JP5351028B2 - レーザコントローラ - Google Patents

Description

本発明は、レーザ用コントローラに関し、具体的には、レーザへ供給される電力を制御するレーザ用コントローラに関するが、それに限られない。

多くの産業上の及び技術的な研究分野は、目的とする対象の距離及び／又は速度の高速且つ正確な測定を要求する。これらの研究分野には、天候を予測するための暴風経路マッピングと、警察の速度カメラと、無線方向及びレンジング、すなわちＲＡＤＡＲ（Radio Direction and Ranging）とが含まれる。ＲＡＤＡＲは、敵の接近を警告するために軍隊によって使用されている。しかし、また、より一層小さいスケールにおける相対的な距離及び移動の測定に対する要求がある。多くの携帯電話並びに、光学式マウス及び（マウスとは反対に動作する）トラックパッドを含むコンピュータ入力装置は、システムを確実に動作させるために、入力装置の動きを正確に決定する能力に依存する。トラックパッドの場合には、光学装置は固定であり、通常はコンピュータ内に収められている。その場合に、入力装置は、入力装置の筐体の透明な窓越しに指を動かすことによって制御される。この場合に、光学装置は、指の動きを測定するための光学モジュールが小さく作られ得ることから、極めて小さい。しかし、光学装置のスケールが小さくされるに伴って、正確な測定及び電力消費の最小限化に対する要求はより強くなっている。

通常レーザキャビティを具えたダイオードレーザを有する入力装置によって生成されるプロービング（probing）信号は、レンズによって、例えば指等の対象に焦点を合わせられる。この信号は、その後に対象に反射され、レンズによってダイオードレーザ内に入射される。これは、ダイオードレーザのゲイン、ひいては放射される信号に変動をもたらす。

ダイオードレーザと対象との間に相対運動がある場合に、測定レーザビームの方向におけるその運動の成分は、ドップラー効果により、反射信号に周波数変動を引き起こしうる。この反射信号は、レーザキャビティ内の信号に干渉し、出力電力、周波数、レーザライン幅及び閾値ゲインを含む様々なパラメータに変化を引き起こしうる。干渉の結果として、ビート周波数としても知られる、送信周波数と反射周波数との間の差に等しい周波数を有する、これらのパラメータの値の揺らぎが起こる。

このようなビート周波数は、ダイオードレーザに対する対象の速度に比例し、従って、時間にわたって積分することによって、レーザ光の波長が正確に知られているとすると、対象の変位が決定され得る。更に、対象に関して配置される２つのプロービング信号を有することによって、対象の動きは１よりも多い次元でトレースされ得る。

不純物からの光散乱、空中の粒子、振動及び温度を含む様々な要因が、光システムの動作に影響を及ぼしうる。本発明は、測定装置に対する温度の影響が考慮され、レーザ温度の変動が測定信号に影響を及ぼしうるとの原理に基づく。

ダイオードレーザの波長は、ダイオードレーザの温度に依存することが知られている。例えば、１度の温度の変化は、約０．１ナノメートル（ｎｍ）の波長変化を生じさせる。次いでダイオードレーザがオンされると、ダイオードレーザのウォームアップ中にレーザ放射の波長は変化し、このことは周波数変調を生じさせる。このような予め確認することができない、動作とは無関係である周波数変調は、レーザ電流駆動の立ち上がり及び立ち下がりスロープで異なり、従って、測定信号に影響を及ぼしうる。かかる周波数変調は、連続してレーザをオンしたままとすることによって回避されるが、低電力用途では、これは望ましくなく、レーザは必要とされる場合にのみオンされる必要がある。

本発明は、バッテリが再充電又は交換なしに実質的により長時間使用され得るように、低減された電力消費でのレーザの動作を可能にするシステムを提供することを目的とする。本発明のこの観点は、検出器信号を処理する電子回路が信号の振幅の測定を可能にし、この振幅が閾値レベルを超える場合に、これ以上の電流パルスはサイクルに必要とされないという見識に基づく。同様に、最初の数個のパルスの間に信号強度が（例えばスペックル（speckle）に起因して）極めて弱いことが明らかである場合に、極めて長い測定時間が予想されることから、パルスの生成は停止される。このようにして、測定は多数の測定サイクルで実行される。これにより、サイクルの数及び電流パルスの数は、信号強度に従って変更され得る。本発明は、更に、温度が変化する状態で、測定装置に対する対象の動きを確実に且つ正確に測定することを目的とする。

第１の観点から見られる本発明に従って、レーザ光により対象を照射するようレーザを制御するコントローラであって、前記レーザへ電力パルスを供給するよう配置される電源を有し、検出される前記対象から反射されたレーザ光に依存して１又はそれ以上の電力パルスを抑止するコントローラが提供される。

望ましくは、前記コントローラは、前記反射光と前記レーザによって放射される光との間の相互作用によって発生する信号の電力に依存して前記１又はそれ以上の電力パルスを抑止する。

望ましくは、前記相互作用は前記レーザのキャビティ内で起こる。

望ましくは、前記コントローラは、前記信号の電力が第１の閾値を下回るか又は第２の閾値を上回る場合に前記１又はそれ以上の電力パルスを抑止する。

望ましくは、前記電力パルスは、前記レーザの温度を安定させる加熱成分を含む。

望ましくは、前記少なくとも１つの電力パルスは、前記レーザにレーザ放射を発生させる成分を含む。

望ましくは、前記加熱成分は、該加熱成分の振幅及び存続期間を制御するよう、プログラム可能であるコントローラ信号によって制御される。

望ましくは、前記レーザは、無電力インターバル（power-less intervals）が散在する複数の電力パルスを供給される。

望ましくは、前記コントローラは、前記レーザに対する対象の速度及び／又は配置を決定することができる。

望ましくは、前記レーザは、少なくとも１つのレーザ波長を発生させるよう配置される。

望ましくは、前記コントローラは、検出されるレーザ光の複数のパラメータ値を測定し、前記検出されるレーザ光のパラメータ値の相関関係が少なくとも１つの更なるパラメータ値の予測を可能にする場合に１又はそれ以上の電力パルスを抑止する。

第２の観点から見られる本発明に従って、レーザがレーザ光により対象を照射するよう該レーザへ電力パルスを供給するステップと、前記対象から反射されたレーザ光を検出するステップと、検出された前記対象から反射されたレーザ光に依存して１又はそれ以上の電力パルスを抑止するステップとを有するレーザ制御方法が提供される。

望ましくは、前記電力パルスは、前記レーザの温度を安定させる加熱成分を含む。

望ましくは、前記電力パルスは、前記レーザにレーザ放射を発生させる成分を含み、前記温度の安定化は、所定の波長が前記レーザから放射されることを確かにする。

望ましくは、コントローラが、検出されるレーザ光の複数のパラメータ値を測定し、前記検出されるレーザ光のパラメータ値の相関関係が少なくとも１つの更なるパラメータ値の予測を可能にする場合に１又はそれ以上の電力パルスを抑止する。

望ましくは、前記対象から反射されたレーザ光は、前記対象に入射する前記レーザ光とのセルフミキシング（self-mixing）を受ける。

本発明のこれらの及び他の観点は、添付の図面とともに、以下で記載される実施形態から明らかであり、それらを参照して説明される。

コントローラシステムの略システム図である。 パルスタイミング図である。

図１を参照すると、コントローラ７は、パルス発生器１に図２に示されるようなパルスシーケンスを開始させる信号を生成する。パルスシーケンスは、電流源２によって対応する電流シーケンスに変換され、この電流は、次いで、ダイオードレーザ３へ送られる。ダイオードレーザ３は、通常、垂直共振器面発光レーザ（vertical cavity surface emitting laser）、すなわちＶＣＳＥＬを有する。この電流シーケンスは、供給される電流によるダイオードレーザ３の内在する周期的加熱により、ダイオードレーザ３に光出力の対応する周期的変動を作り出させる。ダイオードレーザ３の温度が増大するにつれて、放射されるレーザ光の波長も増大しうる。

ダイオードレーザ３を流れる周期的に変化する電流は、半周期ごとの多数の信号パルス、ひいては、測定される信号での対応する数のパルスを生じさせる。対象８とダイオードレーザ３との間に相対運動がない場合は、信号パルスの数は各半周期において同じである。対象８及びダイオードレーザ３が互いに対して動く場合は、その運動の方向に依存して、第１の半周期でのパルスの数は第２の半周期での数と相違する。更に、第２の半周期の間に測定される信号を第１の半周期で測定される信号と比較することによって、運動の方向も決定され得る。

しかし、レーザ駆動電流の立ち上がりスロープは、プロービング信号の、運動とは無関係の周波数変調を生じさせうる。その周波数変調は、立ち下がりスロープの間のものとは異なり、駆動電流によるダイオードレーザ３の内在する加熱に起因する。このようにして、測定手順が開始される前に、パルス発生器１は、加熱パルス９により開始される予熱セグメントを発生させるよう配置される。コントローラ７は、加熱パルス９の高さ及び幅を制御し、ひいては、測定手順の開始時のダイオードレーザ３の温度が正確な動作のために安定化されることを確かにするようプログラム可能である。

予熱セグメントが適用された後に、入力装置、すなわちダイオードレーザ３と対象８との間の相対運動の方向の決定を可能にするよう、ダイオードレーザ３は、立ち上がりスロープ１０及び立ち下がりスロープ１１を有する周期的に変化する電流を供給される。駆動レーザ電流の第１の半周期の間に、発生したレーザ信号の波長は増大する。測定装置から離れる相対運動の場合に、レーザキャビティに再入射する信号の波長は増大し、これにより、レーザキャビティ内の信号の周波数と、対象８からの反射に続いてレーザキャビティに再入射する信号の周波数との間の差は、相対運動がない場合よりも低い。このようにして、関連するビート周波数は、相対運動がない場合よりも低い。

駆動レーザ電流の第２の半周期の間、レーザ温度及び発生する信号の波長は減少し、関連するビート周波数は、ダイオードレーザ３から離れる相対運動について増大する。

このようにして、ダイオードレーザ３から離れる対象８の相対運動について、最初の半周期でのビート周波数は、第２の半周期のビート周波数より小さい。反対に、ダイオードレーザ３に向かう対象８の相対運動について、第１の半周期でのビート周波数は、第２の半周期のビート周波数より大きい。このようにして、このビート周波数を測定することによって、対象８の速度及びダイオードレーザ３に対する変位は決定され得る。更に、レーザ温度のプリセットは、ダイオードレーザ３によって放射される信号の波長、ひいては、計算される速度及び変位が正確に知られることを確かにする。

無電流インターバル（current-less intervals）が散在するダイオードレーザ３への電流のパルスの供給は、パルスの連続供給とは対照的に、ダイオードレーザ３の電力消費を低減することが認められ、結果として、再充電又は交換を伴わずにより長いバッテリ寿命をもたらす。

図１を参照すると、対象に入射するレーザパルスは、セルフミキシングとして知られる処理において、レーザキャビティ内で、目的とする対象８から反射されたパルスと相互に作用する。セルフミキシングをなされた信号は、フォトダイオード４を用いて測定され、増幅器５により増幅され、次いで、フィルタ６を用いてフィルタをかけられる。次いで、コントローラ７は、信号の電力及び対応する標準偏差を計算する。それらの計算結果のうちの標準偏差が極めて小さい場合は、それらの測定値の間の相関関係が次なる結果を予測するために使用され得る。この方法における測定値の推定は、対象をモニタするために必要とされる送信レーザパルスの数を減らし、ひいては、ダイオードレーザ３の消費電力を低減する。

しかし、周期における最初の組の電力パルスからの電力が第１の閾値を下回る場合は、その周期は、十分な電力を得るための極めて長い予想測定時間のために中断される。次いで、コントローラ７は、時が来れば、新たな周期を開始する。第１の組の電力パルスからの電力が第２の閾値を上回る場合は、その後の電力パルスは、十分な電力が既に得られているので中断され得る。

更に、対象８から反射されるレーザ電力は、スペックル変動によりその位置に従って変化し、このような電力変動は、実際に正確な変位値を決定することなく、変位アクティヴィティを決定することにおいて代替として使用され得る。

その動作が信頼できる結果を生じさせる環境下でのみのダイオードレーザ３のこのような選択的な動作は、ダイオードレーザ３が不必要にバッテリ電力を消費しないことを確かにする。この処理は、電力を最適化し、より電力効率の良い装置を提供する。

留意すべきは、上記実施形態は、本発明を限定しているのではなく説明しているのであり、当業者は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の適用範囲を逸脱することなく多数の代替の実施形態を設計することができる点である。特許請求の範囲で、括弧内の如何なる参照符号も、特許請求の範囲を限定するよう解されるべきではない。語“有する（comprising、comprises等）”は、いずれかの請求項又は明細書全体に挙げられている以外の要素又はステップの存在を除外しない。要素の単一参照は、このような要素の複数参照を除外せず、またその逆も同様である。本発明は、幾つかの専用の要素を有するハードウェアによって、及び適切にプログラムされたコンピュータによって実施され得る。幾つかの手段を列挙する装置クレームで、それらの手段の幾つかは、ハードウェアの同一のアイテムによって具現され得る。ある手段が相互に異なる従属請求項で挙げられている単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用され得ないことを示しているわけではない。

Claims (12)

1. セルフミキシングを利用してレーザーに対する相対的な対象の移動を測定するために、レーザ光により前記対象を照射するよう前記レーザを制御するコントローラであって、
   測定サイクルの間、前記レーザへ立ち上がりスロープ及び立ち下がりスロープが交互に起こる電力パルスを供給するよう配置される電源を有し、
   前記対象から反射されるレーザ光と前記レーザから発せられるレーザ光との間の相互作用によって発生する信号の電力が第１の閾値を下回るか又は第２の閾値を上回る場合に、前記電力パルスの供給を中断し、
   前記第２の閾値は、前記第１の閾値よりも大きく
   前記電源は、前記測定サイクルの開始時に、前記レーザの温度を安定させる加熱パルスを挿入する、
   コントローラ。
2. 前記相互作用は前記レーザのキャビティ内で起こる、請求項１記載のコントローラ。
3. 前記電力パルスは、前記レーザにレーザ放射を発生させる、請求項１記載のコントローラ。
4. 前記加熱パルスは、該加熱パルスの振幅及び存続期間を制御するよう、プログラム可能であるコントローラ信号によって制御される、請求項１記載のコントローラ。
5. 無電力インターバルが散在する、請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のコントローラ。
6. 前記レーザに対する対象の速度及び／又は配置を決定することができる、請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のコントローラ。
7. 前記レーザは、少なくとも１つのレーザ波長を発生させるよう配置される、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のコントローラ。
8. 検出されるレーザ光の複数のパラメータ値を測定し、前記検出されるレーザ光のパラメータ値の相関関係が少なくとも１つの更なるパラメータ値の予測を可能にする場合に前記電力パルスの供給を中断する、請求項１記載のコントローラ。
9. セルフミキシングを利用してレーザーに対する相対的な対象の移動を測定するレーザー制御方法であって、
   測定サイクル間、前記レーザがレーザ光により前記対象を照射するよう該レーザへ立ち上がりスロープ及び立ち下がりスロープが交互に起こる電力パルスを供給するステップと、
   前記対象から反射されたレーザ光を検出するステップと、
   前記対象から反射されるレーザ光と前記レーザから発せられるレーザ光との間の相互作用によって発生する信号の電力が第１の閾値を下回るか又は第２の閾値を上回る場合に、前記電力パルスの供給を中断するステップと、
   前記測定サイクルの開始時に、前記レーザの温度を安定させる加熱パルスを挿入するステップと、を有し
   前記第２の閾値は、前記第１の閾値よりも大きい、
   レーザ制御方法。
10. 前記電力パルスは、前記レーザにレーザ放射を発生させ、
    前記温度の安定化は、所定の波長が前記レーザから放射されることを確かにする、請求項９ 記載のレーザ制御方法。
11. 検出されるレーザ光の複数のパラメータ値を測定するステップを更に有し、前記検出されるレーザ光のパラメータ値の相関関係が少なくとも１つの更なるパラメータ値の予測を可能にする場合に前記電力パルスの供給を中断する、請求項９記載のレーザ制御方法。
12. 前記対象から反射されたレーザ光は、前記対象に入射する前記レーザ光とのセルフミキシングを受ける、請求項９乃至１１のうちいずれか一項記載のレーザ制御方法。

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