(57)【要約】一実施形態は、一連のフレームにおける光学的特徴の変位を判定することにより一表面に対するデータ入力装置の横方向変位を検知するための光学式変位センサに関するものである。該センサは、少なくともコヒーレント光源(306)、前記表面(304)の一部を照明するための照明用光学系(308)、イメージング用光学系(310)、及び周期的な距離を有する感光素子の第１のアレイ(302)を含む。照明手段及び検出器は、照明された前記表面の部分から反射された光の強度パターンを前記感光素子の第１のアレイ(302)上に生じさせるよう構成される。該強度パターンは、前記アレイ(302)の前記周期的な距離の0.5〜2倍の間の平均スペックル直径を有する複数のスペックルを含む。【選択図】図３
2008500557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一連のフレームにおける光学的特徴の変位を判定することにより一表面に対するデータ入力装置の横方向変位を検知するための光学式変位センサであって、
コヒーレント光源、及び前記表面の一部を照明するための照明用光学系を有する照明手段と、
イメージング用光学系、及び周期的な距離を有する少なくとも１つの第１の感光素子アレイを含む、検出器とを含み、
前記照明手段及び前記検出器が、照明された前記表面の部分から反射された光の強度パターンを前記第１の感光素子アレイ上に生じさせるよう構成され、
前記強度パターンが、前記アレイの前記周期的な距離の0.5〜2倍の間の平均スペックル直径を有する複数のスペックルを含む、光学式変位センサ。
【請求項２】
前記平均スペックル直径が、前記アレイのほぼ１つの周期的な距離である、請求項１に記載の光学変位センサ。
【請求項３】
前記第１の感光素子アレイが、Mグループのインタレースされた素子を含む差動くし形アレイを含む、請求項１に記載の光学式変位センサ。
【請求項４】
前記感光素子の各々が、実質的に一様な素子幅を有しており、前記照明手段及び前記検出器が、前記素子幅にMを乗算した値の0.5倍と前記素子幅にMを乗算した値の2倍と間の平均スペックル直径を提供するよう構成される、請求項３に記載の光学式変位センサ。
【請求項５】
前記平均スペックル直径が、ほぼ１つの素子幅にMを乗算した値である、請求項４に記載の光学式変位センサ。
【請求項６】
前記コヒーレント光源からの光の波長と、前記イメージング用光学系の開口数（NA）とが前記平均スペックル直径を提供するよう選択される、請求項１に記載の光学式変位センサ。
【請求項７】
前記感光素子の各々が、前記平均スペックル直径よりも大きな実質的に一様な素子長さを有する、請求項１に記載の光学式変位センサ。
【請求項８】
前記素子長さが、前記平均スペックル直径の2〜10倍の間である、請求項７に記載の光学式変位センサ。
【請求項９】
第２の感光素子アレイを更に含み、該第２のアレイが、前記第１のアレイの感光素子が沿って配列される第１の軸と平行でない第２の軸に沿って配列された感光素子を有する、請求項１に記載の光学式変位センサ。
【請求項１０】
前記第１の軸に沿った開口数とは異なる第２の軸に沿った開口数を有する光学系を構成することにより、前記平均スペックル直径が前記第１の軸よりも前記第２の軸に沿って異なっている、請求項９に記載の光学式変位センサ。
【請求項１１】
一表面を横切るデータ入力装置の運動の検知方法であって、
コヒーレント光源を有する照明手段を用いて前記表面の一部を照明し、
該表面の照明された部分から光を反射させ、
該光が検出素子アレイ上にマップされて、該アレイにおける該光が所与の平均スペックル直径を有するスペックルパターンを含むようにし、
該スペックルパターンを該アレイにより検出する、
という各ステップ含み、
前記アレイが、前記平均スペックル直径の0.5〜2倍の間の周期性を有する、
データ入力装置の運動の検知方法。
【請求項１２】
前記周期性が、前記平均スペックル直径にほぼ等しい、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記アレイ中の各素子が、実質的に一様な素子幅を有している、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記アレイが、Mグループのインタレースされた素子を含む差動くし形アレイを含み、前記マップ処理の結果として該アレイにおける平均スペックル直径が前記素子幅にMを乗算した値の0.5〜2倍の間となる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記マップ処理の結果として、前記アレイにおける平均スペックル直径が、前記素子幅にMを乗算した値にほぼ等しくなる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記アレイ中の各素子が更に、前記平均スペックル直径よりも大きな実質的に一様な素子長さを有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記素子長さが、前記平均スペックル直径の少なくとも2倍である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
光学式位置決め装置であって、
一表面の一領域を所与の波長の光で照明するレーザ光源と、
第１の寸法の周期的な距離を有する第１のアレイを含む検出器と、
前記第１の寸法の開口数を有する光学系であって、前記第１の寸法の平均スペックル直径を有するスペックルパターンを照明された前記領域から前記検出器へとマップする、光学系とを含み、
前記第１の寸法の前記開口数が、前記波長を前記第１の寸法の前記周期的な距離で除算した値の0.5〜2倍の間である、光学式位置決め装置。
【請求項１９】
前記開口数が、前記波長を前記周期的な距離で除算した値にほぼ等しい、請求項１８に記載の光学式位置決め装置。
【請求項２０】
前記検出器が更に、第２の寸法の周期的な距離を有する第２のアレイを含み、前記光学系が更に、前記第２の寸法の異なる開口数を含み、及び前記第２の寸法の異なる平均スペックル直径を有するスペックルパターンを照明された前記領域から前記検出器へとマップし、前記第２の寸法の前記開口数が、前記波長を前記第２の寸法の前記周期的な距離で除算した値の0.5〜2倍の間である、請求項１８に記載の光学式位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に光学式位置決め装置（ＯＰＤ）及び該装置を用いた運動検知方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、発明者Clinton B. Carlisle, Jahja I. Trisnadi, Charles B. Roxlo, 及びDavid A. LeHotyによって2004年5月21日に出願された「Speckle-based optical sensing device having speckle size matched to a sensor dimension」と題する米国仮出願第60/573,062号の利益を請求するものである。
【０００３】
本出願はまた、発明者David A. LeHoty, Douglas A. Webb, Charles B. Roxlo, Clinton B. Carlisle, 及びJahja I. Trisnadiによって2004年5月21日に出願された「Optical position sensing device having a detector array using different combinations of shared interlaced photosensitive elements」と題する米国仮出願第60/573,075号の利益を請求するものである。
【０００４】
コンピュータ用マウス又はトラックボールといったポインティングデバイスは、パーソナルコンピュータ及びワークステーションにデータを入力し又はそれらと対話するために利用されている。かかるデバイスは、モニタ上でのカーソルの急速な再配置を可能とし、多くのテキスト、データベース、及びグラフィカルプログラムにおいて有用なものである。ユーザによるカーソルの制御は、例えば、所与の表面上でマウスを移動させてカーソルを所与の方向へ該マウスの移動に比例する距離にわたり移動させることにより行われる。代替的に、静止したデバイス上での手の運動を同目的に使用することが可能である。
【０００５】
コンピュータ用マウスには、光学式のものと機械式のものがある。機械式のマウスは、一般に、回転するボールを使用して動きを検出し、及び該ボールと接触した状態にある一対のシャフトエンコーダを使用してコンピュータがカーソルを移動させるために使用するディジタル信号を生成する。機械式のマウスの１つの問題は、長期にわたる使用後に汚れその他に起因して不正確になり不調になり易いことにある。更に、機械的な構成要素（特にシャフトエンコーダ）の運動及びその結果として生じる摩耗は、そのデバイスの寿命を必然的に制限するものとなる。
【０００６】
上記の機械式マウスに関する問題の１つの解決策が、光学式マウスの開発であった。光学式マウスは、より堅牢で、一層良好な位置決め精度を提供することが可能なものであるため、非常に普及することとなった。
【０００７】
光学式マウスに使用される従来の支配的な技術は、かすり入射（grazing incidence）で表面を照明する発光ダイオード（ＬＥＤ）、その結果として得られるイメージを捕捉する二次元ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）検出器、及び複数の連続するイメージの相関付けを行ってマウスが移動された方向、距離、及び速度を判定するソフトウェアに依存するものである。この技術は、一般に良好な精度を提供するものであるが、低い光学的な効率、及び比較的高いイメージ処理要件という問題を有するものである。
【０００８】
別の方法では、フォトダイオード等の光センサ又は検出器の一次元アレイを使用する。その表面の連続するイメージが、イメージング用光学系によって捕捉され、フォトダイオード上で変換され、及び比較されて、マウスの運動が検出される。該フォトダイオードは、運動の検出を容易にすべく複数のグループへと直接配線することが可能である。これにより、フォトダイオードの要件が緩和され、及び迅速なアナログ処理が可能となる。かかるマウスの一例がDandliker等の米国特許第5,907,152号に開示されている。
【０００９】
このDandliker等の米国特許に開示されているマウスは、レーザ等のコヒーレント光源を使用するという点でも標準的な技術とは異なるものである。粗面から散乱されたコヒーレント光源からの光は、スペックルとして知られるランダムな光強度分布を生成する。スペックルベースのパターンの使用は、効率的なレーザベースの光生成や、法線入射による照明下であっても高コントラストイメージを生成するといった、幾つかの利点を有するものである。これは、一層効率的なシステムを実施可能とし、及び電流消費を節約するものとなり、これはバッテリーの寿命を延長させるためにワイヤレス用途では有利である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
かかるスペックルベースのデバイスは、従来のＬＥＤベースの光学式マウスと比べて大きく改善されたものであるが、幾つかの理由により完全に満足のいくものではない。特に、レーザスペックルを用いたマウスは、今日の最新式のマウスにおいて一般に要求される精度（一般に0.5%又はその近辺よりも小さいパスエラーを有していることが所望される）を実証していない。
【００１１】
本開示は、従来の光学式マウス及びその他の類似した光学式ポインティングデバイスに関する特定の問題の解決策を議論し提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一実施形態は、一連のフレームにおける光学的特徴の変位を判定することにより一表面に対するデータ入力装置の横方向変位を検知するための光学式変位センサに関するものである。該センサは、少なくともコヒーレント光源、前記表面の一部を照明するための照明用光学系、イメージング用光学系、及び周期的な距離を有する感光素子の第１のアレイを含む。照明手段及び検出器は、照明された前記表面の部分から反射された光の強度パターンを前記感光素子の第１のアレイ上に生じさせるよう構成される。該強度パターンは、複数のスペックルを含み、該複数のスペックルは、前記アレイの前記周期的な距離の0.5〜2倍の間の平均スペックル直径を有する。
【００１３】
もう１つの実施形態は、一表面を横切るデータ入力装置の運動の検知方法に関するものである。コヒーレント光源を有する照明手段を用いて前記表面の一部が照明され、該表面の照明された部分から光が反射される。該光が検出素子アレイ上にマップされて、該アレイにおける光が所与の平均スペックル直径を有するスペックルパターンを含むようになる。該スペックルパターンは該アレイにより検出される。該アレイは、平均スペックル直径の0.5〜2倍の間の周期性を有するものである。
【００１４】
別の実施形態は、一表面の一領域を所与の波長の光で照明するレーザ光源と、第１の寸法の周期的な距離を有する第１のアレイを含む検出器とを含む、光学式位置決め装置に関するものである。該光学式位置決め装置は更に、前記第１の寸法の開口数を含む光学系を含み、前記第１の寸法の平均スペックル直径を有するスペックルパターンを照明された前記領域から前記検出器へとマップするようになっている。該第１の寸法の開口数は、前記波長を前記第１の寸法の周期的な距離で除算した結果の0.5〜2倍の間である。
【００１５】
他の実施形態もまた開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の上述その他の様々な特徴及び利点は、以下の詳細な説明から及び添付図面から一層完全に理解されよう。但し、それら説明及び図面は、特許請求の範囲を特定の実施形態に限定するものと解釈されるべきではなく、例示及び理解のためだけのものである。
スペックル検出に関する問題
従来のスペックルベースのＯＰＤに関する１つの問題は、イメージング平面内のスペックルが小さすぎて正しく検出できない場合があることである。これは、ＯＰＤの感度及び精度を低下させるものとなる。これに関連する問題が、スペックルサイズを大きくし過ぎると、その結果としてＳＮ比が大幅に低下する、ということである。
【００１７】
従来のスペックルベースのＯＰＤに関するもう１つの問題は、スペックルパターンのイメージ解析が該スペックルパターンの統計変動に敏感であることである。スペックルが、散乱されたコヒーレント光の位相ランダム化を介して生成されるため、実際に観察されるスペックルは、期待される平均スペックル直径を有さない局所的なパターンを呈する可能性がある。換言すれば、スペックルは、平均すれば規定のサイズ及び分布を有するが、局所的なパターンは該平均とは一貫しないものとなり得る。
【００１８】
以下で詳述するように、本発明の一態様は、上述したスペックルの検出に関する問題とスペックルパターンの統計変動の問題との両方に対する解決策を開示するものである。
本書で開示するＯＰＤの実施形態
本開示は一般に、光学式位置決め装置（ＯＰＤ）のためのセンサに関するものであり、及び一表面から反射されたスペックルとして知られる光のランダムな強度分布パターンの変位に基づいて前記センサと前記表面との間の相対的な運動を検知する方法に関するものである。ＯＰＤは、パーソナルコンピュータにデータを入力するための光学式マウス及びトラックボールを含むが、これらに限定されるものではない。
【００１９】
明細書中の記載「１つの実施形態」又は「一実施形態」は、その実施形態に関して説明する特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味している。本明細書中の様々な場所における「一実施形態では」なる表現は、必ずしも同一の実施形態を全て指すとは限らないものである。
【００２０】
一般に、ＯＰＤ用のセンサは、表面の一部を照明するための光源及び照明用光学系を有する照明手段と、複数の感光素子及びイメージング用光学系を有する検出器と、各感光素子からの信号を組み合わせて該検出器からの出力信号を生成する信号処理又は混合信号用電子回路とを含む。
【００２１】
一実施形態では、前記検出器及び前記混合信号用電子回路は、標準的なＣＭＯＳプロセス及び機器を使用して作製される。好適には、本発明のセンサ及び方法は、一様な位相面及びテレセントリックなスペックルイメージングを生成する構造化された照明と、アナログ電子回路及びディジタル電子回路の組み合わせを用いた単純化された信号処理構成とを使用することにより、光学的に効率の良い検出アーキテクチャを提供する。このアーキテクチャは、センサにおける信号処理及び変位推定に専ら費やされる電力の量を削減する。スペックル検出技術を用いると共に本発明に従って適当に構成されたセンサは、最大変位速度、精度、及び％パスエラー・レートを含む、ＯＰＤに一般に期待される全ての性能基準を満たし又はそれを超えることができるものであることが分かった。
スペックルベースの変位センサの概論
本セクションでは、本出願人が理解し確信しているスペックルベースの変位センサの動作原理について論じる。かかる動作原理は、理解のために有用なものであるが、本開示の実施形態をかかる原理によって不必要に制限する意図はない。
【００２２】
図１Ａを参照すると、図示の所与の波長のレーザ光は、一表面への第１の入射波102及び第２の入射波104として示されており、その各入射波は該表面の法線に対して入射角θをなしている。周期λ/2sinθを有する回折パターン106が結果的に生じる。
【００２３】
これに対し、図１Ｂを参照すると、光の波長よりも大きな（すなわち大体＞1μmの）寸法の形態的な不規則性を有するあらゆる全般的な表面が、ほぼランベルト方式で完全な半球へと光114を散乱させる傾向を有するものとなる。レーザ等のコヒーレント光源を使用する場合には、空間的にコヒーレントな散乱光は、有限開口を有する二乗検波器による検出時に複雑な干渉パターン116を生成するものとなる。明るい領域と暗い領域のこの複雑な干渉パターン116がスペックルと呼ばれるものである。スペックルパターン116の厳密な性質及びコントラストは、表面の粗さ、光の波長及びその空間的なコヒーレンスの度合い、並びに光収集用又はイメージング用光学系によって決まる。高度に複雑な場合が多いが、スペックルパターン116は、光学系によりイメージが取得されるあらゆる粗面の部分の明確な特徴であり、このため、スペックルパターンを利用して、レーザ及び光学系・検出器アセンブリに対して表面が横方向に変位した際に、該表面上の位置を識別することが可能である。
【００２４】
スペックルは、図１Ｂに示すように開口数NA=sinθに関して従来規定される光学系の有効口径により設定される空間周波数までの全てのサイズを有することが期待される。Goodmanによれば（J. W. Goodman, J. C. Dainty編の"Laser Speckle and Rerated Phenomena"中の"Statistical Properties of Laser Speckle Patterns"（Applied Physics volume 9, Springer-Verlag(1984)中のトピック）、特に39〜40頁を参照のこと）、大きさの統計的な分布は、スペックル強度の自己相関（auto-correlation）に関して表される。「平均」スペックル直径は次式で定義される。
[数１]
a＝λ/sinθ＝λ/NA
ここで、λはコヒーレント光の波長である。
【００２５】
スペックル強度の空間周波数スペクトル密度（Wiener-Khintchineの定理によるもの）が該強度の自己相関の単純なフーリエ変換であることに留意するのが興味深い。考え得る最小のスペックル（amin＝λ/2NA）は、主たる寄与が図１Ｂの極端な光線118（すなわち±θにおける光線）からのものであって最も「内側」の光線が破壊的に干渉するという発生する可能性の低い場合によって設定される。それ故、カットオフ空間周波数ｆcoは、ｆco＝1/（λ/2NA）すなわち2NA/λとなる。
【００２６】
開口数は、直交方向の寸法（y）よりも一方向の寸法（すなわちx）に沿ったイメージ内の空間周波数によって異なることに留意されたい。これは、例えば、一方の寸法が他方の寸法よりも長い（例えば、円ではなく楕円の）光学的な開口によって、又はアナモルフィック・レンズによって引き起こされる。かかる場合には、スペックルパターン116もまた異方性を有するものとなり、平均スペックルサイズは該２つの寸法において異なることになる。
【００２７】
レーザスペックルベースの変位センサの１つの利点は、法線に近い入射角で達した照明光で動作することが可能なことである。イメージング用光学系と粗面に対してかすり入射角で達した非コヒーレント光とを用いるセンサを横方向の変位の検知に用いることも可能である。しかし、かすり入射角の照明を使用してイメージ中の表面地形の適当な大きな明暗陰影を生成するため、該システムは本質的に光学的に効率の悪いものとなる。これは、光のかなりの部分が、検出器から鏡面反射的に反射されてしまい、形成されるイメージに何の貢献もしないからである。これとは対照的に、スペックルベースの変位センサは、レーザ光源からの照明光のより多くの部分を効率よく使用することができ、これにより、光学的に効率の良い変位センサの開発が可能となる。
スペックルベースの変位センサの設計の開示
以下の詳細な説明は、アナログ信号組み合わせ回路、適当な量のディジタル信号処理回路、及び低電力光源（例えば850nm面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等）を有する、ＣＭＯＳフォトダイオードを使用したかかるレーザスペックルベースの変位センサの１つのアーキテクチャを示したものである。以下の詳細な説明では、特定の実施形態の細部について論じるが、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、異なる光源、検出器又は感光素子、及び／又は信号を組み合わせるための異なる回路を利用することが可能である、ということが当業者には理解されよう。
【００２８】
ここで、本発明の一実施形態によるスペックルベースのマウスを図２及び図３を参照して説明することとする。
【００２９】
図２は、本発明の一実施形態によるスペックルベースのシステム200の機能図である。該システム200は、レーザ光源202、照明用光学系204、イメージング用光学系208、少なくとも二組をなす複数のＣＭＯＳフォトダイオードアレイ210、フロントエンド電子回路212、信号処理回路214、及びインタフェイス回路216を含む。フォトダイオードアレイ210は、２つの直交軸ｘ,ｙに沿った変位測定を提供するよう構成することが可能である。各アレイ中の複数グループのフォトダイオードをフロントエンド電子回路212内の受動電子部品を使用して組み合わせて複数のグループ信号を生成することが可能である。該グループ信号を次いで信号処理回路214により代数的に組み合わせて、ｘ方向及びｙ方向におけるＯＰＤの変位の大きさ及び方向に関する情報を提供する（ｘ,ｙ）信号を生成することが可能である。該（ｘ,ｙ）信号をインタフェイス回路218によりｘ,ｙデータ220へと変換し、該データをＯＰＤにより出力することが可能となる。この検出技術を用いたセンサは、「差動くし形アレイ（differential comb arrays）」として知られるインタレースされた複数グループの線形フォトダイオードの複数のアレイを有することが可能である。
【００３０】
図３は、かかるフォトダイオードアレイ302の（１つの軸に沿った）一般的な構成を示しており、この場合、表面304は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）306等のコヒーレント光源及び照明用光学系308によって照明され、アレイ302中のインタレースされたグループの組み合わせは、スペックルイメージにより生成された明暗信号の空間周波数について周期的なフィルタとして働く。
【００３１】
粗面304により生成されたスペックルは、イメージング用光学系310を用いて検出器平面へとマップされる。好適には、イメージング用光学系310は、最適性能のためのテレセントリックなものとなる。
【００３２】
一実施形態では、くし形アレイによる検出は、ｘ及びｙにおける変位の推定を得るために２つの独立した直交するアレイで行われる。一方のかかるアレイ302の小さな一例が図３に示されている。
【００３３】
検出器中の各アレイは、複数（N個）のフォトダイオードの組からなり、その各組は、MN線形アレイを形成するよう配列された複数（M個）のフォトダイオード（PD）を有する。図３に示す実施形態では、各組は４つのフォトダイオード（4PD）（1,2,3,4と称す）からなる。各組のPD1は、１つのグループを形成するよう電気的に接続され（和が生じるよう配線され）、同様にPD2,PD3,PD4が接続されて、該アレイから出る４つの信号ラインが提供される。それらに対応する電流又は信号がI1,I2,I3,I4である。これらの信号（I1,I2,I3,I4）は、グループ信号と称することが可能である。差動アナログ回路312を使用して同相差動電流信号314（I13）＝I1−I3を生成すること、及び差動アナログ回路316を使用して直角位相差動電流信号318（I24）＝I2−I4を生成することにより、バックグランド抑制（及び信号減衰）が達成される。これらの同相及び直角位相信号は、ライン信号と称することが可能である。I13及びI24の位相を比較することにより、運動方向の検出が可能となる。
【００３４】
好適には、位相誤差（変位誤差へと直接転換し得るもの）の導入を抑制するために、本発明のセンサは、複数のくし形アレイを使用する。更に、本書で説明する実施形態では、個々のアレイに「4N」機構を用いるが、そのシステム設計の理論的解釈は、（適当な修正を伴って）3N,5N,6N,7N,8Nといった他のアレイ構成又は機構にも適用可能である。術語「4N」は、４番目毎の検出器が共に結線される検出器アレイを指しており、その結果として得られる４つの光電流信号が、Dandliker等（米国特許第5,907,152号）が説明するように互いに減算される。しかし、それら信号を組み合わせるための適当な機構を用いて多くの他のグループ化を実施することが可能である。
検出器ピッチに関連するスペックルサイズの整合化
上述のように、従来のスペックルベースのＯＰＤに関する問題には、より小さなスペックルを検出するのが困難であること、及びより大きなスペックルを検出する際に信号が小さくなることが含まれる。本出願は、平均スペックル直径aが、検出器内の素子の幅wよりも大きな所定のファクタ又はその近傍となるように、光学系を構成することにより、これらの問題に対する有効な解決策を提供する。代替的に、検出器の素子の幅wが、平均スペックル直径aの所定の数分の一又はその近傍となるように、検出器を構成することが可能である。
【００３５】
MN検出器素子を有する線形くし形アレイについて考察する。ここで、Nは、該アレイの組の個数であり、その各組はM個の素子を有しており、該アレイのピッチがMwになるようになっている。この場合、本発明の好適な実施形態によれば、平均スペックル直径a＝λ/NAを生じさせるように光学系を構成することが可能であり、該平均スペックル直径は、次式に従って提供され又はほぼ提供される。
[数２]
a＝Mw
より一般的には、素子の幅にMを乗算した値の0.5〜2倍の間の平均スペックル直径を生成するように光学系を構成することが可能である。代替的な観点からすれば、好適には、次式に従って提供され又はほぼ提供される幅wを有するように検出器素子を構成することが可能である。
[数３]
w＝a/M
より一般的には、平均スペックル直径をMで除算した値の0.5〜2倍の間の幅を有するように検出器素子を構成することが可能である。
【００３６】
「4N」機構（すなわちM=4）を用いた図３に示す特定の検出器の実施形態では、次式に従って、平均スペックル直径aが検出器素子の幅wと好適に整合するように光学系を構成することが可能である。
[数４]
a＝Mw＝4w
このサイズの整合は、以下の理由で最適又はほぼ最適なものである。スペックルが大幅に大きい場合には、平均スペックルは、アレイの一周期全体を覆うよりも大きくなることになる。この場合には、様々な信号配線において生成される電流のスペックル位置に対する依存性が低くなる。これは、幾つかのフォトダイオードが同一のスペックルから同時に照明されるからである。一方、スペックルが検出器素子の幅wよりも大幅に小さい場合には、多数のスペックルが各検出器素子内に存在する。これにより、大きなバックグランド光電流が生じ、これもまたスペックルの位置に依存しないものであり、ＯＰＤの性能を低下させるものとなる。このため、本発明の一実施形態によれば、平均スペックル直径は、かかる「4N」構成の場合には、検出器素子の幅の0.5〜2倍の間となる。
【００３７】
スペックルに関する文献では周知のことであるように、スペックルイメージには一定の空間周波数の範囲が存在し、この種のくし形検出器は、該範囲から（検出器ピッチに対応する）特定の空間周波数を抽出するものであるとみなすことができる。本出願人は、数２に従ってスペックルサイズが検出器アレイに対して整合し又はほぼ整合すると、運動信号の強度が最大限になり、及び望ましくないバックグランドが最小限になるものとと確信する。
【００３８】
開口数が異なる方向で異なっている場合には、平均スペックル直径もまた異なり、整合条件はｘ及びｙについて異なる、ということに留意されたい。長手軸がｘ軸と平行に向けられたアレイの場合には、ｘ方向の平均スペックル直径は、ｘ方向で測定したピッチに整合させる必要がある。
【００３９】
また、検出器ピッチは、軸に沿った検出器の平均間隔により決定される、ということにも留意されたい。実施形態によっては、検出器は、一定のピッチで規則的に隔置されることになるが、本書で説明する検出器機構にとって完全な周期性は必要ない。検出器が一定のピッチで規則的に隔置されていないが平均ピッチpを有する場合には、数２を次の数５に修正することが可能である。
[数５]
a＝p
ここで、本発明の好適な実施形態によれば、平均スペックル直径は、検出器のピッチの約1/2となる。より一般的には、平均スペックル直径は、本発明の一実施形態によれば、検出器のピッチの1/4〜1倍の間となる
検出器素子の長さ
図４は、検出器素子アレイ及びその素子の幅w及び長さLを示す図である。上記説明は、素子の幅寸法に焦点を合わせたものであるが、本セクションは長さ寸法に焦点を合わせたものである。
【００４０】
本発明の実施形態によれば、線形検出器アレイの堅牢な動作のために、検出器素子の長さLは、好適には少なくとも幾つかのスペックル直径分の長さであり、これにより意図する運動検知方向と直交する変動が異常な信号を生成することがないようになっている。このスペックルの平均化は、ファクタ（a/L）1/2だけ変調度を低下させるのに寄与することが可能なものである。例えば、平均スペックル直径aの約４倍の検出器素子長さLを用いることによる４〜５個のスペックルにわたる平均化は、約１／２に変調度を低下させるものとなる。
【００４１】
平均化なし（オリジナル）の場合、及び素子長さLにわたり平均化を行う場合の変調度（スペックルコントラスト）を示す図式的な例が図５に示されている。図５を参照すると、ファクタ２1/2による変調度の更なる低下は、表面の偏光解消によってもたらされる。検出器素子長さにわたるスペックル平均化及び偏光解消の後の変調度γは、次式の通りである。
[数８]
γ＝（a/2L）1/2＝（w/L）1/2
本発明の一実施形態によれば、検出器は、実質的に一様な素子長さからなり、該素子長さは、該素子の（幅と直交する）長さと実質的に平行な運動で比較的安定した信号を維持するために平均スペックル直径よりも大きくなるよう構成される。素子長さが長くなるほど、安定性が高くなる。
【００４２】
しかし、図５の場合には、長さが長いほど、変調度の低下が大きくなる。このため、そのトレードオフにより、本発明の別の実施形態によれば、素子長さは、平均スペックル直径の2〜10倍の間となるよう構成することが可能である。
【００４３】
本発明の特定の実施形態及び実例に関する上記説明は、例示及び説明を目的として提示したものであり、上記実例のうちの特定のものにより本発明を説明し図示したが、それらに限定されるものと解釈されるべきではない。それらは、本発明を網羅することを意図したものではなく、また本開示の厳密な形態に本発明を制限することを意図したものではなく、上記の教示に鑑み、本発明の範囲内で多くの修正、改善、及び変更を実施することが可能である。本発明の範囲は、本書で開示した包括的な範囲、特許請求の範囲、及びその等価物を包含するものである、ということが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１Ａ】平滑面から反射された光の回折パターンを示している。
【図１Ｂ】粗面から反射された光の干渉パターン中のスペックルを示している。
【図２】本発明の一実施形態によるスペックルベースのマウスの機能ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態によるフォトダイオードアレイのブロック図である。
【図４】検出素子アレイと該アレイ中の素子の幅及び長さ寸法を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に従って構成されたセンサに関する平均化なしの変調度と素子の長さＬにわたって平均化した変調度とを示すグラフである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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