使用单个自混合激光器测量对象和光学输入设备的二维相对运动的方法

专利名称：使用单个自混合激光器测量对象和光学输入设备的二维相对运动的方法
使用单个自混合激光器测量对象和光学输入设备 的二维相对运动的方法本发明涉及一种确定输入设备和对象沿作用平面内的测量轴相对于彼此的运动和/或距离的方法，该方法包括步骤使用从激光设 备的激光腔发射的测量激光束照射对象表面；测量激光腔操作中的变 化，所述变化归因于重新进入所述激光腔的测量束辐射和所述激光腔 中的光波的激光自混合干涉，并且代表了沿所述测量轴的所述运动； 生成代表所测得的、在所述激光腔操作中的变化的电信号。本发明还涉及一种配备了用于执行该方法的光学模块的输入设 备，以及涉及一种包括这种光学模块的输入设备。根据国际专利申请W0 03/102717 A2得知这样的方法和输入设 备。该输入设备可以是光学鼠标，用于计算机配置中使用以便在计算 机显示器或监视器上移动光标，从而例如选择被显示菜单的功能。像 传统的机械式鼠标一样，这样的光学鼠标靠手在鼠标垫上移动。该输 入设备也可以是"倒置的"光学鼠标。然后，输入设备是固定的，并 且例如嵌入到台式电脑的键盘中，或笔记本电脑中，或像移动电话、 PDA或游戏装置那样的手持装置中，并且对象是在输入设备的外壳中 的透明窗上移动的用户手指。在后一种应用中，该输入设备的优点得 到了最佳的利用，所述优点即体积小、重量轻、成本少和功耗低。如W0 03/102717 A2中所述，为了确定对象和i殳备沿测量轴的运 动方向，提供给激光器的驱动电流是周期性变化的电流，例如具有三 角形周期的电流。由于这种激光器调制，所测得的信号表现出在三角 形的上升斜坡和下降斜坡上叠加了更高(或"偏移")频率的波动。 如果上升斜坡上的波动频率等于下降斜坡上的波动频率，则对象和设 备相对于彼此是静止的。如果相对运动，则取决于沿测量轴的运动方 向、上升斜坡上的波动频率大于或者小于下降斜坡上的波动频率。当使用计算机鼠标时，通常的做法是，从鼠标在其上移动(沿X 和Y方向)的表面提升鼠标，然后在该表面上重新放置鼠标，以便例如复位坐标系统参考基准。对于这种应用来说，该表面形成所谓的作用平面，并且有必要允许检测沿Z方向上的运动，以便^r测何时鼠标 从该表面提升然后重新放置在该表面上。事实上，存在许多其中可能 需要对象和输入设备沿Z方向的相对运动的应用。在W0 03/102717 A2所述的布置中，输入设备配备了垂直定向的 两个二极管激光器和两个相关联的光电二极管，这允许测量沿一个平 面内的两个垂直(X和Y)方向或测量轴的相对运动。这种设备适用 于其中必须对光标在显示器上沿两个方向的运动进行控制的装置。如 果还要求测量沿第三(Z)方向或测量轴的相对运动，那么需要提供 第三二极管激光器和光电二极管。但是，这种附加的传感器增加了设备的成本并使其更加复杂。因此，本发明的目的是提供一种以上定义类型的方法和设备，其 允许使用单个自混合激光器和辐射敏感检测器来测量对象和输入设 备之间沿两个测量轴的相对运动和/或距离，其中一个测量轴位于作 用平面内，且另一个测量轴横穿其中。依照本发明，提供了 一种确定输入设备和对象沿横穿作用平面的 测量轴相对于彼此的运动和/或距离的方法，该方法包括步骤向激 光设备提供已调制的驱动电流并且用从所述激光设备的激光腔发射 的测量激光束照射对象表面，生成代表激光腔操作的变化的测量信 号，所述变化归因于重新进入所述激光腔的测量束辐射和所述激光腔 中的光波之间的干涉，并且代表了沿所述测量轴的所述运动，而且所 述测量信号在其每个周期中都包括上升部分和下降部分，在所述部分 上叠加了具有偏移频率的波动，该方法进一步还包括通过对所述测量信号的上升部分和下降部分的所述偏移频率进^亍求和来确定所述 对象和所述输入i殳备沿所述测量轴相对于4皮此的距离和/或运动，以 及生成代表所述距离和/或运动的电信号。根据本发明，还提供了一种光学模块，用于执行确定输入设备和 对象沿横穿作用平面的测量轴相对于彼此的运动和/或距离的方法， 该模块包括具有激光腔的激光设备，用于向所述激光设备提供已调 制驱动电流并且用从所述激光设备的激光腔发射的测量激光束照射 对象表面的装置，用于生成代表激光腔操作中的变化的测量信号的检测器装置，所述变化归因于重新进入所述激光腔的测量束辐射和所述 激光腔中的光波之间的干涉，并且代表了沿所述测量轴的所述相对运 动和/或距离，所述测量信号在其每个周期中都包括上升部分和下降 部分，在所述部分上叠加了具有偏移频率的波动，该模块还包括电子 处理装置，用于通过对所述测量信号的上升部分和下降部分的所述偏 移频率进行求和来确定所述对象和所述输入设备沿所述测量轴相对 于彼此的距离和/或运动，并且生成代表所述距离和/或运动的电信 号。
本发明还涉及一种包括如上所限定的光学模块的输入设备。 有益地是，所述电子处理装置被布置为根据对所述测量信号的上 升和下降部分的所述偏移频率进行求和的结果来确定所述输入设备 是否与所述作用平面相距一定距离，并且如果不是的话，则使用所述
测量信号的参数来测量所述输入设备和对象沿所述作用平面内的测 量轴相对于彼此的运动速度和/或运动方向。因此，在确定所述对象 和所述输入设备沿横穿作用平面的测量轴(Z)相对于彼此的距离和/
或运动期间，有效禁止了对沿作用平面内的测量轴(X或Y)的运动 速度和/或运动方向的测量。事实上，偏移频率的求和结果可能给出 代表输入设备是否离开对象一定距离的信号，并且该信号可用来允许 或禁止对沿作用平面内的测量轴的运动的测量。
在一个示范实施例中，对象和输入设备沿作用平面中的测量轴相
和下降斜坡上的偏移频率^之差一来确口定的，其中该结果的<1代表了运动 速度，该结果的符号代表了运动方向。在一个优选实施例中，以已知 的时间间隔测量对象和作用平面之间的距离，以^更确定对象和输入设 备沿横穿作用平面的测量轴相对于彼此的运动速度，并且从而补偿其 对沿作用平面中的测量轴的运动速度和/或运动方向的确定的贡献。
有益地是，与所述激光设备和所述对象之间、沿横穿作用平面的 所述测量轴的绝对距离有关的数据是根据对所述测量信号的上升和 下降部分各自的偏移频率的求和来获得的。在一个优选实施例中，电 子处理装置被布置为监视所述测量信号的各自上升和下降斜坡的所 述偏移频率之和，并且根据其中的任何变化来确定在所述对象和所述 输入设备之间沿横穿作用平面的测量轴的相对距离中的变化(即标识对象和输入设备相对于彼此的相对运动)。可选地，都可以相对于预 定时间间隔来确定和监视任何这种变化，以便确定对象和输入设备沿 横穿作用平面的测量轴相对于彼此的任何运动的速度。
有益地是，电子处理装置还被布置为通过确定对应事件在测量信 号周期中的相差来确定所述输入设备沿横穿作用平面的测量轴相对 于所述对象的距离和/或运动，其中所述事件的周期性优选地大于所 述测量信号的上升和下降部分的周期性。除了对测量信号的各自上升 和下降斜坡的偏移频率进行的求和之外，这也导致对于输入设备和对
象沿横穿作用平面的测量轴相对于彼此的距离和/或运动的更为精确 的确定。
在优选实施例中，光学模块包括两个激光设备，用于生成用于 照射所述对象的两个对应测量束，检测器装置，用于生成代表激光腔 操作中的变化的两个对应测量信号，所述变化归因于重新进入所述激 光腔的测量束辐射和所述激光腔中的光波之间的干涉，并且代表了沿 所述作用平面内的两个对应测量轴、所述输入i殳备相对于所述对象的 运动，每个所述测量信号在其每个周期中都包括上升部分和下降部 分，在所述部分上叠加了具有偏移频率的波动，该模块还包括电子处 理装置，用于通过对每个测量信号的上升部分和下降部分的所述偏移 频率进行求和来确定所述对象和所述输入设备沿横穿所述作用平面 的测量轴相对于彼此的距离和/或运动，并且生成代表所述距离和/ 或运动的电^言号。
因此，两个激光器都可用来确定对象和输入设备之间沿横穿作用 平面的测量轴的相对距离和运动，因此一些冗余引入了更为精确的确 定结果。
因此应当理解的是，在包括至少一个自混合激光器的、根据本发 明的示范实施例的设备中实现了本发明的上述目的，这通过以下处理 实现通过使用测量信号的上升斜坡和下降斜坡的频率差来测量对象 和设备之间沿作用平面中的测量轴的相对运动；以及使用这些偏移频 率之和来测量对象和输入设备沿横穿作用平面的测量轴的相对距离 和/或运动。这意味着， 一个激光器用于测量沿作用平面中的一个方 向(X方向或Y方向)上的相对运动，并且可以通过使用从同一个激 光器得到的测量信号来确定对象和输入设备之间沿Z方向的相对距离和/或运动。因此，具有至少一个自混合激光器的激光自混合设备
可用作2D传感器(X或Y方向以及Z方向)。可以添加第二自混合 激光器以观'j量对象和输入设备之间沿作用平面中的第二测量轴的相 对运动，该第二测量轴优选为基本垂直于作用平面中的第一测量轴。 在这种情况下，从两个自混合激光器得到的测量信号可用来确定对象 和输入设备沿横穿作用平面的测量轴相对于彼此的距离和/或运动， 并具有一定的冗余效应，这产生更为精确的测量结果。因此，具有两 个自混合激光器的设备可用作3D传感器(X、 Y和Z方向)。
本发明的这些和其他方面根据下文描述的实施例将是显而易见 的，并且将参照这些实施例进行阐述。
现在将仅通过举例的方式并参照附图来描述本发明的实施例，其
中
图la为根据本发明的示范实施例的输入设备的示意截面图； 图lb为图la中的设备的示意俯视图； 图2说明了图la和lb中的输入设备的测量方法的原理； 图3说明了作为具有光学反馈的激光器的温度函数的激光波长 的改变；
图4说明了用于激光器的周期性变化驱动电流的使用效果； 图5i兌明了可以如何4全测运动方向；
图6说明了运动对于频率的影响，所述运动可以将频率降到小于


图1为根据本发明的示范实施例的输入设备的示意截面。该设备 在其下侧包括底板l,其是二极管激光器的载体(该激光器在所述 实施例中即VCSEL激光器)；以及检测器(例如光电二极管)。在图 la中，仅仅一个二极管激光器3及其关联的光电二极管4是可见的， 但是如图lb中所示(图lb是所述设备的示意俯视图)，通常在底板 上提供至少第二二极管激光器5和相关联的检测器6。 二极管激光器 3、 5分别发射测量束13和17。在设备的上侧配备了透明窗口 12， 例如人的手指之类的对象在该透明窗口上面移动。例如为平凸透镜的 透镜10布置在二极管激光器和该窗口之间。该透镜将激光束13、 17聚焦在透明窗口 12的上侧位置处或其附近。如果对象15位于该位置， 那么它就散射该束13 (和17)。辐射束13的一部分沿照明束13的 方向散射，并且这部分由透镜IO会聚到二极管激光器3的发射表面 上并且重新进入其激光腔。如后面将要阐述的那样，重新进入激光腔 的辐射引起由二极管激光器发射的辐射的强度的变化。这些变化可以 由光电二极管4检测到，光电二极管4将测得的变化转换成电信号， 并且将该电信号施加给电子电路18进行处理。类似地，光电二极管 6将测得的、由二极管激光器5所发射辐射的强度变化转换成电信号， 并且将该电信号施加到另一个电子电路19进行处理。如图lb所示， 电子电路18、 19是彼此连接的。激光器和检测器可以进行不同程度 的集成，包括单片集成。图2说明了了当使用水平发射二极管激光器和布置在该激光器 后平面处的监视器光电二极管时、根据本发明的示范实施例的输入设 备和测量相对运动的方法的原理。在图2中，二极管激光器(例如二 极管激光器3)由它的腔20以及它的前、后平面或者相应的激光腔 镜21、 22来示意性地表示。腔具有长度L。对象U和前平面n之 间的空间形成外腔，其长度为L0。发射穿过前平面的激光束用附图标 记25表示，由对象沿前平面方向反射的辐射用附图标记26表示。部 分在激光腔中生成的辐射穿过后平面，并由光电二极管4捕获。如果对象15沿照明束13的方向运动，那么反射的辐射26将经 历时变相位延迟和多普勒频移。这意味着该辐射的频率(因此导致相 位)发生变化或者出现了频移。这种频移取决于对象运动的速度，其 数量级为几个kHz到MHz。重新进入激光腔的、发生频移的辐射与该 腔内生成的光波或辐射发生干涉，即在腔内出现自混合效应。取决于 光波和重新进入该腔的辐射之间的相移量，这种干涉将是相长或相消 的，即激光辐射的强度周期性地增大或减小。以此方式生成的激光辐 射调制的频率精确等于该腔内的光波频率和重新进入该腔的已发生 多普勒频移的辐射频率之差。该频率差的数量级为几个kHz MHz,并 因此易于检测。自混合效应和反射光的时变相移的组合导致激光腔操 作中的变化，尤其是其增益或光放大的变化，并且使得每个镜面处的 输出功率改变。作为对象运动速度v的函数的增益变化Ag由下列等式给出丄L c c J在这个等式中K为到外腔的耦合系数，其指示耦合出激光腔的辐射量；v为激光辐射的频率；v为对象沿照明束方向的运动速度；t为时刻；c为光速 与对象的运动速度和运动量(即对象运动经过的距离，而且该距 离可以通过相对于时间积分所测得的速度来测量)一样，也需要检测 运动方向，即对象沿测量轴是向前还是向后运动，。在提出的一种确定运动方向的方法中，利用的事实是，激光辐射 的波长l取决于二极管激光器的温度，从而取决于通过二极管激光器 的电流。如果例如二极管激光器的温度升高了，那么激光腔的长度随 之增大，并且被放大的辐射的波长随之增大。图3的曲线45示出了 所发射辐射的波长l的温度(Trf)依赖性。如果如图4所示，将周期驱动电流Irf (由波形50表示)提供给 二极管激光器，则二极管激光器的温度Trf就如波形52所示周期性地 上升和下降。这产生了激光腔中的光学驻波，其具有周期性变化的频 率，并因此具有相对于由对象反射并且重新进入该腔的辐射有一定时 延的连续变化的相移。在驱动电流的每个半周期中，现在存在相继的 时间#殳，其中取决于该腔中的波和重新进入该腔的#皮反射辐射之间的 相位关系、二极管激光器增益在这些时间段中更高和更低。这产生如 图4中波形54所示的、所发射辐射的时间相关强度变化(I)。这个 波形代表用于静止或不运动对象的情况。第一半周期^P(a)中的脉沖数等于第二半周期^p(b)中的脉冲数。对象的运动引起重新进入激光腔的辐射的变化时移，即这个频率 取决于具有多普勒频移的运动的方向而增大或减小。对象在一个方向 即前向方向的运动导致重新进入的辐射的波长减小，在相反方向的运 动导致重新进入的辐射的波长增大。激光腔中光波的周期性频率调制 的效果在于，如果多普勒频移与激光腔中的频率调制符号相同，那么 重新进入该腔的、发生了多普勒频移的辐射的效果不同于在所述频率调制和多普勒频移具有相反符号的情况下该辐射具有的效果。如果这 两个频移符号相同，则所述波和重新进入的辐射之间的相差就以緩慢 的速率发生变化，并且结果产生的激光辐射调制的频率更低。如果这 两个频移符号相反，则所述波和辐射之间的相差就以更快的速率发生 变化，并且结果产生的激光辐射调制的频率更高。在驱动激光器电流的第一半周期^P(a)期间，所生成的激光辐射的波长增大。在对象后向运动的情况下，重新进入的辐射的波长也增大，所以所述腔中的波 的频率和重新进入该腔的辐射的频率之间的差值更低。因此，与缺少所发射激光辐射的电调制的情况相比，其间重新进入的辐射的波长与 所生成辐射的波长相适应的时间段的数目更小。这意味着，如果对象 沿后向方向运动，那么与其中没有施加调制的情况相比，第一半周期 中的脉冲数更小。在其中激光器温度降低和所生成辐射的波长减小的 第二半周期^p(b)内，其中重新进入的辐射的波长与所生成辐射的波长相适应的时间段的数目增大。因此，对于后向运动的对象而言，第 一半周期内的脉冲数小于第二半周期内的脉冲数。这由图5的波形 58所说明，该波形58示出了如果对象沿后向方向运动的话、所发射 激光辐射的强度L。将该波形与图4的波形54进行的比较示出，第 一半周期中的脉沖数已经减小了 ，并且第二半周期中的脉冲数增大 了 。根据上述可知，如果对象沿前向方向运动，其中由对象散射并且 重新进入激光腔的辐射的波长由于多普勒效应而减小(对象朝激光器 运动，多普勒频移为正，激光器和目标之间匹配的波数减小，激光器 和目标之间匹配的波数也因激光波长的增大而减小)，则第一半周期 ^p(a)中的脉冲数大于第二半周期^P(b)中的脉冲数。这可以通过比较图5的波形56来验证，其中波形56代表在前向运动对象的情况下 所发射辐射的强度I/。在电子处理电路中，从第一半周期^P(a)期间计数的光电二极管信号脉冲数中减去第二半周期^P(b)期间计数的脉冲数。如果结果产生的信号为零，那么对象是静止的。如果结果产 生的信号为正，那么对象沿前向方向运动，并且如果该信号为负，那 么对象沿后向方向运动。结果产生的脉冲数与分别沿前向和后向方向 的运动速度成比例。因此，总的说来并且如上所述，为了确定对象和设备沿测量轴的 相对运动方向，提供给激光器的电驱动电流是周期性变化的电流，例 如具有三角形周期的电流。由于这种激光调制，测得的信号示出也称 为"偏移频率，，的更高频率，即叠加在三角形的上升和下降斜坡上的 波动。如果上升斜坡上的频率等于下降斜坡上的频率，那么对象相对 于设备是静止的。如果对象运动，那么取决于沿测量轴的运动方向、 上升斜坡上的偏移频率大于或小于下降斜坡上的偏移频率。偏移频率 的值由激光器电流的调制率以及设备和对象之间的距离所确定。为了 测量对象相对于设备的运动，要在给定的测量时间期间确定检测器输 出信号的偏移频率，即执行频率分析。对于偏移频率测量而言，可以使用例如利用比较和计数装置的傅立叶分析(FFT)或者其他频率或 相位跟踪方法。如上所述，本发明的目的是提供一种允许确定对象和输入设备之 间、沿横穿作用平面的测量轴的运动和/或相对距离而不使用附加传 感器的方法。在本发明的方法中，通过对电测量信号的各自上升斜坡 和下降斜坡二者上的偏移频率进行求和来确定沿横穿作用平面的测 量轴的这种运动和/或距离。因此，可通过在同一周期内从测量信号用平面中的第一测量轴的运动测量，而可以通过对这些偏移频率进行 求和来实现沿横穿作用平面的第二测量轴的运动/距离测量。本发明基于这样的构思Z方向上的对象距离变化导致上升斜坡 和下降斜坡这两者上的波动的频率以相同方式和相同量偏移，而在作用平面中的运动(沿X或Y方向)导致上升斜坡上的偏移频率以与相 应下降斜i皮上的偏移频率偏移相反的方式偏移。这样，由于沿Z方向的运动导致这两个频率以恒定频率差共同偏移，该运动和距离变化可 以通过这两个频率之和来确定，而与作用平面中的运动无关。当对传感器进行校正时，测量信号同 一周期中的上升和下降斜坡 上的偏移频率之和给出有关自混合激光器和对象之间的绝对距离的 信息。当对传感器进行校正时，测量信号同一周期中的上升和下降斜 坡上的偏移频率之和的变化给出了有关该传感器和对象之间的相对 距离变化的信息。最后，在某一时间间隔内测量信号的上升和下降斜 坡上的偏移频率之和的变化给出了有关沿Z方向的相对运动速度的信息。换言之，对象在X-Y平面中运动，则检测出差频。当对象沿Z 方向运动时，那么也检测出差频。通常，垂直于设备的任何运动都生 成差频。同样是通常，在到对象的距离中的任何变化都产生和频中的 变化。但是，在有关系统的知识更多的情况下，诸如对象实质上是沿XY方向的一个平面之类，则该距离就直接与Z距离成比例，并且可 以根据和频来确定到该表面(Y)的高度。沿Z方向的运动也导致差频信号的事实带来附加的问题该运动 检测通常在XY运动检测系统中是所不希望的。但是，在示范实施例 中，以已知的时间间隔测量到XY平面的距离(Z距离)。因此，有 可能推断出沿Z方向的速度。每当需要时，可以将该速度用于补偿不 想要的、沿Z方向的速度检测。因此，总体而言，可以认为和频与沿激光束的轴的速度成比例， 而且该和频与沿激光束的距离成比例。将此与对象的知识(实质上是 XY平面)相结合，可以将沿Z方向的运动确定为距离的变化，并且 允许在X-Y检测输出中消除不想要的Z速度信号。此外，以下情况须加考虑激光器用上和下斜坡进行了调制，而 且运动增大了 一个斜坡上的频率并降低了另 一个斜坡上的频率。结 果，该频率降低可能降低至零或者甚至为负。 一旦所述频率已经变为 负，它就围绕零轴折叠(负频率本身不能被检测出来)并且作用相反。 现在，和频与速度成比例，而"差，，频与对象的距离成比例。图6中 说明了这一点。图6中示出了许多界限，它们与本说明无关，但是这里跟踪了来 自上、下段的频率结果。在中心区域，这里给出的说明适用，但是在 更高的速度范围内，频率在X轴的折叠反置了和频与"差"频的作用 角色。图6所示的灰色区域针对难于检测的非常低频率。可以使用信 号处理来检测该区域中的信号。因此，在一个实际实施例中，不能检测出负频率。因此当频率穿 过X轴(并且变为负)时，任何实际的测量就给出正的结果(这是图 6中的曲线在X轴上镜像反折的原因)。因此，既然已知对于更高的 速度而言，所检测到的频率的符号(对于两个频率中的较低频率来说) 是不正确的，那么就将处理装置布置成改变"求和，，计算的符号以获得指示速度和距离的信号。实际的结果是，就数学术语来说，使用偏 移频率之和来确定对象和输入设备沿横穿作用平面的测量轴相对于 彼此的距离和/或运动，但是实际上，由于偏移频率的真实符号，这 可能被计算成"差，，频，虽然尽管从数学术语上讲，如果考虑到偏移 频率各自的符号，它仍然是对这些偏移频率进行求和。
除了对测量信号同 一周期中的上升和下降斜坡上的偏移频率进 行求和以测量对象和输入设备之间沿横穿作用平面的测量(Z)轴的 相对运动/距离之外，有关上升和下降斜坡的相位信息也可用来测量
沿z方向的相对运动和距离，由此利用的事实是，沿z方向的距离变 化引起相移，而且使用相位测量给出更高的分辨率，并且其与对偏移 频率的求和相结合给出了更为精确的结果。显然，是否与对偏移频率 的求和 一起使用相位测量将取决于所要求获得的测量精度，这接着又 取决于其中要使用输入设备的应用。
还应当指出的是，在极端情况下，激光器的调制频率确实包含上、 下段，但是所选取的调制频率如此之高，以至于未出现测量信号的完 整波动，并且检测不到和频与差频。不过，仍然出现有关上、下信号 的相位变化，并且可以使用合适的信号处理装置检测出这些相位变 化。这对于本领域技术人员而言应当是显而易见的。当选取的调制幅 度非常低以至于可检测的和频与差频被简化成相差时，情况也是如此
(在图6中，这会位于灰色区域的底部)。
应当指出的是，上述实施例说明而不是限制本发明，本领域技术 人员将能设计出许多可替换的实施例而不偏离由所附权利要求限定 的本发明范围。在权利要求中，任何置于括号中的附图标记都不应当 被视为限制了这些权利要求。措词"包括，，、"包含"等等并不排除
件或步骤的存在:、^元件的单数;i用并不排除^这类元件的复数引
借助于经'过'i当编程的;十算机来实现。在列举了、;干装置的设备权利 要求中，这些装置中的一些可以由同一硬件项实施。在互不相同的从 属权利要求中引用某些技术措施这一起码的事实并不意味着不可以 利用这些技术措施的组合来获得优点。
权利要求
权利要求(有参考符号)1.一种确定输入设备和对象(15)沿横穿作用平面的测量轴相对于彼此的运动和/或距离的方法，该方法包括步骤向激光设备(3)提供已调制的驱动电流并且使用从所述激光设备(3)的激光腔发射的测量激光束(13)照射对象表面；生成代表激光腔操作中的变化的测量信号，所述变化归因于重新进入所述激光腔的测量束辐射和所述激光腔中的光波之间的干涉，并且代表了沿所述测量轴的运动，而且所述测量信号在其每个周期中都包括上升部分和下降部分，在所述部分上叠加了具有偏移频率的波动，该方法还包括通过对所述测量信号的上升部分和下降部分的所述偏移频率进行求和来确定所述对象(15)和所述输入设备沿所述测量轴相对于彼此的距离和/或运动，并生成代表所述距离和/或运动的电信号。
2. 如权利要求l所述的方法，包括根据对所述测量信号的上升 和下降部分的所述偏移频率的求和结果来确定所述输入设备是否与所述作用平面相距一定距离，如果不是，则使用所述测量信号的参数 来测量所述输入设备和对象(15 )沿所述作用平面中的测量轴相对于 ;波此的运动速度和/或方向。
3. 如权利要求1所述的方法，其中对象(15)和输入设备沿所 述作用平面中的测量轴相对于^皮此的运动速度和/或方向是通过确定 测量信号的各自上升和下降斜坡上的偏移频率之差来确定的，其中该 结果的值代表了运动速度，而且该结果的符号代表了运动方向。
4. 如权利要求3所述的方法，其中以已知的时间间隔测量所述 对象(15 )距离所述作用平面的距离，以便确定所述对象(15 )和输 入设备沿横穿所述作用平面的测量轴相对于彼此的运动速度，并且从 而补偿其对沿所述作用平面中的所述测量轴的所述运动速度和/或方 向的确定的贡献。
5. 如权利要求l所述的方法，其中根据所述测量信号的上升和 下降部分各自的偏移频率之和来获得与所述激光设备(3)和所述对象(15)之间沿所述横穿作用平面的测量轴的绝对距离有关的数据。
6. 如权利要求1所述的方法，包括监视所述测量信号的各自上升和下降斜坡的所述偏移频率之和，并且根据其中的任何变化来确定所述对象(15 )和所述输入设备之间沿横穿作用平面的测量轴的相对距离中的变化。
7. 如权利要求6所述的方法，其中与预定时间间隔相关地来确 定和监视所述偏移频率的所述和中的任何变化，以便确定对象(15) 和输入设备沿横穿作用平面的测量轴相对于彼此的任何运动的速度。
8. 如权利要求1所述的方法，还包括通过确定测量信号周期 中对应事件的相差来确定所述输入设备沿横穿作用平面的测量轴相 对于所述对象(15)的距离和/或运动，其中所述事件的周期性优选 地大于所述测量信号的上升和下降部分的周期性。
9. 一种光学模块，用于执行确定输入设备和对象(15)沿横穿 作用平面的测量轴相对于彼此的运动和/或距离的方法，该模块包括 具有激光腔的激光设备(3);用于向所述激光设备提供已调制驱动 电流并且使用从所述激光设备(3)的激光腔发射的测量激光束(13) 照射对象表面的装置；检测器装置(4),用于生成代表激光腔操作 中的变化的测量信号，所述变化归因于重新进入所述激光腔的测量束 辐射和所述激光腔内的光波的激光自混合干涉，并且代表了沿所述测 量轴的所述相对运动和/或距离，而且所述测量信号在其每个周期中 都包括上升部分和下降部分，并在所述部分上叠加了具有偏移频率的 波动，该模块还包括电子处理装置(18)，用于通过对所述测量信号 的上升部分和下降部分的所述偏移频率进行求和来确定所述对象(15)和所述输入设备沿所述测量轴相对于彼此的距离和/或运动， 并且生成代表所述距离和/或运动的电信号。
10. 如权利要求9所述的模块，包括两个激光设备(3、 15), 用于生成照射所述对象(15 )用的两个相应测量束(13、 17);检测 器装置(4、 6)，用于生成代表激光腔操作中的变化的两个相应测量 信号，所述变化归因于重新进入所述激光腔的测量束辐射和所述激光 腔中的光波的干涉，并且代表了所述输入设备沿所述作用平面中的两 个相应测量轴相对于所述对象(15 )的运动，每个所述测量信号在其每个周期中都包括上升部分和下降部分，而且在所述部分上叠加了具 有偏移频率的波动，该模块还包括电子处理装置(18、 19),用于通 过对每个测量信号的上升部分和下降部分的所述偏移频率进行求和来确定所述对象(15 )和所述输入设备沿横穿所述作用平面的测量轴 相对于彼此的距离和/或运动，并且生成代表所述距离和/或运动的电信号。.11. 如权利要求9所述的光学模块，其中如果所述已调制驱动电 流的频率超过上限或者低于下限，那么借助于所述测量信号中对应事 件之间的相差来确定所述对象(15 )和所述输入设备沿所述测量轴相 对于4皮此的距离和/或运动。..12. —种包括如权利要求8所述的光学模块的输入设备。权利要求(无参考符号)1. 一种确定输入设备和对象沿横穿作用平面的测量轴相对于彼 此的运动和/或距离的方法，该方法包括步骤向激光设备提供已调 制的驱动电流并且使用从所述激光设备的激光腔发射的测量激光束 照射对象表面；生成代表激光腔操作中的变化的测量信号，所述变化 归因于重新进入所述激光腔的测量束辐射和所述激光腔中的光波的激光自混合千涉，并且代表了沿所述测量轴的运动，而且所述测量信 号在其每个周期中都包括上升部分和下降部分，在所述部分上叠加了具有偏移频率的波动，该方法还包括通过对所述测量信号的上升部 分和下降部分的所述偏移频率进行求和来确定所述对象和所述输入设备沿所述测量轴相对于彼此的距离和/或运动，并生成代表所述距 离和/或运动的电信号。2. 如权利要求l所述的方法，包括根据对所述测量信号的上升 和下降部分的所述偏移频率的求和结果来确定所述输入设备是否与所述作用平面相距一定距离，如果不是，则使用所述测量信号的参数 来测量所述输入设备和对象沿所述作用平面中的测量轴相对于彼此 的运动速度和/或方向。3. 如权利要求1所述的方法，其中所述对象和输入设备沿所述作用平面中的测量轴相对于彼此的运动速度和/或方向是通过确定测 量信号的各自上升和下降斜坡上的偏移频率之差来确定的，其中该结果的值代表了运动速度，而且该结果的符号代表了运动方向。4. 如;K利要求3所述的方法，其中以已知的时间间隔测量所述 对象距离所述作用平面的距离，以便确定所述对象和输入设备沿横穿所述作用平面的测量轴相对于彼此的运动速度，并且从而补偿其对沿 所述作用平面中的所述测量轴的所述运动速度和/或方向的确定的贡献。5. 如权利要求l所述的方法，其中根据所述测量信号的上升和 下降部分各自的偏移频率之和来获得与所述激光设备和所述对象之 间沿所述横穿作用平面的测量轴的绝对距离有关的数据。6. 如权利要求1所述的方法，包括监视所述测量信号的各自上 升和下降斜坡的所述偏移频率之和，并且根据其中的任何变化来确定所述对象和所述输入设备之间沿横穿作用平面的测量轴的相对距离 中的变化。7. 如权利要求6所述的方法，其中与预定时间间隔相关地来确 定和监视所述偏移频率的所述和中的任何变化，以便确定对象和输入 设备沿横穿作用平面的测量轴相对于彼此的任何运动的速度。8. 如权利要求1所述的方法，还包括通过确定测量信号周期 中对应事件的相差来确定所述输入设备沿横穿作用平面的测量轴相对于所述对象的距离和/或运动，其中所迷事件的周期性优选地大于 所述测量信号的上升和下降部分的周期性。9. 一种光学模块，用于执行确定输入设备和对象沿横穿作用平 面的测量轴相对于彼此的运动和/或距离的方法，该模块包括具有 激光腔的激光设备；用于向所述激光设备提供已调制驱动电流并且使 用从所述激光设备的激光腔发射的测量激光束照射对象表面的装置； 检测器装置，用于生成代表激光腔操作中的变化的测量信号，所述变 化归因于重新进入所述激光腔的测量束辐射和所述激光腔内的光波 的激光自混合干涉，并且代表了沿所述测量轴的所述相对运动和/或 距离，而且所述测量信号在其每个周期中都包括上升部分和下降部 分，并在所述部分上叠加了具有偏移频率的波动，该模块还包括电子 处理装置，用于通过对所述测量信号的上升部分和下降部分的所述偏 移频率进行求和来确定所述对象和所述输入设备沿所述测量轴相对 于彼此的距离和/或运动，并且生成代表所述距离和/或运动的电信弓一10. 如权利要求9所述的模块，包括两个激光设备，用于生成 照射所述对象用的两个相应测量束；检测器装置，用于生成代表激光腔操作中的变化的两个相应测量信号，所述变化归因于重新进入所述 激光腔的测量束辐射和所述激光腔中的光波的干涉，并且代表了所述 输入设备沿所述作用平面中的两个相应测量轴相对于所述对象的运 动，每个所述测量信号在其每个周期中都包括上升部分和下降部分， 而且在所述部分上叠加了具有偏移频率的波动，该模块还包括电子处 理装置，用于通过对每个测量信号的上升部分和下降部分的所述偏移 频率进行求和来确定所述对象和所述输入设备沿横穿所述作用平面 的测量轴相对于彼此的距离和/或运动，并且生成代表所述距离和/ 或运动的电信号。
11. 如权利要求9所述的光学模块，其中如果所述已调制驱动电 流的频率超过上限或者低于下限，那么借助于所述测量信号中对应事 件之间的相差来确定所述对象和所述输入设备沿所述测量轴相对于 彼此的距离和/或运动。
12. —种包括如权利要求8所述的光学模块的输入设备。
全文摘要
一种用于测量对象(15)和传感器单元之间的相对运动的光学输入设备，包括具有用于发射测量束(13、17)的激光腔的激光设备(3、5)；对应的辐射敏感检测器(4、6)，用于生成测量信号，其代表作为重新进入激光腔的测量束辐射的结果而导致的激光设备(3、5)操作中的变化。提供了传感器单元用于测量沿作用平面中的每个测量轴的相对运动，从一个或每个传感器单元结果得到的测量信号用于通过对测量信号的上升和下降斜坡的偏移频率进行求和来确定输入设备和对象(15)沿横穿作用平面的测量轴相对于彼此的距离和/或运动。
文档编号G06F3/0354GK101305337SQ200680031842
公开日2008年11月12日 申请日期2006年8月23日 优先权日2005年8月30日
发明者A·斯特克, C·海因克斯, M·谢曼, R·多弗 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司