JP2004533609A

JP2004533609A - 物体の運動を光学的に感知するためのシステムおよび方法

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Publication number: JP2004533609A
Application number: JP2002582025A
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: 2001-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2004-11-04
Also published as: ATE336012T1; EP1381881B1; WO2002084325A1; DE60213777D1; DE60213777T2; EP1381881A1; US20020148952A1; TW541773B

Abstract

ターゲットの特性を検出するための光センシングシステムおよび方法が開示される。光センシングシステムは、既知の環境（１００）中のターゲット（１１０）の運動を検出することができる。垂直共振器面発光レーザなどのレーザ源（１０５）が、少なくとも２つのレーザ信号放射開口を有する。少なくとも１つの検出器（１０３）が、レーザ信号に応答して動作する。運動解析モジュール（１０７）が、マイクロプロセッサ（１０１）と協力して、前記環境（１００）中で検出されたターゲット（１１０）の運動特性を決定する。レーザ源（１０５）が、ターゲットによって占有されている環境（１００）中に少なくとも２つのレーザ信号を放射し、前記信号が前記環境（１００）を通過し、検出されたターゲット（１１０）によって妨害された後に、前記少なくとも１つの検出器（１０３）が前記少なくとも２つのレーザ信号の変化を検出し、前記マイクロプロセッサ（１０１）が、前記検出器（１０３）が受信した信号と前記運動解析モジュール（１０７）からの入力とに基づいてターゲット特性を決定する。このシステムはさらに、レーザ源（１０５）と、検出器（１０３）に動作可能に結合され、信号データを処理するマイクロプロセッサ（１０１）と、ターゲット特性（例えば固有の信号）を記憶するためにマイクロプロセッサ（１０１）がアクセス可能な記憶装置と、システムの訓練および検出動作を可能にするためにマイクロプロセッサ（１０１）がアクセス可能な少なくとも１つのソフトウェアモジュール（１０６）とを含むことができる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にセンシングの分野に関する。詳細には本発明は一般に、多重レーザ光センシングシステムおよび方法に関する。本発明はさらに、運動を検出するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
センシングのニーズに応えようとするこれまでの方法は一般に、発光ダイオードなどの光源からの単一の光信号および複数の検出器の使用を含む。単一の光源を使用して環境中の広い区域を照明する目的には、大略、２つの方法が知られている。１つの方法は一般に、光源から広い範囲に光信号を放射し、この信号を、環境中に配置された複数の検出器の１つを用いて検出することを含む。もう１つの方法は一般に、光源から狭い範囲に光信号を放射し、この信号を、例えば回転鏡で反射させることによって環境中に拡散させ、これを環境中に配置された複数の検出器の１つを用いて検出することを含む。この２つの方法はいずれも実現可能ではあるが、一般にどちらも複数の検出器を必要とし、そのため、パワー効率が悪く、低い信号対雑音比しか与えない。このパワー効率の悪さを反映してパワー伝達比もよくない。これは、光信号を受信する個々の検出器が通常、最初に放射された信号の一部分しか検出しないためである。その結果、検出された信号は一般に、センシングの対象である環境中のターゲットについて限られた情報しか与えない。単一の光信号の性質のためこれらの方法はさらに、センシングの対象である環境中のターゲットのサイズ範囲を限定する傾向がある。
【０００３】
これらの以前の方法の限界は、環境中のターゲットの運動を検出するなどの応用でしばしば露呈する。多くの運動検出システムは一般に、光源から放射された光ビームをターゲットが遮ったときに少なくとも１つの検出器がそのターゲットの運動を検出する見通し線操作を含む。ターゲットの存在の有無を決定するなどの比較的に単純な応用では一般にこの方法で十分である。ターゲットの運動方向の決定などより複雑な応用に対しては、この方法では不十分であることが分かっている。光源から放射された単一の光信号を横切ってターゲットが移動すると、ターゲットによって遮られる信号が徐々に増大するので、検出器が受信する信号は徐々に低減する。この徐々に変化する信号検出では一般に、環境中のターゲットの位置を決定するのに複雑なアルゴリズムが必要となる。複数の検出器を追加すればより詳細な情報が得られ、必要となるアルゴリズムの複雑さを低下させることができるが、検出器を追加すると、先に述べたパワー効率の問題、ならびに追加のハードウェアに関連したコストの追加の問題が生じる。
【０００４】
上述の方法の限界は、ターゲット認識を含む応用にも関係する。特定のターゲットだけを認識する多くの周知のシステム、またはターゲットの空間特性をマップする多くの周知のシステムは、回転鏡を用いて光信号を拡散させること、および／または複数の検出器を使用することを含む。ホログラムを使用し、光信号をより小さな光信号に分割することによって、光信号を拡散させることもできる。特定のターゲットだけを検出する方法は、トランシーバから信号パルスを放射し、ターゲットから反射された信号を受信し、受信した信号を、既知のターゲットから反射された予めセットされた信号と比較することを含む。既知の物体についての情報は一般にデータベースに記憶されている。ターゲットをマップする方法は、ターゲットが存在する状況で異なる検出器が受信した光信号を重ね合わせ、この信号を、ターゲットの存在しない環境に関連した信号と比較することを含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの方法はそれぞれ、特定の１つの機能に対して実現可能であるが、複数の機能を実行するものは知られていない。この欠陥のため、パワー効率がよくかつ経済的な汎用システムが求められている。このようなシステムは例えば、任意のターゲットまたは特定のターゲットの存在の有無を検出し、ターゲットの空間特性を検出し、任意のターゲットまたは特定のターゲットの運動を検出し、あるいはターゲットの運動についてのさまざまな特性を検出することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下の本発明の概要は、本発明に固有の革新的特徴の一部の理解を容易にするために提供するものであって、完全な記述を意図したものではない。本発明のさまざまな態様の完全な理解は、明細書、特許請求の範囲、図面および要約書を全体として理解することによって得ることができる。
【０００７】
本発明の一態様は、環境中で使用して「鍵」形の物体の運動だけを検出することができるレーザ・ベースのセンシングシステムを提供する。監視先環境中を移動することができる他の物体は無視される。環境中に存在する特定のターゲットの形状に応じてさまざまな信号が検出器に到達する。この違いが、後に、指定された「一致」が実施されたときの指定されたターゲットの認識を可能にする。
【０００８】
本発明の別の態様は、垂直共振器面発光レーザを使用してターゲット特性を検出する訓練可能な多重レーザ光センシングシステムを含む。このシステムは、少なくとも２つの放射開口を有する垂直共振器面発光レーザ構造を含むことができる。放射開口は、フォトリソグラフィによって画定することができる。それぞれの放射開口から環境中にレーザ信号を放射することができる。このシステムはさらに、垂直共振器面発光レーザ構造に応答して動作することができる少なくとも１つの検出器を含むことができる。このシステムは、検出器に動作可能に結合されたマイクロプロセッサを含むことができる。このシステムは、ターゲットを認識するようシステムを訓練することができる訓練モジュールとターゲットデータとを記憶するための記憶装置を含むことができる。動作中に垂直共振器面発光レーザ構造は、運動中のターゲットによって占有されている可能性がある環境中に、少なくとも２つのレーザ信号を放射することができる。少なくとも１つの検出器が、環境中を通過した後のレーザ信号を検出する。次いでマイクロプロセッサが、検出器が受信したレーザ信号に基づき、また記憶装置に記憶された既知のターゲットデータと比較してターゲット特性を決定することができる。同じ垂直共振器面発光レーザ構造内では、放射されるレーザ信号を互いに同一の信号とし、または互いに異なる信号とすることができる。システムに光学部品を追加して、放射開口を出た後にレーザ信号が、少なくとも１つのレンズを通過し、あるいは１つまたは複数の鏡によって反射されるようにすることもできる。
【０００９】
本発明の一態様は、垂直共振器面発光レーザを使用してターゲット特性を透過的に、または反射的に検出する方法を提供する。透過法では、垂直共振器面発光レーザ構造が、ターゲットによって占有されている可能性がある環境中に、少なくとも２つのレーザ信号を静的に放射することができる。運動中のターゲットは、環境内を通過中の少なくとも１つの前記レーザ信号を遮ることができ、少なくとも１つの検出器は、ターゲットによって遮られなかった信号を透過的に受信することができる。次いでマイクロプロセッサが、垂直共振器面発光レーザ構造が放射したレーザ信号の特性と検出器が受信した信号の特性とを比較することによって、ターゲット特性を決定することができる。
【００１０】
反射法では、垂直共振器面発光レーザ構造は、運動中のターゲットによって占有されている可能性がある環境中に、少なくとも１つのレーザ信号を一回ずつ連続してに放射することができる。少なくとも１つの前記レーザ信号がターゲットによって反射され、この信号を少なくとも１つの検出器によって検出することができる。次いでマイクロプロセッサが、垂直共振器面発光レーザ構造が放射したレーザ信号の時間特性と検出器が受信した信号の時間特性とを比較することによって、ターゲット特性を決定する。
【００１１】
本発明が教示する方法では、そのサイズまたは形状などの特徴に基づき、および／または垂直共振器面発光レーザ構造が異なるレーザ信号アレイを放射した後に検出器がどのレーザ信号を受信したのかを決定することによって、マイクロプロセッサがターゲットの運動を決定することができる。マイクロプロセッサはさらに、ターゲットによって遮られ、または反射されたレーザ信号アレイの変化を検出することによって、環境中のターゲットの運動を検出することができる。
【００１２】
本発明の新規の特徴は、本発明の以下の詳細な説明を精査した当業者には明白であり、または本発明を実施することによって知ることができる。しかし、本発明の詳細な説明および提示した特定の例は、本発明のあるいくつかの実施形態を指示してはいるものの、単に例示目的で提示したにすぎないことを理解されたい。これは、以下の本発明の詳細な説明および請求項から、本発明の範囲に含まれるさまざまな変更および修正が当業者には明白であるためである。
【００１３】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明をさらに例示し、本発明の詳細な説明とともに本発明の原理を説明する役割を果たす。図面全体を通じて同じ参照符号は、同一の要素または機能上同種の要素を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
これらの非限定的な例で論じる具体的な値および構成は変更することができる。これらの値および構成は単に、本発明の一実施形態を例示するために挙げたものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。
【００１５】
この実施形態の以下の非限定的な例において、図１は、複数の放射開口４、６、８および１０を有する垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）構造２を示す。放射開口４は、陽子分離または誘電酸化物技法を使用してキャリア／光学閉じ込めを提供することによって製作することができる。例えば放射開口４は、ボンドパッド１２と機能上一体化されており（ただし一体化されていなければならないわけではない）、かつ素子１４に電気的に結合されている。素子１６、１８および２０も示されており、これらは互いに同一の素子または異なった素子とすることができ、かつ素子１４と同一の素子または異なった素子とすることができる。素子に通電すると、放射開口は、ＶＣＳＥＬ構造２に対して垂直な光信号（図示せず）を放射し、そのため、１次元アレイおよび２次元アレイの生成が特に容易になる。図１（および他の図）に示したこの例は放射開口の２×２アレイを含んでいるが、Ｍ×Ｎアレイの製造も実現可能であり、２×２アレイを示したのはただ単に説明を簡単にするためであることに留意されたい。
【００１６】
ＶＣＳＥＬ構造２を使用してアレイを製造する主な利点は、アレイの全ての寸法をフォトリソグラフィを使用して製作することができ、それによって放射開口の配置に高い寸法公差を組み込むことができる点である。その結果、この高い寸法公差が、放射された光信号の正確に画定されたアレイを生み出し、十字パターンなど、所望の１次元または２次元アレイの製造を可能にする。これらの素子は、事実上任意の所望の方法で電気的に接続または結合することができ、これによって光信号を個別にまたはまとめて放射することができる。光信号は、単一空間モードまたは多重空間モードで放射することができ、また、放射させ集束させる光信号の発散角度および／または直径に関してさまざまに変更することができる。さらに光信号は、単一の波長または複数の波長で放射することができる。先進の選択的エピタキシャル技法を使用することによって、広い範囲の波長の光信号を生じることができる。
【００１７】
図２に、同じＶＣＳＥＬ構造２による異なる光信号パターンの照明を示す。図２（ａ）では、放射開口４が光信号２２を放射し、開口８が光信号２６を放射している。図２（ｂ）では、放射開口６が光信号２４を放射し、開口１０が光信号２８を放射している。同様に、この他の１つの光信号、あるいは２つ、３つまたは４つの光信号からなる信号群を２×２アレイから放射することができる。任意の数の放射開口を含む任意のアレイを構築することができ、これによってさまざまな光信号パターンを放射することができることを繰り返し強調される。
【００１８】
好ましい第１の実施形態は、図３に示す再構成可能な構造化された静止光源である。この図には、放射開口４および６からそれぞれの光信号２２および２４を環境中に同時に放射しているＶＣＳＥＬ構造２が示されている。異なる時刻にこのアレイから異なる光信号（または信号セット）を放射することができるが、その変更のタイミングは、ここで意図している機能に直接に関係するものではない。ＶＣＳＥＬ構造２と検出器３２の間の環境中にターゲット３０が置かれている。検出器３２は、フォトダイオードなど、さまざまあるうちの任意のタイプの検出器とすることができる。フォトダイオード検出器は、個々の１つのフォトダイオード、または個別にパッケージングされた複数のフォトダイオード、あるいは単一のパッケージ中の単一の構造体上のフォトダイオードアレイ、を含むことができる。
【００１９】
ターゲット３０が上方へ移動すると、検出器３２によって受け取られる特定の光信号は、フルオン（障害なし）からハーフオン（信号２４は遮られているが信号２２は遮られていない）に変化し、最終的にフルオフ（信号２４と２２がともに遮られている）に変化する。これは、本質的にディジタル式に、すなわち段階的に起こる。これと同様の幾何形状の単一の照明器を使用した場合には、検出器での照明が徐々にしか変化せず、中間点の位置を決定するためにより洗練されたアルゴリズムが必要となろう。しかし、この同じＶＣＳＥＬアレイを用いると、単純に開口４および６の代わりに例えば開口６および８から信号を放射することによって、図３に示した方向とは直角の方向に移動するターゲット３０に対して、同一の機能を提供することができる。斜めに移動するターゲットを検出するためには、開口４および８または６および１０から信号を放射させればよい。したがって、異なる開口から光信号を逐次に放射することによって、単一の検出器３２で複数の運動を感知することができる。
【００２０】
この概念を拡張するためには素子の数を増やす必要がある。例えば素子が５×２に配置されたＶＣＳＥＬアレイを考える。波形の縁を有する静止したターゲットがＶＣＳＥＬアレイと検出器の間に置かれている場合、この波はいくつかの光信号を遮り、他の信号を遮らない。「点灯」ＶＣＳＥＬと「消灯」ＶＣＳＥＬからなる固定されたいくつかのパターン間を循環することによって、検出器信号を波形縁のマップと解釈することができる。このように、波形の障害は鍵の働きをし、ＶＣＳＥＬアレイと検出器を含む光学アセンブリは錠の働きをする。当業者に知られている電子装置によって、１つまたは複数の鍵だけを認識する錠を作り出すことができる。ターゲット上のパターンにある方式で一致した放射パターンを、検出器は肯定的に識別または認識するであろう。
【００２１】
図４に、異なる光信号放射パターン間を循環してターゲットのマップを決定するＶＣＳＥＬ構造２を示す。図４（ａ）では、縦方向の棒形ターゲット３４が光信号２２および２４を遮り、これらの信号を検出器３２に到達させない。（ｂ）のような異なる信号パターン（２２、２４および２６）が放射されると、信号２６は検出器３２に到達するが、信号２２および２４は遮られたままである。そのため検出器３２は、ターゲット３４が、光信号２６に空間的に相関した水平部分を持っていないと認識する。しかし、図４（ｃ）のような直角形のターゲット３６が存在する場合、図４（ｂ）で放射されたのと同じ直角形パターンは遮られる。信号２２、２４、２６はいずれも検出器３２に到達せず、このことは、光信号２６に空間的に相関した水平部分をターゲット３６が（ターゲット３４とは違い）持っていることを検出器３２に指示する。
【００２２】
図５に、指定されたターゲットだけを認識し、他のターゲットは認識しない方法を示す。この例では、ＶＣＳＥＬ構造２が、図５（ａ）と（ｂ）で同じ光信号パターンを放射する。ただしターゲットの形状は異なっている。図５（ａ）では、ターゲット３６が、放射された全ての信号２２、２４および２６を遮り、これらの信号を検出器３２に到達させないでいる。図５（ｂ）では、ターゲット３４が光信号２２および２４だけを遮っており、信号２６は検出器３２に到達することができる。したがって、放射される光信号パターンが同じでも、環境中に存在する特定のターゲットの形状に応じて、異なる信号が検出器３２に到達する。この違いが、後に、システムによって正確な「一致」が実施されたときの指定されたターゲットの認識を可能にする。
【００２３】
前述の波形の不透明障害物は可能な鍵構成の一例にすぎない。可能性としてこのほか、フィルム上の穴または露光領域のアレイなどがある。
複数の光源を使用することに加え、カメラを検出器として使用することによって、本発明は、現行の多くのシステムよりも高速に物体認識作業を実行することができる。このカメラは、電荷結合素子（ＣＣＤ）、ＣＭＯＳカメラを含むさまざまなタイプのうちの１つとすることができる。一般的な現行システムのカメラディスプレイを別個の複数の領域に分割すると、光源が均一であることから、部分的に遮られた領域を測定するために複雑な画像処理アルゴリズムがしばしば必要となる。本発明のディスプレイを別個の領域に分割すると、複数の光信号が放射されるため、それぞれの領域が、隣接する照明とは空間的に異なるそれ自体の独立した照明を受信する。その結果、全ての信号を同時に検出し、それらを迅速に合計して、所望の情報を得ることができる。
【００２４】
ターゲットは、その表面の組成によっても検出することができる。表面の吸収特性は、光信号をその波長に基づいてさまざまに吸収しかつ／または反射することができる。したがって、異なる波長の光信号を放射することによって材料の吸収特性が指示される。異なる波長の光信号の放射は、異なる素子を有するＶＣＳＥＬ構造２を製作することによって達成することができる。その特性に基づいてターゲットを検出する状況でも、またはターゲットの特性を検出する状況でも、マイクロプロセッサは、検出器が受信した光信号をＶＣＳＥＬ構造が放射した信号と比較することによって特性を決定することができる。放射される信号間の波長の違いが、検出器が検出できるほど十分に大きい場合には、複数の検出器（例えば図に示した検出器３２）を使用して、異なる波長範囲の信号を検出することができる。これによって、ほとんどのターゲットの吸収特性についてより詳細な情報が得られる可能性がある。特徴は、記憶装置に記憶されている特性と比較することができる。
【００２５】
さまざまな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。放射された光信号パターンがそれによって像平面内のより大きなパターン、またはより小さなパターンとして再現されるように、ＶＣＳＥＬ構造２とターゲット３０の間にレンズまたはレンズアレイを配置することができる。その像の放射パターンの形状は放射された元々のパターンと同一になるが、サイズは異なるであろう。次いでマイクロプロセッサが、ターゲット３０が存在する状況で検出器３２が受信した光信号パターンを、初めに放射された元の信号パターンおよび／または記憶装置に記憶されている信号と相関させることができる。
【００２６】
図６に、レンズを使用して光信号アレイのサイズを変更することができる２つの方法を示す。図６（ａ）では、単一のレンズ３８が、ＶＣＳＥＬ構造２によって放射されたアレイの拡大像４２を生み出し、物理的なアレイよりも大きなターゲットの検出に対応する。光信号２４がレンズ３８に入射すると、レンズ３８は信号２４を拡大してより大きな直径を有する新しい光信号４０を生み出す。この特定の構成では、ＶＣＳＥＬ構造２によって放射された元々のアレイと比較して、拡大像４２が反転される。コリメータ−テレスコープ構成の２枚のレンズ（図示せず）を使用することもできる。図６（ｂ）では、複合レンズ系が、ＶＣＳＥＬ構造２によって放射されたアレイの拡大バージョンを生み出す。光信号２２および２４がレンズ４４に入射すると、レンズ４４は、信号２２および２４を処理して（収束または発散させて）それぞれの新しい光信号４６および４８を生み出す。信号４６および４８は次いでレンズ５０に入射する。レンズ５０は信号４６および４８を平行にしてそれぞれの新しい信号５２および５４を生み出す。こうして得られた信号５２および５４は、初めに放射された元々の光信号２２および２４よりも大きな直径を有する。
【００２７】
図７に、ＶＣＳＥＬ構造２によって放射された光信号アレイを変更する目的に使用できるレンズアレイの代替構成を示す。図７（ａ）では、レンズアレイ５６が、放射開口４、６、８および１０に空間的にそれぞれ対応するレンズ５８、６０、６２および６４を含む。レンズ５８は、入射光信号２２の直径を拡大して新しい光信号６６を生み出す。同様に、レンズ６０は信号２４の直径を拡大して新しい信号６８を生み出す。レンズアレイ５６のレンズは、光信号のサイズは変更するが信号の中心間の間隔は変更せず、したがってＶＣＳＥＬ構造２によって放射されたアレイの空間特性を維持する。
【００２８】
図７（ｂ）では、レンズアレイ７０が、放射開口４、６、８および１０に空間的にそれぞれ対応するレンズ７２、７４、７６および７８を含む。レンズ７２は、入射光信号２２の直径を拡大し、その方向を変化させて新しい光信号８０を生み出す。同様にレンズ７４は、信号２４の直径を拡大し、その方向を変化させて新しい信号８２を生み出す。この特定の例では、レンズアレイ７０が入射光信号を発散させたが、他の発散または収束構成を使用することもできる。
【００２９】
好ましい第２の実施形態では、個々の素子を点灯させるタイミングが、このセンシングプロセスを構成する不可欠の部分である。素子は、その時間特性を解釈される順番に連続して点灯される。図８に、放射開口４、６、８および１０から光信号を連続して、例えば４、６、８、１０、４、６、８、１０の順に放射するＶＣＳＥＬ構造２を示す。これらの放射開口から対応する光信号２２、２４、２６および２８が放射される。この例では、点線で示した３つの光信号（２６、２８、２２）がすでに放射された後であり、この時点では１つの信号（２４）が点灯している。光信号２６が放射され、ターゲット３０に妨害されることなく検出器３２に到達した。次いで信号２８が放射され、同様に妨害されて検出器３２に到達した。次に光信号２２が、やはり妨害されずにターゲット３０に到達した。この時点では信号２４が点灯しており、検出器３２に到達する前にターゲット３０によって遮られている。アレイ内の全ての光信号を受信するように配置された単一の検出器３２の出力を時間を追って監視した場合、特定の信号が遮られた時刻にその信号が存在しないことによって、ターゲット３０の角位置（および部分的に空間位置）を決定することができる。直線アレイまたは複数の同心環を使用し、検出器３２の出力の時系列を解釈することによってターゲット３０の形状をマップすることができるので、アレイは円形である必要はない。
【００３０】
光学部品を追加すれば、図９に示すように、光信号をさまざまな角度に向かわせることができる。光信号は、ＶＣＳＥＬ構造２とターゲット８４の間に位置するレンズ３０を通過するように示されている。次いでレンズ３０が、光信号の向きを環境中のさまざまな場所に変更し、これによって、広範囲に広がった位置にあるターゲット８４を単一の検出器３２で感知することが可能になる。約１０個のＶＣＳＥＬ素子を使用するだけで、２πステラジアンの半平面全体を監視することができる。
【００３１】
この例では、点線で示すように光信号２８、２２、次いで２４がすでに逐次に放射された後であり、この時点では光信号２６が点灯している。レンズ３０によって向きを変えられた後、光信号２６は、ターゲット８４と出合うまで直進する。光信号２６は次いでターゲット８４で反射され、検出器３２に達する。ターゲット８４は、この環境中の光信号２６の経路上にたまたまあっただけのことであって、光信号２６がターゲット８４を特に捜していたわけではないことに留意されたい。ターゲット８４が移動した場合、このターゲットは別の光信号の経路上に位置することになろう。
【００３２】
直線アレイを使用すると、１軸に沿ったターゲットの位置を検出することができる。「円形」アレイ応用の一例では、ＶＣＳＥＬ構造２の上方に位置する単一のレンズを使用することができる。このレンズは、個々の素子が逐次に点灯されたときにそれぞれの信号を、角度を変えて斜めに向けることができる。したがって、ただ単に異なる時刻に異なる素子を点灯させることによって、異なる時刻、環境中の異なる区域に光信号を導くことができる。反射した光信号を集めるように配置された検出器の時間出力を測定することによって、ターゲットの存在およびその位置についての情報を得ることができる。位置情報が不要な場合であっても、可動部品を用いないこの効果的な光信号走査は、機械式の機能ではない純粋に電気式の機能を提供することができる。この特徴は、はるかに小さい入力電力での動作を可能にし、エネルギーの節約がしばしば決定的に重要な電池式応用ではこのことが重要であろう。
【００３３】
レンズを通過するそれぞれの光信号が平行になるように、ＶＣＳＥＬ構造２の近くにレンズまたはレンズアレイを配置することができる。現行の光学系は、単一の光信号を平行にして一群の平行信号を生み出すことが一般に知られているが、本発明は、複数の信号をそれぞれ平行にして対応する複数の平行信号群を生み出すことができる。ＶＣＳＥＬ構造２の放射開口の位置がそれぞれ異なることによりそれぞれの光信号は異なる角度でレンズを通過するので、平行信号群はそれぞれ異なる角度でレンズを出ていく。
【００３４】
次に、既知の環境中のターゲットの運動を検出する光センシングシステムについて説明する。図１０を参照する。ターゲットの運動を検出することができるシステムは、少なくとも２つの放射開口を有する垂直共振器面発光レーザ構造１０５を含むことができる。放射開口は、フォトリソグラフィなどの周知の処理方法によって画定することができる。それぞれの放射開口から環境１００にレーザ信号を放射することができる。このシステムはさらに、垂直共振器面発光レーザ構造１０５に応答して動作することができる少なくとも１つの検出器１０３を含むことができる。このシステムは、検出器１０３、ＶＣＳＥＬ１０５およびデータベースなどの記憶装置１０２に動作可能に結合されたマイクロプロセッサ１０１を含むことができる。記憶装置１０２は、ターゲット１１０を認識するようシステムを訓練することができる訓練モジュールとターゲットデータとを記憶するためのものである。訓練可能なこのレーザ光センシングシステムは、訓練後に物体を確実に識別することができる。この識別では、マイクロプロセッサ１０１がデータベース１０２を参照し、かつ／またはニューラルネットワーク機能を使用して、ターゲット１１０からの光信号の検出された信号パターンを、既知のターゲットからの信号のすでに記憶されていた信号パターンと相関させる。運動解析モジュール１０７は、マイクロプロセッサ１０１がターゲットの運動特性（例えば速度、方向）を決定することを可能にする。運動解析モジュール１０７は、前記環境中で検出された物体の運動特性を決定する。この決定では、レーザ源１０５が、ターゲット１１０によって占有されている環境中に少なくとも２つのレーザ信号を放射し、信号が環境１００を通過し、検出されたターゲット１１０によって妨害された後に、少なくとも１つの検出器１０３が前記少なくとも２つのレーザ信号の変化を検出し、マイクロプロセッサ１０１が、検出器１０３が受信した信号と前記運動解析モジュール１０７からの入力とに基づいてターゲット特性を決定する。このレーザ光センシングシステムはさらに訓練モジュール１０６を含むことができる。訓練モジュールは、訓練および検出操作中にマイクロプロセッサ１０１が使用するソフトウェアを含む。
【００３５】
図１１を参照する。動作中に垂直共振器面発光レーザ構造は、運動中のターゲットによって占有されている可能性がある環境中に、少なくとも２つのレーザ信号を放射することができる１１１。このレーザ信号がターゲットで満たされた環境を通過し、少なくとも１つのターゲットによって遮られた後に、少なくとも１つの検出器が、このレーザ信号の存在を検出する（レーザ信号を受信する）１１２。ターゲットの運動に関連したこの受信した信号を、マイクロプロセッサが、運動解析モジュールによってマイクロプロセッサに提供される運動解析アルゴリズムを使用して処理する１１３。次いで、受信したターゲットデータの解析に基づいて、マイクロプロセッサがターゲットの運動を決定する１１４。システムに光学部品を追加して、放射開口を出た後にレーザ信号が、少なくとも１つのレンズを通過し、あるいは１つまたは複数の鏡によって反射されるようにすることもできる。
【００３６】
既知のターゲット（運動特性が既知のターゲット）を含んでいる環境中に垂直共振器面発光レーザ構造を使用して少なくとも１つのレーザ信号を一回ずつ放射することによって、このシステムを訓練し、または較正するすることができる。この既知のターゲットの運動特性を試験ターゲットと呼ぶことができる。試験ターゲットはこのレーザ信号を妨害する。少なくとも１つの検出器によって、前記試験ターゲットから反射された信号を受信する。ターゲット特性を表すこのレーザ信号は、マイクロプロセッサによって処理され、結果を記憶装置に記憶することによって運動解析モジュールを較正するのに使用される。
【００３７】
ターゲットの運動および特性情報は、室内のＶＣＳＥＬの近くまたはＶＣＳＥＬから離れた位置に単一の検出器１０３を配置することによって決定することができる。ただし複数の検出器を使用することもできる。光信号を受信することができる区域を効果的に拡大するために、検出器１０３の近くに（図９に示すような）レンズまたはレンズアレイを配置することもできる。検出器が、ターゲット１１０および／または壁、あるいは室内（環境１００）の他の物体から反射した光信号を受信すると、マイクロプロセッサ１０１がこの信号を処理して、所望の情報を提供する。
【００３８】
潜在的に、上述の応用ならびに他の応用はほとんど全て、透過系または反射系を使用して対処することができることに留意されたい。本明細書に記載した実施形態および例は、本発明およびその実際的な応用をできるだけ十分に説明し、それによって当業者が本発明を実施し利用することができるようにするために示したものである。しかし、上記の説明および例はただ単に例示を目的に示したものであることを当業者は理解されたい。本発明の他の変形および修正が当業者には明白であり、このような変形および修正をカバーすることが添付の請求項の意図するところである。記載の説明は、本発明を完全に網羅するものでも、または本発明の範囲を限定しようとしたものでもない。以上の教示を考慮すれば、上記請求項の趣旨および範囲から逸脱することなく多くの修正および変形が可能である。本発明の使用には、さまざまな特性を有する構成要素を含めることができる。本発明の範囲は、あらゆる点でその等価物に対する完全な理解を与える本明細書に添付の請求項によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】垂直共振器面発光レーザ構造を示す図である。
【図２】異なる２つのパターンの光信号２（ａ）および２（ｂ）を放射している垂直共振器面発光レーザ構造を示す図である。
【図３】垂直共振器面発光レーザ構造から静的に放射された光信号を検出器に到達する前に遮っているターゲットを示す図である。
【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射パターンの間を循環する垂直共振器面発光レーザ構造を示す図である。４（ａ）では、縦線を構成する光信号が、縦方向の棒形ターゲットによって遮られおり、光信号は検出器に到達しない。４（ｂ）のように直角をなす別のパターンの信号が放射されると、１つの信号が検出器に到達する。しかし、４（ｃ）のように直角形のターゲットが存在すると、４（ｂ）で放射された同じ直角形パターンが遮られる。
【図５】同じパターンの光信号を放射している垂直共振器面発光レーザ構造５（ａ）および５（ｂ）を示す図である。５（ａ）では、放射された全ての光信号をターゲットが遮っており、５（ｂ）では、別のターゲットが一部の信号を遮っていない。これによって指定されたターゲットだけを認識することができる。
【図６】６（ａ）放射されたアレイの拡大像を生み出す単一のレンズ、および６（ｂ）放射されたアレイの拡大バージョンを生み出す複合レンズ系を通過する放射された光信号を示す図である。
【図７】レンズアレイを通過する放射された光信号を示す図である。７（ａ）のレンズアレイは、光信号間の中心間隔を変化させずにその直径を拡大し、７（ｂ）のレンズアレイは、放射された光信号の直径を拡大し、かつその方向を変化させる。
【図８】垂直共振器面発光レーザ構造から連続して放射された光信号を検出器に到達する前に遮っているターゲットを示す図である。
【図９】レンズを使用して、垂直共振器面発光レーザ構造によって放射された光信号を、ターゲットによって占有された環境中に拡散させる方法を示す図である。放射された信号はターゲットで反射され、検出器に到達する。
【図１０】本発明のシステムを示す図である。
【図１１】本発明の方法の流れ図である。

Claims

少なくとも２つのレーザ信号放射開口を有する垂直共振器面発光レーザ源（１０５）と、
レーザ信号に応答して動作することができる少なくとも１つの検出器（１０３）と、
前記少なくとも１つの検出器（１０３）に動作可能に結合されたマイクロプロセッサ（１０１）と、
前記環境（１００）中で検出されたターゲット（１１０）の運動特性を決定する運動解析モジュール（１０７）と
を備え、
前記レーザ源（１０５）は、ターゲットによって占有されている環境（１００）中に少なくとも２つのレーザ信号を放射し、前記信号が前記環境（１００）を通過し、検出されたターゲット（１１０）によって妨害された後に、前記少なくとも１つの検出器（１０３）が前記少なくとも２つのレーザ信号の変化を検出し、前記マイクロプロセッサ（１０１）が、前記検出器（１０３）が受信した前記信号と前記運動解析モジュール（１０７）からの入力とに基づいてターゲット特性を決定する、
既知の環境中のターゲットの運動を検出するための光センシングシステム。
前記レーザ源（１０５）は少なくとも前記２つのレーザ信号を静的に放射する、請求項１に記載のシステム。
前記レーザ源（１０５）は少なくとも１つのレーザ信号を一回ずつ連続して放射する、請求項１に記載のシステム。
前記検出器（１０３）はフォトダイオードを含む、請求項１に記載のシステム。
少なくとも２つのレーザ信号放射開口を有するレーザ源（１０５）と、
前記レーザ源（１０５）に応答して動作することができる少なくとも１つの検出器（１０３）と、
前記少なくとも１つの検出器（１０３）に動作可能に結合されたマイクロプロセッサ（１０１）と、
監視先の環境の特性を記憶する記憶装置（１０２）と、
前記環境（１００）中で検出されたターゲット（１１０）の運動特性を決定する運動解析モジュール（１０７）と
を備え、
前記レーザ源（１０５）が、ターゲットによって占有されている環境（１００）中に少なくとも２つのレーザ信号を放射し、前記信号が前記環境（１００）を通過し、検出されたターゲット（１１０）によって妨害された後に、前記少なくとも１つの検出器（１０３）が前記少なくとも２つのレーザ信号の変化を検出し、前記マイクロプロセッサ（１０１）が、前記検出器（１０３）が受信した前記信号と、前記記憶装置（１０２）の参照と、前記運動解析モジュール（１０７）からの入力とに基づいてターゲット特性を決定する、
既知の環境中のターゲットの運動を検出するための光センシングシステム。
前記レーザ源（１０５）は垂直共振器面発光レーザを含む、請求項５に記載のシステム。
前記レーザ源（１０５）は少なくとも前記２つのレーザ信号を静的に放射する、請求項５に記載のシステム。
前記レーザ源（１０５）は少なくとも１つのレーザ信号を一回ずつ連続して放射する、請求項５に記載のシステム。
前記検出器（１０３）がフォトダイオードを含む、請求項５に記載のシステム。
監視先環境中で検出された物体の運動を検出するための方法であって、
垂直共振器面発光レーザ構造を使用して監視先環境中に少なくとも２つのレーザ信号を静的に放射するステップ（１１１）
を含み、
少なくとも１つのターゲット（１１０）が少なくとも１つの前記レーザの信号を遮ることができ、
さらに、
前記ターゲットによって遮られなかった前記レーザ信号を透過的に受信するステップ（１１２）と、
前記垂直共振器面発光レーザ構造によって放射された前記レーザ信号の特性と受信したレーザ信号の特性とを比較することによって、ターゲットの運動を決定するステップ（１１３）と
を含む方法。
マイクロプロセッサ（１０１）を使用し、垂直共振器面発光レーザ構造（１０５）によって前記レーザ信号のさまざまなアレイが放射された後に、どの前記レーザ信号が検出器（１０３）によって受け取られたのかを決定することによって、前記ターゲット（１１０）のサイズまたは形状を決定する、請求項１０に記載の方法。
前記垂直共振器面発光レーザ構造（１０５）によって放射された前記レーザ信号のアレイを、前記検出器（１０３）が受信した前記レーザ信号のアレイと比較することによって、前記マイクロプロセッサ（１０１）が特定の前記ターゲットの存在の有無を決定する、請求項１０に記載の方法。
垂直共振器面発光レーザ構造（１０５）によって発信され、前記ターゲット（１１０）によって遮られたレーザ信号アレイの変化を、検出器（１０３）を使用して検出することによって、マイクロプロセッサ（１０１）が前記ターゲット（１１０）の運動を検出する、請求項１０に記載の方法。
前記ターゲット（１１０）によって遮られた特定のレーザ信号アレイの変化を検出することによって、マイクロプロセッサ（１０１）がターゲット（１１０）の運動を検出する、請求項１０に記載の方法。