CN1294367A - 用微细结构导航技术对表面进行预测性脉冲化的照明 - Google Patents

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Abstract

一种光学导航系统是通过仅仅在需要时提供脉冲的表面照明光源(3)而节省功率。可以用一个监视数据相关度和平均亮度的伺服机构来控制光的等级,并且在满足需要和安全工作的条件下改变控制的等级。为了产生不同的照明等级,可以采用:(1)接通脉冲的光(23),然后在脉冲期间的一定周期内打开电子快门(选通光);(2)打开快门,然后改变光的脉冲宽度(选通LED);(3)打开快门,然后按照不同的强度用脉冲驱动LED;以及(4)组合(2)和(3)。

Description

用微细结构导航技术对表面进行预测性脉冲化的照明
本发明的主题涉及到以下公开内容，名称为NAVIGATIONTECHNIQUE FOR DETECTING MOVEMENT OF NAVIGATION SENSORSRELATIVE TO AN OBJECT(1997年7月1日授权)的美国专利US5644，139，名称为METHOD AND DEVICE FOR TRACKING RELATIVEMOVEMENT BY CORRELATING SIGNALS FROM AN ARRAY OF PHOTOELEMENTS(1998年3月17日授权)的美国专利US5729，008，名称为“SEEING EYE”MOUSE FOR A COMPUTER SYSTEM(1998年3月30日提交)的美国专利申请09／052，046，以及和前一件申请同日提交的发明人是Thomas C．Oliver和Brian L．Hastings并且转让给Hewlett-Packard Co．的名称为EXPOSURE SERVO FOR OPTICALNAVIGATION OVER MICRO-TEXTURED SURFACES(S／N还不知道)的申请。为了简明起见，可以将美国专利US5644，139，美国专利申请09／052，046，和EXPOSURE SERVO FOR OPTICAL NAVIGATION OVERMICRO-TEXTURED SURFACES作为本申请的参考资料。
利用诸如一张纸片中的纤维的表面微细结构的前一个图象和新的图象的移动样品之间的关系来跟踪运动并且累计位置的先进技术提供了使用上的便利和杰出的精度。在参考的专利文献中公开了此类的装置。这种技术一般被称为“光学导航”，在可以预见的将来，随着人们对它逐渐广泛的认知，这种技术会得到更广泛的应用。在适合采用光学导航的设备中都会有功率消耗的问题。例如，作为用电池供电的设备的手持扫描仪比采用AC电源供电的设备更加优越。用采用光学导航技术的鼠标来操作的电池供电的计算机是另一个例子。
光学导航技术取决于亮度。用来捕捉图象的光敏元件具有一个“电子快门”，它们可以对发光的图象连续曝光，不需要借助于机械快门。理想的光敏元件应该能累计电荷或者是仅仅响应一个信号才把光转换成一个电量值。遗憾的是，有些光敏设备具有偏移现象，在光被关闭后脉冲地接通时会干扰测量工作。这些设备也可以被认为是具有电子快门，但是设备的特性需要光源一直保持接通。然而，能够布置成适用于光学导航的阵列的一类光敏设备既具有电子快门又对偏移现象不太敏感(例如数字摄像机中使用的光电晶体管)，可以节省脉冲发光操作的功率。本发明的目的就是要提供一种具有这样的传感器阵列的光学导航系统。
因此，早期的光学导航系统需要直接提供连续的照明，即使是仅仅有百分之五到十的时间需要照明。另外还要以最高的速率连续采样。一般来说，复杂系统的简化所是一种有益的性质，并且在这种情况下不一定需要连续的照明和最高采样速率；但是，如果能做到当然更好。遗憾的是，表面照明是用IR(Infra Red)LED执行的，它肯定会消耗有限的电池功率。如果能配合着在按需照明的同时又不会干扰对位置保持可靠跟踪的能力对光学导航技术进行改进，则是一种理想的方式。在有可能的情况下降低采样速率也是有利的，因为消耗的功率主要用于提取采样。
一种光学导航系统是通过仅仅在需要时提供脉冲的表面照明光源而节省功率。可以用一个监视数据相关度和平均亮度的伺服机构来控制光的等级，并且在满足需要和安全工作的条件下改变控制的等级。为了产生不同的照明等级，可以采用：(1)接通脉冲的光，然后在脉冲期间的一定周期内打开电子快门(选通光)；(2)打开快门，然后改变光的脉冲宽度(选通LED)；(3)打开快门，然后按照不同的强度用脉冲驱动LED；以及(4)组合(2)和(3)。另外，导航电路在表面上的速度是可以确定的(反之亦然)，并且，在能够确保有限的加速度时(例如是手持扫描仪)，为了降低获取数据的速率，需要降低速度，以便削减脉冲的光源并且节省功率。在实际需要再次采样时可以根据浪费的加速度预先计算出这种降低，或者是直接采取一种保守的估算方式，抑制正常的预定脉冲，并且其他不变。
图1是一个用来表示配备光学导航的一个系统中各个方面的简化框图，通过控制一个脉冲光源的曝光而实现降低功率消耗的目的；
图2是一个简化的波形图，在图中表示依靠调节LED驱动脉冲高度来改变图1的光学导航电路曝光的方法；
图3是一个简化的波形图，在图中表示依靠调节LED驱动脉冲宽度来改变图1的光学导航电路曝光的方法；
图4是一个简化的波形图，在图中表示依靠用电子快门信号来选通所得的光而调节有效的LED驱动脉冲宽度来改变图1的光学导航电路曝光的方法；
图5是一个简化的波形图，表示按照相对速度来控制采样速率，从而降低图1的光学导航电路的功率消耗的一种方法；以及
图6是一个简化的框图，在图中表示有规律地抑制预定的采样，以便按照相对速度来控制采样速率，从而降低图1的光学导航电路的功率消耗的一种方法。
参见图1，在图中表示了配备有光学导航的一种系统的简化框图。具体地说，它是由电池操作的电源18用电池供电的，尽管这并不是基本的要求；即使是用AC电源为电路供电也可以降低功率消耗(延长元件寿命，减少发热，不需要风扇等等)。
光学导航电路2可以和参考资料中所述的电路一样或是类似，它靠近一个表面5，用一或多个LED3照亮所述表面的微细结构。来自LED3的光4受到表面5的反射，有些反射光6进入光学导航电路2的一个窗口(未示出)。光学导航电路2通过跟踪微细结构在靠近窗口的光敏器件阵列(未示出)中产生的图象的可见的运动来记录其物理位置相对于表面5的变化。在此处可以使用参考资料中已有详细解释的那种在当前和以往各帧象素图象之间的关联技术。我们将这种跟踪运动的程序称作“导航”。光学导航电路2是一个具有可观尺寸的IC(集成电路)，并且自身包含对任务的一定处理能力。然而它自身并不是一个完整的系统，外层的处理设备使用它的输出(8-12)产生一定的结果(13)。
与此相应，光学导航电路2的几个输出被提供给系统控制器7用来产生系统输出13(如扫描图象或是位置)。光学导航电路2的输出包括一个平均亮度值8，相关滚球数据9，X和Y轴的增量运动信号11和其他数据12。系统控制器7还有其他的控制输入10，例如有复位信号和其他用于各种家用功能的信号。
对于相关滚球数据信号9的问题暂时不谈。回忆我们说过导航中包括对象素图象中可见的运动进行跟踪。这是通过将一个数据帧和一个参考帧相比较而实现的。这种比较是通过使一帧的内容相对于另一帧在某一方向上移动一个象素，并且检查各个位置上的象素值是否相同(或者是所有各值之和与零的差)。“某一方向上的”比较是按照在所有方向上移动一个象素来执行的：一个上，一个下，一个左，一个右，一个左上，一个右上，一个左下，和一个右下。总共要比较八次。但是不应该忘记有些方向上可能没有运动，因而也就不需要移动。对应着上述的原理就会产生九个我们称之为相关值的比较值。最小的值代表被跟踪的相对运动。为了使这一程序更有效，还可以进展到下一个紧邻的象素位置，这时就会出现二十五个相关值。在参考文献中具体解释了这种相关程序。“滚球”是指相关的幅值相对于它们所代表的移动位置的三维图。滚球越明显，除了指示是否有运动之外还能用它的形状表明导航程序是否运作正常。例如，如果“滚球”是扁平的，就可以确认在象素当中对导航没有足够的对比度。这是在导航过程中需要极力避免的一种情况。在滚球中缺少偏移可能是由于表面导航进度中的变化造成的，并且可以通过改变曝光而得到校正。
接下来将特别关注系统控制器7中的一个子系统。它是一个预测采样和曝光控制器14，它的输出是一个LED驱动信号15和一个快门信号16。LED驱动信号15是一个可变周期或是幅值或者是两者都可改变的脉冲。一定量的发射光4可以变成反射光6，后者的一部分接着进入光学导航电路2的窗口。实际到达光电检测器(未示出)阵列并且对其输出有影响的反射光量被称为“曝光”。如果没有电子快门机构(未必是这样，但是有可能)，曝光程度就可能确实是仅仅响应到达阵列的光量。电子快门的“打开时间”大概是由脉冲的快门信号16来确定的。脉冲被提供给实际用来驱动一或多个LED3的一个LED电源驱动器17，用LED发射出光4。因此，曝光的结果是LED驱动信号15和快门信号16的函数。
以下要说明确定曝光方式的具体的方法。除了一般的办法之外还有本申请开头提出的参考资料即名称为EXPOSURE SERVO FOR OPTICALNAVIGATION OVER MICRO-TEXTURED SURFACES的美国专利申请中所述的技术。有足够的依据说明这种曝光程度确定方法主要依赖于平均亮度8，还可能要依靠相关滚球数据9。然而，我们感兴趣的问题是在已知所需的具体曝光程度时如何产生特定的曝光，或者是需要增大或是减小现有的曝光。
参见图2，在图中表示了用不同幅值的LED驱动脉冲来改变曝光的方法。具体地说，脉冲19具有高幅值，并且为与其对应的数据帧(采样)对应地产生一个高曝光值，它比具有较低幅值的脉冲20产生的曝光值要高。它们出现在不同的时间，处在预测采样和曝光控制器14决定要减少曝光程度的间歇中。在本例中假设电子快门是在脉冲19和20的持续期间打开。
在图3中表示了一种有关但是不同的方法。除了用LED驱动脉冲21和22的宽度作为变量之外，其他的状态均如图2所示。
在图4中表示了另一种曝光控制方法。LED 3在LED驱动脉冲23的全部持续时间内都是接通的，但是电子快门是按照信号24表示的较短的时间打开的。在这个例子中，快门信号24被包含在LED驱动脉冲23的持续时间内，但是重叠的方式可以有所不同。在任何情况下，在它们同时出现的周期中产生一个有效的LED脉冲宽度27，快门的作用是将光敏元件限制在虚线25和26所表示的时间周期内。
以上是在脉冲光的环境下“扼杀”曝光量的方法，用预测采样和曝光控制器14来决定“扼杀”的多少。脉冲的光在采样之间不需要LED发光时不消耗功率，从而节省功率。值得注意的是，不需要对用来确定采样速率的现有方案做任何改变。
还有另外一种技术可以用来实现节能，那就是控制提取采样的速率。它可以单独地实现，或者是与上述的某一种曝光控制技术相结合。图5和6表示了这种技术。这些技术的理论基础在于提取一个采样帧并且执行关联需要一定长度的时间，而可以预期的加速度是有一个上限的，并且取决于导航电路和表面之间允许的相对速度。在相对速度比较低或是为零时可以用这种理论来降低采样速率。
例如假设速度为零，假定使用的参考帧具有完整无缺的最大偏移能力。这样就能完全能够确定有保障的最小采样速率，即使是在最初的运动期间不采样，下一个数据帧仍然能够和参考帧相关联。如果把采样速率降低到这样的值，就能通过避免不必要地使用发光的LED 3而节省功率。如果对相对速度保持跟踪，就能根据需要调节最低采样速率，尽管节省的功率可能少一点，但是保持了原有的优点。在此处可能需要考虑参考帧已经经历了多少偏移，并且有针对性地适当减免采样速率的降低。
参见图5，图中表示了第一串脉冲27，它代表用比较高甚至是最高的速率采样(曝光是设定的)。这种情况与下文中所述的按照明显降低的速率发出采样脉冲28和29的情况是相反的。图中实际的采样速率是计算的最小安全值，它基本上是作为相对速度的函数连续变化的。
从图6中可以获得类似的结果，但是这种方法在某些系统中可能更容易实现。在这种方法中，采样脉冲的基本循环速率是固定的，但是单个采样脉冲是可以按照类似图5的技术分阶段选通产生的。脉冲串30代表最大采样速率，而在错开脉冲31的不同时间点上会产生降低的采样速率，在错开脉冲32和33的其他时间点上会产生进一步降低的采样速率。
用来实现上述的可变速率采样的一种方法是根据相对速度和系统状态有关的参数反复计算采样速率，例如是最大允许加速度和最大允许速度等参数，所有这些都是与参考帧和数据帧之间允许的明显运动有关的(也就是二者之间可以容许的偏移量)。简单的方式是将允许的速度分隔成几个范围，例如是每秒零到一英寸，每秒一到三英寸，每秒三到九英寸等等。然后为各种速度下的采样速率提供一个保守的安全值查询表，这样就能节省对采样速率过多的重复计算。
例如，假设光学导航电路具有中心间隔为四十微米的四十七乘四十七个光电传感器。如果速度为零并且假设最大加速度是5g，为了确保连续数据帧之间的运动小于一个象素，在帧与帧之间可以允许的最大时间间隔是4毫秒，也就是：
x=位移=1／2at2=象素间隔
t的解是：
t=2x／a
其中的：
a=5m／sec2=1／2g    并且x=40*10-6米=一个象素
在每秒大约4米的速度下，上述系统的两个连续帧之间的最大采样速率大约是100微秒的间隔。从4毫秒到100微秒是四十比一的采样速率变化，说明在可能降低速率时能够大大节省功率。在本例中，如果需要，还可以沿着从零速度到4／sec并且对应着4毫秒到100微秒坐标的横坐标线相对于速度内插采样速率。如上所述，可以按照这条线重复的解析上述公式，或者是(优选)预先将采样速率装入按照速度索引的查询表中。按照四十比一的比例，有可能在查询表中将速度分隔成多达十六或是三十二个不同的入口。

Claims (7)

1．让光(4)在具有微细结构的一个表面(5)上曝光的一种方法，用一个光学导航电路(2)跟踪表面上的运动，该方法包括以下步骤：
(a)确定所需的曝光等级；并且
(b)用具有能够产生所需的曝光等级的选定强度的脉冲的光(19，20)照亮上述表面。
2．让光(4)在具有微细结构的一个表面(5)上曝光的一种方法，用一个光学导航电路(2)跟踪表面上的运动，该方法包括以下步骤：
(a)确定所需的曝光等级；并且
(b)用具有能够产生所需的曝光等级选定持续时间的光脉冲(19，20)照亮上述表面。
3．让光(4)在具有微细结构的一个表面(5)上曝光的一种方法，用一个光学导航电路(2)跟踪表面上的运动，该方法包括以下步骤：
(a)确定所需的曝光等级；并且
(b)用脉冲的光(23)照亮上述表面；以及
(c)用光学导航电路在一个选定的产生所需的曝光等级的持续时间(24)内操作一个电子快门。
4．让光(4)在具有微细结构的一个表面(5)上曝光的一种方法，用一个光学导航电路(2)跟踪表面上的运动，该方法包括以下步骤：
(a)用按照选定的速率产生的光脉冲(27)照亮上述表面；
(b)按照被跟踪的运动确定一个速度；
(c)为了增大确定的速度而增大选定的速率；以及
(d)为了减小确定的速度而减小选定的速率。
5．按照权利要求4的方法，其特征是步骤(c)和(d)分别是计算增大和减小。
6．按照权利要求4的方法，其特征是增大和减小步骤(c)和(d)各自包括从按照步骤(b)中确定的速度索引的一个表中获得采样速率数据。
7．按照权利要求4的方法，其特征是步骤(a)一般是按照固定周期和最小间隔出现的，而步骤(d)中包括对固定周期和最小间隔中的脉冲的光(31，32，33)进行抑制。
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