CN101206540B - 光学导航***、用于其中的光学装置、光学导航方法 - Google Patents

光学导航***、用于其中的光学装置、光学导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学结构、光学导航***和运动评估方法。光学导航***和运动评估方法使用光学结构，该光学结构被配置为对沿着第一方向传播的光进行准直，并且将光从光学结构的输出反射面向下沿着垂直于第一方向的第二方向朝目标表面进行内反射。所述光学结构还被配置为将从目标表面反射的光通过输出反射面朝图像传感器透射。

Description

光学导航***、用于其中的光学装置、光学导航方法
技术领域
本发明涉及光学结构、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来照明导航表面的区域，并且使用图像传感器来接收从目标表面所反射的光以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。对于基于激光的导航***，这些特征通常是由照射到目标表面上的激光光斑所产生的干涉图像。
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，光学鼠标通常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，会引入误差。但是，在某些情形下，希望即使在光学导航***的图像传感器和目标表面之间的距离被增加时，光学导航***也可以操作。例如，如果在具有一片玻璃的目标表面上使用光学鼠标，则光学导航***需要在由于目标表面上的一片中间玻璃而引起的光学导航***的图像传感器和目标表面之间的距离增加的情况下正确地执行操作。
因此，需要一种光学导航***，即使在光学导航***的图像传感器和目标表面之间的距离被增加时，该光学导航***也能执行跟踪操作。
发明内容
一种光学导航***和运动估计方法使用光学结构，该光学结构被配置为对沿着第一方向传播的光进行准直，并且将光从光学结构的输出反射面向下沿着垂直于第一方向的第二方向朝目标表面进行内反射。光学结构还被配置为将从目标表面反射的光通过输出反射面朝图像传感器透射。因此，光学导航***能够提供以垂直于目标表面的角度照射到目标表面的经准直的光，这允许即使当光学导航***的图像传感器和目标表面之间的距离例如由于光学导航***和目标表面之间的一片透明材料而增加时，光学导航***也能有效地执行跟踪操作。
在一个方面，本发明提供了一种用于光学导航***中的光学装置，该光学装置包括：输入部分，其包括准直透镜，该准直透镜被定位为对在最初高度上沿着第一方向传播的光进行接收和准直；接到输入部分的中间部分，中间部分被配置为对来自准直透镜的光进行内反射，从而以光学方式操纵光在低于最初高度的较低高度上沿着第一方向传播；接到中间部分的输出部分，输出部分包括输出反射面，输出反射面被定向为将来自中间部分的光向下沿着垂直于第一方向的第二方向朝目标表面进行内反射，并且使从目标表面反射的光通过输出反射面透射以从光学装置输出光，其中，输出部分包括棱镜形凹口，输出反射面是棱镜形凹口的表面，并且输出反射面相对于第一方向以负四十五度的角度向下倾斜。
准直透镜和输出反射面可以是整体单块结构的部分。
中间部分可以包括上反射面和下反射面，上反射面和下反射面相对于第一方向向下倾斜以对来自准直透镜的光进行内反射，从而以光学方式操纵光在较低高度上沿着第一方向传播。
中间部分的上反射面和下反射面可以相对于第一方向以负四十五度的角度向下倾斜。
输入部分可以包括腔，准直透镜是所述腔的表面。
在另一方面，本发明提供了一种光学导航***，该***包括：光源，被安置为在最初高度上沿着第一方向发射光；光学耦合到光源的光学装置，该光学装置包括准直透镜，准直透镜被定位为对在最初高度上沿着第一方向传播的来自光源的光进行接收和校准，光学装置还包括中间部分，中间部分被配置为对来自准直透镜的光进行内反射，从而以光学方式操纵光在低于最初高度的较低高度上沿着第一方向传播，光学装置还包括接到中间部分的输出部分，输出部分包括输出反射面，输出反射面被定向为对来自中间部分的光向下沿着垂直于第一方向的第二方向朝目标表面进行内反射，并且使从目标表面反射的光通过输出反射面透射以从光学装置输出光；光学耦合到光学装置的图像传感器，用于从光学装置接收光以捕获目标表面的图像数据帧，其中，输出部分包括棱镜形凹口，输出反射面是棱镜形凹口的表面，并且输出反射面相对于第一方向以负四十五度的角度向下倾斜。
光源可以包括垂直腔表面发射激光器。
光学装置可以是整体单块结构，准直透镜和输出反射面是整体单块结构的部分。
光学装置的中间部分可以包括上反射面和下反射面，上反射面和下反射面相对于第一方向向下倾斜以对来自准直透镜的光进行内反射，从而以光学方式操纵光在较低高度上沿着第一方向传播。
中间部分的上反射面和下反射面可以相对于第一方向以负四十五度的角度向下倾斜。
光学装置可以包括腔，光源部分地位于腔中，准直透镜是腔的表面。
在另一方面，本发明提供了一种光学导航方法，该方法包括：在第一高度上沿着第一方向发射光；对在最初高度上沿着第一方向传播的光进行准直；在校准之后对光进行内反射，从而以光学方式操纵光在低于最初高度的较低高度上沿着第一方向传播；将在较低高度上沿着第一方向传播的光从输出反射面向下沿着垂直于第一方向的第二方向朝目标表面进行内反射，输出反射面是棱镜形凹口的表面，并且相对于第一方向以负四十五度的角度向下倾斜；使从目标表面反射的光通过输出反射面朝图像传感器透射；在图像传感器处接收从目标表面反射的光以捕获目标表面的图像数据帧。
在校准之后对光进行内反射的步骤可以包括将光从上反射面和下反射面进行内反射，上反射面和下反射面相对于第一方向向下倾斜。
上反射面和下反射面可以相对于第一方向以负四十五度的角度向下倾斜。
发射光的步骤可以包括发射激光束。
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的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***的光学结构的透视图。
图4A是光学导航***的示意图，其示出了当在光学导航***和目标表面之间没有一片透明材料的情况下，光学导航***在目标表面上操作时，通过***的光的光路。
图4B是光学导航***的示意图，其示出了当在光学导航***和目标表面之间具有一片透明材料的情况下，光学导航***在目标表面上操作时，通过***的光的光路。
图5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，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。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被如此设计：即使在光学导航***和目标表面106之间的距离例如由于目标表面上的一片透明材料而增加时，光学导航***也可以有效地执行跟踪操作。
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包括光源208、光学结构210和图像传感器212。光源208被配置为生成光，该光用于照明目标表面的106的成像区域214以进行运动评估。在该实施例中，光源208是激光器件。具体而言，光源208是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其生成激光束形式的相干光。但是，在其他实施例中，光源208可以是发光二极管或者任何其他发光器件。光源208被定位为将光沿着正X方向发射到光学结构210中。这里所使用的沿着具体方向的光传播表示光(例如光束)的中心轴线沿着该具体方向。
光学结构210是透光结构，其被配置为对从光源208所接收的光进行准直和光学方式的操纵，使其朝目标表面106的成像区域214发射。另外，光学结构210被配置为接收从目标表面106的成像区域214所反射走的光，并且将所反射的光传送到图像传感器212。光学结构210的设计允许光学导航***100在不同的表面上、甚至在具有一片透明材料的表面上有效地操作，所述一片透明表面例如是一片透明玻璃或者一片透明塑料。
光学结构210在图2中示出，也在图3中示出，图3是光学结构的透视图。如图2所图示，光学结构210包括输入部分216、中间部分218和输出部分220。光学结构210的输入部分216被配置为接收和准直来自光源208的光，该光在与光学结构210的底面222相距z1的高度上沿着正X方向传播。底面222是当在目标表面上使用光学导航***100时，光学结构210最接近目标表面106的表面。这里所使用的沿着特定方向传播的光的高度指的是该光的中心轴的高度，该光可以是激光束。光学结构210的中间部分218被配置为接收经准直的光并对其进行光学方式的操纵，以使得经准直的光在离底面222为z2的高度上沿着正X方向传播，高度z2低于高度z1。光学结构210的输出部分220被配置为对来自中间部分218的经准直的光进行重定向，以使得经准直的光沿着负Z方向向下朝目标表面106传播。输出部分220也被配置为接收从目标表面106的成像区域214所反射的光并且将所反射的光朝图像传感器212传送。
光学结构210的输入部分216包括用于容纳光源208的腔224。在该实施例中，光源208是圆柱形的VCSEL。因此，输入部分216的腔224是圆柱腔，以使得如图2所图示，光源208可以部分地位于腔中。腔224包括腔表面上所形成的准直透镜226。准直透镜226被定向为使得准直透镜的光轴与X轴平行。准直透镜226被配置为接收来自光源208的光(该光在高度z1上沿着正X方向传播)，并且对所接收的光进行准直，使得经准直的光在光学结构210中沿着正X方向朝光学结构的中间部分218传播。
光学结构210的中间部分218被接到输入部分216以从准直透镜226接收经准直的光，经准直的光仍然在高度z1上沿着正X方向传播。中间部分218包括上反射面228和下反射面230，这两个面都相对于X轴向下倾斜。在该实施例中，上反射面228和下反射面230都被定向为相对于X轴成负四十五度(-45°)的角度。上反射面228用于对来自准直透镜226的经准直的光向下进行内反射，以使得经准直的光被从正X方向重定向到负Z方向。下反射面230用于对来自上反射面228的光进行内反射，以使得经准直的光在高度z2上被从负Z方向重定向到正X方向。上反射面228和下反射面230的总效果是：经准直的光被从高度z1降低到高度z2，但仍沿着正X方向传播。
光学结构210的输出部分220被接到中间部分218以从下反射面230接收经准直的光，该经准直的光在高度z2上沿着正X方向传播。输出部分220包括底面222和顶面232。底面222用于将经准直的光传送到目标表面106，并且接收从目标表面所反射的光。顶面232用于使从目标表面106反射的光朝图像传感器212透射。在该实施例中，顶面232和底面222平行于X轴。
输出部分220包括输出反射面234，其位于顶面232和底面222之间。输出反射面234以类似于中间部分218的上反射面228和下反射面230的方式向下倾斜。在该实施例中，输出反射面234被定向为相对于X轴成负四十五度(-45°)的角度。输出反射面234是由光学结构210中的棱镜形凹口236所提供的表面。输出反射面234用于对来自中间部分218的下反射面230的一些经准直的光向下进行内反射，以使得经准直的光被从正X方向重定向到负Z方向。从输出反射面234反射的经准直的光然后被从光学结构210的底面222朝目标表面106发射，目标表面106被定向为平行于X轴。因此，从光学结构210发射的经准直的光将以垂直于目标表面的角度照射到目标表面106上。因此，从目标表面106反射的光也垂直于目标表面，但沿着正Z方向向上传播。输出反射面234还用于将来自目标表面106的一些反射光朝图像传感器212传送，图像传感器212位于输出反射面上方。因此，来自目标表面106的反射光继续沿着正Z方向传播，通过输出反射面234和棱镜形凹口236。通过输出反射面234和棱镜形凹口236所透射的反射光被发射出输出部分220的顶面232，朝图像传感器212发射。
光学结构210可以由任何透光材料构成，所述透光材料例如是聚碳酸酯、其他塑料材料或者任何光学玻璃。在该实施例中，光学结构210是整体结构。因此，在该实施例中，光学结构210的各种组件是整体单块结构的部分。但是，在其他实施例中，光学结构210可以由多个独立结构形成。
图像传感器212位于光学结构210的顶面232之上，以接收从目标表面106的成像区域214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212位于光学结构210的输出反射面234之上，以接收从目标表面106的成像区域214反射的光。图像传感器212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212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212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212可以包括30×30的有源光敏像素元件阵列。
参照图4A和图4B来描述根据本发明一实施例的光学导航***100的操作。图4A示出了当在光学导航***100和目标表面106之间没有一片透明材料的情况下，光学导航***在目标表面上操作时，通过光学导航***100的光的光路。如图4A所图示，从光源208发射的光在高度z1上沿着X方向传播，其在光学结构的输入部分216的准直透镜226处被传送到光学结构210中。然后，光被通过准直透镜226准直并且继续沿着X方向传播。然后，经准直的光从光学结构210的中间部分218的上反射面228发生内反射，向下沿着负Z方向传播。然后，经准直的光又从光学结构210的中间部分218的下反射面230发生内反射，以使得经准直的光又沿着X方向、但在较低高度z2上传播。
在高度z2上沿着X方向传播的经准直的光然后遇到光学结构210的输出部分220的输出反射面234。一些经准直的光从输出反射面234发生内反射，向下沿着负Z方向传播。这些经准直的光然后从光学结构210的底面222发射出，以垂直于目标表面的角度朝目标表面106的成像区域214传播。这些经准直的光然后从目标表面106反射。因为目标表面106上的入射光垂直于目标表面，所以从目标表面106反射的光以垂直于目标表面的方向(即，正Z方向)向上传播。
从目标表面106反射的光沿着正Z方向传播，其被通过底面222透射到光学结构210中。然后，一些光透射通过输出反射面234，而不被输出反射面反射。因此，从目标表面106反射的光继续沿着正Z方向向上传播，通过输出反射面234和棱镜形凹口236。通过输出反射面234和棱镜形凹口236透射的光被发射出光学结构210的顶面232，朝图像传感器212传播。然后，由图像传感器212接收光以捕获目标表面106的图像数据帧。
图4B示出了当在光学导航***100和目标表面106之间具有一片透明材料438的情况下，光学导航***在目标表面上操作时，通过光学导航***100的光的光路。如图4A和图4B所图示，当在具有一片透明材料438的情况下光学导航***100在目标表面106上操作时通过光学导航***的光的光路与当在没有任何一片透明材料的情况下光学导航***100在目标表面上操作时通过光学导航***的光的光路相同。具体而言，从光学结构210的底面222发射的经准直的光在这两种情况中都沿着负Z方向传播。因此，无论光学结构210和目标表面之间的垂直距离如何，来自光学构210的经准直的光都以垂直于目标表面106的角度照射到目标表面106的成像区域214。因此，无论光学结构和目标表面之间的垂直距离如何，来自光学结构210的经准直的光都照射目标区域106的同一成像区域214，这允许光学导航***100正确地跟踪目标表面和光学导航***之间的运动。此外，计算机仿真结果显示，不管光学导航***100和目标表面之间有还是没有一片透明材料，光束分布都没有显著差别，并且光束图案都没有显著偏移。这些计算机仿真结果还显示，针对这片透明材料的厚度变化，例如，从3mm变至6mm，或者针对这篇透明材料的折射率变化，例如，从1.51变至1.71，光束分布都没有显著差别，并且光束图案都没有的显著偏移。因此，光学导航***100可以有效地在不同厚度和不同折射率的透明片上执行跟踪操作，并且可以在目标表面和光学导航***之间没有任何透明片的目标表面上执行跟踪操作。
参照图5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502，在最初高度上沿着第一方向发射光。接下来，在框504，对在最初高度上沿着第一方向传播的光进行准直。接下来，在框506，对经准直的光进行内反射，从而以光学方式操纵所述光在低于最初高度的较低高度上沿着第一方向传播。接下来，在框508，在较低高度上沿着第一方向传播的光从输出反射面发生内反射，向下沿着垂直于第一方向的第二方向朝目标表面传播。接下来，在框510，从目标表面反射的光通过输出反射面朝图像传感器透射。接下来，在框512，在图像传感器处接收从目标表面反射的光以捕获目标表面的图像数据帧。
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 (15)

1.一种用于光学导航***中的光学装置，所述光学装置包括：
输入部分，其包括准直透镜，该准直透镜被定位为对在最初高度上沿着第一方向传播的光进行接收和准直；
接到所述输入部分的中间部分，所述中间部分被配置为对来自所述准直透镜的所述光进行内反射，从而以光学方式操纵所述光在低于所述最初高度的较低高度上沿着所述第一方向传播；以及
接到所述中间部分的输出部分，所述输出部分包括输出反射面，所述输出反射面被定向为将来自所述中间部分的所述光向下沿着垂直于所述第一方向的第二方向朝目标表面进行内反射，并且使从所述目标表面反射的所述光通过所述输出反射面透射以从所述光学装置输出所述光，
其中，所述输出部分包括棱镜形凹口，所述输出反射面是所述棱镜形凹口的表面，并且所述输出反射面相对于所述第一方向以负四十五度的角度向下倾斜。
2.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述准直透镜和所述输出反射面是整体单块结构的部分。
3.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述中间部分包括上反射面和下反射面，所述上反射面和所述下反射面相对于所述第一方向向下倾斜以对来自所述准直透镜的所述光进行内反射，从而以光学方式操纵所述光在所述较低高度上沿着所述第一方向传播。
4.如权利要求3所述的光学装置，其中，所述中间部分的所述上反射面和所述下反射面相对于所述第一方向以负四十五度的角度向下倾斜。
5.如权利要求1所述的光学装置，其中，所述输入部分包括腔，所述准直透镜是所述腔的表面。
6.一种光学导航***，包括：
光源，被安置为在最初高度上沿着第一方向发射光；
光学耦合到所述光源的光学装置，所述光学装置包括准直透镜，所述准直透镜被定位为对在所述最初高度上沿着所述第一方向传播的来自所述光源的所述光进行接收和校准，所述光学装置还包括中间部分，所述中间部分被配置为对来自所述准直透镜的所述光进行内反射，从而以光学方式操纵所述光在低于所述最初高度的较低高度上沿着所述第一方向传播，所述光学装置还包括接到所述中间部分的输出部分，所述输出部分包括输出反射面，所述输出反射面被定向为对来自所述中间部分的所述光向下沿着垂直于所述第一方向的第二方向朝目标表面进行内反射，并且使从所述目标表面反射的所述光通过所述输出反射面透射以从所述光学装置输出所述光；以及
光学耦合到所述光学装置的图像传感器，用于从所述光学装置接收所述光以捕获所述目标表面的图像数据帧，
其中，所述输出部分包括棱镜形凹口，所述输出反射面是所述棱镜形凹口的表面，并且所述输出反射面相对于所述第一方向以负四十五度的角度向下倾斜。
7.如权利要求6所述的光学导航***，其中，所述光源包括垂直腔表面发射激光器。
8.如权利要求6所述的光学导航***，其中，所述光学装置是整体单块结构，所述准直透镜和所述输出反射面是所述整体单块结构的部分。
9.如权利要求6所述的光学导航***，其中，所述光学装置的所述中间部分包括上反射面和下反射面，所述上反射面和所述下反射面相对于所述第一方向向下倾斜以对来自所述准直透镜的所述光进行内反射，从而以光学方式操纵所述光在所述较低高度上沿着所述第一方向传播。
10.如权利要求9所述的光学导航***，其中，所述中间部分的所述上反射面和所述下反射面相对于所述第一方向以负四十五度的角度向下倾斜。
11.如权利要求6所述的光学导航***，其中，所述光学装置包括腔，所述光源部分地位于所述腔中，所述准直透镜是所述腔的表面。
12.一种光学导航方法，包括：
在第一高度上沿着第一方向发射光；
对在所述最初高度上沿着所述第一方向传播的所述光进行准直；
在所述校准之后对所述光进行内反射，从而以光学方式操纵所述光在低于所述最初高度的较低高度上沿着所述第一方向传播；
将在所述较低高度上沿着所述第一方向传播的所述光从输出反射面向下沿着垂直于所述第一方向的第二方向朝目标表面进行内反射，所述输出反射面是棱镜形凹口的表面，并且相对于所述第一方向以负四十五度的角度向下倾斜；
使从所述目标表面反射的所述光通过所述输出反射面朝图像传感器透射；以及
在所述图像传感器处接收从所述目标表面反射的所述光以捕获所述目标表面的图像数据帧。
13.如权利要求12所述的光学导航方法，其中，所述的在校准之后对所述光进行内反射的步骤包括将所述光从上反射面和下反射面进行内反射，所述上反射面和所述下反射面相对于所述第一方向向下倾斜。
14.如权利要求13所述的光学导航方法，其中，所述上反射面和所述下反射面相对于所述第一方向以负四十五度的角度向下倾斜。
15.如权利要求14所述的光学导航方法，其中，所述的发射所述光的步骤包括发射激光束。
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