JP4684320B2

JP4684320B2 - ガラス状のナビゲーション面上で光学ナビゲーションを実行するためのシステムおよび方法

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Publication number: JP4684320B2
Application number: JP2008193793A
Authority: JP
Inventors: 信孝板垣
Original assignee: アバゴ・テクノロジーズ・イーシービーユー・アイピー（シンガポール）プライベート・リミテッド
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2028-07-28
Also published as: US7525082B2; JP2009140468A; US20090026351A1

Description

光学ナビゲーションシステムは、追跡動作を実行するために、光学ナビゲーションシステムとナビゲーション面との間の相対的動きを検出する。光学ナビゲーションシステムは、ナビゲーション面を照明するための、発光ダイオードまたはレーザーダイオードなどの光源と、照明されたナビゲーション面の光学的特徴を画像データのフレームとして連続的に捕捉するための画像センサとを使用する。これらの光学的特徴は、通常、視覚的な表面変化である。光学ナビゲーションシステムは、連続する画像フレームを比較し、現在の画像フレームと前の画像フレームとの比較に基づいて、光学ナビゲーションシステムとナビゲーション面との間の相対的動きを推定する。光学ナビゲーションシステムは、画像フレームを連続的に捕捉して比較することによって、光学ナビゲーションシステムとナビゲーション面との間の相対的動きを追跡することができる。

光学ナビゲーションシステムは、一般に、マウスが手動で操作される表面に関するマウスの動きを追跡するように、光コンピュータマウスにおいて使用される。光コンピュータマウスの追跡される動きは、コンピュータ画面上のカーソルを制御するために使用される。デスクトップまたはマウスパッドなどの典型的なナビゲーション面上で、従来の光学ナビゲーションシステムはナビゲーション面全体に亘ってマウスの動きを追跡するためによく動作する。しかしながら、清浄なガラス表面上では、従来の光学ナビゲーションシステムは正確に動作できず、あるいはマウスの動きを完全には追跡できない可能性がある。これは、清浄なガラス表面上では、マウスの動きを正しく追跡するために従来の光学ナビゲーションシステムによって検出可能である十分な視覚的な表面変化が存在しない可能性があることによる。

このような懸念を考慮すると、効率的で効果的な様式により、清浄なガラス表面を含む種々のナビゲーション面上において動作できる光学ナビゲーションを実行するためのシステムおよび方法についての必要性が存在する。

光学ナビゲーションを実行するためのシステムおよび方法は、画像データの第１のフレームの各々がＭ×Ｎ個のサンプリングされた信号を含むように第１の動作モードに設定されたときに、ナビゲーション面の画像データの第１のフレームを捕捉するために画像センサアレイのＭ×Ｎ個の感光性要素をアドレス指定し、そして、画像データの前記第２のフレームの各々がＭ×Ｎ個より少ないサンプリングされた信号を含むように第２の動作モードに設定されたときに、ナビゲーション面の画像データの第２のフレームを捕捉するために画像センサアレイの多くともＭ×Ｎ個の感光性要素をアドレス指定する。第２の動作モードは、ナビゲーション面がガラス状の表面であるときに使用されるが、第１の動作モードは、ナビゲーション面がガラス状の表面でないときに使用される。従って、本システムおよび方法は、ガラス状の表面を含む種々のタイプのナビゲーション面上において使用され得る。

本発明の一実施形態による、ナビゲーション面上において光学ナビゲーションを実行するための方法は、ナビゲーション面に基づいて第１の動作モードと第２の動作モードとのうちの１つに画像捕捉モードを設定することと、画像データの第１のフレームの各々がＭ×Ｎ個のサンプリングされた信号を含むようにＭ×Ｎ個の感光性要素をアドレス指定することを含む第１の動作モードに画像捕捉モードが設定されたとき、画像データの第１のフレームとして画像センサアレイのＭ×Ｎ個の感光性要素を使用してナビゲーション面を電子的に捕捉するステップと、画像データの第２のフレームの各々がＭ×Ｎ個より少ないサンプリングされた信号を含むように多くともＭ×Ｎ個の感光性要素をアドレス指定することを含む第２の動作モードに画像捕捉モードが設定されたとき、画像データの第２のフレームとして画像センサの多くともＭ×Ｎ個の感光性要素を使用してナビゲーション面を電子的に捕捉するステップと、画像データの第１および第２のフレームのうちの少なくとも一部を使用して相対的変位を決定するために画像データの第１および第２のフレームを処理するステップとを含む。

本発明の一実施形態による光学ナビゲーションのためのシステムは、画像センサアレイと復号ユニットとモードセレクタとプロセッサと画像処理モジュールとを含む。画像センサアレイは、ナビゲーション面から反射した光を受けるように配置されたＭ×Ｎ個の感光性要素を含む。復号ユニットは、画像センサアレイのＭ×Ｎ個の感光性要素を選択的にアドレス指定するために、画像センサアレイに動作可能に接続される。モードセレクタは、ナビゲーション面に基づいて第１の動作モードと第２の動作モードのうちの１つに画像捕捉モードを設定するように復号ユニットに動作可能に接続される。プロセッサは、画像捕捉モードに依存して画像センサアレイのＭ×Ｎ個の感光性要素を選択的にアドレス指定するように復号ユニットに命令するために、復号ユニットとモードセレクタとに動作可能に接続される。プロセッサは、画像データの第１のフレームの各々がＭ×Ｎ個のサンプリングされた信号を含むように画像捕捉モードが第１の動作モードに設定されたとき、ナビゲーション面の画像データの第１のフレームを捕捉するために画像センサアレイのＭ×Ｎ個の感光性要素を選択的にアドレス指定することを復号ユニットに命令するように構成される。プロセッサは、画像データの第２のフレームの各々がＭ×Ｎ個より少ないサンプリングされた信号を含むように画像捕捉モードが第２の動作モードに設定されたとき、ナビゲーション面の画像データの第２のフレームを捕捉するために、多くともＭ×Ｎ個の感光性要素を選択的にアドレス指定することを復号ユニットに命令するように更に構成される。画像処理モジュールは、画像データの第１および第２のフレームを受け取るために、画像センサアレイに動作可能に接続される。画像処理モジュールは、画像データの第１および第２のフレームの少なくとも一部を使用して相対的変位を決定するために、画像データの第１および第２のフレームを相関させるように構成される。

本発明の別の実施形態による光学ナビゲーションのためのシステムは、光源と画像センサアレイとイオン発生器と復号ユニットとプロセッサと画像処理モジュールとを含む。光源は、光を放射するように構成される。画像センサアレイは、ナビゲーション面から反射した光を受けるように配置されたＭ×Ｎ個の感光性要素を含む。イオン発生器は、ナビゲーション面にイオンを注入するように構成される。復号ユニットは、画像センサアレイの感光性要素を選択的にアドレス指定するために画像センサアレイに動作可能に接続される。プロセッサは、画像データのフレームとしてナビゲーション面を捕捉するために、画像センサアレイのＭ×Ｎ個の感光性要素を選択的にアドレス指定することを復号ユニットに命令するように、復号ユニットに動作可能に接続される。画像処理モジュールは、画像データの前記フレームを受け取るために、画像センサアレイに動作可能に接続される。画像処理モジュールは、画像データのフレームの少なくとも一部を使用して相対的変位を決定するために、画像データの第２のフレームを相関させるように構成される。

本発明の他の態様と利点は、本発明の原理の例として示される付属図面に関連付けて行われる下記の詳細説明から明らかになる。

図１を参照しながら、本発明の一実施形態による光学ナビゲーションシステム１が説明される。図１に示されるように、光学ナビゲーションシステム１は、コンピュータ３に接続された光コンピュータマウス２を含む。この実施形態では、光学ナビゲーションシステム１は、光学的マウスがコンピュータ３上に表示されたカーソルを制御するためにユーザによってナビゲーション面４上で操作されながら光学的マウス２の動きを追跡するために使用される。しかしながら、他の実現形態では、光学ナビゲーションシステム１は、種々の追跡アプリケーションのための異なる製品において使用され得る。以下に更に詳細に説明されるように、本光学ナビゲーションシステム１は、光学ナビゲーションを使用して追跡することが困難な表面であるガラスまたはガラス状の表面を含む種々のナビゲーション面上で有効に動作するように設計される。

図２に示されるように、光学的測定システム１は、光源１４と光源駆動回路１６と画像センサアレイ１８と行復号器２０と列復号器２２とプロセッサ２４とメモリデバイス２６と画像処理モジュール２８とを含む。光学ナビゲーションシステム１のこれらの構成要素は、別々の構成要素として図２に示されているが、これらの構成要素の一部は、より少ない要素に統合され得る。一例として、光源駆動回路１６と画像センサアレイ１８と行復号器２０および列復号器２２とプロセッサ２４とメモリデバイス２６と画像処理モジュール２８とは、単一の集積回路（ＩＣ）チップに集積され得る。

光源１４は、ナビゲーション面４に照明を与える光を生成するように構成される。ナビゲーション面４および／または光学ナビゲーションシステム１は、互いに関して変位させられているので、光源１４からの光によってナビゲーション面４の種々の領域が照明される。本実施形態では、光源１４は、コヒーレント光を生成する垂直空洞面放射レーザーなどのレーザーダイオードである。しかしながら、他の実施形態では、光源１４は、発光ダイオードなどの任意のタイプの光源であり得る。光源１４は、光源に駆動信号を与える光源駆動回路１６によって駆動される。光源からの光をナビゲーション面４の所望の領域に焦点合わせおよび／またはコリメートするために光源１４と共にレンズ３２が使用され得る。

画像センサアレイ１８は、ナビゲーション面４の照明された領域から反射した光を画像データのフレームとして電子的に捕捉するように構成される。画像センサアレイ１８は、ＭはＮに等しい可能性があるＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４を含む。時には「ピクセル」と呼ばれる感光性ピクセル要素３４は、これらの要素に入射する光に応じて電気信号の形式の画像データを生成する。本実施形態では、画像センサアレイ１８は、相補形金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）画像センサアレイである。しかしながら、他の実施形態では、画像センサアレイ１８は、電荷結合素子（ＣＣＤ）画像センサアレイなどの異なるタイプの画像センサアレイであり得る。ナビゲーション面４に反射した光を画像センサアレイに焦点合わせするために画像センサアレイ１８と共にレンズ３６が使用され得る。

この画像センサアレイ１８の感光性ピクセル要素３４は、典型的にはサイズが３０μｍから６０μｍである従来の光学ナビゲーションシステムに共通的に見られる画像センサアレイの感光性ピクセル要素より小さい。従って、この画像センサアレイ１８の感光性ピクセル要素３４の各々は、サイズが３０μｍより小さい。一実施形態では、画像センサアレイ１８の感光性ピクセル要素３４の各々は、サイズが５μｍから２０μｍの間にある。感光性ピクセル要素３４のより小さいサイズは、画像センサアレイ１８がナビゲーション面４によって生成されるスペックルのパターンを検出することを可能にする。スペックルパターンは、位相差および／または強度変動を受けるコヒーレント波面の相互干渉によって生成されるランダムな強度である。

従来の画像センサの感光性ピクセル要素のサイズは、清浄なガラス面によって作り出されるスペックルのサイズより遥かに大きい。従って従来の画像センサアレイは、光学的追跡のために清浄なガラス面からスペックルパターンを検出することができない。しかしながら、本画像センサアレイ１８の感光性ピクセル要素のサイズは、従来の画像センサアレイの感光性ピクセル要素のサイズより遥かに小さいので、本画像センサアレイ１８は、光学的追跡のために清浄なガラス面または他の同様な表面からのスペックルパターンを検出することができる。

これらのより小さな感光性ピクセル要素３４を使用して高速度で光学的追跡を実行するためには、多数の感光性ピクセル要素が必要とされる。従って、いくつかの実施形態では、画像センサアレイ１８は、４０×４０個から８０×８０個の感光性ピクセル要素を含む。しかしながら、この多数の感光性ピクセル要素も、追跡速度にマイナスの効果を有する。感光性ピクセル要素３４の数が増加するにつれてフレームレートが減少し、すなわちフレームレートが遅くなり、これが最大追跡速度を制限する。

一般に、最大追跡速度Ｖｍａｘは、数学的に次のように記述される。
Ｖｍａｘ＝ａｓｉｚｅ×Ｎ×（１−ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄａｒｅａ（オーバーラップした面積））×ｆｒａｍｅｒａｔｅ、
式中、ａｓｉｚｅはピクセルサイズであり、Ｎは行および列の各々におけるピクセルの数である。画像センサアレイ１８に関する上記の方程式において適用可能な数を使用すると、画像センサアレイ１８を使用する期待最大追跡速度は、次のように計算され得る。
Ｖｍａｘ＝１１μｍ×６４×（１−７０％）×６００＝１２７ｍｍ／ｓ

毎秒１２７ｍｍの最大追跡速度は、特に、通常または非ガラスのナビゲーション面に関する現在のマーケット要件を満足しない。従って、追跡速度は、ガラスナビゲーション面に関する追跡性能に悪影響を与えずに非ガラスのナビゲーション面に関して増加するべきである。これは、最大追跡速度を増加させるフレームレートを増加させるために、ナビゲーション面４が非ガラス面であるときに、１フレームの画像データを捕捉するために画像センサアレイ１８のより少ない感光性ピクセル要素３４を使用することによって達成され得る。非ガラス面に関する表面輪郭変化はガラス面に関する表面輪郭変化より大きいので、非ガラス面に関するスペックルサイズはガラス面に関するスペックルサイズより著しく大きい。その結果、非ガラス面からのスペックル光の強度は、ガラス面からのスペックル光の強度より遥かに大きい。スペックル強度は非ガラス面で遥かに高いので、この画像センサアレイ１８の感光性ピクセル要素３４の各々からの画像信号は、光学的追跡を効果的に実行するために必要とされない。

従って、光学ナビゲーションシステム１は、ナビゲーション面４が清浄なガラス面などの小さなスペックルを生成する第１のタイプの表面であるか、非ガラス面などのより大きなスペックルを生成する第２のタイプの表面であるかどうかに依存して、異なるモードで動作する。第１のタイプのナビゲーション面上では、光学ナビゲーションシステム１は、第１のモードで動作し、これは画像センサアレイ１８のすべてのアクティブなＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４を使用して捕捉される画像データのフレームを比較することを含む。従って、第１の動作モードでは、各捕捉された画像フレームは、Ｍ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４からのＭ×Ｎ個のサンプリングされた信号を含む。第２のタイプのナビゲーション面上では、この光学ナビゲーションシステム１は第２のモードで動作し、これは、各捕捉された画像フレームがＭ×Ｎ個より少ないサンプリングされた画像信号を含むように、画像センサアレイ１８の多くともＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４を使用して捕捉される画像データのフレームを比較することを含む。フレームレートは画像データのフレームを捕捉するために画像センサアレイからサンプリングされた信号の数によって影響されるので、フレームレートは、光学的追跡のために画像データのフレームを捕捉するためにより少ない感光性ピクセル要素をサンプリングすることによって、または画像センサアレイからより少ない信号を抽出する方法で感光性ピクセル要素をサンプリングすることによって増加し得る。異なるナビゲーション面のためにこれらの異なる動作モードを使用して、非ガラスナビゲーション面上での最大追跡速度は、ガラスまたはガラス状のナビゲーション面上での追跡性能を損なわずに効果的に増加し得る。

一実施形態では、図３Ａに示されるように、画像データのフレームは、光学ナビゲーションシステム１が第２のモードで動作しているとき、ｎが１より大きい整数であるとして画像センサアレイ１８の各行または列における第ｎ番目ごとの感光性ピクセル要素３４をアドレス指定またはサンプリングすることによって捕捉される。画像データのフレームを捕捉するために使用される画像センサアレイ１８のこれらの感光性ピクセル要素３４は、ここでは「アクティブ」であると呼ばれ、また図３Ａでは網状影付けされて示されている。図３Ａでは画像データのフレームは、光学ナビゲーションシステム１が第２のモードで動作しているとき、画像センサアレイ１８の各行または各列において１つおきの感光性ピクセル要素３４をアドレス指定またはサンプリングすることによって捕捉される。従って各捕捉された画像フレームは、Ｍ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４からのＭ×Ｎ個より少ないサンプリングされた信号を含む。

図３Ａに示されるように、これらの「アクティブな」感光性ピクセル要素３４は、アクティブな感光性ピクセル要素３４が市松模様構成に配列されるように、画像センサアレイ１８の行においてジグザグ配置され得る。しかしながら、他の実施形態では、これらのアクティブな感光性ピクセル要素３４は、１つおきの列または行における感光性要素３４がアクティブであるようにジグザグ配置されない可能性がある。本実施形態では、光学ナビゲーションシステム１が第２のモードで動作しているときに、画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４の半分だけが使用され、これはフレームレートを２倍だけ増加させる。

別の実施形態では、図３Ｂに示されるように、画像データのフレームは、光学ナビゲーションシステム１が第２のモードで動作しているとき、個別の感光性ピクセル要素をアドレス指定またはサンプリングする代わりに、各アドレス指定されたピクセルブロックから単一の画像信号を抽出するために、画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４のブロックをアドレス指定またはサンプリングすることによって捕捉される。従って、各捕捉された画像フレームは、Ｍ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４からのＭ×Ｎ個より少ないサンプリングされた信号を含む。一例として、画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４の２×２ブロックは、各アドレス指定された２×２ブロックから単一の画像信号を抽出するために、アドレス指定またはサンプリングされる。従って、画像センサアレイ１８の２×２ブロックの各々における感光性ピクセル要素３４は、単一の画像信号を抽出するためにまとめてサンプリングされて処理される。本実施形態では、画像データの各フレームを捕捉するために感光性ピクセル要素３４の２×２ブロックがサンプリングされるので、フレームレートは４倍だけ増加する。他の実施形態では、フレームレートを更に増加させるために光学ナビゲーションシステム１が第２のモードで動作しているときに、画像データのフレームを捕捉するために、画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４のより大きなブロックがアドレス指定またはサンプリングされ得る。

別の実施形態では、図３Ｃに示されるように、画像データのフレームは、光学ナビゲーションシステム１が第２のモードで動作しているとき、画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４の一部分４０をアドレス指定またはサンプリングすることによって捕捉される。一例として、画像センサアレイ１８が６４×６４センサアレイであると仮定して、光学ナビゲーションシステム１が第２の動作モードで動作しているとき、画像データのフレームを捕捉するために、画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４の３２×３２ブロック内の感光性ピクセル要素だけが、個別にアドレス指定またはサンプリングされる。図３Ｃでは、画像センサアレイ１８のこれらの「アクティブな」感光性ピクセル要素３４は、画像センサアレイ１８の一部分４０内に配置されるように図示されている。一実現形態では、アクティブな感光性ピクセル要素３４の３２×３２ブロックは、画像センサアレイ１８に中心に置かれている。しかしながら、他の実現形態では、アクティブな感光性ピクセル要素３４の３２×３２ブロックは、画像センサアレイ１８内のどこにでも位置され得る。本実施形態では、光学ナビゲーションシステム１が第２のモードで動作しているとき、画像センサアレイ１８の感光性ピクセル要素３４の４分の１だけがアドレス指定またはサンプリングされ、これはフレームレートを４倍だけ増加させる。他の実施形態では、光学ナビゲーションシステム１が第２のモードで動作しているとき、画像データのフレームを捕捉するために、画像センサアレイの４分の１より小さい、または大きいものを表し得る画像センサアレイ１８内の感光性ピクセル要素３４のより小さいまたはより大きいブロックが使用され得る。

図２に戻ってみると、光学ナビゲーションシステム１の行復号器２０および列復号器２２は、画像センサアレイ１８の感光性ピクセル要素３４に電気的に接続されている。これらの行復号器２０および列復号器２２は、まとめて復号ユニットと考えることができる。行復号器２０は、アドレス指定された感光性ピクセル要素から画像信号を抽出する、または読み取るために画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４の行を選択的にアドレス指定するように構成される。同様に、列復号器２２は、アドレス指定された感光性ピクセル要素から画像信号を抽出する、または読み取るために画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４の列を選択的にアドレス指定するように構成される。光学ナビゲーションシステム１が第１のモードで動作しているとき、行復号器２０および列復号器２２は、画像データのフレームを捕捉するために画像センサアレイ１８のすべてのＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４をアドレス指定する。光学ナビゲーションシステム１が第２のモードで動作しているとき、行復号器２０および列復号器２２は、画像データのフレームを捕捉するために、図３Ａおよび図３Ｃに示されているように、画像センサアレイ１８のアクティブな感光性ピクセル要素３４だけを選択的にアドレス指定し得る。代替として、光学ナビゲーションシステム１が第２のモードで動作しているとき、行復号器２０および列復号器２２は、画像データのフレームを捕捉するために、図３Ｂに示されているように、画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４のブロックを選択的にアドレス指定し得る。

プロセッサ２４は、ナビゲーション面からのスペックル光を使用して画像データのフレームとしてナビゲーション面４を捕捉するプロセスを制御するために、光源駆動回路１６と行復号器２０および列復号器２２とに電気的に接続される。プロセッサ２４は、光源を駆動するための駆動信号を光源１４に印加するように光源駆動回路に命令するために、光源駆動回路１６に制御信号を供給する。プロセッサ２４は、統合と読出しとリセットのために画像センサアレイ１８の感光性ピクセル要素３４を選択的にアドレス指定することを行駆動回路および列駆動回路に命令するために、行復号器２０および列復号器２２に制御信号をさらに供給する。このようにして、プロセッサ２４は、画像センサアレイ１８のフレームレートを制御できる。一般に、プロセッサ２４は、光学ナビゲーションシステム１の種々の動作および機能を実現する。

プロセッサ２４は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなどの汎用ディジタルプロセッサであり得る。他の実施形態では、プロセッサ２４は、ディジタル信号プロセッサなどの専用プロセッサであり得る。他の実施形態では、プロセッサ２４は、別のタイプのコントローラまたはフィールド・プログラマブル（利用者が書込み可能な）・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）であり得る。

メモリデバイス２６は、光学ナビゲーションシステム１の動作のときの使用のためのデータおよび／または命令を記憶するように構成される。いくつかの実施形態ではメモリデバイス２６は、プロセッサ２４によって実行されるときに、ある動作をプロセッサに実行させる命令を記憶する。しかしながら、いくつかの命令は、プロセッサ２４に統合されたメモリに記憶され得る。更に、メモリデバイス２６は、画像処理モジュール２８の出力データを記憶し得る。

画像処理モジュール２８は、ナビゲーション面の画像データの捕捉されたフレームを使用して光学ナビゲーションシステム１とナビゲーション面４との間の相対的変位を計算するように構成される。画像処理モジュール２８は、相対的変位を計算するために画像データの前に捕捉されたフレームに画像データの現在フレームを比較するように、または相関させるように動作する。従って、画像処理モジュール２８は、ナビゲーション面の画像データの捕捉されたフレームを使用して、光学ナビゲーションシステム１とナビゲーション面４との間の相対的変位を計算するナビゲーションエンジンであると考えることができる。一実施形態では、画像データのフレームを相関させることは、光学ナビゲーションシステム１とナビゲーション面４との間の相対的変位を計算するために、画像データのフレーム内のスペックルパターンの位置的変化を決定することを含む。計算された相対的変位は、光学ナビゲーションシステム１とナビゲーション面４との間の変位を示すために、Ｘ方向およびＹ方向の変化、絶対Ｘ座標および絶対Ｙ座標、または任意の他の適当なデータとして出力され得る。

画像処理モジュール２８は、ソフトウエア、ハードウエア、およびファームウエアの任意の組合せにおいて実現され得る。従って、いくつかの実施形態では、画像処理モジュール２８は、プロセッサ２４によって実行されるとき、画像処理モジュール２８の機能を実行する、メモリデバイス２６に記憶された１セットのコンピュータコード命令として実現され得る。他の実施形態では、画像処理モジュール２８は、プロセッサ２４の一部としてプロセッサ２４に組み込まれる。

図２に示されるように、ナビゲーションエンジン２８は、ナビゲーション面４に依存して第１のモードと第２のモードとの間で光学ナビゲーションシステム１の画像捕捉モードを切り替えるように動作するモードセレクタ３８を含む。ナビゲーション面４がガラス状の表面であれば、モードセレクタ３８は、第１の動作モードを使用可能にするためにプロセッサ２４に信号を送信する。しかしながら、ナビゲーション面４がガラス状の表面でなければ、モードセレクタ３８は、第２の動作モードを使用可能にするためにプロセッサ２４に別の信号を送信する。一実施形態では、モードセレクタ３８は、ナビゲーション面４からのスペックル光の信号強度またはスペックル光の強度を使用して、光学ナビゲーションシステム１の動作モードが第１のモードまたは第２のモードに切り替えられるべきかどうかを自動的に決定する。別の実施形態では、モードセレクタ３８は、ユーザが手動で入力した入力に応じて、第１のモードと第２のモードとの間で光学ナビゲーションシステム１の画像捕捉モードを切り替える。一例として、ユーザは、光学ナビゲーションシステム１を有する光コンピュータマウス２に動作可能に接続されたコンピュータ３を使用してコマンドを入力できる。

ここで、図３Ａ〜図３Ｃの図示の例を使用して図４の流れ図を参照しながら、本発明の一実施形態による光学ナビゲーションシステム１の全体的動作を説明する。ブロック４０２では、ナビゲーション面４のある領域を照明するために光源１４が駆動される。光源１４は、プロセッサ２４からの制御信号に応じた光源駆動回路１６からの駆動信号によって駆動される。

次に、ブロック４０４では、ナビゲーション面４がガラス状の表面であるかどうかの決定がモードセレクタ３８によって行われる。この決定は、コンピュータマウス２を使用するか、コンピュータシステム３を使用して光学ナビゲーションシステム１にユーザコマンドを入力することによって手動で行われ得る。代替として、この決定は、異なるタイプのナビゲーション面の間を区別するためにナビゲーション面４からのスペックル光を使用して自動的に行われ得る。一実施形態では、ナビゲーション面４からのスペックル光の信号強度を測定するために、画像センサアレイ１８の感光性要素３４の全部または一部を使用して、画像データのサンプルフレームが捕捉される。いくつかの実現形態では、画像センサアレイ１８の異なる感光性要素３４からの画像データの一部または全部がある閾値より下であれば、ナビゲーション面４はガラス状の表面であると決定される。しかしながら、画像センサアレイ１８の異なる感光性要素３４からの画像データの一部または全部がこの閾値以上であれば、ナビゲーション面４はガラス状の表面でないと決定される。

ナビゲーション面４がガラス状の表面であると決定されると、動作はブロック４０６に進み、そこで光学ナビゲーションシステム１の画像捕捉モードはモードセレクタ３８によって第１のモードに設定される。次に、ブロック４０８では、前述のように光学ナビゲーションシステム１の第１の動作モードに従って、画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個すべての感光性要素３４をアドレス指定またはサンプリングすることによって、画像データのフレームが電子的に捕捉される。

しかしながら、ナビゲーション面４がガラス状の表面でないと決定されれば、動作はブロック４１０に進み、そこで光学ナビゲーションシステム１の画像捕捉モードはモードセレクタ３８によって第２のモードに設定される。次に、ブロック４１２では、光学ナビゲーションシステム１の第２の動作モードに従って、画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性要素３４の一部または全部をアドレス指定またはサンプリングすることによって、画像データのフレームが電子的に捕捉される。一実施形態では、これらの画像データのフレームは、ｎが２、３、４などであるとして、図３Ａに示されたように画像センサアレイ１８の第ｎ番目ごとの感光性ピクセル要素３４をアドレス指定またはサンプリングすることによって捕捉される。別の実施形態では、画像データのフレームは、図３Ｂに示されたように個別の感光性ピクセル要素をアドレス指定またはサンプリングする代わりに、画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４のブロックをアドレス指定またはサンプリングすることによって捕捉される。一例として、画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性要素３４の２×２ブロックが、これらのブロックの各々から単一の画像信号を抽出するためにまとめてサンプリングされる。このようにして、各ピクセルブロックは、画像データのフレームを捕捉するために単一ピクセルとして取り扱われる。別の実施形態では、これらの画像データのフレームは、図３Ｃに示されたように画像センサアレイ１８のＭ×Ｎ個の感光性ピクセル要素３４の一部分を使用して捕捉される。一例として、画像センサアレイ１８が６４×６４センサアレイであると仮定すると、画像データのフレームを捕捉するために６４×６４センサアレイ全体を使用する代わりに、画像センサアレイ１８の感光性ピクセル要素３４の３２×３２ブロックが使用され得る。

次に、ブロック４１４では、捕捉された画像データのフレームは、光学ナビゲーションシステム１とナビゲーション面４との間の相対的変位を計算するために相関させられる。計算された相対的変位は、例えばコンピュータモニター上に表示されるカーソルを動かすために使用され得る位置データとして出力される。

ここで図５に移ると、本発明の別の実施形態による光学ナビゲーションシステム５０が説明される。光学ナビゲーションシステム５０は、光学ナビゲーションシステム１に類似している。しかしながら、光学ナビゲーションシステム５０は、プロセッサ２４に接続され、このプロセッサ２４によって制御されるイオン発生器５２を更に含む。以下に説明されるように、イオン発生器５２は、ガラス状のナビゲーション面上での光学ナビゲーションシステム５０の追跡性能を改善するために、ガラス状のナビゲーション面から微粒子を除去するために使用される。

表面からのスペックル光は、種々の要因によって著しく変化する可能性がある。ガラス表面上に微粒子が存在するとき、ガラス表面からのスペックル光の信号強度は高い。しかしながら、清浄なガラス表面上では、表面からのスペックル光の信号強度は極めて低い。大きな信号強度差は、光学ナビゲーションシステムの追跡性能を低下させる傾向がある。いくつかの場合には光学ナビゲーションシステムは、追跡することができず、あるいは信号強度の変化によって、計算された変位間の「ジャンプ」という結果になる結果を生み出す。この問題は、大きなアナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）ビットを使用することによって解決され得る。しかしながら、これは信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の観点から実現が困難である可能性がある。

別の解決策は、ガラス表面上の微粒子のより均一な分布を得るために、スペックル信号強度を平均化することであり、これはガラス表面上の微粒子を除去または追加することによって達成され得る。しかしながら、ガラスは絶縁材料であるので微粒子がガラスにいったん付着すると、ガラスから微粒子を除去することは困難である。別の理由は、ガラス表面が極めて滑らかであることであり、このことがファンデルワールス力によって微粒子とガラス表面との間の強い結合という結果をもたらすということである。

一般に、ガラス表面上の微粒子は、正または負のいずれかの電荷を有する。従って、微粒子の電荷が中和されると、微粒子はガラス表面から離れることができ、ガラス表面上の微粒子の数を減らしてガラス表面上の微粒子の分布を平均化することができる。その結果、ガラス表面からのスペックル光の信号強度は平均化され得る。

光学ナビゲーションシステム５０のイオン発生器５２は、光源１４によって照明されるナビゲーション面４の近くに配置される。イオン発生器５２は、ガラス状の表面である可能性のあるナビゲーション面上の微粒子の電荷を中和するために、ナビゲーション面４に向かって帯電したイオンを注入する。従って、ナビゲーション面４上の中性の微粒子の一部はナビゲーション面から離れる。その結果、ナビゲーション面４上の微粒子の分布は、より均一になり、ナビゲーション面からのスペックル信号強度がより安定し、これにより光学ナビゲーションシステム５０の追跡性能が改善する。一実施形態では、イオン発生器５２は、ナビゲーション面４上の微粒子の電荷極性を検出してこの微粒子を中和するために反対極性を有する帯電イオンを注入するように構成される。別の実施形態では、イオン発生器５２は、ナビゲーション面４上の微粒子を中和するために正および負の両方のイオンを注入するように構成される。一例として、イオン発生器５２は、商業的に入手可能であるＯＭＲＯＮＫＳ１イオン化装置であり得る。

図６のプロセス流れ図を参照しながら、本発明の一実施形態による、ナビゲーション面上で光学ナビゲーションを実行するための方法を説明する。ブロック６０２では、画像捕捉モードは、ナビゲーション面に基づいて第１の動作モードと第２の動作モードのうちの１つに設定される。ブロック６０４では、ナビゲーション面は、画像データの第１のフレームの各々がＭ×Ｎ個のサンプリングされた信号を含むようにＭ×Ｎ個の感光性要素をアドレス指定することを含む第１の動作モードに画像捕捉モードが設定されたときに、画像データの第１のフレームとして画像センサアレイのＭ×Ｎ個の感光性要素を使用して電子的に捕捉される。ブロック６０６では、ナビゲーション面は、画像データの第２のフレームの各々がＭ×Ｎ個より少ないサンプリングされた信号を含むように多くともＭ×Ｎ個の感光性要素をアドレス指定することを含む第２の動作モードに画像捕捉モードが設定されたときに、画像データの第２のフレームとして画像センサアレイの多くともＭ×Ｎ個の感光性要素を使用して捕捉される。ブロック６０８では、画像データの第１および第２のフレームは、画像データの第１および第２のフレームの少なくとも一部を使用して相対的変位を決定するために処理される。

本発明の特定の実施形態を説明して図示してきたが、本発明は、そのように説明して図示した特定の形または部分の配置に限定されるべきではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定義されるべきである。

本発明の一実施形態による光コンピュータマウスに含まれる光学ナビゲーションシステムを示す。本発明の一実施形態による光学ナビゲーションシステムのブロック図である。本発明の異なる実施形態による光学ナビゲーションシステムが第２の動作モードに設定されたときに画像データのフレームを電子的に捕捉するようにアドレス指定される光学ナビゲーションシステムの画像センサアレイの感光性ピクセル要素を示す。本発明の異なる実施形態による光学ナビゲーションシステムが第２の動作モードに設定されたときに画像データのフレームを電子的に捕捉するようにアドレス指定される光学ナビゲーションシステムの画像センサアレイの感光性ピクセル要素を示す。本発明の異なる実施形態による光学ナビゲーションシステムが第２の動作モードに設定されたときに画像データのフレームを電子的に捕捉するようにアドレス指定される光学ナビゲーションシステムの画像センサアレイの感光性ピクセル要素を示す。本発明の一実施形態による光学ナビゲーションシステムの全体的動作のプロセス流れ図である。本発明の別の実施形態による光学ナビゲーションシステムのブロック図である。本発明の一実施形態による光学ナビゲーションを実行するための方法のプロセス流れ図である。

Claims

ナビゲーション面上で光学ナビゲーションを実行するための方法であって、
前記ナビゲーション面に基づいて第１の動作モードと第２の動作モードとのうちの１つに画像捕捉モードを設定するステップと、
画像データの第１のフレームの各々がＭ×Ｎ個のサンプリングされた信号を含むようにＭ×Ｎ個の感光性要素をアドレス指定することを含む前記第１の動作モードに前記画像捕捉モードが設定されたとき、画像データの前記第１のフレームとして画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素を使用して前記ナビゲーション面を電子的に捕捉するステップと、
画像データの第２のフレームの各々がＭ×Ｎ個より少ないサンプリングされた信号を含むように、多くともＭ×Ｎ個の前記感光性要素をアドレス指定することを含む前記第２の動作モードに前記画像捕捉モードが設定されたとき、画像データの前記第２のフレームとして前記画像センサアレイの多くともＭ×Ｎ個の前記感光性要素を使用して前記ナビゲーション面を電子的に捕捉するステップと、
画像データの前記第１および第２のフレームの少なくとも一部を使用して相対的変位を決定するために、画像データの前記第１および第２のフレームを処理するステップと
を含んでなる方法。
画像データの前記第２のフレームとして多くともＭ×Ｎ個の前記感光性要素を使用して前記ナビゲーション面を前記電子的に捕捉するステップは、ｎが１より大きい整数であるとして、画像データの前記第２のフレームを捕捉するために前記画像センサアレイの第ｎ番目ごとの感光性要素をアドレス指定することを含む、請求項１に記載の方法。
前記画像センサアレイの第ｎ番目ごとの感光性要素を前記アドレス指定することは、画像データの前記第２のフレームを捕捉するために、前記画像センサアレイの１つおきの感光性要素をアドレス指定することを含む、請求項２に記載の方法。
画像データの前記第２のフレームとして多くともＭ×Ｎ個の前記感光性要素を使用して前記ナビゲーション面を前記電子的に捕捉するステップは、画像データの前記第２のフレームの各サンプリングされた信号がブロックの１つに対応する画像データの前記第２のフレームを捕捉するために前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素の前記ブロックをアドレス指定することを含む、請求項１に記載の方法。
前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素の前記ブロックを前記アドレス指定することは、画像データの前記第２のフレームを捕捉するために、前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素の２×２ブロックをアドレス指定することを含む、請求項４に記載の方法。
画像データの前記第２のフレームとして多くともＭ×Ｎ個の前記感光性要素を使用して前記ナビゲーション面を前記電子的に捕捉するステップは、画像データの前記第２のフレームを捕捉するために、前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素の一部分をアドレス指定することを含む、請求項１に記載の方法。
前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素の前記一部分を前記アドレス指定することは、６４×６４画像センサアレイである前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素の３２×３２ピクセル部分をアドレス指定することを含む、請求項６に記載の方法。
前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素は、サイズが５μｍから２０μｍの間にある、請求項１に記載の方法。
前記ナビゲーション面上の微粒子を中和するために、前記ナビゲーション面上にイオンを注入することを更に含む、請求項１に記載の方法。
光学ナビゲーションのためのシステムであって、
ナビゲーション面から反射した光を受けるように配置されたＭ×Ｎ個の感光性要素を含む画像センサアレイと、
前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素を選択的にアドレス指定するように、前記画像センサアレイに動作可能に接続された復号ユニットと、
前記ナビゲーション面に基づいて第１の動作モードと第２の動作モードとのうちの１つに画像捕捉モードを設定するように、前記復号ユニットに動作可能に接続されたモードセレクタと、
前記画像捕捉モードに依存して前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素を選択的にアドレス指定するように前記復号ユニットに命令するために、前記復号ユニットと前記モードセレクタとに動作可能に接続されたプロセッサであって、画像データの前記第１のフレームの各々がＭ×Ｎ個のサンプリングされた信号を含むように画像捕捉モードが前記第１の動作モードに設定されたとき、前記ナビゲーション面の画像データの第１のフレームを捕捉するために、前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素を選択的にアドレス指定することを前記復号ユニットに命令するように構成され、画像データの第２のフレームの各々がＭ×Ｎ個より少ないサンプリングされた信号を含むように前記画像捕捉モードが前記第２の動作モードに設定されたとき、前記ナビゲーション面の画像データの前記第２のフレームを捕捉するために、多くともＭ×Ｎ個の前記感光性要素を選択的にアドレス指定することを前記復号ユニットに命令するように更に構成されたプロセッサと、
画像データの前記第１および第２のフレームを受け取るために前記画像センサアレイに動作可能に接続された画像処理モジュールであって、画像データの前記第１および第２のフレームの少なくとも一部を使用して相対的変位を決定するために、画像データの前記第１および第２のフレームを相関させるように構成された画像処理モジュールと
を含んでなる、光学ナビゲーションのためのシステム。
前記プロセッサは、前記画像捕捉モードが前記第２の動作モードに設定されたとき画像データの前記第２のフレームを捕捉するために、ｎが１より大きな整数であるとして、前記画像センサアレイの第ｎ番目ごとの感光性要素をアドレス指定することを前記復号ユニットに命令するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
前記プロセッサは、前記画像捕捉モードが前記第２の動作モードに設定されたとき、画像データの前記第２のフレームを捕捉するために前記画像センサアレイの１つおきの感光性要素をアドレス指定することを前記復号ユニットに命令するように構成される、請求項１１に記載のシステム。
前記プロセッサは、前記画像捕捉モードが前記第２の動作モードに設定されたとき、画像データの前記第２のフレームの各サンプリングされた信号がブロックの１つに対応する画像データの前記第２のフレームを捕捉するために前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素の前記ブロックをアドレス指定することを前記復号ユニットに命令するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
前記プロセッサは、前記画像捕捉モードが前記第２の動作モードに設定されたとき、画像データの前記第２のフレームを捕捉するために前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素の２×２ブロックをアドレス指定することを前記復号ユニットに命令するように構成される、請求項１３に記載のシステム。
前記プロセッサは、前記画像捕捉モードが前記第２の動作モードに設定されたとき、画像データの前記第２のフレームを捕捉するために前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素の一部分をアドレス指定することを前記復号ユニットに命令するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
前記プロセッサは、前記画像捕捉モードが前記第２の動作モードに設定されたとき、６４×６４画像センサアレイである前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素の３２×３２ピクセル部分をアドレス指定することを前記復号ユニットに命令するように構成される、請求項１５に記載のシステム。
前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素は、サイズが５μｍから２０μｍの間にある、請求項１０に記載のシステム。
前記ナビゲーション面上の微粒子を中和するために、前記ナビゲーション面上にイオンを注入するためのイオン発生器を更に含む、請求項１０に記載のシステム。
光学ナビゲーションのためのシステムであって、
光を放射するように構成された光源と、
ナビゲーション面から反射した光を受けるように配置されたＭ×Ｎ個の感光性要素を含む画像センサアレイと、
ナビゲーション面上にイオンを注入するように構成されたイオン発生器と、
前記画像センサアレイの前記感光性要素を選択的にアドレス指定するために、前記画像センサアレイに動作可能に接続された復号ユニットと、
画像データのフレームとして前記ナビゲーション面を捕捉するために、前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素を選択的にアドレス指定することを復号ユニットに命令するように、前記復号ユニットに動作可能に接続されたプロセッサと、
画像データの前記フレームを受け取るために、前記画像センサアレイに動作可能に接続された画像処理モジュールであって、画像データの前記フレームの少なくとも一部を使用して相対的変位を決定するために、画像データの前記フレームを相関させるように構成された画像処理モジュールと
を含んでなる、光学ナビゲーションのためのシステム。
前記プロセッサは、画像データの第１のフレームの各々がＭ×Ｎ個のサンプリングされた信号を含むように画像捕捉モードが第１の動作モードに設定されたとき、前記ナビゲーション面の画像データの前記第１のフレームを捕捉するために、前記画像センサアレイの前記Ｍ×Ｎ個の感光性要素を選択的にアドレス指定することを前記復号ユニットに命令するように構成され、前記プロセッサは、画像データの第２のフレームの各々がＭ×Ｎ個より少ないサンプリングされた信号を含むように前記画像捕捉モードが前記第２の動作モードに設定されたとき、前記ナビゲーション面の画像データの前記第２のフレームを捕捉するために、多くともＭ×Ｎ個の前記感光性要素を選択的にアドレス指定することを前記復号ユニットに命令するように更に構成される、請求項１９に記載のシステム。