CN106055172B - 光学导航芯片、光学导航模块以及光学编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学导航芯片、光学导航模块以及光学编码器。光学导航芯片设置于光学导航模块。光学导航模块具有发光单元。发光单元提供光束照射位移产生单元的表面。光束具有低发散角度，以降低散射。光学导航芯片包括感测阵列以及位移计算单元。感测阵列相对于表面而设置。感测阵列接收表面反射光束产生的反射光束，以在每一撷取间隔时间依据接收的反射光束撷取位移产生单元的表面一部分的影像。位移计算单元用以根据该些影像计算光学导航芯片与表面间的相对位移量。本发明并不需要在发光单元以及感测阵列上设置任一光学透镜，即可计算出光学导航芯片与光学编码器的位移产生单元间的相对位移量。
Description
技术领域
本发明关于一种光学导航芯片，且特别是一种微型化的光学导航芯片，设置此光学导航芯片的光学导航模块以及光学编码器。
背景技术
随着科技的进步，越来越多的电子装置具有光学导航功能。此类具有光学导航功能的光学编码器通常会设置光学导航芯片，以实现光学导航功能。光学编码器最为常见的便是光学鼠标。
目前的光学鼠标通常包括了发光单元以及光学导航芯片。发光单元用以提供光束照射一物体(例如为桌面)。光学导航芯片包括了感测阵列。感测阵列相对于物体的表面而设置，用以接收表面反射光束所产生的反射光束，以撷取表面一部分的影像。光学鼠标根据感测阵列所撷取的表面连续变化影像，并比较这些影像来计算目前位置相对于先前位置的移动量。
由于一般发光单元所提供的光束的聚光性不足，若不在发射口上设置光学透镜，光束将会向四周散射。如此一来，表面所反射的反射光束的光强度可能不足，进而造成感测阵列所撷取的影像与实际的影像间存在着误差。因此，光学鼠标通常会在发光单元的发射口上设置光学透镜，以对光束进行聚焦处理。此外，为了提高感测阵列撷取影像时的精准度，光学鼠标还在感测阵列上设置了一个光学透镜，以对反射光束进行聚焦处理。
然而，现有的作法中，由于光学编码器中需要设置光学透镜等元件，使得光学编码器存在机构上的限制而难以同时达到高精准度以及微型化。
发明内容
本发明实施例提供一种光学导航芯片。所述光学导航芯片设置于光学导航模块。光学导航模块具有发光单元。发光单元提供光束照射位移产生单元的表面。光束具有低发散角度，以降低散射。光学导航芯片包括感测阵列以及位移计算单元。位移计算单元耦接于感测阵列。感测阵列不包括用以对反射光束做聚焦处理的光学透镜，且感测阵列相对于表面而设置。感测阵列接收表面反射光束产生的反射光束，以在每一撷取间隔时间依据接收的反射光束撷取位移产生单元的表面一部分的影像。位移计算单元用以根据该些影像计算光学导航芯片与表面间的相对位移量。
本发明实施例提供一种光学导航模块。所述光学导航模块包括发光单元以及光学导航芯片。发光单元提供光束照射位移产生单元的表面。光束具有低发散角度，以降低散射。光学导航芯片包括感测阵列以及位移计算单元。位移计算单元耦接于感测阵列。感测阵列不包括用以对反射光束做聚焦处理的光学透镜，且感测阵列相对于表面而设置。感测阵列接收表面反射光束产生的反射光束，以在每一撷取间隔时间依据接收的反射光束撷取位移产生单元的表面一部分的影像。位移计算单元用以根据该些影像计算光学导航芯片与表面间的相对位移量。
本发明实施例提供一种光学编码器。所述光学编码器包括位移产生单元以及光学导航模块。所述光学导航模块包括发光单元以及光学导航芯片。发光单元提供光束照射位移产生单元的表面。光束具有低发散角度，以降低散射。光学导航芯片包括感测阵列以及位移计算单元。位移计算单元耦接于感测阵列。感测阵列不包括用以对反射光束做聚焦处理的光学透镜，且感测阵列相对于表面而设置。感测阵列接收表面反射光束产生的反射光束，以在每一撷取间隔时间依据接收的反射光束撷取位移产生单元的表面一部分的影像。位移计算单元用以根据该些影像计算光学导航芯片与表面间的相对位移量。
根据以上所述，相较于传统的光学编码器，本发明实施例提供的光学导航芯片、光学导航模块以及光学编码器并不需要在发光单元以及感测阵列上设置任一光学透镜，即可计算出光学导航芯片与光学编码器的位移产生单元间的相对位移量。由于不需要任一光学透镜，使得光学导航芯片、光学导航模块以及光学编码器的体积可以进一步地被缩小，进而达到微型化的目的。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。
附图说明
图1是本发明实施例提供的光学编码器的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的光学导航模块的结构示意图。
图3是本发明另一实施例提供的光学编码器的结构示意图。
图4是本发明再一实施例提供的光学编码器的结构示意图。
图5是本发明再一实施例提供的光学编码器的结构示意图。
其中，附图标记说明如下：
1、3、4、5：光学编码器
10、30、40、50：光学导航模块
11、31、41、51：位移产生单元
100：基板
101：发光单元
102：光学导航芯片
1020：感测阵列
1021：位移计算单元
具体实施方式
在下文将参看随附图式更充分地描述各种例示性实施例，在随附图式中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。确切而言，提供此等例示性实施例使得本发明将为详尽且完整，且将向本领域技术人员充分传达本发明概念的范畴。在诸图式中，可为了清楚而放大层及区的大小及相对大小。类似数字始终指示类似元件。
应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件或信号等，但此等元件或信号不应受此等术语限制。此等术语乃用以区分一元件与另一元件，或者一信号与另一信号。另外，如本文中所使用，术语「或」视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一者或者多者的所有组合。
请参阅图1，图1是本发明实施例提供的光学编码器的结构示意图。光学编码器1包括光学导航模块10以及位移产生单元11。光学导航模块10相对于位移产生单元11的表面而设置。
光学导航模块10用以提供光束并照射位移产生单元11的表面，并接收位移产生单元11的表面反射该光束所产生的反射光束。每隔一段撷取间隔时间，光学导航模块10根据反射光束撷取位移产生单元11的表面一部分的影像。
位移产生单元11例如为圆环、滑轨或圆杆，其可以被移动而产生位移。于某些应用中，位移产生单元11亦可以被设置成不会移动，而光学导航模块10可以被移动，使得光学导航模块10与位移产生单元11间的相对位置发生变化。位移产生单元11的形状可以对应不同的应用而有所改变。
举例来说，若光学导航模块10被应用于光学鼠标中，则位移产生单元11可以是桌面。使用者可以移动光学鼠标，使得光学导航模块10计算光学鼠标在桌面上移动了多少距离。又或者，光学导航模块10可以被应用于注射器中。此时，位移产生单元11例如为活塞芯杆。当活塞芯杆被拉出或推入而产生位移时，光学导航模块10可以感测其位移量。
简而言之，当光学导航模块10与位移产生单元11的相对位置有所变化时，光学导航模块10可以根据相关于位移产生单元11的表面的多个影像来判断目前光学导航模块10相对于先前的位置移动有多远，进而计算出光学导航模块10与位移产生单元11间的相对位移量。
于本实施例中，位移产生单元11的表面不包括任一特殊图案。特殊图案例如为识别块，且该识别块与该表面具有不同光反射率。或者，特殊图案例如为蚀刻图案，且蚀刻图案低于该表面而形成一凹槽。附带一提，前述特殊图案的类型仅为举例说明，并非用以限制本发明。
为详细介绍光学导航模块10的结构，请配合参阅图2，图2是本发明实施例提供的光学导航模块的结构示意图。光学导航模块10包括基板100、发光单元101以及光学导航芯片102。发光单元101以及光学导航芯片102设置于基板100上。基板100例如为印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)。发光单元101相邻于光学导航芯片102而设置。发光单元101与光学导航芯片102的间隔距离可依实际需求与情况有所改变，只要光学导航芯片102能够接收到位移产生单元(例如为图1的位移产生单元11)的表面提供的反射光束即可。
发光单元101例如为激光二极管(Laser Diode)或发光二极管(Light EmittingDiode，LED)，用以提供光束照射位移产生单元11的表面。发光单元101提供的光束具有低发散角度。如此一来，发光单元101便不需要设置另外的光学透镜来对光束做聚焦、扩束等光学处理，以降低光束的散射。
当发光单元101为激光二极管时，发光单元101提供的光束为激光光束。激光光束不仅具有低发散角度，还具有高聚光性的特性，使得激光光束不容易发生散射。因此，激光二极管可以直接被使用在光学导航模块10。以激光光束的发散角度为例，所述低发散角度代表光束的水平与垂直发散角度分别低于10度与35度。当发光单元101为发光二极管时，则发光二极管需经设计，使得其提供的光束具有低发散角度。
简而言之，不论发光单元101为激光二极管、发光二极管或其他可提供光束的元件，只要发光单元101提供的光束具有低发散角度即可。如此一来，发光单元101的发射口上便不需要设置光学透镜，以对光束做聚焦处理。附带一提，上述低发散角度的数值仅为举例说明，并非用以限制本发明。本领域技术人员可参照激光光束的发散角度适当地调整光束的发散角度，以达到上述光学导航模块10的功能。
光学导航芯片102包括感测阵列1020以及位移计算单元1021。感测阵列1020耦接于位移计算单元1021。感测阵列1020例如为互补式金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor，CMOS)影像感测阵列，或是电荷耦合元件(Charge-coupledDevice，CCD)影像感测阵列，其由多个像素所形成的像素矩阵。由于光学导航模块10相对于位移产生单元11的表面而设置，使得感测阵列1020接收表面所提供的反射光束，以在每一撷取间隔时间依据接收的反射光束撷取位移产生单元11的表面一部分的影像。
由上述内容可知，发光单元101所提供的光束具有低发散角度，即光束会完整地被提供至位移产生单元11的表面。另一方面，位移产生单元11的表面又将光束完整地反射至感测阵列1020。如此一来，感测阵列1020不需要设置另外的光学透镜以对反射光束进行聚焦处理，便可撷取到清晰的影像。
附带一提，由于激光光束相对于发光二极管提供的光束具有更高的聚光性，故于较佳实施例中，光学导航模块10使用激光二极管作为发光源可以让感测阵列1020撷取到更为清晰的影像。
位移计算单元1021具有影像处理的功能，用以接收感测阵列1020输出的影像，并对该些影像进行影像处理，接着根据该些影像计算光学导航芯片102与位移产生单元11间的相对位移量。而有关计算光学导航芯片102的相对位移量的详细步骤、过程为本领域技术人员，在光学编码器中常用的技术，故在此不再赘述。
在计算出光学导航芯片102与位移产生单元11间的相对位移量后，位移计算单元1021将计算出的结果输出给后端电路，后端电路再实现对应的功能(例如移动鼠标的游标)。
请参阅图3，图3是本发明另一实施例提供的光学编码器的结构示意图。光学编码器3同样包括光学导航模块30以及位移产生单元31。光学导航模块30的结构与功能与图1的光学导航模块10类似，于此不再多加冗述。以下仅针对不同处进行描述。
与图1的光学编码器1不同的是，光学编码器3的位移产生单元31为圆环结构。光学导航模块30相对于位移产生单元31的外表面而设置。
举例来说，光学编码器3可以被应用于音响的音量控制旋钮。使用者可以通过旋转位移产生单元31来调整音响的音量大小。光学导航模块30感测位移产生单元31的外表面来判断光学导航模块30的光学导航芯片与位移产生单元31的外表面间的相对位移量。接着，光学导航模块30将计算出的相对位移量输出至后端电路(例如主机)，使得后端电路对应地调整音响的音量。
如同前述实施例，位移产生单元31的外表面可以不包括任一特殊图案。或者，位移产生单元31的外表面上可以设置至少一特殊图案。在计算相对位移量时，光学导航模块30可通过特殊图案协助计算光学导航模块30与位移产生单元31间的相对位移量。
值得一提的是，于本实施例中，位移产生单元31的外表面还可以设置一个起始图案。当光学导航模块30的感测阵列感测到起始图案时，光学导航模块30的位移计算单元判断位移产生单元31旋转了一圈。
请参阅图4，图4是本发明再一实施例提供的光学编码器的结构示意图。光学编码器4同样包括光学导航模块40以及位移产生单元41。光学导航模块40的结构与功能与图1的光学导航模块10以及图3的光学导航模块30类似，于此不再多加冗述。以下仅针对不同处进行描述。
光学编码器4的位移产生单元41同样为圆环结构。与图3的光学编码器3不同的是，光学导航模块40相对于位移产生单元41的内表面而设置。而光学导航模块40计算相对位移量的流程与图3的光学导航模块30类似，本领域技术人员在参阅前述实施例后，应能理解本发明的精神而完成本实施例的发明。
请参阅图5，图5是本发明再一实施例提供的光学编码器的结构示意图。光学编码器5同样包括光学导航模块50以及位移产生单元51。光学导航模块50的结构与功能与图1的光学导航模块10、图3的光学导航模块30以及图4的光学导航模块40类似，于此不再多加冗述。以下仅针对不同处进行描述。
与光学编码器1、3、4不同的是，光学编码器5的位移产生单元51为圆杆结构。光学导航模块50相对于位移产生单元51的外表面而设置。
举例来说，光学编码器5可以被应用于智能手表的表冠。使用者可以通过旋转表冠来调整智能手表的时间。当表冠被旋转而产生位移时，光学导航模块50感测表冠的外表面来判断光学导航模块50的光学导航芯片与表冠的外表面间的相对位移量。接着，光学导航模块50将计算出的相对位移量输出至后端电路(例如智能手表的处理器)，使得后端电路对应地调整智能手表的时间。
如同前述实施例，位移产生单元51的外表面可以不包括任一特殊图案。或者，位移产生单元51的外表面上可以设置至少一特殊图案。另一方面，位移产生单元51的外表面亦可设置一个起始图案。当光学导航模块50的感测阵列感测到起始图案时，光学导航模块50的位移计算单元判断位移产生单元51旋转了一圈。
根据以上所述，相较于传统的光学编码器，本发明实施例提供的光学导航芯片、光学导航模块以及光学编码器并不需要在发光单元以及感测阵列上设置任一光学透镜，即可计算出光学导航芯片与光学编码器的位移产生单元间的相对位移量。由于不需要任一光学透镜，使得光学导航芯片、光学导航模块以及光学编码器的体积可以进一步地被缩小，进而达到微型化的目的。
此外，本发明还以激光二极管作为发光源。由于激光二极管提供的激光光束具有高聚光性、高方向性以及高光强度等特性，光学导航芯片可以撷取到更加清晰的影像，进而提升光学导航芯片在计算相对位移量时的精准度。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施例，然而本发明的特征并不局限于此，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易想到的变化或修饰，皆可涵盖在以下本发明的专利范围。
Claims (17)
1.一种光学导航芯片，设置于一光学导航模块，其中该光学导航模块具有一发光单元，该发光单元提供一光束照射一位移产生单元的一表面，该光束具有低发散角度，以降低散射，其特征在于，且该光学导航芯片包括：
一感测阵列，不包括用以对一反射光束做聚焦处理的一光学透镜，相对于该表面而设置，接收该表面反射该光束产生的该反射光束，以在每一撷取间隔时间依据接收的该反射光束撷取该位移产生单元的该表面一部分的一影像；以及
一位移计算单元，耦接于该感测阵列，用以根据所述影像计算该光学导航芯片与该表面间的一相对位移量；
其中该位移产生单元的该表面上具有一起始图案，当该感测阵列感测到该起始图案时，该位移计算单元判断该位移产生单元旋转一圈。
2.如权利要求1所述的光学导航芯片，其中该感测阵列为一互补式金属氧化物半导体影像感测阵列。
3.如权利要求1所述的光学导航芯片，其中该发光单元为一激光光源，以提供一激光光束。
4.如权利要求1所述的光学导航芯片，其中该光束的水平与垂直发散角度分别低于10度与35度。
5.一种光学导航模块，其特征在于，包括：
一发光单元，用以提供一光束照射一位移产生单元的一表面，该光束具有低发散角度，以降低散射；
一光学导航芯片，包括：
一感测阵列，不包括用以对一反射光束做聚焦处理的一光学透镜，相对于该表面而设置，接收该表面反射该光束产生的该反射光束，以在每一撷取间隔时间依据接收的该反射光束撷取该位移产生单元的该表面一部分的一影像；以及
一位移计算单元，耦接于该感测阵列，用以根据所述影像计算该光学导航芯片与该表面间的一相对位移量；
其中该位移产生单元的该表面上具有一起始图案，当该感测阵列感测到该起始图案时，该位移计算单元判断该位移产生单元旋转一圈。
6.如权利要求5所述的光学导航模块，其中该感测阵列为一互补式金属氧化物半导体影像感测阵列。
7.如权利要求5所述的光学导航模块，其中该发光单元为一激光光源，以提供一激光光束。
8.如权利要求5所述的光学导航模块，其中该光束的水平与垂直发散角度分别低于10度与35度。
9.一种光学编码器，其特征在于，包括：
一位移产生单元，包括一表面；
一光学导航模块，包括：
一发光单元，用以提供一光束照射该位移产生单元的该表面，该光束具有低发散角度，以降低散射；
一光学导航芯片，包括：
一感测阵列，不包括用以对一反射光束做聚焦处理的一光学透镜，相对于该表面而设置，接收该表面反射该光束产生的该反射光束，以在每一撷取间隔时间依据接收的该反射光束撷取该位移产生单元的该表面一部分的影像；以及
一位移计算单元，耦接于该感测阵列，用以根据所述影像计算该光学导航芯片与该表面间的一相对位移量；
其中该位移产生单元的该表面上具有一起始图案，当该感测阵列感测到该起始图案时，该位移计算单元判断该位移产生单元旋转一圈。
10.如权利要求9所述的光学编码器，其中该感测阵列为一互补式金属氧化物半导体影像感测阵列。
11.如权利要求9所述的光学编码器，其中该发光单元为一激光二极管，以提供一激光光束。
12.如权利要求第9所述的光学编码器，其中该位移产生单元为一圆环、一滑轨或一圆杆。
13.如权利要求12所述的光学编码器，其中当该位移产生单元为该圆环时，该表面为该圆环的一外表面或一内表面。
14.如权利要求12所述的光学编码器，其中当该位移产生单元为该圆杆时，该表面为该圆杆的一外表面。
15.如权利要求9所述的光学编码器，其中该位移产生单元的该表面不包括一特殊图案，该特殊图案为一识别块或一蚀刻图案，其中当该特殊图案为该识别块时，该识别块与该表面具有不同光反射率；其中当该特殊图案为该蚀刻图案时，该蚀刻图案低于该表面而形成一凹槽。
16.如权利要求9所述的光学编码器，其中该发光单元不包括对该光束做聚焦处理的一光学透镜。
17.如权利要求9所述的光学编码器，其中该光束的水平与垂直发散角度分别低于10度与35度。
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