TW201627827A - 光學導航裝置及其相關自動倍率調整方法 - Google Patents

Abstract

一種應用在光學導航裝置的自動倍率調整方法，光學導航裝置包含發光模組、參考模組及取像模組。參考模組包含具有已知參數的參考特徵。自動倍率調整方法包含有驅動該發光模組與該參考模組交替輸出一偵測光及一參考光或有圖案的影像，利用該取像模組擷取一系列導航影像，該些導航影像包含該偵測光形成的一偵測影像和該參考光形成的一參考影像，分析該參考影像以辨識出該參考特徵，根據該參考特徵之一偵測參數計算一補償係數，以及藉由該補償係數調整該偵測影像的縮放倍率以輸出相應的座標位移量。

Description

光學導航裝置及其相關自動倍率調整方法

本發明係提供一種光學導航裝置，尤指一種具有自動倍率調整功能以提高導航精確度的光學導航裝置及其相關的自動倍率調整方法。

傳統的導航裝置通常利用滾輪機構或光學感測模組去計算導航裝置相對於承載平面的座標變化。滾輪機構的輪體藉由摩擦力在承載平面上進行旋轉，故灰塵髒污易沾染到輪體而降低滾輪機構的靈敏度及反應能力。光學感測模組具有光發射器和光接受器，光發射器產生的光線投射到特定平面上，再由光接收器取得來自特定平面的反射光線，據此分析得知感測器相對特定平面移動的座標變化。特定平面可能為軟性材質的滑鼠墊，例如紙張。然而，光發射器與光接受器之間的光傳輸路徑會因軟性滑鼠墊的扭曲相應改變，使計算座標變化時產生明顯誤差。

本發明係提供一種具有自動倍率調整功能以提高導航精確度的光學導航裝置及其相關的自動倍率調整方法，以解決上述之問題。

本發明之申請專利範圍係揭露一種自動倍率調整方法，應用在具有一發光模組、一參考模組及一取像模組的一光學導航裝置。該參考模組包含至少一個或多個參考特徵，且該參考特徵具有一已知參數。該自動倍率調 整方法包含有驅動該發光模組與該參考模組交替輸出一偵測光及一參考光或有圖案的影像，利用該取像模組擷取一系列導航影像，該些導航影像包含該偵測光形成的一偵測影像和該參考光形成的一參考影像，分析該參考影像以辨識出該參考特徵，根據該參考特徵之一偵測參數計算一補償係數，以及藉由該補償係數調整該偵測影像的縮放倍率以輸出相應的座標位移量。

本發明之申請專利範圍另揭露根據該參考影像之該偵測參數計算該補償係數之步驟包含比較該偵測參數與該已知參數，以及依據該偵測參數和該已知參數的比較結果計算該補償參數。藉由該補償係數調整該偵測影像的縮放倍率以輸出該相應的座標位移量之步驟包含分析該偵測影像的初始座標位移量，以及依據該初始座標位移量和該補償係數去算出該相應的座標位移量。該參考模組係週期性地產生該參考影像、或根據該光學導航裝置之一估計量值輸出該參考影像。該參考模組包含一參考光源以及一參考光學元件，該參考特徵選擇性設置在該參考光源或該參考光學元件上。該已知參數係可表示該參考特徵的尺寸特徵。該參考特徵另可包含複數個參考點，且該已知參數係為該些參考點之間距。

本發明之申請專利範圍另揭露一種具有自動倍率調整功能的光學導航裝置，其包含有一發光模組、一參考模組、一取像模組以及一控制器。該發光模組用以輸出一偵測光。該參考模組鄰設於該發光模組旁以輸出一參考光或有圖案的影像。該參考模組包含一參考特徵，且該參考特徵具有一已知參數。該取像模組鄰設於該發光模組與該參考模組，用來擷取該偵測光形成的一偵測影像和該參考光形成的一參考影像。該控制器電連接於該發光模組、該參考模組和該取像模組。該控制器係驅動該發光模組與該參考模組交替產生該偵測影像及該參考影像，分析該參考影像以辨識出該參考特徵，並根據該參考特徵之一偵測參數計算一補償係數，以藉由該補償係數調整該偵 測影像的縮放倍率以輸出相應的座標位移量。

本發明之申請專利範圍另揭露一種自動倍率調整方法，應用在具有一發光模組與一取像模組的一光學導航裝置。該發光模組包含至少一個或多個參考特徵，且該參考特徵具有內嵌或內建的已知參數。該自動倍率調整方法包含有利用該取像模組擷取由該發光模組產生的一偵測影像，分析該偵測影像以辨識出該參考特徵，根據該參考特徵之一偵測參數計算一補償係數，從該偵測影像中選擇性移除該參考特徵，以及藉由該補償係數調整不具該參考特徵之該偵測影像的縮放倍率，以輸出相應的座標位移量。

本發明之申請專利範圍另揭露一種具有自動倍率調整功能的光學導航裝置，其包含有一發光模組、一取像模組以及一控制器。該發光模組輸出一偵測光以形成一偵測影像。該發光模組包含一參考特徵，且該參考特徵具有一已知參數。該取像模組鄰設於該發光模組，用以擷取該偵測影像。該控制器，電連接於該發光模組與該取像模組。該控制器係分析該偵測影像以辨識出該參考特徵，根據該參考特徵之一偵測參數計算一補償係數，再從該偵測影像中移除該參考特徵，以藉由該補償係數調整不具該參考特徵之該偵測影像的縮放倍率並輸出相應的座標位移量。

本發明的光學導航裝置及其相關自動倍率調整方法能有效克服滑鼠墊浮動造成的位移偏差，座標位移量可被精確校正以表示游標移動量及滑鼠的真實軌跡，繼而相應改善光學導航裝置的導航精確度以提高產品的市場競爭力。

10‧‧‧光學導航裝置

12‧‧‧滑鼠墊

14‧‧‧發光模組

141‧‧‧偵測光源

142‧‧‧偵測光學元件

16‧‧‧參考模組

161‧‧‧參考光源

162‧‧‧參考光學元件

163‧‧‧參考特徵

163’‧‧‧變形參考特徵

163a‧‧‧參考點

165‧‧‧出射面

18‧‧‧取像模組

181‧‧‧取像感測器

182‧‧‧取像光學元件

20‧‧‧控制器

D‧‧‧已知參數

D’‧‧‧偵測參數

70‧‧‧光學導航裝置

72‧‧‧發光模組

721‧‧‧偵測光源

722‧‧‧偵測光學元件

723‧‧‧參考特徵

74‧‧‧取像模組

741‧‧‧取像感測器

742‧‧‧取像光學元件

76‧‧‧控制器

500、502、504、506、508、510‧‧‧步驟

900、902、904、906、908、910‧‧‧步驟

第1圖為本發明第一實施例之光學導航裝置之功能方塊圖。

第2圖為本發明第一實施例之光學導航裝置之剖視圖。

第3圖與第4圖分別為本發明不同實施例之參考特徵之示意圖。

第5圖為本發明第一實施例之應用在光學導航裝置之自動倍率調整方法之流程圖。

第6圖為本發明第一實施例之偵測影像與參考影像之比較圖。

第7圖為本發明實施例之第二實施例之光學導航裝置之功能方塊圖。

第8圖為本發明實施例之第二實施例之光學導航裝置之剖視圖。

第9圖為本發明第二實施例之應用在光學導航裝置之自動倍率調整方法之流程圖。

請參考第1圖與第2圖，第1圖為本發明第一實施例之光學導航裝置10之功能方塊圖，第2圖為本發明第一實施例之光學導航裝置10之剖視圖。光學導航裝置10較佳為電連接於電腦主機的滑鼠。光學導航裝置10能在滑鼠墊12上移動以控制滑鼠顯示在電腦螢幕上的游標移動(意即其座標位移量)。滑鼠墊12可由軟性材質製作、或具有凹凸不平的表面，例如橡膠軟墊或一般紙張。使用薄片紙張作為滑鼠墊12時，紙張可能受外力擠壓扭曲而有部分區域向上抬昇或左右歪斜，光學導航裝置10的光學透鏡或感測器和滑鼠墊12表面的距離易因滑鼠墊12扭曲產生微小變化，相應改變光學導航裝置10之取像模組的光學對焦結果，使得偵測到的游標移動常常無法正確反映出光學導航裝置10的真實軌跡。因此，本發明提供一種可應用在光學導航裝置10的自動倍率調整技術以提高游標控制的導航精確度。

光學導航裝置10包含發光模組14、參考模組16、取像模組18以及控制器20。控制器20電連接於發光模組14、參考模組16與取像模組 18以執行功能控制。發光模組14至少包含偵測光源141和偵測光學元件142。偵測光源141產生的光線經由偵測光學元件142投射在滑鼠墊12上，藉此輸出偵測光並產生相應的偵測影像。參考模組16鄰設於發光模組14。參考模組16至少包含參考光源161、參考光學元件162、以及具有內嵌或內建已知參數的參考特徵163。參考光源161產生的光線經由參考光學元件162投射到滑鼠墊12，據此輸出參考光(用來產生參考影像)或有圖案的影像。參考影像會包含參考特徵163的相關資訊，影像中的圖案即為參考特徵163的投射圖案。滑鼠墊12扭曲晃動時，即時取得的參考特徵163的偵測參數會不同於其原始已知參數，故會造成座標位移量的計算誤差。取像模組18鄰設於發光模組14與參考模組16。取像模組18至少包含取像感測器181以及取像光學元件182。取像感測器181透過取像光學元件182的對焦以擷取到偵測影像和參考影像。

請參閱第3圖與第4圖，第3圖與第4圖分別為本發明不同實施例之參考特徵163之示意圖。如第3圖所示，參考特徵163設置在參考光源161上，參考特徵163是微尺寸的光學特徵，例如參考特徵163可以是形成在參考光源161之出射面165(例如透光罩)的微凸透鏡，且已知參數係表示參考特徵163的尺寸特徵(例如寬度、長度、徑向尺寸等)和/或形狀特徵(例如凸透鏡的造型)。參考特徵163另可包含複數個參考點163a，每一個參考點163a可為間隔於另一參考點163a的微凸透鏡，且已知參數即表示該些分散參考點163a的間距。再者，參考特徵163不僅可以是用來在參考影像中提供亮點的微凸透鏡，也可以是用來在參考影像上形成暗區域的微遮蔽物。如第4圖所示，參考特徵163的參考點163a是形成在參考光學元件162(其係為凸透鏡)上的微凸透鏡或微遮蔽物，且已知參數係為參考點163a的尺寸、和/或該些參考點163a的間距。因此，參考特徵163能夠選擇性設置在參考光源161或參考光學元件162上、或是設置在光源與滑鼠墊表面之間的外部光學元件上。 控制器20依據參考特徵163之偵測參數和已知參數的差異決定是否啟動自動倍率調整功能。

請參閱第5圖，第5圖為本發明第一實施例之應用在光學導航裝置10之自動倍率調整方法之流程圖。首先，執行步驟500，控制器20驅動發光模組14輸出偵測影像，且另驅動取像模組18擷取偵測影像以供分析光學導航裝置10的座標位移量。若偵測參數和已知參數的差異高於特定門檻，表示滑鼠墊12已過度扭曲而影響光學導航裝置10的導航精確度，意即座標位移量無法正確反映滑鼠的真實軌跡，故執行步驟502以啟動光學導航裝置10的自動倍率調整功能，讓控制器20驅動參考模組16週期性地輸出參考影像，意即在產生特定數量的複數張偵測影像後才輸出一張或多張參考影像。舉例來說，發光模組14可於每秒輸出二十張偵測影像，且參考模組16可在每秒相應輸出五張參考影像。再者，控制器20另可依據光學導航裝置10之估計量值的判斷去驅動參考模組16輸出參考影像。前述的估計量值係以使用者的行為慣性預測座標位移量，控制器20會在估計量值不符合偵測影像之座標位移量時啟動參考模組16。又或者，使用者還能在認為座標位移量沒有對應到光學導航裝置10的真實軌跡時，以手動操作方式啟動自動倍率調整功能，例如按壓光學導航裝置10的特定觸發鈕。

在步驟502中，因為取像模組18同時擷取到偵測影像和參考影像並無法提供有用資訊，因此控制器20係驅動發光模組14與參考模組16依次輪流地交替產生偵測影像及參考影像。接續執行步驟504、506、508，控制器20會驅動取像模組18擷取包含偵測影像和參考影像的一系列導航影像，分析參考影像以辨識出參考特徵163，然後根據參考特徵163的偵測參數計算補償係數。請參閱第6圖，第6圖為本發明第一實施例之偵測影像I1與參考影像I2之比較圖。參考影像I2含有參考特徵163和已知參數D，偵測影像 I1含有從變形參考特徵163’分析取得的偵測參數D’。控制器20比較偵測參數D’與已知參數D以找出其差異處，據此相應計算補償係數。其中補償係數可為偵測參數D’相較已知參數D的特定比例值。在步驟510中，控制器20利用補償係數調整偵測影像的縮放倍率後，即可輸出已進行修改及校正的相應座標位移量。

如第6圖所示的影像比較圖可知，扭曲晃動的滑鼠墊12會造成偵測參數D’與已知參數D產生顯著差異，分析偵測影像I1取得的初始座標位移量並無法正確反映光學導航裝置10的真實軌跡，因此自動倍率調整方法能自動或手動致能以根據初始座標位移量和補償係數的換算產生修改/校正後的相應座標位移量，使相應座標位移量可正確表示真實軌跡，以供光學導航裝置10利用該相應座標位移量去控制電腦主機的應用程式。

請參閱第7圖與第8圖，第7圖為本發明實施例之第二實施例之光學導航裝置70之功能方塊圖，第8圖為本發明實施例之第二實施例之光學導航裝置70之剖視圖。光學導航裝置70包含發光模組72、取像模組74以及控制器76。發光模組72至少包含偵測光源721、偵測光學元件722、和具有已知參數的參考特徵723。取像模組74至少包含取像感測器741以及取像光學元件742。控制器76電連接於偵測光源721和取像感測器741。參考特徵723具有近似於前述參考特徵163的特性，故此不再重複敘明。舉例來說，參考特徵723可以是選擇性設置在偵測光源721或偵測光學元件722上的微凸透鏡或微遮蔽物。

因為參考特徵723設置在偵測光源721或偵測光學元件722上，發光模組72輸出的每一張偵測影像都含有參考特徵723，故光學導航裝置70能利用自動倍率調整功能校正每張偵測影像中的座標位移量。值得一提的是， 取像模組74取得的偵測影像因為參考特徵723之投射會含有至少一個或多個固定圖點，固定圖點是影像處理中的雜訊，必須排除影像中的雜訊後，控制器76才能正確分析偵測影像以取得光學導航裝置70的座標位移量。初始座標位移量係從已移除參考特徵723的偵測影像中計算得知，當偵測影像中的偵測參數不符合參考特徵723的已知參數時，控制器76會根據補償係數調整影像的縮放倍率，以將初始座標位移量轉換為相應的座標位移量，讓校正後之相應座標位移量能正確反映出光學導航裝置70的真實軌跡。

請參閱第9圖，第9圖為本發明第二實施例之應用在光學導航裝置70之自動倍率調整方法之流程圖。首先，執行步驟900及902，控制器76驅動發光模組72輸出偵測影像、且驅動取像模組74擷取反射自滑鼠墊12的偵測影像。偵測影像的座標位移量已分析取得但尚未輸出。因為所有偵測影像都含有參考特徵723，自動倍率調整功能可以套用在任何一張偵測影像上。在步驟904中，控制器76分析偵測影像以辨識出參考特徵723。接著執行步驟906與步驟908，且其執行順序不限於第9圖所示。控制器76能依據參考特徵723的偵測參數去計算補償係數，然後自偵測光形成的偵測影像中選擇性移除參考特徵723，以供計算初始座標位移量。最後，執行步驟910，使控制器76能藉由補償係數調整初始座標位移量的縮放倍率，據此輸出能正確表示光學導航裝置70之真實軌跡的相應座標位移量。

在本發明中，第一實施例利用參考模組投射參考特徵到滑鼠墊上，發光模組產生的偵測影像未含有對應為參考特徵的雜訊，偵測影像上的任一區域都可用來計算座標位移量，因此參考影像及偵測影像係間歇性地交替產生，讓取像模組能擷取到參考影像以取得補償係數、並透過補償係數相應調整偵測影像之縮放倍率，以輸出能正確反映光學導航裝置之真實軌跡的相應座標位移量。另外，第二實施例將參考特徵設置在發光模組，而非設置在額 外的參考模組。偵測影像中含有參考特徵的區域需被排除，以供計算尚未輸出的初始座標位移量，第二實施例依參考特徵之偵測參數的分析結果校正初始座標位移量，使得校正後的相應座標位移量能正確反映光學導航裝置之真實軌跡。相較先前技術，本發明的光學導航裝置及其相關自動倍率調整方法能有效克服滑鼠墊浮動造成的位移偏差，座標位移量可被精確校正以表示游標移動量及滑鼠的真實軌跡，繼而相應改善光學導航裝置的導航精確度以提高產品的市場競爭力。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧光學導航裝置

12‧‧‧滑鼠墊

14‧‧‧發光模組

141‧‧‧偵測光源

142‧‧‧偵測光學元件

16‧‧‧參考模組

161‧‧‧參考光源

162‧‧‧參考光學元件

18‧‧‧取像模組

181‧‧‧取像感測器

182‧‧‧取像光學元件

Claims (26)

1. 一種自動倍率調整方法，應用在具有一發光模組、一參考模組及一取像模組的一光學導航裝置，該參考模組包含至少一參考特徵，且該參考特徵具有一已知參數，該自動倍率調整方法包含有：驅動該發光模組與該參考模組交替輸出一偵測光及一參考光；利用該取像模組擷取一系列導航影像，該些導航影像包含該偵測光形成的一偵測影像和該參考光形成的一參考影像；分析該參考影像以辨識出該參考特徵；根據該參考特徵之一偵測參數計算一補償係數；以及藉由該補償係數調整該偵測影像的縮放倍率以輸出相應的座標位移量。
2. 如請求項1所述之自動倍率調整方法，其中根據該參考影像之該偵測參數計算該補償係數之步驟包含：比較該偵測參數與該已知參數；以及依據該偵測參數和該已知參數的比較結果計算該補償參數。
3. 如請求項1所述之自動倍率調整方法，其中藉由該補償係數調整該偵測影像的縮放倍率以輸出該相應的座標位移量之步驟包含：分析該偵測影像的初始座標位移量；以及依據該初始座標位移量和該補償係數去算出該相應的座標位移量。
4. 如請求項1所述之自動倍率調整方法，其中該參考模組係週期性地產生該參考影像、或根據該光學導航裝置之一估計量值輸出該參考影像。
5. 如請求項1所述之自動倍率調整方法，其中該參考模組包含一參考光源以 及一參考光學元件，該參考特徵選擇性設置在該參考光源或該參考光學元件上。
6. 如請求項1所述之自動倍率調整方法，其中該已知參數係表示該參考特徵的尺寸特徵。
7. 如請求項1所述之自動倍率調整方法，其中該參考特徵包含複數個參考點，且該已知參數係為該些參考點之間距。
8. 一種具有自動倍率調整功能的光學導航裝置，其包含有：一發光模組，用以輸出一偵測光；一參考模組，鄰設於該發光模組旁以輸出一參考光，該參考模組包含一參考特徵，且該參考特徵具有一已知參數；一取像模組，鄰設於該發光模組與該參考模組，用來擷取該偵測光形成的一偵測影像和該參考光形成的一參考影像；以及一控制器，電連接於該發光模組、該參考模組和該取像模組，該控制器係驅動該發光模組與該參考模組交替產生該偵測影像及該參考影像，分析該參考影像以辨識出該參考特徵，並根據該參考特徵之一偵測參數計算一補償係數，以藉由該補償係數調整該偵測影像的縮放倍率以輸出相應的座標位移量。
9. 如請求項8所述之光學導航裝置，其中該控制器比較該偵測參數與該已知參數，且依據該偵測參數和該已知參數的比較結果計算該補償參數，該控制器另分析該偵測影像的初始座標位移量，以依據該初始座標位移量和該補償係數去算出該相應的座標位移量。
10. 如請求項8所述之光學導航裝置，其中該控制器係驅動該參考模組週期性地產生該參考影像、或驅動該參考模組根據該光學導航裝置之一估計量值輸出該參考影像。
11. 如請求項8所述之光學導航裝置，其中該參考模組包含一參考光源以及一參考光學元件，該參考特徵選擇性設置在該參考光源或該參考光學元件上。
12. 如請求項11所述之光學導航裝置，其中該參考特徵為一微尺寸凸透鏡，形成在該參考光學元件上、或該參考光源之一出射面上。
13. 如請求項8所述之光學導航裝置，其中該已知參數係表示該參考特徵的尺寸特徵。
14. 如請求項8所述之光學導航裝置，其中該參考特徵包含複數個參考點，且該已知參數係為該些參考點之間距。
15. 一種自動倍率調整方法，應用在具有一發光模組與一取像模組的一光學導航裝置，該發光模組包含至少一參考特徵，且該參考特徵具有一已知參數，該自動倍率調整方法包含有：利用該取像模組擷取由該發光模組產生的一偵測影像；分析該偵測影像以辨識出該參考特徵；根據該參考特徵之一偵測參數計算一補償係數；從該偵測影像中移除該參考特徵；以及藉由該補償係數調整不具該參考特徵之該偵測影像的縮放倍率，以輸出相應的座標位移量。
16. 如請求項15所述之自動倍率調整方法，其中根據該參考特徵之該偵測參數計算該補償係數之步驟包含：比較該偵測參數與該已知參數；以及依據該偵測參數和該已知參數的比較結果計算該補償參數。
17. 如請求項15所述之自動倍率調整方法，其中藉由該補償係數調整不具該參考特徵之該偵測影像的縮放倍率以輸出相應的座標位移量之步驟包含：分析該偵測影像的初始座標位移量；以及依據該初始座標位移量和該補償係數去算出該相應的座標位移量。
18. 如請求項15所述之自動倍率調整方法，其中該發光模組包含一偵測光源以及一偵測光學元件，該參考特徵選擇性設置在該偵測光源或該偵測光學元件上。
19. 如請求項15所述之自動倍率調整方法，其中該已知參數係表示該參考特徵的尺寸特徵。
20. 如請求項15所述之自動倍率調整方法，其中該參考特徵包含複數個參考點，且該已知參數係為該些參考點之間距。
21. 一種具有自動倍率調整功能的光學導航裝置，其包含有：一發光模組，輸出一偵測光以形成一偵測影像，該發光模組包含一參考特徵，且該參考特徵具有一已知參數，一取像模組，鄰設於該發光模組，用以擷取該偵測影像；以及一控制器，電連接於該發光模組與該取像模組，該控制器係分析該偵測影 像以辨識出該參考特徵，根據該參考特徵之一偵測參數計算一補償係數，再從該偵測影像中移除該參考特徵，以藉由該補償係數調整不具該參考特徵之該偵測影像的縮放倍率並輸出相應的座標位移量。
22. 如請求項21所述之光學導航裝置，其中該控制器比較該偵測參數與該已知參數，且依據該偵測參數和該已知參數的比較結果計算該補償參數，該控制器另分析該偵測影像的初始座標位移量，以依據該初始座標位移量和該補償係數去算出該相應的座標位移量。
23. 如請求項21所述之光學導航裝置，其中該發光模組包含一偵測光源以及一偵測光學元件，該參考特徵選擇性設置在該偵測光源或該偵測光學元件上。
24. 如請求項23所述之光學導航裝置，其中該參考特徵為一微尺寸凸透鏡，形成在該偵測光學元件上、或該偵測光源之一出射面上。
25. 如請求項21所述之光學導航裝置，其中該已知參數係表示該參考特徵的尺寸特徵。
26. 如請求項21所述之光學導航裝置，其中該參考特徵包含複數個參考點，且該已知參數係為該些參考點之間距。