使用多個光電檢測器分段的運(yùn)動和簡單姿態(tài)檢測的制作方法
【專利摘要】一光電子裝置選擇性地驅(qū)動光源，并包括檢測已反射離開一物體的光的四個電氣隔絕的光電檢測器(PD)分段。這四個PD分段中的每一個產(chǎn)生一相應(yīng)的信號，這些信號被稱為信號A、B、C和D，它們指示由相應(yīng)的PD分段檢測到的光。使用電路來產(chǎn)生第一運(yùn)動信號，該第一運(yùn)動信號指示信號A與信號B之和減去信號C與信號D之和，即第一運(yùn)動信號指示(A+B)-(C+D)。又一電路產(chǎn)生指示(B+C)-(A+D)的第二運(yùn)動信號。根據(jù)第一運(yùn)動信號和第二運(yùn)動信號產(chǎn)生指示物體的運(yùn)動方向和/或運(yùn)動速度的信號和/或數(shù)據(jù)。
【專利說明】使用多個光電檢測器分段的運(yùn)動和簡單姿態(tài)檢測
[0001]優(yōu)先權(quán)聲明
[0002]本申請要求2012年6月14日提交的題為“MOTION AND SIMPLE GESTUREDETECTION USING MULTIPLE PHOTODETECTOR SEGMENTS (使用多個光電檢測器分段的運(yùn)動和簡單姿態(tài)檢測)”的美國專利申請N0.13/523，777的優(yōu)先權(quán)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本申請涉及光電子裝置以及伴隨其使用的方法，它們可用來產(chǎn)生指示物體運(yùn)動方向的信號和/或數(shù)據(jù)。另外，在具體實施例中，指示物體運(yùn)動方向的信號和/或數(shù)據(jù)也指示物體的運(yùn)動角。這些實施例可用來檢測簡單的姿態(tài)。另外，本文描述的實施例可用來在有效沖程運(yùn)動和回程運(yùn)動之間作出區(qū)別。
現(xiàn)有技術(shù)
[0004]例如觸敏屏幕的技術(shù)已允許使用者無需使用鼠標(biāo)和/或鍵盤地將輸入提供給諸如移動電話和平板電腦之類的電子設(shè)備。觸敏屏幕的示例包括電容性傳感器、壓敏薄膜、帶四周光源和傳感器的光束切斷技術(shù)以及聲波定距技術(shù)。然而，這些類型的接口只能將關(guān)于觸摸事件本身的信息提供給設(shè)備，并因此應(yīng)用可能受到限制。另外，這些類型的接口對于在給定的時間量能夠處理的觸摸事件的次數(shù)也存在限制，并且容易將非故意的接觸(例如來自襯衫袖口或手掌的接觸)解釋為觸摸事件。
[0005]作為觸敏屏幕的另一選擇，已研發(fā)出光學(xué)運(yùn)動和/或姿態(tài)識別傳感器，這種傳感器可用來識別在傳感器感測區(qū)域內(nèi)的物體(例如人的手指)的不同運(yùn)動。典型地，這些光學(xué)傳感器依賴于多個空間上分散的光源、多個空間上分散的光電檢測器或兩者兼有，以使光學(xué)傳感器在沿一個或兩個方向上的運(yùn)動之間作出區(qū)別。例如，一種已有的傳感器包括:光電檢測器，在該光電檢測器的兩側(cè)均設(shè)有紅外發(fā)光二極管(IR-LED)，所述IR-LED與光電檢測器相距幾十毫米以提供充分的角分辨率，以及第三IR-LED，所述第三IR-LED沿與前面兩個IR-LED和光電檢測器所在的直線正交的方向與光電檢測器相距幾十毫米。循序地以脈沖方式每次驅(qū)動這些IR-LED中的一個，以使檢測到的反射光信號可與正確的光源及其相對于光電檢測器的已知位置相關(guān)聯(lián)。從檢測到的反射光脈沖，姿態(tài)識別算法確定目標(biāo)物體(例如使用者的手指)的方向和速度。
[0006]前述示例性光學(xué)傳感器的一個缺點在于，它需要至少三個空間上分散的光源來檢測兩個方向(例如X方向和y方向)上的移動，或至少兩個空間上分散的光源來檢測一個方向(例如僅X方向)上的移動。因此，由于光源和光電檢測器之間所需的空間距離，該傳感器需要相對大的覆蓋面積。另外，該傳感器需要在光源之上的相對大的孔口(即窗)，或需要多個孔口。
[0007]由于這些傳感器經(jīng)常包含在例如移動電話、平板電腦之類的便攜式設(shè)備之內(nèi)，減小這類設(shè)備的覆蓋面積將是有利的。另外，減少這些傳感器所需的光源數(shù)也是有利的，從而例如更易于將這些傳感器納入到例如移動電話、平板電腦等設(shè)備中。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光電子裝置100 (也稱光學(xué)傳感器、光學(xué)運(yùn)動傳感器或姿態(tài)識別傳感器)，該光電子裝置100可用于包括簡單姿態(tài)識別的運(yùn)動檢測。例如，如下文中更詳細(xì)描述的那樣，光電子裝置100可用來檢測水平的左向右運(yùn)動、水平的右向左運(yùn)動、垂直的上至下運(yùn)動和垂直的下至上運(yùn)動。光電子裝置100也可用來檢測運(yùn)動角。另外，如下文中描述的那樣，光電子裝置100可用來在有效的沖程運(yùn)動和回程運(yùn)動之間作出區(qū)別。
[0009]參見圖1，光電子裝置100圖示為包括選擇性地驅(qū)動光源102的驅(qū)動器106。光源102優(yōu)選為單個發(fā)光元件，例如但不局限于，發(fā)光二極管(LED)、有機(jī)LED (0LED)、塊狀發(fā)光LED、表面發(fā)光LED、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、超輻射發(fā)光二極管(SLED)、激光二極管或像素二極管。光源102可發(fā)射紅外(IR)或近IR光、或其它波長的光。驅(qū)動器106受控制器120控制，該控制器120可使用微處理器、狀態(tài)機(jī)和/或類似的電路來實現(xiàn)。
[0010]光電子裝置100還包括四個光電檢測器(PD)分段112，這些分段112是彼此電氣隔絕的。如果當(dāng)驅(qū)動器106驅(qū)動光源102射出光時在光電子裝置100的感測區(qū)域內(nèi)存在物體104 (也稱目標(biāo)或目標(biāo)物體)，則一部分射出的光將反射離開該物體并(以變化的角度)入射到四個ro分段112上，如下文中更詳細(xì)描述的那樣。四個ro分段中的每一個將產(chǎn)生輸出信號(例如電流信號)，該輸出信號指示所檢測的光的強(qiáng)度。四個ro分段112的輸出被提供給運(yùn)動和總輻射信號發(fā)生電路114，該運(yùn)動和總輻射信號發(fā)生電路114也受控制器120控制。運(yùn)動和總輻射信號發(fā)生電路114的輸出被提供給運(yùn)動方向和速度檢測電路116。根據(jù)本發(fā)明具體實施例的四個ro分段112以及運(yùn)動和總輻射信號發(fā)生電路114的額外細(xì)節(jié)將在下面結(jié)合圖2A予以說明。根據(jù)本發(fā)明具體實施例的運(yùn)動方向和速度檢測電路116的額外細(xì)節(jié)將在下面結(jié)合圖2B予以說明。
[0011]根據(jù)一個實施例，四個ro分段112中的每一個優(yōu)選地盡可能靠近其相鄰的ro分段，從而使光學(xué)傳感器100的總覆蓋面積減至最小。另外，光源102優(yōu)選地盡可能靠近四個ro分段112中最接近的兩個，從而使光學(xué)傳感器100的總覆蓋面積減至最小，并使光源和PD分段相對彼此空間偏移的影響減至最小。根據(jù)一個實施例，不透明遮光板108使光源102與四個ro分段112光學(xué)地隔離，從而減少并優(yōu)選地防止光從光源102不首先從物體104反射地直接透過ro分段112。
[0012]依賴于由光源102射出的光的波長，使ro分段112由適當(dāng)濾光器(例如阻斷可見光的濾光器)覆蓋以排斥環(huán)境光是有利的，由此ro響應(yīng)不被環(huán)境光所淹沒。作為附加或替代，可使用其它技術(shù)來排斥或如若不然抵消環(huán)境光，所述其它技術(shù)例如但不局限于2010年3 月 2 日由 Xijian Lin 提交的題為 “Proximity Sensors with Improved Ambient LightRejeCtion(具有提高的環(huán)境光排斥性的接近度傳感器)”的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請N0.12/716，220 (委托案號N0.ELAN-01236US1)中披露的那些技術(shù)。
[0013]光電子裝置100還圖示為包括用來存儲運(yùn)動檢測數(shù)據(jù)的寄存器和/或存儲器118。輸入/輸出接口 122可用來訪問存儲在寄存器和/或存儲器118中的該運(yùn)動檢測數(shù)據(jù)。控制器120也控制I/O接口 122，能經(jīng)由I/O接口接收指令，并能經(jīng)由I/O接口將指令輸出至外部電路/處理器。根據(jù)一具體實施例，除光源102以外，圖1示出的所有元件被包含在單個集成電路(IC)組件130內(nèi)，該IC組件130也稱單芯片130。在其它實施例中，圖1所示的所有元件——包括光源102——被包含在單芯片組件內(nèi)。使用多個分立組件和/或分立管芯也是可能的。
[0014]附圖簡沭
[0015]圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光電子裝置，這種光電子裝置可用于簡單姿態(tài)識別。
[0016]圖2A和圖2B提供根據(jù)本發(fā)明具體實施例的圖1的光電子裝置的電路的額外細(xì)節(jié)。
[0017]圖3不出對于沿僅一個方向(X方向)移動的目標(biāo)、使用本發(fā)明的實施例產(chǎn)生的不例性運(yùn)動信號，更具體地說示出了對于僅沿X方向移動的目標(biāo)的光線軌跡模擬的結(jié)果。
[0018]圖4示出可由結(jié)合圖1、圖2A和圖2B描述的光電子裝置的四個光電檢測器分段產(chǎn)生的四個模擬的單獨原始電流信號。
[0019]圖5與圖3類似，但其示出對于光源占據(jù)與四個光電檢測器分段相同的空間位置的假想情況在分析上產(chǎn)生的“理想”響應(yīng)。
[0020]圖6不出對于沿僅一個方向(y方向)移動的目標(biāo)、使用本發(fā)明的實施例產(chǎn)生的不例性移動信號，更具體地說示出了對于僅沿y方向移動的目標(biāo)的光線軌跡模擬的結(jié)果。
[0021]圖7示出對于與X軸成大約30°角移動的目標(biāo)、使用本發(fā)明實施例產(chǎn)生的示例性運(yùn)動信號。
[0022]圖8示出對于與X軸成大約60°角移動的目標(biāo)、使用本發(fā)明實施例產(chǎn)生的示例性運(yùn)動信號。
[0023]圖9示出目標(biāo)在五個連續(xù)時間點的典型單向姿態(tài)掃描運(yùn)動和由光源射出的光線以及通過目標(biāo)朝向四個光電檢測器分段向回散射的光線。
[0024]圖10示出手的有效沖程運(yùn)動和之后的回程運(yùn)動。
[0025]圖11示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的如何對脈沖計數(shù)以在主動沖程運(yùn)動和回程運(yùn)動之間作出區(qū)別。
[0026]圖12類似于圖5,相似點在于其不出對僅沿一個方向(X方向)移動的目標(biāo)的分析上產(chǎn)生的“理想”運(yùn)動信號響應(yīng)，但相比與圖5對應(yīng)的目標(biāo)圖12的目標(biāo)較小。
[0027]圖13示出光源相對于四個光電檢測器分段的示例性側(cè)視圖，它用來展示光源相對于四個光電檢測器分段在空間上偏移的影響。
[0028]圖14示出光源相對于四個光電檢測器分段的示例性側(cè)視圖，其中使用沿光電檢測器分段的方向偏移的透鏡來減少光源相對于四個光電檢測器在空間偏移的影響。
[0029]圖15示出根據(jù)本發(fā)明某些實施例的單個光源相對于四個光電檢測器分段的示例性自頂向下視圖。
[0030]圖16示出根據(jù)替代實施例的單個光源相對于四個光電檢測器分段的示例性自頂向下視圖，在該替代實施例中，光源相對于諸光電檢測器分段位于中心。
[0031]圖17示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)。
[0032]圖18是用來概括根據(jù)本發(fā)明各個實施例的方法的高級流程圖。
[0033]附圖主要組件的附圖標(biāo)記一覽
[0034]100光電子裝置102光源104H標(biāo)物體106驅(qū)動器
【權(quán)利要求】
1.一種用于單個光源的光電子裝置，所述單個光源被驅(qū)動以選擇地發(fā)射光，所述光電子裝置包括:第一、第二、第三和第四電氣隔絕的光電檢測器(PD)分段，每個所述ro分段被配置成檢測來源于所述單個光源的、反射離開一物體并入射到所述ro分段上的光，其中所述第一 ro分段用來產(chǎn)生第一信號(A)，所述第一信號(A)指示入射所述第一 ro分段的反射光，所述第二ro分段用來產(chǎn)生第二信號(B)，所述第二信號(B)指示入射所述第二ro分段的反射光，所述第三ro分段用來產(chǎn)生第三信號(C)，所述第三信號(C)指示入射所述第三ro分段的反射光，以及所述第四ro分段用來產(chǎn)生第四信號(D)，所述第四信號(D)指示入射所述第四ro分段的反射光；配置成產(chǎn)生指示所述第一信號與第二信號之和減去所述第三信號和第四信號之和((A+B)-(C+D))的第一運(yùn)動信號的電路；配置成產(chǎn)生指示所述第二信號與第三信號之和減去所述第一信號和第四信號之和((B+C)-(A+D))的第二運(yùn)動信號的電路；以及配置成根據(jù)所述第一運(yùn)動信號和第二運(yùn)動信號產(chǎn)生指示所述物體的運(yùn)動方向的信號和/或數(shù)據(jù)的電路。
2.如權(quán)利要求1所述的光電子裝置，`其特征在于，指示物體的運(yùn)動方向的所述信號和/或數(shù)據(jù)允許將下列不同的運(yùn)動方向中的每一個彼此區(qū)別:水平的左向右運(yùn)動水平的右向左運(yùn)動垂直的上至下運(yùn)動；以及垂直的下至上運(yùn)動。
3.如權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其特征在于，指示所述物體的運(yùn)動方向的信號和/或數(shù)據(jù)也指示物體的運(yùn)動角。
4.如權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其特征在于，配置成產(chǎn)生指示物體的運(yùn)動方向的信號和/或數(shù)據(jù)的電路被配置成:確定一部分所述第一運(yùn)動信號的斜率的極性，從而確定運(yùn)動方向是否為水平的左向右運(yùn)動和水平的右向左運(yùn)動中的一個；和/或確定一部分所述第二運(yùn)動信號的斜率的極性，從而確定運(yùn)動方向是否為垂直的上至下運(yùn)動和垂直的下至上運(yùn)動中的一個。
5.如權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其特征在于，還包括:配置成根據(jù)所述第一運(yùn)動信號和第二運(yùn)動信號產(chǎn)生指示所述物體的運(yùn)動速度的信號和/或數(shù)據(jù)的電路。
6.如權(quán)利要求5所述的光電子裝置，其特征在于:使用脈沖化驅(qū)動信號驅(qū)動所述單個光源以由此使所述單個光源發(fā)射光脈沖；以及被配置成產(chǎn)生指示物體的運(yùn)動速度的信號和/或數(shù)據(jù)的電路包括計數(shù)器，所述計數(shù)器對在運(yùn)動周期期間檢測到的反射光的脈沖數(shù)進(jìn)行計數(shù)，其中所述脈沖數(shù)與物體的運(yùn)動速度成反比。
7.如權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其特征在于，還包括:配置成產(chǎn)生指示所述第一、第二、第三和第四信號之和(A+B+C+D)的總輻射信號的電路；其中所述總輻射信號用來對所述第一運(yùn)動信號和所述第二運(yùn)動信號作歸一化。
8.如權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其特征在于，還包括:配置成產(chǎn)生指示所述第一、第二、第三和第四信號之和(A+B+C+D)的總輻射信號的電路；配置成根據(jù)所述第一運(yùn)動信號和第二運(yùn)動信號產(chǎn)生指示物體的運(yùn)動速度的信號和/或數(shù)據(jù)的電路；以及配置成根據(jù)指示物體運(yùn)動速度的信號和/或數(shù)據(jù)和所述總輻射信號在物體的有效沖程運(yùn)動和物體的回程運(yùn)動之間作出區(qū)別的電路。
9.如權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其特征在于，還包括:配置成產(chǎn)生指示所述第一、第二、第三和第四信號之和(A+B+C+D)的總輻射信號的電路；以及配置成在使用所述第一運(yùn)動信號和第二運(yùn)動信號產(chǎn)生指示物體的運(yùn)動方向的信號和/或數(shù)據(jù)之前根據(jù)所述總輻射信號對 所述第一和第二運(yùn)動信號作歸一化的電路。
10.如權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其特征在于，還包括:配置成產(chǎn)生指示所述第一、第二、第三和第四信號之和(A+B+C+D)的總輻射信號的電路；以及配置成將所述總輻射信號與預(yù)定的閾值作比較以產(chǎn)生閾值比較輸出信號的電路；其中所述閾值比較輸出信號用于:(a)選擇性地禁用所述光電子裝置的至少一部分；或(b)確定何時不使用所產(chǎn)生的指示物體運(yùn)動方向的信號和/或數(shù)據(jù)。
11.如權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其特征在于，還包括:驅(qū)動器，所述驅(qū)動器配置成選擇性地驅(qū)動單個光源；并且其中所述第一、第二、第三和第四電氣隔絕的H)分段、驅(qū)動器、配置成產(chǎn)生第一運(yùn)動信號的電路、配置成產(chǎn)生第二運(yùn)動信號的電路以及配置成產(chǎn)生指示物體運(yùn)動方向的信號和/或數(shù)據(jù)的電路均包含在單個集成電路(IC)封裝件內(nèi)。
12.如權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四電氣隔絕的ro分段以2X2方格的形式部署在同一平面內(nèi)，由此每個ro分段具有:水平地位于所述ro分段右側(cè)或左側(cè)的其它幾個ro分段中的第一個；垂直地位于所述ro分段之上或之下的其它幾個ro分段中的第二個；以及與所述ro分段成對角線設(shè)置的其它幾個ro分段中的第三個。
13.—種方法,包括:(a)選擇性地使光發(fā)射出；(b)檢測已反射離開物體并入射到四個獨立象限上的發(fā)射光的部分，由此產(chǎn)生:第一信號(A)，所述第一信號(A)指示入射到所述四個象限中的第一個上的反射光，第二信號(B)，所述第二信號(B)指示入射到所述四個象限中的第二個上的反射光，第三信號(C)，所述第三信號(C)指示入射到所述四個象限中的第三個上的反射光，以及第四信號(D)，所述第四信號⑶指示入射到所述四個象限中的第四個上的反射光；(C)產(chǎn)生指示所述第一信號與第二信號之和減去所述第三信號和第四信號之和((A+B) - (C+D))的第一運(yùn)動信號；(d)產(chǎn)生指示所述第二信號與第三信號之和減去所述第一信號和第四信號之和((B+C)-(A+D))的第二運(yùn)動信號；以及(e)根據(jù)所述第一運(yùn)動信號和第二運(yùn)動信號產(chǎn)生指示所述物體的運(yùn)動方向的信號和/或數(shù)據(jù)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括:(f)根據(jù)所述第一運(yùn)動信號和第二運(yùn)動信號產(chǎn)生指示所述物體的運(yùn)動速度的信號和/或數(shù)據(jù)。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括:產(chǎn)生指示所述第一、第二、第三和第四信號之和(A+B+C+D)的總輻射信號；以及使用所述總輻射信號對所述第一運(yùn)動信號和所述第二運(yùn)動信號作歸一化。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括:產(chǎn)生指示所述第一、第`二、第三和第四信號之和(A+B+C+D)的總輻射信號；根據(jù)所述第一運(yùn)動信號和第二運(yùn)動信號確定指示所述物體的運(yùn)動速度的信號和/或數(shù)據(jù)；以及根據(jù)指示物體運(yùn)動速度的信號和/或數(shù)據(jù)和所述總輻射信號在物體的有效沖程運(yùn)動和物體的回程運(yùn)動之間作出區(qū)別。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括:產(chǎn)生指示所述第一、第二、第三和第四信號之和(A+B+C+D)的總輻射信號；以及將所述總輻射信號與一預(yù)定閾值相比較；基于所述比較的結(jié)果確定是否要:(i)禁用步驟(C)、⑷和(e)中的一個或多個的執(zhí)行，或者(?)不使用在步驟(e)產(chǎn)生的指示物體運(yùn)動方向的信號和/或數(shù)據(jù)。
18.—種方法,包括:檢測已反射離開物體并入射到四個獨立的光電檢測器(PD)分段上的發(fā)射光的部分:產(chǎn)生第一信號(A)，所述第一信號(A)指示入射到所述H)分段中的第一個上的反射光；光；光；光；產(chǎn)生第二信號(B)，所述第二信號(B)指示入射到所述ro分段中的第二個上的反射產(chǎn)生第三信號(C)，所述第三信號(C)指示入射到所述ro分段中的第三個上的反射產(chǎn)生第四信號(D)，所述第四信號(D)指示入射到所述ro分段中的第四個上的反射根據(jù)所述第一、第二、第三和第四信號檢測所述物體的運(yùn)動方向和/或運(yùn)動速度。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括:根據(jù)所述第一、第二、第三和第四信號在物體的有效沖程運(yùn)動和物體的回程運(yùn)動之間作出區(qū)別。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括:根據(jù)檢測出的物體的運(yùn)動方向和/或運(yùn)動速度來控制子系統(tǒng)。
21.—種系統(tǒng),包括:光源；驅(qū)動器，所述驅(qū)動器配置成選擇性地驅(qū)動所述光源，由此使所述光源選擇性地發(fā)射光;第一、第二、第三和第四電氣隔絕的光電檢測器(PD)分段，每個所述ro分段被配置成檢測來源于所述光源的、反射離開一物體并入射到所述ro分段上的光，其中所述第一 ro分段用來產(chǎn)生第一信號(A)，所述第一信號(A)指示入射所述第一 ro分段的反射光，所述第二ro分段用來產(chǎn)生第二信號(B)，所述第二信號(B)指示入射`所述第二ro分段的反射光，所述第三ro分段用來產(chǎn)生第三信號(C)，所述第三信號(C)指示入射所述第三ro分段的反射光，以及所述第四ro分段用來產(chǎn)生第四信號(D)，所述第四信號(D)指示入射所述第四ro分段的反射光；配置成根據(jù)所述第一、第二、第三和第四信號檢測物體的運(yùn)動方向和/或運(yùn)動速度的電路；以及子系統(tǒng)，所述子系統(tǒng)是根據(jù)檢測出的物體的運(yùn)動方向和/或運(yùn)動速度受到控制的。
【文檔編號】G06K9/00GK103514436SQ201210251596
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月14日
【發(fā)明者】A·M·伊爾曼 申請人:英特賽爾美國有限公司