CN100432905C - 光学导引方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了适合用于在各种表面上进行导引的方法和设备。使用镜面反射来确定在一般表面上的相对运动。一种特殊的应用就是计算机鼠标。

Description

光学导引方法和设备
技术领域
本申请涉及运动传感设备，更具体而言，涉及使用镜面反射图像来确定相对运动的设备、系统和方法。
背景技术
光学相对运动检测设备一般通过当导引设备经过一个表面或者当该表面移动经过该导引设备的时候捕获该表面的图像来使用图像相关技术确定导引设备与该表面的相对运动。导引设备相对于表面的相对运动的位移和方向都通过将一幅图像与接下来的一幅图像进行比较而确定。一般，检测投射到表面上的阴影引起的光强变化，而该项技术的灵敏度和适用性取决于所捕获的图像的光强对比度。相对运动导引设备被用于，例如，计算机屏幕指示器(例如，鼠标)控制。
美国专利No.5,786,804、5,578,813、5,644,139、6,442,725、6,281,882以及6,433,780公开了光学鼠标、其它手持导引设备和手持扫描仪的例子。这些专利通过引用而被包含于此。
一般的现有光学导引设备使用发光二极管(LED)来倾斜地照明要通过的表面。表面上5到500μm量级的高度变化会投射阴影，这可以用几何光学来描述。阴影图案图像的大小和对比度部分取决于表面类型以及高度变化的大小。一般，将检测器定位以接收表面法线方向上的反射，而表面与入射光之间的角度一般被选择用来优化阴影图案图像的对比度，这在暗视野成像技术中是大家熟知的。入射角度的典型值在大约5度到大约20度的范围内。
例如白板、高光洁度纸、塑料或者经喷涂的金属的光滑表面对目前一般的光学导引设备提出了功能上的挑战。通常，光滑表面是那些包含了较少的空间中频和更多的空间高频结构的表面。为了提高信号强度，LED照明需要高光功率，导致典型的最大电流超过30mA。
发明内容
根据本发明，光学导引设备的检测器捕获预先选择的角度分布的反射光。一般地，将光学导引设备的检测器定位以捕获来自表面的镜面反射。镜面反射生成与阴影图案图像和斑纹图案都不相同的该表面的图像。与阴影图案图像方法相比，镜面反射一般提供更好的信号。这使得即使在极为光滑的表面上也能获得高对比度图像。另外，对于朗伯表面而言保持了图像质量，因为光仍然被散射到镜面方向。镜面反射图像取决于照明源的波长，镜面反射图像的对比度一般随着照明源带宽的减小而增大，因此基于激光的照明提供了最高的对比度。
根据本发明，可以通过使用波长处于检测器响应曲线的峰值处的照明源来减少功率需求。镜面反射图像的对比度取决于照明源的空间和时间相干度。对例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或者窄带发光二极管(LED)的窄带照明源的使用使得以减少了的功率提供了增强的图像对比度。由于来自以不同波长照明的不同散射体的返回光非相干地叠加，所以增大带宽引入了均化作用结果导致更低的对比度。因此，根据本发明，照明源的带宽必须足够窄以具有足够的相干干涉，从而获得对比度足够高的图像以用于可靠的光学导引。例如，具有20nm量级的带宽的照明源在办公室桌面环境中的各种表面上为光学导引提供了足够的对比度。
附图说明
图1a-1c示出了来自不同类型的表面的光反射；
图1d示出了根据本发明的表面散射的概念；
图2示出了根据本发明的镜面反射；
图3a示出了根据本发明的高级别框图；
图3b示出了根据本发明的一个实施例的光学元件的简化图示；
图4示出了根据本发明的系统；
图5示出了根据本发明的一个实施例；
图6示出了根据本发明的一个实施例；
图7示出了描述根据本发明的一种方法中所涉及的步骤的流程图。
具体实施方式
如果光束入射到光滑表面上，该入射光束的光线反射并且离开光滑表面时保持会聚成束。但是，如果表面在微光学意义上是粗糙的，则光线反射并在很多不同方向上被散射。对应于表面粗糙度的空间频率可以是照明波长级别的。每条独立的光线都遵守反射定律。但是，在粗糙表面的情况下，各条独立的光线遇到该表面具有不同取向的部分。因此，对于不同的入射光线表面的法线方向是不同的。所以，当独立的光线根据反射定律反射时，该独立的光线在不同方向上被散射。另外，当使用相干或者准相干照明时，在镜面反射的图像中可能会观察到由于反射光与散射光之间的干涉产生的高光强对比度的图案。这种干涉效果为用于导引的图像提供了增强的对比度。
图1a-1c图示了来自不同类型表面的光反射。图1a示出了光束135从朗伯(Lambertian)表面140反射出光束图案136。朗伯表面是一种理想的漫射表面，从任何小表面部分在给定方向上发出的光的强度成比例于与表面140的法线199的夹角的余弦。图1b示出了光束145从镜面反射器表面150反射出光束146，光束146处于角度θr＝θi，其中这些角度是相对表面法线199定义的。图1c示出了光束155从表面160反射出光束156。表面160的表面特性介于表面140和表面150之间，光束图案156存在镜面分量，同时存在朗伯分量。
很重要的一点是要认识到镜面反射与光学斑纹(speckle)并没有关系。来自镜面反射的图像是由于利用相干或者准相干光对要被通过的表面进行成像而造成的。根据本发明获得的具有丰富特征的图像在不同类型的表面之间变化很显著，并且一般与下层表面具有一对一的相关性。相反，斑纹图像本质是高度的统计意义上的，对于一次近似来说在不同类型的表面之间是不变化的。斑纹图像显示了其中与可见的下层表面特征的一一对应是有限的图像图案。尽管物体用相干光进行照明的任何时候斑纹图像都会出现，光学斑纹的平均大小一般小于用于一般光学导引应用的成像阵列的象素大小。当象素大小显著大于平均的斑纹大小时，斑纹不再是光学导引的可信的图案，因为入射在检测器阵列的象素上的多个亮的和暗的斑纹特征在整个象素区域上被平均了。例如，假设成像系统的f数为10，激光源工作于850nm，利用公式：平均斑纹大小＝f×λ得到平均斑纹大小＝8.5μm，其中f是f数而λ是波长。这里，假设一般的检测器阵列的象素大小为60μm，则检测器阵列的每个象素对多于49个斑纹成像。得到的平均的结果从斑纹分布中去除了潜在的可用于导引的特征。
图1d是根据本发明的来自粗糙表面105的散射的简化图示。入射光束的入射光线110、115、120、125、130每个都遵循反射定律，结果得到来自粗糙表面105的反射光线110′、115′、120′、125′、130′并在反射时被散射。这里所指的光意图包括波长范围从大约1纳米(nm)延伸到大约1毫米(mm)的电磁辐射。
图2示出了根据本发明的来自表面的镜面反射的更为详细的视图。入射光线205在被表面220反射之前具有角坐标Фi，θi。一般，表面220会具有影响反射光的反射角的微观粗糙度或者光学不规则性。如果反射光线210处在由定义的角度锥体之内，则对应于光线205的表面元素会被检测器所捕获到。
图3a是根据本发明基于使用导引镜面反射的光学导引系统300的高级别框图。表面330由来自光源单元304的光束398照明。镜面反射光束399从要被检测器阵列单元311所检测的表面330被反射，所述检测器阵列单元311生成发送给处理器320的信号370。处理器320响应于信号370提供输出信号375。输出信号375可以被用来，例如，驱动计算机屏幕上的指示器的位置。处理器320可以是光学导引设备303的一部分，或者位于光学导引系统300中的其它地方。根据本发明，光学导引设备303的某些实施例可以是可手动的计算机系统的光学鼠标。
图3b示出了根据本发明的光学导引设备303的部件的简化图示。光源305，光源单元304的一部分(见图3a)，被定位成相对于表面法线350成入射角度θi，并提供入射到透镜301上的光束315以产生光束315′。透镜301主要是起到提高光束315的收集效率，透镜301是可选的。透镜301可以是，例如，准直透镜。但是，如果光源305是例如VCSEL或者边缘发光器的激光器，光束315不需要被准直。如果光源305是准相干源，例如窄带的LED(发光二极管)或者具有窄带宽滤光镜的LED，则在光滑表面上导引可能需要透镜301或者限制孔径。对限制孔径的使用减小了入射到表面330上的功率但是提高了空间相干性。如果使用了透镜301，则透镜301可以是衍射或者折射透镜或者其它适合的光学元件，并且可以进行光学镀膜以提高性能。除了使用窄化孔径(narrowingaperture)以及传统的窄带LED之外，窄带边缘发射LED也可以被用作光源。
在本申请的上下文中，检测器被定义为将光子转换为电信号的设备。检测器阵列310，检测器阵列单元311的一部分(见图3a)，被定位成处于反射角θr，其中选择θr使得θr≈θi。只有满足θr≈θi的来自表面330的反射光线365构成光束317，并且会被检测器阵列310所接收到。表面330被照明的部分被透镜307所成像。表面330上的点316被透镜307在检测器阵列310上成像为点316′。这样，成像光学系统使得检测器阵列310能够捕获图像。由相干光源产生的图像一般包括表面特征和干涉特征。图像中出现的任何斑纹对于根据本发明的导引来说都不重要。干涉特征源于镜面反射区域中独立光线的相干叠加。成像透镜307可以是衍射或者折射透镜或者其它适合的光学元件，用来对表面330的部分成像，并且成像透镜307可以经过光学镀膜而具有介电薄膜以提高性能。光源305一般是窄带激光源，例如，VCSEL(垂直腔表面发射激光器)或者边缘发射激光器，但是也可以是窄带LED，而检测器阵列310一般是CCD、CMOS、GaAs、非晶硅或者其它适合的检测器阵列。可以通过对检测器阵列310应用抗反射介电涂层来提高检测器阵列310的性能。
表面对比度和分辨率越高使得光学导引设备303能够在越光滑的表面上进行导引。有效的表面分辨率定义为导引表面上的能分辨的最小特征，所述导引表面例如为表面330。有效表面分辨率取决于调制传递函数，光学系统的放大率和例如检测器阵列310的检测器阵列的有效象素大小。如果放大率是固定的，则越高的表面分辨率要求，例如，检测器阵列310具有越小的象素。光学导引设备303在表面330上的最高导引速度受到检测器阵列310的最大帧速率以及互相关计算的处理时间的限制。光学导引设备303相对于表面330的物理位移以有效象素大小为单位来测量。有效象素大小是表面330上的象素的图像大小。这意味着如果光学导引设备303的检测器阵列310的象素大小减小，则光学导引设备303的响应性或者最大导引速度将会减小。一般要考虑和权衡检测器阵列310、处理器320的成本、总的功耗与希望的响应性之间的折衷以达到用于根据本发明的实施例的表面分辨率和光学放大率。
随着光学导引设备303相对于表面330移动，在光学导引设备303与表面330之间的不同相对位置处生成窄带宽散射图案。每个散射图案都由来自处于检测器阵列310视场中的表面330的镜面反射生成。窄带宽散射图案图像强烈地依赖于光源305的波长。一般地，选择光源305的波长处于检测器阵列310的峰值处。由于图像对比度和信号一般比现有技术的阴影图案光学导引系统提高了，所以需要的是更短的图像集成时间，这允许更高的帧速率采集从而允许了以更高的速度进行导引。
通过在处理器320中比较相继的被存储的窄带宽镜面反射图像，能够确定光学导引设备300相对于表面330的相对运动。相继的窄带宽散射图案图像的相关性一般被用来确定相对运动的位移。相继的被捕获的散射图案图像相互间部分地重合。因此，处理器320识别每幅散射图案图像中的特征并计算相对运动的位移和方向。通过存储相继的散射图案图像，重合的特征能够被处理器320利用标准图像相关算法所识别，用来提供方向和位移。在例如通过引用被包含于此的美国专利No.5,786,804中还可以发现其它更多细节。根据本发明，即使在例如玻璃的非常光滑但是没有被光学抛光的表面上也能够确定相对运动。
图4是对根据本发明的系统400的图示，所述系统400中光学鼠标425在固定表面430上运动。光学鼠标一般包括检测器阵列单元，例如图3a的检测器阵列单元311。在光学鼠标425中处理器320(见图3)一般将一系列镜面反射图像转换成位置信息并通过线缆或者无线地发送给中央处理器单元475用于作为例如箭头的位置指示器在视频屏幕470上显示。或者，未加工数据或者中间数据可以从检测器阵列单元311(见图3a)发送给中央处理器单元475用于处理。无线连接可以是射频的或者红外的，而根据本发明的光学鼠标425的无线实施例可以用，例如，可重复充电电池、燃料电池或者太阳能电池来供电。
图5示出了根据本发明的光学导引设备500的一个实施例。封装的VCSEL和传感器管芯(die)510是分立的并起到光源的作用，同时准直透镜520和成像透镜525被集成和形成在模制的塑料结构515中。传感器管芯535包含有例如以上讨论的检测器阵列310的检测器阵列。将准直透镜520和成像透镜525集成到模制的塑料结构中简化了制造并降低了成本。将传感器管芯535中的检测器阵列定位成以与光束595的入射角θi相等的反射角θr接收光，从而确保从检测器阵列得到的信号表示镜面反射。可以将传感器管芯535定位使得光束595垂直检测器阵列平面入射。
图6示出了根据本发明的光学导引设备600的一个实施例。被集成的VCSEL 610管芯起到光源的作用，同时准直透镜620和成像透镜625被集成和形成在模制的塑料结构615中。传感器管芯635包含有例如以上讨论的检测器阵列310的检测器阵列。将准直透镜620和成像透镜625集成到模制的塑料结构中简化了制造并降低了成本。光束695穿过准直透镜620竖直传播并被全内反射面675所反射而以入射角θi入射到表面650上。将传感器管芯635中的检测器阵列定位成以与光束695的入射角θi相等的反射角θr接收光，从而确保从检测器阵列得到的信号表示镜面反射。可以将传感器管芯635定位使得光束695垂直检测器阵列平面入射。
图7是示出了根据本发明使用光学导引系统303的方法中所涉及的步骤的流程图。在步骤701中，用窄带宽光束398以入射角θi照明表面303。在步骤702中，检测器阵列311以接近于或者等于入射角θi的反射角θr检测反射的窄带宽光束399。在步骤703中，检测器阵列311响应于窄带宽光束399生成图像信号。在步骤704中，处理器320处理该图像信号。在步骤705中，响应于图像信号370提供输出信号375，并且该输出信号375可以被用来，例如，控制视频屏幕470上的位置指示器。
尽管结合了特定实施例对本发明进行了描述，但是对于本领域的技术人员很容易看出在以上描述的教导之下很多替换、修改和变化都是很显然的。因此，本发明意图包括落入所附权利要求的精神和范围中的所有其它的这种替换、修改和变化。

Claims (10)

1.一种光学导引设备(303)，包括：
光源(304、305)，用于以相对于表面法线(350)的照明角用窄带宽光束(315)照明所述表面；
检测器(310、311)，被定位成相对于所述表面法线(350)成反射角，所述检测器可操作以接收所述窄带宽光束(315、315′)从所述表面反射所得的反射部分(317)，其中所述反射角基本上等于所述照明角；
其中，所述反射部分(317)包括干涉特征，所述干涉特征为用于导引的图像提供了增强的对比度。
2.如权利要求1所述的设备(303)，其中所述光源(304、305)是激光器。
3.如权利要求2所述的设备(303)，其中所述激光器是垂直腔表面发射激光器。
4.如权利要求1所述的设备(303)，其中所述光源(304、305)是窄带宽的发光二极管(304、305)。
5.如权利要求4所述的设备(303)，其中所述窄带宽的发光二极管是边缘发射的发光二极管。
6.如权利要求4所述的设备(303)，还包括设置在所述光源(304、305)和所述表面(330)之间的限制孔径。
7.如权利要求1所述的设备(303)，其中所述光源(304、305)是发光二极管，所述设备(303)还包括位于所述光源(304、305)和所述表面(330)之间的窄带宽滤光镜。
8.如权利要求4所述的设备(303)，还包括准直透镜(301)以提高光收集效率。
9.如权利要求1所述的设备(303)，还包括成像透镜(307)，所述成像透镜(307)被定位成可操作以将所述窄带宽光束(315、315′)的所述反射部分(317)成像到所述检测器(310、311)上。
10.一种通过使用鼠标(425)检测相对于表面(430)的相对运动来控制计算机(475)视频屏幕(470)上的位置指示器的系统，所述系统包括：
用于从所述表面(430)生成窄带宽镜面反射图像的装置，每个所述窄带宽镜面反射图像对于所述鼠标(425)运动所经过的所述表面(430)的部分是特定的，所述窄带宽镜面反射图像包括干涉特征，所述干涉特征为用于导引的图像提供了增强的对比度；
用于将所述特定窄带宽镜面反射图像转换成对应于所述鼠标(425)与所述表面(430)之间的相对运动的信号的装置。
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Owner name: ANHUA HIGH SCIENCE ECBU IP (SINGAPORE)PRIVATE CO.

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Applicant after: Avago Technologies General IP (Singapore) Pte. Ltd.

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Granted publication date: 20081112