(57)【要約】      （修正有）【課題】斑点の形状変化及び斑点の強度変動を避ける画像不変光斑点の捕獲装置と方法を提供する。【解決手段】高コヒーレント光を用いて表面を照射し表面で散乱し、正反射角度から±１０°の方向で捕獲する。斑点捕獲装置が表面に対して相対運動する場合、センサーの視野角が制限されるように光制限モジュールを設計し、斑点は画像上を移動するだけでその形状と強度はほぼ一定に保持することで、高精度の光学パターン認識と位置決めが可能となる。【選択図】図１Ａ
2010117253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像不変光斑点の捕獲装置であり、
高コヒーレント光を放射して表面を照射し、複数の散乱光を発生する光源と、
入射視野角を前記散乱光に閉じこめ、前記散乱光から複数の回折光を発生することにより前記回折光が互いに干渉して複数の斑点を発生する光制限モジュールと、
前記斑点を受光して第一スペックル像を生成するセンサーで、前記光制限モジュールと前記センサーが表面に対して移動後第二スペックル像を生成し、表面に対するセンサーの移動方向と移動距離を前記第一スペックル像と前記第二スペックル像とで比較することにより決定するセンサーと、
前記光制限モジュールと前記表面の間に配置したプリステージ光制限装置で、前記散乱光の二次散乱光がセンサーに入るのを防ぐ装置と、を含む捕獲装置。
【請求項２】
プリステージ光制限装置が絞りである請求項１の画像不変光斑点の捕獲装置。
【請求項３】
前記光制限モジュールが結像レンズと絞りを含み、前記絞りが結像レンズ焦点の後方で前記センサーの前方に配置し、前記散乱光が前記結像レンズと前記光制限モジュールの前記絞りを通過して前記センサー上に結像する場合、前記光制限モジュールが前記センサーの視野角を制限して散乱光がセンサーに入るのを制限する請求項１の画像不変光学斑点の捕獲装置。
【請求項４】
請求項１の画像不変光斑点の捕獲装置が、更に平行光が高コヒーレント光から発生し表面を照射するように前記光源前方に配置した収束レンズを含む装置。
【請求項５】
前記光制限モジュールの光軸がθｒ≧θi＋１０°の方向に配置し、ここでθｒは光制限モジュールの光軸と表面の法線方向間の角度であり、θiは前記入射光の方向と表面の法線方向間の角度である請求項１の画像不変光斑点の捕獲装置。
【請求項６】
前記光制限モジュールの光軸をθｒ≦θi−１０°の方向に配置し、ここでθｒは前記光制限モジュールの光軸と前記表面の法線方向間の角度であり、θiは前記入射光の方向と前記表面の法線方向間の角度である請求項１の画像不変光斑点の捕獲装置。
【請求項７】
相対的光路長差の変化、４δdcos3θＡ／γ、がλ／５より小さく、ここで
δは光斑点の平均半径であり、
θＡは前記光制限モジュールの光軸と前記表面の法線方向間の画像像捕獲角度であり、
ｄは画像捕獲領域の直径であり、画像が不変な時の最大移動距離に等しく、
γは結像レンズから前記表面までの垂直距離間隔であり、
λは前記高コヒーレント光の波長である
請求項１の画像不変光斑点の捕獲装置。
【請求項８】
前記光制限モジュールが絞りと結像レンズを含み、前記絞りを前記結像レンズの前方に配置し、前記散乱光が絞りと前記光制限モジュールの前記結像レンズを通過して前記センサー上に結像する場合、前記光制限モジュールが前記散乱光が前記センサーに入るのを制限してセンサーの入射視野角を制限する請求項１の画像不変光斑点の捕獲装置。
【請求項９】
請求項８の画像不変光斑点の捕獲装置が、更に前記表面近くに配置の第二絞りを含み、前記散乱光を受光する前記センサーの前記入射視野角を制限し、相対的光路長差の変化、４δdcos3θＡ／γ、がλ／５より小さく、ここで
δは光斑点の平均半径であり、
θＡは前記光制限モジュールの光軸と前記表面の法線方向間の前記画像捕獲角度であり、
ｄは前記画像捕獲領域の直径であり、画像が不変な時の最大移動距離に等しく、
γは結像レンズから前記表面までの垂直距離間隔であり、
λは高コヒーレント光の波長である
装置。
【請求項１０】
前記光制限モジュールがマイクロレンズである請求項１の画像不変光斑点の捕獲装置。
【請求項１１】
前記光制限モジュールが更に前記マイクロレンズを囲み好ましくない散乱光を遮断する不透明板を含む請求項１０の画像不変光斑点の捕獲装置。
【請求項１２】
レーザーマウスが、
高コヒーレント光を放射して表面を照射し、複数の散乱光を発生する光源と、
入射視野角を散乱光に閉じこめ、前記散乱光から複数の回折光を発生することによりその回折光が互いに干渉して複数の斑点を発生する光制限モジュールと、
斑点を受光して第一スペックル像を生成するセンサーで、前記光制限モジュールと前記センサーが前記表面に対して移動後第二スペックル像を生成し、
前記光制限モジュールと前記表面の間に配置したプリステージ光制限装置で、前記散乱光の二次散乱光が前記センサーに入るのを防ぐプリステージ光制限装置と、
前記第一スペックル像と前記第二スペックル像のデータを受信し、前記第一スペックル像と前記第二スペックル像とを比較して前記表面に対する前記センサーの移動方向と移動距離を決定する処理装置を含むレーザーマウス。
【請求項１３】
前記光制限モジュールが結像レンズと絞りを含み、前記絞りを前記結像レンズ焦点の後方で前記センサーの前方に配置し、前記散乱光が前記結像レンズと前記光制限モジュールの絞りを通過して前記センサー上に結像する場合、前記光制限モジュールが前記センサーの入射視野角を制限して前記散乱光が前記センサーに入るのを制限する請求項１２のレーザーマウス。
【請求項１４】
相対的光路長差の変化、４δdcos3θＡ／γ、がλ／５より小さく、ここで
δは光斑点の平均半径であり、
θＡは前記光制限モジュールの光軸と前記表面の法線方向間の画像捕獲角度であり、
ｄは前記画像捕獲領域の直径であり、前記画像が不変な時の最大移動距離に等しく、
γは結像レンズから前記表面までの垂直距離間隔であり、
λは前記高コヒーレント光の波長である
請求項１２のレーザーマウス。
【請求項１５】
前記光制限モジュールが絞りと結像レンズを含み、前記絞りを前記結像レンズの前方に配置する請求項１２のレーザーマウス。
【請求項１６】
前記光制限モジュールがマイクロレンズとその周りに不透明板を組み合わす請求項１２のレーザーマウス。
【請求項１７】
画像不変光斑点の捕獲法で、
高コヒーレント光を放射し、
高コヒーレント光により表面を照射して複数の散乱光を発生し、
前記散乱光が前記散乱光の二次散乱光を遮断するようにプリステージ光制限装置を通過し、
前記散乱光が光制限モジュールを通過して前記センサーの入射視野角を制限して複数の回折光を発生し、
前記回折光が互いに干渉して複数の斑点を発生し、
前記斑点を記録して画像を生むことを含む捕獲法。
【請求項１８】
請求項１７の画像不変光斑点の捕獲法が、更に前記斑点の移動を監視するために画像を比較し、表面に対する運動を決定する段階を含む捕獲法。
【請求項１９】
前記光制限モジュールが結像レンズと絞りを含み、前記絞りを前記結像レンズ焦点の後方で前記センサーの前方に配置し、前記散乱光が前記結像レンズと前記光制限モジュールの絞りを通過してセンサー上に結像する場合、前記光制限モジュールが前記センサーの視野角を制限して前記散乱光がセンサーに入るのを制限する請求項１７の画像不変光斑点の捕獲法。
【請求項２０】
前記光制限モジュールを用いて相対的光路長差の変化、４δdcos3θＡ／γ、がλ／５より小さく制限し、ここで
δは光斑点の平均半径であり、
θＡは前記光制限モジュールの光軸と前記表面の法線方向間の画像捕獲角度であり、
ｄは前記画像捕獲領域の直径であり、前記画像が不変な時の最大移動距離に等しく、
γは結像レンズから前記表面までの垂直距離間隔であり、
λは前記高コヒーレント光の波長である
請求項１７の画像不変光斑点の捕獲法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は干渉性回折光が生ずる画像不変光斑点、より詳しくは散乱光の小口径光制限要素通過時に発生する光斑点の捕獲装置とその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二つの高コヒーレント光ビームが空間で重なり、その光路長差がコヒーレント長より小さい場合、干渉縞が発生する。光干渉は増幅的干渉と相殺的干渉に分類され、増幅的干渉は高輝度のスポットを発生する一方、相殺的干渉は暗点を生ずる。それ故干渉の結果は散乱した輝点と暗点を有する空間パターンとなり、スペックルパターン又はスペックル像と呼ばれる。干渉は波長と光路長差に関連する。二つの光ビームが空間で重なり、これら二つのビーム間の光路長差が半波長の奇整数倍である場合には、相殺的干渉が発生する。これら二つのビーム間の光路長差がその波長の整数倍である場合には、増幅的干渉が生ずる。それ故この干渉の感度はその波長の半分である。光の波長はかなり短く、例えば可視光の対象となる波長範囲は０．４μｍから０．７μｍである。半波長感度は非常に正確であるため、干渉効果は多くの異なる分野で広く用いられる。
【０００３】
高コヒーレント光が光学的粗面に入射すると、散乱光が発生し空間の任意方向に伝播する。これら散乱光が空間でその光のコヒーレンス長より短い光路差で重なると、安定な干渉が発生する。この干渉の結果は散乱した輝領域と暗領域を有する画像となり、光斑点と呼ばれる。
【０００４】
光斑点は雑音として認識され、光学系の破壊因子と考えられた。光斑点は移動と関連することが見いだされたが、検知技術の一種として用いられた。最近ユニークな光斑点が移動検知用の検知技術として用いられた。２００３年に公開の米国特許番号６６４２５０６Ｂ１（以後特許５０６と呼ぶ）には一次元変位の検知が開示され、コヒーレント光、光学絞りと結像レンズからなる装置により光スペックルパターンを捕獲する。特許５０６では画像センサーの画素サイズに合うように適切寸法の絞りを用いて好ましい大きさの斑点が捕獲できる。特許５０６では更にその絞りを結像レンズの焦点に設置する必要があり、表面上の高さの垂直方向変動が斑点に殆ど影響しないように結像レンズと絞りの光軸がその表面に垂直にすることが強調された。別の米国特許番号２００５００２４６２３（以後特許６２３と呼ぶ）では、光学的変位の検知法と装置が開示された。高コヒーレント光源を用いてコヒーレント光ビームを放射して表面を照射し、その表面で反射され、反射方向に配置のセンサーで正反射光を受光する。反射光の表面との角度が入射光の表面との角度と等しい場合、正反射と呼ばれる。センサーが正反射光と散乱光を同時に受光し、受光は互いに干渉してセンサー上に多数の斑点を発生する。移動後のスペックルパターンと移動前のスペックルパターンを比較して、変位方向と変位量が決定できる。
【０００５】
別の関連技術が米国特許出願WO２００４０７５０４０（以後ケース０４０と呼ぶ）に公開され、ディジタル信号処理付きの光学式マウスを用いる光信号処理法と装置が開示された。斑点移動信号を集めることにより、散乱光が発生した表面に対するこのマウスの相対変位を得ることができる。このマウスは、電気信号増幅造形モジュール、方向決定計数モジュール、コンピューターインターフェース、レーザー光源、及びレーザースペックル像受信用センサーを含む。センサーが受光したスペックル像は電気信号に転換され、信号増幅造形モジュールに送られる。
【０００６】
上述の信号解析の全ては、センサーにより捕獲されたスペックル像の輝点数と暗点数の計数解析に関連し、次いで移動方向と変位量に変換する。ケース０４０の構造は簡単である。しかしその表面が滑らか場合には、生成斑点の大きさは非常に小さく斑点の輝領域と暗領域の解析には不都合である。それ故この系の分解能と感度は低くなる。
【０００７】
特許６２３では、正反射はセンサーで受光後、受光信号は直流部分と交流部分に分ける。直流部分は反射光の滑らかな輝度であり、交流部分は斑点の輝領域と暗領域である。斑点の大きさが小さすぎる場合には、交流信号の認識は困難であるため解析が困難になる。
特許５０６では、絞りはテレセントリック投影系である結像レンズの焦点に設置する必要がある。この系は垂直方向への高さ変位に敏感ではないが、この構造の絞りは画像捕獲領域をその表面上に制限する能力はない。これは本構造がセンサーの視野角を表面の散乱光に閉じこめられないことを意味する。特許５０６の構造を用いて斑点の大きさを制御できるが、表面と結像系間の相対運動中の斑点変動を避ける能力には限度がある。
【０００８】
それ故二次元スペックルパターンを正確に正しく認識する鍵になる要因としては、斑点の大きさの適正さ、スペックルパターンの鮮明度が上げられ、とりわけスペックルパターンの画像不変な斑点である。画像不変光スペックルパターンはユニークなものであり、正しナビゲーションと正確な位置決めに好都合であり、レーザーマウス、フィンガーナビゲーション、インテリジェンスカード、及び三次元指紋識別のような装置に広く使用できる。
【発明の開示】
【０００９】
上述の問題を解決するために、本発明の目的は画像不変光斑点の捕獲装置と方法を提供することである。本発明で開発した技術を用いて、より小さい大きさの斑点、斑点の形状変化及び斑点の強度変動のような問題を合理的に解決できる。
【００１０】
二次元画像不変光斑点の捕獲装置を用いて非正反射方向のスペックルパターンを捕獲できる。例えば正反射から±１０°の角度の光を捕獲する。光制限絞りを光路に導入し、散乱光の視野角を制限する、即ち画像捕獲領域をこの表面上に閉じこめる。斑点の大きさ、画像捕獲レンズの焦点距離、画像捕獲角度、表面上の画像捕獲領域のような因子を組み合わすことで、斑点捕獲装置が捕獲した光斑点は画像不変になる。画像不変光斑点とは、この斑点捕獲装置が表面に対して相対運動する場合、捕獲した光斑点が変形無しに画像面上だけを移動する、即ち斑点捕獲装置はこの表面に対して連続的に移動するが、光斑点はイメージセンサーの片側から現れセンサーの他側に消えるまで継続的に移動し、この光斑点の形状と強度は同じままであることを意味する。斑点捕獲装置が捕獲した斑点は画像不変であるから、本発明の画像不変光斑点の捕獲装置は正確な光学パターン認識と位置決めに非常に有用である。
【００１１】
本発明の利点と精神は付随図面と一緒に以下の詳述により理解できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下の段落に本発明の光斑点の捕獲装置と表面間で相対運動がある場合に、如何にして画像不変光斑点を得るかについて説明する。この相対運動前後の光路差の計算を詳細に説明する。
【００１３】
照射表面により散乱し、斑点捕獲装置の要素により回折した光の干渉により本発明のレーザースペックルが形成する。イメージセンサーで生まれたスペックルパターンは、基本的には光源の性質、照射表面の特性、斑点捕獲装置の配置、及び二次元イメージセンサーの画素サイズのような因子に関係する。因子全てを詳細に解析するのは困難で、本発明では適切なモデルを開発してスペックルパターンの形成を解析する。レーザーは高コヒーレント源であり、干渉により斑点を生ずる決定的条件を満たす。表面特性は最も取り扱いが困難で、表面の全種の特性を解析するのは不可能である。本発明で強調する必要がある一つの鍵になる点は適切な大きさと高輝度の斑点が画像解析に好ましく、小さいサイズで低輝度の斑点は常に雑音が混ざり放棄する。従って本発明の解析は高輝度と大きいサイズを有する斑点に焦点を合わす。斑点の輝度は干渉条件に依存し、高輝度斑点は増幅的干渉により生ずる。しかし斑点の平均サイズは斑点捕獲装置の特性と関連する。斑点の平均サイズは2δ=2Lλ/Dと書くことができ、ここで 2δは斑点の平均直径、λはレーザー光の波長、Ｄは斑点捕獲装置の絞り直径、Ｌは絞りからイメージセンサーまでの距離である。散乱点とその隣接散乱点の光が組み合わされてイメージセンサー上に増幅的干渉を発生すると、明るい大きいサイズの斑点が生ずる。一方散乱点とその隣接散乱点の光がイメージセンサー上で相殺的干渉を生ずると、ぼんやりした斑点が生ずるか又は斑点が生じない。相互相関を用いて表面と斑点捕獲装置間の相対運動前後に生じたスペックルパターンに合致させる。第一光スペックルパターンが記録され、高輝度を有する特別な斑点が存在すると仮定すると、この斑点捕獲装置が表面に対して距離ｄ移動後、この斑点で何が起こるであろう。解析は以下の通りである。
【００１４】
（i）系の規模を最小化するために４ｆのレンズ結像系を便利な解析に選び、ここでｆは結像系に用いたレンズの焦点距離である。物体距離は４ｆ系の像距離に等しく、系の倍率Ｍは１に等しい。図１Ａを参照し、ここでγA＝γB、γA'＝γB'、γA"＝γB"である。
【００１５】
（ii）像平面上の位置Ｂにおける斑点の大きさは、回折で生ずる平均サイズ２δと仮定できる。この系の倍率は１なので、半径δで表面上の点Ａを中心とする領域内の全ての点により、大きさが２δ≒２Ｌλ／Ｄの回折限界エアリーディスクを像平面上の点Ｂを囲む対応位置に発生する。このエアリーディスクは他の散乱点で生じた他のエアリーディスクと重なり干渉を発生する。点Ｂは、半径δで点Ａを中心とする領域内の各点からの散乱光が光路差０又は波長の整数倍を有する点Ｂに達することを意味する輝度である。斑点捕獲装置が表面に対して距離ｄ移動し、対物面上の点Ａがこの斑点捕獲装置に対して点Ａ’又はＡ”に移動すると仮定すると、対応画像点はそれぞれＢ’又はＢ”となる。
【００１６】
γA≒２ｆで、γA＞＞ｄ＞＞δと合理的に仮定する。図１Ｂに示すように、半径δで点Ａを中心とする領域内の点で生ずる最大光路長差、γＡ＋δとγＡ―δ、を評価する（γ、θＡ、δで表され、ここでδは光斑点の平均半径、θＡは光制限モジュールの光軸と表面の法線方向間の画像捕獲角度、ｄは移動距離でゼロから画像捕獲領域の直径まで可変であり、画像が不変である間の最大移動距離に等しく、γは結像レンズからこの表面までの鉛直距離間隔である。）
2010117253.tif 000003
【００１７】
テイラー級数展開を用い、二次項と高次項を無視すると、
2010117253.tif 000004
【００１８】
図１Ｃに示すように、斑点捕獲装置が表面に対して相対運動を有する場合、点Ａは距離ｄ移動して点Ａ’に達し（Ｂ’の対応画像点）、半径δで点Ａ’を中心とする領域内の全点からの最大光路長差を計算する。γＡ’＋δとγＡ’―δの差は
γＡ’＋δ−γＡ’―δ≒２δsinθA’
図１Ｃに示すように、表面上の点Ａは距離ｄ移動して点Ａ’に達し、半径δで点Ａ’を中心とする領域内の全点の最大光路長差、γＡ’＋δ−γＡ’―δ、を半径δで点Ａを中心とする領域内の全点の最大光路長差、γＡ＋δ−γＡ―δ、と比較し、これら二つの最大光路長差の変化、（γＡ’＋δ−γＡ’―δ）−（γＡ＋δ−γＡ―δ）、が以下のように計算できる。
【００１９】
θＡ’＝θＡ＋Δθと仮定し、ここでΔθは非常に小さい角度変位であるとすると、
2010117253.tif 000005
【００２０】
Δθ≒ｄcosθＡ／γＡでγＡ＝γ／cosθＡなので、
2010117253.tif 000006
【００２１】
４ｆレンズを通過する表面の点Ａからの散乱光が光センサー上の点Ｂで結像すると仮定すると、次いで表面の点Ａ’とＡ”の散乱光がそれぞれ同様に光センサー上の点Ｂ’とＢ”で結像する。回折効果により点Ｂを中心とする半径δ（エアリーディスクの半径と斑点の平均半径）内の像平面上の各点が点Ｂとエネルギー結合し、即ち各点が点Ｂでの干渉に寄与することが示される。更に倍率が１に等しい条件下では点Ｂは輝点であり、表面上の点Ａを中心とする半径δ内の各点の散乱光が点Ｂで増幅的干渉を生ずることを意味する。点Ａを中心とする半径δ内の各点から点Ｂを中心とする半径δ内の各点への同等の光路長差はゼロと考えられる。各散乱光の初期位相は同等の光路長差に組み入れられる。換言すると最初点Ａを中心とする半径δ内の各点から点Ｂを中心とする半径δ内の各点への最大光路長差、ｎ（γＡ＋δ＋γＢ＋δ）−ｎ（γＡ−δ＋γＢ―δ）≒４δsinθＡ（ｎは空気のため１と仮定）は、点Ａを囲む領域の自然微細構造により自動的に補償される。光源と照射表面間のｄだけの相対運動があり最初の表面条件が維持されている場合、点Ａ’を中心とする半径δ内の各点から点Ｂ’を中心とする半径δ内の各点への最大光路長差は、（γＡ’＋δ＋γＢ’＋δ）−（γＡ’−δ＋γＢ’―δ）である。この新規の最大光路長差は、最大光路長差の変化を決定するために最初のものと比較する必要があり、最大光路長差の変化は斑点強度の変動に対して鍵となる要因である。最大光路長差の変化がその波長の半分である場合には、最初の増幅的干渉はその相対移動後相殺的干渉になる。相対運動ｄによる最大光路長差の変化は、[γＡ’＋δ＋γＢ’＋δ）−（γＡ’−δ＋γＢ’―δ）]−[（γＡ＋δ＋γＢ＋δ）−（γＡ−δ＋γＢ―δ）]≒４δdcos3θＡ／γである。４δdcos3θＡ／γ＜＜λが満足されると、相対運動ｄによる最大光路長差の変化は非常に小さい。これは点Ｂが輝点であるという条件では、点Ｂ’は増幅的干渉なために今なお輝点である。斑点は像平面に移動するが、画像認識に重要なこの特別な条件下には形状も強度も変化しない。本発明の最大光路長差の変化は、４δdcos3θＡ／γ＜λ／５と計算され、観察した斑点の形状変化も強度変動もなかった。
【００２２】
図２Ａは画像不変光斑点の捕獲装置を開示した一つの代表的実施形態の構造図面である。この装置は光源１０、光制限モジュール１２、及び光センサー１４を含む。光源１０と収束レンズ１１から平行光波１００が放射され表面２を照射する。光源はコヒーレントで、例えばレーザーである。それ故光源１０は垂直共振器面発光レーザーＶＣＳＥＬ、端面発光レーザーＥＦＬ、高コヒーレント固体レーザー、又は狹帯域高コヒーレント発光ダイオードＬＥＤである。平行光波１００により照射した表面２の領域は、所定値に従い光源１０と収束レンズ１１間の距離間隔を合わして調節する。光制限モジュール１２は複数の光制限要素を含む。本実施形態では、光制限モジュール１２は絞り１２１を含み、絞り１２１を有する結像レンズ１２２は結像レンズ１２２と表面２の間に配置する。光センサー１４を光制限モジュール１２の背後に配置し、一次元又は二次元電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）アレイである。
【００２３】
光源１０は平行光波１００を放射し表面２を照射後、散乱光１０２を生ずる。散乱光１０２の特性はこの表面２の性質により決まる。表面が非常に滑らかな場合には表面から正反射が発生する。散乱光１０２の全てが同一方向に伝播し、平行光波１００に同一エネルギーを含む。散乱光１０２は表面２が光学的粗（散乱）面と仮定すると、異なる方向に分配される。
【００２４】
更に散乱光１０２の少なくとも一つは、表面２が照射され粗面という条件では、任意方向に伝播された後容易に認識される斑点が生ずる。
【００２５】
更に光源１０が平行光波１００を放射し表面２を照射する場合散乱光１０２が発生し、散乱光１０２の少なくとも一つは光制限モジュール１２により集光され、この光制限モジュール１２は絞り１２１を含み、結像レンズ１２２を有する結像レンズ１２２は絞り１２１の背後に配置し、結像レンズ１２２が絞り１２１と光センサー１４の間に配置することを意味する。光制限モジュール１２は散乱光１０２用の光センサー１４の入射視野角を制限し、更に入射視野角が絞り１２１と結像レンズ１２２間の距離間隔、絞り１２１の直径、及び結像レンズで決まる。絞り１２１の直径により散乱光１０２の少なくとも一つはこの絞りを通過して複数の回折光を発生し、この複数の回折光は結像レンズ１２２を通過し斑点を生ずる。斑点の平均サイズは絞り１２１の直径で操作でき、次いで複数の斑点は光センサー１４上に結像する。斑点の大きさ、結像レンズの焦点距離、画像捕獲角度、及び表面の画像捕獲領域のようなパラメーターを適切に調整して、最大光路長差の変化が４δdcos3θＡ／γ＜λ／５を満足できき、画像不変光スペックルパターンが像表面上に生ずる。
【００２６】
最も細かい外観の三次元表面から画像不変光スペックルパターンを得るには、平行光波１００が入射角θiで表面２に入射し、散乱光１０２を本発明の正反射から偏差角±１０°で集光する。本発明の光制限モジュール１２は角度θi±１０°で正確に散乱光１０２を集光するように設計する。ほぼ平行な光ビームが表面を照射すると、大部分の散乱光はθｒ＝θiの方向に集中し、散乱光はθｒ＝θiからそれた散乱方向と共に減少する。方向θｒ＝θiの散乱光は二成分を含み、主成分は表面正反射に由来し、副成分は表面の自然微細構造による散乱光に由来する。正反射の光波は同一位相を有するが、散乱光はランダム位相を有し、干渉が発生するがこれらの光波は重なる。斑点捕獲装置と表面間の相対移動前後での干渉縞の関係を解析して、相対移動の定量データを得ることが出来る。この表面が十分に光学的に粗い場合、正反射は減少しランダム散乱が増加し、位相は急速に変化し相互相関によるパターン認識には不都合になる。本発明の散乱光波集光方向として角度θｒ＝θi±１０°を選ぶと、正反射が避けられより多くの散乱光波が集光でき、表面の三次元外観で生じた光スペックルパターンが効果的に記録され、正確な認識と位置決めが得られる。
【００２７】
図２Ｂは絞りの位置と散乱光に対するセンサーの入射視野角間の関係を表す光路の図面である。この図を参照して光制限モジュール１２は、図１Ａのものと丁度同じに絞り１２１と結像レンズ１２２を含み、絞り１２１は点Ｇ又はＨに配置できる。点Ｇに絞り１２１を有する光制限モジュール１２と比較すると、点Ｈに絞り１２１を有する光制限モジュール１２は光軸から遠い散乱光を遮断する。この図の光路は絞り１２１が結像レンズの焦点の後方だがセンサー１４の前方に配置さることを示し、絞り１２１の正確な位置を用いて入射視野角を制御することにより画像捕獲領域をこの表面上に制限する。本実施形態により光波が表面２上の点Ｅと点Ｆに入射し、少なくとも散乱光１０２が発生する場合、散乱光１０２は結像レンズ１２２を通過し、点Ｅと点Ｆの散乱光１０２は絞り１２１が点Ｇに配置される条件では結像レンズ１２２を通過し、センサー１４上の点Ｅ’と点Ｆ’に結像し、Ｆ’の光束はＥ’の光束より高いことが示される。Ｈに配置の絞り１２１に対しては、光軸に近い点Ｆの散乱光は結像レンズ１２２を通過しセンサー１４上のＦ’で結像し、光軸に遠い点Ｅの散乱光はセンサー１４上のＥ’では結像できない。本実施形態では、絞り１２１の機能は開口絞りであるが、結像レンズ１２２の機能は視野絞りである。本実施形態では、一例として本実施形態の光制限モジュール１２の絞り直径と位置を調節することによる光制限構成部品が提案され、斑点の大きさの操作と散乱光１０２に対するセンサー１４の視野角の制限が同時にできる。斑点の大きさ、結像レンズの焦点距離、画像捕獲角度及び表面のパラメーターのような因子を適切に組み合わして、最大光路長差の変化が４δdcos3θＡ／γ＜λ／５という条件を満たすことにより画像不変光スペックル像を像平面に発生する。
【００２８】
図２Ｃは本発明に従う別の好ましい実施形態の構造の図面である。図２Ａと比べて本実施形態の違いは、光制限モジュール１２が又結像レンズ１２２と絞り１２１を含むが、結像レンズ１２２は絞り１２１の前方に配置し、絞り１２１が結像レンズ１２２とセンサー１４の間に配置することを意味する。散乱光を受光するようにセンサーの視野角を制限する目的を効果的に得るために、通常絞り１２１は結像レンズ１２２焦点の後方で、センサー１４の前方に配置する。
【００２９】
図２Ｄは本発明に従う別の代表的実施形態の構造の図面である。図２Ａに比べて本実施形態の違いは、光制限モジュール１２が遮光板１２４で囲まれたマイクロレンズ１２３であることである。不透明板１２４の機能は図２Ａの絞り１２１と同じであり、少なくとも散乱光１０２を回折させ回折光波を生ずることである。マイクロレンズ１２３と遮光板１２４を表面２上の照射領域と組み合わして用いて、センサー１４の視野角を散乱光１０２に閉じこめることができ、センサー１４上に画像不変光スペックル像を発生できる。
【００３０】
図３は本発明に従う別の好ましい実施形態の構造の図面である。図２Ａに比べて本実施形態の違いは、光制限モジュール１２が結像レンズ１２２，第一絞り１２５及び第二絞り１２６を含むことである。結像レンズ１２２は第一絞り１２５と第二絞り１２６の後方に配置し、結像レンズ１２２が第二絞り１２６とセンサー１４の間の配置することを意味する。この配置では第一絞り１２５を先ず配置後、第二絞り１２６を配置し、次いで結像レンズ１２２を配置し、最後にセンサー１４を配置する。光源１０が光波１００を放射して表面２を照射し、少なくとも散乱光１０２を発生する場合、第一絞り１２５は散乱光１０２の一部を遮断し、散乱光１０２がセンサー１４に入るのを制限する。散乱光１０２の一部が第一絞り１２５を通過する場合、第二絞り１２６は更に散乱光１０２の一部がセンサー１４に入るのを遮断する。第一絞り１２５と第二絞り１２６の直径とその距離間隔により、散乱光１０２に対するセンサー１４の視野角を決定する、即ち画像捕獲領域をその表面上に限定する。視野角内の散乱光１０２は更に回折され結像レンズ１２２を通過し、センサー１４上に結像後、画像不変光スペックルパターンを発生する。他の配置では光制限モジュール１２は又結像レンズ１２２，第一絞り１２５及び第二絞り１２６を含み、結像レンズ１２２は又第一絞り１２５と第二絞り１２６の前方に配置でき、第一絞り１２５と第二絞り１２６は結像レンズ１２２とセンサー１４の間に配置することを意味する。他の配置では結像レンズ１２２は又第一絞り１２５と第二絞り１２６の間に配置できる。
【００３１】
図４Ａはイメージセンサーの汎用パッケッジによる二次散乱光の発生を示す図面である。図２Ｃと異なり、光制限モジュール１２は結像レンズ１２２と絞り１２１を含み、センサー１４をスリーブ１４１で囲むように作られている。この図から表面２上の位置Ｉはセンサー１４の視野角の外である。少なくとも散乱光１０２は点Ｉで発生し、その散乱光はスリーブ１４１内面上のＩ’に入射して二次散乱光１０４を生じ、二次散乱光１０４はＨに位置する絞り１２１を通過しセンサー１４の位置Ｉ”に達する。二次散乱光１０４が除外されない条件では、画像不変光スペックルパターンを発生するのは難しい。二次散乱光１０４が像平面上の散乱光１０２と重なる場合、二次散乱光の位相変化はランダムであり取り扱いが難しく、生成斑点はしばしばちらつき、この状態では画像不変光斑点は得られない。
図４Ｂは本発明に従う別の好ましい実施形態を示す図面である。図４Ａに比べて散乱光１０２がスリーブ１４１内面上に入射して発生し更に散乱した二次散乱光１０４がセンサー１４に入るのを防ぐために、プリステージ光制限要素１６を光制限モジュール１２の前方に配置する。本実施形態のプリステージ光制限要素１６は光制限絞り１６１であり、プリステージ光制限絞り１６１を表面２と光制限モジュール１２の間に配置し、光制限モジュール１２は結像レンズ１２２と絞り１２１を含み、従ってプリステージ光制限絞り１６１は表面２と結像レンズ１２２の間に位置し、絞り１２１は結像レンズ１２２とセンサー１４の間に配置する。平行光波が表面２上の位置ＦとＩに入射する場合、位置Ｆの散乱光１０２はプリステージ光制限絞り１６１、結像レンズ１２２、及び絞り１２１を通過し、次いでセンサー１４上に直接結像する。結像領域の外である位置Ｉの散乱光１０２は、プリステージ光制限絞り１６１により遮断される。非遮断光１０３の一部はスリーブ１４１内面に入射し二次散乱光を生じるが、センサー１４には達しない。バックグランド騒音は効果的に減少し、センサー１４の信号対騒音比が増強されることにより画像不変光斑点が得られる。
【００３２】
図４Ｃは本発明に従う別の好ましい実施形態の構造の図面である。図２Ｃと比べると本実施形態の違いは、各光制限モジュール１２が結像レンズ１２２と絞り１２１を含み、プリステージ絞り１６１を結像レンズ１２２と表面２の間に導入することである。プリステージ絞り１６１を用いて散乱光１０２により表面２で発生する二次散乱光がセンサー１４に入るのを防ぐ。その結果センサー１４のバックグランド騒音が減少することにより画像不変光斑点が得られる。
【００３３】
図２Ａ乃至図４Ｃに記載の構造の全ては、本発明の代表的実施形態であり、その画像不変光斑点の捕獲装置は、発光源、光制限モジュール１２、及びセンサーを含む。光制限モジュール１２はセンサー１４の視野角を散乱光１０２に閉じこめる、即ち画像捕獲領域をその表面上に制限する。斑点の大きさ、結像レンズの焦点距離、画像捕獲角度、及び表面上の結像領域のようなパラメーターを適切に組み合わして、最大光路長差の変化が４δdcos3θＡ／γ＜λ／５という条件を満足し、画像不変光スペックル像が画像面上に得られる。画像不変光スペックル像は、更にレーザーマウス、フィンガーナビゲーター、インテリジェントカード、三次元ステータス識別、工作機械又はメカニカルアーム用の高精度位置決め装置のような装置に応用できる。本発明の図４Ｃの構造に基づいて作られたレーザースペックル光学捕獲装置が捕獲したスペックル像を図５に示し、その表面は固いマウス試験板であり、各フレーム間の移動距離は６０μｍであり、連続移動フレームを図の左から右に示す。このフレームを継続的に観察するためにスペックル像がイメージセンサーの片側から現れ、イメージセンサーから出てしまう迄連続的に移動し、その斑点は移動するだけで形状変化と強度変動は全くなく、その結果画像不変光スペックル像が示される。
【００３４】
それ故本発明の画像不変光斑点の捕獲装置はレーザーマウスに応用できる。図６Ａは本発明に従うレーザーマウスの図面であり、光源１０とセンサー１４の両者はレーザーマウス３００の容器３１０内に配置する。光源１０は光波を放射し収束レンズ１１を通過し、平行光波を発生し表面２に入射して散乱光波１０２を発生し、少なくとも該散乱光１０２は結像レンズ１２２と絞り１２１を含む適切に調整した光制限モジュール１２を通過する。散乱光１０２は結像レンズ１２２と絞り１２１を通過して回折し、イメージセンサー１４上に適切な大きさの斑点を生じ、絞りは又センサー１４の視野角を散乱光１０２に制限する。容器３１０が移動する前にセンサー１４は第一スペックル像を記録し、容器３１０が表面２に対して移動後、センサー１４は第二スペックル像を記録する。第一スペックル像と第二スペックル像とを比較して、表面２に対する容器３１０の移動方向と移動距離が計算でき、レーザーマウスの基本信号となる。
【００３５】
図６Ｂを参考にして光源１０とセンサー１４をレーザーマウス３００の容器３１０内に配置する。光源１０は光波を放射し収束レンズ１１を通過して平行光波を発生し、表面２に入射して散乱光波１０２を発生し、散乱光１０２はプリステージ光制限絞り１６１を通過後、二次散乱光を発生するが、この二次散乱光は遮断されセンサー１４には到達できない。少なくとも該散乱光１０２はプリステージ光制限絞り１６１を通過し、更に結像レンズ１２２と絞り１２１を含む適切に調整した光制限モジュール１２を通過する。散乱光１０２は結像レンズ１２２と絞り１２１を通過して回折し、イメージセンサー１４上に適切な大きさの斑点を生じ、絞りは又センサー１４が受光する表面画像捕獲領域を制限する。容器３１０が移動する前にセンサー１４は第一スペックル像を記録し、容器３１０が表面２に対して移動後、センサー１４は第二スペックル像を記録する。第一スペックル像と第二スペックル像とを比較して、表面２に対する容器３１０の移動方向と移動距離が計算でき、レーザーマウスの基本信号となる。
【００３６】
上記の説明の画像不変斑点の捕獲装置と方法を紹介する。図７Ａを参照して高コヒーレント光ビームが先ず放射される（ステップ５００）。高コヒーレント光ビームは表面上に入射し散乱光を発生する（ステップ５１１）。絞りを結像レンズ焦点の後方でセンサーの前方に配置し、この絞りと結像レンズは光制限モジュールとして含まれる（ステップ５２２）。散乱光がこの光制限モジュールを通過すると、散乱光に対するセンサーの視野角は光制限モジュールにより制限され、散乱光は更に光制限モジュールにより回折される（ステップ５３１）。この回折光は互いに干渉し斑点を発生する（ステップ５４０）。この斑点は画像として記録する（ステップ５５０）。スペックル像の移動は画像のパターン認識により認識され、斑点捕獲装置と表面間の相対運動が決定できる（ステップ５６０）。
【００３７】
図７Ｂを参照して高コヒーレント光ビームが先ず放射される（ステップ５００）。高コヒーレント光ビームは表面上に入射し散乱光を発生する（ステップ５１１）。散乱光は第一絞りを通過する（ステップ５２１）。散乱光は更に第二絞りと結像レンズを通過し、そこで第一絞りと第二絞りは光制限モジュールを含み、散乱光に対するセンサーの視野角をこの光制限モジュールで制限し、散乱光は更に光制限モジュールにより回折される（ステップ５３０）。この回折光は互いに干渉し斑点を発生する（ステップ５４０）。この斑点は画像として記録する（ステップ５５０）。スペックル像の移動は画像のパターン認識により認識され、斑点捕獲装置と表面間の相対運動が決定できる（ステップ５６０）。
【００３８】
図７Ｃを参照して高コヒーレント光ビームが先ず放射される（ステップ５００）。高コヒーレント光ビームは表面上に入射し散乱光を発生する（ステップ５１１）。プリステージ光制限要素を表面と結像レンズの間に配置する（ステップ５１２）。散乱光はプリステージ光制限要素を通過し、スリーブ上に入射し二次散乱光を発生するが、この二次散乱光は遮断されセンサーにより受光しない（ステップ５１３）。絞りを結像レンズとセンサーの間に配置し、絞りと結像レンズは光制限モジュールを含む（ステップ５２２）。散乱光が光制限モジュールを通過すると、散乱光に対するセンサーの視野角はこの光制限モジュールで制限され、散乱光は更に光制限モジュールにより回折される（ステップ５３１）。この回折光は互いに干渉し斑点を発生する（ステップ５４０）。この斑点は画像として記録する（ステップ５５０）。スペックル像の移動は画像のパターン認識により認識され、斑点捕獲装置と表面間の相対運動が決定できる（ステップ５６０）。
【００３９】
全体では画像不変斑点の捕獲装置と方法を本発明で開示した。光制限モジュールはセンサーの前方に配置し、斑点の大きさ、結像レンズの焦点距離、画像捕獲角度、及び表面の画像捕獲領域のようなパラメーターを適切に調節して、最大光路長差の変化が４δdcos3θＡ／γ＜λ／５という条件を満足し、画像不変光スペックル像が画像面上に得られる。
【００４０】
斑点捕獲装置と表面間に相対運動があると、生成斑点はそれに応じて移動するが相対運動に対しては不変で、正確な位置決めと認識に好都合である。それ故画像不変斑点の捕獲装置と方法は、レーザーマウス、フィンガーナビゲーター、インテリジェントカード、三次元指紋識別、工作機械又はメカニカルアーム用の精密位置決め装置のような装置に応用できる。
【００４１】
上記の実施例と説明を用いて本発明の特性と精神が願わくは十分に説明したであろう。当事者にはこの装置の多数の修正と変更が本発明の教示を保持しながらできることは容易に気づくであろう。従って上記の開示は付随の特許の請求項の境界によってのみ限定されると解釈する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】本発明の理論計算に用いるスペックル像間の相対的光路差の概略図である。
【図１Ｂ】本発明の理論計算に用いるスペックル像間の相対的光路差の概略図である。
【図１Ｃ】本発明の理論計算に用いるスペックル像間の相対的光路差の概略図である。
【図２Ａ】本発明による好ましい実施形態の構造である。
【図２Ｂ】本発明による第二の典型的実施形態の光路概略図である。
【図２Ｃ】本発明による他の好ましい実施形態の構造を示す。
【図２Ｄ】本発明による他の好ましい実施形態の構造を示す。
【図３】本発明による別の好ましい実施形態の構造を示す。
【図４Ａ】二次散乱の概略図である。
【図４Ｂ】本発明による別の典型的実施形態の概略図である。
【図４Ｃ】本発明による別の好ましい実施形態の構造である。
【図５】本発明による画像不変光斑点の捕獲装置により捕獲した画像不変光斑点の写真を示す。
【図６Ａ】本発明に基づくレーザーマウスの概略図である。
【図６Ｂ】本発明に基づくレーザーマウスの概略図である。
【図７Ａ】本発明による画像不変光斑点の捕獲を生ずる手順を示す。
【図７Ｂ】本発明による画像不変光斑点の捕獲を生ずる手順を示す。
【図７Ｃ】本発明による画像不変光斑点の捕獲を生ずる手順を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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