一種滑鼠光學信號處理方法和裝置的製作方法
2023-05-12 08:42:46 3
專利名稱：一種滑鼠光學信號處理方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電數字數據處理，尤其涉及一種滑鼠光學信號處理方法和裝置。
背景技術：
滑鼠自1968年底誕生以來，從其技術原理角度來劃分，到目前共發展了以下四代(1).機械式滑鼠機械式滑鼠的工作原理是利用滑鼠底部的滾球，與桌面做物理接觸，當滾球向不同的方向滾動時，會推動處於不同方向的壓力滾動軸滾動。這些滾動軸連接著編碼器，在圓形的編碼器上呈圓形排列著觸點，當滾球滾動時，經過壓力軸的傳動，使觸點依次碰到接觸條，從而產生接通、斷開的信號。經過轉化，形成0、1的信號。另外通過一個專用的晶片，使這些數據轉換成二維的X、Y軸的位移數據，從而指導光標作相應的移動。這種滑鼠由於全部採用機械結構，不可避免地出現精度偏低、易損壞的缺點，所以目前已基本上退出市場了。
(2).光學機械式滑鼠取代機械滑鼠的是光學機械式滑鼠，這種滑鼠與機械滑鼠的結構基本上相同，兩者間惟一的區別就是採用不同的編碼器進行偵測滑鼠的動作。光學機械式滑鼠所採用的編碼器，是由一片有很多狹縫的圓盤以及其兩側的光電管、發光二極體所組成。當滾球運動時帶動圓盤，光電管就會收到由於切斷光路所帶來的連通、斷開的信號，滑鼠內部的微型處理器即可根據此信號及其相位差算出滑鼠移動的距離及方向。這種滑鼠由於核心定位機構已採用光電式部件進行處理，所以其具有(相對於純機械式)使用壽命長、定位精度高等特點；但是，由於它的基本定位機制仍是採用機械式的滾球方式，因此與傳統的機械式滑鼠一樣，長時間使用後，會出現光標移動緩慢或跳動、定位不準等現象。這主要是由於內部的轉軸上附有灰塵的緣故，需要徹底清理才能恢復正常使用。
(3).第一代光電式滑鼠光電式滑鼠由於沒有機械結構的定位系統，所以無論是在定位精度、使用壽命，還是在操作手感等方面，都具有得天獨厚的優勢。
第一代光電式滑鼠使用一種特殊的滑鼠墊，這種滑鼠墊具有反射面及十分整齊的柵格線。柵格線由黑線與藍線組成，在滑鼠的底部有兩個發光二二極體，一個發出能被藍線吸引的紅光，另一個則發出能被黑線吸收的紅外光，在滑鼠的底部另有一組光電管負責接收反射回來的光線，光電滑鼠就是根據這兩組光線照射滑鼠墊的X、Y軸線所反射回來的信號來判斷滑鼠的方向與距離。由於這種光電滑鼠需要在特製的滑鼠墊上操作並要求保持滑鼠墊的清潔，給使用帶來不便，因此一直未能大規模推廣。
(4).第二代光電式滑鼠第二代光電式滑鼠由美國安捷倫公司所研發。該技術利用發光二極體照射物體表面，然後每隔一定的時間就做一次快照，接著分析處理兩次圖片的特性，來測定坐標的移動方向及數值。
由於需要對圖片進行掃描才能確定滑鼠的位移，因此掃描的頻率就成為衡量光電滑鼠的一項重要參數。一般情況下，每秒1500次的掃描頻率是最基本的，像微軟所推出的部分產品中，其掃描頻率達到了每秒6000次。同時需要注意的另一項參數是滑鼠的解析度。這項參數採用的是每平方英寸的測量次數來表示(count per inch，cpi)。一般的光學滑鼠大多都是400dpi，即每移動一英寸，就傳回400次坐標值(目前較好的光電滑鼠可以達到800dpi)。
綜上所述，純粹的機械式滑鼠目前已經淘汰；光學機械式滑鼠存在定位精度不高、手感不夠順暢、長期使用後性能下降等難以克服的缺陷；第一代光電滑鼠由於使用條件要求較高，一直未能推廣；第二代光電滑鼠克服了第一代光電滑鼠使用不便的缺點，精度高，使用壽命長，因此在高端市場佔有一席之地，但由於原理和結構複雜，成本居高不下，並且受技術及成本因素的限制，存在響應速度不夠的缺陷。
發明內容
本發明的目的在於提供一種滑鼠光學信號處理方法和裝置，以解決現有技術中使用不方便、技術複雜和成本高的問題。
本發明所採用的滑鼠光學信號處理方法為種滑鼠光學信號處理方法，其特徵在於通過採集雷射散斑信號的移動信息，反映滑鼠裝置與產生雷射散斑的被照射的物體表面的相對位移矢量；通過採集雷射散斑幹涉信號的移動信息，反映滑鼠裝置與產生雷射散斑幹涉條紋的被照射的物體表面的相對位移矢量；所述的雷射散斑信號或雷射散斑幹涉條紋信號通過光電傳感器的接收，再經信號處理，計算光電傳感器所接收到的散斑脈衝或散斑幹涉條紋脈衝的數量，根據散斑或散斑幹涉條紋的平均尺寸從而確定光電傳感器與產生雷射散斑的被照射的物體表面的相對位移大小；所述的光電傳感器具有由兩個或排成一條直線的兩個以上的光電傳感單元構成的光電傳感單元組，光電傳感單元組接收到被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑信號或雷射散斑幹涉條紋信號後，對有關光電信號進行放大及整形，計算出光電傳感器與被照射物體表面的相對位移矢量在這些光電傳感單元排列方向上的分量大小；同時，利用這些兩個或兩個以上光電傳感單元所產生的電信號相位差確定散斑或散斑幹涉條紋移動矢量在該兩個或兩個以上光電傳感單元方向上的分量的方向；所述的光電傳感器中，這種由兩個或排列成一條直線的兩個以上的光電傳感單元構成的光電傳感單元組至少有兩組，並且至少有一組的排列方向與其它組不同，兩個組可以交叉，可以共用一些單元；這些光電傳感單元組接收到被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑信號或雷射散斑幹涉條紋信號後，對有關光電信號進行放大及整形，計算出光電傳感器與被照射物體表面的相對位移矢量在本組中的分量的大小和方向，並且由不在同一方向上的兩個或兩個以上光電傳感單元組各自計算出的光電傳感器與被照射物體表面的相對位移矢量在本組中的分量的大小和方向以及它們之間的夾角計算出光電傳感器與被照射物體表面在二維平面內的相對位移矢量。
這種實現上述光學信號處理方法的滑鼠光學信號處理裝置，包括滑鼠本體，滑鼠本體中內置處理光電信號的放大及整形模塊、辨向及計數模塊和計算機接口電路，並依次相連，其特徵在於還包括至少一個雷射器和接收被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑信號的光電傳感器；所述的光電傳感器將接收到的光電信號輸入放大及整形模塊；它還包括至少兩個雷射器和接收被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑幹涉信號的光電傳感器；所述的兩個或兩個以上雷射器發射的雷射照射到用於產生雷射散斑幹涉條紋的表面的一個或多個區域，其中的每一個區域至少有兩路光束照射；它還包括至少一個雷射器、分光裝置和接收被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑幹涉信號的光電傳感器；所述的雷射器發射的雷射通過分光裝置分成兩束或兩束以上照射到用於產生雷射散斑幹涉條紋的表面的一個或多個區域，其中的每一個區域至少有兩路光束照射。
本發明的原理和有益效果為當一束雷射照射到某粗糙物體表面時，觀察被照射區域，並非連續的一片明亮，而是有許多明暗相間、雜亂無章的亮斑和暗斑，這種現象稱為散斑，如圖1所示，散斑並非只存在於粗糙物體表面上，在被雷射照射的粗糙物體表面附近的整個空間都布滿散斑。
雷射散斑實際上是在粗糙物體表面的各個面積元上散射的光波之間相長和相消所引起的一種幹涉現象，可以採用雷射幹涉的理論加以解釋，並推導出其一般特性。
理論研究表明，在雷射入射角一定的情況下，散斑的對比度與被照射物體表面的粗糙度相關，日常生活中接觸到的多數物品，都能輕易滿足形成散斑的粗糙度要求。實驗證明，雷射照射到大多數常見物品如桌面、紙張、紡織品、一般金屬、塑料、陶瓷表面、普通玻璃上時，都能觀察到明顯的散斑現象。雷射散斑可以認為是附屬於被照射物體表面的，因此物體移動，散斑也移動，依據散斑的這個特性可以測量物體與觀測者(裝置)的相對位移。
在本發明中，依據散斑的特性，通過採集雷射散斑信號的移動信息，反映滑鼠裝置中雷射信號源與產生雷射散斑的被照射的物體表面的相對位移矢量，這種純光電技術克服了機械裝置的各種缺陷，結構簡單，技術可行性強，精度高，可採用經濟的方法大幅度提高測量精度和速度。
圖1為雷射散斑示意圖；圖2為本發明原理示意圖；圖3為本發明原理示意圖；圖4為本發明原理示意圖；圖5為實施例1結構示意圖；
圖6為本發明電路原理示意圖；圖7為實施例2結構示意圖；圖8為實施例3結構示意圖；圖9為實施例4結構示意圖。
具體實施例方式
下面根據附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明本發明所採用的方法為通過採集雷射散斑信號的移動信息，反映滑鼠裝置中雷射信號源與產生雷射散斑的被照射的物體表面的相對位移矢量，通過光電傳感器接收雷射散斑幹涉信號，再經信號處理，計算光電傳感器所接收到的散斑脈衝的數量，根據散斑的平均尺寸從而確定雷射信號源與產生雷射散斑的被照射的物體表面的相對位移矢量。
對於雷射散斑的大小，即相鄰的亮度極大處與極小處的距離的統計平均值，與雷射的波長、產生散斑的輻射對確定散斑場的平面所張的孔徑角有關，如圖2所示，來自直徑為D的圓形區域的雷射散射在距離為L的屏AB上形成的散斑，亦稱為「客觀散斑」，其大小σ近似等於如下式1σ≈1.2λL/D如圖3所示，如果用一個透鏡把散射的輻射場聚焦在屏上，則形成「主觀散斑」，這時單個散斑的大小σ與透鏡有效數值孔徑N.A.的關係為如下式2σ≈0.6λ/N.A.
雷射散斑的大小遵循上述式1或式2的統計規律，但每一個具體的斑點大小則是隨機的，因此對光電敏感元件輸出並經過整形的脈衝簡單計數並不能獲得準確的測量數據，但是，散斑大小符合統計規律，多個散斑尺寸之和(或平均值)(只需將多個脈衝相加或取平均值即可得到)能夠相對準確地符合其統計平均大小；況且，由於在典型的應用條件下散斑非常小，一般在數百納米到數微米之間，因此，這種多個散斑尺寸之和(或平均值)所反映的整合精度遠遠高於目前滑鼠所需要的精度(大約在30至100微米之間)，所以可以使用多個散斑脈衝之和(或平均值)來確定滑鼠器的位移量。
同時，若採用兩束雷射等角度地照射物體，則可以在一維上得到更精確的測量結果，如圖4所示，若在被照射物體表面方向上的位移為d，則有式3d＝nλ/2sinθ，該式中n為雷射散斑脈衝計數。
若要根據式3的原理測量二維平面內的位移，則需要至少三路雷射光束，並且這些雷射光束不能全部在同一平面內。
綜上所述，可用於測量面內位移的雷射散斑測量可以採用單光束、雙(多)光束等多種結構形式，下面分別討論。
實施例1根據圖5和圖6，本發明的實現裝置包括滑鼠本體，如圖5和圖6所示，滑鼠本體中內置處理光電信號的放大及整形模塊1、辨向及計數模塊2和計算機接口電路3，並依次相連，還包括一個雷射器4和接收被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑信號的光電傳感器5，所述的光電傳感器5將接收到的光電信號輸入放大及整形模塊1。
所述的光電傳感器5具有由兩個或排成一條直線的兩個以上的光電傳感單元構成的光電傳感單元組，光電傳感單元組接收到被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑信號或雷射散斑幹涉條紋信號後，對有關光電信號進行放大及整形，計算出光電傳感器5與被照射物體表面的相對位移矢量在這些光電傳感單元排列方向上的分量大小；同時，利用這些兩個或兩個以上光電傳感單元所產生的電信號相位差確定散斑或散斑幹涉條紋移動矢量在該兩個或兩個以上光電傳感單元方向上的分量的方向；在光電傳感器中，這種由兩個或排列成一條直線的兩個以上的光電傳感單元構成的光電傳感單元組至少有兩組，並且至少有一組的排列方向與其它組不同，兩個組可以交叉，可以共用一些單元；根據這些光電傳感單元組各自計算出的光電傳感器5與被照射物體表面的相對位移矢量在本組中的分量的大小和方向以及它們之間的夾角計算出光電傳感器與被照射物體表面在二維平面內的相對位移矢量。
如圖6所示，光電傳感器5接收到被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑信號後，將有關光電信號輸入放大及整形模塊1處理，經辨向及計數模塊2的處理，確定散斑在整個二維平面內的移動方向，從而得到滑鼠器移動的方向。經辨向及計數模塊2處理的信號輸至計算機接口電路3，計算機接口電路3可採用普通滑鼠中的接口及處理電路模塊，向計算機發出控制信號。
實施例2如圖7所示，根據圖6，本實施例與實施例1所述的區別在於，光電傳感器5接收雷射散斑信號的光路中還設置有聚焦透鏡6，至於其結構、原理及工作方法與實施例1所述相同，此處不再贅述。
實施例3如圖8所示，根據圖6，本實施例與實施例1所述的區別在於，在光路中設置有分光裝置8，雷射器發射的雷射通過分光裝置8分成兩束或兩束以上照射到用於產生雷射散斑幹涉條紋的表面的一個或多個區域，其中的每一個區域至少有兩路光束照射。
這裡，分光裝置8由聚焦透鏡6和光瞳7構成，聚焦透鏡6前部或後部還放置有開設至少3個通光孔71的光瞳7，各個通光孔71的中心不在同一直線上，由於通光孔71的中心不在同一直線上，因此可以形成二維方向的位移光電信號取樣，圖8中只畫出在一維上的兩個通光孔，在未畫出的另一維上的結構與此相似，本實施例採用雙(多)光束結構形式，而在實施例1和實施例2中，均採用單光束結構形式，這種雙(多)光束結構形式有助於提高光源相干性，增加測試的可靠性和精度，其它部分的結構，及本實施例的原理及工作方法與實施例2和實施例1中所述相同，此處不再贅述。
實施例4如圖9所示，根據圖6，同樣，本實施例採用由分光鏡81和反射鏡9構成的分光裝置8，雷射器4經過一分光鏡81，形成兩路雷射光束，經分光的雷射光束經反射鏡9的反射後匯聚於物體表面，圖9反映了對於一維方向上的光路中的分光鏡81和反射鏡9，上述兩路雷射光束的一路或兩路可再經過分光鏡81，形成三路或四路雷射光束照射物體表面，這樣雷射光束經過分光鏡81，形成多路雷射光束照射物體表面，實現二維方向的位移光電信號取樣。本實施例也採用雙(多)光束結構形式，其它部分的結構，及本實施例的原理及工作方法與前述實施例中所述基本相同，此處不再贅述。
在各實施例中，雷射器4的發射光路中還可設置準直透鏡10，如圖9所示，設置準直透鏡10的主要目的是減小物體被照射區域以便於測量；雷射器4的發射光路中還可以設置帶有通光孔的光闌，光闌的主要作用、使用方法與準直透鏡10相似，此處不再贅述。
在實施例3和實施例4中，採用了分光裝置8，雷射器發射的雷射通過分光裝置8分成兩束或兩束以上照射到用於產生雷射散斑幹涉條紋的表面的一個或多個區域，通過採集雷射散斑幹涉信號的移動信息，反映滑鼠裝置與產生雷射散斑幹涉條紋的被照射的物體表面的相對位移矢量。
對於本發明而言，在保證相干性的前提下，也可以使用兩個或兩個以上的雷射器4，兩個或兩個以上雷射器4發射的雷射照射到用於產生雷射散斑幹涉條紋的表面的一個或多個區域，其中的每一個區域至少應有兩路光束照射，通過採集雷射散斑幹涉信號的移動信息，反映滑鼠裝置與產生雷射散斑幹涉條紋的被照射的物體表面的相對位移矢量，其原理和工作方法與前述相同，此處不再贅述。
權利要求
1.一種滑鼠光學信號處理方法，其特徵在於通過採集雷射散斑信號的移動信息，反映滑鼠裝置與產生雷射散斑的被照射的物體表面的相對位移矢量。
2.一種滑鼠光學信號處理方法，其特徵在於通過採集雷射散斑幹涉信號的移動信息，反映滑鼠裝置與產生雷射散斑幹涉條紋的被照射的物體表面的相對位移矢量。
3.根據權利要求1或2所述的滑鼠光學信號處理方法，其特徵在於所述的雷射散斑信號或雷射散斑幹涉條紋信號通過光電傳感器的接收，再經信號處理，計算光電傳感器所接收到的散斑脈衝或散斑幹涉條紋脈衝的數量，根據散斑或散斑幹涉條紋的平均尺寸從而確定光電傳感器與產生雷射散斑的被照射的物體表面的相對位移大小。
4.根據權利要求3所述的滑鼠光學信號處理方法，其特徵在於所述的光電傳感器具有由兩個或排成一條直線的兩個以上的光電傳感單元構成的光電傳感單元組，光電傳感單元組接收到被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑信號或雷射散斑幹涉條紋信號後，對有關光電信號進行放大及整形，計算出光電傳感器與被照射物體表面的相對位移矢量在這些光電傳感單元排列方向上的分量大小；同時，利用這些兩個或兩個以上光電傳感單元所產生的電信號相位差確定散斑或散斑幹涉條紋移動矢量在該兩個或兩個以上光電傳感單元方向上的分量的方向。
5.根據權利要求4所述的滑鼠光學信號處理方法，其特徵在於所述的光電傳感器中，這種由兩個或排列成一條直線的兩個以上的光電傳感單元構成的光電傳感單元組至少有兩組，並且至少有一組的排列方向與其它組不同，兩個組可以交叉，可以共用一些單元；這些光電傳感單元組接收到被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑信號或雷射散斑幹涉條紋信號後，對有關光電信號進行放大及整形，計算出光電傳感器與被照射物體表面的相對位移矢量在本組中的分量的大小和方向，並且由不在同一方向上的兩個或兩個以上光電傳感單元組各自計算出的光電傳感器與被照射物體表面的相對位移矢量在本組中的分量的大小和方向以及它們之間的夾角計算出光電傳感器與被照射物體表面在二維平面內的相對位移矢量。
6.一種實現權利要求1所述的光學信號處理方法的滑鼠光學信號處理裝置，包括滑鼠本體，滑鼠本體中內置處理光電信號的放大及整形模塊(1)、辨向及計數模塊(2)和計算機接口電路(3)，並依次相連，其特徵在於還包括至少一個雷射器(4)和接收被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑信號的光電傳感器(5)；所述的光電傳感器(5)將接收到的光電信號輸入放大及整形模塊(1)。
7.根據權利要求6所述的滑鼠光學信號處理裝置，其特徵在於它還包括至少兩個雷射器(4)和接收被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑幹涉信號的光電傳感器(5)；所述的兩個或兩個以上雷射器(4)發射的雷射照射到用於產生雷射散斑幹涉條紋的表面的一個或多個區域，其中的每一個區域至少有兩路光束照射。
8.根據權利要求6所述的滑鼠光學信號處理裝置，其特徵在於它還包括至少一個雷射器(4)、分光裝置(8)和接收被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑幹涉信號的光電傳感器(5)；所述的雷射器發射的雷射通過分光裝置(8)分成兩束或兩束以上照射到用於產生雷射散斑幹涉條紋的表面的一個或多個區域，其中的每一個區域至少有兩路光束照射。
全文摘要
一種涉及電數字數據處理的滑鼠光學信號處理方法和裝置，其方法為通過採集雷射散斑信號的移動信息，反映滑鼠裝置中雷射信號源與產生雷射散斑的被照射的物體表面的相對位移矢量，其實現裝置包括滑鼠本體，滑鼠本體中內置處理光電信號的放大及整形模塊、辨向及計數模塊和計算機接口電路，並依次相連，其特徵在於還包括至少一個雷射器和接收被雷射光束照射的物體表面的雷射散斑信號的光電傳感器，所述的光電傳感器將接收到的光電信號輸入放大及整形模塊；本發明結構簡單，技術可行性強，精度高。
文檔編號G06F3/03GK1475898SQ0311424
公開日2004年2月18日 申請日期2003年4月18日 優先權日2003年1月20日
發明者張宏志 申請人:張宏志