TWI421737B - 量測於表面與光學感應裝置間之相對動作的方法 - Google Patents

Description

量測於表面與光學感應裝置間之相對動作的方法

本發明大致關係於指向裝置，尤其，用以控制在螢幕上之游標位置者，該螢幕係例如個人電腦、工作站、或其他具有圖形使用者介面之計算裝置的顯示器。此等指向裝置可以例如包含滑鼠、軌跡球及其他電腦週邊，用以控制在顯示螢幕上之游標的位置。

本發明更特別有關於光學指向裝置的領域，其包含一光學動作感應裝置，包含一光檢測器陣列，用以量測在一表面的一部份之變化強度圖案，該表面部份被以一雷射發光源照射，及用以抽出該光檢測器陣列與該表面之照射部份間之相對運動間之資訊。

加入有雷射發光源的光學指向裝置係為在本技藝中所知。此雷射照射允許光學指向裝置，例如滑鼠工作於更廣泛類型之表面上。然而，照射的同調本質造成包含相當高空間頻率之接收影像，特別是相比較於沒有同調LED照射的相同表面。此高頻內容由於超出欠取樣(在空間領域)造成空間混淆。此混淆造成幾個不良效應，例如解析度損失或明顯“逆”動作(在“動圖中之車輪”效應)。有關於較高空間頻率內容的處理方向為建立更小像素(在攝像器中之更高空間能力)。但，兩個有關於小像素之主要問題為一較低之滑鼠速度/加速能力及較低之對光的靈敏度(在像素中之較少收集面積)。

與本案相同受讓人申請之美國專利申請第11/165，537號係併入本案作為參考，並例如揭示一種量測於一表面的照射部份與光學感應裝置間之相對動作的方法，該光學感應裝置包含一同調光源及一光檢測陣列，該方法包含步驟：－藉由該同調光源，以預定梯度，以預定閃光率照射該表面部份；－藉由該光檢測陣列，檢測一第一閃光之該表面之該照射部份斑點光強度圖案；－檢測第二閃光之該表面之該照射部份的斑點光強度圖案；－由該檢測的第一與第二斑點光強度圖案抽出兩不同類型之動作特性；－只保持成對的鄰近動作特性，其包含兩不同類型之一動作特性；－根據該保持之動作特性，決定於該光學感應裝置與該被照射的表面部份間之相對動作之量測。

雖然此一解決方案係揭示於美國專利申請第11/165,537號在光學指向裝置中之同調光源有關有幾項優點，因為雷射照射具有大頻譜內容，所以，仍有需要進一步較佳控制資料的數量，以決定在該光學指向裝置與該照射表面部份間之相對運動的量測。

本發明之一目的為實施一更簡單及可靠的方法，用以量測於一表面的被照射部份與光學動作感應裝置間之相對動作，該光學動作感應裝置包含一同調光源及一光檢測裝置，其包含一陣列的像素及比較器，用以抽出動作特性。

為了該目的，該方法包含步驟：a)以該同調光源照射，以預定閃光速率，照射該表面部份；b)藉由該陣列的像素，檢測用於每一閃光的該表面的該照射部份的一斑點光強度圖案；c)藉由比較像素間之光強度，從所檢測的斑點光強度圖案，抽出兩不同類型之緣方向資料；d)根據所抽出之緣方向資料，決定於該光學感應裝置與該表面的該照射部份間之相對動作之量測；其中該抽出緣方向資料的步驟包含一初步步驟，其包含引入一選擇因數，其較另一類型提升一類型之緣方向資料的檢測。

因為一彎曲被檢測成為一類型之緣，其隨跟隨有相反類型，增加了有關該另一類型之一類型的緣數量，將造成在整個彎曲計數上之減少，因而，減少彎曲密度。較佳地，引入一可調整偏移至該等比較器中，以在它超出一給定值時，減少在影像中之彎曲計數。有需要保持低總彎曲密度，以避免“混淆”該決定動作之彎曲追蹤邏輯。加入至這些緣方向比較器之偏移係可調整，以使得它們較喜好“一”類型之緣(正/負)，而不是另一類型。

再者，其他較佳實施例形成了附屬項的主體。

可以完成一精調，以減緩以此偏移的最簡單實施法有關的問題。此問題是由於光學源的非均勻照射之故。通常，雷射將以“高斯”型光束照射，使得影像本質上與來自該表面的實際影像一起迴旋(convolve)的高斯轉降(roll－off)。轉降的邊緣混淆了偏移演算法，因此，在這些區域中之動作並不是想要的、在一邊緣上，彎曲的量減少，而在另一邊緣上，則數量增加。為此，偏移較佳地取決於緣比較器在影像哪一影像象限而定。

為了此目的，該像素的光檢測器陣列係沿著第一及第二軸排列並被分成四象限，有左上、右上、左下及右下，及藉由沿著第一軸加入用於兩左象限之正偏移至比較器及用於兩右象限之負偏移至比較器，及藉由沿著第二軸加入用於兩下象限之正偏移至比較器及用於兩上象限之負偏移至比較器，而引入選擇因數。

另一精調係有關於另一問題。雷射照射的光學對準可能並不如此完美，因此，高斯照射的中心點可能不是對應於像素陣列的中心點。為了處理此問題，演算法量測照射的中心點(有關於X及Y)，並改變每一緣比較器的偏移極性的符號，以有效地移動該矩陣中心點，以對應於照射中心點。

為了該目的，該方法更包含步驟：決定該同調光源之高斯照射的中心點，及其中該四象限係有關於該高斯照射的中心點加以決定。

或者，因為同調光源以具有一高斯形光束照射，所以，選擇因數係藉由加入至該等比較器以一偏移而加以引入，該偏移係被以高斯轉降帶的函數加以調整。其進一步依據高斯轉降符號加以反轉。

因為演算法讀取雷射每一“閃光”時(沿著軸X及Y)的彎曲量，所以，閃光的數量(N)係被平均，以產生一平均彎曲計數(X及Y)，及X或Y計數中之大者係被檢查為一預定窗。然後，演算法調整偏移電壓，使得計數將保持在預定窗內。

其他加強法係被引入以較佳處理各種“末端”狀況。例如，當X或Y之最高計數控制演算法，X或Y的較低者也被檢查，以確定其並未落在某一臨限值下。如果有的話，則偏移不能再進一步調整。

以下有關於量測於表面的照射部份與一光學感應裝置間之相對動作的方法，該裝置包含一同調光源及一光檢測器，其包含一陣列的像素及一比較器，用以抽出動作特性，以下之說明係有關於作非限定例子之第1至3圖。

可以根據抽出線方向，來決定於光學感應裝置與表面之照射部份間之相對動作之量測的演算法係由本案相同受讓人所申請之美國專利公開第2005/0062720號案所述。可以了解的是，各種應用可以根據這些演算法加以完成。

依據這些演算法，所抽出之動作特性係係藉由比較於像素間之光強度被定義為緣方向資料，即比較一第一緣狀態或正緣與一第二緣狀態或負緣，正緣被定義為第一像素的光強度少於第二像素的光強度之狀態，負緣被定義為第一像素的光強度大於第二像素的光強度的狀態。

再者，參考“峰/谷動作檢測”演算法，光檢測陣列的每一列及行進一步被分析以沿著一選定軸(實際上為沿著X及Y軸)的連續緣方向中，找出特定彎曲狀態(以下定義為第一彎曲狀態，或“峰”，及第二彎曲狀態，或“谷”)。如第3圖所示，第一彎曲狀態或峰係被定義為沿著被跟隨有負緣(第3圖之朝下箭頭)之正緣的預定軸(X或Y)為連續。同樣地，第二彎曲狀態或谷係被定義為沿著被跟隨有正緣的負緣的預定軸為連續。

考量第1圖，其表示光學指向裝置的一般方塊圖。其包含：一光檢測陣列100，其包含多數像素，此光檢測陣列100係被連接至處理裝置110(或動作檢測處理電路)，用以處理為光檢測陣列100所輸出的信號。

一比較器陣列120可以安置在該處理裝置110與陣列100之間，此比較器陣列120包含多數比較器電路，每一比較器電路比較第一像素陣列100的光強度與第二像素陣列100的光強度，並輸出所得動作特性狀態。

該光學指向裝置進一步包含至少一同調光源130，例如雷射光源，其產生一預定閃光速率的照射，以預定梯度碰撞表面S的一部份。表面S可以為平坦或非平坦面，例如指向裝置所移動於其上之表面(例如在光學滑鼠的例子)、球的表面(在光學軌跡球的例子)或任何其他適當表面，其可以提供適當斑點強度圖案給光檢測陣列100所檢測者。

處理裝置110進一步被以雙向方式與一介面140通訊，其隨後與一主系統(未示出)透過匯流排150通訊。游標控制信號(及最後其他有關於光學指向裝置的信號)係經由匯流排150被供給至主系統。處理裝置110也可以自主系統透過匯流排150接收例如架構信號的資訊。

處理裝置110係主要設計以依據預定順序，間歇地取樣光檢測器陣列100的像素輸出。兩連續取樣或斑點影像的資訊係被比較及一相對動作量測係為處理裝置110所抽出。適當游標控制信號然後由相對動作量測導出並經由線介面140傳送至主系統。

然而，可以由前述說明書的介紹看出，為光檢測裝置100所檢測的光強度圖案形成一斑點影像，其呈現很多動作特性，而使得動作檢測較不可靠。為了依據本發明之目的，處理裝置100係提供有很簡單選擇因數160，其提升一類型之動作特性的檢測，而不提升另一類型。此簡單選擇因數將參考第2、2a及2b圖加以解釋如下。

第2圖顯示雷射照射的三維影像，其具有相當陡之高斯梯度。為軸X及Y所定義的平面代表光檢測器陣列及軸Z表示檢測的光強度。可以由此影像看出，依據有關之象限及軸而增加或減少光強度。因此，如果切除像素陣列的四象限(如第2b圖所示)，即左上、右上、左下及右下象限，則由緣至像素陣列的中心的光強度(LI)將以下述方式變化：－在左上象限中，光強度沿著X及Y軸增加；－在右上象限中，光強度沿著X軸增加及Y軸減少；－在左下象限中，光強度沿著X軸減少及Y軸增加；－在右下象限中，光強度沿著X及Y軸減少。

如前所述，演算法的目的為控制感應器所看到之平均彎曲計數。因為雷射照射具有很大之頻譜內容，所以，其造成一密集彎曲影像，這造成感應器之動作檢測演算法混淆。混淆通常視為具有速度及/或加速檢測(跟丟事件)故障的解析度劣化。藉由控制平均彎曲計數，我們可以間接控制彎曲影像的密度並且可以防止混淆。

藉由加入可調偏移至緣檢測比較器成為象限的函數，該彎曲計數被減少。實際上，加入一偏移至緣檢測比較器使得它們“喜好”一類型之緣(正/負)而不喜好另一緣。因為一彎曲被檢測成為該相反類型所跟隨之一類型緣，所以，考量另一類型緣而增加一類型之緣的數量將會造成彎曲計數的減少。

為了該目的，依據本發明之實施例及依據所考量的象限，偏移係以以下方式調整：－沿著X軸之用於下象限之負偏移；－沿著X軸之用於上象限之正偏移；－沿著Y軸的用於左象限之正偏移；及－沿著Y軸的用於右象限之負偏移。

因為同調光源的高斯照射的中心點並不一直對中於像素陣列，四象限較佳相對於高斯照射的實際中心點加以決定。

依據本發明之另一實施例，因為同調光源以高斯形光束照射，所以選擇因數係藉由加入一偏移至一緣比較器加以引入，該偏移係為高斯捨入帶的函數。較佳地，偏移係依據高斯捨入符號加以反相。

較佳地，演算法讀取每一閃光的X及Y彎曲計數。N閃光係被平均以產生X及Y平均彎曲計數。例如，用以計算平均彎曲計數的連續閃光數量可以被預設為4。演算法調整該偏移電壓，使得X及Y平均彎曲計數間之較大者落在彎曲計數的預定窗內。該窗係被定義以用於X及Y軸，目標為最大及最小平均彎曲計數，分別為NinfAveHi及NinfAveLo。

偏移控制演算法將調整比較器偏移，使得較高之平均彎曲計數(於X平均彎曲計數與Y平均彎曲計數間之較高者)將落在為最小及最大值NinAveLo及NinfAveHi所定義的窗內。因此，假如較高彎曲計數大於最大平均彎曲計數NinfAveHi，則偏移電壓將被增加。如果較高平均彎曲計數小於最小平均彎曲計數NinfAveLo，則偏移電壓將減少。

因為演算法係看在較高平均彎曲計數，所以，應採取有關於較低彎曲計數的警告。我們將不要此彎曲計數低於某些位準(極端低彎曲計數同時造成效能劣化)。因此，如果較高平均彎曲計數大於最大平均彎曲計數NinfAveHi及較低平均彎曲計數較高於目標絕對最小彎曲計數NinfAveMin，則演算法允許增加偏移電壓。

第2a圖代表第2圖之平面A－A的剖面。當光度增加時，由於高斯形光束，加入一正偏移具有增強光強度增加的作用，並且，由於小強度差，而免除連續的正及負緣，即彎曲，因而，降低了彎曲計數的總數。

100．．．光檢測器陣列

110．．．處理裝置

120．．．比較器陣列

130．．．同調光源

140．．．介面

150．．．匯流排

160．．．選擇因數

第1圖為光學指向裝置之一通用方塊圖；第2圖為雷射照射的三維影像，該雷射照射具有相當陡的高斯梯度；第2a圖代表第2圖中之平面A－A的剖面圖；第2b圖代表光檢測陣列被切成四象限；第3圖為由緣方向狀態的順序沿著一預定軸的光檢測陣列所推導出的緣彎曲方向或峰或谷的示意圖。

100．．．光檢測器陣列

110．．．處理裝置

120．．．比較器陣列

130．．．同調光源

140．．．介面

150．．．匯流排

160．．．選擇因數

Claims (10)

1. 一種量測於一表面與一光學感應裝置間之相對動作的方法，其中該光學感應裝置包含：(i)一同調光源；(ii)一光檢測裝置；及(iii)動作檢測處理電路，其中該光檢測裝置包含：(1)一陣列像素；及(2)多數比較器，用以抽出緣方向資料，其中該方法包含步驟：(A)使用該同調光源，以預定閃光率照射該表面的一部份，以產生該預定閃光率的光；(B)使用該陣列像素，檢測每一閃光之該表面之該被照射部份的斑點光強度圖案；(C)藉由比較各個光強度圖案的像素間之光強度，由該檢測的斑點光強度圖案抽出兩不同類型的緣方向資料，其中該兩不同類型的抽出緣方向資料包括第一緣方向資料及第二緣方向資料；(D)根據該所抽出緣方向資料，決定該光學感應裝置與該表面間之相對動作的量測；其中該步驟(C)包含在像素間的該光強度比較中，於光強度圖案的至少一區域的光強度比較中加入偏移，其對該等光強度圖案的該至少一區域間的各個區域，提升該第一緣方向資料的檢測，而不提升該第二緣方向資料的檢 測。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該同調光源以一高斯形光束加以照射該表面，及其中該偏移係被調整為高斯捨入帶的函數。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該陣列像素係沿著第一及第二正交軸對準，其中彎曲係被檢測為一類型緣方向資料，其係為另一類型緣方向資料所跟隨，其中該方法更包含步驟：(E)沿著兩軸計數每一閃光的彎曲數量；(F)平均每一軸的已決定數量閃光的該彎曲計數；(G)比較來自該第一及該第二軸的較高平均彎曲計數與一定義平均彎曲計數窗；及(H)調整該偏移，使得該較高平均彎曲計數停留在該定義窗內。
4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該窗係為最小及最大平均彎曲計數值所定義，及其中：當該較高彎曲計數係大於該最大平均彎曲計數值時，則增加該偏移的量，及當該較高彎曲計數係小於最小平均彎曲計數時，則降低該偏移的量。
5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中一目標絕對最小彎曲計數係被定義，及其中當該較高平均彎曲計數係大於該最大平均彎曲計數及當該較低平均彎曲計數係大於該絕對最小彎曲計數時，則增加該偏移的量。
6. 一種量測於一表面與一光學感應裝置間之相對動作的方法，其中該光學感應裝置包含：(i)一同調光源；(ii)一光檢測裝置；及(iii)動作檢測處理電路，其中該光檢測裝置包含：(1)一陣列像素；及(2)多數比較器，用以抽出緣方向資料，其中該方法包含步驟：(A)使用該同調光源，以預定閃光率照射該表面的一部份，以產生該預定閃光率的光；(B)使用該陣列像素，檢測每一閃光之該表面之該被照射部份的斑點光強度圖案；(C)藉由比較各個光強度圖案的像素間之光強度，由該檢測的斑點光強度圖案抽出兩不同類型的緣方向資料，其中該兩不同類型的抽出緣方向資料包括第一緣方向資料及第二緣方向資料；(D)根據該所抽出緣方向資料，決定該光學感應裝置與該表面間之相對動作的量測；其中該同調光源提供在該光源的中央區域實質具有最大值並逐漸由該光源的該中心區域向週邊降低的光強度，其中該陣列像素係沿著第一與第二正交軸對準，並被分成四象限，其包含左上、右上、左下及右下象限，其中沿著該第一軸，當該第一軸朝上下時，正偏移被 加入至該等多數比較器中有關於該兩個上象限的比較器中，及負偏移被加入至該等多數比較器中有關於該兩個下象限的比較器中；及其中沿著該第二軸，當該第二軸朝左右時，正偏移被加入至該等多數比較器中有關於該兩個左象限的比較器中，及負偏移被加入至該等多數比較器中有關於該兩個右象限的比較器中。
7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該同調光源以一高斯形光束加以照射該表面，及其中射在該陣列像素上的該高斯形光束的中心點係被決定，及其中該等四象限係相關於該高斯形光束的中心點加以決定。
8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中彎曲係被檢測為一類型緣方向資料，其係為另一相反類型的緣方向資料所跟隨，其中該方法更包含步驟：(E)沿著兩軸計數每一閃光的彎曲數量；(F)平均每一軸的已決定數量閃光的該彎曲計數；(G)比較來自該第一及該第二軸的較高平均彎曲計數與一定義平均彎曲計數窗；及(H)調整該等比較器的該正及負偏移，使得該較高平均彎曲計數停留在該定義平均彎曲計數窗內。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該窗係為最小及最大平均彎曲計數值所定義，及其中：當該較高彎曲計數係大於該最大平均彎曲計數值時，則增加該正與負偏移的量，及 當該較高彎曲計數係小於最小平均彎曲計數時，則降低該正與負偏移的量。
10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中一目標絕對最小彎曲計數係被定義，及其中當該較高平均彎曲計數係大於該最大平均彎曲計數及當該較低平均彎曲計數係大於該絕對最小彎曲計數時，則增加該正與負偏移的量。