[发明专利]一种斑点图像相关的光学位置传感器

说明书

本发明涉及利用斑点图像的相关来感测位置位移。

许多已知装置利用斑点图像和斑点图像间相关性来确定形变和/或位移。通过光源照射光学上的粗糙表面产生斑点图像。通常，光源为相干光源，更具体的是指激光发生光源，例如激光器、激光二极管等等。在光学粗糙表面被光源照射后，从光学粗糙表面散射的光在光学传感器或半导体摄像传感器阵列等上成像，这些光学传感器例如电荷耦合装置(CCD)，半导体摄像传感器阵列例如有CMOS图像传感器阵列。

在光学粗糙表面发生位移或变形之前捕获并存储第一斑点图像。接着，在光学粗糙表面发生位移或变形后捕获并存储第二斑点图像。然后一个象素接一个象素地比较在先和在后的斑点图像。具体是进行大量比较。在每次比较中，在先和在后斑点图像会相对于彼此会发生偏差，在每次比较中偏差量增加一个图像元素或象素。在每次比较中，在先图像中具体象素的图像值乘以或减去相应的在后图像象素(根据偏差量)并累计结果。当根据总的累计值绘制偏差图时，具有在后和在先图像间最大相关性的偏差产生波峰或波谷。

例如，美国专利4794384公开一种鼠标，它利用图像斑点相关性来确定鼠标的二维运动方向。具体的是，在384专利中不需要高速地执行斑点图像相关，且其精度仅需要在毫米的范围内即可。

美国专利法4967093公开了利用斑点图像相关测量物体变形的系统和方法。特别是，在093专利中详细描述了许多传统方法，用于比较两个斑点图像和确定用新的参考斑点图像更新当前参考斑点图像的时间。类似地，已公开的日本专利申请8-271231(1996年10月公开)公开了在基于斑点图像的位移测量器中避免累计误差的另外方法。

最后，公开的日本专利5-52517(1993年3月公开)公开了一种基于斑点图像的位移测量仪，其在狭缝板5中使用了矩形或椭圆形状的狭缝51。来自激光光源的光束在照射光学粗糙表面前穿过狭缝51。由此，通过狭缝51使光束定形。定形后的光束能使主位移方向上的位移量得到高敏感度地测量，同时垂直于主位移方向的位移成分不会影响装置敏感度。

然而，上述传统斑点图像相关系统也能确定斑点图像的表面位移，以此来分析物体变形和应变，其中希望将所有表面运动的斑点效果最大化，以便确定由计算机鼠标或其它低分辨率测量装置产生的低分辨率运动。特别是，在这些传统斑点图像相关系统中，通常不需要高精确地确定物体沿一个或多个规定运动轴的运动。

在这些使用高精度斑点图像相关的位置编码器等的现有技术装置中，还没有充分考虑适于商业适销形式的、能有效避免高分辨率确定位置的实际问题。特别是，这些现有技术的高精度位置编码器等隐含假设在这些斑点图像相关、高精度位置编码器等的具体实现过程中使用了高稳定性结构和高精确度的轴承(bearing)系统。然而，这些高精度机械系统很昂贵。此外，在本领域商业上需求的高水平分辨率和准确度上，由于要在轴承、非平面表面等上工作，因此即使高精度机械系统也展示出不希望的测量误差。

本发明提供了基于斑点图像相关的位置传感器，它能解决一个或多个此类问题。

本发明通过提供基于斑点图像相关的、能高分辨率地测量位置或位移的位置传感器来解决一个或多个这些问题。

本发明通过提供基于斑点图像相关的、能降低对横向偏移的敏感度的位置传感器来解决一个或多个这些问题。

本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个这些问题，该传感器能通过设置一个孔径来减少对横向偏移的敏感度，其中与位移方向平行的方向上的孔径要长于与位移方向垂直的方向上的孔径。

本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器通过在光学粗糙表面与检测器之间放置柱面透镜减小了对横向偏移的敏感度。

本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器减小了对光学粗糙表面与垂直于光学粗糙表面方向上的光源和/或检测器之间间距的敏感度。

本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器对光学粗糙表面与垂直于光学粗糙表面方向上的光源和/或检测器之间的相对运动相对不敏感。

本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器能测量以相对高速度运动的光学粗糙物体的位移。

本发明通过提供基于斑点图像相关的位置传感器来解决一个或多个此类问题，该传感器在成像装置的曝光时间内选通光源以便稳定图像，从而能确定以相对高速度运动的光学粗糙物体的位移。