TWI252435B - System and method for optical navigation using a projected fringe technique - Google Patents

Description

1252435 九、發明說明： I：發明戶斤屬之技術領域3 相關申請案之相互參照 本發明係有關共同審查中且共同讓與之美國專利申請 5 案第10/439,674號，申請日2003年5月16日，名稱「基於干 涉計之巡航裝置」；共同審查中且共同讓與之美國專利申請 案第10/630,169號，申請日2003年7月30日，名稱「光學巡 航方法及裝置」；共同審查中且共同讓與之美國專利申請案 第10/680,525號，申請日2003年10月6日，名稱「光學巡航 10 方法及裝置」；以及共同審查中且共同讓與之美國專利申請 案第10/690,421號，申請日2003年10月30日，名稱「低功率 耗用寬巡航能力光學滑鼠」，各案内容以引用方式併入此 處。 發明領域 15 本案係有關移動感測光學裝置，特別係有關運用投影 條紋技術行光學巡航之系統及方法。 L先前技3 發明背景 既有相對移動偵測用之光學裝置利用圖案交互關聯技 20 術，經由捕捉當裝置通過表面或同等當表面通過裝置時之 表面特徵圖案，來決定裝置與表面間之相對移動。裝置移 動之距離及方向係經由比較一種條紋圖案與次一條紋圖案 決定。此項技術典型偵測表面陰影強度變化；其敏感度及 用途係依據被捕捉之表面圖案強度對比度決定。相對移動 1252435 感測器例如用於電腦指標器（如滑鼠）之控制◦此種指標器典 型使用光學來控制指標器於電腦螢幕上的位置。更常見， 光學巡航資訊可用來補償掃描裝置沿掃描路徑之直線移動 及旋轉移動之失真缺陷。 5 5,786,804 ; 5,578,813 ; 5,644，139 ; 6,442,725 ; 6,281，882 及6,433,780專利案說明光學滑鼠、其它手持式巡航裝置及 手持式掃描器之範例。典型既有裝置於鏡面或光澤面、均 勻面、具有淺紋理表面如玻璃或白板效果不佳。於此種裝 置，為了改良影像對比度，鏡面反射通常經過遮蔽，只捕 10 捉來自表面之散射光輻射。使用之表面通常必須可投影陰 影。通常表示欲觀察之表面紋理必須具有尺寸係於使用之 光輻射波長之幾何光學範圍。如此須限定於特定表面類型 乃目前光學滑鼠設計之典型缺點。 【發明内容】 15 發明概要 根據本發明，提供一種測定相對於一巡航地域移動用 之光學巡航系統。該系統包括一光學巡航裝置，其可操作 來產生二重疊相干性光輻射束。二重疊光束可操作來產生 一干涉條紋圖案，讓具有條紋圖案之二重疊光束可操作來 20 照明該巡航地域之一表面部分。該光學巡航裝置進一步包 括一偵測器陣列，其可操作而回應於輸入光學影像圖案來 產生一輸出信號圖案，以及一成像元件設置來於偵測器陣 列上成像一以該二重疊光束照明之巡航地域表面部分。 進一步根據本發明，一種測定一光學巡航裝置與一巡 1252435 航地域間之相對移動之方法，包括產生二重疊相干性光 束，以及介於二重疊光束間產生一干涉條紋圖案。該方法 進一步包括使用該干涉條紋圖案照明該巡航地域之一表面 部分，成像一經條紋照明之表面部分，以及回應於該經成 5 像之條紋照明表面部分產生一信號圖案。 圖式簡單說明 為求更完整了解本發明，現在將對前文說明結合附圖 做說明，附圖者： 第1圖為高階方塊圖，顯示根據本發明之具體例之光學 10 巡航系統； 第2A圖為光學略圖，顯示根據本發明之具體例，運用 投影條紋技術行光學巡航之系統實作； 第2B圖為光學略圖，顯示根據本發明之具體例，運用 投影條紋技術行光學巡航之另一系統實作； 15 第2C圖為光學略圖，顯示根據本發明之具體例，運用 投影條紋技術行光學巡航之又另一系統實作； 第3圖為流程圖，顯示根據本發明之具體例，以光學方 式決定巡航面相對於巡航裝置之二維移動之操作順序；以及 第4圖為略圖，顯示根據本發明之具體例之電腦系統。 20 【實施方式】 較佳實施例之詳細說明 第1圖為根據本發明之具體例，顯示光學巡航系統10 之高階方塊圖。光學巡航系統10測定光學裝置101例如光學 滑鼠與巡航地域102間之相對位置，巡航地域102可相對於 1252435 光學裝置101以任何方向移動（以箭頭1〇7、⑽表示）。後文 使用之巡航地域102為-移動物件或相對於光學|置⑻可 k疋位物件，故光學裝置1〇1與巡航地域1〇2間之相對移動 或位置決定輸出信號。 5 操作時，巡航地域102係以來自光學裝置1〇1之光源模 組103之光輻射11〇照明。光輻射11〇係與巡航地域1〇2交互 作用處理，因此於照明統射11G之圖案於由巡航地域ι〇2 傳播（例如透射或反射）之出口光學輻射112經修改。本發明 之若干具體例中，出口光學輻射112之圖案係經由例如照明 10之光輻射11〇與巡航地域102表面1〇6之交互作用例如為反 射或散射而被修改。另外，例如圖案可經由光輻射11〇傳輸 通過巡航地域102之體積出現的交互作用而被修改。 偵測器例如偵測器陣列104捕捉圖案化後之出口光學 輻射112且產生信號114。存在於出口光學輻射112之條紋圖 15案係來自於照明光學輻射110之二入射波前之干涉以及照 明光學輻射與巡航地域102之交互作用所致。此等條紋圖案 為出口光學輻射112之空間強度侧繪之明暗修改，直接對應 於巡航地域102表面106之表面高度變化。捕捉可使用偵測 器陣列進行，偵測器陣列例如為CCD、CMOS、GaAs、非 20晶矽或任何其它適當偵測器陣列。典型地，由光源模組103 發射之光輻射110之波長頻譜係匹配偵測器陣列1〇4之波長 回應來最佳化信號效率。信號114隨後傳輸至處理器1〇5， 信號114進一步經處理，回應於信號n4產生輸出信號116。 例如於處理器105，傳統上可使用比較連續成對捕捉訊框之 1252435 交互關係演繹法則進行處理來測定相對移動 干具體例巾，可提供時相號來^相對速度。輪出信號 116可組構例如來驅動指標器於電腦榮幕位 光源模組順债測器陣列104典^共立同置封裝 置獲得結構完整性。處理㈣5也封裝於光學裝 置例如光學裝置101，但另外可位為伞 位在先孥巡航系統10它處。 本發明之若干具體例中，光學裝置1〇1本—+ 直川1表不電腦系統之光學 滑鼠，可選擇性由操作員手持移動。 第2A圖為根據本發明之具體例， 1J顯不運用投影條紋技 10 15 術行光學巡航系統實作200之井學欢同 ^ 尤子略圖。系統200結合

Michelscm/Twyman-Green干涉計組配結構，包括分束琴％ 及反射H25_26，其分束且轉向來自相干性光助之光成為 二重疊相干性光束（平面波)204、206其照明巡航表面22。來 自相干性光源21例如VCSEL雷射光源之光係呈發散光束 201發出，其隨後經準直化形成平行光束2〇2，例I使用準 直元件23準直化。於分束為、24，平行光束2〇2係呈反射光束 203a部分反射’呈透射光束205a部分透射。反射光束2〇3a 由反射為25反射成反射光束203b ’其隨後經分束哭24透射 成為照明光束204。同理，透射光束2〇5a係呈反射光束2〇5b 反射，其隨後由分束器24反射成為照明光束2〇6。 反射器26相對於反射器25之法線係以小楔形角傾斜， 讓照明光束204及206相對於彼此以角Θ重疊，如所附波向量 細節顯示，照明光束204之波向量I!及照明光束206之波向 量>k2。二平面波204、206可取為相等強度，未喪失概略性， 20 1252435 干涉且產生投影交替亮暗條紋圖案於巡航面22，條紋間隔

d2=(波長/2)(sin(0/2))， 此處條紋間隔d2係由暗條紋中心至次—田比鄰亮條紋中 心測定，以及此處Θ為波向量>1^1與>1^之夾角。此乃眾所周 知之紋波度量衡技術’ It該技術可測定表面形變、表面# 動及表面輪靡。為求簡明，圖中未顯示於分束哭24由反射 光束203b部分反射以及由反射光束205b部分透射所形成之 光束。後述部分透射光束可能重新進入雷射光源21光腔， 10 可能對雷射模效能造成不良影響，但可藉略為旋轉分束器 防止光束重新進入加以避免。另外隔離件例如法拉第轉子 可設置於雷射與分束器間。 右表面例如巡航表面22藉一相干性平面波例如照明光 束204、206照明，則二光束將干涉，將形成一系列交替明 暗輪廓Μ，此處表φ係絲面與投影條紋交叉處形成一 b系列交替明暗輪廓圖案。若照明表面被成像至债測器陣列 28例如CMOS陣列成像器或攝影機，則可產生表面輪廉（亦 即表面高度變化)之持久記錄。巡航面22之點例如可藉使用 成像兀件27捕捉發散光線2〇7及再度會聚光線208至偵測器 陣列28之對應像素，而被成像至偵測器陣列Μ。藉此巡航 表面22各點經成像至谓測器陣列28之獨特點。 弟2B圖為根據本發明，運用投影條紋技術行光學巡航 之另一系統實作220之光學略圖。來自相干性光源21例如 VCSEL雷射光源之光發射至經導引之光徑例如光纖如。於 刀束為213 ’光被分成多重導引光徑，為求簡明只以雙光纖 1252435 222及223舉例說明，結果個別相干性點光源A及B於空間分 開距離dl。來自雙重相干性點光源A及B個別之光行經有不 同光徑長度之未經導引之光徑至巡航面212。例如來自點光 源A入射於巡航面212點P之光226行經光徑長度r>A之未經 5 導引之光徑224，而來自點光源B入射於巡航面212點P之光 226行經光徑長度r>B之未經導引之光徑225。 來自間隔緊密相干性點光源A及B導向巡航面212之 光，根據就第2A圖提供之分析，重疊且產生相干性圖案。 相干性入射於巡航面212，於該處進一步受巡航面212之表 10 面地形調變，產生表面高度變化之獨特光學呈現。第2B圖 中，表面212來自點P 226之發散光227顯示係由成像元件 214成像，成像元件214將光228會聚於偵測器陣列215之元 件或像素216成像。同理，來自相干性點光源A&B組合之 重疊光照明巡航面212之點閉聯集。此種點閉聯集界定巡航 15面，修改反射光之空間強度側繪，其又成像於偵測器陣列 215之對應像素。如此巡航面212之各點被成像至偵測器陣 列215之獨特位置。於偵測器陣列215，回應於來自二路徑 之光干涉而產生信號。二維相對移動例如第26圖速度軸細 節之vx、vz速度分量係由傳統空間交互關係演繹法則測定。 20 就第2A及2B圖所述技術可應用於例如光學滑鼠作為 光學巡航技術。光源及_器於電腦滑鼠樣外殼内相對於 彼此之尺寸固定，呈-個單元相對於巡航面22平移。若巡 航面平移，則於谓測器陣列觀測得條紋圖案(強度變化)改變。 第2A圖中，條紋間隔犯界定三維空間條紋圖案，於該 1252435 體積光束204及206彼此重疊且互相干涉。如此此種三維條 紋圖案將於其交叉之任何橫向表面或縱向表面投影成二維 條紋影像圖案。特別，由光束204與206重疊產生之干涉圖 案將投影條紋影像圖案於巡航面22。 5 第2C®為根據本發明，運用投影條紋技術行光學巡航 之又另一系統實作220之光學略圖。光學巡航裝置231提供 光源233a、233b、偵測器陣列215及光學元件214、235&及 235b女I於結構支持件232。交叉相干性光束236a及236b重 疊且產生干涉（或紋波)條紋圖案237，其照明巡航地域212。 10干涉圖案237進一步藉巡航地域表面地形調變，藉成像元件 214成像於偵測器陣列215。如同第2A及2B圖，光學巡航裝 置231與巡航地域212間之相對移動被偵測為經成像且經調 變之干涉圖案變化。 如第2C圖所示，重疊相干性光束236a及236b各自由分 15開相干性光源233a、233b產生。光源例如係選自二極體發 射器、雷射一極體雷射及垂直腔表面發射雷射（VCSEL)。 若須穩定條紋圖案，則使用多種傳統技術之任一種將光源 相位相對於彼此鎖定，則可達成且維持二分開雷射光源間 之相干性（例如參考Snadden等人光學函件第22卷，第12 2〇期，892-894頁，1997年6月15及其中引用之參考文獻）。另 外，經由以第2A及2B圖所述方式，將來自單一光源之相干 性光束分束，可產生重疊相干性光束236a及236b。波長可 微調光源可視需要用於本發明之任一具體例。如第2C圖所 示，各發散光束235a、235b隨後經準直化，由繞射元件 12 1252435 234a、234b轉向導向來提供重疊相干性光束236a、236b。 另外，發散光束235a、235b可經準直化，而使用單一或複 數個非繞射光學元件來轉向。 經由電子處理投影條紋至巡航表面22或212偵測得之 5 影像信號（進行連續影像框之交互關係計算），可獲得巡航面 之二維同平面移動（異位，速度）。然後處理器輸出信號用來 控制指標器於電腦螢幕之位置。 經由比較連續儲存框，處理器1〇5(參考第1圖）可決定相 對移動，讓連續二框之交互關係計算用來決定相關同平面 10 移動之距離及方向。一捕捉框與連續捕捉框部分重疊。如 此，巡航軟體演繹法則可「注視」多於一框之特定可識別 點，然後計算各自已經移動的距離及方向。經由儲存連續 成對框，可於處理器105使用傳統交互關係演繹法則測定重 ®特性’如此獲得移動方向及移動幅度。此項處理細節說 15明於美國專利5,786,804，廣用於光學指標裝置，該光學指 標裝置係仰賴比較連續表面框，而表面框係根據傳統技術 例如表面反射之光輻射形成一陰影而產生。 第3圖為流程圖，顯示根據本發明之具體例，以光學方 式測定巡航面相對於巡航裝置之二維移動之操作順序 20 300。於操作302，提供相干性光束例如光束202 ;於操作 303，光束經分束被轉向成為二重疊（交叉)相干性光束例如 光束204及206。另外於操作302及303，二重疊相干性光束 各自係由一分開相干性光源產生。後述情況下，若有所需， 可利用二光源相對於彼此之相位鎖定來維持相干性。然後 13 1252435 分開產生之光束經準直化吏 ㈣鮮m ㈣早—❹重折料件及/或 非折射先子7G件轉向。於操作3〇4，- 干涉圖案；於操作305,相干性固幸;：f登相干性光束產生 —於操物6，被投影之干==於巡航面如巡航面 憤測器陣舰，其提㈣像於_轉列如 + 就而於操作3〇7接受處理。於操作 _、==胁連續框對間，來決定巡航面22 或速度輸出信號。 一3叫供二維位置及/ 10 15 20 …前文說明係彻二維投影條紋圖錢定制器相對於 、航面—之同平面移動。此種二維技術高度可制於光學滑鼠。 第^為略圖，顯示根據本發明之具體例之電腦系統 。光+滑氣410相對於固定巡航面移動，類似請 f型包括相干性光源，以及包㈣測器，該偵測 :有=似弟1圖谓測器陣列104。連續位置影像經處理且透 =無線方式發送給_〇供顯示，通常係控制電腦 個小箭頭或小指標位置。典型地，定位處理 料光學滑鼠部例如藉類似第旧影像處理器:之 種處理錢行定位處理。另外可

运原始影像:#_其"間資料)由光學^41Q線方式电 430供虛w组、 ）田尤子/月既410迗至CPU

43〇血型^滑鼠彻可選擇性地由操作員手持移動。CPU 係與使用者輸入裝置如鍵盤互連。 鑪定具體例說明本發明，但熟諳技藝人士 發明音圖Γ可做替代、修改及變化。如此本 -皇洛入隨附之申請專利範圍之精趙及範圍内之 14 1252435 全部其它此等替代、修改及變化。 【圖式簡單說明】 第1圖為高階方塊圖，顯示根據本發明之具體例之光學 巡航系統； 5 第2A圖為光學略圖，顯示根據本發明之具體例，運用 投影條紋技術行光學巡航之系統實作； 第2B圖為光學略圖，顯示根據本發明之具體例，運用 投影條紋技術行光學巡航之另一系統實作； 第2C圖為光學略圖，顯示根據本發明之具體例，運用 10 投影條紋技術行光學巡航之又另一系統實作； 第3圖為流程圖，顯示根據本發明之具體例，以光學方 式決定巡航面相對於巡航裝置之二維移動之操作順序；以及 第4圖為略圖，顯示根據本發明之具體例之電腦系統。 【圖式之主要元件代表符號表】 10...光學巡航系統 103…光源模組 21...相干性光源 104…偵測器陣列 22...巡航面 105...處理器 23...準直元件 106...表面 24...分束器 107，108...箭頭 25，26...反射器 110...光輻射 27...成像元件 112…出口光輻射 28...偵測器陣列 114...信號 101...光學裝置 116...輸出信號 102...巡航地域 2⑻…光巡航系統 1252435 201···發散光束 202…平行光束 203a-b.··反射光束 204…準直光束 205a-b··.透射光束 206···平面波，相干性光束 207…發散光線 208···重新會聚光線 212.. .巡航面 213…分束器 214…成像元件 215…偵測器陣列 220··.光巡航系統 221-223·.·光纖

224，225…未經導引之光徑 226…點P 227.. .發散光 228…會聚光 231…光巡航裝置 232…結構支承件 233a-b...光源 234a-b...繞射元件 235a-b···光學元件 236a-b…相干性光束 237···干涉圖案 300···操作順序 301…開始 302...¼供相干性光束 3〇3·.·將相干性光束分束成為 二交又光束 304·.·產生一光束間之干涉圖案 305·.·投影干涉圖案至巡般面 上，產生表面輪廓圖案 3〇6…成像表面輪廓圖案至偵 測器陣列 307···處理得自偵測器陣列之信號 3〇8···將處理所得信號與巡航 面相對於干涉圖案之二維移 動交互關聯 3〇9…輸出二維相對位置 (xV) ·’ 相對速度(Vx，Vy)

310…結束 400···電腦系統 410…光學滑鼠 420···固定巡航面 430…CPU 440···電腦顯示幕 16

Claims (1)

1252435 十、申請專利範圍： 1. 一種測定相對於一巡航地域之移動用之光學巡航系 統，該系統包含： 一光學巡航裝置，其可操作來產生二重疊相干性光 5 輻射光束，該二重疊光束可操作來產生一干涉條紋圖 案，故二重疊光束與該條紋圖案可操作來照明該光學巡 航之一表面部分； 一偵測器陣列，其可操作回應於一輸入光學影像圖 案來產生一輸出信號圖案；以及 10 一成像元件，其係設置來將以該二重疊光束照明之 該巡航地域表面部分成像至該偵測器陣列上。 2. 如申請專利範圍第1項之系統，進一步包含一主光源， 其可操作來產生一相干性光輻射主光束；以及 一分束元件，其可操作來將該相干性光輻射主光束 15 分束成為二重疊相干性光輻射光束，各重疊光束係具有 與該主光束實質相等之相干性程度。 3. 如申請專利範圍第2項之系統，其中該分束元件係實質 組配作為Michelson干涉計，以及其中該重疊光束相對於 彼此以角Θ傳播。 20 4.如申請專利範圍第1項之系統，進一步包含一處理器， 其可操作來處理來自偵測器陣列之信號圖案，以及產生 一輸出信號表示該巡航地域部分相對於該干涉條紋圖 案之二維移動。 5.如申請專利範圍第1項之系統，進一步包含二分開相干 17 1252435 生二重疊相干性 性光輻射光源，各分開光源可操作來產 光幸萄射光束之一。 5 6. 如申凊專利範圍第5項之系統 作而相對於彼此相位鎖定。 其中该一分開光源可操 7. 種測定一光學巡航裝置與— 之方法，該方法包含： 產生一重®相干性光束； 巡航地域間之相對移動 產生"於—重豐光束間之一干涉條紋圖案； 10 以該干涉條紋圖案照明該巡航地域之-表面部分； 成像該經條紋照明表面部分；以及 回應於該經成像之經條紋照明表面部分而產生— 信號圖案。 其中该產生二重疊相干 •如申請專利範圍第7項之方法 性光束包含： 15 由一單:光源產生一相干性光輻射之主光束；以及 將π亥主光束分束成為二重疊相干性光束，各重疊光 束具有與社光束實動時之相干程度。 =凊專賴圍第7項之方法，額外包含處理該信號圖 20 、木來產生-輪出信號表示該巡航地域部分相對於該干 涉條紋圖案之二維移動。 •如申請糊第7奴方法，其巾射生三重疊相干 光束包3由—分開光源產生個別重疊相干性光束。 18