TWI536210B - 具有光學舉升偵測之運動評估方法 - Google Patents

具有光學舉升偵測之運動評估方法 Download PDF

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TWI536210B
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    • G06F3/03543—Mice or pucks

Description

具有光學舉升偵測之運動評估方法
光學導航系統運作以評估該等光學導航系統與目標表面之間的移動以執行循軌操作。一光學導航系統使用一光源(例如一發光二極體(LED)或一雷射二極體)及一影像感測器來連續捕捉一目標表面之影像資料圖框。該光學導航系統比較該等連續影像圖框並基於當前影像圖框與一先前影像圖框之間的比較來評估該光學導航系統與該目標表面之間的相對移動。該比較係基於偵測並計算所捕捉影像資料圖框內特徵之位移。對於以雷射為主的導航系統而言，該些特徵通常係一撞擊在目標表面上之雷射光點所產生之干涉影像。
光學導航系統一般在光學電腦滑鼠中用以追蹤滑鼠相對於上面手動操縱滑鼠之表面的移動。為了適當地執行循軌操縱，由於在光學導航系統之影像感測器與目標表面之間的距離明顯增加時(即在已將光學滑鼠從目標表面舉升時)會引入誤差，故一光學滑鼠需要處於目標表面上。在一具有一以雷射為主導航系統之光學滑鼠內，用於運動評估之光學干涉影像隨著該系統之影像感測器與目標表面之間的距離增加而成長。因此，該導航系統在已將光學滑鼠從目標表面舉升之後仍能作出回應，其意味著該導航系統將會進行錯誤的運動評估。
該等干涉影像之光學特性不允許使用光學導航系統之影像感測器有針對性地解決舉升偵測問題。因而，需要一單獨感測機制(例如一 機械開關)來偵測將光學滑鼠從一目標表面舉升之時間。
儘管習知舉升偵測機制對於其目的用途工作良好，但仍需要一種用於光學導航系統之簡單且低成本舉升偵測機制。
本發明揭示一種光學導航系統及運動評估方法，其使用一具有一孔徑之平板、一光偵測器及一光學系統用於光學舉升偵測。該光學系統係經組態用以透過該平板之該孔徑將一輸入光引導至一目標表面並將經該目標表面反射並透過該平板之孔徑透射回來之輸入光導向該光偵測器以供該光偵測器偵測。在該光偵測器處所偵測之輸入光指示該光學導航系統仍未從該目標表面舉升。反之，在該光偵測器處未偵測到任何光(除了可忽略不計的光外)指示該光學導航系統已從該目標表面舉升。
依據本發明之一具體實施例之一光學導航系統包含一光源、一影像感測器與一舉升偵測單元。該光源係經組態用以產生光。該影像感測器係定位以接收經一目標表面反射之光之一第一部分。該影像感測器係經組態用以回應該光之該接收的第一部分來產生影像資料圖框用於運動評估。該舉升偵測單元包含一具有一孔徑之平板、一光偵測器及一光學系統。該光偵測器係定位於該平板之上。該光學系統係定位在該平板之上以接收來自該光源之光之一第二部分。該光學系統係經組態用以透過該平板之該孔徑來引導該光之該第二部分。該光學系統係進一步經組態用以將經該目標表面反射並透過該平板之該孔徑所透射回來的該光之該第二部分導向該光偵測器以供該偵測器偵測。
依據本發明之一具體實施例之一光學導航系統包含一具有一孔徑之平板、一光學偵測器及一光學系統。該光偵測器及該光學系統係定位於該平板之上。該光學系統包含第一、第二及第三稜鏡。該第一稜鏡係定位以接收一輸入光。該第一稜鏡係經組態並定位以透過該平 板之該孔徑來折射該輸入光。該第二稜鏡係定位以接收經一目標表面反射並透過該平板之該孔徑所透射回來的輸入光。該第二稜鏡係經組態並定向以向一預定義方向折射該輸入光。該第三稜鏡係定位以從該第二稜鏡接收該輸入光。該第三稜鏡係經組態用以向該光偵測器折射該輸入光以供該偵測器偵測。
依據本發明之一具體實施例之一運動評估方法包含產生光、將該光之一第一部分導向一目標表面、在一影像感測器處接收經該目標表面反射之光之第一部分用於運動評估、透過一定位於該目標表面上之孔徑將該光之一第二部分導向該目標表面、將經該目標表面反射並透過該孔徑所透射回來的該光之該第二部分導向一光偵測器、及在該光偵測器處接收該光之該第二部分。
結合藉由範例方式說明本發明之原理之附圖，從下列詳細說明將會明白本發明之其他方面及優點。
100‧‧‧光學導航系統
102‧‧‧光學電腦滑鼠
104‧‧‧電腦
106‧‧‧目標表面
210‧‧‧導航單元
212‧‧‧舉升偵測單元
214‧‧‧光源
216‧‧‧光學引導結構
218‧‧‧影像感測器
220‧‧‧成像區域
222‧‧‧輸入埠
224‧‧‧中間區段
226‧‧‧上表面
228‧‧‧下表面
230‧‧‧輸出區段
232‧‧‧反射表面
234‧‧‧輸出埠
236‧‧‧下平板
238‧‧‧上平板
240‧‧‧光學系統
242‧‧‧光偵測器
244‧‧‧下平板236之孔徑
246‧‧‧稜鏡
248‧‧‧稜鏡
250‧‧‧稜鏡
圖1顯示依據本發明之一具體實施例包括於一光學電腦滑鼠內之一光學導航系統。
圖2係依據本發明之一具體實施例之光學導航系統之一圖式。
圖3係依據本發明之一具體實施例之光學導航系統之一下平板與一光學系統之一透視圖。
圖4係圖2之光學導航系統之一圖式，其顯示在未舉升該光學電腦滑鼠時透過該光學導航系統之光之光學路徑。
圖5係圖2之光學導航系統之一圖式，其顯示在已舉升該光學電腦滑鼠時透過該光學導航系統之光之光學路徑。
圖6係依據本發明之一具體實施例之一運動評估方法之一程序流程圖。
參考圖1，說明依據本發明之一具體實施例之一光學導航系統100。如圖1所示，光學導航系統100係包括於一光學電腦滑鼠102內，該滑鼠係連接至一電腦104。在此實施方案中，光學導航系統100係用於在一使用者在一目標表面106上操縱該光學滑鼠來控制一顯示於電腦104上之游標時追蹤光學滑鼠102之移動，該目標表面可能係一玻璃表面或其他光學透明表面。然而，在其他實施方案中，光學導航系統100可在不同產品用於各種循軌應用。如下面詳細所述，光學導航系統100包括一光學舉升偵測特徵，以光學偵測在Z方向上已將光學滑鼠102從表面舉升之時間。光學導航系統100之光學舉升偵測特徵可使用低成本組件來實施而不需要苛刻對齊。
現在參考圖2，顯示光學導航系統100之各種組件。圖2係光學導航系統100之一斷面圖。如圖2所示，光學導航系統100包括一導航單元210與一舉升偵測單元212。導航單元210之主要功能係用以捕捉影像資料圖框用於運動評估。舉升偵測單元212之主要功能係用以偵測已將具有光學導航系統100之光學滑鼠102從目標表面106舉升之時間。
導航單元212包括一光源214、一光學引導結構216及一影像感測器218。光源214產生光，該光將用於運動評估及舉升偵測二者。在此具體實施例中，光源214係一雷射裝置，例如一垂直腔表面發射雷射(VCSSEL)，其產生同調光。然而，在其他具體實施例中，光源214可能係一發光二極體或任何其他發光裝置。光源214係定位以沿X方向發射光至光學引導結構216內。
光學引導結構216係一光學透明結構，其係經組態用以將從光源214所接收之一些光引導至目標表面106之一成像區域220。光學引導結構216係還設計成用以接收從目標表面106之成像區域220反射離開之光以將該反射光透射至影像感測器218。此外，光學引導結構216係設計成用以將從光源214所接收之一些光透射至舉升偵測單元212，該舉 升偵測單元使用此光來偵測已將具有光學導航系統100之光學滑鼠102或任一其他裝置從目標表面106舉升之時間。特定言之，光學引導結構216係設計成用以透射來自光源214之一些光至舉升偵測單元212，使得光主要在X方向上行進。
光學引導結構216可在結構上採用任何數目的組態來成形，只要該光學引導結構可光學執行上述任務即可。在所示具體實施例中，光學引導結構216包括一輸入埠222以接收從光源214所發射之光，使得沿X方向將該接收光透射至該光學引導結構內。光學引導結構216之輸入埠222具有一凸表面，用以聚焦從光源214所接收之光。光學引導結構216還包括一中間區段224，其內部反射來自輸入埠222之光，使得沿X方向但靠近光學引導結構216底部(即更靠近其上正操作光學電腦滑鼠102之目標表面106)來維持該光。光學引導結構216之中間區段224包括一上表面226，其將來自輸入埠222之光沿Z方向向下反射；及一下表面228，其將來自上表面226之光沿X方向反射回去。光學引導結構216還包括一輸出區段230，其分離來自下表面228之光，使得一些光可用於運動評估而一些光可用於舉升偵測。輸出區段230包括一反射表面232，其將來自下表面228之一部分光沿Z方向向下向目標表面106之成像區域220反射用於運動評估。輸出區段230還包括一輸出埠234，用以沿X方向將來自下表面228之一部分光向舉升偵測單元212輸出以用於舉升偵測。
影像感測器218係定位於光學引導結構216之上，用以接收從目標表面106之成像區域220反射離開之光，以捕捉該目標表面之影像資料圖框。明確而言，影像感測器218係定位於光學引導結構216之反射表面232之上，以接收從目標表面106之成像區域220所反射之光。影像感測器218包括一感光像素元件陣列(未顯示)，其回應入射在該等元件上的光產生影像信號。作為一範例，影像感測器218可能係一電荷耦合裝 置(CCD)影像感測器或一互補金氧半導體(CMOS)影像感測器。包括於影像感測器218內的感光像素元件數目可能取決於光學導航系統100相對於光學運動評估的至少效能要求而變化。作為一範例，影像感測器218包括一30x30主動感光像素元件陣列。
光學導航系統100之舉升偵測單元212包括一下平板236、一上平板238、一光學系統240及一光偵測器242。上平板238係定位於下平板236之上，使得在該等平板之間存在一預定義距離。該等下及上平板236及238係緊靠光學引導結構216之輸出埠234而定位。下及上平板236及238二者係定向以沿X方向而平行。如圖3清楚所示，圖3係下平板236與光學系統240之一透視圖，該下平板包括一孔徑244。在所示具體實施例中，下平板236之孔徑244在形狀上成矩形。然而，在其他具體實施例中，下平板236之孔徑244可具有一不同形狀，例如一圓形形狀。該等下及上平板236及238係光學不透明的，使得該等平板阻擋光。因而，光穿過下平板236之唯一路徑係透過該下平板之孔徑244。舉升偵測單元212之下及上平板236及238可附著至光學電腦滑鼠102之外殼(未顯示)。
光學系統240係定位於該等下及上平板236及238之間以接收從光學引導結構216之輸出埠234所發射之光。光學系統240係經組態用以相對於X軸(其平行於下平板236)成一大於零的角度，將該接收光向下引導透過下平板236之孔徑244。透過下平板236之孔徑244透射之光接著經目標表面106反射離開。光學系統240係進一步經組態用以接收經該目標表面反射離開並透過下平板236之孔徑244透射回來之光，並將該光引導至光偵測器242，在所示具體實施例中，該光偵測器係位於上平板238上面但不直接在該上平板之上。上平板238係用以防止任何不需要光到達光偵測器242。
光學系統242包括三個稜鏡246、248及250，其均定位於該等下及 上平板236及238之間。在所示具體實施例中，該等稜鏡246、248及250係具有三個主側的三角形稜鏡。明確而言，在所示具體實施例中，該等稜鏡246、248及250係直角三角形稜鏡。因而，該等稜鏡246、248及250之斷面在形狀上係直角三角形。在所示具體實施例中，該等稜鏡246、248及250之非直角角落係成四十五度角(45%)。然而，在其他具體實施例中，該等稜鏡246、248及250之該些非直角角落可成不同角度。此外，在其他具體實施例中，該等稜鏡246、248及250可能不係直角三角形稜鏡，且甚至可能不係三角形稜鏡。
第一稜鏡246係定位於光學引導結構216與下平板236之孔徑244之間。第一稜鏡246係定向使得其直角角落在下平板236附近係在底部而稜鏡246之斜邊側面向光學引導結構216之輸出埠234以接收從該輸出埠所發射之光。因而，第一稜鏡246以一角度將光學引導結構216之輸出埠234所發射之光向下向平板236之孔徑244折射。
第二稜鏡248係定位於使得下平板236之孔徑244係位於第一稜鏡246與第二稜鏡248之間。第二稜鏡248係定向使得其直角角落在下平板236附近係在底部而稜鏡248之斜邊側背對光學引導結構216之輸出埠234。第一稜鏡248係定位以從該第一稜鏡接收光，該光已從目標表面106反射離開並透過下平板236之孔徑透射回來。第二稜鏡248折射該接收光，使得該折射光沿X方向向第三稜鏡250傳播。
第三稜鏡250係定位使得第二稜鏡248係位於下平板236之孔徑244與第三稜鏡250之間。第三稜鏡250係定向使得其直角角落在下平板238附近係在頂部而稜鏡250之斜邊側背對光學引導結構216之輸出埠234。此外，第三稜鏡250係定位使得稜鏡250之主要斜邊側從上平板238下面延伸出。該第三稜鏡250係定位以從第二稜鏡248接收該折射光。第三稜鏡250向上折射該接收光，使得該折射光沿Z方向向光偵測器242傳播。
光偵測器242係定位於第三稜鏡250之上以接收從第三稜鏡250所折射之光。光偵測器242可能係任何類型的感光裝置，例如一光二極體或其他光強度感測器。光偵測器242係經組態用以回應入射光來產生一電氣信號。如下所述，當仍未將光學電腦滑鼠102從目標表面106舉升超過一預定義高度時，光偵測器242將會從光學系統240接收光。然而，當已將光學電腦滑鼠102從目標表面106舉升超過一預定義高度時，光偵測器242將不會從光學系統240接收到任何光。因而，回應入射光由光偵測器242所產生之電氣信號可用於偵測已將光學電腦滑鼠102從目標表面106"舉升"之時間。此外，為了獲得一更健固系統，定義光偵測器242所接收之一預設光學功率限定值，從而排除漫射光所產生之任何誤差信號。定義已將光學電腦滑鼠106從目標表面106"舉升"之時間的預定義高度可藉由改變舉升偵測單元212之該等稜鏡246、248及250之間的距離來加以調整。
參考圖4及5說明依據本發明之一具體實施例之光學導航系統100之操作。圖4顯示在未將光學電腦滑鼠102從目標表面106舉升超過該預定義高度時透過光學導航系統100之光之光學路徑。從光源214所發射之光在輸入埠222處沿X方向透射至光學引導結構216內。接著該光沿Z方向經光學引導結構216之上表面226向下內反射離開。接著該光再次經光學結構216之下表面228內反射離開，使得該反射光再次沿X方向傳播。接著該光分成光之第一及第二部分。該光之該第一部分經光學引導結構216之反射表面232向下向目標表面106之成像區域220反射離開。接著此光經目標表面106反射並由影像感測器218接收以產生影像資料圖框用以運動評估。然而，該光之該第二部分朝向舉升偵測單元212透過光學引導結構216之輸出埠234透射。
接著舉升偵測單元212之光學系統240之第一稜鏡246將從光學引導結構216之輸出埠234所發射之光透過下平板236之孔徑244向下折射 至目標表面106。接著該光經目標表面106向上反射。由於目標表面106與下平板236之緊密毗鄰，該反射光透過孔徑244向舉升偵測單元212之第二稜鏡248透射回來。接著第二稜鏡248沿X方向將該光向舉升偵測單元212之第三稜鏡250折射。在第三稜鏡250，將光沿Z方向向光偵測器242向上折射。接著光偵測器242偵測該光，該光偵測器指示電腦光學滑鼠102仍未從目標表面106"舉升"。
圖5顯示在將光學電腦滑鼠102已從目標表面106舉升超過該預定義高度時，穿越光學導航系統100之光之光學路徑。從光源214所發射之光以上述相同方式穿過光學引導結構216。因而，該光之一第一部分經目標表面106反射離開並在影像感測器218處接收用於運動評估。此外，該光之一第二部分從光學引導結構216之輸出埠234發射。從輸出埠234所發射之光再次由舉升偵測單元212之第一稜鏡246透過下平板236之孔徑244向下折射至目標表面106。接著該光經目標表面106向上反射。然而，現在由於已將光學電腦滑鼠102舉升超過該預定義高度，故在目標表面106與下平板236之間的距離已經增加。因而，從目標表面106所反射之光不會透過下平板236之孔徑244透射回來。而是，經目標表面106反射的光受到下平板236阻擋。因而，經目標表面106反射的光不會到達光偵測器242。因此，光偵測器242偵測不到任何光(除了可能忽略不計的光)，該光偵測器指示電腦光學滑鼠102已從目標表面106"舉升"。
由於僅需要偵測到達光偵測器242之光之強度，故光學導航系統106之舉升偵測技術獨立於目標表面106之該等材料及特性。光學導航系統100之舉升偵測靈敏度取決於舉升偵測單元212之下平板236之孔徑244之大小。因而，可在舉升偵測單元212之下平板236內使用一更小孔徑來將光學導航系統100調整成更靈敏。
參考圖6之一流程圖說明依據本發明之一具體實施例之一運動評 估方法。在步驟602，產生光。在步驟604，將該光之一第一部分導向一目標表面。在步驟606，在一影像感測器處接收經該目標表面反射之該光之該第一部分以用於運動評估。在步驟608，透過一定位於該目標表面之上的孔徑，將該光之一第二部分導向該目標表面。在步驟610，將經該目標表面反射並透過該孔徑所透射回來之該光之該第二部分導向一光偵測器。在步驟612，在該偵測器處接收該光之該第二部分以用於舉升偵測。
儘管已說明並例示本發明之特定具體實施例，但本發明不限於所述及所示之零件之特定形式或配置。本發明範疇係藉由其隨附申請專利範圍及其等效內容來定義。
100‧‧‧光學導航系統
106‧‧‧目標表面
210‧‧‧導航單元
212‧‧‧舉升偵測單元
214‧‧‧光源
216‧‧‧光學引導結構
218‧‧‧影像感測器
220‧‧‧成像區域
222‧‧‧輸入埠
224‧‧‧中間區段
226‧‧‧上表面
228‧‧‧下表面
230‧‧‧輸出區段
232‧‧‧反射表面
234‧‧‧輸出埠
236‧‧‧下平板
238‧‧‧上平板
240‧‧‧光學系統
242‧‧‧光偵測器
244‧‧‧下平板236之孔徑
246‧‧‧稜鏡
248‧‧‧稜鏡
250‧‧‧稜鏡

Claims (10)

  1. 一種運動(motion)評估方法，其包含：產生光；分離該光為該光之第一部分及第二部分；將該光之該第一部分引導向一目標表面(target surface)之一第一區域(region)；在一影像感測器(image sensor)處，接收自該目標表面之該第一區域反射之該光之該第一部分，進而用於運動評估；透過定位於該目標表面上之一孔徑(aperture)以引導該光之該第二部分向該目標表面之一第二區域，該第一區域及該第二區域係為該目標表面的不同區域；將自該目標表面之該第二區域反射並透過該孔徑傳送回來的該光之該第二部分引導向一光偵測器(photodetector)；及在該光偵測器處，接收該光之該第二部分，進而用於舉升偵測(lift detection)。
  2. 如請求項1之方法，其中將該光之該第二部分引導向該目標表面及將自該目標表面反射並透過該孔徑傳送回來的該光之該第二部分引導向該光偵測器係使用定位於該孔徑上之一光學系統執行，該光學系統包含：一第一稜鏡，其係定位以接收該光之該第二部分，該第一稜鏡係經組態並定向用以透過該孔徑將該光之該第二部分向該目標表面折射；一第二稜鏡，其係定位以接收經該目標表面反射並透過該孔徑透射回來的該光之該第二部分，該第二稜鏡係經組態並定向用以 沿一預定義方向折射該光之該第二部分；及一第三稜鏡，其係定位以從該第二稜鏡接收該光之該第二部分，該第三稜鏡係經組態用以向該光偵測器折射該光之該第二部分。
  3. 如請求項2之方法，該第一稜鏡、該第二稜鏡及該第三稜鏡之至少一者係一三角形稜鏡(triangular prism)。
  4. 如請求項2之方法，其中分離該光為該光之該第一部分及該第二部分包括使用包括一反射表面之一光學引導結構來分離該光為該光之該第一部分及該第二部分，該光學引導結構係經組態以操縱該光向該反射表面使得僅該光之該第一部分觸擊(strike)該反射表面而使該光之該第一部分係自該反射表面反射向該目標表面及該光之該第二部分係透射至該光學系統之該第一稜鏡而不經由該反射表面被反射。
  5. 如請求項2之方法，其中該第一稜鏡、該第二稜鏡及該第三稜鏡之至少一者係一直角三角形稜鏡(right triangular prism)。
  6. 如請求項2之方法，其中該第一稜鏡及該第二稜鏡係定位於包括該孔徑之一平板之上方，使得該平板之該孔徑係位於該第一稜鏡及該第二稜鏡之間。
  7. 如請求項6之方法，其中該第三稜鏡係定位於該平板之上方，使得該第二稜鏡係位於該平板之該孔徑與該第三稜鏡之間。
  8. 如請求項1之方法，其中產生該光包括自一發光二極體或一雷射裝置產生一光源。
  9. 如請求項1之方法，其中將該光之該第二部分引導向該目標表面包括透過該光學系統之一第一光學元件傳送該光之該第二部分以將該光之該第二部分透過該孔徑引導向該目標表面，及其中將自該目標表面反射並透過該孔徑傳送回來的該光之該第二部分 引導向該光偵測器包括透過該光學系統之一第二光學元件及一第三光學元件連續傳送自該目標表面反射的該光之該第二部分以連續將自該目標表面反射的該光之該第二部分引導向該光偵測器。
  10. 如請求項9之方法，其中該第一光學元件、該第二光學元件及該第三光學元件之每一者為稜鏡。
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