專利名稱：具有棱鏡的近乎正入射的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)鼠標(biāo)領(lǐng)域，更具體地涉及照明系統(tǒng)、光學(xué)設(shè)備、光學(xué) 組件和用于這些的方法。
背景技術(shù)：
與計算機(jī)及其顯示器一起使用的手動定點(diǎn)設(shè)備的使用已幾乎變得普 遍。各種類型的定點(diǎn)設(shè)備的一種形式是結(jié)合協(xié)作鼠標(biāo)墊使用的傳統(tǒng)(機(jī) 械)鼠標(biāo)。機(jī)械鼠標(biāo)通常包括帶橡膠表面的鋼球，該鋼球隨著鼠標(biāo)的運(yùn)動而在鼠標(biāo)墊上滾動。鼠標(biāo)內(nèi)部是滾軸(roller)或滾輪(wheel)，這些滾 軸或滾輪在球的赤道與之接觸并且將其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為代表鼠標(biāo)運(yùn)動的正交分 量的電信號。這些電信號被耦合到計算機(jī)，在計算機(jī)中，軟件響應(yīng)于信號 以根據(jù)鼠標(biāo)的運(yùn)動而將指針(光標(biāo))的顯示位置改變AX和AY。除了諸如傳統(tǒng)機(jī)械鼠標(biāo)之類的機(jī)械型定點(diǎn)設(shè)備之外，也已開發(fā)了光學(xué) 定點(diǎn)設(shè)備。在一種形式的光學(xué)定點(diǎn)設(shè)備中，不是使用像球一樣的運(yùn)動機(jī)械 元件，而是光學(xué)地感測諸如手指和桌面之類的成像表面與光學(xué)定點(diǎn)設(shè)備內(nèi) 的圖像傳感器之間的相對運(yùn)動并且將其轉(zhuǎn)換為運(yùn)動信息。電子圖像傳感器，例如光學(xué)定點(diǎn)設(shè)備中通常所采用的那些，主要是兩 種類型電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體一有源像素傳感 器(CMOS-APS)。這兩種類型的傳感器通常包含布置成一定圖案的光檢 測器(即，像素)的陣列。每個個體光檢測器操作以輸出信號，該信號的 大小與入射到光檢測器的地點(diǎn)的光強(qiáng)成比例。隨后可以處理并操縱這些輸 出信號以生成包括多個個體圖像元(像素)的圖像，其中，圖像中的每個 像素對應(yīng)于圖像傳感器中的一個光檢測器(即，像素)。一種形式的光學(xué)定點(diǎn)設(shè)備包括光源，例如發(fā)光二極管(LED)，用于 照明成像表面或?qū)Ш奖砻鎻亩蓪⒂晒鈱W(xué)定點(diǎn)設(shè)備的圖像傳感器所感測的反射圖像。另一種形式的光學(xué)定點(diǎn)設(shè)備包括相干光源，例如激光器，用 于照明成像表面從而生成將由光學(xué)定點(diǎn)設(shè)備的圖像傳感器所感測的反射圖 像。光學(xué)定點(diǎn)設(shè)備中基于相干光源的光學(xué)導(dǎo)航通常比現(xiàn)有技術(shù)中包含非相 干光源的光學(xué)定點(diǎn)設(shè)備提供更好的成像表面覆蓋和更好的跟蹤性能。與諸如LED之類的光源相比，更加嚴(yán)格的視力安全規(guī)則被應(yīng)用于諸如 激光器之類的相干光源。例如，國際電工委員會(IEC)標(biāo)準(zhǔn)將第1類激 光器規(guī)定為在可合理預(yù)知的操作條件下安全的激光器，所述操作包括使用用于束內(nèi)(intmbeam)觀察的光學(xué)儀器。為了滿足第1類分類，即使有人 在激光器前面利用放大鏡長時間觀看激光器，也不會發(fā)生視力損傷。光學(xué) 定點(diǎn)設(shè)備中的第1類激光器的最大光功率輸出是由基于激光器輸出波長和 激光器工作模式的IEC標(biāo)準(zhǔn)來限制。例如，標(biāo)稱波長為840納米(nm)的 單模垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)被IEC標(biāo)準(zhǔn)限定為在連續(xù)波 (CW)模式下具有小于700微瓦(mW)的峰值光功率輸出為滿足第1類 分類。另一種形式的光學(xué)定點(diǎn)設(shè)備包括開環(huán)激光器驅(qū)動電路。在用于制造具 有開環(huán)激光器驅(qū)動電路的光學(xué)定點(diǎn)設(shè)備的一個示例過程中，預(yù)先測試激光 器(例如，VCSEL)以確定激光器閾值電流、斜度效率和溫度系數(shù)。經(jīng)預(yù) 先測試的激光器因此被分類并分組到有限數(shù)目的箱子中。每箱激光器被匹 配到相應(yīng)的開環(huán)電流調(diào)節(jié)電路。相應(yīng)的開環(huán)電流調(diào)節(jié)電路可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整 相應(yīng)激光器的驅(qū)動電流，從而確保激光器在其受限工作窗口中操作以提供 最小的光功率輸出并且確保視力安全操作。盡管該制造過程可靠地確保了 可以獲得激光器的適當(dāng)工作窗口，但是該制造過程是耗時并且昂貴的。另 外，該制造過程通常由于數(shù)目有限的可選擇的開環(huán)電流調(diào)節(jié)電路所提供的 補(bǔ)償范圍有限而引起大量的激光器不可用。不管由光學(xué)鼠標(biāo)用于向成像表面提供照明的光源的類型如何，當(dāng)前使 用的多數(shù)光學(xué)鼠標(biāo)包括四種類型的光學(xué)照明系統(tǒng)中的一種(1)近乎掠 入射(near-grazing incidence)的光學(xué)照明系統(tǒng)；(2)采用分束器的近乎 正入射的光學(xué)照明系統(tǒng)；(3)采用照明棱鏡和全內(nèi)反射("TIR")鏡的 水平光學(xué)照明系統(tǒng)；和(4)采用照明棱鏡和全內(nèi)反射的垂直光學(xué)照明系統(tǒng)。第一種類型的近乎掠入射的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)在圖1中圖示出。光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)IO包括光源15，光源15優(yōu)選地是在第一方向25上發(fā)出第 一定向光束20的發(fā)光二極管(LED)或激光器(未示出)。準(zhǔn)直透鏡35 (圖1中也未示出)聚集并定向第一光束20，以形成在第二方向90 (取 決于系統(tǒng)10是利用反射還是折射部件來在不同方向上重定向第一束20， 第二方向90可以是基本上與第一方向25相同的方向，也可以不是)上傳 播的第二光束85。第二束85入射在表面100上，并且其一部分被反射以 形成在方向145上傳播的束125。入射束85的其他部分由于表面100的缺 陷和不規(guī)則性而被散射，從而形成第三散射或反射光束105。成像透鏡 130收集第三光束105并將其朝著傳感器140向上定向，傳感器140檢測 并測量入射到其上的光量。如圖1所示，由系統(tǒng)10中的光源15所生成的光中相當(dāng)大的比例根本 不到達(dá)傳感器140，而是作為不可用能量被從表面100反射。而且，圖1 中所圖示的系統(tǒng)IO具有有限的焦深， 一般要求使用高效LED并且相應(yīng)地 要求向其提供高電流，并且特點(diǎn)為照明目標(biāo)區(qū)域150較寬。另外，圖1的 系統(tǒng)IO具有范圍在大約1%和4%之間的總效率，使得其更不適合于日益 流行的電池供電鼠標(biāo)應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，功耗必須被最小化。第二種類型的分束、近乎正入射的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)在圖2中圖示 出。光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)IO包括光源15，該光源15也優(yōu)選地是在第一方向 25上發(fā)出第一定向光束20的發(fā)光二極管(LED)或激光器(未示出)。 準(zhǔn)直透鏡35聚集并定向第一光束20以形成第二光束85，第二光束85在 被從棱鏡65的第一反射面50a反射之后在第二方向90上傳播。第二束85 入射在第二反射面50b上，并且被從其向下朝著表面100反射，從而向上 朝著分束器45的第二反射面50b反射，由此作為第三光束105經(jīng)過分束器 45以供成像透鏡130收集。孔徑光闌135防止不需要的光照射到傳感器 140。如圖2所示，被照明目標(biāo)區(qū)域150有利地較小，并且被限制在局部 范圍內(nèi)。圖2中所圖示的系統(tǒng)IO提供光束相對于于表面100的近乎正入射，因此具有較大的焦深，并且相對于圖1中所圖示的系統(tǒng)10而言改善了光散 射。但是，不幸的是，圖2中所圖示的系統(tǒng)10具有幾個缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn) 中的主要缺點(diǎn)是圖2中所圖示的分束系統(tǒng)的最大理論效率，該最大理論效率由于分束器45在每個界面處將信號功率減半而僅為25%。在實踐中， 圖2中的系統(tǒng)10的實際效率小于10%。因此，圖2的系統(tǒng)10消耗過多的 功率量，使得其對于電池供電的鼠標(biāo)應(yīng)用而言不是最優(yōu)的。另外，圖2的 系統(tǒng)10的復(fù)雜形狀、昂貴組件和總配置對于制造而言是困難和昂貴的。 這種系統(tǒng)中的各種光學(xué)組件必須被相對于彼此而精確地對準(zhǔn)和組裝，誤差 容限極小。關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)的分束光學(xué)照明系統(tǒng)的一個實施例的進(jìn)一歩的細(xì) 節(jié)可以在Lu的題為"Light Apparatus of an Optical Mouse with an Aperture Stop and the Light Protection Method Thereof "的美國專利公開 2006/0176581中找到。圖3示出商業(yè)上在某些APPLE 鼠標(biāo)產(chǎn)品中所采用的現(xiàn)有技術(shù)的水平 光學(xué)照明系統(tǒng)10，其包括照明棱鏡65和TIR鏡55。光源15是LED并且 在第一方向25上發(fā)出第一定向光束20。準(zhǔn)直透鏡35收集第一光束20并 且將其定向為通過照明棱鏡65的輸入面70以供從TIR鏡55的第一反射 面50a反射，從而形成在第二方向90上傳播的第二光束85。第二光束85入射在第二反射面50b (也可以是TIR鏡)上，并且被從 其上反射以作為第三束105而通過棱鏡65的折射輸出面75，第三束105 然后入射在表面100上。第三束105接下來在方向145上被從表面100向 上反射以形成第四束125，第四束125被成像透鏡130 (未示出)收集。 如圖3所圖示，被照明目標(biāo)區(qū)域150包括較大的表面區(qū)域，該表面區(qū)域的 長度(即，沿著紙面)范圍通常在大約3mm和大約5mm之間，寬度 (即，進(jìn)入紙面)范圍通常在大約2mm和大約3mm之間，即，表面積在 大約6mn^和大約15mn^之間。注意到在圖3所圖示的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)10中，垂直折疊的屋脊棱鏡84 可以被附接到棱鏡65或者形成棱鏡65的一部分，以使得折射輸出面75形 成垂直折疊的屋脊棱鏡84的一部分。照明棱鏡65被相對于光源15、準(zhǔn)直 透鏡35和第一光束20配置為使得束20以大于或等于臨界角的角度照射到第一反射面50a，在下面對此進(jìn)行更多的說明。圖4示出商業(yè)上在某些APPLE 鼠標(biāo)產(chǎn)品中所采用的現(xiàn)有技術(shù)的垂直 光學(xué)照明系統(tǒng)10，其包括照明棱鏡65和TIR鏡55。光源15是在第一方 向25上發(fā)出第一定向光束20的LED。準(zhǔn)直透鏡35收集第一光束20并且 將其定向為通過照明棱鏡65的輸入面70以供從全內(nèi)反射("TIR")鏡 55的第一反射面50a反射，從而形成在第二方向90上傳播的第二光束 85。如圖4所示，第一反射面50a可以包括TIR鏡55和四刻面(four-faceted-face) 折疊屋脊棱鏡80。第二束85入射在第二反射面50b上，并 且被從其上反射以作為第三束105而穿過棱鏡65的折射輸出面75，第三 束105然后入射在表面100上。第三束105接下來在方向145上被從表面 IOO向上反射以形成第四束125，第四束125被成像透鏡130 (未示出)收 集。如圖4所圖示，照明目標(biāo)區(qū)域150包括較大的表面區(qū)域，該表面區(qū)域 的長度(即，沿著紙面)范圍通常在大約3mm和大約5mm之間并且寬度 (即，進(jìn)入紙面)范圍通常在大約2mm和大約3mm之間，即表面積在大 約6mn^和大約15mn^之間。照明棱鏡65被相對于激光器15、準(zhǔn)直透鏡 35和第一光束20配置為使得束20以大于或等于臨界角的角度到達(dá)第一反 射面50a，并且?guī)缀鯖]有損失。圖1、 3和4的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)IO具有由較小的入射角b所引入的較大 問題，入射角b通常相對于表面100的法線成大約50度和大約80度之間 的范圍。除了其他原因之外，這種非正入射或非近乎正入射使得系統(tǒng)10 的景深不利地較小，并且照明區(qū)域150不利地較大。盡管圖2的現(xiàn)有技術(shù) 系統(tǒng)10提供了光束在表面100上的期望的近乎正入射、好的景深和較小 的照明區(qū)域150，但是這種系統(tǒng)具有低光學(xué)效率(實踐中小于10%)、光 學(xué)上復(fù)雜并且對于制造而言相對昂貴。需要的是這樣一種光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在激光器或非激光 器應(yīng)用中被采用、比當(dāng)前可用的系統(tǒng)消耗更少的功率、具有改善的景深、 相對便宜和容易制造并且機(jī)械上堅固和可靠。包含直接或間接與本發(fā)明的領(lǐng)域有關(guān)的主題的各種專利包括但不局限于以下專利Griffin的題為"Two dimensional optical position indicating apparatus" 的美國專利4，553，842， 1985年11月19曰。Williams等人的題為"Optical mouse"的美國專利4,751,505， 1988年 6月14曰。Kato的題為"Optical mouse and resin lens unit "的美國專禾U 5,463,387， 1995年IO月31日。Allen等人的題為"Freehand image scanning device which compensates for non-linear movement"的美國專利5,573,813 ， 1996年11月26日。Allen等人的題為"Navigation Technique for Detecting Movement of Navigation Sensors Relative to an Object"的美國專利5,644,139， 1997年7 月1曰。Bidiville等人的題為"Pointing device utilizing a photodetector array"的 美國專利5,703,356， 1997年12月30日。Gordon的題為"Method and system for tracking attitude"的美國專利 5，786，804， 1998年7月28日。Knee等人的題為"Scanning mouse for a computer system"的美國專禾ll 5,994,710， 1999年11月30日。Hines的題為"Cordless retroreflective optical computer mouse"的美國 專利6,111,563， 2000年8月29日。Toy 等人的題為 "Apparatus for controlling thermal interface gap distance"的美國專利6,218,730， 2001年4月17日。Gordon的題為"Proximity detector for a 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公開日和授權(quán)公告日 中的任意一項。該背景技術(shù)部分中的上述專利和專利申請的列表不是并且 也不應(yīng)該被解釋為申請人或者其代理人承認(rèn)來自上述列表的一個或多個公 開物構(gòu)成關(guān)于申請人的各種發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。所有在這里引用的印刷文獻(xiàn) 和專利通過這里的引用而被全部合并于此。在讀過下面所給出的發(fā)明內(nèi)容具體實施方式
和權(quán)利要求之后，本領(lǐng) 域技術(shù)人員將會知道，可以根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的教導(dǎo)來有利地修改 這里所列出的印刷文獻(xiàn)中所揭示的系統(tǒng)、設(shè)備、組件和方法中的至少一 些。發(fā)明內(nèi)容在本發(fā)明的第一實施例中，提供了一種用在基本平直的成像表面上的 光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源，該光源被配置為發(fā)出第一光束； 至少一個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個準(zhǔn)直透鏡被配置為將第一光束基本在第 一方向上朝著照明棱鏡的輸入面定向，所述照明棱鏡包括全內(nèi)反射 (TIR)鏡和輸出面，所述棱鏡被配置為通過輸入面接收第一光束并且以 等于或超過臨界角的角度朝著TIR鏡來定向第一光束，所述棱鏡還被配置為從TIR鏡反射第一光束以形成第二光束，所述第二光束基本在相對于成 像表面近乎垂直的第二方向上從棱鏡的輸出面出射；至少一個成像透鏡，所述至少一個成像透鏡能夠被相對于棱鏡配置為接收和定向由第二光束從表面反射而形成的第三光束；以及傳感器，其中所述第三光束被成像透鏡 朝著傳感器定向。在本發(fā)明的第二實施例中，提供了一種用在基本平直的表面上的光學(xué) 鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源，所述光源被配置為發(fā)出第一光束；至 少一個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個準(zhǔn)直透鏡被配置為將第一光束基本在第一 方向上朝著照明棱鏡的輸入面定向，所述照明棱鏡包括第一和第二全內(nèi)反 射(TIR)鏡以及輸出面，所述棱鏡被配置為通過輸入面接收第一光束并 且以等于或超過第一臨界角的第一角度朝著第一 TIR鏡來定向第一光束， 所述棱鏡還被配置為從第一 TIR鏡反射第一光束以形成第二光束，所述第 二光束基本在第二方向上以等于或超過第二臨界角的第二角度朝著第二 TIR鏡傳播，所述棱鏡還被配置為從第二 TIR鏡反射第二光束以形成第三 光束，所述第三光束基本在第三方向上以相對于成像表面近乎垂直的角度 從棱鏡的輸出面出射；至少一個成像透鏡，所述至少一個成像透鏡能夠被 相對于棱鏡配置為接收和定向由第三光束從表面反射而形成的第四光束； 以及傳感器，其中所述第四光束被成像透鏡朝著傳感器定向。在本發(fā)明的第三實施例中，提供了一種用在基本平直的表面上的光學(xué) 鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源，所述光源被配置為發(fā)出第一光束；至 少一個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個準(zhǔn)直透鏡被配置為將第一光束基本在第一 方向上朝著包括折射輸出面的照明棱鏡的輸入面定向，所述棱鏡被配置為通過輸入面接收第一光束并且通過折射輸出面來將第一光束定向為第二光 束，所述第二光束基本在第二方向上以相對于成像表面近乎垂直的角度朝 著所述表面?zhèn)鞑ィ恢辽僖粋€成像透鏡，所述至少一個成像透鏡能夠被相對 于棱鏡配置為接收和定向由第二光束從表面反射而形成的第三光束；以及 傳感器，其中所述第三光束被成像透鏡朝著傳感器定向。在本發(fā)明的第四實施例中，提供了一種利用光學(xué)鼠標(biāo)來照明表面的方 法，所述光學(xué)鼠標(biāo)包括光源，所述光源被配置為發(fā)出第一光束；至少一 個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個準(zhǔn)直透鏡被配置為將第一光束基本在第一方向 上朝著照明棱鏡的輸入面定向，所述照明棱鏡包括全內(nèi)反射(TIR)鏡和 輸出面，所述棱鏡被配置為通過輸入面接收第一光束并且以等于或超過臨界角的角度朝著TIR鏡來定向第一光束，所述棱鏡還被配置為從TIR鏡反射第一光束以形成第二光束，所述第二光束基本在第二方向上以相對于成像表面近乎垂直的角度從棱鏡的輸出面出射；至少一個成像透鏡，所述至 少一個成像透鏡能夠被相對于棱鏡配置為接收和定向由第二光束從表面反 射而形成的第三光束；以及傳感器，所述第三光束被成像透鏡朝著傳感器 定向，所述方法包括啟動光源；使得光傳播通過棱鏡并從表面反射；利 用傳感器來感測從表面反射的光。在本發(fā)明的第五實施例中，提供了一種利用光學(xué)鼠標(biāo)來照明表面的方 法，所述光學(xué)鼠標(biāo)包括光源，所述光源被配置為發(fā)出第一光束；至少一 個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個準(zhǔn)直透鏡被配置為將第一光束基本在第一方向 上朝著包括折射輸出面的照明棱鏡的輸入面定向，所述棱鏡被配置為通過 輸入面接收第一光束并且通過折射輸出面來將第一光束定向為第二光束， 所述第二光束基本在第二方向上以相對于成像表面近乎垂直的角度傳播 ， 至少一個成像透鏡，所述至少一個成像透鏡能夠被相對于棱鏡配置為接收 和定向由第二光束從表面反射而形成的第三光束；以及傳感器，所述第三 光束被成像透鏡朝著傳感器定向，所述方法包括啟動光源；使得光傳播 通過棱鏡并從表面反射；利用傳感器來感測從表面反射的光。在本發(fā)明的第六實施例中，提供了一種利用光學(xué)鼠標(biāo)來照明表面的方 法，所述光學(xué)鼠標(biāo)包括光源，所述光源被配置為發(fā)出第一光束；至少一個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個準(zhǔn)直透鏡被配置為將第一光束基本在第一方向 上朝著包括折射輸出面的照明棱鏡的輸入面定向，所述棱鏡被配置為通過 輸入面接收第一光束并且通過折射輸出面來將第一光束定向為第二光束， 所述第二光束基本在第二方向上以相對于成像表面近乎垂直的角度傳播； 至少一個成像透鏡，所述至少一個成像透鏡能夠被相對于棱鏡配置為接收 和定向由第二光束從表面反射而形成的第三光束；以及傳感器，其中所述 第三光束被成像透鏡朝著傳感器定向，所述方法包括啟動光源；使得光 傳播通過棱鏡并從表面反射；利用傳感器來感測從表面反射的光。在本發(fā)明的第七實施例中，提供了一種制造光學(xué)鼠標(biāo)的方法，所述光學(xué)鼠標(biāo)包括光源，所述光源被配置為發(fā)出第一光束；至少一個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個準(zhǔn)直透鏡被配置為將第一光束基本在第一方向上朝著照明棱鏡的輸入面定向，所述照明棱鏡包括全內(nèi)反射(TIR)鏡和輸出面， 所述棱鏡被配置為通過輸入面接收第一光束并且以等于或超過臨界角的角 度朝著TIR鏡來定向第一光束，所述棱鏡還被配置為從TIR鏡反射第一光 束以形成第二光束，所述第二光束基本在第二方向上以相對于成像表面近 乎垂直的角度從棱鏡的輸出面出射；至少一個成像透鏡，所述至少一個成 像透鏡在操作上被相對于棱鏡配置為接收和定向由第二光束從表面反射而 形成的第三光束；以及傳感器，所述第三光束被成像透鏡朝著傳感器定 向，所述方法包括提供光源、準(zhǔn)直透鏡、照明棱鏡、成像透鏡和傳感 器；并且將光源、準(zhǔn)直透鏡、照明棱鏡、成像透鏡和傳感器彼此相對配 置，從而提供可用的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)。


本發(fā)明的各種實施例的許多方面將從下面的說明書、附圖和權(quán)利要求 中變得清楚，其中圖l示出現(xiàn)有技術(shù)的近乎掠入射的光學(xué)照明系統(tǒng)； 圖2示出現(xiàn)有技術(shù)的分束光學(xué)照明系統(tǒng)；圖3示出現(xiàn)有技術(shù)的水平光學(xué)照明系統(tǒng)，其包括照明棱鏡和全內(nèi)反射鏡；圖4示出現(xiàn)有技術(shù)的垂直光學(xué)照明系統(tǒng)，其包括照明棱鏡和全內(nèi)反射鏡；圖5示出本發(fā)明的一個實施例的水平光學(xué)照明系統(tǒng)，其包括照明棱鏡 和全內(nèi)反射鏡；圖6示出本發(fā)明的另一個實施例的垂直光學(xué)照明系統(tǒng)，其包括照明棱 鏡并且不包括全內(nèi)反射鏡；以及圖7示出本發(fā)明的另一個實施例的水平光學(xué)照明系統(tǒng)，其包括多刻面 準(zhǔn)直透鏡、照明棱鏡和全內(nèi)反射鏡。附圖不一定是按比例繪制的。相似的標(biāo)號在所有附圖中指示相似的部 件或步驟。
具體實施方式
下面對本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。圖5示出本發(fā)明的水平光學(xué)照明系統(tǒng)10的一個實施例，其被配置為 將來自光源15的光束以近乎正入射的角度投射到成像表面100上。近乎 正入射的意思是第二光束85或第三光束105與表面100的法線所成的入射 角(90° —b)的范圍在大約3度和大約30度之間。近乎正入射的意思也 是與表面100所成的入射角b的范圍在大約60度和大約87度之間。根據(jù) 本發(fā)明的各種實施例，角度b被保持為盡可能小，以使得第二光束S5或 第三光束105盡可能接近法線地照射到表面100并且從其反射。這種配置 中的限制因素是棱鏡65和成像透鏡130之間的間隔，棱鏡65和成像透鏡 130必須被分離一定距離以避免干涉。在給出對系統(tǒng)IO的設(shè)計和結(jié)構(gòu)所加 的實體約束的情況下，角度b的典型值的范圍在大約10度和大約25度之 間，在大約15度和大約20度之間的值是最常見的。在本發(fā)明的各種實施例中，光源15最優(yōu)選地是LED,而更優(yōu)選地是 在近紅外或紅色波段(例如，在大約620nm和大約780nm之間)中發(fā)光 的LED。當(dāng)然可以使用其他LED，例如在較短的波長或較高的色溫發(fā)光的 橙色、黃色、白色、綠色或藍(lán)色LED (例如，分別是大約605nm、 585nm、 6500K至8000K、 560nm和470nm)。前述LED顏色的波段的意思是，波長的中心大約在前述值附近并且具有偏離前述中心波長的任一側(cè) 大約5%的波長。也可以在本發(fā)明的系統(tǒng)10中采用除了 LED之外的光源，例如激光器、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、白熾光源以及其他適 當(dāng)類型的相干和非相干光源。注意，本發(fā)明的光源15可以被進(jìn)一步配置 為與反射器、后向反射器和/或高反射性表面相結(jié)合而發(fā)光，其中這種反射 元件被布置在光源15的周圍或近旁以將光在第一方向25上更有效地定 向。繼續(xù)參照圖5，系統(tǒng)10包括照明棱鏡65和全內(nèi)反射鏡55。 LED15在 第一方向25上發(fā)出第一定向光束20。準(zhǔn)直透鏡35收集第一光束20并且 將其定向為通過照明棱鏡65的輸入面70以供從全內(nèi)反射("TIR")鏡 55的第一反射面50a反射，從而形成在第二方向90上傳播的第二光束 85。如圖5所示，第一反射面50a包括TIR鏡55。第二束85被棱鏡65的 折射輸出面75折射，并且入射到表面100。第二束85被從表面100反射 以形成第三束105，第三束105在方向110上向上傳播以通過成像透鏡 130 (未示出)來準(zhǔn)直。注意，孔徑光闌135可以被放置在成像透鏡130 之前或者成像透鏡130之后。如圖5所圖示，在本發(fā)明的各種實施例中，目標(biāo)區(qū)域150有利地在小 區(qū)域上被較均勻地照明，所述小區(qū)域的長度(即，沿著紙面)范圍在大約 lmm和大約3mm之間，寬度(即，進(jìn)入紙面)在大約lmm和大約2mm 之間，即，表面積在大約lmn^和大約6mn^之間。照明棱鏡65被相對于光源15、準(zhǔn)直透鏡35和第一光束20配置為使 得束20以大于或等于臨界角的角度照射第一反射面50a，該臨界角是由形 成棱鏡65的材料的折射率和棱鏡65周圍的介質(zhì)(例如，空氣)的折射率 來確定的。臨界角是發(fā)生全內(nèi)反射(TIR)的最小入射角。圖5中的入射角b是關(guān)于折射邊界的法線而測量的。臨界角^由下式給出<formula>formula see original document page 22</formula>其中ti2是光疏介質(zhì)(例如，空氣)的折射率，n,是光密介質(zhì)(例如，棱鏡 65)的折射率。該等式是斯涅耳定律(Sndl'sLaw)在折射角為90°情況 下的簡單應(yīng)用。因為第一光束20被從TIR 55/第一反射面50a全內(nèi)反射，所以能量并未由于透過面50a傳輸而損失。在棱鏡65由聚碳酸酯(用于形成或模制成棱鏡65的優(yōu)選材料)形成 或模制成的情況下，臨界角大約是39度。在棱鏡65由玻璃、塑料、丙烯 酸樹脂或其他材料形成的情況下，臨界角可能由于這些材料的折射率不同 于聚碳酸酯的折射率而不同。棱鏡65中的TIR鏡55的一個優(yōu)點(diǎn)在于其外 表面上不需要涂層來增強(qiáng)從其反射的程度或反射量，但TIR鏡55也可以 涂有高度反射的涂層以進(jìn)一步改善反射光學(xué)效率。在本發(fā)明的各種實施例中，TIR 55可以包括屋脊棱鏡、刻面屋脊棱 鏡、四面刻面棱鏡、折疊屋脊棱鏡、垂直屋脊棱鏡、水平屋脊棱鏡、垂直 折疊棱鏡、水平折疊棱鏡、角錐棱鏡(pyramidal prism)或任何其他適當(dāng) 類型的棱鏡。例如，圖5的TIR 55可以包括圖3所示類型的折疊屋脊棱鏡 80，其中折疊屋脊棱鏡80在橫截面上呈現(xiàn)粗略為三角形的形狀并且具有 兩個刻面或主表面。也可以與TIR鏡55結(jié)合采用其他類型的屋脊棱鏡， 例如具有四個刻面的角錐屋脊棱鏡。與TIR 55結(jié)合釆用的棱鏡被優(yōu)選地設(shè) 計和配置為消除或降低光束20中所出現(xiàn)的孔或暗斑的影響，所述孔或暗 斑是由LED 15被粘合到其底座(die)的方式產(chǎn)生的。在Smith的題為 "Illumination Optics and Methods"的美國專利6,476,970和Smith的題為 "Illumination Optics and Methods"的美國專利6,829,098中詳細(xì)討論了該問題和針對該問題采用具有不同配置的棱鏡的各種方案。圖6示出本發(fā)明的垂直光學(xué)照明系統(tǒng)10，其包括照明棱鏡65。與圖3 至圖5的系統(tǒng)10不同，圖6中的系統(tǒng)10的特點(diǎn)為沒有全內(nèi)反射鏡55。 LED 15在第一方向25上發(fā)出第一定向的非相干光束20。準(zhǔn)直透鏡35收 集第一光束20并且將其定向為穿過照明棱鏡65的輸入面70而通過的方 向。如圖6所示，在方向90上傳播的第二束85被棱鏡65的折射輸出面 75折射，然后入射到表面100上。第二束85被從表面100反射以形成第 三束105，第三束105在方向110上向上傳播以通過成像透鏡130來校 準(zhǔn)，并且定向到傳感器140。如圖6所圖示，目標(biāo)區(qū)域150有利地在小區(qū)域上受到較均勻的照明。在圖6所圖示系統(tǒng)10中，以及在本發(fā)明的其他實施例中，照明目標(biāo)區(qū)域150優(yōu)選地包括這樣的表面區(qū)域該表面區(qū)域的長度(即，沿著紙面)范圍在大約lmm和大約3mm之間，寬度(即，進(jìn)入紙面)范圍在大 約lmm和大約2mm之間，艮卩，表面積在大約lmn^和大約6mm2之間。注意，在圖6中所圖示的本發(fā)明實施例的棱鏡65中沒有以臨界角或 者大于臨界角的角度發(fā)生反射，其中也沒有采用任何TIR鏡。相反，第一 束20和第二束85被定向為在不發(fā)生這種反射的情況下穿過棱鏡65或者從 棱鏡65發(fā)射。但是，注意折射輸出面75可以包括屋脊棱鏡、角錐棱鏡或 者其他類型的適當(dāng)棱鏡，例如上文中所描述的棱鏡，并且這種棱鏡可以被 進(jìn)一步配置為消除或降低光束20中前述孔或暗斑的影響。圖7示出本發(fā)明的水平光學(xué)照明系統(tǒng)10的另一個實施例，其包括多 刻面準(zhǔn)直透鏡35、照明棱鏡65和全內(nèi)反射鏡55。如圖7所示，多刻面準(zhǔn) 直透鏡35采用具有四個面的角錐形透鏡的形式，其具有與透鏡35的光軸 一致的頂點(diǎn)。LED 15在第一方向25上發(fā)出第一定向光束20。多刻面準(zhǔn)直 透鏡35收集第一光束20并且將其定向為通過照明棱鏡65的輸入面70以 供從全內(nèi)反射("TIR")鏡55的反射面50a反射，從而形成在第二方向 90上傳播的第二光束85。如圖7所示，第一反射面50a包括TIR鏡55。 第二束85被棱鏡65的折射輸出元件77折射，然后入射在表面100上。第 二束85被從表面IOO反射以形成第三束105，第三束105在方向110上向 上傳播，由成像透鏡130 (未示出)來準(zhǔn)直。如圖7所圖示，目標(biāo)區(qū)域 150有利地在小區(qū)域上被與上面參照圖5和圖6所述類似的方式相對均勻 地照明。繼續(xù)參照圖7，照明棱鏡65相對于光源15、準(zhǔn)直透鏡35和第一光束 20被配置為使得束20以大于或等于臨界角的角度照射到第一反射面50a。 TIR 55可以包括四刻面屋脊棱鏡、垂直折疊棱鏡、屋脊棱鏡或任何其他適 當(dāng)類型的棱鏡，該棱鏡優(yōu)選地設(shè)計和配置為消除或降低如上文中所討論的 光束20中所出現(xiàn)的孔或暗斑的影響。圖5至圖7中的系統(tǒng)IO提供了光束相對于表面IOO的近乎正入射，因 此與圖1中所圖示的系統(tǒng)10相比具有較長的焦距，并且改善了光散射。 與圖2中所示的分束照明系統(tǒng)10不同，在圖5至圖7的系統(tǒng)10中沒有采用分束鏡，并在不使用難以制造的精細(xì)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的情況下仍然實現(xiàn)了 光束在表面100上的近乎正入射。因此，圖5至圖7的系統(tǒng)10中的光束85或105不經(jīng)過分束鏡45和表面100之間的多次反射。圖5至圖7中所 圖示的系統(tǒng)10因此比圖1至圖4中所示的系統(tǒng)10具有較少的損失。實際 上，圖5至圖7中的系統(tǒng)10的效率理論上超過90%，并且在實際中可以 超過80%。因此，圖5至圖7中的系統(tǒng)10比圖1至圖4中的系統(tǒng)10消耗 少得多的功率，使得它們非常適合于電池供電的鼠標(biāo)應(yīng)用。另外，圖5至 圖7中的系統(tǒng)10較簡單的形狀、便宜的組件和簡化的構(gòu)造與圖l至圖4中 所圖示的系統(tǒng)IO相比，易于制造、機(jī)械上堅固和可靠并且具有較小接觸 區(qū)(footprint)或尺寸。可以從由多刻面透鏡、凹透鏡、平凸透鏡、雙凹透鏡、凸透鏡、平凸 邁，見、/乂U邁，見、口-口邁，見、兵fl王，、一n、3F環(huán)囪衣MHH'、J邁i見、共fl/J乂別 非球面表面的透鏡、正彎月透鏡和負(fù)彎月透鏡所構(gòu)成的組中選擇準(zhǔn)直透鏡35或成像透鏡130。傳感器140最優(yōu)選地是由單個集成電路或芯片形成并且在其接收表面上布置有光電傳感器的適當(dāng)較大陣列的CMOS或CCD光傳感器。傳感器 140也可以是為了在本發(fā)明的光學(xué)照明系統(tǒng)中使用而優(yōu)化的專用集成電路 (ASIC)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會了解，在由本申請所提供的后知之明的好處的情 況下可以采用對前述光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)的許多變體、修改、置換和組合， 并且這種變體、修改、置換和組合中的許多都將落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本 發(fā)明在其范圍內(nèi)包括制造和使用這里所描述的系統(tǒng)、設(shè)備和組件的方法。前面的具體實施例說明了本發(fā)明的實施方式。因此，在不脫離本發(fā)明 或所附權(quán)利要求書的范圍的情況下可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知或者這里 所公開的其他手段。例如，本發(fā)明的一些實施例不局限于采用臨界角反射 的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)。閱讀并理解本申請后，本領(lǐng)域技術(shù)人員現(xiàn)在將會了 解到，可以成功地在本發(fā)明中采用已知光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)的許多組合、改 編、變體和置換。在權(quán)利要求書中，"裝置加功能"的句式應(yīng)當(dāng)理解為覆蓋了這里所描述的執(zhí)行所述功能的結(jié)構(gòu)及其等同物。權(quán)利要求書中的裝置加功能的句式 不應(yīng)被僅限于結(jié)構(gòu)等同物，而是也希望包括在所要求的組合的環(huán)境下起等 同作用的結(jié)構(gòu)。所有在上文中引用的印刷文獻(xiàn)和專利通過這里的引用而被全部合并于 此。本發(fā)明在其范圍內(nèi)包括制造和使用上文所描述的系統(tǒng)、設(shè)備和組件的 方法。
權(quán)利要求
1.一種用在基本平直的成像表面上的近乎正入射的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源，該光源被配置為發(fā)出第一光束；至少一個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個準(zhǔn)直透鏡被配置為將所述第一光束基本在第一方向上朝著照明棱鏡的輸入面定向，所述照明棱鏡包括全內(nèi)反射鏡和輸出面，所述棱鏡被配置為通過所述輸入面接收所述第一光束并且以等于或超過臨界角的角度朝著所述全內(nèi)反射鏡來定向所述第一光束，所述棱鏡還被配置為從所述全內(nèi)反射鏡反射所述第一光束以形成第二光束，所述第二光束基本在相對于所述成像表面近乎垂直的第二方向上從所述棱鏡的所述輸出面出射；至少一個成像透鏡，所述至少一個成像透鏡能夠被相對于所述棱鏡配置為接收和定向由所述第二光束從所述表面反射而形成的第三光束；以及傳感器，其中，所述第三光束被所述成像透鏡朝著所述傳感器定向。
2. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被配置為 水平光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)和垂直光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)之一 。
3. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述全內(nèi)反射鏡還 包括屋脊棱鏡，該屋脊棱鏡是從由角錐屋脊棱鏡、折疊屋脊棱鏡、水平屋 脊棱鏡和垂直屋脊棱鏡所構(gòu)成的組中選擇的。
4. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述照明棱鏡的所 述輸出面結(jié)合在形成所述照明棱鏡的一部分的屋脊棱鏡中。
5. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述照明棱鏡的所 述輸出面是折射面。
6. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述傳感器是從由 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體光傳感器、電荷耦合器件、集成電路、芯片和專用 集成電路所構(gòu)成的組中選擇的。
7. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述光源是發(fā)光二 極管，該發(fā)光二極管是從由下列項所構(gòu)成的組中選擇的被配置為在近紅 外波段中發(fā)光的發(fā)光二極管、被配置為在紅色波段中發(fā)光的發(fā)光二極管、 被配置為在橙色波段中發(fā)光的發(fā)光二極管、被配置為在黃色波段中發(fā)光的發(fā)光二極管、被配置為在白色波段中發(fā)光的發(fā)光二極管、被配置為在綠色 波段中發(fā)光的發(fā)光二極管和被配置為在藍(lán)色波段中發(fā)光的發(fā)光二極管。
8. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述光源是從由激 光器、垂直腔面發(fā)射激光器、白熾光源、相干光源和非相干光源所構(gòu)成的 組中選擇的。
9. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述照明棱鏡是由 聚碳酸酯、玻璃、丙烯酸樹脂和聚合物中的至少一種模制的。
10. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被配置 為以從下列項所構(gòu)成的組中選擇的入射角來將所述第二光束定向到所述表 面上相對于所述成像表面的法線在大約3度和大約30度之間、相對于所述成像表面的法線在大約5度和大約25度之間以及相對于所述成像表 面的法線在大約10度和大約20度之間。
11. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被配置 為將所述第二光朿投射到所述表面上范圍在大約lmn^和大約6rnr^之間 的有限目標(biāo)照明區(qū)域上，所述有限區(qū)域被所述第二光束基本均勻地照明。
12. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，還包括鄰近所述成像透 鏡而布置的孔徑光闌。
13. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述準(zhǔn)直透鏡和 所述成像透鏡中的至少一者是從由以下項構(gòu)成的組中選擇的多刻面透 鏡、凹透鏡、平凹透鏡、雙凹透鏡、凸透鏡、平凸透鏡、雙凸透鏡、凸-凹 透鏡、具有至少一個非球面表面的透鏡、具有成對非球面表面的透鏡、正 彎月透鏡和負(fù)彎月透鏡。
14. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，還包括布置在所述光源 的周圍或近旁以將光在所述第一方向上定向的下列至少一者反射器、后 向反射器和高反射性表面。
15. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述準(zhǔn)直透鏡被 附接到所述照明棱鏡的所述輸入面。
16. —種用在基本平直的表面上的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源，所述光源被配置為發(fā)出第一光束；至少一個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個準(zhǔn)直透鏡被配置為將所述第一光束基本在第一方向上朝著照明棱鏡的輸 入面定向，所述照明棱鏡包括第一全內(nèi)反射鏡和第二全內(nèi)反射鏡以及輸出 面，所述棱鏡被配置為通過所述輸入面接收所述第一光束并且以等于或超 過第一臨界角的第一角度朝著所述第一全內(nèi)反射鏡來定向所述第一光束， 所述棱鏡還被配置為從所述第一全內(nèi)反射鏡反射所述第一光束以形成第二 光束，所述第二光束基本在第二方向上以等于或超過第二臨界角的第二角 度朝著所述第二全內(nèi)反射鏡傳播，所述棱鏡還被配置為從所述第二全內(nèi)反 射鏡反射所述第二光束以形成第三光束，所述第三光束基本在相對于所述 成像表面近乎垂直的第三方向上從所述棱鏡的所述輸出面出射；至少一個 成像透鏡，所述至少一個成像透鏡能夠被相對于所述棱鏡配置為接收和定 向由所述第三光束從所述表面反射而形成的第四光束；以及傳感器，其 中，所述第四光束被所述成像透鏡朝著所述傳感器定向。
17. 如權(quán)利要求16所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被配置 為水平光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)和垂直光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)之一 。
18. 如權(quán)利要求16所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述第-一全內(nèi)反 射鏡和所述第二全內(nèi)反射鏡中的至少一者還包括屋脊棱鏡，該屋脊棱鏡是 從由角錐屋脊棱鏡、折疊屋脊棱鏡、水平屋脊棱鏡和垂直屋脊棱鏡所構(gòu)成 的組中選擇的。
19. 如權(quán)利要求16所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述照明棱鏡的 所述輸出面結(jié)合到形成所述照明棱鏡的一部分的屋脊棱鏡中。
20. 如權(quán)利要求16所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述照明棱鏡的所述輸出面是折射面。
21. 如權(quán)利要求16所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述照明棱鏡是 由聚碳酸酯、玻璃、丙烯酸樹脂和聚合物中的至少一種模制的。
22. 如權(quán)利要求16所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被配置 為以從下列項所構(gòu)成的組中選擇的入射角來將所述第二光束定向到所述表 面上相對于所述成像表面的法線在大約3度和大約30度之間、相對于 所述成像表面的法線在大約5度和大約25度之間以及相對于所述成像表 面的法線在大約10度和大約20度之間。
23. 如權(quán)利要求16所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被配置 為將所述第二光束投射在所述表面上范圍在大約lmn^和大約6mr^之間 的有限目標(biāo)照明區(qū)域上，所述有限區(qū)域被所述第二光束基本均勻地照明。
24. 如權(quán)利要求16所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述準(zhǔn)直透鏡和 所述成像透鏡中的至少一者是從由以下各項構(gòu)成的組中選擇的多刻面透 鏡、凹透鏡、平凹透鏡、雙凹透鏡、凸透鏡、平凸透鏡、雙凸透鏡、凸-凹 透鏡、具有至少一個非球面表面的透鏡、具有成對非球面表面的透鏡、正 彎月透鏡和負(fù)彎月透鏡。
25. 如權(quán)利要求16所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述準(zhǔn)直透鏡被 附接到所述照明棱鏡的所述輸入面。
26. 如權(quán)利要求16所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述光源是發(fā)光 二極管，該發(fā)光二極管是從由下列項所構(gòu)成的組中選擇的被配置為在近 紅外波段中發(fā)光的發(fā)光二極管、被配置為在紅色波段中發(fā)光的發(fā)光二極 管、被配置為在橙色波段中發(fā)光的發(fā)光二極管、被配置為在黃色波段中發(fā) 光的發(fā)光二極管、被配置為在白色波段中發(fā)光的發(fā)光二極管、被配置為在 綠色波段中發(fā)光的發(fā)光二極管和被配置為在藍(lán)色波段中發(fā)光的發(fā)光二極 管。
27. 如權(quán)利要求16所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述光源是從由 激光器、垂直腔面發(fā)射激光器、白熾光源、相干光源和非相干光源所構(gòu)成 的組中選擇的。
28. —種用在基本平直的表面上的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 光源，所述光源被配置為發(fā)出第一光束；至少一個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一 個準(zhǔn)直透鏡被配置為將所述第一光束基本在第一方向上朝著照明棱鏡的輸 入面定向，所述照明棱鏡包括折射輸出面，所述棱鏡被配置為通過所述輸 入面接收所述第一光束并且通過所述折射輸出面來將所述第一光束定向為 第二光束，所述第二光束基本在相對于所述成像表面近乎垂直的第二方向 上朝著所述表面?zhèn)鞑ィ恢辽僖粋€成像透鏡，所述至少一個成像透鏡能夠被 相對于所述棱鏡配置為接收和定向由所述第二光束從所述表面反射而形成 的第三光束；以及傳感器，其中所述第三光束被所述成像透鏡朝著所述傳感器定向。
29. 如權(quán)利要求28所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被配置 為水平光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)和垂直光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)之一。
30. 如權(quán)利要求28所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述照明棱鏡的 所述輸出面結(jié)合到形成所述照明棱鏡的一部分的屋脊棱鏡中。
31. 如權(quán)利要求28所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述照明棱鏡是 由聚碳酸酯、玻璃、丙烯酸樹脂和聚合物中的至少一種模制的。
32. 如權(quán)利要求28所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被配置 為以從下列項所構(gòu)成的組中選擇的入射角來將所述第二光束定向到所述表 面上相對于所述成像表面的法線在大約3度和大約30度之間、相對于 所述成像表面的法線在大約5度和大約25度之間以及相對于所述成像表 面的法線在大約10度和大約20度之間。
33. 如權(quán)利要求28所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被配置 為將所述第二光束投射在所述表面上范圍在大約lmm2和大約6mn^之間 的有限目標(biāo)照明區(qū)域上，所述有限區(qū)域被所述第二光束基本均勻地照明。
34. 如權(quán)利要求28所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述準(zhǔn)直透鏡和 所述成像透鏡中的至少一者是從由以下各項構(gòu)成的組中選擇的多刻面透 鏡、凹透鏡、平凹透鏡、雙凹透鏡、凸透鏡、平凸透鏡、雙凸透鏡、凸-凹 透鏡、具有至少一個非球面表面的透鏡、具有成對非球面表面的透鏡、正 彎月透鏡和負(fù)彎月透鏡。
35. 如權(quán)利要求28所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述準(zhǔn)直透鏡被附接到所述照明棱鏡的所述輸入面。
36. 如權(quán)利要求28所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述光源是發(fā)光 二極管，該發(fā)光二極管是從由下列項所構(gòu)成的組中選擇的被配置為在近 紅外波段中發(fā)光的發(fā)光二極管、被配置為在紅色波段中發(fā)光的發(fā)光二極 管、被配置為在橙色波段中發(fā)光的發(fā)光二極管、被配置為在黃色波段中發(fā) 光的發(fā)光二極管、被配置為在白色波段中發(fā)光的發(fā)光二極管、被配置為在 綠色波段中發(fā)光的發(fā)光二極管和被配置為在藍(lán)色波段中發(fā)光的發(fā)光二極 管。
37. 如權(quán)利要求28所述的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，其中，所述光源是從由 激光器、垂直腔面發(fā)射激光器、白熾光源、相干光源和非相干光源所構(gòu)成 的組中選擇的。
38. —種利用光學(xué)鼠標(biāo)來照明表面的方法，所述光學(xué)鼠標(biāo)包括光 源，所述光源被配置為發(fā)出第一光束；至少一個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個準(zhǔn)直透鏡被配置為將所述第一光束基本在第一方向上朝著照明棱鏡的輸入 面定向，所述照明棱鏡包括全內(nèi)反射鏡和輸出面，所述棱鏡被配置為通過 所述輸入面接收所述第一光束并且以等于或超過臨界角的角度朝著所述全 內(nèi)反射鏡來定向所述第一光束，所述棱鏡還被配置為從所述全內(nèi)反射鏡反 射所述第一光束以形成第二光束，所述第二光束基本在相對于所述成像表面近乎垂直的第二方向上從所述棱鏡的所述輸出面出射；至少一個成像透 鏡，所述至少一個成像透鏡能夠被相對于所述棱鏡配置為接收和定向由所 述第二光束從所述表面反射而形成的第三光束；以及傳感器，所述第三光 束被所述成像透鏡朝著所述傳感器定向，所述方法包括啟動所述光源； 使得光以近乎正入射的角度傳播通過所述棱鏡并從所述成像表面反射；利 用所述傳感器來感測從所述表面反射的光。
39. —種利用光學(xué)鼠標(biāo)來照明表面的方法，所述光學(xué)鼠標(biāo)包括光 源，所述光源被配置為發(fā)出第一光束；至少一個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個 準(zhǔn)直透鏡被配置為將所述第一光束基本在第一方向上朝著照明棱鏡的輸入 面定向，所述照明棱鏡包括折射輸出面，所述棱鏡被配置為通過所述輸入 面接收所述第一光束并且通過所述折射輸出面來將所述第一光束定向為第 二光束，所述第二光束基本在第二方向上以相對于所述成像表面近乎垂直 的角度傳播；至少一個成像透鏡，所述至少一個成像透鏡能夠被相對于所 述棱鏡配置為接收和定向由所述第二光束從所述表面反射而形成的第三光 束；以及傳感器，所述第三光束被所述成像透鏡朝著所述傳感器定向，所 述方法包括啟動所述光源；使得光傳播通過所述棱鏡并從所述表面反 射；利用所述傳感器來感測從所述表面反射的光。
40. —種利用光學(xué)鼠標(biāo)來照明表面的方法，所述光學(xué)鼠標(biāo)包括光 源，所述光源被配置為發(fā)出第一光束；至少一個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個準(zhǔn)直透鏡被配置為將所述第一光束基本在第一方向上朝著照明棱鏡的輸入 面定向，所述照明棱鏡包括折射輸出面，所述棱鏡被配置為通過所述輸入 面接收所述第一光束并且通過所述折射輸出面來將所述第一光束定向為第 二光束，所述第二光束基本在第二方向上以相對于所述成像表面近乎垂直 的角度傳播；至少一個成像透鏡，所述至少一個成像透鏡能夠被相對于所 述棱鏡配置為接收和定向由所述第二光束從所述表面反射而形成的第三光束；以及傳感器，其中所述第三光束被所述成像透鏡朝著所述傳感器定 向，所述方法包括啟動所述光源；使得光傳播通過所述棱鏡并從所述表 面反射；利用所述傳感器來感測從所述表面反射的光。
41. 一種制造光學(xué)鼠標(biāo)的方法，所述光學(xué)鼠標(biāo)包括光源，所述光源 被配置為發(fā)出第一光束；至少一個準(zhǔn)直透鏡，所述至少一個準(zhǔn)直透鏡被配 置為將所述第一光束基本在第一方向上朝著照明棱鏡的輸入面定向，所述 照明棱鏡包括全內(nèi)反射鏡和輸出面，所述棱鏡被配置為通過所述輸入面接 收所述第一光束并且以等于或超過臨界角的角度朝著所述全內(nèi)反射鏡來定 向所述第一光束，所述棱鏡還被配置為從所述全內(nèi)反射鏡反射所述第一光 束以形成第二光束，所述第二光束基本在第二方向上以相對于所述成像表 面近乎垂直的角度從所述棱鏡的所述輸出面出射；至少一個成像透鏡，所 述至少一個成像透鏡能夠被相對于所述棱鏡配置為接收和定向由所述第二 光束從所述表面反射而形成的第三光束；以及傳感器，所述第三光束被所 述成像透鏡朝著所述傳感器定向，所述方法包括提供所述光源、所述準(zhǔn) 直透鏡、所述照明棱鏡、所述成像透鏡和所述傳感器；將所述光源、所述 準(zhǔn)直透鏡、所述照明棱鏡、所述成像透鏡和所述傳感器彼此相對配置，從 而提供可用的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了具有棱鏡的近乎正入射的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)，包括光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)的各種實施例，所述光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)提供光束在表面上的近乎正入射，而無需采用復(fù)雜的分束器組件并且無需采用照明的近乎掠入射方法。這里所公開的光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)比多數(shù)的現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)鼠標(biāo)照明系統(tǒng)提供更高的效率，卻更加便宜并且更加易于制造。這里所公開的系統(tǒng)也很好地適用于電池供電的鼠標(biāo)應(yīng)用。形成這里所公開的系統(tǒng)的一部分的照明棱鏡可以在其中結(jié)合全內(nèi)反射(TIR)鏡，也可以沒有TIR鏡。可以與TIR鏡和照明棱鏡結(jié)合地采用各種類型的屋脊棱鏡以消除或降低光源所發(fā)出的光束中的暗斑的影響。這里所描述的光學(xué)系統(tǒng)可以采用相干或非相干光源。
文檔編號F21Y101/02GK101271368SQ20081008774
公開日2008年9月24日 申請日期2008年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月23日
發(fā)明者喬治·E·史密斯 申請人:安華高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司