УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ КУРСОРОМ ОПТИЧЕСКОЙ МЫШИ Российский патент 2004 года по МПК G09G5/08 G06F3/33 G06K11/18 

Настоящее изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в контактных сканирующих преобразователях изображения, в частности в оптической мыши для управления курсором на экране компьютера, в портативном устройстве считывания текстов для слепых и т.п.

Известны устройства управления курсором оптической мыши, описанные в патентах США: № 4521772, НКИ: 340/710 “Устройство для управления курсором” и № 4751505 НКИ: 340/710 “Оптическая мышь”. В обоих патентах описываются устройства, содержащие корпус мыши, включающий: печатную плату, интегральную схему (ИС) датчика вектора перемещения мыши с фотодетектором, оптическим окном и диафрагмой, оптическую систему, содержащую линзу оптического канала фотодетекторов ИС, совмещаемую с одной стороны с отверстием в печатной плате, оптическим окном, диафрагмой и фотодетекторами ИС, а с другой с оптическим окном, ориентированным на предметную поверхность в нижней поверхности корпуса. Оптическая система содержит также светопровод для освещения излучателем участка предметной поверхности через оптическое окно.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является описание устройства оптической мыши HDNS-2000, 2100, 2200фирмы “Agilent Technologies”, представленное заявителем. Указанное устройство содержит: оптическую систему, включающую линзу фотоприемного оптического канала и светопровод, ориентированные линзой фотоприемного оптического канала на предметную поверхность с одной стороны и матрицу фотодетекторов - с другой, и светопроводом с одной стороны - на предметную поверхность, а с другой - на осветитель, печатную плату с расположенной над оптической системой интегральной схемой датчика вектора перемещения мыши. Интегральная схема имеет матрицу фотодетекторов, оптическое окно и диафрагму над матрицей фотодетекторов, которые оптически связывают матрицу фотодетекторов с линзой фотоприемного канала, проектирующей на матрицу фотодетекторов изображение рабочей площадки предметной поверхности, освещенной осветителем через светопровод, состоящий из входной линзовой поверхности, выходной поверхности и двух зеркал, направляющих свет от осветителя, расположенного перед входной линзовой поверхностью светопровода, к предметной поверхности через окно в корпусе мыши.

Однако известные устройства имеют недостатки: скорость перемещения устройства над предметной поверхностью не превосходит 0,3-0,5 м/с, энергопотребление излучателя велико (~150 мВт), значительный класс предметных поверхностей с большой отражательной способностью исключен из рабочих. Малая скорость и большое энергопотребление связаны с тем, что оптическая система облучает слишком большую площадь предметной поверхности, значительно большую, чем поле зрения фотодетекторов (по площадке ~ в 100 раз). Это вызвано применением косого облучения предметной поверхности, которое дает максимальную контрастность изображения микроструктуры предметных поверхностей рассеивающего типа, но приводит к рассеянному освещению. Из-за косого облучения предметные поверхности отражающего типа не пригодны для использования, так как отраженные лучи не попадают на матрицу фотодетекторов.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение скорости перемещения курсора над предметной поверхностью, уменьшение энергопотребления и расширение функциональных возможностей устройства за счет использования в работе отражающих свет предметных поверхностей.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном устройстве, размещенном в корпусе мыши, содержащем печатную плату, включающую интегральную схему датчика вектора перемещения мыши с матрицей фотодетекторов и оптическую систему, содержащую линзу фотоприемного оптического канала, проектирующую через окна в корпусе мыши, печатной плате и корпусе интегральной схемы изображение площадки предметной поверхности, на плоскость матрицы фотодетекторов и светопровод, имеющий входную линзовую поверхность, выходную поверхность и одно или несколько зеркал, направляющих свет от осветителя, оптически связанного с входной линзовой поверхностью светопровода, на предметную поверхность через окно корпуса мыши, предложено:

- зеркало и выходную поверхность светопровода выполнить концентрическими и так, чтобы они охватывали линзу фотоприемного оптического канала под углом с его осью, обеспечивающим отражение лучей осветителя на выходную поверхность светопровода и через нее на площадку предметной поверхности;

- одну или более оптические поверхности светопровода и фотоприемного оптического канала в оптической системе выполнить асферическими.

Кроме того, предложено входную линзовую поверхность светопровода выполнить асферической для отклонения лучей осветителя от центральной области на периферию, перекрытую зеркалом. Линзовая поверхность фотоприемного оптического канала, обращенная к предметной поверхности, совмещена с выходной поверхностью светопровода и вместе с зеркальной поверхностью также выполнены асферическими для собирания лучей осветителя на предметной площадке, соответствующей полю зрения матрицы фотодетекторов, с заданной однородностью освещения, причем линзовая поверхность, обращенная к фотодетекторам, имеет асферическую коррекцию по отношению к линзовой поверхности, направленной на предметную площадку.

Дополнительно за осью линзы фотоприемного оптического канала, симметрично относительно указанной оси установлено дополнительное зеркало, выполненное в виде прямоугольной полосы, по ширине равной диаметру линзовой поверхности, обращенной к фотодетекторам, а по глубине половине указанного диаметра, сохраняющей параллельность основной зеркальной поверхности, причем поверхность дополнительного зеркала выполнена асферической.

Осветитель в оптической системе установлен во втулке с разрезом и стопором.

Указанный выше технический результат достигается совокупностью перечисленных выше новых признаков изобретения.

Увеличение скорости достигается за счет сокращения времени экспозиции матрицы фотодетекторов, которое обеспечивается вследствие увеличения освещенности предметной площадки. Размещенное под углом вокруг линзы фотодетекторов зеркало направляет лучи осветителя концентрически на выходную поверхность светопровода, обращенную к предметной поверхности, в результате чего излучение фокусируется на очень маленькой площадке, соответствующей полю зрения фотодетекторов. Выигрыш в освещенности (~100 раз) позволяет, например, увеличить быстродействие устройства в 100 раз.

Уменьшение энергопотребления достигается в результате уменьшения тока излучателя пропорционально уменьшению облучаемой им предметной площадки. При уменьшении предметной площадки в 100 раз, во столько же раз могут быть уменьшены ток излучателя и соответственно энергопотребление.

При одновременном увеличении быстродействия и уменьшении энергопотребления выигрыш по этим параметрам делится между ними. Так, если быстродействие увеличено в 10 раз, то энергопотребление может быть уменьшено только в 10 раз, если площадь освещения уменьшилась в 100 раз.

Для того чтобы избежать чрезмерной фокусировки освещения и добиться его равномерности в пределах небольшой площадки предметной поверхности, фокусирующая линзовая поверхность, обращенная к предметной поверхности и совмещающая линзовую поверхность фотоприемного оптического канала и выходную поверхность светопровода, выполняется асферической так, что ее периферия, принадлежащая выходной поверхности светопровода, имеет меньшую кривизну, чем ее центральная часть. Параметры асферики рассчитываются, исходя из заданной неравномерности (<20%) в пределах заданного кружка (~1 мм²) и заданной степени фокусировки (<30÷50%) энергии вне заданного кружка, с помощью общеизвестной программы "ZEMAX". Искаженный осветительной асферикой оптический канал фотодетекторов по разрешению восстанавливается асферикой второй линзовой поверхности, обращенной к фотодетекторам. Конкретные параметры n-го (n≥2) порядка вышеуказанных асферических поверхностей вычисляются, исходя из приведенных критериев, а также по критерию заданного разрешения линзы (≥20 линий/мм). Эти расчеты могут быть проведены, например, с помощью известной программы "ZEMAX" (Optical Design Program. User's Guide, Version: July, 2002. Focus Software Incorporated P.O.Box 1822 Tucson, AZ 85731-8228 USA. support@focus-software. com. www. focus-software, com).

Расширение функциональных возможностей, состоящее в использовании при работе отражающих свет предметных поверхностей, достигается за счет близкого к вертикальному направлению освещающих лучей на предметную поверхность (от 45 до 90°), в результате которого отраженные лучи попадают на фотоприемник. Это дает возможность работать с сильно отражающими поверхностями вплоть до зеркальных.

Дополнительные признаки изобретения направлены на дальнейшее улучшение технических характеристик устройства. Асферические отклонения линзовой поверхности осветительного светопровода служат для отклонения лучей осветителя от центральной области, не занятой зеркалом и предназначенной для фотоприемного оптического канала, на периферию, перекрытую зеркалом. При этом предотвращается потеря этих лучей, что дополнительно (~на 25%) уменьшает энергопотребление излучателя. Асферика зеркала обеспечивает собирание этих лучей на предметной площадке с заданной однородностью. Такую же роль выполняет дополнительное зеркало, расположенное на пути центральных лучей осветителя за оптическим каналом фотодетекторов. Его асферика обеспечивает попадание повернутых лучей на освещаемую площадку без ухудшения заданной однородности.

Выполнение зеркал в виде внешних поверхностей диэлектрической твердотельной конструкции позволяет использовать для реализации изобретения стандартную дешевую технологию пластмассовой оптики.

В связи с острой фокусировкой освещающих лучей на предметной поверхности большое значение имеет точность расположения осветителя по отношению к оптической системе. Для достижения необходимой точности без юстировочных регулировок в конструкцию твердотельной оптической системы со стороны излучателя встроена втулка для посадки в нее осветителя, имеющего соответствующие диаметр и длину.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение.

Фиг.1 иллюстрирует известное устройство управления курсором оптической мыши (прототип).

Фиг.2 иллюстрирует предлагаемое устройство управления курсором оптической мыши.

Фиг.2а показывает поперечное по отношению к фиг.2 сечение активной части оптической системы.

Фиг.2б показывает проекцию оптической системы со стороны втулки.

Фиг.2в - вариант активной части оптической системы с дополнительным зеркалом.

Фиг.3 - типовая схема ячейки фотодетектора.

Фиг.3а - схема ячейки фотодетектора с дополнительным транзистором для вычитания фоновой части фототока.

Фиг.3б - схема формирования напряжения обратной связи для типовых ячеек фотодетекторов.

Устройство управления курсором оптической мыши состоит (см. фиг.1 и 2) из оптической системы 1 (1a ее пассивная часть), ориентированной линзовыми поверхностями 2 и 3 на предметную поверхность 4 через технологическое отверстие в днище корпуса мыши 5, и из печатной платы 6, расположенной над оптической системой 1 и имеющей интегральную схему 7 датчика вектора перемещения мыши с матрицей фотодетекторов 8 с оптическим окном и диафрагмой 9 над матрицей фотодетекторов 8, обращенных к оптической системе 1 со стороны линзовой поверхности 3. Линзовые поверхности 2 и 3 образуют линзу фотоприемного оптического канала, проектирующую изображение площадки предметной поверхности 10 на фотодетекторы 8 ИС 7. Линзовые поверхности: входная 11 и выходная 2, а также зеркало 12 оптической системы 1 образуют светопровод для лучей осветителя 13, имеющего упор 14, плотно устанавливаемого во втулку 15, встроенную в оптическую систему 1, которая имеет для этой цели стопор 16 и разрез 17 (см. фиг.2б). Зеркало 12 в светопроводе осветителя концентрически охватывает канал поля зрения линзы 2, 3 фотоприемного оптического канала, направляя лучи осветителя 13 на предметную поверхность. Линзовые поверхности 2, 3, 11 и зеркало 12 могут иметь асферические коррекции, обеспечивающие требуемые для работы матрицы фотодетекторов 8 ИС 7 однородность освещения площадки предметной поверхности 10 (≥80%), уровень концентрации на ней световой энергии осветителя (≥50%) и разрешение (≥16 линий на 1 мм). Линзовая поверхность 11 имеет асферические отклонения, направляющие лучи осветителя от центральной области, занятой фотоприемным оптическим каналом, на периферию, перекрытую зеркалом 12.

Оптическая система 1 может содержать дополнительное зеркало 12а, как показано на фиг.2в, лежащее за осью линзы поля зрения фотодетекторов в 2, 3 симметрично относительно указанной оси в виде прямоугольной полосы, по ширине равной диаметру линзовой поверхности 3, обращенной к фотодетекторам 8, а по глубине - половине указанного диаметра, сохраняющей параллельность основной зеркальной поверхности 12, причем дополнительная зеркальная поверхность 12а снабжена асферическими отклонениями, обеспечивающими направленность отраженных лучей в область предметной площадки 10 с сохранением однородности ее освещения (≥80%).

Зеркальные поверхности 12 и 12а выполнены в виде наружных поверхностей диэлектрической твердотельной оптической системы 1, т.е. используют эффект полного внутреннего отражения лучей на границе оптически плотной среды оптической системы 1 с показателем преломления 1,58 с воздухом, если эти лучи падают на зеркало под углом ≤51° к его поверхности. Это условие выполняется для всех падающих на него лучей осветителя, расположенного, например, перпендикулярно к оси фотоприемного оптического канала при угле наклона зеркала к оптической оси фотодетекторов и излучателя, равном 45°. При другом расположении осветителя по отношению к фотоприемному оптическому каналу соответственно изменяется и угол наклона зеркала.

Дополнительно интегральная схема 7 в ячейках матрицы фотодетекторов 8 ИС 7 может содержать схемы вычитания фоновой части фототока, выполненные в виде транзисторных генераторов тока в варианте фиг.3а с использованием дополнительного транзистора 18 к типовой схеме фиг.3, на которой фотодиод 19, имеющий емкость С1, подключен к интегрирующему конденсатору С2 через согласующий импедансы транзистор 20, на затвор которого подключено постоянное напряжение V01.

В этом случае напряжение на конденсаторе С2 передается транзистором 21 на выход 22 при включенном адресным сигналом на входе 23 транзисторе 24. Это напряжение в начале экспозиции обновляется сигналом VR благодаря включению транзистора 25. В варианте типовой схемы фиг.3 функция генератора тока на транзисторе 18 совмещена с ключевой функцией транзистора 25. Транзисторный генератор тока подключен истоком к шине постоянного потенциала VDD, стоком к источнику фототока - стоку транзистора 20, а затвором к шине напряжения обратной связи VR. Напряжение VR в этом случае формируется схемой, показанной на фиг.36. Напряжение обратной связи V02 передается на вход транзистора 25, и он работает как генератор тока при значении сигнала 28, равном “0”. При значении “1” эта схема включает транзистор 25.

Устройство работает следующим образом. После включения осветитель 13, вставленный в центрирующую втулку 15, испускает лучи света, которые, проходя через линзовые поверхности самого излучателя и входную линзовую поверхность 11 оптической системы 1, превращаются в параллельный оптический пучок, который зеркалом 12 поворачивается и направляется на линзовую поверхность 2, фокусирующую его на освещаемой площадке предметной поверхности 4 через технологическое отверстие в корпусе мыши. Асферика линзовой поверхности 11 отклоняет центральную часть пучка к периферии на зеркало 12 и таким образом включает ее в процесс освещения предметной поверхности. В противном случае эта часть пучка (~25%) была бы потеряна, т.к. не была бы перекрыта зеркалом 12. Асферика линзовой поверхности 2 отделяет выходную часть поверхности, принадлежащей светопроводу, и входную часть линзовой поверхности фотоприемного оптического канала, предотвращая чрезмерную фокусировку лучей на предметной поверхности, т.е. обеспечивает на площадке 10 (~1,5 мм²) однородность ≥80% и концентрацию энергии ≥50%. Отраженные или рассеянные площадкой 10 предметной поверхности лучи проходят через линзовые поверхности 2 и 3, диафрагму 9 и фокусируются в предметное изображение площадки 10 на матрице фотодетекторов 8 интегральной схемы 7. Асферика линзовой поверхности 3 исправляет потерю разрешающей способности линзы 2, 3 из-за специфичной асферики линзовой поверхности 2, задаваемой критерием равномерности освещения, а не разрешения. В варианте фиг.2в оптической системы 1 центральная часть пучка, прошедшая вне зеркала 12, поворачивается к линзовой поверхности 2 и площадке 10 дополнительным зеркалом 12а, имеющим асферику для получения равномерности освещения площадки 10 на уровне ≥80% и концентрации излучения на ней ≥50%.

Реализация устройства в соответствии с приведенным выше описанием позволит увеличить скорость перемещения курсора, уменьшить его энергопотребление и расширить функциональные возможности.

Ячейки фотодетекторов ИС дополняются схемами вычитания фоновой части принимаемого матрицей фотодетекторов 8, которая из-за попадания на фотодетекторы 8 помимо рассеянных также отраженных лучей от площадки 10 значительно выше, чем при косом облучении предметной площадки 10, имеющемся в прототипе фиг.1. Чтобы эта составляющая не перегружала ячейки фотодетекторов 8 и АЦП в ИС 7, процессорная часть ИС 7 вырабатывает, например, на каждом опорном кадре напряжение обратной связи V02, управляющее величиной вычитаемой части фототока, производимым в ячейках фотодетекторов 7 с помощью управляемых транзисторных генераторов тока 18 или 25. Напряжение обратной связи V02 подается на время выполнения функции вычитания. В варианте фиг.3а это время непрерывно, в варианте фиг.3 время действия сигнала вычитания и соответственно наличия на шине VR напряжения обратной связи V02 соответствует времени интегрирования фототока. Коммутацию функций вычитания и обнуления производит схема, показанная на фиг.36. Подавая на шину VR ячеек фотодетекторов по схеме фиг.3 либо нулевое напряжение - функция обнуления конденсаторов С2 и С1, либо напряжение обратной связи V02, вызывающее через транзистор 25 соответствующий вычитаемый ток.

При перемещении мыши изображение предметной поверхности перемещается по фотодетекторам 8 ИС 7. По серии кадров относительно опорного кадра ИС 7 определяет скорость и направление перемещения мыши аналогично тому, как это осуществляется в прототипе.

Настоящее описание изобретения, в т.ч. состава и работы устройства, включая предлагаемый вариант его исполнения, предполагает его дальнейшее возможное совершенствование специалистами, и не содержит каких-либо ограничений в части реализаций. Все притязания сформулированы исключительно в формуле изобретения.

Изобретение относится к средствам ввода информации в компьютер. Его применение позволяет получить технический результат в виде увеличения скорости перемещения курсора, уменьшения энергопотребления и расширения функциональных возможностей компьютерной оптической мыши. Этот результат достигается благодаря тому, что в известном устройстве ввода информации в компьютер зеркало светопровода осветителя выполнено концентрическим и охватывает линзу фотоприемного оптического канала под углом с его осью, обеспечивающим отражение лучей осветителя на выходную поверхность светопровода и через нее на площадку предметной поверхности, причем одна или более оптические поверхности светопровода и фотоприемного оптического канала в оптической системе выполнены асферическими. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство управления курсором оптической мыши, размещенное в корпусе мыши, содержащее печатную плату, включающую интегральную схему датчика вектора перемещения мыши с матрицей фотодетекторов и оптическую систему, содержащую линзу фотоприемного оптического канала, проектирующую через окна в корпусе мыши, печатной плате и корпусе интегральной схемы изображение площадки предметной поверхности на плоскость матрицы фотодетекторов, и светопровод, имеющий входную линзовую поверхность, выходную поверхность и одно или несколько зеркал, направляющих свет от осветителя, оптически связанного с входной линзовой поверхностью светопровода, на предметную поверхность через окно в корпусе мыши, отличающееся тем, что зеркало и выходная поверхность в светопроводе выполнены концентрическими и охватывают линзу фотоприемного оптического канала под углом с его осью, обеспечивающим отражение лучей осветителя на выходную поверхность светопровода и через нее на площадку предметной поверхности, причем одна или более оптические поверхности светопровода и фотоприемного оптического канала в оптической системе выполнены асферическими.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что за осью линзы фотоприемного оптического канала симметрично относительно указанной оси установлено дополнительное зеркало, выполненное в виде прямоугольной полосы, по ширине равной диаметру линзовой поверхности, обращенной к фотодетекторам, а по глубине половине указанного диаметра, сохраняющей параллельность основной зеркальной поверхности, причем поверхность дополнительного зеркала выполнена асферической.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входная линзовая поверхность светопровода выполнена асферической для отклонения лучей осветителя от центральной области на периферию, перекрытую зеркалом, а линзовая поверхность фотоприемного оптического канала, обращенная к предметной поверхности, совмещена с выходной поверхностью светопровода и вместе с зеркальной поверхностью выполнены асферическими для собирания лучей осветителя на предметной площадке, соответствующей полю зрения матрицы фотодетекторов с заданной однородностью освещения, причем линзовая поверхность, обращенная к фотодетекторам, имеет асферическую коррекцию по отношению к линзовой поверхности, направленной на предметную площадку.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что за осью линзы фотоприемного оптического канала симметрично относительно указанной оси установлено дополнительное зеркало, выполненное в виде прямоугольной полосы, по ширине равной диаметру линзовой поверхности, обращенной к фотодетекторам, а по глубине половине указанного диаметра, сохраняющей параллельность основной зеркальной поверхности, причем поверхность дополнительного зеркала выполнена асферической.5. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что осветитель в оптической системе установлен во втулке с разрезом и стопором.