TWI579579B - 使用多重光偵測器分段進行簡單手勢偵測的方法、系統和光電子裝置 - Google Patents

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Description

使用多重光偵測器分段進行簡單手勢偵測的方法、系統和光電子裝置
本申請涉及光電子裝置以及伴隨其使用的方法，它們可用來產生指示物體移動方向的信號和/或數據。另外，在具體實施例中，指示物體移動方向的信號和/或數據也指示物體的移動角。這些實施例可用來偵測簡單的手勢。另外，本文描述的實施例可用來在有效衝程移動和回程移動之間作出區別。
優先權聲明
本申請要求2012年6月14日提交的標題為“MOTION AND SIMPLE GESTURE DETECTION USING MULTIPLE PHOTODETECTOR SEGMENTS(使用多個光偵測器分段的移動和簡單手勢偵測)”的美國專利申請No.13/523,777的優先權。
例如觸敏螢幕的技術已允許使用者無需使用鼠標和/或鍵盤地將輸入提供給諸如移動電話和平板電腦之類的電子設備。觸敏螢幕的示例包括電容性傳感器、壓敏薄膜、帶四周光源和傳感器的光束切斷技術以及聲波定距技術。然而，這些類型的介面只能將關於觸控事件本身的信息提供給設備，並因此應用可能受到限制。另外，這些類型的介面對於在給定的時間量能夠處理的觸控事件的次數也存在 限制，並且容易將非故意的接觸(例如來自襯衫袖口或手掌的接觸)解釋為觸控事件。
作為觸敏螢幕的另一選擇，已研發出光學移動和/或手勢識別傳感器，這種傳感器可用來識別在傳感器感測區域內的物體(例如人的手指)的不同移動。典型地，這些光學傳感器依賴於多個空間上分散的光源、多個空間上分散的光偵測器或兩者兼有，以使光學傳感器在沿一個或兩個方向上的移動之間作出區別。例如，一種已有的傳感器包括：光偵測器，在該光偵測器的兩側均設有紅外發光二極體(IR-LED)，所述IR-LED與光偵測器相距幾十毫米以提供充分的角分辨率，以及第三IR-LED，所述第三IR-LED沿與前面兩個IR-LED和光偵測器所在的直線正交的方向與光偵測器相距幾十毫米。循序地以脈衝方式每次驅動這些IR-LED中的一個，以使偵測到的反射光信號可與正確的光源及其相對於光偵測器的已知位置相關聯。從偵測到的反射光脈衝，手勢識別演算法確定目標物體(例如使用者的手指)的方向和速度。
前述示例性光學傳感器的一個缺點在於，它需要至少三個空間上分散的光源來偵測兩個方向(例如x方向和y方向)上的移動，或至少兩個空間上分散的光源來偵測一個方向(例如僅x方向)上的移動。因此，由於光源和光偵測器之間所需的空間距離，該傳感器需要相對大的覆蓋面積。另外，該傳感器需要在光源之上的相對大的孔口(即窗)，或需要多個孔口。
由於這些傳感器經常包含在例如移動電話、平板電腦之類的便攜式設備之內，減小這類設備的覆蓋面積將是有利的。另外，減少這些傳感器所需的光源數也是有利的，從而例如更易於將這些傳感器納入到例如移動電話、平板電腦等設備中。
圖1示出根據本發明一個實施例的光電子裝置100(也稱光學傳感器、光學移動傳感器或手勢識別傳感器)，該光電子裝置100可用於包括簡單手勢識別的移動偵測。例如，如下文中更詳細描述的那樣，光電子裝置100可用來偵測水平的左向右移動、水平的右向左移動、垂直的上至下移動和垂直的下至上移動。光電子裝置100也可用來偵測移動角。另外，如下文中描述的那樣，光電子裝置100可用來在有效的衝程移動和回程移動之間作出區別。
參見圖1，光電子裝置100圖示為包括選擇性地驅動光源102的驅動器106。光源102優選為單個發光元件，例如但不局限於，發光二極體(LED)、有機LED(OLED)、塊狀發光LED、表面發光LED、垂直腔面發射雷射(VCSEL)、超輻射發光二極體(SLED)、雷射二極體或像素二極體。光源102可發射紅外(IR)或近IR光、或其它波長的光。驅動器106受控制器120控制，該控制器120可使用微處理器、狀態機和/或類似的電路來實現。
光電子裝置100還包括四個光偵測器(PD)分段112，這 些分段112是彼此電氣隔絕的。如果當驅動器106驅動光源102射出光時在光電子裝置100的感測區域內存在物體104(也稱目標或目標物體)，則一部分射出的光將反射離開該物體並(以變化的角度)入射到四個PD分段112上，如下文中更詳細描述的那樣。四個PD分段中的每一個將產生輸出信號(例如電流信號)，該輸出信號指示所偵測的光的強度。四個PD分段112的輸出被提供給移動和總輻射信號發生電路114，該移動和總輻射信號發生電路114也受控制器120控制。移動和總輻射信號發生電路114的輸出被提供給移動方向和速度偵測電路116。根據本發明具體實施例的四個PD分段112以及移動和總輻射信號發生電路114的額外細節將在下面結合圖2A予以說明。根據本發明具體實施例的移動方向和速度偵測電路116的額外細節將在下面結合圖2B予以說明。
根據一個實施例，四個PD分段112中的每一個優選地盡可能靠近其相鄰的PD分段，從而使光學傳感器100的總覆蓋面積減至最小。另外，光源102優選地盡可能靠近四個PD分段112中最接近的兩個，從而使光學傳感器100的總覆蓋面積減至最小，並使光源和PD分段相對彼此空間偏移的影響減至最小。根據一個實施例，不透明遮光板108使光源102與四個PD分段112光學地隔離，從而減少並優選地防止光從光源102不首先從物體104反射地直接透過PD分段112。
依賴於由光源102射出的光的波長，使PD分段112由 適當濾光器(例如阻斷可見光的濾光器)覆蓋以排斥環境光是有利的，由此PD響應不被環境光所淹沒。作為附加或替代，可使用其它技術來排斥或如若不然抵消環境光，所述其它技術例如但不局限於2010年3月2日由Xijian Lin提交的題為“Proximity Sensors with Improved Ambient Light Rejection(具有提高的環境光排斥性的接近度傳感器)”的共同轉讓的美國專利申請No.12/716,220(委託案號No.ELAN-01236US1)中披露的那些技術。
光電子裝置100還圖示為包括用來儲存移動偵測數據的寄存器和/或記憶體118。輸入/輸出介面122可用來存取儲存在寄存器和/或記憶體118中的該移動偵測數據。控制器120也控制I/O介面122，能經由I/O介面接收指令，並能經由I/O介面將指令輸出至外部電路/處理器。根據一具體實施例，除光源102以外，圖1示出的所有元件被包含在單個積體電路(IC)封裝件130內，該IC封裝件130也稱單晶片130。在其它實施例中，圖1所示的所有元件-包括光源102-被包含在單晶片封裝件內。使用多個離散組件和/或離散晶粒也是可能的。
現在參見圖2A，四個PD分段112用A、B、C和D來標識。每個PD分段可包括單個光偵測元件，該光偵測元件輸出作為入射到PD分段上並由PD分段偵測出的光的指示的信號(電流或電壓信號)。替代地，每個PD分段可包括多 個光偵測元件，這些光偵測元件串聯和/或並聯在一起，由此每個PD分段產生指示由PD分段偵測出的光的單個輸出信號。每個這種光偵測元件可以是光電二極體、光敏電阻器、光伏電池、光電電晶體或電荷耦合器件(CCD)，但不局限於此。標記A、B、C和D也用來標識由各PD分段A、B、C和D輸出的信號。更具體地，PD分段A產生信號A，信號A指示入射到PD分段A的反射光；PD分段B產生信號B，信號B指示入射到PD分段B的反射光；PD分段C產生信號C，信號C指示入射到PD分段C的反射光；而PD分段D產生信號D，信號D指示入射到PD分段D的反射光。在圖示實施例中，四個PD分段以2×2方格形式配置在同一平面內，這種結構也稱正交偵測器配置。對於說明書的其餘部分，除非另有聲明，否則認為A、B、C和D信號是電流信號。
如剛才討論的，四個電氣隔絕的PD分段中的每一個產生一對應信號(例如電流)，該信號指示由該PD分段偵測到的光。這些信號被提供給移動和總輻射信號發生電路114。根據一個實施例，電路114包括針對每個PD分段的相應放大器202A、202B、202C和202D，這些放大器也可統稱為放大器202或各自簡稱為放大器202。每個放大器202用來放大由PD分段中的一個產生的相對低振幅信號。在具體實施例中，每個放大器202可實現為跨導放大器(TIA)，該跨導放大器提供放大並將由每個PD分段產生的電流轉換成相應的電壓，在這種情形下可使用電阻器將TIA輸出側的電 壓轉換回電流，如果電流由電路212、214和216相加和相減的話。替代地，電路212、214和216可將電壓信號相加或相減，在這種情形下就不需要將每個TIA輸出側的電壓轉換回電流。也可使用附加和/或替代類型的放大器。本領域內技術人員將理解，可使用例如電流鏡之類的附加電路來複製電流A、B、C和D(或其經放大形式)，由此使每個電流存在三種實例，每個電流的一個實例(或其放大版本)被提供給電路212、214和216中的每一個。也可通過使這類電流鏡或其它電路具有預定增益而提供放大。
移動和總輻射信號發生電路114也圖示為包括第一移動信號電路212、第二移動信號電路214和總輻射信號電路216。第一移動信號電路212產生第一移動信號，該第一移動信號指示A電流與B電流之和(A+B)減去C電流與D電流之和(C+D)。因此，第一移動信號電路212的信號輸出指示(A+B)-(C+D)，它也被稱為△X或水平移動信號，它指示沿x方向(即相對於四個PD分段112的水平方向)的移動。第二移動信號電路214產生第二移動信號，該第二移動信號指示B電流與C電流之和(B+C)減去A電流與D電流之和(A+D)。因此，第二移動信號電路214的輸出指示(B+C)-(A+D)，它也被稱為△Y或垂直移動信號，它指示沿y方向的移動。總輻射信號電路216產生指示A、B、C和D電流之和的信號。因此，總輻射信號電路216的輸出表示A+B+C+D，它也被稱為△E。如本文中使用的術語，x軸和y軸彼此垂直並界定與四個PD分段112的頂表面平行的平 面，而z軸垂直於由x軸和y軸構成的平面。
根據本發明某些實施例的移動方向和速度偵測電路116的示例性細節將在下面結合圖2B予以描述。圖2B中示出的每個方框可使用硬體、軟體或韌體或其組合來實現。
參見圖2B，將指示(A+B)-(C+D)(也稱△X)的第一移動信號提供給歸一化器222，該歸一化器222也接收指示A+B+C+D(也稱△E)的總輻射信號。根據一個實施例，歸一化器222使用總輻射信號例如通過下列等式來對第一移動信號進行歸一化：n△X=△X/△E=((A+B)-(C+D))/(A+B+C+D).
歸一化可在類比域中執行。替代地，可使用類比至數位轉換器(ADC)將前述信號中的每一個轉換成數位信號，並可在數位域中執行歸一化。在一具體實施例中，歸一化器222可實現為ADC，該ADC將使用指示A+B+C+D信號的總輻射信號作為該ADC的基準電流。不管具體實現如何，歸一化器222的輸出是歸一化的第一移動信號，該歸一化的第一移動信號也被稱為n△X。
歸一化的第一移動信號n△X被提供給斜率偵測器224和脈衝計數器226。斜率偵測器224確定n△X信號在接近指示沿x方向的移動的標繪圖的0點附近過零位置處的斜率。斜率的大小是物體沿x方向移動程度(如果有的話)的指示。斜率的極性表示沿x方向的移動(如果有的話)是水平地左向右還是右向左。根據具體實施例，正的斜率指示從右向左的移動(從PD分段C、D朝向PD分段A、B)，並 且負的斜率指示從左向右的移動(從PD分段A、B朝向PD分段C、D)。
將指示(B+C)-(A+D)(也稱△Y)的第二移動信號提供給歸一化器232，該歸一化器232也接收指示A+B+C+D(也稱△E)的總輻射信號。根據一個實施例，歸一化器222使用總輻射信號例如通過下列等式來對第二移動信號進行歸一化：n△Y=△Y/△E=((B+C)-(A+D))/(A+B+C+D).
歸一化可在類比域中執行。替代地，可使用ADC將前述信號中的每一個轉換成數位信號，並可在數位域中執行歸一化。在具體實施例中，歸一化器232可實現為ADC，該ADC將使用指示A+B+C+D信號的總輻射信號作為ADC的基準電流。不管具體實現如何，歸一化器232的輸出是歸一化的第二移動信號，該歸一化的第二移動信號也被稱為n△Y。
歸一化的第二移動信號n△Y被提供給斜率偵測器234和脈衝計數器236。斜率偵測器234確定n△Y信號在接近指示沿y方向的移動的標繪圖的0點附近過零位置處的斜率。斜率的大小是物體沿y方向移動程度(如果有的話)的指示。斜率的極性表示沿y方向的移動(如果有的話)是垂直地上至下還是下至上。根據具體實施例，正的斜率指示從下至上的移動(從PD分段A、D朝向PD分段B、C)，而負的斜率指示從上至下的移動(從PD分段B、C朝向PD分段A、D)。使用水平和垂直移動信號及其斜率的進一步內容 和細節將從下面對圖3-8、圖11和圖12的描述中得以理解。在水平和垂直移動信號之一在標繪圖的0點附近具有零斜率(並因此在該點沒有過零)的情形下，這指示沿水平方向和垂直方向之一沒有移動，如將從下文對圖3、5、6和圖12的討論中理解的那樣。
斜率偵測器224和234的輸出被提供給斜率-極坐標轉換器252，該斜率-極坐標轉換器252可將斜率信息轉換成極坐標信息。根據一個實施例，斜率至極坐標轉換器252使用反正切函數來執行其轉換。例如，如果n△X信號的斜率(它表示信號大小變化與距離變化的比率)將近為n△Y信號的斜率的兩倍，這表示移動角與x軸成將近30°角，這可使用反正切函數計算出，即arctan 0.5=26.5°。可基於反正切函數使用等式或查找表來確定移動角。
回來簡單地參見圖1，根據具體實施例，光源102被脈衝化以朝向目標104發射光脈衝。這允許脈衝計數器226對在移動周期內偵測到的與n△X關聯的反射光的脈衝的數目進行計數。該數目反比於物體沿x方向的移動速率，如可從下面對圖10和圖11討論中清楚看出的那樣。脈衝計數器236類似地對在移動周期期間偵測到的與n△Y關聯的反射光的脈衝的數目進行計數。該數目反比於物體沿y方向的移動速率，如可從下面對圖10和圖11討論中理解的那樣。
脈衝計數器226、236的輸出被提供給有效衝程和回程移動區別器262，有效衝程和回程移動區別器262也接收表 示A+B+C+D的總輻射信號△E。以下面更詳細地參照圖10和圖11描述的方式，有效衝程和回程移動區別器262能在“有效衝程”移動和“回程”移動之間作出區別。在這裏所使用的術語中，“有效衝程”移動是旨在造就一動作的移動，而“回程”移動是旨在返回以著手準備另一有效衝程的移動。因此，有效衝程移動可認為(就其功能而言)類似於沿鼠標墊的表面將鼠標裝置從第一位置移動至第二位置，而回程移動可認為(就其功能而言)類似於擡起鼠標裝置並在鼠標裝置不接觸鼠標墊表面的同時將其向回移動至第一位置。作為另一類比，有效衝程移動可認為(就其功能而言)類似於將手指沿觸控墊從第一位置移動至第二位置，而回程移動可認為(就其功能而言)類似於擡起手指並將其移回到第一位置。當手勢用於向上/向下或向左/向右操作來增加/減小音量、顯示亮度等時，對有效衝程移動和回程移動的區別尤為重要。如下面更詳細描述的那樣，在偵測移動期間作出計數的脈衝越少，則移動越快。另外，在偵測移動期間的輻射信號越大，則目標越靠近傳感器100。如下面結合圖10和圖11更詳細描述的那樣，通過假設有效衝程移動比回程移動更快地發生且更靠近傳感器100，有效衝程和回程移動區別器262可在有效衝程移動和回程移動之間作出區別。
表示A+B+C+D的總輻射信號△E(或使用ADC產生的其數位形式)也被提供給比較器246，該比較器246將總輻射信號與△E閾值進行比較，所述△E閾值可例如儲存在寄 存器242中。根據具體實施例，如果達到△E閾值(也稱總輻射閾值)，就僅使用傳感器100。又如，可使用△E閾值來產生一中斷，該中斷告知控制器120或一些其它處理器或電路目標物體落在射程之外。
圖3示出對於2cm的目標(其將近為人手指兩倍的寬度)僅沿x方向(從右向左)移動的光線軌跡模擬的結果，它開始在四個PD分段112右側的30mm位置並終止在四個PD分段112左側的30mm位置。目標被建模作18%(標稱)反射灰度卡，它以與白種人皮膚相同的方式反射光並具有與之相同的基底反射率。標繪曲線312對應於指示(A+B)-(C+D)的第一移動信號，其如前所述也被稱為△X(delta_X)或水平移動信號。標繪曲線314對應於第二移動信號(B+C)-(A+D)，其如前所述也被稱為△Y(delta_Y)或垂直移動信號。△X信號在接近標繪圖的0點位置的過零指示沿x方向的移動。△X信號在過零位置的正斜率表示移動是從右向左的，更具體地說是沿從PD分段C和D朝向PD分段B和A的方向。如果移動相反地是從左向右的，則△X在過零位置的斜率將是負的。△X信號和△Y信號形狀的不對稱性是由於光源相對於正交偵測器配置的中心的位置偏移。
圖4示出由四個PD分段A、B、C和D響應從移動中的目標104反射的光產生的四個相應的原始光電流信號A、B、C和D。信號中非常小的移位是由四個偵測器的空間定位造成的。在該例中，從目標反射的光首先入射到PD分段C、D上，並隨後入射到PD分段A、B上。在圖5中， 標繪曲線512對應於指示(A+B)-(C+D)的第一移動信號，而標繪曲線514對應於指示(B+C)-(A+D)的第二移動信號。
圖6示出對僅沿y方向移動的目標104的相同結果，其中標繪曲線612對應於指示(A+B)-(C+D)的第一移動信號，而標繪曲線614對應於指示(B+C)-(A+D)的第二移動信號。因此，在圖6中，△Y信號具有接近標繪圖0點附近位置的過零，該過零指示沿y方向的移動。△Y信號在過零位置的負斜率表示移動是從上至下的，更具體地說是沿從PD分段B和C朝向PD分段A和D的方向。如果移動相反地是從下至上的，則△Y信號在標繪圖的0點位置附近過零的斜率將是負的。
圖4、圖5和圖6是對於光源(例如LED)佔據與四個PD分段112相同的空間位置的假想情況在分析上產生的“理想”響應。儘管這在實踐中是不可能的，然而它用來展示運算信號的對稱性。在實踐中，光源通常將沿x方向或y方向或兩個方向產生偏移。這種偏移在四個PD分段112上產生在某一角度下光照射的“投影”，由此，造成圖3所示△X信號與光線軌跡的不對稱。某種程度地，這能對光學系統設計作出補償，如下文描述的那樣。
當目標僅沿一個軸向方向(要麽是x方向要麽是y方向)移動時，只有代表這個方向的信號才會在標繪圖的0點附近位置表現出清楚的過零，其中標繪圖的0點與四個PD分段的中心點全體對應。在反射光在B、C PD分段以及A、D PD分段兩者上產生相等輻射度的真正理想條件下(對於僅 沿x方向移動的目標而言)，△Y信號對於任何距離都將為零。在實踐中，這將永遠不可能發生。相反，PD對(B和C，或A和D)的其中一對將接收比另一對更多的輻射。這導致如圖5中的標繪曲線514所示的非零△Y信號。然而，該不平衡信號不產生清楚過零的移動信號曲線，並因此，目標移動方向的區別仍然很明顯。回過來參見圖3，光線軌跡類比展示出非移動信號曲線信號314事實上產生過零。然而，如圖3所示，這些過零將不會發生在標繪圖的0點或其附近的位置。
目標的移動可能不是沿x方向和y方向中的僅一個方向。本發明的實施例也可偵測相對x軸和y軸成角度的目標移動。圖7分別示出對於△X和△Y信號的標繪曲線712、714，其中目標移動相對於x軸成將近30°角(從PD分段A朝向PD分段C)。在這種情形下，△X和△Y信號兩者均包括在標繪圖0點附近的清楚過零。目標移動的方向是由兩信號斜率的極性和大小確定的。△X信號在標繪圖0點附近的過零位置的負極性斜率指示從PD分段A、B朝向PD分段C、D的移動(即從左向右)。△Y信號在標繪圖0點附近的過零位置的正極性斜率指示從PD分段A、D朝向PD分段B、C的移動(即從下至上)。因此，真實的移動是從PD分段A朝向PD分段C。△X信號的斜率的大小(它指示信號大小的變化與距離變化的比率)為△Y信號的斜率大小的將近兩倍。這表示移動角與x軸成將近30°角，這可使用反正切函數計算出，即arctan 0.5=26.5°。可基於反正切函數 使用等式或查找表來確定移動角。
同樣，圖8示出目標移動相對於x軸將近成60°角的情形，其移動同樣從PD分段A朝向PD分段C。然而，在這種情形下，△X信號(即標繪曲線812)的斜率為△Y信號(即標繪曲線814)斜率的將近1/2。這表示移動角與x軸成將近60°角，這可使用反正切函數確定，即arctan 2.0=63.4°。
圖9示出目標104在五個連續時間點(標示為T1、T2、T3、T4和T5)的典型單向移動和由光源102射出的光線902以及由目標104向回反射的朝向四個PD分段112的光線904。圖9中圖示為虛線的光線902是“未命中”目標104的射出光線。位於圖9頂部的目標104在傳感器上方50mm高度的位置從左向右移動。目標104是20×20mm的並表現出灰度卡散射特性。圖9示出以10mm步長從傳感器左側20mm(接近偵測極限)移動至傳感器右側20mm的目標。從圖9可以理解，光線密度(並因此總輻射△E)隨著目標在時間T3逼近直接上空位置而增加，並隨著目標104繼續向右移動而減小。
圖3-8所示的光線軌跡模型用50mm(2英寸)作為目標104和四個PD分段112之間沿z方向的“典型”距離。然而，如可從圖1和圖9觀察到的那樣，入射到PD分段上的反射光的量級將依賴於目標物體104沿z方向離開四個PD分段114的距離。更具體地，越接近物體104(即沿z方向的距離越小)，強度越大，而越遠離物體104(即沿z方向的距離越大)，強度越低。根據本發明的具體實施例，為了補 償目標物體104和PD分段114之間沿z方向的距離上的變化，相對於指示A+B+C+D的總輻射信號對移動信號△X和△Y作歸一化，總輻射信號也被稱為△E。這裏，n△X=△X/△E且n△Y=△Y/△E，其中n△X是指示沿x方向的移動的歸一化的第一移動信號，而n△Y是指示沿y方向的移動的歸一化的第二移動信號。用另一種方式表達，n△X=((A+B)-(C+D))/(A+B+C+D)，而n△Y=((B+C)-(A+D))/(A+B+C+D)。這種歸一化提供對移動信號的自動增益補償，由此允許移動信號在高於目標104和PD分段112之間沿z方向的距離範圍上保持幾乎相同的量級。換句話說，歸一化消除了目標沿z方向移動的移動信號敏感性。回來參見圖2B，歸一化器222和232能執行這種歸一化。
光電子裝置100可用來偵測簡單手勢，例如水平的左向右移動、水平的右向左移動、垂直的上至下移動和垂直的下至上移動。另外，光電子裝置100可用來偵測相對於x軸和y軸成一角度的移動，如之前剛提到過的那樣。可使用偵測到的簡單手勢，以例如控制電子設備的參數(例如音量和/或亮度)、在螢幕上移動光標、或控制視頻遊戲的操作，但不局限於此。對於人手移動的手勢識別，相當常見的情形是該移動不停留在與手勢識別傳感器平行的平面內。相反，人手移動可能在“有效衝程”移動期間擡起和放下，所述“有效衝程”移動是用來規定旨在造成動作的移動的術語。這種沿z方向的變化將使偵測到的移動信號的斜率改變，這有可能造成手勢偵測錯誤。前述輻射歸一化 減少了並優選地消除了這種錯誤的來源。
由於隨著目標距離增加，所執行的歸一化將包括除以越來越小的值，這會增加歸一化信號中的噪聲，因此不應當無限制地使用輻射歸一化。根據具體實施例，對總輻射(△E)信號進行閾值處理以將手勢偵測的範圍限定在可用值，從而減少並優選地最小化手勢偵測錯誤。例如，可規定△E閾值，從而只有在達到△E閾值(也稱為總輻射閾值)的情況下使用傳感器。又如，可使用△E閾值來產生一中斷，該中斷告知控制器120或一些其它處理器或電路目標物體落在射程之外。這種閾值處理可例如使用圖2B中的比較器246來達成，但不局限於此。在某些實施例中，當總輻射信號低於△E閾值時，光電子裝置100的至少一部分被禁用(例如部分114、116被禁用)。在另一實施例中，當總輻射信號低於△E閾值時，光電子裝置100如常工作，但指示在這段時間產生的物體移動方向和/或速度的信號和/或數據不被使用，因為已知這些信息很可能受噪聲破壞。
人手手勢識別的另一難題是，在“有效衝程”移動(它是旨在造就一動作的移動)和“回程”移動(它是旨在使手返回以供另一有效衝程的移動)之間作出區別。如前面提到的，當手勢用於向上/向下或向左/向右操作來增加/減小音量或顯示亮度等時，這是尤為重要的。圖10示出有效衝程移動以及回程移動。例如，在左向右手勢增加音量而右向左手勢減小音量的情形下，可使用多個手勢來更多地增加/減小音量。普通人的天性是作衝程(例如從左向右)、作回程(例 如從右向左)、然後再次作衝程(例如從左向右)。然而，與人的天性相反的是將手從傳感器視場移開以執行回程。因此，如果手勢識別系統無法在有效衝程移動和回程移動之間作出區別，則傳感器將多個手勢動作偵測為“向上、向下、向上、向下”等，而不是“向上、再向上”。當人執行一展開移動時，自然動作是在有效衝程期間比回程期間更快地移動，並在回程移動期間略為後拽。因此，一種典型的“向上、再向上”移動序列可歸結如下：．有效衝程：左向右、快速地、靠近傳感器；．回程：右向左、較不快速、略為遠離傳感器；以及．有效衝程：左向右；快速地；靠近傳感器；根據具體實施例，手勢識別能識別有效衝程移動和回程移動，並在兩者之間作出區別。在某些實施例中，光源102由驅動器106驅動，以使發射光在移動感測期間以脈衝形式發出。由於有效衝程移動比回程移動更快，因此有效衝程移動將產生比回程移動更少的返回脈衝。另外，用於回程的返回信號的量級(總輻射△E)比用於有效衝程的返回信號的量級小。通過在多個手勢移動周期期間對脈衝計數並監視△E信號，可準確地解釋這些手勢。例如，累加計數器(例如圖2B中的226)將響應由PD分段112偵測到的第一反射脈衝而開始。沿一個方向(例如左向右x方向或右向左x方向)的脈衝使計數值遞增，而沿相反方向的脈衝使計數值遞減。如此，可將有效衝程移動識別為移動更快速發生的方向，如基於計數得到的脈衝個數並基於哪個移動發生 在沿z方向更靠近PD分段的位置確定的並基於總輻射信號△E確定的那樣。相反，可將回程移動識別為移動較慢發生的方向，如基於計數得到的脈衝個數並基於哪個移動發生在沿z方向更遠離PD分段的位置確定的那樣，以及基於總輻射信號△E確定的那樣。圖11示出與有效衝程移動對應的示例性水平移動信號1112以及與回程移動對應的又一水平移動信號1122。在圖11中，垂直實線表示在有效衝程移動期間偵測到多少反射脈衝，而垂直虛線表示在回程移動期間偵測到多少反射脈衝。回來參見圖2B，可使用脈衝計數器226(和/或236)和有效衝程和回程移動區別器262來實現有效衝程移動和回程移動之間的這種區別。
在另一實施例中，△E閾值被設定在離PD分段的一個標稱距離上，由此將使有效衝程移動發生在有效射程內(高於閾值)，並使回程發生在有效射程外(低於閾值)。然而，不同的膚色和衣物(例如手套)將提供不同的△E大小。這將使有效△E閾值出現在離PD分段不同的距離上，這依賴於使用者的膚色和手套顏色和材料的選擇。由於人們一般能相當快地知道什麽有用和什麽沒用並相應地調整其動作，因此這不存在問題。因此，當使用者佩帶手套時，他應當知道比不佩帶手套時更靠近傳感器作出手勢。使回程移動立即發生在前一有效衝程移動之後很短的時間段內也是人的天性。因此，如果偵測到從左向右的第一移動，並在此之後偵測到從右向左的第二移動，則可使用第一手勢和第二手勢之間的時間量來區別第二移動究竟是回程移動還是 新的有效衝程移動。
人類手勢移動的另一方面是完整的人手可用於手勢動作，並且人手的尺寸是變化的。通常來說，單個手指或一對手指可用來執行一個手勢，尤其如果傳感器的位置對使用者是已知的。圖12繪出在兒童的食指用來作出手勢的情形下的△X和△Y移動信號1212和1214。圖5通過比較繪出目標是成年人的兩根手指(總共大約2cm寬)的情形下的相同移動信號。在圖12中，移動信號曲線的寬度及其峰值大小減小。但是，△X移動信號曲線仍然具有在標繪圖的0點附近位置的過零。同樣，在有效衝程移動期間和回程移動期間偵測到的脈衝數目均會減少。然而，與移動關聯的特徵(即有效衝程移動比回程移動更快地發生並更靠近傳感器)將是不變的，因此，仍然是可區別的。單個手指手勢可能要求手勢比如果使用兩個或更多個手指作出手勢更靠近傳感器地發生。然而，同樣人的天性會顧及到這一點並且使用者將本能地知道如何相應地作出補償。
在圖3-6的前面討論中，要注意移動信號曲線的非對稱性是由於光源102相對於四個PD分段112的總中心的偏移位置。圖13示出這種狀態。由光源102射出的光在效果上沿垂直方向朝向目標104。一旦撞擊到目標104，光沿許多方向被目標104的表面反射。只有沿PD分段112的方向反射的光才會被PD分段112偵測到。由於光源102偏離四個PD分段112的總中心，因此到達PD分段112的反射光將成一角度地照射其表面，該角度將依賴於射程(沿z方向從 目標至傳感器的距離)以及光源102和正交偵測器112之中心沿x方向的間隔。儘管光照射目標104的橫截面將是基本圓形的(由於光源發射表面是基本圓形的)，然而返回到傳感器的反射光的橫截面將通過大致角度的餘弦沿傳感器的軸線變得狹長。
圖14示出與圖13相似的配置，不同之處是在光源102的上方增設了一透鏡1402，其中透鏡1402朝向PD分段112略為偏移。透鏡1402使光照射的質心從垂直方向移位至略成角度的方向。在沿z方向的某些距離(d)上，光將直接在PD分段112上方撞擊目標104，由此朝向PD分段112反射的光將沿垂直方向反射。光照射目標104的橫截面對於目標將朝向PD分段112散射的區域保持基本圓形。因此，光照到達PD分段112的橫截面在這種情況下是基本圓形的，而不是通過角度的餘弦變得狹長(cosine 90°=1.0)。然而，只對處在特定射程的目標才滿足這種條件。對小於該特定值的任何射程來說，光將沿與圖13所示相同的方向以一角度撞擊PD分段112，但卻是以一減小的角範圍。對大於該特定值的任何射程來說，光將沿與圖13所示相反的方向以一角度撞擊PD分段112，也是以一減小的角範圍。因此，儘管不是針對所有射程均消除了偏移非對稱性，但卻對於大多數射程而言減少了偏移影響的大小。在圖13和圖14中，假設光源102是單紅外或者是近紅外LED。然而，如前所述，可使用其它類型的發光元件和/或射出其它波長的光。
根據本發明的具體實施例，單個光源102和四個PD分段112被封裝到一塊。例如，回過頭來參見圖1，包括四個PD分段112(和虛線框內示出的其它模塊)的積體電路130以及單個光源102可被納入到同一封裝件內，例如但不僅限於相同的光學雙排扁平無引腳(OFDN)封裝件。
圖15示出單個光源102相對於四個PD分段112(分別標示為A、B、C和D)的示例性自頂向下視圖。包括上面的許多描述假設與圖15所示相同的配置，其中光源位於所有四個分段的同一側(例如其左側)。圖16示出根據一替代實施例的單個光源102相對於四個PD分段112(分別標示為A、B、C和D)的示例性自頂向下視圖，在該替代實施例中，光源102相對於A、B、C和D四個PD分段位於它們的中央。對於圖16的實施例，可增設遮光板，該遮光板圍住光源102以使光源102與PD分段A、B、C和D光學隔離。圖15的實施例相信比圖16的實施例更具實踐性，因為圖15的實施例能更容易和更廉價地製造出。另外，採用圖15的實施例，可與光源102分離地製造和售賣包括四個PD分段112(回過頭參見圖1)的IC 130。
圖17是根據本發明的一個實施例的系統的高級方框圖。本發明的各實施例的光學傳感器可以用於各種系統中，包括但不僅限於：行動電話、平板電腦、個人數據助理、膝上型電腦、小筆電、其他手持式設備，以及非手持式設備。參見圖17的系統1700，例如，光學傳感器100可用來控制子系統1706(例如觸控螢幕、顯示器、背光源、 虛擬滾輪、虛擬小鍵盤、導航板、音頻揚聲器等等)是被啟用還是被禁用，並控制子系統的亮度、音量或其它參數是被增大、減小還是被修正。如前面參照圖1描述的那樣，光學傳感器100可包括：寄存器和/或記憶體118，用來儲存移動偵測數據；以及輸入/輸出介面122，用來存取儲存在寄存器和/或記憶體118中的這些移動偵測數據。參見圖17，處理器1704或其它電路可存取移動偵測數據以確定是否已偵測到意圖控制子系統1706的手勢，並且處理器1704或其它電路可相應地控制子系統1706。
圖18是用來概括根據本發明各個實施例的方法的高級流程圖。參見圖18，在步驟1802，選擇性地射出光。在步驟1804，對發射光已反射離開物體(也稱目標或目標物體)並入射到四個獨立象限-更準確說是入射到四個獨立PD分段A、B、C和D-上的那些部分進行偵測。這使四個信號(A、B、C和D)產生，其中這些信號中的每一個指示入射到相應一個象限上的反射光。在步驟1806，產生第一移動信號(也稱△X)，它是(A+B)-(C+D)的指示。在步驟1808，產生第二移動信號(也稱△Y)，它是(B+C)-(A+D)的指示。在步驟1810，產生總輻射信號(也稱△E)，它是A+B+C+D的指示。在步驟1812，根據第一和第二移動信號，可選地還根據總輻射信號，產生指示物體的移動方向和移動速度的信號和/或數據。如前所述，可使用總輻射信號來對第一和第二移動信號作歸一化。另外，可使用總輻射信號來幫助在有效衝程移動和回程移動之間作出區別。根據本發明各實 施例的方法的額外細節可從前面對圖1-17的討論中得以理解。
上述描述是本發明的優選實施例。出於說明和描述目的而提供這些實施例，但它們不旨在窮舉或將本發明限制在所公開的精確形式。許多修改和變化對本領域普通技術人員而言將顯而易見。
選擇和描述了實施例以最好地描述本發明的原理及其實際應用，從而使本領域其它技術人員能理解本發明。微小的修改和變化相信落在本發明的精神和範圍內。本發明的範圍旨在由所附申請專利範圍及其等價技術方案限定。
100‧‧‧光電子裝置
102‧‧‧光源
104‧‧‧目標物體
106‧‧‧驅動器
108‧‧‧不透明遮光板
112‧‧‧四個光偵測器(PD)分段
114‧‧‧移動和總輻射信號發生電路
116‧‧‧移動方向和速度偵測電路
118‧‧‧寄存器和/或記憶體
120‧‧‧控制器
122‧‧‧輸入/輸出(I/O)介面
130‧‧‧積體電路(IC)封裝件
202a,202b,202c,202d‧‧‧放大器
212‧‧‧第一移動信號電路
214‧‧‧第二移動信號電路
216‧‧‧總輻射信號電路
222,232‧‧‧歸一化器
224,234‧‧‧斜率偵測器
226,236‧‧‧脈衝計數器
242‧‧‧閾值寄存器
246‧‧‧比較器
252‧‧‧斜率-極坐標轉換器
262‧‧‧有效衝程和回程移動區別器
312,314,512,514,612,614,712,714,812,814,1112,1122,1212,1214‧‧‧示例性移動信號
902,904‧‧‧光線
1402‧‧‧透鏡
1700‧‧‧系統
1704‧‧‧處理器
1706‧‧‧子系統
1802,1804,1806,1808,1810,1812‧‧‧步驟
圖1示出根據本發明一個實施例的光電子裝置，這種光電子裝置可用於簡單手勢識別。
圖2A和圖2B提供根據本發明具體實施例的圖1的光電子裝置的電路的額外細節。
圖3示出對於沿僅一個方向(x方向)移動的目標、使用本發明的實施例產生的示例性移動信號，更具體地說示出了對於僅沿x方向移動的目標的光線軌跡類比的結果。
圖4示出可由結合圖1、圖2A和圖2B描述的光電子裝置的四個光偵測器分段產生的四個類比的單獨原始電流信號。
圖5與圖3類似，但其示出對於光源佔據與四個光偵測器分段相同的空間位置的假想情況在分析上產生的“理 想”響應。
圖6示出對於沿僅一個方向(y方向)移動的目標、使用本發明的實施例產生的示例性移動信號，更具體地說示出了對於僅沿y方向移動的目標的光線軌跡類比的結果。
圖7示出對於與x軸成大約30°角移動的目標、使用本發明實施例產生的示例性移動信號。
圖8示出對於與x軸成大約60°角移動的目標、使用本發明實施例產生的示例性移動信號。
圖9示出目標在五個連續時間點的典型單向手勢掃描移動和由光源射出的光線以及通過目標朝向四個光偵測器分段向回散射的光線。
圖10示出手的有效衝程移動和之後的回程移動。
圖11示出根據本發明一實施例的如何對脈衝計數以在主動衝程移動和回程移動之間作出區別。
圖12類似於圖5，相似點在於其示出對僅沿一個方向(x方向)移動的目標的分析上產生的“理想”移動信號響應，但相比與圖5對應的目標圖12的目標較小。
圖13示出光源相對於四個光偵測器分段的示例性側視圖，它用來展示光源相對於四個光偵測器分段在空間上偏移的影響。
圖14示出光源相對於四個光偵測器分段的示例性側視圖，其中使用沿光偵測器分段的方向偏移的透鏡來減少光源相對於四個光偵測器在空間偏移的影響。
圖15示出根據本發明某些實施例的單個光源相對於四 個光偵測器分段的示例性自頂向下視圖。
圖16示出根據替代實施例的單個光源相對於四個光偵測器分段的示例性自頂向下視圖，在該替代實施例中，光源相對於諸光偵測器分段位於中心。
圖17示出根據本發明一個實施例的系統。
圖18是用來概括根據本發明各個實施例的方法的高級流程圖。
100‧‧‧光電子裝置
102‧‧‧光源
104‧‧‧目標物體
106‧‧‧驅動器
108‧‧‧不透明遮光板
112‧‧‧四個光偵測器(PD)分段
114‧‧‧移動和總輻射信號發生電路
116‧‧‧移動方向和速度偵測電路
118‧‧‧寄存器和/或記憶體
120‧‧‧控制器
122‧‧‧輸入/輸出(I/O)介面
130‧‧‧積體電路(IC)封裝件

Claims (19)

  1. 一種用於單個光源的光電子裝置，該單個光源被驅動以選擇性地發射光，其中該光電子裝置使用於簡單手勢偵測，該光電子裝置包括：電氣隔絕的第一、第二、第三和第四光偵測器(PD)分段，其每一個被配置成偵測源於該單個光源的光，該光已反射離開一物體並入射到PD分段上，其中該第一PD分段用來產生第一信號(A)，該第一信號(A)指示入射到該第一PD分段上的反射光，該第二PD分段用來產生第二信號(B)，該第二信號(B)指示入射到該第二PD分段上的反射光，該第三PD分段用來產生第三信號(C)，該第三信號(C)指示入射到該第三PD分段上的反射光，及該第四PD分段用來產生第四信號(D)，該第四信號(D)指示入射到該第四PD分段上的反射光；配置成產生用以指示該第一信號與該第二信號之和減去該第三信號和該第四信號之和((A+B)-(C+D))的第一移動信號的電路；配置成產生用以指示該第二信號與該第三信號之和減去該第一信號和該第四信號之和((B+C)-(A+D))的第二移動信號的電路；配置成產生用以指示該等第一、第二、第三和第四信號之和(A+B+C+D)的總輻射信號的電路；配置成根據該第一移動信號和該第二移動信號產生用 以指示該物體的移動方向的信號和/或數據的電路；配置成根據該第一移動信號和該第二移動信號產生用以指示該物體的移動速度的信號和/或數據的電路；以及配置成根據用以指示該物體的移動速度的信號和/或數據與該總輻射信號而在該物體的有效衝程移動和該物體的回程移動之間作出區別的電路。
  2. 如請求項1所述的光電子裝置，其中用以指示該物體的移動方向的信號和/或數據允許將下列不同的移動方向中的每一個彼此區別：水平的左向右移動；水平的右向左移動；垂直的上至下移動；以及垂直的下至上移動。
  3. 如請求項1所述的光電子裝置，其中用以指示該物體的移動方向的信號和/或數據也指示該物體的移動角。
  4. 如請求項1所述的光電子裝置，其中配置成產生用以指示該物體的移動方向的信號和/或數據的電路被配置成：確定一部分該第一移動信號的斜率的極性，從而確定移動方向是否為水平的左向右移動和水平的右向左移動中的一個；和/或確定一部分該第二移動信號的斜率的極性，從而確定移動方向是否為垂直的上至下移動和垂直的下至上移動中的一個。
  5. 如請求項1所述的光電子裝置，其中： 使用脈衝化驅動信號驅動該單個光源以由此使該單個光源發射光脈衝；以及被配置成產生用以指示該物體的移動速度的信號和/或數據的電路包括計數器，該計數器對在移動周期期間偵測到的反射光的脈衝數目進行計數，其中該脈衝數目與該物體的移動速度成反比。
  6. 如請求項1所述的光電子裝置，其中該總輻射信號用來對該第一移動信號和該第二移動信號作歸一化。
  7. 如請求項1所述的光電子裝置，還包括：配置成在使用該第一移動信號和該第二移動信號產生用以指示該物體的移動方向的信號和/或數據之前根據該總輻射信號對該等第一和第二移動信號作歸一化的電路。
  8. 如請求項1所述的光電子裝置，還包括：配置成將該總輻射信號與預定的閾值作比較以產生閾值比較輸出信號的電路；其中該閾值比較輸出信號用於：(a)選擇性地禁用該光電子裝置的至少一部分；或(b)確定何時不使用所產生用以指示該物體的移動方向的信號和/或數據。
  9. 如請求項1所述的光電子裝置，還包括：驅動器，其配置成選擇性地驅動單個光源；並且其中電氣隔絕的該等第一、第二、第三和第四PD分段、該驅動器、該配置成產生該第一移動信號的電路、該配置成產生該第二移動信號的電路以及該配置成產生用以指示 該物體的移動方向的信號和/或數據的電路均包含在單個積體電路(IC)封裝件內。
  10. 如請求項1所述的光電子裝置，其中電氣隔絕的該等第一、第二、第三和第四PD分段以2×2方格的形式部署在同一平面內，由此每個PD分段具有：水平地位於該PD分段之右側或左側的其它數個PD分段中的第一個；垂直地位於該PD分段之上側或下側的其它數個PD分段中的第二個；以及與該PD分段成對角線設置的其它數個PD分段中的第三個。
  11. 一種使用於簡單手勢偵測之方法，該方法包括：(a)選擇性地使光發射出；(b)偵測已反射離開一物體並入射到四個獨立象限上的發射光的部分，由此產生：第一信號(A)，該第一信號(A)指示入射到該四個象限中的第一個上的反射光，第二信號(B)，該第二信號(B)指示入射到該四個象限中的第二個上的反射光，第三信號(C)，該第三信號(C)指示入射到該四個象限中的第三個上的反射光，及第四信號(D)，該第四信號(D)指示入射到該四個象限中的第四個上的反射光；(c)產生用以指示該第一信號與該第二信號之和減去該 第三信號和該第四信號之和((A+B)-(C+D))的第一移動信號；(d)產生用以指示該第二信號與該第三信號之和減去該第一信號和該第四信號之和((B+C)-(A+D))的第二移動信號；(e)產生用以指示該等第一、第二、第三和第四信號之和(A+B+C+D)的總輻射信號；(f)根據該第一移動信號和該第二移動信號產生用以指示該物體的移動方向的信號和/或數據；(g)根據該第一移動信號和該第二移動信號產生用以指示該物體的移動速度的信號和/或數據；以及(h)根據用以指示該物體的移動速度的信號和/或數據與該總輻射信號而在該物體的有效衝程移動和該物體的回程移動之間作出區別。
  12. 如請求項11所述的方法，還包括：使用該總輻射信號對該第一移動信號和該第二移動信號作歸一化。
  13. 如請求項11所述的方法，還包括：將該總輻射信號與一預定閾值相比較；基於該比較的結果確定是否要：(i)禁用步驟(c)、(d)和(f)中的一個或多個的執行，或者(ii)不使用在步驟(f)所產生用以指示該物體的移動方向的信號和/或數據。
  14. 一種使用於簡單手勢偵測之方法，該方法包括： 偵測已反射離開一物體並入射到四個獨立的光偵測器(PD)分段上的發射光的部分：產生第一信號(A)，該第一信號(A)指示入射到該等PD分段中的第一個上的反射光；產生第二信號(B)，該第二信號(B)指示入射到該等PD分段中的第二個上的反射光；產生第三信號(C)，該第三信號(C)指示入射到該等PD分段中的第三個上的反射光；產生第四信號(D)，該第四信號(D)指示入射到該等PD分段中的第四個上的反射光；以及根據該等第一、第二、第三和第四信號而在該物體的有效衝程移動和該物體的回程移動之間作出區別。
  15. 如請求項14所述的方法，還包括：根據該等第一、第二、第三和第四信號偵測該物體的移動方向和/或移動速度。
  16. 如請求項15所述的方法，還包括：根據偵測出該物體的移動方向和/或移動速度來控制子系統。
  17. 一種使用於簡單手勢偵測之系統，該系統包括：光源；驅動器，該驅動器配置成選擇性地驅動該光源，由此使該光源選擇性地發射光；電氣隔絕的第一、第二、第三和第四光偵測器(PD)分段，其每一個被配置成偵測源於該光源的光，該光已反射 離開一物體並入射到PD分段上，其中該第一PD分段用來產生第一信號(A)，該第一信號(A)指示入射到該第一PD分段上的反射光，該第二PD分段用來產生第二信號(B)，該第二信號(B)指示入射到該第二PD分段上的反射光，該第三PD分段用來產生第三信號(C)，該第三信號(C)指示入射到該第三PD分段上的反射光，及該第四PD分段用來產生第四信號(D)，該第四信號(D)指示入射到該第四PD分段上的反射光；配置成根據該等第一、第二、第三和第四信號偵測該物體的移動方向和/或移動速度的電路；配置成根據該等第一、第二、第三和第四信號而在該物體的有效衝程移動和該物體的回程移動之間作出區別的電路；以及子系統，該子系統是根據偵測出該物體的移動方向和/或移動速度而受到控制。
  18. 一種用於光源的光電子裝置，該光源被驅動以選擇性地發射光，其中該光電子裝置使用於簡單手勢偵測，該光電子裝置包括：電氣隔絕的四個光偵測器(PD)分段，其每一個被配置成用以指示源於該光源的偵測光的相應信號，該偵測光已反射離開一物體並入射到PD分段上；以及配置成根據電氣隔絕的該四個PD分段所產生的信號而在該物體的有效衝程移動和該物體的回程移動之間作出區 別的電路。
  19. 如請求項18所述的光電子裝置，還包括：配置成根據電氣隔絕的該四個PD分段所產生的信號偵測該物體的移動方向和/或移動速度的電路。
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