干渉技術を使用して目標を光学的にトラッキングする方法及びシステム
光ビーム(280)から入射光ビーム(284)と基準光ビーム(282)を生成するための光学素子(260)を含む、光学位置トラッキングシステム(200)。更に、光学位置トラッキングシステム(200)は、或る角度範囲(290)にわたって入射光ビームを掃引し、目標(205)によって入射光ビーム(284)の反射を引き起こすための光ビームステアリングデバイス(230)を更に含む。入射光ビーム(284)の反射(286)は、基準光ビーム(282)と干渉し、干渉光ビーム(250)を形成するように導かれる。更に、光学位置トラッキングシステム(200)は、入射光ビーム(284)の角度値、及び、干渉光ビーム(250)を使用し、干渉技術を使用して目標(205)の位置を判定することができる。この角度値は、反射(286)に依存する。光ビーム(280)が複数の波長を有する場合、それらの波長が同時に存在することにより、すなわち、複数の波長を有する期間の存在により、目標(205)の絶対位置を判定することができる。光ビーム(280)が単一の波長しか持たない場合、目標(205)の相対位置を判定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
２００４年１月１６日に出願された「Position Determination and Motion Tracking"と題するXie他による本願と同じ譲受人の米国特許出願第１０／７５９，６４６号は、参照により本明細書に援用される。
【０００２】
背景技術
発明の分野
本発明は概して光システムに関する。具体的には、本発明は、干渉技術を使用した目標の光学的トラッキングに関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術
コンピュータにデータを入力したり、コンピュータの動作をナビゲート／カーソル制御するための種々のシステム及びデバイスが開発されている。コンピュータシステムの使用の著しい成長は、こうしたシステムやデバイスの進歩に関係している可能性がある。
【０００４】
それらのシステム及びデバイスは通常、複数の技術のうちの１つを使用している。技術の例には、機械式トラックボール、加速度検出、光学的画像相関、レーザースペックルパターン分析、強度検出などがある。他の技術も使用される。
【０００５】
それらのシステム及びデバイスの改良はコンピュータシステムの有用性を向上させるが、それらのシステム及びデバイスにおいて実施される技術の幾つかの欠陥は、いまだにそれらのシステム及びデバイスの有用性を制限し続けている。例えば、分解能制限のある技術は、コンピュータシステムの使用の妨げになる。また、技術によっては、応答時間が遅いこともある。技術によっては、特定タイプの表面上でしか使用できないものもある。更に、技術によっては、電力消費問題が生じることもある。最後に、技術によっては、それを実施するために必要なシステムやデバイスのサイズが、不都合なサイズになることもある。
【０００６】
それらの欠点の他に、こうした既存の技術には、他の問題も関係する。一般に、既存の技術は、二次元ナビゲーション／カーソル制御及び相対座標トラッキング（例えば、位置の変化）に限られる。つまり、対象の位置の変化は、対象の絶対位置（例えば、現在位置）ではなく、二次元空間でトラッキングされる。相対座標トラッキングは、絶対位置トラッキングを必要とする手書き入力のような用途におけるそれらのシステム及びデバイスの有用性を制限する。要するに、既存の技術は、克服することが困難な重大な制限を有している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
干渉技術を使用して目標を光学的にトラッキングする方法及びシステムを開示する。光学位置トラッキングシステムは、光ビームから入射光ビームと基準光ビームを生成するための光学素子を含む。また、光学位置トラッキングシステムは、ある角度範囲にわたって入射光ビームを掃引し、目標による入射光ビームの反射を引き起こし、入射光ビームの反射を基準光ビームに干渉させるように導き、干渉光ビームを生成するためのステアリングデバイスを更に含む。更に、光学位置トラッキングシステムは、入射光ビームの角度値と、干渉光ビームとを使用し、干渉技術を使用して目標の位置を判定することができ、この角度値は反射に依存する。光ビームは複数の波長を有し、それらの波長が同時に存在することにより、すなわち、複数の波長を有する期間の存在により、目標の絶対位置を判定することができる。光ビームが単一の波長を有する場合、目標の相対位置を判定することができる。
【０００８】
本明細書に組み込まれ、その一部を形成する添付の図面は、本発明による種々の実施形態を例示するものであり、説明と合わせて、本発明による種々の実施形態の原理を説明する働きをする。
【発明を実施するための好ましい実施形態】
【０００９】
発明の詳細な説明
次に、本発明による実施形態を詳細に参照する。実施形態の例は、添付の図面に例示されている。本発明はこれらの図面に関して説明されるが、それらの図面は、本発明をそれらの実施形態に制限するものではない。逆に、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の思想及び範囲に含まれるであろう代替形態、変更形態、及び、等価形態も、本発明の範囲に含めることを意図している。本発明による実施形態に関する下記の詳細な説明では、本発明を完全に理解してもらうために、多数の具体的な詳細を説明する。
【００１０】
本発明による実施形態において、光学位置トラッキングシステムは、光ビームを生成する光ビーム発生器と、その光ビームから入射光ビームと基準光ビームを生成するための光学素子とを有する。また、光学位置トラッキングシステムは、ある角度範囲にわたって入射光ビームを掃引し、入射光ビームの反射を基準光ビームに干渉させるように導き、入射光ビームが目標によって反射されたときに干渉光ビームを形成するための光ビームステアリングデバイスを更に含む。入射ビームの反射は反射光ビームからなる。その他に、光学位置トラッキングシステムは、干渉光ビームを検出するための検出器と、干渉技術と、目標が入射光ビーム反射するときの入射光ビームの角度値を含むデータと、目標に対する距離を提供する干渉光ビームとを使用して目標の位置を判定するための処理ユニットとを更に含む。光ビームが複数の波長を有する場合、それらの波長が同時に存在すること、すなわち、複数の波長を有する期間の存在により、目標の絶対位置を判定することができる。光ビームが単一の波長しか持たない場合、目標の相対位置を判定することができる。
【００１１】
図１は、光学位置トラッキングシステム２０を示す、本発明による実施形態のシステム１００を示している。システム１００は、コンピュータシステム５０、及び、光学位置トラッキングシステム２０を含む。コンピュータシステム５０は表示装置６０を有する。
【００１２】
本発明によるこの実施形態において、光学位置トラッキングシステム２０は、目標１０が二次元空間内を移動するときに、目標１０の位置をトラッキングする。具体的には、位置トラッキングシステムは、二次元空間内の或る角度範囲２０にわたって掃引される少なくとも１つの光ビーム９０を使用する。光ビーム９０が動かされる二次元空間内において目標１０が左、右、前、後、又はそれらの任意の組み合わせに移動する際に、目標１０は、光ビーム９０を反射する場合がある。光ビーム９０の反射は反射光ビーム８０からなり、目標１０の位置をトラッキングするために、反射光ビーム８０は位置トラッキングシステム２０によって受信され、処理される。
【００１３】
目標１０は、どのようなタイプの対象物であってもよい。例えば、目標１０は、マウス型デバイス、ペン、タッチスクリーン入力型デバイス、指などであってもよい。目標１０上の逆反射（再帰反射）表面は、光学位置トラッキングシステム２０が目標１０の移動をトラッキングする能力を向上させる。目標１０が十分に大きな反射特性を有している場合、逆反射表面は不要な場合もある。
【００１４】
目標１０の位置に対応する位置データを生成することにより光学位置トラッキングシステム２０によってトラッキングされる目標１０の移動は、コンピュータシステム５０への入力データ（例えば、手書き入力）、表示装置６０上でのナビゲーション、又は、コンピュータシステム５０のカーソルの制御などに使用することができる。
【００１５】
本発明の他の実施形態では、目標１０が表示装置６０の表面で動き回る場合に、タッチスクリーン機能を提供するために、光学位置トラッキングシステム２０は表示装置６０に一体化される場合がある。この実施形態は、従来技術によるタッチスクリーンに比べて、コストが低く、複雑度も低い。
【００１６】
構造（相対位置トラッキング実施形態）
図２を参照すると、この図は、本発明による実施形態の目標２０５の相対位置をトラッキングするための光学位置トラッキングシステム２００を示している。下記の説明は、本発明による実施形態の物理的構造の説明から開始される。その説明の後、本発明による実施形態の動作の説明が続く。
【００１７】
本発明による実施形態の物理的構造に関し、図２は、本発明による実施形態の目標２０５の相対位置をトラッキングするための光学位置トラッキングシステム２００を示している。相対位置は極座標で判定される。「相対位置」とは、以前の位置に対する目標２０５の位置の変化を指す。図２に示すように、光学位置トラッキングシステム２００は、光ビーム発生器２１０、光学素子２６０、ミラー２７０、光ビームステアリングデバイス２３０、検出器２４０、焦点レンズ２５０、及び、処理ユニット２２０を含む。要するに、光ビームステアリングデバイス２３０に対する目標２０５の角度関係は、検出器２４０と協働して判定される。更に、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの相対距離は干渉技術を使用して判定され、この干渉技術は、目標２０５からの反射光ビーム２８６を基準光ビーム２８２と干渉させることにより形成された干渉光ビーム２５０を利用する。干渉光ビーム２５０が形成される理由は、反射光ビーム２８６と基準光ビーム２８２が、異なる長さの経路に沿って伝搬するからである。従って、基準光ビーム２８２と反射光ビーム２８６を結合すると（例えば、干渉光ビーム２５０）、明るい干渉縞と暗い干渉縞からなる干渉パターンが形成され、それが検出器２４０によって受信される。経路長の差の変化に応じて、その明るい干渉縞と暗い干渉縞はシフトする。従って、目標２０５の相対位置は、目標２０５のこの角度関係、及び、目標２０５のこの相対距離によって表現される。
【００１８】
光ビーム発生器２１０は光ビーム２８０を生成する。光ビーム発生器２１０は、光ビーム２８０を生成する光源２１２を有する。光ビーム２８０は、コヒーレントな光であり、単一の波長λを有する。また、光ビーム発生器２１０はコリメートレンズ２１４を更に有する。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、光源（例えば、光源２１２）には、低コストなＬＥＤ（発光ダイオード）技術に基づくものを使用することができる。本発明の他の実施形態では、光源には、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザー）技術に基づくものを使用することができる。本発明による更に他の実施形態では、光源には、適当なコリメート機能を備えた低コストな白熱灯技術に基づくものを使用することができる。本発明による更に他の実施形態によれば、光源には、ハイパワー希土類レーザーに基づくものを使用することができる。希土類レーザーの例には、Ｎｄ−ＹＡＧ（ニオデューム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザーや、パルス型エルビウム・レーザーがある。ハイパワー希土類レーザーを使用することができるのは、目標２０５と検出器の間の距離又は吸収作用に、比較的高い光パワーが必要とされるような場合である。
【００２０】
光学素子２６０は、光ビーム２８０を使用して、入射光ビーム２８０と基準光ビーム２８２を生成する。本発明による一実施形態において、光学素子２６０はビームスプリッタ２６０である。
【００２１】
図２を引き続き参照すると、光ビームステアリングデバイス２３０は、角度範囲２９０にわたって入射光ビーム２８４を掃引する。光ビームステアリングデバイス２３０によって行われる入射光ビーム２８４の掃引動作を示すために、図２には、種々の角度位置（例えば、２８４Ａ〜２８４Ｅ）における入射光ビームが描かれている。また、目標２０５や光ビームステアリングデバイス２３０に対する入射光ビーム２８４の角度もトラッキングされる。これは図３に示され、後で詳細に説明される。
【００２２】
続いて、光ビームステアリングデバイス２３０は、どのようなタイプの光ビームステアリングデバイスであってもよい。本発明による一実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）モータ・ビームステアリングデバイスである。本発明による他の実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、ガルバノメータ・ビームステアリングデバイスである。本発明による更に他の実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、音響光学・ビームステアリングデバイスである。本発明による他の実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、電気光学的ビームステアリングデバイスである。本発明による更に他の実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、格子構造ビームステアリングデバイスである。本発明による他の実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、ホログラフィック構造ビームステアリングデバイスである。本発明による他の実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、走査ミラー・ビームステアリングデバイスである。ＭＥＭＳ処理により、実質的なコスト及びサイズの節約が実現される。
【００２３】
図２に示すように、目標２０５は、入射光ビーム２８４を反射させるための逆反射表面２０７を有する。「逆反射（再帰反射）」という用語は、入射光ビームがその入射光ビームに対して平行に反射される特性を指す。逆反射表面２０７は、逆反射テープ、逆反射塗装、又は、目標２０５の表面に結合される任意の他の逆反射材料のように、どのような態様で実施してもよい。上記のように、目標２０５は、どのようなタイプの対象物であってもよい。例えば、目標２０５は、マウス型デバイス、ペン、タッチスクリーン入力型デバイス、指などであってよい。目標２０５が十分に大きな反射特性を有していれば、目標２０５が、入射光ビームをその入射光ビームに対して平行に反射する限り、逆反射面は不要な場合もある。例えば、書く方の一端に逆反射面を有するオフィスペンの動きをトラッキングし、コンピュータシステムのカーソル制御に使用することが可能である。
【００２４】
また、処理ユニット２２０は、光ビームステアリングデバイス２３０、検出器２４０、及び、光ビーム発生器２１０に接続される。処理ユニット２２０は、種々のデータ及び干渉技術を使用して、目標２０５の相対位置を判定する。
【００２５】
動作（相対位置トラッキング実施形態）
以下では、本発明による実施形態の動作を詳細に説明する。
【００２６】
次に、図２を参照し、光学位置トラッキングシステム２００の動作の説明を続ける。光源２１２は光ビーム２８０を生成する。光ビーム２８０はコリメートレンズ２１４を通過し、コリメートレンズ２１４は光ビーム２８０を平行化する。コリメートレンズ２１４を通過した後、光ビーム２８０はビームスプリッタ２６０へ向けて伝搬する。ビームスプリッタ２６０は、光ビーム２８０を使用して、入射光ビーム２８４と基準光ビーム２８２を生成する。基準光ビーム２８２はミラー２７０へ導かれる。ミラー２７０は、基準光ビーム２８２をビームスプリッタ２６０へ向けて反射させ、その後、基準光ビーム２８２は検出器２４０へ向かう。
【００２７】
更に、入射光ビーム２８４は、光ビームステアリングデバイス２３０へ導かれる。光ビームステアリングデバイス２３０は、入射光ビーム２８４が種々の角度位置（例えば、２８４Ａ〜２８４Ｅ）にあるかのように、角度範囲２９０にわたって入射光ビーム２８４を掃引する。図中、矢印２３５Ａ及び２３５Ｂは、角度範囲２９０にわたって入射光ビーム２８４が掃引されるように、光ビームステアリングデバイス２３０が動いていることを示している。
【００２８】
目標２０５の逆反射表面２０７が入射ビーム２８４（例えば２８４Ｃ）を反射するとき、入射光ビーム２８４Ｃの反射は、光ビームステアリングデバイス２３０へ向けて反射される。入射光ビーム２８４Ｃの反射は、反射光ビーム２８６からなる。光ビームステアリングデバイス２３０は反射光ビーム２８６をビームスプリッタ２６０へ導き、基準光ビーム２８２と干渉させ、干渉光ビーム２８５を形成する。干渉光ビーム２８５は集束レンズ２５０を通過し、集束レンズ２５０は干渉光ビーム２８５を集束させ、それが検出器２４０に達する。検出器２４０は、干渉光ビーム２８５を検出し、目標２０５が見付かったことを処理ユニット２２０に知らせ、処理ユニット２２０が、入射光ビーム２８４Ｃの現在の角度（例えば、図３の角度Ａ）を記録できるようにする。本発明による一実施形態において、処理ユニット２２０は、光ビームステアリングデバイス２３０により掃引される入射光ビーム２８４の角度をトラッキングする。
【００２９】
検出器２４０は、反射光ビーム２８６と基準光ビーム２８２とを含む干渉光ビーム２８５を検出する。処理ユニット２２０は、干渉技術を使用して、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの相対距離（例えば、図３の相対距離ΔＲ）を判定する。
【００３０】
図３は、本発明による実施形態の光学位置トラッキングシステム２００により判定された目標２０５の相対位置Ｔを示している。図３に示すように、光ビームステアリングデバイス２３０の位置Ｓは既知である。角度Ａは、入射光ビーム２８４が目標２０５によって反射されたときの角度に対応し、その反射に応じて、反射ビームと基準光ビーム２８２の干渉によって形成される干渉光ビーム２８５の検出が、検出器２４０によって行われる。上で述べたように、入射光ビーム２８４の角度値がトラッキングされる。以下で説明する干渉技術によれば、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの相対距離ΔＲを判定することができる。この干渉技術は、光源２１２の波長、及び、干渉光ビーム２８５（例えば、図４の信号４１０）の干渉縞のカウントを利用する場合がある。従って、目標２０５の相対位置は、入射光ビーム２８４の現在の角度（例えば、図３の角度Ａ）、及び、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの相対距離（例えば、図３の相対距離ΔＲ）を含む。
【００３１】
図４は、本発明による実施形態の干渉光ビーム２８５に応答して、図２の検出器２４０によって生成される信号４１０を示している。図４に示すように、信号４１０のピークは、干渉光ビーム２８５の干渉縞に対応する。本発明による実施形態において使用可能な干渉技術によれば、基準点を通過する干渉縞の数がカウントされる。光源２１２の数及び波長は、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの相対距離（例えば、図３の相対距離ΔＲ）を算出する際に使用される、入射光ビーム２８４や反射光ビーム２８６が進行した長さと基準光ビーム２８２が進行した長さの差の判定に使用される。基準光ビーム２８２は、既知の距離を進行する一方、入射光ビーム２８４及び反射光ビーム２８６は、測定すべき距離を伝搬する。
【００３２】
構造（絶対位置トラッキング実施形態）
図５を参照すると、この図は、本発明による実施形態の目標２０５の絶対位置をトラッキングするための光学位置トラッキングシステム５００を示している。下記の説明は、本発明による実施形態の物理的構造の説明から開始される。その後、本発明の実施形態の動作に関する説明が続く。
【００３３】
本発明による実施形態の物理的構造に関し、図５は、本発明の実施形態による目標２０５の絶対位置をトラッキングするための光学位置トラッキングシステム５００を示している。図５に示すように、光学位置トラッキングシステム５００は、光ビーム発生器２１０、光学素子２６０、ミラー２７０、光ビームステアリングデバイス２３０、検出器２４０、集束レンズ２５０、及び、処理ユニット２２０を含む。要するに、光ビームステアリングデバイス２３０に対する目標２０５の角度関係は、検出器２４０に関係して判定される。また、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの絶対距離は、複数の波長を有する光ビーム、及び、目標２０５からの反射光ビームと基準光ビームの干渉によって形成される干渉光ビームを利用する干渉技術を使用して判定される。干渉光ビームが形成される理由は、反射光ビームと基準光ビームが異なる長さの経路に沿って伝搬するからである。従って、目標２０５の絶対位置は、目標２０５のこの角度関係、及び、目標２０５のこの絶対距離によって表現される。
【００３４】
図２の光学位置トラッキングシステム２００は、目標２０５の相対位置をトラッキング出来るのに対し、光学位置トラッキングシステム５００は、目標２０５の絶対位置をトラッキング出来る。特にことわりがない限り、図２に関する構造に関する説明は、図５にも適用される。
【００３５】
図２とは違い、図５の光学位置トラッキングシステム５００は、複数の波長（例えば、λ１とλ２）を有する光ビーム２８０を生成する光ビーム発生器２１０を有する。本発明による一実施形態において、光ビーム発生器２１０は、第１の波長λ１を有する光源１と、第２の波長λ２を有する光源とを含む。本発明による他の実施形態において、光ビーム発生器２１０は、第１の波長λ１及び第２の波長λ２を有する光源を含む。本発明による他の実施形態において、光源の光波長は、第１の波長λ１と第２の波長λ２の間で高速に変化する。つまり、ある期間の間、光源は複数の波長を有する。本発明による更に他の実施形態において、光ビーム発生器２１０は、第１の波長と第２の波長の間の複数の波長を有する広帯域光源を含む。この広帯域光源によれば、他の実施形態に比べてコストを節約することが出来る。図２に関して述べた光源タイプに関する説明は、図５にも同じように適用可能である。
【００３６】
本発明による他の実施形態において、光学位置トラッキングシステム５００は、異なる波長（例えば、λ１とλ２）の干渉光ビーム２８５の干渉パターンを個別に検出するために、複数の検出器を有する。
【００３７】
動作（絶対位置トラッキング実施形態）
以下の説明は、本発明による実施形態の動作を詳細に説明するものである。
【００３８】
図５を参照し、図２を参照して説明したものに類似した光学位置トラッキングシステム５００の動作の説明に移る。以下では特にことわりがない限り、図２に関する動作説明は、図５にも適用される。目標２０５のトラッキングを開始する前に、光源１の波長λ１と光源２の波長λ２を測定し、位相関係を判定する。光ビーム２８０は複数の波長を有する。
【００３９】
検出器２４０は、反射光ビーム２８６と基準光ビーム２８２を含む干渉光ビーム２８５を検出する。処理ユニット２２０は、干渉技術を使用して、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの絶対距離（例えば、図６の絶対距離ΔＲ）を判定する。
【００４０】
図６は、本発明による実施形態の図５の光学位置トラッキングシステム５００により判定された目標２０５の絶対位置Ｔを示している。図６に示すように、光ビームステアリングデバイス２３０の位置Ｓは既知である。角度Ａは、入射光ビーム２８４が目標２０５によって反射されたときの角度に対応し、その反射に応じて、反射光ビーム２８６と基準光ビーム２８２の干渉によって形成される干渉光ビーム２８５の検出が、検出器２４０によって行われる。上記のように、入射光ビーム２８４の角度値がトラッキングされる。以下に記載する干渉技術によれば、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの絶対距離Ｒを判定することができる。この干渉技術は、複数の波長を使用して絶対距離を判定することを含む場合がある。従って、目標２０５の絶対位置は、入射光ビーム２８４の現在の角度（例えば、図６の角度Ａ）、及び、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの絶対距離（例えば、図６の絶対距離Ｒ）を含む。
【００４１】
光ビーム２８０が第１の波長λ１及び第２の波長λ２を有する場合、干渉光ビーム２８５は、第１の波長λ１における第１の干渉縞パターンと、第２の波長λ２における干渉縞パターンとを有する。干渉光ビーム２８５は、第１の干渉縞パターンと第２の干渉縞パターンに分離することができ、それによって検出器は各干渉縞パターンを検出することができる。図７は、本発明の実施形態に従って、第１の検出器によって生成された第１の干渉縞パターンに対応する信号７１０、及び、第２の検出器によって生成された第２の干渉縞パターンに対応する信号７２０を示している。また、図７には、本発明による実施形態の干渉光ビーム２８５に応じて、図５の検出器２４０によって生成された信号７３０も描かれている。つまり、信号７３０は、信号７１０と信号７２０の重ね合わせである。図７に示すように、信号７１０と信号７２０の間には、ビート信号７４０を発生させる位相関係がある。本発明による実施形態に使用可能な干渉技術によれば、ビート信号７４０を処理し、光源１と光源２の間の較正位相関係における位相ずれを判定することができる。それによって、入射光ビーム２８４及び反射光ビーム２８６が進行した長さに対する基準光ビーム２８２が進行した長さを判定することができ、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの絶対距離（例えば、図６の絶対距離Ｒ）を生成することができる。
【００４２】
本発明による他の実施形態では、波長調節光源を使用する場合、干渉技術は、干渉パターンを周波数ｆｂに変換する場合がある。目標２０５までの絶対距離は、Ｒ＝（１／２）＊ｖ／ｒに類似した数学的関係に従って決まり、周波数ｆｂの値によって決まる。ただし、「＊」は乗算を表わし、ｖは光速であり、ｒは、波長調節光源の光周波数の変化率である。ｆｂの変化の原因となる内部遅延誤差の影響は、較正オフセットによってＲを調節することにより、簡単に補正される。
【００４３】
本発明による他の実施形態において、広帯域光源を使用する場合、干渉技術は、検出器２４０によって収集された信号７３０のコヒーレント・エンベロープを処理することによって、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの絶対距離を導出する場合がある。
【００４４】
図２及び図５には、光ビームステアリングデバイスを使用した二次元目標トラッキングを例示したが、３つ目の次元における光ビームステアリングデバイスを追加することにより、本発明による実施形態は、三次元目標トラッキングに拡張することも可能である。
【００４５】
光学位置トラッキングシステム２００及び５００は多数の利点を有する。目標の移動は、二次元でトラッキングすることも三次元でトラッキングすることもでき、光学位置トラッキングシステム５００の場合は、目標の絶対位置データを生成することができ、光学位置トラッキングシステム２００の場合は、目標の相対位置データを生成することができる。従来技術の位置トラッキングシステムでは、目標の新たな位置の判定が、目標の以前の位置に依存する。目標が、トラッキングできない態様で移動した場合（例えば、表面からマウスを持ち上げる等）、従来技術の相対位置トラッキングシステムは、目標がトラッキング可能な態様で移動するまで、目標の新たな位置を判定することができない。これに対し、光学位置トラッキングシステム５００は、光ビーム掃引空間において目標が手書き態様で移動する場合でも、以前の位置とは無関係に絶対位置データから目標の現在位置を得ることができ、コンピュータシステムへの手書き入力が容易になる。光学位置トラッキングシステム５００の光ビーム掃引空間の範囲外に目標が移動した場合でも（例えば、光ビーム掃引空間の上に目標を持ち上げることにより）、目標が光学位置トラッキングシステム５００の光ビーム掃引空間の範囲内に移動した後直ぐに、目標の絶対位置を判定することが可能である。
【００４６】
更に、光学位置トラッキングシステム２００及び５００は、目標の高分解能トラッキングが可能であり、また、特定表面タイプの目標に制限されることもない。例えば、従来技術による機械式トラック・ボールマウスは、滑らかな表面でなければ適切な動作をさせることができず、また、従来技術の光学マウスは、純白の表面で使用することが困難である。光学位置トラッキングシステム２００及び５００は、目標に関しては消極的であり、あまり制約がない。光学位置トラッキングシステム２００及び５００によれば、小型で、低コストで、低消費電力な実施形態が可能である。また、光学位置トラッキングシステム２００及び５００は、簡単に拡張可能でもある。図２及び図５に示した構成要素の数は、狭い範囲の用途においても広い範囲の用途においても、目標の移動をトラッキングするのに十分な数である。ただし、それらの用途においては、構成要素の性能要件が異なる場合がある。
【００４７】
図８Ａは、本発明による実施形態の光ビームの円形断面８００Ａを示している。この円形断面８００Ａを有する光ビームは、光学位置トラッキングシステム２００（図２）及び５００（図５）に使用することができる。円形断面８００Ａを小さくするほど、光学位置トラッキングシステム２００（図２）及び５００（図５）の分解能は向上する。
【００４８】
図８Ｂは、本発明による実施形態の光ビームの楕円形断面８００Ｂを示している。楕円形断面８００Ｂを有する光ビームを光学位置トラッキングシステム２００（図２）及び５００（図５）に使用すると、光ビームステアリングデバイスの掃引方向に対して垂直に目標２０５が移動した場合でも、多少のトラッキング誤差が許容される。楕円形断面８００Ｂは掃引方向に対して垂直方向に長いので、光学位置トラッキングシステム２００（図２）及び５００（図５）のトラッキング範囲を掃引方向に対して垂直な方向に拡大することができる。
【００４９】
図９は、本発明による実施形態の限定掃引モードで動作する図２の光学位置トラッキングシステム２００を示している。図２における光ビームステアリングデバイス２３０は、角度範囲２９０全体にわたって掃引してるが、図９における光ビームステアリングデバイス２３０は、限られた角度範囲２９５しか掃引しない。この限定掃引モードによれば、目標２０５を見付ける速度を向上させることができ、また、分解能を向上させることができる。
【００５０】
実際には、光ビームステアリングデバイス２３０は最初は、全掃引モード（例えば、角度範囲２９０全体）で動作する。ただし、光ビームステアリングデバイスに対して第１の角度において目標２０５がいったん見付かると、光ビームステアリングデバイス２３０は、入射光ビーム２８４が種々の角度位置（例えば、２８４Ａ〜２８４Ｃ）にあるかのように、第１の角度を中心として限られた角度範囲２９５だけを掃引する。光ビームステアリング２３０のこのうろたえたような動きによれば、短期間における目標の動きがあまり大きくないと予想される場合に、大きな利点が得られる。限定掃引モードにおいて目標２０５が入射光ビームを反射しなくなると、光ビームステアリングデバイス２３０は、全掃引モードの動作に戻る。
【００５１】
図９に関する説明は、図５の光学位置トラッキングシステム５００にも同様に適用することができる。
【００５２】
図１０は、本発明による実施形態の目標を光学的にトラッキングする方法を示すフロー図である。
【００５３】
ステップ１０１０では、光ビームから、基準光ビームと入射光ビームを生成する。光ビームが単一の波長しか持たない場合、目標の相対位置がトラッキングされる。光ビームが複数の波長を持つ場合、それらの波長が同時に存在することにより、すなわち、複数の波長を有する期間の存在により、目標の絶対位置をトラッキングすることができる。続いてステップ１０２０では、光ビームステアリングデバイスにより、ある角度範囲にわたって入射光ビームを掃引する。更に、入射光ビームの角度値を判定する。
【００５４】
更に、ステップ１０３０では、目標が入射光ビームを反射し、反射光ビームを生成する。反射光ビームは基準光ビームと干渉し、干渉光ビームを形成する。
【００５５】
ステップ１０４０では、データを使用し、干渉技術を使用して目標の位置を判定する。目標が入射光ビームを反射するときの入射光ビームの角度値のようなデータ、及び、光ビームステアリングデバイスから目標までの距離を提供する干渉光ビームが使用される。
【００５６】
本発明による特定実施形態に関する上記の説明は、図示説明の目的で提供したものである。それらの実施形態は、本発明を開示した形態に厳密に制限するためのものでもなければ、本発明の形態を網羅するためのものでもない。上記の説明に照らして、多くの変更及び改変が可能である。それらの実施形態は、本発明の原理及びその実際の用途を最も分かり易く説明するために選択され、記載されている。それによって、当業者が、特定の用途に合わせて、本発明及び種々の実施形態に種々の変更を加えて、良好に使用できるものと考えられる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】光学位置トラッキングシステムを示す、本発明による実施形態のシステムの図である。
【図２】本発明による実施形態の目標の相対位置をトラッキングするための光学位置トラッキングシステムを示す図である。
【図３】本発明による実施形態の図２の光学位置トラッキングシステムにより判定された目標の相対位置を示す図である。
【図４】本発明による実施形態の干渉光ビームに応答して図２の検出器によって生成された信号を示す図である。
【図５】本発明による実施形態の目標の絶対位置をトラッキングするための光学位置トラッキングシステムを示す図である。
【図６】本発明による実施形態の図５の光学位置トラッキングシステムによって判定された目標の絶対位置を示す図である。
【図７】本発明による実施形態の干渉光ビームに応答して図５の光検出器によって生成された複数の信号を示す図である。
【図８Ａ】本発明による実施形態の光ビームの円形断面を示す図である。
【図８Ｂ】本発明による実施形態の光ビームの楕円形断面を示す図である。
【図９】本発明による実施形態の限定掃引モードで動作する図２の光学位置トラッキングシステムを示す図である。
【図１０】本発明による実施形態の目標を光学的にトラッキングするための方法を示すフロー図である。
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
２００４年１月１６日に出願された「Position Determination and Motion Tracking"と題するXie他による本願と同じ譲受人の米国特許出願第１０／７５９，６４６号は、参照により本明細書に援用される。
【０００２】
背景技術
発明の分野
本発明は概して光システムに関する。具体的には、本発明は、干渉技術を使用した目標の光学的トラッキングに関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術
コンピュータにデータを入力したり、コンピュータの動作をナビゲート／カーソル制御するための種々のシステム及びデバイスが開発されている。コンピュータシステムの使用の著しい成長は、こうしたシステムやデバイスの進歩に関係している可能性がある。
【０００４】
それらのシステム及びデバイスは通常、複数の技術のうちの１つを使用している。技術の例には、機械式トラックボール、加速度検出、光学的画像相関、レーザースペックルパターン分析、強度検出などがある。他の技術も使用される。
【０００５】
それらのシステム及びデバイスの改良はコンピュータシステムの有用性を向上させるが、それらのシステム及びデバイスにおいて実施される技術の幾つかの欠陥は、いまだにそれらのシステム及びデバイスの有用性を制限し続けている。例えば、分解能制限のある技術は、コンピュータシステムの使用の妨げになる。また、技術によっては、応答時間が遅いこともある。技術によっては、特定タイプの表面上でしか使用できないものもある。更に、技術によっては、電力消費問題が生じることもある。最後に、技術によっては、それを実施するために必要なシステムやデバイスのサイズが、不都合なサイズになることもある。
【０００６】
それらの欠点の他に、こうした既存の技術には、他の問題も関係する。一般に、既存の技術は、二次元ナビゲーション／カーソル制御及び相対座標トラッキング（例えば、位置の変化）に限られる。つまり、対象の位置の変化は、対象の絶対位置（例えば、現在位置）ではなく、二次元空間でトラッキングされる。相対座標トラッキングは、絶対位置トラッキングを必要とする手書き入力のような用途におけるそれらのシステム及びデバイスの有用性を制限する。要するに、既存の技術は、克服することが困難な重大な制限を有している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
干渉技術を使用して目標を光学的にトラッキングする方法及びシステムを開示する。光学位置トラッキングシステムは、光ビームから入射光ビームと基準光ビームを生成するための光学素子を含む。また、光学位置トラッキングシステムは、ある角度範囲にわたって入射光ビームを掃引し、目標による入射光ビームの反射を引き起こし、入射光ビームの反射を基準光ビームに干渉させるように導き、干渉光ビームを生成するためのステアリングデバイスを更に含む。更に、光学位置トラッキングシステムは、入射光ビームの角度値と、干渉光ビームとを使用し、干渉技術を使用して目標の位置を判定することができ、この角度値は反射に依存する。光ビームは複数の波長を有し、それらの波長が同時に存在することにより、すなわち、複数の波長を有する期間の存在により、目標の絶対位置を判定することができる。光ビームが単一の波長を有する場合、目標の相対位置を判定することができる。
【０００８】
本明細書に組み込まれ、その一部を形成する添付の図面は、本発明による種々の実施形態を例示するものであり、説明と合わせて、本発明による種々の実施形態の原理を説明する働きをする。
【発明を実施するための好ましい実施形態】
【０００９】
発明の詳細な説明
次に、本発明による実施形態を詳細に参照する。実施形態の例は、添付の図面に例示されている。本発明はこれらの図面に関して説明されるが、それらの図面は、本発明をそれらの実施形態に制限するものではない。逆に、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の思想及び範囲に含まれるであろう代替形態、変更形態、及び、等価形態も、本発明の範囲に含めることを意図している。本発明による実施形態に関する下記の詳細な説明では、本発明を完全に理解してもらうために、多数の具体的な詳細を説明する。
【００１０】
本発明による実施形態において、光学位置トラッキングシステムは、光ビームを生成する光ビーム発生器と、その光ビームから入射光ビームと基準光ビームを生成するための光学素子とを有する。また、光学位置トラッキングシステムは、ある角度範囲にわたって入射光ビームを掃引し、入射光ビームの反射を基準光ビームに干渉させるように導き、入射光ビームが目標によって反射されたときに干渉光ビームを形成するための光ビームステアリングデバイスを更に含む。入射ビームの反射は反射光ビームからなる。その他に、光学位置トラッキングシステムは、干渉光ビームを検出するための検出器と、干渉技術と、目標が入射光ビーム反射するときの入射光ビームの角度値を含むデータと、目標に対する距離を提供する干渉光ビームとを使用して目標の位置を判定するための処理ユニットとを更に含む。光ビームが複数の波長を有する場合、それらの波長が同時に存在すること、すなわち、複数の波長を有する期間の存在により、目標の絶対位置を判定することができる。光ビームが単一の波長しか持たない場合、目標の相対位置を判定することができる。
【００１１】
図１は、光学位置トラッキングシステム２０を示す、本発明による実施形態のシステム１００を示している。システム１００は、コンピュータシステム５０、及び、光学位置トラッキングシステム２０を含む。コンピュータシステム５０は表示装置６０を有する。
【００１２】
本発明によるこの実施形態において、光学位置トラッキングシステム２０は、目標１０が二次元空間内を移動するときに、目標１０の位置をトラッキングする。具体的には、位置トラッキングシステムは、二次元空間内の或る角度範囲２０にわたって掃引される少なくとも１つの光ビーム９０を使用する。光ビーム９０が動かされる二次元空間内において目標１０が左、右、前、後、又はそれらの任意の組み合わせに移動する際に、目標１０は、光ビーム９０を反射する場合がある。光ビーム９０の反射は反射光ビーム８０からなり、目標１０の位置をトラッキングするために、反射光ビーム８０は位置トラッキングシステム２０によって受信され、処理される。
【００１３】
目標１０は、どのようなタイプの対象物であってもよい。例えば、目標１０は、マウス型デバイス、ペン、タッチスクリーン入力型デバイス、指などであってもよい。目標１０上の逆反射（再帰反射）表面は、光学位置トラッキングシステム２０が目標１０の移動をトラッキングする能力を向上させる。目標１０が十分に大きな反射特性を有している場合、逆反射表面は不要な場合もある。
【００１４】
目標１０の位置に対応する位置データを生成することにより光学位置トラッキングシステム２０によってトラッキングされる目標１０の移動は、コンピュータシステム５０への入力データ（例えば、手書き入力）、表示装置６０上でのナビゲーション、又は、コンピュータシステム５０のカーソルの制御などに使用することができる。
【００１５】
本発明の他の実施形態では、目標１０が表示装置６０の表面で動き回る場合に、タッチスクリーン機能を提供するために、光学位置トラッキングシステム２０は表示装置６０に一体化される場合がある。この実施形態は、従来技術によるタッチスクリーンに比べて、コストが低く、複雑度も低い。
【００１６】
構造（相対位置トラッキング実施形態）
図２を参照すると、この図は、本発明による実施形態の目標２０５の相対位置をトラッキングするための光学位置トラッキングシステム２００を示している。下記の説明は、本発明による実施形態の物理的構造の説明から開始される。その説明の後、本発明による実施形態の動作の説明が続く。
【００１７】
本発明による実施形態の物理的構造に関し、図２は、本発明による実施形態の目標２０５の相対位置をトラッキングするための光学位置トラッキングシステム２００を示している。相対位置は極座標で判定される。「相対位置」とは、以前の位置に対する目標２０５の位置の変化を指す。図２に示すように、光学位置トラッキングシステム２００は、光ビーム発生器２１０、光学素子２６０、ミラー２７０、光ビームステアリングデバイス２３０、検出器２４０、焦点レンズ２５０、及び、処理ユニット２２０を含む。要するに、光ビームステアリングデバイス２３０に対する目標２０５の角度関係は、検出器２４０と協働して判定される。更に、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの相対距離は干渉技術を使用して判定され、この干渉技術は、目標２０５からの反射光ビーム２８６を基準光ビーム２８２と干渉させることにより形成された干渉光ビーム２５０を利用する。干渉光ビーム２５０が形成される理由は、反射光ビーム２８６と基準光ビーム２８２が、異なる長さの経路に沿って伝搬するからである。従って、基準光ビーム２８２と反射光ビーム２８６を結合すると（例えば、干渉光ビーム２５０）、明るい干渉縞と暗い干渉縞からなる干渉パターンが形成され、それが検出器２４０によって受信される。経路長の差の変化に応じて、その明るい干渉縞と暗い干渉縞はシフトする。従って、目標２０５の相対位置は、目標２０５のこの角度関係、及び、目標２０５のこの相対距離によって表現される。
【００１８】
光ビーム発生器２１０は光ビーム２８０を生成する。光ビーム発生器２１０は、光ビーム２８０を生成する光源２１２を有する。光ビーム２８０は、コヒーレントな光であり、単一の波長λを有する。また、光ビーム発生器２１０はコリメートレンズ２１４を更に有する。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、光源（例えば、光源２１２）には、低コストなＬＥＤ（発光ダイオード）技術に基づくものを使用することができる。本発明の他の実施形態では、光源には、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザー）技術に基づくものを使用することができる。本発明による更に他の実施形態では、光源には、適当なコリメート機能を備えた低コストな白熱灯技術に基づくものを使用することができる。本発明による更に他の実施形態によれば、光源には、ハイパワー希土類レーザーに基づくものを使用することができる。希土類レーザーの例には、Ｎｄ−ＹＡＧ（ニオデューム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザーや、パルス型エルビウム・レーザーがある。ハイパワー希土類レーザーを使用することができるのは、目標２０５と検出器の間の距離又は吸収作用に、比較的高い光パワーが必要とされるような場合である。
【００２０】
光学素子２６０は、光ビーム２８０を使用して、入射光ビーム２８０と基準光ビーム２８２を生成する。本発明による一実施形態において、光学素子２６０はビームスプリッタ２６０である。
【００２１】
図２を引き続き参照すると、光ビームステアリングデバイス２３０は、角度範囲２９０にわたって入射光ビーム２８４を掃引する。光ビームステアリングデバイス２３０によって行われる入射光ビーム２８４の掃引動作を示すために、図２には、種々の角度位置（例えば、２８４Ａ〜２８４Ｅ）における入射光ビームが描かれている。また、目標２０５や光ビームステアリングデバイス２３０に対する入射光ビーム２８４の角度もトラッキングされる。これは図３に示され、後で詳細に説明される。
【００２２】
続いて、光ビームステアリングデバイス２３０は、どのようなタイプの光ビームステアリングデバイスであってもよい。本発明による一実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）モータ・ビームステアリングデバイスである。本発明による他の実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、ガルバノメータ・ビームステアリングデバイスである。本発明による更に他の実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、音響光学・ビームステアリングデバイスである。本発明による他の実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、電気光学的ビームステアリングデバイスである。本発明による更に他の実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、格子構造ビームステアリングデバイスである。本発明による他の実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、ホログラフィック構造ビームステアリングデバイスである。本発明による他の実施形態において、光ビームステアリングデバイスは、走査ミラー・ビームステアリングデバイスである。ＭＥＭＳ処理により、実質的なコスト及びサイズの節約が実現される。
【００２３】
図２に示すように、目標２０５は、入射光ビーム２８４を反射させるための逆反射表面２０７を有する。「逆反射（再帰反射）」という用語は、入射光ビームがその入射光ビームに対して平行に反射される特性を指す。逆反射表面２０７は、逆反射テープ、逆反射塗装、又は、目標２０５の表面に結合される任意の他の逆反射材料のように、どのような態様で実施してもよい。上記のように、目標２０５は、どのようなタイプの対象物であってもよい。例えば、目標２０５は、マウス型デバイス、ペン、タッチスクリーン入力型デバイス、指などであってよい。目標２０５が十分に大きな反射特性を有していれば、目標２０５が、入射光ビームをその入射光ビームに対して平行に反射する限り、逆反射面は不要な場合もある。例えば、書く方の一端に逆反射面を有するオフィスペンの動きをトラッキングし、コンピュータシステムのカーソル制御に使用することが可能である。
【００２４】
また、処理ユニット２２０は、光ビームステアリングデバイス２３０、検出器２４０、及び、光ビーム発生器２１０に接続される。処理ユニット２２０は、種々のデータ及び干渉技術を使用して、目標２０５の相対位置を判定する。
【００２５】
動作（相対位置トラッキング実施形態）
以下では、本発明による実施形態の動作を詳細に説明する。
【００２６】
次に、図２を参照し、光学位置トラッキングシステム２００の動作の説明を続ける。光源２１２は光ビーム２８０を生成する。光ビーム２８０はコリメートレンズ２１４を通過し、コリメートレンズ２１４は光ビーム２８０を平行化する。コリメートレンズ２１４を通過した後、光ビーム２８０はビームスプリッタ２６０へ向けて伝搬する。ビームスプリッタ２６０は、光ビーム２８０を使用して、入射光ビーム２８４と基準光ビーム２８２を生成する。基準光ビーム２８２はミラー２７０へ導かれる。ミラー２７０は、基準光ビーム２８２をビームスプリッタ２６０へ向けて反射させ、その後、基準光ビーム２８２は検出器２４０へ向かう。
【００２７】
更に、入射光ビーム２８４は、光ビームステアリングデバイス２３０へ導かれる。光ビームステアリングデバイス２３０は、入射光ビーム２８４が種々の角度位置（例えば、２８４Ａ〜２８４Ｅ）にあるかのように、角度範囲２９０にわたって入射光ビーム２８４を掃引する。図中、矢印２３５Ａ及び２３５Ｂは、角度範囲２９０にわたって入射光ビーム２８４が掃引されるように、光ビームステアリングデバイス２３０が動いていることを示している。
【００２８】
目標２０５の逆反射表面２０７が入射ビーム２８４（例えば２８４Ｃ）を反射するとき、入射光ビーム２８４Ｃの反射は、光ビームステアリングデバイス２３０へ向けて反射される。入射光ビーム２８４Ｃの反射は、反射光ビーム２８６からなる。光ビームステアリングデバイス２３０は反射光ビーム２８６をビームスプリッタ２６０へ導き、基準光ビーム２８２と干渉させ、干渉光ビーム２８５を形成する。干渉光ビーム２８５は集束レンズ２５０を通過し、集束レンズ２５０は干渉光ビーム２８５を集束させ、それが検出器２４０に達する。検出器２４０は、干渉光ビーム２８５を検出し、目標２０５が見付かったことを処理ユニット２２０に知らせ、処理ユニット２２０が、入射光ビーム２８４Ｃの現在の角度（例えば、図３の角度Ａ）を記録できるようにする。本発明による一実施形態において、処理ユニット２２０は、光ビームステアリングデバイス２３０により掃引される入射光ビーム２８４の角度をトラッキングする。
【００２９】
検出器２４０は、反射光ビーム２８６と基準光ビーム２８２とを含む干渉光ビーム２８５を検出する。処理ユニット２２０は、干渉技術を使用して、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの相対距離（例えば、図３の相対距離ΔＲ）を判定する。
【００３０】
図３は、本発明による実施形態の光学位置トラッキングシステム２００により判定された目標２０５の相対位置Ｔを示している。図３に示すように、光ビームステアリングデバイス２３０の位置Ｓは既知である。角度Ａは、入射光ビーム２８４が目標２０５によって反射されたときの角度に対応し、その反射に応じて、反射ビームと基準光ビーム２８２の干渉によって形成される干渉光ビーム２８５の検出が、検出器２４０によって行われる。上で述べたように、入射光ビーム２８４の角度値がトラッキングされる。以下で説明する干渉技術によれば、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの相対距離ΔＲを判定することができる。この干渉技術は、光源２１２の波長、及び、干渉光ビーム２８５（例えば、図４の信号４１０）の干渉縞のカウントを利用する場合がある。従って、目標２０５の相対位置は、入射光ビーム２８４の現在の角度（例えば、図３の角度Ａ）、及び、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの相対距離（例えば、図３の相対距離ΔＲ）を含む。
【００３１】
図４は、本発明による実施形態の干渉光ビーム２８５に応答して、図２の検出器２４０によって生成される信号４１０を示している。図４に示すように、信号４１０のピークは、干渉光ビーム２８５の干渉縞に対応する。本発明による実施形態において使用可能な干渉技術によれば、基準点を通過する干渉縞の数がカウントされる。光源２１２の数及び波長は、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの相対距離（例えば、図３の相対距離ΔＲ）を算出する際に使用される、入射光ビーム２８４や反射光ビーム２８６が進行した長さと基準光ビーム２８２が進行した長さの差の判定に使用される。基準光ビーム２８２は、既知の距離を進行する一方、入射光ビーム２８４及び反射光ビーム２８６は、測定すべき距離を伝搬する。
【００３２】
構造（絶対位置トラッキング実施形態）
図５を参照すると、この図は、本発明による実施形態の目標２０５の絶対位置をトラッキングするための光学位置トラッキングシステム５００を示している。下記の説明は、本発明による実施形態の物理的構造の説明から開始される。その後、本発明の実施形態の動作に関する説明が続く。
【００３３】
本発明による実施形態の物理的構造に関し、図５は、本発明の実施形態による目標２０５の絶対位置をトラッキングするための光学位置トラッキングシステム５００を示している。図５に示すように、光学位置トラッキングシステム５００は、光ビーム発生器２１０、光学素子２６０、ミラー２７０、光ビームステアリングデバイス２３０、検出器２４０、集束レンズ２５０、及び、処理ユニット２２０を含む。要するに、光ビームステアリングデバイス２３０に対する目標２０５の角度関係は、検出器２４０に関係して判定される。また、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの絶対距離は、複数の波長を有する光ビーム、及び、目標２０５からの反射光ビームと基準光ビームの干渉によって形成される干渉光ビームを利用する干渉技術を使用して判定される。干渉光ビームが形成される理由は、反射光ビームと基準光ビームが異なる長さの経路に沿って伝搬するからである。従って、目標２０５の絶対位置は、目標２０５のこの角度関係、及び、目標２０５のこの絶対距離によって表現される。
【００３４】
図２の光学位置トラッキングシステム２００は、目標２０５の相対位置をトラッキング出来るのに対し、光学位置トラッキングシステム５００は、目標２０５の絶対位置をトラッキング出来る。特にことわりがない限り、図２に関する構造に関する説明は、図５にも適用される。
【００３５】
図２とは違い、図５の光学位置トラッキングシステム５００は、複数の波長（例えば、λ１とλ２）を有する光ビーム２８０を生成する光ビーム発生器２１０を有する。本発明による一実施形態において、光ビーム発生器２１０は、第１の波長λ１を有する光源１と、第２の波長λ２を有する光源とを含む。本発明による他の実施形態において、光ビーム発生器２１０は、第１の波長λ１及び第２の波長λ２を有する光源を含む。本発明による他の実施形態において、光源の光波長は、第１の波長λ１と第２の波長λ２の間で高速に変化する。つまり、ある期間の間、光源は複数の波長を有する。本発明による更に他の実施形態において、光ビーム発生器２１０は、第１の波長と第２の波長の間の複数の波長を有する広帯域光源を含む。この広帯域光源によれば、他の実施形態に比べてコストを節約することが出来る。図２に関して述べた光源タイプに関する説明は、図５にも同じように適用可能である。
【００３６】
本発明による他の実施形態において、光学位置トラッキングシステム５００は、異なる波長（例えば、λ１とλ２）の干渉光ビーム２８５の干渉パターンを個別に検出するために、複数の検出器を有する。
【００３７】
動作（絶対位置トラッキング実施形態）
以下の説明は、本発明による実施形態の動作を詳細に説明するものである。
【００３８】
図５を参照し、図２を参照して説明したものに類似した光学位置トラッキングシステム５００の動作の説明に移る。以下では特にことわりがない限り、図２に関する動作説明は、図５にも適用される。目標２０５のトラッキングを開始する前に、光源１の波長λ１と光源２の波長λ２を測定し、位相関係を判定する。光ビーム２８０は複数の波長を有する。
【００３９】
検出器２４０は、反射光ビーム２８６と基準光ビーム２８２を含む干渉光ビーム２８５を検出する。処理ユニット２２０は、干渉技術を使用して、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの絶対距離（例えば、図６の絶対距離ΔＲ）を判定する。
【００４０】
図６は、本発明による実施形態の図５の光学位置トラッキングシステム５００により判定された目標２０５の絶対位置Ｔを示している。図６に示すように、光ビームステアリングデバイス２３０の位置Ｓは既知である。角度Ａは、入射光ビーム２８４が目標２０５によって反射されたときの角度に対応し、その反射に応じて、反射光ビーム２８６と基準光ビーム２８２の干渉によって形成される干渉光ビーム２８５の検出が、検出器２４０によって行われる。上記のように、入射光ビーム２８４の角度値がトラッキングされる。以下に記載する干渉技術によれば、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの絶対距離Ｒを判定することができる。この干渉技術は、複数の波長を使用して絶対距離を判定することを含む場合がある。従って、目標２０５の絶対位置は、入射光ビーム２８４の現在の角度（例えば、図６の角度Ａ）、及び、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの絶対距離（例えば、図６の絶対距離Ｒ）を含む。
【００４１】
光ビーム２８０が第１の波長λ１及び第２の波長λ２を有する場合、干渉光ビーム２８５は、第１の波長λ１における第１の干渉縞パターンと、第２の波長λ２における干渉縞パターンとを有する。干渉光ビーム２８５は、第１の干渉縞パターンと第２の干渉縞パターンに分離することができ、それによって検出器は各干渉縞パターンを検出することができる。図７は、本発明の実施形態に従って、第１の検出器によって生成された第１の干渉縞パターンに対応する信号７１０、及び、第２の検出器によって生成された第２の干渉縞パターンに対応する信号７２０を示している。また、図７には、本発明による実施形態の干渉光ビーム２８５に応じて、図５の検出器２４０によって生成された信号７３０も描かれている。つまり、信号７３０は、信号７１０と信号７２０の重ね合わせである。図７に示すように、信号７１０と信号７２０の間には、ビート信号７４０を発生させる位相関係がある。本発明による実施形態に使用可能な干渉技術によれば、ビート信号７４０を処理し、光源１と光源２の間の較正位相関係における位相ずれを判定することができる。それによって、入射光ビーム２８４及び反射光ビーム２８６が進行した長さに対する基準光ビーム２８２が進行した長さを判定することができ、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの絶対距離（例えば、図６の絶対距離Ｒ）を生成することができる。
【００４２】
本発明による他の実施形態では、波長調節光源を使用する場合、干渉技術は、干渉パターンを周波数ｆｂに変換する場合がある。目標２０５までの絶対距離は、Ｒ＝（１／２）＊ｖ／ｒに類似した数学的関係に従って決まり、周波数ｆｂの値によって決まる。ただし、「＊」は乗算を表わし、ｖは光速であり、ｒは、波長調節光源の光周波数の変化率である。ｆｂの変化の原因となる内部遅延誤差の影響は、較正オフセットによってＲを調節することにより、簡単に補正される。
【００４３】
本発明による他の実施形態において、広帯域光源を使用する場合、干渉技術は、検出器２４０によって収集された信号７３０のコヒーレント・エンベロープを処理することによって、光ビームステアリングデバイス２３０から目標２０５までの絶対距離を導出する場合がある。
【００４４】
図２及び図５には、光ビームステアリングデバイスを使用した二次元目標トラッキングを例示したが、３つ目の次元における光ビームステアリングデバイスを追加することにより、本発明による実施形態は、三次元目標トラッキングに拡張することも可能である。
【００４５】
光学位置トラッキングシステム２００及び５００は多数の利点を有する。目標の移動は、二次元でトラッキングすることも三次元でトラッキングすることもでき、光学位置トラッキングシステム５００の場合は、目標の絶対位置データを生成することができ、光学位置トラッキングシステム２００の場合は、目標の相対位置データを生成することができる。従来技術の位置トラッキングシステムでは、目標の新たな位置の判定が、目標の以前の位置に依存する。目標が、トラッキングできない態様で移動した場合（例えば、表面からマウスを持ち上げる等）、従来技術の相対位置トラッキングシステムは、目標がトラッキング可能な態様で移動するまで、目標の新たな位置を判定することができない。これに対し、光学位置トラッキングシステム５００は、光ビーム掃引空間において目標が手書き態様で移動する場合でも、以前の位置とは無関係に絶対位置データから目標の現在位置を得ることができ、コンピュータシステムへの手書き入力が容易になる。光学位置トラッキングシステム５００の光ビーム掃引空間の範囲外に目標が移動した場合でも（例えば、光ビーム掃引空間の上に目標を持ち上げることにより）、目標が光学位置トラッキングシステム５００の光ビーム掃引空間の範囲内に移動した後直ぐに、目標の絶対位置を判定することが可能である。
【００４６】
更に、光学位置トラッキングシステム２００及び５００は、目標の高分解能トラッキングが可能であり、また、特定表面タイプの目標に制限されることもない。例えば、従来技術による機械式トラック・ボールマウスは、滑らかな表面でなければ適切な動作をさせることができず、また、従来技術の光学マウスは、純白の表面で使用することが困難である。光学位置トラッキングシステム２００及び５００は、目標に関しては消極的であり、あまり制約がない。光学位置トラッキングシステム２００及び５００によれば、小型で、低コストで、低消費電力な実施形態が可能である。また、光学位置トラッキングシステム２００及び５００は、簡単に拡張可能でもある。図２及び図５に示した構成要素の数は、狭い範囲の用途においても広い範囲の用途においても、目標の移動をトラッキングするのに十分な数である。ただし、それらの用途においては、構成要素の性能要件が異なる場合がある。
【００４７】
図８Ａは、本発明による実施形態の光ビームの円形断面８００Ａを示している。この円形断面８００Ａを有する光ビームは、光学位置トラッキングシステム２００（図２）及び５００（図５）に使用することができる。円形断面８００Ａを小さくするほど、光学位置トラッキングシステム２００（図２）及び５００（図５）の分解能は向上する。
【００４８】
図８Ｂは、本発明による実施形態の光ビームの楕円形断面８００Ｂを示している。楕円形断面８００Ｂを有する光ビームを光学位置トラッキングシステム２００（図２）及び５００（図５）に使用すると、光ビームステアリングデバイスの掃引方向に対して垂直に目標２０５が移動した場合でも、多少のトラッキング誤差が許容される。楕円形断面８００Ｂは掃引方向に対して垂直方向に長いので、光学位置トラッキングシステム２００（図２）及び５００（図５）のトラッキング範囲を掃引方向に対して垂直な方向に拡大することができる。
【００４９】
図９は、本発明による実施形態の限定掃引モードで動作する図２の光学位置トラッキングシステム２００を示している。図２における光ビームステアリングデバイス２３０は、角度範囲２９０全体にわたって掃引してるが、図９における光ビームステアリングデバイス２３０は、限られた角度範囲２９５しか掃引しない。この限定掃引モードによれば、目標２０５を見付ける速度を向上させることができ、また、分解能を向上させることができる。
【００５０】
実際には、光ビームステアリングデバイス２３０は最初は、全掃引モード（例えば、角度範囲２９０全体）で動作する。ただし、光ビームステアリングデバイスに対して第１の角度において目標２０５がいったん見付かると、光ビームステアリングデバイス２３０は、入射光ビーム２８４が種々の角度位置（例えば、２８４Ａ〜２８４Ｃ）にあるかのように、第１の角度を中心として限られた角度範囲２９５だけを掃引する。光ビームステアリング２３０のこのうろたえたような動きによれば、短期間における目標の動きがあまり大きくないと予想される場合に、大きな利点が得られる。限定掃引モードにおいて目標２０５が入射光ビームを反射しなくなると、光ビームステアリングデバイス２３０は、全掃引モードの動作に戻る。
【００５１】
図９に関する説明は、図５の光学位置トラッキングシステム５００にも同様に適用することができる。
【００５２】
図１０は、本発明による実施形態の目標を光学的にトラッキングする方法を示すフロー図である。
【００５３】
ステップ１０１０では、光ビームから、基準光ビームと入射光ビームを生成する。光ビームが単一の波長しか持たない場合、目標の相対位置がトラッキングされる。光ビームが複数の波長を持つ場合、それらの波長が同時に存在することにより、すなわち、複数の波長を有する期間の存在により、目標の絶対位置をトラッキングすることができる。続いてステップ１０２０では、光ビームステアリングデバイスにより、ある角度範囲にわたって入射光ビームを掃引する。更に、入射光ビームの角度値を判定する。
【００５４】
更に、ステップ１０３０では、目標が入射光ビームを反射し、反射光ビームを生成する。反射光ビームは基準光ビームと干渉し、干渉光ビームを形成する。
【００５５】
ステップ１０４０では、データを使用し、干渉技術を使用して目標の位置を判定する。目標が入射光ビームを反射するときの入射光ビームの角度値のようなデータ、及び、光ビームステアリングデバイスから目標までの距離を提供する干渉光ビームが使用される。
【００５６】
本発明による特定実施形態に関する上記の説明は、図示説明の目的で提供したものである。それらの実施形態は、本発明を開示した形態に厳密に制限するためのものでもなければ、本発明の形態を網羅するためのものでもない。上記の説明に照らして、多くの変更及び改変が可能である。それらの実施形態は、本発明の原理及びその実際の用途を最も分かり易く説明するために選択され、記載されている。それによって、当業者が、特定の用途に合わせて、本発明及び種々の実施形態に種々の変更を加えて、良好に使用できるものと考えられる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】光学位置トラッキングシステムを示す、本発明による実施形態のシステムの図である。
【図２】本発明による実施形態の目標の相対位置をトラッキングするための光学位置トラッキングシステムを示す図である。
【図３】本発明による実施形態の図２の光学位置トラッキングシステムにより判定された目標の相対位置を示す図である。
【図４】本発明による実施形態の干渉光ビームに応答して図２の検出器によって生成された信号を示す図である。
【図５】本発明による実施形態の目標の絶対位置をトラッキングするための光学位置トラッキングシステムを示す図である。
【図６】本発明による実施形態の図５の光学位置トラッキングシステムによって判定された目標の絶対位置を示す図である。
【図７】本発明による実施形態の干渉光ビームに応答して図５の光検出器によって生成された複数の信号を示す図である。
【図８Ａ】本発明による実施形態の光ビームの円形断面を示す図である。
【図８Ｂ】本発明による実施形態の光ビームの楕円形断面を示す図である。
【図９】本発明による実施形態の限定掃引モードで動作する図２の光学位置トラッキングシステムを示す図である。
【図１０】本発明による実施形態の目標を光学的にトラッキングするための方法を示すフロー図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビーム(280)から入射光ビーム(284)と基準光ビーム(282)を生成するための光学素子(260)と、
前記入射光ビームを或る角度範囲(290)にわたって掃引し、目標(205)による前記入射光ビーム(284)の反射を引き起こす光ビームステアリングデバイス(230)と
を含み、前記入射光ビーム(284)の前記反射(286)が前記基準光ビーム(282)と干渉し、干渉光ビーム(250)を形成するように導かれ、前記入射光ビーム(284)の角度値と、前記干渉光ビーム(250)とを使用し、干渉技術を使用して前記目標(205)の位置が判定され、前記角度値が前記反射(286)に依存する、光学位置トラッキングシステム(200,500)。
【請求項２】
前記目標(205)の位置を判定するための処理ユニット(220)を更に含む、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(200,500)。
【請求項３】
前記光ビーム(280)は単一の波長を有し、前記目標(205)の位置は相対位置である、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(200)。
【請求項４】
前記光ビーム(280)は複数の波長を有し、前記目標(205)の位置は絶対位置である、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(500)。
【請求項５】
前記目標(205)は逆反射表面(207)を有する、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(200,500)。
【請求項６】
前記目標(205)は、前記入射光ビーム(284)が特定の角度値にあるときに、前記入射光ビームを反射し、前記光ビームステアリングデバイスは、前記目標(205)が前記入射光ビーム(284)を反射しなくなるまで、前記特定の角度を含む限られた角度範囲にわたって前記入射光ビーム(284)を掃引する、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(200)。
【請求項７】
前記光ビームステアリングデバイス(230)は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）モータビームステアリングデバイス、ガルバノメータ・ビームステアリングシステム、音響光学ビームステアリングデバイス、電気光学ビームステアリングデバイス、格子構造ビームステアリングデバイス、ホログラフィック構造ビームステアリングデバイス、及び、走査ミラー・ビームステアリングデバイスのうちのいずれか１つである、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(200,500)。
【請求項８】
前記光ビーム(280)は、白熱灯技術に基づく光源、ＬＥＤ（発光ダイオード）技術に基づく光源、半導体レーザー技術に基づく光源、及び、希土類レーザー技術に基づく光源からなるグループの中から選択された１つの光源によって生成される、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(200,500)。
【請求項１】
光ビーム(280)から入射光ビーム(284)と基準光ビーム(282)を生成するための光学素子(260)と、
前記入射光ビームを或る角度範囲(290)にわたって掃引し、目標(205)による前記入射光ビーム(284)の反射を引き起こす光ビームステアリングデバイス(230)と
を含み、前記入射光ビーム(284)の前記反射(286)が前記基準光ビーム(282)と干渉し、干渉光ビーム(250)を形成するように導かれ、前記入射光ビーム(284)の角度値と、前記干渉光ビーム(250)とを使用し、干渉技術を使用して前記目標(205)の位置が判定され、前記角度値が前記反射(286)に依存する、光学位置トラッキングシステム(200,500)。
【請求項２】
前記目標(205)の位置を判定するための処理ユニット(220)を更に含む、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(200,500)。
【請求項３】
前記光ビーム(280)は単一の波長を有し、前記目標(205)の位置は相対位置である、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(200)。
【請求項４】
前記光ビーム(280)は複数の波長を有し、前記目標(205)の位置は絶対位置である、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(500)。
【請求項５】
前記目標(205)は逆反射表面(207)を有する、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(200,500)。
【請求項６】
前記目標(205)は、前記入射光ビーム(284)が特定の角度値にあるときに、前記入射光ビームを反射し、前記光ビームステアリングデバイスは、前記目標(205)が前記入射光ビーム(284)を反射しなくなるまで、前記特定の角度を含む限られた角度範囲にわたって前記入射光ビーム(284)を掃引する、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(200)。
【請求項７】
前記光ビームステアリングデバイス(230)は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）モータビームステアリングデバイス、ガルバノメータ・ビームステアリングシステム、音響光学ビームステアリングデバイス、電気光学ビームステアリングデバイス、格子構造ビームステアリングデバイス、ホログラフィック構造ビームステアリングデバイス、及び、走査ミラー・ビームステアリングデバイスのうちのいずれか１つである、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(200,500)。
【請求項８】
前記光ビーム(280)は、白熱灯技術に基づく光源、ＬＥＤ（発光ダイオード）技術に基づく光源、半導体レーザー技術に基づく光源、及び、希土類レーザー技術に基づく光源からなるグループの中から選択された１つの光源によって生成される、請求項１に記載の光学位置トラッキングシステム(200,500)。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２００７−５２２６５２（Ｐ２００７−５２２６５２Ａ）
【公表日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５４９５４７（Ｐ２００６−５４９５４７）
【出願日】平成１７年１月１２日（２００５．１．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０００９００
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０７０１６６
【国際公開日】平成１７年８月４日（２００５．８．４）
【出願人】（５０６０７６６０６）アバゴ・テクノロジーズ・ジェネラル・アイピー（シンガポール）プライベート・リミテッド (129)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１２日（２００５．１．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０００９００
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０７０１６６
【国際公開日】平成１７年８月４日（２００５．８．４）
【出願人】（５０６０７６６０６）アバゴ・テクノロジーズ・ジェネラル・アイピー（シンガポール）プライベート・リミテッド (129)
【Ｆターム（参考）】
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