CN104679290A - 光标控制装置与控制方法 - Google Patents

Abstract

一种光标控制装置与控制方法，光标控制装置主要元件有发出光线的发光单元、具有一光线通道的壳体、光感测单元以及控制单元，光线经壳体上的光线通道射出，经一表面反射又自光线通道进入装置，并由光感测单元中多个以阵列形式排列的感应元所接收，由控制单元控制发光单元发出光线的能量、控制光感测单元接收入射光并运算各个感应元在一采集时间前后所接收的能量后，得出采集时间前后形成的空间干扰的能量差异，依此能量差异判断出移动方向，例如判断使用者手指在光线通道上的移动方向，以此对应光标移动。

Description

光标控制装置与控制方法

技术领域

本发明涉及一种光标控制装置与控制方法，特别涉及一种采用多个以阵列形式排列的感应元组成的光感测元件的光标控制装置，以及相关控制方法。

背景技术

光传感器为通过如CMOS（互补式金氧半场效晶体管）、CCD（电荷耦合元件）等感测元件将接受的光线转换为电信号，一般技术可以通过这类元件取得特定光源的强度（能量），据此可以判断距离（作为距离传感器）、随着时间的能量变化，甚至作为图像获取的元件。

光学指示装置如电脑鼠标，可利用光传感器作为轨迹移动的判断，当产生的光线射向一操作平面，可以通过前后时间接收的能量变化、图像处理判断一个移动向量。如图1所示的光学鼠标10的内部电路示意图，光学鼠标10在一表面11上移动，鼠标外壳12内部电路的主要元件除了一些光学元件外，电路部分设有一电路板14，电路板14上设有一控制、运算发射及感测光的控制器18，以及一光源16和传感器19。

在此光学鼠标10的外壳12上有一个朝向外部表面11的开槽17，此电路板14即设于此开槽（aperture）17附近，电路板14上设有如激光或是发光二极管（LED）的光源16。当此光学鼠标10操作时，光源16连续产生发射光，以特定角度射向表面11，如图中虚线表示，经传感器19取得反射光的信号，或是取得反射光强度的图像分布（如传感器19可为CMOS或CCD图像传感器），控制器18即分析出光学鼠标10的移动方向。

在前述的已知光学鼠标10的轨迹判断的技术中，相当依赖由表面11取得的反射光的信号，因此一般光学鼠标10的效能将会随着表面11的形式而有不同的表现。

在光线寻迹的目的中，一般技术将会因为表面结构为透明或是不易反光的材质产生判断失败的问题，造成无法寻迹，也就可能使得相关装置（如光学鼠标）无法顺利操作。

已知技术中，若要让光线寻迹的装置在不同平面上仍保有一定寻迹的效能，在取得光线移动路径的方式多使用额外的外部定位感测或是一些复杂的运算，但这些定位感测或是运算因为灵敏度的限制、高耗能以及复杂的算法等的原因而仅适用于有限的平面样态上。这些已知的光传感器并非能适用于所有高反射或是很低反射率的平面上。

发明内容

有鉴于已知采用一般光传感器的装置（如光学鼠标）并非能适用于所有高反射或是很低反射率的平面上，本说明书提出一种应用光传感器阵列的光标控制装置与控制方法，通过其中包括多个以阵列形式排列的感应元以及对应的寻迹算法，达到有效寻迹的目的，而且藉此应用的光标控制装置并无需复杂的光学设计，而其中实施例可搭配激光等空间同调性（spatialcoherence）良好的光源，据此提供如光学鼠标等光线寻迹装置良好的寻迹能力。此光标的控制方法主要应用表面（比如手指表皮）反射的光与原发射光之间的光建设性和破坏性干涉的图像，作为寻迹识别的依据。

根据实施例之一，光标控制装置主要元件包括有：提供光源的发光单元，光源可为空间同调性良好的激光；具有一光线通道的壳体，此光线通道如同壳体上的一个开口（opening），光源发射的光线将经此光线通道射出光标控制装置；由多个以阵列形式排列的感应元组成的光感测单元，其中传感器阵列接收外部物件反射而自光线通道进入光标控制装置的光线；以及一控制单元，用以控制上述发光单元控制光源的能量，控制光感测单元接收自光线通道入射的光线，经运算各个感应元在一采集时间前后所接收的能量后，得出采集时间前后形成的空间干扰的能量差异。这个能量差异将可作为判断移动方向的依据。

根据实施例之一，前述传感器阵列设计时，除了用以感应光线的多个以阵列形式排列的感应元外，可设有多个虚拟感应元。其中多个感应元之间具有固定的间距和平均的相对位置，而虚拟感应元可设置于传感器阵列的周围。装置内控制电路可根据由这些虚拟感应元所取得的光能量调节整个发光单元的驱动电流。

电路上，光感测单元还包括多个比较器，每个比较器对应连接一个感应元，用以比对输入的两个能量信号，两个能量信号中的一个为该感应元产生的能量信号，两个能量信号中的另一个为多个感应元所取得的有效能量的一统计平均值，藉此可计算得出前述采集时间前后形成的空间干扰的能量差异。

电路设计上，根据一实施例，光感测单元、发光单元记忆控制单元可封装于一集成电路内。

结构设计上，装置的壳体上的光线通道可单纯为一开口，开口设置于对应光源的位置，以利于光源光线射出光标控制装置，开口位置为光标控制装置朝向一使用者的方向所开设，为使用者的手指所接触移动而控制光标移动的位置。因此装置内传感器阵列可经开口接收自手指或任意外部物件反射的光线，使得反射光线由多个以阵列形式排列的感应元所接收。

光标控制装置上，可包括一个或多个控制接口和一处理电路，比如功能按键或是滚轮之类的控制接口，其中处理电路可经接收触按一个或多个控制接口后产生控制信号。

根据发明说明书，光标控制装置的控制方法实施例中的步骤有先自发光单元发射光线，经装置壳体上的一光线通道射出，接着由光感测单元接收自外部物件（如手指表皮）反射而经光线通道所进入的光。之后计算光感测单元中各个感应元在一采集时间前后所接收的光能量，可以得出采集时间前后形成的空间干扰的能量差异，并根据采集时间前后累积计算的能量差异判断出外部物件的移动方向。

前述光线通道如一个壳体上的开口，开口设置于对应发光单元发出光线的光源的位置，以利于光线射出光标控制装置，再经开口接收反射光线。

在实施例之一，使用者可手指压着壳体上的开口，装置内传感器阵列接收到手指表皮所反射的光线，过程中，装置中的控制电路可以控制发光单元发出的光能量，以及动态调整光感测单元的曝光时间，并控制传感器阵列中各感应元的操作，包括多个虚拟感应元所取得的光能量而调节发光单元的驱动电流，以调整发光单元产生的光能量，包括控制各感应元输出能量的增益。控制单元可通过控制一脉宽调制控制信号的工作周期以控制发光单元的发光周期。

最后，接着计算得出采集时间前后形成的空间干扰的能量差异后判断外部物件在接触光线通道上的移动对应得出光标移动。

为了能更进一步了解本发明为实现既定目的所采取的技术、方法以及效果，请参阅以下有关本发明的详细说明、附图，相信本发明的目的、特征以及特点，应当可由此得以深入且具体的了解，然而附图和附件仅提供参考和说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1显示已知的光学鼠标内部电路的示意图；

图2显示入射平面与反射光的反射光径的示意图；

图3所示为本发明光标控制装置内的光传感器阵列装置中封装于一集成电路内的传感器阵列的示意图；

图4A示意显示本发明光标控制装置的电路设计实施例的概图；

图4B示意显示本发明光标控制装置的外观实施例的示意图；

图5为显示本发明光标控制装置的实施例电路的方框图；

图6显示为本发明装置采用的传感器阵列的实施例的示意图；

图7显示本发明光标控制装置内光传感器阵列装置的感应元的布局示意图；

图8显示为本发明光标控制装置内光传感器阵列装置中各感应元执行光线寻迹方法的示图之一；

图9显示为本发明光标控制装置内光传感器阵列装置中各感应元执行光线寻迹方法的示图之二；

图10显示的流程为本发明光标控制方法的实施例步骤。

【符号说明】

光学鼠标10 表面11

鼠标外壳12              电路板14

控制器18                光源16

传感器19                开槽17

入射光201               表面结构205

反射光203

电路板30                传感器阵列32

感应元301               光源装置34

照射范围303             控制电路36

光标控制装置4           光线通道40

电路板401               滚轮43

滚轮控制模块43a         控制单元48

按键42                  发光单元46

传感器阵列44            功能按键42a,42b

光标控制装置50          控制单元501

存储单元502             发光单元503

激光模块531             电力管理单元504

光感测单元505           传感器阵列551

开口507                  通信单元506

电脑主机52               控制接口单元508

感应元601、602、603、604、605

比较器621、622、623、624、625

加总器701                增益放大器702

计算器703                输出电压Vout

虚拟感应元711、712、713、714、715、716

感应元721、722、723、724

感应元组合801、802、803、804、805、806

平均电压信号Vavg         方向X、Y

第一时间t0               第二时间t1

感应元组合901、902

步骤S101～S111光标控制方法

具体实施方式

本说明书描述一种光标控制装置与控制方法，光标控制装置特别具有以阵列排列的感应元组成的传感器阵列，形成一个光感测单元，作为接收外部光信号而转换为可以判断移动的能量的电路。实施例之一用以接收由一外部物件表面反射的光线，进而根据多个感应元所接收的反射光能量判断反射光中的建设性或破坏性干涉图像，通过前后时间判断能量变化来判断一个移动向量。

举例来说，若用于电脑系统光标控制的应用上，外部物件如人的手指头，手指表皮有一定的粗糙面，经反射光线而进入光标控制装置后，由前述多个感应元接收可以计算出干涉图像，进而计算出一定时间内的能量变化，可判断其相对表面的移动方向。前述光源优选可采用同调光（coherentlight）或说是一种空间同调性（spatial coherence）良好的光线作为光源，藉此检测移动方向，并可结合灵敏度补偿（sensitivity compensation）的方式，利用一种光线寻迹算法（movement recognition algorithm），同时能够降噪，因此相关采用此技术的装置可以适用于各种形式的平面上。

值得一提的是，说明书所提出的光标控制装置内可以采用一种同调光源整合型封装技术（coherent light source package integration），采用此类技术的装置，如光学鼠标的光学指示装置，并无需安装额外的光学透镜或特定图像传感器，如一种互补式金氧半场效晶体管图像传感器（CMOS imagesensor，CIS），也无需在光线路径上装设任何光学元件（如透镜、反射镜等），而直接由光感应元接收反射光源，并计算一段时间前后的能量变化，藉此检测外部物件移动的动作。

另外，本说明书所提出的光标控制装置可搭配激光等空间同调性（spatial coherence）良好的光源，并通过其中包括多个以阵列形式排列的感应芯片以及对应的寻迹算法，达到有效寻迹的目的。

首先，图2所示为由一特定光源装置（未显示于此图中）产生入射光（201）射向一平面再反射（203）形成多个反射光径的示意图，光源特别是采用一种如激光的同调光（coherent light），此处所描述的“同调光”是指一种空间同调性良好的光线。

此图显示的多个光径包括入射光201射向一个具有表面结构205的平面，再反射形成反射光203。由于微观上表面结构205为不规则的结构，因此反射光203形成如图所示有不同射向的光线。

光源装置连续产生入射光201射向平面，并反射形成反射光203，过程中反射光203经由传感器（未显示于此图中）接收，各种光径中产生了光建设性和破坏性干涉的图像（pattern），此处特别使用同调光源的入射光可以增进此干涉效应（interference effect）。

当载有执行此寻迹方法的相关电路的装置相对于感测平面（X-Y平面）进行移动时，其中光传感器接收到反射光203的信息，再依据采集时间间隔（time slot）采集（sampling）其中的信息数据，以及取得平均能量值（反射光），并计算不同时间、不同位置的能量差异。本说明书所披露的装置内的光感测单元采用传感器阵列（sensor array）以取得不同位置能量，以及与平均能量值的差异，即能判断出移动轨迹。其中平均值的计算可以采用全部感应元取得的能量的统计平均值，或是部分感应元取得的能量平均值，比如以行（如图7的X方向）平均值或列（如图7的Y方向）平均值为平均值的计算参考；也可能采取外围或中间部分的能量平均值作为参考平均值。

根据采用上述传感器阵列的实施例之一，若以同调光为光源，可以增进反射光线的干涉效应。同调光为一种在一波包（wave envelope）中具有非常小的相位延迟（phase delay）的光源，其中激光即是一种同调光，不同于太阳光或LED光等非同调光。

在本说明书披露的光标控制装置中应用同调光，同调光可以改善感测反射光干扰的光学传感器的灵敏度。因为同调光具有相位差（phasedifference）很小的特性，相对于非同调光的反射光所产生的空间干扰（spatial interference），同调光会有较小的相位延迟（phase delay）现象。因此，采用同调光可以加强反射光空间干扰的优点，前述传感器阵列（针对光线）可以取得经一个平面反射光的空间干扰差异。

传感器阵列可参阅图3所示本发明光标控制装置中封装于一集成电路（IC）内的传感器阵列的实施例之一。根据发明实施例之一，传感器阵列以及相关控制器电路可集成于一半导体电路，而光线寻迹装置的光源装置、集成的传感器阵列以及控制器可封装于此寻迹装置内的一电路板上，因此，本发明无需特制光学采集装置，如特定透镜和特殊的半导体工艺（如CIS）来提髙感光灵敏度。

图中显示在光传感器阵列装置内的电路板30上的传感器阵列32，可应用于光学鼠标或特定指示装置上，传感器阵列32包括有阵列形式排列的多个感应元301，可通过这个整合型封装的技术封装于一集成电路内（integrated optical sensor array on IC），包括在一实施例中，同时制作传感器阵列32和电路集成的控制器36。传感器阵列32上多个感应元301（特别是非虚拟感应元，如图7所示）之间具有固定的间距和均匀的相对位置，以平均接收经特定表面/平面反射的光线。如图中所示，由一光源装置34发射光线到一个平面上的照射范围303，之后光线经平面反射后射向传感器阵列32，其中各感应元301分别接收到不同方向的反射光，通过适当的光电信号转换，装置内的控制电路36和相关电路取得信号后可以计算出加总每个感应元301接收到的能量的平均值，再接着计算各个感应元301与平均值的差异，相关控制电路将据以判断得由一表面或平面反射形成的空间干扰的能量差异（spatial interference difference），控制电路36根据每个采集时间间隔（time slot）前后累积计算的能量差异判断出移动方向。

上述实施例所披露的光传感器阵列装置，所谓的空间干扰是因为，当光线（特别是同调光，但发明不限于同调光）射向有不规则表面结构的表面后又反射产生不同方向的反射光而产生的光线干扰（interference），此光线经反射后产生建设性或破坏性的干扰图案，之后，由传感器阵列取得因为相对运动（装置与平面的相对运动）平面反射的空间信息后，建立在X-Y平面上的移动数据。

特别在一实施例中，说明书所披露的应用光传感器阵列装置的载体可为一以激光为光源的光学指示装置，如光学鼠标，其中主要电路元件包括设置于一电路板（30）上的光源装置（34），用以产生一入射表面的光线，包括有传感器阵列（32），其中有以阵列形式排列的多个感应元（301），以及包括有前述的控制电路（36），控制电路（36）耦接光源装置（34）与传感器阵列（32），用以取得多个感应元（301）内多个感应像素所接收的光信号，并计算能量状态，以及计算采集时间前后的能量状态变化。

应用前述传感器阵列实现的本发明的光标控制装置可见于图4A所示的电路设计实施例的概图。图中显示为由一个壳体所包覆的光标控制装置4，内部有一个电路板401，载有装置4操作的必要电路元件。此图显示在光标控制装置4壳体上开设有一开口（opening），开口设置于对应内部光源的位置，以利于光源光线射出光标控制装置4，再经开口接收反射光线，使得反射光线可由多个阵列形式排列的感应元所接收。其中描述的开口即为光线通道40，感测光线由装置4内通过光线通道40射出，并由此光线通道40接收外部物件的反射光。

根据此例的操作情境，使用者利用手指直接在光标控制装置4上的开口（40）附近滑动，而非传统用手抓着鼠标移动的方式，因为手指表皮有一定的粗糙面，此本发明即利用前后时间反射光的干扰现象产生的能量变化来判断手指（外部物件）移动的方向。

光标控制装置4的内部电路板401上设有操作的必要电路单元，如控制单元48。控制单元48电性连接其他单元，如发光单元46，发光单元46即对应光线通道40而设置，目的是方便光线射出，发光单元46优选即具有如激光等空间同调性良好的光源。控制单元48可动态控制其中自发光单元46所发出的光能量，比如根据感应元接收能量的反馈而调整发光能量，和/或通过脉宽调制而控制发光单元46的发光周期。

根据实施例，发光单元46中的光源可设置于以阵列形式排列的多个感应元的中央或附近，因此反射光可以较为平均地由多数感应元所感测到。光线通道40和光源的位置设计可以垂直入射和反射（vertical incidentreflection）同调光（coherent light）为主要依据。

图中电路板401上还设有以阵列形式排列的多个感应元所组成的传感器阵列44，其电性连接到控制单元48，感应元的设置可参考图7，多个感应元中包括有多个虚拟感应元（dummy sensing cell），虚拟感应元优选设置于传感器阵列的周围，所接收的能量可以不用纳入判断移动方向的依据，却可用以作为调整能量输出的参考，即控制单元48可根据由多个虚拟感应元所取得的光能量调节前述发光单元46的驱动电流，以动态调整发光单元46产生的光能量。

在实际实现光标控制装置4时，可以利用上述根据干扰现象产生的能量变化来判断手指或特定外部物件移动的方向外，装置4外部可以设置软件或硬件实现的控制接口，实施例如图中显示在手部附近的一或多个按键42，按键42的形式不限于硬件实现，也可以软件方式在一个平面上实现按键42，按键42的相关电路则连线到控制单元48，实施例如作为一个光指示装置的功能按键，如电脑鼠标的左右按键。

在另一实施例中，除了前述本发明主要应用的光感测方式之外，不排除可以另外在光标控制装置4上设置一个传统的滚轮43，或是其他用以滚动控制的控制接口，内部设有滚轮控制模块43a，作为处理此滚轮43产生的信号，滚轮控制模块43a电性连线到控制单元48，用以产生控制信号，输出到此光标控制装置4所连接的电脑系统中。

图4B则显示此光标控制装置的外观实施例，图中显示为前述的光标控制装置4，外壳表面设有一个开口40，即为光线信号的通道，实际操作时手指接触此开口40而挪移，小幅移动即可产生控制光标的目的。值得一提的是，开口40的位置可以根据实际需要而改变，如装置的上壳，操作上可以食指移动操作；可如装置的左右侧，则可以大拇指移动操作。开口40以及对应的发光元件、感测元件组成的模块数量也可增加，提供不同的操作需求。

实施例显示光标控制装置4的壳体设有如鼠标左右键的功能按键42a,42b，用以执行如一般电脑鼠标左右按键的功能，前方可以辅助设有滚轮43。此为实施例示意图，各种控制接口的设置可以根据实际需求而改变。

接着如图5所示本发明光标控制装置的实施例的电路方框图。

图中显示光标控制装置50操作的主要电路单元，核心为处理各电路单元来往信号的控制单元501，控制单元501在本说明书表示控制装置操作的必要电路、数值运算、判断等工作的电路。控制单元501还负责取得各电路单元产生的信号，并执行必要的运算，运算工作可以控制单元501本身或是特定微处理电路执行。

电性连接此控制单元501的主要元件如图示的存储单元502、发光单元503（内含激光模块531）、电力管理单元504、光感测单元505（内含传感器阵列551）以及通信单元506等。各电路的实施例可以依据需求而增减或合并。

所图所示，光标控制装置50外壳上设有一个开口507，不同于一般光指示装置需要安装透镜和/或反光镜的方式，此开口507仅是一个让外部物件接近与接触的结构，开口507设置于对应内部发光单元503的光源位置，以利于光源光线射出光标控制装置50，再经开口507接收反射光线，使得反射光线由多个阵列形式排列的感应元所接收。

存储单元502为光标控制装置50中暂存信号的存储器，包括储存操作必要的韧体或软件；发光单元503内含激光模块531或特定光源，受控于控制单元501，控制单元501可以依据由光感测单元505反馈的信息动态调整发光的能量。

光感测单元505内含传感器阵列551，实施例如说明书附图3、6、7所载的实施方式，主要是包括了多个以阵列形式排列的感应元，多个感应元可以同时接收到反射光，因此计算得出能量信息，依照能量变化判断移动方向。

此光标控制装置50的实施例之一为连接一电脑主机52的用途，连接关系如图中显示的通信单元506，连接方式包括有线（如USB）和无线（如无线电、无线网络、蓝牙通信等），通信单元506用以对来往主机52与装置50之间的信号编译码。

光标控制装置50同时可由电脑主机52取得电力，如利用USB取得主机52的供电，或自身安装电源，如电池，其中设有电力管理的电路，如图示的电力管理单元504。

如前述实施例可知，光标控制装置50可设有额外的控制接口，如功能按键、滚轮等，装置50设有控制接口单元508，处理由一个或多个控制接口产生的信号，控制接口单元508电性连接控制单元501，经接收触按控制接口后产生控制信号。控制信号配合移动判断的结果形成控制电脑主机52中光标移动的根据。

图6接着显示光传感器阵列装置所采用的传感器阵列操作计算能量分布的实施例的示意图。

图6显示了传感器阵列的布局，多个感应元分布于X-Y平面上，形成NxM的传感器阵列，传感器阵列的形式不拘为对称的矩形、正方形、圆形、椭圆形等的几何形状，而可以依照实际应用而定。传感器阵列包括阵列形式排列的多个感应元601、602、603、604、605，分别沿着方向X、Y设置，实际数量并不限于此示意图。铺设这些感应元601、602、603、604、605的电路板上的主要元件还有多个比较器621、622、623、624、625，各个比较器对应连接一个感应元，输入值为各个感应元产生的能量的平均电压信号Vavg，用以比较感应元感测到光线后所得到的电压信号，可以比较得到高低电压的信号值。最后，控制电路即取得相邻两个传感器值的比对结果，作出移动方向的判断。

比如图中比较器621耦接于感应元601，其中一个输入信号即感应元601所感测产生的能量信号，可以电压信号表示，另一输入端则为平均电压信号Vavg，因此比较器621比对这两个输入信号，可以输出一个比较结果，本发明优选地以一二元特征值（binary characteristic value）表示此比较结果，比如图8所示H或L分别表示的高低电压信号。

根据说明书所记载的光传感器阵列装置中，利用传感器阵列寻迹的方式特征在于利用光线（优选为同调光）经平面反射后形成的建设性和破坏性干扰图案中显示的能量分布（energy pattern），通过不同时间的能量分布变化判断移动向量。其中实施方式比如采用一种非相关视点进行移动判断（non-relative view points to do movement judgment）的方式，也就是引入周围感应元的能量信息，与平均感应能量进行比对判断移动方向。值得一提的是，这不同于一般利用图像像素（pixel）信息判断移动向量的方式，本发明是通过采集时间和计算能量变化而判断出移动轨迹，而且能量变化可采取一种二元特征值（如H和L），此二元特征值为感应元的读值与统计平均值的比较。

在光传感器阵列装置本身，根据实施例之一，本发明光传感器阵列装置的感应芯片布局中，感应芯片包括以阵列排列的感应元，这些感应元可以包括设置于周围不作用的感应元（称为虚拟感应元），以及设置于中央部分的负责接收光线的工作感应元，因此前述装置内的控制电路或相关计算电路经取得所有感应元的能量信号后，仅获取其中非虚拟感应元的能量信号继续后续运用，比如这些虚拟感应元并不提供作为移动向量判断的能量信号，但可以作为纯粹判断光信号的功能。参阅图7显示的感应元布局示意图。

此图显示一个感应芯片中设有以阵列形式排列的多个感应元，此例显示在中央部分的感应元的外围设有虚拟传感器（dummy sensor），目的是使得整个感应芯片工艺更均匀，也能因此使得更均匀地感测能量。实施例显示设置于周围的虚拟感应元711、712、713、714、715、716设为不工作的感应元，而设置于靠近中间部分的感应元721、722、723、724则为主要感应光线能量的感应元件。

当一个阵列形式排列的感应元同时曝光在一个反射光中，其中能够均匀感应到光线的感应元为较偏向中央部分的感应元件，而周围的感应元则可能有接收不均匀能量的可能，因此在加总整个感应芯片所接收的总能量时，可以通过设定虚拟感应元（711、712、713、714、715、716）排除这些可能发生信号不稳定的能量值，而可以取得较具有参考价值的参考能量值。

如图显示，电路设有一个加总器701，电性连接到感应芯片中的每个感应元，能够取得各个感应元的光电流信号，并能够通过模拟数字转换成为电压值，但由于感应芯片中各感应元接收光信号的光电流极小，需要通过增益放大的阶段才能取得有效的参考数值，而能够接着计算采集时间前后所取得的能量变化。根据实施例，这些光电流信号经增益放大器702处理后，形成输出一个输出信号，如以输出电压Vout表示的信号；另外经一计算器703根据有效取得的能量信号计算平均值输出，输出如平均电压信号Vavg。

之后，前述输出信号（如输出电压Vout）和平均值（如平均电压信号Vavg）将输出至如图4所披露的比较器，让比较器能够比对感应元的能量信号与一参考值（如全部或部分感应元的能量平均值），藉此取得该感应元的能量状态，实际上每一个感应元都可以以数字方式高（H）和低（L）来表示能量状态。

前述实施例所记载的光感测单元的设计所执行的光标控制方法可以参考说明书图10所示的流程实施例。

开始如步骤S101，光标控制装置中的光源经由光线通道（如一个外壳上的开口）射出光线，射向一个外部物件的表面，如手指的表皮，反射的光线经光线通道再进入光标控制装置，如步骤S103，装置内传感器阵列接收反射光，特别是由多个以阵列形式排列的感应元所接收。再如步骤S105，装置内运算机制将计算各感应元接收的能量，特别是在一个采集时间内所取得的前后能量，两者具有一个差异，此如步骤S107，得出采样时间前后所接收能量的差异，以此时间前后累积计算能量差异而形成空间干扰的能量差异，藉此可以判断前述外部物件的移动方向，如步骤S109，特别是转换为对应控制电脑主机的光标移动，如步骤S111。

过程中，控制单元可以根据能量计算的信息动态控制发光单元的光源的能量，比如通过调节发光单元的驱动电流而控制其输出的能量；还可控制其中光感测单元中各感应元接收入射光线的曝光时间，以及输出能量信号的增益，并接着计算各个感应元在一采集时间前后所接收的光能量。据此，调整光源强度/亮度以及配合前述曝光时间的调节所建立的补偿机制，传感器阵列装置可以适应较多情况的表面，比如不同的表面结构、与该表面的距离等。

在利用各感应元接收的前后时间能量变化来判断移动方向的方式可接着参考图8、9，主要方式是利用对应连接各个感应元的比较器比对接收的能量以及一个统计值的能量信号，计算得出采集时间前后形成的空间干扰的能量差异。

采用二位采集成像执行移动向量的判断可以参考图8所示本发明所披露的装置中多个感应元执行光线寻迹的示图。

此例显示有多个阵列排列的感应元组合801、802、803、804、805、806，此例仅示意列举通过相邻感应元在不同时间（如第一时间t0，第二时间t1）感测到的能量变化而辨识移动向量的实例。

其中t0和t1为前后两个采样时间，H和L分别表示由前述比较器所输出的高低电压信号，也就是可视为能量状态（相较于平均能量为一个能量状态，能量状态可以二元特征值表示），主要是通过前后时间的电压信号转变判断出一个整体的移动向量。图8显示为个别感应元中在前后两个不同时间的能量变化。

比如感应元组合801中示意显示的几个（至少两个）感应元，其中左方显示在第一时间t0时，两个感应元分别感应到L和H两个能量状态；当进入第二时间t1时，两个感应元的能量变化则转变为H和H。当L、H（t0）转变为H、H（t1）时，其中感应元的能量状态由L转变为H，表示由右方的H替补到左方的位置，因此可以初步判断在此采集时间中有效感应的移动方向为向左。

而此感应元组合801的另一组感应元在第一时间t0时，能量状态为H和L；到了第二时间t1，能量状态则为L和L，其中有个感应元能量状态的由H转变为L，也是表示右方的L替补到左方的位置，因此可以判断有个向左的移动方向。

再如感应元组合802内左方的两个感应元在第一时间t0的能量状态为L和H，到了第二时间t1改变为L和L，可以看出其中的H经左方的L向右替补成为L，因此初步判断有个向右的移动向量。

同理，感应元组合802内的右方有两个感应元在第一时间t0的能量状态为H和L，之后到了第二时间t1时变化成为H和H，其中右方的L经左方的H替补转变为H，因此可以判断出有个向右的移动向量。

图中感应元组合805和806并没有箭头标示方向，经判断为此例中多个感应元在第一时间t0和第二时间t1的采集时间中没有能量变化，或是无法通过其中能量变化判断出移动方向，比如感应元组合806在第一时间t0能量状态为L和H，到了第二时间t1，能量状态转变为H和L，这是无法通过能量状态变化来判断移动方向的。因此，这两种态样是没有有效输出信号的。

当前后两个时间的全部感应元都判断了各自能量变化的方向时，可以整体判断出一个总体的移动向量。

另一个移动方向判断的方式如图9所示为本发明所披露的装置中感应芯片执行光线寻迹的示意图之二。此例通过不同时间的感应元能量状态的转换方向以辨识移动向量的方法示意图，其中X为不在意的值，为t0和t1所感应信号的比对，藉此判断移动向量。

经感应芯片接收到反射光时，感应芯片内的多个感应元在不同时间根据接收的信号能量与平均能量比较时，产生有高低不同的电压信号，如此例图示为产生有感应信号“”；在一些情况下，仍有可能部分的感应元并没有能量变化，或是无关电压信号的高低，此时如图显示为不在意的值“X”。

根据示图的实施方式，在感应元组合901中，经前述比较器在第一时间t0取得相邻感应元的能量变化，表示为状态“X”，其中“X”为不在意值，“”表示有高低电压变化；在第二时间t1取得几个相邻感应元的能量变化，表示为状态“X”。经第一时间t0和第二时间t1的各感应元的能量状态变化，此例显示状态“X”转变为“X”，可以判断“”向左位移（shift），因此可以判断这个感应元组合901有一个向左移动的变化，如图中箭头所示。

在感应元组合902中，其中相邻的感应元在第一时间t0的能量变化表示为状态“X”，在第二时间t1时，能量状态表示为“X”，此时可见经时间转变（t0到t1）后，其中状态“”显示有向右位移的趋势。因此，本说明书所披露的发明可利用此前后时间的能量变化判断整体装置的移动方向。

值得一提的是，在判断移动方向时，由于发明采取了传感器阵列，因此微小的误差并不会影响整体判断的结果。若寻迹方法应用于电脑光学鼠标上，一般使用者操作鼠标的移动频率远低于其中如控制电路的处理速度，一些缓慢改变的参考数值并不会影响整体判断。

综上所述，根据说明书所载的实施例，本发明涉及一种光标控制装置，整合感光元件和光源于一半导体封装内，藉此可以有效抑制内部固有的噪声（intrinsic noise），并提出可以动态调整光源强度或亮度以及配合曝光时间的调节建立的补偿机制，使得传感器阵列装置可以适应较多的感应表面。特别的是，说明书所提出的光标控制装置无需安装额外的光学透镜或特定图像传感器，如一种互补式金氧半场效晶体管图像传感器（CMOSimage sensor，CIS），也无需额外的光学元件，而直接由光感应元接收反射光源，并计算一段时间前后的能量变化，藉此检测外部物件移动的动作。

然而以上所述仅为本发明的优选可行实施例，非因此即局限本发明的专利范围，因此凡是运用本发明说明书和附图内容所做的等效结构变化，均同理包含于本发明的范围内，合予陈明。

Claims (20)

1.一种光标控制装置，其特征在于，所述光标控制装置包括：

一发光单元，提供一光源；

一壳体，具有一光线通道，所述光源发射的光线经所述光线通道射出所述光标控制装置；

一光感测单元，包括由多个以阵列形式排列的感应元组成的一传感器阵列，所述光感测单元用以接收自所述光线通道进入所述光标控制装置的光线；以及

一控制单元，电性连接所述发光单元和所述光感测单元，所述控制单元用以控制所述发光单元控制所述光源的能量，控制所述光感测单元接收自所述光线通道入射的光线，经运算各个所述感应元在一采集时间前后所接收的能量后，得出所述采集时间前后形成的空间干扰的能量差异。

2.根据权利要求1所述的光标控制装置，其特征在于，所述传感器阵列中具有的以阵列形式排列的所述感应元中设有多个虚拟感应元，所述传感器阵列用以接收自一表面反射而经所述光线通道入射的光线。

3.根据权利要求2所述的光标控制装置，其特征在于，所述感应元之间具有固定的间距和平均的相对位置。

4.根据权利要求3所述的光标控制装置，其特征在于，所述虚拟感应元设置于所述传感器阵列的周围。

5.根据权利要求2所述的光标控制装置，其特征在于，所述光感测单元还包括：

多个比较器，每个所述比较器对应连接一个感应元，用以比对输入的两个能量信号，所述两个能量信号中的一个为所述感应元产生的能量信号，所述两个能量信号中的另一个为所述感应元所取得的有效能量的一统计平均值，藉此计算得出所述采集时间前后形成的空间干扰的能量差异。

6.根据权利要求5所述的光标控制装置，其特征在于，所述光感测单元、所述发光单元以及所述控制单元封装于一集成电路内。

7.根据权利要求2所述的光标控制装置，其特征在于，所述光线通道为所述壳体上的一开口，所述开口设置于对应所述光源的位置，以利于所述光源的光线射出所述光标控制装置，再经所述开口接收反射光线，使得所述反射光线由以阵列形式排列的所述感应元所接收。

8.根据权利要求7所述的光标控制装置，其特征在于，所述开口位置为所述光标控制装置朝向一使用者的方向所开设，为所述使用者的手指所接触移动而控制光标移动的位置。

9.根据权利要求1所述的光标控制装置，其特征在于，所述光标控制装置还包括一个或多个控制接口和一控制接口单元，所述控制接口单元电性连接所述控制单元，经接收触按所述一个或多个控制接口后产生控制信号。

10.根据权利要求9所述的光标控制装置，其特征在于，所述一个或多个控制接口为设置于所述壳体上的一个或多个控制按键和/或滚轮。

11.根据权利要求1所述的光标控制装置，其特征在于，所述光源为一空间同调性良好的激光。

12.一种光标控制装置的控制方法，其特征在于，所述光标控制装置的控制方法包括：

自一发光单元发射光线，经所述光标控制装置的壳体上的一光线通道射出；

由一光感测单元接收自一外部物件反射而经所述光线通道所进入的光线，其中所述光感测单元由多个以阵列形式排列的感应元组成；

计算各个所述感应元在一采集时间前后所接收的光能量；

得出所述采集时间前后形成的空间干扰的能量差异；以及

根据所述采集时间前后累积计算的能量差异判断出所述外部物件的移动方向。

13.根据权利要求12所述的光标控制装置的控制方法，其特征在于，所述光线通道为所述壳体上的一个开口，所述开口设置于对应所述发光单元发出光线的光源的位置，以利于光线射出所述光标控制装置，再经所述开口接收反射光线。

14.根据权利要求12所述的光标控制装置的控制方法，其特征在于，自所述发光单元发出的光能量由所述光标控制装置的一控制单元所动态控制。

15.根据权利要求14所述的光标控制装置的控制方法，其特征在于，所述感应元包括有多个虚拟感应元，所述控制单元根据由所述虚拟感应元所取得的光能量调节所述发光单元的驱动电流，以调整所述发光单元产生的光能量；所述控制单元通过控制一脉宽调制控制信号的工作周期以控制所述发光单元的发光周期。

16.根据权利要求12所述的光标控制装置的控制方法，其特征在于，一控制单元控制所述光感测单元接收自所述光线通道入射的光线，包括动态调整所述光感测单元的曝光时间。

17.根据权利要求16所述的光标控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制单元还动态调节所述感应元输出的能量信号的增益。

18.根据权利要求17所述的光标控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制单元根据由所述感应元组成的一传感器阵列反馈的能量信号控制每个所述感应元的信号增益。

19.根据权利要求12所述的光标控制装置的控制方法，其特征在于，所述光感测单元包括多个比较器，每个所述比较器对应连接一个所述感应元，用以比对输入的两个能量信号，所述两个能量信号中的一个为所述感应元产生的能量信号，所述两个能量信号中的另一个为所述感应元所取得的有效能量的一统计平均值，藉此计算得出所述采集时间前后形成的空间干扰的能量差异；其中，在接收所述感应元的能量信号后，所述光标控制装置的控制单元获取其中全部或仅部分的所述感应元的能量信号，计算所述统计平均值。

20.根据权利要求12所述的光标控制装置的控制方法，其特征在于，所述根据采集时间前后累积计算的能量差异判断所述外部物件在接触所述光线通道上的移动，以对应得出光标移动。