(57)【要約】１実施形態は、連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面(304)間の相対的な動きを検出するための光学変位センサに関連する。センサは照明器と検出器を備える。照明器は、平坦な位相面を有する表面(510)の一部を照明するための光源と照明光学系(506)を有する。検出器は複数の感光性素子(502)と結像光学系(512)を有する。照明器と検出器は、表面(510)の照明された部分が検出器の感光素子(502)の視野よりも50％大きいものよりは小さくなるように構成される。他の実施形態も説明される。
2008500667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面と間の相対的な動きを検出するための光学変位センサであって、
ほぼ平坦な位相面を有する照明ビームによって表面の一部分を照明するための光源及び照明光学系を有する照明器と、
複数の感光素子及び結像光学系を有する検出器
を備え、
前記照明器と検出器は、前記表面の照明された部分が前記検出器の感光素子の視野よりも５０％大きいものよりは小さくなるように構成されることからなる、光学変位センサ。
【請求項２】
前記照明光学系は、前記検出器の視野の外側に入射する光を最小限にするための回折及び反射光学系を有する、請求項１の光学変位センサ。
【請求項３】
前記複数の感光素子は、第１の軸に沿ってほぼまっすくな列をなすように配列された第１の複数の感光素子と、前記第１の軸に平行ではない第２の軸に沿ってほぼまっすぐな列をなすように配列された第２の複数の感光素子を備える、請求項１の光学変位センサ。
【請求項４】
前記第２の軸は、前記第１の軸に対して約９０度の角度をなす、請求項３の光学変位センサ。
【請求項５】
前記第１及び前記第２の複数の感光素子は、「Ｌ」、「Ｔ」、「＋」、「Ｘ」、「Ｖ」、「Δ」または正方形の形状のアレイを形成するように、前記第１の軸及び前記第２の軸に沿って配列される、請求項３の光学変位センサ。
【請求項６】
前記照明器はさらに、前記表面の照明された部分が、前記表面上に、対応する「Ｌ」、「Ｔ」、「＋」、「Ｘ」、「Δ」または正方形の形状を画定するように構成される、請求項５の光学変位センサ。
【請求項７】
前記照明器はさらに、前記表面の照明された部分が、前記検出器の感光素子の視野の形状及び領域に対応（または合致）するように構成される、請求項１の光学変位センサ。
【請求項８】
前記照明器はさらに、前記表面の照明された部分が、光学変位センサのコンポーネントの動作及び構成におけるエラーに対する所定のマージンを提供するために、検出器の視野よりも十分に大きくなるように構成され、前記表面の照明された部分は、前記検出器の視野よりも５０％大きいものよりは小さい、請求項１の光学変位センサ。
【請求項９】
前記感光素子はフォトダイオードからなり、前記光源はレーザからなる、請求項１の光学変位センサ。
【請求項１０】
前記光学変位センサは、前記表面から反射された光によって生成された複雑な干渉パターンに基づいて、前記表面上の位置を識別するように構成されれたスペックルベースの変位センサであり、前記レーザは面発光レーザ（VCSEL）である、請求項１の光学変位センサ。
【請求項１１】
前記照明器及び検出器は、前記表面のほぼ全ての照明された部分が、前記感光素子の視野内に入るように構成される、請求項１の光学変位センサ。
【請求項１２】
連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面と間の相対的な動きを検出する方法であって、
光源からの照明を生成するステップと、
照明ビームがほぼ平坦な位相面を有するように、照明光学系によって前記照明を前記表面の一部分にマッピングするステップと、
前記表面の照明された部分から照明を反射するステップと、
前記反射した照明を結像光学系によって前記検出器内の感光素子の配列にマッピングするステップ
を含み、
前記表面の照明された部分は、前記感光素子の視野よりも５０％よりも大きいものよりは小さいことからなる、方法。
【請求項１３】
前記照明光学系によって照明をマッピングする前記ステップは、前記表面の照明された部分が前記検出器内の感光素子の視野の形状と合致するように前記照明を屈折させ回折させるステップを含む、請求項１２の方法。
【請求項１４】
第１の複数の感光素子が、第１の軸に沿ってほぼまっすくな列をなすように配列され、第２の複数の感光素子が、前記第１の軸に平行ではない第２の軸に沿ってほぼまっすぐな列をなすように配列される、請求項１３の方法。
【請求項１５】
前記感光素子は、「Ｌ」、「Ｔ」、「＋」、「Ｘ」、「Ｖ」、「Δ」、及び正方形の形状からなる形状のグループからの形状を形成するように配列され、前記表面の照明された部分は対応する（または合致する）形状を形成することからなる、請求項１４の方法。
【請求項１６】
照明をマッピングする前記ステップは、前記表面上に「Ｌ」、「Ｔ」、「＋」、「Ｘ」、「Ｖ」、「Δ」、または正方形の形状を画定するように前記表面の部分を照明するステップを含み、前記照明された部分は、前記検出器の視野にオーバーラップし、かつ、該視野の形状に合致することからなる、請求項１４の方法。
【請求項１７】
連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面と間の相対的な動きを検出するための光学変位センサであって、
光源と、
第１の形状で前記表面の一部分を照明するよう構成された照明光学系と、
前記第１の形状に類似した第２の形状を有する感光素子の配列と、
前記表面の照明された部分から反射した照明をマッピングして、前記反射した照明が前記感光素子の配列を覆うように構成された結像光学系
を備える、光学変位センサ。
【請求項１８】
前記第１の形状が、非円形であり、かつ、前記光源の直接像ではない、請求項１７の光学変位センサ。
【請求項１９】
前記第１の形状が凸状ではない、請求項１７の光学変位センサ。
【請求項２０】
前記表面の照明された部分が、前記感光素子の視野よりも５０％大きいものよりは小さい、請求項１７の光学変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
本出願は、Clinton B. Carlisle、 Jahja I. Trisnadi、 Charles B. Roxlo 及びDavid A. LeHotyを発明者とする２００４年５月２１日に出願された「Optical position sensing device having shaped illumination,」と題する米国仮出願第60/573,394号の利益を請求するものである。この米国仮出願の開示の全体は参照によって本明細書に組み込まれるものとする。
【０００２】
本出願はまた、David A. LeHoty、Douglas A. Webb、 Charles B. Roxlo、 Clinton B. Carlisle及びJahja I. Trisnadiを発明者とする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 photosensitibve 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。この米国仮出願の開示の全体は参照によって本明細書に組み込まれるものとする。
【０００３】
本発明は、一般的には、光学位置決め装置（OPD）と当該装置を用いて動きを検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
コンピュータマウスやトラックボールなどのポインティングデバイスは、パーソナルコンピュータやワークステーションにデータを入力したり、それらの装置とインターフェースするために利用される。そのようなデバイスはカーソルをモニタ上ですばやく再配置することを可能とするものであり、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である。ユーザは、たとえば、表面上でマウスを移動させて、カーソルが、ある方向にマウスの移動量に比例した距離だけ移動するようにしてカーソルを制御する。あるいは、同じ目的のために、静止したデバイスの上で手を動かすことを利用することもできる。
【０００５】
コンピュータマウスは、光学式バージョンと機械式バージョンとで提供されている。機械式マウスは典型的には、動きを検出するための回転ボールと、カーソルを動かすためにコンピュータによって使用されるディジタル信号を生成するための、そのボールに接触した一対のシャフトエンコーダを使用する。機械式マウスの１つの問題は、継続的使用によるほこりの蓄積などのために不正確さや故障を生じがちであるということである。さらに、機械的な要素、特にシャフトエンコーダの運動とそれによって生じる摩耗は、必然的にデバイスの耐用寿命を短くするものとなる。
【０００６】
上述の機械式マウスの問題に対する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頑強で、かつ、より正確な位置決め精度をもたらすことが可能であるために非常に普及してきた。
【０００７】
光学式マウスに使用される中心的な従来技術は、かすめ入射線で表面を照明する発光ダイオード（LED）、生じた画像を捕捉する２次元CMOS（相補型金属酸化膜半導体）検出器、連続する画像の相関をとってマウスが移動した方向、距離及び速度を求めるソフトウエアを用いる。この技術は一般的に良好な精度を提供するが、光学的効率が小さく、また、画像処理要件が比較的高い。
【０００８】
別のアプローチは、フォトダイオードなどのフォトセンサすなわち検出器の一次元アレイを使用する。表面の連続画像が結像装置によって結像され、フォトダイオードで変換され、比較されてマウスの動きが検出される。動きの検出を容易にするためにフォトダイオードをグループをなすように直接結線する場合もある。これによって、フォトダイオードの要件が緩和され、迅速なアナログ処理が可能になる。そのようなマウスの１つの例が、Dandliker他による米国特許第5,907,152号に開示されている。
【０００９】
Dandliker他による上記特許に開示されたマウスは、また、それが、レーザなどのコヒーレント光源を使用するという点で標準的な技術とは異なる。粗い表面から散乱し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光のランダムな強度分布を生成する。スペックルに基づくパターンの使用には、効率の良いレーザベースの光生成が得られ、かつ、照明が直角で入射した場合でも画像のコントラストが高いなどのいくつかの利点がある。これによって、より効率的なシステムが得られ、電流消費が節約されるが、このことは、ワイヤレス用途においてバッテリ寿命を長くするために有利である。
【特許文献１】米国特許第5,907,152号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これらのスペックルベースの（すなわち、スペックルパターンを利用する）デバイスは、従来のLEDベースの光学式マウスに対して大きな改良を提供するものであるが、いくつかの理由のために完全には満足のゆくものではない。具体的には、レーザスペックルを使用するマウスは、今日の最高水準のマウスおいて典型的に要求される精度−この精度は、一般的には、０．５％未満か０．５％程度より小さい経路誤差（path error）であることが望ましい−を提供するものではない。
【００１１】
本開示は、従来の光学式マウス及び他の類似の光学式ポインティングデバイスのいくつかの問題に対するソリューションを説明し提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
１実施形態は、連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面との相対的な動きを検出するための光学式変位センサに関する。センサは、少なくとも、照明器と検出器を備える。照明器は、表面の一部を照明するための光源と照明光学系を有する。検出器は、複数の感光素子と結像光学系を有する。照明器と検出器は、表面の照明された部分が、検出器の感光素子の視野よりも５０％大きいものよりは小さくなるように構成される。
【００１３】
別の実施形態は、連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面との間の相対的な動きを検出する方法に関する。照明が光源から生成され、照明は、照明光学系によって表面の一部分にマッピングされる（表面の一部分に位置付けられる）。照明は、表面の照明された部分から反射し、反射した照明は、結像光学系によって、検出器内の感光素子の配列にマッピングされる。表面の照明された部分は、感光素子の視野よりもよりも５０％大きいものよりは小さい。
【００１４】
別の実施形態は、連続するフレームにおける光学的特徴の変位を求めることによって、データ入力装置と表面との間の相対的な動きを検出するための光学変位センサに関連する。センサは、少なくとも、光源、照明光学系、感光素子の配列、および、結像光学系を備える。照明光学系は、第１の形状で表面の一部分を照明するように構成され、感光性素子の配列は、第１の形状に類似の第２の形状を有する。結像光学系は、表面の照明された部分から反射した照明が感光素子の配列を覆うように、その反射した照明をマッピングするように構成される。
【００１５】
他の実施形態も開示される。
【００１６】
本発明の以上の及び種々の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明、及び添付図面からさらに十分に理解されよう。しかしながら、詳細の説明及び添付図面は、特許請求の範囲を特定の示した実施形態に限定するものではなく、説明と理解のためにのみ提示されたものである。
【００１７】
照明のミスアライメントと非効率性に関する問題
従来のスペックルベースの光学位置決めデバイスの１つの問題は、検出器のフォトダイオードアレイ全体をカバー（覆う）するための、反射した照明（または照明光）と検出器との位置合わせにずれ（ミスアライメント）が生じる可能性があることである。検出器アレイ全体を確実にカバーするために、従来のOPDは、一般に、検出器の視野よりもずっと大きな画像平面の部分を照明し、これによって、フォトダイオードアレイが、起こりうるミスアライメントの問題にもかかわらず、反射した照明（以下、反射照明ともいう）によって確実に十分にカバーされるように構成されている。
【００１８】
しかしながら、照明領域を大きくすると、フォトダイオードが検出する反射照明のパワー強度が減少する。したがって、従来のOPDにおけるミスアライメントの問題を解消または回避しようとすることは、しばしば、フォトダイオードアレイが利用可能な反射光の損失を生じることとなり、すなわち、照明パワーに対してより高い要件を課すこととなる。
【００１９】
以下で詳細に説明するように、本発明の１つの側面は、照明のミスアライメントと効率的でないという上記の問題に対するソリューションを開示する。
【実施例】
【００２０】
本明細書で開示するOPDの実施形態
本開示は、一般的に、光学位置決め装置（OPD。光学位置決めデバイスともいう）用のセンサに関し、また、表面から反射した、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（または移動。以下同じ）に基づいてセンサと表面との間の相対的な動きを検出するための方法に関する。OPDには、データをパーソナルコンピュータに入力するための光学式マウスまたはトラックボールがあるが、これらには限定されない。
【００２１】
「１つの実施形態」または「１実施形態」という用語を本明細書で使用しているが、これらの用語の使用は、実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造、特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれるものであることを意味している。本明細書の種々の場所に見られる「１実施形態では」という用語は、必ずしも全てが同じ実施形態を指しているわけではない。
【００２２】
一般的には、OPD用のセンサは、表面の一部分を照明するための光源及び照明光学系を有する照明器、複数の感光性素子と結像光学系を有する検出器、及び、感光素子の各々からの信号を結合して検出器からの出力信号を生成するための信号処理電子回路または混合信号（mixed-signal）電子回路を備える。
【００２３】
１実施形態では、検出器と混合信号電子回路は、標準的なCMOSプロセス及び装置を使用して作製される。好ましくは、本発明のセンサ及び方法は、均一な位相面とテレセントリックスペックル結像を生じる構造化された照明（structured illumination）、並びに、アナログ電子回路とデジタル電子回路の組合せを使用した簡易な信号処理構成を使用することにより、光学的に効率のよ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、センサ内の信号処理及び変位予測用に割り当てられた電力の量を低減する。スペックル検出技術を使用し、本発明にしたがって適切に構成されたセンサは、OPDに一般的に期待される全ての性能基準−最大変位速度（最大移動速度）、精度、及び経路誤差率（％）を含む−を満たすか、または、それを上回ることができることがわかった。
【００２４】
スペックルベースの変位センサについての序論
このセクションでは、本出願人によって理解されているスペックルベースの変位センサの動作原理を説明する。これらの動作原理は理解のために有用であるが、開示する実施形態をそれらの原理によって必要以上に限定することを意図するものではない。
【００２５】
図１Ａを参照すると、示されている波長のレーザ光が、表面への第１の入射波１０２及び第２の入射波１０４として示されている。それぞれの入射波は、表面の法線に対して入射角θをなす。λ／２sinθの周期性を有する回折パターン１０６が生じている。
【００２６】
これとは対照的に、図１Ｂを参照すると、光の波長（おおよそ１μｍより大きい）よりも大きな寸法の形態上の凹凸を有する任意の一般的な表面は、ほぼランバート（Lambertian）様式で完全な半球中に光１１４を散乱する傾向がある。レーザのようなコヒーレント光源が使用される場合は、空間的にコヒーレントな散乱光は、有限の開口を有する二乗検出器（square-law detector。または二乗検波器）による検出時に複雑な干渉パターン１１６を生成することになる。明る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。スペックルパターン１１６の正確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コヒーレンスの程度、及び、光収集光学系または結像光学系に依存する。しばしば、非常に複雑であるが、スペックルパターン１１６は、光学系によって結像される任意の粗い表面のある領域の明確なる特徴であり、そのため、表面上の位置がレーザ及び光学系−検出器アセンブリに対して横方向（または横断する方向）に配置されたときにその位置を識別するために利用することができる。
【００２７】
スペックルは、光学系の有効開口（これは、従来、図１Ｂに示すような開口数NA＝sinθを用いて定義される）によって設定される空間周波数まで全ての大きさで現れることが予測される。Goodman（J.C. Daintyによって編集された「Laser Speckle and Related Phenomena」（Topics in Applied Physics Vol.9, Springer-Verlag(1984)。特に、39-40頁参照）における、J.W.Goodmanによる「Statistical Properties of Laser Speckle Patterns」）によれば、大きさ（サイズ）の統計的分布は、スペックル強度の自己相関を用いて表される。「平均」のスペックルの直径を、
【００２８】
【数１】
2008500667.tif 000003
【００２９】
として定義することができる。λはコヒーレント光の波長である。
【００３０】
スペックル強度の空間周波数スペクトル密度（これは、ウィーナー‐ヒンチンの定理（Wiener-Khintchine theorem）によるものである）は、単に強度の自己相関のフーリエ変換であることに注意するのは興味深いことである。生じうる最も微細なスペックル（ａｍｉｎ＝λ／２NAで表される）は、起こる可能性が低い場合、すなわち、主要な寄与が図１Ｂの一番端の光線１１８（すなわち、±θにおける光線）から生じ、最も「内側」の光線からの寄与が弱め合うように干渉する場合に設定される。カットオフ空間周波数はしたがって、ｆｃｏ＝１／（λ／２NA）すなわち２NA／λ）である。
【００３１】
開口数は、一方の寸法（または、次元。たとえば「ｘ」）に沿った画像内の空間周波数に対するものとそれに直交する寸法（または、次元。たとえば「ｙ」）に沿った画像内の空間周波数に対するものとでは異なる場合があることに留意されたい。このことは、たとえば、他方の寸法より一方の寸法が長い光学的開口（たとえば、円ではなく楕円）によって、または、アナモルフィックレンズによって引き起こされうる。これらの場合、スペックルパターン１１６もまた異方性であり、平均したスペックルの大きさは２つの寸法間で異なるであろう。
【００３２】
レーザスペックルベースの変位センサの１つの利点は、それが、法線に近い入射角で到達する照明光で動作することができることである。結像光学系と、粗い表面にかすめ入射角で到達する非干渉性光（インコヒーレント光）とを利用するセンサを、横方向の変位を検出するためにも利用することができる。しかしながら、照明のかすめ入射角は、画像内の表面領域の適切な大きさの明部−暗部の影を生成するために使用されので、このシステムは、本質的に光学的に非効率的である。なぜなら、かなりの割合の光は、検出器から鏡によって反射されるように反射してしまい、形成される画像に何の寄与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大きな割合の光を効率的に利用することができ、これによって、光学的に効率的な変位センサの開発が可能になる。
【００３３】
スペックルペースの変位センサの構成
以下の詳細な説明では、アナログ信号結合回路を有するCMOSフォトダイオード、適度の（中程度の）量のディジタル信号処理回路、及び、たとえば、８５０ｎｍの面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：VCSEL）などの低パワー光源を使用するレーザスペックルベースの変位センサのアーキテクチャについて説明する。いくつかの実施上の細部については以下の詳細な説明で説明するが、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、検出器または感光素子、及び／または、信号を結合するための異なる回路を使用できることが当業者には理解されよう。
【００３４】
以下、本発明の１実施形態に従う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。
【００３５】
図２は、本発明の１実施形態に従うスペックルベースのシステム２００の機能図である。システム２００は、レーザ光源２０２、照明光学系２０４、結像光学系２０８、複数のCMOSフォトダイオードアレイの少なくとも２つの組２１０、フロントエンド電子回路２１２、信号処理回路２１４、及びインターフェース回路２１６を備える。フォトダイオードアレイ２１０を、２つの直交する軸ｘとｙに沿って変位測定値を提供するように構成することができる。各アレイ内のフォトダイオードのグループを、フロントエンド電子回路２１２内の受動性の電子コンポーネントを用いて結合して、グループ信号を生成するようにすることができる。その後、グループ信号を信号処理回路２１４によって代数的に結合して、ｘ及びｙ方向におけるOPDの変位の大きさと方向に関する情報を提供する（ｘ、ｙ）信号を生成するようにすることができる。（ｘ、ｙ）信号をインターフェース回路２１８によって、OPDが出力可能なｘ、ｙデータ２２０に変換することができる。この検出器技術を使用するセンサは、「差動くし形アレイ（diffrential comb array）」として知られる、線形フォトダイオードのインターレースされたグループのアレイを有することができる。
【００３６】
図３は、そのようなフォトダイオードアレイ３０２の（１つの軸に沿った）概略の構成を示す。表面３０４は、面発光レーザ（VCSEL）３０６などのコヒーレント光源及び照明光学系３０８によって照明される。アレイ３０２のインターレースされたグループの組合せは、スペックル画像によって生成された明−暗信号の空間周波数に対する周期的なフィルタ（periodic filter）として作用する。
【００３７】
粗い表面３０４によって生成されたスペックルは、結像光学系３１０によって検出器面（検出面）にマッピングされる。結像光学系３１０は、最適な性能が得られるようにテレセントリックであることが好ましい。
【００３８】
１実施形態では、くし形アレイ検出を２つの独立した直交アレイにおいて実施して、ｘとｙにおける変位の予測値を得る。１つのそのようなアレイ３０２の小さなバージョンが図３に示されている。
【００３９】
検出器内の各アレイは複数（Ｎ個）のフォトダイオードの組からなり、各々の組は、ＭＮ個の線形アレイを形成するように配列された複数（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、１、２、３、４として参照される４つのフォトダイオード（４つのPD）から構成される。全ての組からのPD１を電気的に接続（ワイヤードサム：wired sum）してグループを形成し、PD２、PD３、PD４についても同様にして、アレイから４つの信号線を引き出す。それらに対応する電流または信号はＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４である。これらの信号（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４）をグループ信号と呼ぶ場合がある。バックグラウンド抑制（及び信号強調）は、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を生成し、差動アナログ回路３１６を使用して直角（または直交）差動電流信号３１８（Ｉ２４）＝Ｉ２−Ｉ４を生成することによって達成される。これらの同相及び直角信号をライン信号と呼ぶ場合がある。Ｉ１３とＩ２４の位相を比較することによって、運動（動き）の方向を検出可能である。
【００４０】
好ましくは、変位誤差に直接変換される可能性がある位相誤差の導入を抑えるために、本発明のセンサは複数のくし形アレイを使用する。さらに、本明細書で説明する実施形態は、個々のアレイについて「４Ｎ」方式を用いるが、システム構成の原理は、３Ｎ、５Ｎ、６Ｎ、７Ｎ、８Ｎなどの他のアレイ構成または方式に（適切な変更を加えて）適用可能である。「４Ｎ」という用語は、４番目の全ての検出器が互いに結線されている検出器アレイを指し、生じた４つの光電流信号は、Dandliker他（米国特許第5,907,152号）に記載されているように互いから減算される。しかしながら、多くの他のグループ分けが、信号を組み合わせるための適切な方式について可能である。
【００４１】
結像または光収集光学系４０２の１例の概要を図４に示す。光は、表面４０４の領域Ａｓによって散乱され、領域Ａｄｅｔの検出器４０６上に結像する。ランバート面（Lambertian surface。均等拡散面ともいう）の場合、検出器の収集効率を、
【００４２】
【数２】
2008500667.tif 000004
【００４３】
として表すことができる。ηopticsは光学系のコンポーネントの効率（吸収、フレネル反射など）、ｒは有効表面反射率、Ωｓは表面が対する立体角、Ωｄｅｔは検出器が対する立体角である。
【００４４】
整形された照明
本出願人は、良好な光学的効率を維持するための１つの手段は、照明ビームが平坦、または均一な位相面を有する場合には、大きさと形状において検出器のフットプリントにほぼ一致するように照明のフットプリントをカスタム設計することであると考える。さらに好ましくは、照明のフットプリントは、動作及び構造（または製造）から生じるわずかなミスアライメントに対する所望のマージンを提供するのにちょうど足りる余分な大きさを有する。
【００４５】
そのような構造化された照明の１実施形態を図５に示す。図５に示す１つの特徴は、照明が結像光学系の視野（FOV）内の光学表面上の場所にのみ当たることである。図５に示す検出器の配列５０２について、光検出器アレイ（１つの場合も複数の場合もある）の幾何学的形状が、「Ｌ」字状の幾何学的形状といった通常の形状ではないか、または、非対称の形状である場合には、照明光学系５０４は、理想的には、最適な光学効率が得られるように粗い表面上のその領域にのみ光を提供しなければならない。このFOV領域の外側の粗い表面上に当たる光は無駄なものとなって、光学位置決めシステムの正味の効率が減少する。
【００４６】
１実施例では、照明された部分の非対称（すなわち、非円形）形状は、照明源の直接像ではなく、照明光学系５０４の構成（または構造）によって形成されるであろう。照明された領域の形状が凸状ではない場合さえありうる。図５の例に示されているように、回折構造５０８と組み合わされた標準的な屈折性または反射性の光学表面５０６を使用することによって、平坦な位相面（位相面が平面）を有する特定の照明空間プロファイル５１０を生成して、結像光学系から要求されるFOVに最適に合致させることができる。結像光学系５１２は、光検出素子が、検出領域の外側の過度に大きな領域をカバーすることなく、効率的にカバーされるように、特定の照明プロファイル５１０を検出器配列５０２上にマッピングするよう構成される。換言すれば、図５の光学システム５００は、検出器の視野の外側に当たる光が最小限になるように、反射した照明が検出器配列５０２の形状にほぼ合致するように構成される。有利なことに、これによって、光源からのパワーをより効率的に使用できるようになる。
【００４７】
好ましくは、光学系は、表面の照明された部分が検出器の感光素子の視野よりも５０％大きいものよりは小さいように構成される（たとえば、表面の照明された部分の大きさが、感光素子の視野の１５０％を超えない）。換言すれば、反射された照明は、好ましくは、検出器の全ての感光素子をカバーする（覆う）ための最小限の領域の１５０％以下である検出器の領域をカバーする（覆う）。さらに好ましくは、光学系は、表面の照明された部分のほぼ全て（たとえば、８５％以上）が検出器の感光素子の視野内に入るように構成される。
【００４８】
図５に示す特定の例は、照明プロファイル５１０を、光検出器配列５０２をカバーする反射した照明の形状に関して鏡像とすることができることを示している。これは、結像光学系５１２の構成に依存する。
【００４９】
本発明の特定の実施形態によれば、検出器構成を、図６に示すように、複数のインターレースされた「ピクセル（画素）」（検出器素子）アレイが２つの軸に沿って平行な行をなすように配列した状態で利用することができる。具体的には、図６は、ｘ軸に沿って平行な行をなすように配列された３つのインターレースされたアレイ６０２と、ｙ軸に沿って平行な行をなすように配列された３つのインターレースされたアレイ６０４を示している。
【００５０】
図３に関連して上述したように、各「４Ｎ」アレイは、４つの信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を生成する、電気的に接続（ワイヤードサム）されたＮ個の検出器素子の４つのグループからなる。バックグラウンド抑制（及び信号強調）は、差信号Ｓ１３＝Ｓ１−Ｓ３及びＳ２４＝Ｓ２−Ｓ４をとることによってなされる。並進（移動）の量及び方向を、直交ペアＳ１３及びＳ２４から推定することができる。
【００５１】
この特定の実施形態では、３つの「４Ｎ」アレイ（６０２及び６０４）を各軸（ｘ及びｙ）について使用して、変位の際に蓄積された位相誤差を抑える。この特定の実施形態の場合、信号を処理して入力をディジタル信号プロセッサ６０８に提供するフロントエンド電子回路６０６に送られる２４のライン（２つの軸、３つアレイ／軸、４つの信号／アレイ）がある。DSP６０８は、たとえば、ユニバーサル・シリアルバス・インターフェース（USB I/F）６１０を有することができる。
【００５２】
他の実施形態は、４とは異なるＭの値（すなわち、素子のグループ分けの数）を有するインターレスされた検出器アレイを使用することができる。他の実施形態は、１つの次元につき３以外の異なる数の行を使用することもできる。行の数は、ｘ次元とｙ次元とで同じである必要はない。
【００５３】
他の実施形態を、「Ｌ」状の配列７０２ではない検出器アレイの配列でもって構成することができる。他の可能な配列の例を図７に示す。それらの例には、Ｔ配列７０４、正方形（または四角形）配列７０６、及び、「＋」または「Ｘ」配列７０８がある。さらに他の実施形態を、たとえば「Ｖ」または「Δ」型配列などの、軸（行または列）が垂直ではないスキュー角（斜角）をなす配列で構成することができる。
【００５４】
本発明の特定の実施形態及び例についての以上の記載は、図示及び説明のために提示されたものである。本発明をいくつかの例について図示し説明したが、それらは限定するものとして解釈されるべきものではない。本明細書で説明した実施形態は、本発明を網羅するものでも、開示した形態そのものに本発明を限定することを意図したものでもなく、上記教示に照らして、本発明の範囲内において、多くの変更、改良及びバリエーションが可能である。本発明の範囲は、開示した分野全体を包含し、添付の特許請求の範囲及びそれとの等価物によって画定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１Ａ】なめらかな表面から反射された光の回折パターン示す。
【図１Ｂ】粗い表面から反射された光の干渉パターンをなすスペックルを示す。
【図２】本発明の１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１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】本発明の１実施形態による光収集光学系の機能ブロック図である。
【図５】本発明の１実施形態による構造化された照明を示す光学図である。
【図６】本発明の１実施形態による、各々が複数の行を有する検出器素子の２つの軸を示す機能ブロック図である。
【図７】本発明の１実施形態による、検出器素子の種々の配列を示す。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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