TWI484379B - 光學感測裝置 - Google Patents
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Description
本發明有關於一種光學感測裝置，特別有關於使用側面光源的光學感測裝置。
習知技術的光學感測裝置(例如一光學觸控板)，都是利用一光源，由下往上照射一感測表面上的物體(例如一手指)，來得到此物體的位置資訊。
第1圖繪示了習知技術之光學感測裝置100。第1(a)圖繪示了光學感測裝置100的剖面圖，而第1(b)圖繪示了光學感測裝置100內部控制其動作的電路方塊圖。光學感測裝置100包含了一感測表面103、一光源105、一影像感測器107、透鏡109、111、一處理器113、一儲存裝置115以及一光源控制單元117。光源105會由光源控制單元117控制發光動作而照射位於感測表面103上的手指101來產生一影像。影像感測器107會擷取影像中的圖框。處理器113會根據擷取的圖框來計算出手指101的位置資訊。此外，處理器113亦控制儲存裝置115的資料存取以及光源控制單元117的動作。
然而，由於是採用將光由下往上照的機制，所以會需要較大的元件厚度。而且，在這樣的機制下，光源射出的光通常需要經多次折射或反射，需要較複雜的光路徑。而且手指產生的影像訊號，在多次折射反射後，容易使訊號衰減，而造成較不清楚的影像。
因此，本發明之一目的為提供一種光學感測裝置，其使用一側面光源來照射物體。
本發明之一目的為提供一種光學感測裝置，其亦可使用側面光源之外的光源來照射物體。
本發明之一實施例揭露了一種光學感測裝置，包含：一感測表面；一第一光源，用以提供平行於該感測表面的光；一影像感測器，用以感測接近該感測表面之一物體，以產生一物體影像資料；以及一處理器，用以根據該物體影像資料計算出該物體的位置資訊。
前述實施例可更包含：一第二光源，用以產生一光線，以入射該感測表面，其中該光線與該感測表面的法線的夾角小於60度；以及一導光板，具有至少一部份透光區域，來自該第二光源的光可穿透該透光區域以照射該物體。
本發明之一實施例揭露了一種光學感測裝置，包含：一機殼，具有一尺寸，可供使用者以手持方式攜帶；一感測表面，位於該機殼上；一第一光源，位於該感測表面側邊；一影像感測器，用以感測接近該感測表面之一物體，以產生該物體的一物體影像資料；以及一處理器，用以根據該物體影像資料計算出該物體的位置資訊。
前述實施例可更包含：一第二光源，位於該機殼內，且隔著該感測表面相對於該物體；以及一導光板，具有至少一部份透光區域，來自該第二光源的光線可穿透該透光區域以照射該物體，其中該光線與該感測表面的法線的夾角小於60度。
根據前述之實施例，可利用一側光源來照射物體，以減少元件厚
度以及提供清晰的物體影像，更可選擇性的利用一導光板以及另一光源來提供照明，使物體影像更為清晰。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。
第2圖至第5圖繪示了根據本發明之實施例的使用側光源之光學感測裝置。請留意第2圖至第5圖僅繪示了光學感測裝置的部份結構，熟知此項技藝者當可根據第2圖至第5圖之描述及其內容，了解其運作方式以及如何跟習知之元件互動。舉例來說，第2圖至第5圖的實施例可結合第1(b)圖中的電路來運作，但並不限定。而且，第2圖至第5圖的結構僅用以舉例，非限制本發明之結構在第2圖至第5圖的實施例中。
如第2(a)圖所示，光學感測裝置200包含了一感測表面201、一殼體202、一光源203、一鏡頭元件205以及一影像感測器207。於此實施例中，感測表面201為一曲面。光源203位於殼體202中，用以提供側面光給手指204。光源203亦可視為提供平行於感測表面201的光至手指204。於一實施例中，光源203可為一線性光源，其上下的視角在一範圍之內，如第2(b)圖所示，當由X方向望向光
源203時，其左右視角為90度，而Y範圍內的上下視角為10度。此外，光學感測裝置200可更包含一柱狀鏡209，來使光源203的光更為集中。
影像感測器207透過鏡頭元件205根據來自手指204的反射光擷取影像，並透過處理器(如第1(b)圖中的113)計算出手指204的位置資訊，此位置資訊可包含手指靜止時的位置，或是手指的移動軌跡。處理器更可依據位置資訊來產生一控制訊號來控制一顯示器上的一相對應物件(例如：遊標)或一相對應動作(例如捲動畫面或平移畫面)。鏡頭元件205可為廣角鏡頭、魚眼鏡頭等，視設計時的不同需求而定。鏡頭元件205亦可為一針孔裝置301，如第3圖所示。在第3圖中，影像感測器207被包含在針孔裝置301中，並透過一針孔303接收來自手指204的反射光。
須住意的是，影像感測器擷取影像的目的在於取得物體影像資料，最終用以計算出位置資訊。而物體影像資料可具有許多型態，例如是整張影像的原始資料、物體(例如實施例中的手指)資料、物體重心資料等等，這些資料都與物體的位置相關，在設計硬體時可以將判斷的機制設置於影像感測器上，也可以將判斷的機制設置於處理器上，或者是與處理器相連接的一主機系統上。亦即，影像感測器、處理器、或是與處理器相連接的一主機系統，均可做為一物體位置判斷裝置使用。物體重心資料在於將影像感測器所取得的物體資料整合，計算獲得一重心資料，用以代表整個物體。
第4圖繪示了根據本發明之另一實施例的光學感測裝置400。光學感測裝置400和第2圖所示的光學感測裝置200之差別在於，光
學感測裝置400的感測表面401是平面，而光學感測裝置200的感測表面201是曲面。此外，光學感測裝置400的光源403是位在殼體202外，而光學感測裝置200的光源203是位在殼體202內。第4圖的光學感測裝置400之其他技術特徵和第2圖的光學感測裝置200相同，故在此不再贅述。此外，第4圖的光學感測裝置400之鏡頭元件205亦可由針孔裝置301取代，如第5圖所示。
如前所述，影像感測器在擷取到手指的影像資料後，處理器會根據這些影像資料來計算出手指或物體的位置資訊。其中一種計算方式為，先利用光源控制單元(如第1圖中的117)將光源開啟，以得到光源開啟物體影像資料，此時的光源開啟物體影像資料包含了被環境光和光源所發出的光照射下的物體影像。然後，利用光源控制單元將光源關閉，以得到另一光源關閉物體影像資料，此時的光源關閉物體影像資料包含了僅被環境光照射下的物體影像。將此兩物體影像資料相減後得到一差分物體影像資料，此差分物體影像資料代表了僅被光源發出的光照射下的物體影像，因此較為精確。之後便可利用處理器根據此差分物體影像資料計算出手指的位置資訊。
除了前述的側向光源外，根據本發明之光學感測裝置可更包含另一非側向的光源來幫助照明，使物體影像更為明顯。第6圖繪示了根據本發明之實施例的光學感測裝置600，其包含了第2圖至第5圖所示的側光源外的另一光源。如第6(a)圖所示，光學感測裝置600包含了一感測表面601、一導光板602以及一光源604。導光板602具有至少一部份透光區域，使來自光源604的光線可穿透透光區域以照射手指605。此透光區域可藉由在導光板602上塗佈光轉換材
質603來形成。一般的導光板在光入射後，會使光在其內形成全反射。但塗佈光轉換材質603後，可破壞全反射使光能射出導光板602。於一實施例中，來自光源604的光線與感測表面601的法線之夾角θ小於60度。第6(b)圖則繪示了光轉換材質603塗佈於導光板602上的俯視圖。第6(a)圖以及第6(b)圖所示的結構可單獨運用於光學感測裝置中，亦可結合第2圖至第5圖的實施例，此外其亦可搭配第1(b)圖中的電路方塊圖來運作。
第7圖繪示了根據本發明之實施例的光學感測裝置之元件尺寸示意圖。在第7圖中，是以第4圖為例來做說明。如第7圖的圖(a)所示，感測表面401具有寬度X和長度Y的矩形，因此其對角線長度Z為。於此實施例中，X為Y的3倍，但並不限定。第7圖的圖(b)則繪示了感測表面401，鏡頭元件205以及影像感測器207之間的關係。於此實施例中影像感測器207之最大感測範圍被設計成能感測到對角線長度Z。P、Q、R的值則和鏡頭焦距，鏡頭位置，Z的大小以及所須的元件厚度有關。熟知此項技藝者當可知道如何根據本發明之教示依據不同需求計算出所須的數據，故於此不再贅述。
在前述實施例中，本發明可用以取代目前滑鼠產品裡常見的滾輪機構，而作為一個光學滾輪使用。亦即，前述的感測表面、第一光源、影像感測器以及物體位置判斷裝置組成了一光學滾輪。當作為一個光學滾輪時，本發明除了能取代傳統滾輪機構前滾與後滾的動作之外，還能進行簡單的按壓與手勢偵測，可觸發更多命令，供使用者使用。
須注意的是，雖然前述實施例均以光學觸控裝置來說明，但本發明提供的內容亦可運用在光學滑鼠之類的光學導航裝置上。
根據前述之實施例，可利用一側光源來照射物體，以減少元件厚度以及提供清晰的物體影像，更可選擇性的利用一導光板以及另一光源來提供照明，使物體影像更為清晰。
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。
100、200、300、400、500、600‧‧‧光學感測裝置
101、204、605‧‧‧手指
103、201、401、601‧‧‧感測表面
105、203、403、604‧‧‧光源
107、207‧‧‧影像感測器
109、111‧‧‧透鏡
113‧‧‧處理器
115‧‧‧儲存裝置
117‧‧‧光源控制單元
202‧‧‧殼體
205‧‧‧鏡頭元件
209‧‧‧柱狀鏡
301‧‧‧針孔裝置
303‧‧‧針孔
602‧‧‧導光板
603‧‧‧光轉換物質
第1圖繪示了習知技術之光學感測裝置。
第2圖至第5圖繪示了根據本發明之實施例的光學感測裝置。
第6圖繪示了根據本發明之實施例的光學感測裝置，其包含了第2圖至第5圖所示的側光源外的另一光源。
第7圖繪示了根據本發明之實施例的光學感測裝置之元件尺寸示意圖。
200‧‧‧光學感測裝置
201‧‧‧感測表面
202‧‧‧殼體
203‧‧‧光源
204‧‧‧手指
205‧‧‧鏡頭元件
207‧‧‧影像感測器
209‧‧‧柱狀鏡
Claims (29)
- 一種光學感測裝置，包含：一感測表面，形成於一光學滾輪的一表面上；一第一光源，用以提供平行於該感測表面的光；一影像感測器，包含於該光學滾輪中，用以感測接近該感測表面之一物體，以產生一物體影像資料；以及一物體位置判斷裝置，包含於該光學滾輪中，用以根據該物體影像資料計算出該物體的位置資訊。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該第一光源為一線型光源。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，更包含：一鏡頭元件，為一廣角鏡頭、一魚眼鏡頭，用以接收該物體的反射光；其中該影像感測器根據該物體的該反射光產生該物體影像資料。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，更包含：一針孔裝置，用以接收該物體的反射光；其中該影像感測器根據該針孔裝置上的一針孔接收該反射光來產生該物體影像資料。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，更包含一光源控制 單元，用以開啟或關閉該第一光源，該影像感測器於該第一光源開啟時產生一光源開啟物體影像資料，於該第一光源關閉時產生一光源關閉物體影像資料，其中該物體位置判斷裝置將該光源開啟物體影像資料以及該光源關閉物體影像資料相減以得到一差分物體影像資料，並根據該差分物體影像資料計算出該物體的該位置資訊。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該物體位置判斷裝置更根據該位置資訊來產生一控制訊號來控制一顯示器上的一相對應物件或一相對應動作。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該影像感測器更用以產生於該感測表面移動之一物體的物體影像資料，而該物體位置判斷裝置更根據該物體影像資料計算出該物體的移動軌跡來做為位置資訊。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，更包含：一第二光源，用以產生一光線，以入射該感測表面，其中該光線與該感測表面的法線的夾角小於60度；以及一導光板，具有至少一部份透光區域，來自該第二光源的光可穿透該透光區域以照射該物體。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該感測表面為 一矩形，其中該矩形之一較長邊為一較短邊的N倍，N為正整數。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，該感測表面為一矩形，其中該影像感測器可感測之最大範圍為該感測表面之一對角線長度。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該物體影像資料包含下列資料至少其一：整張影像的原始資料、物體資料、物體重心資料。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該物體位置判斷裝置整合於該影像感測器中。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，更包含一處理器，其中該物體位置判斷裝置整合於該處理器中；或者，該物體位置判斷裝置為連接於該處理器的一主機系統。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學感測裝置，其中該第一光源位於該光學滾輪中，該感測表面為一曲面，且該物體為沿著該感測表面移動的一使用者手指。
- 一種光學感測裝置，包含： 一光學滾輪的一機殼；一感測表面，位於該機殼的一表面上；一第一光源，位於該感測表面側邊；一影像感測器，包含於該機殼中，用以感測接近該感測表面之一物體，以產生該物體的一物體影像資料；以及一物體位置判斷裝置，包含於該機殼中，用以根據該物體影像資料計算出該物體的位置資訊。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，其中該第一光源為一線型光源。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，更包含：一鏡頭元件，為一廣角鏡頭或一魚眼鏡頭，用以接收該物體的反射光；其中該影像感測器根據該物體的該反射光產生該物體影像資料。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，更包含：一針孔裝置，用以接收該物體的反射光；其中該影像感測器根據該針孔裝置上的一針孔接收該反射光來產生該物體影像資料。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，更包含一光源控制單元，用以開啟或關閉該第一光源，該影像感測器於該第一光 源開啟時產生一光源開啟物體影像資料，於該第一光源關閉時產生一光源關閉物體影像資料，其中該物體位置判斷裝置將該光源開啟物體影像資料以及該光源關閉物體影像資料相減以得到一差分物體影像資料，並根據該差分物體影像資料計算出該物體的該位置資訊。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，其中該物體位置判斷裝置更根據該位置資訊來產生一控制訊號來控制一顯示器上的一相對應物件或一相對應動作。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，其中該第一光源位於該機殼內，該感測表面為一曲面，且該物件為沿著該感測表面移動的一使用者手指。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，其中該第一光源位於該機殼外且該感測表面為一平面。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，其中該影像感測器更用以產生於該感測表面移動之一物體的物體影像資料，而該物體位置判斷裝置更根據該物體影像資料計算出該物體的移動軌跡來做為位置資訊。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，更包含： 一第二光源，位於該機殼內，且隔著該感測表面相對於該物體；以及一導光板，具有至少一部份透光區域，來自該第二光源的光線可穿透該透光區域以照射該物體，其中該光線與該感測表面的法線的夾角小於60度。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，其中該感測表面為一矩形，其中該矩形之一較長邊為一較短邊的N倍，N為正整數。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，該感測表面為一矩形，其中該影像感測器可感測之最大範圍為該感測表面之一對角線長度。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，其中該物體影像資料包含下列資料至少其一：整張影像的原始資料、物體資料、物體重心資料。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，其中該物體位置判斷裝置整合於該影像感測器中。
- 如申請專利範圍第15項所述之光學感測裝置，更包含一處理器，其中該物體位置判斷裝置整合於該處理器中； 或者，該物體位置判斷裝置為連接於該處理器的一主機系統。
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