专利名称：利用光学抬升检测的光学导航系统和运动评估方法
技术领域：
本发明涉及具有光学抬升检测的光学导航系统和运动评估方法。
背景技术：
光学导航系统用于评估光学导航系统和目标表面之间的移动以执行跟
踪操作。光学导航系统使用诸如发光二极管(LED)或激光二极管之类的 光源和图像传感器来连续地捕获目标表面的图像数据帧。光学导航系统比 较连续的图像帧，并且基于当前图像帧和先前图像帧之间的比较来评估光 学导航系统和目标表面之间的相对移动。该比较基于检测和计算所捕获的 图像数据帧中的特征的位移。对于激光导航系统，这些特征通常是由激光 点照射到目标表面上所产生的干涉图像。
光学导航系统通常用于光学的计算机鼠标以跟踪鼠标相对于表面的移 动，所述表面是鼠标在其上被手动操纵的表面。为了正确地执行跟踪操 作，光学鼠标需要位于目标表面上，这是因为当图像导航系统的图像传感 器和目标表面之间的距离被显著增加时，即，当光学鼠标被从目标表面抬 升时，会引入错误。在利用激光导航系统的光学鼠标中，用于运动评估的 光学干涉图像随着系统的图像传感器和目标表面之间的距离的增加而增 加。因此，导航系统在光学鼠标已被从目标表面抬升之后仍然可以作出响 应，这意味着导航系统将作出错误的运动评估。
干涉图像的光学特性不能利用光学导航系统的图像传感器对抬升检测 问题作出有意义的解决方案。因此，当光学鼠标被从目标表面抬升时，需 要诸如机械开关之类的单独传感机构来进行检测。
尽管传统的抬升检测机构对于其希望的目的可以很好地工作，但是需 要一种用于光学导航系统的不复杂并且低成本的抬升检测机构。
发明内容
一种光学导航系统和运动评估方法使用具有孔的板、光检测器和光学 系统用于光学抬升检测。光学系统被配置为将输入光通过板的孔引导至目 标表面，并且将从目标表面反射并且通过板的孔传送回来的输入光引向光 检测器，从而使其被光检测器检测以用于抬升检测。在光检测器处所检测 到的输入光表示光学导航系统还未被从目标表面抬升。相反，在光检测器 处检测不到光(除了可忽略的光之外)表示光学导航系统已被从目标表面 抬升。
根据本发明一实施例的光学导航系统包括光源、图像传感器和抬升检 测单元。光源被配置为产生光。图像传感器被设置用于接收从目标表面所 反射的光的第一部分。图像传感器被配置为响应于所接收的光的第一部分 而生成图像数据帧以用于运动评估。抬升检测单元包括具有孔的板、光检 测器和光学系统。光检测器位于板之上。光学系统位于板之上并且用于接 收来自光源的光的第二部分。光学系统被配置为引导光的第二部分使其通 过板的孔。光学系统还被配置为将从目标表面反射并且通过板的孔传送回 来的光的第二部分引向光检测器，从而使其被光检测器检测以用于抬升检
根据本发明一实施例的光学导航系统包括具有孔的板、光检测器和光 学系统。光检测器和光学系统位于板之上。光学系统包括第一、第二和第 三棱镜。第一棱镜被设置用于接收输入光。第一棱镜被配置和定向为折射 输入光使其通过板的孔。第二棱镜被设置用于接收从目标表面反射并且通 过板的孔传送回来的输入光。第二棱镜被配置和定向为将输入光折射到预 定方向。第三棱镜被设置用于接收来自第二棱镜的输入光。第三棱镜被配 置为将输入光朝着光检测器折射，从而使其被光检测器检测。
根据本发明一实施例的运动评估方法包括产生光；将光的第一部分
引向目标表面；在图像传感器处接收从目标表面所反射的光的第一部分以 用于运动评估；将光的第二部分通过位于目标表面之上的孔而引向目标表 面；将从目标表面反射并且通过孔传送回来的光的第二部分引向光检测 器；以及在光检测器处接收光的第二部分。 根据下面的详细说明，结合附图，可以明白本发明的其他方面和优 点，附示了本发明的原理示例。
图1示出了根据本发明一实施例的包括在光学计算机鼠标中的光学导 航系统。
图2是根据本发明一实施例的光学导航系统的示意图。
图3是根据本发明一实施例的光学导航系统的底板和光学系统的透视图。
图4是图2的光学导航系统的示意图，其示出了当光学计算机鼠标未 被抬升时，通过光学导航系统的光的光路。
图5是图2的光学导航系统的示意图，其示出了当光学计算机鼠标己 被抬升时，通过光学导航系统的光的光路。
图6是根据本发明一实施例的运动评估方法的处理流程图。
具体实施例方式
参照图1来描述根据本发明一实施例的光学导航系统100。如图1所 示，光学导航系统100包括在光学的计算机鼠标102中，光学计算机鼠标 102连接到计算机104。在该实现方式中，光学导航系统100用于当光 学鼠标在目标表面106上由用户操纵以控制显示在计算机104上的光标 时，跟踪光学鼠标102的移动，其中目标表面106可以是玻璃表面或者其 他透光的表面。但是，在其他实现方式中，光学导航系统IOO可以用于各 种跟踪应用场合的不同产品中。如下详细所述，光学导航系统100包括光 学抬升检测特征，用于以光学方式检测光学鼠标102何时在Z方向上被从 表面抬升。光学导航系统100的光学抬升检测特征可以用无需苛刻对准的 低成本组件来实现。
现在参照图2，示出了光学导航系统100的各种组件。图2是光学导 航系统100的剖视图。如图2所示，光学导航系统IOO包括导航单元210 和抬升检测单元212。导航单元210的主要功能是捕获图像数据帧以用于
运动评估。抬升检测单元212的主要功能是检测具有光学导航系统100的
光学鼠标102何时被从目标表面106抬升。
导航单元210包括光源214、光导结构216和图像传感器218。光源 214产生光，所述光将被用于运动评估和抬升检测。在该实施例中，光源 214是产生相干光的激光器件，例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。 但是，在其他实施例中，光源214可以是发光二极管或者任何其他发光器 件。光源214被设置为沿着X方向将光发射到光导结构216中。
光导结构216是透光的结构，其被配置为将从光源214所接收的一些 光引导至目标表面106的成像区域220。光导结构216也被设计为接收从 目标表面106的成像区域220所反射走的光以将所反射的光传送到图像传 感器218。此外，光导结构216被设计为将从光源214所接收的一些光传 送到抬升检测单元212，抬升检测单元212使用这些光来检测具有光学导 航系统100的光学鼠标或者任何其他器件何时被从目标表面106抬升。具 体而言，光导结构216被设计为将一些光从光源214传送到抬升检测单元 212，以使得光主要沿着X方向传播。
光导结构216在结构上可以以任何数目的配置来塑造，只要光导结构 在光学上可以执行上述任务。在所图示的实施例中，光导结构216包括用 于接收从光源214所发射的光的输入端口 222，以使得所接收的光被沿着 X方向传送到光导结构中。光导结构216的输入端口 222具有凸形的表 面，该表面用于聚焦从光源214所接收的光。光导结构216还包括中间段 224，中间段224对来自输入端口 222的光进行内反射，以使得光保持为 沿着X方向但更靠近光导结构216的底部，g卩，更靠近光学计算机鼠标 102在其上被操作的目标表面106。光导结构216的中间段224包括顶面 226和底面228，顶面226将来自输入端口 222的光沿着Z方向向下反 射，底面228将来自顶面226的光沿着X方向向后反射。光导结构216还 包括输出段230，其将来自底面228的光分开，以使得一些光可以用于运 动评估， 一些光可以用于抬升检测。输出段230包括反射面232，其将一 部分来自底面228的光沿着Z方向向下、朝向目标表面106的成像区域 220反射，以用于运动评估。输出段230还包括输出端口 234，用于将一
部分来自底面228的光沿着X方向、朝向抬升检测单元212输出，以用于
抬升检测。
图像传感器218位于光导结构216之上，以接收从目标表面106的成 像区域220所反射走的光，从而捕获目标表面的图像数据帧。具体而言， 图像传感器218位于光导结构216的反射面232之上，以接收从目标表面 106的成像区域220所反射的光。图像传感器218包括光敏像素元件的阵 列(未示出)，其响应于入射到元件上的光而生成图像信号。例如，图像 传感器218可以是电荷耦合器件(CCD)图像传感器或者互补金属氧化物 半导体(CMOS)图像传感器。包括在图像传感器218中的光敏像素元件 的数目可以至少根据光学导航系统100对于光学运动评估的性能要求而变 化。例如，图像传感器218可以包括30X30的有源光敏像素元件阵列。
光学导航系统100的抬升检测单元212包括底板236、顶板238、光 学系统240和光检测器242。顶板238位于底板236之上，以使得这些板 之间具有预定距离。底板236和顶板238的位置紧邻光导结构216的输出 端口 234。底板236和顶板238沿着X方向平行定向。如图3最佳地示出 的，图3是底板236和光学系统240的透视图，底板包括孔244。在所图 示的实施例中，底板236的孔244的形状是矩形。但是，在其他实施例 中，底板236的孔244可以具有不同的形状，例如圆形。底板236和顶板 238不透光，以使得光被这些板所阻挡。因此，光穿过底板236的仅有方 式是通过底板的孔244。抬升检测单元212的底板236和顶板238可以安 装到光学计算机鼠标102的外壳(未示出)上。
光学系统240位于底板236和顶板238之间，以接收从光导结构216 的输出端口 234所发射的光。光学系统240被配置为以与X轴成大于零的 角度向下引导所接收的光，使其通过底板236的孔244，其中X轴与底板 236平行。通过底板236的孔244所传送的光然后被从目标表面106反射 走。光学系统240还被配置为接收从目标表面反射走并且通过底板236的 孔244传送回来的光，并且将那种光引导至光检测器242，在所图示的实 施例中，光检测器242位于顶板238之上，但不是直接在顶板上。顶板 238用于防止任何不需要的光到达光检测器242。
光学系统240包括三个棱镜246、 248和250，这些棱镜位于底板236 和顶板238之间。在所图示的实施例中，棱镜246、 248和250是具有三个 主面的三棱镜。具体而言，在所图示的实施例中，棱镜246、 248和250 是直角三棱镜。因此，棱镜246、 248和250的剖面的形状是直角三角 形。在所图示的实施例中，棱镜246、 248和250不成直角的角为四十五 度(45° )。但是，在其他实施例中，棱镜246、 248和250这些不成直 角的角可以是不同的度数。此外，在其他实施例中，棱镜246、 248和250 可以不是直角三棱镜，甚至可以不是三棱镜。
第一棱镜246位于光导结构216和底板236的孔244之间。第一棱镜 246被定向为使得其成直角的角在靠近底板236的底部处，并且棱镜246 的斜边侧面对着光导结构216的输出端口 234，以接收从输出端口发射的 光。因此，第一棱镜246把从光导结构216的输出端口 234所发射的光朝 着底板236的孔244斜向下折射。
第二棱镜248被设置为使得底板236的孔244位于第一棱镜246和第 二棱镜248之间。第二棱镜248被定向为使得其成直角的角在靠近底板 236的底部处，并且棱镜248的斜边侧背对着光导结构216的输出端口 234。第二棱镜248被设置用于接收来自第一棱镜的光，这些光己被从目 标表面106反射走并且通过底板236的孔244传送回来。第二棱镜248折 射所接收的光以使得折射后的光沿着X方向向第三棱镜250传播。
第三棱镜250被设置为使得第二棱镜248位于底板236的孔244与第 三棱镜250之间。第三棱镜250被定向为使得其成直角的角在靠近顶板 238的顶部处，并且棱镜250的斜边侧背对着光导结构216的输出端口 234。另外，第三棱镜250被设置为使得棱镜250的斜边侧的大部分从顶 板238的下边伸出。第三棱镜250被设置用于接收来自第二棱镜248的折 射后的光。第三棱镜250向上折射所接收的光，以使得折射后的光沿着Z 方向向光检测器242传播。
光检测器242位于第三棱镜之上，以接收从第三棱镜250所折射的 光。光检测器242可以是任何类型的感光器件，例如光电二极管或者其他 的光强传感器。光检测器242被配置为响应于入射光而生成电信号。如下
所说明的，当光学计算机鼠标102未被从目标表面106抬升超过预定高度
时，光检测器242会接收到来自光学系统240的光。但是，当光学计算机 鼠标102已被从目标表面106抬升超过预定高度时，光检测器242将不会 从光学系统240接收到任何光。因此，响应于入射光而由光检测器242所 生成的电信号可以用于检测光学计算机鼠标102何时被从目标表面"抬 升"。另外，为获得更可靠的系统，给由光检测器242所接收的光强度定 义预置阈值，这将消除任何由杂散光所生成的错误信号。定义了光学计算 机鼠标102何时被从目标表面106 "抬升"的预定高度可以通过改变抬升 检测单元212的棱镜246、 248和250之间的距离而得到调整。
参考图4和图5来描述根据本发明一实施例的光学导航系统100的操 作。图4示出了当光学计算机鼠标102未被从目标表面106抬升超过预定 高度时，通过光学导航系统100的光的光路。从光源214发射的光被沿着 X方向在输入端口 222处传送到光导结构216中。然后，光从光导结构 216的顶面226发生内反射，沿着Z方向向下传播。然后，光又从光导结 构216的底面228发生内反射，以使得反射后的光又沿着X方向传播。然 后这些光被分为光的第一部分和第二部分。光的第一部分从光导结构216 的反射面232反射走，朝着目标表面106的成像区域220向下传播。然 后，这些光从目标表面106反射，并且由图像传感器218接收以产生用于 运动评估的图像数据帧。但是，光的第二部分穿过光导结构216的输出端 口 234向抬升检测单元212透射。
然后，从光导结构216的输出端口 234所发射的光被抬升检测单元 212的光学系统240的第一棱镜246向下折射，通过底板236的孔244到 达目标表面106。然后，光从目标表面106向上反射。由于目标表面106 与底板236非常接近，所以反射后的光通过孔244向抬升检测单元212的 第二棱镜248传送回来。然后，光被第二棱镜248沿着X方向向抬升检测 单元212的第三棱镜250折射。在第三棱镜250处，光被沿着Z方向朝着 光检测器242向上折射。然后，光被光检测器242检测到，这表示计算机 光学鼠标102未被从目标表面106 "抬升"。
图5示出了当光学计算机鼠标102已被从目标表面106抬升超过预定
高度时，通过光学导航系统100的光的光路。从光源214发射的光以与如
上所述相同的方式通过光导结构216传播。因此，光的第一部分从目标表 面106反射走，并且在图像传感器218处被接收以用于运动评估。此外， 光的第二部分被从光导结构216的输出端口 234发射。从输出端口 234发 射的光又被抬升检测单元212的第一棱镜246向下折射，通过底板236的 孔244到达目标表面106。然后，光从目标表面106向上反射。但是现 在，因为光学计算机鼠标102己被抬升超过预定高度，所以目标表面106 和底板236之间的距离己增加。因此，从目标表面106所反射的光未被通 过底板236的孔244传送回来。相反，从目标表面106所反射的光被底板 236阻挡。因此，从目标表面106所反射的光不到达光检测器242。因 此，光检测器242检测不到光(除了可能有可以忽略的光之外)，这表示 计算机光学鼠标102已被从目标表面106 "抬升"。
光学导航系统100的抬升检测技术与目标表面106的材料和特性无 关，这是因为其仅需要检测到达光检测器242的光强。光学导航系统100 的抬升检测灵敏度取决于抬升检测单元212的底板236的孔244的大小。 因此，可以通过在抬升检测单元212的底板236中使用更小的孔而将光学 导航系统100调整为更加灵敏。
参考图6的处理流程图来描述根据本发明一实施例的运动评估方法。 在框602产生光。在框604，光的第一部分被引向目标表面。在框606， 从目标表面所反射的光的第一部分在图像传感器处被接收以用于运动评 估。在框608，光的第二部分通过位于目标表面之上的孔而被引向目标表 面。在框610，从目标表面所反射并且通过孔所传送回来的光的第二部分 被引向光检测器。在框612，光的第二部分在光检测器处被接收以用于抬 升检测。
尽管描述并图示了本发明的具体实施例，但是本发明不局限于如此描 述和图示的部件的具体形式或布置。本发明的范围由权利要求及其等同物 来限定。
权利要求
1.一种光学导航系统，包括光源，其被配置为产生光；图像传感器，其被设置用于接收从目标表面所反射的所述光的第一部分，所述图像传感器被配置为响应于所接收的所述光的第一部分而生成图像数据帧以用于运动评估；以及抬升检测单元，其包括具有孔的板；光检测器，其位于所述板之上；以及光学系统，其位于所述板之上并且用于接收来自所述光源的所述光的第二部分，所述光学系统被配置为引导所述光的所述第二部分使其通过所述板的所述孔，所述光学系统还被配置为将从所述目标表面反射并且通过所述板的所述孔传送回来的所述光的所述第二部分引向所述光检测器，从而使其被所述光检测器检测以用于抬升检测。
2. 如权利要求1所述的系统，其中，所述光学系统包括第一棱镜，其被设置用于接收所述光的所述第二部分，所述第一棱镜被配置和定向为将所述光的所述第二部分朝着所述板的所述孔折射；第二棱镜，其被设置用于接收从所述目标表面反射并且通过所述板的所述孔传送回来的所述光的所述第二部分，所述第二棱镜被配置和定向为将所述光的所述第二部分沿着预定方向折射；以及第三棱镜，其被设置用于接收来自所述第二棱镜的所述光的所述第二部分，所述第三棱镜被配置为将所述光的所述第二部分朝着所述光检测器折射。
3. 如权利要求2所述的系统，其中，所述第一、第二和第三棱镜中的 至少一个是三棱镜。
4. 如权利要求3所述的系统，其中，所述第一、第二和第三棱镜中的 至少一个是直角三棱镜。
5. 如权利要求2所述的系统，其中，所述第一和第二棱镜位于所述板之上，使得所述板的所述孔位于所述第一棱镜和所述第二棱镜之间。
6. 如权利要求5所述的系统，其中，所述第三棱位于所述板之上，使 得所述第二棱镜位于所述板的所述孔和所述第三棱镜之间。
7. 如权利要求1所述的系统，还包括光导结构，所述光导结构被配置 为将所述光分为所述光的所述第一部分和所述光的所述第二部分。
8. 如权利要求1所述的系统，其中，所述光源包括发光二极管或者激光器件。
9. 一种光学导航系统，包括 具有孔的板；光检测器，其位于所述板之上；以及光学系统，其位于所述板之上，所述光学系统包括第一棱镜，其被设置用于接收输入光，所述第一棱镜被配置和定向为折射所述输入光使其通过所述板的所述孔；第二棱镜，其被设置用于接收从目标表面反射并且通过所述板的 所述孔传送回来的所述输入光，所述第二棱镜被配置和定向为将所述输入 光折射到预定方向；以及第三棱镜，其被设置用于接收来自所述第二棱镜的所述输入光， 所述第三棱镜被配置为将所述输入光朝着所述光检测器折射，从而使其被 所述光检测器检测以用于抬升检测。
10. 如权利要求9所述的系统，其中，所述第一、第二和第三棱镜中 的至少一个是三棱镜。
11. 如权利要求IO所述的系统，其中，所述第一、第二和第三棱镜中 的至少一个是直角三棱镜。
12. 如权利要求9所述的系统，其中，所述第一和第二棱镜位于所述 板之上，使得所述板的所述孔位于所述第一棱镜和所述第二棱镜之间。
13. 如权利要求12所述的系统，其中，所述第三棱镜位于所述板之 上，使得所述第二棱镜位于所述板的所述孔和所述第三棱镜之间。
14. 如权利要求9所述的系统，还包括光源，其配置为产生光，所述输入光是所述光的一部分；以及图像传感器，其被设置用于接收从所述目标表面所反射的所述光的另 一部分，所述图像传感器被配置为响应于所接收的所述光的另一部分而生 成图像数据帧以用于运动评估。
15. 如权利要求14所述的系统，还包括光导结构，所述光导结构被配 置为将所述光分为所述光的所述一部分和所述光的所述另一部分。
16. 如权利要求14所述的系统，其中，所述光源包括发光二极管或者激光器件。
17. —种运动评估方法，包括产生光；将所述光的第一部分引向目标表面；在图像传感器处接收从所述目标表面所反射的所述光的所述第一部分 以用于运动评估；将所述光的第二部分通过位于所述目标表面之上的孔而引向所述目标 表面；将从所述目标表面反射并且通过所述孔传送回来的所述光的所述第二 部分引向光检测器；以及在所述光检测器处接收所述光的所述第二部分以用于抬升检测。
18. 如权利要求17所述的方法，其中，利用棱镜来执行将所述光的所 述第二部分引向所述目标表面的步骤和将从所述目标表面反射并且通过所 述孔传送回来的所述光的所述第二部分引向所述光检测器的步骤。
19. 如权利要求18所述的方法，其中，所述棱镜中的至少一个是三棱镜。
20. 如权利要求n所述的方法，还包括利用反射面将所述光分为所述 光的所述第一部分和所述光的所述第二部分。
全文摘要
本发明公开了一种光学导航系统和运动评估方法，其使用具有孔的板、光检测器和光学系统用于光学抬升检测。光学系统被配置为将输入光通过板的孔引导至目标表面，并且将从目标表面反射并且通过板的孔传送回来的输入光引向光检测器，从而被光检测器检测以用于抬升检测。
文档编号G06F3/033GK101187841SQ20071018772
公开日2008年5月28日 申请日期2007年11月20日 优先权日2006年11月20日
发明者叶胜龙, 李赛穆, 泽那施瓦瑞恩·G·克里沙南 申请人:安华高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司