专利名称：用来测量位移的系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及测量系统，尤其涉及用来测量其上预先印有规则图案的物体位移的系统。
现已有各种众所周知的系统，在这些系统中，检测和/或测量物体的位置或位移很重要。例如，在已受让给本发明的受让人并且也是由本发明的发明人共同发明的美国专利US5,578,813中公开了一种系统，该系统是一种用来确定一手持扫描仪与一网状材料(web ofmaterial)(即，纸张)之间相对位移的系统和方法。具体地说，该系统利用一种照明/成像传感器，通过识别网状材料与结构有关的特性来检测扫描仪与网状材料之间相对位移。网状材料内在的与结构有关的特性(如纸纤维或其他成分)用来导引，即，用来标识扫描仪的导引路径，以便所扫描的图像能通过电子方法重建。
在美国专利US5,291,131中公开了另一种系统，该系统公开了一种用来测量一环链(circulating chain)伸长率(由元件磨损(component wear)、拉伸等等产生的伸长率)的设备。其中所公开的系统采用了两个传感器(例如磁传感器或光学传感器)，这两个传感器沿环链路径以一预定距离相互间隔设置。根据所计算出的移动物体的速度以及从第一指针经过第一传感器到第二指针经过第二传感器的时间，计算这两个指针之间的距离。通过在整个时间段内连续观察，并且比较所计算出的距离，可以测量出环链伸长率。另外，在该’131专利之前的类似系统包括那些公开于美国专利US4,198,758和US4,274,783中的系统，这两个专利的题目皆为“Chain Measuring andConveyor Control System”，并且都由本发明的发明人共同发明。
如本领域中众所周知的那样，某些喷墨打印机的打印头构造成横跨纸张的打印宽度移动。油墨从打印头向纸张的沉积一部分根据打印头的位置信息严格受控。在一些这样的打印机中，通过横跨纸张宽度所覆盖的空间拉伸一种透明材料片来获得该位置信息。使这种材料片穿过打印头的一个槽，它含周期性间隔开的分界线。在该槽的两端设置一光学发射器/探测器对(optical emitter/detector pair)，该装置构造成能统计分界线。通过保持一准确的分界线统计数，该系统能够保持与打印头沿纸张上位置有关的信息。在这样一种系统中，材料片保持静止，而发射器/探测器对(使它固定到打印头上)相对于该材料片移动。
在如以上所述的那些系统中，也象许多其他系统一样，希望能获得准确和精确的物体位移测量值。因此，希望提供一种装置和方法，它能有效地测量物体的位移。
本发明的某些目的、优点和新颖的特征将在以下的说明中部分表示出，而根据对以下说明的检验，上述内容的一部分对于本领域的普通技术人员来说将变得很明显，或者可以借助本发明的实际应用来了解它们。本发明的目的和优点可以借助所附权利要求书中特别指出的器件和结合物来实现和得到。
为实现这些优点和新颖的特征，本发明一般涉及一种用来测量一物体位移的系统。根据本发明的一个方面，该系统包括一物体，在该物体上设置有一可视图案(术语“可视图案”将用于通篇内容以代表用一光敏传感器列阵所检测到的任何图案，而不管所涉及的光照在可视光谱的范围之内与否)。在这方面，该图案由规则交变的对比度(例如黑色和白色或其他颜色)的各区域限定。多个光敏传感器距可视图案均匀地间隔开，它们还以一类似于可视图案的结构进一步设置。在这方面，若可视图案是一重复的圆形图案，则光敏传感器以一重复的圆形图案设置。若可视图案是多个平行的线性边界线，则多个光敏传感器可以以一线性列阵设置。设置一透镜，用以将可视图案成像于多个光敏传感器上。优选的是，相邻光敏传感器元件间的间距或间隔稍不同于限定可视图案的对比区域图像的间隔。如以下将进一步详述的那样，这使得本发明能利用莫尔效应来精确测量物体的位移。
根据本发明的该方面，一电路电连接到多个光敏传感器上，其中将该电路构造成能计算由多个光敏传感器所产生的电信号，以确定物体的位移。在这方面，该电信号将具体表现为一重复的包络线图案，该包络线图案由光敏传感器的间距和可视图案图像的间距的差产生。该包络线有一空间频率，该频率大大低于该图像中可视图案的频率或光敏传感器列阵的频率，其中图像中可视图案的频率和光敏传感器列阵的频率分别等于图像中相邻图案边界线距离或相邻光敏传感器元件间隔开的距离的倒数。在这方面，物体的小横向运动推动(bearing)可视图案使更低空间频率信号包络线的位置产生一偏移，该运动平行于重复图案的重复方向。甚至推动可视图案的物体的微小位移都能易于检测，因为它们使包络线图案产生较大的位移，该包络线图案有一较低的空间频率。包括在成像光学器件的物平面内旋转的物体运动产生更复杂的包络线信号的运动，但还能使检测这些一般性运动的精确度提高。
根据本发明的这个优选实施例，透镜是一焦阑透镜。一焦阑透镜可以包括一孔径，该孔径位于第一透镜或透镜组之后的焦距处，用以防止一物体区域位置的变化引起放大率变化。可以将第二透镜置于该孔径之后一段距离处，该距离等于其焦距长度，用以类似地防止一检测器聚焦位置的变化也引起放大率变化。焦阑透镜的各个透镜沿一中心轴对准。
根据系统应用的需要，另一种替代装置无需一成像透镜。在这种形式的装置中，可以将一物体表面置于接近光敏传感器列阵的位置，通过该物体提供光照或从该列阵中间的光源提供光照。
根据本发明的另一方面，提供一种用来测量一物体斜度的系统，该系统无需用必须是规则的图案。在这方面，第一光敏传感器列阵与一中心轴相靠设置，并且与该中心轴有一夹角。类似地，第二光敏传感器列阵与该中心轴相靠设置，并且象第一光敏传感器列阵一样，与中心轴有一夹角。实际上，第二光敏传感器列阵所成的夹角与第一光敏传感器列所成的夹角基本上相反。另外，第一光敏传感器列阵与第二光敏传感器列阵设置在焦阑透镜与物体相对的一侧。最后，设置一电路，用以与第一光敏传感器列阵和第二光敏传感器列阵进行电通信。将该电路构造成能计算从第一与第二光敏传感器列阵输出的电信号，以确定物体的斜度。
在一个实施例中，光敏传感器列阵可以是一维列阵(例如一列或一行传感器元件)。在这样一个实施例中，该系统将检测物体的一维斜度(例如左右斜度)。在另一实施例中，光敏传感器列阵可以是二维列阵。在这样一个实施例中，该系统将检测二维中任一维斜度或二维斜度。另一方面，可以用一分束器使此对倾斜的列阵能在光学上集中于一中心轴上，而没有物理干扰。
根据本发明的又一实施例，提供另一种用来在三维空间内跟踪一目标物运动的系统。根据本发明的这个方面，该系统包括两个不同的透镜，这两个透镜以一类似但稍有不同的方向取向。更具体地说，沿第一光轴设置具有一较深景深的第一透镜。类似地，沿第二光轴设置也具有一较深景深的第二透镜。第二光轴相对于第一光轴稍有一夹角，以使它们不相平行，但是，以这样一种方式设置它们，即，第一与第二透镜与有一公共视野，一受跟踪的目标物位于该视野中。在这方面，第一光敏传感器列阵基本上与第一光轴垂直设置，而与公共视野相对。同样，第二光敏传感器列阵基本上与第二光轴垂直设置，而与公共视野相对。最后，设置电路，用以与第一和第二光敏传感器列阵进行电通信，其中把该电路构造成能计算从第一和第二光敏传感器列阵中输出的电信号，以跟踪公共视野内一物体的运动。对从光敏传感器列阵中输出值的计算可以包括在两图像间进行关联，或可以用更多的直接推断算法。如上所述，对比图案可以另外显示于物体上，以便在使用焦阑透镜时，或者在平行于光轴的物体位移分量很小而放大率变化受到跟踪时使横向位移的莫尔放大率能达到更高的精确度。
如本领域的普通技术人员所公知的那样，各种系统采用各种类型的关联技术来测量一运动物体连续图像间的图像位移。例如，受让给本发明受让人的题为“Method and Device for Tracking RelativeMovement by Correlating Signals from an Array ofPhotoelement”的美国专利US5,729,008、题为“Offset Removal andSpatial Frequency Band Filtering Circuitry for PhotoreceiverSignals”的美国专利US5,703,353、题为“Method and Device forAchieving High Contrast Surface Illumination”的美国专利US5,686,720、题为“Navigation Technique for Detection Movementof Navigation Sensors Relative to an Object”的美国专利US5,644,139以及以上所参照的美国专利US5,578,813都描述了各种关联技术，它们每个都在此引入以作参考。这些技术可以由本发明新颖的结构采用，这里无需描述它们。
包括在说明书中并且构成说明书一部分的附图表示出本发明的几个方面，这些附图连同说明一起用来解释本发明的原理。在这些附图中
图1A-1C是表示两组大小相同的同心圆相互间相对横向移动时的莫尔效应图；图2A-2B是表示两组平行线相互间相对旋转时的莫尔效应图；图3A-3B是表示两组大小相同的同心三角形相互间相对横向移动时的莫尔效应图；图4A是表示本发明一个实施例的方框图，该实施例利用一种较简单水平线图案的莫尔效应来测量载有该预先印制图案的物体的位移；图4B是一类似图4A所示方框图的方框图，但它表示出一种斜线图案；图5A和5B是一种用来测量一物体倾斜度的系统图，根据本发明的另一实施例来构造该系统；图6A是表示用置于一中央聚焦平面中未倾斜物体的倾斜一维光电传感器列来检测到的假设光图案图；图6B是表示用置于一中央聚焦平面之外未倾斜物体的倾斜一维光电传感器列来检测到的假设光图案图；图6C是表示用一物体的倾斜一维光电传感器列阵来检测到的假设光图案图，该物体绕一轴倾斜，该轴平行于光电传感器列阵的倾斜轴，并且位于中央聚焦平面中，还与光轴相交；图7是表示用一物体的倾斜二维光电传感器列阵来检测到的假设光图案图，该物体绕一轴倾斜，该轴垂直于光电传感器列阵的倾斜轴，并且位于中央聚焦平面中，还与光轴相交；图8是表示本发明另一实施例的图，该实施例可以用于三维跟踪系统。
以上已经概述了本发明的各个方面，现在将如附图所示详细说明本发明。尽管将结合附图描述本发明，不过并不是要将本发明限制在本文所公开的实施例中。相反，本文意图使所有的变换、修改和等同物都包括在如所附权利要求书所限定的本发明的实质与范围之内。
参见图1至3，这些图表示几个极简单的莫尔图案，或者表示几个示出莫尔效应的图案。一般说来，莫尔效应是一种光学现象，这种现象是由两个(或两个以上)类周期性或准周期性结构的叠加引起的。例如，当两个线/空间栅格——把这样一个栅格视为交替变换一规则重复性暗与亮(或色彩变化)带(本文通称线)的任意一维或二维图案——重叠时，两栅格各线(或空间)的交点确定称为莫尔图案的另一种重复性图案。虽然莫尔图案和莫尔效应已为许多资料证明，并且亦为本领域的普通技术人员所了解，但是，为完整和说明起见，这里仍示出几个简单的图案。
在这方面，图1A至1C用同心圆中一简单的多带图案示出莫尔效应。具体地说，这些图示出一重叠同心圆图案，这些同心圆以变化的角度交叠设置。图1A示出基本上重叠的同心圆，而图1B示出中心分离更大的图案，图1C示出进一步分离的两个图案。如图所示，每幅图的特征在于，在两图案之间有一独特的交叠，该交叠产生不同的视觉效果。在这些情况中可以注意到的是，显现的图案是双曲线形的曲线。
例如，图1A中划出虚线以示出该图案。图1A中示出一条中心、基本上垂直的虚线和两条水平偏移的弯曲(双曲线)虚线，这两条虚线沿交叠带所形成的一个图案延伸。虽然图中未示出进一步的虚线，但是，可以观察到，随着同心图案进一步分开(图1B)，出现更多的图案，并且曲线的半径增大。
图2A和2B示出一莫尔效应，当两组等间隔平行线或带相互之间相对旋转时产生该莫尔效应。如这些图中所示，当这些线相互以一锐角取向时，它们形成格栅(平行四边形)，其中平行四边形的长随这些线的两个图案旋转至近乎对齐而增大。应注意到，图2A中垂直通过这些交点的视觉跟踪线如何产生这样一种垂直线的图案，这些垂直线以一较大的距离水平间隔开。其中在图2B中受到(有意识)跟踪的类似线变得垂直倾斜，并且更近地间隔开。
图3A与3B示出线的另一种图案。在这些图中，示出一组相同的同心三角形。图3A中，两组三角形(沿水平方向)稍有偏离，而图3B中偏离得更多。一组线条相对于另一组线条的运动再次在一些区域中产生一定的视觉效果，在这些区域中，来自两图案的线条相互交叠(从两图中仅可看到部分交叠)。大量涉及莫尔图案的出版物已在数学上对这些图案进行了说明。不过，如将要根据这里的讨论所理解的那样，本发明并不限于任何所给定的莫尔图案组，因此，不必在此作进一步的数学讨论。只要本领域的普通技术人员能充分理解用来实现本发明概念与教导的相关数学方法就足够了。
除了上述那些以外，其他类型的莫尔图案与莫尔效应也是公知的。例如，当两组等间距平行线交叠时，发生一种不同的莫尔效应。具体地说，当使第一组线条间隔分开的方法稍不同于使第二组线条间隔分开的方法时，若使各线条相互间相对横向移动——即，沿与这些线条正交的方向移动，则注意到一不同的效果。由这一运动所引起的视觉效果将不同于两组线条具有相同间间隔所引起的视觉图案。事实上，间距的小差异会产生一个空间频率比各个图案间距频率低的相交图案，而更重要的是，这些相交图案比两个分离图案的位移移动得更多。
关于这一点，参见图4A，该图示出一系统10的第一实施例，该系统10用来测量位移，它根据本发明构造而成。该系统10以一独特的方式利用莫尔效应，以便进行详细的测量计算。本发明的中心是一光电传感器列阵12，该光电传感器列阵12包括多个光电传感器元件。这些光电传感器以一规则而均匀的距离间隔开，产生一光电传感器元件图案的自然间距。
一物体14包括预先印制的可视图案16。该图案是一整齐、规则的图案，例如，它可以印制在物体的表面。对本发明来说，无论该物体是一种基本上为二维的物体如一张纸，还是有图案16印制于其上的三维物体，都无关紧要——实际上，本发明的主要概念与教导可用于各种领域和环境。本发明的重要之处在于，如所成像的那样或投射在光敏传感器列阵上的那样，预先印制图案的规则图案与包括该列阵的光敏传感器元件的间隔有一密切关系。在这方面，如所描绘或投射在光敏传感器列阵上的那样，图4A中的图案是一系列等间距平行粗线，这些粗线相互间隔开一定距离，该距离与光敏传感器中各列(或各行)光敏传感器元件每隔一个之间的间距稍有不同。
透镜18设置于光敏传感器列阵12与物体14之间，用来将预先印制的图案16投射于该光敏传感器列阵上。应指出的是，包括该光敏传感器列阵的元件布局图形形成第二图案，第二图案与物体上预先印制图案的投射图像一起，在光敏传感器列阵的输出中产生一莫尔效应。这些光敏传感器元件可以由CCD、CMOS器件或非晶硅器件制成。光敏传感器列阵12接着电连接到电路20上，将电路20构造成能计算多个光敏传感器元件的输出。虽然系统10不必对从光敏传感器列阵12接收到的电信号作出图线，但是，图4A所提供的图线30表示出电路20从光敏传感器列阵12接收到的信号值。在这一点上，图中示出多条离散信号线31、32、33，每条线由一幅值所限定。各个信号幅值对应于从光敏传感器元件输出的电信号幅值。在这方面，光敏传感器元件输出一电信号，该信号对应于从含该图案的表面发出的、通过其传送的、从其上反射的、由其折射的或由其衍射的光线。图线30示出光敏传感器列阵12中一行的信号值。
图4A中所示图案16由一系列等间距平行粗线构成，这些粗线优选具有相等的标记与空间距离。当这些线之一的图像或投影对准一光敏传感器元件时，从该光敏传感器元件输出的电信号幅值较小。当物体14开始移动并且这条线的图像或投影开始偏离其对准该光敏传感器元件之处时，来自该光敏传感器元件的电信号幅值开始增大。当该图案线条与该光敏传感器元件完全失相时，该电信号的幅值到达最大值。这样，若这些图案线条的图像或投影以一与光敏传感器元件之间的间距稍有不同的间距分开，则从一行光敏传感器元件输出的信号幅值可以如图线30所示。具体地说，虽然光敏传感器元件和这些图案线条的图像或投影可以相对较紧密地隔开，但是，该图线限定了一个具有更低空间频率的信号包络线。
参考数字20所指代的电路至少部分包括处理电路22，将该处理电路22构造成能计算从光敏传感器列阵12输出的信号。在这方面，本发明优选实施例的电路可以包括中央处理单元(CPU)24、存储器26和一些用来在CPU24上执行的程序编码。在这一点上，程序编码存储于存储器26内，程序编码具体为软件，将其构造成能控制CPU24的工作，以进行与系统10所进行的计算有关的计算。虽然可以以不同的形式具体实现该软件，但是，该软件优选包括段28，段28对由光敏传感器列阵12所产生的信号包络线34的相位进行计算。
这样，根据以上所述的系统，物体14非常细微的运动会影响较低空间频率的相位，否则包络线34是一种便于计量的方式。也就是说，载有预先印制图案16的物体14非常细微的运动会导致信号30的包络线34发生大得多的变化。
可以由图案16与光敏传感器列阵12之间的旋转偏移产生的莫尔图案能够受到检测，并能在算法上受到调节，以产生位移和旋转的正确测量值。优选的是，透镜18是一个或两个透镜组以及一个光阑，它们构成一焦阑透镜。如将了解的那样，采用焦阑透镜18能使图案表面偏离透镜的聚焦平面，而不会对此列的图像图案间距有较大影响，否则会改变有效放大率。
虽然图示说明了光敏传感器元件的二维列阵，不过可以理解的是，光敏传感器列阵12也可以是光敏传感器元件的一维列阵。若唯一的相关测量是物体14的一维运动(例如，左/右运动)，而旋转对准并不是问题的焦点，则只需一个一维列阵或传感器元件足以。不过，希望有一个二维光敏传感器列12(如图所示)，因为它能测量物体的左/右运动、上/下运动和物体的旋转运动。
如图4A与4B中的波形30与130所示，如成像于或投射于光敏传感器列阵上的那样，可视图案的间距与光敏传感器的间距之差引起重复的包络线图案34和134。这些包络线34、134在波形30、130中受到反射。如图所示，包络线有一空间频率，该空间频率大大低于所成像(或所投射)的可视图案或光敏传感器列阵的频率，而所成像或所投射的可视图案和光敏传感器列阵的频率分别等于一个距离的倒数，该距离是相邻所成像或所投射的图案界限分开的距离，或者是相邻光敏传感器元件分开的距离。在这方面，载有可视图案物体的横向运动使较低空间频率信号包络线的位置产生偏移，该横向运动平行于重复图案的重复方向。甚至载有可视图案物体的细微运动都可易于受到检测，因为它们使一包络线产生较大的位移，该包络线的空间频率低于列阵轮廓的空间频率或者所成像或所投射图案的空间频率。
图4A与4B将可视图案表示为线性，而将光敏传感器列阵表示为二维。不过，如本领域普通技术人员会理解的那样，也可以实现符合本发明概念与教导的其他形状和结构。在这一点上，预先印制的图案可以是一同心圆结构(见图1A-1C)、一同心三角形结构(见图3A-3B)或各种其他结构。图示线性结构可以是优选的，因为该线路所要求的处理过程一般应比实施一更复杂结构时的处理过程简单。
如本领域的普通技术人员会理解的那样，本发明还可以用来利用莫尔放大作用测量放大率变化。在这方面，对于不是焦阑型的透镜来说，理想场平面内或外的物体面的运动使放大率产生变化，放大率的变化可以通过利用莫尔包络线得到精确地测量，以检测出物体表面上一规则图案的间距相对于光敏传感器列阵中象素图案间距的变化。显微镜是可以利用本发明该特征的设备实例。例如，本发明可以用于一显微镜中，该显微镜有一内置光敏传感器列阵成像器和一校准物体表面上的校准图案。
本发明的另一方面用来提供一种测量一器件斜度的系统。在这方面，参见图5A和5B，此二图示出根据本发明另一方面构造的斜度测量系统。这些图中，图5A示出把来自第一焦面160的图像投射到两个光敏传感器列阵156和158上，而图5B示出把来自第二焦面162的图像投射到两个光敏传感器列阵156和158上。根据这一方面，该系统包括一焦阑透镜150，如上所述，该焦阑透镜150包括一对透镜151、152和孔径光阑(aperture stop)153，孔径光阑153使具有可视图案的物体表面能偏离透镜150的中间焦面161，而不会因有效放大率的变化显著影响该列阵上图像图案的间距，但是可能很模糊。焦阑透镜150的各个透镜151、152和孔径光阑153沿一中心轴对准。平面161上的物体点在图像平面157上的焦点处最清晰，而在其他处模糊。第一光敏传感器列阵156与中心轴154相靠设置，并且与该中心轴有一夹角。类似地，第二光敏传感器列158与中心轴154相靠设置，并且象第一光敏传感器列阵156一样，与中心轴154有一夹角。实际上，第二光敏传感器列阵158所成的夹角与第一光敏传感器列阵156所成的夹角基本上相反。另外，第一光敏传感器列阵与第二光敏传感器列阵设置在焦阑透镜150与物体(图中未示)相对的一侧以及轴154的相对两侧。这样，任何与平面160、161或162相平行的平面上的物体点都会在两列阵156和158上的某些共轭图像点处最清晰，而在与含轴154并与图像平面正交的平面相距其他距离处的物体点会模糊。最后，设置一电路164，用以与第一光敏传感器列阵和第二光敏传感器列阵进行电通信。将电路164构造成能局域计算来自从第一与第二光敏传感器列阵156、158输出的电信号的相对构象对比度(imagecontrasts)，以确定物体的斜度。
如图所示，第一与第二光敏传感器列阵156与158成一定夹角，以实现第一图像平面160与第二图像平面162之间所设置的至少一部分物体表面聚焦状态最佳。如图所示，光敏传感器列阵156和158的上部对应于第一焦面160，而光敏传感器列阵156和158的下部对应于第二焦面162。即，与第一焦面160一致的物体图像会由透镜150投射，以在光敏传感器列阵的上部最清晰。这样，如同5A所示，位于焦面160上而在轴154之外的点穿过透镜150投射，在与光敏传感器列阵上部相对应的点处聚焦状态最佳。相反，位于焦面162上而在轴154之外的点穿过透镜150投射，在与光敏传感器列阵下部相对应的点处聚焦状态最佳。若一物体的一部分位于焦面160与162之间的平面161上，则来自这些点的物体上各点在列阵156和158与共轭平面157的相交点处聚焦状态最佳，这些点比图中所示那些点距轴154更近。可知，焦面160与162之间的间隔由光敏传感器列阵156与158的大小与夹角位置以及透镜150的景深(depth of field)确定。这样，焦面160与162之间的间隔将随光敏传感器列阵156与158的大小(长度)(在一给定夹角情况下)增大和随光敏传感器列阵的水平夹角(在一给定长度情况下)增大而增大。
设置电路164以接收和计算光敏传感器列阵156与158所产生的电信号。在这方面，电路164优选包括一处理器(图中未示)，该处理器可以构造成能执行控制处理器操作的编码段，用以计算从光敏传感器列阵156和158接收到的信号，从而如本文总述的那样，完成该系统的操作。
如将结合图6A、6B、6C和7详细描述的那样，光敏传感器列阵156与158的交叉结构使得该系统能确定一物体表面是否是水平的(即，与焦面160、161和162相平行)，或是倾斜的。如本领域的普通技术人员可以理解的那样，图5A和5B的系统有各种应用。
不过，该系统将通过检测设置于第一焦面160与第二焦面162之间一物体表面上的亮图案(light pattern)来检测该系统的表面。如本领域的普通技术人员可以理解的那样，该物体上的图案可以是一个生成的图案，该图案预先印制在该物体上。另一方面，它可以是一表面图案，这种图案是材料本身固有的图案，例如普通纸的纤维图案。换句话说，它可以是设置在物体上的一种天然图案或所创造的图案。在这方面，该图案可以是一种天然材料图案，这是该物体的材料与结构有关的固有特性。“与结构有关的固有特性”在这里是指天然特性，这种特性基于一些因素，这些因素与成像数据和/或关于天然材料的规则配准(systematic registration)数据无关。“固有结构特征”这里是指一天然材料的那些特征，那些特征的特点是形成天然材料的过程，它们与成像数据和/或关于天然材料的规则配准数据无关。固有结构特征常为微观的表面纹理特征，例如在1～100μm之间。
在一个实施例中，光敏传感器列阵可以是一维列阵(例如，一列或一行光敏传感器元件)。在这样一个实施例中，该系统将检测一维物体的斜度(即左右斜度)。在另一实施例中，光敏传感器列阵可以是二维列阵。在这样一个实施例中，该系统将检测二维列阵中任一或全部的斜度。在这方面，图6A和6B示出采用一维光敏传感器列阵的系统，而图7A和7B示出采用二维光敏传感器列阵的系统。
为了更好地说明图5A和5B中系统的工作，现在参照图6A，图6A示出第一光敏传感器列阵156和第二传感器列阵158以及分别由光敏传感器列阵156和158所检测到的光强图166和168。为了简化说明，假定光敏传感器列阵156和158中的每一个都是一维列阵，每列阵都有十七个光敏传感器元件。每个光敏传感器元件产生一个电信号，该电信号对应于该光敏传感器元件所接收的光强。在组166和168中示出一假想实例。具体地说，这些组中的每一个都有十七个独立的分组。这些分组中的阴影代表投射到该光敏传感器元件上的光线。这样，组166和168的最右端分组和最左端分组不含阴影，它们代表较低对比度的区域。中间的分组包括交替明暗的分组，它们表示这些光敏传感器列阵中较高的对比度。因而，物体的图像在列阵166和168的中间区域清晰。可以理解的是，这些图中所示的实例是一极其简单的实例，仅为了进行说明而简化了它。实际上，光敏传感器元件将有含模拟输出的模拟特征，因此将支持改变光强和焦点的全光谱(infinitespectrum)。而且，实际上，将会有比图6A和6B中较少的十七个元件多得多的光敏传感器元件。按照图示最佳对比度位置的解释是必须将物体置于与平面161同平面的位置(见图5A和5B)。
对本发明来说，各种光敏传感器元件的最佳聚焦对比度的特定强度并不重要，而只有其相对于该列中其他位置的强度才很重要。
相反，如图6B所示，第一与第二光敏传感器列阵156与158光敏传感器元件的最高对比度区域(如由组166和168所示)以相反方向从中央向外偏移。光敏传感器列阵156(组166)中的高对比度图案移至右端的同时，光敏传感器列阵158(组168)中的高对比度图案移至左端，这表示物体的表面水平或与焦面160、161和162平行，但是离平面160最近。光敏传感器元件相差的程度将由电路164来计算，以确定目标物的倾斜幅度。
图6C示出物体关于一轴的斜度，该轴位于平面161内并且与纸面垂直。如图所示，组166和168中所反射的对比度代表关于一轴的斜度，该斜度令物体更接近平行于列156而更不平行于列158。
简要参见图7，图7类似于图6A中的表示，但是图7所示的实施例采用两个二维光敏传感器列阵256和258。组266和268代表分别由光敏传感器列阵256和258所检测的对比度强度。如图所示，图7中各组266和268的对比分组表示物体表面包括平面161与图7中平面之间的交线，但是该交线关于一条线倾斜，该线作为旋转轴。
虽然图中未示，但是，可以将一分束器插入到透镜150与列阵156、158之间，并且重新放置光敏传感器列阵156和158，以便它们都能看到物体表面的相同区域。在该优选实施例中，列阵156和158横向偏离，以便它们能看到物体表面的横向偏离区域。虽然对于检测物体斜度(尤其在物体表面是平面的情况下)来说，这样一种结构通常是可以接受的，不过在某些环境下希望使列阵156、158能看到相同的物体区域。透镜150与列阵156、158之间一分束器的适当结构会实现这一目的。
如可以理解的那样，使用二维光敏传感器列阵256和258便于沿两个不同方向中的每个方向检测斜度。而且，本领域的普通技术人员可以理解的是，这些列阵能以与这里所述的方式不同的方式倾斜。此外，棱镜可以用来提供使列阵倾斜的作用，其中随后这些列阵可以共面或者甚至变成一个更大列阵的各部分。例如，可以以一不倾斜(水平)的方式设置这些列阵，而将棱镜置于这些列阵与物体之间(优选与这些列相邻)。可以将棱镜的形状制成或将棱镜构造成能改变穿过它们的光的方向，从而赋予这些列“有效的”斜度。例如，可以将一楔形棱镜置于两列阵中每列阵之前。这样，可以将该系统的剩余部分构造成能如本文所述的那样工作。
在另一结构中，可以采用单独一个圆形光敏传感器列阵(也可能有一圆形对称棱镜)。光敏传感器元件可以在该整个列阵中分布。由各种光敏传感器元件所检测到的图像对比度可以受到计算并被相互关联，以确定一物体表面的斜度。在另一结构中，采用一具有圆锥坐标的三维列阵或一具有圆坐标的二维列阵和一倒锥形棱镜。但是，本发明的这些变化全部在这里所述的广义概念与教导范围之内，无需作进一步的具体描述。
参见图8，图8示出本发明的又一实施例。根据本发明的该实施例，该系统包括两个不同的透镜372和374，这两个透镜以一类似但稍有不同的方向取向。更具体地说，沿第一光轴373设置具有一较深景深的第一透镜372。类似地，沿第二光轴375设置也具有一较深景深的第二透镜374。第二光轴375相对于第一光轴373稍有一夹角，以使它们不相平行，但是，以这样一种方式设置它们，即，第一与第二透镜372与374有一公共视野，一受跟踪的目标物383位于该视野中。在这方面，第一光敏传感器列阵356基本上与第一光轴373垂直设置，而与公共视野相对。同样，第二光敏传感器列阵358基本上与第二光轴375垂直设置，而与公共视野相对。最后，设置电路364，用以与第一和第二光敏传感器列阵356和358进行电通信，其中把电路364构造成能计算从第一和第二光敏传感器列阵356和358中输出的电信号，以跟踪公共视野内一物体383的运动。
优选的是，放置透镜372和374以使光敏传感器列阵356和358具有从近物体平面374至远物体平面378的较深景深范围。如图所示，光轴373和375相互之间有夹角，它们在物体区域377内的点383处相交。如本领域的普通技术人员可理解的那样，可以如此构造图8中的系统，即，对于位于物体平面377内的点383处的物体来说，光敏传感器列阵356和358所接收的图像几乎相同，但由透视差别所引起的小差别除外。
但是，若这样一个物体移动到物体平面377之外而至一新的物体平面(在平面376和378或于二者之间)，则由光敏传感器列阵356和358所接收到的各图像将在其图像框架(images frames)的平面内偏移。这种偏移的方向和幅度表示出物体平面间的位移。通过第一观察来揭示这种偏移，即，两个光敏传感器列阵356和358的图像框架中心将与物体点383的各个图像相一致，物体点383位于两个光轴373和375相交之处。当一物体表面从含该交点383的物体平面移至另一物体平面例如近物体平面376或远物体平面378时，移至这些列阵中心的物体表面上的各点变成两个点近物体平面376上的386和382，远物体平面378上的388和384。对两列阵间图像偏移之差的测量可以用来说明物体表面的三维运动。在这方面，对图像偏移的测量可以用例如一处理电路364来进行，处理电路364通过在连续图像或它们的子图像之间用关联技术来执行上述测量，或者通过图像移动跟踪领域的那些普通技术人员所公知和能理解的直接推断技术来执行上述测量。
前述说明并不是穷尽的或者将本发明限制在所公开的严格形式中。根据以上的教导，可以作明显的修改和变换。在这方面，选择并描述所讨论的各个实施例，以便对本发明的原理作最佳的说明，还提供其实际应用，从而使本领域的普通技术人员能将本发明用于各种实施例，并且作各种修改以适用于预期的特定用途。当根据对所附权利要求公正而合法地赋予的宽度来解释时，所有这些修改和变换都在如所附权利要求书所确定的本发明的范围之内。
权利要求
1.一种用来测量一物体(14)位移的系统(10)，包括一物体(14)，它具有一显示一可视图案(16)的表面区域，将所述图案作为一图像图案投射到多个光敏传感器(12)上，所述图像图案包括辐射强度的规则变化；所述多个光敏传感器(12)以一类似于上述图像图案的结构均匀间隔开；和一电路(20)，它与多个光敏传感器电连接，将该电路构造成能计算由多个光敏传感器(12)所产生的电信号，以确定物体(14)的位移。
2.如权利要求1所述的系统，还包括一透镜(18)，设置该透镜(18)以将物体的图案作为一图像图案投射到多个光敏传感器(12)上。
3.如权利要求1所述的系统，其中物体(14)的位移包括平动位移。
4.如权利要求1所述的系统，其中物体(14)的位移包括旋转位移。
5.如权利要求1所述的系统，其中可视图案(16)是一系列平行的线性标记，它们均匀地间隔开。
6.如权利要求1所述的系统，其中多个光敏传感器(12)设置于一个列阵中。
7.如权利要求5所述的系统，光敏传感器(12)之间的均匀间隔稍微不同于平行的线性标记(16)之间的均匀间隔。
8.如权利要求1所述的系统，其中电路(20)包括一中央处理单元(24)和一存储器(26)。
9.一种用来测量一物体斜度的系统，包括一焦阑透镜(150)；第一光敏传感器列阵(156)，沿焦阑透镜(150)的中心轴(154)设置；第二光敏传感器列阵(158)，沿中心轴(154)设置，并且相对于第一光敏传感器列阵(156)有夹角；和一电路(164)，它与第一光敏传感器列阵(156)和第二光敏传感器列阵(158)进行电通信，将电路(164)构造成能计算从第一光敏传感器列阵(156)和第二光敏传感器列阵(158)中输出的电信号，以确定物体的斜度。
10.如权利要求9所述的系统，其中焦阑透镜(150)包括一对透镜(151、152)，它们沿一中心轴(154)对齐。
全文摘要
本发明一般涉及一种用来测量一物体位移的系统。在一个实施例中,本发明利用莫尔效应来精确测量一物体的位移。在这方面,将一可视图案设置于一物体上,而多个光敏传感器距可视图案均匀间隔开。光敏传感器之间的间隔稍不同于形成可视图案投影或图像的线条间隔。这使得本发明能利用莫尔效应来准确计算物体的精确位移或运动。而且,一个或更多光敏传感器列阵的各种结构和某些相互成夹角的光学器件用来测量三维的物体位移和旋转。
文档编号G01D5/26GK1247972SQ9911049
公开日2000年3月22日 申请日期1999年7月16日 优先权日1998年9月17日
发明者B·J·图利斯 申请人:惠普公司