(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の光軸に沿った目標面からの鏡面反射光ビームと該目標面からの散乱光とを生成するために、該目標面の法線に対して非ゼロの入射角で第１の光軸に沿った照明光ビームを該目標面へと放射するように位置決めされた光源と、
前記鏡面反射光ビームの前記第２の光軸から５度〜２５度の予め決められた角度だけオフセットされており、前記目標面の法線に対して非ゼロ角に位置決めされた第３の光軸の周りの前記散乱光を受けるように位置決めされ、かつ、前記鏡面反射光ビームの大部分または全部が入射しないように位置決めされた画像センサアレイであって、前記受けられた散乱光から画像データのフレームを生成するように構成される画像センサアレイと、
前記目標面に関する変位を推定するために、前記第３の光軸の周りの前記散乱光から生成された画像データのいくつかの前記フレームを受けて相互に関連付けるように前記画像センサアレイに動作可能に接続されたプロセッサであって、前記目標面は、摂動が小さく前記第３の光軸に近い角度で前記散乱光を生成するガラス表面である、プロセッサと
を含んでなる、光ナビゲーションを実行するためのシステム。
【請求項２】
前記光源は、前記第１の光軸に沿った前記照明光ビームを３０度より大きい非ゼロ入射角で前記目標面へと放射するように位置決めされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記光源から前記照明光ビームを受けて前記照明光ビームを前記第１の光軸に沿って前記ナビゲーション面へと方向付けるように、前記ナビゲーション面と前記光源との間に位置決めされた照明光学系を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記光源はインコヒーレント光源であり、前記照明光学系は前記第３の光軸の周りの均一な放射状の角度で前記目標面に照明を与えるための回折光学素子を含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記画像センサアレイは前記第３の光軸に沿って位置決めされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第３の光軸の周りの前記散乱光を前記画像センサアレイに方向付けるように、前記第３の光軸に沿って位置決めされた集光光学系を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記集光光学系は、前記第３の光軸の周りの前記散乱光を前記画像センサアレイに方向付けるように構成された結像レンズを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第３の光軸の周りの前記散乱光を透過させるために、前記目標面と前記集光光学系との間、または前記集光光学系と前記画像センサアレイとの間に、前記第３の光軸に沿って位置決めされた少なくとも１つの開口部を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記第３の光軸の周りの前記照明光ビームの各々からの散乱光が前記画像センサアレイで受けられるように、異なる照明光軸に沿った照明光ビームを前記目標面へと放射するように位置決めされた多数の光源を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記多数の光源は、前記照明光ビームが前記目標面上の共通領域に当たるように位置決めされ、前記照明光ビームによる鏡面反射光ビームの光軸が前記第３の光軸を取り囲むように位置決めされる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
第２の光軸に沿った目標面からの鏡面反射光ビームと該目標面からの散乱光とを生成するために、該目標面の法線に対して非ゼロの入射角で第１の光軸に沿った照明光ビームを前記目標面へと放射するように位置決めされた光源と、
前記鏡面反射光ビームの前記第２の光軸から５度〜２５度の予め決められた角度だけオフセットされており、前記目標面の法線に対して非ゼロ角に位置決めされた第３の光軸の周りの前記散乱光を感光素子で受けるように位置決めされ、かつ、前記鏡面反射光ビームの大部分または全部が入射しないように位置決めされた画像センサアレイであって、前記受けられた散乱光から画像データのフレームを生成するように構成された画像センサアレイと、
前記感光性素子のアレイへの前記第３の光軸の周りの前記散乱光を光学的に操作するために、前記目標面と前記画像センサとの間に位置決めされた集光光学系と、
前記目標面に関する変位を推定するために、前記第３の光軸の周りの前記散乱光から生成された画像データのいくつかの前記フレームを受けて相互に関連付けるように前記画像センサに動作可能に接続されたプロセッサであって、前記目標面は、摂動が小さく前記第３の光軸に近い角度で前記散乱光を生成するガラス表面である、プロセッサと
を含んでなる、光ナビゲーションを実行するためのシステム。
【請求項１２】
前記光源は、前記第１の光軸に沿った前記照明光ビームを３０度より大きい非ゼロ入射角で前記目標面へと放射するように位置決めされる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記光源からの前記照明光ビームを受けて前記照明光ビームを前記第１の光軸に沿って前記ナビゲーション面へと方向付けるように、前記ナビゲーション面と前記光源との間に位置決めされた照明光学系を更に含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記光源はインコヒーレント光源であり、前記照明光学系は均一な放射状の角度で前記目標面に均一な照明を与えるための回折光学素子を含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記画像センサの前記感光素子のアレイは、前記第３の光軸に沿って位置決めされる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記集光光学系は、前記第３の光軸の周りの前記散乱光を前記画像センサアレイに方向付けるように構成された結像レンズを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第３の光軸の周りの前記照明光ビームの各々からの散乱光が前記画像センサアレイで受けられるように、異なる照明光軸に沿った照明光ビームを前記目標面へと放射するように位置決めされた多数の光源を更に含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記多数の光源は、前記照明光ビームが前記目標面上の共通領域に当たるように位置決めされ、前記照明光ビームによる鏡面反射光ビームの光軸が前記第３の光軸を取り囲むように位置決めされる、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
第２の光軸に沿った目標面からの鏡面反射光ビームと該目標面からの散乱光とを生成するために、該目標面の法線に対して非ゼロの入射角で第１の光軸に沿った照明光ビームを前記目標面へと放射するステップと、
前記鏡面反射光ビームの前記第２の光軸から５度〜２５度の予め決められた角度だけオフセットされており、前記目標面の法線に対して非ゼロ角に位置決めされた第３の光軸の周りの前記散乱光を画像センサアレイで受けるステップであって、前記画像センサアレイは、前記鏡面反射光ビームの大部分または全部が入射しないように位置決めされてなる、ステップと、
前記目標面に関する変位を推定するために、前記第３の光軸の周りの前記散乱光から生成された画像データのフレームを生成するように、前記画像センサアレイに電気信号を蓄積するステップであって、前記目標面は、摂動が小さく前記第３の光軸に近い角度で前記散乱光を生成するガラス表面である、電気信号を蓄積するステップと
を含んでなる、光ナビゲーションを実行するための方法。
【請求項２０】
前記非ゼロの入射角は３０度より大きい、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記画像センサアレイへの前記第３の光軸の周りの前記散乱光を光学的に操作することを更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記第３の光軸の周りの前記照明光ビームの各々からの散乱光が前記画像センサアレイで受けられるように、そして、前記照明光ビームによる鏡面反射光ビームの光軸が前記第３の光軸を取り囲むように、異なる照明光軸に沿った多数の照明光ビームを前記目標面上の共通領域へと放射するステップを更に含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（発明の詳細な説明）
光ナビゲーションシステムは、追跡動作を実行するために光ナビゲーションシステムと目標面またはナビゲーション面との間の相対的動きを検出する。光ナビゲーションシステムは、ナビゲーション面に照明光を与えるための発光ダイオードまたはレーザーダイオードなどの光源と、ナビゲーション面から反射された照明光に応じて画像データのフレームを連続的にキャプチャするための画像センサとを使用する。光ナビゲーションシステムは、画像データの連続するフレームを比較し、画像データの現在フレームと画像データの前フレームとの間の比較に基づいて光ナビゲーションシステムとナビゲーション面との間の相対的動きを推定する。光ナビゲーションシステムは、画像データのフレームを連続的にキャプチャして比較することによって光ナビゲーションシステムとナビゲーション面との間の相対的動きを追跡することができる。
【０００２】
光ナビゲーションシステムは、一般に、マウスが手で操作されるナビゲーション面に関するマウスの横方向の動きを追跡するために光コンピュータマウスにおいて使用される。光コンピュータマウスは、典型的には、光コンピュータマウス内の光ナビゲーションシステムが大きな視野（すなわち、画像センサによってキャプチャされるナビゲーション面上の領域）を有する高コントラスト画像を生成するために最小の体積を必要とする。画像コントラストは、重要視されなければシステムにおける雑音が目立ち、これがナビゲーション面に関する光コンピュータマウスの変位を正確に決定することを困難にするので、光ナビゲーションシステムのために重要である。視野もまた、高速度の動き（例えば、毎秒２０〜３０インチ）を測定するために、光ナビゲーションシステムが画像データの大きなフレームをキャプチャするために重要である。
【０００３】
あるいくつかのナビゲーション面は画像データの高コントラストフレームを直ちに生成するが、ガラステーブルの表面などの、すなわち視野の直ぐ下に構造物を有さないテーブルトップ上のガラスまたはガラステーブルのシートの表面などの他のナビゲーション面は、従来の光マウスによって探索されるとき、高コントラストフレームを生成しない。更に、視野は、通常、光ナビゲーションシステムの焦点距離によって、そしてその結果、システムの高さによって、拡大縮小する。したがって、高いコントラストを有する画像データのフレームと、できるだけ小さな体積のガラステーブルを含む種々の表面に関する大きな視野とを生成できる光ナビゲーションシステムを有することが望ましい。
【発明の開示】
【０００４】
光ナビゲーションを実行するためのシステムおよび方法は、目標面に関する変位を推定するための画像データのフレームを生成するためにナビゲーション面から散乱する光を使用する。散乱光は、第１の光軸に沿って目標面に放射された照明光ビームから生成される。この照明光ビームは、第２の光軸に沿った鏡面反射光ビームも生成する。第２の光軸に対して予め決められた角度だけオフセットされた第３の光軸の周りの散乱光は、画像のフレームを生成するために画像センサアレイにより受けられる。このシステムの構成は、大きな視野を維持し、ガラステーブルの表面などの、すなわち視野の直ぐ下に支持体を有する、または有さないテーブルトップ上のガラスのシートの表面などの種々のナビゲーション面上で画像データの高コントラストフレームを生成しながら、システムの体積を最小化できるようにする。
【０００５】
本発明の一実施形態による光ナビゲーションを実行するためのシステムは、光源と、画像センサアレイと、プロセッサとを含む。光源は、第２の光軸に沿った鏡面反射光ビームと散乱光とを生成するために、目標面の法線に対して非ゼロの入射角で第１の光軸に沿った照明光ビームを目標面へと放射するように位置決めされる。画像センサアレイは、鏡面反射光ビームの第２の光軸から予め決められた角度だけオフセットされた第３の光軸の周りの散乱光を受けるように位置決めされる。第３の光軸は、目標面の法線に対して非ゼロの角度に位置決めされる。画像センサアレイは、受けられた散乱光から画像データのフレームを生成するように構成される。プロセッサは、目標面に関する変位を推定するために画像データのいくつかのフレームを受け取って相互に関連付けるように、画像センサアレイに動作可能に接続される。
【０００６】
本発明のもう１つの実施形態による光ナビゲーションを実行するためのシステムは、光源と、感光素子のアレイを有する画像センサと、集光光学系と、プロセッサとを含む。光源は、第２の光軸に沿った鏡面反射光ビームと散乱光とを生成するために、目標面の法線に対して非ゼロの入射角で第１の光軸に沿った照明光ビームを目標面へと放射するように位置決めされる。画像センサは、第３の光軸の周りの散乱光を感光素子のアレイで受けるように位置決めされる。第３の光軸は、鏡面反射光ビームの第２の光軸から予め決められた角度だけオフセットされる。第３の光軸は、目標面の法線に対して非ゼロの角度に位置決めされる。画像センサは、受けられた散乱光から画像データのフレームを生成するように構成される。集光光学系は、感光素子のアレイへの第３の光軸の周りの散乱光を光学的に操作するために、目標面と画像センサとの間に位置決めされる。プロセッサは、目標面に関する変位を推定するために、画像データのいくつかの前記フレームを受けて相互に関連付けるように画像センサに動作可能に接続される。
【０００７】
本発明の一実施形態による光ナビゲーションを実行するための方法は、第２の光軸に沿った鏡面反射光ビームと散乱光とを生成するために目標面の法線に対して非ゼロの入射角で第１の光軸に沿った照明光ビームを目標面へと放射するステップと、鏡面反射光ビームの第２の光軸から予め決められた角度だけオフセットされており、目標面の法線に対して非ゼロの角度に位置決めされた第３の光軸の周りの散乱光を画像センサアレイで受けるステップと、目標面に関する変位を推定するために、受けられた散乱光に応じて画像データのフレームを生成するように電気信号を画像センサアレイに蓄積するステップとを含む。
【０００８】
本発明の他の態様および利点は、本発明の原理の例として示された付属図面と関連して行われる下記の詳細説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照しながら、本発明の一実施形態による光ナビゲーションシステム１００を説明する。図１に示されるように、光ナビゲーションシステム１００は、コンピュータ１０４に接続された光コンピュータマウス１０２を含む。他の実施形態では、光コンピュータマウス１０２は、コンピュータ１０４に無線で接続される。この実現形態では光ナビゲーションシステム１００は、コンピュータ１０４に表示されているカーソルを制御するために、ユーザによって光マウスがナビゲーション面あるいは目標面１０６上で操作されながら、光マウス１０２の動きを光学的に追跡するために使用される。しかしながら、他の実現形態では、光ナビゲーションシステム１００は、種々の追跡アプリケーションのために異なる製品で使用され得る。以下、詳細に説明されるように、光ナビゲーションシステム１００は、大きな視野を維持し、ガラステーブルの表面などの、すなわち、テーブルトップ上のガラスのシートの表面などの種々のナビゲーション面上で画像データの高コントラストフレームを生成しながら、システムの体積が最小化されるように設計される。
【００１０】
図２に示されるように、本発明の一実施形態による光ナビゲーションシステム１００は、光源２０８と、照明光学系２１０と、開口部２１２と、集光光学系２１４と、感光素子のアレイ２１８（以下、「画像センサアレイ」とよぶ）を有する画像センサ２１６と、駆動回路２２０と、ナビゲーションエンジン２２４を有するプロセッサ２２２とを含む。光ナビゲーションシステム１００のこれらの構成要素は、別々の構成要素であるように図２に示されているが、これらの構成要素の一部は一体化され得る。一例として、画像センサ２１６と駆動回路２２０とナビゲーションエンジン２２４を有するプロセッサ２２２とは、単一の集積回路チップに集積され得る。
【００１１】
光源２０８は、印加された駆動信号に応じて照明光ビームを放射するように構成される。光源２０８は、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオードなどの任意のタイプの発光素子であり得る。一例として、光源２０８は、コヒーレントレーザー光線を生成する垂直空洞面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）であり得る。光源２０８は、光源に駆動信号を与える駆動回路２２０によって駆動される。照明光学系２１０は、光源２０８と目標面１０６との間に位置決めされる。一実施形態では照明光学系２１０は、ナビゲーション面のある領域を照明するために光源２０８からの照明光ビームをナビゲーション面１０６のこの領域に実質的に平行にするように構成された照明レンズである。照明光学系２１０は、ナビゲーション面１０６における入射光ビームの直径が比較的小さいように、例えば直径約１ｍｍであるように構成され得る。
【００１２】
一実施形態では、光源２０８および照明光学系２１０は、ナビゲーション面１０６における照明光ビームの入射角がナビゲーション面の法線Ｎに対してゼロより大きいαであるように構成されて位置決めされる。一例として、角度αは、５度から８０度の任意の角度でありうる。あるいくつかの実現形態では、角度αは３０度より大きい。ある特定の実現形態では、角度αは約３６度である。照明光学系２１０を通り抜けた後でナビゲーション面１０６に当たる前の照明光ビームの光軸は、図２では「ＯＩ」として示されている。したがって、本実施形態では、光源２０８と照明光学系２１０は、光軸ＯＩに沿って照明光ビームを放射するように構成されて位置決めされる。
【００１３】
図２では、光源２０８は、光源からの光ビームが初めは光軸ＯＩと一直線に整列しない光路に沿って進むように位置決めされる。しかしながら、他に実施形態では、光源２０８は、光源からの光ビームが初めから図３に示されるように光軸ＯＩと実質的に一直線に整列した光路に沿って進むように位置決めされ得る。本明細書において使用されるように、定義された角度または方向に関する用語「実質的に」または「近似的に」は、定義された角度または方向からの僅かな偏差（例えば、プラスマイナス２度以内）を含む。
【００１４】
図２に示されるように、照明光ビームは、鏡面反射光ビームとしてナビゲーション面１０６から反射される。鏡面反射光ビームの反射角はβであって、これもまたナビゲーション面の法線Ｎに対してゼロより大きく、また入射角αに等しい。ナビゲーション面１０６からの反射後の鏡面反射光ビームの光軸は、図２では「ＯＲ」として示されている。鏡面反射光ビームに加えてナビゲーション面１０６上での摂動は、入射光の一部を散乱させる。小さな弱い摂動に対しては、この散乱光は、典型的には弱くて、鏡面反射光ビームに近い角度に集束する（引用することにより本明細書の一部をなすものとする、ＳＰＩＥ−Ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  １９９５のＪｏｈｎ  Ｓｔｏｖｅｒによる「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ」の第５章を参照のこと）。
【００１５】
集光光学系２１４は、ナビゲーション面からの散乱光を受けて、画像センサ２１６の画像センサアレイ２１８に方向付けするように、ナビゲーション面１０６と画像センサ２１６との間に位置決めされる。ナビゲーション面１０６が比較的に平滑であっても光ナビゲーションのための画像データの高コントラストフレームを生成するために、最大量の散乱光が存在する場所に集光光学系２１４を位置決めすることが望ましい。小さな（照明光源の波長と類似した）まばらに分布した摂動に対しては、散乱強度は光軸ＯＲに近い小さな角度で最大になる。したがって、集光光学系２１４は、光軸ＯＲの近くに位置決めされるべきであり、あるいは光源２０８と照明光学系２１０は光軸ＯＲが集光光学系２１４に近くなるように構成されて位置決めされるべきである。一例として、集光光学系２１４は、集光光軸ＯＣの周りの散乱光が集光光学系によって受けられて、画像センサアレイ２１８の方に方向付けされるように、光軸ＯＲに対して位置決めされる。本明細書において使用されるように、「光軸の周りの散乱光」は、０．４ステラジアン（steradian）未満の立体角内の散乱光を意味する。光軸ＯＣは、光軸ＯＲに対して角度θだけオフセットされることから、角度θは光軸ＯＲと光軸ＯＣとの間の角度である。光軸ＯＣは、ナビゲーション面１０６の法線に対して非ゼロの角度に位置決めされる。一例として、角度θは約５度から２５度であり得る。角度αが約３６度に等しいある特定の実現形態では、角度θは約１４度である。この特定の実現形態では、光軸ＯＣは、ナビゲーション面法線から２２度という非ゼロの角度に位置決めされ得る。
【００１６】
しかしながら、鏡面反射光ビームのかなりの部分が画像センサアレイ２１８に当たることを可能にするのは、画像データのフレームのコントラストを低下させる可能性があるか、またはナビゲーション面１０６に関する光ナビゲーションシステム１００の動きに無相関である画像データのフレームを生成する可能性がある。したがって、最適性能のために、集光光学系２１４は、散乱光だけを画像センサアレイ２１８の方に方向付けして、鏡面反射光を画像センサアレイから遠ざけるように方向付けするように設計および／または位置決めされる。あるいくつかの実施形態では、集光光学系２１４は、鏡面反射光の大部分または全部が集光光学系に当たらないように位置決めされる。
【００１７】
一実施形態では、集光光学系２１４は、画像センサアレイ２１８上にナビゲーション面１０６の十分に焦点合わせされた画像を形成する屈折性または回折性結像レンズである。このような結像レンズ設計の仕様は、当業者にとっては公知であるので本明細書では説明しない。集光光学系２１４は、画像センサアレイ２１８のサイズに対応して適当な視野を達成するためにナビゲーション面１０６の画像を拡大または縮小し得る。あるいくつかの実施形態では、共通の誘電体表面に関する鏡面反射の反射係数が画像センサアレイ２１８に伝達されうる鏡面反射光の量を減らすように（ブリュースター角で）著しく減少させるように、光源２０８からの照明光ビームの入射角と照明光ビームの偏光が選択される。
【００１８】
集光光学系２１４は、光軸ＯＲより小さな表面法線軸に関する角度に位置決めされているように図２に示されているが、集光光学系は、光軸ＯＲより大きな表面法線軸に関する角度に位置決めされることもあり得る。実際には、集光光学系２１４は、光軸ＯＣの周りのナビゲーション面１０６からの散乱光が集光光学系によって受けられて画像センサアレイ２１８の方に方向付けされるように、光軸ＯＲの周りで環状に何処にでも位置決めされ得る。更にあるいくつかの実施形態では、照明光学系２１０および集光光学系２１４は、ほぼ透明な材料を使用して形成される単一の光学素子に一体化され得る。
【００１９】
図２において、集光光学系２１４は、光軸ＯＣに一直線に整列しない方向に沿って画像センサ２１６の画像センサアレイ２１８の方に、集光された散乱光を方向付けするように構成される。図示された実施形態では、集光光学系２１４は、画像センサアレイの受光面の法線に関する画像センサアレイ２１８の受光面での入射角が減らされるように構成される。しかしながら、他の実施形態では、集光光学系２１４は、図３に示されるように、光軸ＯＣに一直線に整列する方向に沿って画像センサ２１６の画像センサアレイ２１８の方に、集光された散乱光を方向付けするように構成され得る。
【００２０】
ナビゲーション面１０６に垂直でない光軸ＯＣに沿って集光光学系２１４を位置決めすることによって、ナビゲー所システム１００の高さは、光軸ＯＣとナビゲーション面１０６に垂直な軸との間の角度のコサインだけ同じ光路長に対して減らされる。更に、光軸ＯＣの傾きのために照明光ビームの入射角αは増やされることが可能であり、このことは次の利点を有する。
・光源１０８および照明光学系２１０を、画像センサアレイ２１８における光学的ノイズを減らすために、集光光学系２１４から更に離して位置決めできる。
・反射光ビームの強度を増加する（フレネル反射係数）。
・マウスに近い表面だけが画像センサアレイ２１８の視野内にあるので、別のリフト検出機構を必要としない。
【００２１】
あるいくつかの実施形態では、光ナビゲーションシステム１００は、集光光学系２１４を含まないこともあり得る。このような実施形態では、画像センサ２１６は、画像センサアレイ２１８の中心が図４に示されるようにナビゲーション面１０６からの散乱光を直接受けるように光軸ＯＣと一直線に整列するように位置決めされる。したがって、画像センサアレイ２１８は、光軸ＯＣに沿って位置決めされる。これらの実施形態の一部では、画像センサ２１６は、鏡面反射光ビームの大部分または全部が画像センサアレイ２１８に当たらないように位置決めされ得る。
【００２２】
開口部２１２は、光軸ＯＣの周りのナビゲーション面１０６からの散乱光を画像センサアレイ２１８の方に伝達して、鏡面反射光などの不要な光を遮るために使用される。開口部２１２は、光ナビゲーションシステム１００または光マウス１０２の構造部分であり得る不透明な壁または板２２６における孔によって与えられ得る。図示の実施形態では、開口部２１２は、ナビゲーション面１０６と集光光学系２１４との間に光軸ＯＣに沿って位置決めされる。しかしながら、他の実施形態では、開口部２１２は、集光光学系２１４と画像センサアレイ２１８との間に位置決めされ得る。開口部２１２は、回転対称である必要はない。あるいくつかの場合には開口部２１２は、鏡面反射光の一部を遮るためにある方向には短くて、表面の非対称特徴要素からの光を集光するために別の方向には幅広くなるように設計され得る。
【００２３】
画像センサ２１６は、集光光学系２１４からの散乱光を画像センサアレイ２１８で受けるように位置決めされる。あるいくつかの実施形態では、画像センサ２１６は、画像センサアレイ２１８の中心が図３に示されるように光軸ＯＣと一直線に整列するように位置決めされる。しかしながら、他の実施形態では、画像センサ２１６は、画像センサアレイ２１８の中心が図２に示されるように光軸ＯＣと一直線に整列しないように位置決めされ得る。画像センサアレイ２１８は、各信号が画像センサアレイの特定の素子への入射光の量または強度を表す信号を感光性ピクセル素子への入射光に応じて生成する感光性ピクセル素子（図示せず）を含む。デジタル形式のこれらの信号は、本明細書では画像データと呼ばれる。したがって、画像センサアレイ２１８は、入射光に応じて、すなわち、ナビゲーション面１０６からの光軸ＯＣの周りの散乱光に応じて、画像データのフレームを順次にキャプチャすることもできる。画像データのこれらのフレームは、光ナビゲーションシステム１００とナビゲーション面１０６との間のいかなる相対的横方向変位をも推定するための相互関連付けのために使用される。一例として、画像センサアレイ２１８は、電荷結合素子（ＣＣＤ）画像センサアレイまたは相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）画像センサアレイであり得る。画像センサアレイ２１８に含まれる感光性ピクセル素子の数は、このアレイの視野と解像度が変位を高速度で正確に測定するために十分であるように選択され得る。一例として、画像センサアレイ２１８は、各ピクセル素子が５０μｍ×５０μｍである感光性ピクセル素子の３０×３０アレイであり得る。画像センサ２１６は、画像センサアレイ２１８をサポートするためのアナログ・デジタル変換器や、行・列復号器や、電子シャッター制御部などの回路も含む。
【００２４】
プロセッサ２２２は、ナビゲーション面１０６に照明光ビームを与えてナビゲーション面からの散乱光に応じて画像データのフレームをキャプチャするために、駆動回路２２０と画像センサ２１６とを制御するように構成される。プロセッサ２２２は、制御信号を与えるために駆動回路２２０と画像センサ２１６とに電気的に接続される。プロセッサ２２２は、光源を駆動するために光源２０８に駆動信号を印加するように駆動回路２２０に命令するための制御信号を駆動回路２２０に与える。プロセッサ２２２は、相互関連付けのための画像データの各フレームを生成するために、画像センサアレイ２１８の感光性ピクセル素子における電気信号または電荷の蓄積を制御するための制御信号も画像センサ２１６に与える。
【００２５】
図示の実施形態では、プロセッサ２２２は、このプロセッサ内にプログラムされたナビゲーションエンジン２２４を含む。しかしながら、他の実施形態では、ナビゲーションエンジン２２４は、別の構成要素であり得る。このようにして、ナビゲーションエンジン２２４は、ソフトウエア、ハードウエアおよび／またはファームウエアとして実現され得る。ナビゲーションエンジン２２４は、ナビゲーション面１０６に平行であるＸ方向とＹ方向とに関する光ナビゲーションシステム１００とナビゲーション面１０６との間のいかなる横方向変位変化をも推定するために画像センサ２１６によって異なる時間にキャプチャされた画像データのフレームを相互に関連付けるように動作する。変位推定またはナビゲーションのために画像データのフレームを相互に関連付けるプロセスは周知であるため、本明細書では説明しない。一実施形態では、ナビゲーションエンジン２２４の出力は、方向性デルタＸ変位値と方向性デルタＹ変位値とを含む。各方向性変位値は、方向を表す負または正の符号情報とその方向における変位量を表す絶対変位値とを含む。ある特定の実現形態では、デルタＸ方向およびＹ方向の変位値は、１６進数の形式で生成される。ナビゲーションエンジン２２４は、光ナビゲーションシステムがナビゲーション面から持ち上げられたかどうか等の光ナビゲーションシステム１００とナビゲーション面１０６との間の相互作用の他の特性を計算するようにも構成され得る。
【００２６】
あるいくつかの実施形態では、光源２０８は、ＬＥＤなどのインコヒーレント光源であってもよく、照明光学系２１０は、光軸ＯＣの周りの一様な放射状の角度でナビゲーション面１０６に照明を与えるための回折光学素子であってもよい。このような回折光学素子は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国特許第６，００２，５２０号明細書に記載されている。この回折光学素子は２つの表面を備える。一方の表面は、入射ビームを環状リングの小ビームへと分割する。第２の素子は、これらの小ビームをナビゲーション面上の視野に方向付けする。対照的に、単一のレーザーと回折光学素子とを使用することは、ナビゲーション面１０６上の照明スポットにおいて干渉を引き起こし、これが画像センサアレイ２１８で受けられた光の強度を著しく変化させる。
【００２７】
更にあるいくつかの実施形態では、光ナビゲーションシステム１００は、多数の照明光ビームを与えるために多数の光源を含み得る。ここで、図５Ａには、本発明の一実施形態による２つの光源５０８−１、５０８−２を有する光ナビゲーションシステム５００が示されている。図２〜図４において使用された同じ参照符号は、光ナビゲーションシステム５００の上面図である図５Ａにおいて同様の要素を示すために使用される。図５には、開口部２１２と駆動回路２２０とナビゲーションエンジン２２４を有するプロセッサ２２２とが示されていない。更に、画像センサ２１６ではなく画像センサアレイ２１８だけが示されている。
【００２８】
図５Ａに示されるように、光ナビゲーションシステム５００は、光源５０８−１、５０８−２それぞれのための照明光学系５１０−１、５１０−２を含む。光源５０８−１、５０８−２と照明光学系５１０−１、５１０−２は、これらの光源からの照明光ビームが共通領域５３０においてナビゲーション面１０６に当たるように構成されて位置決めされる。図５Ａに示されるように、光源５０８−１からの照明光ビームは、領域５３０においてナビゲーション面１０６に当たる前に光軸ＯＩ−１に沿って進行する。光源５０８−１からの照明光ビームのナビゲーション面１０６からの鏡面反射は光軸ＯＲ−１に沿って進行し、これは画像センサアレイ２１８に当たらない。同様に、光源５０８−２からの照明光ビームは、領域５３０においてナビゲーション面１０６に当たる前に光軸ＯＩ−２に沿って進行する。光源５０８−２からの照明光ビームのナビゲーション面１０６からの鏡面反射は光軸ＯＲ−２に沿って進行し、これも画像センサアレイ２１８に当たらない。しかしながら、光源５０８−１、５０８−２からの照明光ビームの散乱光は、少なくともある程度は光軸ＯＣに沿って進行して画像センサアレイ２１８に当たる。光軸ＯＲ−１は光軸ＯＣに対して角度θ１だけオフセットされているが、光軸ＯＲ−２は光軸ＯＣに対して角度θ２だけオフセットされている。ここで、θ１は、θ２に等しくても等しくなくてもよい。
【００２９】
図５Ｂに示されるように、それぞれの照明光軸ＯＩ−Ｎに沿った任意数の照明ビームＮに対して、異なる放射状の方向からの散乱が集光され得るように、鏡面反射ビームの反射光軸ＯＲ−Ｎは、光軸ＯＣと開口部２１２とを取り囲むように指定される。図２に対して前に説明されたように、所望の光軸、すなわち、画像センサアレイ２１８への光軸ＯＣの周りの散乱光の光路は、集光光学系２１４によって変えられ得る。
【００３０】
本発明の一実施形態による光ナビゲーションを実行するための方法を、図６のプロセス流れ図を参照して説明する。ブロック６０２では、照明光ビームは、第２の光軸に沿った鏡面反射光ビームと散乱光とを生成するために、目標面の法線に対して非ゼロの入射角で第１の光軸に沿って目標面へと放射される。ブロック６０４では、第３の光軸の周りの散乱光は、画像センサアレイで受けられる。第３の光軸は、鏡面反射光ビームの第２の光軸から予め決められた角度だけオフセットされる。第３の光軸は、目標面の法線に対して非ゼロの角度に位置決めされる。ブロック６０６では、目標面に関する変位を推定するために、受けられた散乱光に応じて画像データのいくつかのフレームを生成するように電気信号が画像センサアレイに蓄積される。
【００３１】
本発明の特定の実施形態を説明して図示してきたが、本発明は、このように説明して図示した特定の形態または部分の構成に限定されるべきではない。本発明の範囲は、本明細書に添付した特許請求の範囲とそれらの均等物とによって定義されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態による光コンピュータマウスに含まれる光ナビゲーションシステムを示す。
【図２】本発明の一実施形態による図１の光マウスに含まれる光ナビゲーションシステムのブロック図である。
【図３】本発明の別の実施形態による光ナビゲーションシステムのブロック図である。
【図４】本発明の別の実施形態による光ナビゲーションシステムのブロック図である。
【図５Ａ】本発明の別の実施形態による光ナビゲーションシステムの上面図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態による多数の照明光ビームに関する集光光軸の周りの鏡面反射光ビームの光軸を示す。
【図６】本発明の一実施形態による光ナビゲーションを実行するための方法の流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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