光学导引方法和设备技术

本发明专利技术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。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

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。
技术介绍
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。专利技术内容根据本专利技术，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。根据本专利技术，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，根据本专利技术，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示出了根据本专利技术的表面散射的概念；图2示出了根据本专利技术的镜面反射；图3a示出了根据本专利技术的高级别框图；图3b示出了根据本专利技术的一个实施例的光学元件的简化图示；图4示出了根据本专利技术的系统；图5示出了根据本专利技术的一个实施例； 图6示出了根据本专利技术的一个实施例；图7示出了描述根据本专利技术的一种方法中所涉及的步骤的流程图。具体实施例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。根据本专利技术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是根据本专利技术的来自粗糙表面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示出了根据本专利技术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Φi，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Φr0±δΦr，θr0±δθr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是根据本专利技术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向应于信号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。根据本专利技术，光学导引设备303的某些实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（θ↓［ｉ］）用窄带宽光束（３１５）照明所述表面；和检测器（３１０、３１１），被定位成相对于所述表面法线（３５０）成反射角（θ↓ ［ｒ］），所述检测器可操作以接收所述窄带宽光束（３１５、３１５′）的反射部分（３１７），其中所述反射角（θ↓［ｒ］）基本上等于所述照明角（θ↓［ｉ］）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：谢彤，马歇尔T德皮尤，道格拉斯M巴内，
申请(专利权)人：安华高科技ECBUIP新加坡私人有限公司，
类型：发明
国别省市：SG[新加坡]