CN1928801B - 利用激光散斑的位置检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测系统。该检测系统包括衬底、激光器和传感器阵列。衬底包括第一表面、概念性地分为多个区域的第二表面、以及第三表面。激光器设置为将电磁辐射发射到衬底上，电磁辐射随后入射到第二表面的区域上。传感器阵列设置为捕捉从第二表面反射的电磁辐射。如果具有第一介电常数的第一电介质与某些区域接触，则入射到其上的电磁辐射发生全内反射，如果具有第二介电常数的第二电介质与其他区域接触，则入射到其上的一些电磁辐射由第二电介质反射回衬底中。传感器阵列设置为对入射到第二表面处的电磁辐射引起的激光散斑进行检测，并对从第二电介质反射的电磁辐射进行检测。

Description

利用激光散斑的位置检测系统

技术领域

本发明涉及利用激光散斑的位置检测系统。

背景技术

点选设备(pointing device)是计算机系统的常用组件，通过点选设备，操作者可以用图形用户界面(GUI)来控制计算机。为此目的，多年来已经开发了各种点选设备，包括游戏杆、轨迹球、机械鼠标、光笔以及更近年来的光学鼠标。除此之外，还有各种类型的数字化板(tablet)，它们通常采用手写笔(stylus)。

这些点选设备的主要目标是将操作者的手的运动转变为计算机可以使用的信号。这可以通过在计算机监视器的屏幕上显示光标，并使光标响应于使用者手的运动而运动来实现。使用者可以选择的命令通常与光标的位置对应相连。首先通过点选设备的运动来将光标定位到屏幕上的正确位置，然后触发点选设备上的按键或开关，由此可以选择期望的命令。

对监视器屏幕上的光标定位进行位置控制最初是通过对游戏杆或鼠标相对于固定参考坐标系的相对运动进行检测来获得的，对于鼠标，所述参考参考坐标系可以是桌子的顶面或鼠标垫。常用的技术是利用鼠标中的球，所述的球在工作时与桌面或其他表面接触，并随着鼠标的运动而滚动。鼠标内部有两个滚子，它们与球接触并随着球的滚动而滚动。将滚子之一定向为使之检测标称为X方向的运动，另一个滚子定向为与第一个滚子成90度角，使之对相关的Y方向运动进行检测。这些滚子连接到独立的轴，每个轴连接到独立的光学编码器，光学编码器输出与其相应滚子的运动对应的电信号。对该信号进行适当的编码，并通常以二进制数据形式发送到计算机，计算机对其接收的信号进行解码，并使计算机屏幕上的光标移动一段与鼠标的物理运动相对应的量。

近年来，已经采用光学导航技术来产生对沿坐标轴各方向的相对运动进行指示的运动信号。这些技术已经在例如计算机光学鼠标中用于取代传统的鼠标和轨迹球，并在计算机系统所用的窗口用户界面中用于屏幕指针的位置控制。这种技术具有一些优点，其中包括不需要运动部件，所述运动部件容易积累污垢和受到机械磨损和破坏。

在采用光学导航技术的系统中，运动是通过对一系列图像的相对运动进行跟踪来进行测量的。首先，将参考表面区域的二维视图聚焦到光检测器阵列上，对光检测器的输出进行数字化并存储为相应存储器阵列中的参考图像。一段短暂的时间之后，对第二图像进行数字化。如果没有发生运动，则参考图像后续所获得的图像的图样与参考图像的图样基本相同。另一方面，如果发生了某种运动，则后续图像的图样会沿着运动的轴线偏移，图像中图样的偏离量对应于光传感器阵列的物理运动量。在计算机系统中取代机械鼠标用于位置控制的光学鼠标采用了这样的技术。

实际上，光学鼠标的运动方向和运动量可以通过将参考图像的图样与第二图像中一系列经过偏移的图样进行比较来进行测量。在参考图像与每个偏移的第二图像之间进行彼此相关操作，正确的偏移最可能产生最大的相关值，由此来确定与光学鼠标的实际运动对应最佳的偏移图像。采用上述方法可以用后续图像来指示光学鼠标的后续运动。光学鼠标传感器是通过获取下方被照明表面外观特征的一系列图像来工作的。该表面具有微小的外观特征。

另一种近期的设备是触摸板，它最初是为了用于膝上型计算机使用而开发的。触摸板对于使用者手指的接触很敏感。它们使使用者仅仅通过在触摸板表面上移动指尖就可以使光标在计算机平面上运动。对使用者的指尖是否存在是通过触摸板表面下方网格状布置的电容传感器阵列来检测的。在计算机屏幕上对光标进行导航是通过将使用者的指尖容性耦合到传感器阵列来工作的。使用者的手指在密封表面上方滑动，密封表面下方铺有两层细微的导电体，两层导电体布置成网格状并产生表面电场。用指尖接触该表面会使该点处的电场产生畸变。通过对网格进行扫描并感知每个导体上的畸变程度，可以对接触的指尖进行定位。这种技术是电容传感的一种形式，称为场畸变(field distortion)传感。屏幕上鼠标或光标的方向直接受到人的指尖在触摸板表面上运动的影响。支持软件允许对鼠标的加速进行定制，并赋予鼠标“单击”和“拖曳锁定(drag-lock)”的功能。这种触摸板的尺寸随着制造商和模具而变化。有些小至2英寸×2英寸。

发明内容

在代表性实施例中公开了一种检测系统。检测系统包括衬底、激光器和传感器阵列。衬底包括第一表面、概念性地分为多个区域的第二表面、以及第三表面。激光器设置为将电磁辐射发射到衬底上，电磁辐射随后入射到第二表面的区域上。传感器阵列设置为捕捉从第二表面反射的电磁辐射。如果具有第一介电常数的第一电介质与某些区域接触，则入射到其上的电磁辐射发生全内反射，如果具有第二介电常数的第二电介质与其他区域接触，则入射到其上的一些电磁辐射由第二电介质反射回衬底中。传感器阵列设置为对入射到第二表面处的电磁辐射引起的激光散斑进行检测，并对从第二电介质反射的电磁辐射进行检测。

在另一种代表性实施例中，公开了一种方法。该方法包括用激光器照明表面，将某个项目放在表面上的第一位置处，通过传感器阵列捕捉由被照明的表面反射的第一图样，将捕获的第一图样储存在数据储存装置中，将该项目移动到表面上的第二位置处，通过传感器阵列步骤由被照明的表面反射的第二图样，以及通过将捕捉到的第一图样与捕捉到的第二图样进行比较而计算该项目相对于第一位置的位置改变。

根据下面的详细说明，结合附图，本文所述的代表性实施例的其他方面和优点将更加明白。

附图说明

附图提供了可视的表示形式，可以用于更完整地说明各种代表性实施例，并可以由本领域技术人员用于更好地理解它们及其内在优点。在这些附图中，相同的标号表示相应的组成部分。

图1A是入射到光滑反射表面上的激光照明光线的示意图。

图1B是入射到具有微观粗糙度的反射表面上、引起散斑的激光照明光线的示意图。

图2是各种代表性实施例中所述的检测系统的示意图。

图3是各种代表性实施例中所述的表面从与该表面正交的角度看去的视图。

图4是各种代表性实施例中所述的检测系统的另一示意图。

图5是各种代表性实施例中所述用激光散斑来确定位置改变的方法的流程图。

具体实施方式

如起示例作用的附图所示，本文公开了一种新型位置检测系统的代表性实施例。各种导航装置，例如游戏杆、轨迹球、机械鼠标、光笔、光学鼠标和数字化板，已经被用于驱动计算机屏幕上的光标。但是，在微型电子商品(例如蜂窝电话)中，机械摇臂开关构成目前导航技术的主流。对特定的、预编程的电子功能进行选择是通过按压圆形盘的一侧来实现的。这种技术简便且具有效费比。但是，其选择灵活性被限制在通常与微型显示器耦合的四个可能的离散摇臂位置(上/下和左/右)。在本文的代表性实施例中，公开了一种更精致的导航方案，其中将激光散斑的检测与手指的运动相结合，以类似于计算机鼠标的方式来驱动微型显示器上的光标运动。

在下面的详细说明和几幅附图中，相同的元素用相同的标号来标记。

图1A是入射到光滑反射表面120上的激光照明光线110的示意图。来自激光器的光110是相干或同相的，并且在如图1A所示从理想的光滑反射表面反射时也保持如此。从光滑表面120反射所得的波如反射激光111所示。

图1B是入射到具有微观粗糙度的反射表面120上引起散斑的激光照明光线110的示意图。但是，当激光110入射到具有微观粗糙度的表面120上时，如图1B所示，部分入射激光110由微观缺陷121散射，产生明暗“散斑”图样，这种图样可以由传感器阵列检测。这种散射在图1B中由散射光112表示，本文中也称为散斑光112。

图2是各种代表性实施例中所述的检测系统200的示意图。如图2所示，检测系统200包括衬底210、激光器220和传感器阵列230。衬底210包括第一表面211、第二表面212和第三表面213。激光器220设置为将光110，或者更一般地说，将电磁辐射110通过第一表面211发射到衬底210中，所述光110或电磁辐射110随后入射到第二表面212上。当具有第一介电常数的第一电介质250与第二表面212接触时，来自激光器220的光110是以准直光束形式发射的，并沿着光路240进入和经过衬底210。在此情况下，衬底210的介电常数和光110入射到第二表面212上的角度使得光110受到全内反射，几乎没有光110散失到第一电介质250中。第一电介质250可以是例如空气或其他适当的材料。为了产生全内反射，衬底210的介电常数必须大于第一电介质250的介电常数。

光110由第二表面212反射后随即行进到第三表面213。第三表面213包括第一部分213a和第二部分213b。第一部分213a是镜面式，使得从第二表面212入射到其上的任何反射光111都再次反射回衬底210中。传感器阵列230设置为接收入射到第三表面213的第二部分213b上的光110。但是，检测系统200通常设计为使得在没有散斑、且第一电介质250与第二表面212接触的情况下，来自激光器220的光的光束110不会入射到第三表面213的第二部分213b上。但是，第二表面212中的微观缺陷121以及第三表面213的第一部分213a中的微观缺陷121会使传感器阵列230上接收到一些光110。这样，传感器阵列230设置为对光110在第二表面212上入射所引起的激光散斑进行检测，以及对光110在第一部分213a的入射/反射和随后在第二表面212的入射/反射所引起的任何激光散斑进行检测。

此外，第三表面213的第一部分213a可以包括第一子部分213a-1和第二子部分2131-2。第一子部分213a-1可以是镜面式的，第二子部分213a-2可以是另外的情况。例如，第二子部分213a-2可以由黑色的、或者可以部分或全部吸收光110的其他材料来覆盖或涂敷，以便减小入射到传感器阵列230上的外来光，从而使传感器阵列230对散斑的散射光110更敏感。第二子部分213a-2也可以是透明的，使光110可以射出衬底210。注意，来自激光器220中没有由散斑散射的那部分光110不含有用信息，如果允许它们被传感器阵列230收集，则可能使散射光110难以检测。

为了便于图示，第二表面212中的微观缺陷121、第三表面213的第一部分213a中的微观缺陷121以及造成的散射光112未在图2中示出。

图3是各种代表性实施例中所述的表面212从与表面212正交的角度观察的视图。在图3中，示出的第二表面212被概念性地分为多个区域212m，同样为了便于图示，只标出了其中一个。应当强调，多个小区域212m只是概念性的，只是为了便于说明而使用的。

图4是各种代表性实施例中所述的检测系统200的另一示意图。在图4中，第二电介质260与部分第二表面212接触，第二电介质260可以是手指、指纹中的脊(ridge)或其他适当的材料。具体地说，第二电介质260与第二表面212的多个区域212m中一个或多个接触，同时第一电介质250与第二表面212的其余区域212m接触。第二电介质260具有充分大于第一介电常数的第二介电常数，使得第二表面212中与第二电介质260接触的那些区域212m不发生全内反射。激光110入射到第二表面212中与第一电介质250接触的那些区域212m上的结果与图2所述一样。但是，对于与第二电介质260接触的那些区域，反射光111将根据第二电介质260增加的散斑和第二电介质260的反射特性而改变。因此，在第二表面212上一个或多个位置处存在第二电介质260的情况下，与不存在第二电介质260的情况相比，传感器阵列230接收到的光图样会发生变化。

在完成经过衬底210的整个过程之前，光110可以一次或多次入射到第二表面212上并由其反射。之后，这种反射光111可以由第三表面213反射一次或多次，也可以根本不在第三表面213处反射。通常，第二表面212会平行于第三表面213，作为波导将光110沿衬底长度方向导向设有传感器阵列230的一端。通常，光110会在第二表面212和第三表面213处发生几次反射。

此外，第三表面213的第一部分213a可以包括第一子部分213a-1和第二子部分213a-2。第一子部分213a-1可以是镜面式的，第二子部分213a-2可以是另外的情况。例如，第二子部分213a-2可以由黑色的、或者可以部分或全部吸收光110的其他材料来覆盖或涂敷，以便减小入射到传感器阵列230上的外来光，从而使传感器阵列230对散斑的散射光110更敏感。第二子部分213a-2也可以是透明的，使光110可以射出衬底210。注意，来自激光器220中没有由散斑散射的和没有由第二电介质260反射的那部分光110不含有用信息，如果允许它们被传感器阵列230收集，则可能使散射光110难以检测。

为了便于图示，第二表面212中的微观缺陷121、第三表面213的第一部分213a中的微观缺陷121以及造成的散射光112未在图4中示出。

传感器阵列230优选为互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列。但是，也可以采用其他成像器件，例如电荷耦合器件(CCD)、光电二极管阵列或光电三极管阵列。图2和图4中的激光器220优选为垂直腔面发射激光器(VCSEL)220，但是也可以是其他类型的激光器220。激光器220也可以由其他光源代替，例如发光二极管(LED)等。但是，激光器220会提供更好的散斑分辨率。

图4所示检测系统200还包括导航电路470，它从传感器阵列230收集信号455。之后，收集到的信号455可以储存在数据储存装置480中，数据储存装置480可以是存储器480。检测系统200还可以包括控制器490。

在工作时，通过用传感器阵列230捕捉连续的影像，可以对第二电介质260与第二表面212指尖的相对运动进行检测。在第二电介质260位于第一位置时，捕捉所得的第一图样并传送到导航电路470，然后导航电路470通常将其储存在存储器480中。随后，第二电介质260相对于第二表面212运动到第二位置处，由于第二电介质260的位置不同而产生与第一图样不同的第二图样。通过由导航电路470对第一图样和第二图样进行比较，可以计算出第二电介质260的相对运动。

传感器阵列230以一定速率捕捉图样，该速率取决于应用场合并可以随时间变化。捕捉到的图样代表第二表面212的不同区域212m，所述区域随第二电介质260的存在与否及其位置而改变。这种位置信息作为位置信号475传送到控制器490。控制器490随之产生输出信号495，输出信号495可以用于在屏幕499上对光标497或其他标记497进行定位。

导航电路470和/或存储器480可以设置为导航电路470的一体部分，也可以与之分离。此外，导航电路470还可以用下列方式实现，例如但不限于专用数字信号处理器、专用集成电路、或者是逻辑门的组合。

图5是各种代表性实施例中所述用激光散斑来确定位置改变的方法500的流程图。在方框510处，用来自激光器220的光110照明表面212。然后方框510将控制转到方框520。

在方框520处，通过传感器阵列230捕捉由被照明的表面212散射的含有散斑的图样，本文中也称为散斑图样。然后方框520将控制转到方框530。

在方框530处，将捕捉到的散斑图样储存在存储器480中。然后方框530将控制转到方框540。

在方框540处，通过传感器阵列230捕捉由被照明的表面212散射的下一个散斑图样。然后方框540将控制转到方框550。

在方框550处，将所述下一个散斑图样储存在存储器480中。然后方框550将控制转到方框560。

在方框560处，对两个捕捉到的散斑图样进行比较，以确定表面212上可能检测到了项目260(第二电介质260)的何种位置改变。然后方框560将控制转到方框570。

在方框570处，如果检测到了位置改变，则方框570将控制转到方框580。否则，方框570将控制转到方框540。

在方框580处，响应于计算出的位置改变，移动屏幕499上的运动运动标记497，例如光标497。然后方框580将控制转到方框540。

概括地说，本发明公开了一种系统，该系统将激光散斑用于位置确定和导航。在代表性实施例中，本文所公开的教导可以用于提供紧凑、低成本的系统，该系统将手指在表面上的运动用于上述目的。检测过程采用了称为激光散斑的光学现象，其中，来自经过聚焦的激光器的光由具有微观粗糙度的表面散射，所得的反射光产生亮暗散斑的图样。

光从耦合到波导的光源发射，并由例如硅传感器进行检测。手指在波导表面顶部的运动改变传感器上的光图样。这种改变可以由传感器阵列检测。波导结构具有若干优点。首先，它减少了与激光输出有关的人眼安全性问题。全内反射使激光保持在波导(和模块)内部，直到手指与其接触。因此激光只反射离开手指，而不会泄漏到波导外部。此外，采用波导结构增加了经过系统的光程长度。光程长度决定了散斑尺寸，并因此决定了传感器阵列上的象素大小。通常，更期望较大的散斑尺寸以使传感器上的象素尺寸更大，这样可以提高灵敏度。波导结构允许在不增大模块高度的情况下增加光程长度，这在小型移动应用中通常非常宝贵。

散斑导航是基于相干光干涉技术的，因此通常需要激光光源。发射的光由棱镜结构耦合到波导中。这种结构可以如图2和图4所示(例如通过注射模塑)集成到波导中，也可以与其分开。然后引导发射的光经过该结构并将其耦合出来，使至少部分光由传感器捕获。为了有助于这种耦合，传感器可以例如通过光学粘合剂不带气隙地连到波导。如果没有手指或其他项目存在，或者手指静止不动，则传感器会检测到静止散斑图样。如果手指运动，则传感器上的散布图样也运动。这种散斑图样改变可以通过传感器来检测。可以通过将两个或更多捕获的图样进行比较来对散斑运动进行检测。

本文详细说明的代表性实施例是以示例方式而不是限制方式来进行阐述的。本领域技术人员应当明白，可以在形式和细节上对所述实施例进行各种改变，得到的等效实施例仍然在权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种检测系统，包括：

衬底，所述衬底包括第一表面、分为多个区域的第二表面、以及具有第一部分和第二部分的第三表面，所述第二表面平行于所述第三表面；

激光器，所述激光器设置为将电磁辐射经过所述第一表面发射到所述衬底中，所述电磁辐射随后入射到所述第二表面上；以及

传感器阵列，所述传感器阵列设置为对由所述第二表面反射的和入射到所述第二部分上的电磁辐射进行捕捉，其中，如果具有第一介电常数的第一电介质与所述第二表面接触，则入射到所述第二表面上的电磁辐射发生全内反射，并且如果具有第二介电常数的第二电介质与所述第二表面的一部分接触，则入射到所述第二表面的所述一部分上的电磁辐射的一部分由所述第二电介质反射回所述衬底中，其中，所述第一部分至少部分地设置为对入射到其上的电磁辐射进行反射，其中所述传感器阵列设置为对入射到所述第二表面处的所述电磁辐射引起的激光散斑进行检测，并对由所述第二电介质反射的电磁辐射进行检测，

所述衬底被构造成使得因所述第一电介质而发生全内反射的电磁辐射不到达所述第三表面的第二部分，所述传感器阵列被定位成仅接收入射到所述第三表面的第二部分上的电磁辐射，并且

所述第三表面的第一部分包括第一子部分和第二子部分，其中，所述第一子部分是镜面式表面，所述第二子部分覆盖或涂敷有能够吸收所述电磁辐射的材料，所述第二子部分位于所述第一子部分与所述第三表面的第二部分之间。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其中，除了由散斑产生散射外，入射到所述第二表面中与所述第一电介质接触的区域上的所述电磁辐射不会被所述传感器阵列收集到。

3.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述激光器是垂直腔面发射激光器。

4.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述电磁辐射入射到所述第二表面上至少两次，并入射到所述第三表面上至少一次。

5.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述第一电介质是手指组织或空气。

6.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述第二电介质是手指组织或空气。

7.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述衬底作为来自所述激光器的所述电磁辐射所用的波导。

8.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述第二电介质包括手指的至少一个脊。

9.根据权利要求1所述的检测系统，还包括：

数据储存装置；和

导航电路，其中，所述导航电路设置为从所述传感器阵列收集信号，将收集的所述信号储存在所述数据储存装置中，并通过对收集到的来自不同时间点的信号进行比较来计算所述第二电介质相对于所述第二表面的运动。

10.根据权利要求9所述的检测系统，还包括：

控制器，其中，位置信息作为位置信号从所述导航电路传送到所述控制器，并且其中，所述控制器随后产生可用于对屏幕上的光标进行定位的输出信号。

11.一种用权利要求1所述的检测系统来确定位置改变的方法，包括：

用所述激光器照明所述第二表面；

通过所述传感器阵列捕捉从被照明的所述第二表面反射的散斑图样；

将捕捉到的所述散斑图样储存在数据储存装置中；

通过所述传感器阵列捕捉从被照明的所述第二表面反射的后续散斑图样；以及

通过对至少两个捕捉到的散斑图样进行比较，计算位置改变。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

如果发生了位置改变，则响应于计算得到的所述位置改变移动屏幕上的光标；以及

从所述的捕捉后续散斑图样开始，重复上述步骤。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述散斑图样包括来自与所述第二表面接触的第二电介质的散斑。

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