TWI391844B - 多維度光學控制裝置及其方法 - Google Patents

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TWI391844B
TWI391844B TW097133001A TW97133001A TWI391844B TW I391844 B TWI391844 B TW I391844B TW 097133001 A TW097133001 A TW 097133001A TW 97133001 A TW97133001 A TW 97133001A TW I391844 B TWI391844 B TW I391844B
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Description

多維度光學控制裝置及其方法
本發明是有關於一種光學控制裝置，且特別是有關於一種多維度光學控制裝置。
應用於現有數位創作、工業設計或相關電子產品等之控制方式，如：鍵盤、滑鼠、觸碰面板等平面控制裝置，隨科技工業的發達與相關產品之發展，當使用者需要以空間六個維度控制時，現有平面之控制裝置，已無法滿足使用者所需，必須搭配其他控制裝置，如：按鈕、鍵盤等，才得以完成空間六個維度之控制功能，不但增加控制之困難度，長時間使用手腕關節容易疲勞，甚至造成傷害；此外，以平面替代空間之控制方式，並非人體直覺控制方式，往往造成誤判或是錯誤。為了克服上述問題，本創作提出一種簡單且符合人體直覺化之空間六個維度之控制裝置。
US 7,081,884在說明一個電腦的輸入裝置，除可輸入XY平面上之X、Y軸的移動訊號外，亦可以輸入XY平面沿Z軸的旋轉方向等共三個維度之輸入裝置。但US 7,081,884必須應用在一具有高反射率之表面上，使光源照射在此表面後，透過透鏡將由表面反射之光線聚集在光學感測器上，藉由比對影像變化比較，得知移動與旋轉的位置。當應用表面的反射率不佳時，US 7,081,884上的光學感測器將無法感應，此外，需要另一按鈕機構配合，告知系統進行影像的位移判斷或是旋轉判定，使整體機構零件與體積增加。
US 5,694,153至少需要利用兩個固定距離之光源與有一孔洞之擋板，透過光學感測器感測兩個固定距離光源之移動位置，透過三角函數演算原理，完成四個維度之輸入控制；當需要六個維度控制時，則需要再增加一個光源，同樣透過三角函數演算原理，完成六個維度之輸入控制。由於至少需要使用兩個以上之光源，才得以完成多個維度之輸入控制，因此多個光源之定位問題、能耗、零件數量、體積與成本等問題，則成為其發展上之阻力。
US 6,333,733在空間三個軸向，各裝設一光源、一屏幕與一光學感測器，藉由三個光源同時作動，完成空間控制功能，但US 6,333,733需要多個光源、多個屏幕，與光學感測器，因此能耗、零件數量、零件定位、體積等問題，為其發展上不利之因素。
US 2006/0086889 A1則於空間中設置六個光源、六個夾縫擋板與六個光學感測器，藉由六個光源作動，完成空間控制功能，但US 2006/0086889 A1需要六個光源、狹縫擋板與光學感測器，因此能耗、零件數量、零件定位、體積問題，則為其發展上不利之因素。
US 6,480,183則利用電容感應原理，感應一動子導電體之作動情況，完成平面位移與旋轉控制功能，但由於利用電容感應方式，導電體與感應板之相對位置受限，而無法直接進行空間控制功能。
US 5,969,520透過數個磁性元件，感應磁球之作動情況，完成平面控制功能；但磁球與磁性元件之相對位置，會影響磁性元件感測精確度，此外，磁性元件易受外部導 磁物干擾，影響位置判別，磁球亦會與外部導磁物，發生相吸碰撞問題。
US 6,774,887透過導體與電阻間之接觸，完成平面控制功能，但導體與電阻間容易受潮或氧化，發生接觸不良之現象，且如需達成空間控制功能，必須再裝設其他導體與電阻，使得零件體積與成本增加。
如上所述，本發明提供一種多維度光學控制裝置，包括可動光源、透鏡、感測器以及資料處理電路。可動光源可受外在作用而移動，並用以產生光束。透鏡與可動光源耦接，將光束聚焦。感測器用以感測聚焦在感測器上的光斑。資料處理電路耦接至感測器，用以取得光斑在感測器上的位置變化量、形狀變化量或光強度變化量，其中位置變化量、形狀變化量或光強度變化量是相對於參考光斑的位置、形狀或光強度；又資料處理電路依據位置變化量、形狀變化量或光強度變化量，輸出一控制訊號，以進行旋轉或移動的多維度控制動作。
另外，本發明提出一種多維度光學控制裝置，包括固定光源、透鏡、可動反射元件、感測器以及資料處理電路。固定光源用以產生光束。透鏡與固定光源耦接，將光束聚焦。可動反射元件可受一外在作用而移動，用以反射經透鏡聚焦的光束。感測器對反射的光束在感測器上所形成的光斑進行感測。資料處理電路耦接至感測器，用以取得光斑在感測器上的位置變化量、形狀變化量或光強度變化 量。其中位置變化量、形狀變化量或光強度變化量是相對於參考光斑的位置、形狀或光強度；依據位置、形狀或光強度的變化量，輸出一控制訊號，以進行旋轉或移動的多維度控制動作。
此外，本發明更提出一種多維度光學控制方法，依據感測器所感測的光斑的變化，進行多維度運動控制。多維度光學控制方法至少包括以下步驟。設定參考光斑的起始定義值，其中起始定義值包含起始中心位置、起始光斑形狀分布範圍與起始單位面積光強度。當光斑產生運動時，判斷運動後的光斑中心位置、光斑形狀分布範圍與單位面積光強度是否發生改變。依據光斑中心位置、光斑形狀分布範圍與單位面積光強度的變化量，產生控制訊號，以執行多維度運動控制。
因此，根據本發明的多維度光學控制裝置，光源可直接照射於感測器上，不需要反射平面，故無反射面反射率不佳之問題，同時也不需透過狹縫擋板或屏幕。因此感測靈敏度較佳。此外，光源與感應器相對位置也不受限。此外，透過簡單之光學機構，在不需過多零件與機構體積之環境下，可降低能耗與零件定位問題。藉由感測器上所感測到光源的位置、範圍與光強度之變化，即可完成高精度之水平、垂直及旋轉等六個維度輸入控制功能。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
本發明的基本概念是利用操作光學控制裝置時，改變內部光源產生之光束在感測器上的聚焦光斑的位置、形狀或光強度，以產生合適的控制訊號，並藉由此控制訊號，在應用端(如：監視器)上產生對應的移動或動作。接著，將以數個實施範例來做說明。
圖1A繪示本實施範例的多維度光學控制裝置的架構示意圖，圖1B繪示多維度光學光學一控制裝置的操作維度示意圖。如圖1A所示，多維度光學控制裝置100包括可動光源101、透鏡102感測器104以及資料處理電路105。可動光源101可受外在作用而移動，並用以產生光束103。透鏡102與可動光源101耦接，使光束103成錐形後聚焦到感測器104上。感測器104用以感測聚焦到感測器104上的光斑106。資料處理電路105耦接至感測器104，以取得光斑106在感測器104上的位置變化量、形狀變化量或光強度變化量。此位置變化量、形狀變化量或光強度變化量是相對於參考光斑的位置、形狀或光強度，其在後文會詳細說明；此外，資料處理電路105將依據上述位置變化量、形狀變化量或光強度變化量，加以計算並輸出一控制訊號。此控制訊號為數位訊號或類比訊號。控制訊號例如可以傳送到一主機，藉由此控制訊號，以達到控制監視器(螢幕)上所顯示之目標物的各種移動或轉動。
如圖1B所示，在本實施範例中，以六維度光學控制裝置做為說明範例，而應用上可以視發展情況，在本發明 的概念下加以修改。在實際應用上，六維度光學控制裝置的可動光源101與透鏡102可以一體地固定於一可動機構110上，例如可以與一操縱桿連接，操縱桿110以機械方式連接到可動光源101，構成一類似搖桿的結構。因此，藉由操縱桿110的移動、轉動、與上下移動的操作，得以使可動光源相應地移動。此移動量或轉動量將會造成光束103聚焦到感測器104上的位置、形狀與光強度產生改變，而這些訊號將傳送到資料處理電路105。
六個維度的動作分別為水平移動、垂直移動及旋轉運動，例如可設定成可動光源101之頂端相對於感測器104的垂直距離為D，並且可進行沿著水平方向(X軸、Y軸)與沿著垂直方向(Z軸)之移動；同時，也可進行以X軸為旋轉軸(A旋轉軸)的旋轉運動、以Y軸為旋轉軸(B旋轉軸)的旋轉運動或以Z軸為旋轉軸(C旋轉軸)的旋轉運動。故，旋轉、水平與垂直動作共六個維度的動作。
另外，上述的可動光源101可以是單一波長光源，例如以雷射二極體等所形成的光源。另外，可動光源101也可以是多波長光源，例如以白熾燈或發光二極體等所形成的光源。此外，上述感測器例如是光檢測(photo diode，PD)陣列感測器、CMOS感測器或CCD感測器等的二維平面感測器。
接著說明本實施範例的動作原理，即依據上述位置變化量、形狀變化量或光強度變化量，加以計算並輸出一控制訊號的動作原理。
為了能夠基於位置變化量、形狀變化量或光強度變化量而獲得控制訊號，必須有個做為參考標準的基準，即上述的參考光斑。圖2A、2B、2C繪示產生參考光斑的組態、參考光斑的像素範圍示意圖以及參考光斑在感測器上的位置示意圖。
在本實施範例中，參考光斑的定義例子是以當光源101不動，即外界尚未操作多維度光學控制裝置100時，可動光源101之頂端與感測器的垂直距離為D時，可動光源101所發出的光束103，經透鏡102聚焦於感測器104上所產生的光斑106，其如圖2C的示意圖所示。在此例中，感測器104為具有N×N個像素的二維平面式感測器，並且假設所形成的參考光斑中心點位置與感測器104表面的中心位置一致。當然，兩者位置也可以相差一平移量，並可於後端的資料處理時再進行適當的演算即可。另外，此參考光斑的位置，也可以稱為光斑的起始位置，以與經過移動、旋轉後的位置區隔。
如圖2B所示，在參考光斑或光斑起始位置的情形下，光束103通過透鏡102之後，聚焦於光學感測器104上。此時，感測器104感測到光束103之參考光斑106所佔之範圍是：在X軸上為NX(n) 像素至NX(n＋4) 像素的範圍，在Y軸上為NY(n) 像素至NY(n＋12) 像素的範圍，此處的像素佔據範圍僅為說明範例。同時，於感測器104所感測到光斑106之範圍中，感測器104上的像 素可感測到一單位面積光強度I。因此，資料處理電路105將感測器104所感測到參考光斑106之起始中心位置、參考光斑形狀分布參數以及參考光斑之單位面積光強度之資料定義為(X0 ,Y0 ,G0 ,I0 )。其中，(X0 ,Y0 )為光束103於感測器104上形成的像素分佈的中間值(即為光斑106之中心位置)，即如下數式(1)所示。
另外，光斑形狀分布參數G0 與感測器104上感測到光斑106的分佈範圍有關，更進一步來說，光斑形狀分布參數G0 與光斑106所涵蓋之像素NX 及NY 有關，一般可以表示成如下數式(2)。
另外，單位面積光強度I0 則與感測器104感測到光束103的光強度及光斑106的分布範圍有關。經過上述定義後，當實際操作多維度光學控制裝置時，資料處理電路便可由上述定義之參考光斑的各參數值，配合操作時感測到光斑參數，加以運算，以輸出相對應該操作動作的控制訊號。
圖3繪示對多維度光學控制裝置進行沿水平面移動(沿XY平面移動)時，所形成光斑在感測器上的分布示意圖。如圖3所示，當可動光源101與透鏡102因為外部操作下，而相對感測器104於XY平面 移動，且無以X軸為旋轉中心進行旋轉，或無以Y軸為旋轉中心進行旋轉，或無沿Z軸方向垂直移動或旋轉時，感測器104感測到光束103之光斑106將只是在感測器104的感測面上進行平移的移動。此時，光斑的形狀不會改變，單位面積光強度也不會改變，僅有光斑106的中心位置偏移了上述的(X0 ,Y0 )。
同上述說明，平移後的光斑在感測器104上所佔據的像素範圍是：在X軸上為NX(p) 像素至NX(p＋4) 像素的範圍，在Y軸上為NY(p) 像素至NY(p＋12) 像素，而光斑形狀分布參數Gp 可由下式(3)計算而得。
很明顯的，Gp 與光斑起始值G0 相同；換句話說，光斑的形狀並未改變。另外，相對於感測器104之平面，可動光源101與透鏡102是保持於同一XY平面上，因此感測器104感測到光斑106的單位面積光強度仍為I0 。因此，在此情形下，只有光斑106的中心位置發生變化，其由起始位置(X0 ,Y0 )平移到位置(Xp ,Yp )，其中(Xp ，Yp )如下式所表示：
由於感測器104上之N×N像素個數與像素位置為已知，當可動光源101與透鏡102相對於感測器104之位置改變時，光束103照射於感測器104上之像素位置同時改變。因此，光束103產生的光斑106 之中心位置的值由起使位置(X0 ,Y0 )改變為(Xp ,Yp )。
最後，資料處理電路105便可根據感測器104傳來的數據，計算出光斑位置定義值的變化，而輸出一XY平面位移的控制訊號，藉以完成XY平面位移控制之功能。
接著，說明旋轉操作。旋轉可分成繞圖1B所示的Z軸、X軸與Y軸旋轉。以下將分別說明各種旋轉型態。圖4A、4B繪示對多維度光學控制裝置進行垂直於水平面轉動(繞Z軸旋轉)時，所形成光斑在感測器上的分布示意圖。
如圖4A所示，當可動光源101與透鏡102相對於感測器104於XY平面轉動，即以Z軸為旋轉中心進行旋轉，且無以X軸為旋轉中心或以Y軸為旋轉中心之旋轉運動，且無沿Z軸方向垂直移動，並且無沿X軸方向水平移動或無沿Y軸方向水平移動時，感測器104感測到光斑106的中心位置定義值如下數式(4)所表示。
換句話說，當繞Z軸旋轉時，光斑106的中心位置並未改變，即光束103聚焦到感測器104上的中心點位置不變，但其光斑形狀分布將隨著繞Z軸旋轉而跟著轉動一個角度，其如圖4B所示。此時，光斑形狀分布參數Gp由下數式(5)所表示。
在此範例中，相對於感測器104，可動光源101與透鏡102仍保持於同一XY平面上。因此，感測器104所感測到光斑106的單位面積光強度I0 仍不變。由於光束103聚焦的光斑中心位置與單位面積光強度的定義值均不變，資料處理電路105可根據感測器104所感測到光斑106的分布範圍之變化值，計算得到光斑106於XY平面上之旋轉角度，其如下式(6)所示。
其中，c為繞Z軸的旋轉角度。透過此結果。資料處理電路105便可以輸出一XY平面旋轉訊號，完成XY平面旋轉控制，即以Z軸為中心之旋轉控制功能。
圖5A、5B繪示對多維度光學控制裝置進行水平面轉動(繞X軸旋轉)時，多維度光學控制裝置的組態示意圖以及所形成光斑在感測器上的分布示意圖。如圖5A、5B所示，當可動光源101與透鏡102相對於感測器104，以X軸為旋轉中心旋轉角度a時，光束103同樣會以一入射角a照射到感測器104上。此時，感測器104上之像素所感測到聚焦光束103之光斑106的光形分布，與參考光斑相較於X軸方向的分布 範圍並無改變，但在Y軸方向的分布範圍產生改變，其如圖5B所示。因此，如前所描述的方式，光斑106的光形分布參數Ga 改變為如下數式(7)所示。
Ga＝[(NX(n＋4) －NX(n) ),(NY(n＋19) －NY(n＋3) )]＝[NX(4) ,NY(16) ] (7)
另外，感測器104上的像素所感測到光斑106的中心位置亦發生改變，即改變到下面數式(8)所表示的位置(Xa ,Ya )。
由於光束103以一入射角度a照射在感測器104上，感測器104上像素所感測到光斑106的單位面積光強度減弱為Ia 。藉由上述光形分布參數Ga 、中心位置(Xa ,Ya )及單位面積光強度Ia 的定義值改變，資料處理電路105可利用下面數式(9)計算出可動光源101與透鏡102以X軸為旋轉中心的旋轉角度。
因此，經由光形分布參數Ga 則可決定旋轉角度為a或是－a。透過此結果。資料處理電路105便可以輸出一以X軸為旋轉中心之旋轉訊號，完成以X軸為旋轉中心之旋轉控制之功能。
圖6A、6B繪示對多維度光學控制裝置進行水平面轉動(繞Y軸旋轉)時，多維度光學控制裝置的組態 示意圖以及所形成光斑在感測器上的分布示意圖。如圖6A、6B所示，當可動光源101與透鏡102相對於感測器104，以Y軸為旋轉中心旋轉一角度b時，由於光束103亦以一入射角b照射到感測器104上，感測器104所感測到的光斑106之光形分布範圍，與參考光斑相較於Y軸方向之分布範圍並無改變，但於X軸方向之分布範圍產生改變。此時，光斑106之光形分布參數Gb 改變為下面數式(10)所示。
此時，感測器104所感測到的光斑106之中心位置位置亦發生改變，即改變到下面數式(11)所表示的位置(Xb ,Yb )。
由於光束103以一入射角度b照射到感測器104上，感測器104上的像素所感測到光斑106的單位面積光強度減弱為Ib 。藉由上述光形分布參數Gb 、中心位置(Xb ,Yb )以及單位面積光強度Ib 之定義值，資料處理電路105可利用下面數式(12)計算出可動光源101與透鏡102以Y軸為旋轉中心之旋轉角度。
而旋轉方向亦可經由光形分布參數Gb 決定。透過此結果，資料處理電路105便可以輸出一以Y軸為旋轉中心之旋轉訊號，完成以Y軸為旋轉中心之 旋轉控制之功能。
圖7繪示光斑的單位面積光強度與旋轉角度之間的關係圖。如圖7所示，當可動光源101與透鏡102相對於感測器104，以X軸為旋轉中心旋轉，或以Y軸為旋轉中心旋轉時，當旋轉角度越大，感測器104所感測到光斑106之單位面積光強度I也會越弱。
圖8A、8B、8C、8D繪示對多維度光學控制裝置進行垂直方向上下移動(沿Z軸上下移動)時，多維度光學控制裝置的組態示意圖以及所形成光斑在感測器上的分布示意圖。由於光束103由可動光源101出發，經過透鏡102後，其光形成一錐形。當感測器104與可動光源101之間的距離改變時，感測器104上的像素所感測到的光斑106的光形分布範圍，將同時沿著X軸與Y軸成一比例變化。
圖8A繪示沿Z軸往上移動的情形，圖8B則為對應的光斑的光形分布變化情形。如圖8A、8B所示，當可動光源101頂端與感測器104之間的距離由圖示之D增加為D＋d時，即往感測器104正Z軸方向上升距離d。此時，光束聚焦於感測器104上之光斑106的XY平面中心位置的定義值可經由以下數式(13)計算而得。
由上數式(13)可以明顯地看出，可動光源101上升距離d後，光斑106與前述之參考光斑起始中心位 置定義值(X0 ,Y0 )相同，但其光形分布參數G十d 的分佈範圍縮小為如下數式(14)所表示。
在此情形，感測器104所感測到光斑106之單位面積光強度增加為I＋d 。此乃因為光斑106的面積縮小，單位面積的光強度變大之故。
另外，圖8C繪示沿Z軸往下移動的情形，圖8D則為對應的光斑的光形分布變化情形。如圖8C、8D所示，當可動光源101頂端與感測器104之間的距離由圖示之D減少為D－d時，即往感測器104負Z軸方向下降距離d。此時，光束聚焦於感測器104上之光斑106的XY平面中心位置的定義值可經由以下數式(15)計算而得。
由上數式(15)可以明顯地看出，可動光源101下降距離d後，光斑106與前述之參考光斑起始中心位置定義值(X0 ,Y0 )相同，但其光形分布參數G－d 的分布載圍擴大為如下數式(16)所表示。
在此情形，感測器104所感測到光斑106之單位面積光強度減少為I－d 。此乃因為光斑106的面積變大，單位面積的光強度變小之故。
因此，根據上述結果，藉由光束103在感測器104之光形分布範圍比例及單位面積光強度I之關 係，可定義可動光源101與透鏡102相對於感測器104之垂直距離。藉此，資料處理電路105可根據所得之定義關係，計算出可動光源101與透鏡102相對於感測器104之垂直距離變化情形，而輸出一垂直方向位移訊號，完成垂直Z軸方向位移控制之功能。
綜上所述，影響光斑106之單位面積光強度的因素有光源與感測器間的距離以及繞X軸或Y軸的旋轉角度。因此，若感測器感測到單位面積光強度有改變時，便可以推知多維度光學控制裝置100可能是沿著Z軸方向有上下移動、繞X軸旋轉或繞Y軸旋轉之情形。
另外，根據感測器所感測到的光形中心位置與起始中心位置的變化關係，或光形是否有旋轉，便可以推知多維度光學控制裝置100可能是在XY平面移動、繞Z軸轉動、繞X軸或繞Y軸轉動之情形。
因此，藉由資料處理電路所接收到的訊號與計算出的各個定義值，便可以得到目前所進行的動作為何，進而輸出與該動作相對應的控制訊號。
接著，進一步地說明整個多維度光學控制裝置的控制流程。圖9繪示本實施範例的多維度光學控制方法的流程示意圖。
首先，在步驟S100，感測光束在感測器上形成光斑的起始中心位置、光斑形狀分布範圍以及單位面積光強度。之後，此起始中心位置、光斑形狀分布範 圍以及單位面積光強度是做為參考光斑之用。亦即，當可動光源101與透鏡102位於起始位置時，將感測器104上所感測的光斑106的中心位置、光形分布範圍與單位面積光強度設為預設值(即起始定義值)，並且輸入該些起始定義值給資料處理電路105。
接著，在步驟S102，判斷感測到的光斑的形狀分布範圍或單位面積光強度受否產生變化。亦即，當可動光源101與透鏡102開始進行空間六個維度之運動時，此時感測器104所感測到的光斑106的光形分布範圍與單位面積光強度，將送至資料處理電路105進行計算是否產生變化，並且上述變化資料之訊號將儲存於資料處理電路105。
當感測器104上之像素所感測到光斑106之光形分布範圍與單位面積光強度沒有同時變化時，則執行步驟S120，判斷光斑106之中心位置是否有改變。
當光斑106之中心位置有改變時，代表光斑106在感測器104上是呈現出平移的運動，即上述圖3所描述的情形。因此，資料處理電路105便在步驟S126計算出光斑中心位置在XY平面上的移動量。之後，在步驟S128，輸出一控制訊號，以執行步驟S130，完成XY平面上的平移位移控制。
反之，在執行步驟S120中，當光斑106之中心位置沒有改變時，代表光斑106在感測器104上是呈現出繞Z軸旋轉的運動，即圖4A、4B所描述的情形。此時，執行步驟S122，資料處理電路105便在步驟 S122計算出光斑繞Z軸的旋轉角度。之後，在步驟S124，輸出一控制訊號，以執行步驟S130，完成以執行繞Z軸的旋轉控制。
另外，當在步驟S102，資料處理電路105判斷出感測器104上之像素所感測到光斑106之光形分布範圍與單位面積光強度有同時變化時，則執行步驟S110，判斷光斑106之中心位置是否有改變。
當光斑106之中心位置有改變時，即上述圖5A、5B或圖6A、6B所述之繞X軸或Y軸的情形。此時，資料處理電路105便在步驟S116計算出光斑106之光形分布範圍以及光斑中心位置的平移量。之後，在步驟S118，藉由資料處理電路105所計算的光形分布範圍以及光斑中心位置的平移量，輸出一控制訊號，以執行步驟S130，完成以X軸或Y軸為旋轉中心進行旋轉的控制。
反之，在執行步驟S110中，當光斑106之中心位置沒有改變時，其代表上述圖8A至8D所述之沿Z軸上下移動的情形。此時，資料處理電路105便在步驟S112計算出光斑106之光形分布範圍。之後，在步驟S114，藉由資料處理電路105所計算的光形分布範圍，輸出一控制訊號，以執行步驟S130，完成沿Z軸進行垂直位移的控制。
綜上所述，透過資料處理電路105輸出六個維度改變之類比或數位訊號，本實施範例的六維度光學控制裝置100即可完成空間控制之功能。
在一定時間內，感測器104感測到光斑106之像素變化越多時，表示可動光源101與透鏡102相對於光學感測器104之動作速度越快，則資料處理電路105經過計算後，會輸出一加快速度之六維度空間控制訊號。反之，當感測器104於一定時間內，感測到光斑106之像素變化越少時，表示可動光源101與透鏡102相對於感測器104之動作速度越慢，則資料處理電路105經過計算後，會輸出一較慢速度之六維度空間控制訊號。
根據本實施範例之六維度光學控制裝置100，其利用上述簡單之構件與感測方式，即可完成水平與垂直方向之移動以及三個維度旋轉動作等空間六個維度之精密控制功能。
除了上述實施方式外，本發明尚可做其他變化，以下特舉數個變化範例以資說明。
在上述實施範例中，並未對光束的形狀進行整形，亦即光束103經由可動光源101射出後，便由透鏡102直接聚焦到感測器104的感測面上。一般而言，在感測面上所形成的光斑大致上呈現長寬比不為1的橢圓形。此形狀有利於判斷光斑是否有旋轉。因此，光斑的形狀會對判斷光斑是否有產生變化的靈敏度造成影響，也因此對光學控制裝置的控制解析度有一定程度的影響。
因此，為了更進一步地提升光學控制裝置的控制解析度，可以對光束的形狀進行整形。光束整形的方式可例如 在可動光源101與透鏡102之間增加一光束整形元件，例如可以使用一具有孔洞的擋板來進行整形。當然，在不影響本實施範例的功效下，市面上很多光束整形的光學元件也可以適當的採用，只要可以達成下述功能即可，在此便不多舉例說明。
圖10A繪示另一實施範例的多維度光學控制裝置示意圖，圖10B、10C、10D繪示圖10A中擋板的範例示意圖。如圖10A所示，其在可動光源101與透鏡102之間增設一個擋板108，其中更具有一個孔洞109，此孔洞109為一指向形狀孔洞。以圖10B所示的範例來説明，該孔洞109的形狀為T型。
當光束103到達擋板108後，部分光束被遮擋，而部分光束則穿過指向形狀孔洞109，再由透鏡102形成一具指向形狀且具錐形光形之光束，之後聚焦到感測器104的感測面上。由圖10C可以看出光斑106的形狀與擋板108之指向形狀孔洞109相似。透過此方式，可以讓感測器104上所形成的光斑106形狀更為精確，進而提高控制解析度。
圖10D更列出一些指向形狀孔洞的範例，如三角形、橢圓形、菱形或多邊型等等，但非用以限制孔洞的形狀。一般而言，只要不是正圓形，或長寬比為1的圖形即可。但是，若要使用圓形，則必須要於前述範例中增加一參考點。光斑106為圓形時，其長寬比為1，並對稱於X軸與Y軸。故當產生旋轉動作時，無法判斷光斑是否有轉動，這將造成動作的誤判，因此在實用上，儘量不使用正圓形。 但是，若要使用圓形光斑或圓形孔洞時，則必須定義感測器104上之某一像素為參考點，並將光斑106與該參考點連接成一直線，當產生隨著Z軸方向之旋轉動作時，光斑106相對該參考點而旋轉。藉此，方可斷出圓形光斑是否有旋轉等的位置變化。
在上述圖10A至10D所示的範例中，擋板108是採用不透光的材質，但是也可以使用透光材質。圖11A繪示另一實施範例的多維度光學控制裝置示意圖，圖11B、11C繪示圖11A中擋板的範例示意圖。如圖11A所示，本實施範例與圖10A的實施範例類似，在可動光源101與透鏡102之間增設一個擋板110，不過所不同的是該擋板110為可透光材質。藉由調整透光率，可以控制光束103的光強度。另外，圖11B繪示擋板110的一個範例，該擋板110具有兩個透光率不同的透光區112與114。藉此，當光束103通過擋板110後，其光強度形成明顯高低之分佈。之後，再通過透鏡102，形成一具高低光強度分佈且具錐形光形之光束，再照射於感應器104上，以形成如圖11C所示的具有不同光強度分布的光斑106。在此範例中，將檔板100做成有兩個不同的光強度區域，但是實作上，兩個或以上的區域也是可行，端視實際需求來進行適當的設計變化。另外，此範例是以圓形為例，實作上也可以不同的圖案來形成。多個區域時，每個區域的形狀也可以相同或不同，其並未有特別限制。
除了使用不同透光率，以形成不同光強度的分布區域外，也可以將圖11B之區域112、114施以不同的顏色， 藉此達到不同透光率。
圖12A繪示光源與透鏡的封裝結構示意圖，圖12B繪示光源、擋板與透鏡的封裝結構示意圖。由於一般光源、LED或LD等多波長或單波長之光源，皆需要透過封裝方式加以保護與固定光源本身。因此如圖12A所示，可透過封裝方式將上述實施範例中的光源101與透鏡102結合成一體。另外如圖12B所示，在具有透光或不透光擋板的實施範例中，也可以是將光源101、擋板108(或擋板110)以及透鏡102結合，成為一個整體的發光元件。
圖13與圖14繪示本發明的實施範例的變化例。在上面說明的各實施範例中，是將光源設計成可動的方式，即可以透過與如操縱桿之可動機構連接，而產生與操縱桿相對應的移動或轉動操作。但是，也可以將光源設計成固定方式。接著，列舉範例來加以說明。
如圖13(或圖14)所示，多維度光學控制裝置200(300)包括光源與透鏡所構成的固定發光元件204(304)、反射元件202(302)、感測器206(306)以及資料處理電路(未繪出)。在此範例中，發光元件204(304)為固定在多維度光學控制裝置200(300)內不妨礙感測器206(306)動作的任何適當位置，其可發射並聚焦一光束。反射元件202(302)基本上是可動元件，其可連接到操縱桿等的可動機構，藉以達到可以移動或轉動的目的。反射元件202(302)可以將發光元件204(304)所發出的光束反射到感測器206(306)上。透過反射元件202(302)隨著可動機構的移動或轉動， 使聚焦在感測器206(306)表面上的光斑能夠產生中心位置、形狀分布範圍或單位面積光強度的變化量，藉此產生相應的控制訊號。
關於光斑能夠產生中心位置、形狀分布範圍或單位面積光強度的變化量的計算與說明，可以參考上述的實施範例，在此不多冗述。資料處理電路與感測器之間的關係與操作，亦與前面的實施範例相同。另外，關於發光元件之擋板、檔板材質、指向性孔洞等等，也都可以援用上述實施範例的作法，在此不多做描述。
綜上所述，根據本實施範例的多維度光學控制裝置，光源可直接照射於感測器上，不需要反射平面，故無反射面反射率不佳之問題，因此感測靈敏度甚佳，而且光源與感應器相對位置不受限。此外，透過簡單之光學機構，在不需過多零件與機構體積之環境下，完成水平與垂直方向，空間六個維度之輸入控制功能。
另外，本實施範例利用一光源直接照射於感測器上，不需透過狹縫擋板或屏幕，因此可大幅降低能耗與零件定位問題。透過感測器上感測光源的像素位置、範圍與光強度之變化，即可完成高精度之六個維度輸入控制功能。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧多維度光學控制裝置
101‧‧‧可動光源
102‧‧‧透鏡
103‧‧‧光束
104‧‧‧感測器
105‧‧‧資料處理電路
106‧‧‧光斑
108‧‧‧不透光擋板
109‧‧‧指向性形狀孔洞
110‧‧‧透光擋板
112、114‧‧‧透光率(或顏色)相異區域
200、300‧‧‧多維度光學控制裝置
202、302‧‧‧反射元件
204、304‧‧‧發光元件
206、306‧‧‧感測器
圖1A繪示本實施範例的多維度光學光學控制裝置的架構示意圖。
圖1B繪示圖1A的多維度光學光學控制裝置的操作維度示意圖。
圖2A、2B、2C繪示產生參考光斑的組態、參考光斑的像素範圍示意圖以及參考光斑在感測器上的位置示意圖。
圖3繪示對多維度光學控制裝置進行沿水平面移動(沿XY平面移動)時，所形成光斑在感測器上的分布示意圖。
圖4A、4B繪示對多維度光學控制裝置進行垂直於水平面轉動(繞Z軸旋轉)時，所形成光斑在感測器上的分布示意圖。
圖5A、5B繪示對多維度光學控制裝置進行水平面轉動(繞X軸旋轉)時，多維度光學控制裝置的組態示意圖以及所形成光斑在感測器上的分布示意圖。
圖6A、6B繪示對多維度光學控制裝置進行水平面轉動(繞Y軸旋轉)時，多維度光學控制裝置的組態示意圖以及所形成光斑在感測器上的分布示意圖。
圖7繪示光斑的單位面積光強度與旋轉角度之間的關係圖。
圖8A、8B、8C、8D繪示對多維度光學控制裝置進行垂直方向上下移動(沿Z軸上下移動)時，多維度光學控制裝置的組態示意圖以及所形成光斑在感測器上的分布示意圖。
圖9繪示本實施範例的多維度光學控制方法的流程示意圖。
圖10A繪示另一實施範例的多維度光學控制裝置示意圖，圖10B、10C、10D繪示圖10A中擋板的範例示意圖。
圖11A繪示另一實施範例的多維度光學控制裝置示意圖，圖11B、11C繪示圖11A中擋板的範例示意圖。
圖12A繪示光源與透鏡的封裝結構示意圖，圖12B繪示光源、擋板與透鏡的封裝結構示意圖。
圖13與圖14繪示本發明的實施範例的變化例。
100‧‧‧多維度光學控制裝置
101‧‧‧可動光源
102‧‧‧透鏡
103‧‧‧光束
104‧‧‧感測器
105‧‧‧資料處理電路
106‧‧‧光斑

Claims (45)

  1. 一種多維度光學控制裝置，包括：一單一光源，受一外在作用下移動並沿著X、Y與Z軸自我轉動，並用以產生一光束；一透鏡，與該單一光源一同轉動且與該單一光源耦接，將該光束聚焦；一感測器，用以感測聚焦於該感測器上的一光斑；以及一資料處理電路，耦接至該感測器，用以取得該光斑在該感測器上的一位置變化量、一形狀變化量或一光強度變化量，以產生一控制訊號，其中該位置變化量、該形狀變化量或該光強度變化量是基於垂直與水平位移、沿著X、Y、Z軸的自我旋轉、該單一光源的光強度而產生，依據該位置變化量、該形狀變化量和該光強度變化量，輸出該控制訊號，以進行旋轉或移動的多維度控制動作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多維度光學控制裝置，其中該位置變化量包括一旋轉變化量或一平移變化量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多維度光學控制裝置，其中該形狀變化量包括該可動光源相對於該感測器垂直移動或轉動移動而產生的變化量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之多維度光學控制裝置，其中該單一光源為一單一波長光源。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之多維度光學控制裝置，其中該單一波長光源為雷射二極體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多維度光學控制裝置，其中該單一光源為一多波長光源。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之多維度光學控制裝置，其中該多波長光源為一白熾燈或一發光二極體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之多維度光學控制裝置，其中該感測器為一二維平面感測器。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之多維度光學控制裝置，其中該二維平面感測器為一PD陣列感測器、一CMOS感測器、或一CCD感測器。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之多維度光學控制裝置，其中該控制訊號為一數位訊號或一類比訊號。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之多維度光學控制裝置，其中該可動光源與該透鏡封裝成一體。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之多維度光學控制裝置，更包括一光束整形元件，位於該可動光源與該透鏡之間，用以對該可動光源發出的該光束進行整形。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之多維度光學控制裝置，其中該光束整形元件為一擋板，且該擋板具有一孔洞，使該光束穿過。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之多維度光學控制裝置，其中該擋板為不透光。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之多維度光學控制裝 置，其中該孔洞為一非正圓形。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之多維度光學控制裝置，其中該孔洞為圓形，且相對於該感測器上之參考點移動。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之多維度光學控制裝置，其中該光束整形元件為一擋板，且該擋板為透光。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之多維度光學控制裝置，其中該擋板包括至少兩個相異透光率的區域。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之多維度光學控制裝置，其中該擋板包括至少兩個相異顏色的區域。
  20. 如申請專利範圍第12項所述之多維度光學控制裝置，其中該可動光源、該光束整形元件與該透鏡封裝成一體。
  21. 一種多維度光學控制裝置，包括：一光源，用以產生一光束，其中該光源為一固定單一光源；一透鏡，與該固定單一光源耦接，將該光束聚焦；一反射元件，受一外在作用下而移動和自我轉動，用以將由該固定單一光源產生且經該透鏡聚焦的該光束進行反射；一感測器，對反射的該光束在該感測器上所形成的一光斑進行感測；以及一資料處理電路，耦接至該感測器，用以取得該光斑在該感測器上的一位置變化量、一形狀變化量或一光強度 變化量，以產生一控制訊號，其中該位置變化量、該形狀變化量或該光強度變化量是基於垂直與水平位移、沿著X、Y、Z軸的自我旋轉、由該反射元件所反射的該光束的光強度而產生，依據該位置變化量、該形狀變化量和該光強度該變化量，輸出該控制訊號，以進行旋轉或移動的多維度控制動作。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之多維度光學控制裝置，其中該位置變化量包括一旋轉變化量或一平移變化量。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之多維度光學控制裝置，其中該形狀變化量包括該可動光源相對於該感測器垂直移動或轉動移動而產生的變化量。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之多維度光學控制裝置，其中該固定單一光源為一單一波長光源。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之多維度光學控制裝置，其中該單一波長光源為雷射二極體。
  26. 如申請專利範圍第21項所述之多維度光學控制裝置，其中該固定單一光源為一多波長光源。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之多維度光學控制裝置，其中該多波長光源為一白熾燈或一發光二極體。
  28. 如申請專利範圍第21項所述之多維度光學控制裝置，其中該感測器為一二維平面感測器。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之多維度光學控制裝置，其中該二維平面感測器為一PD陣列感測器、一CMOS 感測器、或一CCD感測器。
  30. 如申請專利範圍第21項所述之多維度光學控制裝置，其中該控制訊號為一數位訊號或一類比訊號。
  31. 如申請專利範圍第21項所述之多維度光學控制裝置，其中該固定單一光源與該透鏡封裝成一體。
  32. 如申請專利範圍第21項所述之多維度光學控制裝置，更包括一光束整形元件，位於該固定單一光源與該透鏡之間，用以對該固定單一光源發出的該光束進行整形。
  33. 如申請專利範圍第32項所述之多維度光學控制裝置，其中該光束整形元件為一擋板，且該擋板具有一孔洞，使該光束穿過。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之多維度光學控制裝置，其中該擋板為不透光。
  35. 如申請專利範圍第34項所述之多維度光學控制裝置，其中該孔洞為一非正圓形。
  36. 如申請專利範圍第34項所述之多維度光學控制裝置，其中該孔洞為圓形，且相對於該感測器上之參考點移動。
  37. 如申請專利範圍第32項所述之多維度光學控制裝置，其中該光束整形元件為一擋板，且該擋板為透光。
  38. 如申請專利範圍第37項所述之多維度光學控制裝置，其中該擋板包括至少兩個相異透光率的區域。
  39. 如申請專利範圍第37項所述之多維度光學控制裝置，其中該擋板包括至少兩個相異顏色的區域。
  40. 如申請專利範圍第32項所述之多維度光學控制裝置，其中該固定單一光源、該光束整形元件與該透鏡封裝成一體。
  41. 一種多維度光學控制方法，依據一感測器所感測的一光斑的變化，進行一多維度運動控制，該多維度光學控制方法包括：設定一參考光斑的一起始定義值，該起始定義值包含一起始中心位置、一起始光斑形狀分布範圍與一起始單位面積光強度，其中該參考光斑為單一光源，可沿著X、Y、Z軸移動和自我轉動；當該光斑產生包含平移和旋轉的運動時，判斷運動後的該光斑的一光斑形狀分布範圍與一單位面積光強度是否發生改變；依據該光斑形狀分布範圍與該光強度的變化量，產生一控制訊號，以執行該多維度運動控制。
  42. 如申請專利範圍第41項所述之多維度光學控制方法，當該光斑形狀分布範圍與該光強度的變化量均為零時，更包括：判斷運動後的該光斑的一中心位置是否偏移該參考光斑的該起始中心位置；當該中心位置產生偏移時，計算該中心位置相對於該起始中心位置的一平移量，以執行對應於該感測器平面的一平移運動；以及當該中心位置沒有產生偏移時，計算該光斑形狀分布 範圍相對於該起始光斑形狀分布範圍的一轉動角度，以執行垂直於該感測器之平面的一旋轉運動。
  43. 如申請專利範圍第41項所述之多維度光學控制方法，當該光斑形狀分布範圍與該光強度的變化量均不為零時，更包括：判斷運動後的該光斑的一中心位置是否偏移該參考光斑的該起始中心位置；當該中心位置產生偏移時，計算該中心位置相對於該起始中心位置的一平移量，以及該光斑形狀分布範圍相對於該起始光斑形狀分布範圍的一變化量，以執行平行於該感測器之平面的其中一軸進行旋轉運動；以及當該中心位置沒有產生偏移時，計算該光斑形狀分布範圍相對於該起始光斑形狀分布範圍的一變化量，以執行垂直於該感測器的一垂直平移運動。
  44. 如申請專利範圍第41項所述之多維度光學控制方法，更包括：在一預定時間內，依據感測到的該光斑的一像素變化量，輸出一加速控制訊號或一減速控制訊號。
  45. 如申請專利範圍第41項所述之多維度光學控制方法，其中該參考光斑的該起始定義值，是以該感測器的中心位置為基準。
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