專利名稱：光學鼠標中的散射光學器件的制作方法
光學鼠標中的散射光學器件背景光學計算機鼠標使用光源和圖像傳感器來檢測鼠標相對于底層跟蹤表面的移動 以允許用戶操縱虛擬指針在計算設備顯示器上的位置。當今使用兩種通用類型的光學鼠標 體系結構傾斜體系結構和鏡面體系結構。這些體系結構中的每一個利用光源來將光定向 到底層跟蹤表面和圖像傳感器上以獲取跟蹤表面的圖像。通過獲取表面的一系列圖像并跟 蹤在這些圖像中經由控制器標識的一個或多個表面特征的位置的改變來跟蹤移動。光學鼠標一般利用兩種類型的光源——發(fā)光二極管(LED)和諸如二極管激光器等 激光器——中的一種。LED —般包括半導體管芯，該管芯具有被配置成通過該管芯的頂面發(fā) 光的結。電引線被連接到該管芯的頂面以允許電流流過該管芯。該引線可能不對LED發(fā)出 的光透光，并且可能使得固定圖案在圖像傳感器上成像。半導體二極管激光器一般從管芯的側面或頂面(與VCSEL激光器一樣)發(fā)出相干 光。由于激光波長的顯著相干性，圖像傳感器上的固定圖案可從因下游光學器件中的束散 和非理想性所造成的干擾圖案中產生。這樣的固定圖案可能損害鼠標跟蹤性能。概述因此，公開了可減小固定光學圖案對鼠標跟蹤性能的影響的光學鼠標的各實施 例。在一個實施例中，光學鼠標包括被配置成向跟蹤表面、圖像傳感器、光學散射器、以及控 制器發(fā)出光的光源，該光學散射器在光學上布置在跟蹤表面的上游并被配置成散射來自照 明跟蹤表面的光源的光，該控制器被配置成接收來自圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)并標識該圖像 數(shù)據(jù)中的跟蹤特征。提供本概述是為了以簡化的形式介紹將在以下詳細描述中進一步描述的一些概 念。本概述并不旨在標識出所要求保護的主題的關鍵特征或必要特征，也不旨在用于限定 所要求保護的主題的范圍。此外，所要求保護的主題不限于解決在本發(fā)明的任何部分中提 及的任何或所有缺點的實現(xiàn)。附圖簡述

圖1示出光學鼠標的一個實施例。圖2示出包括散射光源的光學體系結構的一個實施例。圖3示出光學體系結構的一個實施例，該實施例示出透鏡上的散射涂層和與透鏡 或光源分開提供的光學散射器。圖4示出作為角度的函數(shù)的、非散射光源和散射光源的光強度的圖形比較。圖5示出LED的一個實施例，該實施例示出LED管芯和接合到該管芯的電引線。圖6示出成像在光學鼠標圖像傳感器上的跟蹤特征和固定圖案的圖形表示。圖7示出從圖6的跟蹤特征和固定圖案產生的相關函數(shù)中的峰值的圖形表示。圖8示出在沒有固定圖案的情況下成像在光學鼠標圖像傳感器上的跟蹤特征的 圖形表示。圖9示出從圖8的跟蹤特征產生的相關函數(shù)中的峰值的圖形表示。圖10示出描繪一種跟蹤光學鼠標在跟蹤表面上的運動的方法的過程流程。
詳細描述圖1示出光學鼠標100的一個實施例，并且圖2示出光學鼠標100的光學體系結 構200的一個實施例。光學體系結構200包括光源202，光源202被配置成向跟蹤表面206 發(fā)出光束204以使光束204入射在該跟蹤表面上的位置210處。光束204具有相對于跟蹤 表面206的法線208的入射角θ。光學體系結構200還可包括布置在光源202與跟蹤表面 206之間以使光束204準直的準直透鏡211。盡管圖1描繪了便攜式鼠標，但可以理解，所 描繪的體系結構可以用在任何其他合適的鼠標中。配置光學體系結構200以使得散射光被用來照明跟蹤表面。例如，光源202可被 配置成輸出散射光，或者光學體系結構200可包括布置在光源202與跟蹤表面206之間以 散射光源206發(fā)出的光束的其他元件。使用散射光來照明跟蹤表面可幫助減少聚焦于圖像 傳感器的圖像中的固定光學圖案的存在，并且因此可幫助提高跟蹤性能，如以下更詳細地 描述的。圖2的實施例具有鏡面光學配置。在該配置中，入射光束204的一些部分從跟蹤 表面206反射，如在212處所示，大約以等于入射角θ的鏡面反射角γ分布。反射光212 的一些由透鏡214成像到位于或靠近鏡面反射角γ的圖像傳感器216上。替換實施例可 利用傾斜光學體系結構，其中光源被配置成以相對于跟蹤表面的斜角發(fā)出入射光束，并且 其中圖像傳感器位于大約跟蹤表面的法線處或位于相對于跟蹤表面的另一合適位置以檢 測非鏡面反射。具有鏡面體系結構的鼠標可被配置成檢測鏡面反射斑(其表現(xiàn)為跟蹤表面 的圖像中的亮斑)來作為跟蹤特征。相反，具有傾斜體系結構的鼠標可被配置成檢測跟蹤 表面的圖像中的陰影而非反射斑來作為跟蹤特征。圖像傳感器216被配置成向控制器218提供圖像數(shù)據(jù)?？刂破?18被配置成從圖 像傳感器216獲取圖像數(shù)據(jù)的多個按時間排序的幀，處理圖像數(shù)據(jù)以定位跟蹤表面的該多 個按時間排序的圖像的一個或多個跟蹤特征，并跟蹤該跟蹤表面的該多個按時間排序的圖 像的位置改變以跟蹤光學鼠標100的運動。在一些實施例中，光源202被配置成發(fā)出可見光譜的藍色區(qū)域或其附近的光。此 處使用的術語“可見光譜的藍色區(qū)域或其附近”以及“藍色”、“藍色光”等描述包括可見光譜 的藍色區(qū)域或其附近的一個或多個發(fā)射譜線或波段的光，例如在范圍400-490nm內。這些 術語還可描述能夠激活熒光增白劑的近UV到近綠色范圍內的光，如以下更詳細地描述的。 在其他實施例中，光源202可以發(fā)出可見光譜的其他部分和/或紅外光譜的光，包括但不限 于綠色、黃色、紅色等。在各實施例中，光源202可被配置成輸出非相干光或相干光，并可以利用一個或 多個激光器、LED、0LED(有機發(fā)光器件)、窄帶LED、或任何其他合適的發(fā)光器件。此外，在 其中光源被配置成輸出藍色光的實施例中，光源202可被配置成發(fā)出外觀為藍色的光，或 可被配置成發(fā)出具有對觀察者而言除藍色之外的外觀的光。例如，白光LED光源可以結合 其他顏色的LED、結合諸如鈰摻雜的釔鋁石榴石等閃爍劑或磷光體、或結合發(fā)出其他波長的 光的其他結構來利用藍色LED管芯(由例如InGaN組成)以產生對用戶表現(xiàn)成白色的光。 在又一實施例中，光源202包括結合使所需波長或波段的光通過的帶通濾波器的通用寬帶 源。如上所述，光源202可以合并被配置成輸出散射光的光學散射器?？梢允褂萌魏?br> 5合適的機制來散射光源封裝內的LED或激光器光源輸出的光。例如，在一個實施例中，包括 由聚合母體中的一群小屈光珠包圍的LED管芯的光源可用作光源202。屈光珠使得光源內 的光在離開光源封裝之前多次折射和/或反射。所發(fā)生的大量折射和反射根據(jù)角度位置平 滑了從管芯中發(fā)出的光的強度的任何峰值，使得它們未在圖像傳感器上成像并且還幫助消 除光源所引起的固定圖案。這樣的LED的一個示例是來自日本東京和加利福尼亞州圣地亞 哥的ROHM有限公司的型號SLA560BDT。該LED包括包含在圍繞LED管芯的環(huán)氧樹脂封裝內 的多個微球體?？梢悦靼?，這僅是散射LED光源的一個示例，并且可以使用任何其他合適的 散射光源。在其他實施例中，下游光學器件被用來散射來自非散射光源的光。圖3示出光學 系統(tǒng)300的一個實施例，該實施例示出用于散射來自非散射光源的光的兩個替換結構包 括散射表面的透鏡302和與其他光學組件分開提供的專用光學散射器304。散射光學系統(tǒng) 可單獨或結合任何其他所需光學散射器來包括這些元件中的任一個或這兩個元件。諸如散 射器304等光學散射器一般包括諸如毛玻璃、小珠/微球體、乳白玻璃、衍射光學器件等平 滑跨光束區(qū)域的光束強度變化的一個或多個散射元件。圖4示出從示例非散射LED和從示例散射LED (包含嵌入在環(huán)氧樹脂中的微珠)發(fā) 出的光的強度的、作為相對于發(fā)射光束的中心的角度的函數(shù)的圖形比較。首先參考圖402， 非散射光源在強度譜中具有峰值。這些峰值403可因各種因素產生。例如，簡要參考圖5， 示出了示例LED 500。LED500包括安裝在反射器504內的管芯502，該反射器被配置成將從 管芯502發(fā)出的光反射出該反射器。此外，電引線506連接到管芯502的頂面。LED 500的各個特征可在LED 500發(fā)出的光束中導致固定圖案。在缺少用于散射 光束的散射元件的情況下，這些固定圖案可以在圖像傳感器上成像，并且因此可損害鼠標 跟蹤性能。例如，引線506對圖像傳感器表現(xiàn)為圖像域中的固定斑點。同樣，管芯502可在 制造期間與反射器504內的預期位置錯開，這可造成光束橫截強度的變化。再次參考圖4，散射光源的作為角度的函數(shù)的強度譜的圖在404處示出。與非散射 強度譜402相比，散射強度譜404不包括陡峭峰值，而是強度改為從光束中心向光束邊緣平 滑變化。這樣的光束可在圖像傳感器上造成較少的固定圖案，并且因此較少干擾用于跟蹤 鼠標運動的相關函數(shù)。圖6示出圖像傳感器上的圖像中的固定圖案的示例的示意描繪。在600、602以及 604處分別示出了三個按時間排序的圖像。每一圖像中示出的網格線表示圖像傳感器的各 單獨像素。跟蹤表面在606處示出，并且圖像中的固定圖案(例如，由于LED管芯焊盤在傳 感器上成像)在608處示出。隨著跟蹤特征606移動通過圖像傳感器，其被固定圖案608 模糊，如可在圖像602和604中看到的。這可造成用于確定鼠標的移動方向和速度的相關 函數(shù)難以正確地跟蹤運動。例如，如在圖7中所示，在鼠標的運動緩慢的情況下，速度相關 函數(shù)中的由于跟蹤特征的移動造成的峰值702可與由于固定圖案造成的零速度位置處的 大峰值704重疊。這可損害鼠標跟蹤緩慢、小心移動的能力，并且因此可損害鼠標的性能。接著參考圖8和9，在缺少圖6示出的固定圖案的情況下，跟蹤特征800可以更容 易地跨多個圖像幀802、804、806進行跟蹤而不受干擾。如在圖9中所示，在沒有圖6的固 定圖案所造成的大峰值的情況下，速度相關函數(shù)中在低速度處的峰值900未被零速度處的 大峰值模糊。即使是在低速度的情況下這也允許對鼠標方向和速度的良好跟蹤。
使用散射光可產生除跟蹤性能之外的其他有利特征。例如，使用散射光源可便于 滿足眼睛安全標準。諸如激光眼睛安全標準IEC 60825-1等眼睛安全標準使用諸如源的視 在源大小對源的輸出能量等各種因素來量化光源所造成的光化學和/或熱風險。對于具有 “熱點”(即，角度光強度分布中的峰值)的LED或對于激光器，峰值在強度分布中的存在可 造成該光源的視在源大小被認為對于安全計算而言是小的，并且因此可影響對安全標準的 遵從。使用散射光學器件來在跟蹤表面的光學上游的散射光束可幫助增加光源的視在 源大小，并且因此可降低每源區(qū)域的能量級。這可移除由制造容限、誤差等造成的各單獨 LED中的、作為在確定器件的眼睛安全性時的因素的變化，從而便于遵從眼睛安全標準。使 用散射光源對藍色光特別有幫助，因為可對不同的波長不同地確定光化學安全性。圖10示出描繪一種跟蹤光學鼠標在表面上的運動的方法1000的過程流程。方法 1000包括在1002處朝向跟蹤表面來定向散射入射藍色光束，并在1004處經由被配置成檢 測跟蹤表面的圖像的圖像傳感器來檢測該表面的多個按時間排序的圖像。接著，方法1000 包括在1006處定位跟蹤表面的多個按時間排序的圖像中的跟蹤特征并隨后在1008處跟蹤 多個圖像中的跟蹤特征的位置的變化。(x，y)信號隨后可由光學鼠標提供給計算設備以供 該計算設備用于在顯示屏上定位光標或其他指示符。通過使用散射光，由圖像傳感器檢測 到的圖像中的固定圖案所造成的問題可被減輕或甚至完全避免。可以理解，此處描述的配置和/或方法在本質上是示例性的，并且這些具體實施 例或示例不被認為是限制意義，因為多個變型是可能的。本發(fā)明的主題包括各過程、系統(tǒng)和 配置、以及此處公開的其他特征、功能、動作、和/或屬性、以及其任何和所有等效方案的所 有新穎和非顯而易見組合和子組合。
權利要求
一種光學鼠標(100)，包括光源(202)，所述光源被配置成向跟蹤表面(206)發(fā)出光；圖像傳感器(216)；光學散射器(202、302、304)，所述光學散射器在光學上布置在所述跟蹤表面(206)的上游并被配置成散射來自照明所述跟蹤表面(206)的光源(202)的光；以及控制器(218)，所述控制器被配置成接收來自所述圖像傳感器(216)的圖像數(shù)據(jù)并標識所述圖像數(shù)據(jù)中的跟蹤特征。
2.如權利要求1所述的光學鼠標，其特征在于，所述光學散射器被合并成所述光源的 一部分。
3.如權利要求1所述的光學鼠標，其特征在于，還包括透鏡，所述透鏡布置在所述光源 與所述跟蹤表面之間，并且其中所述光學散射器包括所述透鏡上的散射表面。
4.如權利要求1所述的光學鼠標，其特征在于，所述光學散射器作為與所述光源和任 何透鏡分開的專用光學元件來提供。
5.如權利要求1所述的光學鼠標，其特征在于，所述光源包括被配置成發(fā)藍色光的發(fā) 光二極管。
6.如權利要求1所述的光學鼠標，其特征在于，所述光源包括被配置成發(fā)白色光的發(fā)光二極管。
7.如權利要求1所述的光學鼠標，其特征在于，所述光源包括激光器。
8.如權利要求1所述的光學鼠標，其特征在于，所述圖像傳感器被配置成檢測從所述 跟蹤表面反射的光分布的鏡面部分中的光。
9.一種光學鼠標(100)，包括發(fā)光二極管(202)，所述發(fā)光二極管被配置成向跟蹤表面(206)發(fā)出具有可見光譜的 藍色區(qū)域中或其附近的波長的光；圖像傳感器(216)，所述圖像傳感器被配置成檢測從所述跟蹤表面(206)反射的光分 布的鏡面部分中的光；一個或多個透鏡(214)，所述一個或多個透鏡被配置成在所述圖像傳感器(216)上形 成所述跟蹤表面(206)的圖像；光學散射器(202、302、304)，所述光學散射器在光學上布置在所述跟蹤表面(206)的 上游并被配置成散射來自照明所述跟蹤表面(206)的光源(202)的光；以及控制器(218)，所述控制器被配置成接收來自所述圖像傳感器(216)的圖像數(shù)據(jù)并標 識所述圖像數(shù)據(jù)中的跟蹤特征。
10.如權利要求9所述的光學鼠標，其特征在于，所述光學散射器被合并成所述光源的 一部分。
11.如權利要求9所述的光學鼠標，其特征在于，所述光源被配置成發(fā)出白色光。
12.如權利要求9所述的光學鼠標，其特征在于，還包括透鏡，所述透鏡布置在所述光 源與所述跟蹤表面之間，并且其中所述光學散射器包括所述透鏡上的散射表面。
13.如權利要求9所述的光學鼠標，其特征在于，所述光學散射器作為與所述光源和任 何透鏡分開的光學元件來提供。
14.如權利要求9所述的光學鼠標，其特征在于，所述圖像傳感器被配置成檢測從所述跟蹤表面反射的光分布的鏡面部分中的光。
15.一種跟蹤光學鼠標的運動的方法(1000)，包括朝向跟蹤表面來定向入射散射光束(1002)；用圖像傳感器檢測所述跟蹤表面的多個按時間排序的圖像(1004)；定位所述跟蹤表面的所述多個按時間排序的圖像中的跟蹤特征(1006)；以及跨所述跟蹤表面的所述多個按時間排序的圖像來跟蹤所述跟蹤特征的位置的變化 (1008)。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，朝向所述跟蹤表面來定向所述入射光束 包括朝向所述跟蹤表面來定向入射藍色光束。
17.如權利要求15所述的方法，其特征在于，朝向所述跟蹤表面來定向所述入射光束 包括朝向所述跟蹤表面來定向入射白色光束。
18.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述光束是經由合并在光源中的光學散 射器來散射的。
19.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述光束是經由具有散射表面的透鏡來 散射的。
20.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述光學是經由布置在所述光源與所述 跟蹤表面之間的專用光散射器來散射的。
全文摘要
公開了光學鼠標中的散射光學器件的各實施例。在一個實施例中，光學鼠標包括被配置成向跟蹤表面、圖像傳感器、光學散射器、以及控制器發(fā)出光的光源，該光學散射器在光學上布置在跟蹤表面的上游并被配置成散射來自照明跟蹤表面的光源的光，該控制器被配置成接收來自圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)并標識該圖像數(shù)據(jù)中的跟蹤特征。
文檔編號G06F3/03GK101903849SQ200880122200
公開日2010年12月1日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權日2007年12月20日
發(fā)明者D·博恩, M·德普伊 申請人:微軟公司