TWI290221B - Two-dimensional motion sensor - Google Patents

Description

1290221 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係關於光學導航系統及使用該系統感測移 動之方法。 【先前技術】 熱知諸如電腦滑鼠、觸摸式顯示幕、執跡球及其類似物 之負料輸入I置用於將資料輸入至個人電腦及工作站，且 ，個人電腦及工作站建立介面。此等裝置允許游標在監視 益上快速再^ ’且可用於許多文字、資料庫讀圖程式 _使用者對於該游標之控制係（例如）藉由在一平面上移動 該滑鼠以使該游標以與該滑鼠之移動相稱之方向及 動而實現。 / α /、有先子與機械兩種形式。機械滑鼠通常使用 一旋轉球來偵測動作，且佶 編碼哭* “ 吏用一亥球相接觸之-對機械轴 、、為碼杰來產生由電腦用以 秒動游钛之數位汛就。機械滑鼠 存在一個問題，即持續 夺、，更使用後，歸因於汙跡積聚等 該等機械滑氣易於出現偏差及故产寻寺原口 +之及故卩早。此外，機械元件（特定 口之马核:械車由編碼器） 了兮F…其產生的磨損無疑亦限制 了 4衣置之使用壽命。 解決上文所討論之機械滑鼠之問題的 用光學導輪έ W 種方案為研發使 用元干V航糸統之滑鼠。 指向精確度且較不…：寻先…提供了較好之 其已變得極為風行。 ”早的衫響，故 如今使用之用於光學 九子…氣之主要技術依賴於：諸如發光 106029.doc 1290221 ㈣）之光源，其照明處於或靠近掠入射之表面；二 =2D)CM0S(互補金屬氧化物半導㈣貞測器，其㈣合成 及訊號處理單元’其與連續影像之數千特性或點相 關聯以判定滑鼠已移動 掉祉“一 ㈣之方向、距離及速度。儘管此技術 乂回之知確度’但需經受較複雜之設 之影像處理要求。 ^為_改良，可使用諸如雷射之連貫性光源來照明粗 從而建立-複合干擾圖案(稱作散斑)，該圖案具有 入射照明下之較高對二Γ之有效光產生及甚至於標準 之雷$丄 间對比衫像。基於雷射之光產生具有較高 先的轉換效率及較高之定向性，而該較高定向性允 有奴照明佔據面積經特製以與光電二極體之陣 面積相匹配。此外，散斑圖案允許於實際上任意 ::表面（較寬表面覆蓋）上進行追縱運作， 如一失焦”之不㈣像料下仍保持最大對比度。 種用於量測線性位游接 器或係具有諸如光電二極體係使用—光學感測 兮咕， <琢先兀件之一維（1D)陣列， 被稱作梳狀陣列。1D陣列内之光電二極體可直 :佈線以對所接收訊號進行類比及平行處理，藉此 維⑽訊號處理且便於偵測動作。就使用此方法之二 個：多量測而t，世人已提出多韩線性陣列，其中兩 二：個以上之㈣列沿非平行之輪排列。 進梳狀陣列裝置對以前相關類型之光學鼠標 了顯嫩，但其仍存在許多不盡如人意之處。特定 106029.doc 1290221 此等基於散斑之裝置之—個缺陷為其沿顯著偏離⑴ 陣列方位之方向的精確度有限。此問題於光學滑鼠在 離轴之方向上移動時尤其突A，其㈣起散斑圖案或 過快進入且離開1D陣列之觀察域而使得該影像來不及^ -明確訊號。此不^可藉由增加軸之數目而部分地續正，貝 但代價是減少了線性梳狀陣列之方法的簡單性。 口此’而要-種光學指向裝置及使用該裝置之方法，苴 結合了相關類型裝置之扣位移量測的精確度與梳狀陣列類 型裝置之訊號處理的簡單性。 Μ 【發明内容】 本發明提供—種針對此等及其他問題的解決方案，且進 一步提供了優於習知裝置及使用該裝置之方法之優勢。 本發明大體而言係關於光學導航系統，且更特定言之係 關於光學感測器，其用於感測該感測器與其在上面：上方 移動之表面之間的相對橫向移動。光學導航系統可包含（例 如光學電腦滑Α、軌跡球及其類似物，且熟知為用於將 資料輸入至個人電腦及卫作站，且與個人電腦及工作站建 立界面。 在下列描述中，為解釋之目的，而對許多特定細節進行 陳述以提供對本發明之全面瞭解。然而，對於熟習此項技 術者’顯然本發明可不在此等特定細節下實施。在其他情 况下，熟知之結構及技術並未詳細展示或僅以方塊圖之形 式展示以避免對此描述之瞭解造成不必要之混淆。 犏述中對於” 一（個）實施例，，之參考意謂聯繫該實施例描 106029.doc 1290221 述之一特定特性、結構或特徵均包含於本發明之至少一實 施例中。而在說明書中多處出現之短語”一實施例”未必全 部涉及相同之實施例。本文使用之術語” I禺合至”可包含直 接連接與經由一或多個介入組件之間接連接兩種情況。 較佳為’本發明之光學感測器係一基於散斑之感測器， 其感測基於光線之複合強度分佈圖案（通稱為散斑）之位移 的f夕動。散斑本質上為由離開粗糙表面之連貫光線的散射 產生且由強度感光元件偵測的複雜干擾圖案，該強度感光

元件可諸如一光電二極體，具有一有限角度之視場（或數值 孔徑）。更佳為，該光學感測器包含一二維（2D)陣列，其結 合了 2D相關器之位移量測精確度與線性或一維（1D)梳狀陣 列之訊號處理之簡單性及效率。該2D陣列可為：一週期性 2D梳狀陣列，其包含許多規則間隔之具有1〇或2〇週期之感 光元件，·一準週期性21)陣列（諸如Penr〇se鋪砌）；或一非週 肩2D陣列，其具有規則圖案但並不包含週期性。梳狀 陣列意謂許多規則間隔且電連接之感光元件的平面陣列， 孩平面陣列大體上在至少兩個非平行方向上擴展，且在兩 個維數上具有週期性。 【實施方式】 下列描述將逐步闡明2D梳狀陣列訊號處理之理論，且描 述2D梳狀陣列架構之多種例示性實施例。 影像相關對梳狀陣列處理 維（1D)内之梳狀陣列技 將用於影像相關之訊號處理與一 術進行比較係有益的。 106029.doc 1290221 ID相關 f與g兩種訊號之相互關係可表示如下： 贿(/，札=£仏 «-0 ( i ) 假定f與g二者之平均值均為零。否則，該等訊號總可藉 由以個別平均值進行偏移來再界定。 若g與f具有某些類同之處，則在位移m之特定值處，該相 關達到峰值，㈣該等兩個訊號之共同特性大體上最佳對 準或，，相關”。對於一” 1D”滑鼠而言，將g視為（較大程度上 係）f之移置形式即可，意即gn=fn+x。因此，該相互關係即成 咖(/，/+丄=|/；/二 （2) 其中X為位移。 當m=x時，該相關函數（Eq2)達到峰值。因此對於該峰值 位置之知曉即可判定位移。 在習知之光學滑鼠中，俘獲之訊號f係用作短期模板以與 Ik後之俘獲相關。一旦判定了位移，則新近之俘獲將取代 舊的模板等等。此動態模板對於隨機訊號而言係可取的。 若訊號之類別（諸如週期訊號）已預定，則可使用固定模板， 藉此移除持續更新訊號模板之必要性。此極大地簡化了相 關運作以及裝置之建構。實際上，梳狀陣列係如下文將更 詳細描述之裝置。 為達成此目的，該等訊號可表示成如下之離散傅裏葉變 106029.doc -10- (3) 1290221 換（DFT)展開式：

2man! N α=0 因此，相關（1)即成為： Α^-1 ί Λ/_ι «=〇 V〇=0 yv-i n-\ a — Q b=0

I2m(a-b)n/N \

a~0 b=0 AM AM

ΣΣά、2 ¢7=0 AM

mbm / N (4) 且相關（2)成為： N-\ (5) 〇〇n(fj+x)m = J^FqF； e2ma(m-x)/ N <2=0 ID梳狀陣列 線1±或1狀陣列為具有多個感光元件之陣列，而該 感光7L件係以週期方式連接，因此該陣列充當詢問訊號 空間頻：分量的固定模板。圖1中展示了-個此種U)梳狀 列之-貫施例，且將在下文進行更詳細地描述。以週 式連接之多個感光元件使得梳狀陣列可以在—拖 處（由陣列及光學收集器内之减 s y、率 < A尤7L件的間距判定 起到相關器之作用。該梳狀訊號現可視作位移X之)有七 K = FAF； 其中c為緩慢變化之振幅， 且 (6) κ一2πΑ/Ν為所選擇之空 1 〇6〇29.doc 間續 -II - 1290221 率。因數elKm可認為係編碼所選擇之空間頻率分量與模板之 初始對準之階段。 因此’可推斷1D梳狀陣列本質上為在一空間頻率内之m 相關。 二維梳狀陣列 上述之觀察導致如下結論，即21)梳狀陣列可經建構且組 悲以提供在一空間頻率犮=(Κχ，Ky)時之2d相關。 影像f及其自身之移置形式[(x，幻為位移]之2〇相關為： ν-\ν~λ

=ΣΣ仏 f,F*b e2Kiaim-x)/Ne27tib{n-y)IN a=0 6=0 V / / 與上述之等式6類似，該2D梳狀陣列訊號為： (8) elKxKm-x) 如上所述，（Kx ’ Ky) Ξ (2πΑ/Ν，2πΒ/Ν)為所選擇之21)空 $頻率。梳狀訊號僅僅是位移乂與丫之諧函數的乘積。應2 意，該梳狀訊號為週期性的且只要模板與影像之空間頻率 空間地同相即可達到峰值。 、 四個 為簡便起見設定m，㈣，等式8中之指 .角乘積： 積了擴展成 CC = cos(Kxx)cos(Kyy) CS = cos(Kxx)sin(Kyy) (9) SC = sin(Kxx)cos(Kyy) SS = sin(Kxx)sin(Kyy) 下一步驟為判定產生如上文於（9) φ )中所不之四個訊號的 106029.doc -12- 1290221 2D陣列組態。 I先回顧在具有4個元件每週期之1D梳狀陣列組態内產 生同相及正父汛號係有益的。圖j展示諸如光電二極體！ 之感光元件之1D梳狀陣列1 〇2的通用組態（沿一根軸），其中 又、、廛組之感光元件的組合將在藉由散斑（或非散斑）影像產 生之亮·暗訊號的空間頻率上起到週期性濾波器之作用。在 所不之實施例中，1D梳狀陣列102係由若干光電二極體組或 週期組成，每一者均具有四個光電二極體104，在此以A、 B €及D標記。來自每一週期内之相應或類似標記之光電 二極體104的電流或訊號均電連接（總體佈線）以形成自陣列 1 傳出之四個線路訊號1〇6。背景抑制及訊號增強係藉由 使用差異類比電路1〇8完成以產生同相之差異電流訊號，在 此標記為C^t，且藉由使用差異類比電路11()完成以產生正 父差異電流訊號，在此標記為SQut。對於同相及正交訊號之 相位的比較可允許判定相對於散射表面之1D梳狀陣列102 之動作的量值及方向。 请芩看圖1，同相c〇ut及正交s〇ut訊號均藉由取得底層之散 斑圖案且分別根據餘弦及正弦模板112及114對其進行處理 而後得。較佳為，該系統經設計以致光學”亮-暗”訊號圖案 (^ P政斑）之尺寸大體上與圖1之實施例内之梳狀陣列（四 (4)個光电一極體1〇4或像素）之週期相等。如圖1所示，該同 相汛唬之電流係自c〇ut=A-C獲得，且該正交訊號之電流可 自獲得。 上文之餘弦及正弦分配現可應用於2D之情形。結果為圖 106029.doc 1290221 2A至2D所示之四個矩陣，即為上文之等式9所示的四個諧 函數乘積。詳言之，圖2A展示具有以4x4個元件每單元之組 態分組之感光元件的2D梳狀陣列之CC或cos(Kxx)cos(Kyy) 訊號之矩陣。為簡化符號，自此將省略下標”out”。類似地， 圖2B展示CS訊號之矩陣，圖2C展示SC訊號之矩陣，且圖2D 展示S S訊號之矩陣。

如圖3A及3B所示，現可自上述之矩陣建構2D梳狀陣列。 此處，該2D梳狀陣列302具有配置成或分組成單元306之多 個感光元件304，每一單元均具有以4x4個元件每單元（或 4x4元件/週期）之組態分組之感光元件。如圖3B之詳細展 示’單元306内具有相同字母及相同數字之感光元件3〇4， 以及2D梳狀陣列302内具有相同數字之所有單元的相應元 件均電連接或總佈線以得到A1至D2之八個訊號。 該等八個總佈線訊號進一步與差異放大器3〇8組合以給 出如下四個訊號·· COA1-A2 CS=B1-B2 (1〇) SOC1-C2 SS = D1-D2 此等四個訊號含有X及y方向内之同相及正交資訊。使用 二角恆等式，可將諳函數之乘積轉換成簡單諧函數（總和及 差額之譜函數）：

cos(Kxx+Kyy) = CC-SS sin(Kxx+Kyy) = SC + CS 106029.doc (11) -14· 1290221

c〇s(Kxx-Kyy) = CC + SS sin(Kxx-Kyy)=SC-CS 座標系統或陣列可視需要旋轉45。以得到僅以X及y表達 之表達式。在任一方位内，可隨後判定2D之位移。實務上， 、與Ky可取相等值。 2D梳狀陣列提出一簡單之設計及若干優於習 --- ，一 ·—， yv- \ 厶 邛曰

關及/或多軸1D梳狀陣列之更多優勢，包含：⑴更快之訊號 處理；（Π)降低之電力消耗；（iii)較高之角度精確度；及（iv) 不叉相對於陣列方位之方向移動之限制的效能。 ”相關相比，因為2d梳狀陣列產生了少得多的待處理資 料且因而產生簡單得多的待執行演算法，所以其具有顯著 ^快之訊號處理。舉例而言，可使用越零债測演算法來判 定位移。為指定一平面内之位移，需要兩個實數，即X及丫 之平移。在習知之基於相關之光學滑鼠中，此等兩個實數 可自連續之影像相關得以判定。因為基於相關之方法内之 每一影像通常包括約1〇3個像素，所以僅判定兩個χ及y-之 平移值即需要處理大量資料。相比之下，2〇梳狀陣列僅產 生四⑷個正實數’其與僅兩(2)個有正負之分之實數相當。 在某種意義上’平行處理被建構於2D梳狀陣列之互連架構 中。藉由將該處理”佈緩”入兮加槐〜 伸深入忒架構内，剩餘之外部計算將 變得相對簡單且可迅速完成。簡單之計算可轉譯成更小之 5“處理…而更快之處理則允許高速追蹤及增加之資 源以實施複雜之數位訊號處理（Dsp)演算法 進 一步地提高使用本發明之光學咸 此文運 尤予感，則益之光學導航系統的追 106029.doc -15- 1290221 蹤效能。 與基於相關之裝置相比，因為2D梳狀陣列具有少得多之 待處理的資料，且因此具有簡單得多之待實施的演算法， 戶斤以可預期其將消耗更少之電能。對於諸如無線光學滑鼠 之電力敏感之應用而言，此為極其需要之特性。電能消耗 可藉由與諸如基於雷射散斑之滑鼠内之有效雷射照明組合 而進一步降低。 與習知2D相關器滑鼠的角度精確度相比，2]〇梳狀陣列之 • 角度精確度可更易於按比例縮放。可藉由2D感測器偵測之 最小角度與一列或一行内之感光元件的數量成反比例。角 度之精確度的改良大體上依賴於陣列内感光元件之數量的 增加。而此對於2D相關器滑鼠而言形成沉重負擔，因為待 處理之資料量與一列或一行内之元件數量成二次方地上 升。相比之下，2D梳狀陣列中待處理之資料量或訊號數與 元件數量無關。意即，在具有與如圖3八及3]3所示之組態相 類似之組態的2D梳狀陣列内，自該2E>梳狀陣列輸出之差異 鲁 訊號的數量始終等於四，且因此角度精確度僅受可建構之 陣列之尺寸的限制。 最後’與1D梳狀陣列相比，2D梳狀陣列之效能與相對於 該陣列之方向移動無關。請參看圖4A及4B，由於平均而言 影像内的每一點在所有方向中於2〇梳狀陣列4〇2之活性區 域内穿過的路徑408比於1D梳狀陣列406中穿過之路徑410 更長’且因此更有助於位移之估計，故2d梳狀陣列402之效 能優於具有線性或1D梳狀陣列406之光學感測器404。此 106029.doc • 16 - 1290221 外’因為此前描述之2D梳狀陣列之實施例係與對稱⑽如正 方形）之像素幾何形狀一起運作，所以更易於達成"亮^" 訊號圖案（意即散斑）與20梳狀陣列之週期的匹配，從㈣ 通常使用高度”不對稱"像素形狀之習知⑴梳狀陣列相比導 致經改良之訊號對比及更高的前端SNR。最終，此鱼多轴 ⑴梳狀陣列相比，可更為簡便地有效照亮2D陣列，且因此 電力消耗亦更低。 例示性實施例及實驗驗證 圖5中展示了 -具有根據本發明之-實施例之基於散斑 之2D梳狀陣列的光學導航系統之—例示性實施例。請參看 圖5’光料航系統502大體包含：一具有一光源5〇6之光學 頭504,該光源可諸如VCSEL(垂直共振腔面射型雷射广包 含一第一或準直透鏡508之照明光學裝置，用以準直發散光 束，包含一第二或成像透鏡51〇之成像光學裝置，用以將一 粗糙、散射表面512之經照明部分映射或成像至處於該第二 透鏡之影像平面之2D梳狀陣列514。較佳為，該照明光學裝 置經組態而以經選擇允許上升谓測之預定入射角度照明表 面512’藉此若光學頭504或資料輸入裝置與表面512之間隔 超過一預定之間隔，則該裝置會中止對動作之追蹤，該成 像光學裝置可包含一位於該第二透鏡51〇之背面聚焦平面 的孔徑516,以提供可於動作期間保持優良散斑圖案之完整 性的焦闌成像系統，且將該散斑之平均尺寸與2]〇梳狀陣列 之週期相匹配。 為驗證具有本發明之2D梳狀陣列514之光學導航系統5〇2 106029.doc -17- 1290221 的優勢，吾人製造了具有32 χ 32個光電二極體（PD)或元件 且與圖3A及3B所示類似的正方形、對稱之2£)梳狀陣列。而 於圖6A及6B中所示之以多種速度且於兩個不同表面上之

圓形彈道的結果驗證了所揭示之方法。圖6八及沾之圖所源 自之實驗均係在一測試平臺上進行，在該測試平臺上可以 極高之準雜㈣光學導航系統< 光學頭與表面之間的相 對動作。圖6A之圖說明當該光學頭於一白色表面上沿半徑 為1⑽之圓以i cm/s、10 cm/s、25 cm/a4〇 cm/s之速度移 動四次時產生的圓形彈道。圖6B說明當該光學頭於一木材 紋理之上以相同速度移動時產生的圓形彈道。在圖6A及 中’虛線之參考圓由參考數字6〇2指示，且由光學導航系統 產生之執跡或圓形彈道則由黑色實線指示。沿該等軸之數 字可為任意之單位。由此等軌跡可知’具有使用本發明之 2D梳狀陣列之感測器的光學導航系統能感測圖案化及未圖 案化之表面上以高達4G em/s之速度的移動且具有通常小於 5%之路徑誤差。隨後之賴證明了對多種之表面及較寬範 圍之動作的精確追蹤效能。 陣列之通則 用於線性或m梳狀陣列之許多通則同樣可適用於本發明 之2D梳狀陣列，該2D梳狀陣列包含：⑴具有不同於4 χ 4 個元件每單元_梳狀陣列；⑻具有給定空間頻率之多個 子陣列的2D梳狀陣列；(iii)具有不同空間頻率之多個子陣 列的2D梳狀陣列；及（iv)具有感光元件之間之動態可再㈣ 之梳狀連接的職狀陣列，其可使得空間頻㈣態地被改 106029.doc -18- 1290221 變’例如可使來自陣列之訊號之強度最佳化。應進一步暸 解’依照本發明之2D梳狀陣列亦可包含上述通則或實施例 之組合。 現將苓看圖7及8更詳細地描述包含一或多個上述通則之 2D梳狀陣列的某些替代性實施例。 2D梳狀陣列之一替代性實施例具有不同於4><4個元件每 單元。舉例而言’如圖7所示，2D梳狀陣列7〇2包含諸如光 電一極體704之多個感光元件，其在單元7〇6内以6χ6個元件 每單元（或6x6元件/週期）之組態分組或配置。如上文參看圖 3 Α及3Β描述之實例，每一單元7〇6内之某些元件7〇4及2〇梳 狀陣列702内之所有單元之相應元件均耦合至三十六（36)條 輸出線中之一條。該等36個總佈線訊號進一步與依照矩陣 708之加權因子組合以產生四個輸出訊號_ cc、cs、及 SS。用於產生此等四個訊號中之每—者的矩陣，之細節詳 細展示於下表中。

CC 1 0.5 -0.5 -1 «Π ς Λ C 0.5 0.25 -0.25 -0.5 -___ VJ · 3 〇 oc -0.5 -0.25 0.25 0.5 ---—---- --— 0.5 -0.25 -1 -0.5 0.5 ^__0.5 -0.5 -0.5 -0.25 0.25 0 〇 oc 0.5 0.25 -0.25 -0.5 -U.ZD Π 0< _ cs 0 r\ 0.866 0.866 0 Π on 0 r\ 0.433 0.433 0 -/ -U.o / A ΛΊ 0 r\ -0.43 -0.43 0 —— 0 0 -0.87 -0.87 0 —〕 〇 〇 Qf：fi 0 r\ -0.43 -0.43 0 —_______y · o uu 0 U.OOD Π 0 0.433 0.433 0 __ '0.43 -0.43 106029.doc -19- 1290221 sc 0 0 0 0 0 0 0.866 0.433 -0.43 -0.87 -0.43 0.433 0.866 0.433 -0.43 -0.87 -0.43 0.433 0 0 0 0 0 0 -0.87 -0.43 0.433 0.866 0.433 -0.43 -0.87 -0.43 0.433 0.866 0.433 -0.43 ss 0 0 0 0 0 0 0 0.75 0.75 0 -0.75 -0.75 0 0.75 0.75 0 -0.75 -0.75 0 0 0 0 0 0 0 -0.75 -0.75 0 0.75 0.75 0 -0.75 -0.75 0 0.75 0.75 在其他替代性實施例中，光學感測器可包含給定空間頻 率或不同空間頻率之多個2D梳狀陣列或子陣列。舉例而 吕’圖8展示了具有根據本發明之一實施例之配置於象限 8〇4、8〇6、808及8 10内之兩個2D梳狀陣列對的光學感測器 8〇2之不意性方塊圖。對角相對的象限8〇4及8〇6經連接且形 成第單陣列對或第一 2D梳狀陣列。相對象限8〇8及8 j 〇 、二連接且形成_第二單陣列對或第二2D梳狀陣列。 一士上描述之貫例，象限8〇4、、8⑽及中之每一單 人、内的兀件以及陣列對内之所有單元的相應元件均耦 化成十六(16)個總佈線訊號814。該等16個總佈線訊號 106029.doc -20· 1290221 814進一步與差異放大器gig組合以產生八（8)個訊號：來自

第一2D梳狀陣列之CC1、CS1、SCI、SS1，及來自第二2D 梳狀陣列之CC2、CS2、SC2、SS2。而在運作巾，因為所選 擇之空間頻率分量在表面上之某一特定位置較弱，或因為 來自該陣列之不同部分之作用一致相加為零，所以無論來 自2D梳狀陣列或是來自陣列對之訊號的強度均可降低。然 而，應瞭解任一陣列對内之減弱均不太可能導致其他對内 之減弱，因此該多個陣列或·子陣列組態通常適合於緩和訊 就之減弱。此外，光學感測器802之正方形對稱配置使得該 光學感測器内所有感光元件8丨8均能夠簡單且有效地照明。 概念通則 現將對導致意外之結果的通用理論進行描述，即藉由改 k光學感測器内之多種感光元件之加權係數，任一 陣列 均能用於沿任意軸之任一有限集合提取速度向量。迄今為 止僅考慮了具有1D或2D週期性之梳狀陣列，但具有非週期 性或未分組成單元之其他圖案亦可使用。舉例而言，扣陣 列可具有-向日葵花之圖案，乃至其感光元件之數量係偽 隨機定位的，且其仍然可提取1D或2D動作資訊。 下列所有貫例均為通用概念之特例，意即，使用一 1 〇或 2D陣列來俘獲1維或2維動作。同時亦描述了少數新的光風 感測器組態。 予 基於放斑之光學導航系統有兩個基本觀念。第一，該 斑圖木為各有冑由該系統之光學特性判定之許多2間頻率 的2D空間頻率之疊合。第二，m動作（即沿—經選擇之轴或 106029.doc 21 1290221 ^ 向上之動作）可藉由選擇作為該散斑圖宰 之B之光線的特定分佈’且觀察其如何隨沿該經選擇之、 2或在該經選擇之方向上之動作而改變來仙 為，該分佈係、-除倍增之怪量（其值可得到動作之數值= :)外、’不隨動作而改變形狀之分佈。此意謂若該分佈； 十私之後保持一不變之 y 。心之’需要1D感測器内之元件對任一方向内之 移作出回應’但僅提取沿經選擇之軸或在經選擇之 之動作的分量。舉例而言’光學導航系統之光學頭可於— 表面上沿績7方向移動，但僅提取沿χ軸之動作的分量、。 4:::Γ在χ方向上越過之距離《定義為⑽，且將 ”千移开子在7方向上越過之距離㈣為腎則所得到 之函數需要滿足下列等式： ^(^χ)^γ(^γ)Φ(χ,γ) = Λφ(χ^γ) , (12) 對於某-恆量Λ而言，意即除倍增恆量外，平移還留下未麫 改變的炝Μ。較佳為，可能提取自恒量又搜尋之動作。、、、二 、乂匕ί可公認之等式，即所搜尋之光線分佈^係已知之 平私才子7；(义)及之本征函數。該等平移算子之本征函 數為平移之方向内的複指數，且在垂直方向上具有無論何 種函數形式。意即，對於在乂方向上之平移而言， 數為： 〇xp(2mx/x)Qxp(2my/y) 且本征值為： 106029.doc -22- (13) 1290221 A = ^p(2mdxfx)Qxp(2mdyfy) (14) 其中，fx為在x方向上之空間頻率，且fy為在y方向上之空間 頻率。 因此，藉由量測動作之前及之後之光線分佈，提取所搜 尋之本征函數之係數且計算該本征值又，即可藉由簡單地縮 放經計异之本征值來自λ提取沿χ(或y)方向行進之距離。此 提取係藉由利用本征函數在内積中正交之實際來完成。故 給定含有一特別關注之本征函數之分佈，可藉由取得内積 連同所搜尋之本征函數而發現其中有多少出現。該平移算 子為5亥内積下之厄役共輛（Hermitian): (u,v)= \\u{x,y)v {x,y) dxdy (】5 ) 其意謂若一散斑圖案6Xx，y)含有具有比例c之係數之所搜尋 的本征函數之某一部分，則可藉由取得所關注之本征函數 與内積來提取c :

c = ]]%，3；)哪(-2;τ〇ρ(-ώ办 (16) 此時，一個較小之複雜情況隨繼發生了。此等本征函數 及本征值均為複數，但散斑圖案孙，4為實數，且僅可能利 用硬體内之感光元件及加權係數來執行實數算法。故該複 數係數之實部及虛部將分別進行計算。大體而言： c Ξ cr + i〇i - l\S(x,y)y{[exp (^2πι (xfx + yfy + φ〇))] dxdy + i J{^(x^)3[exp (xfx + yfy + φ〇 dxdy ( 1 7 ) 106029.doc -23- 1290221 應左思任思相因子％已添加至關注之通則中。 等式1 7經積分以獲得複數c之值。移動感測器或陣列之 後，重複上述之積分以得到複數。之新值、c,，纟應與以之 值相等。藉由取得此等兩個值之比率而獲得本征值乂，從而 發現該感測器或陣列已移動之距離。此可藉由調用下式而 成為可能： (18) 又= exP(2;ri(《/x+a))

因此，X-動作與y_動作二者均混雜於^中。若僅僅需要提 取X動作則後可藉由選擇，=〇而將基值去除，意即y 方向上並無變化。則A或等式18可簡化成： A = exp(2^/(^)). (19) 且 <可直接自經計算之A值中提取。 故為偵測任意動作之x_分量之動作，所選擇之本征函數 姒，少)與 eXp(2;dXfx)相等。意即：办，7) = exp(2;r^)。 主訊號及正交訊號可自如下等式計算： C = cr + icf = jj5(x5<y)9i [exp (-2^：/(χ/Λ + ^〇))] dxdy + 1 JJ5(x^P[exp + ^0))] dxdy ( 2 1 ) 如上文麥考等式17、18及19所述，本征值A隨後自兩次連 ^之里測汁异得到，且在X方向上移動之距離亦自下列等式 中提取： (22) 應瞭解上述方法可一般化以偵測沿任一所需方向之ID動 106029.doc -24- 1290221

作之刀里’而不僅僅是沿χ(或y)方向。此最易於藉由執 標之旋轉以致X軸或方向可沿所需方向延伸而完成，且隨= 上述所有公式均可應用於已旋轉之座標系統中。U 現將對在實數硬體内執行上述積分之方法進行描述 充分利用觸發感測器或陣列之可用可見光子，需要具有填 充因子接近—致之均—照明之陣列。即該陣列將包含許多 感光元件，每一元件均處於該陣列内之某一位置^ : 具有-試圖覆蓋一陣列區域尽之總感光元件區域心故 4/尽之比值為㈣列之填充因子。㈣定該陣列之動作 時’最終可能利用某些加權係數而對感光元件之輸出進行 求和。為準確地計算該等係數，出於說明之目的使用… 要滿足： ”而

Cr Σ J]取少)9i[exp(-2;π·(χ/χ ”。))] (23) 然而，不太可能在硬體内準確地建構上述等式。取而代 之地，每-感光元件均給ι加權係數';，/此上式即變 為如下之加權加求和（weight-plus-sum)之等气· (24) 〜=ΣΊ(χ，γ)^· 其最接近等式（23)時為： 〜=Σ+ Π取洲[exP(-2；Π·(^Λ + 炉。))]办办: Ά (25) 其給定該加權係數之值： (26) ==令沢[exp(一2吨乂 ”。))]=令cos(—2；r(x乂坤〇)) 106029.doc -25- (27) 1290221 類似地，對於該虛部（正交）訊號： c，=Σ'Ji取少)由办 其中： (28) -4exp(-2,-(，X + ,〇))] = Jsin(-2,(^ + ,〇)), 應注意”丨"絲達式巾意謂兩㈣同的㈣：第— 謂其代表C之虛部；而第二則為感光元件之指數。“、

上述之構架現可用於㈣處於任—空間頻率之任—㈣ 列來偵測沿任-方向之動作的1D分量。應注意上文中並未 提及採用一特定之2轉列或具有特定形狀之2D陣列。然 而，下文中將詳細描述具有某些所需特性之若干 陣列策略 在陣列之置放中，可採取幾種不同之策略或方法。首先， 應重申此在至少三個1D方向下執行係有益的。需要有至少 兩個方向以獲得動作之兩個分量，但由於散斑係複合 的，故任一給定之本征函數均會漸弱，從而引起訊號之損 耗。應注意’若當訊號已漸弱時使用者改變了方向，則例 ^Kalman濾波之濾波量無法提供正確動作。因此，需要至 少^提供一個訊號以對漸弱進行某種程度之抵抗。再者， 儘管處理額外資訊所需之訊號處理更為複雜，但抵消由使 用具有2D陣列之基於散斑的光學感測器實現之某些優勢當 然將更為有益。在如何提供此冗餘方面存在某些可挽性， 其中包含：⑴若干空間分離之陣列（空間冗餘）；（u)給定方 106029.doc -26- 1290221 2向：不具n?同之空間頻率(空間頻率冗称 :個二向之多個軸(方向冗餘)，當然’在此情況下，經 < #之動作值不再必然為正交。 一為簡便起見，在下列描述中，任K貞測之單—動作分 置均將被稱為"訊號/正交對"（SQ-pair)。若價測到兩個或兩 個以上之SQ-pair’則必須初始決策以確定如何使用陣列内 之感先疋件。詳言之，陣列内之元件可連接，以致：⑴任 一給定之感光元件僅饋入—SQ·—;⑻來自每一感光元件 之訊號經分裂且給定不同之加權絲，以致任'給定感光 π件可mSQ_pair;或（iii)為⑴與（u)n组合。由 於訊號分裂器及緩衝器均消耗能量預算與lc(積體電路）或 晶片尺寸，而不使用來自每一SQ_pair内之每一感光元件的 訊號可降低訊雜比（SNR)，故使用哪種方法將部分涉及於能 量預算與1C或晶片之尺寸之間的權衡。 將首先考慮僅用於偵測10動作之理想感光元件之組態。 2D陣列之最佳組態為於各處具有含如下加權係、數之感光元 件·· 〜=fC〇s(—2小乂 ”❶)） (29) 'Ί3ΐη(-2；Γ(Ό 外)） (30) 由於加權係數根本不取決於乃，故垂直行中之所有感光 元件均具有完全相同之加權係數。或者，具有許多相等加 權係數的情形可藉由僅將一垂直行内之所有感光元件佈線 106029.doc -27- 1290221 在起或使用較向、較薄之感光元件而避免。此暗示使 用長與寬相等之2D陣列大體上將產生所需之背離軸之m 動作的效能。 亦應注意餘弦及正弦已交錯為零。若加權係數為零，則 隨後無需在此浪費一感光元件，故若該等感光元件相互隔 開1/4之週期，則總訊號及正交訊號之感光元件可與僅有助 於單一訊號之每一感光元件交錯。因此，一用於m動作偵 測之較佳2D陣列係配置於許多垂直條紋内之感光元件，其 具有促成主訊號及正交訊號之交替訊號。此外，因為搜尋 之本征函數在y方向上連續，所以亦無需使感光元件之條紋 於垂直方向上連續。因此，可能藉由在y方向上中斷感光元 件而在y上對本征函數取樣。可省略每隔一個感光元件而僅 留下交替之空白列，而非使每一感光元件均處於連續行 内現了在此專空白中再填充兩組感光元件，其經設計以 偵測垂直動作。此主要為具有义及y方向之軸之對稱的21)梳 狀陣列，上文已就圖3 A及3B對其予以描述。然而，應當指 出，可能建構具有2個以上方向之軸之類似交錯的2D陣列。 例如，圖9展示一六邊形陣列902，其經交錯且佈線以產生 三（3)個隔開120。之沿軸904、906及908的ID SQ-pair。 請參看圖9,六邊形感光元件9〇4之栅格經佈線而產生了 沿三個不同軸904、906及908之1D動作。用於偵測同相訊號 並與每一軸相交聯之感光元件904均由相同數字j、2或3指 示。而用於偵測正交訊號之感光元件9〇4之交替列均由類似 數字1，、2,及3,指示。纟自感光元件之沿每―軸咖、9〇6、 106029.doc -28- 1290221 。8配置的同相及正交訊號經總體 同相⑴及正交（.)訊號。 且I#付號才曰不 感光元件之钚_ ^丄 因此县q 中斷陣列之一缺點源自訊號經採樣且 ==號影響之事實。詳言之，-已中斷之陣列將 σ ’疋件之多個潛在週期的任意空間頻率。 假訊號之影響可難士 > 、 小，立3由使用來自母—感光元件之訊號而減

s〇 w每—元件之輸出且將—複本傳送至每-1D :::Γ。此將增加採樣之比率(由於使用了每-感光元件， 更光：之:!内之每第二個或第三個元件)，且亦意謂使用-:先…樣函數(由於該採樣函數並非—連串之她 ' 2疋舁階躍函數纏繞’後者抑制了更高之諧量)。 ::二：學圖案含有較強之週期性’例如，其係來自編 、、我布或圖案化表面之光學圖案’則預期會出現 假作用。 一種減少對假訊號之易感性的方法係㈣—完全非週期 !生之陣列，且詳言之，即在任一空間頻率上均無較強峰值 之陣列。吾人可藉由使用感光元件之偽隨機分佈以混淆週 期性而獲得此種陣列，或可藉由使用並不包含週期性之規 則圖案來獲得此種陣列。在此非週期之陣列中，由於並無 偶然為零之狀況來以極少或無代價地允許元件之交錯組， 故通常需要使用來自每一感光元件之輸出。 i 一種特別有趣之非週期性圖案為所謂之葉序陣列，或，，向 曰葵"陣列。其具有兩個有趣之特性：其係基於黃金比例 (Golden Ratio)，而黃金比例係所有數字中最強之無理數， 106029.doc -29- 1290221 意謂其使其光譜内之較高諧頻之高度最小化。此亦相當易 於產生。在極座標中，第】點位於：

(P/，多7) =〔 C

(31) 其中’ Φ為黃金比例1618 ···。圖10中展示了具有2〇〇個元 件1004之葉序陣列1002之點狀圖案的一實施例。

就此陣列而言，最佳之感光元件尺寸為感光元件中心之 Voronoi圖（Wigner-Seitz單元）。因此，陣列11〇4之感光元件 1102圖案將由此看起來與圖丨丨所示類似。 此葉序陣列1002在其傅裏葉光譜中並無較強之峰值，但 感光元件1004之尺寸則具有粗略之平均值。當用於圖案化 表面時，其將因此可抵抗假訊號。藉由使用自上文給定之 座標計算之加權係數，應可能自此一陣列提取任意數目之 SQ-pair 〇 諸如圖9所示，3軸21)陣列存在一可能之侷限，即對於任 :軸而言’有助於每一軸之動作的感光元件之分佈相對稀 疏。先前描述之2〇梳狀陣列之所需特性為藉由適當地分电 感光元件之總數，可使每一元件均有助於兩軸之動作，而 無：向每一元件賦予一獨立之加權係數，京尤晶片表面積及 ::消耗而言，向每一元件均賦予一獨立之加權係數相當 :貴。因此’需要有一多轴扣陣列，其中該等感光元件之 母一者對自每一軸之動作訊號均有幫助。 詳言之’該概念可應用於與圖9中描述之陣列類似之3軸 歹J在此3軸陣列中，每一感光元件均有助於所有三條車由 106029.doc -30- 1290221 之動作，但仍然存在僅少量之加權係數，該等加權係數僅 於元件組或列之輸出經求和之後應用。因此，此實施例為 上述2D梳狀陣列之3軸類比陣列。 請參看圖12，其中展示了經佈線以用於3軸動作偵測之六 邊形陣列1202的示意圖。 圖12中，每一六邊形均表示一單一感光元件12〇4，諸如 一光電二極體。陣列1202内之每一感光元件12〇4耦合至三 組訊號線1206、1208及1210之每一組内之至少一條訊號線 以偵測垂直於該訊號線之方向上的動作。因此，垂直定向 之訊號線1206係用於偵測水平動作。應注意，訊號線12〇6、 1208及1210之組内之該等線中之每一者均呈現實線圖案或 虛線圖案。該等實線為主訊號線或同相訊號線之組，而該 等虛線為正交訊號線。符號+及分別指示為+1及一丨之加權 係數。 若感光元件1204由一條線穿越，則其意謂該元件將有助 於由该線編碼之訊號。在所展示之實施例中，每一感光元 件1204均由與該等三個不同組之訊號線丨2〇6、1208及1210 相關聯之三條線穿越，其意謂每一元件均有助於三條軸之 每一者之訊號。舉例而言，處於該六邊形陣列12〇2之最頂 端之感光元件1204有助於一加權係數為一1之訊號線1206之 組的主訊號，有助於一加權係數為+1之訊號線12〇8之組的 主訊號，且有助於一加權係數為+1之訊號線12 1〇之組的主 訊號。恰好處於其右下方之感光元件將有助於一加權係數 為-1之訊號線12 0 6之組的正交訊號，一加權係數為+1之訊 106029.doc -31· 1290221 號線12〇8之組的正交訊號，及—加權係數為+1之訊號線 12 10之組的正交訊號。依此類推。 理論上，具有三條軸及兩種類型之訊號，且該等兩種訊 號之每一者均具有兩種可能之加權係數時，對每一軸均有 I"助之7〇件將出現64種不同可能性。但實際上，因為某些 組合，不會出;見，所以僅有16種可能性。可看出因為總體 圖案是週期性的，所以粗黑實線㈣該週期性圖案之一單 位晶胞1212的輪廓，且該單位晶胞中僅有“個元件。故主 要有16種不同”風味，，之感光元軸，每一元件藉由應用 二，，三條軸之每一條之加權係數’且其是趨向此軸之主 部還是正交部而定性。(應注意粗黑點指示具有相同風味或 對每條軸有相同幫助之感光元件。）因此，在佈線機制中， 給定風味之所有感光元件12〇4均一同佈線而給出Μ個輸出 «。來自每一風味之訊號可分裂成三種情形，而加權係 ^適於所施加之三個訊號之每_者，且隨後將該等輸出訊 说組合至該等三條軸之每—者之主訊號及正交訊號。 上述實施例使得3軸之資訊能夠得以收集，其可經組合以 抵抗任-單-軸之減弱，且使得所有三條軸上之每—感光 凡件顧能夠使用，從而給出較好之隨，且較之先前 於散斑之光學感測器内之陣列，复 土 抗性 /、對假甙唬具有更鬲的抵 /可能將上述方法應用於-感光㈣之正方形陣列，且 :由採用在該陣列内使用不同空間頻率之觀點而得到四條 轴之育訊。詳言之，四條軸可源自_與圖从㈣之陣列類 106029.doc -32- 1290221 似之正方形2D陣列，大體上藉由添加更多至感光元件之連 接而獍得此效果。對此之一實施例將參考圖丨3進行描述。

圖13展示一正方形2D陣列丨3〇2及用於四軸動作偵測之佈 線圖。感光元件1304之連接與參看圖12進行之描述類似， 但此時存在四個方向，且每一感光元件均有助於該等四個 方向之每一者内之每一主訊號（同相）或正交訊號。第一組訊 就線1306耦合至所有感光元件以偵測水平方向上之動作。 第二組訊號線1308經連接以偵測垂直移動，第三組訊號線 13 10經連接以偵測在與垂直方向成_45。方向上的移動，且 第四組訊號線13 12經連接以偵測在與垂直方向成+45。方向 上的私動。應注意，訊號線13 1 0及13 12之組内的訊號線比 訊號線1306及1308之組内的訊號線間隔更為緊密。此指示 其所偵測之空間頻率與訊號線1306及13〇8之組不同且較之 更高。訊號線1306、1308、13 10及13 12之組内的該等線之 每一條再次呈實線或虛線圖案。該等實線為主訊號線或同 相訊號線組，而該等虛線為正交訊號線。符號+及-分別指 示為+1及-1之加權係數。 早位晶胞1314之輪廓，且 粗實線畫出週期性圖案 該單位晶胞内存在16個感光元件。故主要存在16種不同"風 味”之感光S件13 0 4，每-^件藉由應用於該等軸之每—條 之加權係數’ I其是趨向此軸之主部還是正交部而定性。 又，粗黑點指示具有相同風味或對每一轴有㈣幫助之感 光元件。組合單-風味之所有感光元件i取之後，來线 -風味之訊號分裂成四種情形，且與適當之加權係數—起 106029.doc -33 - 1290221 導引至四條軸之每一條内的主訊號及正交訊號。 應注意，此概念可藉由在該陣列上疊加多L 而推廣至任一週期性陣列。舉例而言， 柵格 之所有制器來提取多個價測向4，而二 =一計算内 而無而添加個別加權 h數。吾人亦可基於此陣列内之其他週期性而向該陣列添 加更多方向；當然，晶胞之風味數量將顯著上升。

總而言之，已描述了使用一2D陣列上之亮_暗_案來量測 2D内之位移的方法及此陣列之多種實施例。大體而言，該 方法使用了-種像素或感光元件之二維陣列’該陣列之連 接方式使得給定空間頻率之訊號處理能夠簡單化，而此對 於給定位移量測之應用而言極其重要。該像素連接機制之 多種實施例可經建構以允許不同（或多個）空間頻率之處 理。此方法允許基於散斑之2D位移量測比2D相關類型之裝 置具有更低之來自訊號處理電子裝置所需的能量，且不會 如先前使用線性、⑴梳狀陣列之裝置一樣損害量測之精確 度0 上文對本發明之特定實施例及實例之說明及描述係為說 明及描述之目的而為，且並不能解釋為由此受到限制。其 並不忍4人躬舉或將本發明限制於所揭示之準確形式，且按 &上述之教示而在本發明之範疇内進行的許多修改、改良 及變更均係可能的。希望本發明之範疇涵蓋本文以及隨附 申請專利範圍及其均等物所揭示之一般範圍。 【圖式簡單說明】 圖1(先前技術）為四（4)個感光元件每週期之組態中之一 106029.doc -34- 1290221 線性、一維（1D)梳狀陣列及相關聯之餘弦及正弦模板的示 意性方塊圖； 圖2A至2D為展示根據本發明之一實施例之一二維（2d) 梳狀陣列的餘弦及正弦分配之矩陣； 圖3A及3B為根據本發明之一實施例之自圖2八至2D之矩 陣建構且具有以4 X 4個元件每單元組態分組之感光元件的 2D梳狀陣列之示意性方塊圖；

圖4A及4B為比較兩個垂直（或1D χ 1D)線性梳狀陣列與 一根據本發明之一實施例之2D梳狀陣列的圖； 圖5為具有根據本發明之一實施例之基於散斑之2d梳狀 陣列的光學導航系統之示意性方塊圖； 圖6A及6B為以多種速度及在多種表面上，具有根據本發 明之一實施例之2D梳狀陣列的光學導航系統對比該系統實 際移動的圓形彈道之圖； 圖7為根據本發明之一實施例之具有以6 χ 6個元件每單 元之、、且忍刀組之感光元件的2D梳狀陣列之示意性方塊圖； 圖8為具有根據本發明之一實施例之在象限内排列的兩 個2D梳狀陣列的光學感測器之示意性方塊圖； 圖9為根據本發明之另一實施例之經佈線以偵測沿三條 不同轴之1D動作的具有六邊形感光元件之陣列的光學 感測器之示意性方塊圖； 圖10為用於根據本發明之又一實施例之感光元件的非週 期性葉序陣列之點圖案； 圖U為展不圖10之葉序陣列之感光元件圖案的Voronoi 106029.doc -35- 1290221 圖； 動作 圖12為根據本發明之另一實施例之具有六邊形 之六邊形2D陣列的光學感測器之示意性方塊圖，;^光元件 圖13為根據本發明之一實施例之經佈線以 及 【主要元件符號說明】 102 1D梳狀陣列 104 光電二極體 106 四條線訊號 108 差異類比電路 110 差異類比電路 112 餘弦模板 114 正弦模板 302 2D梳狀陣列 304 感光元件 306 單元 308 差異放大器 402 2D梳狀陣列 404 光學感測器 406 1D梳狀陣列 408 路徑 41〇 路徑 502 光學導航系統 504 光學頭 圖 I06029.doc -36 - 1290221

506 光源 508 第一/準直透鏡 510 第二/成像透鏡 512 表面 514 2D梳狀陣列 516 孔徑 602 虛線參考圖之參考數字 702 2D梳狀陣列 704 光電二極體 706 tj 口 一 早兀 708 矩陣 802 光學感測器 804 象限 806 象限 808 象限 810 象限 812 早兀 814 總佈線訊號 816 差異放大器 818 感光元件 902 六邊形陣列 904 軸 906 軸 908 軸 106029.doc -37- 1002 1290221

1004 1102 1104 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1302 1304 1306 1308 1310 1312 1314 葉序陣列 感光元件 感光元件 陣列 六邊形陣列 感光元件 訊號線 訊號線 訊號線 早位晶胞 正方形2D陣列 感光元件 訊號線 訊號線 訊號線 訊號線 早位晶胞 106029.doc -38-

Claims (1)

1. %年广月9日修(更成替撝1 129(^®|l38_號專利申請案 ^ 中文申請專利範圍替換本(96年5月） 十、申請專利範圍·· 1 · 一種光學感測器，用以藉由偵測自一表面反射之光線之 光學特性的改變來感測該感測器與該表面之間的相對移 動，該感測器包括感光元件之一二維（2D)梳狀陣列，該陣 列包含至少一第一複數個感光元件，其經配置且經搞合 以感測沿一第一組之至少兩條非平行軸之一第一組合移 動；及一第二複數個感光元件，其經配置且經耦合以感 測沿一第二組之至少兩條非平行軸之一第二組合移動； 其中該陣列為一 2〇梳狀陣列，且其中該等第一及該等第 二複數個感光元件規則間隔，且於該2D梳狀陣列之至少 --維内具有週期性；以及 其中該感測器為一基於散斑（speckle_based)之感測器，其 經組態以基於一藉由自一連貫性光源反射至該表面、並自 該表面反射之一光線而建立的複雜干擾圖案之改變而感 測移動。 2.如請求項1之光學感測器，其中該等第一複數個感光元件 沿該第一組之至少兩條非平行軸週期性配置；且該等第 一複數個感光元件沿該第二組之至少兩條非平行軸週期 性配置。 / 3.如請求们之光學感測器，其中該等第一及該等第二複數 個感光元件規則間隔，且於該陣列之二維内具有週期性。 4 · 種光學感測器，用以藉由偵涓彳自一矣而g J ^ 表面反射之光線之 光學特性的改變來感測該感測器盥 齊邊表面之間的相對移 動’該感測器包括感光元件之一一 一难（2D)陣列，該陣列包 106029-960517.doc 1290221

   含至少ϋ數個感光元件，其經配置且_合以感 測沿一第—組之至少兩條非平行軸之—第—組合移動: 及：第二複數個感光元件’其經配置且_合 一第二組之至少兩條非平行軸之-第二組合移動；。 其中該陣列為一非週期性陣列，且其中該等第一及 二複數個感光元件規則間隔但無週期性。 / 5. -種光學感測器’用以藉由偵測自一表面反射之光線之 光學特性的改變來感測該感測器與該表面之間的相對移 動’該感測器包括感光元件之一二維（2D)陣列，該陣列包 含至少—第-複數個感光元件，其經配置且經輕合以感 測沿-第-組之至少兩條非平行軸之—第__組合移動: 及一第一複數個感光元件，其經配置且經耦合以感測沿 一第二組之至少兩條非平行軸之一第二組合移動； 其中該陣列為一準週期性陣列，且其中該等第一及該等第 一複數個感光元件規則間隔且具有準週期性。 6. —種光學感測器，用以藉由偵測自一表面反射之光線之 光學特性的改變來感測該感測器與該表面之間的相對移 動，該感測器包括感光元件之一二維（2D)陣列，該陣列包 含至少一第一複數個感光元件，其經配置且經耦合以感 測沿一苐一組之至少兩條非平行軸之一第一組合移動； 及一第二複數個感光元件，其經配置且經耦合以感測沿 一第二組之至少兩條非平行軸之一第二組合移動； 其中該等第一及該等第二複數個感光元件包含至少一個 共用感光元件，該共用感光元件經配置以感測沿該第一及 106029-960517.doc -2- 1290221 押年尸月？日修(更)正替換買 -——.......... 第二組之至少兩條非平行軸的移動。 7· 一種光學導航系統，其用於一資料輸入裝置以藉由铺測 自一表面反射之光線之光學特性的改變來感測該資料輸 入裝置相對於該表面之位移，該系統包括·· 一照明器，其照明該表面之一部分；

   成像光學裝置，其將該表面之該已照明部分映射至一 光學感測器，其中該感測器為一基於散斑（speckle_based) 之感測器，其經組態以基於一藉由自一連貫性光源反射 至該表面、並自該表面反射之—光線而建立的複雜干擾 圖案之改變而感測移動，·且 其中該感測器包括感光元件之—二維（2D)梳狀陣列，該 陣列包含至少一第一複數個感光元件，其經配置且經耦 合以感測沿-第-組之至少兩條非平行軸之—第一組合 移動’及帛一複數個感光元件’其經配置且經耦合以 感測沿-第二組之至少兩條非平行軸之—第二组合移 動；且 其中該等第-及該等第二複數個感光元件規則間隔 且於該陣列之二維内具有週期性。 、、先，其中該等第一複數個感光元 條非平行軸週期性配置，且該等 5亥第二組之至少兩條非平行轴週 8·如請求項7之光學導航系 件沿該第一組之至少兩 第二複數個感光元件沿 期性配置。 106029-960517.doc 1290221 月，修(U正雜頁 相訊號及一第一正交訊號，且用於將該等第二複數個感 光兀件之輸出組合為一第二同相訊號及一第二正交訊 號。 10.如請求項9之光學導航系統，其中該前端電路進一步包括 於該等加權輸出總計至該等同相及正交訊號之前將一加 權應用於該等輸出之構件。 11·如請求項7之光學導航系統，其中成像光學裝置包括一孔 徑，該孔徑經組態以於動作期間提供焦闌成像以便保持 該散斑圖案之完整性且將該散斑之一平均尺寸與該梳狀 陣列之一週期相匹配。 12.如明求項7之光學導航系統，其中該照明器經組態而以一 允許债測自該表面上升之該資料輸人裝置的預定入射角 度照明該表面之該部分。 13·種感測一光學散斑（speckle-based)感測器相對於一表 面之維（2D)位移的方法，該光學感測器包括感光元件之 -二維(2D)梳狀陣列，該陣列至少包含第一複數個感光元 件及第一複數個感光元件，其中該等第一及該等第二複 數個感光元件規則間隔，且於該陣列之二維内具有週期 性’該方法包括如下步驟： 照明該表面之一部分·， 將該表面之該已照明之部分映射至該陣列； 用該等第-複數個感光元件感測沿 條非平行轴之-第-組合移動； 、^ 用“等第一複數個感光元件感測沿一第二組之至少兩 106029-960517.doc 1290221 *乂..........一“ · p十”時(¾正 條非平行軸之一第二組合移動〜;且〜 其中感測沿該第一及第二組之至少兩條非平行轴之移 的該等步驟包括基於-藉由自一連貫性光源反射至該 表面、並自該表面反射之一光線建立的複雜干擾圖案之 改變而感測移動之該等步驟。 “·如請求項13之方法，其中感測沿該第一及第二組之至少 兩條非平行軸之移動的該等步驟進—步包括將該等第一 複數個感光元件之輸出組合為一第一同相訊號及一第_ ^ 且將e亥專弟二複數個感光元件之輸出組合為 第一同相訊號及一第二正交訊號的該等步驟。 •如明求項14之方法，其中感測沿該第一及第二組之至少 兩條非平行軸之移動的該等步驟進一步包括於該等加 輸出總計至該等第一及第二同相及正交訊號之前將〜4 權應用於該等輸出的該等步驟。 力°

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