專利名稱：用來測量位移的系統的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及測量系統，尤其涉及用來測量其上預先印有規則圖案的物體位移的系統。
現已有各種眾所周知的系統，在這些系統中，檢測和/或測量物體的位置或位移很重要。例如，在已受讓給本發明的受讓人并且也是由本發明的發明人共同發明的美國專利US5,578,813中公開了一種系統，該系統是一種用來確定一手持掃描儀與一網狀材料(web ofmaterial)(即，紙張)之間相對位移的系統和方法。具體地說，該系統利用一種照明/成像傳感器，通過識別網狀材料與結構有關的特性來檢測掃描儀與網狀材料之間相對位移。網狀材料內在的與結構有關的特性(如紙纖維或其他成分)用來導引，即，用來標識掃描儀的導引路徑，以便所掃描的圖像能通過電子方法重建。
在美國專利US5,291,131中公開了另一種系統，該系統公開了一種用來測量一環鏈(circulating chain)伸長率(由元件磨損(component wear)、拉伸等等產生的伸長率)的設備。其中所公開的系統采用了兩個傳感器(例如磁傳感器或光學傳感器)，這兩個傳感器沿環鏈路徑以一預定距離相互間隔設置。根據所計算出的移動物體的速度以及從第一指針經過第一傳感器到第二指針經過第二傳感器的時間，計算這兩個指針之間的距離。通過在整個時間段內連續觀察，并且比較所計算出的距離，可以測量出環鏈伸長率。另外，在該’131專利之前的類似系統包括那些公開于美國專利US4,198,758和US4,274,783中的系統，這兩個專利的題目皆為“Chain Measuring andConveyor Control System”，并且都由本發明的發明人共同發明。
如本領域中眾所周知的那樣，某些噴墨打印機的打印頭構造成橫跨紙張的打印寬度移動。油墨從打印頭向紙張的沉積一部分根據打印頭的位置信息嚴格受控。在一些這樣的打印機中，通過橫跨紙張寬度所覆蓋的空間拉伸一種透明材料片來獲得該位置信息。使這種材料片穿過打印頭的一個槽，它含周期性間隔開的分界線。在該槽的兩端設置一光學發射器/探測器對(optical emitter/detector pair)，該裝置構造成能統計分界線。通過保持一準確的分界線統計數，該系統能夠保持與打印頭沿紙張上位置有關的信息。在這樣一種系統中，材料片保持靜止，而發射器/探測器對(使它固定到打印頭上)相對于該材料片移動。
在如以上所述的那些系統中，也象許多其他系統一樣，希望能獲得準確和精確的物體位移測量值。因此，希望提供一種裝置和方法，它能有效地測量物體的位移。
本發明的某些目的、優點和新穎的特征將在以下的說明中部分表示出，而根據對以下說明的檢驗，上述內容的一部分對于本領域的普通技術人員來說將變得很明顯，或者可以借助本發明的實際應用來了解它們。本發明的目的和優點可以借助所附權利要求書中特別指出的器件和結合物來實現和得到。
為實現這些優點和新穎的特征，本發明一般涉及一種用來測量一物體位移的系統。根據本發明的一個方面，該系統包括一物體，在該物體上設置有一可視圖案(術語“可視圖案”將用于通篇內容以代表用一光敏傳感器列陣所檢測到的任何圖案，而不管所涉及的光照在可視光譜的范圍之內與否)。在這方面，該圖案由規則交變的對比度(例如黑色和白色或其他顏色)的各區域限定。多個光敏傳感器距可視圖案均勻地間隔開，它們還以一類似于可視圖案的結構進一步設置。在這方面，若可視圖案是一重復的圓形圖案，則光敏傳感器以一重復的圓形圖案設置。若可視圖案是多個平行的線性邊界線，則多個光敏傳感器可以以一線性列陣設置。設置一透鏡，用以將可視圖案成像于多個光敏傳感器上。優選的是，相鄰光敏傳感器元件間的間距或間隔稍不同于限定可視圖案的對比區域圖像的間隔。如以下將進一步詳述的那樣，這使得本發明能利用莫爾效應來精確測量物體的位移。
根據本發明的該方面，一電路電連接到多個光敏傳感器上，其中將該電路構造成能計算由多個光敏傳感器所產生的電信號，以確定物體的位移。在這方面，該電信號將具體表現為一重復的包絡線圖案，該包絡線圖案由光敏傳感器的間距和可視圖案圖像的間距的差產生。該包絡線有一空間頻率，該頻率大大低于該圖像中可視圖案的頻率或光敏傳感器列陣的頻率，其中圖像中可視圖案的頻率和光敏傳感器列陣的頻率分別等于圖像中相鄰圖案邊界線距離或相鄰光敏傳感器元件間隔開的距離的倒數。在這方面，物體的小橫向運動推動(bearing)可視圖案使更低空間頻率信號包絡線的位置產生一偏移，該運動平行于重復圖案的重復方向。甚至推動可視圖案的物體的微小位移都能易于檢測，因為它們使包絡線圖案產生較大的位移，該包絡線圖案有一較低的空間頻率。包括在成像光學器件的物平面內旋轉的物體運動產生更復雜的包絡線信號的運動，但還能使檢測這些一般性運動的精確度提高。
根據本發明的這個優選實施例，透鏡是一焦闌透鏡。一焦闌透鏡可以包括一孔徑，該孔徑位于第一透鏡或透鏡組之后的焦距處，用以防止一物體區域位置的變化引起放大率變化。可以將第二透鏡置于該孔徑之后一段距離處，該距離等于其焦距長度，用以類似地防止一檢測器聚焦位置的變化也引起放大率變化。焦闌透鏡的各個透鏡沿一中心軸對準。
根據系統應用的需要，另一種替代裝置無需一成像透鏡。在這種形式的裝置中，可以將一物體表面置于接近光敏傳感器列陣的位置，通過該物體提供光照或從該列陣中間的光源提供光照。
根據本發明的另一方面，提供一種用來測量一物體斜度的系統，該系統無需用必須是規則的圖案。在這方面，第一光敏傳感器列陣與一中心軸相靠設置，并且與該中心軸有一夾角。類似地，第二光敏傳感器列陣與該中心軸相靠設置，并且象第一光敏傳感器列陣一樣，與中心軸有一夾角。實際上，第二光敏傳感器列陣所成的夾角與第一光敏傳感器列所成的夾角基本上相反。另外，第一光敏傳感器列陣與第二光敏傳感器列陣設置在焦闌透鏡與物體相對的一側。最后，設置一電路，用以與第一光敏傳感器列陣和第二光敏傳感器列陣進行電通信。將該電路構造成能計算從第一與第二光敏傳感器列陣輸出的電信號，以確定物體的斜度。
在一個實施例中，光敏傳感器列陣可以是一維列陣(例如一列或一行傳感器元件)。在這樣一個實施例中，該系統將檢測物體的一維斜度(例如左右斜度)。在另一實施例中，光敏傳感器列陣可以是二維列陣。在這樣一個實施例中，該系統將檢測二維中任一維斜度或二維斜度。另一方面，可以用一分束器使此對傾斜的列陣能在光學上集中于一中心軸上，而沒有物理干擾。
根據本發明的又一實施例，提供另一種用來在三維空間內跟蹤一目標物運動的系統。根據本發明的這個方面，該系統包括兩個不同的透鏡，這兩個透鏡以一類似但稍有不同的方向取向。更具體地說，沿第一光軸設置具有一較深景深的第一透鏡。類似地，沿第二光軸設置也具有一較深景深的第二透鏡。第二光軸相對于第一光軸稍有一夾角，以使它們不相平行，但是，以這樣一種方式設置它們，即，第一與第二透鏡與有一公共視野，一受跟蹤的目標物位于該視野中。在這方面，第一光敏傳感器列陣基本上與第一光軸垂直設置，而與公共視野相對。同樣，第二光敏傳感器列陣基本上與第二光軸垂直設置，而與公共視野相對。最后，設置電路，用以與第一和第二光敏傳感器列陣進行電通信，其中把該電路構造成能計算從第一和第二光敏傳感器列陣中輸出的電信號，以跟蹤公共視野內一物體的運動。對從光敏傳感器列陣中輸出值的計算可以包括在兩圖像間進行關聯，或可以用更多的直接推斷算法。如上所述，對比圖案可以另外顯示于物體上，以便在使用焦闌透鏡時，或者在平行于光軸的物體位移分量很小而放大率變化受到跟蹤時使橫向位移的莫爾放大率能達到更高的精確度。
如本領域的普通技術人員所公知的那樣，各種系統采用各種類型的關聯技術來測量一運動物體連續圖像間的圖像位移。例如，受讓給本發明受讓人的題為“Method and Device for Tracking RelativeMovement by Correlating Signals from an Array ofPhotoelement”的美國專利US5,729,008、題為“Offset Removal andSpatial Frequency Band Filtering Circuitry for PhotoreceiverSignals”的美國專利US5,703,353、題為“Method and Device forAchieving High Contrast Surface Illumination”的美國專利US5,686,720、題為“Navigation Technique for Detection Movementof Navigation Sensors Relative to an Object”的美國專利US5,644,139以及以上所參照的美國專利US5,578,813都描述了各種關聯技術，它們每個都在此引入以作參考。這些技術可以由本發明新穎的結構采用，這里無需描述它們。
包括在說明書中并且構成說明書一部分的附圖表示出本發明的幾個方面，這些附圖連同說明一起用來解釋本發明的原理。在這些附圖中
圖1A-1C是表示兩組大小相同的同心圓相互間相對橫向移動時的莫爾效應圖；圖2A-2B是表示兩組平行線相互間相對旋轉時的莫爾效應圖；圖3A-3B是表示兩組大小相同的同心三角形相互間相對橫向移動時的莫爾效應圖；圖4A是表示本發明一個實施例的方框圖，該實施例利用一種較簡單水平線圖案的莫爾效應來測量載有該預先印制圖案的物體的位移；圖4B是一類似圖4A所示方框圖的方框圖，但它表示出一種斜線圖案；圖5A和5B是一種用來測量一物體傾斜度的系統圖，根據本發明的另一實施例來構造該系統；圖6A是表示用置于一中央聚焦平面中未傾斜物體的傾斜一維光電傳感器列來檢測到的假設光圖案圖；圖6B是表示用置于一中央聚焦平面之外未傾斜物體的傾斜一維光電傳感器列來檢測到的假設光圖案圖；圖6C是表示用一物體的傾斜一維光電傳感器列陣來檢測到的假設光圖案圖，該物體繞一軸傾斜，該軸平行于光電傳感器列陣的傾斜軸，并且位于中央聚焦平面中，還與光軸相交；圖7是表示用一物體的傾斜二維光電傳感器列陣來檢測到的假設光圖案圖，該物體繞一軸傾斜，該軸垂直于光電傳感器列陣的傾斜軸，并且位于中央聚焦平面中，還與光軸相交；圖8是表示本發明另一實施例的圖，該實施例可以用于三維跟蹤系統。
以上已經概述了本發明的各個方面，現在將如附圖所示詳細說明本發明。盡管將結合附圖描述本發明，不過并不是要將本發明限制在本文所公開的實施例中。相反，本文意圖使所有的變換、修改和等同物都包括在如所附權利要求書所限定的本發明的實質與范圍之內。
參見圖1至3，這些圖表示幾個極簡單的莫爾圖案，或者表示幾個示出莫爾效應的圖案。一般說來，莫爾效應是一種光學現象，這種現象是由兩個(或兩個以上)類周期性或準周期性結構的疊加引起的。例如，當兩個線/空間柵格——把這樣一個柵格視為交替變換一規則重復性暗與亮(或色彩變化)帶(本文通稱線)的任意一維或二維圖案——重疊時，兩柵格各線(或空間)的交點確定稱為莫爾圖案的另一種重復性圖案。雖然莫爾圖案和莫爾效應已為許多資料證明，并且亦為本領域的普通技術人員所了解，但是，為完整和說明起見，這里仍示出幾個簡單的圖案。
在這方面，圖1A至1C用同心圓中一簡單的多帶圖案示出莫爾效應。具體地說，這些圖示出一重疊同心圓圖案，這些同心圓以變化的角度交疊設置。圖1A示出基本上重疊的同心圓，而圖1B示出中心分離更大的圖案，圖1C示出進一步分離的兩個圖案。如圖所示，每幅圖的特征在于，在兩圖案之間有一獨特的交疊，該交疊產生不同的視覺效果。在這些情況中可以注意到的是，顯現的圖案是雙曲線形的曲線。
例如，圖1A中劃出虛線以示出該圖案。圖1A中示出一條中心、基本上垂直的虛線和兩條水平偏移的彎曲(雙曲線)虛線，這兩條虛線沿交疊帶所形成的一個圖案延伸。雖然圖中未示出進一步的虛線，但是，可以觀察到，隨著同心圖案進一步分開(圖1B)，出現更多的圖案，并且曲線的半徑增大。
圖2A和2B示出一莫爾效應，當兩組等間隔平行線或帶相互之間相對旋轉時產生該莫爾效應。如這些圖中所示，當這些線相互以一銳角取向時，它們形成格柵(平行四邊形)，其中平行四邊形的長隨這些線的兩個圖案旋轉至近乎對齊而增大。應注意到，圖2A中垂直通過這些交點的視覺跟蹤線如何產生這樣一種垂直線的圖案，這些垂直線以一較大的距離水平間隔開。其中在圖2B中受到(有意識)跟蹤的類似線變得垂直傾斜，并且更近地間隔開。
圖3A與3B示出線的另一種圖案。在這些圖中，示出一組相同的同心三角形。圖3A中，兩組三角形(沿水平方向)稍有偏離，而圖3B中偏離得更多。一組線條相對于另一組線條的運動再次在一些區域中產生一定的視覺效果，在這些區域中，來自兩圖案的線條相互交疊(從兩圖中僅可看到部分交疊)。大量涉及莫爾圖案的出版物已在數學上對這些圖案進行了說明。不過，如將要根據這里的討論所理解的那樣，本發明并不限于任何所給定的莫爾圖案組，因此，不必在此作進一步的數學討論。只要本領域的普通技術人員能充分理解用來實現本發明概念與教導的相關數學方法就足夠了。
除了上述那些以外，其他類型的莫爾圖案與莫爾效應也是公知的。例如，當兩組等間距平行線交疊時，發生一種不同的莫爾效應。具體地說，當使第一組線條間隔分開的方法稍不同于使第二組線條間隔分開的方法時，若使各線條相互間相對橫向移動——即，沿與這些線條正交的方向移動，則注意到一不同的效果。由這一運動所引起的視覺效果將不同于兩組線條具有相同間間隔所引起的視覺圖案。事實上，間距的小差異會產生一個空間頻率比各個圖案間距頻率低的相交圖案，而更重要的是，這些相交圖案比兩個分離圖案的位移移動得更多。
關于這一點，參見圖4A，該圖示出一系統10的第一實施例，該系統10用來測量位移，它根據本發明構造而成。該系統10以一獨特的方式利用莫爾效應，以便進行詳細的測量計算。本發明的中心是一光電傳感器列陣12，該光電傳感器列陣12包括多個光電傳感器元件。這些光電傳感器以一規則而均勻的距離間隔開，產生一光電傳感器元件圖案的自然間距。
一物體14包括預先印制的可視圖案16。該圖案是一整齊、規則的圖案，例如，它可以印制在物體的表面。對本發明來說，無論該物體是一種基本上為二維的物體如一張紙，還是有圖案16印制于其上的三維物體，都無關緊要——實際上，本發明的主要概念與教導可用于各種領域和環境。本發明的重要之處在于，如所成像的那樣或投射在光敏傳感器列陣上的那樣，預先印制圖案的規則圖案與包括該列陣的光敏傳感器元件的間隔有一密切關系。在這方面，如所描繪或投射在光敏傳感器列陣上的那樣，圖4A中的圖案是一系列等間距平行粗線，這些粗線相互間隔開一定距離，該距離與光敏傳感器中各列(或各行)光敏傳感器元件每隔一個之間的間距稍有不同。
透鏡18設置于光敏傳感器列陣12與物體14之間，用來將預先印制的圖案16投射于該光敏傳感器列陣上。應指出的是，包括該光敏傳感器列陣的元件布局圖形形成第二圖案，第二圖案與物體上預先印制圖案的投射圖像一起，在光敏傳感器列陣的輸出中產生一莫爾效應。這些光敏傳感器元件可以由CCD、CMOS器件或非晶硅器件制成。光敏傳感器列陣12接著電連接到電路20上，將電路20構造成能計算多個光敏傳感器元件的輸出。雖然系統10不必對從光敏傳感器列陣12接收到的電信號作出圖線，但是，圖4A所提供的圖線30表示出電路20從光敏傳感器列陣12接收到的信號值。在這一點上，圖中示出多條離散信號線31、32、33，每條線由一幅值所限定。各個信號幅值對應于從光敏傳感器元件輸出的電信號幅值。在這方面，光敏傳感器元件輸出一電信號，該信號對應于從含該圖案的表面發出的、通過其傳送的、從其上反射的、由其折射的或由其衍射的光線。圖線30示出光敏傳感器列陣12中一行的信號值。
圖4A中所示圖案16由一系列等間距平行粗線構成，這些粗線優選具有相等的標記與空間距離。當這些線之一的圖像或投影對準一光敏傳感器元件時，從該光敏傳感器元件輸出的電信號幅值較小。當物體14開始移動并且這條線的圖像或投影開始偏離其對準該光敏傳感器元件之處時，來自該光敏傳感器元件的電信號幅值開始增大。當該圖案線條與該光敏傳感器元件完全失相時，該電信號的幅值到達最大值。這樣，若這些圖案線條的圖像或投影以一與光敏傳感器元件之間的間距稍有不同的間距分開，則從一行光敏傳感器元件輸出的信號幅值可以如圖線30所示。具體地說，雖然光敏傳感器元件和這些圖案線條的圖像或投影可以相對較緊密地隔開，但是，該圖線限定了一個具有更低空間頻率的信號包絡線。
參考數字20所指代的電路至少部分包括處理電路22，將該處理電路22構造成能計算從光敏傳感器列陣12輸出的信號。在這方面，本發明優選實施例的電路可以包括中央處理單元(CPU)24、存儲器26和一些用來在CPU24上執行的程序編碼。在這一點上，程序編碼存儲于存儲器26內，程序編碼具體為軟件，將其構造成能控制CPU24的工作，以進行與系統10所進行的計算有關的計算。雖然可以以不同的形式具體實現該軟件，但是，該軟件優選包括段28，段28對由光敏傳感器列陣12所產生的信號包絡線34的相位進行計算。
這樣，根據以上所述的系統，物體14非常細微的運動會影響較低空間頻率的相位，否則包絡線34是一種便于計量的方式。也就是說，載有預先印制圖案16的物體14非常細微的運動會導致信號30的包絡線34發生大得多的變化。
可以由圖案16與光敏傳感器列陣12之間的旋轉偏移產生的莫爾圖案能夠受到檢測，并能在算法上受到調節，以產生位移和旋轉的正確測量值。優選的是，透鏡18是一個或兩個透鏡組以及一個光闌，它們構成一焦闌透鏡。如將了解的那樣，采用焦闌透鏡18能使圖案表面偏離透鏡的聚焦平面，而不會對此列的圖像圖案間距有較大影響，否則會改變有效放大率。
雖然圖示說明了光敏傳感器元件的二維列陣，不過可以理解的是，光敏傳感器列陣12也可以是光敏傳感器元件的一維列陣。若唯一的相關測量是物體14的一維運動(例如，左/右運動)，而旋轉對準并不是問題的焦點，則只需一個一維列陣或傳感器元件足以。不過，希望有一個二維光敏傳感器列12(如圖所示)，因為它能測量物體的左/右運動、上/下運動和物體的旋轉運動。
如圖4A與4B中的波形30與130所示，如成像于或投射于光敏傳感器列陣上的那樣，可視圖案的間距與光敏傳感器的間距之差引起重復的包絡線圖案34和134。這些包絡線34、134在波形30、130中受到反射。如圖所示，包絡線有一空間頻率，該空間頻率大大低于所成像(或所投射)的可視圖案或光敏傳感器列陣的頻率，而所成像或所投射的可視圖案和光敏傳感器列陣的頻率分別等于一個距離的倒數，該距離是相鄰所成像或所投射的圖案界限分開的距離，或者是相鄰光敏傳感器元件分開的距離。在這方面，載有可視圖案物體的橫向運動使較低空間頻率信號包絡線的位置產生偏移，該橫向運動平行于重復圖案的重復方向。甚至載有可視圖案物體的細微運動都可易于受到檢測，因為它們使一包絡線產生較大的位移，該包絡線的空間頻率低于列陣輪廓的空間頻率或者所成像或所投射圖案的空間頻率。
圖4A與4B將可視圖案表示為線性，而將光敏傳感器列陣表示為二維。不過，如本領域普通技術人員會理解的那樣，也可以實現符合本發明概念與教導的其他形狀和結構。在這一點上，預先印制的圖案可以是一同心圓結構(見圖1A-1C)、一同心三角形結構(見圖3A-3B)或各種其他結構。圖示線性結構可以是優選的，因為該線路所要求的處理過程一般應比實施一更復雜結構時的處理過程簡單。
如本領域的普通技術人員會理解的那樣，本發明還可以用來利用莫爾放大作用測量放大率變化。在這方面，對于不是焦闌型的透鏡來說，理想場平面內或外的物體面的運動使放大率產生變化，放大率的變化可以通過利用莫爾包絡線得到精確地測量，以檢測出物體表面上一規則圖案的間距相對于光敏傳感器列陣中象素圖案間距的變化。顯微鏡是可以利用本發明該特征的設備實例。例如，本發明可以用于一顯微鏡中，該顯微鏡有一內置光敏傳感器列陣成像器和一校準物體表面上的校準圖案。
本發明的另一方面用來提供一種測量一器件斜度的系統。在這方面，參見圖5A和5B，此二圖示出根據本發明另一方面構造的斜度測量系統。這些圖中，圖5A示出把來自第一焦面160的圖像投射到兩個光敏傳感器列陣156和158上，而圖5B示出把來自第二焦面162的圖像投射到兩個光敏傳感器列陣156和158上。根據這一方面，該系統包括一焦闌透鏡150，如上所述，該焦闌透鏡150包括一對透鏡151、152和孔徑光闌(aperture stop)153，孔徑光闌153使具有可視圖案的物體表面能偏離透鏡150的中間焦面161，而不會因有效放大率的變化顯著影響該列陣上圖像圖案的間距，但是可能很模糊。焦闌透鏡150的各個透鏡151、152和孔徑光闌153沿一中心軸對準。平面161上的物體點在圖像平面157上的焦點處最清晰，而在其他處模糊。第一光敏傳感器列陣156與中心軸154相靠設置，并且與該中心軸有一夾角。類似地，第二光敏傳感器列158與中心軸154相靠設置，并且象第一光敏傳感器列陣156一樣，與中心軸154有一夾角。實際上，第二光敏傳感器列陣158所成的夾角與第一光敏傳感器列陣156所成的夾角基本上相反。另外，第一光敏傳感器列陣與第二光敏傳感器列陣設置在焦闌透鏡150與物體(圖中未示)相對的一側以及軸154的相對兩側。這樣，任何與平面160、161或162相平行的平面上的物體點都會在兩列陣156和158上的某些共軛圖像點處最清晰，而在與含軸154并與圖像平面正交的平面相距其他距離處的物體點會模糊。最后，設置一電路164，用以與第一光敏傳感器列陣和第二光敏傳感器列陣進行電通信。將電路164構造成能局域計算來自從第一與第二光敏傳感器列陣156、158輸出的電信號的相對構象對比度(imagecontrasts)，以確定物體的斜度。
如圖所示，第一與第二光敏傳感器列陣156與158成一定夾角，以實現第一圖像平面160與第二圖像平面162之間所設置的至少一部分物體表面聚焦狀態最佳。如圖所示，光敏傳感器列陣156和158的上部對應于第一焦面160，而光敏傳感器列陣156和158的下部對應于第二焦面162。即，與第一焦面160一致的物體圖像會由透鏡150投射，以在光敏傳感器列陣的上部最清晰。這樣，如同5A所示，位于焦面160上而在軸154之外的點穿過透鏡150投射，在與光敏傳感器列陣上部相對應的點處聚焦狀態最佳。相反，位于焦面162上而在軸154之外的點穿過透鏡150投射，在與光敏傳感器列陣下部相對應的點處聚焦狀態最佳。若一物體的一部分位于焦面160與162之間的平面161上，則來自這些點的物體上各點在列陣156和158與共軛平面157的相交點處聚焦狀態最佳，這些點比圖中所示那些點距軸154更近。可知，焦面160與162之間的間隔由光敏傳感器列陣156與158的大小與夾角位置以及透鏡150的景深(depth of field)確定。這樣，焦面160與162之間的間隔將隨光敏傳感器列陣156與158的大小(長度)(在一給定夾角情況下)增大和隨光敏傳感器列陣的水平夾角(在一給定長度情況下)增大而增大。
設置電路164以接收和計算光敏傳感器列陣156與158所產生的電信號。在這方面，電路164優選包括一處理器(圖中未示)，該處理器可以構造成能執行控制處理器操作的編碼段，用以計算從光敏傳感器列陣156和158接收到的信號，從而如本文總述的那樣，完成該系統的操作。
如將結合圖6A、6B、6C和7詳細描述的那樣，光敏傳感器列陣156與158的交叉結構使得該系統能確定一物體表面是否是水平的(即，與焦面160、161和162相平行)，或是傾斜的。如本領域的普通技術人員可以理解的那樣，圖5A和5B的系統有各種應用。
不過，該系統將通過檢測設置于第一焦面160與第二焦面162之間一物體表面上的亮圖案(light pattern)來檢測該系統的表面。如本領域的普通技術人員可以理解的那樣，該物體上的圖案可以是一個生成的圖案，該圖案預先印制在該物體上。另一方面，它可以是一表面圖案，這種圖案是材料本身固有的圖案，例如普通紙的纖維圖案。換句話說，它可以是設置在物體上的一種天然圖案或所創造的圖案。在這方面，該圖案可以是一種天然材料圖案，這是該物體的材料與結構有關的固有特性。“與結構有關的固有特性”在這里是指天然特性，這種特性基于一些因素，這些因素與成像數據和/或關于天然材料的規則配準(systematic registration)數據無關。“固有結構特征”這里是指一天然材料的那些特征，那些特征的特點是形成天然材料的過程，它們與成像數據和/或關于天然材料的規則配準數據無關。固有結構特征常為微觀的表面紋理特征，例如在1～100μm之間。
在一個實施例中，光敏傳感器列陣可以是一維列陣(例如，一列或一行光敏傳感器元件)。在這樣一個實施例中，該系統將檢測一維物體的斜度(即左右斜度)。在另一實施例中，光敏傳感器列陣可以是二維列陣。在這樣一個實施例中，該系統將檢測二維列陣中任一或全部的斜度。在這方面，圖6A和6B示出采用一維光敏傳感器列陣的系統，而圖7A和7B示出采用二維光敏傳感器列陣的系統。
為了更好地說明圖5A和5B中系統的工作，現在參照圖6A，圖6A示出第一光敏傳感器列陣156和第二傳感器列陣158以及分別由光敏傳感器列陣156和158所檢測到的光強圖166和168。為了簡化說明，假定光敏傳感器列陣156和158中的每一個都是一維列陣，每列陣都有十七個光敏傳感器元件。每個光敏傳感器元件產生一個電信號，該電信號對應于該光敏傳感器元件所接收的光強。在組166和168中示出一假想實例。具體地說，這些組中的每一個都有十七個獨立的分組。這些分組中的陰影代表投射到該光敏傳感器元件上的光線。這樣，組166和168的最右端分組和最左端分組不含陰影，它們代表較低對比度的區域。中間的分組包括交替明暗的分組，它們表示這些光敏傳感器列陣中較高的對比度。因而，物體的圖像在列陣166和168的中間區域清晰。可以理解的是，這些圖中所示的實例是一極其簡單的實例，僅為了進行說明而簡化了它。實際上，光敏傳感器元件將有含模擬輸出的模擬特征，因此將支持改變光強和焦點的全光譜(infinitespectrum)。而且，實際上，將會有比圖6A和6B中較少的十七個元件多得多的光敏傳感器元件。按照圖示最佳對比度位置的解釋是必須將物體置于與平面161同平面的位置(見圖5A和5B)。
對本發明來說，各種光敏傳感器元件的最佳聚焦對比度的特定強度并不重要，而只有其相對于該列中其他位置的強度才很重要。
相反，如圖6B所示，第一與第二光敏傳感器列陣156與158光敏傳感器元件的最高對比度區域(如由組166和168所示)以相反方向從中央向外偏移。光敏傳感器列陣156(組166)中的高對比度圖案移至右端的同時，光敏傳感器列陣158(組168)中的高對比度圖案移至左端，這表示物體的表面水平或與焦面160、161和162平行，但是離平面160最近。光敏傳感器元件相差的程度將由電路164來計算，以確定目標物的傾斜幅度。
圖6C示出物體關于一軸的斜度，該軸位于平面161內并且與紙面垂直。如圖所示，組166和168中所反射的對比度代表關于一軸的斜度，該斜度令物體更接近平行于列156而更不平行于列158。
簡要參見圖7，圖7類似于圖6A中的表示，但是圖7所示的實施例采用兩個二維光敏傳感器列陣256和258。組266和268代表分別由光敏傳感器列陣256和258所檢測的對比度強度。如圖所示，圖7中各組266和268的對比分組表示物體表面包括平面161與圖7中平面之間的交線，但是該交線關于一條線傾斜，該線作為旋轉軸。
雖然圖中未示，但是，可以將一分束器插入到透鏡150與列陣156、158之間，并且重新放置光敏傳感器列陣156和158，以便它們都能看到物體表面的相同區域。在該優選實施例中，列陣156和158橫向偏離，以便它們能看到物體表面的橫向偏離區域。雖然對于檢測物體斜度(尤其在物體表面是平面的情況下)來說，這樣一種結構通常是可以接受的，不過在某些環境下希望使列陣156、158能看到相同的物體區域。透鏡150與列陣156、158之間一分束器的適當結構會實現這一目的。
如可以理解的那樣，使用二維光敏傳感器列陣256和258便于沿兩個不同方向中的每個方向檢測斜度。而且，本領域的普通技術人員可以理解的是，這些列陣能以與這里所述的方式不同的方式傾斜。此外，棱鏡可以用來提供使列陣傾斜的作用，其中隨后這些列陣可以共面或者甚至變成一個更大列陣的各部分。例如，可以以一不傾斜(水平)的方式設置這些列陣，而將棱鏡置于這些列陣與物體之間(優選與這些列相鄰)。可以將棱鏡的形狀制成或將棱鏡構造成能改變穿過它們的光的方向，從而賦予這些列“有效的”斜度。例如，可以將一楔形棱鏡置于兩列陣中每列陣之前。這樣，可以將該系統的剩余部分構造成能如本文所述的那樣工作。
在另一結構中，可以采用單獨一個圓形光敏傳感器列陣(也可能有一圓形對稱棱鏡)。光敏傳感器元件可以在該整個列陣中分布。由各種光敏傳感器元件所檢測到的圖像對比度可以受到計算并被相互關聯，以確定一物體表面的斜度。在另一結構中，采用一具有圓錐坐標的三維列陣或一具有圓坐標的二維列陣和一倒錐形棱鏡。但是，本發明的這些變化全部在這里所述的廣義概念與教導范圍之內，無需作進一步的具體描述。
參見圖8，圖8示出本發明的又一實施例。根據本發明的該實施例，該系統包括兩個不同的透鏡372和374，這兩個透鏡以一類似但稍有不同的方向取向。更具體地說，沿第一光軸373設置具有一較深景深的第一透鏡372。類似地，沿第二光軸375設置也具有一較深景深的第二透鏡374。第二光軸375相對于第一光軸373稍有一夾角，以使它們不相平行，但是，以這樣一種方式設置它們，即，第一與第二透鏡372與374有一公共視野，一受跟蹤的目標物383位于該視野中。在這方面，第一光敏傳感器列陣356基本上與第一光軸373垂直設置，而與公共視野相對。同樣，第二光敏傳感器列陣358基本上與第二光軸375垂直設置，而與公共視野相對。最后，設置電路364，用以與第一和第二光敏傳感器列陣356和358進行電通信，其中把電路364構造成能計算從第一和第二光敏傳感器列陣356和358中輸出的電信號，以跟蹤公共視野內一物體383的運動。
優選的是，放置透鏡372和374以使光敏傳感器列陣356和358具有從近物體平面374至遠物體平面378的較深景深范圍。如圖所示，光軸373和375相互之間有夾角，它們在物體區域377內的點383處相交。如本領域的普通技術人員可理解的那樣，可以如此構造圖8中的系統，即，對于位于物體平面377內的點383處的物體來說，光敏傳感器列陣356和358所接收的圖像幾乎相同，但由透視差別所引起的小差別除外。
但是，若這樣一個物體移動到物體平面377之外而至一新的物體平面(在平面376和378或于二者之間)，則由光敏傳感器列陣356和358所接收到的各圖像將在其圖像框架(images frames)的平面內偏移。這種偏移的方向和幅度表示出物體平面間的位移。通過第一觀察來揭示這種偏移，即，兩個光敏傳感器列陣356和358的圖像框架中心將與物體點383的各個圖像相一致，物體點383位于兩個光軸373和375相交之處。當一物體表面從含該交點383的物體平面移至另一物體平面例如近物體平面376或遠物體平面378時，移至這些列陣中心的物體表面上的各點變成兩個點近物體平面376上的386和382，遠物體平面378上的388和384。對兩列陣間圖像偏移之差的測量可以用來說明物體表面的三維運動。在這方面，對圖像偏移的測量可以用例如一處理電路364來進行，處理電路364通過在連續圖像或它們的子圖像之間用關聯技術來執行上述測量，或者通過圖像移動跟蹤領域的那些普通技術人員所公知和能理解的直接推斷技術來執行上述測量。
前述說明并不是窮盡的或者將本發明限制在所公開的嚴格形式中。根據以上的教導，可以作明顯的修改和變換。在這方面，選擇并描述所討論的各個實施例，以便對本發明的原理作最佳的說明，還提供其實際應用，從而使本領域的普通技術人員能將本發明用于各種實施例，并且作各種修改以適用于預期的特定用途。當根據對所附權利要求公正而合法地賦予的寬度來解釋時，所有這些修改和變換都在如所附權利要求書所確定的本發明的范圍之內。
權利要求
1.一種用來測量一物體(14)位移的系統(10)，包括一物體(14)，它具有一顯示一可視圖案(16)的表面區域，將所述圖案作為一圖像圖案投射到多個光敏傳感器(12)上，所述圖像圖案包括輻射強度的規則變化；所述多個光敏傳感器(12)以一類似于上述圖像圖案的結構均勻間隔開；和一電路(20)，它與多個光敏傳感器電連接，將該電路構造成能計算由多個光敏傳感器(12)所產生的電信號，以確定物體(14)的位移。
2.如權利要求1所述的系統，還包括一透鏡(18)，設置該透鏡(18)以將物體的圖案作為一圖像圖案投射到多個光敏傳感器(12)上。
3.如權利要求1所述的系統，其中物體(14)的位移包括平動位移。
4.如權利要求1所述的系統，其中物體(14)的位移包括旋轉位移。
5.如權利要求1所述的系統，其中可視圖案(16)是一系列平行的線性標記，它們均勻地間隔開。
6.如權利要求1所述的系統，其中多個光敏傳感器(12)設置于一個列陣中。
7.如權利要求5所述的系統，光敏傳感器(12)之間的均勻間隔稍微不同于平行的線性標記(16)之間的均勻間隔。
8.如權利要求1所述的系統，其中電路(20)包括一中央處理單元(24)和一存儲器(26)。
9.一種用來測量一物體斜度的系統，包括一焦闌透鏡(150)；第一光敏傳感器列陣(156)，沿焦闌透鏡(150)的中心軸(154)設置；第二光敏傳感器列陣(158)，沿中心軸(154)設置，并且相對于第一光敏傳感器列陣(156)有夾角；和一電路(164)，它與第一光敏傳感器列陣(156)和第二光敏傳感器列陣(158)進行電通信，將電路(164)構造成能計算從第一光敏傳感器列陣(156)和第二光敏傳感器列陣(158)中輸出的電信號，以確定物體的斜度。
10.如權利要求9所述的系統，其中焦闌透鏡(150)包括一對透鏡(151、152)，它們沿一中心軸(154)對齊。
全文摘要
本發明一般涉及一種用來測量一物體位移的系統。在一個實施例中,本發明利用莫爾效應來精確測量一物體的位移。在這方面,將一可視圖案設置于一物體上,而多個光敏傳感器距可視圖案均勻間隔開。光敏傳感器之間的間隔稍不同于形成可視圖案投影或圖像的線條間隔。這使得本發明能利用莫爾效應來準確計算物體的精確位移或運動。而且,一個或更多光敏傳感器列陣的各種結構和某些相互成夾角的光學器件用來測量三維的物體位移和旋轉。
文檔編號G01D5/26GK1247972SQ9911049
公開日2000年3月22日 申請日期1999年7月16日 優先權日1998年9月17日
發明者B·J·圖利斯 申請人:惠普公司
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