CN1652145A - 调节光学导引设备中的光源 - Google Patents

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CN1652145A CNA2004100955818A CN200410095581A CN1652145A CN 1652145 A CN1652145 A CN 1652145A CN A2004100955818 A CNA2004100955818 A CN A2004100955818A CN 200410095581 A CN200410095581 A CN 200410095581A CN 1652145 A CN1652145 A CN 1652145A
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Abstract

这里描述了一种调节可调光源亮度的光学导引设备及其方法。来自光源的光被发射到表面上,并从该表面被反射到传感器。由传感器接收的光被用于测量光学导引设备相对于表面的移动。光敏器件也接收来自光源的光。可以根据在光敏器件处接收的光量来调整光源的亮度。

Description

调节光学导引设备中的光源
技术领域
本发明的实施方式涉及光学导引设备。
背景技术
诸如光学鼠标之类的光学导引设备传统上使用发光二极管(LED)来向一个表面散布光。光从该表面反射到传感器。光的反射产生由传感器捕获的图案。例如,传感器可以包括互补金属氧化物半导体(CMOS)成像器阵列。随着光学导引设备相对于表面被移动(或者表面相对于光学导引设备被移动),连续的图像(帧)被快速捕获,并被比较以测量移动量。连续的图像间的差指示了移动量。诸如这里所描述的那些光学导引设备以每秒1500帧或更高的帧速率运行。这样,相对小的移动量也能够被检测和测量。
光学导引设备(具体地说,传感器/成像器)捕获一幅图像所需要的时间量被称为曝光时间。例如,在诸如暗表面这样的困难表面,可能需要较长的曝光时间,以便以高得足够分辨光学导引设备移动的分辨率来捕获图像。传统的设备使用“squal”(表面质量)值来确定曝光时间。可以为每一帧计算squal值。当squal值减少时,曝光时间被增加。
传统光学导引设备存在的一个问题是:LED光源会随时间降级。这里被称为LED亮度的由LED发射的光量会随时间减少。亮度的减少会导致squal值的减少,由此导致曝光时间的增加。
由于曝光时间被增加了,帧以较低的频率被捕获,这对光学导引设备的跟踪性能有不良影响。例如,由于较长的曝光时间,某些移动可能不能被检测到,或者光标的移动可能显得不流畅。
在良好的表面上,较长曝光时间对于跟踪性能的影响可能是显著的,但是在困难表面上,这种影响是尤其显著的。就是说,为了对付困难表面,曝光时间可能已经被增加了,而LED性能的下降会导致曝光时间的进一步增加,并导致对跟踪性能的更大影响。
总之,LED的降级能够降低光学导引设备的性能。设备的小的移动可能不会被检测到。在显示屏上的光标的移动可能表现的更为跳跃。由于LED降级,用户会变得不满意光学导引设备的性能,并可能被迫购买新的设备。因此,解决由LED降级导致的问题的光学导引设备将是有利的。
发明内容
本发明的实施方式是关于调节可调光源亮度的光学导引设备,以及由这些设备使用的用于调节可调光源亮度的方法。在一种实施方式中,来自光源的光被发射到表面上,并从该表面被反射到传感器。传感器接收到的光被用于测量光学导引设备相对于表面的移动。光敏器件也接收来自光源的光。光敏器件根据在光敏器件处接收到的光量,调节从光源发射的光。
附图说明
被结合在本说明书中并形成本说明书一部分的附图图示了本发明的实施方式,并与说明书一起用于解释本发明的原理,其中:
图1是根据本发明一种实施方式的光学导引设备的横截面视图。
图2是根据本发明一种实施方式的光学导引设备的功能框图。
图3是根据本发明一种实施方式的光学导引设备的电路框图。
图4是图示了根据本发明一种实施方式的光学导引设备中所使用的集成电路的特征的图。
图5是根据本发明一种实施方式的结合了集成电路和光敏器件的封装件的功能框图。
图6是根据本发明一种实施方式的光学导引方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各种实施方式,附图中图示了这些实施方式的实施例。除了特别指出的之外,在本说明中引用的附图不应该被理解为是按比例绘制的。
图1是根据本发明一种实施方式的光学导引设备100的横截面视图。例如,光学导引设备100可以是诸如光学鼠标之类的光标控制或引导设备。光学导引设备100可以包括除了这里所图示和描述的元件以外的元件。
在本实施方式中,光学导引设备100包括光敏器件110、传感器120和光源130。在一种实施方式中,光敏器件110是光电二极管。例如,光敏器件110可以是镓砷磷(GaAsP)光电二极管或硅光电二极管。在一种实施方式中,光源130是发光二极管(LED)。在一种实施方式中,传感器120包括例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列(例如,图2的传感器阵列222)。传感器120可以包括其他元件,诸如但不限于电路系统和其他与成像系统有关的电子装置。
在一种实施方式中,图1的光源130发光,光在表面160被反射到光敏器件110和传感器120。也就是说,由于例如光在表面160的自然散射,光源130所发射的光的一部分(150)被反射到传感器120,而光的另一部分(140)被反射到光敏器件110。在另一种实施方式中,来自光源130的光被直接接收到光敏器件110中。例如,可以放置光敏器件110以接收直接来自光源130的光,而不是依靠来自表面160的光的反射。
由传感器120接收的光被用来检测和/或测量光学导引设备100与表面160之间的相对移动。例如,光的反射产生被传感器120捕获的图案。随着光学导引设备100相对于表面160被移动(或者表面160相对于光学导引设备100被移动),连续的图像(帧)被快速捕获,并被比较以测量移动量。连续的图像间的差指示了移动量。
在本实施方式中,由光敏器件110接收的光被用来调节光源130所发射的光的水平(或光量,或光的亮度)。下文将结合附图进一步描述该特征。
图2是根据本发明一种实施方式的光学导引设备100的功能框图。在本实施方式中,除了上述元件外,光学导引设备100还包括微处理器210、光调节设备220、多路转换器(MUX)240和一个或多个可变电阻器250。在本实施方式中,光调节设备220包括光敏器件110和电路系统块230。
在一种实施方式中,来自光源130的光的一部分被从表面反射,并通过透镜224进入传感器120的传感器阵列222。在微处理器210的控制下,在传感器120处接收到的光被用来通过比较由传感器阵列222捕获的连续图像,精确地确定光学导引设备100的移动方向和移动大小。
来自光源130的光的另一部分被从表面反射到光敏器件110。或者,来自光源130的光可以被直接散布到光敏器件110。光敏器件110产生输出,该输出指示光敏器件110所接收的光的水平。在一种实施方式中,光敏器件110是光电二极管,该光电二极管生成流入电路系统块230的电流。光敏器件110生成的电流的量与光敏器件110接收到的光量相关。例如,光敏器件110接收到的光量的减少将会导致光敏器件110生成的电流的量的减少。
通常,电路系统块230将光敏器件110的输出与阈值相比较。在一种实施方式中,电路系统块230将光敏器件110生成的电流转换为电压,并将该电压与阈值电压相比较。下文将结合图4对其进一步描述。
在本实施方式中,图2的电路系统块230生成输出信号(这里被称为DOUT),该信号指示光敏器件110的输出和阈值之间的比较结果。在一种实施方式中,输出信号DOUT是被表示为0或1的数字信号。例如,如果光敏器件110的输出达到或超过阈值,则输出信号DOUT被设置为高(例如,1),但是如果光敏器件110的输出小于阈值,则输出信号DOUT将被设置为低(例如,0)。
在本实施方式中,输出信号DOUT被输入到图2中的多路转换器240。在一种实施方式中,电路系统块230接收这里被称为D0和D1的控制信号。下文将结合图4更充分地描述这些控制信号。控制信号D0和D1也被输入到多路转换器240。
图2的多路转换器240多路转换输出信号DOUT及控制信号D0和D1。在本实施方式中,来自多路转换器240的被多路转换的信号被用来调节被电耦合到光源130的可变电阻器250。可变电阻器250的电阻可以作为从多路转换器240接收到的数字信号的值的函数而改变。
通过改变可变电阻器250的电阻,可以调节(例如,增加、减少或者不改变)输送给光源130的电流的量。通过增加到光源130的电流,可以增加光源130发射的光量;也就是说,可以使得光源130更亮。通过减少到光源130的电流,可以减少光源130发射的光量。
总的来说,图2的光学导引设备100如下运行以调节光源130发射的光量。考虑这样一个实施例,其中光源130随时间降级,因此当光源老化时,光源130发射的光量减少。由于来自光源130的光量减少,所以光敏器件110将接收到较少的光。电路系统块230将光敏器件接收到的光量与阈值相比较。具体地说,在一种实施方式中,电路系统块230将光敏器件110生成的电流转换为电压,并将该电压与阈值电压相比较。如果达不到该阈值,则可以调整可变电阻器250,使得向光源130提供额外的电流。因此,光源130将发射更大量的光。所以,即使光源130可能已经降级,但是结果,光源130发射的光量和传感器120接收到的光量不会减少。
这样,根据本发明的实施方式,通过增加到光源130的电流抵消了光源130的降级。因此,光源130发射的光量不会随着光源老化而减少。所以,用于光学导引设备100的表面质量(squal)值不会随时间减少,也不需要增加曝光时间。不用必须减少帧速率来解决曝光时间的增加,所以不会降低光学导引设备100的跟踪性能。这样,根据本发明的实施方式,光源130的降级不会影响光学导引设备100的性能。
下面考虑这样一个实施例,其中光学导引设备100被从良好表面移到了困难表面(例如,较暗的表面)。在困难表面上,来自光源130的更少的光反射到传感器120。通常,这会影响squal值,导致曝光时间增加,并且可能导致跟踪性能的下降。然而,根据本发明的实施方式,光敏器件110也将从光源130接收到较少的反射光。结果,使用上述的机制,可以增加光源130发射的光量。这样,即使在困难表面上,传感器120接收的光量也不会减少,光学导引设备100的跟踪性能也不会下降。
现在考虑这样一个实施例,其中光学导引设备100被从困难表面移到了良好表面。结果,由于从良好表面将比从困难表面反射更多的来自光源130的光,因此传感器120和光敏器件110将接收到更大量的光。使用上述机制,可以减少光源130发射的光量。因此,光源130将消耗更少的能量。例如,这在光学导引设备100是由电池供电的无线设备时尤其有利。由于光源130消耗较少的能量,延长了电池寿命,因此不用必须频繁更换电池,或者光学导引设备100能够在两次充电之间工作更长时间。
图3是根据本发明一种实施方式的光学导引设备100的电路框图。图3提供了可以由光学导引设备使用的配置的一个实施例;但是,本发明并不局限于此。
图3示出了从电路系统块230提供的作为多路转换器240的输入的输出信号DOUT和控制信号D0和D1。在图3的实施方式中,光敏器件110是光电二极管,光源130是发光二极管。在本实施方式中,光源130发射的光从表面160被反射到传感器120和光敏器件110。
图4是图示了根据本发明一种实施方式的光学导引设备中所使用的电路系统块230(例如,集成电路)的特征的图。图4提供了可以由光学导引设备使用的电路的一个实施例;但是,本发明并不局限于此。
在一种实施方式中,使用诸如0.6μm BiCMOS(组合双极CMOS)工艺之类的半导体工艺实现电路系统块230。在这样的实施方式中,电路系统块230将消耗大约30μA的无功电流,并且能被完全关断到大约10nA。本发明的实施方式很适合于其他半导体工艺。
在本实施方式中,与图1~图3的光敏器件110(例如光电二极管)接收到的光相对应的电流在图4的节点401被接入。电阻器402和403将节点401处的电流转换为相应的电压。选择电阻器402和403的特性,使得由在节点401处的电流产生的电压与阈值电压相当。
放大器(AMP)404放大电压信号。控制信号410和420(D0和D1)被用来选择(调整)放大器增益。例如,当D0和D1都是0时,放大器404的增益被设置为它的最大值。当D0和D1都是1时,电子电路230可以被关断。最低增益发生在D0和D1等于1和0时。在最低增益处,小信号能够将DOUT转换为高(例如,1),意味着在节点401处接收的电流(从图1~图3的光敏器件110接收的电流)满足了阈值电压。
继续参考图4,被放大的信号通过低通滤波器(LPF)405。比较器430将经放大并经滤波的电压与阈值电压比较。在本实施方式中,电路230能够提供不止一个阈值电压(例如,VN1 450或VN2 440)。如果提供了提供不止一个阈值电压的能力,则可以使用控制信号410和420(D0和D1),选择要被用来进行比较的阈值电压。但是,电路块230可以被配置为单个阈值电压。例如,被选用的阈值电压是一种设计考虑,该设计考虑可以通过标定过程得到。
比较器430的输出(信号435)指示光敏器件110(图1~图3)接收的光是大于还是小于阈值。驱动器460驱动并缓冲信号435,以提供与例如图2和图3中的多路转换器240的下游数字逻辑的电压和驱动水平一致的信号480(DOUT)。
在本实施方式中,电路系统块230还包括用于供电电压VDD的节点470和用于接地的节点406。节点407用于增益常数控制,并提供除了由信号410和420(D0和D1)提供的增益控制之外的模拟增益选项。
图5是根据本发明一种实施方式的结合了集成电路(例如,电路系统块230)和光敏器件110(例如,光电二极管)的封装件530的功能框图。但是,应该理解,光敏器件110并非必须安装在与电路系统块230相同的封装件内。在本实施方式中,封装件530有6个引脚,对应于供电电压(VDD)470、控制信号410和420(D0和D1)、输出信号480(DOUT)、增益常数控制407和地(GND)406。
封装件530很适合于常规半导体封装以及其他形式的封装。例如,电路系统块230可以通过各种方式被安装在印刷电路板上,诸如但不限于直接芯片贴装。
将光敏器件110和电路系统块230结合在封装件530中意味着它们可以彼此靠近地放置,以最小化电噪声。将电路系统块230和光敏器件110结合在封装件530内还有别的优点。可以选择电路系统块230的特性(例如,放大器增益),使得与光敏器件110的特性匹配。另外,例如在制造期间,对单个封装的处理更迅速、更可靠,并且是更经济的。此外,电路系统块230和光敏器件110之间的互连可以做的更短。更短的互连节省了印刷电路板布线通道,它们经常是电池供电设备内的关键资源。
图6是根据本发明一种实施方式的光学导引方法的流程图600。虽然在流程图600中公开了具体步骤,但是这些步骤是示例性的。也就是说,本发明的实施方式还适于执行各种其他或附加步骤,或流程图600所列举的步骤的变形。可以理解,流程图600中的步骤可以以不同于列出的顺序被执行。
在步骤610中,由光源发射并从表面被反射的光在传感器处被接收。在传感器处接收到的光被用来测量光学导引设备相对于表面的移动。
在步骤620中,在光敏器件处接收光。在光敏器件处接收到的光也是由光源发射的。在一种实施方式中,在光敏器件处接收到的光是从表面反射的。
在步骤630中,在一种实施方式中,光敏器件生成指示了在光敏器件处接收到的光的水平的信号。
在步骤640中,根据在光敏器件处接收到的光的水平调节光源。在一种实施方式中,步骤630的信号与阈值水平相比较,并根据比较结果调整光源。在一个这样的实施方式中,步骤630的信号被从电流转换为电压,并且该电压与阈值电压相比较。电流可以根据可选放大器增益被放大。
如果满足阈值(例如,达到或超过),则不调整光源。如果不满足阈值,则光源被调整,使得它将发射更多的光。在一种实施方式中,通过使用可变电阻器增加到光源的电流来调整光源。
在一种实施方式中,依赖于是否满足阈值来将信号设置为高或低。可以根据该信号的值来调节可变电阻器。在一种实施方式中,也可以根据被用于选择可选放大器增益的控制信号的值来调节可变电阻器。
如此描述了本发明的实施方式。虽然本发明已经在具体实施方式中被描述,但是应该理解,本发明不应被解释为受这些实施方式的限制,而是应该根据所附权利要求来解释。

Claims (24)

1.一种光学导引设备,包括:
被设置用于向表面上发射光的可调光源;
被设置用于接收从所述表面反射的光的传感器,其中由所述传感器接收的光被用于测量所述光学导引设备相对于所述表面的移动;和
耦合到所述光源的光敏器件,所述光敏器件被设置用于从所述光源接收光,以根据在所述光敏器件处接收的光的水平,调节从所述光源发射的光。
2.如权利要求1所述的光学导引设备,其中由所述光敏器件接收的光是从所述表面反射的。
3.如权利要求1所述的光学导引设备,其中所述光敏器件生成指示由所述光敏器件接收的光的所述水平的输出,其中根据所述输出来调整所述光源。
4.如权利要求3所述的光学导引设备,还包括耦合到所述光敏器件的电路系统,所述电路系统接收所述输出,并将所述输出与阈值水平比较,其中根据所述比较的结果来调整所述光源。
5.如权利要求4所述的光学导引设备,其中来自所述光敏器件的所述输出包括电流,并且其中所述阈值水平包括阈值电压,其中所述电路系统将所述电流转换为与所述阈值电压进行比较的电压。
6.如权利要求5所述的光学导引设备,其中所述电路系统还包括用于向所述电流施加的可选增益。
7.如权利要求4所述的光学导引设备,其中所述比较的所述结果调节耦合到所述光源的可变电阻器,所述可变电阻器调节所述光源。
8.如权利要求1所述的光学导引设备,其中所述光源包括发光二极管。
9.如权利要求1所述的光学导引设备,其中所述光敏器件包括光电二极管。
10.一种光学导引方法,包括:
在传感器处接收光,所述光由光源发射并从表面被反射,其中在所述传感器处接收的光被用于测量光学导引设备相对于所述表面的移动;
在光敏器件处接收光,其中由所述光敏器件接收的光也是由所述光源发射的;以及
根据在所述光敏器件处接收的光的水平,调节所述光源。
11.如权利要求10所述的光学导引方法,其中在所述光敏器件处接收的光是从所述表面反射的。
12.如权利要求10所述的光学导引方法,其中所述调节还包括:
生成指示在所述光敏器件处接收的光的所述水平的信号;并且
根据所述信号来调整所述光源。
13.如权利要求12所述的光学导引方法,还包括:
比较所述信号与阈值水平;并且
根据所述比较的结果对所述光源做出调整。
14.如权利要求13所述的光学导引方法,其中所述比较还包括:
将所述信号从电流转换为电压;并且
比较所述电压与阈值电压。
15.如权利要求14所述的光学导引方法,其中所述转换还包括:
根据可选放大器增益来放大所述电流。
16.如权利要求13所述的光学导引方法,其中所述做出调整还包括:
根据所述比较的所述结果调节可变电阻器,其中所述可变电阻器调节所述光源。
17.如权利要求10所述的光学导引方法,其中所述光源包括发光二极管,所述光敏器件包括光电二极管。
18.一种光学导引设备,包括:
向表面上发射光的光源,其中从所述表面反射的光被所述光学导引设备用于检测相对于所述表面的移动;和
耦合到所述光源的光调节设备,用于测量从所述表面反射的光,从而调节从所述光源发射的光。
19.如权利要求18所述的光学导引设备,其中所述光调节设备包括:
光敏器件,用于生成具有与所述光敏器件从所述光源接收的光的水平相对应的大小的输出;和
耦合到所述光敏器件的电子电路,所述电子电路将所述输出与阈值进行比较,并生成指示所述阈值是否被满足的输出信号。
20.如权利要求19所述的光学导引设备,还包括:
在所述电子电路和所述光源之间耦合的可变电阻器,所述可变电阻器是使用所述输出信号来调整的,所述可变电阻器被用于调节由所述光源发射的光的水平。
21.如权利要求19所述的光学导引设备,其中所述光源包括发光二极管,所述光敏器件包括光电二极管。
22.如权利要求19所述的光学导引设备,其中所述光敏器件的所述输出包括电流,并且其中所述阈值包括阈值电压,其中所述电子电路将所述电流转换为用于与所述阈值电压进行比较的电压。
23.如权利要求22所述的光学导引设备,其中所述电子电路还包括施加到所述电流的可选增益,其中使用控制信号来选择所述可选增益。
24.如权利要求23所述的光学导引设备,还包括在所述电子电路和所述可变电阻器之间耦合的多路转换器,所述多路转换器对所述输出信号和所述控制信号进行多路转换,其中使用所述被多路转换的输出和控制信号来调节所述可变电阻器。
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