CN101542583A

CN101542583A - 具有可变寻踪分辨率的光学导航感应器

Info

Publication number: CN101542583A
Application number: CNA2007800335198A
Authority: CN
Inventors: 徐杨森; 布莱安·托杜洛夫; 贾杰·I.·特瑞纳迪; 克林顿·B.·卡里斯莱
Original assignee: Silicon Light Machines Inc
Current assignee: Silicon Light Machines Inc
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2027-06-06
Also published as: WO2008008138A2; WO2008008138A3; CN101542583B; US7728816B2; TW200811696A; US20080007526A1

Abstract

一实施例是关于一种用以感测一光学感应器相对于一表面的运动的方法。设定一第一分辨率及一第二分辨率。自一感应器阵列获得测量信号，且使用该等测量信号寻踪该光学感应器相对于该表面的运动。以该第一分辨率(1001)执行对该运动于一第一维度(1002－1010)内的寻踪，且以该第二分辨率(1021)执行对该运动于一第二维度(1022－1030)内的寻踪。另一实施例关于一种用于感测相对于一表面的运动的光学感应器设备，其中以一可变分辨率沿着两个轴的每一者执行该运动的寻踪。本文也揭示其它实施例及特征。

Description

具有可变寻踪分辨率的光学导航感应器

本申请案关于由发明人Jahja I.Trisnadi，Clinton B.Carlisle和Robert J.Lang所共同拥有，申请于2005年10月28日的美国专利申请案第11/261,316号，名称为“Two-Dimensional Motion Sensor”，本文以引用的方式将该申请案并入。

本申请案也关于由发明人Brian D.Todoroff和Yansun Xu所共同拥有，申请于2006年2月16日的美国专利申请案第11/355,551号，名称为“SignalProcessing Method for Use with an Optical Navigation System”，本文以引用的方式将该申请案并入。

本申请案也关于由发明人Brian D.Todoroff和Yansun Xu所共同拥有，申请于2006年6月5日的美国专利申请案第11/446,694号，名称为“Method andApparatus for Robust Velocity Prediction”，本文以引用的方式将该申请案并入。

技术领域

本发明概言的是关于光学导航设备及使用该光学导航设备来感测移动的方法。

背景技术

诸如计算机鼠标、触摸屏幕、轨迹球及诸如此类的数据输入装置现有是用于将数据输入个人计算机及工作站且与个人计算机及工作站介接。此类装置容许一光标在一监测器上的快速再定位，且可用于大量文本、数据库及图形程序。一使用者(例如)通过在一表面上移动鼠标以在方向及距离上与鼠标的移动成比例地移动光标来控制光标。

计算机鼠标有光学及机械两种型式。机械鼠标通常使用一旋转球来侦测运动，及使用一对轴编码器接触该球以产生一由计算机用于移动光标的数字信号。机械鼠标的一问题是其容易在持续使用后因污垢积聚等原因而出现偏差及故障。另外，机械元件(特别是轴编码器)的移动及所导致的磨损会必然地限制装置的使用寿命。

机械鼠标的上述问题之一解决方案是发展使用一光学导航系统的鼠标。该等光学鼠标已变得非常流行，因其提供更好的点指准确度且较不易受到因污垢积聚导致的故障影响。

今日针对光学鼠标使用的支配性技术依赖于：一光源，例如一发光二极管(LED)，用于照射摩擦范围处或附近的表面；一二维(2D)CMOS(互补金属氧化物半导体)侦测器，其捕获所产生的影像；及信号处理单元，其使持续影像中数以千计的特征或点彼此关联以确定鼠标移动的方向、距离及速度。此种技术会提供高准确度，但也遭受复杂的设计及相对高的影像处理要求。

作为改良，使用一同调光源(例如，一雷射)照射一粗糙表面会产生一复杂的干涉图案(称作光班)，该方法具有数个优势，包括产生有效的基于雷射的光线及即使在正常范围的照射下也产生高对比度影像。基于雷射的光产生具有较高的电-光转换效率，及能够修改一小而有效的照射覆盖区以使其匹配光电二极管阵列的覆盖区的高定向性。此外，光斑图案容许在实际上任何粗糙表面(广阔表面覆盖范围)进行寻踪运作，同时即使在不利的成像条件(例如，“离焦”)下也维持最大对比度。

一种用于测量线性位移的替代方法使用一具有一维(1D)光敏元件(例如，光电二极管)阵列(通常称作梳状阵列(comb-array))的光学感应器。一1D阵列中的光电二极管可直接联机为组群以实现所接收信号的模拟、并行处理，从而减少所需的信号处理及促进运动侦测。对于使用此种方法的二维(2D)换位测量而言，已提议其中沿着非并行轴排列两个或更多个1D阵列的多轴线性阵列。

尽管该等1D梳状阵列装置已对先前的相关类型光学鼠标做出明显简化，但仍出于数个原因而不完全令人满意。特定而言，该等装置的一缺点是其沿着与1D阵列取向明显偏离的方向的有限准确度。在其中光学鼠标以一离轴方向移动以使得光斑图案或光学影像在影像有机会建立一明确信号之前过快地进入及离开1D阵列的查看区域的情形中，此尤其是一问题。此种不足可通过增加轴数量而部分地予以补救，但需付出降低线性梳状阵列方法的简化度的代价。

美国专利申请案第11/261,316号(“Two-Dimensional Motion Sensor”)中揭示的方法避免了1D梳状侦测器的缺点，同时准许更简单、更有效的信号处理以提供2D位移的估计值。

进一步改良光学导航设备及使用光学导航设备感测移动的方法将更为合意。

附图说明

图1是一呈每周期4个光敏元件组态的现有线性一维(1D)梳状阵列及相关联余弦及正弦模板的示意性方块图。

图2A至图2D是显示一根据本发明实施例的二维(2D)梳状阵列的余弦及正弦分配的矩阵。

图3A及3B是根据本发明一实施例的2D梳状阵列的示意性方块图，该2D梳状阵列是根据图2A-2D的矩阵构造且具有以每单元4×4个元件的组态双合的光敏元件。

图4A及4B是根据本发明一实施例比较两个正交(或1D×1D)线性梳状阵列与一2D梳状阵列的图示。

图5是一根据本发明一实施例具有一2D梳状阵列的光学导航系统的示意性方块图。

图6A及图6B是一根据本发明一实施例具有一2D梳状阵列光学导航系统对该系统的实际移动在各种速度下及在各种表面上的环形轨道图。

图7是一根据本发明一实施例的2D梳状阵列的示意性方块图，其中该2D梳状阵列具有一以一每单元6×6个元件的组态集合的光敏元件。

图8是根据本发明一实施例具有两个排列于象限中的2D梳状阵列的光学感应器的示意性方块图。

图9是一显示一根据反正切计算展开相角以确定一速率预测符的实例的曲线图。

图10A及图10B是显示一根据本发明一实施例分别以x及y维度提供可变寻踪分辨率的方法的流程图。

图11是根据本发明一实施例包括一2D梳状阵列及各种电路的光学感应器的示意图。

图12是一绘示一种根据本发明一实施例使用ADC LSB大小控制最大可实现的寻踪分辨率的方法的流程图。

图13是一根据本发明一实施例包括一2D梳状阵列及各种电路的光学感应器的示意图。

详细叙述

本揭示内容概言的是关于光学导航系统，且更特定而言是关于光学感应器，其用于感测该感应器与该感应器在其上或其上方移动的平面之间的相对横向移动。光学导航系统可包括(例如)一光学计算机鼠标、轨迹球及类似装置，且现有是用于将数据输入至个人计算机及工作站并与个人计算机及工作站介接。

为解释起见，在下述说明中列举大量具体细节，以提供对本发实施例的透彻了解。然而，熟习此项技术者将易于了解，本发明也可在不具备该等具体细节的情况下实施。在其它示例中，现有结构及技术并未详细显示，或以方块图形式显示，以避免不必要地模糊对本说明的理解。

根据本发明一实施例，光学感应器根据光的复杂强度分布图案来感测移动，其中光的复杂强度分布图案可由一根据LED(发光二极管)照射或根据称作光斑的雷射干扰图案创造的图案提供。光斑本质上是复杂干涉图案，其通过同调光散射离开一粗糙表面而产生并由一具有有限角度的视场(或各种孔径)的强度光敏元件(例如，一光电二极管)所侦测。更特定而言，光学感应器可包括一二维(2D)阵列，其组合一2D相关器的位移测量准确度与一线性或一维(1D)梳状阵列的信号处理简化及效率。该2D阵列可是一周期性2D梳状阵列，其包括多个经规则间隔的具有1D或2D周期性的光敏元件、一准周期性2D阵列(例如，一Penrose平铺)或一具有规则图案但不包括周期性的非周期性2D阵列。对于一2D梳状阵列而言，其意指多个经规则间隔及电连接的光敏元件的平面阵列，该等光敏元件以至少两个非并行方向大致延伸，且在两个维度上具有周期性。

I.影像相关对流状阵列处理

比较影像相关的信号处理与一维(1D)中的梳状阵列技术将是有益。

A.1D相关

两个信号f及g之间的相关性可表达为：

corr {(f, g)}_{m} = Σ_{n = 0}^{N - 1} f_{n} {g^{*}}_{n - m} - - - (1)

假设f及g二者均具有零平均值。另外，该等信号可总是透过与其各自的平均值偏置来重新定义。

若g与f具有某些类似之处，则相关性在特定移位值m处达到最高值，其中一般针对该特定移位值m以最佳方式对准或“相关”两个信号的共享特征。对于一“1D”鼠标而言，考虑其中g在很大程度上是f的位移版本的情形(即，g n＝fn+x)已足矣。相关性变为：

corr {(f, f_{+ x})}_{m} = Σ_{n = 0}^{N - 1} f_{n} {f^{*}}_{n + x - m} - - - (2)

其中x是位移量。

相关函数(方程式2)的峰值出现于m＝x时。因此，已知峰值位置便可确定位移量。

在现用的光学鼠标中，使用一捕获的信号f作为欲与一后续捕获相关的短期模板。一旦确定位移量，则新捕获替代旧模板，且依此类推。此种动态模板对任意信号均是合意。若已预先确定信号类别，例如一周期性信号，则可使用一固定模板，从而移除连续更新信号模板的必要性。此大为简化相关性运作以及装置构建。事实上，一梳状阵列是一种如下文更详细阐述的装置。

为此目的，可将信号表达为离散傅立叶转换(DFT)展开式如下：

f_{n} = Σ_{a = 0}^{N - 1} F_{a} e^{2 πian / N},

g_{n} = Σ_{a = 0}^{N - 1} G_{a} e^{2 πian / N} - - - (3)

因此，关联性(1)变为：

corr {(f, g)}_{m} = Σ_{n = 0}^{N - 1} [Σ_{a = 0}^{N - 1} F_{a} e^{2 πiam / N}] [Σ_{b = 0}^{N - 1} G_{b}^{*} e^{- 2 πib (n - m) / N}] =

= Σ_{a = 0}^{N - 1} Σ_{b = 0}^{N - 1} F_{a} G_{b}^{*} e^{2 πibm / N} Σ_{n = 0}^{N - 1} e^{2 πi (a - b) n / N} =

= Σ_{a = 0}^{N - 1} Σ_{b = 0}^{N - 1} F_{a} G_{b}^{*} e^{2 πibm / N} δ_{ab} = - - - (4)

= Σ_{a = 0}^{N - 1} F_{A} G_{a}^{*} e^{2 πiam / N}

且关联性(2)变为

corr {(f, f_{+ x})}_{m} = Σ_{a = 0}^{N - 1} F_{a} F_{a}^{*} e^{2 πia (m - x) / N} - - - (5)

B.1D梳状阵列

一线性或1D梳状阵列是一具有多个以周期性方式连接的光敏元件的阵列，从而使该阵列充当一询问信号的空间频率组件的固定模板。图1中显示一此种1D梳状阵列的实施例，且在下文中更详细地阐述。多个光敏元件以一周期性方式的连接使得梳状阵列能够有效地充当一空间频率为K(由该阵列中各光敏元件及收集光学器件之间距界定)的相关器。梳状信号现可视为位移量x的函数，如下：

V_{x} = F_{A} F_{A}^{*} e^{2 πiA (m - x) / N} = {Ce}^{iK (m - x)} - - - (6)

其中C是一缓慢变化的振幅，且K≡2πA/N是所选空间频率。因子e^ikm可被视为相位，其对所选空间频率组件及模板的起始对准进行编码。

因此可推断，一1D梳状阵列本质上是一空间频率处的1D相关性。

II.二维梳状阵列侦测器

一2D梳状阵列可经构造及组态以提供一空间频率

\overset{&RightArrow;}{K} = (K_{x}, K_{y})

的2D相关性。

A.介绍

一影像f与其自身的位移版本(其中(x，y)是位移量)的2D相关性是：

corr {(f, f_{+ x, + y})}_{m, n} = Σ_{a = 0}^{N - 1} Σ_{b = 0}^{N - 1} F_{a, b} F_{a, b}^{*} e^{2 πia (m - x) / N} e^{2 πib (n - y) / N} - - - (7)

类似于上述方程式6，2D梳状阵列信号是：

V_{x, y} = {Ce}^{i K_{x} (m - x)} e^{i K_{y} (n - y)} - - - (8)

如上文所述，(K_x，K_y)≡(2πA/N，2πB/N)是所选2D空间频率。梳状信号仅是x及y位移量的调和函数的乘积。应注意，梳状阵列信号是周期性地，且在模板在空间上与影像空间频率同相时达到最高点。

为简便起见设定m，n＝0，方程式8中的指数乘积可被展开为四个三角乘积：

CC＝cos(K_xx)cos(K_yy)

CS＝cos(K_xx)sin(K_yy)

SC＝sin(K_xx)cos(K_yy)(9)

SS＝sin(K_xx)sin(K_yy)

下一步骤是确定产生上述方程式(9)中所示四个信号的2D阵列组态。

首先回顾在一具有每周期4个元件的1D梳状阵列组态中同相信号及正交信号的产生将是有益。图1显示一光敏元件(例如，光电二极管104)的1D梳状阵列102的一般组态(沿着一轴)，其中光敏元件的交错组群的组合充当对光斑(或非光班)影像所产生明暗信号的空间频率的周期性滤波器。在所示实施例中，1D梳状阵列102由多个光电二极管集合或周期组成，其中每一光电二极管集合或周期具有四个光电二极管104，在本文中标记为A、B、C及D。每一周期中对应或类似标记的光电二极管104的电流或信号经电连接(线求和)以形成四个来自阵列102的线路信号106。背景抑制及信号增强可通过使用差动模拟电路108产生一同相的差动电路信号(在本文中标记为C_out)，及使用差动模拟电路110产生一正交差动电路信号(在本文中标记为S_out)来实现。比较同相信号及正交信号的相位准许确定1D梳状阵列102相对于一散射表面的运动的量值及方向。

参照图1，通过获得基础光学图案及分别根据余弦模板112及正弦模板114处理基础光学图案而获得同相信号C_out及正交信号S_out。较佳地，系统经设计以使一光学“明暗”信号图案(即，光斑)具有大致等于梳状阵列(于图1所示实施例中为4个光电二极管104或像素)的周期的大小。如图1中显示，同相信号电流根据C_out＝A-C获得，而正交信号电流是根据S_out＝B-D获得。

上述余弦及正弦分配现可用于2D的情形中。结果是针对上文方程式9中所显示的四个调和乘积显示于图2A-2D中的四个矩阵。特定而言，图2A显示一2D梳状阵列的CC或cos(K_xx)cos(K_yy)信号的矩阵，其中该2D梳状阵列具有以一每单元4×4个元件的组态集合的光敏元素。为简化标记，自此处以下省略下标“out”。类似地，图2B显示CS信号的矩阵，图2C显示SC信号的矩阵，及图2D显示SS信号的矩阵。

B.具有每单元4×4个元件的实例性2D梳状阵列

如图3A及3B中显示，现可根据上述矩阵构造一2D梳状阵列。于此处，2D梳状阵列302具有多个排列或集合于单元306中的光敏元件304，其中每一单元以每单元4×4个元件(或每周期4×4个元件)的组态集合其光敏元件。一单元306中具有相同字母及相同编号的光敏元件304(如图3B中详细显示)以及2D梳状阵列302中所有单元的具有相同编号的对应元素经电连接或线求和以产生8个信号A1至D2。

该8个线求和信号进一步与差动放大器308组合以给出下列四个信号

CC＝A1-A2

CS＝B1-B2(10)

SC＝C1-C2

SS＝D1-D2

该四个信号包含x及y方向的同相信息及正交信息。通过使用三角等式，可将该等同调乘积转换为(和与差的)简单同调：

cos(K_xx+K_yy)＝CC-S S

sin(K_xx+K_yy)＝SC+CS (11)

cos(K_xx-K_yy)＝CC+S S

sin(K_xx-K_yy)＝SC-CS

视需要地，可将坐标系统或阵列旋转45°以获得纯粹的x及y表达式。随后，可在任一取向中确定2D位移。实际上，K_x及K_y可取相等值。

2D梳状阵列侦测器对现有的2D相关性和/或多轴1D梳状阵列侦测器提供设计简化及数个其它优势，其包括：(i)更快的信号处理；(ii)降低功率消耗；(iii)更高的角准确度；及(iv)独立于一相对于阵列取向的方向移动的效能。

由于2D梳状阵列所产生的需要处理的资料更少，且因此以更简单的算法来执行，则2D梳状阵列侦测器具有比一基于相关性的方法明显更快的信号处理速度。举例而言，可使用零交叉(zero-crossing)侦测算法来确定位移。为指定一平面中的位移，需要两个实数，即x及y平移。在一现有的基于相关性的光学鼠标中，根据连续影像相关性确定该两个实数。由于基于相关性方法中的每一影像通常包括约10³个像素，则需要处理大量数据而仅确定两个x-平移及y-平移值。作为对比，2D梳状阵列仅产生4个正实数，其是仅2个带符号实数的等效物。在某种意义上，并行处理是建立于2D梳状阵列的互连架构中。通过将该处理″写入″架构，剩余的外部计算变得相对简单且可快速实现。简单计算转化为较小的信号处理电路，而较快的处理容许高速寻踪及增加资源以实施完善的数字信号处理(DSP)算法，其中该完善的数字信号处理(DSP)算法甚至可进一步使用光学感应器启动一光学导航系统的寻踪效能。

由于2D梳状阵列侦测器处理少得多的数据且因此实施简单得多的算法，则吾人期望2D梳状阵列侦测器比一基于相关的装置消耗更少的电功率。此是功率敏感应用(例如，一无线光学鼠标)极为合意的特征。电功率消耗可通过组合有效的雷射照射而进一步降低，例如在基于雷射光斑的鼠标中。

按比例缩放一基于2D梳状阵列的光学导航感应器的角准确度可比一现有的基于2D相关器的光学导航感应器简单得多。一2D感应器可侦测的最小角与一行或一列中的光敏元件数量成反比。改良角准确度大致相依于阵列的光敏元件数量增加。由于欲处理的数据数量随一列或一行中的元件数量而呈平方上升，此构成对一2D相关器感应器的沉重负担。相反，在一2D梳状阵列感应器中欲处理的数据量或信号数量独立于元件数量。即，在一具有类似于图3A及3B所示组态的2D梳状阵列中，自2D梳状阵列输出的差动信号数量通常等于4，且因此角准确度仅由可实施的阵列大小限制。

最后，与多轴1D梳状阵列侦测器相比，2D梳状阵列侦测器的效态是独立于相对于该阵列的方向移动。参照图4A及4B，2D梳状阵列侦测器402的效能高于一具有多个线性或1D梳状阵列406的光学传感器404，此是因影像中的每一点以所有方向在2D梳状阵列402的有效区域内平均穿过一比1D梳状阵列406中的路径410长得多的路径408，且因此对位移估计更有用。此外，由于迄今所阐述的2D梳状阵列的实施例是借助对称(例如，正方形)像素几何来运作，则使″明暗″信号图案(即，光斑)匹配该2D梳状阵列周期将更易于实现，从而导致改良的信号对比度及比借助现有的1D梳状阵列(其通常使用极″不对称″的像素形状)可实现的前端SNR(信号对噪声比)更高。最后，有效地照明该2D梳状阵列将更为简单，从而比多轴1D梳状阵列消耗更少功率。

C.实例性实施例及实验性验证

图5中显示一具有2D梳状阵列的光学导航系统的实例性实施例。参照图5，光学导航系统502一般包括：一光学头504，其具有一光源506，例如VCSEL(垂直共振腔面射型雷射)；照射光学器件，其包括一第一或准直透镜508以校准一发散光束；成像光学器件，其包括一第二或成像透镜510以将一粗糙、散射表面512的经照射部分映射或成像至该第二透镜的成像平面处一2D梳状阵列514。较佳地，等照射光学器件经组态以一经选择以准许取消侦测的预定入射角度照射表面512，其中若光学头504或数据输入装置与表面512的分离超过一预定分离值则该装置可通过准许取消侦测来停止寻踪该运动。成像光学器件可包括在第二透镜510的背聚焦面处的孔径516，以提供一保存运动期间的较佳光斑图案完整性且使该光斑的平均大小匹配该2D梳状阵列周期的远心成像系统。

出于验证一具有2D梳状阵列514的光学导航系统502的优势的目的，使一类似于图3A及3B所示阵列的正方形对称2D梳状阵列装配有32×32个光电二级体(PD)或元件。图6A及6B中显示以各种速度且在两个不同表面上的环形轨道的结果以验证所揭示方法。在一测验平台上实现可借以获得图6A及6B所示图式的实验，其中以极高的精度控制光学导航系统的光学头与表面之间的相对运动。图6A所示图式图解说明在光学头以半径为1cm的环形在一白色表面上以1cm/s、10cm/s、25cm/s及40cm/s的速度移动四次时产生的环形轨道。图6B图解说明在该光学头在一木纹表面上以该等相同的速度移动时产生的环形轨道。在图6A及6B中，以参考数字602指示虚线参考环，并由实黑线指示光学导航系统产生的轨迹或环形轨道。沿着轴的数字是以任意单位。如自该等轨迹可见，一具有一使用2D梳状阵列的感应器的光导航系统能够感测在具有图案及不具有图案的表面上以达40cm/s的速度及通常小于5％的路径误差的移动。后续的测验已针对各种表面及大范围的运动来示范准确寻踪效能。

D.阵列概括

线性或1D梳状阵列的各种概括已阐述于(例如)共同待审及共同让与的美国专利申请案第11/129,967号、第11/123,525号及第11/123,326号中，其全文分别以引用的方式并入本文中。大量该等概括类似地适用于2D梳状阵列，包括(i)具有不同于每单元4×4个元件的2D梳状阵列；(ii)具有多个具有既定空间频率的子阵列的2D梳状阵列；(iii)具有多个具有不同空间率的子阵列的2D梳状阵列；及(iv)在各光敏元件之间具有可动态重组态的梳状连接以能够动态改变空间频率以(例如)使来自该阵列的信号强度最佳化的2D梳状阵列。进一步应了解，一2D梳状阵列也可包括上述概括或实施例的组合。

现将参照图7及8更详细地阐述一包括一个或多个上述概括的2D梳状阵列的某些替代实施例。

一2D梳状阵列的替代实施例具有不同于每单元4×4个元件。举例而言，如图7中显示，2D梳状阵列702包括大量借助每单元6×6个元件(每周期6×6个元件)的组态在单元706中集合或排列的光敏元件，例如光电二极管704。如上文参照图3A及3B阐述的实例，2D梳状阵列702中每一单元706内的某些元件704及所有单元的对应元件耦合至36个输出线之一。该36个线求和的信号进一步根据矩阵708与加权因子组合以产生四个输出信号CC、CS、SC及SS。下列表格中将详细显示用于产生该四个信号的每一者的矩阵708的细节。

CC

1	0.5	-0.5	-1	-0.5	0.5
1	0.5	-0.5	-1	-0.5	0.5	0.5	0.25	-0.25	-0.5	-0.25	0.25
-0.5	-0.25	0.25	0.5	0.25	-0.25	0.5	0.25	-0.25	-0.5	-0.25	0.25
-0.5	-0.25	0.25	0.5	0.25	-0.25	-1	-0.5	0.5	1	0.5	-0.5
-0.5	-0.25	0.25	0.5	0.25	-0.25	-1	-0.5	0.5	1	0.5	-0.5
-0.5	-0.25	0.25	0.5	0.25	-0.25	0.5	0.25	-0.25	-0.5	-0.25	0.25

CS

0.866	0.866	-0.87	-0.87
0.866	0.866	-0.87	-0.87	0	0.433	0.433	0	-0.43	-0.43
-0.43	-0.43	0.433	0.433	0	0.433	0.433	0	-0.43	-0.43
-0.43	-0.43	0.433	0.433	0	-0.87	-0.87	0	0.866	0.866
-0.43	-0.43	0.433	0.433	0	-0.87	-0.87	0	0.866	0.866
-0.43	-0.43	0.433	0.433	0	0.433	0.433	0	-0.43	-0.43

SC

0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0.866	0.433	-0.43	-0.87	-0.43	0.433
0.866	0.433	-0.43	-0.87	-0.43	0.433	0.866	0.433	-0.43	-0.87	-0.43	0.433

0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	-0.87	-0.43	0.433	0.866	0.433	-0.43
-0.87	-0.43	0.433	0.866	0.433	-0.43	-0.87	-0.43	0.433	0.866	0.433	-0.43

SS

0	0	0	0
0	0	0	0	0	0.75	0.75	0	-0.75	-0.75
0.75	0.75	-0.75	-0.75	0	0.75	0.75	0	-0.75	-0.75
0.75	0.75	-0.75	-0.75	0	0	0	0	0	0
-0.75	-0.75	0.75	0.75	0	0	0	0	0	0
-0.75	-0.75	0.75	0.75	0	-0.75	-0.75	0	0.75	0.75

在其它替代实施例中，光学感应器可包括具有既定空间频率或若干不同空间频率的多个2D梳状阵列或子阵列。举例而言，图8显示一具有两个排列于象限804、806、808及810中的2D梳状阵列对的光学感应器802的示意性方块图。对角线对置的象限804及806经连接及形成一第一单个阵列对或第一2D梳状阵列。对置象限808及810经连接及形成一第二单个阵列对或第二2D梳状阵列。

如上文所述实例中，一象限804、806、808及810中每一单元812的元件以及阵列对中所有单元的对应元件经耦合以形成16个线求和信号814。16个线求和信号814进一步与差动放大器816组合以产生8个信号：来自第一2D梳状阵列的CC1、CS1、SC1、SS1及来自第二2D梳状阵列的CC2、CS2、SC2、SS2。在运作中，由于所选空间频率组件在表面上某一特定位置处较弱，或由于来自该阵列各部分的作用以同调方式相加为零，则来自2D梳状阵列或阵列对的任一者的信号强度可降低。然而应了解，任一阵列对中的衰退不太可能导致另一对中的衰退，因此通常期望使用此种多阵列或子阵组态以减轻信号衰退。此外，光学传感器802的正方形对称排布能够实现光学感应器中所有光敏元件818的简单及有效照射。

E.使用2D梳状阵列侦测器的速率预测

如上文论述，已针对光学导航感应器发展了使用2D梳状阵列侦测器寻踪2D运动的技术。此种技术比现有的光学导航感应器技术(其是基于连续表面影像上的2D影像相关性)需要少得多的信号处理功率。减少2D梳状阵列侦测器的功率消耗要求可有利地用于功率敏感应用程序，例如无线光学导航感应器。

一2D梳状阵列侦测器包括一光侦测器的2D阵列，其中该阵列中个别侦测器以重复的2D图案一起联机以沿着两个正交轴的每一者跨距M个侧测器。举例而言，于图3A及3B所例示的实施例中，针对该两个正交轴的每一者使M＝4。

考虑M＝4的情形下的此种2D梳状阵列侦测器。如图3A中显示及上文的论述，存在四个来自该阵列的离散准正弦曲线输出，即CC、CS、SC及SS。在侦测器阵列上捕获的光学数据的空间频率分布大致集中于侦测器阵列的空间频率。

该四个准正弦曲线输出信号(CC、CS、SC及SS)代表单独的同相及正交信号。可针对沿着两个正交轴的每一者的运动来处理该四个准正弦输出信号，以寻踪该表面相对于侦测器阵列的2D移动。特定而言，该四个准正弦输出可根据下述方程式来处理：

φ_{x} = \tan^{- 1} (\frac{CS + SC}{CC - SS})

R_{x} = \sqrt{{(CC - SS)}^{2} + {(CS + SC)}^{2}} - - - (12)

φ_{y} = \tan^{- 1} (\frac{CS - SC}{CC + SS})

R_{Y} = \sqrt{{(CC + SS)}^{2} + {(CS - SC)}^{2}}

在每一采样讯框处，可根据上述方程式计算相角值φ_x及φ_y及半径值R_x及R_y。该等半径值R_x及R_y指示所侦测的准正弦信号的对比度。相角变(Δφ_x及Δφ_y，相对于前一采样讯框)基本上与沿着该两个正交轴在当前及先前采样讯框之间的2D位移成比例。讯框i处的相角变化(Δφ_x及Δφ_y)可根据下述方程式来确定：

Δφ_x＝φ_x，i-φ_x，i-1，其中

φ_{x, i} = \tan^{- 1} (\frac{{CS}_{i} + {SC}_{i}}{{CC}_{i} - {SS}_{i}}) - - - (13)

Δφ_y＝φ_y，i-φ_y，i-1，其中

φ_{y, i} = \tan^{- 1} (\frac{{CS}_{i} - {SC}_{i}}{{CC}_{i} + {SS}_{i}})

于上述方程式中，当前讯框标记为i，从而一当前讯框的相角由下标i标记，且前一讯框的相角由下标i-1标记。

尽管Δφ_x及Δφ_y可指示沿着x及y轴的运动，但其并不完全反映实际的二维运动。此是因Δφ_x及Δφ_y值因反正切函数而受到自-π至+π的范围约束。换言之Δφ_x及Δφ_y值是″包″于范围[-π，+π]中。

分别考虑函数ΔΦ_x及ΔΦ_y作为Δφ_x及Δφ_y的″展开″版本。因此，Δφ_x是ΔΦ_x的模函数，且Δφ_y是ΔΦ_y的模函数，其中Δφ_x及Δφ_y的值分别″包″在范围[-π，+π]中。ΔΦ_x及ΔΦ_y可指示感应器相对于表面的实际(展开)运动。

由于Δφ_x及Δφ_y是根据2梳状阵列的差动信号输出来计算，则可将其″展开″以确定函数ΔΦ_x及ΔΦ_y。图9中图解说明一实例性1D函数Δφ(t)的此种展开以产生对应的1D函数ΔΦ(t)。在图9中，产生ΔΦ(t)且假设一初始条件约束ΔΦ(0)＝0。换言之，在t＝0处，假设不存在相对运动(即，感应器相对于表面静止)。

借助此种初始假设，可(例如)通过寻踪在过去K(其中K＞2)个讯框上的平均速率并假设下一速率在平均速率的+/-π范围内来计算″实际速率″ΔΦ_x及ΔΦ_y。此计算可根据下述方程式来实施：

Δ Φ_{x} = {Δφ}_{x} - 2 π \times INTEGER (\frac{{Δφ}_{x} - < {ΔΦ}_{x} > + π}{2 π}) - - - (14)

Δ Φ_{y} = {Δφ}_{y} - 2 π \times INTEGER (\frac{{Δφ}_{Y} - < {ΔΦ}_{Y} > + π}{2 π})

在上述方程式中，整数(INTEGER)函数取不大于其自变量的最大整数值。<ΔΦ_x>及<ΔΦ_y>是前K(K＞2)个讯框的平均速率，且可根据下述方程式来计算。

< {ΔΦ}_{x} > = \frac{1}{K} Σ_{j = 1}^{K} {ΔΦ}_{x, (i - j)} - - - (15)

< {ΔΦ}_{y} > = \frac{1}{K} Σ_{j = 1}^{K} {ΔΦ}_{y, (i - j)}

在整数函数中使用<ΔΦ_x>及<ΔΦ_y>以寻踪在一讯框中已出现的″2π″旋度数量。该等平均速率值<ΔΦ_x>及<ΔΦ_y>可被视为″速率预测符″。

换言之，为计算两个连续讯框之间的实际x及y位移(ΔΦ_x及ΔΦ_y)，需“展开”相角变化Δφ_x及Δφ_y以计算可能已在两个采样讯框之间出现的全2π相位旋度数量。实际x及y位移(ΔΦ_x及ΔΦ_y)可根据上文给出的方程式(14)来确定。

III.可变寻踪分辨率

A.2D梳状阵列侦测器的分辨率

在现有的基于2D相关的技术中，位移测量的精度固有地受限于光电二极管分辨率。然而，通过使用上文论述的基于2D梳状阵列的技术，位移测量的精度被模拟CS、SC、CC及SS信号的相角测量精度限定。该等模拟信号可能能够进行高分辨率位移测量而不增加光电二极管阵列的大小或复杂度。

考虑一其中2D梳状阵列的周期为Λ_comb的2D梳状阵列侦测器，相位步阶是Δφ，且成像光学器件放大率是m。于彼情形中，2D梳状阵列侦测器的理论分辨率由下述方程式给出。

典型值可是(例如)Δφ～3°，m/Λ_comb～1000每英寸，及5-位测量。于彼情形中，理论的位移分辨率达到约每英寸10⁵(100,000)个计数。借助如此高的理论位移分辨率，一实际系统可主要受到模拟电路中的噪声限制。此外，此种高理论分辨率可经考虑以在x及y方向上提供所估计位移的线性分辨率的连续变化。

B.使用除数的可变寻踪分辨率

一种根据本发明一实施例用于可变寻踪分辨率的技术是用一除数来解决。现将结合图10A及10B所示流程图来论述此种技术。

图10A及10B是显示一种根据本发明一实施例分别在x及y维度上提供可变寻踪分辨率的方法的流程图。如该等流程图所示，此种技术容许寻踪分辨率沿着两个维度单独地变化。

图10A显示在x维度上寻踪分辨率的独立变化。于区块1001中，根据x维度的所选寻踪分辨率来设定一可变除数D_x。该寻踪分辨率可由一使用者或以更自动之方式由系统软件进行选择。除D_x的较高值一般对应于较低的寻踪分辨率，且除数D_x的较低值一般对应于较高的寻踪分辨率。

在区块1002中，针对一当前讯框(讯框i)测量″相角变化″中的位移。此测量位移可标记为M_x，i。

在区块1004中，将前一讯框(讯框i-1)的余相角添加至经测量位移M_x，i。此种前一讯框的余相角可标记为R_x，i-1。结果是当前讯框的相角变化的经调位移。此种经调位移可标记为M’_x，i。以方程式形式，则M’_x，i＝M_x，i+R_x，i-1。

应注意，区块1004中的步骤有利地避免损失前一讯框的剩余计数(即，余相角)。若无此步骤，则申请人相信有效分辨率将以1.5D_x的速率下降，且输出中的噪声将因每一计算中损失的测量计数而以D_x/2的速率增加。

在区块1006中，用经调整位移M’_x，i除以除数D_x。此除法运算产生当前讯框的输出位移为计数O_x，i，且当前讯框的余数是R_x，i。以方程式形式，

O_x，i＝M’_x，i/D_x (17)

R_x，i＝M’_x，i mod(D_x)

其中mod()运算子代表一模数或余数运算子。

位移O_x，i是每区块1008供光学导航设备使用的输出，且每区块1010储存余数R_x，i。

类似地，图10B显示在y维度上的寻踪分辨率的独立变化。在区块1021中，根据y维度的所选寻踪分辨率设定一可变除数D_y。该寻踪分辨率可由一使用者或以一更自动的方式由系统软件选择。除数D_y的较高值一般对应于较低的寻踪分辨率，且除数D_y的较低值一般对应于较高的寻踪分辨率。

在区块1022中，针对一当前讯框(讯框i)测量“相角变化”中的位移。此测量位移可标记为M_y，i。

在区块1024中，将前一讯框(讯框i-1)的余相角添加至经测量位移M_y，i。此前一讯框的余相角可标记为R_y，i-1。结果是当前讯框的相角变化中的经调整位移。此种经调整位移可标记为M’_y，i。此方程式形式，则M’_y，i＝M_y，i+R_y，i-1。

应注意，区块1024中的步骤有利地避免损失前一讯框的剩余计数(即，余相角)。若无此步骤，则申请人相信有效分辨率将以1.5D_y的速率下降，且输出中的噪声将因每一计算中损失的测量计数以D_y/2的速率增加。

在区块1026中，用经调整位移M’_y，i除以除数D_y。此除法运算产生当前讯框的输出位移为计数O_y，i，且当前讯框的余数是R_y，i。以方程式形式，

O_y，i＝M’_y，i＝/D_y (18)

R_y，i＝M’_y，i＝mod(D_y)

其中mod()运算子代表一模数或余数运算子。

根据区块1028，位移O_y，i是供光学导航设备使用的输出，且根据区块1030，储存余数R_y，i。

可针对每一讯框重复图10A及10B所示过程。以此方式，提供可变寻踪分辨率。通过独立地改变及D_x及D_y，寻踪分辨率可在两个维度中独立地变化。独立调整每一轴方向的分辨率的能力可有利于各种应用程序。

应注意，上文结合图10A及10B论述的技术可借助各种高分辨率位移测量设备来使用，其包括(但不限于)上述2D梳状阵列侦测器、以及一基于更现用影像的高分辨率版本的感应器(其当前光学导航感应器市场占支配地位)。

图11是一根据本发明一实施例包括一2D梳状阵列及各种电路的光学感应器的示意图。上文是结合图3论述2D梳状阵列302。

所示各电路包括模拟-数字转换(ADC)电路1102、数据采集缓冲器1104及数据处理电路1106。数据处理电路1106包括用于储存及撷取指令及数据的内存1108。ADC电路1102经组态以自2D梳状阵列302接收模拟输出信号(CC、CS、SC及SS)并将该等信号转换为数字形式。数据采集缓冲器1104经组态以自ADC电路1102接收数字输出信号且缓冲该数字数据，以使得该数据可由数据处理电路1106适合地处理。

内存1108可经组态以包括各种计算机可读码，其包括经组态以实施上文结合图10A及10B阐述的步骤的计算机可读码。根据本发明一实施例，数据处理电路1106可利用此种码实施一种使用除数的可变寻踪分辨率的方法。换言之，上文结合图10A及10B论述的除法运算可通过执行计算机可读码来执行。另一选择为，可使用特别针对彼目的而组态的专用电路来指定除法运算。

C.控制最大可实现的寻踪分辨率

根据本发明一实施例，可改变模拟-数字转换(ADC)测量的最低有效位(LSB)大小以控制最大可实现的寻踪分辨率。一ADC测量的LSB大小因ADC有限分辨率而量化误差有关。换言之，改变LSB大小会有效改变ADC分辨率。

更特定而言，该技术包括改变CS、SC、CC及SS信号的ADC测量的LSB大小。通过改变该等分辨率，会影响到相变测量的准确度。ADC分辨率的减少会增加相变测量误差，且降低寻踪系统的最大可实现分辨率。相反地，ADC分辨率的增加会减少相变测量误差，且提高寻踪系统的最大可实现分辨率。

举例而言，考虑一其中设备包括斜率转换器型ADC电路以将CS、SC、CC及SS信号自模拟转换至数字形式的实施例。于此种斜率转换器型ADC电路中，使用电流产生一斜率信号，且比较该斜率信号与所测量的模拟信号。于此情形中，可改变用于产生斜率信号的电流而维持一恒定时钟率。随斜率增加，ADC分辨率也明显减少。相反地，随斜率降低，ADC分辨率也明显增加。

使用ADC LSB大小来控制最大可实现的寻踪分辨率可良好地适用于模拟测量，例如一2D梳状阵列侦测器的模拟测量。然而，此种方法将不能良好地用于固有地离散测量。例如一基于影像相关的侦测系统的离散测量。

图12是一绘示一种根据本发明一实施例使用ADC LSB大小来控制最大可实现寻踪分辨率的方法的流程图。LSB大小对应于ADC电路的分辨率，其可用于将一2D梳状阵列的模拟信号转换为数字信号。

在区块1201中，设定一电流准(或其它控制参数)。该电流位准(或其它控制参数)可由一使用者选择或以一更自动的方式由系统软件选择。该电流位准(或其它控制参数)可用以改变ADC电路的LSB大小。

于区块1202中，自2D梳状阵列接收模拟信号(例如CC、CS、SC及SS信号)。在区块1204中，使用ADC电路将该等模拟信号转换为数字信号，其中该转换的分辨率是由电流位准(或其它控制参数)控制。在区块1206中输出该等数字信号，且在区块1208中处理数据以导致导航寻踪。

图13是一根据本发明一实施例包括一2D梳状阵列及各种电路的光学感应器的示意图。下文结合图3论述2D梳状阵列302。

所示各种电路包括：模拟-数字转换(ADC)电路1102、数据采集缓冲器1104、数据处理电路1106、及用以控制最大可实现的寻踪分辨率的电路1302。ADC电路1102经组态以自2D梳状阵列302接收模拟输出信号(CC、CS、SC及SS)并将其转换为数字形式。数据采集缓冲器1104经组态以自ADC电路1102接收数字输出信号，及缓冲该数字数据以使得该数据可由数据处理电路1106适合地处理。数据处理电路1106包括用于储存及撷取指令及数据的内存1108。内存1108可经组态以包括各种计算机可读码，其包括经组态以实施导航寻踪的计算机可读码。

根据本发明一实施例，用于控制最大可实现寻踪分辨率1302的电路将电流位准(或其它控制参数)提供至ADC电路1102。通过以可控制方式改变电流位准(或其它控制参数)，可改变ADC电路1102的分辨率。改变ADC电路1102的分辨率会改变光学导航设备的最大可实现寻踪分辨率。

IV.结论

在一现有的光学鼠标中，寻踪分辨率通常由CMOS影像捕获摄影机中各像素的节距、及由光学器件的组态及用于确定运动的影像有关信号处理算法来设定。尽管影像分辨率的较低值可通过“装箱”(在逻辑上组合来自个别像素的信号值)而获得，以一连续方式或准连续方式调整分辨率值上升或下降的能力不能通过现有的光学导航方法而轻松实现。

与现有的光学导航技术不同，本揭示内容提用于以一连续准连续方式改变寻踪分辨率的技术。在其中可以足够小以至于被人类使用者视作连续的步阶调整分辨率时，寻踪分辨率的变化可被视为连续或准连续。换言之，该等小步阶对一使用者而言是一不具有显而易见的增量的连续调整过程。

根据一实施例，通过使用一基于除数的算法处理来自一2D梳状阵列侦测器的数据信号来提供连续或准连续的可变寻踪分辨率。根据另一实施例，可通过与2D梳状阵列共同使用的ADC电路分辨率来控制寻踪分辨率的上限。

能够以一连续或准连续方式改变寻踪分辨率具有各种优势应用。概言之，此种能力容许各种应用的改良定制及较佳感觉，例如在赌博及计算机辅助设计(CAD)市场中。

举例而言，一光学鼠标的分辨率可由控制软件自动地“在运作中”调整以作为该鼠标移动的估计速度的函数。举例而言，寻踪分辨率可经调整以在较慢速度处较高，而在较快速度处较低。可预定每一速率范围处的合意分辨率，且感应器可基于该等预定及该感应器当前预测的速率来改变分辨率范围。

应注意，尽管本文揭示的该等技术之一较佳实施例是使用电射光斑，但本文所揭示技术也可用于各种2D光学导航感应器，其包括基于雷射的感应器及基于LED的传感器。

本文已出于例证及说明的目的提供本发明的具体实施例及实例的前述说明，且不应视为本发明是限定于此。其不意欲穷尽或限制本发明至所揭示的准确形式，且根据上述教示，本发明的范畴意欲涵盖本文所揭示的一般范围，且由随附申请专利范围及其等效范围界定。

Claims

1.一种用以感测一光学感应器相对于一表面的运动的方法，该方法包括：

设定一第一分辨率及一第二分辨率；

自一感应器阵列获得测量信号；及

使用该等测量信号寻踪该光学感应器相对于该表面的运动，

其中，以该第一分辨率执行对该运动于一第一维度内的寻踪，且以该第二分辨率执行对该运动于一第二维度内的寻踪。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该等测量信号包括自一二维梳状阵列侦测器获得的模拟差动信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中相依于该光学感应器相对于该表面的估计速率，由一控制器设定该等分辨率。

4.根据权利要求3所述的方法，其中基于一沿着一维度的较慢估计速度，而设计彼维度的较高分辨率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中该第一及第二分辨率可独立控制。

6.根据权利要求1所述的方法，其中该第一及第二维度对应于正交轴。

7.根据权利要求1所述的方法，其中该光学感应器包括一光学鼠标装置。

8.根据权利要求1所述的方法，其中使用一第一除法运算来执行对该运动于该第一维度内的寻踪，且其中使用一第二除法运算来执行对该运动在该第二维度内的寻踪。

9.根据权利要求8所述的方法，其中该第一除法运算包括将一沿着该第一维度的经测量位移除以一第一除数以获得一第一输出及一第一余数，且其中该第二除法运算包括将一沿着该第二维度的经测量位移除以一第二除数以获得一第二输出及一第二余数。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在该第一除法运算之前将来自前一讯框的第一余数添加至沿着该第一维度的该经测量位移，且其中在该第二除法运算之前将来自前一讯框的第二余数添加至沿着该第二维度的该经测量位移。

11.根据权利要求10所述的方法，其中由执行来自一内存的计算机可读码的数据处理电路，来执行该第一及第二除法运算。

12.根据权利要求10所述的方法，其中由专用电路执行该第一及第二除法运算。

13.一种用以感测一光学感应器相对于一表面的运动的方法，该方法包括：

自一感应器阵列获得模拟差动信号；

将该等模拟差动信号转换为数字信号；及

使用该等数字信号寻踪该光学感应器相对于该表面的运动，

其中，通过改变该模拟-数字转换的分辨率来控制该运动寻踪的分辨率的上限。

14.根据权利要求13所述的方法，其中该感应器阵列包括一二维梳状阵列。

15.根据权利要求13所述的方法，其中通过改变一用于为该模拟-数字转换产生一斜率信号的电流来改变该模拟-数字转换的分辨率。

16.一种用于感测相对于一表面的运动的光学感应器设备，该设备包括：

一感应器阵列，其产生模拟差动信号；

模拟-数字转换电路，其用于将该等模拟差动信号转换为数字信号；及

数据处理电路，其经组态以使用该等数字信号寻踪该设备相对于该表面的运动，

其中，以一可变分辨率沿着两个轴的每一者执行对该运动的寻踪。

17.根据权利要求16所述的设备，其中该感应器阵列包一二维梳状阵列。

18.根据权利要求16所述的设备，其中沿着一个轴的该可变分辨率是独立于沿着另一个轴的该可变分辨率。

19.根据权利要求16所述的设备，其中该可变分辨率是通过使用一除法运算来实施。

20.根据权利要求16所述的设备，其中该可变分辨率的上限是通过改变该模拟-数字转换电路的分辨率来控制。