CN107181919B - 光学侦测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学侦测装置，用来侦测指示光源，包括图像传感器，用来获取连续图像组；控制单元，电连接图像传感器，控制单元分析连续图像组的各图像的亮度值，并根据二张图像的亮度比值与图像传感器的占空比来调整图像传感器的曝光频率；图像传感器具有第一、第二操作模式，第一操作模式的曝光频率大于第二操作模式的曝光频率，控制单元控制图像传感器操作在第一操作模式以进行同步调整，而且在频率同步后控制图像传感器操作在第二操作模式。本发明的光学侦测装置可自动进行频率同步调整，使得光学侦测装置正确地判断具有主动式发光功能的触控笔是否存在光学触控系统的屏幕上，并进一步快速计算出触控笔的位置及移动轨迹。

Description

光学侦测装置

本申请是申请号为201310198599.X、名称为“光学侦测装置及其同步调整方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种光学侦测装置，特别是有关一种可追踪主动式参考光源的发光频率的光学侦测装置。

背景技术

为了抵抗背景光源噪声，传统的光学侦测装置通常会使用具特定闪烁频率的参考光源，方便光学侦测装置滤除噪声。由于参考光源的闪烁时序会因其内建电源的电量不足而改变，为了让图像传感器可正确地获取所述特定闪烁频率的参考光源，依据图像传感器的曝光时序与参考光源的闪烁时序是否同步，可分为同步闪烁和异步闪烁两种侦测方法。传统的同步闪烁技术先由光学侦测装置发出信号，所述信号由参考光源的收发端接收后，再依据信号接收时间调整参考光源的闪烁时序，使其同步图像传感器的曝光时序。然而此方法需在参考光源设置信号收发器，具有成本昂贵的缺点。

发明内容

本发明提供一种可追踪主动式参考光源的发光频率的光学侦测装置，以解决上述的问题。

本发明公开一种光学侦测装置，用来侦测指示光源；所述光学侦测装置包括图像传感器以及控制单元；所述图像传感器用来获取连续图像组；所述控制单元电连接所述图像传感器，所述控制单元分析所述连续图像组的各图像的亮度值，并根据二张图像的亮度比值与所述图像传感器的占空比来调整所述图像传感器的曝光频率；其中，所述图像传感器的所述曝光频率高于所述指示光源的闪烁频率；所述图像传感器具有第一、第二操作模式，所述第一操作模式的曝光频率大于所述第二操作模式的曝光频率，所述控制单元控制所述图像传感器操作在所述第一操作模式以进行同步调整，而且在频率同步后控制所述图像传感器操作在所述第二操作模式。

本发明还公开一种光学侦测装置的同步调整方法，用来将图像传感器的曝光频率同步于指示光源的闪烁频率。所述方法包括获取连续图像组，分析所述连续图像组的各图像的亮度值，以及根据二张图像的亮度比值与所述图像传感器的占空比调整所述曝光频率。其中，所述图像传感器的所述曝光频率高于所述指示光源的所述闪烁频率。

本发明还公开分析所述连续图像组的各图像的亮度值包括判断所述连续图像组的全亮图像以及相邻的非全亮图像的亮度比值。

本发明还公开分析所述连续图像组的各图像的亮度值包括判断所述连续图像组的半亮图像相对全亮图像的亮度比值。

本发明还公开调整所述曝光频率包括改变所述图像传感器的启动时间，以使所述曝光频率同步于所述闪烁频率。

本发明还公开所述方法进一步包括所述连续图像组有部分图像无法获取到所述指示光源时，依预设阶段调降所述图像传感器的所述曝光频率。

本发明还公开所述方法进一步包括根据所述连续图像组的其中一个半亮图像相对另一个半亮图像的时间单位差，得到所述指示光源的占空比或闪烁周期，以及根据所述闪烁周期相应地调整所述图像传感器的所述曝光频率。

本发明还公开所述方法进一步包括设定所述图像传感器的像素数组的局部区域，以及加总所述局部区域所有像素的亮度值。

本发明还公开所述亮度值为各图像的部分像素的总亮度值或平均亮度值。

本发明还公开所述方法进一步包括比较各图像的部分像素的亮度值与门坎值，以及依据比较结果判断所述图像传感器是否读取到所述指示光源。

本发明还公开所述方法进一步包括在所述图像传感器读取到所述指示光源时，提高所述图像传感器的所述曝光频率，进行所述曝光频率与所述闪烁频率的同步调整，以及所述曝光频率同步于所述闪烁频率后降低所述图像传感器的所述曝光频率。

本发明还公开所述方法进一步包括计算所述连续图像组中未读取到所述指示光源的图像张数，以及所述图像张数大于默认值时所述图像传感器进入休眠模式。

本发明还公开所述图像传感器的占空比小于所述指示光源的占空比。

本发明还公开一种光学侦测装置的同步调整方法，用来将图像传感器的曝光频率同步于指示光源的闪烁频率。所述方法包括依据预设相位差移动所述曝光频率，获取多个连续图像组，分析各连续图像组的各图像的亮度值，以及根据相邻图像的亮度变化调整所述图像传感器。

本发明还公开所述方法进一步包括找出具有全暗图像相邻全亮图像的所述连续图像组，以及获取所述连续图像组的所述曝光频率同步于所述闪烁频率的信息。

本发明可依据获取的连续图像的亮度值辨识图像传感器与指示光源的相位差，以供光学侦测装置自动进行频率同步调整，使得光学侦测装置可正确地判断具有主动式发光功能的触控笔是否存在光学触控系统的屏幕上，并进一步快速计算出触控笔的位置及移动轨迹。

附图说明

图1为本发明实施例的光学触控系统的示意图。

图2为本发明实施例的频率同步调整方法的流程图。

图3A、图3B分别为本发明实施例的指示光源与图像传感器的频率比较图。

图4为本发明实施例的频率侦测方法的流程图。

图5为本发明实施例的光学侦测装置的操作流程图。

图6为本发明另一实施例的频率同步调整方法的流程图。

图7A、图7B、图7C分别为图6所示的指示光源与图像传感器的频率比较图。

其中，附图标记说明如下：

10 光学触控系统

12 光学侦测装置

14 指示光源

16 图像传感器

18 控制单元

步骤200、202、204

步骤400、402、404

步骤500、502、504、506、507、508、510、512、514

步骤600、602、604、606

具体实施方式

请参阅图1，图1为本发明实施例的光学触控系统10的示意图。光学触控系统10包括光学侦测装置12以及指示光源14，光学侦测装置12用来侦测及追踪指示光源14的光信号的光强和移动轨迹，以判断使用者通过指示光源14所下达的控制指令。其中，指示光源14为具有主动式发光功能的触控笔。光学侦测装置12包括图像传感器16以及控制单元18。图像传感器16设置在光学触控系统10的屏幕角落，并朝向屏幕表面以获取连续图像组。屏幕可不设置反光条，或进一步涂布可吸收光能的材料，以提供一个均匀黑暗的背景。当指示光源14在屏幕上移动时，图像传感器16便可侦测到相应光信号的变化。

控制单元18电连接图像传感器16。由于图像传感器16的占空比与曝光频率皆为已知，但指示光源14的闪烁频率会因触控笔内建电池的电力衰减而降低，因此本发明的光学侦测装置12会通过控制单元18实时地分析连续图像组的各图像的亮度值，并根据二张图像的亮度比值与图像传感器16的占空比来调整图像传感器16的曝光频率，以将图像传感器16的曝光频率调整到同步于指示光源14的闪烁频率，确保光学侦测装置12可精准判断指示光源14的移动轨迹。

一般来说，一个光学侦测装置12可包括一个或一个以上的图像传感器16以及一个控制单元18，而光学触控系统10可具有一个或多个光学侦测装置12，分设在屏幕的各角落或各边界。光学触控系统10具有多个光学侦测装置12时，多个光学侦测装置12之间可共享一个控制单元18，而所共享的控制单元18可独立于所有光学侦测装置12之外，或设置在其中一个光学侦测装置12内部。在使用过程中，光学侦测装置12启动所有图像传感器16以侦测指示光源14，图像传感器16根据获取图像进行触控笔的定位计算。当图像传感器16读取不到指示光源14，则光学侦测装置12进入休眠模式。为了节省能源消耗，休眠模式的控制单元18仅启动其中一个图像传感器16侦测指示光源14，此时图像传感器16判断图像中是否有触控笔存在而不进行定位计算，并根据指示光源14的光信号变化进行频率的同步调整。

进一步来说，光学触控系统10有一个以上的图像传感器16可具有第一操作模式和第二操作模式，而且第一操作模式的曝光频率大于第二操作模式的曝光频率。一般使用状态时，控制单元18控制多个图像传感器16操作在第二操作模式，侦测指示光源14的光信号变化并进行定位计算。当光学侦测装置12进入休眠模式，控制单元18关闭大多数图像传感器16，仅保留其中一个图像传感器16，以节约在休眠模式的能源消耗，并将此图像传感器16切换为第一操作模式进行频率同步调整。由于第一操作模式的曝光频率远高于指示光源14的闪烁频率，使得光学侦测装置12可快速完成频率同步，以符合消费者欲实时操控的使用习惯。

请参阅图2与图3，图2为本发明实施例的频率同步调整方法的流程图，图3为本发明实施例的指示光源14与图像传感器16的频率比较图。图2所述的方法适用在图1所示的光学侦测装置12。因为指示光源14的闪烁频率会随触控笔内建电池的电力衰减而依预设阶段逐步调降，故光学侦测装置12需侦测图像传感器16的曝光频率是否同步于指示光源14的闪烁频率，若未达到同步则可依下述步骤进行调整。首先，执行步骤200，图像传感器16获取连续图像组。接着执行步骤202，控制单元18判断连续图像组的全亮图像及相邻的非全亮图像的亮度比值。最后，执行步骤204，控制单元18根据两张图像的亮度比值改变图像传感器16的启动时间，以使图像传感器16的曝光频率同步于指示光源14的闪烁频率。

如图3所示，图像传感器16的曝光频率高于指示光源14的闪烁频率，而且图像传感器16的占空比小于指示光源14的占空比。在图3A中，连续图像组包括全亮图像和全暗图像，因此控制单元18可获取曝光频率同步于闪烁频率的信息。在指示光源14的占空比(例如6T)内会产生三个全亮图像。在图3B中，曝光频率和闪烁频率没有同步，连续图像组包括全亮图像、半亮图像和全暗图像。于是控制单元18可选取任一个半亮图像，并获取半亮图像相对全亮图像的亮度比值。举例来说，若半亮图像相对全亮图像的亮度比值为60％，将亮度比值乘以图像传感器16的占空比(例如1T)所得的值，即为曝光频率和闪烁频率的相位差，故控制单元18可根据计算所得的相位差改变图像传感器16的启动时间，使得曝光频率同步于闪烁频率。

还一方面，本发明的光学侦测装置12进一步可应用在未知闪烁频率的指示光源14。请参阅图3与图4，图4为本发明实施例的频率侦测方法的流程图。图4所述的方法适用在图1所示的光学侦测装置12。首先，执行步骤400，图像传感器16获取连续图像组。接着执行步骤402，控制单元18分析连续图像组的其中一个半亮图像相对另一个半亮图像的时间单位差，以得到指示光源14的占空比或闪烁周期(闪烁频率的反比)。例如从图3B可知，半亮图像A与半亮图像B的时间单位差为指示光源14的占空比，半亮图像A与半亮图像C的时间单位差还为指示光源14的闪烁周期。最后，执行步骤404，控制单元18即可根据侦测所得的闪烁频率(由闪烁周期计算得知)相应调整图像传感器16的曝光频率，优选地使曝光频率为闪烁频率的整数倍，便于进行如图2所示的频率同步调整。

于此针对本发明的光学侦测装置12的其它功能进行说明。光学侦测装置12在进行频率同步调整时，控制单元18只判断是否有触控笔(指示光源14)存在而不进行定位，藉此提高运算效能。首先，在休眠模式时，控制单元18比较各图像的部分像素(例如预定数目为一至三个像素)的亮度值总和是否超过预设门坎值。若否，触控笔不存在，光学侦测装置12维持在休眠模式；若是，表示触控笔设置在图像传感器16的感测范围内，控制单元18将图像传感器16切换到第一操作模式，使光学侦测装置12跳出休眠模式并进行频率的同步调整。在第一操作模式中，控制单元18可设定图像传感器16利用像素数组的局部区域进行光信号侦测。举例来说，控制单元18可根据图像传感器16朝向屏幕时，最接近屏幕表面的两条像素列设为局部区域。接着，控制单元18加总局部区域所有像素的亮度值(例如总亮度值或平均亮度值)，意即每张图像只有一个亮度值，便可取得连续图像组中各图像间的亮度比值，以供频率同步调整使用。这样一来，光学侦测装置12可减少能源消耗并提高图像处理的运算速度。

请参阅图5，图5为本发明实施例的光学侦测装置12的操作流程图。图5所述的操作方式适用在图1所示的光学侦测装置12。首先执行步骤500，光学侦测装置12初始化以启动图像传感器16。接着，执行步骤502，控制单元18判断图像传感器16是否读取到指示光源14。若是，执行步骤504，控制单元18提高图像传感器16的曝光频率，意即切换图像传感器16为第一操作模式，通过高频扫瞄来加速同步调整。接着执行步骤506与步骤507，进行如图2或图3所述的频率同步调整，控制单元18需检查指示光源14的光信号相位，而且进一步确认图像传感器16的曝光频率已完成相对指示光源14的闪烁频率的同步调整。最后，执行步骤508，图像传感器16和指示光源14的频率同步后，控制单元18降低图像传感器16的曝光频率，意即将图像传感器16切换回第二操作模式。接着光学侦测装置12便可还执行触控笔(指示光源14)的定位侦测；若没有侦测到指示光源14的光信号，光学侦测装置12则驱动图像传感器16搜寻指示光源14，意即执行步骤502，以判断图像传感器16是否读取到指示光源14。

若控制单元18判断图像传感器16没有读取到指示光源14，执行步骤510，控制单元18计算连续图像组中未获取到指示光源14的图像张数。若未读取光信号的图像张数大于默认值，例如连续多张图像都没有读到指示光源14，执行步骤512，控制单元18判断触控笔(指示光源14)不存在，并驱动图像传感器16进入休眠模式。当图像传感器16从休眠模式被唤醒后，光学侦测装置12可执行步骤502，实时启动对触控笔(指示光源14)的定位侦测。若未读取光信号的图像张数小于默认值，连续图像组只有部分图像无法获取到指示光源14，此时控制单元18可判断图像传感器16的曝光频率没有同步指示光源14的闪烁频率。故执行步骤514，控制单元18依预设阶段调降图像传感器16的曝光频率，并根据前述方法再次进行图像传感器16和指示光源14的频率同步调整。

请参阅图6，图6为本发明另一实施例的频率同步调整方法的流程图。图6所述的方法适用在图1所示的光学侦测装置12。首先，执行步骤600，控制单元18依据预设相位差移动图像传感器16的曝光频率，接着执行步骤602，图像传感器16在每次相移后皆获取多个连续图像组，接着执行步骤604，控制单元18分析各连续图像组的各图像的亮度值，以从多个连续图像组中，选出具有全暗图像和全亮图像相邻的其中一个连续图像组。这样一来，控制单元18可辨识出所述被选取连续图像组的曝光频率同步于指示光源14的闪烁频率，故最后执行步骤606，控制单元18可根据相邻图像的亮度变化调整图像传感器16的曝光频率，以同步指示光源14的闪烁频率。在此实施例中，图像传感器16的曝光频率优选地高于指示光源14的闪烁频率，使得图像传感器16可通过高频扫瞄来快速完成频率同步。

请参阅图7，图7为图6所示的指示光源14与图像传感器16的频率比较图。详细来说，控制单元18可依据预设相位差，例如三分之一个时间单位，改变图像传感器16的启动时间，以得出如图7所示的三种波形比较图。在图7A与图7B中，因为图像传感器16的曝光频率没有同步指示光源14的闪烁频率，因此图像传感器16所获取的连续图像组包括全亮图像、半亮图像和全暗图像，而且半亮图像穿插在全亮图像及全暗图像之间。而在图7C中，因图像传感器16的曝光频率同步指示光源14的闪烁频率，图像传感器16所获取的连续图像组只包括全亮图像和全暗图像。控制单元18可判断只包括两相邻全亮图像及全暗图像的连续图像组的对应曝光频率同步闪烁频率，故控制单元18可依据前述参数(预设相位差)驱动图像传感器以同步频率进行图像获取。图像传感器16的占空比优选地小于指示光源14的占空比，使得图像传感器16可在指示光源14发光时快速获取多个图像。

由上可知，本发明的光学侦测装置可在未知指示光源的占空比及曝光频率的条件下自动侦测指示光源的参数，或在已知指示光源的占空比与曝光频率时快速进行图像传感器的曝光频率和指示光源的曝光频率的同步调整。图像传感器可拍摄多个连续图像组供控制单元进行亮度比较，以多个半亮图像的间隔时间判断指示光源的占空比与曝光周期。在指示光源的占空比与曝光频率皆为已知的情况，光学侦测装置可利用一个连续图像组即完成频率同步的调整。图像传感器拍摄一个连续图像组，控制单元分析连续图像组内半亮图像和全亮图像的亮度比值，以判断图像传感器的曝光频率和指示光源的曝光频率的相位差。这样一来控制单元便可以实时地改变图像传感器的启动时间，使图像传感器和指示光源的频率同步。

相较现有技术，本发明可依据获取的连续图像的亮度值辨识图像传感器与指示光源的相位差，以供光学侦测装置自动进行频率同步调整，使得光学侦测装置可正确地判断具有主动式发光功能的触控笔是否存在光学触控系统的屏幕上，并进一步快速计算出触控笔的位置及移动轨迹。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学侦测装置，用来侦测指示光源，其特征在于，所述光学侦测装置包括：

图像传感器，用来获取连续图像组；以及

控制单元，电连接所述图像传感器，所述控制单元分析所述连续图像组的各图像的亮度值，并根据二张图像的亮度比值与所述图像传感器的占空比来调整所述图像传感器的曝光频率，以将图像传感器的曝光频率调整到同步于指示光源的闪烁频率；

其中，所述图像传感器的所述曝光频率高于所述指示光源的闪烁频率；

所述图像传感器具有第一、第二操作模式，所述第一操作模式的曝光频率大于所述第二操作模式的曝光频率，所述控制单元控制所述图像传感器操作在所述第一操作模式以进行同步调整，而且在频率同步后控制所述图像传感器操作在所述第二操作模式。

2.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，所述控制单元改变所述图像传感器的启动时间，以使所述曝光频率同步所述闪烁频率。

3.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，所述控制单元进一步在所述图像传感器有部分图像无法获取到所述指示光源时，依预设阶段调降所述图像传感器的所述曝光频率。

4.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，所述控制单元进一步设定所述图像传感器的像素数组的局部区域，并加总所述局部区域所有像素的亮度值，以得到各图像的总亮度值或平均亮度值。

5.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，所述控制单元进一步比较各图像的部分像素的亮度值与门坎值，以判断所述图像传感器是否读取到所述指示光源。

6.如权利要求5所述的光学侦测装置，其特征在于，所述图像传感器读取到所述指示光源时，所述控制单元提高所述曝光频率以同步所述闪烁频率，并在频率同步后降低所述曝光频率。

7.如权利要求5所述的光学侦测装置，其特征在于，所述控制单元计算未读取到所述指示光源的图像张数，并在所述图像张数大于默认值时驱动所述图像传感器进入休眠模式。

8.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，所述光学侦测装置进一步包括多个图像传感器，所述控制单元在休眠模式启动其中一个图像传感器进行频率同步调整，而且在离开休眠模式后启动所述多个图像传感器以侦测所述指示光源。

9.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，所述控制单元进一步依据预设相位差移动所述图像传感器的所述曝光频率以分别获取多个连续图像组，并分析各连续图像组的各图像的亮度值，以根据相邻图像的亮度变化调整所述图像传感器。

10.如权利要求1所述的光学侦测装置，其特征在于，所述图像传感器的占空比小于或等于所述指示光源的占空比。