CN101206541B - 用于对表面进行导航的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于对表面进行导航的方法和装置。在一个实施例中，通过1)利用安装到导航设备的第一光传感器来检测从表面反射的光，和2)利用随时间变化的第一光传感器的输出来确定导航设备关于表面的相对移动，来对表面进行导航。在利用第一光传感器期间，确定随时间变化的第一光传感器的输出是否指示导航设备关于表面的移动。如果确定结果为否，则1)安装到导航设备的与第一光传感器不同类型的第二光传感器被用于检测从表面反射的光，并且2)随时间变化的第二光传感器的输出被用于确定导航设备关于表面的相对移动。
Description
技术领域
本发明涉及用于对表面进行导航的方法和装置。
背景技术
早期的光学计算机鼠标利用基于散斑(speckle)的光传感器来检测从表面反射的光。例如，计算机鼠标可能利用多组垂直定向地布置的光电二极管来生成与鼠标在表面上的移动相对应的x方向和y方向时变输出。然后这些输出可以被中继到计算机系统，以使得计算机系统可以确定鼠标关于表面的相对移动。
最近，光学计算机鼠标已利用基于图像的光传感器来检测从表面反射的光。例如，计算机鼠标可能获得从表面反射的光的相继图像。然后，导航引擎(通常在鼠标上)将比较所述图像的相继图像，以生成与鼠标在表面上的移动相对应的时变的x方向和y方向输出。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种用于对表面进行导航的装置，该装置包括：第一光传感器和第二光传感器，用于检测从表面反射的光，其中，所述第一光传感器是图像传感器，所述第二光传感器是基于散斑或光电二极管的传感器；导航引擎，用于或者利用随时间变化的所述第一光传感器的输出，或者利用随时间变化的所述第二光传感器的输出，来确定所述装置关于所述表面的相对移动；切换控制机构，用于使得所述导航引擎i)利用所述第一光传感器的所述输出来确定所述装置关于所述表面的相对移动，或者ii)利用所述第二光传感器的所述输出来确定所述装置关于所述表面的相对移动。
在另一方面，本发明提供了一种用于对表面进行导航的装置，该装置包括：图像传感器，用于检测从表面反射的光；导航引擎，用于确定所述装置关于所述表面的相对移动；切换控制机构，用于使得所述导航引擎或者利用i)所述图像传感器的相继图像输出，或者利用ii)在所述图像传感器作为基于散斑或光电二极管的传感器而工作的情况下通过对所述图像传感器的矩形像素输出组进行求和所获得的时变的x方向和y方向值，来确定所述装置关于所述表面的相对移动。
在另一个方面，本发明提供了一种用于对表面进行导航的方法，该方法包括：利用安装到导航设备的第一光传感器来检测从表面反射的光；利用随时间变化的所述第一光传感器的输出来确定所述导航设备关于所述表面的相对移动；在利用所述第一光传感器期间，确定随时间变化的所述第一光传感器的输出是否指示所述导航设备关于所述表面的移动，如果所述确定结果为否，则i)利用安装到所述导航设备的与所述第一光传感器不同类型的第二光传感器来检测从所述表面反射的光，并且ii)利用随时间变化的所述第二光传感器的输出来确定所述导航设备关于所述表面的相对移动；在利用所述第二光传感器期间，确定随时间变化的所述第二光传感器的输出是否指示所述导航设备关于所述表面的移动，如果所述确定结果为否，则返回到利用所述第一光传感器确定是否存在所述导航设备关于所述表面的相对移动的步骤；其中，所述第一光传感器是图像传感器，所述第二光传感器是基于散斑或光电二极管的传感器。
附图说明
本发明的说明性实施例在附图中图示，其中：
图1图示了用于对表面进行导航的第一示例性方法；
图2图示了用于对表面进行导航的示例性装置，该装置可以实现图1所示的方法；
图3图示了图2所示装置的导航传感器的示例性元件；
图4图示了具有计算机鼠标形状因子的外壳，图2所示装置的元件可以安装在该外壳中；
图5图示了用于对表面进行导航的第二示例性方法；
图6图示了用于对表面进行导航的第二示例性装置，该装置可以实现图5所示的方法；以及
图7图示了图6所示装置的导航传感器的示例性元件。
具体实施方式
在以下的说明书和附图中，出现在不同附图中的相似标号用于表示相似元件或方法步骤。
与采用基于散斑的光传感器的鼠标相比，采用基于图像的光传感器的光学计算机鼠标更受欢迎。这是因为基于图像的光传感器及其相关联的导航引擎通常能够1)对更多的表面进行导航(或者跟踪)，并且2)更加精确地导航(即，具有更高的分辨率)。但是，尽管基于图像的光传感器在大多数表面上具有出众的导航能力，但是它们在诸如玻璃表面之类的一些表面上可能表现拙劣。这是因为玻璃表面通常很光滑，很少有表面瑕疵来以不同的角度对光进行散射。因此，玻璃表面趋于反射相干光，而不是散射光，并且与基于图像的光传感器相关联的导航引擎难以找到足够的图像特征来可靠地比较两个相继表面图像之间的差异。而且通常，如果图像中可检测的特征少于最小数目，则导航引擎被编程为将图像看作“噪声”，并且不对鼠标移动发出信号。
为了改善光学计算机鼠标(或者任何其他光学导航设备)的导航性能，在这里建议提供一种导航设备，其具有不同类型的第一和第二光传感器，并且根据哪个光传感器对于特定表面提供更好的性能而在利用一个或另一个光传感器之间切换。
根据本发明，图1图示了用于对表面进行导航的示例性方法100。方法100利用安装到导航设备的第一光传感器来检测从表面反射的光(见框104)。然后，随时间变化的第一光传感器的输出被用于确定导航设备关于表面的相对移动(见框106)。在利用第一光传感器期间，确定随时间变化的第一光传感器的输出是否指示导航设备关于表面的移动(见框108)。如果结果为否，则安装到导航设备的与第一光传感器不同类型的第二光传感器被用于检测从表面反射的光(见框110)。然后，随时间变化的第二光传感器的输出被用于确定导航设备关于表面的相对移动(见框112)。
在方法100的一个实施例中，可以确定随时间变化的第二光传感器的输出是否指示导航设备关于表面的移动(见框114)。如果结果为否，则方法100可以返回到利用第一光传感器的输出来确定是否存在导航设备关于表面的相对移动的步骤。在方法100的同一实施例中(或者在不同实施例中)，第一光传感器可以被用作缺省的光传感器。方法100然后可以对第二光传感器的输出有多长时间被用于确定导航设备关于表面的相对移动进行计时(见框116)，在预定时间之后，方法100可以返回到利用第一光传感器的输出来确定是否存在导航设备关于表面的相对移动的步骤(见框118)。
在一些情况下，只要对导航设备的移动进行的检测存在故障，就可以切换用于确定导航设备的移动的光传感器。但是，在方法100的优选实施例中，仅在未检测到移动的时间经过了时间段(t)之后才切换光传感器。时间段(t)的长度可以被调整，以便1)减少光传感器的不必要切换，而2)确保计算机或导航设备用户不会注意到时间段(t)。
可选地，方法100可以包括利用一个或多个安装到导航设备的光源来照亮受到导航的表面(见框102)。根据特定导航设备的配置，可以连续地激活(一个或多个)光源，或者仅在第一和第二光传感器的激活期间激活(一个或多个)光源，或者与第一和第二光传感器同步地激活(一个或多个)光源。
图2图示了用于对表面进行导航的示例性装置200。在一个实施例中，装置200可以实现方法100。装置200包括第一和和第二光传感器202、204，用于检测从表面206反射的光(λ)。第一和第二光传感器202、204是不同类型的，这将在该说明书中稍后进行更全面的说明。
导航引擎302(图3)接收光传感器202、204两者的输出，并且或者利用1)随时间变化的第一光传感器202的输出，或者利用2)随时间变化的第二光传感器204的输出，来确定装置200关于表面206的相对移动。在一个实施例中，导航引擎302同时接收光传感器202、204两者的输出，并且简单地忽略一个或另一个传感器的输出。在另一个实施例中，导航引擎302可以交替地接收光传感器202、204中的一个或另一个的输出。例如，导航引擎302可以通过开关矩阵(switching matrix)或者其他手段(未示出)而耦合到第一和第二光传感器202、204，所述开关矩阵或者其他手段交替地将第一光传感器202或第二光传感器204的输出提供给导航引擎302。而且，光传感器202、204两者都可以连续工作。或者，当前未被用于导航的光传感器在有需要之前可以被置于待机模式或者断电模式。
导航引擎302的输出可以采用各种形式，包括Δx和Δy运动数据形式。在装置200的一个实施例中，导航引擎302的输出可以被提供给控制器208(例如专用集成电路(ASIC))，然后被控制器208中继到装置200所附接到的计算机。在装置200的另一个实施例中，导航引擎302的输出可以被直接中继到计算机。
装置200还包括切换控制机构304(图3)，用于交替地使得导航引擎302来1)利用第一光传感器202的输出确定装置200的移动，或者2)利用第二光传感器204的输出确定装置200的移动。切换控制机构304可以以可通信方式耦合到导航引擎302、光传感器202、204和/或任何将光传感器202、204耦合到导航引擎302的切换机构或其他电路。
在一个实施例中，切换控制机构304可以包括由用户操作的手动开关，该手动开关允许用户基于装置200的导航性能来选择一个光传感器202或者另一个光传感器204。但是，在优选实施例中，切换控制机构304包括这样的电路：该电路用于确定有用的导航数据是否正在从导航引擎302输出。如果结果为否，则切换控制机构304发起对导航引擎302确定装置200的移动所用的光传感器的切换。
装置200还可以包括模数转换器306(图3)，通过该模数转换器306，第一光传感器202和第二光传感器204的输出在被提供给导航引擎302之前可以被转换为数字值。
装置200还可以包括光源210。光源210被定位为照亮表面206，并且可以由驱动器电路212来驱动。如果装置200被容纳在计算机鼠标的形状因子(form factor)内，则光源210可以以下述方式定位：当鼠标被放置在表面206上时，从光源210发射的光(λ)趋于从表面206朝光传感器202、204反射。在一个实施例中，光源210可以是激光光源，例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。在另一个实施例中，光源210可以是发光二极管(LED)光源。光源210也可以采用其他形式。
在一些实施例中，诸如光学组件214和216之类的一个或多个光学组件可以定位成邻近第一光传感器202、第二光传感器204或者光源210。在这种方式下，由光源210发射或者从表面206反射的光可以被聚焦或者扩散，以使得适当的光被分散反射到第一和第二光传感器202、204上。
在一个实施例中，光传感器202、204、导航引擎302、切换控制机构304和模数转换器306被集成在单个导航传感器芯片218上。可替换地，可以在硅片或者电路板上分立地或者以各种组合方式来实现这些元件202、204、302、304、306。在图2中，导航传感器芯片218和其他组件被示出为安装到电路板220上。
装置200还可以包括外壳400(图4)，用于支持第一和第二光传感器202、204、导航引擎302、切换控制机构304、光源210和装置200的任何其他元件。在一个示例性实施例中，如图4所示，外壳400可以具有计算机鼠标的形状因子。
如前所述，基于图像的光传感器及其相关联的导航引擎经常能够对更多个和不同类型的表面进行导航(与其他类型光传感器相比)。结果，光传感器202可以采用图像传感器的形式。在一个实施例中，图像传感器可以将图像数据(例如，像素值的阵列)输出给导航引擎302，导航引擎302可以利用图像相关算法来1)比较图像传感器所输出的图像中的相继图像，并且2)利用所比较的图像中的差异来确定装置200关于表面206的相对移动。
如果第一光传感器202是图像传感器，则第二光传感器204可以是除了图像传感器类型之外的类型。例如，第二光传感器204可以是产生时变的x方向和y方向输出的传感器，例如基于散斑和/或光电二极管的传感器。基于散斑或光电二极管的传感器可以有利于以下方面：其提供的输出常常更适于在诸如玻璃表面之类的很光滑的表面上进行导航(例如，正弦形x和y输出)。
在一个实施例中，第二光传感器204可以是基于散斑的传感器，其包括至少一个沿第一方向定向的光检测器带和至少一个沿第二方向定向的光检测器带，所述光传感器带的第一和第二方向彼此垂直。垂直的光检测器(例如，光电二极管或者光电晶体管)带的一种示例性布局在图3中示出。但是，其他布局当然也是可以的。对于示例性的基于散斑的传感器的更详细讨论，见美国专利No.5,644,139。
在基于图像的传感器在“大多数”表面上性能更好的情况下，图像传感器202可以被配置为装置200的缺省传感器；并且基于散斑的传感器204可以被配置为在图像传感器202不产生有用的导航数据时采用的辅助传感器。
图5-图7图示了方法100和装置200的可替换形式。根据方法500(图5)和装置600(图6和图7)，用单个图像传感器602替换装置200的第一和第二光传感器202、204，图像传感器602用于检测从表面反射的光(见方法500的框502和506)。图像传感器602的输出然后被导航引擎700用于确定装置600关于表面206的相对移动(见框504和508)。切换控制机构702使得导航引擎或者响应于1)图像传感器602的相继图像输出(在框504)，或者响应于2)通过对图像传感器602的矩形像素输出组进行求和所获得时变的x方向和y方向值(在框508)，而确定装置600关于表面206的相对移动。在这种方式下，单个图像传感器602被用于模仿具有第一和第二光传感器的设备的操作，并且切换控制机构702使得装置600在其不同的光传感模式之间切换。
如图6和图7所示，图像传感器602、导航引擎700、切换控制机构702和模数转换器306可以被集成在导航传感器604中。
Claims (18)
1.一种用于对表面进行导航的装置，包括：
第一光传感器和第二光传感器，用于检测从表面反射的光，其中，所述第一光传感器是图像传感器，所述第二光传感器是基于散斑或光电二极管的传感器；
导航引擎，用于或者利用随时间变化的所述第一光传感器的输出，或者利用随时间变化的所述第二光传感器的输出，来确定所述装置关于所述表面的相对移动；以及
切换控制机构，用于使得所述导航引擎i)利用所述第一光传感器的所述输出来确定所述装置关于所述表面的相对移动，或者ii)利用所述第二光传感器的所述输出来确定所述装置关于所述表面的相对移动。
2.如权利要求1所述的装置，其中，当由所述图像传感器所输出的图像数据被所述导航引擎利用时，所述导航引擎利用图像相关算法来i)比较由所述图像传感器所输出的相继图像，并且ii)利用所比较图像中的差异来确定所述装置关于所述表面的相对移动。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述图像传感器是所述装置的缺省传感器。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述第二光传感器是基于散斑的传感器，其产生时变的x方向和y方向输出。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述第二光传感器是基于光电二极管的传感器，其产生时变的x方向和y方向输出。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述切换控制机构包括用于确定有用的导航数据是否正在从所述导航引擎输出的电路，如果所述确定结果为否，则对所述导航引擎用来确定所述装置关于所述表面的相对移动的光传感器进行切换。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述第二光传感器包括至少一个沿第一方向布置的光检测器带和至少一个沿第二方向布置的光检测器带，其中，所述第一方向和所述第二方向彼此垂直。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述切换控制机构包括由用户操作的手动开关。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述切换控制机构包括用于确定有用的导航数据是否正在从所述导航引擎输出的电路，如果所述确定结果为否，则对所述导航引擎用来确定所述装置关于所述表面的相对移动的光传感器进行切换。
10.如权利要求1所述的装置，还包括光源，其中，所述光源被定位成照亮所述表面。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述光源是激光光源。
12.如权利要求10所述的装置，其中，所述光源是发光二极管光源。
13.如权利要求10所述的装置，还包括外壳，该外壳支持所述第一和第二光传感器、所述导航引擎、所述切换控制机制和所述光源，所述外壳具有计算机鼠标的形状。
14.如权利要求1所述的装置，还包括模数转换器，其中，所述第一光传感器和所述第二光传感器的输出被通过所述模数转换器提供给所述导航引擎。
15.一种用于对表面进行导航的装置，包括：
图像传感器，用于检测从表面反射的光；
导航引擎，用于确定所述装置关于所述表面的相对移动；以及
切换控制机构，用于使得所述导航引擎或者利用i)所述图像传感器的相继图像输出，或者利用ii)在所述图像传感器作为基于散斑或光电二极管的传感器而工作的情况下通过对所述图像传感器的矩形像素输出组进行求和所获得的时变的x方向和y方向值，来确定所述装置关于所述表面的相对移动。
16.一种用于对表面进行导航的方法，包括：
利用安装到导航设备的第一光传感器来检测从表面反射的光；
利用随时间变化的所述第一光传感器的输出来确定所述导航设备关于所述表面的相对移动；
在利用所述第一光传感器期间，确定随时间变化的所述第一光传感器的输出是否指示所述导航设备关于所述表面的移动，如果所述确定结果为否，则i)利用安装到所述导航设备的与所述第一光传感器不同类型的第二光传感器来检测从所述表面反射的光，并且ii)利用随时间变化的所述第二光传感器的输出来确定所述导航设备关于所述表面的相对移动；以及
在利用所述第二光传感器期间，确定随时间变化的所述第二光传感器的输出是否指示所述导航设备关于所述表面的移动，如果所述确定结果为否，则返回到利用所述第一光传感器确定是否存在所述导航设备关于所述表面的相对移动的步骤，
其中，所述第一光传感器是图像传感器，所述第二光传感器是基于散斑或光电二极管的传感器。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一光传感器是缺省的光传感器，所述方法还包括：
对所述第二光传感器的输出有多长时间被用于确定所述导航设备关于所述表面的相对移动进行计时，并在预定时间之后，返回到利用所述第一光传感器的输出确定是否存在所述导航设备关于所述表面的相对移动的步骤。
18.如权利要求16所述的方法，还包括：
在利用所述第一和第二光传感器期间，利用安装到所述导航设备的至少一个光源来照亮所述表面。
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