專利名稱：基于手指移動的光感導(dǎo)航儀器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及計算機(jī)和電子技術(shù)，更特別涉及計算機(jī)和電子裝置的導(dǎo)航儀器及 方法。
背景技術(shù)：
指向設(shè)備如鼠標(biāo)、軌跡球、觸摸板、指點棍(橡皮圓點)、操縱桿和滾動輪，被人們 熟知可用于向個人計算機(jī)和工作站輸入數(shù)據(jù)并與它們接口。這些設(shè)備能夠快速重定位顯示 器上的光標(biāo)，在很多文本、數(shù)據(jù)庫和圖形程序中很有用處。例如，用戶可通過在一個表面上 移動鼠標(biāo)使得光標(biāo)進(jìn)行與鼠標(biāo)方向一致、距離成比例的運動，從而控制了光標(biāo)的移動。另 外，為了同一目的，也可用手指在靜止裝置(如接觸板)上移動。

發(fā)明內(nèi)容
與一種光學(xué)導(dǎo)航儀器有關(guān)的實施例。該裝置包括裝置表面的一個孔、一個光源 (發(fā)射穿過所述孔的光束)、一個成像系統(tǒng)(配置為接收置于所述孔上的手指被照亮部分所 產(chǎn)生的光以及從檢測器平面上光成像)和一個跟蹤傳感器陣列(位于檢測器平面，該檢測 器配置為檢測所述手指相對于所述孔的側(cè)向移動)。此外，該裝置還包括一個位于檢測器平 面上的舉升傳感器，該檢測器配置為檢測裝置所述表面上的所述手指舉升情況。也披露了 其它實施例、方面和特征。


在閱讀了以下的詳細(xì)說明和隨附的圖式以及以下附加的權(quán)利要求后，本發(fā)明的各 種特征和優(yōu)點有可能會變得清晰。圖1是使用根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中所述的光感應(yīng)基于手指移動二維導(dǎo)航儀 器的示意圖；圖2是圖1裝置中手指在孔上方的垂直運動；圖3描繪了根據(jù)本發(fā)明一個實施例所述的光學(xué)傳感器的二維梳狀陣列；圖4A是跟蹤傳感器陣列的一個示意圖，其元件電子分組為一種雙單元結(jié)構(gòu)以檢 測根據(jù)本發(fā)明一個實施例所述的舉升情況；圖4B是跟蹤傳感器陣列的一個示意圖，其元件電子分組為一種四單元結(jié)構(gòu)以檢 測根據(jù)本發(fā)明另一個實施例所述的舉升情況；圖5是跟蹤傳感器陣列和根據(jù)本發(fā)明另一個實施例所述的鄰近雙單元舉升傳感 器的一個示意圖；圖6是使用根據(jù)本發(fā)明一個實施例所述的使用光學(xué)傳感器基于手指移動的導(dǎo)航 方法的流程圖。
具體實施例方式圖1是使用根據(jù)本發(fā)明一個實施例所述的光學(xué)傳感方法基于手指移動的二維 (x-y維度)導(dǎo)航儀器100的示意圖。如圖1所示，該儀器可優(yōu)選為一種便攜或手持式裝置。 例如，該儀器可以是蜂窩電話機(jī)、個人數(shù)據(jù)助理、便攜式音樂播放器、數(shù)碼相機(jī)、全球定位系 統(tǒng)(GPQ裝置、筆記本電腦、臺式電腦、游戲機(jī)、遙控器或者是這些設(shè)備的組合。用戶在使用這樣的便攜式或手持式設(shè)備時，活動往往是受限制的。因此，十分需要 實施一種小巧的用戶導(dǎo)航系統(tǒng)。本申請公開了一種使用手指移動光學(xué)感應(yīng)方法的非常緊湊 的用戶導(dǎo)航系統(tǒng)。換言之，本申請公開了一項利用對用戶手指移動進(jìn)行光學(xué)感應(yīng)來實現(xiàn)與 鼠標(biāo)類似功能(或許更多功能)的技術(shù)。公開的本儀器利用對用戶手指移動進(jìn)行光學(xué)感應(yīng)的方法與接觸板使用的電容感 應(yīng)法相比有一定的優(yōu)勢。例如，公開的本儀器的軌跡精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的接觸板。如圖1所示，設(shè)備100的表面101配置有一個小孔102。例如，小孔102的直徑可 能小于1厘米。小孔優(yōu)選經(jīng)濟(jì)地設(shè)計為提供一個舒適的接觸面，以便在用戶的手指在手指 導(dǎo)航時能夠平滑移動。用戶的手指110可位于小孔上或小孔102上方。如本文所述，手指在x-y平面(與 裝置表面101平行的平面)上的移動112可以用來產(chǎn)生二維導(dǎo)航信號。如本文進(jìn)一步所述， 二維導(dǎo)航信號可以更好地用光學(xué)手段產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在裝置100內(nèi)部小孔102的下面可能配置有一個激光 和傳感器套件150。在圖1的下面部分是激光和傳感器套件150展開視圖。激光和傳感器套件150可能包含一個感光底層152，其上配置了一個激光源 153(例如一個發(fā)射激光或VCSEL的垂直腔面)和一個傳感器陣列及其電路154。該套件 150也可能包括一體化光學(xué)器件156，其中包括配置為聚焦和引導(dǎo)激光器153發(fā)射以從所 述孔102輸出的光學(xué)器件157，以及配置為將來自用戶手指110的發(fā)散光聚焦和引導(dǎo)至傳感 器陣列154上的光學(xué)器件158。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，散射光在傳感器陣列154的平面上產(chǎn)生一個光斑圖 案。傳感器陣列1 的電路優(yōu)選配置成實施一個二維梳狀陣列以便精確跟蹤光斑圖案的水 平(x-y維度)移動。下面配合圖3對將電路配置成一個二維梳狀陣列進(jìn)行進(jìn)一步描述。從優(yōu)勢上來說，該技術(shù)可檢測手指微小運動。例如，使用這種系統(tǒng)對手指運動進(jìn)行 跟蹤，其精度可超過每英寸(dpi)3000點。實際的精度取決于實施情況，包括操作波長。圖2是手指在圖1裝置100中的小孔102上方的垂直(ζ維度)運動202。除了垂 直(而非水平)運動，圖2與圖1顯示了相同的部件。垂直手指運動202也稱為舉升運動 或舉升高度變化。本發(fā)明一個優(yōu)選實施例包括一個傳感器陣列及電路154，其配置為不僅能檢測手 指在小孔102上方的二維水平運動112，還能檢測手指在小孔102上方手指110的垂直運動 202。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，傳感器陣列IM的電路配置成一個二維梳狀陣列。圖3 為一個由光電二極管檢測器元件構(gòu)成的二維OD)梳狀陣列302的小型實例。二維梳狀陣 列302由64個子陣列304按8X8矩陣排列組成。圖左邊區(qū)域是一個子陣列304的展開圖。每個子陣列304由16個檢測器元件按4X4矩陣方式排列組成。每個子陣列304中的16個檢測器元件中的每個元件被確認(rèn)為8個元件組其中一個組中的一個成員。與每 個子陣列304的每個檢測器元件相關(guān)的組號在展開圖中用數(shù)字(1、2、3、4、5、6、7、8)標(biāo)注。 每組中的信號電子匯聚在一起，成為整個陣列302的信號。形成的組信號(1到8號)從陣 列302中輸出(如圖右側(cè)所示)。差分電路306用于從一對對組信號中產(chǎn)生差分信號。第一個差分信號CC由信號1 和信號2的差分產(chǎn)生。第二個差分信號SC由信號3和信號4的差分產(chǎn)生。第三個差分信 號CS由信號5和信號6的差分產(chǎn)生。第四個差分信號SS由信號7和信號8的差分產(chǎn)生。 這四個差分信號包含了 χ和y方向同相和正交信號的信息。這些χ和y方向的同相和正交信號可用作二維運動信號來跟蹤斑點圖案的水平移 動。換言之，利用X和y方向的同相和正交信號可跟蹤用戶手指Iio在裝置100小孔102 上的水平移動112。圖4A是跟蹤傳感器陣列402的一個示意圖，其元件電子分組為一種雙單元結(jié)構(gòu)以 檢測根據(jù)本發(fā)明一個實施例所述的舉升情況(除了檢測水平位移外)。換言之，在圖4A中， 跟蹤陣列402本身除了具有能檢測其表面上斑點圖案的側(cè)向移動的電路外，還有能檢測用 戶手指110相對于便攜設(shè)備100表面101小孔102的舉升情況的電路。在這種情況下，為了 檢測舉升情況，陣列402的各個光檢測器元件輸出的信號通過計算分為兩組或兩個單元 左單元402-L和右單元402-R。在這種配置中，用戶手指110的舉升動作能夠引起光束中心由左向右(或由右向 左)移動。圖中顯示了三個光束圖像的位置中心光束位置404，其位于列陣402的中心； 光束右偏移位置406 ；以及光束左偏移位置408。當(dāng)光束向右偏移時，左單元402-L檢測到 相對于右單元402-R較弱的強(qiáng)度，因此，光束中心的位置可估計為向右偏移。當(dāng)光束向左偏 移時，右單元402-R檢測到相對于左單元較弱的強(qiáng)度，402-L，因此，光束中心的位置可估計 為向左偏移。在一種實現(xiàn)方式中，垂直方向的舉升量ΔΖ可通過將光束中心偏移ΔΧ除以 入射角θ的正切(tane)值來估算。圖4B是跟蹤傳感器陣列412的一個示意圖，其元件從電子學(xué)上分組為一種四單元 結(jié)構(gòu)以檢測根據(jù)本發(fā)明另一個實施例所述的舉升情況(除了檢測水平位移外)。換言之，在 圖4B中，跟蹤陣列412本身除了具有能檢測用戶手指110相對于小孔102的側(cè)向移動的電 路外，還有能檢測用戶手指110相對于小孔102的電路。在這種情況下，為了檢測舉升情況， 陣列412的各個光檢測器元件輸出的信號通過計算分為四組或四個單元左上單元412-A ； 右上單元412-B ；左下單元412-C和右下單元412-D。在這種配置中，用戶手指110相對于小孔102的舉升動作能夠引起光束中心由左 向右(或由右向左)移動。圖中顯示了三個光束圖像的位置中心光束位置404，其位于列 陣412的中心；光束右偏移位置406 ；以及光束左偏移位置408。當(dāng)光束向右偏移時，左單元 412-A和412-D檢測到相對于右單元412-B和412-C較弱的強(qiáng)度，因此，光束中心的位置可 估計為向右偏移。當(dāng)光束向左偏移時，右單元412-B和412-C檢測到相對于左單元412-A 和412-D較弱的強(qiáng)度，因此，光束中心的位置可估計為向左偏移。在一種實現(xiàn)方式中，垂直 方向的舉升量Δζ可通過將光束中心偏移ΔΧ除以入射角θ的正切(tan θ )值來估算。圖5是跟蹤傳感器陣列502和根據(jù)本發(fā)明另一個實施例所述的鄰近雙單元舉升傳 感器504的一個示意圖。跟蹤傳感器陣列502和舉升傳感器陣列504均可能由同一束光照明。此外，可能使用單獨的照明光束。圖中顯示了三個光束圖像的位置中心光束位置404，其位于陣列412的中心；光 束右偏移位置406 ；以及光束左偏移位置408。如圖4A和圖4B中所示，手指110相對于小 孔102的舉升動作能夠引起光束中心由左向右(或由右向左)移動。當(dāng)光束向右偏移時，左單元502-L檢測到相對于右單元502-R較弱的強(qiáng)度，因此， 光束中心的位置可估計為向右偏移。當(dāng)光束向左偏移時，右單元502-R檢測到相對于左單 元502-L較弱的強(qiáng)度，因此，光束中心的位置可估計為向左偏移。在一種實現(xiàn)方式中，垂直 方向的舉升量ΔΖ可通過將光束中心偏移ΔΧ除以入射角θ的正切(tan0)值來估算。圖6是使用根據(jù)本發(fā)明一個實施例所述的光學(xué)傳感器的基于手指移動的光感導(dǎo) 航方法600的流程圖。如上所述，一束相干的光束(如激光束)被產(chǎn)生出來并通過便攜式 電子設(shè)備表面上的小孔輸出602。激光從用戶可能置于小孔上方附近的手指皮膚表層上散射開來604。散射的光 (在通過小孔返回后)在傳感器上被檢測到606。傳感器裝置的陣列電路優(yōu)選為能配制成既能跟蹤608手指相對于小孔的二維 (x-y)水平位移，同時也能檢測610手指表面相對與裝置表面上小孔的舉升高度變化(ζ位 移)。二維水平位移信號可用612作便攜設(shè)備的用戶輸入信號。例如，二維水平位移信 號可用來控制χ方向或y方向滾動，或者控制光標(biāo)在兩個維度上的移動。同樣地，舉升信號可用614作便攜設(shè)備的用戶輸入信號。例如，舉升信號可用作點 擊信號(與按鼠標(biāo)鍵類似)。在一個具體的實施例中，手指快速上下運動一次可用作對應(yīng)于 鼠標(biāo)“左鍵單擊”的輸入信號，而手指快速上下運動兩次可用作對應(yīng)于鼠標(biāo)“右鍵單擊”的 輸入信號。在另一個具體的實施例中，一個微小的手指舉升(例如表面之上2 4毫米) 和朝一個方向運動(例如y方向)可用作對應(yīng)于撥動滾動輪的輸入信號。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，根據(jù)舉升信號確定的舉升高度可有益地利用，以自動 調(diào)整616水平跟蹤的精度。例如，降低跟蹤精度意味著同樣的檢測到的斑點圖案位移對應(yīng) 于較小的光標(biāo)位移。相反，提高跟蹤精度意味著同樣的檢測到的斑點圖案位移對應(yīng)于較大 的光標(biāo)位移。一般來說，舉升高度變大(也就是手指離小孔越遠(yuǎn))，跟蹤精度自動調(diào)高。相反，舉 升高度越低(也就是手指離小孔越近)，跟蹤精度自動調(diào)小。前面關(guān)于本發(fā)明具體實施例和實施例的描述，是為了說明之目的，雖然前面的實 例對本說明進(jìn)行了說明，但不應(yīng)構(gòu)成對本發(fā)明的限制。這些描述并不求詳盡無遺，也并不將 本發(fā)明局限于披露的形式，鑒于該教導(dǎo)，在本發(fā)明范圍內(nèi)的各種修改、改進(jìn)和變化都是可能 的。本發(fā)明的范圍旨在涵蓋本文中公開的一般性領(lǐng)域，體現(xiàn)在本文附件中的專利要求及其 等同的要求中。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)導(dǎo)航儀器，其特征在于，包括在儀器表面中的一個小孔；一個光源，提供穿過小孔的照明光束；一個具有光軸的成像系統(tǒng)，配置為接收置于小孔上的手指被照亮部分所產(chǎn)生的光并從 檢測器平面上的光產(chǎn)生的圖像；一個位于檢測器平面上的跟蹤傳感器陣列，其配置為檢測手指相對于小孔的側(cè)向移 動；以及一個位于檢測器平面的舉升傳感器，其配置為一個提供代表儀器所述表面上所述手指 的舉升情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其特征在于，跟蹤傳感器陣列包含了一個二維梳狀陣 列檢測器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所所述的儀器，其特征在于，舉升傳感器包含跟蹤傳感器陣列的至 少兩組光檢測元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其特征在于，舉升傳感器使用了與跟蹤傳感器陣列中 的光檢測元件分離的光檢測元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其特征在于，舉升信號用來自動調(diào)整儀器的水平跟蹤 精度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的儀器，其特征在于，水平跟蹤精度隨著舉升高度的增加而自 動增加。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其特征在于，所述儀器包含一個便攜式音樂播放設(shè)備。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其特征在于，所述儀器包含一個蜂窩電話機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其特征在于，所述儀器包含一個便攜式全球定位系統(tǒng)裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其特征在于，所述儀器包含一個遙控裝置。
11.一種使用光學(xué)感應(yīng)的基于手指的導(dǎo)航方法，適用于便攜式電子裝置，其特征在于， 該方法包含提供穿過便攜式電子裝置表面上小孔的照明光束；接收置于小孔上的手指被照亮部分所產(chǎn)生的光；根據(jù)位于檢測器平面上的傳感器陣列上的光來成像；利用傳感器陣列產(chǎn)生的信號跟蹤手指相對于所述孔的側(cè)向運動；以及利用傳感器陣列產(chǎn)生的信號檢測手指在所述孔上方的舉升情況。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，傳感器陣列包含一個二維梳狀陣列檢 測器，其配置為跟蹤斑點圖案的側(cè)向運動。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，傳感器陣列包含與二維梳狀陣列檢測 器分離的光檢測元件，以及配置為檢測光束中心的位移以確定舉升情況的光檢測元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，傳感器陣列包含至少兩組元件，其配置 為檢測光束中心的位移以確定舉升情況。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，傳感器陣列產(chǎn)生的舉升信號用于自動 調(diào)整儀器的水平跟蹤精度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，水平跟蹤精度隨著舉升高度的增加而 自動增加。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該方法可用于為便攜式音樂播放裝置 提供用戶輸入。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該方法可用于為蜂窩電話提供用戶輸入。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該方法可用于為便攜式全球定位系統(tǒng) 裝置提供用戶輸入。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該方法可用于為遙控設(shè)備提供用戶輸入。
21.一種便攜式電子設(shè)備，其配置為使用光學(xué)感應(yīng)提供基于手指的導(dǎo)航，其特征在于， 該設(shè)備包含提供穿過便攜式電子設(shè)備表面上小孔的照明光束的構(gòu)件； 接收置于所述小孔上的手指被照亮部分所產(chǎn)生的光的構(gòu)件； 根據(jù)置于檢測器平面上的傳感器陣列上的光成像的構(gòu)件；禾IJ用傳感器陣列產(chǎn)生的信號跟蹤所述手指相對于所述孔的側(cè)向運動的構(gòu)件；以及利用 傳感器陣列產(chǎn)生的信號檢測所述手指在所述孔上方的舉升位移的構(gòu)件。
全文摘要
有關(guān)一種光學(xué)導(dǎo)航儀器的一種實施例。該裝置包括儀器表面的一個小孔、一個光源(發(fā)射穿過該小孔的光束)、一個成像系統(tǒng)(配置為接收置于所述孔上的手指被照亮部分所產(chǎn)生的光并根據(jù)一個檢測器平面上的光成像)和一個跟蹤傳感器陣列(位于檢測器平面上，其配置為檢測所述手指相對于所述孔的側(cè)向移動)。此外，該儀器還包括一個位于檢測器平面的舉升傳感器，其配置為檢測所述手指相對于儀器所述表面上方的舉升距離。也披露了其它實施例、方面和特征。
文檔編號G06M7/00GK102105895SQ200980116788
公開日2011年6月22日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
發(fā)明者克林頓·卡里斯萊, 史蒂芬·桑德斯, 布萊安·托杜洛夫, 布雷特·史布爾洛克, 徐揚森, 賈杰·特瑞納迪 申請人:賽普拉斯半導(dǎo)體公司