CN1985235B - 相对运动传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于处理薄层材料的装置或光学输入设备，例如其中采用了利用激光二极管的所谓“自混频”效应的相对运动传感器(108)，提供带通滤波器(100)来滤波由于电信号的测量而产生的电信号，以减少或基本上消除在这种信号中出现的低频载波信号和高频噪声的影响。结果，激光自混频转换测量的精度被显著改善。

Description

相对运动传感器

本发明涉及一种相对运动传感器，用于测量对象和所述传感器相对于彼此的运动，该传感器包括至少一个具有激光腔的激光器，用于生成测量光束及利用该光束照亮对象，其中由所述对象反射的测量光束辐射的至少一部分重新射入所述激光腔，该装置进一步包括测量装置，用于测量在所述激光腔的操作中的变化，这是由重新射入所述激光腔的反射测量光束辐射和所述激光腔中的光波发生干涉而产生的，以及用于提供代表所述变化的电信号的装置。

这种类型的相对运动传感器在国际专利申请WO02/37410中已经公开了，其描述了一种具有透明窗口的光学输入设备，在窗口上会聚了从二极管激光器的辐射。当对象，例如用户的手指，在窗口上运动时，由该对象散射的部分辐射—其频率由于对象运动而多普勒频移—重新射入该激光腔。输入设备和对象的相对运动利用二极管激光器中的所谓自混频效应来测量。这是一种现象，即由二极管激光器发射以及重新射入二极管激光器的空腔的辐射导致激光增益的变化，且因此导致由激光发射的辐射的变化。这种变化可以被光电二极管检测，其将辐射变化转变为电信号，且具有处理该信号的电子电路。

上述类型的另一个相对运动传感器在国际专利申请WO02/37124中已经公开了，其描述了一种方法和设备，用于测量材料薄层和薄层传感器(sheetsensor)相对于彼此的运动，由此二极管激光器的辐射会聚在薄层上，该薄层反射并散射了光。一部分辐射束沿着自身散射，且这部分由透镜会聚在二极管激光器的发射表面上，且重新射入这个激光器的空腔。再次利用二极管激光器中的所谓自混频效应，获得表面材料和传感器的相对运动，如以上概述的。

在任何一种情况中，参考附图的图1，在平移测量期间生成的信号包括低频调制载波A、脉冲串形式的信息信号B以及某种高频噪声C。本领域技术人员可以理解的是，这是影响波动返回信号的振幅变化的入射激光的散斑图，每个脉冲对应所经历的路程，而脉冲的频率对应运动的速度。然而如附图的图1所示，这些脉冲通常混合了噪声，对于电子电路很难在由于位移的脉冲和由于噪声的脉冲之间进行区分，如参考附图的图2更清楚描述的。特别的，高频噪声产生了数字化信号中的抖动，使得大量的脉冲不能精确地恢复，且关于信息信号的频率确定变得不那么准确。

现在我们已经设计了一种改进的配置，且本发明的一个目的是提供其中激光器自混频平移测量的精确度被显著提高的相对运动传感器(以及测量相对运动的方法)。

根据本发明，提供了一种相对运动传感器，用于测量对象和所述传感器相对于彼此的运动，该传感器包括具有激光腔的至少一个激光器，用于生成测量光束以及用该光束照亮对象，其中由所述对象反射的至少一些测量光束辐射重新射入所述激光腔，该装置进一步包括测量装置，用于测量在所述激光腔的操作中的变化，这是由重新射入所述激光腔的反射的测量光束辐射和所述激光腔中的光波发生干涉而产生的，以及用于提供代表所述变化的第一电信号的装置，带通滤波器装置，用于对所述第一电信号进行滤波，以便至少减少由低频和高频噪声造成的影响，以产生代表所述变化的第二电信号，用于确定所述对象和所述传感器的相对运动。

还是根据本发明，提供了一种方法，用于测量对象和传感器相对于彼此的运动，该传感器包括具有激光腔的至少一个激光器，用于生成测量光束以及用该光束照亮对象，其中由所述对象反射的至少部分测量光束辐射重新射入所述激光腔，该方法进一步包括测量在所述激光腔的操作中的变化，这是由重新射入所述激光腔的反射的测量光束辐射和所述激光腔中的光波发生干扰而产生的，提供代表所述变化的第一电信号，对所述第一电信号进行滤波以至少减少由低频和高频噪声造成的影响，以产生代表所述变化的第二电信号，用于确定所述对象和所述传感器的相对运动。

本发明还扩展到薄层传感器和用于处理薄层材料的装置，该装置包括这种薄层传感器，以及一种输入设备，包括以上定义的相对运动传感器。

因此根据本发明，提供了一种带通滤波器，其至少减少了低频载波和高频噪声，很多情况下实际上是消除了，以仅仅保留预期的波动信息信号。

带通滤波器的通带优选地由第一电信号的波动的预期频率确定，其主依赖参数是需要检测的运动的最高速度，因为频率与相对运动的速度成比例。

在一个实施例中，带通滤波器的通带可以固定。可替换地，通带可以是可控制的，有利的是动态的。例如，在采用电动机或类似驱动机构来影响上述相对运动的应用中，接着可以根据驱动机构的速度设置、动态改变和控制带通滤波器的通带。例如，这可以应用在打印或复印应用中。

在本发明的第一优选实施例中，带通滤波器的通带的低通和高通成分可以由例如各自的斜坡产生器建立。斜坡产生器被优选地配置为从控制电动机的电动机控制器接收一个或多个控制信号，使得由斜坡产生器产生的斜坡的斜率以及因此带通滤波器的通带根据电动机的速度而被控制。优选地，脉冲计数器被用来从第二电信号中至少确定对象和传感器之间相对运动的程度，且该配置有利地包括从脉冲计数器通过电动机控制器到电动机和传感器的反馈回路。

可以提供电动机速度传感器来感测电动机的速度，并提供控制信号给用于产生带通滤波器的通带的低通和高通成分的电平产生器。可以在带通滤波器和脉冲计数器之间提供微分器，且电平产生器还可以被提供来控制微分器，电平产生器优选地还从电动机速度传感器接收输入。

在可替换的实施例中，该配置可以包括多个带通滤波器，其中一个是根据第一电信号的频率而选择的。每个带通滤波器有利地具有各自的整流器和放大器。

从这里所述的实施例，或者参考这里所述的实施例，本发明的这些和其他方便将会更明显。

通过举例的方式和参考附加的附图，现在将描述本发明的实施例，其中：

图1示出了第一电信号的单独成分，包括由于对象的位移而在恒速聚焦的激光中产生的激光自混频信号B、激光和电子低频噪声A、和高频噪声C；

图2示意性地示出了当所有的成分都混合时，图1的结果第一电信号；

图3是自混频薄层传感器的示意性说明；

图4示出了附图3的传感器的测量方法的原理；

图5示出了作为薄层运动的函数的光频的变化和激光腔的增益变化；

图6示意性地示出了测量涉及图5的变化的方法；

图7a是自混频光输入设备的示意性的横截面视图；

图7b是图7a的设备的平面图；

图8示出了带通滤波后的激光自混频信号；

图9是示出了根据本发明的典型实施例的装置作为部分的电动机控制闭合回路的示意性框图；

图10是涉及附图9的装置的一些典型的电压和电动机速度定时的图形说明；

图11是根据本发明的第二典型实施例的装置的示意性框图，其中不需要外部控制；

图12是根据本发明的第三典型实施例的装置的示意性框图，作为利用激光器自混频送纸传感器的打印机或复印机的电动机控制闭合回路的一部分。

图3示出了在国际专利申请WO02/37124中描述的自混频薄层传感器1的第一和最简单的实施例。这种传感器包括可以形成部分激光器/二极管单元2的二极管激光器，即包括二极管激光器和光电二极管形式的检测器的单元。代替这种单元的，还有单独的二极管激光器和单独的光电二极管可以使用。传感器还包括透镜6，其将由二极管激光器发射的辐射作为测量光束8会聚在诸如纸的薄层12上，该薄层的运动必须受到控制。这种表面通过辊子14传送。激光器/二极管单元和透镜可以容纳在光学模块中，其外壳可以具有用于测量光束的窗口。该表面接着在窗口上移动。

如果在测量光束8的路径中出现了纸张，例如在所述窗口的位置，这张纸张就反射并散射光束8。光束8的一部分辐射沿着自身散射，且这部分由透镜6会聚在二极管激光器的发射表面上，且重新射入这个激光器的空腔。如此后解释的，返回到空腔中的辐射在空腔中产生了变化，特别是其产生了由二极管激光器发射的激光辐射的强度变化。这种变化可以由光电二极管检测，其将辐射变化转换为电信号，以及用于处理这种信号的电子电路9。电路9形成了送纸控制器10的一部分，其控制辊子14的旋转并因此控制纸张12的运动。

图4示出了在国际专利申请WO02/37124中描述的薄层传感器和测量方法的原理。在图中，二极管激光器3示意性地分别由它的空腔20和它的前端和后端面，或者是激光镜21和22表示。空腔具有长度L。在纸张12和前端面21之间的空间形成了外部空腔，其具有长度L₀。通过前端面发射的激光束，即照明光束，由参考数字25表示，以及由纸张反射到前端面方向上的辐射由参考数字26表示。在激光腔中生成的部分照射光穿过了后端面，且由光电二极管4获取。

如果纸张12在照明光束25的方向上移动，则反射的辐射26要经历多普勒频移。这意味着这种辐射的频率变化了或者发生了频率偏移。这种频率偏移取决于纸张移动的速度，且大约是几kHz到MHz的数量级。重新射入激光腔的频率偏移的辐射与在这个空腔20中产生的光波、即辐射发生干涉，。这意味着在这个空腔中产生了自混频效应。根据在光波和重新射入空腔的辐射之间的相移量，这种干涉将是积极的或消极的，即激光辐射的强度周期性地增加或降低。以这种方式生成的激光辐射调制的频率恰好等于空腔中的光波频率和重新射入空腔的多普勒频移的辐射的频率之间的差值。该频率差大约是几kHz到MHz的数量级，因此很容易检测。自混频效应和多普勒频移的组合产生了激光腔特性的变化，即特别是它的增益、或者光振幅变化。

图5a示出在纸张的移动在向着二极管激光器的激光光束的主光线的方向上具有一个分量的情况下，作为时间t的函数的激光光束强度LI的变化。LI和t都以任意单位计量。由于激光强度的变化与激光增益g的变化成比例，该增益由频率υ的变化确定，且由于时间轴可以在表示纸张到二极管激光器之间的距离L₀的轴上被重新缩放，因此图5a的图形31与表示激光增益变化的图形类似，是距离L₀的函数。作为对象速度v的函数的增益变化Δg由以下等式给出：

Δg＝K.cos.{4πυ.v.t+4πυ.L ₀ .t}

    L       c        c

在这个等式中：

K是外部空腔的耦合系数；它表示耦合到激光空腔外部的辐射的量；

υ是激光辐射的频率；

v是纸张在照明光束方向上的速度；

t是瞬时时间；以及

c是光速度。

该等式可以从在上述两个文件中公开的自混频效应的理论中导出。纸张在自己的平面上移动，如图4中的箭头16表示的。因为多普勒频移仅仅在纸张沿着光束方向移动时发生，因此这种移动16应该是在这个方向上具有分量16’。由此，可以测量在XZ平面上的移动，即图4的图平面，其移动可以被称为X移动。图4示出纸张相对于系统的剩余部分歪斜放置。实际上，如图4所示，通常测量光束是歪斜光束，且纸张的移动在XY平面上产生。Y方向与图4的图平面垂直。如果需要的话，在这个方向上的移动可以由第二测量光束测量，由第二二极管激光器发射，且其散射光由与第二二极管激光器相关的第二光电二极管获取。

该测量方法仅仅需要小的多普勒频移，例如就波长来说，大约是1，5.10^-16m数量级的位移，其对应于680nm的激光波长的100kHz数量级的多普勒频移。

通过由监测器二极管测量在后部激光器面的辐射的强度来测量由对象运动导致的激光腔增益的变化是最简单的，因此是最诱人的方式。通常，这个二极管被用于保持激光发射强度恒定，但是还用于测量对象的运动。

测量增益变化和因此纸张运动的另一个方法利用激光辐射的强度与激光器接头的导带中的电子数量成比例。这个数量又与接头的电阻成反比。通过测量该电阻，可以确定对象的运动。图6中示出的是这种测量方法的一个实施例。在该图中，二极管激光器的活性层由参考数字35表示，且提供这种激光的电流源由参考数字36表示。二极管激光器上的电压通过电容器38施加到电子电路40。用通过激光器的电流而规格化的这种电压与激光腔的电阻或阻抗成比例。与二极管激光器串联的电感37形成了对于二极管激光器的信号的高阻抗。

除了纸张运动的速度之外还有运动量，即纸张位置，也可以通过关于时间对测量的速度进行积分来确定。对于该积分需要有关运动方向的信息，即需要确定纸张的移动是面向还是背对测量的轴。由图3的传感器实施例获得的信号31的时间间隔中的周期数量提供了有关运动速度的信息，但不是有关运动方向的信息。然而当利用这种实施例时，有关方向的信息可以从送纸控制器10导出。在控制驱动辊子14的送纸电动机的这个控制器中，可以得到方向信息。

根据本发明的另一个实施例，通过确定由自混频效应产生的信号的形状，可以检测运动的方向。如图5a中的图形31所示出的，这种信号是不对称的信号。图形31代表了纸张运动具有朝着激光的分量的情况。图形31的上升斜率33’比下降斜率33”更陡。如在1992年6月20日的Applied Optics(应用光学)，Vol.31，No.8第3401-3408页的上述文件中描述的，非对称是与远离激光器的对象运动反向的。这是由附图5b中的图形32描述的，其代表了纸张运动具有远离二极管激光器的分量的情况。图形32的下降斜率34”比其上升斜率34’要陡。通过确定自混频信号的不对称类型，例如通过将它和参考值比较，纸张的运动方向可以被确定。

附图7a是如国际专利申请WO02/37410所述的输入设备的横截面图。该设备包括在下侧的底板1，在VCSEL类型激光器的这个实施例中是二极管激光器的载体，以及检测器，例如光电二极管。在附图7a中，仅仅可以看见一个二极管激光器3和其相关的光电二极管4，但是通常在底板上还提供至少第二二极管激光器5和相关检测器6，如附图7b中所示的装置的顶视图。二极管激光器3和5分别发射激光光束或测量光束13和17。在其上侧，该设备具有透明窗口12，对象15例如人手指可以在该窗口上移动。例如平凸透镜的透镜10被配置在二极管激光器和窗口之间。这个透镜将激光光束13和17聚焦在透明窗口的上侧处或靠近上侧处。如果在这个位置出现了对象15，则该对象散射光束13。光束13的一部分辐射在照明光束13的方向上被散射，且这部分被透镜10会聚到二极管激光器3的发射表面上并重新射入该激光器的空腔。如此后描述的，返回到空腔中的辐射引起了这个空腔中的变化，特别是导致了由二极管激光器发射的激光辐射的强度变化。这种变化可以由将辐射变化转换为电信号的光电二极管4以及用于处理这个信号的电子电路18检测。照明光束17还被聚焦在对象上，被对象散射，且部分的散射光重新射入到二极管激光器5的空腔。在附图7a和7b中所示的用于光电二极管6的信号的电路18和19仅仅是说明性的目的，可以或多或少是常规的。如附图7b中所示，这个电路是互连的。

在例如附图7a和7b中的设备中使用的测量方法的原理与参考附图4到6所述的那些相同，这里不再重复。

如上所述，在现有技术自混频设备的上述和其它类型的情况中，测量不必是精确的，因为结果信号电平的振幅是变化的，且激光和电子噪声不能从信号中很好地分离。为了获得在这点上的非常高的精度，已知的是利用一种方法，其中利用光谱分析器测量准确的频率，而不是计数脉冲。然而，这种解决方法不仅由于明显更高的电力而昂贵，而且还体积庞大且具有相对低的反应速度。

用于增加自混频传感器中的精度的另一公知方法包括激光器模式的稳定。例如在US专利6,233,045中，设备被配置为避免模式跳变，可能通过为所有模式提供比预期模式相对高的损失。这可以通过利用具有高度的侧面模式抑制的激光类型而实现，例如DFB激光器，或通过对被允许重新射入激光器的光量的主动或被动控制。然而，解决方法还具有缺点，即由于需要对准激光光束而需要的附加光学元件而十分昂贵。还消耗了可能不足的附加空间，特别是在打印机和复印机应用中。

本发明提出了提供对附图的(例如)图2的激光自混频信号(在其信号处理之前)进行滤波以至少减少其低频和高频成分的带通滤波器，并产生如附图的图8所示的滤波的信号，使得激光自混频平移测量被明显地增强。换句话说，利用仅仅允许信息信号B通过的带通滤波器(以及偶尔与信号具有相同频率的噪声的极小部分)，信号可以被恢复为允许上述脉冲技术的很好的状态。

可以理解的是，本发明的原理可以被用在很多不同类型的应用中，包括根据在激光腔中的上述自混频效应而操作的相对运动传感器，包括薄层传感器和用于处理在国际专利申请WO02/37124中所述类型的薄层材料的装置，国际专利申请WO02/37410中所述类型的输入设备，以及在工业机器中的可精确旋转或平移的速度控制中。

在某些应用的情况中，相对运动的速度可以是相对恒定的，例如可以由电动机控制器控制，其中电动机控制器可以被布置和配置成不仅仅控制电动机速度，还控制构成带通滤波器的通带的低通和高通分量。

参考附图的图9，在例如复印机或打印机的机器中，本发明的一个最简单可行的实施例利用了由电动机控制器102控制的可控制带通滤波器100。由于电动机速度变化可能比电动机控制器102的控制信号要快，打印机的优选设计包括在电动机104启动之前或之时给出信号以及在电动机104停止时给出信号的电动机控制器102。电信号处理电路106a和106b根据控制带通滤波器100的电动机104的预期机械行为而生成斜坡信号。因此，提供了一条从电动机104和相对运动传感器108通过脉冲计数器110返回到控制电动机104的电动机控制器102的反馈回路，且图9的配置的各种时序图在附图的图10中以图形方式示出。

在另一个更复杂的实施例中，带通滤波器的通带可以由电动机104的反电动势或者代表电动机速度的其它参数控制。

参考附图的图11，在本发明的另一个典型实施例中，用于对信息信号进行滤波的带通滤波器100取决于信号频率。如果信息信号具有十分好的质量，则自动选择正确的带通滤波器100。在所述例子中，每个带通滤波器100a-d分别具有与其相关的整流器112和可控制放大器114。(例如)根据其频率已经通过正确带通滤波器100a的输入信号被大大地放大，且产生的信号与通过其它带通滤波器100b-d的少量放大的输入信号相混合。

如果信号的对称(例如，表示电动机速度的多普勒频移)被用在信号处理中，多普勒频率的较高次谐波是很重要的。因此，优选的是滤波器被设计为不将这些频率滤除。这可以通过保持带通足够宽以允许至少一个较高次通过而获得。可替换地，可以使用复杂的带通滤波器，其允许多普勒频率和一个或多个相应的较高次谐波通过。

多普勒信号(如激光自混频生成的)的对称的检测通常是由微分法完成的。当微分时，高频信号具有较大振幅。为了保持微分器115的输出在不同的频率上更恒定，大致测量的速度或频率的信息可以被用来在微分器之前或之后控制微分器的时间常数，输出振幅或可变放大。通过生成代表接近预期电动机速度的斜率来控制微分器或可控放大器，这可以在图9的设备中实现。例如，用于近似电动机速度的非常简单的传感器116是根据反电磁力(反EMF)的测量，且根据这个原理的高级系统在附图的图12中示出。

应该注意的是，上述实施例描述不是限制本发明，且本领域技术人员能够设计很多可替换的实施例，而不脱离由所附的权利要求所定义的发明范围。在权利要求中，在括号中的参考标记不应该解释为限制权利要求。除了在作为整体的任意权利要求或说明书中列出的那些之外，词语“包含”和“包括”等不排除其它元件或步骤的出现。元件的单数标记不排除这种元件的复数标记，反之亦然。本发明可以通过包括若干不同元件的硬件，以及通过适当编程的计算机而实现。在列举若干装置的设备权利要求中，若干这样的装置可以由同一个硬件体现。事实仅仅是在相互依附的权利要求中列举的某种措施不表示这些措施的组合不能被有利使用。

Claims (18)

1.一种相对运动传感器，用于测量对象和所述传感器相对于彼此的运动，该传感器包括：具有激光腔的至少一个激光器，用于生成测量光束以及用该测量光束照亮对象，其中由所述对象反射的至少部分测量光束辐射重新射入所述激光腔，该传感器进一步包括：测量装置，用于测量所述激光腔在操作中由重新射入所述激光腔的反射的测量光束辐射和所述激光腔中的光波发生干涉而产生的变化；用于提供代表所述变化的第一电信号的装置；带通滤波器(100)，用于滤波所述第一电信号以便至少减少由低频和高频噪声导致的影响，以产生代表所述变化的第二电信号来用于确定所述对象和所述传感器的相对运动，并且其中所述带通滤波器(100)被布置和配置成允许所述第一电信号的至少一个较高次谐波通过该带通滤波器(100)，以用于通过该至少一个较高次谐波确定该第一电信号的对称。

2.根据权利要求1的传感器，其中所述带通滤波器(100)的通带是由第一电信号的波动的预期或实际频率而确定的，其主要依赖的参数是需要测量的相对运动的最高速度。

3.根据前面权利要求中任意一项的传感器，其中所述带通滤波器(100)的通带是固定的。

4.根据权利要求1-2中任意一项的传感器，其中所述带通滤波器(100)的通带是可控制的。

5.根据权利要求4的传感器，其中利用电动机来影响所述相对运动，并且根据所述电动机的速度来设置、动态改变和控制带通滤波器(100)的通带。

6.根据前面权利要求4的传感器，其中所述带通滤波器(100)的通带的低通和高通成分是由斜坡产生器(106a，106b)建立的。

7.根据权利要求6的传感器，其中所述斜坡产生器(106)被配置成从控制电动机(104)的电动机控制器(102)接收一个或多个控制信号，使得由斜坡产生器(106)产生的斜坡的斜率根据电动机(104)的速度而被控制，以及因此带通滤波器(100)的通带根据电动机(104)的速度而被控制。

8.根据权利要求7的传感器，其中利用脉冲计数器(110)从第二电信号中至少确定对象和所述传感器之间相对运动的程度，以及其中提供有从脉冲计数器(110)通过电动机控制器(102)到电动机(104)和所述传感器(108)的反馈回路。

9.根据权利要求6的传感器，其中提供电动机速度传感器(116)来感测电动机(104)的速度，并提供控制信号给用于产生带通滤波器(100)的低通和高通成分的电平产生器装置(106)。

10.根据权利要求8的传感器，其中提供电动机速度传感器(116)来感测电动机(104)的速度，并提供控制信号给用于产生带通滤波器(100)的低通和高通成分的电平产生器装置(106)。

11.根据权利要求10的传感器，其中在带通滤波器(100)和脉冲计数器(110)之间提供微分器(115)，并且电平产生器装置被提供来控制该微分器。

12.根据权利要求11的传感器，其中所述电平产生器装置从电动机速度传感器(116)接收输入。

13.根据权利要求1到2中任意一项的传感器，包括多个带通滤波器(100)，其中一个是根据第一电信号的频率而选择的。

14.根据权利要求13的传感器，其中每个带通滤波器(100a-d)具有各自的整流器(112)和放大器(114)。

15.一种包括根据权利要求1到2中任意一项的相对运动传感器的薄层传感器。

16.一种用于处理薄层材料的装置，包括根据权利要求15的薄层传感器。

17.一种输入设备，包括根据权利要求1到2中任意一项的相对运动传感器。

18.一种用于测量对象和传感器相对于彼此的运动的方法，该传感器包括具有激光腔的至少一个激光器，用于生成测量光束以及用该光束照亮对象，其中由所述对象反射的至少部分测量光束辐射重新射入所述激光腔，该方法进一步包括：测量所述激光腔在操作中由重新射入所述激光腔的反射的测量光束辐射和所述激光腔中的光波发生干涉而产生的变化；提供代表所述变化的第一电信号；滤波所述第一电信号以便至少减少由低频和高频噪声导致的影响，以产生包括所述第一电信号的至少一个较高次谐波的第二电信号，该第二电信号代表所述变化来用于确定所述对象和所述传感器的相对运动，并且通过所述第一电信号的所述至少一个较高次谐波确定该第一电信号的对称。

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