專利名稱：光學(xué)平移測(cè)量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及速度和平移測(cè)量領(lǐng)域，較具體地涉及關(guān)于速度和平移的非接觸光學(xué)測(cè)量的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的背景存在著測(cè)量一個(gè)物體相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的速度和/或運(yùn)動(dòng)的各種光學(xué)方法。所測(cè)量的物體的種類和運(yùn)動(dòng)的種類決定了各種方法和設(shè)備的特性。
可測(cè)物體的種類粗略地可分成幾組，其中包括·有特定圖案的物體，例如一個(gè)標(biāo)尺。
·反射物體，例如一面反射鏡。
·小粒子(或一些粒子)，例如一些前兆粒子或懸浮在液體中的氣泡。
·有光學(xué)對(duì)比度的表面，例如一個(gè)線形圖或點(diǎn)圖。
·光學(xué)漫射物體，例如白紙。
可測(cè)運(yùn)動(dòng)的種類粗略地可分成幾組，其中包括·面向或背向測(cè)量裝置的軸向運(yùn)動(dòng)。
·橫向(或切向)運(yùn)動(dòng)，其中測(cè)量裝置與物體之間的距離基本恒定。
·旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中物體相對(duì)于測(cè)量裝置的方向是變化的。
根據(jù)同時(shí)可獲得的測(cè)量方向的數(shù)目(一維、二維或三維)和關(guān)鍵元件(光源、光探測(cè)器、透鏡等等)的數(shù)目來分類測(cè)量裝置也是有用的。
應(yīng)該指出，某一特定的方法可能與上述分類中的一個(gè)以上的組相關(guān)聯(lián)。
已經(jīng)報(bào)導(dǎo)有許多能利用光學(xué)手段進(jìn)行物體橫移速度和/或運(yùn)動(dòng)的非接觸測(cè)量的系統(tǒng)。這些方法包括了斑紋(Speckle)測(cè)速方法和激光多普勒(Doppler)測(cè)速方法。對(duì)理解本發(fā)明有意義的其他方法有圖像測(cè)速方法、零差/外差多普勒測(cè)速或干涉方法和光學(xué)相干層析術(shù)(OCT)。
斑紋測(cè)速方法通?；谙率鲆恍┕ぷ髟怼び靡粋€(gè)相干光源照明需被測(cè)量運(yùn)動(dòng)的物體。
·被照明物體(一般為一個(gè)不透明表面)由多個(gè)散射元素組成，每個(gè)散射元件有其自身的反射系數(shù)和相對(duì)于其他散射元素的相移。
·各個(gè)反射系數(shù)和相移基本上是隨機(jī)的。在空間中的一個(gè)特定點(diǎn)處，由物體反射產(chǎn)生的電場(chǎng)振幅是各被照明散射元素的反射的矢量和，其中每個(gè)元素的反射矢量含有一個(gè)取決于該點(diǎn)與每個(gè)元素之間的距離的附加相位成份。
·當(dāng)各個(gè)貢獻(xiàn)總的是同相地相加時(shí)，一個(gè)點(diǎn)處的光強(qiáng)將是高的；當(dāng)各貢獻(xiàn)總的是反相地相加(即相減)時(shí)，一個(gè)點(diǎn)處的光強(qiáng)將是低的。
·由于各光源點(diǎn)的相對(duì)相位延遲與一個(gè)平面表面上的位置有關(guān)，所以在該平面上(不是一個(gè)點(diǎn)上)將形成一個(gè)有隨機(jī)分布的亮暗區(qū)域的圖像。這個(gè)圖像叫做“斑紋圖像”，它由一些亮和暗的斑紋(可區(qū)分的“斑紋”)所組成。
·典型的“斑紋”尺寸(強(qiáng)度發(fā)生明顯變化的典型的平均距離)主要取決于光的波長(zhǎng)、物體與斑紋圖像平面之間的距離、和被照明區(qū)域的大小。
·當(dāng)物體相對(duì)于在其上觀察斑紋圖像的平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，斑紋圖像也將基本上以同樣的橫向速度運(yùn)動(dòng)(由于有些散射元素將離開被照明區(qū)域，另一些散射元素將進(jìn)入被照明區(qū)域，所以斑紋圖像也將改變)。
·讓斑紋圖像通過一個(gè)由一系列交替的透明和不透明或反射線條組成的結(jié)構(gòu)，使斑紋圖像受到調(diào)制。這個(gè)結(jié)構(gòu)一般是一個(gè)純粹的透射光柵，并且理想地放置在靠近探測(cè)器的位置處，以得到最大的對(duì)比度。
·探測(cè)器把通過該結(jié)構(gòu)的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成一個(gè)電信號(hào)，該電信號(hào)是光強(qiáng)度的函數(shù)(通常是一個(gè)線性函數(shù))。
·當(dāng)物體相對(duì)于測(cè)量裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，斑紋圖像將被該結(jié)構(gòu)調(diào)制，使得到達(dá)探測(cè)器的光強(qiáng)度是周期性的。該周期正比于結(jié)構(gòu)的線條間隔，反比于相對(duì)速度。
·通過適當(dāng)?shù)男盘?hào)分析可以找到振蕩頻率，該頻率表明了物體與測(cè)量裝置之間的相對(duì)速度。
在這些方法中，高精度的頻率確定要求有一個(gè)大的探測(cè)器，而高對(duì)比度的信號(hào)又要求有一個(gè)小的探測(cè)器。波波夫(popov)和維塞洛夫(Veselov)的一篇標(biāo)題為“Tangential Velocity Measurements ofDiffuse Objects by Using Modulated Dynamic Speckle(利用調(diào)制動(dòng)態(tài)斑紋對(duì)漫射物體的切向速度測(cè)量)”的論文(SPIE0-8194-2264-9196)給出了斑紋測(cè)速方法精度的數(shù)學(xué)分析。
授予弗勞瓦(Flower)等人的美國(guó)專利No.3,432,237描述了一種斑紋測(cè)速系統(tǒng)，其中用一個(gè)透射圖案或一個(gè)針孔來調(diào)制斑紋圖像。當(dāng)使用針孔時(shí)，信號(hào)將代表各單個(gè)斑紋越過針孔時(shí)的透過光強(qiáng)變化。
授予勃?jiǎng)?Blau)等人的美國(guó)專利No.3,737,233采用了兩個(gè)探測(cè)器，試圖解決存在于許多斑紋速度測(cè)量中的方向不確定問題。其中說明了一個(gè)含有兩個(gè)各自帶有一個(gè)透射光柵的探測(cè)器的系統(tǒng)。一個(gè)光柵相對(duì)于它的探測(cè)器是靜止的，另一個(gè)光柵相對(duì)于它的探測(cè)器是運(yùn)動(dòng)的。根據(jù)對(duì)兩個(gè)探測(cè)器所產(chǎn)生的信號(hào)的比較，可以確定速度的正負(fù)號(hào)和大小。
授予毛莫(Maughmer)等人的美國(guó)專利No.3,856,403也試圖通過設(shè)置一個(gè)運(yùn)動(dòng)光柵來避免方向不確定問題。其中通過讓光柵以高于表面與測(cè)速裝置之間的最大期望相對(duì)速度的速度運(yùn)動(dòng)，來為速度測(cè)量提供一個(gè)偏置。這一頻移減小了總光強(qiáng)(直流和低頻成份)變化的影響，從而增大了測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍和精度。
授予加德納(Ghardner)等人的PCT公告WO 86/06845說明了這樣一種系統(tǒng)，其中通過把斑紋探測(cè)器信號(hào)減去一個(gè)來自光源光的參考采樣值以減小探測(cè)信號(hào)的DC(直流)和低頻信號(hào)成份的幅度。參考信號(hào)是正比于探測(cè)器上的總光強(qiáng)的，從而可減小或排除總光強(qiáng)變化對(duì)測(cè)量的影響。
根據(jù)其中的說明，參考信號(hào)是用一個(gè)位于測(cè)量表面與主探測(cè)器之間的分束器產(chǎn)生的，這個(gè)分束器是用光柵實(shí)現(xiàn)的，其透射光射向主探測(cè)器進(jìn)行斑紋探測(cè)，反射光則反射到參考探測(cè)器上產(chǎn)生參考信號(hào)?；蛘呃玫诙M探測(cè)器來提供參考信號(hào)。在該公開的一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)信號(hào)有相同的DC成份和相反的AC(交流)成份，所以它們的差信號(hào)不僅基本上除去了DC(或接近DC)的成份，而且明顯地增大了AC成份。
在美國(guó)專利No.4,794,384中，杰克遜(Jackson)描述了一種系統(tǒng)，其中自被測(cè)表面反射的斑紋圖像形成在一個(gè)二維CCD(電荷耦合器件)陣列上。通過用電子方法求出相繼圖像之間的相關(guān)就可找出二維方向上的表面平移。他還描述了他的裝置作為“無襯墊光學(xué)鼠標(biāo)器”的應(yīng)用。
圖像測(cè)速方法測(cè)量一個(gè)圖像在圖像平面上的移動(dòng)速度。該圖像必需含有一些有對(duì)比的元素。一個(gè)線條圖案(很像光柵)對(duì)圖像進(jìn)行空間調(diào)制，而一個(gè)光敏探測(cè)器則測(cè)量透過該圖案的光強(qiáng)。這樣，在圖像速度與探測(cè)器AC成份之間建立了速度/頻率的關(guān)系。通常，線條圖案是相對(duì)于探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的，所以頻率是被偏置的。于是解決了方向不確定問題和擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)范圍。
李(Li)和阿魯加(Aruga)的一篇論文“Velocity Sensing byIllumination with a Laser-Beam Pattern(用激光束圖案照明來探測(cè)速度)”(Applied Optics，32，p.2320,1993)說明了一種速度測(cè)量方法，其中物體被一個(gè)周期性線條結(jié)構(gòu)照明(不是讓物體的像通過這種圖案)。這一線條圖案是通過把一個(gè)擴(kuò)展的激光束透過一個(gè)周期性透射光柵(或線條結(jié)構(gòu))來得到的。按照這個(gè)建議的方法，物體仍需要有對(duì)比的元素。
圖像測(cè)速法(IV)與斑紋測(cè)速法(SV)之間有不少差別。特別是，在SV中隨機(jī)圖像是由相干光源強(qiáng)迫產(chǎn)生的，而在IV中則假定圖像已經(jīng)含有適當(dāng)?shù)膶?duì)比元素。此外，SV測(cè)量的是物體的切向速度。而IV測(cè)量的是角速度(圖像在圖像平面內(nèi)的速度正比于視線的角速度)。
在授予威特尼(whitney)等人的美國(guó)專利No.3,511,150中，線條圖案的二維平移產(chǎn)生了一個(gè)頻移。單個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓線條圖案在一個(gè)圓形掩模中的一些特定長(zhǎng)形開口處產(chǎn)生了所有必要的平移線條圖案。利用一個(gè)測(cè)量固定圖像的附加探測(cè)器可以在線地測(cè)量頻移。線條圖案被分成兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域用來測(cè)量不同的速度范圍。該系統(tǒng)基本上是為補(bǔ)償航空攝影中的像運(yùn)動(dòng)以減小像模糊而設(shè)計(jì)的。此外，它也可用于導(dǎo)彈尋的頭。
授予道意耳(Doyle)的美國(guó)專利No.2,772,479說明了一種圖像測(cè)速系統(tǒng)，其中由一個(gè)位在旋轉(zhuǎn)帶上的光柵產(chǎn)生頻率偏置。
激光多普勒測(cè)速計(jì)一般利用通過對(duì)一個(gè)光源分束所形成的兩束激光，并使這兩束光在己知位置處發(fā)生干涉。經(jīng)過干涉空間的一個(gè)光散射物體把兩個(gè)光束的光散射到一個(gè)探測(cè)器上。探測(cè)器信號(hào)中有一個(gè)振蕩成份，其頻率與物體速度有關(guān)。這一現(xiàn)象可以用兩種方法來解釋。一種解釋基于兩束光形成的干涉圖形。在干涉空間中的強(qiáng)度在亮平面和暗平面之間周期性地變化。經(jīng)過這些平面的物體將散射正比于光強(qiáng)的光。因此，探測(cè)到的光被正比于物體垂直于這些干涉平面的速度分量的頻率所調(diào)制。第二種解釋考慮了這樣的事實(shí)，即一個(gè)經(jīng)過存在有兩個(gè)光束的空間的物體將散射這兩束光。每個(gè)反射光都因多普勒效應(yīng)而發(fā)生頻移。然而因?yàn)閮墒肷涔獾慕嵌炔煌?，所以它們的多普勒頻移也不相同。兩反射光在探測(cè)器上發(fā)生干涉，產(chǎn)生了拍頻信號(hào)，其頻率等于兩多普勒頻移之差。于是這個(gè)差值正比于物體垂直于干涉平面的速度分量。
通常給一個(gè)光束加以頻率偏置，使得零物體速度將產(chǎn)生非零頻的測(cè)量值。這解決了運(yùn)動(dòng)方向不確定問題(因?yàn)椴豢赡軈^(qū)分正、負(fù)頻率)并通過產(chǎn)生遠(yuǎn)離于DC成份的信號(hào)而大為增加了動(dòng)態(tài)范圍(對(duì)低速度的靈敏度)。頻率偏置還有信號(hào)識(shí)別和鎖定等方面的其他優(yōu)點(diǎn)。
授予卡托(kato)等人的美國(guó)專利No.5,587,785描述了一個(gè)這種系統(tǒng)。頻率偏置是通過在光源光束被分束之前對(duì)它進(jìn)行快速的線性頻率掃描來實(shí)現(xiàn)的。分束的方法使得在兩個(gè)得到的光束之間存在時(shí)間延遲。由于頻率是掃描著的，所以延遲將造成兩光束間的固定頻差。
通過對(duì)光源進(jìn)行帶有另外延遲的進(jìn)一步分束，可以提取出帶有不同頻率偏置的多個(gè)光束。然后利用每個(gè)這種延遲來測(cè)量一個(gè)不同的速度動(dòng)態(tài)范圍。
馬茨巴拉(Matsubara)等人的論文“Simultaneous Measurementof the Velocity and Displacement of the Moving Rough Surface by aLaser Doppler Velocimeter(利用激光多普勒測(cè)速計(jì)同時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)粗糙表面的速度和位移)”(Applied Optics，36，p.4516,1997)給出了利用LDV(激光多普勒測(cè)速計(jì))測(cè)量粗糙表面橫向速度的數(shù)學(xué)分析和仿真結(jié)果。其中還提議可以根據(jù)由兩個(gè)與表面有不同距離的探測(cè)器同時(shí)測(cè)量的結(jié)果來計(jì)算沿軸向的位移。
在零差/外差多普勒測(cè)量中，一個(gè)相干光源被分成兩個(gè)光束。一個(gè)光束(“主”光束)照明待測(cè)其速度的物體。另一光束(“參考”光束)被一個(gè)通常為反射鏡的作為測(cè)量系統(tǒng)一部分的參考元件反射。由物體和參考元件反射的光被重新結(jié)合(通常由同一個(gè)分束器實(shí)現(xiàn))并被導(dǎo)向一個(gè)光敏探測(cè)器。
從物體反射的光的頻率因多普勒效應(yīng)而移動(dòng)，移動(dòng)量正比于物體在主光束與反射光束的角平分線方向的速度分量。所以，如果反射光束與主光束重合，則將探測(cè)到軸向運(yùn)動(dòng)。
探測(cè)器敏感于光的強(qiáng)度，即敏感于電場(chǎng)的平方。如果探測(cè)器從參考路徑接收到的電場(chǎng)為E0(t)＝E0cos(w0t+0)，從物體接收到的電場(chǎng)為(E0+E1)2＝E02+E0E1+E12上式右端第一項(xiàng)被探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)平均，變成一個(gè)DC成份。通常參考光束的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于從物體到達(dá)探測(cè)器的光強(qiáng)，所以最后一項(xiàng)一般可以忽略不計(jì)。展開中間項(xiàng)E0E1＝E0E1cos(ω0t+0)cos(ω1t+1)＝1/2E0E1[cos((ω0+ω1)t+0+1)+cos((ω0-ω1)t+0-1)]從這個(gè)式子可以明顯看出，E0E1含有有兩個(gè)振蕩項(xiàng)。其中一個(gè)振蕩項(xiàng)以約兩倍于光頻的頻率振蕩，將被探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)平均成零。第二項(xiàng)以頻率w0-w1(即相同于因多普勒效應(yīng)造成的頻移量)振蕩。于是，探測(cè)器輸出信號(hào)包含一個(gè)能表征被測(cè)速度的頻率振蕩成份。
通常給參考光束加一個(gè)頻率偏置。當(dāng)加上這個(gè)頻率偏置時(shí)叫做“外差探測(cè)”。
授予伯爾尼(Byrne)等人的美國(guó)專利No.5,588,437描述了一種系統(tǒng)，其中由一個(gè)激光光源照明一個(gè)生物組織。從皮膚表面反射的光用作參考光束，而從流動(dòng)于皮膚下面的血液上反射的光作為零差探測(cè)光。這樣，皮膚起到了靠近被測(cè)物的漫射式分束器的作用。利用皮膚作為分束器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，身體的整體運(yùn)動(dòng)不會(huì)影響測(cè)量。測(cè)量到的只有血液與皮膚之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)使用了兩對(duì)探測(cè)器。每對(duì)探測(cè)器都能產(chǎn)生一個(gè)差分信號(hào)。這有助于減小DC和低頻成份對(duì)測(cè)量的干擾。一個(gè)光束掃描系統(tǒng)給出了二維血流圖的圖形。
在光學(xué)相干層析術(shù)(OCT)中，一個(gè)低相干度的光源(“白光”)被導(dǎo)向并聚焦于一個(gè)被采樣體積內(nèi)。用一個(gè)分束器把光源一部分的光導(dǎo)向參考光路。參考光路的光程是可控制的。從光源反射的光與來自參考光路的光用一個(gè)分束器(通常與用來分束光源光的同一個(gè)分束器)重新結(jié)合。一個(gè)光敏探測(cè)器測(cè)量結(jié)合光的光強(qiáng)。由于光源的相干長(zhǎng)度十分短，所以只有從中心位于距光源的距離相同于參考光光程的點(diǎn)處的小體積內(nèi)反射的光才與參考光發(fā)生相干干涉。從樣品其他體積上反射的光不與參考光相干。參考光光程被線性地改變(通常例如以鋸齒波的形式周期性地改變)。使得能在深度方向上對(duì)樣品采樣。此外，在測(cè)量中引入了多普勒頻移，使得能在高動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)清楚地探測(cè)相干干涉體積。
在普通的OCT中，通過獲取反射大小的深度變化，給出被采樣體積的對(duì)比圖像。在較先進(jìn)的OCT中，探測(cè)相對(duì)于名義多普勒頻率的頻移，并將它和采樣體積(在相干范圍內(nèi)的)與測(cè)量系統(tǒng)之間的相對(duì)速度的大小和方向聯(lián)系起來。
授予史汪遜(Swanson)等人的美國(guó)專利No.5,459,570描述了一種基本的OCT系統(tǒng)和該系統(tǒng)的許多應(yīng)用。
依扎特(Izatt)等人的論文“In vivo Bidirectional Color DopplerFlow Imaging of Picoliter Blood Volumes Using Optical CoherenceTomography(利用光學(xué)相干層析術(shù)對(duì)皮升體積血液的活體雙向顏色多普勒液流成像)”(Optcis Letter 22，p.1439，1997)描述了一種具有速度成像能力的基于光纖的OCT。使用一個(gè)光纖分束器在光從主光路中的樣品上反射之前和從參考光路中的反射鏡上反射之前把光路分開，并把相反方向的兩個(gè)反射光結(jié)合起來。
蘇哈拉(Suhara)等人的論文“Monolithic Integrated-OpticPosition/Displacemant Sensor Using Waveguide Gratings and QW-DFB Laser(利用波導(dǎo)光柵和QW-DFB(量子阱一分布反饋)激光器的單片集成光學(xué)位置/位移探測(cè)器”)(IEEE Photon.Technol.Lett.7，p1195，1995)描述了一種單片全集成的干涉儀，它能測(cè)量一個(gè)反射鏡到測(cè)量裝置的距離的變化。該裝置利用光源光路中的一個(gè)反射衍射元件(聚焦分布式布拉格反射器)作為合光分束器和本地振蕩光(localoscillator)反射器。方向探測(cè)是通過一個(gè)能在各探測(cè)器信號(hào)之間引入靜態(tài)相移的布局來得到的。
上述所列的每個(gè)參考性專利、專利公開和參考文獻(xiàn)均在此引用作為參考。
本發(fā)明的概述廣義形式上的本發(fā)明提供了一種光學(xué)平移測(cè)量(OTM)方法和裝置，它們能提供關(guān)于裝置與一個(gè)鄰近物體之間的相對(duì)平移的量以及方向(可任選)的信息。物體最好至少是部分地粗糙的，并靠近于裝置。這里所用的術(shù)語(yǔ)“粗糙”或“漫射”意味著光學(xué)不規(guī)則或不均勻。特別地，物體可以具有漫射不透明或半透明的表面，例如紙張。本說明書主要討論這種漫射表面的平移或速度的確定。然而應(yīng)該理解，本發(fā)明的許多方法也可應(yīng)用于確定其它類型物體的平移，例如可能是懸浮在液體中的小散射粒子的平移。如下面將說明的，物體的平移意味著其空間旋轉(zhuǎn)可以忽略。
根據(jù)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的第一個(gè)方面，本發(fā)明提供了對(duì)從由光學(xué)不規(guī)則表面反射的光的相位和/或振幅的變化所導(dǎo)出的非多普勒非斑紋圖像信號(hào)的外差或零差探測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的可應(yīng)用于各種運(yùn)動(dòng)或速度探測(cè)方法的第二個(gè)方面，本發(fā)明提供了這樣一種系統(tǒng)，其中把一個(gè)能反射部分入射光的反射器放置在要測(cè)量其運(yùn)動(dòng)的表面附近。該反射器提供本地振蕩信號(hào)，該信號(hào)本征地相干于從表面反射的光。本發(fā)明的這一方面同時(shí)適用于運(yùn)動(dòng)探測(cè)的多普勒方法和非多普勒方法。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，部分反射器是一個(gè)光柵，并且通過光柵來照明被測(cè)表面。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該光柵復(fù)蓋了被測(cè)表面的一個(gè)部分，并具有較大的透射率。在本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例中，從表面反光要經(jīng)過光柵。特別在利用本發(fā)明的第三個(gè)方面的優(yōu)選實(shí)施例中，反射與部分透射的結(jié)合是有用的。
根據(jù)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的第三個(gè)方面，提供了一種非對(duì)稱的透射圖案來幫助確定表面的運(yùn)動(dòng)方向。
根據(jù)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的第四個(gè)方面，在部分反射器的至少一部分反射光與表面反射的至少一部分光之間引入了相移。這個(gè)相移使得能確定運(yùn)動(dòng)方向，增大動(dòng)態(tài)范圍，和改善信噪比。
在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例中，這一相移可以是動(dòng)態(tài)的，即隨時(shí)間變化。這種相位變化可通過使反射器沿垂直于表面或平行于表面或者兩者結(jié)合的方向運(yùn)動(dòng)而容易地實(shí)現(xiàn)。此外，可以是反射器上一個(gè)圖案的運(yùn)動(dòng)，例如表面聲波(SAW)元件中起著光柵作用的駐波的運(yùn)動(dòng)。從這個(gè)角度看運(yùn)動(dòng)的是反射器上的圖案而不是整個(gè)反射器。或者，可以通過周期性地改變反射器與表面之間的光程，例如在光路中插入一個(gè)壓電材料，來引入相移。
相移也可以是靜態(tài)的。方便的做法是在一個(gè)光束中(或該光束的部分能量中)的各個(gè)偏振成份之間引入這個(gè)靜態(tài)相移。通過測(cè)量各個(gè)探測(cè)信號(hào)之間相應(yīng)的相位變化，較具體地說，通過測(cè)量各信號(hào)之間相位變化的正負(fù)號(hào)，可以確定運(yùn)動(dòng)的方向。
在本發(fā)明的一些用到了這個(gè)方面的優(yōu)選實(shí)施例中，利用了一個(gè)偏振器來使表面反射的光發(fā)生偏振。當(dāng)表面是非保持偏振的時(shí)，這一點(diǎn)將特別重要。
根據(jù)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的第五個(gè)方面，提供了基于多普勒效應(yīng)的，在平行于表面的方向上的表面運(yùn)動(dòng)探測(cè)。在本發(fā)明的這一方面中，單個(gè)光束可以一個(gè)角度入射到表面中，或者至少可垂直于表面入射。
根據(jù)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的第六個(gè)方面，提供了利用單個(gè)照明光束和單個(gè)反射器來產(chǎn)生本地振蕩參考光束以同時(shí)進(jìn)行二維或三維的平移探測(cè)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，使用由單個(gè)探測(cè)器所產(chǎn)生的信號(hào)來確定二維的平移。
根據(jù)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的第七個(gè)方面，提供了一種空間濾波器，使得基本上僅有表面反射光中的單個(gè)空間頻率成份被探測(cè)器探測(cè)。
在本發(fā)明的一些結(jié)合了這個(gè)方面的優(yōu)選實(shí)施例中，空間濾波器包括一個(gè)透鏡和一個(gè)設(shè)置在該透鏡的焦點(diǎn)處的針孔。
表面的反射光最好被準(zhǔn)直，并且空間濾波器對(duì)反射光進(jìn)行濾波，使得表面反射光中僅有基本上在單個(gè)方向上的光才入射到探測(cè)器上。
根據(jù)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的第八個(gè)方面，空間濾波器由一個(gè)“等效針孔”來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)等效針孔是通過把例如從一個(gè)光柵反射或衍射的光這樣的本地振蕩場(chǎng)聚焦到探測(cè)器上來得到的。用這種方法，使得僅僅在本地振蕩場(chǎng)的聚焦點(diǎn)上才得到表面反射場(chǎng)的放大。
利用了等效針孔的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例比較容易對(duì)準(zhǔn)和具有較寬松的容差要求。當(dāng)本地振蕩是從一個(gè)光柵的非零級(jí)衍射光得到時(shí)將尤其是這樣，這是因?yàn)樵诖饲樾蜗箩樋椎奈恢脤⑴c波長(zhǎng)有關(guān)。所以當(dāng)使用等效針孔而不是物理針孔時(shí)，對(duì)照明光源的波長(zhǎng)穩(wěn)定性的要求要寬松得多。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的一種裝置包括一個(gè)光源，一個(gè)光柵，一個(gè)空間濾波器，一個(gè)光探測(cè)器，和一些信號(hào)處理電路。光源提供被導(dǎo)向表面的至少是部分相干的光，使得一部分的光從光柵反射或后向衍射，射向探測(cè)器。光柵設(shè)置在表面與光源之間，最好靠近表面。從表面反射的光與從光柵反射或后向衍射的光發(fā)生干涉。探測(cè)器信號(hào)中含有一個(gè)振蕩成份，該成份代表了表面相對(duì)于光學(xué)裝置的平移。參加干涉的可以是從光柵正常反射的光，也可以是光柵的任何一級(jí)衍射光。在被探測(cè)器探測(cè)之前，光最好被空間濾波。二維平移測(cè)量可以這樣實(shí)現(xiàn)讓一個(gè)二維光柵的兩個(gè)或多個(gè)正交反射級(jí)的光照明兩個(gè)或多個(gè)探測(cè)器，或者分別對(duì)兩個(gè)方向使用兩個(gè)分開的光柵。第三維的測(cè)量可以通過對(duì)在同一軸上不同級(jí)次上測(cè)得的平移作矢量計(jì)算導(dǎo)出，其中使用了對(duì)同一信號(hào)的不同信號(hào)分析技術(shù)。
與平移量絕對(duì)大小的探測(cè)不同，任選的平移方向探測(cè)最好通過調(diào)制光柵位置以提供頻率偏置來實(shí)現(xiàn)。或者可以通過改變光柵與表面之間的光程來導(dǎo)入頻率偏置?；蛘?，在不同的偏振成份之間引入相移，從而提供兩對(duì)應(yīng)探測(cè)信號(hào)之間的與方向有關(guān)的相位差。或者，方向可以用其他方法確定。
本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的第九個(gè)方面涉及到確定運(yùn)動(dòng)方向的另一些方法。在體現(xiàn)了本發(fā)明這個(gè)方面的一些優(yōu)選實(shí)施例中，利用光學(xué)元件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來確定運(yùn)動(dòng)方向。在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)置了兩個(gè)探測(cè)器。一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)將造成光柵所反射或衍射的光對(duì)其中一個(gè)探測(cè)器的照明。另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)造成對(duì)另一個(gè)探測(cè)器的照明。
本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例的第十個(gè)方面涉及到一種利用表面反射光的多普勒頻移的方法。本地振蕩場(chǎng)由一個(gè)與運(yùn)動(dòng)表面成一個(gè)角度的反射表面所反射的光提供。反射表面和運(yùn)動(dòng)表面所反射的兩束光在探測(cè)器上發(fā)生干涉，產(chǎn)生一個(gè)其頻率正比于兩表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要光柵，并且對(duì)準(zhǔn)精度和照明光的頻率穩(wěn)定性并不重要。
本發(fā)明的各種方法和裝置能廣泛應(yīng)用于需要測(cè)量平移的應(yīng)用。應(yīng)用之一是“無襯墊鼠標(biāo)器”，通過在例如紙張或桌面等光漫射表面上移動(dòng)該鼠標(biāo)器，便能有效地控制光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的另一個(gè)典型應(yīng)用是“觸摸型指點(diǎn)器”，它把手指在一個(gè)裝置開口上的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成對(duì)光標(biāo)或任何其他受平移或速度控制的實(shí)體的控制。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，測(cè)量設(shè)備包含一個(gè)至少能提供部分相干光的光源。該光源的光被導(dǎo)向一個(gè)一維或二維的光柵，后者最好靠近于表面。從光柵和從表面反射發(fā)生干涉，并通過一個(gè)空間濾波器(例如一個(gè)透鏡和一個(gè)位在其焦點(diǎn)處的針孔)被匯集到一個(gè)光探測(cè)器上。得到的信號(hào)中將含有關(guān)于光學(xué)設(shè)備與表面之間的相對(duì)平移的拍頻信號(hào)。在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例中，直接通過對(duì)振蕩的探測(cè)器信號(hào)的零點(diǎn)交叉進(jìn)行計(jì)數(shù)來測(cè)量平移量，從而不會(huì)受到速度變化所造成的誤差。對(duì)于本發(fā)明的這些優(yōu)選實(shí)施例，建立了基本瞬時(shí)的位置確定。
在許多應(yīng)用中時(shí)需要平移的大小和方向。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，這是通過引入一個(gè)動(dòng)態(tài)相移裝置(例如一個(gè)壓電換能器)來實(shí)現(xiàn)的，該裝置在光柵和表面的兩個(gè)反射光之間產(chǎn)生不對(duì)稱的相移變化(典型地為鋸齒狀波形)，使得能簡(jiǎn)單地提取方向信息。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在一個(gè)光束的不同偏振成份之間引入靜態(tài)相移，并利用相應(yīng)探測(cè)信號(hào)之間的結(jié)果相位差來確定方向。
或者，方向探測(cè)可以這樣實(shí)現(xiàn)，即采用一個(gè)最好是專門設(shè)計(jì)的不對(duì)稱透射圖案作為光柵/陣列(例如鋸齒波形透射的或這里所說明的其他形狀的)，加上對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)的適當(dāng)信號(hào)處理和操作。在其他測(cè)速方法例如斑紋測(cè)速方法中同樣也是用不對(duì)稱透射圖案來作為運(yùn)動(dòng)方向探測(cè)的手段?；蛘撸€可以利用一個(gè)能根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向在各探測(cè)器之間切換反射光的可機(jī)械運(yùn)動(dòng)元件來進(jìn)行方向探測(cè)。
無斑紋的平移相干探測(cè)可以這樣實(shí)現(xiàn)用一個(gè)位在一個(gè)透鏡的焦點(diǎn)處的空間濾波器(例如一個(gè)聚焦透鏡和一個(gè)針孔或單模光纖的組合)收集散射光(經(jīng)過光柵并被運(yùn)動(dòng)表面反射的光)。從表面反射的光被與一個(gè)本地振蕩場(chǎng)(它最好是被光柵自身反射或衍射的光)相結(jié)合，這個(gè)場(chǎng)最好也是經(jīng)過了空間濾波器的光束的一部分。與強(qiáng)本地振蕩光光源的干涉提供了強(qiáng)度敏感光探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)的放大。這種相干探測(cè)方法叫做零差探測(cè)。
空間濾波器能把從表面反射的光在空間上集積到一個(gè)探測(cè)器上，使得從表面不同位置反射的光的相位在表面相對(duì)于探測(cè)器運(yùn)動(dòng)時(shí)基本上不改變。此外，表面上散射元素的相位(探測(cè)器處的)與表面平移量有線性關(guān)系。還有，理想地說空間濾波器也用來對(duì)本地振蕩光過濾，使得探測(cè)器只能集積不超過本地振蕩光與表面反射光干涉圖中的一個(gè)干涉條紋。
在一個(gè)極端情況下，入射到表面上的光是完全準(zhǔn)直的(即是平面波)。這時(shí)空間濾波器可以簡(jiǎn)單地是一個(gè)透鏡和其焦點(diǎn)處的一個(gè)針孔。表面的任何平移都不會(huì)改變空間濾波器所集積的光的相對(duì)相位。由在反射器或光柵上的反射或衍射所形成的本地振蕩光束也是完全準(zhǔn)直的，所以它也能通過空間濾波器(空間濾波器的放置使得光源的像落在針孔內(nèi))這將在探測(cè)器上產(chǎn)生單個(gè)干涉條紋。對(duì)于反射器與表面之間的距離沒有什么限制(關(guān)于空間濾波的)。
在另一個(gè)極端上，表面與反射器之間的距離可以忽略。這將允許使用基本上不是準(zhǔn)直的入射光束，同時(shí)仍可即使在表面平移時(shí)保持從表面反射的光的相對(duì)相位，而且保持本地振蕩光和表面反射光有同樣的聚焦點(diǎn)。任選地，空間濾波器也可以用一個(gè)透鏡和位于作為一個(gè)本地振蕩光的光源的反射光的像平面上的針孔實(shí)現(xiàn)。
為了使探測(cè)器所集積的最多只有一個(gè)斑紋，針孔的大小一定不能超過由表面反射所形成的一個(gè)斑紋的大小(因此這種測(cè)量稱為“無斑紋”的)。所以，如果探測(cè)器本身足夠地小，它就可起到空間濾波器部分的作用，從而不再需要針孔。
探測(cè)器處的恒定相對(duì)相位和與本地振蕩光的單個(gè)干涉條紋的優(yōu)選條件可以用多種在光學(xué)上基本等價(jià)的方法來滿足。特別地，可以用放置在來自本地振蕩光反射器的光的反射之前或之后的單個(gè)會(huì)聚透鏡來滿足要求?；蛘?，透鏡和反射器可以結(jié)合成單個(gè)光學(xué)器件?；蛘?，可以在分束器與表面之間放置一個(gè)準(zhǔn)直透鏡(即只有射向和來自表面的光才經(jīng)過該透鏡)。
非理想的空間濾波(例如當(dāng)針孔太大，或當(dāng)其沒有位在表面的反射光或本地振蕩光或兩者的聚焦點(diǎn)處)將使信號(hào)降質(zhì)，并可能增大測(cè)量的噪聲。降質(zhì)的程序取決于偏離理想條件的多少和類型。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方法中，表面照明和參考光都用同一個(gè)光學(xué)元件(最好是一個(gè)光柵)來提供。表面光和參考光在經(jīng)過裝置中的大多數(shù)或全部光學(xué)元件時(shí)共用單個(gè)光路。此外，可以用光柵對(duì)射到表面上的光加上空間振幅和/或相位的調(diào)制，從而為測(cè)量表面的運(yùn)動(dòng)提供額外的手段。特別地，即使對(duì)于不存在多普勒頻移的光柵鏡面反射也能測(cè)量切向平移，而且也能做到對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的識(shí)別。
根據(jù)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的第十一個(gè)方面，一個(gè)集成的運(yùn)動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)提供了能指明運(yùn)動(dòng)的大小和任選地指明運(yùn)動(dòng)的方向的信號(hào)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該運(yùn)動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的至少某些元件是安裝在一個(gè)光學(xué)基底上的。這些元件最好包括至少一個(gè)光源和一個(gè)光學(xué)元件，例如一個(gè)能由光源光產(chǎn)生一個(gè)本地振蕩場(chǎng)的光柵、反射器、或部分反射器。安裝在光學(xué)基底上的還有一個(gè)探測(cè)器，該探測(cè)器被本地振蕩場(chǎng)和從待測(cè)其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面反射的光照明。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，本地振蕩場(chǎng)和被測(cè)表面反射光的場(chǎng)的光路長(zhǎng)度使得兩個(gè)場(chǎng)在探測(cè)器處是相干的。
根據(jù)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的第十二個(gè)方面，通過補(bǔ)償垂直于表面的運(yùn)動(dòng)的影響和補(bǔ)償測(cè)量裝置傾斜的影響來獲得對(duì)平行于表面的運(yùn)動(dòng)的精確測(cè)量。本發(fā)明的這個(gè)方面特別適用于計(jì)算機(jī)控制裝置，例如計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)器。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括用入射照明光照明表面；探測(cè)從表面反射的光，得到至少一個(gè)探測(cè)信號(hào)；以及根據(jù)上述至少一個(gè)探測(cè)信號(hào)確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量，其特征為上述的確定包括對(duì)垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響的校正。
上述至少一個(gè)信號(hào)最好包括至少兩個(gè)信號(hào)，其中至少一個(gè)第一信號(hào)是受到了平行于表面以及垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響的，至少一個(gè)第二信號(hào)是至少受到了垂直于表面的運(yùn)動(dòng)的影響的，并且上述的確定包括根據(jù)兩個(gè)信號(hào)來確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量。
上述的確定最好包括根據(jù)上述兩個(gè)信號(hào)中的至少一個(gè)信號(hào)來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)第一量，上述相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一量包含一個(gè)平行于表面的分量和一個(gè)垂直于表面的分量；根據(jù)上述兩個(gè)信號(hào)中的至少一個(gè)信號(hào)來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)第二量，上述相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第二量包含一個(gè)垂直于表面的分量；以及根據(jù)所確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一量和第二量來確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量。
相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第二量最好不包含平行于表面的分量。
相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第二量最好包含一個(gè)平行于表面的分量。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是根據(jù)反射光的多普勒頻移來確定的。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，上述的確定包括直接根據(jù)兩個(gè)信號(hào)確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量，而不確定垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。至少一個(gè)第二信號(hào)最好基本上是由垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)確定的。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，至少一個(gè)第二信號(hào)是一個(gè)基于多普勒頻移的信號(hào)。
至少一個(gè)第二信號(hào)最好與平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該方法包括確定垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量的確定包括確定沿著兩個(gè)非共線的方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，照明光垂直入射到表面上。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，上述的探測(cè)包括相干探測(cè)。該方法最好包括把來自作為測(cè)量裝置一部分的一個(gè)物體的光的一部分反射或衍射成本地振蕩場(chǎng)。該物體最好是一個(gè)部分的反射物體，入射光或反射光將經(jīng)過它。最好是入射光和反射光都經(jīng)過該物體。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該物體靠近于表面。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，表面位在該物體的近場(chǎng)中?；蛘撸砻嫖辉诠鈻沤鼒?chǎng)的外面。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該物體是一個(gè)光柵。該光柵最好基本上只產(chǎn)生用來照明表面的單級(jí)透射光。
照明光最好至少是部分相干的，并且該物體放置在從表面反射的光的相干長(zhǎng)度范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本地振蕩光和反射光入射到至少一個(gè)探測(cè)器上以產(chǎn)生上述各個(gè)信號(hào)，并且本地振蕩光和反射光在探測(cè)器處至少是部分相干的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種設(shè)備，它用來測(cè)量該設(shè)備與一個(gè)表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備包括一個(gè)照明光源，它發(fā)出照明光來照明表面；一個(gè)第一探測(cè)器，它接收從表面反射的來自光源的光；一個(gè)物體，它把照明光的一部分反射到上述第一探測(cè)器上，使該探測(cè)器根據(jù)對(duì)表面反射光與作為本地振蕩光的物體的反射光的相干探測(cè)產(chǎn)生一個(gè)第一信號(hào)；一個(gè)第二探測(cè)器，它接收來自光源的照明而不接收從表面反射的光，并相應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)第二信號(hào)；一個(gè)信號(hào)校正器，它根據(jù)第二信號(hào)，對(duì)于照明強(qiáng)度的變化來調(diào)整第一信號(hào)；以及一個(gè)運(yùn)動(dòng)計(jì)算器，它根據(jù)來自信號(hào)校正器的信號(hào)計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
第二探測(cè)器所接收的來自光源的照明最好是被物體反射或衍射的光。
信號(hào)校正器最好根據(jù)第二信號(hào)校正第一信號(hào)中的一個(gè)常數(shù)項(xiàng)。信號(hào)校正器最好含有一個(gè)差分放大器，它接收第一信號(hào)并從中減去第二信號(hào)，以產(chǎn)生一個(gè)調(diào)整的第一信號(hào)。信號(hào)校正器最好含有一個(gè)歸一化器，它接收調(diào)整的第一信號(hào)并用第二信號(hào)對(duì)之歸一化。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該設(shè)備包含一個(gè)第三探測(cè)器，它接收從表面反射的光而不接收來自物體或光源的光，并相應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)第三信號(hào)，并且信號(hào)校正器根據(jù)第三信號(hào)來校正調(diào)整的第一信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種設(shè)備，用來測(cè)量該設(shè)備與一個(gè)表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備包括一個(gè)照明光源，它發(fā)出照明光照明表面；一個(gè)第一探測(cè)器，它接收從表面反射的來自光源的光；一個(gè)物體，它把一部分照明光反射到第一探測(cè)器上，使該探測(cè)器根據(jù)對(duì)表面反射光與作為本地振蕩光的物體的反射光的相干探測(cè)產(chǎn)生一個(gè)第一信號(hào)；一個(gè)第二探測(cè)器，它接收來自光源的光而不接收從表面反射的光，并相應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)第二信號(hào)；一個(gè)信號(hào)校正器，它把第一信號(hào)減去一個(gè)正比于第二信號(hào)的量；以及一個(gè)運(yùn)動(dòng)計(jì)算器，它根據(jù)來自信號(hào)校正器的信號(hào)計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
被第二探測(cè)器接收的來自光源的光最好是被物體反射或衍射的光。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，信號(hào)校正器包含一個(gè)歸一化器，它根據(jù)第二信號(hào)，對(duì)于照明強(qiáng)度的變化來調(diào)整第一信號(hào)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該設(shè)備包含一個(gè)第三探測(cè)器，它接收從表面反射的光而不接收來自物體或光源的光，并相應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)第三信號(hào)，并且信號(hào)校正器根據(jù)第三信號(hào)來校正調(diào)整的信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種設(shè)備，用來測(cè)量該設(shè)備與一個(gè)表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備包括一個(gè)照明光源，它發(fā)出照明光束照明表面；一個(gè)第一探測(cè)器，它接收從表面反射的來自光源的光；一個(gè)物體，它把一個(gè)部分照明光反射到上述第一探測(cè)器上，使該探測(cè)器能根據(jù)對(duì)表面的反射光和由作為本地振蕩光的物體所反射的光的相干探測(cè)來產(chǎn)生一個(gè)第一信號(hào)；一個(gè)第二探測(cè)器，它接收從表面反射的光而不接收來自物體或來自光源的光，并相應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)第二信號(hào)；一個(gè)信號(hào)校正器，它把第一信號(hào)減去一個(gè)正比于第二信號(hào)的量；以及一個(gè)運(yùn)動(dòng)計(jì)算器，它根據(jù)來自信號(hào)校正器的信號(hào)來計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，物體是部分透射的，并放置在照明光源與表面之間，使得照明表面的光經(jīng)過了物體。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，照明光有一個(gè)相干長(zhǎng)度，并且物體和表面位在上述相干長(zhǎng)度內(nèi)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，物體是一個(gè)光柵。該光柵最好基本上只產(chǎn)生照明表面的單級(jí)透射光。表面最好位在光柵的近場(chǎng)中?；蛘?，表面位在光柵近場(chǎng)的外面。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，表面反射的光和物體反射的光在第一探測(cè)器處至少是部分相干的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，還提供了一種用來確定表面相對(duì)于測(cè)量裝置的運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括用入射照明光照明表面，使得照明光在表面的幾個(gè)部分處反射。
利用從入射照明光導(dǎo)入的不是由表面反射的光作為本地振蕩光束相干地探測(cè)從表面反射的光，由此形成至少兩個(gè)信號(hào)；根據(jù)兩個(gè)信號(hào)中的至少一個(gè)信號(hào)確定表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的大?。桓淖冎辽僖徊糠值谋镜卣袷幑庀鄬?duì)于至少一部分從表面反射的光的相位；以及根據(jù)由上述改變的相對(duì)相位所導(dǎo)致的信號(hào)特性確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
本地振蕩光最好由入射照明光在作為測(cè)量裝置一部分的一個(gè)物體上的反射或折射產(chǎn)生。該物體最好靠近于表面。照明光最好有一個(gè)相干長(zhǎng)度并且物體和表面位在上述相干長(zhǎng)度之內(nèi)。該物體最好是一個(gè)光柵。該光柵最好基本上只產(chǎn)生照明表面的單級(jí)透射光。表面最好放置在光柵的近場(chǎng)內(nèi)?；蛘?，表面放置在光柵近場(chǎng)的外面。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，上述的改變相位包括導(dǎo)入一個(gè)靜態(tài)相位改變，上述的確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向包括根據(jù)由上述靜態(tài)相位改變所導(dǎo)致的信號(hào)特性來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該方法包含把從表面反射的光分解成一個(gè)具有第一相位的第一光和一個(gè)具有第二相位的第二光。
第一光和第二光最好具有不同的偏振態(tài)。
上述的分解最好包括讓入射到表面上的照明光經(jīng)過一個(gè)雙折射材料?；蛘撸蚋郊拥?，上述的分解包括讓從表面反射的光經(jīng)過一個(gè)雙折射材料。該方法最好包含把一個(gè)雙折射材料放置在物體與表面之間。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，把雙折射材料放置在物體與表面之間將使被探測(cè)到的光兩次經(jīng)過了雙折射材料。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該方法包含通過利用兩個(gè)能產(chǎn)生不同的與平移方向有關(guān)的信號(hào)的探測(cè)器來確定平移的大小和方向。上述的確定平移的方向最好包括根據(jù)不同探測(cè)信號(hào)之間的相位差的正負(fù)號(hào)來確定方向。
該方法最好包含使從表面反射的光是線偏振的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種設(shè)備，它用來確定一個(gè)表面相對(duì)于該設(shè)備的平移，該設(shè)備包括一個(gè)光學(xué)單元；一個(gè)探測(cè)器，它結(jié)合在光學(xué)單元上，能響應(yīng)于入射到其上的光而產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；一個(gè)照明光源，它能產(chǎn)生照明光，其一部分經(jīng)過光學(xué)單元被表面反射，再經(jīng)過光學(xué)單元后入射到探測(cè)器上；以及一個(gè)電路，它根據(jù)上述信號(hào)計(jì)算平行于表面的平移的大小。
該設(shè)備最好包含一個(gè)位于光學(xué)單元內(nèi)或表面上的物體，它把一部分照明光反射或衍射到探測(cè)器上但不入射到表面上，上述部分起著本地振蕩光的作用，以由探測(cè)器對(duì)反射光進(jìn)行同步探測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括用入射光照明表面，使照明光從表面的一部分反射；探測(cè)從表面反射的光的至少一個(gè)第一部分，形成一個(gè)第一探測(cè)信號(hào)；
探測(cè)從表面反射的光的至少一個(gè)第二部分，形成一個(gè)第二探測(cè)信號(hào)；以及根據(jù)反射光的多普勒頻移確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量，其中第一與第二信號(hào)在相位上是正交的，并且上述探測(cè)是正交探測(cè)。
該方法最好包含根據(jù)上述第一和第二信號(hào)探測(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
該方法最好包含確定平行于表面的兩個(gè)不共線方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
該方法最好包含確定垂直于表面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
該方法的相對(duì)運(yùn)動(dòng)確定最好包括對(duì)上述第一和第二信號(hào)中的至少一個(gè)信號(hào)進(jìn)行零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)。
上述探測(cè)最好包括相干探測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括用入射照明光照明表面，使得從表面的幾個(gè)部分反射照明光；用一個(gè)探測(cè)器相干地探測(cè)從表面反射的光，形成一個(gè)信號(hào)；利用從上述照明光中不是被表面反射的光導(dǎo)出的光作為本地振蕩光，供上述相干探測(cè)使用；以及根據(jù)上述信號(hào)確定表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的大小；其特征為，本地振蕩光被聚焦在探測(cè)器的一個(gè)小面積上，使得在探測(cè)器上基本只有反射光的單個(gè)空間頻率成份才與上述本地振蕩光形成干涉場(chǎng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種設(shè)備，用來確定一個(gè)表面相對(duì)于該設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備包括一個(gè)帶有一個(gè)開口的殼體；殼體內(nèi)的一個(gè)探測(cè)器，它能產(chǎn)生一個(gè)可用來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)；殼體內(nèi)的一個(gè)具有給定波長(zhǎng)的激光照明光源，它通過開口照明表面，使得從表面反射的光通過開口到達(dá)探測(cè)器；以及一個(gè)復(fù)蓋在開口上的濾光器，它能透過給定濾長(zhǎng)的光但阻擋其他探測(cè)器敏感的波長(zhǎng)的光。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種設(shè)備，用來確定一個(gè)表面相對(duì)于該設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備包括一個(gè)帶有一個(gè)開口的殼體；殼體內(nèi)的一個(gè)探測(cè)器，它能產(chǎn)生一個(gè)可用來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)；殼體內(nèi)的一個(gè)具有給定波長(zhǎng)的激光照明光源，它通過開口照明表面，使得從表面反射的光通過開口到達(dá)探測(cè)器；殼體內(nèi)的一個(gè)第二探測(cè)器，它接收從表面反射的光；以及一個(gè)電路，當(dāng)?shù)诙綔y(cè)器接收到的光低于一個(gè)閾值時(shí)它將切斷照明光源。
當(dāng)?shù)诙綔y(cè)器接收到的光低于閾值時(shí)該電路最好能周期性地接通和切斷光源。
開口最好被復(fù)蓋以一個(gè)濾光器，它能透過給波長(zhǎng)的光但阻擋第一和第二探測(cè)器所敏感的其他波長(zhǎng)的光。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一部分照明光照明探測(cè)器而不是首先入射到表面上，上述部分的光起著本地振蕩光的作用，用于探測(cè)器對(duì)反射光的相干探測(cè)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，由于上述平移，反射光相對(duì)于由光源產(chǎn)生的光發(fā)生了多普勒頻移，并且上述多普勒頻移被用于確定運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種設(shè)備，用來測(cè)量該設(shè)備與一個(gè)表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備包括一個(gè)照明光源，用來照明表面；一個(gè)探測(cè)器，它接收從表面反射的來自光源的光和一部分的照明光，其中不含有被表面反射的上述部分，使得探測(cè)器能根據(jù)對(duì)從表面反射的光和作為本地振蕩光的照明光部分的相干探測(cè)來產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，其中上述信號(hào)具有一個(gè)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速率有關(guān)的頻率；以及一個(gè)運(yùn)動(dòng)計(jì)算器，它能根據(jù)對(duì)信號(hào)的零點(diǎn)交叉數(shù)計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量。
探測(cè)器最好包含一個(gè)高通濾波器，在對(duì)探測(cè)器的輸出進(jìn)行濾波后再形成上述信號(hào)。該高通濾波器的斜率最好小于約20dB/octave(分貝/倍頻)。高通濾波器的截止頻率最好對(duì)應(yīng)小于約0.5mm/s的運(yùn)動(dòng)速率。
該設(shè)備最好包含一個(gè)第二探測(cè)器，它能探測(cè)從表面反射的光的至少一個(gè)第二部分不形成一個(gè)使用相干探測(cè)的第二探測(cè)信號(hào)，并且運(yùn)動(dòng)探測(cè)器根據(jù)反射光的多普勒頻移來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量，其中信號(hào)與第二探測(cè)信號(hào)在相位上是正交的，而且探測(cè)包括正交探測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種設(shè)備，用來確定一個(gè)表面相對(duì)于該設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備包括一個(gè)帶有一個(gè)開口的殼體；殼體內(nèi)的一個(gè)探測(cè)器，它能產(chǎn)生一個(gè)可用來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)；殼體內(nèi)的一個(gè)具有一個(gè)給定波長(zhǎng)的激光照明光源，它通過開口照明表面，使得從表面反射的光通過開口到達(dá)探測(cè)器；以及一個(gè)電路，當(dāng)探測(cè)器從表面接收到的光低于一個(gè)閾值時(shí)它將切斷光源。
當(dāng)探測(cè)器從表面接收到的光低于閾值時(shí)該電路最好能周期性地接通和切斷光源。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括把一個(gè)部分透射物體作為測(cè)量裝置的一部分放置在靠近表面處；用入射照明光照明表面，使得從表面的幾個(gè)部分反射光，其中入射光和反射光中至少一個(gè)光的至少一部分通過了物體；探測(cè)從表面反射的光以產(chǎn)生一個(gè)探測(cè)信號(hào)，其中物體與表面被定位在小于探測(cè)光的相干長(zhǎng)度的一距離；以及根據(jù)探測(cè)信號(hào)確定平行于表面的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。物體的透射率在空間上最好是變化的。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，物體是部分反射的，并且一部分入射照明光是被物體反射或衍射，成為參考照明光，而且利用上述參考照明光相干地進(jìn)行光探測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例提供了一種用于確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括把一個(gè)作為測(cè)量裝置一部分的部分反射物體放置在靠近表面處；用入射照明光照明物體，使得一部分入射光被物體反射或衍射，成為一個(gè)參考照明光，另一部分則被表面反射；利用參考照明光對(duì)從表面反射的光進(jìn)行相干探測(cè)，以產(chǎn)生一個(gè)探測(cè)信號(hào)；以及根據(jù)探測(cè)信號(hào)確定平行于表面的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，物體是一個(gè)部分透射物體，并且入射光和反射光中至少一個(gè)光的至少一部分通過了物體。
物體的反射率在空間上最好是變化的。該空間變化最好包括周期性的空間變化。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，上述的把物體放置在靠近表面處包括把一個(gè)光柵放置在靠近表面處。上述的把一個(gè)光柵放置在靠近表面處最好包括把光柵放置得足夠地靠近表面，使表面位在光柵的近場(chǎng)中?；蛘撸鲜龅陌岩粋€(gè)光柵放置在靠近表面處包括把光柵放置得離表面足夠遠(yuǎn)，使表面位在光柵的近場(chǎng)之外。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，被探測(cè)的光至少是部分相干的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括把一個(gè)作為測(cè)量裝置的一部分的光柵放置在靠近表面處；用入射照明光照明光柵，使得至少一部分照明光入射到表面上并被表面反射，其中入射光和反射光中的至少一個(gè)光通過了光柵；利用參考照明光探測(cè)從表面反射的光；根據(jù)反射光產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；以及根據(jù)探測(cè)到的信號(hào)確定平行于表面的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中表面位在光柵的近場(chǎng)中。
從表面反射的光最好相對(duì)于被物體反射或衍射的光發(fā)生了多普勒頻移，并且運(yùn)動(dòng)的確定包括根據(jù)該頻移來確定運(yùn)動(dòng)。
運(yùn)動(dòng)的確定最好包括確定信號(hào)振幅隨位置的變化。運(yùn)動(dòng)最好通過對(duì)探測(cè)信號(hào)的零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)確定。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，物體具有空間不對(duì)稱的透過率特性。該方法最好包含根據(jù)由上述不對(duì)稱性導(dǎo)致的信號(hào)特性來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括把一個(gè)作為測(cè)量裝置一部分的部分透射物體放置在靠近表面處。
用不構(gòu)成一個(gè)干涉圖形的入射照明光照明表面，使得照明光被表面的幾個(gè)部分反射，其中入射光和反射光中的至少一個(gè)光的至少一部分通過了物體；探測(cè)從表面反射的光，并產(chǎn)生一個(gè)探測(cè)信號(hào)；以及根據(jù)探測(cè)信號(hào)確定平行于表面的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
該方法最好包含改變由物體反射或衍射的光與至少一部分從表面反射的光之間的相位。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法還包括用入射照明光照明表面，使得從表面的幾個(gè)部分反射照明光；把一個(gè)作為測(cè)量裝置的一部分的部分反射物體放置在靠近表面處，其中部分入射照明光被物體反射或衍射，成為參考光；利用從物體反射或衍射的光作為本地振蕩光，相干地探測(cè)從表面反射的光，以形成一個(gè)信號(hào)；根據(jù)該信號(hào)確定表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；改變至少一部分由物體反射或衍射的光相對(duì)于至少一部分從表面反射的光的相位；以及根據(jù)由上述改變相對(duì)相位所導(dǎo)致的信號(hào)特性，確定平行于表面的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
把一個(gè)反射器放置在靠近于表面處最好包括把一個(gè)光柵放置在靠近表面處。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，改變相位包括周期性地改變相位。
確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向最好包括根據(jù)由上述周期性地改變相位所導(dǎo)致的信號(hào)特性來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，改變相位包括使物體基本上沿著被測(cè)運(yùn)動(dòng)的方向周期性地運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，改變相位包括使物體基本上沿著垂直于被測(cè)運(yùn)動(dòng)的方向周期性地運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，改變相位包括在物體與表面之間設(shè)置一個(gè)透明材料；以及對(duì)該材料加電使其沿照明方向的光學(xué)長(zhǎng)度發(fā)生改變。
透明材料最好是一種壓電材料。
該方法最好包含利用單個(gè)探測(cè)器同時(shí)測(cè)量平移的大小和方向。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，改變相位包括引入一個(gè)靜態(tài)相位改變，并且確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向包括根據(jù)由上述相位改變所導(dǎo)致的信號(hào)特性來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
該方法最好包含把至少一部分從表面反射的光至少分解成一個(gè)具有第一相位的第一光和一個(gè)具有第二相位的第二光。第一和第二光最好具有不同的偏振態(tài)。分解最好包括經(jīng)過一個(gè)雙折射材料把照明光入射到表面上。該方法最好包含使從表面反射的光經(jīng)過一個(gè)雙折射材料。該方法最好包含把雙折射材料放置在物體與表面之間。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該方法包含利用兩個(gè)能根據(jù)平移的方向產(chǎn)生不同探測(cè)信號(hào)的探測(cè)器來確定平移的大小和方向。
該方法最好包含根據(jù)不同探測(cè)信號(hào)之間的相位差的正負(fù)號(hào)來確定平移的方向。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括把一個(gè)作為測(cè)量裝置的一部分的帶有開口的反射器放置在靠近表面處；用入射照明光照明表面，使得從表面的幾個(gè)部分反射照明光，并且照明光也被含開口的反射器反射或衍射；利用由帶開口反射器反射或衍射的光作為本地振蕩光，相干地探測(cè)從表面反射的光以形成一個(gè)信號(hào)；根據(jù)該信號(hào)確定垂直于和平行于含開口的反射器的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
相干探測(cè)最好包含探測(cè)反射光的振幅或相位變化；以及探測(cè)反射光的頻移；并且確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)最好包括根據(jù)探測(cè)到的振幅或相位變化中的至少一個(gè)變化來測(cè)量表面在平行于含開口的反射器的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；以及根據(jù)探測(cè)到的頻移來測(cè)量表面在垂直于開口反射器的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
該方法最好包含沿著垂直于含開口反射鏡的表面的方向周期性地運(yùn)動(dòng)含開口的反射器，以給從其上反射的光增添一個(gè)周期性相移；以及利用上述相移來測(cè)量表面的運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括用一個(gè)光源照明表面，其入射照明使得從表面幾個(gè)部分向著一個(gè)探測(cè)器反射光；對(duì)反射光進(jìn)行空間濾波，使得來自表面上一個(gè)給定散射元素的探測(cè)光的相位基本恒定或與表面的平移有線性關(guān)系；由探測(cè)器根據(jù)入射到其上的光產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；以及根據(jù)該信號(hào)確定表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
照明最好包括用空間變化的照明光照明表面。
照明表面最好包括經(jīng)過一個(gè)放置在表面附近并能把光反射或衍射到探測(cè)器上的含開口的反射器來照明表面。產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)最好包括利用由含開口的反射器所反射或衍射的光來對(duì)從表面反射的光作相干探測(cè)。
確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)最好包括利用反射光的多普勒頻移。
照明表面的光最好是基本準(zhǔn)直的，并且空間濾波器對(duì)反射光濾波，使得基本上只有反射光的單個(gè)空間頻率成份被探測(cè)器探測(cè)。
照明表面的光最好是基本準(zhǔn)直的，并且空間濾波器對(duì)反射光濾波，使得基本上只有單個(gè)方向上的表面反射光才被探測(cè)器探測(cè)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，空間濾波包括用一個(gè)帶有一個(gè)焦點(diǎn)的透鏡對(duì)反射光聚焦，并在透鏡的焦點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)針孔。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，空間濾波包括用一個(gè)帶有一個(gè)焦點(diǎn)的透鏡對(duì)反射光聚焦，并在透鏡的焦點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)單模光纖，以把光傳遞給探測(cè)器。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，空間濾波包括用一個(gè)透鏡對(duì)反射光聚焦，并且在光源的像處設(shè)置一個(gè)針孔。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，空間濾波包括用一個(gè)透鏡對(duì)反射光聚焦，并且在光源的像處設(shè)置一個(gè)單模光纖，以把光傳遞給探測(cè)器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括把一個(gè)至少具有一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)透射率分布函數(shù)的物體放置在靠近表面處；用入射照明光照明表面，使得表面的幾個(gè)部分向著一個(gè)探測(cè)器反射光；
利用探測(cè)器探測(cè)從表面反射的光，以產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；以及根據(jù)該信號(hào)確定表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
物體最好具有一個(gè)不對(duì)稱的透射率函數(shù)；并且確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)包括根據(jù)探測(cè)信號(hào)確定運(yùn)動(dòng)的方向。
由物體反射或衍射的光最好向著探測(cè)器；并且探測(cè)是利用由物體反射或衍射的光作為本地振蕩光來形成一個(gè)信號(hào)的相干探測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括用照明光經(jīng)過一個(gè)含開口的反射器照明表面，使得從表面反射的光照明一個(gè)探測(cè)器，該照明的光不是表面上一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)部分的像。
同時(shí)用從上述入射照明光中導(dǎo)出的參考光照明探測(cè)器；利用上述參考光相干地探測(cè)探測(cè)器上的反射光，使探測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；根據(jù)由相對(duì)運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的信號(hào)改變確定平行于表面的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
入射照明光最好有一個(gè)給定的波長(zhǎng)，并且參考光也具有同樣的波長(zhǎng)，使得相干探測(cè)是零差探測(cè)。
該方法最好包含在空間上改變表面上的照明?？臻g上改變表面上的照明最好包括經(jīng)過一個(gè)具有空間變化周期性透過率的光柵來照明表面。
空間上改變表面上的照明最好包括經(jīng)過一個(gè)光柵來照明表面，該光柵能把入射到其上的一部分光鏡面反射到探測(cè)器上，以形成上述參考光。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括用照明光照明表面，使得照明光從表面的幾個(gè)部分反射；把一個(gè)含開口的反射器放置在靠近表面處；利用由含開口的反射器所反射或衍射的光作為本地振蕩光，相干地探測(cè)從表面反射的光；以及根據(jù)信號(hào)的特性確定表面在平行于表面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
相對(duì)運(yùn)動(dòng)最好是利用從表面反射的光的多普勒頻移來探測(cè)的。
含開口的反射器最好是一個(gè)光柵，并且被該光柵衍射的光被用來確定運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，照明光是垂直入射到表面上的。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，表面是光學(xué)漫反射表面在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，表面上沒有任何能指示位置的標(biāo)記。
照明光最好包括可見光。或者，照明光包括紅外光或包括可見光和紅外光。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種設(shè)備，用來確定一個(gè)表面相對(duì)于該設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備還包括一個(gè)位在表面附近的部分透射物體；一個(gè)探測(cè)器，它能探測(cè)入射到其上的光并產(chǎn)生一個(gè)探測(cè)信號(hào)；一個(gè)照明光源，它用入射照明光照明物體，使得物體向探測(cè)器反射或衍射照明光，并且一部分的入射照明光被表面向探測(cè)器反射，而且探測(cè)器利用物體向其反射或衍射的光對(duì)從表面反射的光進(jìn)行相干探測(cè)；以及一個(gè)電路，它根據(jù)探測(cè)信號(hào)確定表面相對(duì)于設(shè)備在平行于表面方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種光學(xué)鼠標(biāo)器，它包括一個(gè)帶有一個(gè)面向一個(gè)表面的開口的殼體；以及一個(gè)光學(xué)運(yùn)動(dòng)探測(cè)器，它通過開口監(jiān)視表面，其中光學(xué)運(yùn)動(dòng)探測(cè)器利用本發(fā)明的方法來確定殼體相對(duì)于表面的平移。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用作控制裝置的觸摸式指點(diǎn)器(touch point)，它包括一個(gè)帶有一個(gè)開口的殼體；以及一個(gè)光學(xué)探測(cè)器，它確定一個(gè)手指在開口上的平移運(yùn)動(dòng)。
光學(xué)探測(cè)器最好利用本發(fā)明的方法來確定平移。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種指針(pointer)裝置，它包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的第一觸摸式指點(diǎn)器和一個(gè)響應(yīng)于該指點(diǎn)器去移動(dòng)一個(gè)指針的電路；以及一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的第二觸摸式指點(diǎn)器和一個(gè)能響應(yīng)于該指點(diǎn)器來引起滾動(dòng)的電路。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用作計(jì)算機(jī)指針的組合鼠標(biāo)器/觸摸式指點(diǎn)器，它包括一個(gè)帶有一個(gè)開口的殼體；一個(gè)光學(xué)探測(cè)器，它能確定一個(gè)在開口上平移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)；以及用來確定開口是面向上方還是面向下方的裝置。
光學(xué)探測(cè)器最好利用本發(fā)明的方法來確定平移。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供一種用來通過一個(gè)掃描器在一個(gè)文件上的掃描運(yùn)動(dòng)來讀出該文件的掃描器，它包括一個(gè)光學(xué)讀出頭，它能探測(cè)文件表面上的圖案；以及一個(gè)光學(xué)探測(cè)器，它能在掃描器在文件表面上平移時(shí)確定掃描器的運(yùn)動(dòng)，其中的光學(xué)探測(cè)器利用了本發(fā)明的方法來確定平移。
圖案最好包括印刷圖案。或者圖案最好包括手寫圖案或印刷圖案和手寫圖案?；蛘?，圖案最好包括簽字或上述圖案和簽字。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種編碼器，它包括一個(gè)光學(xué)漫反射表面；以及一個(gè)相對(duì)于該表面運(yùn)動(dòng)的光學(xué)探測(cè)器，其中光學(xué)探測(cè)器不利用表面上的標(biāo)記測(cè)量相對(duì)于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種編碼器，它包括一個(gè)光學(xué)漫反射表面，其上除了一些參考標(biāo)記外沒有其他標(biāo)記；以及一個(gè)相對(duì)于該表面運(yùn)動(dòng)的光學(xué)探測(cè)器，其中光學(xué)探測(cè)器根據(jù)參考標(biāo)記測(cè)量相對(duì)于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
表面最好是一個(gè)繞一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)的圓盤表面，并且其中探測(cè)器測(cè)量圓盤的旋轉(zhuǎn)。
該編碼器最好利用本發(fā)明的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種虛擬筆，它包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的編碼器；以及一個(gè)電路，它能把上述測(cè)量到的相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成手寫或圖形數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來移動(dòng)一頁(yè)紙張的裝置，它包括用來移動(dòng)紙張的裝置；以及一個(gè)光學(xué)探測(cè)器，它能不利用紙張上的任何標(biāo)記來測(cè)量紙張的運(yùn)動(dòng)。
光學(xué)探測(cè)器最好利用本發(fā)明的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供一種讀出器，它包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的用來移動(dòng)紙張的裝置；一個(gè)讀出頭，它能從紙張上讀出信息；以及一個(gè)存儲(chǔ)器，它能根據(jù)測(cè)量到的紙張運(yùn)動(dòng)把信息存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器的相應(yīng)位置中。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種打印機(jī)，它包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的用來移動(dòng)紙張的裝置；一個(gè)存儲(chǔ)器，它含有準(zhǔn)備打印到紙張上的信息；以及一個(gè)打印頭，它能根據(jù)測(cè)量到的紙張運(yùn)動(dòng)打印相應(yīng)信息。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種傳真機(jī)，它包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的掃描器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的還提供了一種傳真機(jī)，它包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的打印機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例還提供了一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向的方法，該方法包括用入射照明光照明表面，使得表面的幾個(gè)部分向著探測(cè)器反射照明光；把一個(gè)具有不對(duì)稱的透射率分布函數(shù)的物體放置在靠近探測(cè)器處；利用探測(cè)器探測(cè)從表面反射的光以產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；根據(jù)該信號(hào)確定表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
附圖的簡(jiǎn)單說明通過結(jié)合附圖閱讀下對(duì)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的說明，將可更清楚地理解本發(fā)明，在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的運(yùn)動(dòng)傳感器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的原理圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的光柵透射率分布函數(shù)的曲線圖；圖3A、3B、3C是根據(jù)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的集成式運(yùn)動(dòng)傳感器的優(yōu)選實(shí)施例的原理圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)鼠標(biāo)器的原理圖；圖5A和5B是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的鼠標(biāo)器/手指平移測(cè)量裝置的原理圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的掃描筆的原理圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)編碼器的圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的光纖式平移測(cè)量裝置的原理圖；圖9是適用于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電子電路的簡(jiǎn)化的和一般化的方框圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例的平移測(cè)量裝置的簡(jiǎn)化圖11A和11B示出本發(fā)明的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例；圖12A和12B說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的一個(gè)利用一個(gè)機(jī)械切換系統(tǒng)來確定平移測(cè)量裝置的運(yùn)動(dòng)方向的本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的原理；圖13A-13D說明利用一個(gè)機(jī)械切換系統(tǒng)來確定平移測(cè)量裝置的運(yùn)動(dòng)方向的本發(fā)明的另兩個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的原理；圖14-16說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的三種不利用光柵的平移測(cè)量裝置的原理；圖17和18說明根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的另外兩種基于多普勒頻移來測(cè)量表面運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)探測(cè)器的原理；圖19A和19B示意性地示出以與圖15和16所示設(shè)備相同的原理工作的并結(jié)合了圖3C、17和18中的方向探測(cè)的集成結(jié)構(gòu)；圖19C和19D示意性地示出使用于本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的探測(cè)器模塊的細(xì)節(jié)；圖20A和20B示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一個(gè)用來測(cè)量一個(gè)比較小的軸的旋轉(zhuǎn)的裝置的一般結(jié)構(gòu)的兩個(gè)視圖；圖21示意性地示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的適用于減小垂直于表面的運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量平行于表面的運(yùn)動(dòng)的影響的一種探測(cè)器布局；圖22A-22D示意性地示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的確定沿表面平面的二維運(yùn)動(dòng)的各種探測(cè)器布局；圖23示出各種濾波技術(shù)下的光標(biāo)速度與表面速度的關(guān)系曲線；圖24說明一種用于本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的衍射光柵；圖25說明第二種用于本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的衍射光柵；圖26A-26C說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的光源、探測(cè)器、和光柵的位置，其中探測(cè)器遠(yuǎn)離于表面的鏡面反射光；以及圖27是一個(gè)適用于本發(fā)明一些實(shí)施例的自適應(yīng)帶通濾波電路的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的電原理圖。
本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的用于測(cè)量表面12的平移的設(shè)備10。設(shè)備10包括一個(gè)至少是部分相干的，最好是發(fā)出準(zhǔn)直光的光源14，例如一個(gè)激光器。該激光器最好是一個(gè)二極管激光器，例如小功率紅外激光器。雖然也可以采用其他的波長(zhǎng)，但由于在大功率下工作時(shí)紅外光對(duì)人眼安全所以最好是紅外激光器。該光源最好被準(zhǔn)直。希望用準(zhǔn)直光束是從場(chǎng)深的角度考慮的，但對(duì)準(zhǔn)直的的要求并不很高。此外，如果進(jìn)行了如下所述的補(bǔ)償，也可以使用非準(zhǔn)直光源。
設(shè)備10還含有一個(gè)靠近表面12的一維或二維反射光柵16。光柵16與表面12之間的距離限制如下。典型地，這一距離為幾毫米或更小。在被光探測(cè)器22探測(cè)之前，從光柵16反射(或衍射)的光和從表面12反射的光最好都入射在一個(gè)空間濾波器(由一個(gè)透鏡18和一個(gè)針孔20組成)上。得到的干涉將產(chǎn)生一個(gè)與表面運(yùn)動(dòng)有關(guān)的拍頻信號(hào)。如圖1所示，表面12基本上向所有方向反射光。為了表達(dá)清楚，在一些附圖中沒有畫出這些光。
在圖1中，入射光是以一個(gè)角度射向表面的；不過，有可能讓光以光柵16的法線的方向入射。此外，雖然圖1中光的入射角等于探測(cè)角，從而利用了光柵的反射光(或零級(jí)衍射光)作為本地振蕩光，但同樣可以利用光柵的一級(jí)或更高級(jí)衍射光。零級(jí)的優(yōu)點(diǎn)是它是與波長(zhǎng)無關(guān)的(波長(zhǎng)的穩(wěn)定性不重要)。入射光既可是脈沖的也可是連續(xù)的。在圖1中，-1和+1級(jí)衍射光分別由代號(hào)19和21代表。被表面散射的光由代號(hào)17代表。
在圖1所示的優(yōu)選實(shí)施例中，用無斑紋相干探測(cè)(零差法或外差法，圖1示出的是零差法)來確定切向運(yùn)動(dòng)。這種探測(cè)本征地帶有測(cè)量信號(hào)的放大，造成高的動(dòng)態(tài)范圍。
用于相干探測(cè)的參考本地振蕩場(chǎng)由靠近于運(yùn)動(dòng)表面放置的光柵16的反射光提供。光柵和運(yùn)動(dòng)表面反射的光在探測(cè)器上的干涉產(chǎn)生了一個(gè)與平移有關(guān)的振蕩信號(hào)。把靠近表面的光柵的反射光作為本地振蕩的來源可能有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其中至少有下述這些優(yōu)點(diǎn)1、光柵是結(jié)合了相干零差/外差探測(cè)光學(xué)裝置中的分束器和反射鏡的作用的單個(gè)元件，這使得光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、不易受干擾、和幾乎沒有對(duì)準(zhǔn)方面的要求。
2、當(dāng)表面位在光柵的近場(chǎng)內(nèi)時(shí)，光柵將對(duì)從表面反射的光進(jìn)行空間周期性的強(qiáng)度和/或相位調(diào)制。這使得能利用鏡面反射光(零級(jí)光)作為參考光來探測(cè)平移。
3、可把光柵的高級(jí)(±1級(jí)、±2級(jí)等)衍射光作為本地振蕩場(chǎng)來利用表面反射光的多普勒頻移探測(cè)表面的平移。非鏡面反射級(jí)次的參考光與表面光之間的與平移有關(guān)的相移將產(chǎn)生代表平移的振蕩信號(hào)。對(duì)于較高的衍射級(jí)次分辨率將會(huì)增大。
4、可以通過周期性地移動(dòng)光柵位置(例如鋸齒波調(diào)制)造成頻率偏置來進(jìn)行平移探測(cè)，這使得不僅能確定平移的大小，還能確定其方向。
5、一個(gè)二維光柵可以提供參考(本地振蕩)光以及對(duì)照明表面和從表面反射的光的調(diào)制，從而可用單個(gè)元件進(jìn)行兩個(gè)正交平移方向上的二維橫向運(yùn)動(dòng)測(cè)量。
6、測(cè)量不同級(jí)次的光柵光可以提供表面平移或速度矢量的不同分量。例如，對(duì)于鏡面反射，可以獨(dú)立于其他平移方向地測(cè)量沿垂直于光柵的軸方向的平移。這使得能實(shí)現(xiàn)三維平移測(cè)量。
7、利用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理和分析，不對(duì)稱的光柵透射率分布函數(shù)(振幅的和/或相位的)使得能進(jìn)行所有反射級(jí)次的方向探測(cè)。
8、利用本地振蕩光的相移所產(chǎn)生的頻率偏置，加上光柵近場(chǎng)造成的振幅調(diào)制，使得可用單個(gè)探測(cè)器同時(shí)測(cè)量二維平移(在一個(gè)橫向的或軸向的平移平面中的)。
除了與空間濾波有關(guān)的限制之外，光柵與表面之間的容許距離一般取決于光柵周期Λ、光波波長(zhǎng)λ，光譜相干寬度Δλ、照明面積、和入射、反射光束的角度。
對(duì)于那些利用光柵反射或衍射的光作為本地振蕩光的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，最希望表面12與光柵16之間的距離小于光的相干長(zhǎng)度，即小于≈λ2/Δλ，其中Δλ是到達(dá)探測(cè)器的光的光譜寬度(不一定等于光源的光譜寬度)。此外，為了保持衍射光束寬度上的相干性，光源的相干長(zhǎng)度最好應(yīng)該大于nλL/Λ，其中L是照明光束的寬度。如果需要，可以通過在光路中進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓庾V濾波，以限制到達(dá)探測(cè)器的光譜成份，并增大其相干長(zhǎng)度。
對(duì)于那些在探測(cè)方案中被調(diào)制的透射率分布形狀起著主要作用的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，光柵與表面12之間的間距也必需在光柵的近場(chǎng)距離(≈Λ2/4λ)范圍內(nèi)。對(duì)于下述各實(shí)施例，將假定該間距屬于近場(chǎng)范圍。對(duì)于這一點(diǎn)不很重要的情況，該要求可放寬。
表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可用多種方法測(cè)量?？紤]下述的入射光場(chǎng)和光柵的透射率函數(shù)，它們分別為E(t)＝E0cos(ω0t)(1)A(x)=Σmcmcos(2πmx/Λ+ψm)----(2)]]>假定光柵是一個(gè)周期為Λ的純振幅型光柵，所以其透射率是對(duì)非負(fù)空間頻率的求和，系數(shù)為實(shí)數(shù)。類似的表達(dá)式也適用于二值相位光柵或某些一般相位光柵，它們也可用來實(shí)施本發(fā)明。對(duì)于振幅及相位型光柵這樣一般情形，需加上一個(gè)相位延遲項(xiàng)。為了說明簡(jiǎn)單，以下的說明將基于純振幅型光柵。不過應(yīng)該理解，對(duì)于本發(fā)明某些實(shí)施例而言，也可使用其他光柵，甚至更為有益。在以下的數(shù)學(xué)處理中，還省略了各部分中不重要的常數(shù)因子。
假定光源在光柵面積上照明的是平面波(即準(zhǔn)直光束)，但這不是嚴(yán)格必需的，非準(zhǔn)直性可以在系統(tǒng)的另一部分(例如空間濾波器)中得到補(bǔ)償。為了簡(jiǎn)單，假定入射光垂直于光柵(圖1中不是這樣)。傾斜的入射光(相對(duì)于光柵線條的方向或其垂直方向)基本上將給出相同的結(jié)果，只是反射角有所改變。這樣，光柵場(chǎng)含有一系列反射的衍射級(jí)次，它們相對(duì)于鏡面反射成份(零級(jí))對(duì)稱分布，并服從角度條件(對(duì)于第n級(jí))sin(α)＝nλ/Λ.
(3)如圖1所示，位于探測(cè)器前方的一個(gè)空間濾波器最好由一個(gè)聚焦透鏡18和一個(gè)位于透鏡焦點(diǎn)處的小針孔20組成。這個(gè)空間濾波器最好被調(diào)節(jié)得只選出一個(gè)空間頻率成份到達(dá)探測(cè)器。針孔可以用一個(gè)具有類似芯徑和能把光導(dǎo)向一個(gè)遠(yuǎn)地探測(cè)器的單模光纖替代?？臻g濾波器最好被對(duì)準(zhǔn)得能使某一個(gè)衍射級(jí)到達(dá)探測(cè)器，如下所述，這個(gè)衍射級(jí)的光將用作對(duì)反射光的零差或補(bǔ)差探測(cè)的本地振蕩光。本地振蕩場(chǎng)為ELO(t)＝Encos(ω0t+n)(4)從運(yùn)動(dòng)表面反射的與第n級(jí)衍射光有相同方向的反射場(chǎng)由一個(gè)積分表示，積分范圍是由表面的許多獨(dú)立反射元素所組成的被照明表面面積。通過對(duì)平行于光柵線條的方向(y)和對(duì)垂直于表面的方向(對(duì)應(yīng)于滲入到表面內(nèi)的光)的積分，給出反射場(chǎng)的表達(dá)式為Er(t)=E0∫x1x2dxA(x)r(x-p(t))cos(ω0t+2πnx/Λ+φ(x-p(t)))----(5)]]>其中r(x)和φ(x)分別是與位置有關(guān)的表面振幅反射率和相位反射率。假定在測(cè)量過程中反射率與時(shí)間無關(guān)，并且r和φ都是位置x的隨機(jī)變量。表面從其初始位置算起的平移為p(t)，且p(0)＝0。周期性相位項(xiàng)2πnx/Λ起因于以角度α(sin(α)＝nλ/Λ)的反射。積分限為從x1至x2，它們均取決于照明面積。
把積分變量從x變換為x-p(t)，這相當(dāng)于把表面看作是靜止的，而光柵相對(duì)于一個(gè)參考坐標(biāo)系移動(dòng)Er(t)=E0∫x1p(t)x2-p(t)dxA(x+p(t))r(x)cos(w0t+2πnp(t)/L+2πnx/L+f(x)n)----(6)]]>現(xiàn)在積分限變?yōu)閺膞1-p(t)至x2-p(t)，從而是與時(shí)間有關(guān)的。把A(x)用其傅里葉級(jí)數(shù)替代，并令φn(x)＝φ(x)+2πnx/Λ，則有表面上的散射元素的(光學(xué))相位與平移p(t)有線性關(guān)系，即φ＝φn(x)+2πnp(t)/Λ。對(duì)于鏡面反射(n＝O)，該相位是常量。
反射場(chǎng)和本地振蕩場(chǎng)都到達(dá)探測(cè)器上。探測(cè)器測(cè)量的是正比于場(chǎng)的平方的強(qiáng)度，其表達(dá)式為I(t)＝(ELO(t)+Er(t))2＝ELO(t)2+2ELO(t)Er(t)+Er(t)2(8)假定本地振蕩場(chǎng)遠(yuǎn)大于反射場(chǎng)；ELO＞＞Er，并且探測(cè)器的積分時(shí)間遠(yuǎn)大于光波周期但遠(yuǎn)小于Λ/nVmax(其中max是最大可測(cè)速度)。對(duì)光頻的積分將只給出一個(gè)直流分量，而另外的變化量則是瞬時(shí)測(cè)量的。在這些假設(shè)下，第一個(gè)強(qiáng)度項(xiàng)變?yōu)橐粋€(gè)常量ILO＝0.5E2LO，第三個(gè)強(qiáng)度項(xiàng)可以忽略，即Ir＝O.5Er2＝0。在本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例中，由于光柵的反射光只有一些特定的很窄的級(jí)次，而從漫反射表面反射的光則散射在大的角度范圍上，所以本地振蕩場(chǎng)與反射場(chǎng)的強(qiáng)度比本征地是大的。
雖然下面的討論假定了第三項(xiàng)為零，但即使只存在第三項(xiàng)，也即當(dāng)不讓表面反射的光與光柵反柵或衍射的參考光相結(jié)合時(shí)，仍有可能利用空間透射率調(diào)制來測(cè)量平移。這可以(如果希望的話)通過選擇一個(gè)位在各光柵級(jí)次之間的角度來做到。這確實(shí)具有可大為放寬對(duì)準(zhǔn)條件(只要求光位在空間濾波器的焦平面上)的優(yōu)點(diǎn)，但一般其精度較差而且信噪比較小。
本地振蕩場(chǎng)在信號(hào)探測(cè)的第一階段中起著一個(gè)非常強(qiáng)的放大器的作用。從這方面來說，由于本地振蕩場(chǎng)的噪聲將直接轉(zhuǎn)移給探測(cè)信號(hào)，所以強(qiáng)烈希望這個(gè)場(chǎng)的噪聲盡量地小。
測(cè)得的交叉項(xiàng)等于；Is(t)＝Encos(ω0t+n)Er(t)(9)把振蕩場(chǎng)項(xiàng)cos(wot)移進(jìn)Er(t)的積分號(hào)內(nèi)，應(yīng)用余弦的積化和差公式cosαcosβ＝0.5(cos(α+β)+cos(α-β))于式(7)最右端的余弦項(xiàng)，將得到一個(gè)兩倍于光波頻率(2ω0)的強(qiáng)度成份和另一個(gè)具有緩變相位的強(qiáng)度項(xiàng)。由于探測(cè)器的時(shí)間響應(yīng)，快速振蕩成份將平均成零。剩下的信號(hào)為
交換求和號(hào)和積分號(hào)，每一項(xiàng)對(duì)和值的貢獻(xiàn)為
假定C0，C1＞＞{Cm，m＞1}。這一要求使我們能在光柵的各個(gè)諧波項(xiàng)中只集中在兩個(gè)項(xiàng)上，即m＝0和m＝1的項(xiàng)上。對(duì)于這兩個(gè)項(xiàng)我們可以寫出
現(xiàn)在把注意力只集中在光柵反射和衍射的光波中的一些特定衍射級(jí)次上，即n＝0(鏡面反射)方向和n±1的方向上。
對(duì)于鏡面反射項(xiàng)，m＝0項(xiàng)的貢獻(xiàn)為Is,0(t)=I0c0∫x1-p(t)x2-p(t)dxr(x)cos(φ(x))----(14)]]>對(duì)于一個(gè)亮度均勻的漫散射表面來說，這一項(xiàng)將接近常量，并隨Is,1(t)=I0c1∫x1-p(t)x2-p(t)dxcos(2πx/Λ+2πp(t)/Λ+ψ1)r(x)cos(φ(x))=]]>cos(2πp(t)/Λ)I0c1∫x1-p(t)x2-p(t)dxcos(2πx/Λ+ψ1)r(x)cos(φ(x))-]]>sin(2πp(t)/Λ)I0c1∫x1-p(t)x2-p(t)dxsin(2πx/Λ+ψ1)r(x)cos(φ(x))≡]]>cos(2πp(t)/Λ)Ic(t)+sin(2πp(t)/Λ)Is(t)≡I(t)cos(2πp(t)/Λ+θ(t))(15)其中強(qiáng)度I(t)和相位θ(t)來自對(duì)對(duì)應(yīng)于漫反射表面在空間頻率1/Λ處的振幅和相位反射的隨機(jī)變量的積分。對(duì)于單個(gè)反射元素大于空間波長(zhǎng)Λ的漫反射表面，貢獻(xiàn)來自顆粒的邊界；而對(duì)于具有小顆粒尺寸的漫反射表面，將對(duì)所有小于l/d的空間頻率都有強(qiáng)的貢獻(xiàn)，其中d是平均顆粒尺寸。
這些“隨機(jī)游走”變量的變化率取決于一組給定反射中心{Xi}被一組新中心取代所需的平均時(shí)間(后者又與上述積分區(qū)域的變化有關(guān))τα(x1-x2)/v＝L/v，其中v是瞬時(shí)間速度，L是光柵被照明的尺寸。如果有大量的光柵周期被照明使得L＞＞Λ，則將得到具有緩慢變化的統(tǒng)計(jì)振幅和相位的快速振蕩。平移測(cè)量的誤差正比于Λ/L并與速度無關(guān)。
總之，對(duì)于鏡面反射平移測(cè)量1、探測(cè)器輸出中的測(cè)量信號(hào)以頻率v/Λ振蕩。對(duì)該信號(hào)的探測(cè)和零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)將直接給出測(cè)量值，假定平移的方向在測(cè)量時(shí)期內(nèi)沒有改變，則每次零點(diǎn)交叉對(duì)應(yīng)于Δp＝Λ/2的平移。
2、測(cè)量信號(hào)的振幅和相位是緩慢變化的統(tǒng)計(jì)系綜求和值。測(cè)量的相對(duì)精度正比于Λ/L，L為照明的光柵尺寸。
3、表面與光柵之間的間距最好應(yīng)該既小于近場(chǎng)距離(≈Λ2/4λ)，又小于到達(dá)探測(cè)器的光的相干長(zhǎng)度(≈Λ2/Δλ)。
與鏡面反射不同，一級(jí)反射光還帶有多普勒相移。再次考察m＝0，1空間頻率成份的貢獻(xiàn)得到
如式(15)一樣，利用對(duì)式(16)中的余弦項(xiàng)的分解，得到Is，0(t)＝I0(t)cos(2πp(t)/Λ+θ0(t))(18)對(duì)m＝1項(xiàng)的表達(dá)式進(jìn)行類似處理，式(17)變?yōu)镮s，1(t)＝I1(t)cos(4πp(t)/Λ+θ1(t))(19)等式(19)略去了加在平均探測(cè)器信號(hào)(“直流”成份)上的慢變項(xiàng)。對(duì)等式(16)-(19)的分析表明，如果Co＞＞C1，則一次信號(hào)零點(diǎn)交叉對(duì)應(yīng)Δp＝Λ/2。而如果Co＜＜C1，則零點(diǎn)交叉對(duì)應(yīng)Δp＝Λ/4。這一結(jié)果可以推廣到其他反射級(jí)n＞1，即如果Co＞＞C1，則測(cè)量信號(hào)將按np(t)/Λ振蕩。對(duì)于|n|＞1，C1相當(dāng)于Co振蕩兩個(gè)側(cè)邊帶中的振蕩，如同較高頻率信號(hào)的振幅調(diào)制一樣。注意，m＝0項(xiàng)不需要近場(chǎng)條件，所以通過把至運(yùn)動(dòng)表面的距離固定得大于近場(chǎng)極限≈Λ2/4λ(但最好仍小于相干長(zhǎng)度≈λ2/Δλ)，m＝0項(xiàng)的貢獻(xiàn)將占主導(dǎo)地位?；蛘撸词乖诮鼒?chǎng)范圍內(nèi)也最好采用Co＞＞C1的光柵透射率函數(shù)。
在一種優(yōu)選的多普勒模式工作中，利用一個(gè)光柵把入射照明光向探測(cè)器衍射來產(chǎn)生本地振蕩場(chǎng)。不過在透射光中同樣也會(huì)有一些衍射級(jí)項(xiàng)(例如當(dāng)使用純振幅型光柵時(shí))。這些衍射級(jí)次可能甚至在光柵的近場(chǎng)外部造成對(duì)表面的多束光照明，并且從表面向探測(cè)器反射的光也會(huì)衍射成多束光。于是，每個(gè)探測(cè)器將探測(cè)到多個(gè)多普勒成份，每個(gè)成份對(duì)應(yīng)著一些透射和反射級(jí)次與照明探測(cè)器的本地振蕩場(chǎng)的干涉的組合，形成了“光學(xué)竄擾”。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中用單個(gè)光束照明表面，從而避免了上述“光學(xué)竄擾”。類似地，也希望從表面反射的光不要被光柵衍射。所以，應(yīng)該使光柵的非零級(jí)透射光最小化，最好能消除這些光。一個(gè)衍射光柵最好能用各級(jí)次的反射光來產(chǎn)生各個(gè)本地振蕩場(chǎng)，并被設(shè)計(jì)得基本上只有單個(gè)透射級(jí)次(也即用單束光照明表面，從而在表面上不構(gòu)成干涉圖案)。還有，希望從表面反射的光在通過光柵射向探測(cè)器時(shí)，不發(fā)生前向衍射。
參見圖24，其中示出了一個(gè)體現(xiàn)了這一原則的示例性衍射光柵800。假定該光柵是一個(gè)浸沒在一個(gè)折射率為ns的媒質(zhì)中的二值相位光柵，其折射率為ng。該光柵最好具有深度為h的一些方形槽802。對(duì)于正入射的照明光804而言，從光柵內(nèi)表面806反射的光的相位差為Pr＝2ng·h/λ，而透射光束808的相對(duì)相位差為Pt＝(ng-ns)·h/λ。當(dāng)Pt是一個(gè)自然數(shù)時(shí)將得到可忽略的高級(jí)次透射光，所以最小槽深為h＝λ(ng-ns)。同時(shí)，反射效率取決于反射光的光學(xué)相位差，消去槽深后它是Pr＝2ng/(ng-ns)。如果假定光柵的透射一側(cè)是空氣(ns＝1)，并使零級(jí)反射最小(Pr＝M+1/2，M為自然數(shù))，則有ng＝(M+1/2)/(M-3/2)。例如，若M＝5，波長(zhǎng)為850nm，折射率ng≌1.57，則約1.5μm的槽深將造成最佳的后向衍射效率和理想地只有零級(jí)透射光。
圖25示出制作基本上只有零級(jí)透射光并至少有第一級(jí)后向衍射光的光柵810的另一種方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，一個(gè)相位型衍射光柵812被鍍以一個(gè)金屬(或介質(zhì))層814，這個(gè)鍍層起著具有受控反射系數(shù)的部分反射器的作用。這個(gè)鍍層例如可以通過把鍍層材料濺射或蒸發(fā)到光柵表面上來制作。鍍層814的另一側(cè)用折射率基本與光柵材料相同的光學(xué)媒質(zhì)816充填。方便的做法是，這個(gè)材料816可以是一種把光柵粘結(jié)在一個(gè)偏振器，一個(gè)波片，或一個(gè)保護(hù)玻璃片(圖中用代號(hào)818表示)上的光學(xué)膠，或者，也可以是一個(gè)模鑄的環(huán)氧樹脂結(jié)合元件816和818。
在這種結(jié)構(gòu)中，光柵對(duì)透射光造成的任何光程差都將被光學(xué)膠中的相應(yīng)光程差補(bǔ)償，使得在這個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)出射處的波前相位不被改變。于是基本上不存在零級(jí)以外的透射級(jí)次。另一方面，由于在鍍層814的不同地點(diǎn)，例如在槽802的內(nèi)邊緣820和外邊緣822處，有不同的相位，所以仍可得到后向衍射光。
圖25所示方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過改變鍍層814的反射率和透射率可以容易地控制光柵的反射(即后向衍射)功率和透射功率。這個(gè)效應(yīng)例如可以用來使信噪比最大并把光強(qiáng)限制到對(duì)人眼安全的水平。
圖25所示的消除光柵透射衍射光的方法也適用于復(fù)雜的相位分布，不只局限于二值相位光柵。它還可應(yīng)用于那些希望能獨(dú)立地控制透射光和反射光的衍射透鏡和其他衍射光學(xué)元件。還可以利用位在光學(xué)元件另一個(gè)外表面824上的第二個(gè)衍射或折射特性來改變透射光。
與Co振蕩場(chǎng)相關(guān)的頻率取決于橫向和軸向(垂直方向)的平移分量(見下面的說明)。反之，通過C1成份的振幅調(diào)制則僅僅取決于橫向分量。當(dāng)Co振蕩的頻率足夠高時(shí)，該頻率可以用上述有關(guān)頻率的技術(shù)來測(cè)量，同時(shí)可以通過探測(cè)振幅調(diào)制頻率來測(cè)量橫向平移分量。這樣便可以只用單個(gè)探測(cè)器來實(shí)現(xiàn)二維平移測(cè)量(包括垂直于表面平面的運(yùn)動(dòng)，即軸向平移)。
通過對(duì)參考信號(hào)加以頻率偏置，可以使載頻與振幅調(diào)制頻率之間的比值變大，從而改善測(cè)量精度和能夠探測(cè)平移的方向。還有，利用光柵的鏡面反射光作為本地振蕩光，使得能清楚地區(qū)分橫向平移分量(由振幅調(diào)制表征)和軸向平移分量(由載頻的相位或頻移表征)。
此外，為了探測(cè)橫向平移的方向，可以結(jié)合相移和光柵的不對(duì)稱的透射率分布(例如鋸齒形的)?；蛘撸部梢酝ㄟ^移動(dòng)光柵束進(jìn)行二維的方向探測(cè)，或者如下面將更詳細(xì)地說明的，也可以采用靜態(tài)的相位改變。
本質(zhì)上，對(duì)于本發(fā)明的各個(gè)非鏡面衍射實(shí)施例來說，都是選擇了兩個(gè)準(zhǔn)平面波供探測(cè)器探測(cè)。其中一個(gè)波來自光柵的第n級(jí)衍射。另一個(gè)平面波則是由從表面反射光中選出一個(gè)平面波(利用空間濾波器)來產(chǎn)生的。
關(guān)于利用非鏡面衍射(為了討論明晰，同時(shí)假定速度恒定)的平移測(cè)量可作如下總結(jié)1、探測(cè)器輸出中的測(cè)量信號(hào)以頻率nv/Λ振蕩，其中n是衍射級(jí)次。對(duì)該信號(hào)的探測(cè)并作零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)將直接給出平移的測(cè)量值，假定在測(cè)量過程中平移的方向沒有改變，則每次零點(diǎn)交叉對(duì)應(yīng)于Λ/2n的平移。
2、測(cè)量信號(hào)的振幅和相位是緩慢變化的統(tǒng)計(jì)來綜和值。測(cè)量的相對(duì)精度正比于Λ/nL，其中L是光柵被照明的尺寸，該尺寸最好大于nλL/Λ。
3、表面與光柵之間的間距最好應(yīng)該小于到達(dá)探測(cè)器的光的相干長(zhǎng)度λ2/Δλ。
雖然隨時(shí)間變化的絕對(duì)平移量|P(t)|可被十分精確地測(cè)量，但其方向最好用下述方法之一來確定。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，方向可以通過在參考(本地振蕩光)場(chǎng)與反射場(chǎng)之間加上附加相移來確定。這個(gè)附加相移例如可以通過讓光柵向著或遠(yuǎn)離表面運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。由于這一運(yùn)動(dòng)不會(huì)改變?nèi)肷涞奖砻嫔系膱?chǎng)的相位，所以從表面反射的場(chǎng)與前述的沒有不同。然而，由于這個(gè)與光柵位移d(t)有關(guān)的運(yùn)動(dòng)，本地振蕩場(chǎng)將得到附加的相移。
通過使d(t)為一個(gè)周期性鋸齒函數(shù)，可以做到保持光柵與表面之間的間距幾乎不變并在反射場(chǎng)與本地振蕩場(chǎng)之間引入一個(gè)固定的頻移dn(t)=Dn∫0t[τ-1-Σk=0∞δ(t′-kt)]dt′]]>Dn=λ1+1-(nλ/Λ)2----(20)]]>其中τ是鋸齒波的時(shí)間周期，固定鋸齒波的振幅使得能給第n衍射級(jí)的反射光以2π(或2π的整數(shù)倍)的相移。由于這一運(yùn)動(dòng)造成的頻移為τ-1，如果保持τ-1＞nv/Λ，則可以根據(jù)探測(cè)器信號(hào)振蕩的頻率τ-1+nv/Λ肯定地確定運(yùn)動(dòng)方向?；蛘撸ㄟ^對(duì)探測(cè)信號(hào)中的零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)并把計(jì)數(shù)結(jié)果減去同時(shí)對(duì)振蕩頻率τ-1的計(jì)數(shù)結(jié)果也可以直接確定平移量(正的和負(fù)的都可以)。
如果鋸齒波的振幅不理想(即不對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)的整數(shù)倍)也仍能確定方向，只是公式較為復(fù)雜。這里所用的“鋸齒”這個(gè)術(shù)語(yǔ)包括了這種非理想的變化。
在本地振蕩場(chǎng)與表面的反射場(chǎng)之間引入周期性相移的另一種方法是調(diào)制光柵與表面之間的光路長(zhǎng)度。這最好利用一個(gè)設(shè)置在光柵與表面之間的透明壓電元件來實(shí)現(xiàn)。
另一種為探測(cè)平移方向而破壞正負(fù)相對(duì)平移之間的對(duì)稱性的方法是采用有不對(duì)稱透射率函數(shù)(振幅和/或相位)的光柵。為了簡(jiǎn)單，假定與其線條沿著平移方向的間隔相比光柵尺寸很大，并且通過光柵照明了K個(gè)點(diǎn)狀散射元素。進(jìn)入或離開照明區(qū)域的散射元素可忽略(在全面的處理中它們將表現(xiàn)為一個(gè)噪聲因子)。經(jīng)過與本地振蕩光(這里沒有頻移)相干涉和濾去了光波頻率之后，得到的信號(hào)為Is(t)=InΣi=1kriA(xi+p(t))cos(2πnp(t)/Λ+φi)----(21)]]>其中ri、xi和φi分別是散射元素i的反射率、位置(t＝0時(shí)的)、和相對(duì)相位(相對(duì)于本地振蕩光的)。對(duì)于漫反射物體而言這些量都是隨機(jī)變量。探測(cè)器信號(hào)的這一表達(dá)式將用于下述的方向探測(cè)機(jī)制。
對(duì)于鏡面反射Is(t)=I0Σi=1kriA(xi+p(t))cos(φi)----(22)]]>假定p(t)＝vt，也即在確定平移方向的積分時(shí)間內(nèi)表面速度的變化比較小。于是接收信號(hào)的一階和二階導(dǎo)數(shù)為Is′(t)=I0vΣi=1kricos(φi)ddx(A(xi+vt))----(23)]]>Is′″(t)=I0v2Σi=1kricos(φi)d2dx2(A(xi+vt))----(24)]]>假定A(x)的結(jié)構(gòu)使得
。在本特定情況下很明顯有Is″(t)＝ηv·Is′(t)。于是，可以從探測(cè)器信號(hào)的一階與二階時(shí)間導(dǎo)數(shù)的比值推導(dǎo)出平移速度的大小，更重要的是，可導(dǎo)出平移速度的正負(fù)號(hào)即平移的方向。
如果不能假定在探測(cè)方向的積分時(shí)期內(nèi)速度是恒定的，則可以對(duì)測(cè)量的平移量(可以通過零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)或另一個(gè)并行工作的精度較高的探測(cè)器得到)進(jìn)行求導(dǎo)。如果只需要知道方向(而不是速度的大小)，則只需判斷一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)有相同的正負(fù)號(hào)(某一方向)還是有不同的正負(fù)號(hào)(相反的方向)。進(jìn)行了對(duì)導(dǎo)數(shù)的符號(hào)探測(cè)之后再作一個(gè)簡(jiǎn)單的XOR(異或)探作將在η與V有相反符號(hào)時(shí)得到“1”，在r與V同號(hào)時(shí)得到“0”。
滿足恒定導(dǎo)數(shù)比的A(x)的一個(gè)例子是下述這樣的指數(shù)函數(shù)組合
上述分布圖案以周期Λ重復(fù)。很明顯，如所希望的，這個(gè)圖案的一階與二階(實(shí)際上所有階數(shù)的)導(dǎo)數(shù)有一個(gè)恒定的比值r＝-γ/Λ。不過，在Λ/2整數(shù)倍處的奇異點(diǎn)將給測(cè)量帶來“噪聲”。隨著散射元素?cái)?shù)目的增多，這些奇異點(diǎn)將增加誤差的概率，這是因?yàn)楫?dāng)有一個(gè)散射元件經(jīng)過時(shí)在接收信號(hào)中就出現(xiàn)一個(gè)奇異點(diǎn)。隨著方向探測(cè)積分時(shí)間的增大，可以相對(duì)減少噪聲的貢獻(xiàn)。
假定這個(gè)分布圖案是表面上的照明光強(qiáng)度。于是近場(chǎng)的要求比僅按n＝0的鏡面反射測(cè)量平移大小時(shí)的要求嚴(yán)格。圖2示出一個(gè)假定的透射率分布，其中γ＝5。其實(shí)現(xiàn)方法可以是讓光柵有部分反射/透射性質(zhì)，并且振幅透射函數(shù)如圖2所示。
對(duì)于透射率分布的一個(gè)較寬松的要求是兩個(gè)導(dǎo)數(shù)有恒定的符號(hào)關(guān)系(即，它們不是準(zhǔn)確的正比關(guān)系，但它們比值的符號(hào)在整個(gè)分布上是恒定的)。這時(shí)仍能對(duì)單個(gè)散射元素保證方向探測(cè)，但隨著散射元素?cái)?shù)目的增大，誤差概率要高于前述情況(即使不存在奇異點(diǎn)的因素)。
對(duì)于高級(jí)次的衍射(|n|＞＞1)可以作出類似的分析。為了簡(jiǎn)單，再次假定表面以恒定速度V運(yùn)動(dòng)。等式(21)可以看作是頻率為nv/Λ的載波的各個(gè)振幅調(diào)制信號(hào)之和值。
現(xiàn)在假定A(x)不對(duì)稱(例如鋸齒波形)。對(duì)于|n|＞＞1，探測(cè)器信號(hào)的包絡(luò)將在“正”方向平移時(shí)與透射函數(shù)相匹配，在“負(fù)”方向平移時(shí)與透射函數(shù)的鏡像相匹配。于是，如果散元素?cái)?shù)目較少(其極限值取決于光柵級(jí)次n)，則平移方向可以由探測(cè)器信號(hào)包絡(luò)的一階導(dǎo)數(shù)的符號(hào)代表。此外，包絡(luò)導(dǎo)數(shù)的大小正比于平移速度的大小。
不對(duì)稱的透射率分布使得在斑紋測(cè)速中能測(cè)量方向。由一個(gè)隨機(jī)斑紋圖形產(chǎn)生的探測(cè)器信號(hào)在經(jīng)過了一個(gè)強(qiáng)度透射率分布為A(x)的靠近探測(cè)器的光柵的濾波之后，可表示為Is(t)=I0Σi=1kriA(xi+p(t))----(26)]]>其中ri和xi分別是第i個(gè)“斑紋”的強(qiáng)度和位置，p(t)是表面的平移，假定速度恒定，p(t)＝vt，則探測(cè)信號(hào)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)為Is′(t)=I0vΣi=1kriddx(A(xi+vt))----(27)]]>由于強(qiáng)度γi為正值，所以如果dA/dx為常量，則探測(cè)信號(hào)的導(dǎo)數(shù)表明了平移的方向。這樣的分布可以用鋸齒形透射率分布圖案來實(shí)現(xiàn)。圖案中的不連續(xù)點(diǎn)給測(cè)量添加了噪聲，為了限制誤差概率，需要采用適當(dāng)?shù)姆e分域。運(yùn)動(dòng)速度由探測(cè)信號(hào)的振蕩頻率確定。
當(dāng)然，作為OTM(光學(xué)平移測(cè)量)裝置的補(bǔ)充部件，也有可能利用機(jī)械的或其他的裝置(例如加速度計(jì))來確定運(yùn)動(dòng)的方向。
如前述，光源振幅的起伏會(huì)通過本地振蕩場(chǎng)直接轉(zhuǎn)移到接收到的信號(hào)中。為使這種噪聲最小化，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例將探測(cè)一正比于光源振幅的信號(hào)，并從探測(cè)器信號(hào)中減去測(cè)得的信號(hào)(稱為“補(bǔ)償”探測(cè)器和“補(bǔ)償”信號(hào))。這一探測(cè)例如可用下述方法實(shí)現(xiàn)·用一個(gè)分束器(不需精確對(duì)準(zhǔn))對(duì)光源光束分束，并把分出的光束導(dǎo)向補(bǔ)償探測(cè)器，或者·把從光柵衍射的多個(gè)光束中的任一束光導(dǎo)向補(bǔ)償探測(cè)器，而不對(duì)其進(jìn)行空間濾波(但可能有明顯的衰減)。方便的做法是采用不是用于空間濾波測(cè)量的光柵級(jí)次，例如把1級(jí)用于空間濾波測(cè)量，把0級(jí)用于光源噪聲補(bǔ)償。
·把一個(gè)或幾個(gè)光柵級(jí)次導(dǎo)向一個(gè)或幾個(gè)補(bǔ)償探測(cè)器，并用一個(gè)偏振器擋住從表面反射的光，如將參考圖19D所詳細(xì)說明的那樣。
補(bǔ)償探測(cè)器的輸出被放大(或衰減)，使得當(dāng)表面沒有相對(duì)于裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)(或者當(dāng)“窗口”被一個(gè)不透明的蓋子蓋住時(shí))差值信號(hào)盡量接近于零，從而補(bǔ)償本地振蕩功率的起伏。
式(8)所示的探測(cè)強(qiáng)度(和得到的探測(cè)信號(hào))包括一個(gè)本地振蕩成分ELD2·(Eo2)，一個(gè)交叉項(xiàng)EoEr，和一個(gè)二次的反射項(xiàng)Er2。
為了補(bǔ)償Er成分的系數(shù)Eo的變化，可以把補(bǔ)償探測(cè)器的信號(hào)作為信號(hào)放大中某一放大級(jí)的可控增益放大器的控制電壓(在減去Eo2成份的第一次補(bǔ)償之后)。該增益應(yīng)近似反比于補(bǔ)償信號(hào)的平方根。
為了得到最高的信號(hào)質(zhì)量，最好也要補(bǔ)償Er2。對(duì)于那些使用“等效針孔”(下面將說明)來空間濾波表面反射光的本發(fā)明實(shí)施例來說，這可能是特別有用的。在該實(shí)施例中，對(duì)Er2成份進(jìn)行積分的探測(cè)器曝光面積可以遠(yuǎn)大于“等效針孔”的面積。Er2成份可以用一個(gè)不是探測(cè)本地振蕩場(chǎng)的探測(cè)器來補(bǔ)償。補(bǔ)償探測(cè)器可以放置在基本上沒有任何光柵級(jí)次照射在其上的地點(diǎn)。或者，也可以只探測(cè)實(shí)際上擋住了本地振蕩場(chǎng)的偏振光。這例如可以通過在探測(cè)器前面放置一個(gè)偏振器來實(shí)現(xiàn)。
Er2成份的變化一般由表面上的對(duì)比度變化引起，這例如又起因于對(duì)不同顏色光的反射系數(shù)不同。不過，高反射率表面(例如多層紙)的反射率還對(duì)鏡面反射角附近的微小反射角變化敏感，如圖26A所示，為了說明的簡(jiǎn)單，圖26A-26C示出的是光源832垂直照明光柵830的情況，另外，除了表面836之外只示出了一個(gè)探測(cè)器834。為了減小Er2成份的變化，最好把光源和探測(cè)器布置得使后者遠(yuǎn)離于表面的鏡面反射，如圖26B所示?；蛘撸梢酝ㄟ^使光柵相對(duì)于表面平面向探測(cè)器方向傾斜幾度來避免表面向探測(cè)器的鏡面反射，如圖26C所示。不過必須考慮傾斜角對(duì)多普勒頻移的影響。最好利用Z分量(例如參考圖21所說明的)來明顯減小測(cè)量對(duì)傾斜角精度的敏感性。
圖3A示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的平移探測(cè)器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中利用了零級(jí)光探測(cè)并且不帶有方向探測(cè)，或者其中的方向探測(cè)是利用不對(duì)稱光柵透射率分布加上適當(dāng)?shù)男盘?hào)分析來實(shí)現(xiàn)的。圖3A示出的是一種適合于批量生產(chǎn)的集成光學(xué)芯片或平移裝置30。它只采用了少量能以低成本大量制造的元件。裝置30含有一個(gè)激光二極管32，它最好是一個(gè)單橫模激光器。從激光二極管32發(fā)出的光最好被一個(gè)透鏡34準(zhǔn)直，該透鏡34最好是一個(gè)蝕刻或淀積在一個(gè)玻璃、石英之類的光學(xué)芯片基底36的表面上的衍射型準(zhǔn)直透鏡，其兩側(cè)除了一些指定區(qū)域之外最好還鍍有消反射鍍層。在光學(xué)芯片基底36上還帶有一個(gè)振幅和/或相位型的光柵38。該光柵38最好是蝕刻或淀積在基底36的下表面上的。由光柵和表面42反射的光又被兩個(gè)反射面40和41反射，并被一個(gè)透鏡44聚焦，該透鏡44最好是一個(gè)蝕刻在基底36表面上的反射衍射型聚焦透鏡。光再被反射面45反射。一個(gè)形成在透鏡44的焦點(diǎn)處的反射/擋光層針孔46只讓來自表面42的一個(gè)平面波和光柵38的反射光通向一個(gè)探測(cè)器50，該探測(cè)器50例如是一個(gè)PIN型光電二極管或類似器件。最好在透鏡44后面放置一個(gè)補(bǔ)償探測(cè)器52，探測(cè)一部分從光柵38反射的光。利用一個(gè)控制器54來確定表面的平移或速度，該控制器54包括一個(gè)用來激勵(lì)激光二極管32的激光二極管驅(qū)動(dòng)器/調(diào)制器、探測(cè)放大器，以及零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)電路或頻率探測(cè)裝置。補(bǔ)償探測(cè)器52提供一個(gè)正比于本地振蕩光振幅的補(bǔ)償信號(hào)，用來減小激光器輸出變化的任何殘余作用。為了減小噪聲，最好用雙鉸線、屏蔽線、或共軸電纜來運(yùn)載傳向和來自控制器54的信號(hào)，為了防止損壞光柵38和保持光柵與表面間距的良好恒定性，該設(shè)備最好設(shè)有能讓其放在表面42上的幾個(gè)腳或環(huán)狀支座或類似支座。
圖3B示出本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，它包含了利用對(duì)本地振蕩場(chǎng)的相移和光柵的一級(jí)衍射光的方向探測(cè)。圖中與圖3A起相同作用的元件用相同的代號(hào)表示，在圖3B所示的裝置60中，從激光二極管32發(fā)出的光被一個(gè)透鏡62準(zhǔn)直，射向光柵38。光柵38最好安裝在一個(gè)壓電環(huán)64上，后者又安裝在光學(xué)基底36上。如上所述，為了進(jìn)行方向探測(cè)，可激勵(lì)環(huán)64來對(duì)本地振蕩場(chǎng)(從光柵38衍射的光)加上一個(gè)可變的相位。在圖3B所示的實(shí)施例中，用于平移和方向探測(cè)的信號(hào)和用于補(bǔ)償?shù)男盘?hào)兩者都是利用光柵38的一級(jí)衍射光來探測(cè)的，只是它們的正負(fù)號(hào)相反。最好在適當(dāng)?shù)牡胤蕉煎兩舷瓷溴儗?，以減少不希望有的反射。
由于集成光學(xué)芯片能低成本地大量制造，所以它是一種優(yōu)選的方案。圖中只示出了一個(gè)探測(cè)器用于單個(gè)方向，最好還用第二個(gè)探測(cè)器來測(cè)量其正交方向。所有的光學(xué)元件—透鏡、光柵、反射鏡、針孔—都是蝕刻或淀積在光學(xué)基底上的，并且根據(jù)其功能可以是反射的或透射的。系統(tǒng)中的分立元件—激光器、探測(cè)器、和壓電傳感器—安裝在芯片的頂部?？刂破?4的各電子元件也可制作或安裝在芯片的頂部。
應(yīng)該理解，圖3A和3B的各個(gè)特征可以混合和結(jié)合起來。例如，如果在圖3A中把光柵38安裝在一個(gè)例如環(huán)64這樣的傳感器上，則該裝置將可工作于鏡面反射(零級(jí))模式并增大動(dòng)態(tài)范圍，還有可能附加地探測(cè)軸向平移。此外，有可能用一個(gè)不對(duì)稱光柵來替代圖3B的光柵38和環(huán)64以進(jìn)行方向探測(cè)。對(duì)于本發(fā)明的這些和其他優(yōu)選實(shí)施例，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們可以結(jié)合本發(fā)明的各種特點(diǎn)。
圖3C示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的又一種確定方向的方法。圖3C的裝置70與圖3B的裝置60類似，只是這里光柵38被設(shè)置在芯片36的下表面上，并且用雙折射板66取代了壓電環(huán)64。光源32產(chǎn)生偏振方向與板66的雙折射軸方向成45°角的線偏振光。從表面反射的光兩次經(jīng)過板66后將包含兩個(gè)光波，它們的偏振方向都與從光柵38反射或衍射的光的偏振方向有45°的夾角。理想情形下這兩個(gè)光波的相位差為90°。
此外，最好在探測(cè)器50前面放置一個(gè)偏振分束器68。其光軸使得一個(gè)偏振成份向探測(cè)器50透射，而正交的偏振成份則向探測(cè)器67反射。再有，分束器68分別把從光柵38反射或衍射的光的一半導(dǎo)向探測(cè)器50和67。由探測(cè)器67和50探測(cè)到的信號(hào)將有90°的相位差。該相位差的正負(fù)號(hào)可以用來確定運(yùn)動(dòng)的方向。
或者也可以用一個(gè)部分反光鏡把光分成兩部分，同時(shí)在兩個(gè)探測(cè)器前面分別放置互相正交的偏振器，從而把兩種偏振態(tài)分開。
光柵的照明光最好是準(zhǔn)直的。不過也可以使用非準(zhǔn)直的照明光，這時(shí)光柵的衍射光將是有像散的(即不再有單一的焦平面)。最好能補(bǔ)償這一效應(yīng)以使空間濾波效果最佳。方便的做法是設(shè)計(jì)一個(gè)或幾個(gè)透鏡來校正光柵的像散?；蛘?，或附加地，光柵自身可被設(shè)計(jì)得含有像散校正。在其他被非準(zhǔn)直光照明的衍射元件中也可期望有類似的像散效應(yīng)和校正。
雖然上述各實(shí)施例中所說明的本發(fā)明是用來解決一般的平移測(cè)量問題的，但其方法也適用于大批量生產(chǎn)。本發(fā)明光學(xué)平移測(cè)量方法的一個(gè)特殊應(yīng)用是一種新穎的光學(xué)光標(biāo)控制裝置(鼠標(biāo)器)，它從在幾乎任何漫反射表面，例如紙張或桌面，上的運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)出其平移信息。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的這種裝置的設(shè)計(jì)示于圖4。一個(gè)光學(xué)鼠標(biāo)器80含有一個(gè)“光學(xué)芯片”82，它最好是一個(gè)例如為裝置30、60、70，或它們的變體的裝置。芯片82被安裝在一個(gè)殼體84內(nèi)，并通過84上的一個(gè)光學(xué)開口86監(jiān)視紙張42。芯片82的引線最好連接在一個(gè)印刷電路(PC)板88或類似器件上，后者上面安裝了對(duì)應(yīng)于裝置30、60或70的控制器的電子電路90。安裝在PC板88上的一個(gè)或幾個(gè)開關(guān)92，與普通鼠標(biāo)器一樣由一個(gè)或幾個(gè)按鈕94激勵(lì)。該鼠標(biāo)器像通常一樣用一個(gè)電纜96或無線方式連接在一個(gè)計(jì)算機(jī)上。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的上述測(cè)量方法允許有寬廣動(dòng)態(tài)范圍的平移速度，覆蓋了正常鼠標(biāo)器操作所需的范圍。這種裝置的特點(diǎn)使它可稱為一個(gè)“無襯墊光學(xué)鼠標(biāo)器”，它能響應(yīng)于在任何足夠漫反射的表面(例如紙張或桌面)上的運(yùn)動(dòng)，提供使光標(biāo)在顯示屏上到處運(yùn)動(dòng)的一對(duì)正交信號(hào)。所以不再需要有特定的對(duì)比記號(hào)或圖案。
通常，鼠標(biāo)系統(tǒng)利用機(jī)械傳感器來測(cè)量人手在一個(gè)表面(一般是一個(gè)“鼠標(biāo)襯墊”)上的運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)今已經(jīng)公認(rèn)需要在鼠標(biāo)系統(tǒng)中采用一種無運(yùn)動(dòng)部件、可靠、精確的平移測(cè)量技術(shù)。已經(jīng)開發(fā)了一些光學(xué)裝置，但仍有各種缺點(diǎn)，例如需要有精細(xì)圖案的襯墊、低的傳感性能、或高的成本。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)無襯墊鼠標(biāo)器可根據(jù)用戶的方便按兩種方式使用。它可用作“常規(guī)”“鼠標(biāo)器”，這時(shí)鼠標(biāo)器在一個(gè)表面上面運(yùn)動(dòng)，并測(cè)量其相對(duì)于表面的運(yùn)動(dòng)。它也可以在希望時(shí)被扣擊，只是以沿著裝置的開口移動(dòng)手指來替代。它將測(cè)量靜止后的手指相對(duì)于鼠標(biāo)器殼體的運(yùn)動(dòng)。
圖5A和5B示出了一種這樣的裝置100。圖5A表明該裝置的構(gòu)成與圖4裝置相似(為了便于比較，這兩個(gè)圖中使用了同樣的代號(hào))，只是在裝置100中按鈕94位在殼體84的側(cè)面。在圖5A所示的模式下，裝置100是靜止的，用來跟蹤操作員手指102的運(yùn)動(dòng)。很清楚，裝置100可以被倒過來用作一個(gè)鼠標(biāo)器，在許多方面與圖4的鼠標(biāo)器相同。圖5B示出該裝置的透視圖，可以看出有一個(gè)任選的開關(guān)104，該開關(guān)用來指示裝置100是用作普通的鼠標(biāo)器還是工作于圖5A和5B所示的模式。或者，這個(gè)開關(guān)可以是一個(gè)安裝在裝置內(nèi)的重力開關(guān)，能自動(dòng)地轉(zhuǎn)換模式。由于對(duì)于兩種模式，光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向相反，而且一般所希望的靈敏度也有所不同，所以一般希望知道裝置工作在什么模式上。
此外，如在本發(fā)明中那樣，利用帶有一個(gè)小開口的平移測(cè)量裝置并讓手指沿其開口運(yùn)動(dòng)，就可以通過測(cè)量像觸摸墊那樣的手指的平移來移動(dòng)光標(biāo)。這個(gè)功能可以稱作“觸摸指點(diǎn)”，它也可用于指點(diǎn)鍵盤上的精細(xì)的位置。除了把光學(xué)芯片像開關(guān)一樣安裝在鍵盤上之外，這個(gè)裝置與圖5裝置是相同的。還有，也可以把OTM“觸摸式指點(diǎn)器”使用在鼠標(biāo)器的頂部，以替代滾動(dòng)輪?！斑祿簟崩缈梢酝ㄟ^把手指移入和移出觸摸點(diǎn)范圍而被探測(cè)到。
該裝置可以用來替代鼠標(biāo)器之外的指點(diǎn)裝置，例如用于膝上或掌上計(jì)算機(jī)的指點(diǎn)裝置。原則上利用這種裝置可以控制任何一維或二維的運(yùn)動(dòng)。
目前，膝上計(jì)算機(jī)指點(diǎn)裝置使用的是跟蹤球、觸摸墊、跟蹤點(diǎn)(乳頭)或一個(gè)附屬的鼠標(biāo)器。這些裝置有各種缺點(diǎn)。特別是，跟蹤球像常規(guī)鼠標(biāo)器一樣容易積灰塵，觸摸墊對(duì)濕度敏感而被許多用戶放棄，跟蹤點(diǎn)在應(yīng)該靜止時(shí)卻發(fā)生泳移，而鼠標(biāo)器則比較脆弱并需要工作桌面。
觸摸式指點(diǎn)裝置的尺寸小，其工作口徑可小于1mm2，并能提供高分辨率且有大的動(dòng)態(tài)范圍。它是內(nèi)設(shè)在膝上計(jì)算機(jī)內(nèi)的指點(diǎn)裝置的理想解決方案。通過有些類似于使用觸摸墊那樣在開口面上移動(dòng)手指就可以操作該裝置。其區(qū)別是開口的尺寸比觸摸墊小得多，而且它不存在濕度和潮濕之類的問題，可以期望它有高的可靠性。事實(shí)上，可以容易地在單個(gè)膝上或掌上計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置幾個(gè)觸摸式指點(diǎn)裝置，安裝在鍵上、鍵間、或屏幕邊上。此外，壓敏式裝置也可被包含在觸摸式指點(diǎn)裝置中，觸摸點(diǎn)的靈敏度可以做得能響應(yīng)于手指在觸摸點(diǎn)上的壓力。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中設(shè)置了兩個(gè)觸摸指點(diǎn)器，第一個(gè)觸摸指點(diǎn)器及其電路使一個(gè)指針響應(yīng)于它而移動(dòng)，第二個(gè)觸摸指點(diǎn)器及其電路使屏幕響應(yīng)于它們而滾動(dòng)。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明可用作一個(gè)掃描筆的改進(jìn)式平移和/或速度測(cè)量系統(tǒng)，它能掃描一個(gè)文本(或任何圖案)的每一行并存儲(chǔ)它們，供以后下載給一個(gè)PC機(jī)和/或利用OCR軟件轉(zhuǎn)換成ASCII碼。圖6示出這種裝置的一個(gè)例子。掃描筆120包括一個(gè)帶有一個(gè)一維或二維光電探測(cè)器陣列(例如CCD陣列)122和一個(gè)透鏡123的“讀出”頭，它的寬度足以掃描一個(gè)典型的行高度，以及一個(gè)與普通光筆中的相同的光源124。筆的讀出頭還含有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)平移測(cè)量系統(tǒng)82，用來測(cè)量讀出頭在被掃描紙張上的平移，可能還含有另一個(gè)平移測(cè)量系統(tǒng)來提取轉(zhuǎn)動(dòng)信息。然后這個(gè)筆能或者把掃描到的行作為一個(gè)比特圖文件存儲(chǔ)起來(適合于手寫字或圖形等等)，或者通過使用內(nèi)部的OCR算法把掃描行立即翻成二進(jìn)制文件。存儲(chǔ)的信息可以在以后下載給計(jì)算機(jī)、掌上計(jì)算機(jī)、電話機(jī)等等。為了這個(gè)目的和對(duì)筆120中的各種器件進(jìn)行供電和控制，還提供了一個(gè)控制器或微處理器128和電池129。
本發(fā)明的光學(xué)平移測(cè)量方法使得裝置可以有小的尺寸、使用方便、和精確。造成精度高的原因在于與目前的機(jī)械式鼠標(biāo)器相比，本發(fā)明的方法有固有的高精度和易于進(jìn)行二維或三維測(cè)量。目前類似的商品裝置為了通過探測(cè)一個(gè)帶圖案輪子的滾動(dòng)角度來測(cè)量平移，需在把該輪子壓向被掃描表面的同時(shí)使之掃描和滾動(dòng)。這個(gè)技術(shù)只能探測(cè)沿著一個(gè)行的位置而不能探測(cè)沿其垂直方向的位置，并且其比較低的精度限制了它的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明光學(xué)平移方法和裝置的再一個(gè)優(yōu)選應(yīng)用是一種用來掃描字并將之傳遞給一個(gè)認(rèn)證系統(tǒng)的便攜式或固定式裝置。與掃描筆的原理相似，簽字讀出器也含有一個(gè)帶有一個(gè)維或二維光電探測(cè)器陣列(例如一個(gè)CCD陣列)的簽字“讀出”頭。為了能讀出比較寬或比較高的簽字，它有一個(gè)比掃描筆寬的開口，并含有用來探測(cè)手或使裝置在被掃描簽字上運(yùn)動(dòng)的工具在兩個(gè)方向上的平移的光學(xué)平移測(cè)量裝置。簽字讀出器不含有任何OCR，這是因?yàn)椴粫?huì)有文本文件產(chǎn)生。不過，它卻連接(通過硬件有線或無線連接或通過一個(gè)離線系統(tǒng)連接)在一個(gè)“認(rèn)證中心”上，在那里通過把掃描到的簽字與一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)簽字”相比較來判斷其真?zhèn)?。這種裝置可以在成本低的同時(shí)達(dá)到精確、小型和易于使用。
前述裝置和方法的再一種應(yīng)用是編碼器領(lǐng)域。本發(fā)明可以用一個(gè)基本上不需標(biāo)記的編碼器來替代需要在一個(gè)編碼輪或一個(gè)表面上有高度精密標(biāo)記的直線編碼器和角度編碼器。圖7示出根據(jù)本發(fā)明這一方面的一種角度編碼器130。編碼器130含有一個(gè)安裝在軸131上的帶有漫反射表面132的圓盤。它還含有最好基本上與前述相同的光學(xué)芯片82和控制器90。表面132上最好做有一個(gè)或兩個(gè)徑向標(biāo)記136，用作編碼器的參考標(biāo)記和用來校正誤差，這種誤差可能在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)讀出角度時(shí)出現(xiàn)，該標(biāo)記可以由光學(xué)芯片82讀出，或者用一個(gè)獨(dú)立的探測(cè)器讀出。
被芯片82照明的表面的運(yùn)動(dòng)可看成是被照明部分中所有散射元素沿切向的共同平移與具有表面132的角速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)合。照明面積的大小最好小于至旋轉(zhuǎn)中心的距離，使得周曲率所造成的成份可以忽略?；蛘?，在非多普勒工作模式下，最好使用一個(gè)具有均勻角柵距的光柵，使得能用對(duì)角位移的直接測(cè)量來替代對(duì)等價(jià)表面平移的測(cè)量。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是一種虛擬筆，也就是一種能把在一張白紙上的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成位置讀數(shù)的筆。這些位置讀數(shù)又可以被一個(gè)計(jì)算機(jī)翻譯成虛擬的書寫，這種書寫可以被顯示出來，也可被轉(zhuǎn)換成字母或詞組。然后計(jì)算機(jī)可以用ASCII碼來存儲(chǔ)這種虛擬書寫。向計(jì)算機(jī)的傳送可以是在線的(利用對(duì)計(jì)算機(jī)的有線的或最好是無線的連接)，也可以是離線的，在離線情形下，代碼或位置讀數(shù)先存儲(chǔ)在虛擬“筆”內(nèi)，待書寫完畢后再轉(zhuǎn)移給計(jì)算機(jī)。本發(fā)明的這一實(shí)施例提供了一種緊湊、無紙、和無聲的記錄裝置。
在一個(gè)典型的傳真/打印機(jī)中，紙張被一個(gè)精密電機(jī)以恒定速度相對(duì)于寫入頭運(yùn)動(dòng)。書寫頭以與紙張前進(jìn)速度相協(xié)調(diào)的方式逐行地給出打印數(shù)據(jù)，這種方法是既昂貴又不精確的，前者是因?yàn)樗枰艿碾姍C(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，后者是因?yàn)橛袝r(shí)紙張會(huì)在裝置中打滑，使得紙的平移不再與打印裝置協(xié)調(diào)，從而出現(xiàn)一些行的漏打或歪扭。
使用了光學(xué)平移測(cè)量裝置后，有可能通過在線地測(cè)量紙張的前進(jìn)來探測(cè)到它的滑動(dòng)。然后根據(jù)紙張的實(shí)際平移量來控制打印裝置的工作，這樣便可得到高精度但低成本的系統(tǒng)。類似地，這個(gè)原理也可應(yīng)用于桌面掃描器，其中只是以讀出頭取代了打印頭。此外，根據(jù)探測(cè)到信號(hào)的特性，還可有能識(shí)別紙張或其他表面(例如布匹)的類型?？梢杂脕碜R(shí)別紙張類型的特征有反射光交、直流成份功率的比值，交、直流功率的絕對(duì)值，諧波比等等，或者是這些特征的結(jié)合。還有，對(duì)于多重饋送情形，這種測(cè)量裝置可以探測(cè)紙厚度的不連續(xù)性。這個(gè)不連續(xù)性可用以下方法確定軸向平移測(cè)量，橫向測(cè)量值中的明顯不連續(xù)，或者因暫時(shí)丟失反射光與本地振蕩光之間的相干性而造成的信號(hào)丟失。
圖8是一種運(yùn)動(dòng)探測(cè)器的原理圖，它適用于掃描儀，傳真機(jī)或打印機(jī)等只含一維運(yùn)動(dòng)的裝置，運(yùn)動(dòng)探測(cè)器200含有一個(gè)光源202，它發(fā)出的光由一個(gè)光纖光纜205傳送給一個(gè)殼體204。光纜205的輸出光被透鏡206準(zhǔn)直，然后通過一個(gè)光柵210照明運(yùn)動(dòng)表面208。從光柵210和表面208反射的光被一個(gè)位在透鏡206焦點(diǎn)處的光纖光纜212接收。光纜212的輸出被傳送給一個(gè)探測(cè)器214，以作前述的進(jìn)一步處理。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選文件掃描器實(shí)施例中，該運(yùn)動(dòng)探測(cè)器有利地不利用文件上的任何印刷標(biāo)記來測(cè)量文件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有一個(gè)讀出頭讀出文件上的印刷信息。一個(gè)存儲(chǔ)器接收來自讀出頭的信息并把它存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)于測(cè)得的文件運(yùn)動(dòng)的地址處。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選打印機(jī)實(shí)施例中，該運(yùn)動(dòng)探測(cè)器測(cè)量將在其上打印的紙張的運(yùn)動(dòng)，另有一個(gè)存儲(chǔ)器根據(jù)其中對(duì)應(yīng)于測(cè)量到的紙張運(yùn)動(dòng)的信息發(fā)出打印命令。
本發(fā)明的優(yōu)選掃描器和打印機(jī)可都用于根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的傳真機(jī)。
本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)探測(cè)器還可以用來測(cè)量CD(緊湊型光盤)和磁媒體存儲(chǔ)器中的各種運(yùn)動(dòng)。
圖9是一個(gè)在實(shí)施本發(fā)明時(shí)有用的典型電子電路140的簡(jiǎn)化方框圖。一個(gè)“主”光電探測(cè)器142(例如對(duì)應(yīng)于圖3A和3B中的探測(cè)器50)接收前述的光信號(hào)。該探測(cè)器探測(cè)光，得到的信號(hào)最好經(jīng)過放大器144的放大，濾波器146的帶通濾波，以及放大器148的再次放大，產(chǎn)生一個(gè)“主”信號(hào)。補(bǔ)償信號(hào)例如由光電探測(cè)器150(對(duì)應(yīng)于圖3A-3C中的探測(cè)器52)探測(cè)，經(jīng)過放大器152的放大和濾波器154的帶通濾波之后，在差分放大器155中被“主”信號(hào)減去，以去除主信號(hào)中的剩余低頻成份。帶通濾波器154與146最好是相同的。得到的差值信號(hào)被一個(gè)增益由低通濾波器153的輸出(它被一個(gè)可在系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)調(diào)節(jié)的衰減器158衰減)所控制的壓控放大器150放大。放大器156的輸出被傳送給一個(gè)零點(diǎn)交叉探測(cè)器和計(jì)數(shù)器160以及方向控制邏輯電路162，后者將確定表面平移的方向。如果使用了壓電元件64(圖3B)，則將向方向控制邏輯電路162提供一個(gè)對(duì)應(yīng)于元件位移頻率的控制信號(hào)，由該電路把它從零點(diǎn)交叉探測(cè)器的計(jì)數(shù)值中減去。
對(duì)于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，激光光源的波長(zhǎng)最好在紅外區(qū)域，例如為1550nm。對(duì)于二極管激光器，典型可達(dá)到的光譜寬度為2nm。典型地，光柵的口徑為1.5mm×1.5mm，光柵頻率為150線/毫米。典型地，激光光源的輸出被準(zhǔn)直后成為一束直徑稍小于1.5mm的光束，并以相對(duì)于光柵法線為30°的角度入射到光柵上。光學(xué)基底可以具有任何方便的厚度。不過典型地該厚度為幾個(gè)毫米，所用透鏡的焦距按前述聚焦要求設(shè)計(jì)，其典型值為幾個(gè)毫米。針孔46(圖3A-3C)直徑為幾個(gè)微米，典型地為10μm。應(yīng)該理解，上述這些典型尺寸和特性僅供參考作用，根據(jù)所使用的波長(zhǎng)和光學(xué)芯片應(yīng)用中的其他參數(shù)的不同，它們可以在較大的范圍內(nèi)變化。
在本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例中，針孔被一個(gè)“等效針孔”所替代。這種等效針孔是通過把本地振蕩場(chǎng)，例如從光柵反射或衍射的光，聚焦到探測(cè)器上來得到的。這樣，只有在本地振蕩場(chǎng)的聚焦點(diǎn)處從表面反射的光才得到放大。于是，例如圖3A、3B、3C中的針孔46可以取消，同時(shí)把本地振蕩場(chǎng)聚焦在探測(cè)器表面上。
探測(cè)器上聚焦本地振蕩場(chǎng)的強(qiáng)度分布決定了同一位置上信號(hào)場(chǎng)的放大情況。于是本地振蕩場(chǎng)強(qiáng)度大的地方信號(hào)的放大倍數(shù)大，而強(qiáng)度小的地方放大倍數(shù)小。從而探測(cè)器表面上的聚焦光斑起到了與“標(biāo)準(zhǔn)”空間濾波器中的真空針孔相同的作用。本地振蕩場(chǎng)空間分布的質(zhì)量，即它與衍射極限分布接近的程度，決定了最后空間濾波的質(zhì)量。聚焦在探測(cè)器上的衍射極限本地振蕩場(chǎng)最大程度地利用了對(duì)信號(hào)的放大能力，并且與真實(shí)針孔不同，對(duì)角度對(duì)準(zhǔn)的好壞并不敏感。用這種方法免除了“物理”針孔之后，裝置的抗干擾性能得到改善，即比較不敏感于機(jī)械振動(dòng)，有較寬松的角度對(duì)準(zhǔn)容差，和更高的總體放大率。與實(shí)際針孔不同，沒有被放大的信號(hào)光不是被擋住了，而是由于它比本地振蕩場(chǎng)弱得多使得其對(duì)測(cè)量的影響可以忽略。這種裝置還對(duì)聚焦誤差比較不敏感。
在利用光柵的多普勒測(cè)量中使用等效針孔布局的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)光源波長(zhǎng)的變化不敏感，而在這種測(cè)量中本地振蕩場(chǎng)的方向是與波長(zhǎng)有關(guān)的。波長(zhǎng)的變化將造成光柵反射角的相應(yīng)變化，使得探測(cè)器上的本地振蕩源的像發(fā)生移動(dòng)。如果使用真實(shí)針孔，這將會(huì)影響測(cè)得的信號(hào)振幅，甚至造成信號(hào)的完全丟失。使用等價(jià)針孔后，只要焦點(diǎn)在探測(cè)器上，就不會(huì)影響測(cè)量值。此外，如前面關(guān)于基于光柵的系統(tǒng)的討論，在光柵—反射器布局中探測(cè)信號(hào)與波長(zhǎng)無關(guān)，而與平移量、光柵周期、和本地振蕩的反射級(jí)次有關(guān)。
圖10示出直接聚焦到探測(cè)器上的布局的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。為了說明簡(jiǎn)單，圖中所示的是一個(gè)一維測(cè)量器，并且其中不含有標(biāo)準(zhǔn)電子組合件(T05等)中所帶有的方向探測(cè)部件。該測(cè)量器含有一個(gè)例如激光二極管等至少為部分偏振的光源250、一個(gè)透鏡252，光柵254，一個(gè)探測(cè)器(例如PIN二極管)256，一個(gè)殼體258，對(duì)外引線260，和電子電路262。激光二極管250和探測(cè)器256最好在光學(xué)上位于同一平面中，該平面最好是透鏡252的焦平面。光柵254的零級(jí)反射光被聚焦在探測(cè)器256的表面上，用作本地振蕩場(chǎng)。如果激光二極管250和探測(cè)器256到透鏡的距離不同，則如前面關(guān)于使用非準(zhǔn)直光源和匹配空間濾波器的實(shí)施例的詳細(xì)討論所述，這里的布局應(yīng)使得激光器被透鏡成像在探測(cè)器表面上。雖然圖10實(shí)施例中和以下一些實(shí)施例中沒有示出方向探測(cè)，但前述(或后述)的方向探測(cè)仍可適用于這些實(shí)施例。
對(duì)于利用一級(jí)(或更高級(jí))衍射光作為本地振蕩場(chǎng)的測(cè)量器來說，其工作過程是相似的。只是布局略有不同。圖11A和11B示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的一種這樣的布局。所示的測(cè)量器是一個(gè)不帶方向探測(cè)的二維測(cè)量器，它含有一個(gè)例如為激光二極管的輻射源270、一個(gè)透鏡272、一個(gè)二維光柵274、一對(duì)探測(cè)器276和278、一個(gè)殼體280、一些對(duì)外連線282和電子電路284。與圖10實(shí)施例一樣，激光二極管270和探測(cè)器276、278最好在同一光學(xué)平面上。圖11B示出從XIB-XIB看去的探測(cè)器276、278和光源270的平面圖。探測(cè)器276用作X軸探測(cè)器，278用作Y軸探測(cè)器。光柵274在X方向上的一級(jí)衍射光被聚焦在X探測(cè)器276上，而在Y方向上的一級(jí)衍射光則被聚焦在Y探測(cè)器278上。
利用等效針孔的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例比較容易對(duì)準(zhǔn)，并且如果制作成一個(gè)集成光學(xué)單元，則具有較寬松的容差要求。特別當(dāng)本地振蕩場(chǎng)是由光柵的非零級(jí)衍射光產(chǎn)生時(shí)，由于針孔的位置與波長(zhǎng)有關(guān)，所以上述情況尤為重要。這樣，照明光源的波長(zhǎng)穩(wěn)定性要求在使用等效針孔時(shí)要比使用物理針孔時(shí)寬松得多。
在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例中，利用了另外一些確定運(yùn)動(dòng)方向的方法。在這些優(yōu)選實(shí)施例中，利用一個(gè)光學(xué)元件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來確定運(yùn)動(dòng)方向。在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例中提供了兩個(gè)探測(cè)器，沿一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)將使光柵反射或衍射的光照明到其中一個(gè)探測(cè)器上。圖12A-12B和圖13A-13B示出了利用該原理進(jìn)行方向探測(cè)的兩個(gè)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例。
圖12A和12B說明其中一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的原理。其中測(cè)量器290包含一個(gè)例如為激光二極管的至少是部分相干的輻射源292、一個(gè)透鏡294、一個(gè)探測(cè)器296、一個(gè)第二探測(cè)器298、和一對(duì)光柵300、302。光柵300和302安裝在一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)楔元件304上。當(dāng)探測(cè)器沿一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)使元件304處于圖12A所示的位置上，使得光柵300所反射或折射的光射向探測(cè)器296。當(dāng)測(cè)量器沿相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，元件304與被測(cè)運(yùn)動(dòng)表面之間的摩擦力使元件304轉(zhuǎn)到圖12B所示的位置。這時(shí)光柵302所反射或折射的輻射將射向探測(cè)器298。這樣便可根據(jù)是哪個(gè)探測(cè)器產(chǎn)生了信號(hào)來確定運(yùn)動(dòng)的方向。
把該實(shí)施例擴(kuò)展成二維工作可以這樣達(dá)到用以類似方式工作的四表面金字塔元件取代元件304；用4個(gè)探測(cè)器取代2個(gè)探測(cè)器；用二維光柵取代一維光柵。
圖13A和13B示出利用了兩個(gè)相鄰光柵的第二種機(jī)械方向探測(cè)方法的實(shí)施例。與圖12A和12B一樣，該實(shí)施例也包括一個(gè)例如為激光二極管的至少是部分相干的輻射源292、透鏡294、探測(cè)器296和298。該實(shí)施例還含有兩個(gè)光柵310和312。這兩個(gè)光柵310和312各有兩個(gè)光柵頻率不同的部分，例如左半部分為150線/毫米，右半部分為170線/毫米。位在下方的那個(gè)光柵因與表面42之間的磨擦而發(fā)生運(yùn)動(dòng)，直到碰上運(yùn)動(dòng)方向上的一個(gè)預(yù)定擋塊。兩個(gè)光柵的兩個(gè)半部分的設(shè)計(jì)使得，運(yùn)動(dòng)之后其中一個(gè)半部分將被遮住(即一個(gè)光柵的反區(qū)域遮住了另一光柵的開口區(qū)域)，而它們的另外半部分卻是透光的(即它們的金屬部分互相重疊)，雖然一般這時(shí)的占空比不再是50％。下方光柵沿另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)結(jié)果將使其兩半部分的作用互換，從而使得在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向下有不同的反射角，進(jìn)而照明不同的探測(cè)器。這兩種狀況分別示于圖13A和13B。運(yùn)動(dòng)的方向可以根據(jù)是哪個(gè)探測(cè)器產(chǎn)生了信號(hào)來判斷。
圖13C和13D示出從一個(gè)光柵轉(zhuǎn)換成另一個(gè)光柵的另一種系統(tǒng)。這些圖中僅示出了光柵自身。上面部分由一些不相對(duì)于探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的反射元件400組成。下面部分由交替排列的具有不同周期的光柵區(qū)域401和402組成。在圖13C所示位置上，元件400遮擋了光柵區(qū)域401，使得入射到光柵上的光被導(dǎo)向一個(gè)由光柵區(qū)域402的周期所決定的角度方向(入射光能“看到”這些區(qū)域并部分地透過)。當(dāng)下面部分因與待測(cè)速度表面的磨擦而運(yùn)動(dòng)到第二個(gè)位置上時(shí)，元件400將遮擋光柵區(qū)域402而露出區(qū)域401，從而入射光被導(dǎo)向一個(gè)由光柵401的周期所決定的角度方向。于是與圖13A和13B中的情況相同，可以切換能接收到光的探測(cè)器。
通過基于與圖13A和13B所示相同的原理，用兩個(gè)分成4個(gè)區(qū)域的二維光柵取代原來的光柵，就可把本發(fā)明該實(shí)施例的原理推廣成為二維的。
圖14說明另一個(gè)基于多普勒頻移的表面速度測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)施例的原理。與上述的測(cè)量器不同，該測(cè)量器不需使用光柵。一個(gè)至少是部分相干的光源320被準(zhǔn)直后照明一個(gè)光學(xué)元件322，該元件含有一個(gè)靠近表面42并與之有一個(gè)夾角的第一平面324和一個(gè)平行于表面42的第二平面325。從平面324(該平面最好鍍以反射層)反射的光被一個(gè)透鏡326聚焦在探測(cè)器328上，用作本地振蕩場(chǎng)。被表面42反射的一部分光也被聚焦在探測(cè)器328上，與本地振蕩場(chǎng)發(fā)生干涉。由于表面的平移，表面42向探測(cè)器328反射的光有多譜勒頻移。于是探測(cè)器信號(hào)中含有一個(gè)表征表面42的平移的振蕩成分。應(yīng)該指出平面325在探測(cè)過程中沒有起作用。此外還應(yīng)指出，所有的光學(xué)元件都可被安裝在光學(xué)元件322上，形成一個(gè)集成式的測(cè)量器。利用兩個(gè)傾斜平面和兩個(gè)探測(cè)器可以推廣到二維測(cè)量。
根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例，反射本地振蕩場(chǎng)的反射器不靠近于被測(cè)速度的表面。圖15和16示出了體現(xiàn)類似原理的兩個(gè)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例。
圖15示出的測(cè)量器含有一個(gè)例如為激光器的至少是部分相干的光源350和一個(gè)光學(xué)元件352，后者含有一個(gè)部分反射和部分透射的表面354和一個(gè)全部反射的表面356。該測(cè)量最好還含有一個(gè)使光源350準(zhǔn)直的透鏡358；一個(gè)空間濾波器，在本實(shí)施例中它由一個(gè)把光聚焦在探測(cè)器362上的透鏡360實(shí)現(xiàn)；以及信號(hào)處理電路364。如前所述，聚焦光起著等效針孔的作用。光源提供被導(dǎo)向表面42的至少是部分相干的輻射。
來自光源的光被表面354分解成兩束光，一束光由表面354向表面356反射，另一束光透過表面354射向表面42。從表面42反射的光再次透過表面354射向探測(cè)器362。從表面354反射的光在表面356上被全部反射，使得這束光經(jīng)過表面354的第三次反射后也被導(dǎo)向探測(cè)器362。因多次反射而在元件352中傳播的光(本地振蕩光)與由表面42向探測(cè)器反射的光之間的光程差應(yīng)該在光源相干長(zhǎng)度的范圍內(nèi)。如同前面所述的實(shí)施例，表面的平移將造成一個(gè)能表征平移量的交變的探測(cè)器信號(hào)。在本發(fā)明的另一些優(yōu)選實(shí)施例中，表面354可以是一個(gè)光柵，并且本地振蕩場(chǎng)從該光柵的某一級(jí)衍射光導(dǎo)出。對(duì)于這種情況表面354不需要與表面42有一個(gè)夾角。
雖然表面356是完全反射的，但它也可以是部分透射或部分吸收的。這將減小本地振蕩場(chǎng)。如果表面356是部分透射的，則透射的光可以借助另一個(gè)探測(cè)器用來測(cè)量光源的強(qiáng)度，從而可以補(bǔ)償光源振幅的強(qiáng)度調(diào)制以改善速度范圍低端處的性能，如前面結(jié)合圖3A和3B所說明的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在表面354與表面42之間的空間中充填了第二種光學(xué)媒質(zhì)，以改善表面42(如果它是非剛性的，例如紙張)的平面度和防止塵土集積。
根據(jù)圖16所示的本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，測(cè)量器用一個(gè)改型的立方體分束器制成。一個(gè)最好被準(zhǔn)直的來自例如為激光器的至少是部分相干的光源380的光被導(dǎo)向一個(gè)部分反射、部分透射的表面382。透過表面382的光被導(dǎo)向表面42，從表面42反射的一部分光再經(jīng)過表面382的反射后經(jīng)過聚焦系統(tǒng)386射向探測(cè)器384。從表面382反射的光被導(dǎo)向一個(gè)反射器388，其反射光透過表面382后射向探測(cè)器384。這樣，這個(gè)分束器的作用就是一個(gè)干涉儀，使得表面42在切線方向(平行于表面)相對(duì)于裝置的平移將在反射器388的反射光(用作本地振蕩光)與表面42的反射光之間產(chǎn)生多譜勒頻移。
這樣，從表面42和從反射器388反射的光將在探測(cè)器384上發(fā)生干涉。該光學(xué)元件的尺寸設(shè)計(jì)使得這兩束光的光程差在光源380的相干長(zhǎng)度范圍內(nèi)。
該布局使得部分反射表面，全部反射表面，和被測(cè)表面互相不平行。于是探測(cè)器信號(hào)中將含有一個(gè)因表面反射光的多譜勒頻移所引起的振蕩成分，該成分能表征表面在其切線方向上相對(duì)于裝置的平移。
從光源380發(fā)出的光最好被準(zhǔn)直。到達(dá)探測(cè)器384的光最好被聚焦在其表面上，使得其上形成光源380的點(diǎn)像。利用兩個(gè)正交傾斜的部分反射表面或全部反射表面可得到二維平移測(cè)量。
從表面42上反射的光的多譜勒頻移正比于測(cè)量器與表面42之間的相對(duì)速度在入射到表面上的光束與能射到探測(cè)器上的表面反射光束之間的角平分線方向上的分量。多普勒頻移與光波波長(zhǎng)成反比。光學(xué)媒質(zhì)的選擇最好能使折射率色散可以讓角平分線與表面平面之間的夾角發(fā)生一些改變，并且這個(gè)改變能補(bǔ)償波長(zhǎng)改變對(duì)多譜勒頻移的影響。這樣將可明顯減小因光源的有限光譜帶寬和波長(zhǎng)漂移所造成的測(cè)量誤差。
圖15和16所示的方法及實(shí)施例提供了測(cè)量沿切向運(yùn)動(dòng)的粗糙表面的平移的比較價(jià)廉、有抗干擾性、不需對(duì)準(zhǔn)、和精確的設(shè)備。與對(duì)本發(fā)明其他實(shí)施例所作的說明一樣，該方法在利用平移測(cè)量的各種應(yīng)用中有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
圖17示出本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。該實(shí)施例對(duì)由表面反射的光提供了對(duì)一個(gè)特定偏振的增強(qiáng)。圖3C曾說明了一種通過對(duì)表面反射光和本地振蕩光提供不同的偏振來確定運(yùn)動(dòng)方向的方法，通過在傳向表面和來自表面的光的光路中放置一個(gè)雙折射板來提供相移。不過這個(gè)方法是基于下述的假定的。當(dāng)光在表面上反射時(shí)將保持其偏振態(tài)。但事實(shí)上常常不是這樣，從而預(yù)期會(huì)由探測(cè)器產(chǎn)生的正交信號(hào)將變質(zhì)，這甚至?xí)雇瑯拥倪\(yùn)動(dòng)方向發(fā)生正負(fù)號(hào)的改變。
在雙折射板(“四分之一波片”)與表面之間加上一個(gè)線偏振器可以使測(cè)量對(duì)表面的性質(zhì)不敏感。這個(gè)偏振器給從表面反射的光強(qiáng)加了它的線偏振方向，而不論表面的性質(zhì)如何。把偏振器的軸放置得與雙折射板的軸線45°角，反射光在經(jīng)過偏振器后將被雙折射板轉(zhuǎn)變成圓偏振光，射向探測(cè)器。于是，即使當(dāng)表面本身沒有保偏振特性，在兩個(gè)正交偏振的探測(cè)器上也仍能保證得到精確的正交信號(hào)。
這種布局的另一個(gè)特性是能夠把雙折射板放置在光柵“頂上”(以替代放置在光柵與表面之間)。本地振蕩光將受到兩次相移(對(duì)于四分之一波片，總的來說將得到半個(gè)波長(zhǎng)的光程延遲)，而表面反射光只受到一次相移，從而保證了正交測(cè)量。
圖17所示的運(yùn)動(dòng)探測(cè)器500的第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例特別地包含了這個(gè)特征。運(yùn)動(dòng)探測(cè)器500包括一個(gè)最好是照明了準(zhǔn)直透鏡504的部分相干光源502。從透鏡504下方射出的光最好是準(zhǔn)直的(即各條光線全都平行)。透鏡下面有一個(gè)四分之一波片506，其下又有一個(gè)光柵508。由于從光柵反射/衍射的光兩次經(jīng)過了波片，所以它的兩個(gè)正交分量之間有一個(gè)180°的相移，雖然圖中波片506和光柵508(是兩個(gè)分立的元件，但它們可以結(jié)合成一個(gè)元件，例如可以在波片表面上淀積或模壓上一個(gè)光柵。
光柵下面最好還有一個(gè)線偏振器。這樣從偏振器下方的表面(未未出)反射的光在第二次經(jīng)過波片后將是圓偏振的。這里，由于光在到達(dá)波片506之前要第二次經(jīng)過偏振器510，所以偏振得到了增強(qiáng)并避免了對(duì)測(cè)量的“污染”。
以一個(gè)由光柵線距和衍射級(jí)次確定的角度從光柵衍射的光以及從表面漫反射的光都入射到一個(gè)探測(cè)器模塊512上。探測(cè)器模塊512含有一個(gè)相位光柵514，后者把入射光分解成最好是相等的兩個(gè)部分，并使這兩部分光在分別經(jīng)過一對(duì)偏振器516和518后射到一對(duì)準(zhǔn)探測(cè)器520和522上。偏振器516和518的軸互相成90°角，最好調(diào)節(jié)得能向兩個(gè)探測(cè)器提供相同強(qiáng)度的光柵衍射光。探測(cè)器模塊512的功能與圖3C中的相應(yīng)元件的相同。也就是說，探測(cè)器模塊把來自表面反射的圓偏振光分解成兩個(gè)線偏振成分，并且每個(gè)線偏振成分將分別與光柵508所衍射的光的一部分發(fā)生干涉。衍射光是一個(gè)與兩個(gè)偏振器的軸都成45°角的線偏振光，它也最好被光柵分成等強(qiáng)度的兩束光并被探測(cè)器探測(cè)。通過對(duì)探測(cè)器探測(cè)到的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)，根據(jù)多普勒頻移可以方便地確定運(yùn)動(dòng)的量，根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)相位則可以確定運(yùn)動(dòng)的方向。
探測(cè)器模塊512是利用一個(gè)相位光柵和兩個(gè)偏振器而不是圖3C中的偏振分束器來對(duì)入射光分束并把分束的光導(dǎo)向探測(cè)器的。相信在實(shí)際中模塊512的生產(chǎn)成本較低。如果使用二值相位光柵(或閃耀光柵)，則該系統(tǒng)將不僅成本低而且光效率高。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，模塊512和光源502及一個(gè)電子模塊526一起被安裝在一個(gè)底板或散熱基底524上。電子模塊526可以含有一個(gè)用來控制光源502的控制器和用來從探測(cè)器520、522接收信號(hào)的電路。電子模塊526最好能部分地或完全地進(jìn)行前述的信號(hào)處理，以向計(jì)算機(jī)或其他裝置(未示出)提供關(guān)于表面運(yùn)動(dòng)的大小和方向的信息。
圖18示出另一種運(yùn)動(dòng)探測(cè)器530，其結(jié)構(gòu)大體與圖17裝置類似。然而該運(yùn)動(dòng)探測(cè)器有一些值得注意的特點(diǎn)。為了易于說明，探測(cè)器530中與圖17探測(cè)器500中相似的部分用相同的代號(hào)代表，對(duì)這些部分不再進(jìn)一步說明。
在圖18中，本地振蕩光在空間上是與表面的照明光和衍射光的光路分開的。此外，在圖18中有利地設(shè)置了一個(gè)缺口(cut-out)532，用來使從光柵衍射的光和從待測(cè)速表面反射的光的光路長(zhǎng)度相同。曾經(jīng)說明過，這兩個(gè)光的干涉應(yīng)盡可能發(fā)生在探測(cè)器上。由于表面反射光的光程大于光柵衍射光的光程，這將對(duì)光源502的相干性有高的要求。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，缺口532可以使表面反射光的光程減小，從而匹配了兩個(gè)光程。
如圖18中所示的分開的本地振蕩光布局因只有一個(gè)透射光束而沒有對(duì)投射表面的衍射光照明從而是多普勒模式工作所希望的，所以這種布局有本質(zhì)上的優(yōu)點(diǎn)。不過，把光束分成兩部分，一部分用來產(chǎn)生本地振蕩光，另一部分用來照明，使得對(duì)光束的質(zhì)量有較高要求，并且其抗干擾性能要差于把大部分或全部照明光同時(shí)用于產(chǎn)生本地振蕩光和表面照明的方案。
雖然上述缺口也可以用于例如圖17實(shí)施例等本發(fā)明的其他優(yōu)選實(shí)施例中，但對(duì)于在鄰近表面處提供了一個(gè)受保護(hù)的、最好是抗劃痕的鍍層或底板534的情況，這個(gè)缺口將特別有用。這個(gè)底板會(huì)增大表面反射光的光程，但不會(huì)改變光柵衍射光的光程。提供保護(hù)層也適用于上述許多實(shí)施例。此外，為了減小激光束通過時(shí)的雜散光作用，底板254或光路中的其他部分還可以著色(即進(jìn)行光譜濾波)。
在圖18所示的實(shí)施例中，產(chǎn)生反射光和衍射光的結(jié)構(gòu)與圖17所示的不同。在圖18中，相位光柵536下面是一個(gè)八分之一波長(zhǎng)片538，其下面又有一個(gè)反射器540。該反射器540最好是直接制作在波片538上的。由于從反射器反射的光兩次經(jīng)過了八分之一波片，所以反射光是圓偏振的。從表面反射的光最好先后兩次經(jīng)過線偏振器542。于是這個(gè)光是增強(qiáng)的線偏振光。該系統(tǒng)在其他方面的工作情況與圖17的相同。
在本發(fā)明的另一些優(yōu)選實(shí)施例中，可能把一個(gè)四分之一波片放置在光源502所發(fā)射光束的光路中，使光轉(zhuǎn)變成圓偏振光。于是它可以比圖17和18所示的小得多(因此成本也較低)，其中不再需要多個(gè)層。此外，對(duì)于那些使用了波片的本發(fā)明實(shí)施例中，也可以采用能生成橢圓偏振光(而不是上述的圓偏振光)的波片。
在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例中，可以在激光二極管(它自身產(chǎn)生線偏振光)的發(fā)射表面上沉積一層由例如石英等雙折射材料組成的四分之一波片層，以產(chǎn)生圓偏振光。這一沉積工序最好是制作二極管的工序的一部分，例如在一個(gè)垂直腔表面發(fā)射激光二極管的外側(cè)分布式布拉格反射器的頂部沉積雙折射層。由于這時(shí)的鍍層面積只是發(fā)射面的面積，所以這種方案可以只用少得多雙折射材料。而且，小的雙折射層可以比大的雙折射層制作得更為精確。在雙折射層下面再加上一個(gè)線偏振器可以構(gòu)成一個(gè)光學(xué)隔離器組件，用來衰減返回到激光諧振腔內(nèi)的雜散光。
類似地，在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例中，只要不是像前述一些本發(fā)明實(shí)施例那樣指明需要分開的偏振器，則線偏振器是制作在探測(cè)器表面上的。利用這樣的偏振探測(cè)器可減小組裝運(yùn)動(dòng)探測(cè)器的復(fù)雜程度?？梢杂迷谔綔y(cè)器頂部施加聚合物偏振器來制作這種探測(cè)器?；蛘?，也可以通過在探測(cè)器面上淀積帶有細(xì)線槽(線寬為波長(zhǎng)量級(jí))的電介質(zhì)層制作偏振器。
圖19A和19B示出兩種基于類似于圖3C、17、18所示的方向探測(cè)原理的集成式運(yùn)動(dòng)探測(cè)器。
圖19A示出了一個(gè)構(gòu)筑在一個(gè)光學(xué)單元552上的運(yùn)動(dòng)探測(cè)器550，它包括一個(gè)分束面554和兩個(gè)透鏡556、558。鄰接著透鏡556安裝了一個(gè)激光二極管光源560，該透鏡使光源發(fā)射的光準(zhǔn)直。準(zhǔn)直光束561射到分束面554上，后者把光束分解成第一部分562和第二部分564，其中光束562繼續(xù)傳播到表面12上，光束564則被反射到一個(gè)八方之一波片566和一個(gè)鏡面568上。光束564在兩次經(jīng)過波片之后變?yōu)閳A偏振光，向分束面554返回。
光束562在被反射回到分束面554之前經(jīng)過了一個(gè)線偏振器570，最好還經(jīng)過了一個(gè)保護(hù)層572。光束564的返回部分透過分束面，而光束562的返回部分在分束面上反射，兩者一起被導(dǎo)向透鏡558，使它們聚焦。第二個(gè)分束面574使這兩束光各自被分解成兩束，并被導(dǎo)向偏振探測(cè)器576和578(它們各自有一個(gè)偏振器580和一個(gè)探測(cè)器582)。這兩個(gè)探測(cè)器基本上以與圖3C、17、18相同的方式探測(cè)從表面12反射的光束的頻率和兩個(gè)線偏振成份的相對(duì)相位。
應(yīng)該指出，運(yùn)動(dòng)探測(cè)器550的頂面和底面是不平行的，所以表面12的反射光束相對(duì)于入射光束是有多普勒頻移的。這個(gè)多普勒頻移(其及正負(fù)號(hào))有來探測(cè)運(yùn)動(dòng)。此外，在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例中，各個(gè)透鏡被鍍了消反射層以避免多次反射的影響。
圖19B所示的第二種集成式運(yùn)動(dòng)探測(cè)器590也體現(xiàn)了類似的原理。該系統(tǒng)的所有光學(xué)元件全都安裝在一個(gè)光學(xué)單元592上，其中還夾了一個(gè)光柵594，光柵、頂面和底面最好是互相平行的。功能類似于圖19A中透鏡556、558的兩個(gè)透鏡596、598最好制作在光學(xué)單元592內(nèi)。在圖19B中，與圖19A中相應(yīng)的元件有類似功能的元件用類似的代號(hào)代表。一個(gè)參考光束被光柵594反射，射向一個(gè)背面為鏡面的八方之一波片(556、568)，其后經(jīng)過第二次反射影響透鏡598。透過光柵的光束最好經(jīng)過一個(gè)線偏振器和一個(gè)任選的保護(hù)層再射向表面12，然后被反射到透鏡598上。該探測(cè)系統(tǒng)的工作方式與前述的類似。
圖19C和19D示出探測(cè)器模塊610的細(xì)節(jié)，該模塊用于利用波片影響由光柵和/或表面所反射的光束的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的例子有圖17、18和19A中的運(yùn)動(dòng)探測(cè)器。在這些運(yùn)動(dòng)探測(cè)器中，當(dāng)光源光是線偏振光時(shí)，波片可以移近探測(cè)器。在這種情況下，波片大小可以比放置在其他位置處時(shí)小，并且在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例中可以如前面對(duì)偏振器的說明那樣，與探測(cè)器集成在一起。
對(duì)于這些實(shí)施例，偏振器的放置應(yīng)使得只有射向和來自表面的光才經(jīng)過它(例如靠近待測(cè)表面放置)。偏振器的偏振軸放置得與光源光的偏振方向成45°角，從而使來自表面的光的偏振方向與本地振蕩光的偏振方向成45°角。
在這種情況下，圖19C和19D所示的探測(cè)器模塊610可以有利地取代圖17、18中的模塊512和圖19A中的利用同樣探測(cè)原理但形式有改變的模塊576。在圖19C和19D中，與圖17、18中相應(yīng)元件有相同功能的元件用相同的代號(hào)代表。
除了在偏振器516和518的前面設(shè)置了一個(gè)四分之一波片612之外，模塊610與512是相似的。四分之一波片，偏振器和入射光的偏振取向示于圖19D，該圖是從下方看去的沿著圖19C的D-D線的截面圖。圖中偏振器軸由代號(hào)614、616表示，四分之一波片的偏振軸由代號(hào)618表示。偏振方向與波片的一個(gè)軸一致的線偏振光在經(jīng)過波片后不會(huì)改變其偏振態(tài)。偏振方向與軸168成45°角的線偏振光在經(jīng)過四分之一波片后將轉(zhuǎn)變成圓偏振光。
代號(hào)620、626表示光柵入射波和表面反射波的偏振方向，這里哪個(gè)波是方向620、哪個(gè)波是方向626是沒有關(guān)系的。而且，其中一個(gè)波的偏振方向可以是626’而不是626。
在工作中，入射波的偏振方向?yàn)?20，它被轉(zhuǎn)變成圓偏振波。該圓偏振波被偏振器516和578分解兩個(gè)相同的成份，使得有兩個(gè)等振幅的線偏振波入射到探測(cè)器520和522上。不過這兩個(gè)波的時(shí)間相位相差90°(同時(shí)偏振方向正交)。偏振方向?yàn)?26或626’的波在經(jīng)過四分之一波片時(shí)其方向不變。它也被分解兩個(gè)振動(dòng)方向正交的波。不過這兩個(gè)波有相同的時(shí)間相位。于是每個(gè)探測(cè)器都將探測(cè)到光波的干涉。給出兩個(gè)時(shí)間相位相差90°的信號(hào)。然后這個(gè)相位差可以用來確定方向，如同在標(biāo)準(zhǔn)正交探測(cè)情形中一樣。
如果不用波片612；則可以用一個(gè)探測(cè)器偏振器根據(jù)本地振蕩光和表面反射光的偏振方向有選擇地阻擋住表面反射光或本地振蕩光。例如，如果光源光的偏振方向?yàn)?20。則它會(huì)被軸為616的偏振器擋住。這樣，探測(cè)器將只探測(cè)到表面反射光，對(duì)應(yīng)于Er2成份?；蛘?，如果表面反射光的偏振方向?yàn)?20，則軸為616的探測(cè)器將只探測(cè)到本地振蕩場(chǎng)，由此可以補(bǔ)償Eo2成份。
用于Eo2成份補(bǔ)償?shù)奶綔y(cè)器輸出可以用作一個(gè)參考電壓，并將它從用于平移測(cè)量的另一個(gè)探測(cè)器的輸出電壓中減去。這就形成了一種“差分”探測(cè)模式。這種相減例如可以在跨導(dǎo)放大器級(jí)上進(jìn)行，以消除探測(cè)信號(hào)的大部分直流電壓?；蛘?，也可以采用如圖9所示的利用高通濾波器來去除直流電壓的方案。補(bǔ)償信號(hào)的帶寬最好根據(jù)光源噪聲的帶寬來限制。否則實(shí)際上會(huì)因補(bǔ)償信號(hào)的相減而不必要地加上了“非相關(guān)”噪聲(例如熱噪聲)。
當(dāng)光源被重復(fù)地切斷和接通時(shí)(例如當(dāng)為了節(jié)約能量或人眼安全而工作于“睡眠模式”工時(shí))，Eo2成份補(bǔ)償而不用高通濾波則可以減少或免除這一復(fù)雜性，或者，如果在光源切斷時(shí)把高通濾波器中的電容器隔離開來(由此使電容可以保持其電荷直到光源再次接通)，則即使沒有Eo2補(bǔ)償也可以重復(fù)地?cái)嗤ㄩ_關(guān)。
Eo2補(bǔ)償測(cè)量的又一個(gè)用途是作為光源電流控制環(huán)路中的反饋。如果估計(jì)到光源功率會(huì)有很大變動(dòng)(例如由于大的工作溫度范圍)，則為了控制光源的光功率這種控制環(huán)路是十分重要的。
當(dāng)把垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)用作光源時(shí)，不帶波片612的圖19C和19D布局可能是有用的。如果操作正確，某些VCSEL可以工作在兩個(gè)可能的正交偏振方向中的一個(gè)方向上，這時(shí)任何給定時(shí)間點(diǎn)上的光偏振都在其中某一個(gè)方向上。于是出現(xiàn)了偏振方向不確定的問題。由于對(duì)于給定的運(yùn)動(dòng)方向來說，兩種偏振方向會(huì)使兩個(gè)正交的偏振探測(cè)器給出相反的相位差，所以在需進(jìn)行方向探測(cè)的系統(tǒng)中使用VCSEL將會(huì)出現(xiàn)問題。
根據(jù)圖19D所示的布局，假定光源的偏振方向?yàn)?20或垂直于620(來示出)。則在沒有波片612的情況下，例如偏振器614將或者擋住或者透過本地振蕩光。于是根據(jù)不同的光源偏振方向，探測(cè)器522的輸出將或者是高的，或者是低的，這個(gè)探測(cè)器輸出可能被用來控制信號(hào)相對(duì)相位與運(yùn)動(dòng)方向之間的轉(zhuǎn)換(例如作為一個(gè)確定零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)值正負(fù)號(hào)的旗標(biāo))。
除了用于探測(cè)運(yùn)動(dòng)的探測(cè)器之外，只需使用一個(gè)這樣的偏振探測(cè)器(根據(jù)偏振方向輸出高或低)就夠了。不過，如果使用兩個(gè)探測(cè)器(522和520)，則不論是哪個(gè)偏振方向總有一個(gè)探測(cè)器輸出是高的，而另一個(gè)探測(cè)器將測(cè)量表面反射光，可以用于Er2成份補(bǔ)償在上述方案中，另加的探測(cè)器被有來解決VCSEL的偏振方向不確定問題?；蛘?，也可以讓VCSEL相對(duì)于它的“最佳”偏振方向稍微旋轉(zhuǎn)一下。假定VCSEL偏振的“最佳”方向?yàn)棣粒瑥亩鴥?yōu)勢(shì)偏振方向?yàn)棣粱颚?π/2，則兩個(gè)探測(cè)器的直徑電壓的比值Rp為
于是，對(duì)于α+π/4的最佳VCSEL取向(例如沿626方向)，則不論VCSEL的偏振方向如何，例如圖19D中的兩個(gè)正交偏振探測(cè)器所探測(cè)到的直流成份都將是相同的。
然而，如果α+π/4+β(弧形)，則當(dāng)VCSEL的輸出在一個(gè)偏振方向上時(shí)Rp≌1+2β，在另一個(gè)偏振方向上時(shí)Rp≌1-2β。于是當(dāng)VCSEL以一個(gè)偏振方向發(fā)光時(shí)Rp＞1，以另一個(gè)偏振方向發(fā)光時(shí)Rp＜1。所以，如果把VCSEL相對(duì)于“最佳”取向旋轉(zhuǎn)，用于平移測(cè)量的兩個(gè)探測(cè)器直流電壓之間的比較結(jié)果就可指明偏振的方向，而不再需要額外的專用探測(cè)器。
克服本地振蕩光可能的偏振不確定性的再一種方法是在光源與光柵之間的光路中使用一個(gè)線偏振器，并使其偏振軸與兩個(gè)正交偏振方向中的任一方向成45°角。于是，當(dāng)VCSEL的偏振方向?yàn)?26或626’時(shí)，偏振器軸例如將為620方向。或者，當(dāng)VCSEL的偏振方向?yàn)?14或616時(shí)，偏振器軸為620方向。這樣將迫使光源光的偏振方向與偏振器軸的方向相同，其代價(jià)是損失了約一半的光功率。
疊加在較高頻率信號(hào)上的低頻寄生噪聲(例如Er2和Eo2成份以及電源線路干擾)可能會(huì)影響對(duì)高頻信號(hào)的正交探測(cè)，其原因如下·丟失高頻信號(hào)的零點(diǎn)交叉事件。
·零點(diǎn)交叉事件發(fā)生次序改變，因此正交探測(cè)器的方向探測(cè)改變。
·計(jì)入了低頻噪聲的零點(diǎn)交叉事件，并將此累計(jì)到測(cè)量中去。
根據(jù)本發(fā)明的各種優(yōu)選實(shí)施例，可以用信號(hào)處理技術(shù)來克服可能的低頻調(diào)制(作為前述光學(xué)技術(shù)的補(bǔ)充或替代)，這些方法可以單獨(dú)使用，也可結(jié)合作用·假定P和Q是例如為圖19C中的探測(cè)器對(duì)520和522的輸出信號(hào)。理想上除了隨著運(yùn)動(dòng)方向的不同而有+90°或-90°的時(shí)間相位差以及附加的噪聲之外，P和Q是全同的。再假設(shè)從信號(hào)P和Q導(dǎo)出了信號(hào)D＝P-Q和S＝P+Q。于是信號(hào)D中排除了來自P和Q共同噪聲源的噪聲。此外，D與S之間有90°的時(shí)間相位差。因此，當(dāng)不存在噪聲時(shí)D和S與P和Q等價(jià)。但是如果共同噪聲源較強(qiáng)，則D的零點(diǎn)交叉精確地度量了平移量而S的零點(diǎn)交叉則可用來幫助確定運(yùn)動(dòng)的方向。還有，共同噪聲的消除并不局限于低頻。
·放大的信號(hào)可以被分成兩個(gè)(或多個(gè))頻率范圍?？梢愿鶕?jù)測(cè)量的頻率來選擇適當(dāng)?shù)耐ǖ馈?br> ·利用一個(gè)由信號(hào)頻率控制并能自適應(yīng)于表面相對(duì)于OTM裝置可能加速運(yùn)動(dòng)所造成的頻率變化的自適應(yīng)帶通濾波器。自適應(yīng)帶通濾波器還能降低其他的噪聲源，例如熱噪聲和1/F噪聲等。它可以通過使用高通和低通部件中的壓控電容來實(shí)現(xiàn)。
采用對(duì)高頻信號(hào)的較高的放大率，使得到的高頻信號(hào)振幅大于低頻信號(hào)振幅。于是高頻的零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)只會(huì)受到較小的影響。
圖27示出抑制高頻信號(hào)中的低頻噪聲的自適應(yīng)帶通電路的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例899。一個(gè)零點(diǎn)交叉探測(cè)器900把輸入端處的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出端920處的邏輯信號(hào)。當(dāng)信號(hào)是低頻(例如50Hz)時(shí)，晶體管931和932在大部分時(shí)間內(nèi)不導(dǎo)通，這時(shí)電容940通過電阻945以長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)(0.1S)充電，適合于探測(cè)低頻信號(hào)。另一方面，當(dāng)零點(diǎn)交叉頻率高(超過幾百赫茲)時(shí)，將有一個(gè)高通電路950驅(qū)動(dòng)電流流過晶體管931和932的基極，于是電路940將通過電阻960以小達(dá)0.1ms的時(shí)間常數(shù)充電。這樣，運(yùn)算放大器970正輸入端處的閾值將跟隨低頻噪聲變化，從而抑制了對(duì)它的探測(cè)，使運(yùn)算放大器的輸出取決于高頻信號(hào)。電容980用來抑制運(yùn)算放大器970的自發(fā)振蕩。應(yīng)該指出，圖27只是給出了本發(fā)明這一方面的一個(gè)典型實(shí)施例，自適應(yīng)零點(diǎn)交叉探測(cè)器可以有許多種實(shí)現(xiàn)方法，并且可以使用其他的元件(例如場(chǎng)效應(yīng)管、不同的電阻值和電容值以及不同的運(yùn)算放大器)。
正交運(yùn)動(dòng)測(cè)量借助于測(cè)量?jī)蓚€(gè)其間有恒定相移量的相同信號(hào)。運(yùn)動(dòng)大小由給定時(shí)間間隔中的零點(diǎn)交叉數(shù)目測(cè)量。運(yùn)動(dòng)方向由比較一個(gè)通道上的零點(diǎn)交叉符號(hào)(即“低到高”或“高到低”)另一個(gè)通道中信號(hào)的符號(hào)(即“高”或“低”)來確定。
正交信號(hào)上的噪聲可能額外的零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)。如果在另一個(gè)信號(hào)沒有改變符號(hào)的時(shí)間內(nèi)一個(gè)信號(hào)發(fā)生了兩次零點(diǎn)交叉，則它們的方向是相反的，相加后為零。然而，如果一個(gè)信號(hào)的零點(diǎn)交叉在時(shí)間上發(fā)生了移動(dòng)，則兩個(gè)通道中發(fā)生零點(diǎn)交叉的次序可能會(huì)倒過來，結(jié)果造成兩個(gè)通道中的方向探測(cè)誤差，相加后沒有一個(gè)凈計(jì)數(shù)誤差。
根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例，利用在某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的“少數(shù)服從多數(shù)”可以校正因零點(diǎn)交叉事件倒所造成的誤差。假定在每個(gè)時(shí)間間隔(或時(shí)間“單元“)內(nèi)運(yùn)動(dòng)方向不變。這意味著用分辨力換取準(zhǔn)確度。在相繼各單元內(nèi)執(zhí)行零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)是方便的。每個(gè)單元都在前一單元結(jié)束處開始，并且在兩個(gè)正交的通道中都已發(fā)生了預(yù)定數(shù)目或更多的零點(diǎn)交叉事件時(shí)結(jié)束。然后根據(jù)一個(gè)單元內(nèi)所判定的大多數(shù)方向(由兩個(gè)通道或僅由其中一個(gè)通道判定)來確定這整個(gè)單元的方向，最好是不管兩個(gè)通道中的實(shí)際計(jì)數(shù)為何，每個(gè)單元都代表一個(gè)固定的計(jì)數(shù)數(shù)目(因此分辨能力按該單元內(nèi)的最小計(jì)數(shù)數(shù)目的一倍下降)。方便地，可以用規(guī)模為3或4的單元。要求兩個(gè)通道都計(jì)數(shù)到等于或超過一個(gè)單元的最小計(jì)數(shù)數(shù)目是為了防止一個(gè)通道中的高頻噪聲變成了“多數(shù)”。
在根據(jù)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施例的上述許多類型的光學(xué)平移測(cè)量中，由本地振蕩能量形成的探測(cè)器直流電壓可以在進(jìn)一步放大交流信號(hào)之前于第一放大級(jí)輸出端處用一個(gè)高通濾波器方便地除去。因此，高通濾波的截止頻率決定了最小可測(cè)速度。
當(dāng)光學(xué)平移測(cè)量用作一個(gè)輸入裝置(例如鼠標(biāo)器或其他指點(diǎn)裝置)時(shí)，低速限制對(duì)于用戶而言可能是一個(gè)重要參數(shù)。例如當(dāng)用戶緩慢地運(yùn)動(dòng)或已接近屏幕上的特定位置時(shí)低速限制是重要的。
為了使用戶能緩慢地移動(dòng)光標(biāo)使之能在屏幕上高精度地定位，可能使用一個(gè)緩變的(不是銳變的)高通濾波器，使用隨頻率逐漸減小放大斜率的濾波器將在接近其截止頻率時(shí)丟失零點(diǎn)交叉。這將在速度接近于由濾波器設(shè)定的下限時(shí)有效地減小被測(cè)速度。這樣光標(biāo)速度將逐漸減小到零而OTM仍處在測(cè)量帶寬內(nèi)(并仍在運(yùn)動(dòng))。這個(gè)“減速”機(jī)制也可應(yīng)用于軟件或用作零點(diǎn)交叉探測(cè)后的信號(hào)分析的一部分，例如通過測(cè)量計(jì)數(shù)頻率(即速度)并在計(jì)數(shù)頻率接近于濾波器下限時(shí)降低光標(biāo)的速度。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中截止頻率對(duì)應(yīng)于速度低于約0.5mm/s的運(yùn)動(dòng)。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，高通濾波器在低于截止頻率處的斜率小于約每倍頻20db。
圖23示出光標(biāo)速度作為裝置速度的函數(shù)的一條理想曲線750。該圖也示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的此種曲線752。該圖還示出了如果使用一個(gè)比較銳的高通濾波器時(shí)將得到的曲線754。可以理解，曲線754使系統(tǒng)實(shí)際上不能低速移動(dòng)光標(biāo)。另一方面，由于必需排除零頻和低頻成份，理想曲線是不能做到的。然而，逐漸過渡的曲線752卻以非線性傳遞函數(shù)的形式允許光標(biāo)精確定位。在一個(gè)示范性裝置中，曲線742可以在某一速度值，例如1mm/s，之上是線性的，并在手(裝置)的速度低于最小線性速度值的三分之一至二分之一時(shí)將不再能使光標(biāo)移動(dòng)。當(dāng)然，也可以采用另一條過渡更平緩的曲線。
如前所述，光學(xué)平移測(cè)量的精度取決于照明光束中光柵線條的數(shù)目。所以對(duì)于高曲率表面，用平面形的光學(xué)裝置精度可能不夠。這種應(yīng)用的一個(gè)例子是圖20A和20B所示的測(cè)量一個(gè)軸600的轉(zhuǎn)動(dòng)，其中的軸的半徑可能較小。對(duì)于軸轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量可以把裝置沿著軸放置(放置在其側(cè)面)。為了適配于軸的曲率和能測(cè)量小半徑的軸，可以用一個(gè)特殊光學(xué)元件602作為裝置的前端部。該光學(xué)元件的形狀示意性地示出圖20A和B。該元件的直徑與軸的直徑匹配，該元件的表面上有一個(gè)一維光柵604，其線條平行于軸的軸線。光源606的光被聚焦在軸的中心，所以其相位光柵上是常量。該測(cè)量最好是屬于零級(jí)類型的。一個(gè)探測(cè)器608探測(cè)從軸表面反射和從光柵反射的光。注意，如圖20B清楚地示出的，光源和探測(cè)器最好位在相對(duì)于軸的圓周位置上，但互相間在軸向有偏離。
前端光學(xué)元件可以對(duì)不同的軸直徑改變，并通過能“看見”軸周邊的較大部分而達(dá)到高精度測(cè)量。方向探測(cè)可以用以下幾種方法實(shí)現(xiàn)利用不對(duì)稱光柵，利用聚焦到軸表面上的光的另一部分并以前述的正交偏振方法探測(cè)方向，或者其他的方法(例如考察電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的極性)。采用圖19A和29B布局的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在用光束的同一部分產(chǎn)生本地振蕩光和散射光的同時(shí)使它們的光程相等。
平行于粗糙表面的運(yùn)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)入不令人注意的Z軸(上下)運(yùn)動(dòng)。Z軸運(yùn)動(dòng)會(huì)引起表面反射光的多普勒頻移，并且一般來說光的相位也要隨Z與X或Y速度的合成而改變。把它們的相對(duì)貢獻(xiàn)分開的一種方法是，對(duì)于X軸和Y軸都同時(shí)測(cè)量+1和-1級(jí)的衍射光(或者其他的對(duì)稱級(jí)次，例如±2、±3等)。對(duì)于光波垂直入射到被測(cè)表面上的幾何布局，若X、Y方向的速度為Vx和Vz，光源波長(zhǎng)為λ，光柵線距為Λ，則X和Z運(yùn)動(dòng)的合成所產(chǎn)生的多普勒頻移對(duì)+1級(jí)衍射為ω+＝(2π/λ)(vXsin(φ)-vZ(1+cos(φ)))，sin(φ)＝λ/Λ.對(duì)-1級(jí)衍射的多普勒頻移為ω-＝(2π/λ)(-vXsin(φ)-vZ(1+cos(φ))).可以看出具有兩頻率的差額的信號(hào)有ω+-ω＝(4π/Λ)vX，而和頻信號(hào)有ω++ω-＝(4π/λ)vZ(1+cos(φ))。取這兩個(gè)級(jí)次的兩個(gè)正交信號(hào)將得到下述信號(hào)A+＝cos(ω+t+Φ+)，B+＝sin(ω+t+Φ+)，A-＝cos(ω-t+Φ-)，B-＝sin(ω-t+Φ-).
利用正弦和余弦函數(shù)的求和規(guī)則，可以組成兩組以和頻和差頻振蕩的信號(hào)，而且每組內(nèi)的兩個(gè)信號(hào)保持正交關(guān)系C-＝B+A--A+B-＝sin(ω+t-ω-t+Φ+-Φ-)，D-＝A+A-+B+B-＝cos(ω+t-ω-t+Φ+-Φ-)，C+＝B+A-+A+B-＝sin(ω+t+ω-t+Φ++Φ-)，D+＝A+A--B+B-＝cos(ω+t+ω-t+Φ++Φ-).
于是，得到的信號(hào)C-和D-分開了相應(yīng)的貢獻(xiàn)，并除去了E軸測(cè)量中的Z軸寄生貢獻(xiàn)。此外，“+”成份可以專門用來僅僅測(cè)量Z軸，例如不通零點(diǎn)交叉級(jí)衍射測(cè)量來探測(cè)觸摸式指點(diǎn)器的觸摸或“叩擊”。
當(dāng)Z軸速度較高時(shí)，X或Y測(cè)量一般也都可以用來對(duì)Z軸平移作出粗略估計(jì)。這樣就可探測(cè)手指“叩擊”操作的“上/下”特性。此外，也有可能利用手指在觸摸和松開觸點(diǎn)時(shí)分別發(fā)生的突然減速和突然加速來探測(cè)“叩擊”操作。對(duì)于這一情形，只需使用Z軸速度的絕對(duì)值(或其導(dǎo)數(shù))。
圖21說明確定Z軸平移和精確確定橫向運(yùn)動(dòng)的另一種方法，圖中示出了一個(gè)系統(tǒng)700的一部分，其中兩個(gè)探測(cè)器對(duì)，Z探測(cè)器702和X探測(cè)器704用來確定Z和X方向的運(yùn)動(dòng)。在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例中，Z探測(cè)器和X探測(cè)器各自由一對(duì)正交偏振探測(cè)器組成，例如圖19C和19D所示的探測(cè)器對(duì)，又如圖18中的元件512和圖19A、19B中的元件576。表面同時(shí)有X和Z方向的速度(相對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的速度)。圖21中總的速度用矢量V表示(Vz在法線方向，Vx在平行方向)。
Z探測(cè)器702的位置最好使它接收只含有起因于Z運(yùn)動(dòng)的多普勒頻移的來自表面12的多普勒頻移能量(假定來自這里未示出的光源的光垂直入射到光柵上)。X探測(cè)器的位置使得它能夠接收例如光柵的一級(jí)衍射光和與表面12的法線成φ角的表面反射多普勒頻移光。X探測(cè)器所探測(cè)到的多普勒反射光的頻移是表面相對(duì)于探測(cè)器沿X和Z方向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移的結(jié)合。
設(shè)Ux沿零級(jí)光與一級(jí)光之間的角平分線方向的速度分量。則UX＝VXsin(φ/2)+UZcos(φ/2).
X和Z探測(cè)器測(cè)得的多普勒頻移分別為FX＝2UXcos(φ/2)/λ，andFZ＝2UZ/λ.
結(jié)合上述關(guān)系式就可以根據(jù)可測(cè)量Fx和Fz確定速度的X分量VxVX＝λFX/sin(φ)-λFZctg(φ/2)/2.
如果使用第一級(jí)光柵衍射光，則sin(φ)＝λ/Λ，其中Λ是光柵線距。于是
VX＝Λ(FX-FZcos2(φ/2)).
當(dāng)φ小時(shí)，cos2(φ/2)≌1，使對(duì)Z的退耦簡(jiǎn)化Vx＝Λ(Fx-Fz)為了確定X和Y運(yùn)動(dòng)，需用如圖22A所示的三個(gè)探測(cè)器，該圖畫出的是探測(cè)器在系統(tǒng)700的焦平面上的分布。
如果需要有更精確的退耦合，可以用一個(gè)分開的零級(jí)探測(cè)器。通過使一部分照明光偏折到φ/2角度上，由偏折光產(chǎn)生的新的零級(jí)光將只測(cè)量Z軸運(yùn)動(dòng)，但這時(shí)多普勒頻移要乘上一個(gè)系數(shù)1+cos(φ)＝2cos2(φ/2)，這就是說新的多普勒頻移與耦合到X、Y軸測(cè)量中去的Z軸運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確地相同，從而可將它精確地退耦。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，還有可能只利用非零級(jí)反射光來對(duì)X和Z軸運(yùn)動(dòng)的作用退耦合。由于該方法避免了零頻附近的探測(cè)，所以可能是所希望的。
為了說明簡(jiǎn)單，假定垂直照明，使用三個(gè)探測(cè)器(i＝1、2、3)，每個(gè)探測(cè)器對(duì)應(yīng)一個(gè)光柵線距Λi，并在X-Y平面中相對(duì)于X軸以角度γi放置。于是探測(cè)器按下式測(cè)量一個(gè)偽正弦信號(hào)的周數(shù)Ni。Ni=1/Λi(Xcos(γi)+Ysin(γi))+1/λ·Z(1+cos(φi)),]]>其中X和Y分別是沿X軸和Y軸的平移量，Z是沿平面法線方法的平移分量，λ是光源波長(zhǎng)，φi是第i個(gè)探測(cè)器在反射平面內(nèi)相對(duì)于照明光方向的角度，φi與Λi的關(guān)系是sin(φi)＝λ/Λi。
例如，如果一個(gè)探測(cè)器在X軸上(γ1＝0)，另一個(gè)在Y軸上(γ2＝π/2)，第三個(gè)與另兩個(gè)有45°(γ3＝π/4)，則N1=XΛ1+Zλ(1+cosφ1)]]>N2=YΛ2+Zλ(1+cosφ2)]]>N3=22·X+YΛ3+Zλ(1+cosφ3)]]>可以取下述的近似1+cosφ1＝1+cosφ2＝1+cosφ3≡kz.
此外，如果使用了具有正方形單位元素的簡(jiǎn)單二維光柵(見圖22B)，則(也假定φ角是小的)Λ1＝Λ2≡ΛΛ3≅Λ/2,]]>其中Λ3代表與X軸成45°角的第一級(jí)次。在圖22B中，710是一級(jí)Y探測(cè)器，712是一級(jí)X探測(cè)器，714是一級(jí)X+Y探測(cè)器。
結(jié)合以下各式得到X、Y、Z的表達(dá)式X＝Λ(N3-N2)Y＝Λ(N3-N1)Z=λkz(N1+N2-N3)]]>顯然，X和Y方向的平移是由兩個(gè)不在被測(cè)軸上的兩個(gè)探測(cè)器測(cè)量的。這就排除了Z軸耦合，并且當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向接近于垂直于一個(gè)主軸時(shí)同時(shí)還可得到好得多的分辨能率。
另一例子與上例類似，只是Λ3加倍Λ1＝Λ2≡ΛΛ2≅2Λ/2]]>
這種情況等價(jià)于一個(gè)探測(cè)器在X軸上，第二個(gè)在Y軸上，而第三個(gè)在它們的正中間(見圖22C)，使得三個(gè)探測(cè)器排成一條直線。在圖22C中，714’代表(X+Y)/Z聯(lián)合級(jí)探測(cè)器。這種布局有利于制作(特別是對(duì)用于以靜態(tài)相移探測(cè)方向的分束器)。它也容易用一個(gè)精密的二維相位光柵得到。
在此情形下轉(zhuǎn)換成沿各個(gè)軸的平移得到X＝Λ(2N3-N2)Y＝Λ(2N3-N1)Z=λkz(N1+N2-2N3)]]>再一種可能布局是一個(gè)探測(cè)器(720)在X軸上，另兩個(gè)探測(cè)器(722和724)則相對(duì)它對(duì)稱地放置，也即γ1＝0，γ2＝γ，γ3＝-γ，以及Λ1≡Λx，Λ2＝Λ3≡Λy(見圖22D)。
再次假定1+cosφ1＝1+cosφ2＝1+cosφ3≡kzN1=XΛx+kzZλ]]>N2=1Λy(Xcosγ+Ysinγ)+kzZλ]]>N3=1Λy(Xcosγ-Ysinγ)+kzZλ]]>可以方便地(便不是必要地)作出如下選擇以使X和Y的分辨能力相同Λx=Λysinγ+cosγ]]>因此，若定義
便可導(dǎo)出X＝1/2k(2N1-(N2+N3))Y＝1/2k(N3-N2)這里再次使Z軸被退耦，而且即使運(yùn)動(dòng)接近垂直于任何一個(gè)主軸時(shí)也有高的分辨能力。
此外，為了方便于提取Z軸的平移，把γ設(shè)定為tan(γ)＝2，于是Z=λkz(2N1-N2+N32)·]]>任何的探測(cè)器布局都可以用一個(gè)二維光柵配合(一般地說該光柵不再由矩形單位元素的陣列組成)，或者也可使用兩上或三個(gè)分開的光柵，它們最好被原始光束的不同部分照明、各處只對(duì)一個(gè)或兩個(gè)探測(cè)器貢獻(xiàn)本地振蕩場(chǎng)。
應(yīng)該指出，雖然圖22A、22B和22C對(duì)每個(gè)衍射級(jí)次只示出了一個(gè)探測(cè)器，便事實(shí)上每個(gè)探測(cè)器都由一對(duì)正交偏振探測(cè)器組成，例如圖19C和19D或圖18中的512或圖19A、19B中的元件576所示的那些偏振探測(cè)器對(duì)。
用于本發(fā)明裝置的光源的功率一般是不大的。不過在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例中仍可能希望提供有保護(hù)眼睛的機(jī)構(gòu)，以減少不留神讓激光照射到用戶眼睛上。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供了一個(gè)附加的探測(cè)器，其位置使得它只接收從表面反射的光而不同時(shí)接收由光柵反射或折射的光。只要把該附加探測(cè)器放置在零級(jí)衍射光與一級(jí)衍射光或其他級(jí)衍射光之間就可容易地做到這一點(diǎn)。這個(gè)探測(cè)器也可以方便地同時(shí)用于如前所述的Er2成份補(bǔ)償。例如，該附加探測(cè)器可以放置在圖3A、3B或3C的元件34與40之間，或放置在前述其他實(shí)施例中的類似位置處。
只有當(dāng)有一個(gè)物體(除了光柵之外)放置在能向附加探測(cè)器反射光的位置上時(shí)才會(huì)有光入射到該探測(cè)器上并產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。于是如果沒有任何表面或手指或其他物體遮擋住光束(從而向附加探測(cè)器反射光)，就沒有信號(hào)產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)附加探測(cè)器所探測(cè)到的光低于某一閾值時(shí)激光器將被切斷。光源將周期性地，例如每100ms，重新接通一個(gè)非常短的時(shí)間以檢驗(yàn)是否有光入射到附加探測(cè)器上。如果有光入射，則光源將保持接通以測(cè)量任何可能存在的運(yùn)動(dòng)。如果沒有探測(cè)到光束探測(cè)到很弱的光，則光源將再次切斷一段時(shí)間。這個(gè)過程一直重復(fù)到附加探測(cè)器探測(cè)到了高于閾值的光信號(hào)。為了防止寄生振蕩，最好對(duì)閾值引入滯后特性。
可以任選地使得，當(dāng)在一個(gè)預(yù)定時(shí)期內(nèi)，例如一分鐘或幾分鐘內(nèi)，沒有探測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)探測(cè)器將進(jìn)入一個(gè)“睡眠模式”。在此模式中，光源僅接通很短的時(shí)間(例如每秒鐘或每半秒鐘接通50或100ms)。如果在接通時(shí)間內(nèi)探測(cè)到了運(yùn)動(dòng)，則運(yùn)動(dòng)探測(cè)器轉(zhuǎn)到正常工作模式。
已經(jīng)借助本發(fā)明的許多結(jié)合了本發(fā)明各種特點(diǎn)和各個(gè)方面的優(yōu)選實(shí)施例說明了本發(fā)明。應(yīng)該理解，這些特點(diǎn)和方面可以各種方式結(jié)合，并且本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例可以包含本發(fā)明的一個(gè)或幾個(gè)方面。本發(fā)明的范疇由下述的權(quán)利要求定義而不是由上述一些特定的優(yōu)選實(shí)施例定義。在下述權(quán)利要求中，所用的詞條“包括”、“包含”以及它們的各種時(shí)態(tài)變化都意味著“包含但不一定限于”。
權(quán)利要求
1.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括用入射照明光照明表面；探測(cè)從表面反射的光，以形成至少一個(gè)探測(cè)信號(hào)；以及根據(jù)上述至少一個(gè)探測(cè)信號(hào)確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量，其特征為，上述的確定包含對(duì)垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響的校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中上述至少一個(gè)信號(hào)包括至少兩個(gè)信號(hào)至少一個(gè)受平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響的第一信號(hào)以及至少一個(gè)至少受垂直于表面的運(yùn)動(dòng)的影響的第二信號(hào)，并且其中的確定包括根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)來確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中的確定包括根據(jù)上述兩個(gè)信號(hào)中的至少一個(gè)信號(hào)來確定一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一量，上述相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一量包含一個(gè)平行于表面的成份和一個(gè)垂直于表面的成份；根據(jù)上述兩個(gè)信號(hào)中的至少一個(gè)信號(hào)來確定一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第二量，上述相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第二量包含一個(gè)垂直于表面的成份；以及根據(jù)確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一量和第二量確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第二量不包含一個(gè)平行于表面的成份。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第二量包含一個(gè)平行于表面的成份。
6.根據(jù)上述各權(quán)利要求項(xiàng)中任一項(xiàng)的方法，其中垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是基于反射光的多普勒頻移被確定的。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中的確定包括根據(jù)兩個(gè)信號(hào)直接確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量而不用確定垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中上述至少一個(gè)第二信號(hào)基本上是由垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)確定的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中上述至少一個(gè)第二信號(hào)是一個(gè)基于多普勒頻移的信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中上述至少一個(gè)第二信號(hào)響應(yīng)于平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
11.根據(jù)前述各權(quán)利要求項(xiàng)中任一項(xiàng)的方法，它包含確定垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量。
12.根據(jù)前述各權(quán)利要求項(xiàng)中任一項(xiàng)的方法，其中的確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量包含確定沿兩個(gè)非共線方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量。
13.根據(jù)前述各權(quán)利要求項(xiàng)中任一項(xiàng)的方法，其中照明光垂直入射到表面上。
14.根據(jù)前述各權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中的探測(cè)包括相干探測(cè)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，它包含從一個(gè)物體反射或衍射一部分照明光以作為本地振蕩光，該物體是測(cè)量裝置的一部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中物體是一個(gè)部分反射物體，入射照明光或反射光能透過它。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中入射照明光和反射光都經(jīng)過該物體。
18.根據(jù)權(quán)利要求15-17中任一項(xiàng)的方法，其中物體鄰近于表面。
19.根據(jù)權(quán)利要求15-18中任一項(xiàng)的方法，其中表面位在物體的近場(chǎng)中。
20.根據(jù)權(quán)利要求15-18中任一項(xiàng)的方法，其中表面位在光柵的近場(chǎng)之外。
21.根據(jù)權(quán)利要求15-20中任一項(xiàng)的方法，其中物體是一個(gè)光柵。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中光柵基本上只產(chǎn)生照明表面的單級(jí)透射照明光。
23.根據(jù)權(quán)利要求15-22中任一項(xiàng)的方法，其中照明光至少是部分相干的，并且物體放置在來自表面的光的相干長(zhǎng)度的范圍內(nèi)。
24.根據(jù)權(quán)利要求15-22中任一項(xiàng)的方法，其中本地振蕩光和反射光入射到至少一個(gè)探測(cè)器上以產(chǎn)生上述信號(hào)，并且其中本地振蕩光和反射光在探測(cè)器處至少是部分相干的。
25.一種用來測(cè)量其自身與一個(gè)表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，它包括一個(gè)照明光源，它發(fā)射照明光照明表面；一個(gè)第一探測(cè)器，它接收從表面反射的光源照明光；一個(gè)物體，它把一部分照明光反射到上述第一探測(cè)器上，使探測(cè)器根據(jù)對(duì)表面的反射光與作為本地振蕩光的物體反射光的相干探測(cè)產(chǎn)生一個(gè)第一信號(hào)；一個(gè)第二探測(cè)器，它接收來自光源的照明光而不接收表面的反射光，并據(jù)此產(chǎn)生一個(gè)第二信號(hào)；一個(gè)信號(hào)校正器，它根據(jù)第二信號(hào)，對(duì)于照明光強(qiáng)度的變化，調(diào)整第一信號(hào)；以及一個(gè)運(yùn)動(dòng)計(jì)算器，它根據(jù)來自信號(hào)校正器的信號(hào)計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，其中被第二探測(cè)器接收的光源照明光是被物體反射或衍射的光。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或26的設(shè)備，其中信號(hào)校正器根據(jù)第二信號(hào)來校正第一信號(hào)的常數(shù)項(xiàng)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的設(shè)備，其中信號(hào)校正器包含一個(gè)差分放大器，它接收第一信號(hào)并從中減去第二信號(hào)以產(chǎn)生一個(gè)調(diào)整的第一信號(hào)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的設(shè)備，其中信號(hào)校正器包含一個(gè)歸一化器，它接收調(diào)整的第一信號(hào)并把它相對(duì)于第二信號(hào)歸一化。
30.根據(jù)權(quán)利要求28的設(shè)備，其中該設(shè)備包含一個(gè)第三探測(cè)器，它接收從表面反射的光而基本上不接收來自物體或光源的光，并據(jù)此產(chǎn)生一個(gè)第三信號(hào)，并且其中信號(hào)校正器根據(jù)第三信號(hào)來校正調(diào)整的信號(hào)。
31.一種用來測(cè)量其自身與一個(gè)表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，它包括一個(gè)照明光源，它發(fā)射照明光照明表面；一個(gè)第一探測(cè)器，它接收從表面反射的來自光源的光；一個(gè)物體，它把一部分照明光反射到第一探測(cè)器上，使探測(cè)器根據(jù)對(duì)表面的反射光與作為本地振蕩光的物體反射光的相干探測(cè)來產(chǎn)生一個(gè)第一信號(hào)；一個(gè)第二探測(cè)器，它接收來自光源的照明光而不接收從表面反射的光，并據(jù)此產(chǎn)生一個(gè)第二信號(hào)；一個(gè)信號(hào)校正器，它把第一信號(hào)減少一個(gè)正比于第二信號(hào)的量，以及一個(gè)運(yùn)動(dòng)計(jì)算器，它根據(jù)來自信號(hào)校正器的信號(hào)來計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的設(shè)備，其中被第二探測(cè)器接收的來自光源的光是被物體反射或衍射的光。
33.根據(jù)權(quán)利要求31或32的設(shè)備，其中信號(hào)校正器包含一個(gè)歸一化器，它根據(jù)第二信號(hào)來調(diào)整第一信號(hào)中照明光強(qiáng)度的變化。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的設(shè)備，它包含一個(gè)第三探測(cè)器，它接收從表面反射的光而基本上不接收來自物體或光源的光，并據(jù)此產(chǎn)生一個(gè)第三信號(hào)，并且其中信號(hào)校正器根據(jù)第三信號(hào)來校正調(diào)整的信號(hào)。
35.一種用來測(cè)量其自身與一個(gè)表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，它包括一個(gè)照明光源，它發(fā)射照明光照明表面；一個(gè)第一探測(cè)器，它接收從表面反射的來自光源的光；一個(gè)物體，它把一部分照明光反射到上述第一探測(cè)器上，使探測(cè)器根據(jù)對(duì)從表面反射的光與作為本地振蕩光的物體反射光的相干探測(cè)來產(chǎn)生一個(gè)第一信號(hào)；一個(gè)第二探測(cè)器，它接收從表面反射的光而基本上不接收來自物體或光源的光，并據(jù)此產(chǎn)生一個(gè)第二信號(hào)；一個(gè)信號(hào)校正器，它把第一信號(hào)減少一個(gè)正比于第二信號(hào)的量；以及一個(gè)運(yùn)動(dòng)計(jì)算器，它根據(jù)來自信號(hào)校正器的信號(hào)來計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
36.根據(jù)權(quán)利要求25-35中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中物體是部分透射的，并且其中物體被放置在照明光源與表面之間，使得照明表面的光經(jīng)過該物體。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的設(shè)備，其中照明光有一個(gè)相干長(zhǎng)度，并且其中物體和表面位在上述相干長(zhǎng)度范圍內(nèi)。
38.根據(jù)權(quán)利要求25-37中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中物體是一個(gè)光柵。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的設(shè)備，其中光柵基本上只產(chǎn)生單級(jí)的照明表面的透射照明光。
40.根據(jù)權(quán)利要求38的設(shè)備，其中表面位在光柵的近場(chǎng)內(nèi)。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的設(shè)備，其中表面位在光柵的近場(chǎng)的外部。
42.根據(jù)權(quán)利要求25-41中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中從表面反射的光與從物體反射的光在第一探測(cè)器處至少是部分相干的。
43.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括用入射照明光照明表面，使照明光從表面的幾個(gè)部分反射；利用從上述入射照明光中導(dǎo)出的不是從表面反射的光作為本地振蕩光對(duì)從表面反射的光進(jìn)行相干探測(cè)，以形成至少兩個(gè)信號(hào)；根據(jù)兩個(gè)信號(hào)中的至少一個(gè)信號(hào)來確定表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的大??；改變至少一部分本地振蕩光相對(duì)于至少一部分表面反射光的相位；以及根據(jù)由上述改變的相對(duì)相位所造成的信號(hào)特性來確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中本地振蕩光是通過使入射照明光在一個(gè)物體上反射或折射而產(chǎn)生的，該物體是測(cè)量裝置的一部分。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中物體鄰近于表面。
46.根據(jù)權(quán)利要求44或45的方法，其中照明光有一個(gè)相干長(zhǎng)度，并且其中物體和表面位在上述相干長(zhǎng)度范圍內(nèi)。
47.根據(jù)權(quán)利要求44-46中任一項(xiàng)的方法，其中物體是一個(gè)光柵。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中光柵基本上只產(chǎn)生單級(jí)照明表面的透射照明光。
49.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中表面放置在光柵的近場(chǎng)內(nèi)。
50.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中表面放置在光柵的近場(chǎng)的外部。
51.根據(jù)權(quán)利要求43-50中任一項(xiàng)的方法，其中的改變相位包括引入一個(gè)靜態(tài)相位改變，并且其中的確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向包括根據(jù)由上述靜態(tài)相位改變所造成的信號(hào)特性來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
52.根據(jù)權(quán)利要求43-51中任一項(xiàng)的方法，它包含把從表面反射的光分解成一個(gè)具有第一相位的第一光和一個(gè)具有第二相位的第二光。
53.根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其中第一光與第二光有不同的偏振態(tài)。
54.根據(jù)權(quán)利要求52或53的方法，其中的分解包括使入射到表面上的光經(jīng)過一個(gè)雙折射材料。
55.根據(jù)權(quán)利要求52-54中任一項(xiàng)的方法，其中的分解包括使從表面反射的光經(jīng)過一個(gè)雙折射材料。
56.根據(jù)權(quán)利要求44-51中任一項(xiàng)的方法，它包含在物體與表面之間放置一個(gè)雙折射材料。
57.根據(jù)權(quán)利要求56的方法，其中的在物體與表面之間放置一個(gè)雙折射材料的作用是使探測(cè)到的光兩次經(jīng)過雙折射材料。
58.根據(jù)權(quán)利要求43-57中任一項(xiàng)的方法，它包含利用兩個(gè)能根據(jù)平移方向產(chǎn)生不同探測(cè)信號(hào)的探測(cè)器來確定平移的大小和方向。
59.根據(jù)權(quán)利要求58的方法，其中的確定平移的方向包括根據(jù)兩個(gè)不同探測(cè)信號(hào)之間的相位差的正負(fù)號(hào)來確定方向。
60.根據(jù)權(quán)利要求43-59中任一項(xiàng)的方法，它包含使從表面反射的光線性偏振化。
61.一種設(shè)備，它用來確定一個(gè)表面相對(duì)于該設(shè)備的平移，該設(shè)備包括一個(gè)光學(xué)單元；一個(gè)探測(cè)器，它結(jié)合在該光學(xué)單元上，能響應(yīng)于入射在其上的光產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；一個(gè)產(chǎn)生照明光的照明光源，一部分經(jīng)過了光學(xué)單元的照明光被表面反射，在經(jīng)過光學(xué)單元后入射到探測(cè)器上；以及一個(gè)電路，它根據(jù)該信號(hào)計(jì)算平行于表面的平移的大小。
62.根據(jù)權(quán)利要求61的設(shè)備，它包含一個(gè)位在光學(xué)單元內(nèi)或其表面上的物體，它把一部分照明光反射或衍射到探測(cè)器上，并且不使這部分光入射到表面上，上述部分的光起著用于探測(cè)器對(duì)反射光進(jìn)行同步探測(cè)的本地振蕩光的作用。
63.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括用入射輻射照明表面，使照明光從表面的一部分反射；探測(cè)從表面反射的光中的至少一個(gè)第一部分，以形成一個(gè)第一探測(cè)信號(hào)；探測(cè)從表面反射的光中的至少一個(gè)第二部分，以形成一個(gè)第二探測(cè)信號(hào)；以及根據(jù)反射輻射的多普勒頻移來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量，其中第一和第二信號(hào)的相位相差90°，并且探測(cè)包括正交探測(cè)。
64.根據(jù)權(quán)利要求63的方法，它包括根據(jù)上述第一和第二信號(hào)探測(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
65.根據(jù)權(quán)利要求63或64的方法，它包含確定平行于表面的兩個(gè)非共線的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
66.根據(jù)權(quán)利要求63-65中任一項(xiàng)的方法，它包含確定垂直于表面的方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
67.根據(jù)權(quán)利要求63-66中任一項(xiàng)的方法，其中的確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)包括對(duì)上述第一和第二信號(hào)中的至少一個(gè)信號(hào)進(jìn)行零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)。
68.根據(jù)權(quán)利要求63-67中任一項(xiàng)的方法，其中的探測(cè)包括相干探測(cè)。
69.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括用入射照明光照明表面使該照明光被表面的幾個(gè)部分反射；利用一個(gè)探測(cè)器相干地探測(cè)從表面反射的光，以形成一個(gè)信號(hào)；利用從上述照明光中導(dǎo)出的不是被表面反射的光作為上述相干探測(cè)的本地振蕩光；以及根據(jù)上述信號(hào)確定表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的大?。黄涮卣鳛?，本地振蕩光被聚焦在探測(cè)器的一個(gè)小面積上，使得基本上只有反射光中的單個(gè)空間頻率成份才與上述本地振蕩光在探測(cè)器上形成干涉場(chǎng)。
70.一種設(shè)備，用來確定一個(gè)表面相對(duì)于該設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備包括一個(gè)含有一個(gè)開口的殼體；殼體內(nèi)的一個(gè)探測(cè)器，它能產(chǎn)生一個(gè)可用來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)；殼體內(nèi)的一個(gè)能發(fā)出一個(gè)給定波長(zhǎng)的照明光的激光光源，它通過開口照明表面，并使從表面反射的光能經(jīng)過開口射向探測(cè)器；以及一個(gè)復(fù)蓋在開口上的濾光器，它能透過該給定波長(zhǎng)的光，并擋住探測(cè)器所敏感的其他波長(zhǎng)的光。
71.一種設(shè)備，用來確定一個(gè)表面相對(duì)于該設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備包括一個(gè)含有一個(gè)開口的殼體；殼體內(nèi)的一個(gè)探測(cè)器，它能產(chǎn)生一個(gè)可用來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)；殼體內(nèi)的一個(gè)能發(fā)出一個(gè)給定波長(zhǎng)的照明光的激光光源，它通過開口照明表面，并使從表面反射的光能經(jīng)過開口射向探測(cè)器；殼體內(nèi)的一個(gè)第二探測(cè)器，用來接收從表面反射的光；以及一個(gè)電路，它能在第二探測(cè)器接收到的光低于一個(gè)閾值時(shí)切斷照明光源。
72.根據(jù)權(quán)利要求71的設(shè)備，其中的電路能在第二探測(cè)器所接收到的光低于閾值時(shí)周期性地接通和切斷光源。
73.根據(jù)權(quán)利要求71或72的設(shè)備，其中的開口被一個(gè)濾光器復(fù)蓋，該濾光器能透過給定波長(zhǎng)的光并擋住第一和第二探測(cè)器所敏感的其他波長(zhǎng)的光。
74.根據(jù)權(quán)利要求69-73中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中射向探測(cè)器的光的一部分照明探測(cè)器，這部分先不曾入射到表面上過，這部分光起著通過探測(cè)器進(jìn)行的反射的光的相干探測(cè)的本地振蕩光的作用。
75.根據(jù)權(quán)利要求69-74中任一項(xiàng)的設(shè)備，其中的反射光通過上述平移而相對(duì)于光源所發(fā)出的照明光發(fā)生了多普勒頻移，并且其中上述多普勒頻移被用來確定運(yùn)動(dòng)。
76.一種用來測(cè)量其自身和一個(gè)表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，它包括一個(gè)照明光源，用來照明表面；一個(gè)探測(cè)器，它接收從表面反射的來自光源的光，并接收不是被表面反射的上述部分的一部分照明光，使得該探測(cè)器能基于對(duì)從表面反射的光與作為本地振蕩光的照明光部分的相干探測(cè)來產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，其中上述信號(hào)的頻率與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速率有關(guān)，以及一個(gè)運(yùn)動(dòng)計(jì)算器，用來根據(jù)對(duì)該信號(hào)的零點(diǎn)交叉計(jì)數(shù)來計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量。
77.根據(jù)權(quán)利要求75的設(shè)備，其中探測(cè)器包含一個(gè)高通濾波器，用來對(duì)探測(cè)器的輸出進(jìn)行濾波以形成上述信號(hào)。
78.根據(jù)權(quán)利要求77的設(shè)備，其中高通濾波器的斜率小于約每倍頻20dB。
79.根據(jù)權(quán)利要求77或78的設(shè)備，其中高通濾波器的截止頻率對(duì)應(yīng)于小于約0.5mm/s的運(yùn)動(dòng)速率。
80.根據(jù)權(quán)利要求76-79中任一項(xiàng)的設(shè)備，它包含一個(gè)第二探測(cè)器，用來探測(cè)從表面反射的光的至少一個(gè)第二部分，以利用相干探測(cè)形成一個(gè)第二探測(cè)信號(hào)；其中運(yùn)動(dòng)探測(cè)器根據(jù)反射輻射的多普勒頻移來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量，并且其中的信號(hào)和第二探測(cè)信號(hào)的相位相差90°，而且探測(cè)包括正交探測(cè)。
81.一種設(shè)備，用來確定一個(gè)表面相對(duì)于該設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備包括一個(gè)含有一個(gè)開口的殼體；殼體內(nèi)的一個(gè)探測(cè)器，用來產(chǎn)生一個(gè)可用于確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)；殼體內(nèi)的一個(gè)能發(fā)出一個(gè)給定波長(zhǎng)的照明光的激光光源，用來通過開口照明表面，并使得從表面反射的光能通過開口射向探測(cè)器；以及一個(gè)電路，當(dāng)探測(cè)器從表面接收到的光低于一個(gè)閾值時(shí)它能切斷照明光源。
82.根據(jù)權(quán)利要求81的設(shè)備，其中的電路在探測(cè)器從表面接收到的光低于閾值時(shí)能周期性地接通和切斷光源。
83.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括把一個(gè)作為測(cè)量裝置一部分的部分透射物體放置在鄰近于表面處；用入射照明光照明表面，使照明光被物體的幾個(gè)部分反射，其中入射光和反射光中至少一個(gè)光的至少一部分經(jīng)過物體；探測(cè)從表面反射的光以產(chǎn)生一個(gè)探測(cè)信號(hào)，其中物體與表面被定位在小于探測(cè)到的光的相干長(zhǎng)度的一距離內(nèi)；以及根據(jù)探測(cè)信號(hào)確定平行于表面的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
84.根據(jù)權(quán)利要求83的方法，其中物體的透射率是空間變化的。
85.根據(jù)權(quán)利要求83或84的方法，其中物體是部分反射的，并且其中入射光的一部分被物體反射或衍射成一個(gè)參考光，而且其中對(duì)光的探測(cè)是利用上述參考光的相干探測(cè)。
86.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括把一個(gè)作為測(cè)量裝置一部分的部分反射物體放置在鄰近于表面處；用入射照明光照明物體使得一部分入射照明光被物體反射或衍射成一個(gè)參考光，另一部分則被表面反射；利用參考光是對(duì)從表面反射的光進(jìn)行相干探測(cè)，以產(chǎn)生一個(gè)探測(cè)信號(hào)；以及根據(jù)探測(cè)信號(hào)確定平行于表面的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
87.根據(jù)權(quán)利要求86的方法，其中物體是一個(gè)部分透射物體，并且其中入射光和反射光中的至少一個(gè)光的至少一部分經(jīng)過物體。
88.根據(jù)權(quán)利要求86或87的方法，其中物體的反射率是空間變化的。
89.根據(jù)權(quán)利要求84或88的方法，其中的空間變化包括周期性的空間變化。
90.根據(jù)權(quán)利要求83-89中任一項(xiàng)的方法，其中的把一個(gè)物體放置在表面鄰近處包括把一個(gè)光柵放置在表面鄰近處。
91.根據(jù)權(quán)利要求90的方法，其中的把一個(gè)光柵放置在表面鄰近處包括把光柵放置得足夠地靠近表面，使得表面位于光柵的近場(chǎng)內(nèi)。
92.根據(jù)權(quán)利要求91的方法，其中的把一個(gè)光柵放置在表面鄰近處包括把光柵放置得離開表面足夠地遠(yuǎn)，使得表面在光柵的近場(chǎng)之外。
93.根據(jù)權(quán)利要求83-92中任一項(xiàng)的方法，其中被探測(cè)的光至少是部分相干的。
94.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括把一個(gè)作為測(cè)量裝置一部分的光柵放置在鄰近于表面處；用入射照明光照明光柵，使得至少一部分照明光入射到表面上并從表面反射，其中入射照明光和反射光中的至少一個(gè)光經(jīng)過了光柵；利用參考光探測(cè)從表面反射的光；根據(jù)反射光產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；以及根據(jù)探測(cè)到的信號(hào)確定平行于表面的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中表面位在光柵的近場(chǎng)內(nèi)。
95.根據(jù)權(quán)利要求83-94中任一項(xiàng)的方法，其中從表面反射的光相對(duì)于從物體反射或衍射的光被頻移，并且其中的確定運(yùn)動(dòng)包括根據(jù)頻移來確定運(yùn)動(dòng)。
96.根據(jù)權(quán)利要求83-95中任一項(xiàng)的方法，其中的確定運(yùn)動(dòng)包括確定信號(hào)的幅度隨位置的變化。
97.根據(jù)權(quán)利要求96的方法，其中是根據(jù)探測(cè)信號(hào)的零點(diǎn)交叉來確定運(yùn)動(dòng)的。
98.根據(jù)權(quán)利要求84-97中任一項(xiàng)的方法，其中物體具有空間不對(duì)稱的透射率分布特性。
99.根據(jù)權(quán)利要求98的方法，它包含根據(jù)由上述不對(duì)稱所造成的信號(hào)特性來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
100.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括把一個(gè)作為測(cè)量裝置一部分的部分透射物體放置在鄰近于表面處；用不構(gòu)成一個(gè)干涉圖案的入射照明光照明表面，使得照明光從表面的幾個(gè)部分反射，其中入射光和反射光中的至少一個(gè)光的至少一部分是經(jīng)過物體的；探測(cè)從表面反射的光，并產(chǎn)生一個(gè)探測(cè)信號(hào)；以及根據(jù)探測(cè)信號(hào)確定平行于表面的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
101.根據(jù)權(quán)利要求83-100中任一項(xiàng)的方法，它包括改變從物體反射或衍射的光與至少一部分的從表面反射的光之間的相位。
102.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)探測(cè)裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括用入射照明光照明表面，使照明光從表面的幾個(gè)部分反射；把一個(gè)作為測(cè)量裝置一部分的部分反射物體放置在鄰近于表面處，其中一部分入射照明光被物體反射或衍射作為一個(gè)參考光；利用由物體反射或衍射的光作為本地振蕩光對(duì)從表面反射的光進(jìn)行相干探測(cè)，以形成一個(gè)信號(hào)；根據(jù)該信號(hào)確定表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；改變至少一部分從物體反射或衍射的光相對(duì)于至少一部分從表面反射的光的相位；以及根據(jù)由上述改變的相對(duì)相位所造成的信號(hào)特性來確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
103.根據(jù)權(quán)利要求102的方法，其中的把一個(gè)反射器放置在鄰近于表面處包括把一個(gè)光柵放置在鄰近于表面處。
104.根據(jù)權(quán)利要求101-103中任一項(xiàng)的方法，其中的改變相位包括周期性地改變相位。
105.根據(jù)權(quán)利要求104的方法，其中的確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向包括根據(jù)由上述周期性地改變相對(duì)相位所造成的信號(hào)特性來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
106.根據(jù)權(quán)利要求101-105中任一項(xiàng)的方法，其中的改變相位包括使物體基本上沿被測(cè)運(yùn)動(dòng)的方向周期性運(yùn)動(dòng)。
107.根據(jù)權(quán)利要求101-106中任一項(xiàng)的方法，其中的改變相位包括使物體基本上垂直于被測(cè)運(yùn)動(dòng)的方向周期性地運(yùn)動(dòng)。
108.根據(jù)權(quán)利要求101-107中任一項(xiàng)的方法，其中的改變相位包括在物體和表面之間設(shè)置一個(gè)透明材料；以及對(duì)材料加電使它在照明光方向上的光學(xué)長(zhǎng)度發(fā)生變化。
109.根據(jù)權(quán)利要求108的方法，其中透明材料是一個(gè)壓電材料。
110.根據(jù)權(quán)利要求100-109任一項(xiàng)的方法，它包含利用單個(gè)探測(cè)器既確定平移的大小又確定平移方向。
111.根據(jù)權(quán)利要求101-103中任一項(xiàng)的方法，其中的改變相位包含引入一個(gè)靜態(tài)相位變化，并且其中確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向包括根據(jù)由上述相位變化所造成的信號(hào)特性來確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
112.根據(jù)權(quán)利要求101-111中任一項(xiàng)的方法，它包含把至少一部分表面反射的光到分解成一個(gè)具有第一相位的第一光和一個(gè)具有第地相位的第二光。
113.根據(jù)權(quán)利要求112的方法，其中上述第一和第二光具有不同的偏振態(tài)。
114.根據(jù)權(quán)利要求113的方法，其中的分解包括讓入射到表面上的光經(jīng)過一個(gè)雙折射材料。
115.根據(jù)權(quán)利要求113或114的方法，它包含讓從表面反射的光經(jīng)過一個(gè)雙折射材料。
116.根據(jù)權(quán)利要求114或115的方法，它包含把雙折射材料放置在物體與表面之間。
117.根據(jù)權(quán)利要求要100-109或111-116中任一項(xiàng)的方法，它包含利用兩個(gè)能根據(jù)平移的方向產(chǎn)生兩個(gè)不同探測(cè)信號(hào)的探測(cè)器來確定平移的大小和方向。
118.根據(jù)權(quán)利要求117的方法，它包含根據(jù)兩個(gè)不同探測(cè)信號(hào)之間的相位差的正負(fù)號(hào)來確定平移的方向。
119.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)一個(gè)探測(cè)裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括把一個(gè)作為測(cè)量裝置一部分的含開口的反射器放置在鄰近于表面處；用入射照明光照明表面使照明光從表面的幾個(gè)部分反射并使照明光被含開口的反射器反射或衍射；利用由含開口的反射器反射或衍射的光作為本地振蕩光對(duì)從表面反射的光進(jìn)行相干探測(cè)，以形成一個(gè)信號(hào)；根據(jù)該信號(hào)確定垂直于和平行于含開口的反射器方向上的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
120.根據(jù)權(quán)利要求119的方法，其中相干探測(cè)包括探測(cè)反射光的振幅或相位變化；以及探測(cè)反射光的頻移；以及確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)包括根據(jù)探測(cè)到的振幅或相位變化中的至少一個(gè)變化來測(cè)量平行于含開口的反射器的方向上的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)；以及根據(jù)探測(cè)到的頻移來測(cè)量垂直于含開口的反射器表面的方向上的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
121.根據(jù)權(quán)利要求120的方法，它包括沿垂直于含開口的反射器表面的方向使含開口的反射器周期性地運(yùn)動(dòng)，以使從其上反射的光被加上一個(gè)周期性的相移；以及利用上述相移來測(cè)量表面的運(yùn)動(dòng)。
122.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括用來自一個(gè)光源的入射照明光照明表面，使得照明光被表面的幾個(gè)部分向一個(gè)探測(cè)器反射；對(duì)反射光進(jìn)行空間濾波，使得探測(cè)到的來自表面上一個(gè)給定散射元素的光的相位基本恒定或與表面的平移有線性關(guān)系；由探測(cè)器根據(jù)入射到其上的光產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；以及根據(jù)該信號(hào)確定表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
123.根據(jù)權(quán)利要求122的方法，其中的照明包括用空間變化的照明光照明表面。
124.根據(jù)權(quán)利要求122或123的方法，其中的照明表面包括通過一個(gè)放置在鄰近于表面處的能把照明光反射或衍射到探測(cè)器上的含開口的反射器來照明表面。
125.根據(jù)權(quán)利要求124的方法，其中的產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)包括利用從含開口的反射器反射或衍射的光對(duì)從表面反射的光進(jìn)行相干探測(cè)。
126.根據(jù)權(quán)利要求122-125中任一項(xiàng)的方法，其中的確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)包括利用反射光的多普勒頻移。
127.根據(jù)權(quán)利要求122-126中任一項(xiàng)的方法，其中對(duì)表面的照明光是基本準(zhǔn)直的；并且空間濾波器對(duì)反射光進(jìn)行濾波，使得基本上只有反射光的一個(gè)空間頻率成份被探測(cè)器探測(cè)。
128.根據(jù)權(quán)利要求122-127中任一項(xiàng)的方法，其中對(duì)表面的照明光是基本準(zhǔn)直的；并且空間濾波器對(duì)反射光進(jìn)行濾波，使得基本上只有表面在一個(gè)方面上反射的光才被探測(cè)器探測(cè)。
129.根據(jù)權(quán)利要求122-128中任一項(xiàng)的方法，其中的空間濾波包括用一個(gè)具有一個(gè)焦點(diǎn)的透鏡使反射光聚焦；以及在透鏡的焦點(diǎn)上放置一個(gè)針孔。
130.根據(jù)權(quán)利要求122-128中任一項(xiàng)的方法，其中的空間濾波包括用一個(gè)具有一個(gè)焦點(diǎn)的透鏡使反射光聚焦；以及在透鏡的焦點(diǎn)處放置一個(gè)單模光纖，以把光傳遞給探測(cè)器。
131.根據(jù)權(quán)利要求122-128的方法，其中的空間濾波包括用一個(gè)透鏡使反射光聚焦；以及在光源的一個(gè)像上放置一個(gè)針孔。
132.根據(jù)權(quán)利要求122-128的方法，其中的空間濾波包括用一個(gè)透鏡使反射光聚焦；以及在光源的一個(gè)像上放置一個(gè)單模光纖，以把光傳遞給探測(cè)器。
133.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括把一個(gè)至少具有一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)透射率分布函數(shù)的物體放置在鄰近于表面處；用入射照明光照明表面，使得照明光被表面的幾個(gè)部分向一個(gè)探測(cè)器反射；利用探測(cè)器探測(cè)從表面反射的光，以產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，以及根據(jù)該信號(hào)確定表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
134.根據(jù)權(quán)利要求133的方法，其中物體具有一個(gè)不對(duì)稱的透射率分布函數(shù)；并且其中的確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)包括根據(jù)探測(cè)到的信號(hào)來確定運(yùn)動(dòng)的方向。
135.根據(jù)權(quán)利要求133或134的方法，其中照明光被物體向探測(cè)器反射或衍射；并且上述的探測(cè)是利用從物體反射或衍射的光作為本地振蕩光來進(jìn)行相干探測(cè)以形成一個(gè)信號(hào)。
136.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括用照明光通過一個(gè)含開口的反射器照明表面，使得不是表面上一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)部分的像的從表面反射的光照明一個(gè)探測(cè)器。用從上述入射照明光導(dǎo)出的參考光同時(shí)照明探測(cè)器；利用上述參考光對(duì)探測(cè)器的反射光進(jìn)行相干探測(cè)，使探測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；以及根據(jù)由相對(duì)運(yùn)動(dòng)所造成的信號(hào)變化來確定平行于表面的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
137.根據(jù)權(quán)利要求136的方法，其中入射照明光具有一個(gè)給定波長(zhǎng)，并且其中參考光具有相同的波長(zhǎng)，使相干探測(cè)是零差探測(cè)。
138.根據(jù)權(quán)利要求136或137的方法，它包括在空間上改變對(duì)表面的照明光。
139.根據(jù)權(quán)利要求138的方法，其中的在空間上改變對(duì)表面的照明光包括通過一個(gè)具有空間變化周期的透射率分布的透射光柵來照明表面。
140.根據(jù)權(quán)利要求138的方法，其中的在空間上改變對(duì)表面照明光包括通過一個(gè)光柵照明表面，該光柵能把一部分入射到其上的光向探測(cè)器作鏡面反射，以形成上述參考光。
141.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法，它包括用照明光照明表面使得照明光從表面的幾個(gè)部分反射；把一個(gè)含開口的反射器放置在鄰近于表面處；利用被含開口反射或衍射的光作為本地振蕩光對(duì)從表面反射的光進(jìn)行相干探測(cè)；以及根據(jù)信號(hào)的特性確定平行于表面方向上的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
142.根據(jù)權(quán)利要求141的方法，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)是利用從表面反射的光的多普勒頻移來探測(cè)的。
143.根據(jù)權(quán)利要求141或142的方法，其中含開口的反射器是一光柵且由光柵衍射的光被用來確定運(yùn)動(dòng)。
144.根據(jù)權(quán)利要求83-143中任一項(xiàng)的方法，其中照明光垂直地入射到表面上。
145.根據(jù)前述各權(quán)利要求項(xiàng)中任一項(xiàng)的方法，其中表面是光學(xué)漫反射表面。
146.根據(jù)前述各權(quán)利要求項(xiàng)中任一項(xiàng)的方法，其中表面上沒有指明位置的標(biāo)記。
147.根據(jù)前述各權(quán)利要求項(xiàng)中任一項(xiàng)的方法，其中照明光包括可見照明光。
148.根據(jù)權(quán)利要求1-146中任一項(xiàng)的方法，其中照明光包括紅外照明光。
149.一種設(shè)備，用來確定一個(gè)表面和該設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該設(shè)備包括一個(gè)位在表面鄰近的部分透射物體；一個(gè)探測(cè)器，用來探測(cè)入射到其上的光并產(chǎn)生一個(gè)探測(cè)信號(hào)；一個(gè)照明光源，其用入射照明光照明物體使得照明光被物體向探測(cè)器反射或衍射，并使得一部分入射照明光被表面向探測(cè)器反射，使得探測(cè)器能利用物體向它反射或衍射的光對(duì)從表面反射的光進(jìn)行相干探測(cè)；以及一個(gè)電路，用來根據(jù)探測(cè)到的信號(hào)來確定平行于表面方向上表面相對(duì)于設(shè)備的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
150.一種光學(xué)鼠標(biāo)器，它包括一個(gè)含有一個(gè)面向一個(gè)表面的開口殼體；以及一個(gè)通過開口監(jiān)視著表面的光學(xué)運(yùn)動(dòng)探測(cè)器，其中光學(xué)運(yùn)動(dòng)探測(cè)器利用權(quán)利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一項(xiàng)的方法來確定殼體相對(duì)于表面的平移。
151.一種用作控制裝置的觸摸式指點(diǎn)器，它包括一個(gè)含有一個(gè)開口的殼體；以及一個(gè)光學(xué)探測(cè)器，用來確定一個(gè)經(jīng)過開口作平移的手指的運(yùn)動(dòng)。
152.根據(jù)權(quán)利要求151的觸摸式指點(diǎn)器，其中光學(xué)探測(cè)器利用權(quán)利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一項(xiàng)的方法來確定平移。
153.一種指針裝置，它包括一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求151或152的第一觸摸式指點(diǎn)器和一個(gè)響應(yīng)于第一指點(diǎn)器去移動(dòng)一個(gè)指針的電路；以及一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求151或152的第二觸摸指點(diǎn)器和一個(gè)能響應(yīng)于第二指點(diǎn)器使屏幕滾動(dòng)的電路。
154.一種用作為計(jì)算機(jī)指針的鼠標(biāo)器/觸摸式指點(diǎn)器結(jié)合裝置，它包括一個(gè)含有一開口的殼體；一個(gè)光學(xué)探測(cè)器，用來確定一個(gè)在開口上平移的物體的運(yùn)動(dòng)；以及用來確定開口是面向上方還是面向下方裝置。
155.根據(jù)權(quán)利要求154的鼠標(biāo)器/觸摸式指點(diǎn)器結(jié)合裝置，其中光學(xué)探測(cè)器利用權(quán)利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一項(xiàng)的方法來確定平移。
156.一種掃描器，用來通過把該掃描器在一個(gè)文件上移動(dòng)來讀出該文件，該掃描器包括一個(gè)光學(xué)讀出頭，它能探測(cè)文件表面上的圖案；以及一個(gè)光學(xué)探測(cè)器，用來確定掃描器在文件表面上平移時(shí)的運(yùn)動(dòng)，其中光學(xué)探測(cè)器利用權(quán)利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一項(xiàng)的方法來確定平移。
157.根據(jù)權(quán)利要求156的掃描器，其中圖案包括印刷圖案。
158.根據(jù)權(quán)利要求156或157的掃描器，其中圖案包括手寫圖案。
159.根據(jù)權(quán)利要求158的掃描器，其中圖案包括簽字。
160.一種編碼器，它包括一個(gè)光學(xué)漫反射表面；以及一個(gè)相對(duì)于表面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的光學(xué)探測(cè)器，其中光學(xué)探測(cè)器不利用表面上的標(biāo)記來測(cè)量相對(duì)于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
161.一種編碼器，它包括一個(gè)除了參考標(biāo)記外不含有其他標(biāo)記的光學(xué)漫反射表面；以及一個(gè)相對(duì)于表面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的光學(xué)探測(cè)器，其中光學(xué)探測(cè)器根據(jù)參考標(biāo)記來測(cè)量相對(duì)于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
162.根據(jù)權(quán)利要求160或161中任一項(xiàng)的編碼器，其中表面是一繞一軸轉(zhuǎn)動(dòng)的盤的表面且探測(cè)器測(cè)量該盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。
163.根據(jù)權(quán)利要求160-162中任一項(xiàng)的編碼器，它利用了權(quán)利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一項(xiàng)的方法。
164.一種虛擬筆，它包括一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求161或162的編碼器；以及一個(gè)電路，用來把上述測(cè)得的相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成手寫或圖形的數(shù)據(jù)。
165.根據(jù)權(quán)利要求164的虛擬筆，它利用了權(quán)利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一項(xiàng)的方法。
166.一種用來移動(dòng)一頁(yè)紙張的裝置，它包括用于移動(dòng)紙張的裝置；以及一個(gè)光學(xué)探測(cè)器，它能不利用紙張上的任何標(biāo)記來測(cè)量紙張的運(yùn)動(dòng)。
167.根據(jù)權(quán)利要求166的裝置，其中光學(xué)探測(cè)器利用了權(quán)利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一項(xiàng)的方法。
168.一種文件掃描器，它包括一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求165或166的裝置；一個(gè)讀出頭，它能從紙張讀出信息；以及一個(gè)存儲(chǔ)器，用來響應(yīng)于測(cè)得的紙張運(yùn)動(dòng)把信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)位置上。
169.一種打印機(jī)，它包括一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求165或166的裝置；存儲(chǔ)器，其中含有準(zhǔn)備打印到紙張上的信息；以及一個(gè)打印頭，用來根據(jù)測(cè)得的紙張運(yùn)動(dòng)來打印信息。
170.一種傳真機(jī)，它包括一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求167的掃描器。
171.一種傳真機(jī)，它包括一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求167的打印器。
172.根據(jù)權(quán)利要求171的傳真機(jī)，它還包括一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求167的掃描器。
173.一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向的方法，它包括用入射照明光照明表面，使得照明光被表面的幾個(gè)部分向一個(gè)探測(cè)器反射；把一個(gè)具有不對(duì)稱透射率分布函數(shù)的物體放置在鄰近于探測(cè)器處；利用探測(cè)器探測(cè)從表面反射的光以產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；以及根據(jù)該信號(hào)確定表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向。
全文摘要
一種用來確定一個(gè)表面相對(duì)于一個(gè)測(cè)量裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法,它包括:用入射照明光照明表面;探測(cè)從表面反射的光以形成至少一個(gè)探測(cè)信號(hào);以及根據(jù)上述至少一探測(cè)信號(hào)確定平行于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的量,其特征在于:上述的確定包含了對(duì)垂直于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響的校正。
文檔編號(hào)G01S7/481GK1256755SQ99800253
公開日2000年6月14日 申請(qǐng)日期1999年3月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月9日
發(fā)明者奧帕·金諾特, 烏里·金諾特, 吉拉德·萊德雷爾 申請(qǐng)人:Otm技術(shù)有限公司