JP2017520756A

JP2017520756A - 物体を識別するための装置

Info

Publication number: JP2017520756A
Application number: JP2016565208A
Authority: JP
Inventors: デルフスクリストフ; フィッシャーフランク; シュニッツァーライナー; リダーブッシュハイコ; ピラールガエル
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2017-07-27
Also published as: US20170059710A1; WO2015165616A1; DE102014207965A1; CN106233156A; KR20160147760A

Abstract

本発明は、ＶＣＳＥＬドップラセンサ（１）及びＭＥＭＳスキャナ（３）を備えている、物体を識別するための装置に関する。上記ＭＥＭＳスキャナ（３）は、ＶＣＳＥＬドップラセンサ（１）からのレーザビームを用いて、所定の角度範囲を走査するための、少なくとも一つの偏向可能なＭＥＭＳミラーを有しており、上記ＶＣＳＥＬドップラセンサ（１）は、物体（３０）の速度及び／又は距離を検出するように構成されている、ドップラ駆動制御及び評価素子（５）と接続されている。

Description

A. Pruijmboom等著の刊行物「VCSEL-based miniature laser-Doppler interferometer」，Proc. of SPIE，Vol. 6908には、ＶＣＳＥＬ及びフォトダイオードが一つの共通の半導体基板に集積されている、集積型ドップラセンサが開示されている。ＶＣＳＥＬドップラセンサは、既に、高解像度コンピュータマウスに使用されている。ＶＣＳＥＬドップラセンサは、反射性の物体の相対速度及び（変調モードにおいて）その物体までの距離を測定する。選択的に、ＶＣＳＥＬの代わりに、ＶｅＣＳＥＬ（外部キャビティを備えたＶＣＳＥＬ）も使用することができる。更に、従来技術においては、ＭＥＭＳミラー又はマイクロミラー、及び、その種のＭＥＭＳミラーを備えているレーザスキャナプロジェクタが公知である。

「VCSEL-based miniature laser-Doppler interferometer」，A. Pruijmboom et al., Proc. of SPIE，Vol. 6908

発明の課題
本発明の課題は、例えば平坦な面におけるジェスチャ識別に使用することができる、物体を識別するための小型且つ廉価な装置、例えばコンピュータマウス、タッチスクリーン及び壁スイッチを提供することである。

発明の利点
本発明は、ＶＣＳＥＬドップラセンサ及びＭＥＭＳスキャナを備えている、物体を識別するための装置に関し、当該装置においては、ＭＥＭＳスキャナが、ＶＣＳＥＬドップラセンサからのレーザビームを用いて所定の角度範囲を走査するための、少なくとも一つの偏向可能なＭＥＭＳミラーを有しており、ＶＣＳＥＬドップラセンサが、物体の速度及び／又は距離を検出するように構成されている、ドップラ駆動制御及び評価素子と接続されている。有利には、この装置を用いて、種々の物体に応じて所定の角度範囲を走査することができる。有利には、この装置は、非常にエネルギ効率が良好である。

本発明の一つの有利な構成では、ＶＣＳＥＬドップラセンサが、レーザ及びフォトダイオードを有しており、これらのレーザ及びフォトダイオードは、モノリシックに集積されている。有利には、この構成は、非常に小型且つ廉価である。

本発明の一つの有利な構成では、ＶＣＳＥＬドップラセンサが、外部キャビティを備えたレーザ、即ち、ＶｅＣＳＥＬを有している。

本発明の一つの有利な構成では、装置が、ＭＥＭＳスキャナと接続されており、且つ、ＭＥＭＳミラーの角度位置を検出するように構成されている、スキャナ駆動制御及び位置検出素子を有している。即ち、有利には、物体の場所を例えば極座標で検出することができる。特に有利には、装置が、ドップラ駆動制御及び評価素子並びにスキャナ駆動制御及び位置検出素子と接続されており、且つ、物体の速度及び／又は距離を時間分解及び角分解して検出するように構成されている、同期ユニットを有している。

有利には、物体が相応に大きい場合であっても、物体を識別するための装置の分解能が相応のものであっても、物体の走査される表面の構造を特定することができる。

本発明の一つの有利な構成では、ＭＥＭＳスキャナが、立体角領域を走査するために、二つの異なる回転軸において偏向可能な一つのＭＥＭＳミラー、又は、異なる回転軸において偏向可能な二つのＭＥＭＳミラーを有している。

有利には、物体又はジェスチャを識別するために、一つ又は複数のレーザビームを用いて、操作面に実質的に平行なスキャンが行われる。このために、例えばＭＥＭＳ技術で実施されている一つ又は複数のマイクロミラーが使用される。本発明によれば、レーザビームが、ドップラセンサの一部であるＶＣＳＥＬ（英語：vertical cavity surface emitting laser＝垂直共振器面発光レーザ）又はＶｅＣＳＥＬ（外部キャビティを備えた垂直共振器面発光レーザ）を用いて形成される。

ＶＣＳＥＬドップラセンサでは、（赤外線）レーザビームがＶＣＳＥＬから放射される。物体がレーザ光の一部（出力の１０^-6まで）を後方散乱させる場合には、光子がＶＣＳＥＬのキャビティへと入力され、そこにおいて、誘導放出の定常波と建設的又は破壊的に重畳される。その結果、出力信号の変化が生じる。ＶＣＳＥＬの出力は、モノリシックに集積されたフォトダイオードによって直接的に測定される。この際、フォトダイオードがＶＣＳＥＬと共に、非常に小型で廉価な構成素子にモノリシックに集積されたものは、非常に小型で廉価な装置である。ＶＣＳＥＬのミラー構造（複数の半導体層から成る多重層）が光透過に対して非常に狭帯域であり、その場合に、周囲光がフィルタリング除去されて、原理上は、固有の放射の、干渉性の光子だけが重畳効果を生じ、それによって非常に高い感度が達成されることも有利である。

散乱性の物体が、レーザに向かって又はレーザから遠ざかるように移動する場合には、出力が発振を開始する（ドップラ効果）。ＶＣＳＥＬドップラセンサの変調モードでは、有利には、速度の他に反射性の表面までの距離も検出することができる。

有利には、ＶＣＳＥＬのガウス状のビーム幾何学形状が、簡単なウェーハレベル視準光学系の使用も可能にする。有利には、ＶＣＳＥＬドップラセンサは高い感度を有している。更に、ＶＣＳＥＬドップラセンサは、バックライト及び温度変動に対して非常にロバストである。従って、本発明に係る装置は、非常に弱い反射光でも十分に機能し、多種多様な周囲条件下において使用することができ、更には、不利な周囲条件下でも使用することができる。

物体を識別するための本発明に係る装置の概略図を示す。物体を識別するための本発明に係る装置の機能原理を示す。

実施例
図１には、物体を識別するための本発明に係る装置の概略図が示されている。視準光学系２を備えているＶＣＳＥＬドップラセンサ１は、レーザビーム１０を、例えばＩＲレーザビームを、ＭＥＭＳスキャナ３へと送出する。ＭＥＭＳスキャナ３は、実質的に、一つ又は複数のＭＥＭＳミラーから構成されており、その位置は、集積された位置検出素子（図示せず）によって測定される。ＭＥＭＳスキャナ３の下流側には、オプションとして、角度拡張光学系４を設けることができる。この角度拡張光学系４は例えばレンズ光学系又は凹状の（例えば円筒状の）ミラー（反射型）として形成することができる。ビームの拡張によって、ミラーのスキャン角度が拡大され、それによって、物体を検出するためのより広範な領域が達成される。選択的に、必要に応じて、ミラー自体も高い振幅で動作させることができる。ＶＣＳＥＬドップラセンサ１は、ドップラ駆動制御及び評価ユニット５と接続されている。ＭＥＭＳスキャナ３は、スキャナ駆動制御及び位置検出ユニット６と接続されている。装置は、任意選択的に、同期ユニット７を有しており、この同期ユニット７は、ドップラ駆動制御及び評価ユニット５並びにスキャナ駆動制御及び位置検出ユニット６と接続されている。これによって、ドップラセンサの評価信号、即ち、検出された物体の速度又は距離並びにミラーモジュール３の対応する角度位置を時間分解して検出することができる。物体の評価された位置信号又はローデータセットを、インタフェース８を介してアプリケーションプロセッサに伝送することができる。上記ユニット５，６及び７を一つの回路素子に集積することもできる。

図２には、物体を識別するための本発明に係る装置の機能原理が示されている。ここでは例示的に１次元のスキャナが示されており、このスキャナは操作面、例えばテーブルの面又は紙面に平行にスキャンを行う。スキャンされる角度範囲２０は、ＭＥＭＳスキャナ３におけるＭＥＭＳミラーの実現可能な偏向範囲によって決定されている。更には、角度α（ｔ）で送出される個々のレーザビーム１０が例示的に示されている。レーザビーム１０は、距離ｄ（α（ｔ））において、物体３０の一番近い反射性表面４０に入射する。物体３０の外側では、バックグラウンド信号が単純に平面として表されている。ドップラスキャナを用いることによって、距離ｄを求めることができる。選択的に、距離ｄの他に、速度ｖも検出することができる。物体の速度の測定が、スキャナ速度に比較して高速に行われる場合には、そのために、スキャナへと向かう物体の運動を測定することができる。物体を識別するためのその種の装置を用いることによって、例えば、操作面上での、又は、その操作面上方の相応に近接して行われる指の運動、単純なジェスチャを検出することができ、また、複雑なジェスチャも検出することができる。物体を識別するための装置は、このために、操作面上に、例えばテーブルの面上に置かれるか、又は、操作面の近傍若しくは操作面の上方に適切に取り付けられる。このことは、スキャナが実質的に操作面に平行に、その操作面に軽く接触するように、又は、操作面の数ｍｍから数ｃｍ上方においてスキャンを行うことによって行われる。

この他に、ＭＥＭＳスキャナ３が二つの異なる回転軸において偏向可能な一つのＭＥＭＳミラー、又は、異なる回転軸において偏向可能な二つのＭＥＭＳミラーを有している、物体を識別するための装置も考えられる。これにより、立体角領域の走査も実現される。

Claims

ＶＣＳＥＬドップラセンサ（１）及びＭＥＭＳスキャナ（３）を備えている、物体を識別するための装置において、
−前記ＭＥＭＳスキャナ（３）は、前記ＶＣＳＥＬドップラセンサ（１）からのレーザビームを用いて、所定の角度範囲を走査するための、少なくとも一つの偏向可能なＭＥＭＳミラーを有しており、
−前記ＶＣＳＥＬドップラセンサ（１）は、物体（３０）の前記速度及び／又は前記距離を検出するように構成されている、ドップラ駆動制御及び評価素子（５）と接続されている、
ことを特徴とする、物体を識別するための装置。
前記ＶＣＳＥＬドップラセンサ（１）は、レーザ及びフォトダイオードを有しており、当該レーザ及び当該フォトダイオードは、モノリシックに集積されている、請求項１に記載の装置。
前記ＶＣＳＥＬドップラセンサ（１）は、外部キャビティを備えたレーザ、即ち、ＶｅＣＳＥＬを有している、請求項１又は２に記載の物体を識別するための装置。
前記装置は、前記ＭＥＭＳスキャナ（３）と接続されており、且つ、前記ＭＥＭＳミラーの角度位置を検出するように構成されている、スキャナ駆動制御及び位置検出素子（６）を有している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の物体を識別するための装置。
前記装置は、前記ドップラ駆動制御及び評価素子（５）並びに前記スキャナ駆動制御及び位置検出素子（６）と接続されており、且つ、前記物体（３０）の前記速度ｖ及び／又は前記距離ｄを時間分解及び角分解して検出するように構成されている、同期ユニット（７）を有している、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の物体を識別するための装置。
前記ＭＥＭＳスキャナ（３）は、立体角領域を走査するための、二つの異なる回転軸において偏向可能な一つのＭＥＭＳミラー、又は、異なる回転軸において偏向可能な二つのＭＥＭＳミラーを有している、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の物体を識別するための装置。