CN115574739A - 用于自混合干涉测量的激光传感器、系统和方法 - Google Patents

用于自混合干涉测量的激光传感器、系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115574739A
CN115574739A CN202210472562.0A CN202210472562A CN115574739A CN 115574739 A CN115574739 A CN 115574739A CN 202210472562 A CN202210472562 A CN 202210472562A CN 115574739 A CN115574739 A CN 115574739A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
laser beam
patterned
eye
self
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210472562.0A
Other languages
English (en)
Inventor
H·斯普鲁伊特
J·黑尔米格
S·格罗嫩博恩
J·迈尔
A·彼得森
T·施勒布施
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongkuai Optoelectronic Device Co ltd
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Tongkuai Optoelectronic Device Co ltd
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tongkuai Optoelectronic Device Co ltd, Robert Bosch GmbH filed Critical Tongkuai Optoelectronic Device Co ltd
Publication of CN115574739A publication Critical patent/CN115574739A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02092—Self-mixing interferometers, i.e. feedback of light from object into laser cavity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/66—Tracking systems using electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912—Receivers
    • G01S7/4916—Receivers using self-mixing in the laser cavity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0093—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for monitoring data relating to the user, e.g. head-tracking, eye-tracking
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/0014—Measuring characteristics or properties thereof
    • H01S5/0028—Laser diodes used as detectors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/113—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for determining or recording eye movement
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0875—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

一种激光传感器，其包括发射激光束(22)的激光源(12)和将所述激光束(22)作为一维或二维图案化激光束(26)投射到待检查的对象(24)上的光学器件(20)，使得所述图案化激光束(26)距激光源(12)的距离沿着投射在对象(24)上的图案化激光束(26)变化。检测器(14)确定由从对象(24)反射回激光源(12)的图案化激光束(26)的激光产生的自混合干涉信号。电路(18)对自混合干涉信号进行光谱分析，并从自混合干涉信号的光谱中提取指示沿着所述图案化激光束(26)距激光源(12)的多个距离和/或沿着所述图案化激光束(26)相对于激光源(12)的多个速度的多个频率。还公开了具有这种激光传感器的系统以及相关的方法和计算机程序产品。

Description

用于自混合干涉测量的激光传感器、系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及使用自混合干涉测量来检测对象的位置和速度的领域。更具体地，本发明涉及使用自混合干涉测量来检测被检查对象的位置和/或速度的一种激光传感器、一种系统和一种方法。本发明还涉及一种计算机程序产品。
背景技术
自混合干涉(SMI：Self-Mixing Interference)是一种从对象获得距离和速度信息的技术。由激光源、例如激光二极管、特别是垂直腔面发射激光器(VCSEL：VerticalCavity Surface Emitting Laser)发射的激光被引导到例如需要确定其速度和/或位置的对象，并且从该对象反射的激光重新进入激光源并干涉激光谐振器内的光波。这会使得由检测器、例如光电二极管感测到的强度变化，所述检测器可以集成在激光源的结构中。
SMI可以应用于例如鼠标传感器、距离传感器、地面速度应用、粒子检测等等。
最近，SMI被提出用于跟踪人眼的注视。跟踪人眼的不同位置在多种应用中、例如在头戴式显示器、平视显示器和数据镜片中可能是有益的。文本或图像将被显示在显示器的对应于用户的注视的位置。在目前的眼跟踪技术中，除了SMI传感器之外，还需要一个相机系统来获得明确的眼位置。因此，常规系统在成本和复杂性方面是不利的。
应当注意，本发明不限于眼注视角度检测，而是可以在待从对象获得的位置和/或速度信息的各种其它应用中实现。术语“对象”不仅包括固体对象，而且还包括流体对象。此外，术语“一个对象”还可以包括多个对象。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种激光传感器，所述激光传感器能够在不需要附加的系统的情况下执行自混合干涉测量，使得所需的所有位置/速度信息可以从自混合干涉测量获得。
本发明的另一目的是提供一种系统，所述系统能够以高精度检测对象的位置或速度中的至少一个，而不需要像相机这样的附加的系统。
本发明的另一目的是提供一种相关的方法和一种计算机程序产品。
根据本发明的第一方面，提供了一种激光传感器，所述激光传感器包括
被配置成能够发射激光束的激光源，
光学器件，其被配置成能够将所述激光束作为一维或二维图案化激光束投射到待检查的对象上，使得所述图案化激光束距所述激光源的距离沿着投射到所述对象上的图案化激光束变化，
检测器，其被配置成能够确定由被对象反射回所述激光源的图案化激光束的激光产生的自混合干涉信号，以及
电路，其被配置成能够对所述自混合干涉信号进行光谱分析并从所述自混合干涉信号的光谱中提取多个频率，所述多个频率指示沿着所述图案化激光束距所述激光源的多个距离和/或沿着所述图案化激光束相对于所述激光源的多个速度。
根据本发明的激光源能够如常规SMI激光传感器一样从自混合干涉信号中获得更多信息。这是由相对于常规SMI技术的两个区别来实现的。第一个区别是利用一维或二维图案化激光束撞击待检查的对象。相比之下，在常规SMI技术中，激光束作为单个点状束斑投射在对象上，使得对象上的激光束斑在某一时间点距激光源仅有一距离。通过将激光束作为一维或二维图案化激光束投射到对象上，使得图案化激光束距激光源的距离沿着投射到对象上的图案化激光束变化，从而图案化激光束在一个时间点距激光源有多个距离。因此，与基于投射在对象上的单个束斑的SMI信号的情况相比，背反射图案化激光束基于所述多个距离产生包含更多的位置和/或速度信息的SMI信号。
“一维或二维图案化激光束”是指投射的激光束在一维或二维上具有延伸。例如，一维图案化激光束可以是直线或曲线或条带。所述线可以是连续的线、虚线或排列成线的多个点。一维图案化激光束的特征可以在于第一方向上的束宽度是垂直于第一方向的第二方向上的束宽度的至少两倍。二维图案化激光束可以具有在一区域上延伸的束轮廓，所述区域在所述区域内具有至少一个最小激光强度，其中，最小值可以为零。例如，二维图案化激光束可以是圆形、椭圆形、矩形、多条线的网格、十字形等。
发射的激光束可以包括由激光源发射的多个激光束。可以以时分复用方式发射多个激光束。所述激光源可以包括单个激光器或多个激光器。所述激光源可以包括单个激光器，所述单个激光器包括多个激光束发射区域。例如，激光器可以是具有两个或更多个台面的VCSEL阵列，每个台面分别是一激光束发射区域。
根据本发明的激光传感器与常规SMI激光传感器之间的第二个区别在于，根据本发明的激光传感器对自混合干涉信号进行光谱分析并从光谱、例如全光谱或至少光谱的基本部分提取多个频率，所述多个频率指示沿着图案化激光束距激光源的多个距离和/或沿着图案化激光束相对于激光源的多个速度。在常规SMI激光传感器中，只有SMI信号中的峰值频率用于从SMI信号中获得位置和/或速度信息。通过利用SMI信号的光谱分析，可以从SMI信号中获得更多、特别是更准确的信息。可以在频域或时域中执行SMI信号的光谱分析。例如，在对SMI信号进行快速傅里叶变换(FFT：Fast-Fourier Transformation)之后，根据本发明使用多个、甚至所有bin中的信息。
不是像在常规SMI传感器的情况下获得一个速度和/或一个距离，而是可以获得根据本发明可以同时分析多个距离和速度的整个信息谱。
根据本发明的激光传感器特别但不排它地适用于眼注视角度检测。不再需要附加的相机。根据本发明的激光传感器还特别但不排它地适用于流动流体中的速度分布检测，或对象的倾斜检测。本发明提供了一种与使用大量传统SMI传感器的阵列的常规系统相比引入空间解决方案的非常成本和功率有效的解决方案。
激光传感器的激光源可以是激光二极管、特别是VCSEL。检测器可以被配置为集成到VCSEL中的光电二极管，例如作为腔内光电二极管或腔外光电二极管。
本发明的优选实施例在本发明的其他方面中定义并且如本文进一步指出的那样。
在一个实施例中，所述激光传感器包括被配置成能够向所述激光源提供驱动电流以使所述激光源发射激光束的电驱动器，其中，所述电驱动器可以被配置成能够向所述激光源提供调制驱动电流以使所述激光源发射的激光束具有周期性变化的波长。
周期性变化的波长影响自混合干涉信号。如果待检查的对象没有移动，则使用具有周期性变化的波长的调制激光束来提高多个位置的检测精度。在移动对象的情况下，三角调制激光束会产生SMI信号的上升沿和尾沿(下降沿)的不同频率，其中，两个频率的平均值是对象距离的指标，而差与SMI信号的双多普勒频率相关。
投射到对象上的图案化激光束的图案可以选自由连续线图案、点线图案、多线图案组成的组。例如，图案化激光束可以是直线或曲线或条带，包括像圆形、椭圆形、矩形、网格、十字形等的闭合线。
在进一步的实施例中，所述光学器件还被配置成能够将图案化激光束聚焦到对象上。将图案化激光束聚焦到对象上有利地增加了SMI信号强度，或者换句话说，增加了信噪比(SNR：Signal-to-Noise Ratio)。优选的是，具有与待检查的对象的表面的位置尽可能好地匹配的最佳聚焦位置以获得最佳SMI信号。所述光学器件可以适于投射激光束，使得所述聚焦位置在所述对象的表面处被优化。如果所述对象具有非平面表面，则这将是特别有益的。
所述光学器件可以选自由单个柱面透镜、两个或更多个交叉柱面透镜、具有柱表面且柱表面的柱轴取向不同的柱面透镜、自由曲面光学器件、超光学器件(meta optics)、衍射元件，例如一个或多个光学光栅、全息光学器件、反射镜组成的组，所述反射镜可以是球面、柱面或自由曲面的反射镜，其中，所述反射镜可以是部分反射的。
根据待检查的对象，可以相应地选择所述光学器件，特别是优化沿着图案化激光束的最佳聚焦位置。
根据第二方面，提供了一种用于检测对象的位置或速度中的至少一个的系统，所述系统包括根据第一方面的激光传感器。由于所述系统包括根据本发明的激光传感器，因此所述系统可以用单个激光传感器测量多个位置和/或速度。
所述系统可以还包括至少第二激光传感器，第二激光传感器包括被配置成能够发射第二激光束的第二激光源和被配置成能够将第二激光束作为一维或二维图案化激光束投射到所述对象上的第二光学器件，其中，所述图案化激光束与第二图案化激光束以非零角度在所述对象上相交。
所述非零角度可以是90°或钝角或锐角。如果所述对象可以沿不同方向移动，则使用投射到所述对象上的两个图案化激光束是有利的。
待检查的对象可以是人眼，并且所述系统可以被配置成能够检测眼的注视角度。
眼的注视角度的检测可以通过分析SMI信号的光谱中指示眼的瞳孔位置的光谱中间隙来执行，因为图案化激光束或其一部分在瞳孔位置主要在距激光源的距离大于眼的前表面(虹膜和巩膜)的视网膜上反射。用于眼注视角度检测的系统可以被配置成能够以时分复用方式将多个图案化激光束投射到眼上。
根据本发明的系统还可以被配置成能够检测对象的倾斜角度。对象的倾斜的检测可以用于任何应用中，例如用于生产线中的产品的质量控制。倾斜检测也可以用于检测眼的注视角度，因为虹膜的倾斜是眼注视角度的量度。
所述系统还可以被配置成能够检测流动流体的速度分布。这是分析SMI信号的光谱以提取沿着图案化激光束相对于激光源的多个速度的一个实施例。例如，流体中的微粒可以反射图案化激光束，从而产生可测量的SMI信号。这样，优选仅具有来自图案化激光束的聚焦位置的SMI信号，使得优选在流体侧具有相对较大的数值孔径以用于最佳位置区分。
根据第三方面，提供了一种方法，所述方法包括
从激光源发射激光束，
将所述激光束作为一维或二维图案化激光束投射到待检查的对象上，使得所述图案化激光束距所述激光源的距离沿着投射在所述对象上的图案化激光束变化，
确定由从所述对象反射回所述激光源的图案化激光束的激光产生的自混合干涉信号，
对所述自混合干涉信号进行光谱分析并从所述自混合干涉信号的光谱中提取多个频率，所述多个频率指示沿着所述图案化激光束距所述激光源的多个距离和/或沿着所述图案化激光束相对于所述激光源的多个速度。
根据第四方面，一种计算机程序产品，其包括程序代码，所述程序代码用于当所述计算机程序在激光传感器的处理器或系统的处理器上执行时使根据第一方面的激光传感器或根据第二方面的系统执行根据第三方面的方法的步骤。
应当理解，所要求保护的系统、方法和计算机程序具有与所要求保护的激光传感器相似和/或相同的优选实施例，特别是如在从属权利要求中所定义的和如本文所公开的。
还应当理解，本发明的优选实施例还可以是从属权利要求与相应的独立权利要求的任意组合。
下面定义进一步的有利实施例。
附图说明
本发明的这些和其它方面将从下文描述的实施例中变得显而易见并且参考下文描述的实施例来阐明。在以下图中：
图1示出了激光传感器的示意图；
图2a)和b)示出了投射在对象上的图案化激光束的示例；
图3示出了发射作为图案化激光束投射到具有非平面表面的对象上的激光束的激光传感器的示意图；
图4示出了用于图1中的激光传感器的光学器件的一个示例；
图5示出了两个正交图案化线形束以一角度落在人眼上的示意性前视图；
图6示出了落在眼上的图案化线形束中的一束的侧视图；
图7示出了由如图6中所示的投射的图案化线形束产生的光谱的示意图；
图8示出了在人工眼实验中随相对旋转角度而变化的FFT光谱；
图9示出了用于在人工眼上进行实验的重建的眼注视角度；
图10示出了类似于图6的示意图，其中倾斜的柱面透镜作为激光传感器的光学器件；
图11示出了图10中的眼到激光传感器的距离随图10中的角度α而变化的曲线图，对于眼的聚焦位置和前部位置两者；
图12示出了具有集成激光传感器的眼镜；
图13示出了具有四个激光传感器的作为图案化激光束投射在眼的表面上的激光束的人眼的前视图；
图14a)和b)示出了在根据图13的旋转位置中眼的表面上的两个感测区域的测量的频谱，其中，图14a)示出了第一感测区域的对应频谱，而图14b)示出了另一个感测区域的频谱；
图15示出了四个激光传感器的激光束，所述激光束在眼旋转之后作为二维图案化激光束投射到眼的表面上。
图16a)和b)示出了在根据图15的旋转位置中眼的表面上的两个感测区域的测量频谱，其中，图16a)示出了第一感测区域的频谱，而图16b)示出了另一个感测区域的频谱；
图17示出了用于测量对象的倾斜度的激光传感器；
图18示出了用于检测流体中的速度分布的激光传感器；
图19示出了用于眼注视角度检测的系统的另一个实施例；
图20示出了投射到眼上的图案化激光束的修改；以及
图21示出了投射到眼上的图案化激光束的另一种修改。
具体实施方式
在参考附图之前，先解释自混合干涉的原理和激光传感器基本原理。
激光器、例如激光二极管、例如垂直腔面发射激光器的操作原理基于光学谐振器。在谐振器的内部，电子通过外部能量输入而处于激发态。自发发射的辐射在光学谐振器中来回反射并产生受激辐射，从而放大谐振模式并产生相干辐射。在激光腔的一侧，激光辐射可以通过半透明反射镜耦合到自由空间中。在垂直腔面发射激光器(VCSEL)的情况下，反射镜结构被实现为分布式布拉格反射器(DBR：Distributed Bragg Reflector)。光电二极管可以放置在VCSEL中，其中，光电二极管可以集成到激光腔中，或者可以放置在激光腔的外部。因此，形成了具有集成光电二极管的VCSEL，缩写为ViP。
接下来解释激光自混合的基本物理效应。由激光器发射的束激光可以在对象处反射。如本文中所使用的，“反射”不仅被理解为镜面反射，而且也被理解为漫反射，也被称为散射。如果外部反射的激光辐射耦合回激光腔内，则激光腔内的受激发射将基于反向散射光子的相位进行调制。如果激光腔与外部散射表面之间的距离的两倍(来回)等于激光波长的整数倍，则激光谐振器内的散射辐射和辐射同相。这会导致正干涉，借此降低了激光阈值并略微增加了激光输出，这可以由集成到激光器中的光电二极管感测到。在稍微增加距离的情况下，两个辐射波都是异相的，并且在某些时候会发生负干涉，从而降低了激光输出功率。如果到对象的散射表面的距离以恒定速度改变，则激光输出功率在相长干涉期间的最大值与相消干涉期间的最小值之间振荡。由此产生的振荡是散射体(对象)的速度和激光波长的函数。
如果激光腔与散射表面之间的距离保持不变，但激光波长发生变化，则可以观察到相同的效果，即振荡激光输出功率。激光波长变化可以通过调制用于驱动激光器的外部能量、例如驱动电流来实现。现在，激光器内的内腔和激光器与散射体之间的外腔之间的辐射相位取决于在外腔内“适合”有多少波长。然而，输出功率的振荡频率取决于激光与散射表面之间的距离，因为激光的波长通常在近红外区域、例如在850nm左右，而外腔距离在几厘米的范围内，因此激光波长的微小变化可以使得外腔激光相位完全转变。激光与散射表面之间的距离越大，使得外腔激光相位的完全转变的波长变化越小。在评估激光输出功率变化时，离散射体的距离越远，在恒定的激光波长变化下的功率变化频率越高。因此，将功率监测光电二极管映射到频域中，峰值频率和激光与散射体之间的距离相关。激光波长变化可以通过激光二极管的功率调制来引入。例如，可以根据三角激光电流对驱动电流进行线性调制。
如果这两种效应叠加，即激光波长被调制并且散射体移动，则会出现如从调频连续波雷达系统已知的产生的拍频。由于频率上的多普勒频移，在频率斜升(根据波长调制)期间朝向激光传感器移动的目标所产生的拍频较低，而在频率斜降期间产生的拍频较高。因此，待分别计算上升和下降调制段的拍频。两个频率的平均值是对象距离的指标，而差与双多普勒频率相关。
接下来，参考图1，将描述激光传感器。图1示出了激光传感器10的示意图。激光传感器10包括激光源12和检测器14。检测器14可以与激光源12集成在一起。更具体地，检测器14可以是集成在激光源12的层结构中的光电二极管，其中，光电二极管可以被集成为腔内光电二极管或腔外光电二极管。激光传感器10还可以包括电驱动器16和控制器18。控制器18连接到包括光电探测器14的激光源12。电驱动器16向激光源12提供电力以使激光源12发射用虚线表示的激光束22。激光源12可以是或包括具有集成光电二极管的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，即ViP。电驱动器16可以被配置成能够向激光源12提供恒定驱动电流或调制驱动电流。在电驱动器16向激光源12提供调制驱动电流的情况下，调制驱动电流可以遵循三角形形状。控制器18还被配置成能够接收由检测器14提供的电信号，所述电信号是由重新进入激光腔的激光与在激光腔中产生的激光的自混合干涉(SMI)引起的。
激光传感器10还包括光学器件20。光学器件20被配置成能够将激光束22作为一维或二维图案化激光束投射到待检查的对象24上。对象24在图1中由虚线示出，其中，虚线类似于对象24的反射(散射)表面。
光学器件20被配置成能够将激光束作为一维或二维图案化激光束26投射到待检查的对象24上，使得图案化激光束26距激光源12的距离D沿着投射到对象24上的图案化激光束26变化。在图1中，示例性地示出了三个距离D1、D2、D3，其中，D2和D3大于D1。图2a)中示出了图案化激光束26的一个示例。图2a)中的图案化激光束26是线形束，作为一维投射的图案化激光束的一个示例。图2b)示出了交叉线束，作为二维投射的图案化激光束的一个示例。通常，投射的图案化激光束的图案可以选自由如图2a)所示的连续线图案、包括离散点的线、连续线的网格或点线的点线图案组成的组。如图2b)所示的作为交叉线束26'的图案可以通过使用两个激光源12和对应的光学器件20来实现，其中，后者可以包括两个交叉柱面透镜，一个柱面透镜分别用于每个激光源，或者微透镜阵列，其中，两个子透镜集彼此正交。
光学器件还可以被配置成能够将图案化激光束26聚焦到对象25上。图案化激光束26可以仅在第一维度的方向上聚焦，例如图2a)中的y维度。图2b)中的交叉线束26'可以在两条交叉线的短维度中的每一个中聚焦。
光学器件20可以还被配置成能够在一维或二维上扩展由激光源12发射的激光束22。例如，图1中的图案化激光束26可能已经被光学器件20扩展以扩展图案化激光束26的长维度。然而，图案化激光束26的长维度也可通过激光源12发射的激光束22的发散来实现，而在长维度上没有任何附加的扩展，例如如果对象距激光源的距离足够大。
此外，如图3和6所示，光学器件22可以被布置成将激光束22倾斜地投射到对象24上。如图3所示，对象24还可以具有非平面表面。通过激光束22的倾斜投射，即使对于平面对象表面，图案化激光束26距激光源12的距离D沿着图案化激光束26的变化也比图1所示的对称透射更强。
光学器件22可以包括一个或多个光学元件。图4中示出了光学器件22的一个示例，其中，光学器件包括柱面透镜28。通常，光学器件22可以选自由单个柱面透镜、两个或更多个交叉柱面透镜、具有柱表面且柱表面的柱轴取向不同的柱面透镜、自由曲面光学器件、超光学器件、一个或多个光学光栅、全息光学器件、反射镜组成的组。例如，当使用两个激光源时，可以使用交叉柱面透镜以如图2b)所示的交叉线形状的形式投射和聚焦激光束22，或者独立于线宽度来调整线长度。
返回参考图1，检测器14被配置成能够确定由被对象24反射回激光源14的图案化激光束26的激光产生的自混合干涉信号。激光传感器10还包括被配置成能够对自混合干涉信号进行光谱分析并从自混合干涉信号的光谱中提取指示沿着图案化激光束26距激光源的多个距离(例如距离D1、D2、D3)和沿着图案化激光束26相对于激光源12的多个速度的多个频率，如本文所描述的。
该电路的上述功能可以由激光传感器10的控制器18执行。
参考图5至9，将描述用于眼注视角度检测的激光传感器的一个实施例。
图5示意性地示出了人眼E的前视图。P表示眼E的瞳孔，I表示眼的虹膜，S表示眼E的巩膜。第一激光传感器101发射由类似于图1和4中的光学器件20的光学器件作为线形激光束261投射到眼E的表面上的激光束221。第二激光传感器102发射由光学器件作为线形激光束262投射到眼E的表面上的第二激光束222。图案化激光束262可以与图案化激光束261正交。用于将激光束221和222投射到眼E上的光学器件可以是分别的柱面透镜，即激光传感器101的一个柱面透镜和激光传感器102的一个柱面透镜。图6示出了眼E的侧视图，其中，仅示出了由激光传感器101发射的激光束221和图案化(线形)投射的激光束261。
如图6所示，在瞳孔P的区域中，激光束221倾斜地投射到眼E上。图案化激光束261具有沿着其长维度的优选地大于瞳孔直径的延伸范围。
激光束221和222作为调制激光束发射，其中，激光传感器101和102的激光源被提供调制驱动电流。在本实施例中，使用三角调制。由于波长的变化，从眼E反射的激光的相位将会发生变化，从而对于一个固定的距离产生一个固定的频率。然而，如图6所示，将激光束261投射到眼E上，将会在自混合干涉信号中检测到多个不同的频率，因为所投射的图案化激光束261与激光源101之间的距离沿着所投射的图案化激光束261变化。
因此，由被眼E反射回激光传感器101的激光源12的图案化激光束261的激光产生的、由检测器14(图1)确定的SMI信号包括与沿着图案化激光束261距激光传感器101的激光源12的多个距离对应的多个频率。
由第二激光传感器102沿着眼E的表面上的图案化激光束262测量出相同的距离变化，从而测量出多个频率。
当图案化激光束261的一部分进入瞳孔P时，激光进一步行进到视网膜R。由于视网膜R距激光传感器101的激光源12的距离大于虹膜I和巩膜S距激光传感器101的激光源12的距离，因此在SMI光谱中预期有间隙。该频率间隙的位置是对瞳孔P位置的绝对量度。这将参考图7和8进行解释。图7示出了由图6中的投射的图案化激光束261产生的SMI信号的光谱。图7中图表的水平轴示出了SMI信号频率。如上所述，SMI信号频率可以转换为距离。图7中的垂直轴示出了SMI信号的与SMI信号频率相关的功率或发生情况。具有低频的SMI信号属于低距离，对应于投射的图案化激光束261的底部部分B(图6)。在瞳孔位置，对应于大距离/频率，图案化激光束261在视网膜处被反射。中频对应于图案化激光束261的上部部分U。在对应于底部部分B的低频与对应于上部部分U的中频之间存在间隙，所述间隙对应于瞳孔P的位置。因此，可以使用本发明的教导来准确地测量瞳孔位置。
如果眼E移动、即旋转，从而注视角度移动，则光谱中的间隙位置(图7中的P)由于距瞳孔位置的“缺失”距离的变化而发生变化。然后，在对激光束221的三角形波长调制的上升沿和下降沿上的光谱中的间隙位置进行平均之后可以得出正确且准确的瞳孔位置。
为了验证上述内容，已经使用人工眼进行了实验。人工眼是一个具有代表瞳孔的孔的3D打印球体。使用具有2f-2f成像的f＝20mm柱面透镜，将激光束作为线形图案化激光束投射在该人工眼上。执行来自外部函数发生器的三角调制，调制频率为8kHz，调制激光电流振幅为0.51mApp。平均激光功率为0.5mW。
图8示出了该实验的结果。人工眼在图6的示意图中是顺时针旋转的。当瞳孔P通过投射的图案化激光束时，低距离/频率首先消失，在进一步旋转人工眼时，最后高频消失。在瞳孔P通过图案化激光线束之后，所有频率再次可见。图8示出了随人工眼相对旋转角度而变化的FFT光谱。在大约30度时，瞳孔P通过投射的激光线束，使得在这些频率下的功率下降(图8中的bin 20)。FFT bin 14处的信号线是由柱面透镜前表面上的一些污垢的反射所引起的伪影。
从本实验可以理解，通过在激光的一部分落入瞳孔内的角度范围内对SMI信号进行光谱分析，可以从测量的SMI信号重建眼的方位或注视角度。可以使用前馈神经网络进行重建，其中，该重建的结果如图9所示。图9示出了在人工眼上的实验的重建的眼注视角度，示出了随时间而变化的眼角度。直线41是眼注视角度的真实值，曲线43是基于SMI的眼注视角度的测量值。图9示出了眼注视角度可以在具有独特光谱特征的范围内正确重建，这意味着最多两秒。在两秒之后，人工眼的瞳孔P旋转离开投射的线形激光束，并且不能再从测量光谱中直接重建瞳孔位置。从图9中可以看出，实际的眼跟踪角度被限制在大约+/-20度。然而，多普勒速度信号仍将存在。这些速度信号的积分可以用于在更大的眼注视角度下得出眼位置。
在上述实验中，光谱是用8kHz获得的。对于重建，已经分析了16个光谱。对于图9中的曲线，应用了另一个9点中值滤波器。由此产生的更新速率为18ms，即56Hz。
在之前描述的实施例的改进中，用于将激光束22作为图案化激光束投射到眼E上的光学器件20可以在图案化激光束26在眼E上的更好聚焦位置方面被优化。在上述实验中，该聚焦位置在与激光传感器10的激光源12距离40mm的线上。最好具有与眼的前表面的位置尽可能匹配的最佳聚焦位置以获得最佳的SMI信号，即投射的图案化激光束26应该尽可能地沿着投射在眼上的曲线光束聚焦。
图10示出了眼E的前部位置相对于激光传感器10的激光源12的距离。α是激光束沿着图案化线形束26相对于水平轴H的角度。在角度α越大时，眼E的前部到激光源12的距离越大。通过将f＝5mm的柱面透镜30(如图1中的光学器件20)放置在30°倾斜位置，可以对聚焦位置获得类似的效果，其中，对于中心光束，激光源到透镜30的距离为6.3mm。因此，如图10所示，使用倾斜的柱面透镜30使得能够更好地将聚焦位置匹配到眼位置。图11示出了对于眼的聚焦位置和前部位置随角度α而变化的聚焦位置到激光源的距离。
这仅仅是SMI信号如何通过更好的聚焦位置来优化的一个示例。进一步的优化可以通过使用例如自由曲面光学器件来完成。这样，投射的图案化激光束的高斯强度分布也可以转换成更均匀的图案。
距激光源不同距离并且具有不同放大系数(可选地不同焦距)的交叉柱面透镜也可以用于产生长条聚焦。这样，也可以优化收集回激光源的激光的量。这也可以是一个光学元件，其中两个交叉柱面透镜分布在光学元件的两个表面上。由如玻璃或聚合物等光学材料制成的用于产生适当束焦点的圆柱形或自由曲面透镜的替代方案是如压印表面光栅的光栅结构、如光聚合物全息图层的全息光学元件、或超透镜。这些类型的结构也可以用于创建例如点线而不是连续的线。也可以考虑作为线的其它形状。
图12示出了根据一个实施例的利用本公开的教导的系统100。系统100被配置成能够检测人眼的注视(图12中未示出)。系统100被配置为眼镜102的形式，所述眼镜102包括具有镜架支架104的镜架和镜片106。系统100包括布置在镜架104上的激光传感器101、102、103和104。这里要注意的是，激光传感器101至104被布置在镜架104的面向佩戴眼镜的用户的眼的内侧。激光传感器101至104中的每一个可以如上面参考图1所描述的那样配置。激光传感器的数量可以少于四个，其中，两个激光传感器、例如激光传感器101和102可以足够用于眼注视角度检测。另外的激光传感器105可以布置在镜架支架104上以测量极端的眼旋转。一些或全部激光传感器101至105也可以集成在眼镜的镜片106的一者或两者中或鼻托中。在另一可能的实施例中，激光传感器101至104可以布置在镜架支架中，但是可以向镜片106发射激光束，其中，嵌入镜片中的全息光学元件可以将激光束偏向眼。在另一个实施例中，可以使用例如每只眼两个传感器来同时跟踪左眼和右眼。
系统100可以以不同的模式操作。在第一模式中，激光传感器101至104的激光源可以以连续波(恒定频率)操作。在第二种模式中，激光源的频率可以及时调制，例如遵循如上所述的三角调制模式。
参考图13至16，将描述相对于参考图5至9描述的上述实施例而修改的用于眼注视角度检测的系统的一个实施例。
图13类似于图5示出了人眼E的前视图。图13示出了由激光传感器101、102、103和104发射的四个投射的图案化激光束261、262、263、264。投射的图案化激光束261至264可以由类似光学器件20的光学器件、例如柱面透镜或全息光学元件形成，以适合眼E上的感测区域的期望形状。投射的图案化激光束261、262、263、264中的每个形成对应的感测区域。在本示例中，四个激光传感器、例如ViP传感器与柱面透镜一起使用，以形成相应的感测区域。投射的图案化激光束261至264是以二维图案布置的条带，例如形成交叉。然而，应当理解，投射的激光束的其它可能的图案也是可以想象的，例如圆形、矩形、网格等。此外，添加更多的激光传感器会增加感测表面尺寸，从而增加可覆盖的视场。可以使用更少的激光传感器来降低整体功耗。由于传感器原理的高时间分辨率，时分复用可以用于降低必要的电子设备的功耗和眼表面上的光功率，以满足眼安全考虑。
如上所述，激光传感器101至104测量对应于图案化激光束261至264的对应感测区域中相对于眼表面的距离和眼表面的速度。此外，可以从测量的数据确定信噪比(SNR：Signal to Noise Ratio)以获得关于当前被相应投射的图案化激光束261至264照射的眼的部分(巩膜S、虹膜I、瞳孔P)的信息。
图14a)和14b)以简化的方式示出了由图12中的两个激光传感器104和102针对如图13所示的眼位置测量的频谱。y轴40示出了与x轴42上的频率有关的信号振幅。图14a)示出了投射的图案化激光束264的感测区域中的频谱，图14b)示出了投射的图案化激光束262的感测区域中的频谱。由于图13中的眼相对于四个感测区域261至264居中，因此两个SMI频谱中的振幅分布相似，表示相似的距离图案。
如图15所示，如果眼E朝向对应于投射的图案化激光束262的感测区域旋转，则SMI信号的傅里叶光谱发生变化。相应的振幅分布(傅里叶光谱)由于眼E的旋转而相应地改变。图16a)和16b)示出了眼旋转之后两个感测区域264和262中的傅里叶光谱的改变的振幅分布。频谱可以被理解为深度概率分布。如果传感器区域仅覆盖平坦表面上的一个光斑，则光谱仅包含在代表激光传感器与平坦表面之间的光程长度的频率处的单个峰值。如果激光光斑如投射的图案化激光束261至264的情况那样被加宽，并且瞄准具有两个不同距离的阶梯状表面，则光谱将由代表两个距离水平的两个峰值来表示这一点。根据关于两个表面的功率分布，两个峰值的振幅关系将代表两个表面区域的积分功率关系。覆盖感测区域262的激光传感器测量眼E的虹膜和瞳孔区域的较高部分。随着大量光子通过瞳孔进入眼E到达视网膜，从而产生与进入眼的增加的光程长度相关的SMI数据，这使得与视网膜距离相关的更高频率的振幅增加。另一方面，由于光子被如巩膜和虹膜等眼的更近的表面部分散射，因此与由感测区域264中的激光传感器测量的视网膜距离相关的高频处的振幅减小。
为了计算瞳孔位置和注视方向，可以使用从不同感测区域获得的激光传感器信号之间的差异。由激光传感器获取的附加的SMI信息，如SNR或速度，可以用于提高系统精度。基于测量的时间序列，可以从激光传感器信号中提取如瞳孔大小等附加的特征。利用该信息，可以实现瞳孔位置估计精度的附加的改善。可以用于提高系统精度的其它特征是光谱数据的半峰全宽或振幅或来自时域信号的信息(例如阈值、时间差等)。
在眼注视角度检测中，眼睫毛可能(部分地)阻挡投射的图案化激光束，从而可能降低信号质量。因为睫毛提供来自较近的距离的信号，所以在查看频谱时，这些出现在频谱中的低频的假信号可以从来自眼的真实信号中被丢弃。
将参考图19描述解决睫毛问题的一个替代方案。
图19示出了用于眼注视角度检测的系统，所述系统包括激光传感器101和102。激光传感器101包括可以是具有集成光电二极管(ViP)的VCSEL的激光源121。激光源121发射两个(或更多个)激光束2211和2212。在激光源121包括ViP的情况下，ViP可以包括两个(或更多个)激光发射区域，例如两个(或多个)台面。激光束2211和2212优选地以时分复用方式发射。光学器件201将发射的激光束2211和2212作为图案化激光束2411和2412以两条线束的形式投射到眼E上，如右手边示意图所示。投射的图案化激光束2411和2412被投射在眼E的表面上略微偏移的位置处。如上所述，光学器件201可以是单个光学元件，例如柱面透镜。包括预处理算法的控制器18(例如ASIC)接收由集成到激光源121中的检测器提供的电信号，所述电信号是由重新进入激光源121的激光腔的激光的自混合干涉引起的。在控制器18a1中对电信号进行预处理包括从频谱中提取速度分布信息Vel和距离分布信息Dis，其中，速度和距离分布信息被输出到控制器18b，所述控制器18b包括后处理算法(例如分析/神经网络)并输出在水平方向上测量的眼注视角度“ega”。激光传感器102可以具有与激光传感器101相同的配置，只不过由激光源122发射的激光束2221和2222由光学器件202作为图案化激光束2421和2422投射到眼E上、以测量在垂直方向上的眼注视角度。再次，速度分布信息Vel和距离分布信息Dis从激光传感器102输出到控制器18b，使得结合来自激光源101的速度和距离分布信息，可以准确地测量眼E的2D眼注视角度。
参考图19描述的实施例增加了投射的激光束2411和2412中的一个击中眼E的机会，而不会被眼E的睫毛(部分)阻挡。对于两个投射的激光束2421和2422同样适用。由此，获得了眼注视角度检测的改进的精度。
如上面参考图12所述，激光传感器101和102可以集成在眼镜中。
先前实施例的进一步修改可以使用多个投射的图案化激光束，如图20所示。图20示出了投射到眼E上的投射的图案化激光束2411、2412、2413和2421、2422和2423。使用多个投射的激光束，例如具有如图所示的网格线形式的图案的多个投射的激光束不仅在睫毛的情况下是有益的，而且它还可以用于覆盖眼E上的更大的区域，使得在激光束线中的一个中有更多机会看到瞳孔位置。如上面已经描述的，可以使用除如图20所示的直线之外的其它形状的图案化激光束。
在图20的实施例中，在仅使用具有多个激光发射区域和一个光电二极管的激光源的情况下，也可以使用时分复用来了解信号来自哪条激光束线。
投射如图19和图20所示的图案化激光束的另一个优点是大大降低了激光的可见度，因为与在眼上投射点状光斑的系统相比，视网膜上的辐照度(W/m2)降低了。这里要注意的是，人眼甚至可以看到波长范围为750到950nm的激光。因此，投射到眼上的激光束可能会干扰用户。此外，在实验中观察到，与垂直方向的激光束线相比，水平方向的激光束线对用户来说更为可见。因此，为了降低投射的激光束或多个激光束的可见度，将激光束或多个激光束以对角线图案投射到眼E上是有益的，如图21中对于两条激光束线241和242所示。在另一个示例中，图20中的激光束线图案也可以旋转45°。
包括利用本公开的原理的图1中的激光传感器10的激光传感器的系统也可以被配置用于倾斜检测，即用于检测或测量对象的倾斜，如图17所示，对于相对于参考、例如垂直轴62倾斜的对象60。根据本教导的原理，倾斜检测已经由一个激光传感器10通过将激光束22作为一维或二维图案化激光束26投射到对象60上来实现，使得图案化激光束26距激光传感器10的激光源的距离沿着投射在对象60上的图案化激光束26变化，并对SMI信号进行光谱分析并从SMI信号的光谱中提取指示沿着图案化激光束距激光源的多个距离的多个频率。激光束22可以如上所述进行波长调制，例如可以使用激光束22的三角调制。在对象60没有倾斜的情况下，FFT之后的频率的谱宽度是最小的。当对象倾斜时，会发生光谱变宽，其中，变宽随着倾斜的增加而增加。
倾斜检测也可以用于眼注视跟踪。这是因为虹膜是眼中相对平坦的部分。因此，当眼旋转离开中心位置时，可以在SMI信号中观察到虹膜的相应倾斜。因此，虹膜的倾斜是眼注视角度的量度。倾斜的迹象信息可以由观察到的多普勒频率得到。
倾斜检测和眼注视跟踪可以通过从SMI信号的频谱中提取特征、如其宽度，或通过将函数拟合到光谱(模板匹配)，或通过使用神经网络来执行。
用于倾斜/眼注视角度检测的一种算法实施例可以包括以下阶段：
1)记录时域SMI信号，优选地利用激光束的调制，
2)使用FFT算法将时域信号转换到频域，
3)从光谱中提取特征(例如，最大半峰宽度或模板匹配算法的变换参数)，
4)从特征向量映射函数到倾斜角度/眼角度。
包括类似于图1中的激光传感器10的激光传感器的系统也可以被配置成能够检测流动流体的速度分布。图18示出了被配置成能够检测流动流体80的速度分布的系统的示意图。速度分布由箭头82示出，其中，箭头的长度指示沿着流动流体80的横截面的局部速度。激光传感器10发射作为如上所述的图案化一维或二维激光束投射到流体中的激光束22。通常存在于流体80中的微粒将激光从流体80中投射的图案化激光束26的位置散射回来，使得来自投射的图案化激光束26的位置的激光重新进入激光源。在本实施例中，不必对发射的激光束22进行调制。优选的是，仅具有来自投射的图案化激光束26的位置处的聚焦位置的SMI信号，使得对于本实施例，优选地在流体侧具有相对较大的数值孔径以实现最佳位置区分。最强的SMI信号将源自聚焦位置，聚焦位置是流体中沿着图案化激光束26的不同位置。由此，可以确定流体中的速度分布。
通常，本公开的原理提供了一系列速度和距离，而不是像正常SMI的情况那样提供一个速度和一个距离。本领域技术人员将能够基于与光谱分析相结合的图案化激光束的相同SMI测量原理来进行更多的应用。
从以上描述中可以看出，本公开还包括一种检测多个速度和/或距离的方法，其中，该方法包括：从激光源12发射激光束22，将激光束22作为一维或二维图案化激光束26投射到待检查的对象上，使得图案化激光束26距激光源12的距离沿着投射在对象上的图案化激光束26变化，确定由被对象反射回激光源12的图案化激光束26的激光产生的自混合干涉信号，以及对自混合干涉信号进行光谱分析，并从自混合干涉信号的光谱中提取指示对象的多个部分距激光源12的多个距离的和/或对象的多个部分相对于激光源12的多个速度的多个频率。
本文中的教导还包括一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括程序代码，该程序代码用于当在激光传感器的处理器或系统的处理器上执行所述计算机程序时使如激光传感器10的激光传感器或如系统100的系统执行前面指出的方法的步骤。
虽然已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明，但是这种说明和描述应被认为是说明性或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。从对附图、公开内容和所附权利要求的研究中，本领域技术人员在实践要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其它变型。
在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可以实现权利要求中列举的多个项目的功能。仅仅在相互不同的权利要求中列举了某些措施这一事实并不表明这些措施的组合不能用于有利条件。
计算机程序可以存储/分布在合适的非暂时性介质上，例如与也可以以其它形式分布的其它硬件一起提供或作为其它硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质，例如如经由互联网或其它有线或无线电信系统。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种激光传感器，其包括
被配置成能够发射激光束(22)的激光源(12)，
光学器件(20)，其被配置成能够将所述激光束(22)作为一维或二维图案化激光束(26)投射到待检查的对象(24)上，使得所述图案化激光束(26)距激光源(12)的距离沿着投射在对象(24)上的图案化激光束(26)而变化，
检测器(14)，其被配置成能够确定由从对象(24)反射回激光源(12)的图案化激光束(26)的激光产生的自混合干涉信号，以及
电路(18)，其被配置成能够对所述自混合干涉信号进行光谱分析并从所述自混合干涉信号的光谱中提取多个频率，所述多个频率指示以下中的至少一个：沿着所述图案化激光束(26)距激光源(12)的多个距离、沿着所述图案化激光束(26)相对于激光源(12)的多个速度。
2.根据权利要求1所述的激光传感器，其中，所述激光传感器还包括电驱动器(16)，所述电驱动器(16)被配置成能够向激光源(12)提供驱动电流以使激光源(12)发射激光束(22)，其中，所述电驱动器被配置成：能够向激光源(12)提供调制驱动电流，以使激光源(12)发射的激光束(22)具有周期性变化的波长。
3.根据权利要求1或2所述的激光传感器，其中，所述光学器件(20)被配置成能够将具有图案的激光束(22)投射到对象(24)上，所述图案选自由连续线图案、点线图案、多线图案、二维区域图案组成的组。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光传感器，其中，所述光学器件(20)还被配置成能够将所述图案化激光束(26)聚焦在对象上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光传感器，其中，所述光学器件(20)选自由以下组成的组：单个柱面透镜，两个或更多个交叉柱面透镜，具有柱表面且柱表面的柱轴取向不同的柱面透镜，自由曲面光学器件，超光学器件，衍射光学器件，全息光学器件，全反射或部分反射球面反射镜、柱面反射镜或自由曲面反射镜。
6.一种用于检测对象的位置或速度中的至少一个的系统，其包括根据权利要求1至5中任一项所述的激光传感器(10)。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述系统还包括至少第二激光传感器(102)，第二激光传感器(102)包括：被配置成能够发射第二激光束的第二激光源；和第二光学器件，其被配置成能够将第二激光束作为一维或二维的图案化激光束投射到对象上，其中，所述图案化激光束与第二图案化激光束以非零角度在对象上相交。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其中，对象(24)是人眼(E)，并且所述电路(18)被配置成能够根据所述自混合干涉信号检测眼的注视角度。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述激光传感器(10)被布置在或集成到待佩戴在眼之前的眼镜上。
10.根据权利要求8或9所述的系统，其中，所述电路(18)被配置成：能够根据自混合干涉信号的光谱中低频与高频之间的间隙来确定眼的注视角度。
11.根据权利要求6或7所述的系统，其中，所述系统被配置成能够根据所述自混合干涉信号检测对象(60)的倾斜角度。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，对象是人眼(E)的虹膜，其中，所述电路被配置成能够根据检测到的虹膜倾斜角度来确定眼的注视角度。
13.根据权利要求6或7所述的系统，其中，对象是流动流体(80)，并且所述电路被配置成能够根据所述自混合干涉信号检测所述流动流体的速度分布。
14.一种方法，其包括：
从激光源(12)发射激光束(22)，
将所述激光束(22)作为一维或二维图案化激光束(26)投射到待检查的对象(24)上，使得所述图案化激光束(26)距激光源(12)的距离沿着投射在对象上的图案化激光束而变化，
确定由从对象(24)反射回激光源的图案化激光束(26)的激光产生的自混合干涉信号，以及
对所述自混合干涉信号进行光谱分析并从所述自混合干涉信号的光谱中提取多个频率，所述多个频率指示以下中的至少一个：沿着所述图案化激光束(26)距激光源(12)的多个距离、沿着所述图案化激光束(26)相对于激光源(12)的多个速度。
15.一种计算机程序产品，其包括程序代码，所述程序代码用于：当计算机程序在根据权利要求1至5中任一项所述的激光传感器的处理器或根据权利要求6至13中任一项所述的系统的处理器上执行时，使该激光传感器或该系统执行根据权利要求14所述的方法的步骤。
CN202210472562.0A 2021-04-30 2022-04-29 用于自混合干涉测量的激光传感器、系统和方法 Pending CN115574739A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21171555.2 2021-04-30
EP21171555.2A EP4083567A1 (en) 2021-04-30 2021-04-30 Laser sensor, system and method for self-mixing interferometry

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115574739A true CN115574739A (zh) 2023-01-06

Family

ID=75746473

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210472562.0A Pending CN115574739A (zh) 2021-04-30 2022-04-29 用于自混合干涉测量的激光传感器、系统和方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20220349703A1 (zh)
EP (1) EP4083567A1 (zh)
CN (1) CN115574739A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116500803A (zh) * 2023-06-29 2023-07-28 成都工业学院 一种时分复用的立体显示装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5545916B2 (ja) * 2008-01-31 2014-07-09 アズビル株式会社 物理量センサおよび物理量計測方法
US8339584B2 (en) * 2010-05-21 2012-12-25 Teledyne Technologies Incorporated Velocity measuring system
EP3380883B1 (en) * 2015-11-25 2020-10-28 Google LLC Prism-based eye tracking
EP3458874B1 (en) * 2016-05-19 2020-01-08 Koninklijke Philips N.V. Laser sensor for particle detection
DE102018214637A1 (de) * 2018-08-29 2020-03-05 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Ermitteln einer Blickrichtung eines Auges
WO2021049740A1 (en) * 2019-09-12 2021-03-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Eye accommodation distance measuring device and method, and head-mounted display

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116500803A (zh) * 2023-06-29 2023-07-28 成都工业学院 一种时分复用的立体显示装置
CN116500803B (zh) * 2023-06-29 2023-08-22 成都工业学院 一种时分复用的立体显示装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP4083567A1 (en) 2022-11-02
US20220349703A1 (en) 2022-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11868522B2 (en) Method for ascertaining a viewing direction of an eye
CN108027312B (zh) 用于颗粒尺寸检测的激光传感器
KR101964971B1 (ko) 라이다 장치
US5673096A (en) Interferometric arrangement with diffractive optical element for measuring intraocular distances
KR101917773B1 (ko) 다각형을 사용하여 광 패턴을 생성하는 방법 및 시스템
US11782504B2 (en) Timer-based eye-tracking
EP1966627B1 (en) Device and method for measuring relative movement
JP2011510287A (ja) 自己混合干渉に基づくレーザセンサシステム
CN103402422B (zh) 用于光学相干层析技术的设备和方法
CN114384695A (zh) 眼动追踪装置
US11435578B2 (en) Method for detecting a gaze direction of an eye
WO2013092697A1 (en) Apparatus and method for optical swept-source coherence tomography
CN115574739A (zh) 用于自混合干涉测量的激光传感器、系统和方法
US5020901A (en) Multimode laser diode system for range measurement
US20200174564A1 (en) Optical device, retinal projection display, head-mounted display, and input device
CN112799080A (zh) 深度感测装置及方法
CN112066907A (zh) 深度成像装置
CN110514109B (zh) Oct系统、oct影像生成方法及存储介质
JP2023512599A (ja) 物体の光学撮像および測定のためのシステムおよび方法
US20230122222A1 (en) Device, system, and method for biometrically identifying a user of a device
US20220107409A1 (en) Optical sensor device for determining distance to object and velocity of the object, and identifying the shape and structure of the object
KR20220046406A (ko) 물체까지의 거리 및 물체의 속도를 결정하고 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 센서 디바이스
EP3585246B1 (en) Coherent laser light for optical corneal topography and tomography
CN116406449A (zh) 使用低相干干涉测量法在头戴式设备中进行眼睛追踪的系统和方法
US20210405165A1 (en) Time-of-flight distance measuring method and related system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination