CN1607543A - 利用干涉图案的移动追踪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了通过利用来自表面(130、230)的反射光(111、211)产生干涉图案(310)来追踪在所述表面(130、230)上的移动的系统、方法和设备。其中作为传感器(301、302、303、304、305)在所述表面上移动的结果，生成了至少一个对应于对干涉图案(310)的尺寸的检测结果的信号图案(401C、403C、405C、504C、502C)。将这个检测到的尺寸与假设的尺寸值相关联来确定传感器(301、302、303、304、305)行进的距离。

Description

利用干涉图案的移动追踪
技术领域
本公开涉及移动追踪，更具体地，涉及用于计算机导引设备中的移动追踪。
背景技术
传统的计算机导引设备使用内部滚球来追踪其在表面上的移动。考虑到这种普通滚球鼠标的问题，开发出了光学鼠标。光学鼠标没有移动部件，但是包含传感器阵列，其被排列成可连续地摄取支撑鼠标的表面的图像。将该表面的每幅图像与前面的图像相比较，从比较中系统可确定鼠标已移动了多远。如果成像表面是光滑的，则这种系统可能无法一直有效地运行。
这种设备利用电磁波的相长和相消干涉来形成具有高强度和低强度区域的图案，称为斑纹图案。根据电磁波的相干性或非相干性，以及设备的布置等，这些图案的对比度和大小可呈现各种形式。
发明内容
实施例通过在一个表面上反射相干光来产生干涉图案，以追踪在这个表面上的移动。使用至少一个传感器来检测干涉图案，以生成至少一个对应于对干涉图案的某一图形的至少一个尺寸的检测结果的信号。测量所检测的尺寸，并从测量结果中确定传感器行进的距离。在一个实施例中，通过与假设值相关联来测量这个尺寸。
附图说明
图1和2是说明导引设备的实施例的示意图；
图3a是说明传感器排列的一个实施例的示意图；
图3b是说明干涉图案的一个实施例的示意图；
图4a和4b是说明用于水平移动检测的传感器排列的相互作用的示意图；
图4c是关于传感器信号的曲线图；
图5a和5b是说明用于垂直移动检测的传感器排列的相互作用的示意图；
图5c是关于传感器信号的曲线图；
图6a和6b是说明被排列用于极坐标检测的传感器的相互作用的示意图；和
图7是根据本发明的一个实施例的流程图。
具体实施方式
图1和2示出了使用电磁波(光)来探测相对运动的计算机导引设备的实施例。所示实施例使用激光器来发射相干光，这种光可在表面被反射。当观察或检测时，所得干涉图案由具有亮的部分和暗的部分的图案组成，称为斑纹图案。单个斑纹的尺寸大致是某些设备参数的函数，例如入射光的波长、激光光束的直径、以及观测器或光传感器距离反射表面的距离。如果光参数保持恒定，则实施例可预测到所形成斑纹的尺寸的值将落入固定的高斯分布内，其中约95％的斑纹在大小上落入60％以内。因而，通过保持参数恒定，实施例可预测到所得斑纹的95％将具有某已知范围的值内的尺寸。如果使用大量的斑纹，则这种一致性足够使得系统在斑纹穿过时能够对其计数，并确定在表面上的移动距离。
当波长、激光直径和检测器与表面之间的距离的这些参数保持恒定时，则各种实施例可假设每个斑纹的宽度(或其他合适的图案图形尺寸，例如斑纹长度、斑纹间的距离、两个斑纹的前边缘之间的距离、或两个斑纹的拖尾边缘之间的距离)，实际是由系统布置所确定的该尺寸的统计平均值。对于平均斑纹大小，有：
其中λ是波长，R是距离反射点的距离，而d是光束的直径。
如等式(1)示出的，所用激光光束越狭窄，所得图案中的斑纹将越大。因而，可能产生大小在50-100微米之间的可预测高斯平均值的斑纹。通过使平均值等于每个斑纹的实际大小，就可以通过对已穿过的斑纹计数来计算出移动的距离。
在图1的实施例中，计算机鼠标100包括激光器110和传感器组120。激光器110发射出相干光111，其在表面130反射，产生干涉现象，斑纹121。激光器110和传感器组120彼此相对固定，但当计算机鼠标100在表面130上移动时，干涉图案121将相对于传感器组120移动。
在图2的实施例中，触针200包含激光器210和传感器组220。在这个实施例中，激光器210发出靠近触针200的轴向某一角度的相干光211，其使相干光211在表面230反射以产生斑纹221的干涉图案，接着传感器组220探测到该干涉图案。在这个示例性实施例中，触针200的定向对于计算很重要。因而，设有凹槽251，以便当手250握住触针200时，正确地放置其手指。
图3a是表示有关干涉现象的一个实施例的几个图形的图，例如由激光反射出表面而产生的斑纹。在图3a中，根据一个实施例来排列传感器组300。5个传感器301-305排列成交叉图案，其中传感器301位于中心。然后将传感器302、303、304和305分别排列在指南针的北、东、南和西方位处。
图3b示出了由斑纹组成的干涉图案310，所述斑纹例如为斑纹311。在所示实施例中，斑纹的大小设计为约是传感器301-305大小的两倍。
通常的光学鼠标可能具有250个或更多相当大的传感器，以适应用户可使用的表面的变化。当前有5微米小的传感器可供使用，这样使得整个传感器阵列宽小于50微米。如果使用比所形成斑纹更小的传感器，则对斑纹的计数可能更容易。通过调整传感器与散射表面的距离，斑纹大小可以变化，且1-2厘米的距离足以生成大小在5-10微米的斑纹。实施例可使用直径为5微米的传感器，而平均斑纹大小约为10微米。以这样的大小，实施例中每英寸的移动可遇到约2500个斑纹。
在传感器组中，通过相继触发相联合的传感器可确定方向。如果斑纹的出现仅触发了单个传感器，则无法搜集有关方向的信息。但是，如果斑纹首先触发了相联合的一组传感器中的第一个传感器，接着再触发第二个，则由该相联合的传感器的排列可确定方向。图3a的北侧传感器302、中间传感器301和南侧传感器304排列成一条垂直线。实施例可使用一种联合传感器的方法来确定方向。在图3a中，如果斑纹触发了北侧传感器302，接着触发中间传感器301和南侧传感器304，则可确定斑纹正从北向南移动。比较相联合的传感器，可确定正向、负向或0方向状态。所布置的实施例，例如图3a中的，可以沿垂直线联合传感器和沿水平线联合传感器，并比较这些相联合的传感器的信号来确定沿着笛卡尔垂直轴和水平轴的方向状态是+1、-1还是0。
实施例可使用如图7的流程图所示的一般化方法。在步骤701，传感器组的传感器检测到斑纹的出现，从而在传感器的信号中产生一个变化(例如上升)。在步骤702，实施例查询相联合的传感器的信号。在步骤703，系统比较相联合的传感器的信号，并从比较中确定传感器组的方向状态。在步骤704，实施例可能发现原传感器的信号表明不再检测到斑纹(信号下降)。在步骤705，通过将信号的升降与平均斑纹的长度或干涉图案的其他合适尺寸相关联，实施例确定行进的距离。实施例并不限于通过测量斑纹宽度来确定距离。确切地说，只要能获得合适的统计平均值，就可利用干涉图案的任意尺寸。
图4a、4b和4c涉及当传感器组400与斑纹411相互作用时的实例。在图4a中，传感器组400已移动了跨越斑纹411的路程的1/4。图4b示出了传感器组400已移动了穿越斑纹411的路程的3/4。图4c是当传感器401、403和405通过了图4a和4b中所示移动的整个范围时，其信号401c、403c和405c的曲线表示。当传感器组400沿着方向406移动时，东侧传感器403将首先检测到斑纹411。在图4c的曲线中，由信号403c中的信号上升421来表示传感器403检测到斑纹411。随着传感器组400继续沿着406移动，中间传感器401将检测到斑纹411。在图4c中，由信号401c中的信号上升422来表示传感器401检测到斑纹411。继续沿着406移动，传感器405检测到斑纹411，这将记为图4c的信号405c的上升424。当斑纹411已移动到传感器403的范围以外，则信号403c经历信号下降425。随着传感器组400继续前进，斑纹411将落在中间传感器401的范围之外，导致401c的信号下降427。当传感器组400已完全穿过斑纹411，则传感器405的信号405c将经历信号下降428。图4a所示的方向406上的点对应曲线450的点423。图4b所示的方向406上的点对应曲线450的点426。
图5a、5b和5c涉及当传感器组500沿着506穿过斑纹511时，传感器组500与斑纹511的相互作用。图5a示出了处于穿越斑纹511的路程1/4的传感器组500。图5b示出了处于穿越斑纹511的路程的3/4的传感器组500。图5c用曲线表示了随着传感器501、502和504完全穿过斑纹511，它们所产生的信号501c、502c和504c。当传感器组500沿着方向506移动时，南侧传感器504将首先检测到斑纹511，如信号504c的上升521所示的。如图5a所示的，在方向506上，传感器组500已移动了穿越斑纹511的路程的1/4，在这一点处，信号504c和501c分别通过上升521和上升522记录了斑纹511的出现。随着移动沿方向506继续，传感器502将检测到斑纹511，如信号上升524所记下的。当传感器组500穿过斑纹511，传感器504不再检测斑纹511时，则信号504c呈现信号下降525。图5c的点526处图示了如图5b所示的方向506，此处中间传感器501仍检测斑纹511，而北侧传感器502也检测到斑纹511。随着移动沿方向506继续，中间传感器501将不再检测斑纹511，导致信号501c上的信号下降527。当传感器组500完全穿过斑纹511时，传感器502将不再检测斑纹511，导致信号502c的下降528。
为确定移动的方向，实施例可利用对某些传感器的信号的比较。对于图4a和4b中所示的实施例，通过比较传感器401、403和405的信号，可检测沿着水平轴的方向。为检测方向，系统可将每个传感器与至少一个其他的传感器相联合，并比较信号来确定方向状态。例如，当东侧传感器403的信号403c经历上升，将403c与中间传感器401的信号401c正在发生的情况作比较。如果中间传感器信号401c低，则实施例不会记录方向，并推断出方向状态为0。但是，如果中间传感器401的信号401c高，则实施例可确定传感器组正从东向西移动。当这种方向状态出现时，接着实施例记录下水平方向状态为-1。因而，实施例通常设计有大小为平均斑纹的一半的传感器。使用这个比例以及传感器的适当间隔，一个斑纹可以同时被两个相邻的传感器所检测到。
如果中间传感器401的信号401c出现上升，则实施例可接着将这个信号与东侧传感器403的信号403c和西侧传感器405的信号405c比较。如果中间传感器401的信号401c出现上升，东侧传感器403的信号403c高而西侧传感器405的信号405c低，则系统可确定水平方向上方向状态为+1，表示传感器组400正从西向东移动。如果西侧传感器405的信号405c出现上升，则实施例将信号405c与中间传感器401的信号401c比较。如果中间传感器401的信号401c低，则这个方向状态记为0。如果中间传感器401的信号401c高，则这个方向状态记为+1，表示传感器组正从西向东移动。下面的图表示出了一个实施例的水平移动的可能的方向状态。
图表1  传感器E
                   当东侧传感器信号上升
    相联合的传感器     方向状态
    信号401c低     0
    信号401c高     -1
图表2  传感器C
             当中间传感器信号上升
  相联合的传感器     方向状态
  信号403c低，且信号405c高     -1
  信号405c低，且信号403c高     +1
图表3  传感器W
             当西侧传感器信号上升
    相联合的传感器     方向状态
    信号401c低     0
    信号401c高     +1
以类似方式，本发明通过比较传感器501、502和504的信号501c、502c和504c，还可确定沿着垂直方向的移动方向。本方法再次将一个传感器的信号与至少一个其他的传感器相联合来确定方向状态。例如，如果中间传感器501的信号501c经历上升，则一个实施例的系统可以接着将信号501c与南侧传感器504的信号504c以及北侧传感器502的信号502c相比较。如果在中间传感器501的信号501c的这个上升处，南侧传感器504的504c高，且北侧传感器502的信号502c低，则传感器组500的垂直方向状态为-1，表示传感器组500正从北向南移动。如果当中间传感器信号501c经历上升，北侧传感器信号502c高，且南侧传感器信号504c低，则垂直方向状态为+1，表示传感器组500正从南向北移动。
类似于水平方向上的方向检测，外侧传感器502和504的信号的上升可触发与中间传感器501的信号501c的比较。如果在北侧传感器502的信号502c上升处，中间传感器信号501c低，则传感器组500的垂直方向状态为0，表示没有方向。但是，如果在北侧传感器502的信号502c上升处，中间传感器的信号501c高，则传感器组500的垂直方向状态应为-1，表示传感器组500正从北向南移动。当南侧传感器504的信号504c出现上升时，本方法又可比较信号504c和中间传感器501的信号501c来确定方向状态。如果在南侧传感器504的信号504c上升处，中间传感器501的信号501c低，则传感器组的垂直方向状态为0。但是，如果在南侧传感器504的信号504c上升处，中间传感器501的信号501c高，则这个方向状态记为+1，表示传感器组500正从南向北移动。
前面所讨论的实施例示出了为在笛卡尔坐标中确定方向而设计的传感器排列。但是，这并不是唯一可能的排列，并且实施例并不限于用于在笛卡尔坐标中确定方向的排列。例如，传感器组可被排列以确定极坐标中的方向，例如图6a和6b中所示的。传感器组600是呈近似环形排列的8个传感器601-608，以及位于所述环的近似中心处的中心传感器609。当传感器组600与斑纹610相互作用时，所示排列能够以角度确定移动的方向。例如，利用如上所述的相联合的传感器的方法，中心传感器601的信号的上升可触发与其他传感器的信号的比较。例如，如果传感器602高，传感器603-609的信号都低，则系统可确定传感器组600正沿着45°角移动，方向状态为-1。利用其他传感器的类似比较可确定不同的方向状态，从而记录下不同的方向角度。图6a和6b的排列可以使用类似于已描述的方法的用于确定距离的方法，从而追踪移动。

Claims (10)

1.一种对在表面(130、230)上的移动进行追踪的方法，所述方法包括：
利用来自所述表面(130、230)的反射光产生干涉图案(310)；
作为传感器(120、220)在所述表面(130、230)上移动的结果，生成至少一个对应于对所述干涉图案(310)的某一图形(311)的检测结果的信号图案(401C、403C、405C、504C、502C)；以及
将所述检测到的图形(311)与假设值相关联来确定所述传感器行进的距离。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
使用所述干涉图案(310)的预期值的统计平均值作为所述假设值。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述假设值是斑纹(411)的平均宽度或长度。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
联合多个传感器(300、600)，其中每个传感器(301、302、303、304、305、601、602、603、604、605、606、607、608、609)生成对应于对所述干涉图案(310)的某一图形(311)的检测结果的信号图案(401C、403C、405C、501C、504C、502C)；以及
比较所述相联合的传感器(300)的所述信号(401C、403C、405C、501C、504C、502C)来确定计算机导引设备(100)行进的方向。
5.一种对设备(100、200)相对于表面(130、230)的移动进行追踪的系统，所述系统包括：
在所述设备(100、200)内的传感器(300、600)，所述传感器(300、600)检测与所述传感器相对于干涉图案(310)的移动相关的信号图案(401C、403C、405C、501C、504C、502C)  以及
处理器，用来比较所述检测到的信号图案(401C、403C、405C、501C、504C、502C)并确定所述设备(100、200)相对于所述表面(130、230)所移动的距离。
6.如权利要求5所述的系统，其中某些所述传感(300、600)被联合在一起，并且其中所述处理器还可操作用于比较来自所述传感器(300、600)中相联合的传感器的信号(401C、403C、405C、501C、504C、502C)来确定所述设备(100、200)的移动方向。
7.如权利要求5所述的系统，还包括：
在所述设备(100、200)内的相干光源(110、210)，所述相干光源(110、210)产生所述干涉图案(310)，其中所述干涉图案(310)包括斑纹(311)，所述信号图案(401C、403C、405C、504C、502C)取决于所述斑纹(311)的至少一个尺寸，并且其中所述确定包括将所述至少一个尺寸的假设值与所述设备(100、200)移动的所述距离相关联。
8.一种将导引信息输入计算机内的设备(100、200)，所述设备包括：
产生干涉图案(310)的电磁辐射源(110、210)；和
一组传感器(300、600)，其中每个所述传感器(301、302、303、304、305、601、602、603、604、605、606、607、608、609)生成信号图案，所述传感器(301、302、303、304、305、601、602、603、604、605、606、607、608、609)生成多个信号图案(401C、403C、405C、501C、504C、502C)，使得当至少两个所述信号图案(401C、403C、405C、501C、504C、502C)被联合在一起时，所得信号可用来确定所述设备的移动方向。
9.如权利要求8所述的设备(100、200)，其中所述源是相干光源(110、210)，所述干涉图案(310)由斑纹(311)组成；并且
其中所述信号图案(401C、403C、405C、501C、504C、502C)取决于对至少一个所述斑纹(311)的尺寸的检测。
10.如权利要求9所述的设备(100、200)，其中所述传感器组(300、600)包括排列成第一线(301、302、304)的至少三个传感器(301、302、303、304、305)和排列成第二线(301、303、305)的至少三个传感器(301、302、303、304、305)，其中所述第一线(301、302、304)和所述第二线(301、303、305)是正交的。
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