光学式检测装置及电子设备的制作方法

专利名称：光学式检测装置及电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学式检测装置及电子设备，详细而言，涉及可检测出测定对象物的 空间位置信息、以及通过测定该空间位置信息的时间变化来检测出测定对象物的移动信息 的光学式检测装置。此外，本发明的光学式检测装置适合用作以非接触方式操作电子设备 时的控制装置，例如光学式检测装置检测人所在的位置并调节至对人最适合的工作状态的 视频设备、音响设备、空调设备等电子设备；或装配有使光学式检测装置检测手的动作并对 汽车导航装置、移动设备、烹调家电设备等进行操作的非接触动作控制器的电子设备。
背景技术：
作为控制家电产品等电子设备的手段，采用开关或按钮、触摸垫、鼠标、遥控控制 器(以下称为遥控器)等很多方式。利用使用开关或按钮等的接触方式的操作，存在操作 者需移动至电子设备所处位置的缺点。此外，使用遥控器等的非接触方式，需要遥控器发送 器等，尤其是存在如下所述的各种不便及缺点，即，在AV(Audic) Visual:视听)设备等中， 操作前需要寻找遥控器发送器，在烹调设备中，手脏时需要洗手，在汽车导航设备中，驾驶 者操作遥控器时存在非常高的危险性等。此外，触摸垫或鼠标等用于操作电子设备，也存在 上述的任一种不便。对于这样的问题，提案有以非接触方式检测人或手的动作而对电子设 备进行控制的技术。例如，专利文献1 (特开2004-78977号公报)、专利文献2 (特开2007-164814号公 报)、专利文献3 (特开2008-250774号公报)中，提案有对手进行拍摄并以其形状及动作控 制设备的方式。此外，专利文献4(特开2006-99749号公报)中，提案有根据利用距离图像 广角拍摄的带有距离信息的图像提取出特征的图像(例如手)，并根据距离和图像检测操 作者的动作的方式。此外，专利文献5 (特开2006-260574号公报)中，提案有对基准图像 进行拍摄，并通过与下一拍摄数据进行比较求出移动量的光导航方式。但是，上述专利文献1 3中，需要进行用于识别被拍摄的被拍摄体为手的图像识 别处理、以及对手的动作进行解析的图像信号处理，为了对应多种模式，而需要高度的信号 处理系统，因此，导致用于控制电子设备的控制装置成为昂贵的设备。此外，上述专利文献4中，可对图像附加距离信息而提高识别，为了测定对于各个 像素的距离信息，而采用TOF (time of flight)方式，为了测定光的往复时间，不仅需要非 常高速的信号处理电路，而且为了对于各个像素得到充分的SNR(Signal to Noise ratio S/N比，信噪比)，高输出的发光源也是不可缺的。而且，与上述专利文献1 3相同，也需 要图像信号处理，而导致用于控制电子设备的装置成为大型且昂贵的系统。此外，上述专利文献5中，在为了利用图像比较来提取出移动量而需要图像信号 处理这一点上，与上述专利文献1 3相同，都成为昂贵的设备。专利文献1 (日本)特开2004-78977号公报专利文献2 (日本)特开2OO7-IM8H号公报专利文献3 (日本)特开2008-250774号公报
专利文献4 (日本)特开2006-99749号公报专利文献5 (日本)特开2006-260574号公报

发明内容
本发明的课题在于，提供一种没有复杂的图像信号处理电路且能够以简单的结构 容易地检测手等人的动作的小型且廉价的光学式检测装置。此外，本发明的另一课题在于，提供一种通过装配所述光学式检测装置而可以非 接触方式进行操作的电子设备。为了解决所述课题，本发明的光学式检测装置，其特征在于，具备发光元件、将从所述发光元件射出的光束照射到测定对象物的照射光学系统、对来自所述测定对象物的反射光进行聚光的反射光光学系统、对由所述反射光光学系统进行聚光的来自所述测定对象物的反射光进行检测的 光接收元件、以及对来自所述光接收元件的光接收信号进行处理的信号处理部，所述光接收元件是对来自所述测定对象物的反射光的强度分布进行检测的线传 感器或面传感器，所述信号处理部，在将从所述发光元件射出的光束的光轴设为ζ轴、将与所述ζ轴正交且沿连结所 述发光元件和所述光接收元件的直线方向的直线设为X轴、将从所述Z轴和所述X轴的交 点通过且与所述Z轴及所述X轴正交的直线设为y轴、将包含所述X轴和所述y轴的平面 设为xy坐标平面时，基于来自所述光接收元件的所述光接收信号，根据所述光接收元件上 的光点位置或光点形状的其中至少一项、检测所述xy坐标平面上的所述测定对象物的χ坐 标或y坐标的其中至少一项。根据所述结构，利用照射光学系统将从发光元件射出的光束向测定对象物照射， 并通过反射光光学系统对来自该测定对象物的反射光进行聚光，而在光接收元件上形成光 点，根据该光点的位置或形状的其中至少一项检测xy坐标平面上的测定对象物的χ坐标或 y坐标的其中至少一项，因此，可以不需要复杂的图像信号处理电路，而以简单的处理检测 出测定对象物的位置信息。因此，能够实现没有复杂的图像信号处理电路且能够以简单的 结构容易地检测出手等的人的动作的小型且廉价的光学式检测装置。此外，一实施方式的光学式检测装置，所述信号处理部基于来自所述光接收元件的所述光接收信号，运算出所述光接收元件上的光点形 状的微分波形，根据该微分波形的正和负的峰值强度检测所述测定对象物的χ坐标或y坐 标的其中至少一项。根据所述实施方式，通过信号处理部，基于来自光接收元件的光接收信号，运算出 光接收元件上的光点形状的微分波形，根据该微分波形的正和负的峰值强度检测出测定对 象物的χ坐标或y坐标的其中至少一项，由此，能够以简单的信号处理部检测出测定对象物 的位置信息。
此外，一实施方式的光学式检测装置，所述光接收元件上的光点位置是所述光接收元件上的光点形状的微分波形的零 交叉位置，根据所述微分波形的零交叉位置检测所述测定对象物的χ坐标或y坐标的其中至 少一项。根据所述实施方式，利用信号处理部，根据表示光接收元件上的光点位置的光点 形状的微分波形的零交叉位置，检测出测定对象物的X坐标或y坐标的其中至少一项，由 此，能够以简单的信号处理部检测出测定对象物的位置信息。此外，一实施方式的光学式检测装置，所述光接收元件上的光点位置是所述光接收元件上的光点的重心位置，根据所述光点的重心位置检测所述测定对象物的χ坐标或y坐标的其中至少一项。根据所述实施方式，利用信号处理部，根据表示光接收元件上的光点位置的光点 的重心位置，检测出测定对象物的X坐标或y坐标的其中至少一项，由此，能够以简单的信 号处理部检测出测定对象物的位置信息。此外，一实施方式的光学式检测装置，所述光接收元件是多个像素在行方向和列方向排列成网格状的面传感器，所述面传感器的排列有多个像素的行方向与所述χ轴平行，所述面传感器的排列 有多个像素的列方向，平行于所述y轴，所述信号处理部，对于与所述χ轴平行的每一行，运算出该行的像素上的光点形状的微分波形，并 进行根据该微分波形的正和负的峰值强度检测所述测定对象物的X坐标的微分波形运算、 或者根据该行的像素上的光点的重心位置检测所述测定对象物的X坐标的重心位置运算 的其中至少一项，并且，对于与所述y轴平行的每一列，运算该列的像素上的光点形状的微分波形，并进 行根据该微分波形的正和负的峰值强度检测所述测定对象物的y坐标的微分波形运算、或 者根据该列的像素上的光点的重心位置检测所述测定对象物的y坐标的重心位置运算的 其中至少一项。根据所述实施方式，通过在面传感器的行方向和列方向进行所述微分波形运算或 所述重心位置运算，能够检测出测定对象的二维坐标(xy坐标)，能够提供可通过简单的信 号处理部检测二维坐标的光学式检测装置。此外，一实施方式的光学式检测装置，所述信号处理部，根据所述光接收元件上的光点位置使用三角测量法检测所述测定对象物的所述ζ 轴方向的ζ坐标。根据所述实施方式，基于三角测量法根据光接收元件上的点位置，利用信号处理 部检测出测定对象物的ζ轴方向的ζ坐标即到测定对象物的距离，因此，能够以简单的信号 处理部检测出测定对象物的三维坐标(xyz坐标)。此外，一实施方式的光学式检测装置，
所述信号处理部，在从所述发光元件射出的发光光束全部照射到所述测定对象物时、或者所述光接 收元件上的光点形状的微分波形的正和负的峰值强度大致相同时，检测所述测定对象物的 所述ζ轴方向的ζ坐标。根据所述实施方式，利用信号处理部，在从发光元件射出的发光光束全部照射到 所述测定对象物时、或者光接收元件上的光点的空间微分波形的正和负的峰值强度大致为 相同强度时，允许检测测定对象物的ζ轴方向的ζ坐标即到测定对象物的距离，因此，能够 防止三角测量法带来的测距的误检测。 此外，一实施方式的光学式检测装置，所述信号处理部基于所述xy坐标平面上的所述测定对象物的X坐标或y坐标的 其中至少一项的规定时间前后的差，检测所述测定对象的移动方向或移动速度的其中至少一项。根据所述实施方式，利用信号处理部，基于xy坐标平面上的测定对象物的χ坐标 或y坐标的其中至少一项的规定时间前后的差，检测出测定对象的移动方向或移动速度的 其中至少一项，由此，可通过简单的信号处理部检测出测定对象物的移动信息。此外，本发明的电子设备，其特征在于，具备光学式检测装置，其对于测定对象物射出光，并基于来自所述测定对象物的反射 光，检测所述测定对象物的位置信息；控制装置，其基于由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的位置信息， 控制电子设备主体的工作状态。根据所述结构，由于能够利用光学式检测装置识别人的手等测定对象物的位置， 因此，可相对于该手的动作控制电子设备主体的运转状态。由此，可以非接触方式操作电子 设备。此外，本发明的电子设备，其特征在于，具备光学式检测装置，其使用面传感器或线传感器对从发光元件射出的光束向测定对 象物照射而形成的光点像进行检测，根据该光点像检测出所述测定对象物的位置信息，并 且，利用所述位置信息的规定时间前后的差，计算出所述测定对象物的移动信息；控制装置，其利用通过所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的移动信 息，控制电子设备主体的工作状态。根据所述结构，利用光学式检测装置，根据从发光元件射出的光束向测定对象物 照射而形成的光点像，检测出测定对象物的位置信息，并且，利用该位置信息的规定时间前 后的差，计算出测定对象物的移动信息。而且，根据由光学式检测装置得到的测定对象物的 移动信息，利用控制装置控制电子设备主体的工作状态。由此，能够用光学式检测装置检测 出手的动作等，不与电子设备接触而以非接触方式调节电子设备的工作状态，因此，即使在 手弄脏的情况下，也能够控制电子设备。此外，本发明的电子设备，其特征在于，具备光学式检测装置，其对于测定对象物射出光，并基于来自所述测定对象物的反射 光检测所述测定对象物的位置信息或移动信息的其中至少一项；控制装置，其基于由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的位置信息或移动信息的其中至少一项，控制电子设备主体的工作状态，所述控制装置，基于由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的位置信息或移动信息的 其中至少一项，在判断为所述测定对象物的预先确定的状态持续了一定时间时，允许控制 所述电子设备主体的工作状态，在允许控制所述电子设备主体的工作状态时，基于由所述光学式检测装置检测出 的所述测定对象物的位置信息或移动信息的其中至少一项，控制所述电子设备主体的工作 状态。根据所述结构，基于由光学式检测装置检测出的测定对象物的位置信息或移动信 息的其中至少一项，控制装置在判断为测定对象物的预先确定的状态持续了一定时间时， 被允许控制电子设备主体的工作状态。然后，当允许控制所述电子设备主体的工作状态时， 基于由光学式检测装置检测出的所述测定对象物的位置信息或移动信息的其中至少一项， 控制装置来控制电子设备主体的工作状态。由此，由于在判断为测定对象物的预先设定的 状态持续了一定时间时，允许控制电子设备主体的工作状态的功能，因此，即使测定对象物 无意识地进入光学式检测装置的检测区域，也不会改变电子设备的工作状态，因此，能够防 止误动作。此外，本发明的电子设备，其特征在于，具备光学式检测装置，其对于测定对象物射出光，并基于来自所述测定对象物的反射 光，检测所述测定对象物的位置信息或移动信息的其中至少一项；控制装置，其基于由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的位置信息或 移动信息的其中至少一项，控制电子设备主体的工作状态，所述控制装置，基于由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的位置信息或移动信息的 其中至少一项，在进行关于所述电子设备主体的工作状态的设定后，基于由所述光学式检 测装置检测出的所述测定对象物的位置信息或移动信息的其中至少一项，在判断为所述测 定对象物的预先确定的状态持续了一定时间时，对所述设定的电子设备主体的工作状态执 行控制。根据所述结构，基于通过光学式检测装置检测出的测定对象物的位置信息或移动 信息的其中至少一项，利用控制装置，在进行关于电子设备主体的工作状态的设定后，基于 通过光学式检测装置检测出的测定对象物的位置信息或移动信息的其中至少一项，在判断 为测定对象物的预先确定的状态持续了一定时间时，对所述设定的电子设备主体的工作状 态执行控制。由此，即使测定对象物无意识地进入光学式检测装置的检测区域，也不会改变 电子设备的工作状态，因此，能够防止误动作。此外，在操作者重做动作时或进行连续动作 时，不需要对每个动作将设备的控制模式进行激活，因此，能够使随意使用性变得良好。此外，本发明的电子设备，其特征在于，具备光学式检测装置，其对于测定对象物射出光，并基于来自所述测定对象物的反射 光，检测所述测定对象物的位置信息；控制装置，其基于由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的位置信息， 控制电子设备主体的工作状态，
所述光学式检测装置，在将射出光轴或光接收轴设为ζ轴、将与所述ζ轴正交且沿包含所述射出光轴和 所述光接收轴的平面的直线设为X轴、将从所述ζ轴和所述X轴的交点通过且与所述ζ轴 及所述X轴正交的直线设为1轴、将包含所述X轴和所述1轴的平面设为xy坐标平面时， 将所述Xy坐标平面上的所述测定对象物的X坐标和y坐标及所述Z轴方向的Z坐标作为 所述位置信息检测出；所述控制装置，基于由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的χ坐标和y坐标，在判断 为所述测定对象物沿所述xy坐标平面移动时，按顺序移动并选择关于用于控制所述电子 设备主体的多个工作状态的菜单，并且，基于由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的ζ坐标，在判断为到所述 测定对象物的距离以预先确定的条件进行变化时，对从所述菜单选择的工作状态执行控 制。根据所述结构，通过使测定对象物沿xy坐标平面移动，基于由光学式检测装置检 测出的测定对象物的X坐标和y坐标，利用控制装置，按顺序移动关于用于控制电子设备主 体的多个工作状态的菜单，并选择所期望的功能，基于通过光学式检测装置检测出的测定 对象物的ζ坐标，在判断为到测定对象物的距离以预先确定的条件进行了变化时，对从所 述菜单选择的工作状态执行控制。由此，可以非接触方式有效地选择并执行所期望的功能。如上所述可以看出，根据本发明的光学式检测装置，能够实现没有复杂的图像信 号处理电路且能够以简单的结构容易地检测手等的人的动作的小型且廉价的光学式检测
直ο此外，根据本发明的电子设备，通过装配所述光学式检测装置，能够实现以非接触 方式操作的电子设备。从以下的详细的说明和附图能够更充分地理解本发明。附图仅用于说明，并不限 制本发明。


图1是表示本发明第一实施方式的光学式检测装置结构的剖面图。图2是表示上述光学式检测装置的概略结构的示意图。图3(a) (g)是说明由上述光学式检测装置检测出的光点状态的图。图4A 图41是说明上述光学式检测装置的各信息处理方法的图。图5A是表示以任意的速度使上述光学式检测装置的任意的测定对象物在光位置 检测装置的前方横扫时的光点分布的时间依赖性的图。图5B是表示图5A所示的光点分布的微分分布(空间微分波形)的图。图6是表示图5B的正的峰值与负的峰值的差和比的时间依赖性的图。图7是利用了上述光学式检测装置的点位置的位置信息特性图。图8A是说明上述光学式检测装置的错误检测的原理的图。图8B及图8C是表示光点分布和微分分布的图。图8D是表示利用上述光学式检测装置前方的手的动作来控制设备的情况的图。
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图9是用于说明上述光学式检测装置所要求的条件的图。图10是说明本发明第二实施方式光学式检测装置的二维坐标检测的图。图11是表示上述光学式检测装置的二维坐标检测的一例的图。图12是表示上述光学式检测装置的二维坐标检测的光点的例子的图。图13是说明利用上述光学式检测装置的行(列)累计的信号累计的图。图14是表示本发明第三实施方式光学式检测装置的概略结构的示意图。图15是说明上述光学式检测装置的ζ坐标检测时的条件的图。图16A是表示作为装配有本发明第四实施方式的光学式检测装置的电子设备的 一例的电视接收机的图。图16B是表示作为装配有本发明第四实施方式的光学式检测装置的电子设备的 一例的空调机的图。图17是说明作为本发明第五实施方式的电子设备一例的整体厨房的图。图18是说明上述电子设备的其它使用状态的图。图19A是说明本发明第六实施方式的电子设备的使用状态的图。图19B是说明上述电子设备的使用状态的图。图19C是说明上述电子设备的使用状态的图。标记说明1...基板2...发光元件3...光接收元件4...透光性树脂部4a...发光透镜部5...透光性树脂部5a...光接收透镜部6...遮光性树脂部7...信号处理部8...驱动器10...光学式检测装置11...照射区域12...发光光束20...测定对象物100···电视接收机101、201、303、401、501...控制装置200···空调机300...整体厨房400...移动电话机500...微波炉H…手
具体实施例方式本发明的目的在于提供一种虽不能以非接触方式进行设备的多种控制但进行比 较简单的控制的控制装置，提供一种不需要图像识别等复杂的图像信号处理电路而能够以 简单的结构控制电子设备的廉价且小型的光学式检测装置。以下，通过图示的实施方式对本发明的光学式检测装置及具备该光学式检测装置 的电子设备进行更详细的说明。[第一实施方式]图1是表示本发明第一实施方式的光学式检测装置结构的剖面图。如图1所示， 该第一实施方式的光学式检测装置10具备在基板1上隔开规定间隔装配的发光元件2及 光接收元件3、以覆盖上述发光元件2的方式由透光性树脂模制的透光性树脂部4、以覆盖 上述光接收元件3的方式由透光性树脂模制的透光性树脂部5。在上述透光性树脂部4形 成有作为从发光元件2射出发光光束的照射光学系统一例的发光透镜部4a。此外，上述透 光性树脂部5形成作为反射光入射的反射光光学系统一例的光接收透镜部5a。此外，上述 光学式检测装置10具备以覆盖除了发光透镜部4a和光接收透镜部5a以外的透光性树脂 部4、5外侧的方式由遮光性树脂模制的遮光性树脂部6。此外，图2是表示上述光学式检测装置10的概略结构的示意图。该光学式检测装 置10中，发光元件2使用LED (Light Emitting Diode 发光二极管)，光接收元件3使用图 像传感器。从信号处理部7向驱动器8输入发光信号，发光元件2即LED以规定的脉冲条 件发光。从发光元件2射出的光由发光透镜部4a限束，并向测定对象物20照射。而且，测 定对象物20反射的光通过光接收透镜部5a进行聚光，在光接收元件3即图像传感器上形 成光点。光接收元件3检测光点的强度分布，并将表示光点的强度分布的光接收信号从光 接收元件3向信号处理部7输入。此外，图1或图2表示本发明的光学式检测装置的概略结构，例如图1中，不需要 必须在透光性树脂部形成发光透镜部或光接收透镜部，例如也可以通过透镜支架等将发光 透镜部或光接收透镜部安装于基板，只要是能够实现图2所示的概略结构的结构即可。同 样，图2中，作为光接收元件3，使用了能够检测二维分布的图像传感器(面传感器)，但也 可以使用像素仅在一维方向上排列的线传感器。下面，对表示向信号处理部7输入的光点的强度分布的光接收信号的处理进行详 细的说明。(第一位置运算方法)图3(a) 图3(g)表示测定对象物H(该实施方式中为人的手)在距发光光束任 意距离的位置上横扫时的各时刻的测定对象物H和光点的状态。图3(a) 图3(g)的上层 表示向光接收元件3 (图像传感器)上照射光点的区域，图3(a) 图3(g)的下层表示光学 式检测装置10的发光光束和测定对象物H的位置关系。图3(a) 图3(g)表示初始状态在时刻t (0)伴随向右侧移动而向时刻t (1)、 t(2)...迁移的情况。图3(a)所示时刻t(0)时，测定对象物H充分远离发光光束，因此，不 存在反射光，光点没有照射到光接收元件3 (图像传感器)上。此外，如3(b)所示的时刻t(l)，测定对象物H的端部被发光光束照射，因此，在光 接收元件3 (图像传感器)仅检测出发光光束的一部分(图中左端部)的光点像。
接着，图3(c)所示的时刻t O)，照射测定对象物H的面积比增加，光接收元件 3(图像传感器)上检测到偏向图中左侧的光点像，图3(d)所示的时刻t (3)，全部发光光束 照射到测定对象物H时，光接收元件3 (图像传感器)上检测到包含全部发光光束的正圆状 的光点像。之后，与测定对象物H进入发光光束中的情况相反，伴随时刻变化，成为偏向图 中右侧的光点像，不久，在图3 (g)所示的时刻t (6)，测定对象物H充分远离发光光束时，光 接收元件3 (图像传感器)上没有检测到光点像。这样，由于根据测定对象物H的位置不同，光接收元件3(图像传感器)上检测出 的光点形状不同，因此，例如在信号处理部7，可以利用阈值等级以上的点形状检测出测定 对象物H的位置。即，能够检测出相对于发光元件2的射出光的光轴为直角的平面上的发 光元件2和光接收元件3的排列方向的位置坐标，例如，能够检测出将发光元件2的射出光 的光轴设为ζ轴、将与该ζ轴正交且连结发光元件2和光接收元件3的直线设为χ轴时的 χ坐标。(第二位置运算方法)图4A 图41是说明图3(b) 图3(d)的时刻t (1)、t O)、t (3)的第二位置运算 方法的图。图4々 图4(表示时刻{(1)、^2)3(3)的光点图像，图4D 4F所示的曲线图 表示以时刻{(1)、“2)^(；3)的任意的y值切出的χ轴方向的强度分布。在此，将发光元件 2的射出光的光轴设为ζ轴，将与该ζ轴正交且连结发光元件2和光接收元件3的直线设为 χ轴(图4A 图4C中为水平方向)，将通过ζ轴和χ轴的交点且分别与ζ轴和χ轴正交的 直线设为y轴(图4A 图4C的垂直方向)。此外，图4G 图41所示的曲线图表示以χ对 图4D 图4F所示的光点分布进行微分的微分分布(空间微分波形)。图像传感器即光接收元件3的输出为离散数据，因此，对微分波形进行运算的处 理只要对相邻像素的输出强度彼此的差进行运算即可，能够通过简单的信号处理得到微分 波形。该微分波形在时刻t (3)，如图4C所示，在反射全部光束时为正圆状的点，因此，如图 4F所示，光点分布左右对称，其结果，微分波形如图41所示，在正的波形和负的波形为相同 形状。而且，随着时刻tO)及t(l)的光点缺损，从而缺损侧的光点形状如图4E、4D所 示，变得陡峭，其结果，如图4H、4G所示，微分波形中，正的波形和负的波形的形状产生差 别。如图4G 41所示，将微分分布的正的峰值设为a，将负的峰值设为b，根据运算的微分 分布检测出a和b，例如通过对(a/b)或差和比((a_b)/(a+b))进行运算，由此，可检测出测 定对象物H的位置。图5A是表示以任意的速度使任意的测定对象物H在光位置检测装置的前方横扫 时的光点分布的时间依赖性的图；图5B是该微分分布(空间微分波形)。图5A、图5B中， 横轴表示光接收元件上的坐标(任意刻度)，纵轴表示输出强度(任意刻度)。此外，图6是表示图5B的正的峰值和负的峰值的差和比的时间依赖性的图。图6 中，横轴表示时间“msec”，纵轴表示正负峰值的差和值比。如图6所示，可以看出，差和比值为正时，测定对象物H位于发光元件2的发光光 轴(ζ轴)的一侧，差和比值为负时，位于另一侧。在t = Omsec和t = 800msec附近，光接 收强度小，因此，为了防止误检测，分别强制地设为0. 2及-0. 2。此外，光接收信号强度足够 大时，设定阈值，如果图6的约100msec以下和约600msec以上的运算结果将不稳定的区域强制地固定在一定值(例如上所示0. 2或-0.幻，则可通过差和比的值检测相对于发光光轴 (ζ轴)的位置。如上所述，根据第二位置运算方法，信号处理部7中，通过仅对光点数据进行简单 的运算，可检测出测定对象物H的位置。(第三位置运算方法)使用图4A 图41说明第三位置运算方法。如图4D 图4F的光点分布，由于测 定对象物H的位置的不同，分布在χ坐标上的中心位置不同(图4D 图4F中，时刻t(l)、 t(2)、t(3)的中心位置为8(1)、80)、8(3))。信号处理部7中，通过利用重心运算检测该 中心位置，能够检测出测定对象物H的位置。图7表示图5A的光点分布的重心坐标的变化情况。图7中，横轴表示时间[msec]， 纵轴表示重心坐标[任意刻度]。如图7所示，全部发光光束照射到测定对象物H的400msec附近，以重心坐标750 为界线，分别划分大小。与第二位置运算方法相同，在信号处理部7中，只要通过阈值设定 等将光接收信号强度充分小时的不稳定状态排除，则可通过重心坐标，仅利用简单的运算 就可检测出测定对象物H相对于发光光轴(ζ轴)的位置(χ坐标)。(第四位置运算方法)使用图4A 图41对第四位置运算方法进行说明。与第三位置运算方法相同，如图 4D 图4F的光点分布，由于测定对象物H的位置不同，分布的中心不同，因此，通过检测出 光点分布的峰值位置，能够检测出测定对象物H的位置。具体而言，如图4G 图41所示， 能够通过检测出正和负反转的χ坐标(零交叉点dl、d2、d3)，来检测微分波形。省略使用 图5的说明。(第五位置运算方法)适当使用多个利用上述第一 第四位置运算方法求出的位置，并利用其平均化处 理或组合，可更可靠地检测出测定对象物H的位置。此外，在上述第一 第四位置运算方法中，在测定对象物H的反射率相对于χ轴方 向不同的情况下，例如，如图8A所示，测定对象物H的反射区域21、22间存在反射率低的中 心部分23的情况下，发光元件2的发光光束的照射区域11横跨反射区域21、22和中心部分 23时，在光接收元件3上，如图8B所示，为中心凹陷的光点分布。图8B及图8C中，横轴表 示χ坐标(任意刻度)，纵轴分别表示光接收强度(任意刻度)及微分强度(任意刻度)。对于这样的光点分布，使用上述第一 第四位置运算方法时，如图8B及图8C所 示，可以看出，重心位置的检测方法包含误差、及根据对该光点分布进行空间微分的微分分 布来看，其正负峰值检测方法或零交叉(S π * π 7 )检测方法中包含误差。为了避免这 样的误检测，在信号处理部7中，利用光点分布的微分波形(图8C)将存在多个峰值或零交 叉值时设为出错，由此，能够避免装配有本发明的光学式检测装置的电子设备的误动作。如 图8D所示，假设利用光学式检测装置的前方的手的动作控制装置时，操作者的手指稍微打 开的情况等与此相当。发光元件2的发光光束的发散角度小时，位置分解能增大，但检测区域减小。此 外，测定对象物H高速移动的情况下不能检测。如图9所示，以光轴为中心将设定从发光元件2射出的发光光束的发散角度为2 θ
14时，为了在测定对象物H横扫发光光束期间至少进行一次测定，当设测定对象物H的ζ轴方 向的最小检测区域距离为Lmin，并将测定对象物H的最大移动速度设为Vmax，将检测出测 定对象物H的位置时的测定周期设为T时，T和θ之间需要满足如下条件。
剛 r<—2^
max如上所述，该第一实施方式中，对使用图像传感器(面传感器)作为光接收元件3 的光学式检测装置进行了说明，只要光点的强度分布能够以一维进行测定，则能够利用第 一实施方式检测出测定对象物H的χ轴方向或y轴方向的位置，因此，也可对光接收元件3 使用线传感器。根据上述第一实施方式的光学式检测装置，能够实现没有复杂的图像信号处理电 路且能够以简单的结构容易地检测出手等的人的动作的小型且廉价的光学式检测装置。此外，上述信号处理部7基于来自光接收元件3的光接收信号，对光接收元件3上 的光点形状的微分波形进行运算，根据该微分波形的正和负的峰值强度检测出测定对象物 20的χ坐标或y坐标的其中至少一项，由此，能够以简单的信号处理部7检测出测定对象物 20的位置信息。此外，上述信号处理部7通过根据表示光接收元件3上的光点位置的光点形状的 微分波形的零交叉位置检测出测定对象物20的χ坐标或y坐标的其中至少一项，能够以简 单的信号处理部7检测出测定对象物20的位置信息。此外，上述信号处理部7通过根据表示光接收元件3上的光点位置的光点的重心 位置检测出测定对象物20的χ坐标或y坐标的其中至少一项，能够以简单的信号处理部7 检测出测定对象物20的位置信息。[第二实施方式]图10是说明本发明第二实施方式的光学式检测装置的示意图。该第二实施方式 的光学式检测装置10具有与第一实施方式的光学式检测装置10相同的结构，对相同构成 部分标注相同参照标记。如图10所示，将光学式检测装置10的发光透镜部如和光接收透镜部fe排列的 方向设为X轴，将发光光束12射出的方向设为Z轴，将相对于包含X轴和Z轴的平面垂直 且通过χ轴和ζ轴的交点的直线设为y轴。如图10所示，设测定对象物H(该实施方式中 为人的手)沿任意的ζ坐标的平面在χ方向、y方向二维移动。此外，图11表示测定对象物H仅被照射发光光束12的约1/4的情况。这时，如图 12所示，光接收元件3 (图像传感器)上，相对于发光光束整体向测定对象物H照射时的正 圆(虚线)，在一部分的区域上产生光点像S。在该第二实施方式中，不同点在于，在相对于 χ轴方向检测出测定对象物H的位置的第一实施方式的基础上，通过也在y轴方向上进行同 样的位置运算处理，能够检测出测定对象物H的二维位置(χ坐标、y坐标)。详细而言，如图12所示，以任意的y坐标切出光点分布，相对于χ轴方向进行上述 第一实施方式的第一 第五位置运算方法的任一种，检测出测定对象物H的χ方向的位置 (χ坐标)。此外，以任意的χ坐标切出光点分布，相对于y轴方向进行上述第一实施方式的 第一 第五位置运算方法的任一种，检测出测定对象物H的y方向的位置(y坐标)，从而检 测出测定对象物H的位置(χ坐标、y坐标)。
15
上述第二实施方式的光学式检测装置具有与第一实施方式的光学式检测装置相 同的效果。此外，如图13所示，信号处理部7中，通过对由各行(Row_l、Row_2、. . .、Row_n)、 各列(Line_l、Line_2、. · ·、Line_n)切出的分布进行加法运算，得到η行的和Σ Row_n和m 行的和Σ Line_m。通过基于该η行的和Σ Row_n和m行的和Σ Line_m检测出测定对象物 H的二维位置(χ坐标、y坐标)，由于运算所能够利用的信号强度增大，因此，可以高精度地 检测出测定对象物H的位置。上述光接收元件3使用多个像素在行方向和列方向排列成网格状的面传感器，在 该面传感器的行方向和列方向，通过进行上述第一实施方式的第一 第五位置运算方法的 任一个，可检测出测定对象物20的二维坐标(x、y坐标)，能够提供可由简单的信号处理部 7检测出二维坐标的光学式检测装置。[第三实施方式方式]图14是表示本发明第三实施方式的光学式检测装置的概略结构的示意图。该第 三实施方式的光学式检测装置除了信号处理部7(图2所示)的运算功能以外，具有与第一 实施方式或第二实施方式的光学式检测装置相同的结构，对相同的构成部分标注相同的参 照标记。该第三实施方式的光学式检测装置的信号处理部7具备对从光接收元件3上的光 点位置到测定对象物20的距离进行运算的功能，在这一点上，与第一实施方式或第二实施 方式的光学式检测装置不同。如图14所示，点0是发光透镜部如的中心，点A是测定对象物20和发光轴相交 的点，点B是光接收透镜部fe的中心，点C是光接收面和与光轴平行的线交叉的点，点D是 光接收元件3上的反射光点位置。基线长度OB由光学系统确定，线段BC是光接收透镜部 fe的焦点距离。通过检测出光接收元件3上的光点位置，并求出线段⑶，则由于Δ0ΑΒ和 ACBD为相似形，因此，可通过下式求出到测定对象物20的距离OA。
权利要求
1.一种光学式检测装置，其特征在于，具备 发光元件、将从所述发光元件射出的光束照射到测定对象物的照射光学系统、 对来自所述测定对象物的反射光进行聚光的反射光光学系统、 对由所述反射光光学系统进行聚光的来自所述测定对象物的反射光进行检测的光接 收元件、以及对来自所述光接收元件的光接收信号进行处理的信号处理部， 所述光接收元件是对来自所述测定对象物的反射光的强度分布进行检测的线传感器 或面传感器，所述信号处理部，在将从所述发光元件射出的光束的光轴设为ζ轴、将与所述ζ轴正交且沿连结所述发 光元件和所述光接收元件的直线方向的直线设为X轴、将从所述Z轴和所述X轴的交点通 过且与所述Z轴及所述X轴正交的直线设为y轴、将包含所述X轴和所述y轴的平面设为 xy坐标平面时，基于来自所述光接收元件的所述光接收信号，根据所述光接收元件上的光 点位置或光点形状的其中至少一项、检测所述xy坐标平面上的所述测定对象物的χ坐标或 y坐标的其中至少一项。
2.如权利要求1所述的光学式检测装置，其特征在于， 所述信号处理部，基于来自所述光接收元件的所述光接收信号，运算出所述光接收元件上的光点形状的 微分波形，根据该微分波形的正和负的峰值强度、检测所述测定对象物的χ坐标或y坐标的 其中至少一项。
3.如权利要求2所述的光学式检测装置，其特征在于，所述光接收元件上的光点位置是所述光接收元件上的光点形状的微分波形的零交叉 位置，根据所述微分波形的零交叉位置检测所述测定对象物的χ坐标或y坐标的其中至少一项。
4.如权利要求1 3中任一项所述的光学式检测装置，其特征在于， 所述光接收元件上的光点位置是所述光接收元件上的光点的重心位置，根据所述光点的重心位置检测所述测定对象物的χ坐标或y坐标的其中至少一项。
5.如权利要求1所述的光学式检测装置，其特征在于， 所述光接收元件是多个像素在行方向和列方向排列成网格状的面传感器， 所述面传感器的排列有多个像素的行方向与所述χ轴平行，所述面传感器的排列有多 个像素的列方向与所述y轴平行， 所述信号处理部，对于与所述χ轴平行的每一行，运算出该行的像素上的光点形状的微分波形，并进行 根据该微分波形的正和负的峰值强度检测所述测定对象物的χ坐标的微分波形运算、或者 根据该行的像素上的光点的重心位置检测所述测定对象物的χ坐标的重心位置运算的其 中至少一项，并且，对于与所述y轴平行的每一列，运算出该列的像素上的光点形状的微分波形，并进行根据该微分波形的正和负的峰值强度检测所述测定对象物的y坐标的微分波形运算、或者 根据该列的像素上的光点的重心位置检测所述测定对象物的y坐标的重心位置运算的其 中至少一项。
6.如权利要求1 3中任一项所述的光学式检测装置，其特征在于， 所述信号处理部，根据所述光接收元件上的光点位置、使用三角测量法检测所述测定对象物的所述ζ轴 方向的Z坐标。
7.如权利要求6所述的光学式检测装置，其特征在于， 所述信号处理部，在从所述发光元件射出的发光光束全部照射到所述测定对象物时、或者在所述光接收 元件上的光点形状的微分波形的正和负的峰值强度为大致相同时，检测所述测定对象物的 所述Z轴方向的Z坐标。
8.如权利要求1 3中任一项所述的光学式检测装置，其特征在于， 所述信号处理部，根据所述xy坐标平面上的所述测定对象物的χ坐标或y坐标的其中至少一项的规定 时间前后的差，检测所述测定对象物的移动方向或移动速度的其中至少一项。
9.一种电子设备，其特征在于，具备光学式检测装置，其对于测定对象物射出光，并根据来自所述测定对象物的反射光检 测所述测定对象物的位置信息或移动信息的其中至少一项；控制装置，其根据由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的位置信息或移动 信息的其中至少一项，控制电子设备主体的工作状态。
10.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于， 所述控制装置，基于由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的位置信息或移动信息的其中 至少一项，在判断为所述测定对象物的预先确定的状态已持续一定时间时，允许控制所述 电子设备主体的工作状态，当允许控制所述电子设备主体的工作状态时，根据由所述光学式检测装置检测出的 所述测定对象物的位置信息或移动信息的其中至少一项，控制所述电子设备主体的工作状 态。
11.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于， 所述控制装置，基于由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的位置信息或移动信息的其中 至少一项，在进行所述电子设备主体的工作状态的设定后，基于由所述光学式检测装置检 测出的所述测定对象物的位置信息或移动信息的其中至少一项，在判断为所述测定对象物 的预先确定的状态已持续一定时间时，对所述设定的电子设备主体的工作状态执行控制。
12.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于， 所述光学式检测装置，在将射出光轴或光接收轴设为ζ轴、将与所述ζ轴正交且沿包含所述射出光轴和所述 光接收轴的平面的直线设为χ轴、将从所述ζ轴与所述χ轴的交点通过且与所述ζ轴及所述χ轴正交的直线设为ι轴、将包含所述χ轴和所述ι轴的平面设为xy坐标平面时，将所 述xy坐标平面上的所述测定对象物的χ坐标和y坐标及所述ζ轴方向的ζ坐标作为所述 位置信息检测出；并且， 所述控制装置，基于由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的χ坐标和y坐标，在判断为所 述测定对象物沿所述xy坐标平面移动时，按顺序移动并选择关于用于控制所述电子设备 主体的多个工作状态的菜单，并且，基于由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的ζ坐标，在判断为至所述测定 对象物的距离以预先确定的条件进行变化时，对从所述菜单选择的工作状态执行控制。
13. 一种电子设备，其特征在于，具备光学式检测装置，其使用面传感器或线传感器检测从发光元件射出的光束照射到测定 对象物而形成的光点像，根据该光点像检测出所述测定对象物的位置信息，并且，利用所述 位置信息的规定时间前后的差计算出所述测定对象物的移动信息；控制装置，其利用由所述光学式检测装置检测出的所述测定对象物的移动信息来控制 电子设备主体的工作状态。
全文摘要
本发明涉及光学式检测装置及电子设备。一种光学式检测装置，具备面传感器即发光元件(2)、将从发光元件(2)射出的光束照射到测定对象物(20)的发光透镜部(4a)、对来自测定对象物(20)的反射光进行聚光的光接收透镜部(5a)、对由光接收透镜部(5a)聚光的来自测定对象物(20)的反射光进行检测的光接收元件(3)、以及对来自光接收元件(3)的光接收信号进行处理的信号处理部(7)。上述信号处理部(7)基于来自光接收元件(3)的光接收信号，根据光接收元件(3)上的光点位置或光点形状的其中至少一项检测出xy坐标平面上的测定对象物(20)的x坐标或y坐标的其中至少一项。
文档编号G06F3/01GK102096464SQ201010267419
公开日2011年6月15日 申请日期2010年8月27日 优先权日2009年12月10日
发明者久保胜, 和田秀夫, 山口阳史 申请人:夏普株式会社