CN102707814B - 具有光导膜的光学手指导航装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了具有光导膜的光学手指导航装置。在一个实施例中，手指导航装置包括光导膜、光源、传感器和导航模块。光导膜的至少一部分表现出全内反射，并且光源与光导膜光学连通并被配置为将光射入到光导膜中。传感器被配置为对从光导膜出射的光在从靠近光导膜的手指反射之后进行检测，并且导航模块被配置为响应于从手指反射并由传感器检测的光来生成横向运动信息，横向运动信息指示手指相对于传感器的横向运动。也描述了手指导航装置的其他实施例。

Description

具有光导膜的光学手指导航装置

技术领域

本申请涉及具有光导膜的光学手指导航装置。

背景技术

光学导航装置使用光源来照射导航表面，使得光学成像器可以生成用于计算动作的数字图像。例如，光学成像器可以对表面上的手指成像并且基于连续图像的比较来生成导航信号。然而，随着传统导航装置的尺寸减小，用于对光学导航输入进行检测的成像器的物理空间也减小了。

一些传统的光学导航装置封装具有约2.5mm的厚度或光学高度。光学高度指的是从光学手指界面表面到相应的传感器之间的距离。光学高度也称为光学轨迹。2.5mm的光学轨迹或厚度被认为对于诸如蜂窝电话和小型便携个人计算机(PC)外围装置之类的手持装置的一些实施例而言太厚了。

许多光学导航装置使用称作光导的分立式元件来把光从光源引导至导航表面。来自光源的光传播通过光导，直到其与光导的边界相交。当光与光导的边界相交时，其或者部分地离开光导并且部分地在光导内反射，或者完全从光导的边界反射回来并在光导内沿着新的方向传播。这种类型的反射被称作“全内反射”(TIR)，并且取决于光相对于边界的入射角以及光导和光导外侧的材料的折射率。光导通常是透明塑料的模制件，并且光导元件的厚度直接地增加到光学导航装置的整体厚度上。

发明内容

描述了手指导航装置的实施例。在一个实施例中，手指导航装置包括光导膜(LGF)、光源、传感器和导航模块。LGF的至少一部分表现出全内反射(TIR)，并且光源与LGF光学连通并被配置为将光射入到LGF中。传感器被配置为对从LGF出射的光在从靠近LGF的手指反射之后进行检测，并且导航模块被配置响应于从手指反射并由传感器检测的光来生成横向运动信息，横向运动信息指示手指相对于传感器的横向运动。也描述了手指导航装置的其他实施例。

描述了另一个光学手指导航装置的实施例。在一个实施例中，手指导航装置包括电路板基板、传感器、LGF、光源和导航模块。传感器被安装到电路板基板，传感器包括个体光检测器的阵列。LGF连接到电路板基板，并且被放置成靠近传感器以使得传感器在电路板与LGF的至少一部分之间。光源安装到电路板基板并且被配置为将光射入到LGF的边缘表面中，并且导航模块被配置为响应于从手指反射并且由传感器检测的光来生成运动信息，运动信息指示手指相对于传感器的运动。也描述了光学手指导航装置的其他实施例。

描述了便携式电子系统的实施例。在一个实施例中，便携式电子系统包括显示器、光学手指导航装置、LGF、光源、传感器和导航模块。显示器包括导航标识，并且光学手指导航装置被配置为基于根据手指相对于光学手指导航装置的运动而检测到的光图案的改变、来生成用于移动导航标识的导航信号。光学手指导航装置包括LGF，其中LGF的至少一部分表现出TIR。光源与LGF光学连通，并且被配置为将光射入到LGF中，传感器被配置为对从LGF出射的光在从手指反射之后进行检测。导航模块被配置为响应于由手指反射并且由传感器检测的光来生成横向运动信息，横向运动信息指示手指相对于传感器的横向运动。也描述了便携式电子系统的其他实施例。

根据以下结合附图进行的详细描述、本发明的其他方面和优点将会变得更加明显，其中附图以本发明的原理的示例的方式进行图示。

附图说明

图1描绘了具有光学手指导航装置的形式的用户输入装置的一个实施例的立体图。

图2A描绘了图1的光学手指导航装置的一个实施例的截面图。

图2B描绘了在将手指相对于光导(LGF)放置以改变LGF的全内反射的情况下、图1的光学手指导航装置的一个实施例的截面图。

图3A描绘了在将指纹峰和指纹谷相对于LGF放置以改变LGF的全内反射的情况下、图1的光学手指导航装置的一个实施例的截面图。

图3B是在将指纹峰和指纹谷相对于LGF放置在另一个位置以改变LGF的全内反射的情况下、图1的光学手指导航装置的一个实施例的另一个截面图。

图4A描绘了图1的光学手指导航装置的另一个实施例的截面图，该光学手指导航装置包括在LGF的主表面上的非平面元件。

图4B描绘了关于手指的指纹峰和指纹谷的图4A的截面图。

图5描绘了图1的光学手指导航装置的另一个实施例的截面图，该光学手指导航装置包括不规则的非平面元件的。

图6描绘了包括封装剂的图1的光学手指导航装置的另一个实施例的截面图。

图7描绘了具有光学手指导航的便携式电子系统的一个实施例的框图。

图8是描绘了用于使用LGF的光学手指导航的方法的一个实施例的流程图。

图9是描绘了用于制造使用LGF的光学手指导航装置的方法的一个实施例的流程图。

图10是部分装配的光学手指导航装置的立体图，其中光学手指导航装置包括电路板基板、传感器和光源，其中传感器和光源与上面参考图1-9所述的那些相似。

图11是在LGF已经被安装到电路板基板之后、光学手指导航装置1的立体图。

图12是在已经连接了装饰性封盖之后、光学手指导航装置的立体图。

图13是图12的光学手指导航装置的侧剖视图。

图14A是相对于传感器的位置的在LGF中的光提取特征部的阵列的俯视图。

图14B是在剖面线A-A处的来自图14A的LGF的侧剖视图。

图15是来自图14A和图14B的光提取特征部中的一个的实施例的立体图。

图16描绘了在光提取特征部的位置处与LGF接触的用户手指。

在整个说明书中，相似的附图标记可以用于表示相似的元件。

具体实施方式

在一些实施例中用膜作为光导。光导膜(LGF)比传统的光导更薄，并且因此可以使用LGF来制造更薄的光学手指导航装置。此外，在一些实施例中，LGF包括使光从LGF出射的光提取特征部。在实施例中，光提取特征部是与手指相互作用以改变光的散射的非平面元件。非平面元件的几何形状增加逃离LGF的光量；因此，由传感器检测的图像更强并且更容易检测。因此，可以减小馈送到LGF的光的量并且可以节省电池电力。传感器检测经改变的光的散射。

图1描绘了光学手指导航装置100的形式的用户输入装置的一个实施例的立体图。光学手指导航装置100包括光导膜(LGF)102、一个或多个光源104和传感器106。虽然以特定组件和功能示出并描述了光学手指导航装置100，但是可以以更少或更多的组件来实施其他实施例，以有助于更多或更少的功能。

在一些实施例中，LGF102由光透射性材料膜构成。在特定实施例中，LGF102是柔性的，并且在被安装到电子装置中时可以弯曲，以有助于组件在可用空间位置中的机械布置。LGF102可以被弯曲并且由于在光源104处产生的光的全内反射(TIR)而仍然保持期望的光学特性。在其他实施例中，LGF102基本是平面的。即使LGF102可以具有弯曲的几何形状，对于LGF102内的光的TIR来说，LGF102的光学特性仍然与平面几何形状类似。在一些实施例中，LGF102可以具有抛光的表面以进一步促进TIR。此外，可以将反射涂层涂覆到LGF102的表面上。

在一些实施例中，LGF102通常比传统的光导(例如，模制的塑料光导)薄得多。传统的光导通常具有数毫米量级的厚度。在传统的厚光导中，光线在光离开较厚的光导之前经历很少数量的从界面的反射。相反，在薄膜型光导中，存在大量的从界面的内部反射。因此，显著地增加了与所接触的手指的相互作用。在一个实施例中，LGF102的厚度在约10和约100微米之间。在另一个实施例中，LGF102的厚度约为50微米。

在特定实施例中，使用诸如沉积、铸膜挤压或者压印等薄膜塑料制造技术来形成LGF102，这产生比使用诸如注射成型等用于形成传统光导的技术制造的产品更薄的产品。由于LGF102比传统光导薄得多并且提供有效的、高亮度的面照明，因此减小了光学手指导航装置100的整体厚度。

LGF102包括主表面112。在图示实施例中，主表面112是LGF102的上表面。如图所示，主表面112包括基本平面状的部分。主表面112也可以包括LGF102的弯曲部分的上表面。

LGF102也包括手指界面表面114。更具体地，主表面112的一部分被指定为手指界面表面114。手指界面表面114大致是主表面112的、手指(未示出)与LGF102接触所在的那部分。在一些实施例中，手指界面表面114是圆形的。可选择地，手指界面表面114是非圆形的。

手指界面表面114有助于用户与LGF102接触。例如，用户的手指与手指界面表面114的接触使得在原本将会通过TIR而反射的光在手指与LGF102接触的位置处至少部分地从光导出射。从LGF出射的光的一些被手指反射并且被引导回到传感器106。传感器106检测由于该反射光而引起的光强变化。在一些实施例中，非平面元件(未示出)通过增加在手指界面表面114处从LGF102出射的光量来增加从手指散射的光的量。结合图4A、图4B和图5来更详细地描述非平面元件。由于可以监视手指接触并且可以计算手指运动，因此手指与手指界面表面114的接触有助于LGF102处的用户输入。

图2A描绘了图1的光学手指导航装置100的一个实施例的截面图。光学手指导航装置100包括LGF102、光源104、传感器106和一个或多个间隔件(spacer)206。LGF102包括主表面112。光源104将光引导至LGF102中。在一个实施例中，光源104被配置为将光向LGF102的边缘表面发射。例如，来自光源104的光在LGF102的侧边缘105上入射。LGF102通过取决于光的入射角和LGF102的边界两侧的材料的相对折射率的TIR而在内部反射光。也描绘出了低角度光线202和高角度光线204。在本文件中关于光的角度使用的“低”和“高”指的是光线与LGF102的表面的相对角，而不是与LGF102的法线的角。

在一些实施例中，低角度光线202在其遇到LGF102与外界环境之间的界面时被全内反射。然而，高角度光线204可以在LGF102与外界环境之间的边界处离开LGF102。高角度光线204可以通过传感器106来检测并/或与手指互相作用。

在一个实施例中，间隔件206位于LGF102与传感器106之间。间隔件206将传感器106保持为离开LGF102固定距离。通过维持传感器106与LGF102之间的间隔，间隔件制造了间隙208。间隙208可以容纳诸如空气等在周围环境中存在的流体，或者可以容纳诸如惰性气体等分立的流体。在一些环境中，间隙208维持真空或者相对低密度的流体。在特定实施例中，间隔件206是一个或多个球形元件。

图2B描绘了在手指210被相对于LGF102放置以改变LGF102的TIR的情况下、图1的光学手指导航装置100的一个实施例的截面图。在图示实施例中，手指210与LGF102的手指界面表面114物理地接触，并且改变了在LGF102内进行反射的光的TIR。手指210与LGF102之间的物理接触改变了TIR并且使得光至少部分地散射到LGF102之外。由于折射率从LGF102相对于周围环境改变为LGF102相对于手指而引起的表面功能的改变导致由成像器检测到的光学功能(散射和吸收)的改变。在一些实施例中，手指210的折射率比空气的折射率相对地更接近LGF102的折射率。因此，将会从LGF-环境边界全内反射的低角度光线202改为通过手指210至少部分地散射，从而改变由传感器106检测到的光图案。此外，在手指210不存在时将会沿着远离传感器106的方向逃离到环境中的高角度光线204可以由手指朝向传感器106反射，从而改变由传感器106检测到的光图案。在某些实施例中，光从手指210反射并且到达原本不会到达的传感器106。从手指210反射到传感器106的光改变了由传感器106检测到的光图案。

图3A到图5描绘了图1的光学手指导航装置100的实施例的截面的放大图。图3A描绘了在相对于LGF102放置了指纹峰302和指纹谷304以改变LGF102的TIR的情况下、图1的光学手指导航装置100的一个实施例的截面图。手指210包括多个指纹峰302。在指纹峰302之间是指纹谷304。在特定实施例中，当手指210与手指界面表面114接触时，指纹峰302与手指界面表面114直接接触，而在指纹谷304处留下小的空气团306。

如上所述，TIR取决于相对折射率和入射角。在一个实施例中，如果指纹峰302在高角度光线204遇到手指界面表面114的位置处与手指界面表面114接触，则高角度光线204可以至少部分地被指纹峰302反射。因此，通过与指纹峰302的接触，由传感器106检测到的图像发生改变。

如果低角度光线202在指纹峰302所在的位置处遇到指纹界面表面，那么在不存在手指的情况下将会在手指界面表面114处被全内反射的低角度光线202可以被散射。来自低角度光线202的散射光可以朝向传感器106散射，并且改变由传感器106检测到的图像。

图3B是在将指纹峰302和指纹谷304相对于LGF102放置在另一个位置以改变LGF102的TIR的情况下、图1的光学手指导航装置100的一个实施例的另一个截面图。在图示实施例中，高角度光线204在指纹谷304位于指纹界面表面114以上的位置处与手指界面表面114相交。结果，高角度光线204可以至少部分地离开LGF102。类似地，低角度光线202在指纹谷304位于指纹界面表面114以上的位置处与手指界面表面114相交。结果，低角度光线202在手指界面表面114处表现出TIR。指纹位置的改变导致光线202、204的总体的TIR图案改变。通过传感器106检测图案的改变。

在一些实施例中，随着手指210在手指界面表面114以上移动，在手指界面表面114处高角度光线204的反射类型和反射量以及低角度光线202散射类型和量可以发生变化。当手指210被放置成使得指纹峰302位于高角度光线204与手指界面表面的交点处时(如图3A所示)，高角度光线204至少部分地通过指纹峰302散射。类似地，当手指210被放置成使得指纹峰302位于低角度光线202与手指界面表面的交点处时(如图3A所示)，低角度光线202至少部分地通过指纹峰302散射。当手指210被放置成使得指纹谷304位于高角度光线204与手指界面表面的交点处时(如图3B所示)，高角度光线204可以至少部分地离开LGF102。当手指210被放置成使得指纹谷304位于低角度光线202与手指界面表面的交点处时(如图3B所示)，低角度光线202表现出TIR。随着手指210的位置的改变，由于有更多或更少的高角度光线204和低角度光线202到达传感器106，传感器106检测到这种改变。

图4A描绘了图1的光学手指导航装置100的另一个实施例的截面图，其包括在LGF102的主表面112上的非平面元件402。在一个实施例中，非平面元件402与主表面112不共面。在一个实施例中，非平面元件402在手指界面表面114上均匀地分布。在替换实施例中，非平面元件402在手指界面表面114上不均匀地分布。在某些实施例中，非平面元件402至少部分地突伸超出主表面112。在一个实施例中，非平面元件402包括手指界面表面114上的凸块。在替换实施例中，非平面元件402是主表面112中的凹陷部。非平面元件对于LGF102内的光线导致入射角改变。这样入射角改变导致在原本将会被全内反射的光线被散射。

非平面元件402改变LGF102的TIR并且使得来自光源104的光散射。在一个实施例中，非平面元件402使得来自光源104的光散射，使得至少部分光被引导至传感器106中。在一些实施例中，非平面元件402使得来自光源104的光散射，使得至少部分光被引导着远离传感器106。例如，在本该由主表面112全内反射的低角度光线406入射到非平面元件402时，该光线可以沿着远离传感器106的方向至少部分地离开LGF102。通过非平面元件402而散射离开传感器106的光可用于照射手指界面表面114。通过非平面元件402而散射离开传感器106的光也可与手指210相互作用并被反射回传感器106。由非平面元件402引起的这些相互作用的效果是增强由传感器106检测到的信号。

在一个实施例中，传感器106从被引导至传感器106中的光生成图像。由非平面元件402朝向传感器106散射的光表现为由传感器106生成的静态图像。在某些实施例中，由传感器106生成的图像的变化被解释为手指210在手指界面表面114上的移动。

相对于不具有非平面元件的平面型TIR波导，非平面元件402的作用是提高传感器106上方的手指峰和谷的吸收和散射的亮度和复杂度。这种亮度的增加增强了检测运动的能力。非平面元件具有从高到低(例如，从LGF到空气)的折射率变化。在一个实施例中，作为增加局部静态散射的另一种方式，气泡或纳米球可被引入LGF膜的区域114中而具有高折射率变化。然而，由于凸块响应于手指而产生的变化最大，因此在一些实施例中凸块是优选的。

图4B描绘了图4A的关于手指的指纹峰302和指纹谷304的截面图。在某些实施例中，当手指210与手指界面表面114接触时，指纹峰302与一个或多个非平面元件402直接接触，而在指纹谷304处留下小的空气团。与非平面元件402相接触的指纹峰302改变了LGF102内的光的内反射。例如，当如图4A的情况那样空气与非平面元件402相邻时，射到非平面元件402的高角度光线404被全内反射。而如果如图4B的情况那样指纹峰302与非平面元件402相邻，则高角度光线404至少部分地离开LGF102。这种内反射的改变至少部分地是由空气与指纹峰302之间的折射率差而引起的。特定光线的内反射的变化改变了进入传感器106的光。因此，由传感器106生成的图像也发生变化。在一个实施例中，光学手指导航装置100将所生成的图像的改变解释为手指210在手指界面表面114上的运动。

图5描绘了包括棱柱形状或不规则的非平面元件502的图1的光学手指导航装置100的另一个实施例的截面图。不规则的非平面元件502可以采用任何形状。在一些实施例中，不规则的非平面元件502可以表现为随机的形状。例如，不规则的非平面元件502可以是形成在手指界面表面114上的随机纹理。不规则的非平面元件502可以在手指界面表面114上均匀地分布。在另一个实施例中，不规则的非平面元件502在手指界面表面114上不均匀地分布。在一些实施例中，不规则的非平面元件502可以包含诸如手指界面表面114的表面上的灰尘或油等环境元素。在图5的实施例中，不规则的非平面元件502突出到LGF102的主表面112上方。在其他实施例中，如下所述，非平面元件被配置为延伸到LGF102的主表面112下方的凹入区域。

不规则的非平面元件502改变在LGF102内的光的内反射。在一些实施例中，不规则的非平面元件502将至少一部分光散射到LGF102之外。通过传感器106检测被朝向传感器106散射的光。被散射而远离传感器106的光可以照射手指界面表面114并且可以与手指210相互作用。

在一个实施例中，不规则的非平面元件502以与上述结合图4B描述的其他非平面元件402相似的方式来与指纹峰302和指纹谷304相互作用。例如，与不规则的非平面元件502相接触的指纹峰302可以吸收在其他情况下将会朝向传感器106散射的至少一部分光，从而引起由传感器106检测到的光的改变。

图6描绘了包括封装剂602的图1的光学手指导航装置100的另一个实施例的截面图。在一个实施例中，封装剂602覆盖传感器106并且对传感器106提供保护。在特定实施例中，封装剂602是允许光从LGF102通过封装剂602到达传感器106的光透射性材料。在特定实施例中，封装剂602形成为具有允许其起到透镜作用的光学特性。由封装剂602形成的透镜可以是折射元件或者菲涅耳透镜。在另一个实施例中，封装剂602附着到LGF102的底部，而不是传感器106的顶部。特别地，封装剂602可以与手指接触区域114对准。因此，对于不同的实施例，封装剂602的精确位置可以不同，只要在传感器106与LGF102之间的层叠部分中的某些位置处存在空气隙(或者诸如气凝胶等另一个低折射率层)即可。

图7描绘了具有光学手指导航的便携式电子系统702的一个实施例的框图。便携式电子系统702实施用户输入装置100(例如，图1的光学手指导航装置100)以帮助用户输入。可以实施用户输入装置100的实施例的便携式电子系统702的示例包括诸如蜂窝电话等手持通信装置和全球定位系统(GPS)装置。此外，在便携式电子系统702的实施例范围内，还可以实施诸如个人音乐播放器、个人数字助手(PDA)、生物指纹传感器、智能电话、平板电脑等其他类型的电子外围设备。

通过在便携式电子系统702内实施用户输入装置100的实施例，用户输入装置100例如能够帮助用户输入，以对用户输入装置100的显示装置141上的内容进行导航。例如，用户输入装置100可以帮助对显示装置704上的导航标识706进行控制。导航标识706可以是光标、高亮标识(highlighter)、箭头或其他类型的导航标识。此外，通过用户输入装置100接收到的用户输入可以帮助其他类型的由用户控制的功能，包括但不限于音量控制、音频回放选择、浏览器控制、生物识别、电子乐器、游戏中的动作等等。可以利用用户输入装置100的实施例来实施的由用户控制的功能的类型取决于由便携式电子系统702一般性地提供的功能的类型。此外，虽然图7具体示出了便携式电子系统702，但是其他实施例可以在便携的但不一定是用户手持的电子装置或者通常认为是不便携的装置中实施用户输入装置100。

便携式电子系统702包括光学导航装置708。虽然光学导航装置708示出为具有特定的组件并且在这里描述为实施特定的功能，但是光学导航装置708的其他实施例可以包括更少或更多的组件以实施更少或更多的功能。

图示的光学导航装置708包括光学导航电路710和微控制器(uC)712。总的来说，光学导航电路710生成信号，该信号表示在用户输入装置100处的手指或其他导航运动。光学导航电路710之后将一个或多个信号传送到微控制器712。从光学导航电路710传送到微控制器712的信号的示例性类型包括基于相对位移值ΔX和ΔY的通道正交信号(channelquadraturesignal)。位移值ΔX和ΔY可以表示用于指纹识别的特定图案或者位移、方向和大小的矢量。这些信号或其他信号可以表示手指与用户输入装置100之间的相对运动。光学导航电路710的其他实施例可以将其他类型的信号传送到微控制器712。在一些实施例中，微控制器712实施各种功能，包括向或从主计算机系统或其他电子装置(未示出)发送或接收数据，或者对位移值进行处理。

为了生成导航信号，示出的光学导航电路710包括驱动器714、数字信号处理器(DSP)716以及图像获取系统(IAS)718。图像获取系统718包括用户输入装置100以及模拟-数字转换器(ADC)722。光学导航电路710和/或图像获取系统718的其他实施例可包括更少或更多的组件以实施更少或更多的功能。

在一个实施例中，光学导航电路710的驱动器714控制光源104的工作，以产生发送到手指界面表面114的光信号。驱动器714可以将光源104控制到几个不同的亮度水平，或者，驱动器714可以随着将检测器开/关信号发送到传感器106来向光源104提供脉冲，从而增强对于期望目的的系统响应功能。如上所述，经反射的光信号然后被用户输入装置100的传感器106接收和检测。

在一个实施例中，用户输入装置100生成对应于传感器106上的入射光的一个或多个模拟电信号。用户输入装置100然后将模拟信号发送到模拟-数字转换器722。模拟-数字转换器722将电信号从模拟信号转换为数字信号并且然后将数字信号发送到数字信号处理器716。

在数字信号处理器716从图像获取系统718的模拟-数字转换器722接收到数字形式的信号之后，数字信号处理器716可以利用电信号进行额外的处理。如上所述，数字信号处理器716然后将一个或多个信号发送到微控制器712。在一些实施例中，数字信号处理器716包括导航模块720，以基于手指相对于手指界面表面114的横向运动来生成横向运动信息。导航模块720的其他实施例可以生成其他类型的运动信息。

更具体地，在一个实施例中，用户输入装置100的传感器106包括由个体光检测器组成的阵列(未示出)，例如，个体光检测器的16×16或32×32阵列，该阵列被构造为检测从手指界面表面114上的被照射点反射的光。传感器106中的各个光检测器生成以数字值(例如，8位数字值)形式输出的光强信息。图像信息由传感器106以帧为单位来获取，其中图像信息的帧包括一组对于传感器106中的各个个体光电检测器同时获取的值。图像帧获取速率和跟踪分辨率可以是可编程的。在实施例中，图像帧获取速率范围高达每秒2300帧，并具有每英寸800点(CPI)的分辨率。虽然提供了帧获取速率和分辨率的一些示例，但是可以想到其他的帧获取速率和分辨率。

导航模块720比较来自传感器106的相继的图像帧，以确定帧之间的图像特征的移动。特别地，导航模块720通过对来自传感器106的相继图像帧中存在的共同特征进行相关来确定移动。图像帧之间的移动表示为例如X和Y方向的运动矢量(例如ΔX和ΔY)的形式。之后使用运动矢量来确定输入装置100相对于导航表面的运动。在以下文献中提供了导航传感器移动跟踪技术的示例的更详细的描述，并将它们通过引用全部结合在这里：题为“NAVIGATIONTECHNIQUEFORDETECTINGMOVEMENTOFNAVIGATIONSENSORSRELATIVETOANOBJECT”的美国专利5,644,139以及题为“METHODOFCORRELATINGIMMEDIATELYACQUIREDANDPREVIOUSLYSTOREDFEATUREINFORMATIONFORMOTINGSENSING”的美国专利6,222,174。

图8是描绘了用于使用LGF的光学手指导航的方法800的一个实施例的流程图。虽然特定地参考了光学手指导航装置100，但是可以结合其他光学手指导航系统或用户输入装置来实施方法800的一些实施例。

在块802处，光源104发光。虽然可以采用许多其他类型的光源，但是光源104可以是发光二极管(LED)或激光器。在块804处，光如上所述照射具有手指界面表面114的LGF102。LGF102至少部分地表现出TIR。

在块806处，传感器106检测从LGF102朝向传感器106反射的光。传感器106检测对基于手指210的接触带来的由LGF102表现出的内反射的改变作出相应的光图案的改变。在一些实施例中，传感器106检测由一个或多个指纹峰302和指纹谷304与手指界面表面114的相互作用而引起的光图案的改变。在特定实施例中，传感器106检测由一个或多个非平面元件402与手指210的相互作用而引起的光图案的改变。在块808处，传感器106基于所检测到的光生成导航信号。

图9是描绘了用于制造使用LGF102的光学手指导航装置100的方法的一个实施例的流程图。虽然特定的参考了光学手指导航装置100，但是方法900的一些实施例可以与其他光学手指导航系统或用户输入装置一起实施。

在块902处，形成LGF102。可以使用任何过程来形成LGF102，包括但不限于辊对辊挤压成型、物理沉积、化学沉积和熔融旋涂(meltspinning)。所使用的特定类型的形成过程可以由LGF102的预期功能来决定。例如，用来制造用于商业照明目的的LGF的形成过程可以与用来制造用于在电话中照亮按键标签的LGF的形成过程不同。在块904处，在LGF102上形成非平面元件402。在一些实施例中，非平面元件402至少部分地突伸超出LGF102的主表面112。在替换实施例中，非平面元件402包括延伸到LGF102的主表面112下方的凹陷。可以使用任何方法来形成非平面元件402，包括但不限于压印、层叠(layering)、纳米压印、模制成型、蚀刻、印刷、粘合和喷涂。在一些实施例中，非平面元件402可以结合到手指区域114中的主体膜(bulkfilm)中，来提供如元件402的描述那样产生的相同光学功能。例如，在一些实施例中，可以在LGF102内形成纳米球(例如，小的空气泡或者蓝宝石球)。在纳米球(未示出)与LGF102之间发生折射率的较大改变，使得光线发生更大但静态的散射。因此，手指将会引起散射强度的改变。

在块906处，LGF102被耦合到检测由非平面元件402散射的光的传感器106。在一个实施例中，LGF102通过例如利用低折射率粘合剂来粘结而耦合到传感器106。在另一个实施例中，LGF102利用LGF102与传感器106之间的低折射率封装剂602耦合到传感器106。在一些实施例中，LGF102经由间隔件206耦合到传感器106。

在块908处，光源104被耦合成与LGF102在光学上连通。光源104可以以允许光从光源104传播以进入LGF102的任何方式耦合到LGF102。

已经参考图1-9描述了用户输入装置100的特定实施例。参考图10-16描述另一个实施例，其中用户输入装置被封装在电路板基板上。具体而言，图10-12图示了在光学手指导航装置的组装过程中的特定步骤，并且图13-16描述了图10-12的光学手指导航装置的某些细节的放大的侧视图和俯视图。

图10是部分装配的光学手指导航装置1000的立体图，其中光学手指导航装置1000包括电路板基板1010、传感器106和光源104，其中传感器和光源与上面参考图1-9所述的那些相似。在图10的实施例中，电路板基板是本领域已知的刚性多层基板。导电路径(未示出)从电路板基板上的导电垫盘延伸到柔性电路板基板1012。柔性电路板基板提供导电路径和导电垫盘，其使得导航装置能够电连接到光学手指导航装置所在的便携式电子系统(诸如便携式电子系统702)。在图10的实施例中，包括传感器106的光学导航电路710和光源104在指定的管芯安装位置处安装到电路板基板。虽然可使用其他的电连接技术，但光学导航电路和光源可利用基于硅核植入(TSV)电连接到电路板基板。光学导航电路和光源安装到电路板基板之后，将LGF安装到电路板基板。

图11是在LGF102已经被安装到电路板基板1010之后、光学手指导航装置1000的立体图。在图11的实施例中，LGF被层叠到电路板基板的上主表面上。例如，利用折射率比LGF低的胶将LGF层叠到电路板基板上。胶应该具有比LGF低的折射率，以使得在LGF内维持TIR。在替换实施例中，在LGF与电路板基板之间维持间隙，该间隙容纳有折射率比LGF低的流体，诸如空气。如图11所示，LGF的主表面112是与电路板基板平行并且与传感器106的平面平行的平面表面。LGF还配置有与光源104的位置对应的孔1014。孔由LGF的侧边缘1014形成，并且在图11的实施例中，虽然侧边缘的其他配置也是可以的，但是LGF的侧面边缘与LGF的主表面垂直。LGF中的孔和光源的位置使得来自光源的光能够通过LGF的侧面边缘射入到LGF中。虽然光源位于LGF内的孔中，但在其他实施例中，LGF不包括孔并且光源位于LGF的组成LGF的外围的侧边缘处。LGF和光源的其他配置也是可以的，只要光以引起TIR的角度射入到LGF中即可。在LGF连接到光学手指导航装置之后，可将装饰性封盖安装到装置上。

图12是已经安装了装饰性封盖1018之后的光学手指导航装置1000的立体图。在图12的实施例中，装饰性封盖是塑料的模制壳体，其覆盖电路板基板1010的外边缘但将LGF102的一部分保持暴露。LGF的暴露部分至少对应于传感器的位置，使得光学手指导航装置的用户能够将手指放置在传感器的位置上方。在图12的实施例中，装饰性封盖具有凸起的周边1020以向装置的用户提供触觉反馈。触觉反馈给予装置的用户以用户手指的理想位置的触觉提示。特别地，装饰性封盖的隆起将用户的手指引导至光学导航装置的适当位置。装饰性封盖的其他实施例也是可以的，包括不提供触觉反馈的实施例。装饰性封盖可被配置为遵循装置被安装在其中的特定的电子系统的设计需求。在实施例中，图12所示的光学手指导航装置可被安装在诸如智能电话等的手持电子通信设备中。

图13是图12的光学手指导航装置1000的侧剖视图。图13的侧剖视图并不与图12的尺寸成比例，并且被提供来图示电路板基板1010、传感器106、光源104和装饰性封盖1018的空间布局。在图13的实施例中，电路板基板包括位于两个非导电层1024和1026之间的导电层1022。传感器电连接到导电层中的迹线(trace)，并且可物理地安装到非导电层中的一者和/或导电层。虽然在图13中没有具体地描绘，但传感器(以及其内封装了传感器的光学导航电路710)利用TSV电连接到导电层，但其他物理连接和电连接也是可以的。

在图13的实施例中，利用折射率比LGF低的胶将LGF102层叠到电路板基板的顶层1024上，并且光源所在的孔1014填充有透明环氧树脂、以对光源提供机械方面的保护以及放电(ESD)保护。

在图13的实施例中，空隙1030存在于传感器106与LGF102的下主表面之间。空隙可填充有空气或者某些其他流体或固体材料。在替换实施例中，LGF可直接被层叠到传感器或传感器封装的顶部上。

在上述实施例中，在LGF102的主表面112上的非平面元件402和502可用于增大在手指界面表面114处离开LGF102的光的量、以增加通过用户的手指散射/反射的光量。参考图4A、4B和图5描述的非平面元件是在LGF的主表面的平面以上延伸的特征。在另一个实施例中，LGF配置有位于LGF的主表面的平面以下的特征的阵列。“光提取特征部”的阵列使得光在手指界面表面114处或其附近离开LGF。由光提取特征部使得光在手指界面表面114处或其附近离开LGF，因此用户输入装置100不依赖于手指接触(以及在被接触表面处产生的TIR的改变)来使得光离开LGF。

光提取特征部的位置、布局和形状控制离开LGF的光的位置、强度和角度。光提取特征部的位置被选择为与传感器106的位置对应，使得由用户的手指反射的光入射在传感器上。在图13中指出了光提取特征部的位置的示例1032。特征的位置、布局和形状理想地选择为，使得离开LGF的光量最优化并且使得光离开LGF的角度最优化。在实施例中，光提取特征部的位置、布局和形状被选择为加强用户手指中的镜面高光和阴影。

图14A是相对于传感器106的位置、LGF102中的光提取特征1034的阵列的俯视图。特征在LGF的上主表面上以19×19的凹陷部阵列配置。在图14A的实施例中，LGF约为50μm厚，并且每个特征部是在LGF的上主表面112中的10μm×10μm×10μm的凹陷部。此外，各个10μm×10μm×10μm凹陷部的一个面具有10μm半径的圆柱形倒角。光提取特征部的倒角面取向为朝向光源104的位置，以从LGF朝向用户的手指提取光的一部分。理想地，光提取特征部提取足够的光以使得能够进行精确的跟踪，但又不是那么多光以致于图像特征的质量降低到使得移动跟踪变得不精确的点位。

图14B是来自图14A的LGF102在剖面线A-A处的侧剖视图。图14B图示了光提取特征部1034是在LGF的上主表面112的平面以下延伸的LGF中的凹陷部。在图14B的实施例中，光提取特征部的倒角面1036面朝光源104的位置，使得射入的光1038在倒角面处入射在光提取特征部上。特别地，在图14B中，光由于TIR而传播通过LGF并且然后遇到光提取特征部之一的倒角面。倒角面的角度不会引起TIR并且因此光离开LGF。当用户的手指接触或非常靠近LGF时，离开LGF的光被反射。反射光的一部分将向回通过LGF并且由传感器检测。

图15描绘了来自图14A和14B的光提取特征部之一的实施例的立体图。在图15的实施例中，光提取特征部是LGF中的10μm×10μm×10μm的凹陷部，凹陷部的一个面1036以10μm的半径被倒圆或倒角。虽然这里描述了光提取特征部阵列的位置、布局和形状的一些示例，但其他位置、布局和形状是可以的。

图16描绘了在光提取特征部的位置处、与LGF接触的用户手指。用户手指相对于传感器的横向运动将引起在便携式电子系统中的导航标识的相应运动。

在实施例中，在传感器的正上方，期望约1mm×1mm的LGF上的照射范围。在实施例中，LGF可染成期望的颜色。例如，LGF可染成在使红外光通过的同时对人类观察者呈现黑色。

虽然以特定顺序示出并描述了这里的方法的操作，但是可以改变每个方法的操作顺序，以使得可以以相反顺序执行特定操作或者使得至少可以部分地与其他操作同时执行特定操作。在另一个实施例中，可以以间歇和/或交替的方式实施独特操作的指令或子操作。

虽然已经描述并示出了本发明的特定实施例，但是本发明不限于这里描述和示出的特定形式或部件布置。本发明的范围由权利要求及其等价范围所限定。

相关申请的交叉引用

本申请是2009年1月23日提交的同样未决的申请No.12/487,191的部分续案申请，并且是2009年6月18日提交的同样未决的申请No.12/487,359的部分续案申请，这两个申请的全部公开内容通过引用结合于此。

Claims (17)

1.一种光学手指导航装置，包括：

光导膜LGF，其中所述LGF的至少一部分表现出全内反射TIR，其中所述LGF的厚度在10微米和100微米之间；

光源，其光源与所述LGF光学连通，并且被配置为将光射入到所述LGF中；

传感器，其被配置为对从所述LGF出射的光在从靠近所述LGF的手指反射之后进行检测；

导航模块，其被配置为响应于从所述手指反射并由所述传感器检测的光来生成横向运动信息，所述横向运动信息指示所述手指相对于所述传感器的横向运动；以及

电路板基板，其中所述光源、所述传感器以及所述导航模块连接到所述电路板基板，且其中所述LGF直接被层叠到所述电路板基板，在所述电路板基板和所述LGF之间没有光学透镜的介入。

2.根据权利要求1所述的光学手指导航装置，其中所述LGF包括主表面和侧边缘，并且其中所述光源被配置为在所述侧边缘处将光射入到所述LGF中。

3.根据权利要求1所述的光学手指导航装置，其中所述LGF包括多个光提取特征部，所述多个光提取特征部使得光通过与所述传感器相反的表面从所述LGF出射。

4.根据权利要求3所述的光学手指导航装置，其中所述多个光提取特征部包括在所述LGF的主表面处的多个凹陷部。

5.根据权利要求3所述的光学手指导航装置，其中所述多个光提取特征部形成在所述LGF内。

6.根据权利要求1所述的光学手指导航装置，其中所述LGF包括具有平面部分的主表面以及至少部分地在具有所述平面部分的平面之外的多个非平面元件，其中所述非平面元件使得光从所述LGF出射。

7.根据权利要求6所述的光学手指导航装置，其中所述非平面元件包括凹入到所述LGF的所述主表面的下方的多个光提取特征部。

8.根据权利要求7所述的光学手指导航装置，其中所述多个光提取特征部包括具有圆柱形倒角的凹陷部的阵列。

9.根据权利要求6所述的光学手指导航装置，其中所述多个非平面元件被成形为加强在所述手指中的镜面高光和阴影。

10.一种光学手指导航装置，其包括：

电路板基板；

传感器，其连接到所述电路板基板，所述传感器包括个体光检测器的阵列；

光导膜LGF，其厚度在10微米和100微米之间且直接安装到所述电路板基板，在所述电路板基板和所述LGF之间没有光学透镜，并且，被放置成靠近所述传感器以使得所述传感器位于所述电路板基板与所述LGF的至少一部分之间，在所述传感器和所述LGF之间没有光学透镜；

光源，其安装到所述电路板基板并且被配置为将光射入到所述LGF的边缘表面中；以及

导航模块，其被配置为响应于从手指反射并由所述传感器检测的光来生成横向运动信息，所述横向运动信息指示所述手指相对于所述传感器的横向运动。

11.根据权利要求10所述的光学手指导航装置，其中利用折射率比所述LGF低的胶将所述LGF直接层叠到所述电路板基板。

12.根据权利要求10所述的光学手指导航装置，其中所述LGF包括多个光提取特征部。

13.一种便携式手持电子系统，其包括：

显示器，其包括导航标识；

光学手指导航装置，其被配置为基于根据手指相对于所述光学手指导航装置的运动而检测到的光图案的改变、来生成用于移动所述导航标识的导航信号，所述光学手指导航装置包括：

电路板基板；

光导膜LGF，其厚度在10微米和100微米之间，其中所述LGF的至少一部分表现出全内反射TIR，并且其中所述LGF直接被层叠到所述电路板基板，在所述电路板基板和所述LGF之间没有光学透镜；

光源，其连接到所述电路板基板且与所述LGF光学连通，并且被配置为将光射入到所述LGF中；

传感器，其连接到所述电路板基板且被配置为对从所述LGF出射的光在从靠近所述LGF的手指反射之后进行检测；以及

导航模块，其被配置为响应于从所述手指反射并由所述传感器检测的光来生成横向运动信息，所述横向运动信息指示所述手指相对于所述传感器的横向运动。

14.根据权利要求13所述的便携式手持电子系统，其中所述LGF包括多个光提取特征部，所述多个光提取特征部使得光从所述LGF出射。

15.根据权利要求14所述的便携式手持电子系统，其中所述LGF包括主表面，并且其中所述多个光提取特征部包括在所述LGF中的在主表面处的多个凹陷部。

16.根据权利要求13所述的便携式手持电子系统，其中所述LGF包括主表面和侧边缘，并且其中所述光源被配置为在所述侧边缘处将光射入到所述LGF中。

17.根据权利要求13所述的便携式手持电子系统，其中所述LGF包括主表面和形成完全穿透所述LGF的孔的侧边缘，并且其中所述光源被放置在所述LGF的所述孔内，以使得所述光在所述LGF的所述侧边缘处射入到所述LGF中，以及其中所述孔填充有透明环氧树脂。