專利名稱：三維光學感測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學感測系統(tǒng)，尤其涉及一種三維光學感測系統(tǒng)及采用該三維 光學感測系統(tǒng)的游戲機。
背景技術：
現(xiàn)有的三維感測系統(tǒng)多采用三個線性光感測器，該系統(tǒng)利用一個簡單的數(shù)學觀 念三個線性獨立的平面交集為一點。利用這個觀念，將該三個線性光感測器設置于適 當位置，一發(fā)光點置于空間某一位置，發(fā)光點和該發(fā)光點在每個線性光感測器所形成的 像點配合透鏡光軸可產生三個線性獨立平面，計算三個線性獨立平面相交的點的坐標， 即可得到空間中發(fā)光點的坐標位置。
然而，上述的三維感測系統(tǒng)需要三個光感測器，致使系統(tǒng)結構較復雜，且成本較高。發(fā)明內容
有鑒于此，有必要提供一種結構簡單且成本較低的三維光學感測系統(tǒng)及利用該 三維光學感測系統(tǒng)的游戲機。
一種三維光學感測系統(tǒng)，其包括一個紅外光感測裝置，一個球形光輸出元件及 一個處理芯片。該紅外光感測裝置用于感測紅外光線，且其為一個二維感測裝置。該球 形光輸出元件用于輸出一紅外光至該紅外光感測裝置，并在該紅外光感測裝置內形成一 個與該球形光輸出元件的輪廓相對應的感測區(qū)域。該處理芯片存儲有該圓形感測區(qū)域的 尺寸和球形光輸出元件與紅外光感測裝置的距離的對應關系的信息，該處理芯片與該紅 外光感測裝置電連接，該處理芯片用于接收包括有與該球形光輸出元件相對應的圓形感 測區(qū)域的感測信號，計算該圓形感測區(qū)域的位置及尺寸，并根據(jù)該圓形感測區(qū)域的位置 及尺寸分析計算該球形光輸出元件與該紅外光感測裝置的相對位置關系。
一種游戲機，其包括一上述的三維光學感測系統(tǒng)、與該三維光學感測系統(tǒng)的電 連接的游戲機主機及與該游戲機主機電連接的顯示屏幕。該三維光學感測系統(tǒng)用于完成 該游戲機主機發(fā)出的操作控制指令。
所述的三維光學感測系統(tǒng)中的光感測裝置僅包括一個二維光感測裝置，與現(xiàn)有 技術的三個線性光感測器相比，其結構簡單，且成本較低。
所述的游戲機由于利用了上述的三維光學感測系統(tǒng)，因此具有結構簡單，且成 本較低的優(yōu)點。
圖1是本發(fā)明第一實施例三維光學感測系統(tǒng)的立體示意圖。
圖2為利用圖1中的三維光學感測系統(tǒng)進行光學感測的原理示意圖。
圖3是本發(fā)明第二實施例三維光學感測系統(tǒng)的立體示意圖。
圖4是本發(fā)明第三實施例的游戲機的示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
請參閱圖1，本發(fā)明第一實施提供一種三維光學感測系統(tǒng)100，其包括一個光感 測裝置12，一個紅外發(fā)光元件14、一個待感測元件16以及一個處理芯片18。
該光感測裝置12具有進光口 122，外界光線從該進光口 122進入該光感測裝置 12內。該光感測裝置12為一紅外光感測裝置，用于對進入其內的紅外光進行感測。本 實施例中，該光感測裝置12為二維感測裝置，其內包括一個由二維行列式排列的多個光 感測單元形成的感測芯片(圖未示)。
該紅外發(fā)光元件14與該光感測裝置12相鄰設置，且該紅外發(fā)光元件14的出光 方向與該光感測裝置12的進光口 122位于同一側。該紅外發(fā)光元件14可以為紅外發(fā)光二極管。
該待感測元件16用于將紅外發(fā)光元件14發(fā)出的光反射至該光感測裝置12。該 待感測元件16包括一個球形反射體162及一個與該反射體162連接固定的握持部164。 該球形反射體162的球形外表面為粗糙面，以將光線散射，當紅外發(fā)光元件14發(fā)出的光 照射至球形反射體162表面時，使球形反射體162輪廓線附近也有光線被反射至該光感測 裝置12。如此，可使反射體162反射之光線進入該光感測裝置12后所形成的圖像對應球 形反射體162的圓形輪廓。
該握持部164為柱狀等適于操作者握持的形狀，且優(yōu)選其表面為粗糙表面，以 便于手的握持。該握持部164的材料為吸光材料，以防止其反射來自紅外發(fā)光元件14的 光線至該光感測裝置12，以保證光感測的精確性。優(yōu)選地，該握持部164的徑向最大寬 度遠遠小于該反射體162的直徑，如握持部164的徑向最大寬度可以為反射體162直徑的 三分之一至十分之一。需要說明的是，所述徑向最大寬度表示，以與握持部164徑向方 向平行的任意直線去截該握持部164，被握持部164所截得到的最長線段的長度。
該處理芯片18與該光感測裝置12電連接。定義一個三維坐標系X-Y-Z，其中 X軸方向及Y軸方向分別相互垂直且分別平行于上述光感測裝置12的感測單元排列方向 的行和列，Z軸垂直于X軸及Y軸。當待測元件16位于與光感測裝置12相對的某處 時，待測元件16與光感測裝置12的連線與Z軸具有一夾角，該處理芯片18的作用之一 為根據(jù)球形反射體162在光感測裝置12的感測芯片內成像的位置相對于該感測芯片的中 心的偏移量，計算上述連線在X-Z平面的投影與Z軸的夾角及上述連線在Y-Z平面內的 投影與Z軸的夾角。
另外，處理芯片18內存儲有球形反射體162成像尺寸信息和球形反射體162與 光感測裝置12的距離的對應關系信息，處理芯片18的另一作用為根據(jù)球形反射體162在 該感測芯片內成像的尺寸及上述成像尺寸與距離的對應關系，得到球形反射體162與光 感測裝置12的距離。根據(jù)上述球形反射體162在光感測裝置12的感測芯片內成像的位 置與感測芯片的中心相對偏移量以及球形反射體162與光感測裝置12的距離，可以計算 得出待感測元件16的球形反射體162與光感測裝置12的空間相對位置關系。
請參閱圖1和圖2，利用該三維光學感測系統(tǒng)100進行三維位置感測的過程如下
首先，將球形反射體162置于與光感測裝置12的進光口 122相對的位置， 本實施例中，光感測裝置12的感測芯片的解析度為640X480，即光感測裝置12包括 640X480個光感測單元，每個光感測單元的寬度為2微米(micron，μ m)。如圖2所示， 光感測裝置12的光軸為0，光感測裝置12的視場角度θ為53.13°。
其次，如圖2所示，紅外發(fā)光元件14發(fā)出紅外光，球形反射體162反射該紅外 光線至該光感測裝置12，由該光感測裝置12的感測芯片進行感測。由于球形從各個方向 觀察，其輪廓均為大小相同的圓形，因此，由該球形反射體162反射的紅外光線進入光 感測裝置12后，在該光感測裝置12的感測芯片內形成一與該球形反射體162的輪廓線所 限定的圓形區(qū)域相對應的感測區(qū)域，因為光感測裝置12的進光口 122與感測芯片的距離 為毫米量級，當球形反射體162與光感測裝置12的距離遠遠進光口 122與感測芯片的距 離，如大于1米時，該球形反射體162反射的光線被光感測裝置12的感測芯片所感測所 形成的感測區(qū)域的形狀均可等價于圓形。處理芯片18根據(jù)該圓形感測區(qū)域在該感測芯片 上的位置，該位置即該圓形感測區(qū)域的中心位置相對于該感測芯片的中心的偏移量，計 算得出該圓形感測區(qū)域的中心和球形反射體162中心連線在X-Z平面內的投影L與Z軸 的夾角Θ1，以及該圓形感測區(qū)域的中心和球形反射體162中心連線在Y-Z平面內的投影 與Z軸的夾角(圖未示)。上述夾角可根據(jù)該圓形感測區(qū)域的中心相對于該感測芯片的 中心的偏移量來確定，因為上述夾角與上述偏移量具有一一對應關系。
然后，處理芯片18根據(jù)其內存儲的球形反射體162成像尺寸信息和球形反射體 162與光感測裝置12的距離的對應關系信息，得出球形反射體162與光感測裝置12之間 的距離。本實施例中，以反射體162成像所占光感測單元數(shù)對應于反射體162的尺寸信 息，反射體162成像所占光感測單元數(shù)與該光感測裝置12和反射體162之間的距離的對 應關系具有一定精度。例如當反射體162的直徑為3厘米(centimeter，cm)，反射體 162與光感測裝置12之間的距離為3米(meter，m)時，對應光感測裝置12的光感測單 元數(shù)為8個，距離為2.7m時，對應光感測單元數(shù)為9個，如此，則本實施例中，當球形 反射體162的直徑為3cm時，反射體與光感測裝置12之間的距離約3m處的感測精度約 為0.3米，反射體與光感測裝置12之間的距離越近，球形反射體162的直徑越大，感測精 度越高。
最后，結合上述圓形感測區(qū)域的中心和球形反射體162中心連線分別在X-Z平 面和Y-Z平面的投影與Z軸的夾角，得出該球形反射體162與該光感測裝置12的之間的 相對位置關系。如此，則本實施例的三維光學感測系統(tǒng)100可在一定精度范圍內感測球 形反射體162在三維空間內的運動。
請參閱圖3，本發(fā)明第二實施例提供一種三維光學感測系統(tǒng)200。本實施例的三 維光學感測系統(tǒng)200與第一實施例的三維光學感測系統(tǒng)100相類似，不同之處在于，本實 施例采用一球形發(fā)光元件262取代第一實施例的球形反射體162，省略了第一實施例的紅 外發(fā)光元件14。該球形發(fā)光元件262用于發(fā)出紅外光至光感測裝置12，并在光感測裝置 12的感測芯片上形成與球形發(fā)光元件沈2的輪廓所限定的圓形相對應的圓形感測區(qū)域。 本實施例的三維光學感測系統(tǒng)200進行三維位置感測的原理與第一實施例的感測原理相 類似，這里不再贅述。
請參閱圖4，本發(fā)明第三實施例提供一種游戲機300。該游戲機300包括一個如 第一實施例所述的三維光學感測系統(tǒng)100、一游戲機主機32及一顯示屏幕34。該游戲機 主機32通過數(shù)據(jù)線36與該三維光學感測系統(tǒng)100的處理芯片18電連接。當揮動該三維 光學感測系統(tǒng)100的待感測元件16時，光感測裝置感測到待感測元件16在三維空間內發(fā) 生的位置變化，如設定不同的位置變化與游戲機主機32發(fā)出的各種指令相對應，則可實 現(xiàn)對游戲機300的操作控制。如對顯示屏幕34所顯示的游戲場景中的人物或物體的動作 進行操作控制?？梢岳斫猓撊S光學感測系統(tǒng)100也可以為第二實施例的三維光學感 測系統(tǒng)200所取代。
可以理解，該游戲機主機32也可以與顯示屏幕34制作為一體。另外，另外， 該處理芯片18也可以安裝于游戲機主體32內，并不限于本實施例。
另外，本領域技術人員還可以在本發(fā)明精神內做其它變化，當然，這些依據(jù)本 發(fā)明精神所做的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內。
權利要求
1.一種三維光學感測系統(tǒng)，其包括一個紅外光感測裝置，用于感測紅外光線，該紅外光感測裝置為一個二維感測裝置；一個球形光輸出元件，用于輸出一紅外光至該紅外光感測裝置，并在該紅外光感測 裝置內形成一個與該球形光輸出元件的輪廓相對應的圓形感測區(qū)域；及一個處理芯片，該處理芯片存儲有該圓形感測區(qū)域的尺寸和該球形光輸出元件與紅 外光感測裝置的距離的對應關系的信息，該處理芯片與該紅外光感測裝置電連接，該處 理芯片用于接收包括有與該球形光輸出元件相對應的圓形感測區(qū)域的感測信號，計算該 圓形感測區(qū)域的位置及尺寸，并根據(jù)該圓形感測區(qū)域的位置及尺寸分析計算該球形光輸 出元件與該紅外光感測裝置的相對位置關系。
2.如權利要求1所述的三維光學感測系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括一紅外發(fā)光元 件，該球形光輸出元件為一球形反射體，該球形反射體的外表面為粗糙散射面，該紅外 發(fā)光元件用于發(fā)出紅外光線至該球形反射體的外表面，從而由該球形反射體的外表面反 射輸出紅外光線至該紅外光感測裝置。
3.如權利要求1所述的三維光學感測系統(tǒng)，其特征在于，該球形光輸出元件為一球形 紅外發(fā)光元件，用于發(fā)出光線至該紅外光感測裝置。
4.如權利要求2所述的三維光學感測系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括一桿形握持部， 該桿形握持部的一端與該球形反射體連接固定，該桿形握持部用于手的握持，以便于移 動該球形反射體。
5.如權利要求4所述的三維光學感測系統(tǒng)，其特征在于，該桿形握持部的材料為吸光 材料。
6.如權利要求4所述的三維光學感測系統(tǒng)，其特征在于，該桿形握持部的最大徑向寬 度是球形反射體的直徑的三分之一至十分之一。
7.如權利要求3所述的三維光學感測系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括一桿形握持部， 該桿形握持部的一端與該球形紅外發(fā)光元件連接固定，該桿形握持部用于手的握持，以 便于移動該球形紅外發(fā)光元件。
8.如權利要求7所述的三維光學感測系統(tǒng)，其特征在于，該桿形握持部的最大徑向寬 度是球形紅外發(fā)光元件的直徑的三分之一至十分之一。
9.一種游戲機，其包括一如權利要求1至8任一項所述的三維光學感測系統(tǒng)、與該三 維光學感測系統(tǒng)的電連接的游戲機主機及與該游戲機主機電連接的顯示屏幕，該三維光 學感測系統(tǒng)用于完成該游戲機主機發(fā)出的操作控制指令。
全文摘要
一種三維光學感測系統(tǒng)，其包括一個紅外光感測裝置，一個球形光輸出元件及一個處理芯片。該紅外光感測裝置為一個二維感測裝置。該球形光輸出元件用于輸出一紅外光至該紅外光感測裝置，并在紅外光感測裝置內形成與該球形光輸出元件的輪廓相對應的感測區(qū)域。該處理芯片存儲有該圓形感測區(qū)域的尺寸和球形光輸出元件與紅外光感測裝置的距離的對應關系的信息，該處理芯片與該紅外光感測裝置電連接，該處理芯片用于接收包括有該圓形感測區(qū)域的感測信號，計算該圓形感測區(qū)域的位置及尺寸，并根據(jù)該圓形感測區(qū)域的位置及尺寸分析計算該球形光輸出元件與該紅外光感測裝置的相對位置關系。本發(fā)明還包括一種利用該三維光學感測系統(tǒng)的游戲機。
文檔編號G01B11/00GK102022979SQ20091030739
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月21日 優(yōu)先權日2009年9月21日
發(fā)明者賴正益 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司