TWI342510B

TWI342510B - Method and system for optimizing illumination power and integration time in an optical sensing device

Info

Publication number: TWI342510B
Application number: TW093117399A
Authority: TW
Inventors: James Harold Lauffenburger; Gil Afriat; Robert R Rotzoll
Original assignee: Em Microelectronic Marin Sa
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2011-05-21
Also published as: DE602004005714D1; DE602004005714T2; TW200506738A; US20050001142A1; WO2005006168A1; EP1644813B1; EP1644813A1; US6963059B2

Description

(1) (1)1342510 玖、發明說明【發明所所屬之技術領域】本發明與光學感測裝置有關，包括用以輻射照明表面部之光源、具有至少一光敏元件以回應自被照明表面部反射的輻射之光檢測器裝置，及在可變期間的積分週期內對至少一光敏元件之輸出訊號作時間積分之變換機構（或積分機構）。這樣的光學感測裝置特別應用於如滑鼠、軌跡球及其他類似的電腦週邊之光學指標裝置。本發明也關於操作上述光學感測裝置之方法，也同樣用於配有上述光學感測裝置組成零件之光學指標裝置。【先前技術】光學指標裝置已於領域中爲大眾所知悉。以美國專利號5，28 8，993爲例，揭露一利用光檢測器陣列及具有任意分割斑點照明目標球之游標指標裝置。而美國專利號 5，7 0 3，3 5 6 (與上述美國專利號5，2 8 8,9 9 3有關）進一步揭露（參考此文件之圖23A及23B)—老鼠形式不需要球改利用從指標裝置移動之表面直接反射光之光學游標指標裝置。在這兩個案子中，光學指標裝置包含一光源以重複地輻射照明表面部（即球之表面部或光學指標裝置移動之部分表面）及一包括光檢測器陣列之光學感測元件，陣列包含多個像素’而每個各具有關於從被照明表面部反射的轄射之光敏元件。光檢測器陣列之像素輸出通常與制約及處理電路結合以追蹤及抽取關於感測單元及照明表面部間相 -5- (2) (2)1342510 對運動之資訊。上述舉出美國專利號5,288,993及5,703,356所使用之技術是基於一稱之爲邊緣運動檢測〃技術以爲了抽取運動相關資訊。此”邊緣運動臉測〃技術實質上在於決定光檢測器陣列所檢測出影像邊緣（即成對像素間強度的差異）之移動。定義邊緣爲光檢測器陣列之兩個像素間空間強度差異。追蹤及測量各邊緣之相對運動以決定表示光檢測器陣列及照明表面部間相對運動之全面性移位測量。於2 002年〗2月3日申請並正在審核中國際申請號 PCT/EP02/13686(優先權日爲2001年12月5日之美國臨時申請案號60/3 3 5,792)主題爲上述"邊緣運動檢測〃技術之改良運動檢測技術，名稱爲'' M e t h o d a n d s e n s i n g d e v i c e f o r motion detection in an optical pointing device.such as an optical mouse" (W003/0490I8A1)。於光學感測裝置中，將變換電路與光檢測器裝置各光敏元件結合以使在所謂的積分週期的期間之時間積分光感測元件輸出訊號已普遍性知道。圖1槪略地顯示積分電路基本原理’標示爲參考數字1 1 0 0，結合光感測元件，在此爲一光電二極管，標示爲參考數字1000。此積分電路】】〇〇通常由一放大器丨110及一電容元件1120(或積分電容器）所構成’且連接於放大器輸出及反相輸入之間，光感測元件】000連接到放大器反相輸入，同時放大器非反相輸入被繫在一參考電位如地面。積分電路Π00輸出一電壓訊號

Vout ’或隨著時間變化且本質上爲光感測元件】〇〇〇產生電 -6 - (3) (3)1342510 流訊號i 〇 u t時間積分結果之積分訊號。假定電流i 〇 u t在積分電路啓動期間內爲一定値（即在稱之爲積分週期之期間），而輸出電壓V 〇 u t將隨著時間線性變化。在某些情況中’積分週期之期間被設定成固定。然而，在其他情況中，積分週期之期間是可變的。舉例來說，於2 00]年12月5日申請並正在審核中美國專利申請號 ]0 / 001，963 名爲，Meth〇d，sensing device and optical pointing device including a sensing device for comparing light intensity between pixels" (US2003/0102425A1)專利案中所描述之解決辦法就是這個情況。此解決辦法也是於 2002年]2月3日申請並正在審核中國際申請號 PCT/EP02/]3486(W003/0490]7A])之主題，且優先權日依據上述美國專利申請案。審核中美國專利申請案10/00]，963所描述之解決辦法基本上在於積分光感測元件輸出訊號直到到達預測之門檻。舉例來說，可藉由監控光檢測器陣列中最被照明像素（即 ''最亮的"像素）之積分訊號何時到達門檻或藉由監控從積分訊號取得之平均（或被合量）訊號何時到達門檻來完成岔斷積分週期。在這兩種情況，積分週期的期間可定義爲積分訊號到達門檻所需時間，而時間依光感測元件檢測到之光位準而定。積分週期的期間因此是可變的。當應用上述積分設計到光學感測裝置或如上述定義之光學指標裝置（即有光源 '光檢測器裝置及變換機構）’積分週期的期間會依光源功率及自被照明表面部反射的輻射 -7 - (4) 1342510 之位準而定。考慮到自被照明表面部特性而定，積分週期的期間。然而能更好且更精確地控光源輻射反射表面型式的依間以確保更高感測速率及縮令人嚮往。在這同時，具有裝置類比電路（尤其是積分1 的。提供這樣的解決辦法是【發明內容】依據本發明第一方面來括用以輻射照明表面部之光應自被照明表面部反射的輻期間的積分週期內對至少一分之變換機構，期間依該光的輻射位準而定，光學感測光敏元件輸出訊號的積分演之間的比較函數，控制光源依據一實施例，代表參系統包括作爲積分週期的期積分週期的期間與至少一參積分週期的期間與至少一參控制光源功率之功率控制機反射的輻射之位準依表面光學會隨表面反射率而大幅度變化制積分週期的期間又可減少對賴是令人嚮往的。縮短積分時小光學感測裝置功率消耗量皆充足的積分時間以使光學感測 S路）機能不被降低是令人嚮往本發明的目標。看，提供一光學感測裝置，包源、具有至少一光敏元件以回射之光檢測器裝置，及在可變光敏元件之輸出訊號作時間積源功率及從被照明表面部反射裝置進一步包括依代表至少一變之代表參數與至少一參數値功率之調節系統。數爲積分週期的期間，且調節間計時之計時機構，用於比較考期間値之比較器機構，及依考期間値之比較結果之函數，搆。 -8- (5) (5)1342510 依據另一實施例，代表參數爲至少一光敏元件積分輸出訊號之演變功率，且調節機構包括作爲決定積分週期的期間演變功率之決定機構，用於比較決定演變功率與至少一參考功率値之比較器機構，及依演變之決定功率與至少一參考期間値之比較結果之函數的功率控制機構，控制光源的功率。依據本發明第二方面來看，提供一種控制光學感測裝置運作之方法，且具有一光源及至少一光敏元件之光檢測器裝置，方法包括下列步驟：以光源輻射照明一表面部；檢測從具有至少一光敏元件照明表面部反射之輻射；及當該表面部被照明時，在可變期間的積分週期內對至少一光敏元件之輸出訊號作時間積分，期間依該光源功率及從被照明表面部反射的輻射位準而定，方法進一步包括下列步驟：決定代表至少一光敏元件輸出訊號積分演變之參數。比較具有至少一參考値之決定代表參數，及依決定代表參數與至少一參考期間値之比較結果之函數，控制光源的功率。另外，代表參數可爲積分週期的期間或至少一光敏元件積分輸出訊號之演變功率。依據本發明第三方面來看，提供一種光學感測裝置包括用以重複地輻射照明表面部之光源，及包括一包含多個 (6) (6)1342510 可回應自被照明表面部反射的輻射像素之光檢測器陣列的光學感測單元，而各像素包含一結合積分電路以積分在各種期間積分週期光敏元件之輸出訊號，且期間依該光源功率及從被照明表面部反射的輻射位準而定之光敏元件，其中光學指標裝置進一步包括一調節系統，包含作爲決定代表光敏元件積分輸出訊號演變參數之決定機構，用於比較決定代表參數與至少一參考値之比較器機構，及依決定代表參數與至少一參考値之比較結果之函數，控制光源功率之功率控制機構。本發明之優勢在於：可以有效地在積分週期的期間，透過控制光源功率以確保此期間在大多情況，能維持在預測參考期間附近。因此有能力稍微補償各種照明表面反射率變化。因而找到了各型式表面最理想的光源功率及積分期間。控制光源功率也允許光學裝置功率消耗量最佳化。此發明甚至允許選取最適合光源功率以產生所欲之積分期間，即允許最佳積分時間光源功率最佳化。依據本發明一較佳實施例，控制光源功率以使積分週期的期間維持在高與低參考値之參考窗內（可有利地程控），增加光源功率以使積分週期的期間維持在高參考値之下，或減少光源功率以使積分週期的期間維持在低參考値之上。最好有一參考窗以使光源功率不要太頻繁地改變，因這會造成裝置效率的降低。依據本發明另一實施例，若積分週期的期間到達預測 -10- (7) (7)1342510 時間到之値時，光敏元件積分可被岔斷。在這同時’光源功率可增加。若時間到的情況一直發生且光源功率設定在最大値時，這可因表示爲'' 反射損失〃情況而被岔斷，即感測裝置與表面之間的距離太大。這個 ''反射損失〃情況，舉例來說，可在應用上述解決辦法之光學滑鼠從正常的運動表面被舉起時發生。在這情況下，光源啓動速率、光檢測器裝置及調節系統，此外可被設定爲最小以達到節省功率的目的。依據本發明第四方面來看，因此也提供一光學感測裝置，包括以輻射照明表面部之光源、具有至少一光敏元件以回應自被照明表面部反射的輻射之光檢測器裝置，及用在可變期間的積分週期內對至少一光敏元件之輸出訊號作時間積分之變換機構，期間依該光源功率及從被照明表面部反射的輻射位準而定，而光學感測裝置進一步包括用以感測與光學感測裝置有關照明表面部的接近之機構，該機構包含作爲決定積分週期的期間是否即將到達或已到達預測時間到値之決定機構，作爲在積分週期的期間即將到達或已到達預測時間到値時增加光源功率之功率控制機構，及作爲檢測積分週期的期間是否即將到達或已到達預測時間到値或光源功率到達最大値之檢測機構，此情況表示光學感測裝置與表面部之間的距離大於運作距離。本發明別的方面、特性及優勢會因閱讀接下來非限制性例子及圖示伴隨參考之實施例的描述而顯而易見。 -11 - (8) (8)1342510 【實施方式】圖2顯示本發明的基本原理。它基本上包括一光學感測系統’包括一光源]〇以輻射照明表面部S、一具有至少一光敏元件回應於照明表面部S輻射反射之光檢測器裝置 2 0 ’及用在可變期間的積分週期內對至少一光敏元件之輸出訊號作時間積分’且又結合於光檢測器裝置2 0輸出之變換機構3 0及一調節系統4 0，以將控制光源功率作爲積分週期的期間之函數。應該強調光學感測系統之設計在本發明範圍內，以致於積分週期具有可變期間，標示爲Tint，依光源〗〇功率及從照明表面部S輻射反射位準而定。圖2光學感測系統包含某種類型的反饋迴路以將掌控光源]0功率作爲積分演變之函數。調節系統4 0是用於控制（即若有需要可作調整）光源功率以使積分週期的期間在正常的情況下，維持在至少一參考期間値附近。如圖2例子所簡略地顯示，使用三個參考値各標不爲Tmin、Tmax及Ttimeout。圖3顯示依據發明一實施例更詳細的光學感測裝置方塊圖。此實施例基於積分週期的期間的計時，即積分週期的期間積分處理之演變代表參數。再次地包含一光源〗〇、光檢測器裝置2 0、變換機構及一調節系統。光源]0可以是一發光二極體或任何用以在所欲波長範圍內產生輻射之穩定來源。用於光學指標裝置之LED使用紅外線LED是有利的。當然地選擇光檢測器裝置20以回應於光源]0所發出的輻射且應包括至少一光敏元件。實際上，光檢測器裝置 • 12 - (9) (9)1342510 20會包括多個這樣的光敏元件，且有意地安排使之形成二維陣列。理論上，本原理可應用於具有只有一光敏元件之光學系統。在圖3中，因此，爲了解釋只有顯示一光敏元件。如上述所已經提及，變換機構在可變期間的積分週期內對光敏元件之輸出訊號作時間積分。在圖3實施例中，光敏元件結合一積分電路，標示爲參考數字50，運作原理與圖】描述相似。積分電路50之計時與重設藉由控制器52 來充分地完成。積分電路50之輸出是結合一檢測器位準 54(或積分終止檢測器）目的是爲了檢測積分電路50(積分訊號）輸出何時到達一決定門檻。當檢測到此情況，位準檢測器5 4輸出一命令積分電路5 0岔斷積分期間之岔斷訊號到控制器52。電路50輸出所得之積分訊號是供給處理電路 (未顯示於圖3)作進一步處理及分析之用。此原理基本上相當於前面所曾提及本申請人在200】年〗2月5日申請之審查中美國專利申請號〗0/001:963。爲了計算積分週期的期間之時間’圖3之光學感測裝置另外提供一結合於控制器5 2之計時器5 6。在每次光敏元件20輸出開始被聯合變換機構積分時’此計時器56即開始。計時器5 6之輸出値因此代表積分週期的期間。在每次系統啓動週期前，控制器5 2會重設此計時器5 6。光學感測裝置進一步提供一記億體機構5 8 (不論是揮發性或非揮發性型式）以儲存參考値或用以掌控光源功率 1 〇之値。參考値最好是可程控的以允許光學感測裝置運作 -13- (10) (10)1342510 參數最終的調整。控制器52結合光源]0以控制運作及功率特性。暫存器 6 〇提供來儲存代表每次閃爍期間被選取的光源功率之値。暫存器6 0之値若有需要可被控制器5 2所調整’即依據計時器5 6所輸出期間値而增加、減少或保留不變。在圖4中，將簡短地閫明光源功率如何依據一較佳實施例可被控制作爲積分週期的期間之函數。圖4顯示在四種不同照明情況下積分訊號之時間演變。曲線a到d顯示具有逐漸增加照明位準之四種不同積分訊號之演變。參考圖2簡短地說明顯示於時間軸上之三個參考値Tm in、Tm ax 及Ttimeout。在 Y軸上也顯示一用以岔斷積分之門檻且標示爲V e 〇 i之値。曲線a、b ' c顯示三個積分期問岔斷的情況，各爲Tmin之前（在Tint<Tmin範圍內），Tmin之後及Tmax之前（在TminSTint5Tmax範圍內），及Tmax之後（在Tint>Tmax範圍內）。換句話說，曲線d顯示積分期間在Ttimeout積分訊號到達門檻値Veoi之前岔斷的情況〇在圖4較佳實施例中，期間範圍介於Tmi η及丁max被選作爲所欲維持積分週期的期間之目標範圍或窗。在

Tmin之前，積分週期的期間被視爲太短，會降低感測器效率’而在Tni a X之後，積分週期的期間則被視爲太長，對感測器速度及功率消耗量有負面的衝擊。在Tmin-Tm ax 窗內，積分週期的期間被視爲充分的。因此調整光源功率只有在積分週期的期間落入參考窗T m i η - T ni a X之外始爲 -14 - (11) (11)1342510 必要。最好使用參考窗a之最低與最高限制Tm in、Tm ax 以使光源功率不要太頻繁地改變，亦可消弱感測器效率。在T m i η之前，有太多從照明表面輻射反射且光源功率因此應該減少以補償此過高的照明。假定由光檢測器裝置檢測之照明位準主要依賴從光源發出及從照明表面部反射之輻射位準，且此照明位準不是主要由於任何其他外在來源。若減少光源功率並沒有達到預期增加積分週期的期間的結果，這可用來表示寄生源所導致的擾亂（如同環境光或任何運作波長範圍內其他外來輻射源）位於光檢測器裝置附近。相反於上述情況，Tmax之上’從照明表面部反射的光位準被認爲太低且積分週期的期間因而太長。光源功率應該爲了減少積分週期的期間而增加以使再度落入目標窗內。爲了要達到下列目標使用第三參考値Ttimeout是很有用的。在某些罕見的情況下’光檢測器裝置所檢測光位準可以是如此的慢以致於無法被接受（主要原因爲感測器速度及功率消耗量）以爲了使變換機構積分直到門檻V e 0 1 之光檢測器裝置輸出訊號。如此的情況’舉例來說’可能會在沒有更多的光從表面部反射時發生（舉例來說’光學感測裝置從照明參考表面被舉起時）。一極端限制或時間到値，因此被T1 i m e 0 u 1所定義’即在之上再也沒有積分可發生。相反於積分一訊號直到達到門檻V e 〇 i之正常情況，積分在一旦積分週期的期間到達時間到限制T1 m e 0 u t • 15 - (12) (12)1342510 時且到達門檻Veoi之前即岔斷。再次參考圖3實施例’一旦計時器5 6之値到達時間到値Ttimeout’控制器52即岔斷積分電路50之運作。另外’ 控制器52進一步藉由調整暫存器60來增加光源功率10。假若時間到的情況一直發生且光源功率1 0在多次成功的閃爍之後最終到達最大値（最大値由光源及磁碟機之絕對限制所決定），這可作爲”反射損失"情況之表示（例如"光學滑鼠從表面被舉起"）。這個情況可進一步被傳送及輸出到使用者或光學感測裝置所連接之主系統。提供一機構來感測與照明表面部有關之感測裝置接近。另外，”反射損失"情況是否應該被檢測到（即 Tint>Ttime〇Ut及在最大値之光源功率），進一步地按照光學感測裝置啓動速率去做是有利的。光學感測裝置（即光源、光檢測器裝置 '變換機構及調節系統）典型地在一選取啓動速率啓動且在一選取啓動週期的期間內（啓動週期比積分期間長）。若檢測到"反射損失”情況，啓動速率將因此減少到最小値以爲了節省功率。此最小値選取時應考慮到可被節省之功率消耗量位準並考慮到系統檢測照明表面之反射所花費的時間。進一步，回報從光學指標裝置之運動資訊可能會被擱置。圖6爲一發明範圍內較佳光學感測裝置之運作，大多簡略地描述在此所已經敘述之不同元件。圖6顯示在每次光學感測裝置閃爍（或啓動週期）之運作流程圖。此流程圖特別應用於圖2之光學感測裝置，也同樣於圖5接下來所要 -16- (13) (13)1342510 描述之光學指標裝置。從開始閃爍，圖6第一步驟S 1在於啓動光源。此啓動考慮到儲存於聯合暫存器之功率設定。接下來在步驟S2 ’積分光檢測器裝置輸出訊號與積分週期的期間計時運作之開始時間相同。在步驟S3中，監控計時之期間Tint是否到達時間到値Ttimeout。可以肯定’過程持續在步驟S9。可以否定 ’過程持_在步驟S 4，即檢查積分終點（e . 0 · 1 ·)情況是否被檢測。只要期間Tint尙未到達時間到値且未檢測到積分終點，步驟S3及S4將持續進行》若步驟S 4檢測到積分終點情況，積分及計時運作將被岔斷且光源將在步驟S5被啓動，期間Tint於步驟56與目標窗最低及最局寥考値 Tmin及 Tm ax作比較。若: Tint<Tmin 則光源功率於步驟 S7將減少，而若 Tmin<Tint<Tmax則將維持不變，或若Tint>Tmax則將於步驟S 8增加。步驟S 7及S 8由減量及各別增量功率暫存器所構成，以逐步方式來調整。若時間到情況於步驟S3藉由比較 Tint及參考値 T t i m e 〇 u t來檢測，則積分及計時運作將被岔斷且光源將在步驟S9解除啓動。接下來，於步驟S]〇檢查光源功率是否已經到達最大値。可以否定，過程持續進行到步驟S 8以增加光源功率。如之前所述可以肯定’保持在步驟S ]]即發生”反射損失"之情況。接下來於步驟S ] 2，系統啓動速率被調整成最小値以爲了節省功率。 -17- (14) (14)1342510 圖6之過程於每個系統啓動週期的期間以類似的方式重複。圖6之流程圖只是純粹閲明用且不應該被認爲是發明範圍的限制。步驟可以於各種方面作改良。以步驟S 1 ] 及S 1 2爲例’是可選擇性增減且亦可增加其他步驟。舉例來說’於步驟S 1 2提供調整啓動速率，增加可以檢測反射是否被重新確立之步驟是必要的。這可藉由提供啓動速率重新調整在積分終點情況於步騍S 4及S 5被檢測後之標稱値來輕易地達成。與其在啓動週期終點調整光源功率，倒不如在光源被啓動時"即時"進行。這可實現因所提供之控制器適合於監控積分訊號的演變速率。若積分訊號（平均訊號或最大値訊號）增加的太緩慢或太迅速，這可能會被認爲足夠快以在光源打開時，增加或各別地減少光源功率。如圖7所顯示’這可藉由逐一決定演變速率來達成，在最低參考値丁min之下並標示爲Tr。既然積分訊號演變可能被假定爲實質上線性（照明情況於光源一啓動週期的期間內維持固定）’可基於積分訊號曲線斜率來預測積分期間最終期間及估計是否會維持在目標參考窗內。相反於之前的實施例，此允許光源被啓動時之功率調整。相同的原理可用來決定時間到情況是否有可能發生。可比較積分輸出訊號演變速率與預定演變速率，後者對應於低於可被判定及預測積分週期的期間最終會到達預期時間到値T t i ni e 〇 u t之速率。此區域判定爲圖7之”時間到範圍”。假若如此的情況發生可決定岔斷或調整積分，而若 -18- (15) (15)1342510 仍然可以即增加光源功率。假使光源功率設定爲最大値，則可使用此方法來應用一鄰近感測器。圖5爲應用基於計算積分週期的期間調節方案之光學指標裝置實施例。與圖2實施例實質上相似之構成要素以相同參考作標示’即光源1 0，控制器5 2，積分終點檢測器 54，計時器56 ’記憶體機構58及暫存器60。相反於圖2之實施例，圖5之實施例特別使用於光學指標裝置如同光學滑鼠或軌跡球。此實施例因此包括一包含具有回應於表面部S輻射反射之多個像素7 1的光檢測器陣列之光學感測單元。各像素包含調整結合一相同積分電路之光敏元件。且各像素規劃可實質上與圖1所顯示相同。像素輸出供給積分檢測器5 4及比較器陣列8 0之終點。比較器陣列實質上在於多個用於從像素輸出抽取邊緣資訊資料之比較器電路，即依據 ''邊緣運動檢測〃技術之運動處理電路（未顯示）的資料。此特別的電路規劃是於2 0 0 2年1 2月3日申請並正在審核中國際申請號PCT/EP02/13686(W〇〇3/0490】8A])之部分主題。相反於圖2之實施例’積分檢測器5 4之終點是設計用來監控所有像素輸出。—旦檢測到積分終點，控制器5 2將同時岔斷所有檢測器陣列7 〇內積分電路之積分。積分終點可以兩種方式檢測。第一個解決辦法只在於監控陣列7 0最亮像素所提供積分訊號’即最被照明之像素，並在積分訊號到達門檻V e 〇 i時檢測到。另一個解決辦法在於平均所有像素輸出，並在平均訊號結果到達門鑑V e 〇 i時檢測到 -19 - (16) (16)1342510 圖5之實施例與圖2實質上以類似的方式表現。即在檢測器5 4檢測到積分終點情況時，控制器5 2會將積分電路運作岔斷並再比較藉由計時器5 6提供積分期間之計時期間 Tint與儲存於記憶體58參考値Tmin及Tmax。依據此比較的結果’若T i n t低於T m i η則光源功率】〇將減少，而若期間Tint大於Tmax則將增加，或若期間Tint在目標窗 Tmin-Tmax內則將維持不變。功率再次地透過逐步調整暫存器60來調整。對於下一次的閃爍，光源功率1〇依據暫存器6 0之値來運作。積分電路運作時’控制器5 2也監控由計時器5 6所得計時期間並比較與第三參考値，或時間到値T t i m e 〇 u t。若時間到發生’則控制器5 2會命令岔斷積分電路積分（控制器 52也解除啓動光源）並爲了下次閃爍而將暫存器60增量。若光源1 〇功率設定已經在最大値，則控制器5 2會產生一、反射損失〃警告訊號且最終減少系統啓動速率。本發明得由熟悉技藝之人任施匠思而爲諸般修飾，然皆不脫如申請專利範圍所欲保護者。舉例來說，建議之實施例並不限制爲包括一作爲光源之發光二極體或作爲光敏元件之光電二極管之裝置。亦可使用任何其他適合之光源及光敏元件。另外，當光源被啓動且變換機構仍然運轉著時，光源功率之調整可在每次啓動週期之終點（或"閃爍”）或"即時•’ 進行。 -20- (17) (17)1342510 【圖式簡單說明】圖1爲一槪略圖’顯示變換電路結合時間積分輸出訊號之光敏元件；圖2爲顯示本發明基本原理之圖；圖3爲一槪略圖’顯示依據本發明之光學感測裝置實施例；圖4爲一在不同照明情況下時間積分訊號演變之範例圖，並顯示使用之可能參考値以作爲控制光源功率之比較圖5爲一槪略圖’顯示應用本發明之光學指標裝置實施例；圖6爲一流程圖，顯示依據本發明中一實施例之光學感測裝置控制運作方法；及圖7與圖4相似，顯示基於監控積分訊號演變功率之各種光源功率控制。【主要元件符號說明】 10 光源 20 光檢測裝置 3 0 變換機構 40 調節系統 50 參考數字 52 控制器 -21 - (18) 1342510 (18)

54 位準檢測器 56 計時 α 口 5 8 記憶體微構 60 暫存 □ D 窃 70 光學感測 οα - 早兀 7 1 像素 80 比較陣列 1000 光感測元件 1100 積分電路 1110 放大 1120 電容元件

Claims

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附件3A :第0931 17399號申請專利範圍修正本民國100年2月25日修正拾、申請專利範圍 1. 一種光學感測裝置，包括：光源，以輻射照明表面部；光檢測器裝置，具有至少一光敏元件以回應自被照明表面部反射的輻射：及變換機構，在可變持續時間的積分週期期間，對該至修少一光敏元件之輸出訊號作時間積分，該持續時間依該光源功率及從被照明表面部反射的輻射位準而定，該光學感測裝置進一步包括調節系統，依代表參數與至少一參數値之間的比較函數，控制光源功率，該代表參數代表該至少一光敏元件輸出訊號的積分演變，其中該代表參數爲該至少一光敏元件之積分輸出訊號之演變率，該調節系統包括：決定機構，作爲決定積分週期的期間之該演變率； · 比較器機構，用於比較決定之演變率與至少一參考比率値；及功率控制機構，依決定之演變率與該至少一參考比率値之比較結果之函數，控制光源的功率。 2 ·如申請專利範圍第1項之光學感測裝置，進一步包括可程式記憶體機構以儲存該至少一參考値。 3 .如申請專利範圍第1項之光學感測裝置，其中該調節系統包括一岔斷機構，假使積分週期的持續時間到達或 1342510 可能到達預定的時間到之値時，可岔斷該至少一光敏元件之輸出訊號的積分，若該積分週期的持續時間可能到達或已到達預定的時間到之値時，該調節系統會增加該光源功率。 4 · 一種光學感測裝置，包括：光源’以輻射照明表面部：光檢測器裝置，具有至少一光敏元件以回應自被照明表面部反射的輻射；及變換機構，在可變持續時間的積分週期期間，對該至少一光敏元件之輸出訊號作時間積分，該持續時間依該光源功率及從被照明表面部反射的輻射位準而定，該光學感測裝置進一步包括調節系統，依代表參數與至少一參數値之間的比較函數，控制光源功率，該代表參數代表該至少一光敏元件輸出訊號的積分演變，其中該調節系統控制光源功率以使該積分週期的持續時間維持在具有高與低參考値之參考窗內，該調節系統減少光源功率以使該積分週期的持續時間維持在參考窗低參考値之上，並增加光源功率以使該積分週期的持續時間維持在參考窗高參考値之下》 5. —種控制光學感測裝置運作之方法，該光學感測裝置具有光源及設有至少一光敏元件之光檢測器裝置，該方法包括下列步驟：以該光源輻射照明一表面部：以該至少一光敏元件偵測照明表面部反射之輻射；及 -2- 1342510 當該表面部被照明時，在可變持續時間的積分週期期間’對該至少一光敏元件之輸出訊號作時間積分，該持續時間依光源功率及從該被照明表面部反射的輻射位準而定 * 該方法進一步包括下列步驟：決定代表該至少一光敏元件輸出訊號的積分演變之參數；比較決定的代表參數與至少一參考値：及鲁依決定的代表參數與該至少一參考値之比較結果之函數，控制光源的功率，其中該代表參數爲該積分週期的持續時間或該至少一光敏元件的積分輸出訊號之演變率。 6.如申請專利範圍第5項之方法，包括提供決定光源功率的値給暫存器之步驟，控制該光源功率之該步驟包含調整該暫存器之値。 7 .如申請專利範圍第5項之方法，其中以逐步方式控 ® 制該光源功率。 8. 如申請專利範圍第5項之方法，進一步包括下列步驟：在該積分週期的持續時間可能到達或到達預定的時間到之値時，岔斷該至少一光敏元件之輸出訊號的積分：及若該積分週期的持續時間可能到達或到達預定的時間到之値時，則增加該光源的功率。 9. 如申請專利範圍第8項之方法，進一步包括下述步 -3- 1342510 驟：若該積分週期的持續時間到達或可能達預定的時間到之値及該光源功率在最大値時，提供警訊。 1 〇.如申請專利範圍第8項之方法，包括以一選取致動速率週期性地致動光學感測裝置之步驟，該方法又包括下述步驟，若該積分週期的持續時間已到達或可能到達預定的時間到之値及該光源功率在最大値時，將該致動速率設定爲最小。 1 1 ·如申請專利範圍第5項之方法，其中該代表參數爲該至少一光敏元件的經過積分之輸出訊號之演變率，而光源功率在該光源被致動時受控制。 1 2. —種控制光學感測裝置運作之方法，該光學感測裝置具有光源及設有至少一光敏元件之光檢測器裝置，該方法包括下列步驟：以該光源輻射照明一表面部；以該至少一光敏元件偵測照明表面部反射之輻射；及當該表面部被照明時，在可變持續時間的積分週期期間’對該至少一光敏元件之輸出訊號作時間積分，該持續時間依光源功率及從該被照明表面部反射的輻射位準而定 i 該方法進一步包括下列步驟：決定代表該至少一光敏元件輸出訊號的積分演變之參數；比較決定的代表參數與至少一參考値；及依決定的代表參數與該至少一參考値之比較結果之函 -4 - 1342510 數，控制光源的功率，其中控制光源功率以使該積分週期的持續時間維持在具有高與低參考値之參考窗內，減少或增加該光源功率以使積分週期的持續時間各別維持在參考窗低參考値之上及參考窗高參考値之下。 1 3 · —種光學指標裝置，包括：光源，以輻射重複地照明表面部；及光學感測單元，包括光學檢測器陣列，該光學檢測器陣列包含多個可回應自被照明表面部反射的輻射之像素，而各該像素包含光敏元件以耦合至積分電路，該積分電路用以在可變的持續時間之積分週期期間，積分光敏元件之輸出訊號’該持續時間係依該光源功率及從被照明表面部反射的輻射位準而定，其中該光學指標裝置進一步包括調節系統，該調節系統包含：決定機構’用以決定代表光敏元件輸出訊號的積分演變之參數；比較器機構’用於比較決定的代表參數與至少一參考値；及功率控制機構’依決定的代表參數與該至少一參考値之比較結果之函數，控制光源的功率，其中該代表參數爲該積分週期的持續時間或該光敏元件的積分輸出訊號之演變率。 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項之光學指標裝置，其中該 1342510 積分電路積分該光敏元件之輸出訊號直到該多個像素中被照明最多之一像素的積分輸出訊號到達預定値或直刹從該多個像素的積分輸出訊號導出之平均訊號到達預定値。 1 5 ·如申請專利範圍第〗3項之光學指標裝置，進—步包括一可程式記億體機構以儲存該至少一參考値。 1 6.如申請專利範圍第！ 3項之光學指標裝置，進—步包括決定該光源功率値之暫存器，該暫存器依決定的代表參數與該至少一參考値之比較結果之函數，以逐步方式調整。 1 7·如申請專利範圍第1 3項之光學指標裝置，又包括岔斷機構，在該積分週期的持續時間到達或可能到達預定的時間到之値時，岔斷該輸出訊號之積分，若該積分週期的持續時間到達或可能到達預定的時間到之値時，該功率控制機構將增加該光源功率。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項之光學指標裝置，又包括警訊機構，若該積分週期的持續時間已到達或可能到達預定的時間到之値及該光源功率在最大値時’產生警訊。 1 9 .如申請專利範圍第1 7項之光學指標裝置，進一步包括致動機構及設定機構，該致動機構以一選取的致動速率週期性地致動該光源、該光學感測單位及該調節系統，該設定機構會於該積分週期的持續時間已到達或可能到達預定的時間到之値及該光源功率在最大値時’將該致動速率設定爲最小。 20.—種光學指標裝置，包括： -6- 1342510 光源，以輻射重複地照明表面部：及光學感測單元’包括光學檢測器陣列，該光學檢測器陣列包含多個可回應自被照明表面部反射的輻射之像素，而各該像素包含光敏兀件以鍋合至積分電路，該積分電路用以在可變的持續時間之積分週期期間，積分光敏元件之輸出訊號’該持續時間係依該光源功率及從被照明表面部反射的輻射位準而定，其中該光學指標裝置進一步包括調節系統，該調節系統包含：決定機構’用以決定代表光敏元件輸出訊號的積分演變之參數；比較器機構’用於比較決定的代表參數與至少一參考値：及功率控制機構，依決定的代表參數與該至少一參考値之比較結果之函數，控制光源的功率，其中該功率控制機構控制光源功率，以致於該積分週期的持續時間維持在具有高與低參考値之參考窗內，該功率控制機構減少光源功率以使該積分週期的持續時間維持在參考窗的低參考値之上，並增加光源功率以使該積分週期的持續時間維持在參考窗的高參考値之下。 2 1 . —種用於指標裝置之光學感測裝置，包括：光源’以輻射照明表面部；光檢測器裝置，具有至少一光敏元件以回應自被照明表面部反射的輻射；及 1342510 變換機構，在可變持續時間的積分週期內對該至少一光敏元件之輸出訊號作時間積分，該持續時問依該光源功率及從被照明表面部反射的輻射位準而定’ 該光學感測裝置進一步包括用以感測與光學感測裝置的被照明表面部接近處之機構，該機構包含：決定機構，用以決定該積分週期的持續是否到達或可能到達預定的時間到之値；功率控制機構，在該積分週期的持續時間已到達或可能到達預定的時間到之値時增加該光源功率；及檢測機構*檢測該積分週期的持續時間是否已到達或可能到達預定的時間到之値及該光源功率是否爲最大値，此條件係代表光學感測裝置與表面部之間的距離大於操作距離。 22.如申請專利範圍第2 1項之光學感測裝置，進一步包括：計時機構，對積分週期的持續時間計時；及比較器機構，用於比較經過計時的積分週期的持續時間與該預定的時間到之値。 23 .如申請專利範圍第2 1項之光學感測裝置’進一步包括：演變率決定機構，用於決定積分期間該至少一光敏元件的積分輸出訊號之演變率：及比較器機構，用於比較決定的演變率與預定的演變率，該預定的演變率對應於一演變率，在該演變率之下可預 -8- 1342510 測積分週期的持續時間將到達該預定的時間到値。 2 4.如申請專利範圍第2 1項之光學感測裝置，其中該光檢測裝置包括多個光敏元件，以及，其中，該決定機構決定該積分週期的持續時間是否到達或可能到達預定的時間到値’該決定機構監視該多個光敏元件中被照明最多之一光敏元件的監控積分輸出訊號之演變或從該光敏元件的積分輸出訊號導出之平均訊號的演變。

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