检测离轨迹表面情况的数据输入设备和方法

专利名称：检测离轨迹表面情况的数据输入设备和方法
背景技术：
本发明诸实施例涉及计算机输入设备领域，特别是诸如鼠标或光电笔之类的数据输入设备，使用光照射轨迹表面来探测移动。具体说，本发明诸实施例涉及一种数据输入设备，它可以发出相干光束投射到轨迹表面使相干光束散射，然后至少检测散射光的一部分，被检测到的散射光部分构成某种斑纹图样(speckle pattern)。根据斑纹图样的斑纹大小特征来决定设备工作于跟踪模式或非跟踪模式。
发明的背景以前的计算机输入设备，比如机械鼠标，有一个可以滚动的小球，固定在一个外壳内，可以贴着某一表面滚动。当这样的机械鼠标的外壳贴着某一表面滑动时，小球在外壳内滚动，带动水平和垂直安置的滚轮一起滚动，以此来表示小球沿着表面的水平(左-右，x-轴)和垂直(前-后，y-轴)方向的运动。当这个设备(机械鼠标)被提起脱离表面(被称作“提离表面”，也就是脱离所附着的表面)，小球停止滚动，滚轮的水平和垂直方向的滚动提供的信息也停止。这一特征，在用户无法继续相对于轨迹表面移动设备，但是仍然要继续沿该特定方向跟踪屏幕的时候尤为有用。通过把鼠标提离表面，用户可以重新放置鼠标，而且屏幕上的光标保留在原有的位置，因为在“提离表面”操作的过程中，对小球运动的跟踪是停止的。当跟踪重新启动后，水平和垂直滚轮的滚动在屏幕上表现为相对于鼠标运动的光标的相应移动。因为这类设备都有一个滚动小球，透过外壳上的洞来滚动，这类设备会沾染垃圾和灰尘，使得光标的跟踪变得不精确和间断。而且，轨迹表面和小球需要两者间有足够的摩擦力，使得当外壳在轨迹表面滑动时，小球可以滚动。为了提供足够的摩擦力和尽量减小设备的沾染，通常都使用特殊的轨迹表面，如鼠标垫。所以，需要具有特殊性能的轨迹表面，诸如足够的摩擦力和干净程度，是这类设备的一大限制条件。并不是所有的常见的平面都可以用来当作这个轨迹表面。
基于以上的机械跟踪理论，光学跟踪设备已经出现。这类设备使用光学手段，而不是前面所描述的设备所使用的机械手段来跟踪相对于某一表面的位移。这样的光学跟踪设备可能避免一部分前面所提到的机械设备的缺点。特别之处在于，光学设备通常不需要滚轮和可动小球的接触，所以不会在那里积聚垃圾和灰尘。相反，小球的运动可以用一个很清楚的模式来概括。由于输入设备的移动，小球沿着接触表面滚动，小球另一面的光电探测器随之收集小球转动时小球特殊备案的信息。一个跟踪引擎负责收集这些信息，从中分析出小球的移动方向，然后用前文所描述过的方法改变屏幕上光标的位置。探测“提离表面”情况和前文所述相似，当这个设备被提起离开表面时，小球停止移动，设备停止跟踪。这类设备比起以前的机械设备的好处在于省去了需要活动的设备(滚轮)，把小球运动的探测从机械手段转变为光学手段。然而，这类设备需要小球和接触表面间有适合的摩擦，因而不能在所有的表面上使用。而且，这类设备仍然需要一个可以运动的部分，也就是小球。所以，设备仍然会沾染垃圾和灰尘，可能使测得图象发生模糊，或者增加固定的模式噪声。最后，不清楚的赝像(aliasing artifacts)可能会造成光标在屏幕上不连贯的跳跃。
还有其他的光学设备把图样放置于轨迹表面(例如鼠标垫)而不是小球上，这样就可以利用轨迹表面(鼠标垫)来产生光学跟踪信号。尽管这类设备可以省掉小球，但因为需要特殊的轨迹表面，所以并不普及。
其他更新的光学轨迹设备已经不再需要有形成图样的小球或鼠标垫。有一种设备利用发光二极管从一定的入射余角投射光线到轨迹表面上，然后检测表面纹理中被照亮的高点(high point)和高点边上的阴影部分的差别来收集跟踪信息。这个发光二极管装置省去了前面所描述的可动的小球，在很多表面相当适用。然而，在一些光滑而几乎没有色调变化的表面，例如玻璃或透明塑料，这样的设备就不能正常工作了。和前一段所描述的设备相同，当这种设备被从某一表面提起时，不需要用特别手段来探测这个“提离表面”状态。因为它利用会聚光学手段，所以一旦被从轨迹表面提起一定距离，就无法继续跟踪光信号。
概述这样的一个数据输入设备可以投射相干光束到一轨迹表面，探测到一部分被散射的光线(构成斑纹图样)，根据探测到的斑纹图样的斑纹大小特征来决定工作在跟踪模式或是非跟踪模式。利用这样的设备解决一个或多个这样或那样的不足之处。
按照本发明的一个方面一个数据输入设备，用于具有散射光线特性的一轨迹表面。这个设备包括一个相干光源，用于投射相干光束到轨迹表面。轨迹表面把投射到上面的相干光束散射。设备包括与相干光源相配套的探测器，可以探测到至少一部分被散射回来的光线。被散射回来的光线构成一斑纹图样。这个设备还包括一个控制器，对所检测出的斑纹图样做出反应，根据探测到的斑纹图样的斑纹大小特征来判断工作在跟踪模式或是非跟踪模式本发明的另一方面一种方法，用来把相干光束从数据输入设备投射到能够散射光线的轨迹表面。轨迹表面散射入射的相干光束。这个方法进一步包含探测到至少一部分被散射回来的光线。检测到的部分被散射回来的光线构成一斑纹图样。作为斑纹图样的斑纹大小特征的函数，这个方法进一步包含判断这个设备在空间上是否和轨迹表面分开至少一个“提离表面”(lift-off)检测距离的方法。另外，当这个设备在空间上离开轨迹表面超过一个“提离表面”检测距离时，这个方法能够中止跟踪设备和轨迹表面的相对移动；或者当这个设备离开轨迹表面不到一个“提离表面”检测距离时，这个方法可以继续跟踪设备和轨迹表面的相对移动。
本发明的另一方面这个和轨迹表面一起使用的数据输入设备包括一个大致如前面所描述的相干光源和探测器，另外，这个设备还包括一个控制器，根据斑纹图样做出反应，并判断检测到的斑纹图样的斑纹大小特征确定这个设备和轨迹表面的距离。
本发明可包含各种另外的方法和设备。
部分其他的特征很显而易见，另一些其他的特征会在下文指出。
附图简述

图1是一种本发明设备的示意图，它连接着一个轨迹表面。
图2是图1的设备被提起离开轨迹表面的示意图。
图3是种本发明另一设备的示意图，它连接着一个轨迹表面。
图4是图3的设备被提离轨迹表面的示意图。
图4A是本发明又一设备的示意图，它连接着一个轨迹表面。
图4B是本发明再一设备被提离轨迹表面的示意图。
图4C是本发明又一设备的示意图，是用人体皮肤作为轨迹表面。
图5是一个斑纹图样的图像。
图6是一个斑纹图样的图像，比图5中的斑纹图样有更大的平均斑纹大小。
图7是一个被检测到的斑纹图样的示意图。
图8是一个被检测到的斑纹图样的示意图，比图7中的所检测到的斑纹图样有更大的平均斑纹大小。
图9描述设备和轨迹表面之间的相关系数和偏移。
图10是关于一个检测到的用于自动相关计算的斑纹图样的偏移一个像素的描述。
图10A是对图10的偏移一个像素的自动相关计算结果的示意图。
图11是关于一个检测到的用于自动相关计算的斑纹图样的偏移两个像素的示意图。
图11A是对图11的偏移两个像素的自动相关计算结果的示意图。
图12展现了斑纹图样的自相关系数与斑纹图样125相对自身的偏移量的关系。
图13的方块图展示了一个可实施本发明的合适的计算机系统环境的范例。
发明详述参见图1和图2，设备21通常是一个数据输入装置，和轨迹表面25一起使用。尽管设备21通常都具有跟踪设备与轨迹表面25之间的相对移动的功能(如前文所述的水平-垂直移动，即x-y移动)，当前的设计特别包含了检测离开轨迹表面情况的功能。当前技术中所有的跟踪方案都包括在本发明对“提离表面”状况的检测。需要注意的是这些名词“提离”(lift-off)或“离开表面状况”(off-surface condition)，或把设备21提起还包括这样的情况即提起或移动轨迹表面25使之离开固定装置(如图4C)，或是提起设备使之与轨迹表面分离(图2和图4)。另外，设备21和轨迹表面25之间沿z轴方向的相对移动，可能包括设备的移动(例如把鼠标从鼠标垫上提起)，轨迹表面的移动(例如轨迹球或人体皮肤在相干光束路径上的移动)，或是轨迹表面和设备的共同移动。
设备21通常包括一个相干光源29，例如激光，用来投射相干光束B到轨迹表面25上。轨迹表面散射投射到表面上的相干光束，使得光线向多个方向漫射。在这里，散射可以被认为是把入射相干光束向多个方向反射。设备21还包括一个探测器35，或是探测器阵列。此探测器(阵列)和相干光源29相关联，检测至少一部分从轨迹表面25散射的光线。由于相干光束的固有特性，被检测到的那部分散射光线构成某种斑纹图样33(图5和图6)。后文中将要详细描述，被检测到的斑纹图样33是得知设备21是否被提离轨迹表面的方法之一。在一个实施例中，探测器35可以装在一个集成电路上。另外，根据探测器35所获得的同一数据，对轨迹和提离表面的检测可以同时进行。适用的探测器可能包括光电探测器，电荷耦合装置(CCD)，互补金属氧化物半导体(CMOS)技术，或者其他诸如和相干光源相集成的探测器阵列。
设备21还包括一个控制器39，该控制器根据检测到的斑纹图样33做出反应，根据控制器39判定的检测到的斑纹图样的斑纹大小来操纵设备21工作于跟踪模式或非跟踪模式。控制器通过处理探测器35的输出(探测到的斑纹图样33)来操纵设备21。另外，控制器39对斑纹图样33做出反应，根据有控制器39判定的斑纹图样的33的斑纹大小特征来确定设备21和轨迹表面25之间的相离距离S(参见图2，图4，图4A和图4B)。在某些实施方案中，斑纹大小特征与外壳21和轨迹表面25之间的相隔距离S相关，这点在后文中会更详细地说明。精通此领域的技术人员认为控制器39可以是一个处理器或是特定用途集成电路(ASIC)。控制器39还会包括图像处理固件或电路，用来处理检测到的斑纹图样33。
设备21还包括一个与相干光源29和探测器35相关的外壳45，用来容纳和保护设备组成部分。外壳45包括支撑平面47，这个平面在设备21工作于跟踪模式时与轨迹平面相贴合。在不背离本发明范围的前提下，外壳45可以是任意形状。例如，外壳45的外形可以是鼠标，轨迹球，光笔，或者任何其它数据输入设备21。外壳45还包括一条孔隙49以及一个覆盖这个孔隙的透明窗51。所述透明窗使得相干光束B可以通过外壳孔隙照射到轨迹平面25上，又能够防止垃圾和灰尘进入外壳。所述透明窗51必须充分光滑和透明，使相干光束B能够自由透过透明窗而不会向相反方向散射回探测器，否则探测器就会不正确的探测到一个与透明窗而不是轨迹表面相关的斑纹图样。或者，也可以不需要这个透明窗。
图3和图4示出了本发明的另一个设备61的示意图，基本和前面所描述的相似，包括外壳45，相干光源29、探测器35和控制器39。另外，外壳61包括一个光学镜片63，安置于相干光源29和轨迹表面25之间，用以折射相干光束B。所述光学镜片63可以是汇聚的，也可以是发散的，用来决定平均斑纹纹理大小，后文会讨论。尽管图上没有示出，光学镜片63也可以和相干光源29集成。从其他的角度来看，图3和图4中的设备61的作用类似于图1和图2中的设备21。
图4A示出了本发明的另一个设备71的示意图，所述设备包括几个部件，装置在一个普通的基座73上。设备71通常包括一个外壳45，一个相干光源29，一个探测器35和一个控制器39。另外，控制器39，探测器35和相干光源29相邻的固定在同一个基座73上，这样在制造过程中可以把这些部件一次装配到设备71上。而且，单独的基座73因为简洁使得成本低廉，有助于设备71封装。更重要的是，把探测器35和相干光源29装配在同一基座上的做法使得这两个设备可以靠近，更为紧凑。基座73可包括下列所述的至少一件一块微处理器，一块印刷电路板，一个引线框(leadframe)。从其他的角度来看，图4A中的设备71的功能类似于图1和图2中的设备21。
通常情况下，多种类型的轨迹表面25都会散射相干光束B，产生足够的散射光线，散射回探测器35，从中检测出斑纹图样33。具体说，轨迹平面25，从光学角度来看是崎岖不平的，相比设备21而言有散射足够多的光线的特性。由于从光学上来看崎岖不平，轨迹平面25把入射的相干光束B(激光)向很多角度散射，这样相干光束B相对于轨迹平面25的入射角就相对并不重要(相对于检测形成斑纹图样的散射光线而言)。例如，因为相干光束在光学上崎岖的轨迹表面25会被散射向各个方向，包括散射到探测器35，相干光束B可以从多个可接受的角度射入。很多常见的轨迹表面25，例如纸张，木头，金属，织物，某些塑料和人体皮肤从光学角度来说都是不平的(图4C)。
只有一些全反射的表面，例如抛光过的透明玻璃，平且达到镜片质量，无法向多个方向散射相干光束B，因为从光学角度来看不够崎岖不平。这类表面如同一面镜子，将入射激光29完全按照反射角反射回去，而不是向多个方向散射。设备21为了检测到提离轨迹表面25的情况，激光29和探测器35可以按图4B所示定位。图4B所示设备81通常包括外壳45，相干光源29，探测器35，控制器39。另外，设备81还包括一个分光镜83来反射相干光束B。这个分光镜83允许少数一部分光射到分光镜的第一个面沿一方向穿过分光镜，又可以反射至少一部分光入射到这个分光镜的另一面。更重要之处是分光镜83不会显著的散射或扩散光线，所以不会引起斑纹。即使探测器35检测到穿过分光镜83的相干光束B，由于光线不包括判断为离开轨迹表面足够的信息。当前的设备81中，分光镜83被安置在一个与被轨迹表面25反射回来的相干光束B相倾斜的角度(例如785毫弧度，即45度)。探测器35装在相干光束被分光镜反射后的路径上。这样的配置使得在跟踪模式下，相干光束B可以和轨迹表面25相垂直，这样即使工作在一个高度反射而不能够向很多方向散射的表面仍然可以检测到“提离表面”的情况。
图4C所示是当轨迹表面25是人体皮肤的时候的设备101。图中具体所示的轨迹表面是人的手指。设备101展示了这样的情况设备本身是固定的，而轨迹表面25相对设备移动。这个设备的各部分，例如相干光源29，探测器35和控制器39的功能和前面描述的均类似。图4C所示的设备101允许使用者在设备上移动轨迹表面25，也就是他的手。只要手指一离开设备，探测器35和控制器39分别能够探测到这个脱离轨迹表面的情况并停止跟踪。
如前所述，图5和图6所示的是一个示范性的斑纹图样33。通常，根据激光斑纹的相干性和设备21，61，71，81和101的几何形状，探测器35阵列所捕捉到的斑纹图样具有特定的统计特性。这些特性有助于检测设备是否离开轨迹表面25。图5中的斑纹图样33’通常比图6中的斑纹图样33”包含平均更小的斑纹纹理。图5和图6之间的平均斑纹纹理大小的差别是平均斑纹纹理大小变化的一个例子，所述变化是判断设备21，61，71，81和101被提离表面的一个依据。当设备相对轨迹表面25移动，斑纹纹理大小发生变化，从而导致检测到的斑纹图样33的对比度改变。通过分析斑纹纹理大小和/或斑纹图样的对比度的变化，就可以确定设备21，61，71，81和101与轨迹表面25之间的分离距离S。
一些控制斑纹行为的因素假设相干光束B在光学上崎岖的表面发生散射，平均斑纹纹理大小可用如下公式表示σ=1.22λLD]]>这里σ是探测器35所检测到的斑纹纹理的平均宽度，λ是相干光束B的波长，L是从探测器35到轨迹表面25的距离，D是光束的宽度，也就是在轨迹表面的照射直径(见图1-4C)。相干光束B的波长λ和从探测器35到轨迹表面25的距离L与平均斑纹纹理大小σ成正比例关系。照射直径D与平均斑纹纹理大小σ成反比例关系。
因此，根据上一节描述的方程式，当设备21，61，71，81，101移动，与轨迹表面25相互远离时(例如，比较图1和图2)，距离L增加，照射直径D根据相干光束B的形态可能增加，可能减小，也可能保持不变。在一个实施例中，由于汇聚透镜63位于光路上(参见图3和图4)，相干光束B会发生汇聚。因为相干光束B汇聚，所以随着L增加，D会减小，从而按照上述方程式，平均斑纹纹理宽度σ会随之增加。在另一个实施例中，由于相干光源29的本身特征或是发散透镜(未示出)的作用，相干光束B发散(参见图1，2，4A和4B)。在这种情况下，D随着L增加也一起增加，这样根据上述方程式，每一个斑纹纹理平均宽度σ可能增加，也可能减小，取决于当设备21，71，81移离轨迹表面25时，参数D和L的变化率。为了确保当设备21，71，81移离轨迹表面25时，斑纹纹理宽度σ会随之增加，L应该比D增加的快。影响照射直径D相对于从探测器到轨迹表面距离L增长率的因素包括从探测器35到设备21，71，81的支撑表面47的距离T(例如图2和图4)，以及相干光束B的包含角(angle of inclusion)β(例如图1和图2)。例如，减小从探测器35到设备21，71，81的支撑表面47的距离T，和减小相干光束B的包含角(angle of inclusion)β，两者在不同程度上都可以使得当设备和轨迹平面25彼此远离时，平均斑纹纹理宽度σ的增长率变大。在又另一个实施例中，相干光束B既不汇聚也不发散，从相干光源起的所有距离上均为相同宽度D。保持宽度D恒定，只有从探测器35到轨迹表面25的距离L随着分离距离S的增加或减小而变化。因此，距离L随着距离S的增加而增加，在任何情况下都会导致斑纹纹理宽度σ的增加。精通此领域的技术人员知道如何安排设备21，61，71，81，101，使得当所述设备移离轨迹表面25时，平均斑纹纹理宽度σ会随之增加。
在一种实施例中，斑纹大小特征值是检测到的斑纹图样33的一个对比度特征值(contrast characteristic)，后文附录A会详细阐述确定斑纹图样33的这个对比度特征值的示范性方法，尽管在本发明的范围内还有其他方法被提出。在一个实施例中，控制器39可以在探测到的斑纹图样33的一个方向上确定对比度特征值。例如，图7和图8是探测到的斑纹图样33的示意图。图8的斑纹图样33”比图7的斑纹图样33’有更大的斑纹纹理宽度σ。根据附录A中的垂直对比方程式V，得出斑纹图样33’，33”的垂直对比度特征值分别为27和11。因为斑纹图样33’比33”的垂直对比度特征值大，有人可能据此推论图7的平均斑纹纹理宽度σ比图8的小。用类似的方法，按照附录A中的水平对比度方程式H，得出斑纹图样33’，33”的水平对比度特征值分别为26和10。有人可能据此再次推论图7的平均斑纹纹理宽度σ比图8的小，因为斑纹图样33’所具有的水平对比度特征值比斑纹图样33”大。斑纹图样33’和33”的每个对比度特征值如下表
在每个方向上，斑纹图样33’的对比度特征值大于斑纹图样33”的。
在另一个实施例中，控制器39至少在2个方向上可以确定对比度特征值。在又另一个实施例中，控制器39至少在4个方向上可以确定对比度特征值。除了这些示范性的计算，依据附录A中的方程式，对比特征可以组合计算，生成如下表的对比度特征值表(基于斑纹图样33’和33”)。
对每一对比度特征值的计算，斑纹图样33’的每一个对比度特征值均超过斑纹图样33”。这些对比度特征值可以是N个方向上的对比度的平均值(例如，2，4，6，N个方向)。
一旦确定了一个检测到的斑纹图样33的对比度特征值，有好几种方法可以确定设备21，61，71，81，101是工作在跟踪模式还是非跟踪模式。在一个实施例中，控制器39将检测到的斑纹图样33的对比度特征值和一个阈值进行比较，以此确定设备21，61，71，81，101工作在跟踪模式还是非跟踪模式。在这个实施例中，如果检测到的对比度特征值低于阈值，控制器39断定设备21，61，71，81，101处于非跟踪模式，中止跟踪设备相对于轨迹表面的移动。对探测器35来说，如果和设备21，61，71，81，101离开轨迹表面25时或是相干光源29关闭而没有相干光束射出时的对比特征值相比较，这个阈值对比度特征值是一个基准噪声对比度特征值。这个基准噪声特征值可以设定在控制器39的硬件或软件中。
在另一个实施例中，设备21，61，71，81，101各自包含校正好的特定对比度阈值。设备21，61，71，81，101的非易失存储器可以保存这个阈值。
在又另一个实施例中，控制器39将这个检测到的斑纹图样33的对比度特征值和先前获得的一个斑纹图样的对比度特征值进行比较，由此确定设备是工作在跟踪模式或是非跟踪模式。这里控制器39将当前检测到的斑纹图样的对比度特征值和先前获得的一个斑纹图样的对比度特征值进行比较，而不是将对比度特征值与一阈值常量相比。这样控制器39可以连续的监控对比度特征值，判断其是否随时间发生显著的变化，据此推断设备21和轨迹表面25的相对距离。
在又另一个实施例中，设备21，61，71，81，101可以把当前对比度特征值既同阈值对比度特征值进行比较，又同先前获得的对比度特征值进行比较。
图9示出曲线111，所述曲线的x轴为设备21，61，71，81和101与轨迹表面25之间的距离(separation displacement)S，y轴为检测到的斑纹图样33的对比度115。所述曲线展示了斑纹图样33的对比度与距离S之间的关系。当设备21，61，71，81和101与轨迹表面25之间的距离S逼近0(在x轴方向上趋于0)时(见图1，3，4C)，曲线111趋于峰值，表明斑纹图样33的平均斑纹大小相当小，同时设备21，61，71，81和101没有被提离轨迹表面25。换言之，一个接近零值距离S对应于设备21，61，71，81和101与轨迹表面25之间极小的工作距离。随着距离S增加(x＞0)，对比度115沿着曲线111从峰值下降，表明这时候斑纹图样33有较低的对比度，也就是相对较大的平均斑纹大小。S增长的越大，对比度115降的越低，斑纹图形33的平均斑纹大小也就相对越大。
在又一个实施例中，设备21，61，71，81，101中，所述控制器39通过计算检测到的斑纹图样33的自相关特征值来确定斑纹大小特征值。所述的自相关特征值是指一个图像与其本身在数学上的比较。逐个比较图像中相邻像素是衡量图像对比度的一种手段。这里讨论两个自相关的例子。第一个例子是把探测到的斑纹图样的每一像素与其最近的相邻像素比较来确定表示图象对比度的自相关值，具体做法是把图像向一个或多个方向移动一个像素，判断每一个固定像素和对应的移动后的像素的差异。另一个例子是用自相关系数来代表斑纹大小，具体做法是把检测到的斑纹图样向一个或多个方向移动一个或多个像素，直到固定图样和移动图样的对比度超过某一特定阈值，据此来表示斑纹大小。
在附录B中对第一个自相关的例子的一般自相关方程有详细说明。在这个实施例中，控制器39通过比较斑纹图样33的每个像素和它最邻近的像素来得出这个斑纹的自相关特征值。换言之，可以把斑纹图样33向某一个方向整体移动一个像素，然后比较原图的每一个像素和移动后的图样的对应位置上的像素的差别。同样，可以把斑纹图样整体向另一个方向移动一个像素然后进行相同的计算。参见附录B，可以收集这些数据，然后据此计算出斑纹图样33的总体自相关系数。可以在8个方向上进行前面所述的位移和比较运算，即垂直向上，垂直向下，水平向左，水平向右，斜向右下，斜向右上，斜向左下和斜向左上。附录B中有详细说明。
和对比特征值一样，一旦斑纹图样33的自相关特征值被确定，可以有好几种方法来判断设备21，61，71，81，101是工作在跟踪模式或是非跟踪模式。在一个实施例中，控制器39把自相关特征值和一个自相关特征值阈值进行比较然后决定设备21，61，71，81，101是处于跟踪模式或是非跟踪模式。在这个实施例中，如果检测到的自相关特征值低于阈值，控制器39断定设备21，61，71，81，101处于非跟踪模式，中止跟踪设备相对于轨迹表面25的移动。在另一个实施例中，控制器39将这个检测到的斑纹图样33的自相关特征值和先前获得的一个斑纹图样的自相关特征值进行比较，由此确定设备21，61，71，81，101是工作在跟踪模式或是非跟踪模式。在另一个实施例中，设备既可以把当前自相关特征值同阈值自相关特征值进行比较，又可以同先前获得的自相关特征值进行比较。
根据第二个实施例，可以利用自相关计算斑纹图样33的对比度，具体方法是每次把斑纹图样的一个复制件相对图样本身移动一个像素宽度，然后比较两个图样的差距，直到计算得到的自相关特征值达到一个特定的阈值自相关特征值为止。参见图10，图8斑纹图样的第二份副本33B覆盖在第一份副本33A之上，并且向右和向上方向各偏移一个像素。为易于辨认，第一份副本33A和第二份副本33B在各自相同的位置都有斑纹特征，分别用斜纹图案H1和斜纹图案H2标出。另外，对同时落在两个副本的斑纹特征区域的像素，用组合斜纹图案H3标出。把图样和自身进行比较，利用这些斜纹图案H1，H2和H3，可以给出斑纹图样33A和33B的相互重叠影响的示意图。例如在图10中，第一份斑纹图样33A的斜纹图案H1的斜纹向右上方向，而第二份图样33B的斜纹图案H2的斜纹向左上方向。因而，当33B被移动时，重叠的斑纹特征部分会用第三种斜纹图案H3交叉斜纹显示出来。
为了把自相关应用到斑纹图样33A和33B的组合图上，需要确定一个作用于这个重叠的斑纹图样的运算符。任何运算符都可以使用，例如乘法运算符，加法运算符，或是减法运算符。在这个实施例中，根据附录B，使用减法运算符，在每一重叠像素上减去每个像素的影像亮度值，其差的绝对值作为结果。图10A是一个简化的实施例，斑纹图像是二值的，所以减法运算的结果非零即一。每个像素的结果计算完成后，把整个阵列的结果相加，计算出指定偏移量下的自相关系数。在这个实施例中，这部分数据的自相关系数是16。
参见图11和图11A，把斑纹图样的第二份副本33B相对第一份副本33A向右和向上各移动二个像素。和前面一样，计算组合图形的自相关系数，如图11A计算每一个像素的值，得到结果为25。尽管这里只示范了两次自相关系数的计算，精通此领域的技术人员知晓可以把第二份副本33B相对33A向右和向上移动更多的像素，以在这个方向上再进行5次自相关系数的计算。另外，还可以把第二份副本33B向其他方向移动，计算垂直方向，水平方向，或是斜向的自相关系数，在附录B中有这方面的详细介绍。而且如果探测器阵列可以有更多的像素，还可以进行其他的自相关计算。
把这些差值的和组合起来，然后按照第二份副本33B的偏移量绘图，就可以得到类似图12所示的曲线。图中的曲线121展现了斑纹图样的自相关系数123，也就是差值的和(y轴)与斑纹图样125相对自身(x轴)的偏移量的关系。当第二份副本33B相对第一份副本33A的相对偏移量为0时(x＝0)，自相关曲线121定义最小值为0，也就是斑纹图样和本身没有任何差别，或称为基本上完全相关。这个结果不言自明，因为任何事物和自己本身差别总是为零。当33B相对33A沿着一个或多个方向逐个像素移动时，自相关系数差值的和从最小值开始增长，表明斑纹图样和自身之间越来越大的差别，也表明重叠的斑纹图样的越来越低的相关性。前面给出的实施例已经证明了这一点当偏移量为1个像素时，差值的和为16；而当偏移量为2个像素时，差值的和增加到25。当第二个副本33B相对于第一个副本33A的偏移量更大(x＜＜0或x＞＞0)的时候，自相关系数差值的和会变得更大，表明斑纹图样之间巨大的差别，也就是很小的相关性。
尽管对绝大部分斑纹图样曲线121的形状基本相似，曲线的形状会随着斑纹图样33的平均斑纹纹理大小σ改变。如图10，10A，11和11A，当平均斑纹纹理大小σ较大的时候，从最小值开始，每偏移1个像素对波形相关性差值的和的影响相对较小。这是因为较大的斑纹即使没有对齐，仍然比同样没有对齐的较小的斑纹有更多的重叠的斑纹。对较大的斑纹来说，偏移会在组合阵列中产生一些区别，但仍然有大量的像素与与之重叠的数据相近，致使结果没有差别。相反地，当平均斑纹纹理大小σ较小(图5)的时候，从最小值开始，每偏移一个像素会造成较大增加的波形相关值的差值的和，因为较小的斑纹容易引起相对较大的偏差。所以，比起同样放置的有较大的斑纹纹理大小的斑纹图样，较小的斑纹纹理使得曲线121的凹部更窄，作为偏移量125的函数增长的更快。重要的是阈值127，称为恒定自相关值，与曲线121相交于E，F两点。两点间距离与平均斑纹纹理大小σ有关，可以视作斑纹大小特征值。
精通此领域的技术员应该理解这样的道理采用不同的运算符会产生不同形状的自相关曲线。例如，使用加法运算符会使曲线121颠倒，在0偏移点125达到最大值，而不是原来的最小值。另外，图12所示的是只在左右或是上下两个方向上的自相关性。精通此领域的技术员知道可以用任意方向的偏移来计算这个自相关系数。而且，这样的计算可以组合进行，生成多条曲线，这样可以更精确的定义斑纹的大小和形状。此外，精通此领域的技术人员认同不需要从一个像素的偏移量开始计算，逐个像素增加偏移量直到检测阵列边缘。例如，如果在某一偏移量的时候自相关系数已经超过阈值，这时候斑纹大小已经有效判断，不需要再进一步分析。而且，可以根据前一次计算得到的自相关系数或是根据自相关系数发生变化的地方来决定从哪里开始分析。
在另一个实施例中，控制器39计算穿过斑纹图样33的一系列图像亮度跳变，据此计算图样的对比度特征值。图像亮度跳变包括判断斑纹图样33中从高到低的阶数和斑纹纹理边缘。所述计算和先前所述的对比度特征值和自相关系数特征值不同。对比度特征值的方法计算斑纹图样33的每一个像素与相邻像素的亮度差，而亮度跳变的方法只对那些符合亮度从高到低或从低到高发生变化模式的相邻像素感兴趣。这样的变化标示出斑纹纹理的边缘。也就是说，只有那些亮度差大于某一最小值的相邻像素才会被分析。
在另一个实施方案中，设备21，61，71，81和101对检测到的斑纹图样33进行空间频谱分析以确定斑纹大小特征值。快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)就是控制器使用的一种空间频谱分析的方法。快速傅立叶变换关注检测到的斑纹图样33的空间跳变，特别是信号的不同的空间调制。具体说，一个大部分空间频谱集中在高频部分的信号，有较小的平均斑纹纹理大小σ；而一个大部分空间频谱集中在低频部分的信号则有较大的平均斑纹纹理大小。为了把这一空间频谱信息适用于斑纹图样33，把整个空间频率范围分成几个特定的连续频段，这样可以得到标示各空间频率信息的直方图。
在一个实施例中，采用了三个频段，即一个低频范围，一个中频范围和一个高频范围。如果频谱信息大部分落在高频部分，可以断定斑纹图样33有相对较小的平均斑纹纹理，设备21，61，71，81，101与轨迹表面25相互紧密贴合。反之，如果频谱信息大部分落在低频部分，可以断定斑纹图样33有相对较大的平均斑纹纹理，设备21，61，71，81，101没有与轨迹表面25相互贴合。精通此领域的技术人员清楚使用快速傅立叶变换可以得到这样的分析结果。依靠这个手段，控制器39可以监视空间频谱范围的信息来判断设备“提离表面”是否发生。在另一个实施例中，使用一个带通滤波器来关注于某一特定频带，所述频带对“提离表面”引起的变化较为敏感。也可以类似的使用其它空间频率分析手段，例如余弦变换，或是其它傅立叶变换而不偏离权利要求的范围内。
除了如前所述的计算平均斑纹大小σ的实施例之外，另一个本发明的实施例包括测量斑纹图形的至少一个斑纹纹理的宽度，然后监控斑纹纹理宽度的变化来决定设备的工作模式，大致如前所述。
特别指出，前面所述的任意一种判断斑纹尺寸特征值的方法可以和其它方法重复使用(例如，同时使用对比度特征值和空间频谱分析)，降低错误率或增加“提离表面”情况侦测的敏感性，以确保能够侦测到“提离表面”的情况发生。
先前描述的本发明的设备21，61，71，81，101中的任意一样都可以和多种特征的相关光源29之一(例如激光)共同使用。在一个实施例中，设备21，61，71，81，101包括一个相干光源29，所述相干光源产生的相干光束B的包容角β小于790毫弧度(45度)。另一组设备21，61，71，81，101则可以控制包容角β小于170毫弧度(10度)的相干光束B。还有其它的设备21，61，71，81，101可以控制包容角β小于87毫弧度(5度)的相干光束B。在不超越本发明范围的情况下，这个相干光源29可以用任意种方式来控制光线的发散程度。如图3和图4所讨论的那样，设备21可以包括一个透镜63介于相干光源29和轨迹表面25之间以折射相干光束B。尽管图中没有示出，这个透镜可以集成在相关光源29上。
理想的激光光源29应该消耗尽可能小的电流。例如，一个合适的激光光源29的工作电流应该小于20毫安，这样可以确保即使是使用在一个无绳设备的环境中，也不会过分的影响电池的使用寿命。具体说，激光光源29可以是一个固体器件，例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或是边射激光器(EEL)。在不超越本发明范围的情况下，也可以使用其它激光，激光光源或是相干光束。
如前所述，本发明还包括把相干光束B从数据输入设备21，61，71，81，101投射到轨迹表面25的方法，所述轨迹表面具有散射光线的特性。所述方法包括如何检测到至少一部分被轨迹表面散射的光线。检测到的散射光包含斑纹图样33。所述方法还包括如何判断设备21，61，71，81，101是否在空间上离开轨迹表面25至少一个“提离表面”的距离，所述“提离表面”距离是斑纹图样33斑纹大小特征值的函数。所述方法还包括(1)当设备21，61，71，81，101在空间上离开轨迹表面25至少一个“提离表面”距离时，中止跟踪设备相对轨迹表面的运动；(2)当设备21，61，71，81，101在空间上离开轨迹表面25不到一个“提离表面”距离时，继续跟踪设备相对轨道表面的运动。所述“提离表面”距离是设备21，61，71，81，101的设计参数之一，表示设备从表面接触到提离表面状态的跳变，藉此用户可以暂时中止跟踪以重新放置这个设备。
在另一个实施方案中，这个方法还包括计算检测到的斑纹图样的对比度特征值，方法如前所述。所述方法还包括将斑纹图样33的对比度特征值和某一阈值对比度特征值比较。所述方法还包括将斑纹图样33的对比度特征值和某一先前检测到的斑纹图样的对比度特征值比较。
在又一个实施方案中，判断过程包括判断穿过斑纹图样33的一些图像亮度跳变次数，方法如前所述。在又另一个实施方案中，判断过程包括对斑纹图样进行空间频谱分析，计算斑纹大小特征值。所述空间频谱分析可能是快速傅立叶变换，方法如前所述，也可能是其它空间频谱分析方法。
在再一个实施方案中，判断过程包括测量斑纹图样33的至少一个斑纹纹理的宽度，并且监视所述斑纹纹理宽度的变化，方法如前所述。在再一个实施方案中，判断过程包括判断斑纹图样的自相关特征值，方法如前所述。
在又另一个实施方案中，提离表面距离只有10毫米(0.39英寸)。在再一个实施方案中，提离表面距离只有4毫米(0.16英寸)。在又另一个实施方案中，提离表面距离不超过4毫米(0.16英寸)但至少有1毫米(0.04英寸)。
图12示出了一个通用的计算机设备130的示意图。在这项发明的一个实施方案中，形如设备130的一台计算机适合于和其它图示设备一起使用。计算机130有一个或多个处理器或是处理器单元132，以及系统存储器134。在图示的实施方案中，系统总线136连结了多种系统设备，包括把系统存储器134与处理器132相连。所述系统总线136代表几类总线结构中的一种或多种，包括一个存储器总线或存储器控制器，一个外围总线，一个加速图形端口，和一个适用任何总线结构的处理器或是本地总线。例如，这个架构包括工业标准结构总线(ISA)，微通道结构总线(MCA)，增强型工业标准结构总线(EISA)，视频电子标准协会本地总线(VESA)，以及周边元件扩展接口总线(PCI)，也被称作中间总线(Mezzanine bus)，但并不仅限于这些。
所述计算机130通常总有某种形式的计算机可读媒体。计算机可读媒体包括易失性媒体和非易失性媒体，可移动媒体和不可移动媒体，可以是任何形式的媒体，只要能够被计算机130访问。例如，计算机可读媒体包括计算机存储媒体和通信媒体，但并非局限于此。计算机存储媒体包括易失性媒体和非易失性媒体，可移动媒体和不可移动媒体，这些媒体可以用任何方法和技术来实现存储信息的功能，包括计算机可读指令，数据结构，程序模块或是其它数据。例如，计算机存储媒体包括随机存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，电可擦除只读存储器(EEPROM)，闪存(flashmemory)，或其它存储器技术，只读光盘(CD-ROM)，数字化视频光盘(DVD)，或其它光盘存储设备，盒式磁带，磁带，磁盘存储器，或其它磁存储设备，或是任何其它媒质，只要存储有用的信息，并且可以被计算机130访问。通信媒体通常包括诸如载波或是其它传输手段等经过调制的数据信号中的计算机可读指令，数据结构，程序模块，或是其它数据，还包括任何的信息传送媒体。精通此领域的技术人员熟悉经过调制的数据信号，使其特性之一或更多设定成或改变为用来编码信号的信息。例如，有线媒体诸如有线网络或是直接相连，无限媒体诸如声波，射频，红外线和其它形式的无限媒体都是通信媒体。计算机可读媒体允许组合使用上述的任意媒体。
系统存储器134包括以下形式的计算机存储媒体可移动和/或不可移动存储器，易失性和/或非易失性存储器。在图示的实施方案中，系统存储器134包括只读存储器(ROM)138和随机存储器(RAM)140。基本输入输出系统142(BIOS)包括在计算机130内部各部分间传输信息的基本例程，例如计算机启动时运行的例程。BIOS通常存放在只读存储器138(ROM)中。随机存储器140通常存放可立刻访问和/或当前正被处理器单元132处理的数据和/或程序模块。作为示范，图12示出的操作系统144，应用程序146，其它程序模块148和程序数据150，但并不仅限于这些。
计算机130可能也包括其它可移动/不可移动和易失性/非易失性的计算机存储媒体。例如，图12示出的硬盘驱动器154可以在不可移动的非易失性磁性媒体上读写。图12还示出磁盘驱动器156，可以读写可移动非易失性磁盘158；还有一个光盘驱动器160，可以读写可移动非易失性光盘162，例如只读光盘或是其它光记录媒体。一个典型的计算机中，其它可移动/不可移动和易失性/非易失性的计算机存储媒体还包括盒式磁带，闪存卡，数字化视频光盘(DVD)，数码影像磁带，固体随机存储器，固体只读存储器，以及其它，但并不仅限于这些。通常，硬盘驱动器154，磁盘驱动器156和光盘驱动器160通过非易失存储接口，如接口166，与系统总线136相连。
图12所示的驱动器或是大容量存储设备，以及它们配套的计算机存储媒体，使得计算机130能够存储计算机可读指令，数据结构，程序模块和其它数据。例如，如图12所示，硬盘驱动器154上存放了操作系统170，应用程序172，其它程序模块174和程序数据176。注意这些组成可以和操作系统144，应用程序146，其它程序模块148和程序数据150相同，也可以不同。使用不同的数字来表示操作系统170，应用程序172，其它程序模块174和程序数据176表明它们至少是不同的副本。
用户需要通过输入设备或是用户界面选择设备如键盘180和定点设备182(例如鼠标，轨迹球，笔或是触摸屏)来向计算机130输入命令和信息。其他输入设备(图中未示出)还包括话筒，游戏操纵杆，游戏垫，卫星信号接收器，扫描仪，手指跟踪器等。各种输入设备通过与系统总线136连结的用户输入接口184连结到处理单元132，但也可以通过其他接口或总线结构连接，例如并行口，游戏端口，PS/2端口或通用串行总线(USB)。显示器188或其他显示设备也通过接口，例如视频接口190和系统总线136相连。除了显示器188之外，计算机通常还包括其他外围输出设备例如打印机，扬声器等(图中未示出)，这些设备通过外围输出接口相连接(图中未示出)。
计算机130可能工作在一个网络环境中，和一台或多台形如远程计算机194的计算机在逻辑上相连。所述远程计算机194可以是个人电脑，服务器，路由器，网络计算机，对等设备或是其他常见的网络节点，这些设备都具有前面所述的计算机130的许多或几乎全部组件。图12所示的逻辑连接包括局域网196和广域网198，也还可能包括其他网络。局域网136和/或广域网138可能是有线网络或无线网络，也可能是两者的组合等等。所述网络环境在办公室，企业计算机网络，内部网络和全球计算机网络(例如国际互联网)中很常见。
当计算机130工作在局域网环境中时，它通过一个网络接口或适配器186连接到局域网196。当工作在广域网环境中时，计算机130通常会使用调制解调器178或其他设备接入广域网198，例如国际互联网。所述调制解调器178可能是内置的，也可能是外置的，通过用户输入接口184或其他适当的方式连接到系统总线136。在网络环境中，与计算机130有关的程序模块或其一部分可能被存放在一个远程存储设备中(图中未示出)。例如，图12所示的远程应用程序192就存储在存储器设备中，但并不仅限于这种情况。可以想象图示的网络连接只是一些示范，其他各种连接计算机的方式也可以使用。
通常，计算机130的数据处理器由在不同的阶段存储在这个计算机的不同可读存储媒体中的指令程控。例如，程序和操作系统通常分布在软盘和只读光盘上，然后从中被加载到计算机的辅助存储器上。执行的时候，至少一部分所述程序或操作系统被装入计算机的主电子存储器。本发明包括各种各样的计算机可读存储媒体，所述媒体包含相应的指令和程序用来和微处理器或其它数据处理器一起实现下文将要描述的操作。
为了示范，把程序和其他可执行的程序组件，例如操作系统用独立的方块图表示。但必须指出在不同的时候这些程序和组件处于计算机的不同存储设备中，被计算机的数据处理器执行。
尽管在这里本发明和形如计算机130的示例计算机系统环境一起介绍，实际上本发明可以用于很多其他通用或专用计算机系统环境中。本发明的适用范围并不仅限于所述计算机系统环境。而且，对于所述计算机系统环境来说，任何前面所描述的示范性计算机系统环境中的组成部分都不是不可缺少的。一些众所周知的可以适用本发明的计算机系统环境包括个人电脑，服务器计算机，手持或膝上设备，多处理器系统，微处理器系统，机顶盒(set top boxes)，可编程消费型电子产品(programmableconsumer electronics)，移动电话，个人数字助理，网络个人计算机，小型机，大型机，或是包含任何上述系统或设备的分布式计算机环境，但并不仅限于此。本发明还适用于非计算机应用，例如电视机光标遥控器。
精通此领域的技术人员应该注意到除非特别说明，这里所演示过的方法的执行次序并不重要。换言之，除非特别说明，本发明中的各个方法可以按照任意先后次序来执行，并且所述方法包含的元素可以比这里披露的少或者多。
当介绍本发明或其实施方案的元件时，冠词“一个”、“一种”、“这个”和“所述”是指有一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”是指被包括在内且意味着可以有所列元件之外的其它元件。
通过上面的描述可见，本发明的一些目的已经实现，同时还获得了其它的有益结果。
由于在不背离本发明范围的情况下可对上述产品和方法作出各种变化，故而上面的描述和附图中所含的全部事项都是以例证而不是限制的意味出现的。
附录A以下示出如何利用检测到的斑纹图样的对比度来计算斑纹图样的斑纹大小特征值。
对比度特征值测量技术是基于探测到的斑纹图样进行计算的。探测器按固定的周期检测斑纹图样，用下面所述的对比度特征值技术或自相关特征值技术来判断每个斑纹图样的对比度。
对比度特征值随着设备和轨迹表面彼此分离而减小。典型的系统具有一个噪声等级，此噪声等级在设备远离轨迹表面时会导致非零对比度特征值，所以如前所述，这个检测方案的阈值应该高于这个噪声等级。以下变量在下面的方程中这样定义N探测器阵列的行数M探测器阵列的列数Y探测器阵列的行号X探测器阵列的列号∑求和运算Pixel[x，y]斑纹图样图像在像素(x，y)位置的数据以及ABS绝对值函数，或是平方函数，或是任何形如Xk的指数函数(k是偶数)。
以下方程被用来在四个方向上计算对比度特征值V垂直方向对比度特征值V＝∑(ABS(Pixel[x，y]-Pixel[x，y+1])；(x从0到m，y从0到n-1)H水平方向对比度特征值H＝∑(ABS(Pixel[x，y]-Pixel[x+1，y])；(x从0到m-1，y从0到n)Da左上-右下方向对比度特征值
Da＝∑(ABS(Pixel[x，y]-Pixel[x+1，y+1)；(x从0到m-1，y从0到n-1)Db右上-左下方向对比度特征值Db＝(ABS(Pixel[x，y]-Pixel[x-1，y+1])，(x从1到m，y从0到n-1)。
斑纹图样的对比度特征值可以定义在一个方向上，也可以像前面所述定义为一个或多个方向的组合。在一个实施例中，可以使用一个或任意个下列方程式对比度1＝V(单方向)对比度2＝(V+H)(两个方向)对比度3＝(V+H+Da+Db)(四个方向)对比度4＝(V+H)/2(在两个方向的平均值)；以及对比度99＝(V+H+Da+Db)/4(四个方向上的均值)在不超越本发明范围的前提下，用这四个方向上的方程可以组合成其他的方程。在不超越本发明范围的前提下，其他在这里没有具体提及的对比度方程也可以使用。例如，前文所述的ABS函数可以被替换成下面的乘法函数Pixel[x1，y1]*Pixel[x2，y2]这样的定义并不与本发明违背。
附录B下文示出了一个利用自相关来判断斑纹图样的斑纹大小特征值的方法。
除对比度特征值之外，也可以使用自相关特征值来衡量斑纹图样对比度。所述自相关特征值需要把图像在水平，垂直和斜向进行比较。例如，下面是一个通用的自相关方程式1MNΣm=0M-1Σn=0N-1|F(m,n)⊗F(x+m,y+n)|]]>这里M和N分别代表阵列每列和每行的像素个数，m和n分别代表像素在所在列或所在行的位置，x和y代表阵列沿着m轴和n轴的偏移量。注意方程中的运算符可以用任意的运算符替代。例如下面的方程中，代入减法运算符来计算差值之和1MNΣm=0M-1Σn=0N-1|F(m,n)-F(x+m,y+n)|]]>例如，把上面的方程作用到一个8×8的方阵上，得到64个差值和。对这64个差值求和，然后除以64，就得到斑纹图样的平均自相关系数。
在另一个实施例中，要用到下面这些更具体的对比度公式。这些公式都基于前文所述的通用自相关方程。V+＝垂直方向对比度(向下){x从0到m，y从0到n-1}∑(ABS(Pixel[x，y]-Pixel[x，y+1])；V-＝垂直方向对比度(向上){x从0到m，y从1到n}∑(ABS(Pixel[x，y]-Pixel[x，y-1])；H+＝水平方向对比度(向右){x从0到m-1，y从0到n}∑(ABS(Pixel[x，y]-Pixel[x+1，y])；H-＝水平方向对比度(向左){x从1到m，y从0到n}∑(ABS(Pixel[x，y]-Pixel[x-1，y])；D++＝斜向对比度(右下方向){x从0到m-1，y从0到n-1}∑(ABS(Pixel[x，y]-Pixel[x+1，y+1])；
D-+＝斜向对比度(右上方向){x从0到m-1，y从1到n}∑(ABS(Pixel[x，y]-Pixel[x+1，y-1])；D+-＝斜向对比度(左下方向){x从1到m，y从0到n-1}∑(ABS(Pixel[x，y]-Pixel[x-1，y+1])；以及D--＝斜向对比度(左上方向){x从1到m，y从1到n}∑(ABS(Pixel[x，y]-Pixel[x-1，y-1]).
在这个实施例中，斑纹图样的自相关特征值可以定义为前面所述的不同方向的组合。在一个实施例中，使用如下的自相关定义自相关系数＝∑(V+，V-，H+，H-，D++，D-+，D+-，D--)/8注意当检测到的斑纹图样较大时，某些自相关系数数值会非常接近。特别是，V+和V-，H+和H-，D++和D--，D+-和D-+会分别很相近。因此，当探测器阵列较大时，自相关计算可以简化为附录A中的对比度99方程。
权利要求
1.一种与轨迹表面共同使用的数据输入设备，所述轨迹表面具有散射所述设备的光线的特性，其特征在于，所述设备包括一个相干光源，可以投射相干光束到所述轨迹表面上，所述轨迹表面散射射到其表面上的入射相干光束；一个和所述相干光源配套的探测器，用以检测至少一部分所述散射光线；所述检测到的部分散射光线构成的斑纹图样；还有一个控制器，对检测到的斑纹图样做出反应，根据由有所述控制器判定的检测到的斑纹图样的斑纹大小特征值使设备工作在跟踪模式或非跟踪模式。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述斑纹大小特征值是所述检测到的斑纹图样的一个对比度特征值。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制器至少在一个方向上确定所述对比度特征值。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述控制器至少在两个方向上确定所述对比度特征值。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制器至少在四个方向上确定所述对比度特征值。
6.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制器将一个检测到的斑纹图样的对比度特征值和一个阈值对比度特征值比较，藉此决定设备工作在跟踪模式或是非跟踪模式。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述阈值对比度特征值大于一个基准对比度特征值，所述基准对比度特征值是由所述探测器当所述设备远离所述轨迹平面时测量而得。
8.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制器将一个检测到的斑纹图样的对比度特征值和一个先前检测到的斑纹图样的对比度特征值比较，藉此决定设备工作在跟踪模式或是非跟踪模式。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器通过判断穿过斑纹图样的多个图像亮度跳变来确定斑纹大小特征值。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器通过对所述检测到的斑纹图样进行空间频谱分析来确定所述斑纹大小特征值。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述控制器通过进行快速傅立叶变换分析来确定所述斑纹大小特征值。
12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器测量所述斑纹图样的至少一个斑纹纹理的宽度，并监测所述至少一个斑纹纹理宽度的变化，藉此决定设备工作在跟踪模式或是非跟踪模式。
13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述斑纹大小特征值是所述检测到的斑纹图样的一个自相关特征值。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述控制器将检测到的斑纹图样的所述自相关特征值和一个阈值自相关特征值比较，藉此决定设备工作在跟踪模式或是非跟踪模式。
15.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述控制器至少在一个方向上确定所述自相关特征值。
16.如权利要求1所述的设备，还包括一个外壳，它和相干光源及探测器相连，所述外壳包括一个支撑平面，可与所述轨迹表面相贴合。
17.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述相干光源和探测器被相邻安装在一个微芯片、一块印刷线路版和一个引线框中至少一个之上。
18.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述相干光源是一个激光器。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述相干光束的包含角小于790毫弧度(45度)。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，所述包含角小于170毫弧度(10度)。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述包含角小于87毫弧度(5度)。
22.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述相干光源工作时的电流强度小于20毫安。
23.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包含一个透镜，所述透镜在相干光源和轨迹平面之间折射相干光束。
24.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述轨迹表面是人体皮肤。
25.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器是处理器和特定用途集成电路(ASIC)两者中至少一个。
26.一种方法，其特征在于，所述方法包括从一个数据输入设备投射相干光束到一轨迹表面上，所述轨迹表面具有散射光线的特性并散射相干光束；检测至少一部分被轨迹表面散射的光束，所述检测到的光束部分构成一斑纹图样；判断所述设备是否在空间上和轨迹表面分开至少一个“提离表面”检测距离，所述提离表面检测距离是所述斑纹图样的一斑纹大小特征值的含糊；以及当所述设备在空间上离开轨迹表面至少一个“提离表面”检测距离时，中止跟踪所述设备相对轨迹表面的运动；或当所述设备在空间上离开轨迹表面不到一个“提离表面”检测距离时，继续跟踪所述设备相对轨迹表面的运动。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述判断包括确定检测到的斑纹图样的对比度特征值。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括将检测到的斑纹图样的对比度特征值和一个阈值对比度特征值比较。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括将检测到的斑纹图样的对比度特征值和一个先前检测到的斑纹图样的对比度特征值比较。
30.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述判断包括判断穿过所述检测到的斑纹图样的多个图像亮度跳变。
31.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述判断包括通过对检测到的斑纹图样进行空间频谱分析来确定所述斑纹大小特征值。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述判断包括进行快速傅立叶变换。
33.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述判断包括测量检测到的斑纹图样的至少一个斑纹纹理的宽度，并监测所述至少一个斑纹纹理宽度的变化。
34.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述判断包括判断检测到的斑纹图样的自相关特征。
35.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述“提离表面”检测距离不大于10毫米(0.39英寸)。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述“提离表面”检测距离不大于4毫米(0.16英寸)。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述“提离表面”检测距离不大于1毫米(0.04英寸)。
38.一种与轨迹表面共同使用的数据输入设备，其特征在于，所述轨迹表面相对所述设备具有折射光线特性，所述设备包括一个相干光源，投射相干光束到所述轨迹表面，所述轨迹表面散射照射到其上的相干光束；一个和相干光源成套的探测器，用于检测至少一部分所述散射光线，所述检测到的部分构成一个斑纹图样；以及一个控制器，对检测到的斑纹图样做出反应，并根据有所述控制器判定的斑纹图样的斑纹大小特征值判断设备和轨迹表面的距离。
39.如权利要求38所述的设备，其特征在于，还包括一个相干光源及探测器的外壳，所述外壳包括一个支撑平面，可与所述轨迹表面相贴合。
40.如权利要求38所述的设备，其特征在于，所述斑纹大小特征值和外壳与轨迹表面间距离有关。
全文摘要
发表了一个数据输入设备，它和一轨迹表面共同使用，这个轨迹表面相对所述设备具有散射光线的特性。所述设备包括一个相干光源，投射相干光束到轨迹表面。轨迹表面散射射到表面上的相干光束。设备还包括一个和相干光源成套的探测器，检测至少一部分散射光线。被检测到的散射光部分构成一个斑纹图样。这个设备还包括一控制器，根据检测到的斑纹图样做出反应，计算斑纹图样的斑纹大小特征值决定设备工作在跟踪模式或非跟踪模式。
文档编号G01B11/00GK1664770SQ20051005283
公开日2005年9月7日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年2月26日
发明者J·M·泊普, T·C·奥里弗 申请人:微软公司