JP2008500557A - 光学式位置決め装置におけるスペックルサイジング及びセンサ寸法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図3
Description
スペックル検出に関する問題
従来のスペックルベースのOPDに関する1つの問題は、イメージング平面内のスペックルが小さすぎて正しく検出できない場合があることである。これは、OPDの感度及び精度を低下させるものとなる。これに関連する問題が、スペックルサイズを大きくし過ぎると、その結果としてSN比が大幅に低下する、ということである。
本書で開示するOPDの実施形態
本開示は一般に、光学式位置決め装置(OPD)のためのセンサに関するものであり、及び一表面から反射されたスペックルとして知られる光のランダムな強度分布パターンの変位に基づいて前記センサと前記表面との間の相対的な運動を検知する方法に関するものである。OPDは、パーソナルコンピュータにデータを入力するための光学式マウス及びトラックボールを含むが、これらに限定されるものではない。
スペックルベースの変位センサの概論
本セクションでは、本出願人が理解し確信しているスペックルベースの変位センサの動作原理について論じる。かかる動作原理は、理解のために有用なものであるが、本開示の実施形態をかかる原理によって不必要に制限する意図はない。
[数1]
a=λ/sinθ=λ/NA
ここで、λはコヒーレント光の波長である。
スペックルベースの変位センサの設計の開示
以下の詳細な説明は、アナログ信号組み合わせ回路、適当な量のディジタル信号処理回路、及び低電力光源(例えば850nm面発光レーザ(VCSEL)等)を有する、CMOSフォトダイオードを使用したかかるレーザスペックルベースの変位センサの1つのアーキテクチャを示したものである。以下の詳細な説明では、特定の実施形態の細部について論じるが、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、異なる光源、検出器又は感光素子、及び/又は信号を組み合わせるための異なる回路を利用することが可能である、ということが当業者には理解されよう。
検出器ピッチに関連するスペックルサイズの整合化
上述のように、従来のスペックルベースのOPDに関する問題には、より小さなスペックルを検出するのが困難であること、及びより大きなスペックルを検出する際に信号が小さくなることが含まれる。本出願は、平均スペックル直径aが、検出器内の素子の幅wよりも大きな所定のファクタ又はその近傍となるように、光学系を構成することにより、これらの問題に対する有効な解決策を提供する。代替的に、検出器の素子の幅wが、平均スペックル直径aの所定の数分の一又はその近傍となるように、検出器を構成することが可能である。
[数2]
a=Mw
より一般的には、素子の幅にMを乗算した値の0.5〜2倍の間の平均スペックル直径を生成するように光学系を構成することが可能である。代替的な観点からすれば、好適には、次式に従って提供され又はほぼ提供される幅wを有するように検出器素子を構成することが可能である。
[数3]
w=a/M
より一般的には、平均スペックル直径をMで除算した値の0.5〜2倍の間の幅を有するように検出器素子を構成することが可能である。
[数4]
a=Mw=4w
このサイズの整合は、以下の理由で最適又はほぼ最適なものである。スペックルが大幅に大きい場合には、平均スペックルは、アレイの一周期全体を覆うよりも大きくなることになる。この場合には、様々な信号配線において生成される電流のスペックル位置に対する依存性が低くなる。これは、幾つかのフォトダイオードが同一のスペックルから同時に照明されるからである。一方、スペックルが検出器素子の幅wよりも大幅に小さい場合には、多数のスペックルが各検出器素子内に存在する。これにより、大きなバックグランド光電流が生じ、これもまたスペックルの位置に依存しないものであり、OPDの性能を低下させるものとなる。このため、本発明の一実施形態によれば、平均スペックル直径は、かかる「4N」構成の場合には、検出器素子の幅の0.5〜2倍の間となる。
[数5]
a=p
ここで、本発明の好適な実施形態によれば、平均スペックル直径は、検出器のピッチの約1/2となる。より一般的には、平均スペックル直径は、本発明の一実施形態によれば、検出器のピッチの1/4〜1倍の間となる
検出器素子の長さ
図4は、検出器素子アレイ及びその素子の幅w及び長さLを示す図である。上記説明は、素子の幅寸法に焦点を合わせたものであるが、本セクションは長さ寸法に焦点を合わせたものである。
[数8]
γ=(a/2L)1/2=(w/L)1/2
本発明の一実施形態によれば、検出器は、実質的に一様な素子長さからなり、該素子長さは、該素子の(幅と直交する)長さと実質的に平行な運動で比較的安定した信号を維持するために平均スペックル直径よりも大きくなるよう構成される。素子長さが長くなるほど、安定性が高くなる。
Claims (20)
- 一連のフレームにおける光学的特徴の変位を判定することにより一表面に対するデータ入力装置の横方向変位を検知するための光学式変位センサであって、
コヒーレント光源、及び前記表面の一部を照明するための照明用光学系を有する照明手段と、
イメージング用光学系、及び周期的な距離を有する少なくとも1つの第1の感光素子アレイを含む、検出器とを含み、
前記照明手段及び前記検出器が、照明された前記表面の部分から反射された光の強度パターンを前記第1の感光素子アレイ上に生じさせるよう構成され、
前記強度パターンが、前記アレイの前記周期的な距離の0.5〜2倍の間の平均スペックル直径を有する複数のスペックルを含む、光学式変位センサ。 - 前記平均スペックル直径が、前記アレイのほぼ1つの周期的な距離である、請求項1に記載の光学変位センサ。
- 前記第1の感光素子アレイが、Mグループのインタレースされた素子を含む差動くし形アレイを含む、請求項1に記載の光学式変位センサ。
- 前記感光素子の各々が、実質的に一様な素子幅を有しており、前記照明手段及び前記検出器が、前記素子幅にMを乗算した値の0.5倍と前記素子幅にMを乗算した値の2倍と間の平均スペックル直径を提供するよう構成される、請求項3に記載の光学式変位センサ。
- 前記平均スペックル直径が、ほぼ1つの素子幅にMを乗算した値である、請求項4に記載の光学式変位センサ。
- 前記コヒーレント光源からの光の波長と、前記イメージング用光学系の開口数(NA)とが前記平均スペックル直径を提供するよう選択される、請求項1に記載の光学式変位センサ。
- 前記感光素子の各々が、前記平均スペックル直径よりも大きな実質的に一様な素子長さを有する、請求項1に記載の光学式変位センサ。
- 前記素子長さが、前記平均スペックル直径の2〜10倍の間である、請求項7に記載の光学式変位センサ。
- 第2の感光素子アレイを更に含み、該第2のアレイが、前記第1のアレイの感光素子が沿って配列される第1の軸と平行でない第2の軸に沿って配列された感光素子を有する、請求項1に記載の光学式変位センサ。
- 前記第1の軸に沿った開口数とは異なる第2の軸に沿った開口数を有する光学系を構成することにより、前記平均スペックル直径が前記第1の軸よりも前記第2の軸に沿って異なっている、請求項9に記載の光学式変位センサ。
- 一表面を横切るデータ入力装置の運動の検知方法であって、
コヒーレント光源を有する照明手段を用いて前記表面の一部を照明し、
該表面の照明された部分から光を反射させ、
該光が検出素子アレイ上にマップされて、該アレイにおける該光が所与の平均スペックル直径を有するスペックルパターンを含むようにし、
該スペックルパターンを該アレイにより検出する、
という各ステップ含み、
前記アレイが、前記平均スペックル直径の0.5〜2倍の間の周期性を有する、
データ入力装置の運動の検知方法。 - 前記周期性が、前記平均スペックル直径にほぼ等しい、請求項11に記載の方法。
- 前記アレイ中の各素子が、実質的に一様な素子幅を有している、請求項11に記載の方法。
- 前記アレイが、Mグループのインタレースされた素子を含む差動くし形アレイを含み、前記マップ処理の結果として該アレイにおける平均スペックル直径が前記素子幅にMを乗算した値の0.5〜2倍の間となる、請求項13に記載の方法。
- 前記マップ処理の結果として、前記アレイにおける平均スペックル直径が、前記素子幅にMを乗算した値にほぼ等しくなる、請求項13に記載の方法。
- 前記アレイ中の各素子が更に、前記平均スペックル直径よりも大きな実質的に一様な素子長さを有する、請求項13に記載の方法。
- 前記素子長さが、前記平均スペックル直径の少なくとも2倍である、請求項16に記載の方法。
- 光学式位置決め装置であって、
一表面の一領域を所与の波長の光で照明するレーザ光源と、
第1の寸法の周期的な距離を有する第1のアレイを含む検出器と、
前記第1の寸法の開口数を有する光学系であって、前記第1の寸法の平均スペックル直径を有するスペックルパターンを照明された前記領域から前記検出器へとマップする、光学系とを含み、
前記第1の寸法の前記開口数が、前記波長を前記第1の寸法の前記周期的な距離で除算した値の0.5〜2倍の間である、光学式位置決め装置。 - 前記開口数が、前記波長を前記周期的な距離で除算した値にほぼ等しい、請求項18に記載の光学式位置決め装置。
- 前記検出器が更に、第2の寸法の周期的な距離を有する第2のアレイを含み、前記光学系が更に、前記第2の寸法の異なる開口数を含み、及び前記第2の寸法の異なる平均スペックル直径を有するスペックルパターンを照明された前記領域から前記検出器へとマップし、前記第2の寸法の前記開口数が、前記波長を前記第2の寸法の前記周期的な距離で除算した値の0.5〜2倍の間である、請求項18に記載の光学式位置決め装置。
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