具有棱镜的近乎正入射的光学鼠标照明系统的制作方法

专利名称：具有棱镜的近乎正入射的光学鼠标照明系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学鼠标领域，更具体地涉及照明系统、光学设备、光学 组件和用于这些的方法。
背景技术：
与计算机及其显示器一起使用的手动定点设备的使用已几乎变得普 遍。各种类型的定点设备的一种形式是结合协作鼠标垫使用的传统(机 械)鼠标。机械鼠标通常包括带橡胶表面的钢球，该钢球随着鼠标的运动而在鼠标垫上滚动。鼠标内部是滚轴(roller)或滚轮(wheel)，这些滚 轴或滚轮在球的赤道与之接触并且将其旋转转换为代表鼠标运动的正交分 量的电信号。这些电信号被耦合到计算机，在计算机中，软件响应于信号 以根据鼠标的运动而将指针(光标)的显示位置改变AX和AY。除了诸如传统机械鼠标之类的机械型定点设备之外，也已开发了光学 定点设备。在一种形式的光学定点设备中，不是使用像球一样的运动机械 元件，而是光学地感测诸如手指和桌面之类的成像表面与光学定点设备内 的图像传感器之间的相对运动并且将其转换为运动信息。电子图像传感器，例如光学定点设备中通常所采用的那些，主要是两 种类型电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体一有源像素传感 器(CMOS-APS)。这两种类型的传感器通常包含布置成一定图案的光检 测器(即，像素)的阵列。每个个体光检测器操作以输出信号，该信号的 大小与入射到光检测器的地点的光强成比例。随后可以处理并操纵这些输 出信号以生成包括多个个体图像元(像素)的图像，其中，图像中的每个 像素对应于图像传感器中的一个光检测器(即，像素)。一种形式的光学定点设备包括光源，例如发光二极管(LED)，用于 照明成像表面或导航表面从而生成将由光学定点设备的图像传感器所感测的反射图像。另一种形式的光学定点设备包括相干光源，例如激光器，用 于照明成像表面从而生成将由光学定点设备的图像传感器所感测的反射图 像。光学定点设备中基于相干光源的光学导航通常比现有技术中包含非相 干光源的光学定点设备提供更好的成像表面覆盖和更好的跟踪性能。与诸如LED之类的光源相比，更加严格的视力安全规则被应用于诸如 激光器之类的相干光源。例如，国际电工委员会(IEC)标准将第1类激 光器规定为在可合理预知的操作条件下安全的激光器，所述操作包括使用用于束内(intmbeam)观察的光学仪器。为了满足第1类分类，即使有人 在激光器前面利用放大镜长时间观看激光器，也不会发生视力损伤。光学 定点设备中的第1类激光器的最大光功率输出是由基于激光器输出波长和 激光器工作模式的IEC标准来限制。例如，标称波长为840纳米(nm)的 单模垂直腔面发射激光器(VCSEL)被IEC标准限定为在连续波 (CW)模式下具有小于700微瓦(mW)的峰值光功率输出为满足第1类 分类。另一种形式的光学定点设备包括开环激光器驱动电路。在用于制造具 有开环激光器驱动电路的光学定点设备的一个示例过程中，预先测试激光 器(例如，VCSEL)以确定激光器阈值电流、斜度效率和温度系数。经预 先测试的激光器因此被分类并分组到有限数目的箱子中。每箱激光器被匹 配到相应的开环电流调节电路。相应的开环电流调节电路可以适当地调整 相应激光器的驱动电流，从而确保激光器在其受限工作窗口中操作以提供 最小的光功率输出并且确保视力安全操作。尽管该制造过程可靠地确保了 可以获得激光器的适当工作窗口，但是该制造过程是耗时并且昂贵的。另 外，该制造过程通常由于数目有限的可选择的开环电流调节电路所提供的 补偿范围有限而引起大量的激光器不可用。不管由光学鼠标用于向成像表面提供照明的光源的类型如何，当前使 用的多数光学鼠标包括四种类型的光学照明系统中的一种(1)近乎掠 入射(near-grazing incidence)的光学照明系统；(2)采用分束器的近乎 正入射的光学照明系统；(3)采用照明棱镜和全内反射("TIR")镜的 水平光学照明系统；和(4)采用照明棱镜和全内反射的垂直光学照明系统。第一种类型的近乎掠入射的光学鼠标照明系统在图1中图示出。光学鼠标照明系统IO包括光源15，光源15优选地是在第一方向25上发出第 一定向光束20的发光二极管(LED)或激光器(未示出)。准直透镜35 (图1中也未示出)聚集并定向第一光束20，以形成在第二方向90 (取 决于系统10是利用反射还是折射部件来在不同方向上重定向第一束20， 第二方向90可以是基本上与第一方向25相同的方向，也可以不是)上传 播的第二光束85。第二束85入射在表面100上，并且其一部分被反射以 形成在方向145上传播的束125。入射束85的其他部分由于表面100的缺 陷和不规则性而被散射，从而形成第三散射或反射光束105。成像透镜 130收集第三光束105并将其朝着传感器140向上定向，传感器140检测 并测量入射到其上的光量。如图1所示，由系统10中的光源15所生成的光中相当大的比例根本 不到达传感器140，而是作为不可用能量被从表面100反射。而且，图1 中所图示的系统IO具有有限的焦深， 一般要求使用高效LED并且相应地 要求向其提供高电流，并且特点为照明目标区域150较宽。另外，图1的 系统IO具有范围在大约1%和4%之间的总效率，使得其更不适合于日益 流行的电池供电鼠标应用，在这些应用中，功耗必须被最小化。第二种类型的分束、近乎正入射的光学鼠标照明系统在图2中图示 出。光学鼠标照明系统IO包括光源15，该光源15也优选地是在第一方向 25上发出第一定向光束20的发光二极管(LED)或激光器(未示出)。 准直透镜35聚集并定向第一光束20以形成第二光束85，第二光束85在 被从棱镜65的第一反射面50a反射之后在第二方向90上传播。第二束85 入射在第二反射面50b上，并且被从其向下朝着表面100反射，从而向上 朝着分束器45的第二反射面50b反射，由此作为第三光束105经过分束器 45以供成像透镜130收集。孔径光阑135防止不需要的光照射到传感器 140。如图2所示，被照明目标区域150有利地较小，并且被限制在局部 范围内。图2中所图示的系统IO提供光束相对于于表面100的近乎正入射，因此具有较大的焦深，并且相对于图1中所图示的系统10而言改善了光散 射。但是，不幸的是，图2中所图示的系统10具有几个缺点。这些缺点 中的主要缺点是图2中所图示的分束系统的最大理论效率，该最大理论效率由于分束器45在每个界面处将信号功率减半而仅为25%。在实践中， 图2中的系统10的实际效率小于10%。因此，图2的系统10消耗过多的 功率量，使得其对于电池供电的鼠标应用而言不是最优的。另外，图2的 系统10的复杂形状、昂贵组件和总配置对于制造而言是困难和昂贵的。 这种系统中的各种光学组件必须被相对于彼此而精确地对准和组装，误差 容限极小。关于现有技术的分束光学照明系统的一个实施例的进一歩的细 节可以在Lu的题为"Light Apparatus of an Optical Mouse with an Aperture Stop and the Light Protection Method Thereof "的美国专利公开 2006/0176581中找到。图3示出商业上在某些APPLE 鼠标产品中所采用的现有技术的水平 光学照明系统10，其包括照明棱镜65和TIR镜55。光源15是LED并且 在第一方向25上发出第一定向光束20。准直透镜35收集第一光束20并 且将其定向为通过照明棱镜65的输入面70以供从TIR镜55的第一反射 面50a反射，从而形成在第二方向90上传播的第二光束85。第二光束85入射在第二反射面50b (也可以是TIR镜)上，并且被从 其上反射以作为第三束105而通过棱镜65的折射输出面75，第三束105 然后入射在表面100上。第三束105接下来在方向145上被从表面100向 上反射以形成第四束125，第四束125被成像透镜130 (未示出)收集。 如图3所图示，被照明目标区域150包括较大的表面区域，该表面区域的 长度(即，沿着纸面)范围通常在大约3mm和大约5mm之间，宽度 (即，进入纸面)范围通常在大约2mm和大约3mm之间，即，表面积在 大约6mn^和大约15mn^之间。注意到在图3所图示的现有技术系统10中，垂直折叠的屋脊棱镜84 可以被附接到棱镜65或者形成棱镜65的一部分，以使得折射输出面75形 成垂直折叠的屋脊棱镜84的一部分。照明棱镜65被相对于光源15、准直 透镜35和第一光束20配置为使得束20以大于或等于临界角的角度照射到第一反射面50a，在下面对此进行更多的说明。图4示出商业上在某些APPLE 鼠标产品中所采用的现有技术的垂直 光学照明系统10，其包括照明棱镜65和TIR镜55。光源15是在第一方 向25上发出第一定向光束20的LED。准直透镜35收集第一光束20并且 将其定向为通过照明棱镜65的输入面70以供从全内反射("TIR")镜 55的第一反射面50a反射，从而形成在第二方向90上传播的第二光束 85。如图4所示，第一反射面50a可以包括TIR镜55和四刻面(four-faceted-face) 折叠屋脊棱镜80。第二束85入射在第二反射面50b上，并 且被从其上反射以作为第三束105而穿过棱镜65的折射输出面75，第三 束105然后入射在表面100上。第三束105接下来在方向145上被从表面 IOO向上反射以形成第四束125，第四束125被成像透镜130 (未示出)收 集。如图4所图示，照明目标区域150包括较大的表面区域，该表面区域 的长度(即，沿着纸面)范围通常在大约3mm和大约5mm之间并且宽度 (即，进入纸面)范围通常在大约2mm和大约3mm之间，即表面积在大 约6mn^和大约15mn^之间。照明棱镜65被相对于激光器15、准直透镜 35和第一光束20配置为使得束20以大于或等于临界角的角度到达第一反 射面50a，并且几乎没有损失。图1、 3和4的现有技术系统IO具有由较小的入射角b所引入的较大 问题，入射角b通常相对于表面100的法线成大约50度和大约80度之间 的范围。除了其他原因之外，这种非正入射或非近乎正入射使得系统10 的景深不利地较小，并且照明区域150不利地较大。尽管图2的现有技术 系统10提供了光束在表面100上的期望的近乎正入射、好的景深和较小 的照明区域150，但是这种系统具有低光学效率(实践中小于10%)、光 学上复杂并且对于制造而言相对昂贵。需要的是这样一种光学鼠标照明系统，该系统可以在激光器或非激光 器应用中被采用、比当前可用的系统消耗更少的功率、具有改善的景深、 相对便宜和容易制造并且机械上坚固和可靠。包含直接或间接与本发明的领域有关的主题的各种专利包括但不局限于以下专利Griffin的题为"Two dimensional optical position indicating apparatus" 的美国专利4，553，842， 1985年11月19曰。Williams等人的题为"Optical mouse"的美国专利4,751,505， 1988年 6月14曰。Kato的题为"Optical mouse and resin lens unit "的美国专禾U 5,463,387， 1995年IO月31日。Allen等人的题为"Freehand image scanning device which compensates for non-linear movement"的美国专利5,573,813 ， 1996年11月26日。Allen等人的题为"Navigation Technique for Detecting Movement of Navigation Sensors Relative to an Object"的美国专利5,644,139， 1997年7 月1曰。Bidiville等人的题为"Pointing device utilizing a photodetector array"的 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公开日和授权公告日 中的任意一项。该背景技术部分中的上述专利和专利申请的列表不是并且 也不应该被解释为申请人或者其代理人承认来自上述列表的一个或多个公 开物构成关于申请人的各种发明的现有技术。所有在这里引用的印刷文献 和专利通过这里的引用而被全部合并于此。在读过下面所给出的发明内容具体实施方式
和权利要求之后，本领 域技术人员将会知道，可以根据本发明的各种实施例的教导来有利地修改 这里所列出的印刷文献中所揭示的系统、设备、组件和方法中的至少一 些。发明内容在本发明的第一实施例中，提供了一种用在基本平直的成像表面上的 光学鼠标照明系统，该系统包括光源，该光源被配置为发出第一光束； 至少一个准直透镜，所述至少一个准直透镜被配置为将第一光束基本在第 一方向上朝着照明棱镜的输入面定向，所述照明棱镜包括全内反射 (TIR)镜和输出面，所述棱镜被配置为通过输入面接收第一光束并且以 等于或超过临界角的角度朝着TIR镜来定向第一光束，所述棱镜还被配置为从TIR镜反射第一光束以形成第二光束，所述第二光束基本在相对于成 像表面近乎垂直的第二方向上从棱镜的输出面出射；至少一个成像透镜，所述至少一个成像透镜能够被相对于棱镜配置为接收和定向由第二光束从表面反射而形成的第三光束；以及传感器，其中所述第三光束被成像透镜 朝着传感器定向。在本发明的第二实施例中，提供了一种用在基本平直的表面上的光学 鼠标照明系统，该系统包括光源，所述光源被配置为发出第一光束；至 少一个准直透镜，所述至少一个准直透镜被配置为将第一光束基本在第一 方向上朝着照明棱镜的输入面定向，所述照明棱镜包括第一和第二全内反 射(TIR)镜以及输出面，所述棱镜被配置为通过输入面接收第一光束并 且以等于或超过第一临界角的第一角度朝着第一 TIR镜来定向第一光束， 所述棱镜还被配置为从第一 TIR镜反射第一光束以形成第二光束，所述第 二光束基本在第二方向上以等于或超过第二临界角的第二角度朝着第二 TIR镜传播，所述棱镜还被配置为从第二 TIR镜反射第二光束以形成第三 光束，所述第三光束基本在第三方向上以相对于成像表面近乎垂直的角度 从棱镜的输出面出射；至少一个成像透镜，所述至少一个成像透镜能够被 相对于棱镜配置为接收和定向由第三光束从表面反射而形成的第四光束； 以及传感器，其中所述第四光束被成像透镜朝着传感器定向。在本发明的第三实施例中，提供了一种用在基本平直的表面上的光学 鼠标照明系统，该系统包括光源，所述光源被配置为发出第一光束；至 少一个准直透镜，所述至少一个准直透镜被配置为将第一光束基本在第一 方向上朝着包括折射输出面的照明棱镜的输入面定向，所述棱镜被配置为通过输入面接收第一光束并且通过折射输出面来将第一光束定向为第二光 束，所述第二光束基本在第二方向上以相对于成像表面近乎垂直的角度朝 着所述表面传播；至少一个成像透镜，所述至少一个成像透镜能够被相对 于棱镜配置为接收和定向由第二光束从表面反射而形成的第三光束；以及 传感器，其中所述第三光束被成像透镜朝着传感器定向。在本发明的第四实施例中，提供了一种利用光学鼠标来照明表面的方 法，所述光学鼠标包括光源，所述光源被配置为发出第一光束；至少一 个准直透镜，所述至少一个准直透镜被配置为将第一光束基本在第一方向 上朝着照明棱镜的输入面定向，所述照明棱镜包括全内反射(TIR)镜和 输出面，所述棱镜被配置为通过输入面接收第一光束并且以等于或超过临界角的角度朝着TIR镜来定向第一光束，所述棱镜还被配置为从TIR镜反射第一光束以形成第二光束，所述第二光束基本在第二方向上以相对于成像表面近乎垂直的角度从棱镜的输出面出射；至少一个成像透镜，所述至 少一个成像透镜能够被相对于棱镜配置为接收和定向由第二光束从表面反 射而形成的第三光束；以及传感器，所述第三光束被成像透镜朝着传感器 定向，所述方法包括启动光源；使得光传播通过棱镜并从表面反射；利 用传感器来感测从表面反射的光。在本发明的第五实施例中，提供了一种利用光学鼠标来照明表面的方 法，所述光学鼠标包括光源，所述光源被配置为发出第一光束；至少一 个准直透镜，所述至少一个准直透镜被配置为将第一光束基本在第一方向 上朝着包括折射输出面的照明棱镜的输入面定向，所述棱镜被配置为通过 输入面接收第一光束并且通过折射输出面来将第一光束定向为第二光束， 所述第二光束基本在第二方向上以相对于成像表面近乎垂直的角度传播 ， 至少一个成像透镜，所述至少一个成像透镜能够被相对于棱镜配置为接收 和定向由第二光束从表面反射而形成的第三光束；以及传感器，所述第三 光束被成像透镜朝着传感器定向，所述方法包括启动光源；使得光传播 通过棱镜并从表面反射；利用传感器来感测从表面反射的光。在本发明的第六实施例中，提供了一种利用光学鼠标来照明表面的方 法，所述光学鼠标包括光源，所述光源被配置为发出第一光束；至少一个准直透镜，所述至少一个准直透镜被配置为将第一光束基本在第一方向 上朝着包括折射输出面的照明棱镜的输入面定向，所述棱镜被配置为通过 输入面接收第一光束并且通过折射输出面来将第一光束定向为第二光束， 所述第二光束基本在第二方向上以相对于成像表面近乎垂直的角度传播； 至少一个成像透镜，所述至少一个成像透镜能够被相对于棱镜配置为接收 和定向由第二光束从表面反射而形成的第三光束；以及传感器，其中所述 第三光束被成像透镜朝着传感器定向，所述方法包括启动光源；使得光 传播通过棱镜并从表面反射；利用传感器来感测从表面反射的光。在本发明的第七实施例中，提供了一种制造光学鼠标的方法，所述光学鼠标包括光源，所述光源被配置为发出第一光束；至少一个准直透镜，所述至少一个准直透镜被配置为将第一光束基本在第一方向上朝着照明棱镜的输入面定向，所述照明棱镜包括全内反射(TIR)镜和输出面， 所述棱镜被配置为通过输入面接收第一光束并且以等于或超过临界角的角 度朝着TIR镜来定向第一光束，所述棱镜还被配置为从TIR镜反射第一光 束以形成第二光束，所述第二光束基本在第二方向上以相对于成像表面近 乎垂直的角度从棱镜的输出面出射；至少一个成像透镜，所述至少一个成 像透镜在操作上被相对于棱镜配置为接收和定向由第二光束从表面反射而 形成的第三光束；以及传感器，所述第三光束被成像透镜朝着传感器定 向，所述方法包括提供光源、准直透镜、照明棱镜、成像透镜和传感 器；并且将光源、准直透镜、照明棱镜、成像透镜和传感器彼此相对配 置，从而提供可用的光学鼠标照明系统。


本发明的各种实施例的许多方面将从下面的说明书、附图和权利要求 中变得清楚，其中图l示出现有技术的近乎掠入射的光学照明系统； 图2示出现有技术的分束光学照明系统；图3示出现有技术的水平光学照明系统，其包括照明棱镜和全内反射镜；图4示出现有技术的垂直光学照明系统，其包括照明棱镜和全内反射镜；图5示出本发明的一个实施例的水平光学照明系统，其包括照明棱镜 和全内反射镜；图6示出本发明的另一个实施例的垂直光学照明系统，其包括照明棱 镜并且不包括全内反射镜；以及图7示出本发明的另一个实施例的水平光学照明系统，其包括多刻面 准直透镜、照明棱镜和全内反射镜。附图不一定是按比例绘制的。相似的标号在所有附图中指示相似的部 件或步骤。
具体实施方式
下面对本发明的一些优选实施例进行详细说明。图5示出本发明的水平光学照明系统10的一个实施例，其被配置为 将来自光源15的光束以近乎正入射的角度投射到成像表面100上。近乎 正入射的意思是第二光束85或第三光束105与表面100的法线所成的入射 角(90° —b)的范围在大约3度和大约30度之间。近乎正入射的意思也 是与表面100所成的入射角b的范围在大约60度和大约87度之间。根据 本发明的各种实施例，角度b被保持为尽可能小，以使得第二光束S5或 第三光束105尽可能接近法线地照射到表面100并且从其反射。这种配置 中的限制因素是棱镜65和成像透镜130之间的间隔，棱镜65和成像透镜 130必须被分离一定距离以避免干涉。在给出对系统IO的设计和结构所加 的实体约束的情况下，角度b的典型值的范围在大约10度和大约25度之 间，在大约15度和大约20度之间的值是最常见的。在本发明的各种实施例中，光源15最优选地是LED,而更优选地是 在近红外或红色波段(例如，在大约620nm和大约780nm之间)中发光 的LED。当然可以使用其他LED，例如在较短的波长或较高的色温发光的 橙色、黄色、白色、绿色或蓝色LED (例如，分别是大约605nm、 585nm、 6500K至8000K、 560nm和470nm)。前述LED颜色的波段的意思是，波长的中心大约在前述值附近并且具有偏离前述中心波长的任一侧 大约5%的波长。也可以在本发明的系统10中采用除了 LED之外的光源，例如激光器、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、白炽光源以及其他适 当类型的相干和非相干光源。注意，本发明的光源15可以被进一步配置 为与反射器、后向反射器和/或高反射性表面相结合而发光，其中这种反射 元件被布置在光源15的周围或近旁以将光在第一方向25上更有效地定 向。继续参照图5，系统10包括照明棱镜65和全内反射镜55。 LED15在 第一方向25上发出第一定向光束20。准直透镜35收集第一光束20并且 将其定向为通过照明棱镜65的输入面70以供从全内反射("TIR")镜 55的第一反射面50a反射，从而形成在第二方向90上传播的第二光束 85。如图5所示，第一反射面50a包括TIR镜55。第二束85被棱镜65的 折射输出面75折射，并且入射到表面100。第二束85被从表面100反射 以形成第三束105，第三束105在方向110上向上传播以通过成像透镜 130 (未示出)来准直。注意，孔径光阑135可以被放置在成像透镜130 之前或者成像透镜130之后。如图5所图示，在本发明的各种实施例中，目标区域150有利地在小 区域上被较均匀地照明，所述小区域的长度(即，沿着纸面)范围在大约 lmm和大约3mm之间，宽度(即，进入纸面)在大约lmm和大约2mm 之间，即，表面积在大约lmn^和大约6mn^之间。照明棱镜65被相对于光源15、准直透镜35和第一光束20配置为使 得束20以大于或等于临界角的角度照射第一反射面50a，该临界角是由形 成棱镜65的材料的折射率和棱镜65周围的介质(例如，空气)的折射率 来确定的。临界角是发生全内反射(TIR)的最小入射角。图5中的入射角b是关于折射边界的法线而测量的。临界角^由下式给出<formula>formula see original document page 22</formula>其中ti2是光疏介质(例如，空气)的折射率，n,是光密介质(例如，棱镜 65)的折射率。该等式是斯涅耳定律(Sndl'sLaw)在折射角为90°情况 下的简单应用。因为第一光束20被从TIR 55/第一反射面50a全内反射，所以能量并未由于透过面50a传输而损失。在棱镜65由聚碳酸酯(用于形成或模制成棱镜65的优选材料)形成 或模制成的情况下，临界角大约是39度。在棱镜65由玻璃、塑料、丙烯 酸树脂或其他材料形成的情况下，临界角可能由于这些材料的折射率不同 于聚碳酸酯的折射率而不同。棱镜65中的TIR镜55的一个优点在于其外 表面上不需要涂层来增强从其反射的程度或反射量，但TIR镜55也可以 涂有高度反射的涂层以进一步改善反射光学效率。在本发明的各种实施例中，TIR 55可以包括屋脊棱镜、刻面屋脊棱 镜、四面刻面棱镜、折叠屋脊棱镜、垂直屋脊棱镜、水平屋脊棱镜、垂直 折叠棱镜、水平折叠棱镜、角锥棱镜(pyramidal prism)或任何其他适当 类型的棱镜。例如，图5的TIR 55可以包括图3所示类型的折叠屋脊棱镜 80，其中折叠屋脊棱镜80在橫截面上呈现粗略为三角形的形状并且具有 两个刻面或主表面。也可以与TIR镜55结合采用其他类型的屋脊棱镜， 例如具有四个刻面的角锥屋脊棱镜。与TIR 55结合釆用的棱镜被优选地设 计和配置为消除或降低光束20中所出现的孔或暗斑的影响，所述孔或暗 斑是由LED 15被粘合到其底座(die)的方式产生的。在Smith的题为 "Illumination Optics and Methods"的美国专利6,476,970和Smith的题为 "Illumination Optics and Methods"的美国专利6,829,098中详细讨论了该问题和针对该问题采用具有不同配置的棱镜的各种方案。图6示出本发明的垂直光学照明系统10，其包括照明棱镜65。与图3 至图5的系统10不同，图6中的系统10的特点为没有全内反射镜55。 LED 15在第一方向25上发出第一定向的非相干光束20。准直透镜35收 集第一光束20并且将其定向为穿过照明棱镜65的输入面70而通过的方 向。如图6所示，在方向90上传播的第二束85被棱镜65的折射输出面 75折射，然后入射到表面100上。第二束85被从表面100反射以形成第 三束105，第三束105在方向110上向上传播以通过成像透镜130来校 准，并且定向到传感器140。如图6所图示，目标区域150有利地在小区域上受到较均匀的照明。在图6所图示系统10中，以及在本发明的其他实施例中，照明目标区域150优选地包括这样的表面区域该表面区域的长度(即，沿着纸面)范围在大约lmm和大约3mm之间，宽度(即，进入纸面)范围在大 约lmm和大约2mm之间，艮卩，表面积在大约lmn^和大约6mm2之间。注意，在图6中所图示的本发明实施例的棱镜65中没有以临界角或 者大于临界角的角度发生反射，其中也没有采用任何TIR镜。相反，第一 束20和第二束85被定向为在不发生这种反射的情况下穿过棱镜65或者从 棱镜65发射。但是，注意折射输出面75可以包括屋脊棱镜、角锥棱镜或 者其他类型的适当棱镜，例如上文中所描述的棱镜，并且这种棱镜可以被 进一步配置为消除或降低光束20中前述孔或暗斑的影响。图7示出本发明的水平光学照明系统10的另一个实施例，其包括多 刻面准直透镜35、照明棱镜65和全内反射镜55。如图7所示，多刻面准 直透镜35采用具有四个面的角锥形透镜的形式，其具有与透镜35的光轴 一致的顶点。LED 15在第一方向25上发出第一定向光束20。多刻面准直 透镜35收集第一光束20并且将其定向为通过照明棱镜65的输入面70以 供从全内反射("TIR")镜55的反射面50a反射，从而形成在第二方向 90上传播的第二光束85。如图7所示，第一反射面50a包括TIR镜55。 第二束85被棱镜65的折射输出元件77折射，然后入射在表面100上。第 二束85被从表面IOO反射以形成第三束105，第三束105在方向110上向 上传播，由成像透镜130 (未示出)来准直。如图7所图示，目标区域 150有利地在小区域上被与上面参照图5和图6所述类似的方式相对均匀 地照明。继续参照图7，照明棱镜65相对于光源15、准直透镜35和第一光束 20被配置为使得束20以大于或等于临界角的角度照射到第一反射面50a。 TIR 55可以包括四刻面屋脊棱镜、垂直折叠棱镜、屋脊棱镜或任何其他适 当类型的棱镜，该棱镜优选地设计和配置为消除或降低如上文中所讨论的 光束20中所出现的孔或暗斑的影响。图5至图7中的系统IO提供了光束相对于表面IOO的近乎正入射，因 此与图1中所图示的系统10相比具有较长的焦距，并且改善了光散射。 与图2中所示的分束照明系统10不同，在图5至图7的系统10中没有采用分束镜，并在不使用难以制造的精细复杂光学系统的情况下仍然实现了 光束在表面100上的近乎正入射。因此，图5至图7的系统10中的光束85或105不经过分束镜45和表面100之间的多次反射。图5至图7中所 图示的系统10因此比图1至图4中所示的系统10具有较少的损失。实际 上，图5至图7中的系统10的效率理论上超过90%，并且在实际中可以 超过80%。因此，图5至图7中的系统10比图1至图4中的系统10消耗 少得多的功率，使得它们非常适合于电池供电的鼠标应用。另外，图5至 图7中的系统10较简单的形状、便宜的组件和简化的构造与图l至图4中 所图示的系统IO相比，易于制造、机械上坚固和可靠并且具有较小接触 区(footprint)或尺寸。可以从由多刻面透镜、凹透镜、平凸透镜、双凹透镜、凸透镜、平凸 迈，見、/乂U迈，見、口-口迈，見、兵fl王，、一n、3F环囱衣MHH'、J迈i見、共fl/J乂別 非球面表面的透镜、正弯月透镜和负弯月透镜所构成的组中选择准直透镜35或成像透镜130。传感器140最优选地是由单个集成电路或芯片形成并且在其接收表面上布置有光电传感器的适当较大阵列的CMOS或CCD光传感器。传感器 140也可以是为了在本发明的光学照明系统中使用而优化的专用集成电路 (ASIC)。本领域技术人员将会了解，在由本申请所提供的后知之明的好处的情 况下可以采用对前述光学鼠标照明系统的许多变体、修改、置换和组合， 并且这种变体、修改、置换和组合中的许多都将落在本发明的范围内。本 发明在其范围内包括制造和使用这里所描述的系统、设备和组件的方法。前面的具体实施例说明了本发明的实施方式。因此，在不脱离本发明 或所附权利要求书的范围的情况下可以采用本领域技术人员已知或者这里 所公开的其他手段。例如，本发明的一些实施例不局限于采用临界角反射 的光学鼠标照明系统。阅读并理解本申请后，本领域技术人员现在将会了 解到，可以成功地在本发明中采用已知光学鼠标照明系统的许多组合、改 编、变体和置换。在权利要求书中，"装置加功能"的句式应当理解为覆盖了这里所描述的执行所述功能的结构及其等同物。权利要求书中的装置加功能的句式 不应被仅限于结构等同物，而是也希望包括在所要求的组合的环境下起等 同作用的结构。所有在上文中引用的印刷文献和专利通过这里的引用而被全部合并于 此。本发明在其范围内包括制造和使用上文所描述的系统、设备和组件的 方法。
权利要求
1.一种用在基本平直的成像表面上的近乎正入射的光学鼠标照明系统，该系统包括光源，该光源被配置为发出第一光束；至少一个准直透镜，所述至少一个准直透镜被配置为将所述第一光束基本在第一方向上朝着照明棱镜的输入面定向，所述照明棱镜包括全内反射镜和输出面，所述棱镜被配置为通过所述输入面接收所述第一光束并且以等于或超过临界角的角度朝着所述全内反射镜来定向所述第一光束，所述棱镜还被配置为从所述全内反射镜反射所述第一光束以形成第二光束，所述第二光束基本在相对于所述成像表面近乎垂直的第二方向上从所述棱镜的所述输出面出射；至少一个成像透镜，所述至少一个成像透镜能够被相对于所述棱镜配置为接收和定向由所述第二光束从所述表面反射而形成的第三光束；以及传感器，其中，所述第三光束被所述成像透镜朝着所述传感器定向。
2. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，其中，所述系统被配置为 水平光学鼠标照明系统和垂直光学鼠标照明系统之一 。
3. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，其中，所述全内反射镜还 包括屋脊棱镜，该屋脊棱镜是从由角锥屋脊棱镜、折叠屋脊棱镜、水平屋 脊棱镜和垂直屋脊棱镜所构成的组中选择的。
4. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，其中，所述照明棱镜的所 述输出面结合在形成所述照明棱镜的一部分的屋脊棱镜中。
5. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，其中，所述照明棱镜的所 述输出面是折射面。
6. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，其中，所述传感器是从由 互补金属氧化物半导体光传感器、电荷耦合器件、集成电路、芯片和专用 集成电路所构成的组中选择的。
7. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，其中，所述光源是发光二 极管，该发光二极管是从由下列项所构成的组中选择的被配置为在近红 外波段中发光的发光二极管、被配置为在红色波段中发光的发光二极管、 被配置为在橙色波段中发光的发光二极管、被配置为在黄色波段中发光的发光二极管、被配置为在白色波段中发光的发光二极管、被配置为在绿色 波段中发光的发光二极管和被配置为在蓝色波段中发光的发光二极管。
8. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，其中，所述光源是从由激 光器、垂直腔面发射激光器、白炽光源、相干光源和非相干光源所构成的 组中选择的。
9. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，其中，所述照明棱镜是由 聚碳酸酯、玻璃、丙烯酸树脂和聚合物中的至少一种模制的。
10. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，其中，所述系统被配置 为以从下列项所构成的组中选择的入射角来将所述第二光束定向到所述表 面上相对于所述成像表面的法线在大约3度和大约30度之间、相对于所述成像表面的法线在大约5度和大约25度之间以及相对于所述成像表 面的法线在大约10度和大约20度之间。
11. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，其中，所述系统被配置 为将所述第二光朿投射到所述表面上范围在大约lmn^和大约6rnr^之间 的有限目标照明区域上，所述有限区域被所述第二光束基本均匀地照明。
12. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，还包括邻近所述成像透 镜而布置的孔径光阑。
13. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，其中，所述准直透镜和 所述成像透镜中的至少一者是从由以下项构成的组中选择的多刻面透 镜、凹透镜、平凹透镜、双凹透镜、凸透镜、平凸透镜、双凸透镜、凸-凹 透镜、具有至少一个非球面表面的透镜、具有成对非球面表面的透镜、正 弯月透镜和负弯月透镜。
14. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，还包括布置在所述光源 的周围或近旁以将光在所述第一方向上定向的下列至少一者反射器、后 向反射器和高反射性表面。
15. 如权利要求1所述的光学鼠标照明系统，其中，所述准直透镜被 附接到所述照明棱镜的所述输入面。
16. —种用在基本平直的表面上的光学鼠标照明系统，该系统包括光源，所述光源被配置为发出第一光束；至少一个准直透镜，所述至少一个准直透镜被配置为将所述第一光束基本在第一方向上朝着照明棱镜的输 入面定向，所述照明棱镜包括第一全内反射镜和第二全内反射镜以及输出 面，所述棱镜被配置为通过所述输入面接收所述第一光束并且以等于或超 过第一临界角的第一角度朝着所述第一全内反射镜来定向所述第一光束， 所述棱镜还被配置为从所述第一全内反射镜反射所述第一光束以形成第二 光束，所述第二光束基本在第二方向上以等于或超过第二临界角的第二角 度朝着所述第二全内反射镜传播，所述棱镜还被配置为从所述第二全内反 射镜反射所述第二光束以形成第三光束，所述第三光束基本在相对于所述 成像表面近乎垂直的第三方向上从所述棱镜的所述输出面出射；至少一个 成像透镜，所述至少一个成像透镜能够被相对于所述棱镜配置为接收和定 向由所述第三光束从所述表面反射而形成的第四光束；以及传感器，其 中，所述第四光束被所述成像透镜朝着所述传感器定向。
17. 如权利要求16所述的光学鼠标照明系统，其中，所述系统被配置 为水平光学鼠标照明系统和垂直光学鼠标照明系统之一 。
18. 如权利要求16所述的光学鼠标照明系统，其中，所述第-一全内反 射镜和所述第二全内反射镜中的至少一者还包括屋脊棱镜，该屋脊棱镜是 从由角锥屋脊棱镜、折叠屋脊棱镜、水平屋脊棱镜和垂直屋脊棱镜所构成 的组中选择的。
19. 如权利要求16所述的光学鼠标照明系统，其中，所述照明棱镜的 所述输出面结合到形成所述照明棱镜的一部分的屋脊棱镜中。
20. 如权利要求16所述的光学鼠标照明系统，其中，所述照明棱镜的所述输出面是折射面。
21. 如权利要求16所述的光学鼠标照明系统，其中，所述照明棱镜是 由聚碳酸酯、玻璃、丙烯酸树脂和聚合物中的至少一种模制的。
22. 如权利要求16所述的光学鼠标照明系统，其中，所述系统被配置 为以从下列项所构成的组中选择的入射角来将所述第二光束定向到所述表 面上相对于所述成像表面的法线在大约3度和大约30度之间、相对于 所述成像表面的法线在大约5度和大约25度之间以及相对于所述成像表 面的法线在大约10度和大约20度之间。
23. 如权利要求16所述的光学鼠标照明系统，其中，所述系统被配置 为将所述第二光束投射在所述表面上范围在大约lmn^和大约6mr^之间 的有限目标照明区域上，所述有限区域被所述第二光束基本均匀地照明。
24. 如权利要求16所述的光学鼠标照明系统，其中，所述准直透镜和 所述成像透镜中的至少一者是从由以下各项构成的组中选择的多刻面透 镜、凹透镜、平凹透镜、双凹透镜、凸透镜、平凸透镜、双凸透镜、凸-凹 透镜、具有至少一个非球面表面的透镜、具有成对非球面表面的透镜、正 弯月透镜和负弯月透镜。
25. 如权利要求16所述的光学鼠标照明系统，其中，所述准直透镜被 附接到所述照明棱镜的所述输入面。
26. 如权利要求16所述的光学鼠标照明系统，其中，所述光源是发光 二极管，该发光二极管是从由下列项所构成的组中选择的被配置为在近 红外波段中发光的发光二极管、被配置为在红色波段中发光的发光二极 管、被配置为在橙色波段中发光的发光二极管、被配置为在黄色波段中发 光的发光二极管、被配置为在白色波段中发光的发光二极管、被配置为在 绿色波段中发光的发光二极管和被配置为在蓝色波段中发光的发光二极 管。
27. 如权利要求16所述的光学鼠标照明系统，其中，所述光源是从由 激光器、垂直腔面发射激光器、白炽光源、相干光源和非相干光源所构成 的组中选择的。
28. —种用在基本平直的表面上的光学鼠标照明系统，该系统包括 光源，所述光源被配置为发出第一光束；至少一个准直透镜，所述至少一 个准直透镜被配置为将所述第一光束基本在第一方向上朝着照明棱镜的输 入面定向，所述照明棱镜包括折射输出面，所述棱镜被配置为通过所述输 入面接收所述第一光束并且通过所述折射输出面来将所述第一光束定向为 第二光束，所述第二光束基本在相对于所述成像表面近乎垂直的第二方向 上朝着所述表面传播；至少一个成像透镜，所述至少一个成像透镜能够被 相对于所述棱镜配置为接收和定向由所述第二光束从所述表面反射而形成 的第三光束；以及传感器，其中所述第三光束被所述成像透镜朝着所述传感器定向。
29. 如权利要求28所述的光学鼠标照明系统，其中，所述系统被配置 为水平光学鼠标照明系统和垂直光学鼠标照明系统之一。
30. 如权利要求28所述的光学鼠标照明系统，其中，所述照明棱镜的 所述输出面结合到形成所述照明棱镜的一部分的屋脊棱镜中。
31. 如权利要求28所述的光学鼠标照明系统，其中，所述照明棱镜是 由聚碳酸酯、玻璃、丙烯酸树脂和聚合物中的至少一种模制的。
32. 如权利要求28所述的光学鼠标照明系统，其中，所述系统被配置 为以从下列项所构成的组中选择的入射角来将所述第二光束定向到所述表 面上相对于所述成像表面的法线在大约3度和大约30度之间、相对于 所述成像表面的法线在大约5度和大约25度之间以及相对于所述成像表 面的法线在大约10度和大约20度之间。
33. 如权利要求28所述的光学鼠标照明系统，其中，所述系统被配置 为将所述第二光束投射在所述表面上范围在大约lmm2和大约6mn^之间 的有限目标照明区域上，所述有限区域被所述第二光束基本均匀地照明。
34. 如权利要求28所述的光学鼠标照明系统，其中，所述准直透镜和 所述成像透镜中的至少一者是从由以下各项构成的组中选择的多刻面透 镜、凹透镜、平凹透镜、双凹透镜、凸透镜、平凸透镜、双凸透镜、凸-凹 透镜、具有至少一个非球面表面的透镜、具有成对非球面表面的透镜、正 弯月透镜和负弯月透镜。
35. 如权利要求28所述的光学鼠标照明系统，其中，所述准直透镜被附接到所述照明棱镜的所述输入面。
36. 如权利要求28所述的光学鼠标照明系统，其中，所述光源是发光 二极管，该发光二极管是从由下列项所构成的组中选择的被配置为在近 红外波段中发光的发光二极管、被配置为在红色波段中发光的发光二极 管、被配置为在橙色波段中发光的发光二极管、被配置为在黄色波段中发 光的发光二极管、被配置为在白色波段中发光的发光二极管、被配置为在 绿色波段中发光的发光二极管和被配置为在蓝色波段中发光的发光二极 管。
37. 如权利要求28所述的光学鼠标照明系统，其中，所述光源是从由 激光器、垂直腔面发射激光器、白炽光源、相干光源和非相干光源所构成 的组中选择的。
38. —种利用光学鼠标来照明表面的方法，所述光学鼠标包括光 源，所述光源被配置为发出第一光束；至少一个准直透镜，所述至少一个准直透镜被配置为将所述第一光束基本在第一方向上朝着照明棱镜的输入 面定向，所述照明棱镜包括全内反射镜和输出面，所述棱镜被配置为通过 所述输入面接收所述第一光束并且以等于或超过临界角的角度朝着所述全 内反射镜来定向所述第一光束，所述棱镜还被配置为从所述全内反射镜反 射所述第一光束以形成第二光束，所述第二光束基本在相对于所述成像表面近乎垂直的第二方向上从所述棱镜的所述输出面出射；至少一个成像透 镜，所述至少一个成像透镜能够被相对于所述棱镜配置为接收和定向由所 述第二光束从所述表面反射而形成的第三光束；以及传感器，所述第三光 束被所述成像透镜朝着所述传感器定向，所述方法包括启动所述光源； 使得光以近乎正入射的角度传播通过所述棱镜并从所述成像表面反射；利 用所述传感器来感测从所述表面反射的光。
39. —种利用光学鼠标来照明表面的方法，所述光学鼠标包括光 源，所述光源被配置为发出第一光束；至少一个准直透镜，所述至少一个 准直透镜被配置为将所述第一光束基本在第一方向上朝着照明棱镜的输入 面定向，所述照明棱镜包括折射输出面，所述棱镜被配置为通过所述输入 面接收所述第一光束并且通过所述折射输出面来将所述第一光束定向为第 二光束，所述第二光束基本在第二方向上以相对于所述成像表面近乎垂直 的角度传播；至少一个成像透镜，所述至少一个成像透镜能够被相对于所 述棱镜配置为接收和定向由所述第二光束从所述表面反射而形成的第三光 束；以及传感器，所述第三光束被所述成像透镜朝着所述传感器定向，所 述方法包括启动所述光源；使得光传播通过所述棱镜并从所述表面反 射；利用所述传感器来感测从所述表面反射的光。
40. —种利用光学鼠标来照明表面的方法，所述光学鼠标包括光 源，所述光源被配置为发出第一光束；至少一个准直透镜，所述至少一个准直透镜被配置为将所述第一光束基本在第一方向上朝着照明棱镜的输入 面定向，所述照明棱镜包括折射输出面，所述棱镜被配置为通过所述输入 面接收所述第一光束并且通过所述折射输出面来将所述第一光束定向为第 二光束，所述第二光束基本在第二方向上以相对于所述成像表面近乎垂直 的角度传播；至少一个成像透镜，所述至少一个成像透镜能够被相对于所 述棱镜配置为接收和定向由所述第二光束从所述表面反射而形成的第三光束；以及传感器，其中所述第三光束被所述成像透镜朝着所述传感器定 向，所述方法包括启动所述光源；使得光传播通过所述棱镜并从所述表 面反射；利用所述传感器来感测从所述表面反射的光。
41. 一种制造光学鼠标的方法，所述光学鼠标包括光源，所述光源 被配置为发出第一光束；至少一个准直透镜，所述至少一个准直透镜被配 置为将所述第一光束基本在第一方向上朝着照明棱镜的输入面定向，所述 照明棱镜包括全内反射镜和输出面，所述棱镜被配置为通过所述输入面接 收所述第一光束并且以等于或超过临界角的角度朝着所述全内反射镜来定 向所述第一光束，所述棱镜还被配置为从所述全内反射镜反射所述第一光 束以形成第二光束，所述第二光束基本在第二方向上以相对于所述成像表 面近乎垂直的角度从所述棱镜的所述输出面出射；至少一个成像透镜，所 述至少一个成像透镜能够被相对于所述棱镜配置为接收和定向由所述第二 光束从所述表面反射而形成的第三光束；以及传感器，所述第三光束被所 述成像透镜朝着所述传感器定向，所述方法包括提供所述光源、所述准 直透镜、所述照明棱镜、所述成像透镜和所述传感器；将所述光源、所述 准直透镜、所述照明棱镜、所述成像透镜和所述传感器彼此相对配置，从 而提供可用的光学鼠标照明系统。
全文摘要
本发明公开了具有棱镜的近乎正入射的光学鼠标照明系统，包括光学鼠标照明系统的各种实施例，所述光学鼠标照明系统提供光束在表面上的近乎正入射，而无需采用复杂的分束器组件并且无需采用照明的近乎掠入射方法。这里所公开的光学鼠标照明系统比多数的现有技术光学鼠标照明系统提供更高的效率，却更加便宜并且更加易于制造。这里所公开的系统也很好地适用于电池供电的鼠标应用。形成这里所公开的系统的一部分的照明棱镜可以在其中结合全内反射(TIR)镜，也可以没有TIR镜。可以与TIR镜和照明棱镜结合地采用各种类型的屋脊棱镜以消除或降低光源所发出的光束中的暗斑的影响。这里所描述的光学系统可以采用相干或非相干光源。
文档编号F21Y101/02GK101271368SQ20081008774
公开日2008年9月24日 申请日期2008年3月24日 优先权日2007年3月23日
发明者乔治·E·史密斯 申请人:安华高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司