光学导航系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光学导航系统。该光学导航系统包括能够光学耦合到物体表面的图像传感器、数据存储设备和导航电路。图像传感器包括多个感光元件，其中设置在第一方向上的感光元件的数目比设置在第二方向上的感光元件的数目多。第二方向垂直于第一方向。图像传感器能够捕获所述表面的多个区域的连续图像，并且这多个区域沿与第一方向平行的轴分布。数据存储设备能够存储所捕获的图像。导航电路包括第一数字电路，用于确定图像传感器和物体之间沿所述轴的相对位移的估计，其中该估计是通过比较在所述位移后捕获的图像和在所述位移前捕获的图像而获得的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学导航系统。
技术介绍
用户控制当今计算机系统最常用并且最有用的输入设备是鼠标。鼠标作为输入设备的主要目的是将操作者的手的运动转变为计算机可以使用的信号。这是通过在计算机监视器的屏幕上显示响应于用户的手移动而移动的光标来实现的。可以由用户选择的命令一般被键入在光标位置处。可以首先利用鼠标的移动将光标定位到屏幕上的适当位置，然后激活按钮或激发鼠标，从而选择期望的命令。对监视器上光标位置的定位控制最初是通过机械检测鼠标相对于固定的参考帧(即，电脑桌或鼠标垫的上表面)的相对运动来获得的。常用技术是使用鼠标内的滚动球，该球在运行中与电脑桌接触，并且在鼠标运动时滚动。在鼠标内有两个与滚动球接触的滚轮，它们随滚动球的滚动而滚动。一个滚轮定向为检测标称X方向的运动，另一个定向为与第一个滚轮成90度，可以检测相关联的Y方向运动。这两个滚轮连接到独立的轴，并且每个轴连接到独立的光学编码器，光学编码器输出与关联滚轮的运动相对应的电信号。该信号被适当地编码，一般以二进制数据的形式被发送到计算机，计算机接着解码其接收到的信号，并且将计算机屏幕上的光标移动一段对应于鼠标物理移动的量。最近，已使用光学导航技术来产生指示沿坐标轴方向的相对运动的运动信号。这些技术例如已用在光学鼠标和触摸跟踪设备中以替换传统的鼠标和跟踪球，用于计算机系统的窗口化用户界面中的屏幕指针位置控制。这种技术有多种优点，例如没有在使用时易于积累污物并且会有机械磨损的运动部件。根据情况不同，可以以不同的方式对纸张在打印机内的移动进行距离测量。对于打印机应用，我们可以通过对步进马达的步数进行计数从而测量运动的距离，因为马达的每一步将移动某一已知的距离。另一种替换方法是使用编码轮，这种编码轮被设计来测量导致该轮发生转动的表面的相对运动。也可以在纸张上设置可由传感器检测的标记。在使用光学导航技术的系统中，通过跟踪一系列图像的相对位移来测量运动。首先，参考表面的一个区域的二维视图被聚焦到光电探测器阵列上，其输出被数字化，并且作为参考图像存储在相应的存储器阵列中。短暂时间后第二图像被数字化。如果没有运动，则在参考图像后获得的图像和参考图像基本相同。相反，如果已有某种运动，则后续图像将已沿运动轴移动了一段与光电探测器阵列的物理运动量相对应的图像移位量。用来替换机械鼠标在计算机系统中进行位置控制的所谓的光学鼠标就应用了这种技术。在实践中，可以通过将参考图像与第二图像的一系列移位版本相比较来测量光学设备的运动方向和幅度。与光学鼠标的实际运动最佳对应的移位图像是通过以下操作来确定的在参考图像和每个移位后的第二图像之间执行互相关，而正确的移位将提供最大相关值。使用前述技术，后续图像可用来指示光学鼠标的后续移动。但是，在光学鼠标移动的某些点处，所获得的要用来与参考图像相比较的图像可能不再与参考图像重叠得足够多，以至于不能精确地标识鼠标发生的运动。在这种情况可能发生之前，有必要将后续图像之一定义为新的参考图像。参考图像的这种重新定义被称作重定参考。光学导航系统中的测量不准是由于这种系统获得它们的运动信息的方式导致的。光学导航传感器是通过获得下层表面的一系列图像来工作的。该表面具有微细纹理。当这种微细纹理被光线照明(一般成一定角度)时，该表面的微细纹理形成由光电探测器阵列检测的阴影图案。这些阴影图案的一序列图像被获得，并且光学导航传感器试图计算引起图像变化的表面的相对运动。因此，如果在时刻t(n+1)获得的图像相对于在时刻t(n)获得的图像左移一个象素，则光学导航传感器非常有可能相对于所观测的表面右移了一个象素。只要参考帧和当前帧重叠足够多的量，就可以以小于象素(sub-pixel)的精度来计算移动。然而，在参考帧和当前帧之间不具有足够的重叠时就会出现问题，因为在这种情形中不能精确地确定移动。为了防止这种问题，无论何时只要参考帧和当前帧之间的重叠小于某一阈值，就选择新的参考帧。但是，由于光学传感器阵列中的噪声，每次改变参考帧时都会在移动量测量中引入一定量的误差。因此，随着所测量移动的大小增加，误差量将随着越来越多地选择新参考帧而增大。由于缺乏绝对位置参考，每次重定参考时，源自前一重定参考过程的任何位置误差都被积累起来。当光学鼠标传感器移动长距离时，累积起来的总的位置误差可能相当大。如果光学传感器阵列是30×30，鼠标每移动约15个象素就可能需要发生重定参考(15个每个60微米的象素＝每0.9mm进行一次参考帧更新)。在给定的距离上测量误差量与E*(N)1/2成比例，其中E是每次参考帧改变的误差，N是参考帧更新的次数。
技术实现思路
在代表性的实施例中，光学导航系统包括能够光学耦合到物体表面的图像传感器、数据存储设备和导航电路。图像传感器包括多个感光元件，其中设置在第一方向上的感光元件的数目比设置在第二方向上的感光元件的数目多。第二方向垂直于第一方向。图像传感器能够捕获所述表面的多个区域的连续图像，并且这些区域沿与第一方向平行的轴分布。数据存储设备能够存储所捕获的图像，并且导航电路包括第一数字电路，用于确定图像传感器和物体之间沿所述轴的相对位移的估计，其中该估计是通过将在该位移后捕获的图像与在该位移前捕获的图像进行比较而获得的。在另一个代表性的实施例中，光学导航系统包括第一图像传感器，其能够光学耦合到物体的表面；第二图像传感器，其能够光学耦合到所述表面并且在第一方向上与第一图像传感器相隔一定距离；数据存储设备；以及导航电路。第一和第二图像传感器能够捕获所述表面的若干区域的连续图像，其中这些区域沿与第一方向平行的轴分布。数据存储设备能够存储所捕获的图像，并且导航电路包括第一数字电路，用于确定图像传感器和物体之间沿所述轴的相对位移的估计，其中该估计是通过将在所述位移后捕获的图像与在所述位移前捕获的图像进行比较而获得的。在又一个代表性的实施例中，光学导航系统包括能够光学耦合到物体表面的大图像传感器、数据存储设备和导航电路。大图像传感器包括具有至少2,000微米×2,000微米的总有效面积的象素阵列。大图像传感器能够捕获所述表面的多个区域的连续图像。数据存储设备能够存储第一大图像传感器捕获的连续图像，并且大图像传感器能够在物体和该大图像传感器之间的相对运动前捕获至少一幅图像并且在其后捕获一组图像。导航电路能够将大图像传感器捕获并存储的连续图像与至少一个已存储的由该大图像传感器捕获的图像进行比较，并且获得匹配程度大于预选值的被比较图像之间的表面偏移距离。在另外一个代表性的实施例中，一种方法包括捕获表面的一个区域的参考图像；将所捕获的参考图像存储到数据存储设备中；图像传感器捕获新图像；将新图像存储到数据存储设备中；比较新图像和参考图像；基于比较新图像和参考图像步骤的结果，计算从参考图像开始移动的距离。图像由图像传感器捕获，其中图像传感器包括多个感光元件。设置在第一方向上的感光元件的数目比设置在第二方向上的感光元件的数目多，其中第二方向垂直于第一方向。图像传感器能够捕获所述表面的多个区域的连续图像，其中这些区域沿与第一方向平行的轴分布。上述步骤被按需重复。在附加的一个代表性实施例中，一种方法包括第一图像传感器捕获表面的一个区域的参考第一图像；第二图像传感器捕获所述表面的另一区域本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学导航系统，包括：图像传感器，其能够光学耦合到物体的表面，其中所述图像传感器包括多个感光元件，其中设置在第一方向上的感光元件的数目比设置在第二方向上的感光元件的数目多，其中所述第二方向垂直于所述第一方向，其中所述图像传感器能够捕获所述表面的多个区域的连续图像，并且其中所述多个区域沿与所述第一方向平行的轴分布；数据存储设备，其中所述数据存储设备能够存储所捕获的图像；以及导航电路，其中所述导航电路包括第一数字电路，用于确定所述图像传感器和所述物体之间沿所述轴的相对位移的估计，所述估计是通过比较在不同时刻捕获的图像而获得的。

【技术特征摘要】
US 2005-3-18 11/083,8371.一种光学导航系统，包括图像传感器，其能够光学耦合到物体的表面，其中所述图像传感器包括多个感光元件，其中设置在第一方向上的感光元件的数目比设置在第二方向上的感光元件的数目多，其中所述第二方向垂直于所述第一方向，其中所述图像传感器能够捕获所述表面的多个区域的连续图像，并且其中所述多个区域沿与所述第一方向平行的轴分布；数据存储设备，其中所述数据存储设备能够存储所捕获的图像；以及导航电路，其中所述导航电路包括第一数字电路，用于确定所述图像传感器和所述物体之间沿所述轴的相对位移的估计，所述估计是通过比较在不同时刻捕获的图像而获得的。2.如权利要求1所述的光学导航系统，其中，所述第一数字电路包括第二数字电路，该电路执行所述图像之一的多次移位，以及第三数字电路，该电路执行另一幅图像与移位后的多幅图像之间的互相关；以及第四数字电路，该电路使用具有最大互相关的移位后图像的移位信息来计算所述图像传感器和所述物体之间沿所述轴的相对位移的估计。3.如权利要求1所述的光学导航系统，其中，所述导航电路还包括第五数字电路，该电路指定在确定所述图像传感器和所述物体之间沿所述轴的相对位移的估计时使用哪些图像。4.如权利要求1所述的光学导航系统，其中，所述光学导航系统被附接到打印机。5.如权利要求1所述的光学导航系统，其中，所述图像传感器在所述第二方向上延长了一部分所述图像传感器在所述第一方向上的延伸程度。6.一种光学导航系统，包括第一图像传感器，其能够光学耦合到物体的表面；第二图像传感器，其能够光学耦合到所述表面并且在第一方向上与所述第一图像传感器相隔一定距离，其中所述第一和第二图像传感器能够捕获所述表面的连续区域的图像，并且其中所述区域沿与所述第一方向平行的轴分布；数据存储设备，其中所述数据存储设备能够存储所捕获的图像；以及导航电路，其中所述导航电路包括第一数字电路，该电路确定图像传感器和所述物体之间沿所述轴的相对位移的估计，所述估计是通过比较在所述位移后捕获的图像和在所述位移前捕获的图像而获得的。7.如权利要求6所述的光学导航系统，其中，所述第一数字电路包括第二数字电路，该电路执行所述第一图像之一的多次移位，以及第三数字电路，该电路执行所述第一图像中的另一幅图像与移位后的多幅图像之间的互相关；以及第四数字电路，该电路使用具有最大互相关的移位后图像的移位信息来计算所述第一图像传感器和所述物体之间沿所述轴的相对位移的估计。8.如权利要求6所述的光学导航系统，其中，所述第一数字电路包括第二数字电路，该电路执行所述第一图像之一的多次移位，以及第三数字电路，该电路执行所述第二图像之一与移位后的多幅图像之间的互相关；以及第四数字电路，该电路使用具有最大互相关的移位后图像的移位信息来计算所述第一图像传感器和所述物体之间沿所述轴的相对位移的估计。9.如权利要求6所述的光学导航系统，其中，所述第一图像传感器和所述第二传感器制造在公用衬底上。10.如权利要求6所述的光学导航系统，其中，所述导航电路还包括第五数字电路，用于指定在确定图像传感器和所述物体之间沿所述轴的相对位移的估计时使用哪些图像。11.如权利要求10所述的光学导航系统，其中，所述存储器是先进先出存储器。12.如权利要求6所述的光学导航系统，还包括第三图像传感器，其能够光学耦合到所述表面，其中所述第三图像传感器在第二方向上与所述第二图像传感器相隔一段距离，所述第二方向不同于所述第一图像传感器与所述第二图像传感器隔开的方向，其中所述第三图像传感器能够捕获所述表面的多个区域的连续图像，其中所述第三图像传感器捕获的图像与所述第二图像传感器捕获的第二图像相关联，其中所述第三图像传感器能够将其捕获的连续图像存储到所述数据存储设备中，其中所述第三和第二图像传感器能够在所述物体和所述第三及第二图像传感器之间在下述方向上的相对运动前捕获至少一组图像并且在其后捕获一组图像，其中所述方向不同于第一图像传感器与所述第二图像传感器分隔开的方向，并且其中所述导航电路能够将所述第二图像...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维C菲尔德梅尔，迈克尔J布罗斯南，谢彤，
申请(专利权)人：安华高科技杰纳勒尔IP新加坡私人有限公司，
类型：发明
国别省市：SG[新加坡]