專利名稱：光學(xué)導(dǎo)引方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及運(yùn)動(dòng)傳感設(shè)備，更具體而言，涉及使用鏡面反射圖像來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)相對(duì)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)設(shè)備一般通過當(dāng)導(dǎo)引設(shè)備經(jīng)過一個(gè)表面或者當(dāng)該表面移動(dòng)經(jīng)過該導(dǎo)引設(shè)備的時(shí)候捕獲該表面的圖像來使用圖像相關(guān)技術(shù)確定導(dǎo)引設(shè)備與該表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)引設(shè)備相對(duì)于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移和方向都通過將一幅圖像與接下來的一幅圖像進(jìn)行比較而確定。一般，檢測(cè)投射到表面上的陰影引起的光強(qiáng)變化，而該項(xiàng)技術(shù)的靈敏度和適用性取決于所捕獲的圖像的光強(qiáng)對(duì)比度。相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)引設(shè)備被用于，例如，計(jì)算機(jī)屏幕指示器(例如，鼠標(biāo))控制。
美國專利No.5,786,804、5,578,813、5,644,139、6,442,725、6,281,882以及6,433,780公開了光學(xué)鼠標(biāo)、其它手持導(dǎo)引設(shè)備和手持掃描儀的例子。這些專利通過引用而被包含于此。
一般的現(xiàn)有光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備使用發(fā)光二極管(LED)來傾斜地照明要通過的表面。表面上5到500μm量級(jí)的高度變化會(huì)投射陰影，這可以用幾何光學(xué)來描述。陰影圖案圖像的大小和對(duì)比度部分取決于表面類型以及高度變化的大小。一般，將檢測(cè)器定位以接收表面法線方向上的反射，而表面與入射光之間的角度一般被選擇用來優(yōu)化陰影圖案圖像的對(duì)比度，這在暗視野成像技術(shù)中是大家熟知的。入射角度的典型值在大約5度到大約20度的范圍內(nèi)。
例如白板、高光潔度紙、塑料或者經(jīng)噴涂的金屬的光滑表面對(duì)目前一般的光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備提出了功能上的挑戰(zhàn)。通常，光滑表面是那些包含了較少的空間中頻和更多的空間高頻結(jié)構(gòu)的表面。為了提高信號(hào)強(qiáng)度，LED照明需要高光功率，導(dǎo)致典型的最大電流超過30mA。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備的檢測(cè)器捕獲預(yù)先選擇的角度分布的反射光。一般地，將光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備的檢測(cè)器定位以捕獲來自表面的鏡面反射。鏡面反射生成與陰影圖案圖像和斑紋圖案都不相同的該表面的圖像。與陰影圖案圖像方法相比，鏡面反射一般提供更好的信號(hào)。這使得即使在極為光滑的表面上也能獲得高對(duì)比度圖像。另外，對(duì)于朗伯表面而言保持了圖像質(zhì)量，因?yàn)楣馊匀槐簧⑸涞界R面方向。鏡面反射圖像取決于照明源的波長，鏡面反射圖像的對(duì)比度一般隨著照明源帶寬的減小而增大，因此基于激光的照明提供了最高的對(duì)比度。
根據(jù)本發(fā)明，可以通過使用波長處于檢測(cè)器響應(yīng)曲線的峰值處的照明源來減少功率需求。鏡面反射圖像的對(duì)比度取決于照明源的空間和時(shí)間相干度。對(duì)例如垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)或者窄帶發(fā)光二極管(LED)的窄帶照明源的使用使得以減少了的功率提供了增強(qiáng)的圖像對(duì)比度。由于來自以不同波長照明的不同散射體的返回光非相干地疊加，所以增大帶寬引入了均化作用結(jié)果導(dǎo)致更低的對(duì)比度。因此，根據(jù)本發(fā)明，照明源的帶寬必須足夠窄以具有足夠的相干干涉，從而獲得對(duì)比度足夠高的圖像以用于可靠的光學(xué)導(dǎo)引。例如，具有20nm量級(jí)的帶寬的照明源在辦公室桌面環(huán)境中的各種表面上為光學(xué)導(dǎo)引提供了足夠的對(duì)比度。


圖1a-1c示出了來自不同類型的表面的光反射；圖1d示出了根據(jù)本發(fā)明的表面散射的概念；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的鏡面反射；圖3a示出了根據(jù)本發(fā)明的高級(jí)別框圖；圖3b示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)元件的簡化圖示；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖7示出了描述根據(jù)本發(fā)明的一種方法中所涉及的步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式
如果光束入射到光滑表面上，該入射光束的光線反射并且離開光滑表面時(shí)保持會(huì)聚成束。但是，如果表面在微光學(xué)意義上是粗糙的，則光線反射并在很多不同方向上被散射。對(duì)應(yīng)于表面粗糙度的空間頻率可以是照明波長級(jí)別的。每條獨(dú)立的光線都遵守反射定律。但是，在粗糙表面的情況下，各條獨(dú)立的光線遇到該表面具有不同取向的部分。因此，對(duì)于不同的入射光線表面的法線方向是不同的。所以，當(dāng)獨(dú)立的光線根據(jù)反射定律反射時(shí)，該獨(dú)立的光線在不同方向上被散射。另外，當(dāng)使用相干或者準(zhǔn)相干照明時(shí)，在鏡面反射的圖像中可能會(huì)觀察到由于反射光與散射光之間的干涉產(chǎn)生的高光強(qiáng)對(duì)比度的圖案。這種干涉效果為用于導(dǎo)引的圖像提供了增強(qiáng)的對(duì)比度。
圖1a-1c圖示了來自不同類型表面的光反射。圖1a示出了光束135從朗伯(Lambertian)表面140反射出光束圖案136。朗伯表面是一種理想的漫射表面，從任何小表面部分在給定方向上發(fā)出的光的強(qiáng)度成比例于與表面140的法線199的夾角的余弦。圖1b示出了光束145從鏡面反射器表面150反射出光束146，光束146處于角度θr＝θi，其中這些角度是相對(duì)表面法線199定義的。圖1c示出了光束155從表面160反射出光束156。表面160的表面特性介于表面140和表面150之間，光束圖案156存在鏡面分量，同時(shí)存在朗伯分量。
很重要的一點(diǎn)是要認(rèn)識(shí)到鏡面反射與光學(xué)斑紋(speckle)并沒有關(guān)系。來自鏡面反射的圖像是由于利用相干或者準(zhǔn)相干光對(duì)要被通過的表面進(jìn)行成像而造成的。根據(jù)本發(fā)明獲得的具有豐富特征的圖像在不同類型的表面之間變化很顯著，并且一般與下層表面具有一對(duì)一的相關(guān)性。相反，斑紋圖像本質(zhì)是高度的統(tǒng)計(jì)意義上的，對(duì)于一次近似來說在不同類型的表面之間是不變化的。斑紋圖像顯示了其中與可見的下層表面特征的一一對(duì)應(yīng)是有限的圖像圖案。盡管物體用相干光進(jìn)行照明的任何時(shí)候斑紋圖像都會(huì)出現(xiàn)，光學(xué)斑紋的平均大小一般小于用于一般光學(xué)導(dǎo)引應(yīng)用的成像陣列的象素大小。當(dāng)象素大小顯著大于平均的斑紋大小時(shí)，斑紋不再是光學(xué)導(dǎo)引的可信的圖案，因?yàn)槿肷湓跈z測(cè)器陣列的象素上的多個(gè)亮的和暗的斑紋特征在整個(gè)象素區(qū)域上被平均了。例如，假設(shè)成像系統(tǒng)的f數(shù)為10，激光源工作于850nm，利用公式平均斑紋大?。絝×λ得到平均斑紋大?。?.5μm，其中f是f數(shù)而λ是波長。這里，假設(shè)一般的檢測(cè)器陣列的象素大小為60μm，則檢測(cè)器陣列的每個(gè)象素對(duì)多于49個(gè)斑紋成像。得到的平均的結(jié)果從斑紋分布中去除了潛在的可用于導(dǎo)引的特征。
圖1d是根據(jù)本發(fā)明的來自粗糙表面105的散射的簡化圖示。入射光束的入射光線110、115、120、125、130每個(gè)都遵循反射定律，結(jié)果得到來自粗糙表面105的反射光線110′、115′、120′、125′、130′并在反射時(shí)被散射。這里所指的光意圖包括波長范圍從大約1納米(nm)延伸到大約1毫米(mm)的電磁輻射。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的來自表面的鏡面反射的更為詳細(xì)的視圖。入射光線205在被表面220反射之前具有角坐標(biāo)Φi，θi。一般，表面220會(huì)具有影響反射光的反射角的微觀粗糙度或者光學(xué)不規(guī)則性。如果反射光線210處在由Φr0±δΦr，θr0±δθr定義的角度錐體之內(nèi)，則對(duì)應(yīng)于光線205的表面元素會(huì)被檢測(cè)器所捕獲到。
圖3a是根據(jù)本發(fā)明基于使用導(dǎo)引鏡面反射的光學(xué)導(dǎo)引系統(tǒng)300的高級(jí)別框圖。表面330由來自光源單元304的光束398照明。鏡面反射光束399從要被檢測(cè)器陣列單元311所檢測(cè)的表面330被反射，所述檢測(cè)器陣列單元311生成發(fā)送給處理器320的信號(hào)370。處理器320向應(yīng)于信號(hào)370提供輸出信號(hào)375。輸出信號(hào)375可以被用來，例如，驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)屏幕上的指示器的位置。處理器320可以是光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備303的一部分，或者位于光學(xué)導(dǎo)引系統(tǒng)300中的其它地方。根據(jù)本發(fā)明，光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備303的某些實(shí)施例可以是可手動(dòng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的光學(xué)鼠標(biāo)。
圖3b示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備303的部件的簡化圖示。光源305，光源單元304的一部分(見圖3a)，被定位成相對(duì)于表面法線350成入射角度θi，并提供入射到透鏡301上的光束315以產(chǎn)生光束315′。透鏡301主要是起到提高光束315的收集效率，透鏡301是可選的。透鏡301可以是，例如，準(zhǔn)直透鏡。但是，如果光源305是例如VCSEL或者邊緣發(fā)光器的激光器，光束315不需要被準(zhǔn)直。如果光源305是準(zhǔn)相干源，例如窄帶的LED(發(fā)光二極管)或者具有窄帶寬濾光鏡的LED，則在光滑表面上導(dǎo)引可能需要透鏡301或者限制孔徑。對(duì)限制孔徑的使用減小了入射到表面330上的功率但是提高了空間相干性。如果使用了透鏡301，則透鏡301可以是衍射或者折射透鏡或者其它適合的光學(xué)元件，并且可以進(jìn)行光學(xué)鍍膜以提高性能。除了使用窄化孔徑(narrowingaperture)以及傳統(tǒng)的窄帶LED之外，窄帶邊緣發(fā)射LED也可以被用作光源。
在本申請(qǐng)的上下文中，檢測(cè)器被定義為將光子轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備。檢測(cè)器陣列310，檢測(cè)器陣列單元311的一部分(見圖3a)，被定位成處于反射角θr，其中選擇θr使得θr≈θi。只有滿足θr≈θi的來自表面330的反射光線365構(gòu)成光束317，并且會(huì)被檢測(cè)器陣列310所接收到。表面330被照明的部分被透鏡307所成像。表面330上的點(diǎn)316被透鏡307在檢測(cè)器陣列310上成像為點(diǎn)316′。這樣，成像光學(xué)系統(tǒng)使得檢測(cè)器陣列310能夠捕獲圖像。由相干光源產(chǎn)生的圖像一般包括表面特征和干涉特征。圖像中出現(xiàn)的任何斑紋對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)引來說都不重要。干涉特征源于鏡面反射區(qū)域中獨(dú)立光線的相干疊加。成像透鏡307可以是衍射或者折射透鏡或者其它適合的光學(xué)元件，用來對(duì)表面330的部分成像，并且成像透鏡307可以經(jīng)過光學(xué)鍍膜而具有介電薄膜以提高性能。光源305一般是窄帶激光源，例如，VCSEL(垂直腔表面發(fā)射激光器)或者邊緣發(fā)射激光器，但是也可以是窄帶LED，而檢測(cè)器陣列310一般是CCD、CMOS、GaAs、非晶硅或者其它適合的檢測(cè)器陣列。可以通過對(duì)檢測(cè)器陣列310應(yīng)用抗反射介電涂層來提高檢測(cè)器陣列310的性能。
表面對(duì)比度和分辨率越高使得光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備303能夠在越光滑的表面上進(jìn)行導(dǎo)引。有效的表面分辨率定義為導(dǎo)引表面上的能分辨的最小特征，所述導(dǎo)引表面例如為表面330。有效表面分辨率取決于調(diào)制傳遞函數(shù)，光學(xué)系統(tǒng)的放大率和例如檢測(cè)器陣列310的檢測(cè)器陣列的有效象素大小。如果放大率是固定的，則越高的表面分辨率要求，例如，檢測(cè)器陣列310具有越小的象素。光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備303在表面330上的最高導(dǎo)引速度受到檢測(cè)器陣列310的最大幀速率以及互相關(guān)計(jì)算的處理時(shí)間的限制。光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備303相對(duì)于表面330的物理位移以有效象素大小為單位來測(cè)量。有效象素大小是表面330上的象素的圖像大小。這意味著如果光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備303的檢測(cè)器陣列310的象素大小減小，則光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備303的響應(yīng)性或者最大導(dǎo)引速度將會(huì)減小。一般要考慮和權(quán)衡檢測(cè)器陣列310、處理器320的成本、總的功耗與希望的響應(yīng)性之間的折衷以達(dá)到用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的表面分辨率和光學(xué)放大率。
隨著光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備303相對(duì)于表面330移動(dòng)，在光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備303與表面330之間的不同相對(duì)位置處生成窄帶寬散射圖案。每個(gè)散射圖案都由來自處于檢測(cè)器陣列310視場(chǎng)中的表面330的鏡面反射生成。窄帶寬散射圖案圖像強(qiáng)烈地依賴于光源305的波長。一般地，選擇光源305的波長處于檢測(cè)器陣列310的峰值處。由于圖像對(duì)比度和信號(hào)一般比現(xiàn)有技術(shù)的陰影圖案光學(xué)導(dǎo)引系統(tǒng)提高了，所以需要的是更短的圖像集成時(shí)間，這允許更高的幀速率采集從而允許了以更高的速度進(jìn)行導(dǎo)引。
通過在處理器320中比較相繼的被存儲(chǔ)的窄帶寬鏡面反射圖像，能夠確定光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備300相對(duì)于表面330的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。相繼的窄帶寬散射圖案圖像的相關(guān)性一般被用來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移。相繼的被捕獲的散射圖案圖像相互間部分地重合。因此，處理器320識(shí)別每幅散射圖案圖像中的特征并計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移和方向。通過存儲(chǔ)相繼的散射圖案圖像，重合的特征能夠被處理器320利用標(biāo)準(zhǔn)圖像相關(guān)算法所識(shí)別，用來提供方向和位移。在例如通過引用被包含于此的美國專利No.5,786,804中還可以發(fā)現(xiàn)其它更多細(xì)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明，即使在例如玻璃的非常光滑但是沒有被光學(xué)拋光的表面上也能夠確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
圖4是對(duì)根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)400的圖示，所述系統(tǒng)400中光學(xué)鼠標(biāo)425在固定表面430上運(yùn)動(dòng)。光學(xué)鼠標(biāo)一般包括檢測(cè)器陣列單元，例如圖3a的檢測(cè)器陣列單元311。在光學(xué)鼠標(biāo)425中處理器320(見圖3)一般將一系列鏡面反射圖像轉(zhuǎn)換成位置信息并通過線纜或者無線地發(fā)送給中央處理器單元475用于作為例如箭頭的位置指示器在視頻屏幕470上顯示?；蛘撸醇庸?shù)據(jù)或者中間數(shù)據(jù)可以從檢測(cè)器陣列單元311(見圖3a)發(fā)送給中央處理器單元475用于處理。無線連接可以是射頻的或者紅外的，而根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)鼠標(biāo)425的無線實(shí)施例可以用，例如，可重復(fù)充電電池、燃料電池或者太陽能電池來供電。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備500的一個(gè)實(shí)施例。封裝的VCSEL和傳感器管芯(die)510是分立的并起到光源的作用，同時(shí)準(zhǔn)直透鏡520和成像透鏡525被集成和形成在模制的塑料結(jié)構(gòu)515中。傳感器管芯535包含有例如以上討論的檢測(cè)器陣列310的檢測(cè)器陣列。將準(zhǔn)直透鏡520和成像透鏡525集成到模制的塑料結(jié)構(gòu)中簡化了制造并降低了成本。將傳感器管芯535中的檢測(cè)器陣列定位成以與光束595的入射角θi相等的反射角θr接收光，從而確保從檢測(cè)器陣列得到的信號(hào)表示鏡面反射?？梢詫鞲衅鞴苄?35定位使得光束595垂直檢測(cè)器陣列平面入射。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備600的一個(gè)實(shí)施例。被集成的VCSEL 610管芯起到光源的作用，同時(shí)準(zhǔn)直透鏡620和成像透鏡625被集成和形成在模制的塑料結(jié)構(gòu)615中。傳感器管芯635包含有例如以上討論的檢測(cè)器陣列310的檢測(cè)器陣列。將準(zhǔn)直透鏡620和成像透鏡625集成到模制的塑料結(jié)構(gòu)中簡化了制造并降低了成本。光束695穿過準(zhǔn)直透鏡620豎直傳播并被全內(nèi)反射面675所反射而以入射角θi入射到表面650上。將傳感器管芯635中的檢測(cè)器陣列定位成以與光束695的入射角θi相等的反射角θr接收光，從而確保從檢測(cè)器陣列得到的信號(hào)表示鏡面反射?？梢詫鞲衅鞴苄?35定位使得光束695垂直檢測(cè)器陣列平面入射。
圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明使用光學(xué)導(dǎo)引系統(tǒng)303的方法中所涉及的步驟的流程圖。在步驟701中，用窄帶寬光束398以入射角θi照明表面303。在步驟702中，檢測(cè)器陣列311以接近于或者等于入射角θi的反射角θr檢測(cè)反射的窄帶寬光束399。在步驟703中，檢測(cè)器陣列311響應(yīng)于窄帶寬光束399生成圖像信號(hào)。在步驟704中，處理器320處理該圖像信號(hào)。在步驟705中，響應(yīng)于圖像信號(hào)370提供輸出信號(hào)375，并且該輸出信號(hào)375可以被用來，例如，控制視頻屏幕470上的位置指示器。
盡管結(jié)合了特定實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易看出在以上描述的教導(dǎo)之下很多替換、修改和變化都是很顯然的。因此，本發(fā)明意圖包括落入所附權(quán)利要求的精神和范圍中的所有其它的這種替換、修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)導(dǎo)引設(shè)備(303)，包括光源(304、305)，用于以相對(duì)于表面法線(350)的照明角(θi)用窄帶寬光束(315)照明所述表面；和檢測(cè)器(310、311)，被定位成相對(duì)于所述表面法線(350)成反射角(θr)，所述檢測(cè)器可操作以接收所述窄帶寬光束(315、315′)的反射部分(317)，其中所述反射角(θr)基本上等于所述照明角(θi)。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(303)，其中所述光源(304、305)是激光器。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備(303)，其中所述激光器是垂直腔表面發(fā)射激光器。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(303)，其中所述光源(304、305)是窄帶寬的發(fā)光二極管(304、305)。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備(303)，其中所述窄帶寬的發(fā)光二極管是邊緣發(fā)射的發(fā)光二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(303)，還包括設(shè)置在所述光源(304、305)和所述表面(330)之間的限制孔徑。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(303)，還包括位于所述光源(304、305)和所述表面(330)之間的窄帶寬濾光鏡。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(303)，還包括準(zhǔn)直透鏡(301)以提高光收集效率。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(303)，還包括成像透鏡(307)，所述成像透鏡(307)被定位成可操作以將所述窄帶寬光束(315、315′)的所述被反射的部分(317)成像到所述檢測(cè)器陣列(310、311)上。
10.一種通過使用鼠標(biāo)(425)檢測(cè)相對(duì)于表面(430)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來控制計(jì)算機(jī)(475)視頻屏幕(470)上的位置指示器的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于生成窄帶寬鏡面反射圖像的裝置，每個(gè)所述窄帶寬反射圖像對(duì)于所述鼠標(biāo)(425)運(yùn)動(dòng)所經(jīng)過的所述表面(430)的部分是特定的；和用于將所述特定窄帶寬鏡面反射圖像轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)于所述鼠標(biāo)(425)與所述表面(430)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)的裝置。
全文摘要
本發(fā)明介紹了適合用于在各種表面上進(jìn)行導(dǎo)引的方法和設(shè)備。使用鏡面反射來確定在一般表面上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一種特殊的應(yīng)用就是計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)。
文檔編號(hào)G06F3/03GK1577387SQ20041002954
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月30日
發(fā)明者謝彤, 馬歇爾·T·德皮尤, 道格拉斯·M·巴內(nèi) 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司