JP2013535676A

JP2013535676A - 距離測定用装置

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Abstract

本発明は距離を測定するための装置に関する。自己混合干渉（ＳＭＩ）ユニット（２）がＳＭＩ信号を生成し、そのＳＭＩユニットは第１レーザビーム（４）を発光するレーザ（３）を含み、そのビームは或る対象物（５）に向けられ、そして、そのＳＭＩ信号は、その対象物によって反射される第１レーザビームと第２レーザビーム（６）との干渉に依存する。ピーク幅判定ユニット（８）がＳＭＩ信号のピーク幅を判定し、そして、距離判定ユニット（９）が、判定されたＳＭＩ信号のピーク幅に応じて、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離を判定する。その距離はＳＭＩ信号のピーク幅に応じて判定され、電流変調を駆動するレーザを必要としないので、レーザの駆動電流を変調する高度なエレクトロニクスは必要でない。これは、距離を判定するのに必要な技術的労力を低減する。

Description

本発明は距離を測定する装置、方法、及びコンピュータプログラムに関する。さらに、本発明は、距離を測定する装置のレーザビームをフォーカスするフォーカス装置に関する。

論文“Laser diode self-mixing technique for sensing applications”（G.Giuliani 他、Journal Of Optics A: Pure And Applied Optics, 2002, volume 4, pages 283-294）は、距離を測定する装置を開示し、距離を測定するために自己混合干渉（ＳＭＩ）を用いている。空洞を備えるレーザは第１レーザビームを発し、対象物に向けられ、その対象物までの距離が判定される。その第１レーザビームは対象物により反射し、反射レーザビームはその空洞に入射し、そこで、その発光されたレーザビームとその反射レーザビームとが干渉する。その干渉はＳＭＩ信号を生成し、測定され、その一方で、そのレーザを駆動する電流が変調される。駆動電流の変調はレーザビームの波長シフトと、ＳＭＩ信号の位相シフトとにつながり、その距離はＳＭＩ信号の位相シフトと波長シフトに基づいて判定される。

距離を測定するためには、レーザを駆動する電流が変調されなければならないので、高度な電子機器が必要であり、従って、距離を測定するために必要な技術的努力は比較的高い。

本発明の目的は、距離を測定する装置、方法、及びコンピュータプログラムを供給することであり、技術的労力を軽減することができる。

本発明の第１側面では、距離を測定するための装置が供給され、その装置は：
− ＳＭＩ信号を生成するＳＭＩユニットであり、そのＳＭＩユニットは第１レーザビームを発するレーザを含み、そのレーザビームは対象物へ向けられ、そして、そのＳＭＩ信号は、第１レーザビームとその対象物によって反射された第２レーザビームとの干渉に依存する、ＳＭＩユニットと、
− そのＳＭＩ信号のピーク幅を判定するピーク幅判定ユニットと、
− その判定されたＳＭＩ信号のピーク幅に応じて、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離を判定する距離判定ユニットとを含む。

その距離は、ＳＭＩ信号のピーク幅に基づいて判定されるので、距離は、レーザビームの波長シフトとＳＭＩ信号の位相シフトとを生成するために駆動電流を変調せずに判定することができる。従って、レーザの駆動電流を変調するために高度な電子機器が必要とされない。これは距離を判定するのに必要な技術的労力を低減する。

ＳＭＩ信号のピーク幅は優先的にはＳＭＩ信号の周波数幅である。

好ましくは、本装置はさらに正規化ユニットを含み、ＳＭＩ信号の周波数依存度をＳＭＩ信号のピークの周波数に対して正規化し、そのピーク幅判定ユニットは適応され、その正規化ＳＭＩ信号のピーク幅を判定する。その正規化は、ＳＭＩ信号のピーク幅への起こり得る影響を低減し、そのピーク幅はＳＭＩユニットと対象物との間の距離を表さず、従って、距離判定の精度を低減することもある。従って、正規化は、ＳＭＩユニットと対象物との距離の判定の精度を向上することに繋がる。

さらに好ましくは、本装置は適応され、所定の距離範囲内で距離を測定し、その距離はピーク幅に線形に依存する。これは、ピーク幅とその距離との間の線形な関係を判定することにより、比較的簡易な方法で、ピーク幅に依存した距離を判定することを可能にし、そして、この線形な関係を用いることにより、ピーク幅に依存した距離を判定する。その線形な関係は、例えば較正測定によって判定され、そのピーク幅が測定されるが、一方で対象物とＳＭＩユニットとの間の距離は知られている。

優先的には、距離判定ユニットは、ａ）ＳＭＩ信号のピーク幅と、ｂ）所定の距離範囲内にある対象物とＳＭＩユニットの間の距離との間の割当を有し、その距離判定ユニットは適応され、その判定されたＳＭＩ信号のピーク幅とその割当に応じて、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離を判定する。その割当は、優先的には、上述のピーク幅と距離との間の線形関係を記述し、そして、優先的には、較正測定によって判定され、そのピーク幅は測定されるが、その距離は知られている。

さらに好ましくは、本装置は、第１レーザビームをフォーカスするフォーカスユニットを含み、そのフォーカスユニットのフォーカス設定は修正可能であり、その距離判定ユニットは、ａ）ＳＭＩ信号のピーク幅と、ｂ）様々な所定の距離範囲内にある、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離との間の様々な割当を含み、その割当は、フォーカスユニットの様々なフォーカス設定に対応し、その距離判定ユニットは適応され、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離を判定し、その判定は、判定されたＳＭＩ信号のピーク幅とフォーカスユニットのフォーカス設定に対応する割当とに依存して行われる。そのフォーカスユニットは、優先的には、レンズを含み、そのフォーカス設定は、レーザとレンズとの間の距離によって定義することができ、及び／又は、レンズの曲率のようなレンズの特徴によって定義することができる。ピーク幅判定ユニットは、ａ）ＳＭＩ信号のピーク幅と、ｂ）様々な所定の距離範囲内にある、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離との間の様々な割当を含み、その様々な割当はフォーカスユニットの様々なフォーカス設定に対応し、そのフォーカスユニットのフォーカス設定は修正され、その修正されたフォーカス設定に対応する割当は、所望の所定距離範囲内のピーク幅と距離との間の割当である。従って、本装置が或る距離範囲内での距離を測定するために使用されるべき場合は、フォーカスユニットのフォーカス設定は修正され、本装置は或る距離範囲内で動作可能になる。

さらに好ましくは、本装置は、フィードバック独立型検出ユニットを含み、本装置がフィードバック独立型であるかどうかを検出し、フィードバック独立型では、ピーク幅が第２レーザビームの強度と独立である。優先的には、フィードバック独立型検出ユニットが、本装置がフィードバック独立型であることを検出する場合は、距離判定ユニットは適応され距離を判定する。その反射された第２レーザビームはレーザの空洞に入射し、そのレーザビームの強度が比較的大きい場合、ＳＭＩ信号のピーク幅はその反射された第２レーザビームの強度に依存することができる。この場合には、本装置はフィードバック依存型にあるだろう。本装置がフィードバック依存型にあるか、フィードバック独立型にあるかを決定することにより、即ち、空洞に入射したＳＭＩ信号のピーク幅が反射第２レーザビームの強度に依存しているかどうかを決定することにより、そして、その距離のみを決定することにより、本装置がフィードバック独立型である場合、その距離は向上した精度で決定することができる。

留意すべきことは、フィードバック独立型は型（レジーム）のみを定義し、その型においては、そのＳＭＩ信号のピーク幅は反射された第２レーザビームの強度に依存していないことである。しかし、フィードバック独立型においても、ＳＭＩ信号は当然にフィードバックによって、即ち、レーザの空洞の範囲内において第１レーザビームと反射された第２レーザビームの干渉によって生成される。

さらに好ましくは、フィードバック独立型検出ユニットは適応され、本装置がＳＭＩ信号の振幅に応じてフィードバック独立型にあるかどうかを検出する。例えば、そのフィードバック独立型検出ユニットは、ＳＭＩ信号の振幅が所定の閾値よりも小さい場合、適応されて本装置がフィードバック独立型にあることを検出する。これは、本装置がフィードバック独立型にあるかどうかを比較的単純な方法で判定することを可能にする。

さらに好ましくは、本装置は第２レーザビームを減衰する減衰器を含み、フィードバック独立型検出ユニットは適応され、本装置がピーク幅に応じてフィードバック独立型にあるかどうかを検出し、そのピーク幅は第２レーザビームの減衰がその減衰器によって修正される間に測定される。フィードバック独立型では、ＳＭＩ信号のピーク幅は反射された第２レーザビームの強度に依存しない。従って、第２レーザビームの減衰がその減衰器によって修正される間そのピーク幅が修正されない場合、フィードバック独立型検出ユニットは本装置がフィードバック独立型にあることを検出することができる。これは、また、本装置がフィードバック独立型にあるかどうかを比較的単純な方法で判定することを可能にする。

さらに好ましくは、本装置は第２レーザビームを減衰する減衰器を含み、その減衰器は適応され、本装置がフィードバック独立型にあるかどうかの検出に応じて、第２レーザビームの減衰を能動的に修正する。さらに好ましくは、本装置がフィードバック独立型でない場合、その減衰器は適応され、第２レーザビームの減衰を増加する。従って、その減衰器は本装置がフィードバック独立型のままであるか、又は、フィードバック独立型に戻るように制御されることができ、本装置がフィードバック独立型を離れようとするか、又は、フィードバック独立型を既に離れた場合、第２レーザビームの減衰は本装置がフィードバック独立型のままであるか、又は、フィードバック独立型に戻るようにそれぞれ修正される。

さらに好ましくは、本装置は出力ユニットを含み、フィードバック独立型検出ユニットが本装置がフィードバック独立型であることを検出した場合、本装置がフィードバック独立型であることを表す出力信号を出力し、又は、フィードバック独立型検出ユニットが本装置がフィードバック独立型でないことを検出した場合、本装置がフィードバック独立型でないことを表す出力信号を出力する。従って、本装置がフィードバック独立型であるか、又は、フィードバック依存型であるかがユーザに出力され、それによって、判定された距離の精度に関する表示をユーザに与え、及び／又は、それによって、本装置がフィードバック独立型であるか、又は、フィードバック依存型である場合、ユーザはその距離を測定するかどうかを決定することが可能になる。

また、好ましくは、本装置は：
− 第１レーザビームをフォーカスするフォーカスユニットと、
− 決定された距離に応じてそのフォーカスユニットをコントロールするコントロールユニットとを含む。これは、本装置をフォーカス装置、特に自動フォーカス装置として使用することを可能にする。例えば、コントロールユニットは適応され、決定された距離が一定に維持されるようフォーカスユニットをコントロールし、その距離が一定である場合は、対象物は第１レーザビームのフォーカスに関して同じ位置に留まっていることが推測される。

本発明の別の側面では、フォーカス装置が提案され、そのフォーカス装置は：
− ＳＭＩ信号を生成するＳＭＩユニットであって、そのＳＭＩユニットは対象物に向けられる第１レーザビームを発光するレーザを含み、そのＳＭＩ信号は第１レーザビームと対象物によって反射される第２レーザビームとの干渉に依存し、
− ＳＭＩ信号のピーク幅を決定するピーク幅決定手段と、
− 第１レーザビームをフォーカスするフォーカスユニットと、
− その決定されたピーク幅に応じてフォーカスユニットをコントロールするコントロールユニットと、を含む。

さらに好ましくは、そのコントロールユニットは適応され、ＳＭＩ信号のピーク幅が一定に維持されるようフォーカスユニットをコントロールする。ＳＭＩ信号のピーク幅が一定の場合、第１レーザビームのフォーカスに関する対象物の位置は修正されない。ＳＭＩ信号のピーク幅が一定に維持されるようフォーカスユニットをコントロールすることによって、対象物はそのフォーカスに関して同じ位置に、特に、そのフォーカスの範囲内に存在することが確保され得る。

本発明の別の側面では、距離を測定する方法が提案され、その方法は：
− ＳＭＩユニットによってＳＭＩ信号を生成するステップであり、そのＳＭＩユニットは対象物に向けられる第１レーザビームを発光するレーザを含み、そして、そのＳＭＩ信号は第１レーザビームと対象物によって反射される第２レーザビームとの干渉に依存し、
− ピーク幅判定ユニットによってピーク幅を判定するステップと、
− 距離判定ユニットによってＳＭＩ信号の決定されたピーク幅に応じて、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離を判定するステップと、を含む。

本発明の別の側面では、フォーカス方法が提案され、そのフォーカス方法は：
− ＳＭＩユニットによってＳＭＩ信号を生成するステップであって、そのＳＭＩユニットは対象物に向けられる第１レーザビームを発光するレーザを含み、そのＳＭＩ信号は第１レーザビームと対象部によって反射される第２レーザビームとの干渉に依存し、
− ピーク幅判定ユニットによってＳＭＩ信号のピーク幅を判定するステップと、
− フォーカスユニットによって前記第１レーザビームをフォーカスするステップと、
− コントロールユニットによって、判定されたピーク幅に応じて、前記フォーカスユニットをコントロールするステップと、を含む。

本発明の別の側面では、距離を測定するコンピュータプログラムが提案され、そのコンピュータプログラムはプログラムコード手段を含み、そのコンピュータプログラムが装置をコントロールするコンピュータ上でランされると、請求項１に規定されるような装置に請求項１４に規定されるような方法のステップ群を実行させる。

本発明の別の側面では、フォーカスコンピュータプログラムが提案される。そのフォーカスコンピュータプログラムはプログラムコード手段を含み、そのフォーカスコンピュータプログラムがフォーカス装置をコントロールするコンピュータ上でランされると、請求項１２に規定されるような装置に上述のフォーカス方法のステップ群を実行させる。

請求項１の距離測定用装置、請求項１２のフォーカス装置、請求項１４の距離測定方法、上述のフォーカス方法、請求項１５のコンピュータプログラム、及び、上述のフォーカスコンピュータプログラムは、従属請求項に規定されるのと類似する及び／又は同一の好ましい実施形態群を有することが理解すべきである。

本発明の好ましい実施形態は、独立請求項と個々の従属請求項との如何なる組合せであってもよいことを理解すべきである。

これらの及び他の本発明の側面は、以下に述べる実施形態群から明瞭であり、その実施形態を参照して解明されるであろう。

図１は、距離を測定する装置の一実施形態を概略的且つ例示的に示す。図２は、ＳＭＩ信号のピーク幅が、装置のＳＭＩユニットと対象物との間の距離に依存することを概略的且つ例示的に示す。図３は、ＳＭＩ信号のＳＮ比を概略的且つ例示的に示す。図４は、フォーカス装置の一実施形態を概略的且つ例示的に示す。図５は、距離を測定する方法を例示的に表すフローチャートを示す。図６は、フォーカス方法を例示的に表すフローチャートを示す。

図１は距離を測定する装置を概略的且つ例示的に示す。装置１はＳＭＩ信号を生成するＳＭＩユニット２を含む。ＳＭＩユニット２は第１レーザビーム４を発するレーザ３を含み、そのレーザビームはフォーカスユニット１３によってフォーカスされて対象物５に向けられる。第１レーザビーム４は対象物５と反射光６とによって反射され、第２レーザビームとみなすことができ、レーザ３の空洞に入射し、空洞内のレーザ光と干渉し、そうして、ＳＭＩ信号を生成する。レーザ３の空洞は適応され、レーザ光の一部が検出器１６の方向にその空洞を離れるようになり、このレーザ光を検出する。例えば、その空洞の共振ミラーはレーザ光に対して僅かに透過することができ、その結果、レーザ光の一部がその空洞を離れることができる。レーザ光の検出された強度は変調され、その変調は空洞内でＳＭＩによって発生する。レーザ光の強度変調はＳＭＩ信号である。ＳＭＩ信号の生成のより詳しい説明のため、例えば、G.Giuliani 他による上記論文が参照され、その論文は参照して本明細書に組み込まれる。

検出されたレーザ光の強度変調を判定するため、ＳＭＩユニット２は変調判定ユニット３０を含む。変調判定ユニット３０は適応され、強度変調を同様に判定するか、又は、検出レーザ光をデジタル化してデジタルレーザ光信号を生成し、そして、そのデジタルレーザ光信号から、強度変調をデジタル的に判定する。

生成されたＳＭＩ信号は信号処理ユニット１５に供給され、その信号処理ユニットは正規化ユニット７を含む。その正規化ユニット７は適応され、ＳＭＩ信号のピークの周波数に対して、ＳＭＩ信号の周波数依存度を正規化する。

周波数領域におけるＳＭＩ信号のピークはドップラーピークであり、反射された第２レーザビームの周波数のドップラーシフトによって発生する。

信号処理ユニット１５は、さらに、ピーク幅判定ユニット８を有し、正規化されたＳＭＩ信号のピークの幅を判定する。正規化されたＳＭＩ信号のピークは、正規化されたＳＭＩ信号の周波数スペクトルにおけるピークであり、そのピークのピーク幅は、ＳＭＩ信号のピークの周波数幅である。信号処理ユニット１５は、さらに、距離判定ユニット９を含み、ＳＭＩ信号の判定されたピーク幅に応じて、対象物５とＳＭＩユニット２との間の距離を判定する。ピーク幅と距離との間の関係は較正測定によって判定することができ、そこではピーク幅が測定され、一方でＳＭＩユニットと対象物との間の距離は知られている。対応する較正曲線が図２に概略的且つ例示的に示される。図２では、較正曲線は、ピーク幅ｐｗ（ｋＨｚ）が、ＳＭＩユニット２と対象物５との間の距離ｄ（ｍｍ）に依存していることを示している。その較正曲線は線形領域ＬＲを含み、そこではピーク幅が距離に実質的に線形に依存している。

図３は、ＳＭＩ信号２０の強度Ｓとノイズ２１の強度Ｓとの依存度を概略的且つ例示的に示し、即ち、ＳＭＩ信号のピーク高さとノイズレベルは、任意の単位で、ＳＭＩユニットと対象物との間の距離ｄ（ｍｍ）に依存する。図３に見られるように、図２で示される線形領域では、そのピーク高さはノイズレベルよりもずっと高い。従って、そのピーク幅は、ＳＭＩ信号から非常に良好に判定することができる。

較正曲線の線形領域ＬＲは、ａ）ＳＭＩ信号のピーク幅と、ｂ）所定の距離範囲内の、対象物５とＳＭＩユニット２との間の距離との間の割当（アサインメント）を定義する。その所定の距離範囲は、較正曲線の線形領域ＬＲの範囲内の距離である。距離判定ユニット９は適応され、ＳＭＩ信号の判定されたピーク幅と、その割当に基づいて、対象物５とＳＭＩユニット２との間の距離を判定する。

一実施形態では、フォーカスユニット１３は修正可能なフォーカス設定を有する。例えば、フォーカスユニット１３は適応され、フォーカスユニット１３のフォーカスレンズと、レーザ３との間の距離、及び／又は、フォーカスレンズの曲率が修正可能である。そして、距離判定ユニット９は、ａ）ＳＭＩ信号のピーク幅と、ｂ）様々な所定の距離範囲内の、対象物５とＳＭＩユニット２との間の距離との間の様々な割当を有し、その様々な割当はフォーカスユニットの様々なフォーカス設定に対応し、距離判定ユニット９は適応され、ＳＭＩ信号の決定されたピーク幅と、フォーカスユニット１３の実際のフォーカス設定に対応する割当とに応じて、対象物５とＳＭＩユニット２との間の距離を判定する。その割当は、優先的には、様々な較正曲線の線形領域であり、様々な既知のフォーカス設定に対して、及び、様々な既知の距離に対して、ＳＭＩ信号のピーク幅を測定することにより決定される。様々な較正曲線の線形領域は、優先的には様々な距離範囲に対応し、即ち、様々な所定の距離範囲に対応する。従って、フォーカスユニット１３のフォーカス設定を修正することにより、所定の距離範囲が所望のように選択できる。

信号処理ユニット１５は、さらに、フィードバック独立型検出ユニット１０を含み、装置１がフィードバック独立型であるかどうかを検出し、そこでは、ピーク幅は第２レーザビームの強度から独立である。距離判定ユニット９は、優先的には適応され、フィードバック独立型検出ユニット１０が装置１がフィードバック独立型であることを検出する場合には、距離だけを判定する。この実施形態では、フィードバック独立型検出ユニット１０は適応され、装置１がフィードバック独立型であるかどうかを、ＳＭＩ信号の周波数スペクトルのピークの振幅に基づいて判定する。その振幅が所定の閾値よりも小さい場合、装置１はフィードバック独立型にあると判定される。また、この所定の閾値は較正測定によって判定することもでき、そこでは、ピークの振幅が測定され、その一方で、装置１がフィードバック独立型又はフィードバック依存型かどうかが知られている。

さらに、装置１は、第２レーザビーム６を減衰する減衰器１１を有し、そこでは、フィードバック独立型検出ユニット１０は適応され、測定されるピーク幅に応じて、装置１がフィードバック独立型又はフィードバック依存型であるかを検出し、一方で、第２レーザビーム６はその減衰器１１によって修正される。

図１では、減衰器１１はレーザ３とフォーカスユニット１３との間に配置される。他の実施形態では、減衰器１１はフォーカスユニット１３の他方の側、即ち、フォーカスユニット１３と対象物５との間に配置されてもよい。減衰器１１は第１レーザビームと第２レーザビームとを減衰する。減衰器１１は可変グレーフィルタ、連続可変ＬＣセル、回転４分の１波長板と結合した偏光子、又は、他の種類の減衰器であってもよい。

減衰器１１は、適応されて、装置１がフィードバック独立型であるかどうかを検出することに応じて、第２レーザビーム６の減衰を能動的に修正する。特に、減衰器１１は適応されて、装置がフィードバック独立型でない場合には、第２レーザビーム６の減衰を増加させる。従って、フィードバック独立型検出ユニット１０が装置１がフィードバック独立型でないと検出した場合は、第２レーザビーム６の減衰は増加し、その結果、装置はフィードバック独立型へ転換する。

さらに、装置１は出力ユニット１２を含み、フィードバック独立型検出ユニット１０が装置１がフィードバック独立型にあることを検出する場合には、装置１がフィードバック独立型であることを示す出力信号を出力し、又は、フィードバック独立型検出ユニット１０が装置がフィードバック独立型ではないことを検出する場合には、装置１がフィードバック独立型でないことを示す出力信号を出力する。この実施形態では、出力ユニット１２はディスプレイである。しかし、他の実施形態では、出力ユニットは音響出力ユニットのような他の出力ユニットであってもよい。装置がフィードバック独立型であるか又はフィードバック依存型であるかは、ユーザに対する出力であるので、ユーザは、装置がフィードバック独立型であるか又はフィードバック依存型であるかに応じて距離を測定したい場合には、決定することができる。

フォーカス装置１３は優先的に、レーザ３に関して移動可能な可動レンズを含み、そうして、第１レーザビーム４のフォーカスの位置を制御することができる。フォーカスユニット１３と、装置１の他の要素とを制御するため、本装置はコントロールユニット１４を含む。一実施形態では、コントロールユニット１４は適応され、判定された距離に応じてフォーカスユニット１３を制御することができる。対象物５とＳＭＩユニット２との間の距離が一定の場合には、第１レーザビーム４のフォーカス位置に関する対象物５の相対位置は一定であると想定される。従って、コントロールユニット１４は適応され、フォーカスユニット１３を制御し、そうして、コントロールユニット１４がフォーカスユニット１３を制御し、その判定された距離が一定のままである場合には、第１レーザビームと対象物とのフォーカス位置の間の相対位置は一定のままである。例えば、コントロールユニット１４は適応され、装置１が自動焦点装置とみなされ、コントロールユニット１４は、判定された距離に応じてフォーカスユニット１３を制御し、そうして、対象物５は優先的には第１レーザビーム４のフォーカス範囲内にあるようになる。装置１がそうした自動焦点モードで操作される場合には、ピーク幅ではないＳＭＩ信号の他の特性は、例えば対象物５の速度の判定のために用いられることができる。例えば、ドップラー周波数をＳＭＩ信号から抽出することができ、対象物５の速度はその抽出されたドップラー周波数に応じて判定することができる。

コントロールユニット１４は適応されて装置１全体、特に、ＳＭＩユニット２、減衰器１１、フォーカスユニット１３、信号処理ユニット１５及びディスプレイ１２を制御する。

図４はフォーカス装置の別の実施形態を概略的且つ例示的に示す。フォーカス装置１０１は、第１レーザビーム１０４を発光するレーザ１０３を有するＳＭＩユニット１０２と、検出器１１６と、検出されたレーザ光の強度変調を判定する変調判定ユニット１３０とを含む。ＳＭＩユニット１０２は、図１を参照して上述したＳＭＩユニット２に類似する。

ＳＭＩユニット１０２によって生成されるＳＭＩ信号は、信号処理ユニット１１５に供給される。信号処理ユニット１１５は、図１を参照して上述したように、生成されたＳＭＩ信号を正規化する正規化ユニット１０７を含む。さらに、信号処理ユニット１１５は、ピーク幅判定ユニット１０８を含み、ＳＭＩ信号の周波数ピーク幅、即ち、ＳＭＩ信号の周波数スペクトルにおけるピークの幅を判定する。コントロールユニット１１４は、ＳＭＩユニット１０２、フォーカスユニット１１３、及び信号処理ユニット１１５を制御する。特に、コントロールユニット１１４は適応され、フォーカスユニット１１３を制御してＳＭＩ信号のピーク幅は一定のままになる。例えば、フォーカスユニット１１３はフォーカスレンズを含むことができ、そのフォーカスレンズとＳＭＩユニット１０２のレーザとの間の距離は制御され、ＳＭＩ信号のピーク幅は一定のままになる。ＳＭＩ信号のピーク幅が一定であることを確保することにより、第１レーザビーム１０４のフォーカス位置に関する対象物の相対位置を維持することができる。従って、フォーカス装置１０１は、自動焦点装置として使用することができ、対象物１０５を第１レーザビーム１０４のフォーカス範囲内に維持しようとする。

また、フォーカス装置１０１は、フィードバック独立型検出ユニット１１０を含み、フォーカス装置１０１がフィードバック独立型か又はフィードバック依存型であるかどうかを判定し、制御ユニット１１４が適応され、減衰器１１１を制御してフォーカス装置１０１がフィードバック独立型にあるようにする。既に図１を参照して上述したように、ＳＭＩ信号の振幅、即ち、ＳＭＩ信号の周波数スペクトルにおけるピークの振幅、及び／又は、ピーク幅の第２レーザビームの減衰への依存度が用いられ、フォーカス装置１０１がフィードバック独立型か又はフィードバック依存型かを判定する。フィードバック独立型検出ユニット１１０がフォーカス装置１０１がフィードバック独立型でないと検出した場合は、優先的には、第２レーザビーム１０６の減衰が増加し、そうして、フォーカス装置をフィードバック独立型に変換する。

フォーカス装置１０１が使用され、第１レーザビームのフォーカス位置に関する対象物の相対位置が維持されるか、又は、少なくとも所定の範囲内にあることが確保される場合、ピーク幅ではないＳＭＩ信号の他の特徴を使用することができ他の特性を判定する。例えば、ドップラー周波数がＳＭＩ信号から抽出することができ、そのドップラー周波数から対象物の速度を判定することができる。

以下では、距離を測定するための方法の一実施形態が図５のチャートを参照して例示的に説明される。

ステップ２０１では、ＳＭＩ信号がＳＭＩユニット２によって生成され、レーザ３の第１レーザビーム４がフォーカスユニット１３によってフォーカスされて対象物５に方向づけられ、そして、そのＳＭＩ信号は、第１レーザビーム４の対象物５によって反射される第２レーザビーム６との干渉に依存する。ステップ２０２では、ＳＭＩ信号の周波数スペクトルは、正規化ユニット７によって、ＳＭＩ信号のピークの周波数に対して正規化され、そして、ステップ２０３では、ＳＭＩ信号の周波数ピーク幅が、ピーク幅判定ユニット８によって判定される。ステップ２０４では、対象物５とＳＭＩユニット２との間の距離が、ＳＭＩ信号の判定された周波数ピーク幅に依存して、距離判定ユニット９によって判定される。ステップ２０５では、判定された距離が出力ユニット１２のディスプレイ上に表される。

以下では、フォーカス方法の一実施形態が図６のフローチャートを参照して説明される。

ステップ３０１では、ＳＭＩ信号はＳＭＩユニット１０２によって生成され、レーザ１０３が第１レーザビーム１０４を発し、そのビームはフォーカスユニット１１３によってフォーカスされて対象物１０５に方向付けられ、そして、そのＳＭＩ信号は、第１レーザビーム１０４と、対象物１０５によって反射される第２レーザビーム１０６との干渉に依存する。ステップ３０２では、ＳＭＩ信号の周波数スペクトルが、正規化ユニット１０７によって、周波数スペクトルにおいてＳＭＩ信号のピークの周波数に対して正規化される。
ステップ３０３では、周波数スペクトルにおいてＳＭＩ信号の周波数ピーク幅がピーク幅判定ユニット１０８によって判定され、そして、この判定されたピーク幅は制御ユニット１１４に供給され、ステップ３０４で、判定された周波数ピーク幅に応じて、フォーカスユニット１１３を制御する。ステップ３０１乃至３０４は、優先的に、ループで実行され、フォーカスユニット１１３を連続的に制御し、そうして、対象物１０５は、第１レーザビームのフォーカス位置に関して所望の位置に存在するようになり、特に、対象物１０５は第１レーザビーム１０４のフォーカスに存在することが確保されるようになる。

ＳＭＩ信号のピーク幅は、ＳＭＩ信号のドップラーピークの周波数ピーク幅であり、そして、ＳＭＩユニットと対象物との間の距離は優先的にはＳＭＩユニットと対象物のレーザの間の距離である。ドップラーピークは、ドップラーシフトされた電磁波である第２レーザビームと、レーザ空洞の内部で乱されていない波である第１レーザビームとを混合することにより、生成される。

初めに既に述べたように、従来は、先行技術のＳＭＩレーザセンサが用いられる場合は、対象物とレーザとの間の距離を測定するのにはレーザ電流の変調が必要である。その変調の仕組は、高度な電子技術、特に、高度なアナログ電子機器を要し、そして、変調の仕組のひずみは距離測定の不正確さをもたらす。上述の、レーザＳＭＩセンサとみなされてもよい距離の測定の装置は、ＤＣ電流源によって駆動されてもよく、それによって、高度ではない電子機器が使用され、そして、距離測定の正確さが向上する。

レーザは優先的には面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。ＳＭＩ信号を生成するために、外部フォトダイオードのような外部検出器を使用する代わりに、レーザは、ＳＭＩ信号を生成する内蔵式フォトダイオードを含むことができ、特に、ＳＭＩユニットは内蔵式フォトダイオードを備えたＶＣＳＥＬを含むことができる。

フォーカスユニットのレンズは、例えば２０ｍｍの焦点距離を有する色消しダブレットでもよい。しかし、フォーカスユニットは、例えば、ダブレットではない他の種類のレンズを含むことができる。

ＳＭＩ信号のピーク、即ち、周波数スペクトルにおけるＳＭＩ信号のピークは、典型的にはガウシアンピークである。ピーク幅判定ユニットは、適応され、ガウス関数をピークに適合し、そして、その適合したガウス関数のピーク幅から周波数ピーク幅を判定する。

第２レーザビームはスペックル特性を有することができるので、連続的に変化するピーク幅をもたらし、そのピーク幅は時間平均されることができ、その時間平均されたピーク幅は、例えば、ａ）距離の判定、ｂ）装置がフィードバック独立型か又はフィードバック依存型かの判定、及び／又は、ｃ）フォーカスユニットの制御に用いることができる。ピーク幅を平均するため、或る時間の範囲内で判定されたピーク幅が使用され、この時間は優先的には、上述のピーク幅の連続的変化は平均化されるよう定義される。

距離を測定する装置、及び、フォーカス装置は、優先的には、距離曲線、即ち、上述の割当や図２に示される例の較正曲線に対して、ピーク幅の線形領域に対応する距離を測定するよう動作可能である。ピーク幅が線形領域内にある場合は、第１レーザビームのスポットサイズは、対象物の表面で必ずしも最小ではない。

レーザ出力信号は分離した検出器１６、１１６によって検出され、その検出器はレーザスタックに一体化されても、外部にあってもよい。測定されたレーザ出力信号はＳＭＩ信号を含み、そのＳＭＩ信号は例えば変調判定ユニット３０、１３０、又は、信号処理ユニット１５，１１５のユニットによって、デジタル領域へ変換され、そして、信号処理ユニット１５，１１５のユニットによって処理されることができる。正規化ユニット７、１０７はドップラーピーク周波数を抽出し、レーザ出力信号を正規化し、ピーク幅判定ユニット８は、周波数領域において正規化レーザ出力信号のドップラーピークの幅をＳＭＩ信号のピーク幅として判定する。

フォーカス装置は優先的にはフォーカスユニットとして作動レンズを用い、そして、フ制御ループを用いてフォーカスを維持する。対象物とレーザとの間の起こり得る距離変化のため、レーザビームはフォーカスから外れることがあり、そして、レーザと対象物との距離が非常に大きいときは、ＳＭＩ信号は検出閾値より低くなることがある。これを回避するため、フォーカスユニットは優先的には作動レンズを含み、その作動レンズは配置され、そうしてＳＭＩ信号のピーク幅が或る値に留まるようになり、好適には、距離曲線に対して、ピーク幅の線形領域の中間に留まる。対象物までの距離が、距離曲線に対して、ピーク幅の線形領域の範囲内にある場合は、コントロールユニットは優先的にはエラー信号を抽出してレンズの移動を導く。例えば、或る距離が線形領域の範囲内である場合は、基準ピーク幅と実際に測定されたピーク幅との間の距離は、対象物の対応する割当に比例する。従って、基準ピーク幅と実際に測定されたピーク幅との間の距離はエラー信号として用いることができ、そのエラー信号はフィードバックループ、又は、フィードフォワードループでフォーカスユニットに適用され、そのエラー信号は最少化されるようになる。

上述の一実施形態では距離判定ユニットは、フォーカスユニットの様々なフォーカス設定のため、様々な配置を有するが、その距離判定ユニットは距離測定の他の様々な特徴のため、様々な配置を有することができ、それは変更されてもよい。例えば、距離判定ユニットは、ａ）ＳＭＩ信号のピーク幅と、ｂ）様々な入射角に対する対象物とＳＭＩユニットとの間の距離との間の様々な割当を含むことができ、その入射角は第１レーザビームと対象物表面との間の角度として定義され、第１レーザビームは対象物表面に向けられる。この場合、入射角を判定するため、入射角判定ユニットが供給されてもよい。例えば、入射角測定(判定)ユニットは適応され、１つ以上の距離測定ユニットによって対象物表面の３つの異なる位置までの距離を３つの方向で測定することができる。その１つ以上の距離測定ユニットは、既知の方法で距離を光学的に測定するレーザを含むことができる。３つの既知の方向での３つの距離は対象物表面の向きを定義し、従って、その表面の向きを判定するため、入射角判定ユニットによって用いられることができる。ＳＭＩユニットに関するこの対象物表面の向きは知られており、第１レーザビームの位置も知られているので、その入射角は、この表面の向きと第１レーザビームの位置とに基づいて、入射角判定ユニットによって判定することができる。

距離を測定する装置、及び／又は、フォーカス装置は、幾つかの製品に統合されることができる。例えば、距離を測定する装置、及び／又は、フォーカス装置は、レーザマウス製品、自動車用の対地速度センサ等に使用されることができる。しかし、距離を測定する装置及びフォーカス装置は、スタンドアロンのシステムとして使用されることもでき、他の装置に統合されない。

レーザは優先的にはＶＣＳＥＬであると上述したが、ＳＭＩユニットは他の種類のレーザを含むことができ、例えば端面発光レーザ、ガスレーザ、ファイバー又は半導体レーザ等であってもよい。

開示した実施形態の他の変形例は、本願の図面、明細書、及び付属の特許請求の範囲を研究することにより、本願発明を実施する場合に、当業者によって理解され達成されることができるだろう。

特許請求の範囲では、用語“含む（comprising）”は他の要素又はステップを排除せず、不定冠詞“a”又は“an”は複数形を除外しない。

単一ユニット又は装置は、請求項に記載された幾つかのアイテムの機能を充足してもよい。或る手段が相互に異なる請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利には使用できないことを表すものではない。

アナログレーザ出力信号をデジタル信号に変換するような変換、ＳＭＩ信号の正規化のような計算、ピーク幅又は距離の判定のような判定は、１つ以上のユニット又は装置によって実行され、他の如何なる数のユニット又は装置によって実行されることができる。例えば、ステップ２０２乃至２０４、又は、ステップ３０２乃至３０４は単一ユニット、又は、他の如何なる数の異なるユニットによって実行されることができる。そうした変換、計算、判定、及び／又は、上述の距離測定方法に従った距離を測定する装置の制御、及び／又は、上述のフォーカス方法に従ったフォーカス装置の制御は、コンピュータプログラムのプログラムコード手段として、及び／又は、専用のハードウェアとして具体化することができる。

コンピュータプログラムは適切な媒体で保存／配布されてもよく、例えば、光学記憶媒体や半導体媒体であり、他のハードウェアと一緒に又はその一部として供給されてもよいが、他の形態、例えば、インターネットや他の有線又は無線通信システムを介して配布されてもよい。

請求項の如何なる参照符号も本発明の適用範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。

本発明は距離を測定する装置に関する。自己混合干渉（ＳＭＩ）ユニットはＳＭＩ信号を生成し、そのＳＭＩユニットは第１レーザビームを発するレーザを含み、そのレーザビームは対象物に向けられ、そして、そのＳＭＩ信号は、第１レーザビームと、対象物によって反射された第２レーザビームとの干渉に依存する。ピーク幅判定ユニットはＳＭＩ信号のピーク幅を判定し、そして、距離判定ユニットは、その判定されたＳＭＩ信号のピーク幅に応じて、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離を判定する。その距離はＳＭＩ信号のピーク幅に応じて判定され、レーザ駆動電流変調を必要としないので、レーザの駆動電流を変調する高度な電子機器は必要ではない。これは距離を判定するのに必要とされる技術的労力を低減する。

本発明の第１側面では、距離を測定するための装置が供給され、その装置は：
− ＳＭＩ信号を生成するＳＭＩユニットであり、そのＳＭＩユニットは第１レーザビームを発するレーザを含み、そのレーザビームは対象物へ向けられ、そして、そのＳＭＩ信号は、第１レーザビームとその対象物によって反射された第１レーザビームのレーザ光である第２レーザビームとの干渉に依存する、ＳＭＩユニットと、
− そのＳＭＩ信号のピーク幅を判定するピーク幅判定ユニットと、
− その判定されたＳＭＩ信号のピーク幅に応じて、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離を判定する距離判定ユニットとを含む。

ＳＭＩ信号のピーク幅はＳＭＩ信号の周波数幅である。

距離判定ユニットは、ａ）ＳＭＩ信号のピーク幅と、ｂ）所定の距離範囲内にある対象物とＳＭＩユニットの間の距離との間の割当を有し、その距離判定ユニットは適応され、その判定されたＳＭＩ信号のピーク幅とその割当に応じて、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離を判定する。その割当は、優先的には、上述のピーク幅と距離との間の線形関係を記述し、そして、優先的には、較正測定によって判定され、そのピーク幅は測定されるが、その距離は知られている。

本発明の別の側面では、フォーカス装置が提案され、そのフォーカス装置は：
− ＳＭＩ信号を生成するＳＭＩユニットであって、そのＳＭＩユニットは対象物に向けられる第１レーザビームを発光するレーザを含み、そのＳＭＩ信号は第１レーザビームと第１レーザビームのレーザ光である対象物によって反射される第２レーザビームとの干渉に依存し、
− 周波数スペクトルにおける周波数ピークのＳＭＩ信号のピーク幅を決定するピーク幅決定手段と、
− 第１レーザビームをフォーカスするフォーカスユニットと、
− その決定されたピーク幅に応じてフォーカスユニットをコントロールするコントロールユニットと、を含む。

本発明の別の側面では、距離を測定する方法が提案され、その方法は：
− ＳＭＩユニットによってＳＭＩ信号を生成するステップであり、そのＳＭＩユニットは対象物に向けられる第１レーザビームを発光するレーザを含み、そして、そのＳＭＩ信号は第１レーザビームと第１レーザビームのレーザ光である対象物によって反射される第２レーザビームとの干渉に依存し、
− ピーク幅判定ユニットによって周波数スペクトルにおける周波数ピークのピーク幅を判定するステップと、
− 距離判定ユニットによって、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離を判定するステップと、を含み、前記距離判定ユニットは、ａ）ＳＭＩ信号のピーク幅と、ｂ）所定の距離範囲内にある対象物とＳＭＩユニットとの間の距離との間の割当を含み、前記距離判定ユニットは、前記ＳＭＩ信号の判定されたピーク幅と前記割当とに応じて、前記対象物と前記ＳＭＩユニットとの間の距離を判定するよう適応される。

Claims

距離を測定するための装置が供給され、該装置は：
− 自己混合干渉（ＳＭＩ）信号を生成するＳＭＩユニットであり、前記ＳＭＩユニットは第１レーザビームを発するレーザを含み、そのレーザビームは対象物へ向けられ、そして、前記ＳＭＩ信号は、第１レーザビームと前記対象物によって反射された第２レーザビームとの干渉に依存する、ＳＭＩユニットと、
− 前記ＳＭＩ信号のピーク幅を判定するピーク幅判定ユニットと、
− 判定されたＳＭＩ信号の前記ピーク幅に応じて、前記対象物と前記ＳＭＩユニットとの間の距離を判定する距離判定ユニット、とを含む装置。
前記装置は、前記ＳＭＩ信号の周波数依存度を、前記ＳＭＩ信号のピーク周波数に対して正規化する正規化ユニットを更に含み、前記ピーク幅判定ユニットは適応されて正規化されたＳＭＩ信号のピーク幅を決定する、請求項１記載の装置。
前記装置は所定の距離範囲内の或る距離を測定するよう適応され、前記距離は前記ピーク幅に線形に依存する、請求項１記載の装置。
前記距離判定ユニットは、ａ）前記ＳＭＩ信号のピーク幅と、ｂ）所定の距離範囲内にある対象物とＳＭＩユニットの間の距離との間の割当を有し、前記距離判定ユニットは、判定されたＳＭＩ信号のピーク幅と前記割当とに応じて、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離を決定するように適応される、請求項１記載の装置。
前記装置は、第１レーザビームをフォーカスするフォーカスユニットを更に含み、前記フォーカスユニットのフォーカス設定は修正可能であり、前記距離判定ユニットは、ａ）ＳＭＩ信号のピーク幅と、ｂ）様々な所定の距離範囲内にある対象物とＳＭＩユニットとの間の距離との間の様々な割当を含み、前記様々な割当は、フォーカスユニットの様々なフォーカス設定に対応し、前記距離判定ユニットは、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離を判定するよう適応され、前記判定は、判定されたＳＭＩ信号のピーク幅とフォーカスユニットのフォーカス設定に対応する、請求項１記載の装置。
前記装置は、フィードバック独立型検出ユニットを更に含み、前記装置がフィードバック独立型であるかどうかを検出し、フィードバック独立型では、前記ピーク幅は前記第２レーザビームの強度と独立である、請求項１記載の装置。
前記フィードバック独立型検出ユニットは本装置がフィードバック独立型であることを検出する場合は、前記距離判定ユニットは距離を判定するよう適応される、請求項６記載の装置。
前記フィードバック独立型検出ユニットは、前記ＳＭＩ信号の振幅に応じて、前記装置がフィードバック独立型であるかどうかを検出するよう適応される、請求項６記載の装置。
前記装置は前記第２レーザビームを減衰する減衰器を含み、前記フィードバック独立型検出ユニットは前記装置がピーク幅に応じてフィードバック独立型にあるかどうかを検出するよう適応され、前記ピーク幅は第２レーザビームの減衰がその減衰器によって修正される間に測定される、請求項６記載の装置。
前記装置は前記第２レーザビームを減衰する減衰器を含み、前記減衰器は前記装置がフィードバック独立型にあるかどうかの検出に応じて、第２レーザビームの減衰を能動的に修正するよう適応される、請求項６記載の装置。
前記装置は：
−前記第１レーザビームをフォーカスするフォーカスユニットと、
−決定された距離に応じて前記フォーカスユニットを制御するコントロールユニットと、を更に含む、請求項１記載の装置。
前記フォーカス装置は：
−ＳＭＩ信号を生成するＳＭＩユニットであって、前記ＳＭＩユニットは対象物に向けられる第１レーザビームを発光するレーザを含み、前記ＳＭＩ信号は第１レーザビームと対象物によって反射される第２レーザビームとの干渉に依存する、ＳＭＩユニットと、
−前記ＳＭＩ信号のピーク幅を決定するピーク幅決定手段と、
−前記第１レーザビームをフォーカスするフォーカスユニットと、
−前記決定されたピーク幅に応じてフォーカスユニットを制御するコントロールユニットと、を含む、装置。
前記コントロールユニットは、前記ＳＭＩ信号のピーク幅が一定に維持されるようフォーカスユニットを制御する、請求項１２記載のフォーカス装置。
距離を測定する方法であって、該方法は：
−ＳＭＩユニットによってＳＭＩ信号を生成するステップであり、前記ＳＭＩユニットは対象物に向けられる第１レーザビームを発光するレーザを含み、そして、前記ＳＭＩ信号は第１レーザビームと対象物によって反射される第２レーザビームとの干渉に依存する、ステップと、
−ピーク幅判定ユニットによってピーク幅を判定するステップと、
−距離判定ユニットによって、前記ＳＭＩ信号の決定されたピーク幅に応じて、対象物とＳＭＩユニットとの間の距離を判定するステップと、を含む方法。
距離を測定するコンピュータプログラムであって、該コンピュータプログラムはプログラムコード手段を含み、前記コンピュータプログラムが請求項１記載の装置を制御するコンピュータ上でランされると、前記装置に請求項１４記載の方法のステップ群を実行させる、コンピュータプログラム。