚动和点击动作的光学输入设备中。WO03/102751中描述了这种方法。后一种方法基于以下理解，即能够将传感器单元测量光束中目前为止未使用的信号用于检测设备窗口上是否存在手指。单独的点击动作可以包括手指朝设备窗口和远离设备窗口的快速移动，点击动作前后是没有发生移动的时间间隔。另一种可能的点击动作是将手指放在窗口上，收回手指，并且将其再次放到窗口上。在朝窗口移动和远离窗口移动之间，手指在窗口上停留一段短时间间隔。如果出现这种在窗口上的停留或者出现，则能够断定发生了点击动作。利用测量滚动动作的传感器单元能够实施这种检测。
优选的是，通过确定入射到二极管激光腔中的测量光束辐射是否包括以小于滚动移动造成的振幅变化的频率变化的振幅成分，来确定该窗口上是否存在物体或者手指。现在，将传感器单元的输出信号的高频成分用于确定滚动动作，而将相同信号的低频和DC成分用于确定该设备窗口上是否存在手指，由此确定是否发生了点击动作。利用附加的光电检测器可以测量该较低频率成分。可选择的是该较低频率成分可以与传感器单元输出信号分离。
本发明可以用于在二极管激光器中使用多普勒频移和自混和的任意光学输入设备中，而与该设备中的传感器单元数量无关。该设备可以包括一个传感器单元，用于仅确定滚动动作或者确定滚动动作以及点击动作，或者可以包括两个传感器单元，用于测量沿着该设备窗口平面中的两个(X和Y)方向的移动或者测量这些移动以及垂直于该窗口(Z方向)的移动，或者可以包括三个传感器单元，用于测量后三种移动。
权利要求
1.一种光学输入设备，其基于物体与该设备的相对移动，该设备包括设有透明窗口并且容纳了至少一个光学传感器单元的模块，该光学传感器单元包括具有用于生成测量光束的激光腔的激光器、用于将测量光束会聚到作用平面中并且将物体反射的测量光束辐射会聚到激光腔中从而在激光器中产生自混和效应的会聚装置，以及用于测量自混和效应结果的测量装置，该效应是由所述移动决定的，其特征在于会聚装置适于提供自混和效应，该效应小于可能的最大值，但大于对于物体与设备窗口之间距离的扩展范围的检测阈值。
2.根据权利要求1所述的光学输入设备，其特征在于该会聚装置是由会聚分别位于不同轴向位置的边界光束部分、中央光束部分和中间光束部分的装置构成的。
3.根据权利要求2所述的光学输入设备，其特征在于该会聚装置具有预定量的非球面度。
4.根据权利要求2所述的光学输入设备，其特征在于该会聚装置具有预定量的像散。
5.根据权利要求2所述的光学输入设备，其特征在于该会聚装置具有预定量的彗差。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的光学输入设备，其特征在于该会聚装置为透镜装置。
7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的光学输入设备，其特征在于该会聚装置为反射镜装置。
8.根据权利要求1、2、3、4或5所述的光学输入设备，其特征在于该会聚装置为衍射装置。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的光学输入设备，其特征在于该会聚装置包括至少一个元件，其覆盖了测量光束的整个横截面。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的光学输入设备，其特征在于该会聚装置包括会聚元件阵列，其小于测量光束的横截面并且共同覆盖该横截面。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的光学输入设备，其用于测量至少包括滚动动作和点击动作的移动，其特征在于至少一个传感器单元既测量滚动动作又测量点击动作，并且向包含在测量装置中的信号分析装置提供传感器信号，以及其特征在于信号分析装置包括用于区分典型用于点击动作的第一信号时间曲线图与典型用于滚动动作的第二信号时间曲线图。
12.根据权利要求11所述的光学输入设备，其特征在于该信号分析装置包括用于将不同时间间隔获得的测量结果组合起来的存储和/或延迟装置。
13.根据权利要求11或12所述的光学输入设备，其特征在于由激励脉冲激励所述至少一个传感器单元，并且其特征在于该分析装置与传感器单元时间同步，从而在测量时间间隔内进行分析，该测量时间间隔是由激励脉冲决定的。
14.根据权利要求1-10中任一项所述的光学输入设备，其用于测量至少包括滚动动作和点击动作的移动，其特征在于该至少一个传感器单元既测量滚动动作又测量点击动作，并且包括可以确定设备窗口上是否存在物体的附加装置。
15.根据权利要求14所述的光学输入设备，其特征在于该附加装置是由用于确定物体反射的测量光束是否包括频率低于滚动动作产生的频率的振幅成分的装置构成的。
16.根据权利要求15所述的光学输入设备，其特征在于该附加装置是由辐射敏感检测器构成的，其设置为接收未入射到激光腔上的测量光束辐射。
17.根据权利要求15所述的光学输入设备，其特征在于该附加装置是由用于检测该传感器单元的输出信号中所述成分的电子装置构成的。
18.一种移动电话装置，其包括根据权利要求1-17中任一项所述的光学输入设备。
19.一种无绳电话装置，其包括根据权利要求1-17中任一项所述的输入设备。
20.一种膝上型计算机，其包括根据权利要求1-17中任一项所述的输入设备。
21.一种手持计算机，其包括根据权利要求1-17中任一项所述的输入设备。
22.一种用于桌面型计算机的鼠标，其包括根据权利要求1-17中任一项所述的输入设备。
23.一种用于桌面型计算机的键盘，其中集成了根据权利要求1-17中任一项所述的输入设备。
24.一种用于电视机的遥控器，其包括根据权利要求1-17中任一项所述的输入设备。
25.一种笔，其包括根据权利要求1-17中任一项所述的输入设备。
全文摘要
一种光学输入设备，其基于物体(15)与该设备的相对移动，并且其包括至少一个光学传感器单元，该光学传感器单元包括具有用于生成测量光束(13)的激光腔的激光器(3)、用于将测量光束会聚到作用平面中并且将物体反射的测量光束辐射会聚到激光腔中从而在激光器中产生自混和效应的会聚装置(50)，以及用于测量自混和效应结果的测量装置，该效应是由所述移动决定的，该会聚装置(50)适于提供自混和效应，该效应小于可能的最大值，但大于物体与设备之间距离的扩展范围(ΔZ)的检测阈值。这样可以在物体与设备之间距离的扩展范围中获得所需的自混和效应。
文档编号G06F3/0354GK1947085SQ200580012271
公开日2007年4月11日 申请日期2005年2月8日 优先权日2004年2月9日
发明者M·D·利斯, A·L·韦耶斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司