JP2010117253A - Device for capturing image invariant optical speckle and method for the same - Google Patents
Device for capturing image invariant optical speckle and method for the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010117253A JP2010117253A JP2008291063A JP2008291063A JP2010117253A JP 2010117253 A JP2010117253 A JP 2010117253A JP 2008291063 A JP2008291063 A JP 2008291063A JP 2008291063 A JP2008291063 A JP 2008291063A JP 2010117253 A JP2010117253 A JP 2010117253A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- image
- sensor
- limiting module
- imaging lens
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
本発明は干渉性回折光が生ずる画像不変光斑点、より詳しくは散乱光の小口径光制限要素通過時に発生する光斑点の捕獲装置とその方法に関する。 The present invention relates to an image invariant light spot in which coherent diffracted light is generated, and more particularly to an apparatus and method for capturing a light spot generated when scattered light passes through a small aperture light limiting element.
二つの高コヒーレント光ビームが空間で重なり、その光路長差がコヒーレント長より小さい場合、干渉縞が発生する。光干渉は増幅的干渉と相殺的干渉に分類され、増幅的干渉は高輝度のスポットを発生する一方、相殺的干渉は暗点を生ずる。それ故干渉の結果は散乱した輝点と暗点を有する空間パターンとなり、スペックルパターン又はスペックル像と呼ばれる。干渉は波長と光路長差に関連する。二つの光ビームが空間で重なり、これら二つのビーム間の光路長差が半波長の奇整数倍である場合には、相殺的干渉が発生する。これら二つのビーム間の光路長差がその波長の整数倍である場合には、増幅的干渉が生ずる。それ故この干渉の感度はその波長の半分である。光の波長はかなり短く、例えば可視光の対象となる波長範囲は0.4μmから0.7μmである。半波長感度は非常に正確であるため、干渉効果は多くの異なる分野で広く用いられる。 When two highly coherent light beams overlap in space and the optical path length difference is smaller than the coherent length, interference fringes are generated. Optical interference is classified as amplifying interference and destructive interference, where amplifying interference produces a bright spot, while destructive interference produces a dark spot. Therefore, the result of the interference is a spatial pattern with scattered bright spots and dark spots, called a speckle pattern or speckle image. Interference is related to wavelength and optical path length difference. If two light beams overlap in space and the optical path length difference between the two beams is an odd integer multiple of a half wavelength, destructive interference occurs. If the optical path length difference between these two beams is an integral multiple of that wavelength, amplifying interference occurs. The sensitivity of this interference is therefore half that wavelength. The wavelength of light is considerably short. For example, the wavelength range of visible light is 0.4 μm to 0.7 μm. Because half-wavelength sensitivity is very accurate, interference effects are widely used in many different fields.
高コヒーレント光が光学的粗面に入射すると、散乱光が発生し空間の任意方向に伝播する。これら散乱光が空間でその光のコヒーレンス長より短い光路差で重なると、安定な干渉が発生する。この干渉の結果は散乱した輝領域と暗領域を有する画像となり、光斑点と呼ばれる。 When highly coherent light is incident on an optical rough surface, scattered light is generated and propagates in an arbitrary direction in space. When these scattered lights overlap in space with an optical path difference shorter than the coherence length of the light, stable interference occurs. The result of this interference is an image having scattered bright areas and dark areas, called light spots.
光斑点は雑音として認識され、光学系の破壊因子と考えられた。光斑点は移動と関連することが見いだされたが、検知技術の一種として用いられた。最近ユニークな光斑点が移動検知用の検知技術として用いられた。2003年に公開の米国特許番号6642506B1(以後特許506と呼ぶ)には一次元変位の検知が開示され、コヒーレント光、光学絞りと結像レンズからなる装置により光スペックルパターンを捕獲する。特許506では画像センサーの画素サイズに合うように適切寸法の絞りを用いて好ましい大きさの斑点が捕獲できる。特許506では更にその絞りを結像レンズの焦点に設置する必要があり、表面上の高さの垂直方向変動が斑点に殆ど影響しないように結像レンズと絞りの光軸がその表面に垂直にすることが強調された。別の米国特許番号20050024623(以後特許623と呼ぶ)では、光学的変位の検知法と装置が開示された。高コヒーレント光源を用いてコヒーレント光ビームを放射して表面を照射し、その表面で反射され、反射方向に配置のセンサーで正反射光を受光する。反射光の表面との角度が入射光の表面との角度と等しい場合、正反射と呼ばれる。センサーが正反射光と散乱光を同時に受光し、受光は互いに干渉してセンサー上に多数の斑点を発生する。移動後のスペックルパターンと移動前のスペックルパターンを比較して、変位方向と変位量が決定できる。 The light spot was recognized as noise and was considered a destructive factor for the optical system. Spots of light were found to be associated with movement, but were used as a type of detection technique. Recently, unique light spots have been used as detection technology for movement detection. U.S. Pat. No. 6,642,506 B1 published in 2003 (hereinafter referred to as Patent 506) discloses the detection of one-dimensional displacement and captures an optical speckle pattern by a device comprising coherent light, an optical aperture and an imaging lens. In Japanese Patent No. 506, a spot having a preferable size can be captured using an aperture having an appropriate size so as to match the pixel size of the image sensor. In Patent 506, the aperture further needs to be placed at the focal point of the imaging lens, and the optical axis of the imaging lens and the aperture are perpendicular to the surface so that vertical fluctuations in height on the surface hardly affect the spots. It was stressed to do. In another US Patent No. 20050024623 (hereinafter referred to as Patent 623), a method and apparatus for detecting optical displacement was disclosed. A highly coherent light source is used to radiate a coherent light beam to irradiate the surface, the light is reflected by the surface, and specularly reflected light is received by a sensor arranged in the reflection direction. When the angle with the surface of the reflected light is equal to the angle with the surface of the incident light, it is called regular reflection. The sensor receives specularly reflected light and scattered light simultaneously, and the received light interferes with each other to generate a large number of spots on the sensor. The displacement direction and the displacement amount can be determined by comparing the speckle pattern after movement with the speckle pattern before movement.
別の関連技術が米国特許出願WO2004075040(以後ケース040と呼ぶ)に公開され、ディジタル信号処理付きの光学式マウスを用いる光信号処理法と装置が開示された。斑点移動信号を集めることにより、散乱光が発生した表面に対するこのマウスの相対変位を得ることができる。このマウスは、電気信号増幅造形モジュール、方向決定計数モジュール、コンピューターインターフェース、レーザー光源、及びレーザースペックル像受信用センサーを含む。センサーが受光したスペックル像は電気信号に転換され、信号増幅造形モジュールに送られる。 Another related technique was published in US Patent Application No. WO2004075040 (hereinafter referred to as Case 040), which disclosed an optical signal processing method and apparatus using an optical mouse with digital signal processing. By collecting the speckle movement signal, the relative displacement of the mouse with respect to the surface where the scattered light is generated can be obtained. The mouse includes an electric signal amplification modeling module, a direction determination counting module, a computer interface, a laser light source, and a laser speckle image receiving sensor. The speckle image received by the sensor is converted into an electrical signal and sent to the signal amplification modeling module.
上述の信号解析の全ては、センサーにより捕獲されたスペックル像の輝点数と暗点数の計数解析に関連し、次いで移動方向と変位量に変換する。ケース040の構造は簡単である。しかしその表面が滑らか場合には、生成斑点の大きさは非常に小さく斑点の輝領域と暗領域の解析には不都合である。それ故この系の分解能と感度は低くなる。 All of the above signal analysis is related to the counting analysis of the number of bright spots and dark spots of the speckle image captured by the sensor, and then converted into the moving direction and the displacement amount. The structure of the case 040 is simple. However, when the surface is smooth, the size of the generated spots is very small, which is inconvenient for analysis of bright and dark areas of the spots. Therefore, the resolution and sensitivity of this system is low.
特許623では、正反射はセンサーで受光後、受光信号は直流部分と交流部分に分ける。直流部分は反射光の滑らかな輝度であり、交流部分は斑点の輝領域と暗領域である。斑点の大きさが小さすぎる場合には、交流信号の認識は困難であるため解析が困難になる。
特許506では、絞りはテレセントリック投影系である結像レンズの焦点に設置する必要がある。この系は垂直方向への高さ変位に敏感ではないが、この構造の絞りは画像捕獲領域をその表面上に制限する能力はない。これは本構造がセンサーの視野角を表面の散乱光に閉じこめられないことを意味する。特許506の構造を用いて斑点の大きさを制御できるが、表面と結像系間の相対運動中の斑点変動を避ける能力には限度がある。
In Japanese Patent No. 623, regular reflection is received by a sensor, and then the received light signal is divided into a direct current portion and an alternating current portion. The direct current portion is the smooth brightness of the reflected light, and the alternating current portion is the bright and dark areas of the spots. If the size of the spot is too small, it is difficult to recognize the AC signal, making analysis difficult.
In Japanese Patent No. 506, the stop needs to be placed at the focal point of an imaging lens that is a telecentric projection system. Although this system is not sensitive to vertical height displacement, the aperture of this structure is not capable of limiting the image capture area on its surface. This means that this structure cannot confine the sensor viewing angle to the scattered light on the surface. Although the structure of the patent 506 can be used to control the size of the spots, the ability to avoid spot fluctuations during relative motion between the surface and the imaging system is limited.
それ故二次元スペックルパターンを正確に正しく認識する鍵になる要因としては、斑点の大きさの適正さ、スペックルパターンの鮮明度が上げられ、とりわけスペックルパターンの画像不変な斑点である。画像不変光スペックルパターンはユニークなものであり、正しナビゲーションと正確な位置決めに好都合であり、レーザーマウス、フィンガーナビゲーション、インテリジェンスカード、及び三次元指紋識別のような装置に広く使用できる。 Therefore, the key factors for correctly and correctly recognizing the two-dimensional speckle pattern are the appropriateness of the size of the speckles and the sharpness of the speckle pattern, and in particular, speckle pattern image invariant spots. The image invariant light speckle pattern is unique and favors correct navigation and accurate positioning and can be widely used in devices such as laser mice, finger navigation, intelligence cards, and 3D fingerprint identification.
上述の問題を解決するために、本発明の目的は画像不変光斑点の捕獲装置と方法を提供することである。本発明で開発した技術を用いて、より小さい大きさの斑点、斑点の形状変化及び斑点の強度変動のような問題を合理的に解決できる。 In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an image invariant light spot capturing apparatus and method. Using the technology developed in the present invention, problems such as smaller size spots, spot shape changes and spot intensity variations can be reasonably solved.
二次元画像不変光斑点の捕獲装置を用いて非正反射方向のスペックルパターンを捕獲できる。例えば正反射から±10°の角度の光を捕獲する。光制限絞りを光路に導入し、散乱光の視野角を制限する、即ち画像捕獲領域をこの表面上に閉じこめる。斑点の大きさ、画像捕獲レンズの焦点距離、画像捕獲角度、表面上の画像捕獲領域のような因子を組み合わすことで、斑点捕獲装置が捕獲した光斑点は画像不変になる。画像不変光斑点とは、この斑点捕獲装置が表面に対して相対運動する場合、捕獲した光斑点が変形無しに画像面上だけを移動する、即ち斑点捕獲装置はこの表面に対して連続的に移動するが、光斑点はイメージセンサーの片側から現れセンサーの他側に消えるまで継続的に移動し、この光斑点の形状と強度は同じままであることを意味する。斑点捕獲装置が捕獲した斑点は画像不変であるから、本発明の画像不変光斑点の捕獲装置は正確な光学パターン認識と位置決めに非常に有用である。 A speckle pattern in a non-specular reflection direction can be captured using a two-dimensional image invariant light spot capturing device. For example, light having an angle of ± 10 ° from regular reflection is captured. A light limiting aperture is introduced into the optical path to limit the viewing angle of the scattered light, i.e. to confine the image capture area on this surface. By combining factors such as the size of the spots, the focal length of the image capture lens, the image capture angle, and the image capture area on the surface, the light spots captured by the spot capture device become image invariant. An image-invariant light spot means that when this spot capturing device moves relative to the surface, the captured light spot moves only on the image plane without deformation, i.e., the spot capturing device is continuously on the surface. Although moving, the light spot moves continuously from one side of the image sensor until it disappears to the other side of the sensor, meaning that the shape and intensity of this light spot remain the same. Since the spots captured by the spot capturing device are image invariant, the image invariant light spot capturing device of the present invention is very useful for accurate optical pattern recognition and positioning.
本発明の利点と精神は付随図面と一緒に以下の詳述により理解できる。 The advantages and spirit of the invention may be understood from the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings.
以下の段落に本発明の光斑点の捕獲装置と表面間で相対運動がある場合に、如何にして画像不変光斑点を得るかについて説明する。この相対運動前後の光路差の計算を詳細に説明する。 The following paragraphs describe how to obtain image invariant light spots when there is relative motion between the light spot capturing device of the present invention and the surface. The calculation of the optical path difference before and after this relative motion will be described in detail.
照射表面により散乱し、斑点捕獲装置の要素により回折した光の干渉により本発明のレーザースペックルが形成する。イメージセンサーで生まれたスペックルパターンは、基本的には光源の性質、照射表面の特性、斑点捕獲装置の配置、及び二次元イメージセンサーの画素サイズのような因子に関係する。因子全てを詳細に解析するのは困難で、本発明では適切なモデルを開発してスペックルパターンの形成を解析する。レーザーは高コヒーレント源であり、干渉により斑点を生ずる決定的条件を満たす。表面特性は最も取り扱いが困難で、表面の全種の特性を解析するのは不可能である。本発明で強調する必要がある一つの鍵になる点は適切な大きさと高輝度の斑点が画像解析に好ましく、小さいサイズで低輝度の斑点は常に雑音が混ざり放棄する。従って本発明の解析は高輝度と大きいサイズを有する斑点に焦点を合わす。斑点の輝度は干渉条件に依存し、高輝度斑点は増幅的干渉により生ずる。しかし斑点の平均サイズは斑点捕獲装置の特性と関連する。斑点の平均サイズは2δ=2Lλ/Dと書くことができ、ここで 2δは斑点の平均直径、λはレーザー光の波長、Dは斑点捕獲装置の絞り直径、Lは絞りからイメージセンサーまでの距離である。散乱点とその隣接散乱点の光が組み合わされてイメージセンサー上に増幅的干渉を発生すると、明るい大きいサイズの斑点が生ずる。一方散乱点とその隣接散乱点の光がイメージセンサー上で相殺的干渉を生ずると、ぼんやりした斑点が生ずるか又は斑点が生じない。相互相関を用いて表面と斑点捕獲装置間の相対運動前後に生じたスペックルパターンに合致させる。第一光スペックルパターンが記録され、高輝度を有する特別な斑点が存在すると仮定すると、この斑点捕獲装置が表面に対して距離d移動後、この斑点で何が起こるであろう。解析は以下の通りである。 The laser speckle of the present invention is formed by interference of light scattered by the irradiated surface and diffracted by the elements of the spot capturing device. The speckle pattern produced by an image sensor is basically related to factors such as the nature of the light source, the characteristics of the illuminated surface, the location of the spot capturing device, and the pixel size of the two-dimensional image sensor. It is difficult to analyze all the factors in detail, and in the present invention, an appropriate model is developed to analyze speckle pattern formation. The laser is a highly coherent source and meets the decisive condition of producing spots due to interference. Surface properties are the most difficult to handle and it is impossible to analyze all surface properties. One key point that needs to be emphasized in the present invention is an appropriate size and high brightness spot for image analysis, and a small size and low brightness spot is always abandoned because of noise. Therefore, the analysis of the present invention focuses on spots with high brightness and large size. The brightness of the spots depends on the interference conditions, and the high brightness spots are caused by amplifying interference. However, the average size of the spots is related to the characteristics of the spot capture device. The average size of the spots can be written as 2δ = 2Lλ / D, where 2δ is the average diameter of the spots, λ is the wavelength of the laser beam, D is the diameter of the aperture of the spot capturing device, and L is the distance from the aperture to the image sensor. It is. When the light from a scattering point and its adjacent scattering points combine to generate amplifying interference on the image sensor, bright, large-sized spots are produced. On the other hand, if the light from the scattering point and the adjacent scattering point causes destructive interference on the image sensor, a blurred spot or a spot does not occur. Cross-correlation is used to match the speckle pattern produced before and after the relative movement between the surface and the speckle capture device. Assuming that a first light speckle pattern is recorded and there is a special spot with high brightness, what will happen to this spot after the spot capture device has moved a distance d relative to the surface. The analysis is as follows.
(i)系の規模を最小化するために4fのレンズ結像系を便利な解析に選び、ここでfは結像系に用いたレンズの焦点距離である。物体距離は4f系の像距離に等しく、系の倍率Mは1に等しい。図1Aを参照し、ここでγA=γB、γA'=γB'、γA"=γB"である。 (I) In order to minimize the scale of the system, the 4f lens imaging system is selected for convenient analysis, where f is the focal length of the lens used in the imaging system. The object distance is equal to the image distance of the 4f system, and the magnification M of the system is equal to 1. Referring to FIG. 1A, γ A = γ B , γ A ′ = γ B ′ , and γ A ″ = γ B ″ .
(ii)像平面上の位置Bにおける斑点の大きさは、回折で生ずる平均サイズ2δと仮定できる。この系の倍率は1なので、半径δで表面上の点Aを中心とする領域内の全ての点により、大きさが2δ≒2Lλ/Dの回折限界エアリーディスクを像平面上の点Bを囲む対応位置に発生する。このエアリーディスクは他の散乱点で生じた他のエアリーディスクと重なり干渉を発生する。点Bは、半径δで点Aを中心とする領域内の各点からの散乱光が光路差0又は波長の整数倍を有する点Bに達することを意味する輝度である。斑点捕獲装置が表面に対して距離d移動し、対物面上の点Aがこの斑点捕獲装置に対して点A’又はA”に移動すると仮定すると、対応画像点はそれぞれB’又はB”となる。 (Ii) The size of the spot at position B on the image plane can be assumed to be an average size 2δ generated by diffraction. Since the magnification of this system is 1, all points in a region centered on point A on the surface with radius δ surround a point B on the image plane with a diffraction-limited Airy disk having a size of 2δ≈2Lλ / D. Occurs at the corresponding position. This Airy disk overlaps with other Airy disks generated at other scattering points and generates interference. Point B is a luminance that means that scattered light from each point in a region centered on point A with radius δ reaches point B having an optical path difference of 0 or an integer multiple of a wavelength. Assuming that the speckle capture device moves a distance d with respect to the surface and the point A on the object plane moves to point A ′ or A ″ with respect to this speckle capture device, the corresponding image points are B ′ or B ″, respectively. Become.
γA≒2fで、γA>>d>>δと合理的に仮定する。図1Bに示すように、半径δで点Aを中心とする領域内の点で生ずる最大光路長差、γA+δとγA―δ、を評価する(γ、θA、δで表され、ここでδは光斑点の平均半径、θAは光制限モジュールの光軸と表面の法線方向間の画像捕獲角度、dは移動距離でゼロから画像捕獲領域の直径まで可変であり、画像が不変である間の最大移動距離に等しく、γは結像レンズからこの表面までの鉛直距離間隔である。)
Let γ A ≈ 2f and reasonably assume γ A >> d >> δ. As shown in FIG. 1B, the maximum optical path length difference, γ A + δ and γ A−δ, generated at a point in a region centered on point A with a radius δ is evaluated (represented by γ, θ A , δ, where in δ is the mean radius of the light spot, theta a image capture angle between the normal direction of the light-limiting module optical axis and the surface, d is variable from zero at the moving distance to the diameter of the image capturing area, the image is unchanged Γ is the vertical distance from the imaging lens to this surface.)
テイラー級数展開を用い、二次項と高次項を無視すると、
Using Taylor series expansion, ignoring the second and higher order terms,
図1Cに示すように、斑点捕獲装置が表面に対して相対運動を有する場合、点Aは距離d移動して点A’に達し(B’の対応画像点)、半径δで点A’を中心とする領域内の全点からの最大光路長差を計算する。γA’+δとγA’―δの差は
γA’+δ−γA’―δ≒2δsinθA’
図1Cに示すように、表面上の点Aは距離d移動して点A’に達し、半径δで点A’を中心とする領域内の全点の最大光路長差、γA’+δ−γA’―δ、を半径δで点Aを中心とする領域内の全点の最大光路長差、γA+δ−γA―δ、と比較し、これら二つの最大光路長差の変化、(γA’+δ−γA’―δ)−(γA+δ−γA―δ)、が以下のように計算できる。
As shown in FIG. 1C, when the spot capturing device has relative motion with respect to the surface, point A moves a distance d to reach point A ′ (corresponding image point of B ′), and point A ′ with radius δ. The maximum optical path length difference from all points in the center area is calculated. The difference between γ A ′ + δ and γ A′−δ is γ A ′ + δ− γ A′−δ ≈2δ sin θ A ′
As shown in FIG. 1C, the point A on the surface moves by a distance d to reach the point A ′, and the maximum optical path length difference of all points in the region centered on the point A ′ with the radius δ, γ A ′ + δ − γ A′−δ is compared with the maximum optical path length difference of all points in the region centered on the point A with the radius δ, and γ A + δ −γ A−δ . γ a '+ δ -γ A'- δ) - (γ a + δ -γ a-δ), but can be calculated as follows.
θA’=θA+Δθと仮定し、ここでΔθは非常に小さい角度変位であるとすると、
Assuming that θ A ′ = θ A + Δθ, where Δθ is a very small angular displacement,
Δθ≒dcosθA/γAでγA=γ/cosθAなので、
So in Δθ ≒ dcosθ A / γ A γ A = γ / cosθ A,
4fレンズを通過する表面の点Aからの散乱光が光センサー上の点Bで結像すると仮定すると、次いで表面の点A’とA”の散乱光がそれぞれ同様に光センサー上の点B’とB”で結像する。回折効果により点Bを中心とする半径δ(エアリーディスクの半径と斑点の平均半径)内の像平面上の各点が点Bとエネルギー結合し、即ち各点が点Bでの干渉に寄与することが示される。更に倍率が1に等しい条件下では点Bは輝点であり、表面上の点Aを中心とする半径δ内の各点の散乱光が点Bで増幅的干渉を生ずることを意味する。点Aを中心とする半径δ内の各点から点Bを中心とする半径δ内の各点への同等の光路長差はゼロと考えられる。各散乱光の初期位相は同等の光路長差に組み入れられる。換言すると最初点Aを中心とする半径δ内の各点から点Bを中心とする半径δ内の各点への最大光路長差、n(γA+δ+γB+δ)−n(γA−δ+γB―δ)≒4δsinθA(nは空気のため1と仮定)は、点Aを囲む領域の自然微細構造により自動的に補償される。光源と照射表面間のdだけの相対運動があり最初の表面条件が維持されている場合、点A’を中心とする半径δ内の各点から点B’を中心とする半径δ内の各点への最大光路長差は、(γA’+δ+γB’+δ)−(γA’−δ+γB’―δ)である。この新規の最大光路長差は、最大光路長差の変化を決定するために最初のものと比較する必要があり、最大光路長差の変化は斑点強度の変動に対して鍵となる要因である。最大光路長差の変化がその波長の半分である場合には、最初の増幅的干渉はその相対移動後相殺的干渉になる。相対運動dによる最大光路長差の変化は、[γA’+δ+γB’+δ)−(γA’−δ+γB’―δ)]−[(γA+δ+γB+δ)−(γA−δ+γB―δ)]≒4δdcos3θA/γである。4δdcos3θA/γ<<λが満足されると、相対運動dによる最大光路長差の変化は非常に小さい。これは点Bが輝点であるという条件では、点B’は増幅的干渉なために今なお輝点である。斑点は像平面に移動するが、画像認識に重要なこの特別な条件下には形状も強度も変化しない。本発明の最大光路長差の変化は、4δdcos3θA/γ<λ/5と計算され、観察した斑点の形状変化も強度変動もなかった。
Assuming that the scattered light from the surface point A passing through the 4f lens forms an image at the point B on the photosensor, then the scattered light at the surface points A ′ and A ″ are similarly point B ′ on the photosensor. And B ″. Due to the diffraction effect, each point on the image plane within the radius δ (the radius of the Airy disk and the average radius of the spot) centered on the point B is energy coupled with the point B, that is, each point contributes to the interference at the point B. It is shown. Further, under the condition where the magnification is equal to 1, the point B is a bright point, which means that scattered light at each point within the radius δ centered on the point A on the surface causes amplifying interference at the point B. An equivalent optical path length difference from each point within the radius δ centered on the point A to each point within the radius δ centered on the point B is considered to be zero. The initial phase of each scattered light is incorporated into an equivalent optical path length difference. In other words, the maximum optical path length difference from each point within the radius δ centered on the point A to each point within the radius δ centered on the point B, n (γ A + δ + γ B + δ ) −n (γ A−δ + γ B−δ ) ≈4δsinθ A (n is assumed to be 1 because of air) is automatically compensated by the natural fine structure of the region surrounding the point A. When there is a relative motion of d between the light source and the irradiated surface and the initial surface condition is maintained, each point in the radius δ centered on the point B ′ from each point in the radius δ centered on the point A ′ The maximum optical path length difference to the point is (γA ′ + δ + γB ′ + δ ) − ( γA′−δ + γB′−δ ). This new maximum optical path length difference needs to be compared with the first to determine the change in maximum optical path length difference, and the change in maximum optical path length is a key factor for fluctuations in speckle intensity. . If the change in the maximum optical path length difference is half that wavelength, the first amplifying interference becomes destructive interference after its relative movement. Change of the maximum optical path length difference due to relative movement d is, [γ A '+ δ + γ B' + δ) - (γ A'-δ + γ B'-δ)] - [(γ A + δ + γ B + δ) - (γ A-δ + γ B-δ)] is ≒ 4δdcos 3 θ a / γ. When 4δdcos 3 θ A / γ << λ is satisfied, the change in the maximum optical path length difference due to the relative motion d is very small. Under the condition that the point B is a bright spot, the point B ′ is still a bright spot because of the amplifying interference. The spots move to the image plane, but neither shape nor intensity changes under this special condition that is important for image recognition. The change in the maximum optical path length difference of the present invention was calculated as 4δdcos 3 θ A / γ <λ / 5, and there was no observed spot shape change or intensity variation.
図2Aは画像不変光斑点の捕獲装置を開示した一つの代表的実施形態の構造図面である。この装置は光源10、光制限モジュール12、及び光センサー14を含む。光源10と収束レンズ11から平行光波100が放射され表面2を照射する。光源はコヒーレントで、例えばレーザーである。それ故光源10は垂直共振器面発光レーザーVCSEL、端面発光レーザーEFL、高コヒーレント固体レーザー、又は狹帯域高コヒーレント発光ダイオードLEDである。平行光波100により照射した表面2の領域は、所定値に従い光源10と収束レンズ11間の距離間隔を合わして調節する。光制限モジュール12は複数の光制限要素を含む。本実施形態では、光制限モジュール12は絞り121を含み、絞り121を有する結像レンズ122は結像レンズ122と表面2の間に配置する。光センサー14を光制限モジュール12の背後に配置し、一次元又は二次元電荷結合素子(CCD)又は相補型金属酸化膜半導体(CMOS)アレイである。
FIG. 2A is a structural drawing of one exemplary embodiment disclosing an image invariant light spot capturing device. The apparatus includes a
光源10は平行光波100を放射し表面2を照射後、散乱光102を生ずる。散乱光102の特性はこの表面2の性質により決まる。表面が非常に滑らかな場合には表面から正反射が発生する。散乱光102の全てが同一方向に伝播し、平行光波100に同一エネルギーを含む。散乱光102は表面2が光学的粗(散乱)面と仮定すると、異なる方向に分配される。
The
更に散乱光102の少なくとも一つは、表面2が照射され粗面という条件では、任意方向に伝播された後容易に認識される斑点が生ずる。
Further, at least one of the
更に光源10が平行光波100を放射し表面2を照射する場合散乱光102が発生し、散乱光102の少なくとも一つは光制限モジュール12により集光され、この光制限モジュール12は絞り121を含み、結像レンズ122を有する結像レンズ122は絞り121の背後に配置し、結像レンズ122が絞り121と光センサー14の間に配置することを意味する。光制限モジュール12は散乱光102用の光センサー14の入射視野角を制限し、更に入射視野角が絞り121と結像レンズ122間の距離間隔、絞り121の直径、及び結像レンズで決まる。絞り121の直径により散乱光102の少なくとも一つはこの絞りを通過して複数の回折光を発生し、この複数の回折光は結像レンズ122を通過し斑点を生ずる。斑点の平均サイズは絞り121の直径で操作でき、次いで複数の斑点は光センサー14上に結像する。斑点の大きさ、結像レンズの焦点距離、画像捕獲角度、及び表面の画像捕獲領域のようなパラメーターを適切に調整して、最大光路長差の変化が4δdcos3θA/γ<λ/5を満足できき、画像不変光スペックルパターンが像表面上に生ずる。
Further, when the
最も細かい外観の三次元表面から画像不変光スペックルパターンを得るには、平行光波100が入射角θiで表面2に入射し、散乱光102を本発明の正反射から偏差角±10°で集光する。本発明の光制限モジュール12は角度θi±10°で正確に散乱光102を集光するように設計する。ほぼ平行な光ビームが表面を照射すると、大部分の散乱光はθr=θiの方向に集中し、散乱光はθr=θiからそれた散乱方向と共に減少する。方向θr=θiの散乱光は二成分を含み、主成分は表面正反射に由来し、副成分は表面の自然微細構造による散乱光に由来する。正反射の光波は同一位相を有するが、散乱光はランダム位相を有し、干渉が発生するがこれらの光波は重なる。斑点捕獲装置と表面間の相対移動前後での干渉縞の関係を解析して、相対移動の定量データを得ることが出来る。この表面が十分に光学的に粗い場合、正反射は減少しランダム散乱が増加し、位相は急速に変化し相互相関によるパターン認識には不都合になる。本発明の散乱光波集光方向として角度θr=θi±10°を選ぶと、正反射が避けられより多くの散乱光波が集光でき、表面の三次元外観で生じた光スペックルパターンが効果的に記録され、正確な認識と位置決めが得られる。
In order to obtain an image invariant light speckle pattern from the three-dimensional surface having the finest appearance, a parallel
図2Bは絞りの位置と散乱光に対するセンサーの入射視野角間の関係を表す光路の図面である。この図を参照して光制限モジュール12は、図1Aのものと丁度同じに絞り121と結像レンズ122を含み、絞り121は点G又はHに配置できる。点Gに絞り121を有する光制限モジュール12と比較すると、点Hに絞り121を有する光制限モジュール12は光軸から遠い散乱光を遮断する。この図の光路は絞り121が結像レンズの焦点の後方だがセンサー14の前方に配置さることを示し、絞り121の正確な位置を用いて入射視野角を制御することにより画像捕獲領域をこの表面上に制限する。本実施形態により光波が表面2上の点Eと点Fに入射し、少なくとも散乱光102が発生する場合、散乱光102は結像レンズ122を通過し、点Eと点Fの散乱光102は絞り121が点Gに配置される条件では結像レンズ122を通過し、センサー14上の点E’と点F’に結像し、F’の光束はE’の光束より高いことが示される。Hに配置の絞り121に対しては、光軸に近い点Fの散乱光は結像レンズ122を通過しセンサー14上のF’で結像し、光軸に遠い点Eの散乱光はセンサー14上のE’では結像できない。本実施形態では、絞り121の機能は開口絞りであるが、結像レンズ122の機能は視野絞りである。本実施形態では、一例として本実施形態の光制限モジュール12の絞り直径と位置を調節することによる光制限構成部品が提案され、斑点の大きさの操作と散乱光102に対するセンサー14の視野角の制限が同時にできる。斑点の大きさ、結像レンズの焦点距離、画像捕獲角度及び表面のパラメーターのような因子を適切に組み合わして、最大光路長差の変化が4δdcos3θA/γ<λ/5という条件を満たすことにより画像不変光スペックル像を像平面に発生する。
FIG. 2B is a drawing of an optical path showing the relationship between the position of the stop and the incident viewing angle of the sensor with respect to scattered light. Referring to this figure, the
図2Cは本発明に従う別の好ましい実施形態の構造の図面である。図2Aと比べて本実施形態の違いは、光制限モジュール12が又結像レンズ122と絞り121を含むが、結像レンズ122は絞り121の前方に配置し、絞り121が結像レンズ122とセンサー14の間に配置することを意味する。散乱光を受光するようにセンサーの視野角を制限する目的を効果的に得るために、通常絞り121は結像レンズ122焦点の後方で、センサー14の前方に配置する。
FIG. 2C is a drawing of the structure of another preferred embodiment according to the present invention. 2A, the
図2Dは本発明に従う別の代表的実施形態の構造の図面である。図2Aに比べて本実施形態の違いは、光制限モジュール12が遮光板124で囲まれたマイクロレンズ123であることである。不透明板124の機能は図2Aの絞り121と同じであり、少なくとも散乱光102を回折させ回折光波を生ずることである。マイクロレンズ123と遮光板124を表面2上の照射領域と組み合わして用いて、センサー14の視野角を散乱光102に閉じこめることができ、センサー14上に画像不変光スペックル像を発生できる。
FIG. 2D is a drawing of the structure of another exemplary embodiment according to the present invention. The difference of this embodiment compared to FIG. 2A is that the light limiting
図3は本発明に従う別の好ましい実施形態の構造の図面である。図2Aに比べて本実施形態の違いは、光制限モジュール12が結像レンズ122,第一絞り125及び第二絞り126を含むことである。結像レンズ122は第一絞り125と第二絞り126の後方に配置し、結像レンズ122が第二絞り126とセンサー14の間の配置することを意味する。この配置では第一絞り125を先ず配置後、第二絞り126を配置し、次いで結像レンズ122を配置し、最後にセンサー14を配置する。光源10が光波100を放射して表面2を照射し、少なくとも散乱光102を発生する場合、第一絞り125は散乱光102の一部を遮断し、散乱光102がセンサー14に入るのを制限する。散乱光102の一部が第一絞り125を通過する場合、第二絞り126は更に散乱光102の一部がセンサー14に入るのを遮断する。第一絞り125と第二絞り126の直径とその距離間隔により、散乱光102に対するセンサー14の視野角を決定する、即ち画像捕獲領域をその表面上に限定する。視野角内の散乱光102は更に回折され結像レンズ122を通過し、センサー14上に結像後、画像不変光スペックルパターンを発生する。他の配置では光制限モジュール12は又結像レンズ122,第一絞り125及び第二絞り126を含み、結像レンズ122は又第一絞り125と第二絞り126の前方に配置でき、第一絞り125と第二絞り126は結像レンズ122とセンサー14の間に配置することを意味する。他の配置では結像レンズ122は又第一絞り125と第二絞り126の間に配置できる。
FIG. 3 is a drawing of the structure of another preferred embodiment according to the present invention. The difference of this embodiment compared to FIG. 2A is that the light limiting
図4Aはイメージセンサーの汎用パッケッジによる二次散乱光の発生を示す図面である。図2Cと異なり、光制限モジュール12は結像レンズ122と絞り121を含み、センサー14をスリーブ141で囲むように作られている。この図から表面2上の位置Iはセンサー14の視野角の外である。少なくとも散乱光102は点Iで発生し、その散乱光はスリーブ141内面上のI’に入射して二次散乱光104を生じ、二次散乱光104はHに位置する絞り121を通過しセンサー14の位置I”に達する。二次散乱光104が除外されない条件では、画像不変光スペックルパターンを発生するのは難しい。二次散乱光104が像平面上の散乱光102と重なる場合、二次散乱光の位相変化はランダムであり取り扱いが難しく、生成斑点はしばしばちらつき、この状態では画像不変光斑点は得られない。
図4Bは本発明に従う別の好ましい実施形態を示す図面である。図4Aに比べて散乱光102がスリーブ141内面上に入射して発生し更に散乱した二次散乱光104がセンサー14に入るのを防ぐために、プリステージ光制限要素16を光制限モジュール12の前方に配置する。本実施形態のプリステージ光制限要素16は光制限絞り161であり、プリステージ光制限絞り161を表面2と光制限モジュール12の間に配置し、光制限モジュール12は結像レンズ122と絞り121を含み、従ってプリステージ光制限絞り161は表面2と結像レンズ122の間に位置し、絞り121は結像レンズ122とセンサー14の間に配置する。平行光波が表面2上の位置FとIに入射する場合、位置Fの散乱光102はプリステージ光制限絞り161、結像レンズ122、及び絞り121を通過し、次いでセンサー14上に直接結像する。結像領域の外である位置Iの散乱光102は、プリステージ光制限絞り161により遮断される。非遮断光103の一部はスリーブ141内面に入射し二次散乱光を生じるが、センサー14には達しない。バックグランド騒音は効果的に減少し、センサー14の信号対騒音比が増強されることにより画像不変光斑点が得られる。
FIG. 4A is a diagram illustrating generation of secondary scattered light by a general-purpose package of an image sensor. Unlike FIG. 2C, the
FIG. 4B shows another preferred embodiment according to the present invention. Compared to FIG. 4A, in order to prevent the
図4Cは本発明に従う別の好ましい実施形態の構造の図面である。図2Cと比べると本実施形態の違いは、各光制限モジュール12が結像レンズ122と絞り121を含み、プリステージ絞り161を結像レンズ122と表面2の間に導入することである。プリステージ絞り161を用いて散乱光102により表面2で発生する二次散乱光がセンサー14に入るのを防ぐ。その結果センサー14のバックグランド騒音が減少することにより画像不変光斑点が得られる。
FIG. 4C is a drawing of the structure of another preferred embodiment according to the present invention. Compared to FIG. 2C, the difference in this embodiment is that each light limiting
図2A乃至図4Cに記載の構造の全ては、本発明の代表的実施形態であり、その画像不変光斑点の捕獲装置は、発光源、光制限モジュール12、及びセンサーを含む。光制限モジュール12はセンサー14の視野角を散乱光102に閉じこめる、即ち画像捕獲領域をその表面上に制限する。斑点の大きさ、結像レンズの焦点距離、画像捕獲角度、及び表面上の結像領域のようなパラメーターを適切に組み合わして、最大光路長差の変化が4δdcos3θA/γ<λ/5という条件を満足し、画像不変光スペックル像が画像面上に得られる。画像不変光スペックル像は、更にレーザーマウス、フィンガーナビゲーター、インテリジェントカード、三次元ステータス識別、工作機械又はメカニカルアーム用の高精度位置決め装置のような装置に応用できる。本発明の図4Cの構造に基づいて作られたレーザースペックル光学捕獲装置が捕獲したスペックル像を図5に示し、その表面は固いマウス試験板であり、各フレーム間の移動距離は60μmであり、連続移動フレームを図の左から右に示す。このフレームを継続的に観察するためにスペックル像がイメージセンサーの片側から現れ、イメージセンサーから出てしまう迄連続的に移動し、その斑点は移動するだけで形状変化と強度変動は全くなく、その結果画像不変光スペックル像が示される。
All of the structures described in FIGS. 2A-4C are representative embodiments of the present invention, and the image-invariant light spot capturing device includes a light source, a
それ故本発明の画像不変光斑点の捕獲装置はレーザーマウスに応用できる。図6Aは本発明に従うレーザーマウスの図面であり、光源10とセンサー14の両者はレーザーマウス300の容器310内に配置する。光源10は光波を放射し収束レンズ11を通過し、平行光波を発生し表面2に入射して散乱光波102を発生し、少なくとも該散乱光102は結像レンズ122と絞り121を含む適切に調整した光制限モジュール12を通過する。散乱光102は結像レンズ122と絞り121を通過して回折し、イメージセンサー14上に適切な大きさの斑点を生じ、絞りは又センサー14の視野角を散乱光102に制限する。容器310が移動する前にセンサー14は第一スペックル像を記録し、容器310が表面2に対して移動後、センサー14は第二スペックル像を記録する。第一スペックル像と第二スペックル像とを比較して、表面2に対する容器310の移動方向と移動距離が計算でき、レーザーマウスの基本信号となる。
Therefore, the image invariant light spot capturing device of the present invention can be applied to a laser mouse. FIG. 6A is a drawing of a laser mouse according to the present invention, where both the
図6Bを参考にして光源10とセンサー14をレーザーマウス300の容器310内に配置する。光源10は光波を放射し収束レンズ11を通過して平行光波を発生し、表面2に入射して散乱光波102を発生し、散乱光102はプリステージ光制限絞り161を通過後、二次散乱光を発生するが、この二次散乱光は遮断されセンサー14には到達できない。少なくとも該散乱光102はプリステージ光制限絞り161を通過し、更に結像レンズ122と絞り121を含む適切に調整した光制限モジュール12を通過する。散乱光102は結像レンズ122と絞り121を通過して回折し、イメージセンサー14上に適切な大きさの斑点を生じ、絞りは又センサー14が受光する表面画像捕獲領域を制限する。容器310が移動する前にセンサー14は第一スペックル像を記録し、容器310が表面2に対して移動後、センサー14は第二スペックル像を記録する。第一スペックル像と第二スペックル像とを比較して、表面2に対する容器310の移動方向と移動距離が計算でき、レーザーマウスの基本信号となる。
With reference to FIG. 6B, the
上記の説明の画像不変斑点の捕獲装置と方法を紹介する。図7Aを参照して高コヒーレント光ビームが先ず放射される(ステップ500)。高コヒーレント光ビームは表面上に入射し散乱光を発生する(ステップ511)。絞りを結像レンズ焦点の後方でセンサーの前方に配置し、この絞りと結像レンズは光制限モジュールとして含まれる(ステップ522)。散乱光がこの光制限モジュールを通過すると、散乱光に対するセンサーの視野角は光制限モジュールにより制限され、散乱光は更に光制限モジュールにより回折される(ステップ531)。この回折光は互いに干渉し斑点を発生する(ステップ540)。この斑点は画像として記録する(ステップ550)。スペックル像の移動は画像のパターン認識により認識され、斑点捕獲装置と表面間の相対運動が決定できる(ステップ560)。 The image invariant spot capturing apparatus and method described above will be introduced. Referring to FIG. 7A, a highly coherent light beam is first emitted (step 500). The highly coherent light beam is incident on the surface and generates scattered light (step 511). An aperture is positioned behind the imaging lens focus and in front of the sensor, and the aperture and imaging lens are included as a light limiting module (step 522). When the scattered light passes through the light limiting module, the viewing angle of the sensor with respect to the scattered light is limited by the light limiting module, and the scattered light is further diffracted by the light limiting module (step 531). The diffracted lights interfere with each other to generate spots (step 540). This spot is recorded as an image (step 550). The movement of the speckle image is recognized by pattern recognition of the image, and the relative motion between the spot capturing device and the surface can be determined (step 560).
図7Bを参照して高コヒーレント光ビームが先ず放射される(ステップ500)。高コヒーレント光ビームは表面上に入射し散乱光を発生する(ステップ511)。散乱光は第一絞りを通過する(ステップ521)。散乱光は更に第二絞りと結像レンズを通過し、そこで第一絞りと第二絞りは光制限モジュールを含み、散乱光に対するセンサーの視野角をこの光制限モジュールで制限し、散乱光は更に光制限モジュールにより回折される(ステップ530)。この回折光は互いに干渉し斑点を発生する(ステップ540)。この斑点は画像として記録する(ステップ550)。スペックル像の移動は画像のパターン認識により認識され、斑点捕獲装置と表面間の相対運動が決定できる(ステップ560)。 With reference to FIG. 7B, a highly coherent light beam is first emitted (step 500). The highly coherent light beam is incident on the surface and generates scattered light (step 511). The scattered light passes through the first diaphragm (step 521). The scattered light further passes through the second aperture and the imaging lens, where the first aperture and the second aperture include a light limiting module that limits the viewing angle of the sensor with respect to the scattered light with the light limiting module. Diffracted by the light limiting module (step 530). The diffracted lights interfere with each other to generate spots (step 540). This spot is recorded as an image (step 550). The movement of the speckle image is recognized by pattern recognition of the image, and the relative motion between the spot capturing device and the surface can be determined (step 560).
図7Cを参照して高コヒーレント光ビームが先ず放射される(ステップ500)。高コヒーレント光ビームは表面上に入射し散乱光を発生する(ステップ511)。プリステージ光制限要素を表面と結像レンズの間に配置する(ステップ512)。散乱光はプリステージ光制限要素を通過し、スリーブ上に入射し二次散乱光を発生するが、この二次散乱光は遮断されセンサーにより受光しない(ステップ513)。絞りを結像レンズとセンサーの間に配置し、絞りと結像レンズは光制限モジュールを含む(ステップ522)。散乱光が光制限モジュールを通過すると、散乱光に対するセンサーの視野角はこの光制限モジュールで制限され、散乱光は更に光制限モジュールにより回折される(ステップ531)。この回折光は互いに干渉し斑点を発生する(ステップ540)。この斑点は画像として記録する(ステップ550)。スペックル像の移動は画像のパターン認識により認識され、斑点捕獲装置と表面間の相対運動が決定できる(ステップ560)。 Referring to FIG. 7C, a highly coherent light beam is first emitted (step 500). The highly coherent light beam is incident on the surface and generates scattered light (step 511). A pre-stage light limiting element is placed between the surface and the imaging lens (step 512). The scattered light passes through the prestage light limiting element and is incident on the sleeve to generate secondary scattered light, but this secondary scattered light is blocked and is not received by the sensor (step 513). An aperture is disposed between the imaging lens and the sensor, and the aperture and imaging lens include a light limiting module (step 522). When the scattered light passes through the light limiting module, the viewing angle of the sensor with respect to the scattered light is limited by the light limiting module, and the scattered light is further diffracted by the light limiting module (step 531). The diffracted lights interfere with each other to generate spots (step 540). This spot is recorded as an image (step 550). The movement of the speckle image is recognized by pattern recognition of the image, and the relative motion between the spot capturing device and the surface can be determined (step 560).
全体では画像不変斑点の捕獲装置と方法を本発明で開示した。光制限モジュールはセンサーの前方に配置し、斑点の大きさ、結像レンズの焦点距離、画像捕獲角度、及び表面の画像捕獲領域のようなパラメーターを適切に調節して、最大光路長差の変化が4δdcos3θA/γ<λ/5という条件を満足し、画像不変光スペックル像が画像面上に得られる。 Overall, an apparatus and method for capturing image invariant spots has been disclosed in the present invention. The light limiting module is placed in front of the sensor and changes in the maximum optical path length difference by appropriately adjusting parameters such as speckle size, focal length of imaging lens, image capture angle, and surface image capture area Satisfies the condition of 4δdcos 3 θ A / γ <λ / 5, and an image invariant optical speckle image is obtained on the image plane.
斑点捕獲装置と表面間に相対運動があると、生成斑点はそれに応じて移動するが相対運動に対しては不変で、正確な位置決めと認識に好都合である。それ故画像不変斑点の捕獲装置と方法は、レーザーマウス、フィンガーナビゲーター、インテリジェントカード、三次元指紋識別、工作機械又はメカニカルアーム用の精密位置決め装置のような装置に応用できる。 If there is relative motion between the speckle capture device and the surface, the resulting speckle will move accordingly, but is invariant to relative motion, which is convenient for accurate positioning and recognition. Therefore, the image invariant spot capturing device and method can be applied to devices such as laser mouse, finger navigator, intelligent card, 3D fingerprint identification, machine tool or precision positioning device for mechanical arm.
上記の実施例と説明を用いて本発明の特性と精神が願わくは十分に説明したであろう。当事者にはこの装置の多数の修正と変更が本発明の教示を保持しながらできることは容易に気づくであろう。従って上記の開示は付随の特許の請求項の境界によってのみ限定されると解釈する必要がある。 The characteristics and spirit of the present invention have been hopefully well explained using the above examples and descriptions. Those skilled in the art will readily recognize that numerous modifications and variations of this device can be made while retaining the teachings of the present invention. Accordingly, the above disclosure should be construed as limited only by the metes and bounds of the appended claims.
Claims (20)
高コヒーレント光を放射して表面を照射し、複数の散乱光を発生する光源と、
入射視野角を前記散乱光に閉じこめ、前記散乱光から複数の回折光を発生することにより前記回折光が互いに干渉して複数の斑点を発生する光制限モジュールと、
前記斑点を受光して第一スペックル像を生成するセンサーで、前記光制限モジュールと前記センサーが表面に対して移動後第二スペックル像を生成し、表面に対するセンサーの移動方向と移動距離を前記第一スペックル像と前記第二スペックル像とで比較することにより決定するセンサーと、
前記光制限モジュールと前記表面の間に配置したプリステージ光制限装置で、前記散乱光の二次散乱光がセンサーに入るのを防ぐ装置と、を含む捕獲装置。 An image invariant light spot capturing device,
A light source that emits highly coherent light to illuminate the surface and generate multiple scattered light; and
A light limiting module that confines an incident viewing angle to the scattered light and generates a plurality of spots by causing the diffracted light to interfere with each other by generating a plurality of diffracted lights from the scattered light;
A sensor that receives the spots and generates a first speckle image, and generates a second speckle image after the light limiting module and the sensor move relative to the surface, and determines the moving direction and moving distance of the sensor relative to the surface. A sensor determined by comparing the first speckle image and the second speckle image;
A capture device comprising: a prestage light limiting device disposed between the light limiting module and the surface to prevent secondary scattered light of the scattered light from entering the sensor.
δは光斑点の平均半径であり、
θAは前記光制限モジュールの光軸と前記表面の法線方向間の画像像捕獲角度であり、
dは画像捕獲領域の直径であり、画像が不変な時の最大移動距離に等しく、
γは結像レンズから前記表面までの垂直距離間隔であり、
λは前記高コヒーレント光の波長である
請求項1の画像不変光斑点の捕獲装置。 The change in relative optical path length difference, 4δdcos 3 θ A / γ, is less than λ / 5, where δ is the average radius of the light spots,
θ A is the image capture angle between the optical axis of the light limiting module and the normal direction of the surface,
d is the diameter of the image capture area, equal to the maximum travel distance when the image is unchanged,
γ is the vertical distance interval from the imaging lens to the surface,
The image invariant light spot capturing device according to claim 1, wherein λ is a wavelength of the highly coherent light.
δは光斑点の平均半径であり、
θAは前記光制限モジュールの光軸と前記表面の法線方向間の前記画像捕獲角度であり、
dは前記画像捕獲領域の直径であり、画像が不変な時の最大移動距離に等しく、
γは結像レンズから前記表面までの垂直距離間隔であり、
λは高コヒーレント光の波長である
装置。 9. The image invariant light spot capturing device according to claim 8, further comprising a second aperture disposed near the surface, limiting the incident viewing angle of the sensor for receiving the scattered light, and changing a relative optical path length difference. 4δdcos 3 θ A / γ is less than λ / 5, where δ is the average radius of the light spots,
θ A is the image capture angle between the optical axis of the light limiting module and the normal direction of the surface;
d is the diameter of the image capture area, equal to the maximum travel distance when the image is unchanged,
γ is the vertical distance interval from the imaging lens to the surface,
A device in which λ is the wavelength of highly coherent light.
高コヒーレント光を放射して表面を照射し、複数の散乱光を発生する光源と、
入射視野角を散乱光に閉じこめ、前記散乱光から複数の回折光を発生することによりその回折光が互いに干渉して複数の斑点を発生する光制限モジュールと、
斑点を受光して第一スペックル像を生成するセンサーで、前記光制限モジュールと前記センサーが前記表面に対して移動後第二スペックル像を生成し、
前記光制限モジュールと前記表面の間に配置したプリステージ光制限装置で、前記散乱光の二次散乱光が前記センサーに入るのを防ぐプリステージ光制限装置と、
前記第一スペックル像と前記第二スペックル像のデータを受信し、前記第一スペックル像と前記第二スペックル像とを比較して前記表面に対する前記センサーの移動方向と移動距離を決定する処理装置を含むレーザーマウス。 Laser mouse
A light source that emits highly coherent light to illuminate the surface and generate multiple scattered light; and
A light limiting module that confines an incident viewing angle to scattered light, and generates a plurality of diffracted lights from the scattered light, whereby the diffracted lights interfere with each other to generate a plurality of spots;
A sensor that receives speckles to generate a first speckle image, and the light limiting module and the sensor generate a second speckle image after moving relative to the surface,
A prestage light limiting device disposed between the light limiting module and the surface, to prevent secondary scattered light of the scattered light from entering the sensor; and
The first speckle image and the second speckle image are received, and the first speckle image and the second speckle image are compared to determine the moving direction and moving distance of the sensor relative to the surface. A laser mouse that includes a processing device.
δは光斑点の平均半径であり、
θAは前記光制限モジュールの光軸と前記表面の法線方向間の画像捕獲角度であり、
dは前記画像捕獲領域の直径であり、前記画像が不変な時の最大移動距離に等しく、
γは結像レンズから前記表面までの垂直距離間隔であり、
λは前記高コヒーレント光の波長である
請求項12のレーザーマウス。 The change in relative optical path length difference, 4δdcos 3 θ A / γ, is less than λ / 5, where δ is the average radius of the light spots,
θ A is the image capture angle between the optical axis of the light limiting module and the normal direction of the surface,
d is the diameter of the image capture area, equal to the maximum travel distance when the image is unchanged,
γ is the vertical distance interval from the imaging lens to the surface,
The laser mouse according to claim 12, wherein λ is a wavelength of the highly coherent light.
高コヒーレント光を放射し、
高コヒーレント光により表面を照射して複数の散乱光を発生し、
前記散乱光が前記散乱光の二次散乱光を遮断するようにプリステージ光制限装置を通過し、
前記散乱光が光制限モジュールを通過して前記センサーの入射視野角を制限して複数の回折光を発生し、
前記回折光が互いに干渉して複数の斑点を発生し、
前記斑点を記録して画像を生むことを含む捕獲法。 In the method of capturing image invariant light spots,
Emits highly coherent light,
Irradiate the surface with highly coherent light to generate multiple scattered light,
Passing the pre-stage light limiting device so that the scattered light blocks the secondary scattered light of the scattered light,
The scattered light passes through a light limiting module to limit the incident viewing angle of the sensor to generate a plurality of diffracted lights,
The diffracted light interferes with each other to generate a plurality of spots,
A capture method comprising recording said spots to produce an image.
δは光斑点の平均半径であり、
θAは前記光制限モジュールの光軸と前記表面の法線方向間の画像捕獲角度であり、
dは前記画像捕獲領域の直径であり、前記画像が不変な時の最大移動距離に等しく、
γは結像レンズから前記表面までの垂直距離間隔であり、
λは前記高コヒーレント光の波長である
請求項17の画像不変光斑点の捕獲法。 Using the light limiting module, the change in relative optical path length difference, 4δdcos 3 θ A / γ, is limited to less than λ / 5, where δ is the average radius of the light spot,
θ A is the image capture angle between the optical axis of the light limiting module and the normal direction of the surface,
d is the diameter of the image capture area, equal to the maximum travel distance when the image is unchanged,
γ is the vertical distance interval from the imaging lens to the surface,
18. The method of capturing image invariant light spots according to claim 17, wherein λ is the wavelength of the highly coherent light.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008291063A JP2010117253A (en) | 2008-11-13 | 2008-11-13 | Device for capturing image invariant optical speckle and method for the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008291063A JP2010117253A (en) | 2008-11-13 | 2008-11-13 | Device for capturing image invariant optical speckle and method for the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010117253A true JP2010117253A (en) | 2010-05-27 |
Family
ID=42305018
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008291063A Pending JP2010117253A (en) | 2008-11-13 | 2008-11-13 | Device for capturing image invariant optical speckle and method for the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010117253A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103604377A (en) * | 2013-11-22 | 2014-02-26 | 中联重科股份有限公司 | Device, system and method for measuring displacement of point to be measured and engineering machinery |
JP6333352B1 (en) * | 2016-12-22 | 2018-05-30 | 國家中山科學研究院 | Measurement calibration compensation system and method for machine tool |
CN115068835A (en) * | 2021-03-15 | 2022-09-20 | 湖南华创医疗科技有限公司 | Positioning device for radiotherapy equipment |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007198979A (en) * | 2006-01-27 | 2007-08-09 | Ministry Of National Defense Chung Shan Inst Of Science & Technology | Speckle capturing device, optical mouse, and speckle capturing method |
US20080088853A1 (en) * | 2005-12-15 | 2008-04-17 | Chung Shan Institute Of Science And Technology | Image invariant optical speckle capturing device and method |
-
2008
- 2008-11-13 JP JP2008291063A patent/JP2010117253A/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080088853A1 (en) * | 2005-12-15 | 2008-04-17 | Chung Shan Institute Of Science And Technology | Image invariant optical speckle capturing device and method |
JP2007198979A (en) * | 2006-01-27 | 2007-08-09 | Ministry Of National Defense Chung Shan Inst Of Science & Technology | Speckle capturing device, optical mouse, and speckle capturing method |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103604377A (en) * | 2013-11-22 | 2014-02-26 | 中联重科股份有限公司 | Device, system and method for measuring displacement of point to be measured and engineering machinery |
JP6333352B1 (en) * | 2016-12-22 | 2018-05-30 | 國家中山科學研究院 | Measurement calibration compensation system and method for machine tool |
JP2018106604A (en) * | 2016-12-22 | 2018-07-05 | 國家中山科學研究院 | Measurement calibration compensation system and method for machine tool |
CN115068835A (en) * | 2021-03-15 | 2022-09-20 | 湖南华创医疗科技有限公司 | Positioning device for radiotherapy equipment |
CN115068835B (en) * | 2021-03-15 | 2024-03-08 | 湖南华创医疗科技有限公司 | Positioning device for radiotherapy equipment |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7715016B2 (en) | Image invariant optical speckle capturing device and method | |
JP4335218B2 (en) | Speckle capture device, optical mouse and speckle capture method | |
JP5106521B2 (en) | Speckle localization method and localization system | |
US8493496B2 (en) | Depth mapping using projected patterns | |
US20070139659A1 (en) | Device and method for capturing speckles | |
JP5500462B2 (en) | Shape measuring apparatus, observation apparatus, and image processing method | |
JP2009139134A (en) | Apparatus and method for imaging invariant light spot with large area | |
TW201100858A (en) | Method and system for three-dimensional polarization-based confocal microscopy | |
CN104284625A (en) | Apparatus and method for profiling a depth of a surface of a target object | |
US8692880B2 (en) | Image correlation displacement sensor | |
EP3683542B1 (en) | Distance measuring module | |
US9366524B2 (en) | Alignment sensor and height sensor | |
JP2024022625A (en) | Range differentiator for autofocusing of optical imaging system | |
US9562761B2 (en) | Position measuring device | |
JP2010117253A (en) | Device for capturing image invariant optical speckle and method for the same | |
JP2011002257A (en) | Instrument and method for measuring spherical particle size | |
KR100950590B1 (en) | Moire measurement method using concentrate light | |
JP5342178B2 (en) | Shape measuring apparatus and shape measuring method | |
JP2014504367A (en) | Position recognition method | |
US8605291B2 (en) | Image correlation displacement sensor | |
EP1918674B1 (en) | Device and method for capturing speckles | |
EP2202613A1 (en) | Image invariant optical speckle capturing device and method | |
JP2005331413A (en) | Distance image acquiring system | |
JP3798212B2 (en) | 3D shape measuring device | |
KR101019173B1 (en) | Large area undistorted imaging apparatus for optical speckles and method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Effective date: 20100325 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110224 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20110913 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120515 |