JP2008500667A - Optical position detection device with shaped illumination - Google Patents

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カーリスル,クリントン,ビー
トリスナディ,ジャージャ,アイ
ロキシロ,チャールズ,ビー
レホティ,デイビッド,エイ
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シリコン・ライト・マシーンズ・コーポレイション
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Abstract

1実施形態は、連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面(304)間の相対的な動きを検出するための光学変位センサに関連する。センサは照明器と検出器を備える。照明器は、平坦な位相面を有する表面(510)の一部を照明するための光源と照明光学系(506)を有する。検出器は複数の感光性素子(502)と結像光学系(512)を有する。照明器と検出器は、表面(510)の照明された部分が検出器の感光素子(502)の視野よりも50%大きいものよりは小さくなるように構成される。他の実施形態も説明される。One embodiment relates to an optical displacement sensor for detecting relative movement between the data input device and the surface (304) by determining the displacement of the optical features in successive frames. The sensor includes an illuminator and a detector. The illuminator includes a light source and an illumination optical system (506) for illuminating a part of the surface (510) having a flat phase plane. The detector includes a plurality of photosensitive elements (502) and an imaging optical system (512). The illuminator and detector are configured so that the illuminated portion of the surface (510) is smaller than one that is 50% larger than the field of view of the photosensitive element (502) of the detector. Other embodiments are also described.

Description

関連出願との相互参照
本出願は、Clinton B. Carlisle、 Jahja I. Trisnadi、 Charles B. Roxlo 及びDavid A. LeHotyを発明者とする2004年5月21日に出願された「Optical position sensing device having shaped illumination,」と題する米国仮出願第60/573,394号の利益を請求するものである。この米国仮出願の開示の全体は参照によって本明細書に組み込まれるものとする。
Cross-reference to related applications This application is a "Optical position sensing device having" filed on May 21, 2004, filed on May 21, 2004, invented by Clinton B. Carlisle, Jahja I. Trisnadi, Charles B. Roxlo and David A. LeHoty. claim the benefit of US Provisional Application No. 60 / 573,394, entitled "shaped illumination,". The entire disclosure of this US provisional application is incorporated herein by reference.

本出願はまた、David A. LeHoty、Douglas A. Webb、 Charles B. Roxlo、 Clinton B. Carlisle及びJahja I. Trisnadiを発明者とする2004年5月21日に出願された「Optical position sensing device having a detector array using different combinations of shared interlaced photosensitibve elements,」と題する米国仮出願第60/573,075号の利益を請求するものである。この米国仮出願の開示の全体は参照によって本明細書に組み込まれるものとする。   This application is also referred to as “Optical position sensing device having” filed on May 21, 2004, invented by David A. LeHoty, Douglas A. Webb, Charles B. Roxlo, Clinton B. Carlisle and Jahja I. Trisnadi. No. 60 / 573,075, entitled “a detector array using different combinations of shared interlaced photosensitibve elements,”. The entire disclosure of this US provisional application is incorporated herein by reference.

本発明は、一般的には、光学位置決め装置(OPD)と当該装置を用いて動きを検出する方法に関する。   The present invention relates generally to an optical positioning device (OPD) and a method for detecting motion using the device.

コンピュータマウスやトラックボールなどのポインティングデバイスは、パーソナルコンピュータやワークステーションにデータを入力したり、それらの装置とインターフェースするために利用される。そのようなデバイスはカーソルをモニタ上ですばやく再配置することを可能とするものであり、多くのテキスト、データベース及びグラフィカルプログラムにおいて有用である。ユーザは、たとえば、表面上でマウスを移動させて、カーソルが、ある方向にマウスの移動量に比例した距離だけ移動するようにしてカーソルを制御する。あるいは、同じ目的のために、静止したデバイスの上で手を動かすことを利用することもできる。   A pointing device such as a computer mouse or a trackball is used to input data to a personal computer or a workstation or to interface with these devices. Such devices allow the cursor to be quickly repositioned on the monitor and are useful in many text, database and graphical programs. For example, the user moves the mouse on the surface and controls the cursor so that the cursor moves in a certain direction by a distance proportional to the amount of movement of the mouse. Alternatively, moving the hand over a stationary device can be used for the same purpose.

コンピュータマウスは、光学式バージョンと機械式バージョンとで提供されている。機械式マウスは典型的には、動きを検出するための回転ボールと、カーソルを動かすためにコンピュータによって使用されるディジタル信号を生成するための、そのボールに接触した一対のシャフトエンコーダを使用する。機械式マウスの1つの問題は、継続的使用によるほこりの蓄積などのために不正確さや故障を生じがちであるということである。さらに、機械的な要素、特にシャフトエンコーダの運動とそれによって生じる摩耗は、必然的にデバイスの耐用寿命を短くするものとなる。   Computer mice are available in optical and mechanical versions. A mechanical mouse typically uses a rotating ball to detect movement and a pair of shaft encoders in contact with the ball to generate digital signals that are used by the computer to move the cursor. One problem with mechanical mice is that they are prone to inaccuracies and failures, such as dust build-up due to continued use. Furthermore, the movement of the mechanical elements, in particular the shaft encoder and the resulting wear, inevitably shortens the useful life of the device.

上述の機械式マウスの問題に対する1つの解決策が光学式マウスの開発であった。光学式マウスはより頑強で、かつ、より正確な位置決め精度をもたらすことが可能であるために非常に普及してきた。   One solution to the mechanical mouse problem described above was the development of an optical mouse. Optical mice have become very popular because they are more robust and can provide more accurate positioning accuracy.

光学式マウスに使用される中心的な従来技術は、かすめ入射線で表面を照明する発光ダイオード(LED)、生じた画像を捕捉する2次元CMOS(相補型金属酸化膜半導体)検出器、連続する画像の相関をとってマウスが移動した方向、距離及び速度を求めるソフトウエアを用いる。この技術は一般的に良好な精度を提供するが、光学的効率が小さく、また、画像処理要件が比較的高い。   The core prior art used in optical mice is a series of light emitting diodes (LEDs) that illuminate the surface with grazing incidence, a two-dimensional CMOS (complementary metal oxide semiconductor) detector that captures the resulting image Software that obtains the direction, distance, and speed of mouse movement by correlating images is used. This technique generally provides good accuracy, but has low optical efficiency and relatively high image processing requirements.

別のアプローチは、フォトダイオードなどのフォトセンサすなわち検出器の一次元アレイを使用する。表面の連続画像が結像装置によって結像され、フォトダイオードで変換され、比較されてマウスの動きが検出される。動きの検出を容易にするためにフォトダイオードをグループをなすように直接結線する場合もある。これによって、フォトダイオードの要件が緩和され、迅速なアナログ処理が可能になる。そのようなマウスの1つの例が、Dandliker他による米国特許第5,907,152号に開示されている。   Another approach uses a one-dimensional array of photosensors or detectors such as photodiodes. A continuous image of the surface is imaged by an imaging device, converted by a photodiode, and compared to detect mouse movement. In some cases, photodiodes are directly connected to form a group in order to facilitate detection of movement. This alleviates the photodiode requirements and allows for rapid analog processing. One example of such a mouse is disclosed in US Pat. No. 5,907,152 by Dandliker et al.

Dandliker他による上記特許に開示されたマウスは、また、それが、レーザなどのコヒーレント光源を使用するという点で標準的な技術とは異なる。粗い表面から散乱したコヒーレント光源からの光は、スペックルとして知られる光のランダムな強度分布を生成する。スペックルに基づくパターンの使用には、効率の良いレーザベースの光生成が得られ、かつ、照明が直角で入射した場合でも画像のコントラストが高いなどのいくつかの利点がある。これによって、より効率的なシステムが得られ、電流消費が節約されるが、このことは、ワイヤレス用途においてバッテリ寿命を長くするために有利である。
米国特許第5,907,152号明細書
The mouse disclosed in the above patent by Dandliker et al. Also differs from standard techniques in that it uses a coherent light source such as a laser. Light from a coherent light source scattered from a rough surface produces a random intensity distribution of light known as speckle. The use of speckle-based patterns has several advantages, such as efficient laser-based light generation and high image contrast even when the illumination is incident at a right angle. This results in a more efficient system and saves current consumption, which is advantageous for extending battery life in wireless applications.
U.S. Pat.No. 5,907,152

これらのスペックルベースの(すなわち、スペックルパターンを利用する)デバイスは、従来のLEDベースの光学式マウスに対して大きな改良を提供するものであるが、いくつかの理由のために完全には満足のゆくものではない。具体的には、レーザスペックルを使用するマウスは、今日の最高水準のマウスおいて典型的に要求される精度−この精度は、一般的には、0.5%未満か0.5%程度より小さい経路誤差(path error)であることが望ましい−を提供するものではない。   These speckle-based (ie, utilizing speckle patterns) devices offer significant improvements over traditional LED-based optical mice, but are completely satisfactory for several reasons It's not a success. Specifically, mice that use laser speckle are typically required for today's highest level mice-this accuracy is typically less than 0.5% or about 0.5% It is not desirable to have a smaller path error.

本開示は、従来の光学式マウス及び他の類似の光学式ポインティングデバイスのいくつかの問題に対するソリューションを説明し提供するものである。   The present disclosure describes and provides a solution to several problems with conventional optical mice and other similar optical pointing devices.

1実施形態は、連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面との相対的な動きを検出するための光学式変位センサに関する。センサは、少なくとも、照明器と検出器を備える。照明器は、表面の一部を照明するための光源と照明光学系を有する。検出器は、複数の感光素子と結像光学系を有する。照明器と検出器は、表面の照明された部分が、検出器の感光素子の視野よりも50%大きいものよりは小さくなるように構成される。   One embodiment relates to an optical displacement sensor for detecting relative movement between a data input device and a surface by determining the displacement of optical features in successive frames. The sensor includes at least an illuminator and a detector. The illuminator has a light source and illumination optical system for illuminating a part of the surface. The detector has a plurality of photosensitive elements and an imaging optical system. The illuminator and detector are configured such that the illuminated portion of the surface is smaller than one that is 50% larger than the field of view of the photosensitive element of the detector.

別の実施形態は、連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面との間の相対的な動きを検出する方法に関する。照明が光源から生成され、照明は、照明光学系によって表面の一部分にマッピングされる(表面の一部分に位置付けられる)。照明は、表面の照明された部分から反射し、反射した照明は、結像光学系によって、検出器内の感光素子の配列にマッピングされる。表面の照明された部分は、感光素子の視野よりもよりも50%大きいものよりは小さい。   Another embodiment relates to a method for detecting relative movement between a data input device and a surface by determining the displacement of optical features in successive frames. Illumination is generated from the light source, and the illumination is mapped to a portion of the surface (positioned on a portion of the surface) by the illumination optics. Illumination is reflected from the illuminated portion of the surface, and the reflected illumination is mapped by the imaging optics to an array of photosensitive elements in the detector. The illuminated portion of the surface is smaller than one that is 50% larger than the field of view of the photosensitive element.

別の実施形態は、連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面との間の相対的な動きを検出するための光学変位センサに関連する。センサは、少なくとも、光源、照明光学系、感光素子の配列、および、結像光学系を備える。照明光学系は、第1の形状で表面の一部分を照明するように構成され、感光性素子の配列は、第1の形状に類似の第2の形状を有する。結像光学系は、表面の照明された部分から反射した照明が感光素子の配列を覆うように、その反射した照明をマッピングするように構成される。   Another embodiment relates to an optical displacement sensor for detecting relative movement between a data input device and a surface by determining the displacement of optical features in successive frames. The sensor includes at least a light source, an illumination optical system, an array of photosensitive elements, and an imaging optical system. The illumination optical system is configured to illuminate a portion of the surface with a first shape, and the array of photosensitive elements has a second shape similar to the first shape. The imaging optics is configured to map the reflected illumination such that the illumination reflected from the illuminated portion of the surface covers the array of photosensitive elements.

他の実施形態も開示される。   Other embodiments are also disclosed.

本発明の以上の及び種々の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明、及び添付図面からさらに十分に理解されよう。しかしながら、詳細の説明及び添付図面は、特許請求の範囲を特定の示した実施形態に限定するものではなく、説明と理解のためにのみ提示されたものである。   The above and various other features and advantages of the present invention will be more fully understood from the following detailed description and the accompanying drawings. However, the detailed description and accompanying drawings are not intended to limit the scope of the claims to the specific embodiments shown, but are presented for the sake of explanation and understanding only.

照明のミスアライメントと非効率性に関する問題
従来のスペックルベースの光学位置決めデバイスの1つの問題は、検出器のフォトダイオードアレイ全体をカバー(覆う)するための、反射した照明(または照明光)と検出器との位置合わせにずれ(ミスアライメント)が生じる可能性があることである。検出器アレイ全体を確実にカバーするために、従来のOPDは、一般に、検出器の視野よりもずっと大きな画像平面の部分を照明し、これによって、フォトダイオードアレイが、起こりうるミスアライメントの問題にもかかわらず、反射した照明(以下、反射照明ともいう)によって確実に十分にカバーされるように構成されている。
Problems with Illumination Misalignment and Inefficiency One problem with conventional speckle-based optical positioning devices is that reflected illumination (or illumination light) and detection to cover the entire detector photodiode array. There is a possibility that misalignment may occur in the alignment with the container. In order to reliably cover the entire detector array, conventional OPDs typically illuminate a portion of the image plane that is much larger than the detector field of view, which allows the photodiode array to address possible misalignment problems. Nevertheless, it is configured to be surely sufficiently covered by the reflected illumination (hereinafter also referred to as reflected illumination).

しかしながら、照明領域を大きくすると、フォトダイオードが検出する反射照明のパワー強度が減少する。したがって、従来のOPDにおけるミスアライメントの問題を解消または回避しようとすることは、しばしば、フォトダイオードアレイが利用可能な反射光の損失を生じることとなり、すなわち、照明パワーに対してより高い要件を課すこととなる。   However, when the illumination area is increased, the power intensity of the reflected illumination detected by the photodiode is reduced. Therefore, trying to eliminate or avoid the misalignment problem in conventional OPDs often results in a loss of reflected light available to the photodiode array, ie imposes higher requirements on illumination power It will be.

以下で詳細に説明するように、本発明の1つの側面は、照明のミスアライメントと効率的でないという上記の問題に対するソリューションを開示する。   As described in detail below, one aspect of the present invention discloses a solution to the above problem of inefficiency and inefficiency in illumination.

本明細書で開示するOPDの実施形態
本開示は、一般的に、光学位置決め装置(OPD。光学位置決めデバイスともいう)用のセンサに関し、また、表面から反射した、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(または移動。以下同じ)に基づいてセンサと表面との間の相対的な動きを検出するための方法に関する。OPDには、データをパーソナルコンピュータに入力するための光学式マウスまたはトラックボールがあるが、これらには限定されない。
Embodiments of OPD Disclosed in This Specification This disclosure relates generally to sensors for optical positioning devices (OPDs, also referred to as optical positioning devices), and to randomness of light reflected from a surface, known as speckle. The present invention relates to a method for detecting relative movement between a sensor and a surface based on a displacement (or movement, hereinafter the same) of a strong intensity distribution pattern. OPD includes, but is not limited to, an optical mouse or trackball for inputting data into a personal computer.

「1つの実施形態」または「1実施形態」という用語を本明細書で使用しているが、これらの用語の使用は、実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造、特性が、本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれるものであることを意味している。本明細書の種々の場所に見られる「1実施形態では」という用語は、必ずしも全てが同じ実施形態を指しているわけではない。   Although the term “one embodiment” or “one embodiment” is used herein, the use of these terms may imply that certain features, structures, or characteristics described in connection with the embodiments are It is meant to be included in at least one embodiment of the invention. The terms “in one embodiment” found in various places in the specification are not necessarily all referring to the same embodiment.

一般的には、OPD用のセンサは、表面の一部分を照明するための光源及び照明光学系を有する照明器、複数の感光性素子と結像光学系を有する検出器、及び、感光素子の各々からの信号を結合して検出器からの出力信号を生成するための信号処理電子回路または混合信号(mixed-signal)電子回路を備える。   In general, a sensor for OPD includes a light source for illuminating a part of a surface and an illuminator having an illumination optical system, a detector having a plurality of photosensitive elements and an imaging optical system, and each of the photosensitive elements. Signal processing electronics or mixed-signal electronics for combining the signals from and generating an output signal from the detector.

1実施形態では、検出器と混合信号電子回路は、標準的なCMOSプロセス及び装置を使用して作製される。好ましくは、本発明のセンサ及び方法は、均一な位相面とテレセントリックスペックル結像を生じる構造化された照明(structured illumination)、並びに、アナログ電子回路とデジタル電子回路の組合せを使用した簡易な信号処理構成を使用することにより、光学的に効率のよい検出アーキテクチャを提供する。このアーキテクチャは、センサ内の信号処理及び変位予測用に割り当てられた電力の量を低減する。スペックル検出技術を使用し、本発明にしたがって適切に構成されたセンサは、OPDに一般的に期待される全ての性能基準−最大変位速度(最大移動速度)、精度、及び経路誤差率(%)を含む−を満たすか、または、それを上回ることができることがわかった。   In one embodiment, the detector and mixed signal electronics are fabricated using standard CMOS processes and equipment. Preferably, the sensor and method of the present invention are structured illumination that produces a uniform phase plane and telecentric speckle imaging, and simple signals using a combination of analog and digital electronics. By using a processing arrangement, an optically efficient detection architecture is provided. This architecture reduces the amount of power allocated for signal processing and displacement prediction within the sensor. Using speckle detection technology and properly configured in accordance with the present invention, all performance criteria generally expected for OPD—maximum displacement speed (maximum travel speed), accuracy, and path error rate (%) It has been found that-can be met or exceeded.

スペックルベースの変位センサについての序論
このセクションでは、本出願人によって理解されているスペックルベースの変位センサの動作原理を説明する。これらの動作原理は理解のために有用であるが、開示する実施形態をそれらの原理によって必要以上に限定することを意図するものではない。
Introduction to Speckle-Based Displacement Sensors This section describes the operating principles of speckle-based displacement sensors as understood by the applicant. While these operating principles are useful for understanding, it is not intended that the disclosed embodiments be more limited than necessary by those principles.

図1Aを参照すると、示されている波長のレーザ光が、表面への第1の入射波102及び第2の入射波104として示されている。それぞれの入射波は、表面の法線に対して入射角θをなす。λ/2sinθの周期性を有する回折パターン106が生じている。   Referring to FIG. 1A, laser light of the indicated wavelength is shown as a first incident wave 102 and a second incident wave 104 on the surface. Each incident wave forms an incident angle θ with respect to the surface normal. A diffraction pattern 106 having a periodicity of λ / 2sinθ is generated.

これとは対照的に、図1Bを参照すると、光の波長(おおよそ1μmより大きい)よりも大きな寸法の形態上の凹凸を有する任意の一般的な表面は、ほぼランバート(Lambertian)様式で完全な半球中に光114を散乱する傾向がある。レーザのようなコヒーレント光源が使用される場合は、空間的にコヒーレントな散乱光は、有限の開口を有する二乗検出器(square-law detector。または二乗検波器)による検出時に複雑な干渉パターン116を生成することになる。明る領域と暗い領域のこの複雑な干渉パターン116がスペックルと呼ばれる。スペックルパターン116の正確な性質及びコントラストは、表面の粗さ、光の波長及びその空間コヒーレンスの程度、及び、光収集光学系または結像光学系に依存する。しばしば、非常に複雑であるが、スペックルパターン116は、光学系によって結像される任意の粗い表面のある領域の明確なる特徴であり、そのため、表面上の位置がレーザ及び光学系−検出器アセンブリに対して横方向(または横断する方向)に配置されたときにその位置を識別するために利用することができる。   In contrast, with reference to FIG. 1B, any common surface having a concavo-convex shape with dimensions larger than the wavelength of light (greater than approximately 1 μm) will be completely in a Lambertian fashion. There is a tendency to scatter light 114 into the hemisphere. If a coherent light source such as a laser is used, the spatially coherent scattered light will cause a complex interference pattern 116 when detected by a square-law detector with a finite aperture. Will be generated. This complex interference pattern 116 in the bright and dark areas is called speckle. The exact nature and contrast of the speckle pattern 116 depends on the roughness of the surface, the wavelength of the light and its degree of spatial coherence, and the light collection or imaging optics. Often, although very complex, the speckle pattern 116 is a distinct feature of an area of any rough surface that is imaged by the optical system so that the position on the surface is a laser and optical system-detector. It can be used to identify its position when placed laterally (or transversely) to the assembly.

スペックルは、光学系の有効開口(これは、従来、図1Bに示すような開口数NA=sinθを用いて定義される)によって設定される空間周波数まで全ての大きさで現れることが予測される。Goodman(J.C. Daintyによって編集された「Laser Speckle and Related Phenomena」(Topics in Applied Physics Vol.9, Springer-Verlag(1984)。特に、39-40頁参照)における、J.W.Goodmanによる「Statistical Properties of Laser Speckle Patterns」)によれば、大きさ(サイズ)の統計的分布は、スペックル強度の自己相関を用いて表される。「平均」のスペックルの直径を、   Speckle is expected to appear in all magnitudes up to the spatial frequency set by the effective aperture of the optical system (which is conventionally defined using the numerical aperture NA = sin θ as shown in FIG. 1B). The "Statistical Properties of Laser Speckle" by JW Goodman in Goodman ("Laser Speckle and Related Phenomena" edited by JC Dainty (Topics in Applied Physics Vol. 9, Springer-Verlag (1984), especially see pages 39-40)) According to “Patterns”), the statistical distribution of size is represented using the autocorrelation of speckle intensity. The "average" speckle diameter,

Figure 2008500667
Figure 2008500667

として定義することができる。λはコヒーレント光の波長である。 Can be defined as λ is the wavelength of coherent light.

スペックル強度の空間周波数スペクトル密度(これは、ウィーナー‐ヒンチンの定理(Wiener-Khintchine theorem)によるものである)は、単に強度の自己相関のフーリエ変換であることに注意するのは興味深いことである。生じうる最も微細なスペックル(amin=λ/2NAで表される)は、起こる可能性が低い場合、すなわち、主要な寄与が図1Bの一番端の光線118(すなわち、±θにおける光線)から生じ、最も「内側」の光線からの寄与が弱め合うように干渉する場合に設定される。カットオフ空間周波数はしたがって、fco=1/(λ/2NA)すなわち2NA/λ)である。 It is interesting to note that the spatial frequency spectral density of speckle intensity (which is due to the Wiener-Khintchine theorem) is simply the Fourier transform of the intensity autocorrelation . The finest speckles that can occur (represented by a min = λ / 2NA) are unlikely to occur, ie, the main contribution is the extreme ray 118 of FIG. 1B (ie, the ray at ± θ). ) And the interference from the most “inner” ray is destructively interfering. The cut-off spatial frequency is therefore f co = 1 / (λ / 2NA) or 2NA / λ).

開口数は、一方の寸法(または、次元。たとえば「x」)に沿った画像内の空間周波数に対するものとそれに直交する寸法(または、次元。たとえば「y」)に沿った画像内の空間周波数に対するものとでは異なる場合があることに留意されたい。このことは、たとえば、他方の寸法より一方の寸法が長い光学的開口(たとえば、円ではなく楕円)によって、または、アナモルフィックレンズによって引き起こされうる。これらの場合、スペックルパターン116もまた異方性であり、平均したスペックルの大きさは2つの寸法間で異なるであろう。   The numerical aperture is relative to the spatial frequency in the image along one dimension (or dimension, eg “x”) and the spatial frequency in the image along a dimension (or dimension, eg “y”) orthogonal to it. Note that may differ from that for. This can be caused, for example, by an optical aperture (eg, an ellipse rather than a circle) that is longer in one dimension than the other, or by an anamorphic lens. In these cases, the speckle pattern 116 is also anisotropic, and the average speckle size will be different between the two dimensions.

レーザスペックルベースの変位センサの1つの利点は、それが、法線に近い入射角で到達する照明光で動作することができることである。結像光学系と、粗い表面にかすめ入射角で到達する非干渉性光(インコヒーレント光)とを利用するセンサを、横方向の変位を検出するためにも利用することができる。しかしながら、照明のかすめ入射角は、画像内の表面領域の適切な大きさの明部−暗部の影を生成するために使用されので、このシステムは、本質的に光学的に非効率的である。なぜなら、かなりの割合の光は、検出器から鏡によって反射されるように反射してしまい、形成される画像に何の寄与もしないからである。これとは対照的に、スペックルベースの変位センサは、レーザ光源からの照明光のより大きな割合の光を効率的に利用することができ、これによって、光学的に効率的な変位センサの開発が可能になる。   One advantage of a laser speckle-based displacement sensor is that it can operate with illumination light that arrives at an angle of incidence close to the normal. A sensor that uses an imaging optical system and incoherent light (incoherent light) that reaches a rough surface at a grazing incidence angle can also be used to detect lateral displacement. However, this system is inherently optically inefficient because the grazing incidence angle of illumination is used to generate appropriately sized light-dark shadows of the surface area in the image. . This is because a significant proportion of the light is reflected from the detector as if it is reflected by a mirror and does not contribute to the image formed. In contrast, speckle-based displacement sensors can efficiently utilize a greater percentage of the illumination light from the laser source, which can lead to the development of optically efficient displacement sensors. It becomes possible.

スペックルペースの変位センサの構成
以下の詳細な説明では、アナログ信号結合回路を有するCMOSフォトダイオード、適度の(中程度の)量のディジタル信号処理回路、及び、たとえば、850nmの面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL)などの低パワー光源を使用するレーザスペックルベースの変位センサのアーキテクチャについて説明する。いくつかの実施上の細部については以下の詳細な説明で説明するが、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、検出器または感光素子、及び/または、信号を結合するための異なる回路を使用できることが当業者には理解されよう。
Speckle Pace Displacement Sensor Configuration In the following detailed description, a CMOS photodiode with an analog signal coupling circuit, a moderate (medium) amount of digital signal processing circuitry, and, for example, a 850 nm surface emitting laser (Vertical The architecture of a laser speckle-based displacement sensor using a low power light source such as Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) will be described. Some implementation details are described in the following detailed description, but are intended to combine different light sources, detectors or photosensitive elements and / or signals without departing from the spirit and scope of the present invention. One skilled in the art will appreciate that different circuits can be used.

以下、本発明の1実施形態に従うスペックルベースのマウスを図2及び図3を参照して説明する。   A speckle-based mouse according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

図2は、本発明の1実施形態に従うスペックルベースのシステム200の機能図である。システム200は、レーザ光源202、照明光学系204、結像光学系208、複数のCMOSフォトダイオードアレイの少なくとも2つの組210、フロントエンド電子回路212、信号処理回路214、及びインターフェース回路216を備える。フォトダイオードアレイ210を、2つの直交する軸xとyに沿って変位測定値を提供するように構成することができる。各アレイ内のフォトダイオードのグループを、フロントエンド電子回路212内の受動性の電子コンポーネントを用いて結合して、グループ信号を生成するようにすることができる。その後、グループ信号を信号処理回路214によって代数的に結合して、x及びy方向におけるOPDの変位の大きさと方向に関する情報を提供する(x、y)信号を生成するようにすることができる。(x、y)信号をインターフェース回路218によって、OPDが出力可能なx、yデータ220に変換することができる。この検出器技術を使用するセンサは、「差動くし形アレイ(diffrential comb array)」として知られる、線形フォトダイオードのインターレースされたグループのアレイを有することができる。   FIG. 2 is a functional diagram of a speckle-based system 200 according to one embodiment of the invention. The system 200 includes a laser light source 202, an illumination optical system 204, an imaging optical system 208, at least two sets 210 of a plurality of CMOS photodiode arrays, a front-end electronic circuit 212, a signal processing circuit 214, and an interface circuit 216. Photodiode array 210 can be configured to provide displacement measurements along two orthogonal axes x and y. Groups of photodiodes in each array can be combined using passive electronic components in front-end electronics 212 to generate a group signal. The group signals can then be algebraically combined by the signal processing circuit 214 to generate a (x, y) signal that provides information regarding the magnitude and direction of the OPD displacement in the x and y directions. The (x, y) signal can be converted by the interface circuit 218 into x, y data 220 that can be output by the OPD. Sensors using this detector technology can have an array of interlaced groups of linear photodiodes, known as a “diffrential comb array”.

図3は、そのようなフォトダイオードアレイ302の(1つの軸に沿った)概略の構成を示す。表面304は、面発光レーザ(VCSEL)306などのコヒーレント光源及び照明光学系308によって照明される。アレイ302のインターレースされたグループの組合せは、スペックル画像によって生成された明−暗信号の空間周波数に対する周期的なフィルタ(periodic filter)として作用する。   FIG. 3 shows a schematic configuration (along one axis) of such a photodiode array 302. The surface 304 is illuminated by a coherent light source such as a surface emitting laser (VCSEL) 306 and illumination optics 308. The combination of interlaced groups in array 302 acts as a periodic filter for the spatial frequency of the light-dark signal generated by the speckle image.

粗い表面304によって生成されたスペックルは、結像光学系310によって検出器面(検出面)にマッピングされる。結像光学系310は、最適な性能が得られるようにテレセントリックであることが好ましい。   The speckle generated by the rough surface 304 is mapped to the detector surface (detection surface) by the imaging optical system 310. The imaging optical system 310 is preferably telecentric so as to obtain optimum performance.

1実施形態では、くし形アレイ検出を2つの独立した直交アレイにおいて実施して、xとyにおける変位の予測値を得る。1つのそのようなアレイ302の小さなバージョンが図3に示されている。   In one embodiment, comb array detection is performed on two independent orthogonal arrays to obtain a predicted value of displacement in x and y. A small version of one such array 302 is shown in FIG.

検出器内の各アレイは複数(N個)のフォトダイオードの組からなり、各々の組は、MN個の線形アレイを形成するように配列された複数(M個)のフォトダイオード(PD)を有する。図3に示す実施形態では、各組は、1、2、3、4として参照される4つのフォトダイオード(4つのPD)から構成される。全ての組からのPD1を電気的に接続(ワイヤードサム:wired sum)してグループを形成し、PD2、PD3、PD4についても同様にして、アレイから4つの信号線を引き出す。それらに対応する電流または信号はI、I、I、Iである。これらの信号(I、I、I、I)をグループ信号と呼ぶ場合がある。バックグラウンド抑制(及び信号強調)は、差動アナログ回路312を使用して同相差動電流信号314(I13)=I−Iを生成し、差動アナログ回路316を使用して直角(または直交)差動電流信号318(I24)=I−Iを生成することによって達成される。これらの同相及び直角信号をライン信号と呼ぶ場合がある。I13とI24の位相を比較することによって、運動(動き)の方向を検出可能である。 Each array in the detector consists of a set of multiple (N) photodiodes, each set comprising multiple (M) photodiodes (PD) arranged to form MN linear arrays. Have. In the embodiment shown in FIG. 3, each set consists of four photodiodes (four PDs) referred to as 1, 2, 3, 4. PD1 from all sets are electrically connected (wired sum) to form a group, and PD2, PD3, and PD4 are similarly drawn out of the four signal lines from the array. The corresponding currents or signals are I 1 , I 2 , I 3 , I 4 . These signals (I 1 , I 2 , I 3 , I 4 ) may be referred to as group signals. Background suppression (and signal enhancement) uses a differential analog circuit 312 to generate an in-phase differential current signal 314 (I 13 ) = I 1 −I 3 and a differential analog circuit 316 to generate a quadrature ( (Or quadrature) achieved by generating a differential current signal 318 (I 24 ) = I 2 −I 4 . These in-phase and quadrature signals may be referred to as line signals. By comparing the phases of I 13 and I 24 , the direction of movement can be detected.

好ましくは、変位誤差に直接変換される可能性がある位相誤差の導入を抑えるために、本発明のセンサは複数のくし形アレイを使用する。さらに、本明細書で説明する実施形態は、個々のアレイについて「4N」方式を用いるが、システム構成の原理は、3N、5N、6N、7N、8Nなどの他のアレイ構成または方式に(適切な変更を加えて)適用可能である。「4N」という用語は、4番目の全ての検出器が互いに結線されている検出器アレイを指し、生じた4つの光電流信号は、Dandliker他(米国特許第5,907,152号)に記載されているように互いから減算される。しかしながら、多くの他のグループ分けが、信号を組み合わせるための適切な方式について可能である。   Preferably, the sensor of the present invention uses a plurality of comb arrays to reduce the introduction of phase errors that can be directly converted into displacement errors. Furthermore, although the embodiments described herein use a “4N” scheme for individual arrays, the principles of system configuration are applicable to other array configurations or schemes such as 3N, 5N, 6N, 7N, 8N (appropriate With minor changes). The term “4N” refers to a detector array in which all fourth detectors are wired together, and the resulting four photocurrent signals are as described in Dandliker et al. (US Pat. No. 5,907,152). Are subtracted from each other. However, many other groupings are possible for suitable schemes for combining signals.

結像または光収集光学系402の1例の概要を図4に示す。光は、表面404の領域Aによって散乱され、領域Adetの検出器406上に結像する。ランバート面(Lambertian surface。均等拡散面ともいう)の場合、検出器の収集効率を、 An outline of an example of the imaging or light collection optical system 402 is shown in FIG. Light is scattered by a region A s of the surface 404, it forms an image on the detector 406 of the region A det. In the case of a Lambertian surface (also called a uniform diffusion surface), the collection efficiency of the detector is

Figure 2008500667
Figure 2008500667

として表すことができる。ηopticsは光学系のコンポーネントの効率(吸収、フレネル反射など)、rは有効表面反射率、Ωは表面が対する立体角、Ωdetは検出器が対する立体角である。 Can be expressed as η optics is the efficiency of the optical system components (absorption, Fresnel reflection, etc.), r is the effective surface reflectivity, Ω s is the solid angle to the surface, and Ω det is the solid angle to the detector.

整形された照明
本出願人は、良好な光学的効率を維持するための1つの手段は、照明ビームが平坦、または均一な位相面を有する場合には、大きさと形状において検出器のフットプリントにほぼ一致するように照明のフットプリントをカスタム設計することであると考える。さらに好ましくは、照明のフットプリントは、動作及び構造(または製造)から生じるわずかなミスアライメントに対する所望のマージンを提供するのにちょうど足りる余分な大きさを有する。
Shaped illumination Applicants have noted that one means for maintaining good optical efficiency is the detector footprint in size and shape if the illumination beam has a flat or uniform phase plane. I think that it is custom-designing the lighting footprint so that it almost matches. More preferably, the lighting footprint has an extra size just enough to provide the desired margin for slight misalignment resulting from motion and structure (or manufacturing).

そのような構造化された照明の1実施形態を図5に示す。図5に示す1つの特徴は、照明が結像光学系の視野(FOV)内の光学表面上の場所にのみ当たることである。図5に示す検出器の配列502について、光検出器アレイ(1つの場合も複数の場合もある)の幾何学的形状が、「L」字状の幾何学的形状といった通常の形状ではないか、または、非対称の形状である場合には、照明光学系504は、理想的には、最適な光学効率が得られるように粗い表面上のその領域にのみ光を提供しなければならない。このFOV領域の外側の粗い表面上に当たる光は無駄なものとなって、光学位置決めシステムの正味の効率が減少する。   One embodiment of such structured illumination is shown in FIG. One feature shown in FIG. 5 is that the illumination only strikes locations on the optical surface within the field of view (FOV) of the imaging optics. For the detector array 502 shown in FIG. 5, the geometry of the photodetector array (s) may be a normal shape, such as an “L” -shaped geometry. Or, if it has an asymmetric shape, the illumination optics 504 should ideally provide light only to that region on the rough surface so that optimal optical efficiency is obtained. Light hitting the rough surface outside this FOV region is wasted and reduces the net efficiency of the optical positioning system.

1実施例では、照明された部分の非対称(すなわち、非円形)形状は、照明源の直接像ではなく、照明光学系504の構成(または構造)によって形成されるであろう。照明された領域の形状が凸状ではない場合さえありうる。図5の例に示されているように、回折構造508と組み合わされた標準的な屈折性または反射性の光学表面506を使用することによって、平坦な位相面(位相面が平面)を有する特定の照明空間プロファイル510を生成して、結像光学系から要求されるFOVに最適に合致させることができる。結像光学系512は、光検出素子が、検出領域の外側の過度に大きな領域をカバーすることなく、効率的にカバーされるように、特定の照明プロファイル510を検出器配列502上にマッピングするよう構成される。換言すれば、図5の光学システム500は、検出器の視野の外側に当たる光が最小限になるように、反射した照明が検出器配列502の形状にほぼ合致するように構成される。有利なことに、これによって、光源からのパワーをより効率的に使用できるようになる。   In one embodiment, the asymmetric (ie, non-circular) shape of the illuminated portion will be formed by the configuration (or structure) of the illumination optics 504 rather than a direct image of the illumination source. There may even be cases where the shape of the illuminated area is not convex. The use of a standard refractive or reflective optical surface 506 combined with a diffractive structure 508, as shown in the example of FIG. Can be optimally matched to the FOV required by the imaging optics. Imaging optics 512 maps a particular illumination profile 510 onto detector array 502 so that the light detection elements are efficiently covered without covering an excessively large area outside the detection area. It is configured as follows. In other words, the optical system 500 of FIG. 5 is configured such that the reflected illumination substantially matches the shape of the detector array 502 so that light falling outside the detector field of view is minimized. Advantageously, this allows the power from the light source to be used more efficiently.

好ましくは、光学系は、表面の照明された部分が検出器の感光素子の視野よりも50%大きいものよりは小さいように構成される(たとえば、表面の照明された部分の大きさが、感光素子の視野の150%を超えない)。換言すれば、反射された照明は、好ましくは、検出器の全ての感光素子をカバーする(覆う)ための最小限の領域の150%以下である検出器の領域をカバーする(覆う)。さらに好ましくは、光学系は、表面の照明された部分のほぼ全て(たとえば、85%以上)が検出器の感光素子の視野内に入るように構成される。   Preferably, the optical system is configured such that the illuminated portion of the surface is smaller than one that is 50% larger than the field of view of the photosensitive element of the detector (eg, the size of the illuminated portion of the surface is sensitive). It does not exceed 150% of the field of view of the device). In other words, the reflected illumination preferably covers (covers) the area of the detector that is no more than 150% of the minimum area to cover (cover) all the photosensitive elements of the detector. More preferably, the optical system is configured such that substantially all (eg, 85% or more) of the illuminated portion of the surface falls within the field of view of the photosensitive element of the detector.

図5に示す特定の例は、照明プロファイル510を、光検出器配列502をカバーする反射した照明の形状に関して鏡像とすることができることを示している。これは、結像光学系512の構成に依存する。   The particular example shown in FIG. 5 shows that the illumination profile 510 can be mirrored with respect to the shape of the reflected illumination covering the photodetector array 502. This depends on the configuration of the imaging optical system 512.

本発明の特定の実施形態によれば、検出器構成を、図6に示すように、複数のインターレースされた「ピクセル(画素)」(検出器素子)アレイが2つの軸に沿って平行な行をなすように配列した状態で利用することができる。具体的には、図6は、x軸に沿って平行な行をなすように配列された3つのインターレースされたアレイ602と、y軸に沿って平行な行をなすように配列された3つのインターレースされたアレイ604を示している。   According to a particular embodiment of the present invention, the detector configuration is shown in FIG. 6 in which a plurality of interlaced “pixel” (detector element) arrays are arranged in parallel rows along two axes. It can be used in a state of being arranged so as to form. Specifically, FIG. 6 shows three interlaced arrays 602 arranged in parallel rows along the x-axis, and three arranged in parallel rows along the y-axis. An interlaced array 604 is shown.

図3に関連して上述したように、各「4N」アレイは、4つの信号S、S、S、Sを生成する、電気的に接続(ワイヤードサム)されたN個の検出器素子の4つのグループからなる。バックグラウンド抑制(及び信号強調)は、差信号S13=S−S及びS24=S−Sをとることによってなされる。並進(移動)の量及び方向を、直交ペアS13及びS24から推定することができる。 As described above in connection with FIG. 3, each “4N” array produces N signals that are electrically connected (wired sum) producing four signals S 1 , S 2 , S 3 , S 4. It consists of four groups of vessel elements. Background suppression (and signal enhancement) is done by taking the difference signals S 13 = S 1 -S 3 and S 24 = S 2 -S 4 . The amount and direction of translation (movement) can be estimated from the orthogonal pairs S 13 and S 24 .

この特定の実施形態では、3つの「4N」アレイ(602及び604)を各軸(x及びy)について使用して、変位の際に蓄積された位相誤差を抑える。この特定の実施形態の場合、信号を処理して入力をディジタル信号プロセッサ608に提供するフロントエンド電子回路606に送られる24のライン(2つの軸、3つアレイ/軸、4つの信号/アレイ)がある。DSP608は、たとえば、ユニバーサル・シリアルバス・インターフェース(USB I/F)610を有することができる。   In this particular embodiment, three “4N” arrays (602 and 604) are used for each axis (x and y) to reduce the accumulated phase error during displacement. For this particular embodiment, 24 lines (two axes, three arrays / axes, four signals / arrays) are sent to front-end electronics 606 that process the signals and provide inputs to digital signal processor 608. There is. The DSP 608 can have a universal serial bus interface (USB I / F) 610, for example.

他の実施形態は、4とは異なるMの値(すなわち、素子のグループ分けの数)を有するインターレスされた検出器アレイを使用することができる。他の実施形態は、1つの次元につき3以外の異なる数の行を使用することもできる。行の数は、x次元とy次元とで同じである必要はない。   Other embodiments may use an interlaced detector array having a value of M different from 4 (ie, the number of element groupings). Other embodiments may use a different number of rows other than three per dimension. The number of rows need not be the same in the x and y dimensions.

他の実施形態を、「L」状の配列702ではない検出器アレイの配列でもって構成することができる。他の可能な配列の例を図7に示す。それらの例には、T配列704、正方形(または四角形)配列706、及び、「+」または「X」配列708がある。さらに他の実施形態を、たとえば「V」または「Δ」型配列などの、軸(行または列)が垂直ではないスキュー角(斜角)をなす配列で構成することができる。   Other embodiments may be configured with an array of detector arrays that is not an “L” shaped array 702. Examples of other possible arrangements are shown in FIG. Examples include a T array 704, a square (or square) array 706, and a “+” or “X” array 708. Still other embodiments may be configured with an array that forms skew angles (slopes) where the axes (rows or columns) are not vertical, such as a “V” or “Δ” type array, for example.

本発明の特定の実施形態及び例についての以上の記載は、図示及び説明のために提示されたものである。本発明をいくつかの例について図示し説明したが、それらは限定するものとして解釈されるべきものではない。本明細書で説明した実施形態は、本発明を網羅するものでも、開示した形態そのものに本発明を限定することを意図したものでもなく、上記教示に照らして、本発明の範囲内において、多くの変更、改良及びバリエーションが可能である。本発明の範囲は、開示した分野全体を包含し、添付の特許請求の範囲及びそれとの等価物によって画定されることが意図されている。   The foregoing descriptions of specific embodiments and examples of the present invention have been presented for purposes of illustration and description. While this invention has been illustrated and described with respect to several examples, they are not to be construed as limiting. The embodiments described herein are not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed, and many variations are within the scope of the invention in light of the above teachings. Changes, improvements and variations are possible. The scope of the present invention is intended to encompass the entire disclosed field and be defined by the appended claims and equivalents thereof.

なめらかな表面から反射された光の回折パターン示す。The diffraction pattern of the light reflected from the smooth surface is shown. 粗い表面から反射された光の干渉パターンをなすスペックルを示す。Speckle forming an interference pattern of light reflected from a rough surface. 本発明の1実施形態によるスペックルベースのマウスの機能ブロック図である。1 is a functional block diagram of a speckle-based mouse according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の1実施形態によるフォトダイオードアレイのブロック図である。1 is a block diagram of a photodiode array according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の1実施形態による光収集光学系の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the light collection optical system by one Embodiment of this invention. 本発明の1実施形態による構造化された照明を示す光学図である。FIG. 6 is an optical diagram illustrating structured illumination according to an embodiment of the present invention. 本発明の1実施形態による、各々が複数の行を有する検出器素子の2つの軸を示す機能ブロック図である。FIG. 4 is a functional block diagram illustrating two axes of detector elements each having multiple rows, according to one embodiment of the invention. 本発明の1実施形態による、検出器素子の種々の配列を示す。Fig. 5 shows various arrangements of detector elements according to an embodiment of the invention.

Claims (20)

連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面と間の相対的な動きを検出するための光学変位センサであって、
ほぼ平坦な位相面を有する照明ビームによって表面の一部分を照明するための光源及び照明光学系を有する照明器と、
複数の感光素子及び結像光学系を有する検出器
を備え、
前記照明器と検出器は、前記表面の照明された部分が前記検出器の感光素子の視野よりも50%大きいものよりは小さくなるように構成されることからなる、光学変位センサ。
An optical displacement sensor for detecting relative movement between a data input device and a surface by determining the displacement of optical features in successive frames,
An illuminator having a light source and illumination optics for illuminating a portion of the surface with an illumination beam having a substantially flat phase plane;
A detector having a plurality of photosensitive elements and an imaging optical system;
An optical displacement sensor, wherein the illuminator and detector are configured such that the illuminated portion of the surface is smaller than 50% larger than the field of view of the photosensitive element of the detector.
前記照明光学系は、前記検出器の視野の外側に入射する光を最小限にするための回折及び反射光学系を有する、請求項1の光学変位センサ。   The optical displacement sensor of claim 1, wherein the illumination optical system comprises diffractive and reflective optical systems for minimizing light incident outside the field of view of the detector. 前記複数の感光素子は、第1の軸に沿ってほぼまっすくな列をなすように配列された第1の複数の感光素子と、前記第1の軸に平行ではない第2の軸に沿ってほぼまっすぐな列をなすように配列された第2の複数の感光素子を備える、請求項1の光学変位センサ。   The plurality of photosensitive elements includes a first plurality of photosensitive elements arranged in a substantially straight line along a first axis, and a second axis that is not parallel to the first axis. The optical displacement sensor of claim 1, comprising a second plurality of photosensitive elements arranged in a substantially straight row. 前記第2の軸は、前記第1の軸に対して約90度の角度をなす、請求項3の光学変位センサ。   The optical displacement sensor of claim 3, wherein the second axis forms an angle of about 90 degrees with respect to the first axis. 前記第1及び前記第2の複数の感光素子は、「L」、「T」、「+」、「X」、「V」、「Δ」または正方形の形状のアレイを形成するように、前記第1の軸及び前記第2の軸に沿って配列される、請求項3の光学変位センサ。   The first and second photosensitive elements may form an array of “L”, “T”, “+”, “X”, “V”, “Δ” or square shape. The optical displacement sensor of claim 3, arranged along a first axis and the second axis. 前記照明器はさらに、前記表面の照明された部分が、前記表面上に、対応する「L」、「T」、「+」、「X」、「Δ」または正方形の形状を画定するように構成される、請求項5の光学変位センサ。   The illuminator is further configured such that the illuminated portion of the surface defines a corresponding “L”, “T”, “+”, “X”, “Δ” or square shape on the surface. 6. The optical displacement sensor of claim 5 configured. 前記照明器はさらに、前記表面の照明された部分が、前記検出器の感光素子の視野の形状及び領域に対応(または合致)するように構成される、請求項1の光学変位センサ。   The optical displacement sensor of claim 1, wherein the illuminator is further configured such that the illuminated portion of the surface corresponds (or matches) the shape and area of the field of view of the photosensitive element of the detector. 前記照明器はさらに、前記表面の照明された部分が、光学変位センサのコンポーネントの動作及び構成におけるエラーに対する所定のマージンを提供するために、検出器の視野よりも十分に大きくなるように構成され、前記表面の照明された部分は、前記検出器の視野よりも50%大きいものよりは小さい、請求項1の光学変位センサ。   The illuminator is further configured such that the illuminated portion of the surface is sufficiently larger than the detector field of view to provide a predetermined margin for error in the operation and configuration of the components of the optical displacement sensor. The optical displacement sensor of claim 1, wherein the illuminated portion of the surface is less than 50% larger than the field of view of the detector. 前記感光素子はフォトダイオードからなり、前記光源はレーザからなる、請求項1の光学変位センサ。   The optical displacement sensor according to claim 1, wherein the photosensitive element is a photodiode, and the light source is a laser. 前記光学変位センサは、前記表面から反射された光によって生成された複雑な干渉パターンに基づいて、前記表面上の位置を識別するように構成されれたスペックルベースの変位センサであり、前記レーザは面発光レーザ(VCSEL)である、請求項1の光学変位センサ。   The optical displacement sensor is a speckle-based displacement sensor configured to identify a position on the surface based on a complex interference pattern generated by light reflected from the surface, and the laser The optical displacement sensor according to claim 1, wherein the optical displacement sensor is a surface emitting laser (VCSEL). 前記照明器及び検出器は、前記表面のほぼ全ての照明された部分が、前記感光素子の視野内に入るように構成される、請求項1の光学変位センサ。   The optical displacement sensor of claim 1, wherein the illuminator and detector are configured such that substantially all of the illuminated portion of the surface falls within the field of view of the photosensitive element. 連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面と間の相対的な動きを検出する方法であって、
光源からの照明を生成するステップと、
照明ビームがほぼ平坦な位相面を有するように、照明光学系によって前記照明を前記表面の一部分にマッピングするステップと、
前記表面の照明された部分から照明を反射するステップと、
前記反射した照明を結像光学系によって前記検出器内の感光素子の配列にマッピングするステップ
を含み、
前記表面の照明された部分は、前記感光素子の視野よりも50%よりも大きいものよりは小さいことからなる、方法。
A method for detecting relative movement between a data input device and a surface by determining the displacement of optical features in successive frames, comprising:
Generating illumination from a light source;
Mapping the illumination onto a portion of the surface by illumination optics such that the illumination beam has a substantially flat phase plane;
Reflecting illumination from an illuminated portion of the surface;
Mapping the reflected illumination to an array of photosensitive elements in the detector by imaging optics;
The method wherein the illuminated portion of the surface comprises less than 50% greater than the field of view of the photosensitive element.
前記照明光学系によって照明をマッピングする前記ステップは、前記表面の照明された部分が前記検出器内の感光素子の視野の形状と合致するように前記照明を屈折させ回折させるステップを含む、請求項12の方法。   The step of mapping illumination by the illumination optics comprises refracting and diffracting the illumination such that an illuminated portion of the surface matches the shape of the field of the photosensitive element in the detector. 12 methods. 第1の複数の感光素子が、第1の軸に沿ってほぼまっすくな列をなすように配列され、第2の複数の感光素子が、前記第1の軸に平行ではない第2の軸に沿ってほぼまっすぐな列をなすように配列される、請求項13の方法。   The first plurality of photosensitive elements are arranged in a substantially straight line along the first axis, and the second plurality of photosensitive elements are arranged on a second axis that is not parallel to the first axis. 14. The method of claim 13, wherein the method is arranged in substantially straight rows along. 前記感光素子は、「L」、「T」、「+」、「X」、「V」、「Δ」、及び正方形の形状からなる形状のグループからの形状を形成するように配列され、前記表面の照明された部分は対応する(または合致する)形状を形成することからなる、請求項14の方法。   The photosensitive elements are arranged to form a shape from a group of shapes consisting of “L”, “T”, “+”, “X”, “V”, “Δ”, and a square shape, 15. The method of claim 14, wherein the illuminated portion of the surface comprises forming a corresponding (or matching) shape. 照明をマッピングする前記ステップは、前記表面上に「L」、「T」、「+」、「X」、「V」、「Δ」、または正方形の形状を画定するように前記表面の部分を照明するステップを含み、前記照明された部分は、前記検出器の視野にオーバーラップし、かつ、該視野の形状に合致することからなる、請求項14の方法。   The step of mapping illumination comprises a portion of the surface to define a “L”, “T”, “+”, “X”, “V”, “Δ”, or square shape on the surface. 15. The method of claim 14, comprising illuminating, wherein the illuminated portion overlaps and conforms to the field of view of the detector. 連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面と間の相対的な動きを検出するための光学変位センサであって、
光源と、
第1の形状で前記表面の一部分を照明するよう構成された照明光学系と、
前記第1の形状に類似した第2の形状を有する感光素子の配列と、
前記表面の照明された部分から反射した照明をマッピングして、前記反射した照明が前記感光素子の配列を覆うように構成された結像光学系
を備える、光学変位センサ。
An optical displacement sensor for detecting relative movement between a data input device and a surface by determining the displacement of optical features in successive frames,
A light source;
Illumination optics configured to illuminate a portion of the surface with a first shape;
An array of photosensitive elements having a second shape similar to the first shape;
An optical displacement sensor comprising: an imaging optical system configured to map illumination reflected from an illuminated portion of the surface, and wherein the reflected illumination covers an array of the photosensitive elements.
前記第1の形状が、非円形であり、かつ、前記光源の直接像ではない、請求項17の光学変位センサ。   The optical displacement sensor of claim 17, wherein the first shape is non-circular and is not a direct image of the light source. 前記第1の形状が凸状ではない、請求項17の光学変位センサ。   The optical displacement sensor of claim 17, wherein the first shape is not convex. 前記表面の照明された部分が、前記感光素子の視野よりも50%大きいものよりは小さい、請求項17の光学変位センサ。   18. The optical displacement sensor of claim 17, wherein the illuminated portion of the surface is smaller than one that is 50% larger than the field of view of the photosensitive element.
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