(57)【要約】一実施形態は、データ入力デバイスとある表面（304）との間の相対的な動作を、該表面での連続するフレーム内における光学的な特徴の変位を判定することによって感知するための光学変位センサに関する。前記センサは、少なくとも検出器、第１の回路構成、及び第２の回路構成を含む。前記検出器は、第１及び第２のアレイ（例えば1502及び1504）に編成された複数の感光素子を含む。前記第１の回路構成は、前記第１のアレイのＭ番目毎の素子からの信号を組み合わせて、Ｍグループ信号を生成するよう構成され、前記第２の回路構成は、前記第２のアレイのＭ’番目毎の素子からの信号を組み合わせて、Ｍ’グループ信号を生成するよう構成される。前記ＭとＭ’とは、互いに異なる数である。他の実施形態もまた開示した。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある表面での連続するフレーム内における光学的な特徴の変位を判定することによって、データ入力デバイスと該表面との間の相対的な移動を検知するための光学変位センサであって、
第１及び第２のアレイにおいて編成された複数の感光素子を含む検出器と、
前記第１のアレイのＭ番目毎の素子からの信号を組み合わせて、Ｍグループ信号を生成するよう構成された、第１の回路構成と、
前記第２のアレイのＭ’番目毎の素子からの信号を組み合わせて、Ｍ’グループ信号を生成するよう構成された、第２の回路構成
とを備え、
前記ＭとＭ’とは、互いに異なる数であることからなる、光学変位センサ。
【請求項２】
前記第１及び第２のアレイが、少なくとも１つの共有された感光素子を含む、請求項１に記載の光学変位センサ。
【請求項３】
前記共有された感光素子からの光電流を複製するよう構成されたカレントミラー回路を更に備える、請求項２に記載の光学変位センサ。
【請求項４】
前記第１及び第２のアレイが、実質的には全ての感光素子を共有する、請求項２に記載の光学変位センサ。
【請求項５】
実質的には全ての感光素子からの光電流を複製するよう構成されたカレントミラー回路構成を更に備える、請求項４に記載の光学変位センサ。
【請求項６】
前記アレイの各々が、ある軸に対して並列に構成された線形くし型アレイ（ＬＣＡ）を備える、請求項１に記載の光学変位センサ。
【請求項７】
前記Ｍグループ信号から第１の対のライン信号を生成するよう構成された回路構成と、
前記Ｍ’グループ信号から第２の対のライン信号を生成するよう構成された回路構成
とを更に備えることからなる、請求項６に記載の光学変位センサ。
【請求項８】
前記軸に対して垂直でない方向に前記データ入力が動かされると、前記ライン信号は振動する状態にある、請求項７に記載の光学変位センサ。
【請求項９】
式ν＝ｆ＊ｐ／τを用いて、前記軸に沿った前記データ入力デバイスの動きの速度の成分νを、あるライン信号から計算するよう構成された回路構成を更に備え、
前記ｆは、フレームレートであり、前記ｐは検出器ピッチであり、前記τは、同じ方向に進む先行する２つのゼロクロッシングの間の時間であることからなる、請求項８に記載の光学変位センサ。
【請求項１０】
前記ライン信号の生成回路構成が、前記グループ信号に対して重み付けを行うための重み付け回路構成を備える、請求項７に記載の光学変位センサ。
【請求項１１】
前記Ｍグループ信号が、Ｍ同相重み係数のうちの１つと、Ｍ直角位相重み係数のうちの１つとによって、各々重み付けられ、
前記Ｍ’グループ信号が、Ｍ’同相重み係数のうちの１つと、Ｍ’直角位相重み係数のうちの１つとによって、各々重み付けられることからなる、請求項１０に記載の光学変位センサ。
【請求項１２】
前記同相重み係数（Ｓ１）と、前記直角位相重み係数（Ｓ２）とが、式Ｓ１＝ｃｏｓ（２πｊ／Ｎ）と、Ｓ２＝ｓｉｎ（２πｊ／Ｎ）とを用いることによって計算され、
ここで前記ｊが、０からＭ−１にまで至り、前記Ｍグループ信号が用いられて前記第１の対のライン信号が生成される場合には、Ｎ＝Ｍであり、
ここで前記ｊが、０からＭ’−１にまで至り、前記Ｍ’グループ信号が用いられて前記第２の対のライン信号が生成される場合には、Ｎ＝Ｍ’であることからなる、請求項１１に記載の光学変位センサ。
【請求項１３】
前記Ｍグループ信号から生成されたライン信号の特性を、前記Ｍ’グループ信号から生成された別のライン信号の特性と比較するよう構成された回路構成と、
前記比較に基づき、より高特性のライン信号を選択するよう構成された回路構成
とを更に備えることからなる、請求項１に記載の光学変位センサ。
【請求項１４】
信号の固有の特性に基づいてライン信号に対して重み付けを行って、その重み付けられたライン信号を組み合わせるよう構成された回路構成を更に備える、請求項１に記載の光学変位センサ。
【請求項１５】
表面を横切るデータ入力デバイスの動作を、第１及び第２のアレイに編成された複数の感光素子を含む検出器を有する光学変位センサを用いて検知する方法であって、
前記表面の一部から反射された光によって生成されたある強度パターンを、前記複数の感光素子上において受け取り、
Ｍグループ信号を生成するために、前記第１のアレイのＭ番目毎の素子からの信号を組み合わせ、及び、
Ｍ’グループ信号を生成するために、前記第２のアレイのＭ’番目毎の素子からの信号を組み合わせる
ことを含み、
前記ＭとＭ’とは、互いに異なる数であることからなる、方法。
【請求項１６】
前記第１及び第２のアレイが、感光素子を共有することからなる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
第１の対の振動するライン信号を、前記Ｍグループ信号から生成し、及び、
第２の対の振動するライン信号を、前記Ｍ’グループ信号から生成する
ことを更に含むことからなる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記Ｍグループ信号から生成されるライン信号の特性を、前記Ｍ’グループ信号から生成される別のライン信号の特性と比較し、
前記比較に基づき、より高特性のライン信号を選択する
ことを更に含むことからなる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
信号の固有の特性に基づき、ライン信号に対して重み付けを行い、及び、
前記重み付けられたライン信号を組み合わせる
ことを更に含むことからなる、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
アレイを形成するように繰り返される素子がＭｘＭ’パターンをなすように編成された感光素子の２次元の該アレイと、
ＭｘＭ’グループ信号を生成するために、前記パターン内の同じ位置における素子毎からの信号を組み合わせるよう構成された回路構成
とを備える、光学位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に光学位置決め（測位）デバイス（Optical Positioning Device：ＯＰＤ）に関し、及び同様の該デバイスを用いた動作検知の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願への相互参照
本出願は、発明者である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日にファイリングされた「Optical position sensing device having a detector array using different combinations of shared interlaced photosensitive elements 」と題する米国特許仮出願第６０／５７３，０７５号の利益を請求する。前述の米国特許仮出願の開示は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００３】
コンピュータマウスか又はトラックボールのようなポインティングデバイスは、パーソナルコンピュータ内及びワークステーション内にデータを入力するために、及びパーソナルコンピュータ及びワークステーションとインターフェースするために利用される。このようなデバイスは、モニタ上のカーソルの迅速な再配置を可能にし、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である。例えば、ある方向においてマウスの移動に比例した距離にわたってカーソルを動かすために、表面にわたって該マウスを動かすことによって、ユーザは該カーソルを制御する。代替として、同様の目的のために固定装置上の手の移動を利用することもできる。
【０００４】
コンピュータマウスは、光学式と機械式との両バージョンが流通している。機械式マウスは、典型的には、動作を検知するための回転するボールと、該ボールに接触した一対の軸変換器（シャフト・エンコーダ）とを用いて、カーソルを動かすためにコンピュータによって用いられるディジタル信号を生成する。機械式マウスによる１つの問題は、継続して使用された後は、積み重なった汚れ、及びそのようなものに起因して、該機械式マウスが不正確となる傾向があり、動作不良となる傾向があることである。更には、機械的な要素（とりわけ前記軸変換器）におけるその動作と結果として生じる摩耗が、そのデバイスの有効寿命を必然的に制限する。
【０００５】
機械的なマウスによる上述の問題の１つの解決策は、光学マウスの開発であった。光学マウスは、それらがより頑丈で、且つ、より良い位置決めの正確さを提供することができることから、非常に好評となっている。
【０００６】
光学マウスに用いられた主要な従来技術は、かすめ入射（grazing incidence）の表面においてか又はその近傍を照らす発光ダイオード（ＬＥＤ）と、結果として生じたイメージを取り込む２次元のＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）検出器と、マウスが動かされた方向、距離、及び速度を判定するために、連続するイメージを関連付けるソフトウェアとに依存する。この技術は、典型的には、高精度を提供するが、複雑な設計の影響を受け、比較的高度なイメージ処理が要求される。更に、照射光のかすめ入射に起因して、光学的な効率が低い。
【０００７】
別のアプローチは、フォトダイオードのような光センサ又は検出器の１次元のアレイを用いている。表面における連続的なイメージが、撮像光学部品によって取り込まれ、フォトダイオード上において変換されて、マウスの動作を検出するために比較される。動作検出を容易にするために、フォトダイオードを、グループにひとまとめにダイレクトに結線することができる。このことは、フォトダイオード要件を低減して、迅速なアナログ処理を可能にする。そのようなマウスのある一例が、Ｄａｎｄｌｉｋｅｒ他による米国特許第５，９０７，１５２号に開示されている。
【０００８】
Ｄａｎｄｌｉｋｅｒ他によって開示されたマウスは、標準的な技術とは異なり、レーザのようなコヒーレントな光源もまた使用している。粗い表面によって拡散された、コヒーレントな光源からの光が、スペックル（speckle）として知られる光のランダムな強度の分布を生成する。スペックルベースのパターンを用いることは、効率的なレーザベースの光生成と、通常の入射における不十分な照射でさえハイコントラストなイメージとなることとを含む、いくつかの利点を有する。このことは、より効率的なシステムを可能にし、電流消費を節約することを可能にする。該電力消費を節約することは、バッテリ寿命を延ばすために、無線用途において有利である。
【特許文献１】米国特許出願第６０／５７３，０７５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，９０７，１５２号明細書
【非特許文献１】J.W.Goodman著「Statistical Properties of Laser Speckle Patterns」、J.C.Dainty編集「Laser Speckle and Related Phenomena」、Physics volume 9、Springer-Verlag（1984年）、39頁〜40頁
【非特許文献２】R.E.Kalman著「A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems」、Trans.ASME、Journal of Basic Engineering、Volume 82（Series D）、35〜45頁（1960年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のＬＥＤベースの光学マウスにわたる著しい改善にもかかわらず、これらのスペックルベースのデバイスは、多くの理由によって必ずしも全面的に満足されているわけではない。特にレーザスペックルを用いるマウスは、今日の精緻な技術水準のマウスにおいて典型的に要求される精度が実証されてきていない。該今日の精緻な技術水準は、０．５％未満か又は約０．５％未満のパスエラー（経路誤り）を有することが一般的には望まれている。
【００１０】
本開示は、先行する光学マウス及び他の類似の光学ポインティングデバイスによる様々な問題に対する解決策を説明し、提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施形態は、表面での連続するフレーム内における光学的な特徴の変位を判定することによって、データ入力デバイスと、該表面との間の相対動作を検知するための光学変位センサに関する。該センサは、少なくとも検出器、第１の回路構成、及び第２の回路構成を含む。該検出器は、第１及び第２のアレイに編成された複数の感光性素子を含む。前記第１の回路構成は、Ｍグループ信号を生成するために、前記第１のアレイのＭ番目の素子毎からの信号を組み合わせるよう構成され、前記第２の回路構成は、Ｍ’グループ信号を生成するために、前記第２のアレイのＭ’番目の素子毎からの信号を組み合わせるよう構成される。ＭとＭ’とは、互いに異なる番号である。
【００１２】
別の実施形態は、第１及び第２のアレイに編成された複数の感光性素子を含む検出器を有する光学変位センサ用いて、表面を横切るデータ入力デバイスの動きを検知するための方法に関する。該複数の感光性素子は、前記表面の一部から反射された光によって生成された強度パターンを受け取る。前記第１のアレイのＭ番目の素子毎からの信号は、組み合わされて、Ｍグループ信号が生成され、前記第２のアレイのＭ’番目の素子毎からの信号は、組み合わされて、Ｍ’グループ信号が生成される。ＭとＭ’とは、互いに異なる番号である。
【００１３】
別の実施形態は、アレイを形成するように繰り返される素子がＭ×Ｍ’パターンに編成された感光素子の２次元の該アレイを含む、光学的な位置決め装置に関する。Ｍ×Ｍ’グループ信号を生成するために、該パターン内において同じ位置における素子毎からの信号を組み合わせるよう回路構成が構成される。
【００１４】
他の実施形態もまた説明される。
【実施例】
【００１５】
本開示における、これらの及び様々な他の特徴と利点とが、後述の詳細な説明から、及び添付図面からより完全に理解される。しかしながら、添付の特許請求の範囲を示された特定の実施形態に限定するようにそれらは取らえられるべきではなく、説明と理解のためだけのものとして取らえられるべきである。
従来の光学位置決めデバイスによる問題
従来のスペックルベースのＯＰＤ（光学位置決めデバイス：Optical Positioning Device）の１つの問題は、ピッチ、すなわち隣接したフォトダイオード間の距離から生じる。該距離は、典型的には１０マイクロメートルから５００マイクロメートルの範囲に及ぶ。このピッチよりも小さい大きさを有する撮像面内におけるスペックルは、適切に検出されず、従って、そのＯＰＤの感度と精度とを制限する。このピッチよりも著しく大きいスペックルは、ドラスチックにより小さな信号を生成する。
【００１６】
別の問題は、スペックル表面イメージを生成するために、コヒーレントな光源が、正確に検出器に位置合わせされなければならないことである。従来の設計では、イメージ平面の照射される位置は、典型的には、フォトダイオードのアレイ（複数可）が、反射された照射によって完全にカバーされるよう念を入れるために、検出器の視野よりも広い。しかしながら、広い照射領域を有することは、フォトダイオードが検出することが可能な反射された照射の電力強度を低減させる。従って、従来のスペックルベースのＯＰＤにおける位置合わせ不良の問題を、解決するか又は回避するための試みは、頻繁に、フォトダイオードアレイにとって利用可能な反射光の欠如が結果として生じたか、或いは、照射電力においてより高い要求が課せられた。
【００１７】
従来のＯＰＤによる更に別の問題は、撮像光学部品と、視野内における様々なポイントにおける特徴との間の視角及び／又は変化する距離に起因して表面上か又は表面から生じる特徴の歪みである。このことは、かすめ入射において照射を用いたＯＰＤについて特に問題である。
【００１８】
スペックルパターンのイメージ分析から生じる、従来のスペックルベースのＯＰＤによる更なる問題は、統計上の変動に対する推定機構の感度である。スペックルは、拡散されたコヒーレント光の位相ランダム化によって生じられるため、該スペックルは平均して画定された大きさと分散とを有するが、該スペックルは、該平均とは一致しない局所的なパターンを示す可能性がある。従って、スペックルのパターンが通常よりも小さな動作依存性信号を提供する場合のように、デバイスは、局所的に不明瞭に、すなわちデータを解釈することが困難になりやすい可能性がある。
【００１９】
スペックルベースのＯＰＤによる更に別の問題は、スペックルパターンの変化、すなわち「激しく変化する（ボイリング：boiling）」スペックルに関する。一般的には、ある表面からのスペックルパターンは、該表面が動かされると移動し、尚且つ、同じ速度と共に同じ方向において移動する。しかしながら、多くの光学系において、表面からやって来る同位相波面における追加的な変化が存在するであろう。例えば、光学系がテレセントリックでない場合には、その結果、対応する検出器に対する該表面からの経路長は、該表面全体にわたって一定ではなく、そのスペックルパターンは、該表面が動かされた時にある程度ランダムに変動する可能性がある。このことは、表面の動きを検知するために用いられる信号を歪ませ、システムの精度と感度とを低下させることとなる。
【００２０】
従って、高精度なスペックルベースの光学ポインティングデバイスと、０．５％未満か又は約０．５未満のパスエラー（経路エラー）で移動を検知することが可能な同様のデバイスを用いる方法との必要性がある。デバイスは、比較的少ないイメージ処理要件と共に単純明快で複雑でない設計であることが望ましい。デバイスは、フォトダイオードが利用可能な反射光の欠如が最小化されるような高い光学効率を有することが更に望ましい。使用されるスペックルの大きさについてデバイスの感度と精度とを最適化することと、光学系によって正確にスペックルパターンが維持されることとが更に望ましい。
本明細書内において開示されたＯＰＤ実施形態
本開示は、概して、光学位置決めデバイス（ＯＰＤ）のためのセンサに関し、及び、ある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散パターンの変位に基づき、該センサと該表面との間の相対動作を検知するための方法に関する。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マウスか又はトラックボールを含む（但し、これらに限定されない）。
【００２１】
「一実施形態」か又は「ある実施形態」に対する本明細書内における参照は、その実施形態に関連して記載された特定の特徴（機能）か、構造か、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する。本明細書内の様々な場所における「一実施形態において」のフレーズの記載は、必ずしも全てが同じ実施形態に関するものであるとは限らない。
【００２２】
概して、ＯＰＤのためのセンサは、表面の一部を照らすための光源と照明光学部品とを有する照明器（イルミネータ）と、多くの感光素子と撮像光学部品とを有する検出器と、各々の該感光素子からの信号を組み合わせて該検出器から出力信号を生成するための信号処理又は混合信号電子回路とを含む。
【００２３】
一実施形態において、検出器と混合信号電子回路とが、標準的なＣＭＯＳ処理及び設備を用いて製造される。好適には、構成された照明及びテレセントリック・スペックル・撮像、並びに、アナログ及びディジタル電子回路の組み合わせを用いた簡単化された信号処理コンフィギュレーションを使用することによって、本発明のセンサと方法とが、光学的に効率的な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のために割り当てられる電力量を低減する。スペックル検知技法を用いた、本発明に従って適切に構成されたセンサが、最大変位速度と精度と％パスエラーレートとを含む、典型的にはＯＰＤに期待される全ての性能基準を、満たすか又は上回ることが可能であることがわかる。
スペックルベースの変位センサの概要
このセクションは、出願人によって理解され且つ確信されるように、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する目的のために有用であるが、本開示の実施形態がこれらの原理によって不必要に制限されることを意図していない。
【００２４】
図１Ａを参照すると、示された波長のレーザ光が、１０２に入射し、滑らかな反射面を１０４から反射するよう図示されており、ここで、入射角θは、反射角θに等しい。回折パターン１０６は、λ ／ ２ｓｉｎθ の周期性を有する結果となる。
【００２５】
それとは対照的に、図１Ｂを参照すると、光の波長よりも大きな寸法（すなわち、粗い＞１μｍ）のトポロジカルな不規則性を有する任意の大まかな表面が、散乱光１１４を、おおよそランバーティアン（Lambertian）式に完全な半球とする傾向にあるであろう。レーザのようなコヒーレントな光源が用いられる場合には、その空間的にコヒーレントな散乱光は、有限アパーチャを有する二乗検波器による検知において複雑な干渉パターン１１６を形成するであろう。明領域と暗領域のこの複雑な干渉パターン１１６は、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、表面の粗さと、光の波長及びその空間的なコヒーレンスの度合いと、光の密集度か又は撮像光学部品とに依存する。頻繁に非常に複雑であるが、スペックルパターン１１６は、光学部品によってイメージ化（撮像化）された任意の粗い面のセクションが明らかに特徴的であり、従って、該スペックルパターン１１６を、それがレーザ及び光学検出器アセンブリを横切ってずらされる時には、表面上の位置を識別するために利用することができる。
【００２６】
スペックルは、光学部品の効率的なアパーチャによって設定された空間周波数にまで達する全ての大きさとなるように期待され、慣例的には、その開口数（numerical aperture）の点で、図１Ｂに示されるような ＮＡ＝ｓｉｎθ に画定される。後述のＧｏｏｄｍａｎ［Ｊ．Ｃ．Ｄａｉｎｔｙによって編集された「Laser Speckle and Related Phenomena」内の Ｊ．Ｗ．Ｇｏｏｄｍａｎによる「Statistical Properties of Laser Speckle Patterns」、Physics volume 9内のトピックス、Springer-Verlag（1984年）−特に39頁〜40頁を参照のこと］において、統計的な分散の大きさが、スペックル強度の自己相関の観点で表わされている。「平均」スペックルの直径を次式のように画定することができる。
【００２７】
【数１】
2008500662.tif 000003
【００２８】
Ｗｉｅｎｅｒ−Ｋｈｉｎｔｃｈｉｎｅの定理による、スペックル強度の空間周波数のスペクトル密度が、前記強度の自己相関の単なるフーリエ変換であることが、興味深いことに留意されたい。最も微細な実現可能なスペックルαｍｉｎ = λ／２ＮＡ  が、主要な提供（contribution）が、図１Ｂの極端な光線１１８（すなわち±θにおける光線）から到来するような起こりそうにないケースによって設定され、最も「内部」の光線からの提供は破壊的に干渉する。カットオフ空間周波数は、従って、ｆＣＯ = 1 / (λ／２ＮＡ) 又は ２ＮＡ ／λである。
【００２９】
開口数は、直交する次元の（「ｙ」）に沿ったイメージよりも（「ｘ」といった）１次元に沿ったイメージ内の空間周波数ごとに異なる可能性があることに留意されたい。このことは、例えば、１つの次元内において別の次元よりも長い（例えば、円の代りの楕円）光学的なアパーチャによってか、又はアナモルフィックレンズによって生じられる可能性がある。これらの場合において、スペックルパターン１１６はまた、異方性（anisotropic）であろうし、平均スペックルの大きさは、２次元内において異なるであろう。
【００３０】
レーザスペックルベースの変位センサの１つの利点は、通常の入射角の付近に到来する照射光によって動作することができることである。撮像光学部品と、かすめ入射角で粗い表面に到来するコヒーレント光とを用いるセンサはまた、横切った変位検出に用いられることも可能である。しかしながら、照射のかすめ入射角が用いられて、イメージ内の表面地形の大きな明・暗影を適切に生成するため、光の重要な一部分が屈折の手法において、検出器から離れるように反射されるので、システム（系）は、本質的には、光学的に非効率であり、従って、形成されるイメージに何ももたらさない。これとは対照的に、スペックルベースの変位センサは、レーザ源からの照射光の大きな部分を効率的に利用させることができ、それによって、光学的に効率的な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ための開示されたアーキテクチャ
以下の詳細な説明は、アナログ信号組み合わせ回路構成を有するＣＭＯＳフォトダイオードと、適度な量のディジタル信号処理回路構成と、例えば８５０ｎｍの面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）のような低電力光源とを用いた１つのそのようなレーザスペックルベースの変位センサのためのアーキテクチャを説明している。ある実施形態の詳細が、以下の詳細な説明において説明されるが、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構成を、本発明の原理及び範囲を逸脱することなく利用することができることが当業者であれば明らかであろう。
【００３１】
本発明の一実施形態による、スペックルベースのマウスが、図２及び図３に関連して、次に説明される。
【００３２】
図２は、本発明の一実施形態による、スペックベースのシステム２００の機能図である。システム２００は、レーザ源２０２、照明光学部品２０４、撮像光学部品２０８、少なくとも２つのセットの複数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、信号処理回路構成２１４、及びインターフェース回路構成２１６を含む。フォトダイオードアレイ２１０を、２つの直交する軸ｘ及びｙに沿った変位測定値を提供するよう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内における受動的な電子回路構成要素を用いて組み合わせて、グループ信号を生成することができる。該グループ信号を、信号処理回路構成２１４によって続いて代数的に組み合わせて、ｘ及びｙ方向におけるＯＰＤの変位の大きさと方向についての情報を提供する（ｘ，ｙ）信号を生成することができる。該（ｘ，ｙ）信号を、インターフェース回路構成２１８によってｘ，ｙデータ２２０に変換することができる。該ｘ，ｙデータ２２０を、ＯＰＤによって出力することができる。この検知技法を用いるセンサは、「差動くし型アレイ（differential 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ス（飛び越し）グループのアレイを有することができる。
【００３３】
図３は、概して、そのようなフォトダイオードアレイ３０２（１つの軸に沿った）構成を示す。表面３０４は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）３０６のようなコヒーレントな光源と照明光学部品３０８とによって照らされる。ここで、アレイ３０２内のインターレスグループの組み合わせが、スペックルイメージによって生成された明暗信号の空間周波数における周期的なフィルタとして機能する。
【００３４】
粗い表面３０４からのスペックルは、撮像光学部品３１０によって検出器平面にイメージ化される。好適には、撮像光学部品３１０は、最適な実施のためにテレセントリックである。
【００３５】
一実施形態において、ｘ及びｙにおける変位の推定を得るために、２つの独立した直交アレイ内において、くし型アレイ検知が実施される。小さなバージョンにおける１つのそのようなアレイ３０２が、図３内において図示されている。
【００３６】
検出器内の各アレイは、Ｎ個の数のフォトダイオードセットからなり、各セットは、Ｍ個の数のフォトダイオード（ＰＤ）を有し、ＭＮ線形アレイを形成するように構成されている。図３内に示される実施形態において、各セットは、１，２，３，４として呼ばれる４個のフォトダイオード（４ＰＤ）からなる。各セットからのＰＤ１は、電気的に接続されて（ワイヤードサム：wired sum）グループを形成しており、ＰＤ２、ＰＤ３、及びＰＤ４についても同様であり、アレイから出る４つの信号線を提供している。それらの対応する電流又は信号は、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、及びＩ４である。これらの信号（Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、及びＩ４）を、グループ信号と呼ぶことができる。バックグランドのサプレッション（及び信号強調）は、同相の差動電流信号３１４（Ｉ１３）＝Ｉ１−Ｉ３を生成するために、差動アナログ回路構成３１２を用いることによって成し遂げられ、直角位相の差動電流信号３１８（Ｉ２４）＝Ｉ２−Ｉ４を生成するために、差動アナログ回路構成３１６を用いることによって成し遂げられる。これらの同相及び直角位相信号を、ライン信号と呼ぶことができる。Ｉ１３とＩ２４の位相を比較することは、運動の方向を検知することを可能にする。
【００３７】
図３において示されるように、４Ｎ検出を用いたくし型検出器による難しさは、例えば、アレイ１０２内において数百以上もの検出器か又はフォトダイオードを有する非常に大きなアレイを該検出器が有しない限り、該検出器は、容認できないほどに大きなエラーレートを有する可能性があることである。これらのエラーは、アレイの異なるセクション上に当たる光強度の間の効果的なバランスに起因して振動する信号が弱い時に生じる。振動する信号の大きさは、例えば、図４内におけるシミュレーションのフレーム６５の同相及びその周辺において、比較的小さい。図４を参照すると、同相（一次の）信号及び直角位相の信号とが示されている。フレーム番号が、水平軸に沿って示されている。
複数行の検出アレイ
この根本的なノイズ源に対する１つの解決策は、いくつかの組みに編成すること、すなわちこれらの検出器か又は感光素子のいくつかの行を一緒に構成することである。２つの組みに編成された行５０２−１及び５０２−２を有する検出器が、図５内において概略的に図示されている。行からの、結果として生じる振動する同相信号５０４―１及び５０４−２がまた示されている。そのような検出器において、１つの行が弱い信号を生成している時には、その速度が、その他の行からの信号から測定されることが可能である。例えば、フレーム２４００に接近すると、同相信号５０４−１は比較的小さな規模であるが、第２の同相信号５０４−２は比較的大きな規模である。下記を見てわかるように、振動の規模がより大きい時にはエラーレートはより小さい。従って、「適切な」行（すなわち、比較的大きな規模の振動によるもの）を選択することができ、低エラー推定を行うことができる。
シミュレーション方法
図５の構成の有効性を実証するために、スペックルパターンが、各四角形内の強度がランダムで且つ独立した値を有する四角グリッドにおいて生成された。該スペックルの大きさ又はグリッドピッチは、２０ミクロンに設定された。検出器アレイを表わす別のグリッドは、可変サイズによって生成され、一定速度においてスペックルパターンを横切って走査された。各検出器か又は感光素子を横切る瞬間的な強度は、同じグループ内の他の光電流と合計されて、信号が決定された。後述のシミュレーションは、一定の水平検出器又は感光素子ピッチを有した「４Ｎ」検出器方式が用いられた。
エラーレート計算
これらのシミュレーションからの一例の出力が、図６内に示されている。図６において、４Ｎくし型検出器からのシミュレートされた同相（一次）信号６０２−１と直角位相信号６０２−２とが、示されている。これら２つの信号によって画定されたベクトルの大きさ（長さ）６０４及び位相（角度）６０６もまた示されている。この例示的なシミュレーションにおいて、各アレイは、最大速度の５％で動作する８４個の検出器又は感光素子が含められた。
【００３８】
これらのグラフにおける水平軸は、フレーム番号を示す。すなわち、このケースにおいては、４０００個の個別の測定部（フレーム）が用いられた。下側の２つの曲線は、同相６０２−１及び直角位相６０２−２信号（それぞれ、グループ１マイナスグループ３（グループ１−グループ３）、及びグループ２マイナスグループ４（グループ２−グループ４））である。これら２つの曲線から、上側の２つの曲線内に示されるように、信号の長さ６０４及び角度６０６を決定することができる。同相６０２−１信号と直角位相６０２−２信号とが、それらがスペックパターンの同じセクションに依存するため、非常に似ていることに留意されたい。
【００３９】
このデータを用いて速度を計算することができる。この例では、速度の計算のために、単純なゼロクロッシングアルゴリズムを用いる。各フレームにおいて、先行する２つの正に向かうゼロクロスの間のフレーム数τが、計算される。正に向かうゼロクロスは、その信号が負の値から正の値へと向かうような、線の傾きが正であるゼロクロスである。この場合には、τは、２０ミクロン（μｍ）進むために必要とされるフレーム数の推定値を表わす。フレームレート（単位時間当たりのフレーム）をｆとし、検出器ピッチ（あるグループの素子の先頭から、次のグループの素子の先頭までの距離）をｐとする。推定される速度（速さ）νは従って、次のようになる。
【００４０】
【数２】
2008500662.tif 000004
【００４１】
最大速度νｍａｘは、ナイキスト速度の半分である。その結果のヒストグラムが、図７に示されている。
【００４２】
図７を参照すると、ヒストグラムは、６４個の感光素子の検出器についての推定された速度、最大速度の８１％で動作する４Ｎ検出器を示す。４．９３８フレームにおける垂直線７０１は、データから推定された実際の速度を表わす。ヒストグラム内における様々なポイントマーカは、異なるセクションのデータセットに関するものである。第１のマーカ７０２は、全てのフレームが含まれる時の発生数を示す。第２のマーカ７０４は、大きさの分散の底部１７％におけるこれらのフレームが除外された時の発生数を示す。第３のマーカ７０６は、大きさの分散の底部３３％におけるこれらのフレームが除外された時の発生数を示す。第４のマーカ７０８は、大きさの分散の底部５５％におけるこれらのフレームが除外された時の発生数を示す。第５のマーカ７１０は、大きさの分散の底部６７％におけるこれらのフレームが除外された時の発生数を示す。
【００４３】
全てのデータを維持する、第１のマーカ７０２のポイントは、５フレームにおける激しいピークと、両側へと急速に低下する分散とを示す。４．９３８フレームにおける（「真（truth）」と呼ばれる）垂直線７０１が、推定された実際の速度である。その線の各側に対するデータ内において（すなわち、４フレームと５フレームにおいて）、２つの相対的に最大のピークが存在する。
【００４４】
このシミュレーションの目的のために、これら２つの最大ピークの外側にあたる任意のポイントをエラーとしてカウントする。換言すると、「真」からの１よりも大きいフレームの推定値は、「エラー」であると画定される。これは、エラーのかなり厳しい定義づけである。何故ならば、後続するサイクル内において頻繁にそのようなエラーが生じられるであろうからである。実際の速度が、整数フレームの付近にあるならば、「真」から１よりもわずかに大きいだけのフレームにある、重要なわずかなエラーが存在するであろう。例えば、図７内の６フレームにおけるポイントは、４．９３８フレームの推定された「真」から１よりもほんのわずかに大きいフレームである。６フレームにおけるこれらのポイントは、このかなり厳しい定義づけのもとにおいて「エラー」とみなされることとなる。
【００４５】
図８は、４Ｎ検出器内の素子数の関数としてエラーレートを示す。図８を参照すると、以前の作用から予想されるように、検出器か又は感光素子の数の増大に対して、エラーレートが低下することがわかる。これらの測定エラーレートに関しては、７つの異なる速度について計算され、平均化された。
ベクトル長の依存性
エラーは、弱い信号を有するこれらフレームに集中される。図７におけるデータはまた、ベクトルの大きさについての選択後のデータのヒストグラムも示す。例えば、第３のマーカ７０６のポイントは、分散における上部の３分の２におけるベクトル長を有するこれらのフレームだけについての速度の推定値である（すなわち、信号の大きさすなわち信号のベクトル長に基づき、底部３３％を除外している）。従って、このデータは、信号が弱く、エラーの傾向があるように予想されるこれらフレームを除く。予想されるように、より小さな信号規模が除外される時にはゼロクロッシング間のフレーム数の分散は、より狭くなり、従って、計算されるエラーレートが、著しく改善される。
【００４６】
より小さな規模（大きさ）の信号が除外されることによるエラーレートにおける改善が、図９において示されている。図９は、信号の大きさにおけるエラーレートの依存性を示す。より具体的には、用いられる信号ベクトル長の最小パーセンタイル（最小百分位数）に対するエラーレートが示されている。図９を参照すると、（データポイント９０２によって表わされている）ベクトル長の分散のトップの３分の２が、全フレームについてのエラーレート（データポイント９０４によって表わされている）のわずか３分の１のエラーレートを有することがわかる。すなわち、１４．１％に対して４．８％である。トップの第３のポイント（データポイント９０６によって表わされている）だけを用いることは、更に１．２％へとエラーレートを低減する。
【００４７】
従って、より小さな大きさの信号が除外される時のエラーレートにおける改善に基づき、検出器の複数行の中からの行選択の１つの方式は、最も大きな信号の規模を有する行を選択することである。例えば、２つの組に編成された行を有する図５の場合には、第２の行５０４−２からの信号が、フレーム２４００について、そのポイントにおけるそのより大きな規模により選択されることとなる。一方、第１の行５０４−１からの信号は、フレーム３２００について、そのポイントにおけるそのより大きな規模により選択されることとなる。勿論、この選択方式を、３つ以上の行に適用することができる。更には、ライン信号特性の測定値として、信号の大きさ（ＡＣ強度）を用いる代りに、他の特性の測定値か又は指示を利用することもできる。
【００４８】
ライン信号特性が最も高い状態の行からのライン信号を選択することが、複数行からの信号を利用して、スペックルフェージングを回避するか、又はスペックルフェージングの影響を受けづらくするための１つの方法である。追加的には、同じか又は類似の目的を成し遂げる様々な他の代替の方式が存在する。
【００４９】
代替の方式は、例えば、異なる行からのライン信号に対して、それらの大きさ（又は他の特性測定値）に従って、重み付けを行い、次いでその重み付けられた信号を平均化することであろう。一実施形態において、その重み付けられた信号を単に平均化するのでは無く、重み付けられたセットの信号が、再帰的フィルタリング技法を用いたアルゴリズムによって、より最適に処理されることが可能である。線形の再帰的フィルタリング技法の１つの注目すべき例は、Ｋａｌｍａｎフィルタを用いる［Ｒ．Ｅ．Ｋａｌｍａｎ著「A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems」、Trans.ASME、Journal of Basic Engineering、Volume82（Series D）、35〜45頁（1960年）を参照のこと］。（くし型検出器構成からの正弦波信号の場合のように）非線形の推定アルゴリズムの場合には、拡張されたＫａｌｍａｎフィルタを利用することができる。スペックルベースの光学マウスについての信号の特質と測定モデルとが、スペックルマウスのフロントエンド検出器及び電子回路によって生成された重み付けられた信号に再帰的なディジタル信号処理アルゴリズムが非常に適していることを示している。
複数行構成のシミュレーション
２つ及び３つの行の検出器が、同じ技法を用いてシミュレートされた。各行は、スペックルパターンの独立した部分によって照らされた。エラーレートについての結果は、図１０内に示されている。
【００５０】
図１０は、４Ｎ検出器１００２の３行による、４Ｎ検出器の１００４の２行による、及び４Ｎ検出器１００６の１行による移動検出器のエラーレートを示す。３−行データ１０１２、２−行データ１０１４、及び１−行データ１０１６についての傾向線（Trend line）もまた示されている。これらのエラーレートは、５千（５０００）フレームにわたって、３つの異なる速度における結果を平均化することによって計算される。グラフ上の複数ポイントが、異なるシミュレーションを表わす。すなわち、１−行の測定について４つの異なる行を使用し、２−行の測定について２つの行の３つの異なる組み合わせを使用し、及び３−行の測定について３つの行の２つの異なる組み合わせを使用した。公正な比較を保証するために、前記２−の行データ及び３−行データは、元の４つの行を組み合わせることによって作成された。
【００５１】
このシミュレーションは、例えば、３２個の素子の単一行が、わずかに２０％よりも大きいエラーレートを有することを示す。（６４個の総素子数についての）これらの行の２つの組み合わせが、約１３％にエラーレートを低減する。これは、６４個の素子の単一行の結果よりもわずかに低い。（９６個の総素子数についての）これらの行の３つの組み合わせが、約８％のエラーレートをもたらし、単一のエラーレートの１／２未満のエラーレートに低減させる。
【００５２】
行数を増加させることによる利益が、より多くの数の素子の場合により増大する。（３８４個の総素子数について）１２８個の素子の３つの行を組み合わせることは、１０％（１２８個の素子の単一行の場合）から、１．５％（これらの行の３つの組み合わせの場合）へとエラーレートを低減させ、単一エラーレートの１／６未満のエラーレートに低減させる。
パスエラー（経路誤り）
後述のようにこのエラーレートからパスエラーを計算することができる。Ｍカウント長の経路を通過する時には、エラー総数はＭＥである。ここでＥは、上記において説明され且つ計算されたエラーレートである。表面が動かされると、余剰のカウント及び欠落したカウントとしてエラーが生じる。より長い距離にわたる測定の場合には、これらのエラーは、キャンセルされる傾向にあり、平均ネットエラーは、エラー総数の平方根としてのみ増加する。測定されたカウント数（Measured_counts）は、正か又は負になることのできる量によって、期待されたカウント（Expected_counts）とは異なるが、平均して、それはエラー数の平方根に等しい絶対値を有する。次のようにパスエラー（Path_error）を画定する。
【００５３】
【数３】
2008500662.tif 000005
【００５４】
Ｍカウント長の経路を通過する時には、そのマウスは、平均してＭＥ個のエラーを生成することとなり、最終的には√（ＭＥ）カウントとなる。従って、測定されたカウントが期待されたカウントよりも大きい場合には、Measured_counts＝Ｍ＋√（ＭＥ）となり、パスエラー（Path_error）は次のようになる。
【００５５】
【数４】
2008500662.tif 000006
【００５６】
これは、平均パスエラーの単なる大ざっぱな表現であり、より正確な計算による平均パスエラーは、√（Ｅ／Ｍ）の標準偏差を有する零の周りの中心におかれた分散を有することとなる。
【００５７】
この式を上記に提示された結果に適用するために、８４７ドット／インチ（ｄｐｉ）の解像度とし（すなわち、インチ当たり、８４７個のフレーム又はサンプル）、２センチ（ｃｍ）の距離が進められたものとする。このことは、測定当たりに６６７個のフレームを提供し（すなわち、２ｃｍ進むのに６６７フレーム）、従って、Ｍ＝６６７である。１２８の検出器又は感光素子の３つの行に関して、１．５％のエラーレートＥを有し、従って、式６により、０．５％のパスエラーを有する。該パスエラーは、より長い距離においてかなり改善されることとなる。
検出器又は感光素子の編成された組み合わせを用いた検出
４Ｎ検出を用いるくし型検出器のノイズ問題に対する別の解決策は、感光素子のインターレスグループ（Ｎ）のセット数を有する１つか又は複数の行を含むアレイを有する検出器を提供することであり、各セットは、多くの連続した感光素子（Ｍ）を有し、ここでＭは、４に等しくない。換言すると、Ｍは、３，５，６，７，８，９，１０、等からなるセットからの数である。具体的には、３番目毎か、５番目毎か、６番目毎か、又はＭ番目毎の検出器又は感光素子が組み合わされて、動作を推定するための独立信号が生成される。
【００５８】
図１１は、３番目毎（１１０２）の、４番目毎（１１０４）の、５番目毎（１１０８）の、及び６番目毎（１１１０）の検出器又は感光素子の組み合わせるための一次信号と直角位相信号とを示し、該検出器又は感光素子は、同じ検出強度において動作している。図１１内に示される信号は、感光素子又は検出器のインターレスグループを有するアレイからシミュレートされた信号である。３番目毎の、４番目毎の、５番目毎の、及び６番目毎の検出器又は感光素子からの行検出が、該アレイ内において組み合わされる。図１１を参照すると、一次信号と直角位相信号との両信号が示されており、そのフレーム番号は、横軸に沿って提供されている。図１１のグラフからわかるように、検出器又は感光素子の、１つのグルーピングが弱い信号を生成している時には、その速度を、別のグルーピングを用いて測定することができる。上述のように、振動の規模がより大きい時には、エラーレートはより小さい。従って、「適切な」（より大きな規模の）信号を選択することができ、低エラー推定を行うことができる。
【００５９】
上記の例は、最大レート速度の約７２％で動作する１２０個の検出器又は感光素子を含む。図１１のグラフにおける横軸は、フレーム番号を示す。一次すなわち同相信号と、直角位相信号とが、それらが同じスペックルパターンに依存しているか、又は同じスペックルパターンによって生成されているため、非常に似通っていることに留意されたい。
【００６０】
上述のように、このデータを用いて速度を計算することができる。このケースでは、単純なゼロクロッシングのアルゴリズムを用いる。各フレームにおいて、先行する２つの正に向かっているゼロクロッシングの間のフレーム数τが計算される。これは、２０マイクロメートル進むために必要とされるフレーム数の推定値を表わす。フレームレート（単位時間当りのフレーム）をｆとし、検出器ピッチ（あるグループの素子の先頭から、次のグループの素子の先頭までの距離）をｐとする。推定される速度νは従って、次のようになる。
【００６１】
【数５】
2008500662.tif 000007
【００６２】
この速度は、検出器アレイの長軸に沿って存在する、速度の総数の成分である。
【００６３】
４Ｎを除く構成に関して速度依存性信号を生成するために、検出器又は感光素子のグループは、重み付けられ、組み合わされる。適合可能な重み係数の一実施形態は、次式によって提供される。
【００６４】
【数６】
2008500662.tif 000008
【００６５】
【数７】
2008500662.tif 000009
【００６６】
ここで、ｉは、０からＭ−１まで設定される全ての感光素子の範囲にわたる。ここでのｐｈｉは、全ての重み係数に共通の位相ずれ（位相シフト）である。
【００６７】
出力信号における同相の重み付けられた合計（すなわち同相信号：InphaseSum）は次式によって提供される。
【００６８】
【数８】
2008500662.tif 000010
【００６９】
一方、出力信号における直角位相の重み付けられた合計は（すなわち直角位相信号：QuadratureSum）は、次式によって提供される。
【００７０】
【数９】
2008500662.tif 000011
【００７１】
５−素子グループに関して、すなわち５Ｎ構成について、これらの係数は、図１２において示されている。この例の場合には、５つの結線の総和（１２０２−１、１２０２−２、１２０２−３、１２０２−４、１２０２−５）が形成されている。一次信号は、その一次重みによって乗算された各結線総和の合計であり、ここで、各結線の総和ごとの一次重みは、図１２内におけるＳ１列によって提供される。同様に、直角位相信号は、その直角位相重みによって乗算された各結線総和の合計であり、ここで、各結線の総和ごとの直角位相重みは、図１２内におけるＳ２列によって提供される。
【００７２】
６Ｎ構成において結合された感光素子を有するアレイついての重み係数は、図１３内において示されている。６つの結線総和に対応する一次重み係数が、Ｓ１列のもとに提供されており、６つの結線総和に対応する直角位相の重み係数が、Ｓ２列のもとに提供されている。
【００７３】
４Ｎ構成において結合された感光素子を有するアレイについての重み係数は、図１４内において示されている。４つの結線総和に対応する一次重み係数が、Ｓ１列のもとに提供されており、４つの結線総和に対応する直角位相重み係数が、Ｓ２列のもとに提供されている。４Ｎくしに関して、その重み係数は、全て０か又は＋／−１であり、システムは、その関連が上述された図３において示される差動増幅器に縮小されることが可能である。
【００７４】
別の態様において、本開示は、感光素子の、２つか又は３つ以上の異なるグルーピングによる、検出器を有するセンサにむけられている。素子の複数グルーピングによるそのような一実施形態は、動作推定のための複数の独立信号の生成を可能にする。
【００７５】
例えば、様々なＭ値を有したくし（櫛）が、（４Ｎ及び６Ｎといった）同じセンサ内において組み合わされ、及び、感光素子の幅が一定に保持される場合には、並列なアレイとは全く異なる、図１５内において示されるような構成から良好な性能を得ることができる。図１５は、本発明の一実施形態による６Ｎ構成１５０２と４Ｎ構成１５０４とにおいて結合された感光素子を有する２−行アレイの構成のブロック図である。このケースでは、各行ごとに、２つの異なるスペックルパターンが測定される。
【００７６】
代替として、スペックルパターンの同じアレイと同じセクションとを用いることができる。これは、上述の図１１においてモデル化された場合である。このアプローチは、フォトダイオードの空間と、各フォトダイオードに関連付けられた漏れ電流とをセーブする利点を有する。該アプローチはまた、シリコン上のより狭い領域が、スペックルパターンによって照射されることを必要とするので、光子を保持（節約）する。
【００７７】
Ｍの複数値を有する個々のフォトダイオード素子を結びつけるための回路の一実施例は、図１６において示されている。図１６は、本発明の一実施形態による概略図である。図１６において、同じ素子出力を再利用するようにして、４Ｎ、５Ｎ、及び６Ｎの重み付け設定を実行するために、カレントミラーが用いられている。図１６の回路構成１６００は、動作推定のために、複数の独立信号を生成し、各独立信号は、異なるＭ構成についてのものとなっている。この例において、各検出器又は感光素子１６０２の出力電流は、カレントミラー１６０４を用いて複製される。これらの出力は、従って、互いに結ばれて、異なるＭ構成に従って順序付けられた結線構造１６０６を用いて電流が合計される。これらの結線構造１６０６は、複数値のＭについて、Ｍ番目の出力電流ごとに互いに加算される。重みの大きさは、従って、電流低減素子１６０８によって提供される。同相及び直角位相の出力ごとに、更なる結線構造１６１０は、正の重みについての電流を互いに加算し、別個に負の重みからの電流を互いに加算する。最終的には、各同相及び直角位相の出力ごとに、差動回路構成１６１２が、正及び負の重みについての別個の電流を受け取り、出力信号を生成する。
【００７８】
図１６において示された特定例において、独立した同相及び直角位相の出力が、Ｍ＝４，５，及び６について生成されている。他の実施例において、同相及び直角位相の出力を、Ｍの他の値について、生成することができる。同様にまた、同相及び直角位相の出力を、図１６内の特定例によるＭが３つの値だけでなく、より大きい（又はより小さい）値のＭを生成することもできる。
【００７９】
代替の回路の実施例において、同じ検出器又は感光素子をイネーブルにして、異なる検出器区間（Ｍの値）における様々な独立の同相及び直角位相の総和をもたらすために、各検出器及び感光素子は、複数のカレントミラーに異なる利得を提供することができる。
【００８０】
別の代替の回路の実施例において、検出器の値を、個別にか又は多重化して、サンプリングすることができ、アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）回路構成を用いて連続的にサンプリングすることができ、ディジタル化した値を、次いで処理して独立の総和を生成することができる。更に別の回路の実施例において、検出器出力のアナログの総和を、時分割多重化か又は複数同時ＡＤＣ回路構成によって、処理することができる。回路の複雑さ、電力消費、及び／又はノイズ数値のような様々な実施例のトレードオフ要因であるタスクを実行することが可能な多くの回路実施例が存在する。
【００８１】
図５及び図１５に示される実施形態は、１次元のアレイの複数行を示している。これらの行は、それらの短軸に沿って接続され、更には互いに接続される。代替として、図１７において示されるように、長軸に沿って接続された２つの行を有することもまた有用である可能性がある。
【００８２】
図１７において、単一の一次元のアレイが、２つの部分、すなわち左側１７０２と右側１７０４とに分かれている。それぞれの側を、同じＭの値を有するくし型構成において構成することができる。図１７の特定実施例において、Ｍ＝５である。他の実施例は、他の値のＭを使用することができる。左側１７０２は、１セットの信号１７０６を生成するが、右側１７０４は、第２のセットの信号１７０８を生成する。これらの２セットの信号を、オプションで、第３のセットの信号１７１０へと組み合わせることができる。従って、信号の大きさか又は前述のその他の機構に基づいて選択するための、３つのセットの信号が存在する。この構成は、組み合わされたセットの信号１７１０が、効果的により長いアレイから利益を得るという利点を有し、優れたノイズ特性を有するはずである。
【００８３】
上述の詳細な実施形態は、単一軸に沿って配向された検出器又は感光素子を示す。すなわち、幾つかの行が可能であったとしても一次元のアレイにおけるものである。別の実施形態において、検出器又は感光素子は、例えば図１８において示されるように、２次元においてアレイ化される。
【００８４】
図１８において、例示的な２１×９素子の２次元（２Ｄ）アレイが、（３×３の行列における）９個の素子のセットをなして構成されている。（同じ色調（模様）を有するように示された）あるセット内の所与の位置における素子は、共通の結線（ワイヤリング）によって一緒にグループ化される。この構成によって、両ｘ及びｙにおける動作情報を、同じセットの検出器又は感光素子によって集めることができる。各セットは、図１８の例示的な２Ｄアレイ３×３の行列であるが、他の実施例は、他の次元のセットを有することができる。あるセットは、水平次元（ｘ）１８０２において、垂直次元（ｙ）１８０４における素子数よりも、様々な数の素子を有することができる。更には、図１８内において示された感光素子は、サイズにおいて等しく、長方形であるが、代替の実施例は、異なるサイズ及び／又は形が長方形ではない感光素子を使用することもできる。
【００８５】
特定の実施例の上述の記載と発明の例とが、例証と説明とを目的とするために提示され、発明が、特定の処理例によって説明され且つ例示されてきたが、それによって限定されるものとして解釈されない。それらは、網羅的であることか又は開示された厳密な形態に発明を制限することは意図されておらず、発明の範囲内における多くの修正と改善と様々な変形形態とが、上記の教示に照らし合わせて可能である。本発明の範囲が、本明細書内において開示されたような一般的な領域を包含し、本明細書に添付された特許請求の範囲及びその等価物によることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１Ａ】滑らかな表面から反射された光の回折パターンを示す図である。
【図１Ｂ】粗い表面から反射された光の干渉パターンにおけるスペックルを示す図である。
【図２】本開示の一実施形態による、スペックルベースのＯＰＤの機能ブロック図である。
【図３】本開示の一実施形態による、感光素子のインターレス（飛び越し）グループを有するアレイのブロック図である。
【図４】本開示の一実施形態による、図３のアレイからシミュレートした信号のグラフである。
【図５】本開示の一実施形態による、感光素子のインターレスグループの複数行を有するアレイの構成のブロック図と、その結果として生じる同相信号とを示す図である。
【図６】４番目毎の感光素子からの信号が電気的に結合されたか又は組み合わされた、感光素子のインターレスグループを有するアレイからシミュレートした信号のグラフである。
【図７】本開示の一実施形態による、４Ｎ構成において結合された６４個の感光素子を有し、且つ、最大速度の８１％において動作する検出器について推定された速度のヒストグラムである。
【図８】本開示の一実施形態による、４Ｎ構成において結合された感光素子を有する検出器についての素子数の関数としてのエラーレートを示すグラフである。
【図９】本開示の一実施形態による、信号の大きさにおけるエラーレートの依存性を示すグラフである。
【図１０】本開示の一実施形態による、４Ｎ構成に結合された、複数行の感光素子を有する検出器についての素子数の関数としてのエラーレートを示すグラフである。
【図１１】本開示の一実施形態による、様々な構成において結合された感光素子のインターレスグループを有するアレイからのシミュレートされた信号を示すグラフである。
【図１２】本開示の一実施形態による、５Ｎ構成において結合された感光素子を有するアレイの構成と、一次及び直交重み因子とのブロック図である。
【図１３】本開示の一実施形態による、６Ｎ構成において結合された感光素子を有するアレイの構成と、一次及び直交重み因子とのブロック図である。
【図１４】本開示の一実施形態による、４Ｎ構成において結合された感光素子を有するアレイの構成と、一次及び直交重み因子とのブロック図である。
【図１５】本開示の一実施形態による、６Ｎ構成において及び４Ｎ構成において結合された感光素子を有する複数行アレイの構成のブロック図である。
【図１６】動作推定のために、同じ素子出力を再利用して複数の独立信号を生成するやり方で、４Ｎ／５Ｎ／６Ｎの重みセットを実行するための、カレントミラーを利用した回路構成の本開示の一実施形態による、一実施形態の概略図である。
【図１７】本開示の一実施形態による、互いに上及び下とするのではなくエンド・ツー・エンドに（端と端とをくっつけて）接続された２つの行を有する複数行アレイの構成を示す図である。
【図１８】本開示の一実施形態による、２次元のアレイにおける光検出器の素子の構成を示す図である。
【図１Ａ】
2008500662.tif 000012
【図１Ｂ】
2008500662.tif 000013
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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