专利名称：具有可移动光敏元件的位置传感装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及位置传感装置，具体地说，涉及包括具有可移动光敏元件的位置传感装置的扫描装置。
手持扫描装置是便携的成象装置，产生代表物体图象的机器可读的图象数据(这里有时简称为图象数据)。产生代表物体的图象数据有时称为对物体“成象”或“扫描”。一些扫描装置产生代表被成象物体的窄“扫描线”部分的图象数据。在成象过程中，相对于成象物体移动扫描装置。在相对于物体移动扫描装置时，扫描装置产生代表物体图象的多个连续扫描线部分的图象数据。因此，物体的图象通过连续扫描线叠加的图象数据表示，类似于传统视频显示器表示的物体图象。
物体的扫描线部分的图象被聚焦在光探测器元件(这里有时简称为光探测器)的线性阵列上。光探测器例如可以安装在多个线性排列的电子片段上，诸如本领域公知的接触式图象传感器。光探测器也可以刻蚀在单片半导体上，如通常在电荷耦合器件中常做的一样。每个光探测器产生代表物体的扫描线部分图象的分离部分的图象数据。图象数据例如可以表示为一系列电压，其中相对高的电压表示光探测器接收到的相对高的光强度，相对低的电压表示光探测器接收到的相对低的光强度。
光探测器产生的图象数据被传输给处理器。处理器的一个作用是产生数据库或类似的电子结构，表示扫描线相对于物体上开始产生扫描线的地点的位置。或者，数据库可以表示扫描线彼此之间的相对位置。处理器利用存储在数据库中的数据和图象数据再现物体的图象。例如，在扫描装置产生表示二维物体的图象数据的情况下，诸如一张纸上的文本，可以在纸张上向任何方向移动手持扫描装置。因此，实际上可以在纸张的任何位置产生扫描线部分，这样产生代表包括多个扫描线部分的物体图象的图象数据，这些扫描线部分可能在纸张表面倾斜。为了精确再现物体的图象，手持扫描装置利用存储在数据库中的数据确定纸张图象的扫描线部分的正确位置。然后处理器利用公知的处理技术例如拼接软件可以产生印刷在纸张上的文本的电子图象。
手持扫描装置的例子在下列美国专利和专利申请中进行了描述，把它们包括在这里以供参考授予McConica的US5，552，597，名称为“具有可调光路的手持扫描器(HAND-HELD SCANNER HAVINGADJUSTABLE LIGHT PATH)”；授予Steinle的US5，646，394，名称为“具有光束转向能力的成象装置(IMAGING DEVICE WITHBEAM STEERING CAPABILITY)”；授予Khovaylo等的US5，646，402，名称为“可扩展的手持扫描装置(EXPANDABLE HAND-HELD SCANNING DEVICE)”；授予Kerschner等的US5，723，859，名称为“LINE CONTACT HAND-HELD SCANNING DEVICE ANDMETHOD HAVING A LIGHT PATH SUBSTANTIALLYPERPENDICULAR TO THE ORIENTATION OF THE OBJECT ATA LINE POSITON”；Sims等1998年7月29日申请的序列号为09／120，641的专利申请，名称为“手持扫描装置(HAND HELDSCANNING DEVICE)”；以及Sims等1998年7月30日申请的序列号为09／120，637的专利申请，名称为“手持扫描装置(HAND HELDSCANNING DEVICE)”。
在扫描过程中如果扫描装置相对于物体的速率或位置变成不可知的，再现物体图象可能会遇到问题。例如，如果扫描装置每秒中对物体图象的一千个扫描线部分成象，而且扫描装置沿着单轴方向相对于物体以每秒一英寸的恒定速率移动，那么每个扫描线代表千分之一英寸的物体图象。如果扫描装置相对于物体的正确速率被传输给处理器，处理器将产生数据库，表示每个扫描线代表千分之一英寸的物体图象。或者，处理器将表示每个扫描线与邻近扫描线的距离为千分之一英寸。根据图象数据和存储在数据库中的数据，处理器可以精确地再现物体图象。然而，如果扫描装置相对于物体的速率减小，而且减小的速率没有传输给处理器，处理器将仍旧象每个扫描线代表千分之一英寸物体一样继续处理图象数据。然而，每个扫描线将代表不到千分之一英寸的物体。因此，物体图象被压缩。另一方面，如果扫描装置相对于物体的速率增大，而且增大的速率没有被传输给处理器，物体图象将被扩大。
当扫描装置相对于物体的速率或者位置变为不可知时就不可能精确地再现物体图象。如果不知道位置或者速率，处理器就不能知道产生扫描线时扫描装置相对于物体所处的位置。因此，处理器就不能彼此之间正确地设置扫描线部分，以便精确地再现物体图象。这一问题在手持扫描装置中更为严重，其中扫描线可以在物体上的任何位置产生，而且通常在物体表面上倾斜。
为了解决这些问题，扫描装置使用位置传感器检测扫描装置相对于物体的位置。当产生物体图象的扫描线部分时，位置传感器输出关于扫描装置相对于物体的位置的位置信息。该位置信息被传输给处理器，在处理器中该信息被包含在上述数据库中。
在某些扫描装置中，位置传感器是光学传感器形式，可以刚性地连接到扫描装置上。光学传感器用于确定扫描装置相对于被扫描物体的位置。光学传感器是光探测器的二维阵列，通过扫描物体的小二维区域部分周期性地产生图象数据。处理器接收该图象数据并识别物体上该区域内的显著特征。在物体是印刷在一张纸上的文本的例子中，显著特征可能是纸张表面固有的不规则。例如，不规则可能是由用于造纸的纸浆材料产生的。
这些显著特征相对于光学传感器的位置被存储在存储装置中。当扫描装置相对于物体移动时，这些显著特征的位置相对于光学传感器移动。处理器比较这些显著特征的新位置与存储在存储装置中的位置。根据这些比较，处理器能够确定光学传感器相对于物体的位置、移动方向和速率，从而确定扫描装置相对于物体的位置、移动方向和速率。因此，处理器能够产生上述的数据库，因为能够容易地确定物体图象的扫描线部分彼此之间的相对位置。
某些扫描装置具有几个这种二维光学传感器，相对于光探测器线性阵列刚性固定在不同位置。例如，扫描装置可以具有两个彼此分开一定距离的光学传感器。扫描装置能够比较来自每个光学传感器的移动数据以便确定扫描装置已经移动的移动量，包括旋转运动。当光学传感器之间的距离增加时，扫描装置能够确定的旋转运动的精度也相应地提高。
然而，这些光学传感器有可能是构成扫描装置的较昂贵的部件。影响光学传感器成本的两个因素是它的面积和光探测器的密度。面积较大或光探测器密度较大的光学传感器的成本比面积较小或光探测器密度较小的光学传感器的高得多。然而，光学传感器的灵敏度与它的面积和光探测器密度成正比。面积大和光探测器密度高的光学传感器比面积小光探测器密度小的光学传感器能够更精确地确定位置。因此，为了精确地确定手持扫描装置的位置，最好使用面积大和光探测器密度高的光学传感器。然而，这些光学传感器大大提高了手持扫描装置的成本。
因此，需要一种能够精确地确定它的位置、而不显著提高扫描装置成本的手持扫描装置。
这里公开了一种用于确定物体相对于表面的位置的位置传感装置。该位置传感装置可以包括一个与物体相连的基板；具有第一部分和第二部分的执行机构，其中第一部分与基板相连，第二部分可移动地安装在第一部分上；以及连接到所述执行机构第二部分上的二维光敏元件阵列。光路可以在平面与二维光敏元件阵列之间延伸，而且透镜可以位于光路中。处理器可以电连接到执行机构和二维光敏元件阵列上。
二维光敏元件阵列可以具有安装在表面上的二维光探测器阵列。光探测器产生机器可读的图象数据，代表聚焦在光敏元件上的图象。二维光敏元件阵列通常比用于传统扫描装置中的小。然而，表面上的光探测器的密度可以与用于传统扫描装置中的光探测器的密度基本相当。
当相对于表面移动物体时，二维光敏元件阵列产生图象数据，代表表面的二维区域部分。处理器接收图象数据，并识别表面上所述区域部分图象中的显著特征相对于二维光敏元件阵列的位置。当物体相对于表面移动时，显著特征的图象相对于二维光敏元件阵列移动。在这一过程中，处理器命令执行机构移动二维光敏元件阵列跟踪显著特征。通过确定显著特征的图象相对于二维光敏元件阵列的移动量和执行机构相对于二维光敏元件阵列的移动量，处理器计算物体相对于表面的位移。然后处理器可以确定物体相对于表面的速率和位置。
图1是具有包括在扫描装置中的可移动光敏元件的位置传感装置的侧视图；图2是图1中的扫描装置扫描一张纸的顶透射图；图3是图1中的位置传感装置的顶视图；图4是用于图1中位置传感装置的执行机构的实施例的侧视图5是图4中的执行机构的另一侧视图；图6是与图1中的位置传感装置相连的处理器的示意图；图7A和7B是描述图1中的位置传感装置的操作的流程图；图8是具有包括在扫描装置中的可移动透镜的位置传感装置的侧视图；图9是图8中的位置传感装置的上视图。
图1至7一般地描述了位置传感装置200，包括基板210；第一部分370和第二部分372，其中第一部分370与基板210相连，第二部分372沿着第一轴可移动地安装在第一部分370上；连接在第二部分372上的二维光敏元件阵列230；在一个平面与二维光敏元件阵列230之间延伸的光路260；以及位于光路260中的透镜250。
图1至7还一般地描述了位置传感装置200，包括基板210；连接在基板210上的二维光敏元件阵列230；在二维光敏元件阵列230与一个平面之间延伸的光路260；第一部分370和第二部分372，其中第一部分370与基板210相连，第二部分372沿着第一轴可移动地安装在第一部分370上；以及连接在第二部分372上并位于光路260中的透镜250。
图1至7还一般地描述了确定物体100相对于表面182的位置的方法。该方法包括提供可移动地连接在物体100上的二维光敏元件阵列230；把光从表面182的焦平面部分190传播到二维光敏元件阵列230；使得表面182与物体100之间相对移动；通过移动二维光敏元件阵列230保持表面182的焦平面部分190与二维光敏元件阵列230之间的光路260；以及分析二雏光敏元件阵列230的移动，以便确定物体100相对于表面182的位移。
图1至7还一般地描述了确定物体100相对于表面182的位置的方法。该方法包括提供二维光敏元件阵列230；提供与二维光敏元件阵列230相连的透镜250；通过透镜250把光从表面182的焦平面部分190传播到二维光敏元件阵列230；使得表面182与物体100之间相对移动；通过相对于二维光敏元件阵列230移动透镜250，保持表面182的焦平面部分190与二维光敏元件阵列230之间的光路260；以及分析透镜250相对于二维光敏元件阵列230的移动，以便确定物体100相对于表面182的位移。
图1至7还一般地描述了用于确定物体100相对于表面182的位置的位置传感装置200。该位置传感装置200包括与物体100相连的基板210；与基板210相连的的光敏元件阵列230，用于把表面182的二维部分190的图象变换为机器可读的数据；在表面182的平面部分与光敏元件阵列230之间延伸的光路260；以及用于相对于基板210移动光敏元件阵列230的装置300，以便在相对于表面182移动物体100时保持表面182的平面部分与光敏元件阵列230之间的光路260。
参见图1，下面给出用于确定物体相对于表面的位置的位置传感装置200。这里给出的位置传感装置200描述成与扫描装置100相连，以便确定扫描装置100相对于一张纸180的表面182的位置。因此，对于本说明书的目的，物体是扫描装置100，表面是所述的一张纸180的表面182。然而应该理解，位置传感装置200可以与扫描装置以外的其他装置一起使用，以便确定这些装置相对于纸张表面以外的其他表面的位置。这种装置的例子包括传真机和复印机。
下面的描述是位置传感装置200的概括，然后再详细描述包括在扫描装置100中的位置传感装置200。位置传感装置200是用于确定物体相对于表面182的位置的装置，位置传感装置200安装在所述物体上。位置传感装置200可以具有电连接到处理器270上的二维光敏元件阵列230。二维光敏元件阵列230产生表面182的部分区域190图象的机器可读的图象数据(这里有时简称为图象数据)。图象数据可以用传统方法输出给处理器270。
处理器270识别表面182的部分区域190的图象的显著特征并确定这些显著特征相对于二维光敏元件阵列230的位置。当位置传感装置200相对于表面182移动时，显著特征相对于二维光敏元件阵列230的位置相应地移动。处理器270测量显著特征相对于二维光敏元件阵列230的移动，而且根据测量值，能够确定位置传感装置200相对于表面182移动的速率和方向。处理器可以进一步分析位置传感装置200的移动速率和方向，以便确定位置传感装置200相对于表面182的位置。然后，处理器容易地确定扫描装置100相对于表面182的位置、移动速率、和移动方向。通过对物体表面的显著特征成象确定物体移动的例子在如下的美国专利中有进一步的描述授予Allen等的US5，644，139，名称为“NAVIGATION TECHNIQUE FOR DETECTINGMOVEMENI OF NAVIGATION SENSORS RELATIVE TO ANOBJECT”，及授予Allen等的US5，578，813，名称为“FREEHANDIMAGE SCANNING DEVICE WHICH COMPENSATES FOR NON-LINEAR MOVEMENT”，将这两个专利包括在这里以供下面的描述参考。
在传统的位置传感装置中，在位置传感装置相对于表面移动时将表面上的显著特征成象。被位置传感装置成象的显著特征通常非常微小，而且以非常高的速率通过位置传感装置的成象区域。例如，显著特征可能是一张纸的表面上由纸中的纸浆材料引起的表面不规则，而且位置传感装置可以与对所述纸张表面成象的手持扫描装置相连。手持扫描装置是相对小的装置，以相对快的速率移动通过纸张的表面。因此，由纸浆引起的不规则将以相对高的速率通过手持扫描装置中的位置传感装置。
为了对一张纸表面的这些微小的显著特征充分成象，用于传统位置传感装置中的二维光敏元件具有位于相当大面积上的高密度的光探测器。高密度的光探测器便于对微小的显著特征成象，而且当位置传感装置快速地相对于表面移动时，大面积便于延长对显著特征成象的时间。
然而，这种大面积高密度的光探测器趋向于制造成本高，因此占据传统位置传感装置成本的很大部分。这样的高成本通常又传递给传统位置传感装置所安装在上面的装置。在位置传感装置用于扫描装置中的情况下，位置传感装置的高成本增加了扫描装置的成本。在多个位置传感装置用于扫描装置中时该成本又进一步提高。
这里公开的位置传感装置200通过使用可移动的二维光敏元件阵列230，克服了有关传统位置传感装置的上述问题，二维光敏元件阵列230可以具有高密度的光探测器，放置在比用于传统位置传感装置中的二维光敏元件的面积小的面积上。位置传感装置200能够使用面积减小的二维光敏元件阵列230，因为二维光敏元件阵列230可以相对于位置传感装置200移动。那么，当位置传感装置200相对于表面182移动时，二维光敏元件阵列230可以机械地跟踪表面182上的显著特征。因此，二维光敏元件阵列230可以相对地小。如同下面将描述的一样，可以在位置传感装置200中包括执行机构300，以便移动二维光敏元件阵列230。这里公开的位置传感装置200的成本可以相对于传统的位置传感装置降低，因为二维光敏元件阵列230上需要的面积较小，光探测器数量较少。
参考图8，下面公开位置传感装置200的一个实施例，该实施例具有位于二维光敏元件阵列230和表面182之间的可移动透镜250。在该实施例中，二维光敏元件阵列230相对于位置传感装置200不能移动，然而，透镜250可以相对于二维光敏元件阵列230移动。具体地说，透镜250相对于二维光敏元件阵列230移动，把表面182上显著特征的图象传输到二维光敏元件阵列230上。
已经概括地描述了位置传感装置200，下面将进一步详细地描述。
参考图2，扫描装置100图示为对一张纸180的表面182成象。在扫描成象操作中，扫描装置100可以传统方法产生代表印刷在所述纸张180的表面182上的文本178的图象数据。在扫描操作过程中操作者可以用手在纸张180的表面182上方沿着曲折路径176移动扫描装置100。在扫描装置100通过文本178时，扫描装置100把文本变换为图象数据。扫描装置100例如可以制成传统的手持扫描装置，诸如下列美国专利和专利申请中描述的手持扫描装置授予McConica的US5，552，597；授予Steinle的US5，646，394；授予Khovaylo等的US5，646，392；授予Kerschner等US5，723，859；Sims等的序列号为09／120，641的申请；以及Sims等的序列号为09／120，637的申请；这些专利和专利申请在前面曾经提到过。
再参考图1，扫描装置100可以具有壳体110，位置传感装置200位于壳体110内。壳体110可以具有基本上平的下部112。可以在下部112上形成孔116。孔116可以具有分开长度为124的第一边120和第二边122。表面182的部分区域190可以位于孔116的下面。部分区域190可以以第一点186和第二点188为界，其中第一点186位于孔116的第一边120的下面，第二点188位于孔116的第二边122的下面。应该注意点186和188在表面182上是直线，然而在图1的侧视图中它们看起来象点。光路260可以通过孔116从表面182上的一点184延伸向位置传感装置200。当扫描装置100在使用中时，光束(未示出)可以在表面182部分区域与二维光敏元件阵列230之间沿着光路260传播。
光源194可以位于壳体110中。光源194可以是例如发光二极管。入射光路196可以从光源194开始，通过孔116到达部分区域190上的点184。如同下面将描述的一样，光源194的作用是发光照明部分区域190。
位置传感装置200可以具有基板210，二维光敏元件阵列230、控制器270、和透镜250。基板210可以是例如传统的硬性印刷电路板。基板210可以具有表面212，包括位置传感装置200在内的其他元件可以安装在表面212上。基板210可以具有多个触点，用于在安装于基板210上的元件之间导电。基板210可以刚性连接到壳体110上，以便基本上平行于下部112。
图1中示出了执行机构300的一个实施例。执行机构300具有控制部分370和执行部分372，这里有时分别称为第一部分和第二部分。控制部分370和执行部分372可以通过连杆机构374相连。连杆机构374可以用于相对于执行机构372移动控制部分370。执行机构374可以具有表面376，二维光敏元件阵列230安装在上面。如同下面将描述的一样，控制部分370的作用是移动执行机构372，从而通过移动连杆机构374移动二维光敏元件阵列230。
控制部分370可以刚性连接到基板210的表面212上。参考图3，图3是从图1中壳体110的下部112看位置传感装置200的视图，控制部分370可以是能够移动执行部分372的机电装置。具体地说，控制部分370可以在与由基板210的表面212限定的平面平行的平面内移动执行部分372。执行机构300可以移动执行部分372，从而在y方向140和x方向150移动二维光敏元件阵列230，其中y方向140和x方向150相互垂直。y方向140可以进一步定义为具有正y方向142和负y方向144。x方向150可以进一步定义为具有正x方向152和负x方向154。控制部分370可以使用例如传统压电的或压电装置控制执行部分372的移动。或者，控制部分370可以使用伺服系统控制执行部分372。在另一个实施例中，控制部分370可以使用电磁力控制执行部分372，以类似于光盘驱动器中的物镜相对于光盘移动的方式移动。
在这里描述的执行机构300中，根据控制部分370接受到的电压，控制部分370移动执行机构372到y方向140和x方向150的特定位置。弹力可能把连杆机构374偏置到y方向140和x方向150的中心位置。如下所述，在控制部分370上施加电压，可能使得连杆机构374在y方向140和x方向150上克服弹力离开中心位置。例如，在控制部分370上施加电压，可能使得控制部分370在一个方向上移动执行机构372到特定的位置，例如在正y方向142。加反向电压可能使得控制部分370在相反方向上移动执行机构372到特定的位置，例如在负y方向144。或者，在控制部分370上施加电压，可能使得执行机构372在一个方向上以与加在控制部分370上的电压相对应的速率移动。
再参考图1，执行机构300的控制部分370可以电连接到基板210上。控制部分370可以通过基板210上的触点施加电压。如上所述，基板210可以电连接到处理器270上，因此，处理器270可以通过基板210上的触点给控制部分370施加电压。
执行机构300的一个例子示于图4和5中。图4和5中所示的执行机构300与用于移动光盘驱动器中的物镜的执行机构类似。参考图4，图4是执行机构300的前视图，执行机构300是把二维光敏元件阵列230移到预定位置的机电装置。
执行机构300可以具有安装在左支架316和右支架318上的安装部分320。安装部分320可以具有安装表面322，用于把执行机构300安装到扫描装置100内的框架内。如下所述，左支架316和右支架318每个实际上可以包括两个结构件。左支架316可以具有两个左铰链310。同样，右支架318可以具有两个右铰链312。左铰链310和右铰链312可以基本上使得安装部分320与二维光敏元件阵列230之间在x方向150上相对移动。使用两个铰链允许二维光敏元件阵列230做更多的线性移动而不是转动。左支架316和右支架318二者都可以安装在前部352上。依次地，前部352可以安装在执行部分372上。如上所述，二维光敏元件阵列230可以安装在执行部分372上。
移动二维光敏元件阵列230需要电流。通过在安装部分320与线圈支架330之间延伸的多根导线340施加电流。线圈支架330的作用是支撑线圈(未示出)。也可以通过位于前部352内的另一线圈350施加电流。线圈支架330和执行部分372可以包围刚性固定的磁铁344。
图5示出了图4中的执行机构300的侧视图。下支架314可以位于左支架316的下面。类似的支架(未示出)可以位于图4中的右支架318的下面。因此，可以有四个支架延伸在安装部分320与前部352之间。下支架314可以具有两个铰链(未示出)，它们基本上与图4中所示的左支架316上的两个左铰链310类似。左支架316可以具有两个附加铰链334。同样，下支架314可以具有两个附加铰链336。铰链334和336的作用是可以允许执行部分372相对于安装部分320在y方向140上移动。
同时参考图4和5，铰链310、312、334和336可以允许执行部分372在y方向140和x方向150两个方向上移动。铰链310、312、334和336也可以在y方向140和x方向150方向上把执行部分372偏置在中心位置。例如，支架314、316、318可以由弹性材料制成，例如尼龙，它们把执行部分372偏置在预定位置。执行部分372可以最终与线圈350和位于线圈支架330中的线圈(未示出)相连。因此，执行部分372以及二维光敏元件阵列230与线圈移动成比例地移动。
执行部分372相对于安装部分320的移动是以传统方式通过在线圈与磁铁344之间产生磁力实现的。具体地说，电流通过导线340传输到线圈350和位于线圈支架330中的线圈(未示出)。该电流使得线圈产生电磁场，接着，该电磁场在线圈和磁铁344之间产生磁力。流经线圈的电流量与线圈数成正比，这样，二维光敏元件阵列230在y方向140和x方向150方向上移动。
已经举例描述了执行机构300，现在将描述二维光敏元件阵列230。再参考图3，二维光敏元件阵列230可以具有上部240、下部242、左部244和右部246。这些部分可以形成背对着执行机构300的执行部左部分244和右部分246。这些部分限定了与执行机构300的执行部分372相反的表面232。表面232在顶部240与底部242之间的高度为236，例如大约是1毫米。表面232在左部244与右部246之间的长度可以为238，例如大约为1毫米。
表面232上面安装有二维阵列光探测器234。可以有例如15行和15列光探测器234安装在表面232上。二维阵列中的光探测器234的数目可以根据位置传感装置200而不同。然而，对于用于扫描装置100中，见图1，二维阵列中可以具有10至20行和10至20列光探测器234。应该注意在传统的位置传感装置中典型的二维光敏元件通常具有48行和48列光探测器。因此，这里公开的位置传感装置200需要相当少量的光探测器234，从而制造成本比传统位置传感装置小。应该注意为了说明的目的，图3中描述的光探测器234被大大地放大了。实际上，光探测器234可以基本上是正方形，每边的长度大约为0．06毫米。
光探测器234可以输出代表它们接收的光的图象数据。例如，接收相对高强度的光的光探测器可以输出相对大的数据值，例如相对高的电压。同样，接收相对低强度的光的光探测器234可以输出相对小的数据值，例如相对低的电压。光探测器234以及二维光敏元件阵列230输出的图象数据的叠加，表示聚焦在光探测器234上的图象。如同下面将详细描述的一样，表面182的部分区域190(件图1)的一段将聚焦在光探测器234上。这样，由二维光敏元件阵列230输出的图象数据将代表部分区域190的一段的图象。
再参考图1，二维光敏元件阵列230可以通过数据电缆(未示出)电连接到基板210上。依次地，基板210可以通过数据线272电连接到处理器270。通过数据线272、基板210上的触点、以及二维光敏元件阵列230与基板210之间的数据电缆，二维光敏元件阵列230可以最终与处理器270电连接。同样，通过数据线272以及基板210上的触点，执行机构300可以最终与处理器270电连接。
图6中详细示出处理器270及它与执行机构300和二维光敏元件阵列230的连接的原理图。处理器270可以包括处理单元280、x方向电源290和y方向电源292。数据线282可以把处理单元280与x方向电源290电连接。数据线284可以把处理单元280与y方向电源292电连接。数据线272可以是汇集三根数据线274、276和278，可以是例如带状数据电缆。数据线274可以把x方向电源290与执行机构300的控制部分370电连接。数据线276可以把y方向电源292与执行机构300的控制部分370电连接。数据线278可以最终把二维光敏元件阵列230与处理单元280电连接。
处理单元280的作用是处理由二维光敏元件阵列230以传统方法产生的图象数据。处理单元280还可以命令执行机构300的控制部分370向哪里移动执行部分372，从而移动二维光敏元件阵列230。具体地说，处理单元280可以通过数据线282向x方向电源290输出指令，命令x方向电源290输出指定的电压。x方向电源290输出的该指定电压可以使得执行机构300的控制部分370移动执行部分372，从而把二维光敏元件阵列230移动到x方向150上的指定位置。同样，处理单元280可以通过数据线284向y方向电源292输出指令，命令y方向电源292输出指定的电压。y方向电源292输出的该指定电压可以使得控制部分370移动执行部分372，从而把二维光敏元件阵列230移动到y方向140上的指定位置。
已经描述了构成包括在扫描装置100中的位置传感装置的元件，下面将详细描述位置传感装置200和扫描装置100的操作。
概括地说，当扫描装置100相对于表面182移动时，位置传感装置200跟踪所述纸张180的表面182上的显著特征。跟踪是通过电子元件和机械元件完成的。跟踪的电子元件涉及确定表面182上的显著特征相对于二维光敏元件阵列230的位置的处理器270。当传感装置100相对于表面182移动时，显著特征相对于二维光敏元件阵列230移动。通过确定显著特征相对于二维光敏元件阵列230的位置，处理器270能够确定扫描装置100相对于表面182的位置。
跟踪的机械元件涉及利用执行机构300移动二维光敏元件阵列230，以便物理跟踪表面182上的显著特征。处理器270通过控制执行机构300控制二维光敏元件阵列230的移动。因此，当二维光敏元件阵列230被执行机构300移动时，处理器300知道二维光敏元件阵列230相对于扫描装置100的位置。这样，通过确定二维光敏元件阵列230为了跟踪显著特征所需要移动的量，处理器270能够确定扫描装置100相对于表面182的位置。
来自跟踪电子元件和机械元件的结果用于精确确定扫描装置100相对于表面182的位置。概括地说，处理器270确定二维光敏元件阵列230的移动和显著特征相对于二维光敏元件阵列230的移动，以便确定扫描装置100相对于表面182的移动。通过从这两个源获得跟踪信息，处理器270能够精确地确定扫描装置100相对于表面182的位置。因此，相对小的二维光敏元件阵列230相对于表面182移动，以便跟踪显著特征。这与传统的位置传感器显著不同，传统的位置传感器上面安装有相对大的二维光敏元件。通过移动二维光敏元件阵列230，如同这里所述的一样，相对小的二维光敏元件阵列230所起的作用与传统的位置传感装置中所使用的较大二维光敏元件相同。具体地说，移动二维光敏元件阵列230能够对表面182的较大区域成象，以便定位。
已经概括地描述了包括在扫描装置100中的位置传感装置200的操作，下面将详细描述它们二者。位置传感装置200的操作也示于流程图7中。
参考图2，扫描装置100沿着纸张180的表面182上的路径176移动，以便产生代表印刷在纸张180的表面182上的文本的图象数据。路径176是由操作者用手移动扫描装置100通过纸张180的表面182形成的。由扫描装置100产生的图象数据呈在纸张表面182上方倾斜的多个扫描线段的形式。在扫描装置100移过表面182时，图1中的位置传感装置200确定扫描装置100相对于表面182的位置。在产生图象数据时，用扫描装置100的位置电子标记扫描线段。当再现印刷在表面182上的文本178的图象时，扫描装置100利用位置信息彼此相对地电子定位扫描线段。
参考图3，在开始扫描操作之前，执行机构300把二维光敏元件阵列230偏置到y方向140和x方向150的中心位置。例如，弹力可以使得二维光敏元件阵列230移到该中心位置。在这期间，x方向电源290和y方向电源292(见图6)都不向执行机构300的控制部分370输出电压。
参考图1，在开始扫描操作时，光源194发射的光束沿着入射光路196通过壳体110上的孔116，到达表面182的部分区域190。因此，第一点186和第二点188之间的部分区域190被照明。代表部分区域190的一段的图象的光从部分区域190反射，通过孔116，并被透镜250聚焦到二维光敏元件阵列230上。纸张180的表面182具有显著特征，在二维光敏元件阵列230上看起来呈亮／暗对比。例如，诸如纸张的纸浆材料固有的凸凹看起来呈亮／暗对比。这些亮／暗对比被聚焦在二维光敏元件阵列230上并转换为图象数据。应该注意不必把整个部分区域190聚焦在二维光敏元件阵列230上。机械跟踪元件将移动二维光敏元件阵列230，以便把部分区域190的不同段聚焦在二维光敏元件阵列230上。
参考图6，二维光敏元件阵列230表面232上的光探测器234产生代表图1中的部分区域190的图象的图象数据。更具体地说，光探测器234产生代表被透镜250聚焦在二维光敏元件阵列230上的部分区域190的一段的图象数据。图象数据包括纸张180表面182上的显著特征的图象。图象数据通过数据线278从二维光敏元件阵列230输出到处理器270中的处理单元280。处理单元280识别图象数据中的上述显著特征。处理单元280还识别显著特征出现在二维光敏元件阵列230上的位置。例如，处理单元280可以识别是哪个光探测器234对显著特征成象。这样识别显著特征使得处理单元280具有显著特征相对于二维光敏元件阵列230的位置的数据库。
在图1中的扫描装置100相对于纸张180的表面182移动时，显著特征相对于光探测器234移动，见图6，从而相对于二维光敏元件阵列230移动。例如，如果扫描装置100(见图1)相对于表面182(见图6)在负x方向154和负y方向144上移动，显著特征将相对于二维光敏元件阵列230的表面232在正x方向152和正y方向142上移动。因此，显著特征的图象将从二维光敏元件阵列230的左部244向右部246移动。显著特征的图象也将从二维光敏元件阵列230的下部242向上部240移动。
通过测量显著特征相对于二维光敏元件阵列230的表面232移动的距离，处理单元280确定扫描装置100(见图1)在一段时间内相对于表面182移动的距离。通过确定光探测器234相对于二维光敏元件阵列230的移动方向，处理单元280还能够确定扫描装置100相对于表面182的移动方向。通过对物体表面的显著特征成象确定装置移动的例子在下列美国专利中有进一步的描述授予Allen等的US5，644，139和授予Allen等的US5，578，813，这两个专利在前面都提到过。
参考图6，由于二维光敏元件阵列230的尺寸相对小，显著特征将快速通过二维光敏元件阵列230。这样减弱了位置传感装置200只利用图象数据精确确定扫描装置100(见图1)相对于纸张180的表面182的位置的能力。为了解决这一问题，位置传感装置200物理移动二维光敏元件阵列230来跟踪显著特征。这里有时将此称为机械跟踪元件。在上述的例子中，显著特征的图象向二维光敏元件阵列230的上部240和右部246移动。因此，二维光敏元件阵列230必须在正y方向142和正x方向152上移动，以便连续跟踪显著特征，否则它们将快速移出二维光敏元件阵列230的成象范围。
为了在y方向140跟踪显著特征，处理单元280首先计算二维光敏元件阵列230在正y方向142上必须移动的量。然后处理单元280计算通过数据线276必须加到控制部分370上的电压，以便实现在正y方向142上所需的移动量。之后处理单元280通过数据线284把指令传输给y方向电源292，命令y方向电源292在数据线276上输出该电压。因此，执行机构300的控制部分370把二维光敏元件阵列230在正y方向142上移动所需要的量。
处理单元280和x方向电源290进行完全相同的过程，以便把二维光敏元件阵列230在正x方向152上移动所需要的量。处理单元280通过数据线282传输指令，命令x方向电源290在数据线274上输出指定电压。因此，执行机构300的控制部分370把二维光敏元件阵列230在正x方向152上移动所需要的量，以便在x方向150上跟踪显著特征。以微小步骤移动二维光敏元件阵列230的过程有时称为微步进。
当执行机构300在任何方向都已经最大限度地移动二维光敏元件阵列230时，它向反方向移动，而且处理单元280获得新的显著特征以便跟踪。这一过程有时称为大步进。例如，在上述的例子中，执行机构300最终将在正y方向142或正x方向152上它所能到达的最远距离上移动二维光敏元件阵列230。当执行机构300已经到达它在正y方向142上的最大行程时，处理单元280命令执行机构300在负y方向144上最大限度地移动二维光敏元件阵列230。这是通过向y方向电源292传输指令，命令它在数据线276上输出电压，该电压将在负y方向144上最大限度地移动二维光敏元件阵列230。当扫描装置100(见图1)在负y方向144上连续移动时，二维光敏元件阵列230的再定位将允许它在执行机构300在y方向140的整个移动范围内跟踪显著特征。执行机构300可以同时在负x方向154上最大限度地移动二维光敏元件阵列230。这样能够提高位置传感装置200的效率，因为最终必须在负x方向154上最大限度地移动二维光敏元件阵列230并获得新的显著特征的图象。当在负y方向144和负x方向154两个方向上移动二维光敏元件阵列230时，二维光敏元件阵列230只需获得显著特征一次。
当二维光敏元件阵列230跟踪显著特征时，处理单元280跟踪二维光敏元件阵列230相对于扫描装置100(见图1)的位置。处理单元280利用二维光敏元件阵列230的位置确定扫描装置100(见图1)相对于纸张180的表面182的位置。例如，如果二维光敏元件阵列230从中心位置在正y方向142上移动1毫米，在正x方向152上移动1毫米，处理单元280将利用该移动量最终计算扫描装置100(见图1)相对于表面182的位置。例如，根据显著特征相对于二维光敏元件阵列230的位置，处理单元280可以首先确定扫描装置100(见图1)的位置。该位置可能被执行机构300的移动偏置，在上述例子中在两个方向上的所述偏置量为1毫米。因此，利用面积相对小的二维光敏元件阵列230，处理器270能够自动确定扫描装置100(见图1)相对于表面的位置。
执行机构300例如可以具有位于控制部分370与执行部分372之间的压电执行机构。例如，传统的压电元件可以连接在控制部分370与连杆机构374之间，在加电压时它移动连杆机构374，从而移动执行部分372。或者，可以利用磁力相对于控制部分370移动连杆机构374。例如，可以利用通常用于跟踪小型盘上的数据的磁性执行机构移动连杆机构374。
在位置传感装置200的一个实施例中，透镜250可以固定在执行机构300的执行部分372上。在该实施例中，透镜250与二维光敏元件阵列230一起移动。在位置传感装置200的一些应用中，可以优选该实施例，因为在二维光敏元件阵列230和透镜250移动时光路260相对于二维光敏元件阵列230和透镜250趋向于保持在恒定的位置上。因此，当二维光敏元件阵列230相对于表面移动时，表面182上的显著特征将保持在焦点上。
已经描述了具有可移动二维光敏元件阵列230的位置传感装置200的一个实施例，现在将描述图6和7中所示的位置传感装置200的另一个实施例。
图6和7中所示的位置传感装置200的实施例具有固定的二维光敏元件阵列230和可移动透镜250。在该实施例中，二维光敏元件阵列230可以用传统方法固定在基板210上，例如它可以焊接或放置在插座上。具有水平延伸连杆机构420的执行机构400可以代替上述的执行机构300。
参考图9，执行机构400可以具有控制机构410和连杆机构420，这里有时分别称为第一部分和第二部分。连杆机构420可以形成有孔422，孔422的尺寸适合于固定透镜250。控制机构410可以电连接和机械连接到基板210的表面212上，位于二维光敏元件阵列230附近。连杆机构420上的孔422可以在二维光敏元件阵列230上方延伸，以便透镜250可以把光聚焦在二维光敏元件阵列230上。控制机构410的作用是可以在y方向140和x方向150上移动连杆机构420，与控制部分370(见图6)移动执行部分372的方式类似。通过移动透镜250，以便引导显著特征与二维光敏元件阵列230之间的光路260，位置传感装置200跟踪显著特征。
图8中所示的位置传感装置200的实施例的作用方式基本上与图1中所示的位置传感装置实施例类似。然而，执行机构400中的控制机构410移动透镜250，而不是移动二维光敏元件阵列230，以便跟踪纸张180的表面182上的显著特征。通过移动透镜250，光路260将偏离透镜250的焦轴，这样在透镜250处弯曲光路260。控制机构410连续移动连杆机构420以便把光从显著特征传播到二维光敏元件阵列230。使透镜的焦轴偏离光路以便把光路引导到目标的例子在如下美国专利申请中公开了Gardner于1999年4月13日申请，序列号为09／290，842，名称为“OPTICAL ASSEMBLY HAVING LENS OFFSETFROM OPTICAL AXIS”，将该专利申请包括在这里以供本申请参考。
在位置传感装置200的这一实施例中，跟踪电子元件基本上与上面参考图1所描述的跟踪电子元件类似。跟踪机械元件是通过相对于二维光敏元件阵列230移动透镜250实现的。处理器270命令执行机构400移动透镜250以便跟踪表面182上的显著特征。透镜250实际移动的量和方向依赖于其中包括透镜250的扫描装置100的光学特性。
这里将执行机构300和400描述为在y方向140和x方向150上被限制移动。在位置传感装置200的实施例中，执行机构300和400也在z方向160上移动，见图1和6，其中z方向160具有正z方向162和负z方向164。z方向160基本上垂直于y方向140和x方向150所限定的平面。在z方向160上的所述移动相对于透镜250移动二维光敏元件阵列230。在z方向160上的所述移动用于把表面182的图象聚焦在二维光敏元件阵列230上。这样能够把显著特征的更多规定图象聚焦在二维光敏元件阵列230上，从而提高位置传感装置200确定扫描装置相对于表面182的位置的精度。
应该注意可以校验扫描装置100以便补偿透镜250的畸变量。畸变是能够导致扫描装置100错误地将显著特征相对于二维光敏元件阵列230定位的光学象差。因此，透镜250或者二维光敏元件阵列230的上述移动必须补偿透镜250的畸变。
虽然这里已经详细描述了本发明的说明性最佳实施例，但是应该理解发明构思可以其他不同方式实现，所附权利要求书应该解释为包括这些现有技术所能实现的不同实施方式。
权利要求
1．一种位置传感装置(200)，包括基板(210)；第一部分(370)和第二部分(372)，其中所述第一部分(370)与所述基板(210)相连，所述第二部分(372)沿着第一轴(150)可移动地安装在所述第一部分(370)上；连接到所述第二部分(372上)的二维光敏元件阵列230；在一个平面与二维光敏元件阵列(230)之间延伸的光路(260)；以及位于所述光路(260)中的透镜(250)。
2．如权利要求1所述的装置，其中所述第二部分(372)沿着第一轴(150)和第二轴(140)可移动地安装在所述第一部分(370)上，其中所述第一轴(150)基本上垂直于所述第二轴(140)。
3．一种位置传感装置(200)，包括基板(210)；连接在所述基板(210)上的二维光敏元件阵列(230)；在所述二维光敏元件阵列(230)与一个平面之间延伸的光路(260)；第一部分(370)和第二部分(372)，其中所述第一部分(370)与所述基板(210)相连，所述第二部分(372)沿着第一轴(150)可移动地安装在所述第一部分(370)上；以及连接在所述第二部分(372)上并位于所述光路(260)中的透镜(250)。
4．如权利要求3所述的装置，其中所述第二部分(372)沿着第一轴(150)和第二轴(140)可移动地安装在所述第一部分(370)上，其中所述第一轴(150)基本上垂直于所述第二轴(140)。
5．一种用于确定物体(100)相对于表面(182)的位置的方法，该方法包括提供可移动地连接在所述物体(100)上的二维光敏元件阵列(230)；把光从所述表面(182)的焦平面部分(190)传播到所述二维光敏元件阵列(230)；使得所述表面(182)与所述物体(100)之间相对移动；通过移动所述二维光敏元件阵列(230)保持所述表面(182)的所述焦平面部分(190)与所述二维光敏元件阵列(230)之间的光路(260)；以及分析所述二维光敏元件阵列(230)的所述移动，以便确定所述物体(100)相对于所述表面(182)的位移。
6．根据权利要求5所述的方法，进一步包括在所述二维光敏元件阵列(230)与所述表面(182)的所述焦平面部分(190)之间提供透镜(250)。
7．根据权利要求6所述的方法，进一步包括与所述二维光敏元件阵列(230)的移动成正比地移动所述透镜(250)。
8．一种用于确定物体(100)相对于表面(182)的位置的方法，该方法包括提供与所述物体(100)相连的二维光敏元件阵列(230)；提供与所述物体(100)相连的透镜(250)；通过所述透镜(250)把光从所述表面(182)的所述焦平面部分(190)传播到所述二维光敏元件阵列(230)；使得所述表面(182)与所述物体(100)之间相对移动；通过相对于所述二维光敏元件阵列(230)移动所述透镜(250)，保持所述表面(182)的所述焦平面部分(190)与所述二维光敏元件阵列(230)之间的光路(260)；以及分析所述透镜(250)相对于所述二维光敏元件阵列(230)的移动，以便确定所述物体(100)相对于所述表面(182)的位移。
9．根据权利要求8所述的方法，其中所述提供二维光敏元件阵列(230)的步骤包括提供与所述物体(100)固定连接的二维光敏元件阵列(230)。
10．根据权利要求8所述的方法，其中所述提供透镜(250)的步骤包括提供与所述物体(100)固定连接的透镜(250)。
全文摘要
本申请公开了一种用于确定物体100的位置的位置传感装置200。所述位置传感装置200可以包括基板210、执行机构300和二维光敏元件阵列230。执行机构300可以包括第一部分370和第二部分372,其中执行机构第一部分370与基板210相连,第二部分372沿着第一轴150可移动地安装在执行机构第一部分370上。二维光敏元件阵列230可以连接在执行机构第二部分372上。位置传感装置200通过跟踪表面182上的显著特征确定物体100的位置。
文档编号G01S3/786GK1289988SQ00118460
公开日2001年4月4日 申请日期2000年6月29日 优先权日1999年9月29日
发明者D·D·波恩 申请人:惠普公司