CN102105895B - 基于手指移动的光感导航仪器及方法 - Google Patents

基于手指移动的光感导航仪器及方法 Download PDF

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Abstract

有关一种光学导航仪器的一种实施例。该装置包括仪器表面的一个小孔、一个光源(发射穿过该小孔的光束)、一个成像系统(配置为接收置于所述孔上的手指被照亮部分所产生的光并根据一个检测器平面上的光成像)和一个跟踪传感器阵列(位于检测器平面上，其配置为检测所述手指相对于所述孔的侧向移动)。此外，该仪器还包括一个位于检测器平面的举升传感器，其配置为检测所述手指相对于仪器所述表面上方的举升距离。也披露了其它实施例、方面和特征。

Description

基于手指移动的光感导航仪器及方法
技术领域
本发明通常涉及计算机和电子技术，更特别涉及计算机和电子装置的导航仪器及方法。
背景技术
指向设备如鼠标、轨迹球、触摸板、指点棍(橡皮圆点)、操纵杆和滚动轮，被人们熟知可用于向个人计算机和工作站输入数据并与它们接口。这些设备能够快速重定位显示器上的光标，在很多文本、数据库和图形程序中很有用处。例如，用户可通过在一个表面上移动鼠标使得光标进行与鼠标方向一致、距离成比例的运动，从而控制了光标的移动。另外，为了同一目的，也可用手指在静止装置(如接触板)上移动。
发明内容
与一种光学导航仪器有关的实施例。该装置包括装置表面的一个孔、一个光源(发射穿过所述孔的光束)、一个成像系统(配置为接收置于所述孔上的手指被照亮部分所产生的光以及从检测器平面上光成像)和一个跟踪传感器阵列(位于检测器平面，该检测器配置为检测所述手指相对于所述孔的侧向移动)。此外，该装置还包括一个位于检测器平面上的举升传感器，该检测器配置为检测装置所述表面上的所述手指举升情况。也披露了其它实施例、方面和特征。
附图说明
在阅读了以下的详细说明和随附的图式以及以下附加的权利要求后，本发明的各种特征和优点有可能会变得清晰。
图1是使用根据本发明的一个实施例中所述的光感应基于手指移动二维导航仪器的示意图；
图2是图1装置中手指在孔上方的垂直运动；
图3描绘了根据本发明一个实施例所述的光学传感器的二维梳状阵列；
图4A是跟踪传感器阵列的一个示意图，其元件电子分组为一种双单元结构以检测根据本发明一个实施例所述的举升情况；
图4B是跟踪传感器阵列的一个示意图，其元件电子分组为一种四单元结构以检测根据本发明另一个实施例所述的举升情况；
图5是跟踪传感器阵列和根据本发明另一个实施例所述的邻近双单元举升传感器的一个示意图；
图6是使用根据本发明一个实施例所述的使用光学传感器基于手指移动的导航方法的流程图。
具体实施方式
图1是使用根据本发明一个实施例所述的光学传感方法基于手指移动的二维(x-y维度)导航仪器100的示意图。如图1所示，该仪器可优选为一种便携或手持式装置。例如，该仪器可以是蜂窝电话机、个人数据助理、便携式音乐播放器、数码相机、全球定位系统(GPS)装置、笔记本电脑、台式电脑、游戏机、遥控器或者是这些设备的组合。
用户在使用这样的便携式或手持式设备时，活动往往是受限制的。因此，十分需要实施一种小巧的用户导航系统。本申请公开了一种使用手指移动光学感应方法的非常紧凑的用户导航系统。换言之，本申请公开了一项利用对用户手指移动进行光学感应来实现与鼠标类似功能(或许更多功能)的技术。
公开的本仪器利用对用户手指移动进行光学感应的方法与接触板使用的电容感应法相比有一定的优势。例如，公开的本仪器的轨迹精度远远高于传统的接触板。
如图1所示，设备100的表面101配置有一个小孔102。例如，小孔102的直径可能小于1厘米。小孔优选经济地设计为提供一个舒适的接触面，以便在用户的手指在手指导航时能够平滑移动。
用户的手指110可位于小孔上或小孔102上方。如本文所述，手指在x-y平面(与装置表面101平行的平面)上的移动112可以用来产生二维导航信号。如本文进一步所述，二维导航信号可以更好地用光学手段产生。
根据本发明的一个实施例，在装置100内部小孔102的下面可能配置有一个激光和传感器套件150。在图1的下面部分是激光和传感器套件150展开视图。
激光和传感器套件150可能包含一个感光底层152，其上配置了一个激光源153(例如一个发射激光或VCSEL的垂直腔面)和一个传感器阵列及其电路154。该套件150也可能包括一体化光学器件156，其中包括：配置为聚焦和引导激光器153发射以从所述孔102输出的光学器件157，以及配置为将来自用户手指110的发散光聚焦和引导至传感器阵列154上的光学器件158。
根据本发明的一个实施例，散射光在传感器阵列154的平面上产生一个光斑图案。传感器阵列154的电路优选配置成实施一个二维梳状阵列以便精确跟踪光斑图案的水平(x-y维度)移动。下面配合图3对将电路配置成一个二维梳状阵列进行进一步描述。
从优势上来说，该技术可检测手指微小运动。例如，使用这种系统对手指运动进行跟踪，其精度可超过每英寸(dpi)3000点。实际的精度取决于实施情况，包括操作波长。
图2是手指在图1装置100中的小孔102上方的垂直(z维度)运动202。除了垂直(而非水平)运动，图2与图1显示了相同的部件。垂直手指运动202也称为举升运动或举升高度变化。
本发明一个优选实施例包括一个传感器阵列及电路154，其配置为不仅能检测手指在小孔102上方的二维水平运动112，还能检测手指在小孔102上方手指110的垂直运动202。
根据本发明的一个实施例，传感器阵列154的电路配置成一个二维梳状阵列。图3为一个由光电二极管检测器元件构成的二维(2D)梳状阵列302的小型实例。二维梳状阵列302由64个子阵列304按8×8矩阵排列组成。图左边区域是一个子阵列304的展开图。
每个子阵列304由16个检测器元件按4×4矩阵方式排列组成。每个子阵列304中的16个检测器元件中的每个元件被确认为8个元件组其中一个组中的一个成员。与每个子阵列304的每个检测器元件相关的组号在展开图中用数字(1、2、3、4、5、6、7、8)标注。每组中的信号电子汇聚在一起，成为整个阵列302的信号。形成的组信号(1到8号)从阵列302中输出(如图右侧所示)。
差分电路306用于从一对对组信号中产生差分信号。第一个差分信号CC由信号1和信号2的差分产生。第二个差分信号SC由信号3和信号4的差分产生。第三个差分信号CS由信号5和信号6的差分产生。第四个差分信号SS由信号7和信号8的差分产生。这四个差分信号包含了x和y方向同相和正交信号的信息。
这些x和y方向的同相和正交信号可用作二维运动信号来跟踪斑点图案的水平移动。换言之，利用x和y方向的同相和正交信号可跟踪用户手指110在装置100小孔102上的水平移动112。
图4A是跟踪传感器阵列402的一个示意图，其元件电子分组为一种双单元结构以检测根据本发明一个实施例所述的举升情况(除了检测水平位移外)。换言之，在图4A中，跟踪阵列402本身除了具有能检测其表面上斑点图案的侧向移动的电路外，还有能检测用户手指110相对于便携设备100表面101小孔102的举升情况的电路。在这种情况下，为了检测举升情况，阵列402的各个光检测器元件输出的信号通过计算分为两组或两个单元：左单元402-L和右单元402-R。
在这种配置中，用户手指110的举升动作能够引起光束中心由左向右(或由右向左)移动。图中显示了三个光束图像的位置：中心光束位置404，其位于列阵402的中心；光束右偏移位置406；以及光束左偏移位置408。当光束向右偏移时，左单元402-L检测到相对于右单元402-R较弱的强度，因此，光束中心的位置可估计为向右偏移。当光束向左偏移时，右单元402-R检测到相对于左单元较弱的强度，402-L，因此，光束中心的位置可估计为向左偏移。在一种实现方式中，垂直方向的举升量Δz可通过将光束中心偏移Δx除以入射角θ的正切(tanθ)值来估算。
图4B是跟踪传感器阵列412的一个示意图，其元件从电子学上分组为一种四单元结构以检测根据本发明另一个实施例所述的举升情况(除了检测水平位移外)。换言之，在图4B中，跟踪阵列412本身除了具有能检测用户手指110相对于小孔102的侧向移动的电路外，还有能检测用户手指110相对于小孔102的电路。在这种情况下，为了检测举升情况，阵列412的各个光检测器元件输出的信号通过计算分为四组或四个单元：左上单元412-A；右上单元412-B；左下单元412-C和右下单元412-D。
在这种配置中，用户手指110相对于小孔102的举升动作能够引起光束中心由左向右(或由右向左)移动。图中显示了三个光束图像的位置：中心光束位置404，其位于列阵412的中心；光束右偏移位置406；以及光束左偏移位置408。当光束向右偏移时，左单元412-A和412-D检测到相对于右单元412-B和412-C较弱的强度，因此，光束中心的位置可估计为向右偏移。当光束向左偏移时，右单元412-B和412-C检测到相对于左单元412-A和412-D较弱的强度，因此，光束中心的位置可估计为向左偏移。在一种实现方式中，垂直方向的举升量Δz可通过将光束中心偏移Δx除以入射角θ的正切(tanθ)值来估算。
图5是跟踪传感器阵列502和根据本发明另一个实施例所述的邻近双单元举升传感器504的一个示意图。跟踪传感器阵列502和举升传感器阵列504均可能由同一束光照明。此外，可能使用单独的照明光束。
图中显示了三个光束图像的位置：中心光束位置404，其位于阵列412的中心；光束右偏移位置406；以及光束左偏移位置408。如图4A和图4B中所示，手指110相对于小孔102的举升动作能够引起光束中心由左向右(或由右向左)移动。
当光束向右偏移时，左单元502-L检测到相对于右单元502-R较弱的强度，因此，光束中心的位置可估计为向右偏移。当光束向左偏移时，右单元502-R检测到相对于左单元502-L较弱的强度，因此，光束中心的位置可估计为向左偏移。在一种实现方式中，垂直方向的举升量Δz可通过将光束中心偏移Δx除以入射角θ的正切(tanθ)值来估算。
图6是使用根据本发明一个实施例所述的光学传感器的基于手指移动的光感导航方法600的流程图。如上所述，一束相干的光束(如激光束)被产生出来并通过便携式电子设备表面上的小孔输出602。
激光从用户可能置于小孔上方附近的手指皮肤表层上散射开来604。散射的光(在通过小孔返回后)在传感器上被检测到606。
传感器装置的阵列电路优选为能配制成既能跟踪608手指相对于小孔的二维(x-y)水平位移，同时也能检测610手指表面相对与装置表面上小孔的举升高度变化(z位移)。
二维水平位移信号可用612作便携设备的用户输入信号。例如，二维水平位移信号可用来控制x方向或y方向滚动，或者控制光标在两个维度上的移动。
同样地，举升信号可用614作便携设备的用户输入信号。例如，举升信号可用作点击信号(与按鼠标键类似)。在一个具体的实施例中，手指快速上下运动一次可用作对应于鼠标“左键单击”的输入信号，而手指快速上下运动两次可用作对应于鼠标“右键单击”的输入信号。在另一个具体的实施例中，一个微小的手指举升(例如：表面之上2～4毫米)和朝一个方向运动(例如：y方向)可用作对应于拨动滚动轮的输入信号。
根据本发明的一个实施例，根据举升信号确定的举升高度可有益地利用，以自动调整616水平跟踪的精度。例如，降低跟踪精度意味着同样的检测到的斑点图案位移对应于较小的光标位移。相反，提高跟踪精度意味着同样的检测到的斑点图案位移对应于较大的光标位移。
一般来说，举升高度变大(也就是手指离小孔越远)，跟踪精度自动调高。相反，举升高度越低(也就是手指离小孔越近)，跟踪精度自动调小。
前面关于本发明具体实施例和实施例的描述，是为了说明之目的，虽然前面的实例对本说明进行了说明，但不应构成对本发明的限制。这些描述并不求详尽无遗，也并不将本发明局限于披露的形式，鉴于该教导，在本发明范围内的各种修改、改进和变化都是可能的。本发明的范围旨在涵盖本文中公开的一般性领域，体现在本文附件中的专利要求及其等同的要求中。

Claims (19)

1.一种光学导航仪器，其特征在于，包括：
在仪器表面中的一个小孔；以及
一个激光和传感器套件，其包括：
一个激光器，提供穿过所述小孔的照明光束；
一体化光学器件，配置为接收置于所述小孔上的手指的被照亮部分所产生的光并根据检测器平面上的光来成像;
一个位于所述检测器平面上的跟踪传感器阵列，其配置为检测所述手指相对于所述小孔的侧向移动；以及
一个位于所述检测器平面的举升传感器，其配置为提供代表所述仪器的所述表面上所述手指的举升情况的一个举升信号，其中，所述举升信号用来自动调整所述仪器的水平跟踪精度。
2.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述跟踪传感器阵列包含了一个二维梳状阵列检测器。
3.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述举升传感器包含所述跟踪传感器阵列中的至少两组光检测元件。
4.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述举升传感器使用了与所述跟踪传感器阵列中的光检测元件分离的光检测元件。
5.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述水平跟踪精度随着举升高度的增加而自动增加。
6.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述仪器包含一个便携式音乐播放设备。
7.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述仪器包含一个蜂窝电话机。
8.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述仪器包含一个便携式全球定位系统装置。
9.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述仪器包含一个遥控装置。
10.一种使用光学感应的基于手指的导航方法，适用于便携式电子设备，其特征在于，该方法包含：
提供穿过所述便携式电子设备表面上的小孔的照明光束；
接收置于所述小孔上的手指的被照亮部分所产生的光；
根据位于检测器平面上的传感器阵列上的光来成像；
利用所述传感器阵列产生的信号跟踪所述手指相对于所述小孔的侧向运动；
利用所述传感器阵列产生的举升信号检测所述手指在所述小孔上方的举升情况；以及
利用所述举升信号自动调整所述手指的所述侧向运动的水平跟踪精度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述传感器阵列包含一个二维梳状阵列检测器，其配置为跟踪斑点图案的侧向运动。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述传感器阵列包含与所述二维梳状阵列检测器分离的光检测元件，以及配置为检测光束中心的位移以检测举升情况的光检测元件。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述传感器阵列包含至少两组元件，其配置为检测光束中心的位移以检测举升情况。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述水平跟踪精度随着举升高度的增加而自动增加。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法用于为便携式音乐播放设备提供用户输入。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法用于为蜂窝电话提供用户输入。
17.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法用于为便携式全球定位系统装置提供用户输入。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法用于为遥控装置提供用户输入。
19.一种便携式电子设备，其配置为使用光学感应提供基于手指的导航，其特征在于，该设备包含：
提供穿过便携式电子设备表面上小孔的照明光束的构件;
接收置于所述小孔上的手指的被照亮部分所产生的光的构件;
根据置于检测器平面上的传感器阵列上的光成像的构件;
利用所述传感器阵列产生的信号跟踪所述手指相对于所述小孔的侧向运动的构件；以及
利用所述传感器阵列产生的信号检测所述手指在所述小孔上方的举升情况的构件，其中，检测举升情况的所述构件配置为产生用于自动调整跟踪侧向运动的所述构件的水平跟踪精度的举升信号。
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