專利名稱：在不使用透鏡的情況下執(zhí)行光學(xué)導(dǎo)航的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在不使用透鏡的情況下執(zhí)行光學(xué)導(dǎo)航的裝置和方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)檢測(cè)光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)與導(dǎo)航表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以執(zhí)行跟蹤操作。光 學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)使用光源在導(dǎo)航表面上產(chǎn)生照明光，并且使用圖像傳感器來(lái)用所反射的照明光 連續(xù)捕獲導(dǎo)航表面的圖像數(shù)據(jù)的幀。光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的連續(xù)幀進(jìn)行比較，并且基 于當(dāng)前圖像數(shù)據(jù)幀和前一圖像數(shù)據(jù)幀之間的比較來(lái)估計(jì)光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)與導(dǎo)航表面之間的 相對(duì)運(yùn)動(dòng)。光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠通過(guò)連續(xù)捕獲并比較圖像數(shù)據(jù)幀來(lái)跟蹤光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)與導(dǎo)航 表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)通常在光學(xué)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)中用于跟蹤鼠標(biāo)相對(duì)于導(dǎo)航表面(鼠標(biāo)在 該導(dǎo)航表面上受到人工操縱)的運(yùn)動(dòng)。光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)還用在光學(xué)手指導(dǎo)航裝置中。在光學(xué) 手指導(dǎo)航裝置中，手指的表面被用作導(dǎo)航表面，來(lái)跟蹤手指相對(duì)于光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的相 對(duì)運(yùn)動(dòng)。一種傳統(tǒng)的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置包括光源和具有圖像傳感器陣列的傳感器芯片，該 光源和傳感器芯片被安裝在印刷電路板上。光學(xué)手指導(dǎo)航裝置包括用于以光學(xué)方式操縱來(lái) 自光源的光的一個(gè)或多個(gè)透鏡，其中來(lái)自光源的光從手指反射到傳感器芯片的圖像傳感器 陣列上。然而，這些透鏡向光學(xué)手指導(dǎo)航系統(tǒng)增加了顯著的高度，并且提高了光學(xué)手指導(dǎo)航 裝置的制造復(fù)雜性和成本。因此，需要一種降低裝置高度且降低裝置的制造復(fù)雜性和成本的用于執(zhí)行光學(xué)手 指導(dǎo)航的裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于執(zhí)行光學(xué)導(dǎo)航的光學(xué)導(dǎo)航裝置和方法使用位于包括圖像傳感器陣列的 傳感器之上的透光撓性膜來(lái)使得圖像傳感器陣列能夠接收來(lái)自目標(biāo)表面的成像光，成像光 是響應(yīng)于從光源發(fā)射到目標(biāo)表面上的照明光而產(chǎn)生的。在傳感器的圖像傳感器陣列處接收 來(lái)自目標(biāo)表面的成像光以捕獲目標(biāo)表面的圖像數(shù)據(jù)幀。然后對(duì)圖像數(shù)據(jù)幀進(jìn)行比較以估計(jì) 目標(biāo)表面與圖像傳感器陣列之間的相對(duì)位移。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種光學(xué)導(dǎo)航裝置包括光源、傳感器和透光撓性膜。光源被 配置為發(fā)射照明光。傳感器包括圖像傳感器陣列，該圖像傳感器陣列被配置為使用來(lái)自目 標(biāo)表面的成像光以電子方式捕獲目標(biāo)表面的圖像數(shù)據(jù)幀。來(lái)自目標(biāo)表面的成像光是響應(yīng)于 發(fā)射到目標(biāo)表面的照明光而產(chǎn)生的。圖像數(shù)據(jù)幀提供目標(biāo)表面相對(duì)于光學(xué)導(dǎo)航裝置的位移 信息。撓性膜具有上表面和下表面。撓性膜相對(duì)于傳感器的圖像傳感器陣列的位置被設(shè)置 成使得來(lái)自目標(biāo)表面的成像光被通過(guò)撓性膜的下表面?zhèn)魉偷絺鞲衅鞯膱D像傳感器陣列。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種用于執(zhí)行光學(xué)導(dǎo)航的方法包括將來(lái)自光源的光發(fā)射到 目標(biāo)表面上以產(chǎn)生來(lái)自目標(biāo)表面的成像光；將來(lái)自目標(biāo)表面的成像光通過(guò)透光撓性膜朝著包括圖像傳感器陣列的傳感器傳送；在傳感器的圖像傳感器陣列處接收從撓性膜傳送出的 來(lái)自目標(biāo)表面的成像光，以捕獲目標(biāo)表面的圖像數(shù)據(jù)幀；以及對(duì)目標(biāo)表面的圖像數(shù)據(jù)幀進(jìn) 行比較，以估計(jì)目標(biāo)表面與圖像傳感器陣列之間的相對(duì)位移。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的一種光學(xué)導(dǎo)航裝置包括光源、傳感器和透光撓性電路 膜。光源被配置為發(fā)射照明光。傳感器包括圖像傳感器陣列，該圖像傳感器陣列被配置為 使用來(lái)自目標(biāo)表面的成像光以電子方式捕獲目標(biāo)表面的圖像數(shù)據(jù)幀。來(lái)自目標(biāo)表面的成像 光是響應(yīng)于發(fā)射到目標(biāo)表面的照明光而產(chǎn)生的。圖像數(shù)據(jù)幀提供目標(biāo)表面相對(duì)于光學(xué)導(dǎo)航 裝置的位移信息。撓性電路膜具有上表面和下表面。撓性電路膜相對(duì)于光源和傳感器的圖 像傳感器陣列的位置被設(shè)置成使得來(lái)自光源的照明光被通過(guò)撓性電路膜而傳送到目標(biāo)表 面并且來(lái)自目標(biāo)表面的成像光被通過(guò)撓性電路膜而傳送到傳感器的圖像傳感器陣列上。撓 性電路膜包括導(dǎo)電跡線。至少一條導(dǎo)電跡線與傳感器電連接。本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)將從結(jié)合附圖的以下詳細(xì)描述中變得清楚，以下詳細(xì)描 述通過(guò)示例說(shuō)明了本發(fā)明的原理。


圖1示出可在各種電子設(shè)備中使用的、根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置。圖2是圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的頂視圖。圖3是圖1的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置沿著線2-2的剖視圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置的導(dǎo)航傳感器的框圖。圖5A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有襟翼區(qū)域的透光撓性膜的頂視圖。圖5B是圖5A的透光撓性膜在襟翼區(qū)域折疊的情況下的頂視圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的導(dǎo)航傳感器的示圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明一替代實(shí)施例的導(dǎo)航傳感器的示圖。圖8根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于執(zhí)行光學(xué)手指導(dǎo)航的方法的處理流程圖。
具體實(shí)施例方式參考圖1，描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100。光學(xué)手指導(dǎo)航裝置 100使得用戶能夠在電子環(huán)境中使用手指來(lái)導(dǎo)航。例如，光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100可用于控制 顯示在電子屏幕上的光標(biāo)或者在顯示在電子屏幕上的不同交互式圖形要素之間移動(dòng)。光學(xué) 手指導(dǎo)航裝置可用作諸如筆記本電腦102、個(gè)人數(shù)字助理(PDA) 104、蜂窩電話106和便攜式 媒體播放器108之類的各種電子設(shè)備中的控制裝置，如圖1所示?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2和圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的各個(gè) 組件。圖2是光學(xué)導(dǎo)航裝置100的頂視圖，而圖3是光學(xué)導(dǎo)航裝置沿著圖2所示的線2-2 的剖視圖。光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100包括基底202、光源204、導(dǎo)航傳感器206和透光撓性膜 208。光源204和導(dǎo)航傳感器206被附接到基底202。撓性膜208位于光源204和導(dǎo)航傳感 器206之上，使得光源和導(dǎo)航傳感器處于基底202與撓性膜之間。光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的基底202是用于為光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的其他組件提 供結(jié)構(gòu)支持的剛性結(jié)構(gòu)。基底202可由任意能夠?yàn)榛滋峁┧鑴傂缘牟牧蠘?gòu)成，該材料 可以是導(dǎo)電的，也可以不是。例如，基底202可由塑料材料構(gòu)成。
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光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的光源204包括上主側(cè)和下主側(cè)。光源204的上主側(cè)是光 源的發(fā)光側(cè)。光源204的下主側(cè)是與上主側(cè)相反一側(cè)。光源204的下主側(cè)與基底202相連， 以使得來(lái)自光源的光朝著透光撓性膜208發(fā)射并且通過(guò)撓性膜透射到目標(biāo)導(dǎo)航表面210中 (僅在圖3中示出)，目標(biāo)導(dǎo)航表面210通常是用戶手指的指尖表面。由于光學(xué)手指導(dǎo)航裝 置100是針對(duì)用戶的指尖表面設(shè)計(jì)的，因此在本申請(qǐng)中，目標(biāo)導(dǎo)航表面210有時(shí)將稱為指尖 表面。然而，這里明確指出，可使用其他表面作為目標(biāo)導(dǎo)航表面210。如圖2所示，光源204 包括位于光源的上主側(cè)(光源的發(fā)光側(cè))的發(fā)光半導(dǎo)體管芯212。發(fā)光半導(dǎo)體管芯212可 以是發(fā)光二極管、激光二極管或者任何其他能夠發(fā)射諸如可見(jiàn)光或紅外(IR)光之類的任 何類型光的半導(dǎo)體管芯。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體管芯212是垂直發(fā)射IR LED管芯。雖然 光源204被示出為位于撓性膜208與基底202之間，但是在其他實(shí)施例中光源也可以位于 不同的位置，只要來(lái)自光源的光可被透射到指尖表面即可。光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的導(dǎo)航傳感器206也被附接到基底202。在一個(gè)實(shí)施例中， 如圖4所示，導(dǎo)航傳感器206可以是集成電路芯片，其包括驅(qū)動(dòng)器電路402、圖像傳感器陣 列404和處理器406。導(dǎo)航傳感器206還可以包括圖像傳感器陣列404的支持電路(未示 出)，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器和行列譯碼器。導(dǎo)航傳感器206還可以包括通常在用于光學(xué)手指導(dǎo)航 的傳統(tǒng)導(dǎo)航傳感器中找到的其他元件。導(dǎo)航傳感器206的驅(qū)動(dòng)器電路402被配置為產(chǎn)生用于光源204的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在一 個(gè)實(shí)施例中，如下面更詳細(xì)所述，來(lái)自驅(qū)動(dòng)器電路402的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被經(jīng)由撓性膜傳送到光 源204以激活光源來(lái)產(chǎn)生照明光，照明光被發(fā)射到指尖表面210中。發(fā)射到指尖表面210 的照明光在手指內(nèi)被散射，使得手指“發(fā)出”或者放出光。這種響應(yīng)于發(fā)射到指尖表面210 的照明光而產(chǎn)生的光在本申請(qǐng)中稱為“成像光”。導(dǎo)航傳感器206的圖像傳感器陣列404是感光像素元件408的陣列，感光像素元 件408響應(yīng)于入射到這些元件上的光而產(chǎn)生信號(hào)，其中每個(gè)信號(hào)代表入射到圖像傳感器陣 列的特定元件上的光的強(qiáng)度或量。這些信號(hào)在本申請(qǐng)中被稱為圖像數(shù)據(jù)。這樣，圖像傳感器 陣列404能夠響應(yīng)于入射光(即，來(lái)自指尖表面210的、被圖像傳感器陣列接收的成像光) 而順次捕獲圖像數(shù)據(jù)的幀。這些圖像數(shù)據(jù)幀被用于進(jìn)行圖像相關(guān)，以估計(jì)指尖表面210相 對(duì)于光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的圖像傳感器陣列404的任何位移。例如，圖像傳感器陣列404 可以是電荷耦合器件(CCD)成像陣列或者互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)成像陣列。圖像傳 感器陣列404中所包括的感光像素元件408的數(shù)目可以是各種各樣的。例如，圖像傳感器 陣列404可以是感光像素元件的21X21陣列，該陣列可以包括有源感光像素元件的19X19 陣列以及啞元像素元件(dummy pixel element)的框架。導(dǎo)航傳感器206的處理器406被配置來(lái)控制導(dǎo)航傳感器的各種組件(包括驅(qū)動(dòng)器 電路402和圖像傳感器陣列404)，以提供發(fā)射到指尖表面210的照明光并且響應(yīng)于來(lái)自指 尖表面的成像光而以電子方式捕獲指尖表面的圖像數(shù)據(jù)幀。處理器406與驅(qū)動(dòng)器電路402 電連接，以向驅(qū)動(dòng)器電路提供控制信號(hào)，從而指示驅(qū)動(dòng)器電路向光源204施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái) 激活光源。處理器406還經(jīng)由支持電路(未示出)而與圖像傳感器陣列404電連接，以提 供控制信號(hào)，用于控制電信號(hào)或者電荷在圖像傳感器陣列的感光像素元件408上的積累， 從而產(chǎn)生用于進(jìn)行相關(guān)的每個(gè)圖像數(shù)據(jù)幀。這樣，處理器406能夠控制圖像傳感器陣列404 的幀速率。
處理器406可以是諸如微處理器或者微控制器之類的通用數(shù)字處理器。在其他實(shí) 施例中，處理器406可以是諸如數(shù)字信號(hào)處理器之類的專用處理器。在其他實(shí)施例中，處理 器406可以是其他類型的控制器或者現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。在一個(gè)實(shí)施例中，處理器406包括被編程到處理器中的導(dǎo)航引擎410。然而，在其 他實(shí)施例中，導(dǎo)航引擎410可以是分離的組件?？捎密浖?、硬件和/或固件的任意組合來(lái)實(shí) 現(xiàn)導(dǎo)航引擎410。導(dǎo)航引擎410進(jìn)行操作來(lái)對(duì)圖像傳感器陣列404所捕獲的圖像數(shù)據(jù)幀進(jìn) 行相關(guān)，以估計(jì)指尖表面210相對(duì)于X和Y方向的任何橫向位移改變，其中X和Y方向與導(dǎo) 航傳感器206的上表面平行。對(duì)圖像數(shù)據(jù)幀進(jìn)行相關(guān)以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)或?qū)Ш降奶幚硎枪?的，因此這里不對(duì)其進(jìn)行描述。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)航引擎410的輸出包括方向性的增量χ 位移值和方向性的增量y位移值。每個(gè)方向性的位移值包括表明方向的正負(fù)符號(hào)信息以及 表明在該方向上的位移量的絕對(duì)位移值。這樣，χ位移值表示沿著X軸的位移改變，而y位 移值表示沿著Y軸的位移改變。在一種具體實(shí)現(xiàn)方式中，方向性的增量χ和y位移值是以 十六進(jìn)制數(shù)字的形式產(chǎn)生的。雖然驅(qū)動(dòng)器電路402、圖像傳感器陣列404和處理器406在所示實(shí)施例中被集成到 導(dǎo)航傳感器206中，但是在其他實(shí)施例中，這些組件中的一些或全部可以是在實(shí)體上分開(kāi) 的裝置?，F(xiàn)在參考圖2和圖3來(lái)更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100 的透光撓性膜208。如圖2和圖3所示，撓性膜208在光源204和導(dǎo)航傳感器206 二者之 上延伸。撓性膜208包括上表面314和下表面316。撓性膜208的上表面314是指尖表面 210與光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100接合的表面。這樣，在正常操作期間，指尖表面210與撓性膜 的上表面314相接觸并且沿著上表面移動(dòng)。撓性膜208的下表面316被設(shè)計(jì)為接收來(lái)自光 源204的發(fā)光半導(dǎo)體管芯212的照明光并且將來(lái)自指尖表面210的成像光通過(guò)撓性膜的下 表面316傳送到導(dǎo)航傳感器206的圖像傳感器陣列404上。這樣，透光撓性膜208用作介 質(zhì)，將來(lái)自發(fā)光半導(dǎo)體管芯212的照明光傳送到指尖表面210并且將來(lái)自指尖表面210的 成像光傳送到圖像傳感器陣列404。在操作期間，當(dāng)指尖表面210在撓性膜208 (在導(dǎo)航傳感器206的圖像傳感器陣列 404之上)的上表面314上時(shí)，來(lái)自光源204的照明光被發(fā)射到指尖表面中，使得由于照明 光在手指內(nèi)的散射而使手指“發(fā)出”或者放出成像光。因?yàn)槌上窆馐菑氖种阜懦龅?，所以?于在指尖的凹陷之處與撓性膜208之間的空間中存在空氣并且在指尖的隆起之處與撓性 膜之間不存在空氣，使得指尖表面的隆起和凹陷引起不同的菲涅耳反射。不同的菲涅耳反 射產(chǎn)生足以對(duì)所捕獲的圖像數(shù)據(jù)幀中的指尖210的凹陷和隆起進(jìn)行區(qū)分的對(duì)比度，這可用 來(lái)估計(jì)指尖在光學(xué)導(dǎo)航裝置100上的相對(duì)位移。透光撓性膜208可由各種透光撓性材料構(gòu)成。例如，撓性膜208可由諸如聚酰亞 胺之類的聚合物構(gòu)成。在一些實(shí)施例中，撓性膜208由Kapton構(gòu)成(“Kapton”是DuPont 的商標(biāo))。在一個(gè)實(shí)施例中，撓性膜208的上表面314可以涂敷有增強(qiáng)透射的材料以提高撓 性膜的透射率。例如，撓性膜可涂敷有Teflon AF ( “Teflon”是DuPont的商標(biāo))。在光源 204發(fā)射IR光的實(shí)施例中，增強(qiáng)透射的涂層可以具有以IR光為目標(biāo)的增強(qiáng)透射材料。與光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100的厚度相比，透光撓性膜208的厚度可以相對(duì)較薄。例 如，撓性膜208可以是IOym-IOO μ m，例如大約25 μ m 士 lOym。在操作期間，當(dāng)指尖表面210在撓性膜208 (在導(dǎo)航傳感器206的圖像傳感器陣列404之上)的上表面314上時(shí)，被 成像的指尖表面區(qū)域貼近圖像傳感器陣列，無(wú)法提供足夠的空間來(lái)使來(lái)自所成像的指尖區(qū) 域的成像光極大地散射，從而產(chǎn)生能夠有效地用于光學(xué)導(dǎo)航的圖像數(shù)據(jù)幀。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，如圖2所示，透光撓性膜208包括主要區(qū)域214和尾部區(qū)域 216。撓性膜208還包括具有輸入/輸出(I/O)接合焊盤222的導(dǎo)電跡線220，導(dǎo)電跡線220 跨越撓性膜的尾部區(qū)域216而延伸到連接器218。I/O接合焊盤222用于電連接到導(dǎo)航傳 感器206，而連接器218用于電連接到電子設(shè)備(諸如筆記本電腦102、PDA 104、蜂窩電話 106或者便攜式媒體播放器108)的外部電路。這樣，撓性膜208可被看作撓性電路膜或者 撓性電路。在本實(shí)施例中，可使用各向異性導(dǎo)電膜(ACF)來(lái)將導(dǎo)航傳感器206接合到撓性 膜208，將導(dǎo)航傳感器206的至少一些I/O接合焊盤(未示出)與撓性膜的至少一些I/O接 合焊盤222電連接。在一些實(shí)施例中，光源204還可與撓性膜208的至少一條其他導(dǎo)電跡 線電連接，從而與導(dǎo)航傳感器206電連接。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖5A所示，撓性膜208還包括襟翼區(qū)域502，襟翼區(qū)域502用 于將光源204附接到撓性膜。在該實(shí)施例中，光源204的底部主側(cè)附接到撓性膜208的襟 翼區(qū)域的下表面316，以使得光源204的發(fā)光側(cè)(即，上主側(cè))背對(duì)襟翼區(qū)域。附接有光源 204的撓性膜208的襟翼區(qū)域502然后在撓性膜的主要部分下方被折疊，使得光源的發(fā)光 側(cè)現(xiàn)在面向撓性膜的主要區(qū)域214的下表面316，如圖5B所示。這樣，在本實(shí)施例中，光源 204的下主側(cè)經(jīng)由撓性膜208的襟翼區(qū)域502而與基底202相連。另外，光源204可利用撓 性膜208的至少一條電跡線(該電跡線跨越撓性膜208的襟翼區(qū)域502而朝導(dǎo)航傳感器延 伸)而與導(dǎo)航傳感器206電連接。在其他實(shí)施例中，光源204可在不使用撓性膜208的襟 翼區(qū)域502的情況下附接到基底202，并且/或者，光源可利用除了撓性膜的電跡線之外的 電連接或路徑來(lái)與導(dǎo)航傳感器206電連接。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖6，示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的導(dǎo)航傳感器600。導(dǎo)航傳感器600可 代替導(dǎo)航傳感器206用在光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100中。在該實(shí)施例中，導(dǎo)航傳感器600包括 用于不同操作模式的兩個(gè)圖像傳感器陣列602和604。第一圖像傳感器陣列602被設(shè)計(jì)為 在光學(xué)導(dǎo)航操作模式期間用于跟蹤指尖表面210的運(yùn)動(dòng)。第二圖像傳感器陣列604被設(shè)計(jì) 為在指紋成像操作模式期間使用，指紋成像操作模式可以是指紋認(rèn)證處理或者其他需要指 紋圖像的處理的一部分。導(dǎo)航傳感器600的第一圖像傳感器陣列602是方形或者稍微矩形的圖像傳感器陣 列，其能夠捕獲足夠大的圖像數(shù)據(jù)幀從而進(jìn)行相關(guān)來(lái)計(jì)算相對(duì)位移值。一般而言，第一圖像 傳感器陣列602至少是有源感光像素元件的5X5陣列。第一圖像傳感器陣列602可以與 導(dǎo)航傳感器206的圖像傳感器陣列404相同。導(dǎo)航傳感器600的第二圖像傳感器陣列604是細(xì)長(zhǎng)的圖像傳感器陣列，可以用于 在與第二圖像傳感器陣列的長(zhǎng)度垂直的方向上跨越第二圖像傳感器陣列掃描指尖表面時(shí)， 對(duì)整個(gè)指尖表面210或者指尖表面210的大部分進(jìn)行成像。一般而言，第二圖像傳感器陣 列604具有的尺度使得第二圖像傳感器陣列的有源感光像素的寬長(zhǎng)比至少為1比N，其中N 是等于或大于5的整數(shù)。例如，第二圖像傳感器陣列可以是有源感光像素元件的IX 128陣 列，啞元像素元件圍繞這些有源像素元件。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100在光學(xué)導(dǎo)航模式中操作時(shí)，只使用第一圖像傳感器陣列602來(lái)連續(xù)捕獲指尖表面210的圖像數(shù)據(jù)幀以用于相對(duì)位移估計(jì)。然而， 當(dāng)光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100在指紋成像模式中操作時(shí)，第一圖像傳感器陣列602和第二圖像 傳感器陣列604 二者被一起用來(lái)對(duì)指尖表面210進(jìn)行成像。第一圖像傳感器陣列602用于 獲得手指的速率和位置信息，例如手指多么快地滑過(guò)光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100以及手指多么 直地行進(jìn)。第二圖像傳感器陣列604用于以掃描方式對(duì)指尖表面210進(jìn)行成像，即，將指尖 表面的多個(gè)部分圖像接起來(lái)以創(chuàng)建指尖表面的單幅復(fù)合圖像，這與掃描儀對(duì)文件進(jìn)行成像 的方式類似。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖7，示出根據(jù)本發(fā)明一替代實(shí)施例的導(dǎo)航傳感器700。圖7的導(dǎo)航傳感 器700與圖6的導(dǎo)航傳感器600類似。然而，在該替代實(shí)施例中，導(dǎo)航傳感器700包括一個(gè) 一體的圖像傳感器陣列706，該陣列是導(dǎo)航傳感器600的兩個(gè)圖像傳感器陣列602和604 — 體化成單個(gè)圖像傳感器陣列。導(dǎo)航傳感器700的單個(gè)圖像傳感器陣列706被設(shè)計(jì)為執(zhí)行與 導(dǎo)航傳感器600的兩個(gè)圖像傳感器陣列602和604相同的操作。如圖7所示，圖像傳感器陣列706包括第一部分708和第二部分710，第二部分 710部分地與第一部分重疊。圖像傳感器陣列的第一部分708與導(dǎo)航傳感器600的第一圖 像傳感器陣列602類似。因此，在光學(xué)導(dǎo)航操作模式期間使用圖像傳感器陣列706的第一 部分708。圖像傳感器陣列706的第二部分710與導(dǎo)航傳感器600的第二圖像傳感器陣列 604類似。因此，在指紋成像操作模式器件使用圖像傳感器陣列706的第二部分710。在圖 像傳感器陣列706的第一部分708包括有源像素元件的19X 19陣列并且圖像傳感器陣列 706的第二部分710包括有源像素元件的1X128陣列的特定實(shí)施例中，第一部分和第二部 分的重疊區(qū)域包括有源像素元件的1X19陣列。雖然圖像傳感器陣列706的第一部分708在圖7中被示出為位于第二部分710的 中心，但是第一部分可以位于使得第一部分與第二部分部分地重疊的任意地方。在其他實(shí) 施例中，圖像傳感器陣列706的第一部分708可以不與圖像傳感器陣列的第二部分710重疊。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100在光學(xué)導(dǎo)航模式中操作時(shí)，只使用圖 像傳感器陣列706的第一部分708來(lái)連續(xù)捕獲指尖表面210的圖像數(shù)據(jù)幀以用于相對(duì)位移 估計(jì)。然而，當(dāng)光學(xué)手指導(dǎo)航裝置100在指紋成像模式中操作時(shí)，圖像傳感器陣列706的第 一部分708和第二部分710 二者被一起用來(lái)對(duì)指尖表面210進(jìn)行成像。圖像傳感器陣列 706的第一部分708用于獲得手指的速率和位置信息，即，手指多么快地滑過(guò)光學(xué)手指導(dǎo)航 裝置100以及手指多么直地行進(jìn)。圖像傳感器陣列706的第二部分710用于以掃描方式對(duì) 指尖表面210進(jìn)行成像。雖然導(dǎo)航傳感器600和700使用具有感光像素的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)圖像傳感器，但 是將兩個(gè)傳感器陣列或者具有不同部分的單個(gè)圖像傳感器陣列用于導(dǎo)航操作模式和指紋 成像操作模式的技術(shù)也可以適用于使用電容性感測(cè)像素的導(dǎo)航傳感器。參考圖8的處理流程圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于執(zhí)行光學(xué)導(dǎo)航的方法。在框 802，從光源向目標(biāo)表面發(fā)射照明光以產(chǎn)生來(lái)自目標(biāo)表面的成像光。在框804，來(lái)自目標(biāo)表面 的成像光被通過(guò)透光撓性膜而朝著包括圖像傳感器陣列的傳感器傳送。在框806，在傳感器 的圖像傳感器陣列處接收從撓性膜傳送出的來(lái)自目標(biāo)表面的成像光，以捕獲目標(biāo)表面的圖 像數(shù)據(jù)幀。在框808，對(duì)目標(biāo)表面的圖像數(shù)據(jù)幀進(jìn)行比較，以估計(jì)目標(biāo)表面與圖像傳感器陣
9列之間的相對(duì)位移。 雖然描述并說(shuō)明了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是本發(fā)明不限于如此描述和說(shuō)明的具 體形式或布置。本發(fā)明的范圍將由所附權(quán)利要求及其等同物來(lái)限定。
權(quán)利要求
一種光學(xué)導(dǎo)航裝置，包括光源，被配置為發(fā)射照明光；包括圖像傳感器陣列的傳感器，所述圖像傳感器陣列被配置為使用來(lái)自目標(biāo)表面的成像光以電子方式捕獲所述目標(biāo)表面的圖像數(shù)據(jù)幀，來(lái)自所述目標(biāo)表面的成像光是響應(yīng)于發(fā)射到所述目標(biāo)表面中的照明光而產(chǎn)生的，所述圖像數(shù)據(jù)幀提供所述目標(biāo)表面相對(duì)于所述光學(xué)導(dǎo)航裝置的位移信息；以及透光撓性膜，具有上表面和下表面，所述撓性膜相對(duì)于所述傳感器的圖像傳感器陣列的位置被設(shè)置成使得來(lái)自所述目標(biāo)表面的成像光被通過(guò)所述撓性膜的下表面?zhèn)魉偷剿鰝鞲衅鞯膱D像傳感器陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)導(dǎo)航裝置，其中，所述透光撓性膜包括聚酰亞胺。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)導(dǎo)航裝置，其中，所述透光撓性膜的上表面涂敷有增強(qiáng)透 射的材料。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)導(dǎo)航裝置，其中，所述透光撓性膜包括導(dǎo)電跡線，至少一條 所述導(dǎo)電跡線與所述傳感器電連接。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)導(dǎo)航裝置，其中，所述透光撓性膜的至少一條所述導(dǎo)電跡 線被利用各向異性導(dǎo)電膜而與所述傳感器電接合。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)導(dǎo)航裝置，其中，所述光源被配置為發(fā)射紅外光。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)導(dǎo)航裝置，其中，所述傳感器包括導(dǎo)航引擎，該導(dǎo)航引擎被 配置為利用來(lái)自所述圖像傳感器陣列的目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)幀來(lái)估計(jì)所述目標(biāo)表面與所述光 學(xué)導(dǎo)航裝置之間的相對(duì)位移。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)導(dǎo)航裝置，還包括基底，所述光源和所述傳感器被附接在 該基底上。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)導(dǎo)航裝置，其中，所述傳感器還包括第二圖像傳感器陣列， 所述第二圖像傳感器陣列具有的尺度使有源感光像素的寬長(zhǎng)比至少為1比N，其中N是等于 或大于5的整數(shù)，所述第二圖像傳感器陣列用于以掃描方式對(duì)所述目標(biāo)表面進(jìn)行成像。
10.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)導(dǎo)航裝置，其中，所述圖像傳感器陣列和所述第二圖像傳 感器陣列是一個(gè)圖像傳感器陣列的多個(gè)部分。
11.一種用于執(zhí)行光學(xué)導(dǎo)航的方法，該方法包括將來(lái)自光源的照明光發(fā)射到目標(biāo)表面中，以產(chǎn)生來(lái)自所述目標(biāo)表面的成像光； 將來(lái)自所述目標(biāo)表面的成像光通過(guò)透光撓性膜朝著包括圖像傳感器陣列的傳感器傳送；在所述傳感器的圖像傳感器陣列處接收從所述撓性膜傳送出的來(lái)自所述目標(biāo)表面的 成像光，以捕獲所述目標(biāo)表面的圖像數(shù)據(jù)幀；以及對(duì)所述目標(biāo)表面的這些圖像數(shù)據(jù)幀進(jìn)行比較，以估計(jì)所述目標(biāo)表面與所述圖像傳感器 陣列之間的相對(duì)位移。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述的傳送包括將來(lái)自所述目標(biāo)表面的成像光 傳送通過(guò)包括聚酰亞胺的所述透光撓性膜。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述透光撓性膜的上表面涂敷有增強(qiáng)透射的材料。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括經(jīng)由所述透光撓性膜的至少一條導(dǎo)電跡線輸出 來(lái)自所述傳感器的信號(hào)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述透光撓性膜的至少一條導(dǎo)電跡線被利用各 向異性導(dǎo)電膜而與所述傳感器接合。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述的發(fā)射包括從所述光源向所述目標(biāo)表面發(fā) 射紅外光。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括利用所述傳感器的第二圖像傳感器陣列以掃描 方式對(duì)所述目標(biāo)表面進(jìn)行成像，所述第二圖像傳感器陣列具有的尺度使有源感光像素的寬 長(zhǎng)比至少為1比N，其中N是等于或大于5的整數(shù)，所述第二圖像傳感器陣列用于以掃描方 式對(duì)所述目標(biāo)表面進(jìn)行成像。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述圖像傳感器陣列和所述第二圖像傳感器陣 列是一個(gè)圖像傳感器陣列的多個(gè)部分。
19.一種光學(xué)導(dǎo)航裝置，包括光源，被配置為發(fā)射照明光；包括圖像傳感器陣列的傳感器，所述圖像傳感器陣列被配置為使用來(lái)自目標(biāo)表面的成 像光以電子方式捕獲所述目標(biāo)表面的圖像數(shù)據(jù)幀，來(lái)自所述目標(biāo)表面的成像光是響應(yīng)于發(fā) 射到所述目標(biāo)表面中的照明光而產(chǎn)生的，所述圖像數(shù)據(jù)幀提供所述目標(biāo)表面相對(duì)于所述光 學(xué)導(dǎo)航裝置的位移信息；以及透光撓性電路膜，具有上表面和下表面，所述撓性電路膜相對(duì)于所述光源和所述傳感 器的圖像傳感器陣列的位置被設(shè)置成使得來(lái)自所述光源的照明光被通過(guò)所述撓性電路膜 而傳送到所述目標(biāo)表面中、并且來(lái)自所述目標(biāo)表面的成像光被通過(guò)所述撓性電路膜而傳送 到所述傳感器的圖像傳感器陣列上，所述撓性電路膜包括導(dǎo)電跡線，至少一條所述導(dǎo)電跡 線與所述傳感器電連接。
20.如權(quán)利要求19所述的光學(xué)導(dǎo)航裝置，其中，所述傳感器還包括第二圖像傳感器陣 列，所述第二圖像傳感器陣列具有的尺度使得有源感光像素的寬長(zhǎng)比至少為1比N，其中N 是等于或大于5的整數(shù)，所述第二圖像傳感器陣列用于以掃描方式對(duì)所述目標(biāo)表面進(jìn)行成 像。
全文摘要
本發(fā)明涉及在不使用透鏡的情況下執(zhí)行光學(xué)導(dǎo)航的裝置和方法。一種用于執(zhí)行光學(xué)導(dǎo)航的光學(xué)導(dǎo)航裝置和方法使用位于包括圖像傳感器陣列的傳感器之上的透光撓性膜來(lái)使得圖像傳感器陣列能夠接收來(lái)自目標(biāo)表面的成像光，成像光是響應(yīng)于從光源發(fā)射到目標(biāo)表面上的照明光而產(chǎn)生的。在傳感器的圖像傳感器陣列處接收來(lái)自目標(biāo)表面的成像光以捕獲目標(biāo)表面的圖像數(shù)據(jù)幀。然后對(duì)圖像數(shù)據(jù)幀進(jìn)行比較以估計(jì)目標(biāo)表面與圖像傳感器陣列之間的相對(duì)位移。
文檔編號(hào)G06F3/033GK101901066SQ201010193949
公開(kāi)日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月28日
發(fā)明者蒂莫西·J·奧斯利, 邁克爾·J·布羅斯南 申請(qǐng)人:安華高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司