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Hintergrund
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Der
Begriff „Fleck" bzw. „Speckle" bezieht sich auf
die zufällige
Verteilung von Licht, das von einer Oberfläche abreflektiert wird. Ein
Fleck weist üblicherweise
ein Feld von Punkten (oder „Speckles") mit hohem Kontrast
auf, die positionsmäßig zufällig verteilt,
aber in ihrer Größe und Helligkeit
relativ einheitlich sind. Die einzelnen Flecken in einer Fleck-Beobachtungsebene
weisen eine Durchschnittsgröße auf,
die direkt proportional zu der Wellenlänge und umgekehrt proportional
zu dem Beobachtungswinkel ist, der an der Beobachtungsebene durch
den beleuchteten Bereich der Oberfläche begrenzt ist. So kann,
wenn die Position der Detektorebene mit Bezug auf die Beobachtungsfläche fixiert
wird, die Größe der Flecken
durch die Größe des Beleuchtungsbereiches
gesteuert werden.
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Ein
Vergrößern oder
ein Verkleinern der Entfernung zwischen der divergierenden (oder
konvergierenden) Lichtquelle und der Oberfläche ist eine Technik, die die
Größe des Beleuchtungsbereiches verändert. Eine
andere Technik besteht darin, eine Linse mit einer geeigneten Brennweite
zwischen der Lichtquelle und der Oberfläche zu platzieren. In 1,
die eine schematische Darstellung eines optischen Beleuchtungssystems
nach dem bisherigen Stand der Technik ist, ist eine Linse 102 zwischen
einer kohärenten
Lichtquelle 104 und einer Oberfläche 106 platziert.
Wenn der Lichtstrahl 108 zu der Oberfläche 106 hin emittiert
wird, richtet die Linse 102 den Strahl zu einem Beleuchtungsbereich 110 hin.
Licht 112, das von der Oberfläche 106 abreflektiert
wird, erzeugt einen Fleck.
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Ein
Umfassen der Linse 102 in einem System 100 erhöht die Kosten
und die Komplexität
des Systems 100. Die Linse 102 muss in der richtigen Entfernung
von der Lichtquelle 104 positioniert und zentriert sein,
um das Licht wirkungsvoll zu dem Beleuchtungsbereich 108 hin
zu richten. Zudem kann die Linse 102 das Intensitätsprofil
des Beleuchtungsbereichs 108 nicht wirksam und signifikant
transformieren, obwohl dieselbe fähig ist, die Größe des Beleuchtungsbereichs 108 zu
verändern.
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2 zeigt
ein Intensitätsprofil
für den
Beleuchtungsbereich 110 von 1. Das Intensitätsprofil
von 2 wird üblicherweise
erzeugt, wenn Licht 108 die Linse 102 nicht füllt. Das
Intensitätsprofil 200 umfasst
Regionen 202, 204 und 206, die eine variierende
Intensität
aufweisen. Die Region 202 stellt einen Bereich dar, bei
dem die Intensität
des Strahls am größten ist.
Die Region 204 zeigt einen Bereich mit einer geringeren
Intensität
im Vergleich zu der Region 202, während die Region 206 einen Bereich
darstellt, der eine geringere Intensität als die Region 204 aufweist.
Dieses nicht-einheitliche Intensitätsprofil ist als ein Gaussprofil
bekannt und ist üblicherweise
für ein
Erzeugen und Erfassen von Fleckenmustern für Bewegungsmessungen und Fleckennavigation
unerwünscht.
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Bei
einem Gaussprofil muss ein optisches Element, wie z. B. eine Apertur 112 (siehe 1), derart
positioniert werden, dass zwischen dem optischen Wirkungsgrad des
Systems und der einheitlichen Beleuchtung des sichtbaren Bereichs
ein Kompromiss erreicht wird. Eine kleine Apertur (α << Θ) bewirkt,
dass der Beleuchtungsbereich 110 einheitlicher erscheint,
wenn er von dem Detektor 114 beobachtet wird (wenn 114 ausgerichtet
ist, um auf dem hellsten Abschnitt des Intensitätsprofils, der Region 202,
zentriert zu sein). Aber wenn die Apertur klein ist, trifft eine
beträchtliche
Lichtmenge nicht auf dem Detektor 114 auf. Eine größere Apertur überträgt mehr
Licht an den Detektor 114, aber der Abschnitt des Beleuchtungsbereichs 110,
der von dem Detektor 114 beobachtet wird, weist eine schlechte
Einheitlichkeit auf.
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Zusammenfassung
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Gemäß der Erfindung
sind ein Verfahren und ein System zum Erzeugen von im wesentlichen
einheitlichen Fleckenmustern vorgesehen. Ein optisches Beugungselement
ist in einem optischen Weg zwischen einer kohärenten Lichtquelle und einer Oberfläche positioniert.
Das optische Beugungselement ist konzipiert, um das Licht in einer
Weise über einen
oder mehrere Punkte auf der Oberfläche zu streuen, die konzipiert
ist, um Fleckenmuster zu erzeugen, die im wesentlichen einheitliche
Größen und Intensitäten aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist am besten zu verstehen durch eine Bezugnahme auf die
folgende genaue Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung,
wenn dieselben in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen gelesen werden,
in denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines optischen Beleuchtungssystems nach
dem bisherigen Stand der Technik ist;
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2 ein
Intensitätsprofil
für den
Beleuchtungsbereich 110 von 1 darstellt;
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3 eine
schematische Darstellung eines optischen Beleuchtungssystems bei
einem Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
ist;
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4 einen
Beleuchtungsbereich 308, der durch das System von 3 erzeugt
wird, darstellt;
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5A eine
schematische Darstellung einer Anzahl von Einzelstrahlen ist, die
bei einem Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
durch einen Beugungsarraygenerator erzeugt werden;
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5B die
Intensitätsprofile 534, 536, 538 und 540 zeigt,
die entlang einer Linie 5C-5C von 5A angeordnet
sind; und
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6 ein
Blockdiagramm eines Abschnitts einer optischen Navigationsvorrichtung
ist, die mit dem optischen Beleuchtungssystem von 3 implementiert
ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
folgende Beschreibung wird vorgelegt, um es einem Fachmann auf dem
Gebiet zu ermöglichen,
Ausführungsbeispiele
gemäß der Erfindung herzustellen
und zu verwenden. Für
Fachleute auf dem Gebiet werden verschiedene Modifikationen der offenbarten
Ausführungsbeispiele
ohne weiteres erkennbar sein, und die allgemeinen Prinzipien derselben
können
auf andere Ausführungsbeispiele
angewendet werden. Somit soll die Erfindung nicht auf die gezeigten
Ausführungsbeispiele
beschränkt
sein, sondern ihr soll der breiteste Schutzbereich in Übereinstimmung
mit den beigefügten
Ansprüchen
und den hier beschriebenen Prinzipien und Merkmalen eingeräumt werden.
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Unter
Bezugnahme auf die Figuren, und insbesondere unter Bezugnahme auf 3,
ist eine schematische Darstellung eines optischen Beleuchtungssystems
in einem Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
gezeigt. Ein System 300 umfasst ein optisches Beugungselement
(diffractive optical element = DOE) 302, das in einem optischen
Weg zwischen einer Lichtquelle 304 und einer Oberfläche 106 positioniert ist.
Ein DOE ist ein Element, das die Phasenfront eines Lichtstrahls
mit einer Beugung, und nicht mit einer Brechung oder einer Reflexion,
transformiert oder einstellt. Ein DOE steuert die Richtung und die
Verteilung des Lichtstrahls. Beispiele für ein DOE umfassen, sind jedoch
nicht beschränkt
darauf, einen Beugungsarraygenerator, eine Fresnel-Linse und ein
Beugungsgitter.
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Die
Lichtquelle 304 ist eine beliebige räumlich kohärente Lichtquelle, wie z. B.
ein Laser. Die Lichtquelle 304 und das DOE 302 sind
bei einem Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
selbstständige
optische Elemente. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung
ist das DOE 302 mit der Lichtquelle 104 integriert.
Zum Beispiel kann das DOE 302 an einer Oberfläche der
Lichtquelle 104 gebildet sein oder in die Häusung der Lichtquelle 104 integriert
sein.
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Im
Allgemeinen ist das DOE 302 konzipiert, um Licht 306 in
einer Weise zu streuen, die einen einheitlichen Beleuchtungsbereich 308 und
Fleckenmuster erzeugt, die im wesentlichen einheitliche Größen und
Intensitäten
aufweisen, erzeugt. Das Licht in dem Beleuchtungsbereich 308 ist
bei einem Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
ein einziger Lichtstrahl. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung
ist das Licht in dem Beleuchtungsbereich 308 mehrere Punkte
oder Einzellichtstrahlen.
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4 stellt
den Beleuchtungsbereich 308 dar, der durch das System von 3 erzeugt
wird. Der Beleuchtungsbereich 308 ist einer von konstanter
Intensität
in einem bestimmten Radius und geringer oder keiner Intensität außerhalb
des Radius. Das Intensitätsprofil,
das in 4 gezeigt ist, ist als ein Zylinder-Intensitätsprofil
bekannt. Ein Zylinder-Intensitätsprofil
ermöglicht
es, dass der optische Weg zwischen der Oberfläche 106 und einem
Detektor 310 mit dem größten optischen
Wirkungsgrad konzipiert wird. Somit ist in dem Ausführungsbeispiel
von 3 ein optisches Element 312 so platziert,
dass α = θ. Das optische
Element 312 ist in 3 als eine
Apertur konfiguriert. Bei anderen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung
kann das optische Element 312 mit anderen Typen von optischen
Elementen implementiert werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt darauf,
einer Linse oder einer Kombination aus einer Linse und einer Apertur.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
ist das DOE 302 als ein Beugungsarraygenerator implementiert.
Beugungsarraygeneratoren sind üblicherweise
unter der Verwendung von computergestützten Entwurfsprozeduren entworfen. 5A ist
eine schematische Darstellung einer Anzahl von Einzelstrahlen, die
bei einem Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
durch einen Beugungsarraygenerator erzeugt werden. Das DOE 302 erzeugt
Einzelstrahlen 500-530 in einem Beleuchtungsbereich 532 und
versetzt jeden Einzelstrahl von benachbarten Einzelstrahlen, derart,
dass, wenn die Intensitätsprofile
der Einzelstrahlen kombiniert werden, ein im wesentlichen einheitliches
Gesamtintensitätsprofil
erzeugt wird. Das im wesentlichen einheitliche Gesamtintensitätsprofil
führt zu
Fleckenmustern, die im wesentlichen einheitliche Intensitäten aufweisen.
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5B zeigt
die Intensitätsprofile 534, 536, 538 und 540,
die entlang der Linie 5C-5C von 5A angeordnet
sind. Ein Gesamtintensitätsprofil 542 wird
durch ein Kombinieren der Intensitätsprofile 534, 536, 538 und 540 gebildet.
Auf diese Weise erzeugt das DOE 302 ein im wesentlichen
einheitliches Intensitätsprofil
für die
kombinierten Intensitätsprofile
der Einzelstrahlen 500-530. Bei anderen Ausführungsbeispielen
gemäß der Erfindung
ist der Beleuchtungsbereich 532 mit einem einzigen Lichtstrahl
gebildet.
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Das
US-Patent 6,002,520 , das
in das vorliegende Dokument durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschreibt
einen Beugungsarraygenerator, der in dem System
300 verwendet
werden kann. Die Oberfläche
des Beugungsarraygenerators weist eine dünne Oberflächenrelief-Topologie auf, die
in zwei orthogonalen Richtungen periodisch ist. Die Menge der Leistung
bei jedem der mehreren Intensitätsprofile
534,
536,
538 und
540 ist
durch die Tiefe und die Komplexität der Struktur der Oberflächenrelief-Topologie,
das Material des Beugungsarraygenerators und die Intensität des Lichts,
das durch die Lichtquelle
104 erzeugt wird, bestimmt. Die
Entfernung zwischen benachbarten Intensitätsprofilen ist durch die Periode
der Oberflächenrelief-Topologie
in jeder Richtung, die Mittenwellenlänge des Lichts, das durch die
Lichtquelle
104 erzeugt wird, und die Charakteristika jeglicher
Bilderzeugungsoptiken (nicht gezeigt), die zwischen dem DOE
302 und
der Oberfläche
106 positioniert
sind, bestimmt.
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Zusätzlich zu
dem verbesserten Intensitätsprofil
kann das DOE 302 konzipiert sein, um eine weniger genaue
Ausrichtung mit Bezug auf die optische Quelle 304 zu erfordern,
oder kann in dem gleichen Gehäuse
wie das optische Element eingearbeitet sein. Dieser Vorteil kann
die Kosten und die Komplexität
des Systems gegenüber
einem System, das eine Linse 102, wie in 1 gezeigt,
erfordert, verringern.
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Unter
Bezugnahme auf 6 ist ein Blockdiagramm eines
Abschnitts einer optischen Navigationsvorrichtung bei einem Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
gezeigt. Nur die Elemente, die erforderlich sind, um die Erfindung
zu beschreiben, sind in 6 dargestellt. Eine optische
Navigationsvorrichtung, wie z. B. eine optische Computermaus, kann
implementiert werden.
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Eine
Lichtquelle 104 emittiert Licht zu einer Oberfläche 106 hin,
wie Z. B. zu einer Tisch- oder einer anderen geeigneten Navigationsoberfläche. Ein DOE 302 erzeugt
ein im wesentlichen einheitliches Intensitätsprofil an Beleuchtungsbereich 306.
Wenn eine optische Navigationsvorrichtung 600 sich über die
Oberfläche 106 bewegt,
erzeugt reflektiertes Licht 602 im wesentlichen einheitliche
Fleckenmuster, die von einem Detektor 604 erfasst werden.
Der Detek tor 604 kann bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung
mit einer beliebigen Anzahl von räumlichen Filtern implementiert
werden.
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Das
Ausgangssignal aus dem Detektor 604 wird in eine Erfassungs-
und Verarbeitungseinheit 606 eingegeben. Bei einem Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
umfasst die Erfassungs- und Verarbeitungseinheit 606 eine
elektronische Verschluss- und Signalintegrationseinheit 608 und
einen Analog-Digital-Wandler 610. Ladung wird integriert,
wenn der elektronische Verschluss 608 geöffnet ist.
Wenn der elektronische Verschluss 608 geschlossen ist, häuft sich
keine Ladung an oder der Wert wird auf Null zurückgestellt.
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Der
Analog-Digital-Wandler 610 empfängt analoge Signale von der
Integrationseinheit 608 und wandelt die Signale in digitale
Signale um. Ein Multiplexer 612 überträgt die Signale dann an eine
Bewegungsmesseinheit 614. Die Bewegungsmesseinheit 614 bestimmt
die Bewegung oder die Geschwindigkeit der optischen Navigationsvorrichtung 600.
Die Signale, die aus der Bewegungsmesseinheit 614 ausgegeben
werden, werden dann üblicherweise
an eine Rechenvorrichtung (nicht gezeigt) übertragen.
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Die
Signale, die aus der Bewegungsmesseinheit 614 ausgegeben
werden, werden auch an eine Steuerung 616 übertragen.
Auf der Basis der Signale, die aus der Bewegungsmesseinheit 614 ausgegeben
werden, überträgt die Steuerung 616 ein
Signal an den elektronischen Verschluss 608, der die Zeitmenge,
in der der Verschluss 608 geöffnet ist, steuert oder einstellt.
Die Steuerung 616 liefert auch Leistung an die Lichtquelle 104,
um die Lichtquelle ein- und auszuschalten und die Intensität der Lichtquelle 104 zu
variieren.
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Zusammenfassung
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Ein
optisches Beugungselement (302) ist in einem optischen
Weg zwischen einer kohärenten Lichtquelle
(304) und einer Oberfläche
(106) positioniert. Das optische Beugungselement (302)
ist konzipiert, um Licht in einer Weise über einen oder mehrere Punkte
auf der Oberfläche
(106) zu streuen, die konzipiert ist, um Fleckenmuster
zu erzeugen, die im wesentlichen einheitliche Intensitäten aufweisen.