專利名稱：使用遠(yuǎn)心成像的光學(xué)定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光學(xué)定位裝置(OPD)，以及使用這種裝置感測(cè)移動(dòng)的方法。
背景技術(shù)：
指示裝置，例如計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)或跟蹤球，用于將數(shù)據(jù)輸入到個(gè)人計(jì)算機(jī)和工作站中，并與它們對(duì)接。這種裝置允許在監(jiān)控器上光標(biāo)快速重新定位，且在許多文本、數(shù)據(jù)庫和圖形程序中都很有用。用戶通過在一個(gè)表面上移動(dòng)鼠標(biāo)，使光標(biāo)在與鼠標(biāo)的移動(dòng)成比例的方向和距離上移動(dòng)來控制光標(biāo)。備選的是，手在靜止裝置上的移動(dòng)也可用于同樣目的。
計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)有光學(xué)和機(jī)械兩種型式。機(jī)械鼠標(biāo)通常使用旋轉(zhuǎn)球來檢測(cè)移動(dòng)，且一對(duì)軸編碼器與球接觸以產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)用來移動(dòng)光標(biāo)。機(jī)械鼠標(biāo)的一個(gè)問題在于，由于污垢積累等原因在持續(xù)使用后易于不精確和出故障。此外，機(jī)械元件特別是軸編碼器的移動(dòng)和綜合磨損必然限制裝置的有用壽命。
上述機(jī)械鼠標(biāo)問題的一個(gè)解決方案是開發(fā)光學(xué)鼠標(biāo)。光學(xué)鼠標(biāo)已經(jīng)非常普及，因?yàn)樗鼈兏鼮榻?，且可提供更好的指示精確度。
用于光學(xué)鼠標(biāo)的主要常規(guī)技術(shù)依賴于以切線入射而照射表面的發(fā)光二極管(LED)、捕獲綜合圖像的二維CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)檢測(cè)器、以及使連續(xù)圖像相關(guān)聯(lián)以確定鼠標(biāo)已移動(dòng)的方向、距離和速度的軟件。這種技術(shù)通常提供良好的精確度，但卻有光學(xué)效率低和相對(duì)高的圖像處理要求等問題。
另一途徑是使用一維陣列的光傳感器或檢測(cè)器，如光電二極管。表面的連續(xù)圖像由成像光學(xué)器件捕獲，轉(zhuǎn)換到光電二極管上，并作比較以檢測(cè)鼠標(biāo)的移動(dòng)。光電二極管可直接用導(dǎo)線連接成組，便于移動(dòng)檢測(cè)。這降低了光電二極管的要求，并能作快速模擬處理。這種鼠標(biāo)的一個(gè)實(shí)例在授予Dandliker等人的美國專利No.5,907,152中公開。
在Dandliker等人的專利中公開的鼠標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的不同之處還在于它使用相干光源，例如激光器。來自相干源的光從粗糙表面散射開來產(chǎn)生光的隨機(jī)強(qiáng)度分布，稱為斑點(diǎn)(speckle)。使用基于斑點(diǎn)的圖案有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括高效的基于激光器的光產(chǎn)生以及即使在正常入射照射下的高對(duì)比度圖像。這就允許有更高效的系統(tǒng)，并節(jié)省電流消耗，這在無線應(yīng)用中很有利，可以延長(zhǎng)電池壽命。
雖然在基于LED的常規(guī)光學(xué)鼠標(biāo)上有了重大改進(jìn)，但這些基于斑點(diǎn)的裝置仍因許多原因并不能完全令人滿意。具體地說，使用激光器斑點(diǎn)的鼠標(biāo)并未展示出當(dāng)今技術(shù)水平的鼠標(biāo)通常所需求的精確度，通常需要有小于0.5％或左右的路徑誤差。
本公開內(nèi)容討論并提供了對(duì)現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)鼠標(biāo)和其它類似光學(xué)指示裝置的某些問題的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
一個(gè)實(shí)施例涉及一種光學(xué)位移傳感器，用于通過確定連續(xù)幀中光學(xué)特性的位移來感測(cè)數(shù)據(jù)輸入裝置在表面上的移動(dòng)。該傳感器至少包括照射器、遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件以及光敏元件陣列。照射器配置成照射部分表面。遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件配置成對(duì)從表面照射部分發(fā)出的光學(xué)特性進(jìn)行成像，且光敏元件陣列配置成檢測(cè)有關(guān)遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件所成像的光學(xué)特性的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。
另一實(shí)施例涉及一種感測(cè)數(shù)據(jù)輸入裝置在表面上移動(dòng)的方法。照射部分表面，并使用遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件將表面照射部分的圖像聚焦到光敏元件陣列。在連續(xù)幀中確定從表面照射部分發(fā)出的光學(xué)特性的位移，以感測(cè)在至少一個(gè)維度上數(shù)據(jù)輸入裝置在表面上的移動(dòng)。
另一實(shí)施例涉及一種光學(xué)定位裝置，它至少包括配置成照射部分表面的激光器、光敏元件陣列、遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件以及信號(hào)處理器。遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件配置成將表面照射部分和有限孔徑成像光學(xué)器件一起產(chǎn)生的斑點(diǎn)圖案映射到光敏元件陣列，且信號(hào)處理器配置成確定連續(xù)幀中斑點(diǎn)圖案的位移。
還公開了其它實(shí)施例。


本公開內(nèi)容的這些和各種其它特性和優(yōu)點(diǎn)從以下詳細(xì)說明和附圖中就可更充分理解，但這些說明和附圖不應(yīng)被認(rèn)為是將所附權(quán)利要求限制在所示的具體實(shí)施例上，而僅是為了作解釋和理解，附圖包括圖1A和1B分別示出從光滑表面反射的光的衍射圖案和從粗糙表面反射的光的干涉圖案中的斑點(diǎn)；圖2示出按照本發(fā)明實(shí)施例的基于斑點(diǎn)的OPD的功能方框圖；圖3示出按照本發(fā)明實(shí)施例的具有交錯(cuò)光敏元件組的陣列框圖；圖4示出示例非遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)的光線圖；圖5A示出按照本發(fā)明實(shí)施例的主光線垂直于表面的示例遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)的光線圖；圖5B示出按照本發(fā)明實(shí)施例的主光線與表面成非法線角的示例遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)的光線圖；圖6示出非遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中孔徑位于透鏡位置上；圖7示出按照本發(fā)明實(shí)施例在物體側(cè)為遠(yuǎn)心的成像系統(tǒng)的光學(xué)圖，其主光線垂直于表面；圖8示出在圖像側(cè)為遠(yuǎn)心的成像系統(tǒng)的光學(xué)圖；圖9示出按照本發(fā)明實(shí)施例的在物體側(cè)和圖像側(cè)均為遠(yuǎn)心的成像系統(tǒng)的光學(xué)圖；以及圖10示出按照本發(fā)明實(shí)施例的包含用于傳感器的照射光學(xué)器件和成像光學(xué)器件的系統(tǒng)的光線圖。
具體實(shí)施例方式
斑點(diǎn)“沸騰”問題現(xiàn)有基于斑點(diǎn)的OPD的一個(gè)問題涉及斑點(diǎn)圖案的改變，或斑點(diǎn)“沸騰”。一般來說，當(dāng)表面移動(dòng)時(shí)，來自表面的斑點(diǎn)圖案隨之移動(dòng)，且方向相同，速度相同。但在許多光學(xué)系統(tǒng)中，從表面發(fā)出的相前中會(huì)有附加的改變。例如，如果在系統(tǒng)相對(duì)表面移動(dòng)時(shí)參與在檢測(cè)器上斑點(diǎn)圖案形成的光線組有改變，則所檢測(cè)的斑點(diǎn)圖案就不是簡(jiǎn)單的移位而是以有點(diǎn)隨機(jī)的方式改變(或“沸騰”)。這就使(從移位)檢測(cè)表面移動(dòng)所使用的信號(hào)惡化，導(dǎo)致系統(tǒng)的精確度和敏感度下降。
如下詳述，本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種OPD，其斑點(diǎn)沸騰可忽略不計(jì)或被減少了。
本文公開的OPD實(shí)施例本公開內(nèi)容一般涉及用于光學(xué)定位裝置(OPD)的傳感器，以及基于從表面反射的光的隨機(jī)強(qiáng)度分布圖案，稱為斑點(diǎn)的位移來感測(cè)傳感器和表面之間相對(duì)移動(dòng)的方法。OPD包括但不限于用于向個(gè)人計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)的光學(xué)鼠標(biāo)或跟蹤球。
在說明書中提到“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”是指，結(jié)合該實(shí)施例說明的一個(gè)具體特性、結(jié)構(gòu)或特征被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。在說明書中各個(gè)地方出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”不一定全部指同一實(shí)施例。
一般來說，用于OPD的傳感器包括照射器，它具有光源和照射光學(xué)器件以照射部分表面；檢測(cè)器，它具有多個(gè)光敏元件和成像光學(xué)器件；以及信號(hào)處理或混合信號(hào)電子電路，用于組合來自各個(gè)光敏元件的信號(hào)，以產(chǎn)生檢測(cè)器的輸出信號(hào)。
在一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)器和混合信號(hào)電子電路是使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和設(shè)備制造的。優(yōu)選的是，本發(fā)明的傳感器和方法提供了一種光學(xué)高效檢測(cè)體系結(jié)構(gòu)，即使用產(chǎn)生均勻相前(phase-front)的結(jié)構(gòu)照射和遠(yuǎn)心斑點(diǎn)成像，以及使用模擬和數(shù)字電子電路組合的簡(jiǎn)化信號(hào)處理配置。這種體系結(jié)構(gòu)減少了專用于傳感器中的信號(hào)處理和位移估算的電力量。已發(fā)現(xiàn)，使用斑點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)并按照本發(fā)明適當(dāng)配置的傳感器可以符合或超過通常對(duì)OPD所期望的所有性能標(biāo)準(zhǔn)，包括最大位移速度、精確度和％路徑誤差率。
基于斑點(diǎn)的位移傳感器介紹本節(jié)討論申請(qǐng)人所理解和相信的基于斑點(diǎn)的位移傳感器的工作原理。雖然這些工作原理對(duì)于理解很有用，但本發(fā)明的實(shí)施例不應(yīng)不必要地受這些原理的限制。
參閱圖1A，所示波長(zhǎng)的激光器光被示為射到表面上的第一入射波102和第二入射波104，每個(gè)都與表面法線形成入射角θ。產(chǎn)生衍射圖案106，它具有的周期性為λ/2sinθ。
形成對(duì)比的是，參閱圖1B，任何具有尺寸大于光波長(zhǎng)(即大約＞1μm)的形態(tài)不規(guī)則的一般表面傾向于使光114以近似Lambertian形式散射到全部范圍。如果使用相干光源如激光器，則在由具有有限孔徑的平方律檢測(cè)器檢測(cè)時(shí)，空間相干的散射光會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的干涉圖案116。亮區(qū)和暗區(qū)的這種復(fù)雜干涉圖案116稱為斑點(diǎn)。斑點(diǎn)圖案116的準(zhǔn)確性質(zhì)和對(duì)比度取決于表面粗糙度、光的波長(zhǎng)及其空間相干程度、以及聚光或成像光學(xué)器件。雖然常常是高度復(fù)雜，但斑點(diǎn)圖案116的明顯特征是有一段任何粗糙表面被光學(xué)器件成像，于是當(dāng)表面上的位置相對(duì)激光器和光學(xué)器件-檢測(cè)器組件橫向移位時(shí)就可用來對(duì)其加以識(shí)別。
期望斑點(diǎn)會(huì)有所有尺寸，高達(dá)由光學(xué)器件的有效孔徑所設(shè)定的空間頻率，常規(guī)上以其數(shù)值孔徑NA＝sinθ定義，如圖1B所示。根據(jù)Goodman[J.W.Goodman，″Statistical Properties of Laser SpecklePatterns″in″Laser Speckle and Related Phenomena″e(cuò)dited by J.C.Dainty，Topics in Applied Physics volume 9，Springer-Verlag(1984)-具體見39-40頁]，尺寸統(tǒng)計(jì)分布以斑點(diǎn)強(qiáng)度自動(dòng)相干性表示?！捌骄卑唿c(diǎn)直徑可定義為a=λsinθ=λNA]]>(公式1)有趣的是要指出，斑點(diǎn)強(qiáng)度的空間頻譜密度，根據(jù)Wiener-Khintchine法則，就是強(qiáng)度自動(dòng)相干性的傅立葉變換。最細(xì)小的可能斑點(diǎn)αmin＝λ/2NA1，由以下不太可能的情況設(shè)定，即主要作用來自于圖1B的最外射線118(即在±θ的射線)，且來自最“內(nèi)”射線的作用有破壞性干擾。所以截止空間頻率為fco＝1/(λ/2NA)或2NA/λ。
請(qǐng)注意，數(shù)值孔徑對(duì)于沿一個(gè)維度(例如“x”)和沿其正交維度(“y”)的圖像中的空間頻率可以不同。這可能是由于在一個(gè)維度上的光學(xué)孔徑比另一維度上的要長(zhǎng)(例如橢圓而不是圓)、或由于變形透鏡而引起。在這些情況下，斑點(diǎn)圖案116也會(huì)是各向異性的，且平均斑點(diǎn)尺寸在兩個(gè)維度上會(huì)不同。
基于斑點(diǎn)的激光器位移傳感器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它能用以近法線入射角到達(dá)的照射光來工作。采用成像光學(xué)器件和以切線入射角到達(dá)粗糙表面的不相干光的傳感器也可用于橫向位移傳感。但是，由于照射的切線入射角用于產(chǎn)生圖像中表面地形的適當(dāng)大的亮-暗陰影，這種系統(tǒng)本身在光學(xué)上效率就低，因?yàn)楹艽笠徊糠止庖早R面形式反射到檢測(cè)器之外，因此對(duì)所形成的圖像不起作用。相反，基于斑點(diǎn)的位移傳感器可以有效利用來自激光源的較大部分的照射光，從而允許開發(fā)光學(xué)高效的位移傳感器。
基于斑點(diǎn)的位移傳感器的所公開設(shè)計(jì)以下的詳細(xì)說明描述了用于一個(gè)這種基于斑點(diǎn)的激光器位移傳感器的體系結(jié)構(gòu)，它使用CMOS光電二極管，并有模擬信號(hào)組合電路、適量的數(shù)字信號(hào)處理電路、以及低功率光源，例如850nm垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。雖然在以下的詳細(xì)說明中討論了某些實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，不同的光源、檢測(cè)器或光敏元件、和/或用于組合信號(hào)的不同電路也可使用。
現(xiàn)參閱圖2和3對(duì)按照本發(fā)明實(shí)施例的基于斑點(diǎn)的鼠標(biāo)加以說明。
圖2示出按照本發(fā)明實(shí)施例的基于斑點(diǎn)的系統(tǒng)200的功能圖。系統(tǒng)200包括激光源202、照射光學(xué)器件204、成像光學(xué)器件208、至少兩組多個(gè)CMOS光電二極管陣列210、前端電子電路212、信號(hào)處理電路214、以及接口電路216。光電二極管陣列210可以配置成提供沿兩個(gè)正交軸x和y的位移測(cè)量?？梢允褂们岸穗娮与娐?12中的無源電子組件將每個(gè)陣列中的多組光電二極管加以組合，以產(chǎn)生組群信號(hào)。組群信號(hào)隨后可由信號(hào)處理電路214進(jìn)行代數(shù)組合，以產(chǎn)生(x，y)信號(hào)，提供在x和y方向上OPD位移的幅度和方向的信息。(x，y)信號(hào)可由接口電路218轉(zhuǎn)換成x、y數(shù)據(jù)220，其可由OPD輸出。使用這種檢測(cè)技術(shù)的傳感器可以具有線性光電二極管的交錯(cuò)組陣列，稱為“差分梳形陣列”。
圖3示出這種光電二極管陣列302的一般配置(沿一個(gè)軸)，其中表面304由相干光源，例如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)306和照射光學(xué)器件308照射，且其中陣列302中交錯(cuò)組的組合用作對(duì)斑點(diǎn)圖像所產(chǎn)生的亮-暗信號(hào)空間頻率的周期性濾光器。
由粗糙表面304產(chǎn)生的斑點(diǎn)被映射到具有成像光學(xué)器件310的檢測(cè)器平面。優(yōu)選的是，成像光學(xué)器件310是遠(yuǎn)心的，以求有最佳性能。
在一個(gè)實(shí)施例中，在兩個(gè)獨(dú)立正交陣列中執(zhí)行梳形陣列檢測(cè)，以獲得在x和y上的位移估算。一個(gè)小型的這種陣列302示于圖3。
檢測(cè)器中的每個(gè)陣列包括N個(gè)光電二極管組，每組有M個(gè)光電二極管(PD)，排列起來形成MN線性陣列。在圖3所示的實(shí)施例中，每組包括四個(gè)光電二極管(4 PD)，稱為1、2、3、4。將每組中的PD1電連接(線和)形成一組，PD2、PD3和PD4也一樣，得到從陣列出來的四條信號(hào)線。它們對(duì)應(yīng)的電流或信號(hào)是I1、I2、I3和I4。這些信號(hào)(I1、I2、I3和I4)可稱為組群信號(hào)。通過使用差分模擬電路312產(chǎn)生同相差分電流信號(hào)314(I13)＝I1-I3，以及使用差分模擬電路316產(chǎn)生正交差分電流信號(hào)318(I24)＝I2-I4，可實(shí)現(xiàn)背景抑制(以及信號(hào)加重)。這些同相和正交信號(hào)可稱為線信號(hào)。比較I13和I24的相位就可檢測(cè)移動(dòng)的方向。
優(yōu)選的是，為抑制相位誤差的引入，因它可直接轉(zhuǎn)換為位移誤差，本發(fā)明的傳感器使用多個(gè)梳形陣列。此外，雖然本文說明的實(shí)施例對(duì)各陣列使用“4N”方案，但該系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理(適當(dāng)改動(dòng)后)適用于其它陣列配置或方案，如3N、5N、6N、7N、8N等等。術(shù)語“4N”是指將每個(gè)第四檢測(cè)器連線在一起、且所得到的四個(gè)光電流信號(hào)彼此相減的檢測(cè)器陣列，如在Dandliker等人的專利(美國專利No.5,907,152)中所述的。但是，用組合信號(hào)的適當(dāng)方案，也可能有許多其它分組。
遠(yuǎn)心成像以減少斑點(diǎn)沸騰問題斑點(diǎn)圖案，如圖1所示的實(shí)例，可用作位移測(cè)量的基礎(chǔ)，其中表面相對(duì)測(cè)量裝置如斑點(diǎn)鼠標(biāo)進(jìn)行位移。該位移可以從檢測(cè)器上斑點(diǎn)圖案的位移導(dǎo)出(考慮到有效光學(xué)放大系數(shù)之后)。所以，成功測(cè)量的一個(gè)因素是，斑點(diǎn)圖案對(duì)于小位移(即與檢測(cè)器視場(chǎng)(FOV)相比是小的)進(jìn)行幾乎純平移，圖案本身只有相對(duì)很小的改變。在這種情況下，相干性或其他信號(hào)處理算法可用來確定物理位移。
斑點(diǎn)圖案的改變至少有兩個(gè)來源。改變的第一個(gè)來源是由于當(dāng)檢測(cè)器系統(tǒng)相對(duì)表面移位時(shí)，部分表面離開檢測(cè)器FOV，而新的一部分表面進(jìn)入檢測(cè)器FOV。斑點(diǎn)圖案改變的這種來源是不可避免的，但通過在比檢測(cè)器在其FOV上移動(dòng)所用的時(shí)間快得多的時(shí)間內(nèi)估算位移就可使這種效果最小化。
斑點(diǎn)圖案改變的第二個(gè)來源是由于當(dāng)表面移位時(shí)，相對(duì)粗糙表面上各點(diǎn)的視角改變了。如在本專利申請(qǐng)中所述，申請(qǐng)人注意到如果成像光學(xué)器件在物體側(cè)(散射表面)為非遠(yuǎn)心，這個(gè)第二個(gè)改變來源就會(huì)發(fā)生，也就是說光線的傾斜程度取決于視場(chǎng)點(diǎn)-例如見圖4。
圖4示出幾個(gè)(五個(gè))說明性的起作用光線的傾斜程度，這些光線在物體側(cè)為非遠(yuǎn)心的成像系統(tǒng)的透鏡404下面從表面402上幾個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)發(fā)射出去。考慮所示光線穿過非遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)的系統(tǒng)孔徑(未示出)，還考慮每組起作用光線的中間光線是主光線，即它穿過系統(tǒng)孔徑的中心。由圖4可見，在每個(gè)圖像點(diǎn)主光線相對(duì)表面的角度取決于該點(diǎn)在視場(chǎng)中的位置。換句話說，在每個(gè)圖像點(diǎn)起作用光線的傾斜程度與視場(chǎng)點(diǎn)有關(guān)。
當(dāng)物體側(cè)非遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)的檢測(cè)器移位時(shí)，來自既定視場(chǎng)點(diǎn)的對(duì)圖像起作用的那組光線就有改變。在不希望有的極端情況下，當(dāng)傾斜改變大于或等于透鏡數(shù)值孔徑的兩倍時(shí)，就會(huì)發(fā)生完全不相關(guān)的斑點(diǎn)。為了維持相對(duì)來說平移不變的斑點(diǎn)圖案，傾斜改變應(yīng)小于透鏡數(shù)值孔徑(NA)。
物體側(cè)為遠(yuǎn)心的成像系統(tǒng)示于圖5A和5B。在物體側(cè)遠(yuǎn)心成像中，在每個(gè)圖像點(diǎn)起作用光線的傾斜程度基本上與視場(chǎng)點(diǎn)無關(guān)，且對(duì)于和成像系統(tǒng)FOV相比為小的位移，斑點(diǎn)圖案基本上是平移不變的。換句話說，來自每個(gè)圖像點(diǎn)的主光線是平行的。
圖5A的第一實(shí)例示出用于物體側(cè)遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)的透鏡502，該系統(tǒng)配置成使主光線垂直于表面402。
圖5B的第二實(shí)例示出物體側(cè)遠(yuǎn)心成像系統(tǒng)的透鏡504，該系統(tǒng)配置成使主光線與表面402成非法線角。該實(shí)施例允許同一透鏡504用于照射和成像功能。在這種配置中，除了成像功能外，透鏡還可用于從不同角度在視場(chǎng)上引導(dǎo)照射光線506。
主光線是通過系統(tǒng)孔徑中心的光線。在本公開內(nèi)容中使用時(shí)，如果來自物體(或表面)的所有或基本上大多數(shù)的主光線是平行的或幾乎平行的，則成像系統(tǒng)在物體側(cè)是遠(yuǎn)心的。同樣，如果射向圖像(或檢測(cè)器)的所有或基本上大多數(shù)的主光線是平行的或幾乎平行的，則成像系統(tǒng)在圖像側(cè)是遠(yuǎn)心的。
在物體側(cè)遠(yuǎn)心系統(tǒng)中，軸向移動(dòng)物體(沿z軸移動(dòng)以使物體表面更靠近或更遠(yuǎn)離成像系統(tǒng))在圖像的放大倍數(shù)上應(yīng)不產(chǎn)生改變或很少改變。這是因?yàn)橹鞴饩€是平行的，如上所述。軸向移動(dòng)物體可能使圖像散焦，但當(dāng)基于斑點(diǎn)圖案的移動(dòng)跟蹤移動(dòng)時(shí)，這種散焦不應(yīng)成為問題。
按照本發(fā)明的實(shí)施例，如果光學(xué)位置感測(cè)系統(tǒng)在物體側(cè)是遠(yuǎn)心的，且如果其照射光束在打到表面之前具有基本上平面的相前，則該系統(tǒng)就可適配成具有顯著減少的斑點(diǎn)沸騰。相反，沒有物體側(cè)遠(yuǎn)心光學(xué)器件和/或沒有照射光束的均勻相前，就會(huì)發(fā)生顯著的斑點(diǎn)沸騰。非均勻相前例如可以是發(fā)散的。
在物體側(cè)是遠(yuǎn)心的、且在打到表面之前具有基本上平面的相前(即具有基本上均勻相前)的成像系統(tǒng)在平移期間就會(huì)導(dǎo)致減少的斑點(diǎn)沸騰。另一方面，不是在物體側(cè)而是在成像側(cè)為遠(yuǎn)心的成像系統(tǒng)在平移期間不會(huì)減少斑點(diǎn)沸騰。
圖6和7示出通過選擇成像系統(tǒng)中的孔徑位置可確定遠(yuǎn)心情況。
圖6示出的成像系統(tǒng)配置成使系統(tǒng)孔徑604位于緊接透鏡602之后。這是一個(gè)非遠(yuǎn)心系統(tǒng)，因?yàn)橹鞴饩€(較粗的光線)以一個(gè)角度通過透鏡602，該角度對(duì)于表面402上的每個(gè)圖像點(diǎn)都不同。
圖7示出在透鏡702物體側(cè)為遠(yuǎn)心的成像系統(tǒng)。在圖7的配置中，系統(tǒng)孔徑704位于后焦面，且在物體表面402上所有或基本上所有主光線都是平行的(在此情況下是垂直的)。后焦面位于距透鏡702的距離等于透鏡焦距f的光學(xué)距離處。在介質(zhì)為空氣或真空的情況下，光學(xué)距離等于透鏡702和后焦面之間的實(shí)際距離，如圖7所示，但如果使用折射指數(shù)不是1的材料，則透鏡702和系統(tǒng)孔徑704之間的實(shí)際距離需作相應(yīng)調(diào)節(jié)。
圖7所示的物體側(cè)遠(yuǎn)心系統(tǒng)具有位于后焦面的孔徑。故而，來自物體側(cè)的準(zhǔn)直光束應(yīng)被孔徑有效聚焦并傳送。換句話說，基本上大多數(shù)準(zhǔn)直光束應(yīng)穿過物體側(cè)遠(yuǎn)心系統(tǒng)的后焦面孔徑，但對(duì)于非遠(yuǎn)心系統(tǒng)就不一定如此。
雖然圖7示出的物體側(cè)遠(yuǎn)心系統(tǒng)實(shí)施例配置成使主光線垂直于表面402，但備選實(shí)施例也可配置成例如使主光線與表面402成非法線角，如以上結(jié)合圖5B所述。
圖7示出在物體側(cè)為遠(yuǎn)心的成像系統(tǒng)，而圖8示出在圖像側(cè)為遠(yuǎn)心的成像系統(tǒng)。在圖8中，孔徑804位于透鏡802的前焦面。圖8的系統(tǒng)在平移期間不減少斑點(diǎn)沸騰。
在物體側(cè)和圖像側(cè)都是遠(yuǎn)心的系統(tǒng)示于圖9。圖中f1和f2分別是左側(cè)(物體側(cè))透鏡902和右側(cè)透鏡904的焦距。前透鏡902的焦距是f1，而后透鏡904的焦距是f2。在此配置中，孔徑906位于前透鏡902的后焦點(diǎn)處，它與后透鏡904的前焦點(diǎn)重合。對(duì)這些焦距可進(jìn)行選擇，以使放大倍數(shù)＝f2/f1符合所需，并滿足對(duì)總長(zhǎng)度f1+f2的任何尺寸限制。
按照本發(fā)明的實(shí)施例，為了維持平移的斑點(diǎn)圖像沒有改變或極少改變，在物體(表面)平移時(shí)，檢測(cè)器上的一個(gè)圖像點(diǎn)可以由同一束光線形成。換句話說，在發(fā)生表面平移時(shí)，起作用光線的傾斜程度應(yīng)不變或幾乎不變。如果光學(xué)系統(tǒng)在物體側(cè)是遠(yuǎn)心的，例如如圖7或9所示，這種不變就存在。由于孔徑和透鏡隨檢測(cè)器一起移動(dòng)，圖像側(cè)的遠(yuǎn)心情況可能具有一些優(yōu)勢(shì)，但并不需要。
在上述討論中，系統(tǒng)孔徑的平面位于圖像的數(shù)值孔徑被定義處。該孔徑可以包括故意引入的具有透明部分的不透明結(jié)構(gòu)，例如如圖7和9所示。備選的是，孔徑可包括系統(tǒng)中的透鏡，或可包括用于定義這種孔徑的其他構(gòu)件。
光學(xué)器件布局如上所述，遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件(例如，如圖7或9所示)可用來產(chǎn)生平移時(shí)基本上沒有改變的強(qiáng)壯斑點(diǎn)信號(hào)。這種成像光學(xué)器件可與照射光學(xué)器件組合，以形成一完整系統(tǒng)。
照射光學(xué)器件1002和成像光學(xué)器件1004的這種組合的一個(gè)實(shí)施例示于圖10。在此實(shí)施例中，照射光學(xué)器件1002配置成使照射1006以相對(duì)表面402的法向矢量為非零入射角θ進(jìn)入。
本發(fā)明的特定實(shí)施例和實(shí)例的上述說明是為了圖示和說明的目的而提出，且雖然已通過某些前述實(shí)例對(duì)本發(fā)明作了說明，但不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明受其限制。說明和圖示并不旨在窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限于所公開的精確形式，根據(jù)上述內(nèi)容可以有許多在本發(fā)明的范圍內(nèi)的改動(dòng)、改進(jìn)和變化。本發(fā)明的范圍應(yīng)包括本文所公開的，以及由本文所附權(quán)利要求書及它們的等效物所包括的一般領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)位移傳感器，用于通過確定連續(xù)幀中光學(xué)特性的位移來感測(cè)數(shù)據(jù)輸入裝置在表面上的移動(dòng)，所述傳感器包括照射器，配置成照射部分所述表面；物體側(cè)遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件，配置成對(duì)從所述表面的所照射部分發(fā)出的所述光學(xué)特性成像；以及光敏元件陣列，配置成檢測(cè)有關(guān)所述物體側(cè)遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件所成像的所述光學(xué)特性的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移傳感器，其中所述物體側(cè)遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件所成像的所述光學(xué)特性在所述表面相對(duì)所述數(shù)據(jù)輸入裝置平移期間基本上不變。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)位移傳感器，其中所述照射器包括相干光源，且其中所述光學(xué)特性包括斑點(diǎn)圖案。
4.如權(quán)利要求3所述的光學(xué)位移傳感器，其中所述相干光源包括垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，且其中所述光敏元件包括發(fā)光二極管。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移傳感器，其中所述物體側(cè)遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件配置成，當(dāng)主光線離開所述表面時(shí)，來自視場(chǎng)中所述表面上各點(diǎn)的所述主光線基本上平行。
6.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)位移傳感器，其中當(dāng)所述主光線離開所述表面時(shí)，所述主光線垂直于所述表面。
7.如權(quán)利要求5所述的光學(xué)位移傳感器，其中所述主光線以不垂直于所述表面的角度離開所述表面。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移傳感器，其中所述物體側(cè)遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件包括孔徑；以及第一透鏡，位于所述孔徑和所述表面的所照射部分之間。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)位移傳感器，其中第一透鏡具有的焦距基本上等于第一透鏡和所述孔徑之間的光學(xué)距離。
10.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)位移傳感器，還包括圖像側(cè)遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件，所述圖像側(cè)遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件包括第二透鏡，位于所述孔徑和所述光敏元件之間，其中第二透鏡具有的焦距基本上等于第二透鏡和所述孔徑之間的光學(xué)距離。
11.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)位移傳感器，其中所述孔徑包括定義所述光敏元件所檢測(cè)的光的數(shù)值孔徑的光學(xué)元件。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)位移傳感器，其中所述孔徑還包括具有基本上透明部分和基本上不透明部分的光學(xué)元件。
13.如權(quán)利要求12所述的光學(xué)位移傳感器，其中所述孔徑具有形狀為圓形的基本上透明部分。
14.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)位移傳感器，其中所述光學(xué)特性包括斑點(diǎn)、從所述表面反射的光所產(chǎn)生的復(fù)雜干涉圖案，且其中所述光學(xué)位移傳感器包括基于斑點(diǎn)的位移傳感器，所述基于斑點(diǎn)的位移傳感器根據(jù)所述斑點(diǎn)圖案的位移來感測(cè)所述數(shù)據(jù)輸入裝置在所述表面上的移動(dòng)。
15.一種感測(cè)數(shù)據(jù)輸入裝置在表面上移動(dòng)的方法，所述方法包括照射部分所述表面；使用在物體側(cè)的遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件將所述表面的所照射部分的圖像映射到光敏元件陣列；以及確定在連續(xù)幀中從所述表面的所照射部分發(fā)出的光學(xué)特性的位移，以感測(cè)在至少一個(gè)維度上所述數(shù)據(jù)輸入裝置在所述表面上的移動(dòng)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中在所述數(shù)據(jù)輸入裝置在所述表面上移動(dòng)期間，所述遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件以減少的斑點(diǎn)沸騰對(duì)從所述表面發(fā)出的所述光學(xué)特性成像。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中通過使用激光器來執(zhí)行所述照射，且其中從所照射部分發(fā)出的所述光學(xué)特性包括斑點(diǎn)圖案。
18.一種光學(xué)定位裝置，包括激光器，配置成照射部分所述表面；光敏元件陣列；物體側(cè)的遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件，配置成將來自所述表面的所照射部分的斑點(diǎn)圖案聚焦到所述光敏元件陣列；以及信號(hào)處理器，配置成確定在連續(xù)幀中所述斑點(diǎn)圖案的位移。
19.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)定位裝置，其中在所述物體側(cè)的遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件包括孔徑；以及透鏡，位于所述孔徑和所述表面的所照射部分之間。
20.如權(quán)利要求18所述的光學(xué)定位裝置，其中所述照射在打到所述表面之前，具有基本上均勻的波前。
全文摘要
一個(gè)實(shí)施例涉及一種光學(xué)位移傳感器，用于通過確定連續(xù)幀中光學(xué)特性的位移來感測(cè)數(shù)據(jù)輸入裝置在表面上的移動(dòng)。該傳感器至少包括照射器(306)、在物體(散射表面)側(cè)的遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件(例如502或504)、以及光敏元件陣列(302)。照射器(306)配置成照射部分表面(402)。遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件(例如502或504)配置成對(duì)從表面(402)的照射部分發(fā)出的光學(xué)特性成像，且光敏元件陣列(302)配置成檢測(cè)有關(guān)遠(yuǎn)心成像光學(xué)器件(例如502或504)所成像的光學(xué)特性的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。還公開了其他實(shí)施例。
文檔編號(hào)G09G3/32GK1981319SQ200580022643
公開日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月21日
發(fā)明者J·I·特里斯納迪, C·B·卡利斯?fàn)? C·B·羅克斯洛, D·A·萊霍蒂 申請(qǐng)人:硅光機(jī)器公司