测量输入装置运动的方法 本发明涉及测量输入装置和物体沿至少一个测量轴线的彼此相对运动的方法，该方法包括以下步骤：
用各个测量轴线的测量激光束照射物体表面；以及
将物体表面反射的测量光束辐射的选定部分转换成电信号，该信号代表沿上述测量轴线的运动。
本发明还涉及具有用于执行这种方法的光学模块的输入装置以及包含这种输入装置的设备。
欧洲专利申请EP-A0942285已提出这种方法和输入装置。该输入装置可以是一种光学鼠标器，该鼠标器用在计算机配置中，以使光标移过计算机显示器或监视器，用于例如选择显示菜单的功能。这种光学鼠标用手移过鼠标垫，像常规机械鼠标器一样。如EP-A0942285所述，该输入装置也可以是“反向”的光学鼠标。因此这种输入装置是不动的，例如可以装在台式或笔记本式或掌上计算机的键盘上，人的手指可以在输入装置盒子的透明窗口的上面移动。在后一种情况下，输入装置可以做得很小，因为用于测量手指运动的光学模块可以做得很小。事实上，输入装置可以减小到光学测量模块的大小。这样，便为输入装置打开了新应用途径。例如输入装置可以装在移动电话上，选择菜单上的功能和进入因特网网页，也可以为同样地目地用在电视机的遥控单元上或用在虚拟笔上。
EP-A0942285公开若干个光学测量模块的实施例，在所有实施例中，采用零差检波法或外差检波法。所有实施例包括衍射光栅，该光栅配置成靠近模块窗口。该光栅反射一部分照明辐射，最好反射衍射在第一级光谱中的一个级光谱中的辐射到检测器，该检测器还接收物体表面反射和散射的一部分辐射。由光栅衍射到第一级光谱的激光辐射称为本振光束，而检测器可用这种本振光束相干地检测来自物体表面的辐射。本振光束和由物体表面反射的达到检测器的辐射之间的干涉在检测器中引起差拍信号，该信号由平行于此表面的物体表面的相对运动确定。EP-A0942285的光学测量模块除光栅模块而外还包括在检测器前面的准直透镜、聚光透镜和针孔光阑，这些部件必须很准确地准直。这样便造成制造工艺复杂，增加了预定用于大量消费品的模块成本。
本发明的目的是提供一种如开头一段所述的方法，该方法是基于另外一种检测原理，并应用具有较少部件的光学结构，而且这种结构容易制造。本方法的特征在于，选择沿测量光束反射回来并再进入发射测量光束的激光腔的测量光束辐射，然后测量激光腔中操作的变化，这种变化是由于再进入辐射和激光腔中的光波相互干涉引起的，并且代表运动。
新的方法使用了二极管激光器中所谓的自混合效应，该方法可以测量输入装置和物体例如人的手指或其它物体的相对运动。这是这样一种现象，即二极管激光器发射的并且再进入二极管激光器腔室中的辐射引起激光增益变化，因而引起激光器发射辐射的变化。物体和输入装置可以彼此相对运动，使得运动方向在激光束的方向具有运动分量。在物体和输入装置运动时，由物体散射的辐射得到的频率不同于照射物体的辐射的频率，因为发生多普勒效应。然后一部分散射光通过将照明光束聚焦在物体上的同一透镜聚焦在二极管激光器上。因为一部分散射光辐射经过激光器反射镜进入激光腔，所以在激光器中发生光的干涉。这引起激光和发射辐射的特性的基本改变。由自耦合效应引起变化的参数是功率、频率、激光辐射的线宽度以及激光阈值增益。这种在激光腔中干涉的结果是这些参数值随着等于两种辐射频率的差的频率发生波动。这种频差正比于物体的运动速度。因此，物体的速度以及对整个时间积分得到的物体位移可以通过测量上面参数中的一个参数值确定。该方法只需要用很少和很简单的元件来执行，不需要很准确地对齐这些元件。
应用自混合效应来测量物体，或者一般是固体和流体的运动速度本质上是已知的。作为举例，可以参见以下论文：AppliedOptics，Vol.27，No.2，1988年1月15日，379-385页的“Small laserDoppler velocimeter based on the self-mixing effect in a diodelaser”和Applied Optics，Vol.31，No.8，1992年6月20日，3401-3408页的“Laser Doppler velocimeter based on theself-mixing effect in a fibre-coupled semiconductor lasertheory”，但是直到现在还没有提出在上述输入装置中应用自混合效应，这种新的应用是基于这种认识：应用自耦合效应的测量模块可以作得很小和降低成本，使得它容易组装在现有的装置和设备中，而不另外增加太多的成本。
为了检测运动的方向，即检测物体沿着测量轴线是向前还是向后运动，本方法的特征是测定代表激光腔操作的变化的信号形状。
该信号是非对称信号，向前运动的非对称性不同于向后运动的非对称性。
在一些情况下，在难于确定自混合信号的非对称性时，最好采用其它方法。这种方法的特征是测定沿上述至少一个测量轴线的运动方向，测定方式是向激光腔提供周期性变化的电流，然后将第一和第二测量信号彼此相比较，该第一、第二测量信号是分别在交替的第一半周期内和交替的第二半周期内产生的。
由二极管激光器发射的辐射波长随温度增加而增加，因此，该辐射的频率随温度的增加而减小，而温度随通过二极管激光器的电流增加而增加。二极管激光器的周期性变化电流加上物体反射的再回到激光腔的辐射造成在每个半周期内产生许多辐射脉冲，因此，在测量的信号中产生相应数目的脉冲。如果输入装置和物体没有相对运动，则信号脉冲的数目在每一个半周期中是相同的。但是如果装置和物体彼此发生相对运动，则在一个半周期中脉冲的数目大于或小于下一个半周期中脉冲的数目，大于或小于取决于运动方向。通过比较一个半周期中测量的信号和下一个半周期中测量的信号，不仅可以检测运动的速度，而且还可以检测运动方向。
本方法的特征还在于，第一和第二测量信号彼此相减。
测量运动的方法其特征最好还在于，该方法可以用于通过物体和输入装置彼此相对地沿一个轴线的单次运动进行点击操作，该轴线大体垂直于物体的表面。
上述单次运动还造成由物体表面散射和反射到激光腔的测量光束辐射发生多普勒频移，使得通过测量激光腔的有关参数的变化便可确定是否已经进行上述运动。在例如计算机的光标已经在输入装置的X-和Y-运动测量系统的控制下置于已显示菜单目录的要求功能上后，可以利用上述沿Z轴方向的单次运动启动此功能。
测量方法的特征最好还在于，该方法可以通过物体和输入装置沿平行于物体表面的第一方向的彼此相对运动和沿大体垂直于物体表面的第二方向的彼此相对运动，确定滚动操作和点击操作。
滚动操作可以理解为光标穿过菜单的上下运动或下上运动。这种操作可以通过使手指在输入装置上面沿某个方向进行运动来实现。采用这种方法，可以执行沿平行于物体表面第一测量轴线的测量以及沿大体平行于此表面的第二测量轴线的测量。该第一测量可以提供滚动操作的信息，而第二测量可以提供关于点击操作的信息。或者，两个测量轴线相对于物体表面的法线形成相对角。因此两个测量轴线的信号均包括滚动操作的信息和点击操作的信息。通过将两个测量操作的信号适当结合便可以分离出具体的滚动操作信息以及具体的点击操作信息。
可以用若干种方法确定激光腔操作特性的变化。
本测量方法第一实施例的特征在于测量二极管激光腔的阻抗。
二极管激光器的阻抗是其中一个参数，该参数将因干涉作用而发生变化，并且是输入装置和物体的相对运动的函数。测量二极管激光器两端的电压，然后用流过二极管激光器的已知电流值除上述测量电压值便可确定该阻抗。
本方法优选实施例的特征在于测量激光辐射的强度。
测量激光辐射强度是确定激光腔的变化的最简单方法，因为这种测量可以用简单的光电二极管执行。
本发明还涉及具有执行此方法的光学模块的输入装置，该模块包括：具有激光腔的至少一个激光器，用于产生测量光束；光学装置，用于将测量光束聚光到靠近物体的平面上；转换装置，用于将物体反射的测量光束辐射转换成电信号。上述平面可以是模块外壳上的窗口平面，或是靠近该窗口的平面。该输入装置的特征在于，转换装置包括激光腔和测量激光腔中操作变化的测量装置的组合件，激光腔中操作的变化是由于再进入激光腔的受反射测量光束辐射和此腔室中的光波干涉造成的，这种变化代表物体和模块的相对运动。
将这种光学模块装在现有的输入装置中，便可以将这些输入装置作得更简单、更便宜和更小型。另外，输入装置还可以用在新的方面，特别是用在消费品上。
输入装置的第一实施例的特征在于，测量装置是测量激光腔阻抗变化的装置。
输入装置的优选实施例的特征在于，该测量装置是测量激光器发射的辐射的辐射检测器。
辐射检测器可以配置成这种方式，即该检测器可以接受一部分测量光束的辐射。
然而，输入装置的此实施例的特征最好是，辐射检测器配置在激光腔的一侧，该侧与发射测量光束的一侧相对。
一般说来，二极管激光器在其后侧具有监测二极管。通常利用这种监测二极管来稳定二极管激光器前侧发射的激光束强度。按照本发明，该监测二极管可用来检测激光腔中由于再进入到激光腔的测量光束辐射引起的变化。
输入装置可以测量物体和装置在平行于物体受照射表面的平面上彼此的相对运动，其特征在于它包括至少两个二极管激光器和至少一个检测器，用于测量物体和装置沿第一和第二测量轴线的相对运动，这些轴线平行于物体的受照射表面。
如下面说明的，利用两个或多个测量光束的该装置和其它装置可以具有各个测量光束的单独检测器。然而，如果采用分时方法，也可以对所有测量光束用一个和相同的检测器。
可以确定物体和装置的第三相对运动的输入装置的特征在于，它包括三个二极管激光器和至少一个检测器，用于检测物体和装置沿第一、第二和第三测量轴线的相对运动，该第一和第二轴线平行于受照射的物体表面，而第三轴线大体垂直于此表面。
该输入装置的此实施例可以识别物体和装置沿第三测量轴线的单次运动，并将该运动转换成电信号，利用该信号可以确定点击操作。
既确定滚动操作又确定点击操作的输入装置的特征在于，它包括两个二极管激光器和至少一个检测器，用于测量物体和装置沿平行于物体表面的第一测量轴线和沿大体垂直于物体表面的第二测量轴线的相对运动。
第一测量轴线用于确定滚动操作，而第二测量轴线用于确定点击操作。
或者，该输入装置的特征在于，它包括两个二极管激光器和至少一个检测器，用于检测物体和装置沿第一测量轴线和第二测量轴线的相对运动，这些测量轴线相对于物体表面的法线形成相对的角度。
从两个测量轴线得到的信号包括滚动操作和点击操作的信息，适当的将两个测量轴线的信息结合起来，便可以分离出具体的滚动操作信息以及具体的点击操作信息。
在结构方面，该输入装置具有若干实施例。第一实施例的特征在于，光学装置包括配置在一方面的上述至少一个激光器和相关检测器以及另一方面的作用平面之间的透镜。该至少一个激光器相对于该透镜是偏心定位的。
作用平面可以理解为测量运动的平面，即发生运动和测量光束到达的平面。该作用平面可以是装置外壳中窗口的平面或靠近该窗口的平面。该透镜可以是转动对称的透镜或为其它形状的透镜。由于激光器相对于透镜元件处于偏心位置，所以可以确保相应的照明光束以锐角入射在输入装置的窗口上，使得这些光束沿相关的测量轴线具有分量。为了进行下面的说明，引入光轴这一术语，该光轴可以理解为该透镜或模块的对称轴线，该光轴垂直于模块的窗口。
如果该实施例包括两个二极管激光器，则其特征在于，该二极管激光器这样配置，使得将这些激光器的中心与透镜光轴连接的线彼此形成基本上90度的角度。
如果该实施例包括三个二极管激光器，则其特征在于，该二极管激光器布置成这样，使得将这些二极管激光器的中心与透镜光轴相连的线相对彼此形成基本上120度的角度。
检测器的输出信号可以传送到共用的信号处理电路，其中至少两个检测器信号用于每个测量轴线，以便确定沿相关轴线的运动。以这种方式，可以得到运动的更精确的值。
在该输入装置中，可以使用VCSEL(垂直腔室表面发射激光器)型的二极管激光器。这种激光器沿垂直方向发射辐射，这使其适用于本装置。然而，现在这种激光器价格昂贵，所以很不适于用在大量消费制品上。
为此，选择一种输入装置，这种输入装置的特征是，每个二极管激光器是水平发射激光器，而且输入装置包括每个二极管激光器的反射部件，该反射部件将相关二极管激光器的光束反射到作用平面上。
水平发射二极管激光器是广泛应用的激光器，比VCSEL激光器便宜得多。如果采用具有反射部件的输入装置，则基本上不会增加该输入装置的成本。
容易制造且成本低的输入装置的实施例其特征在于，该输入装置包括底板、盖部件和装纳在盖部件内的透镜，该底板上安装至少一个二极管激光器和相关的检测器，该盖部件固定在该底板上并包括窗口。
该实施例只包括三个部分，该三个部件组装容易，而且没有严格的对齐要求。
更容易制造的输入装置的实施例其特征在于，透镜与盖部件形成一体，该盖部件具有向该底板弯曲的内表面。
该实施例只包括两部分。
这些实施例的特征最好还在于，该底板、该盖部件和透镜用塑料制作。
用这种材料制作的器件，价格便宜、重量轻，因此适合于用在消费品上。只有透镜的材料应该是透明的，具有要求的光学特性。
不用透镜的另一实施例的特征在于，每个二极管激光器连接于单独的光导件的进口侧，该光导件的出口侧定位在装置的窗口上。
在此实施例中，照明光束的辐射可以很好地与外界隔离，因而可以消除或显著减少沿不同轴线运动之间的干扰。
此实施例的特征最好在于，该光导件是光学纤维。
光纤是柔性的，具有较小的横截面，每单位长度基本上没有衰减，因此装置窗口的位置可以与二极管激光器和检测器分开较大的距离。
具有光学纤维的实施例其特征最好在于，它包括三个二极管激光器和三个光导件，而且光导件的出口侧配置在一个圆周上，相互的角距离约为120度。
可以在不同方面应用输入装置，例如用在台式计算机的鼠标器上，用在台式计算机或膝上型计算机的键盘上，用在不同装置的遥控单元上，用在移动电话上等等，如权利要求27～33所述。
下面参照实施例，作为非限制性例子进行说明，从这些说明中，可以明显看出本发明的这些和其它方面。其中：
图1a是本发明装置第一实施例的横截面图；
图1b是此装置的顶视图；
图2示出输入装置的测量方法的原理；
图3示出光学频率和激光腔增益随装置和物体彼此相对运动的变化；
图4示出测量这种变化的方法；
图5示出作为带有光学反馈的激光器的温度的函数的激光波长的变化；
图6示出在激光器上应用周期性变化驱动电流的影响；
图7示出如何检测运动方向；
图8是示意图，示出具有三个测量轴线的输入装置；
图9a和9b示出输入装置的第二实施例；
图10示出该装置的第三实施例；
图11a和11b示出该装置的第四实施例；
图12示出装有输入装置的移动电话；
图13示出装有输入装置的无绳电话；
图14示出装有输入装置的电视机；
图15示出装有输入装置的膝上型计算机；
图16示出装有输入装置的台式计算机；
图17示出装有输入装置的笔；
图18示出装有输入装置的虚拟笔；
图19示出装有输入装置的超声扫描装置；
图20和21示出用于滚动操作和点击操作的输入装置的第一实施例；
图22示出这种装置的第二实施例。
图1a是输入装置的示意截面图。该输入装置包括在其下侧的底板1和检测器，该底板1是用于支承在VCSEL型激光器实施例中的二极管激光器的支座，该检测器例如为光电二极管。在图1a中，只能见到一个二极管激光器3和其相关的光电二极管4，但是通常在底板上配置至少一个第二二极管激光器5和相关的检测器6，如设备的顶视图1b所示。二极管激光器3和5分别发射激光或测量光束13和17。在装置的上侧装有透明窗口12，物体15例如人的手指可以在该窗口上移动。透镜10例如平凸透镜配置在二极管激光器和窗口之间。该透镜将激光束13和17聚焦在透明窗口的上侧，或聚光在上侧的附近。如果物体15放在此位置上，则物体散射光束13，一部分光束13的辐射被散射到照明光束13的方向上，然后这部分辐射由透镜10聚焦在二极管激光器3的发射表面上，再入射到该激光器的腔室内。如下面说明的，返回到腔室的辐射将引起腔室的变化，这种变化特别造成二极管激光器发射的激光辐射强度的变化。利用光电二极管4可以检测这种变化，该光电二极管将这种辐射变化转换成电信号，电子线路18用于处理该信号。照明光束17也聚焦在物体上，并由物体散射，散射辐射的一部分光束再入射到二极管激光器5的腔室内。示于图1a和1b的用于处理光电二极管6的信号的电路18和19仅用于例示的目的，或多或少是常规的形式，如图1b所示，该电路是相互连接的。
图2示出在应用水平发射二极管激光器和配置在该激光器后侧面的监测光电二极管时，本发明测量的输入装置和测量的方法的原理。在此图中，二极管激光器例如二极管激光器3示意地分别用其腔室20和其前后侧面或激光反射镜21和22表示。该腔室的长度为L，其运动将被测量的物体用编号15表示，在物体和前侧面21之间的空间构成长度为L0的外部腔。穿过前侧面的发射激光束用编号25表示，由物体向前侧面方向反射的辐射由编号26表示，激光腔中产生的一部分辐射穿过后侧面，由光电二极管4捕获。
如果物体15在照明光束13的方向运动，则反射辐射26将承受多普勒频移。这就意味着，该辐射的频率变化或发生了频移。该频移取决于物体运动的速度，为若干kHz～MHz数量级。再进入激光腔的频移辐射将与光波或在腔室中产生的辐射发生干涉，即在腔室中发生自混合效应。取决于光波和再进入腔室中的辐射之间的相移量，这种干涉可以是相长干涉或负干涉，即激光辐射的强度周期性地增加或降低。以此种方式产生的激光辐射调制频率准确地等于腔室中光波的频率和再进入腔室的已多普勒频移的辐射频率之间的差。该频率差在若干kHz～MHz的数量级，因此容易检测。自混合效应加上多普勒频移可使激光腔特征发生变化，特别使其增益或光的放大率发生变化。
这一点示于图3，在此图中，曲线31和32分别代表发射激光辐射的频率υ随物体15和前侧镜21之间距离L0的变化，以及二极管激光器的增益g随该距离L0的变化。υ、g和L0是任意单位，因为距离L0变化是物体运动的结果，所以图3的横轴可以再换算成时间轴，使得增益曲线可以作为时间的函数画出。作为物体速度v的函数的增益变化Δg由下面的公式表示：Δg=-KL.cos.{4π.υ.v.tc+4π.L0.tc}]]>
在此公式中：
K是外部腔的耦合系数，它代表射出该激光腔的辐射量；
υ是该激光辐射频率；
v是在照明光束方向的物体的速度；
t代表时刻；
c是光速。
根据上述两篇论文中说明的自混合效应可以推出该公式。物体表面在其自身的平面内运动，如图2的箭头16所示。因为只有物体在光束的方向运动时才发生多普勒频移，所以该运动16应当使得它在此方向具有分量16’。因此可以测量在XZ平面上的运动，即在图2的图面上的运动，这种运动可以称作X运动。图2示出物体表面相对于系统的其余部分具有倾斜位置。实际上，测量光束通常是倾斜光束，而物体表面的运动是发生在XY平面上的运动。Y方向是垂直于图2的图平面，利用第二测量光束可以测量在此方向的运动。利用由第二二极管激光器发射的第二测量光束可以测量在此方向的运动，该光束的散射光由与第二二极管激光器相关的第二光电二极管捕获。使二极管激光器相对于透镜10偏心配置，便可以获得倾斜照明光束，如图1所示。
测量由物体运动造成的激光腔增益的变化是最简单的，因此也是最有吸引力的方法，该变化可以通过用监测二极管测量在激光器后侧面的辐射强度进行测量。通常，该二极管用于保持激光辐射强度恒定，但是现在用于测量物体的运动。
测量增益变化和测量物体运动的另一种方法可以利用以下的原理，即激光辐射强度正比于激光器接头的导带中电子的数目，该数目又反比于该接头的电阻。通过测量该电阻便可确定物体的运动。这种测量方法的实施例示于图4。在此图中，二极管激光器的激活层由编号35表示，加在此激光器上的电源由编号36表示。在该二极管激光器两端上的电压通过电容器38加到电路40上。用通过激光器的电流规格化的此电压正比于激光腔的电阻或阻抗。与二极管激光器串联的电感37形成二极管激光器两端信号的高阻抗。
除检测运动量即物体运动经过的距离和测量速度对时间积分得到的距离外，还必须检测运动方向。这意味着，必须检测物体沿运动轴是向前运动还是向后运动。通过确定自混合效应引起的信号形状便可检测运动的方向。如图3的曲线32所示，该信号是非对称信号。该曲线32代表物体15正向激光器移动的状态。上升的斜率32’大于下降斜率32”，如Applied Optics，Vol.31，No.8，1992年6月20日，3401-3408页的上述论文)中所述，对于物体离开激光器的运动，该非对称性是反向的，即，下降斜率大于上升斜率。通过确定自混合信号的非对称性形式便可确定物体的运动方向。在某些情况下，例如，在物体的反射系数较小或在物体和二极管激光器之间的距离较大时，确定自混合信号的形状或非对称性是很困难的。
在确定运动方向的另一个优选方法中，采用下面的原理，即，激光辐射的波长λ依赖于二极管激光器的温度，因此依赖于流过二极管激光器的电流。如果例如二极管激光器的温度增加，则激光腔的长度增加，因而被放大的辐射的波长增加。图5的曲线45表示发射辐射波长λ随温度(Td)的变化。在此图中，水平轴Td和垂直轴λ为任意单位。
如图6所示，如果将曲线50表示的周期性驱动电流Id加在二极管激光器上，则二极管激光器的温度Td将周期性上升和下降，如曲线52所示。这样便导致在激光腔中的光驻波，该光波具有周期性变化频率，并且相对于物体反射的和再进入腔室的辐射在一定时间延迟以后具有连续变化的相移。在驱动电流的每个半周期中，现在存在连续的时间段，在这些时间段中，二极管激光器的增益取决于腔室中的波和再进入该腔室的反射辐射的相位关系可以变得较高和较低。这导致，发射辐射的强度随时间变化(I)，如图6的曲线54所示。该曲线代表物体静止或不运动的状态。在第一个半周期1/2p(a)内的脉冲数目等于第二半周期1/2p(b)内的脉冲数目。
物体的运动造成再入射到该激光腔的辐射产生多普勒频移，即该频率取决于运动方向而增加或降低。物体沿一个方向即向前方向运动时，使得再进入的辐射的波长降低，而沿相反方向的运动则使辐射的波长增加。在激光腔中光波的周期性频率调制的结果是，在多普勒频移与激光腔中频率调制的符号相同时，再进入腔室的多普勒频移辐射其作用不同于在上述频率调制和多普勒频移具有相反符号情况下该辐射所具有的作用。如果两个频移具有同样的符号，则光波和再进入辐射之间的相差以较慢速度变化，而激光辐射所得的调制频率较低。如果两个频移具有相反符号，则光波和该辐射之间的相差以较快速度变化，激光辐射所得的调制频率较高。在激光器驱动电流的第一半周期1/2p(a)期间产生的激光辐射的波长增加。在物体向后运动的情况下，再进入辐射的波长也增加，使得在腔室中的波的频率和再进入此腔室的辐射的频率之间的差降低。因此，再进入辐射波长适应发生辐射波长期间的时间段数目小于在不存在发射激光辐射的电调制情况下的数目。这意味着如果物体向后运动，则在第一半周期中脉冲的数目小于不加上调制的数目。在激光器温度和产生辐射的波长降低的第二半周期1/2p(b)中，再进入辐射波长适应产生辐射的波长的时间段数目增加。因此，对于向后运动的物体，在第一半周期中的脉冲数目小于在第二半周期中脉冲的数目，这一点示于图7的曲线58，该曲线表示物体向后方运动时发射激光辐射的强度Ib。将此曲线与图6的曲线54比较便可得出，在第一半周期内的脉冲数目减小，而在第二半周期内的脉冲数目增加。
从上面说明可以明显看出，如果物体向前方运动，则第一半周期1/2p(a)内的脉冲数目大于在第二半周期1/2p(b)内的脉冲数目，在物体向前方运动时，由物体散射的和再进入激光腔的辐射波长由于多普勒效应而降低。通过比较图7的曲线56可以证明这一点，该曲线56代表在物体向前移动时发射辐射的强度If。在电子处理电路中，可以从在第一半周期1/2p(a)期间计数的脉冲数中减去第二半周期1/2p(b)期间计数的光电二极管信号脉冲的数目。如果所得的信号是零，则物体是静止的。如果所得的信号为正，则物体向前方运动。而如果该信号为负，则物体向后方运动。所得的脉冲数分别正比于向前和向后运动的速度。
在某些情况下，例如，如果在激光器和物体之间的光程长度相当小和电调制的频率和幅度相当小，而被检测的运动又相当快，则由多普勒效应产生的脉冲数目高于由电调制产生的脉冲数目。在这种情况下，仍可以通过比较第一半周期期间的脉冲数目和第二半周期期间的脉冲数目检测运动的方向。但是，该速度将不正比于这两个数的差。为了检测在这种状态下的速度，应该平均上述两个数目，并应该从结果中减去一个常数值。由此得到的数目是速度的度量值。技术人员可以容易的设计出执行这种计算的电子线路。
也可以采用其它形状的驱动电流，例如矩形驱动电流来代替图5和6所示实施例中所用的三角形驱动电流Id。
如果通过测量二极管激光腔电阻的变化来测量增益的变化，则也可以应用上述测量物体运动速度和方向的方法。
该测量方法只要求小的多普勒频移，例如波长的位移为1，5.10-16m的数量级时，该位移对于波长为680nm的激光对应于100kHz数量级的多普勒频移。
可以用图1的输入装置测量物体在一个平面中的两个垂直方向(X和Y)或沿测量轴线的运动。该输入装置包括两个垂直取向的二极管激光器和相关的光电二极管。在该输入装置上加上第三二极管激光器和相关的光电二极管可使该装置测量沿第三Z轴方向或测量轴线的运动。该第三二极管激光器可以配置在透镜10的光轴上，使得第三照明光束垂直入射在窗口12和物体上，在其它方向没有分量。这样可以在Z方向得到最佳的测量信号，为了增加X和Y测量信号的可靠性和准确性，三个二极管激光器最好配置在一个圆上，彼此隔开120度角。这种结构示于图8，其中第三二极管激光器和第三光电二极管分别用编号7和8表示。如果光电二极管4、6和8的输出信号或电阻测量信号分别用S4、S6、S8表示，则沿X、Y和Z测量轴线的物体速度Vx、Vy和Vz可分别计算如下：
Vx＝2S4-S6-S8
Vy＝√3.(S8-S6)
Vz＝1/√2.(S4+S6+S8)
执行这种计算的电子电路包括加法元件和减法元件，并且相当容易执行。
通过这种方式得到的在X和Y方向运动的速度值以及速度对运动经过时间积分得到的运动距离是更可靠的和更准确的，因为这些值是至少两个光电二极管输出信号的平均结果。运动误差或不要求的运动例如稍微抬高手指的运动对光电二极管的输出信号具有类似的影响。当通过输出信号彼此相减的方法确定沿X和Y测量轴线的运动时，可以消除在X、Y测量信号中不要求的运动的影响。只有Z测量信号Vz表现出手指或其它物体的上/下运动，该Z测量信号通过三个光电二极管的输出信号相加得到。
在用手指和输入装置沿Z轴方向的彼此相对运动来执行点击操作的应用中，只要检测到发生这种运动就足够了。准确测量物体的位移是不需要的，所以Z测量是相当粗略的。甚至不需要检测运动方向。
对相对于输入装置移动的物体的结构或反射系数几乎没有提出任何要求。已经证明，可以容易地测量白纸片和输入装置的相对运动。
从光学的观点看，光学模块的尺寸可以很小。输入装置的尺寸主要由必须装在输入装置中的电子器件的数量和容易大量制造的方面决定。在实际的实施例中，该窗口的尺寸为3mm～5mm见方。由于用在此装置中的测量原理，所以其部件不需要很准确地对齐，这对于大批量生产是一个很大的优点。
在图1的实施例中，透镜10可以用玻璃或透明塑料例如聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制作，这种透镜可以利用透明的粘接剂层11例如环氧树脂层固定在支承二极管激光器、光电二极管和处理电路的衬底上。对于此实施例，可以假定，二极管激光器沿垂直方向辐射，因而这些激光器可以是VCSEL式的激光器。利用线束法可将这种激光器容易地配置在底板上。
优选采用具有水平腔室的常规侧向发射二极管激光器，因为它们相当便宜，这种激光器可以配置成它在垂直方向上发射。例如可以将激光器装在一个小台上。然而也可以以这样的方式安装侧向发射二极管激光器，使得它们沿水平方向发射。图9a是垂直截面图，示出装有这种激光器的输入装置实施例，而图9b是此装置下部的顶视图。在这些图中，1代表底板或外壳板，电接触插脚62从该底板上伸出。该底板具有这样的导热性，使得它能够对二极管激光器起冷却元件的作用。示意示于图1和8的电子线路可以装在硅层或其它材料层60上，该层形成电路板。图1的实施例也可以包括这种层。元件3、5和7是侧向发射二极管激光器。对于每个激光器配置反射部件64，该反射部件反射二极管激光器发射的水平发射光束68和70到垂直方向，然后经透镜10射向装置顶部的窗口12。该反射部件最好为球形，使得它们也具有一定的光功率，并将入射的发散光束68、70转变成发散程度较小的或准直的或稍微收敛的光束。因此透镜10的光功率可以小于图1实施例中透镜10的光功率。另外，在图9a和9b的实施例中，透镜10可以是玻璃透镜，但最好是塑料透镜。塑料透镜价格便宜，重量比玻璃透镜轻，因此很适合用在这方面，因为对这种透镜没有提出严格的光学要求。盖子66与外壳板1一起形成装置的外壳，该盖子用塑料制作，具有透明窗口12。在应用三个二极管激光器或有时只用两个二极管激光器时，可以用一个塑料环构成两个反射部件，该环上覆盖反射涂层。上述环可以形成底板1的整体部分。因此该输入装置主要包括塑料，并仅包括三个结构部分，这些结构部分可以容易组装在一起。这些部分是：底板1，其上装有反射环；接触插脚62；二极管激光器和相关的光电二极管；透镜10；具有窗口12的盖子66。
图10示出输入装置的优选实施例，在该输入装置中可以进一步将这些部分作成一体。在此实施例中，图9a实施例的盖子66和透镜10可用单一的塑料部件70取代，该塑料部件的下侧向底板弯曲。该弯曲面对照明光束的折射效应与图9a中透镜10的折射效应相同。图10实施例的下部顶视图未示出，因为这部分与图9a和9b的部分相同。图10所示的实施例只包括两个结构部分，因此，比图9a和图9b所示实施例更容易组装。
在图8、9a、9b、10、11a和11b所示的实施例中，照明光束不聚焦在窗口的平面上。另外，因为这些光束从底板水平的不同位置射出，所以照明光束在作用平面上例如在窗口的平面上的不同位置形成照明点。这些照明光束和其散射的辐射因此在空间上是充分分开的，所以在本发明的输入装置中，在不同测量轴线之间的干扰不会成为问题。如果需要，可以利用波长稍微不同的二极管激光器来减小残留的干扰。为此，波长差只需几个nm便足够了。
消除干扰的另一种可能方法是对二极管激光器进行可控驱动，这种驱动在任何时刻仅使一个激光器被激发。交替激发不同二极管激光器的多路驱动电路可以构成这种可控驱动装置。这种多路驱动电路可以利用一个检测器或光电二极管来监测两个或三个二极管激光器。检测器配置在每个二极管激光器的有效范围内，并以分时模式应用。具有这种驱动电路的实施例的另外优点是减少了输入装置所用电路所占的空间和减少了功率的消耗。
图11a和11b示出输入装置的一个实施例，该实施例中，用光纤将照明光引到窗口。图11是该实施例的垂直截面图，而图11b是该实施例的顶视图。光纤72、73和74的输入端分别在光学上以已知的方式连接于二极管激光器3、5和7。光纤的所有输出端定位在输入装置的窗口上。这些光纤嵌入到固体材料例如环氧树脂或其它透明或不透明材料作的盖子78中。每个这种光纤形成分离器，用于由该光纤导向的辐射，既用于从相关二极管激光器发射的照明辐射，又用于返回该激光器的散射辐射。结果，在不同测量轴线之间的可能干扰是很小的或达到零。光纤的另一个优点是它们具有柔性，增加了设计多样性，而且它们可以将辐射传送任意的距离，使得二极管激光器和光电二极管可以配置在与输入装置的窗口离开相当远的地方。在图11a和11b的实施例中，二极管激光器和相关的光电二极管紧靠在一起配置。这些元件配置在分开的隔间79中，如图11a所示。这些隔间的材料可以与盖子的材料相同或是其它材料。
可以采用其它的光导件例如在透明或不透明材料体中的沟道来代替光纤。
图8～11b的实施例可以装两个二极管激光器，不用三个二极管激光器。如果输入装置只需进行X和Y运动的测量，而不需要进行Z测量例如进行点击操作，则便是这种情况。可以采用其它小型激光装置来代替二极管激光器，并且可以用其它小型辐射敏感装置来代替光电二极管。
因为可以低成本制造上述输入装置，所以该输入装置适合于装在大量的消费设备上。因为其尺寸很小，重量轻，所以该输入装置可以容易的结合在现有的设备上，增加了这些设备的功能，但又不会显著增加它们的成本和重量，而且不会改变其原来的设计。
图12示出这种新输入装置的第一的和最重要的应用，即用在移动式或蜂窝式电话设备80中，该设备的前表面上具有键输入部分82，该键输入部分包括许多用于拨号和启动其它功能的按钮开关83。显示装置85位于该部分82的上面。天线87装在电话80的顶表面上，当从按钮开关83键入号码例如10个键的号码或其它指令时，便可将关于键入指令的信息通过未示出的电话传输线路和天线传输到电话公司的基站。通过按钮开关键入的其它指令可以在电话线路中进行处理，启动装在电话线路中的不同功能，例如选择储存目录中的电话号码，或从标准信息表上发出指定的信息。由于电话装置上装有输入装置和控制光标88移过显示装置85的附加电路，所以可以以容易的方式执行一些现有功能，而且还可以产生新的功能。输入装置89可以配置在电话上的若干位置，例如配置在按钮开关的下面，如图12所示，或配置在侧表面的一个表面上，图12中只示出该输入装置的窗口。该输入装置的窗口最好位于握持该电话设备的手指通常可以达到的位置中的一个位置上。该设备的电路能够显示功能的菜单，手指在输入装置89的输入窗口上移动可使光标88移到预定的功能。在垂直于窗口的方向移动手指便可启动该功能。
该输入装置在结合于具有标准协议例如WAP协议或I模式因特网协议的移动电话中时具有很大的优点。由于具有这种协议，所以该设备可以用作环球互联网例如因特网的终端。因为因特网已越来越得到广泛的传播和应用，所以需要新的终端用户设备。首先选择的设备是具有机顶盒的电视机和移动电话。对于这种新的用途，这些设备应当装有能够很好匹配在例如电视机遥控单元或移动电话中的较小输入装置。本发明的输入装置完全满足这些要求。
为了达到移动电话设备达到的同样的目的，可以将此输入装置用在无绳电话设备上。无绳电话设备90示于图13。该设备包括基站92和移动设备94，该基站连接于电话或电缆网，而该移动设备可以用在距离基站的半径例如小于100m的范围内。该设备94包括键输入部分95和显示装置97，该设备94装有如上所述的输入装置99，安装方式类似于移动电话设备的方式。在图13中，也仅示出输入装置的窗口。和移动电话设备一样，设备94应当尺寸小、重量轻，并且在无绳电话设备中提供这种输入装置获得的优点与移动电话设备相同，特别是如果无绳设备具有例如WAP协议或进入因特网的I模式协议。
图14所示的包含接收机和显示装置101以及遥控单元107的常规电视机100可以作成适合于进入因特网，方法是在该电视机上加一个机顶盒105。该机顶盒通过电话或电缆网可以进入因特网，并将从因特网接收的信号转换成可以由电视机处理的信号，从而显示因特网的信息。电视因特网的用户应当具有在手边的用于输入因特网指令的输入装置，该输入装置应当装在遥控单元上。按照本发明，可以在遥控单元107中装上如前所述的光学输入装置109。在图中仅示出窗口的输入装置109可以配置在遥控单元的常规按键之间或配置在握持该遥控单元的手指中任何一个手指能够达到的其它位置上。
本发明的输入装置也可以用在计算机配置上，替代常规的用手驱动的跟踪球鼠标器或鼠标垫。图15示出称作笔记本或膝上型计算机的便携式计算机，该计算机包括底部分112和具有液晶显示器116的盖子部分115。该底部分接纳不同的计算机模块和键盘113。在该键盘中，可以配置本发明的光学输入装置119，该输入装置可以取代常规的鼠标垫。该输入装置可以配置在常规鼠标垫的位置上，或配置在任何可以容易达到的其它位置上。如果输入装置只用于测量手指在两个方向的运动，只执行常规鼠标垫的功能，则它只需包括两个二极管激光器。最好应用一种输入装置，该装置包括三个二极管激光器，因此具有点击功能，使得它也可以取代常规的笔记本点击按钮。
手持或掌上计算机是小型笔记本计算机，这种掌上计算机也可以装上本发明的光学输入装置，替代例如触及显示屏幕的笔，该笔通常用于选择显示菜单的功能。该光学输入装置可以配置在掌上型计算机的键盘上，但也可以配置在盖子的内侧。
图16示出台式计算机配置120，在该计算机中，可以各种方法应用光学输入装置来代替常规的跟踪球鼠标器。该计算机配置包括键盘121、计算机箱122和监视器123，该监视器可以是如图所示地固定在支承件124上的平面液晶监示器或是阴极射线管监视器。光学输入装置129最好装在键盘上，使得不再需要单独的鼠标器126和连接于计算机箱的电缆。也可以不用这种作法，而用装有光学输入装置的光学鼠标器代替跟踪球鼠标器，这种装置可以被倒置，即输入装置的窗口可以面向底面，鼠标器在该底面上移动。该输入装置可以测量这种运动，而不是像先前的应用一样测量人的手指在窗口上的运动。光学输入装置的这种应用具有很高的灵敏度。该输入装置可以检测相对于相当光滑的表面例如一片白纸片的运动。
在上述计算机配置中，输入装置可以配置在显示器部分，例如配置在图15所示的膝上型计算机的盖子115上或配置在掌上计算机的盖子上，而不配置在键盘部分上。该输入装置还可以装在除计算机显示器外的显示器上。
该光学输入装置也可以装在正常的笔中或装在虚拟笔中，测量这种笔的运动。在这些应用中，可以用纤维将二极管激光器发射的辐射引导到输入装置的窗口上，使得装置的主要部分远离笔尖。
图17示出具有笔杆131和笔尖132的正常笔。用于输入装置的部件的套子形外壳136固定在与笔尖相对的笔杆端部。该套子形外壳136接纳输入装置的二极管激光器、光电二极管和电路。光纤133、134引导二极管激光器发射的辐射。这些光纤例如结束于笔尖一半的地方，并形成输入装置的窗口，也可以将二极管激光器和光电二极管配置在远离笔的地方，并可以将二极管激光器发射的辐射传送到笔尖，然后经光纤返回到光电二极管，该光纤的一端固定于笔尖。当该笔移动书写文字或画图时，便可利用输入装置测量其运动即跟踪其运动，然后转换成电信号。该信号例如可以经导线138或用无线方法立即传输到计算机。该计算机处理该信号，使得所写的文字或所画的图可以立刻或经过相当时间在计算机的显示屏上显示出来，或送到另一个计算机或被归档。该笔还具有暂时储存由笔书写的文字和图形的装置。该笔通常只在水平面上移动，因而输入装置只需要包括两个二极管激光器和两根光纤。在某些情况下，需要测量笔的垂直运动。对于这种情况，输入装置应当具有第三二极管激光器和光纤。
图18是虚拟笔的垂直截面图，这种笔可以按照要求的图案横过无特征的纸或其它的底面上移动，要求的图案可以是字母、词、图等。该图案可通过笔的输入装置传送到各个位置上。这些位置可以利用计算机转换成虚拟的字和图，该虚拟的字和图可以转换成字母或词，或者立刻或稍后由该计算机显示，或送到另一个计算机，或输送到网络中。图18示出的虚拟笔实施例包括具有笔尖142的笔外壳141、位于下侧的底板143和在笔尖上的透明窗144。在笔的下侧可接纳二极管激光器3、4和有关的光电二极管4、6以及电子线路。这些部件可以装在层145上。该层对应于图9a和10中的层60。光纤146、147连接于二极管激光器，将激光辐射引导到窗口144。用固体材料例如塑料作的套子或包套148、149固定这些光纤。
对于图17的笔和图18的虚拟笔，二极管激光器和光电二极管可以配置在远离笔的位置。由二极管激光器发射的辐射可经光纤传送到笔尖，然后经光纤返回到光电二极管，该光纤的一端固定于笔尖。
本发明的输入装置还可以用在传真机和/或打印机设备上，以检测纸的滑移或测量纸的前移，使得在这种设备中不再需要很精确的和昂贵的驱纸马达。
另外，该输入装置还可以用在手持扫描器上，该扫描器可以用来读出纸片上的信息，立刻或在随后利用计算机重现该信息。这种手持扫描器装有测量扫描器扫过纸的运动的装置，使得可以可靠地重现信息。这种测量装置应当是小型的、重量轻，输入装置很适合于这种用途。手持扫描器本质上是已知的，这里不再说明。本发明的手持扫描器不同于已知扫描器之处在于，它包括如上所述的输入装置。
超声成像技术或回波描记术是一种医疗诊断技术，在这种技术中，可利用由人体组织反射的超声波来形成像。除完全实时成像外，这种技术类似于相互竞争的X射线成像技术和电脑断层摄影技术(CT)，具有非侵入和非离解的优点。这种技术采用连接于计算机的扫描装置。超声系统具有的其它优点是它们可以作得相当小(甚至可以作成便携式)，而且与例如也是非侵入性的磁共振成像系统相比更为廉价。在超声扫描装置中产生送入到人体内的超声波。各种人体组织有差别地反射超声波，然后在扫描装置中检测反射波，并将检测结果送到计算机，由此可以进行分析，形成可被显示的像。这种像是瞬间检测的一部分人体的二维横截面像，通过使扫描装置横向于人体运动，便可以检验该人体的其它部分。在此处，无需详细说明超声扫描装置，因为它是众所周知的装置。可以将本发明的输入装置装在超声扫描设备上以记录其运动，该设备很示意地示于图19。该图示出具有电缆152的扫描设备150，该电缆152将该扫描设备连接于未示出的计算机。在应用时，设备的表面154面向被检测的人体。编号159表示在图中只示出窗口的输入装置，利用该输入装置可以记录设备例如沿想象线155的运动。这种具有一个或两个测量轴线的输入装置提供了超声扫描器的新的功能，因为除二维超声图像外，可以利用计算机获得和处理扫描器运动的信息，使得后者可以产生被测试人体的三维图像。该扫描设备可选择地具有第二输入装置159’。因为输入装置是紧凑的，并且价格便宜，所以它容易装入到现有的超声扫描设备上，而不会增加太多的成本和重新设计该超声扫描设备。
可以将图12所示移动电话的输入装置应用在上下滚动开关中，以便滚动菜单目录。这种输入装置还可以具有确定点击的功能，这种点击可以启动由光标指定的菜单，该光标由上下开关控制。这种输入装置可以容易地由分立的组件构成，这种输入装置可以快速地开发许多新的应用。
图20示出滚动和点击输入装置160的第一实施例。该实施例包括两个激光器/二极管单元161和162，其中各个单元包括二极管激光器和光电二极管，也可以不用这种单元而采用分开的二极管激光器和光电二极管。在由单元161和162发射的辐射的各个路径上分别配置透镜163和164，该透镜将相关单元161和162的辐射光束165和166聚焦在作用面167上，该作用面可以是窗口的平面。该窗口172构成在其中应用该输入装置的装置外壳169的一部分，例如构成移动电话外壳的一部分，如图21所示。该激光器/二极管单元和相关的透镜可以这样配置，使得光束165和166的主要光线相对于窗口172的法线形成相反角度，例如对该法线分别形成正45和负45度的角度。
物体例如人的手指168可以移动经过作用面，进行滚动操作和/或点击操作。如上所述，两种操作造成由手指反射到激光器/二极管单元161和162的辐射发生多普勒频移。这些单元的检测器输出信号然后输送到信号处理和激光驱动电子线路170。该电路计算例如控制手指168的运动，并将这些运动的信息送到其输出端171。激光器/二极管单元161和162、透镜165和166、窗口172和电子线路170以及软件可以集成在一个模块上。该模块可以配置在应当具有滚动和点击功能的移动电话或其它设备上，也可以作成具有分立元件的输入装置。特别是可以利用构成移动电话或其它装置如遥控器、无绳电话或便携式计算机的一部分的微控制器或其他控制装置来处理一部分信号。
如前所述，通过调制激光器电流和计数由检测器接收的脉冲便可以检测手指或其它物体移向激光器/二极管单元或离开该单元的运动。从这些检测器的输出信号Sign1和Sign2便可以按下式计算平行于窗口的速度(V滚动)和垂直于该窗口的速度(V点击)，该输出信号分别代表物体沿光束165和166主要光线的速度：
V滚动＝√2.(Sign1-Sign2)
V点击＝√2.(Sign1+Sign2）
图22示出滚动和点击输入装置180的第二实施例。此实施例不同于图20和21之处在于用单个部件182替代两个透镜163、164和窗口172。该部件将光束165和166聚焦在其上表面184上，该上表面构成窗口。
如果图20～22所示的输入装置只需要提供滚动功能，则在原理上只需要一个二极管激光器、透镜和检测器。