CN1551043A - 基于干涉仪的导引设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学导引设备(101，434)，用于确定相对于物体的运动。所述设备包括光辐射的光源(103、411)，用于照明所述物体(102、418)；以及检测器(104、416)，用于捕获从所述物体返回的所述光辐射(112、412″)中的相位图案。所述相位图案与所述物体的光学不均匀性(502)相关。本发明还提供了一种系统，用于通过使用鼠标(634、741)检测相对于物体(102、418)的运动(107－108、512－514)来控制计算机屏幕(632)上的位置指示器。该系统生成干涉图(521－524)，每个这样的干涉图是所述鼠标在其上运动的物体的部分所独有的，并且该系统将独有的干涉图的相继对转换成与所述鼠标和物体之间的相对运动相对应的信号。光辐射的光源(103、411)可以从包括二极管发光器、LED、多模垂直腔面发射激光器(VCSEL)、激光二极管和白光的列表中选择。

Description

基于干涉仪的导引设备
技术领域
本发明涉及运动传感设备，更具体而言，涉及使用光相位图案的图像来确定相对运动的系统和方法。
背景技术
现有的光学相对运动检测设备通过在该设备越过一个表面时(或等效地在表面移动经过该设备时)捕获该表面的图像而使用图像相关技术以确定该设备与表面之间的相对运动。通过比较一幅图像与下一图像可以确定该设备移动的距离和方向。此技术一般检测表面上影像的亮度变化；而其灵敏度和可用性取决于所捕获的表面图像的亮度对比度。相对运动传感器例如用于计算机指示器(例如鼠标)控制。此类指示器一般使用光学系统来控制该指示器在计算机屏幕上的位置。
专利5,786,804、5,578,813、5,644,139、6,442,725、6,281,882以及6,433,780描述了光学鼠标、其他手持导引设备以及手持扫描仪的例子。这里引用这些专利作为参考。
典型的现有设备在镜面似的或者平滑的表面、均匀的表面或具有较浅特征的表面上，例如在玻璃或白板上，都不能很好地发挥作用。在此类设备中，为了提高图像对比度，通常阻止镜面反射，而只捕获来自表面的被散射的光辐射。这种方法极大地限制了功率和光辐射使用的效率。而且，所使用的表面一般必须能够投射影像。通常这就意味着，将被观察到的表面特征必须具有对于所使用的光辐射波长来说处于几何光学范围内的尺寸。因此，对功率的低效使用和对特定表面类型的限制是当前光学鼠标设计的典型缺点。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于确定相对于物体的运动的光学导引设备。该设备包括用于照明物体的光辐射源，以及用于在光辐射从物体返回后捕获光辐射中的相位图案的检测器。相位图案与物体的光学不均匀性相关。此处所称的光辐射，包括波长范围从大约1纳米(nm)至大约1毫米(mm)的电磁辐射。此处所称的光学不均匀性，包括任何有意的或无意的表面或体积不规则性，例如颗粒度、表面形貌、反射率、光谱、或散射的不均一性或不规则性，所述光学不均匀性能够与光辐射束相互作用，其中相互作用的光辐射束的相位图案被改变了。
根据本发明，提供了一种用于确定光学导引设备与物体之间相对运动的方法。所述方法包括，提供用于照明物体的光辐射束，以及在所述光辐射从该物体返回后确定光辐射中的相位图案。
根据本发明，提供了一种控制传感器和物体间相对运动的显示的方法。所述方法包括，当传感器相对该物体运动时生成一系列干涉图，以及显示相对运动的可视表示，所述相对运动作为所生成的干涉图的相继对之间的相关性的函数。
根据本发明，提供了一种用于控制计算机屏幕上的位置指示器的系统，其使用鼠标来检测相对于物体的运动。该系统包括：用于生成干涉图的设备，每个这样的干涉图都是鼠标在其上运动的物体的一部分所独有的；以及用于将特有干涉图的相继对转换成对应于鼠标和物体之间相对运动的信号的设备。
附图说明
图1是根据本发明，表示用于光学导引的系统的高级框图；
图2是根据本发明，描述使用图1的光学导引系统的方法中涉及的操作的流程图；
图3A-3C是根据本发明，图示与光学导引相关的相位图案改变的基本原理的示图；
图3D-3E是根据本发明，图示在相位检测器中应用的平行平板干涉仪的示图；
图3F-3G是根据本发明，图示普通可选干涉仪类型的示图，包括迈克尔逊(太曼-格林)和马赫-曾德干涉仪；
图4是根据本发明的实施例的表示，示出了导引设备，其包括产生入射到准直元件上的光辐射光线的光辐射源；
图5A-5B是根据本发明的表示，其描述了设备和表面之间相对位置不同时所产生的干涉图；
图6A-6B是对根据本发明的系统的描述，该系统具有固定表面，光学鼠标在该表面上运动；
图7是对根据本发明的可选系统的描述，其中导引设备包含在静止表面内(或是静止表面的一部分)，并且其中相位图案化的光线从运动表面上反射。
具体实施方式
图1是根据本发明表示用于光学导引的系统100的高级框图。图2是根据本发明描述使用光学导引系统100的方法中涉及的操作的流程图。光学导引系统100确定光学设备101和物体102之间的相对位置，物体102可以相对于光学设备101在二维平面内以任何方向运动(如箭头107、108所表示)。
在操作201中，用来自光学设备101的光源模块103的光辐射束110照明物体102。在操作202中，通过与物体102的相互作用而处理光辐射束110，以使得光辐射束110中的相位图案在从物体102传播(例如穿过其透射或从其折射)的出射光辐射束112中被改变。在根据本发明的一些实施例中，通过光辐射束110与物体102的表面106的相互作用而改变出射光辐射束112中的相位图案，例如，通过反射或散射。可选地，例如，可以通过当光辐射束110透射穿过物体102的体积期间发生的相互作用，来改变相位图案。在操作203中，通过相位检测器104捕获相位图案化的出射光辐射束112。
图3A-3C是根据本发明图示与光学导引相关的相位图案改变的基本原理的示图。在图3A中，来自光源103的光辐射束110照明物体102的表面301并从其反射。出于举例说明的目的，将光辐射束110示出为准直的，而将表面301描述为不规则粗糙表面，虽然根据本发明无论准直或者不规则粗糙表面都不是必须的。从表面301出射的反射光辐射束112包括从光辐射束110与表面301的相互作用而产生的相位图案302。相位图案302是被光辐射束110所照明的表面301的特定部分的属性的特有特征。反射光辐射束112由相位检测器104所捕获和处理，其产生信号，之后从所述信号可以提取出包含在相位图案302中的信息。此外，如以下将更详细讨论的那样，相位检测器104还可以配置成在捕获前进一步处理相位图案化的光辐射束112。
图3B描述了通过透射穿过物体307对来自光源103的光辐射束110的相位图案改变，该物体307一般包含体积光学不均匀性。如图3B所示，相位检测器104捕获携带相位图案309的透射的光辐射束308，并根据要求进一步处理。相位图案309是物体307被光辐射束110所穿过的特定体积部分所独有的特征。在图3C中，与图3A类似，来自光源103的光辐射束110被反射，且其相位图案被物体102的表面301所改变。然而，光辐射束110首先水平入射到分光片上，分光片303部分地将光束部分304向下反射到表面301上。携带相位图案306的反射光辐射束305然后部分地向上透射穿过分光片303，并由图像检测器322捕获以及按要求进一步处理。
再次参考图1与图2，在操作204中，相位检测器104捕获相位图案化的出射光辐射束112的图像，并产生图像信号114。可以通过阵列成像器来执行检测，例如，CCD、CMOS、GaAs、非晶硅或任何其他合适的检测器阵列。一般，从光源模块103发射的光辐射束110中的波长谱与阵列成像器的波长响应相匹配。然后将图像信号114传输给图像处理器105，其中在操作205中，图像被进一步处理，在操作206中，响应于图像信号114而产生输出信号116。例如，在图像处理器105中，确定相对运动的图像处理可以常规地使用相关算法来执行，所述相关算法比较相继图像对。在根据本发明的一些实施例中，可以使用定时信号来确定相对速度。例如可以配置输出信号116来驱动指示器在计算机屏幕上的定位。
为了光学完整性，一般将光源模块103和相位检测器104一起封装在光学设备101中。可选地，图像处理器105也可以封装在光学设备101中，但或者也可以位于光学导引系统100中的其他位置。根据本发明的一些实施例中，光学设备101以计算机系统的光学鼠标表示，而且可随意地由用户手动。
图3D-3E是图示根据本发明应用于相位检测器中的平行平板干涉仪的示图。光辐射束110被定向到平行平板310上，平行平板310具有与后表面312平行的前表面311。在前表面311处，光辐射束110被部分反射，如同光线313b、314b所表示，并且被部分折射，如同光线313a、314a所表示。折射光线313a、314a然后被后表面312部分反射成为相应的反射光线313c、314c，它们再被前表面311折射成为相应的透射光线313d、314d，透射光线313d、314d界定了与光线313b、314b所界定的反射光辐射束重叠并相对其偏移的光辐射束。如图3E的详图中所示，每个偏移光束照射一个区域316、317，并且两个偏移光束共同照射重叠区域315。因为两个偏移光束都源于单个光辐射束110，所以它们在重叠区域315中产生干涉图案。此干涉图案对应于两个重叠光束中切向的相位函数的斜率。
根据本发明，一般将干涉仪集成到相位检测器104中，以在图像捕获前处理相位图案化的光辐射束112。形成此处所讨论概念的基础的光学干涉测量法，已经被广泛使用在表面表征与测量上(例如参见D.Malacara所著的“Optical Shop Testing”，Wiley-Interscience出版机构，ISBN0471522325，第二版，1992年1月，1-7章，此处通过引用而包含于此)。干涉测量法的优点一般包括亚波长尺度的敏感度和准确度。
图3D的平行平板结构可以认为是典型剪切(shearing)干涉仪的变形，其中相位图案化的光场与移位后的该相位图案化光场之间的空间重叠产生了光学干涉。观察到的干涉条纹可以与原光场的相位函数的斜率直接相关，并由此与表面形貌的斜率函数相关。剪切干涉仪广泛地用于表面表征。因为剪切干涉仪的共用路径构造，所以与其他类型的干涉仪相比，对震动或温度变化剪切干涉仪更健壮并且更不敏感。此共用路径构造允许使用相干性较差的光源。此处所称的较差的相干性，包括较差的时间相干性和较差的空间相干性，较差的时间相干性是指展宽了的光谱宽度或者在任一时间与更早或更晚时间来自光源的光辐射的幅值及/或相位之间没有很强的相关性，较差的空间相干性是指在横跨来自光源的光辐射束的任意两点处波前的瞬时幅值之间和瞬时相位角之间没有很强的相关性(例如参见A.E.Siegman所著的“Lasers”，University Science Books出版社，1986，第54-55页)。相干性较差的光源包括例如二极管发光器，或者白光(例如参见J.C.Wyant所著的“White Light Extended Source ShearingInterferometer”，应用光学，第13卷，第1期，1974年1月，第200-202页，此处通过引用而包含于此)，所述二极管发光器例如是LED、多模垂直腔面发射激光器(VCSEL)以及其他多模激光二极管类型。例如，与传统上所用的LED(其一般使用约30mA的电流)相比，低阈值VCSEL源(一般使用约2mA的电流)可以用来减小功率消耗。再次参考图3D，应当承认该处所描述的结构可以被认为是剪切干涉仪的变形。
虽然剪切干涉仪一般提供了优于其他类型干涉仪的长处，但根据本发明的光学导引技术并不限于剪切干涉仪，根据要求的具体应用可以使用不同类型的干涉仪。根据本发明可以使用的可替代类型的干涉仪例如包括迈克尔逊(太曼-格林)、马赫-曾德、斐索和具有单个或多个衍射元件的干涉仪方案。对于这些干涉仪更具体的讨论，例如参见D.Malacara所著的“Optical Shop Testing”，Wiley-Interscience出版机构，ISBN0471522325，第二版，1992年1月，1-7章，其已经被引用而包含于此。
图3F-3G是图示根据本发明的普通可替代干涉仪类型的示图，包括迈克尔逊(太曼-格林)和马赫-曾德干涉仪。图3F是图示太曼-格林干涉仪的原理的示图。这与图3C中描述的结构相似。光辐射束110从分光片320被部分反射作为反射光辐射束323，其照明物体102的不规则表面301。然而，光辐射束110透射穿过分光片320的部分作为透射光辐射束324被反射镜321反射回分光片320上，然后被部分地向上反射。向上反射的光辐射束324于是与从表面301反射后携带相位图案326的光辐射束325重叠。由图像检测器322捕获重叠光束324与325。
在图3G中，在分光片341处，马赫-曾德干涉仪部分地反射来自光源103的光辐射束110作为参考光束346，并且部分地透射光辐射束110作为透射光束344，透射光束344然后从物体102的表面301反射作为反射光束345。参考光束346从参考反射镜342反射作为反射参考光束347，其然后在分光片341处反射。反射光束345透射穿过分光片341，并在此处与反射参考光束347重叠以产生重叠光束348。然后由图像检测器343捕获并处理重叠光束348。
图4表示根据本发明的实施例400，示出了包括光辐射源411的导引设备434。光辐射源411提供光辐射光线412，光辐射光线412入射到准直元件413上以产生准直光线412′。光线412′并不需要是准直的，因此准直元件413是光辐射源411的可选元件。如果使用了准直元件413，则其可以是用于对光辐射光线412进行准直的任何合适的光学元件，例如衍射或折射透镜。在根据本发明的一些实施例中，光源411发射可见波长范围的光辐射，但本系统可以配置成利用其他波长范围中的光辐射工作，例如在红外(IR)区中，此时硅检测器响应度最高。
光线412′非垂直入射地照明表面418，以使得它们从表面418标识为区域401的部分反射为光线412″。由于区域401上的表面缺陷(一般会出现，除非表面经过光学抛光)或其他不均匀性，例如有意的颗粒度，缘于在不同反射点处有不同的表面高度，所以不同的光线412″将具有不同的传播时间。不同光线的这种不同传导时间导致了不同光线之间的相位差，在光线412″上产生相位图案。
根据本发明，实施例400包括透射衍射光栅417，在阵列成像器416捕获图像前相位图案化的光线412″穿过它而传播并被处理。光栅417至少改变了各条相位图案化的光线412″的一部分的角度。例如，光线414被衍射成两个不同的衍射级(表示为光线414′和414″)，光线415类似地被衍射成两个不同的衍射级(表示为光线415′和415″)。然后这就产生了两个偏移的相位图案化光束，分别由光线414′-415′和414″-415″表示，界定了重叠区域410，其中光线414″和415′(以及其间的所有光线)根据它们的相对相位彼此发生干涉，即相长或相消。因此，衍射光栅417有效地实现了如图3D-3E所述的剪切板的功能。
衍射光栅417和阵列成像器416之间的聚焦元件419穿过衍射光栅417将表面418的图像聚焦到阵列成像器416上。这将干涉图投射到阵列成像器416上，阵列成像器416检测此干涉图并产生图像信号。可选地，聚焦元件419和衍射光栅417可以复合成单个整体的或集成的结构。图5A-5B是描述根据本发明在设备434和表面418之间的不同相对位置处产生的干涉图的表示。图5B的干涉图521示出了轮廓图520，其表示由如图5A所示的表面418上约6微米(μm)高的小凸起502在从区域401反射的光线412′上引入的相位图案。如图5B中表示的干涉图521唯一地依赖于区域401(例如，对于典型的计算机鼠标而言在约1mm2和约4mm2之间的范围内)，光线412′在此区域从表面418上反射。
然而，如果表面418相对于导引设备434移动，将产生不同的独有的干涉图，这一般唯一依赖于相位图案化反射的新区域。例如，如果表面418相对导引设备434纵向移动，如图5A中箭头512所示，则新区域402可以被成像，结果产生干涉图522，其中轮廓图表示520相对于干涉图521垂直移动，如图5B中所示。类似地，当设备434相对于表面418如图5A中箭头513所示侧向移动时，从落在表面418上的光线412′可以产生图5B中的干涉图523，其中轮廓图表示520相对干涉图521水平移动了。同样，当设备434相对于表面418如图5A中箭头514所示斜向移动时，从落在表面418上的光线412′可以产生图5B中的干涉图524，其中轮廓图表示520相对干涉图521斜向移动。
通过比较如图5B所表示的相继的存储的干涉图，可以确定相对运动，因此条纹图案的相关性计算可以用来确定相对运动的距离和方向。捕获的图像与之前捕获的图像部分重叠。因此，导引软件算法可以在每个图像上“查看”特定的可识别点，然后计算相对运动的距离和方向。通过存储相继的图像对，可以使用常规的相关性算法来确定重叠的特征，由此得到运动的方向和幅度。美国专利5,786,804中详细描述了此操作，该操作广泛用于依靠比较相继的表面图像的光学指示设备，其中已经根据常规技术通过来自表面的光辐射反射所生成的影像而产生了表面图像。通过使用根据本发明的干涉技术，甚至可以确定非常光滑的表面上的相对运动，所述光滑表面例如是玻璃(但一般为没有经过光学抛光的表面)。
衍射光栅417可以用例如平行平板、棱镜、双光栅或者多光栅、或者能够实现剪切板功能，即能够实现剪切干涉测量的任何光学元件来替代。
图6A-6B是对根据本发明的系统630的描述，系统630具有固定表面418，光学鼠标634在表面418上移动。光学鼠标634一般包括相位检测器，与图1中描述的相位检测器104相似。光线612(图6B)从表面418反射(如结合图4所描述的那样)，一系列连续的位置图像被经由导线或者无线地发送给CPU 631以用于在显示屏幕632上显示，通常所述位置图像以小箭头或者小指示器的形式表示。一般，位置计算在鼠标634内部执行，例如通过处理器601和存储器602。然而，也可以从相位检测器向CPU 631发送未加工数据(或其他中间数据)用于处理。CPU 631一般与用户输入设备互相连接，例如键盘633。
图7是对根据本发明的系统740的描述，其中导引设备743包含在表面742内(或者是该表面一部分)，并且其中相位图案化的光线744从移动表面741被反射。设备743一般包括与图1中描述的相位检测器104相似的相位检测器。注意，设备743和表面741都可以相对彼此运动。如果光学部件和设计允许相位图案化的光线744从表面741反射以被设备743中的相位检测器所捕获，则两个结构(设备743和表面741)不需要相互靠近。
虽然已经联系具体实施例对本发明进行了描述，但对本领域技术人员显而易见的是，按照以上描述许多替代、改变和变化都是很明显的。因此，本发明意于包括落入所附权利要求的精神与范围内的所有其他这样的替代、改变和变化。

Claims (12)

1.一种光学导引设备(101)，用于确定相对于物体(102)的运动(107、108)，所述设备包括：
光辐射的光源(103)，用于照明所述物体(102)；以及
检测器(104)，用于当所述光辐射从所述物体(102)返回后捕获所述光辐射中的相位图案(112)，其中所述相位图案(112)与所述物体(102、418)的光学不均匀性(502)相关。
2.如权利要求1所述的光学导引设备(434)，还包括干涉测量元件(417)，所述干涉测量元件(417)用于将所述相位图案(412″)转换为干涉图案(521-524)，所述干涉图案被所述检测器(416)所捕获。
3.如权利要求2所述的光学导引设备，其中所述干涉测量元件(417)是位于所述物体(102)和所述检测器(322)之间的剪切元件(303、310)，用于生成所述相位图案之间的干涉叠加(315)。
4.如权利要求1所述的光学导引设备，其中所述导引设备可操作以控制与计算机(630)一起使用的指示设备，并且其中所述导引设备相对于所述物体被移动(512-514)。
5.如权利要求4所述的光学导引设备，包括手控鼠标(634)，所述鼠标可操作用于控制计算机(630、631)的显示器(632)上的位置指示器。
6.如权利要求2所述的光学导引设备，其中当所述导引设备和所述物体(418)相对于彼此移动(521、514)时，所述干涉测量元件可操作来构建一系列干涉图(521-524)，每个所述构建的干涉图是所述物体(418)的特定部分的结构的表示。
7.如权利要求6所述的光学导引设备，还包括图像处理器(105)，所述图像处理器可操作来处理由所述检测器捕获的所述干涉图，其中在先的一个所述干涉图与至少一个后继的所述干涉图之一相关，以确定所述导引设备与所述物体对应于所述干涉图的部分之间的相对运动。
8.如权利要求1所述的光学导引设备，其中所述光辐射的光源(103、411)是从二极管发光器、LED、多模垂直腔面发射激光器(VCSEL)、激光二极管和白光的列表中选择的。
9.一种用于确定光学导引设备(101、434)与物体(102、418)之间的相对运动(107-108、512-514)的方法，所述方法包括：
提供光辐射束(110、412′)用于照明所述物体；以及
当所述光辐射从所述物体返回后，确定所述光辐射中的相位图案(412″)，其中所述相位图案与所述物体的光学不均匀性(502)相关。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述提供所述光辐射与所述确定相位图案的步骤在所述光学导引设备(434)内执行。
11.一种光学鼠标(634、741)，用于确定相对于物体(418)的运动，所述相对运动可操作用于控制计算机(630、632)的屏幕上的位置指示器，所述鼠标包括：
用于建立干涉图(521-524)的干涉仪(417)，每个所述干涉图是所述物体(418)对应于所述鼠标的相对位置的部分所独有的；
至少一个处理器(601)，用于将所述独有的干涉图对转换成与所述鼠标和所述物体之间的相对运动相对应的信号。
12.如权利要求11所述的光学鼠标，还包括：
适合于照明所述物体的光辐射的光源，以使得所述光辐射在所述物体(418)表面的不同点处从所述表面被反射，其中来自各个所述点的所述反射光辐射的不同部分之间的相位图案被所述反射点处的表面结构至少部分改变。
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