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光学鼠标运动检测器


这个项目, 光学鼠标运动检测器 from 1984,显示nba竞猜相关性如何在光学鼠标中工作,使得不需要鼠标垫,而是检查和相关的表面的特征。

nba竞猜关联是一种有用的技术,因为它允许您比较电流和上一个nba竞猜并检测已移动并呈现在何时何种方向。在光学鼠标中,使用中的nba竞猜是鼠标正在转动的表面的连续nba竞猜。通过比较(将它们相关)可以确定鼠标的方向和速度。

更现代的光学鼠标设计使用CCDnba竞猜检测器,但使用相同的原理。



光学鼠标运动检测器的执行摘要

利用线性阵列光电二极管的光学鼠标被提供有电路,以在每个自定时周期期间与存储nba竞猜相对于存储的nba竞猜偏移的新nba竞猜相对于存储的nba竞猜(光电二极管信号)进行相关。对,左一个像素,也没有偏移。

所有三个相关性在单独的相关器中同时进行。决定在右侧移动到左侧,左侧或没有运动是基于最大相关输出的。新nba竞猜未存储在第二个存储阵列中,以便在下一个周期使用,直到检测到任何运动,但在循环期间存储在第一存储阵列中,当响应于入射光的预定光电二极管放电下方的一半。 。

通过对光电二极管进行预充电,当进行任何运动或不进行运动时,启动新循环。

光学鼠标运动检测器的背景

该设计涉及一种通常称为a的类型的光学运动检测器"mouse"因为在手掌中容易拟合的身体,旨在在桌面上移动,电缆将其连接到类似于鼠标尾的计算机。检测到的鼠标的运动用作计算机的输入,用于将光标定位在阴极射线管上显示的nba竞猜或文本上,或者作为在计算机控制台上生成的图形的输入。

鼠标很快变得流行。较旧的机械鼠标设计是由使用光学器件而不是移动部件来检测运动的新设计。这些光学小鼠提高了可靠性并降低了与机械小鼠共同的间歇作用。

迄今为止,所有光学鼠标设计必须在特殊的表面图案上移动,以便正确地感知它们。一种商用的光学鼠标使用金属板作为桌面上的工作表面,具有正交网格线。一个方向上的线反射在另一个方向上的红外线和线反射可见光。

因此,对仅一种颜色的鼠标内的传感器可以独立地检测两个方向的运动。 Xerox Corporation的R. F.Lyon开发了一种创新的光学鼠标,将传感器集成到同一芯片上,处理光学信号以检测运动。

然而,他的设计需要由浅色背景上的黑点网格组成的工作表面。这种设计的一个目的是放宽对光学鼠标的工作表面的要求。该目的是使光学运动检测器足够一般,以便使其在桌子上常见的各种表面上工作,从而消除了对特殊工作表面的需求。

光学鼠标运动检测器概述

根据本设计,光学运动检测器包括具有光电二极管阵列的单个芯片和用于将nba竞猜聚焦到芯片上的装置。该芯片还包括存储设备阵列,用于存储nba竞猜,以及用于将当前nba竞猜的像素与先前存储的nba竞猜的像素相关联的装置,用于确定相关性是通过与旧nba竞猜相关联的相关性最大的位置。新nba竞猜和旧nba竞猜将一个像素偏向右侧,再次偏移新nba竞猜左侧的一个像素,以及用于序列操作的自定时控制装置。

与右侧的旧nba竞猜偏移的相关位置或左侧指示在存储和相关nba竞猜和先前循环的一个周期之间的间隔期间nba竞猜的相对运动。自定时在响应于由光学nba竞猜引起的漏电流的漏电时响应于排出的所有光电二极管的总电荷而有效,以确保在一个循环期间阵列不会移动多于一个像素宽度。

连接到接收相关装置的输出的电路允许每个相关输出来抑制较低幅度的其他相关输出,以确保运动方向的明确决定,或者没有运动的决定。

在优选实施例中,提供用于存储nba竞猜的第二阵列,并且新的nba竞猜相关的是不从第一存储阵列传送到第二个阵列,直到达到左侧或右侧的判定。但是,左移动,右移动或不动动的每一个决定都有效地初始化另一个周期以在第一个商店中接收和存储用于相关的新nba竞猜。这种布置降低了可以检测到零的运动速率。

设计的新颖特征在所附权利要求中具有特殊性。当与附图结合读取时,可以最好地理解这些设计。


图1:是使用单个光电二极管阵列的本发明的功能框图
对于光学鼠标运动检测器



光学鼠标运动检测器的描述

参考图1。如图1所示,光学运动检测器由单个NMOS集成电路芯片10和透镜11构成,以将nba竞猜投影到芯片上。无花果。图1以功能框图形式示出了芯片。它由用于检测光图案nba竞猜的光电二极管12阵列,用于nba竞猜的存储阵列13,相关器14计算存储的nba竞猜和电流判定电路15之间的相关性,以确定运动方向和a自定时控制器16序列整个系统。

还包括一个可以在传统的非极光设置中电模拟光学nba竞猜的测试寄存器17,允许芯片用于制造缺陷。


图2A:示出了作为光传感器的本发明的NMOS光电二极管的横截面
对于光学鼠标运动检测器




图2B:示意性地示出了图2的光电二极管。在图2A中,具有增强模式上拉在集成电路芯片中,具有图2的系统的光电二极管和其他电路。 1
对于光学鼠标运动检测器



光学换能器是在NMOS集成电路芯片中实现的光电二极管。在这个NMOS芯片中,一个区域+ 扩散形成具有接地P型衬底的二极管,如图2所示。 2a在横截面中。无花果。图2B表示通过反向偏置二极管D的光电二极管1 并联具有电容器C.

光子撞击芯片的电路侧,形成通过反向偏置二极管产生泄漏光电流的电子孔对。在操作中,阵列的二极管每个都通过单独的增强模式FET上拉开关Q进行预充电1 然后关闭将它们孤立。

然后,二极管由于光电流而以与撞击扩散区域的光强度成比例的速率而放电。因此,对于成像,这些光电二极管的阵列从带电的所有二极管开始。每个光电二极管以由该点处的nba竞猜强度确定的速率放电。


图3示出了两个光电池,该布置用于自定时在图1的系统的每个循环期间的成像和存储像素的成像和存储。 1
对于光学鼠标运动检测器



最终所有二极管都被排出。与每个光电二极管相关联的是下拉FET开关Q2, 现在将参考图4描述的功能。 3.

反映nba竞猜的有趣属性的充电模式发生在所有光电探测器都高的时候,当所有光电探测器都很高。在该设计的该示例性实施例中,在其中一半的时间低于阈值的时间,在其上,所有光电二极管一次被采样并存储一次。

该方法最大化每个像素中的信息内容。实现该操作的电路如图2所示。 3.有一个全球半下线20,单个下拉FET开关Q2 对于每个光电二极管。当二极管都充电时,下拉FET开关Q2 are all on.

半下线低,每个二极管有助于下拉电流。作为每个光电二极管放电并通过其下拉FET开关Q的阈值2, the FET switch Q2 关闭,从总拉下电流中减去其电流。当总电流减少到足够远时,半下线变高。

当大约一半的光电二极管下降时,通过上拉和下拉FET切换的宽度/长度比选择该阈值。半下线的升高触发自定时控制器16,其又触发存储阵列13的锁存器21,以结束它们的下降光电二极管值的采样。

每个锁存器中的正反馈将存储的信号转换为每个像素的恢复数字信号。这些锁存器中的数字nba竞猜,每个光电二极管的比特,后来与下一个nba竞猜进行比较。

给定nba竞猜的两个连续时间样本,运动检测的任务变为两个nba竞猜的比较。在该对象在视图中发生相对较少的假设,除了对应于运动的转换之外,nba竞猜应几乎相同。检测该运动的一种方法是在两个方向上移动一个nba竞猜,并且在偏移的每个位置,总和匹配的比特数。

该总和最大的位置将指示nba竞猜在样本之间移动的方向。它移动了多少是样品和鼠标速度之间的时间的函数。运动程度不得超过每个样本和比较周期的二极管之间的空间。

该比较和求和过程对应于一维相关函数。连续版本由公式给出:

I0 是时候nba竞猜= 0,我1 是在时间= 1拍摄的下一个nba竞猜样本。我的相关性0 和 I1 是C(s),其中s是一个nba竞猜相对于另一nba竞猜移动的量。

与相关函数的离散近似是:

如果运动检测器可以足够快地操作以保证最快的运动永远不会在两个连续时间样本之间移动nba竞猜多于一个光电二极管(像素)宽度,则该计算仅需要在一个像素邻域内执行。计算和比较的相关值的数量仅为三维外壳的三个:c(s),其中s = -1,0和1。这些值对应于由一个像素左侧移动的nba竞猜,而不是移动,或由一个像素移动。


图4示意性地示出了检测每个操作周期期间运动方向所需的相关性
对于光学鼠标运动检测器



相关器的逻辑图如图1所示。 4.通过在一位乘法器22中执行每个旧nba竞猜像素值的每个旧nba竞猜像素值的乘法来计算三个所需的相关值中的每一个,并在电路23中求和结果。三个之间的唯一差异相关器是旧nba竞猜像素相对于新nba竞猜像素移动的量。

当存储光传感器上的模拟电压(光电二极管)时,大部分光级信息丢失。牺牲了这些信息,以便能够长期存储nba竞猜。在相关性中,可以数字化两个连续nba竞猜,并且对它们执行相关性。

相反,当前设计尽可能多地保留了类似的模拟信息,并在相关计算中使用它。在先前nba竞猜的像素之间进行相关性,存储为1位数字值,以及当前nba竞猜的像素,其是模拟的,并且从所有高状态朝向所有低状态的时间。

因此,相关值是在循环期间显影的模拟电压,作为光电二极管放电。

独占式或门可以用于在相关计算中进行乘法。对于这种情况,当光电二极管全部高时,循环内的各个相关值在中间值开始,在循环中间上升到峰值,并且当所有二极管放电时返回到中间值。

为了确定哪种相关性最大,需要首先找到每个时变相关输出的峰值电压,然后比较它们。确定何时传递所有峰值,使得自定时循环可以重新开始是难度的模拟电路问题,尤其是当电路必须在光电二极管上连续地改变光线时,并且必须在几个速度范围内工作。

有更好的方法,使用和栅极执行乘法。使用和乘法的相关值是单调,因为当光电二极管全部低时,当光电二极管全部充电到零值时,它们的时间单调是单调。这种单调性允许比较电路更简单。

现在比较相关值只是看到它们中的哪一个首先进入零。循环结束也更容易找到。当第一相关值变为零时,周期结束。检测该最终零条件的电路比电路更简单,以检测峰的通道。

值得注意的是,对于运动检测,可以使用Xnor栅极或栅极来实现相同的结果。 XNOR函数等效于分配1和-1的值的数字电平的乘法,虽然和门为0和1.这两个范围之间的差异是简单的转换:

将该转变替换为相关方程并简化产生结果:

Cxnor. (x)=4C (x)+constant

该结果表明,对于相关计算,使用XNOR和栅极之间的差异是结果值的简单缩放和转换。这里的重要性是相对于彼此相对的相关值,因此它们的乘数也是如此。似乎XNOR门具有在AND栅极上的4个增益因子,而是在实践中,具有任一门的电路实现将结果缩放到相同的范围内,电源和地面供应轨之间的模拟电压。为简单起见,优选使用和栅极实现乘法。


图5:示出了图3的三个相关器中的每一个。 4可以实施
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执行三个相关性之一(无动属相关)中的电路如图2所示。它包括一对系列下拉FET切换Q3 和 Q4 对于每像素执行1位乘法所需的每个像素,当旧nba竞猜输入和新nba竞猜输入都很高时,通过下沉电流。连接下拉开关的全局相关线25执行图2中的框23表示的当前求和功能。 4.

对于一维运动检测器,存在三条相关线,如图3所示。 4.在这些线条之一上,当前级别表示nba竞猜上的相关性"moved right"由一个像素。另一个表明nba竞猜上的相关性"unmoved"最后表示nba竞猜上的相关性"moved left" one pixel.

通过连接新的和旧像素输出端子,使得旧nba竞猜被有效地将一个像素转移到右侧,而不移位,并且相对于新nba竞猜将一个像素移位一个像素。必须比较这三条线上的电流,以确定已经发生了三种可能性中的哪一种。

右移动,左移动和未动态的相关线以高电流,低电压状态启动并向低电流高压状态发展。具有最大相关性的线的电压状态将在另外两个之前高。确定运动的最终比较是对该线电压条件进行的。使用相互抑制来进行比较。

三个相关线中的每一个具有上升电压,其与其他两个的竞赛。比赛的获胜者是达到高度的人。当每条线路高时,它抑制了另外两个的升高,向下拉回来。通过这种方式,最终的高压线绝不是模糊的,因为系统的唯一可能的最终状态是一行,一线都是高(获胜者)和其他两个低(由获胜者完全禁止)。

如果两条或更多行以几乎相同的速率上升,则选择赢家所需的时间是无限的。然后电路处于亚稳态状态。从这种意义上讲,可以将互禁止电路视为3向仲裁器。


图6A:是用于确定图1的相关器的输出的电路的逻辑图。 4是否向右或向左移动,或是否没有动作,和
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参考图1。如图6A所示,互抑制由门来实现1, G2 G3 交叉耦合以形成三通和触发器,在平衡或"illegal"最低的状态。随着允许三条线通过相关电路上升,其中一个将足够高,以开始拉下另一个。

电路的最终状态将是两条低点,一行高表示nba竞猜移动的方向(或未移动)。当该电路在图2中识别时。 1通过标记的第15块决定,落入其中一个稳定状态,它有"decided"其中三个相关价值中的哪一个最大。


图6B:示出了用于实现图6的逻辑的电路图。 6A在探测器阵列的NMOS集成芯片中
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无花果。图6B示出了判定电路如何用NMOS集成电路中的六个FET晶体管实现。

由三个相关线驱动的缓冲器26,27,28必须具有足够高的阈值,使得它们不会被升高到其稳定水平的线被错误地触发。门的交叉耦合保证,最多一条线将一直上升到亚稳态电压。


图7A是表示图1的电路执行的抑制判定的图。参照图6B,根据图6的逻辑。 6A
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图。图7A和7B示出了仿真三向触发器的模拟两种图。在第一(图7A)中,右移动的相关值比未动导线和左移动线的相关值高1.0%。在这里,右边没有麻烦赢得比赛,一路走来。


图7B:是说明图1的电路执行的抑制判定的图。参照图6B,根据图6的逻辑。 6A
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在第二(图7B)中,相关性仅为0.05%。这里,这两条线都升至其相互抑制阻止它们进一步上升的程度。仿真显示,它们之前悬挂在亚稳态点附近的50微秒,最后一个(右移动)赢得胜利,并一切都越来越高。

(这些模拟不考虑热噪声或芯片设备参数变化)。

由放大器26,27和28缓冲的判定电路15(图1)的三个输出是芯片的输出。它们指示通过从决定开始之前的时间脉冲高度检测到的移动,直到开始下一个周期。对于其他运动编码方案,可以在芯片上进一步编码这些信号。


图8示出了针对图1的存储阵列中的每个像素提供突出锁存器的方式。图1是有条件地存储新nba竞猜,并将新nba竞猜传送到第二阶段,以便在随后在后续相关时用作旧nba竞猜,仅当在循环期间存在在第一阶段中存储的nba竞猜中的nba竞猜时
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在一个循环期间,有两个独立的进程正在进行中。在相关性比较过程期间正在使用来自最后一个循环的存储nba竞猜,并且当前nba竞猜被存储用于下一个周期。由于在需要存储在当前nba竞猜之前,没有保证计算决策过程将在当前nba竞猜之前完成,因此必须有一个双级存储,如图4所示。 8。

第一存储阵列13a对光电二极管进行采样,并且当半下线20达到预定水平时,将每个到数字电平。第二存储器阵列13b保持先前的nba竞猜样本以用于相关计算。响应于通过由判定电路经由栅极29制造的任何移动,nba竞猜从第一储存转移到第二。

如果nba竞猜在样本之间移动不到一半像素,则最大的相关性将始终是未动态的线路。如果第二店13B始终包含先前的样本,则每个样本小于半像素的速度的连续运动永远不会指示运动。对于每个循环,最佳nba竞猜匹配将始终用于无动的位置。

这种情况显然是一个问题,因为nba竞猜的最大速度仅是每个样本的1.5像素(用于仅计算1像素邻域中的相关性的运动检测器)。良好的运动检测器不应具有最小速度,特别是不是如此接近其最大速度的速度。

如果发生无动态的条件,通过将旧nba竞猜保持在第二件商店13b中,可以解决这个问题。在检测到移动之后,新nba竞猜被移动到用于与连续nba竞猜的第二存储器的唯一时间是在检测到移动之后,如图2所示。如图8所示,如果检测到任何移动,则使用或门29触发第二存储器。

该技术将运动检测器的最小速度降低到零。


图9示出了用于生成图9的自定时控制器使用的就绪信号的电路。 8.
对于光学鼠标运动检测器



由于循环是自定时的,因此需要一些电路来检测光电二极管所有何时达到它们的高预充电水平。无花果。图9示出了如何由FET开关组成的分布式NOR门如何5 耦合到光电二极管D.1 通过高阈值逆变器30用于产生所需的现成信号。如果任何二极管低于阈值,则就绪线将低。当所有光电二极管都被拉高时,就绪线很高。


图10是用于图1的自定时控制器的运动检测器周期的Petri网表示。 8.
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运动检测器中的事件流动的Petri网示于图2中。 10.请注意,半下和就绪的转换不是真正的独立性。即在半下后,就绪线总是低温,半衰期后变高。通过虚线表示的额外路径,用于同步第一和第二锁存器。

该链接保证在清除第一存储阵列13a之前将nba竞猜数据传送到第二存储阵列13b,以准备下一个周期。

应当注意,图2中所示的自定时控制器16包括:图8示意性地表示简单"junction box"在控制器输入和输出之间,但在普拉茨中,自定时控制器实现了根据图3所示的Petri网所需的功能。 10。

基本上,任何移动触发第二储存阵列13b,并且任何运动或没有运动的决定都初始化光电二极管阵列12.之后,如图2所示,在光电二极管阵列12中产生的就绪信号。图9将终止图9所示的成像周期的初始化(上)部分。 10。

此后,半下信号触发第一存储阵列13a,指示为图1中的锁存器1st。 10.主自行过时的控制器功能只是简单,但在实践中可以更复杂,以便在图4的Petri网中完成考虑电路细节。 10。

当光电二极管已经预充电时,所产生的就绪信号将向自定时控制器指示光电二极管完全充电,使得循环的成像部分可以开始,这是图1中的Petri网的下半部分。因此,就绪信号有效地停止了光电二极管的初始化。

当完成周期的成像部分时,再次初始化(预充电)光电二极管阵列的输出。同时,如果存在任何移动,则栅极29的输出将第一存储阵列13a的内容传送到第二存储阵列13b。

使用具有掩埋触点的单个​​多金属金属NMOS工艺和4μm最小装置尺寸(λ=2μm)设计和制造一维运动检测器芯片。该芯片为5711.×1734μm,并在线性阵列中包含十六个光电二极管。每个光电传感器是矩形矩形200.Times.400μm。芯片在40个销封装中包装,腔盖可以很容易地将nba竞猜放在芯片上。

光学芯片的工作频率是光线水平的函数,因为光电二极管的放电速率是操作循环中的主要延迟,并且该速率与入射光的强度成比例。由等式给出的工作频率f:

其中T是一个循环的时间,L是入射光的照度,K是恒定的。实验结果表明,这种衬里近似是几乎三个光水位变化级的合理。频率/光水平关系K的理论比例常数可以从扩散层的单位区域电容和入射光和光电流之间的转换来计算。

取决于所做的确切假设,K易于在实验结果的2倍。对于所构建的芯片,一阶近似表明,在另一个极端和阳光下在另一个极端和阳光下在3英寸处的手电筒强度,频率在约5kHz上线性变化为大约5kHz至约500 kHz(管腔/米2 手电筒约50和阳光约5,000)。

这种频率范围将使每秒约1米的最大运动跟踪速度在另一个极端为每秒100米。

如果nba竞猜在比相关性计算的邻域的nba竞猜样本之间移动的nba竞猜样本之间,则运动检测器不会准确地报告运动,因为只能将相关性计算到最近的邻居,大约是一个二极管的宽度或大约200μm。在房间光线水平时,10 kHz的自由运行周期频率​​对应于约2.0米/秒的nba竞猜速度。

由镜头提供的倍率是芯片表面上的nba竞猜的尺寸与真实物体的比率。在鼠标申请中,1的放大率为大约100分/英寸的分辨率和2.0米/秒的最高鼠标速度。


图11A:,图11B,图11C示出了光学放大率对分辨率和最大速度的影响
对于光学鼠标运动检测器



通过移动镜头和芯片相对于物体的位置可以改变放大率。调整放大率有效地交易了最大跟踪速度的分辨率。见图。图11A,11B和11C。在图中。如图11A所示,镜头定位成用于高发光区域的大发光区域,但分辨率低。

如果透镜定位到更靠近用于成像的物体,则如图2所示。如图11B所示,来自发光器的所有光集中在成像区域上,将实现高分辨率,但最大速度低。如果来自照明器的光覆盖比正在成像的更多区域,如图2所示。如图11C所示,即,如果减少了成像区域上的光的强度,则将保持高分辨率,但是鼠标可以追踪的最大速度甚至低于图2的布置。 11B。

因此,可以理解,通过将本nba竞猜与与前一个nba竞猜(1)的光电二极管的线性阵列相关联,向右移动一个像素,(2)未移位,并且(3)在每个自行期间移位到左一个像素 - 可以检测循环,可以检测线性阵列的任一个方向上的任何运动。

为了另外检测任何其他方向的运动,例如刚考虑的线性阵列,第一阵列可以与其完整和独立的电路一起结合在一起。


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