KR101731273B1

KR101731273B1 - 모션을 검출하는 방법 및 디바이스

Info

Publication number: KR101731273B1
Application number: KR1020117025699A
Authority: KR
Inventors: 마르셀 씨. 슈만; 크리스티안 엔. 프레수라; 카르스텐 하인크스; 아타나스 펜트쉐브
Original assignee: 코닌클리케 필립스 엔.브이.
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2017-05-11
Also published as: KR20120006521A; CA2757043C; EP2414917A1; CN102378953B; EP2414917B1; US20120092675A1; CN102378953A; CA2757043A1; WO2010113076A1; JP2012522304A; US9013709B2; JP5706873B2

Abstract

물체(4)의 모션 방향을 검출하는 방법은, 열적 응답 주파수(fr)를 갖는 반도체 레이저(2)를 이용하여 레이저 출력 광(L1)이 생성되는 단계; 레이저 출력 광의 파장을 삼각 변조하기 위해서, 상기 레이저가 상기 열적 응답 주파수(fr)보다 높고, 바람직하게는 상기 열적 응답 주파수(fr)의 두 배보다 높은 변조 주파수를 갖는 구형 변조된 DC 전류(I)로 구동되는 단계; 레이저 출력 광이 물체로 지향되는 단계; 반사된 광(L3)의 일부가 상기 레이저 내에서 광(L0)과 간섭하도록 허용되는 단계; 레이저 광의 일부가 측정 빔(5)으로서 이용되는 단계; 물체(4)의 움직임의 방향을 결정하기 위해서, 변조된 레이저 전류와 관련하여 측정 빔(5)의 주파수 스펙트럼이 분석되는 단계를 포함한다.

Description

모션을 검출하는 방법 및 디바이스{METHOD AND DEVICE FOR DETECTING MOTION}

본 발명은 일반적으로 센서에 대한 물체의 움직임 또는 역으로 물체에 대한 센서의 움직임을 검출하는 방법에 관한 것이다. 특정 애플리케이션에서, 센서는 컴퓨터용 사용자 입력 디바이스 등에 연관되며, 본 발명은 이 애플리케이션에 대하여 구체적으로 설명되지만, 본 발명은 이러한 애플리케이션에 한정되지 않는 것을 의도로 한다.

도 1은 레이저 디바이스(2)를 포함하는 광학 컴퓨터 마우스(1)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 레이저 디바이스는 알려진 바와 같이 반도체 레이저로서 구현된다. 마우스는 표면(4), 예를 들면 데스크톱 상에서 움직인다. 간략화를 위해서 도시되지 않은 전원으로부터, 레이저 디바이스(2)는 전기 전류를 수신하고, 결과적으로 레이저(2)가 임의 파장을 갖는 레이저빔(3)을 방사하고 이 빔은 표면(4)에 의해서 반사된다. 레이저 광의 일부가 레이저를 향해서 반사되어 되돌아 온다. 반사된 레이저 광으로부터, 표면에 대한 마우스(1)의 움직임의 속도를 나타내는 신호를 유도하는 것이 가능하다.

도 2는 측정 원리를 나타내는 개략도를 나타낸 도면이다. 레이저(2)는 반투명 프론트 미러(11)와 반투명 리어 미러(12)를 포함하고, 상기 두 미러들 사이에 레이저 매체(13)(반도체 몸체)를 구비하고 있다. 미러(11, 12)들은 2차원 구조들로서 도시되어 있지만, 실제로 미러(11, 12)들은 층 구조를 갖는 것으로 알려져 있다.

레이저 매체(13) 내의 레이저 광은 메인 레이저 광(L0)으로서 나타나 있다. 레이저 광의 일부는 프론트 미러(11)를 통과하여 출력 빔(3)을 형성하며; 이 광은 또한 L1으로 나타나 있다. 마찬가지로, 레이저 광의 일부는 리어 미러(12)를 통과하여 측정 빔(5)을 형성하고; 이 광은 또한 L2로 나타나 있다.

물체(4)는 확산 특성들을 갖는 외부 미러를 구성하여 들어오는 빔(L1)을 반사하는 것으로 상정될 수 있고; 이는 반사된 빔(L3)으로서 나타나 있다. 도면에서, 반사된 빔(L3)은 들어오는 빔(L1)과 각을 이루는 일차원 빔이 되는 것으로 도시되어 있지만, 실제로 반사된 빔(L3)은 임의 공간 분포를 가지며, 이 반사된 빔(L3)의 일부는 프론트 미러(11)를 향해 지향된다. 따라서, 물체(4)는 프론트 미러(11)와 함께 외부 공동(cavity)을 정의하는 것으로서 상정될 수 있다.

조건들이 변하지 않는 상태 하에서, 레이저 매체(13) 내의 광(L0)은 정상파(standing wave)를 형성한다. 마찬가지로, 외부 공동의 광(L1 및 L3)은 프론트 미러(11)를 통해 레이저 매체(13) 내에서 광(L0)과 간섭하는 정상파를 형성한다. 측정 빔(5)은 일정한 강도(intensity)를 갖는다.

물체(4)가 레이저(2)로부터 벗어나 움직이는 것을 가정한다. 이는 프론트 미러(11)와 물체(4) 사이의 간섭 공동(interference cavity)의 길이가 증가하는 것을 의미하며, 즉 프론트 미러(11)와 물체(4) 사이에 맞는 정상파의 수가 증가하는 것을 의미한다. 결과적으로, 프론트 미러(11)의 위치에서의 간섭 상태는 완전히 보강적인 것으로부터 완전히 상쇄적인 것으로 그리고 역으로 변경된다. 이는 측정 빔(5)의 광(L5)의 강도에 결국 영향을 미치는, 레이저 매체(13)의 간섭 상태에 영향을 미친다. 결과적으로, 이 광(L5)은 레이저(2)에 대한, 즉 광학 축을 따르는 성분에 대한 물체(4)의 움직임의 속도에 비례하는 주파수(fD)로 강도 변동을 갖는다. 측정 빔(5)이 광학 센서에 의해서 검출될 수 있고, 그 출력 신호는 이들 강도 변동을 처리하여 이들로부터 물체 속도를 산출하도록 신호 처리기에 의해서 처리될 수 있는 것이 명백해졌다. 상기 주파수(fD)는 도플러 주파수인 것이 주목된다.

이 점에 있어서의 문제는 물체가 광학 검출기로 향하거나 이로부터 멀어지는 것에 관계없이 동일한 해석이 적용된다는 것이다. 다시 말하면, 상술한 바와 같이 이루어진 간단한 측정으로는 움직임 방향을 결정하는 것이 불가능하다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 레이저에 삼각 변조된 레이저 전류(laser current)를 공급함으로써 이 문제를 해결하는 것이 이미 제안되어 있다. 레이저 전류는 동일한 부호(sign)를 갖는 두 개의 극값(extreme value)(I1과 I2) 사이에서 선형 방식으로 변화된다. 전류 주기의 절반 동안, 레이저 전류(I)는 I1로부터 I2로 증가하고, 변경 속도 R1 = dI/dt는 거의 일정하다. 전류 주기의 나머지 절반 동안, 레이저 전류(I)는 I2로부터 I1으로 감소하고, 변화 속도 R2 = dI/dt는 거의 일정하고, 전형적으로 R2 = -R1이다. 레이저 전류의 증가/감소는 (도 3의 (b)에 도시된 바와 같이) 레이저 온도의 증가/감소를 일으키고, 이는 (도 3의 (c)에 도시된 바와 같이) 거의 일정한 변경 속도 dλ/dt로 레이저 광의 파장의 증가/감소를 일으키며, 여기서 λ는 레이저 파장을 나타낸다. 결과적으로 다음과 같이 설명할 수 있다. 물체가 레이저로부터 벗어나 움직이는 것으로 가정하면, 프론트 미러(11)와 물체(4) 사이의 간섭 공동의 길이가 증가한다. 전류 크기 및 이에 따른 레이저 파장이 또한 증가하면, 측정 광(L5)의 강도 변동의 주파수가 감소되며, 이는 도 3의 (d)의 주파수 스펙트럼에서 피크(f1)로 나타나 있다. 감소된 주파수는 D/λ가 일정하게 유지되면 0이 될 수 있으며, 여기서 D는 프론트 미러(11)와 물체(4) 사이의 거리를 나타낸다. 역으로, 레이저 파장이 감소하면, 측정 광(L5)의 강도 변동의 주파수가 증가하며, 이는 도 3의 (b)의 주파수 스펙트럼에서 피크(f2)로 나타나 있다. 시프트(shift) |fD-f1|이 시프트 |fD-f2|와 동일하다는 것에 주목된다. 따라서 측정 광(L5)의 강도 변동의 스펙트럼은 도 3의 (b)에 개략적으로 나타나 있는 바와 같이 두 개의 피크(f1 및 f2)를 나타낸다. 한편 물체가 레이저로 향하여 움직이면, 두 개의 주파수 피크를 갖는 주파수 스펙트럼이 다시 획득되지만, 이제는 전류 크기가 감소하는 주기 동안 낮은 주파수가 획득된다. 이 정보는 적절하게 프로그램된 신호 처리기에 의해서 상대적으로 용이하게 측정 신호로부터 유도될 수 있다는 것이 명백하다.

더 자세한 설명을 위해서는, 그 내용이 여기에 참조로 포함된 미국 특허 제7,339,683호를 참조한다.

종래 기술의 방법의 하나의 문제는 삼각 변조기가 요구되는 사실과 관련된다. 따라서, 본 발명의 목적은 삼각 신호용 발생기가 필요 없이 모션의 방향을 검출할 수 있는 방법 및 디바이스를 제공하는 것이다.

종래 기술의 다른 문제는 종래 기술의 방법에 기초가 되는 물리학에 관련된 근본적인 문제이다. 상술한 바와 같이 레이저 광의 파장 시프트는 레이저의 열적 특성에 의해서 일어나고, 다시 말하면 전류 크기에서의 변화에 대한 응답으로서 나타나는 온도 시프트에 의해서 일어난다. 몸체의 열적 응답은 비교적 느린 프로세스이고, 이는 적용될 수 있는 전류 상승 속도 및 전류 주파수에 한계(boundary)를 주고, 주파수가 너무 높으면, 레이저 온도 및 이에 따른 파장이 전류를 따라갈 수 없다. 이는 신뢰성있게 측정될 수 있는 속도에 제한을 두게 한다. 종래의 이러한 상태에 따르면, 전류 주파수는 실질적인 예에서 측정될 수 있는 속도의 상한으로서 약 30 cm/sec에 대응하는 약 40 kHz보다 많이 높지 않아야 한다. 본 발명의 또 다른 목적은 더 높은 속도를 측정할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 중요 양태에 따르면, 레이저 전류는 레이저의 열적 응답 주파수보다 높은 주파수에서 구형파(square wave) 또는 블록 신호(block signal)로 변조된다. 전형적으로, 주파수는 대략 100 kHz 정도 이상이 된다. 레이저의 열적 응답은 구형파 전류 신호를 따라갈 수 없고 삼각파에 근접한다. 구형파 신호의 변조는 간단한 스위치에 의해서 용이하게 구현될 수 있다.

더 바람직한 것들은 종속 청구항에서 언급하고 있다.

본 발명의 이들 및 다른 예들, 특징들 및 이점들은 동일 또는 유사한 부분에 동일한 참조 번호들로 나타낸 도면들을 참조하여 하나 이상의 바람직한 실시예들의 이하 설명에 의해서 더 설명된다.
도 1은 표면에 대한 마우스의 움직임을 검출하는 레이저 검출기를 구비한 광학 컴퓨터 마우스를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 레이저 움직임 검출기에 기초가 되는 측정 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)는 삼각 변조된 레이저 전류를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3의 (b)는 변조된 레이저 전류에 의해서 야기되는 레이저 온도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3의 (c)는 변조된 레이저 온도에 따른 레이저 파장을 개략으로 나타낸 도면이다.
도 3의 (d)는 움직임의 경우에 레이저 검출기 출력 신호의 주파수 스펙트럼을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 레이저 전류의 계단 모양 변화에 따른 레이저 온도의 응답을 나타낸 그래프이다.
도 5는 움직임 검출기의 몇몇 구성 요소를 나타낸 블록도이다.
도 6의 (a)는 구형 변조된 DC 전류를 나타낸 그래프이다.
도 6의 (b)는 레이저의 열적 응답을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (c)는 측정 신호를 나타낸 그래프이다.
도 7은 직교 복조기(quadrature demodulator)를 개략적으로 나타낸 블록도이다.

설계와 관련하여, 움직임 검출기(1)는 종래의 상태와 동일한 방식으로 구현될 수 있고, 따라서, 도 1은 또한 본 발명에 따른 마우스로서 구현되는 광학 움직임 검출기(1)를 나타내는 것으로 상정될 수 있고, 도 1을 참조한 상기 설명은 다시 읽을 수 있기 때문에 반복하여 기재하지 않는다.

마찬가지로, 도 2에 도시되고 도 2에 대하여 설명된 측정 원리는 또한 본 발명에 따른 움직임 검출기의 경우에 적용된다.

도 4는 레이저 전류(I)(곡선 41)의 계단 모양 변화에 따른 레이저 온도(T)(곡선 42)의 응답을 나타낸 그래프이다. 단차 시간(ts) 전에, 레이저 전류가 I1인 경우, 레이저는 제1 온도(T1)에서 열적 평형 상태에 있다. 단차 시간(ts)에서, 레이저 전류는 값 I2가 되고, 그 결과로서 레이저 온도가 제2 온도(T2)에 점근적으로(asymptotically) 근접하게 된다. 항상 적어도 양호한 근사(approximation)에서, 온도 변화 속도 R_T = dT/dt는 거리 |T2-T|에 비례한다. 응답의 제1 스테이지 동안, 온도 변화 속도 R_T는 일정한 것으로 근사화될 수 있다.

열적 응답 시간(τr)은 제1 온도(T1)로부터 제2 온도(T2)로 되기 위해서 레이저에 의해 요구되는 시간을 반영하여 정의된다. 이 열적 응답 시간(τr)은 각종 방식으로 정의될 수 있다. 본 발명에서, 열적 응답 시간(τr)은 온도 단차 |T2-T1|에 0.63(더 정확하게: 1-exp(-1))배 "진행"하는데 레이저에 의해서 요구되는 시간으로서 정의된다. 임의 경우에, 열적 응답 시간(τr)은 레이저(2)의 물리적인 특성이다. 실제의 경우에, 열적 응답 시간(τr)은 약 0.7 μsec 정도일 수 있다.

열적 응답 시간(τr)에 기초하여, 열적 응답 주파수(fr)는 fr = 1/(2π·τr)로서 정의되고, 이는 물론 레이저(2)의 물리적인 특성이다.

도 5는 움직임 검출기(1)의 일부 구성 요소들을 나타낸 블록도이다. 레이저(2)는 제어기(52)에 의해서 제어되는 제어가능한 소스인 레이저 전류원(51)으로부터 공급된다. 측정 빔(5)은 그의 출력 신호를 제어기(52)에 제공하는 광 검출기(55)에 의해서 수신된다.

본 발명에 따르면, 제어기(52)는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 구형파 DC 전류 또는 구형 변조된 DC 전류로서 정의된 레이저 전류(I)를 생성하도록 레이저 전류원(51)을 제어한다. 전류는 항상 동일한 부호를 가지며 도 6의 (a)에서는 포지티브를 취하고 있다. 레이저 전류(I)는 I1 및 I2로서 표시되는 두 개의 값을 취할 수 있다. 전류 주기 중 절반 동안, 레이저 전류는 I1과 동일하다. 전류 주기의 나머지 절반 동안, 레이저 전류는 I2와 동일하다. 전형적으로, 양쪽 전류 주기 절반은 동일한 기간을 갖는다. I1로부터 I2로의 천이(transition)는 단차 천이이고, 즉, 단차의 기간이 무시될 수 있으며, I2로부터 I1로의 천이에 대하여도 동일하게 적용된다. 이 전류 파형은, 일정한 전류 크기 I0보다 작은 진폭 A = 0.5*(I2-I1)을 갖는 구형파 AC 전류로 변조된 크기 I0 = I1 + 0.5*(I2-I1)의 일정한 전류로서 기술될 수 있다. 이 전류 파형은 실질적으로 일정한 전류 및 AC 구형파 전류를 생성하고, 이들 두 개의 전류들을 함께 더함으로써 생성되거나, 또는 전류원에 의해서 발생된 전류의 전류 크기를 제어함으로써 생성될 수 있는 것이 주목된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 전류 주기의 절반의 기간은 레이저의 열적 응답 시간(τr)보다 짧다. 달리 말하면, 변조 주파수는 열적 응답 주파수(fr)보다 높고, 바람직하게는, 변조 주파수가 열적 응답 주파수(fr)의 두 배보다 높다. 전형적으로, 변조 주파수는 대략 1 MHz 정도 이상이 될 수 있다.

결과로서, 도 4를 참조하여 상술한 바와 같이, 레이저 온도의 열적 응답은 단차 응답의 제1 스테이지 동안의 응답이 되고, 즉 적어도 양호한 근사값(approximation)에서 변화 속도(R_T)가 실질적으로 일정한 실질적으로 선형인 온도 변화가 되고, 이 근사는 변조 주파수가 높을수록 더 좋아진다. 다시 말하면, 레이저 온도는 도 6의 (b)를 참조하면 삼각 변조를 나타낸다. 이제 당해 분야에서 숙련된 자에게 레이저 파장은 또한 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 삼각 변조를 나타낸다는 것이 명백해졌다. 따라서, 광 검출기(55)의 출력 신호는 종래 기술에서 획득된 신호와 동일한 신호가 되고, 적어도 유사한 주파수 스펙트럼을 가지며, 종래 기술에서와 동일한 방식으로 처리될 수 있어, 더 상세한 설명은 여기에서는 필요하지 않다.

제어기(52)는 물체(4)의 움직임의 방향을 결정하기 위해서 레이저 전류(I)의 순간 크기 I1; I2와 관련하여 검출된 광(L2)의 주파수 스펙트럼을 분석하도록 설계되어 있다. 변조 주기보다 작은 시간 크기에서, 이 주파수 스펙트럼은 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이 낮은 주파수(f1) 또는 높은 주파수(f2)에서 피크를 나타낸다. 제어기가, 순간 전류 크기가 높은 값 I2인 경우 주파수 스펙트럼은 낮은 주파수(f1)에서 피크를 나타내고, 순간 전류 크기가 낮은 값 I1인 경우 주파수 스펙트럼은 높은 주파수(f2)에서 피크를 나타내는 것을 발견하면, 제어기는 물체(4)가 레이저로부터 벗어나 움직이는 것으로 판정한다. 역으로, 제어기가, 순간 전류 크기가 낮은 값 I1인 경우 주파수 스펙트럼이 낮은 주파수(f1)에서 피크를 나타내고, 순간 전류 크기가 높은 값 I2인 경우 주파수 스펙트럼이 높은 주파수(f2)에서 피크를 나타내는 것을 발견하면, 제어기는 물체(4)가 레이저로 향해서 움직이는 것으로 판정한다.

검출기(55)는 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 순간 값이 주파수 피크의 주파수를 나타내는 신호(Sm)를 생성할 수 있다. 제어기(52)는 이러한 신호를 유도하는 것이 또한 가능하다. 신호(Sm)의 높은 값이 높은 주파수(f2)를 갖는 주파수 피크에 대응하고, 이진 신호(Sm)의 낮은 값이 낮은 값(f1)을 갖는 주파수 피크에 대응하는 것으로 가정한다. 신호(Sm)는 이진 신호로서 "1"은 f2를 나타내고 "0"은 f1을 나타내는 것도 가능하다. 이 경우에, 레이저 전류와 실질적으로 동일한 위상에 있는 측정 신호(Sm)는 물체(4)가 레이저로 향해서 움직이고 있는 것을 나타내고, 레이저 전류와 실질적으로 180°의 위상 차이가 있는 측정 신호(Sm)는 물체(4)가 레이저로부터 벗어나 움직이는 것을 나타낸다.

높은 변조 주파수의 결과로서, 레이저 온도의 변조 깊이, 즉 |T2-T1|은 비교적 작을 것이다. 이것이 문제가 있는 것으로 판명되면, 레이저 전류의 변조 깊이, 즉 |I2-I1|을 증가시킴으로써 레이저 온도의 변조 깊이를 증가시키는 것이 가능하다. 이것이 바람직하지 않으면, 종래 기술에서 구현된 기술에 비해서 감도(sensitive)가 더 좋은 다른 신호 처리 기술을 구현하는 것도 또한 가능하다. 이러한 다른 신호 처리 기술의 예는 직교 복조이며, 이는 직교 복조가 또한 소망에 따라 종래 시스템에 적용될 있다는 것이 주목된다.

전형적인 직교 복조기(70)는 도 7에 도시되어 있다. 입력 신호 Input(t)는 두 개의 믹서(mixer)(71 및 72)에 제공되어, 각 입력 신호에 제2 및 제3 신호(S2 및 S3)를 각각 곱한다. 제2 및 제3 신호들은 통상적으로 국부 소스(local source)(도시 생략)에 의해서 생성되고, 이 국부 소스는 cos(-wm*t)로서 방사 주파수(radial frequency)(-wm)의 주파수와 sin(-wm*t)로서 90도 위상 시프트된 버전을 제공한다. 믹서들의 출력은 종종(그러나 필요 없는 경우도 있음) 믹싱 처리시 원하지 않는 이미지들을 거부하기 위해서 필터(73 및 74)에 의해서 각각 필터링된다. 이는 결과적으로 동 위상(in-phase) 신호(I(t))와 직교 신호(Q(t))가 된다. 이 처리는 (예를 들면 필터가 사용되지 않는 경우) 복소 표기(complex notation)로 편리하게 설명한다.

따라서, 실수 입력 신호는 복소수 출력 신호로 변환된다. 가장 실제적인 애플리케이션들에서, 입력 신호 Input(t)는,

의 형태이다.

여기서 wm은 캐리어 파장 주파수이고, A(t)는 진폭 포락선(amplitude envelope)이고, f(t)는 신호 위상이고, 여기서 통상적으로 df/dt<<wm이다. 이 경우에서의 정보 전달 신호는 복소수 신호

이다. 따라서, 복조기의 출력 신호는,

가 된다.

이는 2*wm에 집중된 고주파수 신호를 더한 (인수 0.5로부터 벗어난) 본래 입력 신호이다. 통상적으로, 도시된 바와 같이 필터는 2*wm에 집중된 신호들과 같은 원하지 않는 신호들을 거부하는데 이용된다. 이는 결과적으로 출력 신호가,

로 되게 한다.

따라서, 실수 신호만을 송신하는 채널을 통해 송신된 경우에도, 본래 복소수 입력 신호가 복구된다.

자기 믹싱(selfmixing) 센서 출력 신호는 검출기 출력이 실수 신호인 점에서 유사한 신호이고, 레이저 자기 믹싱을 일으키는 레이저 공동으로 피드백하는 광 피드백 신호는 진폭과 위상 둘 다를 갖는다. 피드백 신호의 진폭은 분산 미러(scattering mirror)의 특성들에 의존하고, 레이저 출력의 위상에 대한 이 신호의 위상은 분산 미러에 대한 거리, 그의 반사 위상 및 레이저 파장에 의존한다. 이는 공식으로 기술된다.

여기서 L(t)는 분산 미러에 대한 왕복 길이(거리의 두 배)이다. v(t)는 레이저 빔의 방향에서의 물체 속력이다. A(t)는 물체가 움직임에 따라 레이저로 되돌아가는 분산 미러의 시변 반사성(time varying reflectivity)이다. r(t)는 시변 미러 반사 위상이다. lambda(t)는 시변 레이저 파장이고, 여기서 변화는 파장 그 자체보다 매우 작아서,

로 매우 양호한 근사가 되고, 여기서 Id0은 평균 파장이고, dld(t)는 파장 변화이다. 따라서, 우리는

를 얻는다.

v*t<<L0인 경우, 즉, 짧은 측정 간격 또는 측정될 레이저 빔과 분산 미러 표면 사이의 거의 일정한 거리로서, 여기서 표면에 입사된 레이저 빔이 90도 이외에 표면과 각을 가지며, 표면이 레이저 빔의 방향으로 속도 성분 v를 갖는 경우, 이 것은

로 단순화된다.

여기서, r'(t)는 일정한(상수) 인자

를 포함하고, Nr은 왕복 길이

에서 광학 주기의 수이다. v의 부호는 지수에서 위상 항목을 간단하게 분석하여 dld(t)를 알아냄으로써 이 피드백 신호에서 검출될 수 있음을 주목한다. 그러나, 검출기 신호는 복소수 신호가 아니며 따라서 v의 부호의 복구가 더 어려워진다.

직교 복조기에의 자기 믹싱 검출기 신호는,

의 형태이다.

여기서, r"(t)는 피드백 신호 위상과 자기 믹싱 검출기 신호 위상 사이의 고정된 위상 오프셋을 포함하는 r'(t)이다. 파장 변조에 기인하는 위상 변조는:

이다.

이 신호는 직교 복조에 제공되고, 여기서 직교 복조 국부 신호들:

cos(-wm*t) 및 sin(-wm*t)는 cos(-p(t)) 및 sin(-p(t))로서 선택된다.

레이저 파장의 삼각 변조에 대하여, 레이저 전류의 구형파 변조로 획득되는 것은

-wm = dp(t)/dt

를 선택하는 것과 동일하다.

여기서, dp/dt는 변조 세그먼트 당 구분 상수(piece-wise constant per modulation segment)이다. 따라서, 변조된 신호 출력은,

의 형태이다.

여기서,

로서 원하는 자기 믹싱 신호 위상이고, A(t)는 원하는 자기 믹싱 신호 진폭이다. r"(t)는 확산 미러 반사에서의 반점(speckle)에 기인하여 느린 랜덤 변화를 갖는 자기 믹싱 신호 검출 위상이다. 속력 v는 도플러 주파수

인 각 주파수

를 부여한다. 따라서, 출력 신호는 복소수 자기 믹싱 신호의 상세를 포함하지만, 이는 또한 p(t)를 포함하는 원하지 않는 성분을 포함한다.

p(t)를 포함한 성분을 분리하는 직접적인 방법은 0과 N*pi 사이의 삼각 형태(구형파 레이저 변조로 획득된 바와 같이)의 그리고 고주파수(여기서 N은 1 이상의 정수)의 p(t)를 선택하는 것이다. 그러면, exp(2i*p(t))가 제로 평균을 가지게 되고, 느리게 변화하는 f(t)에 대하여 원하지 않는 신호 성분이 간단한 저역 통과 필터에 의해서 억제된다. 구형파 레이저 변조가 성분을 A(t):

에 더하는 것이 주목된다.

여기에서, As(t)는 교란되지 않은(unperturbed) 자기 믹싱 신호 진폭이고, m(t)는 구형파이고, 이때 |m(t)| << 1이다. m(t)에 대한 높은 변조 속도 때문에, 이 성분이 저역 통과 필터에 의해서 용이하게 거부된다.

복소수 출력 신호는 (포지티브와 네거티브 주파수 사이에서 구별할 수 없는 실수 푸리에 변환과 달리) 포지티브와 네거티브 주파수들을 구별하여 검출할 수 있는 복소수 푸리에 변환에 제공될 수 있다. 이 때문에, 속력 v의 포지티브와 네거티브 값들 사이가 구별될 수 있다. 심지어 필터링되지 않은 출력 신호가 복소수 푸리에 변환에 제공될 수 있다. 이 경우에, p(t)와 m(t)에 기인한 원하지 않는 신호 생성은 통상적으로 도플러 주파수(fd)와 상이한 주파수들에서 스펙트럼 피크를 나타나게 하고, 이 주파수들은 공지된 주파수(m(t) 및 그 고조파 등)이고 항목 p(t)에 기인하는 주파수(fd)에서의 신호의 위상 변조와 같은 fd에 대한 관련성이 알려져 있다. 예를 들면, 사인 곡선 위상 변조 p(t)에 대하여, fd 주변의 스펙트럼은 공지된 베셀 시리즈(Bessel-series)에 의해서 기술된다. 따라서, 복소수 푸리에 변환으로부터의 결과적인 스펙트럼은 fd가 m(t)의 주파수보다 크거나 동일 차수의 크기의 높은 값을 갖는 경우에도 주파수(fd)를 판정하기 위해 분석될 수 있다.

일부 경우에서, 예를 들면 m(t)의 주파수와 도플러 주파수(fd)가 일치하는 경우에 스펙트럼 분석이 곤란해질 수 있고, 따라서, 측정 시스템은 상이한 속력 범위들을 지원할 수 있도록 속력의 함수로서 m(t)의 주파수를 적용할 수 있다. m(t)의 주파수가 변경됨에 따라, m(t)의 진폭은 파장 변조의 진폭 및 이에 따른 p(t)의 진폭이 레이저의 열적 응답 시간 상수에 기인하여 유지되는 경우에 변경될 필요가 있다. 이는 스펙트럼의 처리를 간략화하는 것이 바람직하지만 반드시 그럴 필요는 없다. p(t)의 진폭이 변경되면 이는 간단하게 알 수 있는 다른 스펙트럼이 된다. 실질적으로 스펙트럼의 형태는 위상 변조 깊이(즉, p(t)의 진폭)를 판정하는데 이용될 수 있다. 이러한 스펙트럼 분석은, 위상 변조 깊이를 판정하고, 구형파 변조 신호(m(t))의 주파수 및/또는 진폭을 변경함으로써 이 변조 깊이를 바람직한 값으로 제어하기 위한 바람직한 방법이 될 수 있다.

직교 복조기의 출력 신호는 또한 푸리에 변환 이외에 다른 수단에 의해서 처리될 수 있는 것에 주목해야 한다. 예를 들면, 직교(I 및 Q 또는 복소수) 입력 신호가 제공될 때 포지티브와 네거티브 주파수 사이를 또한 구별할 수 있는 잘 알려진 주파수 고정 루프(frequency locked loop) 또는 위상 고정 루프(phase locked loop) 설계가 이용될 수 있다. 주파수 판정의 이들 다른 방법들 중 일부는 제한된 고정 범위(limited lock range)로 인해서 문제가 되며, 이는 이들이 주파수를 고정하거나 추적할 수 있는 주파수(fd)에 충분히 근접한 주파수로 조정되어야 하는 것을 의미한다. 적절한 개시 값을 찾기 위해서, 초기 고정 처리를 지원하며 고정의 손실 가능성에 대하여 보호하는데 복수 푸리에 변환이 이용될 수 있다. 이러한 시스템은 주파수 고정 루프 또는 위상 고정 루프에 의해서 자기 믹싱 신호 위상의 장기간 추적의 정확성 및 위상 변조 깊이의 판정 및 주파수(fd)에 대한 순간 고정이 가능한 스펙트럼 분석의 결합된 이점을 제공한다.

요약하면, 본 발명은 물체(4)의 모션 방향을 검출하는 방법을 제공하고, 이 방법은,

레이저 출력 광(L1)이 열적 응답 주파수(fr)를 갖는 반도체 레이저(2)를 이용하여 생성되는 단계;

레이저 출력 광의 파장을 삼각 변조하도록, 상기 열적 응답 주파수(fr)보다 높고 바람직하게는 상기 열적 응답 주파수(fr)의 두 배보다 높은 변조 주파수를 갖는 구형 변조된 DC 전류(I)로 레이저가 구동되는 단계;

레이저 출력 광이 물체로 지향되는 단계;

반사된 광(L3)의 일부가 레이저 내에서 광(L0)과 간섭하도록 허용되는 단계;

레이저 광의 일부가 측정 빔(5)으로서 이용되는 단계; 및

물체(4)의 움직임의 방향을 결정하기 위해서, 측정 빔(5)의 주파수 스펙트럼이 변조된 레이저 전류와 관련하여 분석되는 단계를 포함한다.

측정 빔의 주파수 스펙트럼의 이 분석은, 레이저 파장의 업 및 다운 변조 세그먼트들에서의 별도의 스펙트럼 분석에 의한 것, 또는 물체 속력에 대응하는 주파수가 스펙트럼에 있어서 다른 주파수들과 구별되도록 하는 직교 복조 신호의 주파수 콘텐츠의 분석에 의한 것 중 어느 하나에 의해서 행해진다. 직교 복조의 경우에 대하여, 스펙트럼 분석은 파장 변조에 기인하는 자기 믹싱 신호 위상 변조 깊이의 검출을 더 포함하고, 이는 레이저에 대한 구형파 변조 신호의 주파수 및/또는 진폭을 제어하는데 이용될 수 있다.

본 발명을 도면들 및 상술한 설명에서 상세하게 설명하였지만, 이는 당해 분야에서 숙련된 자에게 이러한 상세한 설명들은 설명 또는 예시이며, 한정하는 것이 아님이 명백하다. 본 발명은 개시된 실시예들에 한정되지 않고, 오히려 첨부된 청구 범위에서 규정된 발명의 보호 범주 내에서 일부 변경 및 수정이 가능하다.

예를 들면, 본 발명의 기본 원리는 전류가 인가되는 임의 반도체 몸체의 온도를 변조하는데 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 기본 원리는 임의 반도체 레이저의 레이저 파장을 변조하는데 적용될 수 있다.

도면들, 상세한 설명 및 첨부된 청구범위의 숙지 후 청구된 본 발명을 실시 시에 당해 분야에서 숙련된 자에 의해서, 개시된 실시예들의 다른 변경이 이루어질 수 있고 고안될 수 있다. 청구범위에서, 용어 "포함하는(comprising)"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정관사("a" 또는 "an")는 복수를 배제하지 않는다. 단일 처리기 또는 다른 유닛은 청구범위에 인용된 일부 아이템들의 기능들을 만족시킬 수 있다. 임의 측정들이 서로 다른 종속 청구 범위에 인용되는 단순한 사실은 이들 측정들의 조합이 유리하게 이용될 수 없다는 것을 나타내는 것이 아니다. 컴퓨터 프로그램은 광학 저장 매체 또는 다른 하드웨어와 함께 또는 일부로서 제공되는 고체 상태 매체와 같은 적절한 매체에 저장/배포될 수 있지만, 또한 인터넷 또는 다른 유선 또는 무선 통신 시스템들을 통하는 것과 같은 다른 형태로 배포될 수도 있다. 청구항들에 있는 임의 참조 부호들은 범주를 제한하는 것으로 해석되지 않는다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 본 발명에 따른 디바이스의 기능 블록들을 나타내는 블록도를 참조하여 설명하였다. 하나 이상의 이들 기능 블록들은 이러한 기능 블록의 기능이 개별 하드웨어 구성 요소들에 의해서 수행되는 하드웨어로 구현될 수 있지만, 이는 또한 하나 이상의 이들 기능 블록들이, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 처리기 등과 같은 컴퓨터 프로그램 또는 프로그램가능 디바이스의 하나 이상의 프로그램 라인들에 의해서 이러한 기능 블록의 기능이 수행되도록, 소프트웨어로 구현되는 것도 가능한 것으로 이해된다.

Claims

물체(4)의 모션 방향을 검출하는 방법으로서,
열적 응답 주파수(fr)를 갖는 반도체 레이저(2)를 이용하여 레이저 출력 광(L1)을 생성하는 단계;
상기 레이저 출력 광의 파장을 삼각 변조(triangularly modulate)하기 위해서, 상기 열적 응답 주파수(fr)보다 높은 변조 주파수를 갖는 구형 변조된(rectangularly modulated) DC 전류(I)로 상기 레이저를 구동하는 단계;
상기 레이저 출력 광을 상기 물체에 지향시키는 단계;
반사된 광(L3)의 일부가 상기 레이저 내에서 광(L0)과 간섭하게 하는 단계;
상기 레이저 출력 광의 일부를 측정 빔(5)으로서 이용하는 단계;
상기 물체(4)의 움직임의 방향을 결정하기 위해서, 변조된 레이저 전류와 관련하여 상기 측정 빔(5)의 주파수 스펙트럼을 분석하는 단계;
움직임 검출기에 대한 상기 물체의 상대적 이동의 속력의 함수로서 상기 구형 변조된 DC 전류의 상기 변조 주파수를 조정하는 단계; 및
상기 레이저 출력 광의 위상 변조 깊이를 일정하게 유지하기 위해 상기 변조 주파수가 조정됨에 따라 상기 구형 변조된 DC 전류의 진폭을 조정하는 단계
를 포함하는 방법.
검출기(1)에 대하여 움직이는 물체(4)의 모션 방향을 검출하는 제1항에 따른 방법으로서,
반투명 프론트 미러(11), 반투명 리어 미러(12), 및 상기 2개의 미러들 사이에 열적 응답 주파수(fr)를 갖는 반도체 레이저 몸체(13)를 포함하는 레이저(2)를 제공하는 단계;
상기 레이저 몸체(13) 내에서 메인 레이저 광(L0)을 생성하도록 레이저 전류(I)를 상기 레이저로 공급하는 단계;
상기 레이저 광의 제1 부분이 출력 레이저 빔(3)으로서 상기 프론트 미러(11)를 통과하게 하는 단계;
상기 출력 레이저 빔(3)을 상기 물체에 지향시키는 단계;
반사된 광(L3)의 적어도 일부가 상기 레이저 몸체(13) 내에서 광(L0)과 간섭하게 하는 단계;
상기 레이저 광의 제2 부분이 측정 빔(5)으로서 상기 리어 미러(12)를 통과하게 하는 단계;
상기 레이저 전류(I)를 변조함으로써 상기 출력 레이저 빔(3)의 레이저 출력 광(L1)의 파장을 삼각 변조하는 단계;
상기 측정 빔(5)의 광(L2)의 적어도 일부를 검출하는 단계; 및
상기 물체(4)의 움직임의 방향을 결정하기 위해서, 변조된 레이저 전류와 관련하여 상기 검출된 광(L2)의 주파수 스펙트럼을 분석하는 단계
를 포함하며,
상기 레이저 전류(I)는, 상기 열적 응답 주파수(fr)의 두 배보다 높은 변조 주파수를 갖는 구형 변조된 DC 전류로서 생성되는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 측정 빔의 주파수 스펙트럼을 분석하는 단계는 레이저 파장의 업 및 다운 변조 세그먼트들에 대한 별개의 스펙트럼 분석에 의해 수행되는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 측정 빔의 주파수 스펙트럼을 분석하는 단계는, 물체 속력에 대응하는 주파수가 스펙트럼에서 다른 주파수들과 구별되도록, 직교 복조된 신호의 주파수 콘텐츠의 분석에 의해 수행되는 방법.
모션 검출기(1) - 상기 모션 검출기는 검출기에 대하여 움직이는 물체(4)의 모션 방향을 검출할 수 있음 - 로서,
반투명 프론트 미러(11), 반투명 리어 미러(12), 및 상기 2개의 미러들 사이에 열적 응답 주파수(fr)를 갖는 반도체 레이저 몸체(13)를 포함하는 레이저(2) - 상기 레이저는, 그 프론트 미러(11)에서 레이저 출력 광(L1)을 갖는 출력 레이저 빔(3)을 출력하며, 그 리어 미러(12)에서 측정 광(L2)을 갖는 측정 빔(5)을 출력하도록 설계되고, 상기 레이저는 또한 반사된 광(L3)의 적어도 일부가 상기 레이저 몸체(13) 내에서 메인 광(L0)과 간섭하게 하도록 설계됨 -;
상기 레이저 몸체(13) 내에서 메인 레이저 광(L0)을 생성하도록 레이저 전류(I)를 상기 레이저로 공급하기 위한 제어가능한 레이저 전류원(51);
상기 레이저 전류원(51)을 제어하기 위한 제어기(52); 및
상기 측정 광(L2)의 적어도 일부를 검출하며, 상기 제어기로 측정 신호(Sm)를 공급하기 위한 광 검출기(55)
를 포함하고,
상기 제어기(52)는, 상기 레이저 출력 광(L1)의 파장을 삼각 변조하기 위해서, 상기 열적 응답 주파수(fr)보다 높은 변조 주파수를 갖는 구형 변조된 DC 전류로서 상기 레이저 전류(I)를 생성하게 상기 레이저 전류원(51)을 제어하도록 설계되며,
상기 제어기(52)는, 상기 물체(4)의 움직임의 방향을 결정하기 위해서, 변조된 레이저 전류(I)와 관련하여 검출된 광(L2)의 주파수 스펙트럼을 분석하도록 설계되며,
상기 제어기는 상기 모션 검출기에 대한 상기 물체의 상대적 이동의 속력의 함수로서 상기 구형 변조된 DC 전류의 상기 변조 주파수를 조정하도록 설계되며,
상기 제어기는 상기 레이저 광의 위상 변조 깊이를 일정하게 유지하기 위해 상기 변조 주파수가 조정됨에 따라 상기 구형 변조된 DC 전류의 진폭을 조정하도록 설계되는 모션 검출기.
제5항에 있어서,
상기 제어기(52)는, 상기 레이저 전류(I)의 위상과 관련하여 상기 측정 신호(Sm)를 분석하도록 설계되는 모션 검출기.
제5항에 있어서,
상기 제어기(52)는, 레이저 파장의 업 및 다운 변조 세그먼트들에 대한 별개의 스펙트럼 분석에 의해 상기 검출된 광(L2)의 주파수 스펙트럼을 분석하도록 설계되는 모션 검출기.
제5항에 있어서,
검출기 출력 신호를 수신하며, 상기 제어기(52)로 직교 복조된 신호를 제공하는 직교 복조기(70)를 더 포함하며,
상기 제어기(52)는, 물체 속력에 대응하는 주파수가 스펙트럼에서 다른 주파수들과 구별되도록, 상기 직교 복조된 신호의 주파수 콘텐츠의 분석에 의해 상기 검출된 광(L2)의 주파수 스펙트럼을 분석하도록 설계되는 모션 검출기.
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