JP5894987B2 - 距離を測定する装置、方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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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