CN101164075A - 具有定形照射的光学定位装置 - Google Patents

Abstract

一个实施例涉及一种光学位移传感器，用于通过确定在连续帧中光学特性的位移来传感数据输入装置和表面(304)之间的相对移动。该传感器包括照射器和检测器。照射器有光源和照射光学器件(506)，以用平面相前照射部分表面(510)。检测器有多个光敏元件(502)和成像光学器件(512)。照射器和检测器配置成使表面(510)的照射部分与比检测器的光敏元件(502)视场大50％相比要小。还说明了其它实施例。

Description

具有定形照射的光学定位装置

相关申请交叉引用

本申请要求由发明人Clinton B.Carlisle、Jahja I.Trisnadi、Charles B.Roxlo和David A.LeHoty于2004年5月21日提交的、题目为“Opticalposition sensing device having shaped illumination”的美国临时申请No.60/573,394的权益。上述美国临时申请的公开内容通过引用全部结合在本文中。

本申请还要求由发明人David A.LeHoty、Douglas A.Webb、CharlesB.Roxlo、Clinton B.Carlisle和Jahja I.Trisnadi于2004年5月21日提交的、题目为“Optical position sensing device having a detector array usingdifferent combinations of shared interlaced photosensitive elements”的美国临时申请No.60/573,075的权益。上述美国临时申请的公开内容通过引用全部结合在本文中。

技术领域

本发明一般涉及光学定位装置(OPD)，以及使用这种装置感测移动的方法。

背景技术

指示装置，例如计算机鼠标或跟踪球，用于将数据输入到个人计算机和工作站中，并与它们对接。这种装置允许在监控器上光标快速重新定位，且在许多文本、数据库和图形程序中都很有用。用户通过在一个表面上移动鼠标，使光标在与鼠标的移动成比例的方向和距离上移动来控制光标。备选的是，手在静止装置上的移动也可用于同样目的。

计算机鼠标有光学和机械两种型式。机械鼠标通常使用旋转球来检测移动，且一对轴编码器与球接触以产生数字信号，由计算机用来移动光标。机械鼠标的一个问题在于，由于污垢积累等原因在持续使用后易于不精确和出故障。此外，机械元件特别是轴编码器的移动和综合磨损必然限制装置的有用寿命。

上述机械鼠标问题的一个解决方案是开发光学鼠标。光学鼠标已经非常普及，因为它们更为健壮，且可提供更好的指示精确度。

用于光学鼠标的主要常规技术依赖于以切线入射而照射表面的发光二极管(LED)、捕获综合图像的二维CMOS(互补金属氧化物半导体)检测器、以及使连续图像相关联以确定鼠标已移动的方向、距离和速度的软件。这种技术通常提供良好的精确度，但却有光学效率低和相对高的图像处理要求等问题。

另一途径是使用一维阵列的光传感器或检测器，如光电二极管。表面的连续图像由成像光学器件捕获，转换到光电二极管上，并作比较以检测鼠标的移动。光电二极管可直接用导线连接成组，便于移动检测。这降低了光电二极管的要求，并能作快速模拟处理。这种鼠标的一个实例在授予Dandliker等人的美国专利No.5,907,152中公开。

在Dandliker等人的专利中公开的鼠标与标准技术的不同之处还在于它使用相干光源，例如激光器。来自相干源的光从粗糙表面散射开来产生光的随机强度分布，称为斑点(speckle)。使用基于斑点的图案有几个优点，包括高效的基于激光器的光产生以及即使在正常入射照射下的高对比度图像。这就允许有更高效的系统，并节省电流消耗，这在无线应用中很有利，可以延长电池寿命。

虽然在基于LED的常规光学鼠标上有了重大改进，但这些基于斑点的装置仍因许多原因并不能完全令人满意。具体地说，使用激光器斑点的鼠标并未展示出当今技术水平的鼠标通常所需求的精确度，通常需要有小于0.5％或左右的路径误差。

本公开内容讨论并提供了对现有技术光学鼠标和其它类似光学指示装置的某些问题的解决方案。

发明内容

一个实施例涉及一种光学位移传感器，用于通过确定在连续帧中光学特性的位移来感测数据输入装置和表面之间的相对移动。该传感器至少包括照射器和检测器。照射器有光源和照射光学器件，以照射部分表面。检测器有多个光敏元件和成像光学器件。照射器和检测器配置成使表面的照射部分与比检测器光敏元件视场大50％相比要小。

另一实施例涉及一种通过确定在连续帧中光学特性的位移来感测数据输入装置和表面之间相对移动的方法。照射由光源产生，且照射被照射光学器件映射到部分表面上。照射从表面的照射部分反射，且反射的照射被成像光学器件映射到检测器中光敏元件排列上。表面的照射部分与比光敏元件视场大50％相比要小。

另一实施例涉及一种光学位移传感器，用于通过确定在连续帧中光学特性的位移来感测数据输入装置和表面之间的相对移动。该传感器至少包括光源、照射光学器件、光敏元件排列以及成像光学器件。照射光学器件适用于以第一形状照射部分表面，且光敏元件排列包括类似于第一形状的第二形状。成像光学器件适用于映射从表面照射部分反射的照射，以使反射的照射覆盖光敏元件排列。

还公开了其它实施例。

附图说明

本发明的这些和其它各种特性和优点从以下的详细说明和从附图中就可更充分理解，但这些说明和附图不应被认为是将所附权利要求限制在所示的具体实施例上，而仅是为了作解释和理解，附图包括：

图1A和1B分别示出从光滑表面反射的光的衍射图案和从粗糙表面反射的光的干涉图案中的斑点；

图2示出按照本发明实施例的基于斑点的鼠标的功能方框图；

图3示出按照本发明实施例的光电二极管阵列的方框图；

图3示出按照本发明实施例的聚光光学器件的功能方框图；

图5示出按照本发明实施例的结构照射的光学图；

图6示出按照本发明实施例的两个轴的检测器元件的功能方框图，每个轴都有多行；以及

图7示出按照本发明实施例的检测器元件的各种排列。

具体实施方式

照射错位和效率低的问题

现有基于斑点的光学定位装置的一个问题在于，有可能被反射的照射与检测器错位，而不能覆盖检测器的整个光电二极管阵列。为了可靠地覆盖整个检测器阵列，现有的OPD通常配置成对远大于检测器视场的图像平面部分进行照射，以确保光电二极管阵列完全被反射的照射覆盖，而不管潜在的错位问题。

但是，具有大的照射区域就降低了光电二极管检测的反射照射的亮度强度。因此，为解决或避免现有OPD中错位问题的尝试经常导致损失光电二极管阵列可用的反射光，或对照射亮度提出更高的要求。

如以下详述，本发明的一个方面公开了对上述照射错位和低效率问题的解决方案。

本文公开的OPD实施例

本公开内容一般涉及用于光学定位装置(OPD)的传感器，以及基于从表面反射的光的随机强度分布图案，称为斑点的位移来感测传感器和表面之间相对移动的方法。OPD包括但不限于用于向个人计算机输入数据的光学鼠标或跟踪球。

在说明书中提到“一个实施例”或“实施例”是指，结合该实施例说明的一个具体特性、结构或特征被包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指同一实施例。

一般来说，用于OPD的传感器包括：照射器，它具有光源和照射光学器件以照射部分表面；检测器，它具有多个光敏元件和成像光学器件；以及信号处理或混合信号电子电路，用于组合来自各个光敏元件的信号，以产生检测器的输出信号。

在一个实施例中，检测器和混合信号电子电路是使用标准CMOS工艺和设备制造的。优选的是，本发明的传感器和方法提供了一种光学高效检测体系结构，即：使用产生均匀相前(phase-front)的结构照射和远心斑点成像，以及使用模拟和数字电子电路组合的简化信号处理配置。这种体系结构减少了专用于传感器中的信号处理和位移估算的电力量。已发现，使用斑点检测技术并按照本发明适当配置的传感器可以符合或超过通常对OPD所期望的所有性能标准，包括最大位移速度、精确度和％路径误差率。

基于斑点的位移传感器介绍

本节讨论申请人所理解和相信的基于斑点的位移传感器的工作原理。虽然这些工作原理对于理解很有用，但本发明的实施例不应不必要地受这些原理的限制。

参阅图1A，所示波长的激光器光被示为射到表面上的第一入射波102和第二入射波104，每个都与表面法线形成入射角θ。产生衍射图案106，它具有的周期性为λ/2sinθ。

形成对比的是，参阅图1B，任何具有尺寸大于光波长(即大约＞1μm)的形态不规则的一般表面倾向于使光114以近似Lambertian形式散射到全部范围。如果使用相干光源如激光器，则在由具有有限孔径的平方律检测器检测时，空间相干的散射光会产生复杂的干涉图案116。亮区和暗区的这种复杂干涉图案116称为斑点。斑点图案116的准确性质和对比度取决于表面粗糙度、光的波长及其空间相干程度、以及聚光或成像光学器件。虽然常常是高度复杂，但斑点图案116的明显特征是有一段任何粗糙表面被光学器件成像，于是当表面上的位置相对激光器和光学器件-检测器组件横向移位时就可用来对其加以识别。

期望斑点会有所有尺寸，高达由光学器件的有效孔径所设定的空间频率，常规上以其数值孔径NA＝sinθ定义，如图1B所示。根据Goodman[J.W.Goodman，″Statistical Properties of Laser SpecklePatterns″in″Laser Speckle and Related Phenomena″edited by J.C.Dainty，Topics in Applied Physics volume 9，Springer-Verlag(1984)-具体见39-40页]，尺寸统计分布以斑点强度自动相干性表示。“平均”斑点直径可定义为：

$a=\frac{\mathrm{\λ}}{\sin \mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$ (公式1)

式中λ为相干光的波长。

有趣的是要指出，斑点强度的空间频谱密度，根据Wiener-Khintchine法则，就是强度自动相干性的傅立叶变换。最细小的可能斑点a_min＝λ/2NA，由以下不太可能的情况设定，即：主要作用来自于图1B的最外射线118(即在±θ的射线)，且来自最“内”射线的作用有破坏性干扰。所以截止空间频率为f_co＝1/(λ/2NA)或2NA/λ。

请注意，数值孔径对于沿一个维度(例如“x”)和沿其正交维度(“y”)的图像中的空间频率可以不同。这可能是由于在一个维度上的光学孔径比另一维度上的要长(例如椭圆而不是圆)、或由于变形透镜而引起。在这些情况下，斑点图案116也会是各向异性的，且平均斑点尺寸在两个维度上会不同。

基于斑点的激光器位移传感器的一个优点是，它能用以近法线入射角到达的照射光来工作。采用成像光学器件和以切线入射角到达粗糙表面的不相干光的传感器也可用于横向位移传感。但是，由于照射的切线入射角用于产生图像中表面地形的适当大的亮-暗阴影，这种系统本身在光学上效率就低，因为很大一部分光以镜面形式反射到检测器之外，因此对所形成的图像不起作用。相反，基于斑点的位移传感器可以有效利用来自激光源的较大部分的照射光，从而允许开发光学高效的位移传感器。

基于斑点的位移传感器的所公开设计

以下的详细说明描述了用于一个这种基于斑点的激光器位移传感器的体系结构，它使用CMOS光电二极管，并有模拟信号组合电路、适量的数字信号处理电路、以及低功率光源，例如850nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)。虽然在以下的详细说明中讨论了某些实现细节，但所属领域的技术人员应理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，不同的光源、检测器或光敏元件、和/或用于组合信号的不同电路也可使用。

现参阅图2和3对按照本发明实施例的基于斑点的鼠标加以说明。

图2示出按照本发明实施例的基于斑点的系统200的功能图。系统200包括激光源202、照射光学器件204、成像光学器件208、至少两组多个CMOS光电二极管阵列210、前端电子电路212、信号处理电路214、以及接口电路216。光电二极管阵列210可以配置成提供沿两个正交轴x和y的位移测量。可以使用前端电子电路212中的无源电子组件将每个阵列中的多组光电二极管加以组合，以产生组群信号。组群信号随后可由信号处理电路214进行代数组合，以产生(x，y)信号，提供在x和y方向上OPD位移的幅度和方向的信息。(x，y)信号可由接口电路218转换成x、y数据220，其可由OPD输出。使用这种检测技术的传感器可以具有线性光电二极管的交错组阵列，称为“差分梳形阵列”。

图3示出这种光电二极管阵列302的一般配置(沿一个轴)，其中表面304由相干光源，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)306和照射光学器件308照射，且其中阵列302中交错组的组合用作对斑点图像所产生的亮-暗信号空间频率的周期性滤光器。

由粗糙表面304产生的斑点被映射到具有成像光学器件310的检测器平面。优选的是，成像光学器件310是远心的，以求有最佳性能。

在一个实施例中，在两个独立正交阵列中执行梳形阵列检测，以获得在x和y上的位移估算。一个小型的这种阵列302示于图3。

检测器中的每个阵列包括N个光电二极管组，每组有M个光电二极管(PD)，排列起来形成MN线性阵列。在图3所示的实施例中，每组包括四个光电二极管(4PD)，称为1、2、3、4。将每组中的PD1电连接(线和)形成一组，PD2、PD3和PD4也一样，得到从阵列出来的四条信号线。它们对应的电流或信号是I₁、I₂、I₃和I₄。这些信号(I₁、I₂、I₃和I₄)可称为组群信号。通过使用差分模拟电路312产生同相差分电流信号314(I₁₃)＝I₁-I₃，以及使用差分模拟电路316产生正交差分电流信号318(I₂₄)＝I₂-I₄，可实现背景抑制(以及信号加重)。这些同相和正交信号可称为线信号。比较I₁₃和I₂₄的相位就可检测移动的方向。

优选的是，为抑制相位误差的引入，因它可直接转换为位移误差，本发明的传感器使用多个梳形阵列。此外，虽然本文说明的实施例对各阵列使用“4N”方案，但该系统设计基本原理(适当改动后)适用于其它阵列配置或方案，如3N、5N、6N、7N、8N等等。术语“4N”是指将每个第四检测器连线在一起、且所得到的四个光电流信号彼此相减的检测器阵列，如在Dandliker等人的专利(美国专利No.5,907,152)中所述的。但是，用组合信号的适当方案，也可能有许多其它分组。

成像或聚光光学器件402的实例总体示于图4。光被表面404的区域A_S散射，并成像到区域A_det的检测器406上。对于Lambertian表面，检测器的收集效率可表示为：

$\mathrm{\η}=2{\mathrm{\η}}_{\mathrm{optics}}r\frac{A_{\det }{\mathrm{\Ω}}_{\det }}{A_s{\mathrm{\Ω}}_s}$ (公式2)

式中η_optics是光学组件的效率(吸收、Fresnel反射等)，r是有效表面反射率，Ω_s是表面所对的立体角，以及Ω_det是检测器所对的立体角。

定形照射

申请人相信他们已发现：保持良好光学效率的一个途径是，将照射覆盖区定制设计成在尺寸和形状上与检测器覆盖区密切匹配，假定照射光束具有平面的或均匀的相前。更优选的是，照射覆盖区具有恰好足够的溢出，以对操作和制造引起的较小错位提供所需的容限。

这种结构照射的一个实施例示于图5。图5中示出的一个特性是，照射仅落在成像光学器件视场(FOV)内的光学表面上的那些位置上。如果光电检测器阵列的几何形状是不寻常的或非对称的形状，例如图5中所示的检测器排列502的“L”形几何形状，则为有最佳光学效率，照射光学器件504理想的是应仅在粗糙表面上的那个区域上提供光。落在该FOV区域外的粗糙表面上的光被浪费掉，降低了光学定位系统的净效率。

在一个实现中，所照射部分的非对称(即非圆形的)形状不会是照射源的直接图像，而是由照射光学器件504的配置而形成。照射区域的形状可以甚至是非凸的。如图5中的实例所示，使用组合有衍射结构508的标准折射或反射光学表面506允许产生具有平面相前的特定照射空间图形510，以最佳地匹配成像光学器件所要求的FOV。成像光学器件512配置成将特定照射图形510以如下方式映射到检测器排列502上，即：使光感测元件被有效覆盖，但没有覆盖感测区域外的过大区域。换句话说，图5的光学系统500配置成使所反射的照射与检测器排列502的形状大致匹配，以使落在检测器视场外的光减至最少。有利的是，这就更有效地利用了来自光源的功率。

优选的是，光学器件配置成使表面的照射部分与比检测器光敏元件视场大50％相比要小。换句话说，所反射的照射优选覆盖的检测器区域不大于覆盖检测器所有光敏元件的最小区域的百分之一百五十(150％)。更优选的是，光学器件配置成使基本上所有(例如85％或更多)的表面照射部分都落在检测器光敏元件的视场内。

图5所示的特定实例示出，照射图形510在形状上可以是对覆盖光电检测器排列502的反射照射的镜像。这取决于成像光学器件512的配置。

按照本发明的特定实施例，检测器配置可以和排列在两个轴上平行行中的多个交错“像素”(检测器元件)阵列一起使用，如图6所示。具体地说，图6示出三个交错阵列602排列在x-轴上的平行行中，三个交错阵列604排列在y-轴上的平行行中。

如以上结合图3所述，每个“4N”阵列包括四组电连接(线和)的N个检测器元件，产生四个信号S₁、S₂、S₃、S₄。背景抑制(和信号加重)通过取差分信号S₁₃＝S₁-S₃和S₂₄＝S₂-S₄完成。转换的量和方向可以从正交对S₁₃和S₂₄中导出。

在此具体实施例中，三个“4N”阵列(602和604)用于每个轴(x和y)，以抑制在位移中积累的相位误差。对于该特定实施例，有24条线(2个轴，3个阵列/轴，4个信号/阵列)被提交到前端电子电路606，它处理这些信号，并向数字信号处理器608提供输入。DSP 608例如可具有通用串行总线接口(USB I/F)610。

其它实施例可使用具有不同于四的M值(即元件分组数)的交错检测器阵列。其它实施例也可使用每个维度不同的行数，而不是三行。在x和y维度上的行数不必相同。

其它实施例可以配置有不是“L”形排列702的检测器阵列排列。其它可能的排列实例示于图7，例如T形排列704，方形排列706，“+”或“X”形排列708。还有其它实施例可配置成轴(行)在非垂直斜角上的排列，如“V”或“Δ”形排列。

本发明的特定实施例和实例的上述说明是为了图示和说明的目的而提出，虽然已通过某些前述实例对本发明作了说明，但不应认为本发明受其限制。说明和图示并不旨在穷举或将本发明限于所公开的精确形式，根据上述内容可以有许多在本发明的范围内的改动、改进和变化。本发明的范围应包括本文所公开的，以及由本文所附权利要求书及它们的等效物所包括的一般领域。

Claims (20)

1.一种光学位移传感器，用于通过确定连续帧中光学特性的位移来感测数据输入装置和表面之间的相对移动，所述传感器包括：

照射器，具有光源和照射光学器件，以通过具有基本上平面相前的照射光束照射部分所述表面；

检测器，具有多个光敏元件和成像光学器件；以及

其中所述照射器和所述检测器配置成使所述表面的所照射部分与比所述检测器的所述光敏元件视场大50％相比要小。

2.如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述照射光学器件包括衍射和折射光学器件，以使落在所述检测器视场之外的光最少。

3.如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述多个光敏元件包括沿第一轴排列成基本上直线的第一组多个光敏元件以及沿第二轴排列成基本上直线的第二组多个光敏元件，且其中第二轴不平行于第一轴。

4.如权利要求3所述的光学位移传感器，其中第二轴与第一轴成大约90度的角。

5.如权利要求3所述的光学位移传感器，其中第一组和第二组多个光敏元件沿第一轴和第二轴排列，以形成“L”、“T”、“+”、“X”、“V”、“Δ”或方形阵列。

6.如权利要求5所述的光学位移传感器，其中所述照射器还配置成使所述表面的所照射部分在所述表面上定义对应的“L”、“T”、“+”、“X”、“Δ”或方形。

7.如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述照射器还配置成使所述表面的所照射部分在形状和区域上对应于所述检测器的所述光敏元件的视场。

8.如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述照射器还配置成使所述表面的所照射部分充分大于所述检测器的视场，以为光学位移传感器组件在工作和制造中的误差提供预定的容限，且其中所述表面的所照射部分与比所述检测器的视场大50％相比要小。

9.如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述光敏元件包括光电二极管，且所述光源包括激光器。

10.如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述光学位移传感器是基于斑点的位移传感器，适用于基于从所述表面反射的光所产生的复杂干涉图案来识别所述表面上的位置，且其中所述激光器包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。

11.如权利要求1所述的光学位移传感器，其中所述照射器和所述检测器配置成使基本上所述表面的所有所照射部分都落在所述光敏元件的视场内。

12.一种通过确定连续帧中光学特性的位移来感测数据输入装置和表面之间相对移动的方法，所述方法包括：

从光源产生照射；

由照射光学器件将所述照射映射到部分所述表面上，以使照射光束具有基本上平面相前；

反射来自所述表面所照射部分的照射；以及

由成像光学器件将所反射的照射映射到所述检测器中的光敏元件排列上，

其中所述表面的所照射部分与比所述光敏元件视场大50％相比要小。

13.如权利要求12所述的方法，其中由所述照射光学器件映射所述照射包括折射和衍射所述照射，以使所述表面的所照射部分在形状上对应于所述检测器中所述光敏元件的视场。

14.如权利要求13所述的方法，其中第一组多个光敏元件沿第一轴排列成基本上直线，且第二组多个光敏元件沿第二轴排列成基本上直线，且其中第二轴不平行于第一轴。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述光敏元件排列成形成由“L”、“T”、“+”、“X”、“V”、“Δ”和方形构成的形状组中的形状，且其中所述表面的所照射部分形成对应的形状。

16.如权利要求14所述的方法，其中映射所述照射包括照射部分所述表面，以在所述表面上定义“L”、“T”、“+”、“X”、“V”、“Δ”或方形，所照射部分叠加到或在形状上对应于所述检测器的视场。

17.一种光学位移传感器，用于通过确定连续帧中光学特性的位移来感测数据输入装置和表面之间的相对移动，所述传感器包括：

光源；

照射光学器件，适用于以第一形状照射部分所述表面；

光敏元件排列，包括类似于第一形状的第二形状；

成像光学器件，适用于映射从所述表面的所照射部分反射的照射，以使所反射的照射覆盖所述光敏元件排列。

18.如权利要求17所述的光学位移传感器，其中第一形状不是圆形，且不是所述光源的直接图像。

19.如权利要求17所述的光学位移传感器，其中第一形状为非凸的。

20.如权利要求17所述的光学位移传感器，其中所述表面的所照射部分与比所述光敏元件视场大50％相比要小。

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