專利名稱：光定位裝置以及搭載有該裝置的電子設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種輸入裝置，更詳細地說涉及一種可搭載于便攜式電話機等電子設備上的光定位裝置。
背景技術：
在以便攜式電話機以及PDA (Personal Digital Assistants 個人數字助理)等便攜式信息終端為代表的小型電子設備中，利用鍵盤作為用戶接口，此類鍵盤由用于輸入數字及文字的多個按鍵和方向鍵所構成。而近年來，隨著便攜式終端的顯示部的高性能化發展，采用⑶I (Graphical User hterface 圖形用戶界面)的便攜式終端漸成主流。由于便攜式信息終端等電子設備的功能不斷趨向電腦化發展，歷來的輸入方法， 即，以目錄鍵以及其他功能鍵作為方向鍵來啟動所希望的功能的輸入方法愈顯不便，因此， 對于能夠進行像計算機的鼠標或者觸屏似的操作的定位裝置的需求在不斷擴大。作為所述定位裝置，已有提案揭示了通過攝像元件來觀察與裝置相接觸的指尖等被攝體的模樣，從而提取接觸面的變化的光定位裝置(專利文獻1)。根據該結構，利用光源照明接觸面，利用透鏡在攝像元件上形成接觸面的模樣的像，并基于檢測出的所述模樣的變化，將指尖動作變換成輸入信號。但是，在所述成像光學系統中，為了使來自接觸面的光在攝像元件上成像，接觸面和攝像元件之間需要一定距離，因此無法縮短光定位裝置的垂直方向長度。對于以便攜式信息終端為代表的小型電子設備，要求其具有較薄的裝置厚度，從而，光定位裝置也被要求縮小其厚度即垂直方向長度。為了滿足所述要求，已有提案揭示了通過在接觸面的正下方配置棱鏡等光路折射元件，將光路折曲成水平方向，從而能在保持較長的光路的情況下縮短光定位裝置的垂直方向長度的方法(專利文獻2，；3)。根據該技術，由于是將光路折曲成水平方向，因此，即使光路變長也不會對裝置的垂直方向長度造成影響。從而，能夠實現光路較長且垂直方向長度較短的定位裝置。但是，根據所述專利文獻2，為了利用LED光源來照明手指接觸面，必須利用所述折射元件上部的空間，將用于照射手指的光引導至手指接觸面。即，由于照明光學系統的制約，導致折射元件以上的部分變厚，而無法使光定位裝置的厚度變薄，不利于發揮薄型成像光學系統的優點。另外，所述專利文獻3也同樣，必須在折射元件的上部配置照明用光學系統，因此也存在厚度變厚的問題。專利文獻1 日本國公開專利公報，特開2007-5^554號專利文獻2 日本國公開專利公報，特表2008-507787號專利文獻3 日本國公開專利公報，特表2008-510248號
發明內容
3
本發明是鑒于上述問題而開發的，其涉及使用了折射元件的光定位裝置，其目的在通過實現能夠在保持裝置厚度不增加的情況下照明被攝體的照明光學系統，提供更小型的光定位裝置。為了達成上述目的，本發明的光定位裝置的特征在于包括與被攝體接觸的接觸面、用于照明所述接觸面的光源模塊、具有用于折射來自所述接觸面的漫反射光的傾斜面的折射元件、對來自所述接觸面的漫反射光進行成像而獲得像的成像元件以及用于拍攝所述像的攝像元件，所述折射元件的傾斜面對來自所述接觸面的漫反射光進行光路變換，并使用于照明所述接觸面的光源模塊的光透射和折射，從而將該光導向所述接觸面。在本發明的光定位裝置中，將所述折射元件的傾斜面兼用為用于對來自所述接觸面的漫反射光進行光路變換的反射面；通過使來自用于照明所述接觸面的光源模塊的光透射和折射，將該光導向接觸面的透射折射面。從而能夠削減光學部件數以及實現光定位裝置的小型薄型化。另外，本發明的一實施方式的光定位裝置的特征在于使所述像在攝像元件上成像的成像光學系統的光軸與以來自所述光源模塊的光照明所述接觸面的照明光學系統的光軸為不同的光軸。根據本發明的光定位裝置，能夠避免所述照明光成為雜光射入攝像元件中，因此能夠降低噪音成分以及改善像的識別率。此外，本發明的一實施方式的光定位裝置的特征在于用于照明接觸面的光源模塊由LED等光源和用于抑制來自所述光源的散射光的光散射度的透鏡所構成。根據本發明的光定位裝置，能將來自所述光源模塊的光高效率地傳送到所述接觸面。因此，能夠削減光出射量以及降低消費功率。并且，由于雜光也減少，因此能夠降低噪音成分以及大幅改善像的識別率。另外，本發明的一實施方式的光定位裝置的特征在于用于照明接觸面的光源模塊具備有用于將LED等光源的散射光向所述折射元件的傾斜面的法線方向折射的元件。根據本發明的光定位裝置，能夠從斜方向來照明被攝體，因此容易形成被攝體的影子，對指紋等被攝體進行成像時的對比度變高，從而能夠提高被攝體的識別率。此外，本發明的一實施方式的光定位裝置的特征在于在用于照明接觸面的光源模塊中，作為向所述折射元件的傾斜面的法線方向折射來自所述LED等光源的散射光的元件，使用光出射面為傾斜面的棱鏡或者衍射元件。根據本發明的光定位裝置，可對所述棱鏡或者衍射元件與用于封裝所述LED等光源的成型部進行一體成型，因此能夠削減部件個數以及實現低成本化。根據本發明的光定位裝置，能將所述折射元件的傾斜面兼用為對來自所述被攝體的漫反射光進行反射的反射面；使來自用于照明所述被攝體的光源模塊的光透射和折射的透射折射面。從而能夠實現小型薄型的照明光學系統，以及實現更小型的光定位裝置。
圖1是說明本發明的實施方式1的光定位裝置的剖面圖。圖2是說明本發明的實施方式1的光定位裝置的照明光學系統的圖。圖3是說明本發明的實施方式1的光定位裝置的成像光學系統的圖。
圖4是說明本發明的實施方式1的光定位裝置的俯視圖。圖5是說明本發明的實施方式2的光定位裝置的照明光學系統的圖。圖6是說明本發明的實施方式3的光定位裝置的照明光學系統的圖。圖7是說明本發明的實施方式3的光定位裝置的其他照明光學系統的圖。圖8是表示采用了本發明的光定位裝置的便攜式電話機的一實施例的圖，其中， (A)表示正面側，(B)表示背面側，(C)表示側面側。
具體實施例方式以下，就本發明的一實施方式，以使用LED作為光源的光定位裝置為例進行說明。 但本發明并不限定于以下實施方式的結構。例如在指紋認證系統等掃描裝置中，只要具有與本實施方式相同的結構，可應用于所有的光輸入接口。在以下的實施方式中，對具有相同功能以及作用的部件，付與相同的標記，并省略其說明。(實施方式1)圖1是說明本發明的光定位裝置1的實施方式1的結構的剖面圖。從作為折射元件的棱鏡12的垂直方向上側的面即接觸面11，取得作為漫反射光的本圖中未圖示的指尖等被攝體的像。在該作為折射元件的棱鏡12內，所述漫反射光被傾斜面13所反射，并由作為成像元件的透鏡14形成像，然后由攝像元件15作為圖像數據取得該像。通過對攝像元件15所取得的圖像數據進行圖像處理，提取接觸面11的變化，從而能獲得所述被攝體的移動量和移動方向。另外，為了照明所述被攝體，構成光源模塊的LED 光源16被配置在作為所述折射元件的棱鏡12的下方。通過使作為本發明的折射元件的棱鏡12和所述接觸面11，與光定位裝置1的外罩部構成一體化結構，能夠削減厚度并能高精度地形成所述傾斜面13，從而能提高光定位裝置1的組裝性。作為成像元件的透鏡14與下傾棱鏡23構成一體化結構。通過采用將所述下傾棱鏡23裝入外罩M中的結構，能夠對所述傾斜面13、作為成像元件的透鏡14以及下傾棱鏡 23的位置關系進行高精度管理。光圈22被粘合在作為所述成像元件的透鏡14的有效面外側，以遮斷雜光，若該雜光射入作為成像元件的透鏡14內，將導致各種問題。攝像元件15被例如接合在電路基板21上的透明樹脂20b所封裝。LED光源16 也被接合在同一電路基板21上，且被透明樹脂20a所封裝，構成光源模塊。但是，透明樹脂 20a與透明樹脂20b相互分離，以防止LED光源16的光在樹脂內部傳播之后漏射到所述攝像元件15中。在此，以用于封裝所述LED光源16和攝像透鏡15的透明樹脂20a、20b的上面作為接合基準，對搭載有LED光源16和攝像元件15的電路基板21、由所述棱鏡23和作為成像元件的透鏡14等構成的光學系統進行組裝。指尖等被攝體接觸到接觸面11時，所述被攝體被LED光源16發出的、如照明光學系統的光軸M所表示的照明光所照明，并漫反射該照明光。所述被攝體形成漫反射像，但所述漫反射光的一部分成為如成像光學系統的光軸所表示的成像光。所述漫反射像透過棱鏡12的內部，由所述傾斜面13反射，優選是通過全反射而變換其光路，并通過作為成像元件的透鏡14在攝像元件15上形成像。然后，未圖示的DSP(Digital Signal !Processor 數字信號處理器)取得在所述攝像元件15上形成的像被作為圖像數據被取得。所述攝像元件15為CMOS或CXD等圖像傳感器，其以一定的時間間隔連續拍攝所述接觸面11的像。如果攝體進行了移動，移動后拍攝到的圖像與移動前拍攝的圖像相比， 會有一定量的位移。通過利用所述DSP對所述圖像中的同一部分的位移量進行對比，來判斷所述被攝體的移動量和移動方向。圖2是說明本發明的實施方式1的光定位裝置1的照明光學系統的圖，圖3是說明本發明的實施方式1的光定位裝置1的成像光學系統的圖，圖2與圖3中均以指尖10作為被攝體。該光定位裝置1的光學系統包括具備供作為被攝體的指尖10進行接觸的接觸面11和傾斜面13的、作為本發明的折射元件的棱鏡12 ；作為成像元件的透鏡14 ；攝像元件 15 ；用于照明所述指尖10的LED光源16。用于照明所述指尖10的LED光源16被配置在棱鏡12的下部，從LED光源16射出的光透過棱鏡12的所述傾斜面13而折射，然后以照明光學系統的光軸M所表示的斜方向照射到所述接觸面11上。圖4表示了對圖1的裝置進行俯視時的情況。以俯視時，即，從作為被攝體的指尖 10側進行觀察時，按照使LED光源16的射出光與成像光學系統的光軸L不一致的方式，將 LED光源配置在相對于成像光學系統的光軸L傾斜的位置上。由于使照明光學系統的光軸 M與成像光學系統的光軸L成為不同的光軸，未照射到指尖10的照明光將難以射入攝像元件15中，從而能夠提高識別率以及防止誤動作，其中光軸M與光源16照射指尖10的方向相一致。作為被攝體的指尖10接觸到所述接觸面11時，從所述LED光源16發出的、照明光學系統的光軸M所表示的照明光從斜方向照明所述指尖10，并發生圖3所示的漫反射。指尖10接觸到接觸面11時，主要是形成指紋的漫反射像，所述指紋的像如成像光學系統的光軸L所示，透過棱鏡12的內部之后，被所述傾斜面13所反射，在此優選為全反射，然后通過作為成像元件的透鏡14，在攝像元件15上形成像。所述傾斜面13的反射可以是菲涅耳反射，但是全反射時能夠使更多的光進行折射，從而獲得更明亮的像，以及提高信噪比。在此，作為形成指紋像的方法，例如有由透過接觸面11的照明光來照明指紋，并在攝像元件15上對指紋的漫反射光進行成像的方法。在此情況下，必須使照明光透過接觸面11，因此必須以盡量不讓接觸面11對照明光進行全反射的角度射入該照明光。即，當棱鏡12的折射率為η時，照明光相對于接觸面11的入射角θ必須滿足以下關系θ < ArcSin (1/η) (1)另外，設棱鏡12的頂角為α，照明光相對于傾斜面13的入射角為Y，從傾斜面13 向棱鏡12內的入射角為β時，滿足以下關系y = ArcSin(nXSin(a - θ )) (2)例如，圖2中的棱鏡12的折射率η為1. 5時，根據式(1)，照明光相對于接觸面11 的入射角θ必須小于41. 8°。
此時，若棱鏡的頂角α =45°，照明光向傾斜面的入射角Y必須大于4.8°。另外，作為形成指紋像的方法還有如下方法在手指未接觸到接觸面11的情況下，照明光就不透過接觸面11，而成為全反射狀態；當手指接觸時，接觸部分的照明光全反射條件被破壞，光能夠透過接觸面而照明指紋，并使來自指紋的散射光成像于攝像元件15 上。在此情況下，必須通過接觸面11對照明光進行全反射，因此必須以盡量使照明光不能透過接觸面11的角度射入該照明光。即，當棱鏡的折射率為η時，照明光相對于接觸面11 的入射角θ必須滿足以下關系θ > ArcSin (1/n) (3)另外，設棱鏡12的頂角為α，照明光相對于傾斜面13的入射角為Y，從傾斜面向棱鏡12內的入射角為β時，滿足以上式(1)的關系。例如，圖2中的棱鏡12的折射率η為1. 5時，根據式(3)，照明光相對于接觸面11 的入射角θ必須大于41. 8°。此時，若棱鏡的頂角α =45°，照明光向傾斜面的入射角Y必須小于4. 8°。只要是當手指接觸到接觸面11時，透過所述接觸面11的光和被接觸面11全反射的光均能照明作為被攝體的指尖10，并能在攝像元件15上對指紋等的散射光進行成像的方法，就不受以上式O)以及式C3)的約束。即，能夠在較廣的入射角范圍內利用射入接觸面11的光。在此，關于成像元件14，本實施方式中使用了透鏡，但除了透鏡之外也可以利用小孔。利用小孔時，能夠使成像元件14變薄，因此有益于小型化。而使用透鏡時，能夠通過較小的尺寸來聚集較多的光，因此能夠獲得較亮的像，并能夠提高信噪比。以上，在本實施方式的光定位裝置1中，將作為所述折射元件的棱鏡12的傾斜面 13兼用為反射面和透射折射面，從而能夠削減部件數，實現低成本化以及實現光定位裝置的小型薄型化。其中，所述反射面是指對來自接觸面11的、成像光學系統的光軸L所表示的成像光進行反射，優選是全反射的光路變換面；所述透射折射面是指對來自用于照明所述接觸面11的LED光源16的、照明光學系統的光軸M所表示的照明光進行透射折射，從而將該照明光導向接觸面11的面。另外，由于是相對于接觸面11以斜方向射入如照明光學系統的光軸M所表示的照明光，因此容易形成作為被攝體的指尖10的凹凸即指紋的影子，從而能夠提高對指紋進行成像時的對比度，并能夠提高識別靈敏度。(實施方式2)圖5是說明本發明的光定位裝置1的實施方式2的光學系統的圖，在此也以指尖 10作為被攝體。在本實施方式中，作為光源模塊，如圖5所示，在LED光源16的發光面16a上配置有聚光透鏡17。此時，聚光透鏡17與為了防止LED光源16的劣化而設置的封裝樹脂20a構成一體化結構。由此，能夠在相對于LED出射面16a較近的位置上配置聚光透鏡17的透鏡面， 從而能夠通過較小面積的透鏡面對LED出射光中的散射度較高的光線也進行聚光。即，在此，作為用于抑制LED光源16的光散射度的透鏡，形成了聚光透鏡17。LED光源16的散射光被所述聚光透鏡17聚集之后，通過作為折射元件的棱鏡12的傾斜面13，能夠高效地照射向指尖10的方向。由此，通過減少被浪費掉的光，能降低雜光等噪音成分，并提高射入到攝像元件15 中的信號的品質，以及能夠抑制LED光源16的消費功率。另外，所述聚光透鏡17具有半球型透鏡面或者拋物面的形狀時其效果更大。(實施方式3)圖6以及圖7是表示本發明的光定位裝置1的實施方式3的光學系統的圖，在此也以指尖10作為被攝體。如在實施方式1中進行的說明，由于是相對于接觸面以斜方向射入照明光，因此易于形成指紋等被攝體的凹凸的影子，以及在被攝體像上獲得較高的對比度，從而能夠提高識別靈敏度。在本實施方式中，說明相對于接觸面11以斜方向射入光的方法。如圖6所示，當照明光學系統的光軸M向著作為折射元件的棱鏡12的傾斜面13 的法線方向傾斜時，能以更傾斜的方向對接觸面11照射光。但是，對LED光源116本身進行傾斜配置的方法在組裝性上存在困難。在此，如圖7所示，作為光源模塊，在LED光源16的發光面16a上設置錐形面18， 通過該錐形面18來折射照明光，使照明光學系統的光軸M向著作為折射元件的棱鏡12的傾斜面13的法線方向傾斜。根據該結構，能夠使照明光學系統的光軸M折曲成為相對于接觸面11更為傾斜的入射方式。根據圖7的結構，無需對LED光源16本身進行傾斜配置，只需將用于封裝LED光源16的成型樹脂20的光出射面形成為傾斜的錐形面18即可，因此有利于成本以及對位的雙方面。另外，在此雖未圖示，作為光源模塊，可以在LED光源16的發光面16a上設置衍射元件，通過該衍射元件對照明光進行衍射，從而使照明光的光軸M向作為折射元件的棱鏡 12的傾斜面13的法線方向傾斜。根據該結構，能夠使照明光學系統的光軸M以相對于接觸面11更傾斜的方式射入。此時，也不需要對LED光源16本身進行傾斜配置，而只需在用于封裝LED光源16的成型樹脂20的表面部分形成衍射光柵即可。如果所述衍射光柵采用的是浮雕型，在對用于封裝LED光源16的成型樹脂20進行成型時，可同時形成該衍射光柵。(實施方式4)在實施方式4中，說明在作為電子設備的便攜式電話機中搭載本發明的光定位裝置的情況。圖8的(A) (C)是表示便攜式電話機的結構的圖。圖8的(A)表示的是便攜式電話機100的正面側，圖8的⑶表示的是便攜式電話機100的背面側，圖8的(C)表示的是便攜式電話機100的側面側。本實施方式的便攜式電話機100包括監視器側框體101、操作側框體102、傳聲器部103、數字鍵104、監視器部105、揚聲器部106以及本發明的光定位裝置107。揚聲器部106以及傳聲器部103用于輸入和輸出聲頻信息。監視器部105用于輸出視頻信息，其在本實施方式4中，用于顯示光定位裝置107提供的輸入信息。在實施方式4中，光定位裝置107被配置在圖8的(A)所表示的數字鍵104的上部，但對于光定位裝置107的配置方法以及方向并無限定。
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作為實施方式4的便攜式電話機100，在此如圖8的㈧ (C)所示，列舉由上部框體和下部框體通過合葉連接而成的所謂折疊式便攜式電話機100進行說明。當然，可搭載光定位裝置107的便攜式電話機100并不限定于折疊式的便攜式電話機。但是，便攜式電話機以本實施方式所述的折疊式為主流，并且，目前已有折疊時的厚度為IOmm以下的產品。考慮到攜帶便利性，厚度是一個非常重要的因素。在圖8的背面圖(B)、側面圖(C)所表示的操作側框體102中，除了未圖示的電路基板等，決定厚度的部件還包括傳聲器部103、數字鍵104、光定位裝置107。其中，光定位裝置107最厚，光定位裝置107的薄型化直接關系到便攜式電話機100的薄型化。因此，本發明的光定位裝置是利于對便攜式電話機等電子設備進行薄型化的發明。
0087]標號說明0088]1光定位裝置0089]10被攝體(指尖)0090]11接觸面0091]12折射元件(棱鏡)0092]13傾斜面0093]14成像元件(透鏡)0094]15攝像元件0095]16 LED光源0096]17聚光透鏡0097]18錐形面0098]20成型樹脂0099]21電路基板0100]22光圈0101]23下傾棱鏡0102]24外罩0103]100便攜式電話機0104]101監視器側框體0105]102操作側框體0106]103傳聲器部0107]104數字鍵0108]105監視器部0109]106揚聲器部0110]107光定位裝置0111]L成像光學系統的光軸0112]M照明光學系統的光軸
權利要求
1.一種光定位裝置，其特征在于包括與被攝體接觸的接觸面、用于照明所述接觸面的光源模塊、具有用于折射來自所述接觸面的漫反射光的傾斜面的折射元件、對來自所述接觸面的漫反射光進行成像而獲得像的成像元件以及用于拍攝所述像的攝像元件，所述折射元件的傾斜面對來自所述接觸面的漫反射光進行光路變換，并使用于照明所述接觸面的光源模塊的光透射和折射，將該光導向所述接觸面。
2.根據權利要求1所述的光定位裝置，其特征在于使所述像在攝像元件上成像的成像光學系統的光軸與以來自所述光源模塊的光照明所述接觸面的照明光學系統的光軸為不同的光軸。
3.根據權利要求1所述的光定位裝置，其特征在于所述光源模塊由光源和用于抑制來自所述光源的散射光的光散射度的透鏡所構成。
4.根據權利要求1所述的光定位裝置，其特征在于所述光源模塊由光源和用于向所述折射元件的傾斜面的法線方向折射來自所述光源的散射光的元件所構成。
5.根據權利要求4所述的光定位裝置，其特征在于用于向所述折射元件的傾斜面的法線方向折射來自所述光源的散射光的元件是光出射面為傾斜面的棱鏡或者衍射元件。
6.一種電子設備，其特征在于具備權利要求1 5所述的光定位裝置。
全文摘要
根據本發明，從LED光源(16)射出的光透射作為折射元件的棱鏡(12)的傾斜面(13)并折射之后，照明接觸面(11)。所述照明光經接觸面(11)上的被攝體漫反射，而后該漫反射光的一部分透射棱鏡(12)并經由傾斜面(13)而變換光其路，繼而通過作為成像元件的透鏡(14)形成像。攝像元件(15)取得作為圖像數據的所述像。通過圖像處理，能夠從攝像元件(15)所提供的圖像數據中提取接觸面(11)的變化，以及獲得被攝體的移動量和移動方向。由此，能夠實現薄小型的光定位裝置。
文檔編號G06F3/033GK102317889SQ20108000791
公開日2012年1月11日 申請日期2010年1月15日 優先權日2009年1月15日
發明者三宅隆浩, 三木煉三郎, 上田稔, 野呂哲史 申請人:夏普株式會社