JP2009506449A - 単一の自己混合レーザを用いて対象と光入力装置の二次元での相対移動を測定する方法 - Google Patents

単一の自己混合レーザを用いて対象と光入力装置の二次元での相対移動を測定する方法 Download PDF

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Abstract

対象（15）とセンサユニットの間の相対的な移動を測定する光学入力装置であって、測定ビーム（13，17）を放射するレーザ孔を有するレーザ装置（3，5）と、測定信号を発生する、それぞれの放射線感度検出器（4，6）とを有し、前記測定信号は、測定ビーム放射線がレーザ孔に再進入する結果による、レーザ装置（3，5）の作動の変化を表す、光学入力装置である。センサユニットは、アクション面における各測定軸に沿った相対移動を測定するように提供され、一つのまたは各センサユニットから得られる測定信号を用いて、測定信号の上昇および下降勾配のオフセット周波数を合計することにより、アクション面を横断する測定軸に沿った、入力装置と対象（15）の相互に対する距離および／または移動が定められる。

Description

本発明は、アクション面での測定軸に沿った、入力装置と対象の相互に対する移動および／または距離を定める方法であって、
レーザ装置のレーザ孔から放射される測定レーザビームで対象表面を照射するステップと、
前記レーザ孔の作動の変化を測定するステップであって、前記変化は、前記レーザ孔に再進入する測定ビーム放射線と、前記レーザ孔内の光波のレーザ自己混合干渉によるものであり、前記測定軸に沿った前記移動を表している、ステップと、
前記レーザ孔の作動の前記測定された変化を示す電気信号を発生させるステップと、
を有する方法に関する。
また本発明は、当該方法を実施するための光学モジュールを備えた入力装置、およびそのような光学モジュールを有する入力装置に関する
そのような方法および入力装置は、国際公開第WO03/102717A2で知られている。入力装置は、コンピュータ構成に使用される光学式マウスであっても良く、この場合、コンピュータディスプレイまたはモニタ内をカーソルが移動し、例えば表示メニューの機能が選択される。そのような光学式マウスは、従来の機械式マウスのように、手動によりマウスパッドを横断するように移動する。また入力装置は、「反転式」の光学式マウスであっても良い。この場合、入力装置は静止しており、例えば、デスクトップコンピュータのキーボードまたはノート型コンピュータに組み込まれ、あるいは携帯電話、PDAもしくはゲーム機器のような携帯機器に組み込まれ、対象は、入力装置のハウジング内で透明窓の上部で移動するユーザの指である。後者の用途の場合、入力装置の利点、すなわち小型軽量で、低コスト、小消費電力であるという点に関して、最適な利用がなされる。
国際公開第WO03／102717A2号に示されているように、対象および装置の移動軸に沿った移動の方向を定めるため、レーザに供給される駆動電流は、周期的に変化する電流であり、これは、例えば三角波状周期を有する電流である。このレーザ変調により、測定信号は、三角波の上昇および下降勾配に重畳された、高い（または「オフセット」）周波数波動を示す。上昇勾配での波動周波数が下降勾配での波動周波数と等しい場合、対象および装置は、相互に対して静止している。相対移動の事象では、測定軸に沿った移動方向に応じて、上昇勾配での波動周波数は、下降勾配での波動周波数よりも大きいか小さくなる。
コンピュータマウスを用いる場合、マウスを被移動表面（X方向およびY方向）から持ち上げることは、一般に行われることであり、その場合、マウスは、表面上に再置され、例えば座標系の参照がリセットされる。この用途では、表面は、Z方向における移動の検出を可能にする際に必要となる、いわゆるアクション面を形成し、これにより、マウスが持ち上げられ、表面に再置された際に、マウスを検出することが可能となる。実際には、対象および入力装置のZ方向における相対移動が必要とされる多くの適用例がある。
国際公開第WO03／102717A2号に記載の配置では、入力装置は、2つのダイオードレーザと、2つの関連する光ダイオードが垂直配向で備えられ、これにより、一つの面での2つの垂直方向（XおよびY）、または測定軸に沿った相対移動の測定が可能となる。そのような装置は、ディスプレイに沿った二次元でのカーソルの移動を制御する必要のある機器に適している。また第3の（Z）方向または測定軸に沿った相対移動を測定することが必要な場合、第3のダイオードレーザと、光ダイオードとを備えることが必要となる。しかしながら、そのような追加のセンサは、装置のコスト上昇につながる上、装置が複雑となる。
国際公開第WO03／102717A2号パンフレット
従って、本発明の課題は、前述のタイプの方法および装置であって、単一の自己混合レーザと放射線感度検出器とを用いて、2つの測定軸に沿った対象と入力装置の間の距離および／または相対移動の測定が可能であり、測定軸の一方は、アクション面内にあり、他方の測定軸は、これを横断することを特徴とする方法および装置を提供することである。
本発明では、アクション面を横断する測定軸に沿った、入力装置と対象の相互に対する移動および／または距離を定める方法であって、
当該方法は、
レーザ装置に変調駆動電流を供給して、前記レーザ装置のレーザ孔から放射される測定レーザビームで対象表面を照射するステップと、
前記レーザ孔の作動の変化を示す測定信号を発生させるステップであって、前記変化は、前記レーザ孔に再進入する測定ビーム放射線と、前記レーザ孔内の光波の干渉によるものであり、前記測定軸に沿った前記移動を表しており、前記測定信号は、各期間での上昇部分および下降部分を含み、前記信号には、オフセット周波数を有する波動が重畳される、ステップと、
を有し、さらに当該方法は、
前記測定信号の上昇部分および下降部分の前記オフセット周波数を合計することにより、前記測定軸に沿った前記対象と前記入力装置の相互に対する距離および／または移動を定めるステップと、
前記距離および／または移動を表す電気信号を発生させるステップと、
を有する方法が提供される。
また本発明では、アクション面を横断する測定軸に沿った、入力装置と対象の相互に対する移動および／または距離を定める方法を実行するための光学モジュールであって、
当該光学モジュールは、
レーザ孔を有するレーザ装置と、
前記レーザ装置に変調駆動電流を供給し、前記レーザ装置の前記レーザ孔から放射される測定レーザビームを対象表面に照射する手段と、
前記レーザ孔の作動の変化を表す測定信号を発生する検出手段であって、前記変化は、前記レーザ孔に再進入する測定ビーム放射線と、前記レーザ孔内の光波のレーザ自己混合干渉によるものであり、前記測定軸に沿った前記相対的な移動および／または距離を表し、前記測定信号は、各期間での上昇部分および下降部分を含み、前記信号には、オフセット周波数を有する波動が重畳される、検出手段と、
を有し、さらに当該光学モジュールは、
前記測定信号の上昇部分および下降部分の前記オフセット周波数を合計することにより、前記測定軸に沿った前記対象と前記入力装置の相互に対する距離および／または移動を定め、前記距離および／または移動を表す電気信号を発生させる電子処理手段を有する光学モジュールが提供される。
本発明は、前述のような光学モジュールを含む入力装置にも及ぶ。
前記電子処理手段は、前記測定信号の上昇部分および下降部分の前記オフセット周波数を合計するステップの結果から、前記入力装置が前記アクション面から離れた位置にあるかどうかを判断するように配置され、そうでない場合、前記測定信号のパラメータを使用して、前記アクション面内の測定軸での、前記入力装置と対象の相互に対する移動の速度および／または方向を測定することが有意である。従って、アクション面を横断する測定軸（Z）における、前記対象と前記入力装置の相互に対する距離および／または移動の判断の間、アクション面での測定軸（XまたはY）に沿った速度および／または方向の測定は、有効に抑制される。実際には、オフセット周波数の合計結果により、入力装置が対象から離れた位置にあるかどうかを表す信号が提供され、この信号を用いることにより、アクション面内の測定軸に沿った移動の測定またはその抑制が可能となる。
ある実施例では、前記アクション面内の測定軸に沿った、前記対象と入力装置の相互に対する移動の前記速度および／または方向は、前記測定信号の上昇勾配および下降勾配の各々に対する前記オフセット周波数の間の差異を定めることにより決定され、
前記結果の値は、前記移動の速度を表し、前記結果の符号は、前記移動の方向を表す。好適実施例では、前記対象と前記アクション面の間の距離は、既知の時間インターバルで測定され、これにより、前記アクション面を横断する測定軸に沿った前記対象と入力装置の相互に対する移動の速度が定められ、前記アクション面における前記測定軸に沿った移動の決定に対して、移動の前記速度および／または方向に対する寄与が補正される。
前記測定信号の上昇部分および下降部分のそれぞれの前記オフセット周波数の合計から、前記アクション面を横断する前記測定軸に沿った、前記レーザ装置と前記対象との間の絶対距離に関するデータが得られることが有意である。好適実施例では、前記電子処理手段は、前記測定信号の上昇勾配および下降勾配の各々の前記オフセット周波数の合計を監視するように配置され、何らかの変化から、前記アクション面を横断する前記測定軸に沿った前記対象と前記入力装置の間の相対距離の変化が定められる（すなわち、前記対象と前記入力装置の相互に対する相対的な移動が同定される）。必要な場合、そのようないかなる変化も、所定の時間インターバルに関して定められ監視され、これにより、前記アクション面を横断する前記測定軸における前記対象と入力装置の相互に対するいかなる移動の速度も定められる。
さらに、前記電子処理手段は、前記測定信号の期間での対応する事象の前記位相差を定めることにより、前記アクション面を横断する前記測定軸に沿った、前記対象に対する前記入力装置の距離および／または移動を定めるように配置され、
前記事象は、好ましくは、前記測定信号の前記上昇部分および下降部分の周期よりも大きな周期を有する。これに加えて、測定信号の各上昇および下降勾配のオフセット周波数を合計することにより、アクション面を横断する測定軸に沿った、入力装置と対象の相互に対する距離および／または移動に関して、より正確な判断が得られる。
好適実施例では、光学モジュールは、
前記対象を照射する2つの各測定ビームを発生させる2つのレーザ装置と、
前記レーザ孔の作動の変化を表す2つの各測定信号を発生させる検出手段であって、前記変化は、前記レーザ孔に再進入する測定ビーム放射線と前記レーザ孔内の光波との干渉によるものであり、前記アクション面における2つの各測定軸に沿った、前記対象に対する前記入力装置の移動を表し、各前記測定信号は、各期間での上昇部分および下降部分を有し、これらの信号は、オフセット周波数を有する波動で重畳される、検出手段と、
を有し、
さらに、当該光学モジュールは、
各測定信号の上昇部分および下降部分の前記オフセット周波数を合計することにより、前記アクション面を横断する測定軸に沿った、前記対象および前記入力装置の相互に対する距離および／または移動を定め、前記距離および／または移動を表す電気信号を発生する電子処理手段を有する。
従って、両方のレーザを用いて、アクション面を横断する測定軸における対象と入力装置の間の相対距離および移動を定めることが可能となり、いくつかの周波数において、より正確な判断結果が得られる。
従って本発明の前述の目的は、本発明の一実施例による、少なくとも一つの自己混合レーザを有する装置で達成されることは明らかであろう。この装置は、測定信号の上昇勾配と下降勾配の周波数差を用いることにより、アクション面における測定軸に沿った対象と装置の間の相対移動を測定するとともに、これらのオフセット周波数の合計を用いることにより、アクション面を横断する測定軸に沿った対象と入力装置の相対距離／移動を測定する。
これは、一つのレーザが、アクション面での一つの方向（X方向またはY方向）における相対移動の測定に使用され、同一のレーザから得られる測定信号を用いて、Z方向に沿った対象と入力装置の間の相対距離および／または移動が判定されることを意味する。従って、少なくとも一つの自己混合レーザを有するレーザ自己混合装置は、2Dセンサ（XまたはY方向と、Z方向）として使用することができる。第2の自己混合レーザを追加して、アクション面内の第2の測定軸に沿った対象と入力装置の間の相対移動を測定することも可能であり、この場合、第2の測定軸は、アクション面において第1の測定軸と実質的に直交していることが好ましい。この場合、両方の自己混合レーザから得られる測定信号を用いて、アクション面を横断する測定軸に沿って、対象と入力装置の相互に対する距離および／または移動を定めることが可能となり、いくつかの周波数効果により、より正確な測定が可能となる。従って、2つの自己混合レーザを有する装置は、3Ｄセンサ（Ｘ、ＹおよびＺ方向）として使用することができる。
本発明のこれらのおよび他の特徴は、以下に示す実施例を参照することにより、明らかとなろう。
一例に過ぎない添付図面を参照して、以下本発明の実施例を説明する。
図1には、本発明の一実施例による入力装置の概略的な断面図を示す。本装置は、その下側のベース板1と、例えば光ダイオードである検出器とを有し、ベース板は、示された実施例ではVCSELレーザである、ダイオードレーザを担持する。図1aには、一つのダイオードレーザ3と、関連する光ダイオード4のみが認められるが、通常ベース板上には、装置の概略平面図である図1bに示すように、少なくとも第2のダイオードレーザ5および関連する検出器6が設置される。ダイオードレーザ3、5は、それぞれ測定ビーム13および17を放射する。装置の上側には、透明窓12が設置されており、この窓を介して、対象、例えば人の指が移動する。ダイオードレーザと窓の間には、例えば平凸レンズのようなレンズ10が配置される。このレンズは、透明窓12に、または透明窓12の近傍の上部に、レーザビーム13、17を集束する。この位置に対象15がある場合、この窓は、ビーム13（および17）を散乱する。放射線ビーム13の一部は、照射ビーム13の方向に散乱され、この部分は、レンズ10により、ダイオードレーザ3の放射表面に集光され、そのレーザ孔に再度進入する。後述するように、レーザ孔に再入射した放射線は、ダイオードレーザによって放射される放射線の強度を変化させる。これらの変化は、光ダイオード4により検出され、測定された変化は、電気信号に変換され、この電気信号は、処理のため電子回路18に供給される。同様に、光ダイオード6は、ダイオードレーザ5により放射された放射線の強度の測定された変化を電気信号に変換し、この電気信号は、処理のため別の電子回路19に供給される。図1bに示すように、電子回路18、19は、相互接続されている。レーザと検出器は、各種度合いで統合することが可能であり、これにはモノリシックな統合が含まれる。
図2には、水平放射ダイオードレーザと、該レーザの後面に配置されたモニタ光ダイオードとが使用される場合の、本発明の一実施例による相対移動を測定する入力装置および方法の原理を示す。図2において、例えばダイオードレーザ3のダイオードレーザは、孔20と、その前面および後面とにより、またはそれぞれレーザミラー21および22とにより、概略的に示されている。孔は、全長がＬである。対象15と前面21の間の空間は、外部孔を形成し、その長さはＬ0である。前面を介して放射されたレーザビームは、参照符号25で示されており、対象によって反射された前面の方向の放射線は、参照符号26で示されている。レーザ孔内で生じた放射線の一部は、後面を通過して、光ダイオード4により捕獲される。
対象15が照射ビーム13の方向に移動した場合、反射放射線26は、時間変化する位相遅延およびドップラーシフトの影響を受ける。これは、この放射線の周波数（さらには位相）が変化し、または周波数シフトが生じることを意味する。この周波数シフトは、対象が移動する速度に依存し、数kHz乃至MHzのオーダーである。レーザ孔に再進入する周波数がシフトした放射線は、光波またはこの孔内で生じた放射線と干渉し、すなわち孔内で自己混合効果が生じる。光波と孔に再進入する放射線との間の位相シフトの量に応じて、この干渉は、相乗効果または相殺効果となり、すなわち、レーザ放射線の強度は、周期的に増大または減少する。このようにして生じたレーザ放射線変調の周波数は、孔内の光波の周波数と孔に再進入するドップラーシフト放射線の周波数の間の差異に正確に一致する。周波数差は、数kHz乃至MHzのオーダーであるため、検出が容易である。自己混合効果と反射光の時間変化する位相シフトの組み合わせにより、レーザ孔の作動に変化が生じ、特に、そのゲインまたは光増幅が変化し、各ミラーでの出力電力が変化する。
対象の移動速度vの関数としてゲイン変化Δgは、以下の式で与えられる：
Figure 2009506449
 この式において、
Kは、外部孔に対する結合係数であり、レーザ孔で結合された放射線量を示し、
νは、レーザ放射線の周波数であり、
vは、照射ビームの方向における対象の移動速度であり、
tは、時間のモーメントであり、
cは、光速である。
対象の移動速度と、移動量、すなわち対象が移動した距離であって、時間に対する測定速度の積分により得られる移動量に加えて、さらに移動方向の検出、すなわち対象が測定軸に沿って前方または後方のいずれに移動したかを検出する必要がある。
移動方向を判断するためのある提案された方法では、レーザ放射線の波長λが、ダイオードレーザの温度さらには電流に依存することが使用される。例えば、ダイオードレーザの温度が上昇した場合、レーザ孔の長さは増大し、増幅された放射線の波長は、増大する。図3の曲線45は、放射放射線の波長λの温度（Td）依存性を示している。
図4に示すように、ダイオードレーザに周期的な駆動電流Id（波形50で表されている）が供給された場合、ダイオードレーザの温度Tdは、波形52に示すように周期的に上昇し低下する。この結果、レーザ孔内の永続的な光波は、周波数が周期的に変化し、従って、対象により反射され、ある時間遅延で孔に再進入する放射線に対する位相シフトは、連続的に変化する。今度の場合、駆動電流の各半周期において、連続的な時間セグメントが存在し、ダイオードレーザゲインは、孔内の波と孔に再進入する反射放射線の位相関係に応じて、上昇、低下する。この結果、図4の波形54に示すように、放射放射線の時間依存強度変化（I）が生じる。この波形は、静止状態または対象に動きがない状態を表す。第1の半周期1/2p(a)でのパルス数は、第2の半周期1/2p(b)でのパルス数に等しい。
対象の移動により、レーザ孔再進入放射線の時間変化にシフトが生じ、すなわちこの周波数は、ドップラーシフト周波数とともに、移動方向に応じて増加または低下する。ある方向、前方方向での対象の移動により、再進入放射線の波長の低下が生じ、反対の方向の移動により、再進入放射線の波長の上昇が生じる。ドップラーシフト周波数が、レーザ孔での周波数変調と等しい符号である場合、レーザ孔内での光波の周期的な周波数変調の効果が得られ、周波数変調とドップラーシフト周波数とが反対の符号を有する場合、孔への再進入ドップラーシフト放射線の効果は、この放射線の効果とは異なる。2つの周波数シフトが同符号である場合、波と再進入放射線の間の位相差は、低速度で変化し、得られるレーザ放射線の変調周波数は、低くなる。2つの周波数シフトが反対符号を有する場合、波と放射線との間の位相差は、より高速で変化し、レーザ放射線の得られる変調周波数は、より大きくなる。駆動レーザ電流の第1の半周期1/2p(a)の間、生じたレーザ放射線の波長は、増大する。対象が後方に移動する場合も、再進入放射線の波長は、増大し、このため孔内の波の周波数とこの孔に再進入する放射線の周波数の間の差は、低下する。従って、再進入放射線の波長が発生放射線の波長と適合されている間、時間セグメントの数は、放射レーザ放射線の電気的変調のない場合に比べて、少なくなる。これは、対象が後方方向に移動した場合、第1の半周期におけるパルスの数が、変調が適用されない場合に比べて、少なくなることを意味する。第2の半周期1/2p(b)では、レーザ温度および発生放射線の波長は、低下し、再進入放射線の波長が発生放射線の波長と適合される際の、時間セグメント数は増加する。従って、対象が後方に移動する場合、第1の半周期でのパルス数は、第2の半周期でのパル数に比べて少なくなる。これは、図5において波形58で示されており、この図には、対象が後方方向に移動する場合に放射されるレーザ放射線の強度Ibが示されている。この波形を図4の波形54と比較すると、第1の半周期でのパルス数が減少し、第2の半周期でのパルス数が増大していることがわかる。
前述の記載から、対象が前方方向に移動する場合、対象によって散乱され、レーザ孔に再進入する放射線の波長が、ドップラー効果により低下することは、明らかである（対象がレーザの方に移動する、正のドップラーシフトの場合、レーザ波長の上昇のため、レーザとターゲットの間の波長フィッティングが低下し、レーザとターゲットの間の波長フィッティング数は、低下する）。第1の半周期1/2p(a)でのパルス数は、第2の半周期1/2p(b)でのパルス数よりも多くなる。これは、対象が前方に移動する場合に放射される放射線の強度Ifを示す、図5の波形56と比較することにより確認される。電子処理回路では、第2の半周期1/2p(b)の間、継続する光ダイオード信号パルスの数が、第1の半周期1/2p(a)の間、継続するパルスの数から差し引かれる。得られる信号がゼロの場合、対象は静止している。得られる信号が正の場合、対象は、前方方向に移動しており、信号が負の場合、対象は、後方方向に移動している。得られるパルス数は、それぞれ前方および後方の方向での移動速度に比例する。
従って前述の記載を要約すると、対象および装置の測定軸に沿った相対的な移動方向を定めるため、レーザに供給される電気駆動電流は、周期的に変化する電気信号であって、例えば三角波状の周期で変化する電流である。このレーザ変調により、測定された信号は、三角波の上昇および下降に重畳された、高い周波数、いわゆる「オフセット周波数」の波形を示す。上昇勾配での周波数が下降勾配での周波数と等しい場合、対象は、装置に対して停止している。対象が移動した場合、上昇勾配でのオフセット周波数は、測定軸に沿った移動方向に依存して、下降勾配でのオフセット周波数に比べて、大きくまたは小さくなる。オフセット周波数は、レーザ電流の変調速度、および装置と対象の間の距離によって定められた値を有する。装置に対する対象の移動を測定するため、検出出力信号のオフセット周波数が決定され、すなわち所与の測定時間の間、周波数解析が実施される。オフセット周波数測定には、フーリエ解析（FFT）法、または他の周波数もしくは位相追跡方法、例えば比較カウント手段を用いた方法が利用される。
前述のように、本発明の目的は、追加のセンサを用いずに、アクション面を横断する測定軸に沿った、対象と入力装置の間の移動および／または相対距離を定めることが可能な方法を提供することである。本発明の方法では、アクション面を横断する測定軸に沿ったそのような移動および／または距離は、電気測定信号の上昇勾配と下降勾配での双方のオフセット周波数を合計することにより測定される。すなわち、アクション面内の第1の測定軸に沿った移動測定は、同じ期間での下降勾配でのオフセット周波数から、測定信号の上昇勾配でのオフセット周波数を差し引くことにより実施されるのに対して、アクション面を横断する第2の測定軸に沿った移動／距離の測定は、これらのオフセット周波数を足し合わせることにより実施される。
本発明は、Z方向での対象の距離の変化により、上昇勾配と下降勾配の双方において、光波の周波数が同様に、同量だけシフトするのに対して、アクション面（XまたはY方向）内の移動では、上昇勾配でのオフセット周波数が、各下降勾配でのオフセット周波数とは反対の態様でシフトするという洞察に基づくものである。従って、Z方向における移動により、一定の周波数差で、2つの周波数の共通のシフトが生じ、アクション面での移動とは無関係に、これらの2つの周波数を合計することにより、この移動および距離の変化を定めることができる。
測定信号の同期間における上昇勾配と下項勾配でのオフセット周波数の合計により、センサが較正された際に、自己混合レーザと対象の間の絶対距離に関する情報が得られる。測定信号の同期間における上昇勾配と下降勾配でのオフセット周波数の合計の変化により、センサが較正された際に、センサと対象の間の相対距離の変化に関する情報が得られる。最終的に、ある時間インターバル内での測定信号の上昇勾配と下降勾配でのオフセット周波数の合計の変化により、Z方向における相対的な移動速度に関する情報が得られる。
換言すれば、対象は、X-Y平面内を移動し、差分周波数が検知される。対象がZ方向に移動する場合も、周波数が検知される。通常の場合、装置に垂直ないかなる動きによっても、差分周波数が発生する。また一般に、対象までの距離のいかなる変化によっても、周波数合計が変化する。しかしながら、システムに関してより多くのことが既知の場合、例えば、対象が実質的にXY方向の平面にある場合、距離は、Z距離に直接比例し、表面(Y)までの高さが合計周波数から定められる。
Z方向における移動により、差分周波数信号が生じる場合、これにより、追加の問題が生じる：この移動検出は、XY移動検出システムにおいて、しばしば望ましくない。しかしながら、ある一実施例では、既知の時間インターバルで、XY平面までの距離（Z距離）が測定される。従って、Z方向における速度を推定することが可能となる。必要な場合、この速度は、Z方向における速度の好ましくない検出の補正に使用することができる。
そのため、全体としては、合計周波数は、レーザビームの軸に沿った速度に比例し、合計周波数は、レーザビームに沿った距離に比例すると言うことができる。これと対象（実質的にX-Y平面内）の情報を組み合わせることにより、距離の変化として、Z方向での動きを定めることが可能となり、X-Y検出出力内の、望ましくないZ方向の速度信号を排除することが可能となる。
また、次のことが考えられる：レーザは、上昇勾配および下降勾配で変調され、移動により、一つの勾配での周波数が増加し、他の勾配での周波数が減少する。その結果、周波数は、ゼロまたは負の値にまで低下する。周波数が負になると、これは、ゼロ軸に対して折り曲げられ（負の周波数は、そのようには検出することができない）、反転される。この場合、合計周波数は、速度に比例し、「差分」周波数は、対象の距離に比例する。これは、図6に示されている。
図6には、本記載とは無関係の多くの境界線が示されているが、上下のセグメントから得られる周波数は、この図から探知される。中央領域では、ここでの記載が適用されるが、高速度範囲では、周波数のX軸での折り返しにより、合計および「差分」周波数の役割が反転する。図6において灰色の領域は、極めて周波数が低く、検出することが難しい場合である。信号処理は、この領域での信号検出に使用することができる。
従って、実際の実施例では、負の周波数は、検出することはできない。従って、周波数がX軸を横切る場合（および負となる場合）は、いかなる実際の測定によっても、正の結果が得られる（これが、図6において曲線がX軸に対して鏡対象である理由である）。従って、高速では、検出周波数の符号は、不正確であり（2周波数が低い場合）、処理手段は、「合計」計算において、符号を変えて、速度および距離を表す信号を得るように配置される。数学的事項では、オフセット周波数の合計を用いて、アクション面を横断する測定軸に沿った、対象と入力装置の相互に対する距離および／または移動が定められる。ただし、数学的事項では、各符号を考慮した場合、これは、未だオフセット周波数の合計であるが、実際には、オフセット周波数の正しい符号のため、これは、「差分」周波数として計算され得る。
また、測定信号の同期間において、上昇勾配と下降勾配でのオフセット周波数を合計することに加えて、アクション面を横断する測定（Ｚ）軸における、対象と入力装置の間の相対的な移動／距離を測定するため、上昇勾配と下降勾配に関する位相情報を用いて、Ｚ方向での相対的な移動および距離が測定されても良く、この際、Ｚ方向での距離の変化によって、位相シフトが生じることが使用され、位相測定を用いることにより、より高い精度が得られ、オフセット周波数の合計との組み合わせにより、より正確な結果が得られる。オフセット周波数の合計に加えて、位相測定を使用するか否かは、取得する必要のある測定精度に依存し、これが使用される入力装置の適用に依存することは明らかである。
極端な場合、レーザの変調周波数は、上下セグメントを含まないが、これは、十分に高く選定され、完全な測定信号の光波は生じず、合計周波数および差分周波数は、検出されないことに留意する必要がある。しかしながら、上下信号での位相変化は、未だ生じ、これらは、適正な信号処理手段を用いて検出することができる。これは、当業者には明らかである。同じことが変調振幅にも適用され、この場合、変調振幅が極めて低く選定され、検出可能な合計周波数および差分周波数は、位相差まで低下する（図6では、これは灰色の領域の底部である）。
前述の実施例は、本発明を限定するものではなく、当業者には、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱しないで、多くの代替実施例が想起されることに留意する必要がある。請求項において、括弧で示されたいかなる参照符号も、請求項を限定するものと解してはならない。如何なる請求項および明細書全体においても、「有する」という用語は、記載された素子またはステップ以外の存在を排斥するものではない。単一素子の参照は、そのような素子が複数存在することを排斥するものではなく、逆も同様である。本発明は、いくつかの個別の素子を有するハードウェアにより実施されても良く、適当にプログラム化されたコンピュータで実施されても良い。いくつかの手段が列挙された装置の請求項において、これらの手段のいくつかは、ハードウェアの同様の部品によって具現化されても良い。単にある手段が複数の異なる従属請求項に記載されていることのみから、これらの手段の組み合わせの使用が有意ではないと解してはならない。
本発明の一実施例による入力装置の概略断面図である。 図1aの装置の概略的な平面図である。 図1aおよび1bの入力装置の測定方法の原理を示した図である。 光学フィードバックを用いたレーザ温度の関数としてのレーザ波長の変化を示した図である。 レーザ用の周期的に変化する駆動電流を用いる効果を示した図である。 移動方向の検出方法を示した図である。 周波数がゼロ未満まで低下し得る移動周波数に対する影響を示した図である。

Claims (12)

  1. アクション面を横断する測定軸に沿った、入力装置と対象の相互に対する移動および／または距離を定める方法であって、
    当該方法は、
    レーザ装置に変調駆動電流を供給して、前記レーザ装置のレーザ孔から放射される測定レーザビームで対象表面を照射するステップと、
    前記レーザ孔の作動の変化を示す測定信号を発生させるステップであって、前記変化は、前記レーザ孔に再進入する測定ビーム放射線と、前記レーザ孔内の光波の干渉によるものであり、前記測定軸に沿った前記移動を表しており、前記測定信号は、各期間での上昇部分および下降部分を含み、前記信号には、オフセット周波数を有する波動が重畳される、ステップと、
    を有し、さらに当該方法は、
    前記測定信号の上昇部分および下降部分の前記オフセット周波数を合計することにより、前記測定軸に沿った前記対象と前記入力装置の相互に対する距離および／または移動を定めるステップと、
    前記距離および／または移動を表す電気信号を発生させるステップと、
    を有する方法。
  2. 前記測定信号の上昇部分および下降部分の前記オフセット周波数を合計するステップの結果から、前記入力装置が前記アクション面から離れた位置にあるかどうかを判断するステップを有し、
    そうでない場合、前記測定信号のパラメータを使用して、前記アクション面内の測定軸での、前記入力装置と対象の相互に対する移動の速度および／または方向を測定することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記アクション面内の測定軸に沿った、前記対象と入力装置の相互に対する前記移動の速度および／または方向は、前記測定信号の上昇勾配および下降勾配の各々に対する前記オフセット周波数の間の差異を定めることにより決定され、
    前記結果の値は、前記移動の速度を表し、前記結果の符号は、前記移動の方向を表すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 前記アクション面からの前記対象の距離は、既知の時間インターバルで測定され、これにより、前記アクション面を横断する測定軸に沿った前記対象と入力装置の相互に対する移動の速度が定められ、前記アクション面における前記測定軸に沿った前記決定に対して、前記移動の速度および／または方向に対する寄与が補正されることを特徴とする請求項3に記載の方法。
  5. 前記測定信号の上昇部分および下降部分のそれぞれの前記オフセット周波数の合計から、前記アクション面を横断する前記測定軸に沿った、前記レーザ装置と前記対象との間の絶対距離に関するデータが得られることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 前記測定信号の上昇勾配および下降勾配の前記オフセット周波数の合計を監視するステップと、
    該ステップでの何らかの変化から、前記アクション面を横断する前記測定軸に沿った前記対象と前記入力装置の間の相対距離の変化を定めるステップと、
    を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  7. 前記オフセット周波数の前記合計の何らかの変化が、所定の時間インターバルに関して定められ監視され、これにより、前記アクション面を横断する前記測定軸における前記対象と入力装置の相互に対する移動の速度が定められることを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. さらに、前記測定信号の期間での対応する事象の前記位相差を定めることにより、前記アクション面を横断する前記測定軸に沿った、前記対象に対する前記入力装置の距離および／または移動を定めるステップを有し、
    前記事象は、好ましくは、前記測定信号の前記上昇部分および下降部分の周期よりも大きな周期を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  9. アクション面を横断する測定軸に沿った、入力装置と対象の相互に対する移動および／または距離を定める方法を実行するための光学モジュールであって、
    当該光学モジュールは、
    レーザ孔を有するレーザ装置と、
    前記レーザ装置に変調駆動電流を供給し、前記レーザ装置の前記レーザ孔から放射される測定レーザビームを対象表面に照射する手段と、
    前記レーザ孔の作動の変化を表す測定信号を発生する検出手段であって、前記変化は、前記レーザ孔に再進入する測定ビーム放射線と、前記レーザ孔内の光波のレーザ自己混合干渉によるものであり、前記測定軸に沿った前記相対的な移動および／または距離を表し、前記測定信号は、各期間での上昇部分および下降部分を含み、前記信号には、オフセット周波数を有する波動が重畳される、検出手段と、
    を有し、さらに当該光学モジュールは、
    前記測定信号の上昇部分および下降部分の前記オフセット周波数を合計することにより、前記測定軸に沿った前記対象と前記入力装置の相互に対する距離および／または移動を定め、前記距離および／または移動を表す電気信号を発生させる電子処理手段を有する光学モジュール。
  10. 前記対象を照射する2つの各測定ビームを発生させる2つのレーザ装置と、
    前記レーザ孔の作動の変化を表す2つの各測定信号を発生させる検出手段であって、前記変化は、前記レーザ孔に再進入する測定ビーム放射線と前記レーザ孔内の光波との干渉によるものであり、前記アクション面における2つの各測定軸に沿った、前記対象に対する前記入力装置の移動を表し、各前記測定信号は、各期間での上昇部分および下降部分を有し、これらの信号は、オフセット周波数を有する波動で重畳される、検出手段と、
    を有し、
    さらに、当該光学モジュールは、
    各測定信号の上昇部分および下降部分の前記オフセット周波数を合計することにより、前記アクション面を横断する測定軸に沿った、前記対象および前記入力装置の相互に対する距離および／または移動を定め、前記距離および／または移動を表す電気信号を発生する電子処理手段を有することを特徴とする請求項9に記載の光学モジュール。
  11. 前記変調駆動電流の周波数が閾値上限を超える場合、または閾値下限を下回る場合、前記測定信号内の対応する事象の間の位相差によって、前記測定軸に沿った、前記対象と前記入力装置の相互に対する距離および／または移動が定められることを特徴とする請求項9に記載の光学モジュール。
  12. 請求項8に記載の光学モジュールを有する入力装置。

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