CN103514436A - 使用多个光电检测器分段的运动和简单姿态检测 - Google Patents

使用多个光电检测器分段的运动和简单姿态检测 Download PDF

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Abstract

一光电子装置选择性地驱动光源，并包括检测已反射离开一物体的光的四个电气隔绝的光电检测器(PD)分段。这四个PD分段中的每一个产生一相应的信号，这些信号被称为信号A、B、C和D，它们指示由相应的PD分段检测到的光。使用电路来产生第一运动信号，该第一运动信号指示信号A与信号B之和减去信号C与信号D之和，即第一运动信号指示(A+B)-(C+D)。又一电路产生指示(B+C)-(A+D)的第二运动信号。根据第一运动信号和第二运动信号产生指示物体的运动方向和/或运动速度的信号和/或数据。

Description

使用多个光电检测器分段的运动和简单姿态检测
优先权声明
本申请要求2012年6月14日提交的题为“MOTION AND SIMPLE GESTUREDETECTION USING MULTIPLE PHOTODETECTOR SEGMENTS(使用多个光电检测器分段的运动和简单姿态检测)”的美国专利申请No.13/523,777的优先权。
技术领域
本申请涉及光电子装置以及伴随其使用的方法，它们可用来产生指示物体运动方向的信号和/或数据。另外，在具体实施例中，指示物体运动方向的信号和/或数据也指示物体的运动角。这些实施例可用来检测简单的姿态。另外，本文描述的实施例可用来在有效冲程运动和回程运动之间作出区别。
现有技术
例如触敏屏幕的技术已允许使用者无需使用鼠标和/或键盘地将输入提供给诸如移动电话和平板电脑之类的电子设备。触敏屏幕的示例包括电容性传感器、压敏薄膜、带四周光源和传感器的光束切断技术以及声波定距技术。然而，这些类型的接口只能将关于触摸事件本身的信息提供给设备，并因此应用可能受到限制。另外，这些类型的接口对于在给定的时间量能够处理的触摸事件的次数也存在限制，并且容易将非故意的接触(例如来自衬衫袖口或手掌的接触)解释为触摸事件。
作为触敏屏幕的另一选择，已研发出光学运动和/或姿态识别传感器，这种传感器可用来识别在传感器感测区域内的物体(例如人的手指)的不同运动。典型地，这些光学传感器依赖于多个空间上分散的光源、多个空间上分散的光电检测器或两者兼有，以使光学传感器在沿一个或两个方向上的运动之间作出区别。例如，一种已有的传感器包括：光电检测器，在该光电检测器的两侧均设有红外发光二极管(IR-LED)，所述IR-LED与光电检测器相距几十毫米以提供充分的角分辨率，以及第三IR-LED，所述第三IR-LED沿与前面两个IR-LED和光电检测器所在的直线正交的方向与光电检测器相距几十毫米。循序地以脉冲方式每次驱动这些IR-LED中的一个，以使检测到的反射光信号可与正确的光源及其相对于光电检测器的已知位置相关联。从检测到的反射光脉冲，姿态识别算法确定目标物体(例如使用者的手指)的方向和速度。
前述示例性光学传感器的一个缺点在于，它需要至少三个空间上分散的光源来检测两个方向(例如x方向和y方向)上的移动，或至少两个空间上分散的光源来检测一个方向(例如仅x方向)上的移动。因此，由于光源和光电检测器之间所需的空间距离，该传感器需要相对大的覆盖面积。另外，该传感器需要在光源之上的相对大的孔口(即窗)，或需要多个孔口。
由于这些传感器经常包含在例如移动电话、平板电脑之类的便携式设备之内，减小这类设备的覆盖面积将是有利的。另外，减少这些传感器所需的光源数也是有利的，从而例如更易于将这些传感器纳入到例如移动电话、平板电脑等设备中。
发明内容
图1示出根据本发明一个实施例的光电子装置100(也称光学传感器、光学运动传感器或姿态识别传感器)，该光电子装置100可用于包括简单姿态识别的运动检测。例如，如下文中更详细描述的那样，光电子装置100可用来检测水平的左向右运动、水平的右向左运动、垂直的上至下运动和垂直的下至上运动。光电子装置100也可用来检测运动角。另外，如下文中描述的那样，光电子装置100可用来在有效的冲程运动和回程运动之间作出区别。
参见图1，光电子装置100图示为包括选择性地驱动光源102的驱动器106。光源102优选为单个发光元件，例如但不局限于，发光二极管（LED）、有机LED（OLED）、块状发光LED、表面发光LED、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、超辐射发光二极管（SLED）、激光二极管或像素二极管。光源102可发射红外(IR)或近IR光、或其它波长的光。驱动器106受控制器120控制，该控制器120可使用微处理器、状态机和/或类似的电路来实现。
光电子装置100还包括四个光电检测器(PD)分段112，这些分段112是彼此电气隔绝的。如果当驱动器106驱动光源102射出光时在光电子装置100的感测区域内存在物体104(也称目标或目标物体)，则一部分射出的光将反射离开该物体并(以变化的角度)入射到四个PD分段112上，如下文中更详细描述的那样。四个PD分段中的每一个将产生输出信号(例如电流信号)，该输出信号指示所检测的光的强度。四个PD分段112的输出被提供给运动和总辐射信号发生电路114，该运动和总辐射信号发生电路114也受控制器120控制。运动和总辐射信号发生电路114的输出被提供给运动方向和速度检测电路116。根据本发明具体实施例的四个PD分段112以及运动和总辐射信号发生电路114的额外细节将在下面结合图2A予以说明。根据本发明具体实施例的运动方向和速度检测电路116的额外细节将在下面结合图2B予以说明。
根据一个实施例，四个PD分段112中的每一个优选地尽可能靠近其相邻的PD分段，从而使光学传感器100的总覆盖面积减至最小。另外，光源102优选地尽可能靠近四个PD分段112中最接近的两个，从而使光学传感器100的总覆盖面积减至最小，并使光源和PD分段相对彼此空间偏移的影响减至最小。根据一个实施例，不透明遮光板108使光源102与四个PD分段112光学地隔离，从而减少并优选地防止光从光源102不首先从物体104反射地直接透过PD分段112。
依赖于由光源102射出的光的波长，使PD分段112由适当滤光器(例如阻断可见光的滤光器)覆盖以排斥环境光是有利的，由此PD响应不被环境光所淹没。作为附加或替代，可使用其它技术来排斥或如若不然抵消环境光，所述其它技术例如但不局限于2010年3月2日由Xijian Lin提交的题为“Proximity Sensors with Improved Ambient Light Rejection(具有提高的环境光排斥性的接近度传感器)”的共同转让的美国专利申请No.12/716,220(委托案号No.ELAN-01236US1)中披露的那些技术。
光电子装置100还图示为包括用来存储运动检测数据的寄存器和/或存储器118。输入/输出接口122可用来访问存储在寄存器和/或存储器118中的该运动检测数据。控制器120也控制I/O接口122，能经由I/O接口接收指令，并能经由I/O接口将指令输出至外部电路/处理器。根据一具体实施例，除光源102以外，图1示出的所有元件被包含在单个集成电路(IC)组件130内，该IC组件130也称单芯片130。在其它实施例中，图1所示的所有元件——包括光源102——被包含在单芯片组件内。使用多个分立组件和/或分立管芯也是可能的。
附图简述
图1示出根据本发明一个实施例的光电子装置，这种光电子装置可用于简单姿态识别。
图2A和图2B提供根据本发明具体实施例的图1的光电子装置的电路的额外细节。
图3示出对于沿仅一个方向(x方向)移动的目标、使用本发明的实施例产生的示例性运动信号，更具体地说示出了对于仅沿x方向移动的目标的光线轨迹模拟的结果。
图4示出可由结合图1、图2A和图2B描述的光电子装置的四个光电检测器分段产生的四个模拟的单独原始电流信号。
图5与图3类似，但其示出对于光源占据与四个光电检测器分段相同的空间位置的假想情况在分析上产生的“理想”响应。
图6示出对于沿仅一个方向(y方向)移动的目标、使用本发明的实施例产生的示例性移动信号，更具体地说示出了对于仅沿y方向移动的目标的光线轨迹模拟的结果。
图7示出对于与x轴成大约30°角移动的目标、使用本发明实施例产生的示例性运动信号。
图8示出对于与x轴成大约60°角移动的目标、使用本发明实施例产生的示例性运动信号。
图9示出目标在五个连续时间点的典型单向姿态扫描运动和由光源射出的光线以及通过目标朝向四个光电检测器分段向回散射的光线。
图10示出手的有效冲程运动和之后的回程运动。
图11示出根据本发明一实施例的如何对脉冲计数以在主动冲程运动和回程运动之间作出区别。
图12类似于图5，相似点在于其示出对仅沿一个方向(x方向)移动的目标的分析上产生的“理想”运动信号响应，但相比与图5对应的目标图12的目标较小。
图13示出光源相对于四个光电检测器分段的示例性侧视图，它用来展示光源相对于四个光电检测器分段在空间上偏移的影响。
图14示出光源相对于四个光电检测器分段的示例性侧视图，其中使用沿光电检测器分段的方向偏移的透镜来减少光源相对于四个光电检测器在空间偏移的影响。
图15示出根据本发明某些实施例的单个光源相对于四个光电检测器分段的示例性自顶向下视图。
图16示出根据替代实施例的单个光源相对于四个光电检测器分段的示例性自顶向下视图，在该替代实施例中，光源相对于诸光电检测器分段位于中心。
图17示出根据本发明一个实施例的系统。
图18是用来概括根据本发明各个实施例的方法的高级流程图。
附图主要组件的附图标记一览
Figure BDA00001908014100051
Figure BDA00001908014100061
Figure BDA00001908014100071
具体实施方式
现在参见图2A，四个PD分段112用A、B、C和D来标识。每个PD分段可包括单个光检测元件，该光检测元件输出作为入射到PD分段上并由PD分段检测出的光的指示的信号(电流或电压信号)。替代地，每个PD分段可包括多个光检测元件，这些光检测元件串联和/或并联在一起，由此每个PD分段产生指示由PD分段检测出的光的单个输出信号。每个这种光检测元件可以是光电二极管、光敏电阻、光伏电池、光电晶体管或电荷耦合器件(CCD)，但不局限于此。标记A、B、C和D也用来标识由各PD分段A、B、C和D输出的信号。更具体地，PD分段A产生信号A，信号A指示入射到PD分段A的反射光；PD分段B产生信号B，信号B指示入射到PD分段B的反射光；PD分段C产生信号C，信号C指示入射到PD分段C的反射光；而PD分段D产生信号D，信号D指示入射到PD分段D的反射光。在图示实施例中，四个PD分段以2×2方格形式配置在同一平面内，这种结构也称正交检测器配置。对于说明书的其余部分，除非另有声明，否则认为A、B、C和D信号是电流信号。
如刚才讨论的，四个电气隔绝的PD分段中的每一个产生一对应信号(例如电流)，该信号指示由该PD分段检测到的光。这些信号被提供给运动和总辐射信号发生电路114。根据一个实施例，电路114包括针对每个PD分段的相应放大器202A、202B、202C和202D，这些放大器也可统称为放大器202或各自简称为放大器202。每个放大器202用来放大由PD分段中的一个产生的相对低振幅信号。在具体实施例中，每个放大器202可实现为跨导放大器(TIA)，该跨导放大器提供放大并将由每个PD分段产生的电流转换成相应的电压，在这种情形下可使用电阻器将TIA输出侧的电压转换回电流，如果电流由电路212、214和216相加和相减的话。替代地，电路212、214和216可将电压信号相加或相减，在这种情形下就不需要将每个TIA输出侧的电压转换回电流。也可使用附加和/或替代类型的放大器。本领域内技术人员将理解，可使用例如电流镜之类的附加电路来复制电流A、B、C和D(或其经放大形式)，由此使每个电流存在三种实例，每个电流的一个实例(或其放大版本)被提供给电路212、214和216中的每一个。也可通过使这类电流镜或其它电路具有预定增益而提供放大。
运动和总辐射信号发生电路114也图示为包括第一运动信号电路212、第二运动信号电路214和总辐射信号电路216。第一运动信号电路212产生第一运动信号，该第一运动信号指示A电流与B电流之和(A+B)减去C电流与D电流之和(C+D)。因此，第一运动信号电路212的信号输出指示(A+B)-(C+D)，它也被称为ΔX或水平运动信号，它指示沿x方向(即相对于四个PD分段112的水平方向)的运动。第二运动信号电路214产生第二运动信号，该第二运动信号指示B电流与C电流之和(B+C)减去A电流与D电流之和(A+D)。因此，第二运动信号电路214的输出指示(B+C)-(A+D)，它也被称为ΔY或垂直运动信号，它指示沿y方向的运动。总辐射信号电路216产生指示A、B、C和D电流之和的信号。因此，总辐射信号电路216的输出表示A+B+C+D，它也被称为ΔE。如本文中使用的术语，x轴和y轴彼此垂直并界定与四个PD分段112的顶表面平行的平面，而z轴垂直于由x轴和y轴构成的平面。
根据本发明某些实施例的运动方向和速度检测电路116的示例性细节将在下面结合图2B予以描述。图2B中示出的每个方框可使用硬件、软件或固件或其组合来实现。
参见图2B，将指示(A+B)-(C+D)(也称ΔX)的第一运动信号提供给归一化器222，该归一化器222也接收指示A+B+C+D(也称ΔE)的总辐射信号。根据一个实施例，归一化器222使用总辐射信号例如通过下列方程来对第一运动信号进行归一化：
nΔX=ΔX/ΔE=((A+B)-(C+D))/(A+B+C+D).
归一化可在模拟域中执行。替代地，可使用模-数转换器(ADC)将前述信号中的每一个转换成数字信号，并可在数字域中执行归一化。在一具体实施例中，归一化器222可实现为ADC，该ADC将使用指示A+B+C+D信号的总辐射信号作为该ADC的基准电流。不管具体实现如何，归一化器222的输出是归一化的第一运动信号，该归一化的第一运动信号也被称为nΔX。
归一化的第一运动信号nΔX被提供给斜率检测器224和脉冲计数器226。斜率检测器224确定nΔX信号在接近指示沿x方向的运动的标绘图的0点附近过零位置处的斜率。斜率的大小是物体沿x方向运动程度（如果有的话）的指示。斜率的极性表示沿x方向的运动(如果有的话)是水平地左向右还是右向左。根据具体实施例，正的斜率指示从右向左的运动(从PD分段C、D朝向PD分段A、B)，并且负的斜率指示从左向右的运动(从PD分段A、B朝向PD分段C、D)。
将指示(B+C)-(A+D)(也称ΔY)的第二运动信号提供给归一化器232，该归一化器232也接收指示A+B+C+D(也称ΔE)的总辐射信号。根据一个实施例，归一化器222使用总辐射信号例如通过下列方程来对第二运动信号进行归一化：
nΔY=ΔY/ΔE=((B+C)-(A+D))/(A+B+C+D).
归一化可在模拟域中执行。替代地，可使用ADC将前述信号中的每一个转换成数字信号，并可在数字域中执行归一化。在具体实施例中，归一化器232可实现为ADC，该ADC将使用指示A+B+C+D信号的总辐射信号作为ADC的基准电流。不管具体实现如何，归一化器232的输出是归一化的第二运动信号，该归一化的第二运动信号也被称为nΔY。
归一化的第二运动信号nΔY被提供给斜率检测器234和脉冲计数器236。斜率检测器234确定nΔY信号在接近指示沿y方向的运动的标绘图的0点附近过零位置处的斜率。斜率的大小是物体沿y方向运动程度（如果有的话）的指示。斜率的极性表示沿y方向的运动(如果有的话)是垂直地上至下还是下至上。根据具体实施例，正的斜率指示从下至上的运动(从PD分段A、D朝向PD分段B、C)，而负的斜率指示从上至下的运动(从PD分段B、C朝向PD分段A、D)。使用水平和垂直运动信号及其斜率的进一步内容和细节将从下面对图3-8、图11和图12的描述中得以理解。在水平和垂直运动信号之一在标绘图的0点附近具有零斜率(并因此在该点没有过零)的情形下，这指示沿水平方向和垂直方向之一没有运动，如将从下文对图3、5、6和图12的讨论中理解的那样。
斜率检测器224和234的输出被提供给斜率-极坐标转换器252，该斜率-极坐标转换器252可将斜率信息转换成极坐标信息。根据一个实施例，斜率至极坐标转换器252使用反正切函数来执行其转换。例如，如果nΔX信号的斜率(它表示信号大小变化与距离变化的比率)将近为nΔY信号的斜率的两倍，这表示运动角与x轴成将近30°角，这可使用反正切函数计算出，即arctan 0.5＝26.5°。可基于反正切函数使用方程或查找表来确定运动角。
回来简单地参见图1，根据具体实施例，光源102被脉冲化以朝向目标104发射光脉冲。这允许脉冲计数器226对在运动周期内检测到的与nΔX关联的反射光的脉冲的数目进行计数。该数目反比于物体沿x方向的运动速率，如可从下面对图10和图11讨论中清楚看出的那样。脉冲计数器236类似地对在运动周期期间检测到的与nΔY关联的反射光的脉冲的数目进行计数。该数目反比于物体沿y方向的运动速率，如可从下面对图10和图11讨论中理解的那样。
脉冲计数器226、236的输出被提供给有效冲程和回程运动区别器262，有效冲程和回程运动区别器262也接收表示A+B+C+D的总辐射信号ΔE。以下面更详细地参照图10和图11描述的方式，有效冲程和回程运动区别器262能在“有效冲程”运动和“回程”运动之间作出区别。在这里所使用的术语中，“有效冲程”运动是旨在造就一动作的运动，而“回程”运动是旨在返回以着手准备另一有效冲程的运动。因此，有效冲程运动可认为(就其功能而言)类似于沿鼠标垫的表面将鼠标装置从第一位置移动至第二位置，而回程运动可认为(就其功能而言)类似于抬起鼠标装置并在鼠标装置不接触鼠标垫表面的同时将其向回移动至第一位置。作为另一类比，有效冲程运动可认为(就其功能而言)类似于将手指沿触摸垫从第一位置移动至第二位置，而回程运动可认为(就其功能而言)类似于抬起手指并将其移回到第一位置。当姿态用于向上/向下或向左/向右操作来增加/减小音量、显示亮度等时，对有效冲程运动和回程运动的区别尤为重要。如下面更详细描述的那样，在检测运动期间作出计数的脉冲越少，则运动越快。另外，在检测运动期间的辐射信号越大，则目标越靠近传感器100。如下面结合图10和图11更详细描述的那样，通过假设有效冲程运动比回程运动更快地发生且更靠近传感器100，有效冲程和回程运动区别器262可在有效冲程运动和回程运动之间作出区别。
表示A+B+C+D的总辐射信号ΔE(或使用ADC产生的其数字形式)也被提供给比较器246，该比较器246将总辐射信号与ΔE阈值进行比较，所述ΔE阈值可例如存储在寄存器242中。根据具体实施例，如果达到ΔE阈值(也称总辐射阈值)，就仅使用传感器100。又如，可使用ΔE阈值来产生一中断，该中断告知控制器120或一些其它处理器或电路目标物体落在射程之外。
图3示出对于2cm的目标(其将近为人手指两倍的宽度)仅沿x方向(从右向左)移动的光线轨迹模拟的结果，它开始在四个PD分段112右侧的30mm位置并终止在四个PD分段112左侧的30mm位置。目标被建模作18％(标称)反射灰度卡，它以与白种人皮肤相同的方式反射光并具有与之相同的基底反射率。标绘曲线312对应于指示(A+B)-(C+D)的第一运动信号，其如前所述也被称为ΔX（delta_X）或水平运动信号。标绘曲线314对应于第二运动信号(B+C)-(A+D)，其如前所述也被称为ΔY(delta_Y)或垂直运动信号。ΔX信号在接近标绘图的0点位置的过零指示沿x方向的运动。ΔX信号在过零位置的正斜率表示运动是从右向左的，更具体地说是沿从PD分段C和D朝向PD分段B和A的方向。如果运动相反地是从左向右的，则ΔX在过零位置的斜率将是负的。ΔX信号和ΔY信号形状的不对称性是由于光源相对于正交检测器配置的中心的位置偏移。
图4示出由四个PD分段A、B、C和D响应从移动中的目标104反射的光产生的四个相应的原始光电流信号A、B、C和D。信号中非常小的移位是由四个检测器的空间定位造成的。在该例中，从目标反射的光首先入射到PD分段C、D上，并随后入射到PD分段A、B上。在图5中，标绘曲线512对应于指示(A+B)-(C+D)的第一运动信号，而标绘曲线514对应于指示(B+C)-(A+D)的第二运动信号。
图6示出对仅沿y方向移动的目标104的相同结果，其中标绘曲线612对应于指示(A+B)-(C+D)的第一运动信号，而标绘曲线614对应于指示(B+C)-(A+D)的第二运动信号。因此，在图6中，ΔY信号具有接近标绘图0点附近位置的过零，该过零指示沿y方向的运动。ΔY信号在过零位置的负斜率表示运动是从上至下的，更具体地说是沿从PD分段B和C朝向PD分段A和D的方向。如果运动相反地是从下至上的，则ΔY信号在标绘图的0点位置附近过零的斜率将是负的。
图4、图5和图6是对于光源(例如LED)占据与四个PD分段112相同的空间位置的假想情况在分析上产生的“理想”响应。尽管这在实践中是不可能的，然而它用来展示运算信号的对称性。在实践中，光源通常将沿x方向或y方向或两个方向产生偏移。这种偏移在四个PD分段112上产生在某一角度下光照射的“投影”，由此，造成图3所示ΔX信号与光线轨迹的不对称。某种程度地，这能对光学系统设计作出补偿，如下文描述的那样。
当目标仅沿一个轴向方向(要么是x方向要么是y方向)移动时，只有代表这个方向的信号才会在标绘图的0点附近位置表现出清楚的过零，其中标绘图的0点与四个PD分段的中心点全体对应。在反射光在B、C PD分段以及A、D PD分段两者上产生相等辐射度的真正理想条件下(对于仅沿x方向移动的目标而言)，ΔY信号对于任何距离都将为零。在实践中，这将永远不可能发生。相反，PD对(B和C，或A和D)的其中一对将接收比另一对更多的辐射。这导致如图5中的标绘曲线514所示的非零ΔY信号。然而，该不平衡信号不产生清楚过零的运动信号曲线，并因此，目标运动方向的区别仍然很明显。回过来参见图3，光线轨迹模拟展示出非运动信号曲线信号314事实上产生过零。然而，如图3所示，这些过零将不会发生在标绘图的0点或其附近的位置。
目标的运动可能不是沿x方向和y方向中的仅一个方向。本发明的实施例也可检测相对x轴和y轴成角度的目标运动。图7分别示出对于ΔX和ΔY信号的标绘曲线712、714，其中目标运动相对于x轴成将近30°角(从PD分段A朝向PD分段C)。在这种情形下，ΔX和ΔY信号两者均包括在标绘图0点附近的清楚过零。目标运动的方向是由两信号斜率的极性和大小确定的。ΔX信号在标绘图0点附近的过零位置的负极性斜率指示从PD分段A、B朝向PD分段C、D的运动(即从左向右)。ΔY信号在标绘图0点附近的过零位置的正极性斜率指示从PD分段A、D朝向PD分段B、C的运动(即从下至上)。因此，真实的运动是从PD分段A朝向PD分段C。ΔX信号的斜率的大小(它指示信号大小的变化与距离变化的比率)为ΔY信号的斜率大小的将近两倍。这表示运动角与x轴成将近30°角，这可使用反正切函数计算出，即arctan 0.5=26.5°。可基于反正切函数使用方程或查找表来确定运动角。
同样，图8示出目标运动相对于x轴将近成60°角的情形，其运动同样从PD分段A朝向PD分段C。然而，在这种情形下，ΔX信号(即标绘曲线812)的斜率为ΔY信号(即标绘曲线814)斜率的将近1/2。这表示运动角与x轴成将近60°角，这可使用反正切函数确定，即arctan 2.0=63.4°。
图9示出目标104在五个连续时间点(标示为T1、T2、T3、T4和T5)的典型单向运动和由光源102射出的光线902以及由目标104向回反射的朝向四个PD分段112的光线904。图9中图示为虚线的光线902是“未命中”目标104的射出光线。位于图9顶部的目标104在传感器上方50mm高度的位置从左向右移动。目标104是20×20mm的并表现出灰度卡散射特性。图9示出以10mm步长从传感器左侧20mm(接近检测极限)移动至传感器右侧20mm的目标。从图9可以理解，光线密度(并因此总辐射ΔE)随着目标在时间T3逼近直接上空位置而增加，并随着目标104继续向右移动而减小。
图3-8所示的光线轨迹模型用50mm(2英寸)作为目标104和四个PD分段112之间沿z方向的“典型”距离。然而，如可从图1和图9观察到的那样，入射到PD分段上的反射光的量级将依赖于目标物体104沿z方向离开四个PD分段114的距离。更具体地，越接近物体104(即沿z方向的距离越小)，强度越大，而越远离物体104(即沿z方向的距离越大)，强度越低。根据本发明的具体实施例，为了补偿目标物体104和PD分段114之间沿z方向的距离上的变化，相对于指示A+B+C+D的总辐射信号对运动信号ΔX和ΔY作归一化，总辐射信号也被称为ΔE。这里，nΔX=ΔX/ΔE且nΔY=ΔY/ΔE，其中nΔX是指示沿x方向的运动的归一化的第一运动信号，而nΔY是指示沿y方向的运动的归一化的第二运动信号。用另一种方式表达的话，nΔX=((A+B)-(C+D))/(A+B+C+D)而nΔY=((B+C)-(A+D))/(A+B+C+D)。这种归一化提供对运动信号的自动增益补偿，由此允许运动信号在高于目标104和PD分段112之间沿z方向的距离范围上保持几乎相同的量级。换句话说，归一化消除了目标沿z方向运动的运动信号敏感性。回来参见图2B，归一化器222和232能执行这种归一化。
光电子装置100可用来检测简单姿态，例如水平的左向右运动、水平的右向左运动、垂直的上至下运动和垂直的下至上运动。另外，光电子装置100可用来检测相对于x轴和y轴成一角度的运动，如之前刚提到过的那样。可使用检测到的简单姿态，以例如控制电子设备的参数(例如音量和/或亮度)、在屏幕上移动光标、或控制视频游戏的操作，但不局限于此。对于人手运动的姿态识别，相当常见的情形是该运动不停留在与姿态识别传感器平行的平面内。相反，人手运动可能在“有效冲程”运动期间抬起和放下，所述“有效冲程”运动是用来规定旨在造成动作的运动的术语。这种沿z方向的变化将使检测到的运动信号的斜率改变，这有可能造成姿态检测错误。前述辐射归一化减少了并优选地消除了这种错误的来源。
由于随着目标距离增加，所执行的归一化将包括除以越来越小的值，这会增加归一化信号中的噪声，因此不应当无限制地使用辐射归一化。根据具体实施例，对总辐射(ΔE)信号进行阈值处理以将姿态检测的范围限定在可用值，从而减少并优选地最小化姿态检测错误。例如，可规定ΔE阈值，从而只有在达到ΔE阈值(也称为总辐射阈值)的情况下使用传感器。又如，可使用ΔE阈值来产生一中断，该中断告知控制器120或一些其它处理器或电路目标物体落在射程之外。这种阈值处理可例如使用图2B中的比较器246来达成，但不局限于此。在某些实施例中，当总辐射信号低于ΔE阈值时，光电子装置100的至少一部分被禁用(例如部分114、116被禁用)。在另一实施例中，当总辐射信号低于ΔE阈值时，光电子装置100如常工作，但指示在这段时间产生的物体运动方向和/或速度的信号和/或数据不被使用，因为已知这些信息很可能受噪声破坏。
人手姿态识别的另一难题是，在“有效冲程”运动(它是旨在造就一动作的运动)和“回程”运动(它是旨在使手返回以供另一有效冲程的运动)之间作出区别。如前面提到的，当姿态用于向上/向下或向左/向右操作来增加/减小音量或显示亮度等时，这是尤为重要的。图10示出有效冲程运动以及回程运动。例如，在左向右姿态增加音量而右向左姿态减小音量的情形下，可使用多个姿态来更多地增加/减小音量。普通人的天性是作冲程(例如从左向右)、作回程(例如从右向左)、然后再次作冲程(例如从左向右)。然而，与人的天性相反的是将手从传感器视场移开以执行回程。因此，如果姿态识别系统无法在有效冲程运动和回程运动之间作出区别，则传感器将多个姿态动作检测为“向上、向下、向上、向下”等，而不是“向上、再向上”。当人执行一展开运动时，自然动作是在有效冲程期间比回程期间更快地移动，并在回程运动期间略为后拽。因此，一种典型的“向上、再向上”运动序列可归结如下：
·有效冲程：左向右、快速地、靠近传感器；
·回程：右向左、较不快速、略为远离传感器；以及
·有效冲程：左向右；快速地；靠近传感器；
根据具体实施例，姿态识别能识别有效冲程运动和回程运动，并在两者之间作出区别。在某些实施例中，光源102由驱动器106驱动，以使发射光在运动感测期间以脉冲形式发出。由于有效冲程运动比回程运动更快，因此有效冲程运动将产生比回程运动更少的返回脉冲。另外，用于回程的返回信号的量级(总辐射ΔE)比用于有效冲程的返回信号的量级小。通过在多个姿态运动周期期间对脉冲计数并监视ΔE信号，可准确地解释这些姿态。例如，累加计数器(例如图2B中的226)将响应由PD分段112检测到的第一反射脉冲而开始。沿一个方向(例如左向右x方向或右向左x方向)的脉冲使计数值递增，而沿相反方向的脉冲使计数值递减。如此，可将有效冲程运动识别为运动更快速发生的方向，如基于计数得到的脉冲个数并基于哪个运动发生在沿z方向更靠近PD分段的位置确定的并基于总辐射信号ΔE确定的那样。相反，可将回程运动识别为运动较慢发生的方向，如基于计数得到的脉冲个数并基于哪个运动发生在沿z方向更远离PD分段的位置确定的那样，以及基于总辐射信号ΔE确定的那样。图11示出与有效冲程运动对应的示例性水平运动信号1112以及与回程运动对应的又一水平运动信号1122。在图11中，垂直实线表示在有效冲程运动期间检测到多少反射脉冲，而垂直虚线表示在回程运动期间检测到多少反射脉冲。回来参见图2B，可使用脉冲计数器226(和/或236)和有效冲程和回程运动区别器262来实现有效冲程运动和回程运动之间的这种区别。
在另一实施例中，ΔE阈值被设定在离PD分段的一个标称距离上，由此将使有效冲程运动发生在有效射程内(高于阈值)，并使回程发生在有效射程外(低于阈值)。然而，不同的肤色和衣物(例如手套)将提供不同的ΔE大小。这将使有效ΔE阈值出现在离PD分段不同的距离上，这依赖于使用者的肤色和手套颜色和材料的选择。由于人们一般能相当快地知道什么有用和什么没用并相应地调整其动作，因此这不存在问题。因此，当使用者佩带手套时，他应当知道比不佩带手套时更靠近传感器作出姿态。使回程运动立即发生在前一有效冲程运动之后很短的时间段内也是人的天性。因此，如果检测到从左向右的第一运动，并在此之后检测到从右向左的第二运动，则可使用第一姿态和第二姿态之间的时间量来区别第二运动究竟是回程运动还是新的有效冲程运动。
人类姿态运动的另一方面是完整的人手可用于姿态动作，并且人手的尺寸是变化的。通常来说，单个手指或一对手指可用来执行一个姿态，尤其如果传感器的位置对使用者是已知的。图12绘出在儿童的食指用来作出姿态的情形下的ΔX和ΔY运动信号1212和1214。图5通过比较绘出目标是成年人的两根手指(总共大约2cm宽)的情形下的相同运动信号。在图12中，运动信号曲线的宽度及其峰值大小减小。但是，ΔX运动信号曲线仍然具有在标绘图的0点附近位置的过零。同样，在有效冲程运动期间和回程运动期间检测到的脉冲数目均会减少。然而，与运动关联的特征(即有效冲程运动比回程运动更快地发生并更靠近传感器)将是不变的，因此，仍然是可区别的。单个手指姿态可能要求姿态比如果使用两个或更多个手指作出姿态更靠近传感器地发生。然而，同样人的天性会顾及到这一点并且使用者将本能地知道如何相应地作出补偿。
在图3-6的前面讨论中，要注意运动信号曲线的非对称性是由于光源102相对于四个PD分段112的总中心的偏移位置。图13示出这种状态。由光源102射出的光在效果上沿垂直方向朝向目标104。一旦撞击到目标104，光沿许多方向被目标104的表面反射。只有沿PD分段112的方向反射的光才会被PD分段112检测到。由于光源102偏离四个PD分段112的总中心，因此到达PD分段112的反射光将成一角度地照射其表面，该角度将依赖于射程(沿z方向从目标至传感器的距离)以及光源102和正交检测器112沿x方向的间隔。尽管光照射目标104的横截面将是基本圆形的(由于光源发射表面是基本圆形的)，然而返回到传感器的反射光的横截面将通过大致角度的余弦沿传感器的轴线变得狭长。
图14示出与图13相似的配置，不同之处是在光源102的上方增设了一透镜1402，其中透镜1402朝向PD分段112略为偏移。透镜1402使光照射的质心从垂直方向移位至略成角度的方向。在沿z方向的某些距离(d)上，光将直接在PD分段112上方撞击目标104，由此朝向PD分段112反射的光将沿垂直方向反射。光照射目标104的横截面对于目标将朝向PD分段112散射的区域保持基本圆形。因此，光照到达PD分段112的横截面在这种情况下是基本圆形的，而不是通过角度的余弦变得狭长(cosine90°=1.0)。然而，只对处在特定射程的目标才满足这种条件。对小于该特定值的任何射程来说，光将沿与图13所示相同的方向以一角度撞击PD分段112，但却是以一减小的角范围。对大于该特定值的任何射程来说，光将沿与图13所示相反的方向以一角度撞击PD分段112，也是以一减小的角范围。因此，尽管不是针对所有射程均消除了偏移非对称性，但却对于大多数射程而言减少了偏移影响的大小。在图13和图14中，假设光源102是单红外或者是近红外LED。然而，如前所述，可使用其它类型的发光元件和/或射出其它波长的光。
根据本发明的具体实施例，单个光源102和四个PD分段112被封装到一块。例如，回过头来参见图1，包括四个PD分段112(和虚线框内示出的其它模块)的集成电路130以及单个光源102可被纳入到同一封装件内，例如但不仅限于相同的光学双排扁平无引脚(OFDN)封装件。
图15示出单个光源102相对于四个PD分段112(分别标示为A、B、C和D)的示例性自顶向下视图。包括上面的许多描述假设与图15所示相同的配置，其中光源位于所有四个分段的同一侧(例如其左侧)。图16示出根据一替代实施例的单个光源102相对于四个PD分段112(分别标示为A、B、C和D)的示例性自顶向下视图，在该替代实施例中，光源102相对于A、B、C和D四个PD分段位于它们的中央。对于图16的实施例，可增设遮光板，该遮光板围住光源102以使光源102与PD分段A、B、C和D光学隔离。图15的实施例相信比图16的实施例更具实践性，因为图15的实施例能更容易和更廉价地制造出。另外，采用图15的实施例，可与光源102分离地制造和售卖包括四个PD分段112(回过头参见图1)的IC 130。
图17是根据本发明的一个实施例的系统的高级方框图。本发明的各实施例的光学传感器可以用于各种系统中，包括但不仅限于：移动电话、平板电脑、个人数据助理、膝上型计算机、上网本、其他手持式设备，以及非手持式设备。参见图17的系统1700，例如，光学传感器100可用来控制子系统1706（例如触摸屏、显示器、背光、虚拟滚轮、虚拟小键盘、导航板、音频扬声器等等）是被启用还是被禁用，并控制子系统的亮度、音量或其它参数是被增大、减小还是被修正。如前面参照图1描述的那样，光学传感器100可包括：寄存器和/或存储器118，用来存储运动检测数据；以及输入/输出接口122，用来访问存储在寄存器和/或存储器118中的这些运动检测数据。参见图17，处理器1704或其它电路可访问运动检测数据以确定是否已检测到意图控制子系统1706的姿态，并且处理器1704或其它电路可相应地控制子系统1706。
图18是用来概括根据本发明各个实施例的方法的高级流程图。参见图18，在步骤1802，选择性地射出光。在步骤1804，对发射光已反射离开物体(也称目标或目标物体)并入射到四个独立象限——更准确说是入射到四个独立PD分段A、B、C和D——上的那些部分进行检测。这使四个信号(A、B、C和D)产生，其中这些信号中的每一个指示入射到相应一个象限上的反射光。在步骤1806，产生第一运动信号(也称ΔX)，它是(A+B)-(C+D)的指示。在步骤1808，产生第二运动信号(也称ΔY)，它是(B+C)-(A+D)的指示。在步骤1810，产生总辐射信号(也称ΔE)，它是A+B+C+D的指示。在步骤1812，根据第一和第二运动信号，可选地还根据总辐射信号，产生指示物体的运动方向和运动速度的信号和/或数据。如前所述，可使用总辐射信号来对第一和第二运动信号作归一化。另外，可使用总辐射信号来帮助在有效冲程运动和回程运动之间作出区别。根据本发明各实施例的方法的额外细节可从前面对图1-17的讨论中得以理解。
上述描述是本发明的优选实施例。出于说明和描述目的而提供这些实施例，但它们不旨在穷举或将本发明限制在所公开的精确形式。许多修改和变化对本领域普通技术人员而言将显而易见。
选择和描述了实施例以最好地描述本发明的原理及其实际应用，从而使本领域其它技术人员能理解本发明。微小的修改和变化相信落在本发明的精神和范围内。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等价技术方案限定。

Claims (21)

1.一种用于单个光源的光电子装置，所述单个光源被驱动以选择地发射光，所述光电子装置包括：
第一、第二、第三和第四电气隔绝的光电检测器(PD)分段，每个所述PD分段被配置成检测来源于所述单个光源的、反射离开一物体并入射到所述PD分段上的光，其中
所述第一PD分段用来产生第一信号(A)，所述第一信号(A)指示入射所述第一PD分段的反射光，
所述第二PD分段用来产生第二信号(B)，所述第二信号(B)指示入射所述第二PD分段的反射光，
所述第三PD分段用来产生第三信号(C)，所述第三信号(C)指示入射所述第三PD分段的反射光，以及
所述第四PD分段用来产生第四信号(D)，所述第四信号(D)指示入射所述第四PD分段的反射光；
配置成产生指示所述第一信号与第二信号之和减去所述第三信号和第四信号之和((A+B)-(C+D))的第一运动信号的电路；
配置成产生指示所述第二信号与第三信号之和减去所述第一信号和第四信号之和((B+C)-(A+D))的第二运动信号的电路；以及
配置成根据所述第一运动信号和第二运动信号产生指示所述物体的运动方向的信号和/或数据的电路。
2.如权利要求1所述的光电子装置，其特征在于，指示物体的运动方向的所述信号和/或数据允许将下列不同的运动方向中的每一个彼此区别：
水平的左向右运动；
水平的右向左运动；
垂直的上至下运动；以及
垂直的下至上运动。
3.如权利要求1所述的光电子装置，其特征在于，指示所述物体的运动方向的信号和/或数据也指示物体的运动角。
4.如权利要求1所述的光电子装置，其特征在于，配置成产生指示物体的运动方向的信号和/或数据的电路被配置成：
确定一部分所述第一运动信号的斜率的极性，从而确定运动方向是否为水平的左向右运动和水平的右向左运动中的一个；和/或
确定一部分所述第二运动信号的斜率的极性，从而确定运动方向是否为垂直的上至下运动和垂直的下至上运动中的一个。
5.如权利要求1所述的光电子装置，其特征在于，还包括：
配置成根据所述第一运动信号和第二运动信号产生指示所述物体的运动速度的信号和/或数据的电路。
6.如权利要求5所述的光电子装置，其特征在于：
使用脉冲化驱动信号驱动所述单个光源以由此使所述单个光源发射光脉冲；以及
被配置成产生指示物体的运动速度的信号和/或数据的电路包括计数器，所述计数器对在运动周期期间检测到的反射光的脉冲数进行计数，其中所述脉冲数与物体的运动速度成反比。
7.如权利要求1所述的光电子装置，其特征在于，还包括：
配置成产生指示所述第一、第二、第三和第四信号之和(A+B+C+D)的总辐射信号的电路；
其中所述总辐射信号用来对所述第一运动信号和所述第二运动信号作归一化。
8.如权利要求1所述的光电子装置，其特征在于，还包括：
配置成产生指示所述第一、第二、第三和第四信号之和(A+B+C+D)的总辐射信号的电路；
配置成根据所述第一运动信号和第二运动信号产生指示物体的运动速度的信号和/或数据的电路；以及
配置成根据指示物体运动速度的信号和/或数据和所述总辐射信号在物体的有效冲程运动和物体的回程运动之间作出区别的电路。
9.如权利要求1所述的光电子装置，其特征在于，还包括：
配置成产生指示所述第一、第二、第三和第四信号之和(A+B+C+D)的总辐射信号的电路；以及
配置成在使用所述第一运动信号和第二运动信号产生指示物体的运动方向的信号和/或数据之前根据所述总辐射信号对所述第一和第二运动信号作归一化的电路。
10.如权利要求1所述的光电子装置，其特征在于，还包括：
配置成产生指示所述第一、第二、第三和第四信号之和(A+B+C+D)的总辐射信号的电路；以及
配置成将所述总辐射信号与预定的阈值作比较以产生阈值比较输出信号的电路；
其中所述阈值比较输出信号用于：
(a)选择性地禁用所述光电子装置的至少一部分；或
(b)确定何时不使用所产生的指示物体运动方向的信号和/或数据。
11.如权利要求1所述的光电子装置，其特征在于，还包括：
驱动器，所述驱动器配置成选择性地驱动单个光源；并且
其中所述第一、第二、第三和第四电气隔绝的PD分段、驱动器、配置成产生第一运动信号的电路、配置成产生第二运动信号的电路以及配置成产生指示物体运动方向的信号和/或数据的电路均包含在单个集成电路(IC)封装件内。
12.如权利要求1所述的光电子装置，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四电气隔绝的PD分段以2×2方格的形式部署在同一平面内，由此每个PD分段具有：
水平地位于所述PD分段右侧或左侧的其它几个PD分段中的第一个；
垂直地位于所述PD分段之上或之下的其它几个PD分段中的第二个；以及
与所述PD分段成对角线设置的其它几个PD分段中的第三个。
13.一种方法，包括：
(a)选择性地使光发射出；
(b)检测已反射离开物体并入射到四个独立象限上的发射光的部分，由此产生：
第一信号(A)，所述第一信号(A)指示入射到所述四个象限中的第一个上的反射光，
第二信号(B)，所述第二信号(B)指示入射到所述四个象限中的第二个上的反射光，
第三信号(C)，所述第三信号(C)指示入射到所述四个象限中的第三个上的反射光，以及
第四信号(D)，所述第四信号(D)指示入射到所述四个象限中的第四个上的反射光；
(c)产生指示所述第一信号与第二信号之和减去所述第三信号和第四信号之和((A+B)-(C+D))的第一运动信号；
(d)产生指示所述第二信号与第三信号之和减去所述第一信号和第四信号之和((B+C)-(A+D))的第二运动信号；以及
(e)根据所述第一运动信号和第二运动信号产生指示所述物体的运动方向的信号和/或数据。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
(f)根据所述第一运动信号和第二运动信号产生指示所述物体的运动速度的信号和/或数据。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
产生指示所述第一、第二、第三和第四信号之和(A+B+C+D)的总辐射信号；以及
使用所述总辐射信号对所述第一运动信号和所述第二运动信号作归一化。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
产生指示所述第一、第二、第三和第四信号之和(A+B+C+D)的总辐射信号；
根据所述第一运动信号和第二运动信号确定指示所述物体的运动速度的信号和/或数据；以及
根据指示物体运动速度的信号和/或数据和所述总辐射信号在物体的有效冲程运动和物体的回程运动之间作出区别。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
产生指示所述第一、第二、第三和第四信号之和(A+B+C+D)的总辐射信号；以及
将所述总辐射信号与一预定阈值相比较；
基于所述比较的结果确定是否要：
(i)禁用步骤(c)、(d)和(e)中的一个或多个的执行，或者
(ii)不使用在步骤(e)产生的指示物体运动方向的信号和/或数据。
18.一种方法，包括：
检测已反射离开物体并入射到四个独立的光电检测器(PD)分段上的发射光的部分：
产生第一信号(A)，所述第一信号(A)指示入射到所述PD分段中的第一个上的反射光；
产生第二信号(B)，所述第二信号(B)指示入射到所述PD分段中的第二个上的反射光；
产生第三信号(C)，所述第三信号(C)指示入射到所述PD分段中的第三个上的反射光；
产生第四信号(D)，所述第四信号(D)指示入射到所述PD分段中的第四个上的反射光；
根据所述第一、第二、第三和第四信号检测所述物体的运动方向和/或运动速度。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述第一、第二、第三和第四信号在物体的有效冲程运动和物体的回程运动之间作出区别。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
根据检测出的物体的运动方向和/或运动速度来控制子系统。
21.一种系统，包括：
光源；
驱动器，所述驱动器配置成选择性地驱动所述光源，由此使所述光源选择性地发射光；
第一、第二、第三和第四电气隔绝的光电检测器(PD)分段，每个所述PD分段被配置成检测来源于所述光源的、反射离开一物体并入射到所述PD分段上的光，其中
所述第一PD分段用来产生第一信号(A)，所述第一信号(A)指示入射所述第一PD分段的反射光，
所述第二PD分段用来产生第二信号(B)，所述第二信号(B)指示入射所述第二PD分段的反射光，
所述第三PD分段用来产生第三信号(C)，所述第三信号(C)指示入射所述第三PD分段的反射光，以及
所述第四PD分段用来产生第四信号(D)，所述第四信号(D)指示入射所述第四PD分段的反射光；
配置成根据所述第一、第二、第三和第四信号检测物体的运动方向和/或运动速度的电路；以及
子系统，所述子系统是根据检测出的物体的运动方向和/或运动速度受到控制的。
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