CN1794154A - 基于表面质量控制光学指取设备的光源 - Google Patents

基于表面质量控制光学指取设备的光源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种方法，用于控制光学指取设备的光源，该方法包括生成质量数据，该质量数据代表正由光学指取设备成像的成像表面的表面质量。该方法包括基于所生成的质量数据来控制所述光源。

Description

基于表面质量控制光学指取设备的光源
技术领域
本发明涉及基于表面质量来控制光学指取设备的光源。
背景技术
现在，普遍与计算机及其显示器一起使用手操作的指取设备。各种类型的指取设备之一是与鼠标垫一起使用的传统(机械的)鼠标。机械鼠标通常包括具有橡皮表面的钢球，该钢球随着鼠标移动而在鼠标垫上滚动。鼠标内部有滚轴或者滚轮，它们在钢球的最大圆周处与钢球接触，并且将钢球的转动转换为电信号，它们代表鼠标运动的正交分量。这些电信号被耦合到计算机，计算机中的软件对这些信号作出响应，来根据鼠标的运动将指针(光标)的显示位置改变ΔX和ΔY。
除了机械类型的指取设备(例如，传统的机械鼠标)外，已开发出了光学指取设备。在一种形式的光学指取设备中，不是使用球体之类的运动机械元件，诸如手指或桌面之类的成像平面与光学指取设备内的光电探测器之间的相对运动被光感测并转换成运动信息。
限制光学指取设备的功耗对于便携式电子设备是非常重要的，例如，便携式计算机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、数码相机、便携式游戏设备、寻呼机、便携式音乐播放机(例如，MP3播放机)、以及可能包含光学指取设备的其他类似设备。限制功耗对于无线光学指取设备也是非常重要的，例如无线光学鼠标。
光学指取设备中的一个主要功率消耗源是通常用在这种设备中的光源。对于光学鼠标，诸如发光二极管(LED)之类的光源照明鼠标下面的表面。在鼠标运动时，基于该光学指取设备的帧率，LED通常以恒定的频率开启。已开发出了技术来减少光源引起的功率消耗。例如，用于光学指取设备的某些光学运动传感器包括低功率模式或者“睡眠”模式，如果在一段时间中未探测到运动，则自动进入低功率模式或“睡眠”模式。在低功率模式中，通过关闭光学指取设备的光源，或者以低于全功率模式的频率开启光源，从而实现功率节省。
但是，希望进一步减少由光学指取设备中的光源引起的功率消耗。
发明内容
本发明的一种形式提供了一种方法，用于控制光学指取设备的光源。该方法包括生成质量数据，其中该质量数据代表正由光学指取设备成像的成像表面的表面质量。该方法包括基于所生成的质量数据来控制所述光源。
附图说明
图1是根据本发明一种实施方式的光学指取设备的顶视图。
图2是根据本发明一种实施方式示出了在图1中示出的光学指取设备的主要组件的框图。
图3是根据本发明的一种实施方式示出了用图1和图2中示出的光学指取设备生成运动数据的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考作为说明书一部分的附图，这些附图以示例的方式示出了可以实现本发明的具体实施例。在此，方向术语“顶”、“底”、“前”和“后”等用来指正在描述的图的方向。因为本发明的实施例的组件可以以多种不同的方向放置，所以方向术语是出于说明的目的，而决不是限制。应当理解，可以采用其他实施方式，也可以在不脱离本发明的范围的情况下，改变结构和逻辑。因此，下面的详细描述不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求限定。
图1是根据本发明一种实施方式的光学指取设备10的顶视图。在所示的实施方式中，光学指取设备10是光学鼠标。指取设备10包括塑料外壳12、左键(LB)14A、右键(RB)14B和光学导航传感器集成电路(IC)106(也称作光学运动传感器106)。光学运动传感器106被塑料外壳12所覆盖，所以在图1中用虚线示出。下面参考图2对根据本发明一种形式的指取设备10进行更详细地描述。
图2示出了根据本发明一种实施方式的光学指取设备10的主要组件的框图。光学指取设备10包括光学运动传感器106、光源118和透镜120。光学运动传感器106包括数字输入/输出电路107、导航处理器108、模数转换器(ADC)112、光电探测器阵列(光电阵列)114和光源驱动电路116。导航处理器108包括存储器111。在一种实施方式中，光学指取设备10是光学鼠标，用于桌面个人电脑、工作站、便携式计算机或者其他设备。在另一种实施方式中，光学指取设备10被配置为光学指纹传感指取设备，或者其他指取设备。
在操作中，根据本发明一种实施方式，光源118将光线122发射到导航表面124上，该表面是桌面或其他适合的成像表面，从而生成反射图像。在一种实施方式中，光源118是发光二极管(LED)。光源118由驱动电路116控制，而该驱动电路由导航处理器108通过控制线110控制。在一种实施方式中，控制线110被导航处理器108用来使光源驱动电路116通电或断电，从而相应地使光源118通电或断电。
来自表面124的反射光被透镜120导向到光电探测器阵列114上。光电探测器阵列114中的每个光电探测器提供幅度基于入射到该光电探测器上的光强而变的信号。来自光电探测器阵列114的信号被输出到模数转换器112，其将这些信号转换成适当分辨率(例如，8位)的数字值。这些数字值代表光学指取设备10下的桌面或者其他导航表面或成像表面的一部分的数字图像或数字表示。由模数转换器112生成的数字值被输出到导航处理器108。导航处理器108接收到的这些数字值以帧的形式被存储在存储器111内。
光电探测器阵列114的总尺寸优选地足够大，以接收具有数项特征的图像。当光学指取设备10在导航表面124上运动时，多幅图像的这种空间特征产生转换后的象素信息图案。阵列114中的光电传感器的数量和它们的内容被捕获并数字化的帧率共同影响着光学指取设备10可以在表面上运动得多快而仍能被跟踪。通过将新捕获的采样帧与前面捕获的参考帧进行比较以确定运动的方向和位移量，从而由导航处理器108实现跟踪。
在一种实施方式中，导航处理器108执行连续帧的互相关操作来确定运动信息。在本发明的一种形式中，这些帧中的一个帧的所有内容在单象素偏移试验移位(横向一象素、横向一象素并且向下一象素、向上一象素、向上一象素并且横向一象素、在另一方向上横向一象素，等等)所允许的8个方向中的每个方向上被导航处理器108相继移位一个象素的距离。合计达8次试验。另外，由于可能没有任何运动，所以第九个试验“零移位”也被使用。在每次试验移位之后，帧的那些彼此重叠的部分可以随后被导航处理器108相乘并相加以形成该重叠区域内的相似性(相关性)。在另一种实施方式中，可以使用较大的试验移位(例如，横向两象素并且向下一象素)。具有最大相关性的试验移位可以被看作两帧之间的运动的指示。即，其提供了未经处理的运动信息，该信息可以被缩放和/或累加来提供具有适当的信息交换速率以及合适粒度的运动信息(ΔX和ΔY)，该运动信息在数据和控制线路104上由数字输入/输出电路107输出到主机设备。光学指取设备10也被配置来通过数据和控制线路104接收来自主机设备的数据和控制信号。
在一种实施方式中，光电探测器阵列114包括电子快门，用于控制光电探测器的电荷积累时间。当电子快门“打开”时，电荷被积累，这产生了与入射到阵列114中的光电探测器上的光强相关的电压。在积分时间结束时，电子快门被“关闭”，不再积累电荷。在本发明的一种形式中，导航处理器108被配置来通过控制线115控制光电探测器阵列114的电荷积累时间，以帮助确保适当的曝光，并且帮助确保随后的图像具有相似的曝光。在一种实施方式中，导航处理器108检查所捕获的数字图像数据的值，并且确定是否存在太多的最小值或者太多的最大值。如果存在太多的最小值，则导航处理器108通过控制线路115来增加光电探测器阵列114的电荷积累时间。如果存在太多的最大值，则导航处理器108减少光电探测器阵列114的电荷积累时间。在一种实施方式中，导航处理器108对每个捕获到的数字图像中的所有象素求平均，并且基于计算得到的平均值来调整阵列114的电荷积累时间。
在本发明的一种形式中，光学运动传感器106在帧周期中捕获并处理图像。帧周期包括3个阶段：积分阶段，模数(A/D)转换阶段和图像处理阶段。在积分阶段中，由光电探测器阵列114“收集”光，从而积累电荷。在A/D转换阶段，积累的电荷被模数转换器112转换成数字数据。在图像处理阶段中，导航处理器108处理数字图像数据，并且生成增量ΔX、ΔY运动数据，这些运动数据被输出到主机设备。在一种实施方式中，在每个帧周期中，导航处理器108使光源118在积分阶段内开启，并且在A/D转换阶段和图像处理阶段内关闭。
在一种实施方式中，导航处理器108被配置来计算表面质量(SQUAL)值113，该值被存储在存储器111中。在一种实施方式中，导航处理器108检查存储在存储器111中的每个捕获的帧，并且确认现在该帧中的表面特征的数量。导航处理器108将当前帧的SQUAL值113存储到存储器111中。所存储的SQUAL值113代表所确认的当前帧中的表面特征的数量。在本发明的一种形式中，导航处理器108针对每个捕获的图像帧更新存储在存储器111中的SQUAL值113。在一种实施方式中，每个SQUAL值113在范围0到255内。
根据本发明的表面特征被定义为包括出现在捕获的图像中的下述图案，这些图案是由导航表面124的微观纹理和粗糙度所导致的，例如在捕获的图像中由表面124中的脊和沟、或者其他瑕疵导致的亮区和暗区。如果光学指取设备10向上离开导航表面124，例如桌面，则几乎没有表面特征出现在捕获的图像中，并且SQUAL值113将趋近零。在“易于导航”的表面124上，或者光学指取设备10距离表面124为最优的距离时，SQUAL值113趋向最大值。SQUAL值113越高，用于执行导航计算的表面124的质量就越高。
在一种实施方式中，只在当前SQUAL值113大于最小阈值时，导航处理器108才执行导航处理，包括相继图像帧的互相关操作和运动数据的计算。在本发明的一种形式中，如果当前SQUAL值113落到低于最小阈值，则导航处理器108输出值为0的运动数据，并且停止导航处理，直到当前SQUAL值113重新升至大于最小阈值。当SQUAL值113重新升至大于最小阈值时，导航处理器108继续导航处理。在一种实施方式中，导航处理器108也配置来基于当前SQUAL值113控制光源118。在下面将参考图3进一步详细描述导航处理器108根据本发明一种实施方式使用SQUAL值113。
图3示出了根据本发明一种实施方式的方法300的流程图，该方法利用图1和图2中示出的光学指取设备10生成运动数据。在302中，光电阵列114(图2)获得参考图像。所获得的图像被模数转换器112转换为数字图像，并且该参考数字图像被输出到导航处理器108。在304中，光电阵列114获得采样图像。所获得的图像被模数转换器112转换为数字图像，并且该采样数字图像被输出到导航处理器108。
在306中，导航处理器108确认在采样数字图像(在304中获得的)中出现的表面特征的数量。在308中，导航处理器108将采样数字图像的SQUAL值113存储到存储器111中。所存储的SQUAL值113代表所确认的在采样数字图像中出现的表面特征的数量。
在310中，导航处理器108判断存储在存储器111中的当前SQUAL值113是否大于第一阈值。根据一种实施方式，第一阈值代表光学运动传感器106执行导航处理所需要的最少表面特征数量。如果在310中确定当前SQUAL值113大于第一阈值，则方法300前进到312。如果在310中确定当前SQUAL值113不大于第一阈值，则方法前进到318。
在312中，导航处理器108将参考数字图像(在302中获得的)与采样数字图像(在304中获得的)求相关，并且基于相关结果来确定运动的幅度和方向。在314中，导航处理器108基于在312中完成的相关来生成运动信息，并且经由数字输入/输出电路107将该运动信息输出到主机设备。
在316中，导航处理器108基于当前SQUAL值113(在306中确定的)调整光源118。在本发明的一种形式中，在316中，导航处理器108经由控制线路110向光源驱动器116发送控制信号，这导致光源驱动器116改变提供给光源118的驱动信号。
在本发明的一种形式中，在316中，导航处理器108确定当前SQUAL值113是否大于第二阈值。在一种实施方式中，第二阈值稍小于最大的可能SQUAL值。因此，在本实施方式中，如果当前SQUAL值113大于第二阈值，这指示出光学指取设备10可能位于“易于导航”的表面124上。如果确定当前SQUAL值113大于第二阈值，则在一种实施方式中，由导航处理器108发送的控制信号导致光源驱动器116降低光源118输出的光量，使其从正常量降低到减小量。当光学指取设备10位于“易于导航”的表面124上时，光源118输出的光量可以从正常量下降，而不会给导航计算带来不利的影响。如果导航处理器108稍后确定当前SQUAL值113不再大于第二阈值，则导航处理器108使光源驱动器116将光源118输出的光量返回到正常量。
在一种实施方式中，由导航处理器108在316处发送来减少光量的控制信号导致光源驱动器116减小提供给光源118的驱动电流，这减小了由光源118输出的光的幅度或强度。在另一种实施方式中，由导航处理器108在316处发送来减少光量的控制信号导致光源驱动器116减小提供给光源118的驱动信号(例如，时间上)的占空比，这相应地减小了光源118输出的光信号的占空比。在一种实施方式中，由导航处理器108发送来增加光量的控制信号导致光源驱动器116增大驱动电流，从而增大光源118输出的光的幅度或强度，或者增大提供给光源118的信号的占空比，从而增大光源118输出的光信号的占空比。
在本发明的另一种实施方式中，不是使用单个阈值来触发光源118在正常量和减小量之间的调整，而是使用多个阈值和多个光量。在另一种实施方式中，导航处理器108配置为基于当前SQUAL值113来连续调整光源118。在本实施方式的一种形式中，导航处理器108使光源118输出的光的幅度和/或占空比随SQUAL值113的增加而下降，并且使光源118输出的光的幅度和/或占空比随SQUAL值113的下降而增加。在316中调整了光源之后，方法300前进到318。
在318中，参考数字图像(在302中获得的)被采样数字图像(在304中获得的)替换，然后，该采样数字图像变成方法300的下一循环的参考数字图像。然后，在304中获得另一采样图像，并且从304开始重复方法300。
本领域的普通技术人员将理解，光学运动传感器106所完成的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任何组合来实现。这种实现可以利用微处理器、可编程逻辑器件或者状态机来实现。本发明的组件可以存在于一个或多个计算机可读介质上的软件中。这里所用的术语“计算机可读介质”被定义为包括任何类型的存储器，包括易失或非易失类型的，例如，软盘、硬盘、CD-ROM、闪存、只读存储器(ROM)和随机访问存储器。
本发明的一种形式提供了比现有技术的光学指取设备更省电的光学屏幕指取设备。在一种实施方式中，光学指取设备10的光源118基于为成像表面计算出的表面质量值而被控制，其中指取设备10正在该成像表面上被操作。本发明的实施方式所实现的省电提供了在电池供电的指取设备中更长的电池寿命，和/或使用更小电池的能力。
尽管在这里已图示并描述了特定的实施方式，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，多种替换和/或等同实现方案可以用来替换所示出并描述的具体实施方式。本申请是要覆盖这里所讨论的具体实施方式的任何修改或变化。因此，本发明仅由权利要求及其等同物限制。

Claims (20)

1.一种用于控制光学指取设备的光源的方法，所述方法包括：
生成质量数据，该质量数据代表正由所述光学指取设备成像的成像表面的表面质量；以及
基于所生成的质量数据来控制所述光源。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述质量数据代表在所述成像表面的图像中出现的特征数量。
3.如权利要求1所述的方法，其中，控制所述光源的步骤包括：
基于所述质量数据来调整所述光源的幅度。
4.如权利要求1所述的方法，其中，控制所述光源的步骤包括：
基于所述质量数据来调整所述光源的占空比。
5.如权利要求1所述的方法，其中，控制所述光源的步骤包括：
当所述质量数据超过阈值时，减小所述光源的幅度。
6.如权利要求1所述的方法，其中，控制所述光源的步骤包括：
当所述质量数据超过阈值时，减小所述光源的占空比。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述光学指取设备被配置为如果所述质量数据落到低于阈值时输出值为0的运动信息。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述光源包括发光二极管。
9.一种用于对具有显示屏的电子设备的屏幕指针的位置进行控制的装置，所述装置包括：
光源，用来照明成像表面，从而生成反射图像；和
光学运动传感器，其被配置为由所述反射图像生成数字图像，基于所述数字图像生成质量数据和运动数据，所述运动数据指示出所述成像表面和所述装置之间的相对运动，所述质量数据指示出所述成像表面的表面质量，并且其中所述运动传感器被配置为基于所述质量数据控制所述光源。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述质量数据代表在所述数字图像中出现的特征数量。
11.如权利要求9所述的装置，其中，所述光学运动传感器被配置为基于所述质量数据来调整供给所述光源的驱动电流。
12.如权利要求9所述的装置，其中，所述光学运动传感器被配置为基于所述质量数据来调整所述光源的开启时间。
13.如权利要求9所述的装置，其中，所述光学运动传感器被配置为在所述质量数据超过阈值时减少所述光源的开启时间。
14.如权利要求9所述的装置，其中，所述光学运动传感器被配置为在所述质量数据超过阈值时减小所述光源的幅度。
15.如权利要求9所述的装置，其中，所述光学运动传感器被配置为如果所述质量数据上升到高于阈值则开启所述光源。
16.如权利要求9所述的装置，其中，所述光学运动传感器被配置为如果所述质量数据落到低于阈值则输出值为0的所述运动数据。
17.如权利要求9所述的装置，其中，所述装置是光学鼠标，并且其中所述光源包括至少一个发光二极管。
18.一种用光学指取设备生成运动数据的方法，所述方法包括：
用光源照明成像表面，从而生成反射图像；
生成代表所述成像表面的质量的表面质量数据；
基于所述质量数据控制所述光源；和
基于所述反射图像生成运动数据。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述表面质量数据代表所述成像表面的特征数量。
20.如权利要求18所述的方法，其中，控制所述光源的步骤包括：
基于所述质量数据调整所述光源的占空比和幅度中的至少一个。
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