CN100576156C - 利用光学抬升检测的光学导航***和运动评估方法 - Google Patents

利用光学抬升检测的光学导航***和运动评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学导航***和运动评估方法，其使用具有孔的板、光检测器和光学***用于光学抬升检测。光学***被配置为将输入光通过板的孔引导至目标表面，并且将从目标表面反射并且通过板的孔传送回来的输入光引向光检测器，从而被光检测器检测以用于抬升检测。

Description

利用光学抬升检测的光学导航***和运动评估方法
技术领域
本发明涉及具有光学抬升检测的光学导航***和运动评估方法。
背景技术
光学导航***用于评估光学导航***和目标表面之间的移动以执行跟踪操作。光学导航***使用诸如发光二极管(LED)或激光二极管之类的光源和图像传感器来连续地捕获目标表面的图像数据帧。光学导航***比较连续的图像帧，并且基于当前图像帧和先前图像帧之间的比较来评估光学导航***和目标表面之间的相对移动。该比较基于检测和计算所捕获的图像数据帧中的特征的位移。对于激光导航***，这些特征通常是由激光点照射到目标表面上所产生的干涉图像。
光学导航***通常用于光学的计算机鼠标以跟踪鼠标相对于表面的移动，所述表面是鼠标在其上被手动操纵的表面。为了正确地执行跟踪操作，光学鼠标需要位于目标表面上，这是因为当图像导航***的图像传感器和目标表面之间的距离被显著增加时，即，当光学鼠标被从目标表面抬升时，会引入错误。在利用激光导航***的光学鼠标中，用于运动评估的光学干涉图像随着***的图像传感器和目标表面之间的距离的增加而增加。因此，导航***在光学鼠标已被从目标表面抬升之后仍然可以作出响应，这意味着导航***将作出错误的运动评估。
干涉图像的光学特性不能利用光学导航***的图像传感器对抬升检测问题作出有意义的解决方案。因此，当光学鼠标被从目标表面抬升时，需要诸如机械开关之类的单独传感机构来进行检测。
尽管传统的抬升检测机构对于其希望的目的可以很好地工作，但是需要一种用于光学导航***的不复杂并且低成本的抬升检测机构。
发明内容
一种光学导航***和运动评估方法使用具有孔的板、光检测器和光学***用于光学抬升检测。光学***被配置为将输入光通过板的孔引导至目标表面，并且将从目标表面反射并且通过板的孔传送回来的输入光引向光检测器，从而使其被光检测器检测以用于抬升检测。在光检测器处所检测到的输入光表示光学导航***还未被从目标表面抬升。相反，在光检测器处检测不到光(除了可忽略的光之外)表示光学导航***已被从目标表面抬升。
根据本发明一实施例的光学导航***包括光源、图像传感器和抬升检测单元。光源被配置为产生光。图像传感器被设置用于接收从目标表面所反射的光的第一部分。图像传感器被配置为响应于所接收的光的第一部分而生成图像数据帧以用于运动评估。抬升检测单元包括具有孔的板、光检测器和光学***。光检测器位于板之上。光学***位于板之上并且用于接收来自光源的光的第二部分。光学***被配置为引导光的第二部分使其通过板的孔。光学***还被配置为将从目标表面反射并且通过板的孔传送回来的光的第二部分引向光检测器，从而使其被光检测器检测以用于抬升检测。
根据本发明一实施例的光学导航***包括具有孔的板、光检测器和光学***。光检测器和光学***位于板之上。光学***包括第一、第二和第三棱镜。第一棱镜被设置用于接收输入光。第一棱镜被配置和定向为折射输入光使其通过板的孔。第二棱镜被设置用于接收从目标表面反射并且通过板的孔传送回来的输入光。第二棱镜被配置和定向为将输入光折射到预定方向。第三棱镜被设置用于接收来自第二棱镜的输入光。第三棱镜被配置为将输入光朝着光检测器折射，从而使其被光检测器检测。
根据本发明一实施例的运动评估方法包括：产生光；将光的第一部分引向目标表面；在图像传感器处接收从目标表面所反射的光的第一部分以用于运动评估；将光的第二部分通过位于目标表面之上的孔而引向目标表面；将从目标表面反射并且通过孔传送回来的光的第二部分引向光检测器；以及在光检测器处接收光的第二部分。
根据下面的详细说明，结合附图，可以明白本发明的其他方面和优点，附图图示了本发明的原理示例。
附图说明
图1示出了根据本发明一实施例的包括在光学计算机鼠标中的光学导航***。
图2是根据本发明一实施例的光学导航***的示意图。
图3是根据本发明一实施例的光学导航***的底板和光学***的透视图。
图4是图2的光学导航***的示意图，其示出了当光学计算机鼠标未被抬升时，通过光学导航***的光的光路。
图5是图2的光学导航***的示意图，其示出了当光学计算机鼠标已被抬升时，通过光学导航***的光的光路。
图6是根据本发明一实施例的运动评估方法的处理流程图。
具体实施方式
参照图1来描述根据本发明一实施例的光学导航***100。如图1所示，光学导航***100包括在光学的计算机鼠标102中，光学计算机鼠标102连接到计算机104。在该实现方式中，光学导航***100用于：当光学鼠标在目标表面106上由用户操纵以控制显示在计算机104上的光标时，跟踪光学鼠标102的移动，其中目标表面106可以是玻璃表面或者其他透光的表面。但是，在其他实现方式中，光学导航***100可以用于各种跟踪应用场合的不同产品中。如下详细所述，光学导航***100包括光学抬升检测特征，用于以光学方式检测光学鼠标102何时在Z方向上被从表面抬升。光学导航***100的光学抬升检测特征可以用无需苛刻对准的低成本组件来实现。
现在参照图2，示出了光学导航***100的各种组件。图2是光学导航***100的剖视图。如图2所示，光学导航***100包括导航单元210和抬升检测单元212。导航单元210的主要功能是捕获图像数据帧以用于运动评估。抬升检测单元212的主要功能是检测具有光学导航***100的光学鼠标102何时被从目标表面106抬升。
导航单元210包括光源214、光导结构216和图像传感器218。光源214产生光，所述光将被用于运动评估和抬升检测。在该实施例中，光源214是产生相干光的激光器件，例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。但是，在其他实施例中，光源214可以是发光二极管或者任何其他发光器件。光源214被设置为沿着X方向将光发射到光导结构216中。
光导结构216是透光的结构，其被配置为将从光源214所接收的一些光引导至目标表面106的成像区域220。光导结构216也被设计为接收从目标表面106的成像区域220所反射走的光以将所反射的光传送到图像传感器218。此外，光导结构216被设计为将从光源214所接收的一些光传送到抬升检测单元212，抬升检测单元212使用这些光来检测具有光学导航***100的光学鼠标或者任何其他器件何时被从目标表面106抬升。具体而言，光导结构216被设计为将一些光从光源214传送到抬升检测单元212，以使得光主要沿着X方向传播。
光导结构216在结构上可以以任何数目的配置来塑造，只要光导结构在光学上可以执行上述任务。在所图示的实施例中，光导结构216包括用于接收从光源214所发射的光的输入端口222，以使得所接收的光被沿着X方向传送到光导结构中。光导结构216的输入端口222具有凸形的表面，该表面用于聚焦从光源214所接收的光。光导结构216还包括中间段224，中间段224对来自输入端口222的光进行内反射，以使得光保持为沿着X方向但更靠近光导结构216的底部，即，更靠近光学计算机鼠标102在其上***作的目标表面106。光导结构216的中间段224包括顶面226和底面228，顶面226将来自输入端口222的光沿着Z方向向下反射，底面228将来自顶面226的光沿着X方向向后反射。光导结构216还包括输出段230，其将来自底面228的光分开，以使得一些光可以用于运动评估，一些光可以用于抬升检测。输出段230包括反射面232，其将一部分来自底面228的光沿着Z方向向下、朝向目标表面106的成像区域220反射，以用于运动评估。输出段230还包括输出端口234，用于将一部分来自底面228的光沿着X方向、朝向抬升检测单元212输出，以用于抬升检测。
图像传感器218位于光导结构216之上，以接收从目标表面106的成像区域220所反射走的光，从而捕获目标表面的图像数据帧。具体而言，图像传感器218位于光导结构216的反射面232之上，以接收从目标表面106的成像区域220所反射的光。图像传感器218包括光敏像素元件的阵列(未示出)，其响应于入射到元件上的光而生成图像信号。例如，图像传感器218可以是电荷耦合器件(CCD)图像传感器或者互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。包括在图像传感器218中的光敏像素元件的数目可以至少根据光学导航***100对于光学运动评估的性能要求而变化。例如，图像传感器218可以包括30×30的有源光敏像素元件阵列。
光学导航***100的抬升检测单元212包括底板236、顶板238、光学***240和光检测器242。顶板238位于底板236之上，以使得这些板之间具有预定距离。底板236和顶板238的位置紧邻光导结构216的输出端口234。底板236和顶板238沿着X方向平行定向。如图3最佳地示出的，图3是底板236和光学***240的透视图，底板包括孔244。在所图示的实施例中，底板236的孔244的形状是矩形。但是，在其他实施例中，底板236的孔244可以具有不同的形状，例如圆形。底板236和顶板238不透光，以使得光被这些板所阻挡。因此，光穿过底板236的仅有方式是通过底板的孔244。抬升检测单元212的底板236和顶板238可以安装到光学计算机鼠标102的外壳(未示出)上。
光学***240位于底板236和顶板238之间，以接收从光导结构216的输出端口234所发射的光。光学***240被配置为以与X轴成大于零的角度向下引导所接收的光，使其通过底板236的孔244，其中X轴与底板236平行。通过底板236的孔244所传送的光然后被从目标表面106反射走。光学***240还被配置为接收从目标表面反射走并且通过底板236的孔244传送回来的光，并且将那种光引导至光检测器242，在所图示的实施例中，光检测器242位于顶板238之上，但不是直接在顶板上。顶板238用于防止任何不需要的光到达光检测器242。
光学***240包括三个棱镜246、248和250，这些棱镜位于底板236和顶板238之间。在所图示的实施例中，棱镜246、248和250是具有三个主面的三棱镜。具体而言，在所图示的实施例中，棱镜246、248和250是直角三棱镜。因此，棱镜246、248和250的剖面的形状是直角三角形。在所图示的实施例中，棱镜246、248和250不成直角的角为四十五度(45°)。但是，在其他实施例中，棱镜246、248和250这些不成直角的角可以是不同的度数。此外，在其他实施例中，棱镜246、248和250可以不是直角三棱镜，甚至可以不是三棱镜。
第一棱镜246位于光导结构216和底板236的孔244之间。第一棱镜246被定向为使得其成直角的角在靠近底板236的底部处，并且棱镜246的斜边侧面对着光导结构216的输出端口234，以接收从输出端口发射的光。因此，第一棱镜246把从光导结构216的输出端口234所发射的光朝着底板236的孔244斜向下折射。
第二棱镜248被设置为使得底板236的孔244位于第一棱镜246和第二棱镜248之间。第二棱镜248被定向为使得其成直角的角在靠近底板236的底部处，并且棱镜248的斜边侧背对着光导结构216的输出端口234。第二棱镜248被设置用于接收来自第一棱镜的光，这些光已被从目标表面106反射走并且通过底板236的孔244传送回来。第二棱镜248折射所接收的光以使得折射后的光沿着X方向向第三棱镜250传播。
第三棱镜250被设置为使得第二棱镜248位于底板236的孔244与第三棱镜250之间。第三棱镜250被定向为使得其成直角的角在靠近顶板238的顶部处，并且棱镜250的斜边侧背对着光导结构216的输出端口234。另外，第三棱镜250被设置为使得棱镜250的斜边侧的大部分从顶板238的下边伸出。第三棱镜250被设置用于接收来自第二棱镜248的折射后的光。第三棱镜250向上折射所接收的光，以使得折射后的光沿着Z方向向光检测器242传播。
光检测器242位于第三棱镜之上，以接收从第三棱镜250所折射的光。光检测器242可以是任何类型的感光器件，例如光电二极管或者其他的光强传感器。光检测器242被配置为响应于入射光而生成电信号。如下所说明的，当光学计算机鼠标102未被从目标表面106抬升超过预定高度时，光检测器242会接收到来自光学***240的光。但是，当光学计算机鼠标102已被从目标表面106抬升超过预定高度时，光检测器242将不会从光学***240接收到任何光。因此，响应于入射光而由光检测器242所生成的电信号可以用于检测光学计算机鼠标102何时被从目标表面“抬升”。另外，为获得更可靠的***，给由光检测器242所接收的光强度定义预置阈值，这将消除任何由杂散光所生成的错误信号。定义了光学计算机鼠标102何时被从目标表面106“抬升”的预定高度可以通过改变抬升检测单元212的棱镜246、248和250之间的距离而得到调整。
参考图4和图5来描述根据本发明一实施例的光学导航***100的操作。图4示出了当光学计算机鼠标102未被从目标表面106抬升超过预定高度时，通过光学导航***100的光的光路。从光源214发射的光被沿着X方向在输入端口222处传送到光导结构216中。然后，光从光导结构216的顶面226发生内反射，沿着Z方向向下传播。然后，光又从光导结构216的底面228发生内反射，以使得反射后的光又沿着X方向传播。然后这些光被分为光的第一部分和第二部分。光的第一部分从光导结构216的反射面232反射走，朝着目标表面106的成像区域220向下传播。然后，这些光从目标表面106反射，并且由图像传感器218接收以产生用于运动评估的图像数据帧。但是，光的第二部分穿过光导结构216的输出端口234向抬升检测单元212透射。
然后，从光导结构216的输出端口234所发射的光被抬升检测单元212的光学***240的第一棱镜246向下折射，通过底板236的孔244到达目标表面106。然后，光从目标表面106向上反射。由于目标表面106与底板236非常接近，所以反射后的光通过孔244向抬升检测单元212的第二棱镜248传送回来。然后，光被第二棱镜248沿着X方向向抬升检测单元212的第三棱镜250折射。在第三棱镜250处，光被沿着Z方向朝着光检测器242向上折射。然后，光被光检测器242检测到，这表示计算机光学鼠标102未被从目标表面106“抬升”。
图5示出了当光学计算机鼠标102已被从目标表面106抬升超过预定高度时，通过光学导航***100的光的光路。从光源214发射的光以与如上所述相同的方式通过光导结构216传播。因此，光的第一部分从目标表面106反射走，并且在图像传感器218处被接收以用于运动评估。此外，光的第二部分被从光导结构216的输出端口234发射。从输出端口234发射的光又被抬升检测单元212的第一棱镜246向下折射，通过底板236的孔244到达目标表面106。然后，光从目标表面106向上反射。但是现在，因为光学计算机鼠标102已被抬升超过预定高度，所以目标表面106和底板236之间的距离已增加。因此，从目标表面106所反射的光未被通过底板236的孔244传送回来。相反，从目标表面106所反射的光被底板236阻挡。因此，从目标表面106所反射的光不到达光检测器242。因此，光检测器242检测不到光(除了可能有可以忽略的光之外)，这表示计算机光学鼠标102已被从目标表面106“抬升”。
光学导航***100的抬升检测技术与目标表面106的材料和特性无关，这是因为其仅需要检测到达光检测器242的光强。光学导航***100的抬升检测灵敏度取决于抬升检测单元212的底板236的孔244的大小。因此，可以通过在抬升检测单元212的底板236中使用更小的孔而将光学导航***100调整为更加灵敏。
参考图6的处理流程图来描述根据本发明一实施例的运动评估方法。在框602产生光。在框604，光的第一部分被引向目标表面。在框606，从目标表面所反射的光的第一部分在图像传感器处被接收以用于运动评估。在框608，光的第二部分通过位于目标表面之上的孔而被引向目标表面。在框610，从目标表面所反射并且通过孔所传送回来的光的第二部分被引向光检测器。在框612，光的第二部分在光检测器处被接收以用于抬升检测。
尽管描述并图示了本发明的具体实施例，但是本发明不局限于如此描述和图示的部件的具体形式或布置。本发明的范围由权利要求及其等同物来限定。

Claims (18)

1.一种光学导航***，包括：
光源，其被配置为产生光；
光导结构，所述光导结构被配置为将所述光分为所述光的第一部分和所述光的第二部分；
图像传感器，其被设置用于接收从目标表面所反射的所述光的第一部分，所述图像传感器被配置为响应于所接收的所述光的第一部分而生成图像数据帧以用于运动评估；以及
抬升检测单元，其包括：
具有孔的板；
光检测器，其位于所述板之上；以及
光学***，其位于所述板之上并且用于接收来自所述光源的所述光的第二部分，所述光学***被配置为引导所述光的所述第二部分使其通过所述板的所述孔，所述光学***还被配置为将从所述目标表面反射并且通过所述板的所述孔传送回来的所述光的所述第二部分引向所述光检测器，从而使其被所述光检测器检测以用于抬升检测。
2.如权利要求1所述的***，其中，所述光学***包括：
第一棱镜，其被设置用于接收所述光的所述第二部分，所述第一棱镜被配置和定向为将所述光的所述第二部分朝着所述板的所述孔折射；
第二棱镜，其被设置用于接收从所述目标表面反射并且通过所述板的所述孔传送回来的所述光的所述第二部分，所述第二棱镜被配置和定向为将所述光的所述第二部分沿着预定方向折射；以及
第三棱镜，其被设置用于接收来自所述第二棱镜的所述光的所述第二部分，所述第三棱镜被配置为将所述光的所述第二部分朝着所述光检测器折射。
3.如权利要求2所述的***，其中，所述第一、第二和第三棱镜中的至少一个是三棱镜。
4.如权利要求3所述的***，其中，所述第一、第二和第三棱镜中的至少一个是直角三棱镜。
5.如权利要求2所述的***，其中，所述第一和第二棱镜位于所述板之上，使得所述板的所述孔位于所述第一棱镜和所述第二棱镜之间。
6.如权利要求5所述的***，其中，所述第三棱位于所述板之上，使得所述第二棱镜位于所述板的所述孔和所述第三棱镜之间。
7.如权利要求1所述的***，其中，所述光源包括发光二极管或者激光器件。
8.一种光学导航***，包括：
具有孔的板；
光检测器，其位于所述板之上；以及
光学***，其位于所述板之上，所述光学***包括：
第一棱镜，其被设置用于接收输入光，所述第一棱镜被配置和定向为折射所述输入光使其通过所述板的所述孔；
第二棱镜，其被设置用于接收从目标表面反射并且通过所述板的所述孔传送回来的所述输入光，所述第二棱镜被配置和定向为将所述输入光折射到预定方向；以及
第三棱镜，其被设置用于接收来自所述第二棱镜的所述输入光，所述第三棱镜被配置为将所述输入光朝着所述光检测器折射，从而使其被所述光检测器检测以用于抬升检测。
9.如权利要求8所述的***，其中，所述第一、第二和第三棱镜中的至少一个是三棱镜。
10.如权利要求9所述的***，其中，所述第一、第二和第三棱镜中的至少一个是直角三棱镜。
11.如权利要求8所述的***，其中，所述第一和第二棱镜位于所述板之上，使得所述板的所述孔位于所述第一棱镜和所述第二棱镜之间。
12.如权利要求11所述的***，其中，所述第三棱镜位于所述板之上，使得所述第二棱镜位于所述板的所述孔和所述第三棱镜之间。
13.如权利要求8所述的***，还包括：
光源，其配置为产生光，所述输入光是所述光的一部分；以及
图像传感器，其被设置用于接收从所述目标表面所反射的所述光的另一部分，所述图像传感器被配置为响应于所接收的所述光的另一部分而生成图像数据帧以用于运动评估。
14.如权利要求13所述的***，还包括光导结构，所述光导结构被配置为将所述光分为所述光的所述一部分和所述光的所述另一部分。
15.如权利要求13所述的***，其中，所述光源包括发光二极管或者激光器件。
16.一种运动评估方法，包括：
产生光；
利用反射面将所述光分为所述光的第一部分和所述光的第二部分；
将所述光的第一部分引向目标表面；
在图像传感器处接收从所述目标表面所反射的所述光的所述第一部分以用于运动评估；
将所述光的第二部分通过位于所述目标表面之上的孔而引向所述目标表面；
将从所述目标表面反射并且通过所述孔传送回来的所述光的所述第二部分引向光检测器；以及
在所述光检测器处接收所述光的所述第二部分以用于抬升检测。
17.如权利要求16所述的方法，其中，利用棱镜来执行将所述光的所述第二部分引向所述目标表面的步骤和将从所述目标表面反射并且通过所述孔传送回来的所述光的所述第二部分引向所述光检测器的步骤。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述棱镜中的至少一个是三棱镜。
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