TWI584158B - 光學導航晶片、光學導航模組以及光學編碼器 - Google Patents

Description

光學導航晶片、光學導航模組以及光學編碼器

本發明係關於一種光學導航晶片，且特別是一種微型化的光學導航晶片，設置此光學導航晶片的光學導航模組以及光學編碼器。

隨著科技的進步，越來越多的電子裝置具有光學導航功能。此類具有光學導航功能的光學編碼器通常會設置光學導航晶片，以實現光學導航功能。光學編碼器最為常見的便是光學滑鼠。

目前的光學滑鼠通常包括了發光單元以及光學導航晶片。發光單元用以提供光束照射一物體(例如為桌面)。光學導航晶片包括了感測陣列。感測陣列相對於物體的表面而設置，用以接收表面反射光束所產生的反射光束，以擷取表面一部份的影像。光學滑鼠係根據感測陣列所擷取之表面連續變化影像，並比較這些影像來計算目前位置相對於先前位置的移動量多寡。

由於一般發光單元所提供的光束的聚光性不足，若不在發射口上設置光學透鏡，光束將會向四周散射。如此一來，表面所反射的反射光束的光強度可能不足，進而造成感測陣列所擷取的影像與實際的影像間存在著誤差。因此，光學滑鼠通常會在發光單元的發射口上設置光學透鏡，以對光束進行聚焦處理。此外，為了提高感測陣列擷取影像時的精準度，光學滑鼠還在感測陣列上 設置了一個光學透鏡，以對反射光束進行聚焦處理。

然而，習知的作法中，由於光學編碼器中需要設置光學透鏡等元件，使得光學編碼器存在機構上的限制而難以同時達到高精準度以及微型化。

本發明實施例提供一種光學導航晶片。所述光學導航晶片設置於光學導航模組。光學導航模組具有發光單元。發光單元提供光束照射位移產生單元之表面。光束具有低發散角度，以降低散射。光學導航晶片包括感測陣列以及位移計算單元。位移計算單元耦接於感測陣列。感測陣列不包括用以對反射光束做聚焦處理的光學透鏡，且感測陣列相對於表面而設置。感測陣列接收表面反射光束產生的反射光束，以在每一擷取間隔時間依據接收的反射光束擷取位移產生單元之表面一部份的影像。位移計算單元用以根據該些影像計算光學導航晶片與表面間的相對位移量。

本發明實施例提供一種光學導航模組。所述光學導航模組包括發光單元以及光學導航晶片。發光單元提供光束照射位移產生單元之表面。光束具有低發散角度，以降低散射。光學導航晶片包括感測陣列以及位移計算單元。位移計算單元耦接於感測陣列。感測陣列不包括用以對反射光束做聚焦處理的光學透鏡，且感測陣列相對於表面而設置。感測陣列接收表面反射光束產生的反射光束，以在每一擷取間隔時間依據接收的反射光束擷取位移產生單元之表面一部份的影像。位移計算單元用以根據該些影像計算光學導航晶片與表面間的相對位移量。

本發明實施例提供一種光學編碼器。所述光學編碼器包括位移產生單元以及光學導航模組。所述光學導航模組包括發光單元以及光學導航晶片。發光單元提供光束照射位移產生單元之表面。光束具有低發散角度，以降低散射。光學導航晶片包括感測 陣列以及位移計算單元。位移計算單元耦接於感測陣列。感測陣列不包括用以對反射光束做聚焦處理的光學透鏡，且感測陣列相對於表面而設置。感測陣列接收表面反射光束產生的反射光束，以在每一擷取間隔時間依據接收的反射光束擷取位移產生單元之表面一部份的影像。位移計算單元用以根據該些影像計算光學導航晶片與表面間的相對位移量。

根據以上所述，相較於傳統的光學編碼器，本發明實施例提供之光學導航晶片、光學導航模組以及光學編碼器並不需要在發光單元以及感測陣列上設置任一光學透鏡，即可計算出光學導航晶片與光學編碼器之位移產生單元間的相對位移量。由於不需要任一光學透鏡，使得光學導航晶片、光學導航模組以及光學編碼器的體積可以進一步地被縮小，進而達到微型化的目的。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

1、3、4、5‧‧‧光學編碼器

10、30、40、50‧‧‧光學導航模組

11、31、41、51‧‧‧位移產生單元

100‧‧‧基板

101‧‧‧發光單元

102‧‧‧光學導航晶片

1020‧‧‧感測陣列

1021‧‧‧位移計算單元

圖1是本發明實施例提供之光學編碼器的結構示意圖。

圖2是本發明實施例提供之光學導航模組的結構示意圖。

圖3是本發明另一實施例提供之光學編碼器的結構示意圖。

圖4是本發明再一實施例提供之光學編碼器的結構示意圖。

圖5是本發明再一實施例提供之光學編碼器的結構示意圖。

在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且 完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。

應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件或信號等，但此等元件或信號不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，如本文中所使用，術語「或」視實際情況可能包括相關聯之列出項目中之任一者或者多者之所有組合。

請參閱圖1，圖1是本發明實施例提供之光學編碼器的結構示意圖。光學編碼器1包括光學導航模組10以及位移產生單元11。光學導航模組10相對於位移產生單元11之表面而設置。

光學導航模組10用以提供光束並照射位移產生單元11之表面，並接收位移產生單元11之表面反射該光束所產生的反射光束。每隔一段擷取間隔時間，光學導航模組10根據反射光束擷取位移產生單元11之表面一部份的影像。

位移產生單元11例如為圓環、滑軌或圓桿，其可以被移動而產生位移。於某些應用中，位移產生單元11亦可以被設置成不會移動，而光學導航模組10可以被移動，使得光學導航模組10與位移產生單元11間的相對位置發生變化。位移產生單元11的形狀可以對應不同的應用而有所改變。

舉例來說，若光學導航模組10被應用於光學滑鼠中，則位移產生單元11可以是桌面。使用者可以移動光學滑鼠，使得光學導航模組10計算光學滑鼠在桌面上移動了多少距離。又或者，光學導航模組10可以被應用於注射器中。此時，位移產生單元11例如為活塞芯桿。當活塞芯桿被拉出或推入而產生位移時，光學導航模組10可以感測其位移量。

簡而言之，當光學導航模組10與位移產生單元11的相對位置有所變化時，光學導航模組10可以根據相關於位移產生單元11 之表面的複數個影像來判斷目前光學導航模組10相對於先前的位置移動有多遠，進而計算出光學導航模組10與位移產生單元11間的相對位移量。

於本實施例中，位移產生單元11之表面不包括任一特殊圖案。特殊圖案例如為識別塊，且該識別塊與該表面具有不同光反射率。或者，特殊圖案例如為蝕刻圖案，且蝕刻圖案低於該表面而形成一凹槽。附帶一提，前述特殊圖案的類型僅為舉例說明，並非用以限制本發明。

為詳細介紹光學導航模組10之結構，請配合參閱圖2，圖2是本發明實施例提供之光學導航模組的結構示意圖。光學導航模組10包括基板100、發光單元101以及光學導航晶片102。發光單元101以及光學導航晶片102設置於基板100上。基板100例如為印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)。發光單元101相鄰於光學導航晶片102而設置。發光單元101與光學導航晶片102的間隔距離可依實際需求與情況有所改變，只要光學導航晶片102能夠接收到位移產生單元(例如為圖1之位移產生單元11)之表面提供的反射光束即可。

發光單元101例如為雷射二極體(Laser Diode)或發光二極體(Light Emitting Diode，LED)，用以提供光束照射位移產生單元11之表面。發光單元101提供的光束具有低發散角度。如此一來，發光單元101便不需要設置另外的光學透鏡來對光束做聚焦、擴束等光學處理，以降低光束的散射。

當發光單元101為雷射二極體時，發光單元101提供的光束為雷射光束。雷射光束不僅具有低發散角度，還具有高聚光性的特性，使得雷射光束不容易發生散射。因此，雷射二極體可以直接被使用在光學導航模組10。以雷射光束的發散角度為例，所述低發散角度代表光束的水平與垂直發散角度分別低於10度與35度。當發光單元101為發光二極體時，則發光二極體需經設計， 使得其提供的光束具有低發散角度。

簡而言之，不論發光單元101為雷射二極體、發光二極體或其他可提供光束之元件，只要發光單元101提供的光束具有低發散角度即可。如此一來，發光單元101的發射口上便不需要設置光學透鏡，以對光束做聚焦處理。附帶一提，上述低發散角度的數值僅為舉例說明，並非用以限制本發明。所屬技術領域具有通常知識者可參照雷射光束的發散角度適當地調整光束的發散角度，以達到上述光學導航模組10的功能。

光學導航晶片102包括感測陣列1020以及位移計算單元1021。感測陣列1020耦接於位移計算單元1021。感測陣列1020例如為互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)影像感測陣列，或是電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)影像感測陣列，其係由複數個畫素所形成的畫素矩陣。由於光學導航模組10係相對於位移產生單元11之表面而設置，使得感測陣列1020接收表面所提供的反射光束，以在每一擷取間隔時間依據接收的反射光束擷取位移產生單元11之表面一部份的影像。

由上述內容可知，發光單元101所提供的光束具有低發散角度，即光束會完整地被提供至位移產生單元11之表面。另一方面，位移產生單元11之表面又將光束完整地反射至感測陣列1020。如此一來，感測陣列1020不需要設置另外的光學透鏡以對反射光束進行聚焦處理，便可擷取到清晰的影像。

附帶一提，由於雷射光束相對於發光二極體提供的光束具有更高的聚光性，故於較佳實施例中，光學導航模組10使用雷射二極體作為發光源可以讓感測陣列1020擷取到更為清晰的影像。

位移計算單元1021具有影像處理的功能，用以接收感測陣列1020輸出的影像，並對該些影像進行影像處理，接著根據該些影像計算光學導航晶片102與位移產生單元11間的相對位移量。而 有關計算光學導航晶片102之相對位移量的細步過程為所屬技術領域具通常知識者，在光學編碼器中常用的技術，故在此不再贅述。

在計算出光學導航晶片102與位移產生單元11間的相對位移量後，位移計算單元1021將計算出的結果輸出給後端電路，後端電路再實現對應的功能(例如移動滑鼠的游標)。

請參閱圖3，圖3是本發明另一實施例提供之光學編碼器的結構示意圖。光學編碼器3同樣包括光學導航模組30以及位移產生單元31。光學導航模組30的結構與功能與圖1之光學導航模組10類似，於此不再多加冗述。以下僅針對不同處進行描述。

與圖1之光學編碼器1不同的是，光學編碼器3之位移產生單元31為圓環結構。光學導航模組30相對於位移產生單元31之外表面而設置。

舉例來說，光學編碼器3可以被應用於音響的音量控制旋鈕。使用者可以透過旋轉位移產生單元31來調整音響的音量大小。光學導航模組30感測位移產生單元31之外表面來判斷光學導航模組30之光學導航晶片與位移產生單元31之外表面間的相對位移量。接著，光學導航模組30將計算出的相對位移量輸出至後端電路(例如主機)，使得後端電路對應地調整音響的音量。

如同前述實施例，位移產生單元31之外表面可以不包括任一特殊圖案。或者，位移產生單元31之外表面上可以設置至少一特殊圖案。在計算相對位移量時，光學導航模組30可透過特殊圖案協助計算光學導航模組30與位移產生單元31間的相對位移量。

值得一提的是，於本實施例中，位移產生單元31之外表面還可以設置一個起始圖案。當光學導航模組30之感測陣列感測到起始圖案時，光學導航模組30之位移計算單元判斷位移產生單元31旋轉了一圈。

請參閱圖4，圖4是本發明再一實施例提供之光學編碼器的結 構示意圖。光學編碼器4同樣包括光學導航模組40以及位移產生單元41。光學導航模組40的結構與功能與圖1之光學導航模組10以及圖3之光學導航模組30類似，於此不再多加冗述。以下僅針對不同處進行描述。

光學編碼器4之位移產生單元41同樣為圓環結構。與圖3之光學編碼器3不同的是，光學導航模組40係相對於位移產生單元41之內表面而設置。而光學導航模組40計算相對位移量的流程與圖3之光學導航模組30類似，所屬技術領域具有通常知識者在參閱前述實施例後，應能理解本發明的精神而完成本實施例之發明。

請參閱圖5，圖5是本發明再一實施例提供之光學編碼器的結構示意圖。光學編碼器5同樣包括光學導航模組50以及位移產生單元51。光學導航模組50的結構與功能與圖1之光學導航模組10、圖3之光學導航模組30以及圖4之光學導航模組40類似，於此不再多加冗述。以下僅針對不同處進行描述。

與光學編碼器1、3、4不同的是，光學編碼器5之位移產生單元51為圓桿結構。光學導航模組50相對於位移產生單元51之外表面而設置。

舉例來說，光學編碼器5可以被應用於智慧型手錶的錶冠。使用者可以透過旋轉錶冠來調整智慧型手錶的時間。當錶冠被旋轉而產生位移時，光學導航模組50感測錶冠之外表面來判斷光學導航模組50之光學導航晶片與錶冠之外表面間的相對位移量。接著，光學導航模組50將計算出的相對位移量輸出至後端電路(例如智慧型手錶的處理器)，使得後端電路對應地調整智慧型手錶的時間。

如同前述實施例，位移產生單元51之外表面可以不包括任一特殊圖案。或者，位移產生單元51之外表面上可以設置至少一特殊圖案。另一方面，位移產生單元51之外表面亦可設置一個起始圖案。當光學導航模組50之感測陣列感測到起始圖案時，光學導 航模組50之位移計算單元判斷位移產生單元51旋轉了一圈。

根據以上所述，相較於傳統的光學編碼器，本發明實施例提供之光學導航晶片、光學導航模組以及光學編碼器並不需要在發光單元以及感測陣列上設置任一光學透鏡，即可計算出光學導航晶片與光學編碼器之位移產生單元間的相對位移量。由於不需要任一光學透鏡，使得光學導航晶片、光學導航模組以及光學編碼器的體積可以進一步地被縮小，進而達到微型化的目的。

此外，本發明還以雷射二極體作為發光源。由於雷射二極體提供的雷射光束具有高聚光性、高方向性以及高光強度等特性，光學導航晶片可以擷取到更加清晰的影像，進而提升光學導航晶片在計算相對位移量時的精準度。

以上所述，僅為本發明最佳之具體實施例，惟本發明之特徵並不侷限於此，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾，皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

10‧‧‧光學導航模組

100‧‧‧基板

101‧‧‧發光單元

102‧‧‧光學導航晶片

1020‧‧‧感測陣列

1021‧‧‧位移計算單元

Claims (17)

1. 一種光學導航晶片，設置於一光學導航模組，其中該光學導航模組具有一發光單元，該發光單元提供一光束照射一位移產生單元之一表面，其中該位移產生單元之該表面不包括一特殊圖案，該特殊圖案係一識別塊或一蝕刻圖案，其中當該特殊圖案係該識別塊時，該識別塊與該表面具有不同光反射率；其中當該特殊圖案係該蝕刻圖案時，該蝕刻圖案低於該表面而形成一凹槽，該光束具有低發散角度，以降低散射，且該光學導航晶片包括：一感測陣列，不包括用以對一反射光束做聚焦處理的一光學透鏡，相對於該表面而設置，接收該表面反射該光束產生的該反射光束，以在每一擷取間隔時間依據接收的該反射光束擷取該位移產生單元之該表面一部份的一影像；以及一位移計算單元，耦接於該感測陣列，用以根據該些影像計算該光學導航晶片與該表面間的一相對位移量。
2. 如請求項第1項所述的光學導航晶片，其中該感測陣列係一互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測陣列。
3. 如請求項第1項所述的光學導航晶片，該發光單元係一雷射光源，以提供一雷射光束。
4. 如請求項第1項所述的光學導航晶片，其中該光束的水平與垂直發散角度分別低於10度與35度。
5. 一種光學導航模組，包括：一發光單元，用以提供一光束照射一位移產生單元之一表面，其中該位移產生單元之該表面不包括一特殊圖案，該特殊圖案係一識別塊或一蝕刻圖案，其中當該特殊圖案係該識別塊時，該識別塊與該表面具有不同光反射率；其中當該特殊圖案係該蝕刻圖案時，該蝕刻圖案低於該表面而形成一凹槽，該光束具有低發散角度，以降低散射； 一光學導航晶片，包括：一感測陣列，不包括用以對一反射光束做聚焦處理的一光學透鏡，相對於該表面而設置，接收該表面反射該光束產生的該反射光束，以在每一擷取間隔時間依據接收的該反射光束擷取該位移產生單元之該表面一部份的一影像；以及一位移計算單元，耦接於該感測陣列，用以根據該些影像計算該光學導航晶片與該表面間的一相對位移量。
6. 如請求項第5項所述的光學導航模組，其中該感測陣列係一互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測陣列。
7. 如請求項第5項所述的光學導航模組，該發光單元係一雷射光源，以提供一雷射光束。
8. 如請求項第5項所述的光學導航模組，其中該光束的水平與垂直發散角度分別低於10度與35度。
9. 一種光學編碼器，包括：一位移產生單元，包括一表面；一光學導航模組，包括：一發光單元，用以提供一光束照射該位移產生單元之該表面，其中該位移產生單元之該表面不包括一特殊圖案，該特殊圖案係一識別塊或一蝕刻圖案，其中當該特殊圖案係該識別塊時，該識別塊與該表面具有不同光反射率；其中當該特殊圖案係該蝕刻圖案時，該蝕刻圖案低於該表面而形成一凹槽，該光束具有低發散角度，以降低散射；一光學導航晶片，包括：一感測陣列，不包括用以對一反射光束做聚焦處理的一光學透鏡，相對於該表面而設置，接收該表面反射該光束產生的該反射光束，以在每一擷取間隔時間 依據接收的該反射光束擷取該位移產生單元之該表面一部份之影像；以及一位移計算單元，耦接於該感測陣列，用以根據該些影像計算該光學導航晶片與該表面間的一相對位移量。
10. 如請求項第9項所述的光學編碼器，其中該感測陣列係一互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測陣列。
11. 如請求項第9項所述的光學編碼器，該發光單元係一雷射二極體(Laser Diode)，以提供一雷射光束。
12. 如請求項第9項所述的光學編碼器，其中該位移產生單元為一圓環、一滑軌或一圓桿。
13. 如請求項第12項所述的光學編碼器，其中當該位移產生單元為該圓環時，該表面為該圓環的一外表面或一內表面。
14. 如請求項第12項所述的光學編碼器，其中當該位移產生單元為該圓桿時，該表面為該圓桿的一外表面。
15. 如請求項第13項或第14項所述的光學編碼器，其中該位移產生單元之該表面上設置一起始圖案，當該感測陣列感測到該起始圖案時，該位移計算單元判斷該位移產生單元旋轉一圈。
16. 如請求項第9項所述的光學編碼器，其中該發光單元不包括對該光束做聚焦處理的一光學透鏡。
17. 如請求項第9項所述的光學編碼器，其中該光束的水平與垂直發散角度分別低於10度與35度。