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発明の名称 微小構造ナビゲーション技術における表面の予測パルス照明方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−144915(P2001−144915A)
公開日 平成13年5月25日(2001.5.25)
出願番号 特願2000−325058(P2000−325058)
出願日 平成12年10月25日(2000.10.25)
代理人 【識別番号】100078053
【弁理士】
【氏名又は名称】上野 英夫
発明者 トーマス・シィ・オリヴァー / ケヴィン・ダブリュ・ネイ / ブライアン・エル・ハスティングス
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】光学的ナビゲーション回路が移動を追跡する微細構造を有する面に光をあてる方法であって、(a)所望の露光レベルを決定するステップと、(b)前記面に、前記所望の露光レベルを生成するように選択された強度を有する光パルスを照射するステップと、を備えて成る方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学的ナビゲーション・システムに関する。
【0002】
【従来の技術】前の画像の移動した事例を用紙中の繊維などの表面の微細構造の新しい画像と対応させることによって動きを追跡し位置を累積する最近開発された技術は、使いやすさと優れた精度を提供する。そのような技術の一般的な用語は、「光学的ナビゲーション」であり、広く知られ評価されるようになるにつれてさらに幅広く使用されるようになることがかなり期待できる。光学的ナビゲーションが適するいくつかの用途では、電源消費が問題になることがある。たとえば、手持ち式スキャナは、AC電源から電源をとるものよりも電池式の装置の方がはるかに魅力的である。さらに他の例には、光学的ナビゲーションを使用するマウスで操作する電池式コンピュータがある。光学的ナビゲーション技術は、照明に依存する。画像を捕捉するために使用される光電素子は、機械式シャッタの恩恵なしに照明画像を連続的に当てることができるため「電子式シャッタ」を有する。光電素子は、理想的には、捕捉すべき信号だけに応じて電荷を蓄積するかあるいは光から電気的値に変換する。残念ながら、光電装置の中には、光がオフにされた後でパルス状にオンにされたときの測定を妨げるバイアス現象を受けるものがある。そのような装置は、電子式シャッタを備えていると言うことができるが、装置の性質上、光源をオンにしたままでなければならない。しかしながら、光学的ナビゲーションに適した配列で配置することができまた電子式シャッタを有しかつバイアス現象の影響をあまり受けず、パルス光動作の節電を可能にするタイプの光電装置がある(たとえば、ディジタル・カメラに使用されているようなフォト・トランジスタ)。本明細書は、そのようなセンサ・アレイを有する光学的ナビゲーション・システムを対象とする。したがって、初期の光学的ナビゲーション・システムは、5または10パーセントの時間だけ必要とされる場合でも、必要な照明を連続的に供給するだけであった。さらに、そのようなシステムは、最大レートで連続的なサンプリングを行う。通常、複雑なシステムにおける単純性は歓迎すべき特性であり、このケースでは、連続的照明と最大レートのサンプリングが機能しないわけではなく、やはりまったく問題なく機能する。しかし、残念ながら、表面の照明は、IR(赤外線)LEDで行われ、限られた電池の電力を著しく消費する。光学的ナビゲーション技術を、場所を追跡する能力を妨げることなく必要に応じて照明と協力するように修正できることが望ましい。また、サンプルの取得が電力を主に消費するため、適切な場合に、サンプリング・レートを低くすることが望ましい。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、光学的ナビゲーション・システムにおける電力消費を低減する方法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】光学的ナビゲーション・システムは、必要なときだけ光を提供するように表面照明の光源をパルス化することによって電力を節約する。光のレベルは、相関データと平均照度の程度を監視し、必要とされかつ安全になすことができる場合に制御されたレベルを変化させるサーボ機構によって制御することができる。様々なレベルの照明を作成する場合と同じように、これは、(1)光をパルス化し、パルスの間のある期間だけ電子式シャッタを開き(光をゲート制御し)、(2)シャッタを開き、次に光のパルス幅を変化させ(LEDをゲート制御し)、(3)シャッタを開き、次にLEDを様々な輝度でパルス化し、(4)(2)と(3)を組み合わせることによって達成することができる。さらに、表面のナビゲーション回路の速度(またはその逆)を決定することができ、加速度が制限される可能性があると想定される場合は(たとえば、手持ち式スキャナ)、低い速度においてデータ捕捉のレートを下げ、それにより、光源のパルスを減少させ、電力を節約することが望ましい。この減少は、最悪の場合の加速度に基づいて再びサンプリングしなければならない場合に計算された予測でもよく、あるいは通常通り予定されたパルスの抑制とその他のパルスの遵守を含む控え目な推定でもよい。
【0005】
【発明の実施の形態】次に、図1を参照すると、光学的ナビゲーションを含むシステムの簡略化したブロック図1が示される。詳細には、電池で動作する電源18によって電池式に電力が供給されるが、これは不可欠な要件ではなく、AC電源によって動作する回路でも、消費電力の減少による利益を受けることができる(構成要素の寿命が延び、発熱が少なくなり、ファンが不要になる)。
【0006】ここで説明するような光学的ナビゲーション回路2は、微細構造が1つまたは複数のLED3によって照明される面5の近くにある。LED3からの光4が、面5から反射され、その反射光6の一部が、光学的ナビゲーション回路2のアパーチャ(図示せず)に入る。光学的ナビゲーション回路2は、アパーチャの近くにある光電装置(図示せず)のアレイにおいて微細構造生成パターンの相対運動を追跡することによって、面5に対するその物理位置の変化を登録する。これを行うために、ピクセル画像の現在のフレームと過去のフレームとの関連付け技術が使用される。本明細書において、この動きを追跡するプロセスを「ナビゲーション」と呼ぶ。光学的ナビゲーション回路2は、相当な大きさのIC(集積回路)であり、タスクに見合った量の独立処理能力を有することを理解されたい。しかしながら、これは単独でシステム全体ではなく、その出力(8〜12)は、結果(13)を生成するために外部処理層によって使用される。
【0007】したがって、光学的ナビゲーション回路2からのいくつかの出力は、システム出力13(たとえば、走査画像または位置)を生成するシステム・コントローラ7に印加されることに注意されたい。光学的ナビゲーション回路2からの出力は、平均照度値8、相関ボウル・データ(correlation bowl data)9、X軸とY軸の増分移動信号11、その他のデータ12を含む。さらに、リセット信号などのシステム・コントローラ7が生成した他の制御入力10、および様々なハウスキーピング機能のための他の信号がある。
【0008】順番では、説明は、相関ボウル・データ信号9に関するものであるが、少し脇道にそれて説明する。ナビゲーションが、ピクセル・パターンの相対運動の追跡を伴うと説明したことを想起されたい。これは、データ・フレームを基準フレームと比較することによって実現される。この比較は、あるフレームの内容を他のフレームに対してある方向に1ピクセルだけずらし、いろいろな位置にあるピクセル値が同じかどうか(あるいは、それぞれの差の合計がほぼゼロかどうか)を求めることによって行われる。「ある方向」での比較は、すべての方向、すなわち1つ上、1つ下、1つ左、1つ右、1つ上の1つ左、1つ上の1つ右、1つ下の1つ左、および1つ下の1つ右におけるピクセル変位に関して行われる。すなわち、8つの比較の合計である。しかしながら、移動なしの可能性もあり、したがって移動なしの結果も必要とすることを忘れてはならない。これにより、原則としてここで相関値と呼ぶものに相当する9つの比較値が作成される。最も小さいものは、追跡している相対運動を表す。このプロセスにおける確実性を高めるために、次に最も近いピクセル位置まで進むことがあり、これにより、相関値の数が25に増える。「ボウル」は、単に、相関関係にある振幅とそれが表す移動位置との関係の3次元グラフである。ボウルの重要性は、移動あるいは移動がないことを示す他に、その形が、ナビゲーション・プロセスが意図したように機能していることの証拠になることである。たとえば、ボウルが「平坦」な場合は、ナビゲートするのにピクセル間のコントラストが十分でないと推定することができる。これは、ナビゲーション中に回避されるべき重大な状況である。ボウルの振幅の不足は、ナビゲーションが進行するときの表面の変化によって生じることがあり、露光の変化により補正することができる。
【0009】次に、図の説明に戻ると、システム・コントローラ7内の1つのサブシステムは、特別に興味深いものである。それは、予測サンプルおよび露光コントローラ14であり、その出力は、LED駆動信号15とシャッタ信号16である。LED駆動信号15は、持続時間または振幅あるいはおそらくその両方が可変のパルスになる。LED駆動信号15は、一部分が光学的ナビゲーション回路2のアパーチャに連続的に入ることのできる反射光6となって利用可能な放射光4の量を決定する。光検出器のアレイ(図示せず)に実際に到達してその出力に影響を及ぼす反射光の量は、「露光量」と呼ばれる。電子式シャッタ機構がない場合(おそらくあり得ないが、その可能性はある)、実際には、アレイに到達する光だけによって、露光レベルが決まる。また、やはりパルスのシャッタ信号16によって「開放時間」が決定される電子式シャッタもある。このパルスは、光4を放射する1つまたは複数のLED3を実際に駆動するLED電力ドライバ17に印加される。その場合、一般に、得られる露光量は、LED駆動信号15とシャッタ信号16の関数になる。
【0010】ここで、適切な露光量を決定する特定の方法について説明することは本明細書では意図されない。これを行うために、従来の方法があり、また、「EXPOSURE SERVO FOR OPTICAL NAVIGATION OVER MICRO-TEXTURED SURFACES」と題する米国特許出願に記載された技術がある。ここでは、そのような露光レベルの決定が、おそらく平均照度8と、好ましくは相関ボウル・データ9とに依存することを指摘することだけで十分である。一方、我々は、特定の露光レベルが必要されることまたは既存の露光を増減すべきであることが分かった後で特定の露光を生成する方法に関心がある。
【0011】次に、図2を参照し、異なる振幅のLED駆動パルスによって露光量を変化させる方法を示す。詳細には、パルス19は、高い振幅を有し、その関連するデータ・フレーム(サンプル)に関して、低い振幅を有するパルス20よりも高い対応する露光量を生成する。これは、異なる時間に行われ、その合間に予測サンプルおよび露光コントローラ14が露光レベルを減少させることを決定したことを示す。この例では、電子式シャッタは、パルス19および20の持続時間中開いていると仮定される。
【0012】図3に、これと関連しているが異なる方法を示す。この場合、状況は、変化する量がLED駆動パルス21および22の幅であることを除き図2で説明したものと同じである。
【0013】図4に、さらに別の露光制御方法を示す。この場合、LED3は、LED駆動パルス23の全持続時間の間オンであるが、電子式シャッタは、それよりも短い信号24で示された持続時間だけ開かれる。この例において、シャッタ信号24は、LED駆動パルス23の持続時間内に包含されているが、異なる方法では重なることもある。いずれにしても、同時に存在する期間は、光電素子を点線25および26で示した期間に制限するシャッタの効果により有効LEDパルス幅27を生成する。
【0014】以上は、予測サンプルおよび露光コントローラ14がどのように「絞りを移動する」かを決定した場合に、パルス光環境において光の量を「絞る」方法である。光のパルス化により、サンプル間の必要ないときにLEDを発光させる電力を消費しないため電力が節約される。サンプルをとる頻度を決定する既存の方式を変更する必要がないことに注意されたい。
【0015】そのような節約を達成するために使用することができ、サンプルを取得する割合を制御するさらに別の技術がある。これは、以上説明した露光制御技術の1つと別または一緒に実施することができる。図5と図6にその技術を示す。そのような技術は、サンプル・フレームを取得し対応付けを行うためにある長さの時間を必要とし、予想することができる加速ならびにナビゲーション回路と表面の間の相対速度に上限があるという知識に基づく。この知識を使用して、相対速度が低いかまたはゼロのときにサンプリング・レートを小さくすることができる。
【0016】たとえば、相対速度がゼロであると仮定する。また、使用している基準フレームが、完全な状態のままで移動される能力のほとんどまたはすべてを有すると仮定する。その場合、初期移動中にサンプリングしない場合でも、次のデータ・フレームが、その基準フレームと相関することを保証する最低サンプリング・レートを確実に決定することができる。サンプリング・レートをその値まで下げることによって、照明LED3の無駄な使用を回避することにより電力が節約される。また、相対速度を追跡する場合は、必要に応じてその最小サンプリング・レートを高く調整して同じ特長を維持することができるが、電力の節約が少なくなる可能性がある。基準フレームが移動された回数を考慮して、サンプリング・レートを下げるのを少なくしなければならないこともある。
【0017】次に、図5を検討する。図5は、最大レートの場合もある相対的に高いレートのサンプリング(なんらかの露光量が設定された)を表す第1の列のパルス27を示す。これは、サンプリング・パルス28および29がかなり低いレートで出される時間的に少し遅れた状況と対照的である。この図において、実際のサンプリング・レートは、最小の安全値になるように計算され、本質的に相対速度の関数として連続的に変更することができる。
【0018】図6に、同様の結果が得られるがいくつかのシステムでは実施が容易な方法を示す。この方法において、サンプリング・パルスの基本的な繰返し率は一定であるが、図5の技術の段階的近似と同じように、個々のサンプリング・パルスは発生されるかまたは発生されないようにゲート制御される。したがって、パルス列30は、最大サンプリング・レートを表すが、時間的に異なる点で、欠落パルス31によりサンプリング・レートが低くなり、時間的にさらに別の点で、欠落パルス32および33により、サンプリング・レートがさらに低くなる。
【0019】以上説明した可変レートのサンプリングを実現する1つの方法は、基準フレームとデータ・フレームの間で許容される相対運動の量(すなわち、それらの間で対応することができる移動量)を考慮した相対速度ならびに最大許容加速度や最大許容速度などのシステム挙動の関連パラメータに基づいてサンプリング・レートを繰り返し計算することである。単純化は、許容可能な速度の範囲を、毎秒0〜1インチ、毎秒1〜3インチ、毎秒3〜9インチおよびそれ以上の範囲に分けることである。その場合、ルックアップ表が、このような各速度におけるサンプリング・レートの控えめの安全値を提供することができ、それにより、サンプリング・レートを繰返し計算し直すオーバヘッドを節約することができる。
【0020】たとえば、中心が40ミクロンで離間された47×47の光センサを有する光学的ナビゲーション回路を検討する。速度がゼロで、最大加速度が0.5gと仮定した場合、連続したデータ・フレーム間の1ピクセルよりも少ない動きを保証するために、フレーム間で最大約4マイクロ秒の時間間隔を許容することができる。すなわち、次の式が成り立つ。
【0021】
x=偏位=(1/2)at2=ピクセル間隔tについて解くと、t=√(2x/a)
ここで、a=5m/秒2=(1/2)gおよびx=40*10-6メートル=1ピクセル【0022】上記のシステムの最大サンプリング・レートは、毎秒約0.4メートルの速度において連続したサンプルの間の間隔が約100マイクロ秒である。この場合、4ミリ秒から100マイクロ秒は、サンプリング・レートが40分の1に変化することであり、これは、低いレートが可能なときに電力がかなり節約されることを表す。この例では、必要に応じて、ゼロから0.4インチ/秒の速度の横座標とそれに対応する4ミリ秒から100マイクロ秒までの縦座標とを有する線に沿って補間することによって、サンプル・レートを速度と関連付けることができる。前述のように、その線の式を繰返し解くかまたは(好ましくは)サンプリング・レートを速度で索引付けしたルックアップ表に事前にロードすることができる。40対1の比率の場合、速度を、ルックアップ表の16または32もの異なる項目に分割するのが適切である。
【0023】以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【0024】[実施態様1]光学的ナビゲーション回路(2)が移動を追跡する微細構造を有する面(5)に光(4)をあてる方法であって、(a)所望の露光レベルを決定するステップと、(b)前記面に、前記所望の露光レベルを生成するように選択された強度を有する光パルス(19、20)を照射するステップと、を備えて成る方法。
【0025】[実施態様2]光学的ナビゲーション回路(2)が移動を追跡する微細構造を有する面(5)に光(4)をあてる方法であって、(a)所望の露光レベルを決定するステップと、(b)前記面に、前記所望の露光レベルを生成するように選択された持続時間を有する光パルス(19,20)を照射するステップと、を備えて成る方法。
【0026】[実施態様3]光学的ナビゲーション回路(2)が移動を追跡する微細構造を有する面(5)に光(4)をあてる方法であって、(a)所望の露光レベルを決定するステップと、(b)前記面に光パルス(23)を照射するステップと、(c)前記光学的ナビゲーション回路において、前記所望の露光レベルを生成するように選択された持続時間(24)の間、電子式シャッタを作動させるステップと、を備えて成る方法。
【0027】[実施態様4]光学的ナビゲーション回路(2)が移動を追跡する微細構造を有する面(5)に光(4)をあてる方法であって、(a)前記面に、選択されたレートで生じる光パルス(27)を照射するステップと、(b)前記追跡した移動から速度を決定するステップと、(c)前記決定された速度の増大に応答して前記選択されたレートを増大させるステップと、(d)前記決定された速度の減少に応答して前記選択されたレートを減少させるステップと、を備えて成る方法。
【0028】[実施態様5]ステップ(c)および(d)の増大と減少がそれぞれ計算されることを特徴とする、実施態様4に記載の方法。
【0029】[実施態様6]ステップ(c)および(d)のそれぞれの増大ステップと減少ステップが、ステップ(b)で決定された速度によって索引付けされた表からサンプリング・レートを獲得するステップを備えて成ることを特徴とする、実施態様4に記載の方法。
【0030】[実施態様7]ステップ(a)が、公称上、一定の周期的な最小間隔で行われ、ステップ(d)が、公称上、一定の周期的な最小間隔で光パルス(31,32,33)を抑制するステップを備えて成ることを特徴とする、実施態様4に記載の方法。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いることにより、光学的ナビゲーション・システムにおける電力消費を低減することができる。




 

 


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