JP4565243B2 - テレセントリック撮像を用いた光学位置決めデバイス - Google Patents

Description

本発明は、一般に光学位置決め（測位）デバイス（Optical Positioning Device：ＯＰＤ）に関し、及び同様の該デバイスを用いた動作検知の方法に関する。

関連出願への相互参照
本出願は、発明者であるＪａｈｊａ Ｉ．Ｔｒｉｓｎａｄｉ、Ｃｌｉｎｔｏｎ Ｂ．Ｃａｒｌｉｓｌｅ、Ｃｈａｒｌｅｓ Ｂ．Ｒｏｘｌｏ、及びＤａｖｉｄ Ａ．ＬｅＨｏｔｙによって、2004年5月21日にファイリングされた「Optical position sensing device using telecentric imaging」と題する米国特許仮出願第６０／５７３，３１６号の利益を請求する。前述の米国特許仮出願の開示は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

本出願はまた、発明者であるＤａｖｉｄ Ａ．ＬｅＨｏｔｙ、Ｄｏｕｇｌａｓ Ａ．Ｗｅｂｂ、Ｃｈａｒｌｅｓ Ｂ．Ｒｏｘｌｏ、Ｃｌｉｎｔｏｎ Ｂ．Ｃａｒｌｉｓｌｅ、及びＪａｈｊａ Ｉ．Ｔｒｉｓｎａｄｉによって2004年5月21日にファイリングされた「Optical position sensing device having a detector array using different combinations of shared interlaced photosensitive elements 」と題する米国特許仮出願第６０／５７３，０７５号の利益を請求する。前述の米国特許仮出願の開示は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

コンピュータマウスか又はトラックボールのようなポインティングデバイスは、パーソナルコンピュータ内及びワークステーション内にデータを入力するために、及びパーソナルコンピュータ及びワークステーションとインターフェースするために利用される。このようなデバイスは、モニタ上のカーソルの迅速な再配置を可能にし、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。例えば、ある方向においてマウスの移動に比例した距離にわたってカーソルを動かすために、表面にわたって該マウスを動かすことによって、ユーザは該カーソルを制御する。代替として、同様の目的のために固定装置上の手の移動を利用することもできる。

コンピュータマウスは、光学式と機械式との両バージョンが流通している。機械式マウスは、典型的には、動作を検知するための回転するボールと、該ボールに接触した一対の軸変換器（シャフト・エンコーダ）とを用いて、カーソルを動かすためにコンピュータによって用いられるディジタル信号を生成する。機械式マウスによる１つの問題は、継続して使用された後は、積み重なった汚れ、及びそのようなものに起因して、該機械式マウスが不正確となる傾向があり、動作不良となる傾向があることである。更には、機械的な要素（とりわけ前記軸変換器）におけるその動作と、結果として生じる摩耗とが、そのデバイスの有効寿命を必然的に制限する。

機械的なマウスによる上述の問題の１つの解決策は、光学マウスの開発であった。光学マウスは、それらがより頑丈で、且つ、より良い位置決めの正確さを提供することができることから、非常に好評となっている。

光学マウスに用いられた主要な従来技術は、かすめ入射（grazing incidence）の表面を照らす発光ダイオード（ＬＥＤ）と、結果として生じたイメージを取り込む２次元のＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）検出器と、マウスが動かされた方向、距離、及び速度を判定するために、連続するイメージを関連付けるソフトウェアとに依存する。この技術は、典型的には、良好な精度を提供するが、低い光学効率の影響を受け、比較的高度なイメージ処理が要求される。

別のアプローチは、フォトダイオードのような光センサ又は検出器の１次元のアレイを用いている。表面における連続的なイメージが、撮像光学部品によって取り込まれ、フォトダイオード上において変換されて、マウスの動作を検出するために比較される。動作検出を容易にするために、フォトダイオードを、グループにひとまとめにダイレクトに結線することができる。このことは、フォトダイオード要件を低減して、迅速なアナログ処理を可能にする。そのようなマウスのある一例が、Ｄａｎｄｌｉｋｅｒ他による米国特許第５，９０７，１５２号に開示されている。

Ｄａｎｄｌｉｋｅｒ他によって開示されたマウスは、標準的な技術とは異なり、レーザのようなコヒーレントな光源もまた使用している。粗い表面によって拡散された、コヒーレントな光源からの光が、スペックル（speckle）として知られる光のランダムな強度の分布を生成する。スペックルベースのパターンを用いることは、効率的なレーザベースの光生成と、通常の入射における不十分な照射でさえハイコントラストなイメージとなることとを含む、いくつかの利点を有する。このことは、より効率的なシステムを可能にし、電流消費を節約することを可能にする。該電力消費を節約することは、バッテリ寿命を延ばすために、無線用途において有利である。
米国特許出願第６０／５７３，３１６号明細書 米国特許出願第６０／５７３，０７５号明細書 米国特許第５，９０７，１５２号明細書 J.W.Goodman著「Statistical Properties of Laser Speckle Patterns」、J.C.Dainty編集「Laser Speckle and Related Phenomena」、Physics volume 9、Springer-Verlag（1984年）、39頁〜40頁

従来のＬＥＤベースの光学マウスにわたる著しい改善にもかかわらず、これらのスペックルベースのデバイスは、多くの理由によって必ずしも全面的に満足されているわけではない。特にレーザスペックルを用いるマウスは、今日の精緻な技術水準のマウスにおいて典型的に要求される精度が実証されてきていない。該今日の精緻な技術水準は、０．５％未満か又は約０．５％未満のパスエラー（経路誤り）を有することが一般的には望まれている。

本開示は、先行する光学マウス及び他の類似の光学ポインティングデバイスによる特定の問題に対する解決策を説明し、提供する。

一実施形態は、連続するフレーム内における光学的な特徴の変位を判定することによって、ある表面を横切るデータ入力デバイスの動作を検知するための光学変位センサに関する。該センサは、少なくとも照明器、テレセントリック撮像光学部品、及び感光素子アレイを含む。前記照明器は、前記表面の一部を照らすよう構成される。前記テレセントリック撮像光学部品は、前記表面の照らされた部分から生じられる光学的な特徴をイメージ化する（撮像する）よう構成され、前記感光素子アレイは、該テレセントリック撮像光学部品によってイメージ化された光学的な特徴に関する強度データを検出するよう構成される。

別の実施形態は、ある表面を横切るデータ入力デバイスの動作を検知する方法に関する。該表面の一部が照らされて、テレセントリック撮像光学部品を用いて、該表面の照らされた部分のイメージが、感光素子のアレイに合焦される。少なくとも１次元において前記表面を横切る前記データ入力デバイスの動作を検知するために、該表面の該照らされた部分から生じる光学的な特徴の変位が、連続するフレーム内において判定される。

別の実施形態は、ある表面の一部を照射するよう構成されたレーザと、感光素子アレイすなわちテレセントリック撮像光学部品と、信号プロセッサとを少なくとも含む、光学的な位置決めデバイスに関する。前記テレセントリック撮像光学部品は、有限アパーチャ撮像光学部品に沿って前記表面の前記照射された部分によって生成されたスペックルパターンを、前記感光素子アレイにマッピングするよう構成され、前記信号プロセッサは、連続するフレーム内における前記スペックルパターンの変位を判定するよう構成される。

他の実施形態もまた開示される。

本開示における、これらの及び様々な他の特徴と利点とが、後述の詳細な説明から、及び添付図面からより完全に理解される。しかしながら、添付の特許請求の範囲を示された特定の実施形態に限定するようにそれらは取らえられるべきではなく、説明と理解のためだけのものとして取らえられるべきである。
スペックル「ボイリング」問題
従来のスペックルベースのＯＰＤによる１つの問題は、スペックルパターンの変化、すなわち「激しく変化する（ボイリング：boiling）」スペックルに関する。一般的には、ある表面からのスペックルパターンは、該表面が動かされると移動し、尚且つ、同じ速度と共に同じ方向において移動する。しかしながら、多くの光学系において、表面からやって来る同位相波面における追加的な変化が存在するであろう。例えば、検出器におけるスペックルパターンの編成に加わる光線のセットが、システム（系）が表面に対して動かされると変動するのならば、検出されるスペックルパターンが、単純にシフトする代りに、ある程度ランダムなように変化する（すなわち「ボイルする」）こととなる。このことは、表面の動きを（前記シフトから）検出するために用いられる信号を劣化させ、システムの精度と感度とを低下させることとなる。

後述のように、本発明の一態様が、無視することが可能なスペックルボイリングか又は低減されたスペックルボイリングをＯＰＤに提供する。
本明細書内において開示されたＯＰＤ実施形態
本開示は、概して、光学位置決めデバイス（ＯＰＤ）のためのセンサに関し、及び、ある表面から反射された（スペックルとして知られる）光のランダムな強度分散パターンの変位に基づき、該センサと該表面との間の相対動作を検知するための方法に関する。ＯＰＤは、パーソナルコンピュータにデータを入力するための光学マウスか又はトラックボールを含む（但し、これらに限定されない）。

「一実施形態」か又は「ある実施形態」に対する本明細書内における参照は、その実施形態に関連して記載された特定の特徴（機能）か、構造か、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書内の様々な場所における「一実施形態において」のフレーズの記載は、必ずしも全てが同じ実施形態に関するものであるとは限らない。

概して、ＯＰＤのためのセンサは、表面の一部を照らすための光源と照明光学部品とを有する照明器（イルミネータ）と、多くの感光素子と撮像光学部品とを有する検出器と、各々の該感光素子からの信号を組み合わせて該検出器から出力信号を生成するための信号処理又は混合信号電子回路とを含む。

一実施形態において、検出器と混合信号電子回路とが、標準的なＣＭＯＳ処理及び設備を用いて製造される。好適には、均一な同位相波面を生成する構成された照明及びテレセントリックスペックル撮像、並びに、アナログ及びディジタル電子回路の組み合わせを用いた簡略化された信号処理コンフィギュレーションを使用することによって、本発明のセンサと方法とが、光学的に効率的な検出アーキテクチャを提供する。このアーキテクチャは、センサにおける信号処理及び変位推定のために割り当てられる電力量を低減する。スペックル検知技法を用いた、本発明に従って適切に構成されたセンサが、最大変位速度と精度と％パスエラーレートとを含む、典型的にはＯＰＤに期待される全ての性能基準を、満たすか又は上回ることが可能であることがわかる。
スペックルベースの変位センサの概要
このセクションは、出願人によって理解され且つ確信されるように、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する目的のために有用であるが、本開示の実施形態がこれらの原理によって不必要に制限されることを意図していない。

図１Ａを参照すると、示された波長のレーザ光が、表面に対する第１の入射波１０２と第２の入射波１０４として図示されており、いずれも通常の表面に対して入射角θをなす。回折パターン１０６は、λ ／ ２ｓｉｎθ の周期性を有する結果となる。

それとは対照的に、図１Ｂを参照すると、光の波長よりも大きな寸法の（すなわち、粗い＞１μｍ）形態的な不規則性を有する任意の大まかな表面が、散乱光１１４を、おおよそランバーティアン（Lambertian）式に完全な半球とする傾向にあるであろう。レーザのようなコヒーレントな光源が用いられる場合には、その空間的にコヒーレントな散乱光は、有限アパーチャを有する二乗検波器による検知において複雑な干渉パターン１１６を形成するであろう。明領域と暗領域のこの複雑な干渉パターン１１６は、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、表面の粗さと、光の波長及びその空間的なコヒーレンスの度合いと、光の密集度か又は撮像光学部品とに依存する。頻繁に非常に複雑であるが、スペックルパターン１１６は、光学部品によってイメージ化された任意の粗い表面の区域（セクション）が明らかに特徴的であり、従って、該スペックルパターン１１６を、それがレーザ及び光学検出器アセンブリを横切ってずらされると、表面上の位置を識別するために利用することができる。

スペックルは、光学部品の効率的なアパーチャによって設定された空間周波数にまで達する全ての大きさとなるように期待され、慣例的には、その開口数（numerical aperture）の点で、図１Ｂに示されるような ＮＡ＝ｓｉｎθ に画定される。後述のＧｏｏｄｍａｎ［Ｊ．Ｃ．Ｄａｉｎｔｙによって編集された「Laser Speckle and Related Phenomena」内の Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎによる「Statistical Properties of Laser Speckle Patterns」、Physics volume 9内のトピックス、Springer-Verlag（1984年）−特に39頁〜40頁を参照のこと］において、統計的な分散の大きさが、スペックル強度の自己相関の観点で表わされている。「平均」スペックルの直径を次式のように画定することができる。

Ｗｉｅｎｅｒ−Ｋｈｉｎｔｃｈｉｎｅの定理による、スペックル強度の空間周波数のスペクトル密度が、前記強度の自己相関の単純なフーリエ変換であることが、興味深いことに留意されたい。最も微細な実現可能なスペックルα_ｍｉｎ ＝ λ／２ＮＡは、主要な提供（contribution）が、図１Ｂの極端な光線１１８（すなわち±θにおける光線）から到来するような起こりそうにないケースによって設定され、最も「内部」の光線からの提供は破壊的に干渉する。カットオフ空間周波数は、従って、ｆ_ＣＯ = 1 / (λ／２ＮＡ) 又は ２ＮＡ ／λである。

開口数は、直交する次元の（「ｙ」）に沿ったイメージよりも（「ｘ」といった）１次元に沿ったイメージ内の空間周波数ごとに異なる可能性があることに留意されたい。このことは、例えば、１つの次元内において別の次元よりも長い（例えば、円の代りの楕円）光学的なアパーチャによってか、又はアナモルフィックレンズによって生じられる可能性がある。これらの場合において、スペックルパターン１１６はまた、異方性（anisotropic）であろうし、平均スペックルの大きさは、２次元内において異なるであろう。

レーザスペックルベースの変位センサの１つの利点は、通常の入射角の付近に到来する照射光によって動作することができることである。撮像光学部品と、かすめ入射角で粗い表面に到来するコヒーレント光とを用いるセンサはまた、横切った変位検出に用いられることも可能である。しかしながら、照射のかすめ入射角が用いられて、イメージ内の表面地形の大きな明・暗影を適切に生成するため、光の重要な一部分が屈折の手法において、検出器から離れるように反射されるので、システム（系）は、本質的には、光学的に非効率であり、従って、形成されるイメージに何ももたらさない。これとは対照的に、スペックルベースの変位センサは、レーザ源からの照射光のより大きな部分を効率的に利用することができ、それによって、光学的に効率的な変位センサの開発が可能となる。
スペックルベースの変位センサのための開示された設計
以下の詳細な説明は、アナログ信号組み合わせ回路構成を有するＣＭＯＳフォトダイオードと、適度な量のディジタル信号処理回路構成と、例えば８５０ｎｍの面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）のような低電力光源とを用いた１つのそのようなレーザスペックルベースの変位センサのためのアーキテクチャを説明している。ある実施形態の詳細が、以下の詳細な説明において説明されるが、異なる光源、検出器又は感光素子、及び／又は信号を組み合わせるための異なる回路構成を、本発明の原理及び範囲を逸脱することなく利用することができることが当業者であれば明らかであろう。

本発明の一実施形態による、スペックルベースのマウスが、図２及び図３に関連して、次に説明される。

図２は、本発明の一実施形態による、スペックベースのシステム２００の機能図である。システム２００は、レーザ源２０２、照明光学部品２０４、撮像光学部品２０８、少なくとも２つのセットの複数ＣＭＯＳフォトダイオードアレイ２１０、フロントエンド電子回路２１２、信号処理回路構成２１４、及びインターフェース回路構成２１６を含む。フォトダイオードアレイ２１０を、２つの直交する軸ｘ及びｙに沿った変位測定値を提供するよう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内における受動的な電子回路構成要素を用いて組み合わせて、グループ信号を生成することができる。該グループ信号を、信号処理回路構成２１４によって続いて代数的に組み合わせて、ｘ及びｙ方向におけるＯＰＤの変位の大きさと方向についての情報を提供する（ｘ，ｙ）信号を生成することができる。該（ｘ，ｙ）信号を、インターフェース回路構成２１８によって、ｘ，ｙデータ２２０に変換することができる。該ｘ，ｙデータ２２０を、ＯＰＤによって出力することができる。この検知技法を用いるセンサは、「差動くし型アレイ（differential 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ス（飛び越し）グループのアレイを有することができる。

図３は、概して、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）構成を示す。表面３０４は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）３０６のようなコヒーレントな光源と照明光学部品３０８とによって照らされる。ここで、アレイ３０２内のインターレスグループの組み合わせが、スペックルイメージによって生成された明・暗信号の空間周波数における周期的なフィルタとして機能する。

粗い表面３０４によって生成されたスペックルは、撮像光学部品３１０によって検出器平面にマッピングされる。好適には、撮像光学部品３１０は、最適な実施のためにテレセントリックである。

一実施形態において、ｘ及びｙにおける変位の推定を得るために、２つの独立した直交アレイ内において、くし型アレイ検知が実施される。小さなバージョンにおける１つのそのようなアレイ３０２が、図３内において図示されている。

検出器内の各アレイは、Ｎ個の数のフォトダイオードセットからなり、各セットは、Ｍ個の数のフォトダイオード（ＰＤ）を有し、ＭＮ線形アレイを形成するように構成されている。図３内に示される実施形態において、各セットは、１，２，３，４として呼ばれる４個のフォトダイオード（４ＰＤ）からなる。各セットからのＰＤ１は、電気的に接続されて（結線総和：wired sum）、グループを形成しており、ＰＤ２、ＰＤ３、及びＰＤ４についても同様であり、アレイから出る４つの信号線を提供している。それらの対応する電流又は信号は、Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、及びＩ_４である。これらの信号（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、及びＩ_４）を、グループ信号と呼ぶことができる。バックグランドのサプレッション（及び信号強調）は、同相の差動電流信号３１４（Ｉ_１３）＝Ｉ_１−Ｉ_３を生成するために、差動アナログ回路構成３１２を用いることによって成し遂げられ、直角位相の差動電流信号３１８（Ｉ_２４）＝Ｉ_２−Ｉ_４を生成するために、差動アナログ回路構成３１６を用いることによって成し遂げられる。これらの同相及び直角位相信号を、ライン信号と呼ぶことができる。Ｉ_１３とＩ_２４の位相を比較することは、運動の方向を検知することを可能にする。

好適には、位相エラーの挿入を抑制するためには、それを変位エラーに直接変換することができ、本発明のセンサは、複数のくし型アレイを用いる。更には、本明細書内に記載された実施形態は、個々のアレイについて「４Ｎ」方式を用いているが、システム設計の基本原理は、３Ｎ、５Ｎ、６Ｎ、７Ｎ、８Ｎ、等のような他のアレイ構成か又は方式に対して（適切な修正によって）適用可能である。用語「４Ｎ」は、４番目毎の検出器が互いに結線された検出器アレイのことを指し、その結果として生じる４つの光電流信号が、Ｄａｎｄｌｉｋｅｒ他（米国特許第５，９０７，１５２号）において記載されたように互いに減算される。しかしながら、多くの他のグルーピングが、信号を組み合わせるための適切な方式によって可能である。
スペックルボイリング問題を低減するテレセントリック撮像
図１内に示される例のようなスペックルパターンを、スペックルマウスのような測定デバイスに対する変位を表面が受ける変位測定のための基準として使用することができる。変位を、検出器上のスペックルパターンの変位から（効果的な光学的拡大要因を考慮した後に）推定することができる。従って、順調な測定のための一要因は、スペックルパターンが、そのパターン自体における比較的微小な変化（変更）のみと共に、小さな［すなわち、検出器の視野（ＦＯＶ：field-of-view）と比較して小さな］変位についてほぼ純粋な変換（トランスレーション）を受けることである。そのような状況において、相関か又は他の信号処理アルゴリズムを用いて、物理的な変位を決定することができる。

スペックルパターンにおける変化は、少なくとも２つの源から到来する。変化の第１の源は、検出器の視野（ＦＯＶ）を出る表面の部分に起因するが、検出器システムが該表面に対してずらされると、新たな部分が、検出器の視野に入って来る。スペックルパターンの変化のこの源は、回避することができないが、その影響は、検出器をその視野を横切って動かすためにかかる時間よりも、より速いある時間における変位を推定することによって最小化される。

スペックルパターンの変化の第２の源は、表面がずらされる時の、粗い該表面上のポイントに対する視野角の変化に起因する。本特許出願内において記載されるように、撮像光学素子が、対象物側（その拡散する表面）において非テレセントリックである場合に、変化のこの第２の源が発生することに出願人は留意されたい。このことは、光線の角度範囲が、そのフィールドポイントに依存することを意味する（例えば、図４を参照）。

図４における例示は、対象物側において非テレセントリックである撮像システムのレンズ４０４下の表面４０２上の幾つかのポイントの各々から放射されている幾つかの（５つの）例示的な提供される光線の角度範囲を示す。図示された光線が、非テレセントリックイメージシステムのシステムアパーチャ（図示せず）を通過するとみなし、更に、提供される光線の各セットの中間の光線が、該システムアパーチャの中心を通過する主光線（chief ray）であるとみなす。図４から見てわかるように、各イメージポイントにおける表面に対する主光線の角度は、視野内におけるそのポイントの位置に依存する。換言すると、各イメージポイントにおいて提供される光線の角度範囲は、フィールドポイントに依存している。

対象物側の非テレセントリック撮像システムの検出器がずらされると、イメージに対して提供される所与のフィールドポイントからの光線のセットが変化する。角度の変化が、レンズの開口数の２倍以上の時には、容認できない極部において、完全に相関が無くされたスペックルが発生することとなる。比較的変換が一定のスペックルパターンを維持するために、角度の変化は、レンズの開口数（ＮＡ：numerical aperture）よりも少なくすべきである。

対象物側においてテレセントリックな撮像システムは、図５Ａ及び５Ｂに例示されている。対象物側のテレセントリック撮像において、各イメージポイントにおいて提供される光線の角度範囲は、実質的には、フィールドポイントに依存せず、そのスペックルパターンは、実質的には、撮像システムの視野と比較して小さな変位に関して変換が一定である。換言すると、各イメージポイントからの主光線は、平行である。

図５Ａにおける第１の例は、主光線が表面４０２に対して通常（ノーマル）であるように構成された対象物側のテレセントリック撮像システムについてのレンズ５０２を示す。

図５Ｂにおける第２の例は、主光線が表面４０２に対して通常でない（ノーマルでない）角度であるように構成された対象物側のテレセントリック撮像システムのレンズ５０４を示す。この実施形態は、照射及び撮像機能のための同じレンズ５０４の使用を可能にする。このような構成において、撮像機能に加えて、レンズを用いて、異なる角度から視野において直接的に光線５０６を照射することができる。

主光線は、システムアパーチャの中心を通過する光線である。本開示内において用いられるように、対象物（すなわち表面）から到来する全てのか又は実質的な大部分の主光線が平行であるか又は事実上平行である場合には、撮像システムは、対象物側においてテレセントリックである。同様に、イメージ（すなわち検出器）に向かって進む全てのか又は実質的な大部分の主光線が平行であるか又はほぼ平行である場合には、撮像システムは、イメージ側においてテレセントリックである。

対象物側のテレセントリックシステムにおいて、対象物を軸に沿って（対象物の表面が撮像システムに近づくようにか又は撮像システムから離れるように移動するようにｚ軸に沿って）動かすことは、イメージの拡大における変化が無いか又はほとんど無い結果となるはずである。このことは、上述のように、主光線が平行であることによる。軸に沿って対象物を動かすことは、イメージの焦点をずらす可能性があるが、スペックルパターンの動きに基づく動作を追跡している時には、そのような焦点のずらしは、問題とされるべきではない。

本発明の一実施形態に従って、対象物側においてテレセントリックである場合には、及び、照射ビームが表面にあたる前に該照射ビームがほぼ平面の同位相波面を有する場合には、光学位置検知システムを、ほぼ低減されたスペックルボイリングを有するように構成することができる。それとは対照的に、対象物側のテレセントリック光学部品を除いて、及び／又は、照射ビームの均一同位相波面を除いて、実質的なスペックルボイリングが発生する。不均一な同位相波面は、例えば、発散する可能性がある。

対象物側においてテレセントリックであり、且つ、表面に同位相波面が衝突する前に実質的には平面の（すなわち、実質的には均一の）該同位相波面を有する撮像システムは、結果として、変換（トランスレーション）中に低減されたスペックルボイリングを生じる。一方、対象物側ではなく撮像側においてテレセントリックである撮像システムは、変換(トランスレーション）中にスペックルボイリングを低減しない。

図６及び図７は、テレセントリック性を、撮像システム内におけるアパーチャの位置の選択によって決定することができることを示す。

図６は、システムアパーチャ６０４がレンズ６０２のすぐ後ろに位置付けられるように構成された撮像システムを示す。表面４０２上のイメージポイントごとに異なるある角度において主光線（より厚い光線）がレンズ６０２を通過するので、これは、非テレセントリックシステムである。

図７は、レンズ７０２の対象物側においてテレセントリックである撮像システムを示す。図７の構成において、システムアパーチャ７０４は、後方の焦点面において位置付けられており、対象物の表面４０２において、全てか又は実質的には全ての主光線が平行である（この場合は通常（ノーマル）のケース）。後方の焦点面は、レンズ７０２から離れた、レンズの焦点距離ｆに等しい光学的な距離に位置付けられる。図７に図示されるように、媒体が空気であるか又は真空の場合には、光学的な距離は、レンズ７０２と後方の焦点面との間の実際の距離に等しい。しかしながら、材料によって異なる屈折率を有した材料が用いられる場合には、レンズ７０２とシステムアパーチャ７０４との間の実際の距離は、それに応じて、調整されることとなる。

図７において示された対象物側のテレセントリックシステムは、後方の焦点面に位置付けられたアパーチャを有する。従って、対象物側からの平行化されたビームが、効果的にアパーチャによって合焦され、通過させられるはずである。換言すると、実質的な大部分の平行化されたビームは、対象物側のテレセントリックシステムの後方の焦点面のアパーチャを通過するはずであるが、それは、非テレセントリックシステムについては必ずしも当てはまるとは限らない。

図７は、主光線が表面４０２に対して通常（ノーマル）であるように構成された対象物側のテレセントリックシステムの一実施形態を示すが、例えば、図５Ｂに関連して上記に説明されたように、主光線が表面４０２に対して通常でない（ノーマルでない）角度にあるような代替の実施形態を構成することができる。

図７は、対象物側においてテレセントリックである撮像システムを示すが、図８は、イメージ側においてテレセントリックである撮像システムを示す。図８において、アパーチャ８０４は、レンズ８０２の前方の焦点面に位置付けられている。図８におけるシステムは、変換（トランスレーション）中にスペックルボイリングを低減しない。

対象物側とイメージ側との両側においてテレセントリックであるシステムが、図９において示されている。ここで、ｆ１とｆ２とはそれぞれ、左手の（対象物側の）レンズ９０２の焦点距離と、右手のレンズ９０４の焦点距離である。前方のレンズ９０２の焦点距離はｆ１であり、後方のレンズ９０４の焦点距離はｆ２である。この構成において、アパーチャ９０６は、前方レンズ９０２の後方の焦点に位置付けられ、後方レンズ９０４の前方の焦点に一致する。焦点距離を、所望のように倍率＝ｆ２／ｆ１のように選択することができ、合計の長さｆ１＋ｆ２に制約される任意のサイズを満たすことができる。

本発明の一実施形態に従って、変化すること無くか又は非常に少ない変化と共に変換（トランスレート）するスペックルイメージを維持するために、検出器におけるイメージポイントを、対象物（表面）が変換されたのと同じ束の光線から形成することができる。換言すると、提供される光線の角度の範囲は、表面の変換が生じる時には、一定か又はほぼ一定とするべきである。例えば、図７か又は図９におけるように、光学システムが対象物側においてテレセントリックである場合に、そのような一定状態が現われる。アパーチャ及びレンズは、検出器と共に動かされるため、イメージ側におけるテレセントリック性は、いくつかの利点を有することができるが、その利点は必要とされない。

上記の説明において、システムアパーチャの平面が、イメージの開口数が画定される場所に位置付けられる。アパーチャ（開口）は、例えば、図７及び図９において図示されるように、透過なセクションで故意に挿入される不透過構造を含むことができる。代替として、アパーチャは、システム内にレンズを含むことができるか、又はそのようなアパーチャを画定するための他の手段を含むことができる。
光学部品の配置
上述のように、（例えば、図７か又は図９に示されるような）テレセントリック撮像光学部品を用いて、変化（変更）すること無くほぼ変換（トランスレート）する堅牢なスペックル信号を生成することができる。そのような撮像光学部品を、照明光学部品と組み合わせて、完全なシステムを形成することができる。

照明光学部品１００２及び撮像光学部品１００４のこの組み合わせの一実施形態は、図１０において示される。この実施形態において、照明光学部品１００２は、照射１００６が表面４０２に関する通常のベクトル対して非ゼロ入射角θにおいて到来するように構成される。

上述の特定の実施形態の説明と本発明の例とが、例示及び説明の目的のために提示されてきた。本発明が、特定の前述の例によって説明され且つ例示されてきたが、それによって限定されるようには解釈されない。それらは、網羅的か又は開示した厳密な形態に発明を制限することが意図されず、本発明の範囲内における多くの修正、改善、及び変形形態が、上記教示を考慮して可能である。本発明の範囲が、本明細書内において開示したような一般的な領域を包含することが意図され、及び本明細書に添付された特許請求の範囲及びその等価物によることが意図される。

滑らかな表面から反射された光の回折パターンを示す図である。 粗い表面から反射された光の干渉パターンにおけるスペックルを示す図である。 本発明の一実施形態による、スペックルベースのＯＰＤの機能ブロック図である。 本発明の一実施形態による、感光素子のインターレス（飛び越し）グループを有するアレイのブロック図である。 １つの例示的な非テレセントリック撮像システムを示す光線図である。 本発明の一実施形態による、表面に対する通常の主光線による１つの例示的なテレセントリック撮像システムを示す光線図である。 本発明の一実施形態による、表面に対して通常でない角度における主光線による１つの例示的なテレセントリック撮像システムを示す光線図である。 アパーチャがレンズ位置において配置される非テレセントリック撮像システムの光学的な概略図である。 本発明の一実施形態による、表面に対する通常の主光線による対象物側においてテレセントリックである撮像システムの光学的な概略図である。 イメージ側においてテレセントリックである撮像システムの光学的な概略図である。 本発明の一実施形態による、対象物側とイメージ側との両方においてテレセントリックである撮像システムの光学的な概略図である。 本発明の一実施形態による、照明光学部品とセンサのための撮像光学部品とを含むシステムの光線図である。

Claims (19)

1. 連続するフレーム内における光学的な特徴の変位を判定することによって、ある表面を横切るデータ入力デバイスの動作を検知するための光学変位センサであって、
   コヒーレントな光源を含む照明器であって、前記表面の一部を照らすよう構成され、該表面からの散乱光がスペックルパターンを生じるよう構成されていることからなる、照明器と、
   前記表面の照らされた部分から発生する、前記スペックルパターンを含む前記光学的な特徴を、撮像するよう構成された、対象物側のテレセントリック撮像光学部品と、
   前記対象物側のテレセントリック撮像光学部品によって撮像された前記光学的な特徴に関する強度データを検出するよう構成された感光素子アレイ
   とを備える、光学変位センサ。
2. 前記対象物側のテレセントリック撮像光学部品によって撮像される前記光学的な特徴は、前記データ入力デバイスに対する前記表面の変換中に実質的には一定である、請求項１に記載の光学変位センサ。
3. 前記コヒーレントな光源は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含み、
   前記感光素子は、フォトダイオードを含むことからなる、請求項１に記載の光学変位センサ。
4. 主光線が前記表面から出る時には、視野内の前記表面上のポイントからの該主光線が実質的には平行であるように、前記対象物側のテレセントリック撮像光学部品が構成される、請求項１に記載の光学変位センサ。
5. 前記主光線が前記表面を出る時には、前記主光線は前記表面に対して通常である、請求項４に記載の光学変位センサ。
6. 前記主光線が、前記表面に対して通常ではない角度において該表面を出る、請求項４に記載の光学変位センサ。
7. 前記対象物側のテレセントリック撮像光学部品が、
   アパーチャと、
   前記アパーチャと、前記表面の照らされた部分との間に配置された第１のレンズ
   とを備えることからなる、請求項１に記載の光学変位センサ。
8. 前記第１のレンズが、該第１のレンズと前記アパーチャとの間の光学距離にほぼ等しい焦点距離を有する、請求項７に記載の光学変位センサ。
9. 前記アパーチャと前記感光素子との間に配置された第２のレンズ
   を備えるイメージ側テレセントリック撮像光学部品を更に備え、
   前記第２のレンズは、該第２のレンズと前記アパーチャとの間の光学距離にほぼ等しい焦点距離を有することからなる、請求項８に記載の光学変位センサ。
10. 前記アパーチャは、前記感光素子によって検出される光の開口数を画定する光学素子を含む、請求項７に記載の光学変位センサ。
11. 前記アパーチャは、実質的に透過なセクションと実質的には不透過なセクションとを有する光学素子を更に含む、請求項１０に記載の光学変位センサ。
12. 前記アパーチャは、円形の形状の実質的には透過なセクションを有する、請求項１１に記載の光学変位センサ。
13. 前記光学的な特徴は、スペックル、前記表面から反射された光によって形成された複雑な干渉パターンを含み、
    前記スペックルパターンの変位に基づき、前記表面を横切る前記データ入力デバイスの動作を検知するよう構成されたスペックルベースの変位センサを前記光学変位センサが含むことからなる、請求項１に記載の光学変位センサ。
14. 表面を横切るデータ入力デバイスの動作を検知する方法であって、
    コヒーレントな光源からの光によって前記表面の一部を照らしてスペックルパターンを生成し、
    前記表面の照らされた部分からの前記スペックルパターンを含む光学的特徴のイメージを、対象物側のテレセントリック撮像光学部品を用いて感光素子アレイにマッピングし、及び、
    少なくとも１次元内において、前記表面を横切る前記データ入力デバイスの動作を感知するために、連続するフレーム内における前記表面の前記照らされた部分から発生する光学的な特徴の変位を判定する
    ことを含むことからなる、方法。
15. 前記テレセントリック撮像光学部品は、前記表面を横切る前記データ入力デバイスの前記動作中に、低減されたスペックルボイリングと共に前記表面から発生する前記光学的な特徴を撮像することからなる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記照らすことは、レーザを用いることによって実施され、
    前記照らされた部分から発生する前記光学的な特徴は、スペックルパターンを含むことからなる、請求項１４に記載の方法。
17. 光学位置決めデバイスであって、
    表面の一部を照射するよう構成されたレーザであって、該表面からの散乱光がスペックルパターンを生じるよう構成されていることからなる、レーザと、
    感光素子アレイと、
    前記表面の前記照射された部分からの前記スペックルパターンを、前記感光素子アレイに焦点を合わせるよう構成された、対象物側におけるテレセントリック撮像光学部品と、
    連続するフレーム内の前記スペックルパターンの変位を判定するよう構成された信号プロセッサ
    とを備え、
    前記テレセントリック撮像光学部品によって撮像された前記スペックルパターンは、前記光学位置決めデバイスに対する前記表面の変換中に実質的には一定であることからなる、光学位置決めデバイス。
18. 前記対象物側における前記テレセントリック撮像光学部品が、
    アパーチャと、
    前記アパーチャと、前記表面の前記照射される部分との間に配置されたレンズ
    とを備えることからなる、請求項１７に記載の光学位置決めデバイス。
19. 前記照射は、前記表面にあたる前に、ほぼ均一な波面を有する、請求項１７に記載の光学位置決めデバイス。

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