TWI386682B - 用於產生實質均勻之斑點圖案的方法與系統 - Google Patents
用於產生實質均勻之斑點圖案的方法與系統 Download PDFInfo
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Description
本發明係為一種用於產生實質均勻之斑點圖案的方法與系統。
”斑點”一詞係與自一表面反射的光線的隨機分佈有關。斑點典型地具有光點(或”斑點”)之一高對比範圍,該等斑點係隨機地分佈在適當位置但其之尺寸與亮度相對地均勻。於一斑點觀測平面中個別斑點具有一平均尺寸,其係直接地與波長成比例,並與位在觀測平面處由表面之照射區域所對之視角成反比。因此,當偵測器表面之位置係相關於觀測平面而為固定時,斑點的尺寸能夠藉由照射區域之尺寸而加以控制。
增加或減少介於發散(或會聚)光源與表面之間的距離,係為改變照射區域之尺寸的一種技術。另一技術係為將一透鏡以一適當焦距配置在光源與表面之間。於第1圖中,係為先前技術的一光學照射系統的一概略圖式,透鏡102係配置在同調光源104與表面106之間。當光束108朝向表面106放射時,透鏡102將光束導向照射區域110。光線112自表面106反射產生斑點。
系統100中包括透鏡102,增加了系統100的成本及複雜性。透鏡102必需配置並位在距光源104適當距離處的中心位置,用以有效地將光線導向照射區域110。儘管能夠改變照射區域110之尺寸,但透鏡102無法有效地及顯著地改變
照射區域110之強度分佈(intensity profile)。
第2圖係圖示第1圖中照射區域110之強度分佈。第2圖之強度分佈典型地係在光線108未充滿透鏡102時產生。強度分佈200包括具有變化強度的區域202、204、206。所圖示之區域202係為光束強度最大的一區域。區域204係為與區域202相較強度較低的一區域,同時區域206係為強度較區域204為低的一區域。此不均勻的強度分佈係為所熟知的高斯分佈(Gaussian profile),且典型地係為針對移動測量及斑點導航產生及偵測斑點圖案所不欲見到。
就高斯分佈而言,必需配置諸如一孔徑112(見第1圖)的一光學元件,致使在系統之光學效率與可見區域之均勻照射之間達到折衷方式。當自偵測器114觀視時(當偵測器114係為對準位在強度分佈之最明亮部分,區域202,的中心位置時)一小孔徑(α<<θ)致使照射區域110顯露得更為均勻。但當孔徑係為小時,大量光線無法照在偵測器114。較大的孔徑傳送更多光線至偵測器114,但由偵測器114觀視的部分之照射區域110的均勻性不佳。
根據本發明,提供用於產生實質均勻之斑點圖案的一方法及系統。一繞射光學元件係配置在介於一同調光源與一表面之間的一光程上。以經設計用以產生具有實質均勻尺寸及強度的斑點圖案的一方式,將繞射光學元件經設計用以將光線彌散涵蓋表面上的一或更多光點。
當結合伴隨圖式閱讀時,藉由參考本發明之以上具體實施例的詳細說明將對本發明有充分的瞭解,其中:第1圖係為先前技術之一光學照射系統的一概略圖式;第2圖係為第1圖之照射區域110的一強度分佈圖;第3圖係為本發明之一具體實施例之一光學照射系統的一概略圖式;第4圖係為藉由第3圖之系統所產生的照射區域308;第5A圖係為藉由本發明之一具體實施例中的一繞射陣列產生器所產生的複數之射束(beamlet)的一概略圖式;第5B圖顯示沿著第5A圖中線5C-5C所配置的強度分佈534、536、538、540;以及第6圖係為利用第3圖之光學照射系統所作動的一光學導航裝置的一部分的一方塊圖。
以下所提出的說明使熟知此技藝之人士能夠構成並使用本發明之該等具體實施例。對於所揭示的該等具體實施例所構成不同的修改對於熟知此技藝之人士將可立即顯而易見的,並且於此所用的一般原理可應用在其他具體實施例。因此,本發明並不意欲限制在所示的該等具體實施例上,而係根據與附加的申請專利範圍以及於此說明的原理及特性相一致的最為廣泛的範疇。
相關於該等圖式並特別地相關於第3圖,顯示本發明之
一具體實施例的一光學照射系統的一概略圖式。系統300包括配置在光源304與表面106之間的一光程中的繞射光學元件(DOE)302。該DOE係為以不同於折射或反射的繞射方式轉換或調整光束之相鋒(phase front)的一元件。該DOE控制光束之方向與分佈。DOE之該等實例包括但不限定在一繞射陣列產生器、一夫瑞乃透鏡(Fresnel lens)、以及一繞射光柵。
光源304係為任一空間同調光源,例如,諸如雷射。於本發明之一具體實施例中,光源304及DOE 302係為獨立的光學元件。於本發明之另一具體實施例中,DOE 302係與光源104一體成型。例如,DOE 302可構成在光源104的一表面上,或是與光源104之封裝一體成型。
一般地,DOE 302經設計,以產生均勻照射區域308並產生具有實質均勻尺寸及強度的斑點圖案的該一方式下將光線306彌散。於本發明之一具體實施例中,照射區域308中的光線係為單一光束。於本發明之另一具體實施例中,照射區域308中的光線係為光之多重斑點或射束。
第4圖圖示由第3圖之系統所產生照射區域308。照射區域308係為位在一特定半徑內具有固定強度並且在半徑之外強度極小或無強度的其中之一區域。於第4圖中所示的強度分佈係為一所熟知的帽型強度分佈(tophat intensity profile)。帽型強度分佈容許表面106與偵測器310之間的光程設計成具最高光學效率。因此,於第3圖之具體實施例中,配置光學元件312致使α=θ。光學元件312係構形為第3
圖中的一孔徑。於本發明之其他具體實施例中,光學元件312可為其他型式的光學元件,包括但不限制在一透鏡或是一透鏡與孔徑結合。
於本發明之一具體實施例中,DOE 302係為一繞射陣列產生器。該繞射陣列產生器典型地係使用電腦輔助設計程序所設計。第5A圖係為藉由本發明之一具體實施例中的一繞射陣列產生器所產生的複數之射束(beamlet)的一概略圖式。DOE 302於照射區域532中產生射束500-530,並且每一射束係與相鄰射束偏移,致使當結合射束之強度分佈時,產生一總實質均勻強度分佈。該總實質均勻強度分佈產生具有實質均勻強度的斑點圖案。
第5B圖顯示沿著第5A圖中線5C-5C所配置的強度分佈534、536、538、540。藉由結合強度分佈534、536、538、540而構成總強度分佈542。以此方式,DOE 302針對射束500-530之結合強度分佈產生一實質均勻強度分佈。本發明之其他具體實施例中,以一單一光束構成照射區域532。
於此併入本案以為參考資料的美國專利第6,002,520號,說明一可於系統300中使用的繞射陣列產生器。繞射陣列產生器的表面具有於二垂直方向上成週期性的一薄表面凸起形態(thin surface-relief topology)。該每一多重強度分佈534、536、538、540中功率量,係藉由表面凸起形態之結構的深度及複雜性、繞射陣列產生器之材料、以及藉由光源104所產生光線的強度而加以確定。相鄰強度分佈之間的間隔,係藉由於每一方向上表面凸起形態之週期性、由光
源104所產生光線的中心波長、以及配置在DOE 302與表面106之間任一成像光學元件(未顯示)的特性而確定。
除了改善強度分佈外,所設計的DOE 302相關於光源304較不需精確對準,或能夠構成與光學元件相同封裝。此優點能夠降低系統的成本與複雜性,超越如第1圖中所示需一透鏡102的一系統。
參考第6圖,顯示本發明之一具體實施例的一光學導航裝置的一部分的一方塊圖。於第6圖中所示僅係為說明本發明所需之元件。該一光學導航裝置可為,例如,諸如一光學電腦滑鼠。
光源104朝向表面106,諸如桌面或是其他適合的導航表面放射光線。於照射區域306處,DOE 302產生一實質均勻強度分佈。當光學導航裝置600在表面106上移動時,反射光線602產生由偵測器604所捕捉的實質均勻斑點圖案。於本發明之一具體實施例中,偵測器604可具任一數目之空間濾波器(spatial filter)。
自偵測器604之輸出係輸入至捕捉及處理單元606。於本發明之一具體實施例中,該捕捉及處理單元606包括電子快門及信號整合單元608以及類比-數位變換器610。當電子快門608開啟時,電荷係為結合的。當電子快門608閉合時,電荷並未積聚或是將數值重置為零。
類比-數位變換器610自整合單元608接收類比信號,並將信號轉換成數位信號。多工器(multiplexer)612接著將信號傳送至移動測量單元614。移動測量單元614確定光學導
航裝置600之移動或速度。自移動測量單元614的信號輸出,典型地接著傳送至一計算裝置(未顯示)。
自移動測量單元614的信號輸出亦係傳送至控制器616。根據自移動測量單元614的信號輸出,控制器616將一信號傳送至電子快門608,控制或調整快門608開啟的時間量。控制器616亦提供電力至光源104,用以將光源開啟或關上並變化光源104之強度。
100‧‧‧系統
102‧‧‧透鏡
104‧‧‧同調光源
106‧‧‧表面
108‧‧‧光束
110‧‧‧照射區域
112‧‧‧光線/孔徑
114‧‧‧偵測器
200‧‧‧強度分佈
202,204,206‧‧‧區域
300‧‧‧系統
302‧‧‧繞射光學元件
304‧‧‧光源
306‧‧‧光線/照射區域
308‧‧‧照射區域
310‧‧‧偵測器
312‧‧‧光學元件
500-530‧‧‧射束
532‧‧‧照射區域
534,536,538,540‧‧‧強度分佈
542‧‧‧總強度分佈
600‧‧‧光學導航裝置
602‧‧‧反射光線
604‧‧‧偵測器
606‧‧‧捕捉及處理單元
608‧‧‧電子快門及信號整合單元
610‧‧‧類比-數位變換器
612‧‧‧多工器
614‧‧‧移動測量單元
616‧‧‧控制器
第1圖係為先前技術之一光學照射系統的一概略圖式;第2圖係為第1圖之照射區域110的一強度分佈圖;第3圖係為本發明之一具體實施例之一光學照射系統的一概略圖式;第4圖係為藉由第3圖之系統所產生的照射區域308;第5A圖係為藉由本發明之一具體實施例中的一繞射陣列產生器所產生的複數之射束(beamlet)的一概略圖式;第5B圖顯示沿著第5A圖中線5C-5C所配置的強度分佈534、536、538、540;以及第6圖係為利用第3圖之光學照射系統所作動的一光學導航裝置的一部分的一方塊圖。
106‧‧‧表面
300‧‧‧系統
302‧‧‧繞射光學元件
304‧‧‧光源
306‧‧‧光線/照射區域
308‧‧‧照射區域
310‧‧‧偵測器
312‧‧‧光學元件
Claims (10)
- 一種用於照射一表面以產生具實質均勻強度與尺寸的一或更多之斑點圖案的系統,其中每一個斑點圖案包含自該表面反射之光線,該系統包含:一空間同調光源,其可操作以朝該表面發射光線;以及一繞射光學元件,其係配置在介於該同調光源與該表面之間的一光程上,且係經組態以使光線彌散並控制該每一個經產生斑點圖案之尺寸與強度。
- 如申請專利範圍第1項之系統,其中該繞射光學元件包含一繞射陣列產生器。
- 如申請專利範圍第1或2項之系統,其進一步包含一偵測器用於感應自表面反射的光線。
- 如申請專利範圍第3項之系統,其進一步包含一光學元件配置在介於表面與偵測器之間的一光程上。
- 如申請專利範圍第4項之系統,其中該光學元件包含一孔徑。
- 如申請專利範圍第4項之系統,其中該光學元件包含一透鏡。
- 一種用於產生具有實質均勻強度與尺寸的一或更多斑點圖案的方法,其中每一個斑點圖案包含自一表面反射之光線,該方法包含:自一同調光源朝向該表面傳送光線;以及在光線照到表面之前,將光線彌散在該表面上的一 照射區域中,致使每一個經產生的斑點圖案具有一實質均勻的尺寸與強度。
- 如申請專利範圍第7項之方法,其進一步包含在偵測到自表面反射的光線之前將光線傳送通過一光學元件。
- 如申請專利範圍第7或8項之方法,其中將光線彌散在該表面上的一照射區域中包含將光線傳送通過一繞射光學元件,用以將光線彌散在表面上的一照射區域中。
- 如申請專利範圍第7或8項中任一項之方法,其中該繞射光學元件於照射區域中將光線彌散成複數之射束,致使當結合該等射束之強度分佈時,產生一具有實質均勻強度分佈的總強度分佈。
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