專利名稱：抗斑點衰落的光學定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光學定位裝置(OPD)，以及使用這種裝置感測 移動的方法。
背景技術(shù)：
指示裝置，例如計算機鼠標或跟蹤球，用于將數(shù)據(jù)輸入到個人計 算機和工作站中，并與它們對接。這種裝置允許在監(jiān)控器上光標快速 重新定位，且在"i午多文本、數(shù)據(jù)庫和圖形程序中都^ 艮有用。用戶通過 在一個表面上移動鼠標，使光標在與鼠標的移動成比例的方向和距離 上移動來控制光標。備選的是，手在靜止裝置上的移動也可用于同樣 目的。
計算機鼠標有光學和機械兩種型式。機械鼠標通常使用旋轉(zhuǎn)球來 檢測移動，且一對軸編碼器與球接觸以產(chǎn)生數(shù)字信號，由計算機用來 移動光標。機械鼠標的一個問題在于，由于污垢積累等原因在持續(xù)使 用后易于不精確和出故障。此外，機械元件特別是軸編碼器的移動和 綜合磨損必然限制裝置的有用壽命。
上述機械鼠標問題的一個解決方案是開發(fā)光學鼠標。光學鼠標已
經(jīng)非常普及，因為它們更為健壯，且可提供更好的指示精確度'
而照射表面的發(fā)光二極管(LED)、捕獲綜合圖像的二維CMOS (互 補金屬氧化物半導(dǎo)體)檢測器、以及使連續(xù)圖像相關(guān)聯(lián)以確定鼠標已 移動的方向、距離和速度的軟件。這種技術(shù)通常提供高精確度，但卻 有復(fù)雜設(shè)計和相對高的圖像處理要求等問題。此外，由于照射的切線 入射，光學效率很低。
另 一途徑是使用 一維陣列的光傳感器或檢測器，如光電二極管。 表面的連續(xù)圖像由成像光學器件捕獲，轉(zhuǎn)換到光電二極管上，并作比 較以檢測鼠標的移動。光電二極管可直接用導(dǎo)線連接成組，便于移動 檢測。這降低了光電二極管的要求，并能作快速沖莫擬處理。這種鼠標 的一個實例在授予Dandliker等人的美國專利No. 5,907,152中公開。
在Dandliker等人的專利中公開的鼠標與標準技術(shù)的不同之處還 在于它使用相干光源，例如激光器。來自相干源的光從粗糙表面散射 開來產(chǎn)生光的隨機強度分布，稱為斑點(speckle)。使用基于斑點的 圖案有幾個優(yōu)點，包括高效的基于激光器的光產(chǎn)生以及即使在正常入 射照射下的高對比度圖像。這就允許有更高效的系統(tǒng)，并節(jié)省電流消 耗，這在無線應(yīng)用中很有利，可以延長電池壽命。
雖然在基于LED的常規(guī)光學鼠標上有了重大改進，但這些基于斑 點的裝置仍因許多原因并不能完全令人滿意。具體地說，使用激光器 斑點的鼠標并未展示出當今技術(shù)水平的鼠標通常所需求的精確度，通 常需要有小于0.5 %或左右的路徑差錯。
本公開內(nèi)容討論并提供了對現(xiàn)有技術(shù)光學鼠標和其它類似光學指 示裝置的各種問題的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
所公開的一個實施例涉及一種配置成抗斑點衰落的光學定位設(shè) 備。該設(shè)備包括至少相千光源和檢測器。相干光源配置成用激光器光
來照射表面。檢測器配置成獲取所照射表面的連續(xù)圖像，且檢測器包 含N行，每行包括多個光敏元件。
所公開的另 一 實施例涉及一種配置成使用計算和濾波電路來抗斑 點衰落的光學定位設(shè)備。計算電路配置成根據(jù)強度數(shù)據(jù)計算速度數(shù) 據(jù)。濾波電路配置成減少在速度數(shù)據(jù)中來自斑點衰落的影響。
所^Hf的另 一 實施例涉及一種光學位移傳感器，用于通過確定在 表面的連續(xù)圖像中光學特性的位移來感測數(shù)據(jù)輸入裝置和表面之間的 相對移動。該傳感器包括檢測器，檢測器具有第一陣列，第一陣列包 括平行于第一軸排列的多行光敏元件。每行包括多組光敏元件，每組
具有M個光^t元件。來自 一組中每個光^:元件的信號與其它組中對應(yīng) 的光敏元件電連接，以從光敏元件的M個交錯組群中產(chǎn)生M個獨立 的組群信號。
所公開的另一實施例涉及一種感測數(shù)據(jù)輸入裝置在表面上移動的 方法。提供一種光學位移傳感器，該傳感器具有檢測器，檢測器具有 平行于第一軸排列的多行光敏元件的第一陣列。每行包括多組光敏元 件，每組有M個光敏元件。第一陣列接收從部分表面反射的光所產(chǎn)生 的強度圖案。來自一組中每個光敏元件的信號與其它組中對應(yīng)的光敏 元件電連接，以從第一陣列中光敏元件的M個交^"組群中產(chǎn)生M個 獨立的組群信號。


本公開內(nèi)容的這些和各種其它特性和優(yōu)點從以下詳細說明和從附 圖中就可更充分理解，但這些說明和附圖不應(yīng)被認為是將所附權(quán)利要 求限制在所示的具體實施例上，而僅是為了作解釋和理解，附圖包括
圖1A和1B分別示出從光滑表面反射的光的衍射圖案和從粗糙表 面反射的光的干涉圖案中的斑點；
圖2示出按照本公開實施例的基于斑點的OPD的功能框圖3示出按照本公開實施例具有交錯光敏元件組群的陣列框圖4示出按照本公開實施例來自圖3陣列的仿真信號列以及結(jié)果同相信號的框圖6示出按照本公開實施例來自具有交錯光敏元件組群的陣列的 仿真信號圖，其中來自每第四個光敏元件的信號被電連接或組合；
圖7示出按照本公開實施例用于檢測器的估算速度直方圖，該檢 測器有64個光敏元件、連接成4N配置、并以81 %最大速度工作；
圖8示出按照本公開實施例作為檢測器元件數(shù)的函數(shù)的差錯率， 該檢測器具有連接成4N配置的光敏元件；
圖9示出按照本發(fā)明實施例差錯率對信號幅度的依賴關(guān)系；
圖10示出按照本公開實施例作為檢測器元件數(shù)的函數(shù)的差錯 率，該檢測器具有連接成4N配置的多行光敏元件；
圖U示出按照本公開實施例來自具有連接成各種配置的交錯光 敏元件組群的陣列的仿真信號圖12示出按照本公開實施例具有連接成5N配置的光敏元件的陣 列排列框圖以及原始和正交加權(quán)系數(shù)；
圖13示出按照本公開實施例具有連接成6N配置的光敏元件的陣 列排列框圖以及原始和正交加權(quán)系數(shù)；
圖14示出按照本公開實施例具有連接成4N配置的光專文元件的陣 列排列框圖以及原始和正交加權(quán)系數(shù)；
圖15出按照本公開實施例具有連接成6N配置和4N配置的光敏 元件的多行陣列的排列框圖16示出按照本公開實施例的電路實施例示意圖，該電路使用電 流鏡來實現(xiàn)4N/5N/6N加權(quán)組，其方式為重新使用同一元件輸出來產(chǎn) 生多個獨立信號用于移動估算；
圖17示出按照本公開實施例具有兩行的多行陣列排列，這兩行是 端對端連接，而不是彼此上下連接；以及
圖18示出按照本公開實施例的光敏元件在二維陣列中的排列。
具體實施例方式
現(xiàn)有光學定位裝置的問題
現(xiàn)有基于斑點的OPD的一個問題歸因于鄰近光電二極管之間的 間距或距離，此距離范圍通常從十(10)微米到五百(500)微米。在 成像平面中尺寸小于該間距的斑點不能被正確檢測，從而限制了 OPD 的敏感度和精確性。顯著大于該間距的斑點會產(chǎn)生大幅減小的信號。
另 一 問題是相千光源必須和.檢測器正確對準，以便產(chǎn)生有斑點的 表面圖像。在現(xiàn)有設(shè)計中，圖像平面的受照部分通常比檢測器的視場 寬得多，以確保光電二極管陣列完全被反射的照射所覆蓋。但是，具 有大的受照面積就降低了光電二極管可檢測的反射照射的功率強度。 因此，為解決或避免現(xiàn)有基于斑點的OPD中錯位問題的嘗試常導(dǎo)致?lián)p 失光電二極管陣列可用的反射光，或?qū)φ丈涔β侍岢隽烁叩囊蟆?br> 常規(guī)OPD還有另一問題是由于在視場內(nèi)不同點處成像光學器件 和特性之間的視角和/或改變的距離而引起的表面上或從表面發(fā)出的 特性變形問題。對于使用以切線入射的照射的OPD來說，這特別是個 問題。
因斑點圖案的圖像分析而引起的現(xiàn)有基于斑點的OPD的附加問 題在于估算方案對統(tǒng)計波動的敏感性。由于斑點是通過對散射相干光 的相位隨機化而產(chǎn)生的，因此斑點平均具有所定義的尺寸和分布，但 斑點可能呈現(xiàn)出與該平均不一致的局部圖案。所以，裝置可能易于有 局部^^莫糊或難于解釋的數(shù)據(jù)，例如斑點圖案提供的與運動有關(guān)的信號 比通常要小。
現(xiàn)有基于斑點的OPD還有另一問題涉及斑點圖案的改變，或斑點 "沸騰"。 一般來說，當表面移動時，來自表面的斑點圖案隨之移動， 且方向相同，速度相同。但在許多光學系統(tǒng)中，從表面離開的相前中 會有附加的改變。例如，如果光學系統(tǒng)不是遠心的，以致/人表面到對 應(yīng)檢測器的路徑長度在表面上是不均勻的，則在表面移動時，斑點圖 案可能以有些隨機的方式改變。這就會使檢測表面移動所用的信號失
真，導(dǎo)致系統(tǒng)的精確度和敏感度下降。
因此，需要有一種高度精確的基于斑點的指向裝置和使用它的方 法，其能夠以路徑差錯小于0.5%或上下來檢測移動。希望該裝置具有 簡單易懂和不復(fù)雜的設(shè)計，對圖像處理的要求相對較低。還希望該裝 置具有高光學效率，即，光電二極管陣列可用的反射光損失^R減至最 小。還希望優(yōu)化該裝置對所用斑點尺寸的敏感度和精確度，以及由光 學系統(tǒng)精確地保持斑點圖案。
本文公開的OPD實施例
本公開內(nèi)容一般涉及用于光學定位裝置(OPD)的傳感器，以及
基于從表面反射的光的隨機強度分布圖案，稱為斑點的位移來感測傳
感器和表面之間相對移動的方法。OPD包括但不限于用于向個人計算 機輸入數(shù)據(jù)的光學鼠標或跟蹤球。
在說明書中提到"一個實施例"或"實施例"是指，結(jié)合該實施 例說明的一個具體特性、結(jié)構(gòu)或特征-波包括在本發(fā)明的至少 一個實施 例中。在說明書中各個地方出現(xiàn)的短語"在一個實施例中，，不一定全 部指同一實施例。
一般來說，用于OPD的傳感器包括照射器，它具有光源和照射 光學器件以照射部分表面；檢測器，它具有多個光敏元件和成像光學 器件；以及信號處理或混合信號電子電路，用于組合來自各個光敏元 件的信號，以產(chǎn)生檢測器的輸出信號。
在一個實施例中，檢測器和混合信號電子電路是使用標準CMOS 工藝和設(shè)備制造的。優(yōu)選的是，本發(fā)明的傳感器和方法提供了一種光 學高效檢測體系結(jié)構(gòu)，即使用結(jié)構(gòu)照射和遠心斑點成像，以及使用 才莫擬和數(shù)字電子電路組合的簡化信號處理配置。這種體系結(jié)構(gòu)減少了 專用于傳感器中的信號處理和位移估算的電力量。已發(fā)現(xiàn)，使用斑點 檢測技術(shù)并按照本發(fā)明適當配置的傳感器可以符合或超過通常對OPD 所期望的所有性能標準，包括最大位移速度、精確度和％路徑差錯率。
基于斑點的位移傳感器介紹
本節(jié)討論申請人所理解和相信的基于斑點的位移傳感器的工作原 理。雖然這些工作原理對于理解很有用，但本發(fā)明的實施例不應(yīng)不必 要地受這些原理的限制。
參閱圖1A,所示波長的激光器光被示為射到光滑反射表面的102
和從光滑反射表面反射的104，其中入射角e等于反射角e。產(chǎn)生衍射 圖案106,它具有的周期性為;i/2^"仗
形成對比的是，參閱圖1B,任何具有尺寸大于光波長(即大約 >ljim)的拓樸不規(guī)則的一般表面傾向于4吏光114以近似Lambertian形 式散射到全部范圍。如果使用相干光源如激光器，則在由具有有限孔 徑的平方律檢測器檢測時，空間相干的散射光會產(chǎn)生復(fù)雜的干涉圖案 116。亮區(qū)和暗區(qū)的這種復(fù)雜干涉圖案116稱為斑點。斑點圖案116的 準確性質(zhì)和對比度取決于表面粗糙度、光的波長及其空間相干程度、 以及聚光或成像光學器件。雖然常常是高度復(fù)雜，但斑點圖案116的 明顯特征是有 一段任何粗糙表面被光學器件成像，于是當表面上的位 置相對激光器和光學器件-檢測器組件橫向移位時就可用來對其加以 識別。
期望斑點會有所有尺寸，高達由光學器件的有效孔徑所設(shè)定的空 間頻率，常規(guī)上以其數(shù)值孔徑A^=w'"6>定義，如圖1B所示。根據(jù) Goodman [J. W. Goodman, "Statistical Properties of Laser Speckle Patterns" in "Laser Speckle and Related Phenomena" edited by丄C. Dainty， Topics in Applied Physics volume 9, Springer-Verlag (1984)—具體見39-40頁],尺寸統(tǒng)計分布以斑點強度自動相干性表示。"平均，，斑點直徑 可定義為
=_A_ —丄
"=^ = i (公式3) 、 有趣的是要指出，斑點強度的空間頻譜密度，根據(jù)Wiener-Khintchine法則，就是強度自動相干性的傅立葉變換。最細小的可能斑 點"油=^2^4,由以下不太可能的情況設(shè)定，即主要作用來自于圖
1B的最外射線118 (即在土e的射線)，且來自最"內(nèi)，，射線的作用有
破壞性干擾。所以截止空間頻率為乂。-7/^/27V力或2A^/丄
請注意，數(shù)值孔徑對于沿一個維度(例如"X")和沿其正交維度
("y")的圖像中的空間頻率可以不同。這可能是由于在一個維度上的 光學孔徑比另一維度上的要長(例如橢圓而不是圓)、或由于變形透 鏡而引起。在這些情況下，斑點圖案116也會是各向異性的，且平均 斑點尺寸在兩個維度上會不同。
基于斑點的激光器位移傳感器的一個優(yōu)點是，它能用以近法線入 射角到達的照射光來工作。采用成像光學器件和以切線入射角到達粗 糙表面的不相干光的傳感器也可用于橫向位移傳感。但是，由于照射 的切線入射角用于產(chǎn)生圖像中表面地形的適當大的亮-暗陰影，這種系 統(tǒng)本身在光學上效率就低，因為很大一部分光以鏡面形式反射到檢測 器之外，因此對所形成的圖像不起作用。相反，基于斑點的位移傳感 器可以有效利用來自激光源的較大部分的照射光，從而允許開發(fā)光學 高效的位移傳感器。
基于斑點的位移傳感器的所公開體系結(jié)構(gòu)
以下的詳細說明描述了用于一個這種基于斑點的激光器位移傳感 器的體系結(jié)構(gòu)，它使用CMOS光電二極管，并有模擬信號組合電路、 適量的數(shù)字信號處理電路、以及低功率光源，例如850nm垂直腔面發(fā) 射激光器(VCSEL)。雖然在以下的詳細說明中討論了某些實現(xiàn)細節(jié)， 但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提 下，不同的光源、檢測器或光敏元件、和/或用于組合信號的不同電路 也可使用。
現(xiàn)參閱圖2和3對按照本發(fā)明實施例的基于斑點的鼠標加以i兌明。
圖2示出按照本發(fā)明實施例的基于斑點的系統(tǒng)200的功能圖。系 統(tǒng)200包括激光源202、照射光學器件204、成像光學器件208、至少 兩組多個CMOS光電二極管陣列210、前端電子電路212、信號處理 電路214、以及接口電路216。光電二極管陣列210可以配置成提供沿
兩個正交軸x和y的位移測量?？梢允褂们岸穗娮与娐?12中的無源 電子組件將每個陣列中的多組光電二極管加以組合，以產(chǎn)生組群信 號。組群信號隨后可由信號處理電路214進行代數(shù)組合，以產(chǎn)生(x,y) 信號，提供在x和y方向上OPD位移的幅度和方向的信息。(x,y)信 號可由接口電路218轉(zhuǎn)換成x、 y數(shù)據(jù)220,其可由OPD輸出。使用 這種檢測技術(shù)的傳感器可以具有線性光電二極管的交錯組群陣列，稱 為"差分桶u形陣列"。
圖3示出這種光電二極管陣列302的一般配置(沿一個軸)，其 中表面304由相千光源，例如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL) 306和 照射光學器件308照射，且其中陣列302中交錯組群的組合用作對斑 點圖像所產(chǎn)生的亮-暗信號空間頻率的周期性濾光器。
來自粗糙表面304的斑點被成像到具有成像光學器件310的檢測 器平面。優(yōu)選的是，成像光學器件310是遠心的，以求有最佳性能。
在一個實施例中，在兩個獨立正交陣列中執(zhí)行梳形陣列檢測，以 獲得在x和y上的位移估算。 一個小型的這種陣列302示于圖3。
檢測器中的每個陣列包括N個光電二極管組，每組有M個光電二 極管(PD),排列起來形成MN線性陣列。在圖3所示的實施例中， 每組包括四個光電二極管(4PD)，稱為1、 2、 3、 4。將每組中的PD1 電連接(線和)形成組群，PD2、 PD3和PD4也一樣，得到從陣列出 來的四條信號線。它們對應(yīng)的電流或信號是h、 12、 13和14。這些信號 (I,、 12、 13和14)可稱為組群信號。通過使用差分模擬電路312產(chǎn)生 同相差分電流信號314 (113) =1^3，以及使用差分才莫擬電路316產(chǎn)生 正交差分電流信號318 (I24 )= I2-l4，可實現(xiàn)背景抑制(以及信號加重)。 這些同相和正交信號可稱為線信號。比較113和124的相位就可檢測移 動的方向。
如圖3所示使用4N檢測的梳形檢測器的一個困難在于，它們會具 有不可接受的大差錯率，除非他們具有非常大的陣列，例如在陣列102 中有多于數(shù)百個的檢測器或光電二極管。由于在落到陣列不同部分上
的光強度之間的有效平衡而使振蕩信號很弱時，這些差錯就會產(chǎn)生。 在圖4中的仿真例如幀65中及其附近，振蕩信號的幅度就相對較小。
參閱圖4,圖中示出同相(原始)信號和正交信號。幀號沿水平軸示出。
多行檢測器陣列
對該基本噪聲源的一個解決方案是，使數(shù)行這些檢測器或光敏元
件成套排列或排列在一起。有兩個成套排列的行502=1和502-2的檢測 器示意于圖5。還示出了來自這兩行的結(jié)果振蕩同相信號504-1和 504-2。在這種檢測器中，當一行產(chǎn)生弱信號時，可以根據(jù)來自另一行 的信號測量速度。例如，在幀2400附近，同相信號504-1具有相對較 小的幅度，但第二同相信號504-2則具有相對較大的幅度。如以下所 示，當振蕩幅度較大時，差錯率較小。所以，"右"行(即，具有相 對較大幅度振蕩的那一行)可被選中，并可作低差錯估算。 仿真方法
為演示圖5配置的功效，在方形網(wǎng)格上產(chǎn)生斑點圖案，每個方格 中具有隨機和獨立的強度值。斑點大小，或網(wǎng)格間距，設(shè)定為20微米。 產(chǎn)生代表檢測器陣列的另一網(wǎng)格，它具有可變的尺寸，并以恒速在斑 點圖案上掃描。每個檢測器或光敏元件上的瞬時強度與同 一組群中的 其他光電流求加來確定信號。以下的仿真使用具有恒定的水平檢測器 或光敏元件間距的"4N"檢測器方案。
差錯率計算
這些仿真的示例輸出示于圖6，圖中示出來自4N梳形檢測器的仿 真同相(原始)信號602-1和正交信號602-2。還示出了由這兩個信號 定義的矢量的幅度(長度)604和相位(角度)606。在此示范仿真中， 每個陣列包括84個檢測器或光敏元件，以5 %最大速度工作。
這些圖上的水平軸示出幀計數(shù)；在該情況下，使用了 4000個單獨 測量(幀)。下面兩條曲線是同相602-1和正交602-2信號(分別為組 群1減組群3，和組群2減組群4)。從這兩條曲線就可確定信號長度
604和角度606,如上面兩條曲線所示。請注意，同相602-1和正交602-2 信號非常相似，因為它們?nèi)Q于斑點圖案的同一部分。
此數(shù)據(jù)可用來計算速度。在此實例中，我們使用簡單的零交叉算 法進行速度計算。在每一幀，計算在前兩個正走向零交叉之間的幀數(shù) t。正走向零交叉就是線斜率為正以使信號由負值走向正值的零交叉。 在此情況下，T代表前進20微米(pm)所需的幀數(shù)估算?？紤]幀速率 (每單位時間的幀)為/,且檢測器間距(從一組群元件的開始到下一 組群元件的距離)為p。則估算的速度(速率)v為
<formula>formula see original document page 15</formula> (公式4)
最大速度vmax是奈奎斯特速度的一半。該結(jié)果的直方圖示于圖7。
參閱圖7，該直方圖示出64個光敏元件檢測器，4N檢測器以81 %最大速度工作的估算速度。在4.938幀的垂直線701代表根據(jù)數(shù)據(jù) 估算的實際速度。直方圖中不同的點標記用于數(shù)據(jù)集的不同選擇第 一標記702表示當所有幀都包括在內(nèi)時的發(fā)生數(shù)；第二標記704表示 不包括下面17%的幅度分布中的那些幀時的發(fā)生數(shù)；第三標記706表 示不包括下面33%的幅度分布中的那些幀時的發(fā)生數(shù)；第四標記708 表示不包括下面50%的幅度分布中的那些幀時的發(fā)生數(shù)；以及第五標 記710表示不包括下面67%的幅度分布中的那些幀時的發(fā)生數(shù)。
第一標記702的點，包含所有數(shù)據(jù)，示出了在5幀有強峰值以及 迅速向兩側(cè)遞減的分布。在4.938幀的垂直線701 ，我們稱其為"真值"， 是所估算的實際速度。在這條線的每一側(cè)(即在4幀和5幀處)有數(shù) 據(jù)中兩個相對最強的峰值。
為了此仿真，我們將落在這兩個最強峰值外的任何點計數(shù)為差 錯。換句話說，距"真值，，大于一幀的估算值即^f皮定義為屬于"差錯"。 這是一個相當嚴格的差錯定義，因為在隨后的周期中常會形成這種差 錯。如果實際速度位于靠近整數(shù)的幀處，則會有很大一部分差錯距"真 值"僅稍稍大于一幀。例如，圖7中在6幀的點距4.938幀的估算"真 值，，僅稍稍大于一幀。在該相當嚴格的定義下，在6幀的這些點都會
被認為是"差錯"。
圖8示出在4N檢測器中作為元件數(shù)函數(shù)的差錯率。參閱圖8，可 見隨著檢測器或光敏元件數(shù)的增加差錯率下降，如以前工作所預(yù)期。 對于這些測量，差錯率是對七(7)個不同的速度計算和平均的。
與矢量長度的關(guān)系
差錯集中在具有弱信號的那些幀中。圖7中的數(shù)據(jù)還示出在對矢 量幅度作選擇后的數(shù)據(jù)直方圖。例如，第三標記706的點是僅對矢量 長度在分布圖上部三分之二的那些幀(即根據(jù)信號幅度或信號矢量 長度排除下部33% )的速度估算值。所以該數(shù)據(jù)排除了信號很弱且預(yù) 期易于有差錯的那些幀。正如預(yù)期，排除了較小的信號幅度時，零交 叉之間的幀數(shù)分布就較窄，這樣計算的差錯率顯著改進了 。
通過排除較小的信號幅度而在差錯率方面的改進示于圖9。圖9 示出了差錯率與信號幅度的關(guān)系。更具體的說，差錯率示為對所用信 號矢量長度的最小百分點的關(guān)系。參閱圖9，可見矢量長度分布的上 部三分之二 (以數(shù)據(jù)點902代表)具有的差錯率僅為所有幀的差錯率 的三分之一 (以數(shù)據(jù)點904代表)即4.8%對14.1%。僅使用上部第 三個(以數(shù)據(jù)點906代表)使差錯率進一步降到1.2 % 。
因此，根據(jù)排除較小的信號幅度時差錯率的改進，從檢測器的多 行中作行選擇的一個方案是選擇具有最高信號幅度的行。例如，在圖5 具有兩個成套排列行的情況下，來自第二行504-2的信號一皮選擇用于 幀2400,因為在那一點有較大幅度，而來自第一行504-l的信號,皮選 擇用于幀3200，因為在那一點有較大幅度。當然，該選擇方案可適用 于多于兩行。此外，代之以使用信號幅度(AC強度)作為線信號質(zhì)量 的量度，可使用其他的質(zhì)量量度或指示符。
從具有最高線信號質(zhì)量的行中選擇線信號是一種利用來自多行的 信號來避免或抵制斑點衰落的方案。此外，還有各種其他的備選方案 可實現(xiàn)相同或類似的目的。
一個備選方案是對來自不同行的線信號按照它們的幅度(或其它
質(zhì)量量度)進行加權(quán)，然后例如再平均加權(quán)的信號。在一個實施例中， 不是筒單地平均加權(quán)的信號，而是用采用遞歸濾波技術(shù)的算法對加權(quán) 的信號組進行更優(yōu)化的處理。線性遞歸濾波技術(shù)的一個值得注意的實
例4吏用卡爾曼濾波器。[見R.E. Kalman， "A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems," Trans. ASME, Jow/tj"/ o/ S<xs7'c 5""g,7 ee〃"g, Volume 82 (Series D), 35-45頁(1960).〗擴展卡爾曼濾波 器可用于非線性估算算法(例如來自梳形檢測器排列的正弦信號的情 況)。用于基于斑點的光學鼠標的信號性質(zhì)和測量沖莫型表明遞歸數(shù) 字信號處理算法完全適合于由斑點鼠標前端檢測器和電子電路所產(chǎn)生 的加權(quán)信號。
多行排列的仿真
兩行和三行的檢測器用同樣的技術(shù)進行仿真。每一行由斑點圖案 的獨立部分照射。差錯率的結(jié)果示于圖10。
圖10示出對于以下運動檢測器的差錯率有三(3)行4N檢測器 1002、有兩(2)行4N檢測器10(M、以及有一(1 )行4N檢測器1006。 還示出了對于3-行數(shù)據(jù)1012、 2-行數(shù)據(jù)1014、以及1-行數(shù)據(jù)1016的 趨勢線。這些差錯率是通過對在五千(5000)幀上以三(3)個不同速 度的結(jié)果進行平均而計算出來的。圖上的多個點代表不同的仿真我 們使用四個不同的行作l-行測量；兩行的三種不同組合作2-行測量； 以及三行的兩種不同組合作3-行測量。為確保公正的比較，通過組合 原始的四行來構(gòu)成兩行和三行數(shù)據(jù)。
該仿真示出，例如，單行32個元件具有的差錯率稍大于20%。 組合兩個這種行(總元件數(shù)為64 )使差錯率降到大約13 % 。這比單行 64個元件的結(jié)果稍低。組合三個這種行(總元件數(shù)為96 )得到的差錯 率大約為8%，降到小于單行差錯率的1/2。
對于較高數(shù)量的元件，增加行數(shù)的益處更大。組合三行每行128 個元件(總元件數(shù)為384 )使差錯率從10% (單行128個元件)降到 1.5% (三個這種行的組合)，降到小于單行差錯率的1/6。
路徑差錯
我們可根據(jù)該差錯率計算路徑差錯，方法如下。在遍歷M計數(shù)長 的路徑時，差錯的總數(shù)為ME。此處E為以上討論和計算的差錯率。 隨著表面移動，差錯呈現(xiàn)為額外計數(shù)和缺失計數(shù)。對于在較長距離上 的測量，這些差錯趨向于抵消，且平均凈差錯僅以總差錯數(shù)的平方根 增加。所測量的計數(shù)數(shù)與預(yù)期計數(shù)相差的數(shù)量可以為正或負，但平均
起來它具有的絕對值等于差錯數(shù)的平方根。我們將路徑差錯定義為
<formula>formula see original document page 18</formula>(公式5)
當遍歷M計數(shù)長的路徑時，鼠標平均將產(chǎn)生ME個差錯，并以
#計數(shù)結(jié)束。所以，在所測量的計數(shù)高于預(yù)期的計數(shù)時，
<formula>formula see original document page 18</formula>(公式6 )
這僅是平均路徑差錯的粗略表述，在更精確的計算中，它具有集
中在零附近的分布，標準偏差為V^i7。
為將此公式應(yīng)用于上述結(jié)果，我們假定分辨率為847點每英寸 (dpi)(即每英寸847幀或采樣)，前進的距離為2厘米(cm)。這 得出每次測量667幀(即在前進2cm時有667幀)，所以M=667。對 于三行每行128個檢測器或光敏元件，我們得到的差錯率E為1.5%， 所以按照公式6，路徑差錯為0.5%。在較長的距離，路徑差錯會有顯 著改進。
使用檢測器或光敏元件成套排列組合的檢測
使用4N檢測的梳形檢測器噪聲問題的另一解決方案是提供一種 檢測器，它的陣列包括一行或多行有許多組交錯光敏元件組群(N), 每組具有許多連續(xù)的光敏元件(M)，其中M不等于四(4)。換句 話說，M是由3、 5、 6、 7、 8、 9、 10等組成的組中的一個數(shù)。具體 的說，將每第三個、每第五個、每第六個或每笫M個檢測器或光敏元
件組合起來以產(chǎn)生獨立的信號用來估算運動。
圖11示出用于組合每第三個1102、每笫四個1104、每第五個1108 以及每第六個lll(H僉測器或光敏元件，并以相同的檢測強度工作的原 始信號和正交信號。圖11所示的信號是來自具有交錯組群光敏元件或 檢測器的陣列的仿真信號，其中將來自每第三、第四、第五和笫六檢 測器或光敏元件的原始檢測組合起來。參閱圖ll，圖中示出了原始信 號和正交信號，帕數(shù)沿水平軸給出。從圖ll可見，當檢測器或光敏元 件的一個分組產(chǎn)生弱信號時，可使用另一分組測量速度。如上所述， 當振蕩幅度較大時，差錯率較小。所以，"右，，(較大幅度)信號可 以^皮選中，并可進行低差錯估算。
上述實例包括一百二十(120)個檢測器或光敏元件，以約72% 最大額定速度工作。圖11中圖上的水平軸示出幀計數(shù)。請注意，原始 或同相信號和正交信號非常相似，因為它們?nèi)Q于同一斑點圖案，或 由同一斑點圖案產(chǎn)生。
如以前所述，該數(shù)據(jù)可以用于計算速度。在此情況下，我們使用 簡單的零交叉算法。在每一幀，計算在前兩個正走向零交叉之間的幀 數(shù)t。這代表前進20微米所需的幀數(shù)的估算?？紤]幀速率(每單位時 間的幀數(shù))為/，且檢測器間距(從一組群元件的開始到下一組群元件 的距離)為/ 。則估算的速度v為
v=/*P/r (公式4) 該速度是沿檢測器陣列長軸的總速度的分量。
為了產(chǎn)生與速度相關(guān)的信號，對于除4N以外的配置，對各組群檢 測器或光敏元件進行加權(quán)和組合。適用加權(quán)系數(shù)的一個實施例由以下 公式給出
(公式l)
<formula>formula see original document page 19</formula>
<formula>formula see original document page 20</formula>
式中/跨越從0到M-l的組中所有光敏元件。此處/ /iz'是所有加權(quán)系 數(shù)共用的相移。
輸出信號的同相加權(quán)和(即同相信號)由下式給出
<formula>formula see original document page 20</formula>而輸出信號的正交加權(quán)和(即正交信號)由下式給出
<formula>formula see original document page 20</formula>對于5元件組群，即對于5N配置，這些系數(shù)示于圖12。在此實 例中，形成了 5個線"和"(1202-1、 1202-2、 1202-3、 1202-4、 1202-5 )。 原始信號是每個線和乘以其原始權(quán)重的總和，其中每個線和的原始權(quán) 重由圖12中的Sl列給出。同樣，正交信號是每個線和乘以其正交權(quán) 重的總和，其中每個線和的正交權(quán)重由圖12中的S2列給出。
具有連接成6N配置的光敏元件的陣列的加權(quán)系數(shù)示于圖13。對 應(yīng)于六線和的原始加權(quán)系數(shù)在Sl列下給出，而對應(yīng)于六線和的正交加 權(quán)系數(shù)在S2列下給出。
具有連接成4N配置的光敏元件的陣列的加權(quán)系數(shù)示于圖14。對 應(yīng)于四線和的原始加4又系數(shù)在Sl列下給出，而對應(yīng)于四線和的正交加 權(quán)系數(shù)在S2列下給出。對于4N梳形，加權(quán)系數(shù)都是0或+ /-1，且系 統(tǒng)可簡化為差分;^大器，如圖3所示和結(jié)合圖3所述。
在另 一方面，本公開內(nèi)容針對的傳感器其具有的檢測器有兩個或 更多不同分組的光敏元件。具有元件多個分組的這種實施例允許產(chǎn)生 多個獨立信號用于運動估算。
例如，如果將具有不同M值的梳形組合在同一傳感器中(例如4N 和6N)，且光敏元件的寬度保持恒定，我們從圖15所示的排列，即 具有不同但卻平行的陣列中可獲得良好的性能。圖"是按照本發(fā)明的 實施例兩行陣列的排列框圖，具有連4妻成6N配置1502和4N配置1504
的光每文元件。在此情況下，測量兩個不同的斑點圖案，每行一個。
備選的是，我們可使用相同的陣列和相同部分的斑點圖案。這就
是上述圖11中^t型化的情況。這個方法的優(yōu)點是節(jié)省光電二極管空
間，以及與每個光電二極管關(guān)聯(lián)的漏電流。它還保存了光子，因為硅
上較d、的區(qū)域需用斑點圖案照射。
將具有多個M值的各個光電二極管元件連線起來的一個電^^實現(xiàn)
方案示于圖16。圖16是按照本發(fā)明實施例的示意圖，其中使用電流
鏡以重新使用相同元件輸出的方式來實現(xiàn)4N、 5N和6N加權(quán)組。圖 16的電路1600產(chǎn)生多個獨立信號用于運動估算，每個獨立信號用于 不同的M配置。在此實例中，用電流鏡1604使每個檢測器或光敏元 件1602的輸出電流加倍。使用按照不同M配置排序的連線結(jié)構(gòu)1606 將這些輸出連接在一起，對這些電流求和。對于多個M值，這些連線 結(jié)構(gòu)1606將每第M個輸出電流加在一起。加權(quán)幅度則由電流減少元 件1608施加。對于每個同相和正交輸出，另一連線結(jié)構(gòu)1610將用于 正權(quán)重的電流總加在一起，并分別將來自負權(quán)重的電流總加在一起。 最后，對于每個同相和正交輸出，差分電路1612接收用于正和負權(quán)重 的各自電流，并產(chǎn)生輸出信號。
在圖16所示的具體實例中，對M二4、 5和6，產(chǎn)生獨立的同相和 正交輸出。在其他實現(xiàn)方案中，可以對其它M值產(chǎn)生同相和正交輸出。 而且，可以對更多(或更少)的M值產(chǎn)生同相和正交輸出，不必剛好 是按圖16中具體實例的對3個M值。
在備選電路實現(xiàn)方案中，每個檢測器或光敏元件可饋送具有不同 增益的多個電流鏡，以使同 一檢測器或光敏元件能夠?qū)τ诓煌臋z測 器周期(M值)，對不同的、獨立的同相和正交總和起作用。
在另一備選電路實現(xiàn)方案中，可使用才莫數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電路對 檢測器值單獨采樣，或?qū)z測器值復(fù)用并順序采樣，且數(shù)字化的值然 后可被處理以產(chǎn)生獨立的總和。在又一電路實現(xiàn)方案中，檢測器輸出 的^t擬總和可由共享時分復(fù)用的或多個同時的ADC電路進行處理。有 許多電路實現(xiàn)方案可以完成此任務(wù)，其中不同的實現(xiàn)方案權(quán)衡各種因素，如電路復(fù)雜性、功耗、和/或噪聲指數(shù)。
圖5和15中所示的實施例示出多行的一維陣列。這些行沿其短軸 連接起來-一個疊一個。備選的是，使兩行沿長軸連接起來也很有用， 如圖17所示。
在圖17中，單個一維陣列^皮分成兩部分，左側(cè)1702和右側(cè)1704。 每一側(cè)都可配置成具有相同M值的梳形排列。在圖17的具體實現(xiàn)方 案中，M = 5。其它實現(xiàn)方案可使用其它M值。左側(cè)1702產(chǎn)生一組信 號1706，而右側(cè)1704產(chǎn)生第二組信號1708。這兩組信號可選擇地組 合成第三組信號1710。因此，根據(jù)信號幅度或上述其它機制，共有三 組信號可以從中選擇。這種排列具有的優(yōu)點是，組合的那組信號1710 受益于有效的較長陣列，它應(yīng)具有優(yōu)異的噪聲屬性。
上述詳細的實施例示出沿單一軸定向的檢測器或光敏元件一即在 一維陣列中，盡管可能有數(shù)行。在另一實施例中，檢測器或光敏元件 為二維陣列，例如，如圖18所示。
在圖18中，21 x 9元件的示例二維(2D )陣列排列成9元件組(在 3x3矩陣中)。 一組中給定位置上的元件(示為具有相同顏色)通過 共用連線分為一組群。用這種配置，在x和y上的運動信息可由同一 組檢測器或光敏元件收集。雖然在圖18的示例2D陣列中每組是3x3 矩陣，i"旦其它實現(xiàn)方案可有其它維度的組。 一組在水平維度(x) 1802 上具有的元件數(shù)可不同于在垂直維度(y) 1804上的元件數(shù)。此外， 雖然圖18所示的光敏元件尺寸都相等且是矩形，但備選實現(xiàn)方案可使 用不同尺寸和/或形狀不是矩形的光敏元件。
本發(fā)明的特定實施例和實例的上述說明是為了圖示和說明的目的 而提出，且雖然已通過某些前述實例對本發(fā)明作了說明，^a不應(yīng)認為 本發(fā)明受其限制。說明和圖示并不旨在窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限于所公開的 精確形式，沖艮據(jù)上述內(nèi)容可以有許多在本發(fā)明范圍內(nèi)的改動、改進和 變化。本發(fā)明的范圍應(yīng)包括本文所公開的，以及由本文所附權(quán)利要求 書及它們的等效物所包括的 一般領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種光學定位設(shè)備，配置成抗斑點衰落，所述設(shè)備包括相干光源，用于用激光器光來照射表面；檢測器，配置成獲取所照射表面的連續(xù)數(shù)據(jù)幀，其中所述檢測器包含N行，每行包括多個光敏元件。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中使用所述N行而不是單行將路 徑差錯減小到0.5%或更小。
3. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中N至少是三，且每行中的所述 多個光敏元件至少是一百二十。
4. 一種光學定位設(shè)備，配置成抗斑點衰落，所述設(shè)備包括 相干光源，用于用激光器光來照射表面；檢測器，配置成從所照射表面獲取連續(xù)的強度數(shù)據(jù)幀； 計算電路，配置成根據(jù)所述強度數(shù)據(jù)計算速度數(shù)據(jù)；以及 濾波電路，配置成減少在所述速度數(shù)據(jù)中來自斑點衰落的影響。
5. 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述濾波電路去除來自低幅度 線信號的速度數(shù)據(jù)。
6. 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述濾波電路在來自較高幅度 線信號的速度數(shù)據(jù)上加較大的權(quán)重。
7. —種光學位移傳感器，用于通過確定在表面的連續(xù)圖像中光學 特性的位移來感測數(shù)據(jù)輸入裝置和所述表面之間的相對移動，所述傳 感器包括檢測器，具有第一陣列，第一陣列包括平行于第一軸排列的多行 光敏元件，每行包括多組光^t元件，每組具有M個光^t元件；以及其中來自 一組中每個所述光敏元件的信號與其它組中對應(yīng)的光敏 元件電連接，以從光敏元件的M個交錯組群中產(chǎn)生M個獨立的組群 信號。
8. 如權(quán)利要求7所述的光學位移傳感器，其中所述多行光敏元件 包括多個線性梳形陣列(LCA)。
9. 如權(quán)利要求8所述的光學位移傳感器，其中所述多個LCA包 括至少兩個LCA，每個LCA具有每組不同數(shù)量(M)的光敏元件。
10. 如權(quán)利要求8所述的光學位移傳感器，其中所述LCA具有每 組相等數(shù)量的光敏元件。
11. 如權(quán)利要求8所述的光學位移傳感器，其中所述LCA都沒有 所述光敏元件數(shù)(M)等于四的組。
12. 如權(quán)利要求9所述的光學位移傳感器，其中每個LCA具有所 述光敏元件數(shù)M等于三、五或六的組。
13. 如權(quán)利要求8所述的光學位移傳感器，還包括 比較電路，用于對來自每個LCA的每個線信號的幅度與來自其它LCA的線信號的幅度進行比較；以及選擇電路，用于選擇具有最大幅度的線信號。
14. 如權(quán)利要求8所述的光學位移傳感器，還包括用代數(shù)方法組 合來自所述多個LCA中每個的組群信號的電路。
15. 如權(quán)利要求14所述的光學位移傳感器，其中所述用代數(shù)方法 組合所述組群信號的電路包括加權(quán)電路，以加權(quán)來自每個LCA的每個 組群信號。
16. 如權(quán)利要求15所述的光學位移傳感器，其中每個所述組群信 號用同相加權(quán)系數(shù)(Sl)和正交加權(quán)系數(shù)(S2)加權(quán)。
17. 如權(quán)利要求16所述的光學位移傳感器，其中所述加權(quán)系數(shù) (Sl)和(S2)用以下公式計算<formula>formula see original document page 3</formula>式中j是從0到M-l的數(shù)，對應(yīng)于—皮加權(quán)的所述組群信號，且phi 為相位。
18. 如權(quán)利要求8所述的光學位移傳感器，還包括第二陣列，第二陣列包括平行于第二軸排列的多行光敏元件，第二軸不平行于第一軸，每行包括多組光敏元件，每組具有M個光敏元件，且其中來自所 述組中每個所述光敏元件的信號與其它組中對應(yīng)的光敏元件電連接，
19. 一種感測數(shù)據(jù)輸入裝置在表面上移動的方法，所述方法包括 提供一種具有檢測器的光學位移傳感器，所述檢測器具有平行于第一軸排列的多行光敏元件的第一陣列，每行包括多組光敏元件，每 組具有M個光4t元件；在第 一陣列上接收從部分所述表面反射的光所產(chǎn)生的強度圖案；以及使來自 一組中每個所述光敏元件的信號與其它組中對應(yīng)的光敏元 件電連接，以從第一陣列中光敏元件的M個交錯組群中產(chǎn)生M個獨 立的組群信號。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述檢測器包括 提供一種具有檢測器的光學位移傳感器，所述檢測器具有平行于第一軸排列的多行光敏元件的第一陣列，每行包括多組光敏元件，每 組具有M個光敏元件；在第一陣列上接收從部分所述表面反射的光所產(chǎn)生的強度圖案； 以及使來自 一組中每個所述光敏元件的信號與其它組中對應(yīng)的光敏元 件電連接，以從第一陣列中光敏元件的M個交錯組群中產(chǎn)生M個獨 立的組群信號。
全文摘要
所公開的一個實施例涉及一種配置成抗斑點衰落的光學定位設(shè)備。該設(shè)備包括至少相干光源(306)和檢測器(302)。相干光源(306)配置成用激光器光來照射表面。檢測器(302)配置成獲取照射表面的連續(xù)數(shù)據(jù)幀，且檢測器(302)包含N行(例如1502和1504)，每行包括多個光敏元件。所公開的另一實施例涉及一種配置成使用計算和濾波電路來抗斑點衰落的光學定位設(shè)備。計算電路配置成根據(jù)強度數(shù)據(jù)計算速度數(shù)據(jù)。濾波電路配置成減少速度數(shù)據(jù)中來自斑點衰落的影響。還說明了其它實施例。
文檔編號G09G3/34GK101111881SQ200580022467
公開日2008年1月23日 申請日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月21日
發(fā)明者C·B·卡利斯爾, C·B·羅克斯洛, D·A·萊霍蒂, J·I·特里斯納迪 申請人:硅光機器公司