CN103870066A - 光学感测装置以及检测光学感测装置周边的对象的方法 - Google Patents

Abstract

光学感测装置包含M个发光元件、N个感测元件、控制电路以及处理电路。M为正整数，N为大于或等于3的正整数。该控制电路用以控制该M个发光元件的开启与关闭，以及控制各感测元件于相对应的一发光元件开启时检测反射自对象的反射信号以产生各该感测元件相对应的一感测结果，其中该N个感测元件因应该M个发光元件而产生N个感测结果。该处理电路耦接于该控制电路与该N个感测元件，用以至少依据该N个感测元件的N个感测位置以及该N个感测结果，来计算出该对象的位置信息，其中该N个感测位置定义出至少一几何平面。

Description

光学感测装置以及检测光学感测装置周边的对象的方法

技术领域

本发明是关于光学感测，尤指一种利用三角定位来得到对象的位置信息的非接触式光学感测装置及其相关的非接触式光学感测方法。

背景技术

个人电子产品(例如，手机、计算机)的问世，伴随了多元的人机互动控制方法。举例来说，使用者得以通过鼠标在屏幕上进行定位追踪并下达操作指令(例如，选取选单上的项目，或编辑选取项目的内容)。对于触控屏幕感测技术(电容式、电阻式、磁感式或表面声波式)来说，使用者可藉此直接选取并移动屏幕上所显示的对象。另外，使用者还可通过其它感测装置(例如，无线空中鼠标(air mouse)或三维鼠标(three-dimensional mouse，3D mouse))以三维操控的方式于屏幕上进行定位追踪的操作。

然而，上述控制方法并无法允许使用者通过手势/手指以非接触式的方式来于屏幕上进行定位追踪，这将造成使用上的限制。举例来说，当使用者因为进行机械工作而使手沾粘污垢，或因为处理食材而使手沾粘油垢的时候，使用者会希望能够以非接触式的方式来于屏幕上进行定位追踪。另外，当触控屏幕距离使用者较远的时候，以接触式触控操作来于屏幕上进行定位追踪是有困难的。

因此，需要一种创新的非接触式感测机制以提供更便利的人机互动。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种利用三角定位来得到对象的位置信息的非接触式光学感测装置及其相关的非接触式光学感测方法，来解决上述问题。

依据本发明的一实施例，其揭示一种光学感测装置。该光学感测装置包含M个发光元件、N个感测元件、一控制电路以及一处理电路。M为正整数，N为大于或等于3的整数。该控制电路电连接于该M个发光元件以及该N个感测元件，用以控制该M个发光元件的开启与关闭，以及控制各感测元件于相对应的一发光元件开启时检测反射自一对象的反射信号，以产生各该感测元件相对应的一感测结果，其中该N个感测元件因应该M个发光元件而产生N个感测结果。该处理电路耦接于该控制电路以及该N个感测元件，用以至少依据该N个感测元件的N个感测位置以及该N个感测结果，来计算出该对象的一位置信息，其中该N个感测位置是定义出至少一几何平面。

依据本发明的另一实施例，其揭示一种光学感测装置。该光学感测装置包含M个发光元件、N个感测元件、一控制电路以及一处理电路。M为大于或等于3的整数，N为正整数。该控制电路电连接于该M个发光元件以及该N个感测元件，用以控制该M个发光元件的开启与关闭，以及控制各感测元件于相对应的一发光元件开启时检测反射自一对象的反射信号，以产生该发光元件相对应的一感测结果，其中该N个感测元件因应该M个发光元件而产生M个感测结果，该M个感测结果之中Q个感测结果中的每一感测结果所对应的感测元件与发光元件并未彼此相邻，且Q为正整数。该处理电路耦接于该控制电路以及该N个感测元件，用以依据该Q个感测结果所对应的Q个发光元件的Q个发光位置、该N个感测元件的N个感测位置以及该M个感测结果，来计算出该对象的一位置信息，其中该M个发光元件的M个发光位置是定义出至少一几何平面

依据本发明的一实施例，其揭示一种检测一光学感测装置周边的一对象的方法。该光学感测装置包含M个发光元件与N个感测元件。N个感测元件的N个感测位置定义出至少一几何平面。M为正整数，N为大于或等于3的正整数。该方法包含下列步骤：于各感测元件相对应的一发光元件开启时，致能各该感测元件以检测反射自一对象的反射信号，以产生各该感测元件相对应的一感测结果，其中该N个感测元件因应该M个发光元件而产生N个感测结果；以及至少依据该N个感测位置以及该N个感测结果，来计算出该对象的一位置信息。

依据本发明的另一实施例，其揭示一种检测一光学感测装置周边的一对象的方法。该光学感测装置包含M个发光元件与N个感测元件。M个发光元件的M个发光位置是定义出至少一几何平面。M为大于或等于3的整数，N为正整数。该方法包含下列步骤：于各感测元件于相对应的一发光元件开启时，致能各该感测元件以检测反射自一对象的反射信号，以产生该发光元件相对应的一感测结果，其中该N个感测元件因应该M个发光元件而产生M个感测结果，该M个感测结果之中Q个感测结果中的每一感测结果所对应的感测元件与发光元件并未彼此相邻，且Q为正整数；以及依据该Q个感测结果所对应的Q个发光元件的Q个发光位置、该N个感测元件的N个感测位置以及该M个感测结果，来计算出该对象的一位置信息。

附图说明

图1为本发明于一空间之中利用三角定位来进行非接触式定位追踪的一实施例的示意图。

图2为本发明检测一光学感测装置周边的一对象的一实施例的方法。

图3为本发明光学感测装置用于非接触式定位追踪的一实施例的示意图。

图4为图3所示的光学感测装置的功能方块示意图。

图5为图3所示的光学感测装置的一实作范例的示意图。

图6为图5所示的光学感测装置的侧视图。

图7为图3所示的光学感测装置的另一实作范例的示意图。

图8为图7所示的光学感测装置的侧视图。

图9为本发明光学感测装置的一实施例的示意图。

图10为本发明光学感测装置用于非接触式定位追踪的另一实施例的示意图。

图11为本发明光学感测装置用于非接触式定位追踪的另一实施例的示意图。

图12为本发明光学感测装置用于非接触式定位追踪的另一实施例的示意图。

图13为本发明光学感测装置用于非接触式定位追踪的另一实施例的示意图。

图14为本发明光学感测装置用于非接触式定位追踪的另一实施例的示意图。

[标号说明]

100  空间  210～250  步骤

300、500、700、900、1000、1100、1200、1300、1400  光学感测装置

302  屏幕    310    控制电路

320  处理电路  A₁～A₃  感测空间

d_P1～d_P3、距离  P₀～P₃  参考点

Q    特定点    M0～M4    感测模块

E1～E4、E1'～E4'、E1″～E4″   红外线发光二极管

S1～S4   红外光感测器   L1～L4   红外光信号

R1～R4  反射信号  OB  手指

DR1～DR4  感测结果

d₁～d₄、d₁₁、d₁₂、d₂₁、d₂₂、d₃₁、d₃₂、d₄₁、d₄₂  特定距离

Φ1、Φ2  红外光发射锥角  E0  发光元件

S0  光感测器  PX₁～PX₄  红外光感测像素

具体实施方式

请参阅图1，其为本发明于一空间100之中利用三角定位来进行非接触式定位追踪的一实施例的示意图。于此实施例中，一对象(未显示于图1中)是位于一特定点Q，其中当有一光信号从多个参考点P₁～P₃之中的一参考点发射至该对象时，该对象可将该光信号反射回该参考点或其它参考点。因此，该光信号的发射路径可以是自一参考点指向特定点Q的路径(亦即，相对应的光行进距离可以是多个距离d_P1～d_P3的其一)，而相对应的反射路径可以是自特定点Q指向该参考点的路径(亦即，发射光信号的位置与接收相对应的反射信号的位置是相同的)或自特定点Q指向其它参考点路径(亦即，发射光信号的位置与接收相对应的反射信号的位置是不同的)。由图1可知，若参考点P₁的坐标(x₁,y₁,z₁)、参考点P₂的坐标(x₂,y₂,z₂)、参考点P₃的坐标(x₃,y₃,z₃)以及各参考点与特定点Q之间的距离均已知，则可通过数学运算(例如，解联立方程式)来求得该对象的坐标(x,y,z)，进而对该对象进行定位追踪。

为了实现非接触式定位追踪，本发明于各参考点上提供一发光元件与一感测元件的至少其一(未显示于图1中)，并通过检测反射自该对象的一反射信号来产生一感测结果(例如，电流或电压)，其中各参考点可为接收反射信号的感测位置或发射光信号的发光位置，抑或同时为感测位置与发光位置。由于所接收的反射信号的能量会随着光行进距离增加而减小，故可通过反射信号的能量与光行进距离之间的对应关系来将该感测结果转换为一特定距离，以作为光信号自发光位置行进至该特定点Q的距离加上反射信号自该特定点Q行进至感测位置的距离的距离和。由于各参考点的位置均为已知，在得到光行进距离的信息之后(亦即，包含多个距离d_P1～d_P3的信息)，便可求得该对象的坐标(x,y,z)，以对该对象进行定位追踪。

值得注意的是，该对象是位于多个感测空间A₁～A₃的重迭区域中，以确保可得到与多个参考点P₁～P₃相关的有效感测结果，其中多个感测空间A₁～A₃分别对应于多个参考点P₁～P₃。另外，多个参考点P₁～P₃于空间100中并未同时位在同一直在线(亦即，多个参考点P₁～P₃可定义一几何平面)，以确保在进行数学运算时可求得该对象的坐标(x,y,z)。

实作上，可于多个参考点P₁～P₃的至少其一设置一发光元件，并将三感测元件分别设置于多个参考点P₁～P₃。于另一实作范例中，也可于多个参考点P₁～P₃的至少其一设置一感测元件，而将三发光元件分别设置于多个参考点P₁～P₃。接下来，便可依据所检测的至少三反射信号(对应于多个参考点P₁～P₃)来得到多个距离d_P1～d_P3的信息，进而通过数学运算来对得到该对象的位置信息。另外，由于该对象于空间100中移动时，该对象与各参考点之间的距离会随之改变，致使各反射信号的感测结果也会随时间改变。因此，可依据所检测的反射信号来得到该对象的位置信息与时间之间的关系，以对该对象进行定位追踪。

简言之，本发明利用M个发光元件(M为正整数)来发射光信号至一对象(例如，手指)，并通过N个感测元件(N为正整数)来检测反射自该对象的反射信号以得到至少三个感测结果，接着根据所得到的感测结果来取得该对象分别与至少三个参考点(彼此不共线)的距离信息，最后再搭配三角定位技术来计算该对象的位置信息，以实现非接触式定位追踪。具体来说，在M为正整数，N为大于或等于3的整数，N个感测元件可因应M个发光元件而产生N个感测结果(亦即，各感测元件产生一感测结果)的情形下，只要N个感测元件的N个感测位置(亦即，参考点)可定义出至少一几何平面(亦即，N个感测位置彼此不共线)，可采用三角定位技术来对N个感测结果进行处理以计算出该对象的位置信息。在M为大于或等于3的整数，N为正整数，N个感测元件可因应M个发光元件而产生M个感测结果(亦即，各发光元件对应一感测结果)的另一情形下，只要M个发光元件的M个发光位置(亦即，参考点)可定义出至少一几何平面(亦即，M个发光位置彼此不共线)，可采用三角定位技术来对M个感测结果进行处理以计算出该对象的位置信息。为了进一步说明本发明的技术特征，以下是以具有不同感测元件与发光元件的配置态样的光学感测装置的多个实作范例来说明之。

请一并参阅图2、图3与图4。图2为本发明检测一光学感测装置周边的一对象的一实施例的方法，图3为本发明光学感测装置用于非接触式定位追踪的一实施例的示意图，以及图4为图3所示的光学感测装置300的功能方块示意图。图2所示的方法可应用于图3所示的光学感测装置300。为了进一步了解本发明非接触式定位追踪的技术特征，以下是以将光学感测装置300实作为移动装置(例如，智能型手机或平板计算机)来作为范例说明，然而，本领域技术人员应可了解这并非用来作为本发明的限制。

由图3与图4可知，光学感测装置300包含一屏幕302、一控制电路310、一处理电路320、多个发光元件(于此实施例中，是由多个红外线发光二极管E1～E4来实作之)以及多个感测元件(于此实施例中，是由多个红外光感测器S1～S4来实作之)。于此实施例中(但本发明不限于此)，红外线发光二极管的个数可等于红外光感测器的个数，且彼此相邻的一红外线发光二极管与一红外光感测器可由一感测模块来实作之(亦即，多个感测模块M1～M4的其一)。另外，控制电路310电连接于多个红外线发光二极管E1～E4、多个红外光感测器S1～S4以及处理电路320，并可用来控制多个红外线发光二极管E1～E4的开启与关闭、控制多个红外光感测器S1～S4的感测操作，以及控制处理电路320的信号处理操作。

于步骤210中，控制电路310可于各红外光感测器相对应的一红外线发光二极管开启时，致能各该红外光感测器以检测反射自一对象(例如，悬浮于屏幕302上方的使用者的手指OB)的反射信号，来产生各该红外光感测器相对应的一感测结果，其中红外光感测器S1～S4可因应多个红外线发光二极管E1～E4而产生多个感测结果DR1～DR4。实作上，控制电路310可依据一启用时序来轮流致能多个红外线发光二极管E1～E4以分别产生多个红外光信号L1～L4，并依据该启用时序来轮流致能多个红外光感测器S1～S4以分别检测反射自手指OB的多个反射信号R1～R4，使得各红外光感测器检测反射自手指OB的反射信号时仅有一红外线发光二极管开启(亦即，分时多工)。举例来说，控制电路310可依照顺时针方式轮流开启多个红外线发光二极管E1～E4，其中当感测模块M1的红外线发光二极管E1开启时，多个感测模块M2～M4所包含的红外线发光二极管与红外光感测器是关闭的，因此，红外光感测器S1所接收的反射信号R1是来自于手指OB反射红外线发光二极管E1所产生的红外光信号L1。以此类推，各感测模块所接收的反射信号是对应于各该感测模块所产生的红外光信号。

处理电路320耦接于多个红外光感测器S1～S4，以接收多个红外光感测器S1～S4对多个反射信号R1～R4进行感测所分别产生的多个感测结果DR1～DR4。于步骤220中，处理电路320可对多个感测结果DR1～DR4进行预处理。举例来说，处理电路320可将删除感测结果之中异常的数据(例如，过高或过低)，及/或对感测结果进行噪声滤除处理(例如，移动平均滤波处理(running average filtering))。

接下来，于步骤230中，处理电路320可依据多个感测结果DR1～DR4之中的至少三感测结果及其相关的参考点(例如，该至少三感测结果所对应的多个感测元件的感测位置)来计算对象(亦即，手指OB)的位置信息(亦即，坐标(x,y,z))。于此实施例中，处理电路320可先将多个感测结果DR1～DR4分别转换为多个感测量(sensing count)C₁～C₄(例如，通过一模拟数字转换操作)，其中各感测量大致正比于相对应反射信号的行进距离平方的倒数。因此，处理电路320接着可通过以下转换关系来分别得到多个特定距离d₁～d₄：

其中参考感测量C₀与相对应的参考距离d₀可经由校正而得之，而参数i等于1、2、3或4。请参阅下方关于上述转换关系的说明。

由于感测结果DR1所对应的感测量C₁是正比于1/(d₁+d₁)²、感测结果DR2所对应的感测量C₂是正比于1/(d₂+d₂)²、感测结果DR3所对应的感测量C₃是正比于1/(d₃+d₃)²以及感测结果DR4所对应的感测量C₄是正比于1/(d₄+d₄)²，因此，可通过对感测量与信号行进距离之间的转换关系进行校正，来得到参考感测量C₀及其相对应的参考距离(d₀+d₀)，接下来，处理电路320便可利用比例的方式(亦即，上述转换关系)来得到多个特定距离d₁～d₄，并将各特定距离作为手指OB与产生对应各该特定距离的感测结果的红外光感测器(或感测模块/红外线发光二极管)之间的距离。举例来说，特定距离d₁可作为手指OB与产生感测结果DR1的红外光感测器S1之间的距离。

值得注意的是，于此实施例中，由于各感测结果所对应的感测元件与发光元件是彼此相邻，使得同一感测模块的红外光感测器与红外线发光二极管之间的距离远小于该感测模块与手指OB之间的距离，因此，同一感测模块的红外光感测器所处在的感测位置可视为相同于相对应的红外线发光二极管所处在的发光位置，以及红外光信号的行进距离可视为相同于相对应的反射信号的行进距离。举例来说，感测模块M1的位置与红外线发光二极管E1的发光位置均可由红外光感测器S1的感测位置(x₁,y₁,z₁)来表示之。于一设计变化中，也可以通过红外线发光二极管E1的发光位置来表示感测模块M1的位置与红外光感测器S1的感测位置。另外，为了方便说明，各感测模块均设置于同一平面上(亦即，Z轴坐标相同)，并以参考点P₀为该平面的坐标原点。

接下来，处理电路320可对下列联立方程式求解，以得到手指OB的坐标(x,y,z)：

f₁(x₁,y₁,z₁)=(x₁-x)²+(y₁-y)²+(z₁-z)²-d₁ ²=0

f₂(x₂,y₁,z₁)=(x₂-x)²+(y₁-y)²+(z₁-z)²-d₂ ²=0

f₃(x₁,y₂,z₁)=(x₁-x)²+(y₂-y)²+(z₁-z)²-d₃ ²=0

f₄(x₃,y₂,z₁)=(x₃-x)²+(y₂-y)²+(z₁-z)²-d₄ ²=0

换言之，处理电路320可依据红外光感测器S1～S4的感测位置与多个特定距离d₁～d₄来计算出坐标(x,y,z)。值得注意的是，处理电路320可选取「f₁(x₁,y₁,z₁)=0」、「f₂(x₂,y₁,z₁)=0」、「f₃(x₁,y₂,z₁)=0」与「f₄(x₃,y₂,z₁)=0」之中的三个方程式来求解即可。举例来说，处理电路320可利用多个感测结果DR1～DR4之中具有较高感测量的三个感测结果来作为三角定位的依据，而具有较低感测量的感测结果可当作参考之用，进而提升计算位置信息的速度。

于步骤240中，处理电路320可经由一校正补偿函数来对对象(亦即，手指OB)的位置信息(亦即，坐标(x,y,z))进行校正补偿。这是因为环境仍可能存在干扰因素，造成感测量与特定距离之间的对应关系仅是近似于上述转换关系，因此，处理电路320可采用该校正补偿函数来对计算出来的坐标进行补偿。以X方向坐标值与Y方向坐标值的校正补偿为例：

x_c=[1+k₁+k₃(x²+y²)]x

y_c=[1+k₁+k₃(x²+y²)]y

其中系数k₁与系数k_3-为校正系数，可以是正值或负值；参数x与参数y为手指OB于校正补偿之前的X方向坐标值与Y方向坐标值；以及参数x_c与参数y_c为手指OB于校正补偿之后的X方向坐标值与Y方向坐标值。

最后，于步骤250中，处理电路320便可将校正补偿后的位置信息提供给后端电路进行后续处理(例如，手势辨识)。

请注意，以上仅供说明之需，并非用来作为本发明的限制。举例来说，于步骤210中，处理电路320也可以采用逆时针启用时序、顺时针与逆时针交替的启用时序、其它启用时序或随机启用的方式来致能多个红外线发光二极管E1～E4与多个红外光感测器S1～S4。于一设计变化中，控制电路310也可以于一感测模块的红外线发光二极管开启时，致能另一感测模块的红外光感测器以检测反射信号，也就是说，于分时多工的操作模式下，于同一时段内用来产生红外光信号的红外线发光二极管与用来检测相对应反射信号的红外光感测器可以位于不同感测模块。

另外，在各红外线发光二极管均具有一发光波段、多个红外线发光二极管E1～E4的多个发光波段系彼此不同、各红外光感测器均具有一检测波段、多个红外光感测器S1～S4的多个检测波段系彼此不同，以及该多个发光波段分别对应于该多个检测波段的情形下，除了依据一启用时序来轮流致能多个红外线发光二极管E1～E4(亦即，上述的分时多工操作)，由于该多个发光波段不会互相干扰的关系，处理电路320也可以同时开启多个红外线发光二极管E1～E4，控制电路310便可控制各红外光感测器于相对应的红外线发光二极管开启时检测相对应的反射信号(亦即，分频多工)，进而提升光学感测装置300的感测取像率(frame rate)。

于一设计变化中，步骤240所采用的校正补偿函数也可以是其它形式的函数。于另一设计变化中，可省略步骤220与步骤240之中的至少一个步骤。于又一设计变化中，除了执行于步骤240的校正补偿以外，处理电路320也可将所有的感测结果纳入计算，以增加定位准确性与分辨率，举例来说，当光学感测装置300包含n个感测模块时，可基于图2所示的步骤210～230来得到以下n个方程式「f_r1(x_r1,y_r1,z_r1)=0」～「f_rn(x_rn,y_rn,z_rn)=0」。

f_r1(x_r1,y_r1,z_r1)=(x_r1-x)²+(y_r1-y)²+(z_r1-z)²-d_r1 ²=0

f_r2(x_r2,y_r2,z_r2)=(x_r2-x)²+(y_r2-y)²+(z_r2-z)²-d_r2 ²=0

f_r3(x_r3,y_r3,z_r3)=(x_r3-x)²+(y_r3-y)²+(z_r3-z)²-d_r3 ²=0

...

f_rn(x_rn,y_rn,z_rn)=(x_rn-x)²+(y_rn-y)²+(z_rn-z)²-d_rn ²=0

其中多个坐标(x_r1,y_r1,z_r1)～(x_rn,y_rn,z_rn)分别为该n个感测模块的位置，而坐标(x,y,z)则是欲定位的对象的位置。接下来，处理电路320可利用牛顿–拉福森法(Newton-Raphson method)来解上述n个方程式：

$J=\frac{\∂(f_{r1},r_{r1}...,f_{\mathrm{rn}})}{\∂(x,y,z)}=\left[\begin{array}{ccc}{\∂f}_{r1}/\∂x& \∂f_{r1}/\∂y& {\∂f}_{r1}/\∂z\\ \∂f_{r2}/\∂x& {\∂f}_{r2}/\∂y& {\∂f}_{r2}/\∂z\\ .& .& .\\ .& .& .\\ .& .& .\\ {\∂f}_{\mathrm{rn}}/\∂x& \∂f_{\mathrm{rn}}/\∂y& {\∂f}_{\mathrm{rn}}/\∂z\end{array}\right]$

P₀=[x₀,y₀,z₀]

其中P₀为初始猜测解，并进行多次迭代运算：

P_k+1=P_k-J^-1·f(P_k)=P_k-ΔP_k

ΔP_k=P_k+1-P_k

其中k为迭代索引值。当ΔP_k的绝对值小于一预定值时，则可判定此迭代运算收敛，并解出欲感测的对象的坐标(x,y,z)。另外，处理电路320另可采用加权最小平方法(least weighted square method)，以将所得到的感测结果中感测量较低的感测结果予以较小的权重，进一步提升定位的准确性。由于本领域技术人员应可了解利用加权最小平方法以及牛顿–拉福森法来解上述n个方程式的计算细节，故进一步的说明在此便不再赘述。值得注意的是，由于多个感测模块M1～M4之中的任三个感测模块的感测元件均可定义一几何平面(亦即，并未同时位于同一直在线)，即便光学感测装置300只具有多个感测模块M1～M4的其中三个感测模块，其仍可基于上述相同/相似的操作来得到三个方程式，以计算出手指OB的位置信息(亦即，n可大于等于3)。

为了提升整体的感测性能，控制电路310另可依据计算出来的位置信息来调整多个红外线发光二极管E1～E4的发光能量，此外，多个红外光感测器S1～S4的感测面上可涂布/成长一窄频宽的带通滤波薄膜或保护玻璃(coverlens)来抑制非红外光波段或红外光波段附近的波段。另外，在多个红外线发光二极管E1～E4具有多个不同的发光波段的情形下，多个红外光感测器S1～S4的感测面上则可分别涂布/成长对应于该多个发光波段的带通滤波薄膜。

高感测取像率也是影响三角定位的质量的因素之一，而感测取像率可通过增加发光元件的责任周期(开启时间)来提升。另外，在多个红外线发光二极管E1～E4依据一启用时序来轮流开启，且多个红外光感测器S1～S4依据该启用时序来进行检测的情形下，各红外光感测器的感测结果可经由相同的积分时间来处理之，而处理电路320可使用较短的模拟数字转换时间以来将感测结果转换为感测量，以增加感测取像率。

三角定位区域(或手势辨识区域)可定义为红外光发射锥角(光束角)与感测锥形视角所重迭的立体空间。请一并参阅图5～图8。图5为图3所示的光学感测装置300的一实作范例的示意图，而图6为图5所示的光学感测装置500的侧视图。光学感测装置500的架构系基于图3所示的光学感测装置300的架构，两者之间的主要差别在于多个红外线发光二极管E1'～E4'均具有一红外光发射锥角Φ1。图7为图3所示的光学感测装置300的另一实作范例的示意图，而图8为图7所示的光学感测装置700的侧视图。光学感测装置700的架构系基于图3所示的光学感测装置300的架构，两者之间的主要差别在于多个红外线发光二极管E1″～E4″均具有一红外光发射锥角Φ2。

于图5所示的实作范例中，假设各红外光感测器的感测锥形视角为180-°，故光学感测装置500的三角定位区域(或手势辨识区域)可由多个红外线发光二极管E1'～E4'的红外光发射锥角Φ1的交集来决定。相似地，于图7所示的实作范例中，假设各红外光感测器的感测锥形视角为180-°，故光学感测装置700的三角定位区域(或手势辨识区域)可由多个红外线发光二极管E1″～E4″的红外光发射锥角Φ2的交集来决定。由于红外光发射锥角越小，红外光发光效率越好，因此，光学感测装置500对于距离屏幕302较远的对象感测仍有良好的感测性能；红外光发射锥角越大，可以使覆盖于屏幕上的感测空间更广，因此，光学感测装置700具有较广的三角定位区域(或手势辨识区域)。

值得注意的是，当光学感测装置500的屏幕302的尺寸增加时，可通过设置多个(例如，大于4)感测模块于屏幕302的周围，使各感测模块的感测空间的交集(例如，图1所示的多个感测空间A₁～A₃的重迭区域)可覆盖整个屏幕302的上方，进而同时满足良好的远距离感测性能以及足够的手势辨识区域的需求。

图3所示的多个感测模块M1～M4具有相同的Z轴坐标，然而，这并非用来作为本发明的限制。请参阅图9，其为本发明光学感测装置的一实施例的示意图。光学感测装置900所示的架构系基于图3所示的光学感测装置300的架构，两者之间的主要差别在于光学感测装置900所包含的多个感测模块M1～M4系设置于非平面上。于此实施例中，由于多个红外光感测器S1～S4并未同时位在同一直在线(亦即，多个红外光感测器S1～S4的多个感测位置可定义出至少一几何平面)，因此，本领域技术人员经由阅读图1～图4所示的相关说明之后，应可了解光学感测装置900可基于图2所示的流程来实现非接触式定位追踪。另外，只要多个红外线发光二极管E1～E4并未同时位在同一直在线(亦即，多个红外线发光二极管E1～E4的多个发光位置可定义出至少一几何平面)，光学感测装置900也可实现非接触式定位追踪。

于图3所示的实施例中，由于各感测结果所对应的红外光感测器与红外线发光二极管系彼此相邻，使得各感测模块的红外线发光二极管与红外光感测器之间的距离远小于手指OB与该感测模块之间的距离，因此，在将感测量转换为特定距离时，可将各感测结果所对应的红外光感测器与红外线发光二极管视为具有相同的位置，以及将红外光信号的行进距离视为相同于反射信号的行进距离，然而，这并非用来作为本发明的限制。请参阅图10，其为本发明光学感测装置用于非接触式定位追踪的另一实施例的示意图。于此实施例中，光学感测装置1000可包含图3所示的多个红外线发光二极管E1～E4与多个红外光感测器S1～S2、一控制电路(未绘示于图10中)以及一处理电路(未绘示于图10中)，其中该控制电路可由图3所示的控制电路310来实作的以及该处理电路可由图3所示的处理电路320来实作之。红外光感测器S1与红外线发光二极管E1系设置于感测模块M1中，以及红外光感测器S2与红外线发光二极管E2系设置于感测模块M2中。该控制电路可控制各红外光感测器于相对应的一红外线发光二极管开启时检测反射自一对象(例如，手指OB)的反射信号，以产生该红外线发光二极管相对应的一感测结果。

于此实施例中，红外光感测器S1可用来检测分别对应于多个红外线发光二极管E1与E3的多个反射信号R1与R3，并产生相对应的多个感测结果(分别对应于多个红外线发光二极管E1与E3)，以及红外光感测器S2可用来检测分别对应于多个红外线发光二极管E2与E4的多个反射信号R2与R4，并产生相对应的多个感测结果(分别对应于多个红外线发光二极管E2与E4)。由于多个红外线发光二极管E1～E4的多个发光位置可定义出至少一几何平面，因此，因应多个红外线发光二极管E1～E4而产生的多个感测结果可应用于三角定位计算。另外，于此实施例中，对应于同一感测结果的红外线发光二极管与红外光感测器并未彼此相邻，因此，光学感测装置1000的处理电路可依据多个红外线发光二极管E1～E4的多个发光位置、多个红外光感测器S1～S2的多个感测位置，以及多个红外光感测器S1～S2所产生的多个感测结果来计算出手指OB的位置信息。进一步的说明如下。

图2所示的方法也可应用于光学感测装置1000之中。在光学感测装置1000执行步骤210时，其可依据一启用时序来轮流致能多个红外线发光二极管E1～E4以分别产生多个红外光信号L1～L4，并依据该启用时序来致能多个红外光感测器S1～S2以分别检测反射自手指OB的多个反射信号R1～R4，使得各红外光感测器检测反射自手指OB的反射信号时仅有一红外线发光二极管开启。举例来说，光学感测装置1000的控制电路依序执行以下步骤：开启红外线发光二极管E1，并致能红外光感测器S1以检测反射自手指OB的反射信号R1，接着再关闭红外线发光二极管E1与红外光感测器S1；开启红外线发光二极管E3，并致能红外光感测器S1以检测反射自手指OB的反射信号R3，接着再关闭红外线发光二极管E3与红外光感测器S1；开启红外线发光二极管E2，并致能红外光感测器S2以检测反射自手指OB的反射信号R2，接着再关闭红外线发光二极管E2与红外光感测器S2；以及开启红外线发光二极管E4，并致能红外光感测器S2以检测反射自手指OB的反射信号R4，接着再关闭红外线发光二极管E4与红外光感测器S2。

经由上述感测操作，红外光感测器S1便可得到因应红外线发光二极管E1而产生的感测结果，以及因应红外线发光二极管E3而产生的感测结果，相似地，红外光感测器S2可得到因应红外线发光二极管E2而产生的感测结果，以及因应红外线发光二极管E4而产生的感测结果。于步骤230中，光学感测装置1000的处理电路便可依据多个红外线发光二极管E1～E4的发光位置以及多个红外光感测器S1～S2的感测位置与感测结果，来计算出手指OB的位置信息。

举例来说，光学感测装置1000的处理电路可先将各红外光感测器所得到的感测结果转换为相对应的感测量C₁'～C₄'，接着依据以下转换关系来得到多个特定距离(d₁₁+d₁₂)、(d₂₁+d₂₂)、(d₃₁+d₃₂)与(d₄₁+d₄₂)。

其中参考感测量C₀'与相对应的参考距离(d₀₁'+d₀₂')可经由校正而得之，而参数i等于1、2、3或4。感测量C₁'系对应于红外光感测器S1因应红外线发光二极管E1而产生的感测结果，故感测量C₁'所对应的特定距离(d₁₁+d₁₂)可用来作为红外线发光二极管E1与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S1之间的距离的距离和；相似地，感测量C₂'所对应的特定距离(d₂₁+d₂₂)可用来作为红外线发光二极管E2与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S2之间的距离的距离和、感测量C₃'所对应的特定距离(d₃₁+d₃₂)可用来作为红外线发光二极管E3与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S1之间的距离的距离和，以及感测量C₄'所对应的特定距离(d₄₁+d₄₂)可用来作为红外线发光二极管E4与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S2之间的距离的距离和。

在得到多个特定距离(d₁₁+d₁₂)、(d₂₁+d₂₂)、(d₃₁+d₃₂)与(d₄₁+d₄₂)之后，光学感测装置1000的处理电路便可对下列方程式之中的至少三个方程式进行求解，以得到手指OB的坐标(x,y,z)：

$\begin{array}{c}{[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{11}+d_{12})=0\\ {[{(x_1-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{31}+d_{32})=0\\ {[{(x_2-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{21}+d_{22})=0\\ {[{(x_2-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{41}+d_{42})=0\end{array}$

换言之，处理电路320可依据多个红外线发光二极管E1～E4的发光位置、多个红外光感测器S1～S4的感测位置以及多个特定距离(d₁₁+d₁₂)、(d₂₁+d₂₂)、(d₃₁+d₃₂)与(d₄₁+d₄₂)来计算出坐标(x,y,z)。值得注意的是，当图3所示的同一感测模块内的红外线发光二极管与红外光感测器并未彼此相邻时，光学感测装置300也可以采用上述计算方式，以将各感测模块所对应的一感测结果转换为一特定距离，其可作为该感测结果所对应的红外线发光二极管与手指OB之间的距离加上手指OB与产生该感测结果的红外光感测器之间的距离的距离和，进而依据各红外线发光二极管的发光位置、各红外光感测器的感测位置以及各感测结果(或各特定距离)来计算对象位置信息。

上述信号发射与接收的元件配对系仅供说明之需。于一设计变化中，于红外线发光二极管E1开启时，光学感测装置1000的控制电路可致能位于感测模块M2的红外光感测器S2来检测反射信号；而于红外线发光二极管E2开启时，光学感测装置1000的控制电路则是可致能位于感测模块M1的红外光感测器S1来检测反射信号。

于另一设计变化中，当感测模块M1的感测结果所对应的红外光感测器S1与红外线发光二极管E1系彼此相邻(其意味着红外线发光二极管E1与红外光感测器S1之间的距离远小于手指OB与红外光感测器S1(或红外线发光二极管E1)之间的距离)，以及感测模块M2的感测结果所对应的红外光感测器S2与红外线发光二极管E2系彼此相邻(其意味着红外线发光二极管E2与红外光感测器S2之间的距离远小于手指OB与红外光感测器S2(或红外线发光二极管E2)之间的距离)时，可将上述联立方程式改写如下以简化计算。

$\begin{array}{c}2{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-2\left(d_{12}\right)=0\\ {[{(x_1-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{31}+d_{32})=0\\ 2{[{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-2\left(d_{22}\right)=0\\ {[{(x_2-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{41}+d_{42})=0\end{array}$

上述简化方式系将同一感测模块的红外线发光二极管的发光位置视为等同于相对应的红外光感测器的感测位置(例如，将红外线发光二极管E1的发光位置视为坐标(x₁,y₂,z₁)。如此一来，光学感测装置1000的处理电路便可依据红外线发光二极管E3与E4的发光位置、多个红外光感测器S1～S4的感测位置以及多个特定距离d₁₂、d₂₂、(d₃₁+d₃₂)与(d₄₁+d₄₂)来计算出坐标(x,y,z)，其中特定距离d₁₂可作为手指OB与红外光感测器S1之间的距离，以及特定距离d₂₂可作为手指OB与红外光感测器S2之间的距离。于一实作范例中，也可将同一感测模块的红外光感测器的感测位置视为等同于相对应的红外线发光二极管的发光位置(例如，红外光感测器S1的感测位置视为坐标(x₁,y₁,z₁)以简化计算。

另外，由于多个红外线发光二极管E1～E4之中的任三个红外线发光二极管均可定义一几何平面(亦即，并未同时位于同一直在线)，即便光学感测装置1000只具有多个红外线发光二极管E1～E4的其中三个红外线发光二极管(例如，多个红外线发光二极管E1～E3)，其仍可基于图10相关的操作说明来得到三个方程式，以计算出手指OB的位置信息。

由上可知，当一感测结果所对应的红外线发光二极管与红外光感测器彼此相邻时，可将该感测结果转换为一特定距离(例如，图3所示的特定距离d₁或图10所示的特定距离d₁₂)，其中该特定距离可作为手指OB与产生对应于该感测结果的红外光感测器(或红外线发光二极管)之间的距离，以及该特定距离与相对应的红外光感测器的感测位置(或相对应的红外线发光二极管的发光位置)可用于计算手指OB的位置信息；当另一感测结果所对应的红外线发光二极管与红外光感测器未彼此相邻时，可将该另一感测结果转换为另一特定距离(例如，图10所示的特定距离(d₃₁+d₃₂))，其中该另一特定距离可作为手指OB与产生该另一感测结果的红外光感测器之间的距离加上手指OB与该另一感测结果所对应的红外线发光二极管之间的距离的距离和，以及该另一特定距离、相对应的红外光感测器的感测位置、以及相对应的红外线发光二极管的发光位置可用于计算手指OB的位置信息。

请参阅图11，其为本发明光学感测装置用于非接触式定位追踪的另一实施例的示意图。光学感测装置1100的架构系基于图3所示的光学感测装置300的架构(亦即，光学感测装置1100具有可定义出至少一几何平面的多个红外光感测器)，并可包含图3所示的多个红外线发光二极管E1～E2与多个红外光感测器S1～S3、一控制电路(未绘示于图10中)以及一处理电路(未绘示于图10中)，其中该控制电路可由图3所示的控制电路310来实作之以及该处理电路可由图3所示的处理电路320来实作之。红外光感测器S1与红外线发光二极管E1系设置于感测模块M1中，以及红外光感测器S2与红外线发光二极管E2系设置于感测模块M2中。该控制电路可控制各红外光感测器于相对应的一红外线发光二极管开启时检测反射自一对象(例如，手指OB)的反射信号，以产生各该红外光感测器相对应的一感测结果。于此实施例中，红外光感测器S1可用来检测对应于红外线发光二极管E1的反射信号R1以产生相对应的感测结果、红外光感测器S2可用来检测对应于红外线发光二极管E2的反射信号R2以产生相对应的感测结果，以及红外光感测器S3可用来检测对应于红外线发光二极管E1的反射信号R3以产生相对应的感测结果。

光学感测装置1100可采用图2所示的方法来对手指OB进行定位追踪。实作上，光学感测装置1100的控制电路可依据一启用时序来致能多个红外线发光二极管E1～E2以分别产生多个红外光信号L1～L3，并依据该启用时序来轮流致能多个红外光感测器S1～S3以分别检测反射自手指OB的多个反射信号R1～R3，使得各红外光感测器检测反射自手指OB的反射信号时仅有一红外线发光二极管开启。接下来，光学感测装置1100的处理电路便可依据红外线发光二极管E1～E2的发光位置、多个红外光感测器S1～S3的感测位置、多个红外光感测器S1～S3的感测结果来计算手指OB的位置信息。举例来说，光学感测装置1100的处理电路可将各红外光感测器的感测结果转换为特定距离，并从下列联立方程式来得到手指OB的坐标(x,y,z)：

$\begin{array}{c}{[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{11}+d_{12})=0\\ {[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{31}+d_{32})=0\\ {[{(x_2-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{21}+d_{22})=0\end{array}$

其中特定距离(d₁₁+d₁₂)可用来作为红外线发光二极管E1与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S1之间的距离的距离和、特定距离(d₂₁+d₂₂)可用来作为红外线发光二极管E2与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S2之间的距离的距离和、特定距离(d₃₁+d₃₂)可用来作为红外线发光二极管E1与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S3之间的距离的距离和。由于本领域技术人员经由阅读图1～图10的相关说明之后，应可了解得到上述联立方程式的操作细节，故进一步的说明在此便不再赘述。

值得注意的是，在对应于同一感测结果的红外线发光二极管E1与红外光感测器S1系彼此相邻的情形下，可将红外线发光二极管E1的发光位置近似为红外光感测器S1的感测位置，以及将特定距离(d₁₁+d₁₂)近似为两倍的d₁₂；相似地，在对应于同一感测结果的红外线发光二极管E2与红外光感测器S2系彼此相邻的情形下，可将红外线发光二极管E2的发光位置近似为红外光感测器S2的感测位置，以及将特定距离(d₂₁+d₂₂)近似为两倍的d₂₂。因此，上述联立方程式可改写如下。

$2{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-2\left(d_{12}\right)=0$

$\begin{array}{c}{[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{31}+d_{32})=0\\ 2{[{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-2\left(d_{22}\right)=0\end{array}$

换言之，光学感测装置1100的处理电路可依据红外线发光二极管E1的发光位置、多个红外光感测器S1～S3的感测位置以及多个特定距离d₁₂、d₂₂、(d₃₁+d₃₂)来计算出坐标(x,y,z)，其中特定距离d₁₂可作为手指OB与红外光感测器S1之间的距离，以及特定距离d₂₂可作为手指OB与红外光感测器S2之间的距离。于一设计变化中，也可以将上列第二个方程式之中红外线发光二极管E1的发光位置近似为红外光感测器S1的感测位置，以得到更进一步的化简计算。

本发明所提供的光学感测装置可以只利用单一发光元件以及至少三感测元件来实现非接触式定位追踪。请参阅图12，其为本发明光学感测装置用于非接触式定位追踪的另一实施例的示意图。光学感测装置1200的架构系基于图11所示的光学感测装置1100的架构，而两者之间主要的差别在于光学感测装置1200仅包含单一发光元件(亦即，红外线发光二极管E1)。于此实施例中，多个红外光感测器S1～S3均用来检测对应于红外线发光二极管E1的反射信号。

光学感测装置1200可采用图2所示的方法来对手指OB进行定位追踪。实作上，于红外线发光二极管E1开启时，光学感测装置1200的控制电路可同时致能多个红外光感测器S1～S3以分别检测反射自手指OB的多个反射信号R1～R3(分别对应于多个红外光信号L1～L3)。接下来，光学感测装置1200的处理电路便可依据红外线发光二极管E1的发光位置、多个红外光感测器S1～S3的感测位置、多个红外光感测器S1～S3的感测结果来计算手指OB的位置信息。举例来说，光学感测装置1100的处理电路可将各红外光感测器的感测结果转换为特定距离，并从下列联立方程式来得到手指OB的坐标(x,y,z)：

$\begin{array}{c}{[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{11}+d_{12})=0\\ {[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{31}+d_{32})=0\\ {[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{21}+d_{22})=0\end{array}$

其中特定距离(d₁₁+d₁₂)可用来作为红外线发光二极管E1与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S1之间的距离的距离和、特定距离(d₂₁+d₂₂)可用来作为红外线发光二极管E1与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S2之间的距离的距离和、特定距离(d₃₁+d₃₂)可用来作为红外线发光二极管E1与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S3之间的距离的距离和。

值得注意的是，当感测模块M1的感测结果所对应的红外光感测器S1与红外线发光二极管E1系彼此相邻(其意味着红外线发光二极管E1与红外光感测器S1之间的距离远小于手指OB与红外光感测器S1(或红外线发光二极管E1)之间的距离)，则上述联立方程式可改写如下。

$\begin{array}{c}2{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-2\left(d_{12}\right)=0\\ {[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{31}+d_{32})=0\\ {[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{21}+d_{22})=0\end{array}$

换言之，光学感测装置1200的处理电路(未绘示于图12中)可依据红外线发光二极管E1的发光位置、多个红外光感测器S1～S3的感测位置以及多个特定距离d₁₂、(d₂₁+d₂₂)、(d₃₁+d₃₂)来计算出坐标(x,y,z)，其中特定距离d₁₂可用来作为手指OB与红外光感测器S1之间的距离。于一设计变化中，也可以将上列第二个方程式与第三个方程式之中红外线发光二极管E1的发光位置近似为红外光感测器S1的感测位置，以得到更进一步的化简计算。

上述单一发光元件以及至少三感测元件的光学感测机制也可以应用于单一感测模块。请参阅图13，其为本发明光学感测装置用于非接触式定位追踪的另一实施例的示意图。光学感测装置1300的架构系基于图3所示的光学感测装置300的架构(亦即，光学感测装置1300具有可定义出至少一几何平面的多个感测元件)。于此实施例中，光学感测装置1300可包含单一感测模块M0、一控制电路(未绘示于图13中)以及一处理电路(未绘示于图13中)，其中该控制电路可由图3所示的控制电路310来实作之以及该处理电路可由图3所示的处理电路320来实作之。感测模块M0包含一光感测器S0以及一发光元件E0(例如，一红外线发光二极管)，其中光感测器S0包含多个感测元件，该多个感测元件系以多个红外光感测像素PX₁～PX₄来实作之。

各红外光感测像素的感测操作系与图3所示的红外光感测器大致相同/相似。另外，光学感测装置1300可采用图2所示的方法来对手指OB进行定位追踪。实作上，于发光元件E0开启时，光学感测装置1200的控制电路可同时致能多个红外光感测像素PX₁～PX₄以分别检测反射自手指OB的多个反射信号R1～R4(分别对应于多个红外光信号L1～L4)，各红外光感测像素可据以产生相对应的一感测结果。接下来，光学感测装置1300的处理电路便可依据发光元件E0的发光位置(x₃,y₃,z₁)、红外光感测像素PX₁的感测位置(x₁,y₁,z₁)、红外光感测像素PX₂的感测位置(x₂,y₁,z₁)、红外光感测像素PX₃的感测位置(x₁,y₂,z₁)、红外光感测像素PX₄的感测位置(x₂,y₂,z₁)以及多个红外光感测像素PX₁～PX₄的感测结果来计算手指OB的位置信息。举例来说，光学感测装置1300的处理电路可将各红外光感测像素的感测结果转换为特定距离，并从下列联立方程式来得到手指OB的坐标(x,y,z)：

$\begin{array}{c}{[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{11}+d_{12})=0\end{array}$

$\begin{array}{c}{[{(x_2-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{21}+d_{22})=0\\ {[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{31}+d_{32})=0\\ {[{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_3-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{41}+d_{42})=0\end{array}$

其中特定距离(d₁₁+d₁₂)可用来作为发光元件E0与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测像素PX₁之间的距离的距离和、特定距离(d₂₁+d₂₂)可用来作为发光元件E0与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测像素PX₂之间的距离的距离和、特定距离(d₃₁+d₃₂)可用来作为发光元件E0与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测像素PX₃之间的距离的距离和，以及、特定距离(d₄₁+d₄₂)可用来作为发光元件E0与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测像素PX₄之间的距离的距离和。

值得注意的是，在对应于同一感测结果的发光元件与红外光感测像素系彼此相邻的情形下(亦即，发光元件E0与一红外光感测像素之间的距离远小于手指OB与该红外光感测像素之间的距离)，可将发光元件与相对应的红外光感测像素视为位在同一位置上，并可将上述联立方程式改写如下：

$\begin{array}{c}2{[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-2\left(d_{12}\right)=0\\ 2{[{(x_2-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-2\left(d_{22}\right)=0\\ 2{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-2\left(d_{32}\right)=0\\ 2{[{(x_2-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-2\left(d_{42}\right)=0\end{array}$

其中特定距离d₁₂可用来作为手指OB与红外光感测像素PX₁之间的距离、特定距离d₂₂可用来作为手指OB与红外光感测像素PX₂之间的距离、特定距离d₃₂可用来作为手指OB与红外光感测像素PX₃之间的距离、特定距离d₄₂可用来作为手指OB与红外光感测像素PX₄之间的距离。由于本领域技术人员经由阅读图1～图12的相关说明之后，应可了解具有感测模块M0的光学感测装置1300的运作细节，故进一步的说明在此便不再赘述。

本发明所提供的光学感测装置也可以只利用单一感测元件以及至少三发光元件来实现非接触式定位追踪。请参阅图14，其为本发明光学感测装置用于非接触式定位追踪的另一实施例的示意图。光学感测装置1400的架构系基于图10所示的光学感测装置1000的架构(亦即，光学感测装置1400具有可定义出至少一几何平面的多个红外线发光二极管)。于此实施例中，光学感测装置1400可包含单一感测元件(亦即，红外光感测器S1)、一控制电路(未绘示于图14中)以及一处理电路(未绘示于图14中)，其中该控制电路可由图3所示的控制电路310来实作之以及该处理电路可由图3所示的处理电路320来实作之。红外光感测器S1可用来检测分别对应于多个红外线发光二极管E1～E3的多个反射信号R1～R3(分别对应于多个红外光信号L1～L3)。

光学感测装置1400亦可采用图2所示的方法来对手指OB进行定位追踪。实作上，光学感测装置1400的控制电路可依据一启用时序来轮流致能多个红外线发光二极管E1～E3，并依据该启用时序来致能红外光感测器S1，使得红外光感测器S1检测反射自手指OB的反射信号时仅有一红外线发光二极管开启。接下来，光学感测装置1400的处理电路便可依据多个红外线发光二极管E1～E3的发光位置、红外光感测器S1的感测位置以及红外光感测器S1分别因应多个红外线发光二极管E1～E3所产生的多个感测结果，来计算手指OB的位置信息。举例来说，光学感测装置1400的处理电路可将各红外光感测器的感测结果转换为特定距离，并从下列联立方程式来得到手指OB的坐标(x,y,z)：

$\begin{array}{c}{[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{11}+d_{12})=0\\ {[{(x_1-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{31}+d_{32})=0\end{array}$

$\begin{array}{c}{[{(x_2-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{21}+d_{22})=0\end{array}$

其中特定距离(d₁₁+d₁₂)可用来作为红外线发光二极管E1与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S1之间的距离的距离和、特定距离(d₂₁+d₂₂)可用来作为红外线发光二极管E2与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S1之间的距离的距离和、特定距离(d₃₁+d₃₂)可用来作为红外线发光二极管E3与手指OB之间的距离加上手指OB与红外光感测器S1之间的距离的距离和。

值得注意的是，在对应于同一感测结果的红外线发光二极管与红外光感测器系彼此相邻的情形下(亦即，一红外线发光二极管与红外光感测器S1之间的距离远小于手指OB与红外光感测器S1之间的距离)，可将红外线发光二极管与相对应的红外光感测器视为位在同一位置上，并可将上述联立方程式改写如下：

$\begin{array}{c}2{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-2\left(d_{12}\right)=0\\ {[{(x_1-x)}^2+{(y_3-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{31}+d_{32})=0\\ {[{(x_2-x)}^2+{(y_1-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}\\ +{[{(x_1-x)}^2+{(y_2-y)}^2+{(z_1-z)}^2]}^{\frac{1}{2}}-(d_{21}+d_{22})=0\end{array}$

其中特定距离d₁₂可用来作为手指OB与红外光感测器S1之间的距离。

综上所述，本发明所提供的光学感测机制可利用三角定位来实现非接触式定位追踪，以允许使用者以非接触式的方式控制电子装置。另外，本发明所提供的光学感测机制可搭配分时多工及/或分频多工的方式来提升定位追踪的性能(例如，提升感测取像率)。再者，本发明所提供的光学感测装置所包含的红外光感测器不仅可用于定位追踪，也可用来检测一近接感测事件(例如，使用者将光学感测装置(由移动电话来实作之)贴近脸颊以进行通话)，以节省成本并提供多元的附加功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (31)

1.一种光学感测装置，包含：

M个发光元件，其中M为正整数；

N个感测元件，其中N为大于或等于3的整数；

一控制电路，电连接于该M个发光元件以及该N个感测元件，用以控制该M个发光元件的开启与关闭，以及控制各感测元件于相对应的一发光元件开启时检测反射自一对象的反射信号，以产生各该感测元件相对应的一感测结果，其中该N个感测元件因应该M个发光元件而产生N个感测结果；以及

一处理电路，耦接于该控制电路以及该N个感测元件，用以至少依据该N个感测元件的N个感测位置以及该N个感测结果，来计算出该对象的一位置信息，其中该N个感测位置系定义出至少一几何平面。

2.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中M大于1，该控制电路依据一启用时序来致能该M个发光元件，以及该控制电路依据该启用时序来轮流致能该N个感测元件，使得各该感测元件检测反射自该对象的反射信号时仅有一发光元件开启。

3.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中M等于N；各发光元件具有一发光波段，且该M个发光元件的M个发光波段是彼此不同；各感测元件具有一检测波段，且该N个感测元件的N个检测波段是彼此不同；以及该M个发光波段分别对应于该N个检测波段。

4.根据权利要求3所述的光学感测装置，其中该控制电路同时开启该M个发光元件。

5.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中该N个感测结果之中Q个感测结果中的每一感测结果所对应的感测元件与发光元件是彼此相邻；以及该处理电路将该Q个感测结果分别转换为Q个第一特定距离，其中Q为正整数，各第一特定距离是作为该对象与产生对应于各该第一特定距离的感测结果的感测元件之间的距离。

6.根据权利要求5所述的光学感测装置，其中Q等于N，以及该处理电路是依据该N个感测位置与该Q个第一特定距离来计算出该位置信息。

7.根据权利要求5所述的光学感测装置，其中Q小于N，且该N个感测结果之中剩余的(N-Q)个感测结果中的每一感测结果所对应的感测元件与发光元件并未彼此相邻；该处理电路将该(N-Q)个感测结果分别转换为(N-Q)个第二特定距离，其中各第二特定距离是作为该对象与产生对应于各该第二特定距离的感测结果的感测元件之间的距离加上该对象与对应于各该第二特定距离的感测结果所对应的发光元件之间的距离的距离和；以及该处理电路依据该(N-Q)个感测结果所对应的发光元件的发光位置、该N个感测位置、该Q个第一特定距离以及该(N-Q)个第二特定距离来计算出该位置信息。

8.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中该处理电路将该N个感测结果分别转换为N个特定距离，以依据该M个发光元件的M个发光位置、该N个感测位置以及该N个特定距离来计算出该位置信息，其中各特定距离是作为该对象与产生对应于各该特定距离的感测结果的感测元件之间的距离加上该对象与对应于各该特定距离的感测结果所对应的发光元件之间的距离的距离和。

9.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中M等于1，以及该控制电路同时致能该N个感测元件。

10.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中该处理电路还经由一校正补偿函数对该位置信息进行校正补偿。

11.一种光学感测装置，包含：

M个发光元件，其中M为大于或等于3的整数；

N个感测元件，其中N为正整数；

一控制电路，电连接于该M个发光元件以及该N个感测元件，用以控制该M个发光元件的开启与关闭，以及控制各感测元件于相对应的一发光元件开启时检测反射自一对象的反射信号，以产生该发光元件相对应的一感测结果，其中该N个感测元件因应该M个发光元件而产生M个感测结果，该M个感测结果之中Q个感测结果中的每一感测结果所对应的感测元件与发光元件并未彼此相邻，且Q为正整数；以及

一处理电路，耦接于该控制电路以及该N个感测元件，用以依据该Q个感测结果所对应的Q个发光元件的Q个发光位置、该N个感测元件的N个感测位置以及该M个感测结果，来计算出该对象的一位置信息，其中该M个发光元件的M个发光位置是定义出至少一几何平面。

12.根据权利要求11所述的光学感测装置，其中该控制电路依据一启用时序来轮流致能该M个发光元件，以及该控制电路依据该启用时序来致能该N个感测元件，使得各该感测元件检测反射自该对象的反射信号时仅有一发光元件开启。

13.根据权利要求11所述的光学感测装置，其中该处理电路将该Q个感测结果分别转换为Q个第一特定距离，各第一特定距离是作为该对象与产生对应于各该第一特定距离的感测结果的感测元件之间的距离加上该对象与对应于各该第一特定距离的感测结果所对应的发光元件之间的距离的距离和。

14.根据权利要求13所述的光学感测装置，其中Q等于M，以及该处理电路依据该Q个发光位置、该N个感测位置以及该Q个第一特定距离来计算出该位置信息。

15.根据权利要求13所述的光学感测装置，其中Q小于M，且该M个感测结果之中剩余的(M-Q)个感测结果中的每一感测结果所对应的感测元件与发光元件是彼此相邻；该处理电路将该(M-Q)个感测结果分别转换为(M-Q)个第二特定距离，其中各第二特定距离是作为该对象与产生对应于各该第二特定距离的感测结果的感测元件之间的距离；以及该处理电路依据该Q个发光位置、该N个感测位置、该Q个第一特定距离以及该(M-Q)个第二特定距离来计算出该位置信息。

16.根据权利要求11所述的光学感测装置，其中该处理电路还经由一校正补偿函数对该位置信息进行校正补偿。

17.一种检测一光学感测装置周边的一对象的方法，该光学感测装置包含M个发光元件与N个感测元件，N个感测元件的N个感测位置定义出至少一几何平面，M为正整数，N为大于或等于3的正整数，该方法包含：

于各感测元件相对应的一发光元件开启时，致能各该感测元件以检测反射自一对象的反射信号，以产生各该感测元件相对应的一感测结果，其中该N个感测元件因应该M个发光元件而产生N个感测结果；以及

至少依据该N个感测位置以及该N个感测结果，来计算出该对象的一位置信息。

18.根据权利要求17所述的方法，其中M大于1，以及该方法还包含：

依据一启用时序来致能该M个发光元件；以及

致能各该感测元件以检测反射自该对象的反射信号的步骤包含：

依据该启用时序来轮流致能该N个感测元件，使得各该感测元件检测反射自该对象的反射信号时仅有一发光元件开启。

19.根据权利要求17所述的方法，其中M等于N；各发光元件具有一发光波段，且该M个发光元件的M个发光波段是彼此不同；各感测元件具有一检测波段，且该N个感测元件的N个检测波段是彼此不同；该M个发光波段分别对应于该N个检测波段；以及该方法还包含：

同时开启该M个发光元件。

20.根据权利要求17所述的方法，其中各感测结果所对应的感测元件与发光元件是彼此相邻；以及至少依据该N个感测位置以及该N个感测结果来计算出该位置信息的步骤包含：

将该N个感测结果分别转换为N个特定距离，其中各特定距离是作为该对象与产生对应于各该特定距离的感测结果的感测元件之间的距离；以及

依据该N个感测位置与该N个特定距离来计算出该位置信息。

21.根据权利要求17所述的方法，其中该N个感测结果之中Q个感测结果中的每一感测结果所对应的感测元件与发光元件是彼此相邻，且该N个感测结果之中剩余的(N-Q)个感测结果中的每一感测结果所对应的感测元件与发光元件并未彼此相邻；以及至少依据该N个感测位置以及该N个感测结果来计算出该位置信息的步骤包含：

该Q个感测结果分别转换为Q个第一特定距离，其中各第一特定距离是作为该对象与产生对应于各该第一特定距离的感测结果的感测元件之间的距离；

将该(N-Q)个感测结果分别转换为(N-Q)个第二特定距离，其中各第二特定距离是作为该对象与产生对应于各该第二特定距离的感测结果的感测元件之间距离加上该对象与对应于各该第二特定距离的感测结果所对应的发光元件之间的距离的距离和；以及

依据该(N-Q)个感测结果所对应的发光元件的发光位置、该N个感测位置、该Q个第一特定距离以及该(N-Q)个第二特定距离来计算出该位置信息。

22.根据权利要求17所述的方法，其中至少依据该N个感测位置以及该N个感测结果来计算出该位置信息的步骤包含：

将该N个感测结果分别转换为N个特定距离，其中各特定距离是作为该对象与产生对应于各该特定距离的感测结果的感测元件之间的距离加上该对象与对应于各该特定距离的感测结果所对应的发光元件之间的距离的距离和；以及

依据该M个发光元件的M个发光位置、该N个感测位置以及该N个特定距离来计算出该位置信息。

23.根据权利要求17所述的方法，其中M等于1，以及致能各该感测元件以检测反射自该对象的反射信号的步骤包含：

同时致能该N个感测元件。

24.根据权利要求17所述的方法，其中在执行至少依据该N个感测位置以及该N个感测结果来计算出该位置信息的步骤之前，该方法还包含：

对该N个感测结果进行一噪声滤除处理。

25.根据权利要求17所述的方法，还包含：

利用一校正补偿函数对该位置信息进行校正补偿。

26.一种检测一光学感测装置周边的一对象的方法，该光学感测装置包含M个发光元件与N个感测元件，M个发光元件的M个发光位置是定义出至少一几何平面，M为大于或等于3的整数，N为正整数，该方法包含：

于各感测元件于相对应的一发光元件开启时，致能各该感测元件以检测反射自一对象的反射信号，以产生该发光元件相对应的一感测结果，其中该N个感测元件因应该M个发光元件而产生M个感测结果，该M个感测结果之中Q个感测结果中的每一感测结果所对应的感测元件与发光元件并未彼此相邻，且Q为正整数；以及

依据该Q个感测结果所对应的Q个发光元件的Q个发光位置、该N个感测元件的N个感测位置以及该M个感测结果，来计算出该对象的一位置信息。

27.根据权利要求26所述的方法，还包含：

依据一启用时序来轮流致能该M个发光元件；以及

致能各该感测元件以检测反射自该对象的反射信号的步骤包含：

依据该启用时序来致能该N个感测元件，使得各该感测元件检测反射自该对象的反射信号时仅有一发光元件开启。

28.根据权利要求26所述的方法，其中Q等于M，以及依据该Q个发光位置、该N个感测位置以及该M个感测结果来计算出该位置信息的步骤包含：

将该Q个感测结果分别转换为Q个第一特定距离，其中各第一特定距离是作为该对象与产生对应于各该第一特定距离的感测结果的感测元件之间的距离加上该对象与对应于各该第一特定距离的感测结果所对应的发光元件之间的距离的距离和；以及

依据该Q个发光位置、该N个感测位置以及该Q个第一特定距离来计算出该位置信息。

29.根据权利要求26所述的方法，其中Q小于M，且该M个感测结果之中剩余的(M-Q)个感测结果中的每一感测结果所对应的感测元件与发光元件是彼此相邻；以及依据该Q个发光位置、该N个感测位置以及该M个感测结果来计算出该位置信息的步骤包含：

将该Q个感测结果分别转换为Q个第一特定距离，各第一特定距离是作为该对象与产生对应于各该第一特定距离的感测结果的感测元件之间的距离加上该对象与对应于各该第一特定距离的感测结果所对应的发光元件之间的距离的距离和；

将该(M-Q)个感测结果分别转换为(M-Q)个第二特定距离，其中各第二特定距离是作为该对象与产生对应于各该第二特定距离的感测结果的感测元件之间的距离；以及

依据该Q个发光位置、该N个感测位置、该Q个第一特定距离以及该(M-Q)个第二特定距离来计算出该位置信息。

30.根据权利要求26所述的方法，其中在执行依据该Q个发光位置、该N个感测位置以及该M个感测结果来计算出该位置信息的步骤之前，该方法还包含：

对该M个感测结果进行一噪声滤除处理。

31.根据权利要求26所述的方法，还包含：

利用一校正补偿函数对该位置信息进行校正补偿。

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