CN101673147A - 多维度光学控制装置及多维度光学控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维度光学控制装置及多维度光学控制方法。该多维度光学控制装置包括可动光源、透镜、传感器以及数据处理电路。可动光源可受外在作用而移动，并用以产生光束。透镜与可动光源耦接，将光束聚焦。传感器用以感测聚焦在传感器上的光斑。数据处理电路耦接至传感器，用以取得光斑在传感器上的位置变化量、形状变化量以及光强度变化量，其中位置变化量、形状变化量以及光强度变化量是相对于参考光斑的位置、形状及光强度；又数据处理电路依据位置变化量、形状变化量及光强度变化量，输出控制信号，以进行旋转或移动的多维度控制动作。

Description

多维度光学控制装置及多维度光学控制方法

技术领域

本发明涉及一种光学控制装置，且特别是涉及一种多维度光学控制装置。

背景技术

应用于现有数字创作、工业设计或相关电子产品等的控制方式，如：键盘、鼠标、触碰面板等平面控制装置，随科技工业的发达与相关产品的发展，当使用者需要以空间六个维度控制时，现有平面的控制装置，已无法满足使用者所需，必须搭配其它控制装置，如：按钮、键盘等，才得以完成空间六个维度的控制功能，不但增加控制的困难度，长时间使用手腕关节容易疲劳，甚至造成伤害；此外，以平面替代空间的控制方式，并非人体直觉控制方式，往往造成误判或是错误。为了克服上述问题，本发明提出一种简单且符合人体直觉化的空间六个维度的控制装置。

US 7,081,884在说明一个计算机的输入装置，除可输入XY平面上的X、Y轴的移动信号外，亦可以输入XY平面沿Z轴的旋转方向等共三个维度的输入装置。但US 7,081,884必须应用在具有高反射率的表面上，使光源照射在此表面后，透过透镜将由表面反射的光线聚集在光学传感器上，通过比对影像变化，得知移动与旋转的位置。当应用表面的反射率不佳时，US7,081,884上的光学传感器将无法感应，此外，需要另一按钮机构配合，告知系统进行影像的位移判断或是旋转判定，使整体机构零件与体积增加。

US 5,694,153至少需要利用两个固定距离的光源与有孔洞的挡板，透过光学传感器感测两个固定距离光源的移动位置，透过三角函数演算原理，完成四个维度的输入控制；当需要六个维度控制时，则需要再增加一个光源，同样透过三角函数演算原理，完成六个维度的输入控制。由于至少需要使用两个以上的光源，才得以完成多个维度的输入控制，因此多个光源的定位问题、能耗、零件数量、体积与成本等问题，则成为其发展上的阻力。

US 6,333,733在空间三个轴向，各装设光源、屏幕与光学传感器，通过三个光源同时作动，完成空间控制功能，但US 6,333,733需要多个光源、多个屏幕，与光学传感器，因此能耗、零件数量、零件定位、体积等问题，为其发展上不利的因素。

US 2006/0086889A1则于空间中设置六个光源、六个夹缝挡板与六个光学传感器，通过六个光源作动，完成空间控制功能，但US 2006/0086889A1需要六个光源、狭缝挡板与光学传感器，因此能耗、零件数量、零件定位、体积问题，则为其发展上不利的因素。

US 6,480,183则利用电容感应原理，感应动子导电体的作动情况，完成平面位移与旋转控制功能，但由于利用电容感应方式，导电体与感应板的相对位置受限，而无法直接进行空间控制功能。

US 5,969,520透过多个磁性组件，感应磁球的作动情况，完成平面控制功能；但磁球与磁性组件的相对位置，会影响磁性组件感测精确度，此外，磁性组件易受外部导磁物干扰，影响位置判别，磁球亦会与外部导磁物，发生相吸碰撞问题。

US 6,774,887透过导体与电阻间的接触，完成平面控制功能，但导体与电阻间容易受潮或氧化，发生接触不良的现象，且如需达成空间控制功能，必须再装设其它导体与电阻，使得零件体积与成本增加。

发明内容

如上所述，本发明提供一种多维度光学控制装置，包括可动光源、透镜、传感器以及数据处理电路。可动光源可受外在作用而移动，并用以产生光束。透镜与可动光源耦接，将光束聚焦。传感器用以感测聚焦在传感器上的光斑。数据处理电路耦接至传感器，用以取得光斑在传感器上的位置变化量、形状变化量或光强度变化量，其中位置变化量、形状变化量或光强度变化量是相对于参考光斑的位置、形状或光强度；又数据处理电路依据位置变化量、形状变化量或光强度变化量，输出控制信号，以进行旋转或移动的多维度控制动作。

另外，本发明提出一种多维度光学控制装置，包括固定光源、透镜、可动反射组件、传感器以及数据处理电路。固定光源用以产生光束。透镜与固定光源耦接，将光束聚焦。可动反射组件可受外在作用而移动，用以反射经透镜聚焦的光束。传感器对反射的光束在传感器上所形成的光斑进行感测。数据处理电路耦接至传感器，用以取得光斑在传感器上的位置变化量、形状变化量或光强度变化量。其中位置变化量、形状变化量或光强度变化量是相对于参考光斑的位置、形状或光强度；依据位置、形状或光强度的变化量，输出控制信号，以进行旋转或移动的多维度控制动作。

此外，本发明还提出一种多维度光学控制方法，依据传感器所感测的光斑的变化，进行多维度运动控制。多维度光学控制方法至少包括以下步骤。设定参考光斑的起始定义值，其中起始定义值包含起始中心位置、起始光斑形状分布范围与起始单位面积光强度。当光斑产生运动时，判断运动后的光斑中心位置、光斑形状分布范围与单位面积光强度是否发生改变。依据光斑中心位置、光斑形状分布范围与单位面积光强度的变化量，产生控制信号，以执行多维度运动控制。

因此，根据本发明的多维度光学控制装置，光源可直接照射于传感器上，不需要反射平面，故无反射面反射率不佳的问题，同时也不需透过狭缝挡板或屏幕。因此感测灵敏度优选。此外，光源与感应器相对位置也不受限。此外，透过简单的光学机构，在不需过多零件与机构体积的环境下，可降低能耗与零件定位问题。通过传感器上所感测到光源的位置、范围与光强度的变化，即可完成高精度的水平、垂直及旋转等六个维度输入控制功能。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A绘示本实施范例的多维度光学控制装置的架构示意图。

图1B绘示图1A的多维度光学控制装置的操作维度示意图。

图2A、2B、2C绘示产生参考光斑的组态、参考光斑的像素范围示意图以及参考光斑在传感器上的位置示意图。

图3绘示对多维度光学控制装置进行沿水平面移动(沿XY平面移动)时，所形成光斑在传感器上的分布示意图。

图4A、4B绘示对多维度光学控制装置进行垂直于水平面转动(绕Z轴旋转)时，所形成光斑在传感器上的分布示意图。

图5A、5B绘示对多维度光学控制装置进行水平面转动(绕X轴旋转)时，多维度光学控制装置的组态示意图以及所形成光斑在传感器上的分布示意图。

图6A、6B绘示对多维度光学控制装置进行水平面转动(绕Y轴旋转)时，多维度光学控制装置的组态示意图以及所形成光斑在传感器上的分布示意图。

图7绘示光斑的单位面积光强度与旋转角度之间的关系图。

图8A、8B、8C、8D绘示对多维度光学控制装置进行垂直方向上下移动(沿Z轴上下移动)时，多维度光学控制装置的组态示意图以及所形成光斑在传感器上的分布示意图。

图9绘示本实施范例的多维度光学控制方法的流程示意图。

图10A绘示另一实施范例的多维度光学控制装置示意图，图10B、10C、10D绘示图10A中挡板的范例示意图。

图11A绘示另一实施范例的多维度光学控制装置示意图，图11b、11C绘示图11A中挡板的范例示意图。

图12A绘示光源与透镜的封装结构示意图，图12B绘示光源、挡板与透镜的封装结构示意图。

图13与图14绘示本发明的实施范例的变化例。

附图标记说明

100：多维度光学控制装置

101：可动光源

102：透镜

103：光束

104：传感器

105：数据处理电路

106：光斑

108：不透光挡板

109：指向性形状孔洞

110：透光挡板

112、114：透光率(或颜色)相异区域

200、300：多维度光学控制装置

202、302：反射组件

204、304：发光组件

206、306：传感器

具体实施方式

本发明的基本概念是利用操作光学控制装置时，改变内部光源产生的光束在传感器上的聚焦光斑的位置、形状或光强度，以产生合适的控制信号，并通过此控制信号，在应用端(如：监视器)上产生对应的移动或动作。接着，将以多个实施范例来做说明。

图1A绘示本实施范例的多维度光学控制装置的架构示意图，图1B绘示多维度光学控制装置的操作维度示意图。如图1A所示，多维度光学控制装置100包括可动光源101、透镜102、传感器104以及数据处理电路105。可动光源101可受外在作用而移动，并用以产生光束103。透镜102与可动光源101耦接，使光束103成锥形后聚焦到传感器104上。传感器104用以感测聚焦到传感器104上的光斑106。数据处理电路105耦接至传感器104，以取得光斑106在传感器104上的位置变化量、形状变化量或光强度变化量。此位置变化量、形状变化量或光强度变化量是相对于参考光斑的位置、形状或光强度，其在后文会详细说明；此外，数据处理电路105将依据上述位置变化量、形状变化量或光强度变化量，加以计算并输出控制信号。此控制信号为数字信号或模拟信号。控制信号例如可以传送到主机，通过此控制信号，以达到控制监视器(屏幕)上所显示的目标物的各种移动或转动。

如图1B所示，在本实施范例中，以六维度光学控制装置做为说明范例，而应用上可以视发展情况，在本发明的概念下加以修改。在实际应用上，六维度光学控制装置的可动光源101与透镜102可以一体地固定于可动机构110上，例如可以与操纵杆连接，操纵杆110以机械方式连接到可动光源101，构成类似游戏杆的结构。因此，通过操纵杆110的移动、转动、与上下移动的操作，得以使可动光源相应地移动。此移动量或转动量将会造成光束103聚焦到传感器104上的位置、形状与光强度产生改变，而这些信号将传送到数据处理电路105。

六个维度的动作分别为水平移动、垂直移动及旋转运动，例如可设定成可动光源101的顶端相对于传感器104的垂直距离为D，并且可进行沿着水平方向(X轴、Y轴)与沿着垂直方向(Z轴)的移动；同时，也可进行以X轴为旋转轴(A旋转轴)的旋转运动、以Y轴为旋转轴(B旋转轴)的旋转运动或以Z轴为旋转轴(C旋转轴)的旋转运动。故旋转、水平与垂直动作共六个维度的动作。

另外，上述的可动光源101可以是单一波长光源，例如以激光二极管等所形成的光源。另外，可动光源101也可以是多波长光源，例如以白炽灯或发光二极管等所形成的光源。此外，上述传感器例如是光电二极管(photodiode，PD)阵列传感器、CMOS传感器或CCD传感器等的二维平面传感器。

接着说明本实施范例的动作原理，即依据上述位置变化量、形状变化量或光强度变化量，加以计算并输出控制信号的动作原理。

为了能够基于位置变化量、形状变化量或光强度变化量而获得控制信号，必须有个做为参考标准的基准，即上述的参考光斑。图2A、2B、2C绘示产生参考光斑的组态、参考光斑的像素范围示意图以及参考光斑在传感器上的位置示意图。

在本实施范例中，参考光斑的定义例子是以当光源101不动，即外界尚未操作多维度光学控制装置100时，可动光源101的顶端与传感器的垂直距离为D时，可动光源101所发出的光束103，经透镜102聚焦于传感器104上所产生的光斑106，其如图2C的示意图所示。在此例中，传感器104为具有N×N个像素的二维平面式传感器，并且假设所形成的参考光斑中心点位置与传感器104表面的中心位置一致。当然，两者位置也可以相差一个平移量，并可于后端的数据处理时再进行适当的演算即可。另外，此参考光斑的位置，也可以称为光斑的起始位置，以与经过移动、旋转后的位置区隔。

如图2B所示，在参考光斑或光斑起始位置的情形下，光束103通过透镜102之后，聚焦于光学传感器104上。此时，传感器104感测到光束103的参考光斑106所占的范围是：在X轴上为N_X(n)像素至N_X(n+4)像素的范围，在Y轴上为N_Y(n)像素至N_Y(n+12)像素的范围，此处的像素占据范围仅为说明范例。同时，在传感器104所感测到光斑106的范围中，传感器104上的像素可感测到单位面积光强度I。因此，数据处理电路105将传感器104所感测到参考光斑106的起始中心位置、参考光斑形状分布参数以及参考光斑的单位面积光强度的数据定义为(X₀，Y₀，G₀，I₀)。其中，(X₀，Y₀)为光束103于传感器104上形成的像素分布的中间值(即为光斑106的中心位置)，即如下数学式(1)所示。

$X_0=\frac{N_{X\left(n\right)}+N_{X(n+4)}}{2}=N_{X(n+2)},$ $Y_0=\frac{N_{Y\left(n\right)}+N_{Y(n+12)}}{2}=N_{Y(n+6)}---\left(1\right)$

另外，光斑形状分布参数G₀与传感器104上感测到光斑106的分布范围有关，更进一步来说，光斑形状分布参数G₀与光斑106所涵盖的像素N_X及N_Y有关，一般可以表示成如下数学式(2)。

G₀＝[(N_X(n+4)-N_X(n))，(N_Y(n+12)-N_Y(n))]＝[N_X(4)，N_Y(12)]    (2)

另外，单位面积光强度I₀则与传感器104感测到光束103的光强度及光斑106的分布范围有关。经过上述定义后，当实际操作多维度光学控制装置时，数据处理电路便可由上述定义的参考光斑的各参数值，配合操作时感测到光斑参数，加以运算，以输出相对应该操作动作的控制信号。

图3绘示对多维度光学控制装置进行沿水平面移动(沿XY平面移动)时，所形成光斑在传感器上的分布示意图。如图3所示，当可动光源101与透镜102因为外部操作下，而相对传感器104于XY平面移动，且无以X轴为旋转中心进行旋转，或无以Y轴为旋转中心进行旋转，或无沿Z轴方向垂直移动或旋转时，传感器104感测到光束103的光斑106将只是在传感器104的感测面上进行平移的移动。此时，光斑的形状不会改变，单位面积光强度也不会改变，仅有光斑106的中心位置偏移了上述的(X₀，Y₀)。

同上述说明，平移后的光斑在传感器104上所占据的像素范围是：在X轴上为N_X(p)像素至N_X(p+4)像素的范围，在Y轴上为N_Y(p)像素至N_Y(p+12)像素，而光斑形状分布参数G_p可由下式(3)计算而得。

G_p＝[(N_X(p+4)-N_X(p))，(N_Y(p+12)-N_Y(p))]＝[N_X(4)，N_Y(12)]    (3)

很明显的，G_p与光斑起始值G₀相同；换句话说，光斑的形状并未改变。另外，相对于传感器104的平面，可动光源101与透镜102是保持于同一XY平面上，因此传感器104感测到光斑106的单位面积光强度仍为I₀。因此，在此情形下，只有光斑106的中心位置发生变化，其由起始位置(X₀，Y₀)平移到位置(X_p，Y_p)，其中(X_p，Y_p)如下式所表示：

$X_p=\frac{N_{X\left(p\right)}+N_{X(p+4)}}{2}=N_{X(p+2)},$ $Y_p=\frac{N_{Y\left(p\right)}+N_{Y(p+12)}}{2}=N_{Y(p+6)}.$

由于传感器104上的N×N像素个数与像素位置为已知，当可动光源101与透镜102相对于传感器104的位置改变时，光束103照射于传感器104上的像素位置同时改变。因此，光束103产生的光斑106的中心位置的值由起使位置(X₀，Y₀)改变为(X_p，Y_p)。

最后，数据处理电路105便可根据传感器104传来的数据，计算出光斑位置定义值的变化，而输出XY平面位移的控制信号，藉以完成XY平面位移控制的功能。

接着，说明旋转操作。旋转可分成绕图1B所示的Z轴、X轴与Y轴旋转。以下将分别说明各种旋转型态。图4A、4B绘示对多维度光学控制装置进行垂直于水平面转动(绕Z轴旋转)时，所形成光斑在传感器上的分布示意图。

如图4A所示，当可动光源101与透镜102相对于传感器104于XY平面转动，即以Z轴为旋转中心进行旋转，且无以X轴为旋转中心或以Y轴为旋转中心的旋转运动，且无沿Z轴方向垂直移动，并且无沿X轴方向水平移动或无沿Y轴方向水平移动时，传感器104感测到光斑106的中心位置定义值如下数学式(4)所表示。

$(X_p,Y_p)=(\frac{N_{X(n-2)}+N_{X(n+6)}}{2},\frac{N_{Y(n+1)}+N_{Y(n+11)}}{2})=(N_{X(n+2)},N_{Y(n+6)})=(X_0,Y_0)---\left(4\right)$

换句话说，当绕Z轴旋转时，光斑106的中心位置并未改变，即光束103聚焦到传感器104上的中心点位置不变，但其光斑形状分布将随着绕Z轴旋转而跟着转动一个角度，其如图4B所示。此时，光斑形状分布参数Gp由下数学式(5)所表示。

G_p＝[(N_X(n+6)-N_X(n-2))，(N_Y(n+11)-N_Y(n+1))]＝[N_X(8)，N_Y(10)]    (5)

在此范例中，相对于传感器104，可动光源101与透镜102仍保持于同一XY平面上。因此，传感器104所感测到光斑106的单位面积光强度I₀仍不变。由于光束103聚焦的光斑中心位置与单位面积光强度的定义值均不变，数据处理电路105可根据传感器104所感测到光斑106的分布范围的变化值，计算得到光斑106于XY平面上的旋转角度，其如下式(6)所示。

$c={\tan }^{-1}\left(\frac{N_{X(n-2)}-N_{X(n+2)}}{N_{Y(n+11)}-N_Y(n+6)}\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{N_{X(-4)}}{N_{Y\left(5\right)}}\right)---\left(6\right)$

其中，c为绕Z轴的旋转角度。透过此结果。数据处理电路105便可以输出XY平面旋转信号，完成XY平面旋转控制，即以Z轴为中心的旋转控制功能。

图5A、5B绘示对多维度光学控制装置进行水平面转动(绕X轴旋转)时，多维度光学控制装置的组态示意图以及所形成光斑在传感器上的分布示意图。如图5A、5B所示，当可动光源101与透镜102相对于传感器104，以X轴为旋转中心旋转角度a时，光束103同样会以入射角a照射到传感器104上。此时，传感器104上的像素所感测到聚焦光束103的光斑106的光形分布，与参考光斑相较于X轴方向的分布范围并无改变，但在Y轴方向的分布范围产生改变，其如图5B所示。因此，如前所描述的方式，光斑106的光形分布参数G_a改变为如下数学式(7)所示。

Ga＝[(N_X(n+4)-N_X(n))，(N_Y(n+19)-N_Y(n+3))]＝[N_X(4)，N_Y(16)]    (7)

另外，传感器104上的像素所感测到光斑106的中心位置亦发生改变，即改变到下面数学式(8)所表示的位置(X_a，Y_a)。

$(X_a,Y_a)=(\frac{N_{X\left(n\right)}+N_{X(n+4)}}{2},\frac{N_{Y(n+3)}+N_{Y(n+19)}}{2})=(N_{X(n+2)},N_{Y(n+11)})---\left(8\right)$

由于光束103以入射角度a照射在传感器104上，传感器104上像素所感测到光斑106的单位面积光强度减弱为I_a。通过上述光形分布参数G_a、中心位置(X_a，Y_a)及单位面积光强度I_a的定义值改变，数据处理电路105可利用下面数学式(9)计算出可动光源101与透镜102以X轴为旋转中心的旋转角度。

$a={\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{{(X_a-X_0)}^2+{(Y_a-Y_0)}^2}}{D}\right)---\left(9\right)$

因此，经由光形分布参数G_a则可决定旋转角度为a或是-a。透过此结果。数据处理电路105便可以输出以X轴为旋转中心的旋转信号，完成以X轴为旋转中心的旋转控制的功能。

图6A、6B绘示对多维度光学控制装置进行水平面转动(绕Y轴旋转)时，多维度光学控制装置的组态示意图以及所形成光斑在传感器上的分布示意图。如图6A、6B所示，当可动光源101与透镜102相对于传感器104，以Y轴为旋转中心旋转角度b时，由于光束103亦以入射角b照射到传感器104上，传感器104所感测到的光斑106的光形分布范围，与参考光斑相较于Y轴方向的分布范围并无改变，但于X轴方向的分布范围产生改变。此时，光斑106的光形分布参数G_b改变为下面数学式(10)所示。

G_b＝[(N_X(n+2)-N_X(n-4))，(N_Y(n+12)-N_Y(n))]＝[N_X(6)，N_Y(12)]    (10)

此时，传感器104所感测到的光斑106的中心位置亦发生改变，即改变到下面数学式(11)所表示的位置(X_b，Y_b)。

$(X_b,Y_b)=(\frac{N_{X(n-4)}+N_{X(n+2)}}{2},\frac{N_{Y\left(n\right)}+N_{Y(n+12)}}{2})=(N_{X(n-1)},N_{Y(n+6)})---\left(11\right)$

由于光束103以入射角度b照射到传感器104上，传感器104上的像素所感测到光斑106的单位面积光强度减弱为I_b。通过上述光形分布参数G_b、中心位置(X_b，Y_b)以及单位面积光强度I_b的定义值，数据处理电路105可利用下面数学式(12)计算出可动光源101与透镜102以Y轴为旋转中心的旋转角度。

$b={\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{{(X_b-X_0)}^2+{(Y_b-Y_0)}^2}}{D}\right)---\left(12\right)$

而旋转方向亦可经由光形分布参数G_b决定。透过此结果，数据处理电路105便可以输出以Y轴为旋转中心的旋转信号，完成以Y轴为旋转中心的旋转控制的功能。

图7绘示光斑的单位面积光强度与旋转角度之间的关系图。如图7所示，当可动光源101与透镜102相对于传感器104，以X轴为旋转中心旋转，或以Y轴为旋转中心旋转时，当旋转角度越大，传感器104所感测到光斑106的单位面积光强度I也会越弱。

图8A、8B、8C、8D绘示对多维度光学控制装置进行垂直方向上下移动(沿Z轴上下移动)时，多维度光学控制装置的组态示意图以及所形成光斑在传感器上的分布示意图。由于光束103由可动光源101出发，经过透镜102后，其光形成锥形。当传感器104与可动光源101之间的距离改变时，传感器104上的像素所感测到的光斑106的光形分布范围，将同时沿着X轴与Y轴成比例变化。

图8A绘示沿Z轴往上移动的情形，图8B则为对应的光斑的光形分布变化情形。如图8A、8B所示，当可动光源101顶端与传感器104之间的距离由图示的D增加为D+d时，即往传感器104正Z轴方向上升距离d。此时，光束聚焦于传感器104上的光斑106的XY平面中心位置的定义值可经由以下数学式(13)计算而得。

$(X_p,Y_p)=(\frac{N_{X(n+1)}+N_{X(n+3)}}{2},\frac{N_{Y(n+3)}+N_{Y(n+9)}}{2})=(N_{X(n+2)},N_{Y(n+6)})---\left(13\right)$

由上数学式(13)可以明显地看出，可动光源101上升距离d后，光斑106与前述的参考光斑起始中心位置定义值(X₀，Y₀)相同，但其光形分布参数G_+d的分布范围缩小为如下数学式(14)所表示。

G_+d＝[(N_X(n+3)-N_X(n+1))，(N_Y(n+9)-N_Y(n+3))]＝[N_X(2)，N_Y(6)]    (14)

在此情形，传感器104所感测到光斑106的单位面积光强度增加为I_+d。此乃因为光斑106的面积缩小，单位面积的光强度变大之故。

另外，图8C绘示沿Z轴往下移动的情形，图8D则为对应的光斑的光形分布变化情形。如图8C、8D所示，当可动光源101顶端与传感器104之间的距离由图示的D减少为D-d时，即往传感器104负Z轴方向下降距离d。此时，光束聚焦于传感器104上的光斑106的XY平面中心位置的定义值可经由以下数学式(15)计算而得。

$(X_p,Y_p)=(\frac{N_{X(n-1)}+N_{X(n+5)}}{2},\frac{N_{Y(n-3)}+N_{Y(n+15)}}{2})=(N_{X(n+2)},N_{Y(n+6)})---\left(15\right)$

由上数学式(15)可以明显地看出，可动光源101下降距离d后，光斑106与前述的参考光斑起始中心位置定义值(X₀，Y₀)相同，但其光形分布参数G_-d的分布范围扩大为如下数学式(16)所表示。

G_-d＝[(N_X(n+5)-N_X(n-1))，(N_Y(n+15)-N_Y(n-3))]＝[N_X(6)，N_Y(18)]    (16)

在此情形，传感器104所感测到光斑106的单位面积光强度减少为I_-d。此乃因为光斑106的面积变大，单位面积的光强度变小之故。

因此，根据上述结果，通过光束103在传感器104的光形分布范围比例及单位面积光强度I的关系，可定义可动光源101与透镜102相对于传感器104的垂直距离。由此，数据处理电路105可根据所得的定义关系，计算出可动光源101与透镜102相对于传感器104的垂直距离变化情形，而输出垂直方向位移信号，完成垂直Z轴方向位移控制的功能。

综上所述，影响光斑106的单位面积光强度的因素有光源与传感器间的距离以及绕X轴或Y轴的旋转角度。因此，若传感器感测到单位面积光强度有改变时，便可以推知多维度光学控制装置100可能是沿着Z轴方向有上下移动、绕X轴旋转或绕Y轴旋转的情形。

另外，根据传感器所感测到的光形中心位置与起始中心位置的变化关系，或光形是否有旋转，便可以推知多维度光学控制装置100可能是在XY平面移动、绕Z轴转动、绕X轴或绕Y轴转动的情形。

因此，通过数据处理电路所接收到的信号与计算出的各个定义值，便可以得到目前所进行的动作为何，进而输出与该动作相对应的控制信号。

接着，进一步地说明整个多维度光学控制装置的控制流程。图9绘示本实施范例的多维度光学控制方法的流程示意图。

首先，在步骤S100，感测光束在传感器上形成光斑的起始中心位置、光斑形状分布范围以及单位面积光强度。之后，此起始中心位置、光斑形状分布范围以及单位面积光强度是做为参考光斑之用。亦即，当可动光源101与透镜102位于起始位置时，将传感器104上所感测的光斑106的中心位置、光形分布范围与单位面积光强度设为默认值(即起始定义值)，并且输入这些起始定义值给数据处理电路105。

接着，在步骤S102，判断感测到的光斑的形状分布范围或单位面积光强度受否产生变化。亦即，当可动光源101与透镜102开始进行空间六个维度的运动时，此时传感器104所感测到的光斑106的光形分布范围与单位面积光强度，将送至数据处理电路105进行计算是否产生变化，并且上述变化数据的信号将储存于数据处理电路105。

当传感器104上的像素所感测到光斑106的光形分布范围与单位面积光强度没有同时变化时，则执行步骤S120，判断光斑106的中心位置是否有改变。

当光斑106的中心位置有改变时，代表光斑106在传感器104上是呈现出平移的运动，即上述图3所描述的情形。因此，数据处理电路105便在步骤S126计算出光斑中心位置在XY平面上的移动量。之后，在步骤S128，输出控制信号，以执行步骤S130，完成XY平面上的平移位移控制。

反之，在执行步骤S120中，当光斑106的中心位置没有改变时，代表光斑106在传感器104上是呈现出绕Z轴旋转的运动，即图4A、4B所描述的情形。此时，执行步骤S122，数据处理电路105便在步骤S122计算出光斑绕Z轴的旋转角度。之后，在步骤S124，输出控制信号，以执行步骤S130，完成以执行绕Z轴的旋转控制。

另外，当在步骤S102，数据处理电路105判断出传感器104上的像素所感测到光斑106的光形分布范围与单位面积光强度有同时变化时，则执行步骤S110，判断光斑106的中心位置是否有改变。

当光斑106的中心位置有改变时，即上述图5A、5B或图6A、6B所述的绕X轴或Y轴的情形。此时，数据处理电路105便在步骤S116计算出光斑106的光形分布范围以及光斑中心位置的平移量。之后，在步骤S118，通过数据处理电路105所计算的光形分布范围以及光斑中心位置的平移量，输出控制信号，以执行步骤S130，完成以X轴或Y轴为旋转中心进行旋转的控制。

反之，在执行步骤S110中，当光斑106的中心位置没有改变时，其代表上述图8A至8D所述的沿Z轴上下移动的情形。此时，数据处理电路105便在步骤S112计算出光斑106的光形分布范围。之后，在步骤S114，通过数据处理电路105所计算的光形分布范围，输出控制信号，以执行步骤S130，完成沿Z轴进行垂直位移的控制。

综上所述，透过数据处理电路105输出六个维度改变的模拟或数字信号，本实施范例的六维度光学控制装置100即可完成空间控制的功能。

在一定时间内，传感器104感测到光斑106的像素变化越多时，表示可动光源101与透镜102相对于光学传感器104的动作速度越快，则数据处理电路105经过计算后，会输出加快速度的六维度空间控制信号。反之，当传感器104于一定时间内，感测到光斑106的像素变化越少时，表示可动光源101与透镜102相对于传感器104的动作速度越慢，则数据处理电路105经过计算后，会输出较慢速度的六维度空间控制信号。

根据本实施范例的六维度光学控制装置100，其利用上述简单的构件与感测方式，即可完成水平与垂直方向的移动以及三个维度旋转动作等空间六个维度的精密控制功能。

除了上述实施方式外，本发明尚可做其它变化，以下特举多个变化范例进行说明。

在上述实施范例中，并未对光束的形状进行整形，亦即光束103经由可动光源101射出后，便由透镜102直接聚焦到传感器104的感测面上。一般而言，在感测面上所形成的光斑大致上呈现长宽比不为1的椭圆形。此形状有利于判断光斑是否有旋转。因此，光斑的形状会对判断光斑是否有产生变化的灵敏度造成影响，也因此对光学控制装置的控制分辨率有一定程度的影响。

因此，为了更进一步地提升光学控制装置的控制分辨率，可以对光束的形状进行整形。光束整形的方式可例如在可动光源101与透镜102之间增加光束整形组件，例如可以使用具有孔洞的挡板来进行整形。当然，在不影响本实施范例的功效下，市面上很多光束整形的光学组件也可以适当的采用，只要可以达成下述功能即可，在此便不多举例说明。

图10A绘示另一实施范例的多维度光学控制装置示意图，图10B、10C、10D绘示图10A中挡板的范例示意图。如图10A所示，其在可动光源101与透镜102之间增设一个挡板108，其中还具有一个孔洞109，此孔洞109为指向形状孔洞。以图10B所示的范例来说明，该孔洞109的形状为T型。

当光束103到达挡板108后，部分光束被遮挡，而部分光束则穿过指向形状孔洞109，再由透镜102形成具指向形状且具锥形光形的光束，之后聚焦到传感器104的感测面上。由图10C可以看出光斑106的形状与挡板108的指向形状孔洞109相似。透过此方式，可以让传感器104上所形成的光斑106形状更为精确，进而提高控制分辨率。

图10D还列出一些指向形状孔洞的范例，如三角形、椭圆形、菱形或多边型等等，但非用以限制孔洞的形状。一般而言，只要不是正圆形，或长宽比为1的图形即可。但是，若要使用圆形，则必须要于前述范例中增加参考点。光斑106为圆形时，其长宽比为1，并对称于X轴与Y轴。故当产生旋转动作时，无法判断光斑是否有转动，这将造成动作的误判，因此在实用上，尽量不使用正圆形。但是，若要使用圆形光斑或圆形孔洞时，则必须定义传感器104上的某一像素为参考点，并将光斑106与该参考点连接成一直线，当产生随着Z轴方向的旋转动作时，光斑106相对该参考点而旋转。由此，方可断出圆形光斑是否有旋转等的位置变化。

在上述图10A至10D所示的范例中，挡板108是采用不透光的材料，但是也可以使用透光材料。图11A绘示另一实施范例的多维度光学控制装置示意图，图11B、11C绘示图11A中挡板的范例示意图。如图11A所示，本实施范例与图10A的实施范例类似，在可动光源101与透镜102之间增设一个挡板110，不过所不同的是该挡板110为可透光材料。通过调整透光率，可以控制光束103的光强度。另外，图11B绘示挡板110的一个范例，该挡板110具有两个透光率不同的透光区112与114。由此，当光束103通过挡板110后，其光强度形成明显高低的分布。之后，再通过透镜102，形成具高低光强度分布且具锥形光形的光束，再照射于感应器104上，以形成如图11C所示的具有不同光强度分布的光斑106。在此范例中，将挡板110做成有两个不同的光强度区域，但是实作上，两个或以上的区域也是可行，端视实际需求来进行适当的设计变化。另外，此范例是以圆形为例，实作上也可以不同的图案来形成。多个区域时，每个区域的形状也可以相同或不同，其并未有特别限制。

除了使用不同透光率，以形成不同光强度的分布区域外，也可以将图11B的区域112、114施以不同的颜色，由此达到不同透光率。

图12A绘示光源与透镜的封装结构示意图，图12B绘示光源、挡板与透镜的封装结构示意图。由于一般光源、LED或LD等多波长或单波长的光源，皆需要透过封装方式加以保护与固定光源本身。因此如图12A所示，可透过封装方式将上述实施范例中的光源101与透镜102结合成一体。另外如图12B所示，在具有透光或不透光挡板的实施范例中，也可以是将光源101、挡板108(或挡板110)以及透镜102结合，成为一个整体的发光组件。

图13与图14绘示本发明的实施范例的变化例。在上面说明的各实施范例中，是将光源设计成可动的方式，即可以透过与如操纵杆的可动机构连接，而产生与操纵杆相对应的移动或转动操作。但是，也可以将光源设计成固定方式。接着，列举范例来加以说明。

如图13(或图14)所示，多维度光学控制装置200(300)包括光源与透镜所构成的固定发光组件204(304)、反射组件202(302)、传感器206(306)以及数据处理电路(未绘出)。在此范例中，发光组件204(304)为固定在多维度光学控制装置200(300)内不妨碍传感器206(306)动作的任何适当位置，其可发射并聚焦光束。反射组件202(302)基本上是可动组件，其可连接到操纵杆等的可动机构，藉以达到可以移动或转动的目的。反射组件202(302)可以将发光组件204(304)所发出的光束反射到传感器206(306)上。透过反射组件202(302)随着可动机构的移动或转动，使聚焦在传感器206(306)表面上的光斑能够产生中心位置、形状分布范围或单位面积光强度的变化量，由此产生相应的控制信号。

关于光斑能够产生中心位置、形状分布范围或单位面积光强度的变化量的计算与说明，可以参考上述的实施范例，在此不多冗述。数据处理电路与传感器之间的关系与操作，亦与前面的实施范例相同。另外，关于发光组件的挡板、挡板材料、指向性孔洞等等，也都可以援用上述实施范例的作法，在此不多做描述。

综上所述，根据本实施范例的多维度光学控制装置，光源可直接照射于传感器上，不需要反射平面，故无反射面反射率不佳的问题，因此感测灵敏度甚佳，而且光源与感应器相对位置不受限。此外，透过简单的光学机构，在不需过多零件与机构体积的环境下，完成水平与垂直方向，空间六个维度的输入控制功能。

另外，本实施范例利用光源直接照射于传感器上，不需透过狭缝挡板或屏幕，因此可大幅降低能耗与零件定位问题。透过传感器上感测光源的像素位置、范围与光强度的变化，即可完成高精度的六个维度输入控制功能。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (45)

1.一种多维度光学控制装置，包括：

可动光源，受外在作用而移动，并用以产生光束；

透镜，与该可动光源耦接，将该光束聚焦；

传感器，用以感测聚焦于该传感器上的光斑；以及

数据处理电路，耦接至该传感器，用以取得该光斑在该传感器上的位置变化量、形状变化量或光强度变化量，其中该位置变化量、该形状变化量或该光强度变化量是相对于参考光斑的位置、形状或光强度；依据该位置变化量、该形状变化量或该光强度变化量，输出控制信号，以进行旋转或移动的多维度控制动作。

2.如权利要求1所述的多维度光学控制装置，其中该位置变化量包括旋转变化量或平移变化量。

3.如权利要求1所述的多维度光学控制装置，其中该形状变化量包括该可动光源相对于该传感器垂直移动或转动移动而产生的变化量。

4.如权利要求1所述的多维度光学控制装置，其中该可动光源为单一波长光源。

5.如权利要求4所述的多维度光学控制装置，其中该单一波长光源为激光二极管。

6.如权利要求1所述的多维度光学控制装置，其中该可动光源为多波长光源。

7.如权利要求6所述的多维度光学控制装置，其中该多波长光源为白炽灯或发光二极管。

8.如权利要求1所述的多维度光学控制装置，其中该传感器为二维平面传感器。

9.如权利要求8所述的多维度光学控制装置，其中该二维平面传感器为PD阵列传感器、CMOS传感器、或CCD传感器。

10.如权利要求1所述的多维度光学控制装置，其中该控制信号为数字信号或模拟信号。

11.如权利要求1所述的多维度光学控制装置，其中该可动光源与该透镜封装成一体。

12.如权利要求1所述的多维度光学控制装置，还包括光束整形组件，位于该可动光源与该透镜之间，用以对该可动光源发出的该光束进行整形。

13.如权利要求12所述的多维度光学控制装置，其中该光束整形组件为挡板，且该挡板具有孔洞，使该光束穿过。

14.如权利要求13所述的多维度光学控制装置，其中该挡板为不透光。

15.如权利要求14所述的多维度光学控制装置，其中该孔洞为非正圆形。

16.如权利要求14所述的多维度光学控制装置，其中该孔洞为圆形，且相对于该传感器上的参考点移动。

17.如权利要求12所述的多维度光学控制装置，其中该光束整形组件为挡板，且该挡板为透光。

18.如权利要求17所述的多维度光学控制装置，其中该挡板包括至少两个相异透光率的区域。

19.如权利要求17所述的多维度光学控制装置，其中该挡板包括至少两个相异颜色的区域。

20.如权利要求12所述的多维度光学控制装置，其中该可动光源、该光束整形组件与该透镜封装成一体。

21.一种多维度光学控制装置，包括：

固定光源，用以产生光束；

透镜，与该固定光源耦接，将该光束聚焦；

可动反射组件，受外在作用而移动，用以反射经该透镜聚焦的该光束；

传感器，对反射的该光束在该传感器上所形成的光斑进行感测；以及

数据处理电路，耦接至该传感器，用以取得该光斑在该传感器上的位置变化量、形状变化量或光强度变化量，其中该位置变化量、该形状变化量或该光强度变化量是相对于参考光斑的位置、形状或光强度；依据该位置、该形状或该光强度的该变化量，输出控制信号，以进行旋转或移动的多维度控制动作。

22.如权利要求21所述的多维度光学控制装置，其中该位置变化量包括旋转变化量或平移变化量。

23.如权利要求21所述的多维度光学控制装置，其中该形状变化量包括该可动光源相对于该传感器垂直移动或转动移动而产生的变化量。

24.如权利要求21所述的多维度光学控制装置，其中该可动光源为单一波长光源。

25.如权利要求24所述的多维度光学控制装置，其中该单一波长光源为激光二极管。

26.如权利要求21所述的多维度光学控制装置，其中该可动光源为多波长光源。

27.如权利要求26所述的多维度光学控制装置，其中该多波长光源为白炽灯或发光二极管。

28.如权利要求21所述的多维度光学控制装置，其中该传感器为二维平面传感器。

29.如权利要求28所述的多维度光学控制装置，其中该二维平面传感器为PD阵列传感器、CMOS传感器、或CCD传感器。

30.如权利要求21所述的多维度光学控制装置，其中该控制信号为数字信号或模拟信号。

31.如权利要求21所述的多维度光学控制装置，其中该固定光源与该透镜封装成一体。

32.如权利要求21所述的多维度光学控制装置，还包括光束整形组件，位于该固定光源与该透镜之间，用以对该固定光源发出的该光束进行整形。

33.如权利要求32所述的多维度光学控制装置，其中该光束整形组件为挡板，且该挡板具有孔洞，使该光束穿过。

34.如权利要求33所述的多维度光学控制装置，其中该挡板为不透光。

35.如权利要求34所述的多维度光学控制装置，其中该孔洞为非正圆形。

36.如权利要求34所述的多维度光学控制装置，其中该孔洞为圆形，且相对于该传感器上的参考点移动。

37.如权利要求32所述的多维度光学控制装置，其中该光束整形组件为挡板，且该挡板为透光。

38.如权利要求37所述的多维度光学控制装置，其中该挡板包括至少两个相异透光率的区域。

39.如权利要求37所述的多维度光学控制装置，其中该挡板包括至少两个相异颜色的区域。

40.如权利要求32所述的多维度光学控制装置，其中该固定光源、该光束整形组件与该透镜封装成一体。

41.一种多维度光学控制方法，依据传感器所感测的光斑的变化，进行多维度运动控制，该多维度光学控制方法包括：

设定参考光斑的起始定义值，该起始定义值包含起始中心位置、起始光斑形状分布范围与起始单位面积光强度；

当该光斑产生运动时，判断运动后的该光斑的光斑形状分布范围与单位面积光强度是否发生改变；

依据该光斑形状分布范围与该光强度的变化量，产生控制信号，以执行该多维度运动控制。

42.如权利要求41所述的多维度光学控制方法，当该光斑形状分布范围与该光强度的变化量均为零时，还包括：

判断运动后的该光斑的中心位置是否偏移该参考光斑的该起始中心位置；

当该中心位置产生偏移时，计算该中心位置相对于该起始中心位置的平移量，以执行对应于该传感器平面的平移运动；以及

当该中心位置没有产生偏移时，计算该光斑形状分布范围相对于该起始光斑形状分布范围的转动角度，以执行垂直于该传感器的平面的旋转运动。

43.如权利要求41所述的多维度光学控制方法，当该光斑形状分布范围与该光强度的变化量均不为零时，还包括：

判断运动后的该光斑的中心位置是否偏移该参考光斑的该起始中心位置；

当该中心位置产生偏移时，计算该中心位置相对于该起始中心位置的平移量，以及该光斑形状分布范围相对于该起始光斑形状分布范围的变化量，以执行平行于该传感器的平面的其中一轴进行旋转运动；以及

当该中心位置没有产生偏移时，计算该光斑形状分布范围相对于该起始光斑形状分布范围的变化量，以执行垂直于该传感器的垂直平移运动。

44.如权利要求41所述的多维度光学控制方法，还包括：

在预定时间内，依据感测到的该光斑的像素变化量，输出加速控制信号或减速控制信号。

45.如权利要求41所述的多维度光学控制方法，其中该参考光斑的该起始定义值，是以该传感器的中心位置为基准。

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