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Eine
Zeigevorrichtung ist eine übliche
Komponente eines Computersystems, mittels derer eine Bedienperson
den Computer unter Verwendung seiner graphischen Benutzerschnittstelle
(GUI – graphical
user interface) steuern kann. Über
die Jahre wurden zu diesem Zweck verschiedene Zeigevorrichtungen
entwickelt, einschließlich
Joysticks, Trackballs, mechanische Mäuse, Lichtstifte und in jüngerer Zeit optische
Mäuse.
Außerdem
gibt es verschiedene Arten von Digitalisierungstabletts, die üblicherweise eine
Schreibnadel verwenden.
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Das
Hauptziel dieser Zeigevorrichtungen besteht darin, die Bewegung
der Hand einer Bedienperson in Signale zu übersetzen, die der Computer
nutzen kann. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass ein Cursor auf
dem Bildschirm des Monitors des Computers angezeigt wird, wobei
sich der Cursor ansprechend auf die Bewegung der Hand des Benutzers
bewegt. Befehle, die durch den Benutzer ausgewählt werden können, werden üblicherweise
per Tastendruck bezüglich
der Position des Cursors eingestellt. Dieser gewünschte Befehl kann dadurch
ausgewählt werden,
dass mittels einer Bewegung der Zeigevorrichtung zunächst der
Cursor an der entsprechenden Stelle auf dem Bildschirm platziert
wird und anschließend
eine Taste oder ein Schalter auf der Zeigevorrichtung aktiviert
wird.
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Eine
Positionssteuerung einer Cursorplatzierung auf dem Monitorbildschirm
wurde anfänglich
dadurch erhalten, dass die relative Bewegung eines Joysticks oder
einer Maus bezüglich
eines feststehenden Bezugsrahmens, der bei einer Maus die obere
Oberfläche
eines Schreibtisches oder einer Mausauflagefläche sein konnte, detektiert
wurde. Eine übliche
Tech nik besteht darin, eine in der Maus befindliche Kugel zu verwenden,
die im Betrieb die Schreibtischoberfläche oder sonstige Oberfläche berührt und rollt,
wenn sich die Maus bewegt. In der Maus befinden sich zwei Rollen,
die die Kugel berühren
und rollen, wenn die Kugel rollt. Eine der Rollen ist derart orientiert,
dass sie eine Bewegung in einer nominellen X-Richtung detektiert,
und die andere ist im 90-Grad-Winkel zu der ersten Rolle orientiert,
so dass sie eine Bewegung in der zugeordneten Y-Richtung detektiert.
Die Rollen sind mit getrennten Wellen verbunden, und jede Welle
ist mit einem getrennten optischen Codierer verbunden, der ein elektrisches Signal
ausgibt, das einer Bewegung seiner zugeordneten Rolle entspricht.
Dieses Signal wird entsprechend codiert und üblicherweise als Binärdaten an den
Computer gesendet, der wiederum das Signal, das er empfängt, decodiert
und den Cursor auf dem Computerbildschirm um einen Betrag, der der
physischen Bewegung der Maus entspricht, bewegt.
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In
jüngerer
Zeit verwendet man optische Navigationstechniken, um die Bewegungssignale
zu erzeugen, die eine relative Bewegung entlang der Richtungen von
Koordinatenachsen angeben. Diese Techniken werden beispielsweise
bei optischen Computermäusen
verwendet, um herkömmliche Mäuse und
Trackballs zu ersetzen, wiederum zum Zweck der Positionssteuerung
von Bildschirmzeigevorrichtungen in Fensterbenutzerschnittstellen
für Computersysteme.
Derartige Techniken weisen mehrere Vorteile auf, u.a. das Fehlen
von sich bewegenden Teilen, die Schmutz ansammeln und die mechanischen
Verschleiß aufweisen.
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Eine
Bewegung in einem System, das optische Navigationstechniken verwendet,
wird dadurch gemessen, dass die relative Verschiebung einer Serie
von Bildern nachverfolgt wird. Zuerst wird eine zweidimensionale
Ansicht eines Bereichs der Referenzoberfläche auf ein Array von Photodetektoren
fokussiert, deren Ausgänge
digitalisiert und als Referenzbild in einem entsprechenden Speicherarray
gespei chert werden. Kurze Zeit später wird ein zweites Bild digitalisiert.
Wenn keine Bewegung erfolgte, so sind das Muster des anschließend an
das Referenzbild erhaltenen Bildes und das Muster des Referenzbildes
im Wesentlichen identisch. Wenn dagegen eine Bewegung erfolgt ist,
so hat sich das Muster des nachfolgenden Bildes entlang der Bewegungsachse verschoben,
wobei das Ausmaß der
Verschiebung des Musters des Bildes dem Ausmaß der physischen Bewegung des
Arrays aus Photosensoren entspricht. Die optische Maus, die statt
der mechanischen Maus zur Positionssteuerung bei Computersystemen
verwendet wird, verwendet diese Technik.
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In
der Praxis können
die Richtung und der Umfang der Bewegung der optischen Maus dadurch gemessen
werden, dass das Muster des Referenzbildes mit einer Serie von verschobenen
Versionen des Musters des zweiten Bildes verglichen wird. Dasjenige
verschobene Bild, das am besten der tatsächlichen Bewegung der optischen
Maus entspricht, wird dadurch ermittelt, dass eine Kreuzkorrelation
zwischen dem Referenzbild und jedem der verschobenen zweiten Bilder
durchgeführt
wird, wobei die wahrscheinlichste korrekte Verschiebung den größten Korrelationswert
liefert. Nachfolgende Bilder können unter
Verwendung des soeben beschriebenen Verfahrens dazu verwendet werden,
eine nachfolgende Bewegung der optischen Maus anzugeben. Optische Navigationssensoren
arbeiten dadurch, dass sie eine Serie von Bildern in einer zu Grunde
liegenden beleuchteten Oberflächentextur
erhalten. Diese Oberfläche
weist eine Mikrotextur auf.
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Eine
weitere Vorrichtung jüngeren
Datums ist das Tastfeld, das ursprünglich zur Verwendung bei Laptop-Computern
entwickelt wurde. Tastfelder sind empfänglich für die Berührung eines Fingers eines Benutzers.
Sie ermöglichen
es einem Benutzer, einen Cursor lediglich dadurch auf dem Computerbildschirm
zu bewegen, dass er eine Fingerspitze über die Oberfläche des
Tastfeldes bewegt. Das Vorhandensein des Fingers des Benutzers wird
durch ein Array von kapazitiven Sensoren detektiert, die in einem Gitter
unterhalb der O berfläche
des Tastfeldes angeordnet sind. Eine Navigation des Cursors auf
dem Computerbildschirm funktioniert mittels einer kapazitiven Kopplung
des Fingers des Benutzers mit dem Array von Sensoren. Der Finger
des Benutzers gleitet über
eine versiegelte Oberfläche,
unter der zwei Schichten aus feinen elektrischen Leitern liegen,
die in einem Gitter angeordnet sind und die ein elektrisches Feld
auf der Oberfläche
erzeugen. Durch ein Berühren
der Oberfläche
mit einer Fingerspitze wird das elektrische Feld an diesem Punkt
verzerrt. Die berührende
Fingerspitze kann lokalisiert werden, indem das Gitter abgetastet
und die Intensität
der Verzerrung an jedem Leiter detektiert wird. Diese Technologie,
die eine Form einer Kapazitivdetektion ist, wird als Feldverzerrungsdetektion
bezeichnet. Die Richtung der auf dem Bildschirm befindlichen Maus oder
des auf dem Bildschirm befindlichen Cursors wird direkt durch die
Bewegung der Fingerspitze einer Person auf der Oberfläche des
Tastfeldes beeinflusst. Eine unterstützende Software ermöglicht eine kundenspezifische
Auslegung der Beschleunigung der Maus und auch eine Zuweisung von
Maus-„Anklick"- und -„Zieh-Sperre"-Funktionen. Die
Größe derartiger
Tastfelder variiert je nach Hersteller und Modell. Manche weisen
lediglich die Größe eines
2 Zoll mal 2 Zoll (2,54 cm mal 2,54 cm) betragenden Quadrats auf.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Detektionssystem
sowie ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu liefern.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Detektionssystem gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren
gemäß Anspruch
13 gelöst.
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Bei
repräsentativen
Ausführungsbeispielen wird
ein Detektionssystem offenbart. Das Detektionssystem umfasst ein
Substrat, einen Laser und ein Sensorarray. Das Substrat umfasst
eine erste Oberfläche,
eine vom Entwurf her in mehrere Bereiche unterteilte zweite Oberfläche und
eine dritte Oberfläche. Der
Laser ist dahin gehend konfiguriert, eine elektromagnetische Strahlung
in das Substrat auszustrahlen, die anschließend auf Bereiche der zweiten
Oberfläche
einfällt.
Das Sensorarray ist dahin gehend konfiguriert, eine von der zweiten
Oberfläche
abreflektierte elektromagnetische Strahlung zu erfassen. Wenn ein
erstes Dielektrikum, das eine erste Dielektrizitätskonstante aufweist, in Kontakt
mit manchen Bereichen steht, erfährt
eine darauf auftreffende elektromagnetische Strahlung eine innere
Totalreflexion, und wenn ein zweites Dielektrikum, das eine zweite
Dielektrizitätskonstante
aufweist, in Kontakt mit anderen Bereichen steht, wird ein Teil
der darauf auftreffenden elektromagnetischen Strahlung durch das
zweite Dielektrikum in das Substrat zurückreflektiert. Das Sensorarray
ist dahin gehend konfiguriert, eine Lasergranulation, die aus dem
Auftreffen der elektromagnetischen Strahlung an der zweiten Oberfläche stammt,
zu detektieren, und eine von dem zweiten Dielektrikum abreflektierte
elektromagnetische Strahlung zu detektieren.
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Bei
einem anderen repräsentativen
Ausführungsbeispiel
ist ein Verfahren offenbart. Das Verfahren umfasst ein Beleuchten
einer Oberfläche
mit einem Laser, ein Platzieren eines Postens an einer ersten Stelle
auf der Oberfläche,
ein Erfassen eines von der beleuchteten Oberfläche abreflektierten ersten Musters
durch ein Sensorarray, ein Speichern des erfassten ersten Musters
in einer Datenspeicherungsvorrichtung, ein Bewegen des Postens zu
einer zweiten Stelle auf der Oberfläche, ein Erfassen eines von der
beleuchteten Oberfläche
abreflektierten zweiten Musters durch das Sensorarray, und ein Berechnen der
Positionsänderung
des Postens von der ersten Stelle durch Vergleichen des erfassten
ersten Musters mit dem erfassten zweiten Muster.
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Andere
Aspekte und Vorteile der hierin dargestellten repräsentativen
Ausführungsbeispiele
ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, die
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen, die visuelle Darstellungen liefern,
näher erläutert, wobei
gleiche Bezugszeichen entsprechende Elemente identifizieren. Es
zeigen:
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1A eine
Zeichnung einer Laserbeleuchtung, die auf eine glatte, reflektierende
Oberfläche einfällt;
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1B eine
Zeichnung einer Laserbeleuchtung, die auf eine mikroskopisch raue,
reflektierende Oberfläche
einfällt,
was zu einer Granulation führt;
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2 eine
Zeichnung eines Detektionssystems, wie es in verschiedenen repräsentativen
Ausführungsbeispielen
beschrieben ist;
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3 eine
Zeichnung einer Ansicht einer zweiten Oberfläche in einem senkrechten Winkel
zu dieser Oberfläche,
wie in verschiedenen repräsentativen
Ausführungsbeispielen
beschrieben ist;
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4 eine
weitere Zeichnung des Detektionssystems, wie es in verschiedenen
repräsentativen
Ausführungsbeispielen
beschrieben ist; und
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5 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Positionsänderung
unter Verwendung einer Lasergranulation, wie sie in verschiedenen
repräsentativen
Ausführungsbeispielen
beschrieben ist.
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Wie
in den Zeichnungen zu Veranschaulichungszwecken gezeigt ist, werden
in dem vorliegenden Dokument repräsentative Ausführungsbeispiele
eines neuartigen Positionsdetektionssystems offenbart. Bisher werden
verschiedene Navigationsvorrichtungen wie z.B. Joysticks, Trackballs,
mechanische Mäuse,
Lichtstifte, optische Mäuse
und Digitalisierungstabletts verwendet, um einen Cursor auf dem
Bildschirm eines Computers zu treiben. Jedoch stellen bei handelsüblichen
elektronischen Miniaturprodukten wie z.B. Mobiltelefonen mechanische Kippschalter
die derzeitige Navigationstechnologie dar. Die Auswahl einer bestimmten,
vorprogrammierten elektronischen Funktion wird dadurch bewerkstelligt,
dass eine Seite einer kreisförmigen
Scheibe gedrückt
wird. Diese Technologie ist einfach und kosteneffektiv. Jedoch ist
ihre Auswahlflexibilität
auf die vier möglichen
diskreten Kipphebelpositionen (nach oben/nach unten und links/rechts),
die oft mit einer Miniaturanzeige gekoppelt sind, beschränkt.
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Bei
repräsentativen
Ausführungsbeispielen ist
ein fortschrittlicheres Navigationssystem offenbart, bei dem die
Detektion einer Lasergranulation mit der Bewegung eines Fingers
zum Treiben einer Cursorbewegung auf einer Miniaturanzeige auf ähnliche
Weise wie bei einer Computermaus kombiniert ist.
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In
der folgenden ausführlichen
Beschreibung und in den mehreren Figuren der Zeichnungen sind gleiche
Elemente mit gleichen Bezugszeichen identifiziert.
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1A ist
eine Zeichnung einer Laserbeleuchtung 110, die auf eine
glatte, reflektierende Oberfläche 120 einfällt. Licht 110 von
einem Laser ist kohärent
oder gleichphasig und bleibt auch so, wenn es, wie in 1A,
von einer absolut glatten reflektierenden Oberfläche abreflektiert wird. Die
sich im Anschluss an eine Reflexion von der glatten Oberfläche 120 ergebende
Welle ist als reflektiertes Laserlicht 111 gezeigt.
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1B ist
eine Zeichnung einer Laserbeleuchtung 110, die auf eine
mikroskopisch raue, reflektierende Oberfläche 120 einfällt, was
zu einer Granulation führt.
Wenn das Laserlicht 110 jedoch auf eine mikroskopisch raue
Oberfläche 120 einfällt, wie
in 1B, wird ein Teil des einfallenden Laserlichts 110 von
den mikroskopischen Unebenheiten 121 zerstreut, wodurch
ein Muster aus hellen und dunklen „Sprenkeln" bzw. Granalien (engl.: speckles) erzeugt
wird, das durch ein Sensorarray detektiert werden kann. Diese Streuung
ist in 1B als gestreutes Licht 112 gezeigt
und wird hierin auch als Granulationslicht 112 bezeichnet.
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2 ist
eine Zeichnung eines Detektionssystems 200, wie es in verschiedenen
repräsentativen
Ausführungsbeispielen
beschrieben ist. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst das Detektionssystem 200 ein
Substrat 210, einen Laser 220 und ein Sensorarray 230.
Das Substrat 210 umfasst eine erste Oberfläche 211,
eine zweite Oberfläche 212 und
eine dritte Oberfläche 213.
Der Laser 220 ist dahin gehend konfiguriert, Licht 110 oder,
allgemeiner, eine elektromagnetische Strahlung 110 über die
erste Oberfläche 211 in
das Substrat 210 auszustrahlen, wobei es anschließend auf
die zweite Oberfläche 212 einfällt. Das
Licht 110 von dem Laser 220 wird als gebündelter
Strahl ausgestrahlt und folgt dem Pfad 240 in und durch
das Substrat 210, wenn ein erstes Dielektrikum 250,
das eine erste Dielektrizitätskonstante
aufweist, in Kontakt mit der zweiten Oberfläche 212 steht. In
einem solchen Fall sind die Dielektrizitätskonstante des Substrats 210 und
der Einfallswinkel des Lichts 110 auf die zweite Oberfläche 212 derart,
dass das Licht 110 eine innere Totalreflexion erfährt, derart, dass
im Wesentlichen kein Licht 110 in das erste Dielektrikum 250 entweicht.
Das erste Dielektrikum 250 könnte beispielsweise Luft oder
ein anderes geeignetes Material sein. Damit eine innere Totalreflexion
erfolgt, muss die Dielektrizitätskonstante
des Substrats 210 größer sein
als die Dielektrizitätskonstante
des ersten Dielektrikums 250.
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Nachdem
das Licht 110 von der zweiten Oberfläche 212 abreflektiert
wurde, wandert das Licht zu der dritten Oberfläche 213. Die dritte
Oberfläche 213 umfasst
einen ersten Abschnitt 213a und einen zweiten Abschnitt 213b.
Der erste Abschnitt 213a ist derart verspiegelt, dass jegliches
von der zweiten Oberfläche 212 darauf
einfallende reflektierte Licht 111 wieder in das Substrat 210 zurückreflektiert
wird. Das Sensorarray 230 ist dahin gehend konfiguriert,
das auf den zweiten Abschnitt 213b der dritten Oberfläche 213 einfallende
Licht 110 zu empfangen. Üblicherweise ist das Detektionssystem 200 jedoch
derart entworfen, dass im Fall des Nichtvorliegens einer Granulation
und dann, wenn das erste Dielektrikum 250 in Kontakt mit
der zweiten Oberfläche 212 steht,
der Lichtstrahl 110 von dem Laser 220 nicht auf
den zweiten Abschnitt 213b der dritten Oberfläche 213 einfällt. Jedoch
führen
mikroskopische Unebenheiten 121 bei der zweiten Oberfläche 212 sowie
mikroskopische Unebenheiten 121 bei dem ersten Abschnitt 213a der
dritten Oberfläche 213 zur
Aufnahme eines Teils des Lichts 110 auf das Sensorarray 230.
Somit ist das Sensorarray 230 dahin gehend konfiguriert,
eine Lasergranulation, die aus dem Einfall des Lichts 110 an
der zweiten Oberfläche 212 herrührt, zu
detektieren, sowie jegliche Lasergranulation, die aus dem Einfall/der
Reflexion des Lichts 110 an dem zweiten Abschnitt 213a und
dem anschließenden
Einfall/der anschließenden
Reflexion an der zweiten Oberfläche 212 herrührt, zu
detektieren.
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Ferner
kann der erste Abschnitt 213a der dritten Oberfläche 213 einen
ersten und einen zweiten Teilabschnitt 213a-1, 213a-2 umfassen.
Der erste Teilabschnitt 213a-1 könnte verspiegelt sein, und
der zweite Teilabschnitt 213a-2 könnte anderweitig ausfallen.
Beispielsweise könnte
der zweite Teilabschnitt 213a-2 mit einem schwarzen oder
anderen Material bedeckt oder beschichtet sein, das das Licht 110 entweder
teilweise oder vollständig
absorbiert, um Fremdlicht 110, das auf das Sensorarray 230 einfällt, zu
verringern und dadurch das Sensorarray 230 sensibler bezüglich des
zerstreuten Lichts 110 der Granulation zu machen. Der zweite
Teilabschnitt 213a-2 könnte
auch transparent sein und somit ermöglichen, dass das Licht 110 aus
dem Substrat 210 austritt. Man beachte, dass ein Teil des
Lichts 110 von dem Laser 220, das nicht durch
Granulation zerstreut wird, eine nützlichen Informationen enthält und das, wenn
ermöglicht wird,
dass es durch das Sensorarray 230 gesammelt wird, eine
Detektion des zerstreuten Lichtes 110 schwierig machen
kann.
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Zur
Vereinfachung der Veranschaulichung sind die mikroskopischen Unebenheiten 121 in
der zweiten Oberfläche 212,
die mikroskopischen Unebenheiten 121 in dem ersten Abschnitt 213a der
dritten Oberfläche 213 und
das resultierende zerstreute Licht 112 nicht in 2 gezeigt.
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3 ist
eine Zeichnung einer Ansicht der zweiten Oberfläche 212 in einem Winkel,
der zu dieser Oberfläche 212 senkrecht
ist, wie sie in verschiedenen repräsentativen Ausführungsbeispielen
beschrieben ist. In 3 ist die zweite Oberfläche 212 vom
Konzept her in mehrere Bereiche 212m aufgeteilt gezeigt,
von denen der Übersichtlichkeit
halber lediglich einer identifiziert ist. Es wird betont, dass die mehreren
kleinen Bereiche 212m lediglich konzeptionell sind und
lediglich zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden.
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4 ist
eine weitere Zeichnung des Detektionssystems 200, wie es
in verschiedenen repräsentativen
Ausführungsbeispielen
beschrieben ist. In 4 steht ein zweites Dielektrikum 260,
das ein Finger, eine Fingerkuppe bzw. -rille (engl.: finger ridge) oder
in anderes geeignetes Material sein könnte, in Kontakt mit einem
Teil der zweiten Oberfläche 212. Insbesondere
steht das zweite Dielektrikum 260 in Kontakt mit einem
oder mehreren der mehreren Bereiche 212m der zweiten Oberfläche 212,
während das
erste Dielektrikum 250 in Kontakt mit verbleibenden Bereichen 212m der
zweiten Oberfläche 212 steht.
Das zweite Dielektrikum 260 weist eine zweite Dielektrizitätskonstante
auf, die ausreichend größer ist
als die erste Dielektrizitätskonstante,
so dass eine innere Totalreflexion in diesen Bereichen 212m der zweiten
Oberfläche 212,
an denen das zweite Dielektrikum 260 in Kontakt steht,
nicht erfolgt. Ergebnisse dessen, dass Laserlicht 110 auf
die zweite Ober fläche 212 in
denjenigen Bereichen 212m einfällt, in denen das erste Dielektrikum 250 in
Kontakt steht, sind dieselben wie für 2 beschrieben.
Für diejenigen Bereiche,
auf denen das zweite Dielektrikum 260 in Kontakt steht,
wird das reflektierte Licht 111 jedoch in Abhängigkeit
von einer Granulation, die zusätzlich durch
das zweite Dielektrikum 260 bewirkt wird, und von den Reflexionscharakteristika
des zweiten Dielektrikums 260 modifiziert. Somit wird das
durch das Sensorarray 230 empfangene Lichtmuster bei Vorliegen
des zweiten Dielektrikums 260 an einer oder mehreren Stellen
auf der zweiten Oberfläche 212 im Vergleich
zu demjenigen, das ohne das Vorliegen des zweiten Dielektrikums 260 empfangen
wird, modifiziert.
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Vor
seiner vollständigen
Reise durch das Substrat 210 kann das Licht 110 einmal
oder mehrere Male auf die zweite Oberfläche 212 einfallen
und von derselben abreflektiert werden. Dieses reflektierte Licht 111 kann
anschließend
einmal oder mehrere Male von der dritten Oberfläche 213 abreflektiert
werden oder wird vielleicht überhaupt
nicht an der dritten Oberfläche 213 abreflektiert. Üblicherweise
ist die zweite Oberfläche 212 parallel
zu der dritten Oberfläche 213,
wobei sie als Wellenleiter fungiert, um das Licht 110 entlang
der Länge
des Substrats nach unten auf das Ende zu lenken, an dem das Sensorarray 230 angeordnet
ist. Ebenfalls ist es üblich,
dass das Licht 110 sowohl an der zweiten als auch an der
dritten Oberfläche 212, 213 mehrere
Reflexionen erfährt.
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Ferner
kann der erste Abschnitt 213a der dritten Oberfläche 213 einen
ersten und einen zweiten Teilabschnitt 213a-1, 213a-2 umfassen.
Der erste Teilabschnitt 213a-1 könnte verspiegelt sein, und
der zweite Teilabschnitt 213a-2 könnte anderweitig ausfallen.
Beispielsweise könnte
der zweite Teilabschnitt 213a-2 mit einem schwarzen oder
anderen Material bedeckt oder beschichtet sein, das das Licht 110 entweder
teilweise oder vollständig
absorbiert, um Fremdlicht 110, das auf das Sensorarray 230 einfällt, zu
verringern und dadurch das Sensorarray 230 sensibler bezüglich des
zerstreuten Lichts 110 der Granulation zu machen. Der zweite
Teilabschnitt 213a-2 könnte
auch transparent sein und somit ermöglichen, dass das Licht 110 aus
dem Substrat 210 austritt. Man beachte, dass ein Teil des
Lichts 110 von dem Laser 220, das nicht durch
Granulation zerstreut wird und nicht durch das zweite Dielektrikum 260 reflektiert
wird, eine nützlichen
Informationen enthält
und das, wenn ermöglicht
wird, dass es durch das Sensorarray 230 gesammelt wird,
eine Detektion des zerstreuten Lichtes 110 schwierig machen
kann.
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Zur
Vereinfachung der Veranschaulichung sind die mikroskopischen Unebenheiten 121 in
der zweiten Oberfläche 212,
die mikroskopischen Unebenheiten 121 in dem ersten Abschnitt 213a der
dritten Oberfläche 213 und
das resultierende zerstreute Licht 112 nicht in 4 gezeigt.
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Das
Sensorarray 230 ist vorzugsweise ein Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-Sensorarray (CMOS-Sensorarray,
CMOS = complementary metal-oxide semiconductor). Jedoch können auch
andere Bilderzeugungsvorrichtungen wie z.B. eine ladungsgekoppelte
Vorrichtung (CCD – charge
coupled-device), ein Photodiodenarray oder ein Phototransistorarray
verwendet werden. Der in 2 und 4 gezeigte
Laser 220 ist vorzugsweise ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser
(VCSEL – vertical-cavity
surface-emitting laser) 220, könnte aber auch jede andere
Art von Laser 220 sein. Der Laser 220 könnte auch
durch eine andere Lichtquelle wie z.B. eine Licht emittierende Diode
(LED – light emitting
diode) oder dergleichen ersetzt werden. Jedoch würde ein Laser 220 eine
bessere Auflösung der
Granulation liefern.
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Das
in 4 gezeigte Detektionssystem 200 umfasst
ferner eine Navigationsschaltung 470, die Signale 455 von
dem Sensorarray 230 sammelt. Die gesammelten Signale 455 können anschließend in eine
Datenspeicherungsvorrichtung 480, die ein Speicher 480 sein
könnte,
eingespeichert werden. Das Detektionssystem 200 kann auch
eine Steuerung 490 umfassen.
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Im
Betrieb kann durch Verwendung des Sensorarrays 230, um
aufeinander folgende Belichtungen zu erfassen, eine relative Bewegung
zwischen dem zweiten Dielektrikum 260 und der zweiten Oberfläche 212 detektiert
werden. Wenn sich das zweite Dielektrikum 260 an einer
ersten Stelle befindet, wird ein resultierendes erstes Muster erfasst
und an die Navigationsschaltung 470 transferiert, die es
anschließend üblicherweise
in dem Speicher 480 speichert. Eine anschließende Bewegung
des zweiten Dielektrikums 260 bezüglich der zweiten Oberfläche 212 zu
einer zweiten Stelle führt
zu einem zweiten Muster, das sich auf Grund der unterschiedlichen
Position des zweiten Dielektrikums 260 von dem ersten Muster
unterscheidet. Die relative Bewegung des zweiten Dielektrikums 260 kann
seitens der Navigationsschaltung 470 durch Vergleichen
des ersten und des zweiten Musters berechnet werden.
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Das
Sensorarray 230 erfasst Muster mit einer Rate, die durch
die Anwendung bestimmt wird und die von Mal zu Mal variieren kann.
Die erfassten Muster sind repräsentativ
für die
verschiedenen Bereiche 212m der zweiten Oberfläche 212,
wie sie durch das Vorliegen und die Position des zweiten Dielektrikums 260 modifiziert
werden. Diese Positionsinformationen werden als Positionssignal 475 an
die Steuerung 490 transferiert. Die Steuerung 490 erzeugt
anschließend
ein Ausgangssignal 495, das dazu verwendet werden kann,
einen Cursor 497 oder einen anderen Indikator 497 auf
einem Bildschirm 499 zu positionieren.
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Die
Navigationsschaltung 470 und/oder der Speicher 480 kann
als fester Bestandteil der Navigationsschaltung 470 oder
getrennt von derselben konfiguriert sein. Ferner kann die Navigationsschaltung 470 beispielsweise
als zweckgebundener digitaler Signalprozessor, als anwendungsspezifische
integ rierte Schaltung oder als Kombination von Logikgattern implementiert
sein, ist aber nicht beschränkt hierauf.
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5 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens 500 zum Bestimmen einer
Positionsänderung unter
Verwendung einer Lasergranulation gemäß der Beschreibung in verschiedenen
repräsentativen
Ausführungsbeispielen.
Bei Block 510 wird eine Oberfläche 212 mit Licht 110 von
einem Laser 220 beleuchtet. Anschließend transferiert der Block 510 die
Steuerung an den Block 520.
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Bei
Block 520 wird ein Muster, das eine Granulation umfasst,
hierin auch als Granulationsmuster bezeichnet, und das von der beleuchteten
Oberfläche 212 zerstreut
wird, durch das Sensorarray 230 erfasst. Der Block 520 transferiert
anschließend
die Steuerung an den Block 530.
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Bei
Block 530 wird das erfasste Granulationsmuster in einem
Speicher 480 gespeichert. Der Block 530 transferiert
anschließend
die Steuerung an den Block 540.
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Bei
Block 540 wird das nächste
Granulationsmuster, das von der beleuchteten Oberfläche 212 zerstreut
wird, durch das Sensorarray 230 erfasst. Anschließend transferiert
der Block 540 die Steuerung an den Block 550.
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Bei
Block 550 wird das nächste
erfasste Granulationsmuster in einem Speicher 480 gespeichert. Der
Block 550 transferiert anschließend die Steuerung an den Block 560.
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Bei
Block 560 werden zwei erfasste Granulationsmuster verglichen,
um zu ermitteln, welche Positionsänderung eines Postens 260 (zweites
Dielektrikum 260), der eventuell auf der Oberfläche 212 platziert
wurde, detektiert wurde. Der Block 560 transferiert anschließend die
Steuerung an den Block 570.
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Bei
Block 570 transferiert der Block 570, falls eine
Positionsänderung
detektiert wird, die Steuerung an den Block 580. Andernfalls
transferiert der Block 570 die Steuerung an den Block 540.
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Bei
Block 580 wird ein Bewegungsindikator 497, beispielsweise
ein Cursor 497 auf einem Bildschirm 499, ansprechend
auf die berechnete Positionsänderung
bewegt. Der Block 580 transferiert anschließend die
Steuerung an den Block 540.
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Zusammenfassend
gesagt wurde ein System offenbart, das eine Lasergranulation zur
Positionsbestimmung und -navigation verwendet. Bei repräsentativen
Ausführungsbeispielen
können
die hierin offenbarten Lehren dazu verwendet werden, kompakte, kostengünstige Systeme
zu liefern, die die Bewegung eines Fingers auf einer Oberfläche für derartige
Zwecke nutzen können.
Der Detektionsprozess nutzt das als Lasergranulation bekannte optische
Phänomen,
bei dem Licht von einem fokussierten Laser durch eine mikroskopisch
raue Oberfläche zerstreut
wird, wobei das resultierende reflektierte Licht ein Muster aus
hellen und dunklen Sprenkeln erzeugt.
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Laserlicht
wird aus einer Quelle ausgestrahlt, in einen Wellenleiter gekoppelt
und beispielsweise durch einen Siliziumsensor detektiert. Eine Bewegung
eines Fingers auf der Oberfläche
des Wellenleiters verändert
das Lichtmuster auf dem Sensor. Diese Veränderung kann durch ein Sensorarray
detektiert werden. Die Wellenleiterstruktur weist mehrere Vorteile
auf. Erstens verringert sie mit der Laserausgabe verbundene Bedenken
bezüglich
der Augensicherheit. Die innere Totalreflexion hält das Laserlicht in dem Wellenleiter
(und dem Modul), bis ein Finger ihn berührt. Dann wird das Laserlicht
lediglich von dem Finger abreflektiert, ohne dass er nach außen zu dem
Wellenleiter austritt. Außerdem
erhöht
eine Verwendung der Wellenleiterstruktur die Länge des optischen Pfades durch
das System. Die optische Länge bestimmt
die Granulationsgröße und somit
die Pixelgröße auf dem
Sensorarray. Üblicherweise
wird eine größere Granulationsgröße bevorzugt,
um größere Pixelgrößen auf
dem Sensor zu ermöglichen,
was die Sensitivität
erhöht.
Die Wellenleiterstruktur ermöglicht
eine Erhöhung
der optischen Länge
ohne eine Erhöhung
der Höhe
des Moduls, was bei kleinen, mobilen Anwendungen üblicherweise
sehr gefragt ist.
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Granulationsnavigation
beruht auf einer Kohärentes-Licht-Interferenz-Technologie
und benötigt somit üblicherweise
eine Laserquelle. Das emittierte Licht wird mittels einer Prismastruktur
in den Wellenleiter gekoppelt. Diese Struktur kann gemäß der Darstellung
in 2 und 4 in den Wellenleiter integriert
sein, z.B. durch Spritzgießen
eines Kunststoffteils, oder sie kann von demselben getrennt sein.
Das emittierte Licht wird anschließend durch die Struktur geleitet
und ausgekoppelt, wobei zumindest ein Teil des Lichts durch den
Sensor erfasst wird. Um diese Kopplung zu unterstützen, kann
der Sensor ohne einen Luftzwischenraum, z.B. mittels eines optischen Haftmittels,
an dem Wellenleiter befestigt sein. Wenn kein Finger oder kein anderer
Posten vorliegt oder wenn der Finger stationär ist, detektiert der Sensor ein
stationäres
Granulationsmuster. Wenn sich der Finger bewegt, bewegt sich das
Granulationsmuster an dem Sensor. Diese Veränderung des Granulationsmusters
kann mit dem Sensor detektiert werden. Eine Detektion einer Granulationsbewegung
kann durchgeführt
werden, indem zwei oder mehrere erfasste Muster verglichen werden.
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Die
repräsentativen
Ausführungsbeispiele, die
hierin ausführlich
beschrieben wurden, wurden beispielhaft und nicht als Einschränkung präsentiert. Fachleute
werden verstehen, dass an der Form und an Einzelheiten der beschriebenen
Ausführungsbeispiele
verschiedene Änderungen
vorgenommen werden können,
was zu äquivalenten
Ausführungsbeispielen
führt,
die weiterhin in dem Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche liegen.