TWI407335B - Pen type optical input device - Google Patents

Description

筆型光學輸入裝置

本發明係有關於一種光學輸入裝置，特別是一種筆型光學輸入裝置。

隨著科技的快速發展，電腦作業系統已廣泛地應用於日常生活中。一般在電腦作業系統的操作上，使用者必須藉由滑鼠、觸控板或軌跡球等周邊輸入裝置控制游標的移動，以便於在電腦設備之視窗介面輸入操作指令。以光學滑鼠為例，為了讓使用者在執行一般光學滑鼠移動游標和點擊/選取頁面資料的功能外，可一併的以光學滑鼠進行文字的書寫或對頁面資料劃線註解，因此目前在光學滑鼠的結構設置上，已發展出光學筆或筆型光學滑鼠等輸入裝置。

舉例而言，如美國公告US 6,151,015號公告專利所揭露之筆型電腦指標裝置，其係於筆型殼體內部設置發光二極體(light emitting diode，LED)或雷射光二極體、光感測器及透鏡。藉由上述之發光二極體發出的光線投射至如桌面之工作面上，待光線於工作面產生反射光線後，再利用透鏡將反射光線折射至光感測器，以藉由光感測器檢知光線變化並成像，而產生對應的游標移動訊號傳輸至電腦設備。當筆型光學滑鼠移動時，其移動軌跡被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最後利用光學滑鼠內部的介面微處理器對所攝取的圖像進行分析處理，以藉由對這些圖像上特徵點位置的變化進行分析，以判斷滑鼠的移動方向和移動距離，進而完成游標的定位。

惟，目前在這種類型的光學滑鼠中，由於其透鏡與光感測器係以相互平行的關係設置於殼體內，即透鏡之光軸方向平行於光感測器之法線方向。因此，當使用者以一般握筆姿勢(如筆桿傾斜於工作面)進行筆型光學滑鼠的操作時，由於透鏡之光軸係傾斜於工作面，將一併使透鏡相對工作面的物距改變(如增長或縮短)。

然而，在透鏡之焦距以及光感測器的感測範圍皆為固定的情形下，當透鏡與工作面之物距改變，將使反射光線在經由透鏡折射後所形成的成像範圍無法落入於焦點內。例如反射光線的成像範圍超出光感測器的感測範圍，以致於反射光線無法完整的成像於光感測器上而產生模糊影像，進而使光感測器在讀取光信號時造成混亂，並導致光感測器所感測之影像的品質(如對比度)降低，甚至是無法正確的定位游標的情況發生。

鑒於以上的問題，本發明提供一種筆型光學輸入裝置，藉以改良習知筆型光學滑鼠在使用上，當透鏡之光軸傾斜於工作面時，由於透鏡至工作面的物距改變，使反射光線在經由透鏡折射後所產生的成像範圍超出光感測器之感測範圍，而導致影像品質降低的問題。

本發明揭露一種筆型光學輸入裝置，包括一本體、一光源、一光感測單元及一透鏡，光源、光感測單元及透鏡設置於本體內，且光感測單元相對透鏡之一側具有一光接收面。光源係發出一光線至本體外，並於本體外產生一反射光線，光感測單元則接收此反射光線，而透鏡係將反射光線折射至光感測單元。其中，光接收面之法線係傾斜於透鏡之光軸，且光接收面之法線與透鏡之光軸間具有一第一夾角，第一夾角之角度係與透鏡之放大倍率成正比。

本發明另揭露一種筆型光學輸入裝置，包括一本體及一光機模組，光機模組係設置於本體內，並可相對本體擺動及/或沿本體之軸心方向移動。光機模組包含有一光源、一光感測單元及一透鏡，且光感測單元相對透鏡之一側具有一光接收面。其中，光接收面之法線係傾斜於透鏡之光軸，且光接收面之法線與透鏡之光軸間具有一第一夾角，第一夾角之角度係與透鏡之放大倍率成正比。

本發明所揭露之筆型光學輸入裝置，於本體內設置有光源、透鏡及光感測單元，且光感測單元之光接收面的法線傾斜於透鏡之光軸，藉以增加光感測單元於本體內的感測範圍。因此，當透鏡之光軸傾斜於工作面，使透鏡至工作面的物距改變時，可藉由光接收面之法線與光軸間所具有的夾角角度，補償光軸與工作面之法線間所形成的傾斜角度，使透鏡折射後之反射光線可完全的落入於光感測單元的感測範圍內，而維持良好的影像品質。

以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

如「第1圖」和「第2圖」所示，本發明第一實施例所揭露之筆型光學輸入裝置10，包括一本體110、一光源120、一透鏡130及一光感測單元140。本體110為一中空圓桿結構，而形成一近似於筆桿的外型。本體110具有相對之一第一端111及一第二端112，並且在第二端112之端面具有一透光孔113。光源120、透鏡130及光感測單元140係設置於本體110內相鄰於第二端112之位置。光源120可以是但不限於發光二極體(light emitting diode，LED)，亦可是雷射二極體(laser diode)等可發射具指向性光線之發光元件。透鏡130及光感測單元140係對應於本體110之透光孔113，且透鏡130係介於光感測單元140與透光孔113之間。透鏡130可為雙凸透鏡、雙凹透鏡、或凹凸透鏡等各種型態的透鏡，透鏡130並具有一光軸131，光軸131之方向係平行於本體110之軸心方向。在本實施例中，係以光軸131位於本體110之軸心位置做為舉例說明，但並不以此為限。

光感測單元140具有一電路板141及一光感測器142，光感測器142係電性設置於電路板141上，此光感測器142可以是但不限於電荷耦合元件(Charged Coupled Device，CCD)或互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide semiconductor，CMOS)。其中，光感測器142相對透鏡之一側具有一光接收面1421，且光接收面1421之法線143(即垂直於光接收面1421之虛構線)係傾斜於透鏡130之光軸131(即透鏡130前後表面之球面中心點的連線)，而與光軸131之間形成一夾角θ₁ ，此夾角θ₁ 之角度大小係與透鏡130之放大倍率成正比關係。因此，光感測單元140係依據所使用之透鏡130形式而對應設置於筆型光學輸入裝置10中，例如：當透鏡130之放大倍率為一倍時，夾角θ₁ 之角度大小為30°；當透鏡130之放大倍率小於一倍時，夾角θ₁ 之角度大小介於10°~30°之間；而當透鏡130之放大倍率大於一倍時，夾角θ₁ 之角度大小則介於30°~50°之間。

請同時參閱「第2圖」和「第3圖」，在筆型光學輸入裝置10的使用上，當使用者以筆型光學輸入裝置10相對於一工作面20(如桌面或滑鼠墊等)垂直操作時，透鏡130之光軸131係平行於工作面20的法線210(即垂直於工作面20之虛構線)。此時，藉由光源120發射一光線至本體110外，光線係經由透光孔113傳遞至工作面20上，並於工作面20上形成一反射光線。接著，反射光線再經由透光孔113進入本體110內，並受到透鏡130的折射作用而傳遞至光感測單元140，進而被光感測器142所接收。由於折射後的反射光線完全的落入於光感測器142的感測範圍內，因此可完全的成像於光感測器142而得到一完整的影像。

另外，當使用者以筆型光學輸入裝置10相對於工作面20傾斜操作時，即以一般握筆姿勢操作筆型光學輸入裝置10時，筆型光學輸入裝置10之軸心方向係傾斜於工作面20之法線210，使透鏡130之光軸131亦傾斜於工作面20之法線210，而與工作面20之法線210之間具有另一夾角θ₂ ，例如角度介於10°~50°。並且，光感測器142之光感測面1421的法線143與光軸131間之夾角θ₁ ，以及工作面20之法線210與光軸131間之夾角θ₂ 係位於光軸131的同一側。

此時，相對於垂直操作而言，雖然光軸131傾斜於工作面20之法線210，會造成透鏡130與工作面20之間的物距改變，而使反射光線折射至光感測器142的成像範圍擴大。然而，由於光感測器142之光感測面1421的法線143亦同時傾斜於光軸131，使光感測器142相對透鏡130的感測範圍亦隨之增加，以藉由光感測面1421之法線143與光軸131之間的夾角θ₁ 補償光軸131與工作面20之法線210間所產生的夾角θ₂ ，使反射光線在經由透鏡130折射後可完全的成像於光感測器142上。因此，可避免反射光線經折射後的成像範圍大於光感測器142的感測範圍，所導致成像品質不佳的問題。

此外，在本發明所揭露之筆型光學輸入裝置10中，光源120、透鏡130及光感測單元140除了可採用固設於本體110內部的設置方式外，亦可如「第4圖」和「第5圖」所示，採用可相對本體110活動的設置方式。

請參閱「第4圖」和「第5圖」，本發明第二實施例所揭露之筆型光學輸入裝置10，包括一本體110及一光機模組150。本體110為一近似筆桿外型之中空圓桿結構，且本體110具有相對之一第一端111及一第二端112，其中在第二端112之端面具有一透光孔113，並且在第二端112連接於端面的相對二側面上，分別設置有連通於本體110內部的二縱向滑槽114、114'及二橫向滑槽115。二縱向滑槽114、114'係沿本體110之軸心方向，自第二端112朝第一端111依序設置於本體110上。橫向滑槽115則沿垂直於二縱向滑槽114、114'的方向設置於本體110，且二橫向滑槽115係於本體110上，設置在相鄰於第一端111之縱向滑槽114'之相對二端，並與此縱向滑槽114'相連通。

光機模組150具有一外殼151、一光源120、一透鏡130及一光感測單元140。外殼151具有二成對的轉軸152及調整桿153，成對的轉軸152及調整桿153分別對應穿設過本體110同一側面上之二縱向滑槽114、114'。請配合「第6圖」和「第7圖」，轉軸152及調整桿153可同步地滑動於縱向滑槽114、114'內，並帶動外殼151沿本體110之軸心方向於第一端111及第二端112之間滑動。並且，調整桿153另可選擇性的在橫向滑槽115內移動，以帶動外殼151沿本體110之徑向方向，相對本體110擺動。其中，外殼151相對本體110移動及擺動的設置方式亦可為其他種型式，並不以本發明所揭露之實施例為限。

請再次參閱「第4圖」和「第5圖」，外殼151另具有一開口154，開口154對應於本體110之透光孔113，光源120設置於外殼151內相鄰於開口154的位置。光源120可以是但不限於發光二極體或雷射二極體等可發射具指向性光線之發光元件。透鏡130及光感測單元140設置於外殼151內對應於開口154之位置，透鏡130並介於開口154及光感測單元140之間。透鏡130可為雙凸透鏡、雙凹透鏡、或凹凸透鏡等各種型態的透鏡，透鏡130並具有一光軸131，且光軸131係位於外殼151的軸心位置。

光感測單元140具有一電路板141及一電性設置於電路板141上之光感測器142。光感測器142可為電荷耦合元件或互補式金屬氧化物半導體等，但並不以此為限。光感測器142並具有一光接收面1421，光接收面1421係配置於光感測器142相對透鏡130之一側，且光接收面1421之法線143係傾斜於透鏡130之光軸131，而與光軸131之間形成一夾角θ₁ ，此夾角θ₁ 之角度大小係與透鏡130之放大倍率成正比關係。因此，光感測單元140係依據所使用之透鏡130形式而對應設置於筆型光學輸入裝置10中。在本實施例中，係以透鏡130之放大倍率為一倍，夾角θ₁ 之角度大小為30°做為舉例說明，但並不以此為限。

請同時參閱「第4圖」和「第8圖」，當使用者以筆型光學輸入裝置10相對於工作面20傾斜操作時，即以一般握筆姿勢操作筆型光學輸入裝置10時，使透鏡130之光軸131傾斜於工作面20之法線210，而形成另一夾角θ₂ ，例如角度大小為30。之夾角θ₂ 。並且，光感測器142之光接收面1421的法線143與光軸131間之夾角θ₁ ，以及工作面20之法線210與光軸131間之夾角θ₂ 係位於光軸131的同一側。此時，可藉由光接收面1421之法線143與光軸131之間的夾角θ₁ 補償光軸131與工作面20之法線210間所產生的夾角θ₂ ，使反射光線在經由透鏡130折射後可完全的成像於光感測器142上，以維持穩定的成像品質。

並且，在筆型光學輸入裝置10的操作上，另可依據透鏡130與工作面20之間的距離；或透鏡130之光軸131與工作面20之間傾斜角度的改變，使用者可操控轉軸152及調整桿153於本體110之縱向滑槽114、114'內滑動(如「第5圖」所示)；或操控調整桿153於本體110之橫向滑槽115內移動(如「第6圖」所示)，以藉由光機模組150可相對本體110移動及擺動的特性，而對透鏡130與工作面20之間的距離以及光軸131與工作面20之間的傾斜角度進行微調整，以維持折射後之反射光線的成像範圍落入光感測器142的感測範圍中，而具有穩定的成像品質。

如「第9圖」所示為本發明所揭露之第三實施例之剖面示意圖。本發明第三實施例所揭露之筆型光學輸入裝置10包括一本體110、一光源120、一透鏡130及一光感測單元140。本體110為一中空圓桿結構，本體110具有相對之一第一端111及一第二端112，第二端112具有一接觸面116及一透光孔113，透光孔113係設置於接觸面116並貫通接觸面116，且接觸面116相對第一端111之另一側具有一貼抵部117，用以在筆型光學輸入裝置10進行操作時抵觸於工作面20上(如「第10圖」所示)。其中，第一端111之軸心係傾斜於第二端112之接觸面116。

光源120設置於本體110內相鄰於透光孔113之位置，光源120可為發光二極體或雷射二極體等可發射具指向性光線之發光元件。透鏡130及光感測單元140設置於本體110內相鄰於第二端112之位置，透鏡130介於光感測單元140與透光孔113之間。透鏡130可為雙凸透鏡、雙凹透鏡、或凹凸透鏡等各種型態的透鏡，且透鏡130具有一光軸131，光軸131之方向係平行於第一端111之軸心方向。在本實施例中，光軸131係位於第一端111之軸心位置，使接觸面116之法線118(即垂直於接觸面116之虛構線)傾斜於光軸131，而與光軸131之間具有一第二夾角θ₄ ，且第二夾角θ₄ 之角度大小係介於10°~50°之間。

光感測單元140具有一電路板141及一光感測器142，光感測器142電性設置於電路板141上，光感測器142可為電荷耦合元件或互補式金屬氧化物半導體等，但並不以此為限。光感測器142相對透鏡130之一側具有一光接收面1421，且光接收面1421之法線143傾斜於透鏡130之光軸131，而與光軸131之間形成一第一夾角θ₃ ，第一夾角θ₃ 之角度大小可設置為10°~50°之間，且第一夾角θ₃ 之角度大小與透鏡130之放大倍率成正比關係。

其中，第一夾角θ₃ 及第二夾角θ₄ 之角度大小與透鏡130之放大倍率之間的相對關係為：當透鏡130之放大倍率為一倍時，第一夾角θ₃ 與第二夾角θ₄ 之角度相等；當透鏡130之放大倍率小於一倍時，第一夾角θ₃ 之角度小於第二夾角θ₄ 之角度；以及當透鏡130之放大倍率大於一倍時，第一夾角θ₃ 之角度則大於第二夾角θ₄ 之角度。例如，當透鏡130之放大倍率為一倍時，若第二夾角θ₄ 之角度大小為30°，則第一夾角θ₃ 之角度大小亦為30°；而當透鏡130之放大倍率為0.5倍時，若第二夾角θ₄ 之角度為30°，則第一夾角θ₃ 之角度大小為15°。在本實施例中，係以透鏡130之放大倍率為一倍，第一夾角θ₃ 及第二夾角θ₄ 之角度皆為30°做為舉例說明，但並不以此為限。

請同時參閱「第9圖」和「第10圖」，在筆型光學輸入裝置10的使用上，使用者可握持於本體110之第一端111，並以第二端112之貼抵部117抵觸於工作面20上。此時，接觸面116係平行於工作面20，並藉由第一端111之軸心傾斜於接觸面116的設置方式，一併使第一端111傾斜於工作面20，而形成近似於使用者於握筆時，筆桿與工作面20之間的傾斜角度。

當使用者操作筆型光學輸入裝置10時，係藉由光源120發射一光線，並經由透光孔113傳遞至工作面20。之後，光線受到工作面20反射形成一反射光線，此反射光線再經由透光孔113進入本體110內，並受到透鏡130的折射作用而傳遞至光感測單元140，而被光感測器142所接收。此時，由於透鏡130之光軸131分別與接觸面116之法線118以及工作面20之法線210之間具有相同的傾斜角度，即第二夾角θ₄ 之角度大小相等於夾角θ₂ 之角度大小，使第一夾角θ₃ 之角度大小亦相等於夾角θ₂ 之角度大小。

因此，可藉由第一夾角θ₃ 補償本體110之第一端111與工作面20之間的傾斜角度，並使光感測器142相對透鏡130的感測範圍增加，進而使折射後之反射光線可完全的成像於光感測器142的感測範圍內，而不會因為光軸131至工作面20之間的物距改變，而導致反射光線的成像範圍超出光感測器142之感測範圍的情形發生。

此外，在本實施例中，亦可如本發明第二實施例所揭露之筆型光學裝置10的設置方式，於本體110上設置一可沿本體110之軸心方向移動及相對本體110擺動之外殼151，如「第11圖」所示。並且，將光源120、透鏡130及光感測單元140設置於此外殼151中，使外殼151、光源120、透鏡130及光感測單元140構成一光機模組150的形式。因此，在筆型光學輸入裝置10的使用上，當使用者因個人的使用習慣，造成本體110之接觸面116與工作面20無法形成相互平行的狀態時(即光軸131與工作面20之法線210間的角度大小產生改變時)，可移動或擺動外殼151在本體110內的相對位置，以改變透鏡130之光軸131至工作面20的物距及/或光軸131與工作面20之法線210間的角度大小，使夾角θ₃ 可維持於夾角θ₂ 的補償範圍內。

例如，當光軸131與工作面20之法線210之間的夾角θ₂ 從30°改變為35°或25°時，可藉由調整外殼151相對本體110的擺動角度，將光軸131與工作面20之法線210間的夾角θ₂ 從35°或25°修正為30°，以維持夾角θ₂ 與第一夾角θ₃ 之間的相對關係，並保持光感測器142對於反射光線的感測範圍，使折射後之反射光線可完全的成像於光感測器142，而獲得良好的影像品質。

本發明所揭露之筆型光學輸入裝置，於本體內設置光源、透鏡及包含有光感測器之光感測單元，並使光感測器之光接收面的法線傾斜於透鏡之光軸，藉以增加光感測器的感測範圍。因此，當使用者以一般握筆姿勢(即筆桿傾斜於工作面)握持筆型光學輸入裝置時，可藉由光接收面之法線與光軸之間所具有的夾角角度，補償光軸與工作面之法線之間所形成的傾斜角度，使反射光線在經由透鏡折射後所產生的成像範圍，可完全的落入於光感測器的感測範圍內，而獲得良好的影像品質。

雖然本發明之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．筆型光學輸入裝置

110．．．本體

111．．．第一端

112．．．第二端

113．．．透光孔

114．．．縱向滑槽

114'．．．縱向滑槽

115．．．橫向滑槽

116．．．接觸面

117．．．貼抵部

118．．．接觸面之法線

120．．．光源

130．．．透鏡

131．．．光軸

140．．．光感測單元

141．．．電路板

142．．．光感測器

1421．．．光接收面

143．．．光接收面之法線

150．．．光機模組

151．．．外殼

152．．．轉軸

153．．．調整桿

154．．．開口

20．．．工作面

210．．．工作面之法線

θ₁ ．．．夾角

θ₂ ．．．夾角

θ₃ ．．．第一夾角

θ₄ ．．．第二夾角

第1圖為本發明第一實施例之立體示意圖；

第2圖為本發明第一實施例之剖面示意圖；

第3圖為本發明第一實施例之使用狀態示意圖；

第4圖為本發明第二實施例之立體示意圖；

第5圖為本發明第二實施例之剖面示意圖；

第6圖為本發明第二實施例之光機模組沿本體軸心方向移動之作動示意圖；

第7圖為本發明第二實施例之光機模組相對本體擺動之作動示意圖；

第8圖為本發明第二實施例之使用狀態示意圖；

第9圖為本發明第三實施例之剖面示意圖；

第10圖為本發明第三實施例之使用狀態示意圖；以及

第11圖為本發明第三實施例設置有外殼之剖面示意圖。

10．．．筆型光學輸入裝置

110．．．本體

111．．．第一端

112．．．第二端

113．．．透光孔

116．．．接觸面

117．．．貼抵部

118．．．接觸面之法線

120．．．光源

130．．．透鏡

131．．．光軸

140．．．光感測單元

141．．．電路板

142．．．光感測器

1421．．．光接收面

143．．．光接收面之法線

θ₃ ．．．第一夾角

θ₄ ．．．第二夾角

Claims (12)

1. 一種筆型光學輸入裝置，包括有：一本體；一光源，設置於該本體內，該光源發出一光線至該本體外，並於該本體外產生一反射光線；一光感測單元，設置於該本體內，該光感測單元接收該反射光線；以及一透鏡，設置於該本體內，該反射光線係經由該透鏡折射至該光感測單元；其中，該光感測單元相對該透鏡之一側具有一光接收面，該光接收面之法線係傾斜於該透鏡之光軸，且該光接收面之法線與該透鏡之光軸間具有一第一夾角，該第一夾角之角度係與該透鏡之放大倍率成正比。
2. 如請求項1所述之筆型光學輸入裝置，其中該本體具有一透光孔及一接觸面，該透光孔設置於該接觸面，該光線係經由該透光孔穿過該本體，該反射光線係經由該透光孔進入該本體。
3. 如請求項2所述之筆型光學輸入裝置，其中該接觸面之法線傾斜於該透鏡之光軸，且該接觸面之法線與該透鏡之光軸間具有一第二夾角，該第二夾角之角度係與該透鏡之放大倍率成正比。
4. 如請求項3所述之筆型光學輸入裝置，其中該透鏡之放大倍率為一倍，該第一夾角之角度相等於該第二夾角之角度。
5. 如請求項3所述之筆型光學輸入裝置，其中該透鏡之放大倍率小於一倍，該第一夾角之角度小於該第二夾角之角度。
6. 如請求項3所述之筆型光學輸入裝置，其中該透鏡之放大倍率大於一倍，該第一夾角之角度大於該第二夾角之角度。
7. 一種筆型光學輸入裝置，包括有：一本體；以及一光機模組，設置於該本體內，並可相對該本體擺動及/或沿該本體之軸心方向移動，該光機模組具有一光源、一光感測單元及一透鏡，該光感測單元相對該透鏡之一側並具有一光接收面；其中，該光接收面之法線係傾斜於該透鏡之光軸，且該光接收面之法線與該透鏡之光軸間具有一第一夾角，該第一夾角之角度係與該透鏡之放大倍率成正比。
8. 如請求項7所述之筆型光學輸入裝置，其中該本體具有一透光孔及一接觸面，該透光孔設置於該接觸面，該光源係發出一光線，該光線經由該透光孔穿過該本體，並於該本體外產生一反射光線，且該反射光線由該透光孔進入該本體，並經由該透鏡折射至該光接收面。
9. 如請求項8所述之筆型光學輸入裝置，其中該接觸面之法線傾斜於該透鏡之光軸，且該接觸面之法線與該透鏡之光軸間具有一第二夾角，該第二夾角之角度係與該透鏡之放大倍率成正比。
10. 如請求項9所述之筆型光學輸入裝置，其中該透鏡之放大倍率為一倍，該第一夾角之角度相等於該第二夾角之角度。
11. 如請求項9所述之筆型光學輸入裝置，其中該透鏡之放大倍率小於一倍，該第一夾角之角度小於該第二夾角之角度。
12. 如請求項9所述之筆型光學輸入裝置，其中該透鏡之放大倍率大於一倍，該第一夾角之角度大於該第二夾角之角度。