專利名稱：用來測量位移的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及測量系統(tǒng)，尤其涉及用來測量其上預(yù)先印有規(guī)則圖案的物體位移的系統(tǒng)。
現(xiàn)已有各種眾所周知的系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，檢測和/或測量物體的位置或位移很重要。例如，在已受讓給本發(fā)明的受讓人并且也是由本發(fā)明的發(fā)明人共同發(fā)明的美國專利US5,578,813中公開了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種用來確定一手持掃描儀與一網(wǎng)狀材料(web ofmaterial)(即，紙張)之間相對位移的系統(tǒng)和方法。具體地說，該系統(tǒng)利用一種照明/成像傳感器，通過識別網(wǎng)狀材料與結(jié)構(gòu)有關(guān)的特性來檢測掃描儀與網(wǎng)狀材料之間相對位移。網(wǎng)狀材料內(nèi)在的與結(jié)構(gòu)有關(guān)的特性(如紙纖維或其他成分)用來導(dǎo)引，即，用來標(biāo)識掃描儀的導(dǎo)引路徑，以便所掃描的圖像能通過電子方法重建。
在美國專利US5,291,131中公開了另一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)公開了一種用來測量一環(huán)鏈(circulating chain)伸長率(由元件磨損(component wear)、拉伸等等產(chǎn)生的伸長率)的設(shè)備。其中所公開的系統(tǒng)采用了兩個傳感器(例如磁傳感器或光學(xué)傳感器)，這兩個傳感器沿環(huán)鏈路徑以一預(yù)定距離相互間隔設(shè)置。根據(jù)所計算出的移動物體的速度以及從第一指針經(jīng)過第一傳感器到第二指針經(jīng)過第二傳感器的時間，計算這兩個指針之間的距離。通過在整個時間段內(nèi)連續(xù)觀察，并且比較所計算出的距離，可以測量出環(huán)鏈伸長率。另外，在該’131專利之前的類似系統(tǒng)包括那些公開于美國專利US4,198,758和US4,274,783中的系統(tǒng)，這兩個專利的題目皆為“Chain Measuring andConveyor Control System”，并且都由本發(fā)明的發(fā)明人共同發(fā)明。
如本領(lǐng)域中眾所周知的那樣，某些噴墨打印機(jī)的打印頭構(gòu)造成橫跨紙張的打印寬度移動。油墨從打印頭向紙張的沉積一部分根據(jù)打印頭的位置信息嚴(yán)格受控。在一些這樣的打印機(jī)中，通過橫跨紙張寬度所覆蓋的空間拉伸一種透明材料片來獲得該位置信息。使這種材料片穿過打印頭的一個槽，它含周期性間隔開的分界線。在該槽的兩端設(shè)置一光學(xué)發(fā)射器/探測器對(optical emitter/detector pair)，該裝置構(gòu)造成能統(tǒng)計分界線。通過保持一準(zhǔn)確的分界線統(tǒng)計數(shù)，該系統(tǒng)能夠保持與打印頭沿紙張上位置有關(guān)的信息。在這樣一種系統(tǒng)中，材料片保持靜止，而發(fā)射器/探測器對(使它固定到打印頭上)相對于該材料片移動。
在如以上所述的那些系統(tǒng)中，也象許多其他系統(tǒng)一樣，希望能獲得準(zhǔn)確和精確的物體位移測量值。因此，希望提供一種裝置和方法，它能有效地測量物體的位移。
本發(fā)明的某些目的、優(yōu)點和新穎的特征將在以下的說明中部分表示出，而根據(jù)對以下說明的檢驗，上述內(nèi)容的一部分對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說將變得很明顯，或者可以借助本發(fā)明的實際應(yīng)用來了解它們。本發(fā)明的目的和優(yōu)點可以借助所附權(quán)利要求書中特別指出的器件和結(jié)合物來實現(xiàn)和得到。
為實現(xiàn)這些優(yōu)點和新穎的特征，本發(fā)明一般涉及一種用來測量一物體位移的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該系統(tǒng)包括一物體，在該物體上設(shè)置有一可視圖案(術(shù)語“可視圖案”將用于通篇內(nèi)容以代表用一光敏傳感器列陣所檢測到的任何圖案，而不管所涉及的光照在可視光譜的范圍之內(nèi)與否)。在這方面，該圖案由規(guī)則交變的對比度(例如黑色和白色或其他顏色)的各區(qū)域限定。多個光敏傳感器距可視圖案均勻地間隔開，它們還以一類似于可視圖案的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步設(shè)置。在這方面，若可視圖案是一重復(fù)的圓形圖案，則光敏傳感器以一重復(fù)的圓形圖案設(shè)置。若可視圖案是多個平行的線性邊界線，則多個光敏傳感器可以以一線性列陣設(shè)置。設(shè)置一透鏡，用以將可視圖案成像于多個光敏傳感器上。優(yōu)選的是，相鄰光敏傳感器元件間的間距或間隔稍不同于限定可視圖案的對比區(qū)域圖像的間隔。如以下將進(jìn)一步詳述的那樣，這使得本發(fā)明能利用莫爾效應(yīng)來精確測量物體的位移。
根據(jù)本發(fā)明的該方面，一電路電連接到多個光敏傳感器上，其中將該電路構(gòu)造成能計算由多個光敏傳感器所產(chǎn)生的電信號，以確定物體的位移。在這方面，該電信號將具體表現(xiàn)為一重復(fù)的包絡(luò)線圖案，該包絡(luò)線圖案由光敏傳感器的間距和可視圖案圖像的間距的差產(chǎn)生。該包絡(luò)線有一空間頻率，該頻率大大低于該圖像中可視圖案的頻率或光敏傳感器列陣的頻率，其中圖像中可視圖案的頻率和光敏傳感器列陣的頻率分別等于圖像中相鄰圖案邊界線距離或相鄰光敏傳感器元件間隔開的距離的倒數(shù)。在這方面，物體的小橫向運動推動(bearing)可視圖案使更低空間頻率信號包絡(luò)線的位置產(chǎn)生一偏移，該運動平行于重復(fù)圖案的重復(fù)方向。甚至推動可視圖案的物體的微小位移都能易于檢測，因為它們使包絡(luò)線圖案產(chǎn)生較大的位移，該包絡(luò)線圖案有一較低的空間頻率。包括在成像光學(xué)器件的物平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的物體運動產(chǎn)生更復(fù)雜的包絡(luò)線信號的運動，但還能使檢測這些一般性運動的精確度提高。
根據(jù)本發(fā)明的這個優(yōu)選實施例，透鏡是一焦闌透鏡。一焦闌透鏡可以包括一孔徑，該孔徑位于第一透鏡或透鏡組之后的焦距處，用以防止一物體區(qū)域位置的變化引起放大率變化?？梢詫⒌诙哥R置于該孔徑之后一段距離處，該距離等于其焦距長度，用以類似地防止一檢測器聚焦位置的變化也引起放大率變化。焦闌透鏡的各個透鏡沿一中心軸對準(zhǔn)。
根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的需要，另一種替代裝置無需一成像透鏡。在這種形式的裝置中，可以將一物體表面置于接近光敏傳感器列陣的位置，通過該物體提供光照或從該列陣中間的光源提供光照。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用來測量一物體斜度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需用必須是規(guī)則的圖案。在這方面，第一光敏傳感器列陣與一中心軸相靠設(shè)置，并且與該中心軸有一夾角。類似地，第二光敏傳感器列陣與該中心軸相靠設(shè)置，并且象第一光敏傳感器列陣一樣，與中心軸有一夾角。實際上，第二光敏傳感器列陣所成的夾角與第一光敏傳感器列所成的夾角基本上相反。另外，第一光敏傳感器列陣與第二光敏傳感器列陣設(shè)置在焦闌透鏡與物體相對的一側(cè)。最后，設(shè)置一電路，用以與第一光敏傳感器列陣和第二光敏傳感器列陣進(jìn)行電通信。將該電路構(gòu)造成能計算從第一與第二光敏傳感器列陣輸出的電信號，以確定物體的斜度。
在一個實施例中，光敏傳感器列陣可以是一維列陣(例如一列或一行傳感器元件)。在這樣一個實施例中，該系統(tǒng)將檢測物體的一維斜度(例如左右斜度)。在另一實施例中，光敏傳感器列陣可以是二維列陣。在這樣一個實施例中，該系統(tǒng)將檢測二維中任一維斜度或二維斜度。另一方面，可以用一分束器使此對傾斜的列陣能在光學(xué)上集中于一中心軸上，而沒有物理干擾。
根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，提供另一種用來在三維空間內(nèi)跟蹤一目標(biāo)物運動的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的這個方面，該系統(tǒng)包括兩個不同的透鏡，這兩個透鏡以一類似但稍有不同的方向取向。更具體地說，沿第一光軸設(shè)置具有一較深景深的第一透鏡。類似地，沿第二光軸設(shè)置也具有一較深景深的第二透鏡。第二光軸相對于第一光軸稍有一夾角，以使它們不相平行，但是，以這樣一種方式設(shè)置它們，即，第一與第二透鏡與有一公共視野，一受跟蹤的目標(biāo)物位于該視野中。在這方面，第一光敏傳感器列陣基本上與第一光軸垂直設(shè)置，而與公共視野相對。同樣，第二光敏傳感器列陣基本上與第二光軸垂直設(shè)置，而與公共視野相對。最后，設(shè)置電路，用以與第一和第二光敏傳感器列陣進(jìn)行電通信，其中把該電路構(gòu)造成能計算從第一和第二光敏傳感器列陣中輸出的電信號，以跟蹤公共視野內(nèi)一物體的運動。對從光敏傳感器列陣中輸出值的計算可以包括在兩圖像間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，或可以用更多的直接推斷算法。如上所述，對比圖案可以另外顯示于物體上，以便在使用焦闌透鏡時，或者在平行于光軸的物體位移分量很小而放大率變化受到跟蹤時使橫向位移的莫爾放大率能達(dá)到更高的精確度。
如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所公知的那樣，各種系統(tǒng)采用各種類型的關(guān)聯(lián)技術(shù)來測量一運動物體連續(xù)圖像間的圖像位移。例如，受讓給本發(fā)明受讓人的題為“Method and Device for Tracking RelativeMovement by Correlating Signals from an Array ofPhotoelement”的美國專利US5,729,008、題為“Offset Removal andSpatial Frequency Band Filtering Circuitry for PhotoreceiverSignals”的美國專利US5,703,353、題為“Method and Device forAchieving High Contrast Surface Illumination”的美國專利US5,686,720、題為“Navigation Technique for Detection Movementof Navigation Sensors Relative to an Object”的美國專利US5,644,139以及以上所參照的美國專利US5,578,813都描述了各種關(guān)聯(lián)技術(shù)，它們每個都在此引入以作參考。這些技術(shù)可以由本發(fā)明新穎的結(jié)構(gòu)采用，這里無需描述它們。
包括在說明書中并且構(gòu)成說明書一部分的附圖表示出本發(fā)明的幾個方面，這些附圖連同說明一起用來解釋本發(fā)明的原理。在這些附圖中

圖1A-1C是表示兩組大小相同的同心圓相互間相對橫向移動時的莫爾效應(yīng)圖；圖2A-2B是表示兩組平行線相互間相對旋轉(zhuǎn)時的莫爾效應(yīng)圖；圖3A-3B是表示兩組大小相同的同心三角形相互間相對橫向移動時的莫爾效應(yīng)圖；圖4A是表示本發(fā)明一個實施例的方框圖，該實施例利用一種較簡單水平線圖案的莫爾效應(yīng)來測量載有該預(yù)先印制圖案的物體的位移；圖4B是一類似圖4A所示方框圖的方框圖，但它表示出一種斜線圖案；圖5A和5B是一種用來測量一物體傾斜度的系統(tǒng)圖，根據(jù)本發(fā)明的另一實施例來構(gòu)造該系統(tǒng)；圖6A是表示用置于一中央聚焦平面中未傾斜物體的傾斜一維光電傳感器列來檢測到的假設(shè)光圖案圖；圖6B是表示用置于一中央聚焦平面之外未傾斜物體的傾斜一維光電傳感器列來檢測到的假設(shè)光圖案圖；圖6C是表示用一物體的傾斜一維光電傳感器列陣來檢測到的假設(shè)光圖案圖，該物體繞一軸傾斜，該軸平行于光電傳感器列陣的傾斜軸，并且位于中央聚焦平面中，還與光軸相交；圖7是表示用一物體的傾斜二維光電傳感器列陣來檢測到的假設(shè)光圖案圖，該物體繞一軸傾斜，該軸垂直于光電傳感器列陣的傾斜軸，并且位于中央聚焦平面中，還與光軸相交；圖8是表示本發(fā)明另一實施例的圖，該實施例可以用于三維跟蹤系統(tǒng)。
以上已經(jīng)概述了本發(fā)明的各個方面，現(xiàn)在將如附圖所示詳細(xì)說明本發(fā)明。盡管將結(jié)合附圖描述本發(fā)明，不過并不是要將本發(fā)明限制在本文所公開的實施例中。相反，本文意圖使所有的變換、修改和等同物都包括在如所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的實質(zhì)與范圍之內(nèi)。
參見圖1至3，這些圖表示幾個極簡單的莫爾圖案，或者表示幾個示出莫爾效應(yīng)的圖案。一般說來，莫爾效應(yīng)是一種光學(xué)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由兩個(或兩個以上)類周期性或準(zhǔn)周期性結(jié)構(gòu)的疊加引起的。例如，當(dāng)兩個線/空間柵格——把這樣一個柵格視為交替變換一規(guī)則重復(fù)性暗與亮(或色彩變化)帶(本文通稱線)的任意一維或二維圖案——重疊時，兩柵格各線(或空間)的交點確定稱為莫爾圖案的另一種重復(fù)性圖案。雖然莫爾圖案和莫爾效應(yīng)已為許多資料證明，并且亦為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所了解，但是，為完整和說明起見，這里仍示出幾個簡單的圖案。
在這方面，圖1A至1C用同心圓中一簡單的多帶圖案示出莫爾效應(yīng)。具體地說，這些圖示出一重疊同心圓圖案，這些同心圓以變化的角度交疊設(shè)置。圖1A示出基本上重疊的同心圓，而圖1B示出中心分離更大的圖案，圖1C示出進(jìn)一步分離的兩個圖案。如圖所示，每幅圖的特征在于，在兩圖案之間有一獨特的交疊，該交疊產(chǎn)生不同的視覺效果。在這些情況中可以注意到的是，顯現(xiàn)的圖案是雙曲線形的曲線。
例如，圖1A中劃出虛線以示出該圖案。圖1A中示出一條中心、基本上垂直的虛線和兩條水平偏移的彎曲(雙曲線)虛線，這兩條虛線沿交疊帶所形成的一個圖案延伸。雖然圖中未示出進(jìn)一步的虛線，但是，可以觀察到，隨著同心圖案進(jìn)一步分開(圖1B)，出現(xiàn)更多的圖案，并且曲線的半徑增大。
圖2A和2B示出一莫爾效應(yīng)，當(dāng)兩組等間隔平行線或帶相互之間相對旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生該莫爾效應(yīng)。如這些圖中所示，當(dāng)這些線相互以一銳角取向時，它們形成格柵(平行四邊形)，其中平行四邊形的長隨這些線的兩個圖案旋轉(zhuǎn)至近乎對齊而增大。應(yīng)注意到，圖2A中垂直通過這些交點的視覺跟蹤線如何產(chǎn)生這樣一種垂直線的圖案，這些垂直線以一較大的距離水平間隔開。其中在圖2B中受到(有意識)跟蹤的類似線變得垂直傾斜，并且更近地間隔開。
圖3A與3B示出線的另一種圖案。在這些圖中，示出一組相同的同心三角形。圖3A中，兩組三角形(沿水平方向)稍有偏離，而圖3B中偏離得更多。一組線條相對于另一組線條的運動再次在一些區(qū)域中產(chǎn)生一定的視覺效果，在這些區(qū)域中，來自兩圖案的線條相互交疊(從兩圖中僅可看到部分交疊)。大量涉及莫爾圖案的出版物已在數(shù)學(xué)上對這些圖案進(jìn)行了說明。不過，如將要根據(jù)這里的討論所理解的那樣，本發(fā)明并不限于任何所給定的莫爾圖案組，因此，不必在此作進(jìn)一步的數(shù)學(xué)討論。只要本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能充分理解用來實現(xiàn)本發(fā)明概念與教導(dǎo)的相關(guān)數(shù)學(xué)方法就足夠了。
除了上述那些以外，其他類型的莫爾圖案與莫爾效應(yīng)也是公知的。例如，當(dāng)兩組等間距平行線交疊時，發(fā)生一種不同的莫爾效應(yīng)。具體地說，當(dāng)使第一組線條間隔分開的方法稍不同于使第二組線條間隔分開的方法時，若使各線條相互間相對橫向移動——即，沿與這些線條正交的方向移動，則注意到一不同的效果。由這一運動所引起的視覺效果將不同于兩組線條具有相同間間隔所引起的視覺圖案。事實上，間距的小差異會產(chǎn)生一個空間頻率比各個圖案間距頻率低的相交圖案，而更重要的是，這些相交圖案比兩個分離圖案的位移移動得更多。
關(guān)于這一點，參見圖4A，該圖示出一系統(tǒng)10的第一實施例，該系統(tǒng)10用來測量位移，它根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造而成。該系統(tǒng)10以一獨特的方式利用莫爾效應(yīng)，以便進(jìn)行詳細(xì)的測量計算。本發(fā)明的中心是一光電傳感器列陣12，該光電傳感器列陣12包括多個光電傳感器元件。這些光電傳感器以一規(guī)則而均勻的距離間隔開，產(chǎn)生一光電傳感器元件圖案的自然間距。
一物體14包括預(yù)先印制的可視圖案16。該圖案是一整齊、規(guī)則的圖案，例如，它可以印制在物體的表面。對本發(fā)明來說，無論該物體是一種基本上為二維的物體如一張紙，還是有圖案16印制于其上的三維物體，都無關(guān)緊要——實際上，本發(fā)明的主要概念與教導(dǎo)可用于各種領(lǐng)域和環(huán)境。本發(fā)明的重要之處在于，如所成像的那樣或投射在光敏傳感器列陣上的那樣，預(yù)先印制圖案的規(guī)則圖案與包括該列陣的光敏傳感器元件的間隔有一密切關(guān)系。在這方面，如所描繪或投射在光敏傳感器列陣上的那樣，圖4A中的圖案是一系列等間距平行粗線，這些粗線相互間隔開一定距離，該距離與光敏傳感器中各列(或各行)光敏傳感器元件每隔一個之間的間距稍有不同。
透鏡18設(shè)置于光敏傳感器列陣12與物體14之間，用來將預(yù)先印制的圖案16投射于該光敏傳感器列陣上。應(yīng)指出的是，包括該光敏傳感器列陣的元件布局圖形形成第二圖案，第二圖案與物體上預(yù)先印制圖案的投射圖像一起，在光敏傳感器列陣的輸出中產(chǎn)生一莫爾效應(yīng)。這些光敏傳感器元件可以由CCD、CMOS器件或非晶硅器件制成。光敏傳感器列陣12接著電連接到電路20上，將電路20構(gòu)造成能計算多個光敏傳感器元件的輸出。雖然系統(tǒng)10不必對從光敏傳感器列陣12接收到的電信號作出圖線，但是，圖4A所提供的圖線30表示出電路20從光敏傳感器列陣12接收到的信號值。在這一點上，圖中示出多條離散信號線31、32、33，每條線由一幅值所限定。各個信號幅值對應(yīng)于從光敏傳感器元件輸出的電信號幅值。在這方面，光敏傳感器元件輸出一電信號，該信號對應(yīng)于從含該圖案的表面發(fā)出的、通過其傳送的、從其上反射的、由其折射的或由其衍射的光線。圖線30示出光敏傳感器列陣12中一行的信號值。
圖4A中所示圖案16由一系列等間距平行粗線構(gòu)成，這些粗線優(yōu)選具有相等的標(biāo)記與空間距離。當(dāng)這些線之一的圖像或投影對準(zhǔn)一光敏傳感器元件時，從該光敏傳感器元件輸出的電信號幅值較小。當(dāng)物體14開始移動并且這條線的圖像或投影開始偏離其對準(zhǔn)該光敏傳感器元件之處時，來自該光敏傳感器元件的電信號幅值開始增大。當(dāng)該圖案線條與該光敏傳感器元件完全失相時，該電信號的幅值到達(dá)最大值。這樣，若這些圖案線條的圖像或投影以一與光敏傳感器元件之間的間距稍有不同的間距分開，則從一行光敏傳感器元件輸出的信號幅值可以如圖線30所示。具體地說，雖然光敏傳感器元件和這些圖案線條的圖像或投影可以相對較緊密地隔開，但是，該圖線限定了一個具有更低空間頻率的信號包絡(luò)線。
參考數(shù)字20所指代的電路至少部分包括處理電路22，將該處理電路22構(gòu)造成能計算從光敏傳感器列陣12輸出的信號。在這方面，本發(fā)明優(yōu)選實施例的電路可以包括中央處理單元(CPU)24、存儲器26和一些用來在CPU24上執(zhí)行的程序編碼。在這一點上，程序編碼存儲于存儲器26內(nèi)，程序編碼具體為軟件，將其構(gòu)造成能控制CPU24的工作，以進(jìn)行與系統(tǒng)10所進(jìn)行的計算有關(guān)的計算。雖然可以以不同的形式具體實現(xiàn)該軟件，但是，該軟件優(yōu)選包括段28，段28對由光敏傳感器列陣12所產(chǎn)生的信號包絡(luò)線34的相位進(jìn)行計算。
這樣，根據(jù)以上所述的系統(tǒng)，物體14非常細(xì)微的運動會影響較低空間頻率的相位，否則包絡(luò)線34是一種便于計量的方式。也就是說，載有預(yù)先印制圖案16的物體14非常細(xì)微的運動會導(dǎo)致信號30的包絡(luò)線34發(fā)生大得多的變化。
可以由圖案16與光敏傳感器列陣12之間的旋轉(zhuǎn)偏移產(chǎn)生的莫爾圖案能夠受到檢測，并能在算法上受到調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生位移和旋轉(zhuǎn)的正確測量值。優(yōu)選的是，透鏡18是一個或兩個透鏡組以及一個光闌，它們構(gòu)成一焦闌透鏡。如將了解的那樣，采用焦闌透鏡18能使圖案表面偏離透鏡的聚焦平面，而不會對此列的圖像圖案間距有較大影響，否則會改變有效放大率。
雖然圖示說明了光敏傳感器元件的二維列陣，不過可以理解的是，光敏傳感器列陣12也可以是光敏傳感器元件的一維列陣。若唯一的相關(guān)測量是物體14的一維運動(例如，左/右運動)，而旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)并不是問題的焦點，則只需一個一維列陣或傳感器元件足以。不過，希望有一個二維光敏傳感器列12(如圖所示)，因為它能測量物體的左/右運動、上/下運動和物體的旋轉(zhuǎn)運動。
如圖4A與4B中的波形30與130所示，如成像于或投射于光敏傳感器列陣上的那樣，可視圖案的間距與光敏傳感器的間距之差引起重復(fù)的包絡(luò)線圖案34和134。這些包絡(luò)線34、134在波形30、130中受到反射。如圖所示，包絡(luò)線有一空間頻率，該空間頻率大大低于所成像(或所投射)的可視圖案或光敏傳感器列陣的頻率，而所成像或所投射的可視圖案和光敏傳感器列陣的頻率分別等于一個距離的倒數(shù)，該距離是相鄰所成像或所投射的圖案界限分開的距離，或者是相鄰光敏傳感器元件分開的距離。在這方面，載有可視圖案物體的橫向運動使較低空間頻率信號包絡(luò)線的位置產(chǎn)生偏移，該橫向運動平行于重復(fù)圖案的重復(fù)方向。甚至載有可視圖案物體的細(xì)微運動都可易于受到檢測，因為它們使一包絡(luò)線產(chǎn)生較大的位移，該包絡(luò)線的空間頻率低于列陣輪廓的空間頻率或者所成像或所投射圖案的空間頻率。
圖4A與4B將可視圖案表示為線性，而將光敏傳感器列陣表示為二維。不過，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會理解的那樣，也可以實現(xiàn)符合本發(fā)明概念與教導(dǎo)的其他形狀和結(jié)構(gòu)。在這一點上，預(yù)先印制的圖案可以是一同心圓結(jié)構(gòu)(見圖1A-1C)、一同心三角形結(jié)構(gòu)(見圖3A-3B)或各種其他結(jié)構(gòu)。圖示線性結(jié)構(gòu)可以是優(yōu)選的，因為該線路所要求的處理過程一般應(yīng)比實施一更復(fù)雜結(jié)構(gòu)時的處理過程簡單。
如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會理解的那樣，本發(fā)明還可以用來利用莫爾放大作用測量放大率變化。在這方面，對于不是焦闌型的透鏡來說，理想場平面內(nèi)或外的物體面的運動使放大率產(chǎn)生變化，放大率的變化可以通過利用莫爾包絡(luò)線得到精確地測量，以檢測出物體表面上一規(guī)則圖案的間距相對于光敏傳感器列陣中象素圖案間距的變化。顯微鏡是可以利用本發(fā)明該特征的設(shè)備實例。例如，本發(fā)明可以用于一顯微鏡中，該顯微鏡有一內(nèi)置光敏傳感器列陣成像器和一校準(zhǔn)物體表面上的校準(zhǔn)圖案。
本發(fā)明的另一方面用來提供一種測量一器件斜度的系統(tǒng)。在這方面，參見圖5A和5B，此二圖示出根據(jù)本發(fā)明另一方面構(gòu)造的斜度測量系統(tǒng)。這些圖中，圖5A示出把來自第一焦面160的圖像投射到兩個光敏傳感器列陣156和158上，而圖5B示出把來自第二焦面162的圖像投射到兩個光敏傳感器列陣156和158上。根據(jù)這一方面，該系統(tǒng)包括一焦闌透鏡150，如上所述，該焦闌透鏡150包括一對透鏡151、152和孔徑光闌(aperture stop)153，孔徑光闌153使具有可視圖案的物體表面能偏離透鏡150的中間焦面161，而不會因有效放大率的變化顯著影響該列陣上圖像圖案的間距，但是可能很模糊。焦闌透鏡150的各個透鏡151、152和孔徑光闌153沿一中心軸對準(zhǔn)。平面161上的物體點在圖像平面157上的焦點處最清晰，而在其他處模糊。第一光敏傳感器列陣156與中心軸154相靠設(shè)置，并且與該中心軸有一夾角。類似地，第二光敏傳感器列158與中心軸154相靠設(shè)置，并且象第一光敏傳感器列陣156一樣，與中心軸154有一夾角。實際上，第二光敏傳感器列陣158所成的夾角與第一光敏傳感器列陣156所成的夾角基本上相反。另外，第一光敏傳感器列陣與第二光敏傳感器列陣設(shè)置在焦闌透鏡150與物體(圖中未示)相對的一側(cè)以及軸154的相對兩側(cè)。這樣，任何與平面160、161或162相平行的平面上的物體點都會在兩列陣156和158上的某些共軛圖像點處最清晰，而在與含軸154并與圖像平面正交的平面相距其他距離處的物體點會模糊。最后，設(shè)置一電路164，用以與第一光敏傳感器列陣和第二光敏傳感器列陣進(jìn)行電通信。將電路164構(gòu)造成能局域計算來自從第一與第二光敏傳感器列陣156、158輸出的電信號的相對構(gòu)象對比度(imagecontrasts)，以確定物體的斜度。
如圖所示，第一與第二光敏傳感器列陣156與158成一定夾角，以實現(xiàn)第一圖像平面160與第二圖像平面162之間所設(shè)置的至少一部分物體表面聚焦?fàn)顟B(tài)最佳。如圖所示，光敏傳感器列陣156和158的上部對應(yīng)于第一焦面160，而光敏傳感器列陣156和158的下部對應(yīng)于第二焦面162。即，與第一焦面160一致的物體圖像會由透鏡150投射，以在光敏傳感器列陣的上部最清晰。這樣，如同5A所示，位于焦面160上而在軸154之外的點穿過透鏡150投射，在與光敏傳感器列陣上部相對應(yīng)的點處聚焦?fàn)顟B(tài)最佳。相反，位于焦面162上而在軸154之外的點穿過透鏡150投射，在與光敏傳感器列陣下部相對應(yīng)的點處聚焦?fàn)顟B(tài)最佳。若一物體的一部分位于焦面160與162之間的平面161上，則來自這些點的物體上各點在列陣156和158與共軛平面157的相交點處聚焦?fàn)顟B(tài)最佳，這些點比圖中所示那些點距軸154更近?？芍?，焦面160與162之間的間隔由光敏傳感器列陣156與158的大小與夾角位置以及透鏡150的景深(depth of field)確定。這樣，焦面160與162之間的間隔將隨光敏傳感器列陣156與158的大小(長度)(在一給定夾角情況下)增大和隨光敏傳感器列陣的水平夾角(在一給定長度情況下)增大而增大。
設(shè)置電路164以接收和計算光敏傳感器列陣156與158所產(chǎn)生的電信號。在這方面，電路164優(yōu)選包括一處理器(圖中未示)，該處理器可以構(gòu)造成能執(zhí)行控制處理器操作的編碼段，用以計算從光敏傳感器列陣156和158接收到的信號，從而如本文總述的那樣，完成該系統(tǒng)的操作。
如將結(jié)合圖6A、6B、6C和7詳細(xì)描述的那樣，光敏傳感器列陣156與158的交叉結(jié)構(gòu)使得該系統(tǒng)能確定一物體表面是否是水平的(即，與焦面160、161和162相平行)，或是傾斜的。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解的那樣，圖5A和5B的系統(tǒng)有各種應(yīng)用。
不過，該系統(tǒng)將通過檢測設(shè)置于第一焦面160與第二焦面162之間一物體表面上的亮圖案(light pattern)來檢測該系統(tǒng)的表面。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解的那樣，該物體上的圖案可以是一個生成的圖案，該圖案預(yù)先印制在該物體上。另一方面，它可以是一表面圖案，這種圖案是材料本身固有的圖案，例如普通紙的纖維圖案。換句話說，它可以是設(shè)置在物體上的一種天然圖案或所創(chuàng)造的圖案。在這方面，該圖案可以是一種天然材料圖案，這是該物體的材料與結(jié)構(gòu)有關(guān)的固有特性?！芭c結(jié)構(gòu)有關(guān)的固有特性”在這里是指天然特性，這種特性基于一些因素，這些因素與成像數(shù)據(jù)和/或關(guān)于天然材料的規(guī)則配準(zhǔn)(systematic registration)數(shù)據(jù)無關(guān)?！肮逃薪Y(jié)構(gòu)特征”這里是指一天然材料的那些特征，那些特征的特點是形成天然材料的過程，它們與成像數(shù)據(jù)和/或關(guān)于天然材料的規(guī)則配準(zhǔn)數(shù)據(jù)無關(guān)。固有結(jié)構(gòu)特征常為微觀的表面紋理特征，例如在1～100μm之間。
在一個實施例中，光敏傳感器列陣可以是一維列陣(例如，一列或一行光敏傳感器元件)。在這樣一個實施例中，該系統(tǒng)將檢測一維物體的斜度(即左右斜度)。在另一實施例中，光敏傳感器列陣可以是二維列陣。在這樣一個實施例中，該系統(tǒng)將檢測二維列陣中任一或全部的斜度。在這方面，圖6A和6B示出采用一維光敏傳感器列陣的系統(tǒng)，而圖7A和7B示出采用二維光敏傳感器列陣的系統(tǒng)。
為了更好地說明圖5A和5B中系統(tǒng)的工作，現(xiàn)在參照圖6A，圖6A示出第一光敏傳感器列陣156和第二傳感器列陣158以及分別由光敏傳感器列陣156和158所檢測到的光強(qiáng)圖166和168。為了簡化說明，假定光敏傳感器列陣156和158中的每一個都是一維列陣，每列陣都有十七個光敏傳感器元件。每個光敏傳感器元件產(chǎn)生一個電信號，該電信號對應(yīng)于該光敏傳感器元件所接收的光強(qiáng)。在組166和168中示出一假想實例。具體地說，這些組中的每一個都有十七個獨立的分組。這些分組中的陰影代表投射到該光敏傳感器元件上的光線。這樣，組166和168的最右端分組和最左端分組不含陰影，它們代表較低對比度的區(qū)域。中間的分組包括交替明暗的分組，它們表示這些光敏傳感器列陣中較高的對比度。因而，物體的圖像在列陣166和168的中間區(qū)域清晰?？梢岳斫獾氖牵@些圖中所示的實例是一極其簡單的實例，僅為了進(jìn)行說明而簡化了它。實際上，光敏傳感器元件將有含模擬輸出的模擬特征，因此將支持改變光強(qiáng)和焦點的全光譜(infinitespectrum)。而且，實際上，將會有比圖6A和6B中較少的十七個元件多得多的光敏傳感器元件。按照圖示最佳對比度位置的解釋是必須將物體置于與平面161同平面的位置(見圖5A和5B)。
對本發(fā)明來說，各種光敏傳感器元件的最佳聚焦對比度的特定強(qiáng)度并不重要，而只有其相對于該列中其他位置的強(qiáng)度才很重要。
相反，如圖6B所示，第一與第二光敏傳感器列陣156與158光敏傳感器元件的最高對比度區(qū)域(如由組166和168所示)以相反方向從中央向外偏移。光敏傳感器列陣156(組166)中的高對比度圖案移至右端的同時，光敏傳感器列陣158(組168)中的高對比度圖案移至左端，這表示物體的表面水平或與焦面160、161和162平行，但是離平面160最近。光敏傳感器元件相差的程度將由電路164來計算，以確定目標(biāo)物的傾斜幅度。
圖6C示出物體關(guān)于一軸的斜度，該軸位于平面161內(nèi)并且與紙面垂直。如圖所示，組166和168中所反射的對比度代表關(guān)于一軸的斜度，該斜度令物體更接近平行于列156而更不平行于列158。
簡要參見圖7，圖7類似于圖6A中的表示，但是圖7所示的實施例采用兩個二維光敏傳感器列陣256和258。組266和268代表分別由光敏傳感器列陣256和258所檢測的對比度強(qiáng)度。如圖所示，圖7中各組266和268的對比分組表示物體表面包括平面161與圖7中平面之間的交線，但是該交線關(guān)于一條線傾斜，該線作為旋轉(zhuǎn)軸。
雖然圖中未示，但是，可以將一分束器插入到透鏡150與列陣156、158之間，并且重新放置光敏傳感器列陣156和158，以便它們都能看到物體表面的相同區(qū)域。在該優(yōu)選實施例中，列陣156和158橫向偏離，以便它們能看到物體表面的橫向偏離區(qū)域。雖然對于檢測物體斜度(尤其在物體表面是平面的情況下)來說，這樣一種結(jié)構(gòu)通常是可以接受的，不過在某些環(huán)境下希望使列陣156、158能看到相同的物體區(qū)域。透鏡150與列陣156、158之間一分束器的適當(dāng)結(jié)構(gòu)會實現(xiàn)這一目的。
如可以理解的那樣，使用二維光敏傳感器列陣256和258便于沿兩個不同方向中的每個方向檢測斜度。而且，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解的是，這些列陣能以與這里所述的方式不同的方式傾斜。此外，棱鏡可以用來提供使列陣傾斜的作用，其中隨后這些列陣可以共面或者甚至變成一個更大列陣的各部分。例如，可以以一不傾斜(水平)的方式設(shè)置這些列陣，而將棱鏡置于這些列陣與物體之間(優(yōu)選與這些列相鄰)?？梢詫⒗忡R的形狀制成或?qū)⒗忡R構(gòu)造成能改變穿過它們的光的方向，從而賦予這些列“有效的”斜度。例如，可以將一楔形棱鏡置于兩列陣中每列陣之前。這樣，可以將該系統(tǒng)的剩余部分構(gòu)造成能如本文所述的那樣工作。
在另一結(jié)構(gòu)中，可以采用單獨一個圓形光敏傳感器列陣(也可能有一圓形對稱棱鏡)。光敏傳感器元件可以在該整個列陣中分布。由各種光敏傳感器元件所檢測到的圖像對比度可以受到計算并被相互關(guān)聯(lián)，以確定一物體表面的斜度。在另一結(jié)構(gòu)中，采用一具有圓錐坐標(biāo)的三維列陣或一具有圓坐標(biāo)的二維列陣和一倒錐形棱鏡。但是，本發(fā)明的這些變化全部在這里所述的廣義概念與教導(dǎo)范圍之內(nèi)，無需作進(jìn)一步的具體描述。
參見圖8，圖8示出本發(fā)明的又一實施例。根據(jù)本發(fā)明的該實施例，該系統(tǒng)包括兩個不同的透鏡372和374，這兩個透鏡以一類似但稍有不同的方向取向。更具體地說，沿第一光軸373設(shè)置具有一較深景深的第一透鏡372。類似地，沿第二光軸375設(shè)置也具有一較深景深的第二透鏡374。第二光軸375相對于第一光軸373稍有一夾角，以使它們不相平行，但是，以這樣一種方式設(shè)置它們，即，第一與第二透鏡372與374有一公共視野，一受跟蹤的目標(biāo)物383位于該視野中。在這方面，第一光敏傳感器列陣356基本上與第一光軸373垂直設(shè)置，而與公共視野相對。同樣，第二光敏傳感器列陣358基本上與第二光軸375垂直設(shè)置，而與公共視野相對。最后，設(shè)置電路364，用以與第一和第二光敏傳感器列陣356和358進(jìn)行電通信，其中把電路364構(gòu)造成能計算從第一和第二光敏傳感器列陣356和358中輸出的電信號，以跟蹤公共視野內(nèi)一物體383的運動。
優(yōu)選的是，放置透鏡372和374以使光敏傳感器列陣356和358具有從近物體平面374至遠(yuǎn)物體平面378的較深景深范圍。如圖所示，光軸373和375相互之間有夾角，它們在物體區(qū)域377內(nèi)的點383處相交。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可理解的那樣，可以如此構(gòu)造圖8中的系統(tǒng)，即，對于位于物體平面377內(nèi)的點383處的物體來說，光敏傳感器列陣356和358所接收的圖像幾乎相同，但由透視差別所引起的小差別除外。
但是，若這樣一個物體移動到物體平面377之外而至一新的物體平面(在平面376和378或于二者之間)，則由光敏傳感器列陣356和358所接收到的各圖像將在其圖像框架(images frames)的平面內(nèi)偏移。這種偏移的方向和幅度表示出物體平面間的位移。通過第一觀察來揭示這種偏移，即，兩個光敏傳感器列陣356和358的圖像框架中心將與物體點383的各個圖像相一致，物體點383位于兩個光軸373和375相交之處。當(dāng)一物體表面從含該交點383的物體平面移至另一物體平面例如近物體平面376或遠(yuǎn)物體平面378時，移至這些列陣中心的物體表面上的各點變成兩個點近物體平面376上的386和382，遠(yuǎn)物體平面378上的388和384。對兩列陣間圖像偏移之差的測量可以用來說明物體表面的三維運動。在這方面，對圖像偏移的測量可以用例如一處理電路364來進(jìn)行，處理電路364通過在連續(xù)圖像或它們的子圖像之間用關(guān)聯(lián)技術(shù)來執(zhí)行上述測量，或者通過圖像移動跟蹤領(lǐng)域的那些普通技術(shù)人員所公知和能理解的直接推斷技術(shù)來執(zhí)行上述測量。
前述說明并不是窮盡的或者將本發(fā)明限制在所公開的嚴(yán)格形式中。根據(jù)以上的教導(dǎo)，可以作明顯的修改和變換。在這方面，選擇并描述所討論的各個實施例，以便對本發(fā)明的原理作最佳的說明，還提供其實際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能將本發(fā)明用于各種實施例，并且作各種修改以適用于預(yù)期的特定用途。當(dāng)根據(jù)對所附權(quán)利要求公正而合法地賦予的寬度來解釋時，所有這些修改和變換都在如所附權(quán)利要求書所確定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用來測量一物體(14)位移的系統(tǒng)(10)，包括一物體(14)，它具有一顯示一可視圖案(16)的表面區(qū)域，將所述圖案作為一圖像圖案投射到多個光敏傳感器(12)上，所述圖像圖案包括輻射強(qiáng)度的規(guī)則變化；所述多個光敏傳感器(12)以一類似于上述圖像圖案的結(jié)構(gòu)均勻間隔開；和一電路(20)，它與多個光敏傳感器電連接，將該電路構(gòu)造成能計算由多個光敏傳感器(12)所產(chǎn)生的電信號，以確定物體(14)的位移。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括一透鏡(18)，設(shè)置該透鏡(18)以將物體的圖案作為一圖像圖案投射到多個光敏傳感器(12)上。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中物體(14)的位移包括平動位移。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中物體(14)的位移包括旋轉(zhuǎn)位移。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中可視圖案(16)是一系列平行的線性標(biāo)記，它們均勻地間隔開。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中多個光敏傳感器(12)設(shè)置于一個列陣中。
7.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，光敏傳感器(12)之間的均勻間隔稍微不同于平行的線性標(biāo)記(16)之間的均勻間隔。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中電路(20)包括一中央處理單元(24)和一存儲器(26)。
9.一種用來測量一物體斜度的系統(tǒng)，包括一焦闌透鏡(150)；第一光敏傳感器列陣(156)，沿焦闌透鏡(150)的中心軸(154)設(shè)置；第二光敏傳感器列陣(158)，沿中心軸(154)設(shè)置，并且相對于第一光敏傳感器列陣(156)有夾角；和一電路(164)，它與第一光敏傳感器列陣(156)和第二光敏傳感器列陣(158)進(jìn)行電通信，將電路(164)構(gòu)造成能計算從第一光敏傳感器列陣(156)和第二光敏傳感器列陣(158)中輸出的電信號，以確定物體的斜度。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中焦闌透鏡(150)包括一對透鏡(151、152)，它們沿一中心軸(154)對齊。
全文摘要
本發(fā)明一般涉及一種用來測量一物體位移的系統(tǒng)。在一個實施例中,本發(fā)明利用莫爾效應(yīng)來精確測量一物體的位移。在這方面,將一可視圖案設(shè)置于一物體上,而多個光敏傳感器距可視圖案均勻間隔開。光敏傳感器之間的間隔稍不同于形成可視圖案投影或圖像的線條間隔。這使得本發(fā)明能利用莫爾效應(yīng)來準(zhǔn)確計算物體的精確位移或運動。而且,一個或更多光敏傳感器列陣的各種結(jié)構(gòu)和某些相互成夾角的光學(xué)器件用來測量三維的物體位移和旋轉(zhuǎn)。
文檔編號G01D5/26GK1247972SQ9911049
公開日2000年3月22日 申請日期1999年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月17日
發(fā)明者B·J·圖利斯 申請人:惠普公司