CN100461080C

CN100461080C - 光学运动感知装置

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Publication number: CN100461080C
Application number: CNB2006800015439A
Authority: CN
Inventors: 高勇; 刘建
Original assignee: APEXONE MICROELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: APEXONE MICROELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2009-02-11
Anticipated expiration: 2026-07-12
Also published as: US20090121120A1; WO2008009173A1; CN101091151A; US7906757B2

Abstract

一种光学运动追踪装置，包括光学感测阵列，其包括高光敏度的光学传感器，其连接到计算电路，该计算电路设于外壳内部。该高光敏度的光学传感器利用从表面反射或透过，并通过开口传输进入外壳的周围环境光线来探测表面的光学特性。底部设有突起14，其将该追踪装置抬起于表面上并让周围光线照射表面。非透明的侧壁形成于开口至光探测阵列，围绕一光路以减少光线干扰。靠近开口的反射带用以增加表面的光照。计算电路用以计算光感测器阵列形成的图像信号的相关值。

Description

光学运动感知装置

技术领域

本发明关于运动传感技术，特别是关于一种光学传感技术，如应用于计算机指示装置中的光学传感技术。

背景技术

一般计算机指示装置，通常指鼠标，是最常用的计算机接口设备之一。当鼠标在界面上移动时，一鼠标中的运动传感装置感知鼠标的移动并相应地在计算机屏幕上移动光标。运动传感装置通常有两种，机械运动传感器和光学运动传感器。

机械运动传感装置，通常包括一位于鼠标底部的跟踪球，其机械性地连接到两滚轮上。当鼠标在某些表面移动时，例如鼠标垫或桌面，该跟踪球会滚动。上述滚轮将跟踪球的滚动转换成电信号控制计算机屏幕上的鼠标运动。该机械运动传感装置容易因污垢积累和磨损而损坏。

光学运动传感装置，通常包括一发光装置，例如发光二极管和光感测器阵列。该光感测器阵列感知从发光装置发出的光束并通过一鼠标底面反射。当鼠标在表面上移动时，该表面不同区域的性质，如颜色、质地、反射率等，相对于光感测器阵列移动。该光感测器阵列感知反射光束并从光束的变化解读鼠标相对于表面的移动。对于光学鼠标，该发光装置是一个主要的功率消耗器件。对于无线鼠标，该发光装置可能是决定电池使用寿命的主要因素。

因此，需要具有一高效节能的运动传感装置的计算机指示设备。该运动传感装置最好是可靠并支持鼠标高效动作。并且该鼠标最好结构简单、使用方便、成本低廉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效节能的光学运动感知装置。

本发明光学运动感知装置的目的主要通过如下技术方案之一实现：

一种运动传感装置，包括：一外壳、若干个光感测器及计算电路，其中外壳上形成一开口。若干个光感测器在上述外壳中排成阵列，并正对上述开口，以感知透入的周围光线。一计算电路连接到上述若干个光感测器，并用于计算由上述光感测器形成的图像信号序列的相关函数。

本发明光学运动感知装置的目的主要通过如下技术方案之二实现：一种运动感知装置，包括：一具有充分平坦部分的外壳。一开口形成于上述外壳充分平坦的部分。若干个突起形成于上述外壳充分平坦的部分，该突起各自分开并与上述开口分开。一光感测器阵列设于上述外壳风，正对上述开口，用于感受透过开口的周围光线。一围绕光路的侧壁设于外壳内部，形成于开口到光感测器阵列。一计算电路连接到上述光感测器阵列，并用于计算光感测器阵列形成的图像信号序列的相关函数。

本发明光学运动感知装置的目的主要通过如下技术方案之三实现：一种用于控制光标的计算机鼠标，包括：一上外壳。一底部连接到上述上外壳，并具有一开口形成于其上。若干个突起形成于上述底部并远离上述开口。一光感测器阵列位于上外壳和底部之间，正对上述开口，用于感知透过该开口的外部光线。一光路侧壁围绕一光路，其形成于底部开口至光感测器阵列。一计算电路连接到光感测器阵列，通过由光感测器阵列形成的图像信号序列计算出相关函数，在此基础上产生光标控制信号。

与现有技术相比，本发明光学运动传感装置不需要额外设置发光装置，结构简单且更为高效节能。

附图说明

图1是本发明光学运动传感装置的示意图；

图2是本发明光学运动传感装置的另一示意图。

实施方式

本发明的几个实施例描述参考如下附图，类似结构或功能在附图中的表示为参考图号。附图仅仅是为了便于本发明优选实施例的描述，而并不是本发明的穷尽性描述或作为对本发明的限制。另外，此附图并不一定是标准尺寸。

图1是本发明光学运动传感装置10的横向剖面图。该光学运动传感装置10在图1实施例中为一光学鼠标，用于移动计算机屏幕上的光标。该鼠标10具有一以塑料或其它材料制成的外壳11。更佳的，该外壳11具有一适于握持的形状。该外壳11具有一底部12。该底部12和该外壳的顶部可一体成型，或是两个独立的部分连接在一起。图1中显示的底部12是平坦的。当鼠标10放置于表面25上，如桌面、鼠标垫等，底部12一些突起14会将底部12撑起于表面25上，使底部12与表面25之间有一空隙。较优的，突起14形成于底部12的外围，并各自均衡分布，这样为鼠标10在表面25上提供了稳定的支撑。该突起14支撑底部12离开表面25，这样外部的光线可照射到底部12下方的表面25。该突起14的高度最好设置为，可将底部12与表面25之间进入的外部光线最大化，便于鼠标10的使用。更佳的，突起14的高度在0.1毫米到3毫米之间。本发明中突起14与底部12可一体形成，也可突起14连接到底部12。

所述底部12形成有一个开口15。较优的，该开口15形成于底部12的中心。光可通过开口15进入该鼠标10外壳11的内部。较优的，该开口15是圆形的，直径大约在0.1毫米到10毫米之间，或大约在2毫米到5毫米之间。在某些实施例中，该开口15可大约为3毫米。诚然，该开口15在形状上并不限定为圆形。开口15也可为椭圆的、正方形的、长方形的或三角形等等。本发明的一较优实施例中，一透镜16放置于开口15处，为外壳11中的光感测器阵列18聚集光线。较优地，该光感测器阵列18正对开口15，且该阵列包括若干个排成阵列的光感测器。另外，光感测器阵列18电性连接到信号处理或计算电路19，以处理来自光感测器的信号。

本发明的某个实施例中，从开口15到光感测器阵列18的光路被一侧壁17包围。该光路侧壁17可与底部12一体成形，也可通过一机械装置如夹子、螺丝、螺栓类似的东西连接到外壳11。如果鼠标10的外壳11是透明或半透明的，该光路侧壁17则最好是不透明的。不透明的光路侧壁17可阻挡来自表面25及光感测器阵列18以外的光线。这样减少了光感测阵列18的光线干扰并提升了运动追踪的效果。

但光路侧壁17并非限定为不透明的。当外壳11是不透明的，只有能到达光感测器阵列18的光线才会通过开口15。在这样的情况中，就不需要阻止除来自表面25以外的光线。另外，侧壁17并为限定为一定存在。

实际使用中，光感测器阵列18感测到来自开口15底部透镜16的光束21。光束21可来自从表面25反射，表面25可为鼠标垫，桌面等，或当表面25为部分透明或半透明时，光束21可来自从表面25透出。光束21包括表面25的颜色，质地，对比度，亮度，光滑度等信息。当鼠标10相对于表面25移动时，光束21中包含的信息也在持续变化。光感测器阵列18感知这种变动，且计算电路19根据光束21中的信息变动计算鼠标10相对于表面25的移动。基于该计算结果，计算电路19产生一个控制信号给主机，以控制屏幕上的光标移动。

图1只是鼠标10的示意图，以利于本发明一特定实施例的描述，并不包括所有的特性或元件。如鼠标10可没有透镜16或具有多个透镜16。另外光感测器阵列18和信号处理电路19可制作在一张芯片上或两张单独的芯片上。鼠标10可与主机有线传输或无线传输。无线传输方式包括，但并不限定于，无线电频率(RF)和红外线(IR)。

光感测器阵列18通过光束21探测表面25的性质。计算电路19处理来自光感测器阵列18的信号，并计算鼠标10相对于表面25的移动。更佳地，光束21来自反射表面25或透过表面25的周围光线。在该实施例中，鼠标10不需要发光装置。在现有的光学鼠标中，发光装置如发光二极光，发光照射鼠标底部的表面。一光感知电路感知从表面反射的光束并从光束的变化中计算鼠标相对于表面的移动。该发光装置通常是鼠标的主要耗电源。对无线鼠标而言，也是影响电池寿命的主要因素。另外，该发光装置增加了电路的复杂度和成本，并影响了鼠标的可靠性。

为了有效并可靠地利用周围光线追踪鼠标10的移动，光感测器阵列18最好由高灵敏性的光感测器组成。较优地，该光感测器的敏感度到达1勒克斯(LUX)。比如，由韩国电子部品研究院和行星82(Planet82)公司研发的单一的载波调制光感测器(SMPD)摄像传感器可在本发明中作为光感测器阵列18应用。因为SMPD摄像传感器可利用标准金属氧化物半导体(CMOS)大批量生产，而不需另外的设备投资，这样本发明在光感测器阵列18中利用SMPD摄像传感器的鼠标10的成本可以有效利用。

本发明中，该光感测器阵列18是以正交直线方式排列，每个光感测器都有一个像素的宽度。计算电路19中的状态机比较正交直线中光感测器阵列18的输出信号，并且感知鼠标对于表面的移动。在本发明的其它实施例中，光感测器阵列18在二维空间中可排列成圆形、椭圆形、方形、长方形或多边形。或者更优地，该光感测器阵列18的排列形状类似于开口15的形状。计算电路19通过计算新捕捉到的取样图像与之前的取样图像的相关值来追踪鼠标移动，进一步确定移动的方向和距离。特别地，计算电路19通过比较新捕捉到的取样图像与之前捕捉的原始像素的参考图像来计算相关值，然后将参考图像以一具体的模块移位到其邻近的像素点。计算电路19也可通过比较之前捕捉的参考图像与新捕捉的原始像素的取样图像来计算相关值，然后将取样图像以一具体的模块移位到其邻近的像素点。本发明的各种实施例中，该模块可为各向同性的，如方形的、圆形的、菱形的等等，也可为各向异性的，如长方形的、椭圆形的、长形的或指向的。对于各向异性的模块，计算电路19最好选择基于鼠标10的预测运动定向上的具体异向模块。同样对于方向性模块，计算电路19最好选择基于鼠标10的预测运动定向上的具体方向模块。鼠标10的移动历史可作为预测其下一步移动的基础。通过基于移动预测适当的模块选择，并将图像以方向性或异性模块转换进行相关计算，以提供有效可靠的追踪鼠标10相对于表面25的移动。

根据本发明的另一优先实施例，围绕开口15的部分底部12至少具有一高反射性表面，这样可以增加从表面25反射的光束21的强度。底部12的突起14有一适当高度，以使足够的光通过底部12与表面25之间照射表面25。更佳地，突起14的高度大约在0.1毫米到3毫米之间。另外，外壳11包括底部12即非透明也非半透明，以最大限度减少光感测器阵列18的光线干扰。

图2是本发明另一优选实施的光学鼠标30。该鼠标30在结构上与之前提到的图1的鼠标10类似，图2显示了鼠标30的底部视图。

如图2所示，鼠标30底部12具有一高反射带32围绕开口15。该反射带32的功能相当于一面镜子反射开口15周围表面25的外部光线，这样增加了表面25的光照并改善了鼠标追踪性能，特别是在光线较暗的情况下。本实施例中，反射带32具有一凹面以将光线聚集到开口15附近的一部分表面25。反射带32的形成可通过在底部12粘贴一反射性胶片，或是以反射性材料电镀底部12，或是以反射性涂料着色底部12等。比如，可由镀铬的薄片粘贴到底部12形成反射带32，或者是含铝的涂料涂抹到底部12。在另一方式中，反射带32包括一邻近开口15，嵌于底部12的面。

图2显示了环形的反射带32，其围绕于开口15。这并不作为本发明的限制，反射带32也可为其它形状，如方形的、长方形的、三角形的等。比如，反射带32可形成一特别的形状作为鼠标30的修饰。进一步地，反射带32可覆盖整个底部12。另一实施方式中，外壳11可完全地覆盖反射材料以增加表面25的光照并提供独特的表面修饰。

图2也显示了鼠标30的底部12具有4个发光二极管35，其靠近开口15。在本发明的优先实施方案中，鼠标30还包括一感光电路或控制电路(图2中未示)，可根据周围光线的强度用以打开或关闭发光二极管35。在另一实施例中，该控制电路可连接到光感测器。当光感测器接受到的光线强度低于某一标准，如0.8勒克斯，该控制电路就打开发光二极管35，这样使得鼠标30进入暗环境工作状态。在另一实施例中，鼠标30包括一人为控制的开关可切换发光二极管35的开关。当发光二极管35打开时，鼠标30可在完全黑暗的环境中操作。当有足够的环境光线时，发光二极管35就最好关闭以更有效地利用鼠标30的能量。

图2显示鼠标30具有4个发光二极管35，这并作为本发明的限制。在本发明的许多其它实施中，鼠标30可包括任意数目的发光二极管，如一个、二个、三个等，以协助鼠标30在黑暗中工作。进一步地，发光二极管35可用其它种类的发光装置替代。更优地，鼠标30中具有的高效的发光装置。

到目前为止已有高效的运动追踪装置。根据本发明，一运动追踪装置包括一光感测器阵列并可追踪目标的移动。如光学鼠标，通过感测计算表面的光学特性的变化来追踪移动。本发明的另一优选实施例中，该运动追踪装置包括高灵敏度的光感测器并利用表面反射或穿透的环境光线探测表面的光学特性来追踪移动。更优地，该装置可包括反射表面或镜面来提高表面的光照。根据另一优选实施例，该运动追踪装置包括一发光二极管，可用于当环境光线太暗时的照明，使得该追踪装置在黑暗中也可正常工作。通过使用高灵敏度的光感测器并通过环境光线追踪其移动，该运动追踪装置节能，高效，特别适宜在利用电池的应用，如无线鼠标。

在此描述的本发明的一些具体的实施例并不作为本发明的限制。本发明的一些改善和变换对于本领域技术人员而言是显而易见的。比如，本发明的运动追踪装置并不限制为计算机的鼠标。它可用于其它包括运动追踪的装置，如交互式电视远程控制。另外本发明的运动追踪装置并不限制为在表面上移动。它也可通过追踪远距离的物体的特性变化来追踪移动。进一步地，围绕开口的表面也并不限制为基本平坦的。

Claims

1.一种运动传感装置，包括：

一外壳，其上形成一开口；

若干个光感测器在上述外壳中排成阵列，并正对上述开口，以感知透入的周围光线；

一计算电路连接到上述若干个光感测器，并用于计算由上述光感测器形成的图像信号序列的相关函数；

其中，上述外壳具有一充分平坦的底部，且上述开口形成于该底部的中央；

上述运动传感装置进一步包括若干个外壳底部的突起，当该运动传感装置于表面上时，这些突起从表面抬起底部；

其中，至少一部分邻近于上述开口的底部具有高反射性。

2.如权利要求1所述的运动传感装置，其特征在于：上述若干个光感测器包括若干个较高光敏度的光传感装置。

3.如权利要求2所述的运动传感装置，其特征在于：上述光传感装置光敏度为1勒克斯。

4.如权利要求1所述的运动传感装置，其特征在于：上述若干个光感测器包括若干个单一的载波调制光感测器摄像传感器。

5.如权利要求1所述的运动传感装置，其特征在于：上述若干个突起与外壳底部一体成形。

6.如权利要求1所述的运动传感装置，其特征在于：上述若干个突起形成于外壳底部的外围。

7.如权利要求1所述的运动传感装置，其特征在于：进一步包括包围光路的侧壁，该侧壁从开口到若干个光感测器。

8.如权利要求7所述的运动传感装置，其特征在于：该侧壁是不透明的。

9.一种运动感知装置，包括：

一具有充分平坦部分的外壳；

一开口形成于上述外壳充分平坦的部分；

若干个突起形成于上述外壳充分平坦的部分，该突起各自分开并与上述开口分开；

一光感测器阵列设于上述外壳内，正对上述开口，用于感受透过开口的周围光线；

一围绕光路的侧壁设于外壳内部，形成于开口到光感测器阵列；

一计算电路连接到上述光感测器阵列，并用于计算光感测器阵列形成的图像信号序列的相关函数。

10.如权利要求9所述的运动感知装置，其特征在于：上述的光感测器阵列包括若干个光传感装置，具有至少一勒克斯的光敏度。

11.如权利要求9所述的运动感知装置，其特征在于：上述光感测器阵列包括若干个单一的载波调制光感测器摄像传感器。

12.如权利要求9所述的运动感知装置，其特征在于：上述开口具有0.1毫米到3毫米的直径。

13.如权利要求9所述的运动感知装置，其特征在于：进一步包括：

一邻近开口的发光装置；及

一开关连接到上述发光装置，用于切换该发光装置的开与关。

14.如权利要求13所述的运动感知装置，特征在于：上述开关用于在周围环境光线低于预定标准时将发光装置打开，在周围环境光线高于预定标准时将发光装置关闭。

15.一种用于控制光标的计算机鼠标，包括：

一上外壳；

一底部连接到上述上外壳，并具有一开口形成于其上；

若干个突起形成于上述底部并远离上述开口；

一光感测器阵列位于上外壳和底部之间，正对上述开口，用于感知透过该开口的外部光线；

一光路侧壁围绕一光路，其形成于底部开口至光感测器阵列；

一计算电路连接到光感测器阵列，通过由光感测器阵列形成的图像信号序列计算出相关函数，在此基础上产生光标控制信号；以及

进一步包括一连接到底部环绕开口的镜面。

16.如权利要求15所述的计算机鼠标，其特征在于：该光感测器阵列包括若干个单一的载波调制光感测器摄像传感器，其具有至少1勒克斯的光敏度。

17.如权利要求15所述的计算机鼠标，其特征在于：进一步包括：

一发光装置，其靠近上述开口；及

一开关连接到上述发光装置，用于在周围环境光线低于预定标准时将发光装置打开，在周围环境光线高于预定标准时将发光装置关闭。