JP2005050350A - 光学ナビゲーション方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い種類の表面でのナビゲーションに適した方法および装置が提供される。
【解決手段】鏡面反射を用いて典型的な表面に関する相対運動が求められる。特定の適用は、コンピュータのマウスである。
【選択図】 図３ｂ

Description

本出願は、運動検知装置に関するものであり、とりわけ、鏡面反射像を利用して、相対運動を求める装置、システム、及び、方法に関するものである。

光学式相対運動検出装置は、一般に、像相関手法（image correlation technique） 上を通過する際、または、表面がナビゲーション装置を通過する際の、表面の像を捕捉することによって、ナビゲーション装置と表面との間における相対運動を求める。表面に対するナビゲーション装置の相対運動の変位量及び方向は、両方とも、１つの像とそれに後続する像を比較することによって求められる。一般に、表面に投げかけられた影による強度変動が検出されるが、この手法の感度及び適用性は、捕捉像の強度コントラストによって決まる。相対運動ナビゲーション装置は、例えば、コンピュータ・スクリーン・ポインタ（例えば、マウス）の制御に用いられる。

先行技術文献には、光学式マウス、他のハンドヘルド式ナビゲーション装置、及び、ハンドヘルド式スキャナの例について開示したものがある（例えば、特許文献１、２、３、４、５、及び、６参照）。これらの特許文献は参照することによって本明細書に組み込まれる。

一般的な既存の光学ナビゲーション装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用して、ナビゲーションされる表面を斜め照射する。５〜５００μｍほどの表面上における高さ変動は、幾何学的光線光学によって明らかにされる影を投げかける。影パターン像のサイズ及びコントラストは、部分的に、高さ変動領域全体にわたる表面タイプによって決まる。一般に、検出器は、表面の法線方向における反射を受光するように配置されており、表面と入射角の角度は、一般に、暗視野結像によってよく知られているように、影パターン像のコントラストを最適化するように選択される。入射角の典型的な値は、約５度〜約２０度の範囲内である。

ホワイトボード、高光沢紙、プラスチック、または、塗装金属のような平滑な表面は、一般的な現行の光学ナビゲーション装置に対して機能上の難問を提示する。一般に、平滑な表面は、少なめの中空間周波数構造と多めの高空間周波数構造を含む表面である。信号レベルを高めるため、ＬＥＤの照射には、大光パワーが必要になり、結果として、一般に、３０ｍＡを超える電流が引き出されることになる。

米国特許第５，７８６，８０４号明細書 米国特許第５，５７８，８１３号明細書 米国特許第５，６４４，１３９号明細書 米国特許第６，４４２，７２５号明細書 米国特許第６，２８１，８８２号明細書 米国特許第６，４３３，７８０号明細書

本発明によれば、あらかじめ選択された角度分布の反射光が、光学ナビゲーション装置の検出器によって捕捉される。一般に、光学ナビゲーション装置の検出器は、表面からの鏡面反射を捕捉するように配置される。鏡面反射によって、影パターン像とスペックル・パターンの両方と異なる表面像が生じる。鏡面反射の場合、一般に、影パターン像アプローチに比べて優れた信号が得られる。このため、極めて平滑な表面においても、高コントラストの像を得ることが可能である。さらに、光は、やはり、鏡面反射方向に散乱するので、ランバート面に関して、像の質が保持される。鏡面反射像は、照射源の波長によって決まり、一般に、照射源の帯域幅が狭くなるにつれて、鏡面反射のコントラストが強まるので、従って、レーザ・ベースの照射によって、コントラストが最も強くなる。

本発明によれば、その波長が検出器の応答曲線のピークに位置する照射源を利用することによって、パワー要件を軽減することが可能である。鏡面反射像のコントラストは、照射源の空間的及び時間的コヒーレンスの程度によって決まる。垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）または狭帯域発光ダイオード（ＬＥＤ）のような狭帯域照射源を利用すると、弱いパワーで像コントラストを強めることが可能になる。帯域幅を広くすると、さまざまな波長で照射された、個々の散乱光からの戻り分がインコヒーレントに加わるので、平均化が導入され、結果として、コントラストが弱くなる。従って、本発明によれば、照射源の帯域幅は、信頼できる光学ナビゲーションのため、コントラストの十分に強い像を得るのに十分なコヒーレント干渉を生じるように、十分に狭くしなければならない。例えば、帯域幅が２０ｎｍほどの照射源によって、オフィス・デスクトップ環境における広範囲の表面上での光学ナビゲーションに十分なコントラストが得られる。

光ビームが平滑な表面に入射すると、入射ビームの光線は反射するが、平滑な表面を離れる際、光束内に集中した状態のままである。しかし、表面が微視的に粗い場合、光線は、反射して、多くの異なる方向に散乱する。表面粗さに対応する空間周波数は、照射波長を基準にすることが可能である。各個別光線は、反射の法則に従う。しかし、表面が粗い場合、各個別光線は配向の異なる表面の一部に当たる。従って、入射光線が異なれば、表面の法線も異なることになる。このため、個別光線が反射の法則に従って反射すると、個別光線は、異なる方向に散乱する。さらに、コヒーレント照射または準コヒーレント照射が用いられると、鏡面反射像において、反射光及び散乱光間の干渉によって生じる高コントラストの強度パターンを観測することが可能になる。ナビゲーションのため、干渉効果によって、像のコントラストを強めることが可能になる。

図１ａ〜図１ｃには、異なるタイプの表面から反射される光が例示されている。図１ａには、ランバート表面１４０から反射されて、ビーム・パターン１３６を形成する光ビーム１３５が例示されている。ランバート表面１４０は、完全拡散表面であり、小表面のコンポーネントからある特定方向に放射される光の強度が、表面１４０に対する法線１９９の角度の余弦に比例する。図１ｂには、鏡面反射体表面１５０から反射して、θ_r＝θ_iの角度をなすビーム１４６を形成する光ビーム１４５が示されている。ここで、これらの角度は、表面の法線１９９に対して決められる。図１ｃには、表面１６０から反射して、ビーム１５６を形成する光ビーム１５５が示されている。表面１６０は、表面特性が表面１４０と表面１５０の中間であり、ビーム・パターン１５６に対する鏡面反射成分並びにランバート成分が存在する。

鏡面反射が光スペックルに関連していない点に留意することが重要である。鏡面反射による像は、コヒーレント光または準コヒーレント光でナビゲーションされる表面の像形成によって得られる。本発明に従って得られる特徴の豊かな像は、異なるタイプの表面間において著しい変化を示し、一般に、基本的な表面に対して１対１の相関関係を有している。対照的に、スペックル像は、かなり静的な特性であり、第１次近似結果が、異なるタイプの表面間で変化することはない。スペックル像は、基本的可視表面特徴（visible underlying surface feature）に対する１対１の対応が制限される像パターンを示す。スペックルは、物体をコヒーレント光で照射したときにはいつでも生じるが、光スペックルの平均サイズは、一般に、典型的な光学ナビゲーション用途のための結像アレイのピクセル・サイズよりも小さい。ピクセル・サイズが平均スペックル・サイズよりかなり大きい場合には、検出器アレイのピクセルに入射する複数の明暗スペックル特徴が、そのピクセル領域全体にわたって平均化されるので、スペックルは、もはや光学ナビゲーションにとって信頼できるパターンではない。例えば、Ｆナンバが１０の結像系及び８５０ｎｍで動作するレーザ光源を例として取り上げると、平均スペックル・サイズ＝ｆ×λの公式を利用した場合、結果として、平均スペックル・サイズ＝８．５μｍになる。ここで、ｆはＦナンバであり、λは波長である。ここで、ピクセル・サイズが６０μｍの典型的な検出器アレイを取り上げると、結果として、４９を超えるスペックルが検出器アレイの各ピクセルによって結像することになる。結果生じる平均化によって、スペックル分布から潜在的にナビゲーション可能な特徴が除去されることになる。

図１ｄは、本発明に従って、粗い表面１０５からの散乱を例示した概略図である。入射光線１１０、１１５、１２０、１２５、１３０は、それぞれ、反射の法則に従い、結果として、粗い表面１０５からの反射光線１１０’、１１５’、１２０’、１２５’、１３０’を生じることになり、反射時に散乱する。本明細書において言及される光は、約１ナノメートル（ｎｍ）から約１ミリメートル（ｍｍ）に及ぶ波長範囲の電磁放射線を含むことを意図したものである。

図２には、本発明に従って、表面からの鏡面反射のより詳細な図が示されている。入射光線２０５は、表面２２０による反射前の角座標がφ_i、θ_iである。一般に、表面２２０は、反射光の反射角に影響を及ぼす微視的粗さまたは光学的凹凸を備えている。反射光線２１０が、φ_r0±δφ_r，θ_r0±δθ_rによって決まる角円錐内に含まれる場合、光線２０５に対応する表面要素が検出器によって捕捉されることになる。

図３ａは、ナビゲーションに鏡面反射を利用することに基づく光学ナビゲーション・システム３００に関する、本発明による高レベルのブロック図である。表面３３０が、光源装置３０４からの光ビーム３９８によって照射される。鏡面反射光ビーム３９９は、表面３３０から反射されて、検出器アレイ装置３１１によって検出され、検出器アレイ装置３１１から、プロセッサ３２０に送られる信号３７０が生じる。プロセッサ３２０は、信号３７０に応答して、出力信号３７５を送り出す。出力信号３７５は、例えば、コンピュータ・スクリーン上のポインタ位置を動かすために利用可能である。プロセッサ３２０は、光学ナビゲーション装置３０３の一部とすることもできるし、あるいは、光学ナビゲーション・システム３００の他のどこかに配置することも可能である。本発明によれば、光学ナビゲーション装置３０３の実施態様には、手で動かすことが可能な、コンピュータ・システム用の光学式マウスとすることが可能なものもある。

図３ｂには、本発明による光学ナビゲーション装置３０３のコンポーネントに関する単純化された説明図が示されている。光源装置３０４（図３ａ参照）の一部である光源３０５は、表面の法線３５０に対して入射角θ_iをなすように配置され、レンズ３０１に入射して、ビーム３１５’を生じる、光ビーム３１５を送り出す。レンズ３０１は、主として、ビーム３１５の集光効率を高める働きをし、オプションである。レンズ３０１は、例えば、視準レンズとすることが可能である。しかし、例えば、光源３０５がＶＣＳＥＬまたは端面発光型レーザのようなレーザである場合には、ビーム３１５を視準する必要はない。光源３０５は、狭帯域ＬＥＤ（発光ダイオード）、または、狭帯域幅フィルタを備えたＬＥＤのような準コヒーレント光源である場合、平滑な表面におけるナビゲーションに、レンズ３０１または開口絞りが必要になる可能性がある。開口絞りを利用すると、表面３３０に対する入射パワーが低下するが、空間コヒーレンスが改善される。レンズ３０１を利用する場合には、レンズ３０１は、回折レンズまたは屈折レンズ、あるいは、他の適合する光学素子とすることが可能であり、光学的コーティングを施すことによって、性能を高めることが可能である。従来の狭帯域ＬＥＤと共に、開口絞りを用いる代わりに、狭帯域端面発光ＬＥＤを光源として利用することも可能である。

この特許に関して、検出器は、光子を電気信号に変換する装置と定義される。検出器アレイ装置３１１の一部をなす検出器アレイ３１０（図３ａ参照）は、

になるように選択された反射角θ_rの位置にある。表面３３０から反射した

の光線３６５だけがビーム３１７を構成し、検出器アレイ３１０によって受光される。表面３３０の照射部分は、レンズ３０７によって結像する。表面３３０のポイント３１６は、レンズ３０７によって検出器アレイ３１０のポイント３１６’に結像する。従って、結像光学素子によって、検出器アレイ３１０による像の捕捉が可能になる。コヒーレント光源によって生じる像には、一般に、表面特徴と干渉特徴が含まれている。像内に存在するスペックルには、本発明によるナビゲーションにとって重要なものはない。干渉特徴は、鏡面反射フィールド内における個別光線のコヒーレントな付加によって生じる。結像レンズ３０７は、表面３３０の部分を結像するために回折レンズまたは屈折レンズ、あるいは、他の適合する光学素子であっても良い。誘電体薄膜で光学的コーティングを施して、性能を高めることが可能である。光源３０５は、一般に、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）または端面発光レーザのような狭帯域レーザ光源であるが、狭帯域ＬＥＤとすることも可能であり、一方、検出器アレイ３１０は、一般に、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＧａＡｓ、アモルファス・シリコンまたは、他の適合する検出器アレイである。検出器アレイ３１０の性能は、検出器アレイ３１０に反射防止コーティングを施すことによって向上させることが可能である。

表面のコントラスト及び解像度が高くなると、光学ナビゲーション装置３０３は平滑な表面上におけるナビゲーションが可能になる。有効表面解像度は、表面３３０のようなナビゲーション表面上において解像可能な最小特徴として定義される。有効表面解像度は、変調伝達関数、光学素子の倍率、及び、検出器アレイ３１０のような検出器アレイの有効ピクセル・サイズによって決まる。倍率が固定されている場合、表面解像度を高めるには、例えば、検出器アレイ３１０のピクセルを小さくすることが必要になる。表面３３０上における光学ナビゲーション装置３０３の最高ナビゲーション速度は、検出器アレイ３１０の最高フレーム率、並びに、相互相関計算の処理時間によって制限される。表面３３０に対する光学ナビゲーション装置３０３の物理的変位は、有効ピクセル・サイズを単位にして測定される。有効ピクセル・サイズは、表面３３０上におけるピクセルの像サイズである。これは、光学ナビゲーション装置３０３の検出器アレイ３１０のピクセル・サイズが小さくなると、光学ナビゲーション装置３０３の応答性または最高ナビゲーション速度が低下することを表わしている。一般に、検出器アレイ３１０、プロセッサ３２０、総合電力消費、及び、所望の応答性間におけるトレードオフが検討され、本発明による実施態様の表面解像度及び光学倍率に達するように調整される。

光学ナビゲーション装置３０３が表面３３０に対して移動するにつれて、光学ナビゲーション装置３０３と表面３３０の間のさまざまな相対位置に、狭帯域幅の散乱パターンが生じる。各散乱パターンは、検出器アレイ３１０の視野内にある表面３３０からの鏡面反射によって生じる。狭帯域幅の散乱パターン像は、光源３０５の波長に大きく左右される。一般に、光源３０５の波長は、検出器アレイ３１０のピークになるように選択される。像のコントラスト及び信号は、一般に、先行技術による影パターン光学ナビゲーション・システムよりも改善されるので、よりフレーム率の高い捕捉によって、より高速のナビゲーションを可能にする、像積分時間の短縮が必要になる。

プロセッサ３２０に順次記憶された狭帯域幅の鏡面反射像を比較することによって、表面３３０に対する光学ナビゲーション装置３００の相対運動を求めることが可能である。一般に、順次狭帯域散乱パターン像の相関を利用して、相対運動の変位量が求められる。順次捕捉される散乱パターン像は、互いに部分的に重なり合う。従って、プロセッサ３２０は、各散乱パターン像の特徴を識別して、相対運動の変位量及び方向を計算する。順次散乱パターン像を記憶すると、標準的な像相関アルゴリズムを用いるプロセッサ３２０によって、重なり合う特徴を識別し、方向及び変位量が得られるようにすることが可能である。さらなる詳細については、例えば、参考までに本明細書に援用されている米国特許第５，７８６，８０４号明細書において知ることが可能である。本発明によれば、例えば、ガラスのような、光学的に研磨されたわけではないが、極めて平滑な表面上においてさえ、相対運動を確認することが可能である。

図４は、光学式マウス４２５が固定表面４３０上を移動する、本発明によるシステム４００を表わしたものである。光学式マウス４２５には、一般に、図３ａの検出器アレイ装置３１１のような検出器アレイ装置が含まれている。一連の鏡面反射像が、一般に、光学式マウス４２５において、プロセッサ３２０（図３ａ参照）によって位置情報に変換され、有線方式でまたは無線方式で中央演算処理装置４７５に送られ、矢印のような位置ポインタとしてビデオ・スクリーン４７０上に表示される。あるいはまた、検出器アレイ装置３１１（図３ａ参照）から中央演算装置４７５に生または中間データを送って、処理を加えることも可能である。無線接続は、無線周波数または赤外周波数で行うことが可能であり、本発明による光学式マウス４２５の無線実施態様は、例えば、蓄電池、燃料電池、または、太陽電池によって電力供給を受けることが可能である。

図５には、本発明による光学ナビゲーション装置５００の実施態様が示されている。パッケージ化ＶＣＳＥＬ及びセンサ・ダイ５１０は、個別素子であり、一体化されて、成形プラスチック構造５１５をなすように形成された視準レンズ５２０及び結像レンズ５２５を備えた光源として機能する。センサ・ダイ５３５には、上述の検出器アレイ３１０のような検出器アレイが組み込まれている。視準レンズ５２０と結像レンズ５２５を成形プラスチック構造に一体化することによって、製造が単純化され、コストが低下する。センサ・ダイ５３５における検出器アレイは、ビーム５９５の入射角θ_iに等しい反射角θ_rの光を受光するように配置されており、従って、検出器アレイから結果生じる信号が鏡面反射を表わすという保証が得られる。センサ・ダイ５３５には、ビーム５９５が検出器アレイの平面に対して垂直に入射するような配向を施すことが可能である。

図６には、本発明による光学ナビゲーション装置６００の実施態様が示されている。一体化（integrated）ＶＣＳＥＬダイ６１０は、一体化されて、成形プラスチック構造６１５をなすように形成された視準レンズ６２０及び結像レンズ６２５を備えた光源として機能する。センサ・ダイ６３５には、上述の検出器アレイ３１０のような検出器アレイが組み込まれている。視準レンズ６２０と結像レンズ６２５を成形プラスチック構造に一体化することによって、製造が単純化され、コストが低下する。ビーム６９５は、垂直方向に視準レンズ６２０を通り、全内反射面６７５によって反射されて、入射角θ_iで表面６５０に入射する。センサ・ダイ６３５における検出器アレイ６３５は、ビーム６９５の入射角θ_iに等しい反射角θ_rの光を受光するように配置されており、従って、検出器アレイから結果生じる信号が鏡面反射を表わすという保証が得られる。センサ・ダイ６３５には、ビーム６９５が検出器アレイの平面に対して垂直に入射するような配向を施すことが可能である。

図７は、本発明による光学ナビゲーション・システム３０３を利用する方法に必要とされるステップを示す流れ図である。ステップ７０１では、表面３３０が、入射角がθ_iの狭帯域幅の光ビーム３９８による照射を受ける。ステップ７０２では、検出器アレイ３１１が、入射角θ_iに近いかまたは等しい反射角θ_rで反射された狭帯域幅の光ビーム３９９を検出する。ステップ７０３では、検出器アレイ３１１が、狭帯域幅光ビーム３９９に応答して、画像信号を発生する。ステップ７０４では、プロセッサ３２０によって画像信号が処理される。ステップ７０５では、画像信号３７０に応答して、出力信号３７５が送り出され、例えば、ビデオ・スクリーン４７０上における位置ポインタの制御に利用することが可能になる。

本発明の説明は特定の実施態様に関連して行われたが、当該技術者であれば、以上の説明に鑑みて、多くの代替、修正、及び、変更実施態様が明らかになるのは間違いない。従って、本発明は、付属の請求項の精神及び範囲内にあるこうした全ての代替、修正、及び、変更実施態様を包含することを意図したものである。

ランバート表面からの光の反射を例示した図である。 鏡面反射体表面からの光の反射を例示した図である。 表面特性がランバート表面と鏡面反射体表面の中間である表面からの光の反射を例示した図である。 本発明による表面からの散乱の概念を例示した図である。 本発明による鏡面反射を例示した図である。 本発明による高レベルのブロック図である。 本発明による実施態様の１つの光学コンポーネントの略図である。 本発明によるシステムを示す図である。 本発明による実施態様の１つを示す図である。 本発明による実施態様の１つを示す図である。 本発明による方法に必要とされるステップを示す流れ図である。

符号の説明

３０１ 視準レンズ
３０３ 光学ナビゲーション装置
３０４、３０５ 光源
３０７ 結像レンズ
３１０、３１１ 検出器
３１５ 狭帯域幅のビーム
３１７ 反射部分
３３０ 表面
３５０ 法線
４００ 動き検出システム
４２５ マウス
４３０ 表面
４７０ ビデオ・スクリーン
４７５ コンピュータ

Claims (10)

1. 表面の法線に対してある照射角をなすように、狭帯域幅のビームで前記表面を照射する光源と、
   前記表面の法線に対するある反射角の位置にあって、前記狭帯域幅のビームの反射部分を受光する働きをする検出器と、を備え、
   前記反射角が前記照射角とほぼ等しいことを特徴とする、光学ナビゲーション装置。
2. 前記光源がレーザであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記レーザがＶＣＳＥＬであることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記光源が狭帯域幅のＬＥＤであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記狭帯域幅のＬＥＤが端面発光ＬＥＤであることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記光源と前記表面との間に配置された開口絞りをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
7. 前記光源と前記表面との間に配置された狭帯域幅のフィルタをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
8. 集光効率を改善する視準レンズをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
9. 前記狭帯域幅のビームの前記反射部分を前記検出器アレイ上に結像する働きが可能なように配置された結像レンズをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
10. マウスを利用するコンピュータのビデオ・スクリーン上における位置ポインタを制御して、前記表面に対する相対運動を検出するシステムであって、
    狭帯域幅の鏡面反射像を発生する手段であって、前記狭帯域幅の各散乱パターンが、前記マウスが移動する表面の一部に固有のものである、手段と、
    前記固有の狭帯域幅の鏡面反射像を、前記マウスと前記表面との間における相対運動に対応する信号に変換する手段と、
    を備えることを特徴とするシステム。

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