專利名稱：用于光學導引的方法和設備的制作方法
技術領域：
本申請涉及運動傳感設備，更具體地說，涉及用于使用鏡面反射圖像來確定相對運動的設備、系統和方法。
背景技術：
光學相對運動檢測設備一般使用圖像相關技術，通過當導引設備經過表面時或者當表面移動經過導引設備時捕獲表面的圖像，來確定導引設備與表面之間的相對運動。通過將一個圖像與接下來的圖像相比，來確定導引設備相對于表面的相對運動的位移和方向。一般地，檢測由投射到表面上的陰影引起的強度變化，并且這一技術的靈敏度和適用性取決于所捕獲圖像中的強度對比。相對運動導引設備被用于例如計算機屏幕指示器(例如鼠標)的控制。
美國專利No.5,786,804、5,578,813、5,644,139、6,442,725、6,281,882以及6,433,780公開了光學鼠標、其他手持導引設備以及手持掃描儀的例子。在這里引用了這些專利。
現有的一般光學導引設備使用發光二極管(LED)來傾斜地照射將被導引的表面。表面上大約5到500μm的高度變化投射出由幾何光學描述的陰影。陰影圖案圖像的大小和對比度部分地取決于在高度變化大小范圍內的表面的類型。通常，探測器被定位以接收在表面法線方向上的反射，表面和入射光之間的角度一般被選擇為使得陰影圖案圖像的對比度最佳化，這與暗場成像是類似的。入射角的一般的值在約5度到約20度的范圍內。
例如白板、高光紙、塑料或著色金屬的光滑表面對當前一般的光學導引設備提出了功能上的挑戰。一般而言，光滑表面是那些包含較少中間空間頻率結構和較多高空間頻率結構的表面。為了增加信號電平，LED照射需要用高的光功率，使得一般的最大電流(current draw)超過30mA。
發明內容
根據本發明，由光學導引設備的探測器捕獲按預選角度分布的反射光。一般地，光學導引設備的探測器被定位，以捕獲來自表面的鏡面反射。鏡面反射產生圖像，所述圖像與陰影圖案圖像和斑點圖像都不相同。與陰影圖案圖像方法相比，鏡面反射一般提供更好的信號。這允許即使在極度光滑的表面上也能獲得高對比度的圖像。此外，相對于朗伯(Lambertian)表面來說，因為光仍舊被散射到鏡面方向上，所以保持了圖像質量。鏡面反射圖像取決于照射源的波長；一般地，鏡面反射圖像的對比度隨著照射源帶寬的降低而升高，因此基于激光器的照射提供了最高的對比度。
根據本發明，公開了散焦光學結構的使用，其中，探測器將平面成像在可能位于在其上進行導引的平面之上或之下的位置的平面上。例如從垂直腔表面發射激光器(VCSEL)獲得的相干照射被用于產生高對比度的鏡面反射圖像，用于表面導引。
圖1A到圖1C圖示了從不同類型表面的光的反射。
圖1D圖示了根據本發明的從表面進行散射的概念。
圖2圖示了根據本發明的鏡面反射。
圖3A示出了根據本發明的高級框圖。
圖3B示出了根據本發明實施例的光學部件的簡化圖示。
圖3C示出了根據本發明的實施例的簡化視圖，其中標稱圖像平面與將被導引的表面不相符。
圖3D圖示了標量衍射(scalar diffraction)理論的概念。
圖4A示出了在聚焦和散焦狀態下的各種導引表面的圖像。
圖4B示出了根據本發明的系統。
圖5示出了根據本發明的實施例。
圖6示出了根據本發明的實施例。
圖7示出了描繪根據本發明的方法中所包含的步驟的流程圖。
圖8示出了描繪根據本發明的方法中所包含的步驟的流程圖。
具體實施例方式
如果光束入射到光滑表面上，入射束的光線會反射，并且在離開光滑表面時仍舊集中為一束。但是，如果表面有細微粗糙，那么光線反射，并且在許多不同的方向上散射。與表面粗糙度相對應的空間頻率與照射波長成比例。每條單獨的光線都遵守反射定律。但是，在粗糙表面的情況下，各條單獨的光線遇到具有不同取向的表面的一部分。因此，表面法線對于不同入射光線是不同的。這樣，當各條單獨的光線根據反射定律反射時，各條單獨的光線在不同方向上散射。此外，當應用相干或準相干照射時，在鏡面反射圖像中可以觀察到由反射光和散射光之間的干涉所產生的高對比度的強度圖案。干涉效應增強了用于導引的圖像的對比度。
圖1A到圖1C圖示了不同類型表面的光反射。圖1A示出了光束135從朗伯表面140上反射為光束圖案136。朗伯表面是完全漫反射表面，并且在給定方向上從任何小的表面部分發出的光強同法線199與表面140之間的角度的余弦成比例。圖1B示出了光束145在鏡面反射器表面150上以角度θr＝θi反射為束146，其中的角度是相對于表面法線199定義的。圖1C示出了光束155在表面160上反射為束156。表面160的表面特性介于表面140和表面150中間，并且對于光束圖案156來說，同時存在鏡面成分和朗伯成分。
注意到鏡面反射不涉及光學斑點是很重要的。從將在其上進行導引的表面發生的鏡面反射所產生的強度圖案是由相干或準相干光引起的。根據本發明所獲得的富有特征的強度圖案在不同類型的表面上變化顯著，并且一般與在下面的表面具有一一對應的關系。相比較而言，斑點圖像實際上是高度統計性的，并且對于第一近似，斑點圖像在不同類型的表面上是不改變的。斑點圖像所展現的圖像圖案中，與在下面的可見的表面特征的一一對應關系是受限制的。雖然任何時候用相干光照射物體都會出現斑點，但是光學斑點的平均大小一般小于用于一般光學導引應用的成像陣列的像素大小。因為入射到探測器陣列的一個像素上的多個亮斑和暗斑在該像素區域上被平均了，所以當像素的大小比起平均斑點大小相當大時，斑點就不再是用于光學導引的可靠的圖案了。例如，采用光圈數(f number)為10的成像系統和運行在850nm的激光源，使用公式平均斑點大小＝f×λ，得到平均斑點大小＝8.5μm，其中，f是光圈數，λ是波長。這里，采用具有60μm像素大小的一般的探測器陣列，導致探測器陣列中的每一個像素成像了超過四十九個斑點。最后得到的平均從斑點分布中消除掉了潛在可導引的特征。
圖1D是根據本發明的在粗糙表面105上進行散射的簡化圖示。入射光線束中的入射光線110、115、120、125、130，每個都遵守反射定律，從粗糙表面105上產生反射光線110′、115′、120′、125′、130′，并且在反射的同時被散射。這里所說的光意思是包括從約1納米(nm)到延伸約1毫米(mm)的波長范圍上的電磁輻射。
圖2示出了根據本發明的從表面上鏡面反射的更詳細的視圖。入射光線205在被表面220反射之前具有角坐標Φi、θi。一般地，表面220將具有細微的粗糙度或者光學不規則性，其影響反射光的反射角。如果反射光線210位于由Φr0±δΦr和θr0±δθr所限定的角錐中，則對應于光線205的表面元素將被探測器捕獲。
圖3A是根據本發明的對于基于使用鏡面反射來進行導引的光學導引系統300的高級框圖。表面330被來自光源單元304的光束398照射。鏡面反射光束399在表面330上被反射，以由探測器陣列單元311檢測，該探測器陣列單元311產生傳到處理器320的信號370。處理器320響應于信號370而提供輸出信號375。輸出信號375可以例如被用于在計算機屏幕上控制指針的位置。處理器320可以是光學導引設備303的一部分，或者可以位于光學導引系統300外的其他地方。根據本發明，光學導引設備303的一些實施例可以是可手動移動的計算機系統的光學鼠標。
圖3B示出了用于根據本發明實施例的光學導引設備303的部件的簡化圖示。光源305，作為光源單元304(參見圖3A)的一部分，以相對于表面法線350的入射角θi被定位，并提供入射到透鏡301上的光束315，以產生光束315′。透鏡301主要起到改善對于束315的采集效率的作用，并且透鏡301是可選的。透鏡301例如可以是準直透鏡。然而，舉例來說，如果光源305是諸如VCSEL或邊緣發射激光器之類的相干源，則束315不需要被準直。由于反射光線365之間的相干干涉，相干源的使用使得圖像對比度被增強。
如果光源305是準相干源，例如窄帶LED(發光二極管)或具有窄帶寬濾波器的LED，則為了在光滑表面上的導引，可能需要透鏡301或者限制孔。限制孔的使用減少了入射到表面330上的功率，但改善了空間相干性。如果使用透鏡301，則透鏡301可以是衍射或折射透鏡，或者其他合適的光學元件，并且可以進行光學涂覆以改善性能。可以使用窄帶邊緣發射LED作為光源，來取代對連同傳統窄帶LED一起的收縮孔的使用。
在本專利的上下文中，探測器被定義為將光子轉變為電信號的設備。探測器陣列310，作為探測器陣列單元311(參加圖3A)的一部分，以反射角θr被定位，該角度被選擇使得θr≈θi。只來自表面330的具有θr≈θi的反射線365形成了束317，并將被探測器陣列310接收。根據本發明的實施例，表面330的被照射部分被透鏡307成像。表面330上的點316被透鏡307在探測器陣列310上成像為點316′。因此，成像光學系統使得能夠通過探測器陣列310捕獲圖像。由相干光源產生的圖像一般包括表面特征和干涉特征。根據本發明，圖像中斑點的出現不被用于進行導引。干涉特征由鏡面反射場中各條光線的相干疊加產生。成像透鏡307可以是衍射或折射透鏡，或者其他適合的光學元件，用于成像表面330的各部分，并且可以用電介質薄膜進行光學涂覆以改善性能。光源305一般是例如VCSEL(垂直腔表面發射激光器)或邊緣發射激光器的窄帶激光器源，但也可以是窄帶LED，而探測器陣列310一般是CCD(電荷耦合器件)、CMOS(互補金屬氧化物半導體)、GaAs、非晶硅或其他適合的探測器陣列。可以通過對探測器陣列310應用防反射電介質涂層來改進探測器陣列310的性能。
具有更高的表面對比度和分辨率允許光學導引設備303在更光滑的表面上進行導引。有效分辨率被定義為在例如表面330的導引表面上的最小可分辨的特征。有效分辨率取決于光學傳遞函數、光學系統放大倍數以及例如探測器陣列310的探測器陣列的有效像素大小。如果放大倍數是固定的，則更高的表面分辨率要求例如探測器陣列310具有更小的像素。光學導引設備303在表面330上的最大導引速度受限于探測器陣列310的最大幀率以及交叉相關計算的處理時間。光學導引設備303相對于表面330的物理位移以有效像素大小為單位被測量。這意味著如果光學導引設備303的探測器陣列310的像素大小被減小，則光學導引設備303的響應率或最大導引速度將被降低。通常，考慮并平衡探測器陣列310的成本、處理器320、總功耗和期望的響應率之間的權衡，以達到用于根據本發明的實施例的表面分辨率和光學放大倍數。
根據本發明的實施例，當光學導引設備303相對于表面330運動時，在光學導引設備303與表面330之間的不同的相對位置上生成散射圖案。每一個散射圖案由來自表面330的處于探測器陣列310視場中的鏡面反射生成。散射圖案圖像尤其取決于光源305的波長。一般地，光源305的波長被選擇為處于探測器陣列310的峰值處。因為圖像對比度和信號一般地相對于在現有技術的陰影圖案光學導引系統被改善了，所以需要更少的圖像積分次數，這允許更高幀率的捕獲，從而允許在更高速度的導引。
通過比較處理器320中連續存儲的鏡面反射圖像，可以確定光學導引設備300相對于表面330的相對運動。一般使用連續的散射圖案圖像的相互關系來確定相對運動的位移。連續捕獲的散射圖案圖像部分地彼此重疊。因此，處理器320識別每個散射圖案圖像中的特征，并計算相對運動的位移和方向。存儲了連續的散射圖案圖像，就可以使用標準圖像相關算法，由處理器320來識別重疊特征，以提供方向和位移。在例如通過引用結合在這里的美國專利號5,786,804中可以找到進一步的細節。根據本發明，即使在例如玻璃的非常光滑但未被光學拋光的表面上，也可以確定相對運動。
在使用相干源時，鏡面反射圖像的相干干涉特性為導引提供了高對比強度的圖案，使得不需要表面對探測器的成像。圖3C示出了根據本發明的實施例的簡化視圖，其中標稱圖像平面335與表面330不相符。除了標稱圖像平面335在表面330上方之外，還可以選擇透鏡306使得標稱圖像平面335位于表面330下方。表面330上的表面強度和高度變化導致束317的幅度和相位調制。反射光線366之間的相干干涉導致可以由標量衍射理論描述的強度圖案。在標稱圖像平面335與表面330不相符的圖3C中示出的散焦情況下，由成像器310檢測到的強度圖案是鏡面反射相干光場的衍射圖案，并參照圖3D由等式(1)中的公知的菲涅耳-基爾霍夫積分給出U(x′,y′,z1)≈-iU0k4π∫∫Ωeik(r+R)(r^-R^)dxdyrR---(1)]]>U(x′，y′，z1)是觀察平面392的標量場，U0是源平面390中的場幅度，Ω表示積分面積，即光圈391。強度I由I＝|U|2給出，并由通過光圈391的所有光線396的相干疊加確定。例如參照圖3C，光圈391對應于表面330的被照射部分。在根據本發明的實施例中，表面330的被照射部分的衍射圖像由等式(1)描述，并用于在表面330上的導引。
通常，使用衍射圖像用于在表面330上的導引消除了可能由準周期性表面特征引起的問題。圖4A示出了示例性的包含木紋的表面440a和440b、包含文本的表面445a和445b以及包含全息圖案的表面450a和450b的圖像。圖4A中的表面440a、445a和450a的圖像是聚焦的，而表面440b、445b和450b的圖像是散焦的。導引設備303與表面330之間的相對運動從連續捕獲的圖像之間的交叉相關性被確定。周期性或單向圖案，例如圖4A中示出的那些圖案，由于在交叉相關性計算中存在多個峰值，所以對于運動檢測算法，一般會產生問題。簡化這種問題一般需要在應用交叉相關性之前，對所捕獲的圖像應用專門的圖像處理算法和濾波器。通過使光學導引系統300散焦，強度圖案被弄得模糊或被低通濾波，如圖4A中的表面440b、445b和450b的圖片中所看到的。但是，由于衍射圖像的相關干涉特性，圖像的對比度仍舊很高。因此，使光學導引系統300散焦允許導引設備303在很多種表面上很好地起作用，而無需引入大量的圖像處理。
圖4B是根據本發明的系統400的示圖，其中，光學鼠標425在固定表面430上運動。光學鼠標一般包括探測器陣列單元，例如圖3A的探測器陣列單元311。在光學鼠標425中，一系列的鏡面反射圖像一般被處理器320(見圖3A)轉變為位置信息，并被通過線路被發送或無線地被發送到中央處理單元475，以在顯示屏470上顯示為例如箭頭的位置指針。或者，原始數據或中間數據可以從探測器陣列單元311(見圖3A)被發送到中央處理單元475以進行處理。無線連接可以是射頻或紅外線，根據本發明的光學鼠標425的無線實施例可以由例如可充電電池、燃料電池或太陽能電池供電。
圖5示出了根據本發明的光學導引設備500的實施例。被封裝的VCSEL及傳感器芯片510是分立的，并連同集成并形成在模制塑料結構515中的準直透鏡520和成像透鏡525起到光源的作用。傳感器芯片535結合有探測器陣列，例如上面所述的探測器陣列310。準直透鏡520和透鏡525集成到模制塑料結構中簡化了制造過程，并降低了成本。傳感器芯片535中的探測器陣列被定位，以與束595的入射角θi相等的反射角θr接收光，從而保證從探測器陣列得到的信號代表鏡面反射。傳感器芯片535可以被定向，使得束595垂直于探測器陣列的平面入射。
圖6示出了根據本發明的光學導引設備600的實施例。集成的VCSEL610芯片連同被集成并形成在模制塑料結構615中的準直透鏡620和透鏡625起到光源的作用。傳感器芯片635結合有探測器陣列，例如上面所述的探測器陣列310。準直透鏡620和成像透鏡625集成到模制塑料結構中簡化了制造過程，并降低了成本。束695垂直經過準直透鏡620，并被整個內部反射面675反射，使其以入射角θi入射到表面650上。傳感器芯片635中的探測器陣列被定位，以與束695的入射角θi相等的反射角θr接收光，從而保證從探測器陣列得到的信號代表鏡面反射。傳感器芯片635可以被定向，使得束695垂直于探測器陣列的平面入射。
圖7是示出了根據本發明的使用光學導引系統303的方法中所包含步驟的流程圖。在步驟701中，表面303被窄帶寬光束398以入射角θi照射。在步驟702中，探測器陣列311以接近或等于入射角θi的反射角θr檢測被反射的窄帶寬光束399。在步驟703中，探測器陣列311響應于窄帶寬光束399產生圖像信號。在步驟704中，由處理器320處理圖像信號。在步驟705中，響應于圖像信號370提供輸出信號375，并且輸出信號375可以被用于例如控制顯示屏470上的位置指針。
圖8是示出了根據本發明的使用光學導引系統303的方法中所包含的步驟的流程圖。在步驟801中，表面303被相干光束398以入射角θi照射。在步驟802中，探測器陣列311以接近或等于入射角θi的反射角θr檢測被反射的光束399。在步驟803中，探測器陣列311響應于光束399產生圖像信號。在步驟804中，由處理器320處理圖像信號。在步驟805中，響應于圖像信號370提供輸出信號375，并且輸出信號375可以被用于例如控制顯示屏470上的位置指針。
本申請是2003年7月30提交的序列號為10/630,169的美國專利申請的部分繼續申請。
雖然已經結合特定的實施例描述了本發明，但是對于本領域的技術人員來說將很清楚，在前述說明的啟發下，許多替換和修改將是明顯的。因此，本發明意于包含所有其他這樣的落入所附權利要求的精神和范圍內的替換、修改和改變。
權利要求
1.一種光學導引設備(303)，包括用于以相對于表面(330)的照射角用光束照射所述表面的相干光源(305)；和以相對于所述表面(330)的反射角被定位的探測器(310)，所述探測器可操作以接收來自所述表面(330)的所述光束的反射部分，其中，所述反射角基本上等于所述照射角。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述相干光源(305)是激光器。
3.如權利要求2所述的設備，其中，所述激光器是垂直腔表面發射激光器。
4.如權利要求1所述的設備，其中，所述探測器(310)是互補金屬氧化物半導體成像器。
5.如權利要求1所述的設備，還包括準直透鏡(520)，以改善光采集效率。
6.如權利要求1所述的設備，還包括透鏡(525)，所述透鏡被定位以可操作地將所述表面(330)的衍射圖像成像在所述探測器(310)上。
7.如權利要求1所述的設備，其中，所述表面(330)不在所述探測器(310)的標稱圖像平面中。
8.一種系統，用于使用鼠標檢測相對于表面的相對運動來控制計算機顯示屏上的位置指針，所述系統包括用于生成相干鏡面反射干涉圖像的裝置，每個所述干涉圖像特定于所述鼠標在其上移動的所述表面的一部分；以及用于將所述相干鏡面反射干涉圖像轉變為與所述鼠標和所述表面之間的相對運動相對應的信號的裝置。
9.如權利要求8所述的系統，其中，所述生成裝置包括激光器光源。
10.如權利要求8所述的系統，其中，所述用于進行轉變的裝置包括位于所述鼠標內的處理器。
11.如權利要求8所述的系統，其中，所述用于進行轉變的裝置包括位于所述鼠標內的探測器陣列。
12.如權利要求11所述的系統，其中，所述表面不在所述探測器陣列的標稱圖像平面中。
13.如權利要求8所述的系統，其中，所述表面是從類似紙的表面、光澤型表面、著色表面和半色調表面中所選擇的。
14.如權利要求8所述的系統，其中，所述相干鏡面反射干涉圖像包括強度變化。
15.一種方法，用于確定光學導引設備與表面之間的相對運動，所述包括以相對于所述表面的照射角提供相干光束用于照射所述表面；以及以相對于所述表面的反射角接收所述相干光束被鏡面反射的部分，使得所述反射角基本上等于所述照射角。
16.如權利要求15所述的方法，其中，所述相干光束由激光器提供。
17.如權利要求15所述的方法，其中，所述相干光束的所述被鏡面反射的部分由探測器陣列接收。
18.如權利要求15所述的方法，還包括響應于所述相干光束的所述被鏡面反射的部分的衍射圖案產生信號。
19.如權利要求18所述的方法，還包括處理器，以接收所述信號并產生用于控制位置指針的輸出信號。
20.如權利要求17所述的方法，其中，所述表面不在所述探測器陣列的標稱圖像平面中。
全文摘要
本發明提出了適于在多種表面上進行導引的用于光學導引的方法和設備。使用鏡面反射來確定在一般表面上的相對運動。一種特定的應用是計算機鼠標。
文檔編號G06F3/03GK1591468SQ20041007034
公開日2005年3月9日 申請日期2004年7月29日 優先權日2003年7月30日
發明者謝彤, 馬歇爾·T·德皮尤, 道格拉斯·M·巴內 申請人:安捷倫科技有限公司