CN1256755A - 光学平移测量 - Google Patents
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Abstract
一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法,它包括:用入射照明光照明表面;探测从表面反射的光以形成至少一个探测信号;以及根据上述至少一探测信号确定平行于表面的相对运动的量,其特征在于:上述的确定包含了对垂直于表面的相对运动的影响的校正。
Description
本发明的领域
本发明涉及速度和平移测量领域，较具体地涉及关于速度和平移的非接触光学测量的方法和设备。
本发明的背景
存在着测量一个物体相对于测量系统的速度和/或运动的各种光学方法。所测量的物体的种类和运动的种类决定了各种方法和设备的特性。
可测物体的种类粗略地可分成几组，其中包括：
·有特定图案的物体，例如一个标尺。
·反射物体，例如一面反射镜。
·小粒子(或一些粒子)，例如一些前兆粒子或悬浮在液体中的气泡。
·有光学对比度的表面，例如一个线形图或点图。
·光学漫射物体，例如白纸。
可测运动的种类粗略地可分成几组，其中包括：
·面向或背向测量装置的轴向运动。
·横向(或切向)运动，其中测量装置与物体之间的距离基本恒定。
·旋转运动，其中物体相对于测量装置的方向是变化的。
根据同时可获得的测量方向的数目(一维、二维或三维)和关键元件(光源、光探测器、透镜等等)的数目来分类测量装置也是有用的。
应该指出，某一特定的方法可能与上述分类中的一个以上的组相关联。
已经报导有许多能利用光学手段进行物体横移速度和/或运动的非接触测量的系统。这些方法包括了斑纹(Speckle)测速方法和激光多普勒(Doppler)测速方法。对理解本发明有意义的其他方法有：图像测速方法、零差/外差多普勒测速或干涉方法和光学相干层析术(OCT)。
斑纹测速方法通常基于下述一些工作原理：
·用一个相干光源照明需被测量运动的物体。
·被照明物体(一般为一个不透明表面)由多个散射元素组成，每个散射元件有其自身的反射系数和相对于其他散射元素的相移。
·各个反射系数和相移基本上是随机的。在空间中的一个特定点处，由物体反射产生的电场振幅是各被照明散射元素的反射的矢量和，其中每个元素的反射矢量含有一个取决于该点与每个元素之间的距离的附加相位成份。
·当各个贡献总的是同相地相加时，一个点处的光强将是高的；当各贡献总的是反相地相加(即相减)时，一个点处的光强将是低的。
·由于各光源点的相对相位延迟与一个平面表面上的位置有关，所以在该平面上(不是一个点上)将形成一个有随机分布的亮暗区域的图像。这个图像叫做“斑纹图像”，它由一些亮和暗的斑纹(可区分的“斑纹”)所组成。
·典型的“斑纹”尺寸(强度发生明显变化的典型的平均距离)主要取决于：光的波长、物体与斑纹图像平面之间的距离、和被照明区域的大小。
·当物体相对于在其上观察斑纹图像的平面运动时，斑纹图像也将基本上以同样的横向速度运动(由于有些散射元素将离开被照明区域，另一些散射元素将进入被照明区域，所以斑纹图像也将改变)。
·让斑纹图像通过一个由一系列交替的透明和不透明或反射线条组成的结构，使斑纹图像受到调制。这个结构一般是一个纯粹的透射光栅，并且理想地放置在靠近探测器的位置处，以得到最大的对比度。
·探测器把通过该结构的光强度转换成一个电信号，该电信号是光强度的函数(通常是一个线性函数)。
·当物体相对于测量装置运动时，斑纹图像将被该结构调制，使得到达探测器的光强度是周期性的。该周期正比于结构的线条间隔，反比于相对速度。
·通过适当的信号分析可以找到振荡频率，该频率表明了物体与测量装置之间的相对速度。
在这些方法中，高精度的频率确定要求有一个大的探测器，而高对比度的信号又要求有一个小的探测器。波波夫(popov)和维塞洛夫(Veselov)的一篇标题为“Tangential Velocity Measurements ofDiffuse Objects by Using Modulated Dynamic Speckle(利用调制动态斑纹对漫射物体的切向速度测量)”的论文(SPIE0-8194-2264-9196)给出了斑纹测速方法精度的数学分析。
授予弗劳瓦(Flower)等人的美国专利No.3,432,237描述了一种斑纹测速系统，其中用一个透射图案或一个针孔来调制斑纹图像。当使用针孔时，信号将代表各单个斑纹越过针孔时的透过光强变化。
授予勃劳(Blau)等人的美国专利No.3,737,233采用了两个探测器，试图解决存在于许多斑纹速度测量中的方向不确定问题。其中说明了一个含有两个各自带有一个透射光栅的探测器的系统。一个光栅相对于它的探测器是静止的，另一个光栅相对于它的探测器是运动的。根据对两个探测器所产生的信号的比较，可以确定速度的正负号和大小。
授予毛莫(Maughmer)等人的美国专利No.3,856,403也试图通过设置一个运动光栅来避免方向不确定问题。其中通过让光栅以高于表面与测速装置之间的最大期望相对速度的速度运动，来为速度测量提供一个偏置。这一频移减小了总光强(直流和低频成份)变化的影响，从而增大了测量的动态范围和精度。
授予加德纳(Ghardner)等人的PCT公告WO 86/06845说明了这样一种系统，其中通过把斑纹探测器信号减去一个来自光源光的参考采样值以减小探测信号的DC(直流)和低频信号成份的幅度。参考信号是正比于探测器上的总光强的，从而可减小或排除总光强变化对测量的影响。
根据其中的说明，参考信号是用一个位于测量表面与主探测器之间的分束器产生的，这个分束器是用光栅实现的，其透射光射向主探测器进行斑纹探测，反射光则反射到参考探测器上产生参考信号。或者利用第二组探测器来提供参考信号。在该公开的一个实施例中，两个信号有相同的DC成份和相反的AC(交流)成份，所以它们的差信号不仅基本上除去了DC(或接近DC)的成份，而且明显地增大了AC成份。
在美国专利No.4,794,384中，杰克逊(Jackson)描述了一种系统，其中自被测表面反射的斑纹图像形成在一个二维CCD(电荷耦合器件)阵列上。通过用电子方法求出相继图像之间的相关就可找出二维方向上的表面平移。他还描述了他的装置作为“无衬垫光学鼠标器”的应用。
图像测速方法测量一个图像在图像平面上的移动速度。该图像必需含有一些有对比的元素。一个线条图案(很像光栅)对图像进行空间调制，而一个光敏探测器则测量透过该图案的光强。这样，在图像速度与探测器AC成份之间建立了速度/频率的关系。通常，线条图案是相对于探测器运动的，所以频率是被偏置的。于是解决了方向不确定问题和扩展了动态范围。
李(Li)和阿鲁加(Aruga)的一篇论文“Velocity Sensing byIllumination with a Laser-Beam Pattern(用激光束图案照明来探测速度)”(Applied Optics，32，p.2320,1993)说明了一种速度测量方法，其中物体被一个周期性线条结构照明(不是让物体的像通过这种图案)。这一线条图案是通过把一个扩展的激光束透过一个周期性透射光栅(或线条结构)来得到的。按照这个建议的方法，物体仍需要有对比的元素。
图像测速法(IV)与斑纹测速法(SV)之间有不少差别。特别是，在SV中随机图像是由相干光源强迫产生的，而在IV中则假定图像已经含有适当的对比元素。此外，SV测量的是物体的切向速度。而IV测量的是角速度(图像在图像平面内的速度正比于视线的角速度)。
在授予威特尼(whitney)等人的美国专利No.3,511,150中，线条图案的二维平移产生了一个频移。单个旋转的圆线条图案在一个圆形掩模中的一些特定长形开口处产生了所有必要的平移线条图案。利用一个测量固定图像的附加探测器可以在线地测量频移。线条图案被分成两个区域，每个区域用来测量不同的速度范围。该系统基本上是为补偿航空摄影中的像运动以减小像模糊而设计的。此外，它也可用于导弹寻的头。
授予道意耳(Doyle)的美国专利No.2,772,479说明了一种图像测速系统，其中由一个位在旋转带上的光栅产生频率偏置。
激光多普勒测速计一般利用通过对一个光源分束所形成的两束激光，并使这两束光在己知位置处发生干涉。经过干涉空间的一个光散射物体把两个光束的光散射到一个探测器上。探测器信号中有一个振荡成份，其频率与物体速度有关。这一现象可以用两种方法来解释。一种解释基于两束光形成的干涉图形。在干涉空间中的强度在亮平面和暗平面之间周期性地变化。经过这些平面的物体将散射正比于光强的光。因此，探测到的光被正比于物体垂直于这些干涉平面的速度分量的频率所调制。第二种解释考虑了这样的事实，即一个经过存在有两个光束的空间的物体将散射这两束光。每个反射光都因多普勒效应而发生频移。然而因为两束入射光的角度不同，所以它们的多普勒频移也不相同。两反射光在探测器上发生干涉，产生了拍频信号，其频率等于两多普勒频移之差。于是这个差值正比于物体垂直于干涉平面的速度分量。
通常给一个光束加以频率偏置，使得零物体速度将产生非零频的测量值。这解决了运动方向不确定问题(因为不可能区分正、负频率)并通过产生远离于DC成份的信号而大为增加了动态范围(对低速度的灵敏度)。频率偏置还有信号识别和锁定等方面的其他优点。
授予卡托(kato)等人的美国专利No.5,587,785描述了一个这种系统。频率偏置是通过在光源光束被分束之前对它进行快速的线性频率扫描来实现的。分束的方法使得在两个得到的光束之间存在时间延迟。由于频率是扫描着的，所以延迟将造成两光束间的固定频差。
通过对光源进行带有另外延迟的进一步分束，可以提取出带有不同频率偏置的多个光束。然后利用每个这种延迟来测量一个不同的速度动态范围。
马茨巴拉(Matsubara)等人的论文“Simultaneous Measurementof the Velocity and Displacement of the Moving Rough Surface by aLaser Doppler Velocimeter(利用激光多普勒测速计同时测量运动粗糙表面的速度和位移)”(Applied Optics，36，p.4516,1997)给出了利用LDV(激光多普勒测速计)测量粗糙表面横向速度的数学分析和仿真结果。其中还提议可以根据由两个与表面有不同距离的探测器同时测量的结果来计算沿轴向的位移。
在零差/外差多普勒测量中，一个相干光源被分成两个光束。一个光束(“主”光束)照明待测其速度的物体。另一光束(“参考”光束)被一个通常为反射镜的作为测量系统一部分的参考元件反射。由物体和参考元件反射的光被重新结合(通常由同一个分束器实现)并被导向一个光敏探测器。
从物体反射的光的频率因多普勒效应而移动，移动量正比于物体在主光束与反射光束的角平分线方向的速度分量。所以，如果反射光束与主光束重合，则将探测到轴向运动。
探测器敏感于光的强度，即敏感于电场的平方。如果探测器从参考路径接收到的电场为E0(t)＝E0cos(w0t+0)，从物体接收到的电场为(E0+E1)2＝E0 2+E0E1+E1 2
上式右端第一项被探测器的时间常数平均，变成一个DC成份。通常参考光束的强度远大于从物体到达探测器的光强，所以最后一项一般可以忽略不计。展开中间项：
E0E1＝E0E1cos(ω0t+0)cos(ω1t+1)
＝1/2E0E1[cos((ω0+ω1)t+0+1)+cos((ω0-ω1)t+0-1)]
从这个式子可以明显看出，E0E1含有有两个振荡项。其中一个振荡项以约两倍于光频的频率振荡，将被探测器的时间常数平均成零。第二项以频率w0-w1(即相同于因多普勒效应造成的频移量)振荡。于是，探测器输出信号包含一个能表征被测速度的频率振荡成份。
通常给参考光束加一个频率偏置。当加上这个频率偏置时叫做“外差探测”。
授予伯尔尼(Byrne)等人的美国专利No.5,588,437描述了一种系统，其中由一个激光光源照明一个生物组织。从皮肤表面反射的光用作参考光束，而从流动于皮肤下面的血液上反射的光作为零差探测光。这样，皮肤起到了靠近被测物的漫射式分束器的作用。利用皮肤作为分束器的一个优点是，身体的整体运动不会影响测量。测量到的只有血液与皮肤之间的相对运动。该系统使用了两对探测器。每对探测器都能产生一个差分信号。这有助于减小DC和低频成份对测量的干扰。一个光束扫描系统给出了二维血流图的图形。
在光学相干层析术(OCT)中，一个低相干度的光源(“白光”)被导向并聚焦于一个被采样体积内。用一个分束器把光源一部分的光导向参考光路。参考光路的光程是可控制的。从光源反射的光与来自参考光路的光用一个分束器(通常与用来分束光源光的同一个分束器)重新结合。一个光敏探测器测量结合光的光强。由于光源的相干长度十分短，所以只有从中心位于距光源的距离相同于参考光光程的点处的小体积内反射的光才与参考光发生相干干涉。从样品其他体积上反射的光不与参考光相干。参考光光程被线性地改变(通常例如以锯齿波的形式周期性地改变)。使得能在深度方向上对样品采样。此外，在测量中引入了多普勒频移，使得能在高动态范围内清楚地探测相干干涉体积。
在普通的OCT中，通过获取反射大小的深度变化，给出被采样体积的对比图像。在较先进的OCT中，探测相对于名义多普勒频率的频移，并将它和采样体积(在相干范围内的)与测量系统之间的相对速度的大小和方向联系起来。
授予史汪逊(Swanson)等人的美国专利No.5,459,570描述了一种基本的OCT系统和该系统的许多应用。
依扎特(Izatt)等人的论文“In vivo Bidirectional Color DopplerFlow Imaging of Picoliter Blood Volumes Using Optical CoherenceTomography(利用光学相干层析术对皮升体积血液的活体双向颜色多普勒液流成像)”(Optcis Letter 22，p.1439，1997)描述了一种具有速度成像能力的基于光纤的OCT。使用一个光纤分束器在光从主光路中的样品上反射之前和从参考光路中的反射镜上反射之前把光路分开，并把相反方向的两个反射光结合起来。
苏哈拉(Suhara)等人的论文“Monolithic Integrated-OpticPosition/Displacemant Sensor Using Waveguide Gratings and QW-DFB Laser(利用波导光栅和QW-DFB(量子阱一分布反馈)激光器的单片集成光学位置/位移探测器”)(IEEE Photon.Technol.Lett.7，p1195，1995)描述了一种单片全集成的干涉仪，它能测量一个反射镜到测量装置的距离的变化。该装置利用光源光路中的一个反射衍射元件(聚焦分布式布拉格反射器)作为合光分束器和本地振荡光(localoscillator)反射器。方向探测是通过一个能在各探测器信号之间引入静态相移的布局来得到的。
上述所列的每个参考性专利、专利公开和参考文献均在此引用作为参考。
本发明的概述
广义形式上的本发明提供了一种光学平移测量(OTM)方法和装置，它们能提供关于装置与一个邻近物体之间的相对平移的量以及方向(可任选)的信息。物体最好至少是部分地粗糙的，并靠近于装置。这里所用的术语“粗糙”或“漫射”意味着光学不规则或不均匀。特别地，物体可以具有漫射不透明或半透明的表面，例如纸张。本说明书主要讨论这种漫射表面的平移或速度的确定。然而应该理解，本发明的许多方法也可应用于确定其它类型物体的平移，例如可能是悬浮在液体中的小散射粒子的平移。如下面将说明的，物体的平移意味着其空间旋转可以忽略。
根据本发明一些优选实施例的第一个方面，本发明提供了对从由光学不规则表面反射的光的相位和/或振幅的变化所导出的非多普勒非斑纹图像信号的外差或零差探测。
根据本发明一些优选实施例的可应用于各种运动或速度探测方法的第二个方面，本发明提供了这样一种系统，其中把一个能反射部分入射光的反射器放置在要测量其运动的表面附近。该反射器提供本地振荡信号，该信号本征地相干于从表面反射的光。本发明的这一方面同时适用于运动探测的多普勒方法和非多普勒方法。
在本发明的一个优选实施例中，部分反射器是一个光栅，并且通过光栅来照明被测表面。在本发明的一个优选实施例中，该光栅复盖了被测表面的一个部分，并具有较大的透射率。在本发明的该优选实施例中，从表面反光要经过光栅。特别在利用本发明的第三个方面的优选实施例中，反射与部分透射的结合是有用的。
根据本发明一些优选实施例的第三个方面，提供了一种非对称的透射图案来帮助确定表面的运动方向。
根据本发明一些优选实施例的第四个方面，在部分反射器的至少一部分反射光与表面反射的至少一部分光之间引入了相移。这个相移使得能确定运动方向，增大动态范围，和改善信噪比。
在本发明的一些优选实施例中，这一相移可以是动态的，即随时间变化。这种相位变化可通过使反射器沿垂直于表面或平行于表面或者两者结合的方向运动而容易地实现。此外，可以是反射器上一个图案的运动，例如表面声波(SAW)元件中起着光栅作用的驻波的运动。从这个角度看运动的是反射器上的图案而不是整个反射器。或者，可以通过周期性地改变反射器与表面之间的光程，例如在光路中插入一个压电材料，来引入相移。
相移也可以是静态的。方便的做法是在一个光束中(或该光束的部分能量中)的各个偏振成份之间引入这个静态相移。通过测量各个探测信号之间相应的相位变化，较具体地说，通过测量各信号之间相位变化的正负号，可以确定运动的方向。
在本发明的一些用到了这个方面的优选实施例中，利用了一个偏振器来使表面反射的光发生偏振。当表面是非保持偏振的时，这一点将特别重要。
根据本发明一些优选实施例的第五个方面，提供了基于多普勒效应的，在平行于表面的方向上的表面运动探测。在本发明的这一方面中，单个光束可以一个角度入射到表面中，或者至少可垂直于表面入射。
根据本发明一些优选实施例的第六个方面，提供了利用单个照明光束和单个反射器来产生本地振荡参考光束以同时进行二维或三维的平移探测。在本发明的一个优选实施例中，使用由单个探测器所产生的信号来确定二维的平移。
根据本发明一些优选实施例的第七个方面，提供了一种空间滤波器，使得基本上仅有表面反射光中的单个空间频率成份被探测器探测。
在本发明的一些结合了这个方面的优选实施例中，空间滤波器包括一个透镜和一个设置在该透镜的焦点处的针孔。
表面的反射光最好被准直，并且空间滤波器对反射光进行滤波，使得表面反射光中仅有基本上在单个方向上的光才入射到探测器上。
根据本发明一些优选实施例的第八个方面，空间滤波器由一个“等效针孔”来实现。这个等效针孔是通过把例如从一个光栅反射或衍射的光这样的本地振荡场聚焦到探测器上来得到的。用这种方法，使得仅仅在本地振荡场的聚焦点上才得到表面反射场的放大。
利用了等效针孔的本发明优选实施例比较容易对准和具有较宽松的容差要求。当本地振荡是从一个光栅的非零级衍射光得到时将尤其是这样，这是因为在此情形下针孔的位置将与波长有关。所以当使用等效针孔而不是物理针孔时，对照明光源的波长稳定性的要求要宽松得多。
根据本发明一个优选实施例的一种装置包括一个光源，一个光栅，一个空间滤波器，一个光探测器，和一些信号处理电路。光源提供被导向表面的至少是部分相干的光，使得一部分的光从光栅反射或后向衍射，射向探测器。光栅设置在表面与光源之间，最好靠近表面。从表面反射的光与从光栅反射或后向衍射的光发生干涉。探测器信号中含有一个振荡成份，该成份代表了表面相对于光学装置的平移。参加干涉的可以是从光栅正常反射的光，也可以是光栅的任何一级衍射光。在被探测器探测之前，光最好被空间滤波。二维平移测量可以这样实现：让一个二维光栅的两个或多个正交反射级的光照明两个或多个探测器，或者分别对两个方向使用两个分开的光栅。第三维的测量可以通过对在同一轴上不同级次上测得的平移作矢量计算导出，其中使用了对同一信号的不同信号分析技术。
与平移量绝对大小的探测不同，任选的平移方向探测最好通过调制光栅位置以提供频率偏置来实现。或者可以通过改变光栅与表面之间的光程来导入频率偏置。或者，在不同的偏振成份之间引入相移，从而提供两对应探测信号之间的与方向有关的相位差。或者，方向可以用其他方法确定。
本发明一些优选实施例的第九个方面涉及到确定运动方向的另一些方法。在体现了本发明这个方面的一些优选实施例中，利用光学元件的机械运动来确定运动方向。在本发明的一些优选实施例中，设置了两个探测器。一个方向的运动将造成光栅所反射或衍射的光对其中一个探测器的照明。另一个方向的运动造成对另一个探测器的照明。
本发明的一些优选实施例的第十个方面涉及到一种利用表面反射光的多普勒频移的方法。本地振荡场由一个与运动表面成一个角度的反射表面所反射的光提供。反射表面和运动表面所反射的两束光在探测器上发生干涉，产生一个其频率正比于两表面之间的相对运动的信号。这个方法的优点是不需要光栅，并且对准精度和照明光的频率稳定性并不重要。
本发明的各种方法和装置能广泛应用于需要测量平移的应用。应用之一是“无衬垫鼠标器”，通过在例如纸张或桌面等光漫射表面上移动该鼠标器，便能有效地控制光标的运动。本发明的另一个典型应用是“触摸型指点器”，它把手指在一个装置开口上的运动转换成对光标或任何其他受平移或速度控制的实体的控制。
根据本发明的一个优选实施例，测量设备包含一个至少能提供部分相干光的光源。该光源的光被导向一个一维或二维的光栅，后者最好靠近于表面。从光栅和从表面反射发生干涉，并通过一个空间滤波器(例如一个透镜和一个位在其焦点处的针孔)被汇集到一个光探测器上。得到的信号中将含有关于光学设备与表面之间的相对平移的拍频信号。在本发明的一些优选实施例中，直接通过对振荡的探测器信号的零点交叉进行计数来测量平移量，从而不会受到速度变化所造成的误差。对于本发明的这些优选实施例，建立了基本瞬时的位置确定。
在许多应用中时需要平移的大小和方向。在本发明的一个优选实施例中，这是通过引入一个动态相移装置(例如一个压电换能器)来实现的，该装置在光栅和表面的两个反射光之间产生不对称的相移变化(典型地为锯齿状波形)，使得能简单地提取方向信息。
在本发明的另一个优选实施例中，在一个光束的不同偏振成份之间引入静态相移，并利用相应探测信号之间的结果相位差来确定方向。
或者，方向探测可以这样实现，即采用一个最好是专门设计的不对称透射图案作为光栅/阵列(例如锯齿波形透射的或这里所说明的其他形状的)，加上对探测器输出信号的适当信号处理和操作。在其他测速方法例如斑纹测速方法中同样也是用不对称透射图案来作为运动方向探测的手段。或者，还可以利用一个能根据运动方向在各探测器之间切换反射光的可机械运动元件来进行方向探测。
无斑纹的平移相干探测可以这样实现：用一个位在一个透镜的焦点处的空间滤波器(例如一个聚焦透镜和一个针孔或单模光纤的组合)收集散射光(经过光栅并被运动表面反射的光)。从表面反射的光被与一个本地振荡场(它最好是被光栅自身反射或衍射的光)相结合，这个场最好也是经过了空间滤波器的光束的一部分。与强本地振荡光光源的干涉提供了强度敏感光探测器探测到的信号的放大。这种相干探测方法叫做零差探测。
空间滤波器能把从表面反射的光在空间上集积到一个探测器上，使得从表面不同位置反射的光的相位在表面相对于探测器运动时基本上不改变。此外，表面上散射元素的相位(探测器处的)与表面平移量有线性关系。还有，理想地说空间滤波器也用来对本地振荡光过滤，使得探测器只能集积不超过本地振荡光与表面反射光干涉图中的一个干涉条纹。
在一个极端情况下，入射到表面上的光是完全准直的(即是平面波)。这时空间滤波器可以简单地是一个透镜和其焦点处的一个针孔。表面的任何平移都不会改变空间滤波器所集积的光的相对相位。由在反射器或光栅上的反射或衍射所形成的本地振荡光束也是完全准直的，所以它也能通过空间滤波器(空间滤波器的放置使得光源的像落在针孔内)这将在探测器上产生单个干涉条纹。对于反射器与表面之间的距离没有什么限制(关于空间滤波的)。
在另一个极端上，表面与反射器之间的距离可以忽略。这将允许使用基本上不是准直的入射光束，同时仍可即使在表面平移时保持从表面反射的光的相对相位，而且保持本地振荡光和表面反射光有同样的聚焦点。任选地，空间滤波器也可以用一个透镜和位于作为一个本地振荡光的光源的反射光的像平面上的针孔实现。
为了使探测器所集积的最多只有一个斑纹，针孔的大小一定不能超过由表面反射所形成的一个斑纹的大小(因此这种测量称为“无斑纹”的)。所以，如果探测器本身足够地小，它就可起到空间滤波器部分的作用，从而不再需要针孔。
探测器处的恒定相对相位和与本地振荡光的单个干涉条纹的优选条件可以用多种在光学上基本等价的方法来满足。特别地，可以用放置在来自本地振荡光反射器的光的反射之前或之后的单个会聚透镜来满足要求。或者，透镜和反射器可以结合成单个光学器件。或者，可以在分束器与表面之间放置一个准直透镜(即只有射向和来自表面的光才经过该透镜)。
非理想的空间滤波(例如当针孔太大，或当其没有位在表面的反射光或本地振荡光或两者的聚焦点处)将使信号降质，并可能增大测量的噪声。降质的程序取决于偏离理想条件的多少和类型。
在根据本发明的一个优选方法中，表面照明和参考光都用同一个光学元件(最好是一个光栅)来提供。表面光和参考光在经过装置中的大多数或全部光学元件时共用单个光路。此外，可以用光栅对射到表面上的光加上空间振幅和/或相位的调制，从而为测量表面的运动提供额外的手段。特别地，即使对于不存在多普勒频移的光栅镜面反射也能测量切向平移，而且也能做到对运动方向的识别。
根据本发明一些优选实施例的第十一个方面，一个集成的运动探测系统提供了能指明运动的大小和任选地指明运动的方向的信号。在本发明的一个优选实施例中，该运动探测系统的至少某些元件是安装在一个光学基底上的。这些元件最好包括至少一个光源和一个光学元件，例如一个能由光源光产生一个本地振荡场的光栅、反射器、或部分反射器。安装在光学基底上的还有一个探测器，该探测器被本地振荡场和从待测其相对运动的表面反射的光照明。在本发明的该实施例中，本地振荡场和被测表面反射光的场的光路长度使得两个场在探测器处是相干的。
根据本发明一些优选实施例的第十二个方面，通过补偿垂直于表面的运动的影响和补偿测量装置倾斜的影响来获得对平行于表面的运动的精确测量。本发明的这个方面特别适用于计算机控制装置，例如计算机鼠标器。
这样，根据本发明的一个优选实施例提供了一种用来确定一个表面相对于测量装置的相对运动的方法，该方法包括：
用入射照明光照明表面；
探测从表面反射的光，得到至少一个探测信号；以及
根据上述至少一个探测信号确定平行于表面的相对运动的量，其特征为
上述的确定包括对垂直于表面的相对运动的影响的校正。
上述至少一个信号最好包括至少两个信号，其中至少一个第一信号是受到了平行于表面以及垂直于表面的相对运动的影响的，至少一个第二信号是至少受到了垂直于表面的运动的影响的，并且
上述的确定包括根据两个信号来确定平行于表面的相对运动的量。
上述的确定最好包括：
根据上述两个信号中的至少一个信号来确定相对运动的一个第一量，上述相对运动的第一量包含一个平行于表面的分量和一个垂直于表面的分量；
根据上述两个信号中的至少一个信号来确定相对运动的一个第二量，上述相对运动的第二量包含一个垂直于表面的分量；以及
根据所确定的相对运动的第一量和第二量来确定平行于表面的相对运动的量。
相对运动的第二量最好不包含平行于表面的分量。
相对运动的第二量最好包含一个平行于表面的分量。
在本发明的一个优选实施例中，垂直于表面的相对运动是根据反射光的多普勒频移来确定的。
在本发明的一个优选实施例中，上述的确定包括直接根据两个信号确定平行于表面的相对运动量，而不确定垂直于表面的相对运动量。至少一个第二信号最好基本上是由垂直于表面的相对运动确定的。
在本发明的一个优选实施例中，至少一个第二信号是一个基于多普勒频移的信号。
至少一个第二信号最好与平行于表面的相对运动有关。
在本发明的一个优选实施例中，该方法包括确定垂直于表面的相对运动的量。
在本发明的一个优选实施例中，平行于表面的相对运动量的确定包括确定沿着两个非共线的方向的相对运动量。
在本发明的一个优选实施例中，照明光垂直入射到表面上。
在本发明的一个优选实施例中，上述的探测包括相干探测。该方法最好包括把来自作为测量装置一部分的一个物体的光的一部分反射或衍射成本地振荡场。该物体最好是一个部分的反射物体，入射光或反射光将经过它。最好是入射光和反射光都经过该物体。
在本发明的一个优选实施例中，该物体靠近于表面。
在本发明的一个优选实施例中，表面位在该物体的近场中。或者，表面位在光栅近场的外面。
在本发明的一个优选实施例中，该物体是一个光栅。该光栅最好基本上只产生用来照明表面的单级透射光。
照明光最好至少是部分相干的，并且该物体放置在从表面反射的光的相干长度范围内。
在本发明的一个优选实施例中，本地振荡光和反射光入射到至少一个探测器上以产生上述各个信号，并且本地振荡光和反射光在探测器处至少是部分相干的。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种设备，它用来测量该设备与一个表面之间的相对运动，该设备包括：
一个照明光源，它发出照明光来照明表面；
一个第一探测器，它接收从表面反射的来自光源的光；
一个物体，它把照明光的一部分反射到上述第一探测器上，使该探测器根据对表面反射光与作为本地振荡光的物体的反射光的相干探测产生一个第一信号；
一个第二探测器，它接收来自光源的照明而不接收从表面反射的光，并相应地产生一个第二信号；
一个信号校正器，它根据第二信号，对于照明强度的变化来调整第一信号；以及
一个运动计算器，它根据来自信号校正器的信号计算相对运动。
第二探测器所接收的来自光源的照明最好是被物体反射或衍射的光。
信号校正器最好根据第二信号校正第一信号中的一个常数项。信号校正器最好含有一个差分放大器，它接收第一信号并从中减去第二信号，以产生一个调整的第一信号。信号校正器最好含有一个归一化器，它接收调整的第一信号并用第二信号对之归一化。
在本发明的一个优选实施例中，该设备包含：
一个第三探测器，它接收从表面反射的光而不接收来自物体或光源的光，并相应地产生一个第三信号，并且
信号校正器根据第三信号来校正调整的第一信号。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种设备，用来测量该设备与一个表面之间的相对运动，该设备包括：
一个照明光源，它发出照明光照明表面；
一个第一探测器，它接收从表面反射的来自光源的光；
一个物体，它把一部分照明光反射到第一探测器上，使该探测器根据对表面反射光与作为本地振荡光的物体的反射光的相干探测产生一个第一信号；
一个第二探测器，它接收来自光源的光而不接收从表面反射的光，并相应地产生一个第二信号；
一个信号校正器，它把第一信号减去一个正比于第二信号的量；以及
一个运动计算器，它根据来自信号校正器的信号计算相对运动。
被第二探测器接收的来自光源的光最好是被物体反射或衍射的光。
在本发明的一个优选实施例中，信号校正器包含一个归一化器，它根据第二信号，对于照明强度的变化来调整第一信号。
在本发明的一个优选实施例中，该设备包含：
一个第三探测器，它接收从表面反射的光而不接收来自物体或光源的光，并相应地产生一个第三信号，并且
信号校正器根据第三信号来校正调整的信号。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种设备，用来测量该设备与一个表面之间的相对运动，该设备包括：
一个照明光源，它发出照明光束照明表面；
一个第一探测器，它接收从表面反射的来自光源的光；
一个物体，它把一个部分照明光反射到上述第一探测器上，使该探测器能根据对表面的反射光和由作为本地振荡光的物体所反射的光的相干探测来产生一个第一信号；
一个第二探测器，它接收从表面反射的光而不接收来自物体或来自光源的光，并相应地产生一个第二信号；
一个信号校正器，它把第一信号减去一个正比于第二信号的量；以及
一个运动计算器，它根据来自信号校正器的信号来计算相对运动。
在本发明的一个优选实施例中，物体是部分透射的，并放置在照明光源与表面之间，使得照明表面的光经过了物体。
在本发明的一个优选实施例中，照明光有一个相干长度，并且物体和表面位在上述相干长度内。
在本发明的一个优选实施例中，物体是一个光栅。该光栅最好基本上只产生照明表面的单级透射光。表面最好位在光栅的近场中。或者，表面位在光栅近场的外面。
在本发明的一个优选实施例中，表面反射的光和物体反射的光在第一探测器处至少是部分相干的。
根据本发明的一个优选实施例，还提供了一种用来确定表面相对于测量装置的运动的方法，该方法包括：
用入射照明光照明表面，使得照明光在表面的几个部分处反射。
利用从入射照明光导入的不是由表面反射的光作为本地振荡光束相干地探测从表面反射的光，由此形成至少两个信号；
根据两个信号中的至少一个信号确定表面的相对运动的大小；
改变至少一部分的本地振荡光相对于至少一部分从表面反射的光的相位；以及
根据由上述改变的相对相位所导致的信号特性确定平行于表面的相对运动的方向。
本地振荡光最好由入射照明光在作为测量装置一部分的一个物体上的反射或折射产生。该物体最好靠近于表面。照明光最好有一个相干长度并且物体和表面位在上述相干长度之内。该物体最好是一个光栅。该光栅最好基本上只产生照明表面的单级透射光。表面最好放置在光栅的近场内。或者，表面放置在光栅近场的外面。
在本发明的一个优选实施例中，上述的改变相位包括导入一个静态相位改变，上述的确定相对运动的方向包括根据由上述静态相位改变所导致的信号特性来确定相对运动的方向。
在本发明的一个优选实施例中，该方法包含：
把从表面反射的光分解成一个具有第一相位的第一光和一个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态。
上述的分解最好包括让入射到表面上的照明光经过一个双折射材料。或者，或附加地，上述的分解包括让从表面反射的光经过一个双折射材料。该方法最好包含把一个双折射材料放置在物体与表面之间。
在本发明的一个优选实施例中，把双折射材料放置在物体与表面之间将使被探测到的光两次经过了双折射材料。
在本发明的一个优选实施例中，该方法包含通过利用两个能产生不同的与平移方向有关的信号的探测器来确定平移的大小和方向。上述的确定平移的方向最好包括根据不同探测信号之间的相位差的正负号来确定方向。
该方法最好包含使从表面反射的光是线偏振的。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种设备，它用来确定一个表面相对于该设备的平移，该设备包括：
一个光学单元；
一个探测器，它结合在光学单元上，能响应于入射到其上的光而产生一个信号；
一个照明光源，它能产生照明光，其一部分经过光学单元被表面反射，再经过光学单元后入射到探测器上；以及
一个电路，它根据上述信号计算平行于表面的平移的大小。
该设备最好包含一个位于光学单元内或表面上的物体，它把一部分照明光反射或衍射到探测器上但不入射到表面上，上述部分起着本地振荡光的作用，以由探测器对反射光进行同步探测。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，该方法包括：
用入射光照明表面，使照明光从表面的一部分反射；
探测从表面反射的光的至少一个第一部分，形成一个第一探测信号；
探测从表面反射的光的至少一个第二部分，形成一个第二探测信号；以及
根据反射光的多普勒频移确定相对运动的量，其中第一与第二信号在相位上是正交的，并且上述探测是正交探测。
该方法最好包含根据上述第一和第二信号探测相对运动的方向。
该方法最好包含确定平行于表面的两个不共线方向上的相对运动。
该方法最好包含确定垂直于表面的方向上的相对运动。
该方法的相对运动确定最好包括对上述第一和第二信号中的至少一个信号进行零点交叉计数。
上述探测最好包括相干探测。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，该方法包括：
用入射照明光照明表面，使得从表面的几个部分反射照明光；
用一个探测器相干地探测从表面反射的光，形成一个信号；
利用从上述照明光中不是被表面反射的光导出的光作为本地振荡光，供上述相干探测使用；以及
根据上述信号确定表面相对运动的大小；
其特征为，本地振荡光被聚焦在探测器的一个小面积上，使得在探测器上基本只有反射光的单个空间频率成份才与上述本地振荡光形成干涉场。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种设备，用来确定一个表面相对于该设备的相对运动，该设备包括：
一个带有一个开口的壳体；
壳体内的一个探测器，它能产生一个可用来确定相对运动的信号；
壳体内的一个具有给定波长的激光照明光源，它通过开口照明表面，使得从表面反射的光通过开口到达探测器；以及
一个复盖在开口上的滤光器，它能透过给定滤长的光但阻挡其他探测器敏感的波长的光。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种设备，用来确定一个表面相对于该设备的相对运动，该设备包括：
一个带有一个开口的壳体；
壳体内的一个探测器，它能产生一个可用来确定相对运动的信号；
壳体内的一个具有给定波长的激光照明光源，它通过开口照明表面，使得从表面反射的光通过开口到达探测器；
壳体内的一个第二探测器，它接收从表面反射的光；以及
一个电路，当第二探测器接收到的光低于一个阈值时它将切断照明光源。
当第二探测器接收到的光低于阈值时该电路最好能周期性地接通和切断光源。
开口最好被复盖以一个滤光器，它能透过给波长的光但阻挡第一和第二探测器所敏感的其他波长的光。
在本发明的一个优选实施例中，一部分照明光照明探测器而不是首先入射到表面上，上述部分的光起着本地振荡光的作用，用于探测器对反射光的相干探测。
在本发明的一个优选实施例中，由于上述平移，反射光相对于由光源产生的光发生了多普勒频移，并且上述多普勒频移被用于确定运动。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种设备，用来测量该设备与一个表面之间的相对运动，该设备包括：
一个照明光源，用来照明表面；
一个探测器，它接收从表面反射的来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，使得探测器能根据对从表面反射的光和作为本地振荡光的照明光部分的相干探测来产生一个信号，其中上述信号具有一个与相对运动的速率有关的频率；以及
一个运动计算器，它能根据对信号的零点交叉数计算相对运动的量。
探测器最好包含一个高通滤波器，在对探测器的输出进行滤波后再形成上述信号。该高通滤波器的斜率最好小于约20dB/octave(分贝/倍频)。高通滤波器的截止频率最好对应小于约0.5mm/s的运动速率。
该设备最好包含：
一个第二探测器，它能探测从表面反射的光的至少一个第二部分不形成一个使用相干探测的第二探测信号，并且
运动探测器根据反射光的多普勒频移来确定相对运动的量，其中信号与第二探测信号在相位上是正交的，而且探测包括正交探测。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种设备，用来确定一个表面相对于该设备的相对运动，该设备包括：
一个带有一个开口的壳体；
壳体内的一个探测器，它能产生一个可用来确定相对运动的信号；
壳体内的一个具有一个给定波长的激光照明光源，它通过开口照明表面，使得从表面反射的光通过开口到达探测器；以及
一个电路，当探测器从表面接收到的光低于一个阈值时它将切断光源。
当探测器从表面接收到的光低于阈值时该电路最好能周期性地接通和切断光源。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，该方法包括：
把一个部分透射物体作为测量装置的一部分放置在靠近表面处；
用入射照明光照明表面，使得从表面的几个部分反射光，其中入射光和反射光中至少一个光的至少一部分通过了物体；
探测从表面反射的光以产生一个探测信号，其中物体与表面被定位在小于探测光的相干长度的一距离；以及
根据探测信号确定平行于表面的表面相对运动。物体的透射率在空间上最好是变化的。
在本发明的一个优选实施例中，物体是部分反射的，并且一部分入射照明光是被物体反射或衍射，成为参考照明光，而且利用上述参考照明光相干地进行光探测。
根据本发明的一个优选实施例提供了一种用于确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，该方法包括：
把一个作为测量装置一部分的部分反射物体放置在靠近表面处；
用入射照明光照明物体，使得一部分入射光被物体反射或衍射，成为一个参考照明光，另一部分则被表面反射；
利用参考照明光对从表面反射的光进行相干探测，以产生一个探测信号；以及
根据探测信号确定平行于表面的表面相对运动。
在本发明的一个优选实施例中，物体是一个部分透射物体，并且入射光和反射光中至少一个光的至少一部分通过了物体。
物体的反射率在空间上最好是变化的。该空间变化最好包括周期性的空间变化。
在本发明的一个优选实施例中，上述的把物体放置在靠近表面处包括把一个光栅放置在靠近表面处。上述的把一个光栅放置在靠近表面处最好包括把光栅放置得足够地靠近表面，使表面位在光栅的近场中。或者，上述的把一个光栅放置在靠近表面处包括把光栅放置得离表面足够远，使表面位在光栅的近场之外。
在本发明的一个优选实施例中，被探测的光至少是部分相干的。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，该方法包括：
把一个作为测量装置的一部分的光栅放置在靠近表面处；
用入射照明光照明光栅，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个光通过了光栅；
利用参考照明光探测从表面反射的光；
根据反射光产生一个信号；以及
根据探测到的信号确定平行于表面的表面相对运动，
其中表面位在光栅的近场中。
从表面反射的光最好相对于被物体反射或衍射的光发生了多普勒频移，并且运动的确定包括根据该频移来确定运动。
运动的确定最好包括确定信号振幅随位置的变化。运动最好通过对探测信号的零点交叉计数确定。
在本发明的一个优选实施例中，物体具有空间不对称的透过率特性。该方法最好包含根据由上述不对称性导致的信号特性来确定相对运动的方向。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，该方法包括：
把一个作为测量装置一部分的部分透射物体放置在靠近表面处。
用不构成一个干涉图形的入射照明光照明表面，使得照明光被表面的几个部分反射，其中入射光和反射光中的至少一个光的至少一部分通过了物体；
探测从表面反射的光，并产生一个探测信号；以及
根据探测信号确定平行于表面的表面相对运动。
该方法最好包含改变由物体反射或衍射的光与至少一部分从表面反射的光之间的相位。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，该方法还包括：
用入射照明光照明表面，使得从表面的几个部分反射照明光；
把一个作为测量装置的一部分的部分反射物体放置在靠近表面处，其中部分入射照明光被物体反射或衍射，成为参考光；
利用从物体反射或衍射的光作为本地振荡光，相干地探测从表面反射的光，以形成一个信号；
根据该信号确定表面的相对运动；
改变至少一部分由物体反射或衍射的光相对于至少一部分从表面反射的光的相位；以及
根据由上述改变相对相位所导致的信号特性，确定平行于表面的表面相对运动的方向。
把一个反射器放置在靠近于表面处最好包括把一个光栅放置在靠近表面处。
在本发明的一个优选实施例中，改变相位包括周期性地改变相位。
确定相对运动的方向最好包括根据由上述周期性地改变相位所导致的信号特性来确定相对运动的方向。
在本发明的一个优选实施例中，改变相位包括使物体基本上沿着被测运动的方向周期性地运动。
在本发明的一个优选实施例中，改变相位包括使物体基本上沿着垂直于被测运动的方向周期性地运动。
在本发明的一个优选实施例中，改变相位包括：
在物体与表面之间设置一个透明材料；以及
对该材料加电使其沿照明方向的光学长度发生改变。
透明材料最好是一种压电材料。
该方法最好包含利用单个探测器同时测量平移的大小和方向。
在本发明的一个优选实施例中，改变相位包括引入一个静态相位改变，并且确定相对运动的方向包括根据由上述相位改变所导致的信号特性来确定相对运动的方向。
该方法最好包含把至少一部分从表面反射的光至少分解成一个具有第一相位的第一光和一个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态。分解最好包括经过一个双折射材料把照明光入射到表面上。该方法最好包含使从表面反射的光经过一个双折射材料。该方法最好包含把双折射材料放置在物体与表面之间。
在本发明的一个优选实施例中，该方法包含利用两个能根据平移的方向产生不同探测信号的探测器来确定平移的大小和方向。
该方法最好包含根据不同探测信号之间的相位差的正负号来确定平移的方向。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，该方法包括：
把一个作为测量装置的一部分的带有开口的反射器放置在靠近表面处；
用入射照明光照明表面，使得从表面的几个部分反射照明光，并且照明光也被含开口的反射器反射或衍射；
利用由带开口反射器反射或衍射的光作为本地振荡光，相干地探测从表面反射的光以形成一个信号；
根据该信号确定垂直于和平行于含开口的反射器的表面相对运动。
相干探测最好包含：
探测反射光的振幅或相位变化；以及
探测反射光的频移；并且
确定相对运动最好包括：
根据探测到的振幅或相位变化中的至少一个变化来测量表面在平行于含开口的反射器的方向上的相对运动；以及
根据探测到的频移来测量表面在垂直于开口反射器的方向上的相对运动。
该方法最好包含：
沿着垂直于含开口反射镜的表面的方向周期性地运动含开口的反射器，以给从其上反射的光增添一个周期性相移；以及
利用上述相移来测量表面的运动。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，该方法包括：
用一个光源照明表面，其入射照明使得从表面几个部分向着一个探测器反射光；
对反射光进行空间滤波，使得来自表面上一个给定散射元素的探测光的相位基本恒定或与表面的平移有线性关系；
由探测器根据入射到其上的光产生一个信号；以及
根据该信号确定表面的相对运动。
照明最好包括用空间变化的照明光照明表面。
照明表面最好包括经过一个放置在表面附近并能把光反射或衍射到探测器上的含开口的反射器来照明表面。产生一个信号最好包括利用由含开口的反射器所反射或衍射的光来对从表面反射的光作相干探测。
确定相对运动最好包括利用反射光的多普勒频移。
照明表面的光最好是基本准直的，并且空间滤波器对反射光滤波，使得基本上只有反射光的单个空间频率成份被探测器探测。
照明表面的光最好是基本准直的，并且空间滤波器对反射光滤波，使得基本上只有单个方向上的表面反射光才被探测器探测。
在本发明的一个优选实施例中，空间滤波包括用一个带有一个焦点的透镜对反射光聚焦，并在透镜的焦点处设置一个针孔。
在本发明的一个优选实施例中，空间滤波包括用一个带有一个焦点的透镜对反射光聚焦，并在透镜的焦点处设置一个单模光纤，以把光传递给探测器。
在本发明的一个优选实施例中，空间滤波包括用一个透镜对反射光聚焦，并且在光源的像处设置一个针孔。
在本发明的一个优选实施例中，空间滤波包括用一个透镜对反射光聚焦，并且在光源的像处设置一个单模光纤，以把光传递给探测器。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，该方法包括：
把一个至少具有一个准连续透射率分布函数的物体放置在靠近表面处；
用入射照明光照明表面，使得表面的几个部分向着一个探测器反射光；
利用探测器探测从表面反射的光，以产生一个信号；以及
根据该信号确定表面的相对运动。
物体最好具有一个不对称的透射率函数；并且确定相对运动包括根据探测信号确定运动的方向。
由物体反射或衍射的光最好向着探测器；并且探测是利用由物体反射或衍射的光作为本地振荡光来形成一个信号的相干探测。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，该方法包括：
用照明光经过一个含开口的反射器照明表面，使得从表面反射的光照明一个探测器，该照明的光不是表面上一个点或一个部分的像。
同时用从上述入射照明光中导出的参考光照明探测器；
利用上述参考光相干地探测探测器上的反射光，使探测器产生一个信号；
根据由相对运动所导致的信号改变确定平行于表面的表面相对运动。
入射照明光最好有一个给定的波长，并且参考光也具有同样的波长，使得相干探测是零差探测。
该方法最好包含在空间上改变表面上的照明。空间上改变表面上的照明最好包括经过一个具有空间变化周期性透过率的光栅来照明表面。
空间上改变表面上的照明最好包括经过一个光栅来照明表面，该光栅能把入射到其上的一部分光镜面反射到探测器上，以形成上述参考光。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，该方法包括：
用照明光照明表面，使得照明光从表面的几个部分反射；
把一个含开口的反射器放置在靠近表面处；
利用由含开口的反射器所反射或衍射的光作为本地振荡光，相干地探测从表面反射的光；以及
根据信号的特性确定表面在平行于表面的方向上的相对运动。
相对运动最好是利用从表面反射的光的多普勒频移来探测的。
含开口的反射器最好是一个光栅，并且被该光栅衍射的光被用来确定运动。
在本发明的一个优选实施例中，照明光是垂直入射到表面上的。
在本发明的一个优选实施例中，表面是光学漫反射表面
在本发明的一个优选实施例中，表面上没有任何能指示位置的标记。
照明光最好包括可见光。或者，照明光包括红外光或包括可见光和红外光。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种设备，用来确定一个表面相对于该设备的相对运动，该设备还包括：
一个位在表面附近的部分透射物体；
一个探测器，它能探测入射到其上的光并产生一个探测信号；
一个照明光源，它用入射照明光照明物体，使得物体向探测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测器反射，而且探测器利用物体向其反射或衍射的光对从表面反射的光进行相干探测；以及
一个电路，它根据探测信号确定表面相对于设备在平行于表面方向上的相对运动。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种光学鼠标器，它包括：
一个带有一个面向一个表面的开口的壳体；以及
一个光学运动探测器，它通过开口监视表面，其中光学运动探测器利用本发明的方法来确定壳体相对于表面的平移。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用作控制装置的触摸式指点器(touch point)，它包括：
一个带有一个开口的壳体；以及
一个光学探测器，它确定一个手指在开口上的平移运动。
光学探测器最好利用本发明的方法来确定平移。
根据本发明的一优选实施例还提供了一种指针(pointer)装置，它包括：
一个根据本发明的第一触摸式指点器和一个响应于该指点器去移动一个指针的电路；以及
一个根据本发明的第二触摸式指点器和一个能响应于该指点器来引起滚动的电路。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用作计算机指针的组合鼠标器/触摸式指点器，它包括：
一个带有一个开口的壳体；
一个光学探测器，它能确定一个在开口上平移动物体的运动；以及
用来确定开口是面向上方还是面向下方的装置。
光学探测器最好利用本发明的方法来确定平移。
根据本发明的一个优选实施例还提供一种用来通过一个扫描器在一个文件上的扫描运动来读出该文件的扫描器，它包括：
一个光学读出头，它能探测文件表面上的图案；以及
一个光学探测器，它能在扫描器在文件表面上平移时确定扫描器的运动，其中的光学探测器利用了本发明的方法来确定平移。
图案最好包括印刷图案。或者图案最好包括手写图案或印刷图案和手写图案。或者，图案最好包括签字或上述图案和签字。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种编码器，它包括：
一个光学漫反射表面；以及
一个相对于该表面运动的光学探测器，其中光学探测器不利用表面上的标记测量相对于表面的相对运动。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种编码器，它包括：
一个光学漫反射表面，其上除了一些参考标记外没有其他标记；以及
一个相对于该表面运动的光学探测器，其中光学探测器根据参考标记测量相对于表面的相对运动。
表面最好是一个绕一个轴旋转的圆盘表面，并且其中探测器测量圆盘的旋转。
该编码器最好利用本发明的方法。
根据本发明的一优选实施例还提供了一种虚拟笔，它包括：
一个根据本发明的编码器；以及
一个电路，它能把上述测量到的相对运动转换成手写或图形数据。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来移动一页纸张的装置，它包括：
用来移动纸张的装置；以及
一个光学探测器，它能不利用纸张上的任何标记来测量纸张的运动。
光学探测器最好利用本发明的方法。
根据本发明的一个优选实施例还提供一种读出器，它包括：
一个根据本发明的用来移动纸张的装置；
一个读出头，它能从纸张上读出信息；以及
一个存储器，它能根据测量到的纸张运动把信息存储到存储器的相应位置中。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种打印机，它包括：
一个根据本发明的用来移动纸张的装置；
一个存储器，它含有准备打印到纸张上的信息；以及
一个打印头，它能根据测量到的纸张运动打印相应信息。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种传真机，它包括一个根据本发明的扫描器。
根据本发明的一个优选实施例的还提供了一种传真机，它包括一个根据本发明的打印机。
根据本发明的一个优选实施例还提供了一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方向的方法，该方法包括：
用入射照明光照明表面，使得表面的几个部分向着探测器反射照明光；
把一个具有不对称的透射率分布函数的物体放置在靠近探测器处；
利用探测器探测从表面反射的光以产生一个信号；
根据该信号确定表面相对运动的方向。
附图的简单说明
通过结合附图阅读下对本发明一些优选实施例的说明，将可更清楚地理解本发明，在附图中：
图1是根据本发明一个优选实施例的运动传感器的一个优选实施例的原理图；
图2是根据本发明一个优选实施例的光栅透射率分布函数的曲线图；
图3A、3B、3C是根据本发明一些优选实施例的集成式运动传感器的优选实施例的原理图；
图4是根据本发明一个优选实施例的光学鼠标器的原理图；
图5A和5B是根据本发明一个优选实施例的鼠标器/手指平移测量装置的原理图；
图6是根据本发明一个优选实施例的扫描笔的原理图；
图7是根据本发明一个优选实施例的旋转编码器的图；
图8是根据本发明一个优选实施例的光纤式平移测量装置的原理图；
图9是适用于本发明优选实施例的电子电路的简化的和一般化的方框图；
图10是根据本发明另一优选实施例的平移测量装置的简化图；
图11A和11B示出本发明的又一个优选实施例；
图12A和12B说明根据本发明一个优选实施例的一个利用一个机械切换系统来确定平移测量装置的运动方向的本发明第一优选实施例的原理；
图13A-13D说明利用一个机械切换系统来确定平移测量装置的运动方向的本发明的另两个优选实施例的原理；
图14-16说明根据本发明一个优选实施例的三种不利用光栅的平移测量装置的原理；
图17和18说明根据本发明优选实施例的另外两种基于多普勒频移来测量表面运动的运动探测器的原理；
图19A和19B示意性地示出以与图15和16所示设备相同的原理工作的并结合了图3C、17和18中的方向探测的集成结构；
图19C和19D示意性地示出使用于本发明一些优选实施例的探测器模块的细节；
图20A和20B示出根据本发明优选实施例的一个用来测量一个比较小的轴的旋转的装置的一般结构的两个视图；
图21示意性地示出根据本发明一个优选实施例的适用于减小垂直于表面的运动对测量平行于表面的运动的影响的一种探测器布局；
图22A-22D示意性地示出根据本发明一个优选实施例的确定沿表面平面的二维运动的各种探测器布局；
图23示出各种滤波技术下的光标速度与表面速度的关系曲线；
图24说明一种用于本发明一个优选实施例的衍射光栅；
图25说明第二种用于本发明一个优选实施例的衍射光栅；
图26A-26C说明根据本发明一个优选实施例的光源、探测器、和光栅的位置，其中探测器远离于表面的镜面反射光；以及
图27是一个适用于本发明一些实施例的自适应带通滤波电路的一个优选实施例的电原理图。
本发明一些优选实施例的详细说明
图1示出根据本发明一个优选实施例的用于测量表面12的平移的设备10。设备10包括一个至少是部分相干的，最好是发出准直光的光源14，例如一个激光器。该激光器最好是一个二极管激光器，例如小功率红外激光器。虽然也可以采用其他的波长，但由于在大功率下工作时红外光对人眼安全所以最好是红外激光器。该光源最好被准直。希望用准直光束是从场深的角度考虑的，但对准直的的要求并不很高。此外，如果进行了如下所述的补偿，也可以使用非准直光源。
设备10还含有一个靠近表面12的一维或二维反射光栅16。光栅16与表面12之间的距离限制如下。典型地，这一距离为几毫米或更小。在被光探测器22探测之前，从光栅16反射(或衍射)的光和从表面12反射的光最好都入射在一个空间滤波器(由一个透镜18和一个针孔20组成)上。得到的干涉将产生一个与表面运动有关的拍频信号。如图1所示，表面12基本上向所有方向反射光。为了表达清楚，在一些附图中没有画出这些光。
在图1中，入射光是以一个角度射向表面的；不过，有可能让光以光栅16的法线的方向入射。此外，虽然图1中光的入射角等于探测角，从而利用了光栅的反射光(或零级衍射光)作为本地振荡光，但同样可以利用光栅的一级或更高级衍射光。零级的优点是它是与波长无关的(波长的稳定性不重要)。入射光既可是脉冲的也可是连续的。在图1中，-1和+1级衍射光分别由代号19和21代表。被表面散射的光由代号17代表。
在图1所示的优选实施例中，用无斑纹相干探测(零差法或外差法，图1示出的是零差法)来确定切向运动。这种探测本征地带有测量信号的放大，造成高的动态范围。
用于相干探测的参考本地振荡场由靠近于运动表面放置的光栅16的反射光提供。光栅和运动表面反射的光在探测器上的干涉产生了一个与平移有关的振荡信号。把靠近表面的光栅的反射光作为本地振荡的来源可能有多个优点，其中至少有下述这些优点：
1、光栅是结合了相干零差/外差探测光学装置中的分束器和反射镜的作用的单个元件，这使得光学系统简单、不易受干扰、和几乎没有对准方面的要求。
2、当表面位在光栅的近场内时，光栅将对从表面反射的光进行空间周期性的强度和/或相位调制。这使得能利用镜面反射光(零级光)作为参考光来探测平移。
3、可把光栅的高级(±1级、±2级等)衍射光作为本地振荡场来利用表面反射光的多普勒频移探测表面的平移。非镜面反射级次的参考光与表面光之间的与平移有关的相移将产生代表平移的振荡信号。对于较高的衍射级次分辨率将会增大。
4、可以通过周期性地移动光栅位置(例如锯齿波调制)造成频率偏置来进行平移探测，这使得不仅能确定平移的大小，还能确定其方向。
5、一个二维光栅可以提供参考(本地振荡)光以及对照明表面和从表面反射的光的调制，从而可用单个元件进行两个正交平移方向上的二维横向运动测量。
6、测量不同级次的光栅光可以提供表面平移或速度矢量的不同分量。例如，对于镜面反射，可以独立于其他平移方向地测量沿垂直于光栅的轴方向的平移。这使得能实现三维平移测量。
7、利用适当的信号处理和分析，不对称的光栅透射率分布函数(振幅的和/或相位的)使得能进行所有反射级次的方向探测。
8、利用本地振荡光的相移所产生的频率偏置，加上光栅近场造成的振幅调制，使得可用单个探测器同时测量二维平移(在一个横向的或轴向的平移平面中的)。
除了与空间滤波有关的限制之外，光栅与表面之间的容许距离一般取决于光栅周期Λ、光波波长λ，光谱相干宽度Δλ、照明面积、和入射、反射光束的角度。
对于那些利用光栅反射或衍射的光作为本地振荡光的本发明优选实施例，最希望表面12与光栅16之间的距离小于光的相干长度，即小于≈λ2/Δλ，其中Δλ是到达探测器的光的光谱宽度(不一定等于光源的光谱宽度)。此外，为了保持衍射光束宽度上的相干性，光源的相干长度最好应该大于nλL/Λ，其中L是照明光束的宽度。如果需要，可以通过在光路中进行适当的光谱滤波，以限制到达探测器的光谱成份，并增大其相干长度。
对于那些在探测方案中被调制的透射率分布形状起着主要作用的本发明优选实施例，光栅与表面12之间的间距也必需在光栅的近场距离(≈Λ2/4λ)范围内。对于下述各实施例，将假定该间距属于近场范围。对于这一点不很重要的情况，该要求可放宽。
表面的相对运动可用多种方法测量。考虑下述的入射光场和光栅的透射率函数，它们分别为：
E(t)＝E0cos(ω0t)
(1)
假定光栅是一个周期为Λ的纯振幅型光栅，所以其透射率是对非负空间频率的求和，系数为实数。类似的表达式也适用于二值相位光栅或某些一般相位光栅，它们也可用来实施本发明。对于振幅及相位型光栅这样一般情形，需加上一个相位延迟项。为了说明简单，以下的说明将基于纯振幅型光栅。不过应该理解，对于本发明某些实施例而言，也可使用其他光栅，甚至更为有益。在以下的数学处理中，还省略了各部分中不重要的常数因子。
假定光源在光栅面积上照明的是平面波(即准直光束)，但这不是严格必需的，非准直性可以在系统的另一部分(例如空间滤波器)中得到补偿。为了简单，假定入射光垂直于光栅(图1中不是这样)。倾斜的入射光(相对于光栅线条的方向或其垂直方向)基本上将给出相同的结果，只是反射角有所改变。这样，光栅场含有一系列反射的衍射级次，它们相对于镜面反射成份(零级)对称分布，并服从角度条件(对于第n级)：
sin(α)＝nλ/Λ.
(3)
如图1所示，位于探测器前方的一个空间滤波器最好由一个聚焦透镜18和一个位于透镜焦点处的小针孔20组成。这个空间滤波器最好被调节得只选出一个空间频率成份到达探测器。针孔可以用一个具有类似芯径和能把光导向一个远地探测器的单模光纤替代。空间滤波器最好被对准得能使某一个衍射级到达探测器，如下所述，这个衍射级的光将用作对反射光的零差或补差探测的本地振荡光。本地振荡场为：
ELO(t)＝Encos(ω0t+n)
(4)
从运动表面反射的与第n级衍射光有相同方向的反射场由一个积分表示，积分范围是由表面的许多独立反射元素所组成的被照明表面面积。通过对平行于光栅线条的方向(y)和对垂直于表面的方向(对应于渗入到表面内的光)的积分，给出反射场的表达式为：
其中r(x)和φ(x)分别是与位置有关的表面振幅反射率和相位反射率。假定在测量过程中反射率与时间无关，并且r和φ都是位置x的随机变量。表面从其初始位置算起的平移为p(t)，且p(0)＝0。周期性相位项2πnx/Λ起因于以角度α(sin(α)＝nλ/Λ)的反射。积分限为从x1至x2，它们均取决于照明面积。
把积分变量从x变换为x-p(t)，这相当于把表面看作是静止的，而光栅相对于一个参考坐标系移动：
现在积分限变为从x1-p(t)至x2-p(t)，从而是与时间有关的。把A(x)用其傅里叶级数替代，并令φn(x)＝
φ(x)+2πnx/Λ，则有：
表面上的散射元素的(光学)相位与平移p(t)有线性关系，即φ＝φn(x)+2πnp(t)/Λ。对于镜面反射(n＝O)，该相位是常量。
反射场和本地振荡场都到达探测器上。探测器测量的是正比于场的平方的强度，其表达式为：
I(t)＝(ELO(t)+Er(t))2＝ELO(t)2+2ELO(t)Er(t)+Er(t)2
(8)
假定本地振荡场远大于反射场；ELO＞＞Er，并且探测器的积分时间远大于光波周期但远小于Λ/nVmax(其中max是最大可测速度)。对光频的积分将只给出一个直流分量，而另外的变化量则是瞬时测量的。在这些假设下，第一个强度项变为一个常量ILO＝0.5E2 LO，第三个强度项可以忽略，即Ir＝O.5Er2＝0。在本发明的该优选实施例中，由于光栅的反射光只有一些特定的很窄的级次，而从漫反射表面反射的光则散射在大的角度范围上，所以本地振荡场与反射场的强度比本征地是大的。
虽然下面的讨论假定了第三项为零，但即使只存在第三项，也即当不让表面反射的光与光栅反栅或衍射的参考光相结合时，仍有可能利用空间透射率调制来测量平移。这可以(如果希望的话)通过选择一个位在各光栅级次之间的角度来做到。这确实具有可大为放宽对准条件(只要求光位在空间滤波器的焦平面上)的优点，但一般其精度较差而且信噪比较小。
本地振荡场在信号探测的第一阶段中起着一个非常强的放大器的作用。从这方面来说，由于本地振荡场的噪声将直接转移给探测信号，所以强烈希望这个场的噪声尽量地小。
测得的交叉项等于；
Is(t)＝Encos(ω0t+n)Er(t)
(9)
把振荡场项cos(wot)移进Er(t)的积分号内，应用余弦的积化和差公式cosαcosβ＝0.5(cos(α+β)+cos(α-β))于式(7)最右端的余弦项，将得到一个两倍于光波频率(2ω0)的强度成份和另一个具有缓变相位的强度项。由于探测器的时间响应，快速振荡成份将平均成零。剩下的信号为：
交换求和号和积分号，每一项对和值的贡献为：
假定C0，C1＞＞{Cm，m＞1}。这一要求使我们能在光栅的各个谐波项中只集中在两个项上，即m＝0和m＝1的项上。对于这两个项我们可以写出： 
现在把注意力只集中在光栅反射和衍射的光波中的一些特定衍射级次上，即n＝0(镜面反射)方向和n±1的方向上。
对于镜面反射项，m＝0项的贡献为： 对于一个亮度均匀的漫散射表面来说，这一项将接近常量，并随 cos(2πp(t)/Λ)Ic(t)+sin(2πp(t)/Λ)Is(t)≡I(t)cos(2πp(t)/Λ+θ(t))(15)
其中强度I(t)和相位θ(t)来自对对应于漫反射表面在空间频率1/Λ处的振幅和相位反射的随机变量的积分。对于单个反射元素大于空间波长Λ的漫反射表面，贡献来自颗粒的边界；而对于具有小颗粒尺寸的漫反射表面，将对所有小于l/d的空间频率都有强的贡献，其中d是平均颗粒尺寸。
这些“随机游走”变量的变化率取决于一组给定反射中心{Xi}被一组新中心取代所需的平均时间(后者又与上述积分区域的变化有关)τα(x1-x2)/v＝L/v，其中v是瞬时间速度，L是光栅被照明的尺寸。如果有大量的光栅周期被照明使得L＞＞Λ，则将得到具有缓慢变化的统计振幅和相位的快速振荡。平移测量的误差正比于Λ/L并与速度无关。
总之，对于镜面反射平移测量：
1、探测器输出中的测量信号以频率v/Λ振荡。对该信号的探测和零点交叉计数将直接给出测量值，假定平移的方向在测量时期内没有改变，则每次零点交叉对应于Δp＝Λ/2的平移。
2、测量信号的振幅和相位是缓慢变化的统计系综求和值。测量的相对精度正比于Λ/L，L为照明的光栅尺寸。
3、表面与光栅之间的间距最好应该既小于近场距离(≈Λ2/4λ)，又小于到达探测器的光的相干长度(≈Λ2/Δλ)。
与镜面反射不同，一级反射光还带有多普勒相移。再次考察m＝0，1空间频率成份的贡献得到：
如式(15)一样，利用对式(16)中的余弦项的分解，得到：
Is，0(t)＝I0(t)cos(2πp(t)/Λ+θ0(t))
(18)
对m＝1项的表达式进行类似处理，式(17)变为：
Is，1(t)＝I1(t)cos(4πp(t)/Λ+θ1(t))
(19)
等式(19)略去了加在平均探测器信号(“直流”成份)上的慢变项。对等式(16)-(19)的分析表明，如果Co＞＞C1，则一次信号零点交叉对应Δp＝Λ/2。而如果Co＜＜C1，则零点交叉对应Δp＝Λ/4。这一结果可以推广到其他反射级n＞1，即如果Co＞＞C1，则测量信号将按np(t)/Λ振荡。对于|n|＞1，C1相当于Co振荡两个侧边带中的振荡，如同较高频率信号的振幅调制一样。注意，m＝0项不需要近场条件，所以通过把至运动表面的距离固定得大于近场极限≈Λ2/4λ(但最好仍小于相干长度≈λ2/Δλ)，m＝0项的贡献将占主导地位。或者，即使在近场范围内也最好采用Co＞＞C1的光栅透射率函数。
在一种优选的多普勒模式工作中，利用一个光栅把入射照明光向探测器衍射来产生本地振荡场。不过在透射光中同样也会有一些衍射级项(例如当使用纯振幅型光栅时)。这些衍射级次可能甚至在光栅的近场外部造成对表面的多束光照明，并且从表面向探测器反射的光也会衍射成多束光。于是，每个探测器将探测到多个多普勒成份，每个成份对应着一些透射和反射级次与照明探测器的本地振荡场的干涉的组合，形成了“光学窜扰”。
在本发明的一个优选实施例中用单个光束照明表面，从而避免了上述“光学窜扰”。类似地，也希望从表面反射的光不要被光栅衍射。所以，应该使光栅的非零级透射光最小化，最好能消除这些光。一个衍射光栅最好能用各级次的反射光来产生各个本地振荡场，并被设计得基本上只有单个透射级次(也即用单束光照明表面，从而在表面上不构成干涉图案)。还有，希望从表面反射的光在通过光栅射向探测器时，不发生前向衍射。
参见图24，其中示出了一个体现了这一原则的示例性衍射光栅800。假定该光栅是一个浸没在一个折射率为ns的媒质中的二值相位光栅，其折射率为ng。该光栅最好具有深度为h的一些方形槽802。对于正入射的照明光804而言，从光栅内表面806反射的光的相位差为Pr＝2ng·h/λ，而透射光束808的相对相位差为Pt＝(ng-ns)·h/λ。当Pt是一个自然数时将得到可忽略的高级次透射光，所以最小槽深为h＝λ(ng-ns)。同时，反射效率取决于反射光的光学相位差，消去槽深后它是Pr＝2ng/(ng-ns)。如果假定光栅的透射一侧是空气(ns＝1)，并使零级反射最小(Pr＝M+1/2，M为自然数)，则有ng＝(M+1/2)/(M-3/2)。例如，若M＝5，波长为850nm，折射率ng≌1.57，则约1.5μm的槽深将造成最佳的后向衍射效率和理想地只有零级透射光。
图25示出制作基本上只有零级透射光并至少有第一级后向衍射光的光栅810的另一种方法。根据本发明的一个优选实施例，一个相位型衍射光栅812被镀以一个金属(或介质)层814，这个镀层起着具有受控反射系数的部分反射器的作用。这个镀层例如可以通过把镀层材料溅射或蒸发到光栅表面上来制作。镀层814的另一侧用折射率基本与光栅材料相同的光学媒质816充填。方便的做法是，这个材料816可以是一种把光栅粘结在一个偏振器，一个波片，或一个保护玻璃片(图中用代号818表示)上的光学胶，或者，也可以是一个模铸的环氧树脂结合元件816和818。
在这种结构中，光栅对透射光造成的任何光程差都将被光学胶中的相应光程差补偿，使得在这个复合结构出射处的波前相位不被改变。于是基本上不存在零级以外的透射级次。另一方面，由于在镀层814的不同地点，例如在槽802的内边缘820和外边缘822处，有不同的相位，所以仍可得到后向衍射光。
图25所示方法的一个优点是，通过改变镀层814的反射率和透射率可以容易地控制光栅的反射(即后向衍射)功率和透射功率。这个效应例如可以用来使信噪比最大并把光强限制到对人眼安全的水平。
图25所示的消除光栅透射衍射光的方法也适用于复杂的相位分布，不只局限于二值相位光栅。它还可应用于那些希望能独立地控制透射光和反射光的衍射透镜和其他衍射光学元件。还可以利用位在光学元件另一个外表面824上的第二个衍射或折射特性来改变透射光。
与Co振荡场相关的频率取决于横向和轴向(垂直方向)的平移分量(见下面的说明)。反之，通过C1成份的振幅调制则仅仅取决于横向分量。当Co振荡的频率足够高时，该频率可以用上述有关频率的技术来测量，同时可以通过探测振幅调制频率来测量横向平移分量。这样便可以只用单个探测器来实现二维平移测量(包括垂直于表面平面的运动，即轴向平移)。
通过对参考信号加以频率偏置，可以使载频与振幅调制频率之间的比值变大，从而改善测量精度和能够探测平移的方向。还有，利用光栅的镜面反射光作为本地振荡光，使得能清楚地区分横向平移分量(由振幅调制表征)和轴向平移分量(由载频的相位或频移表征)。
此外，为了探测横向平移的方向，可以结合相移和光栅的不对称的透射率分布(例如锯齿形的)。或者，也可以通过移动光栅束进行二维的方向探测，或者如下面将更详细地说明的，也可以采用静态的相位改变。
本质上，对于本发明的各个非镜面衍射实施例来说，都是选择了两个准平面波供探测器探测。其中一个波来自光栅的第n级衍射。另一个平面波则是由从表面反射光中选出一个平面波(利用空间滤波器)来产生的。
关于利用非镜面衍射(为了讨论明晰，同时假定速度恒定)的平移测量可作如下总结：
1、探测器输出中的测量信号以频率nv/Λ振荡，其中n是衍射级次。对该信号的探测并作零点交叉计数将直接给出平移的测量值，假定在测量过程中平移的方向没有改变，则每次零点交叉对应于Λ/2n的平移。
2、测量信号的振幅和相位是缓慢变化的统计来综和值。测量的相对精度正比于Λ/nL，其中L是光栅被照明的尺寸，该尺寸最好大于nλL/Λ。
3、表面与光栅之间的间距最好应该小于到达探测器的光的相干长度λ2/Δλ。
虽然随时间变化的绝对平移量|P(t)|可被十分精确地测量，但其方向最好用下述方法之一来确定。
在本发明的一个优选实施例中，方向可以通过在参考(本地振荡光)场与反射场之间加上附加相移来确定。这个附加相移例如可以通过让光栅向着或远离表面运动来实现。由于这一运动不会改变入射到表面上的场的相位，所以从表面反射的场与前述的没有不同。然而，由于这个与光栅位移d(t)有关的运动，本地振荡场将得到附加的相移。
通过使d(t)为一个周期性锯齿函数，可以做到保持光栅与表面之间的间距几乎不变并在反射场与本地振荡场之间引入一个固定的频移：
其中τ是锯齿波的时间周期，固定锯齿波的振幅使得能给第n衍射级的反射光以2π(或2π的整数倍)的相移。由于这一运动造成的频移为τ-1，如果保持τ-1＞nv/Λ，则可以根据探测器信号振荡的频率τ-1+nv/Λ肯定地确定运动方向。或者，通过对探测信号中的零点交叉计数并把计数结果减去同时对振荡频率τ-1的计数结果也可以直接确定平移量(正的和负的都可以)。
如果锯齿波的振幅不理想(即不对应于波长的整数倍)也仍能确定方向，只是公式较为复杂。这里所用的“锯齿”这个术语包括了这种非理想的变化。
在本地振荡场与表面的反射场之间引入周期性相移的另一种方法是调制光栅与表面之间的光路长度。这最好利用一个设置在光栅与表面之间的透明压电元件来实现。
另一种为探测平移方向而破坏正负相对平移之间的对称性的方法是采用有不对称透射率函数(振幅和/或相位)的光栅。为了简单，假定与其线条沿着平移方向的间隔相比光栅尺寸很大，并且通过光栅照明了K个点状散射元素。进入或离开照明区域的散射元素可忽略(在全面的处理中它们将表现为一个噪声因子)。经过与本地振荡光(这里没有频移)相干涉和滤去了光波频率之后，得到的信号为：
其中ri、xi和φi分别是散射元素i的反射率、位置(t＝0时的)、和相对相位(相对于本地振荡光的)。对于漫反射物体而言这些量都是随机变量。探测器信号的这一表达式将用于下述的方向探测机制。
对于镜面反射：
假定p(t)＝vt，也即在确定平移方向的积分时间内表面速度的变化比较小。于是接收信号的一阶和二阶导数为：
假定A(x)的结构使得
。在本特定情况下很明显有Is ″(t)＝ηv·Is ′(t)。于是，可以从探测器信号的一阶与二阶时间导数的比值推导出平移速度的大小，更重要的是，可导出平移速度的正负号即平移的方向。
如果不能假定在探测方向的积分时期内速度是恒定的，则可以对测量的平移量(可以通过零点交叉计数或另一个并行工作的精度较高的探测器得到)进行求导。如果只需要知道方向(而不是速度的大小)，则只需判断一阶导数与二阶导数有相同的正负号(某一方向)还是有不同的正负号(相反的方向)。进行了对导数的符号探测之后再作一个简单的XOR(异或)探作将在η与V有相反符号时得到“1”，在r与V同号时得到“0”。
满足恒定导数比的A(x)的一个例子是下述这样的指数函数组合：
上述分布图案以周期Λ重复。很明显，如所希望的，这个图案的一阶与二阶(实际上所有阶数的)导数有一个恒定的比值r＝-γ/Λ。不过，在Λ/2整数倍处的奇异点将给测量带来“噪声”。随着散射元素数目的增多，这些奇异点将增加误差的概率，这是因为当有一个散射元件经过时在接收信号中就出现一个奇异点。随着方向探测积分时间的增大，可以相对减少噪声的贡献。
假定这个分布图案是表面上的照明光强度。于是近场的要求比仅按n＝0的镜面反射测量平移大小时的要求严格。图2示出一个假定的透射率分布，其中γ＝5。其实现方法可以是让光栅有部分反射/透射性质，并且振幅透射函数如图2所示。
对于透射率分布的一个较宽松的要求是两个导数有恒定的符号关系(即，它们不是准确的正比关系，但它们比值的符号在整个分布上是恒定的)。这时仍能对单个散射元素保证方向探测，但随着散射元素数目的增大，误差概率要高于前述情况(即使不存在奇异点的因素)。
对于高级次的衍射(|n|＞＞1)可以作出类似的分析。为了简单，再次假定表面以恒定速度V运动。等式(21)可以看作是频率为nv/Λ的载波的各个振幅调制信号之和值。
现在假定A(x)不对称(例如锯齿波形)。对于|n|＞＞1，探测器信号的包络将在“正”方向平移时与透射函数相匹配，在“负”方向平移时与透射函数的镜像相匹配。于是，如果散元素数目较少(其极限值取决于光栅级次n)，则平移方向可以由探测器信号包络的一阶导数的符号代表。此外，包络导数的大小正比于平移速度的大小。
不对称的透射率分布使得在斑纹测速中能测量方向。由一个随机斑纹图形产生的探测器信号在经过了一个强度透射率分布为A(x)的靠近探测器的光栅的滤波之后，可表示为：
其中ri和xi分别是第i个“斑纹”的强度和位置，p(t)是表面的平移，假定速度恒定，p(t)＝vt，则探测信号的时间导数为：
由于强度γi为正值，所以如果dA/dx为常量，则探测信号的导数表明了平移的方向。这样的分布可以用锯齿形透射率分布图案来实现。图案中的不连续点给测量添加了噪声，为了限制误差概率，需要采用适当的积分域。运动速度由探测信号的振荡频率确定。
当然，作为OTM(光学平移测量)装置的补充部件，也有可能利用机械的或其他的装置(例如加速度计)来确定运动的方向。
如前述，光源振幅的起伏会通过本地振荡场直接转移到接收到的信号中。为使这种噪声最小化，根据本发明的一个优选实施例将探测一正比于光源振幅的信号，并从探测器信号中减去测得的信号(称为“补偿”探测器和“补偿”信号)。这一探测例如可用下述方法实现：
·用一个分束器(不需精确对准)对光源光束分束，并把分出的光束导向补偿探测器，或者
·把从光栅衍射的多个光束中的任一束光导向补偿探测器，而不对其进行空间滤波(但可能有明显的衰减)。方便的做法是采用不是用于空间滤波测量的光栅级次，例如把1级用于空间滤波测量，把0级用于光源噪声补偿。
·把一个或几个光栅级次导向一个或几个补偿探测器，并用一个偏振器挡住从表面反射的光，如将参考图19D所详细说明的那样。
补偿探测器的输出被放大(或衰减)，使得当表面没有相对于装置运动时(或者当“窗口”被一个不透明的盖子盖住时)差值信号尽量接近于零，从而补偿本地振荡功率的起伏。
式(8)所示的探测强度(和得到的探测信号)包括一个本地振荡成分ELD 2·(Eo 2)，一个交叉项EoEr，和一个二次的反射项Er2。
为了补偿Er成分的系数Eo的变化，可以把补偿探测器的信号作为信号放大中某一放大级的可控增益放大器的控制电压(在减去Eo2成份的第一次补偿之后)。该增益应近似反比于补偿信号的平方根。
为了得到最高的信号质量，最好也要补偿Er2。对于那些使用“等效针孔”(下面将说明)来空间滤波表面反射光的本发明实施例来说，这可能是特别有用的。在该实施例中，对Er2成份进行积分的探测器曝光面积可以远大于“等效针孔”的面积。Er2成份可以用一个不是探测本地振荡场的探测器来补偿。补偿探测器可以放置在基本上没有任何光栅级次照射在其上的地点。或者，也可以只探测实际上挡住了本地振荡场的偏振光。这例如可以通过在探测器前面放置一个偏振器来实现。
Er2成份的变化一般由表面上的对比度变化引起，这例如又起因于对不同颜色光的反射系数不同。不过，高反射率表面(例如多层纸)的反射率还对镜面反射角附近的微小反射角变化敏感，如图26A所示，为了说明的简单，图26A-26C示出的是光源832垂直照明光栅830的情况，另外，除了表面836之外只示出了一个探测器834。为了减小Er2成份的变化，最好把光源和探测器布置得使后者远离于表面的镜面反射，如图26B所示。或者，可以通过使光栅相对于表面平面向探测器方向倾斜几度来避免表面向探测器的镜面反射，如图26C所示。不过必须考虑倾斜角对多普勒频移的影响。最好利用Z分量(例如参考图21所说明的)来明显减小测量对倾斜角精度的敏感性。
图3A示出根据本发明一个优选实施例的平移探测器的一个优选实施例，其中利用了零级光探测并且不带有方向探测，或者其中的方向探测是利用不对称光栅透射率分布加上适当的信号分析来实现的。图3A示出的是一种适合于批量生产的集成光学芯片或平移装置30。它只采用了少量能以低成本大量制造的元件。装置30含有一个激光二极管32，它最好是一个单横模激光器。从激光二极管32发出的光最好被一个透镜34准直，该透镜34最好是一个蚀刻或淀积在一个玻璃、石英之类的光学芯片基底36的表面上的衍射型准直透镜，其两侧除了一些指定区域之外最好还镀有消反射镀层。在光学芯片基底36上还带有一个振幅和/或相位型的光栅38。该光栅38最好是蚀刻或淀积在基底36的下表面上的。由光栅和表面42反射的光又被两个反射面40和41反射，并被一个透镜44聚焦，该透镜44最好是一个蚀刻在基底36表面上的反射衍射型聚焦透镜。光再被反射面45反射。一个形成在透镜44的焦点处的反射/挡光层针孔46只让来自表面42的一个平面波和光栅38的反射光通向一个探测器50，该探测器50例如是一个PIN型光电二极管或类似器件。最好在透镜44后面放置一个补偿探测器52，探测一部分从光栅38反射的光。利用一个控制器54来确定表面的平移或速度，该控制器54包括一个用来激励激光二极管32的激光二极管驱动器/调制器、探测放大器，以及零点交叉计数电路或频率探测装置。补偿探测器52提供一个正比于本地振荡光振幅的补偿信号，用来减小激光器输出变化的任何残余作用。为了减小噪声，最好用双铰线、屏蔽线、或共轴电缆来运载传向和来自控制器54的信号，为了防止损坏光栅38和保持光栅与表面间距的良好恒定性，该设备最好设有能让其放在表面42上的几个脚或环状支座或类似支座。
图3B示出本发明的另一个优选实施例，它包含了利用对本地振荡场的相移和光栅的一级衍射光的方向探测。图中与图3A起相同作用的元件用相同的代号表示，在图3B所示的装置60中，从激光二极管32发出的光被一个透镜62准直，射向光栅38。光栅38最好安装在一个压电环64上，后者又安装在光学基底36上。如上所述，为了进行方向探测，可激励环64来对本地振荡场(从光栅38衍射的光)加上一个可变的相位。在图3B所示的实施例中，用于平移和方向探测的信号和用于补偿的信号两者都是利用光栅38的一级衍射光来探测的，只是它们的正负号相反。最好在适当的地方都镀上消反射镀层，以减少不希望有的反射。
由于集成光学芯片能低成本地大量制造，所以它是一种优选的方案。图中只示出了一个探测器用于单个方向，最好还用第二个探测器来测量其正交方向。所有的光学元件—透镜、光栅、反射镜、针孔—都是蚀刻或淀积在光学基底上的，并且根据其功能可以是反射的或透射的。系统中的分立元件—激光器、探测器、和压电传感器—安装在芯片的顶部。控制器54的各电子元件也可制作或安装在芯片的顶部。
应该理解，图3A和3B的各个特征可以混合和结合起来。例如，如果在图3A中把光栅38安装在一个例如环64这样的传感器上，则该装置将可工作于镜面反射(零级)模式并增大动态范围，还有可能附加地探测轴向平移。此外，有可能用一个不对称光栅来替代图3B的光栅38和环64以进行方向探测。对于本发明的这些和其他优选实施例，熟悉本技术领域的人们可以结合本发明的各种特点。
图3C示出根据本发明一个优选实施例的又一种确定方向的方法。图3C的装置70与图3B的装置60类似，只是这里光栅38被设置在芯片36的下表面上，并且用双折射板66取代了压电环64。光源32产生偏振方向与板66的双折射轴方向成45°角的线偏振光。从表面反射的光两次经过板66后将包含两个光波，它们的偏振方向都与从光栅38反射或衍射的光的偏振方向有45°的夹角。理想情形下这两个光波的相位差为90°。
此外，最好在探测器50前面放置一个偏振分束器68。其光轴使得一个偏振成份向探测器50透射，而正交的偏振成份则向探测器67反射。再有，分束器68分别把从光栅38反射或衍射的光的一半导向探测器50和67。由探测器67和50探测到的信号将有90°的相位差。该相位差的正负号可以用来确定运动的方向。
或者也可以用一个部分反光镜把光分成两部分，同时在两个探测器前面分别放置互相正交的偏振器，从而把两种偏振态分开。
光栅的照明光最好是准直的。不过也可以使用非准直的照明光，这时光栅的衍射光将是有像散的(即不再有单一的焦平面)。最好能补偿这一效应以使空间滤波效果最佳。方便的做法是设计一个或几个透镜来校正光栅的像散。或者，或附加地，光栅自身可被设计得含有像散校正。在其他被非准直光照明的衍射元件中也可期望有类似的像散效应和校正。
虽然上述各实施例中所说明的本发明是用来解决一般的平移测量问题的，但其方法也适用于大批量生产。本发明光学平移测量方法的一个特殊应用是一种新颖的光学光标控制装置(鼠标器)，它从在几乎任何漫反射表面，例如纸张或桌面，上的运动推导出其平移信息。根据本发明一个优选实施例的这种装置的设计示于图4。一个光学鼠标器80含有一个“光学芯片”82，它最好是一个例如为装置30、60、70，或它们的变体的装置。芯片82被安装在一个壳体84内，并通过84上的一个光学开口86监视纸张42。芯片82的引线最好连接在一个印刷电路(PC)板88或类似器件上，后者上面安装了对应于装置30、60或70的控制器的电子电路90。安装在PC板88上的一个或几个开关92，与普通鼠标器一样由一个或几个按钮94激励。该鼠标器像通常一样用一个电缆96或无线方式连接在一个计算机上。
根据本发明一个优选实施例的上述测量方法允许有宽广动态范围的平移速度，覆盖了正常鼠标器操作所需的范围。这种装置的特点使它可称为一个“无衬垫光学鼠标器”，它能响应于在任何足够漫反射的表面(例如纸张或桌面)上的运动，提供使光标在显示屏上到处运动的一对正交信号。所以不再需要有特定的对比记号或图案。
通常，鼠标系统利用机械传感器来测量人手在一个表面(一般是一个“鼠标衬垫”)上的运动。现今已经公认需要在鼠标系统中采用一种无运动部件、可靠、精确的平移测量技术。已经开发了一些光学装置，但仍有各种缺点，例如需要有精细图案的衬垫、低的传感性能、或高的成本。
根据本发明一个优选实施例的光学无衬垫鼠标器可根据用户的方便按两种方式使用。它可用作“常规”“鼠标器”，这时鼠标器在一个表面上面运动，并测量其相对于表面的运动。它也可以在希望时被扣击，只是以沿着装置的开口移动手指来替代。它将测量静止后的手指相对于鼠标器壳体的运动。
图5A和5B示出了一种这样的装置100。图5A表明该装置的构成与图4装置相似(为了便于比较，这两个图中使用了同样的代号)，只是在装置100中按钮94位在壳体84的侧面。在图5A所示的模式下，装置100是静止的，用来跟踪操作员手指102的运动。很清楚，装置100可以被倒过来用作一个鼠标器，在许多方面与图4的鼠标器相同。图5B示出该装置的透视图，可以看出有一个任选的开关104，该开关用来指示装置100是用作普通的鼠标器还是工作于图5A和5B所示的模式。或者，这个开关可以是一个安装在装置内的重力开关，能自动地转换模式。由于对于两种模式，光标的运动方向相反，而且一般所希望的灵敏度也有所不同，所以一般希望知道装置工作在什么模式上。
此外，如在本发明中那样，利用带有一个小开口的平移测量装置并让手指沿其开口运动，就可以通过测量像触摸垫那样的手指的平移来移动光标。这个功能可以称作“触摸指点”，它也可用于指点键盘上的精细的位置。除了把光学芯片像开关一样安装在键盘上之外，这个装置与图5装置是相同的。还有，也可以把OTM“触摸式指点器”使用在鼠标器的顶部，以替代滚动轮。“叩击”例如可以通过把手指移入和移出触摸点范围而被探测到。
该装置可以用来替代鼠标器之外的指点装置，例如用于膝上或掌上计算机的指点装置。原则上利用这种装置可以控制任何一维或二维的运动。
目前，膝上计算机指点装置使用的是跟踪球、触摸垫、跟踪点(乳头)或一个附属的鼠标器。这些装置有各种缺点。特别是，跟踪球像常规鼠标器一样容易积灰尘，触摸垫对湿度敏感而被许多用户放弃，跟踪点在应该静止时却发生泳移，而鼠标器则比较脆弱并需要工作桌面。
触摸式指点装置的尺寸小，其工作口径可小于1mm2，并能提供高分辨率且有大的动态范围。它是内设在膝上计算机内的指点装置的理想解决方案。通过有些类似于使用触摸垫那样在开口面上移动手指就可以操作该装置。其区别是开口的尺寸比触摸垫小得多，而且它不存在湿度和潮湿之类的问题，可以期望它有高的可靠性。事实上，可以容易地在单个膝上或掌上计算机内设置几个触摸式指点装置，安装在键上、键间、或屏幕边上。此外，压敏式装置也可被包含在触摸式指点装置中，触摸点的灵敏度可以做得能响应于手指在触摸点上的压力。
在本发明的一个优选实施例中设置了两个触摸指点器，第一个触摸指点器及其电路使一个指针响应于它而移动，第二个触摸指点器及其电路使屏幕响应于它们而滚动。
在本发明的另一个优选实施例中，本发明可用作一个扫描笔的改进式平移和/或速度测量系统，它能扫描一个文本(或任何图案)的每一行并存储它们，供以后下载给一个PC机和/或利用OCR软件转换成ASCII码。图6示出这种装置的一个例子。扫描笔120包括：一个带有一个一维或二维光电探测器阵列(例如CCD阵列)122和一个透镜123的“读出”头，它的宽度足以扫描一个典型的行高度，以及一个与普通光笔中的相同的光源124。笔的读出头还含有一个根据本发明的光学平移测量系统82，用来测量读出头在被扫描纸张上的平移，可能还含有另一个平移测量系统来提取转动信息。然后这个笔能或者把扫描到的行作为一个比特图文件存储起来(适合于手写字或图形等等)，或者通过使用内部的OCR算法把扫描行立即翻成二进制文件。存储的信息可以在以后下载给计算机、掌上计算机、电话机等等。为了这个目的和对笔120中的各种器件进行供电和控制，还提供了一个控制器或微处理器128和电池129。
本发明的光学平移测量方法使得装置可以有小的尺寸、使用方便、和精确。造成精度高的原因在于与目前的机械式鼠标器相比，本发明的方法有固有的高精度和易于进行二维或三维测量。目前类似的商品装置为了通过探测一个带图案轮子的滚动角度来测量平移，需在把该轮子压向被扫描表面的同时使之扫描和滚动。这个技术只能探测沿着一个行的位置而不能探测沿其垂直方向的位置，并且其比较低的精度限制了它的应用范围。
本发明光学平移方法和装置的再一个优选应用是一种用来扫描字并将之传递给一个认证系统的便携式或固定式装置。与扫描笔的原理相似，签字读出器也含有一个带有一个维或二维光电探测器阵列(例如一个CCD阵列)的签字“读出”头。为了能读出比较宽或比较高的签字，它有一个比扫描笔宽的开口，并含有用来探测手或使装置在被扫描签字上运动的工具在两个方向上的平移的光学平移测量装置。签字读出器不含有任何OCR，这是因为不会有文本文件产生。不过，它却连接(通过硬件有线或无线连接或通过一个离线系统连接)在一个“认证中心”上，在那里通过把扫描到的签字与一个“标准签字”相比较来判断其真伪。这种装置可以在成本低的同时达到精确、小型和易于使用。
前述装置和方法的再一种应用是编码器领域。本发明可以用一个基本上不需标记的编码器来替代需要在一个编码轮或一个表面上有高度精密标记的直线编码器和角度编码器。图7示出根据本发明这一方面的一种角度编码器130。编码器130含有一个安装在轴131上的带有漫反射表面132的圆盘。它还含有最好基本上与前述相同的光学芯片82和控制器90。表面132上最好做有一个或两个径向标记136，用作编码器的参考标记和用来校正误差，这种误差可能在旋转一周内读出角度时出现，该标记可以由光学芯片82读出，或者用一个独立的探测器读出。
被芯片82照明的表面的运动可看成是被照明部分中所有散射元素沿切向的共同平移与具有表面132的角速度的旋转运动的结合。照明面积的大小最好小于至旋转中心的距离，使得周曲率所造成的成份可以忽略。或者，在非多普勒工作模式下，最好使用一个具有均匀角栅距的光栅，使得能用对角位移的直接测量来替代对等价表面平移的测量。
本发明的另一个实施例是一种虚拟笔，也就是一种能把在一张白纸上的运动转换成位置读数的笔。这些位置读数又可以被一个计算机翻译成虚拟的书写，这种书写可以被显示出来，也可被转换成字母或词组。然后计算机可以用ASCII码来存储这种虚拟书写。向计算机的传送可以是在线的(利用对计算机的有线的或最好是无线的连接)，也可以是离线的，在离线情形下，代码或位置读数先存储在虚拟“笔”内，待书写完毕后再转移给计算机。本发明的这一实施例提供了一种紧凑、无纸、和无声的记录装置。
在一个典型的传真/打印机中，纸张被一个精密电机以恒定速度相对于写入头运动。书写头以与纸张前进速度相协调的方式逐行地给出打印数据，这种方法是既昂贵又不精确的，前者是因为它需要精密的电机和机械结构，后者是因为有时纸张会在装置中打滑，使得纸的平移不再与打印装置协调，从而出现一些行的漏打或歪扭。
使用了光学平移测量装置后，有可能通过在线地测量纸张的前进来探测到它的滑动。然后根据纸张的实际平移量来控制打印装置的工作，这样便可得到高精度但低成本的系统。类似地，这个原理也可应用于桌面扫描器，其中只是以读出头取代了打印头。此外，根据探测到信号的特性，还可有能识别纸张或其他表面(例如布匹)的类型。可以用来识别纸张类型的特征有：反射光交、直流成份功率的比值，交、直流功率的绝对值，谐波比等等，或者是这些特征的结合。还有，对于多重馈送情形，这种测量装置可以探测纸厚度的不连续性。这个不连续性可用以下方法确定：轴向平移测量，横向测量值中的明显不连续，或者因暂时丢失反射光与本地振荡光之间的相干性而造成的信号丢失。
图8是一种运动探测器的原理图，它适用于扫描仪，传真机或打印机等只含一维运动的装置，运动探测器200含有一个光源202，它发出的光由一个光纤光缆205传送给一个壳体204。光缆205的输出光被透镜206准直，然后通过一个光栅210照明运动表面208。从光栅210和表面208反射的光被一个位在透镜206焦点处的光纤光缆212接收。光缆212的输出被传送给一个探测器214，以作前述的进一步处理。
在本发明的一个优选文件扫描器实施例中，该运动探测器有利地不利用文件上的任何印刷标记来测量文件的相对运动，同时有一个读出头读出文件上的印刷信息。一个存储器接收来自读出头的信息并把它存储在对应于测得的文件运动的地址处。
在本发明的一个优选打印机实施例中，该运动探测器测量将在其上打印的纸张的运动，另有一个存储器根据其中对应于测量到的纸张运动的信息发出打印命令。
本发明的优选扫描器和打印机可都用于根据本发明优选实施例的传真机。
本发明的运动探测器还可以用来测量CD(紧凑型光盘)和磁媒体存储器中的各种运动。
图9是一个在实施本发明时有用的典型电子电路140的简化方框图。一个“主”光电探测器142(例如对应于图3A和3B中的探测器50)接收前述的光信号。该探测器探测光，得到的信号最好经过放大器144的放大，滤波器146的带通滤波，以及放大器148的再次放大，产生一个“主”信号。补偿信号例如由光电探测器150(对应于图3A-3C中的探测器52)探测，经过放大器152的放大和滤波器154的带通滤波之后，在差分放大器155中被“主”信号减去，以去除主信号中的剩余低频成份。带通滤波器154与146最好是相同的。得到的差值信号被一个增益由低通滤波器153的输出(它被一个可在系统标定时调节的衰减器158衰减)所控制的压控放大器150放大。放大器156的输出被传送给一个零点交叉探测器和计数器160以及方向控制逻辑电路162，后者将确定表面平移的方向。如果使用了压电元件64(图3B)，则将向方向控制逻辑电路162提供一个对应于元件位移频率的控制信号，由该电路把它从零点交叉探测器的计数值中减去。
对于本发明的优选实施例，激光光源的波长最好在红外区域，例如为1550nm。对于二极管激光器，典型可达到的光谱宽度为2nm。典型地，光栅的口径为1.5mm×1.5mm，光栅频率为150线/毫米。典型地，激光光源的输出被准直后成为一束直径稍小于1.5mm的光束，并以相对于光栅法线为30°的角度入射到光栅上。光学基底可以具有任何方便的厚度。不过典型地该厚度为几个毫米，所用透镜的焦距按前述聚焦要求设计，其典型值为几个毫米。针孔46(图3A-3C)直径为几个微米，典型地为10μm。应该理解，上述这些典型尺寸和特性仅供参考作用，根据所使用的波长和光学芯片应用中的其他参数的不同，它们可以在较大的范围内变化。
在本发明的某些优选实施例中，针孔被一个“等效针孔”所替代。这种等效针孔是通过把本地振荡场，例如从光栅反射或衍射的光，聚焦到探测器上来得到的。这样，只有在本地振荡场的聚焦点处从表面反射的光才得到放大。于是，例如图3A、3B、3C中的针孔46可以取消，同时把本地振荡场聚焦在探测器表面上。
探测器上聚焦本地振荡场的强度分布决定了同一位置上信号场的放大情况。于是本地振荡场强度大的地方信号的放大倍数大，而强度小的地方放大倍数小。从而探测器表面上的聚焦光斑起到了与“标准”空间滤波器中的真空针孔相同的作用。本地振荡场空间分布的质量，即它与衍射极限分布接近的程度，决定了最后空间滤波的质量。聚焦在探测器上的衍射极限本地振荡场最大程度地利用了对信号的放大能力，并且与真实针孔不同，对角度对准的好坏并不敏感。用这种方法免除了“物理”针孔之后，装置的抗干扰性能得到改善，即比较不敏感于机械振动，有较宽松的角度对准容差，和更高的总体放大率。与实际针孔不同，没有被放大的信号光不是被挡住了，而是由于它比本地振荡场弱得多使得其对测量的影响可以忽略。这种装置还对聚焦误差比较不敏感。
在利用光栅的多普勒测量中使用等效针孔布局的优点是对光源波长的变化不敏感，而在这种测量中本地振荡场的方向是与波长有关的。波长的变化将造成光栅反射角的相应变化，使得探测器上的本地振荡源的像发生移动。如果使用真实针孔，这将会影响测得的信号振幅，甚至造成信号的完全丢失。使用等价针孔后，只要焦点在探测器上，就不会影响测量值。此外，如前面关于基于光栅的系统的讨论，在光栅—反射器布局中探测信号与波长无关，而与平移量、光栅周期、和本地振荡的反射级次有关。
图10示出直接聚焦到探测器上的布局的一个优选实施例。为了说明简单，图中所示的是一个一维测量器，并且其中不含有标准电子组合件(T05等)中所带有的方向探测部件。该测量器含有一个例如激光二极管等至少为部分偏振的光源250、一个透镜252，光栅254，一个探测器(例如PIN二极管)256，一个壳体258，对外引线260，和电子电路262。激光二极管250和探测器256最好在光学上位于同一平面中，该平面最好是透镜252的焦平面。光栅254的零级反射光被聚焦在探测器256的表面上，用作本地振荡场。如果激光二极管250和探测器256到透镜的距离不同，则如前面关于使用非准直光源和匹配空间滤波器的实施例的详细讨论所述，这里的布局应使得激光器被透镜成像在探测器表面上。虽然图10实施例中和以下一些实施例中没有示出方向探测，但前述(或后述)的方向探测仍可适用于这些实施例。
对于利用一级(或更高级)衍射光作为本地振荡场的测量器来说，其工作过程是相似的。只是布局略有不同。图11A和11B示出根据本发明一个优选实施例的一种这样的布局。所示的测量器是一个不带方向探测的二维测量器，它含有一个例如为激光二极管的辐射源270、一个透镜272、一个二维光栅274、一对探测器276和278、一个壳体280、一些对外连线282和电子电路284。与图10实施例一样，激光二极管270和探测器276、278最好在同一光学平面上。图11B示出从XIB-XIB看去的探测器276、278和光源270的平面图。探测器276用作X轴探测器，278用作Y轴探测器。光栅274在X方向上的一级衍射光被聚焦在X探测器276上，而在Y方向上的一级衍射光则被聚焦在Y探测器278上。
利用等效针孔的本发明优选实施例比较容易对准，并且如果制作成一个集成光学单元，则具有较宽松的容差要求。特别当本地振荡场是由光栅的非零级衍射光产生时，由于针孔的位置与波长有关，所以上述情况尤为重要。这样，照明光源的波长稳定性要求在使用等效针孔时要比使用物理针孔时宽松得多。
在本发明的一些优选实施例中，利用了另外一些确定运动方向的方法。在这些优选实施例中，利用一个光学元件的机械运动来确定运动方向。在本发明的一些优选实施例中提供了两个探测器，沿一个方向的运动将使光栅反射或衍射的光照明到其中一个探测器上。图12A-12B和图13A-13B示出了利用该原理进行方向探测的两个本发明优选实施例。
图12A和12B说明其中一个优选实施例的原理。其中测量器290包含一个例如为激光二极管的至少是部分相干的辐射源292、一个透镜294、一个探测器296、一个第二探测器298、和一对光栅300、302。光栅300和302安装在一个双稳态楔元件304上。当探测器沿一个方向运动时使元件304处于图12A所示的位置上，使得光栅300所反射或折射的光射向探测器296。当测量器沿相反方向运动时，元件304与被测运动表面之间的摩擦力使元件304转到图12B所示的位置。这时光栅302所反射或折射的辐射将射向探测器298。这样便可根据是哪个探测器产生了信号来确定运动的方向。
把该实施例扩展成二维工作可以这样达到：用以类似方式工作的四表面金字塔元件取代元件304；用4个探测器取代2个探测器；用二维光栅取代一维光栅。
图13A和13B示出利用了两个相邻光栅的第二种机械方向探测方法的实施例。与图12A和12B一样，该实施例也包括一个例如为激光二极管的至少是部分相干的辐射源292、透镜294、探测器296和298。该实施例还含有两个光栅310和312。这两个光栅310和312各有两个光栅频率不同的部分，例如左半部分为150线/毫米，右半部分为170线/毫米。位在下方的那个光栅因与表面42之间的磨擦而发生运动，直到碰上运动方向上的一个预定挡块。两个光栅的两个半部分的设计使得，运动之后其中一个半部分将被遮住(即一个光栅的反区域遮住了另一光栅的开口区域)，而它们的另外半部分却是透光的(即它们的金属部分互相重叠)，虽然一般这时的占空比不再是50％。下方光栅沿另一个方向的运动结果将使其两半部分的作用互换，从而使得在两个运动方向下有不同的反射角，进而照明不同的探测器。这两种状况分别示于图13A和13B。运动的方向可以根据是哪个探测器产生了信号来判断。
图13C和13D示出从一个光栅转换成另一个光栅的另一种系统。这些图中仅示出了光栅自身。上面部分由一些不相对于探测器运动的反射元件400组成。下面部分由交替排列的具有不同周期的光栅区域401和402组成。在图13C所示位置上，元件400遮挡了光栅区域401，使得入射到光栅上的光被导向一个由光栅区域402的周期所决定的角度方向(入射光能“看到”这些区域并部分地透过)。当下面部分因与待测速度表面的磨擦而运动到第二个位置上时，元件400将遮挡光栅区域402而露出区域401，从而入射光被导向一个由光栅401的周期所决定的角度方向。于是与图13A和13B中的情况相同，可以切换能接收到光的探测器。
通过基于与图13A和13B所示相同的原理，用两个分成4个区域的二维光栅取代原来的光栅，就可把本发明该实施例的原理推广成为二维的。
图14说明另一个基于多普勒频移的表面速度测量系统的实施例的原理。与上述的测量器不同，该测量器不需使用光栅。一个至少是部分相干的光源320被准直后照明一个光学元件322，该元件含有一个靠近表面42并与之有一个夹角的第一平面324和一个平行于表面42的第二平面325。从平面324(该平面最好镀以反射层)反射的光被一个透镜326聚焦在探测器328上，用作本地振荡场。被表面42反射的一部分光也被聚焦在探测器328上，与本地振荡场发生干涉。由于表面的平移，表面42向探测器328反射的光有多谱勒频移。于是探测器信号中含有一个表征表面42的平移的振荡成分。应该指出平面325在探测过程中没有起作用。此外还应指出，所有的光学元件都可被安装在光学元件322上，形成一个集成式的测量器。利用两个倾斜平面和两个探测器可以推广到二维测量。
根据本发明的一些优选实施例，反射本地振荡场的反射器不靠近于被测速度的表面。图15和16示出了体现类似原理的两个本发明优选实施例。
图15示出的测量器含有一个例如为激光器的至少是部分相干的光源350和一个光学元件352，后者含有一个部分反射和部分透射的表面354和一个全部反射的表面356。该测量最好还含有：一个使光源350准直的透镜358；一个空间滤波器，在本实施例中它由一个把光聚焦在探测器362上的透镜360实现；以及信号处理电路364。如前所述，聚焦光起着等效针孔的作用。光源提供被导向表面42的至少是部分相干的辐射。
来自光源的光被表面354分解成两束光，一束光由表面354向表面356反射，另一束光透过表面354射向表面42。从表面42反射的光再次透过表面354射向探测器362。从表面354反射的光在表面356上被全部反射，使得这束光经过表面354的第三次反射后也被导向探测器362。因多次反射而在元件352中传播的光(本地振荡光)与由表面42向探测器反射的光之间的光程差应该在光源相干长度的范围内。如同前面所述的实施例，表面的平移将造成一个能表征平移量的交变的探测器信号。在本发明的另一些优选实施例中，表面354可以是一个光栅，并且本地振荡场从该光栅的某一级衍射光导出。对于这种情况表面354不需要与表面42有一个夹角。
虽然表面356是完全反射的，但它也可以是部分透射或部分吸收的。这将减小本地振荡场。如果表面356是部分透射的，则透射的光可以借助另一个探测器用来测量光源的强度，从而可以补偿光源振幅的强度调制以改善速度范围低端处的性能，如前面结合图3A和3B所说明的。
根据本发明的一个优选实施例，在表面354与表面42之间的空间中充填了第二种光学媒质，以改善表面42(如果它是非刚性的，例如纸张)的平面度和防止尘土集积。
根据图16所示的本发明的另一个优选实施例，测量器用一个改型的立方体分束器制成。一个最好被准直的来自例如为激光器的至少是部分相干的光源380的光被导向一个部分反射、部分透射的表面382。透过表面382的光被导向表面42，从表面42反射的一部分光再经过表面382的反射后经过聚焦系统386射向探测器384。从表面382反射的光被导向一个反射器388，其反射光透过表面382后射向探测器384。这样，这个分束器的作用就是一个干涉仪，使得表面42在切线方向(平行于表面)相对于装置的平移将在反射器388的反射光(用作本地振荡光)与表面42的反射光之间产生多谱勒频移。
这样，从表面42和从反射器388反射的光将在探测器384上发生干涉。该光学元件的尺寸设计使得这两束光的光程差在光源380的相干长度范围内。
该布局使得部分反射表面，全部反射表面，和被测表面互相不平行。于是探测器信号中将含有一个因表面反射光的多谱勒频移所引起的振荡成分，该成分能表征表面在其切线方向上相对于装置的平移。
从光源380发出的光最好被准直。到达探测器384的光最好被聚焦在其表面上，使得其上形成光源380的点像。利用两个正交倾斜的部分反射表面或全部反射表面可得到二维平移测量。
从表面42上反射的光的多谱勒频移正比于测量器与表面42之间的相对速度在入射到表面上的光束与能射到探测器上的表面反射光束之间的角平分线方向上的分量。多普勒频移与光波波长成反比。光学媒质的选择最好能使折射率色散可以让角平分线与表面平面之间的夹角发生一些改变，并且这个改变能补偿波长改变对多谱勒频移的影响。这样将可明显减小因光源的有限光谱带宽和波长漂移所造成的测量误差。
图15和16所示的方法及实施例提供了测量沿切向运动的粗糙表面的平移的比较价廉、有抗干扰性、不需对准、和精确的设备。与对本发明其他实施例所作的说明一样，该方法在利用平移测量的各种应用中有广泛的应用价值。
图17示出本发明的另一个优选实施例。该实施例对由表面反射的光提供了对一个特定偏振的增强。图3C曾说明了一种通过对表面反射光和本地振荡光提供不同的偏振来确定运动方向的方法，通过在传向表面和来自表面的光的光路中放置一个双折射板来提供相移。不过这个方法是基于下述的假定的。当光在表面上反射时将保持其偏振态。但事实上常常不是这样，从而预期会由探测器产生的正交信号将变质，这甚至会使同样的运动方向发生正负号的改变。
在双折射板(“四分之一波片”)与表面之间加上一个线偏振器可以使测量对表面的性质不敏感。这个偏振器给从表面反射的光强加了它的线偏振方向，而不论表面的性质如何。把偏振器的轴放置得与双折射板的轴线45°角，反射光在经过偏振器后将被双折射板转变成圆偏振光，射向探测器。于是，即使当表面本身没有保偏振特性，在两个正交偏振的探测器上也仍能保证得到精确的正交信号。
这种布局的另一个特性是能够把双折射板放置在光栅“顶上”(以替代放置在光栅与表面之间)。本地振荡光将受到两次相移(对于四分之一波片，总的来说将得到半个波长的光程延迟)，而表面反射光只受到一次相移，从而保证了正交测量。
图17所示的运动探测器500的第一个优选实施例特别地包含了这个特征。运动探测器500包括一个最好是照明了准直透镜504的部分相干光源502。从透镜504下方射出的光最好是准直的(即各条光线全都平行)。透镜下面有一个四分之一波片506，其下又有一个光栅508。由于从光栅反射/衍射的光两次经过了波片，所以它的两个正交分量之间有一个180°的相移，虽然图中波片506和光栅508(是两个分立的元件，但它们可以结合成一个元件，例如可以在波片表面上淀积或模压上一个光栅。
光栅下面最好还有一个线偏振器。这样从偏振器下方的表面(未未出)反射的光在第二次经过波片后将是圆偏振的。这里，由于光在到达波片506之前要第二次经过偏振器510，所以偏振得到了增强并避免了对测量的“污染”。
以一个由光栅线距和衍射级次确定的角度从光栅衍射的光以及从表面漫反射的光都入射到一个探测器模块512上。探测器模块512含有一个相位光栅514，后者把入射光分解成最好是相等的两个部分，并使这两部分光在分别经过一对偏振器516和518后射到一对准探测器520和522上。偏振器516和518的轴互相成90°角，最好调节得能向两个探测器提供相同强度的光栅衍射光。探测器模块512的功能与图3C中的相应元件的相同。也就是说，探测器模块把来自表面反射的圆偏振光分解成两个线偏振成分，并且每个线偏振成分将分别与光栅508所衍射的光的一部分发生干涉。衍射光是一个与两个偏振器的轴都成45°角的线偏振光，它也最好被光栅分成等强度的两束光并被探测器探测。通过对探测器探测到的两个信号进行零点交叉计数，根据多普勒频移可以方便地确定运动的量，根据这两个信号的相对相位则可以确定运动的方向。
探测器模块512是利用一个相位光栅和两个偏振器而不是图3C中的偏振分束器来对入射光分束并把分束的光导向探测器的。相信在实际中模块512的生产成本较低。如果使用二值相位光栅(或闪耀光栅)，则该系统将不仅成本低而且光效率高。
在本发明的一个优选实施例中，模块512和光源502及一个电子模块526一起被安装在一个底板或散热基底524上。电子模块526可以含有一个用来控制光源502的控制器和用来从探测器520、522接收信号的电路。电子模块526最好能部分地或完全地进行前述的信号处理，以向计算机或其他装置(未示出)提供关于表面运动的大小和方向的信息。
图18示出另一种运动探测器530，其结构大体与图17装置类似。然而该运动探测器有一些值得注意的特点。为了易于说明，探测器530中与图17探测器500中相似的部分用相同的代号代表，对这些部分不再进一步说明。
在图18中，本地振荡光在空间上是与表面的照明光和衍射光的光路分开的。此外，在图18中有利地设置了一个缺口(cut-out)532，用来使从光栅衍射的光和从待测速表面反射的光的光路长度相同。曾经说明过，这两个光的干涉应尽可能发生在探测器上。由于表面反射光的光程大于光栅衍射光的光程，这将对光源502的相干性有高的要求。在本发明的一个优选实施例中，缺口532可以使表面反射光的光程减小，从而匹配了两个光程。
如图18中所示的分开的本地振荡光布局因只有一个透射光束而没有对投射表面的衍射光照明从而是多普勒模式工作所希望的，所以这种布局有本质上的优点。不过，把光束分成两部分，一部分用来产生本地振荡光，另一部分用来照明，使得对光束的质量有较高要求，并且其抗干扰性能要差于把大部分或全部照明光同时用于产生本地振荡光和表面照明的方案。
虽然上述缺口也可以用于例如图17实施例等本发明的其他优选实施例中，但对于在邻近表面处提供了一个受保护的、最好是抗划痕的镀层或底板534的情况，这个缺口将特别有用。这个底板会增大表面反射光的光程，但不会改变光栅衍射光的光程。提供保护层也适用于上述许多实施例。此外，为了减小激光束通过时的杂散光作用，底板254或光路中的其他部分还可以着色(即进行光谱滤波)。
在图18所示的实施例中，产生反射光和衍射光的结构与图17所示的不同。在图18中，相位光栅536下面是一个八分之一波长片538，其下面又有一个反射器540。该反射器540最好是直接制作在波片538上的。由于从反射器反射的光两次经过了八分之一波片，所以反射光是圆偏振的。从表面反射的光最好先后两次经过线偏振器542。于是这个光是增强的线偏振光。该系统在其他方面的工作情况与图17的相同。
在本发明的另一些优选实施例中，可能把一个四分之一波片放置在光源502所发射光束的光路中，使光转变成圆偏振光。于是它可以比图17和18所示的小得多(因此成本也较低)，其中不再需要多个层。此外，对于那些使用了波片的本发明实施例中，也可以采用能生成椭圆偏振光(而不是上述的圆偏振光)的波片。
在本发明的一些优选实施例中，可以在激光二极管(它自身产生线偏振光)的发射表面上沉积一层由例如石英等双折射材料组成的四分之一波片层，以产生圆偏振光。这一沉积工序最好是制作二极管的工序的一部分，例如在一个垂直腔表面发射激光二极管的外侧分布式布拉格反射器的顶部沉积双折射层。由于这时的镀层面积只是发射面的面积，所以这种方案可以只用少得多双折射材料。而且，小的双折射层可以比大的双折射层制作得更为精确。在双折射层下面再加上一个线偏振器可以构成一个光学隔离器组件，用来衰减返回到激光谐振腔内的杂散光。
类似地，在本发明的一些优选实施例中，只要不是像前述一些本发明实施例那样指明需要分开的偏振器，则线偏振器是制作在探测器表面上的。利用这样的偏振探测器可减小组装运动探测器的复杂程度。可以用在探测器顶部施加聚合物偏振器来制作这种探测器。或者，也可以通过在探测器面上淀积带有细线槽(线宽为波长量级)的电介质层制作偏振器。
图19A和19B示出两种基于类似于图3C、17、18所示的方向探测原理的集成式运动探测器。
图19A示出了一个构筑在一个光学单元552上的运动探测器550，它包括一个分束面554和两个透镜556、558。邻接着透镜556安装了一个激光二极管光源560，该透镜使光源发射的光准直。准直光束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继续传播到表面12上，光束564则被反射到一个八方之一波片566和一个镜面568上。光束564在两次经过波片之后变为圆偏振光，向分束面554返回。
光束562在被反射回到分束面554之前经过了一个线偏振器570，最好还经过了一个保护层572。光束564的返回部分透过分束面，而光束562的返回部分在分束面上反射，两者一起被导向透镜558，使它们聚焦。第二个分束面574使这两束光各自被分解成两束，并被导向偏振探测器576和578(它们各自有一个偏振器580和一个探测器582)。这两个探测器基本上以与图3C、17、18相同的方式探测从表面12反射的光束的频率和两个线偏振成份的相对相位。
应该指出，运动探测器550的顶面和底面是不平行的，所以表面12的反射光束相对于入射光束是有多普勒频移的。这个多普勒频移(其及正负号)有来探测运动。此外，在本发明的一些优选实施例中，各个透镜被镀了消反射层以避免多次反射的影响。
图19B所示的第二种集成式运动探测器590也体现了类似的原理。该系统的所有光学元件全都安装在一个光学单元592上，其中还夹了一个光栅594，光栅、顶面和底面最好是互相平行的。功能类似于图19A中透镜556、558的两个透镜596、598最好制作在光学单元592内。在图19B中，与图19A中相应的元件有类似功能的元件用类似的代号代表。一个参考光束被光栅594反射，射向一个背面为镜面的八方之一波片(556、568)，其后经过第二次反射影响透镜598。透过光栅的光束最好经过一个线偏振器和一个任选的保护层再射向表面12，然后被反射到透镜598上。该探测系统的工作方式与前述的类似。
图19C和19D示出探测器模块610的细节，该模块用于利用波片影响由光栅和/或表面所反射的光束的系统。这种系统的例子有图17、18和19A中的运动探测器。在这些运动探测器中，当光源光是线偏振光时，波片可以移近探测器。在这种情况下，波片大小可以比放置在其他位置处时小，并且在本发明的一些优选实施例中可以如前面对偏振器的说明那样，与探测器集成在一起。
对于这些实施例，偏振器的放置应使得只有射向和来自表面的光才经过它(例如靠近待测表面放置)。偏振器的偏振轴放置得与光源光的偏振方向成45°角，从而使来自表面的光的偏振方向与本地振荡光的偏振方向成45°角。
在这种情况下，图19C和19D所示的探测器模块610可以有利地取代图17、18中的模块512和图19A中的利用同样探测原理但形式有改变的模块576。在图19C和19D中，与图17、18中相应元件有相同功能的元件用相同的代号代表。
除了在偏振器516和518的前面设置了一个四分之一波片612之外，模块610与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图19D，该图是从下方看去的沿着图19C的D-D线的截面图。图中偏振器轴由代号614、616表示，四分之一波片的偏振轴由代号618表示。偏振方向与波片的一个轴一致的线偏振光在经过波片后不会改变其偏振态。偏振方向与轴168成45°角的线偏振光在经过四分之一波片后将转变成圆偏振光。
代号620、626表示光栅入射波和表面反射波的偏振方向，这里哪个波是方向620、哪个波是方向626是没有关系的。而且，其中一个波的偏振方向可以是626’而不是626。
在工作中，入射波的偏振方向为620，它被转变成圆偏振波。该圆偏振波被偏振器516和578分解两个相同的成份，使得有两个等振幅的线偏振波入射到探测器520和522上。不过这两个波的时间相位相差90°(同时偏振方向正交)。偏振方向为626或626’的波在经过四分之一波片时其方向不变。它也被分解两个振动方向正交的波。不过这两个波有相同的时间相位。于是每个探测器都将探测到光波的干涉。给出两个时间相位相差90°的信号。然后这个相位差可以用来确定方向，如同在标准正交探测情形中一样。
如果不用波片612；则可以用一个探测器偏振器根据本地振荡光和表面反射光的偏振方向有选择地阻挡住表面反射光或本地振荡光。例如，如果光源光的偏振方向为620。则它会被轴为616的偏振器挡住。这样，探测器将只探测到表面反射光，对应于Er2成份。或者，如果表面反射光的偏振方向为620，则轴为616的探测器将只探测到本地振荡场，由此可以补偿Eo2成份。
用于Eo2成份补偿的探测器输出可以用作一个参考电压，并将它从用于平移测量的另一个探测器的输出电压中减去。这就形成了一种“差分”探测模式。这种相减例如可以在跨导放大器级上进行，以消除探测信号的大部分直流电压。或者，也可以采用如图9所示的利用高通滤波器来去除直流电压的方案。补偿信号的带宽最好根据光源噪声的带宽来限制。否则实际上会因补偿信号的相减而不必要地加上了“非相关”噪声(例如热噪声)。
当光源被重复地切断和接通时(例如当为了节约能量或人眼安全而工作于“睡眠模式”工时)，Eo2成份补偿而不用高通滤波则可以减少或免除这一复杂性，或者，如果在光源切断时把高通滤波器中的电容器隔离开来(由此使电容可以保持其电荷直到光源再次接通)，则即使没有Eo2补偿也可以重复地断通开关。
Eo2补偿测量的又一个用途是作为光源电流控制环路中的反馈。如果估计到光源功率会有很大变动(例如由于大的工作温度范围)，则为了控制光源的光功率这种控制环路是十分重要的。
当把垂直腔表面发射激光器(VCSEL)用作光源时，不带波片612的图19C和19D布局可能是有用的。如果操作正确，某些VCSEL可以工作在两个可能的正交偏振方向中的一个方向上，这时任何给定时间点上的光偏振都在其中某一个方向上。于是出现了偏振方向不确定的问题。由于对于给定的运动方向来说，两种偏振方向会使两个正交的偏振探测器给出相反的相位差，所以在需进行方向探测的系统中使用VCSEL将会出现问题。
根据图19D所示的布局，假定光源的偏振方向为620或垂直于620(来示出)。则在没有波片612的情况下，例如偏振器614将或者挡住或者透过本地振荡光。于是根据不同的光源偏振方向，探测器522的输出将或者是高的，或者是低的，这个探测器输出可能被用来控制信号相对相位与运动方向之间的转换(例如作为一个确定零点交叉计数值正负号的旗标)。
除了用于探测运动的探测器之外，只需使用一个这样的偏振探测器(根据偏振方向输出高或低)就够了。不过，如果使用两个探测器(522和520)，则不论是哪个偏振方向总有一个探测器输出是高的，而另一个探测器将测量表面反射光，可以用于Er2成份补偿
在上述方案中，另加的探测器被有来解决VCSEL的偏振方向不确定问题。或者，也可以让VCSEL相对于它的“最佳”偏振方向稍微旋转一下。假定VCSEL偏振的“最佳”方向为α，从而优势偏振方向为α或α+π/2，则两个探测器的直径电压的比值Rp为：
于是，对于α+π/4的最佳VCSEL取向(例如沿626方向)，则不论VCSEL的偏振方向如何，例如图19D中的两个正交偏振探测器所探测到的直流成份都将是相同的。
然而，如果α+π/4+β(弧形)，则当VCSEL的输出在一个偏振方向上时Rp≌1+2β，在另一个偏振方向上时Rp≌1-2β。于是当VCSEL以一个偏振方向发光时Rp＞1，以另一个偏振方向发光时Rp＜1。所以，如果把VCSEL相对于“最佳”取向旋转，用于平移测量的两个探测器直流电压之间的比较结果就可指明偏振的方向，而不再需要额外的专用探测器。
克服本地振荡光可能的偏振不确定性的再一种方法是在光源与光栅之间的光路中使用一个线偏振器，并使其偏振轴与两个正交偏振方向中的任一方向成45°角。于是，当VCSEL的偏振方向为626或626’时，偏振器轴例如将为620方向。或者，当VCSEL的偏振方向为614或616时，偏振器轴为620方向。这样将迫使光源光的偏振方向与偏振器轴的方向相同，其代价是损失了约一半的光功率。
叠加在较高频率信号上的低频寄生噪声(例如Er2和Eo2成份以及电源线路干扰)可能会影响对高频信号的正交探测，其原因如下：
·丢失高频信号的零点交叉事件。
·零点交叉事件发生次序改变，因此正交探测器的方向探测改变。
·计入了低频噪声的零点交叉事件，并将此累计到测量中去。
根据本发明的各种优选实施例，可以用信号处理技术来克服可能的低频调制(作为前述光学技术的补充或替代)，这些方法可以单独使用，也可结合作用：
·假定P和Q是例如为图19C中的探测器对520和522的输出信号。理想上除了随着运动方向的不同而有+90°或-90°的时间相位差以及附加的噪声之外，P和Q是全同的。再假设从信号P和Q导出了信号D＝P-Q和S＝P+Q。于是信号D中排除了来自P和Q共同噪声源的噪声。此外，D与S之间有90°的时间相位差。因此，当不存在噪声时D和S与P和Q等价。但是如果共同噪声源较强，则D的零点交叉精确地度量了平移量而S的零点交叉则可用来帮助确定运动的方向。还有，共同噪声的消除并不局限于低频。
·放大的信号可以被分成两个(或多个)频率范围。可以根据测量的频率来选择适当的通道。
·利用一个由信号频率控制并能自适应于表面相对于OTM装置可能加速运动所造成的频率变化的自适应带通滤波器。自适应带通滤波器还能降低其他的噪声源，例如热噪声和1/F噪声等。它可以通过使
用高通和低通部件中的压控电容来实现。
采用对高频信号的较高的放大率，使得到的高频信号振幅大于低频
信号振幅。于是高频的零点交叉计数只会受到较小的影响。
图27示出抑制高频信号中的低频噪声的自适应带通电路的一个优选实施例899。一个零点交叉探测器900把输入端处的模拟信号转换成输出端920处的逻辑信号。当信号是低频(例如50Hz)时，晶体管931和932在大部分时间内不导通，这时电容940通过电阻945以长的时间常数(0.1S)充电，适合于探测低频信号。另一方面，当零点交叉频率高(超过几百赫兹)时，将有一个高通电路950驱动电流流过晶体管931和932的基极，于是电路940将通过电阻960以小达0.1ms的时间常数充电。这样，运算放大器970正输入端处的阈值将跟随低频噪声变化，从而抑制了对它的探测，使运算放大器的输出取决于高频信号。电容980用来抑制运算放大器970的自发振荡。应该指出，图27只是给出了本发明这一方面的一个典型实施例，自适应零点交叉探测器可以有许多种实现方法，并且可以使用其他的元件(例如场效应管、不同的电阻值和电容值以及不同的运算放大器)。
正交运动测量借助于测量两个其间有恒定相移量的相同信号。运动大小由给定时间间隔中的零点交叉数目测量。运动方向由比较一个通道上的零点交叉符号(即“低到高”或“高到低”)另一个通道中信号的符号(即“高”或“低”)来确定。
正交信号上的噪声可能额外的零点交叉计数。如果在另一个信号没有改变符号的时间内一个信号发生了两次零点交叉，则它们的方向是相反的，相加后为零。然而，如果一个信号的零点交叉在时间上发生了移动，则两个通道中发生零点交叉的次序可能会倒过来，结果造成两个通道中的方向探测误差，相加后没有一个净计数误差。
根据本发明的一些优选实施例，利用在某个时间间隔内的“少数服从多数”可以校正因零点交叉事件倒所造成的误差。假定在每个时间间隔(或时间“单元“)内运动方向不变。这意味着用分辨力换取准确度。在相继各单元内执行零点交叉计数是方便的。每个单元都在前一单元结束处开始，并且在两个正交的通道中都已发生了预定数目或更多的零点交叉事件时结束。然后根据一个单元内所判定的大多数方向(由两个通道或仅由其中一个通道判定)来确定这整个单元的方向，最好是不管两个通道中的实际计数为何，每个单元都代表一个固定的计数数目(因此分辨能力按该单元内的最小计数数目的一倍下降)。方便地，可以用规模为3或4的单元。要求两个通道都计数到等于或超过一个单元的最小计数数目是为了防止一个通道中的高频噪声变成了“多数”。
在根据本发明一些优选实施例的上述许多类型的光学平移测量中，由本地振荡能量形成的探测器直流电压可以在进一步放大交流信号之前于第一放大级输出端处用一个高通滤波器方便地除去。因此，高通滤波的截止频率决定了最小可测速度。
当光学平移测量用作一个输入装置(例如鼠标器或其他指点装置)时，低速限制对于用户而言可能是一个重要参数。例如当用户缓慢地运动或已接近屏幕上的特定位置时低速限制是重要的。
为了使用户能缓慢地移动光标使之能在屏幕上高精度地定位，可能使用一个缓变的(不是锐变的)高通滤波器，使用随频率逐渐减小放大斜率的滤波器将在接近其截止频率时丢失零点交叉。这将在速度接近于由滤波器设定的下限时有效地减小被测速度。这样光标速度将逐渐减小到零而OTM仍处在测量带宽内(并仍在运动)。这个“减速”机制也可应用于软件或用作零点交叉探测后的信号分析的一部分，例如通过测量计数频率(即速度)并在计数频率接近于滤波器下限时降低光标的速度。在本发明的一个优选实施例中截止频率对应于速度低于约0.5mm/s的运动。在本发明一个优选实施例中，高通滤波器在低于截止频率处的斜率小于约每倍频20db。
图23示出光标速度作为装置速度的函数的一条理想曲线750。该图也示出了根据本发明一个优选实施例的此种曲线752。该图还示出了如果使用一个比较锐的高通滤波器时将得到的曲线754。可以理解，曲线754使系统实际上不能低速移动光标。另一方面，由于必需排除零频和低频成份，理想曲线是不能做到的。然而，逐渐过渡的曲线752却以非线性传递函数的形式允许光标精确定位。在一个示范性装置中，曲线742可以在某一速度值，例如1mm/s，之上是线性的，并在手(装置)的速度低于最小线性速度值的三分之一至二分之一时将不再能使光标移动。当然，也可以采用另一条过渡更平缓的曲线。
如前所述，光学平移测量的精度取决于照明光束中光栅线条的数目。所以对于高曲率表面，用平面形的光学装置精度可能不够。这种应用的一个例子是图20A和20B所示的测量一个轴600的转动，其中的轴的半径可能较小。对于轴转动测量可以把装置沿着轴放置(放置在其侧面)。为了适配于轴的曲率和能测量小半径的轴，可以用一个特殊光学元件602作为装置的前端部。该光学元件的形状示意性地示出图20A和B。该元件的直径与轴的直径匹配，该元件的表面上有一个一维光栅604，其线条平行于轴的轴线。光源606的光被聚焦在轴的中心，所以其相位光栅上是常量。该测量最好是属于零级类型的。一个探测器608探测从轴表面反射和从光栅反射的光。注意，如图20B清楚地示出的，光源和探测器最好位在相对于轴的圆周位置上，但互相间在轴向有偏离。
前端光学元件可以对不同的轴直径改变，并通过能“看见”轴周边的较大部分而达到高精度测量。方向探测可以用以下几种方法实现：利用不对称光栅，利用聚焦到轴表面上的光的另一部分并以前述的正交偏振方法探测方向，或者其他的方法(例如考察电机驱动电流的极性)。采用图19A和29B布局的一个优点是可以在用光束的同一部分产生本地振荡光和散射光的同时使它们的光程相等。
平行于粗糙表面的运动可能会导入不令人注意的Z轴(上下)运动。Z轴运动会引起表面反射光的多普勒频移，并且一般来说光的相位也要随Z与X或Y速度的合成而改变。把它们的相对贡献分开的一种方法是，对于X轴和Y轴都同时测量+1和-1级的衍射光(或者其他的对称级次，例如±2、±3等)。对于光波垂直入射到被测表面上的几何布局，若X、Y方向的速度为Vx和Vz，光源波长为λ，光栅线距为Λ，则X和Z运动的合成所产生的多普勒频移对+1级衍射为：ω+＝(2π/λ)(vXsin(φ)-vZ(1+cos(φ)))，sin(φ)＝λ/Λ.对-1级衍射的多普勒频移为：ω-＝(2π/λ)(-vX sin(φ)-vZ(1+cos(φ))).可以看出具有两频率的差额的信号有：ω+-ω＝(4π/Λ)vX，而和频信号有ω++ω-＝(4π/λ)vZ(1+cos(φ))。取这两个级次的两个正交信号将得到下述信号：A+＝cos(ω+t+Φ+)，B+＝sin(ω+t+Φ+)，A-＝cos(ω-t+Φ-)，B-＝sin(ω-t+Φ-).
利用正弦和余弦函数的求和规则，可以组成两组以和频和差频振荡的信号，而且每组内的两个信号保持正交关系：
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，得到的信号C-和D-分开了相应的贡献，并除去了E轴测量中的Z轴寄生贡献。此外，“+”成份可以专门用来仅仅测量Z轴，例如不通零点交叉级衍射测量来探测触摸式指点器的触摸或“叩击”。
当Z轴速度较高时，X或Y测量一般也都可以用来对Z轴平移作出粗略估计。这样就可探测手指“叩击”操作的“上/下”特性。此外，也有可能利用手指在触摸和松开触点时分别发生的突然减速和突然加速来探测“叩击”操作。对于这一情形，只需使用Z轴速度的绝对值(或其导数)。
图21说明确定Z轴平移和精确确定横向运动的另一种方法，图中示出了一个系统700的一部分，其中两个探测器对，Z探测器702和X探测器704用来确定Z和X方向的运动。在本发明的一些优选实施例中，Z探测器和X探测器各自由一对正交偏振探测器组成，例如图19C和19D所示的探测器对，又如图18中的元件512和图19A、19B中的元件576。表面同时有X和Z方向的速度(相对探测系统的速度)。图21中总的速度用矢量V表示(Vz在法线方向，Vx在平行方向)。
Z探测器702的位置最好使它接收只含有起因于Z运动的多普勒频移的来自表面12的多普勒频移能量(假定来自这里未示出的光源的光垂直入射到光栅上)。X探测器的位置使得它能够接收例如光栅的一级衍射光和与表面12的法线成φ角的表面反射多普勒频移光。X探测器所探测到的多普勒反射光的频移是表面相对于探测器沿X和Z方向运动产生的多普勒频移的结合。
设Ux沿零级光与一级光之间的角平分线方向的速度分量。则：
UX＝VXsin(φ/2)+UZcos(φ/2).
X和Z探测器测得的多普勒频移分别为：
FX＝2UXcos(φ/2)/λ，and
FZ＝2UZ/λ.
结合上述关系式就可以根据可测量Fx和Fz确定速度的X分量Vx：
VX＝λFX/sin(φ)-λFZctg(φ/2)/2.
如果使用第一级光栅衍射光，则sin(φ)＝λ/Λ，其中Λ是光栅线距。于是：
VX＝Λ(FX-FZcos2(φ/2)).
当φ小时，cos2(φ/2)≌1，使对Z的退耦简化：
Vx＝Λ(Fx-Fz)
为了确定X和Y运动，需用如图22A所示的三个探测器，该图画出的是探测器在系统700的焦平面上的分布。
如果需要有更精确的退耦合，可以用一个分开的零级探测器。通过使一部分照明光偏折到φ/2角度上，由偏折光产生的新的零级光将只测量Z轴运动，但这时多普勒频移要乘上一个系数1+cos(φ)＝2cos2(φ/2)，这就是说新的多普勒频移与耦合到X、Y轴测量中去的Z轴运动准确地相同，从而可将它精确地退耦。
在本发明的另一个优选实施例中，还有可能只利用非零级反射光来对X和Z轴运动的作用退耦合。由于该方法避免了零频附近的探测，所以可能是所希望的。
为了说明简单，假定：垂直照明，使用三个探测器(i＝1、2、3)，每个探测器对应一个光栅线距Λi，并在X-Y平面中相对于X轴以角度γi放置。于是探测器按下式测量一个伪正弦信号的周数Ni。
其中X和Y分别是沿X轴和Y轴的平移量，Z是沿平面法线方法的平移分量，λ是光源波长，φi是第i个探测器在反射平面内相对于照明光方向的角度，φi与Λi的关系是sin(φi)＝λ/Λi。
例如，如果一个探测器在X轴上(γ1＝0)，另一个在Y轴上(γ2＝π/2)，第三个与另两个有45°(γ3＝π/4)，则：
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单位元素的简单二维光栅(见图22B)，则(也假定φ角是小的)：
Λ1＝Λ2≡Λ
其中Λ3代表与X轴成45°角的第一级次。在图22B中，710是一级Y探测器，712是一级X探测器，714是一级X+Y探测器。
结合以下各式得到X、Y、Z的表达式：
X＝Λ(N3-N2)
Y＝Λ(N3-N1)
显然，X和Y方向的平移是由两个不在被测轴上的两个探测器测量的。这就排除了Z轴耦合，并且当运动方向接近于垂直于一个主轴时同时还可得到好得多的分辨能率。
另一例子与上例类似，只是Λ3加倍：
Λ1＝Λ2≡Λ
这种情况等价于一个探测器在X轴上，第二个在Y轴上，而第三个在它们的正中间(见图22C)，使得三个探测器排成一条直线。在图22C中，714’代表(X+Y)/Z联合级探测器。这种布局有利于制作(特别是对用于以静态相移探测方向的分束器)。它也容易用一个精密的二维相位光栅得到。
在此情形下转换成沿各个轴的平移得到：
X＝Λ(2N3-N2)
Y＝Λ(2N3-N1)
再一种可能布局是一个探测器(720)在X轴上，另两个探测器(722和724)则相对它对称地放置，也即γ1＝0，γ2＝γ，γ3＝-γ，以及Λ1≡Λx，Λ2＝Λ3≡Λy(见图22D)。
再次假定1+cosφ1＝1+cosφ2＝1+cosφ3≡kz：
可以方便地(便不是必要地)作出如下选择以使X和Y的分辨能力相同： 因此，若定义
便可导出：
X＝1/2k(2N1-(N2+N3))
Y＝1/2k(N3-N2)
这里再次使Z轴被退耦，而且即使运动接近垂直于任何一个主轴时也有高的分辨能力。
此外，为了方便于提取Z轴的平移，把γ设定为tan(γ)＝2，于是
任何的探测器布局都可以用一个二维光栅配合(一般地说该光栅不再由矩形单位元素的阵列组成)，或者也可使用两上或三个分开的光栅，它们最好被原始光束的不同部分照明、各处只对一个或两个探测器贡献本地振荡场。
应该指出，虽然图22A、22B和22C对每个衍射级次只示出了一个探测器，便事实上每个探测器都由一对正交偏振探测器组成，例如图19C和19D或图18中的512或图19A、19B中的元件576所示的那些偏振探测器对。
用于本发明装置的光源的功率一般是不大的。不过在本发明的一些优选实施例中仍可能希望提供有保护眼睛的机构，以减少不留神让激光照射到用户眼睛上。在本发明的一个优选实施例中，提供了一个附加的探测器，其位置使得它只接收从表面反射的光而不同时接收由光栅反射或折射的光。只要把该附加探测器放置在零级衍射光与一级衍射光或其他级衍射光之间就可容易地做到这一点。这个探测器也可以方便地同时用于如前所述的Er2成份补偿。例如，该附加探测器可以放置在图3A、3B或3C的元件34与40之间，或放置在前述其他实施例中的类似位置处。
只有当有一个物体(除了光栅之外)放置在能向附加探测器反射光的位置上时才会有光入射到该探测器上并产生一个信号。于是如果没有任何表面或手指或其他物体遮挡住光束(从而向附加探测器反射光)，就没有信号产生。
根据本发明的一个优选实施例，当附加探测器所探测到的光低于某一阈值时激光器将被切断。光源将周期性地，例如每100ms，重新接通一个非常短的时间以检验是否有光入射到附加探测器上。如果有光入射，则光源将保持接通以测量任何可能存在的运动。如果没有探测到光束探测到很弱的光，则光源将再次切断一段时间。这个过程一直重复到附加探测器探测到了高于阈值的光信号。为了防止寄生振荡，最好对阈值引入滞后特性。
可以任选地使得，当在一个预定时期内，例如一分钟或几分钟内，没有探测到运动时，运动探测器将进入一个“睡眠模式”。在此模式中，光源仅接通很短的时间(例如每秒钟或每半秒钟接通50或100ms)。如果在接通时间内探测到了运动，则运动探测器转到正常工作模式。
已经借助本发明的许多结合了本发明各种特点和各个方面的优选实施例说明了本发明。应该理解，这些特点和方面可以各种方式结合，并且本发明的各个实施例可以包含本发明的一个或几个方面。本发明的范畴由下述的权利要求定义而不是由上述一些特定的优选实施例定义。在下述权利要求中，所用的词条“包括”、“包含”以及它们的各种时态变化都意味着“包含但不一定限于”。
Claims (173)
1、一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，它包括：
用入射照明光照明表面；
探测从表面反射的光，以形成至少一个探测信号；以及
根据上述至少一个探测信号确定平行于表面的相对运动的量，
其特征为，
上述的确定包含对垂直于表面的相对运动的影响的校正。
2、根据权利要求1的方法，其中上述至少一个信号包括至少两个信号：至少一个受平行于表面的相对运动和垂直于表面的相对运动的影响的第一信号以及至少一个至少受垂直于表面的运动的影响的第二信号，并且
其中的确定包括根据这两个信号来确定平行于表面的相对运动的量。
3、根据权利要求2的方法，其中的确定包括：
根据上述两个信号中的至少一个信号来确定一个相对运动的第一量，上述相对运动的第一量包含一个平行于表面的成份和一个垂直于表面的成份；
根据上述两个信号中的至少一个信号来确定一个相对运动的第二量，上述相对运动的第二量包含一个垂直于表面的成份；以及
根据确定的相对运动的第一量和第二量确定平行于表面的相对运动的量。
4、根据权利要求3的方法，其中相对运动的第二量不包含一个平行于表面的成份。
5、根据权利要求3的方法，其中相对运动的第二量包含一个平行于表面的成份。
6、根据上述各权利要求项中任一项的方法，其中垂直于表面的相对运动是基于反射光的多普勒频移被确定的。
7、根据权利要求2的方法，其中的确定包括根据两个信号直接确定平行于表面的相对运动的量而不用确定垂直于表面的相对运动的量。
8、根据权利要求7的方法，其中上述至少一个第二信号基本上是由垂直于表面的相对运动确定的。
9、根据权利要求7的方法，其中上述至少一个第二信号是一个基于多普勒频移的信号。
10、根据权利要求7的方法，其中上述至少一个第二信号响应于平行于表面的相对运动。
11、根据前述各权利要求项中任一项的方法，它包含确定垂直于表面的相对运动的量。
12、根据前述各权利要求项中任一项的方法，其中的确定平行于表面的相对运动的量包含确定沿两个非共线方向的相对运动的量。
13、根据前述各权利要求项中任一项的方法，其中照明光垂直入射到表面上。
14、根据前述各权利要求中任一项的方法，其中的探测包括相干探测。
15、根据权利要求14的方法，它包含：
从一个物体反射或衍射一部分照明光以作为本地振荡光，该物体是测量装置的一部分。
16、根据权利要求15的方法，其中物体是一个部分反射物体，入射照明光或反射光能透过它。
17、根据权利要求16的方法，其中入射照明光和反射光都经过该物体。
18、根据权利要求15-17中任一项的方法，其中物体邻近于表面。
19、根据权利要求15-18中任一项的方法，其中表面位在物体的近场中。
20、根据权利要求15-18中任一项的方法，其中表面位在光栅的近场之外。
21、根据权利要求15-20中任一项的方法，其中物体是一个光栅。
22、根据权利要求21的方法，其中光栅基本上只产生照明表面的单级透射照明光。
23、根据权利要求15-22中任一项的方法，其中照明光至少是部分相干的，并且物体放置在来自表面的光的相干长度的范围内。
24、根据权利要求15-22中任一项的方法，其中本地振荡光和反射光入射到至少一个探测器上以产生上述信号，并且其中本地振荡光和反射光在探测器处至少是部分相干的。
25、一种用来测量其自身与一个表面之间的相对运动的设备，它包括：
一个照明光源，它发射照明光照明表面；
一个第一探测器，它接收从表面反射的光源照明光；
一个物体，它把一部分照明光反射到上述第一探测器上，使探测器根据对表面的反射光与作为本地振荡光的物体反射光的相干探测产生一个第一信号；
一个第二探测器，它接收来自光源的照明光而不接收表面的反射光，并据此产生一个第二信号；
一个信号校正器，它根据第二信号，对于照明光强度的变化，调整第一信号；以及
一个运动计算器，它根据来自信号校正器的信号计算相对运动。
26、根据权利要求25的设备，其中被第二探测器接收的光源照明光是被物体反射或衍射的光。
27、根据权利要求25或26的设备，其中信号校正器根据第二信号来校正第一信号的常数项。
28、根据权利要求27的设备，其中信号校正器包含一个差分放大器，它接收第一信号并从中减去第二信号以产生一个调整的第一信号。
29、根据权利要求28的设备，其中信号校正器包含一个归一化器，它接收调整的第一信号并把它相对于第二信号归一化。
30、根据权利要求28的设备，其中该设备包含：
一个第三探测器，它接收从表面反射的光而基本上不接收来自物体或光源的光，并据此产生一个第三信号，并且其中
信号校正器根据第三信号来校正调整的信号。
31、一种用来测量其自身与一个表面之间的相对运动的设备，它包括：
一个照明光源，它发射照明光照明表面；
一个第一探测器，它接收从表面反射的来自光源的光；
一个物体，它把一部分照明光反射到第一探测器上，使探测器根据对表面的反射光与作为本地振荡光的物体反射光的相干探测来产生一个第一信号；
一个第二探测器，它接收来自光源的照明光而不接收从表面反射的光，并据此产生一个第二信号；
一个信号校正器，它把第一信号减少一个正比于第二信号的量，以及
一个运动计算器，它根据来自信号校正器的信号来计算相对运动。
32、根据权利要求31的设备，其中被第二探测器接收的来自光源的光是被物体反射或衍射的光。
33、根据权利要求31或32的设备，其中信号校正器包含一个归一化器，它根据第二信号来调整第一信号中照明光强度的变化。
34、根据权利要求32的设备，它包含：
一个第三探测器，它接收从表面反射的光而基本上不接收来自物体或光源的光，并据此产生一个第三信号，并且其中
信号校正器根据第三信号来校正调整的信号。
35、一种用来测量其自身与一个表面之间的相对运动的设备，它包括：
一个照明光源，它发射照明光照明表面；
一个第一探测器，它接收从表面反射的来自光源的光；
一个物体，它把一部分照明光反射到上述第一探测器上，使探测器根据对从表面反射的光与作为本地振荡光的物体反射光的相干探测来产生一个第一信号；
一个第二探测器，它接收从表面反射的光而基本上不接收来自物体或光源的光，并据此产生一个第二信号；
一个信号校正器，它把第一信号减少一个正比于第二信号的量；以及
一个运动计算器，它根据来自信号校正器的信号来计算相对运动。
36、根据权利要求25-35中任一项的设备，其中物体是部分透射的，并且其中物体被放置在照明光源与表面之间，使得照明表面的光经过该物体。
37、根据权利要求36的设备，其中照明光有一个相干长度，并且其中物体和表面位在上述相干长度范围内。
38、根据权利要求25-37中任一项的设备，其中物体是一个光栅。
39、根据权利要求38的设备，其中光栅基本上只产生单级的照明表面的透射照明光。
40、根据权利要求38的设备，其中表面位在光栅的近场内。
41、根据权利要求38的设备，其中表面位在光栅的近场的外部。
42、根据权利要求25-41中任一项的设备，其中从表面反射的光与从物体反射的光在第一探测器处至少是部分相干的。
43、一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，它包括：
用入射照明光照明表面，使照明光从表面的几个部分反射；
利用从上述入射照明光中导出的不是从表面反射的光作为本地振荡光对从表面反射的光进行相干探测，以形成至少两个信号；
根据两个信号中的至少一个信号来确定表面相对运动的大小；
改变至少一部分本地振荡光相对于至少一部分表面反射光的相位；以及
根据由上述改变的相对相位所造成的信号特性来确定平行于表面的相对运动的方向。
44、根据权利要求43的方法，其中本地振荡光是通过使入射照明光在一个物体上反射或折射而产生的，该物体是测量装置的一部分。
45、根据权利要求44的方法，其中物体邻近于表面。
46、根据权利要求44或45的方法，其中照明光有一个相干长度，并且其中物体和表面位在上述相干长度范围内。
47、根据权利要求44-46中任一项的方法，其中物体是一个光栅。
48、根据权利要求47的方法，其中光栅基本上只产生单级照明表面的透射照明光。
49、根据权利要求47的方法，其中表面放置在光栅的近场内。
50、根据权利要求47的方法，其中表面放置在光栅的近场的外部。
51、根据权利要求43-50中任一项的方法，其中的改变相位包括引入一个静态相位改变，并且其中的确定相对运动的方向包括根据由上述静态相位改变所造成的信号特性来确定相对运动的方向。
52、根据权利要求43-51中任一项的方法，它包含：
把从表面反射的光分解成一个具有第一相位的第一光和一个具有第二相位的第二光。
53、根据权利要求52的方法，其中第一光与第二光有不同的偏振态。
54、根据权利要求52或53的方法，其中的分解包括使入射到表面上的光经过一个双折射材料。
55、根据权利要求52-54中任一项的方法，其中的分解包括使从表面反射的光经过一个双折射材料。
56、根据权利要求44-51中任一项的方法，它包含在物体与表面之间放置一个双折射材料。
57、根据权利要求56的方法，其中的在物体与表面之间放置一个双折射材料的作用是使探测到的光两次经过双折射材料。
58、根据权利要求43-57中任一项的方法，它包含利用两个能根据平移方向产生不同探测信号的探测器来确定平移的大小和方向。
59、根据权利要求58的方法，其中的确定平移的方向包括根据两个不同探测信号之间的相位差的正负号来确定方向。
60、根据权利要求43-59中任一项的方法，它包含使从表面反射的光线性偏振化。
61、一种设备，它用来确定一个表面相对于该设备的平移，该设备包括：
一个光学单元；
一个探测器，它结合在该光学单元上，能响应于入射在其上的光产生一个信号；
一个产生照明光的照明光源，一部分经过了光学单元的照明光被表面反射，在经过光学单元后入射到探测器上；以及
一个电路，它根据该信号计算平行于表面的平移的大小。
62、根据权利要求61的设备，它包含一个位在光学单元内或其表面上的物体，它把一部分照明光反射或衍射到探测器上，并且不使这部分光入射到表面上，上述部分的光起着用于探测器对反射光进行同步探测的本地振荡光的作用。
63、一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，它包括：
用入射辐射照明表面，使照明光从表面的一部分反射；
探测从表面反射的光中的至少一个第一部分，以形成一个第一探测信号；
探测从表面反射的光中的至少一个第二部分，以形成一个第二探测信号；以及
根据反射辐射的多普勒频移来确定相对运动的量，其中第一和第二信号的相位相差90°，并且探测包括正交探测。
64、根据权利要求63的方法，它包括：
根据上述第一和第二信号探测相对运动的方向。
65、根据权利要求63或64的方法，它包含确定平行于表面的两个非共线的方向上的相对运动。
66、根据权利要求63-65中任一项的方法，它包含确定垂直于表面的方向上的相对运动。
67、根据权利要求63-66中任一项的方法，其中的确定相对运动包括对上述第一和第二信号中的至少一个信号进行零点交叉计数。
68、根据权利要求63-67中任一项的方法，其中的探测包括相干探测。
69、一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，它包括：
用入射照明光照明表面使该照明光被表面的几个部分反射；
利用一个探测器相干地探测从表面反射的光，以形成一个信号；
利用从上述照明光中导出的不是被表面反射的光作为上述相干探测的本地振荡光；以及
根据上述信号确定表面相对运动的大小；
其特征为，本地振荡光被聚焦在探测器的一个小面积上，使得基本上只有反射光中的单个空间频率成份才与上述本地振荡光在探测器上形成干涉场。
70、一种设备，用来确定一个表面相对于该设备的相对运动，该设备包括：
一个含有一个开口的壳体；
壳体内的一个探测器，它能产生一个可用来确定相对运动的信号；
壳体内的一个能发出一个给定波长的照明光的激光光源，它通过开口照明表面，并使从表面反射的光能经过开口射向探测器；以及
一个复盖在开口上的滤光器，它能透过该给定波长的光，并挡住探测器所敏感的其他波长的光。
71、一种设备，用来确定一个表面相对于该设备的相对运动，该设备包括：
一个含有一个开口的壳体；
壳体内的一个探测器，它能产生一个可用来确定相对运动的信号；
壳体内的一个能发出一个给定波长的照明光的激光光源，它通过开口照明表面，并使从表面反射的光能经过开口射向探测器；
壳体内的一个第二探测器，用来接收从表面反射的光；以及
一个电路，它能在第二探测器接收到的光低于一个阈值时切断照明光源。
72、根据权利要求71的设备，其中的电路能在第二探测器所接收到的光低于阈值时周期性地接通和切断光源。
73、根据权利要求71或72的设备，其中的开口被一个滤光器复盖，该滤光器能透过给定波长的光并挡住第一和第二探测器所敏感的其他波长的光。
74、根据权利要求69-73中任一项的设备，其中射向探测器的光的一部分照明探测器，这部分先不曾入射到表面上过，这部分光起着通过探测器进行的反射的光的相干探测的本地振荡光的作用。
75、根据权利要求69-74中任一项的设备，其中的反射光通过上述平移而相对于光源所发出的照明光发生了多普勒频移，并且其中上述多普勒频移被用来确定运动。
76、一种用来测量其自身和一个表面之间的相对运动的设备，它包括：
一个照明光源，用来照明表面；
一个探测器，它接收从表面反射的来自光源的光，并接收不是被表面反射的上述部分的一部分照明光，使得该探测器能基于对从表面反射的光与作为本地振荡光的照明光部分的相干探测来产生一个信号，其中上述信号的频率与相对运动的速率有关，以及
一个运动计算器，用来根据对该信号的零点交叉计数来计算相对运动的量。
77、根据权利要求75的设备，其中探测器包含一个高通滤波器，用来对探测器的输出进行滤波以形成上述信号。
78、根据权利要求77的设备，其中高通滤波器的斜率小于约每倍频20dB。
79、根据权利要求77或78的设备，其中高通滤波器的截止频率对应于小于约0.5mm/s的运动速率。
80、根据权利要求76-79中任一项的设备，它包含：
一个第二探测器，用来探测从表面反射的光的至少一个第二部分，以利用相干探测形成一个第二探测信号；
其中运动探测器根据反射辐射的多普勒频移来确定相对运动的量，并且其中的信号和第二探测信号的相位相差90°，而且探测包括正交探测。
81、一种设备，用来确定一个表面相对于该设备的相对运动，该设备包括：
一个含有一个开口的壳体；
壳体内的一个探测器，用来产生一个可用于确定相对运动的信号；
壳体内的一个能发出一个给定波长的照明光的激光光源，用来通过开口照明表面，并使得从表面反射的光能通过开口射向探测器；以及
一个电路，当探测器从表面接收到的光低于一个阈值时它能切断照明光源。
82、根据权利要求81的设备，其中的电路在探测器从表面接收到的光低于阈值时能周期性地接通和切断光源。
83、一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，它包括：
把一个作为测量装置一部分的部分透射物体放置在邻近于表面处；
用入射照明光照明表面，使照明光被物体的几个部分反射，其中入射光和反射光中至少一个光的至少一部分经过物体；
探测从表面反射的光以产生一个探测信号，其中物体与表面被定位在小于探测到的光的相干长度的一距离内；以及
根据探测信号确定平行于表面的表面相对运动。
84、根据权利要求83的方法，其中物体的透射率是空间变化的。
85、根据权利要求83或84的方法，其中物体是部分反射的，并且其中入射光的一部分被物体反射或衍射成一个参考光，而且其中对光的探测是利用上述参考光的相干探测。
86.一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，它包括：
把一个作为测量装置一部分的部分反射物体放置在邻近于表面处；
用入射照明光照明物体使得一部分入射照明光被物体反射或衍射成一个参考光，另一部分则被表面反射；
利用参考光是对从表面反射的光进行相干探测，以产生一个探测信号；以及
根据探测信号确定平行于表面的表面相对运动。
87、根据权利要求86的方法，其中物体是一个部分透射物体，并且其中入射光和反射光中的至少一个光的至少一部分经过物体。
88、根据权利要求86或87的方法，其中物体的反射率是空间变化的。
89、根据权利要求84或88的方法，其中的空间变化包括周期性的空间变化。
90、根据权利要求83-89中任一项的方法，其中的把一个物体放置在表面邻近处包括：
把一个光栅放置在表面邻近处。
91、根据权利要求90的方法，其中的把一个光栅放置在表面邻近处包括：
把光栅放置得足够地靠近表面，使得表面位于光栅的近场内。
92、根据权利要求91的方法，其中的把一个光栅放置在表面邻近处包括：
把光栅放置得离开表面足够地远，使得表面在光栅的近场之外。
93、根据权利要求83-92中任一项的方法，其中被探测的光至少是部分相干的。
94、一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，它包括：
把一个作为测量装置一部分的光栅放置在邻近于表面处；
用入射照明光照明光栅，使得至少一部分照明光入射到表面上并从表面反射，其中入射照明光和反射光中的至少一个光经过了光栅；
利用参考光探测从表面反射的光；
根据反射光产生一个信号；以及
根据探测到的信号确定平行于表面的表面相对运动，
其中表面位在光栅的近场内。
95、根据权利要求83-94中任一项的方法，其中从表面反射的光相对于从物体反射或衍射的光被频移，并且其中的确定运动包括根据频移来确定运动。
96、根据权利要求83-95中任一项的方法，其中的确定运动包括确定信号的幅度随位置的变化。
97、根据权利要求96的方法，其中是根据探测信号的零点交叉来确定运动的。
98、根据权利要求84-97中任一项的方法，其中物体具有空间不对称的透射率分布特性。
99、根据权利要求98的方法，它包含：
根据由上述不对称所造成的信号特性来确定相对运动的方向。
100、一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，它包括：
把一个作为测量装置一部分的部分透射物体放置在邻近于表面处；
用不构成一个干涉图案的入射照明光照明表面，使得照明光从表面的几个部分反射，其中入射光和反射光中的至少一个光的至少一部分是经过物体的；
探测从表面反射的光，并产生一个探测信号；以及
根据探测信号确定平行于表面的表面相对运动。
101、根据权利要求83-100中任一项的方法，它包括：
改变从物体反射或衍射的光与至少一部分的从表面反射的光之间的相位。
102、一种用来确定一个表面相对于一个探测装置的相对运动的方法，它包括：
用入射照明光照明表面，使照明光从表面的几个部分反射；
把一个作为测量装置一部分的部分反射物体放置在邻近于表面处，其中一部分入射照明光被物体反射或衍射作为一个参考光；
利用由物体反射或衍射的光作为本地振荡光对从表面反射的光进行相干探测，以形成一个信号；
根据该信号确定表面的相对运动；
改变至少一部分从物体反射或衍射的光相对于至少一部分从表面反射的光的相位；以及
根据由上述改变的相对相位所造成的信号特性来确定平行于表面的相对运动的方向。
103、根据权利要求102的方法，其中的把一个反射器放置在邻近于表面处包括：
把一个光栅放置在邻近于表面处。
104、根据权利要求101-103中任一项的方法，其中的改变相位包括周期性地改变相位。
105、根据权利要求104的方法，其中的确定相对运动的方向包括根据由上述周期性地改变相对相位所造成的信号特性来确定相对运动的方向。
106、根据权利要求101-105中任一项的方法，其中的改变相位包括：
使物体基本上沿被测运动的方向周期性运动。
107、根据权利要求101-106中任一项的方法，其中的改变相位包括：
使物体基本上垂直于被测运动的方向周期性地运动。
108、根据权利要求101-107中任一项的方法，其中的改变相位包括：
在物体和表面之间设置一个透明材料；以及
对材料加电使它在照明光方向上的光学长度发生变化。
109、根据权利要求108的方法，其中透明材料是一个压电材料。
110、根据权利要求100-109任一项的方法，它包含利用单个探测器既确定平移的大小又确定平移方向。
111、根据权利要求101-103中任一项的方法，其中的改变相位包含引入一个静态相位变化，并且其中确定相对运动的方向包括根据由上述相位变化所造成的信号特性来确定相对运动的方向。
112、根据权利要求101-111中任一项的方法，它包含：
把至少一部分表面反射的光到分解成一个具有第一相位的第一光和一个具有第地相位的第二光。
113、根据权利要求112的方法，其中上述第一和第二光具有不同的偏振态。
114、根据权利要求113的方法，其中的分解包括让入射到表面上的光经过一个双折射材料。
115.根据权利要求113或114的方法，它包含让从表面反射的光经过一个双折射材料。
116、根据权利要求114或115的方法，它包含把双折射材料放置在物体与表面之间。
117、根据权利要求要100-109或111-116中任一项的方法，它包含利用两个能根据平移的方向产生两个不同探测信号的探测器来确定平移的大小和方向。
118、根据权利要求117的方法，它包含根据两个不同探测信号之间的相位差的正负号来确定平移的方向。
119、一种用来确定一个表面相对一个探测装置的相对运动的方法，它包括：
把一个作为测量装置一部分的含开口的反射器放置在邻近于表面处；
用入射照明光照明表面使照明光从表面的几个部分反射并使照明光被含开口的反射器反射或衍射；
利用由含开口的反射器反射或衍射的光作为本地振荡光对从表面反射的光进行相干探测，以形成一个信号；
根据该信号确定垂直于和平行于含开口的反射器方向上的表面相对运动。
120、根据权利要求119的方法，其中：
相干探测包括：
探测反射光的振幅或相位变化；以及
探测反射光的频移；以及
确定相对运动包括：
根据探测到的振幅或相位变化中的至少一个变化来测量平行于含开口的反射器的方向上的表面相对运动；以及
根据探测到的频移来测量垂直于含开口的反射器表面的方向上的表面相对运动。
121、根据权利要求120的方法，它包括：
沿垂直于含开口的反射器表面的方向使含开口的反射器周期性地运动，以使从其上反射的光被加上一个周期性的相移；以及
利用上述相移来测量表面的运动。
122、一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，它包括：
用来自一个光源的入射照明光照明表面，使得照明光被表面的几个部分向一个探测器反射；
对反射光进行空间滤波，使得探测到的来自表面上一个给定散射元素的光的相位基本恒定或与表面的平移有线性关系；
由探测器根据入射到其上的光产生一个信号；以及
根据该信号确定表面的相对运动。
123、根据权利要求122的方法，其中的照明包括用空间变化的照明光照明表面。
124.根据权利要求122或123的方法，其中的照明表面包括通过一个放置在邻近于表面处的能把照明光反射或衍射到探测器上的含开口的反射器来照明表面。
125、根据权利要求124的方法，其中的产生一个信号包括利用从含开口的反射器反射或衍射的光对从表面反射的光进行相干探测。
126、根据权利要求122-125中任一项的方法，其中的确定相对运动包括利用反射光的多普勒频移。
127、根据权利要求122-126中任一项的方法，其中：
对表面的照明光是基本准直的；并且
空间滤波器对反射光进行滤波，使得基本上只有反射光的一个空间频率成份被探测器探测。
128、根据权利要求122-127中任一项的方法，其中：
对表面的照明光是基本准直的；并且
空间滤波器对反射光进行滤波，使得基本上只有表面在一个方面上反射的光才被探测器探测。
129、根据权利要求122-128中任一项的方法，其中的空间滤波包括：
用一个具有一个焦点的透镜使反射光聚焦；以及
在透镜的焦点上放置一个针孔。
130、根据权利要求122-128中任一项的方法，其中的空间滤波包括：
用一个具有一个焦点的透镜使反射光聚焦；以及
在透镜的焦点处放置一个单模光纤，以把光传递给探测器。
131、根据权利要求122-128的方法，其中的空间滤波包括：
用一个透镜使反射光聚焦；以及
在光源的一个像上放置一个针孔。
132、根据权利要求122-128的方法，其中的空间滤波包括：
用一个透镜使反射光聚焦；以及
在光源的一个像上放置一个单模光纤，以把光传递给探测器。
133、一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，它包括：
把一个至少具有一个准连续透射率分布函数的物体放置在邻近于表面处；
用入射照明光照明表面，使得照明光被表面的几个部分向一个探测器反射；
利用探测器探测从表面反射的光，以产生一个信号，以及
根据该信号确定表面的相对运动。
134、根据权利要求133的方法，其中物体具有一个不对称的透射率分布函数；并且
其中的确定相对运动包括根据探测到的信号来确定运动的方向。
135、根据权利要求133或134的方法，其中：
照明光被物体向探测器反射或衍射；并且
上述的探测是利用从物体反射或衍射的光作为本地振荡光来进行相干探测以形成一个信号。
136、一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，它包括：
用照明光通过一个含开口的反射器照明表面，使得不是表面上一个点或一个部分的像的从表面反射的光照明一个探测器。
用从上述入射照明光导出的参考光同时照明探测器；
利用上述参考光对探测器的反射光进行相干探测，使探测器产生一个信号；以及
根据由相对运动所造成的信号变化来确定平行于表面的表面相对运动。
137、根据权利要求136的方法，其中入射照明光具有一个给定波长，并且其中参考光具有相同的波长，使相干探测是零差探测。
138、根据权利要求136或137的方法，它包括：
在空间上改变对表面的照明光。
139、根据权利要求138的方法，其中的在空间上改变对表面的照明光包括：
通过一个具有空间变化周期的透射率分布的透射光栅来照明表面。
140、根据权利要求138的方法，其中的在空间上改变对表面照明光包括：
通过一个光栅照明表面，该光栅能把一部分入射到其上的光向探测器作镜面反射，以形成上述参考光。
141、一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方法，它包括：
用照明光照明表面使得照明光从表面的几个部分反射；
把一个含开口的反射器放置在邻近于表面处；
利用被含开口反射或衍射的光作为本地振荡光对从表面反射的光进行相干探测；以及
根据信号的特性确定平行于表面方向上的表面相对运动。
142、根据权利要求141的方法，其中相对运动是利用从表面反射的光的多普勒频移来探测的。
143、根据权利要求141或142的方法，其中含开口的反射器是一光栅且由光栅衍射的光被用来确定运动。
144、根据权利要求83-143中任一项的方法，其中照明光垂直地入射到表面上。
145、根据前述各权利要求项中任一项的方法，其中表面是光学漫反射表面。
146、根据前述各权利要求项中任一项的方法，其中表面上没有指明位置的标记。
147、根据前述各权利要求项中任一项的方法，其中照明光包括可见照明光。
148、根据权利要求1-146中任一项的方法，其中照明光包括红外照明光。
149、一种设备，用来确定一个表面和该设备的相对运动，该设备包括：
一个位在表面邻近的部分透射物体；
一个探测器，用来探测入射到其上的光并产生一个探测信号；
一个照明光源，其用入射照明光照明物体使得照明光被物体向探测器反射或衍射，并使得一部分入射照明光被表面向探测器反射，使得探测器能利用物体向它反射或衍射的光对从表面反射的光进行相干探测；以及
一个电路，用来根据探测到的信号来确定平行于表面方向上表面相对于设备的相对运动。
150、一种光学鼠标器，它包括：
一个含有一个面向一个表面的开口壳体；以及
一个通过开口监视着表面的光学运动探测器，其中光学运动探测器利用权利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一项的方法来确定壳体相对于表面的平移。
151、一种用作控制装置的触摸式指点器，它包括：
一个含有一个开口的壳体；以及
一个光学探测器，用来确定一个经过开口作平移的手指的运动。
152、根据权利要求151的触摸式指点器，其中光学探测器利用权利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一项的方法来确定平移。
153、一种指针装置，它包括：
一个根据权利要求151或152的第一触摸式指点器和一个响应于第一指点器去移动一个指针的电路；以及
一个根据权利要求151或152的第二触摸指点器和一个能响应于第二指点器使屏幕滚动的电路。
154、一种用作为计算机指针的鼠标器/触摸式指点器结合装置，它包括：
一个含有一开口的壳体；
一个光学探测器，用来确定一个在开口上平移的物体的运动；以及
用来确定开口是面向上方还是面向下方装置。
155、根据权利要求154的鼠标器/触摸式指点器结合装置，其中光学探测器利用权利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一项的方法来确定平移。
156、一种扫描器，用来通过把该扫描器在一个文件上移动来读出该文件，该扫描器包括：
一个光学读出头，它能探测文件表面上的图案；以及
一个光学探测器，用来确定扫描器在文件表面上平移时的运动，其中光学探测器利用权利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一项的方法来确定平移。
157、根据权利要求156的扫描器，其中图案包括印刷图案。
158、根据权利要求156或157的扫描器，其中图案包括手写图案。
159、根据权利要求158的扫描器，其中图案包括签字。
160、一种编码器，它包括：
一个光学漫反射表面；以及
一个相对于表面有相对运动的光学探测器，其中光学探测器不利用表面上的标记来测量相对于表面的相对运动。
161、一种编码器，它包括：
一个除了参考标记外不含有其他标记的光学漫反射表面；以及
一个相对于表面有相对运动的光学探测器，其中光学探测器根据参考标记来测量相对于表面的相对运动。
162、根据权利要求160或161中任一项的编码器，其中表面是一绕一轴转动的盘的表面且探测器测量该盘的转动。
163、根据权利要求160-162中任一项的编码器，它利用了权利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一项的方法。
164、一种虚拟笔，它包括：
一个根据权利要求161或162的编码器；以及
一个电路，用来把上述测得的相对运动转换成手写或图形的数据。
165、根据权利要求164的虚拟笔，它利用了权利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一项的方法。
166、一种用来移动一页纸张的装置，它包括：
用于移动纸张的装置；以及
一个光学探测器，它能不利用纸张上的任何标记来测量纸张的运动。
167、根据权利要求166的装置，其中光学探测器利用了权利要求1-24、43-60、63-69或83-148中的任一项的方法。
168、一种文件扫描器，它包括
一个根据权利要求165或166的装置；
一个读出头，它能从纸张读出信息；以及
一个存储器，用来响应于测得的纸张运动把信息存储在存储位置上。
169、一种打印机，它包括：
一个根据权利要求165或166的装置；
存储器，其中含有准备打印到纸张上的信息；以及
一个打印头，用来根据测得的纸张运动来打印信息。
170、一种传真机，它包括一个根据权利要求167的扫描器。
171、一种传真机，它包括一个根据权利要求167的打印器。
172、根据权利要求171的传真机，它还包括一个根据权利要求167的扫描器。
173、一种用来确定一个表面相对于一个测量装置的相对运动的方向的方法，它包括：
用入射照明光照明表面，使得照明光被表面的几个部分向一个探测器反射；
把一个具有不对称透射率分布函数的物体放置在邻近于探测器处；
利用探测器探测从表面反射的光以产生一个信号；以及
根据该信号确定表面相对运动的方向。
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