JP2013535676A5 - - Google Patents
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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決定される。
距離を決定するためには、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、技術的労力を軽減することができる、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、装置は:
− SMI信号を生成するSMIユニットであり、SMIユニットは対象物へ向けられる第1レーザビームを発するレーザを有し、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、
− SMI信号のピーク幅を決定するピーク幅決定ユニットと、
− 決定された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決定する距離決定ユニットとを有する。
− SMI信号を生成するSMIユニットであり、SMIユニットは対象物へ向けられる第1レーザビームを発するレーザを有し、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、
− SMI信号のピーク幅を決定するピーク幅決定ユニットと、
− 決定された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決定する距離決定ユニットとを有する。
距離は、SMI信号のピーク幅に基づいて決定されるので、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レーザの駆動電流を変調せずに決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。これは距離を決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SMI信号の周波数幅である。
好ましくは、本装置はさらにSMI信号の周波数依存度をSMI信号のピークの周波数に正規化する正規化ユニットを有し、ピーク幅決定ユニットは正規化されたSMI信号のピーク幅を決定するよう構成される。正規化は、SMIユニットと対象物との間の距離を表さず、従って距離決定の精度を低減する可能性がある、SMI信号のピーク幅への起こり得る影響を低減する。従って、正規化は、SMIユニットと対象物との間の距離決定の精度を向上することに繋がり得る。
さらに好ましくは、本装置は、距離がピーク幅に線形に依存する所定の距離範囲内で距離を測定するよう構成される。これは、ピーク幅と距離との間の線形関係を決定することにより、及びピーク幅に依存した距離を決定するためにこの線形関係を用いることにより、比較的簡易な方法で、ピーク幅に依存した距離を決定することを可能にする。線形関係は、例えば対象物とSMIユニットとの間の距離がわかっている間にピーク幅が測定される、較正測定によって決定され得る。
距離決定ユニットは、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、距離決定ユニットは、決定されたSMI信号のピーク幅と割当に応じて、対象物とSMIユニットとの間の距離を決定するよう構成される。割当とは、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、優先的には、距離がわかっている間にピーク幅が測定される較正測定によって決定される。
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有し、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、距離決定ユニットは、a)SMI信号のピーク幅と、b)異なる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異なる割当を有し、異なる割当は、フォーカスユニットの異なるフォーカス設定に対応し、距離決定ユニットは、決定された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、対象物とSMIユニットとの間の距離を決定するよう構成される。フォーカスユニットは、優先的には、レンズを有し、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。ピーク幅決定ユニットは、a)SMI信号のピーク幅と、b)異なる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異なる割当を有し、異なる割当はフォーカスユニットの異なるフォーカス設定に対応し、フォーカスユニットのフォーカス設定は、修正されたフォーカス設定に対応する割当が所望の所定距離範囲内のピーク幅と距離との間の割当になるように修正されることができる。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、本装置が当該或る距離範囲内で動作可能であるように修正され得る。
さらに好ましくは、本装置は、本装置が、ピーク幅が第2レーザビームの強度と独立であるフィードバック独立型であるかどうかを検出するための、フィードバック独立型検出ユニットを有する。優先的には、距離決定ユニットは、本装置がフィードバック独立型であることをフィードバック独立型検出ユニットが検出する場合に、距離を決定するよう構成される。レーザの空洞に入射した、反射された第2レーザビームの強度が比較的大きい場合、SMI信号のピーク幅は反射された第2レーザビームの強度に依存し得る。この場合には、本装置はフィードバック依存型になり得る。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、SMI信号のピーク幅が空洞に入射した反射第2レーザビームの強度に依存するか否かを決定することにより、そして、本装置がフィードバック独立型である場合にのみ距離を決定することにより、距離は向上した精度で決定されることができる。
留意すべきことは、フィードバック独立型は、SMI信号のピーク幅が反射された第2レーザビームの強度に依存しない型(レジーム)のみを定義することである。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、レーザの空洞内の第1レーザビームと反射された第2レーザビームと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、SMI信号の振幅に応じて本装置がフィードバック独立型にあるかどうかを検出するよう構成される。例えば、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に、本装置がフィードバック独立型にあることを検出するよう構成され得る。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決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有し、フィードバック独立型検出ユニットは、第2レーザビームの減衰が減衰器によって修正される間に測定されるピーク幅に応じて、本装置がフィードバック独立型にあるかどうかを検出するよう構成される。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減衰器によって修正される間に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。これも、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有し、減衰器は、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よう構成される。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、減衰器は、第2レーザビームの減衰を増加するよう構成される。従って、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、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、本装置がフィードバック独立型であることを示す、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する場合、本装置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出力ユニットを有する。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、決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有する。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、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制御するよう構成され、距離が一定である場合、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。
− 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有する。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、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制御するよう構成され、距離が一定である場合、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、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、SMIユニットは対象物に向けられる第1レーザビームを発するレーザを有し、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し、
− SMI信号の周波数スペクトルにおける周波数ピークのピーク幅を決定するピーク幅決定ユニットと、
− 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、
− 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、を有する。
− SMI信号を生成するSMIユニットであって、SMIユニットは対象物に向けられる第1レーザビームを発するレーザを有し、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し、
− SMI信号の周波数スペクトルにおける周波数ピークのピーク幅を決定するピーク幅決定ユニットと、
− 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、
− 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、を有する。
好ましくはコントロールユニットは、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よう構成される。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制御することによって、対象物はフォーカスに関して同じ位置に、特に、フォーカスの範囲内にとどま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、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、SMIユニットは対象物に向けられる第1レーザビームを発するレーザを有し、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し、
− ピーク幅決定ユニットによってSMI信号の周波数スペクトルにおける周波数ピークのピーク幅を決定するステップと、
− 距離決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決定するステップと、を有し、距離決定ユニットは、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有し、距離決定ユニットは、SMI信号の決定されたピーク幅と割当とに応じて、対象物とSMIユニットとの間の距離を決定するよう構成される。
− SMIユニットによってSMI信号を生成するステップであり、SMIユニットは対象物に向けられる第1レーザビームを発するレーザを有し、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し、
− ピーク幅決定ユニットによってSMI信号の周波数スペクトルにおける周波数ピークのピーク幅を決定するステップと、
− 距離決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決定するステップと、を有し、距離決定ユニットは、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有し、距離決定ユニットは、SMI信号の決定されたピーク幅と割当とに応じて、対象物とSMIユニットとの間の距離を決定するよう構成される。
本発明の別の側面では、フォーカス方法が提案され、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、SMIユニットは対象物に向けられる第1レーザビームを発するレーザを有し、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、
− ピーク幅決定ユニットによってSMI信号のピーク幅を決定するステップと、
− 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、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ステップと、を有する。
− 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、SMIユニットは対象物に向けられる第1レーザビームを発するレーザを有し、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、
− ピーク幅決定ユニットによってSMI信号のピーク幅を決定するステップと、
− 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、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ステップと、を有する。
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、コンピュータプログラムは、コンピュータプログラムが装置を制御するコンピュータ上で実行されると、請求項1に規定されるような装置に請求項12に規定されるような方法のステップ群を実行させるためのプログラムコード手段を有する。
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。フォーカスコンピュータプログラムは、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制御するコンピュータ上で実行されると、フォーカス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ためのプログラムコード手段を有する。
請求項1の距離測定用装置、フォーカス装置、請求項12の距離測定方法、上述のフォーカス方法、請求項13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を理解すべきである。
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を有する。SMIユニット2は第1レーザビーム4を発するレーザ3を有し、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る反射光6は、レーザ3の空洞に入射し、SMI信号を生成するために空洞内のレーザ光と干渉する。レーザ3の空洞は、レーザ光の一部が、このレーザ光を検出する検出器16の方向にその空洞を離れることができるように構成される。例えば、空洞の共振ミラーは、レーザ光の一部が空洞を離れることができるようにするためにレーザ光に対して僅かに透過性であり得る。レーザ光の検出された強度は変調され、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、その論文は引用により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決定するため、SMIユニット2は変調決定ユニット30を有する。変調決定ユニット30は、強度変調をアナログ的に決定するか、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、デジタルレーザ光信号から強度変調をデジタル的に決定するよう構成され得る。
生成されたSMI信号は信号処理ユニット15に供給され、信号処理ユニットは正規化ユニット7を有する。正規化ユニット7は、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よう構成される。
周波数領域におけるSMI信号のピークは、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ドップラーピークである。
信号処理ユニット15は、さらに、正規化されたSMI信号のピークの幅を決定するピーク幅決定ユニット8を有する。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、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、SMI信号の決定されたピーク幅に応じて、対象物5とSMIユニット2との間の距離を決定する距離決定ユニット9を有する。ピーク幅と距離との間の関係は、SMIユニットと対象物との間の距離がわかっている間にピーク幅が測定される、較正測定によって決定することができる。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。較正曲線はピーク幅が距離に実質的に線形に依存している線形領域LRを有する。
図3は、SMIユニットと対象物との間の距離d(mm)に依存して、任意の単位で、SMI信号20の強度Sとノイズ21の強度、即ち、SMI信号のピーク高さとノイズレベルの依存関係を概略的かつ例示的に示す。図3に見られるように、図2で示される線形領域では、ピーク高さはノイズレベルよりもずっと高い。従って、ピーク幅は、SMI信号から非常に良好に決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。所定の距離範囲は、較正曲線の線形領域LRの範囲内の距離範囲である。距離決定ユニット9は、SMI信号の決定されたピーク幅と割当とに応じて、対象物5とSMIユニット2との間の距離を決定するよう構成される。
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、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ように構成され得る。そして、距離決定ユニット9は、a)SMI信号のピーク幅と、b)異なる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異なる割当を有し、異なる割当はフォーカスユニットの異なるフォーカス設定に対応し、距離決定ユニット9は、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との間の距離を決定するよう構成され得る。割当は、優先的には、異なる較正曲線の線形領域であり、異なる既知のフォーカス設定に対して、及び、異なる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ている。異なる較正曲線の線形領域は、優先的には異なる距離範囲に対応し、即ち、異なる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、所定の距離範囲を所望のように選択できる。
信号処理ユニット15は、さらに、装置1が、ピーク幅は第2レーザビームの強度から独立であるフィードバック独立型であるかどうかを検出する、フィードバック独立型検出ユニット10を有する。距離決定ユニット9は、優先的には、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のみ、距離を決定するように構成される。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、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応じて検出するよう構成される。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決定される。また、この所定の閾値は、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わかっている間にピークの振幅が測定される、較正測定によって決定されることができる。
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、フィードバック独立型検出ユニット10は、第2レーザビーム6の減衰が減衰器11によって修正される間に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するようにも構成され得る。
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波長板と組み合わせた偏光子、又は、他の種類の減衰器であってもよい。
減衰器11は、装置1がフィードバック独立型であるかどうかの検出に応じて、第2レーザビーム6の減衰を能動的に修正するよう構成される。特に、減衰器11は、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よう構成される。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、装置をフィードバック独立型へ転換するために第2レーザビーム6の減衰は増加される。
さらに、装置1は、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、出力ユニット12を有する。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がユーザに出力されるので、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、距離を測定したいかどうかを決定することができる。
フォーカスユニット13は優先的に、第1レーザビーム4のフォーカスの位置を制御するためにレーザ3に関して移動可能な可動レンズを有する。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を有する。一実施形態では、コントロールユニット14は、決定された距離に応じてフォーカスユニット13を制御するよう構成され得る。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、決定された距離が一定のままであるようにコントロールユニット14がフォーカスユニット13を制御する場合、第1レーザビームのフォーカス位置と対象物との間の相対位置が一定のままであるようにフォーカスユニット13を制御するよう構成され得る。例えば、コントロールユニット14は、装置1が自動焦点装置とみなされるように構成され、コントロールユニット14は、対象物5が第1レーザビーム4のフォーカス範囲内にあり、優先的にはとどまるように、決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。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の速度の決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決定されることができる。
コントロールユニット14は、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を制御するよう構成される。
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決定する変調決定ユニット130とを有する。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を有する。さらに、信号処理ユニット115は、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決定するピーク幅決定ユニット108を有する。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、SMI信号のピーク幅が一定のままになるようにフォーカスユニット113を制御するよう構成される。例えば、フォーカスユニット113はフォーカスレンズを有することができ、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、SMI信号のピーク幅が一定のままになるよう制御される。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、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自動焦点装置として使用することができる。
また、フォーカス装置101は、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決定するフィードバック独立型検出ユニット110を有し、コントロールユニット114は、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減衰器111を制御するよう構成される。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、第2レーザビームの減衰へのピーク幅の依存度が、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決定するために使用され得る。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、フォーカス装置をフィードバック独立型に変換するために第2レーザビーム106の減衰が増加される。
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を確保するためにフォーカス装置101が使用される場合、ピーク幅ではないSMI信号の他の特徴が、他の特性を決定するために使用されることができる。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、ドップラー周波数から対象物の速度を決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のフロー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、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、ピーク幅決定ユニット8によって決定される。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信号の決定された周波数ピーク幅に依存して、距離決定ユニット9によって決定される。ステップ205では、決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、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ける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けるSMI信号の周波数ピーク幅がピーク幅決定ユニット108によって決定され、そして、この決定された周波数ピーク幅は、ステップ304において決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を制御するために、コントロールユニット114に供給される。ステップ301から304は、優先的に、対象物105が第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とどまるようにフォーカスユニット113を連続的に制御するために、特に、対象物105が第1レーザビーム104のフォーカスにとどまることを確実にするために、ループで実行される。
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ユニットのレーザと対象物との間の距離である。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。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有することもでき、特に、SMIユニットは内蔵式フォトダイオードを備えたVCSELを有することができる。
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有することができる。
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。ピーク幅決定ユニットは、ガウス関数をピークに適合し、そして、適合したガウス関数のピーク幅から周波数ピーク幅を決定するよう構成される。
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、これは連続的に変化するピーク幅をもたらし得るが、ピーク幅は時間平均されることができ、時間平均されたピーク幅は、例えば、a)距離の決定、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決定、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決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が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、ピーク幅対距離曲線の、即ち、上述の割当若しくはその例が図2に示される較正曲線の、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、これ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、これは例えば変調決定ユニット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、ピーク幅決定ユニット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決定する。
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、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有し、これはSMI信号のピーク幅が或る値に留まるように、好適には、ピーク幅対距離曲線の線形領域の中間に留まるように変位され得る。対象物までの距離が、ピーク幅対距離曲線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差は、対象物の対応する変位に比例する。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差はエラー信号として用いることができ、これはエラー信号が最少化されるように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ることができる。
上述の一実施形態では距離決定ユニットは、フォーカスユニットの異なるフォーカス設定に対する異なる割当を有するが、距離決定ユニットは、変更され得る、距離測定の他の異なる特徴に対する異なる割当も有することができる。例えば、距離決定ユニットは、a)SMI信号のピーク幅と、b)異なる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異なる割当を有することができ、入射角は第1レーザビームと、第1レーザビームが方向付けられる対象物表面との間の角度として定義される。この場合、入射角を決定するため、入射角決定ユニットが供給されてもよい。例えば、入射角測定ユニットは、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つの異なる方向で測定するよう構成され得る。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有することができる。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、その表面の向きを決定するため、入射角決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がわかり、第1レーザビームの位置もわかるので、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、入射角決定ユニットによって決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、他の装置に統合されることなく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る。
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も有することができ、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決定のような決定は、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から204、又は、ステップ302から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、SMIユニットは対象物に向けられる第1レーザビームを発するレーザを有し、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。ピーク幅決定ユニットはSMI信号のピーク幅を決定し、そして、距離決定ユニットは、決定された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決定する。距離はSMI信号のピーク幅に応じて決定され、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。これは距離を決定するのに必要とされる技術的労力を低減する。
Claims (13)
- 距離を測定するための装置であって、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、対象物へ向けられる第1レーザビームを発するレーザを有し、前記SMI信号は、前記第1レーザビームと、前記対象物によって反射された前記第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、
− 前記SMI信号の周波数スペクトルにおける周波数ピークのピーク幅を決定するピーク幅決定ユニットと、
− 前記対象物と前記SMIユニットとの間の距離を決定する距離決定ユニット、とを有し、前記距離決定ユニットは、a)前記SMI信号のピーク幅と、b)所定の距離範囲内にある前記対象物と前記SMIユニットとの間の距離との間の対応関係を有し、前記距離決定ユニットは、前記SMI信号の前記決定されたピーク幅と前記対応関係とに応じて、前記対象物と前記SMIユニットとの間の距離を決定するよう構成される、装置。 - 前記装置は、前記SMI信号の周波数スペクトルを、前記SMI信号のピークの周波数に対して正規化する正規化ユニットを更に有し、前記ピーク幅決定ユニットは、前記正規化されたSMI信号のピーク幅を決定するよう構成される、請求項1記載の装置。
- 前記装置は、前記距離が前記ピーク幅に線形に依存する所定の距離範囲内の距離を測定するよう構成される、請求項1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を更に有し、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、前記距離決定ユニットは、a)前記SMI信号のピーク幅と、b)異なる所定の距離範囲内にある前記対象物と前記SMIユニットとの間の距離との間の異なる対応関係を有し、前記異なる対応関係は、前記フォーカスユニットの異なるフォーカス設定に対応し、前記距離決定ユニットは、前記SMI信号の前記決定されたピーク幅と、前記フォーカスユニットのフォーカス設定に対応する対応関係とに応じて、前記対象物と前記SMIユニットとの間の距離を決定するよう構成される、請求項1記載の装置。
- 前記装置は、前記SMI信号の周波数スペクトルにおけるピークの振幅、及び/又は前記SMI信号の周波数スペクトルにおける周波数ピークのピーク幅に基づき、前記装置が、前記ピーク幅が前記第2レーザビームの強度から独立しているフィードバック独立型にあるかどうかを検出するフィードバック独立型検出ユニットを更に有する、請求項1記載の装置。
- 前記距離決定ユニットは、前記装置が前記フィードバック独立型にあることを前記フィードバック独立型検出ユニットが検出する場合に、前記距離を決定するよう構成される、請求項5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信号の周波数スペクトルにおけるピークの振幅が所定の閾値よりも小さい場合に、前記装置が前記フィードバック独立型にあることを検出するよう構成される、請求項5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有し、前記フィードバック独立型検出ユニットは、前記第2レーザビームの減衰が前記減衰器によって修正される間に前記ピーク幅が修正されない場合に、前記装置が前記フィードバック独立型にあることを検出するよう構成される、請求項5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有し、前記減衰器は、前記装置が前記フィードバック独立型にあるとの検出に応じて、前記第2レーザビームの減衰を能動的に修正するよう構成される、請求項5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、
−前記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、を更に有する、請求項1記載の装置。 - 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前記フォーカスユニットを制御する、請求項10記載の装置。
- 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レーザビームを発するレーザを有し、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前記第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、ステップと、
−ピーク幅決定ユニットによって前記SMI信号の周波数スペクトルにおける周波数ピークのピーク幅を決定するステップと、
−距離決定ユニットによって、前記対象物と前記SMIユニットとの間の距離を決定するステップと、を有し、前記距離決定ユニットは、a)前記SMI信号のピーク幅と、b)所定の距離範囲内にある前記対象物と前記SMIユニットとの間の距離との間の対応関係を有し、前記距離決定ユニットは、前記SMI信号の前記決定されたピーク幅と前記対応関係とに応じて、前記対象物と前記SMIユニットとの間の距離を決定するよう構成される、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、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実行されると、前記装置に請求項12記載の方法のステップ群を実行させるプログラムコード手段を有する、コンピュータプログラム。
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