(57)【要約】指（１５）の移動を測定するための光入力デバイスは、ダイオードレーザー（３）から指への測定ビーム（１３）及び指によって検出器（４）へ反射する放射を透過させるための透明なウィンドウ（１２）が提供されるハウジングに収容される。この特徴は、グリース及び塵が邪魔をして測定ビームをブロックすることを予防する。
2004513441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの測定軸に沿った指の移動を測定する光入力デバイスであって、
透明なウィンドウが提供されると共に測定ビームを発生させる少なくとも一つのレーザーを収容するモジュール、作用平面に前記測定ビームを収束させる光学手段、及び前記指によって反射された測定ビーム放射を前記測定軸に沿った前記移動を表す電気信号に変換する変換手段、を含み、
前記ウィンドウの上面は、ウィンドウの頂部での前記作用平面における二つの相互に垂直な方向の少なくとも一つにおいて凸であることを特徴とする光入力デバイス。
【請求項２】
前記ウィンドウは、前記二つの方向の両方において凸であることを特徴とする請求項１記載の光入力デバイス。
【請求項３】
前記ウィンドウは、前記方向の一つにおいて凸、及び他の前記方向において凹であることを特徴とする請求項１記載の光入力デバイス。
【請求項４】
前記ウィンドウの上面の屈折率は、水のものに近いことを特徴とする請求項１、２又は３記載の光入力デバイス。
【請求項５】
前記測定ビームは、前記ウィンドウの前記上面から離れた平面に集束することを特徴とする請求項１、２又は３記載の光入力デバイス。
【請求項６】
前記変換手段は、前記レーザー空洞共振器に再び入る反射された測定ビーム放射及びこの空洞共振器における光学波の干渉によると共に指及び前記入力デバイスの相対的な移動を表す、前記レーザー空洞共振器の動作中における変化、を測定する測定手段並びに前記レーザー空洞共振器の組み合わせによって構成されることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の光入力デバイス。
【請求項７】
それは、前記ダイオードレーザー空洞共振器の動作中における変動を表す前記信号の形状を決定する電子手段を含むことを特徴とする、移動及びこの移動の前記方向を測定する、請求項１乃至６いずれか１項記載の光入力デバイス。
【請求項８】
それは、前記ダイオードレーザーに周期的に変動する電流を供給するレーザー駆動手段、及び第一及び第二の測定信号を互いと比較する電子手段を含み、
前記第一及び第二の測定信号は、それぞれ、交替する第一の半周期及び第二の半周期の間に発生することを特徴とする、移動及びこの移動の前記方向を測定する、請求項１乃至６いずれか１項記載の光入力デバイス。
【請求項９】
前記測定手段は、前記レーザー空洞共振器のインピーダンスの変動を測定する手段であることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載の光入力デバイス。
【請求項１０】
前記測定手段は、前記レーザーによって放出された放射を測定する放射検出器であることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１記載の光入力デバイス。
【請求項１１】
前記放射検出器は、前記測定ビームが放出される側面と反対の前記レーザー空洞共振器の側面に配置されることを特徴とする請求項１０記載の光入力デバイス。
【請求項１２】
それは、一つのダイオードレーザー及び一つの検出器を含むことを特徴とする、前記作用平面における軸に沿った、又は前記作用平面に垂直な軸に沿った、指の移動を決定する請求項１乃至１１いずれか１記載の光入力デバイス。
【請求項１３】
それは、少なくとも二つのダイオードレーザー及び少なくとも一つの検出器を含むことを特徴とする、前記作用平面における軸に沿った指の移動、及び前記作用平面に垂直な指の移動を決定する請求項１乃至１１いずれか１記載の光入力デバイス。
【請求項１４】
それは、少なくとも二つのダイオードレーザー及び少なくとも一つの検出器を含むことを特徴とする、前記作用平面における第一及び第二の測定軸に沿った指の移動を決定する請求項１乃至１１いずれか１記載の光入力デバイス。
【請求項１５】
それは、三つのダイオードレーザー及び少なくとも一つの検出器を含むことを特徴とする、前記作用平面における第一及び第二の測定軸並びに前記作用平面に垂直な第三の測定軸に沿った指の移動を決定する請求項１乃至１１いずれか１記載の光入力デバイス。
【請求項１６】
それは、二つのダイオードレーザー並びに、前記作用平面における第一の測定軸及び前記作用平面に実質的に垂直な第二の測定軸に沿った指の移動を決定する少なくとも一つの検出器を含むことを特徴とする、スクロール作用及びクリック作用の両方を決定する請求項１乃至１１及び１３いずれか１項記載の光入力デバイス。
【請求項１７】
それは、二つのダイオードレーザー並びに第一及び第二の測定軸に沿った指の移動を決定する少なくとも一つの検出器を含み、
前記軸は、前記作用平面の法線に関して対頂角にあることを特徴とする、スクロール作用及びクリック作用の両方を決定する請求項１乃至１１及び１３いずれか１項記載の光入力デバイス。
【請求項１８】
前記光学手段は、一方に、前記少なくとも一つのダイオードレーザー及び関連する検出器の間に配置されるレンズ、並びに、他方に、作用平面を含み、
前記少なくとも一つのレーザーは、前記レンズに関して偏心して位置決めされることを特徴とする請求項１乃至１７いずれか１項記載の光入力デバイス。
【請求項１９】
二つのダイオードレーザーを含み、
前記ダイオードレーザーは、それらの中心から前記レンズの光軸までの線が、互いに関して実質的に９０°の角度にあるように、配置されることを特徴とする請求項１８記載の光入力デバイス。
【請求項２０】
三つのダイオードレーザーを含み、
前記ダイオードレーザーは、それらの中心から前記レンズの光軸までの線が、互いに関して実質的に１２０°の角度にあるように、配置されることを特徴とする請求項１８記載の光入力デバイス。
【請求項２１】
各ダイオードレーザーは、水平に放出するダイオードレーザーであり、
前記デバイスは、各ダイオードレーザーに対して、前記関連するダイオードレーザーからの前記ビームを前記ウィンドウへ反射する反射部材を含むことを特徴とする請求項１乃至１６及び１８乃至２０いずれか１項記載の光入力デバイス。
【請求項２２】
それは、前記少なくとも一つのダイオードレーザー及び関連する検出器が実装される台板、前記台板に固定されると共に前記ウィンドウを含むキャップ部材、並びに前記キャップ部材に収容されるレンズで構成されることを特徴とする請求項１乃至１６及び１８乃至２１いずれか１項記載の入力デバイス。
【請求項２３】
前記レンズは、前記台板に向って湾曲する内面を有する前記キャップ部材に統合されることを特徴とする請求項２２記載の入力デバイス。
【請求項２４】
前記台板、前記キャップ部材、及び前記レンズは、プラスチック材料で作られることを特徴とする請求項２２又は２３記載の入力デバイス。
【請求項２５】
各ダイオードレーザーは、個別のライトガイドの入り口側に連結され、
前記ライトガイドの出口側は、前記デバイスの前記ウィンドウに位置決めされることを特徴とする請求項１乃至１７いずれか１項記載の入力デバイス。
【請求項２６】
前記ライトガイドは、光ファイバーであることを特徴とする請求項２５記載の入力デバイス。
【請求項２７】
請求項１乃至２６いずれか１項記載の入力デバイスを含む、デスクトップコンピューター用のマウス。
【請求項２８】
請求項１乃至２６いずれか１項記載の入力デバイスが統合される、デスクトップコンピューター用のキーボード。
【請求項２９】
請求項１乃至２６いずれか１項記載の入力デバイスが統合される、ラップトップコンピューター。
【請求項３０】
請求項１乃至２６いずれか１項記載の入力デバイスが統合される、ディスプレイ。
【請求項３１】
請求項１乃至２６いずれか１項記載の少なくとも一つの入力デバイスが統合される、リモートコントロールユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、少なくとも一つの測定軸に沿った指の移動を測定するための光入力デバイスに関し、そのデバイスは、透明なウィンドウが提供されると共に測定ビームを発生させるための少なくとも一つのレーザーを収容するモジュール、作用平面に測定ビームを収束するための光学手段、及び指によって反射された測定ビーム放射を前記測定軸に沿った移動を表す電気信号に変換するための変換手段を含む。
【０００２】
本発明は、また、このような光入力デバイスを含む装置に関する。
【０００３】
作用平面は、測定ビームが指と接すると共に指の移動によって影響を及ぼされる平面を意味することが理解される。ほとんどの状況において、作用平面は、ウィンドウの頂部を通る平面であることになるが、それはまた、このウィンドウ近くの平面であってもよい。
【０００４】
定義したような光入力デバイスは、例えば欧州特許出願ＥＰ−Ａ０９４２２８５から知られている。この文書は、コンピューターディスプレイ即ちモニターにわたってカーソルを移動させるために、例えば表示されたメニューの機能を選択するために、コンピューターの構成で使用される、光マウスを記載する。一般に、このような光マウスは、従来の機械的なマウスのように、手により、マウスパッドにわたって移動する。ＥＰ−Ａ０９４２２８５においては、光デバイスを“逆転した”光マウスとして使用することもまた提案されている。そして、光デバイスは、静止しており、例えば、デスクトップ又はノート若しくはパームコンピューターのキーボードに設けられ、人間の指が、光デバイスのハウジングにおける透明なウィンドウにわたって移動する。後者の場合において、指の移動を測定するための光モジュールを非常に小さくすることができるので、入力デバイスは、小さくてもよい。実際に、入力デバイスは、光測定モジュールに縮小される。これは、入力デバイスに関する新しい応用への道を開く。例えば、入力機能は、同じ目的のためのテレビ受像機用リモートコントロールデバイスにおいて、又は仮想ペンにおいて、メニュー上の機能を選択するために、及びインターネットページにアクセスするために、携帯電話に設けることができる。ＥＰ−Ａ０９４２２８５の光測定デバイスは、フラットウィンドウを含む。このようなフラットウィンドウは、指で制御される入力デバイスの実際の使用において問題を引き起こすことになる。
【０００５】
本発明の目的は、これらの問題を解決すると共に、非理想な状況における使用に対してもまた非常に適切であるユーザーフレンドリーな指で制御される光入力デバイスを提供することである。
【０００６】
この光入力デバイスは、ウィンドウの上面が、ウィンドウの頂部での作用平面における二つの相互に垂直な方向の少なくとも一つにおいて凸であることを特徴とする。
【０００７】
本発明は、フラットウィンドウに指を置くことは、ユーザは彼の目をディスプレイへ保ったはずであるので彼はウィンドウが埋め込まれる表面を見ることができないので、問題であることになるという認識に基づく。さらに、悪い光の状況では、ウィンドウは、目によってほとんど識別可能でないことになる。別の認識は、塵と汚れの粒子が、ウィンドウ上に、特に一又は複数の測定ビームが通過するはずであるその中央の部分に集まる場合もあるということである。塵及び汚れは、一又は複数の測定ビームに影響を有することになり、よって測定結果に影響を及ぼすことになり、最悪の場合には、測定を不可能にすることになる。本発明によって、ウィンドウが凸の表面形状を有するとすれば、それは少なくとも一つの方向、それを、特に一又は複数の測定ビームが通過するその中央の部分において、清潔に保つことができる。さらに、ここでウィンドウは、有形であるので、それを、指自体によって、従って暗やみにおいても見つけることができる。
【０００８】
光入力デバイスの第一の実施例は、ウィンドウが、二つの方向の両方において凸であることを特徴とする。
【０００９】
二次元の凸面が、正規のレンズ表面に似ているだけでなく、ウィンドウの表面にもまたレンズ機能を与えることができる。
【００１０】
ウィンドウの性能の点で好ましい光入力デバイスの実施例は、ウィンドウが、一つの方向において凸、他の方向において凹であることを特徴とする。
【００１１】
ここで、それを、ウィンドウの表面が凸である方向、又はこの表面が凹である方向、以後凸及び凹方向は、それぞれ測定の軸に平行であること配置してもよい。よって、ユーザーは、その方向で、与えられた機能、例えばメニュー又はファイルのスクローリング、を作動させるために指を移動するべきであることを知る。
【００１２】
光入力デバイスは、さらに、ウィンドウの上面の屈折率が水のものに近いことを特徴としてもよい。
【００１３】
この特徴は、摩耗及び非理想的な状況における連続的な使用によって引き起こされる場合もある、ウィンドウ表面におけるキズの効果を減少させることを可能にする。人間の指は、主として水からなる物質をにじみ出させ、指がウィンドウの表面に置かれるとすれば、この水は、表面の存在するキズを満たす。
表面の材料の屈折率が水の屈折率に近いほど、キズの測定ビームに対する効果はより小さくなることになる。
【００１４】
一又は複数の測定ビームに対するキズ並びに残留する塵及び汚れの粒子の効果を減少させる別の可能性は、測定ビームが、ウィンドウの上面から離れた平面に集束することを特徴とする入力デバイスの実施例で実現される。測定ビームが、ウィンドウの表面より下に又は上に集束すると、この表面の位置でのこのビームの断面は、塵又は汚れの粒子の大きさよりもかなり大きいので、この粒子は、ビームにおいてわずかな影響のみを有し得る。
【００１５】
本発明を、ＥＰ−Ａ０９４２２８５に開示されている“逆転した”光マウスのような、透明なウィンドウを有する任意の指で制御される光入力デバイスで使用することができる。このデバイスにおいては、ホモダイン又はヘテロダイン検波が使用される。モジュールのウィンドウに接近して配置される回折格子が利用される。格子は、測定ビーム放射、好ましくは、一次の一つで回折された放射、の一部分を、指によって反射され散乱された放射の一部分もまた受ける検出器へ、反射する。格子により一次で回折されたレーザー放射は、局部発振器ビームと表示され、検出器は、この局部発振器ビームを使用して、指からの放射をコヒーレントに検出する。局部発振器ビーム及び検出器に到達する指によって反射された放射の干渉は、検出器からのうなり信号を生じさせ、その信号は、その平面自体における指の相対的な運動によって決定される。ＥＰ−Ａ０９４２２８５の光測定モジュールは、検出器より前に、格子に加えて、コリメーターレンズ、集束レンズ、及びピンホールの絞りを含み、それらの素子は、非常に正確に整列されるべきである。これは、製造を複雑にし、大量消費製品であることが意図されるモジュールのコストを増加させる。
【００１６】
上述の光入力デバイスの好適な実施例は、別の測定原理に基づき、より少数の構成要素を含み、より小型であり、製造することがより容易である。この光入力デバイスは、変換手段が、レーザー空洞共振器に再び入る反射された測定ビーム放射及びこの空洞共振器における光学波の干渉によると共に指及び入力デバイスの相対的な移動を表す、レーザー空洞共振器の動作中における変化、を測定する測定手段並びにレーザー空洞共振器の組み合わせによって構成されることを特徴とする。
【００１７】
この光入力デバイスは、ダイオードレーザーにおけるいわゆる自己混合効果を使用する。これは、ダイオードレーザーによって放射されると共にダイオードレーザーの空洞共振器に再び入る放射が、レーザーの利得における、よってレーザーによって放出される放射における、変動を誘発するという現象である。
指及び入力デバイスは、移動の方向がレーザービームの方向における成分を有するように、互いに対して移動する。指及び入力デバイスの移動において、対象によって散乱された放射は、ドップラー効果のために、対象を照射する放射の周波数と異なる周波数を得る。散乱された光の一部分は、指に照射ビームを集束させるのと同じレンズによって、ダイオードレーザーに集束される。散乱された放射のいくらかは、レーザー鏡を通じてレーザー空洞共振器に入るので、光の干渉が、レーザー内で起こる。これは、レーザー及び放出される放射の特性に根本的な変化を生じさせる。自己結合効果によって変化するパラメーターは、レーザー放射のパワー、周波数、及び線幅、並びにレーザーの閾値利得である。レーザー空洞共振器における干渉の結果は、二つの放射の周波数の差に等しい周波数をもつこれらのパラメーターの値の揺らぎである。この差は、指の速度に比例する。よって指の速度及び、時間にわたって積分することによる、指の変位を、前記パラメーターの一つの値を測定することによって決定することができる。この方法は、少数及び単純な構成要素のみで実行され得ると共に、これらの構成要素の正確な整列を必要としない。
【００１８】
対象、即ち一般的に固体及び流体の速度を測定するための自己混合効果の使用は、それ自体知られている。例によって、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．２，１５　Ｊａｎｕａｒｙ　１９８８，３７９−３８５頁における論文“Ｓｍａｌｌ　ｌａｓｅｒ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｅｌｆ−ｍｉｘｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　ａ　ｄｉｏｄｅ　ｌａｓｅｒ”、及びＡｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．８，２０　Ｊｕｎｅ　１９９２，３４０１頁における論文“Ｌａｓｅｒ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｅｌｆ−ｍｉｘｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｎ　ａ　ｆｉｂｒｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｌａｓｅｒ　ｔｈｅｏｒｙ”を参照する。しかしながら、今まで、上で定義したような指で制御される入力デバイスにおける自己混合効果の使用は、提案されてきてない。この新しい適用は、自己結合効果を使用する測定モジュールを非常に小さく安価にすることができるので、それを既存のデバイス及び装置に容易に多くの追加コストなしで取り付けることができるという認識に基づく。
【００１９】
移動を測定すると共に移動の方向を決定することを可能にする光入力デバイスの実施例は、それが、ダイオードレーザー空洞共振器の動作中における変動を表す信号の形状を決定するための電子手段を含むことを特徴とする。
【００２０】
この信号は、非対称性の信号であり、前方への移動に対する非対称性は、後方への移動に対する非対称性と異なる。
【００２１】
自己混合信号の非対称性を決定することが困難であるアプリケーションに対しては、光入力デバイスの別の実施例を使用する。この実施例は、それが、ダイオードレーザーに周期的に変動する電流を供給するためのレーザー駆動手段、並びに、第一及び第二の測定信号を互いに比較するための電子手段を含み、その第一及び第二の測定信号は、それぞれ、交替する第一の半周期及び第二の半周期の間に発生することを特徴とする。
【００２２】
ダイオードレーザーによって放出された放射の波長は、温度を増加させると共に、よってダイオードレーザーを通る電流を増加させると共に、増加し、よって、この放射の周波数は減少する。レーザー空洞共振器に再び入る対象からの放射と組み合わせてダイオードレーザーを通る周期的に変動する電流は、半周期当たりの多くの放射パルスに、よって測定される信号における対応する多くのパルスに、帰着する。入力デバイス及び対象の相対的な移動がないとすれば、信号パルスの数は、各半周期で同じである。デバイス及び対象が互いに対して移動するとすれば、ある半周期におけるパルスの数は、移動の方向に依存して、次の半期間におけるパルスの数よりも大きいか又は小さい。ある半周期の間に測定された信号を次の半周期の間に測定された信号と比較することによって、移動の速度だけでなく移動の方向もまた決定することができる。
【００２３】
光入力デバイスは、レーザー空洞共振器の動作中における変化を決定するための異なる測定手段を含んでもよい。
【００２４】
光入力デバイスの第一の実施例は、測定手段が、レーザー空洞共振器のインピーダンスの変動を測定するための手段であることを特徴とする。
【００２５】
光入力デバイスの好適な実施例は、測定手段が、レーザーによって放出された放射を測定するための放射検出器であることを特徴とする。
【００２６】
放射検出器を、それが測定ビームの放射の一部分を受けるような方法で配置してもよい。
【００２７】
しかしながら、光入力デバイスのこの実施例は、好ましくは、放射検出器が、測定ビームが放出される側と反対のレーザー空洞共振器の側に配置されることを特徴とする。
【００２８】
一般的に、ダイオードレーザーには、それらの後部側にモニターダイオードが提供される。通常、このようなモニターダイオードは、ダイオードレーザーの前側で放出されたレーザービームの強度を安定させるために使用される。本発明によれば、モニターダイオードは、レーザー空洞共振器に再び入る測定ビームの放射によって発生する、レーザー空洞共振器における変化を検出するために使用される。
【００２９】
測定軸の数及びこれらの軸の配向は、光入力デバイスによって行われる機能によって決定される。
【００３０】
作用平面における測定軸に沿った、又は作用平面に垂直な測定軸に沿った指の移動を測定するための光入力デバイスの実施例は、それが、一つのダイオードレーザー及び一つの検出器を含むことを特徴とする。
【００３１】
作用平面における測定軸に沿った指の移動、及び作用平面に実質的に垂直な測定軸に沿った指の移動を決定するための光入力デバイスの実施例は、それが、少なくとも二つのダイオードレーザー及び少なくとも一つの検出器を含むことを特徴とする。
【００３２】
作用平面における第一及び第二の測定軸に沿った指の移動を決定するための光入力デバイスの実施例は、それが、二つのダイオードレーザー及び少なくとも一つの検出器を含むことを特徴とする。
【００３３】
作用平面における第一及び第二の測定軸、及び作用平面に実質的に垂直な第三の測定軸に沿った指の移動を決定するための光入力デバイスの実施例は、それが三つのダイオードレーザー及び少なくとも一つの検出器を含むことを特徴とする。
【００３４】
光入力デバイスの実施例は、スクロール作用及びクリック作用の両方を決定することを可能にする。スクロール作用は、メニュー表を横切るカーソルの上下又は下上の移動を意味することが理解される。このような作用を、入力デバイスのウィンドウを横切る与えられた方向で指を移動させることによって、実現することができる。クリック作用は、カーソルによって指定されるメニューを作動させることを意味することが理解される。クリック作用を、作用平面に垂直な方向における指の単一の移動によって、実現することができる。この実施例は、それが、二つのダイオードレーザー並びに、作用平面における第一の測定軸、及び作用平面に実質的に垂直な第二の測定軸に沿った指の移動を決定するための少なくとも一つの検出器を含むことを特徴とする。
【００３５】
代わりに、スクロール作用及びクリック作用の両方を決定するための実施例は、それが、二つのダイオードレーザー、並びに第一及び第二の測定軸に沿った指の移動を決定するための少なくとも一つの検出器を含み、それらの軸は、作用平面の法線に関しての対頂角にあることを特徴とする。
【００３６】
また、一つ又は二つの測定軸をもつ入力デバイスを、スクロール及び／又はクリック作用を決定することよりも他の測定を行うために使用してもよい。
後に説明することになるように、このデバイス及び二つ又はそれ以上の測定ビームを利用する他のデバイスには、各測定ビームに対する個別の検出器を提供してもよい。しかしながら、時分割を使用するとすれば、全ての測定ビームに対して全く同一の検出器を使用することもまた可能である。
【００３７】
構造上の態様に関して、入力デバイスは、いくつかの実施例を有してもよい。第一の実施例は、光学手段が、一方において前記少なくとも一つのレーザー及び関連する検出器の間に配置されたレンズ、並びに他方において作用平面を含み、少なくとも一つのレーザーは、レンズに関して偏心して位置決めされることを特徴とする。
【００３８】
レンズは、回転対称なレンズであってもよく、又は別の形状を有してもよい。レンズ素子に関する一又は複数のレーザーの偏心の位置によって、測定ビームが、このビームが関連する測定軸に沿った成分を有するように、鋭角でデバイスのウィンドウに入射することが保証される。以下の説明に対して、レンズ又はモジュールの対称軸を意味することが理解される光軸という用語が導入され、その軸は、モジュールのウィンドウに垂直である。
【００３９】
このようなレンズ及び二つのダイオードレーザーを含む光入力デバイスの実施例は、さらに、ダイオードレーザーが、それらの中心からレンズの光軸までの線が互いに関して実質的に９０°の角度にあるように、配置されることを特徴としてもよい。
【００４０】
三つのダイオードレーザーを含むこのような実施例は、ダイオードレーザーが、それらの中心からレンズの光軸までの線が互いに関して実質的に１２０°の角度にあるように、配置されることを特徴としてもよい。
【００４１】
光入力デバイスにおいて、ＶＣＳＥＬ（垂直空洞共振器面放出レーザー（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ レーザー））タイプのダイオードレーザーを使用してもよい。このようなレーザーは、それを本デバイスに対して適切にする、垂直方向に放射を放出する。しかしながら、現在、このようなレーザーは、かなり高価であり、それは、消費大量製品にあまり適切ではない。
【００４２】
この理由のために、各ダイオードレーザーが水平に放出するレーザーであること、及びデバイスが、各ダイオードレーザーに対して、関連するダイオードレーザーからのビームを作用平面へ反射する反射部材を含むこと、を特徴とする入力デバイスに優先が与えられる。
【００４３】
水平に放出するダイオードレーザーは、最も一般に使用されるレーザーであり、ＶＣＳＥＬよりはるかに安価である。デバイスに反射部材を提供することは、このデバイスのコストにほとんど何も加えない。
【００４４】
比較的容易に低コストで製造することができる入力デバイスの実施例は、それが、少なくとも一つのダイオードレーザー及び関連する検出器が実装される台板、台板に固定されると共にウィンドウを含むキャップ部材、並びにキャップ部材に収容されるレンズで構成されることを特徴とする。
【００４５】
この実施例は、容易に、厳密な整列の必要条件なしで組み立てることができる、三つの部分のみで構成される。
製造することはさらに容易である入力デバイスの実施例は、レンズが、台板の方へ湾曲した内面を有するキャップ部材に統合されることを特徴とする。
【００４６】
この実施例は、二つの部分のみで構成される。
【００４７】
これらの実施例は、好ましくはさらに、台板、キャップ部材、及びレンズがプラスチック材料で作られることを特徴とする。
【００４８】
このような材料で作られる構成要素は、安価で軽量である場合もあり、よって消費製品に適切である。レンズ又はウィンドウの材料のみは、透明であると共にある光学品質を有するべきである。
【００４９】
代替の実施例は、即ちレンズなしでは、各ダイオードレーザーが、個別のライトガイドの入り口側に連結され、その出口側がデバイスのウィンドウに位置決めされることを特徴とする。
【００５０】
この実施例において、照射ビームの放射は、その環境から良好に隔離されるので、異なる軸に沿った移動間のクロストークは、除去されるか又は強く減少する。
【００５１】
この実施例は、好ましくは、ライトガイドが光ファイバーであることを特徴とする。
光ファイバーは、柔軟であり、小さな断面を有し、長さの単位当たりほとんど減衰を示さず、よってダイオードレーザー及び検出器からのより大きな距離におけるデバイスのウィンドウの位置設定を可能にする。
【００５２】
入力デバイスを、請求項２７−３１で定義するように、デスクトップコンピューター用のマウスにおける、デスクトップ又はラップトップコンピューター用のキーボードにおける、異なる装置のためのリモートコントロールユニットにおける、携帯電話などにおけるような、異なるアプリケーションで使用してもよい。
【００５３】
本発明のこれら及び他の態様は、以後に記載する実施例を参照して、非限定的な例によって、明白であり、解明されることになる。
【００５４】
図１は、フラットな上面ＦＵＳを有するウィンドウＷを含む、指で抑制される光入力デバイスＩＤの一部分の垂直な断面を示す。ウィンドウは、デバイス又はモジュールのハウジングの一部分を形成するウィンドウホルダーＷＨに固定される。また、ＤＯＭによって表示される矢印の方向にウィンドウを横切って移動する、ユーザーの指ＵＦを示す。デバイスの光学構成要素を、図１に示さないが、入力デバイスの内部の設計の異なる実施例を示す、図４及び次の図に示す。塊ＰＭによって示すように、汚れ及び塵の粒子並びにグリースは、フラットウィンドウに、また、デバイスからの測定ビーム及び指によって反射された放射が通過するべきであるウィンドウの中央の部分Ｃに、集まる場合もある。粒子及びグリースの塊は、制御可能でない方法で放射を吸収し散乱することになるので、デバイスによって行われる測定は、塊Ｍによって影響を受けることになる。最悪の場合には、測定が全く不可能であるように、この塊は全ての測定する放射を吸収することになる。
【００５５】
本発明によれば、図に示すように、この問題は、フラットな上面を凸の上面ＣＵＦに取り替えることによって除去される。ここで、ウィンドウの表面に沈殿する場合もある粒子及びグリースは、指の作用によって、中央の部分から、及び好ましい状況下では、全体の表面から取り除かれることになる。ウィンドウは、清潔なままであることになり、よって十分な透過及び十分に低い程度の散乱を示すことになる。このように新しい問題は、単純な手段によって非常に効率的な方法で解決される。
【００５６】
また表面は、図２の図面の平面に垂直な方向において凸であってもよい。このような二次元の凸形状をもつウィンドウは、正規の例えば平凸レンズに似ている。このウィンドウにレンズ機能が与えられるように、それは入力デバイスの構成要素の数を減少させることを可能にするが、入力デバイスを設計するとき、これを考慮に入れてもよい。代わりに、ウィンドウは、別の機能を行ってもよい。これを、その上部にウィンドウの上面図、その左の下部に線Ａ−Ａ’による断面、及び右に線ＢＢ’による断面を示す、図３で説明する。ウィンドウは、方向Ａ−Ａ’において凹（ＣＷＳ’）、及び方向Ｂ−Ｂ’において凸（ＣＷＳ）である。ウィンドウの方向を、指のＸ−及びＹ−移動に、よって例えばディスプレイを横切るカーソルの水平及び垂直移動に連結することができる。このように、ウィンドウは、方向の表示を提供する。ウィンドウが、一つの方向においてまだ凸であると、グリース及び汚れの粒子を、その中央の部分に近づけないことになる。
【００５７】
もしも図２及び３に示すように、測定ＢＭは、好ましくは、ウィンドウの上面の頂部を通る平面にではなく、この表面より上の平面に、集束される、即ち、その最小の断面を有する。ウィンドウの平面において、測定ビームの断面は、キズのような、ウィンドウの表面の不規則性がビームを実質的に乱すことを予防するのには十分大きい。
【００５８】
また、このようなキズの影響を、ウィンドウの材料の適切な選択によって、許容可能なレベルまで減少させることができる。人間の指は、主として水からなる物質を分泌する。キズがウィンドウの最上面に存在するとすれば、水は、キズを満たすことになる。ウィンドウの材料の屈折係数が水のものと等しいほど、キズは、ビームによって、より“見られる”ことはなくなる、即ち、ビームは、キズによって、より影響を受けないことになる。水の屈折係数は低いので、キズを徐々に除くためにこの可能性を使用するとすれば、ウィンドウの材料は、好ましくは、できるだけ低い屈折係数をもつガラスである。
【００５９】
本発明を、測定ビームが通過する透明なウィンドウを有するどんな光入力デバイスに使用してもよい。このようなデバイスの例、“逆転したコンピューターマウスＩＣＭを、ほとんどＥＰ−Ａ０９４２２８５の図５ａのコピーであり、ウィンドウの表面がフラットな代わりに凸である点でそれとは異なる図４に示す。デバイスは、少なくとも回折格子及び検出器に光“チップ”ＯＣ、ダイオードレーザーを含む。チップＯＣは、ハウジングＨＯに実装され、ウィンドウＷを通じて指先を眺める。チップＯＣからの入力及び出力リード線は、電子回路部品ＥＣが実装されるプリント回路基板ＰＣＢに接続される。また、基板ＰＣＢに実装されるのは、従来のコンピューターマウスにおけるように、押しボタンＰＢによって作動するスイッチＳＷＩである。デバイス又はマウスＩＣＭは、従来通りに、ケーブルＣＡを介してコンピューターに接続される。このデバイスでは、ホモダイン又はヘテロダイン検波の原理を使用する。ウィンドウＷの近くに配置される回折格子は、検出器へ測定ビームの一部分を反射し、その部分は、局部発振器ビームとして使用される。このビーム及び検出器に到達する指によって反射された放射の干渉は、検出器からのうなり信号を生じ、その信号は、指の移動によって決定される。この測定の方法に関するさらなる詳細関しては、ＥＰ−Ａ０９４２２８５を参照する。
【００６０】
光チップ又はモジュールＯＣは、少なくとも一つの格子に加えて、コリメーターレンズ、集束レンズ、及び検出器の前に置くピンホールの絞りを含み、それらの素子は、非常に正確に整列されるべきである。最近出願人が提案するように、光入力デバイスにおける構成要素の数を減少させることができ、その製造は、このデバイスにおけるダイオードレーザーの自己混合の原理を使用することによって、単純化される。
【００６１】
図５ａは、この原理を使用する、入力デバイスの図の断面である。デバイスは、そのより低い側に、一又は複数のダイオードレーザー用のキャリアーである台板１、この実施例におけるＶＣＳＥＬタイプのレーザー、及び一又は複数の検出器、例えばフォトダイオードを含む。図５ａにおいては、ただ一つのダイオードレーザー３及びその関連するフォトダイオード４が見えるが、図５ｂの装置の上面図に示すように、通常少なくとも第二のダイオードレーザー５及び関連する検出器６が、台板上に提供される。ダイオードレーザー３及び５は、レーザーを放出するか、又はそれぞれビーム１３及び１７を測定すること。その上側で、デバイスには、透明なウィンドウ１２が提供され、それを横切って人間の指１５を移動することができる。レンズ１０、例えば平凸レンズが、ダイオードレーザーとウィンドウとの間に配置される。このレンズは、透明なウィンドウの上側又はその近くにレーザービーム１３及び１７を集束させる。指１５がこの位置に存在するとすれば、それは、ビーム１３を散乱する。ビーム１３の放射の一部分は、照射ビーム１３の方向に散乱され、この部分は、ダイオードレーザー３の放出面におけるレンズ１０によって収束し、このレーザーの空洞共振器に再び入る。以後説明することになるように、空洞共振器に戻る放射は、この空洞共振器における変化を誘発し、それは、とりわけダイオードレーザーによって放出されるレーザー放射の強度の変化に帰着する。この変化を、放射の変動を電気信号に変換するフォトダイオード４、及びこの信号を処理するための電子回路部品１８によって検出することができる。また、照射ビーム１７は、対象に集束され、それによって散乱され、散乱された放射の一部分は、ダイオードレーザー５の空洞共振器に再び入る。図５ａ及び５ｂに示す、フォトダイオード６の信号に対する回路部品１８及び１９は、説明の目的のみを有し、多かれ少なかれ従来のものであってもよい。図５ｂで説明されるように、この回路部品は、相互に連結される。
【００６２】
図６は、レーザーの後部の面に配置された水平に放出するダイオードレーザー及びモニターフォトダイオードを使用するときにおける、入力デバイスの原理及び及び自己混合効果を説明する。この図において、ダイオードレーザー、例えばダイオードレーザー３は、その空洞共振器２０並びにその前面及び後面即ちそれぞれレーザー鏡２１及び２２によって概略的に表わされる。空洞共振器は、長さＬを有する。その移動が測定され得る指は、引用符１５によって表示される。この指と前面２１との間の間隔は、長さＬ０を有する外部の空洞共振器を形成する。前面を通じて放出されたレーザービームは、引用符２５によって表示され、前面の方向における指によって反射された放射は、引用符２６によって表示される。レーザー空洞共振器において発生する放射の一部分は、後面を通過すると共に、フォトダイオード４によって捕捉される。
【００６３】
対象１５が照射ビーム１３の方向に移動するとすれば、反射された放射２６は、ドップラー偏移を受ける。これは、この放射の周波数が変化すること、即ち周波数の偏移が起こることを意味する。この周波数の偏移は、指が移動する速度に依存すると共に数ｋＨｚ乃至ＭＨｚの程度である。レーザー空洞共振器に再び入る周波数が偏移した放射は、光学波即ちこの空洞共振器で発生する放射と干渉する、即ち、自己混合効果が空洞共振器で起こる。光学波と空洞共振器に再び入る放射との間の位相偏移の量に依存して、この干渉は、強め合うか又は弱め合うことになる、即ち、レーザー放射の強度は、周期的に増加するか又は減少する。このように発生するレーザー放射の変調の周波数は、空洞共振器における光学波の周波数と空洞共振器に再び入るドップラー偏移した放射のものとの間の差に正確に等しい。周波数の差は、数ｋＨｚ乃至ＭＨｚの程度であり、よって検出することが容易である。自己混合効果及びドップラー偏移の組み合わせは、レーザー空洞共振器の挙動における変動を引き起こす。特に、その利得即ち光の増幅が変動する。
【００６４】
これを図７で説明する。この図では、曲線３１及び３２は、それぞれ、指１５と前側の鏡２１との間における距離Ｌ０の関数として、放出されたレーザー放射の周波数νの変動、及びダイオードレーザーの利得ｇの変動を表す。ν、ｇの両方及びＬ０は、任意の単位である。距離Ｌ０の変動が、指の移動の結果であると、図３の横座標は、時間軸で設定し直すことができるので、利得を時間の関数としてプロットすることになる。指の速度ｖの関数としての利得の変動Δｇは、次の式
【００６５】
【数１】
2004513441.tif 000003
によって与えられる。
この式において、
Ｋは、外部の空洞共振器への結合係数であり、それは、レーザー空洞共振器から連結される放射の量を示し、
νは、レーザー放射の周波数であり、
ｖは、測定ビームの方向における指の速度であり、
ｔは、時間の瞬間であり、及び
ｃは、光速度である。
【００６６】
式を、上述の二つの論文に開示されている自己混合効果の理論から導出することができる。図６における矢印１６によって示すように、対象の表面は、それ自体の平面で移動する。ドップラー偏移がビームの方向における対象の移動に対してのみ起こるので、この移動１６は、それがこの方向における成分１６’を有するようなものであるはずである。それによって、ＸＺ平面、即ち図６の図面の平面における移動を測定することは可能になり、その移動は、Ｘ移動と呼ばれ得る。図６は、対象の表面がシステムの残りに関して斜めの位置を有することを示す。実際には、通常、測定ビームは、斜めのビームであり、対象の表面の移動は、ＸＹ−平面で起こることになる。Ｙ−方向は、図６における図面の平面に垂直である。この方向における移動を、第二のダイオードレーザーによって放出される第二の測定ビーム、及び第二のダイオードレーザーに関連する第二のフォトダイオードによって捕捉される散乱された光によって測定することができる。図５ａに示すように、（一又は複数の）斜めの照明ビームは、レンズ１０に関して偏心して（一又は複数の）ダイオードレーザーを配置することによって得られる。
【００６７】
モニターダイオードによって後部のレーザー面で放射の強度を測定することにより、指の移動によって引き起こされるレーザー空洞共振器の利得の変動を測定することは、最も単純で、よって最も魅力的な方法である。従来、このダイオードは、レーザー放射の強度を一定に保つために使用されるが、ここでは、それは、指の移動を測定するためにもまた、使用される。
【００６８】
利得の変動、よって指の移動を測定する別の方法は、レーザー放射の強度がレーザーの接合における電導帯中の電子の数に比例するという事実を利用する。次には、この数は、接合の抵抗に反比例する。この抵抗を測定することによって、指の移動を決定することができる。この測定方法の実施例を、図８において説明する。この図では、ダイオードレーザーの活性層を引用符３５によって表示し、このレーザーを供給するための電流源を、引用符３６によって表示する。ダイオードレーザーを横切る電圧は、コンデンサー３８を介して電子回路４０に供給される。レーザーを通じた電流で規格化されたこの電圧は、レーザー空洞共振器の抵抗、即ちインピーダンスに比例する。ダイオードレーザーと直列のインダクタンス３７は、ダイオードレーザーを横切る信号に対して高いインピーダンスを形成する。
【００６９】
移動の量、即ち指が移動すると共に時間に関して測定された速度を積分することで測定することができる距離、に加えて、移動の方向もまた検出しなければならない。これは、指が移動の軸に沿って前方へ移動するか後方へ移動するかを決定しなければならないことを意味する。移動の方向を、自己混合効果から結果として生じる信号の形状を決定することによって、検出することができる。図７におけるグラフ３２によって示すように、この信号は、非対称性の信号である。グラフ３２は、対象１５がレーザーに向って移動している状況を表す。上昇する傾き３２’は、下降する傾き３２’’よりも急勾配である。Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．８，２０　Ｊｕｎｅ　１９９２，３４０１−３４０８頁における上述の論文に記載されるように、非対称性は、レーザーから離れる対象の移動に対しては逆になり、即ち下降する傾きが、上昇する傾きよりも急勾配である。自己混合信号の非対称性のタイプを決定することによって、指の移動の方向を確かめることができる。ある一定の状況の下で、例えば指のより小さな反射係数又は指とダイオードレーザーとの間のより大きな距離に対して、自己混合信号の形状又は非対称性を決定することは困難になる場合もある。
【００７０】
移動の方向を決定する別の好適な方法において、レーザー放射の波長λが、ダイオードレーザーの温度、よってそれを通じる電流に依存するという事実を使用する。例えば、ダイオードレーザーの温度が増加するとすれば、レーザー空洞共振器の長さは増加し、増幅される放射の波長は、増加する。図９の曲線４５は、放出される放射の波長λの温度（Ｔｄ）依存性を示す。この図では、水平軸Ｔｄ及び垂直軸λの両方が、任意の単位である。
【００７１】
図１０に示すように、グラフ５０によって表わされる周期的な駆動電流Ｉｄがダイオードレーザーに供給されるとすれば、ダイオードレーザーの温度Ｔｄは、グラフ５２に示すように、周期的に上昇し下降する。これは、対象によって反射されてある一定の時間遅れと共に空洞共振器に再び入る放射に関して、周期的に変動する周波数、よって連続的に変動する位相偏移を有するレーザー空洞共振器における定在光学波に帰着する。駆動電流の何れの半周期においても、ここでは、連続な時間セグメントがあり、ここで、ダイオードレーザーの利得は、空洞共振器における波の位相関係及び空洞共振器に再び入る反射された放射に依存して、より高くより低い。これは、図１０のグラフ５４に示すような放出された放射の時間依存の強度の変動（Ｉ）に帰着する。このグラフは、静止した即ち移動しない対象に対する状況を表す。第一の半周期１／２ｐ（ａ）におけるパルスの数は、第二の半周期１／２ｐ（ｂ）におけるパルスの数に等しい。
【００７２】
指の移動は、レーザー空洞共振器に再び入る放射のドップラー偏移を引き起こす、即ち、この周波数は、移動の方向に依存して増加するか、又は減少する。一つの方向、前方方向における指の移動は、再び入る放射の波長の減少を引き起こし、反対方向における移動は、この放射の波長における増加を引き起こす。レーザー空洞共振器における光学波の周期的な周波数の変調の効果は、ドップラー偏移がレーザー空洞共振器における周波数の変調と同じ符号を有する場合において、空洞共振器に再び入るドップラー偏移した放射の効果が、前記周波数の変調及びドップラー偏移が反対の符号を有する場合においてこの放射が有する効果とは異なることである。二つの周波数の偏移が同じ符号を有するとすれば、波と再び入る放射との間における位相差は、遅い速度で変化し、レーザー放射の結果として生じる変調の周波数は、より低い。二つの周波数の偏移が反対の符号を有するとすれば、波と放射との間の位相差は、より速い速さで変化し、レーザー放射の結果として生じる変調の周波数は、より高い。駆動レーザー電流の第一の半周期１／２ｐ（ａ）の間に、発生するレーザー放射の波長は、増加する。後方へ移動する指の場合には、再び入る放射の波長もまた増加するので、空洞共振器における波の周波数と、この空洞共振器に再び入る放射のものとの間の差は、より低い。よって、再び入る放射の波長が、発生する放射の波長に適合する時間セグメントの数は、放出されたレーザー放射の電気的な変調の欠如の場合におけるよりも小さい。これは、指が後方の方向に移動するとすれば、第一の半周期におけるパルスの数は、変調を適用しないとするよりも小さいことを意味する。第二の半周期１／２ｐ（ｂ）において、ここでは、レーザー温度及び発生する放射の波長が減少するが、再び入る放射の波長が、発生する放射のものに適合する時間セグメントの数は、増加する。よって、後方へ移動する指に対して、第一の半周期におけるパルスの数は、第二の半周期におけるパルスの数よりも小さい。これを、図１１のグラフ５８において説明するが、そのグラフは、対象が後方の方向に移動するとすれば放出されるレーザー放射の強度Ｉｂを示す。このグラフを図１０のグラフ５４と比較することは、第一の半周期におけるパルスの数が減少したと共に、第二の半周期におけるパルスの数が増加したことを示す。
【００７３】
指が、指によって散乱されると共にレーザー空洞共振器に再び入る放射の波長がドップラー効果によって減少する、前方の方向に移動するとすれば、第一の半周期１／２ｐ（ａ）におけるパルスの数は、第二の半周期１／２ｐ（ｂ）におけるパルスの数より大きいことは、上記の推論から明らかであると思われる。
これを、前方へ移動する指の場合に放出される放射の強度Ｉｆを表す図１１のグラフ５６を比較することにより確認することができる。電子処理回路において、第二の半周期１／２ｐ（ｂ）の間に数えられたフォトダイオード信号のパルスの数を、第一の半周期１／２ｐ（ａ）の間に数えられたパルスの数から減じる。結果として生じる信号が零であるとすれば、指は静止している。結果として生じる信号が正であるとすれば、指は、前方の方向に移動し、この信号が負であるとすれば、指は、後方の方向に移動する。結果として生じるパルスの数は、それぞれ前方及び後方の方向における移動の速度に比例する。
【００７４】
ある一定の状況の下で、例えば、レーザーと指との間の光路長が比較的小さく、電気的な変調の周波数及び振幅が比較的小さいのに対して、検出される移動が、比較的速いとすれば、ドップラー効果によって発生するパルスの数が、電気的な変調によって発生するパルスの数より高いことが起こる場合もある。このような状況で、第一の半周期の間におけるパルスの数を第二の半周期の間におけるパルスの数と比較することによって、移動の方向をまだ検出することができる。しかしながら、そのとき、速度は、これらの二つの数の差に比例しない。このような状況における速度を決定するために、前記二つの数を平均するべきであり、一定の値を、結果から減じるべきである。このようにして得られる数は、速度に対する尺度である。当業者は、この計算を実行するための電子回路を容易に設計することができる。
【００７５】
図９及び１０を参照して記載される実施例に使用される三角形の形状の駆動電流Ｉｄの代わりに、長方形の形状のような、別の形状の駆動電流もまた使用してもよい。
【００７６】
また、利得の変動が、ダイオードレーザー空洞共振器の抵抗の変動を測定することによって決定されるとすれば、上述の指の移動の速度及び方向を測定する方法を使用することができる。
【００７７】
測定方法は、小さなドップラー偏移、例えば、波長の点では、１，５．１０−１６ｍ程度の偏移、のみを要求し、それは６８０ｎｍのレーザー波長に対して１００ｋＨｚ程度のドップラー周波数の偏移に相当する。
【００７８】
一つの平面における二つの垂直な（Ｘ及びＹ）方向、即ち測定軸に沿った対象の移動を、図５ａ及び５ｂの入力デバイスで測定することができ、そのデバイスは、垂直な配向における二つのダイオードレーザー及び関連するフォトダイオードを含む。デバイスに第三のダイオードレーザー及び関連するフォトダイオードを加えることは、このデバイスが、第三のＺ−方向即ち測定軸に沿った移動を測定することもまた可能とする。第三の照射ビームがウィンドウ１２及び指に垂直に入射すると共に、他の方向における成分を有さないように、第三のダイオードレーザーをレンズ１０の光軸上に配置してもよい。そして、Ｚ方向に対する最適な測定信号を得てもよい。Ｘ及びＹ測定信号の信頼度及び確度を増加させるために、三つのダイオードレーザーは、好ましくは、一つの円上に１２０°の相互の角距離で配置される。この配置は、図１２に示され、ここで、第三のダイオードレーザー及び第三のフォトダイオードは、それぞれ引用符７及び８によって表示される。フォトダイオード４、６及び８の出力信号即ち抵抗測定信号を、それぞれＳ４、Ｓ６、及びＳ８によって表すとすれば、Ｘ、Ｙ、及びＺ測定軸に沿った指の速度Ｖｘ、Ｖｙ、及びＶｚを、それぞれ、例えば、次の
【００７９】
【数２】
2004513441.tif 000004
ように計算することができる。
【００８０】
この計算を行うための電気回路は、加算する及び減算する素子を含むと共に、実施することが比較的容易である。
【００８１】
このようにして得られる速度の値、及び移動の時間の持続に関する積分によるＸ及びＹ方向における移動の距離は、それらが少なくとも二つのフォトダイオードの出力信号を平均することの結果であるので、より信頼できると共により正確である。わずかに指を持ち上げることのような、移動の誤差即ち望まれない移動は、フォトダイオードの出力信号に同様の効果を有する。Ｘ及びＹ測定軸に沿った移動を互いから出力信号を減じることによって決定すると、Ｘ及びＹ測定信号における望まれない移動の影響は、除去される。三つのフォトダイオードの出力信号を加えることによって得られるＺ−測定信号Ｖｚのみは、指の上／下移動を示す。
【００８２】
Ｚ方向における人間の指及び入力デバイスの互いに対する移動が、クリック機能を行うために使用されるアプリケーションにおいて、それは、このような移動が起こることを検出するには十分である。指の変位の正確な測定は、Ｚ−測定がやや粗くてもよいように、必ずしも必要ではない。 移動の方向さえ検出する必要がない。
【００８３】
どんな必要条件も、入力デバイスに対して移動する指の構造又は反射係数に対して、ほとんど設定する必要がない。一枚の白紙及びデバイスの相対的な移動もまた容易に測定することができることは、論証されてきた。
【００８４】
光学的な観点から、光モジュールの寸法は、非常に小さくてもよい。入力デバイスの大きさは、主として、デバイスにおいて、容易な多量製造の態様によって組み込まれなければならないエレクトロニクスの量によって決定される。実際的な実施例では、ウィンドウは、３ｍｍ乃至５ｍｍ平方の大きさを有する。このデバイスにおいて使用される測定原理のために、その構成要素を、正確に整列する必要がなく、そのことは大量生産に対する大きな利点である。
【００８５】
図５ａ及び５ｂの実施例において、レンズ１０を、ポリカーボネート（ＰＣ）又はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）のように、ガラス又は透明なプラスチック材料で作ってもよい。このようなレンズを、透明な接着剤層１１、例えばエポキシによって、ダイオードレーザー、フォトダイオード、及び処理回路部品を所持する基板に固定することができる。この実施例に対して、ダイオードレーザーは、これらのレーザーがＶＣＳＥＬタイプであってもよいように、垂直方向に放射することを仮定する。このようなレーザーを、ワイヤーボンディング技術によって台板に容易に置くことができる。
【００８６】
好ましくは、水平な空洞共振器を有する、より従来の側面放出ダイオードレーザーを、それらが比較的かなり安価であるので、使用する。このようなレーザーを、それが垂直方向に放射するようにして、実装することができる。例えば、レーザーを、小さなテーブルに実装することができる。しかしながら、側面放射ダイオードレーザーを、それらが水平方向に放出するようにして、実装することもまた可能である。図１３ａは、このようなレーザーをもつ入力デバイスの実施例の垂直な断面であり、図１３ｂは、このデバイスのより低い部分の上面図である。これらの図では、１は、台又はハウジング板であり、それから電気接触ピン６２が突き出る。この台板は、それがダイオードレーザー用の冷却素子として機能することができるように、熱電導を有する。図５ａ及び５ｂ並びに１２に概略的に示す、電子回路部品を、シリコン又は別の材料の層６０に実装してもよく、その層は、回路基板を形成する。また、図５ａ及び５ｂの実施例は、このような層を含んでもよい。素子３、５、及び７は、側面放出ダイオードレーザーである。これらのレーザーの各々に対して、レンズ１０を通じてデバイスの頂部におけるウィンドウ１２へ向って垂直方向にダイオードレーザーからの水平に放出されたビーム６８、７０を反射する、反射部材６４が提供される。好ましくは、反射素子は、それらがまたいくらかの光学パワーを有すると共に入射の発散するビーム６８、７０をあまり発散しないか若しくは平行な又はさらにわずかに収束するビームに変換するように、球面形状を有する。そのとき、レンズ１０の光学パワーは、図５ａ及び５ｂの実施例におけるレンズ１０のものよりも小さくできる。また、図１３ａ及び１３ｂの実施例において、レンズ１０は、ガラスレンズであってもよいが、好ましくはプラスチックレンズである。プラスチックレンズはガラスレンズよりも安価であると共に軽く、厳格な光学的な必要条件をこのレンズに設定しないので、このアプリケーションにおいては非常に適切である。プラスチックで作られてもよく、凸の透明なウィンドウ１２が提供されるキャップ６６は、ハウジング板１と一緒に、デバイスのハウジングを形成する。測定ビームを集束させるために必要とされるレンズのパワーの一部分は、キャップ６６に含まれる場合もある。三つの、又は二つのダイオードレーザーのみを使用する場合には、二つの反射部材を、反射コーティングによってカバーされる一つのプラスチックリングによって構成してもよい。前記リングは、台板１の統合された部分を形成してもよい。そして、入力デバイスは、主としてプラスチック材料からなり、容易に組み立てることができる三つの構造部分のみで構成される。これらの部分は、反射リングが提供される台板１、接触ピン６２及びダイオードレーザー及び関連するフォトダイオード、並びに、レンズ１０及びウィンドウ１２が提供されるキャップ６６である。
【００８７】
図１４は、入力デバイスの好適な実施例を示し、ここでさらなる部分の統合が実行されてきた。この実施例では、図１３ａの実施例のキャップ６６及びレンズ１０は、単一のプラスチック素子７０に取り替えられ、その下側は、台板へ向って湾曲する。この曲面は、図１３ａにおけるレンズ１０と同じ、照射ビームにおける屈折効果を有する。図１４の実施例のより低い部分の上面図は、この部分が図１３ａ及び１３ｂのものと同じであるので、示してない。図１４に示す実施例は、たった二つの構造部分で構成されると共に、実施例が図１３ａ及び１３ｂに示すよりも組み立てることはさらにより容易である。
【００８８】
実施例が図１２、１３ａ、１３ｂ、１４、１５ａ及び１５ｂに示すことにおいて、測定ビームは、ウィンドウの平面に集束されない。測定ビームは、この平面におけるキズ及び残留する塵及びグリースが測定ビームを実質的に乱すことを予防するために、この平面において十分大きい断面を有する。これらのビームが、台板レベルにおける異なる位置から生ずると、照射ビームは、作用平面、例えばウィンドウの平面における異なる位置に照射スポットを形成する。照射ビーム及びそれらの散乱された放射は、十分に空間的に分離されるので、異なる測定軸間のクロストークは、本入力デバイスにおいては問題はない。必要であれば、残留するクロストークを、わずかに異なる波長をもつダイオードレーザーを使用することによって減少させることができる。この目的のために、数ｎｍの波長差は、既に十分である。
【００８９】
クロストークを除去する別の可能性は、一つのレーザーのみが任意の瞬間に作動することを引き起こす、ダイオードレーザー用の制御系の使用に対してある。多重化駆動回路は、その回路は異なるダイオードレーザーを交互に作動させるが、このような制御系を構成してもよい。このような多重化回路は、ダイオードレーザーの各々の範囲内に配置されると共に時分割モードで使用される一つの検出器又はフォトダイオードによって、二つ又は三つのダイオードレーザーのをモニターすることを可能にする。このような駆動回路をもつ実施例の追加の利点は、回路部品に必要とされる間隔及びデバイスの電力消費を減少させることである。
【００９０】
図１５ａ及び１５ｂは、入力デバイスの実施例を示し、ここで照射ビームは、光ファイバーによってウィンドウまでガイドされる。図１５ａは、垂直な断面であり、図１５ｂは、この実施例の上面図である。ファイバー７２、７３、及び７４の入力端は、周知の方法で、それぞれダイオードレーザー３、５、及び７に光学的に連結する。ファイバーの全ての出力端は、デバイスのウィンドウに位置する。ファイバーを、固体材料、例えばエポキシ、又は別の透明若しくは不透明な材料のキャップ７８に埋め込んでもよい。これらのファイバーの各々は、関連するダイオードレーザーからの照射の放射及びこのレーザーに戻る散乱された放射の両方に対して、このファイバーによってガイドされた放射に対するアイソレーターを形成する。結果として、異なる測定軸間のクロストークの可能性は、零に対して非常に小さい。ファイバーの他の利点は、それらが柔軟であることであり、そのことは、設計の可能性を増加させ、またそれらが、任意の距離にわたって放射を輸送することができるので、ダイオードレーザー及びフォトダイオードを入力デバイスのウィンドウからかなり遠隔な距離に配置することができることである。図１５ａ及び１５ｂの実施例では、ダイオードレーザー及び関連するフォトダイオードが、共に接近して配置される。これらの素子を、図１５ａに示すように、個別の区画７９に配置してもよく、その区画は、キャップと同じ材料又は別の材料であってもよい。
【００９１】
ファイバーの代わりに、他のライトガイド、例えば透明又は不透明な材料の本体におけるチャンネルを使用してもよい。
【００９２】
図１２−１５ｂの実施例には、三つの代わりに、二つのダイオードレーザーを提供してもよい。これは、入力デバイスがＸ及びＹ移動のみを測定しなければならず例えばクリック機能に関するＺ測定は必要とされない場合であると思われる。ダイオードレーザーの代わりに、他の小さなレーザーデバイスを使用してもよく、他の小さな放射に敏感なデバイスが、フォトダイオードに取って替わってもよい。
【００９３】
上述の入力デバイスを低コストで製造することができると、大量消費装置で実施されることは非常に適切である。その非常に小さな大きさ及び軽量のために、このデバイスを、既存の装置に容易に統合することができ、それによってこれらの装置の性能を、それらのコスト及び重量を実質的に増加させることなく、それらのもともとの設計を変化させることなく、増加させる。
【００９４】
図１６は、新しい入力デバイスの第一の重要なアプリケーション、即ち携帯又はセル方式の電話装置８０を示す。この装置の前側の面は、ダイヤルエントリー及び他の機能に関する多くのボタンスイッチ８３を含む、キーエントリーセクション８２が提供される。ディスプレイデバイス８５は、セクション８２上に配置され、アンテナ８７は、電話８０の最上面に提供される。テンキーダイヤルのようなダイヤル又は別のコマンドが、ボタンスイッチ８３から入力されるとき、入力されるコマンドに関する情報は、電話内の示してない送信回路及びアンテナを介して電話会社の基点へ送信される。蓄積されたリストの与えられた電話番号を選択すること、又は標準メッセージの表のから与えられたメッセージを送ることのように、電話回路部品に設けられた異なる機能を作動させるために、ボタンスイッチを介して入力される他のコマンドを電話の回路部品内で処理してもよい。ディスプレイデバイス８５を横切るカーソル８８の移動を制御するために電話装置に入力デバイス及び追加の回路部品を提供することによって、既存の機能のいくつかを、より容易な方法で行うことができ、新しい機能を作成することができる。入力デバイス８９を、そのウィンドウのみを図１６に示すが、電話におけるいくつかの位置に、例えば図１６に示すようにボタンスイッチより下に、又は側面の一つに配置してもよい。好ましくは、入力デバイスのウィンドウは、電話装置を保持するために指が通常置かれる位置の一つに位置する。装置の回路部品は、機能のメニューを表示することができ、デバイス８９の入力ウィンドウを横切る指の移動は、カーソル８８を、与えられた機能に移動させることができる。ウィンドウに垂直な方向における指を単一の移動、例えばクリックは、この機能を作動させることができる。
【００９５】
ＷＡＦプロトコル又はＩ−モードインターネットプロトコルのような標準プロトコルが提供される携帯電話に統合されるとき、入力デバイスは、大きな利点を提供することができる。このようなプロトコルによって、装置を、インターネットのような世界的なコミュニケーションネットワーク用に端末として使用することができる。これがますます広く広げられ使用されるようになると、新しいエンドユーザーの装置に関する要望がある。第一の候補は、セットトップボックス及び携帯電話が装備されたテレビ受像機である。新しい目的のために、これらの装置には、例えばテレビのリモートコントロールユニット又は携帯電話において良好に合う小さな入力デバイスが装備されるべきである。本入力デバイスは、完全にこれらの必要条件を満たす。
【００９６】
また、この入力デバイスを、携帯電話装置におけるのと同じ目的に関して、コードレス電話装置において使用することができる。コードレス電話装置９０を、図１７に示す。この装置は、電話又はケーブルネットワークに接続される基点９２、及び、基点から例えば１００ｍ未満の半径のエリア内に使用することができる移動可能な装置９４で構成される。装置９４は、キーエントリーセクション９５及びディスプレイデバイス９７を含む。携帯電話装置に記載されるのと同様な方法で、装置９４には、上述のような入力デバイス９９を提供することができる。図１７においてもまた、入力デバイスのウィンドウのみを示す。携帯電話装置のように、装置９４は、小さいと共に軽量であるべきである。コードレス電話装置における本入力デバイスの実施は、特にコードレスの装置に例えばインターネットへのアクセス用のＷＡＰプロトコル又はＩ−モードプロトコルが提供されるとすれば、携帯電話装置におけるその実施と同じ利点を提供する。図１８に示す、受信機及びディスプレイ装置１０１並びにリモートコントロールユニット１０７を含む従来のテレビ受像機１００を、セットトップボックス１０５をそれに加えることによって、インターネットコミュニケーションに関して適切にすることができる。このボックスは、電話又はケーブルネットワークを介してインターネットへのアクセスを提供すると共に、インターネットから受信した信号を、インターネット情報を表示するためにテレビ受像機によって処理することができる信号に変換する。テレビインターネットのユーザーが、手近にインターネットコマンド用の入力デバイスを有するべきであるので、この入力デバイスを、リモートコントロールに統合するべきである。本発明によれば、前述のような光入力デバイス１０９は、リモートコントロールユニット１０７に設けられる。ウィンドウのみが示されるデバイス１０９を、リモートコントロールユニットの従来のボタンの間に、又はリモートコントロールユニットを保持する人間の任意の指の範囲内における任意の他の位置に配置してもよい。
【００９７】
また、本発明の入力デバイスを、従来の手動のトラックボールマウス又はマウスパッドに取って替わるために、コンピューターの構成において使用してもよい。図１９は、ＬＣＤディスプレイ１１６と共に基礎部分１１２及びカバー部分１１５を含む、ノート又はラップトップとして知られるポータブルコンピューターを示す。基礎部分は、異なるコンピューターモジュール及びキーボード１１３を収容する。このキーボードにおいては、本発明の光入力デバイス１１９が配置され、従来のマウスパッドに取って替わる。入力デバイスは、従来のマウスパッドの位置に、又は任意の他の容易にアクセス可能な位置に、配置してもよい。入力デバイスが、二つの方向のみにおける指の移動を測定するために使用され、よって従来のマウスパッドの機能のみを行わなければならないとすれば、それは、二つのダイオードレーザーのみを含む必要がある。好ましくは、三つのダイオードレーザーを含む入力デバイスが使用され、よって、それがまたノートの従来のクリックボタンに取って代わるようにクリック機能を有する。
【００９８】
ハンドヘルド即ちパームトップコンピューターは、ノートのより小さなバージョンである。また、このようなパームトップコンピューターには、例えばディスプレイのスクリーンに触れるためのペンに取って替わるために、本発明による光入力デバイスを提供してもよく、そのペンは、表示されたメニューの機能を選択するために通常適用される。光入力デバイスは、パームトップコンピューターのキーボードに、しかしカバーの内側にもまた、配置してもよい。
【００９９】
図２０は、デスクトップコンピューターの構成１２０を示し、ここで光入力デバイスを、従来のトラックボールマウスに取って替わるために、いくつかの方法で適用することができる。コンピューターの構成は、キーボード１２１、コンピューターボックス１２２、及びモニター１２３で構成される。モニターは、図に示すような、支持物１２４に固定されたフラットＬＣＤモニター又はＣＲＴモニターであってもよい。好ましくは、光入力デバイス１２９は、キーボードに統合されるので、個別のマウス１２６及びコンピューターボックスへのそのケーブルは、もはや必要とされない。
【０１００】
上述のコンピューターの構成において、入力デバイスは、キーボード部分における代わりに、ディスプレイ部分に、例えば図１９のラップトップコンピューターのカバー１１５に、又はパームトップコンピューターのカバーに、配置してもよい。また、入力デバイスは、コンピューターディスプレイ以外のディスプレイに組み込んでもよい。
【０１０１】
既に述べたように、例えば図１６の携帯電話の入力デバイスを、メニューチャートをスクロールするための上下のスクロールスイッチにおいて使用することができる。また、このような入力デバイスは、上下スイッチによって制御されるカーソルによって指定されるメニューを作動させる、クリックを決定する性能を有してもよい。このような入力デバイスには、速く新しい開発を可能にする分離した構成要素を容易に設けることができる。
【０１０２】
図２１は、スクロール及びクリックの入力デバイス１３０の第一の実施例を示す。それは、二つのレーザー／ダイオードユニット１３１、１３２を含み、それらの各々は、ダイオードレーザー及びフォトダイオードを含む。このようなユニットの代わりに、また個別のダイオードレーザー及びフォトダイオードを使用してもよい。ユニット１３１及び１３２によって放出された放射の経路の各々に、ウィンドウ１４２の凸面ＣＷＳであってもよい作用平面１３７において関連するユニット１３１及び１３２の放射ビーム１３５及び１３６を集束させる、レンズ１３３及び１３４がそれぞれ配置される。このウィンドウは、デバイスが使用される、装置のハウジング１３９の一部分、例えば図２２における側面図に示すような携帯電話、を形成してもよい。レーザー／ダイオードユニット及び関連するレンズを、ビーム１３５及び１３６の主光線が、ウィンドウ１４２の法線に関して対頂角、例えばそれぞれ＋４５°及び−４５°の角度にあるように、配置してもよい。
【０１０３】
人間の指１３８は、スクローリング及び／又はクリッキング作用に対する作用平面を横切って移動する。上述のように、両方の作用は、レーザー／ダイオードユニット１３１及び１３２へ向って指によって反射された放射にドップラー偏移を引き起こす。これらのユニットの検出器の出力信号は、信号処理及びレーザー駆動電子回路部品１４０に供給される。この回路部品は、制御する指１３８の移動を評価し、その出力１４１におけるこれらの移動に関する情報を供給する。レーザー／ダイオードユニット１３１及び１３２、レンズ１３５及び１３６、ウィンドウ１４２、及び電子回路部品１４０及びソフトウェアを、一つのモジュールで統合してもよい。このモジュールは、スクローリング及びクリッキング機能が提供されるべきである携帯電話又は別の装置において、このように置かれる。分離した素子をもつ入力デバイスを実施することもまた可能である。特に、信号処理の一部分は、携帯電話又はリモートコントロール、コードレス電話、若しくはポータブルコンピューターのような他の装置の一部分を形成するマイクロコントローラー又は他の制御手段によって実行してもよい。
【０１０４】
前述のように、レーザー／ダイオードユニットから離れて向かう指又は他の対象の移動を、レーザー電流を変調することによって、及び検出器によって受信されるパルスを数えることによって、検出してもよい。それぞれビーム１３５及び１３６の主光線に沿った指の速度を表わす、これらの検出器の出力信号Ｓｉｇｎ１及びＳｉｇｎ２から、ウィンドウに平行な速度（Ｖｓｃｒｏｌｌ）及びウィンドウに垂直な速度（Ｖｃｌｉｃｋ）を、次の
【０１０５】
【数３】
2004513441.tif 000005
のように計算することができる。
【０１０６】
図２３は、スクロール及びクリック入力デバイス１５０の第二の実施例を示す。この実施例は、二つのレンズ１３３及び１３４並びにウィンドウ１４２を単一の構成要素１５２に取り替えてきたという点で図２１及び２２のものと異なる。この素子は、ウィンドウを形成する、その凸の上面に両方のビーム１３５及び１３６を集束させる。
【０１０７】
図２１−２３の入力デバイスがスクローリング機能のみをモニターすることを必要とするとすれば、原則として、一つのダイオードレーザー、レンズ、及び検出器のみが要求される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
フラットウィンドウを有する光入力デバイスの一部分を示す。
【図２】
このようなデバイスに対する本発明によるウィンドウの第一の実施例を示す。
【図３】
本発明によるウィンドウの第二の実施例を示す。
【図４】
本発明が実施される第一の既知の入力デバイスを示す。
【図５ａ】
本発明が実施される第二の最近提案された入力デバイスの第一の実施例を断面で示す。
【図５ｂ】
このデバイスの上面図である。
【図６】
入力デバイスの測定方法の原理を説明する。
【図７】
デバイス及び指の互いに対する移動の関数として光の周波数及びレーザー空洞共振器の利得の変動を示す。
【図８】
この変動を測定する方法を説明する。
【図９】
光のフィードバックをもつレーザーの温度の関数としてレーザー波長の変動を示す。
【図１０】
レーザーに対する周期的に変動する駆動電流の使用の効果を示す。
【図１１】
移動の方向を検出する方法を説明する。
【図１２】
三つの測定軸をもつ入力デバイスの図を示す；
【図１３ａ】
第二の入力デバイスの第二の実施例を示す。
【図１３ｂ】
第二の入力デバイスの第二の実施例を示す。
【図１４】
このデバイスの第三の実施例を示す。
【図１５ａ】
このデバイスの第四の実施例を示す図である。
【図１５ｂ】
このデバイスの第四の実施例を示す。
【図１６】
入力デバイスが装備された携帯電話を示す。
【図１７】
入力デバイスが装備されたコードレス電話を示す。
【図１８】
入力デバイスが装備されたテレビ受像機を示す。
【図１９】
入力デバイスが装備されたラップトップコンピューターを示す。
【図２０】
入力デバイスが装備されたデスクトップコンピューターを示す。
【図２１】
スクローリング及びクリッキング用の入力デバイスの第一の実施例を示す。
【図２２】
スクローリング及びクリッキング用の入力デバイスの第一の実施例を示す。
【図２３】
このようなデバイスの第二の実施例を示す。
【国際公開パンフレット】
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2004513441.tif 000007
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【国際調査報告】
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