專利名稱：利用干涉測量技術光學追蹤目標的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及光學系統(tǒng)。特別是，本發(fā)明涉及利用干涉測量(interferometric)技術光學追蹤目標。
背景技術：
已經研制了各種系統(tǒng)和裝置，以便能夠向計算機系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)并能夠進行操縱/光標控制以操作該計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)應用的大量增加又導致了這些系統(tǒng)和裝置的進步。
這些系統(tǒng)和裝置典型地利用若干種技術中的一種。這些技術的實例包括機械追蹤球，加速度探測，光學圖像相關，激光斑點圖案分析，以及強度探測。也利用其它的技術。
盡管這些系統(tǒng)和裝置的改進提高了計算機系統(tǒng)的可用性，但在這些系統(tǒng)和裝置所利用的這些技術中的若干缺陷仍然限制了這些系統(tǒng)和裝置的潛在優(yōu)點。例如，有限分辨率的技術阻礙了計算機系統(tǒng)的使用。此外，這些技術中的某些響應時間緩慢。另一些技術僅能在特殊的表面類型上使用。此外，某些技術中的能量消耗增大。最后，系統(tǒng)和裝置為實現(xiàn)某些技術所需的尺寸也是不利因素。
除了這些缺陷，上述現(xiàn)有技術還存在另外的缺陷。通常，這些現(xiàn)有技術限于二維空間操縱/光標控制和相對坐標追蹤(例如，位置的變化)。即，在二維空間中追蹤目標的位置變化而不是目標的絕對位置(例如，當前位置)。相對坐標追蹤限制了這些系統(tǒng)和裝置在例如手寫輸入中的應用，其需要絕對位置追蹤?？傊F(xiàn)有技術具有難以克服的嚴重限制。

發(fā)明內容
公開了一種利用干涉測量技術光學追蹤目標的方法和系統(tǒng)。一種光學位置追蹤系統(tǒng)包括從一個光束中產生一個入射光束和一個參考光束的光學裝置。此外，該光學位置追蹤系統(tǒng)進一步包括一個光束導引裝置，該光束導引裝置用于使入射光束掃過一個角度范圍以產生目標對該入射光的反射，同時將該入射光束的反射導引為與參考光束相干涉，以便形成干涉光束。另外，光學位置追蹤系統(tǒng)能夠通過干涉測量技術利用入射光束的角度值和干涉光束確定目標的位置，而該角度值取決于反射。如果光束有多個波長，由于這些波長的同時存在，或在一個時間間隔內具有多個波長，那么就能夠確定目標的絕對位置。如果光束具有單一波長，那么就能夠測定目標的相對位置。


通過結合在本說明書中并成為說明書一部分的附圖對根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例進行說明，并且結合描述對根據(jù)本發(fā)明的實施例的原理進行解釋。
圖1描繪了一個根據(jù)本發(fā)明實施例的系統(tǒng)，示出了一個光學位置追蹤系統(tǒng)。
圖2描繪了一個根據(jù)本發(fā)明實施例的用于追蹤目標相對位置的光學位置追蹤系統(tǒng)。
圖3描繪了由根據(jù)本發(fā)明實施例的圖2所示光學位置追蹤系統(tǒng)確定的目標的相對位置。
圖4描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的由圖2的探測器響應于干涉光束所產生的信號。
圖5描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于追蹤目標絕對位置的光學位置追蹤系統(tǒng)。
圖6描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的由圖5的光學位置追蹤系統(tǒng)確定的目標絕對位置。
圖7描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的由圖5的探測器響應于干涉光束所產生的多個信號。
圖8A描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的光束的圓形截面。
圖8B描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的光束的橢圓形截面。
圖9描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例在限制掃描模式下運行的圖2光學位置追蹤系統(tǒng)。
圖10描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的顯示光學追蹤目標的方法的流程圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將詳細參考根據(jù)本發(fā)明的實施例，實例示出在附圖中。盡管將結合這些實施例對本發(fā)明進行描述，但應該理解本發(fā)明并不限制于這些實施例。相反，本發(fā)明旨在覆蓋包含在如附加的權利要求所限定的發(fā)明精神和范圍內的替代、改進和等效方案。另外，在下面對根據(jù)本發(fā)明的實施例的詳細描述中，進行了大量的細節(jié)描述以便為本發(fā)明提供一個全面的理解。
在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，一個光學位置追蹤系統(tǒng)包括用于產生光束的光束發(fā)生器和用于從該光束產生入射光束和參考光束的光學裝置。此外，該光學位置追蹤系統(tǒng)進一步包括一個光束引導裝置，該光束引導裝置使入射光束掃過一個角度范圍并在入射光被目標反射時引導入射光束的反射與參考光束產生干涉以形成干涉光束。該入射光束的反射包括一條反射光束。另外，光學位置追蹤系統(tǒng)進一步包括用于探測干涉光束的探測器和用于利用干涉測量技術和數(shù)據(jù)測定目標位置的處理單元，所述數(shù)據(jù)包括目標反射入射光束時入射光束的角度值和提供至目標距離的干涉光束。如果光束有多個波長，或者由于這些波長的同時存在，或者由于在一個時間間隔內具有多個波長，就能夠確定目標的絕對位置。如果光束具有單一波長，就能夠測定目標的相對位置。
圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的系統(tǒng)100，示出了光學位置追蹤系統(tǒng)20。系統(tǒng)100包括計算機系統(tǒng)50和光學位置追蹤系統(tǒng)20。計算機系統(tǒng)50具有顯示器60。
在根據(jù)本發(fā)明的這個實施例中，當目標10在二維空間運動時，光學位置追蹤系統(tǒng)20追蹤目標10的位置。特別是，位置追蹤系統(tǒng)20利用了至少一個光束90，該光束90在二維空間中掃過一角度范圍95。當目標10在光束90運行于其中的二維空間中向左、右、前、后，或它們任意組合運動時，該目標可以反射光束90。光束90的反射由反射光束80構成，該反射光束被位置追蹤系統(tǒng)20接收并處理以追蹤目標10的位置。
目標10可以是任何類型的對象。例如，目標10可以是鼠標型裝置、筆、觸摸屏輸入型裝置、指針以及類似物。目標10上的回反射表面提高了光學位置追蹤系統(tǒng)20追蹤目標10的運動的能力。如果目標10具有足夠的反射性能，那么不必使用回反射表面。
光學位置追蹤系統(tǒng)20通過產生對應于目標10位置的位置數(shù)據(jù)所追蹤的目標10的運動可以用于向計算機系統(tǒng)50輸入數(shù)據(jù)(例如，手寫輸入)，在顯示器60上操縱，或控制計算機系統(tǒng)50的光標。
在根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，光學位置追蹤系統(tǒng)20與顯示器60集成以便目標10在顯示器60的表面移動時提供觸摸屏功能。其比現(xiàn)有技術的觸摸屏裝置具有更低的成本和更低的復雜度。
結構(相對位置追蹤實施例)參照圖2，其示出了根據(jù)本發(fā)明實施例用于追蹤目標205相對位置的光學位置追蹤系統(tǒng)200。以下將進行根據(jù)本發(fā)明實施例的物理結構的描述。然后將對根據(jù)本發(fā)明實施例的運行進行描述。
關于根據(jù)本發(fā)明實施例的物理結構，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例用于追蹤目標205相對位置的光學位置追蹤系統(tǒng)200。相對位置是在極坐標中確定，其中“相對位置”指的是目標205相對于先前位置的變化。如圖2所示，光學位置追蹤系統(tǒng)200具有光束發(fā)生器210，光學裝置260，鏡子270，光束導引裝置230，探測器240，聚焦透鏡250，以及處理單元220?？傊?，目標205相對于光束導引裝置230的角度關系結合探測器240確定。另外，利用干涉測量技術確定目標205距光束導引裝置230的相對距離，該干涉測量技術依賴于從目標205反射的反射光束286與參考光束282干涉而形成的干涉光束250。由于反射光束286和參考光束282沿不同長度的路徑傳播，因此形成干涉光束250。由此，當參考光束282和反射光束286結合(例如，干涉光束250)時，它們形成被探測器240接收的明暗條紋的干涉圖案，而該明暗條紋隨著路程差的改變而漂移。因此，目標205的相對位置被表示為目標205的該角度關系和到目標205的該相對距離。
光束發(fā)生器210產生光束280。光束發(fā)生器210包括光源212，用以產生光束280。光束280是相干的并具有單一波長λ。此外，光束發(fā)生器210具有準直透鏡214。
在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，光源(例如光源212)可以基于低成本的LED(發(fā)光二極管)技術。在根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例中，光源可以基于VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)技術。在根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例中，光源可以基于具有適當準直性能的低成本白熾燈技術。在根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例中，光源可以基于高能稀土基激光器。稀土基激光器的例子包括Nd-YAG(釹-釔鋁石榴石)激光器和脈沖鉺激光器。當目標205和探測器之間的距離或吸收需要高光能時便可使用高能稀土基激光器。
光學裝置260使用光束280產生入射光束284和參考光束282。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，光學裝置260為分束器260。
仍參照圖2，光束導引裝置230使入射光束284掃過該角度范圍290。為了示出由光束導引裝置230引起的入射光束284的掃描運動，圖2示出了各種角度位置的入射光束284(例如，284A-284E)。另外，入射光束284相對于目標205和光束導引裝置230的角度被追蹤。這描繪于圖3中并將在下面進行詳細討論。
另外，光束導引裝置230可以是任意類型的光束導引裝置。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，光束導引裝置是MEMS(微機電系統(tǒng))電機光束導引裝置。在根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例中，光束導引裝置是電流計光束導引裝置。在根據(jù)本發(fā)明的又一實施例中，光束導引裝置是聲-光光束導引裝置。在根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，光束導引裝置是電-光光束導引裝置。在根據(jù)本發(fā)明的再一個實施例中，光束導引裝置是光柵結構光束導引裝置。在根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例中，光束導引裝置是全息結構光束導引裝置。在根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例中，光束導引裝置是掃描鏡光束導引裝置。利用MEMS處理可以實現(xiàn)成本和尺寸的大大節(jié)約。
如圖2所示，目標205包括用于反射入射光束284的回反射表面207。術語“回反射(retro-reflecting)”是指以與入射光束平行的方向反射入射光束的性能?；胤瓷浔砻?07可以以任意方式實現(xiàn)，如回反射帶，回反射涂料，或其它任意與目標205的表面結合的回反射材料。如前所述，目標205可以是任意類型的對象。例如，目標205可以是鼠標型裝置、筆、觸摸屏輸入型裝置、指針以及類似物。如果目標205具有足夠的反射特性，那么只要目標205以與入射光束平行的方向反射入射光束，就不必需要回反射表面。作為一個實例，可以追蹤在書寫端具有回反射表面的辦公筆的運動并用作計算機系統(tǒng)光標的控制。
此外，處理單元220與光束導引裝置230、探測器240、以及光束發(fā)生器210耦合。處理單元220利用多種數(shù)據(jù)和干涉測量技術測定目標205的相對位置。
運行(相對位置追蹤實施例)下面將詳細討論根據(jù)本發(fā)明的實施例的運行。
參照圖2，光學位置追蹤系統(tǒng)200的運行依照如下步驟進行。光源212產生光束280。光束280通過準直透鏡214，其準直光束280。在準直透鏡214之后，光束280向分束器260傳播。分束器260利用光束280產生入射光束284和參考光束282。參考光束282被導向鏡子270，鏡子270向分束器260反射參考光束282然后到探測器240。
此外，入射光束284被導向光束導引裝置230。光束導引裝置230使入射光束284掃過該角度范圍290以使入射光束284出現(xiàn)在多個角度位置(例如，284A-284E)。這里，箭頭235A和235B表示光束導引裝置230的運動，使入射光束284掃過該角度范圍290。
當目標205的回反射表面207反射入射光束284(如，284C)時，入射光束284C的反射被朝向光束導引裝置230反射。入射光束284C的反射由反射光束286構成。光束導引裝置230將反射光束286導向分束器260以便與參考光束282產生干涉來形成干涉光束285。干涉光束285通過聚焦透鏡250，其將干涉光束285聚焦，然后到達探測器240。探測器240探測干涉光束285并指示目標205所在的處理單元220，以便處理單元220記錄入射光束284C的當前角度(如，圖3的角度A)。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，處理單元220追蹤光束導引裝置230掃描的入射光束284的角度。
探測器240探測由反射光束286和參考光束282構成的干涉光束285。處理單元220利用干涉測量技術測定從光束導引裝置230到目標205的相對距離(如，圖3中的相對距離ΔR)。
圖3描繪了由根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖2所示光學位置追蹤系統(tǒng)200確定的目標205的相對位置T。如圖3所示，光束導引裝置230的位置S是已知的。角度A對應于入射光束284被目標205反射的角度，導致探測器240探測由反射光束286與參考光束282干涉形成的干涉光束285。如前所述，追蹤入射光束284的角度值。下面描述的干涉測量技術能夠確定從光束導引裝置230到目標205的相對距離ΔR，而該干涉測量技術可以包括利用光源212的波長并對干涉光束285的條紋進行計數(shù)(如，圖4中的信號410)。因此，目標205的相對位置包括入射光束284的當前角度(如，圖3中的角度A)和從光束導引裝置230到目標205的相對距離(如，圖3中的相對距離ΔR)。
圖4描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例由圖2的探測器240響應于干涉光束285產生的信號410。如圖4所示，信號410的峰值對應于干涉光束285的條紋?；谀鼙粦糜诟鶕?jù)本發(fā)明的實施例的干涉測量技術，穿過干涉點的條紋數(shù)目被計數(shù)。利用該數(shù)目和光源212的波長可以測定參考光束282的行進長度相對于入射光束284和反射光束286的行進長度的差值，從而得到從光束導引裝置230到目標205的相對距離(如，圖3中的相對距離ΔR)。參考光束282行進一個已知距離，而入射光束284和反射光束286行進將被測量的距離。
結構(絕對位置追蹤實施例)參照圖5，其示出了根據(jù)本發(fā)明實施例用于追蹤目標205的絕對位置的光學位置追蹤系統(tǒng)500。下面的討論以描述根據(jù)本發(fā)明實施例的物理結構開始。然后描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的運行。
關于根據(jù)本發(fā)明實施例的物理結構，圖5描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例用于追蹤目標205的絕對位置的光學位置追蹤系統(tǒng)500。如圖5所示，光學位置追蹤系統(tǒng)500具有光束發(fā)生器210、光學裝置260、鏡子270、光束導引裝置230、探測器240、聚焦透鏡250、以及處理單元220?？傊?，結合探測器240來測定目標205相對于光束導引裝置230的角度關系。另外，利用干涉測量技術測定目標205與光束導引裝置230的絕對距離，該干涉測量技術依賴于具有多個波長的光束和由來自目標205的反射光束與參考光束干涉形成的干涉光束。由于反射光束和參考光束沿不同長度的路徑傳播而形成干涉光束。因此，目標205的絕對位置可由目標205的該角度關系和到目標205的該絕對距離表示出來。
盡管圖2的光學位置追蹤系統(tǒng)200可以追蹤目標205的相對位置，但是光學位置追蹤系統(tǒng)500能夠追蹤目標205的絕對位置。除了下面描述的不同之處外，關于圖2的結構描述可以適用于圖5。
與圖2不同，圖5的光學位置追蹤系統(tǒng)500包括產生具有多個波長(如，λ1和λ2)的光束280的光束發(fā)生器210。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，光束發(fā)生器210包括具有第一波長λ1的光源1和具有第二波長λ2的光源2。在根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，光束發(fā)生器210包括具有第一波長λ1和第二波長λ2的光源。在根據(jù)本發(fā)明的又一實施例中，光源的光波長在第一波長λ1和第二波長λ2之間迅速地變化。這樣，在一個時間間隔內，光源展現(xiàn)出多個波長。在根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例中，光束發(fā)生器210包括在第一波長和第二波長之間具有多個波長的寬頻帶光源。寬頻帶光源與其它的實例相比能節(jié)約成本。在圖2中所描述的光源類型同樣也能用于圖5中。
在根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，光學位置追蹤系統(tǒng)500具有多個用于探測不同波長(如，λ1和λ2)的干涉光束285的單獨干涉圖案的探測器。
運行(絕對位置追蹤實施例)下面將詳細討論根據(jù)本發(fā)明的實施例的運行。
參照圖5，光學位置追蹤系統(tǒng)500的運行與圖2中所描述的相類似。除了下面描述的不同之處外，關于圖2的運行描述可以適用于圖5。在開始追蹤目標205前，將光源1的第一波長λ1和光源2的第二波長λ2校準以確定相位關系。光束280由多個波長構成。
探測器240探測由反射光束286和參考光束282構成的干涉光束285。處理單元220利用干涉測量技術確定從光束導引裝置230至目標205的絕對距離(如，圖6中的絕對距離R)。
圖6描繪了由根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖5所示光學位置追蹤系統(tǒng)500確定的目標205的絕對位置T。如圖6所示，光束導引裝置230的位置S是已知的。角度A對應于入射光束284被目標205反射的角度，使探測器240探測由反射光束286與參考光束282干涉形成的干涉光束285。如前所述，入射光束284的角度值被追蹤。下面描述的干涉測量技術能夠確定從光束導引裝置230到目標205的絕對距離R，而干涉測量技術可以包括利用多個波長來確定絕對距離。因此，目標205的絕對位置包括入射光束284的當前角度(如，圖6中的角度A)和光束導引裝置230到目標205的絕對距離(如，圖6中的絕對距離R)。
當光束280具有第一波長λ1和第二波長λ2時，干涉光束285在第一波長λ1處具有第一干涉圖案并在第二波長λ2處具有第二干涉圖案。干涉光束285能被分成第一干涉圖案和第二干涉圖案，使獨立探測器能夠探測每個干涉圖案。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例，對應于第一干涉圖案并由第一探測器產生的信號710以及對應于第二干涉圖案并由第二探測器產生的信號720。此外，圖7描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例，由圖5的探測器240響應于干涉光束285產生的信號730。即，信號730是信號710和720的疊加。如圖7所示，在信號710和720之間存在相位關系，這形成了差拍信號740。根據(jù)能應用于根據(jù)本發(fā)明的實施例的干涉測量技術，能夠處理該差拍信號740以確定光源1和光源2的校準相位關系中的相位漂移。與入射光束284和反射光束286行進的長度相比，這能夠確定參考光束282行進的長度，從而得到光束導引裝置230到目標205的絕對距離(如，圖6中的絕對距離R)。
在根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，當利用波長調諧光源時，干涉測量技術可以將干涉圖案轉換為頻率fb，根據(jù)數(shù)學關系近似R＝(1/2)fb*v/r，該頻率fb的值可以確定距目標205的絕對距離，其中*表示相乘，v表示光速，r表示波長調諧光源的光頻率的變化率。由內部延遲誤差引起的fb變化的影響易于通過利用校準偏移調整R來補償。
在根據(jù)本發(fā)明的另一實施例中，當利用寬頻帶光源時，干涉測量技術可以包括對由探測器240產生的信號730的相干包絡線進行處理，以提取光束導引裝置230到目標205的絕對距離。
盡管圖2和圖5描繪了利用光束導引裝置進行的二維目標追蹤，但應該理解根據(jù)本發(fā)明的實施例可以通過包括沿第三維的光束導引裝置而擴展到三維的目標追蹤。
光學位置追蹤系統(tǒng)200和500提供了許多優(yōu)點?？梢栽诙S或三維內追蹤目標的運動，在光學位置追蹤系統(tǒng)500的情況下提供目標的絕對位置數(shù)據(jù)和在光學位置追蹤系統(tǒng)200的情況下提供目標的相對位置數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有技術的相對位置追蹤系統(tǒng)中，目標新位置的確定依賴于目標的先前位置。當目標以不能被追蹤的方式運動(如，從一個表面上提起鼠標)時，現(xiàn)有技術的相對位置追蹤系統(tǒng)不能確定新位置，直到目標再次以能夠被追蹤的方式移動為止。相反，如果目標以手寫方式在光學位置追蹤系統(tǒng)500的光束掃描空間中運動，那么絕對位置數(shù)據(jù)給出了與先前位置無關的目標當前位置，便于手寫輸入到計算機系統(tǒng)。即使目標移動到光學位置追蹤系統(tǒng)500的光束掃描空間范圍以外(如，將該目標提升到光束掃描空間之上)，在目標移動到光學位置追蹤系統(tǒng)500的光束掃描空間范圍內之后，目標的絕對位置能被立即確定。
此外，光學位置追蹤系統(tǒng)200和500能提供目標的高分辨率追蹤且不限于目標的特殊表面類型。例如，現(xiàn)有技術的機械追蹤球鼠標要求光滑的表面以準確地運行，而現(xiàn)有技術的光學鼠標難于在純白的表面上運行。關于該目標，光學位置追蹤系統(tǒng)200和500的運行是無源的和無限制的。光學位置追蹤系統(tǒng)200和500可實現(xiàn)壓縮、低成本、和低能耗。此外，光學位置追蹤系統(tǒng)200和500易于升級。圖2和圖5中所示的元件數(shù)目足夠在小范圍應用或大范圍應用中追蹤目標的運動。然而，在這些應用中這些元件的性能要求是不同的。
圖8A描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的一個光束的圓形截面800A。具有這種圓形截面800A的光束可以用于光學位置追蹤系統(tǒng)200(圖2)和500(圖5)。圓形截面800A越小，在光學位置追蹤系統(tǒng)200(圖2)和500(圖5)的分辨率越大。
圖8B描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的一個光束的橢圓形截面800B。如果目標205垂直于光束導引裝置的掃描方向移動，那么可以將具有這種橢圓形截面800B的光束用于光學位置追蹤系統(tǒng)200(圖2)和500(圖5)以提供部分追蹤容差。由于橢圓形截面800B垂直于掃描方向延伸，因此光學位置追蹤系統(tǒng)200(圖2)和500(圖5)的追蹤范圍能夠垂直于掃描方向延伸。
圖9描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例在限制掃描模式中運行的圖2光學位置追蹤系統(tǒng)200。圖2中光束導引裝置230在全角度范圍290掃描，而圖9中的光束導引裝置230掃過有限的角度范圍295。這種限制掃描模式能提高目標205被定位的速度并提高分辨率。
特別是，光束導引裝置230最初在全掃描模式(如，全角度范圍290)下運行。然而，一旦目標205被定位在相對于光束導引裝置230的一個第一角度，光束導引裝置230就以有限的角度范圍295圍繞該第一角度掃描以使入射光束284出現(xiàn)在各種角度位置(如，284A-284C)。當不希望目標205的運動在短時間內有極大變化時，光束導引裝置230的這種抖動運動具有極大的優(yōu)點。當目標205在限制掃描模式下不再反射入射光束時，光束導引裝置230回到全掃描模式下運行。
關于圖9的討論可同樣應用于圖5的光學位置追蹤系統(tǒng)500。
圖10描繪了根據(jù)本發(fā)明實施例的光學追蹤目標方法1000的流程圖。
在步驟1010中，從一個光束產生一個參考光束和一個入射光束。如果該光束具有單一波長，則可追蹤目標的相對位置。如果該光束有多個波長，要么由于這些波長的同時存在，要么由于在一個時間間隔內有多個波長，那么就能追蹤目標的絕對位置。接下來，在步驟1020中，利用光束導引裝置使入射光束掃描經過一角度范圍。另外，確定入射光束的角度值。
此外，在步驟1030中，當目標反射入射光束以產生反射光束時，發(fā)送該反射光束以便與參考光束相干而形成干涉光束。
在步驟1040中，通過干涉測量技術利用數(shù)據(jù)來確定目標的位置?？梢允褂脭?shù)據(jù)，諸如，在目標反射該入射光束時入射光束的角度值，以及提供光束導引裝置到目標距離的干涉光束。
根據(jù)本發(fā)明的具體實施例的前述描述作為示例性和說明的目的。其不試圖窮舉或限定本發(fā)明所公開的精確形式，根據(jù)上述教導的許多改進或變化都是可能的。實施例的選擇和描述是為了更好地解釋本發(fā)明的原理及其實際應用，以使本領域技術人員能夠最好地將本發(fā)明和具有各種變化的各種實施例用于特定的使用目的。本發(fā)明旨在用附加的權利要求及其等效物來限定其范圍。
權利要求
1.一種光學位置追蹤系統(tǒng)(200，500)，包括用于從光束(280)產生入射光束(284)和參考光束(282)的光學裝置(260)；以及用于使所述入射光束(284)掃描經過一個角度范圍(290)以產生目標(205)對所述入射光束(284)的反射(286)的光束導引裝置(230)，其中導引所述入射光束(284)的所述反射(286)與所述參考光束(282)干涉以形成干涉光束(250)，其中通過干涉測量技術利用所述入射光束(284)的角度值和所述干涉光束(250)確定所述目標(205)的位置，以及其中所述角度值依賴于所述反射(286)。
2.如權利要求1所述的光學位置追蹤系統(tǒng)(200，500)，進一步包括用于確定所述目標(205)的所述位置的處理單元(220)。
3.如權利要求1所述的光學位置追蹤系統(tǒng)(200)，其中所述光束(280)具有單一波長，以及其中所述目標(205)的所述位置為相對位置。
4.如權利要求1所述的光學位置追蹤系統(tǒng)(500)，其中所述光束(280)具有多個波長，以及其中所述目標(205)的所述位置為絕對位置。
5.如權利要求1所述的光學位置追蹤系統(tǒng)(200，500)，其中所述目標(205)包括回反射表面(207)。
6.如權利要求1所述的光學位置追蹤系統(tǒng)(200)，其中如果當所述入射光束(284)位于特定角度值時所述目標(205)反射所述入射光束(284)，那么所述光束導引裝置(230)使所述入射光束(284)掃描經過包括所述特定角度值的一個有限角度范圍(295)，直至所述目標(205)不再反射所述入射光束(284)。
7.如權利要求1所述的光學位置追蹤系統(tǒng)(200，500)，其中所述光束導引裝置(230)是MEMS(微機電系統(tǒng))電機光束導引裝置、電流計式光束導引裝置、聲-光光束導引裝置、電-光光束導引裝置、光柵結構光束導引裝置、全息結構光束導引裝置、以及掃描鏡光束導引裝置中的一個。
8.如權利要求1所述的光學位置追蹤系統(tǒng)(200，500)，其中所述光束(280)是從以下的組中選出的光源，該組由基于白熾燈技術的光源、基于LED(發(fā)光二極管)技術的光源、基于半導體激光器技術的光源、以及基于稀土激光器技術的光源構成。
9.一種系統(tǒng)(100)，包括用于從光束(280)產生入射光束(284)和參考光束(282)的光學裝置(260)；用于使所述入射光束(284)掃描經過一個角度范圍(290)以產生目標(205)對所述入射光束(284)的反射(286)的光束導引裝置(230)，其中導引所述入射光束(284)的所述反射(286)與所述參考光束(282)干涉以形成干涉光束(250)，其中通過干涉測量技術利用所述入射光束(284)的角度值和所述干涉光束(250)確定所述目標(205)的位置，以及其中所述角度值依賴于所述反射(286)；以及用于接收并利用所述目標(205)的所述位置的計算機系統(tǒng)(50)。
10.一種光學追蹤目標(205)的方法，所述方法包括從光束(280)產生入射光束(284)和參考光束(282)；使所述入射光束(284)掃描經過一個角度范圍(290)并確定所述入射光束(284)的角度值；當所述目標(205)反射所述入射光束(284)以產生反射光束(286)時，引導所述反射光束(286)與所述參考光束(282)干涉以形成干涉光束(250)；以及通過干涉測量技術利用所述入射光束(284)的所述角度值和所述干涉光束(250)確定所述目標(205)的位置，其中所述角度值依賴于所述反射光束(286)。
全文摘要
一種光學位置追蹤系統(tǒng)(200)包括用于從光束(280)產生入射光束(284)和參考光束(282)的光學裝置(260)。此外，光學位置追蹤系統(tǒng)(200)進一步包括用于使所述入射光束(284)掃描經過一個角度范圍(290)以產生目標(205)對該入射光束(284)的反射(286)的光束導引裝置(230)，其中導引該入射光束(284)的反射(286)與所述參考光束(282)干涉以形成干涉光束(250)。另外，光學位置追蹤系統(tǒng)(200)能夠通過干涉測量技術利用該入射光束(284)的角度值和所述干涉光束(250)確定所述目標(205)的位置，其中該角度值依賴于該反射(286)。如果該光束(280)具有多個波長，要么由于這些波長同時存在，要么由于在一個時間間隔內具有多個波長，就能確定目標(205)的絕對位置。如果光束(280)具有單一波長，就能確定目標(205)的相對位置。
文檔編號G01B9/02GK1946986SQ200580008507
公開日2007年4月11日 申請日期2005年1月12日 優(yōu)先權日2004年1月16日
發(fā)明者T·謝, D·M·巴尼, M·T·迪皮 申請人:阿瓦戈科技 Ecbu Ip(新加坡)股份有限公司