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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Erfassungsvorrichtungen,
die eine Lichtquelle zum Beleuchten eines Oberflächenabschnitts mit Strahlung,
eine Photodetektorvorrichtung mit wenigstens einem photoempfindlichen
Element, das auf Strahlung anspricht, die von dem beleuchteten Oberflächenabschnitt
reflektiert wird, und Umsetzungsmittel (oder Integrationsmittel)
zum Integrieren eines Ausgangssignals des wenigstens einen photoempfindlichen
Elements über
die Zeit während
einer Integrationsperiode mit variabler Dauer umfassen. Solche optischen
Erfassungsvorrichtungen werden insbesondere in optischen Zeigevorrichtungen
wie etwa Mäusen,
Trackballs und anderen ähnlichen
Peripheriegeräten
verwendet. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem sowohl ein Verfahren
zum Betreiben der oben erwähnten
optischen Erfassungsvorrichtung als auch eine optische Zeigevorrichtung, die
mit den oben erwähnten
Bestandteilen der optischen Erfassungsvorrichtung versehen ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Optische
Zeigevorrichtungen sind im Stand der Technik bereits bekannt. Das
US-Patent Nr. 5 288 993 offenbart
z. B. eine Cursor-Zeigevorrichtung unter Verwendung einer Photodetektoranordnung
und einer beleuchteten Zielkugel mit zufällig verteilten Speckles. Das
US-Patent Nr. 5 703 356 (das
mit dem oben erwähnten
US-Patent Nr. 5 288 993 verwandt ist)
offenbart ferner (mit Bezug auf die
23A und
23B dieses Dokuments) eine optische Cursor-Zeigevorrichtung
in Form einer Maus, die keine Kugel benötigt und bei der Licht direkt
von der Oberfläche
reflektiert wird, auf der die Zeigevorrichtung bewegt wird.
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In
beiden Fällen
enthält
die optische Zeigevorrichtung eine Lichtquelle zum wiederholten
Beleuchten eines Oberflächenabschnitts
(d. h. eines Oberflächenabschnitts
der Kugel oder eines Abschnitts der Oberfläche, auf der die optische Zeigevorrichtung
bewegt wird) mit Strahlung sowie eine optische Erfassungseinheit
mit einer Photodetektoranordnung, die mehrere Pixel enthält, wovon
jedes ein photoempfindliches Element aufweist, das auf Strahlung
anspricht, die von dem beleuchteten Oberflächenabschnitt reflektiert wird.
Die Pixelausgänge
der Photodetektoranordnung sind typisch mit Aufbereitungs- und Verarbeitungsschaltungen
zum Verfolgen und Extrahieren von Informationen über die relative Bewegung zwischen
der Erfassungseinheit und dem beleuchteten Oberflächenabschnitt
gekoppelt.
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Die
in den oben angeführten
US-Patenten Nr. 5 288 933 und
5 703 356 verwendete Technik zum
Extrahieren bewegungsbezogener Informationen basiert auf einer so
genannten "Kantenbewegungserkennungs"-Technik. Diese "Kantenbewegungserkennungs"-Technik besteht
im Wesentlichen in einer Bestimmung der Bewegung von Kanten (d.
h. einer Differenz zwischen der Intensität von Pixelpaaren) in einem
mittels der Photodetektoranordnung erfassten Bild. Kanten sind definiert
als räumliche
Intensitätsunterschiede
zwischen zwei Pixeln der Photodetektoranordnung. Die relative Bewegung
jeder dieser Kanten wird verfolgt und gemessen, um eine Gesamtverschiebungsmessung
zu bestimmen, die die relative Bewegung zwischen der Photodetektoranordnung
und dem beleuchteten Abschnitt der Oberfläche repräsentiert.
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Eine
verbesserte Bewegungserkennungstechnik, die auf der oben erwähnten "Kantenbewegungserkennungs"-Technik basiert,
ist Gegenstand einer im Namen des Anmelders am 3. Dezember 2002
eingereichten anhängigen
internationalen Anmeldung Nr.
PCT/EP
02/13686 (unter Priorität
der vorläufigen
US-Anmeldung Nr. 60/335.792 vom
5. Dezember 2001) mit dem Titel "Method
and sensing device for motion detection in an optical pointing device,
such as an optical mouse" (veröffentlicht
unter der Nr.
WO 03/049018
A1 ).
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In
Bezug auf optische Erfassungsvorrichtungen ist allgemein bekannt,
dass eine Umsetzungsschaltung (oder Integrationsschaltung) mit jedem photoempfindlichen
Element der Photodetektorvorrichtung gekoppelt wird, um die Ausgangssignale dieser
photoempfindlichen Elemente über
die Zeit während
einer so genannten Integrationsperiode zu integrieren. 1 zeigt
schematisch das allgemeine Prinzip einer durch das Bezugszeichen 1100 angegebenen
Integrationsschaltung, die mit einem durch das Bezugszeichen 1000 angegebenen
photoempfindlichen Element, in diesem Fall eine Photodiode, gekoppelt
ist. Diese Integrationsschaltung 1100 besteht typisch aus
einem Verstärker 1110 und
einem kapazitiven Element 1120 (oder einem Integrationskondensator),
das zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Verstärkers geschaltet ist,
wobei das photoempfindliche Element 1000 mit dem invertierenden
Eingang des Verstärkers
verbunden ist, während
der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers mit einem Referenzpotenzial
wie etwa Masse verbunden ist. Die Integrationsschaltung 1100 gibt
ein Spannungssignal Vout aus oder ein integriertes Signal, das sich über die
Zeit ändert
und das im Wesentlichen das Ergebnis der Integration über die Zeit
des Stromsignals iout ist, das von dem photoempfindlichen Element 1000 erzeugt
wird. Vorausgesetzt, dass der Strom iout einen im Wesentlichen konstanten
Wert während
der Periode aufweist, in der die Integrationsschaltung aktiv ist
(d. h. während der
so genannten Integrationsperiode), ändert sich die Ausgangsspannung
Vout im Wesentlichen linear über
die Zeit.
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In
einigen Fällen
wird die Integrationsperiode so gesetzt, dass sie eine feste Dauer
aufweist. In einigen anderen Fällen
kann die Dauer der Integrationsperiode jedoch variabel sein. Dies
ist z. B. der Fall für
die Lösung,
die in der am 5. Dezember 2001 im Namen des Anmelders eingereichten
anhängigen
US-Patentanmeldung Nr. 10/001.963 mit
dem Titel "Method,
sensing device and optical pointing device including a sensing device
for comparing light intensity between Pixels" beschrieben ist, die hier durch Bezugnahme
aufgenommen ist (diese Anmeldung ist unter der Nr.
US 2003/0102425 A1 veröffentlicht). Diese
Lösung
ist außerdem
Gegenstand einer am 3. Dezember 2002 eingereichten anhängigen internationalen
Anmeldung Nr.
PCT/EP 02/13486 unter
Priorität
der oben erwähnten
US-Patentanmeldung (diese internationale Anmeldung ist unter der
Nr.
WO 03/049017 A1 veröffentlicht).
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Die
in der anhängigen
US-Patentanmeldung Nr. 10/001.963 beschriebene
Lösung
besteht grundsätzlich
in einer Integration der Ausgangssignale des photoempfindlichen
Elements, bis ein vorgegebener Schwellenwert erreicht ist. Eine
Unterbrechung der Integrationsperiode kann z. B. ausgeführt werden,
indem überwacht
wird, wann das integrierte Signal des am stärksten beleuchteten Pixels
in der Photodetektoranordnung (d. h. das "hellste" Pixel) den Schwellenwert erreicht,
oder indem überwacht
wird, wann ein von den integrierten Signalen abgeleitetes gemitteltes
(oder summiertes) Signal den Schwellenwert erreicht. In beiden Fällen ist
klar, dass die Dauer der Integrationsperiode durch die Zeit definiert
ist, die das integrierte Signal braucht, um den Schwellenwert zu
erreichen, wobei die Zeit von dem Pegel des Lichts, das durch die
photoempfindlichen Elemente erfasst wird, abhängt. Die Dauer der Integrationsperiode
ist folglich variabel.
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Wenn
das oben erwähnte
Integrationsschema in einer optischen Erfassungsvorrichtung oder
in einer optischen Zeigevorrichtung, wie sie oben definiert sind
(d. h. mit einer Lichtquelle, einer Photodetektorvorrichtung und
Umsetzungsmitteln), angewendet wird, ist klar, dass die Dauer der
Integrationsperiode von der Leistung der Lichtquelle und dem Pegel der
von dem beleuchteten Oberflächenabschnitt
reflektierten Strahlung abhängt.
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Die
Tatsache berücksichtigend,
dass der Pegel der von dem beleuchteten Oberflächenabschnitt reflektierten
Strahlung von den optischen Eigenschaften der Oberfläche abhängt, ist
klar, dass die Dauer der Integrationsperiode in Abhängigkeit
von dem Reflexionsvermögen
der Oberfläche
stark variieren kann. Es ist jedoch wünschenswert, eine bessere und
genauere Steuerung bezüglich
der Dauer der Integrationszeit zu haben sowie von dem Oberflächentyp,
der zum Reflektieren der von der Lichtquelle emittierten Strahlung
verwendet wird, weniger abhängig
zu sein. Insbesondere ist erwünscht,
eine kurze Integrationszeit zu haben, um eine höhere Erfassungsgeschwindigkeit
der optischen Erfassungsvorrichtung sicherzustellen sowie ihren
Leistungsverbrauch zu minimieren. Gleichzeitig ist es erwünscht, eine
ausreichend lange Integrationszeit zu haben, um die Leistungsfähigkeit
der analogen Schaltungsanordnung (insbesondere der Integrationsschaltung) nicht
zu verschlechtern. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine solche
Lösung
bereitzustellen.
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Es
ist außerdem
im Stand der Technik, in dem
US-Patent
5 574 480 , eine optische Erfassungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 bekannt.
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Ein
weiteres Dokument des Standes der Technik, das
US-Patent 6 379 013 , offenbart die
Verwendung einer Integrationsschaltung, die die Empfindlichkeit
eines Lichtsensors durch Änderung
der Integrationszeit der Ladung, die durch auf Lichtwandler einfallendes
Licht erzeugt wird, verändert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird eine optische Erfassungsvorrichtung
gemäß Anspruch
1 geschaffen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist der repräsentative
Parameter die Dauer der Integrationsperiode, wobei das Regulierungssystem
Zeitgebermittel zum Steuern der Dauer der Integrationsperiode, Komparatormittel
zum Vergleichen der Dauer der Integrationsperiode mit wenigstens
einem Referenzdauerwert und Leistungssteuermittel zum Steuern der
Leistung der Lichtquelle in Abhängigkeit
von dem Ergebnis des Vergleichs zwischen der Dauer der Integrationsperiode
und dem wenigstens einen Referenzdauerwert umfasst.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist der repräsentative
Parameter eine Rate der Entwicklung des integrierten Ausgangssignals
des wenigstens einen photoempfindlichen Elements, wobei das Regulierungsmittel
Mittel zum Bestimmen der Entwicklungsrate des integrierten Ausgangssignals
während
der Integrationsperiode, Komparatormittel zum Vergleichen der bestimmten
Entwicklungsrate mit wenigstens einem Referenzratenwert und Leistungssteuermittel
zum Steuern der Leistung der Lichtquelle in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs
zwischen der bestimmten Entwicklungsrate und dem wenigstens einen
Referenzratenwert umfasst.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern des
Betriebs einer optischen Erfassungsvorrichtung gemäß Anspruch
7 bereitgestellt.
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Der
repräsentative
Parameter kann wiederum die Dauer der Integrationsperiode oder die
Rate der Entwicklung des integrierten Ausgangssignals des wenigstens
einen photoempfindlichen Elements sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine optische Zeigevorrichtung
geschaffen, die eine Lichtquelle zum sich wiederholenden Beleuchten
eines Oberflächenabschnitts
mit Strahlung umfasst, und eine optische Erfassungseinheit, die
eine Photodetektoranordnung mit mehreren Pixeln umfasst, die auf
Strahlung, die von dem beleuchteten Oberflächenabschnitt reflektiert wird,
ansprechen, wobei jedes der Pixel ein photoempfindliches Element
enthält,
das mit einer Integrationsschaltung gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal
des photoempfindlichen Elements während einer Integrationsperiode
mit variabler Dauer zu integrieren, wobei die Dauer von der Leistung
der Lichtquelle und dem Pegel der von dem beleuchteten Oberflächenabschnitt
reflektierten Strahlung abhängt,
wobei die optische Zeigevorrichtung ferner ein Regulierungssystem
umfasst, das Mittel, um einen Parameter zu bestimmen, der die Entwicklung
der Integration der Ausgangssignale der photoempfindlichen Elemente repräsentiert,
Komparatormittel, um den bestimmten repräsentativen Parameter mit wenigstens
einem Referenzwert zu vergleichen, und Leistungssteuermittel, um
die Leistung der Licht quelle in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs
zwischen dem bestimmten repräsentativen
Parameter und dem wenigstens einen Referenzwert zu steuern, umfasst.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Tatsache, dass
durch die Steuerung der Leistung der Lichtquelle wirksam auf die
Dauer der Integrationsperiode eingewirkt werden kann, und stellt
sicher, dass diese Dauer in den meisten Fällen in der Nähe der vorgegebenen
Referenzdauer bleibt. Es besteht daher die Fähigkeit zu einem gewissen Ausgleichen
des wechselnden Reflexionsvermögens verschiedener
beleuchteter Oberflächen.
Es wird somit für
jeden Oberflächentyp
eine optimale Lichtquellenleistung und Integrationsdauer ermittelt.
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Die
Steuerung der Leistung der Lichtquelle ermöglicht außerdem eine Optimierung des
Leistungsverbrauchs der optischen Vorrichtung. Tatsächlich ermöglicht die
Erfindung eine Auswahl der geeigneteren Lichtquellenleistung, so
dass sich die gewünschte
Integrationsdauer ergibt, d. h., sie ermöglicht eine Optimierung der
Lichtquellenleistung hinsichtlich einer optimalen Integrationszeit.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird die Leistung der Lichtquelle in der
Weise gesteuert, dass die Dauer der Integrationsperiode innerhalb
eines Referenzfensters bleibt, das einen unteren und einen oberen Referenzwert
(die vorzugsweise programmierbar sind) hat, wobei die Lichtquellenleistung
erhöht
wird, um die Dauer der Integrationsperiode unter dem oberen Referenzwert
zu halten, oder gesenkt wird, um die Dauer der Integrationsperiode über dem
unteren Referenzwert zu halten. Ein Referenzfenster ist wünschenswert,
damit die Lichtquellenleistung nicht zu häufig geändert wird, was die Vorrichtungsleistung verschlechtern
kann.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Integration der photoempfindlichen
Elemente unterbrochen werden, falls die Dauer der Integrationsperiode
einen vorgegebenen Zeitüberlaufwert
erreicht. Gleichzeitig kann die Leistung der Lichtquelle erhöht werden.
Falls der Zeitüberlaufzustand
weiter auftritt und die Leistung der Lichtquelle auf ihr Maximum
gesetzt ist, kann dies als Hinweis auf einen "Reflexionsverlust"-Zustand ausgelegt werden, d. h., dass
der Abstand zwischen der Erfassungsvorrichtung und der Oberfläche zu groß ist. Dieser "Reflexionsverlust"-Zustand kann z. B.
auftreten, wenn eine die oben erwähnte Lösung implementierende optische
Maus von der Oberfläche abgehoben
wird, auf der sie normalerweise bewegt wird. In einem solchen Zustand
kann außerdem
die Aktivierungsrate der Lichtquelle, der Photodetektorvorrichtung
und des Regulierungssystems zur Einsparung von Leistung auf ein
Minimum gesetzt werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird folglich außerdem eine optische Erfassungsvorrichtung
geschaffen, die eine Lichtquelle zum Beleuchten eines Oberflächenabschnitts
mit Strahlung, eine Photodetektorvorrichtung mit wenigstens einem
photoempfindlichen Element, das auf Strahlung anspricht, die von
dem beleuchteten Oberflächenabschnitt
reflektiert wird, und Umsetzungsmittel zum Integrieren eines Ausgangssignals
des wenigstens einen photoempfindlichen Elements über die
Zeit während
einer Integrationsperiode mit variabler Dauer, wobei die Dauer von
der Leistung der Lichtquelle und vom Pegel der von dem beleuchteten Oberflächenabschnitt
reflektierten Strahlung abhängt,
umfasst, wobei die optische Erfassungsvorrichtung ferner Mittel
zum Erfassen der Nähe
des beleuchteten Oberflächenabschnitts
in Bezug auf die optische Erfassungsvorrichtung umfasst, wobei die Mittel
Mittel zum Bestimmen, ob die Dauer der Integrationsperiode einen
vorgegebenen Zeitüberlaufwert
erreicht oder wahrscheinlich erreicht, Leistungssteuermittel zum
Erhöhen
der Leistung der Lichtquelle, falls die Dauer der Integrationsperiode
den vorgegebenen Zeitüberlaufwert
erreicht hat oder wahrscheinlich erreichen wird, und Mittel zum
Erfassen, ob die Dauer der Integrationsperiode den vorgegebenen
Zeitüberlaufwert
erreicht hat oder wahrscheinlich erreichen wird und ob die Leistung
der Lichtquelle maximal ist, wobei ein solcher Zustand die Tatsache angibt,
dass ein Abstand zwischen der optischen Erfassungsvorrichtung und
dem Oberflächenabschnitt größer als
ein Betriebsabstand ist, umfassen.
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Weitere
Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
beim Lesen der folgenden ausführlichen
Beschreibung nicht einschränkender
Beispiele und Ausführungsformen
klar, die anhand der beigefügten
Zeichnung gegeben wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
ein Stromlaufplan einer Umsetzungsschaltung, die mit einem photoempfindlichen Element
gekoppelt ist, um dessen Ausgangssignal über die Zeit zu integrieren;
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2 ist
ein Schema, das das Grundprinzip der Erfindung veranschaulicht;
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3 ist
ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform
der optischen Erfassungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
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4 ist
ein Diagramm, das die Entwicklung über die Zeit eines integrierten
Signals bei verschiedenen Beleuchtungszuständen veranschaulicht und mögliche Referenzwerte
zeigt, die zum Vergleich für eine
Steuerung der Leistung der Lichtquelle verwendet werden;
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5 ist
ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform
einer die Erfindung implementierenden optischen Zeigevorrichtung;
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6 ist
ein Ablaufplan, der ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer
optischen Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht; und
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7 ist
ein Diagramm ähnlich
zu dem von 4, das eine Variante zur Steuerung
der Leistung der Lichtquelle veranschaulicht, die auf einer Überwachung
der Entwicklungsrate der integrierten Signale basiert.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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2 veranschaulicht
das Grundprinzip der Erfindung. Sie besteht hauptsächlich aus
einem optischen Erfassungssystem, das eine Lichtquelle 10 zum
Beleuchten eines Abschnitts einer Oberfläche S mit Strahlung, eine Photodetektorvorrichtung 20 mit wenigstens
einem photoempfindlichen Element, das auf Strahlung anspricht, die
von dem beleuchteten Oberflächenabschnitt
S reflektiert wird, Umsetzungsmittel 30, die zum Integrieren
eines Ausgangssignals des wenigstens einen photoempfindlichen Elements über die
Zeit während
einer Integrationsperiode mit variabler Dauer mit dem Ausgang der
Photodetektorvorrichtung 20 gekoppelt sind, und ein Regulierungssystem 40 zum
Steuern der Leistung der Lichtquelle in Abhängigkeit von der Dauer der
Integrationsperiode umfasst. Es wird betont, dass das optische Erfassungssystem
innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung so aufgebaut ist,
dass die Integrationsperiode eine mit Tint angegebene variable Dauer
aufweist, die von der Leistung der Lichtquelle 10 und vom
Pegel der von dem beleuchteten Oberflächenabschnitt S reflektierten
Strahlung abhängt.
Es ist somit klar, dass das optische Erfassungssystem von 2 eine
gewisse Art einer Rückkopplungsschleife enthält, um die
Leistung der Lichtquelle 10 in Abhängigkeit von der Entwicklung
der Integration zu beherrschen.
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Da
dies im Folgenden klar ist, wird das Regulierungssystem 40 zum
Steuern (d. h. Einstellen, falls erforderlich) der Leistung der
Lichtquelle so verwendet, dass die Dauer der Integrationsperiode
unter normalen Bedingungen in der Nähe wenigstens eines Referenzdauerwerts
bleibt. Wie in dem Beispiel von 2 schematisch
veranschaulicht ist, können drei
mit Tmin, Tmax und Ttimeout angegebene Referenzwerte verwendet werden.
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3 zeigt
einen ausführlicheren
Blockschaltplan einer optischen Erfassungsvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Diese Ausführungsform
basiert auf einer Steuerung der Dauer der Integrationsperiode, d.
h., dem Parameter, der die Entwicklung des Integrationsprozesses
repräsentiert,
ist die Dauer der Integrationsperiode. Sie umfasst wiederum eine
Lichtquelle 10, eine Photodetektorvorrichtung 20,
Umsetzungsmittel und ein Regulierungssystem. Die Lichtquelle 10 kann
eine lichtemittierende Diode (LED) oder irgendeine andere geeignete
Quelle zur Erzeugung von Strahlung innerhalb eines gewünschten
Wellenlängenbereichs
sein. Für
eine optische Zeigevorrichtung kann diese LED vorteilhafterweise
eine Infrarot-LED sein. Die Photodetektorvorrichtung 20 ist
natürlich
so zu wählen, dass
sie auf Strahlung anspricht, die von der Lichtquelle 10 emittiert
wird, wobei sie wenigstens ein photoempfindliches Element umfassen
soll. Praktisch umfasst die Photodetektorvorrichtung 20 mehrere
solcher photoempfindlichen Elemente, die vorzugsweise so angeordnet
sind, dass sie eine zweidimensionale Anordnung bilden. Theoretisch
ist die vorliegende Erfindung auf ein optisches System anwendbar,
das lediglich ein photoempfindliches Element besitzt. In 3 ist
somit lediglich ein photoempfindliches Element für Erläuterungszwecke gezeigt.
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Wie
bereits oben erwähnt
ist, integrieren die Umsetzungsmittel das Ausgangssignal des photoempfindlichen
Elements über
die Zeit während
einer so genannten Integrationsperiode mit variabler Dauer. Bei
der Ausführungsform
von
3 ist das photoempfindliche Element mit einer
Integrationsschaltung, die durch das Bezugszeichen
50 angegeben ist,
gekoppelt, deren Arbeitsprinzip dem in Bezug auf
1 beschriebenen ähnlich ist.
Das Steuern und Rücksetzen
der Integrationsschaltung
50 wird adäquat durch eine Steuereinheit
52 ausgeführt. Der Ausgang
der Integrationsschaltung
50 ist mit einem Pegeldetektor
54 (oder
In tegrationsendedetektor) gekoppelt, dessen Zweck es ist, zu erfassen,
wann der Ausgang der Integrationsschaltung
50 (das Integrationssignal)
einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht. Wenn eine solche Bedingung
erfasst wird, gibt der Pegeldetektor
54 ein Unterbrechungssignal an
die Steuereinheit
52 aus, die ihrerseits die Integrationsschaltung
50 anweist,
die Integrationsperiode zu unterbrechen. Das resultierende integrierte
Signal am Ausgang von Schaltung
50 wird einer Verarbeitungsschaltung
(in
3 nicht gezeigt) zur Weiterverarbeitung und Analyse
zugeführt.
Dieses Prinzip entspricht im Wesentlichen dem, das in der bereits erwähnten am
5. Dezember 2001 im Namen des Anwenders eingereichten anhängigen
US-Patentanmeldung Nr. 10/001.963 beschrieben
ist.
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Um
die Dauer der Integrationsperiode zu steuern, ist die optische Erfassungsvorrichtung
von 3 mit einem Zeitgeber 56 versehen, der
mit der Steuereinheit 52 gekoppelt ist. Dieser Zeitgeber 56 wird
jedes Mal dann gestartet, wenn das Integrieren des Ausgangs des
photoempfindlichen Elements 20 mittels der zugehörigen Umsetzungsmittel
begonnen wird. Der Ausgangswert des Zeitgebers 56 ist somit repräsentativ
für die
Dauer der Integrationsperiode. Die Steuereinheit 52 setzt
diesen Zeitgeber 56 vor jeder Aktivierungsperiode des Systems
zurück.
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Die
optische Erfassungsvorrichtung ist ferner mit einem Speichermittel 58 (entweder
des flüchtigen oder
des nichtflüchtigen
Typs) versehen, um den Referenzwert oder die Referenzwerte zu speichern,
die verwendet werden, um die Leistung der Lichtquelle 10 zu
beherrschen. Die Referenzwerte sind vorzugsweise programmierbar,
so dass eine spätere
Einstellung der Betriebsparameter der optischen Erfassungsvorrichtung
möglich
ist.
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Die
Steuereinheit 52 ist mit der Lichtquelle 10 gekoppelt,
um sowohl ihren Betrieb als auch ihre Leistungseigenschaften zu
steuern. Zu diesem Zweck ist ein Register 60 vorgesehen,
um einen Wert zu speichern, der die während jedes Lichtblitzes zu wählende Leistung
der Lichtquelle repräsentiert.
Der Wert dieses Register 60 wird gegebenenfalls durch die
Steuereinheit 52 eingestellt, d. h. gemäß dem von dem Zeitgeber 56 ausgegebenen
Dauerwert entweder erhöht,
gesenkt oder unverändert
gelassen.
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Nunmehr
zu 4 übergehend
wird kurz veranschaulicht, wie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
die Leistung der Lichtquelle in Abhängigkeit von der Integrationsperiode
gesteuert werden kann. 4 ist ein Diagramm, das die
Entwicklung über
die Zeit von integrierten Signalen bei vier verschiedenen Beleuchtungszuständen zeigt.
Die Kurven a bis d veranschaulichen die Entwicklung von vier verschiedenen
integrierten Signalen mit zunehmenden Beleuchtungspegeln. Die drei
in Bezug auf 2 kurz erwähnten Referenzwerte Tmin, Tmax und
Ttimeout sind auf der Zeitachse gezeigt. Auf der Y-Achse ist außerdem ein
mit Veoi angegebener Wert gezeigt, der als Schwellenwert für eine Unterbrechung
der Integration verwendet wird. Die Kurven a, b, c veranschaulichen
drei Fälle,
in denen eine Unterbrechung der Integrationsperiode vor Tmin (im
Bereich Tint < Tmin),
nach Tmin und vor Tmax (im Bereich Tmin ≤ Tint ≤ Tmax) bzw. nach Tmax (im Bereich
Tint > Tmax) erfolgt.
Dagegen veranschaulicht die Kurve d einen Fall, in dem eine Unterbrechung der
Integrationsperiode zum Zeitpunkt Ttimeout erfolgt, bevor das integrierte
Signal den Schwellenwert Veoi erreicht.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
von 4 wird der Bereich der Dauer zwischen Tmin und Tmax
als Zielbereich oder Fenster ausgewählt, innerhalb dem es erwünscht ist,
die Dauer der Integrationsperiode zu halten. Unter Tmin wird die
Dauer der Integrationsperiode als zu kurz angesehen, was die Sensorleistung
verschlechtern kann, wobei die Dauer der Integrationsperiode über Tmax
als zu lang angesehen wird, was eine negative Auswirkung auf die Sensorgeschwindigkeit
und den Leistungsverbrauch hat. Innerhalb des Fensters Tmin-Tmax wird die Dauer
der Integrationsperiode als hinreichend angesehen. Eine Einstellung
der Dauer der Integrationsperiode ist folglich lediglich dann erforderlich,
wenn die Dauer der Integrationsperiode aus dem Referenzfenster Tmin-Tmax
fällt.
Die Verwendung eines Referenzfensters mit seiner unteren und seiner
oberen Grenze Tmin, Tmax ist vorzugsweise so, dass die Leistung
der der Lichtquelle nicht zu häufig
geändert wird,
was ebenso Auswirkungen auf die Sensorleistung haben kann.
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Es
ist klar, dass unter Tmin zu viel Strahlung von der beleuchteten
Oberfläche
reflektiert wird und dass die Leistung der Lichtquelle dementsprechend gesenkt
werden sollte, um diese zu starke Beleuchtung auszugleichen. Es
wird natürlich
wird vorausgesetzt, dass der durch die Photodetektorvorrichtung erfasste
Beleuchtungspegel im Wesentlichen vom Pegel der Strahlung abhängt, die
von der Lichtquelle emittiert und von dem beleuchteten Oberflächenanschnitt
reflektiert wird, und dass dieser Beleuchtungspegel nicht hauptsächlich auf
irgendeine andere äußere Quelle
zurückzuführen ist.
Es sollte jedoch erwähnt
werden, dass, wenn die Leistungssenkung der Lichtquelle nicht zu
der erwarteten Erhöhung
der Dauer der Integrationsperiode führt, dies als Hinweis auf eine
Störung
durch eine sich in der Nähe
der Photodetektorvorrichtung befindende parasitäre Quelle (wie etwa Umgebungslicht
oder irgendeine andere Quelle von Strahlung innerhalb des Arbeitswellenlängenbereichs)
verwendet werden kann.
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Im
Gegensatz zu der oben erwähnten
Situation wird über
Tmax der Pegel des von dem beleuchteten Oberflächenbereich reflektierten Lichts
als zu niedrig und die Dauer der Integrationsperiode daher als zu
lang angesehen. Die Leistung der Lichtquelle sollte deshalb erhöht werden,
um die Dauer der Integrationsperiode zu reduzieren, so dass sie
wieder in das Zielfenster fällt.
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Die
Verwendung des dritten Referenzwerts Ttimeout ist nützlich,
um die folgenden Aufgaben zu lösen.
Bei einigen außergewöhnlichen
Bedingungen kann der Pegel des von der Photodetektorvorrichtung
erfassten Lichts so niedrig sein, dass es inakzeptabel wird (hauptsächlich aus
Gründen
hinsichtlich Sensorleistung und Leistungsverbrauch), die Umsetzungsmittel
das Ausgangssignal der Photodetektorvorrichtung bis zum Schwellenwert
Veoi integrieren zu lassen. Eine solche Bedingung kann z. B. auftreten,
wenn kein Licht mehr von dem Oberflächenabschnitt reflektiert wird
(die optische Erfassungsvorrichtung ist z. B. von der beleuchteten
Bezugsoberfläche
abgehoben). Daher wird mit Ttimeout eine äußerste Grenze oder ein Zeitüberlaufwert
definiert, über
der bzw. dem keine Integration mehr erfolgen soll. Im Gegensatz
zu normalen Situationen, in denen die Signale integriert werden,
bis sie den Schwellenwert Veoi erreichen, wird die Integration unterbrochen,
bevor der Schwellenwert Veoi erreicht wird, sobald die Dauer der
Integrationsperiode die Zeitüberlaufgrenze
Ttimeout erreicht.
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Wie
wiederum bei der Ausführungsform
von 3 gezeigt ist, unterbricht die Steuereinheit 52 den
Betrieb der Integrationsschaltung 50, sobald der Wert des
Zeitgebers 56 den Zeitüberlaufwert
Ttimeout erreicht. Außerdem
erhöht
die Steuereinheit 52 die Leistung der Lichtquelle 10 durch
Einstellen des Registers 60 weiter. Falls der Zeitüberlaufzustand weiter
auftritt und die Leistung der Lichtquelle 10 schließlich nach
mehreren aufeinander folgenden Lichtblitzen ihr Maximum erreicht
(wobei das Maximum durch die absoluten Grenzen der Lichtquelle und
ihrer Treiber bestimmt ist), kann dies als Hinweis auf einen "Reflexionsverlust"-Zustand gelten (d. h., "die optische Maus
ist von der Oberfläche
abgehoben worden").
Dieser Zustand kann ferner an das Anwender- oder Host-System übertragen
und ausgegeben werden, mit dem die optische Erfassungsvorrichtung
ver bunden ist. Es ist daher klar, dass dadurch ein Mittel zum Erfassen
der Nähe
der Erfassungsvorrichtung in Bezug auf den Oberflächenabschnitt,
der beleuchtet werden soll, bereitgestellt wird.
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Sollte
der "Reflexionsverlust"-Zustand erfasst
werden (d. h., Tint > Ttimeout
und die Lichtquellenleistung auf ihrem Maximum), ist es außerdem vorteilhaft,
ferner auf die Aktivierungsrate der optischen Erfassungsvorrichtung
einzuwirken. Tatsächlich
wird, wie bereits erwähnt
ist, die optische Erfassungsvorrichtung (d. h. die Lichtquelle,
die Photodetektorvorrichtung, die Umsetzungsmittel und das Regulierungssystem)
typischerweise mit einer ausgewählten
Aktivierungsrate sowie in einer ausgewählten Aktivierungsperiode aktiviert
(wobei die Aktivierungsperiode länger
als die Integrationsperiode ist). Wenn der "Reflexionsverlust"-Zustand erfasst wird, kann folglich
die Aktivierungsrate zwecks Leistungseinsparung auf ein Minimum
gesenkt werden. Dieses Minimum sollte unter Bezug auf die Höhe des Leistungsverbrauchs,
der eingespart werden kann, und mit Bezug auf die Zeit, die es dauert,
bis das System erfasst, dass eine Reflexion von der beleuchteten Oberfläche wiederhergestellt
worden ist, ausgewählt werden.
Ferner kann das Melden von Bewegungsinformationen von der optischen
Zeigevorrichtung ausgesetzt werden.
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In 6 wird
ein bevorzugter Betrieb einer optischen Erfassungsvorrichtung innerhalb
des Umfangs der Erfindung kurz beschrieben, der im Wesentlichen
die verschiedenen Elemente zusammenfasst, die oben beschrieben worden
sind. 6 zeigt einen Ablaufplan der Operationen, die
während
jedes Lichtblitzes (oder jeder Aktivierungsperiode) der optischen
Erfassungsvorrichtung durchgeführt
werden können.
Dieser Ablaufplan, der im Folgenden beschrieben wird, ist insbesondere
sowohl auf die optische Erfassungsvorrichtung von 2 als
auch auf die optische Zeigevorrichtung von 5 anwendbar.
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Nach
dem Start des Lichtblitzes besteht der erste Schritt S1 aus 6 in
der Aktivierung der Lichtquelle. Diese Aktivierung wird unter Berücksichtigung
der Leistungseinstellungen vorgenommen, die in einem zugeordneten
Register gespeichert sein können,
wie bereits erwähnt
ist. Als Nächstes
beginnt in Schritt S2 sowohl die Integration des Ausgangssignals
der Photodetektorvorrichtung als auch der Steuerbetrieb der Dauer
der Integrationsperiode.
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In
Schritt S3 wird überwacht,
ob die Dauer, die das gesetzte Tint ist, den Zeitüberlaufwert
Ttimeout erreicht. Mit Ja fährt
der Prozess in Schritt S9 fort. Mit Nein fährt der Prozess in Schritt
S4 fort, in dem geprüft
wird, ob der Integrationsende-Zustand (E.O.I.-Zustand) erreicht
worden ist. Solange wie die Dauer Tint den Zeitüberlaufwert nicht erreicht
hat und das Integrationsende nicht erfasst worden ist, werden die
Schritte S3 und S4 fortlaufend ausgeführt.
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Wenn
in Schritt S4 der Integrationsende-Zustand erfasst wird, werden
in Schritt S5 der Integrationsbetrieb und der Steuerbetrieb unterbrochen
und die Lichtquelle wird deaktiviert. Die Dauer Tint wird in Schritt
S6 mit dem unteren und dem oberen Referenzwert Tmin und Tmax des
Zielfensters verglichen. Die Leistung der Lichtquelle wird entweder
in Schritt S7 gesenkt, wenn Tint < Tmin
ist, unverändert
gelassen, wenn Tmin ≤ Tint ≤ Tmax ist,
oder in Schritt S8 erhöht,
wenn Tint > Tmax ist.
Die Schritte S7 und S8 können
vorteilhafterweise in einer Dekrementierung bzw. Inkrementierung
des Leistungsregisters bestehen, wobei die Einstellung schrittweise
ausgeführt wird.
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Wenn
der Zeitüberlaufzustand
nach dem Vergleich von Tint und dem Referenzwert Ttimeout in Schritt
S3 erfasst wird, werden in Schritt S9 der Integrationsbetrieb und
der Steuerbetrieb unterbrochen und die Lichtquelle wird deaktiviert.
Nachfolgend wird in Schritt S10 geprüft, ob die Leistung der Lichtquelle bereits
auf ihrem Maximum ist. Wenn nicht, geht der Prozess zu Schritt S8 über, um
die Leistung der Lichtquelle zu erhöhen. Wenn ja gilt in Schritt
S11, wie bereits erwähnt
ist, dass ein "Reflexionsverlust"-Zustand eingetreten
ist. Als Nächstes
wird in Schritt S12 die Aktivierungsrate des Systems zur Leistungseinsparung
auf ein Minimum gesetzt.
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Der
Prozess von 6 wird während jeder Aktivierungsperiode
des Systems in ähnlicher
Weise wiederholt. Der Ablaufplan von 6 ist natürlich rein
erläuternd
und soll nicht als eine Einschränkung des
Umfangs der Erfindung betrachtet werden. Die Schritte können in
vielfältigen
Aspekten abgewandelt werden. Die Schritte S11 und S12 sind z. B.
optional und es können
zusätzliche
Schritte vorgesehen werden. Vorausgesetzt, dass die Aktivierungsrate
in Schritt S12 eingestellt wird, werden z. B. Schritte erforderlich,
um zu erfassen, ob eine Reflexion wiederhergestellt worden ist.
Dies kann leicht ausgeführt werden,
indem eine Neueinstellung der Aktivierungsrate auf ihren Nennwert,
nachdem der Integrationsende-Zustand in den Schritten S4 und S5
erfasst ist, vorgesehen wird.
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Statt
einer Einstellung der Leistung der Lichtquelle am Ende der Aktivierungsperiode
kann alternativ eine Leistungsteuerung "on-the-fly", während die Lichtquelle
aktiviert ist, ausgeführt
werden. Dies kann erreicht werden, vorgesetzt, dass die Steuereinheit
dazu ausgestaltet ist, die Entwicklungsrate der integrierten Signale überwachen
zu können. Wenn
die integrierten Signale (gemitteltes Signal oder maximales Signal)
zu langsam oder zu schnell wachsen, könnte dies schnell genug erkannt
werden, um die Lichtquellenleistung zu erhöhen bzw. zu senken, während die
Lichtquelle eingeschaltet ist. Genauer kann dies, wie durch das
Diagramm von 7 veranschaulicht ist, durch
eine Bestimmung der Entwicklungsrate zu einem Zeitpunkt, der mit
Tr angegeben ist, vor dem unteren Referenzwert Tmin ausgeführt werden.
Da die Entwicklung des integrierten Signals im Wesentlichen als
linear angenommen werden kann (die Beleuchtungsbedingungen sind
während
einer Aktivierungsperiode der Lichtquelle im Wesentlichen konstant),
kann auf der Grundlage der Steigung der Kurve des integrierten Signals
die eigentliche Dauer der Integrationsperiode vorhergesagt werden,
wobei abgeschätzt
werden kann, ob sie innerhalb des vorgegebenen Referenzfensters
bleiben wird oder nicht. Im Gegensatz zur vorherigen Ausführungsform
ermöglicht
dies eine Leistungseinstellung der Lichtquelle, während sie
aktiviert ist.
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Selbstverständlich kann
dasselbe Prinzip angewendet werden, um zu bestimmen, ob wahrscheinlich
ein Zeitüberlaufzustand
eintreten wird. Insbesondere kann die Entwicklungsrate des integrierten
Ausgangssignals mit einer vorgegebenen Entwicklungsrate verglichen
werden, die einer Rate entspricht, unter der erkannt und vorhergesagt
werden kann, dass die Dauer der Integrationsperiode schließlich den
vorgegebenen Zeitüberlaufwert Ttimeout
erreichen wird. Diese Zone ist in 7 als der "ZEITÜBERLAUFBEREICH" angegeben. Es kann
entweder entschieden werden, die Integration zu unterbrechen, wenn
ein solcher Zustand eintritt, oder die Lichtquellenleistung einzustellen,
und zwar zu erhöhen,
wenn dies noch möglich
ist. Falls die Leistung der Lichtquelle auf ein Maximum gesetzt wird,
kann dieses Verfahren wiederum genutzt werden, um einen Annäherungssensor
zu implementieren.
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Nunmehr
zu
5 übergehend
wird eine Ausführungsform
einer optischen Zeigevorrichtung beschrieben, die das Regulierungsschema
auf der Grundlage der Steuerung der Dauer der Integrationsperiode
implementiert. Die Komponenten, die im Wesentlichen ähnlich zu
denen der Ausführungsform von
2 sind,
sind durch dieselben Bezugszeichen angegeben, und zwar die Licht quelle
10,
die Steuereinheit
52, der Integrationsendedetektor
54,
der Zeitgeber
56, das Speichermittel
58 und das
Register
60. Im Gegensatz zur Ausführungsform von
2 ist
die Ausführungsform
von
5 speziell für
eine Verwendung in einer optischen Zeigevorrichtung wie etwa einer
Maus oder ein Trackball ausgelegt. Diese Ausführungsform umfasst folglich
eine optische Erfassungseinheit
70 mit einer Photodetektoranordnung, die
mehrere Pixel
71 umfasst, die auf von dem Oberflächenabschnitt
S reflektierte Strahlung ansprechen. Jedes Pixel umfasst die Anordnung
aus einem mit einer entsprechenden Integrationsschaltung gekoppelten
photoempfindlichen Element. Jede Pixelkonfiguration kann im Wesentlichen ähnlich zu
der in
1 gezeigten sein. Die Pixelausgänge werden
sowohl dem Integrationsendedetektor
54 als auch einer Komparatoranordnung
80 zugeführt. Die
Komparatoranordnung besteht im Wesentlichen aus mehreren Komparatorschaltungen,
die zum Extrahieren von Kanteninformationsdaten von den Pixelausgängen verwendet
werden, d. h. von Daten, die im Wesentlichen von der Bewegungsverarbeitungsschaltung (nicht
gezeigt) gemäß der so
genannten "Kantenbewegungserkennungs"-Technik genutzt
werden, die in der Einleitung der Patentschrift kurz erwähnt ist.
Die spezifische Schaltungskonfiguration ist Teil des Gegenstands
der am 3. Dezember 2002 eingereichten anhängigen internationalen Anmeldung
Nr.
PCT/EP 02/13686 (veröffentlichte
internationale Anmeldung Nr.
WO
03/049018 ), die oben erwähnt worden ist und hier nicht
erneut beschrieben wird.
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Im
Gegensatz zu der Ausführungsform
von 2 ist der Integrationsendedetektor 54 zum Überwachen
der Ausgänge
aller Pixel vorgesehen. Sobald ein Integrationsende erfasst wird,
unterbricht die Steuereinheit 52 die Integration aller
Integrationsschaltungen in der Photodetektoranordnung 70 gleichzeitig.
Ein Integrationsende kann auf im Wesentlichen zwei Arten erfasst
werden. Eine erste Lösung
besteht in einer bloßen Überwachung
des integrierten Signals, das durch das hellste Pixel in der Anordnung 70 bereitgestellt
wird, d. h. das Pixel, das am stärksten
beleuchtet wird, und erfasst, wann dieses integrierte Signal den
Schwellenwert Veoi erreicht. Eine weitere Lösung besteht in der Mittelung aller
Pixelausgänge
sowie dem Erfassen, wann das resultierende gemittelte Signal den
Schwellenwert Veoi erreicht.
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Die
Ausführungsform
von 5 funktioniert im Wesentlichen in einer ähnlichen
Weise zu der von 2. Und zwar unterbricht die
Steuereinheit 52 beim Erfassen des Integrationsende-Zustands
durch den Detektor 54 den Betrieb der Integrationsschaltungen
und vergleicht danach die gesetzte Dauer Tint der Integrationsperiode,
die durch den Zeitgeber 56 bereitgestellt wird, mit den
im Speicher 58 gespeicherten Referenzwerten Tmin und Tmax.
Entsprechend dem Ergebnis dieses Vergleichs wird die Leistung der
Lichtquelle 10 entweder gesenkt, wenn die Dauer Tint kleiner
als Tmin ist, erhöht,
wenn die Dauer Tint größer als
Tmax ist, oder unverändert
gelassen, wenn die Dauer Tint im Zielfenster Tmin-Tmax liegt. Die
Leistung wird wiederum durch eine schrittweise Einstellung des Registers 60 eingestellt.
Beim nächsten
Lichtblitz wird die Lichtquelle 10 gemäß dem Wert des Registers 60 betrieben.
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Während die
Integrationsschaltungen arbeiten, überwacht außerdem die Steuereinheit 52 ferner die
gesetzte Dauer, die durch den Zeitgeber 56 geliefert wird,
und vergleicht sie mit dem dritten Referenzwert oder Zeitüberlaufwert
Ttimeout. Falls ein Zeitüberlauf
erfolgt, weist die Steuereinheit 52 die Integrationsschaltungen
an, die Integration zu unterbrechen (außerdem deaktiviert die Steuereinheit 52 die
Lichtquelle), und inkrementiert das Register 60 für den nächsten Lichtblitz.
Wenn die Einstellungen der Lichtquelle 10 bereits auf dem
Maximum sind, erzeugt die Steuereinheit 52 vorteilhafterweise
ein "Reflexionsverlust"-Warnsignal und senkt
schließlich
die Aktivierungsrate des Systems.
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Während die
Erfindung mit Bezug auf bestimmte spezifische Ausführungsformen
beschrieben ist, sind diese Ausführungsformen
selbstverständlich nicht
als Einschränkungen
der Erfindung gedacht. Tatsächlich
sind für
den Fachmann auf dem Gebiet vielfältige Änderungen und/oder Anpassungen,
ohne von dem Umfang der beiliegenden Ansprüche abzuweichen, offensichtlich.
Zum Beispiel sind die vorgeschlagenen Ausführungsformen nicht zwangsläufig auf
Vorrichtungen mit einer lichtemittierenden Diode als Lichtquelle
oder Photodioden als photoempfindliche Elemente beschränkt. Jede
andere geeignete Lichtquelle und jedes andere geeignete photoempfindliche
Element kann verwendet werden.
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Außerdem kann,
wie bereits erwähnt
ist, eine Einstellung der Leistung der Lichtquelle entweder am Ende
jeder Aktivierungsperiode (oder jedes "Lichtblitzes") oder "on-the-fly", während
die Lichtquelle aktiviert ist und die Umsetzungsmittel noch laufen,
ausgeführt
werden.