專利名稱：：測(cè)量對(duì)象和光學(xué)輸入設(shè)備在一速度范圍中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法測(cè)量對(duì)象和光學(xué)輸入設(shè)備在一速度范圍中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種測(cè)量輸入設(shè)備和對(duì)象沿至少一個(gè)測(cè)量軸相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括步驟對(duì)于每個(gè)測(cè)量軸、使用從激光設(shè)備的激光腔發(fā)射的測(cè)量激光束照射對(duì)象表面；測(cè)量激光腔操作中的變化，所述變化歸因于重新進(jìn)入所述激光腔的測(cè)量束輻射和所述激光腔中的光波之間的自混合干涉，并且代表了沿所述至少一個(gè)測(cè)量軸的所述運(yùn)動(dòng)；以及生成代表所測(cè)得的、所述激光腔操作中的變化的電信號(hào)。本發(fā)明還涉及一種配備了用于執(zhí)行該方法的光學(xué)模塊的輸入設(shè)備，以及涉及一種包括這種輸入設(shè)備的裝置。#4居美國(guó)專利No.6707027可得知這樣的方法和輸入設(shè)備。該輸入設(shè)備可以是光學(xué)鼠標(biāo)，其在計(jì)算機(jī)配置中使用以便在計(jì)算機(jī)顯示器或監(jiān)視器上移動(dòng)光標(biāo)，從而例如選擇被顯示菜單的功能。像傳統(tǒng)的機(jī)械式鼠標(biāo)一樣，這樣的光學(xué)鼠標(biāo)靠手在鼠標(biāo)墊上移動(dòng)。該輸入設(shè)備也可以是"倒置的"光學(xué)鼠標(biāo)。因而該輸入設(shè)備是固定的，并且例如嵌入到臺(tái)式電腦的4建盤中，或筆記本電腦中，或i者如移動(dòng)電話、PDA或游戲機(jī)之類的手持裝置中，并且所述對(duì)象是在該輸入設(shè)備的外殼中的透明窗口上移動(dòng)的用戶手指。在后者的應(yīng)用中，該輸入設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)得到了最佳的利用，所述優(yōu)點(diǎn)即體積小、重量輕、成本少和功耗低。圖1是美國(guó)專利No.6707027所描述的輸入設(shè)備的示意截面。該設(shè)備在其下側(cè)包括底板l,它是用于二極管激光器(所述實(shí)施例中即VCSEL激光器)和檢測(cè)器(例如光電二極管)的載體。在圖la中，僅僅一個(gè)二極管激光器3及其關(guān)聯(lián)的光電二極管4是可見的，但是通常如圖lb中所示(其是該設(shè)備的示意俯視圖)、在底板上提供至少第二二極管激光器5和關(guān)聯(lián)的檢測(cè)器6。二極管激光器3、5分別發(fā)射測(cè)量束13和17。在所述設(shè)備的上側(cè)配備了透明窗口12,例如人的手指之類的對(duì)象在該透明窗口上面移動(dòng)。例如為平凸透鏡的透鏡10布置在二極管激光器和窗口之間。該透鏡將激光束13、17聚焦在透明窗口12的上側(cè)位置或其附近。如果對(duì)象15位于該位置，那么它就散射該束13(和17)。輻射束13的一部分沿照明束13的方向散射，而且這部分由透鏡10會(huì)聚到二極管激光器3的發(fā)射表面上并且重新進(jìn)入其激光腔。如后面將要闡述的那樣，重新進(jìn)入激光腔的輻射引起由二極管激光器發(fā)射的輻射的強(qiáng)度的變化。這些變化可以由光電二極管4檢測(cè)到，光電二極管4將測(cè)得的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并且將該電信號(hào)施加給電子電路18進(jìn)行處理。類似地，光電二極管6將測(cè)得的、二極管激光器5所發(fā)射輻射的強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并且將該電信號(hào)施加給另一個(gè)電子電路19進(jìn)行處理。如圖lb所示，電子電路18、19是彼此連接的。激光器和檢測(cè)器可以進(jìn)行不同程度的集成，包括單片集成。圖2說明了當(dāng)使用水平發(fā)射二極管激光器和布置在激光器后平面處的監(jiān)視光電二極管時(shí)，如美國(guó)專利No.6707027所述的輸入設(shè)備和測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法的原理。在圖2中，二極管激光器(例如二極管激光器3)由它的腔20以及它的前、后平面或者相應(yīng)的激光腔鏡21、22來示意性地表示。腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。對(duì)象15和前平面21之間的空間形成外腔，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)0。發(fā)射穿過前平面的激光束用附圖標(biāo)記25表示，而且由對(duì)象沿前平面方向反射的輻射用附圖標(biāo)記26表示。部分在激光腔中生成的輻射穿過后平面，并由光電二極管4捕獲。如果對(duì)象15沿照明束13的方向移動(dòng)，那么反射的輻射26將經(jīng)歷時(shí)變相位延遲和多普勒頻移。這意味著該輻射的頻率(因而相位)發(fā)生了變化或者出現(xiàn)了頻移。這個(gè)頻移取決于對(duì)象移動(dòng)的速度，其數(shù)量級(jí)為幾個(gè)kHzMHz。重新進(jìn)入激光腔的、發(fā)生頻移的輻射與該腔內(nèi)生成的光波或輻射發(fā)生干涉，即在腔內(nèi)出現(xiàn)自混合效應(yīng)。取決于光波和重新進(jìn)入該腔的輻射之間的相移量，這種干涉將是相長(zhǎng)或相消的，即激光輻射的強(qiáng)度周期性地增大或減小。以此方式生成的激光輻射調(diào)制的頻率正好等于該腔內(nèi)的光波頻率和重新進(jìn)入該腔的已發(fā)生多普勒頻移的輻射頻率之間的差值。該頻率差的數(shù)量級(jí)為幾個(gè)kHzMHz,因此易于檢測(cè)。自混合效應(yīng)和被反射光的時(shí)變相移的組合導(dǎo)致激光腔操作的變化，尤其是其增益或光放大的變化，并且使得每個(gè)腔鏡處的輸出功率變化。作為對(duì)象運(yùn)動(dòng)速度v的函數(shù)的增益變化Ag由下列等式給出在這個(gè)等式中K為到外腔的耦合系數(shù)，其指示耦合出激光腔的輻射量；v為激光輻射的頻率；v為對(duì)象沿照明束方向的運(yùn)動(dòng)速度；t為時(shí)刻；c為光速。同對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)量一樣，也需要檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向，即對(duì)象沿測(cè)量軸是前向還是后向運(yùn)動(dòng)，其中的運(yùn)動(dòng)量即對(duì)象運(yùn)動(dòng)經(jīng)過的距離，其可以通過相對(duì)于時(shí)間積分所測(cè)得的速度來測(cè)量。在提出的一種確定運(yùn)動(dòng)方向的方法中，利用的事實(shí)是，激光輻射的波長(zhǎng)X取決于二極管激光器的溫度，從而取決于通過二極管激光器的電流。如果例如二極管激光器的溫度升高了，那么激光腔的長(zhǎng)度隨之增大，并且被放大的輻射的波長(zhǎng)隨之增大。圖3的曲線45示出了所發(fā)射的輻射的波長(zhǎng)l的溫度(T》相關(guān)性。如杲如圖4所示、將周期性驅(qū)動(dòng)電流Irf(由波形50表示)提供給二極管激光器，那么二極管激光器的溫度Trf就如波形52所示那樣周期性地上升和下降。這在激光腔中導(dǎo)致得到這樣的光學(xué)駐波，其具有周期性變化頻率，并因此具有相對(duì)于由對(duì)象反射并且重新進(jìn)入該腔的輻射的連續(xù)變化的相移，所述輻射具有一定時(shí)延。在驅(qū)動(dòng)電流的每個(gè)半周期內(nèi)，現(xiàn)在存在相繼的時(shí)間段，其中取決于該腔內(nèi)的波和重新進(jìn)入該腔的被反射輻射之間的相位關(guān)系、二極管激光器增益在這些時(shí)間段中更高和更低。這結(jié)杲產(chǎn)生如圖4中的波形54所示的、所發(fā)射輻射的時(shí)間相關(guān)的強(qiáng)度變化(I)。這個(gè)波形代表針對(duì)靜止或非運(yùn)動(dòng)的對(duì)象的情況。第一半周期^P(a)中的脈沖數(shù)等于第二半周期^p(b)中的脈沖數(shù)。對(duì)象的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致重新進(jìn)入激光腔的輻射的變化時(shí)移，即這個(gè)頻率取決于具有多普勒頻移的運(yùn)動(dòng)的方向而增大或減小。對(duì)象沿一個(gè)方向即前向方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致重新進(jìn)入輻射的波長(zhǎng)減小，沿相反方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致重新進(jìn)入輻射的波長(zhǎng)增大。激光腔內(nèi)光波的周期性頻率調(diào)制的效果在于，在多普勒頻移與激光腔內(nèi)的頻率調(diào)制符號(hào)相同的情況下，重新進(jìn)入該腔的、發(fā)生多普勒頻移的輻射的效果不同于在所述頻率調(diào)制和多普勒頻移具有相反符號(hào)的情況下該輻射具有的效果。如果這兩個(gè)頻移符號(hào)相同，那么所述波和重新進(jìn)入的輻射之間的相差就以緩慢的速率發(fā)生變化，并且結(jié)果得到的激光輻射調(diào)制的頻率更低。如果這兩個(gè)頻移符號(hào)相反，那么所述波和輻射之間的相差就以更快的速率發(fā)生變化，并且結(jié)果得到的激光輻射調(diào)制的頻率更高。在驅(qū)動(dòng)激光器電流的第一半周期^P(a)期間，所生成的激光輻射的波長(zhǎng)增大。在對(duì)象后向運(yùn)動(dòng)的情況下，重新進(jìn)入輻射的波長(zhǎng)也增大，以致所述腔內(nèi)的波的頻率和重新進(jìn)入該腔的輻射的頻率之間的差值更低。因此，與缺少所發(fā)射激光輻射的電調(diào)制的情況相比，其間重新進(jìn)入輻射的波長(zhǎng)與所生成輻射的波長(zhǎng)相適應(yīng)的時(shí)間段的數(shù)目更小。這意味著，如果對(duì)象沿后向方向運(yùn)動(dòng)，那么與其中沒有應(yīng)用調(diào)制的情況相比，第一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)更小。在其中激光器溫度降低和所生成輻射的波長(zhǎng)減小的第二半周期j^P(b)內(nèi)，其中重新進(jìn)入輻射的波長(zhǎng)與所生成輻射的波長(zhǎng)相適應(yīng)的時(shí)間段的數(shù)目增大。因此，對(duì)于后向運(yùn)動(dòng)的對(duì)象而言，第一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)小于第二半周期內(nèi)的脈沖數(shù)。這由圖5的波形58進(jìn)行了說明，該波形58示出了如果對(duì)象沿后向方向運(yùn)動(dòng)時(shí)所發(fā)射激光輻射的強(qiáng)度16。該波形與圖4的波形54的比較示出了第一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)減小了，并且第二半周期內(nèi)的脈沖數(shù)增大了。綜上可清楚得知，如果對(duì)象沿前向方向運(yùn)動(dòng)，其中由對(duì)象散射并且重新進(jìn)入激光腔的輻射的波長(zhǎng)由于多普勒效應(yīng)而減小(對(duì)象朝激光器運(yùn)動(dòng)，多普勒頻移為正，激光器和目標(biāo)之間匹配的波數(shù)減小，激光器和目標(biāo)之間匹配的波數(shù)也因激光波長(zhǎng)的增大而減小)，那么第一半周期^p(a)內(nèi)的脈沖數(shù)大于第二半周期^p(b)內(nèi)的脈沖數(shù)。這可以通過比較圖5的波形56來驗(yàn)證，該波形56代表了對(duì)象前向運(yùn)動(dòng)的情況下、所發(fā)射輻射的強(qiáng)度V。在電子處理電路中，從第一半周期^p(a)期間計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)中減去第二半周期^p(b)期間計(jì)數(shù)的光電二極管信號(hào)脈沖數(shù)。如果結(jié)果得到的信號(hào)為零，那么對(duì)象是靜止的。如果結(jié)果得到的信號(hào)為正，那么對(duì)象沿前向方向移動(dòng)，并且如果所述信號(hào)為負(fù)，那么對(duì)象沿后向方向移動(dòng)。結(jié)果得到的脈沖數(shù)分別沿前向和后向方向的運(yùn)動(dòng)速度成比例。因此，總的說來并且如上所述，為了確定對(duì)象和設(shè)備沿測(cè)量軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，提供給激光器的驅(qū)動(dòng)電流是周期性變化的電流，例如具有三角形周期的電流。由于這種激光調(diào)制，所測(cè)得的信號(hào)示出了也稱為"偏移頻率"的更高頻率，即疊加在三角形的上升和下降斜坡上的波動(dòng)。如果上升斜坡上的頻率等于下降斜坡上的頻率，那么對(duì)象相對(duì)于設(shè)備是靜止的。如果對(duì)象運(yùn)動(dòng)，那么取決于沿測(cè)量軸的運(yùn)動(dòng)方向、上升斜坡上的偏移頻率大于或小于下降斜坡上的偏移頻率。偏移頻率的值由激光器電流的調(diào)制率以及設(shè)備和對(duì)象之間的距離確定。為了測(cè)量對(duì)象相對(duì)于設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，在給定的測(cè)量時(shí)間期間確定檢測(cè)器輸出信號(hào)的偏移頻率，即執(zhí)行頻率分析。對(duì)于偏移頻率測(cè)量而言，可以使用例如利用比較和計(jì)數(shù)裝置的傅立葉分析(FFT)或者其他頻率或相位跟蹤方法。在多個(gè)上述應(yīng)用中，特別是如果要在游戲機(jī)等裝置中使用輸入設(shè)備，那么所述設(shè)備就應(yīng)該允許在寬的速度范圍內(nèi)測(cè)量運(yùn)動(dòng)，所述范圍譬如為4個(gè)數(shù)量級(jí)，例如從0.lmm/s到lm/s。如果要求借助于對(duì)一個(gè)樣本的頻率測(cè)量來測(cè)量4個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的任何速度，那么就應(yīng)該對(duì)該樣本中量級(jí)為216的大量測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行分析或者使其相關(guān)。這意味著，處理結(jié)果得到的數(shù)據(jù)集所需的計(jì)算處理強(qiáng)度非常高，而且用于單個(gè)樣本的測(cè)量時(shí)間將會(huì)長(zhǎng)得令人無法接受。這種長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間的結(jié)果是，激光器驅(qū)動(dòng)頻率或調(diào)制率需要非常低，但這導(dǎo)致確定運(yùn)動(dòng)方向所需的頻率偏移非常小。另一方面，如果運(yùn)動(dòng)速度大于偏移頻率，那么就不可能根據(jù)這種類型的測(cè)量來確定運(yùn)動(dòng)方向。因此，本發(fā)明的目的是提供一種以上定義類型的方法和設(shè)備，其允許對(duì)于每次測(cè)量，在實(shí)踐可行測(cè)量時(shí)間內(nèi)并以適度的計(jì)算量在寬的速度范圍內(nèi)確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度和方向。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種測(cè)量輸入設(shè)備和對(duì)象沿至少一個(gè)測(cè)量軸相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括步驟對(duì)于每個(gè)測(cè)量軸，使用從激光設(shè)備的激光腔發(fā)射的測(cè)量激光束照射對(duì)象表面；生成代表激光腔的操作中的變化的測(cè)量信號(hào)，所述變化歸因于重新進(jìn)入所述激光腔的測(cè)量束輻射和所述激光腔內(nèi)的光波之間的干涉，并且代表了沿所述至少一個(gè)測(cè)量軸的所述運(yùn)動(dòng)；取決于所述輸入設(shè)備和所述對(duì)象相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)速度來選擇所述測(cè)量信號(hào)的至少兩個(gè)參數(shù)之一，并且根據(jù)所述被選擇參數(shù)來確定所述運(yùn)動(dòng)的速度和方向；生成代表所述運(yùn)動(dòng)速度和方向的電信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明還提供了一種光學(xué)模塊，用于執(zhí)行測(cè)量輸入設(shè)備和對(duì)象沿至少一個(gè)測(cè)量軸相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)的方法，該光學(xué)模塊包括用于每個(gè)測(cè)量軸的激光設(shè)備，所迷激光設(shè)備具有用于生成測(cè)量激光束的激光腔；用于使用所述測(cè)量激光束照射對(duì)象表面的裝置；檢測(cè)器裝置，用于生成代表激光腔的操作中的變化的測(cè)量信號(hào)，所述變化歸因于重新進(jìn)入所述激光腔的測(cè)量束輻射和所述激光腔內(nèi)的光波之間的干涉，并且代表了沿所述至少一個(gè)測(cè)量軸的所述運(yùn)動(dòng)；電子處理裝置，其用于取決于所述輸入設(shè)備和所述對(duì)象相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)速度來選擇所述測(cè)量信號(hào)的至少兩個(gè)參數(shù)之一，根據(jù)所述被選擇參數(shù)來確定所述運(yùn)動(dòng)的速度和方向，并且生成代表所述運(yùn)動(dòng)速度和方向的電信號(hào)。本發(fā)明還涉及一種包括如上所限定的光學(xué)模塊的輸入設(shè)備。有益地是，所述至少兩個(gè)參數(shù)之一包括所述測(cè)量信號(hào)相繼部分中對(duì)應(yīng)的事件之間的相差，并且優(yōu)選地，所述至少兩個(gè)參數(shù)中的另一個(gè)包括疊加在所述測(cè)量信號(hào)上的偏移頻率。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，所述方法用于測(cè)量一速度范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，并且選擇所述測(cè)量信號(hào)的相繼部分中對(duì)應(yīng)的事件之間的所述相差來為所述范圍內(nèi)的一組較低速度(有利地包括最低速度)確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。優(yōu)選地，選擇所述偏移頻率來為所述范圍內(nèi)一組較高速度(有利地包括最高速度)確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，將經(jīng)過調(diào)制的驅(qū)動(dòng)電流提供給所述激光設(shè)備，以便因此調(diào)制所述測(cè)量信號(hào)，所述經(jīng)調(diào)制的測(cè)量信號(hào)在其每個(gè)周期中都包括上升部分和下降部分。優(yōu)選地，取決于所述輸入設(shè)備和所述對(duì)象相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)速度來調(diào)節(jié)所述驅(qū)動(dòng)電流。有益地是，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度在所述范圍內(nèi)包括所述最高速度的第一組速度中時(shí)，所述驅(qū)動(dòng)電流包括處于第一調(diào)制率的脈沖串，并且通過將所述測(cè)量信號(hào)的上升部分的偏移頻率和所述測(cè)量信號(hào)同一周期內(nèi)的下降部分的偏移頻率進(jìn)行比較來確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)所述運(yùn)動(dòng)速度在低于所述最高速度的第一速度和高于所述最低速度的第二速度之間的第二組速度中時(shí)，所述脈沖串的調(diào)制率被有利地降低到小于所述第一調(diào)制率的第二調(diào)制率，優(yōu)選地，所述第二調(diào)制率與所述第一調(diào)制率之比取決于速度的下降。與所述較高的調(diào)制率相比，這個(gè)較低的調(diào)制率提供了更高的分辨率。在這種情況下，再次有利地通過將所述測(cè)量信號(hào)的上升部分的偏移頻率與所述測(cè)量信號(hào)同一周期內(nèi)的下降部分的偏移頻率進(jìn)4亍比較來確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度在低于所述最高速度的第一速度和高于所述最低速度的第二速度之間、并包括低于所述第二組速度中的速度的第三組速度中時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流優(yōu)選包括在串內(nèi)具有至少兩個(gè)不同調(diào)制率的脈沖串，其中優(yōu)選地通過將所述測(cè)量信號(hào)相繼周期內(nèi)的兩個(gè)或更多上升部分或者兩個(gè)或更多下降部分的偏移頻率進(jìn)行比較來確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向-當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度在低于所述最高速度的第一速度和第二速度之間、并包括低于所述第三組速度中的速度的第四組速度中時(shí)，所述驅(qū)動(dòng)電流優(yōu)選地包括其間有時(shí)間間隔的多個(gè)脈沖串，并且有利地通過確定結(jié)果得到的測(cè)量信號(hào)的相繼串中對(duì)應(yīng)事件的相差來確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，其中所述事件的周期性優(yōu)選地大于所述測(cè)量信號(hào)的上升和下降部分的周期性。有益地是，所述脈沖串的調(diào)制率根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)速度而變化，當(dāng)所述速度在包括所述最低速度的速度組中時(shí)，其優(yōu)選包括較低的調(diào)制率。本發(fā)明基于這樣的原理通過使用測(cè)量信號(hào)，即來自諸如光電二極管之類的輻射敏感檢測(cè)器的信號(hào)中的較大周期事件來確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，可以明顯提高針對(duì)較低速度的分辨率。針對(duì)較低和最低速度的分辨率隨著相繼選定事件之間的時(shí)間間隔的增大而增大。這些事件由提供給激光器的驅(qū)動(dòng)電流的形狀和周期性所導(dǎo)致，并且可以包括上升和下降斜^t、脈沖串內(nèi)的相繼脈沖以及相繼的脈沖串。因此，通過為最高和較高速度使用頻率測(cè)量以及為較低和最低速度使用相位測(cè)量，可以測(cè)量的速度范圍相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)顯著增大了。本發(fā)明的這些和其他方面根據(jù)下文描述的實(shí)施例將是顯而易見的，并且將參照這些實(shí)施例進(jìn)行闡述。現(xiàn)在將僅通過舉例的方式并參照附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中圖la為一種輸入設(shè)備的示意截面圖；圖lb為圖la中的設(shè)備的示意俯視圖；圖2說明了圖la和lb中的輸入設(shè)備的測(cè)量方法的原理；圖3說明了作為具有光學(xué)反饋的激光器的溫度的函數(shù)的激光波長(zhǎng)變化；圖4說明了用于激光器的周期性變化驅(qū)動(dòng)電流的使用效果；圖5說明了如何可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向；圖6為說明激光器驅(qū)動(dòng)電流的示意圖，所述驅(qū)動(dòng)電流包括處于兩個(gè)不同的調(diào)制率，即25kHz和12.5kHz的脈沖串；圖7為說明一種用于在使用串間操作的本發(fā)明示范實(shí)施例中使用的調(diào)制方案的示意圖8示意性地說明了用于本發(fā)明的示范實(shí)施例中的測(cè)量模式C的串方案；圖9示意性地說明了用于本發(fā)明的示范實(shí)施例中的測(cè)量模式B的串方案；圖10示意性地說明了用于本發(fā)明的示范實(shí)施例中的測(cè)量模式A的串方案；、；乂、。、，、？、、，、、5'、，式的測(cè)量重復(fù)率的示意圖。因此，用于生成代表運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的電信號(hào)的電子處理電路被布置為取決于運(yùn)動(dòng)速度來借助多種方法中的選定方法來執(zhí)行所需的測(cè)量。在第一種方法中，上述將測(cè)量信號(hào)的上升斜坡的偏移頻率與同一周期的下降斜坡的偏移頻率進(jìn)行比較的處理用于確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度位于所需涵蓋的期望速度范圍內(nèi)的最高和較高速度處時(shí)選定這種方法。此外，為了增大可以使用該方法來調(diào)節(jié)的速度范圍，取決于瞬時(shí)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)速度來對(duì)激光器驅(qū)動(dòng)電流的調(diào)制率進(jìn)行調(diào)整。因而，對(duì)于預(yù)期的最大(或"最高")運(yùn)動(dòng)速度(如lm/s),將周期性變化的激光器驅(qū)動(dòng)電流(例如圖5的三角形驅(qū)動(dòng)電流Irf)的調(diào)制率設(shè)為最大(譬如25kHz),以便由激光調(diào)制所引起的檢測(cè)器波動(dòng)的偏移頻率對(duì)于該范圍內(nèi)的最高速度是最佳的。在斜坡期間，(使的樣本(譬如;28個(gè))口，由此將上升斜坡的偏移頻率與同一周期中的下降斜坡的偏移頻率進(jìn)行比較。應(yīng)當(dāng)理解的是，除了上述和下降斜坡之外，激光器驅(qū)動(dòng)電流(并且因此，結(jié)果得到的檢測(cè)器信號(hào))的周期也可以具有恒定振幅的段，即斜坡之間的水平部分。對(duì)于小于所述最大值的速度而言，可以在譬如4個(gè)步驟內(nèi)按比例降低調(diào)制率并因此降低偏移頻率。例如，如果瞬時(shí)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)速度為最高速度的一半，那力i'面生il逸iAP么/W"5il罷4";固生il》趙AA--^_i"乂擊,"5il6fr、:iii;!3變-、i吞AA人加i>"d"2al干IK、"1^乂、"一J"'4wV-Iw|\(vn〃j^a1)J4^/又HV-口《"it>kU值來維持偏移頻率。結(jié)果，獲得了其中可以以準(zhǔn)確而可靠的方式來確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的一個(gè)量級(jí)的測(cè)量范圍，該測(cè)量范圍位于最高速度和在小于最高速度的量級(jí)附近的速度之間。這種位于最高速度和在小于最高速度的量級(jí)附近的速度之間的較上端速度范圍內(nèi)的速度在本文中也稱為"較高"速度。因此，這個(gè)速度和方向確定的第一種方法^皮認(rèn)為是最適合于最高和4交高的運(yùn)動(dòng)速度，并在運(yùn)動(dòng)速度位于該范圍內(nèi)時(shí)由電子處理電路(或"控制器")選用。提出速度和方向確定的第二種方法，其用于在中間速度范圍內(nèi)使用，以便將可以準(zhǔn)確而可靠地處理的速度范圍進(jìn)一步擴(kuò)展超過一個(gè)量級(jí)。在提出的第二種方法中，將激光器驅(qū)動(dòng)電流配置成脈沖串，并在串中使用了不同的調(diào)制率。參見附圖中的圖6，圖中示出了調(diào)制率分別為25kHz和12.5kHz的兩種類型的串。相繼的段(斜坡)之間的扭位關(guān)系取決于這些段之間的時(shí)延，在這個(gè)例子中對(duì)此縮放了2倍。因此，將不同的波動(dòng)(或偏移)頻率被傳遞給測(cè)量信號(hào)的相繼周期。而不是如上述第一種方法中那樣，使用同一周期的上升和下降斜坡的波動(dòng)進(jìn)行處理，這次使用相繼的上升或下降斜坡的波動(dòng)來進(jìn)行處理。例如，通過使這些波動(dòng)的快速傅立葉變換(FFT)結(jié)果的復(fù)相位相關(guān)來使得這些FFT結(jié)果互相關(guān)(上升-上升相位或下降-下降相位相關(guān))。由于兩個(gè)上升斜坡或兩個(gè)下降斜坡之間的間隔大于同一周期的上升和下降斜坡的間隔，并且由于測(cè)量分辨率與測(cè)得結(jié)果之間的間隔成反比，因而相對(duì)于基于同一周期的上升斜坡和后續(xù)下降斜坡的頻率測(cè)量(上升-下降測(cè)量)的結(jié)果，可以顯著增大FFT的分辨率。這樣，通過以8倍改變調(diào)制頻率，其中可以準(zhǔn)確而可靠地調(diào)節(jié)的速度范圍被進(jìn)一步擴(kuò)展了超過一個(gè)數(shù)量級(jí)。為了消除可能出現(xiàn)的其不確定度可能達(dá)到與半FFT分辨率的整數(shù)被相等的值的偏移頻率，這種方法可以進(jìn)一步表征為，像在上述第一種方法中那樣，調(diào)整串中的不同調(diào)制率以使其對(duì)應(yīng)于瞬時(shí)測(cè)得的速度。上面兩種方法使用了規(guī)則的串操作模式。在本發(fā)明的這個(gè)示范實(shí)施例中，參見附圖中的圖6，串應(yīng)當(dāng)包括至少兩個(gè)循環(huán)或周期，以便該串的時(shí)長(zhǎng)等于至少200ns(在12.5kHz調(diào)制率處)加上串之后的計(jì)算時(shí)間。在適用于下界為所需范圍中的最低速度的較低速度范圍的第三種方法中，確定相繼串中對(duì)應(yīng)事件之間的相差，其中利用了在相繼串的FFT數(shù)據(jù)之間也存在相關(guān)性這一事實(shí)。通過使用該數(shù)據(jù)，可以獲得與串之間的間隔成反比的分辨率。大體上，該分辨率比根據(jù)來自一個(gè)串內(nèi)的事件的相關(guān)數(shù)據(jù)而獲得的分辨率好一個(gè)量級(jí)。該第三種方法采用了第二類型的串操作，其包括測(cè)量和比較相繼的串，并且將在這里稱為串間(IB)測(cè)量。為了在串之間產(chǎn)生小的可縮放的時(shí)間間隔，通常下串將僅有兩個(gè)周期，即使在25kHz的調(diào)制率處也是如此。因此，所要求的、在一對(duì)串之間的最小間隔為100150jis。將該值與分別為25kHz和12.5kHz進(jìn)行的、在40ps和80jis處的相位測(cè)量的上升-上升間隔或者下降-下降間隔相比示出，對(duì)于較小的IB間隔，可以預(yù)期相位檢測(cè)區(qū)域之間存在良好的重疊。然而，為了允許測(cè)量最低速度，譬如0.1mm/s，串間相位測(cè)量之間的間距優(yōu)選高達(dá)至少500fis或者甚至為lms。相繼串之間50nm位移的對(duì)象位移引起的相差約為0.35弧度，即20度。在一般情況下，使用相位結(jié)果用于獲得精細(xì)或更加靈敏的相位類型測(cè)量要求粗相位類型的標(biāo)準(zhǔn)偏差o足夠小。對(duì)于良好的測(cè)量而言，這在210%之間，因此3o會(huì)是630y。。對(duì)于靈敏的相位標(biāo)度而言，這應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)于小于7T的值。這意味著，較之于精細(xì)標(biāo)度，粗標(biāo)度的粗糙程度不應(yīng)該超過3.3倍。這在分別與粗、精細(xì)相位結(jié)果關(guān)聯(lián)的間隔時(shí)間比率上放置了約為3.3的最大限制。從調(diào)制率下的U&D(相繼的上升-下降^:)和UU和/或DD頻率測(cè)量結(jié)果開始，所述值約為2。當(dāng)從12.5kHzUU/DD測(cè)量前進(jìn)到25kHzIB測(cè)量時(shí)，期望比值為3.3,其對(duì)應(yīng)于260ps的間隔。然后對(duì)于12.5kHz的IB測(cè)量，要求85(Vs的間隔。上面的這種方法使用速度選擇來組合12.5kHz和25kHz的結(jié)果。從而，原則上說使用了超出需要的更大量的輻射能量，這是因?yàn)閷?duì)于串間測(cè)量而言，僅僅串間間隔而不是調(diào)制率是有關(guān)的參數(shù)。因此，可以使用高的調(diào)制率并且如附圖中的圖7所示、可以考慮一種替換的調(diào)制方案。在該說明的方案中，串間測(cè)量的第一串最小化為單個(gè)調(diào)制。這使得能夠使用中間串結(jié)果之間的最短時(shí)間，從而總體上允許用同一頻率的UU/DD結(jié)果改進(jìn)該短的中間串。然后，通過將該中間串與同一頻率的長(zhǎng)中間串組合來獲得速度結(jié)果，以便測(cè)量甚至更低的速度?；蛘咛鎿Q地，用于中間串測(cè)量的串列可以包括具有逐漸減小間隔的一系列短串，繼這些串之后的是產(chǎn)生UU/DD數(shù)據(jù)的較長(zhǎng)串，這樣，在一次測(cè)量中，可以甚至以高的調(diào)制率來準(zhǔn)確而可靠地確定最低的速度。這種類型要求調(diào)整采樣和速度選擇的測(cè)量，可以用于利用50kHz的調(diào)制率處的串間測(cè)量將輻射能量以及從而將功耗限制到最小。因此總的說來，在本發(fā)明的上述示范實(shí)施例中，對(duì)激光器串操作類型的選擇基于所估計(jì)的速度。對(duì)于最高速度而言，不需要相位數(shù)據(jù)，并且以最高的調(diào)制率(譬如25kHz)進(jìn)行調(diào)制是足夠的。對(duì)于較高速度，僅使用了來自較低調(diào)制率(譬如12.5kHz)處的頻率測(cè)量的數(shù)據(jù)，其提供了較高的分辨率。這兩種模式(分別記為E、D)是正常的、單一調(diào)制率的串模式。對(duì)于中間速度，組合來自25kHz和12.5kHz調(diào)制率測(cè)量的數(shù)據(jù)以獲得相位結(jié)果，圖8顯示了包括25kHz和12.5kHz調(diào)制率的串方案(模式C),通過該串方案可以以時(shí)間復(fù)用的模式驅(qū)動(dòng)兩個(gè)激光器。圖中的每個(gè)塊代表了一個(gè)完整的調(diào)制序列。對(duì)于較低速度(模式B)而言，加入了來自25kHz的串間(IB)測(cè)量的數(shù)據(jù)(參見圖9的串方案)，以及對(duì)于最低速度(模式A)而言，同樣加入了來自12.5kHz或6.25kHz處的串間測(cè)量的數(shù)據(jù)(參見圖IO的串方案)。對(duì)于較低速度和最低速度，通過使用相位信息，即通過使相繼串的相位結(jié)果相關(guān)可以獲得進(jìn)一步的分辨率增強(qiáng)。圖10中12.5kHz串之間的時(shí)間間隔不同于6.25kHz串之間的時(shí)間間隔。具有最大時(shí)間間隔的串提供了最佳的測(cè)量分辨率，但它們僅能用于最低速度。因此，對(duì)于測(cè)量模式C、D和E,只有頻率數(shù)據(jù)可用來進(jìn)行處理。然而對(duì)于模式A和B，使用了相位數(shù)據(jù)。(來自UD、UU、DD或IB測(cè)量的)相位數(shù)據(jù)產(chǎn)生了以值在-Ti和7T之間的相位形式的速度，結(jié)果其以增加的速度振蕩并重復(fù)自身。這如圖12所示。上述實(shí)施例以25kHz和12.5kHz的調(diào)制率操作，但是對(duì)于其他的調(diào)制率對(duì)，例如50kHz和6kHz，可以使用同樣的概念。可以調(diào)整串之間的間隔來獲得不同檢測(cè)模式之間的最佳重疊，從而能夠以可以接受的計(jì)算量來確定具有超過4個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)的速度。對(duì)于本發(fā)明的上述示范實(shí)施例，下表按照串類型、時(shí)序和帶寬總結(jié)了模式A、B、C、D和E的串類型定義。串類型A串類型B串類型c串類型D串類型E6.25kHz2000jisIB160fisUU/DD12.5kHz12.5kHz12.5kHz12.5kHz450fisIB80jisUU/DD80nsUU/DD80nsUU/DD80psUU/DD25kHz25kHz25kHz260(isIB40jisUU/DD40nsUU/DD40(xsUU/DD3.8vmaxIB6.5vmaxIB0.04vminIB0.3vminIB21.3vmaxphas42.5vmaxphas42.5vraaxphas0.5vminphas1.1vminphas1.1vminphas269vmaxf538vraaxf538vmaxf538vmaxf1076vmaxf12vrainf23vminf23vminf23vminf47vminf上面定義的每個(gè)串類型都適用于另一個(gè)速度范圍?？梢源_定的最大速度由相位可以處理的2;r跳變數(shù)(#)給出，在這個(gè)示范實(shí)施例中該跳變數(shù)最大為5?？梢源_定的最小速度由相位結(jié)果上至少35度的角給出。對(duì)于頻率確定而言，考慮了高達(dá)32個(gè)區(qū)塊(bin)的偏移。區(qū)塊是(例如128點(diǎn))快速傅立葉變換步驟之后獲得的頻率直方圖中的頻率范圍。對(duì)于50kHz的調(diào)制而言，這種區(qū)塊是125kHz;而對(duì)于6.25kHz的調(diào)制而言，它是15.6kHz。對(duì)于非相位操作而言，最小的頻移是l個(gè)區(qū)塊。圖11中示出了可用于不同模式的測(cè)量重復(fù)率。下表中給出了用于不同速度(單位mm/s)的操作模式:<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>對(duì)于模式A、B、C、D和E而言，串重復(fù)率分別為4、2、1、0.5和0.5ms。操作模式之間的切換作為速度的函數(shù)來執(zhí)行。因此，出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象，其在表中為增大和減小速度示出了這一點(diǎn)。該滯后對(duì)于所有模式都是相同的。如果速度選擇指示了加速度誤差，那么即使沒模式也總是升高的:該表示出'了模式^哪個(gè)速度處"導(dǎo)通':。^對(duì)于速度減小，在速度0.8mm/s處執(zhí)行切換模式A。對(duì)于速度增大，在速度290顏/s執(zhí)行切換到模式E。操作模式升高或增大所處的速度的差異是個(gè)恒定的因子，在這個(gè)例子中，它等于2。應(yīng)當(dāng)指出的是，上述實(shí)施例說明了而不是限制了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能設(shè)計(jì)出許多可替換的實(shí)施例而不偏離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。在權(quán)利要求中，任何置于括號(hào)中的附圖標(biāo)記都不應(yīng)當(dāng)被視為限制了這些權(quán)利要求。措詞"包括"、"包含"等等并不排除除了任何權(quán)利要求或者整個(gè)說明書中列出的那些元件或步驟之外的元件或步驟的存在。對(duì)元件的單數(shù)引用并不排除對(duì)這類元件的復(fù)數(shù)引用，反之亦然。本發(fā)明可以借助于包括了若干不同的元件的硬件和借助于經(jīng)過適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在列舉了若干裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，這些裝置中的一些可以由同一硬件項(xiàng)實(shí)施。在相互不同的從屬權(quán)利要求中引用某些技術(shù)措施這一起碼的事實(shí)并不意味著不可以利用這些技術(shù)措施的組合來獲得優(yōu)勢(shì)。權(quán)利要求1.一種測(cè)量輸入設(shè)備和對(duì)象(15)沿至少一個(gè)測(cè)量軸相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)的方法，該方法包括步驟對(duì)于每個(gè)測(cè)量軸，使用從激光設(shè)備(3)的激光腔發(fā)射的測(cè)量激光束(13)照射對(duì)象表面；生成代表激光腔操作中的變化的測(cè)量信號(hào)，所述變化歸因于重新進(jìn)入所述激光腔的測(cè)量束輻射和所述激光腔內(nèi)的光波之間的干涉，并且代表了沿所述至少一個(gè)測(cè)量軸的所述運(yùn)動(dòng)；取決于所述輸入設(shè)備和所述對(duì)象(15)相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)速度來選擇所述測(cè)量信號(hào)的至少兩個(gè)參數(shù)之一，并且根據(jù)所選定的參數(shù)來確定所述運(yùn)動(dòng)的速度和方向；以及生成代表所述運(yùn)動(dòng)速度和方向的電信號(hào)。2.如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述干涉包括激光自混合干涉。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少兩個(gè)參數(shù)之一包括所述測(cè)量信號(hào)的相繼部分中的對(duì)應(yīng)事件之間的相差。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少兩個(gè)參數(shù)之一包括疊加在所述測(cè)量信號(hào)上的偏移頻率。5.如權(quán)利要求3所述的方法，用于測(cè)量一定速度范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，并且選擇所述測(cè)量信號(hào)的相繼部分中的對(duì)應(yīng)事件之間的所述相差來為所述范圍內(nèi)有益地包括最低速度的一組較低速度確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中選擇疊加在所述測(cè)量信號(hào)上的偏移頻率來為所述范圍內(nèi)有益地包括最高速度的一組較高速度確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將經(jīng)過調(diào)制的驅(qū)動(dòng)電流施加到所述激光設(shè)備(3),以便因此調(diào)制所述測(cè)量信號(hào)，所述被調(diào)制的測(cè)量信號(hào)在其每個(gè)周期中都包括上升部分和下降部分。8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中取決于所述輸入設(shè)備和所述對(duì)象(15)相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)速度來調(diào)節(jié)所述驅(qū)動(dòng)電流。9.如權(quán)利要求8所述的方法，用于測(cè)量一定速度范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度，其中當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度在所述范圍內(nèi)包括最高速度的第一組速度中時(shí)，所述驅(qū)動(dòng)電流包括處于第一調(diào)制率處的脈沖串，并且通過將所述測(cè)量信號(hào)的上升部分的偏移頻率和所述測(cè)量信號(hào)同一周期內(nèi)的下降部分的偏移頻率進(jìn)^f于比較來確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中當(dāng)所述運(yùn)動(dòng)速度在低于所述最高速度的第一速度和高于所述最低速度的第二速度之間的第二組速度中時(shí)，將所述脈沖串的調(diào)制率降低到低于所述第一調(diào)制率的第二調(diào)制率。11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第二調(diào)制率與所述第一調(diào)制率的比率取決于速度的下降。12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中通過將所述測(cè)量信號(hào)的上升部分的偏移頻率與所述測(cè)量信號(hào)同一周期內(nèi)的下降部分的偏移頻率進(jìn)行比較來確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度在低于所述最高速度的第一速度和高于所述最低速度的第二速度之間、并包括低于所述第二組速度中的速度的第三組速度中時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流包括在串內(nèi)具有至少兩個(gè)不同的調(diào)制率的脈沖串。14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中通過將所述測(cè)量信號(hào)相繼周期內(nèi)的兩個(gè)或更多上升部分或者兩個(gè)或更多下降部分的偏移頻率進(jìn)行比較來確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中運(yùn)動(dòng)速度在低于所述最高速度的第一速度和第二速度之間、并包括低于所述第三組速度中的速度的第四組速度中，所述驅(qū)動(dòng)電流包括其間有時(shí)間間隔的多串脈沖.16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中通過確定結(jié)果得到測(cè)量信號(hào)的相繼串中的對(duì)應(yīng)事件的相差來確定運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述事件的周期性大于所述測(cè)量信號(hào)的上升和下降部分的周期性。18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述脈沖串的調(diào)制率根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)速度而變化，當(dāng)所述速度在包括所述最低速度的速度組中時(shí)，其包括較低的調(diào)制率。19.一種光學(xué)模塊，用于執(zhí)行測(cè)量輸入設(shè)備和對(duì)象沿至少一個(gè)測(cè)量軸相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)的方法，該光學(xué)模塊包括用于每個(gè)測(cè)量軸的激光設(shè)備(3)，所述激光設(shè)備(3)具有用于生成測(cè)量激光束(13)的激光腔；用于使用所述測(cè)量束(13)照射對(duì)象表面的裝置；檢測(cè)器裝置(4),用于生成代表激光腔操作中的變化的測(cè)量信號(hào)，所述變化歸因于至少一個(gè)測(cè)量軸；電子處理裝置U8)，用于取決于所述輸入設(shè)備和所述對(duì)象(15)相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)速度來選擇所述測(cè)量信號(hào)的至少兩個(gè)參數(shù)之一，根據(jù)所述被選擇的參數(shù)來確定所述運(yùn)動(dòng)的速度和方向，并且生成代表所述運(yùn)動(dòng)速度和方向的電信號(hào)。20.—種包括如權(quán)利要求19所述的光學(xué)模塊的輸入設(shè)備。全文摘要一種用于測(cè)量輸入設(shè)備和對(duì)象(15)沿至少一個(gè)測(cè)量軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法和光學(xué)模塊。對(duì)于每個(gè)測(cè)量軸，提供了具有激光腔的激光設(shè)備(3)用于生成測(cè)量束(13)。測(cè)量束(13)用于照射對(duì)象(15)，由對(duì)象(15)反射并且重新進(jìn)入激光腔的測(cè)量束輻射在激光器中產(chǎn)生自混合效應(yīng)并且引起激光腔操作的變化。檢測(cè)器(4)用于生成代表這些變化的測(cè)量信號(hào)，而且電子處理電路(18)取決于相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度選擇測(cè)量信號(hào)的至少兩個(gè)參數(shù)之一，以便確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度和方向。文檔編號(hào)G06F3/042GK101310247SQ200680031863公開日2008年11月19日申請(qǐng)日期2006年8月24日優(yōu)先權(quán)日2005年8月30日發(fā)明者A·斯特克,C·海因克斯,M·謝曼,P·杜尼厄斯申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司