專利名稱：光學(xué)鼠標(biāo)的制作方法
光學(xué)鼠標(biāo)背景光學(xué)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)使用光源和圖像傳感器來檢測鼠標(biāo)相對于底下的跟蹤表面的移 動以允許用戶操縱虛擬指針在計(jì)算設(shè)備顯示器上的位置。當(dāng)今使用的有兩種一般類型的光 學(xué)鼠標(biāo)體系結(jié)構(gòu)傾斜-LED架構(gòu)和激光架構(gòu)。這些架構(gòu)中的每一個使用光源將光定向到底 下的跟蹤表面上，并使用圖像傳感器來獲取跟蹤表面的圖像。移動是通過獲取該表面的一 系列圖像并經(jīng)由控制器跟蹤在圖像中標(biāo)識的一個或多個表面特征的位置變化來跟蹤的。傾斜-LED光學(xué)鼠標(biāo)以傾斜的入射角將來自發(fā)光二極管(LED)的不相干光朝向跟 蹤平面引導(dǎo)，并且從跟蹤表面散射出來的光由與反射光程傾斜角度放置的圖像檢測器來檢 測。表面圖像的對比度由表面高度變化創(chuàng)建的陰影增強(qiáng)，以便允許區(qū)分表面上的跟蹤特征。相反，激光光學(xué)鼠標(biāo)通過將一般在紅外或紅色波長范圍內(nèi)的一束相干光定向到跟 蹤表面上來運(yùn)作。跟蹤表面的圖像以鏡面反射或近鏡面反射角來檢測。由于低頻表面變化， 表面圖像的對比度是作為鏡面反射的結(jié)果實(shí)現(xiàn)的。某些對比度也可以從反射激光中的干涉 圖案產(chǎn)生。雖然這些架構(gòu)的每一個一般在一定范圍的表面上提供令人滿意的性能，但每一個 也可以在特定表面類型和紋理上顯示出不令人滿意的性能。例如，傾斜-LED光學(xué)鼠標(biāo)在諸 如紙張和馬尼拉信封等粗糙平面上起到很好的作用，因?yàn)榇嬖趶倪@些平面上散射的、可以 由傾斜放置的檢測器檢測到的大量散射光。然而，傾斜-LED光學(xué)鼠標(biāo)在諸如白板、釉面陶 瓷磚、大理石、拋光的/涂色的金屬等光滑平面上可能不能也起到很好的作用，因?yàn)槎鄶?shù)的 入射光以鏡面反射角反射掉，而少量的光達(dá)到檢測器。同樣地，激光鼠標(biāo)可能不能也在粗糙平面上起到很好的作用，尤其是在諸如常在 辦公室環(huán)境中找到的白色復(fù)印機(jī)紙等纖維性平面上。因?yàn)榧す庖圆煌纳疃扰c紙纖維相互 作用，所得的導(dǎo)航圖像可能包含導(dǎo)致具有較短的相干長度的圖像特征的干涉圖案，并且可 能導(dǎo)致去相關(guān)的較差的鼠標(biāo)跟蹤。概述因此，此處描述了被配置成很好地在各種各樣表面上跟蹤的光學(xué)鼠標(biāo)的實(shí)施例。在一個所公開的實(shí)施例中，光學(xué)鼠標(biāo)包括光源，該光源被配置成向跟蹤表面發(fā)射具有在藍(lán) 色可見光譜的范圍內(nèi)的或近藍(lán)色可見光譜的范圍的波長的光；圖像傳感器，該圖像傳感器 相對于光源放置以使得來自由跟蹤表面反射的光的分布中的鏡面部分的光被該圖像傳感 器檢測到；以及控制器，該控制器被配置成從圖像傳感器接收圖像數(shù)據(jù)以及標(biāo)識圖像數(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(xì)描述中進(jìn)一步描述的一些概 念。該概述不旨在標(biāo)識所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或本質(zhì)特征，也不旨在用于幫助確定 所要求保護(hù)的主題的范圍。此外，所要求保護(hù)的主題并不限于解決本發(fā)明的任何部分中提 出的任一或所有缺點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。附圖簡述

圖1示出了光學(xué)鼠標(biāo)的一個實(shí)施例。
圖2示出了有關(guān)圖1的光學(xué)鼠標(biāo)的光學(xué)架構(gòu)的一個實(shí)施例。圖3示出了例示從表面反射的光的分布的鏡面和漫射分量的一個示例的圖示。圖4例示了入射在透明介質(zhì)板上的光的反射和透射。圖5示出了作為介質(zhì)板集合的跟蹤表面的示意性模型。圖6例示了入射在金屬表面上的光束的穿透深度。圖7示出了有和沒有熒光增白劑的白紙的反射率的比較的圖形。圖8例示了從一張紙的多個纖維層反射的入射光束的反射的簡化模型。圖9示出了隨著鼠標(biāo)移過白紙表面，通過激光鼠標(biāo)圖像檢測器的圖像的相關(guān)的示 意性描述。圖10示出了隨著鼠標(biāo)移過白紙表面，通過不相干藍(lán)光鼠標(biāo)圖像檢測器的圖像的 相關(guān)的示意性描述。圖11示出了描述跟蹤光學(xué)鼠標(biāo)在跟蹤表面上的運(yùn)動的方法的流程圖。詳細(xì)描述圖1示出了光學(xué)鼠標(biāo)100，而圖2例示了有關(guān)光學(xué)鼠標(biāo)100的光學(xué)架構(gòu)的一個實(shí) 施例。光學(xué)架構(gòu)200包括被配置成向跟蹤表面206發(fā)射光束204以使得光束204入射在跟 蹤表面上的位置210處的光源202。光束204相對于跟蹤表面206的法線208具有入射角 θ。光學(xué)架構(gòu)200還包括放置在光源202和跟蹤表面206之間用于校準(zhǔn)光束204的準(zhǔn)直透
^Ml O光源202被配置成發(fā)射藍(lán)色可見光譜范圍內(nèi)或近藍(lán)色可見光譜范圍的光。此處所 使用的術(shù)語“藍(lán)色可見光譜范圍內(nèi)或近藍(lán)色可見光譜范圍”以及“藍(lán)”、“藍(lán)光”等描述了包 括在例如400-490nm范圍內(nèi)的藍(lán)色可見光譜范圍內(nèi)或近藍(lán)色可見光譜范圍的一個或多個 發(fā)射譜線或發(fā)射帶的光。這些術(shù)語也可以描述能夠激活熒光增白劑的近UV到近綠光范圍 內(nèi)的光，如以下更詳細(xì)描述的。在各個實(shí)施例中，光源202可以被配置成輸出不相干光或相干光，并且可以使用一個或多個激光、LED、OLED (有機(jī)發(fā)光二極管)、窄帶LED或任何其他合適的發(fā)光設(shè)備。此 夕卜，光源202可以被配置成發(fā)射看起來藍(lán)色的光，或者可以被配置成發(fā)射觀察者看起來為 除了藍(lán)色以外的光。例如，白色的LED光源可以利用結(jié)合其他顏色的LED、結(jié)合閃爍物或諸 如摻雜鈰的釔鋁石榴石等熒光體、或結(jié)合發(fā)射其他光波長的其他結(jié)構(gòu)的藍(lán)色LED晶粒(例 如由InGaN組成)以產(chǎn)生用戶看起來為白色的光。在又一實(shí)施例中，光源202包括結(jié)合通 過藍(lán)光的帶通濾波器的普通寬帶源。由于從這些結(jié)構(gòu)發(fā)射的光中存在藍(lán)色波長，因此這種 LED落入此處所使用的“藍(lán)光”的意義內(nèi)。繼續(xù)圖1，入射光束204的某些部分以大約鏡面反射角γ (其等于入射角θ )的分 布如所示的在212處從跟蹤平面206反射。某些反射光212由透鏡214成像到圖像傳感器 216上。如圖1中所示，圖像傳感器216以鏡面角度或近鏡面角度放置，以使得它檢測到反 射光212的分布的鏡面部分內(nèi)的至少一部分光。如下所述，使用藍(lán)色光源結(jié)合以鏡面角度 放置來檢測反射光的圖像檢測器可以提供勝于其他光學(xué)架構(gòu)的各種優(yōu)點(diǎn)。圖像傳感器216被配置成將圖像數(shù)據(jù)提供給控制器218?？刂破?18被配置成從 圖像傳感器216獲取圖像數(shù)據(jù)的多個時序幀，處理圖像數(shù)據(jù)以定位跟蹤表面的多個時序圖 像中的一個或多個跟蹤特征，以及跟蹤跟蹤表面的多個時序圖像的位置變化以跟蹤光學(xué)鼠標(biāo)100的運(yùn)動。表面特征的定位和跟蹤可以用任何適當(dāng)?shù)姆绞綀?zhí)行，并且不在此做更詳細(xì) 的描述。當(dāng)圖像傳感器216被配置成檢測反射光分布的鏡面部分中的光時，它可以檢測來 自表面的鏡面反射片(patch)，其表現(xiàn)為表面的圖像上的亮片。相反，傾斜排列的檢測器一 般被用于檢測跟蹤表面的圖像中的陰影而非反射片。由此，由于當(dāng)傳感器處于鏡面配置時 比傳感器處于傾斜配置時有更多的光達(dá)到圖像傳感器216，因此，在鼠標(biāo)100的快速移動期 間，在鏡面反射的光中對圖像的檢測可以允許較短的積分時間和更加準(zhǔn)確的跟蹤。較短的 積分時間也可以允許光源受到較短的“開”時間的脈沖，由此減少作為時間的函數(shù)的由光源 吸取的電流并增加電池壽命。此外，使用鏡面或近鏡面圖像傳感器配置也可以允許使用較 低功率的光源，這也可以有助于增加電池壽命。增加達(dá)到圖像傳感器216的光量可以提供除了較短的積分時間和較低的功耗之 外的其他優(yōu)點(diǎn)。例如，光學(xué)系統(tǒng)的景深與系統(tǒng)的光圈成反比。當(dāng)在每單位時間有較大量的 光達(dá)到檢測器時，可以減小系統(tǒng)的光圈，由此增加系統(tǒng)的景深并通過減少圖像處的光學(xué)象 差來改進(jìn)成像性能。由此，在景深較大處，跟蹤表面206相對于圖像傳感器216的高度可以 具有較大的變化，而沒有性能的損失。與傾斜架構(gòu)系統(tǒng)的制造中的容限相比，這可以允許關(guān) 于圖像傳感器216和相關(guān)聯(lián)的透鏡214的相對高度/定位的較寬松的制造容限，并由此導(dǎo) 致較低的制造成本。入射光束204可以被配置成與跟蹤表面206有任何適當(dāng)?shù)慕嵌?。在某些?shí)施例中， 入射光束204可以被配置成相對于跟蹤表面法線具有相對較陡的角度。這可以允許關(guān)于鼠 標(biāo)中的光源202和/或圖像傳感器的相對水平和垂直定位的較松散的制造容限，因?yàn)榕c使 用較淺的入射光角度(即接近平行)相比，這些部分的定位中的誤差不會導(dǎo)致光束被集中 在跟蹤表面上位置210中的一樣大程度的偏移量。適當(dāng)?shù)慕嵌鹊氖纠ǖ幌抻谙鄬τ?跟蹤表面法線0到40度的范圍。圖3示出了從跟蹤表面反射的光的分布300的圖示的一個示例。分布300包括鏡 面分布分量302和漫射分布分量304，它們組合產(chǎn)生分布300。漫射分量從進(jìn)入跟蹤表面并 經(jīng)歷多次反射和折射的光線的散射產(chǎn)生。相反，鏡面分量從入射光線的單次反射產(chǎn)生。表 面可以被認(rèn)為是由多個平面反射元件組成，其中每個元件具有其自己的定向。所得的反射 分布在鏡面方向周圍，其中分布的鏡面分量的寬度是表面粗糙度的函數(shù)。鏡面分布分量302 和漫射分布分量304的相對貢獻(xiàn)可以取決于跟蹤表面的性質(zhì)而變化，但是一般地分布300 在鏡面反射角Y處或接近鏡面反射角Y處具有最大的光強(qiáng)度，而當(dāng)遠(yuǎn)離鏡面反射角Y時 具有較低的強(qiáng)度。在沒有表面缺陷或吸收的理想鏡子的情況下，在鏡面角度處100%的入 射光被反射。如圖3中所示，來自諸如紙、金屬和木材等普通的非鏡子表面的反射光在鏡面 反射角或接近鏡面反射角處比在分布的其他點(diǎn)處具有更高的強(qiáng)度。如此處所使用的，術(shù)語 “反射光的分布的鏡面部分”可以指散射光分布中位于鏡面、類鏡子反射(“鏡面軸”)的方 向的+/-20度內(nèi)的部分。圖像傳感器216可以被配置成在相對于鏡面反射角的任何適當(dāng)?shù)慕嵌忍帣z測光。 一般而言，光的強(qiáng)度在鏡面反射角處會是最高的。然而，諸如圖像傳感器的靈敏度等其他因 素會促成將檢測器放置在鏡面角度之外，但是仍然位于反射光分布的鏡面部分內(nèi)。對于被 配置成檢測從金屬反射表面到地毯和織物表面的寬泛的表面范圍上的運(yùn)動的圖像傳感器，適當(dāng)?shù)臋z測器角度包括但不限于離開鏡面角度O到+/-20度的角度。如上所述，使用發(fā)射在藍(lán)色可見光譜范圍內(nèi)或近藍(lán)色可見光譜范圍的光的光源可 以提供勝于通常在LED和激光鼠標(biāo)內(nèi)使用的紅色和紅外光源的優(yōu)點(diǎn)。由于可能導(dǎo)致相對藍(lán) 色光源選擇紅色和紅外光源的其他因素，這些優(yōu)點(diǎn)可能還未被理解，因此使用藍(lán)色光源提 供的益處可能是未預(yù)料到的。例如，當(dāng)前可用的藍(lán)色光源可能比當(dāng)前可用的紅色和紅外光 源具有更高的功耗率和更高的成本，由此致使沒有選擇藍(lán)色光源作為光學(xué)鼠標(biāo)中的光源。此處定義的藍(lán)光提供的優(yōu)點(diǎn)至少部分從相比于紅色或紅外光藍(lán)光與反射表面的 物理相互作用的性質(zhì)得出。例如，從介電表面，藍(lán)色光具有比紅色和紅外光更高的反射強(qiáng) 度。參考圖4，該圖例示了由對可見光透明的材料制作的厚度為d且折射率為η的介電板 404的入射光束402的反射。如所示的，一部分入射光束402從該板的正面406反射，而一 部分光透過板404的內(nèi)部。所透射的光遇到板的背面408，其中一部分光透過背面408，而 一部分反射回正面406。入射在正面上的光再次被部分反射和部分透射，以此類推。入射光束402中的光具有真空波長λ。在板404的正面406處的反射系數(shù)或幅度 (由r表示)和透射系數(shù)或幅度(由t表示)如下<formula>formula see original document page 7</formula>
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在板的背面408，相應(yīng)的反射系數(shù)(由r’表示)以及透射系數(shù)(由t’表示)如 下<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 7</formula>注意，反射和透射系數(shù)或幅度僅取決于板404的折射率。當(dāng)入射光束在相對于表 面法線一角度處到達(dá)表面時，依照菲涅耳方程，幅度方程也是角度的函數(shù)。由不同于板404周圍的空氣的板404的反射率引起的相移Φ如下提供
<formula>formula see original document page 7</formula>考慮到透射相移并且將所有的部分反射和透射的幅度相加得出了以下有關(guān)板的 總反射和透射系數(shù)或幅度的表達(dá)式
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<formula>formula see original document page 8</formula>
<formula>formula see original document page 8</formula>在較小的板厚度d的極限處，反射幅度等式變?yōu)檩^簡單的形式
<formula>formula see original document page 8</formula>在此極限處，反射光場在相位上領(lǐng)先入射光場90度，并且其幅度與l/λ和電介質(zhì) 的極化系數(shù)(H2-I)兩者成比例。散射幅度的l/λ相關(guān)性表示從薄的介電板反射的光的強(qiáng) 度與l/λ 2成比例，即反射光的強(qiáng)度與幅度的平方成比例。由此，反射光的強(qiáng)度對于較短的 光波長比對于較長的光波長更高。從光學(xué)鼠標(biāo)的觀點(diǎn)看，參考圖5并且如以上參考圖3所述，跟蹤表面可以被建模 為包括大量的介電板500形式的反射元件，每個反射元件依照表面的局部高度和斜率來定 向。這些介電板中的每一個反射入射光；有時入射光在成像透鏡的數(shù)值孔徑內(nèi)，導(dǎo)致檢測器 上的亮特征，而在其他時間光沒有被透鏡捕捉，導(dǎo)致檢測器處暗特征。以470nm處的藍(lán)光來 工作導(dǎo)致在亮特征中反射光強(qiáng)度比波長為850nm的紅外光增強(qiáng)了 8 502/4702 ^ 3. 3的量，而 比波長為630nm的紅光增強(qiáng)了 6302/4702 ^ 1. 8的因數(shù)。這導(dǎo)致在檢測器處藍(lán)光圖像的對 比度改進(jìn)，因?yàn)闄z測器上的亮特征比它們出現(xiàn)在相應(yīng)的紅或紅外圖像中要亮。這些較高對 比度的圖像允許可接受的標(biāo)識以及使用較低的光源強(qiáng)度對跟蹤特征的更健壯的跟蹤，并且 因此可以相對于紅外光或紅光鼠標(biāo)改進(jìn)跟蹤性能，而同時也降低功耗并增加電池壽命。圖6例示了在光學(xué)鼠標(biāo)中使用藍(lán)光勝于紅或紅外光的另一優(yōu)點(diǎn)在于藍(lán)光的穿透 深度要比紅光或紅外光短。一般而言，入射到表面上的輻射的電場在一定程度上穿透表面。 圖6示出了作為深度的函數(shù)的金屬板內(nèi)的電場的幅度的簡單圖示。如所示的，入射光束的 電場成指數(shù)衰減地進(jìn)入金屬，其具有表征的與波長呈比例的e折疊(e-fold)距離。給定該 波長相關(guān)性，紅外光可以延伸進(jìn)入金屬材料的量是藍(lán)光的1.8倍。較短的穿透深度也在藍(lán) 光入射到時非金屬介電表面時發(fā)生；精確的穿透深度取決于材料特性。出于若干個理由，從光學(xué)導(dǎo)航應(yīng)用的觀點(diǎn)看，藍(lán)光與紅光和紅外光相比的較小的 穿透深度會是有利的。首先，控制器用于追隨跟蹤特征的圖像相關(guān)方法會要求圖像與底下 的導(dǎo)航表面一一對應(yīng)。從表面內(nèi)不同深度反射的光會混淆相關(guān)計(jì)算。此外，泄漏到材料中 的光導(dǎo)致較少的反射光到達(dá)圖像檢測器。另外，藍(lán)光的較小的穿透深度會是合乎需要的，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致相鄰的和近鄰的 像素之間較少的串?dāng)_以及檢測器處較高的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)。為了理解這些效果，考慮長 波長的紅外光子和短波長的藍(lán)光子入射到硅CMOS檢測器上的區(qū)別。光子在半導(dǎo)體中的吸 收是由波長決定的。對于短波長光吸收較高，但隨著接近帶隙能量，對于長波長光吸收卻減 少。由于較少的吸收，長波長光子在半導(dǎo)體中行進(jìn)得更遠(yuǎn)，而在材料內(nèi)部生成的相應(yīng)電荷必 須比短波長的藍(lán)光子產(chǎn)生的相應(yīng)電荷行進(jìn)得更遠(yuǎn)以便被收集。由于較大的行進(jìn)距離，來自長波長光的載荷能夠在材料中比藍(lán)光子更多地漫射和傳播。由此，在一個像素中生成的電 荷可能引起相鄰像素中的偽信號，而導(dǎo)致電光系統(tǒng)中的串?dāng)_和MTF降低。作為使用藍(lán)光勝于其他光源的另一優(yōu)點(diǎn)，藍(lán)光能夠比紅外光或紅光解析更小的跟 蹤特征。一般而言，光學(xué)成像系統(tǒng)能夠解析的最小的特征受到衍射的限制。瑞利準(zhǔn)則規(guī)定
能夠區(qū)別于較小尺寸的相鄰對象的表面特征的大小d由關(guān)系rf^i給出，其中λ是入射光
的波長而NA是成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。D和λ之間的比例指示使用藍(lán)光可以比較長波長的 光解析更小的表面特征。例如，使用f/Ι光學(xué)器件以λ = 470nm工作的藍(lán)光鼠標(biāo)可以成像 下至大約2 λ 940nm大小的特征。對于以850nm工作的紅外VCSEL(垂直共振腔面射型 激光)，可以成像的最小特征大小增加到1. 7μπι。因此，使用藍(lán)光可允許使用適當(dāng)?shù)膱D像傳 感器和光學(xué)組件來對較小的跟蹤特征成像。藍(lán)光也可以比其他波長的光在各種特定的表面上具有更高的反射率。例如，圖7 示出了有和沒有熒光增白劑的白紙穿過可見光譜的反射率的圖形?！般y光增白劑”是添加到 許多類型的紙張中以使得紙張看上去白且“干凈”的熒光染料。圖7示出了具有熒光增白 劑的白紙?jiān)谒{(lán)色可見光范圍內(nèi)或近藍(lán)色可見光范圍比某些其他的頻譜范圍相對反射更多。 因此，當(dāng)用在包括熒光增白劑的表面以及其他此類熒光或反射增強(qiáng)的跟蹤表面上時，將藍(lán) 色可見光范圍內(nèi)或近藍(lán)色可見光范圍的光用作鼠標(biāo)光源可以導(dǎo)致增效效應(yīng)，由此將鼠標(biāo)在 這種表面上的性能改進(jìn)到比其他表面甚至更加高的程度。這種效果可以在各種使用情形中提供優(yōu)點(diǎn)。例如，便攜式鼠標(biāo)的常見的使用環(huán)境 是會議室。許多會議室桌子是由玻璃制成的，其對于光學(xué)鼠標(biāo)性能通常是較差的表面。為 了改進(jìn)鼠標(biāo)在諸如玻璃等透明表面上的性能，用戶可以在透明表面上放置一張紙以用作權(quán) 宜的鼠標(biāo)墊。因此，當(dāng)紙張包括熒光增白劑時，相比使用其他表面可以實(shí)現(xiàn)對鼠標(biāo)性能的增 強(qiáng)效應(yīng)，從而允許降低的功耗以及由此對于電池工作的鼠標(biāo)的更好的電池壽命。當(dāng)向藍(lán)色可見光譜部分內(nèi)或近藍(lán)色可見光譜部分的光暴露時，可以通過處理或準(zhǔn) 備其他平面以具有亮度增強(qiáng)特性，如更強(qiáng)的反射率、熒光或磷光發(fā)射等，來實(shí)現(xiàn)性能的相似 的增強(qiáng)效應(yīng)。例如，鼠標(biāo)墊或供鼠標(biāo)跟蹤使用的其它專用表面可以包括亮度增強(qiáng)劑，諸如在 藍(lán)光范圍內(nèi)具有較高反射率的材料和/或在藍(lán)光范圍內(nèi)吸收入射光和熒光或磷光的材料。 當(dāng)與藍(lán)光鼠標(biāo)一起使用時，這種材料可以提供比沒有這種反射或熒光表面的表面更高的對 比度，并且由此導(dǎo)致較好的跟蹤性能、較低的功耗等。對于諸如紙張等某些跟蹤表面，相對于使用相干光源而言，使用不相干光源可以 提供優(yōu)點(diǎn)。例如，圖8示出了光學(xué)鼠標(biāo)從普通復(fù)印機(jī)紙張反射的光的簡化模型。紙張的微 觀結(jié)構(gòu)是堆疊的纖維層，且在某些纖維之間具有空隙的微觀結(jié)構(gòu)。較長波長的激光可以在 反射之前穿透紙張表面的多個層。這在圖8中被示為光從紙張中的三個不同的纖維層的反射。在該環(huán)境中，以850nm工作的譜線寬度大約為Δ λ <. Inm的激光器具有
L = —>(850wm)2 -10附的相干長度。在該簡化模型中，三個入射光線束的每一個會 c Αλ .OOlnm
在檢測器處干涉，從而造成干涉圖案。將該簡單模型擴(kuò)展為遍布在更大的紙張表面區(qū)域上 的更多光線導(dǎo)致復(fù)雜的干涉圖案。由從不同深度處的纖維反射造成的上述復(fù)雜激光干涉圖案可以造成具有較短的相關(guān)長度的圖像序列，如圖9中所示。圖像內(nèi)容一般是高頻的，并且可以具有高于奈奎斯特頻限制的較大部分的跟蹤特征。某些導(dǎo)航算法通過對圖像序列執(zhí)行 相關(guān)計(jì)算來確定鼠標(biāo)運(yùn)動。如果由于包含在圖像中的特征擁有較短的相關(guān)長度，它們快速 “衰減”并且不在多個相鄰的圖像上持續(xù)，那么相關(guān)計(jì)算不再能夠有效地獲得對鼠標(biāo)運(yùn)動的 可靠估計(jì)。另外，具有較長的相關(guān)長度圖像流會是有益的，因?yàn)樗鼈兛稍试S可能比當(dāng)前在鼠 標(biāo)中使用的更為簡單的算法。簡單的算法和減少的計(jì)算可以允許節(jié)省功率和較長的電池壽 命。這可以允許例如避免采用在不同的軟件濾波系數(shù)之間切換的復(fù)雜算法。在工作在白紙上的激光鼠標(biāo)的情況下，相關(guān)長度會是不大于單個檢測器像素 (30-50 μ m)的長度，并且因此跟蹤性能受到損害。例如，再次參考圖9，該圖示出了位于在 白紙上跟蹤的激光鼠標(biāo)的檢測器處的圖像的4x4像素子區(qū)域的一個示例。隨著鼠標(biāo)移動， 高頻圖像特征快速地去相關(guān)。到表面移動3個像素時，原來的10個跟蹤特征中僅有3個存 在。與激光源形成對比，發(fā)射具有470nm波長并具有大約為30nm的譜線寬度Δ λ的 光的藍(lán)色LED具有短得多的相干長度，大約為7 μ m。該較短的相干長度意味著在不同深度 處從紙張纖維反射的光線不在檢測器處造成干涉圖案。如圖10中所示，通過使用不相干的 藍(lán)光源，幾十個像素的圖像相關(guān)長度由此會是可能的。另外，這些特征的空間頻率趨于充裕 地低于檢測器的奈奎斯特頻率限制。相關(guān)算法可以很好地適用于分析擁有較長的相關(guān)長度 的這種類型的圖像序列并且用于提取對底下的表面運(yùn)動的健壯估計(jì)?？梢岳斫?，就光斑大小而言，使用相干的藍(lán)光可以提供勝于使用相干的紅光或紅 外光的相似的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)楣獍叩拇笮∨c波長成比例，因此相干的藍(lán)光相比紅色激光源或紅 外激光源生成較小的光斑。在某些激光鼠標(biāo)的實(shí)施例中，具有最小可能的光斑是合乎需要 的，因?yàn)楣獍呤怯泻Φ脑肼曉床⑶医档透櫺阅?。藍(lán)色激光具有相對較小的光斑大小，并且 因此相比紅色或紅外激光，更多的藍(lán)色光斑會占據(jù)給定像素的區(qū)域。這可以促進(jìn)均分掉圖 像中的光斑噪聲，而導(dǎo)致更好的跟蹤。藍(lán)光的較短的相干長度可以也可以提供其他優(yōu)點(diǎn)。例如，使用藍(lán)光的光學(xué)鼠標(biāo)相 比激光鼠標(biāo)會對灰塵、系統(tǒng)光學(xué)器件中的成型缺陷以及固定干涉模型中的其他此類原因較 不敏感。例如，在位于激光鼠標(biāo)的準(zhǔn)直透鏡上的IOum的塵粒的情況下，由于相干激光在塵 粒周圍衍射，因此在檢測器處出現(xiàn)高對比度的圓環(huán)。這些環(huán)(或其他此類干涉圖案)的存 在會在跟蹤激光鼠標(biāo)中造成問題，因?yàn)槌尸F(xiàn)給檢測器的具有高對比度的固定圖案在不移動 的相關(guān)函數(shù)中造成額外的峰值。出于相似的原因，激光鼠標(biāo)的制造通常要求對注模的塑料 光學(xué)器件的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的過程控制，因?yàn)樗芰现械娜毕輹趫D像流中造成有害的固定圖 案。使用藍(lán)光可以有助于減少或避免固定圖案的這些問題。當(dāng)相干光到達(dá)諸如塵粒等 微粒時(其中在該實(shí)例中“微”指示粗略地為光波長的大小的波長)，光在微粒周圍衍射并 造成環(huán)形的干涉圖案。中心環(huán)的直徑由以下關(guān)系給出Diameter = 2. 44 ( λ ) (f/#)因此，依照該關(guān)系，相比紅光或紅外光，藍(lán)光會導(dǎo)致較小的環(huán)，并且圖像傳感器會 看見較小的固定圖案噪聲源。一般而言，檢測器看見的固定圖案越大并且暫時不變的檢測 器象素越多，那么導(dǎo)航就變得越差，因?yàn)橄嚓P(guān)計(jì)算會變得由不移動的圖像特征支配。此外，采用不相干的光，其上的衍射效應(yīng)值得注意的距離更加短。藍(lán)光鏡面成像架構(gòu)的另一優(yōu)點(diǎn)在于它允許使用較小的形狀因數(shù)的光學(xué)機(jī)械包裝、 具有較小的ζ高度的低成本模塊。具有較短的光學(xué)跟蹤長度的導(dǎo)航設(shè)備在諸如移動電話或 具有復(fù)雜的工業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師鼠標(biāo)等其中空間非常珍貴的應(yīng)用中是合乎需要的。由于傾斜 的照明和陰影成像要求，常規(guī)的紅光LED鼠標(biāo)具有相對較大的體積包裝。采用傳統(tǒng)的激光 鼠標(biāo)，由于典型的VCSEL激光源的相對較小的發(fā)散角，在較短跟蹤長度的光學(xué)系統(tǒng)中難以 獲得具有足夠大以容納制造公差的大小的準(zhǔn)直的激光束?；诠獍呶锢韺W(xué)的激光鼠標(biāo)在較 小的ζ高度處也有問題，因?yàn)楣獍叽笮? 光學(xué)f/#)與檢測器處的照明( l/(f/#)~2) 折衷。根據(jù)上述物理特性，在光學(xué)鼠標(biāo)中藍(lán)光可以提供勝于使用紅光或紅外光的各種優(yōu) 點(diǎn)。例如，藍(lán)光與紅光或紅外光相比的較高的反射率和較低的穿透深度可以允許使用較低 強(qiáng)度的光源，由此潛在地增加電池壽命。當(dāng)在具有添加了亮度增強(qiáng)劑的白紙上操作鼠標(biāo)時， 這會是尤其有利的，因?yàn)榱炼仍鰪?qiáng)劑的熒光的強(qiáng)度在藍(lán)色可見光譜范圍中會是強(qiáng)的。此外， 與來自在光學(xué)上等價的(即透鏡、f數(shù)、圖像傳感器等)光源的紅光相比，藍(lán)光的較短的相 干長度和較小的衍射限制會同時允許較長的圖像特征相關(guān)長度和要解析的更精細(xì)的表面 特征，以及由此可以允許在各種各樣的表面上使用鏡面不相干藍(lán)光鼠標(biāo)?？捎米麋R面藍(lán)光 LED光學(xué)鼠標(biāo)的跟蹤表面的表面的示例包括但不限于紙張表面、織物表面、陶瓷、大理石、木 材、金屬、花崗巖、瓷磚、不銹鋼和包括貝伯輕薄緞面織物和深粗毛的地毯。此外，在某些實(shí)施例中，被特別地配置成在藍(lán)色可見光譜范圍內(nèi)具有較高的靈敏 度(即量子產(chǎn)額)的諸如CMOS傳感器等圖像傳感器可以結(jié)合藍(lán)光源使用。這可以允許使 用甚至更低功率的光源，并由此可以有助于進(jìn)一步增加電池壽命。圖11示出了描述跟蹤光學(xué)鼠標(biāo)在表面上的運(yùn)動的方法1100的實(shí)施例的流程圖。 方法1100包括在1102處將從藍(lán)光源發(fā)射的入射光束定向到跟蹤表面，以及在1104處經(jīng)由 被配置成檢測位于鏡面反射角處或近鏡面反射角的表面的圖像的圖像傳感器檢測跟蹤表 面的多個時序圖像。接著，方法1100包括在1106處在跟蹤表面的多個時序圖像中定位跟 蹤特征，以及接著在1108處跟蹤多個圖像中跟蹤特征的位置變化。接著可以由光學(xué)鼠標(biāo)將 (X，y)信號提供給計(jì)算設(shè)備以供計(jì)算設(shè)備用于定位顯示屏幕上的光標(biāo)或其他指示符。通過遵循方法1100，可以在各種各樣的表面上跟蹤光學(xué)鼠標(biāo)的運(yùn)動，這些表面包 括但不限于紙張、陶瓷、金屬、織物、地毯和其他這樣的表面?？梢岳斫獯颂幟枋龅呐渲煤?或方法在本質(zhì)上是示例性的，并且這些特定的實(shí)施 例或示例被認(rèn)為沒有限制意義，因?yàn)榭赡苡性S多變化。本發(fā)明的主題包括各個過程、系統(tǒng) 和配置的所有新穎的和非顯而易見的組合和子組合及此處公開的其他特征、功能、動作和/ 或特性，以及其任一和所有等效方案。
權(quán)利要求
一種光學(xué)鼠標(biāo)，包括光源，所述光源被配置成向跟蹤表面發(fā)射具有藍(lán)色可見光譜范圍中或近藍(lán)色可見光譜范圍的波長的光；圖像傳感器，所述圖像傳感器相對于所述光源放置以使得所述圖像傳感器檢測到來自所述光源并且由所述跟蹤表面反射的光的分布中的鏡面部分中的光；以及控制器，所述控制器被配置成從所述圖像傳感器接收圖像數(shù)據(jù)并在所述圖像數(shù)據(jù)中標(biāo)識跟蹤特征。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光源被配置成發(fā)射包括400nm到 490nm范圍內(nèi)的波長的光。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光源被配置成發(fā)射其波長使得所 述跟蹤表面中的亮度增強(qiáng)劑發(fā)射熒光或磷光的光。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光源被配置成形成相對于所述跟 蹤表面法線具有0和40度之間的角度的光束。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述圖像傳感器被放置成檢測相對于 鏡面軸的0到+/-20度范圍內(nèi)的光。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光學(xué)鼠標(biāo)是便攜式鼠標(biāo)。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光源包括被配置成發(fā)射藍(lán)光和/或 白光的發(fā)光二極管。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光源包括激光器。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述檢測器是被配置成對藍(lán)光具有高 靈敏度的CMOS圖像傳感器。
10.一種光學(xué)鼠標(biāo)，包括光源，所述光源被配置成以相對于跟蹤表面的0到40度范圍內(nèi)的入射角向所述跟蹤表 面發(fā)射400-490nm范圍內(nèi)的光；圖像傳感器，所述圖像傳感器被放置成檢測相對于鏡面軸的0-20度的角度內(nèi)的反射 光；以及控制器，所述控制器被配置成定位所述跟蹤表面的多個時序圖像中的跟蹤特征，以及 跟蹤所述跟蹤特征跨所述跟蹤表面的多個時序圖像的位置變化。
11.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光學(xué)鼠標(biāo)是便攜式光學(xué)鼠標(biāo)。
12.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光源被配置成發(fā)射相干光。
13.如權(quán)利要求10所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光源包括被配置成發(fā)射藍(lán)光或 白光的LED或0LED。
14.一種光學(xué)鼠標(biāo)，包括光源，所述光源被配置成向跟蹤表面發(fā)射藍(lán)色可見光譜范圍中或近藍(lán)色可見光譜范圍 的相干光；圖像傳感器，所述圖像傳感器被放置成檢測反射光的分布的鏡面部分內(nèi)的反射光；以及控制器，所述控制器被配置成在跟蹤表面的多個時序圖像中定位跟蹤特征，以及跟蹤 所述跟蹤特征跨所述跟蹤表面的多個時序圖像的位置變化。
15.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述鼠標(biāo)是便攜式的電池供電的鼠標(biāo)。
16.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光源被配置成發(fā)射包括400nm到 490nm范圍內(nèi)的波長的光。
17.一種光學(xué)鼠標(biāo)，包括光源，所述光源被配置成向跟蹤表面發(fā)射包括藍(lán)色可見光譜范圍中或近藍(lán)色可見光譜 范圍的波長的不相干光；圖像傳感器，所述圖像傳感器被放置成檢測反射光的分布的鏡面部分內(nèi)的反射光；以及控制器，所述控制器被配置成在跟蹤表面的多個時序圖像中定位跟蹤特征，以及跟蹤 所述跟蹤特征跨所述跟蹤表面的多個時序圖像的位置變化。
18.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光源被配置成發(fā)射藍(lán)光。
19.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光源被配置成發(fā)射白光。
20.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光源是LED。
21.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)鼠標(biāo)，其特征在于，所述光源是0LED
22.—種跟蹤光學(xué)鼠標(biāo)的運(yùn)動的方法，包括將具有藍(lán)色可見光頻譜范圍內(nèi)或近藍(lán)色可見光譜范圍的波長的入射光束定向到包括 熒光增白劑的跟蹤表面上；通過監(jiān)測所述熒光增白劑響應(yīng)于所述入射光束發(fā)射的光，使用圖像傳感器來檢測所述 跟蹤表面的多個時序圖像；在所述跟蹤表面的多個時序圖像中定位跟蹤特征；以及 跟蹤所述跟蹤特征跨所述跟蹤表面的多個時序圖像的位置變化。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，將入射光束定向到跟蹤表面包括將所述 入射光束定向到一張包括亮度增強(qiáng)劑的紙上。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，將入射光束定向到跟蹤表面包括定向具 有400-490nm范圍內(nèi)的波長的入射光束。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，檢測所述跟蹤表面的多個時序圖像包括 檢測在離開鏡面軸0到+/-20度的范圍內(nèi)的角度處從所述表面反射的光，并且其中將所述 入射光束定向到所述跟蹤表面上包括以相對于跟蹤表面法線0到40度范圍內(nèi)的角度將所 述入射光束定向到所述跟蹤表面上。
全文摘要
公開了一種被配置成在各種各樣的表面上跟蹤運(yùn)動的光學(xué)鼠標(biāo)。在一個實(shí)施例中，光學(xué)鼠標(biāo)包括光源，該光源被配置成發(fā)射具有藍(lán)色可見光譜中或近藍(lán)色可見光譜的波長的光的光源；圖像傳感器，該圖像傳感器相對于該光源放置以使得該圖像傳感器檢測到由該跟蹤表面反射的光的分布中的鏡面部分；以及控制器，該控制器被配置成從該圖像傳感器接收圖像數(shù)據(jù)并在該圖像數(shù)據(jù)中標(biāo)識跟蹤特征。
文檔編號G06F3/033GK101836177SQ200880113381
公開日2010年9月15日 申請日期2008年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月22日
發(fā)明者D·博恩, M·德普伊 申請人:微軟公司