專利名稱：具有可移動光敏元件的位置傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位置傳感裝置，具體地說，涉及包括具有可移動光敏元件的位置傳感裝置的掃描裝置。
手持掃描裝置是便攜的成象裝置，產(chǎn)生代表物體圖象的機(jī)器可讀的圖象數(shù)據(jù)(這里有時(shí)簡稱為圖象數(shù)據(jù))。產(chǎn)生代表物體的圖象數(shù)據(jù)有時(shí)稱為對物體“成象”或“掃描”。一些掃描裝置產(chǎn)生代表被成象物體的窄“掃描線”部分的圖象數(shù)據(jù)。在成象過程中，相對于成象物體移動掃描裝置。在相對于物體移動掃描裝置時(shí)，掃描裝置產(chǎn)生代表物體圖象的多個(gè)連續(xù)掃描線部分的圖象數(shù)據(jù)。因此，物體的圖象通過連續(xù)掃描線疊加的圖象數(shù)據(jù)表示，類似于傳統(tǒng)視頻顯示器表示的物體圖象。
物體的掃描線部分的圖象被聚焦在光探測器元件(這里有時(shí)簡稱為光探測器)的線性陣列上。光探測器例如可以安裝在多個(gè)線性排列的電子片段上，諸如本領(lǐng)域公知的接觸式圖象傳感器。光探測器也可以刻蝕在單片半導(dǎo)體上，如通常在電荷耦合器件中常做的一樣。每個(gè)光探測器產(chǎn)生代表物體的掃描線部分圖象的分離部分的圖象數(shù)據(jù)。圖象數(shù)據(jù)例如可以表示為一系列電壓，其中相對高的電壓表示光探測器接收到的相對高的光強(qiáng)度，相對低的電壓表示光探測器接收到的相對低的光強(qiáng)度。
光探測器產(chǎn)生的圖象數(shù)據(jù)被傳輸給處理器。處理器的一個(gè)作用是產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫或類似的電子結(jié)構(gòu)，表示掃描線相對于物體上開始產(chǎn)生掃描線的地點(diǎn)的位置。或者，數(shù)據(jù)庫可以表示掃描線彼此之間的相對位置。處理器利用存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)和圖象數(shù)據(jù)再現(xiàn)物體的圖象。例如，在掃描裝置產(chǎn)生表示二維物體的圖象數(shù)據(jù)的情況下，諸如一張紙上的文本，可以在紙張上向任何方向移動手持掃描裝置。因此，實(shí)際上可以在紙張的任何位置產(chǎn)生掃描線部分，這樣產(chǎn)生代表包括多個(gè)掃描線部分的物體圖象的圖象數(shù)據(jù)，這些掃描線部分可能在紙張表面傾斜。為了精確再現(xiàn)物體的圖象，手持掃描裝置利用存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)確定紙張圖象的掃描線部分的正確位置。然后處理器利用公知的處理技術(shù)例如拼接軟件可以產(chǎn)生印刷在紙張上的文本的電子圖象。
手持掃描裝置的例子在下列美國專利和專利申請中進(jìn)行了描述，把它們包括在這里以供參考授予McConica的US5，552，597，名稱為“具有可調(diào)光路的手持掃描器(HAND-HELD SCANNER HAVINGADJUSTABLE LIGHT PATH)”；授予Steinle的US5，646，394，名稱為“具有光束轉(zhuǎn)向能力的成象裝置(IMAGING DEVICE WITHBEAM STEERING CAPABILITY)”；授予Khovaylo等的US5，646，402，名稱為“可擴(kuò)展的手持掃描裝置(EXPANDABLE HAND-HELD SCANNING DEVICE)”；授予Kerschner等的US5，723，859，名稱為“LINE CONTACT HAND-HELD SCANNING DEVICE ANDMETHOD HAVING A LIGHT PATH SUBSTANTIALLYPERPENDICULAR TO THE ORIENTATION OF THE OBJECT ATA LINE POSITON”；Sims等1998年7月29日申請的序列號為09／120，641的專利申請，名稱為“手持掃描裝置(HAND HELDSCANNING DEVICE)”；以及Sims等1998年7月30日申請的序列號為09／120，637的專利申請，名稱為“手持掃描裝置(HAND HELDSCANNING DEVICE)”。
在掃描過程中如果掃描裝置相對于物體的速率或位置變成不可知的，再現(xiàn)物體圖象可能會遇到問題。例如，如果掃描裝置每秒中對物體圖象的一千個(gè)掃描線部分成象，而且掃描裝置沿著單軸方向相對于物體以每秒一英寸的恒定速率移動，那么每個(gè)掃描線代表千分之一英寸的物體圖象。如果掃描裝置相對于物體的正確速率被傳輸給處理器，處理器將產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫，表示每個(gè)掃描線代表千分之一英寸的物體圖象。或者，處理器將表示每個(gè)掃描線與鄰近掃描線的距離為千分之一英寸。根據(jù)圖象數(shù)據(jù)和存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，處理器可以精確地再現(xiàn)物體圖象。然而，如果掃描裝置相對于物體的速率減小，而且減小的速率沒有傳輸給處理器，處理器將仍舊象每個(gè)掃描線代表千分之一英寸物體一樣繼續(xù)處理圖象數(shù)據(jù)。然而，每個(gè)掃描線將代表不到千分之一英寸的物體。因此，物體圖象被壓縮。另一方面，如果掃描裝置相對于物體的速率增大，而且增大的速率沒有被傳輸給處理器，物體圖象將被擴(kuò)大。
當(dāng)掃描裝置相對于物體的速率或者位置變?yōu)椴豢芍獣r(shí)就不可能精確地再現(xiàn)物體圖象。如果不知道位置或者速率，處理器就不能知道產(chǎn)生掃描線時(shí)掃描裝置相對于物體所處的位置。因此，處理器就不能彼此之間正確地設(shè)置掃描線部分，以便精確地再現(xiàn)物體圖象。這一問題在手持掃描裝置中更為嚴(yán)重，其中掃描線可以在物體上的任何位置產(chǎn)生，而且通常在物體表面上傾斜。
為了解決這些問題，掃描裝置使用位置傳感器檢測掃描裝置相對于物體的位置。當(dāng)產(chǎn)生物體圖象的掃描線部分時(shí)，位置傳感器輸出關(guān)于掃描裝置相對于物體的位置的位置信息。該位置信息被傳輸給處理器，在處理器中該信息被包含在上述數(shù)據(jù)庫中。
在某些掃描裝置中，位置傳感器是光學(xué)傳感器形式，可以剛性地連接到掃描裝置上。光學(xué)傳感器用于確定掃描裝置相對于被掃描物體的位置。光學(xué)傳感器是光探測器的二維陣列，通過掃描物體的小二維區(qū)域部分周期性地產(chǎn)生圖象數(shù)據(jù)。處理器接收該圖象數(shù)據(jù)并識別物體上該區(qū)域內(nèi)的顯著特征。在物體是印刷在一張紙上的文本的例子中，顯著特征可能是紙張表面固有的不規(guī)則。例如，不規(guī)則可能是由用于造紙的紙漿材料產(chǎn)生的。
這些顯著特征相對于光學(xué)傳感器的位置被存儲在存儲裝置中。當(dāng)掃描裝置相對于物體移動時(shí)，這些顯著特征的位置相對于光學(xué)傳感器移動。處理器比較這些顯著特征的新位置與存儲在存儲裝置中的位置。根據(jù)這些比較，處理器能夠確定光學(xué)傳感器相對于物體的位置、移動方向和速率，從而確定掃描裝置相對于物體的位置、移動方向和速率。因此，處理器能夠產(chǎn)生上述的數(shù)據(jù)庫，因?yàn)槟軌蛉菀椎卮_定物體圖象的掃描線部分彼此之間的相對位置。
某些掃描裝置具有幾個(gè)這種二維光學(xué)傳感器，相對于光探測器線性陣列剛性固定在不同位置。例如，掃描裝置可以具有兩個(gè)彼此分開一定距離的光學(xué)傳感器。掃描裝置能夠比較來自每個(gè)光學(xué)傳感器的移動數(shù)據(jù)以便確定掃描裝置已經(jīng)移動的移動量，包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)光學(xué)傳感器之間的距離增加時(shí)，掃描裝置能夠確定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的精度也相應(yīng)地提高。
然而，這些光學(xué)傳感器有可能是構(gòu)成掃描裝置的較昂貴的部件。影響光學(xué)傳感器成本的兩個(gè)因素是它的面積和光探測器的密度。面積較大或光探測器密度較大的光學(xué)傳感器的成本比面積較小或光探測器密度較小的光學(xué)傳感器的高得多。然而，光學(xué)傳感器的靈敏度與它的面積和光探測器密度成正比。面積大和光探測器密度高的光學(xué)傳感器比面積小光探測器密度小的光學(xué)傳感器能夠更精確地確定位置。因此，為了精確地確定手持掃描裝置的位置，最好使用面積大和光探測器密度高的光學(xué)傳感器。然而，這些光學(xué)傳感器大大提高了手持掃描裝置的成本。
因此，需要一種能夠精確地確定它的位置、而不顯著提高掃描裝置成本的手持掃描裝置。
這里公開了一種用于確定物體相對于表面的位置的位置傳感裝置。該位置傳感裝置可以包括一個(gè)與物體相連的基板；具有第一部分和第二部分的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中第一部分與基板相連，第二部分可移動地安裝在第一部分上；以及連接到所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)第二部分上的二維光敏元件陣列。光路可以在平面與二維光敏元件陣列之間延伸，而且透鏡可以位于光路中。處理器可以電連接到執(zhí)行機(jī)構(gòu)和二維光敏元件陣列上。
二維光敏元件陣列可以具有安裝在表面上的二維光探測器陣列。光探測器產(chǎn)生機(jī)器可讀的圖象數(shù)據(jù)，代表聚焦在光敏元件上的圖象。二維光敏元件陣列通常比用于傳統(tǒng)掃描裝置中的小。然而，表面上的光探測器的密度可以與用于傳統(tǒng)掃描裝置中的光探測器的密度基本相當(dāng)。
當(dāng)相對于表面移動物體時(shí)，二維光敏元件陣列產(chǎn)生圖象數(shù)據(jù)，代表表面的二維區(qū)域部分。處理器接收圖象數(shù)據(jù)，并識別表面上所述區(qū)域部分圖象中的顯著特征相對于二維光敏元件陣列的位置。當(dāng)物體相對于表面移動時(shí)，顯著特征的圖象相對于二維光敏元件陣列移動。在這一過程中，處理器命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動二維光敏元件陣列跟蹤顯著特征。通過確定顯著特征的圖象相對于二維光敏元件陣列的移動量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對于二維光敏元件陣列的移動量，處理器計(jì)算物體相對于表面的位移。然后處理器可以確定物體相對于表面的速率和位置。


圖1是具有包括在掃描裝置中的可移動光敏元件的位置傳感裝置的側(cè)視圖；圖2是圖1中的掃描裝置掃描一張紙的頂透射圖；圖3是圖1中的位置傳感裝置的頂視圖；圖4是用于圖1中位置傳感裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)施例的側(cè)視圖5是圖4中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的另一側(cè)視圖；圖6是與圖1中的位置傳感裝置相連的處理器的示意圖；圖7A和7B是描述圖1中的位置傳感裝置的操作的流程圖；圖8是具有包括在掃描裝置中的可移動透鏡的位置傳感裝置的側(cè)視圖；圖9是圖8中的位置傳感裝置的上視圖。
圖1至7一般地描述了位置傳感裝置200，包括基板210；第一部分370和第二部分372，其中第一部分370與基板210相連，第二部分372沿著第一軸可移動地安裝在第一部分370上；連接在第二部分372上的二維光敏元件陣列230；在一個(gè)平面與二維光敏元件陣列230之間延伸的光路260；以及位于光路260中的透鏡250。
圖1至7還一般地描述了位置傳感裝置200，包括基板210；連接在基板210上的二維光敏元件陣列230；在二維光敏元件陣列230與一個(gè)平面之間延伸的光路260；第一部分370和第二部分372，其中第一部分370與基板210相連，第二部分372沿著第一軸可移動地安裝在第一部分370上；以及連接在第二部分372上并位于光路260中的透鏡250。
圖1至7還一般地描述了確定物體100相對于表面182的位置的方法。該方法包括提供可移動地連接在物體100上的二維光敏元件陣列230；把光從表面182的焦平面部分190傳播到二維光敏元件陣列230；使得表面182與物體100之間相對移動；通過移動二維光敏元件陣列230保持表面182的焦平面部分190與二維光敏元件陣列230之間的光路260；以及分析二雛光敏元件陣列230的移動，以便確定物體100相對于表面182的位移。
圖1至7還一般地描述了確定物體100相對于表面182的位置的方法。該方法包括提供二維光敏元件陣列230；提供與二維光敏元件陣列230相連的透鏡250；通過透鏡250把光從表面182的焦平面部分190傳播到二維光敏元件陣列230；使得表面182與物體100之間相對移動；通過相對于二維光敏元件陣列230移動透鏡250，保持表面182的焦平面部分190與二維光敏元件陣列230之間的光路260；以及分析透鏡250相對于二維光敏元件陣列230的移動，以便確定物體100相對于表面182的位移。
圖1至7還一般地描述了用于確定物體100相對于表面182的位置的位置傳感裝置200。該位置傳感裝置200包括與物體100相連的基板210；與基板210相連的的光敏元件陣列230，用于把表面182的二維部分190的圖象變換為機(jī)器可讀的數(shù)據(jù)；在表面182的平面部分與光敏元件陣列230之間延伸的光路260；以及用于相對于基板210移動光敏元件陣列230的裝置300，以便在相對于表面182移動物體100時(shí)保持表面182的平面部分與光敏元件陣列230之間的光路260。
參見圖1，下面給出用于確定物體相對于表面的位置的位置傳感裝置200。這里給出的位置傳感裝置200描述成與掃描裝置100相連，以便確定掃描裝置100相對于一張紙180的表面182的位置。因此，對于本說明書的目的，物體是掃描裝置100，表面是所述的一張紙180的表面182。然而應(yīng)該理解，位置傳感裝置200可以與掃描裝置以外的其他裝置一起使用，以便確定這些裝置相對于紙張表面以外的其他表面的位置。這種裝置的例子包括傳真機(jī)和復(fù)印機(jī)。
下面的描述是位置傳感裝置200的概括，然后再詳細(xì)描述包括在掃描裝置100中的位置傳感裝置200。位置傳感裝置200是用于確定物體相對于表面182的位置的裝置，位置傳感裝置200安裝在所述物體上。位置傳感裝置200可以具有電連接到處理器270上的二維光敏元件陣列230。二維光敏元件陣列230產(chǎn)生表面182的部分區(qū)域190圖象的機(jī)器可讀的圖象數(shù)據(jù)(這里有時(shí)簡稱為圖象數(shù)據(jù))。圖象數(shù)據(jù)可以用傳統(tǒng)方法輸出給處理器270。
處理器270識別表面182的部分區(qū)域190的圖象的顯著特征并確定這些顯著特征相對于二維光敏元件陣列230的位置。當(dāng)位置傳感裝置200相對于表面182移動時(shí)，顯著特征相對于二維光敏元件陣列230的位置相應(yīng)地移動。處理器270測量顯著特征相對于二維光敏元件陣列230的移動，而且根據(jù)測量值，能夠確定位置傳感裝置200相對于表面182移動的速率和方向。處理器可以進(jìn)一步分析位置傳感裝置200的移動速率和方向，以便確定位置傳感裝置200相對于表面182的位置。然后，處理器容易地確定掃描裝置100相對于表面182的位置、移動速率、和移動方向。通過對物體表面的顯著特征成象確定物體移動的例子在如下的美國專利中有進(jìn)一步的描述授予Allen等的US5，644，139，名稱為“NAVIGATION TECHNIQUE FOR DETECTINGMOVEMENI OF NAVIGATION SENSORS RELATIVE TO ANOBJECT”，及授予Allen等的US5，578，813，名稱為“FREEHANDIMAGE SCANNING DEVICE WHICH COMPENSATES FOR NON-LINEAR MOVEMENT”，將這兩個(gè)專利包括在這里以供下面的描述參考。
在傳統(tǒng)的位置傳感裝置中，在位置傳感裝置相對于表面移動時(shí)將表面上的顯著特征成象。被位置傳感裝置成象的顯著特征通常非常微小，而且以非常高的速率通過位置傳感裝置的成象區(qū)域。例如，顯著特征可能是一張紙的表面上由紙中的紙漿材料引起的表面不規(guī)則，而且位置傳感裝置可以與對所述紙張表面成象的手持掃描裝置相連。手持掃描裝置是相對小的裝置，以相對快的速率移動通過紙張的表面。因此，由紙漿引起的不規(guī)則將以相對高的速率通過手持掃描裝置中的位置傳感裝置。
為了對一張紙表面的這些微小的顯著特征充分成象，用于傳統(tǒng)位置傳感裝置中的二維光敏元件具有位于相當(dāng)大面積上的高密度的光探測器。高密度的光探測器便于對微小的顯著特征成象，而且當(dāng)位置傳感裝置快速地相對于表面移動時(shí)，大面積便于延長對顯著特征成象的時(shí)間。
然而，這種大面積高密度的光探測器趨向于制造成本高，因此占據(jù)傳統(tǒng)位置傳感裝置成本的很大部分。這樣的高成本通常又傳遞給傳統(tǒng)位置傳感裝置所安裝在上面的裝置。在位置傳感裝置用于掃描裝置中的情況下，位置傳感裝置的高成本增加了掃描裝置的成本。在多個(gè)位置傳感裝置用于掃描裝置中時(shí)該成本又進(jìn)一步提高。
這里公開的位置傳感裝置200通過使用可移動的二維光敏元件陣列230，克服了有關(guān)傳統(tǒng)位置傳感裝置的上述問題，二維光敏元件陣列230可以具有高密度的光探測器，放置在比用于傳統(tǒng)位置傳感裝置中的二維光敏元件的面積小的面積上。位置傳感裝置200能夠使用面積減小的二維光敏元件陣列230，因?yàn)槎S光敏元件陣列230可以相對于位置傳感裝置200移動。那么，當(dāng)位置傳感裝置200相對于表面182移動時(shí)，二維光敏元件陣列230可以機(jī)械地跟蹤表面182上的顯著特征。因此，二維光敏元件陣列230可以相對地小。如同下面將描述的一樣，可以在位置傳感裝置200中包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)300，以便移動二維光敏元件陣列230。這里公開的位置傳感裝置200的成本可以相對于傳統(tǒng)的位置傳感裝置降低，因?yàn)槎S光敏元件陣列230上需要的面積較小，光探測器數(shù)量較少。
參考圖8，下面公開位置傳感裝置200的一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例具有位于二維光敏元件陣列230和表面182之間的可移動透鏡250。在該實(shí)施例中，二維光敏元件陣列230相對于位置傳感裝置200不能移動，然而，透鏡250可以相對于二維光敏元件陣列230移動。具體地說，透鏡250相對于二維光敏元件陣列230移動，把表面182上顯著特征的圖象傳輸?shù)蕉S光敏元件陣列230上。
已經(jīng)概括地描述了位置傳感裝置200，下面將進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
參考圖2，掃描裝置100圖示為對一張紙180的表面182成象。在掃描成象操作中，掃描裝置100可以傳統(tǒng)方法產(chǎn)生代表印刷在所述紙張180的表面182上的文本178的圖象數(shù)據(jù)。在掃描操作過程中操作者可以用手在紙張180的表面182上方沿著曲折路徑176移動掃描裝置100。在掃描裝置100通過文本178時(shí)，掃描裝置100把文本變換為圖象數(shù)據(jù)。掃描裝置100例如可以制成傳統(tǒng)的手持掃描裝置，諸如下列美國專利和專利申請中描述的手持掃描裝置授予McConica的US5，552，597；授予Steinle的US5，646，394；授予Khovaylo等的US5，646，392；授予Kerschner等US5，723，859；Sims等的序列號為09／120，641的申請；以及Sims等的序列號為09／120，637的申請；這些專利和專利申請?jiān)谇懊嬖?jīng)提到過。
再參考圖1，掃描裝置100可以具有殼體110，位置傳感裝置200位于殼體110內(nèi)。殼體110可以具有基本上平的下部112?？梢栽谙虏?12上形成孔116?？?16可以具有分開長度為124的第一邊120和第二邊122。表面182的部分區(qū)域190可以位于孔116的下面。部分區(qū)域190可以以第一點(diǎn)186和第二點(diǎn)188為界，其中第一點(diǎn)186位于孔116的第一邊120的下面，第二點(diǎn)188位于孔116的第二邊122的下面。應(yīng)該注意點(diǎn)186和188在表面182上是直線，然而在圖1的側(cè)視圖中它們看起來象點(diǎn)。光路260可以通過孔116從表面182上的一點(diǎn)184延伸向位置傳感裝置200。當(dāng)掃描裝置100在使用中時(shí)，光束(未示出)可以在表面182部分區(qū)域與二維光敏元件陣列230之間沿著光路260傳播。
光源194可以位于殼體110中。光源194可以是例如發(fā)光二極管。入射光路196可以從光源194開始，通過孔116到達(dá)部分區(qū)域190上的點(diǎn)184。如同下面將描述的一樣，光源194的作用是發(fā)光照明部分區(qū)域190。
位置傳感裝置200可以具有基板210，二維光敏元件陣列230、控制器270、和透鏡250?；?10可以是例如傳統(tǒng)的硬性印刷電路板?；?10可以具有表面212，包括位置傳感裝置200在內(nèi)的其他元件可以安裝在表面212上?；?10可以具有多個(gè)觸點(diǎn)，用于在安裝于基板210上的元件之間導(dǎo)電?；?10可以剛性連接到殼體110上，以便基本上平行于下部112。
圖1中示出了執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的一個(gè)實(shí)施例。執(zhí)行機(jī)構(gòu)300具有控制部分370和執(zhí)行部分372，這里有時(shí)分別稱為第一部分和第二部分?？刂撇糠?70和執(zhí)行部分372可以通過連桿機(jī)構(gòu)374相連。連桿機(jī)構(gòu)374可以用于相對于執(zhí)行機(jī)構(gòu)372移動控制部分370。執(zhí)行機(jī)構(gòu)374可以具有表面376，二維光敏元件陣列230安裝在上面。如同下面將描述的一樣，控制部分370的作用是移動執(zhí)行機(jī)構(gòu)372，從而通過移動連桿機(jī)構(gòu)374移動二維光敏元件陣列230。
控制部分370可以剛性連接到基板210的表面212上。參考圖3，圖3是從圖1中殼體110的下部112看位置傳感裝置200的視圖，控制部分370可以是能夠移動執(zhí)行部分372的機(jī)電裝置。具體地說，控制部分370可以在與由基板210的表面212限定的平面平行的平面內(nèi)移動執(zhí)行部分372。執(zhí)行機(jī)構(gòu)300可以移動執(zhí)行部分372，從而在y方向140和x方向150移動二維光敏元件陣列230，其中y方向140和x方向150相互垂直。y方向140可以進(jìn)一步定義為具有正y方向142和負(fù)y方向144。x方向150可以進(jìn)一步定義為具有正x方向152和負(fù)x方向154?？刂撇糠?70可以使用例如傳統(tǒng)壓電的或壓電裝置控制執(zhí)行部分372的移動?；蛘?，控制部分370可以使用伺服系統(tǒng)控制執(zhí)行部分372。在另一個(gè)實(shí)施例中，控制部分370可以使用電磁力控制執(zhí)行部分372，以類似于光盤驅(qū)動器中的物鏡相對于光盤移動的方式移動。
在這里描述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)300中，根據(jù)控制部分370接受到的電壓，控制部分370移動執(zhí)行機(jī)構(gòu)372到y(tǒng)方向140和x方向150的特定位置。彈力可能把連桿機(jī)構(gòu)374偏置到y(tǒng)方向140和x方向150的中心位置。如下所述，在控制部分370上施加電壓，可能使得連桿機(jī)構(gòu)374在y方向140和x方向150上克服彈力離開中心位置。例如，在控制部分370上施加電壓，可能使得控制部分370在一個(gè)方向上移動執(zhí)行機(jī)構(gòu)372到特定的位置，例如在正y方向142。加反向電壓可能使得控制部分370在相反方向上移動執(zhí)行機(jī)構(gòu)372到特定的位置，例如在負(fù)y方向144。或者，在控制部分370上施加電壓，可能使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)372在一個(gè)方向上以與加在控制部分370上的電壓相對應(yīng)的速率移動。
再參考圖1，執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的控制部分370可以電連接到基板210上?？刂撇糠?70可以通過基板210上的觸點(diǎn)施加電壓。如上所述，基板210可以電連接到處理器270上，因此，處理器270可以通過基板210上的觸點(diǎn)給控制部分370施加電壓。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的一個(gè)例子示于圖4和5中。圖4和5中所示的執(zhí)行機(jī)構(gòu)300與用于移動光盤驅(qū)動器中的物鏡的執(zhí)行機(jī)構(gòu)類似。參考圖4，圖4是執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的前視圖，執(zhí)行機(jī)構(gòu)300是把二維光敏元件陣列230移到預(yù)定位置的機(jī)電裝置。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)300可以具有安裝在左支架316和右支架318上的安裝部分320。安裝部分320可以具有安裝表面322，用于把執(zhí)行機(jī)構(gòu)300安裝到掃描裝置100內(nèi)的框架內(nèi)。如下所述，左支架316和右支架318每個(gè)實(shí)際上可以包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)件。左支架316可以具有兩個(gè)左鉸鏈310。同樣，右支架318可以具有兩個(gè)右鉸鏈312。左鉸鏈310和右鉸鏈312可以基本上使得安裝部分320與二維光敏元件陣列230之間在x方向150上相對移動。使用兩個(gè)鉸鏈允許二維光敏元件陣列230做更多的線性移動而不是轉(zhuǎn)動。左支架316和右支架318二者都可以安裝在前部352上。依次地，前部352可以安裝在執(zhí)行部分372上。如上所述，二維光敏元件陣列230可以安裝在執(zhí)行部分372上。
移動二維光敏元件陣列230需要電流。通過在安裝部分320與線圈支架330之間延伸的多根導(dǎo)線340施加電流。線圈支架330的作用是支撐線圈(未示出)。也可以通過位于前部352內(nèi)的另一線圈350施加電流。線圈支架330和執(zhí)行部分372可以包圍剛性固定的磁鐵344。
圖5示出了圖4中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的側(cè)視圖。下支架314可以位于左支架316的下面。類似的支架(未示出)可以位于圖4中的右支架318的下面。因此，可以有四個(gè)支架延伸在安裝部分320與前部352之間。下支架314可以具有兩個(gè)鉸鏈(未示出)，它們基本上與圖4中所示的左支架316上的兩個(gè)左鉸鏈310類似。左支架316可以具有兩個(gè)附加鉸鏈334。同樣，下支架314可以具有兩個(gè)附加鉸鏈336。鉸鏈334和336的作用是可以允許執(zhí)行部分372相對于安裝部分320在y方向140上移動。
同時(shí)參考圖4和5，鉸鏈310、312、334和336可以允許執(zhí)行部分372在y方向140和x方向150兩個(gè)方向上移動。鉸鏈310、312、334和336也可以在y方向140和x方向150方向上把執(zhí)行部分372偏置在中心位置。例如，支架314、316、318可以由彈性材料制成，例如尼龍，它們把執(zhí)行部分372偏置在預(yù)定位置。執(zhí)行部分372可以最終與線圈350和位于線圈支架330中的線圈(未示出)相連。因此，執(zhí)行部分372以及二維光敏元件陣列230與線圈移動成比例地移動。
執(zhí)行部分372相對于安裝部分320的移動是以傳統(tǒng)方式通過在線圈與磁鐵344之間產(chǎn)生磁力實(shí)現(xiàn)的。具體地說，電流通過導(dǎo)線340傳輸?shù)骄€圈350和位于線圈支架330中的線圈(未示出)。該電流使得線圈產(chǎn)生電磁場，接著，該電磁場在線圈和磁鐵344之間產(chǎn)生磁力。流經(jīng)線圈的電流量與線圈數(shù)成正比，這樣，二維光敏元件陣列230在y方向140和x方向150方向上移動。
已經(jīng)舉例描述了執(zhí)行機(jī)構(gòu)300，現(xiàn)在將描述二維光敏元件陣列230。再參考圖3，二維光敏元件陣列230可以具有上部240、下部242、左部244和右部246。這些部分可以形成背對著執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的執(zhí)行部左部分244和右部分246。這些部分限定了與執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的執(zhí)行部分372相反的表面232。表面232在頂部240與底部242之間的高度為236，例如大約是1毫米。表面232在左部244與右部246之間的長度可以為238，例如大約為1毫米。
表面232上面安裝有二維陣列光探測器234?？梢杂欣?5行和15列光探測器234安裝在表面232上。二維陣列中的光探測器234的數(shù)目可以根據(jù)位置傳感裝置200而不同。然而，對于用于掃描裝置100中，見圖1，二維陣列中可以具有10至20行和10至20列光探測器234。應(yīng)該注意在傳統(tǒng)的位置傳感裝置中典型的二維光敏元件通常具有48行和48列光探測器。因此，這里公開的位置傳感裝置200需要相當(dāng)少量的光探測器234，從而制造成本比傳統(tǒng)位置傳感裝置小。應(yīng)該注意為了說明的目的，圖3中描述的光探測器234被大大地放大了。實(shí)際上，光探測器234可以基本上是正方形，每邊的長度大約為0．06毫米。
光探測器234可以輸出代表它們接收的光的圖象數(shù)據(jù)。例如，接收相對高強(qiáng)度的光的光探測器可以輸出相對大的數(shù)據(jù)值，例如相對高的電壓。同樣，接收相對低強(qiáng)度的光的光探測器234可以輸出相對小的數(shù)據(jù)值，例如相對低的電壓。光探測器234以及二維光敏元件陣列230輸出的圖象數(shù)據(jù)的疊加，表示聚焦在光探測器234上的圖象。如同下面將詳細(xì)描述的一樣，表面182的部分區(qū)域190(件圖1)的一段將聚焦在光探測器234上。這樣，由二維光敏元件陣列230輸出的圖象數(shù)據(jù)將代表部分區(qū)域190的一段的圖象。
再參考圖1，二維光敏元件陣列230可以通過數(shù)據(jù)電纜(未示出)電連接到基板210上。依次地，基板210可以通過數(shù)據(jù)線272電連接到處理器270。通過數(shù)據(jù)線272、基板210上的觸點(diǎn)、以及二維光敏元件陣列230與基板210之間的數(shù)據(jù)電纜，二維光敏元件陣列230可以最終與處理器270電連接。同樣，通過數(shù)據(jù)線272以及基板210上的觸點(diǎn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)300可以最終與處理器270電連接。
圖6中詳細(xì)示出處理器270及它與執(zhí)行機(jī)構(gòu)300和二維光敏元件陣列230的連接的原理圖。處理器270可以包括處理單元280、x方向電源290和y方向電源292。數(shù)據(jù)線282可以把處理單元280與x方向電源290電連接。數(shù)據(jù)線284可以把處理單元280與y方向電源292電連接。數(shù)據(jù)線272可以是匯集三根數(shù)據(jù)線274、276和278，可以是例如帶狀數(shù)據(jù)電纜。數(shù)據(jù)線274可以把x方向電源290與執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的控制部分370電連接。數(shù)據(jù)線276可以把y方向電源292與執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的控制部分370電連接。數(shù)據(jù)線278可以最終把二維光敏元件陣列230與處理單元280電連接。
處理單元280的作用是處理由二維光敏元件陣列230以傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的圖象數(shù)據(jù)。處理單元280還可以命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的控制部分370向哪里移動執(zhí)行部分372，從而移動二維光敏元件陣列230。具體地說，處理單元280可以通過數(shù)據(jù)線282向x方向電源290輸出指令，命令x方向電源290輸出指定的電壓。x方向電源290輸出的該指定電壓可以使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的控制部分370移動執(zhí)行部分372，從而把二維光敏元件陣列230移動到x方向150上的指定位置。同樣，處理單元280可以通過數(shù)據(jù)線284向y方向電源292輸出指令，命令y方向電源292輸出指定的電壓。y方向電源292輸出的該指定電壓可以使得控制部分370移動執(zhí)行部分372，從而把二維光敏元件陣列230移動到y(tǒng)方向140上的指定位置。
已經(jīng)描述了構(gòu)成包括在掃描裝置100中的位置傳感裝置的元件，下面將詳細(xì)描述位置傳感裝置200和掃描裝置100的操作。
概括地說，當(dāng)掃描裝置100相對于表面182移動時(shí)，位置傳感裝置200跟蹤所述紙張180的表面182上的顯著特征。跟蹤是通過電子元件和機(jī)械元件完成的。跟蹤的電子元件涉及確定表面182上的顯著特征相對于二維光敏元件陣列230的位置的處理器270。當(dāng)傳感裝置100相對于表面182移動時(shí)，顯著特征相對于二維光敏元件陣列230移動。通過確定顯著特征相對于二維光敏元件陣列230的位置，處理器270能夠確定掃描裝置100相對于表面182的位置。
跟蹤的機(jī)械元件涉及利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)300移動二維光敏元件陣列230，以便物理跟蹤表面182上的顯著特征。處理器270通過控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)300控制二維光敏元件陣列230的移動。因此，當(dāng)二維光敏元件陣列230被執(zhí)行機(jī)構(gòu)300移動時(shí)，處理器300知道二維光敏元件陣列230相對于掃描裝置100的位置。這樣，通過確定二維光敏元件陣列230為了跟蹤顯著特征所需要移動的量，處理器270能夠確定掃描裝置100相對于表面182的位置。
來自跟蹤電子元件和機(jī)械元件的結(jié)果用于精確確定掃描裝置100相對于表面182的位置。概括地說，處理器270確定二維光敏元件陣列230的移動和顯著特征相對于二維光敏元件陣列230的移動，以便確定掃描裝置100相對于表面182的移動。通過從這兩個(gè)源獲得跟蹤信息，處理器270能夠精確地確定掃描裝置100相對于表面182的位置。因此，相對小的二維光敏元件陣列230相對于表面182移動，以便跟蹤顯著特征。這與傳統(tǒng)的位置傳感器顯著不同，傳統(tǒng)的位置傳感器上面安裝有相對大的二維光敏元件。通過移動二維光敏元件陣列230，如同這里所述的一樣，相對小的二維光敏元件陣列230所起的作用與傳統(tǒng)的位置傳感裝置中所使用的較大二維光敏元件相同。具體地說，移動二維光敏元件陣列230能夠?qū)Ρ砻?82的較大區(qū)域成象，以便定位。
已經(jīng)概括地描述了包括在掃描裝置100中的位置傳感裝置200的操作，下面將詳細(xì)描述它們二者。位置傳感裝置200的操作也示于流程圖7中。
參考圖2，掃描裝置100沿著紙張180的表面182上的路徑176移動，以便產(chǎn)生代表印刷在紙張180的表面182上的文本的圖象數(shù)據(jù)。路徑176是由操作者用手移動掃描裝置100通過紙張180的表面182形成的。由掃描裝置100產(chǎn)生的圖象數(shù)據(jù)呈在紙張表面182上方傾斜的多個(gè)掃描線段的形式。在掃描裝置100移過表面182時(shí)，圖1中的位置傳感裝置200確定掃描裝置100相對于表面182的位置。在產(chǎn)生圖象數(shù)據(jù)時(shí)，用掃描裝置100的位置電子標(biāo)記掃描線段。當(dāng)再現(xiàn)印刷在表面182上的文本178的圖象時(shí)，掃描裝置100利用位置信息彼此相對地電子定位掃描線段。
參考圖3，在開始掃描操作之前，執(zhí)行機(jī)構(gòu)300把二維光敏元件陣列230偏置到y(tǒng)方向140和x方向150的中心位置。例如，彈力可以使得二維光敏元件陣列230移到該中心位置。在這期間，x方向電源290和y方向電源292(見圖6)都不向執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的控制部分370輸出電壓。
參考圖1，在開始掃描操作時(shí)，光源194發(fā)射的光束沿著入射光路196通過殼體110上的孔116，到達(dá)表面182的部分區(qū)域190。因此，第一點(diǎn)186和第二點(diǎn)188之間的部分區(qū)域190被照明。代表部分區(qū)域190的一段的圖象的光從部分區(qū)域190反射，通過孔116，并被透鏡250聚焦到二維光敏元件陣列230上。紙張180的表面182具有顯著特征，在二維光敏元件陣列230上看起來呈亮／暗對比。例如，諸如紙張的紙漿材料固有的凸凹看起來呈亮／暗對比。這些亮／暗對比被聚焦在二維光敏元件陣列230上并轉(zhuǎn)換為圖象數(shù)據(jù)。應(yīng)該注意不必把整個(gè)部分區(qū)域190聚焦在二維光敏元件陣列230上。機(jī)械跟蹤元件將移動二維光敏元件陣列230，以便把部分區(qū)域190的不同段聚焦在二維光敏元件陣列230上。
參考圖6，二維光敏元件陣列230表面232上的光探測器234產(chǎn)生代表圖1中的部分區(qū)域190的圖象的圖象數(shù)據(jù)。更具體地說，光探測器234產(chǎn)生代表被透鏡250聚焦在二維光敏元件陣列230上的部分區(qū)域190的一段的圖象數(shù)據(jù)。圖象數(shù)據(jù)包括紙張180表面182上的顯著特征的圖象。圖象數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線278從二維光敏元件陣列230輸出到處理器270中的處理單元280。處理單元280識別圖象數(shù)據(jù)中的上述顯著特征。處理單元280還識別顯著特征出現(xiàn)在二維光敏元件陣列230上的位置。例如，處理單元280可以識別是哪個(gè)光探測器234對顯著特征成象。這樣識別顯著特征使得處理單元280具有顯著特征相對于二維光敏元件陣列230的位置的數(shù)據(jù)庫。
在圖1中的掃描裝置100相對于紙張180的表面182移動時(shí)，顯著特征相對于光探測器234移動，見圖6，從而相對于二維光敏元件陣列230移動。例如，如果掃描裝置100(見圖1)相對于表面182(見圖6)在負(fù)x方向154和負(fù)y方向144上移動，顯著特征將相對于二維光敏元件陣列230的表面232在正x方向152和正y方向142上移動。因此，顯著特征的圖象將從二維光敏元件陣列230的左部244向右部246移動。顯著特征的圖象也將從二維光敏元件陣列230的下部242向上部240移動。
通過測量顯著特征相對于二維光敏元件陣列230的表面232移動的距離，處理單元280確定掃描裝置100(見圖1)在一段時(shí)間內(nèi)相對于表面182移動的距離。通過確定光探測器234相對于二維光敏元件陣列230的移動方向，處理單元280還能夠確定掃描裝置100相對于表面182的移動方向。通過對物體表面的顯著特征成象確定裝置移動的例子在下列美國專利中有進(jìn)一步的描述授予Allen等的US5，644，139和授予Allen等的US5，578，813，這兩個(gè)專利在前面都提到過。
參考圖6，由于二維光敏元件陣列230的尺寸相對小，顯著特征將快速通過二維光敏元件陣列230。這樣減弱了位置傳感裝置200只利用圖象數(shù)據(jù)精確確定掃描裝置100(見圖1)相對于紙張180的表面182的位置的能力。為了解決這一問題，位置傳感裝置200物理移動二維光敏元件陣列230來跟蹤顯著特征。這里有時(shí)將此稱為機(jī)械跟蹤元件。在上述的例子中，顯著特征的圖象向二維光敏元件陣列230的上部240和右部246移動。因此，二維光敏元件陣列230必須在正y方向142和正x方向152上移動，以便連續(xù)跟蹤顯著特征，否則它們將快速移出二維光敏元件陣列230的成象范圍。
為了在y方向140跟蹤顯著特征，處理單元280首先計(jì)算二維光敏元件陣列230在正y方向142上必須移動的量。然后處理單元280計(jì)算通過數(shù)據(jù)線276必須加到控制部分370上的電壓，以便實(shí)現(xiàn)在正y方向142上所需的移動量。之后處理單元280通過數(shù)據(jù)線284把指令傳輸給y方向電源292，命令y方向電源292在數(shù)據(jù)線276上輸出該電壓。因此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的控制部分370把二維光敏元件陣列230在正y方向142上移動所需要的量。
處理單元280和x方向電源290進(jìn)行完全相同的過程，以便把二維光敏元件陣列230在正x方向152上移動所需要的量。處理單元280通過數(shù)據(jù)線282傳輸指令，命令x方向電源290在數(shù)據(jù)線274上輸出指定電壓。因此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的控制部分370把二維光敏元件陣列230在正x方向152上移動所需要的量，以便在x方向150上跟蹤顯著特征。以微小步驟移動二維光敏元件陣列230的過程有時(shí)稱為微步進(jìn)。
當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)300在任何方向都已經(jīng)最大限度地移動二維光敏元件陣列230時(shí)，它向反方向移動，而且處理單元280獲得新的顯著特征以便跟蹤。這一過程有時(shí)稱為大步進(jìn)。例如，在上述的例子中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)300最終將在正y方向142或正x方向152上它所能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離上移動二維光敏元件陣列230。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)300已經(jīng)到達(dá)它在正y方向142上的最大行程時(shí)，處理單元280命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)300在負(fù)y方向144上最大限度地移動二維光敏元件陣列230。這是通過向y方向電源292傳輸指令，命令它在數(shù)據(jù)線276上輸出電壓，該電壓將在負(fù)y方向144上最大限度地移動二維光敏元件陣列230。當(dāng)掃描裝置100(見圖1)在負(fù)y方向144上連續(xù)移動時(shí)，二維光敏元件陣列230的再定位將允許它在執(zhí)行機(jī)構(gòu)300在y方向140的整個(gè)移動范圍內(nèi)跟蹤顯著特征。執(zhí)行機(jī)構(gòu)300可以同時(shí)在負(fù)x方向154上最大限度地移動二維光敏元件陣列230。這樣能夠提高位置傳感裝置200的效率，因?yàn)樽罱K必須在負(fù)x方向154上最大限度地移動二維光敏元件陣列230并獲得新的顯著特征的圖象。當(dāng)在負(fù)y方向144和負(fù)x方向154兩個(gè)方向上移動二維光敏元件陣列230時(shí)，二維光敏元件陣列230只需獲得顯著特征一次。
當(dāng)二維光敏元件陣列230跟蹤顯著特征時(shí)，處理單元280跟蹤二維光敏元件陣列230相對于掃描裝置100(見圖1)的位置。處理單元280利用二維光敏元件陣列230的位置確定掃描裝置100(見圖1)相對于紙張180的表面182的位置。例如，如果二維光敏元件陣列230從中心位置在正y方向142上移動1毫米，在正x方向152上移動1毫米，處理單元280將利用該移動量最終計(jì)算掃描裝置100(見圖1)相對于表面182的位置。例如，根據(jù)顯著特征相對于二維光敏元件陣列230的位置，處理單元280可以首先確定掃描裝置100(見圖1)的位置。該位置可能被執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的移動偏置，在上述例子中在兩個(gè)方向上的所述偏置量為1毫米。因此，利用面積相對小的二維光敏元件陣列230，處理器270能夠自動確定掃描裝置100(見圖1)相對于表面的位置。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)300例如可以具有位于控制部分370與執(zhí)行部分372之間的壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)。例如，傳統(tǒng)的壓電元件可以連接在控制部分370與連桿機(jī)構(gòu)374之間，在加電壓時(shí)它移動連桿機(jī)構(gòu)374，從而移動執(zhí)行部分372?；蛘?，可以利用磁力相對于控制部分370移動連桿機(jī)構(gòu)374。例如，可以利用通常用于跟蹤小型盤上的數(shù)據(jù)的磁性執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動連桿機(jī)構(gòu)374。
在位置傳感裝置200的一個(gè)實(shí)施例中，透鏡250可以固定在執(zhí)行機(jī)構(gòu)300的執(zhí)行部分372上。在該實(shí)施例中，透鏡250與二維光敏元件陣列230一起移動。在位置傳感裝置200的一些應(yīng)用中，可以優(yōu)選該實(shí)施例，因?yàn)樵诙S光敏元件陣列230和透鏡250移動時(shí)光路260相對于二維光敏元件陣列230和透鏡250趨向于保持在恒定的位置上。因此，當(dāng)二維光敏元件陣列230相對于表面移動時(shí)，表面182上的顯著特征將保持在焦點(diǎn)上。
已經(jīng)描述了具有可移動二維光敏元件陣列230的位置傳感裝置200的一個(gè)實(shí)施例，現(xiàn)在將描述圖6和7中所示的位置傳感裝置200的另一個(gè)實(shí)施例。
圖6和7中所示的位置傳感裝置200的實(shí)施例具有固定的二維光敏元件陣列230和可移動透鏡250。在該實(shí)施例中，二維光敏元件陣列230可以用傳統(tǒng)方法固定在基板210上，例如它可以焊接或放置在插座上。具有水平延伸連桿機(jī)構(gòu)420的執(zhí)行機(jī)構(gòu)400可以代替上述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)300。
參考圖9，執(zhí)行機(jī)構(gòu)400可以具有控制機(jī)構(gòu)410和連桿機(jī)構(gòu)420，這里有時(shí)分別稱為第一部分和第二部分。連桿機(jī)構(gòu)420可以形成有孔422，孔422的尺寸適合于固定透鏡250?？刂茩C(jī)構(gòu)410可以電連接和機(jī)械連接到基板210的表面212上，位于二維光敏元件陣列230附近。連桿機(jī)構(gòu)420上的孔422可以在二維光敏元件陣列230上方延伸，以便透鏡250可以把光聚焦在二維光敏元件陣列230上?？刂茩C(jī)構(gòu)410的作用是可以在y方向140和x方向150上移動連桿機(jī)構(gòu)420，與控制部分370(見圖6)移動執(zhí)行部分372的方式類似。通過移動透鏡250，以便引導(dǎo)顯著特征與二維光敏元件陣列230之間的光路260，位置傳感裝置200跟蹤顯著特征。
圖8中所示的位置傳感裝置200的實(shí)施例的作用方式基本上與圖1中所示的位置傳感裝置實(shí)施例類似。然而，執(zhí)行機(jī)構(gòu)400中的控制機(jī)構(gòu)410移動透鏡250，而不是移動二維光敏元件陣列230，以便跟蹤紙張180的表面182上的顯著特征。通過移動透鏡250，光路260將偏離透鏡250的焦軸，這樣在透鏡250處彎曲光路260?？刂茩C(jī)構(gòu)410連續(xù)移動連桿機(jī)構(gòu)420以便把光從顯著特征傳播到二維光敏元件陣列230。使透鏡的焦軸偏離光路以便把光路引導(dǎo)到目標(biāo)的例子在如下美國專利申請中公開了Gardner于1999年4月13日申請，序列號為09／290，842，名稱為“OPTICAL ASSEMBLY HAVING LENS OFFSETFROM OPTICAL AXIS”，將該專利申請包括在這里以供本申請參考。
在位置傳感裝置200的這一實(shí)施例中，跟蹤電子元件基本上與上面參考圖1所描述的跟蹤電子元件類似。跟蹤機(jī)械元件是通過相對于二維光敏元件陣列230移動透鏡250實(shí)現(xiàn)的。處理器270命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)400移動透鏡250以便跟蹤表面182上的顯著特征。透鏡250實(shí)際移動的量和方向依賴于其中包括透鏡250的掃描裝置100的光學(xué)特性。
這里將執(zhí)行機(jī)構(gòu)300和400描述為在y方向140和x方向150上被限制移動。在位置傳感裝置200的實(shí)施例中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)300和400也在z方向160上移動，見圖1和6，其中z方向160具有正z方向162和負(fù)z方向164。z方向160基本上垂直于y方向140和x方向150所限定的平面。在z方向160上的所述移動相對于透鏡250移動二維光敏元件陣列230。在z方向160上的所述移動用于把表面182的圖象聚焦在二維光敏元件陣列230上。這樣能夠把顯著特征的更多規(guī)定圖象聚焦在二維光敏元件陣列230上，從而提高位置傳感裝置200確定掃描裝置相對于表面182的位置的精度。
應(yīng)該注意可以校驗(yàn)掃描裝置100以便補(bǔ)償透鏡250的畸變量。畸變是能夠?qū)е聮呙柩b置100錯(cuò)誤地將顯著特征相對于二維光敏元件陣列230定位的光學(xué)象差。因此，透鏡250或者二維光敏元件陣列230的上述移動必須補(bǔ)償透鏡250的畸變。
雖然這里已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的說明性最佳實(shí)施例，但是應(yīng)該理解發(fā)明構(gòu)思可以其他不同方式實(shí)現(xiàn)，所附權(quán)利要求書應(yīng)該解釋為包括這些現(xiàn)有技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的不同實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1．一種位置傳感裝置(200)，包括基板(210)；第一部分(370)和第二部分(372)，其中所述第一部分(370)與所述基板(210)相連，所述第二部分(372)沿著第一軸(150)可移動地安裝在所述第一部分(370)上；連接到所述第二部分(372上)的二維光敏元件陣列230；在一個(gè)平面與二維光敏元件陣列(230)之間延伸的光路(260)；以及位于所述光路(260)中的透鏡(250)。
2．如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第二部分(372)沿著第一軸(150)和第二軸(140)可移動地安裝在所述第一部分(370)上，其中所述第一軸(150)基本上垂直于所述第二軸(140)。
3．一種位置傳感裝置(200)，包括基板(210)；連接在所述基板(210)上的二維光敏元件陣列(230)；在所述二維光敏元件陣列(230)與一個(gè)平面之間延伸的光路(260)；第一部分(370)和第二部分(372)，其中所述第一部分(370)與所述基板(210)相連，所述第二部分(372)沿著第一軸(150)可移動地安裝在所述第一部分(370)上；以及連接在所述第二部分(372)上并位于所述光路(260)中的透鏡(250)。
4．如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述第二部分(372)沿著第一軸(150)和第二軸(140)可移動地安裝在所述第一部分(370)上，其中所述第一軸(150)基本上垂直于所述第二軸(140)。
5．一種用于確定物體(100)相對于表面(182)的位置的方法，該方法包括提供可移動地連接在所述物體(100)上的二維光敏元件陣列(230)；把光從所述表面(182)的焦平面部分(190)傳播到所述二維光敏元件陣列(230)；使得所述表面(182)與所述物體(100)之間相對移動；通過移動所述二維光敏元件陣列(230)保持所述表面(182)的所述焦平面部分(190)與所述二維光敏元件陣列(230)之間的光路(260)；以及分析所述二維光敏元件陣列(230)的所述移動，以便確定所述物體(100)相對于所述表面(182)的位移。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括在所述二維光敏元件陣列(230)與所述表面(182)的所述焦平面部分(190)之間提供透鏡(250)。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括與所述二維光敏元件陣列(230)的移動成正比地移動所述透鏡(250)。
8．一種用于確定物體(100)相對于表面(182)的位置的方法，該方法包括提供與所述物體(100)相連的二維光敏元件陣列(230)；提供與所述物體(100)相連的透鏡(250)；通過所述透鏡(250)把光從所述表面(182)的所述焦平面部分(190)傳播到所述二維光敏元件陣列(230)；使得所述表面(182)與所述物體(100)之間相對移動；通過相對于所述二維光敏元件陣列(230)移動所述透鏡(250)，保持所述表面(182)的所述焦平面部分(190)與所述二維光敏元件陣列(230)之間的光路(260)；以及分析所述透鏡(250)相對于所述二維光敏元件陣列(230)的移動，以便確定所述物體(100)相對于所述表面(182)的位移。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述提供二維光敏元件陣列(230)的步驟包括提供與所述物體(100)固定連接的二維光敏元件陣列(230)。
10．根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述提供透鏡(250)的步驟包括提供與所述物體(100)固定連接的透鏡(250)。
全文摘要
本申請公開了一種用于確定物體100的位置的位置傳感裝置200。所述位置傳感裝置200可以包括基板210、執(zhí)行機(jī)構(gòu)300和二維光敏元件陣列230。執(zhí)行機(jī)構(gòu)300可以包括第一部分370和第二部分372,其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)第一部分370與基板210相連,第二部分372沿著第一軸150可移動地安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)第一部分370上。二維光敏元件陣列230可以連接在執(zhí)行機(jī)構(gòu)第二部分372上。位置傳感裝置200通過跟蹤表面182上的顯著特征確定物體100的位置。
文檔編號G01S3/786GK1289988SQ00118460
公開日2001年4月4日 申請日期2000年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月29日
發(fā)明者D·D·波恩 申請人:惠普公司