DE102004011987A1

DE102004011987A1 - Optische Leitung zum Lenken von Licht auf eine Oberfläche

Info

Publication number: DE102004011987A1
Application number: DE102004011987A
Authority: DE
Inventors: Guolin Milpitas Ma; Jason Los Altos Hartlove; Boon-Kheng Lee
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-02-10
Also published as: JP2005031667A; US20050007346A1; KR20050009150A

Abstract

Eine optische Leitung in einer optischen Maus wird verwendet, um Licht für eine Beleuchtung von einer Lichtquelle auf eine Oberfläche zu lenken. Licht von der Lichtquelle wird in der optischen Leitung zu der Oberfläche total und intern reflektiert. Um die Effizienz der Lichtübertragung zu verbessern, ist die Lichtquelle an die Außenseite der optischen Leitung geklebt oder in die optische Leitung selbst eingebettet. Eine Reflektorschale kann verwendet werden, um die Lichtquelle zu umgeben, um Licht von der Lichtquelle zu dem Ausgangsende der optischen Leitung umzuleiten. Die optische Leitung kann gebogene Oberflächen aufweisen, die parabolische oder hyperbolische Gleichungen oder andere Gleichungen einer zweiten Ordnung oder höher erfüllen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Bauelemente und insbesondere auf optische Leitungen, die effektiv Licht von einer Lichtquelle erfassen und es für Beleuchtung auf eine Oberfläche umleiten.
Eine optische Maus arbeitet durch Abtasten einer beleuchteten Oberfläche mit einem optischen Sensor und Erfassen einer Reihe von Bildern der Oberfläche. Die optische Maus bestimmt dann ihre eigene Position bezüglich der Oberfläche durch Vergleichen der Unterschiede zwischen den Bildern. Die Lichtquelle, die zum Beleuchten der Oberfläche verwendet wird, ist typischerweise eine lichtemittierende Diode (LED = light-emitting diode). Da das Licht, das durch eine LED emittiert wird, über einen breiten Winkel gestreut ist, wird eine optische Leitung verwendet, um das Licht von der LED auf die Oberfläche zu lenken und zu fokussieren.

1A ist eine abstrakte Darstellung der Komponenten einer herkömmlichen optischen Maus 100. Ein Teil des Lichts, das von einer LED 103 emittiert wird, wird in eine optische Leitung 101 übertragen. Das Licht verläuft entlang der optischen Leitung 101 durch eine innere Totalreflexion, bis es die optische Leitung 101 verläßt und eine Oberfläche 105 trifft. Das Licht reflektiert von der Oberfläche 105, durch eine Linse 107 und auf einen Bildsensor 109 in der optischen Maus 100.

1B zeigt eine perspektivische Ansicht der herkömmlichen optischen Leitung 101 und der LED 103. Die optische Leitung 101 ist beim Beleuchten der Oberfläche 105 aus mehreren Gründen nicht sehr effizient. Erstens sind die LED und die optische Leitung 101 zwei getrennte Komponenten. Ein Großteil des Lichts, das durch die LED 103 emittiert wird, dispergiert in dem Abstand zwischen der LED und der Leitung und verringert somit die Lichtmenge, die durch die optische Leitung 101 erfaßt wird. Ferner hat die optische Leitung 101 flache Innenseitenoberflächen. Als Folge schafft es ein Teil des Lichts, das in die optische Leitung 101 übertragen wird, auszutreten, bevor es die Oberfläche 105 trifft, weil das Licht die Innenoberflächen der optischen Leitung 101 für eine innere Totalreflexion im falschen Winkel trifft. Schließlich werden Lichtstrahlen, die von der Rückseite der LED 103 emittieren, dispergiert, und können durch die optische Leitung 101 nicht erfaßt werden. Die maximale Effizienz der herkömmlichen optischen Leitung 101 wurde auf etwa 10% geschätzt, wobei die Effizienz definiert ist als der Prozentsatz der Lichtleistung, die durch die optische Leitung 101 von der Lichtquelle zu der Oberfläche übertragen wird.

Da die Effizienz der herkömmlichen optischen Leitung 101 schlecht ist, muß die Leistung der LED 103 erhöht werden, um die Oberfläche 105 angemessen zu beleuchten. Das Erhöhen der LED-Leistung ist kein Problem, wenn die optische Maus durch ein Kabel mit einem Desktopcomputersystem verbunden ist. Der Leistungsverbrauch ist jedoch ein großes Problem bei Anwendungen wie z. B. Laptops oder batterieberiebenen schnurlosen Mäusen. Daher wird eine effizientere optische Leitung benötigt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Leitung zum Beleuchten einer Oberfläche und eine optische Maus mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Leitung gemäß Anspruch 1 sowie eine Maus gemäß Anspruch 8 oder 13 gelöst.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine optische Leitung zum Lenken von Licht von einer Lichtquelle auf eine Oberfläche erzeugt durch Kombinieren der optischen Leitung mit der Lichtquelle, um eine einzige Komponente zu erzeugen. Die optische Leitung hat ein Eingangsende für die Lichteingabe und ein Ausgangsende, wo das Licht die optische Leitung verläßt, um auf die Oberfläche zu fallen. Wenn die optische Leitung aus einem formbaren Material hergestellt ist, kann die Lichtquelle in das Eingangsende der optischen Leitung selbst eingebettet sein. Alternativ kann die Lichtquelle an die Außenseite des Eingangsendes der optischen Leitung geklebt sein.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle in der optischen Leitung durch eine reflektierende Schale umgeben. Die reflektierende Schale erfaßt Lichtstrahlen, die andernfalls die optische Leitung verlassen würden, weil dieselben in der falschen Richtung emittiert wurden und leitet dieselben zurück zu dem Ausgangsende der optischen Leitung.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die optische Leitung in der Form eines Paraboloids. Die gebogene Innenoberfläche des Paraboloids ist effizienter beim Sammeln und Konzentrieren von Licht als eine flache Oberfläche.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die Struktur und der Betrieb bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die beiliegenden beispielhaften Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder funktional ähnliche Elemente.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1A ein abstraktes Schema der Komponenten bei einer herkömmlichen optischen Maus;

1B eine perspektivische Ansicht der herkömmlichen optischen Leitung und LED;

2A eine perspektivische Ansicht einer optischen Leitung;

2B eine Reflektorschale, die die Lichtquelle umgibt, in perspektivischer Ansicht;

2C eine Seitenansicht der optischen Leitung bei einem Ausführungsbeispiel, wo die Lichtquelle nun durch eine Reflektorschale umgeben ist;

3 eine perspektivische Ansicht, bei der die optische Leitung die Form eines Paraboloids aufweist; und

4 ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem die optische Leitung einen Winkel aufweist, um das Lichtausgangssignal zu einer gewünschten Oberfläche abbiegen zu lassen.

2A ist eine perspektivische Ansicht einer optischen Leitung 201, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Die optische Leitung 201 weist vier Seitenwände 203 mit flachen Innenoberflächen, ein Eingangsende 205 für eine Lichteingabe und ein Ausgangsende 205 für eine Lichtausgabe auf. Die optische Leitung 201 kann mehr als vier Seitenwände aufweisen. Das Ausgangsende 207 ist im allgemeinen größer als das Eingangsende 205. Das Ausgangsende 207 ist als eine flache Oberfläche parallel zu dem Eingangsende 205 gezeigt, kann aber auch zu dem Rest des Körpers abgewinkelt sein, um den Winkel des Strahls zu ändern, der die optische Leitung 201 verläßt. Die Endoberfläche kann zu Konvergenz- und Divergenzzwecken auch konkav oder konvex sein.
Der Brechungsindex n der optischen Leitung 201 ist höher als derjenige des umgebenden Mediums, das typischerweise Luft ist. Die mögliche Materialauswahl für die optische Leitung 201 umfassen Acryl, Polycarbonat, optische Qualitätskunststoffe oder jedes andere Material, das für Licht in dem sichtbaren Bereich und Infrarotspektrumbereich durchlässig ist.
Eine Lichtquelle 209, wie z. B. eine LED ist direkt in der optischen Leitung 201 eingebettet. Bei dieser Anordnung wird mehr Licht erfaßt als bei dem Stand der Technik, da Lichtstrahlen, die durch die Lichtquelle 209 emittiert werden, nun von innerhalb der optischen Leitung 201 selbst stammen. Die optische Leitung 201 ist vorzugsweise aus einem formbaren Material hergestellt, so daß die Lichtquelle 209 in die optische Leitung 209 eingefügt werden kann, bevor das Material härtet und fest wird. Alle Lichtstrahlen, wie z. B. der beispielhafte Lichtstrahl 211, die die Innenoberfläche in einem Winkel von A1 treffen, der größer ist als der kritische Winkel θ_c, werden intern totalreflektiert. θ_c wird durch das Snelliusche Gesetz bestimmt: sin θ_c > n_s/n; wobei ns der Brechungsindex für das umgebende Medium ist und n der Brechungsindex für die Leitung selbst ist.
Das Licht 211 verläuft entlang der optischen Leitung 201, reflektiert von der flachen Innenoberfläche der Seitenwände 203 zu dem Ausgangsende 207. Das Licht 211 trifft jede Wand in einem Winkel größer als dem kritischen Winkel und wird in die optische Leitung 201 zurück reflektiert. Das Licht 211 tritt schließlich durch das Ausgangsende 207 aus, um die Oberfläche zu treffen, die beleuchtet werden soll. Da die Lichtquelle 209 und die optische Leitung 201 nun einstückig sind, gibt es keinen Lichtverlust aufgrund der Trennung zwischen der Lichtquelle 209 und der optischen Leitung 201. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) ist die Lichtquelle 209 unter Verwendung von optisch durchlässigem Klebstoff direkt an die Außenoberfläche der optischen Leitung 201 und deren Eingangsende 205 geklebt.
Da die Lichtquelle 209 Licht in alle Richtungen strahlt, werden viele ihrer Lichtstrahlen in eine Richtung weg von dem Ausgangsende 207 gestrahlt, so daß die Lichtstrahlen die optische Leitung 201 verlassen, ohne zu dem Ausgangsende 207 intern total-reflektiert zu werden. Durch Umgeben der Lichtquelle 209 mit einer reflektierenden Oberfläche zum Erfassen und Umleiten solcher Lichtstrahlen kann die Effizienz der optischen Leitung 201 weiter erhöht werden.
2B zeigt eine Reflektorschale 213, die die Lichtquelle 209 umgibt, in einer perspektivischen Ansicht. Die Reflektorschale 213 umschließt die Lichtquelle 209 an allen Seiten außer an der Öffnung 214 der Reflektorschale 213. Dieselbe ist aus einem reflektierenden Material hergestellt oder mit einem solchen beschichtet, wie z. B. Gold, Silber, Kupfer, Platin, usw. Die Seiten der Reflektorschale 213 sind in einem spitzen Winkel A2 positioniert. Ein Winkel A2 von 45 Grad ist ausreichend, um die Lichtstrahlen abzulenken, obwohl andere spitze Winkel ebenfalls geeignet sind. Alle Lichtstrahlen 215 von der Lichtquelle, die die Reflektorschale 213 treffen, werden zu der Öffnung 214 der Reflektorschale 213 umgeleitet.
2C zeigt eine Seitenansicht der optischen Leitung 201 bei einem Ausführungsbeispiel, wo die Lichtquelle 209 nun durch eine Reflektorschale 213 umgeben ist. Die Reflektorschale 213 ist in der optischen Leitung eingebettet und derart positioniert, daß die Öffnung 214 dem Ausgangsende 307 zugewandt ist. Die Reflektorschale 213 leitet Lichtstrahlen 217, die die Reflektorschale 213 treffen, zu dem Ausgangsende 207 der optischen Leitung 201 um. Die Reflektorschale 213 ermöglicht es, daß das meiste Licht, das durch die Lichtquelle 209 emittiert wird, zu dem Ausgangsende 207 übertragen wird und erhöht die Effizienz der optischen Leitung 201. Die Reflektorschale 213 kann zur gleichen Zeit wie die Lichtquelle 209 in die optische Leitung 201 eingebettet werden.
3A zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, bei der die optische Leitung ein Paraboloid 301 ist. Ein Paraboloid ist ein Rotationskörper, bei dem eine Parabel gemäß der Gleichung y = Ax² (wobei A eine Konstante ist) um ihre Mittelsymmetrieachse 309 gedreht wird, um einen dreidimensionalen Festkörper zu erzeugen. Das Paraboloid 301 ist effizienter als die optische Leitung 201, da gebogene Oberflächen beim Sammeln und Konzentrieren von Lichtstrahlen effizienter sind als flache Oberflächen.
Das Paraboloid 301 weist ein Eingangsende 305 für die Lichteingabe und ein Ausgangsende 307 für die Lichtausgabe auf. Eine Lichtquelle 209, die durch eine Reflektorschale 213 umgeben ist, ist in dem Eingangsende 305 eingebettet, so daß die Öffnung der Reflektorschale 213 dem Ausgangsende 307 zugewandt ist. Bei einer tatsächlichen Arbeitsausführungsbeispiel erreichte ein Paraboloid mit einer eingebetteten Lichtquelle, die durch eine Reflektorschale umgeben wurde, Effizienzen um 16%, was eine 60% Erhöhung im Vergleich zu der alten Effizienz ist.
3B stellt eine Querschnittsscheibe der optischen Leitung dar, die durch ihre Symmetriemittelachse 309 verläuft, und zeigt die dazugehörigen Winkel, die berechnet werden müssen, um eine innere Totalreflexion der Lichtstrahlen sicherzustellen, die von der Lichtquelle stammen. Ein Lichtstrahl 311, der von der Lichtquelle 209 zu einem Punkt auf der Oberfläche des Paraboloids verläuft, erzeugt einen Winkel A3 mit der Mittelsymmetrieachse 309 und einen weiteren Winkel A4 mit der Oberfläche des Paraboloids 301, wenn derselbe das Paraboloid verläßt. Wenn das umgebende Medium des Paraboloids 301 Luft ist, müssen die Winkel A3 und A4, bei denen die innere Totalreflexion auftritt, die folgenden Bedingungen erfüllen: sin A31 ≤ –(2/n2), (Gleichung 1) oder sin A4 ≤ n – (2/n), (Gleichung 2)wobei n der Gleichungsindex für das Paraboloid 301 ist.
Im allgemeinen ist eine gebogene Oberfläche effizienter beim Sammeln und Konzentrieren von Lichtstrahlen als eine flache Oberfläche. Daher ist eine optische Leitung mit einer gebogenen Oberfläche effizienter als eine optische Leitung mit flachen Seiten. Andere geeignete Oberflächen haben Krümmungen, die parabolische Gleichungen, hyperbolische Gleichungen oder alle Gleichungen zweiter Ordnung oder höher erfüllen, solange die Oberflächenkrümmungen nach wie vor die Gleichung 1 oder 2 erfüllen. Beispielsweise hat eine optische Leitung in der Form eines Hyperboloids (ein Rotationskörper, der durch Drehen einer Hyperbel um ihre Symmetrieachse gebildet wird) eine verbesserte Leistungsfähigkeit im Vergleich zu einer optischen Leitung mit flachen Seiten.
Eine Kombination unterschiedlicher Krümmungen kann ebenfalls verwendet werden. Beispielsweise ist in 4 eine optische Leitung 401 mit drei Abschnitten mit unterschiedlicher Krümmung in der Seitenansicht gezeigt. In dem ersten Abschnitt 403 hat die optische Leitung eine kugelförmige Oberfläche. Bei dem zweiten Abschnitt 405 ist die Oberflächenkrümmung parabolisch und in dem dritten Abschnitt 407 ist die Oberfläche hyperbolisch. Wenn die Oberflächenkrümmung bei diesem Ausführungsbeispiel die Gleichung 1 oder 2 erfüllt, sind die Bedingungen für eine innere Totalreflexion erfüllt.
Um die Beleuchtung einer Oberfläche zu ermöglichen, kann eine allmähliche Biegung zwischen dem Eingangs- und Ausgangsende der optischen Leitung eingeführt werden, nachdem die ordnungsgemäße Oberflächenkrümmung für die optische Leitung durch die Gleichung 1 oder 2 bestimmt wurde. 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem die parabolische optische Leitung 301 eine allmähliche Biegung 503 aufweist, um die Lichtausgabe zu einer gewünschten Oberfläche 505 zu biegen. Eine Linse 507 über der Oberfläche fokussiert die Strahlen, die von der Oberfläche 505 abprallen, auf einen optischen Sensor 509. Die optische Leitung 301, die Linse 507 und der optische Sensor 509 sind alle in dem Gehäuse einer optischen Maus 511 angeordnet. Ein gewisser Lichtverlust wird erwartet, wenn die allmähliche Biegung 503 hinzugefügt wird, da die Krümmung nicht mehr exakt die Beschränkungen der Gleichung 1 oder 2 für eine innere Totalreflexion erfüllt.

Claims

Optische Leitung (301) zum Beleuchten einer Oberfläche, die folgende Merkmale umfaßt: einen Körper, der aus einem optisch durchlässigen Material gebildet ist, der folgende Merkmale aufweist: ein Eingangsende (305) für eine Lichteingabe; ein Ausgangsende (307) für eine Lichtausgabe; eine gebogene Oberfläche, die total und intern Licht von Eingangsende zu dem Ausgangsende reflektiert; und eine Lichtquelle (209), die an dem Eingangsende des Körpers eingebettet ist, so daß Licht von dem Eingangsende durch den Körper gelenkt wird und an dem Ausgangsende emittiert wird.
Optische Leitung gemäß Anspruch 1, die ferner folgendes Merkmal umfaßt: eine Reflektorschale (213), die die Lichtquelle umgibt, zum Umleiten von Licht von der Lichtquelle zu dem Ausgangsende des Körpers.
Optische Leitung gemäß Anspruch 2, bei der die gebogene Oberfläche des Körpers ein Paraboloid ist.
Optische Leitung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der der Körper aus Abschnitten von gebogenen Oberflächen aufgebaut ist, die unterschiedliche Gleichungen erfüllen.
Optische Leitung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Lichtquelle eine lichtemittierende Diode ist.
Optische Leitung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der der Körper eine allmähliche Biegung (503) aufweist, so daß das Ausgangsende in einem Winkel zu dem Eingangsende ist.
Optische Leitung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der das optisch durchlässige Material aus Acryl, Polycarbonat und optischem Qualitätskunststoff ausgewählt ist.
Optische Maus (511), die folgende Merkmale umfaßt: ein Gehäuse (511); einen Bildsensor (509) in dem Gehäuse zum Erfassen von Bildern einer Oberfläche (505); eine Lichtquelle (209) in dem Gehäuse; eine optische Leitung (301), die aus optisch durchlässigem Material hergestellt ist, die Licht von der Lichtquelle auf die Oberfläche lenkt, die folgende Merkmale aufweist: ein Eingangsende (305) für eine Lichteingabe; ein Ausgangsende (307) für eine Lichtausgabe; und eine gebogene Innenoberfläche, die Licht von dem Eingangsende zu dem Ausgangsende total und intern reflektiert; und eine Linse (507) zum Fokussieren von Licht, das von der Oberfläche reflektiert, auf den Bildsensor.
Optische Maus gemäß Anspruch 8, bei der die Lichtquelle an die Außenseite des Eingangsendes der optischen Leitung geklebt ist.
Optische Maus gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der die Lichtquelle in das Eingangsende der optischen Leitung eingebettet ist.
Optische Maus gemäß Anspruch 10, die ferner folgendes Merkmal umfaßt: eine Reflektorschale (213), die die Lichtquelle umgibt, zum Umleiten von Licht von der Lichtquelle zu dem Ausgangsende der optischen Leitung.
Optische Maus gemäß Anspruch 11, bei der die gebogene Oberfläche des Körpers ein Paraboloid ist.
Optische Maus, die folgende Merkmale umfaßt: ein Gehäuse (511); einen Bildsensor (509) in dem Gehäuse zum Erfassen von Bildern einer Oberfläche; eine optische Leitung (201) in dem Gehäuse, die aus einem optisch durchlässigen Material hergestellt ist, wobei die optische Leitung folgende Merkmale umfaßt: ein Eingangsende (205) für eine Lichteingabe; ein Ausgangsende (207) für eine Lichtausgabe; und eine Innenoberfläche, die Licht von dem Eingangsende zu dem Ausgangsende total und intern reflektiert; eine Lichtquelle (209), die in das Eingangsende der optischen Leitung eingebettet ist; und eine Linse (507) in dem Gehäuse zum Fokussieren von Licht, das von der Oberfläche reflektiert, auf den Bildsensor.
Optische Maus gemäß Anspruch 13, die ferner folgendes Merkmal umfaßt: eine Reflektorschale (213), die die Lichtquelle umgibt, zum Umleiten von Licht von der Lichtquelle zu dem Ausgangsende der optischen Leitung.