光線尋跡裝置制造方法
【專利摘要】一種光線尋跡裝置，包括：一光源裝置，用于產生一入射一表面的光線；一傳感器陣列，包括以陣列形式排列的多個感應元；以及一控制器，耦接該光源裝置與該傳感器陣列，用于取得該多個感應元所接收的光信號，并計算能量狀態(tài)，以及計算該感應元在一時間間隔前后能量狀態(tài)相對于采集時間前后統(tǒng)計平均值的變化；其中，該傳感器陣列以及該控制器一起集成于半導體電路,該光源裝置和該集成的傳感器陣列以及該控制器封裝于該光線尋跡裝置內的一電路板上。本實用新型應用表面反射的光與原發(fā)射光之間的光建設性與破壞性干涉的圖像，作為尋跡識別的依據，可在各種樣態(tài)的平面上仍具有尋跡的功能，適用于所有高反射或者很低反射率的平面上。
【專利說明】光線尋跡裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種光指示裝置，尤其涉及一種采用同調光干涉圖案和特殊二位元采集呈像作為移動軌跡判斷依據的光線尋跡裝置。
【背景技術】
[0002]圖1所不為現有的光學鼠標10的內部電路不意圖,光學鼠標10于一表面11上移動，鼠標外殼12內部電路的主要元件除了一些光學元件外，電路部分設有一電路板14，電路板14上設有一控制與運算發(fā)射光和感測光的控制器18,以及一光源16與傳感器19。
[0003]于此光學鼠標10的外殼12上有一個朝向外部表面11的開槽(aperture) 17,此電路板14即設于此開槽17附近，電路板14上設有如鐳射或者發(fā)光二極管(LED)的光源16。當此光學鼠標10運作時，光源16連續(xù)產生發(fā)射光，以特定角度射向表面11，如圖中虛線表示，經傳感器19取得反射光的信號，或者取得反射光強度的影像分布(如傳感器19可為CMOS或CXD影像傳感器)，控制器18即分析出光學鼠標10的移動方向。
[0004]在上述熟知的光學鼠標10的軌跡判斷的技術中，相當依賴由表面11取得的反射光的信號，因此一般光學鼠標10的功能將會隨著表面11的形式而有不同的表現。
[0005]比如，若表面11為透明或者不易反光的材質，則此光學鼠標10將無法順利運作；若表面11包括起伏不均的非平面結構，此光學鼠標10也難以順利操作，比如一塊有皺摺的布。
[0006]現有技術中，若欲讓采用前述光傳感器的尋跡裝置在不同平面上仍保有一定尋跡的功能，取得光線移動行徑的方式多使用額外的外部定位感測或者一些復雜的運算，但這些定位感測或者運算因為靈敏度的限制、高耗能與復雜的算法等原因而僅適用于有限的平面樣態(tài)上。這些常見的方式并不適用于所有高反射或者很低反射率的平面上，甚至根本就無法達成光線尋跡的目的。
實用新型內容
[0007]本實用新型的目的在于提供一種光線尋跡裝置，解決了現有光線尋跡裝置無法在不同平面上保有尋跡功能以及無法適用于所有高反射或者很低反射率的平面上的問題。
[0008]本實用新型是這樣實現的，一種光線尋跡裝置，包括:
[0009]一光源裝置，用于產生一入射一表面的光線；
[0010]一傳感器陣列，包括以陣列形式排列的多個感應元；以及
[0011]一控制器，耦接該光源裝置與該傳感器陣列，用于取得該多個感應元所接收的光信號，并計算能量狀態(tài)，以及計算該感應元在一時間間隔前后能量狀態(tài)相對于采集時間前后統(tǒng)計平均值的變化；
[0012]其中，該傳感器陣列以及該控制器一起集成于半導體電路，該光源裝置和該集成的傳感器陣列以及該控制器封裝于該光線尋跡裝置內的一電路板上。
[0013]具體地，該光線尋跡裝置為一以鐳射光為光源的光學指示裝置。[0014]本實用新型提供的一種根據反射干擾進行光線尋跡的光線尋跡裝置，其應用表面反射的光與原發(fā)射光之間的光建設性與破壞性干涉的圖像，作為尋跡識別的依據，可在各種樣態(tài)的平面上仍具有尋跡的功能，適用于所有高反射或者很低反射率的平面上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1所示為現有技術中的光學鼠標內部電路示意圖；
[0016]圖2所示為本實用新型的入射平面與反射光的反射光徑示意圖；
[0017]圖3所示為本實用新型光線尋跡裝置中封裝于一集成電路內的傳感器陣列的示意圖；
[0018]圖4所示的流程為本實用新型光線尋跡方法的實施例步驟；
[0019]圖5所示為本實用新型尋跡裝置采用的傳感器陣列的實施例示意圖；
[0020]圖6所示為本實用新型所揭示裝置中感應元執(zhí)行光線尋跡方法的示意圖之一；
[0021]圖7所示為本實用新型所揭示裝置中各感應元執(zhí)行光線尋跡方法的示意圖之二。
【具體實施方式】
[0022]采用非同調光(non-coherent light)作為移動位置判斷的技術通常需要復雜的資料運算程序，比如判斷鼠標移動軌跡，這類的技術常限制在幾種平面(比如避免使用光反射率過低的平面)上才能有較好的效果。有鑒于此，本實用新型揭示了一種光線尋跡方法與裝置，實施例之一采用了同調光(coherent light)或說是一種空間同調性(spatialcoherence)良好的光線作為光源,藉此偵測移動方向，并可結合靈敏度補償(sensitivitycompensation)的方式，利用一種光線尋跡算法(movement recognition algorithm),相關采用此技術的裝置可以適用于各種樣態(tài)的平面上。
[0023]值得一提的是，本實用新型所提出的光線尋跡裝置內可以采用一種同調光源整合型封裝技術(coherent light source package integration),采用此類技術的裝置,如光學指示裝置，無須安裝額外的光學透鏡或特定影像傳感器，如一種互補式金屬氧化物半導體影像傳感器(CMOS image sensor, CIS)。
[0024]首先請先參看圖2所示由一特定光源裝置(未顯示于此圖)產生入射光201射向一平面再反射形成多個反射光203的示意圖，光源特別是采用一種如鐳射的同調光(coherent light)，此處所描述的“同調光”是指一種空間同調性良好的光線。
[0025]圖2顯示的多個光徑包括入射光201射向一個具有表面結構205的平面，再反射形成反射光203。由于微觀上表面結構205為不規(guī)則的結構，因此反射光203形成如圖2所示有不同射向的光線。
[0026]光源裝置連續(xù)產生入射光201射向平面，并反射形成反射光203，過程中反射光203經由傳感器(未顯示于圖2中)接收，各種光徑中產生了光建設性與破壞性干涉的圖像(pattern),此處特別使用同調光源的入射光201可以增強此干涉效應(interferenceeffect)。
[0027]當載有執(zhí)行此尋跡方法的相關電路的裝置相對于感測平面(X-Y平面)進行移動時，其中光傳感器接收到反射光203的信息,再依據時間間隔(time slot)采樣(sampling)其中信息資料，以及取得反射光203的平均能量值，并計算反射光203不同時間、不同位置的能量差異。特別是，本實用新型所揭示的光線尋跡裝置較佳地采用一種感應器陣列(sensor array)以取得反射光203不同位置能量，以及與平均能量值的差異，即能判斷出移動軌跡。其中反射光203平均值的計算可以采用全部感應元(sensor cell)取得的能量平均值，或者部分感應元取得的能量平均值，比如以行(如圖5的X方向)平均值或列(如圖5的Y方向)平均值為平均值的計算參考；亦可能采取外圍或中間部分的能量平均值作為參考平均值。
[0028]根據采用上述感應器陣列的實施例之一，若以同調光為光源，可以增強反射光線的干涉效應。同調光為一種在一波包(wave envelope)中具有非常小相位延遲(phasedelay)的光源，其中鐳射光即是一種同調光，不同于太陽光或LED光等非同調光。
[0029]應用同調光于本實用新型揭示的尋跡裝置中，同調光可以改善感測反射光干擾的光學傳感器的靈敏度。因為同調光有很小相位差(phase difference)的特性，相對于非同調光的反射光所產生的空間干擾(spatial interference),同調光會有較小的相位延遲(phase delay)現象。因此，采用同調光可以加強反射光空間干擾的優(yōu)點，前述傳感器陣列(針對光線)可以取得經一個平面反射光的空間干擾差異。
[0030]傳感器陣列可參閱圖3所示本實用新型光線尋跡裝置中封裝于一集成電路(IC)內的傳感器陣列的示意圖。
[0031]圖3中顯示一個設于一裝置(如光學鼠標或者特定指示裝置)內電路板30上的傳感器陣列32，傳感器陣列32包括有陣列形式排列的多個感應元301，通過這個整合型封裝的技術(integrated optical sensor array on IC),傳感器陣列32上的各個感應兀301可以在固定的位置平均取得經平面反射的光線。圖3中由一光源裝置34發(fā)射光線到一個平面上的照射范圍303，之后光線經平面反射后射向傳感器陣列32，其中各感應元301分別接收到不同方向的反射光，通過適當光電信號轉換，裝置內的和傳感器陣列32 —起半導體電路集成的控制器36與相關電路取得信號后可以計算出加總每個感應元301接收到的能量的平均值，再接著計算各個感應元301與平均值的差異，以取得由平面反射形成的空間干擾的能量差異(spatial interference difference),控制器36根據每個時間間隔(timeslot)前后累積計算的能量差異判斷出移動方向。
[0032]上述實施例所揭示的光線尋跡裝置中，所謂的空間干擾，當光線(特別是同調光，但實用新型不限于同調光)射向有不規(guī)則表面結構的表面后又反射產生不同方向的反射光而產生的光線干擾(interference),此光線經反射后產生建設性或破壞性的干擾圖案,之后，由傳感器陣列取得因為相對運動(裝置與平面的相對運動)平面反射的空間信息后，建立在X-Y平面上的移動資料。
[0033]如圖3所示，特別于一實施例中，本實用新型所揭示的光線尋跡裝置可為一以鐳射光為光源的光學指示裝置，如光學鼠標，其中主要電路元件包括設于一電路板30上的光源裝置34，用于產生一入射表面的光線，包括有感測器陣列32，其中有以陣列形式排列的多個感應元301，以及包括有前述的控制器36，控制器36耦接光源裝置34與傳感器陣列32，用于取得多個感應元301內多個感應像素所接收的光信號，并計算能量狀態(tài)，以及計算時間間隔的能量狀態(tài)相對于采集時間前后統(tǒng)計平均值的變化。
[0034]圖4所示的流程為本實用新型光線尋跡方法的實施例步驟。
[0035]在此實施例流程中，步驟開始如S401，由設于光線尋跡裝置內的光源裝置發(fā)射光線，射向一個表面，之后如步驟S403，由裝置內的傳感器接收反射光。
[0036]根據實施例，光源較佳如同調光，主要目的是利用同調光較小相位延遲的特性改善利用反射光干擾偵測移動方向的靈敏度。其中光源裝置可為設于光指示裝置內的鐳射光裝置，而傳感器則較佳采用如圖3顯示的傳感器陣列。
[0037]之后，本實用新型所揭示的光線尋跡方法主要通過計算前述時間間隔前后所有或部分感應元的能量狀態(tài)，再根據感應元在時間間隔前后能量狀態(tài)相對于采集時間前后統(tǒng)計平均值的變化而判斷一移動矢量，其中之一實施方式的細節(jié)如下。
[0038]經傳感器接收反射光后，如步驟S405，裝置內控制電路計算一個時間間隔(timeslot)前后的各感應元接收的能量，并如步驟S407，再計算所有或部分(可能非所有的感應元/感應像素(sensor pixel)都接收到足以計算能量的光線,如圖6所載范例)感應元在該時間間隔前后所取得的能量平均值(同一時間至少處理兩個值)。經前后不同時間計算各感應元的能量與所有或部分(比如以行平均值、列平均值、外圍平均值、中央平均值為參考平均值)的能量平均值后，可以計算出各感應元接收能量與平均值的差值(在一實施例中，此處的差值可表示各感應元的能量狀態(tài))，其中分別處理該時間間隔前后的至少兩個差值，如步驟S409。時間間隔前后的兩組數值之間可存在一個差異，也就是前后時間的能量變化，之后可根據感應芯片內的多個(至少兩個)感應元所計算的能量變化判斷出整體采用此尋跡技術的裝置的移動矢量，如步驟S411。
[0039]經反復上述光線尋跡方法的步驟可計算出多個時間間隔的移動矢量，據此判斷出在一定時間內的移動軌跡。其中根據各感應元中感測到的能量變化判斷裝置與表面的相對移動的方式，可以參考圖6、圖7所記載的范例。
[0040]圖5則顯示光線尋跡裝置所采用的傳感器陣列運作計算能量分布的實施例示意圖，根據實用新型實施例，其中所提出的尋跡的演算方式通過此圖5所示的電路結構以及傳感器陣列。
[0041]圖5顯示了傳感器陣列的布局，多個感應元分布于X-Y平面上，形成NxM的傳感器陣列，包括陣列形式排列的多個感應元501，502，503，504，505，分別沿著X，Y方向設置，實際數量并不限于此示意圖。鋪設這些感應元501，502, 503, 504, 505的電路板上主要元件還有多個比較器521，522，523，524，525，各個比較器分別連接對應的兩個感應元，輸入值為各個感應元產生的能量的平均電壓信號Vavg，用于比較感應元感測到光線后所得到的電壓信號，可以比較得到高低電壓的信號值。最后，尋跡方法即取得相鄰兩個傳感器值比對結果，作出移動方向的判斷。
[0042]比如圖5中比較器521耦接于感應元501，其中一個輸入信號即感應元501所感測產生的能量信號，可以用電壓信號表示，另一輸入端則為平均電壓信號Vavg，因此比較器521比對這兩個輸入信號，可以輸出一個比較結果，比如圖6所示H或L分別表示的高低電
壓信號。
[0043]根據本實用新型所記載的光線尋跡方法中，尋跡的方式特征在于利用光線(較佳為同調光)經平面反射后形成的建設性與破壞性干擾圖案中顯示的能量分布(energypattern)，通過不同時間的能量分布變化判斷移動矢量。其中實施方式比如采用非相關視點進行移動判斷(non-relative view points to do movement judgment)的方式，也就是引入周圍感應元的能量信息，與平均感應能量進行比對判斷移動方向。值得一提的是，這不同于一般利用影像像素(pixel)信息判斷移動矢量的方式，本實用新型是通過采用時間與計算能量變化(二位元的讀值，和統(tǒng)計平均值比較的結果，H和L)而判斷出移動軌跡。
[0044]在圖4所述通過前后能量變化判斷移動矢量的方式中，感應元在前后時間的能量可以一種以電壓形式表示的能量狀態(tài)，比如與整體同一時間的能量平均值比較后可以取得一個如圖6所示的H或L表示的能量狀態(tài)。因此，先判斷各感應元分別于第一時間(t0)與第二時間(tl)的能量狀態(tài)，之后取得感應元于第一時間至第二時間的能量狀態(tài)相對于采集時間前后統(tǒng)計平均值的變化，可以判斷移動矢量。
[0045]移動矢量的判斷可以參考圖6所示本實用新型所揭示裝置中多個感應元執(zhí)行光線尋跡方法的示意圖。
[0046]此例顯示有多個陣列排列的感應元組合601，602, 603, 604, 605, 606，此例僅示意列舉通過相鄰感應元在不同時間(如第一時間to，第二時間tl)感測到的能量變化而辨識移動矢量的范例。
[0047]其中t0與tl為前后兩個采樣時間，H與L分別表示由前述比較器所輸出的高低電壓信號，也就是可視為能量狀態(tài)(相較于平均能量為一個能量狀態(tài))，主要是通過前后時間的電壓信號轉變判斷出一個整體的移動矢量。圖6顯示為個別感應元中在前后兩個不同時間的能量變化。
[0048]比如感應元組合601中示意顯示幾個(至少兩個)感應元，其中左方顯示在第一時間t0時，兩個感應元分別感應到L與H兩個能量狀態(tài)；當進入第二時間tl時，兩個感應元的能量變化則轉變?yōu)镠與H。當L、H (t0)轉變?yōu)镠、H (tl)時，其中有個感應元的能量狀態(tài)由L轉變?yōu)镠，表示由右方的H替補到左方的位置，因此可以初步判斷在此時間間隔中有效感應的移動方向為向左。
[0049]而此感應元組合601的另一組感應元在第一時間t0時，能量狀態(tài)為H與L ;到了第二時間tl，能量狀態(tài)則為L與L，其中有個感應元能量狀態(tài)的由H轉變?yōu)長，也就是表示右方的L替補到左方的位置，因此可以判斷有個向左的移動方向。
[0050]再如感應元組合602內左方的兩個感應元在第一時間t0的能量狀態(tài)為L與H，到了第二時間tl改變?yōu)長與L，可以看出其中的H經左方的L向右替補成為L，因此初步判斷有個向右的移動矢量。
[0051]同理，感應元組合602內的右方有兩個感應元在第一時間t0的能量狀態(tài)為H與L，之后到了第二時間tl時變化成為H與H，其中右方的L經左方的H替補轉變?yōu)镠，因此可以判斷出有個向右的移動矢量。
[0052]圖中感應元組合605與606并沒有箭頭標示方向，經判斷為此例中多個感應元在第一時間to與第二時間tl的時間間隔中沒有能量變化，或者無法通過其中能量變化判斷出移動方向，比如感應元組合606在第一時間to能量狀態(tài)為L與H，到了第二時間tl，能量狀態(tài)轉變?yōu)镠與L，這是無法通過能量狀態(tài)變化來判斷移動方向的。因此，這兩種態(tài)樣是沒有有效輸出信號的。
[0053]當前后兩個時間的全部感應元都判斷了各自能量變化的方向時，可以整體判斷出一個總體的移動矢量。
[0054]另一個移動方向判斷的方式如圖7所示為本實用新型所揭示裝置中感應芯片執(zhí)行光線尋跡方法的示意圖之二。此例通過不同時間的感應元能量狀態(tài)的轉換方向以辨識移動矢量的方法示意圖，其中X為不在意的值，O為to與tl所感應信號的比對，藉此判斷
移動矢量。
[0055]經感應芯片接收到反射光時，感應芯片內的多個感應元在不同時間根據接收的信號能量與平均能量比較時，產生有高低不同電壓信號，如圖7所示為產生有感應信號“O” ；在一些情況下，仍有可能部分的感應元并沒有能量變化，或者無關電壓信號的高低，此時如圖7顯示為不在意的值“X”。
[0056]根據圖7所示的實施例，在感應元組合701中，經前述比較器于第一時間t0取得相鄰感應元的能量變化，表示為狀態(tài)“X觀”，其中“X”為不在意值，“O”表示有高低電壓變化；在第二時間tl取得幾個相鄰感應元的能量變化，表示為狀態(tài)“_x”。經第一時間to與第二時間11的各感應元的能量狀態(tài)變化，此例顯示狀態(tài)“Xii”轉變?yōu)椤癅@x”，可以判斷“m”向左位移(shift)，因此可以判斷這個感應元組合701有一個向左移動的變化，如圖中箭頭所示。
[0057]在感應元組合702中，其中相鄰的感應元在第一時間t0的能量變化表示為狀態(tài)“_X”，在第二時間tl時，能量狀態(tài)表示為“x_”，此時可見經時間轉變(to到tl)后，其中狀態(tài)“觀”顯示有向右位移的趨勢。因此，本實用新型所揭示的尋跡方法則利用此前后時間的能量變化判斷整體裝置的移動方向。
[0058]值得一提的是，在判斷移動方向時，由于實用新型采取了傳感器陣列，因此微小的誤差并不會影響整體判斷的結果。若尋跡方法應用于計算機光學鼠標上，一般使用者操作鼠標的移動頻率遠低于其中如控制電路的處理速度，一些緩慢改變的參考數值并不會影響整體判斷。
[0059]綜上所述，本實用新型提供的一種根據反射干擾進行光線尋跡的方法與光線尋跡裝置，所揭示的光線尋跡裝置整合于一半導體封裝內，藉此可以有效壓抑內部固有的噪聲(intrinsic noise)，而應用其中尋跡方法的裝置則特別采用同調光作為光源，同調光可以改善感測反射光干擾的光學傳感器的靈敏度。
[0060]以上所述是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種光線尋跡裝置，其特征在于，包括: 一光源裝置，用于產生一入射一表面的光線； 一傳感器陣列，包括以陣列形式排列的多個感應元；以及 一控制器，耦接該光源裝置與該傳感器陣列，用于取得該多個感應元所接收的光信號，并計算能量狀態(tài)，以及計算該感應元在一時間間隔前后能量狀態(tài)相對于采集時間前后統(tǒng)計平均值的變化； 其中，該傳感器陣列以及該控制器一起集成于半導體電路，該光源裝置和該集成的傳感器陣列以及該控制器封裝于該光線尋跡裝置內的一電路板上。
2.如權利要求1所述的光線尋跡裝置，其特征在于，該光線尋跡裝置為一以鐳射光為光源的光學指示裝置。
【文檔編號】G06F3/0354GK203376697SQ201320371596
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月26日 優(yōu)先權日:2013年6月26日
【發(fā)明者】張云山 申請人:林大偉, 張云山