CN101048843A - 二维运动传感器 - Google Patents

Abstract

提供用于通过检测从表面反射的光的光学特征的变化来感测传感器与表面(512)之间的相对移动的光学传感器和使用它们的方法。在一个实施例中，传感器包括光敏元件(304)的二维阵列(302)，阵列至少包括经过排列和耦合以便感测沿至少两个不平行轴的第一集合的第一组合移动的第一组多个光敏元件以及经过排列和耦合以便感测沿至少两个不平行轴的第二集合的第二组合移动的第二组多个光敏元件。

Description

二维运动传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求标题为“用于位移测量的二维梳形检测器阵列”、序列号为60/623320的美国临时专利申请的权益，通过引用将该申请结合于此。

技术领域

本发明一般涉及光学导航系统以及采用光学导航系统感测移动的方法。

背景技术

诸如计算机鼠标、触摸屏、轨迹球等的数据输入装置对于把数据输入个人计算机和工作站以及与其接口是众所周知的。这类装置允许监视器上的光标的快速重新定位，并且在许多文本、数据库和图形程序中是有用的。用户例如通过在表面上移动鼠标、从而使光标在某个方向上移动与鼠标的移动成比例的距离来控制光标。

计算机鼠标以光和机械两种形式出现。机械鼠标通常采用转球来检测运动，以及采用与球接触的一对轴编码器来产生计算机用来移动光标的数字信号。机械鼠标的一个问题在于，它们在持续使用之后因污垢积聚等而易于不精确和出故障。另外，机械元件、尤其是轴编码器的移动和所产生的磨损必然限制了装置的有效寿命。

对机械鼠标的上述问题的一种解决方案是采用光学导航系统的鼠标的开发。这些光学鼠标已变得非常普遍，因为它们提供更好的指向精确度，并且不太易于因污垢的积聚引起故障。

当今用于光学鼠标的主要技术依靠以切线入射或准切线入射照射表面的例如发光二极管(LED)之类的光源，捕捉所产生图像的二维(2D)CMOS(互补金属氧化物半导体)检测器，以及把连续图像中的数千个特征或点相关以确定鼠标移动的方向、距离和速度的信号处理单元。因此，该技术提供高精确度，但是具有复杂的设计以及较高的图像处理要求。

作为一种改进，相干光源、如激光用于照射粗糙表面建立称作斑纹的复合干涉图案，它具有若干优点，其中包括有效的基于激光的光生成以及即使在以常规入射进行照射的情况下的高对比度图像。基于激光的光生成具有高电光转换效率以及使小的有效照射覆盖面积能够适合于匹配光电二极管阵列的覆盖面积的高定向性。此外，斑纹图案允许对实际上任何粗糙表面(宽表面覆盖)的跟踪操作，同时即使在不利的成像条件、如“散焦”的情况下也保持最大对比度。

用于测量线性位移的一种备选方式采用具有常称作梳形阵列的光敏元件、如光电二极管的一维(1D)阵列的光学传感器。1D阵列中的光电二极管可成组地直接连线，以便实现所接收信号的模拟并行处理，由此减少所需的信号处理并便于运动检测。对于采用这种方法的二维(2D)位移测量，提出了多轴线性阵列，在其中，两个或两个以上1D阵列沿不平行轴排列。

尽管优于先有技术相关类型的光学鼠标的显著简化，这些1D梳形阵列装置由于许多原因而一直没有完全令人满意。具体来说，这些基于斑纹的装置的一个缺点是它们沿明显偏离1D阵列取向的方向的有限精确度。这在光学鼠标朝离轴方向移动、从而使斑纹图案或图像在图像有可能构建清楚信号之前过快地进入和离开1D阵列的视野时特别成问题。这种缺陷可通过增加轴的数量部分修正，但是代价是减小了线性梳形阵列方法的简单性。

因此，需要一种光学指向装置以及使用光学指向装置的方法，它把相关器类型的装置的2D位移测量精确度与梳形阵列类型的装置的信号处理简单性相结合。

本发明提供对这些及其它问题的解决方案，并提供优于传统装置以及使用这些装置的方法的其它优点。

附图说明

通过以下详细描述以及附图，可以更全面地理解本发明的这些及其它各种特征及优点，但不应当认为把所附权利要求限制到所示的具体实施例，而是仅用于说明和理解，其中：

图1(先有技术)是每个周期四(4)个光敏元件的配置的线性一维(1D)梳形阵列及关联余弦和正弦模板的示意框图；

图2A-2D是矩阵，说明根据本发明的一个实施例的二维(2D)梳形阵列的余弦和正弦分配；

图3A和图3B是根据本发明的一个实施例、从图2A-2D的矩阵所构建并具有以每个单元4×4个元件的配置分组的光敏元件的2D梳形阵列的示意框图；

图4A和图4B是根据本发明的一个实施例、把两个正交(或者1D×1D)线性梳形阵列与2D梳形阵列进行比较的简图；

图5是根据本发明的一个实施例的具有基于斑纹的2D梳形阵列的光学导航系统的示意框图；

图6A和图6B是对于具有根据本发明的一个实施例的2D梳形阵列的光学导航系统的各个速度以及通过各个表面的圆形轨迹对系统的实际移动的图表。

图7是根据本发明的一个实施例、具有以每个单元6×6个元件的配置分组的光敏元件的2D梳形阵列的示意框图；

图8是根据本发明的一个实施例、具有以象限排列的两个2D梳形阵列的光学传感器的示意框图；

图9是根据本发明的另一个实施例、具有经连线以检测沿三个不同轴的1D运动的六边形光敏元件的2D阵列的光学传感器的示意框图；

图10是根据本发明的又一个实施例的光敏元件的非周期性叶序阵列的点图案；

图11是Voronoi图，说明图10的叶序阵列的光敏元件图案；

图12是根据本发明的另一个实施例、具有六边形光敏元件的六边形2D阵列的光学传感器的示意框图；以及

图13是根据本发明的一个实施例、具有已连线用于4轴运动检测的正方形2D阵列的光学传感器的示意框图。

具体实施方式

一般来说，本发明涉及光学导航系统，更具体来说，涉及用于感测传感器与它在其上移动的表面之间的相对横向移动的光学传感器。光学导航系统可包括例如计算机光学鼠标、轨迹球等，并且对于把数据输入个人计算机和工作站以及与其接口是众所周知的。

为便于说明，以下描述中提出了大量具体细节，以便透彻地理解本发明。然而，本领域的技术人员很清楚，没有这些具体的细节，也可以实施本发明。在其它情况下，没有详细说明或者没有以框图形式表示众所周知的结构和技术，以免影响对本描述的理解。

描述中提到“一个实施例”或“实施例”表示结合这些实施例所述的特定功能、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。词组“一个实施例”在本说明的各个位置中的出现不一定都表示同一个实施例。如本文所使用的术语“耦合”可包括直接连接以及通过一个或多个中间组件间接连接。

优选地，本发明的光学传感器是基于斑纹的传感器，它根据称作斑纹的光的复合强度分布图案的位移来感测移动。斑纹实质上是通过相干光从粗糙表面的散射所产生并由具有有限视角范围(或数值孔径)的强度光敏元件、如光电二极管所检测的复合干涉图案。更优选地，光学传感器包括把2D相关器的位移测量精确度与线性或一维(1D)梳形阵列的信号处理简单性和效率相结合的二维(2D)阵列。2D阵列可能是包括具有1D或2D周期性的多个有规则地间隔的光敏元件的周期性2D梳形阵列、准周期性2D阵列(例如彭罗斯点阵)或者是具有规则图案但不包含周期性的非周期性2D阵列。2D梳形阵列表示实质上在至少两个不平行方向上延伸并且在两维中具有周期性的多个有规则地间隔且电气连接的光敏元件的平面阵列。

以下描述展开2D梳形阵列信号处理的理论，并描述2D梳形阵列体系结构的各个示范实施例。

图像相关与梳形阵列处理

比较用于图像相关的信号处理与一维(1D)中的梳形阵列技术是有益的。

1D相关

两个信号f和g之间的相关可表示为：

$\mathrm{corr}{(f,g)}_m=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}_n{g}_{n-m}^{*}---\left(1\right)$

假定f和g都具有零平均值。否则，信号始终可通过采用其相应的平均值来偏移来重新定义。

如果g与f具有某种相似性，则相关在两个信号的共同特征一般被最佳对齐或“相关”的特定移位值m处达到峰值。对于“1D”鼠标，考虑g在较大程度上是f的位移形式、即g_n＝f_n+x的情况是充分的。相关变为：

$\mathrm{corr}{(f,f_{+x})}_m=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}_n{f}_{n+x-m}^{*}---\left(2\right)$

其中，x是位移。

相关函数(等式2)的峰值在m＝x处出现。因此，对峰值位置的了解确定位移。

在传统光学鼠标中，已捕捉信号f用作与后续捕捉相关的短期模板。一旦确定了位移，新的捕捉代替旧模板，等等。这个动态模板对于任意信号是合乎需要的。如果预先确定了信号的类别、如周期信号，则可采用固定模板，由此消除连续更新信号模板的必要性。这极大地简化了相关操作以及装置实现。实际上，梳形阵列是如下面更详细地描述的一种装置。

为此，信号可表示为如下所示的离散傅立叶变换(DFT)展开式：

$f_n=\underset{a=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{F}_a{e}^{2\mathrm{\πian}/N},g_n=\underset{a=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_a{e}^{2\mathrm{\πian}/N}---\left(3\right)$

因此，相关(1)变为：

$\mathrm{corr}{(f,g)}_m=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{a=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{F}_a{e}^{2\mathrm{\πian}/N}\right)\left(\underset{b=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{G}_b^{*}{e}^{-2\mathrm{\πib}(n-m)/N}\right)=$

$=\underset{a=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{b=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{F}_a{G}_b^{*}{e}^{2\mathrm{\πibm}/N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{2\mathrm{\πi}(a-b)n/N}=$

$=\underset{a=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{b=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{F}_a{G}_b^{*}{e}^{2\mathrm{\πibm}/N}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ab}}=$

$=\underset{a=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{F}_a{G}_a^{*}{e}^{2\mathrm{\πiam}/N}---\left(4\right)$

以及相关(2)变为：

$\mathrm{corr}{(f,f_{+x})}_m=\underset{a=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{F}_a{F}_a^{*}{e}^{2\mathrm{\πia}(m-x)/N}---\left(5\right)$

1D梳形阵列

线性或1D梳形阵列是具有以周期方式连接的多个光敏元件的阵列，使得该阵列用作询问信号的一个空间频率分量的固定模板。一个这样的1D梳形阵列的一个实施例如图1所示，并在下面更详细地描述。多个光敏元件按周期方式连接使梳形阵列能够有效地用作一个空间频率K(通过阵列中的光敏元件的间距和收集光学器件来定义)上的相关器。这时看作位移x的函数的梳形信号为：

$V_x=F_A{F}_A^{*}{e}^{2\mathrm{\πiA}(m-x)/N}={\mathrm{Ce}}^{\mathrm{iK}(m-x)}---\left(6\right)$

其中，C是缓慢变化的幅度，以及K≡2πA/N是所选空间频率。因子e^iKm可看作是对所选空间频率分量和模板的初始对齐进行编码的相位。

因此，可以推断，1D梳形阵列实质上是一个空间频率上的1D相关。

二维梳形阵列

以上观测得出结论，2D梳形阵列可被构建并配置成提供一个空间频率 $\stackrel{\→}{K}=(K_x,K_y)$ 上的2D相关。

图像f和其自身的位移形式的2D相关[(x，y)是位移]为：

$\mathrm{corr}{(f,f_{+x,+y})}_{m,n}=\underset{a=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{b=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{a,b}{F}_{a,b}^{*}{e}^{2\mathrm{\πia}(m-x)/N}{e}^{2\mathrm{\πib}(n-y)/N}---\left(7\right)$

与上式6相似，2D梳形阵列信号为：

$V_{x,y}={\mathrm{Ce}}^{i{K}_x(m-x)}{e}^{{\mathrm{iK}}_y(n-y)}---\left(8\right)$

如上所述，(K_x，K_y)≡(2πA/N，2πB/N)是所选2D空间频率。梳形信号只是x和y位移的谐波函数的乘积。注意，梳形阵列信号是周期性的，并且每当模板在空间上与图像空间频率同相时达到峰值。

为了简洁起见，设m，n＝0，等式8中的指数乘积可扩展为四个三角乘积：

CC＝cos(K_xx)cos(K_yy)

CS＝cos(K_xx)sin(K_yy)

SC＝sin(K_xx)cos(K_yy)                            (9)

SS＝sin(K_xx)sin(K_yy)

下一个步骤是确定生成如上式(9)所示的四个信号的2D阵列配置。

有益的是首先审查每个周期具有4个元件的1D梳形阵列配置中的同相和正交信号的生成。图1说明光敏元件、如光电二极管104的1D梳形阵列102的一般配置(沿一个轴)，其中，光敏元件的交错组的组合用作斑纹(或非斑纹)图像所产生的亮暗信号的空间频率上的周期滤波器。在所示实施例中，1D梳形阵列102由多个光电二极管组或周期组成，各光电二极管组或周期具有光电二极管104中的四个，在这里标记为A、B、C和D。在各周期中来自对应或类似标记的光电二极管104的电流或信号经过电气连接(连线求和)以形成来自阵列102的四个线信号106。通过采用差分模拟电路108生成在这里标记为C_out的同相差分电流信号以及采用差分模拟电路110生成在这里为S_out的正交差分电流信号，来实现背景抑制和信号增强。比较同相和正交信号的相位允许确定1D梳形阵列102相对于散射表面的运动的幅度和方向。

参照图1，通过取得基本斑纹图案并分别按照余弦和正弦模板112、114对它们进行处理，来得到同相C_out和正交S_out信号。优选地，系统经过设计，使得光学的“亮暗”信号图案、即斑纹具有实质上等于梳形阵列的周期-图1的实施例中的四(4)个光电二极管104或像素-的大小。同相信号电流从C_out＝A-C中获得，以及正交信号电流从S_out＝B-D中获得，如图1所示。

以上余弦和正弦分配这时可应用于2D的情况。结果是图2A-2D中对于上式9所示的四个谐波乘积所示的四个矩阵。具体来说，图2A表示具有以每个单元4×4元件配置分组的光敏元件的2D梳形阵列的CC或cos(K_xx)cos(K_yy)信号的矩阵。为了简化表示，此后去掉下标“out”。类似地，图2B表示CS信号的矩阵，图2C表示SC信号的矩阵，以及图2D表示SS信号的矩阵。

2D梳形阵列这时可从以上矩阵中构造，如图3A和图3B所示。在这里，2D梳形阵列302具有排列或分组为单元306的多个光敏元件304，每个单元具有以每个单元4×4元件(或4×4元件/周期)配置分组的光敏元件。如图3B的细节所示的单元306中具有相同字母和相同标号的光敏元件304以及2D梳形阵列302中具有相同标号的所有单元的对应元件在电气上连接或连线求和以产生八个信号A1至D2。

八个连线求和信号采用差分放大器308进一步组合以产生以下四个信号：

CC＝A1-A2

CS＝B1-B2                         (10)

SC＝C1-C2

SS＝D1-D2

这四个信号包含x和y方向上的同相和正交信息。采用三角法标识，谐波乘积可转换为(和与差的)简单谐波：

cos(K_xx+K_yy)＝CC-SS

sin(K_xx+K_yy)＝SC+CS               (11)

cos(K_xx-K_yy)＝CC+SS

sin(K_xx-K_yy)＝SC-CS

可选地，坐标系或阵列可旋转45°，以便得到完全采用x和y的表达式。在任一个取向中，则可确定2D位移。实际上，K_x和K_y可取相等值。

2D梳形阵列提供设计的简单性以及优于传统2D相关和/或多轴1D梳形阵列的其它几个优点，包括：(i)更快的信号处理；(ii)减小的功耗；(iii)高角度精确度；以及(iv)与相对于阵列取向的方向移动无关的性能。

2D梳形阵列比相关具有明显更快的信号处理，因为它生成要处理的更少数据，因而要执行更简单算法。例如，过零检测算法可用来确定位移。为了规定平面中的位移，需要两个实数，即x和y平移。在传统的基于相关的光学鼠标中，这两个实数从连续图像相关中确定。由于基于相关的方法中的各图像通常包括大约10³个像素，需要处理大量数据来确定两个x和y平移值。相反，2D梳形阵列仅产生四(4)个正实数，它们相当于只是二(2)个带符号实数。在某种意义上，并行处理被内置于2D梳形阵列的互连体系结构。通过把处理“连线”到该体系结构中，其余外部计算变得比较简单，并且可迅速地实现。简单计算转换为较小的信号处理电路，同时，更快的处理允许高速度跟踪和增加的资源实现复杂数字信号处理(DSP)算法，它可更进一步提高采用本发明的光学传感器的光学导航系统的跟踪性能。

预计2D梳形阵列比基于相关的装置消耗更少电功率，因为它具有更少的待处理数据，因而实现更简单的算法。这对于功率敏感应用、如无线光学鼠标是极合乎需要的特征。电功耗还可通过与如基于激光斑纹的鼠标中的有效激光照明的组合进一步减少。

2D梳形阵列的角度精确度可比传统2D相关器鼠标更为简单地换算。可由2D传感器检测的最小角度与行或列中的光敏元件的数量成反比。改进角度精确度一般取决于阵列的光敏元件的数量的增加。这构成2D相关器鼠标的重大损失，因为待处理数据的数量随行或列中的元件的数量急剧上升。相反，2D梳形阵列鼠标中待处理的数据的数量或信号的数量与元件的数量无关。也就是说，从2D梳形阵列输出的差分信号的数量在具有与图3A和图3B所示相似的配置的2D梳形阵列中始终等于四，因此，角度精确度仅受可实现的阵列大小限制。

最后，与1D梳形阵列相比，2D梳形阵列的性能与相对于阵列的方向移动无关。参照图4A和图4B，2D梳形阵列402的性能优于具有多个线性或1D梳形阵列406的光学传感器404，因为图像中的各点在所有方向上平均经过远比1D梳形阵列406中的路径410更长的2D梳形阵列402的有效面积内的路径408，因而更有助于位移估算。此外，由于前面所述的2D梳形阵列的实施例与对称(例如正方形)像素几何尺寸配合工作，所以匹配“亮暗”信号图案、即斑纹与2D梳形阵列的周期更易于实现，从而与通过通常采用极“不对称”像素形状的传统1D梳形阵列可实现的相比，产生改进的信号对比度以及更高的前端SNR。最后，有效地照射2D阵列更为简单，因而比多轴1D梳形阵列更少功耗。

示范实施例和实验验证

根据本发明的一个实施例的具有基于斑纹的2D梳形阵列的光学导航系统的示范实施例如图5所示。参照图5，光学导航系统502一般包括：光头504，具有光源506，例如VCSEL(垂直腔表面发射激光器)；照明光学器件，包括校准发散光束的第一或准直透镜508；成像光学器件，包括在第二透镜的图像平面上把粗糙散射表面512的被照射部分映射或者成像到2D梳形阵列514的第二或成像透镜510。优选地，照明光学器件配置成以选择成允许抬起检测的预定入射角照射表面512，通过所述抬起检测，如果光头504或数据输入装置与表面512的间隔超过预定间隔，则装置停止跟踪运动。成像光学器件可包括第二透镜510的后焦平面上的光圈516，以便提供在运动期间保留良好斑纹图案完整性的远心成像系统，并且匹配斑纹的平均大小与2D梳形阵列的周期。

为了验证具有本发明的2D梳形阵列514的光学导航系统502的优点，制作与图3A和图3B所示相似的正方形对称2D梳形阵列，其中具有32×32光电二极管(PD)或元件。验证所公开方法的各种速度且通过两个不同表面的圆形轨迹的结果如图6A和图6B所示。从其中得出图6A和图6B的图表的实验在测试平台上进行，在其中，光学导航系统的光头与表面之间的相对运动以极高精度来控制。图6A的图表说明当光头以1cm/s、10cm/s、25cm/s和40cm/s的速度在白表面上以具有1cm的半径的圆移动四次时所产生的圆形轨迹。图6B说明当光头以这些相同速度在木材纹理表面上移动时所产生的圆形轨迹。在图6A和图6B中，虚线参考圆由参考标号602表示，以及光学导航系统所产生的迹线或圆形轨迹由黑实线表示。沿轴的数字为任意单位。从这些迹线中可以看到，具有采用本发明的2D梳形阵列的传感器的光学导航系统能够感测以达到40cm/s的速度在有图案和无图案表面上的移动，并且具有通常小于5％的路径误差。后续测试已经证明对于各种表面以及各种运动的精确跟踪性能。

阵列一般化

线性或1D梳形阵列的众多一般化类似地适用于本发明的2D梳形阵列，包括：(i)具有与每个单元4×4元件不同的2D梳形阵列；(ii)具有给定空间频率的多个子阵列的2D梳形阵列；(iii)具有不同空间频率的多个子阵列的2D梳形阵列；以及(iv)2D梳形阵列，具有光敏元件之间的动态可重新配置的梳形连接，以便使空间频率能够动态改变，例如以便优化来自阵列的信号的强度。还会理解，根据本发明的2D梳形阵列还可包括以上一般化或实施例的组合。

现在参照图7和图8更详细地描述包括以上一般化的一个或多个的2D梳形阵列的某些备选实施例。

2D梳形阵列的一个备选实施例具有不同于每个单元4×4元件。例如，如图7所示，2D梳形阵列702包括以每个单元6×6元件(或者6×6元件/周期)配置分组或排列在单元706中的多个光敏元件、如光电二极管704。如同以上参照图3A和图3B所述的实例中那样，各单元706中的某些元件704以及2D梳形阵列702中的所有单元的对应元件耦合到三十六(36)条输出线之一。36个连线求和信号按照矩阵708进一步与加权因子相结合，从而产生四个输出信号CC、CS、SC和SS。用于产生这四个信号中的每个的矩阵708的细节如下表详细说明。

                           CC

1	0.5	-0.5	-1	-0.5	0.5
						0.5	0.25	-0.25	-0.5	-0.25	0.25
-0.5	-0.25	0.25	0.5	0.25	-0.25
						-1	-0.5	0.5	1	0.5	-0.5
-0.5	-0.25	0.25	0.5	0.25	-0.25
						0.5	0.25	-0.25	-0.5	-0.25	0.25

                           CS

0	0.866	0.866	0	-0.87	-0.87
						0	0.433	0.433	0	-0.43	-0.43
0	-0.43	-0.43	0	0.433	0.433
						0	-0.87	-0.87	0	0.866	0.866
0	-0.43	-0.43	0	0.433	0.433
						0	0.433	0.433	0	-0.43	-0.43

                           SC

0	0	0	0	0	0
						0.866	0.433	-0.43	-0.87	-0.43	0.433
0.866	0.433	-0.43	-0.87	-0.43	0.433
						0	0	0	0	0	0
-0.87	-0.43	0.433	0.866	0.433	-0.43
						-0.87	-0.43	0.433	0.866	0.433	-0.43

                                SS

0	0	0	0	0	0
						0	0.75	0.75	0	-0.75	-0.75
0	0.75	0.75	0	-0.75	-0.75
						0	0	0	0	0	0
0	-0.75	-0.75	0	0.75	0.75
						0	-0.75	-0.75	0	0.75	0.75

在其它备选实施例中，光学传感器可包括给定空间频率或不同空间频率的多个2D梳形阵列或子阵列。例如，图8说明根据本发明的一个实施例、具有在象限804、806、808和810中排列的两个2D梳形阵列对的光学传感器802的示意框图。对角线上相对的象限804和806被连接并形成第一单阵列对或第一2D梳形阵列。相对象限808和810被连接并形成第二单阵列对或第二2D梳形阵列。

如同以上所述的实例中那样，象限804、806、808和810中的各单元812内的元件以及阵列对中的所有单元的对应元件经过耦合以形成十六(16)个连线求和信号814。16个连线求和信号814进一步与差分放大器816相结合以从第一2D梳形阵列产生八(8)个信号CC1、CS1、SC1、SS1以及从第二2D梳形阵列产生CC2、CS2、SC2、SS2。在操作中，来自2D梳形阵列或阵列对的任一个的信号的强度可减小，因为所选空间频率分量在表面的某个特定位置上很弱，或者因为来自阵列的各个部分的作用相干地加到零。但是要理解，任何一个阵列对中的衰落不可能产生另一对中的衰落，因此这样一种多阵列或子阵列配置往往是减轻信号衰落所需的。此外，光学传感器802的正方形对称布置实现光学传感器中的所有光敏元件818的简单有效照明。

概念一般化

现在可描述通过改变光学传感器中的各个光敏元件的加权系数产生惊人的结果的一般理论，任何2D阵列可用于沿任意轴的任何有限集合来提取速度向量。到现在为止仅考虑了具有1D或2D周期性的梳形阵列，但可采用没有周期性或分组为单元的其它图案。例如，2D阵列可具有向日葵花图案或者甚至伪随机定位的数量的光敏元件，并且仍然提取1D或2D运动信息。

以下所有实例是一般概念、即采用1D或2D阵列捕捉1维或2维运动的特例。还描述了几种新的光学传感器配置。

存在基于斑纹的光学导航系统之后的两个基本概念。第一个是，斑纹图案是包含系统的光学属性所确定的空间频率范围的2D空间频率的重叠。其次，通过选择作为斑纹图案的一部分的光的特定分布，并观测它怎样随着沿所选轴或者在所选方向上的运动而改变，来检测作为沿所选轴或者在所选方向上的运动的1D运动。理想情况是，分布是不随运动而改变其形状、与乘法常数(其值产生运动的量或幅度)不同的分布。这意味着，如果分布是φ(x，y)，则希望在某个方向上的某个平移之后保持恒定形状。具体来说，希望1D传感器中的元件响应任何方向上的平移，但是仅提取沿所选轴或者在所选方向上的运动的分量。例如，光学导航系统的光头可在x和y两个方向上在表面上移动，但是仅提取沿x轴的运动的分量。

如果在x方向上的距离d_x上把平移算子定义为T_x(d_x)，以及在y方向上的距离d_y上把平移算子定义为T_y(d_y)，则希望所得到的函数满足以下等式：

T_x(d_x)T_y(d_y)φ(x，y)＝λφ(x，y)              (12)

对于某个常数λ，即，平移使φ(x，y)保持不变，除了乘法常数之外。优选地，能够提取从常数λ中寻求的运动。

这是可确认的公式-寻求的光分布φ(x，y)是已知平移算子T_x(d_x)和T_y(d_y)的本征函数。平移算子的本征函数是平移方向上的复指数，并且可具有垂直方向上无论什么的任何函数形式。也就是说，对于x方向上的平移，本征函数为：

φ(x，y)＝exp(2πixf_x)exp(2πiyf_y)            (13)

以及本征值为：

λ＝exp(2πid_xf_x)exp(2πid_yf_y)                  (14)

其中，f_x是x方向上的空间频率，以及f_y是y方向上的空间频率。

因此，通过测量运动之前和之后的光分布，提取寻求的本征函数的系数，并计算本征值λ，沿x(或y)方向经过的距离可通过已计算本征值的简单换算从λ中提取。这种提取通过利用本征函数在内积下是正交的事实来实现。因此，给定包含特别关注的本征函数的分布，就能够通过采取与寻求的本征函数的内积来找出所提供的数量。平移算子在内积下为Hermitian：

(u，v)≡∫∫u(x，y)v^*(x，y)dxdy                 (15)它表示，如果斑纹图案S(x，y)包含具有比例系数c的寻求的本征函数的某个部分，则c可通过采取与受关注本征函数的内积来提取：

c＝∫∫S(x，y)exp(-2πixf_x)exp(-2πiyf_y)dxdy    (16)

这时产生小复杂性。这些本征函数和本征值是复量，但是斑纹图案S(x，y)是实数，并且只能执行与光敏元件以及硬件中的加权系数的实数运算。因此，分别计算复系数的实部和虚部。一般为：

(17)

要注意，为了一般性而添加了任意相位因子₀。

等式17经过积分以获得复数c的值。在移动传感器或阵列之后，以上积分重复进行，以便得到复数c的新值c’，它应当等于cλ。本征值λ通过取这两个值之比以求出移动传感器或阵列的距离来获得。这通过再调用下式变为可能：

λ＝exp(2πi(d_xf_x+d_yf_y))                        (18)

因此，x运动以及y运动在λ中是混乱的。如果希望纯粹提取x运动，则可通过选择f_y＝0、即y方向上没有变化，来使y成分离开。然后，λ或等式18简化为：

λ＝exp(2πi(d_xf_x))                             (19)以及d_x可通过直接方式从λ的已计算值中提取。

因此，为了检测任意运动的运动的x分量，本征函数φ(x，y)选择成等于exp(2πixf_x)。即：φ(x，y)＝exp(2πixf_x)。

主和正交信号可从下式计算：

(21)

本征值λ则从两个连续测量中计算，如以上参照等式17、18和19所述，以及在x方向上移动的距离从下式提取：

λ＝exp(2πi(d_xf_x))                             (22)

大家会理解，以上方法可一般化为检测沿任何预期方向而不只是沿x(或y)的1D运动的分量。通过执行坐标旋转，使得轴或方向x沿预期方向，然后把以上所有公式代入已旋转坐标系中，最易于实现这种操作。

现在描述通过实际硬件来执行以上积分的方法。为了最好地利用撞击传感器或阵列的可用可见光子，希望包括具有接近一的填充因子的均匀照射阵列。也就是说，阵列将包括多个光敏元件，各位于阵列中的某个位置(x_i，y_i)，并且具有设法覆盖阵列面积B_i的总光敏元件面积A_i，因此，比率A_i/B_i是阵列的填充因子。在确定阵列的运动时，光敏元件的输出最终可能采用某些加权系数来合计。为了准确计算系数，c_r用于说明的目的，希望具有：

但是，不可能完全通过硬件来实现上式。而是为各光敏元件赋予加权系数w_r，i，使得上式变成如下的加权加求和：

$c_r=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{w}_{r,i}\underset{A_i}{\∫\∫}S(x,y)\mathrm{dxdy}---\left(24\right)$

能够得到等式(23)的最接近值为：

它为加权系数赋予值：

类似地，对于虚(正交)信号：

$c_i=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{w}_{i,i}\underset{A_i}{\∫\∫}S(x,y)\mathrm{dxdy}---\left(27\right)$

其中：

应当注意，“i”在这个表达式中表示两个不同的方面：第一下标表示它用于c的虚部；第二下标是光敏元件的索引。

以上构架现在可用于在任何空间频率上采用任何2D阵列检测沿任何方向的运动的1D分量。注意，以上所述的任何部分都没有假定具体2D阵列或具有具体形状的2D阵列。但是，存在具有某些合乎需要的属性的若干2D阵列，下面更详细地进行描述。

用于阵列的策略

存在可在阵列的布置中采取的两个不同策略或方法。第一，应当重申，执行至少三次1D检测是有帮助的。希望具有至少两次1D检测以获得运动的两种分量，但是由于斑纹是复合的，所以任何给定的本征函数可能渐弱，从而引起信号的损失。应当注意，如果用户在信号衰落的同时改变方向，则没有滤波、如卡尔曼滤波的量可提供正确的运动。因此，希望提供至少另外一个信号来提供对衰落的某种水平的防止。此外，无疑更好的是，虽然处理额外信息所需的信号处理更为复杂，抵消了通过采用具有2D阵列的基于斑纹的光学传感器所实现的一部分优点。在如何提供这种冗余度的方面存在某种灵活性，包括：(i)若干空间上分开的阵列(空间冗余度)；(ii)用于给定方向的不同的空间频率(空间频率冗余度)；以及(iii)采用2个以上不同方向的多个轴(方向冗余度)-在这种情况中，已计算运动值无疑不再需要是正交的。

为了简洁起见，在以下描述中，所检测的任何单一运动分量称作“信号/正交对”(SQ对)。如果将检测到2个或2个以上SQ对，则必须进行关于如何使用阵列中的光敏元件的初始判定。具体来说，阵列中的元件可经过连接，使得：(i)任何给定光敏元件仅馈送一个SQ对；(ii)来自每个光敏元件的信号被分离并被赋予不同的加权系数，使得任何给定光敏元件馈送每个SQ对；或者(iii)(i)和(ii)的某种组合。采用哪一种方法部分涉及功率预算与IC或芯片大小之间的折衷，因为信号分离器和缓冲器耗用这两者，同时不采用来自每个光敏元件的每个SQ对中的信息可减小信噪比(SNR)。

首先考虑用于检测纯1D运动的理想光敏元件配置。2D阵列的最佳配置是在每个位置具有光敏元件，其中具有如下所示的加权系数：

由于加权系数根本不取决于y_i，因此垂直列中的所有光敏元件具有完全相同的加权系数。或者，可通过只是把垂直列中的所有光敏元件连线在一起-或者采用高且细的光敏元件，可避免具有多个相同的加权系数。这里所指的是，采用与其宽度同样高的2D阵列一般提供1D运动的预期离轴性能。

还要注意，余弦和正弦具有交错的零。如果加权系数为零，则不需要在其中浪费光敏元件，因此，如果光敏元件间隔1/4周期，则用于主和正交信号的光敏元件可被交错，其中各光敏元件仅用于单个信号。因此，用于1D运动检测的一个优选的2D阵列是以多个垂直条排列的光敏元件，其中交替信号转到主和正交信号。此外，也不需要使光敏元件的条在垂直方向上连续，因为寻求的本征函数在y方向上连续。因此，能够通过中断y方向上的光敏元件对y上的本征函数抽样。不是使各光敏元件处于连续列，而是可省略每隔一个光敏元件，从而留下交替空行。这些空行这时可采用设计成检测垂直运动的光敏元件的两个以上集合来填充。这基本上是具有x和y方向上的轴的对称2D梳形阵列，以上已经针对图3A和图3B进行了描述。但是，应当指出，能够类似地构造具有2个以上方向上的轴的交错2D阵列。例如，图9说明经过交错和连线以产生沿间隔开120°的轴904、906和908的三(3)个1D SQ对的六边形阵列902。

参照图9，六边形光敏元件904的网格经连线以产生沿三个不同的轴904、906、908的1D运动。与各轴关联、用于检测同相信号的光敏元件904由相同标号1、2或3表示。用于检测正交信号的交替行的光敏元件904由相似标号1’、2’和3’表示。来自沿各轴904、906、908排列的光敏元件的同相和正交信号经过连线求和，其中交替符号表示同相(+)和正交(-)信号。

光敏元件的任何中断阵列的一个缺点产生于信号经过抽样因而易于混叠的事实。具体来说，中断阵列将拾取处于光敏元件的基本周期的倍数处的任何空间频率。

混叠的影响可通过采用来自每个光敏元件的信号来减小，即，分离各元件输出并向每个1D SQ对发送副本。这增加抽样率(因为使用每一个光敏元件而不是行中的每个第2或第3元件)，并且还意味着采用更平滑的抽样函数(因为抽样函数不是一系列增量函数，而是采用阶跃函数来卷积，它抑制更高的谐波)。然而，如果光学图案包含例如来自编织物或有图案表面的强周期性，则将预计某些混杂的混叠成分。

减小对混叠的易感性的一种方式是采用完全非周期性阵列，具体来说是在任何空间频率上没有强峰值的阵列。可通过采用光敏元件的伪随机分布使周期性模糊，或者通过采用没有包括周期性的常规图案，可获得这种效果。在这种非周期性阵列中，一般希望采用来自每个光敏元件的输出，因为没有将以极少代价或者无代价地允许元件的交错集合的偶然零。

特别关注的非周期性图案是所谓的叶序阵列或“向日葵”阵列。它具有两个良好属性：它基于所有数值中最无理的黄金比例，表示它使其频谱中的较高谐波的高度为最小。它还相当容易生成。在极坐标中，第j点位于

$({\mathrm{\ρ}}_j,{\mathrm{\φ}}_j)=(C\sqrt{j},\frac{2\mathrm{\πj}}{\mathrm{\Φ}})---\left(31\right)$

其中，Φ是黄金比例1.618...。具有200个元件1004的叶序阵列1002的点图案的一个实施例如图10所示。

通过这样一种阵列，最佳光敏元件大小是光敏元件中心的Voronoi图(Wigner-Seitz单元)。因此，阵列1104的光敏元件1102的图案看来像图11所示。

这样一种叶序阵列1002在其傅立叶频谱中没有强峰值，但是具有粗略的平均光敏元件大小1004。因此，当用于有图案表面时将阻止混叠。通过采用从以上给出的坐标中计算的加权系数，应当能够从这一个阵列中提取任何数量的1D SQ对。

对于例如图9所示的3轴2D阵列的一个可能的限制在于，对于任一个轴，用于运动的各轴的光敏元件的分布比较稀疏。前面所述的2D梳形阵列的一个合乎需要的特征在于，通过适当地对光敏元件的和分组，可使各元件用于运动的两个轴，而无需对每个施加单独的加权系数-这在芯片表面面积和功耗方面是相当昂贵的。因此，希望具有一种多轴2D阵列，在其中，光敏元件的每个用于来自每个轴的运动信号。

具体来说，此概念可应用于与图9所述相似的3轴阵列。在这个3轴阵列中，各光敏元件用于运动的所有三轴，但是仍然只存在仅在合计元件组或行的输出之后才应用的少量加权系数。因此，这个实施例是上述2D梳形阵列的3轴模拟。

参照图12，表示经连线用于3轴运动检测的六边形阵列1202的示意图。

在图12中，各六边形表示单个光敏元件1204、如光电二极管。阵列1202中的各光敏元件1204耦合到三组信号线1206、1208和1210的每个中的至少一个信号线，以便检测垂直于信号线的方向上的运动。因此，垂直定向信号线1206用于检测水平运动。注意，信号线组1206、1208和1210中的每个线以实线或虚线图案出现。实线是该组的主或同相信号线，而虚线则用于正交信号线。符号+和-分别表示+1和-1的加权系数。

如果光敏元件1204被线交叉，则表示该元件将用于由该线编码的信号。在所示实施例中，每个光敏元件1204由关联不同的三组信号线1206、1208和1210的三条线交叉；那就表示每个元件用于三个轴中每个的信号。例如，六边形阵列1202的最顶部的光敏元件1204用于具有加权系数-1的信号线组1206的主信号，具有加权系数+1的信号线组1208的主信号，以及具有加权系数+1的信号线组1210的主信号。正好在下方以及在右侧的光敏元件用于具有加权系数-1的信号线组1206的正交信号、具有加权系数+1的信号线组1208的正交信号以及具有加权系数+1的信号线组1210的主信号。诸如此类。

大体上，采用三个轴以及各具有两种可能的加权系数的信号的两种类型，好像有64种不同的可能性让元件用于各轴。但在实际上，只有16种可能性，因为某些组合没有出现。可以看到，由于整个图案是周期性的，所以粗黑线描绘周期性图案的单位单元1212，并且单位单元中只有16个元件。因此，基本上存在光敏元件1204的16种不同的“风味”，各元件的特征在于对于三个轴中每个应用的加权系数以及它对于那个轴转到主还是正交。(注意，粗黑点表示相同风味或者对各轴作出同样贡献的光敏元件。)因此，在连线方案中，给定风味的所有光敏元件1204连线在一起，从而提供16个输出信号。来自各风味的信号可分离为三路，加权系数适合于所施加的3个信号的每个，然后把输出信号组合为三个轴的每个的主和正交信号。

以上实施例实现可组合成提供对任何单轴中衰落的防止的3轴信息的获取，以及实现全部三个轴中每个光敏元件1204的使用，从而提供比先前基于斑纹的光学传感器中的阵列更好的SNR以及对于混叠的更好防止。

还能够把以上方法应用于光敏元件的正方形阵列，并通过利用在阵列中采用不同空间频率的概念来获得信息的四个轴。具体来说，主要通过添加到光敏元件的更多连接，四个轴可从与图3A和图3B相似的正方形2D阵列中导出。参照图13来描述这种情况的一个实施例。

图13说明正方形2D阵列1302以及用于运动检测的四个轴的连线图。光敏元件1304的连接与参照图12所述的相似，但是这时有四个方向，并且每个光敏元件用于四个方向的每个上的主(同相)或正交信号。第一组信号线1306耦合到所有光敏元件，以便检测水平方向上的运动。第二组信号线1308经过连接以便检测垂直移动，第三组信号线1310经过连接以便检测与垂直线相差-45°的方向的移动，以及第四组信号线1312经过连接以便检测与垂直线相差+45°的方向的移动。要注意，信号线组1310和1312中的信号线比在信号线组1306和1308中保持更密集的距离。这是它们正检测与信号线组1306和1308不同的更高空间频率的指示。信号线组1306、1308、1310和1312中的每个线再次以实线或虚线图案出现。实线是该组的主或同相信号线，而虚线则用于正交信号线。符号+和-分别表示+1和-1的加权系数。

粗黑线描绘周期性图案的单位单元1314，并且单位单元中只有16个光敏元件。因此，基本上存在光敏元件1304的16种不同的“风味”，各元件的特征在于对于每个轴应用的加权系数以及它对于那个轴转到主还是正交。粗黑点同样表示相同风味或者对各轴作出同样贡献的光敏元件。在组合单风味的所有光敏元件1304之后，来自各风味的信号分离为四路并以适当的加权系数被路由到四个轴中每个的主和正交信号。

应当注意，通过在阵列上重叠多个周期性网格，这个概念可一般化为任何周期性阵列。例如，可采用各计算中的所有检测器来提取多个方向矢量，而无需添加各个加权系数。还可根据阵列中的其它周期性来对这个阵列添加更多方向；单元的风味的数量自然明显升高。

总之，已经描述了用于采用2D阵列上的亮暗图案来测量2D的位移的方法以及那个阵列的各种实施例。一般来说，该方法采用以实现对于给定位移测量应用首要的给定空间频率的简化信号处理的方式所连接的像素或光敏元件的二维阵列。可实现像素连接方案的各种实施例来允许不同(或多个)空间频率的处理。该方法允许基于2D斑纹的位移测量，其中从信号处理电子设备要求比2D相关类型装置中所需的更低功率，并且没有如同采用线性1D梳形阵列的先有装置中那样损害测量精确度。

为了说明和描述而提供了本发明的具体实施例和实例的以上描述，并且不要理解为由此进行限制。它们不是要穷举或者将本发明限制为所公开的精确形式，并且根据上述理论，在本发明的范围内的许多修改、改进和变更都是可行的。本发明的范围要包含如本文以及由本文所附的权利要求及其等效物所公开的一般区域。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.一种光学传感器，用于通过检测从表面反射的光的光学特征的变化来感测所述传感器与所述表面之间的相对移动，所述传感器包括光敏元件的二维(2D)梳形阵列，所述阵列至少包括经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第一集合的第一组合移动的第一组多个光敏元件以及经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第二集合的第二组合移动的第二组多个光敏元件；

其中所述第一和所述第二组多个光敏元件有规则地间隔，并且在所述2D梳形阵列的至少一维中具有周期性；以及

所述传感器是配置成根据来自相干光源的从表面反射的光创建的复合干涉图案的变化来感测移动的基于斑纹的传感器。

2.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述第一组多个光敏元件沿所述至少两个不平行轴的第一集合周期性排列，以及所述第二组多个光敏元件沿所述至少两个不平行轴的第二集合周期性排列。

4.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述第一和所述第二组多个光敏元件有规则地间隔，并且在所述阵列的两维中具有周期性。

6.一种光学传感器，用于通过检测从表面反射的光的光学特征的变化来感测所述传感器与所述表面之间的相对移动，所述传感器包括光敏元件的二维(2D)阵列，所述阵列至少包括经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第一集合的第一组合移动的第一组多个光敏元件以及经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第二集合的第二组合移动的第二组多个光敏元件；以及

其中所述阵列是非周期性阵列，以及其中所述第一和所述第二组多个光敏元件有规则地间隔但不是周期性的。

7.一种光学传感器，用于通过检测从表面反射的光的光学特征的变化来感测所述传感器与所述表面之间的相对移动，所述传感器包括光敏元件的二维(2D)阵列，所述阵列至少包括经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第一集合的第一组合移动的第一组多个光敏元件以及经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第二集合的第二组合移动的第二组多个光敏元件；以及

其中所述阵列是准周期性阵列，以及其中所述第一和所述第二组多个光敏元件有规则地间隔并且是准周期性的。

8.一种光学传感器，用于通过检测从表面反射的光的光学特征的变化来感测所述传感器与所述表面之间的相对移动，所述传感器包括光敏元件的二维(2D)阵列，所述阵列至少包括经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第一集合的第一组合移动的第一组多个光敏元件以及经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第二集合的第二组合移动的第二组多个光敏元件；以及

其中所述第一和第二组多个光敏元件包括排列成感测沿所述至少两个不平行轴的第一和第二集合的移动的至少一个共用光敏元件。

9.一种光学导航系统，用于数据输入装置中，通过检测从表面反射的光的光学特征的变化来感测数据输入装置相对于所述表面的位移，所述系统包括：

照明器，照射所述表面的一部分；

成像光学器件，把所述表面的被照射部分映射到光学传感器，其中所述传感器是配置成根据来自相干光源的从表面反射的光创建的复合干涉图案的变化来感测移动的基于斑纹的传感器；以及

其中所述传感器包括光敏元件的二维(2D)梳形阵列，所述阵列至少包括经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第一集合的第一组合移动的第一组多个光敏元件以及经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第二集合的第二组合移动的第二组多个光敏元件；以及

其中所述第一和所述第二组多个光敏元件有规则地间隔并且在所述2D阵列的至少一维中具有周期性。

10.如权利要求9所述的光学导航系统，其特征在于，所述第一组多个光敏元件沿所述至少两个不平行轴的第一集合周期性排列，并且所述第二组多个光敏元件沿所述至少两个不平行轴的第二集合周期性排列。

12.如权利要求9所述的光学导航系统，其特征在于，还包括前端电路，用于把所述第一组多个光敏元件的输出组合为第一同相信号和第一正交信号，以及用于把所述第二组多个光敏元件的输出组合为第二同相信号和第二正交信号。

13.如权利要求12所述的光学导航系统，其特征在于，所述前端电路还包括用于把权应用到所述输出、然后把所述加权输出合计为所述同相和正交信号的部件。

14.如权利要求9所述的光学导航系统，其特征在于，成像光学器件包括光圈，配置成提供在运动期间保留所述斑纹图案的完整性的远心成像，并且匹配所述斑纹的平均大小与所述梳形阵列的周期。

15.如权利要求9所述的光学导航系统，其特征在于，所述照明器配置成以预定入射角照射所述表面的部分，以便允许检测所述数据输入装置从所述表面抬起。

16.一种感测基于斑纹的光学传感器相对于表面的二维(2D)位移的方法，所述光学传感器包括光敏元件的二维(2D)梳形阵列，所述阵列至少包括第一组多个光敏元件以及第二组多个光敏元件，其中所述第一和所述第二组多个光敏元件有规则地间隔，并且在所述2D阵列的至少一维中具有周期性，所述方法包括以下步骤：

照射所述表面的一部分；

把所述表面的被照射部分映射到所述阵列；

采用所述第一组多个光敏元件来感测沿至少两个不平行轴的第一集合的第一组合移动；

采用所述第二组多个光敏元件来感测沿至少两个不平行轴的第二集合的第二组合移动；以及

其中感测沿所述至少两个不平行轴的第一和第二集合的移动的步骤包括根据来自相干光源的从表面反射的光创建的复合干涉图案的变化来感测移动的步骤。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，感测沿所述至少两个不平行轴的第一和第二集合的移动的所述步骤还包括以下步骤：把所述第一组多个光敏元件的输出组合为第一同相信号和第一正交信号，以及把所述第二组多个光敏元件的输出组合为第二同相信号和第二正交信号。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，感测沿所述至少两个不平行轴的第一和第二集合的移动的所述步骤还包括以下步骤：把权应用到所述输出，然后把所述加权输出合计为所述第一和第二同相和正交信号。

Claims (20)

1.一种光学传感器，用于通过检测从表面反射的光的光学特征的变化来感测所述传感器与所述表面之间的相对移动，所述传感器包括光敏元件的二维(2D)阵列，所述阵列至少包括经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第一集合的第一组合移动的第一组多个光敏元件以及经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第二集合的第二组合移动的第二组多个光敏元件。

2.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述第一组多个光敏元件沿所述至少两个不平行轴的第一集合周期性排列，以及所述第二组多个光敏元件沿所述至少两个不平行轴的第二集合周期性排列。

3.如权利要求2所述的光学传感器，其特征在于，所述阵列是2D梳形阵列，以及所述第一和所述第二组多个光敏元件有规则地间隔，并且在所述2D梳形阵列的至少一维中具有周期性。

4.如权利要求3所述的光学传感器，其特征在于，所述第一和所述第二组多个光敏元件有规则地间隔，并且在所述阵列的两维中具有周期性。

5.如权利要求3所述的光学传感器，其特征在于，所述传感器是配置成根据来自相干光源的从表面反射的光创建的复合干涉图案的变化来感测移动的基于斑纹的传感器。

6.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述阵列是非周期性阵列，以及所述第一和所述第二组多个光敏元件有规则地间隔但不是周期性的。

7.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述阵列是准周期性阵列，以及所述第一和所述第二组多个光敏元件有规则地间隔并且是准周期性的。

8.如权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述第一和第二组多个光敏元件包括排列成感测沿所述至少两个不平行轴的第一和第二集合的移动的至少一个共用光敏元件。

9.一种光学导航系统，用于数据输入装置中，通过检测从表面反射的光的光学特征的变化来感测数据输入装置相对于所述表面的位移，所述系统包括：

照明器，照射所述表面的一部分；

成像光学器件，把所述表面的被照射部分映射到光学传感器；以及

其中所述传感器包括光敏元件的二维(2D)阵列，所述阵列至少包括经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第一集合的第一组合移动的第一组多个光敏元件以及经过排列和耦合以感测沿至少两个不平行轴的第二集合的第二组合移动的第二组多个光敏元件。

10.如权利要求9所述的光学导航系统，其特征在于，所述2D阵列是2D梳形阵列，其中，所述第一组多个光敏元件沿所述至少两个不平行轴的第一集合周期性排列，并且所述第二组多个光敏元件沿所述至少两个不平行轴的第二集合周期性排列，以及所述第一和所述第二组多个光敏元件有规则地间隔并且在所述2D阵列的至少一维中具有周期性。

11.如权利要求10所述的光学导航系统，其特征在于，所述传感器是配置成根据来自相干光源的从表面反射的光创建的复合干涉图案的变化来感测移动的基于斑纹的传感器。

12.如权利要求11所述的光学导航系统，其特征在于，还包括前端电路，用于把所述第一组多个光敏元件的输出组合为第一同相信号和第一正交信号，以及用于把所述第二组多个光敏元件的输出组合为第二同相信号和第二正交信号。

13.如权利要求12所述的光学导航系统，其特征在于，所述前端电路还包括用于把权应用到所述输出、然后把所述加权输出合计为所述同相和正交信号的部件。

14.如权利要求11所述的光学导航系统，其特征在于，成像光学器件包括光圈，配置成提供在运动期间保留所述斑纹图案的完整性的远心成像，并且匹配所述斑纹的平均大小与所述梳形阵列的周期。

15.如权利要求11所述的光学导航系统，其特征在于，所述照明器配置成以预定入射角照射所述表面的部分，以便允许检测所述数据输入装置从所述表面抬起。

16.一种感测光学传感器相对于表面的二维(2D)位移的方法，所述光学传感器包括光敏元件的二维(2D)阵列，所述阵列至少包括第一组多个光敏元件以及第二组多个光敏元件，所述方法包括以下步骤：

照射所述表面的一部分；

把所述表面的被照射部分映射到所述阵列；

采用所述第一组多个光敏元件来感测沿至少两个不平行轴的第一集合的第一组合移动；

采用所述第二组多个光敏元件来感测沿至少两个不平行轴的第二集合的第二组合移动。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述2D阵列是2D梳形阵列，以及所述第一和所述第二组多个光敏元件有规则地间隔，并且在所述2D阵列的至少一维中具有周期性。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述传感器是基于斑纹的传感器，以及感测沿所述至少两个不平行轴的第一和第二集合的移动的步骤包括以下步骤：根据来自相干光源的从表面反射的光创建的复合干涉图案的变化来感测移动。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，感测沿所述至少两个不平行轴的第一和第二集合的移动的所述步骤还包括以下步骤：把所述第一组多个光敏元件的输出组合为第一同相信号和第一正交信号，以及把所述第二组多个光敏元件的输出组合为第二同相信号和第二正交信号。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，感测沿所述至少两个不平行轴的第一和第二集合的移动的所述步骤还包括以下步骤：把权应用到所述输出，然后把所述加权输出合计为所述第一和第二同相和正交信号。

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