CN106201117B - 光学式物件定位装置及其定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学式物件定位装置及其定位方法。光学式物件定位装置包括光学元件、光感测器以及处理单元。光学元件包括与第一轴垂直且彼此相对的第一面及第二面，且具有至少两个透光区。来自于待定位物件的光线经由透光区而从第一面穿透至第二面。光感测器在第一轴的方向上与光学元件相距预设距离，用以感测来自于透光区的光线，以对应地产生至少两个光感测信号。待定位物件以及光学元件之间的距离与预设距离正相关。处理单元接收光感测信号，并依据光感测信号以及预设距离以对待定位物件进行定位。本发明可迅速地且精确地计算出物件的位置。
Description
技术领域
本发明关于一种可用于触控操作的定位技术，且特别是关于一种光学式物件定位装置及其定位方法。
背景技术
目前在触控操作中对于操作点进行定位的技术需搭配复杂的影像处理技术与演算法来辨识影像中操作点的位置，或者通过发射器发射信号搭配接收器对应地接收信号，藉以计算出操作点的位置。
与光学式定位技术相关的专利有美国专利公开号20080088731与20140264702以及美国专利公告号5429128、6313825与6611252。然而，上述专利中的技术所使用的设备造价昂贵且体积庞大，影像处理运算部分亦需要搭配高阶处理器来执行。此外，利用发射器发射信号的方式，以目前技术来说，难以达到精准操控的目的。因此，如何兼顾成本及侦测的精准度是设计光学式物件定位装置的重点，亦是许多厂商致力改善的方向。
上述“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此上述“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中的技术人员所知道的现有技术。上述“背景技术”段落所揭露的内容，不代表所述内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，也不代表在本发明申请前已被所属技术领域的技术人员所知晓或认知。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种光学式物件定位装置及光学式物件定位方法，可通过具有透光区的光学元件在光感测器上产生的光感测信号(信息)，藉此迅速地且精确地计算出物件的位置。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
为达上述之一或部分或全部目的或其他目的，本发明的一实施例提供一种光学式物件定位装置，包括光学元件、光感测器以及处理单元。光学元件包括与第一轴垂直且彼此相对的第一面及第二面，且具有至少两个透光区。来自于待定位物件的光线经由透光区而从第一面穿透至第二面。光感测器在第一轴的方向上与光学元件相距预设距离，用以感测来自于透光区的光线，以对应地产生至少两个光感测信号。待定位物件以及光学元件之间的距离与预设距离正相关。处理单元耦接光感测器，且接收光感测信号，并依据光感测信号以及预设距离以对待定位物件进行定位。
在本发明一实施例中，处理单元依据光感测信号以及预设距离而计算出待定位物件位于二维空间上的二维坐标。二维坐标中第一轴的方向上的坐标值相关于预设距离与任意两个透光区的距离。二维坐标中第二轴的方向上的坐标值与第一轴的方向上的坐标值相关。第二轴垂直第一轴。
在本发明一实施例中，处理单元依据光感测信号以及预设距离而计算出待定位物件位于三维空间上的三维坐标。三维坐标中第一轴的方向上的坐标值相关于预设距离与任意两个透光区的距离。三维坐标中第二轴的方向上的坐标值与第一轴的方向上的坐标值相关。三维坐标中第三轴的方向上的坐标值与第一轴的方向上的坐标值相关。第一轴、第二轴与第三轴互相垂直。透光区位于第二轴与第三轴所形成的平面上。
在本发明一实施例中，当光学元件的第一面在第一轴上的坐标值为0时，则待定位物件在第一轴上的坐标值满足
其中X0是待定位物件在第一轴上的坐标值，g是预设距离，ym1、ym2分别是任意两个透光区在第二轴上的坐标，ys1、ys2分别是与上述的任意两个透光区对应的光感测信号关于第二轴的坐标信息，且第二轴垂直第一轴。
在本发明一实施例中，待定位物件在第二轴上的坐标值满足其中Y0是待定位物件在第二轴上的坐标值，i是1或2。
在本发明一实施例中，所述待定位物件在第三轴上的坐标值满足：其中Z0是待定位物件在第三轴上的坐标值，zmi包括任意两个透光区在第三轴上的坐标，zsi包括与上述的任意两个透光区对应的光感测信号关于第三轴的坐标信息，i是1或2，第三轴垂直第一轴与第二轴。
在本发明一实施例中，上述光学元件包括具有至少两个狭缝的狭缝阵列元件，或是具有至少两个孔洞的孔状阵列元件，或是具有至少两个透镜的透镜阵列元件。
在本发明一实施例中，上述透镜包括非球面透镜、球面透镜或变焦透镜的至少其中之一。
在本发明一实施例中，上述光学元件还包括至少一标记元件。标记元件的位置异于透光区的位置。
在本发明一实施例中，上述标记元件用以遮光或所具有的透光图案异于透光区的透光图案。
在本发明一实施例中，上述光学式物件定位装置还包括光源。光源用以投射光线至待定位物件。
本发明一实施例提供一种光学式物件定位方法，包括下列步骤：利用光感测器感测通过光学元件的至少两个透光区的光线，以对应地产生至少两个光感测信号；其中来自于待定位物件的光线经由透光区，而从光学元件的第一面穿透至光学元件的第二面；位于光学元件的相对两侧的第一面与第二面垂直于第一轴，且光感测器与光学元件相距预设距离；利用处理单元依据光感测信号以及预设距离以对待定位物件进行定位，其中待定位物件以及光学元件之间的距离与预设距离正相关。
在本发明一实施例中，对待定位物件进行定位还包括下列步骤：依据光感测信号以及预设距离而计算出待定位物件位于二维空间上的二维坐标；二维坐标中第一轴方向上的坐标值相关于预设距离与任意两个透光区的距离；二维坐标中第二轴方向上的坐标值与第一轴方向上的坐标值相关；其中第二轴垂直第一轴。
在本发明一实施例中，对待定位物件进行定位还包括下列步骤：依据光感测信号以及预设距离而计算出待定位物件位于三维空间上的三维坐标；三维坐标中第一轴方向上的坐标值相关于预设距离与任意两个透光区的距离；三维坐标中第二轴方向上的坐标值与第一轴方向上的坐标值相关；三维坐标中第三轴方向上的坐标值与第一轴方向上的坐标值相关，其中第一轴、第二轴与第三轴互相垂直，透光区位于第二轴与第三轴所形成的平面上。
在本发明一实施例中，其中当上述的光学元件的第一面在第一轴上的坐标值为0时，则上述的待定位物件在第一轴上的坐标值满足其中X0是待定位物件在第一轴上的坐标值。g是预设距离。ym1、ym2分别是任意两个透光区在第二轴上的坐标。ys1、ys2分别是与上述的任意两个透光区对应的光感测信号关于第二轴的坐标信息，且第二轴垂直第一轴。
在本发明一实施例中，其中上述的待定位物件在第二轴上的坐标值满足其中Y0是待定位物件在第二轴上的坐标值，i是1或2。
在本发明一实施例中，其中上述待定位物件在第三轴上的坐标值满足其中Z0是待定位物件在第三轴上的坐标值。zmi包括任意两个透光区在第三轴上的坐标。zsi包括与上述的任意两个透光区对应的光感测信号关于第三轴的坐标信息。i是1或2，第三轴垂直第一轴与第二轴。
基于上述，在本发明实施例所述的光学式物件定位装置及其定位方法中，可利用光学元件的至少两个透光区与光感测器产生的两个对应的光感测信号(信息)以及光感测器与光学元件之间的距离(预设距离)求得关系式，计算出在二维或三维空间中操作区域上物件(操作点)的位置坐标，以达到物件定位的功能。由于此关系式不具有繁复的运算过程，并可精确地计算出定位点，因而可提升定位的速度与精准度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举多个实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
图1A是依据本发明实施例所述的一种光学式物件定位装置的方块示意图。
图1B是依据本发明实施例所述的一种光学式物件定位装置与其操作区域的方块示意图。
图2是依据本发明实施例所述的一种光学式物件定位装置的方块示意图。
图3是依据本发明实施例所述的一种光学式物件定位装置的方块示意图。
图4是依据本发明实施例所述的一种光学式物件定位装置的方块示意图。
图5是依据本发明一实施例说明一种光学式物件定位方法的流程图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的多个实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。
为了以光学感测的方式对物件(指尖、光笔或滑鼠)的位置进行定位，本发明实施例提供一种光学式物件定位装置，可通过具有透光区的光学元件，让自待定位物件发射且穿透光学元件的光线到达光感测器，并且可将透光区的相关坐标以及光感测器上感测到光线位置(感测区)的相关坐标代入公式中以计算出待定位物件的二维或三维坐标。藉此，无需造价昂贵的影像撷取单元(照相机)，也无需复杂的影像处理运算，即可准确地对操作区域上的物件进行定位。
图1A是依据本发明实施例所述的一种光学式物件定位装置的方块示意图。请参照图1A。在本实施例中，光学式物件定位装置100包括光学元件110、光感测器120以及处理单元130。本实施例的光学元件100具有至少两个透光区(容后详述)，例如是具有至少两个作为透光区的孔洞的孔状阵列元件。如图1A所示，光学元件110包括与第一轴A1垂直且彼此相对的第一面112及第二面114，且具有至少两个透光区(例如透光区116、118)。在本实施例中，来自于待定位物件140的光线可经由至少两个透光区(例如透光区116、118)而从第一面112穿透至第二面114，第一面112在待定位物件140与第二面114之间。具体而言，来自于待定位物件140(例如指尖、光笔或滑鼠)的部分光线L1与部分光线L2分别经由透光区116与透光区118而从第一面112穿透至第二面114。
本实施例的光感测器120例如为电荷耦合元件(CCD,charge coupled device)、互补金属氧化物半导体(CMOS,Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)、光敏二极体(photodiode)、光敏电阻(photoresistor)、光电晶体、光敏电阻等在接收到光线照射后能够产生光电流(photocurrent)的光感元件，然而本发明不以此为限制，凡是能通过感光方式以产生感测信号的光电元件皆可属于本发明的范畴。如图1A所示，光感测器120在第一轴A1的方向上与光学元件110相距预设距离g。光感测器120用以感测来自于至少两个透光区的光线，以对应地产生至少两个光感测信号(容后详述)。具体而言，通过来自于透光区116、118的光线L1、L2发射至光感测器120上的位置(例如感测区122、124)，使得光感测器120可对应地产生两个光感测信号(例如光感测信号SLS1、SLS2)。在本实施例中，光线L1、L2可例如是由光源照射至待定位物件140而反射形成的，亦可例如是由待定位物件140主动发射的(例如自发光体)，本发明实施例并不依此为限。
本实施例的运算单元130例如是中央处理单元(central processing unit，CPU)、微处理器(micro processor)、控制器(controller)、微控制器(micro-controller unit)、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、可程式控制器(programmablecontroller)、特殊应用集成电路(application specific integrated circuits，ASIC)、可编程式逻辑装置(programmable logic device，PLD)、处理软件或控制软件，但本发明不受限于上述硬件或软件。处理单元130耦接光感测器120。处理单元130可接收光感测信号SLS1、SLS2，并依据光感测信号SLS1、SLS2以及预设距离g以对待定位物件140进行定位。
在本实施例中，光感测器120与处理单元130虽以各别的独立元件为例示，但本发明不以此为限。在其他的实施例中，也可由光感测器120与处理单元130所组成的单一个电子装置所实现，例如处理单元130整合至光感测器120。
在本实施例中，待定位物件140与光学元件110之间的距离正相关于光感测器120与光学元件110之间的距离(即预设距离g)，其为简单的关系式，因而本实施例可简化影像处理运算的繁复度。以下具体说明本发明实施例的光学式物件定位装置100对待定位物件140的定位方式。
在本实施例中，当透光区(如透光区116、118)的数量为2时，处理单元130可依据光感测信号SLS1、SLS2所表示的感测区122、124的位置以及预设距离g而计算出待定位物件140位于空间上的坐标。具体地说，如图1A所示，假设透光区116、118位于与第一轴A1垂直的平面上，并假设光学元件110的第一面112在第一轴A1上的坐标值为0，则待定位物件140在第一轴A1(代表坐标系x轴)上的坐标值满足下述关系：
请同时参考上述公式(1)与图1A。当第一面112在第一轴A1上的坐标值为0时，待定位物件140在第一轴A1上的坐标值为X0。ym1、ym2分别为透光区116、118在第二轴(代表坐标系y轴)A2上的坐标，ys1、ys2分别为光感测信号SLS1、SLS2所对应的感测区122、124在第二轴A2方向上的坐标(即光感测信号SLS1、SLS2关于第二轴A2的坐标信息)，其中感测区122与感测区124分别对应于透光区116及透光区118。此外，本实施例的第二轴A2的方向例如是两透光区116、118的连线方向，但本发明不以此为限制。
由上述公式(1)可知，由于待定位物件140以及光学元件110之间的距离为X0-0(即等于X0)，因此待定位物件140以及光学元件110之间的距离可与预设距离g成正比。也就是说，当透光区116、118及感测区122、124的位置固定时，待定位物件140以及光学元件110之间的距离会随着预设距离g的增加(减少)而增加(减少)。然而，从另一个角度来看，由公式(1)可知，当透光区116、118及感测区122、124的位置固定且预设距离g为定值时，待定位物件140以及光学元件110的距离(即X0-0)也与两透光区116、118的距离成正比。如此一来，通过公式(1)，处理单元130可利用透光区116、118的第二轴A2的坐标信息ym1、ym2并利用藉由所接收到的光感测信号SLS1、SLS2得到感测区122、124的第二轴A2的坐标信息ys1、ys2，以计算出与待定位物件140以及光学元件之间110的距离相关的坐标X0，即待定位物件140在第一轴(x轴)A1上的坐标X0。
另外，待定位物件140在第二轴(y轴)A2上的坐标值满足下述关系：
请同时参考上述公式(2)与图1A。Y0是待定位物件140在第二轴(y轴)A2上的坐标值，其中i是1或2，X0请参照公式(1)的说明。也就是说，在一实施例中，通过相对应的透光区116的第二轴A2的坐标信息ym1与感测区122的第二轴A2的坐标信息ys1，可求得待定位物件140在第二轴A2上的坐标Y0为(ym1-ys1)X0/g+ym1。或者，在另一实施例中，通过相对应的透光区118的第二轴A2的坐标信息ym2与感测区124的第二轴A2的坐标信息ys2，也可求得待定位物件140在第二轴A2上的坐标Y0为(ym2-ys2)X0/g+ym2。
同理，通过公式(2)，处理单元130可利用透光区116的第二轴A2的坐标信息ym1与感测区122的第二轴A2的坐标信息ys1(或者是利用透光区118的第二轴A2的坐标信息ym2与感测区124的第二轴A2的坐标信息ys2)，连同预设距离g以及由公式(1)所计算出的坐标X0，以计算出与第一轴A1的坐标X0相关的坐标Y0，即待定位物件140在第二轴(y轴)A2上的坐标Y0。
由上述可知，通过公式(1)与公式(2)，处理单元130可计算出待定位物件140的坐标为(X0,Y0)。也就是说，本实施例可求得对待定位物件140在二维坐标系中的位置。由于光学式物件定位装置100可在由第一轴A1与第二轴A2所形成的二维操作区域中对物件(如待定位物件140)进行定位，因此使用者可利用本发明实施例的光学式物件定位装置100进行触控操作的侦测。
图1B是依据本发明实施例所述的一种光学式物件定位装置与其操作区域的方块示意图。请参照图1B，光学式物件定位装置100可利用上述说明的定位方式对在操作区域150中的待定位物件140进行定位。在本实施例中，操作区域150例如平行于由第一轴A1及第二轴A2所构成的二维空间，其中操作区域150与光学式物件定位装置100之间例如相距d1，而操作区域150的大小例如是d2乘以d3的面积。然而，操作区域150与光学式物件定位装置100之间的距离d1以及操作区域150的大小(d2与d3乘积值)可视设计者或使用者的需求而作调整。
举例来说，在一实施例中，可藉由调整(例如增加或缩短)两透光区116、118的距离(即|ym1-ym2|)来调整光学式物件定位装置100的光学元件110与操作区域150的距离d1；在另一实施例中，可藉由调整(增加或缩短)光学式物件定位装置100中的光学元件110及操作区域150的距离d1及/或调整操作区域150在第一轴A1方向上的大小(即长度d2)来调整操作区域150在第二轴A2方向上的大小(即长度d3)；在部分实施例中，可藉由调整(增加或缩短)透光区116与感测区122在第二轴A2方向上的距离(即|ym1-ys1|)以调整光学式物件定位装置100的尺寸，进而可调整操作区域150在第二轴A2方向上的大小(即长度d3)；在其他实施例中，可藉由调整(增加或缩短)预设距离g以薄化或增厚光学式物件定位装置100的厚度，进而可调整光学式物件定位装置100的光学元件110与操作区域150的距离d1、操作区域150在第一轴A1方向上的大小(即长度d2)及/或操作区域150在第二轴A2方向上的大小(即长度d3)。
由上述可知，可动态调整光学元件110与光感测器120之间的预设距离g(例如可增设马达来对光学元件110的位置进行动态调整)，或可动态调整透光区116与感测区122在第二轴A2方向上的距离|ym1-ys1|(例如光学元件的透光区具有可变折射系数)，以调整光学式物件定位装置100及操作区域150的距离d1与操作区域150的大小，以配合实际需求设置操作区域150。补充说明的是，在一实施例中，亦可在光学元件110及操作区域150之间增设厚度d1的透光玻璃，使待定位物件140可直接承靠/放置在透光玻璃上以供光学式物件定位装置100进行定位。举例来说，通过厚度d1的透光玻璃设置于光学元件110及操作区域150之间，使用者的手可直接触摸透光玻璃，而光学式物件定位装置100可对使用者的手进行对位，进而达到触控操作的效果。然而，上述关于图1B的实施方式皆是举例说明，本发明不以这些实施方式为限制。
上述举例说明光学元件为孔状阵列元件，例如针孔(pinhole)阵列，然而，本发明不此为限，在部分实施例中，光学元件亦可例如是具有至少两个狭缝的狭缝阵列元件。举例来说，图2是依据本发明实施例所述的一种光学式物件定位装置的方块示意图。请参照图2。在本实施例中，光学式物件定位装置200包括光学元件210、光感测器220以及处理单元230。上述元件的功能与前述实施例中对应元件的功能相同或相似，故其详细内容在此不再赘述。
承上述，本实施例的光学元件210例如是具有至少两个作为透光区的狭缝(例如狭缝212、214)的狭缝阵列元件。此外，本实施例的光学式物件定位装置200例如对非自发光体的待定位物件250进行定位，因此光学式物件定位装置200还包括光源240。光源240用以投射光线至待定位物件250，其中光源240的位置与数量可视设计需求而作调整，本发明并不限制。然而，本发明并不限于仅能对非自发光体进行定位，因而光源240的设置并非必然。另外，为了简化说明，本实施例概略地以虚线线段绘示光源240所提供的光线，其并非限制光线具有指向性。在本实施例中，待定位物件250反射来自于光源240的光线L3可经由狭缝212、214穿透光学元件210并发射至光感测器220。如此光感测器220即可感测各光线L3的位置，并对应地提供光感测信号至处理单元230，以让处理单元230可对待定位物件250进行定位。
在部分实施例中，光学元件也可具有多种不同轮廓的透光区以使通过的光线可具有多种透光图案。以下利用具有至少两个透镜作为透光区的透镜阵列元件来举例说明光学元件的另一实施例。图3是依据本发明实施例所述的一种光学式物件定位装置的方块示意图。请参照图3。在本实施例中，光学式物件定位装置300包括光学元件310_1、310_2、光感测器320_1、320_2以及处理单元330，其中光学元件310_1、310_2中的透光区可为球面透镜、非球面透镜及/或变焦透镜，但本发明不以这些透镜为限制。本实施例虽然利用两个光学元件310_1、310_2进行透光并利用两个光感测器320_1、320_2进行光感测动作，但本发明并不限制光学元件及/或光感测器的数目，在其他实施例中，也可利用一个或两个以上的光学元件及/或光感测器来实现。此外，本实施例的光学式物件定位装置300例如对非自发光体的待定位物件350进行定位，因此光学式物件定位装置300更包括光源340。光源340的位置与数量可视设计需求而作调整，本发明并不限制。然而，本发明并不限于仅能对非自发光体进行定位，因而光源340的设置并非必然。另外，为了简化说明，本实施例概略地以虚线线段绘示光源340所提供的光线，其并非限制光线具有指向性。上述元件的功能与前述实施例中对应元件的功能相同或相似，故其详细内容在此不再赘述。
以本实施例中光学元件310_1中的透镜311与312为例，光学元件310_1例如是具有至少两个作为透光区的透镜(例如透镜311、312)的透镜阵列元件，待定位物件350反射来自于光源340的光线L4可经由透镜311、312穿透光学元件310_1并发射至光感测器320_1。如此，通过光感测器320_1上的感测区322a与322b，以对应地产生光感测信号至处理单元330，进而使处理单元330依据光感测信号进行待定位物件350的定位。同理，可得知利用学元件310_2中的透镜313与314以及光感测器320_2对待定位物件350进行定位的实施例方式。
承上述，本实施例的光学元件310_1及/或光学元件310_2还可进一步设置光学标记，以使通过光学元件310_1及/或光学元件310_2的光线可具有多种透光图案，如此可提高物件定位的精准度。举例来说，如图3所示，本实施例的光学元件310_1、310_2分别还包括标记元件315、316，其中标记元件315、316的位置异于作为透光区的透镜311、312、313、314的位置。
在本实施例中，标记元件315、316可用以遮光(遮蔽来自待定位物件350的光)，以使光感测器320_1与光感测器320_2上对应标记元件315、316的感测区322与感测区324皆为暗区。如此一来，光感测器320_1与光感测器320_2所感测到的影像可具有特殊的图案，藉此帮助光感测器320_1、320_2可更准确地感测并判定来自于待定位物件350并通过透镜311～314的光线L4。
在其他实施例中，标记元件315、316可用以透光。举例来说，藉由标记元件315所具有的透光图案异于透光区311、312的透光图案(或标记元件316所具有的透光图案异于透光区313、314的透光图案)，光感测器320_1上的感测区322所呈现的亮区可不同于感测区322a、322b所呈现的亮区(或光感测器320_2上的感测区324所呈现的亮区不同于感测区324a、324b所呈现的亮区)，以使光感测器320_1(或光感测器320_2)所感测到的影像可具有特殊的图案。
在部分实施例中，光学式物件定位装置300还可进一步包括标记元件317，其中标记元件317的位置异于光学元件310_1、310_2的位置，标记元件317可用以遮光或所具有的透光图案异于光学元件310_1、310_2的透光图案。然而，其详细内容在此不再赘述。
基于上述，本实施例可通过标记元件315、316、317的设置而降低感测误差，进而可准确地对待定位物件350进行定位。同理可知，上述图1A-1B、图2的实施例中也可设置标记元件以提高物件定位的准确度，然而其详细内容在此不再赘述。此外，本发明并不限制标记元件的透光图案(遮光图案)，例如十字、花朵、间隔线条或其他适合的图案等皆可作为透光图案(遮光图案)，简言之，凡异于透光区的透光图案(遮光图案)皆属于本发明的范畴。
另一方面，图2-3中的实施例也可动态调整光学元件210、310_1、310_2与光感测器220、320_1、320_2之间的预设距离(例如可增设马达来对光学元件210、310_1、310_2的位置进行动态调整)，或可动态调整透光区与感测区在第二轴A2方向上的距离(例如光学元件的透光区具有可变折射系数)，以调整光学式物件定位装置200、300及操作区域(未绘示)的距离与操作区域的大小。举例来说，图3中的光学元件310_1(310_2)中的透镜311、312(313、314)可采用具有可变折射系数的透镜，例如变焦透镜、液晶透镜、电湿润透镜或具有其他适合的可变折射系数的透镜。
请同时参考图1A-1B及图3，在其他实施例中，当透光区(如透光区116、118)的数量为2时，图1A-1B及图3中的光学式物件定位装置100、200、300也可分别求得对待定位物件140、250、350在三维坐标系中的位置。具体而言，如图1A所示，假设透光区116与透光区118位于第二轴A2(y轴)与第三轴(例如z轴)所构成的二维空间中，其中第一轴A1(x轴)、第二轴A2(y轴)与第三轴(z轴)互相垂直，并假设光学元件110的第一面112在第一轴A1(x轴)上的坐标值为0，则待定位物件140在第三轴(z轴)上的坐标值满足下述关系：
请同时参考上述公式(3)与图1A。Z0是待定位物件140在第三轴(z轴)上的坐标值，其中i是1或2，X0请参照公式(1)的说明。zmi表示透光区在第三轴(z轴)上的坐标，例如zm1与zm2可分别表示透光区116与透光区118在第三轴(z轴)上的坐标；zsi表示光感测信号所对应的感测区在第三轴(z轴)方向上的坐标，例如zs1、zs2可分别表示光感测信号SLS1、SLS2所对应的感测区122、124在第三轴(z轴)方向上的坐标(即光感测信号SLS1、SLS2关于第三轴的坐标信息)，其中感测区122与感测区124分别对应于透光区116及透光区118。也就是说，在一实施例中，通过相对应的透光区116的第三轴(z轴)的坐标信息zm1与感测区122的第三轴(z轴)的坐标信息zs1，可求得待定位物件140在第三轴(z轴)上的坐标Z0为(zm1-zs1)X0/g+zm1。或者，在另一实施例中，通过相对应的透光区118的第三轴(z轴)的坐标信息zm2与感测区124的第三轴(z轴)的坐标信息zs2，也可求得待定位物件140在第三轴(z轴)上的坐标Z0为(zm2-zs2)X0/g+zm2。如此，本实施例可计算出与第一轴A1(x轴)的坐标X0相关的坐标Z0，即待定位物件140在第三轴(z轴)上的坐标Z0。
由上述可知，并请同时参考公式(1)、(2)、(3)与图1A，通过公式(1)、公式(2)与公式(3)，处理单元130可计算出待定位物件140的坐标为(X0,Y0,Z0)。也就是说，本实施例可求得对待定位物件140在三维坐标系中的位置。
从另一个角度来看，在其他实施例中，待定位物件140在第一轴(x轴)A1上的坐标值X0也满足下述关系：
由于公式(4)中的参数g、zm1、zm2、zs1、zs2于上述实施例中已详细说明，故在此不再赘述。
请再次参考图1B，类似于图1B所绘示的实施例中的说明，本实施例也可藉由动态调整光学元件110与光感测器120之间的预设距离g(例如可增设马达来对光学元件110的位置进行动态调整)，或可动态调整透光区116与感测区122在第三轴(z轴)方向上的距离|zm1-zs1|(例如光学元件的透光区具有可变折射系数)，以调整光学式物件定位装置100及三维操作区域(未绘示)的距离d1与三维操作区域的大小，进而达到对三维操作区域中的待定位物件140进行对位的效果。举例来说，通过使用者的手在三维操作区域中操作，光学式物件定位装置100可对使用者的手进行对位，进而达到浮空触控(air touch)或手势操作的效果。
在其他实施例中，光学式物件定位装置亦可利用图4所绘示的实施例来对三维空间中的待定位物件进行定位。图4是依据本发明实施例所述的一种光学式物件定位装置的方块示意图。请参照图4。在本实施例中，光学式物件定位装置400包括光学元件410、光感测器420以及处理单元430。本实施例的光学元件410具有至少三个透光区，其中光学元件410可例如是由至少三个作为透光区的孔洞所形成的孔状阵列元件。然而，本发明并不限制透光区的结构，在其他实施例中，光学元件410中的至少三个透光区也可以由狭缝、透镜或其他适合的光学结构所形成。
如图4所示，光学元件410包括与第一轴A1垂直且彼此相对的第一面411及第二面412，且具有至少三个透光区(例如透光区413、414、415)。来自于待定位物件140(例如指尖、光笔或滑鼠)的光线L5、L6、L7分别经由透光区413、414、415而从第一面411穿透至第二面412。光感测器420在第一轴A1的方向上与光学元件410相距预设距离g。通过分别来自于透光区413、414、415的光线L5、L6、L7发射至光感测器420上的位置，即图4中的感测区421、422、423，光感测器420可对应地产生三个光感测信号(例如光感测信号SLS3、SLS4、SLS5)。处理单元430可接收光感测信号SLS3、SLS4、SLS5，并依据光感测信号SLS3、SLS4、SLS5以及预设距离g以对待定位物件440进行定位。
以下搭配图4具体说明本发明实施例的光学式物件定位装置400对待定位物件440在三维空间上的定位方式。在本实施例中，当透光区(例如透光区413、414、415)的数量大于或等于3且透光区未并列于一直线上时，处理单元430可依据光感测信号SLS3、SLS4、SLS5所表示的感测区421、422、423的位置以及预设距离g而计算出待定位物件440位于三维空间上的三维坐标。如图4所示，在由彼此互相垂直的第一轴A1、第二轴A2及第三轴A3所构成的三维空间中，假设当光学元件410的第一面411在第一轴A1上的坐标值为0时，则待定位物件440在第一轴A1上的坐标值满足公式(5)，即下述关系：
请同时参考上述公式(5)与图4。X0是待定位物件440在第一轴A1(x轴)上的坐标值，其中i是1、2或3，j是1、2或3，i不等于j。ymi、ymj表示透光区413、414、412中任两个透光区在第二轴A2(y轴)上的坐标。ysi、ysj表示光感测信号SLS3、SLS4、SLS5中任两个光感测信号所对应的感测区在第二轴A2(y轴)方向上的坐标(即光感测信号SLS3、SLS4、SLS5中任两个光感测信号关于第二轴A2的坐标信息)。
另外，待定位物件440在第二轴A2(y轴)上的坐标值满足公式(2)的关系式：
由公式(2)可知，本实施例通过相对应的透光区413的坐标(ym1,zm1)与感测区421的坐标(ys1,zs1)，可求得待定位物件440在第二轴A2上的坐标Y0为(ym1-ys1)X0/g+ym1。或者，在另一实施例中，通过相对应的透光区414的坐标(ym2,zm2)与感测区422的坐标(ys2,zs2)，可求得待定位物件440在第二轴A2上的坐标Y0为(ym2-ys2)X0/g+ym2。或者，在其他实施例中，通过相对应的透光区415的坐标(ym3,zm3)与感测区423的坐标(ys3,zs3)，也可求得待定位物件440在第二轴A2上的坐标Y0为(ym3-ys3)X0/g+ym3。
此外，待定位物件440在第三轴A3(z轴)上的坐标值满足公式(3)的关系式：
由公式(3)可知，本实施例通过相对应的透光区413的坐标(ym1,zm1)与感测区421的坐标(ys1,zs1)，可求得待定位物件440在第三轴A3上的坐标Z0为(zm1-zs1)X0/g+zm1。或者，在另一实施例中，通过相对应的透光区414的坐标(ym2,zm2)与感测区422的坐标(ys2,zs2)，可求得待定位物件440在第三轴A3上的坐标Z0为(zm2-zs2)X0/g+zm2。或者，在其他实施例中，通过相对应的透光区415的坐标(ym3,zm3)与感测区423的坐标(ys3,zs3)，也可求得待定位物件440在第三轴A3上的坐标Z0为(zm3-zs3)X0/g+zm3。
由上述可知，通过公式(5)、(2)与(3)，处理单元430可计算出待定位物件440的坐标为(X0,Y0,Z0)。也就是说，本实施例求得对待定位物件440在三维坐标系中的位置。然而，上述实施例虽以未并列于一直线上的透光区413、414、415举例说明，但本发明不以此为限，在其他实施例中，通过数量大于或等于3且并列于一直线上的透光区，也可求得对待定位物件440在三维坐标系中的位置。
基于上述，由于光学式物件定位装置400可对物件(如待定位物件440)进行定位，因此使用者可利用本发明实施例的光学式物件定位装置400进行触控操作、浮空触控、手势操作等侦测。
本发明实施例亦提出一种光学式物件定位方法。适用于前述实施例中的光学式物件定位装置100、200、300及400。图5是依据本发明一实施例说明一种光学式物件定位方法的流程图。以下主要以图5搭配图1中的光学式物件定位装置100对本实施例光学式物件定位方法的各步骤进行说明。
请同时参照图1与图5，在步骤502中，利用光感测器感测120通过光学元件110的至少两个透光区(例如透光区116、118)的光线，以对应地产生至少两个光感测信号(例如光感测信号SLS1、SLS2)。来自于待定位物件140的光线可经由透光区116、118，而从光学元件110的第一面112穿透至光学元件110的第二面114。位于光学元件110的相对两侧的第一面112与第二面114垂直于第一轴A1，且光感测器120与光学元件110相距预设距离g。
在步骤504中，利用处理单元130依据光感测信号SLS1、SLS2以及预设距离g以对待定位物件140进行定位。待定位物件140以及光学元件110之间的距离与预设距离g正相关。上述步骤S502、S504的细节可参照图1A-1B、图2至图4的实施例，在此不再赘述。
值得一提的是，本发明实施例的光学式物件定位方法，在计算出待定位物件140的坐标而进行定位后(在步骤S504后)，亦可视其需要而包括执行校正程序以对所计算出的坐标进行校正的步骤，以增加其准确度。
综上所述，在本发明实施例所述的光学式物件定位装置及其定位方法中，可利用光学元件的至少两个透光区与光感测器产生的两个对应的光感测信号(信息)以及光感测器与光学元件之间的距离(预设距离)求得关系式，计算出在二维或三维空间中操作区域上物件(操作点)的位置坐标。藉此达到物件定位的功能，可进一步取代一般对撷取影像所进行的影像处理方法，并可避免进行复杂影像处理时的运算延迟，增加物件定位的效率。此外，本发明实施例所述的光学式物件定位装置及其定位方法可精确地计算出定位点，因而可提升定位的精准度。
惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明各权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。再者，说明书中提及的第一、第二…等，仅用以表示元件的名称，并非用来限制元件数量上的上限或下限。
【符号说明】
100、200、300、400：光学式物件定位装置
110、210、310_1、310_2、410：光学元件
112、411：第一面
114、412：第二面
116、118、311、312、313、314、413、414、415：透光区
120、220、320_1、320_2、420：光感测器
122、124、322、322a、322b、324、324a、324b、421、422、423：感测区
130、230、330、430：处理单元
140、250、350、440：待定位物件
150：操作区域
212、214：狭缝
240、340：光源
311、312、313、314：透镜
315、316、317：标记元件
A1：第一轴
A2：第二轴
A3：第三轴
d1：距离
d2、d3：长度
g：预设距离
L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7：光线
SLS1、SLS2、SLS3、SLS4、SLS5：光感测信号
x、y、z：轴
ym1、ym2、ys1、ys2：坐标
S502、S504：步骤
Claims (17)
1.一种光学式物件定位装置，包括：
光学元件，其包括与第一轴垂直且彼此相对的第一面及第二面，且具有至少两个透光区，其中来自于待定位物件的光线经由所述至少两个透光区而从所述第一面穿透至所述第二面；
光感测器，在所述第一轴的方向上与所述光学元件相距预设距离，用以感测来自于所述至少两个透光区的所述光线，以对应地产生至少两个光感测信号，其中所述待定位物件以及所述光学元件之间的距离与所述预设距离正相关，所述预设距离被动态调整，或所述透光区与感测区在垂直于所述第一轴的第二轴方向上的距离被动态调整；以及
处理单元，耦接所述光感测器，接收所述至少两个光感测信号，并依据所述至少两个光感测信号以及所述预设距离以对所述待定位物件进行定位。
2.如权利要求1所述的光学式物件定位装置，其特征在于，所述处理单元依据所述至少两个光感测信号以及所述预设距离而计算出所述待定位物件位于二维空间上的二维坐标，所述二维坐标中所述第一轴的方向上的坐标值相关于所述预设距离与所述至少两个透光区中的任意两个透光区的距离，所述二维坐标中第二轴的方向上的坐标值与所述第一轴的方向上的坐标值相关，其中所述第二轴垂直所述第一轴。
3.如权利要求1所述的光学式物件定位装置，其特征在于，所述处理单元依据所述至少两个光感测信号以及所述预设距离而计算出所述待定位物件位于三维空间上的三维坐标，所述三维坐标中所述第一轴的方向上的坐标值相关于所述预设距离与所述至少两个透光区中的任意两个透光区的距离，所述三维坐标中第二轴的方向上的坐标值与所述第一轴的方向上的坐标值相关，所述三维坐标中第三轴的方向上的坐标值与所述第一轴的方向上的坐标值相关，其中所述第一轴、所述第二轴与所述第三轴互相垂直，所述至少两个透光区位于所述第二轴与所述第三轴所形成的平面上。
4.如权利要求1所述的光学式物件定位装置，其特征在于，当所述光学元件的第一面在所述第一轴上的坐标值为0时，则所述待定位物件在所述第一轴上的坐标值满足：
其中X0是所述待定位物件在所述第一轴上的坐标值，g是所述预设距离，ym1、ym2分别是所述至少两个透光区中的任意两个透光区在第二轴上的坐标，ys1、ys2分别是与所述任意两个透光区对应的所述至少两个光感测信号关于所述第二轴的坐标信息，且所述第二轴垂直所述第一轴。
5.如权利要求4项所述的光学式物件定位装置，其特征在于，所述待定位物件在所述第二轴上的坐标值满足：
其中Y0是所述待定位物件在所述第二轴上的坐标值，i是1或2。
6.如权利要求4所述的光学式物件定位装置，其特征在于，所述待定位物件在第三轴上的坐标值满足：
其中Z0是所述待定位物件在所述第三轴上的坐标值，zmi包括所述至少两个透光区中的任意两个透光区在所述第三轴上的坐标，zsi包括与所述任意两个透光区对应的所述至少两个光感测信号关于所述第三轴的坐标信息，i是1或2，所述第三轴垂直所述第一轴与所述第二轴。
7.如权利要求1所述的光学式物件定位装置，其特征在于，所述光学元件包括具有至少两个狭缝的狭缝阵列元件，或是具有至少两个孔洞的孔状阵列元件，或是具有至少两个透镜的透镜阵列元件。
8.如权利要求7所述的光学式物件定位装置，其特征在于，所述透镜包括非球面透镜、球面透镜或变焦透镜的至少其中之一。
9.如权利要求1所述的光学式物件定位装置，其特征在于，所述光学元件还包括至少一标记元件，所述至少一标记元件的位置异于所述至少两个透光区的位置。
10.如权利要求9所述的光学式物件定位装置，其特征在于，所述至少一标记元件用以遮光或所具有的透光图案异于所述至少两个透光区的透光图案。
11.如权利要求1所述的光学式物件定位装置，其特征在于，所述光学式物件定位装置还包括：
光源，用以投射所述光线至所述待定位物件。
12.一种光学式物件定位方法，包括：
利用光感测器感测通过光学元件的至少两个透光区的光线，以对应地产生至少两个光感测信号，其中来自于待定位物件的所述光线经由所述至少两个透光区，而从所述光学元件的第一面穿透至所述光学元件的第二面，位于所述光学元件的相对两侧的所述第一面与所述第二面垂直于第一轴，且所述光感测器与所述光学元件相距预设距离；以及
利用处理单元依据所述至少两个光感测信号以及所述预设距离以对所述待定位物件进行定位，其中所述待定位物件以及所述光学元件之间的距离与所述预设距离正相关，所述预设距离被动态调整，或所述透光区与感测区在垂直于所述第一轴的第二轴方向上的距离被动态调整。
13.如权利要求12所述的光学式物件定位方法，其特征在于，对所述待定位物件进行定位还包括下列步骤：
依据所述至少两个光感测信号以及所述预设距离而计算出所述待定位物件位于二维空间上的二维坐标，所述二维坐标中所述第一轴的方向上的坐标值相关于所述预设距离与所述至少两个透光区中的任意两个透光区的距离，所述二维坐标中第二轴的方向上的坐标值与所述第一轴的方向上的坐标值相关，其中所述第二轴垂直所述第一轴。
14.如权利要求12所述的光学式物件定位方法，其特征在于，对所述待定位物件进行定位还包括下列步骤：
依据所述至少两个光感测信号以及所述预设距离而计算出所述待定位物件位于三维空间上的三维坐标，所述三维坐标中所述第一轴的方向上的坐标值相关于所述预设距离与所述至少两个透光区中的任意两个透光区的距离，所述三维坐标中第二轴的方向上的坐标值与所述第一轴的方向上的坐标值相关，所述三维坐标中第三轴的方向上的坐标值与所述第一轴的方向上的坐标值相关，其中所述第一轴、所述第二轴与所述第三轴互相垂直，所述至少两个透光区位于所述第二轴与所述第三轴所形成的平面上。
15.如权利要求12所述的光学式物件定位方法，其特征在于，当所述光学元件的所述第一面在所述第一轴上的坐标值为0时，则所述待定位物件在所述第一轴上的坐标值满足：
其中X0是所述待定位物件在所述第一轴上的坐标值，g是所述预设距离，ym1、ym2分别是所述至少两个透光区中的任意两个透光区在第二轴上的坐标，ys1、ys2分别是与所述任意两个透光区对应的所述至少两个光感测信号关于所述第二轴的坐标信息，且所述第二轴垂直所述第一轴。
16.如权利要求15所述的光学式物件定位方法，其特征在于，所述待定位物件在所述第二轴上的坐标值满足：
其中Y0是所述待定位物件在所述第二轴上的坐标值，i是1或2。
17.如权利要求15所述的光学式物件定位方法，其特征在于，所述待定位物件在第三轴上的坐标值满足：
其中Z0是所述待定位物件在所述第三轴上的坐标值，zmi包括所述至少两个透光区中的任意两个透光区在所述第三轴上的坐标，zsi包括与所述任意两个透光区对应的所述至少两个光感测信号关于所述第三轴的坐标信息，i是1或2，所述第三轴垂直所述第一轴与所述第二轴。
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