具有环绕像素阵列的光学导航系统

摘要

本发明公开了一种具有光学导航集成电路(“导航IC”)的光学导航系统。该光学导航系统可以包括发射器模块和围绕发射器模块的像素阵列。该光学导航系统还可以包括位于在像素阵列上方的光学导航集成电路的表面上的环绕光学系统。

说明书

技术领域

本发明涉及具有环绕像素阵列(ring pixel array)的光学导航系统。

背景技术

诸如计算机鼠标之类的非机械跟踪设备正在全球快速普及。这些非机械跟踪设备中的许多都利用了光学导航技术，该技术通过光学获取连续表面图像并在数学上判断运动的方向和量值，而测量非机械跟踪设备的位置变化。

作为示例，在诸如光学鼠标之类的非机械跟踪设备中，光学导航(optical navigation)技术涉及捕捉图像并随后分析和跟踪在光学鼠标下的表面上的微观纹理或其他特征的运动。通常，这些类型的光学鼠标依赖于跟踪表面细节，并且大多数工作表面是微观纹理化的。当诸如发光二极管(“LED”)之类的光源照射这些表面纹理时，就呈现出高亮和阴影的图案。然后光学鼠标通过将这些表面细节成像到导航集成电路(“导航IC”)上来“观察”其运动。

在图1中，示出了在导航表面102上方的已知非机械设备100的实施示例。非机械设备100可以包括光学导航IC 104、发射器模块106和准直系统108。光学导航IC 104可以包括像素阵列110。发射器模块106可以包括诸如一个或多个LED之类的光源(未示出)，且像素阵列110可以包括多个诸如光电二极管之类的光电检测器(未示出)。准直系统108可以包括诸如透镜之类的光学器件，其能够将接收到的光辐射准直为光辐射的准直光束。

在操作示例中，发射器模块106可以以预定角度114将发射光辐射112发射在导航表面102处。发射光辐射112接着被导航表面102反射，产生由准直系统108接收到的反射光辐射116。准直系统108接着将接收到的反射光辐射116准直为光辐射的准直光束120，其被传递到像素阵列110。

遗憾的是，光学导航IC 104和发射器模块106没有集成为诸如单个IC或晶片的信号部件，这就导致制造非机械设备100的高成本和与集成单独子部件相关的产量问题。因此，需要一种系统和方法，其能够将发射器模块106和像素阵列110集成为单个IC。对于基于激光的照明系统，由于准直光源的特性和从光源到传感器的大锥角需求，益处更加明显。

发明内容

描述了一种具有光学导航集成电路(“导航IC”)的光学导航系统。光学导航系统可以包括发射器模块和围绕发射器模块的像素阵列。发射器模块可以包括构造为将发射光辐射发射到导航表面处的至少一个光源。像素阵列可以包括构造为接收从导航表面反射的接收光辐射的多个光电检测器，其中接收光辐射是由导航表面反射的发射光辐射的一部分。光学导航系统还可以包括环绕光学系统，其位于在像素阵列上方的光学导航集成电路的表面上。环绕光学系统可以被构造为将反射光辐射准直为光辐射的准直光束，其中反射光辐射是由导航表面朝向像素阵列反射的发射光辐射的一部分。

在操作示例中，光学导航系统执行在导航表面上导航光学导航系统的过程。此过程可以包括将发射光辐射从发射器模块向导航表面发射，以及在围绕发射器模块的像素阵列处接收来自导航表面的反射光辐射。接收反射光辐射的子过程可以包括将反射光辐射准直为光辐射的准直光束，以及在像素阵列处接收准直光束，其中反射光辐射是由导航表面朝向像素阵列反射的发射光辐射的一部分。

对于本领域的技术人员在考察附图和详细说明时，本发明的其他系统、方法和特征将是或将变得显而易见。希望所有这样的其他系统、方法、特征和优点都包含在此说明内，包含在本发明的范围内，且由所附权利要求保护。

附图说明

参考附图将更好地理解本发明。附图中的部件不一定成比例，相反重点放在图示本发明原理上。附图中，相似标号表示所有不同视图中对应的部件。

图1是已知非机械导航设备的实施示例的侧视框图。

图2是在非机械导航设备内光学导航系统的实施示例的侧视框图。

图3是在非机械导航设备内光学导航系统的另一实施示例的侧视框图。

图4是图2和图3两者所示的光学导航集成电路(“导航IC”)的实施示例的俯视图。

图5是图2和图3两者所示的环绕光学系统的实施示例的俯视图。

具体实施方式

在以下的说明中，参考了形成其一部分的附图，附图通过图示的方式示出了可以实现本发明的具体实施例。可以利用其他实施示例且可以进行结构变化而不脱离本发明的范围。

在图2中，在导航表面204上方示出了非机械导航设备202内光学导航系统200的实施示例的侧视框图。光学导航系统200可以包括光学导航集成电路(“导航IC”)206和环绕光学系统208。导航IC 206可以包括发射器模块210和像素阵列212。导航IC 206可以包括这样的衬底，其可以是集成电路中的单个半导体衬底、引线框、插入成型引线框、印刷电路板(“PCB”)、柔性电路、陶瓷衬底或微互连设备(“MID”)。

发射器模块210可以包括诸如一个或多个发光二极管(“LED”)之类的光源(未示出)，且像素阵列212可以包括多个诸如光电二极管之类的光电检测器(未示出)。像素阵列212在导航IC 206内构造成环绕形状，其具有围绕发射器模块210的像素阵列环绕内部214。环绕形状可以是任意形状，例如矩形、圆形或椭圆形的环绕形状。

环绕光学系统208可以包括诸如透镜之类的光学器件，其能够将接收到的光辐射准直为被传递到像素阵列212的光辐射的准直光束。环绕光学系统208可以包括环氧化物或其他类型的透射性材料，并可以是能够合适地覆盖像素阵列212的形状。环绕光学系统208也可以能够将发射光辐射216从发射器模块210导向成聚焦发射光辐射218，后者可以被导向到导航表面204。

环绕光学系统208可以是能够覆盖发射器模块210和像素阵列212两者的透射层，其中透射层可以包括任何透射性的可成型材料，其能够将发射光辐射216准直为从发射器模块210导向到导航表面204的聚焦光辐射218的平行光束，并能够将反射光辐射准直为被传递到像素阵列212的光辐射的准直光束。作为实施示例，透射层可以是环氧层。

发射器模块210可以包括附加的光学器件(未示出)，其能够产生从发射器模块210到环绕光学系统208的发射光辐射216。发射器模块210可以包括光源(未示出)，例如二极管、光电二极管、LED、灯泡、或者诸如边发射激光器或垂直腔半导体发射激光器(“VCSEL”)之类的半导体激光器。像素阵列212可以包括诸如光电二极管、光电阴极或光电倍增管之类的光电检测器(未示出)的阵列。本领域技术人员应该认识到，光辐射同样可以是可见、红外和/或紫外光辐射。

在操作示例中，发射器模块210可以通过环绕光学系统208将发射光辐射216发射在导航表面204处。环绕光学系统208可以将发射光辐射216聚焦为聚焦发射光辐射218，后者以正交(即垂直)于导航IC 206的面220的方向发射。

聚焦发射光辐射218接着被导航表面204反射，这产生由环绕光学系统208接收到的反射光辐射222。环绕光学系统208接着将接收到的反射光辐射222准直为光辐射的准直光束224，后者被传递到接收准直光束224的像素阵列212。准直光束224的形状可以是管状的。

在图3中，示出了在非机械导航设备302内光学导航系统300的另一实施示例的侧视框图。与图2类似，光学导航系统300可以包括光学导航IC 306和环绕光学系统308。导航IC 306也可以包括发射器模块310和像素阵列312。导航IC 306可以包括这样的衬底，其可以是集成电路中的单个半导体衬底、引线框、插入成型引线框、PCB、柔性电路、陶瓷衬底或MID。

发射器模块310可以包括诸如一个或多个LED之类的光源(未示出)，且像素阵列312可以包括多个诸如光电二极管之类的光电检测器(未示出)。像素阵列312在导航IC 306内构造成环绕形状，其具有围绕发射器模块310的像素阵列环绕内部314。环绕形状可以是任意形状，例如矩形、圆形或椭圆形的环绕形状。

环绕光学系统308可以包括诸如透镜之类的光学器件，其能够将接收到的光辐射准直为被传递到像素阵列312的光辐射的准直光束。环绕光学系统308可以包括环氧化物或其他类型的透射性材料，并可以是能够合适地覆盖像素阵列312的形状。环绕光学系统308也可以能够将发射光辐射316从发射器模块310导向成聚焦发射光辐射318，后者可以被导向到导航表面304。

同样，环绕光学系统308可以是能够覆盖发射器模块310和像素阵列312两者的透射层，其中透射层可以包括任何透射性的可成型材料，其能够将发射光辐射316准直为从发射器模块310导向到导航表面304的聚焦光辐射318的平行光束，并能够将反射光辐射准直为被传递到像素阵列312的光辐射的准直光束。作为实施示例，透射层可以是环氧层。

发射器模块310可以包括附加的光学器件(未示出)，其能够产生从发射器模块310到环绕光学系统308的发射光辐射316。同样，发射器模块310可以包括光源(未示出)，例如二极管、光电二极管、LED、灯泡、或者诸如边发射激光器或VCSEL之类的半导体激光器。与图2不同，在图3中，发射器模块310不位于导航IC 302内，而是位于导航IC 302的IC表面320上。像素阵列312可以包括诸如光电二极管、光电阴极或光电倍增管之类的光电检测器(未示出)的阵列。应该同样认识到，光辐射同样可以是可见、红外和/或紫外光辐射。

与图2类似，在操作示例中，发射器模块310可以通过环绕光学系统308将发射光辐射316发射在导航表面304处。环绕光学系统308可以将发射光辐射316聚焦为聚焦发射光辐射318，后者以正交于IC面320的方向发射。

聚焦发射光辐射318接着被导航表面304反射，这产生由环绕光学系统308接收到的反射光辐射322。环绕光学系统308接着将接收到的反射光辐射322准直为光辐射的准直光束224，后者被传递到接收准直光束324的像素阵列312。准直光束324的形状可以是管状的。

在图4中，示出了图2或图3所示的导航IC 400的实施示例的俯视图。如上所述，导航IC 400可以包括像素阵列402和发射器模块404。像素阵列402在导航IC 400内构造成环绕形状，其具有围绕发射器模块404的像素阵列环绕内部406。环绕形状可以是任意形状，例如矩形、圆形或椭圆形的环绕形状。

在图5中，示出了图2或图3所示的环绕光学系统500的实施示例的俯视图。环绕光学系统500可以包括位于导航IC(未示出)的IC表面(未示出)上的多个环的光学器件。作为示例，环502可以位于发射器模块(未示出)的顶部上，且其可以包括能够将来自发射器模块的发射光辐射准直为聚焦光辐射的平行光束的光学器件。环504可以位于像素阵列(未示出)的顶部上，且其可以包括能够将接收到的光辐射准直为被传递到像素阵列(未示出)的光辐射的准直光束的光学器件。环绕光学系统500可以包括诸如透镜之类的光学器件，其能够将反射光辐射准直为被传递到像素阵列的光辐射的准直光束。环506和环508可以是将环502与环504隔开的透射层或不透明层。

将理解到为了图示和说明的目的而给出以上实施方式的说明。其并非穷尽性的且并不将所要求保护的发明限制于所公开的精确形式。考虑到上述说明可以进行修改和改变，或者可以从实现本发明中获得修改和改变。权利要求及其等价方案界定了本发明的范围。