CN113504838A - 可增加工作表面适用性的轨迹追踪装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种轨迹追踪装置，用于检测相对工作表面的位移量，所述轨迹追踪装置包含：图像传感器，该图像传感器用于输出图像帧；部分反射板；第一光源，该第一光源用于朝向所述工作表面打光以产生散射光，该散射光不经过所述部分反射板入射至所述图像传感器；以及第二光源，该第二光源用于朝向所述部分反射板打光以产生垂直所述工作表面的部分反射光，该部分反射光经所述工作表面反射后入射至所述图像传感器。

Description

可增加工作表面适用性的轨迹追踪装置
本申请是申请号为201810497372.8、申请日为2018年05月22日、名称为“可增加工作表面适用性的轨迹追踪装置”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明有关一种光学式轨迹追踪装置，更特别有关一种可增加工作表面适用性的光学式轨迹追踪装置。
背景技术
光学式位移检测装置通常包含光源、图像传感器以及处理器。所述光源用于照明工作表面。所述图像传感器用于获取来自所述工作表面的反射光并输出像素数据。所述处理器则根据所述像素数据计算所述位移检测装置相对于所述工作表面的位移量。
然而，已知光学式位移检测装置存在无法在所有工作表面正常操作的限制。例如，适用于反光表面的位移检测装置可能无法适用于吸光表面，反之亦然。
因此，一种能够操作于任何工作表面的光学式位移检测装置实为所需。
发明内容
本发明提供一种可同时适用于平滑及粗糙工作表面的轨迹追踪装置。
本发明还提供一种可计算图像传感器与工作表面之间的距离的轨迹追踪装置，该轨迹追踪装置还可根据所述距离计算调整位移的倍率以输出大致相同的每英寸计数(counts per inch)，藉以提升使用者经验。
本发明提供一种用于检测相对工作表面的位移量的轨迹追踪装置。该轨迹追踪装置包含图像传感器、部分反射板、第一光源及第二光源。所述图像传感器用于输出图像帧。所述第一光源用于朝向所述工作表面打光以产生散射光，该散射光不经过所述部分反射板入射至所述图像传感器。所述第二光源用于朝向所述部分反射板打光以产生垂直所述工作表面的部分反射光，该部分反射光经所述工作表面反射后入射至所述图像传感器。
本发明中，工作表面例如为桌面、地面、地毯表面、玻璃表面、瓷砖表面或其他可供轨迹追踪装置行进的表面。轨迹追踪装置可使用不同运作模式适用于不同工作表面。
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，详细说明如下。此外，在本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，在此先述明。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的轨迹追踪装置的示意图；
图2为本发明另一种实施方式的轨迹追踪装置的示意图；
图3为本发明再一种实施方式的轨迹追踪装置的示意图。
附图标记说明
100 轨迹追踪装置
11 图像传感器
12 第一光源
13 第二光源
14 透镜
15 处理器
16 第三光源
17 壳体
具体实施方式
本发明应用于光学式轨迹追踪装置，该光学式轨迹追踪装置可适用于任何工作表面，包括玻璃表面、浅色瓷砖表面等强反光表面，以及地毯表面、深色瓷砖表面等弱反光表面，以有效增加轨迹追踪装置的可操作工作表面。
请参照图1所示，其为本发明一种实施方式的轨迹追踪装置100的示意图。所述轨迹追踪装置100例如为光学鼠标、扫地机器人或其在可用于工作表面S上移动并检测相对所述工作表面S的位移量或轨迹的光学装置。所述工作表面S例如为桌面、地面、地毯表面、玻璃表面、瓷砖表面或其他可供轨迹追踪装置100行进的表面，其根据不同应用而决定。
轨迹追踪装置100包含壳体17，其材质并没有限制。所述壳体17的底面具有开孔100H以供其内部的光源及传感器检测工作表面S的表面特征，并据以计算位移量。
轨迹追踪装置100的壳体17内设置有图像传感器11、第一光源12、第二光源13、透镜14以及处理器15。某些实施方式中，所述图像传感器11、所述第一光源12、所述透镜14及所述处理器15形成于相同的封装结构中。其他实施方式中，所述第二光源13也形成于相同的封装结构中。所述处理器15电性连接所述图像传感器11、所述第一光源12及所述第二光源13。
所述图像传感器11例如包含CCD图像传感器、CMOS图像传感器或其他光学传感器，用于根据其像素阵列(pixel array)接收的入射光以预设或抽样率(sample rate)产生图像帧IF。所述图像传感器11优选为适于感测不可见光(例如红外光)，或者是可感测全光谱光(full spectrum light)但具有光滤光器以滤除可见光。
第一光源12用于通过开孔100H朝向工作表面S打光以产生反射光Lr，该反射光Lr通过所述开孔100H后不经过透镜14或任何其他透镜入射至所述图像传感器11。换句话说，所述图像传感器11可设置于所述第一光源12 的主反射光路(即接收主反射光束，其反射角等于主入射光束的入射角)上，以利在强反光表面(例如浅色地砖表面、玻璃表面等)检测所述第一光源12 产生的反射光Lr。第一光源12例如为激光二极管，用以发出不可见光。
第二光源13用于通过开孔100H朝向工作表面S打光以产生散射光Ls，该散射光Ls通过所述开孔100H后经过透镜14入射至所述图像传感器11。所述透镜14优选为凸透镜，用以汇聚所述散射光Ls至图像传感器11的感测阵列。换句话说，所述图像传感器11不设置于所述第二光源13的主反射光路上(不接收相对第二光源13的主入射光束的主反射光束)，用以在弱反光表面(例如深色地砖表面、地毯表面等)检测所述第二光源13产生的散射光Ls。第二光源13例如为发光二极管(LED)或激光二极管(laser diode)，用以发出不可见光。激光二极管具有18至30度的发光角(emission angle)；发光二极管具有约30度的发光角，但并不以此为限。
必须说明的是，虽然本实施方式中将经过透镜14的光称为散射光Ls，该散射光Ls实际上仍为工作表面S反射第二光源13所发出的光而形成，仅所述散射光Ls的传递不位于所述第二光源13的主反射光路(即主反射光束的路径其反射角等于主入射光的入射角)上，以利与反射光Lr区隔。反射光Lr则指被工作表面S反射并传递于所述主反射光路的光。
处理器15例如为数字处理器(DSP)、微处理器(MCU)、专用集成电路(ASIC)、中央处理器(CPU)或其他用以处理图像帧IF的处理装置，其可利用软件、硬件、韧体或其组合实现其功能。
所述处理器15用于控制所述第一光源12或所述第二光源13点亮。例如，当所述轨迹追踪装置100行进于强反光表面时，优选为控制所述第一光源12点亮并控制所述第二光源13熄灭，以根据所述第一光源12点亮时所述图像传感器11所获取的图像帧IF计算位移量。当所述轨迹追踪装置100 行进于弱反光表面时，优选为控制所述第一光源12熄灭并控制所述第二光源13点亮，以根据所述第二光源13点亮时所述图像传感器11所获取的图像帧IF计算位移量。计算位移量的方式可使用已知方式，例如比较两张图像帧，计算图像帧之间的相关性(correlation)等，并无特定限制。
例如，所述处理器15计算所述图像帧IF的图像特征，并根据所述图像特征控制所述第一光源12或所述第二光源13点亮。本实施方式中，所述图像特征例如为图像帧IF中相邻像素灰阶值差超过预设值的计数、图像对比度、图像清晰度、峰值或边界数目等可表示影像质量的参数，但不限于此。所述处理器15根据具有较佳图像特征的图像帧IF来开启第一光源12或第二光源13。
例如，所述轨迹追踪装置100开机或结束休眠后，处理器15预设为直接点亮第一光源12(或第二光源13)进行运作。当所述处理器15所求得图像帧IF的图像特征低于预设值或图像特征变化超过预设变化阈值时，则进入切换模式。该切换模式中，处理器15依序控制第一光源12点亮以获取第一图像帧及第二光源13点亮以获取第二图像帧。接着，所述处理器15比较所述第一图像帧及第二图像帧以确认图像特征较佳者。当所述第一图像帧的图像特征较佳，处理器15则控制所述第一光源12搭配图像传感器11的图像获取点亮并回到正常模式持续运作。当所述第二图像帧的图像特征较佳，处理器15则控制所述第二光源13搭配图像传感器11的图像获取点亮并回到正常模式持续运作。接着，当处理器15在正常模式再度侦测图像帧IF的图像特征低于预设值或图像特征变化超过预设变化阈值时，再度进入切换模式。当表面状况改变时，轨迹追踪装置100从正常模式进入切换模式以选择优选的操作状态。藉此，所述轨迹追踪装置100可适用于不同的工作表面。
本实施方式中，所述正常模式是指仅点亮两个光源其中之一并计算位移量的模式。所述切换模式是指决定被使用的光源且不计算位移量的模式。
某些实施方式中，轨迹追踪装置100还可包含第三光源16，其优选为激光二极管形成的点光源，用以进行高度判断。所述点光源是指在所述工作表面S上形成亮点。优选的，所述第三光源16点亮时所述第一光源12及所述第二光源13熄灭。所述处理器15根据所述第三光源16点亮时所述图像传感器11获取的图像帧IF计算相对工作表面S的距离D。例如，所述处理器 15根据所述图像帧IF中的第三光源16的成像位置利用三角函数算法计算所述工作表面S的距离D、根据飞行时间(TOF)算法计算所述工作表面S的距离D、或根据其他已知距离量测方法计算所述距离D，并无特定限制。
所述处理器15还根据所述距离D调整所求得的位移量的倍率，以当所述轨迹追踪装置100以固定速度移动时输出大致相同的每英寸计数(counts per inch)，例如假设为Δs×R。例如，轨迹追踪装置100还可包含内存 (memory)，例如非易失性内存，用以存储不同距离D相对应的多个倍率R。当处理器15求出的距离D越远时，则以较高倍率R乘上位移量Δs；而当处理器15求出的距离D越近时，则以较低倍率R乘上位移量Δs，以当所述轨迹追踪装置100以固定速度移动时处理器15可输出大致相同的每英寸计数。藉此，即使处理器15使用不同的光源计算位移量，使用者仍能感受到相同的速度，以具有较佳的用户经验。
必须说明的是，第三光源16及处理器15相对应的高度计算功能根据不同应用可以是选择实施的。
请参照图2所示，其为本发明另一种实施方式的轨迹追踪装置200的示意图。轨迹追踪装置200的功能与功效与图1的实施方式大致相同，都是用于检测相对工作表面S的位移量，其差异在于位于壳体27(其类似于图1 的壳体17)内的各组件的运作。
轨迹追踪装置200包含图像传感器21、部分反射板28、第一光源22、第二光源23、透镜24以及处理器25。所述处理器25电性连接所述图像传感器21、所述第一光源22及所述第二光源23。
所述图像传感器21例如包含CCD图像传感器、CMOS图像传感器或其他光学传感器，用于根据其像素阵列接收的入射光以预设或抽样率产生图像帧IF。类似地，图像传感器21优选为适于感测不可见光，例如红外光。
第一光源22用于通过开孔200H朝向所述工作表面S打光以产生散射光，该散射光通过所述开孔200H后不经过所述部分反射板28及所述透镜 24或任何透镜入射至所述图像传感器21。所述第一光源22可选择为发光二极管或激光二极管，其具有发光角。所述图像传感器21不设置于所述第一光源22的主反射光路上(即不接收主反射光束)，用以在弱反光表面检测所述第一光源22产生的散射光。本实施方式中，主反射光路及散射光的定义如前所述，故于此不再赘述。
第二光源23用于朝向所述部分反射板28打光以产生垂直所述工作表面 S的部分反射光通过开孔200H照射工作表面S，该部分反射光经所述工作表面S反射后入射至所述图像传感器21。本实施方式中，部分反射板28例如为塑料板或玻璃板，用以反射所述第二光源23发出的部分光线。所述部分反射板28的反射率及穿透率并无特定限制，只要能够部分反射第二光源 23所发出的光垂直射向工作表面S即可。部分反射光经所述工作表面S反射后，仍垂直向上射向部分反射板28，所述部分反射光的一部分穿过所述部分反射板28后，再经过位于部分反射板28与图像传感器21之间的透镜24 (例如凸透镜)到达图像传感器21的像素阵列。由于第二光源23用于产生垂直射向工作表面S及图像传感器21的反射光，其适用于强反光表面。
透过设置所述部分反射板28，第二光源23所发出的光经过两次部分反射板28而大幅降低其强度，所以仅有在强反光表面才会产生足够的反射光。同时，由于图像传感器21不位于第一光源22的主反射光路上，在强反光表时射至图像传感器21的散射光很弱。处理器25(类似图1的处理器15)在强反光表面可根据图像帧IF中第二光源23的反射光计算位移量。
在弱反光表面时，第二光源23不会产生足够的反射光，处理器25则根据图像帧IF中第一光源22的散射光计算位移量。由于具有上述特性，本实施方式中所述第一光源22及所述第二光源23可同时开启，但并不以此为限。处理器25也可以比较不同光源点亮时获取的图像帧的图像特征以于正常模式仅点亮两个光源其中之一，其比较方式如前一实施方式，故于此不再赘述。
此外，本实施方式中，为了避免在部分反射板28上形成固定光点而在图像帧IF中产生固定成像噪声，第二光源23可选择为发光二极管而不使用激光二极管。其他实施方式中，如果处理器25能够消除图像帧IF中的固定成像噪声，所述第二光源23亦可选择为激光二极管。
请参照图3所示，其为本发明另一种实施方式的轨迹追踪装置300的示意图。轨迹追踪装置300的功能与功效与图1的实施方式相同，都是用于检测相对工作表面S的位移量，其差异在于为了降低壳体37底面的开孔300H 的尺寸，本实施方式中是采用单一光源及两图像传感器的配置。
轨迹追踪装置300包含第一图像传感器311、第二图像传感器312、第一光源32、透镜34以及处理器35。所述处理器35电性连接所述第一图像传感器311、所述第二图像传感器312及所述第一光源32。
第一图像传感器311及第二图像传感器312例如包含CCD图像传感器、 CMOS图像传感器或其他光学传感器，用于根据其像素阵列接收的入射光以预设或抽样率分别输出第一图像帧IF1及第二图像帧IF2。同理，所述第一图像传感器311及所述第二图像传感器312优选为适于感测不可见光。所述第一图像传感器311及所述第二图像传感器312优选为两不同图像传感器，并具有各自的像素阵列；其中两像素阵列可具有相同或不同的尺寸及分辨率(resolution)。
第一光源32用于通过开孔300H朝向所述工作表面S打光以产生反射光Lr及散射光Ls。所述反射光Lr通过所述开孔300H后不经过所述透镜34 或任何透镜入射至所述第一图像传感器311。所述散射光Ls通过所述开孔 300H后经过所述透镜34入射至所述第二图像传感器312。
由于第一图像传感器311用于检测反射光Lr，所述第一图像传感器311 设置于所述第一光源32的主反射光路上(接收主反射光束，其相对第一光源32的主入射光束)。当轨迹追踪装置30行进于强反光表面时，第一图像传感器311可感测较佳的图像特征。
由于第二图像传感器312用于检测散射光Ls，所述第二图像传感器312 不设置于所述第一光源32的所述主反射光路上(不接收主反射光束)。当轨迹追踪装置300行进于弱反光表面时，第一图像传感器311感测较差的图像特征，而第二图像传感器312感测较佳的图像特征。因此，处理器35(类似图1的处理器15)根据轨迹追踪装置300所运行的工作表面S控制所述第一图像传感器311或所述第二图像传感器312的启闭。
本实施方式中，反射光、散射光及主反射光路的定义已说明如上，故于此不再赘述。
例如，所述处理器35用于计算所述第一图像帧IF1及所述第二图像帧 IF2的图像特征，并根据所述图像特征控制所述第一图像传感器311或所述第二图像传感器312关闭；其中，图像特征已说明如前，故于此不再赘述。
例如，当所述轨迹追踪装置300开机或结束休眠后，处理器35预设为直接开启第一图像传感器311(或第二图像传感器312)进行运作。当所述处理器35所求得第一图像帧IF1(或第二图像帧IF2)的图像特征低于预设值或图像特征变化超过预设变化阈值时，则进入切换模式。该切换模式中，处理器35依序或同时控制第一图像传感器311获取第一图像帧IF1及控制第二图像传感器312获取第二图像帧IF2。接着，所述处理器35比较所述第一图像帧IF1及第二图像帧IF2以确认图像特征较佳者。当所述第一图像帧 IF1的图像特征较佳，处理器35则控制所述第一图像传感器311持续运作并回到正常模式。当所述第二图像帧IF2的图像特征较佳，处理器35则控制第二图像传感器312持续运作并回到正常模式。当处理器35在正常模式再度侦测第一图像帧IF1或第二图像帧IF2(根据运作中的图像传感器而定)的图像特征低于预设值或图像特征变化超过预设变化阈值时，再度进入切换模式进行判断。如前所述，本发明的轨迹追踪装置300可适用于不同的工作表面。
本实施方式中，所述正常模式是指仅两个图像传感器其中之一运行并计算位移量的模式。所述切换模式是指不计算位移量的模式。
某些实施方式中，第一图像传感器311及第二图像传感器312同时运作，而处理器35选择第一图像帧IF1或第二图像帧IF2中具有较佳图像特征者进行追踪。
某些实施方式中，轨迹追踪装置300还可包含点光源36，其优选为激光二极管形成的点光源，用以进行高度判断。点光源的定义如前所述。优选的，所述点光源36点亮时所述第一光源32熄灭、所述第二图像传感器312开启且所述第一图像传感器311关闭。第二图像传感器312通过透镜34接收点光源36所发出并经工作表面S反射的光。所述处理器35根据所述点光源 36点亮时所述第二图像传感器312获取的第二图像帧IF2计算相对所述工作表面S的距离D。所述处理器35计算所述距离D的方式如前所述，故于此不再赘述。
所述处理器35还根据所述距离D调整所求得的位移量的倍率以当所述轨迹追踪装置300以固定速度移动时输出大致相同的每英寸计数。例如，轨迹追踪装置300还可包含内存，例如非易失性内存，用以存储不同距离D相对应的倍率。当处理器35求出的距离D越远时，则以较高倍率乘上位移量；而当处理器35求出的距离D越近时，则以较低倍率乘上位移量，以当所述轨迹追踪装置300以固定速度移动时处理器35可输出大致相同的每英寸计数。藉此，即使处理器35使用不同的图像帧(例如第一图像帧IF1或第二图像帧IF2)计算位移量，使用者仍能感受到相同的速度，以提升用户经验。
必须说明的是，上述各实施方式中的数值(例如发光角)仅为例示，并非用以限定本发明。本发明中，处理器控制光源相对图像传感器的图像获取而点亮。图1-3中各组件的空间关系及比例仅用以说明，并非用以限定本发明。某些实施方式中，上述壳体上可设置按键或触控面板供使用者操作，也可具有灯号显示轨迹追踪装置的操作状态。在一些实施方式中，所述壳体安装有轮子以于工作表面上移动。
本发明中，光源或图像传感器不开启是指在下一次进入切换模式前，未开启的光源或图像传感器始终不开启。藉由计算连续时间的位移量，则可追踪轨迹追踪装置的轨迹。
综上所述，已知光学式轨迹追踪装置在某些特定工作表面并无法正确计算位移量，而具有较低的可适用性。因此，本发明提供一种轨迹追踪装置(图 1至3)，其通过计算两不同条件下获取的图像帧的图像特征，以决定适合的图像帧来计算位移量。本发明的轨迹追踪装置可相对不同工作表面切换工作状态，以适用于各种工作表面。
虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种轨迹追踪装置，用于检测相对工作表面的位移量，所述轨迹追踪装置包含：
图像传感器，该图像传感器用于输出图像帧；
部分反射板；
第一光源，该第一光源用于朝向所述工作表面打光以产生散射光，该散射光不经过所述部分反射板入射至所述图像传感器；以及
第二光源，该第二光源用于朝向所述部分反射板打光以产生垂直所述工作表面的部分反射光，该部分反射光经所述工作表面反射后入射至所述图像传感器。
2.根据权利要求1所述的轨迹追踪装置，其中所述第一光源及所述第二光源同时开启。
3.根据权利要求1所述的轨迹追踪装置，其中所述部分反射板为塑料板或玻璃板。
4.根据权利要求1所述的轨迹追踪装置，其中
所述第一光源为发光二极管或激光二极管，及
所述第二光源为发光二极管。
5.根据权利要求1所述的轨迹追踪装置，其中所述图像传感器设置成不接收所述第一光源的主反射光束。
6.根据权利要求1所述的轨迹追踪装置，还包含透镜位于所述图像传感器与所述部分反射板之间。
7.根据权利要求1所述的轨迹追踪装置，其中所述散射光不经过任何透镜入射至所述图像传感器。
8.根据权利要求1所述的轨迹追踪装置，其中所述部分反射光经所述工作表面反射后入射至所述图像传感器之前，再经过一次所述部分反射板。
9.根据权利要求4所述的轨迹追踪装置，其中所述第二光源不使用激光二极管，以避免在所述部分反射板上形成固定光点。
10.根据权利要求1所述的轨迹追踪装置，还包含处理器用于比较所述第一光源及所述第二光源点亮时所述图像帧的图像特征，以于正常模式仅点亮所述第一光源及所述第二光源其中之一。
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