專利名稱：使用單個自混合激光器測量對象和光學(xué)輸入設(shè)備的二維相對運動的方法
使用單個自混合激光器測量對象和光學(xué)輸入設(shè)備 的二維相對運動的方法本發(fā)明涉及一種確定輸入設(shè)備和對象沿作用平面內(nèi)的測量軸相對于彼此的運動和/或距離的方法，該方法包括步驟使用從激光設(shè) 備的激光腔發(fā)射的測量激光束照射對象表面；測量激光腔操作中的變 化，所述變化歸因于重新進(jìn)入所述激光腔的測量束輻射和所述激光腔 中的光波的激光自混合干涉，并且代表了沿所述測量軸的所述運動； 生成代表所測得的、在所述激光腔操作中的變化的電信號。本發(fā)明還涉及一種配備了用于執(zhí)行該方法的光學(xué)模塊的輸入設(shè) 備，以及涉及一種包括這種光學(xué)模塊的輸入設(shè)備。根據(jù)國際專利申請W0 03/102717 A2得知這樣的方法和輸入設(shè) 備。該輸入設(shè)備可以是光學(xué)鼠標(biāo)，用于計算機配置中使用以便在計算 機顯示器或監(jiān)視器上移動光標(biāo)，從而例如選擇被顯示菜單的功能。像 傳統(tǒng)的機械式鼠標(biāo)一樣，這樣的光學(xué)鼠標(biāo)靠手在鼠標(biāo)墊上移動。該輸 入設(shè)備也可以是"倒置的"光學(xué)鼠標(biāo)。然后，輸入設(shè)備是固定的，并 且例如嵌入到臺式電腦的鍵盤中，或筆記本電腦中，或像移動電話、 PDA或游戲裝置那樣的手持裝置中，并且對象是在輸入設(shè)備的外殼中 的透明窗上移動的用戶手指。在后一種應(yīng)用中，該輸入設(shè)備的優(yōu)點得 到了最佳的利用，所述優(yōu)點即體積小、重量輕、成本少和功耗低。如W0 03/102717 A2中所述，為了確定對象和i殳備沿測量軸的運 動方向，提供給激光器的驅(qū)動電流是周期性變化的電流，例如具有三 角形周期的電流。由于這種激光器調(diào)制，所測得的信號表現(xiàn)出在三角 形的上升斜坡和下降斜坡上疊加了更高(或"偏移")頻率的波動。 如果上升斜坡上的波動頻率等于下降斜坡上的波動頻率，則對象和設(shè) 備相對于彼此是靜止的。如果相對運動，則取決于沿測量軸的運動方 向、上升斜坡上的波動頻率大于或者小于下降斜坡上的波動頻率。當(dāng)使用計算機鼠標(biāo)時，通常的做法是，從鼠標(biāo)在其上移動(沿X 和Y方向)的表面提升鼠標(biāo)，然后在該表面上重新放置鼠標(biāo)，以便例如復(fù)位坐標(biāo)系統(tǒng)參考基準(zhǔn)。對于這種應(yīng)用來說，該表面形成所謂的作用平面，并且有必要允許檢測沿Z方向上的運動，以便^r測何時鼠標(biāo) 從該表面提升然后重新放置在該表面上。事實上，存在許多其中可能 需要對象和輸入設(shè)備沿Z方向的相對運動的應(yīng)用。在W0 03/102717 A2所述的布置中，輸入設(shè)備配備了垂直定向的 兩個二極管激光器和兩個相關(guān)聯(lián)的光電二極管，這允許測量沿一個平 面內(nèi)的兩個垂直(X和Y)方向或測量軸的相對運動。這種設(shè)備適用 于其中必須對光標(biāo)在顯示器上沿兩個方向的運動進(jìn)行控制的裝置。如 果還要求測量沿第三(Z)方向或測量軸的相對運動，那么需要提供 第三二極管激光器和光電二極管。但是，這種附加的傳感器增加了設(shè)備的成本并使其更加復(fù)雜。因此，本發(fā)明的目的是提供一種以上定義類型的方法和設(shè)備，其 允許使用單個自混合激光器和輻射敏感檢測器來測量對象和輸入設(shè) 備之間沿兩個測量軸的相對運動和/或距離，其中一個測量軸位于作 用平面內(nèi)，且另一個測量軸橫穿其中。依照本發(fā)明，提供了 一種確定輸入設(shè)備和對象沿橫穿作用平面的 測量軸相對于彼此的運動和/或距離的方法，該方法包括步驟向激 光設(shè)備提供已調(diào)制的驅(qū)動電流并且用從所述激光設(shè)備的激光腔發(fā)射 的測量激光束照射對象表面，生成代表激光腔操作的變化的測量信 號，所述變化歸因于重新進(jìn)入所述激光腔的測量束輻射和所述激光腔 中的光波之間的干涉，并且代表了沿所述測量軸的所述運動，而且所 述測量信號在其每個周期中都包括上升部分和下降部分，在所述部分 上疊加了具有偏移頻率的波動，該方法進(jìn)一步還包括通過對所述測量信號的上升部分和下降部分的所述偏移頻率進(jìn)^亍求和來確定所述 對象和所述輸入i殳備沿所述測量軸相對于4皮此的距離和/或運動，以 及生成代表所述距離和/或運動的電信號。根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種光學(xué)模塊，用于執(zhí)行確定輸入設(shè)備和 對象沿橫穿作用平面的測量軸相對于彼此的運動和/或距離的方法， 該模塊包括具有激光腔的激光設(shè)備，用于向所述激光設(shè)備提供已調(diào) 制驅(qū)動電流并且用從所述激光設(shè)備的激光腔發(fā)射的測量激光束照射 對象表面的裝置，用于生成代表激光腔操作中的變化的測量信號的檢測器裝置，所述變化歸因于重新進(jìn)入所述激光腔的測量束輻射和所述 激光腔中的光波之間的干涉，并且代表了沿所述測量軸的所述相對運 動和/或距離，所述測量信號在其每個周期中都包括上升部分和下降 部分，在所述部分上疊加了具有偏移頻率的波動，該模塊還包括電子 處理裝置，用于通過對所述測量信號的上升部分和下降部分的所述偏 移頻率進(jìn)行求和來確定所述對象和所述輸入設(shè)備沿所述測量軸相對 于彼此的距離和/或運動，并且生成代表所述距離和/或運動的電信 號。
本發(fā)明還涉及一種包括如上所限定的光學(xué)模塊的輸入設(shè)備。 有益地是，所述電子處理裝置被布置為根據(jù)對所述測量信號的上 升和下降部分的所述偏移頻率進(jìn)行求和的結(jié)果來確定所述輸入設(shè)備 是否與所述作用平面相距一定距離，并且如果不是的話，則使用所述
測量信號的參數(shù)來測量所述輸入設(shè)備和對象沿所述作用平面內(nèi)的測 量軸相對于彼此的運動速度和/或運動方向。因此，在確定所述對象 和所述輸入設(shè)備沿橫穿作用平面的測量軸(Z)相對于彼此的距離和/
或運動期間，有效禁止了對沿作用平面內(nèi)的測量軸(X或Y)的運動 速度和/或運動方向的測量。事實上，偏移頻率的求和結(jié)果可能給出 代表輸入設(shè)備是否離開對象一定距離的信號，并且該信號可用來允許 或禁止對沿作用平面內(nèi)的測量軸的運動的測量。
在一個示范實施例中，對象和輸入設(shè)備沿作用平面中的測量軸相
和下降斜坡上的偏移頻率^之差一來確口定的，其中該結(jié)果的<1代表了運動 速度，該結(jié)果的符號代表了運動方向。在一個優(yōu)選實施例中，以已知 的時間間隔測量對象和作用平面之間的距離，以^更確定對象和輸入設(shè) 備沿橫穿作用平面的測量軸相對于彼此的運動速度，并且從而補償其 對沿作用平面中的測量軸的運動速度和/或運動方向的確定的貢獻(xiàn)。
有益地是，與所述激光設(shè)備和所述對象之間、沿橫穿作用平面的 所述測量軸的絕對距離有關(guān)的數(shù)據(jù)是根據(jù)對所述測量信號的上升和 下降部分各自的偏移頻率的求和來獲得的。在一個優(yōu)選實施例中，電 子處理裝置被布置為監(jiān)視所述測量信號的各自上升和下降斜坡的所 述偏移頻率之和，并且根據(jù)其中的任何變化來確定在所述對象和所述 輸入設(shè)備之間沿橫穿作用平面的測量軸的相對距離中的變化(即標(biāo)識對象和輸入設(shè)備相對于彼此的相對運動)?？蛇x地，都可以相對于預(yù) 定時間間隔來確定和監(jiān)視任何這種變化，以便確定對象和輸入設(shè)備沿 橫穿作用平面的測量軸相對于彼此的任何運動的速度。
有益地是，電子處理裝置還被布置為通過確定對應(yīng)事件在測量信 號周期中的相差來確定所述輸入設(shè)備沿橫穿作用平面的測量軸相對 于所述對象的距離和/或運動，其中所述事件的周期性優(yōu)選地大于所 述測量信號的上升和下降部分的周期性。除了對測量信號的各自上升 和下降斜坡的偏移頻率進(jìn)行的求和之外，這也導(dǎo)致對于輸入設(shè)備和對
象沿橫穿作用平面的測量軸相對于彼此的距離和/或運動的更為精確 的確定。
在優(yōu)選實施例中，光學(xué)模塊包括兩個激光設(shè)備，用于生成用于 照射所述對象的兩個對應(yīng)測量束，檢測器裝置，用于生成代表激光腔 操作中的變化的兩個對應(yīng)測量信號，所述變化歸因于重新進(jìn)入所述激 光腔的測量束輻射和所述激光腔中的光波之間的干涉，并且代表了沿 所述作用平面內(nèi)的兩個對應(yīng)測量軸、所述輸入i殳備相對于所述對象的 運動，每個所述測量信號在其每個周期中都包括上升部分和下降部 分，在所述部分上疊加了具有偏移頻率的波動，該模塊還包括電子處 理裝置，用于通過對每個測量信號的上升部分和下降部分的所述偏移 頻率進(jìn)行求和來確定所述對象和所述輸入設(shè)備沿橫穿所述作用平面 的測量軸相對于彼此的距離和/或運動，并且生成代表所述距離和/ 或運動的電^言號。
因此，兩個激光器都可用來確定對象和輸入設(shè)備之間沿橫穿作用 平面的測量軸的相對距離和運動，因此一些冗余引入了更為精確的確 定結(jié)果。
因此應(yīng)當(dāng)理解的是，在包括至少一個自混合激光器的、根據(jù)本發(fā) 明的示范實施例的設(shè)備中實現(xiàn)了本發(fā)明的上述目的，這通過以下處理 實現(xiàn)通過使用測量信號的上升斜坡和下降斜坡的頻率差來測量對象 和設(shè)備之間沿作用平面中的測量軸的相對運動；以及使用這些偏移頻 率之和來測量對象和輸入設(shè)備沿橫穿作用平面的測量軸的相對距離 和/或運動。這意味著， 一個激光器用于測量沿作用平面中的一個方 向(X方向或Y方向)上的相對運動，并且可以通過使用從同一個激 光器得到的測量信號來確定對象和輸入設(shè)備之間沿Z方向的相對距離和/或運動。因此，具有至少一個自混合激光器的激光自混合設(shè)備
可用作2D傳感器(X或Y方向以及Z方向)?？梢蕴砑拥诙曰旌?激光器以觀'j量對象和輸入設(shè)備之間沿作用平面中的第二測量軸的相 對運動，該第二測量軸優(yōu)選為基本垂直于作用平面中的第一測量軸。 在這種情況下，從兩個自混合激光器得到的測量信號可用來確定對象 和輸入設(shè)備沿橫穿作用平面的測量軸相對于彼此的距離和/或運動， 并具有一定的冗余效應(yīng)，這產(chǎn)生更為精確的測量結(jié)果。因此，具有兩 個自混合激光器的設(shè)備可用作3D傳感器(X、 Y和Z方向)。
本發(fā)明的這些和其他方面根據(jù)下文描述的實施例將是顯而易見 的，并且將參照這些實施例進(jìn)行闡述。
現(xiàn)在將僅通過舉例的方式并參照附圖來描述本發(fā)明的實施例，其
中
圖la為根據(jù)本發(fā)明的示范實施例的輸入設(shè)備的示意截面圖； 圖lb為圖la中的設(shè)備的示意俯視圖； 圖2說明了圖la和lb中的輸入設(shè)備的測量方法的原理； 圖3說明了作為具有光學(xué)反饋的激光器的溫度函數(shù)的激光波長 的改變；
圖4說明了用于激光器的周期性變化驅(qū)動電流的使用效果； 圖5i兌明了可以如何4全測運動方向；
圖6說明了運動對于頻率的影響，所述運動可以將頻率降到小于


圖1為根據(jù)本發(fā)明的示范實施例的輸入設(shè)備的示意截面。該設(shè)備 在其下側(cè)包括底板l,其是二極管激光器的載體(該激光器在所述 實施例中即VCSEL激光器)；以及檢測器(例如光電二極管)。在圖 la中，僅僅一個二極管激光器3及其關(guān)聯(lián)的光電二極管4是可見的， 但是如圖lb中所示(圖lb是所述設(shè)備的示意俯視圖)，通常在底板 上提供至少第二二極管激光器5和相關(guān)聯(lián)的檢測器6。 二極管激光器 3、 5分別發(fā)射測量束13和17。在設(shè)備的上側(cè)配備了透明窗口 12， 例如人的手指之類的對象在該透明窗口上面移動。例如為平凸透鏡的 透鏡10布置在二極管激光器和該窗口之間。該透鏡將激光束13、 17聚焦在透明窗口 12的上側(cè)位置處或其附近。如果對象15位于該位置， 那么它就散射該束13 (和17)。輻射束13的一部分沿照明束13的 方向散射，并且這部分由透鏡IO會聚到二極管激光器3的發(fā)射表面 上并且重新進(jìn)入其激光腔。如后面將要闡述的那樣，重新進(jìn)入激光腔 的輻射引起由二極管激光器發(fā)射的輻射的強度的變化。這些變化可以 由光電二極管4檢測到，光電二極管4將測得的變化轉(zhuǎn)換成電信號， 并且將該電信號施加給電子電路18進(jìn)行處理。類似地，光電二極管 6將測得的、由二極管激光器5所發(fā)射輻射的強度變化轉(zhuǎn)換成電信號， 并且將該電信號施加到另一個電子電路19進(jìn)行處理。如圖lb所示， 電子電路18、 19是彼此連接的。激光器和檢測器可以進(jìn)行不同程度 的集成，包括單片集成。圖2說明了了當(dāng)使用水平發(fā)射二極管激光器和布置在該激光器 后平面處的監(jiān)視器光電二極管時、根據(jù)本發(fā)明的示范實施例的輸入設(shè) 備和測量相對運動的方法的原理。在圖2中，二極管激光器(例如二 極管激光器3)由它的腔20以及它的前、后平面或者相應(yīng)的激光腔 鏡21、 22來示意性地表示。腔具有長度L。對象U和前平面n之 間的空間形成外腔，其長度為L0。發(fā)射穿過前平面的激光束用附圖標(biāo) 記25表示，由對象沿前平面方向反射的輻射用附圖標(biāo)記26表示。部 分在激光腔中生成的輻射穿過后平面，并由光電二極管4捕獲。如果對象15沿照明束13的方向運動，那么反射的輻射26將經(jīng) 歷時變相位延遲和多普勒頻移。這意味著該輻射的頻率(因此導(dǎo)致相 位)發(fā)生變化或者出現(xiàn)了頻移。這種頻移取決于對象運動的速度，其 數(shù)量級為幾個kHz到MHz。重新進(jìn)入激光腔的、發(fā)生頻移的輻射與該 腔內(nèi)生成的光波或輻射發(fā)生干涉，即在腔內(nèi)出現(xiàn)自混合效應(yīng)。取決于 光波和重新進(jìn)入該腔的輻射之間的相移量，這種干涉將是相長或相消 的，即激光輻射的強度周期性地增大或減小。以此方式生成的激光輻 射調(diào)制的頻率精確等于該腔內(nèi)的光波頻率和重新進(jìn)入該腔的已發(fā)生 多普勒頻移的輻射頻率之差。該頻率差的數(shù)量級為幾個kHz MHz,并 因此易于檢測。自混合效應(yīng)和反射光的時變相移的組合導(dǎo)致激光腔操 作中的變化，尤其是其增益或光放大的變化，并且使得每個鏡面處的 輸出功率改變。作為對象運動速度v的函數(shù)的增益變化Ag由下列等式給出丄L c c J在這個等式中K為到外腔的耦合系數(shù)，其指示耦合出激光腔的輻射量；v為激光輻射的頻率；v為對象沿照明束方向的運動速度；t為時刻；c為光速 與對象的運動速度和運動量(即對象運動經(jīng)過的距離，而且該距 離可以通過相對于時間積分所測得的速度來測量)一樣，也需要檢測 運動方向，即對象沿測量軸是向前還是向后運動，。在提出的一種確定運動方向的方法中，利用的事實是，激光輻射 的波長l取決于二極管激光器的溫度，從而取決于通過二極管激光器 的電流。如果例如二極管激光器的溫度升高了，那么激光腔的長度隨 之增大，并且被放大的輻射的波長隨之增大。圖3的曲線45示出了 所發(fā)射輻射的波長l的溫度(Trf)依賴性。如果如圖4所示，將周期驅(qū)動電流Irf (由波形50表示)提供給 二極管激光器，則二極管激光器的溫度Trf就如波形52所示周期性地 上升和下降。這產(chǎn)生了激光腔中的光學(xué)駐波，其具有周期性變化的頻 率，并因此具有相對于由對象反射并且重新進(jìn)入該腔的輻射有一定時 延的連續(xù)變化的相移。在驅(qū)動電流的每個半周期中，現(xiàn)在存在相繼的 時間#殳，其中取決于該腔中的波和重新進(jìn)入該腔的#皮反射輻射之間的 相位關(guān)系、二極管激光器增益在這些時間段中更高和更低。這產(chǎn)生如 圖4中波形54所示的、所發(fā)射輻射的時間相關(guān)強度變化(I)。這個 波形代表用于靜止或不運動對象的情況。第一半周期^P(a)中的脈沖數(shù)等于第二半周期^p(b)中的脈沖數(shù)。對象的運動引起重新進(jìn)入激光腔的輻射的變化時移，即這個頻率 取決于具有多普勒頻移的運動的方向而增大或減小。對象在一個方向 即前向方向的運動導(dǎo)致重新進(jìn)入的輻射的波長減小，在相反方向的運 動導(dǎo)致重新進(jìn)入的輻射的波長增大。激光腔中光波的周期性頻率調(diào)制 的效果在于，如果多普勒頻移與激光腔中的頻率調(diào)制符號相同，那么 重新進(jìn)入該腔的、發(fā)生了多普勒頻移的輻射的效果不同于在所述頻率調(diào)制和多普勒頻移具有相反符號的情況下該輻射具有的效果。如果這 兩個頻移符號相同，則所述波和重新進(jìn)入的輻射之間的相差就以緩慢 的速率發(fā)生變化，并且結(jié)果產(chǎn)生的激光輻射調(diào)制的頻率更低。如果這 兩個頻移符號相反，則所述波和輻射之間的相差就以更快的速率發(fā)生 變化，并且結(jié)果產(chǎn)生的激光輻射調(diào)制的頻率更高。在驅(qū)動激光器電流的第一半周期^P(a)期間，所生成的激光輻射的波長增大。在對象后向運動的情況下，重新進(jìn)入的輻射的波長也增大，所以所述腔中的波 的頻率和重新進(jìn)入該腔的輻射的頻率之間的差值更低。因此，與缺少所發(fā)射激光輻射的電調(diào)制的情況相比，其間重新進(jìn)入的輻射的波長與 所生成輻射的波長相適應(yīng)的時間段的數(shù)目更小。這意味著，如果對象 沿后向方向運動，那么與其中沒有施加調(diào)制的情況相比，第一半周期 中的脈沖數(shù)更小。在其中激光器溫度降低和所生成輻射的波長減小的 第二半周期^p(b)內(nèi)，其中重新進(jìn)入的輻射的波長與所生成輻射的波長相適應(yīng)的時間段的數(shù)目增大。因此，對于后向運動的對象而言，第 一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)小于第二半周期內(nèi)的脈沖數(shù)。這由圖5的波形 58所說明，該波形58示出了如果對象沿后向方向運動的話、所發(fā)射 激光輻射的強度L。將該波形與圖4的波形54進(jìn)行的比較示出，第 一半周期中的脈沖數(shù)已經(jīng)減小了 ，并且第二半周期中的脈沖數(shù)增大 了 。根據(jù)上述可知，如果對象沿前向方向運動，其中由對象散射并且 重新進(jìn)入激光腔的輻射的波長由于多普勒效應(yīng)而減小(對象朝激光器 運動，多普勒頻移為正，激光器和目標(biāo)之間匹配的波數(shù)減小，激光器 和目標(biāo)之間匹配的波數(shù)也因激光波長的增大而減小)，則第一半周期 ^p(a)中的脈沖數(shù)大于第二半周期^P(b)中的脈沖數(shù)。這可以通過比較圖5的波形56來驗證，其中波形56代表在前向運動對象的情況下 所發(fā)射輻射的強度I/。在電子處理電路中，從第一半周期^P(a)期間計數(shù)的光電二極管信號脈沖數(shù)中減去第二半周期^P(b)期間計數(shù)的脈沖數(shù)。如果結(jié)果產(chǎn)生的信號為零，那么對象是靜止的。如果結(jié)果產(chǎn) 生的信號為正，那么對象沿前向方向運動，并且如果該信號為負(fù)，那 么對象沿后向方向運動。結(jié)果產(chǎn)生的脈沖數(shù)與分別沿前向和后向方向 的運動速度成比例。因此，總的說來并且如上所述，為了確定對象和設(shè)備沿測量軸的 相對運動方向，提供給激光器的電驅(qū)動電流是周期性變化的電流，例 如具有三角形周期的電流。由于這種激光調(diào)制，測得的信號示出也稱 為"偏移頻率，，的更高頻率，即疊加在三角形的上升和下降斜坡上的 波動。如果上升斜坡上的頻率等于下降斜坡上的頻率，那么對象相對 于設(shè)備是靜止的。如果對象運動，那么取決于沿測量軸的運動方向、 上升斜坡上的偏移頻率大于或小于下降斜坡上的偏移頻率。偏移頻率 的值由激光器電流的調(diào)制率以及設(shè)備和對象之間的距離所確定。為了 測量對象相對于設(shè)備的運動，要在給定的測量時間期間確定檢測器輸 出信號的偏移頻率，即執(zhí)行頻率分析。對于偏移頻率測量而言，可以使用例如利用比較和計數(shù)裝置的傅立葉分析(FFT)或者其他頻率或 相位跟蹤方法。如上所述，本發(fā)明的目的是提供一種允許確定對象和輸入設(shè)備之 間、沿橫穿作用平面的測量軸的運動和/或相對距離而不使用附加傳 感器的方法。在本發(fā)明的方法中，通過對電測量信號的各自上升斜坡 和下降斜坡二者上的偏移頻率進(jìn)行求和來確定沿橫穿作用平面的測 量軸的這種運動和/或距離。因此，可通過在同一周期內(nèi)從測量信號用平面中的第一測量軸的運動測量，而可以通過對這些偏移頻率進(jìn)行 求和來實現(xiàn)沿橫穿作用平面的第二測量軸的運動/距離測量。本發(fā)明基于這樣的構(gòu)思Z方向上的對象距離變化導(dǎo)致上升斜坡 和下降斜坡這兩者上的波動的頻率以相同方式和相同量偏移，而在作用平面中的運動(沿X或Y方向)導(dǎo)致上升斜坡上的偏移頻率以與相 應(yīng)下降斜i皮上的偏移頻率偏移相反的方式偏移。這樣，由于沿Z方向的運動導(dǎo)致這兩個頻率以恒定頻率差共同偏移，該運動和距離變化可 以通過這兩個頻率之和來確定，而與作用平面中的運動無關(guān)。當(dāng)對傳感器進(jìn)行校正時，測量信號同 一周期中的上升和下降斜坡 上的偏移頻率之和給出有關(guān)自混合激光器和對象之間的絕對距離的 信息。當(dāng)對傳感器進(jìn)行校正時，測量信號同一周期中的上升和下降斜 坡上的偏移頻率之和的變化給出了有關(guān)該傳感器和對象之間的相對 距離變化的信息。最后，在某一時間間隔內(nèi)測量信號的上升和下降斜 坡上的偏移頻率之和的變化給出了有關(guān)沿Z方向的相對運動速度的信息。換言之，對象在X-Y平面中運動，則檢測出差頻。當(dāng)對象沿Z 方向運動時，那么也檢測出差頻。通常，垂直于設(shè)備的任何運動都生 成差頻。同樣是通常，在到對象的距離中的任何變化都產(chǎn)生和頻中的 變化。但是，在有關(guān)系統(tǒng)的知識更多的情況下，諸如對象實質(zhì)上是沿XY方向的一個平面之類，則該距離就直接與Z距離成比例，并且可 以根據(jù)和頻來確定到該表面(Y)的高度。沿Z方向的運動也導(dǎo)致差頻信號的事實帶來附加的問題該運動 檢測通常在XY運動檢測系統(tǒng)中是所不希望的。但是，在示范實施例 中，以已知的時間間隔測量到XY平面的距離(Z距離)。因此，有 可能推斷出沿Z方向的速度。每當(dāng)需要時，可以將該速度用于補償不 想要的、沿Z方向的速度檢測。因此，總體而言，可以認(rèn)為和頻與沿激光束的軸的速度成比例， 而且該和頻與沿激光束的距離成比例。將此與對象的知識(實質(zhì)上是 XY平面)相結(jié)合，可以將沿Z方向的運動確定為距離的變化，并且 允許在X-Y檢測輸出中消除不想要的Z速度信號。此外，以下情況須加考慮激光器用上和下斜坡進(jìn)行了調(diào)制，而 且運動增大了 一個斜坡上的頻率并降低了另 一個斜坡上的頻率。結(jié) 果，該頻率降低可能降低至零或者甚至為負(fù)。 一旦所述頻率已經(jīng)變?yōu)?負(fù)，它就圍繞零軸折疊(負(fù)頻率本身不能被檢測出來)并且作用相反。 現(xiàn)在，和頻與速度成比例，而"差，，頻與對象的距離成比例。圖6中 說明了這一點。圖6中示出了許多界限，它們與本說明無關(guān)，但是這里跟蹤了來 自上、下段的頻率結(jié)果。在中心區(qū)域，這里給出的說明適用，但是在 更高的速度范圍內(nèi)，頻率在X軸的折疊反置了和頻與"差"頻的作用 角色。圖6所示的灰色區(qū)域針對難于檢測的非常低頻率。可以使用信 號處理來檢測該區(qū)域中的信號。因此，在一個實際實施例中，不能檢測出負(fù)頻率。因此當(dāng)頻率穿 過X軸(并且變?yōu)樨?fù))時，任何實際的測量就給出正的結(jié)果(這是圖 6中的曲線在X軸上鏡像反折的原因)。因此，既然已知對于更高的 速度而言，所檢測到的頻率的符號(對于兩個頻率中的較低頻率來說) 是不正確的，那么就將處理裝置布置成改變"求和，，計算的符號以獲得指示速度和距離的信號。實際的結(jié)果是，就數(shù)學(xué)術(shù)語來說，使用偏 移頻率之和來確定對象和輸入設(shè)備沿橫穿作用平面的測量軸相對于 彼此的距離和/或運動，但是實際上，由于偏移頻率的真實符號，這 可能被計算成"差，，頻，雖然盡管從數(shù)學(xué)術(shù)語上講，如果考慮到偏移 頻率各自的符號，它仍然是對這些偏移頻率進(jìn)行求和。
除了對測量信號同 一周期中的上升和下降斜坡上的偏移頻率進(jìn) 行求和以測量對象和輸入設(shè)備之間沿橫穿作用平面的測量(Z)軸的 相對運動/距離之外，有關(guān)上升和下降斜坡的相位信息也可用來測量
沿z方向的相對運動和距離，由此利用的事實是，沿z方向的距離變 化引起相移，而且使用相位測量給出更高的分辨率，并且其與對偏移 頻率的求和相結(jié)合給出了更為精確的結(jié)果。顯然，是否與對偏移頻率 的求和 一起使用相位測量將取決于所要求獲得的測量精度，這接著又 取決于其中要使用輸入設(shè)備的應(yīng)用。
還應(yīng)當(dāng)指出的是，在極端情況下，激光器的調(diào)制頻率確實包含上、 下段，但是所選取的調(diào)制頻率如此之高，以至于未出現(xiàn)測量信號的完 整波動，并且檢測不到和頻與差頻。不過，仍然出現(xiàn)有關(guān)上、下信號 的相位變化，并且可以使用合適的信號處理裝置檢測出這些相位變 化。這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言應(yīng)當(dāng)是顯而易見的。當(dāng)選取的調(diào)制幅 度非常低以至于可檢測的和頻與差頻被簡化成相差時，情況也是如此
(在圖6中，這會位于灰色區(qū)域的底部)。
應(yīng)當(dāng)指出的是，上述實施例說明而不是限制本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù) 人員將能設(shè)計出許多可替換的實施例而不偏離由所附權(quán)利要求限定 的本發(fā)明范圍。在權(quán)利要求中，任何置于括號中的附圖標(biāo)記都不應(yīng)當(dāng) 被視為限制了這些權(quán)利要求。措詞"包括，，、"包含"等等并不排除
件或步驟的存在:、^元件的單數(shù);i用并不排除^這類元件的復(fù)數(shù)引
借助于經(jīng)'過'i當(dāng)編程的;十算機來實現(xiàn)。在列舉了、;干裝置的設(shè)備權(quán)利 要求中，這些裝置中的一些可以由同一硬件項實施。在互不相同的從 屬權(quán)利要求中引用某些技術(shù)措施這一起碼的事實并不意味著不可以 利用這些技術(shù)措施的組合來獲得優(yōu)點。
權(quán)利要求
權(quán)利要求(有參考符號)1.一種確定輸入設(shè)備和對象(15)沿橫穿作用平面的測量軸相對于彼此的運動和/或距離的方法，該方法包括步驟向激光設(shè)備(3)提供已調(diào)制的驅(qū)動電流并且使用從所述激光設(shè)備(3)的激光腔發(fā)射的測量激光束(13)照射對象表面；生成代表激光腔操作中的變化的測量信號，所述變化歸因于重新進(jìn)入所述激光腔的測量束輻射和所述激光腔中的光波之間的干涉，并且代表了沿所述測量軸的運動，而且所述測量信號在其每個周期中都包括上升部分和下降部分，在所述部分上疊加了具有偏移頻率的波動，該方法還包括通過對所述測量信號的上升部分和下降部分的所述偏移頻率進(jìn)行求和來確定所述對象(15)和所述輸入設(shè)備沿所述測量軸相對于彼此的距離和/或運動，并生成代表所述距離和/或運動的電信號。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，包括根據(jù)對所述測量信號的上升 和下降部分的所述偏移頻率的求和結(jié)果來確定所述輸入設(shè)備是否與所述作用平面相距一定距離，如果不是，則使用所述測量信號的參數(shù) 來測量所述輸入設(shè)備和對象(15 )沿所述作用平面中的測量軸相對于 ;波此的運動速度和/或方向。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中對象(15)和輸入設(shè)備沿所 述作用平面中的測量軸相對于^皮此的運動速度和/或方向是通過確定 測量信號的各自上升和下降斜坡上的偏移頻率之差來確定的，其中該 結(jié)果的值代表了運動速度，而且該結(jié)果的符號代表了運動方向。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中以已知的時間間隔測量所述 對象(15 )距離所述作用平面的距離，以便確定所述對象(15 )和輸 入設(shè)備沿橫穿所述作用平面的測量軸相對于彼此的運動速度，并且從 而補償其對沿所述作用平面中的所述測量軸的所述運動速度和/或方 向的確定的貢獻(xiàn)。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中根據(jù)所述測量信號的上升和 下降部分各自的偏移頻率之和來獲得與所述激光設(shè)備(3)和所述對象(15)之間沿所述橫穿作用平面的測量軸的絕對距離有關(guān)的數(shù)據(jù)。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，包括監(jiān)視所述測量信號的各自上升和下降斜坡的所述偏移頻率之和，并且根據(jù)其中的任何變化來確定所述對象(15 )和所述輸入設(shè)備之間沿橫穿作用平面的測量軸的相對距離中的變化。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中與預(yù)定時間間隔相關(guān)地來確 定和監(jiān)視所述偏移頻率的所述和中的任何變化，以便確定對象(15) 和輸入設(shè)備沿橫穿作用平面的測量軸相對于彼此的任何運動的速度。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過確定測量信號周期 中對應(yīng)事件的相差來確定所述輸入設(shè)備沿橫穿作用平面的測量軸相 對于所述對象(15)的距離和/或運動，其中所述事件的周期性優(yōu)選 地大于所述測量信號的上升和下降部分的周期性。
9. 一種光學(xué)模塊，用于執(zhí)行確定輸入設(shè)備和對象(15)沿橫穿 作用平面的測量軸相對于彼此的運動和/或距離的方法，該模塊包括 具有激光腔的激光設(shè)備(3);用于向所述激光設(shè)備提供已調(diào)制驅(qū)動 電流并且使用從所述激光設(shè)備(3)的激光腔發(fā)射的測量激光束(13) 照射對象表面的裝置；檢測器裝置(4),用于生成代表激光腔操作 中的變化的測量信號，所述變化歸因于重新進(jìn)入所述激光腔的測量束 輻射和所述激光腔內(nèi)的光波的激光自混合干涉，并且代表了沿所述測 量軸的所述相對運動和/或距離，而且所述測量信號在其每個周期中 都包括上升部分和下降部分，并在所述部分上疊加了具有偏移頻率的 波動，該模塊還包括電子處理裝置(18)，用于通過對所述測量信號 的上升部分和下降部分的所述偏移頻率進(jìn)行求和來確定所述對象(15)和所述輸入設(shè)備沿所述測量軸相對于彼此的距離和/或運動， 并且生成代表所述距離和/或運動的電信號。
10. 如權(quán)利要求9所述的模塊，包括兩個激光設(shè)備(3、 15), 用于生成照射所述對象(15 )用的兩個相應(yīng)測量束(13、 17);檢測 器裝置(4、 6)，用于生成代表激光腔操作中的變化的兩個相應(yīng)測量 信號，所述變化歸因于重新進(jìn)入所述激光腔的測量束輻射和所述激光 腔中的光波的干涉，并且代表了所述輸入設(shè)備沿所述作用平面中的兩 個相應(yīng)測量軸相對于所述對象(15 )的運動，每個所述測量信號在其每個周期中都包括上升部分和下降部分，而且在所述部分上疊加了具 有偏移頻率的波動，該模塊還包括電子處理裝置(18、 19),用于通 過對每個測量信號的上升部分和下降部分的所述偏移頻率進(jìn)行求和來確定所述對象(15 )和所述輸入設(shè)備沿橫穿所述作用平面的測量軸 相對于彼此的距離和/或運動，并且生成代表所述距離和/或運動的電信號。.11. 如權(quán)利要求9所述的光學(xué)模塊，其中如果所述已調(diào)制驅(qū)動電 流的頻率超過上限或者低于下限，那么借助于所述測量信號中對應(yīng)事 件之間的相差來確定所述對象(15 )和所述輸入設(shè)備沿所述測量軸相 對于4皮此的距離和/或運動。..12. —種包括如權(quán)利要求8所述的光學(xué)模塊的輸入設(shè)備。權(quán)利要求(無參考符號)1. 一種確定輸入設(shè)備和對象沿橫穿作用平面的測量軸相對于彼 此的運動和/或距離的方法，該方法包括步驟向激光設(shè)備提供已調(diào) 制的驅(qū)動電流并且使用從所述激光設(shè)備的激光腔發(fā)射的測量激光束 照射對象表面；生成代表激光腔操作中的變化的測量信號，所述變化 歸因于重新進(jìn)入所述激光腔的測量束輻射和所述激光腔中的光波的激光自混合千涉，并且代表了沿所述測量軸的運動，而且所述測量信 號在其每個周期中都包括上升部分和下降部分，在所述部分上疊加了具有偏移頻率的波動，該方法還包括通過對所述測量信號的上升部 分和下降部分的所述偏移頻率進(jìn)行求和來確定所述對象和所述輸入設(shè)備沿所述測量軸相對于彼此的距離和/或運動，并生成代表所述距 離和/或運動的電信號。2. 如權(quán)利要求l所述的方法，包括根據(jù)對所述測量信號的上升 和下降部分的所述偏移頻率的求和結(jié)果來確定所述輸入設(shè)備是否與所述作用平面相距一定距離，如果不是，則使用所述測量信號的參數(shù) 來測量所述輸入設(shè)備和對象沿所述作用平面中的測量軸相對于彼此 的運動速度和/或方向。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述對象和輸入設(shè)備沿所述作用平面中的測量軸相對于彼此的運動速度和/或方向是通過確定測 量信號的各自上升和下降斜坡上的偏移頻率之差來確定的，其中該結(jié)果的值代表了運動速度，而且該結(jié)果的符號代表了運動方向。4. 如;K利要求3所述的方法，其中以已知的時間間隔測量所述 對象距離所述作用平面的距離，以便確定所述對象和輸入設(shè)備沿橫穿所述作用平面的測量軸相對于彼此的運動速度，并且從而補償其對沿 所述作用平面中的所述測量軸的所述運動速度和/或方向的確定的貢獻(xiàn)。5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中根據(jù)所述測量信號的上升和 下降部分各自的偏移頻率之和來獲得與所述激光設(shè)備和所述對象之 間沿所述橫穿作用平面的測量軸的絕對距離有關(guān)的數(shù)據(jù)。6. 如權(quán)利要求1所述的方法，包括監(jiān)視所述測量信號的各自上 升和下降斜坡的所述偏移頻率之和，并且根據(jù)其中的任何變化來確定所述對象和所述輸入設(shè)備之間沿橫穿作用平面的測量軸的相對距離 中的變化。7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中與預(yù)定時間間隔相關(guān)地來確 定和監(jiān)視所述偏移頻率的所述和中的任何變化，以便確定對象和輸入 設(shè)備沿橫穿作用平面的測量軸相對于彼此的任何運動的速度。8. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過確定測量信號周期 中對應(yīng)事件的相差來確定所述輸入設(shè)備沿橫穿作用平面的測量軸相對于所述對象的距離和/或運動，其中所迷事件的周期性優(yōu)選地大于 所述測量信號的上升和下降部分的周期性。9. 一種光學(xué)模塊，用于執(zhí)行確定輸入設(shè)備和對象沿橫穿作用平 面的測量軸相對于彼此的運動和/或距離的方法，該模塊包括具有 激光腔的激光設(shè)備；用于向所述激光設(shè)備提供已調(diào)制驅(qū)動電流并且使 用從所述激光設(shè)備的激光腔發(fā)射的測量激光束照射對象表面的裝置； 檢測器裝置，用于生成代表激光腔操作中的變化的測量信號，所述變 化歸因于重新進(jìn)入所述激光腔的測量束輻射和所述激光腔內(nèi)的光波 的激光自混合干涉，并且代表了沿所述測量軸的所述相對運動和/或 距離，而且所述測量信號在其每個周期中都包括上升部分和下降部 分，并在所述部分上疊加了具有偏移頻率的波動，該模塊還包括電子 處理裝置，用于通過對所述測量信號的上升部分和下降部分的所述偏 移頻率進(jìn)行求和來確定所述對象和所述輸入設(shè)備沿所述測量軸相對 于彼此的距離和/或運動，并且生成代表所述距離和/或運動的電信弓一10. 如權(quán)利要求9所述的模塊，包括兩個激光設(shè)備，用于生成 照射所述對象用的兩個相應(yīng)測量束；檢測器裝置，用于生成代表激光腔操作中的變化的兩個相應(yīng)測量信號，所述變化歸因于重新進(jìn)入所述 激光腔的測量束輻射和所述激光腔中的光波的干涉，并且代表了所述 輸入設(shè)備沿所述作用平面中的兩個相應(yīng)測量軸相對于所述對象的運 動，每個所述測量信號在其每個周期中都包括上升部分和下降部分， 而且在所述部分上疊加了具有偏移頻率的波動，該模塊還包括電子處 理裝置，用于通過對每個測量信號的上升部分和下降部分的所述偏移 頻率進(jìn)行求和來確定所述對象和所述輸入設(shè)備沿橫穿所述作用平面 的測量軸相對于彼此的距離和/或運動，并且生成代表所述距離和/ 或運動的電信號。
11. 如權(quán)利要求9所述的光學(xué)模塊，其中如果所述已調(diào)制驅(qū)動電 流的頻率超過上限或者低于下限，那么借助于所述測量信號中對應(yīng)事 件之間的相差來確定所述對象和所述輸入設(shè)備沿所述測量軸相對于 彼此的距離和/或運動。
12. —種包括如權(quán)利要求8所述的光學(xué)模塊的輸入設(shè)備。
全文摘要
一種用于測量對象(15)和傳感器單元之間的相對運動的光學(xué)輸入設(shè)備，包括具有用于發(fā)射測量束(13、17)的激光腔的激光設(shè)備(3、5)；對應(yīng)的輻射敏感檢測器(4、6)，用于生成測量信號，其代表作為重新進(jìn)入激光腔的測量束輻射的結(jié)果而導(dǎo)致的激光設(shè)備(3、5)操作中的變化。提供了傳感器單元用于測量沿作用平面中的每個測量軸的相對運動，從一個或每個傳感器單元結(jié)果得到的測量信號用于通過對測量信號的上升和下降斜坡的偏移頻率進(jìn)行求和來確定輸入設(shè)備和對象(15)沿橫穿作用平面的測量軸相對于彼此的距離和/或運動。
文檔編號G06F3/0354GK101305337SQ200680031842
公開日2008年11月12日 申請日期2006年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月30日
發(fā)明者A·斯特克, C·海因克斯, M·謝曼, R·多弗 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司