專利名稱：具有電容式傳感器的光學(xué)導(dǎo)航模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開總體涉及光學(xué)導(dǎo)航模塊，并且更為具體地，涉及光學(xué)手指導(dǎo)航模塊以及用于操作該光學(xué)手指導(dǎo)航模塊的方法。
背景技術(shù)：
比如個人計算機(jī)、平板計算機(jī)、娛樂系統(tǒng)、游戲控制臺以及蜂窩電話之類的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通常包括用于數(shù)據(jù)輸入和/或光標(biāo)移動的光學(xué)導(dǎo)航傳感器或模塊。光學(xué)導(dǎo)航模塊通常包括光源以及比如電荷耦合器件(CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)成像陣列或梳狀陣列之類的傳感器，所述光源用于照射跟蹤表面，以及所述傳感器用于捕獲從所述表面反射回的光中的圖像或信號。在與所述傳感器耦合的信號處理器中實(shí)現(xiàn)的跟蹤程序分析連續(xù)的圖像或樣本，以確定所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面的位移。因?yàn)楣鈱W(xué)導(dǎo)航模塊僅僅在將所述傳感器與所述跟蹤表面分隔開額定設(shè)計高度附近的窄范圍內(nèi)工作良好，所以當(dāng)所述光學(xué)導(dǎo)航模塊與跟蹤表面分隔開多于最大抬升高度時，必須進(jìn)行抬升檢測。先前的光學(xué)導(dǎo)航模塊依賴于基于圖像散焦、光學(xué)信號強(qiáng)度損耗或者這兩者進(jìn)行的光學(xué)抬升檢測機(jī)制。盡管這通常工作良好，但是一個問題在于每個使用所述光學(xué)導(dǎo)航模塊的新設(shè)備要求新的機(jī)械和/或光學(xué)設(shè)計，以及要求對所述光學(xué)導(dǎo)航模塊進(jìn)行精細(xì)調(diào)諧。此外，改變所述最大抬升高度通常要求新的機(jī)械和/或光學(xué)設(shè)計。最后，用于實(shí)現(xiàn)這種抬升截止(lift cutoff)機(jī)制的光學(xué)設(shè)計通常要求精確的設(shè)計和制造工藝，從而增加了所述光學(xué)導(dǎo)航模塊的成本。


在結(jié)合附圖和所附權(quán)利要求閱讀下述詳細(xì)描述后，光學(xué)導(dǎo)航模塊以及它的操作方法的這些和各種其他特征將是顯而易見的，在附圖中圖IA例示了在附接到窗口的襯底上的具有電容式傳感器和小孔的光學(xué)手指導(dǎo)航(OFN)模塊的實(shí)施例的方框圖；圖IB例示了圖IA中的襯底的頂視圖；圖IC例示了具有控制器的圖IA中的電容式傳感器的實(shí)施例的方框圖；圖2例示了在形成在光電檢測器陣列(PDA)上方的集成電路上或附接到該集成電路的襯底上的具有電容式傳感器和小孔的OFN模塊的另一實(shí)施例的方框圖；圖3例示了與圖IA和2中的OFN —起使用的窗口的一部分的剖面圖的實(shí)施例；圖4是用于操作具有電容式傳感器的OFN模塊的方法的實(shí)施例的流程圖；圖5例不了從光學(xué)粗糙表面返回的光中的斑點(diǎn)圖案；
圖6例示了在根據(jù)本公開的實(shí)施例的OFN中使用的基于斑點(diǎn)的線性或一維(ID)梳狀陣列的方框示意圖；圖7A和7B例示了在根據(jù)本公開的實(shí)施例的OFN中使用的二維(2D)梳狀陣列的方框示意圖；圖8例示了集成到個人計算機(jī)(PC)或工作站的鍵盤中的根據(jù)本公開的OFN的實(shí)施例；圖9例示了集成到平板PC中的根據(jù)本公開的OFN的實(shí)施例；和圖10例示了集成到蜂窩電話或手持電子設(shè)備中的根據(jù)本公開的OFN的實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
光學(xué)導(dǎo)航模塊和方法被提供來在輸入設(shè)備中用來感測所述光學(xué)導(dǎo)航模塊和跟蹤表面之間的相對運(yùn)動。在一個實(shí)施例中，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊包括(i)光源，用于照射表面的至少一部分，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面移動；(ii)集成電路(1C),包括光電檢測器陣列(PDA)以及信號處理器，所述光電檢測器陣列用于檢測從所述表面?zhèn)鞑サ剿鯬DA上的光圖案，所述信號處理器用于將傳播到所述PDA上的光圖案中的變化轉(zhuǎn)換為表示所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)；以及(iii)襯底，在所述襯底上安裝所述光源和IC,所述襯底在所述表面和所述PDA之間的光路徑中包括小孔(aperture)。在另一實(shí)施例中，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊是光學(xué)手指導(dǎo)航(OFN)模塊，并且包括電容式傳感器，用于檢測所述手指的表面或其他表面與所述OFN模塊分隔開的抬升高度，以及用于當(dāng)所述抬升高度超過最大抬升高度時，截止或中斷表示所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)。或者，所述電容式傳感器被配置為將所述OFN模塊從第一操作模式切換到第二操作模式，在所述第一操作模式中，跟蹤所述手指的移動，以及在所述第二操作模式中，所述OFN模塊中的光學(xué)傳感器作為環(huán)境光檢測器操作。所述附圖僅僅是示意，并且是非限制性的。為了例示，在附圖中，一些元件的尺寸可能被放大，并且沒有按照比例繪出。所述尺寸以及所述相對尺寸可能不對應(yīng)于本發(fā)明的實(shí)踐中的實(shí)際減小。為了清楚，在下面的描述中，已經(jīng)省略了輸入設(shè)備及其操作方法中的廣為公知的以及與本裝置和方法無關(guān)的許多細(xì)節(jié)，特別是按鈕、按鍵和光學(xué)導(dǎo)航傳感器。在一個實(shí)施例中，如圖IA中所示，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊包括光學(xué)手指導(dǎo)航(OFN)模塊102，用于感測跟蹤表面104 (比如，手指、觸控筆、手掌或其他合適的物體的表面)在所述OFN模塊的光學(xué)透明窗口 106上方的移動。所述OFN模塊102可以檢測手勢(gesture)，比如敲打或雙次敲打所述窗口 106，以及所述跟蹤表面和所述OFN模塊之間的相對移動。參見圖1A，所述OFN模塊102包括襯底108，比如安裝有照明裝置或光源110以及傳感器集成電路(IC) 112之類的電路板或印刷電路板(PCB)，所述照明裝置或光源110比如是發(fā)光二極管(LED)、激光器或VCSEL。所述IC112的組件包括比如光電二極管陣列之類的光電檢測器或光電檢測器陣列(PDA) 114、比如模擬放大器、差分放大器和比較器之類的前端電子器件116以及信號處理電路或信號處理器118，所述信號處理電路或信號處理器118用于將從所述跟蹤表面104傳播到所述PDA上的光圖案中的變化轉(zhuǎn)換為移動數(shù)據(jù)。利用傳播，它意味著從跟蹤表面104到所述PDA 114的光傳輸或光移動是來自所述跟蹤表面的光的散射或反射的結(jié)果。
所述襯底108還包括位于所述跟蹤表面104和所述PDA 114之間的光路徑中的第一開口或小孔120，用于控制散射到所述PDA的光以及阻止環(huán)境光。在一些實(shí)施例中，比如所不出的所述襯底108的上表面被例如利用粘合劑124固定到窗口 106的下表面、并且所述光源110和IC 112被倒裝安裝到所述襯底的背面或下表面的實(shí)施例中，所述襯底還包括位于所述已組裝的OFN模塊102中的光源上方的第二開口 126。利用倒裝安裝，它意味著利用沉積在所述光源110和IC 112的焊盤(未示出)上的焊料凸塊，將所述光源和IC安裝并且電耦合到所述襯底108上的金屬層或?qū)щ娵E線，從而使得所述光源和IC的頂側(cè)或電氣有源側(cè)面對所述襯底。這與線焊配置相反，在線焊配置中，芯片被安裝為不面對電路板或襯底，并且使用布線來將焊盤與外部電路互連?？蛇x地，所述襯底108在下表面上還包括連接器130，比如帶狀連接器，通過所述連接器，將所述光源110和/或IC 112電耦合到與所述OFN模塊102 —起使用的控制器132和/或輸入設(shè)備。另外，所述襯底108還可以包括安裝在襯底上或嵌入在襯底中的電容式傳感器134，用于檢測存在或不存在跟蹤表面104或手指。在一個實(shí)施例中，如圖IB中所示，所述電容式傳感器可以是互容式傳感器(mutual capacitive sensor),包括多個相鄰板分段或電極136a和136b以及IC 112或控制器132中的被配置為檢測所述電極之間的電容的電 路，所述電極136a和136b由所述襯底108的上表面上的多個圖案化的導(dǎo)電層或金屬層形成。在另一實(shí)施例中，如圖IC中所示，所述電容式傳感器134可以包括傳感器元件140的矩陣或陣列138，每個傳感器元件由多個接收電極142和發(fā)送電極144中之一的交點(diǎn)形成。所述傳感器陣列138通過發(fā)送解復(fù)用器146和接收復(fù)用器148耦合到電容式傳感器控制電路137。如上所述，所述電容式傳感器控制器電路137可以在IC 112中或者在OFN模塊102的控制器132中實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，比如圖IC中示出的實(shí)施例，所述電容式傳感器控制電路137可以包括用于將電容變換為測量值的張弛振蕩器150或其他裝置，用于測量所述振蕩器輸出的計數(shù)器152或計時器，以及利用固件、硬件或軟件實(shí)現(xiàn)的處理邏輯154，該處理邏輯154用于將所述計數(shù)值(例如電容值)變換為傳感器元件檢測決定(也稱為開關(guān)檢測決定)或相對幅度。應(yīng)該注意的是，存在各種公知的用于測量電容的方法，比如電流-電壓相移測量、電阻器-電容器充電計時(charge timing)、電容橋分壓器、電荷轉(zhuǎn)移、逐次逼近法、西格瑪-德爾塔(sigma-delta)調(diào)制器、電荷累積電路、場效應(yīng)、互容、頻移或其他電容測量算法。盡管被示出為控制器132的一部分，但是將理解的是，作為替換，發(fā)送解復(fù)用器146、接收復(fù)用器148、張弛振蕩器150、計數(shù)器152或處理邏輯154中的任何一個或全部可以在具有電容式傳感器134的襯底108上或者在IC 112中實(shí)現(xiàn)。或者，所述電容式傳感器134可以是自容傳感器或電容式絕對傳感器，用于檢測所述襯底108的上表面上的單個連續(xù)上板或電極(未示出)和所述襯底的下表面上或者IC112內(nèi)的接地平面(未示出)之間的電容。在一個實(shí)施例中，所述控制器132是可編程控制器，比如位于加利福尼亞州圣何塞(San Jose)的Cypress半導(dǎo)體公司出品的可編程片上系統(tǒng)或PSoC 控制器，并且包括駐留在該控制器中的程序，該程序能夠在兩個或更多操作模式下操作所述OFN模塊。例如，在當(dāng)所述電容式傳感器134在比最大抬升高度小的抬升高度內(nèi)檢測到存在跟蹤表面104或手指時的第一操作模式下，所述控制器操作所述OFN模塊102來跟蹤所述跟蹤表面相對于所述OFN模塊的移動，所述最大抬升高度的值被存儲在控制器132的寄存器或存儲器中。在當(dāng)所述電容式傳感器134在比最大抬升高度小的抬升高度內(nèi)沒有檢測到存在所述跟蹤表面104或者沒有檢測到所述跟蹤表面時的第二操作模式下，所述控制器132可以操作所述OFN模塊102來中斷從所述OFN模塊102輸出移動數(shù)據(jù)，由此防止從所述OFN模塊輸出由于所述跟蹤表面或手指超過所述最大跟蹤高度或者穿過暴露的窗口 106和小孔120到達(dá)PDA 114上的環(huán)境或外界光的圖案變化造成的錯誤移動數(shù)據(jù)。中斷從所述OFN模塊102輸出移動數(shù)據(jù)可以通過從所述光源110、PDA 114、前端電子器件116和/或信號處理器118去除電源來完成，或者通過將所述信號處理切換或者重新配置為中斷輸出移動數(shù)據(jù)來完成。當(dāng)在第二模式下操作時，從所述OFN模塊102中的除了操作所述電容式傳感器134所需的組件之外的組件去除電源，提供了進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)，即，減少使用所述OFN模塊的利用電池操作的設(shè)備的功耗。作為替換或者另外，所述電容式傳感器134可以被配置為或者適于感測手勢，比如敲打或雙次敲打所述OFN模塊102的表面，或者使得所述跟蹤表面104或手指按照特定的方向掃過所述OFN模塊的表面，以及感測存在或不存在所述跟蹤表面或手指。所述電容式傳感器134通過感測規(guī)定時間段內(nèi)的電容的快速或突然變化(即，敲打或雙次敲打)來感測所述手勢，或者通過感測電極136或所述襯底108的表面上的不同電容元件之間的電容變化來感測所述手勢。在禁用表面跟蹤后，所述第二操作模式還可以包括將所述OFN模塊102作為環(huán)境光傳感器操作，以測量和輸出表示照射到所述PDA 114上的環(huán)境光的數(shù)據(jù)。這種環(huán)境光數(shù)據(jù)可以例如用來調(diào)整使用或包含所述OFN模塊的設(shè)備中的顯示器的亮度或色度，所述設(shè)備比如是計算機(jī)、電子閱讀器或蜂窩電話。在當(dāng)所述電容式傳感器134檢測到在比所述最大抬升高度小的抬升高度內(nèi)檢測到存在跟蹤表面104但是所述OFN模塊102在可編程時間段后沒有檢測到所述跟蹤表面的移動時的又一或第三操作模式下，所述控制器132可以包括用于操作所述OFN模塊來啟用自動滾動功能的程序，在該自動滾動功能中，繼續(xù)表示前一移動的數(shù)據(jù)輸出，直到再次抬升或移動所述跟蹤表面為止?？蛇x地，所述控制器132可以包括用于使得用戶能夠指定所述最大抬升高度，或者從在所述控制器中存儲的多個可編程的最大抬升高度中選擇一個的程序。因?yàn)樗鯫FN模塊102可以滿意地跟蹤處于由于表面粗糙度和/或顏色淀積變化造成的不同抬升高度處的不同手指，所以在本實(shí)施例的一個版本中，用戶可以通過指定手指類型來從所述預(yù)先編程的最大抬升高度中選擇?；蛘?，所述控制器132可以包括用于使得用戶能夠通過校準(zhǔn)過程來指定所述最大抬升高度的程序，在該校準(zhǔn)過程中，所述手指朝向所述窗口 106的表面移動或者從所述窗口 106的表面抬升。圖IB例示了圖IA中的OFN模塊102的襯底108的頂視圖。參見圖1B，所述襯底108包括一層或多層材料、第一開口或小孔120以及第二開口 126,所述一層或多層材料對于所述光源所生成的且被所述PDA感測的至少一個波長的光基本上是不透明的，所述第一開口或小孔120至少部分與所述已組裝的OFN模塊中的PDA 114重疊，所述第二開口 126在所述光源110的上方。所述電容式傳感器134包括一層或多層金屬或其他導(dǎo)電材料,該一層或多層金屬或其他導(dǎo)電材料形成在或?qū)盈B到所述襯底108上并且使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)進(jìn)行圖案化來形成所述電容式傳感器的一個或多個平板或電極。如上所述，所述電容式傳感器134可以是互容傳感器，該互容傳感器包括位于所述襯底108的上表面上的多個相鄰平板分段或電極136，并且檢測所述電極之間的電容。在另一實(shí)施例中，如圖2中所示，所述OFN模塊202包括位于襯底208中或之上的小孔204和電容式傳感器206以及光源214，該襯底208形成在包括該光電檢測陣列(PDA212)的集成電路(IC 210)上或PDA的上方附接到集成電路(IC 210)。通常，所述IC210還包括如上針對所述OFN模塊102所述的前端電子器件216和/或信號處理器218，以及用于將所述IC與要被所述OFN模塊202跟蹤的手指分隔開的窗口 220。另外，所述IC210還可以在所述襯底208和IC 210之間包括一層或多層222，用于調(diào)整所述小孔204與所述PDA212之間的分隔高度。所述一層或多層222可以在所述手指和所述PDA212或與所述PDA重疊的開口(未示出)之間的光路徑中包括光學(xué)透明的材料。所述襯底208可以包括一個或多個在將所述IC從半導(dǎo)體晶圓切割下之前使用標(biāo) 準(zhǔn)半導(dǎo)體處理技術(shù)形成、沉積或生長在所述IC 210上的導(dǎo)電或介電材料層，或者一個或多個與所述IC分離地制造且附接到該IC上的導(dǎo)電或介電材料層。在一個實(shí)施例中，所述襯底208包括在介電層上方沉積的導(dǎo)電或金屬層，使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)對該導(dǎo)電或金屬層進(jìn)行圖案化以形成電容式絕對感測系統(tǒng)的平板或者互容感測系統(tǒng)的電極，在該互容感測系統(tǒng)中，所述手指改變相鄰電極或平板分段之間的互耦。在另一實(shí)施例，所述OFN模塊的光源214在與所述IC 210相對的一側(cè)上附接到所述襯底208上?？蛇x地，所述光源214可以通過所述襯底208上的被圖案化的金屬層，電耦合到電源。圖3中示出了與圖IA和2中的OFN—起使用的窗口的一部分的剖面?zhèn)纫晥D。參見圖3中的實(shí)施例，所述窗口 302可以包括一個或多個塑料、玻璃或晶體材料層304，306，308，310，該一個或多個材料層對于可以由所述光源發(fā)出且被所述檢測器感測到的至少一個波長的光基本上是透明的。另外，所述窗口 302應(yīng)該具有良好的光學(xué)質(zhì)量，從而它不會分散所通過的光?？梢赃x擇所述窗口 302的外層和/或內(nèi)層304，310的物理或光學(xué)特性，比如耐磨、強(qiáng)度和/或低反射。低反射可以通過使用附加的抗反射涂覆(ARC)層或表面312實(shí)現(xiàn)。在一個實(shí)施例中，所述窗口 302具有至少兩個濾光層306，308，包括用于阻止所具有的波長比所述光源的波長短的光的第一濾光層，以及用于阻止所具有的波長比所述光源的波長長的光的第二濾光層?，F(xiàn)在將參照圖4中的流程圖，描述用于操作具有電容式傳感器且能夠在兩個操作模式下操作的OFN模塊的方法的實(shí)施例。在第一塊中，所述OFN模塊利用附接到或嵌入到所述OFN模塊的襯底(比如電路板)中的電容式傳感器，檢測靠近所述OFN模塊的跟蹤表面的存在性(402)。如上參照圖IA和2中的OFN所說明的，檢測所述表面存在性可以包括利用所述電容式傳感器測量將所述表面與所述OFN模塊分隔開的抬升高度，以及將所測量的抬升高度與可編程的或存儲在所述OFN模塊的固件或電容式傳感器控制器中的最大抬升高度進(jìn)行比較。接著，如果檢測到存在表面，則啟用表面跟蹤(404)，并且所述OFN模塊在第一模式下操作，以利用所述OFN模塊的光學(xué)傳感器來跟蹤所述表面的移動(406)。啟用表面跟蹤可以通過將電源施加到所述光源、前端電子器件和/或信號處理器來實(shí)現(xiàn)，或者通過將所述信號處理器切換或重新配置到輸出表示所述OFN模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。跟蹤所述表面的移動通常包括利用所述光源照射表面的至少一部分；檢測從所述表面散射到所述OFN模塊中的傳感器IC上的PDA的光圖案；以及利用所述信號處理器，將散射到所述PDA上的光圖案中的變化轉(zhuǎn)換為表示所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)。在一個實(shí)施例中，其中所述光源和IC被安裝到包括小孔的襯底上，并且檢測從所述表面散射到所述PDA上的光圖案包括檢測通過所述小孔從所述表面散射到所述PDA上的光圖案。如果沒有檢測到存在表面，則禁用表面跟蹤(408)。禁用表面跟蹤可以通過從所述光源、前端電子器件和/或信號處理器去除電源來實(shí)現(xiàn)，或者通過將所述信號處理器切換或重新配置為中斷輸出表示所述OFN模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。可選地，在禁用表面跟蹤后，所述方法還可以包括在第二模式下操作所述OFN模塊，以檢測并輸出表示照射到所述PDA上的環(huán)境光的數(shù)據(jù)(410)。如上所述，關(guān)于環(huán)境光的數(shù)據(jù)可以被包括所述OFN模塊或與所述OFN模塊一起使用的設(shè)備使用來調(diào)整顯示器的光輸出。
最后，重復(fù)上述方法(412)，開始檢測靠近所述OFN模塊的跟蹤表面的存在性(402)。所述方法可以通過按照規(guī)則的調(diào)度間隔采樣或輪詢所述電容式傳感器來重復(fù)，或者通過在所述電容式傳感器的輸出中連續(xù)地監(jiān)測所述電容式傳感器的輸出中的變化來重復(fù)?，F(xiàn)在將參照圖5描述基于斑點(diǎn)的OFN的操作原理。為了清楚，在下面的描述中，已經(jīng)省略了基于斑點(diǎn)的ONS中的廣為公知且與本發(fā)明無關(guān)的許多細(xì)節(jié)。例如，在2006年11月21 日授權(quán)的共同轉(zhuǎn)讓的 Jahja Trisnadi 等的名稱為 “Two-Dimensional Motion Sensor”的美國專利No. 7，138，620中描述了基于斑點(diǎn)的光學(xué)導(dǎo)航傳感器，通過引用將其全文并入本文中。參見圖5，所具有的不規(guī)則形態(tài)的尺寸(S卩，大致大于Iym)比入射光的波長大的任何普通表面將趨于以接近Lambertian的方式，將光502散射到整個半球。如果使用相干光源，比如激光器，則在被具有有限小孔的平方定量檢測器檢測到后，從所述表面返回的空間相干光將產(chǎn)生復(fù)雜的干涉圖案。這種具有亮區(qū)和暗區(qū)的復(fù)雜干涉圖案被稱為斑點(diǎn)或斑點(diǎn)圖案504。如圖5中所示，所述表面法線508和最外面的光線512之間的光線506，對所測量的斑點(diǎn)圖案504作出貢獻(xiàn)。斑點(diǎn)是由于相干光從粗糙表面散射開生成的且被比如光電二極管之類的強(qiáng)度感光元件檢測到的隨機(jī)干涉圖案，所述強(qiáng)度感光元件具有有限角度視場或數(shù)值孔徑(NA)。所述斑點(diǎn)圖案的詳細(xì)特性取決于所述表面外形以及從表面散射的光的波長。從移動粗糙表面得到的轉(zhuǎn)換后的斑點(diǎn)圖案可以被使用來在所述表面橫向移到所述ONS時，識別所述ONS和所述表面之間的任何相對移動。斑點(diǎn)敏感光電檢測器陣列可以包括一個或多個線性或一維(ID)或二維(2D)梳狀陣列，該陣列具有按照二維配置布置的多個檢測器或感光元件。線性或ID梳狀陣列是具有按照周期性方式連接的多個感光元件的陣列，從而該陣列充當(dāng)用于對所述信號的一個空間頻率分量進(jìn)行積分的固定模板。圖6中示出了一個這種ID梳狀陣列的實(shí)施例。多個感光元件的周期性方式的連接使得所述梳狀陣列在一個空間頻率K(由所述陣列中的感光元件的間距和所述收集光學(xué)器件定義)下能夠有效地用作相關(guān)器。圖4示出了比如光電二極管604之類的感光元件的ID梳狀陣列602 (沿著一個軸)的一般配置，其中感光元件的交錯組的組合用作由于所述斑點(diǎn)(或非斑點(diǎn))圖像產(chǎn)生的亮-暗信號605的空間頻率上的周期性濾光器。在所示出的實(shí)施例中，所述ID梳狀陣列602包括多個光電二極管集或周期，每個具有4個光電二極管604，在這里被標(biāo)記為A，B, C和D。每個周期中來自對應(yīng)或類似標(biāo)記的光電二極管604的電流或信號被電連接(線和)來形成從陣列602輸出的4個線信號606。通過使用第一差分模擬電路608來完成背景抑制和信號增強(qiáng)，從而生成同相差分電流信號(這里被標(biāo)記為C。」，以及通過使用第二差分模擬電路610來完成背景抑制和信號增強(qiáng)，從而生成正交差分電流信號(這里被標(biāo)記為Swt)。對所述同相信號和正交信號的相位進(jìn)行比較，允許確定所述ID梳狀陣列602相對于散射表面的移動的幅度和方向。參見圖6，通過采用底層斑點(diǎn)圖案并且分別根據(jù)余弦模板612和正弦模板614對它們進(jìn)行處理，獲得所述同相信號Cwt和正交信號S-?？梢栽O(shè)計所述0NS，使得光學(xué)“亮-暗”信號圖案(即，斑點(diǎn))具有基本上等于所述梳狀陣列的周期(圖6的實(shí)施例中的四個(4個)光電二極管604或像素)的尺寸。如圖6中所示，所述同相信號電流根據(jù)Crat = A-C獲得，·以及所述正交信號電流根據(jù)Srat = B-D獲得。在一個實(shí)施例中，所述光電檢測器陣列可以包括按照二維(2D)布置的光電二極管或感光元件，如圖7A和7B所示。所述2D梳狀陣列的性能被期望優(yōu)于所述IDX ID情形，因?yàn)槠骄?，所述圖像中的每個點(diǎn)在所有方向上在所述2D檢測器有效區(qū)域內(nèi)部經(jīng)過長得多的路徑，并且因此為所述位移估計作出更多的貢獻(xiàn)。圖7A和7B是具有按照每單元配置4X4個元件成組的感光元件的2D梳狀陣列的方框示意圖。參見圖7A和7B,所述2D梳狀陣列702可以具有被布置或成組為多個單元706的多個感光元件704，每個單元具有按照每單元配置4X4個元件(或者4X4元件/周期)成組的感光元件。具有相同字母和相同編號的單元706內(nèi)的感光元件704 (如圖5的細(xì)節(jié)中所示)與具有相同編號的2D梳狀陣列702中的所有單元的對應(yīng)元件電連接或線和，以得到8個信號Al到D2。所述8個線和信號被利用差分放大器708進(jìn)一步進(jìn)行組合，以提供在X和y方向上包含同相和正交信息的四個信號。在一個實(shí)施例中，如圖8中所示，所述OFN模塊可以被集成到個人計算機(jī)(PC)或筆記本計算機(jī)的外殼或鍵盤802中。所述OFN模塊通常包括位于鍵盤802的表面中或通過鍵盤802的表面的開口或光學(xué)透明窗口 804，通過所述開口或光學(xué)透明窗口 804，所述OFN模塊感測跟蹤表面的相對移動和/或姿勢，所述跟蹤表面比如是手指、觸控筆、手掌或其他合適的物體?？蛇x地，所述OFN模塊還可以包括用于檢測將所述手指的表面與所述OFN模塊分隔開的抬升高度的電容式傳感器，以及嵌入在固件中的用于將所述OFN模塊從第一操作模式切換到第二操作模式的程序，在所述第一操作模式中，跟蹤所述手指的移動，以及在所述第二操作模式中，不跟蹤所述手指的移動，并且所述OFN模塊中的光學(xué)傳感器作為環(huán)境光檢測器操作。在另一實(shí)施例中，如圖9中所示，所述OFN模塊被容納在數(shù)字閱讀器或平板計算機(jī)902中，并且與所述數(shù)字閱讀器或平板計算機(jī)902 —起使用。參見圖9，在該實(shí)施例中，所述OFN模塊位于或容納在位于平板計算機(jī)902的表面中或通過平板計算機(jī)902的表面的開口或光學(xué)透明窗口 904下方，通過所述開口或光學(xué)透明窗口 904，所述OFN模塊感測跟蹤表面的相對移動和/或姿勢，所述跟蹤表面比如是手指、手掌或觸控筆。如上所述，所述OFN模塊還可以包括用于檢測將所述手指的表面與所述OFN模塊分隔開的抬升高度的電容式傳感器，以及嵌入在固件中的用于將所述OFN模塊從第一操作模式切換到第二操作模式的程序，在所述第一操作模式中，跟蹤所述手指的移動，以及在所述第二操作模式中，不跟蹤所述手指的移動，并且所述OFN模塊中的光學(xué)傳感器作為環(huán)境光檢測器操作。在另一實(shí)施例中，如圖10中所示，所述OFN模塊被容納在移動或手持電子設(shè)備1002中，并且與所述移動或手持電子設(shè)備1002 —起使用，所述移動或手持電子設(shè)備比如是蜂窩電話、游戲控制器、遠(yuǎn)程指示設(shè)備或個人數(shù)字助理(PDA)。參見圖10，在該實(shí)施例中，所述OFN模塊通常包括位于所述手持電子設(shè)備1002的表面中或通過所述手持電子設(shè)備1002的表面的光學(xué)透明窗口 1004，通過所述光學(xué)透明窗口 1004，感測所述OFN模塊和所述窗口上或接近所述窗口的物體(即手指)之間的移動。如上所述，所述OFN模塊還可以包括用于檢測將所述手指的表面與所述OFN模塊分隔開的抬升高度的電容式傳感器，以及嵌入在固件中的用于將所述OFN模塊從第一操作模式切換到第二操作模式的程序，在所述第一操作模式中，跟蹤所述手指的移動，以及在所述第二操作模式中，不跟蹤所述手指的移動，并 且所述OFN模塊中的光學(xué)傳感器作為環(huán)境光檢測器操作。因此，已經(jīng)描述了光學(xué)導(dǎo)航模塊和用于操作該光學(xué)導(dǎo)航模塊的方法的實(shí)施例。盡管已經(jīng)參照具體示例實(shí)施例描述了本公開內(nèi)容，但是將顯而易見的是，可以對這些實(shí)施例進(jìn)行各種修改和變化，而不會背離本公開內(nèi)容的更廣的精神和范圍。因此，上述說明書和附圖被認(rèn)為是例示性的，而不是限制性的。提供本公開內(nèi)容的摘要，以符合37 C. F. R. § I. 72 (b)的規(guī)定，該37C.F.R. § 1.72(b)要求將使得讀者能夠快速確定技術(shù)公開內(nèi)容的一個或多個實(shí)施例的實(shí)質(zhì)的摘要。提交該摘要，但是要理解的是，該摘要將不被使用來解釋或限制權(quán)利要求的范圍或含義。另外，在前述詳細(xì)描述中，可以看出，為了將本公開內(nèi)容連成一個整體，在單個實(shí)施例中將各種特征成組在一起。本公開內(nèi)容的這個方法不被解釋為反映下述意圖，即所要求的實(shí)施例要求比每個權(quán)利要求中明確記載的特征更多的特征。相反，如所附權(quán)利要求中所反映的，創(chuàng)造性的主題在于少于單個公開的實(shí)施例的所有特征。因此，下述權(quán)利要求由此并入到詳細(xì)描述中，其中每個權(quán)利要求代表不同的實(shí)施例。在前述描述中，為了說明，已經(jīng)闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以便提供對本公開的系統(tǒng)和方法的全面理解。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的是，可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)本接口設(shè)備和方法。在其他實(shí)例中，沒有詳細(xì)地示出或者以方框圖的形式示出共知的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便避免在理解本描述時出現(xiàn)不必要的混淆。上述說明書中的對“一個實(shí)施例”或“實(shí)施例”的引用意味著結(jié)合該實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在所述系統(tǒng)和方法的至少一個實(shí)施例中。詞語“一個實(shí)施例”在本說明書中的各個地方的出現(xiàn)并不一定都指代相同的實(shí)施例。本文中所使用的術(shù)語“耦合”可以包括直接電連接兩個或更多個組件或元件，以及通過一個或多個中間組件間接連接。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)導(dǎo)航模塊，包括 光源，用于照射表面的至少一部分，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面移動； 集成電路(1C)，包括光電檢測器陣列(PDA)以及信號處理器，所述PDA用于檢測從所述表面?zhèn)鞑サ剿鯬DA上的光圖案，所述信號處理器用于將傳播到所述PDA上的光圖案中的變化轉(zhuǎn)換為表示所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)；以及 襯底，在所述襯底上安裝所述光源和1C，所述襯底在所述表面和所述PDA之間的光路徑中包括小孔。
2.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)導(dǎo)航模塊，其中，所述襯底包括電路板，以及其中利用所述IC和所述電路板上的焊盤之間的焊料，將所述IC倒裝安裝到所述電路板上。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)導(dǎo)航模塊，其中，所述表面包括手指的表面，以及其中所述光學(xué)導(dǎo)航模塊還包括位于所述電路板上的電容式傳感器，所述電容式傳感器被配置為檢測所述手指的表面和所述光學(xué)導(dǎo)航模塊之間的抬升高度。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)導(dǎo)航模塊，還包括 電耦合到所述電容式傳感器的控制器，其中所述控制器被配置為當(dāng)所述抬升高度超過最大抬升高度時，中斷表示所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)，其中所述控制器可被編程來指定所述最大抬升高度。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)導(dǎo)航模塊，還包括 窗口，所述窗口包括第一表面和第二表面，所述手指的表面在所述第一表面上方移動，以及所述電路板附接到所述窗口的第二表面，以及其中所述窗口位于所述手指的表面和所述PDA之間的光路徑中。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)導(dǎo)航模塊，其中，在與所述IC的公共側(cè)，所述光源被倒裝安裝到所述電路板上，并且與所述窗口相對，以及其中所述光源通過所述光源和所述表面之間的光路徑中的開口，照射所述表面，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面移動。
7.一種輸入設(shè)備，包括如權(quán)利要求5所述的光學(xué)導(dǎo)航模塊,其中,所述輸入設(shè)備被配置為與個人計算機(jī)(PC)、平板PC或手持電子設(shè)備一起使用。
8.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)導(dǎo)航模塊，其中，所述IC和PDA還被配置為當(dāng)所述抬升高度超過所述最大抬升高度時，檢測環(huán)境光。
9.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)導(dǎo)航模塊，其中，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊在所述表面和所述PDA之間的所述光路徑中不包括光學(xué)有源元件。
10.一種用于操作光學(xué)導(dǎo)航模塊的方法，包括 利用所述光學(xué)導(dǎo)航模塊中的光源，照射表面的至少一部分，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面移動； 檢測從所述表面?zhèn)鞑サ剿龉鈱W(xué)導(dǎo)航模塊的集成電路(IC)中的光電檢測器陣列(PDA)上的光圖案；以及 利用所述IC中的信號處理器將傳播到所述PDA上的光圖案中的變化轉(zhuǎn)換為表示所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)， 其中，所述光源和IC被安裝到包括小孔的電路板上，以及其中檢測從所述表面?zhèn)鞑サ剿鯬DA上的光圖案包括檢測通過所述小孔從所述表面?zhèn)鞑サ剿鯬DA上的光圖案。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述表面包括手指的表面，以及還包括利用位于所述電路板上的電容式傳感器，檢測所述手指的表面和所述光學(xué)導(dǎo)航模塊之間的抬升高度。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊還包括電耦合到所述電容式傳感器的控制器，以及還包括當(dāng)所述抬升高度超過最大抬升高度時，中斷表示所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)的控制器功能。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括 在中斷表示所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)之前，對所述 控制器進(jìn)行編程來指定所述最大抬升高度的方法。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括 在中斷表示所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)之后，利用所述IC和PDA檢測照射到所述PDA的環(huán)境光的方法。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括 當(dāng)利用所述電容式傳感器檢測到所述手指的表面，但所述手指的表面和所述光學(xué)導(dǎo)航模塊之間沒有移動時，啟用自動滾動。
16.—種光學(xué)導(dǎo)航模塊,包括 光源，用于照射表面的至少一部分，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面移動； 集成電路(1C)，包括光電檢測器陣列(PDA)，所述光電檢測器陣列用于檢測從所述表面?zhèn)鞑サ剿鯬DA上的光圖案； 信號處理器，用于將傳播到所述PDA上的光圖案中的變化轉(zhuǎn)換為表示所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)；以及 在所述IC上疊置且附接到所述IC上的襯底，其中，所述襯底包括光學(xué)不透明的材料，并且所述襯底被圖案化來在所述表面和所述PDA之間的光路徑中形成小孔。
17.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)導(dǎo)航模塊，其中，所述襯底還包括電容式傳感器，所述電容式傳感器被配置為檢測所述表面和所述光學(xué)導(dǎo)航模塊之間的抬升高度。
18.如權(quán)利要求17所述的光學(xué)導(dǎo)航模塊，其中，所述IC還包括用于將所述PDA與所述襯底分隔開的介電層，以及其中所述襯底包括導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層被圖案化來形成所述電容式傳感器的元件。
19.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)導(dǎo)航模塊，其中，所述光源被附接到所述襯底的與所述IC相對的表面上。
20.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)導(dǎo)航模塊,其中，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊在所述表面和所述PDA之間的所述光路徑中不包括光學(xué)有源元件。
全文摘要
本發(fā)明提供了光學(xué)導(dǎo)航模塊及其操作方法，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊用于感測所述光學(xué)導(dǎo)航模塊和跟蹤表面之間的相對移動。在一個實(shí)施例中，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊包括(i)光源，用于照射表面的至少一部分，所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面移動；(ii)集成電路(IC)，包括光電檢測器陣列(PDA)以及信號處理器，所述光電檢測器陣列用于檢測從所述表面?zhèn)鞑サ剿鯬DA上的光圖案，所述信號處理器用于將傳播到所述PDA上的光圖案中的變化轉(zhuǎn)換為表示所述光學(xué)導(dǎo)航模塊相對于所述表面的移動的數(shù)據(jù)；以及(iii)襯底，在所述襯底上安裝所述光源和IC，所述襯底在所述表面和所述PDA之間的光路徑中包括小孔。還公開了其他的實(shí)施例。
文檔編號G06F3/041GK102959494SQ201180002762
公開日2013年3月6日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者穆靜惠, 布雷特·史布爾拉克, 徐揚(yáng)森, 布萊安·托杜洛夫, 約翰·佛瑞姆 申請人:賽普拉斯半導(dǎo)體公司