專利名稱：用微細(xì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)航技術(shù)對表面進(jìn)行預(yù)測性脈沖化的照明的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種曝光方法，更具體地說涉及一種讓光在具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的一個表面上曝光的方法，用一個光學(xué)導(dǎo)航電路跟蹤表面上的運(yùn)動。
背景技術(shù)：
本發(fā)明的主題涉及到以下公開內(nèi)容，名稱為NAVIGATIONTECHNIQUE FOR DETECTING MOVEMENT OF NAVIGATION SENSORSRELATIVE TO AN OBJECT(1997年7月1日授權(quán))的美國專利US5644,139，名稱為METHOD AND DEVICE FOR TRACKING RELATIVEMOVEMENT BY CORRELATING SIGNALS FROM AN ARRAY OF PHOTOELEMENTS(1998年3月17日授權(quán))的美國專利US5729,008，名稱為“SEEING EYE”MOUSE FOR A COMPUTER SYSTEM(2001年8月28日授權(quán))的美國專利6,281,882，以及名稱為EXPOSURE SERVO FOROPTICAL NAVIGATION OVER MICRO-TEXTURED SURFACES(2001年10月2日授權(quán))的美國專利US6,297,513。為了簡明起見，可以將美國專利US5644,139，美國專利US5,729,008，美國專利US6,281,882和美國專利US6,297,513作為本申請的參考資料。
利用諸如一張紙片中的纖維的表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的前一個圖象和新的圖象的移動樣品之間的關(guān)系來跟蹤運(yùn)動并且累計位置的先進(jìn)技術(shù)提供了使用上的便利和杰出的精度。在參考的專利文獻(xiàn)中公開了此類的裝置。這種技術(shù)一般被稱為“光學(xué)導(dǎo)航”，在可以預(yù)見的將來，隨著人們對它逐漸廣泛的認(rèn)知，這種技術(shù)會得到更廣泛的應(yīng)用。在適合采用光學(xué)導(dǎo)航的設(shè)備中都會有功率消耗的問題。例如，作為用電池供電的設(shè)備的手持掃描儀比采用AC電源供電的設(shè)備更加優(yōu)越。用采用光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)的鼠標(biāo)來操作的電池供電的計算機(jī)是另一個例子。
光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)取決于亮度。用來捕捉圖象的光敏元件具有一個“電子快門”，它們可以對發(fā)光的圖象連續(xù)曝光，不需要借助于機(jī)械快門。理想的光敏元件應(yīng)該能累計電荷或者是僅僅響應(yīng)一個信號才把光轉(zhuǎn)換成一個電量值。遺憾的是，有些光敏設(shè)備具有偏移現(xiàn)象，在光被關(guān)閉后脈沖地接通時會干擾測量工作。這些設(shè)備也可以被認(rèn)為是具有電子快門，但是設(shè)備的特性需要光源一直保持接通。然而，能夠布置成適用于光學(xué)導(dǎo)航的陣列的一類光敏設(shè)備既具有電子快門又對偏移現(xiàn)象不太敏感(例如數(shù)字?jǐn)z像機(jī)中使用的光電晶體管)，可以節(jié)省脈沖發(fā)光操作的功率。本發(fā)明的目的就是要提供一種具有這樣的傳感器陣列的光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)。
因此，早期的光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)需要直接提供連續(xù)的照明，即使是僅僅有百分之五到十的時間需要照明。另外還要以最高的速率連續(xù)采樣。一般來說，復(fù)雜系統(tǒng)的簡化所是一種有益的性質(zhì)，并且在這種情況下不一定需要連續(xù)的照明和最高采樣速率；但是，如果能做到當(dāng)然更好。遺憾的是，表面照明是用IR(Infra Red)LED執(zhí)行的，它肯定會消耗有限的電池功率。如果能配合著在按需照明的同時又不會干擾對位置保持可靠跟蹤的能力對光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，則是一種理想的方式。在有可能的情況下降低采樣速率也是有利的，因?yàn)橄牡墓β手饕糜谔崛〔蓸印?br>
發(fā)明內(nèi)容
一種光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)是通過僅僅在需要時提供脈沖的表面照明光源而節(jié)省功率?？梢杂靡粋€監(jiān)視數(shù)據(jù)相關(guān)度和平均亮度的伺服機(jī)構(gòu)來控制光的等級，并且在滿足需要和安全工作的條件下改變控制的等級。為了產(chǎn)生不同的照明等級，可以采用(1)接通脈沖的光，然后在脈沖期間的一定周期內(nèi)打開電子快門(選通光)；(2)打開快門，然后改變光的脈沖寬度(選通LED)；(3)打開快門，然后按照不同的強(qiáng)度用脈沖驅(qū)動LED；以及(4)組合(2)和(3)。另外，導(dǎo)航電路在表面上的速度是可以確定的(反之亦然)，并且，在能夠確保有限的加速度時(例如是手持掃描儀)，為了降低獲取數(shù)據(jù)的速率，需要降低速度，以便削減脈沖的光源并且節(jié)省功率。在實(shí)際需要再次采樣時可以根據(jù)浪費(fèi)的加速度預(yù)先計算出這種降低，或者是直接采取一種保守的估算方式，抑制正常的預(yù)定脈沖，并且其他不變。


圖1是一個用來表示配備光學(xué)導(dǎo)航的一個系統(tǒng)中各個方面的簡化框圖，通過控制一個脈沖光源的曝光而實(shí)現(xiàn)降低功率消耗的目的；圖2是一個簡化的波形圖，在圖中表示依靠調(diào)節(jié)LED驅(qū)動脈沖高度來改變圖1的光學(xué)導(dǎo)航電路曝光的方法；圖3是一個簡化的波形圖，在圖中表示依靠調(diào)節(jié)LED驅(qū)動脈沖寬度來改變圖1的光學(xué)導(dǎo)航電路曝光的方法；圖4是一個簡化的波形圖，在圖中表示依靠用電子快門信號來選通所得的光而調(diào)節(jié)有效的LED驅(qū)動脈沖寬度來改變圖1的光學(xué)導(dǎo)航電路曝光的方法；圖5是一個簡化的波形圖，表示按照相對速度來控制采樣速率，從而降低圖1的光學(xué)導(dǎo)航電路的功率消耗的一種方法；以及圖6是一個簡化的框圖，在圖中表示有規(guī)律地抑制預(yù)定的采樣，以便按照相對速度來控制采樣速率，從而降低圖1的光學(xué)導(dǎo)航電路的功率消耗的一種方法。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，在圖中表示了配備有光學(xué)導(dǎo)航的一種系統(tǒng)的簡化框圖。具體地說，它是由電池操作的電源18用電池供電的，盡管這并不是基本的要求；即使是用AC電源為電路供電也可以降低功率消耗(延長元件壽命，減少發(fā)熱，不需要風(fēng)扇等等)。
光學(xué)導(dǎo)航電路2可以和參考資料中所述的電路一樣或是類似，它靠近一個表面5，用一或多個LED3照亮所述表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)。來自LED3的光4受到表面5的反射，有些反射光6進(jìn)入光學(xué)導(dǎo)航電路2的一個窗口(未示出)。光學(xué)導(dǎo)航電路2通過跟蹤微細(xì)結(jié)構(gòu)在靠近窗口的光敏器件陣列(未示出)中產(chǎn)生的圖象的可見的運(yùn)動來記錄其物理位置相對于表面5的變化。在此處可以使用參考資料中已有詳細(xì)解釋的那種在當(dāng)前和以往各幀象素圖象之間的關(guān)聯(lián)技術(shù)。我們將這種跟蹤運(yùn)動的程序稱作“導(dǎo)航”。光學(xué)導(dǎo)航電路2是一個具有可觀尺寸的IC(集成電路)，并且自身包含對任務(wù)的一定處理能力。然而它自身并不是一個完整的系統(tǒng)，外層的處理設(shè)備使用它的輸出(8-12)產(chǎn)生一定的結(jié)果(13)。
與此相應(yīng)，光學(xué)導(dǎo)航電路2的幾個輸出被提供給系統(tǒng)控制器7用來產(chǎn)生系統(tǒng)輸出13(如掃描圖象或是位置)。光學(xué)導(dǎo)航電路2的輸出包括一個平均亮度值8，相關(guān)滾球數(shù)據(jù)9，X和Y軸的增量運(yùn)動信號11和其他數(shù)據(jù)12。系統(tǒng)控制器7還有其他的控制輸入10，例如有復(fù)位信號和其他用于各種家用功能的信號。
對于相關(guān)滾球數(shù)據(jù)信號9的問題暫時不談?；貞浳覀冋f過導(dǎo)航中包括對象素圖象中可見的運(yùn)動進(jìn)行跟蹤。這是通過將一個數(shù)據(jù)幀和一個參考幀相比較而實(shí)現(xiàn)的。這種比較是通過使一幀的內(nèi)容相對于另一幀在某一方向上移動一個象素，并且檢查各個位置上的象素值是否相同(或者是所有各值之和與零的差)?！澳骋环较蛏系摹北容^是按照在所有方向上移動一個象素來執(zhí)行的一個上，一個下，一個左，一個右，一個左上，一個右上，一個左下，和一個右下?？偣惨容^八次。但是不應(yīng)該忘記有些方向上可能沒有運(yùn)動，因而也就不需要移動。對應(yīng)著上述的原理就會產(chǎn)生九個我們稱之為相關(guān)值的比較值。最小的值代表被跟蹤的相對運(yùn)動。為了使這一程序更有效，還可以進(jìn)展到下一個緊鄰的象素位置，這時就會出現(xiàn)二十五個相關(guān)值。在參考文獻(xiàn)中具體解釋了這種相關(guān)程序。“滾球”是指相關(guān)的幅值相對于它們所代表的移動位置的三維圖。滾球越明顯，除了指示是否有運(yùn)動之外還能用它的形狀表明導(dǎo)航程序是否運(yùn)作正常。例如，如果“滾球”是扁平的，就可以確認(rèn)在象素當(dāng)中對導(dǎo)航?jīng)]有足夠的對比度。這是在導(dǎo)航過程中需要極力避免的一種情況。在滾球中缺少偏移可能是由于表面導(dǎo)航進(jìn)度中的變化造成的，并且可以通過改變曝光而得到校正。
接下來將特別關(guān)注系統(tǒng)控制器7中的一個子系統(tǒng)。它是一個預(yù)測采樣和曝光控制器14，它的輸出是一個LED驅(qū)動信號15和一個快門信號16。LED驅(qū)動信號15是一個可變周期或是幅值或者是兩者都可改變的脈沖。一定量的發(fā)射光4可以變成反射光6，后者的一部分接著進(jìn)入光學(xué)導(dǎo)航電路2的窗口。實(shí)際到達(dá)光電檢測器(未示出)陣列并且對其輸出有影響的反射光量被稱為“曝光”。如果沒有電子快門機(jī)構(gòu)(未必是這樣，但是有可能)，曝光程度就可能確實(shí)是僅僅響應(yīng)到達(dá)陣列的光量。電子快門的“打開時間”大概是由脈沖的快門信號16來確定的。脈沖被提供給實(shí)際用來驅(qū)動一或多個LED 3的一個LED電源驅(qū)動器17，用LED發(fā)射出光4。因此，曝光的結(jié)果是LED驅(qū)動信號15和快門信號16的函數(shù)。
以下要說明確定曝光方式的具體的方法。除了一般的辦法之外還有本申請開頭提出的參考資料即名稱為EXPOSURE SERVO FOR OPTICALNAVIGATION OVER MICRO-TEXTURED SURFACES的美國專利申請中所述的技術(shù)。有足夠的依據(jù)說明這種曝光程度確定方法主要依賴于平均亮度8，還可能要依靠相關(guān)滾球數(shù)據(jù)9。然而，我們感興趣的問題是在已知所需的具體曝光程度時如何產(chǎn)生特定的曝光，或者是需要增大或是減小現(xiàn)有的曝光。
參見圖2，在圖中表示了用不同幅值的LED驅(qū)動脈沖來改變曝光的方法。具體地說，脈沖19具有高幅值，并且為與其對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀(采樣)對應(yīng)地產(chǎn)生一個高曝光值，它比具有較低幅值的脈沖20產(chǎn)生的曝光值要高。它們出現(xiàn)在不同的時間，處在預(yù)測采樣和曝光控制器14決定要減少曝光程度的間歇中。在本例中假設(shè)電子快門是在脈沖19和20的持續(xù)期間打開。
在圖3中表示了一種有關(guān)但是不同的方法。除了用LED驅(qū)動脈沖21和22的寬度作為變量之外，其他的狀態(tài)均如圖2所示。
在圖4中表示了另一種曝光控制方法。LED 3在LED驅(qū)動脈沖23的全部持續(xù)時間內(nèi)都是接通的，但是電子快門是按照信號24表示的較短的時間打開的。在這個例子中，快門信號24被包含在LED驅(qū)動脈沖23的持續(xù)時間內(nèi)，但是重疊的方式可以有所不同。在任何情況下，在它們同時出現(xiàn)的周期中產(chǎn)生一個有效的LED脈沖寬度27，快門的作用是將光敏元件限制在虛線25和26所表示的時間周期內(nèi)。
以上是在脈沖光的環(huán)境下“扼殺”曝光量的方法，用預(yù)測采樣和曝光控制器14來決定“扼殺”的多少。脈沖的光在采樣之間不需要LED發(fā)光時不消耗功率，從而節(jié)省功率。值得注意的是，不需要對用來確定采樣速率的現(xiàn)有方案做任何改變。
還有另外一種技術(shù)可以用來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，那就是控制提取采樣的速率。它可以單獨(dú)地實(shí)現(xiàn)，或者是與上述的某一種曝光控制技術(shù)相結(jié)合。圖5和6表示了這種技術(shù)。這些技術(shù)的理論基礎(chǔ)在于提取一個采樣幀并且執(zhí)行關(guān)聯(lián)需要一定長度的時間，而可以預(yù)期的加速度是有一個上限的，并且取決于導(dǎo)航電路和表面之間允許的相對速度。在相對速度比較低或是為零時可以用這種理論來降低采樣速率。
例如假設(shè)速度為零，假定使用的參考幀具有完整無缺的最大偏移能力。這樣就能完全能夠確定有保障的最小采樣速率，即使是在最初的運(yùn)動期間不采樣，下一個數(shù)據(jù)幀仍然能夠和參考幀相關(guān)聯(lián)。如果把采樣速率降低到這樣的值，就能通過避免不必要地使用發(fā)光的LED 3而節(jié)省功率。如果對相對速度保持跟蹤，就能根據(jù)需要調(diào)節(jié)最低采樣速率，盡管節(jié)省的功率可能少一點(diǎn)，但是保持了原有的優(yōu)點(diǎn)。在此處可能需要考慮參考幀已經(jīng)經(jīng)歷了多少偏移，并且有針對性地適當(dāng)減免采樣速率的降低。
參見圖5，圖中表示了第一串脈沖27，它代表用比較高甚至是最高的速率采樣(曝光是設(shè)定的)。這種情況與下文中所述的按照明顯降低的速率發(fā)出采樣脈沖28和29的情況是相反的。圖中實(shí)際的采樣速率是計算的最小安全值，它基本上是作為相對速度的函數(shù)連續(xù)變化的。
從圖6中可以獲得類似的結(jié)果，但是這種方法在某些系統(tǒng)中可能更容易實(shí)現(xiàn)。在這種方法中，采樣脈沖的基本循環(huán)速率是固定的，但是單個采樣脈沖是可以按照類似圖5的技術(shù)分階段選通產(chǎn)生的。脈沖串30代表最大采樣速率，而在錯開脈沖31的不同時間點(diǎn)上會產(chǎn)生降低的采樣速率，在錯開脈沖32和33的其他時間點(diǎn)上會產(chǎn)生進(jìn)一步降低的采樣速率。
用來實(shí)現(xiàn)上述的可變速率采樣的一種方法是根據(jù)相對速度和系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)的參數(shù)反復(fù)計算采樣速率，例如是最大允許加速度和最大允許速度等參數(shù)，所有這些都是與參考幀和數(shù)據(jù)幀之間允許的明顯運(yùn)動有關(guān)的(也就是二者之間可以容許的偏移量)。簡單的方式是將允許的速度分隔成幾個范圍，例如是每秒零到一英寸，每秒一到三英寸，每秒三到九英寸等等。然后為各種速度下的采樣速率提供一個保守的安全值查詢表，這樣就能節(jié)省對采樣速率過多的重復(fù)計算。
例如，假設(shè)光學(xué)導(dǎo)航電路具有中心間隔為四十微米的四十七乘四十七個光電傳感器。如果速度為零并且假設(shè)最大加速度是.5g，為了確保連續(xù)數(shù)據(jù)幀之間的運(yùn)動小于一個象素，在幀與幀之間可以允許的最大時間間隔是4毫秒，也就是x＝位移＝1/2at2＝象素間隔t的解是t＝2x/a其中的a＝5m/sec2＝1/2g并且x＝40*10-6米＝一個象素在每秒大約4米的速度下，上述系統(tǒng)的兩個連續(xù)幀之間的最大采樣速率大約是100微秒的間隔。從4毫秒到100微秒是四十比一的采樣速率變化，說明在可能降低速率時能夠大大節(jié)省功率。在本例中，如果需要，還可以沿著從零速度到.4/sec并且對應(yīng)著4毫秒到100微秒坐標(biāo)的橫坐標(biāo)線相對于速度內(nèi)插采樣速率。如上所述，可以按照這條線重復(fù)的解析上述公式，或者是(優(yōu)選)預(yù)先將采樣速率裝入按照速度索引的查詢表中。按照四十比一的比例，有可能在查詢表中將速度分隔成多達(dá)十六或是三十二個不同的入口。
權(quán)利要求
1.讓光(4)在具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的一個表面(5)上曝光的一種方法，用一個光學(xué)導(dǎo)航電路(2)跟蹤表面上的運(yùn)動，該方法包括以下步驟(a)用按照選定的速率產(chǎn)生的光脈沖(27)照亮上述表面；(b)按照被跟蹤的運(yùn)動確定一個速度；(c)為了增大確定的速度而增大選定的速率；以及(d)為了減小確定的速度而減小選定的速率。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是步驟(c)和(d)分別是計算增大和減小。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是增大和減小步驟(c)和(d)各自包括從按照步驟(b)中確定的速度索引的一個表中獲得采樣速率數(shù)據(jù)。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是步驟(a)一般是按照固定周期和最小間隔出現(xiàn)的，而步驟(d)中包括對固定周期和最小間隔中的脈沖的光(31，32，33)進(jìn)行抑制。
5.在具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的一個表面(5)上采樣的一種方法，用一個光學(xué)導(dǎo)航電路跟蹤表面上的運(yùn)動，該方法包括以下步驟從跟蹤運(yùn)動確定速度；根據(jù)所確定的速度確定該表面的采樣率；并且以確定的采樣率用脈沖的光照亮該表面。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其特征是進(jìn)一步包括這樣的步驟確定所述表面的曝光等級，并且以確定的采樣率照亮該表面是用脈沖的光以所確定的曝光等級來進(jìn)行的。
7.按照權(quán)利要求5的方法，其特征是以確定的采樣率照亮所述表面是用具有所選的用以產(chǎn)生所確定的曝光等級的強(qiáng)度的光脈沖來進(jìn)行的。
8.按照權(quán)利要求5的方法，其特征是以確定的采樣率照亮所述表面是用具有能夠產(chǎn)生所確定的曝光等級選定持續(xù)時間的光脈沖(19，20)照亮上述表面。
9.按照權(quán)利要求6的方法，其特征是進(jìn)一步用光學(xué)導(dǎo)航電路在一個選定的產(chǎn)生所確定的曝光等級的持續(xù)時間內(nèi)操作一個電子快門。
10.按照權(quán)利要求9的方法，其特征是確定表面的采樣率包括(a)根據(jù)增大確定的速度而增大采樣的速率；以及(b)根據(jù)減小確定的速度而減小采樣的速率。
11.按照權(quán)利要求10的方法，其特征是步驟(a)和(b)都是計算的增大和減小。
12.按照權(quán)利要求10的方法，其特征是增大和減小步驟(a)和(b)各自包括從按照所確定的速度索引的一個表中獲得采樣速率數(shù)據(jù)。
13.按照權(quán)利要求10的方法，其特征是照亮步驟一般是按照固定周期和最小間隔出現(xiàn)的，而減小采樣率的步驟中包括對固定周期和最小間隔中的脈沖的光進(jìn)行抑制。
14.在具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的一個表面(5)上采樣的一種方法，用一個光學(xué)導(dǎo)航電路跟蹤表面上的運(yùn)動，該方法包括以下步驟確定對表面進(jìn)行采樣的速度；確定該表面的曝光等級；以確定的速度照亮表面以進(jìn)行采樣；以及在每次采樣以確定的曝光等級的光脈沖來照亮所述表面。
15.按照權(quán)利要求14的方法，其特征是光脈沖具有所選的用以產(chǎn)生所確定的曝光等級的強(qiáng)度。
16.按照權(quán)利要求14的方法，其特征是光脈沖具有能夠產(chǎn)生所確定的曝光等級選定持續(xù)時間。
17.按照權(quán)利要求14的方法，其特征是進(jìn)一步用光學(xué)導(dǎo)航電路在一個選定的產(chǎn)生所確定的曝光等級的持續(xù)時間內(nèi)操作一個電子快門。
18.用一個光學(xué)導(dǎo)航電路在具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的一個表面(5)上進(jìn)行跟蹤運(yùn)動的采樣的一種方法，該方法包括以下步驟根據(jù)表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)確定采樣速度；根據(jù)表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)確定曝光等級；以及以所述確定的曝光等級和確定的采樣率對表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)投射脈沖光。
19.按照權(quán)利要求18的方法，其特征是進(jìn)一步包括給脈沖式投射的光選擇具有產(chǎn)生所確定的曝光等級的強(qiáng)度。
20.按照權(quán)利要求18的方法，其特征是進(jìn)一步包括給脈沖式投射的光選擇具有產(chǎn)生所確定的曝光等級的持續(xù)時間。
全文摘要
一種光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)是通過僅僅在需要時提供脈沖的表面照明光源(3)而節(jié)省功率。可以用一個監(jiān)視數(shù)據(jù)相關(guān)度和平均亮度的伺服機(jī)構(gòu)來控制光的等級，并且在滿足需要和安全工作的條件下改變控制的等級。為了產(chǎn)生不同的照明等級，可以采用[1]接通脈沖的光(23)，然后在脈沖期間的一定周期內(nèi)打開電子快門(選通光)；[2]打開快門，然后改變光的脈沖寬度(選通LED)；[3]打開快門，然后按照不同的強(qiáng)度用脈沖驅(qū)動LED；以及[4]組合[2]和[3]。
文檔編號H04N1/047GK1722767SQ20051007956
公開日2006年1月18日 申請日期2000年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月28日
發(fā)明者T·C·奧利弗, K·W·奈, B·L·哈斯廷斯 申請人:惠普公司