TW496076B - Predictive and pulsed illumination of a surface in a micro-texture navigation technique - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 併入為參考資料 申明案的軚的係與揭示於美國專利第5,644，139號 者有關，標題為偵測導航感測器相對於一物體之運動之導 技衍（97年7月1日核發），與揭示於美國專利第5,729,008 唬者有關’標題為以來自一照相元件陣列之關聯訊號來追 蹤相對運動之方法與裝置（‘98年3月17日核發），以及亦與 揭示於美國專利申請案第〇9/〇52，_號者有目，標題為電 月自系、充用之導盲犬，，滑鼠C98年3月3〇日提出）和（S/N未知） 標題為微紋表面上光學導航之曝光祠服器，於同日由 mas C.〇liver和Brian l 以立即申請案提出 ，亚讓渡給Hewlett-Packard公司。簡言之，美國專利 55644?139^^ 55729?008^^α ^ f tf t 〇9/052?046f^ ίλ A U、、文表面上的光學導航曝光伺服器特在此併入本案以為參 考資料。 / 發明之背景 一最近發展之追蹤運動和累積位置的技術，其是藉由 將一先前影像的位移情況與表面微紋的新影像相關聯，表 面微紋諸如一張紙中的纖維，該技術提供使用的簡易性和 傑出的正確性。在所併入的專利文件中說明了這類裝置。 這樣的技術總稱為，，光學導航”，因其變得更廣為人知和欣 貝，可合理地預期其將會成為更廣泛的使用。功率消耗在 光學導航適用的應用類型中常是一個問題。例如，一手持 掃瞄器若為一電池供電的裝置，會比由AC電源供電更有 吸引力。使用光學導航之滑鼠操作並以電池供電的電腦 本紙張尺度適时關家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） 4 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) t ----：----^------------ A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ------B7 _ 五、發明說明（2 ) 進一步的例子。 光學導航技術係依賴照明。用來捕捉影像的感光元件 具有-”電子式快門，，，因為它們可不需機械式快門的幫助 而連續地暴露於受照明的影像。理想上，它們可累積電荷 ，或者以別的方法將光線轉換成一電性值，且只在回應一 訊號時才如此做。不幸地，某些感光裝置會遭受偏壓現象 ，其當光線關閉後將之以脈衝打開時會妨礙測量。這些裝 置仍可被認為具有一電子式快門，但裝置的特性要求光源 須開著。然而，有可以配置成適於光學導航之陣列且兼具 有電子式快門並對偏差現象不敏感（例如，光電晶體，例 如使用在數位照相機者）的感光裝置型式，其提供脈衝光 線操作的功率節省。在此我們關注的是指向具有這樣一個 感測器陣列的光學導航系統。 結果，早期的光學導航系統只連續供應所要的照明， 即使可能只需要五或十個百分比的時間。此外，它們連續 地以一最大速率取樣。通常，在一複雜系統中的簡化是受 歡迎的性質，且在此情況中並非連續照明和最大取樣無法 運作；它們可以，且也十分良好。但不幸地，表面照明是 以IR(紅外線）LED執行的，且是有限電池電源的明顯消耗 者。若光學導航技術可修改為配合應要求時才出現的照明 且不會妨礙其穩定持續追縱其之所在之能力的話是令人 嚮彺的。取樣率的減少是可能的，也是令人嚮往的，因為 取樣是電源的主要消耗者。 本紙張尺度賴+關家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱）

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五、發明說明（3 ) 發明之概要說明 光學導航系統藉由只當需要時才對其表面以脈衝啟 動照明光源來提供光線之方式節省電源。光線的大小可由 一監視相關資料和平均照明度，且當需要並安全時才改變 所控制的大小之㈣器機制加以控制。至於產生不同大小 的如明’可以下列方式完成：⑴以脈衝打開光線然後在脈 衝期間開啟電子式快門—段時間（使光進人）；（2)開啟快門 J後炎化光線的脈衝寬度（使LED進入）；（3)開啟快門然後 以脈衝在不同強度打開乙£1);以及（4)結合（2)和（3)。此外 ，可決定表面上方的導航電路之速度（或者反之亦然），且 在假。又有可能加速度受限（例如一手持掃瞄器）為安全的情 况中在低速日t降低資料獲取率是令人嚮往的，且藉此可 不#以脈衝打開光源而節省電源。降低可以是經過計算何 時真正必須再次取樣的預測，以最壞情況的加速度為基礎 ，或者其可只是與抑制正常安排的脈衝並執行其它脈衝有 關的保守估計。 圖式之簡要說明 第1圖為一簡化的方塊圖，說明一結合光學導航系統 之特定的觀點，其中在由控制以脈衝打開光源之曝光所產 生的功率消耗方面有一有利的降低。 第2圖為一簡化的波形圖，說明一種對第丨圖之光學導 航電路改變曝光之方法，其係依靠調節LED驅動脈衝之高 度； 第3圖為一簡化的波形圖，說明一種對第1圖之光學導 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -----：----訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6 496076 A7 五、發明說明（4 部 智 慧 局 員 工 消 費 社 印 製 =電路改變曝光之方法，其係依靠調節LED驅動脈衝之寬 第4圖為-簡化的波形圖’說明一種對第i圖之光學導 航電路改變曝光之方法，其係依靠藉由讓使用-電子^快 門5虎產生之光線進入來調節LED驅動脈衝之寬度。 第5圖為-簡化的波形圖’說明—種對第ι圖之光學導 航電路降低功率消耗之方法，藉由根據相對速度控制:樣 率之方式；以及 第6圖為-簡化的波形圖’說明一種對…圖之光學導 航電路降低功率消耗之方法，藉由抑制規律安排之取樣來 根據相對速度控制取樣率。 一較佳具體例之說明 現參考第1® ’其中顯示—包含光學導航之系統的 化方塊第旧。特別地’其是以—電池操作電源供應^ 來以電池供電的，雖然這並不是一必要的要件；即使以AC 電源操作的電路亦可從降低功率消耗中得到好處（較長 零件哥命’較低的發熱，無風扇等）。 一光學導航電路2’其可能如在所併入的内容中說丨 者或類似’最靠近表面5 ’該表面的微紋被—或多個咖」 照明。來自LED 3的光線4從表面5反射，而反射光6的部 份進入光學航電路2的-孔（未顯示）。光學導航電路2藉由 追縱在-最接近該孔的感光裝置（未顯示）陣列中微紋所產 生的圖樣之表面運動之方式來記錄其相對於表面5的實體 位置在過去和本像素f彡像架構㈣_技術㈣來完成 項 | 訂 簡 18 的 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公^ 496076 A7 五、發明說明（ (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 此，如在所併入文件中十分詳盡說明的。我們稱此追蹤運 動之程序為”導航，，。可察知光學導航電路2為一相當大尺 寸之1C(積體電路），且其具有一自給自足並與任務相稱之 作業電源。然而，其自身並非一完整系統，且其輸出（8_12) 是由一外層處理使用以產生某些結果（13)。 口此’主思來自光學導航電路2的幾個輸出被應用至 系統控制器7，其確實產生一系統輸出13(例如，一掃瞄影 像或一位置）。來自光學導航電路2的輸出包括一平均照明 值8，相關碗狀部份資料9，χ*γ軸之增量運動訊號u， 以及其它資料12。此外，有其它來自系統控制器7的控制 輸入10，例如一重置訊號，以及其它訊號以供不同的管理 功能之用。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 有關相關碗狀部份資料訊號9的一個字是適當的，我 們稍稍暫停離題-下。回想我們曾說導航牽涉到追縱一像 素圖樣的表面運動。此可藉由將_資料架構與—參考架構 相比較。比較是以在某些方向上將一架構的内容相對於另 外一個來位移一個像素，並詢問在不同位置中的像素值是 否相同（或者，所有它們個別的差的總和大約為零）。，，在 某些方向上”的比較是對一像素位移在各方向上執行的： 上，下，左，右，左上，右上，左下，和右下。其為八個 比較的合計。但我們不可忘記可能沒有運動，因此我們也 需要無位移的結果。這造成九個比較值，其原則上對應於 我們稱為相關值者。最低的一個表示我們正在追蹤的相對 運動。為了在此程序中更為健全，我們亦可到下—個最近

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的像素位置，其可將相關值 序在所併入的文件中十分十 關程 十刀砰盡地說明。，，碗狀部份”只是相 哥大小對其所代表之位移位置的三維繪圖。碗狀部份的音 :’除了指示運動或者無運動外’係其形狀可帶來導航程 序如其所預定般運作的心。例如，若碗狀部份v，平的，， ’我們可推測在像素間㈣比不夠，以致於無法以此導航 。其是—個在導航期間要避免的嚴重狀況。當導航進行時 表面中的改變可引起碗狀部份中偏離的缺乏，其可能可以 曝光中的改變來修正。 接著返回主題，在系統控制器7中的一子系統對我們 來說特別有趣。其為-預期式取樣和曝光控制器14，其輸 出為一LED驅動訊號15和一快門訊號16。led驅動訊號^ 會是-不同持續時間和大小或可能兩者皆不同的脈衝。它 決定發射光4的量，其是可獲得以變成反射光6，其之一部 份可能隨後進入光學導航電路2的孔中。實際上到達光偵 測器陣列（未顯示）並影響它們輸出之反射光的量被稱為，， 曝光”。若沒有電子式快門機制（這也許不可能發生，但還 是有可能的），則抵達陣列的光確實是曝光大小的原因。 較可能地是有一電子式快門，其，，打開時間，，是由亦為一脈 衝的快門訊號16決定。該脈衝被加至一實際上驅動一或多 個發出光線4的LED 3之LED電源驅動器17。於是一般而 a ’最後的曝光將是LED驅動訊號15和快門訊號16的函數 現在，說明決定曝光應為何的任何特殊方式並非我們 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 9 496076 五、發明說明（7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 的目的。有傳統可達成此的方法，除此之外有說明於標題 為在微紋表面上光學導航之曝光伺服器的美國專利中的技 術，此間於本應用的開頭已提及並包含。在此指出這樣的 曝光大小決定可能依賴平均照明8 ,且最好亦依賴相關碗 狀部份資料9便已足夠。然而，我們對於一旦得知要求一 特定曝光大小，或者一現在的曝光欲增加或減小時，如何 產生一特定曝光感到興趣。 現在參考第2圖，其中顯示一種以不同大小的LED驅 動脈衝來變化曝光之方法。特別地，脈衝19具有一高的大 小，且對其相關的資料架構（樣本）產生一對應高於具有一 車乂低大小的脈衝20所造成的曝光。它們會發生在不同的時 間，指出在過渡時期内的某一時間預期式取樣和曝光控制 器14決定降低曝光大小。在此範例中，任何電子式快門在 脈衝時間19和20内假設是打開的。 一相關但不同的方法敘述於第4圖中。在此LEd 3在 LED驅動脈衝23的整個持續時間内皆是開的，但電子式快 門只打開一段較短的由訊號24指出的時間。在此範例中， 快門訊號24被包含在LED驅動脈衝23内，但它們可能以不 同的方式重疊。無論如何，是它們同時存在的期間以將感 光元件限制在由虛線25和26指出之期間的快門效果來產生 一有效的LED脈衝寬度27。 以上為在一脈衝光線環境中’’調節，，曝光量的方式，已 說明預期式取樣和曝光控制器14決定要，，將閘門移動，，多少 。藉由當LED在不需要取樣間時不消耗功率激發led，以 木紙張尺度適用國家標準（CNS)A4規格（21G X 297公爱 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁)

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五、發明說明（8 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 脈衝打開光線可節省功率。注意不需要任何對一現行用來 決定多常取樣之結構的改變。 還有另種可用來達到這樣的節省，並用來控制取樣 率之技術。這可獨立地施行，或與以上開始的曝光控制技 術結合。此技術顯示於第5和6圖中。這些技術是以知道需 要m度時間來拮取-樣本架構並執行相互關聯，且 有-可預期的加速度上限為基礎的，也是以導航電路和表 面間允許的相對速度為基礎的。此認知在當相對速度低或 為零時，可用來降低取樣率。 例如假設其為零。亦假設使用的參考架構具有大部份 或全部原封不動位移的能力。則我們可有把握地決定_最 小取樣率，其會保證即使在某些初始移動期間我們不取樣 ，下一個資料架構仍將是與該參考架構可相關聯的。藉由 將取樣率降至該值，我們以節避免照明LED，s 3的不必要 使用來節省功率。ί見在，若我們持續追縱相對速度，我們 可將最小取樣率向上調節至所需來維持相同的優點，雖然 功率上的節省有可能較小。考慮參考架構歷經多少位移可 能是必要的，以及減少其之取樣率也是同樣必要的。 現考慮第5圖。它說明第一列脈衝27，其代表以一相 對高速率的取樣（以任何設定的曝光），也許甚至是以一最 大速率。這與稍後當取樣脈衝28和29以一相當低速率發出 的情況形成對比。在此圖中，實際取樣率被計算為最小安 全值’且基本上為相對速度之函數連續地變化。 在第6圖中得到一類似的結果，但係以一在某些系統 本紙張尺度適用中_雜準（CNS)A4規格⑽χ 297公爱） 11 -----r I--訂---------^99. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 496076 A7 五、發明說明t 9 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 中可能較簡單實現的方法。在此方法中，基本的取樣脈衝 重覆率是固定的，但個別的取樣脈衝被引入發生或不引入 如第5圖技術的步階近似。如此，脈衝列％代表一最大 取樣率，同時在一個不同點上，時間錯失脈衝31中導致較 小的取樣率，同時在再另一個點上，時間錯失脈衝“和％ 中導致一更小的取樣率。 一種完成上述可變率取樣的方法為重覆地以相對速度 和相關的系統性能參數為基礎計算取樣率，例如最大允許 的加速度和最大允許速度，按照在一參考架構和一資料架 構間允許的表面運動量來考慮（即，在其之間可容納的位 移量）。一個簡化是將允許的速度範圍分成幾個範圍，例 如母秒零至一英叶，每秒一至三英忖，每秒三至九英对， 以及更高。然後一查詢表提供在每個這些速度上的取樣率 的穩當安全值，以此減少重覆再計算取樣率的運作所需。 例如，考慮一具有四十七乘四十七個感光器，其間 為四十微米的光學導航電路。若速度為零且我們假設一 速度5g ’則為確保小於在連貫資料架構之間一個運動像素 ，我們最多可允許架構間約4 msec的時間間隔。即. X =位移=l/2at2 =像素間隔 解t: t = V2xTa 其中： a = 5 m/sec2 = l/2g 以及 X = 40 * ι〇-6公尺: 像素 (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) t 隔 加 個 訂---------· 496076

五、發明說明（10 ) 以上糸統的最大取樣率約為介於連續取樣間100// sec 的間隔以約母秒·4公尺的速度。現在，從4msec至100 V sec為取樣率四十比一的改變，其代表當較低的速率為 可能時十分節省功率。在此範例中，若有需要的話，藉由 化著具有從速度零至4m/sec的橫座標和4msecs 1〇〇 # sec 的對應縱座標的線上插入，可將取樣率與速度相關。如以 上所提及的，不是重覆地求解該線的方程式就是（較佳地） 將取樣率預先載入一以速度為索引的查詢表中。以四十比 一的比率，在查詢表中將速度分成或許多達十六或三十二 個不同的項目會是適當的。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .4^^-----—tT---------· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7

疋件標號對照 1.. .方塊圖 2·..光學導航電路 3…LED’s(發光二極體） 4.. .光線 5…具有微紋的表面 6…反射光 7.··系統控制器 8…平均照明 9···相關碗狀資料 10…不同的控制輸入 11···Χ,Υ軸增量訊號 12···其他資料 13…系統輸出 14…預期式取樣與曝光控 制器 15.. .LED驅動訊號 16···快門訊號 17.. .LED電源驅動器 18…以電池操作的電源供 應器 19,20,21，22...脈衝時間 23··.LED驅動脈衝 24…快門訊號 2 5，2 6…虛線 27…有效LED脈衝寬度 28,29…取樣脈衝 30.. .脈衝列 31，32,33...時間錯失脈衝 C請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁} t 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 第89108939號申請案申請專利範圍修正本 9G. 12 31 —種將具有微紋的表面（5)曝光於光線（4)下之^法’，— 光學導航電路(2)在該表面上追蹤運動，該方法包含 下步驟： ⑷使用以一設定速率發生之光線脈衝(2 面； (b)從所追蹤的移動決定速度； (C)增加設定速率以回應所決定速度的增加；以及 (d)減少設定速率以回應所決定速度的減少。 如申請專利範圍第i項之方法，其中步驟⑷和⑷係分別 用以計算來增加或減少。 如申請專利I色圍第1項之方法，其中步驟（c)和（d)的各自 增加和減少包含從-以在步驟⑻中所決定的速度為索 引的表中獲得取樣率資料。 μ 如申請專利範圍第旧之方法，其中步驟⑷一般以固定 的週期性和最小的間隔發生，且步驟（句包含在表面上 固定的週期性和最小間隔中抑制一光線脈衝（31，32,33) 一種將具有微紋的表面取樣之方法，一光學導航電 路（2)在該表面上追縱運動，該方法包含以下步驟： 決疋一用以對該表面取樣之速率； 決定該表面之一曝光大小；以及 針對每一樣本以具有所決定曝光大小的光線脈衝 照明該表面。 6·如申請專利範圍第5項之方法，复 二選定來產生所決料光大小之強度衝具有 7·如申請專利範圍第5項之方法，复 一選定來產生所決定曝光大小之期切脈衝具有 8·二請:利範圍第5項之方法，其更包含在光學導航電 ° 路中㈣一電子式快門-段期間，此段期間被選定成可 產生所決定的曝光大小 一種將具有微紋的表面取樣之方法…光學導航電路在 該表面上追蹤運動，該方法包含以下步驟·· 從所追蹤的移動決定速度; 依據該決定速度決U表面之—取樣速率；以及 以所決定取樣速率用光線脈衝照明該表面。 申請專利範I第9項之方法，其更包含決定該表面之

   一曝光大小，其中以所決定取樣速率照明該表面是用具 有所決定曝光大小之光線脈衝。 11·如申請專利範圍第10項之方法，其中以所決定取樣逮率 照明該表面是用具有一選定成可產生所決定曝光大小 之強度的光線脈衝。 12·如申請專利範圍第1〇項之方法，其中以所決定取樣速率 照明該表面是用具有一選定成可產生所決定曝光大小 之期間的光線脈衝。 13.如申請專利範圍第1〇項之方法，其更包含在光學導航電 路中操作一電子式快門一段期間，此段期間係選定成可 產生所決定的曝光大小。 本紙張尺度翻巾關家標準（⑽）織格⑵GX297公酱) 16

   速率的步驟包含： ⑷依據所決定速度的增加來提高該取樣速率；、 (b)依據所決定速度的減少來降低該取樣速率。 15·如申請專利範圍第14 g ^ H 固弟14項之方法，其中步驟（a)和（b)係分 別經計算出增加和減少。 16.如申請專利範圍第14項之方法，其中步驟⑷和（b)的各 自增加和減少包含從—依所決定速度來索引的表作 得取樣率資料。 X ”·如申請專利範圍第14項之方法，其中照明動作在標稱上 以固定週期性和最小的間隔發生’且降低該取樣率之步 驟包含在標稱固定的週期性和最小間隔中抑制一光線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 17