[发明专利]包括多个激光器的相对运动传感器

说明书

发明领域

本发明涉及一种例如用在光学输入设备中的相对运动传感器，其用于测量物体(例如，用户的手指、身体的其他部分，或者无生命的物体，如材料的工作面或一片材料)或者其他物质(如包含特殊材料的液体或气体)与传感器彼此之间的相对运动，这类传感器包括两个或多个激光器，每个激光器都具有激光腔，用于生成各自的测量光束并利用所述光束照射物体或物质，其中由该物体或该物质反射的至少一些测量光束辐射重新进入各自的激光腔，并且其中提供测量部件以测量由重新进入各自的激光腔的反射测量光束辐射与该腔中的光波发生干涉而引起的激光腔的工作变化。

本发明还涉及一种测量物体或物质与这种传感器彼此之间的相对运动的方法。

背景技术

包括如上定义的相对运动传感器的光学输入设备可以从国际专利申请第02/37410号中获得，该申请描述了一种测量输入设备与物体的相对运动的方法，所述物体例如人的手指或其他物体，该方法使用的是二极管激光器中所谓的自混合效应。所谓的自混合效应是由二极管激光器发射并重新进入该二极管激光腔的辐射引起该激光器的增益发生变化并因此引起从激光器发射的辐射发生变化的现象。二极管激光器发射的辐射通过例如塑料透镜而聚焦在外部物体(例如指尖)上。光发生散射并且一小部分光重新进入激光腔。在该腔中，散射的光与腔内部的光相干地混合，这改变了激光器的增益和频率。这种自混合是能够被检测到的，并且能够对其进行变换以表示该设备和物体之间相对运动的方向和速度。

图1a是光学输入设备的横截面示意图，该光学输入设备在其下端包括基板1和多个检测器，基板1是二极管激光器的载体，所述二极管激光器可以是垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)型的激光器，所述检测器例如是光电二极管。在图1a中，仅能看到一个二极管激光器3及其相关联的光电二极管，但是通常在基板1上至少提供第二二极管激光器5和相关联的检测器6，如图1b中所示。二极管激光器3、5分别发射激光，或称为测量光束13和17。该设备在其上端配有透明窗(例如塑料透镜)12，外部物体15例如人的指尖横移过该透明窗。透镜10例如是平凸透镜，其设置在二极管激光器和该窗之间。该透镜将激光束13、17聚焦到透明窗处或其上端附近。如果物体15位于该位置，那么其将对光束13、17进行散射。辐射光束13、17的一部分沿着照明光束13、17的方向发生散射，这部分光由透镜10会聚在二极管激光器3、5的发射表面上，并且重新进入该激光腔中。重新进入该腔中的辐射引起该激光器的增益变化，并因此引起由激光器发射的辐射的变化。这一现象在本文中也称作二极管激光器中的所谓的自混合效应。

手指和输入设备彼此相对运动，从而使运动方向具有在激光束的方向上的分量。在手指和输入设备运动时，由于多普勒效应，由物体散射的辐射得到的频率与照明该物体的辐射的频率不同。将照明光束聚焦在手指的同一个透镜将部分散射光聚焦在二极管激光器上。由于一些散射辐射通过激光反射镜进入激光腔，在激光器中发生光的干涉。这引起激光器和发射的辐射的性质发生根本变化。因为自耦合效应而发生改变的参数包括激光辐射的功率、频率和线宽以及激光阈值增益。激光腔中的干涉的结果是这些参数值的波动，其频率等于两个辐射频率之差。该差值与指尖的速度成比例。因此，通过测量上述参数之一的值可以确定指尖的速度以及通过在时间上求积分可以确定指尖的位移。

通过光电二极管4、6可以检测到由于指尖和输入设备之间的相对运动而引起的由二极管激光器发射的激光辐射的强度变化，该光电二极管将辐射变化转变为电信号，为了对该电信号进行处理提供了电子电路18、19。

相对运动传感器的原理以及在本发明中采用的测量相对运动的方法更详细地记载在国际专利申请第02/37410中，本文中不再做任何更详细描述。

因此，为了能够沿几个方向测量相对运动，或者为了能够获得更精确的测量结果，可以使用两个或多个二极管激光器和相对应的检测器。一般来说，利用多个激光器可能导致从一个激光器发出的光进入到另一个二极管激光器的激光腔中。在实践中，由于生产过程中的公差，不同的激光器的波长可能十分不同，从而避免了从一个二极管激光器发出的光进入另一个二极管激光腔中而引起的任何问题。但是，当进一步增加激光器的数量和/或在同一个芯片上提供多个激光器时，干涉可能变得明显到一定程度，从而可能使信噪比增大或者根据激光器的时间相干性而可能出现错误的干涉，该错误的干涉会不利地影响相对运动测量的精度。

发明内容