JP2004514917A

JP2004514917A - マルチプルレーザ光学検出システム及び方法

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Publication number: JP2004514917A
Application number: JP2002547267A
Authority: JP
Inventors: タトゥム，ジミー・エイ; グエンター，ジェイムズ・ケイ
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2021-11-26
Also published as: TW512559B; EP1337873B1; US6734981B1; DE60112320T2; KR100853742B1; ATE300746T1; CA2430337A1; EP1337873A2; JP4355141B2; WO2002045214A3; KR20030060959A; WO2002045214A2; DE60112320D1

Abstract

【解決手段】ターゲットの特性を検出するマルチプルレーザ光学検出システム及び方法が開示される。このマルチプルレーザ光学検出システムは、レーザ信号が放出される、少なくとも２つのレーザ信号放出開口部を有するレーザ光源を備える。さらに、マルチプルレーザ光学検出システムは上記レーザ光源に応答する少なくとも１つの検出器を有する。最後にマルチプルレーザ光学検出システムは、上記少なくとも１つの検出器に結合するマイクロプロセッサを有する。動作において、上記レーザ光源は少なくとも２つのレーザ信号を放出開口部毎に１つずつ環境に放出する。上記検出器はターゲットが占める上記環境を通過した後の上記レーザ信号を検出する。そして上記マイクロプロセッサは上記検出器の検出した上記レーザ信号に基づいてターゲットの特性を決定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセンシング技術に関する。特に本発明はマルチプルレーザ光学検出システム及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
センシングのニーズに取り組む従来の技術では一般に単一の光信号を発光ダイオード等の光源から得るとともに複数の検出器を使用する。単一の光源で広い範囲の環境に照射するために２つの一般的方法が知られている。１つの方法では通常、光源から広い光信号を放出し、環境の全範囲に配置した複数の検出器の１つで光信号を検出する。他の方法では通常、光源から狭い光信号を放出し、それを環境の周りで例えば回転ミラーにより反射することにより発散させ、環境に張り巡らした複数の検出器の１つで光信号を検出する。両方法はいずれも実現可能ではあるが、一般に複数の検出器を要し、出力効率が悪く、結果として信号対雑音比が低くなる。電力伝送比の低さはこの非効率性を示しており、光信号を検出する個々の検出器は通常、放出光のごく一部しか検出しない。したがって、光信号の検出結果は環境内で検出されるターゲットに関して極めて限られた情報しか一般に提供しない。また、これらの従来方法は単一光信号のため環境で検出できるターゲットの大きさに制約が生じがちである。
【０００３】
これらの従来方法の限界は環境内でターゲットの動きを検出する等の用途で明白になることが多い。多くの動き検出システムは概して視線動作に基づいており、ターゲットが光源から放出された光ビームを遮光するのに伴い少なくとも１つの検出器がターゲットの動きを検出する。ターゲットの有無を判別するといった簡単な用途にはこの方法で概ね十分である。ターゲットが動く方向を決定する等のより複雑な用途にはこの方法では不十分である。ターゲットが光源から放出された単一の光信号を横断する際、ターゲットが遮光（ブロック）する光信号は徐々に増大するので検出器の受光する信号は徐々に減少する。光信号の検出におけるこの漸次的な変化は通常、環境内のターゲット位置を決定するのに複雑なアルゴリズムを必要とする。複数の検出器を追加すれば情報量が増え所要アルゴリズムの複雑さを低減できるが上述したように出力効率の低下を招くのみならずハードウェアの追加によりコストがかさむ。
【０００４】
また、上記方法の限界はターゲット認識に係る用途にも関係する。特定のターゲットのみを認識するか、ターゲットの空間的特徴をマッピングするものであるかを問わず、多くの従来システムは回転ミラーで光信号を拡散し、及び／又は複数の検出器を使用する。ホログラムによっても光信号を小信号に分けて拡散することができる。単に特定ターゲットのみを検出する方法では光信号パルスを光トランシーバから放出し、ターゲットで反射した信号を受光し、受光信号を既知のターゲットについてプリセットしてある反射信号と比較する。既知のターゲット（オブジェクト）に関する情報は通常、データベースに記憶される。ターゲットをマッピングする方法ではターゲットがあるときに異なる検出器が受光した光信号を重ね合わせ、その信号をターゲットが無い環境下で得られる信号と比較する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらの方法はいずれも特定の機能について実現可能であるが、様々な機能を実現する方法は知られていない。この不足から出力効率が高くコスト的にも有利な多目的システムに対するニーズが生まれる。このような多目的システムは、例えば任意のターゲット又は特定のターゲットの有無を検出し、ターゲットの空間的特徴を検出し、任意のターゲット又は特定のターゲットの動きを検出し、あるいはターゲットの動きに関する種々の特徴を検出することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この欄の記載は本発明独自の革新的な特徴について理解を助けるために提示されたものであり、包括的な記載を意図していない。全明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書を全体として把握することにより本発明の様々な特徴を十分に理解することができる。
【０００７】
本発明の一側面は面発光レーザを利用してターゲット特性を検出するマルチプルレーザ光学検出システムに係る。このマルチプルレーザ光学検出システムは、例えばフォトリソグラフィにより形成した、少なくとも２つのレーザ信号放出開口部を有する垂直空胴面発光レーザ構造を有する。レーザ信号は各放出開口部から環境に放出される。さらに、マルチプルレーザ光学検出システムは、上記垂直空胴面発光レーザ構造に応答する少なくとも１つの検出器を有する。最後にマルチプルレーザ光学検出システムは、上記少なくとも１つの検出器に結合するマイクロプロセッサを有する。動作において、上記垂直空胴面発光レーザ構造は少なくとも２つのレーザ信号をターゲットが占める環境に放出する。上記少なくとも１つの検出器は上記環境を通過した後の上記レーザ信号を検出する。ついで上記マイクロプロセッサは上記検出器の検出した上記レーザ信号に基づいてターゲット特性を決定することができる。同じ垂直空胴面発光レーザ構造内において、放出レーザ信号は同一であっても同一でなくてもよい。光学部品をマルチプルレーザ光学検出システムに追加し、例えば放出開口部から放出したレーザ信号を少なくとも１つのレンズに通したり、１以上のミラーで反射させることができる。
【０００８】
本発明の一側面は面発光レーザを透過的又は反射的に利用してターゲット特性を検出するレーザ光学検出方法を提供する。透過式のレーザ光学検出方法において、垂直空胴面発光レーザ構造から少なくとも２つのレーザ信号をターゲットが占める環境に対し静的に放出する。ターゲットは上記レーザ信号の少なくとも１つを遮光することができ、少なくとも１つの検出器は上記ターゲットにより遮光されなかった上記レーザ信号を透過的に受光することができる。ついでマイクロプロセッサは上記垂直空胴面発光レーザ構造から放出した上記レーザ信号の特性と上記検出器が受光した上記レーザ信号の特性を比較することによりターゲット特性を決定することができる。
【０００９】
反射式のレーザ光学検出方法において、垂直空胴面発光レーザ構造から少なくとも２つのレーザ信号をターゲットが占める環境に順次放出することができる。上記レーザ信号の少なくとも１つはターゲットにより反射され、少なくとも１つの検出器で検出される。ついでマイクロプロセッサは上記垂直空胴面発光レーザ構造から放出した上記レーザ信号の時間的特性と上記検出器が受光した上記レーザ信号の時間的特性を比較することによりターゲット特性を決定することができる。
【００１０】
本発明に係るどのレーザ光学検出方法においても、マイクロプロセッサは、垂直空胴面発光レーザ構造から異なるアレーの上記レーザ信号を放出した後、どのレーザ信号が上記検出器で受光されたかを判定することにより、上記ターゲットのサイズや形状を決定することができる。また、上記マイクロプロセッサは、上記ターゲットが遮光し、あるいは反射したレーザ信号アレーの変化を検出することにより、上記ターゲットの環境内の動きを検出することもできる。
【００１１】
本発明の新規な特徴は、以下説明する発明の実施の形態の記載を調べることにより当業者に明らかとなる、あるいは本発明の実施を通じて習得される。しかしながら、発明の実施の形態における記載及びそこで提示する特定の具体例は本発明の所定の実施形態を示すものであるが単に例示にすぎず、発明の実施の形態における記載及び特許請求の範囲に基づいて当業者には本発明の範囲内で様々な変更、変形が明らかである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
添付図面において、各図を通じて同様の番号は同一又は類似の要素を指し、本書の一部を構成し、本発明を図示する図面は、発明の実施の形態における記載とともに本発明の諸原理を説明するためのものである。
【００１３】
これらの限定的でない具体例において説明する特定の値及び構成は変更可能であって、単に本発明の実施の形態を例示する目的で挙げたのにすぎず、本発明の範囲を限定することを意図しない。
【００１４】
以下説明する実施の形態において、図１は垂直空胴面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）構造２を示したものであり、このＶＣＳＥＬ構造２は複数の放出開口部４，６，８及び１０を有する。放出開口部４は、キャリア及び光閉じ込めの両方を提供するためにプロトンアイソレーション又は酸化誘電体技術を用いて作製する。放出開口部４は例えば、ボンドパッド１２と機能的に一体化され、エレメント１４と電気的に接続される。エレメント１６、１８、及び２０は互いに、またエレメント１４と同一の構成であってもなくてもよい。エレメントに電気を供給すると放出開口部からＶＣＳＥＬ構造２に直交する方向に光信号（図示せず）が放出されるため、放出開口部の１次元アレーでも２次元アレーでも容易に作製することができる。図１（及び他の図）に示す具体例では２×２アレーの放出開口部を使用しているが、Ｍ×Ｎアレーの作製も実現可能であり、２×２アレーは単に説明の便宜上提示したのにすぎない。
【００１５】
ＶＣＳＥＬ構造２を用いたアレー作製の主な利点の１つは放出アレーの全寸法をフィトリソグラフィを使用して作製することができるので放出開口部の配置について高い寸法公差を実現できる点である。したがって、高い寸法公差で光信号の高精度放出アレーを形成することができ、要求される任意の１次元あるいは２次元アレー、例えば十字パターンを作成することが可能である。エレメントは任意の態様で電気接続することができ、これにより光信号を個別にあるいはグループ毎に放出することができる。光信号は単独又は複数の空間モードで放出され、放出ひろがり角及び／又はフォーカスされる光信号の径を変えることができる。さらに、光信号は単一又は複数の波長で放出することができる。最新の選択的エピタキシャル技術を使用することにより、様々に異なる波長の光信号を作製できる。
【００１６】
図２は同じＶＣＳＥＬ構造２による、異なる光信号パターンの照射を示したものである。図２の（ａ）では、放出開口部４から光信号２２が放出し、放出開口部８から光信号２６が放出する。図２の（ｂ）では、放出開口部６から光信号２４が放出し、放出開口部１０から光信号２８が放出する。同様にして、２×２放出開口部アレーのなかから他の任意の１つ光信号、あるいは２、３又は４つの光信号から成るグループ別に放出することができる。上述したように任意の個数の放出開口部アレーを集積化でき、多種多様な光信号放出パターンが可能である。
【００１７】
第１の好ましい具体例は、図３に示すように、再構成可能静的構造の光源である。図３は放出開口部４及び６から環境に向けて同時に光信号２２及び２４を放出するＶＣＳＥＬ構造２を示している。放出アレーから異なる光信号（光信号セット）を異なる時間で放出することはできるが、切り替えのタイミングは意図する機能にとって重要でない。ＶＣＳＥＬ構造２と検出器３２間の環境にターゲット３０が置かれる。検出器３２としては任意の種類のものでよく、例えばフォトダイオードが使用できる。フォトダイオード検出器は単独のフォトダイオード、個々にパッケージ化した複数のフォトダイオード、あるいは単一パッケージの単一構造上に形成したフォトダイオードアレーのいずれで構成してもよい。
【００１８】
ターゲット３０が上方に動くにつれ、検出器３２が受光する光信号は全オン状態（障害物なし）から、半オン状態（光信号２４は遮られるが光信号２２は受光される）、最後に全オフ状態（両信号２４、２２とも遮られる）へと変化する。この変化は本質的にデジタル的、又は段階的に生じる。同様の幾何学配列下で単一発光体を用いたならば検出器の受光状態はごく緩慢にしか変化せず、中心位置を割り出すのに高度なアルゴリズムが必要になる。一方、このＶＣＳＥＬ構造アレーによれば、図２に示すのと直交する方向にターゲット３０が移動する場合でも、放出開口部４、６に代え放出開口部６及び８から光を放出するだけで同様の機能を提供することができる。斜め方向に移動するターゲットについては放出開口部４及び８、又は６及び１０から光信号を放出する。このように光信号を放出する放出開口部を順次切り替えることにより単一の検出器３２で複数の動きを検出することができる。
【００１９】
このコンセプトの拡張はエレメント数を要求する。例えば、５×２エレメントのＶＣＳＥＬアレーが考えられる。波形エッジを有する静止ターゲットがＶＣＳＥＬアレーと検出器の間にあるとすると、波形化は光信号の一部を遮り且つ残りは遮らない。所定の何種類かのＶＣＳＥＬ「発光」及び「消光」パターンを繰り返すことにより、検出器信号を波形エッジのマップとしてマッピングすることができる。このように波形ターゲットはキーとして機能し、ＶＣＳＥＬアレー及び検出器を含む光学系はロックとして機能する。簡単な電子技術により単一又は幾つかのキーのみを認識するロックを作ることができる。ターゲットのパターンに何らかの態様で対応する光放出パターンから検出器を介して確実な識別又は認識が得られる。本発明の一側面において、マイクロプロセッサはデータベースを検索し、ニューラルネットワークを使用してターゲットからの受光信号パターンを既知のターゲットからの記憶した受光信号パターンに関連づけることにより、確実な識別を行うことができる。
【００２０】
図４は異なる光信号放出パターンを周期的に繰り返してターゲットのマップを決定するＶＣＳＥＬ構造２を示したものである。図４（ａ）では、垂直の棒状ターゲット３４（他の形状でもよい）が光信号２２及び２４を遮光して検出器３２に到達しないようにしている。図４（ｂ）に示すように異なる光信号パターン（２２、２４及び２６）を放出すると、光信号２２及び２４は遮られることに変わりないが光信号２６は検出器３２に届く。一方、図４（ｃ）のように直角形状のターゲット３６がある場合、図４（ｂ）のような直角形状の放出光パターンを使用しても遮られる。すなわち、いずれの光信号２２、２４、２６も検出器３２に届かず、このことから（ターゲット３０と異なり）ターゲット３６には光信号２６と空間的に対応する水平部があることが検出器３２により検出される。
【００２１】
図５はどのようにして特定のターゲットが認識され他のターゲットは認識されないかを説明するものである。この具体例において、ＶＣＳＥＬ構造２は異なる形状のターゲットに対し、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように同じ光信号パターンを放出する。図５（ａ）において、ターゲット３６は放出された光信号２２、２４及び２６を全て遮り、検出器３２には届かない。図５（ｂ）では、ターゲット３４は光信号２２と２４のみを遮り、光信号２６は検出器３２に届く。このように同一の光信号放出パターンを用いると環境にある特定のターゲットの形状に依存して異なる光信号が検出器３２に受光される。この異なる受光信号から後に完全な「一致」が見つけられて特定のターゲットが認識されることになる。
【００２２】
上記波形の不透明障害物は可能なキー形状の唯一の例である。他の可能性として孔のアレーやフィルム上の露光エリアが挙げられる。フィルムを用いた応用例では、例えばバッジ読み取り装置ように個人識別カードについてオブジェクト認識を行う。各バッジは個人に固有の露光フィルム部分を含み、このバッジをバッジ読み取り装置に挿入するとバッジ読み取り装置は個人にアクセスを許可するとともにアクセスが許された個人を確認することができる。上記２つのコンセプトを多数の素子数と組み合わせることにより、「キー」形状オブジェクトのみの動きを検出するセンサを得ることができる。
【００２３】
複数の光源を使用するのに加え、検出器としてカメラを使用することにより本発明は多くの既存システムより高速にオブジェクト認識を行うことができる。カメラとしては密閉キャプション（ｃｌｏｓｅｄ−ｃａｐｔｉｏｎ）検出器やＣＭＯＳカメラ等各種のカメラが使用できる。代表的な既存システムにおいてカメラディスプレイを複数の領域に分割する場合、均一光源から部分的に遮光された領域を測定するために複雑なイメージ処理アルゴリズムが必要になることが多い。本発明においてディスプレイを複数の領域に分割する場合、分割される各領域は複数の光信号からの放出により、隣接する照明とは空間的に異なる独立した照明をそれぞれ受ける。したがって全光信号を同時に検出し、加算等の合成を速やかに行って所望の情報を得ることができる。
【００２４】
ターゲット３０はその表面の組成から検出することもできる。ターゲット表面の光吸収特性は光信号の波長に依存して光信号を吸収及び／又は反射する。ＶＣＳＥＬ構造２を異なる要素で製作することにより異なる波長の光信号を放出することができ、これによっても材料の光吸収特性が示される。光吸収特性に基づいてターゲット３０を検出するかターゲット３０の光吸収特性を検出するかによらず、マイクロプロセッサは検出器３２が受光した光信号とＶＣＳＥＬ構造２が放出した光信号とを比較することにより特性を決定する。光信号間の波長の差が１つの検出器３２には大きすぎるときは複数種の検出器３２を用いて波長の範囲内で光信号を検出することによりターゲット３０の光吸収特性に関して詳細な情報を得ることができる。
【００２５】
各種サイズのターゲットを検出するために、光学部品を追加することができる。ＶＣＳＥＬ構造２とターゲット３０との間に１つのレンズ又はレンズアレーを配置し、レンズにより放出光信号パターンをイメージ面において拡大あるいは縮小したパターンに再生する。イメージの放出パターンは元の光信号放出パターンと形状は同一でサイズが異なる。ついでマイクロプロセッサはターゲット３０の下で検出器３２が受光した光信号パターンを最初に放出した信号パターンと比較する。
【００２６】
図６はレンズを用いて光信号アレーのサイズを変更する２つの方法を示したものである。図６（ａ）において、単一のレンズ３８はＶＣＳＥＬ構造２から放出された光信号アレーの拡大イメージを形成して、ＶＣＳＥＬ構造２の物理的アレーより大きなターゲットの検出を可能にしている。光信号２４がレンズ３８に入射するとレンズ３８は光信号２４を拡大し、径の大きな光信号４０を形成する。この具体例において、拡大イメージ４２はＶＣＳＥＬ構造２から放出された元の光信号アレーを倒立したものである。２個のレンズを（図示はしないが）コリメータ・テレスコープ構成で使用してもよい。図６（ｂ）において、複合レンズ系はＶＣＳＥＬ構造２から放出された光信号アレーの拡大バージョンを形成する。光信号２２及び２４がレンズ４４に入射するとレンズ４４はこれらの光信号２２、２４を発散させて光信号４６、４８をそれぞれ形成する。ついで光信号４６及び４８はレンズ５０に入射し、これにより光信号４６及び４８はコリメートされ新たな光信号５２及び５４になる。このようにして得られた光信号５２及び５４は元の放出された光信号２２及び２４より径が大きい。この具体例において、レンズ４４は入射光信号を発散させているが、その他の発散又は収束を行う構成を使用してもよい。
【００２７】
図７はＶＣＳＥＬ構造２から放出された光信号アレーを変換する代替構成を示したものである。図７（ａ）において、レンズアレー５６には放出開口部４、６、８、１０にそれぞれ空間的に対応してレンズ５８、６０、６２、６４が設けられる。レンズ５８は入射光信号２２の径を拡大して光信号６６を形成する。同様に、レンズ６０は入射光信号２４の径を拡大して新しい光信号６６を形成する。レンズアレー５６のレンズ５８〜６４は光信号のサイズを変更するが光信号の中心間距離は変更せず、ＶＣＳＥＬ構造２から放出された光信号アレーの空間的特性は保持される。
【００２８】
図７（ｂ）において、レンズアレー７０には放出開口部４、６、８、１０にそれぞれ空間的に対応してレンズ７２、７４、７６、７８が設けられる。レンズ７２は入射光信号２２の径を拡大するとともにその方向を変えて光信号８０を形成する。同様に、レンズ７４は入射光信号２４の径を拡大とともにその方向を変えて光信号８２を形成する。この具体例において、レンズアレー７０は入射光信号を発散させているが、その他の発散又は収束を行う構成を使用してもよい。
【００２９】
第２の実施形態において、個々の素子を照明するタイミングは検出プロセスの統合技術である。素子は順次、照明され、時間的特性がマッピングされる。図８において、ＶＣＳＥＬ構造２は放出開口部４、６、８、１０から４、６、８、１０、４、６、８、１０、４、６、８、１０等の順序で光信号を順次、放出する。これにより対応する光信号２２、２４、２６、２８が放出開口部から放出される。
【００３０】
この具体例において、３つの光信号（２６、２８、２２）は破線で示すように放出済みであり、現在、１つ（２４）が放出中である。まず光信号２６が放出され、ターゲット３０に遮られることなく検出器３２に受光された。ついで光信号２８が放出され、同様に遮られずに検出器３２に受光された。同じく光信号２２も遮られることなく検出器３２に受光された。現在、光信号２４が放出されたがターゲット３０に遮られて検出器３２には届かない。アレーの全光信号を受光可能に配置した単一の検出器３２についてその検出信号出力の時間経過をモニタリングすると、特定の光信号が遮られるタイミングで光信号が受光されないことからターゲット３０の角度（及びある程度は空間的）位置が定まる。アレーの形状としては環状に限らず、線形アレーあるいは複数の同心環状等を用いてよく、検出器３２の出力時系列をマッピングすることによりターゲット３０の形状をマッピングすることができる。
【００３１】
図９に示すように光学部品を追加すれば、光信号の進路を異なる角度向けられることができる。図示のように光信号はＶＣＳＥＬ構造２とターゲット８４との間に配置されるレンズ３０に入射される。レンズ３０は光信号の進路を環境の様々な場所に向けるので、単一の検出器３２はターゲット８４を様々な離れた場所で検出することができる。例えば、１０個のＶＣＳＥＬ素子のみで、ほぼ２πステラジアンの全半平面をモニタすることができる。
【００３２】
この例において、破線で示すように光信号２８、２２、２４は既にこの順序で放出済みであり、現在は光信号２６が放出中である。レンズ３０で再び方向付けされた後、光信号２６は途中でターゲット８４に遮られる。ここで光信号２６はターゲット８４により反射され検出器３２に届く。なお、このようになったのは、たまたまターゲット８４が光信号２６の進路上にいたからであり、光信号２６がターゲット８４を探し出したわけではない。したがって、ターゲット８４が移動すればターゲット８４は他の光信号の進路に存在する。
【００３３】
線形アレーにより軸上の位置を検出することができる。「環状」アレーの応用例ではＶＣＳＥＬ構造２の上に単一のレンズを使用する。個々の素子が順次照射されると、このレンズは各信号を異なる角度に曲げる。このように、異なるタイミングで異なる素子を照射するだけで、光信号を異なるタイミングで環境の異なる場所に向けることができる。反射光信号を収集する検出器の時間経過出力を測定することによりターゲットの有無とともにその位置に関する情報が得られる。位置情報が不要な場合であっても、可動部なしで行われる、光信号の効果的な走査により機械的ではなく真に電気的な機能が実現される。この特徴から遙かに小さい電力での動作が可能となり、省エネが優先されるバッテリ動作の応用において重要である。
【００３４】
レンズ又はレンズアレーをＶＣＳＥＬ構造２の近くに設けてレンズに入射した各光信号をコリメートして出力することができる。既存の光学システムにおいて単一の光信号を１つの平行な光信号群にコリメートするようにしたものは一般に知られているが、本発明にあっては複数の光信号のそれぞれを対応する平行光信号群にコリメートすることができる。ＶＣＳＥＬ構造２の各放出開口部の位置が異なるため各光信号はそれぞれ異なる角度でレンズを通り、各平行光信号群はレンズから異なる角度で出力される。
【００３５】
光学系により複数の光信号を環境の様々な場所に分散して「スキャナ」を構成する技術は多くの用途で利用できる。セキュリティ又はセーフティの応用において、検出システムは人体又は人体の一部、例えば腕等の有無を検出し、警報音を鳴らす。人に関するその他の情報、例えば人の大きさ、形状、室内における人の場所、動きの方向、速度等を決定することもできる。この種の情報はセーフティが重要である機械設備内で得ることができる。この種の情報の全てを得るには、室内においてＶＣＳＥＬ構造２の近くに、又はＶＣＳＥＬ構造２から離して単一の検出器３２を設置すればよく、あるいは複数の検出器３２を使用してもよい。また、検出器３２の近くにレンズ又はレンズアレーを設置して検出器３２が受光できる範囲を効果的に拡大することもできる。検出器３２が室内のターゲット及び／又は壁等の物体からの反射光信号を受光していく一方で、マイクロプロセッサはその信号を処理して所要の情報を得る。
【００３６】
複数種の検出器を用いる場合に、各検出器に割り当てる処理時間は要求される情報の種類に応じて最適に分配することができる。例えば、１つの検出器は専らターゲットの有無を検出し、他の２つの検出器は受光した光信号の波長の差を検出するのに用いる。ターゲットが検出されない間、マイクロプロセッサは全計算能力をターゲットの検出に振り向ける。いったんターゲットが検出されると、マイクロプロセッサは計算能力をターゲット表面の光吸収特性の決定に集中する。同様に、各放出開口部を分離した放出開口部アレーで構成する場合、「複数のアレー中のアレー」を用いて低レベルのみならず高レベルの情報を得ることができる。いったん検出器が光信号の特定のアレーを検出すると、マイクロプロセッサはその特定のアレー内で光信号のアレーを処理することに集中してより詳細な情報を得る。
【００３７】
本発明の他の応用は光制御システムであり、ターゲット又は人の有無によって室内の照明状態を調整する。簡単な動きセンサによる照明システムと異なり、本発明は遙かに複雑なシステムの設計が可能であり、ターゲットの構成や動きに関する特定の特徴を利用して特定の照明パターンを制御することができる。例えば、人が入室したときには室内の特定の光源群を点灯するが、ロボット装置等の他の物体が入ったときは点灯しないようにユーザ指定することができる。さらに応用は、ロボット自体の制御、あるいはオブジェクト認識や動き検出、その他のセンシングを行うロボット処理又は自動化処理を含んでもよい。
【００３８】
１次元アレーを使用する本発明の応用例はワイヤ等の線形ターゲットの空間における角度、位置を検出することである。種々の光信号放出パターンを周期的に繰り返し、放出した光信号と受光した光信号を比較することによりこれらの変量が得られる。ＶＣＳＥＬ構造による光信号放出の高速性のため、マイクロプロセッサは実時間ベースでこの情報を決定し、提供することができ、このような実時間情報はワイヤの角度や位置が絶えず変化するような場合、重要である。
【００３９】
本発明の他の応用例はレーザプリンタや複写機のような印刷装置に係わる。この種の既存装置は通常、光源から放出された単一の光信号を回転ミラーで反射させる。本発明の場合、ＶＣＳＥＬ構造は放出された複数の光信号を同様に回転ミラーで反射させる。反射される光信号数が増加するので、ほとんどの既存装置と比較して、１ページにより多くの情報を印刷でき、且つ／又は同一時間内で解像度の高い印刷を行うことができる。
【００４０】
本発明のさらに別の応用例はＶＣＳＥＬ構造と検出器の間にコードホイールを配置したエンコーダに係る。代表的なコードホイールには、マーク及び／又はスペース等の特徴が付いており、これらが検出器の特性に対応し、各検出器の特性は僅かに変化する。この僅かな特性変化を利用して直角位相等の情報を検出し、さらにそれを基にして動きの方向等の情報を得ることができる。ほとんどのエンコーダ装置はこの変化を生成するのに複数の検出器を必要とするが、本発明に係る複数の光信号によれば単一の検出器で同じ情報を提供することができる。複数ではなく一個の検出器を使用するだけでよいのでエンコーダ装置の機械的複雑さが低減される。動作において、放出された光信号は例えばコードホイールのスリットを通る。ついで検出器はそのスリットの特性に依存して光信号の有無を検出する。最初の光信号を消光した後で、ＶＣＳＥＬ構造は異なる放出開口部から２番目の光信号又は光信号群を放出する。２番目の光信号は検出器に届く前に最初の光信号とは異なる角度からコードホイールに入る。ついでマイクロプロセッサは検出器が受光した異なる光信号を比較することにより求めた角度の差を利用して直角位相及び／又は他の情報を決定する。
【００４１】
なお、上記応用例のほとんど全て及び他の応用は透過式、反射式いずれのシステムにも適用することができる。ここに記載した実施形態及び具体例は本発明及びその実用的な応用について説明し、ひいては当業者が本発明を実施し、利用することを可能にするために提示したものである。しかしながら、当業者には理解されるように上記記載及び具体例は単に例示にすぎない。当業者にとって他の変更及び変形形態は明らかであり、特許請求の範囲の意図はそのような変更、変形形態を包含するものである。発明の実施の形態における記載は包括的ではなく、発明の範囲を制限することを意図していない。特許請求の範囲から逸脱することなく、上記の説明から種々の変形及び変更が可能である。本発明の使用は様々な特徴を有する要素に係わると解される。本発明の範囲は全ての点で均等に配慮しつつ特許請求の範囲により定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
垂直空胴面発光レーザ構造の概略図を示す。
【図２】
２つの異なる光信号パターン（ａ）及び（ｂ）を放出する垂直空胴面発光レーザ構造の概略図を示す。
【図３】
垂直空胴面発光レーザ構造から静的に放出された光信号が検出器に至る前で、ターゲットにより遮光される様子を示す概略図である。
【図４】
ターゲットのマップを決定するために異なる光信号放出パターンを周期的に繰り返す垂直空胴面発光レーザ構造の概略図を示す。（ａ）の場合、垂直線を形成する光信号は垂直な棒状のターゲットにより遮光され、いずれも検出器には届かない。（ｂ）に示すように直角を成す、異なる光信号パターンが放出された場合、１つの光信号が検出器に届く。しかしながら（ｃ）に示すように直角形状のターゲットがある場合、（ｂ）のように同じ直角形状の光信号パターンを放出しても遮光される。
【図５】
（ａ）と（ｂ）において同一の光信号パターンを放出する垂直空胴面発光レーザ構造の概略図を示す。（ａ）の場合、ターゲットは放出信号を全て遮光するが（ｂ）では、ターゲットが違っていて全ての放出信号が遮光されるわけではなく、これにより特定のターゲットのみを認識することができる。
【図６】
（ａ）放出光信号アレーの拡大イメージを形成する単一のレンズ、及び（ｂ）放出光信号アレーの拡大バージョンを形成する複合レンズ系を通過する放出光信号の概略図を示す。
【図７】
レンズのアレーを通過する放出光信号の概略図を示す。（ａ）に示すレンズアレーは光心間距離を変えることなく光信号の径を広げる。（ｂ）に示すレンズアレーは光径を広げるとともに放出光の方向を変える。
【図８】
垂直空胴面発光レーザ構造から順次放出された光信号が検出器に至る前で、ターゲットにより遮光される様子を示す概略図である。
【図９】
放出光信号がターゲットで反射され検出器に届くように、垂直空胴面発光レーザ構造から放出された光信号をレンズにより拡散させてターゲットが占める環境に供給する様子を示す。

Claims

ターゲット特性を検出するマルチプルレーザ光学検出システムであって、
少なくとも２つのレーザ信号放出開口部を有するレーザ光源と、
上記レーザ光源に作動的に応答する少なくとも１つの検出器と、
上記少なくとも１つの検出器に作動的に結合するマイクロプロセッサとを備え、
上記レーザ光源は少なくとも２つのレーザ信号をターゲットが占める環境に放出し、上記少なくとも１つの検出器は上記環境を通過した後の上記少なくとも２つのレーザ信号を検出し、上記マイクロプロセッサは上記検出器の検出した上記レーザ信号に基づいてターゲット特性を決定することを特徴とする、マルチプルレーザ光学検出システム。
上記レーザ光源は垂直空胴面発光レーザであることを特徴とする、請求項１記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記レーザ光源は上記少なくとも２つのレーザ信号を静的に放出することを特徴とする、請求項１記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記レーザ光源は一度に少なくとも１つのレーザ信号を、連続的に放出することを特徴とする、請求項１記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記検出器は密閉キャプションカメラであることを特徴とする、請求項１記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記検出器はフォトダイオードであることを特徴とする、請求項１記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記少なくとも２つのレーザ信号は同一であることを特徴とする、請求項１記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記少なくとも２つのレーザ信号は同一でないことを特徴とする、請求項１記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記少なくとも２つのレーザ信号は少なくとも１つのレンズを通ることを特徴とする、請求項１記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記レーザ信号はミラーで反射されることを特徴とする、請求項１記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記少なくとも２つのレーザ信号はコードホイールを通ることを特徴とする、請求項１記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
面発光レーザを利用してターゲット特性を検出するマルチプルレーザ光学検出システムであって、
フォトリソグラフィにより形成した、少なくとも２つのレーザ信号放出開口部を有する垂直空胴面発光レーザ構造と、
上記垂直空胴面発光レーザ構造に応答する少なくとも１つの検出器と、
上記少なくとも１つの検出器に結合するマイクロプロセッサとを備え、
上記垂直空胴面発光レーザ構造は少なくとも２つのレーザ信号をターゲットが占める環境に放出し、上記少なくとも１つの検出器は上記環境を通過した後の上記少なくとも２つのレーザ信号を検出し、上記マイクロプロセッサは上記検出器により受信された上記レーザ信号に基づいてターゲット特性を決定することを特徴とする、マルチプルレーザ光学検出システム。
上記垂直空胴面発光レーザ構造は上記少なくとも２つのレーザ信号を静的に放出することを特徴とする、請求項１２記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記垂直空胴面発光レーザ構造は一度に少なくとも１つずつレーザ信号を、連続的に放出することを特徴とする、請求項１２記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記検出器は密閉キャプションカメラであることを特徴とする、請求項１２記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記検出器はフォトダイオードであることを特徴とする、請求項１２記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記少なくとも２つのレーザ信号は同一であることを特徴とする、請求項１２記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記少なくとも２つのレーザ信号は同一でないことを特徴とする、請求項１２記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記少なくとも２つのレーザ信号は少なくとも１つのレンズを通ることを特徴とする、請求項１２記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記レーザ信号はミラーで反射されることを特徴とする、請求項１２記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
上記少なくとも２つのレーザ信号はコードホイールを通ることを特徴とする、請求項１２記載のマルチプルレーザ光学検出システム。
面発光レーザを透過的に利用してターゲット特性を検出するレーザ光学検出方法であって、
垂直空胴面発光レーザ構造から少なくとも２つのレーザ信号を環境に対し静的に放出するステップと、
少なくとも１つのターゲットにて上記レーザ信号の少なくとも１つを遮光するステップと、
少なくとも１つの検出器にて上記ターゲットにより遮光されなかった上記レーザ信号を透過的に受光するステップと、
マイクロプロセッサにて上記垂直空胴面発光レーザ構造から放出した上記レーザ信号の特性と上記検出器が受光した上記レーザ信号の特性を比較することによりターゲット特性を決定するステップと、
を有するレーザ光学検出方法。
上記マイクロプロセッサは、上記垂直空胴面発光レーザ構造から異なるアレーの上記レーザ信号を放出した後、どのレーザ信号が上記検出器で受光されたかを決定することにより、上記ターゲットのサイズ又は形状を決定することを特徴とする、請求項２２記載のレーザ光学検出方法。
上記マイクロプロセッサは、上記垂直空胴面発光レーザ構造から放出した上記レーザ信号のアレーと上記検出器が受光した上記レーザ信号のアレーを比較することにより、特定の上記ターゲットの有無を決定することを特徴とする、請求項２２記載のレーザ光学検出方法。
上記マイクロプロセッサは、上記ターゲットが遮光した上記レーザ信号アレーの変化を検出することにより、上記ターゲットの動きを検出することを特徴とする、請求項２２記載のレーザ光学検出方法。
上記マイクロプロセッサは、特定の上記ターゲットが遮光した上記レーザ信号の特定アレーの変化を検出することにより、上記特定のターゲットの動きを検出することを特徴とする請求項２２記載のレーザ光学検出方法。
面発光レーザを反射的に利用してターゲット特性を検出するレーザ光学検出方法であって、
垂直空胴面発光レーザ構造から少なくとも２つのレーザ信号を環境に順次放出するステップと、
少なくとも１つのターゲットにて上記レーザ信号の少なくとも１つを遮光するステップと、
少なくとも１つの検出器にて上記ターゲットにより反射された上記レーザ信号を受光するステップと、
マイクロプロセッサにて上記垂直空胴面発光レーザ構造から放出した上記レーザ信号の時間的特性と上記検出器が受光した上記レーザ信号の時間的特性を比較することによりターゲット特性を決定するステップと、を有するレーザ光学検出方法。
上記マイクロプロセッサは、上記垂直空胴面発光レーザ構造から異なるアレーの上記レーザ信号を放出した後、どのレーザ信号が上記検出器で受光されたかを決定することにより、上記ターゲットのサイズ又は形状を決定することを特徴とする、請求項２７記載のレーザ光学検出方法。
上記マイクロプロセッサは、上記垂直空胴面発光レーザ構造から放出した上記レーザ信号のアレーと上記検出器が受光した上記レーザ信号のアレーを比較することにより、上記ターゲットの角度又は空間的位置を決定することを特徴とする、請求項２７記載のレーザ光学検出方法。
上記マイクロプロセッサは、上記垂直空胴面発光レーザ構造から放出した上記レーザ信号のアレーと上記検出器が受光した上記レーザ信号のアレーを比較することにより、特定の上記ターゲットの有無を決定することを特徴とする、請求項２７記載のレーザ光学検出方法。
上記マイクロプロセッサは、上記ターゲットが遮光した上記レーザ信号アレーの変化を検出することにより、上記ターゲットの動きを検出することを特徴とする、請求項２７記載のレーザ光学検出方法。
上記マイクロプロセッサは、特定の上記ターゲットが遮光した上記レーザ信号の特定アレーの変化を検出することにより、上記特定のターゲットの動きを検出することを特徴とする、請求項２７記載のレーザ光学検出方法。
上記マイクロプロセッサは、時間を掛けて上記垂直空胴面発光レーザ構造から放出した上記レーザ信号の時間的特性と上記検出器が受光した上記レーザ信号の時間的特性を比較することにより上記ターゲットの動きの時間的特性を検出することを特徴とする、請求項２７記載のレーザ光学検出方法。