專利名稱：用于光學導航的裝置的制作方法
技術領域：
本發明的多個實施例涉及光學導航(optical navigation)領域。
背景技本隨著計算技術的持續發展，具有新的形狀因子(form factor)的計算設備被引入了市場。這些新的形狀因子常常為用戶提供人機交互的新方式。例如，近年來被引入的大量計算設備都具有同時用于數據輸入的顯示屏。例如，個人數字助理(PDA)和平板個人計算機(PC)一般都具有既能作為顯示器又能作為用于接收數據的數字化轉換器的顯示屏。
現有的很多屏幕輸入和導航技術都基于觸摸屏技術。觸摸屏是對接觸敏感的計算機顯示屏，所述接觸例如為用接觸筆接觸觸摸屏。觸摸屏是被特別構造的屏幕，以提供屏幕輸入和導航功能。當前的觸摸屏技術包括電阻式、電容式和表面聲學傳感式觸摸屏面板。特別地，除了標準顯示器制造工藝外，觸摸屏可能還需要特殊的膜、透明的導電膜和較大的源和傳感器陣列。
使用觸摸屏來為PDA或平板PC提供數據輸入和導航有幾個缺點。由于組件的靈敏性，觸摸屏的造價一般很昂貴。觸摸屏的成本隨著尺寸的增大而急劇增加。此外，當前的觸摸屏技術一般只用于制造特殊的顯示器，而不能容易地對現有監視器進行改型。觸摸屏在操作中對污染也很敏感，而污染可能導致費用昂貴的維修和計算機系統的停機。
發明內容
根據本發明的多種實施例，描述了一種用于在被照明表面上進行光學導航和數據輸入的裝置。通過提供光學導航和數據輸入，使用用于導航和數據輸入的顯示屏的計算機系統不需要使用觸摸屏技術。此外，通過使用自照明(self-illuminated)表面的照明，就不需要提供來自電子設備內的內部光源的照明。因為不需要內部光源，所以在根據本發明的實施例中用于光學導航和數據輸入的電子設備能夠大大減少能耗。
包含在本說明書中的附圖形成本說明書的一部分，其中圖示了根據本發明的實施例，并與說明書一起用于解釋本發明的原理，在附圖中圖1A圖示了根據本發明實施例的在被照明表面上進行光學導航的示例性系統。
圖1B圖示了根據本發明實施例的在被照明表面上進行光學導航的示例性電子設備。
圖2A是根據本發明的實施例中的光學導航部件的簡圖。
圖2B是根據本發明的實施例中包括內部紅外(IR)照明源的光學導航部件的簡圖。
圖3是根據本發明實施例的光學運動探測電路的示意圖。
圖4A是在其上可以實現根據本發明的實施例的示例性陰極射線管(CRT)的示圖。
圖4B是在其上可以實現根據本發明的實施例的CRT的示例性蔭罩的示圖。
圖4C是在其上可以實現根據本發明的實施例的示例性液晶顯示器(LCD)的示意圖。
圖5A和圖5B是圖示使用根據本發明實施例的電子設備在被照明表面上的光學導航過程的流程圖。
具體實施例方式
根據本發明的多種實施例提供了一種用于在被照明表面上進行光學導航和數據輸入的電子設備。因此，使用用于導航和數據輸入的顯示屏的計算機系統不需要使用可能非常昂貴且需要特殊制造方法的觸摸屏技術。此外，通過使用自照明表面的照明，就不需要提供電子設備內部光源的照明。照明源一般是無線光學導航設備上主要的功率消耗源。因為不需要內部照明源，所以在根據本發明的實施例中用于光學導航和數據輸入的電子設備能夠大大節約功率和成本。
為了更加清楚地描述根據本發明的實施例，首先討論根據本發明的光學屏幕導航設備的實施例的物理結構。接下來是對在其上可以實現根據本發明實施例的示例性被照明表面的物理結構的描述。在這個描述之后，是對根據本發明實施例的在被照明表面上的光學屏幕導航設備的操作的描述。
在根據本發明的實施例中光學屏幕導航設備的物理結構圖1A圖示了在根據本發明的一個實施例中用于在被照明平面上進行光學導航的示例性系統100。系統100包括殼體110、顯示屏120和光學屏幕導航設備130。應該理解，根據本發明的實施例主要涉及結合顯示屏120使用光學屏幕導航設備130以在計算機系統上導航并輸入數據這一方面。雖然圖示的光學屏幕導航設備130具有類似于鋼筆的形狀，但是應該理解光學屏幕導航設備130不限于鋼筆式的實現，而是可以實現為具有任何的形狀，例如鼠標。
在根據本發明的一個實施例中，顯示屏120是計算設備(例如，平板個人計算機或個人數字助理)的集成式顯示屏。在根據本發明的另一個實施例中，顯示屏120是可通信地耦合到計算設備(例如臺式PC)的外部顯示屏。顯示屏120可以是液晶顯示器(LCD)、陰極射線管(CRT)或者用于顯示計算機系統的數據的任何其他被照明表面。
雖然根據本發明的實施例集中在結合顯示屏120使用光學屏幕導航設備130以在計算機系統上導航并輸入數據方面，但是應該理解顯示屏120可以是任何被照明表面。可以結合被照明顯示器使用光學屏幕導航設備130，以在不同的顯示屏上導航和輸入數據。
在根據本發明的一個實施例中，光學屏幕導航設備130通過電纜140耦合到顯示器殼體110。電纜140可以提供光學屏幕導航設備130與位于顯示器殼體110內的計算機系統(例如平板PC)之間的數據傳輸。應該理解所示出的實施例是示例性的，光學屏幕導航設備130可以通過有線(例如電纜140)或無線連接來連接到計算機系統。
圖1B圖示了在根據本發明的實施例中用于在被照明表面上進行光學導航的示例性光學屏幕導航設備130。光學屏幕導航設備包括用于導航和數據輸入的光學導航部件165。在根據本發明的一個實施例中，光學屏幕導航設備130包括在表面180上的孔185，用于提供光學導航部件165到被照明表面的通道。
在根據本發明的一個實施例中，光學屏幕導航設備130使用電纜140通過有線連接而連接到計算機系統。電纜140可以向光學屏幕導航設備130提供數據通信和/或電力。通過電力總線155向光學導航部件165提供電力，而通過通信總線160來支持通往/來自光學導航部件165的通信。
在根據本發明的另一個實施例中，光學屏幕導航設備130可以包括用于與計算機系統通信的無線收發器170和內部電源150。通過電力總線155向光學導航部件165提供電力，而通過通信總線160來支持到/從光學導航部件165的通信。應該理解，光學屏幕導航設備130可以包括內部或外部電源以及有線或無線數據通信的任意組合。
圖2A是根據本發明的一個實施例中光學導航部件165a的簡圖。如上所述，表面180包括孔185，用于提供到自照明表面206的光學通道。雖然為了清楚而進行了省略，但是孔185可以包括用于從自照明表面206接收光的透明窗口，該窗口還可以用于避免灰塵、塵土或其他污染物進入光學屏幕導航設備130的殼體腔內。
光學導航部件165a包括光學運動探測電路210和光學元件208。圖3是根據本發明實施例的光學運動探測電路210的示圖。光學運動探測電路210包括探測器304和圖像處理器306。探測器304可被操作以捕獲表面(例如圖2A和2B的自照明表面206)的圖像。應該理解，探測器304可以是電荷耦合設備、非定形光電二極管陣列(amorphous photodiodearray)或本領域中公知的任何其他類型的陣列探測器。探測器304以例如每秒兩千幅圖像的特定速率捕獲圖像(例如圖像302)。每一幅圖像都被傳送到圖像處理器306，其可操作以基于每一幅圖像的相對運動來確定位置信息310。位置信息310可以通過有線連接(例如圖1A和1B的電纜140)或無線連接(例如圖1B的無線收發器170)被傳輸到計算機系統。可選地，光學運動探測電路210可以包括光學濾波器308。
參照圖2A，自照明表面206是具有足以進行運動探測的紋理和結構的任何表面。一般地，任何極細小紋理的表面，只要其特征的尺寸落在5到500微米范圍內，都適合與光學屏幕導航設備130一起使用。應該理解，可以通過探測表面所固有的或者在表面上形成的結構變化，來生成有用的、高對比度的表面紋理的圖像。例如，可以基于固有結構特征的低谷中的陰影和頂端的亮點之間的對比來形成圖像。事實上這種特征一般是極小的，在普通的印刷介質上其尺寸通常在10μm和40μm的范圍內。或者，可以使用斑紋，因為相干光束的鏡面反射產生明區和暗區的對比圖案。對比信息的第三個來源是顏色。顏色對比不依賴于表面紋理。即使用可見光照射沒有紋理的表面，在不同顏色的區域之間(例如在不同的灰色深淺度之間)也存在顏色對比。
自照明表面206從照明源212接收照明。在一個實施例中，自照明表面206是顯示屏的表面。因為顯示屏在設計和制造上差別很大，所以有很多種的表面都能作為自照明表面206使用。后面在圖4A到圖4C中描述了一些可用的表面。
圖2B是在根據本發明的實施例中包括輔助光源222的光學導航部件165b的簡圖。在一個實施例中，光學導航部件包括光學元件224，用于將來自干擾抑制光源222的干擾抑制照明集中在自照明表面206的一個區上。除了輔助光源222之外，光學導航部件165b所包括的部件與圖2A的光學導航部件165a的部件相同。可選地，光學導航部件165b包括光學濾波器230。
在根據本發明的一個實施例中，光學運動探測電路210可操作以探測對自照明表面206的照明是否足夠用于捕獲圖像。在一些情況下，對自照明表面206的照明可能不足以允許光學屏幕導航設備130捕獲圖像。例如，照明可能是昏暗的。光電探測器可以探測到這種情況，并控制光學導航部件165b的其余部件補償該不充足的照明。光學導航部件165b使用輔助光源222用于向自照明表面206上提供額外照明，以解決自照明表面206上的照明不充足的問題。
在根據本發明的另一個實施例中，光學運動探測電路210可操作以探測由照明源212在被照明表面206上引起的干擾。在一些情況下，自照明表面206的照明可能干擾光學屏幕導航設備130的性能。例如，該照明可能以干擾光學運動探測電路210性能的頻率被調制。光電探測器可以探測到這種干擾，并控制光學導航部件165b的其余部件補償這種干擾。
光學導航部件165b使用作為干擾抑制光源的輔助光源222以及光學濾波器，來解決來自照明源212的干擾問題。在一個實施例中，光學濾波器是位于光學導航部件165b內的光學濾波元件(例如光學濾波器230)。在另一個實施例中，光學濾波器是位于光學運動探測電路210內的光學濾波元件(例如光學濾波器308)。在另一個實施例中，濾波功能在圖3的圖像處理器306內部電子地實現。應該理解，如以上所述，輔助光源222可以作為干擾抑制光源，同時在自照明表面206上的照明不充足時提供輔助照明。
如上所述，自照明表面206的照明可能對光學運動探測電路210的性能產生不良影響。為了減少或消除由自照明表面206的照明引起的干擾，可以使用光學濾波器將以特定波長或頻率接收的光過濾掉。在一個實施例中，輔助光源222是以已知頻率發光的紅外光源。光學濾波器可操作以把以該已知頻率接收的照明濾出，并阻擋來自照明源212的干擾性的照明。通過阻擋干擾照明而只接收紅外照明，可以消除對光學運動探測電路210的干擾。應該理解，可以使用干擾抑制光源和光學濾波器的其他組合來抑制干擾。例如，如果顯示器是單色的(例如綠色)，則輔助光源222可以是紅色光源，光學濾波器可以是紅色濾波器，以允許來自輔助光源222的紅色光通過，并阻擋來自單色顯示器的光。
在另一個實施例中，輔助光源222可以以不同于照明源212的頻率來調制強度。圖像處理器306可操作以電子地濾掉不想要的照明，并處理來自輔助光源222的照明。來自輔助光源222的照明以已知頻率被調制，并且圖像處理器306被鎖定為該已知頻率，而忽略來自照明源212的照明。
圖2B的光學導航部件165b也提供了不需要觸摸屏的用于計算機系統的導航和數據輸入的電子設備。此外，在來自顯示屏的照明可能引起對導航和數據輸入的干擾時，根據本發明的實施例也是有用的。消除干擾以及提供額外照明擴大了應用范圍。此外，一旦干擾已經減退，就可以關閉干擾抑制光源，以提供圖2A所描述的低功率消耗模式。如果干擾抑制光源被關閉，那么在光學濾波器是光學濾波元件(例如圖2B的光學濾波器230或圖3的光學濾波器308)時，光學濾波器可以被移動或繞過；或者在光學濾波器在圖像處理器306中被電子地實現時，光學濾波器可以被關閉。可以在其上實現根據本發明的實施例的示例性被照明表面的物理結構圖4A到圖4C圖示了在其上可以實現根據本發明的實施例的示例性被照明表面。圖4A是示例性陰極射線管(CRT)400的示圖。CRT 400包括框架408內的蔭罩(shadow mask)404、熒光屏410和面板玻璃412。電子束402經過漏斗狀玻璃(funnel glass)406以照明蔭罩404、熒光屏410和面板玻璃412。圖4B圖示了示例性蔭罩404的放大圖。蔭罩404一般具有適合于用作圖2A的被照明表面206的極細小紋理的結構。
圖4C是在其上可以實現根據本發明的實施例的示例性液晶顯示器(LCD)420的示圖。LCD 420包括偏振層430、底部玻璃層432、晶體管陣列434、液晶懸浮層(liquid crystal suspension)436，電極層438和頂部玻璃層440。背光450提供對LCD 420的照明。晶體管陣列434在每一個像素處都包括一個晶體管，并且具有適合于用作圖2A的被照明表面206的極細小紋理的結構。此外，LCD 420可以包括漫射層或保護層442。漫射層或保護層442可以制造成具有適于用作圖2A的自照明表面206的足夠細小的紋理的結構。
雖然圖4A到圖4C圖示了在其上可以實施根據本發明的實施例的特定例子，但是應該理解，具有上述足夠細小紋理結構的顯示屏的任何層或部分都適合于用作圖2A的自照明表面206。在根據本發明的一個實施例中，自照明表面206被具有可探測紋理的半透明層覆蓋。例如，圖4C的漫射層或保護層442可以是位于LCD 420上的半透明層。這樣，充足照明下的任何表面都可以用作圖2A的自照明表面206。
在一個實施例中，半透明層包括唯一的定位信息，其提供光學導航設備相對于被照明表面的絕對的位置信息。半透明層具有獨特的圖案，使得由圖2A的光學運動探測電路210取得的圖像可操作以確定在被照明表面上的絕對位置。
圖2A的光學導航部件165a提供了一種不需要觸摸屏的用于計算機系統的導航和數據輸入電子設備。此外，因為消除了對例如LED的內部光源的需求，所以在重點考慮功率消耗時(例如對于使用內部電源的無線設備來說)根據本發明的實施例是很有用的。
在本發明的實施例中使用電子設備在被照明表面上進行光學導航的過程圖5A和圖5B圖示的是流程圖，說明了在根據本發明的實施例中使用電子設備在被照明表面上進行光學導航的過程500的步驟。在根據本發明的一個實施例中，過程500在沿著被照明表面移動的電子設備的光學導航部件(例如圖1B的電子設備130的光學導航部件165)處進行。雖然在過程500中公開了特定的塊，但是這些塊是示例性的。也就是說，根據本發明的實施例適合于執行多種其他的塊或圖5中所列塊的變形。
在過程500的塊502中，初始化開始條件。在根據本發明的實施例中，用圖像探測器(例如圖3的探測器304)探測照明區域的圖像。在一個實施例中，這是通過圖2A的光學元件208的幫助來完成的。
在塊504，確定來自被照明表面的照明是否足以獲得畫面(frame)。在根據本發明的一個實施例中，配置光學運動探測電路(例如圖2B的光學運動探測電路210)的探測器以用于確定照明是否足以獲得畫面。如果來自被照明表面的照明足以獲得畫面，則過程500進行到塊514。
或者，如果照明不足以獲得畫面，則如在塊506中所示，通過輔助光源(例如圖2B的輔助光源222)向被照明表面上提供額外的照明。
在塊514，確定來自被照明表面的照明是否對獲取畫面產生干擾。在根據本發明的一個實施例中，配置光學運動探測電路(例如圖2B的光學運動探測電路210)的探測器以用于確定來自被照明表面的照明是否對獲取畫面產生干擾。如果沒有探測到干擾，則過程500進行到塊520。
或者，如果探測到干擾，則如塊516所示，通過干擾抑制光源(例如圖2B的輔助光源222)向被照明表面上提供干擾抑制照明。在塊518，過濾從被照明表面接收的照明(現在其中還包括干擾抑制照明)，使得光學運動探測電路只接收干擾抑制照明。應該理解，可以由其他光學過濾元件(例如圖2B的光學濾波器230或者圖3的光學濾波器308)來進行過濾，或者可以通過光學運動探測電路電子地進行。
在塊520，從被照明表面獲得基準畫面(reference frame)。在根據本發明的一個實施例中，數字化的光電探測器值的集合被存儲到存儲器陣列(未示出)中。如以上在圖3中所述，包括探測器的光學運動探測電路可操作以取得被照明表面的一部分的圖像，給出基準畫面。
在塊522，獲得來自被照明表面的采樣畫面。這與塊520的操作相同，只是數據被存儲在不同的存儲器陣列中，并且可以反映電子設備相對于在執行塊520時其所在位置的運動。
在塊524，計算相關度值。在根據本發明的一個實施例中，由專用運算硬件快速地計算九個(或者可能二十五個)相關度值。在塊526，預測基準畫面中的移動。所預測的移動可以被看作是與在先的塊524中的相關度相對應的移動量。
在塊528，指示位置移動的運動信號被輸出。在根據本發明的一個實施例中，運動信號包括在X軸上的位置變化(例如ΔX)以及在Y軸上的位置變化(例如ΔY)。這里記下最后一次測量周期之后的運動量。獲得相關度所需的移動量是所期望的量。可以通過觀察哪一個比較畫面實際上相關(假設沒有插值)來找到這些值。這些“原始”的ΔX和ΔY運動值可以累積到運行值(running value)中，運行值以比塊528中產生原始值的速度更低的速度被發送到計算機系統中。
在塊530，確定是否需要新的基準畫面。如果不需要新的基準畫面，則過程500前進到塊540。或者，如果需要新的基準畫面，則如在塊536所示，當前的采樣畫面被存儲為基準畫面。
在塊540，移動基準畫面。對代表基準畫面的存儲器陣列中的值進行實際的永久性移動。以預測量來進行所述移動，被移走的數據則丟失。
在塊542，確定在塊504和514處確定的初始化條件是否需要被檢查。在一個實施例中，對每一個畫面檢查初始化條件。在另一個實施例中，在捕獲預定數量的畫面之后檢查初始化條件。例如，在已經捕獲十個畫面之后，檢查初始化條件。應該理解，可以在任何時候檢查初始化條件，而不限于所描述的實施例。如果確定初始化條件需要被檢查，則過程500返回到塊504。或者，如果確定初始化條件不需要被檢查，則過程500返回到塊520，在那里開始圖像的捕獲。
雖然已經在特定的實施例中描述了本發明，但是應該理解，本發明不應該被解釋為限于這些實施例，而是應該根據所附的權利要求來解釋。
權利要求
1.一種用于光學導航的裝置(130)，包括表面(180)，其包括孔(185)，所述表面(180)被配置成可沿著具有可探測紋理的被照明表面(206)移動；光學運動探測電路(210)，其集成于所述裝置(130)并且被光學耦合到所述被照明表面(206)的所述可探測紋理，所述光學運動探測電路(210)產生運動信號，該運動信號指示所述表面(180)相對于所述被照明表面(206)的所述可探測紋理的運動，其中，所述光學運動探測電路(210)可操作以探測所述可探測紋理而不需要集成的照明源。
2.如權利要求1所述的裝置(130)，還包括集成于所述裝置(130)的光學元件(208)，所述光學元件(208)靠近所述孔(185)并從所述被照明表面(206)的所述可探測紋理接收光，所述光學元件(208)可操作以將集成的所述光學運動探測電路(210)光學耦合到所述被照明表面(206)的所述可探測紋理。
3.如權利要求1所述的裝置(130)，還包括內部干擾抑制光源(222)，其集成于所述裝置(130)并且靠近所述孔(185)，所述干擾抑制光源(222)可操作以響應于所述光學運動探測電路(210)探測到由所述照明引起的干擾而向所述被照明表面(206)上提供干擾抑制照明；以及光學濾波器(230)，其可操作以過濾所述照明并接收所述干擾抑制照明，使得所述光學運動探測電路(210)可以在發生由所述照明引起的干擾時探測所述可探測紋理。
4.如權利要求1所述的裝置(130)，還包括輔助光源(222)，其可操作以響應于所述光學運動探測電路(210)探測到所述被照明表面(206)照明不充足，而向所述被照明表面(206)上提供額外的照明。
5.如權利要求1所述的裝置(130)，還包括內部電源(150)，用于向所述裝置(130)提供電力。
6.如權利要求1所述的裝置(130)，其中，所述被照明表面(206)是陰極射線管(400)，并且其中所述可探測紋理是所述陰極射線管(400)的蔭罩(404)。
7.如權利要求1所述的裝置(130)，其中，所述被照明表面(206)是液晶顯示器(420)，并且其中所述可探測紋理是所述液晶顯示器(420)的漫射板(442)。
8.如權利要求1所述的裝置(130)，其中，所述被照明表面(206)是液晶顯示器(420)，并且其中所述可探測紋理包括所述液晶顯示器(420)的像素。
9.如權利要求1所述的裝置(130)，其中，所述被照明表面(206)被包括所述可探測紋理的半透明層覆蓋。
10.如權利要求9所述的裝置(130)，其中，所述半透明層包括唯一的定位信息，該信息提供所述裝置(130)相對于所述被照明表面(206)的絕對的位置信息。
全文摘要
本發明提供了一種用于光學導航的裝置(130)。該裝置(130)具有包括孔的表面(180)，其中所述表面(180)被配置成可沿著具有可探測紋理的被照明表面(206)移動。光學運動探測電路(210)被集成于所述裝置(130)并且被光學耦合到顯示屏的可探測紋理。光學運動探測電路(210)產生運動信號，該運動信號指示所述表面(180)相對于所述被照明表面(206)的可探測紋理的運動，其中，所述光學運動探測電路(210)可操作以探測所述可探測紋理而不需要集成的照明源。
文檔編號G02F1/13GK1591465SQ20041004284
公開日2005年3月9日 申請日期2004年5月26日 優先權日2003年9月4日
發明者謝彤, 邁克爾·布羅斯南 申請人:安捷倫科技有限公司