ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОПТИЧЕСКОЙ МЫШИ Российский патент 2005 года по МПК G06F3/33 G06K11/18 G09G5/08 

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 дисплея компьютера, в портативном устройстве считывания текстов и т.п.

Известны оптические системы оптической мыши, описанные в патентах США: №6433780, НКИ 345/166 «Видящая мышь для компьютерных систем» и №4751505, НКИ 340/710 «Оптическая мышь».

В этих патентах описываются оптические системы оптической мыши, содержащие линзу для передачи изображения предметной поверхности на плоскость фотодетекторов и светопровод, направляющий свет от осветителя на предметную поверхность.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент США №6433780 В1 фирмы "Agilent Technologies", в котором описана оптическая система, содержащая линзу оптического канала передачи изображения рабочей части предметной поверхности на плоскость фотодетекторов, и светопровод, направляющий свет от осветителя, оптически связанного с входной линзовой поверхностью светопровода на предметную поверхность.

Однако известные устройства имеют недостатки: освещение предметной поверхности неоднородно и недостаточно сконцентрировано на ее рабочей части. Вследствие избыточно широкого освещения эффективность оптической системы недостаточна для ряда применений, в частности для высокоскоростных мышек и мышек с автономным питанием.

Техническим результатом настоящего изобретения является значительное повышение освещенности на рабочей части предметной поверхности и уменьшение неоднородности ее освещения.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном устройстве, содержащем линзу оптического канала передачи изображения рабочей части предметной поверхности на плоскость изображения и светопровод, имеющий входную линзовую поверхность, выходную линзовую поверхность и, по крайней мере, одну зеркальную поверхность, направляющие свет от осветителя, оптически связанного с входной линзовой поверхностью светопровода, на предметную поверхность, предложено:

- взаимное расположение в светопроводе входной линзовой поверхности, зеркальной и выходной поверхностей, а также светопровода и линзы-объектива, выполнить таким, чтобы угол между освещающими лучами и предметной поверхностью был не менее 20° (у прототипа этот угол менее 20°);

- входную линзовую поверхность выполнить такой, чтобы пучок лучей осветителя внутри светопровода был сходящимся, а выходную линзовую поверхность светопровода выполнить рассеивающей, обеспечивая близкий к параллельному выходящий пучок освещающих лучей с высокой плотностью световой энергии;

- выполнить выходную линзовую поверхность астигматической, для получения круглого освещаемого пятна на предметной поверхности.

Увеличение освещенности рабочей поверхности достигается за счет концентрации лучей осветителя вследствие перераспределения оптической силы между входной и выходной линзовыми поверхностями светопровода, и за счет изменения угла падения лучей осветителя, благодаря соответствующему взаимному расположению в светопроводе входной линзовой поверхности, зеркальной и выходной поверхностей, а также светопровода и линзы-объектива. При более вертикальном падении лучей входная линзовая поверхность концентрирует лучи осветителя на малую площадку, которая в 5-10 раз меньше площадки, освещаемой при косом падении лучей в известных устройствах. Улучшение однородности освещенности рабочей части предметной поверхности достигается за счет параллельности лучей в пучке света, выходящем из светопровода на предметную поверхность. Параллельность лучей обеспечивается отрицательной оптической силой выходной поверхности. Максимальное увеличение освещенности вследствие концентрации лучей достигается, если освещаемое пятно круглое, для этого выходная линзовая поверхность светопровода выполнена астигматической, обеспечивая уменьшение размера пятна вдоль направления падения света.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение.

- Фиг.1 показывает пример реализации конструкции предлагаемой оптической системы.

- Фиг.2 иллюстрирует слабую зависимость неравномерности освещения рабочей части предметной поверхности в оптической системе, показанной на фиг.1, от вариации ее расположения относительно осветителя и предметной поверхности (смещение осветителя: 1 - вдоль оптической оси, 2 - перпендикулярно оптической оси по вертикали, 3 -перпендикулярно оптической оси по горизонтали, 4 - смещение оптической системы по отношению к предметной поверхности, 5 - поворот оси осветителя относительно оптической оси входной линзовой поверхности светопровода в горизонтальной плоскости, 6 - поворот оси осветителя относительно оптической оси входной линзовой поверхности светопровода в вертикальной плоскости).

Оптическая система содержит линзу 1 оптического канала передачи изображения участка предметной поверхности 2 на плоскость изображения 3 и светопровод 4, имеющий входную линзовую поверхность 5, выходную линзовую поверхность 6 и зеркальную поверхность 7, направляющие и концентрирующие свет от осветителя 8 на рабочую часть 9 предметной поверхности 2. Параметры оптических поверхностей конструкции оптической системы, показанной на фиг.1, определенные при помощи программы Zemax, представлены в таблице 1.

Предлагаемая оптическая система работает следующим образом. Свет от излучателя 8 преобразуется входной линзовой поверхностью 5 диэлектрического светопровода 4 в сходящийся пучок. Этот свет, благодаря эффекту полного внутреннего отражения на зеркальной диэлектрической поверхности 7 светопровода, меняет направление распространения и падает на вогнутую поверхность 6 под углом 45° к горизонтали. Оптическая поверхность 6 преобразует сходящийся пучок в параллельный. Таким образом, оптические поверхности 5 и 6 позволяют уменьшить диаметр пучка и увеличить вдвое плотность световой энергии в нем. Поверхность 6 развернута так, что центральный луч образует с нормалью к поверхности угол 10°. За счет эффекта преломления лучи, выходящие из поверхности 6 меняют свое направление в сторону более вертикальных по отношению к поверхности 2. Угол падения лучей к горизонтали увеличивается до 51°. Эти лучи освещают рабочую часть предметной поверхности с большой интенсивностью и хорошей равномерностью. Размер светового пятна и распределение освещенности в нем слабо зависят, как это следует из фиг.2, от отклонений юстировочных размеров, определяющих расположения осветителя 8, светопровода 4 и предметной поверхности 2. Изображение освещаемой рабочей части 9 предметной поверхности 2 передается линзой 1 на плоскость изображения, в которой располагаются фотодетекторы.

Преимущество предложенной конструкции состоит в том, что она обеспечивает значительное уменьшение размеров освещаемого участка предметной поверхности 2 и хорошую однородность освещения, устойчивую к отклонениям от номиналов ее конструктивных элементов.

Таблица 11. Расстояние между осветительным светодиодом и входной поверхностью светопровода.0,3 мм2. Входная оптическая поверхность 5 (r - координата перпендикулярно оптической оси, z - координата вдоль оптической оси в направлении распространения света).3. Коэффициент преломления материала оптической системы1,584. Длина оптического пути внутри светопровода15 мм5. Выходная оптическая поверхностьСферическая вогнутая, радиус кривизны 13,5 мм, поверхность повернута вокруг точки пересечения с центральным лучом на 10° по часовой стрелке.6. Расстояние от точки выхода центрального луча до предметной поверхности4,5 мм7. Расстояние от точки выхода центрального луча до оптической оси линзы объектива3,8 мм8. Расстояние от предметной поверхности до нижней поверхности линзы-объектива5,55 мм9. Нижняя поверхность линзы объектива (r - координата перпендикулярно оптической оси, z - координата вдоль оптической оси вверх).10. Расстояние от нижней поверхности линзы-объектива до верхней2,4 мм11. Верхняя поверхность линзы-объективаСферическая с радиусом кривизны 3,4 мм.12. Расстояние от верхней линзы до поверхности фотодетекторов.5,55 мм

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 дисплея компьютера, в портативном устройстве считывания текстов и т.п. Его применение позволяет получить технический результат в виде значительного повышения освещенности на рабочей части предметной поверхности и уменьшение неоднородности ее освещения. Указанный результат достигается за счет того, что в известном устройстве предложена следующая модернизация: взаимное расположение в светопроводе входной линзовой поверхности, зеркальной и выходной поверхностей, а также светопровода и линзы-объектива, выполнить таким, чтобы угол между освещающими лучами и предметной поверхностью был не менее 20°, а также входную линзовую поверхность выполнить такой, чтобы пучок лучей осветителя внутри светопровода был сходящимся, а выходную линзовую поверхность светопровода выполнить рассеивающей, обеспечивая близкий к параллельному выходящий пучок освещающих лучей с высокой плотностью световой энергии. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Оптическая система оптической мыши, содержащая линзу оптического канала передачи изображения рабочей части предметной поверхности на плоскость изображения и светопровод, имеющий входную линзовую поверхность, выходную линзовую поверхность и по крайней мере одну зеркальную поверхность, направляющие свет от осветителя, оптически связанного с входной линзовой поверхностью светопровода, на предметную поверхность, отличающаяся тем, что взаимное расположение в светопроводе входной линзовой поверхности, зеркальной и выходной поверхностей, а также светопровода и линзы выполнено таким, чтобы освещающие лучи падали на предметную поверхность под углом от 20 до 90° к данной поверхности, причем входная линзовая поверхность обеспечивает сходящийся пучок света, направленный на зеркальную поверхность, а выходная линзовая поверхность светопровода выполнена рассеивающей и изменяющей направленный на нее зеркальной поверхностью сходящийся пучок в близкий параллельному.2. Оптическая система оптической мыши по п.1, отличающаяся тем, что выходная линзовая поверхность светопровода выполнена астигматической, обеспечивая круглое освещаемое пятно на предметной поверхности.