JP2008534978A - 複数のレーザを有する相対的動きセンサ - Google Patents

Abstract

オブジェクト（１５）及びセンサの動きを互いに対して相対的に測定するための相対的動きセンサであって、相対的動きセンサは、それぞれの測定ビームを生成し、オブジェクトを照明するための複数のレーザ（３，５）と、レーザ共振器における光波及びそれぞれのレーザ共振器に再入射する反射された測定ビーム放射の干渉によりもたらされる各々のレーザ共振器の動作における変化を測定するための複数の関連フォトダイオード（４，６）とを有する。複数のレーザ（３，５）は、レーザの副集合（即ち、１つ又はそれ以上）のみが何れかの一時点で動作され、残りのレーザは休止状態であるように、時間多重化されるように動作される。これは、ピーク電力損失を低減し、他のレーザの共振器に入射する一のレーザからの測定ビーム放射によりもたらされる間違った干渉を回避することができる。

Description

本発明は、例えば、オブジェクト（例えば、ユーザの指、他の体の部位、又は物質の作用面又は板のような無生物オブジェクト）又は他の物質（粒子物質を有する液体又は気体等）及びセンサの動きを互いに対して相対的に測定するために光入力装置で用いる相対的動きセンサであって、そのセンサは２つ又はそれ以上のレーザを有する種類のものであり、それらのレーザの各々は、それぞれの測定ビームを生成し、オブジェクト又は物質を照明するためのレーザ共振器を有し、オブジェクト又は物質により反射された測定ビーム放射線の少なくとも一部はそれぞれのレーザ発振器に再入射し、測定手段は、それぞれのレーザ発振器に再入射する反射測定ビーム放射線及びその共振器における光波の干渉によりもたらされるレーザ共振器の動作における変化を測定するために備えられている、相対的動きセンサに関する。

本発明はまた、オブジェクト又は物質の動きを測定する方法及び互いに関連しているセンサに関する。

上記のセンサのような相対的動きセンサを有する光入力装置については、国際公開第０２／３７４１０号パンフレットに記載されていて、その特許文献において、入力装置及びオブジェクト、例えば、人間の指又は他のオブジェクトの相対的動きを測定する方法であって、ダイオードレーザにおける、所謂、自己混合の効果を用いる、方法について記載されている。これは、ダイオードレーザにより出射され、そのダイオードレーザの共振器に再入射する放射線は、そのレーザの利得における、それ故、そのレーザから出射された放射線における変化を誘導する現象である。ダイオードレーザにより出射される放射線は、例えば、外部のオブジェクト（例えば、指の先端）にプラスチックのレンズによりフォーカシングされる。光は散乱し、その光の小さい一部はレーザの共振器に再入射する。ここで、散乱される光は、共振器内部の光とコヒーレントに混ざり、そのことは、レーザの利得及び周波数を変化させる。この自己混合は検出され、装置及びオブジェクトの相対的動きの方向及び速度を表すように変換されることができる。

図１ａは、下部側にダイオードレーザのための支持部であるベースプレート１であって、そのダイオードレーザは垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）型のレーザであることが可能である、ベースプレート１と、例えば、フォトダイオードである検出器とを有する、光入力装置の模式的な断面図である。図１ａにおいては、単に１つのダイオードレーザ３及び関連フォトダイオードが認識できるが、通常は、図１ｂに示しているように、第２ダイオードレーザ５及び関連検出器６がベースプレート１に備えられている。ダイオードレーザ３、５はレーザを出射する、又はビーム１３及び１７のそれぞれを測定する。上部側において、その装置は、透明な窓（例えば、プラスチック製レンズ）１２を備え、その窓を横断して、外部のオブジェクト１５、例えば、人間の指の先端が動くようになっている。レンズ１０、例えば、平凹レンズがダイオードレーザとその窓との間に備えられている。このレンズ１５がこの位置に存在している場合、そのレンズはビーム１３、１７を散乱する。ビーム１３、１７の放射の一部は照明ビーム１３、１７の方向に散乱され、このような一部は、ダイオードレーザ３、５の出射面におけるレンズ１０により収束され、このレーザの共振器に再入射する。共振器に再入射するその放射は、レーザの利得における変化を、それ故、レーザにより出射される放射における変化をもたらす。この現象はまた、ここで、ダイオードレーザにおける、所謂、自己混合効果と称せられるものである。

指及び入力装置は、動きの方向がレーザビームの方向における成分を有するように、互いに対して移動される。指及び入力装置の動きのときに、オブジェクトにより散乱される放射は、ドップラ効果のために、オブジェクトを照明する放射の周波数と異なる周波数を得る。散乱光の一部は、指に照明ビームをフォーカシングする同じレンズによりダイオードレーザにフォーカシングされる。散乱される放射の一部はレーザミラーを通ってレーザ共振器に入射するため、光の干渉がレーザ内で起こる。これは、レーザ及び出射された放射の特性における基本的変化を引き起こす。自己結合効果のために変化するパラメータは、電力、周波数、レーザ放射の線幅及びレーザの閾値利得である。レーザ共振器における干渉の結果、２つの放射周波数の差分に等しい周波数によりそれらのパラメータの値の変動がもたらされる。この差分は、指の先端の速度に比例する。それ故、指の先端の速度及び、時間経過に伴う積分による指の先端の移動が、上記のパラメータの１つの値を測定することにより決定されることが可能である。

指の先端と入力装置との間の相対的動きの結果として、ダイオードレーザにより出射されるレーザ放射の強度の変化がフォトダイオード４、６により検出されることが可能であり、そのことは、放射の変化を電気信号に変換し、電気回路１８、１９はこの電気信号を処理するために備えられている。

本発明において用いられる相対的動きを測定する方法及び相対的動きセンサの原理については、国際公開第０２／３７４１０号パンフレットに更に詳細に記載されているため、ここでは、何れの詳細説明を行わない。

それ故、相対的動きが複数の方向において測定されるようにする、又はより正確な測定結果を得ることを可能にするように、２つ又はそれ以上のダイオードレーザ及び対応する検出器を用いることが可能である。一般に、複数のレーザを用いることにより、他のダイオードレーザのレーザ共振器に入射する１つのレーザからの光を得ることが可能である。実際には、異なるレーザの波長は、他のダイオードレーザの共振器に入射する１つのダイオードレーザからの光によりもたらされる何れの問題点を回避するように、製造過程における許容範囲のために十分に異なることが可能である。しかしながら、レーザの数が更に増加する及び／又はレーザが同じチップに備えられているとき、干渉は、信号対ノイズ比が増加する可能性がある範囲で大きくなるようになる可能性がある、又は、レーザの時間的コヒーレンスの特性に応じて、相対的動き測定の精度に悪影響を与える間違った干渉が起こる可能性がある。
国際公開第０２／３７４１０号パンフレット

それ故、本発明の目的は、２つ又はそれ以上のレーザ及び対応する検出器を有する、上記の種類の相対的動きセンサであって、そのセンサにおいて、他の共振器に入射し、干渉をもたらす一のレーザからの光の可能性を少なくとも減少させる、相対的動きセンサを提供することである。

本発明にしたがって、オブジェクト又は他の物質及び相対的動きセンサの動きを互いに対して相対的に測定するための前記相対的動きセンサであって、前記センサは少なくとも１つの測定軸に沿って、それぞれの測定ビームを生成し、オブジェクト又は他の物質を照明するために、そのセンサは複数のレーザを有し、各々のレーザは対応するレーザ共振器を有し、前記オブジェクト又は他の物質により反射される測定ビーム放射の少なくとも一部はそれぞれのレーザ共振器に再入射し、その装置は、前記レーザ共振器における光波及び前記それぞれのレーザ共振器に再入射する反射された測定ビーム放射の干渉によりもたらされる各々の前記レーザ共振器の動作における変化を測定するための手段と、前記変化を表す電気信号を供給するための手段とを有し、それぞれの測定ビームの副集合を生成するように前記複数のレーザの副集合を何れの時点で選択的に動作させる手段であって、残りのレーザは実質的に非アクティブである、手段を備えている、相対的動きセンサを備えている。

本発明にしたがってまた、オブジェクト又は他の物質の動き及び相対的動きセンサの動きを互いに対して相対的に測定する方法であって、それぞれの測定ビームを生成し、オブジェクト又は他の物質を照明するために、その方法は複数のレーザを備える段階であって、各々のレーザは対応するレーザ共振器を有し、前記オブジェクトにより反射される測定ビーム放射の少なくとも一部はそれぞれのレーザ共振器に再入射する、段階と、その装置は、前記レーザ共振器における光波及び前記それぞれのレーザ共振器に再入射する反射された測定ビーム放射の干渉によりもたらされる各々の前記レーザ共振器の動作における変化を測定するための手段を備える段階と、前記変化を表す電気信号を供給するための手段を備える段階と、を有する方法であって、その方法は、それぞれの測定ビームの副集合を生成するように前記複数のレーザの副集合を何れの時点で選択的に動作させる段階であって、残りのレーザは実質的に非アクティブである、段階を更に有する方法を備えている。

それ故、複数のレーザは時間多重化されるように動作され、それ故、そのレーザの副集合のみが何れかの一時点でアクティブであり、それ故、ピーク電力損失が低減され（即ち、平均化され）、レーザは、従来技術の構成に比べて、他のレーザの何れかにより出射された光を殆ど捕捉せず、それにより、上記の干渉に関連する問題点を排除することができる。

好適な実施形態においては、時間多重化手段が、複数のレーザの選択された副集合に、タイミング信号の制御下で、電流を方向付けるために備えられ、残りのレーザには電流が殆ど又は全く供給されない。多重化手段はまた、それぞれの測定手段により生成され、レーザの各々の前記副集合からも由来する応答信号が、それぞれの電気信号を生成するように個別に処理されるようにするために備えられていることが可能である。

本発明の上記の及び他の特徴は、以下の実施形態を参照することにより明らかになり、理解することができるであろう。

本発明の実施形態について、以下、例示として、添付図を参照して詳述する。

それ故、図２を参照するに、国際公開第０２／３７４１０号パンフレットに記載されているレーザに基づく相対的動きセンサが、光散乱面Ｘの動きを測定するように用いられることが可能である。レーザ３は電流Ｉを電流電源２０から供給され、面Ｘの方向に光を出射する。その光の一部は、その面によりレーザ３に戻るように散乱され、そのレーザにおいて。入射光は出射光と干渉する。もたらされる干渉は、レーザ３と面Ｘとの間の距離に依存する（自己混合干渉法）。また、レーザ３に対する面Ｘの動きの速度は関連ドップラシフトに関連する。モニタ用フォトダイオード４は、位相同期ループ（ＰＬＬ）２２は経時的に変化する干渉Ｒを測定し、位相ロックループ（ＰＬＬ）２２及び適切な処理により、その面の移動を表す出力データＤが生成される。このような関連動きセンサの動作の基本原理についての詳細については、国際公開第０２／３７４１０号パンフレットに記載されているため、ここでは更なる説明は行わない。

図３に模式的に示しているように、相対的動きが他の方向において測定される及び／又は動きの精度を改善するように、２つのレーザ３、５及び対応するフォトダイオード４、６が用いられる。しかしながら、レーザ３、５の数及び対応するフォトダイオード４、６が更に増加される及び／又は複数のレーザが同じチップにおいて備えられている場合、他のレーザの共振器に入射する一のレーザによりもたらされる干渉は、信号対ノイズ比に悪影響を与えるために、又は、レーザの時間的コヒーレンスの特性、出力データＤの精度に依存するために、重要になる。

それ故、本発明の基本原理は、Ｎ個のレーザ（時間多重化）及び対応するＮ個のフォトダイオードを用いることであり、Ｎは２以上の大きい整数である。その結果、Ｎ個のレーザ全てではないレーザが何れの時点でアクティブであり、それ故、ピーク電力損失が低減され（即ち、平均化され）、更に重要なことには、各々のレーザは、従来技術の構成に比べて、他のレーザの何れかにより出射された光を殆ど再捕捉しない。例示としての構成が図４に模式的に示されているが、Ｎ個のレーザ及び対応するフォトダイオードは明確化のために省略されている。電流マルチプレクサ２６が、タイミング信号Ｔの制御下で、電流電源２０により生成される電流Ｉを電流Ｉ_ｉ（ここで、ｉ＝０乃至Ｍ−１）で表されているＮ個のレーザの副集合（即ち、１つ又はそれ以上）の方に方向付けられる。例示としての一実施形態において、装置は２つ又はそれ以上の関連動きセンサを有し、それらの各々はＮ個のレーザを有し、その場合、センサの各々のレーザの副集合（即ち、０個又はそれ以上）は、何れのある時点でアクティブであるように、非アクティブな残りのレーザと共に備えられている。

何れにしても、それぞれのフォトダイオードからもたらされる、得られる応答信号Ｒ_ｉは、タイミング信号の制御下でまた、処理器２４により個々に処理されるように、応答マルチプレクサ２８によりもたらされる。この構成においては、電力及びコストを更に削減する位相ロックループ（ＰＬＬ）システム２２が、Ｎ個のレーザ／フォトダイオードサブシステム間で共有されることが可能である。

上記の実施形態は本発明を制限するのではなく、例示としてのものであり、当業者は同時提出の特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく、多くの代替の実施形態をデザインすることができることに留意する必要がある。用語“を有する”及びその用語の派生語は、何れの請求項及び本発明の詳細説明において全体として列挙されている要素又は段階以外の要素又は段階の存在を排除するものではない。要素の単数表現は、その要素の複数の存在を排除するものではなく、その逆もまた、真である。本発明は、複数の別個の要素を有するハードウェアにより、そして適切にプログラミングされたコンピュータにより実施されることが可能である。複数の手段を列挙している装置請求項においては、それらの手段の幾つかは同一のハードウェアにより実施されることが可能である。単に特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているということのみで、それらの手段の組み合わせが有利に用いられることができないことを意味するものではない。

本発明の例示としての実施形態にしたがった相対的動きセンサの動作の原理を示すように、国際公開第０２／３４７１０号パンフレットに記載されている種類の光入力装置の模式的な断面図である。 図１ａの装置の平面図である。 単独のレーザ／フォトダイオードのサブシステムが用いられている、従来技術にしたがった相対的動きセンサの模式図である。 ２つのレーザ／フォトダイオードのサブシステムが用いられている、相対的動きセンサの模式図である。 本発明の例示としての実施形態にしたがった想定的動きセンサで用いる制御システムの構成であって、Ｎ個のレーザ／フォトダイオードサブシステム（ここで、Ｎ≧２）を有する、構成の模式図である。

Claims (7)

1. 少なくとも１つの測定軸に沿ってオブジェクト又は他の物質及び相対的動きセンサの動きを互いに対して測定するための相対的動きセンサであって：
   それぞれの測定ビームを生成し、オブジェクト又は他の物質を照明するために、各々が対応するレーザ共振器を有する複数のレーザであって、前記オブジェクト又は他の物質により反射される測定ビームの放射の少なくとも一部はそれぞれの前記レーザ共振器に再入射する、複数のレーザ；
   を有する相対的動きセンサであり、
   前記レーザ共振器における光波及びそれぞれの前記レーザ共振器に再入射する反射された測定ビーム放射の干渉によりもたらされる各々の前記レーザ共振器の動作における変化を測定するための手段；並びに
   前記変化を表す電気信号を供給するための手段；
   を更に有する相対的動きセンサであり、
   それぞれの測定ビームの副集合を生成するように前記複数のレーザの副集合を何れかの一時点で選択的に動作する手段であって、残りのレーザは実質的に非アクティブである、手段を備えている；
   相対的動きセンサ。
2. 請求項１に記載の相対的動きセンサであって、タイミング信号の制御下で、前記複数のレーザの選択された副集合に電流を方向付けるための時間多重化手段であって、前記残りのレーザには電流は殆ど又は全く供給されない、時間多重化手段を備えている、相対的動きセンサ。
3. 請求項２に記載の相対的動きセンサであって、前記時間多重化手段は、タイミング信号の制御下で、前記複数のレーザの選択された副集合に電流を周期的に方向付けるための時間多重化手段であって、前記残りのレーザには電流は殆ど又は全く供給されない、時間多重化手段を備えている、相対的動きセンサ。
4. 請求項２に記載の相対的動きセンサであって、前記時間多重化手段は、それぞれの前記測定手段により生成され、各々の前記レーザの副集合からもたらされる応答信号がそれぞれの電気信号を生成するように個別に処理されるようにするために備えられている、相対的動きセンサ。
5. 請求項１の相対的動きセンサのための制御器であって、それぞれの測定ビームの副集合を生成するように複数のレーザの副集合を何れかの一時点で選択的に動作するために制御信号を生成するように備えられている、制御器であって、残りのレーザは実質的に非アクティブである、制御器。
6. 請求項５の制御器により生成される制御信号であって、それぞれの測定ビームの副集合を生成するように複数のレーザの副集合を何れかの一時点で選択的に動作するように備えられている、制御信号であって、残りのレーザは実質的に非アクティブである、制御信号。
7. 少なくとも１つの測定軸に沿ってオブジェクト又は他の物質及び相対的動きセンサの動きを互いに対して測定する方法であって：
   それぞれの測定ビームを生成し、オブジェクト又は他の物質を照明するために、各々が対応するレーザ共振器を有する複数のレーザを備える段階であって、前記オブジェクト又は他の物質により反射される測定ビームの放射の少なくとも一部はそれぞれの前記レーザ共振器に再入射する、段階；
   前記レーザ共振器における光波及びそれぞれの前記レーザ共振器に再入射する反射された測定ビーム放射の干渉によりもたらされる各々の前記レーザ共振器の動作における変化を測定するための手段を備える段階；並びに
   前記変化を表す電気信号を供給するための手段を備える段階；
   を有する方法であり、
   それぞれの測定ビームの副集合を生成するように前記複数のレーザの副集合を何れかの一時点で選択的に動作する段階であって、残りのレーザは実質的に非アクティブである、段階；
   を更に有する方法。

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