雷射光學影像式感測器

三自由度影像光學量測裝置中，光學影像感測器採用Agilent公司 生產ADNB-6012套件[15, 16]。如圖1.1所示：套件包含有雷射二極體，

雷射光學聚焦鏡，雷射光學影像感測器與相關組合小套件。光學影像 感測器的內部構造為一組發光器（雷射二極體）和影像處理器（Image Sensor）。底部有一個發光的斜向透鏡和一個深陷成像透鏡。前一個 透鏡的作用是將透鏡背後的雷射二極體的光予以聚焦，在目標物表面 上形成強烈的照射光。光線接觸參考面後產生反射光，反射的光線透 過聚焦透鏡，將滑鼠下方的移動表面聚焦成像於CMOS光轉電感應器，

靠著每秒數千次的掃描擷取影像，和數位訊號處裡器的快速分析處理 這些表面影像，即時計算出感測器座標系中，x和y軸增量位移量。

過去商用滑鼠位移感測原理，大多採用是LED光學照明技術。利 用物體表面粗糙度產生的陰影來辨識，因此在瓷磚、金屬、大理石、

漆面木桌等光滑表面操作時會相當不順暢。雷射是一種同調光源，雷 射光因照射表面的不平整產生散射與漫射所產生的干涉波紋，經由 CMOS影像感測器來判讀。當表面相當光滑時，細微的凹凸都會被雷 射分辨出來，所呈現的影像更為精細，其追蹤能力可遠 2000 cpi，遠 遠高出傳統LED光學滑鼠。

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測器固定基 座

雷射光學 聚焦鏡

雷射光學 影像感測器 PCB 電路板 雷射光學

影像感測器

雷射二極體 PCB 電路板

雷射二極體 雷射二極體

固定器

圖1.1 光學影像感測器組合圖[資料來源: ADNS6010資料 手冊][16]

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含有影像擷取系統，一組數位訊號處理器和4線式SPI序列阜。光學影 像感測器影中像擷取系統，解析度可達2000 DPI（Dots Per Inch）。它 類似小型數位攝影機，作用是將透鏡所成的像轉變為電壓信號。這些 信號經由運算速度極快數位訊號處理器進行處理，將先後拍攝的兩幅 圖像差別來確定距離和方向。如圖1.3所示，當兩幅圖像中的模式的 距離的誤差可能會多達半個圖點(Pixel)，當第二幅圖像與第一幅圖像 進行比較時，可能多了半個圖點，但當第二幅圖像與第三幅圖像進行 比較時，就會少了半個圖點，累加結果會互相抵消而趨於精確。

Agilent的 ADNS6010，影像擷取速度非常快，可以達到最高每秒 7080 幀，可以支援最高每秒 45 英寸的移動速度，支援 20g 的加速度，

非常靈敏的對物體移動做出快速即時回應。

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圖1.2 ADNS-6010光學影像感測器架構方塊圖[資料來 源: ADNS6010資料手冊] [16]

RESET

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圖 1.3 比對相鄰圖像 [資料來源: ADNS6010 資料手冊][15]

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第二章 數學模型  

2.1 三自由度影像光學量測數學模型

如圖2.1所示，為三自由度影像光學量測裝置簡單示意圖。三自由 度影像光學量測裝置主要由兩個獨立雷射光學影像式運動感測器所 組成。其位置在固定世界座標系(World Coordinate)中，分別以 與 表示。感測器相距距離假設為L，連線中心點為 。θ為感測器連線 與世界座標系中x-軸夾角；  與 分別為感測器#1與#2，內部感測 器座標系統與中心連線之間夾角。

當取樣時間為t 時，中心點 的位置於世界固定座標系中，可

以表示成 x y ，其中x 與y 分別為x軸方向

與y軸方向之分量，符號上標^(i-1)代表取樣時間為第(i-1)次。從圖2.1 示意圖中，我們可將右側感測器#1位置 ，在取樣時間為t 時，

其在世界固定座標系中位置座標與中心點 的位置關係可以表示如 下:

L cosθ

sinθ

x ^Lcosθ

y ^Lsinθ (2.1)