JP2011117917A - スペックルの定位方法およびその定位系統 - Google Patents

Abstract

【課題】 不変形レーザスペックル映像を用いて二次元の精密な定位を行う方法及び系統を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明において、予め広い同調性を有するレーザ光を定位母板に照射し、該定位母板から散乱された光が干渉して生成した不変形スペックルを記録し、スペックルテーブルを作成し、基準点を定義し、記録された各スペックルを定位する。該スペックルテーブルから、いずれのスペックルに対応する座標位置を獲得することができ、さらに定位物の定位を導くことも距離の測量を適用することもできる。本発明は、キャプチャしたスペックルを数マイクロメーターに制御し、高精度の定位を行うことができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は二次元の精密な定位装置及びその方法に関し、特に不変形レーザスペックルの変化を判断することにより二次元の精密な定位を行う装置及びその方法に関し、精密な機械加工機や定位機械にも適用される。

二次元の精密な定位装置は精密な機械加工機に広く適用されている。現在、CCD自動定位装置や磁性感応定位装置が流行しているが、両者は定位精度がだいたい20umである。

CCD自動定位装置は、大範囲の不変形映像をキャプチャして精密な図像の対比、定位を行うため、テレセントリックレンズを用いることがある。この構成は、良い不変形映像を獲得して定位の参考とするが、より優れた精密な定位の精度を得るために、対比すべき映像図形は十分の判読特徴を有しなければならない。十分の映像判読特徴を有するため、一定程度以上の映像をキャプチャ範囲を具しなければならない。それは精密な定位に損をする。現在、定位の精度は一般に約±20umであるから、より精密な機械加工に対して足りない。遂に、より広い範囲に適用できる高定位の精度が必要になる。

磁性感応定位技術は、ホール効果で磁性感知素子を周期的な磁性定位母板の付近へ移動させ、周期的な磁界の強度変化による信号を感知し、その信号の変化を解析し、移動距離を計算するものである。ホール効果素子と母板との間の相対運動速度がその磁界感応の信号強度の変化に影響するので、快速の定位動作を行う際に、磁性感応定位の精度を向上させることができなく、有効な定位精度はだいたい20umになる。

二次元の精密な定位装置及びその方法に関する従来の技術は色々ある。米国特許第7,042,575号は、図１のような光学変位感知装置を開示した。図１に示したように、光線を表面に照射し、その表面から反射された光線が形成したスペックルに対し、その変位及び位置を測定するものであり、主に光学式マウスに適用される。しかしながら、この光学変位感知装置は、被照射物の所在する表面にある座標を精確に定位しにくいので、精密な定位機械に適用されることができない。

図２は、米国特許第7,110,120号が開示した、移動中の物体を測定する光学変位感知装置を示した。図２に示したように、光線を直接に測量物に照射し、測量物から反射された散乱光を光学格子で二つの光束を分け、さらに空間フィルタでその二つの光束を90°の位相差を有する二つの信号にならせることにより、その変位、方向を計算する。しかしながら、この光学変位感知装置は実際に二次元の平面定位の機能を有していない。

また、図３は、米国特許第7,317,538号が開示した光学変位感知装置である。図３に示したように、光線を三つの光束に分け測量物に照射し、測量物の表面に三つの光点を形成し、さらにドップラー効果を用いアナログディジタル変換及びフーリエ変換を通しその三つの光点の散乱光を計算することにより、その変位速度、方向を計算する。しかしながら、この光学変位感知装置が複雑の計算方法で測量物の変位速度、方向を計算するので、光線照射反応に関するデータは次に来る計算過程に影響を大幅に与える。直接に被照射物の所在する表面の特徴を利用した定位方法に比べて、この光学変位感知装置は判読や数理性仮設前提が生じた計算誤差を生成することがある。

図４は、米国特許第7,242,466号が開示した指向系統（例えば、光学式マウス）である。図４に示したように、光線を予め符号化した表面に照射し、その表面から散乱光を受け取ることにより、その変位、位置を計算する。その最大の特徴は、その予め符号化した表面において、散乱部分や非散乱部分を用いて特定の法則でディジタル図形を配列して位置を定義することにより、符号化した表面に対応する指向素子の変位及び位置を獲得することができる。しかしながら、その予め符号化した表面は製作し難くなり、精度も限られる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の二次元の精密な定位装置及びその方法を改善し、不変形レーザスペックルの変化を用いた二次元の精密な定位を行う装置及びその方法を提供することにある。広い適用範囲や高い精度などの利点を有するものである。

上記目的を達成するための本発明は、スペックルの定位方法を提供することで上記課題を快適に解決する。該定位方法は、ａ）独特の文理を具する表面にあるポイントを選択し基準点とするステップと、ｂ）該表面を複数の単位ブロックに区画し二次元のブロックマトリックスを形成し、該基準点に基づき該単位ブロックの位置データを設定するステップと、ｃ）広い同調性を有する平行光を入射角θで該表面に入射させ散乱光を生成させ、該表面の法線に対するサンプリング角ψを設定し、それぞれの単位ブロックにて該サンプリング角ψに対する散乱光による第１スペックル映像をキャプチャするステップと、ｄ）それぞれの単位ブロックに対応する該第１スペックル映像及び該位置データを用いテーブルを作成するステップと、ｅ）測量点にて該サンプリング角ψに対する第２スペックル映像をキャプチャするステップと、ｆ）該測量点が所在する単位ブロックを識別するステップと、ｇ）該測量点が所在する単位ブロックの第１スペックル映像と該第２スペックル映像とを対比し、該測量点と該所在単位ブロックとの相対位置を獲得し、該相対位置及び該所在単位ブロックの位置データを基づき、該基準点に対する該測量点の位置データを獲得するステップと、を備えてなることを特徴とする。

前記サンプリング角ψは0 <ψ≦θ- 10°又はθ+ 10°≦ψ< 90°の範囲に落ちることを特徴とする。

前記ステップｆ）はさらに、ｆ１）スペックル暗区を隣接する単位ブロックの間に差し込み、周期的なスペックルエネルギー変化を形成するステップと、ｆ２）該測量点と該基準点との間のスペックルエネルギーの波峰数量或いは波谷数量を計算し、該測量点が所在する単位ブロックを獲得するステップと、を備えてなり、該スペックル暗区は、光線によって完全に貫かれる・吸収される・反射されることにより、散乱光を生成させ第１スペックル映像と該第２スペックル映像を生成させることができなくなる、ことを特徴とする。

前記スペックル暗区にて隣接する両単位ブロックの間の間隔は該単位ブロックの長さ及び幅より小さい又は等しいことを特徴とする。

前記ステップｆ）はさらに、ｆ１）該単位ブロックのスペックルエネルギーより低いスペックルエネルギーを有する参考ブロックを隣接する単位ブロックの間に差し込み、周期的なスペックルエネルギー変化を形成するステップと、ｆ２）該測量点と該基準点との間のスペックルエネルギーの波峰数量或いは波谷数量を計算し、該測量点が所在する単位ブロックを獲得するステップと、を含むことを特徴とする。

四つの隣接する単位ブロックの間に、該測量点が所在する位置を補助し判断すべき補助定位ブロックがあり、該補助定位ブロックはスペックル映像を生成させることができる、ことを特徴とする。

上記目的を達成するための本発明はさらに、スペックルの定位装置を提供することで上記課題を快適に解決する。該定位装置は、独特の文理を具する表面を有する基板と、広い同調性を有する平行光を入射角θで該表面に入射させ散乱光を生成させる発光モジュールと、該表面の法線に対するサンプリング角ψを形成し、広い同調性を有する該平行光を入射角θで該表面に入射させ生成した該散乱光による第１スペックル映像、及び測量点に放射し生成した散乱光による第２スペックル映像をキャプチャするスペックルキャプチャモジュールと、該第１スペックル映像と該第２スペックル映像を貯蔵する感知モジュールと、該第１スペックル映像と該第２スペックル映像とを対比し、該測量点の位置データを獲得する識別定位ユニットと、を備えてなることを特徴とする。

前記識別定位ユニットによって求められた該測量点の位置、及び該測量点が設定した位置を対比し、定位物を測量点の位置に移動させる定位駆動装置とをさらに含むことを特徴とする。

前記サンプリング角ψは0 <ψ≦θ- 10°又はθ+ 10°≦ψ< 90°の範囲に落ちることを特徴とする。

前記発光モジュールは、長波長面発光レーザ(VCSEL)、端面発光レーザ(EEL)、気体レーザ、固体レーザ、或いは狭い周波数帯域の光線を発射する発光ダイオード及びフィルターの組み合わせを含むことを特徴とする。

前記感知モジュールは電荷結合素子(CCD)センサー又は相補性金属酸化膜半導体(CMOS)センサーを含むことを特徴とする。

前記スペックルキャプチャモジュールは、スペックルを該感知モジュールに結像させる結像レンズと、該結像レンズと該基板との間に設置され、雑光を濾過する前段絞りと、該前段絞りに対し該結像レンズの相反側に位置し、スペックルの平均寸方を制御する後段絞りと、を備えてなり、且つ該結像レンズ、該前段絞り及び該後段絞りは直線になって配列されることを特徴とする。

前記スペックルキャプチャモジュールは、該サンプリング角ψの散乱光による光路に位置し、スペックルのエネルギーをエネルギー感知器に集める集光レンズを含む、ことを特徴とする。

前記スペックルキャプチャモジュールは、該結像レンズと該後段絞りとの間に位置し、部分的にスペックルのエネルギーをエネルギー感知器に反射する部分反射レンズを含む、ことを特徴とする。

前記スペックルキャプチャモジュールは、反射光による光路に位置し、スペックルのエネルギーをエネルギー感知器に集める集光レンズを含む、ことを特徴とする。

前記スペックルの平均寸方は、後段絞りの寸方、及び後段絞りから感知モジュールまでの距離を制御することにより獲得し、且つその関係式はδ≒1.22 × (λ/D) × L、その中、δはスペックルの平均半径、λは広い同調性を有する平行光の波長、Dは後段絞りの直径、Lは後段絞りから感知モジュールまでの距離である、ことを特徴とする。

従来の第１の光学変位感知器を示す図である。 従来の第２の光学変位感知器を示す図である。 従来の第３の光学変位感知器を示す図である。 従来の指向系統を示す図である。 本発明が用いた原理を示す図である。 本発明による、非鏡面反射不変形レーザスペックルの二次元精密な定位機構を示す図である。 本発明による、非鏡面反射不変形レーザスペックルの二次元キャプチャ構成を示す図である。 本発明による、不変形レーザスペックルの二次元精密な定位方法を示すフローチャートである。 本発明による、行列ブロックスペックル暗区定位母板を示す図である。 本発明によるもう一つの、行列ブロックスペックル暗区定位母板を示す図である。 本発明による、自動定位レーザスペックルの二次元キャプチャ構成を示す図である。 二次元行列感知モジュールにより感知されたスペックル図形を示す図である。 エネルギー感知器の感知したエネルギーが発光モジュールの変位とともに変化する状況を示す図である。 本発明によるさらにもう一つの、行列ブロックスペックル暗区定位母板を示す図である。 本発明による、精密型行列ブロックスペックル暗区定位母板を示す図である。 エネルギー感知器の感知したエネルギーが発光モジュールの変位とともに変化する状況を示す図である。 本発明による、全区域精密型自動定位レーザスペックルの二次元キャプチャ構成を示す図である。 本発明による、双角度キャプチャ自動定位レーザスペックルの二次元キャプチャ構成を示す図である。

本願発明のその他の利点及び特徴については、以下に行う発明の実施の形態の説明から、より明らかとなるであろう。下記実施の形態は本発明の技術的手段をより具体的に詳述するためのもので、当然本発明はそれに限定されず、添付クレームの範囲を逸脱しない限り、当業者による単純な設計変更、付加、修飾、及び置換はいずれも本発明の技術的範囲に属する。

本発明の不変形レーザスペックルキャプチャ技術は、非鏡面反射レーザスペックルの二次元キャプチャ構成を用いることにより、有効に映像スペックルの相対光程差の変化量を減少し、不変形レーザスペックル映像を得るものである。

図５は本発明の用いた原理を説明した。キャプチャ装置12が物面14に対し相対移動距離ｄを有する際に、レーザスペックルの最大相対光程差の変化量は式（1）に示したものである。

その中、δはスペックルの平均半径、ｄは不変形レーザスペックルキャプチャ装置が物面14に対する移動距離、2γは感知器16から物面14までの垂直距離、ψはキャプチャ装置の光軸と物面の法線との挟角、λはレーザの波長である。

スペックルの不変形に達するために、式（1）の相対光程差の変化量は五分の一波長より小さくならなければならない。即ち、

式（2）を満足したスペックルキャプチャ装置は、キャプチャ範囲がｄより小さい長さになる場合、建設的スペックルがキャプチャ範囲にで移動する際の相対光程差の変化量は五分の一波長より小さくなるので、本来の建設的スペックルはキャプチャ範囲にで移動し、相変わらず建設的干渉を保つ。従って、光点が消えなく、不変形レーザスペックルキャプチャの目的に達することができる。キャプチャ範囲におけるレーザスペックル特徴光点が移動できるが変形できなく、優れた再現性を有したので、二次元の精密な定位装置に適用されることが好ましい。
本発明は六つの実施例によって説明する。

（実施例一）
図６〜図９を参照する。
本発明は不変形レーザスペックル映像を使用し二次元の精密な定位を行う技術である。レーザスペックルは干渉映像であり、一般な非干渉グレイレベル映像に比べてより良い解析度を有する。特に建設的干渉スペックルの寸法は、キャプチャる装置によって数マイクロメトルに制御され、スペックル映像に対し精密な定位を行うことができる。本発明の具体的な設備は、図６に示した非鏡面反射不変形レーザスペックルの二次元の精密な定位機構20を例として、定位母板202と、発光モジュール204と、不変形スペックルキャプチャモジュール206と、二次元行列の感知モジュール208と、スペックル識別定位ユニット210と、サーバ定位駆動装置212とを含む。

定位母板202は、表面が独特な文理を有し、剛性が強く、変形・損傷しにくくなり、清潔にされることが容易であるものである。該定位母板202の表面は豊かなスペックルの情報を散乱することができる。

発光モジュール204は広い同調性を有する平行光を物体表面に入射させるものであり、長波長面発光レーザ(VCSEL)、端面発光レーザ(EEL)、広い同調性の気体レーザ、広い同調性の固体レーザなどを含む。さらに、発光モジュール204は狭い周波数帯域の光線を発射するとともに広い同調性を有する発光ダイオード及びフィルターの組み合わせをも含む。定位母板202の法線と入射角θを挟むように（以下に各実施例に関する図におけるθは同じに定義される）レーザ光を定位母板202の表面に調整し照射させる。入射光は均一に定位母板202の表面に照射する。起伏に富んだ定位母板202の表面にある文理により、入射光は各方向へ散乱される。定位母板202の法線とサンプリング角ψを挟むように（以下に各実施例に関する図におけるψは同じに定義される）レーザ光を集める。その中、サンプリング角ψは0 <ψ≦θ- 10°又はθ+ 10°≦ψ< 90°の範囲に落ちる。この実施例において、θは定位母板202の法線と60°を挟み、ψは該法線と50°を挟む。本発明の精神に基づき、ψは0 <ψ≦50°又は70°≦ψ< 90°の範囲に落ちても良い。この方向の散乱光が干渉になるので、不変形スペックルキャプチャモジュール206を用いて、この方向の散乱光が生じたスペックル映像をキャプチャする。この方向にスペックル映像をキャプチャしようとする目的は、物面特徴点の情報を含まない鏡面反射レーザを獲得することを避ける。

鏡面反射角度で獲得したスペックル映像は二つの成分を有するが、主要な成分は平面からの均一的な反射光及び反応物面の三次元の特徴変化の散乱光を含む。均一的な反射光は位相が一致するが、反応物面の三次元の特徴変化の散乱光は位相が変化する。異なる特性を有するその二種類の光は互いに干渉し複雑の干渉図形を形成するので、図形相関性の精密な識別及び再現性に不利をする。反応物面の三次元の特徴変化の散乱光による干渉図形は、明らかで安定で反応物面の三次元の特徴を現し優れた再現性を有し、精密なスペックル映像の図形識別に適用する。また、鏡面反射方向の小角度偏移方向に対して、より多い散乱光のエネルギーをキャプチャすることができ、安定なスペックル映像を獲得し有効に信号雑音比を向上させることができる。

図７を参照する。反応物面の三次元の特徴変化の散乱光による干渉スペックル図形を浄化するために、各種の可能雑光を除去しなければならない。よって、不変形スペックルキャプチャモジュール206は、雑光を濾過する前段絞り2062と、不変形スペックルを二次元行列感知モジュール208に結像させる結像レンズ2064と、該前段絞り2062に対応し該結像レンズ2064の入射視角を限制しスペックルの平均寸方を制御する後段絞り2066と、を備えてなる。この構成は完全に大角度の雑光及び不要な散乱光を濾過し信号を浄化することができる。

最適な解析度を有するスペックル図形を得るために、スペックルの平均寸法を二次元行列の感知モジュール208の画素より略大きく又は等しくならせなければならない。後段絞り2066の寸法、及び二次元行列感知モジュール208までの距離を制御することにより、スペックルの平均寸法を制御することができる。スペックルの平均半径δは式（3）によって決定される。

その中、δはスペックルの平均半径、λはレーザ光の波長、Dは後段絞り2066の直径、
Lは後段絞りから二次元行列感知モジュール208までの距離である。適当に上記のパラ
メーターを調整し、レーザスペックルの平均寸法を二次元行列の感知モジュール208
の画素より略大きく又は等しくならせることにより、最適なスペックル映像を得ること
ができる。

キャプチャ範囲において不変形スペックル映像を重複し獲得し、精密なスペックル図形の対比及び定位を行うために、キャプチャ構成は式（2）に満足しなければならない。よって、キャプチャ範囲における建設的特徴のスペックル光点の間の相対位置及び距離は一定にされ、優れた再現性を有し、精密なスペックル図形の対比及び定位に適用される。

散乱光が結像レンズ2064を通る効率を向上させるために、結像レンズ2064を散乱光の光軸と垂直にならせることをしなければならない。二次元行列の感知モジュール208は一般に電荷結合素子(CCD)センサー又は相補性金属酸化膜半導体(CMOS)センサーを含む。感知モジュール208の二次元映像の寸法と物面の寸方との間に固定の比例をならせ、投影効果（垂直入射平面の拡大率と平行入射平面の拡大率とが異なると、投影効果が発生する。前記入射平面は法線と入射光とが構成した平面である。）を除去するために、二次元行列の感知モジュール208の感知面を物面と平行にならせることをしなければならない。二次元行列の感知モジュール208によりレーザスペックル映像を記録し、記録した映像を即時にスペックル識別定位ユニット210へ伝送する。該スペックル識別定位ユニット210はスペックル映像データを系統ファイルデータ（即ちテーブル、図に示せず）と対比し、現在の同調光源が定位母板に照射する座標を確認する。この座標及び目的座標により、サーバ定位駆動装置212が所要する移動距離及び方位を計算することができる。

図８に示したように、機構20は二次元精密な定位方法を下記のように行う。定位母板202にあるポイントを選択し基準点とする（ステップＳ201）。その表面を複数の単位ブロックに区画し二次元のブロックマトリックスを形成し、該基準点に基づき該単位ブロックの位置データを設定する（ステップＳ202）。発光モジュール204が発出した広い同調性の平行光を入射角θで該表面に入射させ散乱光を生成させ、該表面の法線に対するサンプリング角ψを設定し、それぞれの単位ブロックにて該サンプリング角ψに対する散乱光による第１スペックル映像をキャプチャする（ステップＳ203）。それぞれの単位ブロックに対応する該第１スペックル映像、及び該基準点に対応する位置データ（座標データで表す）を用いテーブルを作成し、二次元行列の感知モジュール208で記録する（ステップＳ204）。不変形スペックルキャプチャモジュール206で測量点にて該サンプリング角ψに対する第２スペックル映像をキャプチャする（ステップＳ205）。スペックル識別定位ユニット210で、該測量点が所在する単位ブロックの第１スペックル映像と該第２スペックル映像とを対比し、該測量点と該所在単位ブロックとの相対位置を獲得し、該相対位置及び該所在単位ブロックの位置データを基づき、該基準点に対する該測量点の位置データ（座標データ）を獲得する（ステップＳ206）。最後、サーバ定位駆動装置212で、測量物が所要する移動距離及び方位を計算する。そのように、スペックルによって定位を行うという目的に達することができる。

（実施例二）
実施例一において、定位母板202の工作区域において連続にスペックル映像を獲得しスペックル映像を対比、定位することは面倒である。ゆえに、それを易しくなる方法を案出する必要がある。

図９〜図１３を参照する。図９、図１０に示したように、スペックル暗区3024を有する定位母板302を設計し、定位母板302の表面で二次元行列スペックル定位ブロック3022を加工し、二次元行列スペックル定位ブロック3022の間にスペックル暗区3024を設計する。本発明の精神に基づき、スペックル暗区3024は図９に示したような連続な整体であってもよく、あるいは図１０に示したような離散な各間隔区域であってもよい。スペックル暗区とは、レーザ光がこの区域に照射する際に、レーザ光は全部透き通る、あるいは全部吸収される、あるいは全部反射されるようになるとともに、スペックルキャプチャ角度の範囲にはいずれの散乱光が入っていなく、スペックル信号が二次元行列感知モジュールにより感知されなくなるものである。

レーザ光が連続にスペックル暗区3024と二次元行列スペックル定位ブロック3022を照射する際に、スペックル暗区3024における反射されたスペックルのエネルギーはゼロであり、周期的なスペックルのエネルギー変化になる。あるポイントと基準点との間のスペックルのエネルギーの波峰数量或いは波谷数量を計算し、該ポイントが所在する単位ブロック位置データを獲得し、実施例一における第二スペックル映像の対比とテーブルの調べとが要る誤差や無駄を減少することができる。

スペックル暗区3024による間隔により、容易に二次元行列スペックル定位ブロック3022のスペックル映像を単独にファイルし、座標番号を賦与し測量点から基準点までの距離がいくつかのスペックル暗区3024の間隔に相当するかを計算することにより、後続にスペックル映像の対比や定位の行いに有利をする。

スペックル暗区3024を有する定位母板302の使用と伴い、非鏡面反射レーザスペックル二次元キャプチャ構成20に半反射鏡314を加えることにより、図１１に示したような自動定位レーザスペックルの二次元キャプチャ構成30（発光モジュール304と前段絞り306と結像レンズ308と後段絞り310と二次元行列感知モジュール312とを含む。半反射鏡314は結像レンズ308と後段絞り310と間に位置する）になる。この構成において、半反射鏡314は、スペックルのキャプチャエネルギーを、部分的にスペックルエネルギー反射器316に反射し、部分的に二次元行列感知モジュール312に通らせることにより、図１２のようにスペックル映像を形成する。発光モジュール304からの投射光が定位母板302に照射した面積を、二次元行列スペックル定位ブロック3022の寸法に約等しくなるように調整する。

図１３を参照する。図１３において、ｄは相隣の波峰の間の距離を表す。上記に述べたように、レーザが定位母板で水平又は垂直に移動する際に、スペックル暗区3024の効果ので、スペックルエネルギー感知器316は明暗変化の信号を感知することができる。その信号を微分すると、傾きがゼロで信号曲線の開口が下に向く箇所は二次元行列スペックル定位ブロック3022の正上方の位置であり、且つ、傾きがゼロで信号曲線の開口が下に向く箇所はスペックル暗区3024の中心の位置である。この明暗変化の信号を計算することにより、ある測量点の第１段定位位置を獲得することができる。第１段定位の効果によって、目標位置と第１段定位位置との間の誤差を行列定位周期より小さくなるように制御することができる。第１段定位を完成してから、二次元行列感知モジュール312の即時映像と先に貯蔵したスペックル映像とを対比する。第２段精密な定位プロセスに入り、そのポイントと位置データ（座標データ）を決定する。

不変形スペックルキャプチャ装置の特性のため、スペックル映像は移動できるが変形できない。よって、たとえスペックル映像と目標スペックル映像とが完全に吻合していなく互いにずらしても、互いに重ねた区域には、両者のスペックル映像はほとんど同じである。よって、感知単位の寸法より小さい定位精度を対比し得ることができ、優れた定位精度を獲得する。本発明の適用範囲も広く、例えば、絶対定位スペックルルールを開発し光学ルールを取り代わること、新たな二次元絶対スペックル自動的定位装置を開発し、従来のCCD自動的定位装置や磁感応自動的定位装置を取り代わることでもある。

（実施例三）
図９を回顧する。相隣の二次元行列スペックル定位ブロック3022に対するスペックル暗区3024の間隔は、該二次元行列スペックル定位ブロック3022が対応する長さ及び幅に等しい。測量点Ａの第２スペックル散色光の源がスペックル暗区3024に落ちる（投射光が定位母板302に照射した面積は、二次元行列スペックル定位ブロック3022の寸法に約等しくなる）際に、二次元行列感知モジュール312はスペックル信号を測量することができない。

その問題を解決するため、図１４を参照する。図９における各素子を用い、スペックル暗区の整体面積を減少する。即ち、相隣の二次元行列スペックル定位ブロック3022に対するスペックル暗区3024の間隔は、該二次元行列スペックル定位ブロック3022が対応する長さ及び幅より小さくなる（例えば、長さ及び幅は四分の一スペックル定位ブロックである）。この場合、例え測量点Ａの第２スペックル散色光の源がスペックル暗区3024に落ちても、多少の部分は二次元行列スペックル定位ブロック3022に落ちることがある。そのようにして、二次元行列感知モジュール312が定位用スペックル信号を測量できることを確保する。

（実施例四）
図９において、二次元行列スペックル定位ブロック3022の定位母板302には、同調光を反射できる二次元行列スペックル定位ブロック3022があるほか、他の区域がスペックル暗区3024であるのでスペックル映像を獲得することができない。全区域に対し定位する際に、その他の区域には参考用スペックル映像を取れない区域がある場合もある。エネルギー感知器が強弱変化のスペックル信号を測量でき、第１階段の定位機能を達し、全区域に第２階段のスペックル映像精密な定位機能を行うために、図９の行列定位ブロック構成を図１５の精密型行列ブロックスペックル暗区定位母板402のように変更する必要がある。

この構成において、各相隣の二次元行列スペックル定位ブロック4022の間のスペックル暗区4024はスペックル定位条塊4026によって接続される。スペックル定位条塊4026の幅は約三分の一の二次元行列スペックル定位ブロック4022の幅であるので、スペックル定位条塊4026におけるスペックル映像のエネルギーは約三分の一の二次元行列スペックル定位ブロック4022のエネルギーである。二次元行列スペックル定位ブロック4022及びスペックル定位条塊4026に照射させる際に、図１６に示したように、スペックル映像エネルギーが周期的な変化を生じ、第１階段のスペックル定位要求に満足することができる。さらに、スペックル定位条塊4026に対し定位する時、スペックル定位条塊4026の自身が十分なスペックル映像を提供し、第２階段の精密な定位要求に満足することができる。ある点と基準点との間のスペックルエネルギーの波峰数量或いは波谷数量を計算し、該点が所在する単位ブロックの位置データを獲得することができる。

スペックル定位条塊4026のほか、四つの相隣の二次元行列スペックル定位ブロック4022の中心に広いスペックル暗区4024があるので、この区域には参考スペックル映像を獲得することができない。この区域の精密な定位の需要に満足するために、四つの相隣の二次元行列スペックル定位ブロック4022の中心のスペックル暗区4024には、該測量点の所在位置を判断し補助すべき円形の補助定位ブロック4028を設置する。該補助定位ブロックはスペックル映像を形成することができる。円形の補助定位ブロック4028の直径は二次元行列スペックル定位ブロック4022の長さの半分である。この構成は同時に第１階段及び第２階段の定位需要に満足することができる。精密型行列ブロックスペックル暗区定位母板を用いた全区域自動定位レーザスペックル二次元キャプチャ構成40は図１７に示したように、第２実施例と似て、発光モジュール404と、前段絞り406と、結像レンズ408と、後段絞り410と、二次元行列感知モジュール412と、半反射鏡414と、スペックルエネルギー感知器416とを含む。各素子の機能は前記と同じである。その構成は所要の定位母板402の全区域へ第１階段及び第２階段の精密なスペックル映像定位機能を提供することができる。その定位精度は二次元映像感知器のビットより小さくなってもよい。

（実施例五）
実施例三の自動定位レーザスペックル二次元キャプチャ構成40のほか、図１８に示したように、半反射鏡414を取り消し、鏡面反射方位で集光レンズ514によってその方向に向く反射光を集光しエネルギー感知器516へ入射させることにより、図１８に示したような双角度キャプチャ自動定位レーザスペックル二次元キャプチャ構成50を獲得することができる。この構成50において、主に図１０の実施例二のスペックル暗区3024を部分的反射機能を有する物面（その反射率が定位ブロック3022より小さい）に取り替えることにより、定位母板がスペックル暗区を有しないようにする。即ち、この実施例において、定位母板のいずれの点はスペックル映像を生じることができる。レーザが定位母板に照射する際に、エネルギー感知器516が鏡面反射方位で測量して得たスペックルエネルギー変化は図１６に示したようになる。もちろん、半分の半射鏡（図１８に示せず）を維持し、部分の散乱光をエネルギー感知器516に入射させることは、エネルギー感知器516による判断作業にも促進することができる。

図１８の特徴は、双角度キャプチャの構成を用い、鏡面反射方向に向く反射光による信号変化がエネルギー感知器516によって感知されることは第１階段の定位に満足することができる。非鏡面反射について、ψ＝θ- 10°の方向において、前段絞り506と結像レンズ508と後段絞り510とを用い、即時に該定位の不変形レーザスペックル映像を獲得し、それによって第２階段の精密な定位を行う。その構成は実施例三と似て、定位母板502と、発光モジュール504と、前段絞り506と、結像レンズ508と、後段絞り510と、二次元行列感知モジュール512と、スペックルエネルギー感知器516とを含む。各素子の機能は前記と同じである。

本実施例の構成と似て、実施例三、実施例四のエネルギー感知器は反射角に設置されてもよく、スペックルエネルギーの周期的な変化を得るようにする。

（実施例六）
二次元精密な定位方法のほか、一次元の精密な定位を行うために、図１７における全区域自動定位レーザスペックル二次元キャプチャ構成の定位母板、及び図１８における双角度自動定位レーザスペックル二次元キャプチャ構成の定位母板をバール形に製作してもよい。本実施例のほか、上記の各実施例における定位母板をバール形に製作してもよい。このバール形の、精密なスペックル定位を行える定位母板を、スペックルルールと称してもよい。この定位方法は絶対型定位であるので、従来の相対型定位の工作原理と異なる。二つのスペックルルールを互いに垂直に組み合わせたら、他種の二次元精密な定位装置を獲得することができる。三つのスペックルルールを互いに垂直に組み合わせたら、三次元精密な定位装置を獲得することができる。なお、本発明は、三次元の指紋識別器やドアカードや鍵などの金融レベルのID識別器に、あるいはロボットの定位器などの精密な二次元の定位系統に適用されてもよく、

上記実施の形態は本発明の技術的手段をより具体的に詳述するためのもので、当然本発明はそれに限定されず、添付クレームの範囲を逸脱しない限り、当業者による単純な設計変更、付加、修飾、及び置換はいずれも本発明の技術的範囲に属する。

１２ 結像装置
１４ 物面
１６ 感知器
２０ 非鏡面反射不変形レーザスペックルの二次元精密定位構成
２０２ 定位母板
２０４ 発光モジュール
２０６ 不変形スペックルキャプチャモジュール
２０６２ 前段絞り
２０６４ 結像レンズ
２０６６ 後段絞り
２０８ 二次元行列感知モジュール
２１０ スペックル識別定位ユニット
２１２ サーバ定位駆動装置
３０ 非鏡面反射レーザスペックルの二次元キャプチャ構成
３０２ 定位母板
３０２２ 二次元行列スペックル定位ブロック
３０２４ スペックル暗区
３０４ 発光モジュール
３０６ 前段絞り
３０８ 結像レンズ
３１０ 後段絞り
３１２ 二次元行列感知モジュール
３１４ 半反射鏡
３１６ エネルギー感知器
４０ 全区域自動定位レーザスペックル二次元キャプチャ構成
４０２ 定位母板
４０２２ 二次元行列スペックル定位ブロック
４０２４ スペックル暗区
４０２６ スペックル定位条塊
４０２８ 補助定位条塊
４０４ 発光モジュール
４０６ 前段絞り
４０８ 結像レンズ
４１０ 後段絞り
４１２ 二次元行列感知モジュール
４１４ 半反射鏡
４１６ エネルギー感知器
５０ 双角度自動定位レーザスペックル二次元キャプチャ構成
５０２ 定位母板
５０４ 発光モジュール
５０６ 前段絞り
５０８ 結像レンズ
５１０ 後段絞り
５１２ 二次元行列感知モジュール
５１４ 集光レンズ
５１６ エネルギー感知器

Claims (16)

1. ａ）独特の文理を具する表面にあるポイントを選択し基準点とするステップと、
   ｂ）該表面を複数の単位ブロックに区画し二次元のブロックマトリックスを形成し、該基準点に基づき該単位ブロックの位置データを設定するステップと、
   ｃ）広い同調性を有する平行光を入射角θで該表面に入射させ散乱光を生成させ、該表面の法線に対するサンプリング角ψを設定し、それぞれの単位ブロックにて該サンプリング角ψに対する散乱光による第１スペックル映像をキャプチャするステップと、
   ｄ）それぞれの単位ブロックに対応する該第１スペックル映像及び該位置データを用いテーブルを作成するステップと、
   ｅ）測量点にて該サンプリング角ψに対する第２スペックル映像をキャプチャするステップと、
   ｆ）該測量点が所在する単位ブロックを識別するステップと、
   ｇ）該測量点が所在する単位ブロックの第１スペックル映像と該第２スペックル映像とを対比し、該測量点と該所在単位ブロックとの相対位置を獲得し、該相対位置及び該所在単位ブロックの位置データを基づき、該基準点に対する該測量点の位置データを獲得するステップと、
   を備えてなることを特徴とするスペックルの定位方法。
2. 前記サンプリング角ψは0 <ψ≦θ- 10°又はθ+ 10°≦ψ< 90°の範囲に落ちることを特徴とする請求項１記載のスペックルの定位方法。
3. 前記ステップｆ）はさらに、
   ｆ１）スペックル暗区を隣接する単位ブロックの間に差し込み、周期的なスペックルエネルギー変化を形成するステップと、
   ｆ２）該測量点と該基準点との間のスペックルエネルギーの波峰数量或いは波谷数量を計算し、該測量点が所在する単位ブロックを獲得するステップと、を備えてなり、
   該スペックル暗区は、光線によって完全に貫かれる・吸収される・反射されることにより、散乱光を生成させ第１スペックル映像と該第２スペックル映像を生成させることができなくなる、
   ことを特徴とする請求項１記載のスペックルの定位方法。
4. 前記スペックル暗区にて隣接する両単位ブロックの間の間隔は該単位ブロックの長さ及び幅より小さい又は等しいことを特徴とする請求項３記載のスペックルの定位方法。
5. 前記ステップｆ）はさらに、
   ｆ１）該単位ブロックのスペックルエネルギーより低いスペックルエネルギーを有する参考ブロックを隣接する単位ブロックの間に差し込み、周期的なスペックルエネルギー変化を形成するステップと、
   ｆ２）該測量点と該基準点との間のスペックルエネルギーの波峰数量或いは波谷数量を計算し、該測量点が所在する単位ブロックを獲得するステップと、を含むことを特徴とする請求項１記載のスペックルの定位方法。
6. 四つの隣接する単位ブロックの間に、該測量点が所在する位置を補助し判断すべき補助定位ブロックがあり、
   該補助定位ブロックはスペックル映像を生成させることができる、
   ことを特徴とする請求項３又は５記載のスペックルの定位方法。
7. 独特の文理を具する表面を有する基板と、
   広い同調性を有する平行光を入射角θで該表面に入射させ散乱光を生成させる発光モジュールと、
   該表面の法線に対するサンプリング角ψを形成し、広い同調性を有する該平行光を入射角θで該表面に入射させ生成した該散乱光による第１スペックル映像、及び測量点に放射し生成した散乱光による第２スペックル映像をキャプチャするスペックルキャプチャモジュールと、
   該第１スペックル映像と該第２スペックル映像を貯蔵する感知モジュールと、
   該第１スペックル映像と該第２スペックル映像とを対比し、該測量点の位置データを獲得する識別定位ユニットと、
   を備えてなることを特徴とするスペックルの定位系統。
8. 前記識別定位ユニットによって求められた該測量点の位置、及び該測量点が設定した位置を対比し、定位物を測量点の位置に移動させる定位駆動装置とをさらに含むことを特徴とする請求項７記載のスペックルの定位系統。
9. 前記サンプリング角ψは0 <ψ≦θ- 10°又はθ+ 10°≦ψ< 90°の範囲に落ちることを特徴とする請求項７記載のスペックルの定位系統。
10. 前記発光モジュールは、長波長面発光レーザ(VCSEL)、端面発光レーザ(EEL)、気体レーザ、固体レーザ、或いは狭い周波数帯域の光線を発射する発光ダイオード及びフィルターの組み合わせを含むことを特徴とする請求項７記載のスペックルの定位系統。
11. 前記感知モジュールは電荷結合素子(CCD)センサー又は相補性金属酸化膜半導体(CMOS)センサーを含むことを特徴とする請求項７記載のスペックルの定位系統。
12. 前記スペックルキャプチャモジュールは、
    スペックルを該感知モジュールに結像させる結像レンズと、
    該結像レンズと該基板との間に設置され、雑光を濾過する前段絞りと、
    該前段絞りに対し該結像レンズの相反側に位置し、スペックルの平均寸方を制御する後段絞りと、を備えてなり、
    且つ該結像レンズ、該前段絞り及び該後段絞りは直線になって配列されることを特徴とする請求項７記載のスペックルの定位系統。
13. 前記スペックルキャプチャモジュールは、
    該サンプリング角ψの散乱光による光路に位置し、スペックルのエネルギーをエネルギー感知器に集める集光レンズを含む、
    ことを特徴とする請求項７記載のスペックルの定位系統。
14. 前記スペックルキャプチャモジュールは、
    該結像レンズと該後段絞りとの間に位置し、部分的にスペックルのエネルギーをエネルギー感知器に反射する部分反射レンズを含む、
    ことを特徴とする請求項７記載のスペックルの定位系統。
15. 前記スペックルキャプチャモジュールは、
    反射光による光路に位置し、スペックルのエネルギーをエネルギー感知器に集める集光レンズを含む、
    ことを特徴とする請求項７記載のスペックルの定位系統。
16. 前記スペックルの平均寸方は、後段絞りの寸方、及び後段絞りから感知モジュールまでの距離を制御することにより獲得し、
    且つその関係式はδ≒1.22 × (λ/D) × L、
    その中、δはスペックルの平均半径、λは広い同調性を有する平行光の波長、Dは後段絞りの直径、Lは後段絞りから感知モジュールまでの距離である、
    ことを特徴とする請求項１２記載のスペックルの定位系統。

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