专利名称：三维光学感测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学感测系统，尤其涉及一种三维光学感测系统及采用该三维 光学感测系统的游戏机。
背景技术：
现有的三维感测系统多采用三个线性光感测器，该系统利用一个简单的数学观 念三个线性独立的平面交集为一点。利用这个观念，将该三个线性光感测器设置于适 当位置，一发光点置于空间某一位置，发光点和该发光点在每个线性光感测器所形成的 像点配合透镜光轴可产生三个线性独立平面，计算三个线性独立平面相交的点的坐标， 即可得到空间中发光点的坐标位置。
然而，上述的三维感测系统需要三个光感测器，致使系统结构较复杂，且成本较高。发明内容
有鉴于此，有必要提供一种结构简单且成本较低的三维光学感测系统及利用该 三维光学感测系统的游戏机。
一种三维光学感测系统，其包括一个红外光感测装置，一个球形光输出元件及 一个处理芯片。该红外光感测装置用于感测红外光线，且其为一个二维感测装置。该球 形光输出元件用于输出一红外光至该红外光感测装置，并在该红外光感测装置内形成一 个与该球形光输出元件的轮廓相对应的感测区域。该处理芯片存储有该圆形感测区域的 尺寸和球形光输出元件与红外光感测装置的距离的对应关系的信息，该处理芯片与该红 外光感测装置电连接，该处理芯片用于接收包括有与该球形光输出元件相对应的圆形感 测区域的感测信号，计算该圆形感测区域的位置及尺寸，并根据该圆形感测区域的位置 及尺寸分析计算该球形光输出元件与该红外光感测装置的相对位置关系。
一种游戏机，其包括一上述的三维光学感测系统、与该三维光学感测系统的电 连接的游戏机主机及与该游戏机主机电连接的显示屏幕。该三维光学感测系统用于完成 该游戏机主机发出的操作控制指令。
所述的三维光学感测系统中的光感测装置仅包括一个二维光感测装置，与现有 技术的三个线性光感测器相比，其结构简单，且成本较低。
所述的游戏机由于利用了上述的三维光学感测系统，因此具有结构简单，且成 本较低的优点。


图1是本发明第一实施例三维光学感测系统的立体示意图。
图2为利用图1中的三维光学感测系统进行光学感测的原理示意图。
图3是本发明第二实施例三维光学感测系统的立体示意图。
图4是本发明第三实施例的游戏机的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，本发明第一实施提供一种三维光学感测系统100，其包括一个光感 测装置12，一个红外发光元件14、一个待感测元件16以及一个处理芯片18。
该光感测装置12具有进光口 122，外界光线从该进光口 122进入该光感测装置 12内。该光感测装置12为一红外光感测装置，用于对进入其内的红外光进行感测。本 实施例中，该光感测装置12为二维感测装置，其内包括一个由二维行列式排列的多个光 感测单元形成的感测芯片(图未示)。
该红外发光元件14与该光感测装置12相邻设置，且该红外发光元件14的出光 方向与该光感测装置12的进光口 122位于同一侧。该红外发光元件14可以为红外发光二极管。
该待感测元件16用于将红外发光元件14发出的光反射至该光感测装置12。该 待感测元件16包括一个球形反射体162及一个与该反射体162连接固定的握持部164。 该球形反射体162的球形外表面为粗糙面，以将光线散射，当红外发光元件14发出的光 照射至球形反射体162表面时，使球形反射体162轮廓线附近也有光线被反射至该光感测 装置12。如此，可使反射体162反射之光线进入该光感测装置12后所形成的图像对应球 形反射体162的圆形轮廓。
该握持部164为柱状等适于操作者握持的形状，且优选其表面为粗糙表面，以 便于手的握持。该握持部164的材料为吸光材料，以防止其反射来自红外发光元件14的 光线至该光感测装置12，以保证光感测的精确性。优选地，该握持部164的径向最大宽 度远远小于该反射体162的直径，如握持部164的径向最大宽度可以为反射体162直径的 三分之一至十分之一。需要说明的是，所述径向最大宽度表示，以与握持部164径向方 向平行的任意直线去截该握持部164，被握持部164所截得到的最长线段的长度。
该处理芯片18与该光感测装置12电连接。定义一个三维坐标系X-Y-Z，其中 X轴方向及Y轴方向分别相互垂直且分别平行于上述光感测装置12的感测单元排列方向 的行和列，Z轴垂直于X轴及Y轴。当待测元件16位于与光感测装置12相对的某处 时，待测元件16与光感测装置12的连线与Z轴具有一夹角，该处理芯片18的作用之一 为根据球形反射体162在光感测装置12的感测芯片内成像的位置相对于该感测芯片的中 心的偏移量，计算上述连线在X-Z平面的投影与Z轴的夹角及上述连线在Y-Z平面内的 投影与Z轴的夹角。
另外，处理芯片18内存储有球形反射体162成像尺寸信息和球形反射体162与 光感测装置12的距离的对应关系信息，处理芯片18的另一作用为根据球形反射体162在 该感测芯片内成像的尺寸及上述成像尺寸与距离的对应关系，得到球形反射体162与光 感测装置12的距离。根据上述球形反射体162在光感测装置12的感测芯片内成像的位 置与感测芯片的中心相对偏移量以及球形反射体162与光感测装置12的距离，可以计算 得出待感测元件16的球形反射体162与光感测装置12的空间相对位置关系。
请参阅图1和图2，利用该三维光学感测系统100进行三维位置感测的过程如下
首先，将球形反射体162置于与光感测装置12的进光口 122相对的位置， 本实施例中，光感测装置12的感测芯片的解析度为640X480，即光感测装置12包括 640X480个光感测单元，每个光感测单元的宽度为2微米(micron，μ m)。如图2所示， 光感测装置12的光轴为0，光感测装置12的视场角度θ为53.13°。
其次，如图2所示，红外发光元件14发出红外光，球形反射体162反射该红外 光线至该光感测装置12，由该光感测装置12的感测芯片进行感测。由于球形从各个方向 观察，其轮廓均为大小相同的圆形，因此，由该球形反射体162反射的红外光线进入光 感测装置12后，在该光感测装置12的感测芯片内形成一与该球形反射体162的轮廓线所 限定的圆形区域相对应的感测区域，因为光感测装置12的进光口 122与感测芯片的距离 为毫米量级，当球形反射体162与光感测装置12的距离远远进光口 122与感测芯片的距 离，如大于1米时，该球形反射体162反射的光线被光感测装置12的感测芯片所感测所 形成的感测区域的形状均可等价于圆形。处理芯片18根据该圆形感测区域在该感测芯片 上的位置，该位置即该圆形感测区域的中心位置相对于该感测芯片的中心的偏移量，计 算得出该圆形感测区域的中心和球形反射体162中心连线在X-Z平面内的投影L与Z轴 的夹角Θ1，以及该圆形感测区域的中心和球形反射体162中心连线在Y-Z平面内的投影 与Z轴的夹角(图未示)。上述夹角可根据该圆形感测区域的中心相对于该感测芯片的 中心的偏移量来确定，因为上述夹角与上述偏移量具有一一对应关系。
然后，处理芯片18根据其内存储的球形反射体162成像尺寸信息和球形反射体 162与光感测装置12的距离的对应关系信息，得出球形反射体162与光感测装置12之间 的距离。本实施例中，以反射体162成像所占光感测单元数对应于反射体162的尺寸信 息，反射体162成像所占光感测单元数与该光感测装置12和反射体162之间的距离的对 应关系具有一定精度。例如当反射体162的直径为3厘米(centimeter，cm)，反射体 162与光感测装置12之间的距离为3米(meter，m)时，对应光感测装置12的光感测单 元数为8个，距离为2.7m时，对应光感测单元数为9个，如此，则本实施例中，当球形 反射体162的直径为3cm时，反射体与光感测装置12之间的距离约3m处的感测精度约 为0.3米，反射体与光感测装置12之间的距离越近，球形反射体162的直径越大，感测精 度越高。
最后，结合上述圆形感测区域的中心和球形反射体162中心连线分别在X-Z平 面和Y-Z平面的投影与Z轴的夹角，得出该球形反射体162与该光感测装置12的之间的 相对位置关系。如此，则本实施例的三维光学感测系统100可在一定精度范围内感测球 形反射体162在三维空间内的运动。
请参阅图3，本发明第二实施例提供一种三维光学感测系统200。本实施例的三 维光学感测系统200与第一实施例的三维光学感测系统100相类似，不同之处在于，本实 施例采用一球形发光元件262取代第一实施例的球形反射体162，省略了第一实施例的红 外发光元件14。该球形发光元件262用于发出红外光至光感测装置12，并在光感测装置 12的感测芯片上形成与球形发光元件沈2的轮廓所限定的圆形相对应的圆形感测区域。 本实施例的三维光学感测系统200进行三维位置感测的原理与第一实施例的感测原理相 类似，这里不再赘述。
请参阅图4，本发明第三实施例提供一种游戏机300。该游戏机300包括一个如 第一实施例所述的三维光学感测系统100、一游戏机主机32及一显示屏幕34。该游戏机 主机32通过数据线36与该三维光学感测系统100的处理芯片18电连接。当挥动该三维 光学感测系统100的待感测元件16时，光感测装置感测到待感测元件16在三维空间内发 生的位置变化，如设定不同的位置变化与游戏机主机32发出的各种指令相对应，则可实 现对游戏机300的操作控制。如对显示屏幕34所显示的游戏场景中的人物或物体的动作 进行操作控制。可以理解，该三维光学感测系统100也可以为第二实施例的三维光学感 测系统200所取代。
可以理解，该游戏机主机32也可以与显示屏幕34制作为一体。另外，另外， 该处理芯片18也可以安装于游戏机主体32内，并不限于本实施例。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本 发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种三维光学感测系统，其包括一个红外光感测装置，用于感测红外光线，该红外光感测装置为一个二维感测装置；一个球形光输出元件，用于输出一红外光至该红外光感测装置，并在该红外光感测 装置内形成一个与该球形光输出元件的轮廓相对应的圆形感测区域；及一个处理芯片，该处理芯片存储有该圆形感测区域的尺寸和该球形光输出元件与红 外光感测装置的距离的对应关系的信息，该处理芯片与该红外光感测装置电连接，该处 理芯片用于接收包括有与该球形光输出元件相对应的圆形感测区域的感测信号，计算该 圆形感测区域的位置及尺寸，并根据该圆形感测区域的位置及尺寸分析计算该球形光输 出元件与该红外光感测装置的相对位置关系。
2.如权利要求1所述的三维光学感测系统，其特征在于，进一步包括一红外发光元 件，该球形光输出元件为一球形反射体，该球形反射体的外表面为粗糙散射面，该红外 发光元件用于发出红外光线至该球形反射体的外表面，从而由该球形反射体的外表面反 射输出红外光线至该红外光感测装置。
3.如权利要求1所述的三维光学感测系统，其特征在于，该球形光输出元件为一球形 红外发光元件，用于发出光线至该红外光感测装置。
4.如权利要求2所述的三维光学感测系统，其特征在于，进一步包括一杆形握持部， 该杆形握持部的一端与该球形反射体连接固定，该杆形握持部用于手的握持，以便于移 动该球形反射体。
5.如权利要求4所述的三维光学感测系统，其特征在于，该杆形握持部的材料为吸光 材料。
6.如权利要求4所述的三维光学感测系统，其特征在于，该杆形握持部的最大径向宽 度是球形反射体的直径的三分之一至十分之一。
7.如权利要求3所述的三维光学感测系统，其特征在于，进一步包括一杆形握持部， 该杆形握持部的一端与该球形红外发光元件连接固定，该杆形握持部用于手的握持，以 便于移动该球形红外发光元件。
8.如权利要求7所述的三维光学感测系统，其特征在于，该杆形握持部的最大径向宽 度是球形红外发光元件的直径的三分之一至十分之一。
9.一种游戏机，其包括一如权利要求1至8任一项所述的三维光学感测系统、与该三 维光学感测系统的电连接的游戏机主机及与该游戏机主机电连接的显示屏幕，该三维光 学感测系统用于完成该游戏机主机发出的操作控制指令。
全文摘要
一种三维光学感测系统，其包括一个红外光感测装置，一个球形光输出元件及一个处理芯片。该红外光感测装置为一个二维感测装置。该球形光输出元件用于输出一红外光至该红外光感测装置，并在红外光感测装置内形成与该球形光输出元件的轮廓相对应的感测区域。该处理芯片存储有该圆形感测区域的尺寸和球形光输出元件与红外光感测装置的距离的对应关系的信息，该处理芯片与该红外光感测装置电连接，该处理芯片用于接收包括有该圆形感测区域的感测信号，计算该圆形感测区域的位置及尺寸，并根据该圆形感测区域的位置及尺寸分析计算该球形光输出元件与该红外光感测装置的相对位置关系。本发明还包括一种利用该三维光学感测系统的游戏机。
文档编号G01B11/00GK102022979SQ20091030739
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月21日 优先权日2009年9月21日
发明者赖正益 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司