CN101310247A - 测量对象和光学输入设备在一速度范围中的相对运动的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量输入设备和对象(15)沿至少一个测量轴的相对运动的方法和光学模块。对于每个测量轴，提供了具有激光腔的激光设备(3)用于生成测量束(13)。测量束(13)用于照射对象(15)，由对象(15)反射并且重新进入激光腔的测量束辐射在激光器中产生自混合效应并且引起激光腔操作的变化。检测器(4)用于生成代表这些变化的测量信号，而且电子处理电路(18)取决于相对运动速度选择测量信号的至少两个参数之一，以便确定相对运动的速度和方向。

Description

测量对象和光学输入设备在一速度范围中的相对运动的方法
本发明涉及一种测量输入设备和对象沿至少一个测量轴相对于彼此的运动的方法，该方法包括步骤：对于每个测量轴、使用从激光设备的激光腔发射的测量激光束照射对象表面；测量激光腔操作中的变化，所述变化归因于重新进入所述激光腔的测量束辐射和所述激光腔中的光波之间的自混合干涉，并且代表了沿所述至少一个测量轴的所述运动；以及生成代表所测得的、所述激光腔操作中的变化的电信号。
本发明还涉及一种配备了用于执行该方法的光学模块的输入设备，以及涉及一种包括这种输入设备的装置。
根据美国专利No.6707027可得知这样的方法和输入设备。该输入设备可以是光学鼠标，其在计算机配置中使用以便在计算机显示器或监视器上移动光标，从而例如选择被显示菜单的功能。像传统的机械式鼠标一样，这样的光学鼠标靠手在鼠标垫上移动。该输入设备也可以是“倒置的”光学鼠标。因而该输入设备是固定的，并且例如嵌入到台式电脑的键盘中，或笔记本电脑中，或诸如移动电话、PDA或游戏机之类的手持装置中，并且所述对象是在该输入设备的外壳中的透明窗口上移动的用户手指。在后者的应用中，该输入设备的优点得到了最佳的利用，所述优点即体积小、重量轻、成本少和功耗低。
图1是美国专利No.6707027所描述的输入设备的示意截面。该设备在其下侧包括底板1，它是用于二极管激光器(所述实施例中即VCSEL激光器)和检测器(例如光电二极管)的载体。在图1a中，仅仅一个二极管激光器3及其关联的光电二极管4是可见的，但是通常如图1b中所示(其是该设备的示意俯视图)、在底板上提供至少第二二极管激光器5和关联的检测器6。二极管激光器3、5分别发射测量束13和17。在所述设备的上侧配备了透明窗口12，例如人的手指之类的对象在该透明窗口上面移动。例如为平凸透镜的透镜10布置在二极管激光器和窗口之间。该透镜将激光束13、17聚焦在透明窗口12的上侧位置或其附近。如果对象15位于该位置，那么它就散射该束13(和17)。辐射束13的一部分沿照明束13的方向散射，而且这部分由透镜10会聚到二极管激光器3的发射表面上并且重新进入其激光腔。如后面将要阐述的那样，重新进入激光腔的辐射引起由二极管激光器发射的辐射的强度的变化。这些变化可以由光电二极管4检测到，光电二极管4将测得的变化转换成电信号，并且将该电信号施加给电子电路18进行处理。类似地，光电二极管6将测得的、二极管激光器5所发射辐射的强度的变化转换成电信号，并且将该电信号施加给另一个电子电路19进行处理。如图1b所示，电子电路18、19是彼此连接的。激光器和检测器可以进行不同程度的集成，包括单片集成。
图2说明了当使用水平发射二极管激光器和布置在激光器后平面处的监视光电二极管时，如美国专利No.6707027所述的输入设备和测量相对运动的方法的原理。在图2中，二极管激光器(例如二极管激光器3)由它的腔20以及它的前、后平面或者相应的激光腔镜21、22来示意性地表示。腔的长度为L。对象15和前平面21之间的空间形成外腔，其长度为L0。发射穿过前平面的激光束用附图标记25表示，而且由对象沿前平面方向反射的辐射用附图标记26表示。部分在激光腔中生成的辐射穿过后平面，并由光电二极管4捕获。
如果对象15沿照明束13的方向移动，那么反射的辐射26将经历时变相位延迟和多普勒频移。这意味着该辐射的频率(因而相位)发生了变化或者出现了频移。这个频移取决于对象移动的速度，其数量级为几个kHz～MHz。重新进入激光腔的、发生频移的辐射与该腔内生成的光波或辐射发生干涉，即在腔内出现自混合效应。取决于光波和重新进入该腔的辐射之间的相移量，这种干涉将是相长或相消的，即激光辐射的强度周期性地增大或减小。以此方式生成的激光辐射调制的频率正好等于该腔内的光波频率和重新进入该腔的已发生多普勒频移的辐射频率之间的差值。该频率差的数量级为几个kHz～MHz，因此易于检测。自混合效应和被反射光的时变相移的组合导致激光腔操作的变化，尤其是其增益或光放大的变化，并且使得每个腔镜处的输出功率变化。
作为对象运动速度v的函数的增益变化Δg由下列等式给出：
Δg = - K L · cos · { 4 π · v · v · t c + 4 π · L 0 · t c }
(1)
在这个等式中：
K为到外腔的耦合系数，其指示耦合出激光腔的辐射量；
v为激光辐射的频率；
v为对象沿照明束方向的运动速度；
t为时刻；
c为光速。
同对象的运动速度和运动量一样，也需要检测运动方向，即对象沿测量轴是前向还是后向运动，其中的运动量即对象运动经过的距离，其可以通过相对于时间积分所测得的速度来测量。
在提出的一种确定运动方向的方法中，利用的事实是，激光辐射的波长λ取决于二极管激光器的温度，从而取决于通过二极管激光器的电流。如果例如二极管激光器的温度升高了，那么激光腔的长度随之增大，并且被放大的辐射的波长随之增大。图3的曲线45示出了所发射的辐射的波长λ的温度(Td)相关性。
如果如图4所示、将周期性驱动电流Id(由波形50表示)提供给二极管激光器，那么二极管激光器的温度Td就如波形52所示那样周期性地上升和下降。这在激光腔中导致得到这样的光学驻波，其具有周期性变化频率，并因此具有相对于由对象反射并且重新进入该腔的辐射的连续变化的相移，所述辐射具有一定时延。在驱动电流的每个半周期内，现在存在相继的时间段，其中取决于该腔内的波和重新进入该腔的被反射辐射之间的相位关系、二极管激光器增益在这些时间段中更高和更低。这结果产生如图4中的波形54所示的、所发射辐射的时间相关的强度变化(I)。这个波形代表针对静止或非运动的对象的情况。第一半周期1/2p(a)中的脉冲数等于第二半周期1/2p(b)中的脉冲数。
对象的运动导致重新进入激光腔的辐射的变化时移，即这个频率取决于具有多普勒频移的运动的方向而增大或减小。对象沿一个方向即前向方向的运动导致重新进入辐射的波长减小，沿相反方向的运动导致重新进入辐射的波长增大。激光腔内光波的周期性频率调制的效果在于，在多普勒频移与激光腔内的频率调制符号相同的情况下，重新进入该腔的、发生多普勒频移的辐射的效果不同于在所述频率调制和多普勒频移具有相反符号的情况下该辐射具有的效果。如果这两个频移符号相同，那么所述波和重新进入的辐射之间的相差就以缓慢的速率发生变化，并且结果得到的激光辐射调制的频率更低。如果这两个频移符号相反，那么所述波和辐射之间的相差就以更快的速率发生变化，并且结果得到的激光辐射调制的频率更高。在驱动激光器电流的第一半周期1/2p(a)期间，所生成的激光辐射的波长增大。在对象后向运动的情况下，重新进入辐射的波长也增大，以致所述腔内的波的频率和重新进入该腔的辐射的频率之间的差值更低。因此，与缺少所发射激光辐射的电调制的情况相比，其间重新进入辐射的波长与所生成辐射的波长相适应的时间段的数目更小。这意味着，如果对象沿后向方向运动，那么与其中没有应用调制的情况相比，第一半周期内的脉冲数更小。在其中激光器温度降低和所生成辐射的波长减小的第二半周期1/2p(b)内，其中重新进入辐射的波长与所生成辐射的波长相适应的时间段的数目增大。因此，对于后向运动的对象而言，第一半周期内的脉冲数小于第二半周期内的脉冲数。这由图5的波形58进行了说明，该波形58示出了如果对象沿后向方向运动时所发射激光辐射的强度Ib。该波形与图4的波形54的比较示出了第一半周期内的脉冲数减小了，并且第二半周期内的脉冲数增大了。
综上可清楚得知，如果对象沿前向方向运动，其中由对象散射并且重新进入激光腔的辐射的波长由于多普勒效应而减小(对象朝激光器运动，多普勒频移为正，激光器和目标之间匹配的波数减小，激光器和目标之间匹配的波数也因激光波长的增大而减小)，那么第一半周期1/2p(a)内的脉冲数大于第二半周期1/2p(b)内的脉冲数。这可以通过比较图5的波形56来验证，该波形56代表了对象前向运动的情况下、所发射辐射的强度If。在电子处理电路中，从第一半周期1/2p(a)期间计数的脉冲数中减去第二半周期1/2p(b)期间计数的光电二极管信号脉冲数。如果结果得到的信号为零，那么对象是静止的。如果结果得到的信号为正，那么对象沿前向方向移动，并且如果所述信号为负，那么对象沿后向方向移动。结果得到的脉冲数分别沿前向和后向方向的运动速度成比例。
因此，总的说来并且如上所述，为了确定对象和设备沿测量轴的相对运动方向，提供给激光器的驱动电流是周期性变化的电流，例如具有三角形周期的电流。由于这种激光调制，所测得的信号示出了也称为“偏移频率”的更高频率，即叠加在三角形的上升和下降斜坡上的波动。如果上升斜坡上的频率等于下降斜坡上的频率，那么对象相对于设备是静止的。如果对象运动，那么取决于沿测量轴的运动方向、上升斜坡上的偏移频率大于或小于下降斜坡上的偏移频率。偏移频率的值由激光器电流的调制率以及设备和对象之间的距离确定。为了测量对象相对于设备的运动，在给定的测量时间期间确定检测器输出信号的偏移频率，即执行频率分析。对于偏移频率测量而言，可以使用例如利用比较和计数装置的傅立叶分析(FFT)或者其他频率或相位跟踪方法。
在多个上述应用中，特别是如果要在游戏机等装置中使用输入设备，那么所述设备就应该允许在宽的速度范围内测量运动，所述范围譬如为4个数量级，例如从0.1mm/s到1m/s。如果要求借助于对一个样本的频率测量来测量4个数量级范围内的任何速度，那么就应该对该样本中量级为216的大量测量点进行分析或者使其相关。这意味着，处理结果得到的数据集所需的计算处理强度非常高，而且用于单个样本的测量时间将会长得令人无法接受。这种长的测量时间的结果是，激光器驱动频率或调制率需要非常低，但这导致确定运动方向所需的频率偏移非常小。另一方面，如果运动速度大于偏移频率，那么就不可能根据这种类型的测量来确定运动方向。
因此，本发明的目的是提供一种以上定义类型的方法和设备，其允许对于每次测量，在实践可行测量时间内并以适度的计算量在宽的速度范围内确定相对运动的速度和方向。
根据本发明，提供了一种测量输入设备和对象沿至少一个测量轴相对于彼此的运动的方法，该方法包括步骤：对于每个测量轴，使用从激光设备的激光腔发射的测量激光束照射对象表面；生成代表激光腔的操作中的变化的测量信号，所述变化归因于重新进入所述激光腔的测量束辐射和所述激光腔内的光波之间的干涉，并且代表了沿所述至少一个测量轴的所述运动；取决于所述输入设备和所述对象相对于彼此的运动速度来选择所述测量信号的至少两个参数之一，并且根据所述被选择参数来确定所述运动的速度和方向；生成代表所述运动速度和方向的电信号。
根据本发明还提供了一种光学模块，用于执行测量输入设备和对象沿至少一个测量轴相对于彼此的运动的方法，该光学模块包括：用于每个测量轴的激光设备，所述激光设备具有用于生成测量激光束的激光腔；用于使用所述测量激光束照射对象表面的装置；检测器装置，用于生成代表激光腔的操作中的变化的测量信号，所述变化归因于重新进入所述激光腔的测量束辐射和所述激光腔内的光波之间的干涉，并且代表了沿所述至少一个测量轴的所述运动；电子处理装置，其用于取决于所述输入设备和所述对象相对于彼此的运动速度来选择所述测量信号的至少两个参数之一，根据所述被选择参数来确定所述运动的速度和方向，并且生成代表所述运动速度和方向的电信号。
本发明还涉及一种包括如上所限定的光学模块的输入设备。
有益地是，所述至少两个参数之一包括所述测量信号相继部分中对应的事件之间的相差，并且优选地，所述至少两个参数中的另一个包括叠加在所述测量信号上的偏移频率。在一个优选的实施例中，所述方法用于测量一速度范围内的运动速度，并且选择所述测量信号的相继部分中对应的事件之间的所述相差来为所述范围内的一组较低速度(有利地包括最低速度)确定运动速度和运动方向。优选地，选择所述偏移频率来为所述范围内一组较高速度(有利地包括最高速度)确定运动速度和运动方向。
在一个优选实施例中，将经过调制的驱动电流提供给所述激光设备，以便因此调制所述测量信号，所述经调制的测量信号在其每个周期中都包括上升部分和下降部分。优选地，取决于所述输入设备和所述对象相对于彼此的运动速度来调节所述驱动电流。有益地是，当运动速度在所述范围内包括所述最高速度的第一组速度中时，所述驱动电流包括处于第一调制率的脉冲串，并且通过将所述测量信号的上升部分的偏移频率和所述测量信号同一周期内的下降部分的偏移频率进行比较来确定运动速度和运动方向。当所述运动速度在低于所述最高速度的第一速度和高于所述最低速度的第二速度之间的第二组速度中时，所述脉冲串的调制率被有利地降低到小于所述第一调制率的第二调制率，优选地，所述第二调制率与所述第一调制率之比取决于速度的下降。与所述较高的调制率相比，这个较低的调制率提供了更高的分辨率。在这种情况下，再次有利地通过将所述测量信号的上升部分的偏移频率与所述测量信号同一周期内的下降部分的偏移频率进行比较来确定运动速度和运动方向。
当运动速度在低于所述最高速度的第一速度和高于所述最低速度的第二速度之间、并包括低于所述第二组速度中的速度的第三组速度中时，驱动电流优选包括在串内具有至少两个不同调制率的脉冲串，其中优选地通过将所述测量信号相继周期内的两个或更多上升部分或者两个或更多下降部分的偏移频率进行比较来确定运动速度和运动方向。
当运动速度在低于所述最高速度的第一速度和第二速度之间、并包括低于所述第三组速度中的速度的第四组速度中时，所述驱动电流优选地包括其间有时间间隔的多个脉冲串，并且有利地通过确定结果得到的测量信号的相继串中对应事件的相差来确定运动速度和运动方向，其中所述事件的周期性优选地大于所述测量信号的上升和下降部分的周期性。有益地是，所述脉冲串的调制率根据所述运动速度而变化，当所述速度在包括所述最低速度的速度组中时，其优选包括较低的调制率。
本发明基于这样的原理：通过使用测量信号，即来自诸如光电二极管之类的辐射敏感检测器的信号中的较大周期事件来确定运动速度和运动方向，可以明显提高针对较低速度的分辨率。针对较低和最低速度的分辨率随着相继选定事件之间的时间间隔的增大而增大。这些事件由提供给激光器的驱动电流的形状和周期性所导致，并且可以包括上升和下降斜坡、脉冲串内的相继脉冲以及相继的脉冲串。
因此，通过为最高和较高速度使用频率测量以及为较低和最低速度使用相位测量，可以测量的速度范围相对于现有技术显著增大了。
本发明的这些和其他方面根据下文描述的实施例将是显而易见的，并且将参照这些实施例进行阐述。
现在将仅通过举例的方式并参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1a为一种输入设备的示意截面图；
图1b为图1a中的设备的示意俯视图；
图2说明了图1a和1b中的输入设备的测量方法的原理；
图3说明了作为具有光学反馈的激光器的温度的函数的激光波长变化；
图4说明了用于激光器的周期性变化驱动电流的使用效果；
图5说明了如何可以检测运动方向；
图6为说明激光器驱动电流的示意图，所述驱动电流包括处于两个不同的调制率，即25kHz和12.5kHz的脉冲串；
图7为说明一种用于在使用串间操作的本发明示范实施例中使用的调制方案的示意图；
图8示意性地说明了用于本发明的示范实施例中的测量模式C的串方案；
图9示意性地说明了用于本发明的示范实施例中的测量模式B的串方案；
图10示意性地说明了用于本发明的示范实施例中的测量模式A的串方案；
图11为图形地说明可用于本发明的示范实施例中的不同测量模式的测量重复率的示意图。
因此，用于生成代表运动速度和运动方向的电信号的电子处理电路被布置为取决于运动速度来借助多种方法中的选定方法来执行所需的测量。
在第一种方法中，上述将测量信号的上升斜坡的偏移频率与同一周期的下降斜坡的偏移频率进行比较的处理用于确定运动速度和运动方向。当运动速度位于所需涵盖的期望速度范围内的最高和较高速度处时选定这种方法。此外，为了增大可以使用该方法来调节的速度范围，取决于瞬时测得的运动速度来对激光器驱动电流的调制率进行调整。因而，对于预期的最大(或“最高”)运动速度(如1m/s)，将周期性变化的激光器驱动电流(例如图5的三角形驱动电流Id)的调制率设为最大(譬如25kHz)，以便由激光调制所引起的检测器波动的偏移频率对于该范围内的最高速度是最佳的。在斜坡期间，(使用傅立叶分析或者任何其他合适的分析方法来)获取和分析一定数量的样本(譬如128个)，由此将上升斜坡的偏移频率与同一周期中的下降斜坡的偏移频率进行比较。应当理解的是，除了上述和下降斜坡之外，激光器驱动电流(并且因此，结果得到的检测器信号)的周期也可以具有恒定振幅的段，即斜坡之间的水平部分。对于小于所述最大值的速度而言，可以在譬如4个步骤内按比例降低调制率并因此降低偏移频率。例如，如果瞬时测得的运动速度为最高速度的一半，那么调制率会降低到最大调制率的一半以便以到所测得速度的合理比值来维持偏移频率。结果，获得了其中可以以准确而可靠的方式来确定运动速度和运动方向的一个量级的测量范围，该测量范围位于最高速度和在小于最高速度的量级附近的速度之间。这种位于最高速度和在小于最高速度的量级附近的速度之间的较上端速度范围内的速度在本文中也称为“较高”速度。因此，这个速度和方向确定的第一种方法被认为是最适合于最高和较高的运动速度，并在运动速度位于该范围内时由电子处理电路(或“控制器”)选用。
提出速度和方向确定的第二种方法，其用于在中间速度范围内使用，以便将可以准确而可靠地处理的速度范围进一步扩展超过一个量级。在提出的第二种方法中，将激光器驱动电流配置成脉冲串，并在串中使用了不同的调制率。参见附图中的图6，图中示出了调制率分别为25kHz和12.5kHz的两种类型的串。相继的段(斜坡)之间的相位关系取决于这些段之间的时延，在这个例子中对此缩放了2倍。因此，将不同的波动(或偏移)频率被传递给测量信号的相继周期。而不是如上述第一种方法中那样，使用同一周期的上升和下降斜坡的波动进行处理，这次使用相继的上升或下降斜坡的波动来进行处理。例如，通过使这些波动的快速傅立叶变换(FFT)结果的复相位相关来使得这些FFT结果互相关(上升-上升相位或下降-下降相位相关)。由于两个上升斜坡或两个下降斜坡之间的间隔大于同一周期的上升和下降斜坡的间隔，并且由于测量分辨率与测得结果之间的间隔成反比，因而相对于基于同一周期的上升斜坡和后续下降斜坡的频率测量(上升-下降测量)的结果，可以显著增大FFT的分辨率。这样，通过以8倍改变调制频率，其中可以准确而可靠地调节的速度范围被进一步扩展了超过一个数量级。
为了消除可能出现的其不确定度可能达到与半FFT分辨率的整数被相等的值的偏移频率，这种方法可以进一步表征为，像在上述第一种方法中那样，调整串中的不同调制率以使其对应于瞬时测得的速度。
上面两种方法使用了规则的串操作模式。在本发明的这个示范实施例中，参见附图中的图6，串应当包括至少两个循环或周期，以便该串的时长等于至少200μs(在12.5kHz调制率处)加上串之后的计算时间。
在适用于下界为所需范围中的最低速度的较低速度范围的第三种方法中，确定相继串中对应事件之间的相差，其中利用了在相继串的FFT数据之间也存在相关性这一事实。通过使用该数据，可以获得与串之间的间隔成反比的分辨率。大体上，该分辨率比根据来自一个串内的事件的相关数据而获得的分辨率好一个量级。
该第三种方法采用了第二类型的串操作，其包括测量和比较相继的串，并且将在这里称为串间(IB)测量。为了在串之间产生小的可缩放的时间间隔，通常下串将仅有两个周期，即使在25kHz的调制率处也是如此。因此，所要求的、在一对串之间的最小间隔为100～150μs。将该值与分别为25kHz和12.5kHz进行的、在40μs和80μs处的相位测量的上升-上升间隔或者下降-下降间隔相比示出，对于较小的IB间隔，可以预期相位检测区域之间存在良好的重叠。然而，为了允许测量最低速度，譬如0.1mm/s，串间相位测量之间的间距优选高达至少500μs或者甚至为1ms。相继串之间50nm位移的对象位移引起的相差约为0.35弧度，即20度。
在一般情况下，使用相位结果用于获得精细或更加灵敏的相位类型测量要求粗相位类型的标准偏差σ足够小。对于良好的测量而言，这在2～10％之间，因此3σ会是6～30％。对于灵敏的相位标度而言，这应当对应于小于π的值。这意味着，较之于精细标度，粗标度的粗糙程度不应该超过3.3倍。这在分别与粗、精细相位结果关联的间隔时间比率上放置了约为3.3的最大限制。从调制率下的U&D(相继的上升-下降段)和UU和/或DD频率测量结果开始，所述值约为2。当从12.5kHz UU/DD测量前进到25kHz IB测量时，期望比值为3.3，其对应于260μs的间隔。然后对于12.5kHz的IB测量，要求850μs的间隔。
上面的这种方法使用速度选择来组合12.5kHz和25kHz的结果。从而，原则上说使用了超出需要的更大量的辐射能量，这是因为对于串间测量而言，仅仅串间间隔而不是调制率是有关的参数。因此，可以使用高的调制率并且如附图中的图7所示、可以考虑一种替换的调制方案。在该说明的方案中，串间测量的第一串最小化为单个调制。这使得能够使用中间串结果之间的最短时间，从而总体上允许用同一频率的UU/DD结果改进该短的中间串。然后，通过将该中间串与同一频率的长中间串组合来获得速度结果，以便测量甚至更低的速度。或者替换地，用于中间串测量的串列可以包括具有逐渐减小间隔的一系列短串，继这些串之后的是产生UU/DD数据的较长串，这样，在一次测量中，可以甚至以高的调制率来准确而可靠地确定最低的速度。这种类型要求调整采样和速度选择的测量，可以用于利用50kHz的调制率处的串间测量将辐射能量以及从而将功耗限制到最小。
因此总的说来，在本发明的上述示范实施例中，对激光器串操作类型的选择基于所估计的速度。对于最高速度而言，不需要相位数据，并且以最高的调制率(譬如25kHz)进行调制是足够的。对于较高速度，仅使用了来自较低调制率(譬如12.5kHz)处的频率测量的数据，其提供了较高的分辨率。这两种模式(分别记为E、D)是正常的、单一调制率的串模式。
对于中间速度，组合来自25kHz和12.5kHz调制率测量的数据以获得相位结果，图8显示了包括25kHz和12.5kHz调制率的串方案(模式C)，通过该串方案可以以时间复用的模式驱动两个激光器。图中的每个块代表了一个完整的调制序列。对于较低速度(模式B)而言，加入了来自25kHz的串间(IB)测量的数据(参见图9的串方案)，以及对于最低速度(模式A)而言，同样加入了来自12.5kHz或6.25kHz处的串间测量的数据(参见图10的串方案)。对于较低速度和最低速度，通过使用相位信息，即通过使相继串的相位结果相关可以获得进一步的分辨率增强。图10中12.5kHz串之间的时间间隔不同于6.25kHz串之间的时间间隔。具有最大时间间隔的串提供了最佳的测量分辨率，但它们仅能用于最低速度。
因此，对于测量模式C、D和E，只有频率数据可用来进行处理。然而对于模式A和B，使用了相位数据。(来自UD、UU、DD或IB测量的)相位数据产生了以值在-π和π之间的相位形式的速度，结果其以增加的速度振荡并重复自身。这如图12所示。
上述实施例以25kH z和12.5kHz的调制率操作，但是对于其他的调制率对，例如50kHz和6kHz，可以使用同样的概念。可以调整串之间的间隔来获得不同检测模式之间的最佳重叠，从而能够以可以接受的计算量来确定具有超过4个数量级的范围内的速度。
对于本发明的上述示范实施例，下表按照串类型、时序和带宽总结了模式A、B、C、D和E的串类型定义。
  串类型A   串类型B   串类型C   串类型D   串类型E
  6.25kHz2000μs IB160μs UU/DD
  12.5kHz450μs IB80μs UU/DD   12.5kHz80μs UU/DD   12.5kHz80μs UU/DD   12.5kHz80μs UU/DD
  25kHz260μs IB40us UU/DD   25kHz40μs UU/DD   25kHz40μs UU/DD
  3.8vmax IB0.04vmin IB21.3vmax phas0.5vmin phas269vmax f12vmin f   6.5vmax IB0.3vmin IB42.5vmax phas1.1vmin phas538vmax f23vmin f 42.5vmax phas1.1vmin phas538vmax f23vmin f 538vmax f23vmin f 1076vmax f47vmin f
上面定义的每个串类型都适用于另一个速度范围。可以确定的最大速度由相位可以处理的2π跳变数(#)给出，在这个示范实施例中该跳变数最大为5。可以确定的最小速度由相位结果上至少35度的角给出。对于频率确定而言，考虑了高达32个区块(bin)的偏移。区块是(例如128点)快速傅立叶变换步骤之后获得的频率直方图中的频率范围。对于50kHz的调制而言，这种区块是125kHz；而对于6.25kHz的调制而言，它是15.6kHz。对于非相位操作而言，最小的频移是1个区块。
图11中示出了可用于不同模式的测量重复率。
下表中给出了用于不同速度(单位：mm/s)的操作模式：
  减小   增大
  A   0.8
  B   6.4   1.6
  C   72   12.8
  D   144   144
  E   290
对于模式A、B、C、D和E而言，串重复率分别为4、2、1、0.5和0.5ms。操作模式之间的切换作为速度的函数来执行。因此，出现了滞后现象，其在表中为增大和减小速度示出了这一点。该滞后对于所有模式都是相同的。如果速度选择指示了加速度误差，那么即使没有报告有效的速度或者即使当外推速度并没有预测出较高速度时，串模式也总是升高的。该表示出了模式在哪个速度处“导通”。对于速度减小，在速度0.8mm/s处执行切换模式A。对于速度增大，在速度290mm/s执行切换到模式E。操作模式升高或增大所处的速度的差异是个恒定的因子，在这个例子中，它等于2。
应当指出的是，上述实施例说明了而不是限制了本发明，本领域技术人员将能设计出许多可替换的实施例而不偏离由所附权利要求限定的本发明的范围。在权利要求中，任何置于括号中的附图标记都不应当被视为限制了这些权利要求。措词“包括”、“包含”等等并不排除除了任何权利要求或者整个说明书中列出的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在。对元件的单数引用并不排除对这类元件的复数引用，反之亦然。本发明可以借助于包括了若干不同的元件的硬件和借助于经过适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的一些可以由同一硬件项实施。在相互不同的从属权利要求中引用某些技术措施这一起码的事实并不意味着不可以利用这些技术措施的组合来获得优势。

Claims (20)

1.一种测量输入设备和对象(15)沿至少一个测量轴相对于彼此的运动的方法，该方法包括步骤：对于每个测量轴，使用从激光设备(3)的激光腔发射的测量激光束(13)照射对象表面；生成代表激光腔操作中的变化的测量信号，所述变化归因于重新进入所述激光腔的测量束辐射和所述激光腔内的光波之间的干涉，并且代表了沿所述至少一个测量轴的所述运动；取决于所述输入设备和所述对象(15)相对于彼此的运动速度来选择所述测量信号的至少两个参数之一，并且根据所选定的参数来确定所述运动的速度和方向；以及生成代表所述运动速度和方向的电信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述干涉包括激光自混合干涉。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述至少两个参数之一包括所述测量信号的相继部分中的对应事件之间的相差。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述至少两个参数之一包括叠加在所述测量信号上的偏移频率。
5.如权利要求3所述的方法，用于测量一定速度范围内的运动速度，并且选择所述测量信号的相继部分中的对应事件之间的所述相差来为所述范围内有益地包括最低速度的一组较低速度确定运动速度和运动方向。
6.如权利要求5所述的方法，其中选择叠加在所述测量信号上的偏移频率来为所述范围内有益地包括最高速度的一组较高速度确定运动速度和运动方向。
7.如权利要求1所述的方法，其中将经过调制的驱动电流施加到所述激光设备(3)，以便因此调制所述测量信号，所述被调制的测量信号在其每个周期中都包括上升部分和下降部分。
8.如权利要求7所述的方法，其中取决于所述输入设备和所述对象(15)相对于彼此的运动速度来调节所述驱动电流。
9.如权利要求8所述的方法，用于测量一定速度范围内的运动速度，其中当运动速度在所述范围内包括最高速度的第一组速度中时，所述驱动电流包括处于第一调制率处的脉冲串，并且通过将所述测量信号的上升部分的偏移频率和所述测量信号同一周期内的下降部分的偏移频率进行比较来确定运动速度和运动方向。
10.如权利要求9所述的方法，其中当所述运动速度在低于所述最高速度的第一速度和高于所述最低速度的第二速度之间的第二组速度中时，将所述脉冲串的调制率降低到低于所述第一调制率的第二调制率。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述第二调制率与所述第一调制率的比率取决于速度的下降。
12.如权利要求10所述的方法，其中通过将所述测量信号的上升部分的偏移频率与所述测量信号同一周期内的下降部分的偏移频率进行比较来确定运动速度和运动方向。
13.如权利要求12所述的方法，其中当运动速度在低于所述最高速度的第一速度和高于所述最低速度的第二速度之间、并包括低于所述第二组速度中的速度的第三组速度中时，驱动电流包括在串内具有至少两个不同的调制率的脉冲串。
14.如权利要求13所述的方法，其中通过将所述测量信号相继周期内的两个或更多上升部分或者两个或更多下降部分的偏移频率进行比较来确定运动速度和运动方向。
15.如权利要求14所述的方法，其中运动速度在低于所述最高速度的第一速度和第二速度之间、并包括低于所述第三组速度中的速度的第四组速度中，所述驱动电流包括其间有时间间隔的多串脉冲.
16.如权利要求15所述的方法，其中通过确定结果得到测量信号的相继串中的对应事件的相差来确定运动速度和运动方向。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述事件的周期性大于所述测量信号的上升和下降部分的周期性。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述脉冲串的调制率根据所述运动速度而变化，当所述速度在包括所述最低速度的速度组中时，其包括较低的调制率。
19.一种光学模块，用于执行测量输入设备和对象沿至少一个测量轴相对于彼此的运动的方法，该光学模块包括：用于每个测量轴的激光设备(3)，所述激光设备(3)具有用于生成测量激光束(13)的激光腔；用于使用所述测量束(13)照射对象表面的装置；检测器装置(4)，用于生成代表激光腔操作中的变化的测量信号，所述变化归因于至少一个测量轴；电子处理装置(18)，用于取决于所述输入设备和所述对象(15)相对于彼此的运动速度来选择所述测量信号的至少两个参数之一，根据所述被选择的参数来确定所述运动的速度和方向，并且生成代表所述运动速度和方向的电信号。
20.一种包括如权利要求19所述的光学模块的输入设备。
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