KR102614805B1 - 적어도 하나의 대상체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기 - Google Patents
적어도 하나의 대상체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기 Download PDFInfo
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Abstract
적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하는 검출기(110)가 제안된다. 검출기(110)는, - 대상체(112)로부터 검출기(110)를 향해 전파되고, 각도 의존적 광학 소자(130)를 조명하는 입사광빔(116)의 입사각에 따라 하나 이상의 빔 프로파일을 갖는 하나 이상의 광빔(131)을 생성하도록 적응된 하나 이상의 각도 의존적 광학 소자(130) ― 여기서, 상기 각도 의존적 광학 소자(130)는, 하나 이상의 광 섬유, 특히, 하나 이상의 다중 분기된 광 섬유, 특히, 하나 이상의 이중 분기된 광 섬유와, 하나 이상의 회절 광학 소자와, 하나 이상의 각도 의존적 반사 소자와, 하나 이상의 회절 격자 소자, 특히, 블레이즈 격자 소자와, 하나 이상의 개구 조리개와, 하나 이상의 프리즘과, 하나 이상의 렌즈와, 하나 이상의 렌즈 어레이, 특히, 하나 이상의 마이크로 렌즈 어레이와, 하나 이상의 광학 필터와, 하나 이상의 편광 필터와, 하나 이상의 대역 통과 필터와, 하나 이상의 액정 필터, 특히, 액정 가변 필터(liquid crystal tunable filter)와, 하나 이상의 숏 패스 필터(short-pass filter)와, 하나 이상의 롱 패스 필터(long pass filter)와, 하나 이상의 노치 필터와, 하나 이상의 간섭 필터와, 하나 이상의 전송 격자, 및 하나 이상의 비선형 광학 소자, 특히, 하나의 복굴절 광학 소자로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 광학 소자를 포함함 ― 와, - 2개 이상의 광학 센서(113) ― 여기서, 각각의 광학 센서(113)는 적어도 하나의 감광 영역(121)을 구비하고, 상기 각도 의존적 광학 소자(130)에 의해 생성된 광빔(131)에 의한 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 하나 이상의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ― , 및 - 상기 센서 신호로부터 결합 신호 Q를 평가함으로써, 상기 대상체의 하나 이상의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성된 하나 이상의 평가 장치를 포함한다.
Description
본 발명은 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하기 위한 검출기, 검출기 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 사용자와 기계, 엔터테인먼트 장치, 추적 시스템, 카메라, 스캐닝 시스템 및 검출기 장치의 다양한 사용법 사이에서 적어도 하나의 정보 항목을 교환하기 위한 인간-기계 인터페이스에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치, 시스템, 방법 및 사용법은, 예를 들면, 일상생활, 게임, 교통 기술, 생산 기술, 보안 기술, 예술, 문서 또는 기술 목적을 위한 디지털 포토그래피 또는 비디오 포토그래피와 같은 포토그래피, 의료 기술 또는 과학 분야에, 특히, 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은, 예를 들어, 건축학, 측량학, 고고학, 예술 분야, 의학, 공학 또는 제조업 분야에서, 대상체 또는 배경의 깊이 프로파일(depth profile)을 생성하는 것과 같이, 하나 이상의 대상체를 스캐닝 및/또는 배경을 스캐닝하는데 사용될 수 있다. 그러나, 다른 적용이 가능할 수도 있다.
수많은 광학 센서 및 광전 변환 장치가 종래 기술로부터 알려져 있다. 광전 변환 장치는 일반적으로 전자기 방사선, 예를 들어, 자외선, 가시광선 또는 적외선을 전기 신호 또는 전기 에너지로 변환하는 데 사용되지만, 광학 검출기는 일반적으로 이미지 정보를 수집 및/또는 적어도 하나의 광학 파라미터, 예를 들어, 밝기를 검출하는 데 사용된다.
일반적으로 무기 및/또는 유기 센서 물질의 사용에 기초할 수 있는 다수의 광학 센서가 종래 기술로부터 알려져 있다. 이러한 센서의 예는 US 2007/0176165 A1, US 6,995,445 B2, DE 2501124 A1, DE 3225372 A1 또는 다수의 다른 선행 기술 문헌에 개시되어 있다. 특히, 비용상의 이유와 대규모 영역 처리를 이유로, 적어도 하나의 유기 센서 물질을 포함하는 센서가, 예를 들어, US 2007/0176165 A1에 기술된 바와 같이 사용된다. 특히, 여기서, 일반적으로 기술되는, 소위, 염료 태양 전지의 중요성이 점점 커지고 있는데, 이는, 예를 들어, WO 2009/013282 A1에 기술되어 있다.
이런 광학 센서에 기초하여 적어도 하나의 대상체를 검출하기 위한 수많은 검출기가 공지되어 있다. 이러한 검출기는 각각의 사용 목적에 따라 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 이러한 검출기의 예는 촬상 장치, 예를 들어, 카메라 및/또는 현미경이다. 예를 들어, 고해상도 공초점 현미경(high-resolution confocal microscope)은 높은 광학 해상도로 생물학적 샘플을 검사하기 위해 의료 기술 및 생물학 분야에서, 특히, 사용될 수 있다. 적어도 하나의 대상체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기의 다른 예는, 예를 들어, 레이저 펄스와 같은 상응하는 광학 신호의 전파 시간 방법에 기초한 거리 측정 장치이다. 적어도 하나의 대상체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기의 다른 예는 초점 기술로부터의 깊이를 이용하는 에지 검출 검출기이다. 그러나 에지 검출은 대상체로부터 검출기까지 비교적 짧은 거리에서만 가능할 수 있다. 적어도 하나의 대상체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기의 또 다른 예는 거리 측정을 수행할 수 있는 공초점 검출기이다. 그러나 이러한 검출기는 대상체가 검출기의 광학 시스템과 초점을 맞추기 위해 검출기 구성 요소의 기계적 이동을 필요로 할 수 있다. 대상체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기의 또 다른 예는 거리 측정이 마찬가지로 수행될 수 있는, 예를 들어, 레이저 삼각 측량을 이용하는 삼각 측량 시스템이다. Kurt Konolige 등의 저비용 레이저 거리 센서(Low-Cost Laser Distance Sensor, 2008 IEEE 로봇 및 자동화에 관한 국제회의, 미국 캘리포니아주 파사데나, 2008년 5월 19-23일)에서 평면 LDS(Laser Distance Sensor)의 삼각 측량을 이용한 경쟁 기술에 대해 논의하였다. 구조화된 라인 장치는 광 스트라이프 레이저(light stripe laser) 및 오프셋 카메라를 사용하여 포인트 세트까지의 범위를 결정한다. 레이저 에너지가 라인을 통해 퍼지기 때문에, 특히, 주변 광이 존재하거나 더 어두운 대상체에서는 정확한 범위를 얻기가 어렵다. 작은 대상체의 3D 스캐닝을 위한 포인트 스캔 장치는 일반적으로 스캐닝 미러를 사용하여 포인트 레이저 빔을 전송하고, 레이저 리턴을 광학 수신기로 재전송한다. 이러한 장치는 소형화될 수 없고, 비용 및 기계적 취약성도 여전히 높을 것이다. 중심 포인트 모듈은 일반적으로 위치 감지 장치를 사용한다. 이들 장치는 그들의 표면에 충돌하는 모든 광의 중심을 측정한다. 변조 기술이 주변 광의 영향을 일부 상쇄하는 데 사용될 수 있지만, PSD는 레이저 스폿이 매우 강한 반사를 가지지 않는 한, 그들의 사용이 제한되어, 그 사용 범위가 1미터 미만으로 제한된다. 픽셀 기반의 포인트 모듈은 최대 신호 강도로 픽셀을 검색하여 센서 상의 광 스폿의 위치를 결정한다. 일반적으로, CMOS 라인 어레이가 검출에 사용된다. Konolige 등은 픽셀 기반의 포인트 모듈의 저가 버전을 소개한다.
WO 2012/110924 A1에서는, 참조로서 여기에 포함된 내용, 즉, 적어도 하나의 대상체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기가 제안된다. 검출기는 적어도 하나의 광학 센서를 포함한다. 광학 센서는 적어도 하나의 센서 영역을 갖는다. 광학 센서는 센서 영역의 조명에 의존하는 방식으로 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계된다. 조명에 동일한 총 전력이 주어지면, 센서 신호는 조명의 기하학적 구조, 특히, 센서 영역 상의 조명의 빔 단면에 의존한다. 검출기는 적어도 하나의 평가 장치를 더 갖는다. 평가 장치는 센서 신호로부터 적어도 하나의 기하학적 정보 항목, 특히, 조명 및/또는 대상체에 관한 적어도 하나의 기하학적 정보 항목을 생성하도록 설계된다.
WO 2014/097181 A1은 그 전체 내용이 참조로서 여기에 포함되고, 적어도 하나의 횡 방향 광학 센서 및 적어도 하나의 광학 센서를 사용하여 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하는 방법 및 검출기를 개시한다. 구체적으로는, 높은 정확도로 또한 모호함이 없이 대상체의 종 방향 위치를 결정하기 위해, 센서 스택의 사용이 개시된다.
WO 2015/024871 A1은, 그 전체 내용이 참조로서 여기에 포함되어, 광학 검출기를 개시하고, 이 광학 검출기는,
- 픽셀의 매트릭스를 갖는 공간적으로 분해된 방식으로 광빔의 적어도 하나의 특성을 변경하도록 적응되는 적어도 하나의 공간 광 변조기 ― 각각의 픽셀은 픽셀을 통과하는 광빔의 일부분의 적어도 하나의 광학 특성을 개별적으로 변경하도록 제어할 수 있음 ― 와,
- 공간 광 변조기의 픽셀 매트릭스를 통과한 후에, 광빔을 검출하고 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 적응된 적어도 하나의 광학 센서와,
- 상이한 변조 주파수를 갖는 픽셀들 중 적어도 2개를 주기적으로 제어하도록 적응된 적어도 하나의 변조 장치, 및
- 그 변조 주파수들에 대한 센서 신호의 신호 성분들을 결정하기 위해 주파수 분석을 수행하도록 적응된 적어도 하나의 평가 장치를 포함한다.
US 4,767,211에는 샘플의 경계면을 측정하기 위한 장치 및 방법이 개시되어 있고, 반사광의 광축 부근을 이동하는 샘플로부터의 반사광의 일부분의 광량과, 광축으로부터 소정 거리만큼 어긋난 위치로 향하는 반사광의 다른 부분의 광량에 대한 비율은 샘플의 경계면을 정확하게 측정하는 데 사용된다. 이 비율을 이용하는 것에 의해 측정 정확도를 증가시키므로, 샘플을 통과할 수 있는 광을 입사광으로 사용할 수 있다. 따라서, 샘플의 표면 내의 깊은 구멍과, 종래 기술로는 측정할 수 없던 생체 샘플의 기포와 같은 공극을 매우 정확하게 측정할 수 있다.
WO 2014/198629 A1은 그 전체 내용이 참조로서 여기에 포함되어, 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하는 검출기를 개시하고, 이 검출기는
- 대상체로부터 검출기를 향해 전파하는 광빔을 검출하도록 적응되고, 적어도 하나의 픽셀의 매트릭스를 갖는 적어도 하나의 광학 센서, 및
- 광빔에 의해 조명되는 광학 센서의 픽셀의 수 N을 결정하도록 적응되는 적어도 하나의 평가 장치 ― 여기서, 평가 장치는 또한 광빔에 의해 조명되는 픽셀의 수 N을 사용하여 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표를 결정하도록 적응됨 ― 를 포함한다.
또한, 일반적으로, 다양한 다른 검출기 개념에 대하여, WO 2014/198626 A1, WO 2014/198629 A1 및 WO 2014/198625 A1이 참조될 수 있고, 그 전체 내용은 본 명세서에 참고로서 포함된다. 또한, 본 발명의 맥락에서 사용될 수도 있는 잠재적인 재료 및 광학 센서를 참조하면, 2015년 1월 30일에 출원된 유럽 특허 출원 EP 15 153,215.7, 2015년 3월 3일 출원된 EP 15 157,363.1, 2015년 4월 22일 출원된 EP 15 164,653.6, 2015년 7월 17일 출원된 EP 15 177 275.3, 둘다 2015년 8월 10일 출원된 EP 15 180 354.1과 EP 15 180 353.3, 및 2015년 9월 14일 출원된 EP 15 185 005.4, 둘다 2015년 11월 25일 출원된 EP 15 196 238.8과 EP 15 196 239.6, 2015년 12월 3일 출원된 EP 15 197 744.4가 참조될 수 있고, 그 전체 내용은 또한 여기에 참조로 포함될 수 있다.
또한, 대상체의 위치를 결정하기 위해 적어도 2개의 상이한 소스의 신호를 비교하는 검출기 개념을 참조할 수 있다. 따라서, 일 예로서, 모두 2016년 2월 16일자로 출원된 EP 16 155 834.1, EP 16 155 835.8 또는 EP 16 155 845.7을 참조할 수 있고, 이들의 전체 개시 내용이 본 명세서에 포함된다.
전술한 장치 및 검출기에 의해 암시된 이점에도 불구하고, 몇몇 기술적 과제가 남아 있다. 따라서, 일반적으로 공간에서의 대상체의 위치를 검출하기 위한 검출기가 신뢰성이 있고 저비용으로 제조되어야 할 필요가 있다. 특히, 3D 감지 개념에 대한 필요성이 존재한다. 다양한 공지된 개념들은 전술한 개념 중 몇몇과 같은, 소위, FiP 센서를 사용하는 것에 적어도 부분적으로 기초한다. 여기에서, 일 예로서, 개별 센서 픽셀이 광 스폿보다 상당히 크고, 특정 크기로 고정되는 대면적 센서가 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 많은 경우에서, 대면적 센서는 본질적으로 FiP 측정 원리의 사용이 제한되어 있고, 특히, 하나 초과의 광 스폿을 동시에 조사해야 하는 경우에 그러하다.
FiP 검출기를 사용하는 추가의 과제는 검출기 영역 또는 활성 영역이다. 전형적으로 거리 측정의 경우, 검출기의 넓은 활성 영역을 사용하거나 심지어 필요로 한다. 그러나, 이 영역은, 특히, PSD를 구축하기 위해 4개의 측방향 전도도 개념(tetralateral conductivity concept)을 사용하는 경우, 노이즈 문제를 유발할 수 있다. 이는 종종 검출기의 직렬 저항과 관련한 큰 커패시턴스로 인해, 열악한 신호 대 잡음비 및 늦은 검출기 응답 시간을 야기한다. FiP 검출기를 사용하는 또 다른 과제는 제조 비용이다. 따라서, 많은 경우에, 전형적인 FiP 센서는, 예를 들어, 종래의 Si-기반 포토다이오드와 비교하여 고가이다. 또한, FiP 센서를 이용한 측정 결과의 평가는, 특히, 광빔의 총 전력을 알 수 없는 경우에 문제가 된다. 광빔의 전파 축을 따라 상이한 위치에 배치된 복수의 FiP 센서가 사용되는 경우, 측정 범위는 일반적으로 센서의 두 위치 사이의 범위로 제한된다. 또한, 많은 FiP 검출기는 측정 결과의 평가를 더욱 어렵게 만드는 휘도 의존성(luminance dependency)을 나타내고, 또한 많은 경우에 FiP 측정은 목표 스폿 크기에 의존한다.
적어도 2개의 상이한 광학 센서와 같은 적어도 2개의 상이한 소스에 의해 생성된 센서 신호를 비교하는 개념을 참조하면, 하나의 기술적 과제는 전체 시스템의, 특히, 광학 센서의 비용 절감이 남는다. 따라서, 많은 개념에서, 일반적으로 고가의 광전자 반도체 제조 공정 및 복잡한 어셈블리 방식을 설정하는 것을 필요로 하는 전용 설계 및 배치를 갖는 특수한 광학 센서가 사용되어야 한다.
추가의 기술적 과제는 광 섬유를 통한 적어도 하나의 대상체의 거리를 측정하는 것일 수 있다. 비행 시간(time of flight) 또는 삼각 측량 방법과 같은 공지의 방법을 사용하면, 광 섬유를 통한 거리의 정확한 측정이 매우 어렵다. 특히, 삼각 측량을 위해서는 베이스라인, 예를 들어, 광원과 수신용 렌즈 사이의 거리가 필요하다. 또한, 특히, 비행 시간 측정에서, 섬유를 통한 광 이동 시간은 충분히 정확하지 않을 수 있다.
US 4,653,905는 대상체로부터 광을 다르게 전송하기 위해 상이한 개구수를 갖는 하나 이상의 광 섬유를 사용하는 것을 기술하고 있다. 따라서, 상이한 개구수 사이의 차이에 해당하는 사전 결정된 비율로 소정 범위에 대해 광이 전송된다. 이 비율은 범위의 변화에 따라 변경된다. 변화 비율이 검출되고, 검출된 변화 비율에 대응하여 거리 측정 동작이 수행된다.
DE 32 03 613 A1은 검출될 대상체에 광빔을 투사하는 거리 측정 장치를 설명한다. 이 대상체로부터 반사된 광은 빔 스플리터에 의해 2개의 광 성분으로 세분된다. 광 성분 중 하나의 강도는 제 1 광 강도 검출기에 의해 감지된다. 다른 광 성분은 조명광과 반사광 사이에 형성된 각도에 따라 강도가 변조되고, 변조된 광 성분의 강도는 제 2 광 강도 검출기에 의해 감지된다. 2개의 검출기의 출력은 검출될 대상체까지의 거리를 나타내는 정보를 도출하는 컴퓨터에 입력된다.
US 2016/084650 A1은 적어도 2개의 광 감지 픽셀 및 적어도 2개의 상이한 격자 요소를 포함하는 광학 센서를 설명한다. 이들 격자 요소는 이들 광 감지 픽셀 위에 대응하여 배치된다.
WO 2010/063521 A2는 비접촉식 광학 스캐닝, 및/또는 공작물 및/또는 처리의 표면 및/또는 처리 구역의 검출을 위한 광학 측정 배열체를 기술한다. 광학 측정 배열체는 측정 지점이나 방출원에 의해 방출된 전자기 방사선의 빔 경로에 위치하는 적어도 하나의 입사각 센서를 포함한다. 이 입사각 센서는 측정 지점 또는 방사선 방출원에 의해 방출되는 전자기 방사선의 빔 경로에 배치되고, 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 투과할 수 있는 하나 이상의 본체를 갖는다. 광학 입사각 센서는 전자기 방사선의 회절 및 반사 부분으로 전자기 방사선을 분할하기 위한 인터페이스로서 작용하는 적어도 하나의 출구점(exit point)을 포함한다.
US 2011/248151 A1은 입사광에 비례하는 신호를 생성하는 복수의 광 검출기를 포함하는 시스템을 기술한다. 시스템은 표면에 인접한 광학 장벽과 제어 회로를 추가로 포함한다. 광학 장벽은 기판에 대한 대상체의 위치에 좌우되는 공간 의존적인 반사 패턴을 생성하기 위해 반사된 광이 복수의 광 검출기에 도달하는 것을 부분적으로 방해한다. 제어 회로는 주변 광 조건으로 교정하고, 주변과 반사광을 측정하고, 반사광을 결정하고, 복수의 광 검출기 중 적어도 2개에 의해 수신된 반사광의 비율에 기초하여 대상체의 위치를 검출함으로써, 복수의 광 검출기 각각을 사용하여 반사 측정 사이클 동안 대상체의 위치를 결정한다.
US 6,118,119 A는 입사광빔의 방향 및 파장을 동시에 결정하기 위한 장치를 기술한다. 이 장치에는 투명 블록과, 입사광빔을 회절시켜 투명 블록 내에 다수의 회절 빔을 생성하기 위한 회절 격자가 포함된다. 이 장치는 회절 빔의 교차 위치를 나타내는 출력을 생성하는 검출기 어레이를 더 포함한다. 마지막으로, 장치는 입사광빔의 방향 및 파장을 결정하기 위해 출력을 처리하는 프로세서를 포함한다.
EP 3 045 935 A1은 대상체의 특성을 검출하기 위한 시스템으로서, 펄스 방사선 패턴을 생성하는 소스와, 검출기와, 방사선원으로부터의 방사선이 대상체에 의해 반사될 때, 검출기로부터의 데이터를 처리하는 프로세서와, 검출기와 방사선원 사이를 인터페이싱하는 동기화 수단을 포함하되, 여기서, 검출기는 펄싱 동안에만 방사선이 검출되도록 소스와 동기화되고, 프로세서는 기준 위치를 참조하여 스폿의 변위를 결정함으로써 대상체의 특성을 결정하고, 소스는 단색광을 방출하며, 검출기는 돔(dome)에 배열된 해당 필터가 장착되어 있으며, 여기서, 어안 광학계(fish-eye optics)는 필터와 검출기 안내광 ― 검출기의 감광 영역을 향해 필터를 통과함 ― 사이에 배치된다.
US 2008/130005 A1은 광전자 장치를 사용하여 대상체를 검출하는 장치를 기술한다. 광원에 의해 생성된 광빔은 대상체에 의해 산란 및/또는 반사되고, 삼각 측량 원리에 따라 수신기 배열체에 의해 검출된다. 대상체 검출 신호는 평가 유닛에 의해 출력되고, 수신기 배열체 내의 광빔은 광검출기를 포함하는 픽셀 어레이 상의 광학 수신기 시스템 및 마이크로렌즈 어레이를 통해 작용한다. 매크로픽셀은 각각의 마이크로렌즈와 관련된 복수의 서브픽셀을 갖는다. 평가 유닛은 서브픽셀을 통한 수신 신호 분포를 결정하기 위한 유닛을 포함한다. 또한, 장치를 작동시키기 위한 방법이 제공된다.
EP 2 781 931 A2는 제한된 반사형 광전 센서를 기술한다. 한정된 반사형 광전 센서는 레이저 다이오드를 갖는 투광 유닛 및 광다이오드를 갖는 수광 유닛을 포함한다. 투광 유닛과 수광 유닛에서, 투영된 광빔의 광축과 수신 광빔의 광축 사이의 교차각은, 투광 유닛으로부터의 투영된 광빔이 대상체 검출 제한 영역과 대상체 검출 제한 영역에 존재하는 대상체로부터 반사된 광이 수광 유닛에 의해 수신되는 수신 광빔을 향하도록 설정된다. 대상체의 존재/부재는 광다이오드의 수광 레벨에 기초하여 결정된다. 레이저 다이오드로부터의 투사광빔의 광학 경로에는, 투사 광빔으로 구성된 회절 격자가 복수의 방향으로 배향되는 빔에 제공된다.
따라서, 본 발명의 목적은 공지된 장치 및 방법의 전술한 기술적 과제에 대응하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로, 본 발명의 목적은, 특히, 기술적인 노력이 적고 기술 자원과 비용 관점에서 낮은 기술 노력으로, 공간에서 대상체의 위치를 신뢰성 있게 결정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제는 특허 청구 범위의 독립항의 특징을 갖는 본 발명에 의해 해결된다. 개별적으로 또는 조합하여 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 전개는 종속항 및/또는 하기의 명세서 및 상세한 실시예에서 제시된다.
이하에서 사용된 바와 같이, "갖는다", "구비한다" 또는 "포함하다"라는 용어 또는 그들의 임의의 문법적 변형어는 비배타적인 방식으로 사용된다. 따라서, 이들 용어는 이들 용어에 의해 도입된 특징 외에 이 문맥에서 설명된 대상체에 더 이상의 특징이 존재하지 않는 상황 및 하나 이상의 추가 특징이 존재하는 상황 모두를 지칭할 수 있다. 예를 들어, "A는 B를 갖는다", "A는 B를 구비한다", 및 "A는 B를 포함한다"라는 표현은, B 이외에 다른 요소가 A에 존재하지 않는 상황(즉, A가 오로지 배타적으로 B로 구성되는 상황) 및 B 이외에, 요소 C, 요소 C 및 D 또는 심지어 다른 요소와 같은 하나 이상의 추가 요소가 객체 A에 존재하는 상황 모두를 지칭할 수 있다.
또한, 특징 또는 요소가 전형적으로 하나 또는 하나보다 많이 존재할 수 있음을 나타내는 용어 "적어도 하나", "하나 이상" 또는 그 유사 표현은, 각각의 특징 또는 요소를 도입할 때, 한 번만 사용될 것이라는 점을 유의해야 한다. 이하에서, 대부분의 경우, 각각의 특징 또는 요소를 언급할 때, 각각의 특징 또는 요소가 하나 이상 존재할 수 있다는 사실에도 불구하고, "적어도 하나" 또는 "하나 이상"이라는 표현은 반복되지 않을 것이다.
또한, 이하에서 사용되는 용어 "바람직하게", "더 바람직하게", "특히", "더욱 특히", "구체적으로", "더 구체적으로" 또는 유사한 용어는 대안적인 가능성을 제한하지 않으면서 선택적인 특징과 함께 사용된다. 따라서, 이러한 용어들에 의해 도입된 특징들은 선택적인 특징이며, 어떠한 방식으로도 청구 범위의 범주를 제한하려고 의도하는 것은 아니다. 당업자가 인식할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 대안적인 특징들을 사용함으로써 수행될 수 있다. 유사하게, "본 발명의 일 실시예에서" 또는 유사 표현에 의해 도입된 특징은, 본 발명의 대안적인 실시예에 관한 임의의 제한 없이, 본 발명의 범주에 관한 임의의 제한 없이, 및 이러한 방식으로 도입된 특징들을 본 발명의 다른 선택적 또는 비선택적 특징과 조합할 가능성에 관한 임의의 제한 없이, 선택적 특징인 것으로 의도된다.
본 발명의 제 1 양태에서, 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하는 검출기가 개시된다. 본 명세서에 사용된 "대상체"라는 용어는 적어도 하나의 광빔을 방출하는 지점 또는 영역을 지칭한다. 광빔은 대상체 및/또는 광빔을 방출하는 대상체에 집적되거나 장착된 적어도 하나의 조명원과 같은 대상체로부터 비롯될 수 있거나 또는 대상체에 직접 또는 간접적으로 조명하는 조명원과 같은 다른 조명원으로부터 비롯될 수 있고, 여기서, 광빔은 대상체에 의해 반사되거나 산란된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "위치"라는 용어는 대상체의 위치 및/또는 방향, 및/또는 공간에서 대상체의 적어도 한 부분에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 지칭한다. 따라서, 적어도 하나의 정보 항목은 대상체의 적어도 하나의 지점과 적어도 하나의 검출기 사이의 적어도 하나의 거리를 암시할 수 있다. 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 거리는 종 방향 좌표일 수 있거나 대상체의 위치의 종 방향 좌표를 결정하는 데 기여할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 대상체 및/또는 대상체의 적어도 하나의 부분의 위치 및/또는 방위에 관한 하나 이상의 다른 정보 항목이 결정될 수 있다. 일 예로서, 부가적으로, 대상체 및/또는 대상체의 적어도 하나의 부분의 적어도 하나의 횡 방향 좌표가 결정될 수 있다. 따라서, 대상체의 위치는 대상체 및/또는 대상체의 적어도 하나의 부분의 적어도 하나의 종 방향 좌표를 의미할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 대상체의 위치는 대상체 및/또는 대상체의 적어도 하나의 부분의 적어도 하나의 횡 방향 좌표를 의미할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 대상체의 위치는 대상체의 적어도 하나의 방위 정보를 의미할 수 있으며, 이는 대상체의 공간에서의 방위를 나타낸다.
검출기는,
- 대상체로부터 검출기를 향해 전파되고 각도 의존적 광학 소자를 조명하는 입사광빔의 입사각에 따라 적어도 하나의 빔 프로파일을 갖는 적어도 하나의 광빔을 생성하도록 적응된 적어도 하나의 각도 의존적 광학 소자 ― 여기서, 각도 의존적 광학 소자는, 적어도 하나의 광 섬유, 특히, 적어도 하나의 다중 분기된 광 섬유, 특히, 적어도 하나의 이중 분기된 광 섬유와, 검출기의 광축에 수직인 적어도 하나의 평면, 특히, 적어도 하나의 마이크로렌즈 어레이로 배열된 적어도 하나의 렌즈 어레이와, 적어도 하나의 광 간섭 필터, 및 적어도 하나의 비선형 광학 소자, 특히, 하나의 복굴절 광학 소자로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 광학 소자를 포함함 ― 와,
- 적어도 2개의 광학 센서 ― 여기서, 각각의 광학 센서는 적어도 하나의 감광 영역을 갖고, 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔에 의한 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ― , 및
- 센서 신호로부터 결합 신호 Q를 평가함으로써, 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치를 포함한다.
검출기는 적어도 하나의 전송 장치를 포함한다. 전송 장치는 대상체로부터 검출기로 전파되는 적어도 하나의 입사 광빔에 응답하여 적어도 하나의 초점 길이를 갖는다. 전송 장치는 구체적으로 적어도 하나의 렌즈, 예를 들어, 적어도 하나의 가변 초점 렌즈, 적어도 하나의 비구면 렌즈, 적어도 하나의 구면 렌즈, 하나의 프레넬 렌즈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 렌즈와, 적어도 하나의 회절 광학 소자와, 적어도 하나의 오목 거울과, 적어도 하나의 빔 편향 요소, 바람직하게는 적어도 하나의 미러와, 적어도 하나의 빔 분할 소자, 바람직하게는 빔 분할 큐브 또는 빔 분할 미러 중 적어도 하나, 및 적어도 하나의 다중 렌즈 시스템 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 전송 장치는 적어도 하나의 GRIN(GRadient INdex) 렌즈를 포함할 수 있다.
전송 장치는 광빔의 전파 방향을 조정 및/또는 변경하도록 적응될 수 있다. 전송 장치는 적어도 하나의 광축을 포함할 수 있다. 전송 장치는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔에 영향을 미치도록, 예를 들어, 광빔을 전환시키도록 구성될 수 있다. 특히, 전송 장치는 광빔의 전파 방향을 조정하도록 적응될 수 있다. 전송 장치는 전송 장치의 광축에 대해 전파 각도를 조정 및/또는 생성하도록 적응될 수 있다. 전파 각도는 전송 장치의 광축과, 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔의 전파 방향 사이의 각도일 수 있다. 전송 장치를 사용하지 않으면, 광빔의 전파 각도는 주로 광빔이 생성된 표면 특성 및/또는 재료 특성과 같은 대상체의 특성에 좌우될 수 있다. 전송 장치는 대상체의 표면 특성과 관계없이 전파 각도를 조정 및/또는 생성하도록 적응될 수 있다. 전송 장치는 광빔의 전파 방향의 각도 의존성을 강화 및/또는 증폭시키도록 적응될 수 있다. 이론에 구속되기를 바라지 않고, 대상체에 의해 생성된 광빔은 대상체로부터 검출기로 전파될 수 있고, 0°, 즉, 광축으로부터 임의의 각도 X까지의 각도 범위로 전송 장치에 충돌할 수 있고, 이 임의의 각도는 전송 장치의 가장자리에 대한 대상체의 산란 원점에 의해 정의될 수 있다. 전송 장치는 포커싱 특성을 포함할 수 있기 때문에, 전송 장치를 통과한 후의 각도 범위는 원래의 각도 범위와 상당히 다를 수 있다. 예를 들어, 광축에 평행하게 충돌하는 광빔은 초점 위치 또는 초점에 포커싱될 수 있다. 전송 장치의 포커싱 특성에 따라, 전송 장치에 충돌하기 전과 전송 장치를 통과한 후의 각도 의존성이 반전될 수도 있다. 전송 장치는 원거리 필드에 대한 각도 의존성을 증폭시키도록, 즉, 대상체가 원거리에 배치되는 경우, 광빔이 광축에 본질적으로 평행하게 전파된다. 일반적으로, 전송 장치를 사용하지 않으면, 근거리 필드 영역에서 각도 의존성이 가장 클 수 있다. 근거리 필드에서, 신호는 일반적으로 원거리 필드 신호에 비해 더 강할 수 있다. 따라서, 원거리 필드에서의 각도 의존성을 증폭시키는 전송 장치로 인한 근거리 필드에서의 더 작은 각도 의존성은 근거리 필드에서 일반적으로 더 나은 신호대 잡음비에 의해, 및/또는 0이 아닌 베이스라인으로 인한 거리 의존적 스팟 이동과 같은 추가 근거리 필드 속성을 사용함으로써 적어도 부분적으로 보상될 수 있다.
각도 의존적 광학 소자는 대상체로부터 전송 장치 뒤의 검출기로 전파되는 입사광빔의 전파 방향으로 배열될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자 및 전송 장치는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔이 각도 의존적 광학 소자에 충돌하기 전에 전송 장치를 통과하도록 배치될 수 있다. 전송 장치 및 각도 의존적 광학 소자는 광축에 평행 한 방향으로 공간적으로 분리되어 배치될 수 있다. 전송 장치 및/또는 각도 의존적 광학 소자 및/또는 검출기는 광축에 수직인 방향으로 변위되어 배치될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자는 각도 의존적 광학 소자와 광축 사이의 적어도 하나의 각도가 90° 미만이 되도록, 광축에 대해 경사지게 배열될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔이 전송 장치와 전송 장치의 초점 위치 사이의 각도 의존적 광학 소자에 충돌하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 전송 장치와, 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔이 각도 의존적 광학 소자에 충돌하는 위치 사이의 광축에 평행한 방향의 거리는 초점 길이의 20% 이상, 바람직하게는 초점 길이의 50% 이상, 가장 바람직하게는 초점 길이의 80% 이상일 수 있다. 예를 들어, 각도 의존적 광학 소자가 적어도 하나의 광 섬유를 포함하는 경우, 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔을 수신하는 광 섬유의 단부와 전송 장치 사이의 광축에 평행한 방향으로의 거리는 초점 거리의 20% 이상, 보다 바람직하게는 초점 거리의 50% 이상, 가장 바람직하게는 초점 거리의 80% 이상일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "광학 센서"는 일반적으로 적어도 하나의 광빔에 의해 생성된 조명 및/또는 광 스폿을 검출하기 위한 것과 같은 광빔을 검출하기 위한 감광 장치를 지칭한다. 본 명세서에서 또한 사용되는 "감광 영역"은 일반적으로 적어도 하나의 센서 신호가 생성되는 조명에 응답하여, 적어도 하나의 광빔에 의해 외부로 조명될 수 있는 광학 센서의 영역을 지칭한다. 감광 영역은 구체적으로 각각의 광학 센서의 표면 상에 위치될 수 있다. 그러나, 다른 실시예도 가능하다. 본 명세서에 사용되는 "적어도 하나의 감광 영역을 각각 갖는 적어도 2개의 광학 센서"라는 용어는 하나의 감광 영역을 각각 갖는 2개의 단일 광학 센서를 갖는 구성과, 적어도 2개의 감광 영역을 갖는 하나의 조합된 광학 센서를 갖는 구성을 지칭한다. 따라서, "광학 센서"라는 용어는 하나의 출력 신호를 생성하도록 구성된 감광 장치를 지칭하는 한편, 여기서는 2 이상의 출력 신호를 생성하도록 구성된 감광 장치, 예를 들어, 적어도 하나의 CCD 및/또는 CMOS 장치가 2개 이상의 광학 센서로서 지칭된다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 각각의 광학 센서는, 조명될 수 있는 하나의 감광 영역을 정확하게 제공하는 것과 같이, 하나의 감광 영역이 전체 광학 센서에 대해 정확하게 하나의 균일한 센서 신호가 생성되는 조명에 응답하여 각각의 광학 센서 내에 정확히 존재하도록 구현될 수 있다. 따라서, 각각의 광학 센서는 단일 영역 광학 센서일 수 있다. 그러나 단일 영역 광학 센서의 사용은, 특히, 간단하고 효율적인 검출기의 설정을 가능하게 한다. 따라서, 일 예로서, 상업적으로 이용 가능한 실리콘 포토다이오드와 같이, 각각 정확하게 하나의 감지 영역을 갖는 상업적으로 이용 가능한 광센서(photosensor)가 구성에 사용될 수 있다. 그러나, 다른 실시예도 가능하다. 따라서, 일 예로서, 본 발명의 맥락에서 2개, 3개, 4개 또는 4개 초과의 광학 센서로 간주되는 2개, 3개, 4개 또는 4개 초과의 감광 영역을 포함하는 광학 장치가 사용될 수 있다. 일 예로서, 광학 장치는 감광 영역의 매트릭스를 포함할 수 있다. 따라서, 일 예로서, 광학 센서는 픽셀화된 광학 장치의 일부이거나 이를 구성할 수 있다. 일 예로서, 광학 센서는 픽셀 매트릭스를 갖는 적어도 하나의 CCD 및/또는 CMOS 장치의 일부이거나 이를 구성할 수 있으며, 각 픽셀은 감광 영역을 형성한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "센서 신호"는 일반적으로 광빔에 의한 조명에 응답하여 광학 센서에 의해 생성된 신호를 지칭한다. 구체적으로, 센서 신호는 적어도 하나의 아날로그 전기 신호 및/또는 적어도 하나의 디지털 전기 신호와 같은 적어도 하나의 전기 신호일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 센서 신호는 적어도 하나의 전압 신호 및/또는 적어도 하나의 전류 신호이거나 이들을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 센서 신호는 적어도 하나의 광전류를 포함할 수 있다. 또한, 미가공 센서 신호를 사용하거나, 검출기, 광학 센서 또는 기타 요소가 센서 신호를 처리 또는 전처리하도록 적응되어 2차 센서 신호를 발생시킬 수 있고, 이는 필터링 등에 의한 전처리와 같은 센서 신호로도 사용될 수 있다.
적어도 하나의 감광 영역은 대상체를 향해 배향될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 "대상체를 향해 배향된다"라는 용어는 일반적으로 감광 영역의 각 표면이 대상체로부터 전체적 또는 부분적으로 가시화되는 상황을 지칭한다. 구체적으로, 대상체의 적어도 하나의 지점과 각 감광 영역의 적어도 하나의 지점 사이의 적어도 하나의 상호 연결 라인은 감광 영역의 표면 요소와 0°와는 다른 각도, 예컨대, 20° 내지 90°, 바람직하게는 90°와 같은 80° 내지 90°의 각도를 형성할 수 있다. 따라서, 대상체가 광축 상에 또는 광축에 근접하여 위치될 때, 대상체로부터 검출기를 향해 전파하는 광빔은 본질적으로 광축에 평행할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 "본질적으로 수직인"이라는 용어는, 예를 들어, ±20° 이하의 허용 오차, 바람직하게는 ±10° 이하의 허용 오차, 보다 바람직하게는 ±5° 이하의 허용 오차를 갖는 수직 배향의 조건을 지칭한다. 유사하게, "본질적으로 평행한"이라는 용어는, 예를 들어, ±20° 이하의 허용 오차, 바람직하게는 ±10° 이하의 허용 오차, 보다 바람직하게는 ±5° 이하의 허용 오차를 갖는 평행 배향의 조건을 지칭한다. 부가적으로 또는 대안적으로, 감광 영역 중 적어도 하나는 대상체를 향한 배향과는 다른 방향으로 배향될 수 있다. 예를 들어, 광학 센서 중 적어도 하나는 광축 및 대상체에 대해 수직 또는 임의의 각도로 배향될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자는 광빔이 감광 영역에 충돌하도록 광빔을 발생시키기 위해 적응될 수 있다. 예를 들어, 감광 영역 중 적어도 하나가 광축에 대해 임의의 각도로 배향되는 경우, 각도 의존적 광학 소자는 광빔을 감광 영역으로 안내하도록 적응될 수 있다.
입사광빔은 대상체로부터 검출기를 향해 전파될 수 있다. 이하에 더 상세하게 설명하는 바와 같이, 입사광빔은 대상체 및/또는 광빔을 방출하는 대상체에 통합되거나 장착된 적어도 하나의 조명원과 같은 대상체로부터 비롯될 수 있거나, 또는 대상체에 직접 또는 간접적으로 조명하는 조명원과 같은 다른 조명원으로부터 비롯될 수 있고, 여기서, 광빔은 대상체에 의해 반사되거나 산란되고, 그로 인해 검출기를 향해 적어도 부분적으로 지향된다. 일 예로서, 조명원은 외부 조명원, 검출기에 통합된 조명원 또는 비콘 장치에 통합된 조명원 중 하나 이상이거나 이를 포함할 수 있고, 여기서 비콘 장치는 대상체에 장착되거나, 대상체에 통합되거나, 또는 대상체에 의해 고정되는 것 중 하나 이상일 수 있다. 따라서, 검출기는 능동 및/또는 수동 조명 시나리오에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 조명원은 광빔을 반사하는 대상체를 향해 광빔을 지향시킴으로써 대상체를 조명하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 대상체는 적어도 하나의 광빔을 생성 및/또는 방출하도록 적응될 수 있다. 광원은 적어도 하나의 다중 빔 광원이거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원은 하나 이상의 레이저 소스 및 하나 이상의 DOE(Diffractive Optical Element)를 포함할 수 있다. 조명원은 적어도 하나의 각도 의존적 광학 소자를 거쳐 대상체를 조명하도록 적응될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 "광선(ray)"이라는 용어는 일반적으로 에너지의 흐름 방향을 가리키는 광의 파면(wavefront)에 수직인 라인을 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 "빔"이라는 용어는 일반적으로 광선의 집합을 지칭한다. 이하에서는 용어 "광선"과 "빔"은 동의어로 사용될 것이다. 또한 본 명세서에서 사용되는 "광빔"이라는 용어는 일반적으로 확산각(spreading angle)이나 광각(widening angle)인 광빔의 가능성을 포함하여, 광량, 특히 본질적으로 동일한 방향으로 진행하는 광량을 지칭한다. 광빔은 공간적 확장성을 가질 수 있다. 구체적으로, 광빔은 비가우스 빔 프로파일(non-Gaussian beam profile)을 가질 수 있다. 빔 프로파일은 사다리꼴 빔 프로파일, 삼각형 빔 프로파일, 원추형 빔 프로파일로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 사다리꼴 빔 프로파일은 고원 영역(plateau region) 및 적어도 하나의 가장자리 영역을 가질 수 있다. 본 명세서에 사용된 "빔 프로파일"이라는 용어는 일반적으로 광빔의 횡 방향 강도 프로파일을 지칭한다. 빔 프로파일은, 특히, 광빔의 전파에 수직인 적어도 하나의 평면에서 광빔의 세기의 공간 분포일 수 있다. 광빔은, 구체적으로, 이하에 상세하게 설명하는 바와 같이, 가우스 광빔 또는 가우스 광빔의 선형 조합일 수 있다. 그러나, 다른 실시예도 가능하다. 검출기는 빔 프로파일, 특히, 빔 프로파일의 형상을 조정, 정의 및 결정하는 것 중 하나 이상을 위해 구성되는 적어도 하나의 전송 장치를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "광"이라는 용어는 일반적으로 가시 스펙트럼 범위, 자외선 스펙트럼 범위 및 적외선 스펙트럼 범위 중 하나 이상의 전자기 방사선을 지칭한다. 여기서, 가시 스펙트럼 범위라는 용어는 일반적으로 380nm 내지 780nm의 스펙트럼 범위를 지칭한다. 적외선 스펙트럼 범위라는 용어는 일반적으로 780nm 내지 1mm의 범위, 바람직하게는 780nm 내지 3.0마이크로미터 범위에서의 전자기 방사선을 지칭한다. 자외선 스펙트럼 범위라는 용어는 일반적으로 1nm 내지 380nm의 범위, 바람직하게는 100nm 내지 380nm 범위의 전자기 방사선을 지칭한다. 바람직하게는, 본 발명에서 사용되는 광은 가시광, 즉, 가시 스펙트럼 범위 내의 광이다.
광빔이라는 용어는 일반적으로 특정 방향으로 방출 및/또는 반사되는 광의 양을 지칭한다. 따라서, 광빔은 광빔의 전파 방향에 수직인 방향으로 사전 결정된 연장을 갖는 광선(light rays)의 묶음일 수 있다. 바람직하게는, 광빔은 빔 웨이스트, 레일리 길이(Rayleigh-length) 또는 임의의 다른 빔 파라미터 또는 빔 직경 및/또는 공간에서의 빔 전파의 전개를 특성화하는 데 적합한 빔 파라미터들의 조합 중 하나 이상과 같은 하나 이상의 가우스 빔 파라미터에 의해 특성화될 수 있는 가우스 광빔의 선형 조합과 같은 하나 이상의 가우스 광빔일 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
광학 센서는 자외선, 가시광선 또는 적외선 스펙트럼 범위 중 하나 이상에서 감지할 수 있다. 구체적으로, 광학 센서는 500nm 내지 780nm, 가장 바람직하게는 650nm 내지 750nm 또는 690nm 내지 700nm의 가시 스펙트럼 범위에서 감지할 수 있다. 구체적으로, 광학 센서는 근적외선 영역에서 감지할 수 있다. 구체적으로, 광학 센서는 실리콘 광다이오드가, 특히, 700nm 내지 1000nm의 범위에서 적용 가능한 근적외선 영역의 부분에서 감지할 수 있다. 구체적으로, 광학 센서는 적외선 스펙트럼 범위, 특히, 780nm 내지 3.0마이크로미터 범위에서 감지할 수 있다. 예를 들어, 광학 센서 각각은, 독립적으로, 광다이오드, 광전지, 광전도체, 광트랜지스터 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 소자이거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 센서는 CCD 센서 소자, CMOS 센서 소자, 광다이오드, 광전지, 광전도체, 광트랜지스터 또는 이들의 임의의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 소자를 포함하거나 이를 포함할 수 있다. 임의의 다른 유형의 감광성 소자가 사용될 수 있다. 이하에 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 감광성 소자는 일반적으로 전체적 또는 부분적으로 무기 재료로 제조될 수 있고/있거나 전체적 또는 부분적으로 유기 재료로 제조될 수도 있다. 가장 일반적으로, 이하에 더욱 상세하게 설명하는 바와 같이, 상업적으로 이용 가능한 광다이오드, 예컨대, 무기 반도체 광다이오드와 같은 하나 이상의 광다이오드가 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용된 "각도 의존적 광학 소자"라는 용어는 대상체로부터 검출기를 향해 전파되고 각도 의존적 광학 소자를 조명하는 입사광빔의 입사각에 따라 적어도 하나의 빔 프로파일을 갖는 하나 이상의 광빔을 생성하도록 적응된 광학 소자를 지칭한다. 특히, 각도 의존적 광학 소자는 입사광빔의 빔 프로파일에 영향 및/또는 변경 및/또는 조정하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 각도 의존적 광학 소자는 각도 의존적 투과 특성, 각도 의존적 반사 특성 또는 각도 의존적 흡수 특성 중 하나 이상을 가질 수 있다. 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔은 적어도 하나의 전송 광빔 및/또는 적어도 하나의 반사 광빔을 포함할 수 있다. 입사각은 각도 의존적 광학 소자의 광축에 대해 측정될 수 있다.
각도 의존적 광학 소자의 제 1 측면, 예를 들어, 표면 및/또는 입구에 충돌하는 전자기파는 각도 의존적 광학 소자의 특성에 따라 부분적으로 흡수 및/또는 반사 및/또는 투과될 수 있다. "흡수"라는 용어는 각도 의존적 광학 소자에 의한 입사광빔의 전력 및/또는 강도의 감소를 지칭한다. 예를 들어, 입사광빔의 전력 및/또는 강도는 각도 의존적 광학 소자에 의해 열 또는 다른 유형의 에너지로 변환될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "전송"이라는 용어는 광축에 대하여 각도가 90° 이상인 반 공간(half-space) 내의 각도 의존적 광학 소자 외부에서 측정 가능한 전자기파의 일부를 지칭한다. 예를 들어, 전송은 각도 의존적 광학 소자의 제 1 측면에 충돌하고, 각도 의존적 광학 소자를 관통하고, 각도 의존적 광학 소자를 제 2 측면, 예를 들어, 반대 측면 및/또는 출구에 남겨두는 전자기파의 나머지 부분일 수 있다. "반사"라는 용어는 광축에 대하여 각도가 90° 미만인 반 공간에서 각도 의존적 광학 소자 외부에서 측정 가능한 전자기파의 일부를 지칭한다. 예를 들어, 반사는 각도 의존적 광학 소자와의 상호 작용으로 인한 입사광빔의 파면 방향의 변화일 수 있다.
각도 의존적 광학 소자에 충돌하는 전자기파의 총 전력은 각도 의존적 광학 소자에 의해 적어도 3개의 구성 요소, 즉, 흡수 구성 요소, 반사 구성 요소 및 전송 구성 요소로 분포될 수 있다. 전송도는 각도 의존적 광학 소자에 충돌하는 전자기파의 총 전력에 의해 정규화된 전송 구성 요소의 전력으로 정의될 수 있다. 흡수도는 각도 의존적 광학 소자에 충돌하는 전자기파의 총 전력에 의해 정규화된 흡수 구성 요소의 전력으로 정의될 수 있다. 반사도는 각도 의존적 광학 소자에 충돌하는 전자기파의 총 전력에 의해 정규화된 반사 구성 요소의 전력으로 정의될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "각도 의존적 전송"은 전송도가 대상체로부터 검출기를 향해 전파되는 입사광빔이 각도 의존적 광학 소자에 충돌하는 입사각에 좌우된다는 사실을 지칭한다. 전술한 바와 같이, 입사각은 각도 의존적 광학 소자의 광축에 대해 측정될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자는 적어도 하나의 전송 장치 뒤에 전파 방향으로 배열될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자 및 전송 장치는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔이 각도 의존적 광학 소자에 충돌하기 전에 전송 장치를 통과하도록 배치될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔이 전송 장치와 전송 장치의 초점 위치 사이의 각도 의존적 광학 소자에 충돌하도록 배치될 수 있다. 적어도 하나의 전송 장치를 사용하면, 종 방향 좌표 측정의 강건성을 더욱 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 전송 장치는 적어도 하나의 시준 렌즈(collimating lens)를 포함할 수 있다. 각도 의존적 광학 소자는 더 작은 각도로 충돌하는 광선에 비해 더 큰 각도로 충돌하는 광선을 약화시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 전송도는 광축에 평행한 광선, 즉, 0°에서 가장 높을 수 있고, 더 높은 각도에서 감소할 수 있다. 특히, 적어도 하나의 컷오프 각도에서의 전송도는 급격히 0으로 떨어질 수 있다. 따라서, 입사각이 큰 광선은 컷오프될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 "각도 의존적 흡수성"이라는 용어는 흡수도가 대상체로부터 검출기를 향해 전파되는 입사광빔이 각도 의존적 광학 소자에 충돌하는 입사각에 의존한다는 사실을 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 "각도 의존적 흡수성"이라는 용어는 흡수도가 대상체로부터 검출기를 향해 전파되는 입사광빔이 각도 의존적 광학 소자에 충돌하는 입사각에 의존한다는 사실을 지칭한다. 예를 들어, 대상체로부터 검출기로 전파하는 광빔의 광자 에너지 및/또는 강도는 입사각에 따라 감소될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 "각도 의존적 반사성"이라는 용어는 반사도가 대상체로부터 검출기를 향해 전파되는 입사광빔이 각도 의존적 광학 소자에 충돌하는 입사각에 의존한다는 사실을 지칭한다.
각도 의존적 광학 소자는, 적어도 하나의 광 섬유, 특히, 적어도 하나의 다중 분기된 광 섬유, 특히, 적어도 하나의 이중 분기된 광 섬유와, 검출기의 광축에 수직인 적어도 하나의 평면, 특히, 적어도 하나의 마이크로렌즈 어레이로 배열된 적어도 하나의 렌즈 어레이와, 적어도 하나의 광 간섭 필터, 및 적어도 하나의 비선형 광학 소자, 특히, 하나의 복굴절 광학 소자로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 광학 소자를 포함한다. 각도 의존적 광학 소자는 적어도 하나의 회절 광학 소자와, 적어도 하나의 각도 의존적 반사 소자와, 적어도 하나의 회절 격자 소자, 특히, 블레이즈 격자 소자와, 적어도 하나의 구경 조리개(aperture stop)와, 적어도 하나의 프리즘과, 적어도 하나의 렌즈, 및 적어도 하나의 전송 격자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 광학 소자를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 광 간섭 필터는 일반적으로 간섭 원리에 기초하여 적어도 하나의 임의의 광학 필터일 수 있다. 광 간섭 필터는 적어도 하나의 편광 필터 및/또는 적어도 하나의 대역 통과 필터 및/또는 적어도 하나의 액정 필터, 특히, 액정 조절 필터(liquid crystal tunable filter), 및/또는 적어도 하나의 숏 패스 필터 및/또는 적어도 하나의 롱 패스 필터 및/또는 적어도 하나의 노치 필터이거나 이를 포함할 수 있다.
예를 들어, 각도 의존적 광학 소자는 적어도 하나의 광 섬유를 포함한다. 구체적으로, 각도 의존적 광학 소자는 적어도 하나의 광학 측정 섬유를 포함한다. 광 섬유는 반사 효과를 무시하고, 광 섬유에 평행하게, 즉, 0°의 각도로 입사되는 광선에 대해 전송도가 최고로 되도록 설계될 수 있다. 광 섬유는 더 높은 각도, 예를 들어, 1° 내지 10°의 각도에 대해, 전송도가 평행 광선에 대한 전송도의 약 80%로 완만하게 감소할 수 있고, 이 수준에서 광 섬유의 수용 각도까지 일정하게 유지될 수 있도록 설계될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "수용 각도"라는 용어는 광선이 광 섬유로부터 반사되도록 광 섬유 내의 전체 반사가 불가능한 각도를 지칭할 수 있다. 광 섬유는 수용 각도에서 전송도가 0으로 급격히 떨어지도록 설계될 수 있다. 입사각이 큰 광선이 차단될 수 있다.
광 섬유는 광 섬유의 양단 사이에서 흡수 및/또는 반사되지 않는 입사광빔의 적어도 일부를 전송하도록 적응될 수 있다. 광 섬유는 길이를 가질 수 있고, 멀리전송을 허용하도록 적응될 수 있다. 광 섬유는 실리카, 알루미노실리케이트 유리, 게르마늄 실리케이트 유리, 플루오로지르코네이트, 희토류 도핑된 유리, 플루오라이드 유리, 칼코게나이드 유리, 사파이어, 도핑된 변이체, 특히, 실리카 유리, 인산염 유리, PMMA, 폴리스티렌, 폴리(퍼플루오로-부테닐비닐 에테르) 등과 같은 플루오로 중합체 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 광 섬유는 단일 또는 다중 모드 섬유일 수 있다. 광 섬유는 스텝 인덱스형 섬유(step index fiber), 편광 섬유, 편광 유지 섬유, 플라스틱 광 섬유 등일 수 있다. 광 섬유는 섬유 코어로서 굴절률이 더 낮은 적어도 하나의 섬유 피복(fiber cladding)에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 섬유 코어를 포함할 수 있다. 또한, 섬유 피복은 이중 또는 다중 피복일 수 있다. 섬유 피복은 소위 외부 재킷(outer jacket)을 포함할 수 있다. 섬유 피복은 광 섬유를 손상 및 습기로부터 보호하도록 적응된 소위 버퍼로 코팅될 수 있다. 버퍼는 하나 이상의 UV 경화 우레탄 아크릴레이트 복합재 및/또는 하나 이상의 폴리이미드 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 섬유 코어의 굴절률(refractive index)은 섬유 피복재의 굴절률보다 높을 수 있고, 광 섬유는 수용 각도 미만의 내부 전반사에 의해 입사광빔을 안내하도록 적응될 수 있다. 일 실시예에서, 광 섬유는 광자 밴드 갭 섬유로도 불리는 적어도 하나의 중공 코어 섬유(hollow core fiber)를 포함할 수 있다. 중공 코어 섬유는 본질적으로 소위 중공 영역 내로 들어오는 광빔을 안내하도록 적응될 수 있고, 여기서, 광빔의 적은 부분은 섬유 피복재 내로의 전파로 인해 손실된다.
광 섬유는 섬유의 말단에 하나 이상의 섬유 커넥터를 포함할 수 있다. 광 섬유는 코어리스 엔드 캡(end cap)과 같은 엔드 캡을 포함할 수 있다. 광 섬유는 광 섬유 커플러, 광 섬유 브래그 격자(FBG, Fiber Bragg Grating), 광 섬유 편광자, 광 섬유 증폭기, 광 섬유 결합 다이오드 레이저, 광 섬유 시준기, 광 섬유 조인트, 광 섬유 스플라이싱, 광 섬유 커넥터, 기계적 스플라이싱, 융합 스플라이싱 등 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 광 섬유는 중합체 코팅을 포함할 수 있다.
광 섬유는 2개 이상의 섬유를 포함할 수 있다. 광 섬유는 적어도 하나의 다중 분기된 광 섬유, 특히, 하나 이상의 이중 분기된 광 섬유일 수 있다. 예를 들어, 이중 분기된 광 섬유는 2개의 섬유, 특히, 적어도 하나의 제 1 섬유 및 적어도 하나의 제 2 섬유를 포함할 수 있다. 제 1 섬유 및 제 2 섬유는 이중 분기된 광 섬유의 입구 말단에서 서로 근접하여 배치될 수 있고, 이중 분기된 광 섬유의 출구 말단에서 소정 거리만큼 분리된 2개의 레그로 분할될 수 있다. 제 1 및 제 2 섬유는 동일한 특성을 갖는 섬유로 설계되거나 상이한 유형의 섬유일 수 있다. 제 1 섬유는 적어도 하나의 제 1 전송 광빔을 생성하도록 적응될 수 있고, 제 2 섬유는 적어도 하나의 제 2 전송 광빔을 생성하도록 적응될 수 있다. 이중 분기된 광 섬유는 입사광빔이 제 1 섬유로의 제 1 입사각 및 제 1 입사각과는 다른 제 2 입사각으로 제 2 섬유와 충돌할 수 있도록 배치될 수 있고, 그로 인해 제 1 전송 광빔과 제 2 전송 광빔의 전송도는 서로 상이하다. 광학 센서 중 하나는 제 1 섬유의 출구 말단에 배치될 수 있고, 다른 광학 센서는 제 2 섬유의 출구 말단에 배치될 수 있다. 광 섬유는 2개 초과의 섬유, 예를 들어, 3개, 4개 이상의 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다중 분기된 광 섬유는 다수의 섬유를 포함할 수 있으며, 여기서, 각각의 섬유는 코어, 피복, 버퍼, 재킷 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 하나 이상의 섬유는 부분적으로 또는 전체적으로 중합체 호스와 같은 추가 재킷에 의해 묶여 섬유의 일단(one end)과 같이 서로 가깝게 유지될 수 있다. 모든 광 섬유는 동일한 개구 수를 가질 수 있다. 모든 광 섬유는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔이 전송 장치와 전송 장치의 초점 위치 사이의 모든 광 섬유에 충돌하도록 배열될 수 있다. 광 섬유는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔이 광 섬유에 충돌하는 광축을 따른 위치가 모든 광 섬유에 대해 동일하도록 배열될 수 있다. 다른 배열이 가능할 수 있다.
검출기는 복수의 광 섬유, 예를 들어, 복수의 단일 광 섬유 또는 복수의 다중 분기된 광 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 섬유는 광 섬유 묶음으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 검출기는 복수의 단일 광 섬유, 예를 들어, 특성이 동일한 광 섬유를 포함할 수 있다. 광 섬유, 즉, 단일 광 섬유 또는 다중 분기된 광 섬유는 입사광빔이 각각의 광 섬유에 대해 상이한 입사각으로 충돌하여 전송도가 광 섬유마다 상이하도록 배열될 수 있다. 각각의 광 섬유의 출구 말단에서 적어도 하나의 광학 센서가 배열될 수 있다. 대안적으로, 적어도 2개의 광 섬유가 같은 광학 센서를 사용할 수 있다. 광 섬유의 말단에서 광학 센서는 광학 센서를 향하여 광 섬유를 나가는 광빔의 휘도 출력의 80% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 보다 바람직하게는 99% 이상이 적어도 하나의 광학 센서에 충돌하도록 배열될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자가 광 섬유인 경우, 결합 신호 Q를 최적화하기 위해 전송 장치에 대한 각도 의존적 광학 소자 및/또는 광학 센서의 관련 위치는 대상체로부터 검출기로 진행하는 광빔이 각도 의존적 광학 소자에 충돌하는 위치에 의해 주어질 수 있다. 특히, 대상체로부터 검출기로 이동하는 광빔이 광 섬유 상에 충돌하는 전송 장치에 대한 위치는 높은 동적 범위를 갖는 결합 신호 Q를 얻도록 최적화될 수 있다. 또한, 광학 셋업의 최적화에 관하여, 각도 의존적 광학 소자가 광 섬유인 경우, 대상체로부터 검출기로 이동하는 광빔이 광 섬유에 충돌하는 위치는, 각도 의존적 광학 소자가 간섭 필터와 같은 섬유가 아닌 경우, 대상체로부터 검출기로 이동하는 광빔이 광학 센서에 충돌하는 위치에 해당한다.
검출기는 대상체를 조명하기 위한 조명원을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명원은 대상체를 조명하기 위한 조명광빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 검출기는 조명광빔이 검출기로부터 검출기의 광축을 따라 대상체를 향해 전파하도록 구성될 수 있다. 이 목적을 위해, 검출기는 조명광빔을 광축 상으로 편향시키기 위한 적어도 하나의 반사 소자, 바람직하게는 적어도 하나의 프리즘을 포함할 수 있다.
구체적으로, 조명원은 적어도 하나의 레이저 및/또는 레이저 광원을 포함할 수 있다. 반도체 레이저와 같은 다양한 유형의 레이저가 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, LED 및/또는 전구와 같은 비레이저 광원이 사용될 수 있다. 조명원은 점 구름을 생성 및/또는 투영하도록 적응될 수 있고, 예를 들어, 조명원은 적어도 하나의 DLP(Digital Light Processing) 프로젝터, 적어도 하나의 LCoS 프로젝터, 적어도 하나의 공간 광 변조기와, 적어도 하나의 회절 광학 소자와, 적어도 하나의 발광 다이오드 어레이, 및 적어도 하나의 레이저 광원 어레이 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 조명원은 인공 조명원, 특히, 적어도 하나의 레이저 광원 및/또는 적어도 하나의 백열 램프 및/또는 적어도 하나의 반도체 광원, 예를 들어, 적어도 하나의 발광 다이오드, 특히, 유기 및/또는 무기 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 일 예로서, 조명원에 의해 방출된 광은 300 내지 1,000nm, 특히, 500 내지 1,000nm의 파장을 가질 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 예컨대, 780nm 내지 3.0㎛의 범위의 적외선 스펙트럼 범위의 광이 사용될 수 있다. 구체적으로, 실리콘 광다이오드가, 특히, 700nm 내지 1,000nm의 범위에서 적용 가능한 근적외선 영역의 일부분에서의 광이 사용될 수 있다. 일반적으로 정의된 빔 프로파일 및 처리 가능한 다른 특성으로 인해, 적어도 하나의 레이저 광원을 조명원으로서 사용하는 것이, 특히, 바람직하다. 조명원은 검출기의 하우징 내에 통합될 수 있다.
또한, 조명원은 변조광 또는 비변조광을 방출하도록 구성될 수 있다. 복수의 조명원이 사용되는 경우에, 다른 조명원은, 이하에 추가로 상세히 설명되는 바와 같이, 다른 변조 주파수를 가질 수 있고, 이후에 광빔을 구별하는 데 사용될 수 있다.
조명광빔은 일반적으로 광축에 평행하거나, 예컨대, 광축과의 각도를 포함하여 광축에 대해 경사질 수 있다. 일 예로서, 레이저 광빔과 같은 조명광빔 및 광축은 10° 미만, 바람직하게는 5° 미만, 특히, 2° 미만의 각도를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시예도 가능하다. 또한, 조명광빔은 광축 상에 존재하거나 광축 상으로부터 벗어날 수 있다. 일 예로서, 조명광빔은 광축에 대해 거리가 10mm 미만, 바람직하게는 광축에 대해 거리가 5mm 미만, 또는 광축에 대해 거리가 1mm 미만으로 광축에 평행할 수 있거나 심지어 광축과 일치할 수 있다.
조명원은 각도 의존적 광학 소자를 거쳐 대상체를 조명하도록 적응될 수 있다. 광 섬유는 대상체를 조명하도록 조명원에 의해 생성된 적어도 하나의 입사광빔을 전송하도록 적응된 적어도 하나의 조명 섬유를 포함할 수 있다. 조명원은 조명원에 의해 생성된 적어도 하나의 광빔을 조명 섬유에 결합시키도록 적응될 수 있다. 검출기는 광 섬유의 앞 및/또는 뒤에 배열될 수 있는 적어도 하나의 커플링 소자, 예를 들어, 적어도 하나의 인-커플링 소자(in-coupling element) 및/또는 적어도 하나의 아웃-커플링 소자(out-coupling element)를 포함할 수 있다. 커플링 소자는 적어도 하나의 전송 장치이거나, 이를 포함할 수 있다.
검출기는 대상체로부터 검출기로 이동하는 광빔을 조명 섬유에 결합시키도록 적응된 추가 커플링 소자, 특히, 추가의 인-커플링 소자를 포함할 수 있다. 추가의 커플링 소자는 광 섬유의 앞에서 대상체로부터 전송 장치로 이동하는 광빔의 전파 방향으로 배열될 수 있다. 추가의 커플링 소자는 적어도 하나의 전송 장치이거나, 이를 포함할 수 있다.
검출기가 복수의 광 섬유를 포함하는 경우, 검출기는 하나의 조명원 또는 복수의 동일한 조명원 및/또는 복수의 상이한 조명원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 조명원은 색상 또는 변조 주파수와 같은 특성이 상이한 광을 생성하는 적어도 2개의 조명원을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 광 섬유 중 적어도 2개의 광 섬유는 같은(same) 조명원 및/또는 2개의 동일한(identical) 조명원을 사용하여 조명될 수 있다. 같은 조명원 및/또는 동일한 조명원에 의해 조명되는 각각의 광 섬유의 출구 말단에는 적어도 하나의 광학 센서가 배치될 수 있다. 대안적으로, 같은 조명원에 의해 조명된 2개 이상의 광 섬유는 같은 광학 센서를 사용할 수 있다. 복수의 광 섬유에 대해 같은 조명원 및 같은 광학 센서가 사용되는 그와 같은 검출기는 근접 센서로서 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 광 섬유 중 적어도 2개의 광 섬유는 적어도 2개의 상이한 조명원을 사용하여 조명될 수 있다. 각각의 광 섬유의 출구 말단에서 적어도 하나의 광학 센서가 배열될 수 있다. 대안적으로, 적어도 2개의 광 섬유가 같은 광학 센서를 사용할 수 있다.
검출기는 스몰 베이스라인을 포함할 수 있다. 특히, 베이스라인은 검출기의 하나 이상의 조명 채널과 하나 이상의 수신기 채널 사이의 거리일 수 있다. 구체적으로, 예를 들어, xy 평면에서 적어도 하나의 조명 채널과 적어도 하나의 수신기 채널 사이의 거리는 가능한 작을 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "조명 채널"이라는 용어는 적어도 하나의 조명원 및/또는 적어도 하나의 대상체를 조명하는 적어도 하나의 조명광빔을 발생시키기 위해 적응된 적어도 하나의 광학 조명 섬유와 같은 적어도 하나의 발광 소자를 포함하는 적어도 하나의 광학 채널을 지칭한다. 조명 채널은 적어도 하나의 조명원 및 적어도 하나의 렌즈 소자와 같은 적어도 하나의 광학 송신기를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 "수신기 채널"이라는 용어는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔을 수신하도록 적응된 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는 적어도 하나의 광학 채널을 지칭한다. 수신기 채널은 적어도 하나의 전송 장치 및 적어도 하나의 각도 의존적 광학 소자와 같은 하나 이상의 광학 수신기 및 광학 센서를 포함할 수 있다. 베이스라인, 즉, 조명 채널과 수신기 채널 사이의 거리는 최소 거리일 수 있다. 최소 거리는 광학 송신기 및 광학 수신기의 구성 요소의 크기에만 의존할 수 있다. 최소 거리는 0일 수 있다. 특히, 조명원과 광학 센서 사이의 검출기의 광축에 수직인 거리는 작을 수 있다. 조명원과 광학 센서 사이의 검출기의 광축에 수직인 거리는 0.1m 미만, 바람직하게는 0.05m 미만, 더 바람직하게는 0.025m 미만일 수 있다. 특히, 조명원과 광학 센서 사이에서 검출기의 광축에 수직인 거리는 0.01m 미만, 바람직하게는 0.005m 미만, 더욱 바람직하게는 0.0025m 미만일 수 있다. 특히, 검출기와 조명원 사이의 거리는 전송 장치의 직경의 150% 미만, 바람직하게는 전송 장치의 직경의 110% 미만, 보다 바람직하게는 전송 장치의 직경의 100% 미만일 수 있다. 베이스라인이 0인 실시예들이 가능하다. 조명원 및 광축은 스몰 베이스라인에 의해 구분될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 "베이스라인"이라는 용어는 기초선으로도 표시되며, 적어도 하나의 광학 송신기와 적어도 하나의 광학 수신기 사이의 거리, 예를 들어, xy 평면에서의 거리를 지칭한다. 예를 들어, 베이스라인은 광축과 조명원 사이의 거리, 특히, 광축과 조명광빔의 z성분 사이의 거리를 지칭한다. 검출기는 조명원까지의 거리를 추가로 향상시킬 수 있는 추가 광학 소자, 예를 들어, 적어도 하나의 거울을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각도 의존적 광학 소자가 적어도 하나의 광 섬유를 포함하는 경우, 베이스라인은 송신용 렌즈와 수신용 렌즈 사이의 거리일 수 있다. 송신용 렌즈는 조명광빔의 전파 방향으로 광학 조명 섬유 뒤에 배치될 수 있다. 수신용 렌즈는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔의 전파 방향으로 광 섬유의 전방에 배열될 수 있다. 전송 장치는 수신용 렌즈를 포함할 수 있다. 구체적으로, 각도 의존적 광학 소자가 수신 섬유(receiving fiber)로도 지칭되는 하나 이상의 광 섬유를 포함하는 경우, 용어 "베이스라인"은 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔이 각도 의존적 광학 소자, 특히, 적어도 하나의 수신 섬유의 적어도 하나의 입구면, 및 적어도 하나의 광학 조명 섬유의 조명원 및/또는 적어도 하나의 출구면에 충돌하는 위치 사이의 거리를 의미한다. 본 명세서에 사용되는 "광학 조명 섬유의 입구면"이라는 용어는 조명원에 의해 생성된 광빔을 수신하도록 적응된 광학 조명 섬유의 적어도 하나의 말단을 지칭한다. "광학 조명 섬유의 출구면"이라는 용어는 광학 조명 섬유를 통해 전파되는 광빔이 광학 조명 섬유를 나가는 광 섬유의 적어도 하나의 말단을 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 "광 섬유의 입구면"이라는 용어는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔을 수신하도록 적응된 광 섬유의 적어도 하나의 말단을 지칭한다. 용어 "광 섬유의 출구면"은 광 섬유를 통해 전파되는 광빔이 광 섬유를 나가는 광 섬유의 적어도 하나의 말단을 지칭한다. 각도 의존적 소자는 제 1 광학 센서에 광을 제공하는 제 1 수신 섬유 및 제 2 광학 센서에 광을 제공하는 제 2 수신 섬유의 2개의 수신 섬유를 포함할 수 있다. 수신 섬유의 각각은 출구 말단 및 입구 말단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각도 의존적 광학 소자는 각각 적어도 하나의 입구면을 갖는 적어도 2개의 광 섬유를 포함할 수 있고, 여기서, 입구면은, 특히, 측정 헤드 내에서, 동심원 또는 서로의 상부에 또는 서로 평행하거나 나란하게 배치될 수 있다. 조명원 및/또는 광학 조명 섬유의 출구 말단과 하나 또는 두개의 입구면 사이에서 검출기의 광축에 수직인 거리는 0.01m 미만, 바람직하게는 0.005m 미만, 보다 바람직하게는 0.0025m 미만일 수 있다.
조명 섬유의 출구면 및/또는 조명원은 광축으로부터 최소 거리만큼 이격될 수 있다. 광축으로부터의 최소 거리는, 이하에 상세하게 설명되는 바와 같이, 광학 센서 및 적어도 하나의 전송 장치의 크기 및 위치와 같은 추가의 검출기 요소에 의해 정의될 수 있다. 베이스라인은 0.1m 미만, 바람직하게는 0.05m 미만, 더욱 바람직하게는 0.025m 미만일 수 있다. 베이스라인은 0.01m 미만, 바람직하게는 0.005m 미만, 더욱 바람직하게는 0.0025m 미만일 수 있다. 예를 들어, 베이스라인은 2mm일 수 있다. 특히, 조명 섬유의 출구면 및/또는 조명원과 각도 의존적 광학 소자 사이의 거리는 짧다. 각도 의존적 광학 소자가 적어도 하나의 광 섬유이거나, 이를 포함하는 경우, 조명 섬유의 출구면 및/또는 조명원과 광 섬유의 입구 사이의 거리는 짧다. 특히, 각도 의존적 광학 소자가 광 섬유인 경우, 베이스라인은 전송 장치의 반경보다 더 작을 수도 있다. 예를 들어, 각도 의존적 광학 소자는 광 섬유일 수 있다. 조명광빔은 광 섬유를 통해 안내될 수 있고, 여기서, 조명광빔은 전송 장치의 반경보다 작은 베이스라인 내에서 전송 장치 뒤의 광 섬유를 빠져나갈 수 있다. 베이스라인은 0일 수 있다. 조명원은 적어도 하나의 조명광빔을 생성하도록 적응될 수 있고, 여기서, 조명광빔을 안내하는 광 섬유는 굴절률 차이가 큰 계면에서의 반사를 감소시키기 위해, 예를 들어, 중합체 또는 접착제 등에 의해 전송 장치에 부착될 수 있다. 예를 들어, 검출기는 추가 광학 소자가 없는 소형 장치일 수 있으며, 여기서, 조명원은 전송 장치의 가장자리에 가능한 한 가깝게 배치될 수 있다. 따라서, 베이스라인은 전송 장치의 직경의 절반, 특히, 렌즈 직경, 및 렌즈 및 광원의 하우징에 가까울 수 있다. 예를 들어, 검출기는 더 소형의 장치일 수 있고, 여기서, 조명 빔을 빔 경로에 결합시키기 위해, 거울, 특히, 작은 거울이 전송 장치의 전방, 특히, 중심, 예를 들어, 전송 장치의 기하학적 중심 또는 중심에 근접하여 배치될 수 있다. 따라서, 베이스라인은 전송 장치의 반경보다 작을 수 있다.
조명원은 베이스라인이 가능한 한 작게 되도록 배열될 수 있다. 조명광빔의 전파 방향이 실질적으로 광축에 평행하고, 조명 섬유의 출구면 및/또는 조명원과 광축이 스몰 베이스라인에 의해 분리되도록 조명 섬유의 출구면 및/또는 조명원을 배열함으로써, 매우 작은 장치가 가능해진다. 예를 들어, 전송 장치의 중심으로부터 조명 섬유의 출구면 및/또는 조명원까지의 거리, 특히, 전송 장치의 중심으로부터 조명 섬유의 출구면 및/또는 조명원까지의 연결선을 따른 거리는, 바람직하게는 전송 장치의 중심으로부터 가장자리까지의 거리의 2.5배 미만, 더 바람직하게는 전송 장치의 중심으로부터 가장자리까지의 거리의 1.5배 미만, 가장 바람직하게는 전송 장치의 중심으로부터 가장자리까지의 거리의 1배 미만이다. 전송 장치는 임의의 형상을 가질 수 있고, 특히, 원형이 아닌 것도 가능하다. 짧은 거리에서 조명원의 개구는 작을 수 있고, 베이스라인도 작을 수 있다. 긴 거리에서, 조명원의 개구는 클 수 있고, 베이스라인은 작을 수 있다. 이는 긴 거리에서 큰 베이스라인이 필요한 삼각 측량 방법과는 반대이다. 또한, 삼각 측량 기반 시스템은, 베이스라인의 필요한 공간적 연장으로 인해, 예컨대, 검출기 시스템으로부터 20cm와 같이, 0보다 상당히 큰 최소 검출 범위를 갖는다. 이와 같은 큰 베이스라인은 대상체로부터 산란된 조명광이 전송 장치 뒤의 광학 센서의 감광 영역까지 도달하지 못할 수 있다. 또한, 삼각 측량 기반 시스템에서, 스몰 베이스라인을 사용하면, 최소 검출 범위가 감소하지만, 동시에 최대 검출 범위도 감소한다. 또한, 삼각 측량 기반 시스템은 복수의 감광 영역 및 센서 신호, 예를 들어, 적어도 하나의 검출기 행(raw)의 센서 신호를 필요로 한다. 본 발명에 따르면, 종 방향 좌표 z의 결정은 센서 신호의 감소된 수, 특히 20개 미만, 바람직하게는 10개 미만, 더 바람직하게는 5개 미만의 센서 신호로 가능하다. 조명원과 각도 의존적 광학 소자는 대상체로부터 전송 장치 뒤의 검출기로 이동하는 광빔의 전파 방향으로 배열될 수 있고, 이하에 더 상세히 설명될 것이다. 조명 섬유의 출구면 및/또는 조명원과 광학 센서 사이의 검출기의 광축에 수직인 거리는 전송 장치의 반경보다 작을 수 있다.
조명 섬유의 출구면 및/또는 조명원과 광학 센서 중 하나 또는 양쪽 모두는 검출기의 광축으로부터의 상대적인 공간 오프셋으로 배열될 수 있다. 특히, 조명 섬유의 출구면 및/또는 조명원과 광학 센서 중 하나 또는 양쪽 모두는 광축으로부터 상이한 공간 오프셋으로 배열될 수 있다. 조명 섬유의 출구면 및/또는 조명원과 각도 의존적 광학 소자는 검출기의 광축으로부터의 상대적인 공간 오프셋으로 배열될 수 있다. 특히, 조명 섬유의 출구면 및/또는 조명원과 각도 의존적 광학 소자는 광축으로부터 상이한 공간 오프셋으로 배열될 수 있다. 광학 센서는 검출기의 광축으로부터의 상대적인 공간 오프셋으로 배열될 수 있다. 특히, 각각의 광학 센서는 검출기의 광축으로부터 상이한 공간 오프셋으로 배열될 수 있다. 조명원과 광학 센서, 및/또는 조명원과 각도 의존적 광학 소자 및/또는 광학 센서는 검출기의 광축으로부터의 상대적인 공간 오프셋으로 배열될 수 있다. 이와 같은 배열은 몫의 경향을 향상시켜, 거리 측정의 정확성을 향상시킬 수 있다. 특히, 공간 오프셋을 증가시키면 Q 대 거리 그래프의 기울기가 증가하여 유사한 거리를 더 정확하게 구별할 수 있다. 예를 들어, 조명원 및 광학 센서 중 하나는 광축 상에 배치될 수 있고, 다른 하나는 광축과 이격하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 조명원과 광학 센서 모두는, 특히, 광축에 직각으로 적어도 하나의 다른 거리만큼 광축과 이격하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 다중 분기된 광 섬유의 적어도 2개의 섬유는 광축으로부터 서로 다른 거리로 배열될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자는 조명원 및/또는 광학 센서를 이동시키지 않고 조명원과 광학 센서 사이의 광축에 수직인 실제 거리와 비교하여 더 큰 거리를 모방하도록 적응될 수 있다.
또한, 검출기는 적어도 하나의 전송 장치를 포함한다. "전송 장치"라는 용어는, "전송 시스템"으로도 지칭되고, 예컨대, 광빔의 빔 파라미터, 광빔의 폭, 광빔의 폭, 광빔의 폭 또는 광빔의 방향 중 하나 이상을 변형함으로써 광빔을 변형하도록 적응되는 하나 이상의 광학 소자를 말한다. 전송 장치는 광빔을 광학 센서 상으로 안내하도록 적응될 수 있다. 전송 장치는 구체적으로 적어도 하나의 렌즈, 예를 들어, 적어도 하나의 가변 초점 렌즈, 적어도 하나의 비구면 렌즈, 적어도 하나의 구면 렌즈, 하나의 프레넬 렌즈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 렌즈와, 적어도 하나의 회절 광학 소자와, 적어도 하나의 오목 거울과, 적어도 하나의 빔 편향 소자, 바람직하게는 적어도 하나의 미러와, 적어도 하나의 빔 분할 소자, 바람직하게는 빔 분할 큐브 또는 빔 분할 미러 중 적어도 하나, 및 적어도 하나의 다중 렌즈 시스템 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 전송 장치는 적어도 하나의 GRIN(GRadient INdex) 렌즈를 포함할 수 있다. GRIN 렌즈는 연속 굴절 구배, 예를 들어, 축 및/또는 방사상 및/또는 구면 굴절 구배를 가질 수 있다. GRIN 렌즈의 f-수는 렌즈 길이에 따라 달라질 수 있다. GRIN 렌즈를 사용하면 광학계, 특히 매우 얇은 광학계를 사용하여 소형화할 수 있다. 예를 들어, 두께 또는 직경이 0.2mm인 매우 얇은 광학계가 가능할 수 있다. 전송 장치는 적어도 하나의 환형 축 방향 렌즈, 예를 들어, 토러스 형태(torus form)를 포함할 수 있다. 환형 축 방향 렌즈는 평면 볼록형, 예를 들어, 축 및/또는 방사형 및/또는 구형 곡률을 가질 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 전송 장치의 "초점 길이"라는 용어는 전송 장치에 충돌할 수 있는 입사 시준된 광선을, "초점 위치"로도 표시될 수 있는 "초점"으로 가져오는 거리를 지칭한다. 따라서, 초점 길이는 충돌하는 광빔을 수렴하는 전송 장치의 능력의 척도로 된다. 따라서, 전송 장치는 수렴 렌즈의 효과를 가질 수 있는 하나 이상의 촬상 소자를 포함할 수 있다. 예로서, 전송 장치는 하나 이상의 렌즈, 특히, 하나 이상의 굴절 렌즈 및/또는 하나 이상의 볼록 거울을 가질 수 있다. 이 예에서, 초점 길이는 얇은 굴절 렌즈의 중심으로부터 얇은 렌즈의 중심 초점 위치까지의 거리로 정의될 수 있다. 볼록 렌즈나 얇은 양면 볼록 렌즈와 같은 얇은 수렴형 굴절 렌즈의 경우, 초점 길이는 양의 값인 것으로 간주될 수 있고, 전송 장치가 단일 지점에 포커싱될 수 있기 때문에, 얇은 렌즈에 충돌하는 시준광의 빔으로 거리를 제공할 수 있다. 또한, 전송 장치는 적어도 하나의 파장 선택 소자, 예를 들어, 적어도 하나의 광학 필터를 포함할 수 있다. 또한, 전송 장치는, 예를 들어, 센서 영역 및 특히 센서 구역의 위치에서 전자기 방사선에 사전 정의된 빔 프로파일을 부여하도록 설계될 수 있다. 전송 장치의 상술한 선택적 실시예는 원칙적으로 개별적으로 또는 임의의 원하는 조합으로 실현될 수 있다.
전송 장치는 하나의 광축을 포함할 수 있다. 특히, 검출기 및 전송 장치는 공통 광축을 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 "전송 장치의 광축"이라는 용어는 일반적으로 렌즈 또는 렌즈 시스템의 거울 대칭축 또는 회전 대칭축을 지칭한다. 검출기의 광축은 검출기의 광학 구성의 대칭선일 수 있다. 검출기는 적어도 하나의 전송 장치, 바람직하게는 적어도 하나의 렌즈를 갖는 적어도 하나의 전송 시스템을 포함한다. 일 예로서, 전송 시스템은 적어도 하나의 빔 경로를 포함할 수 있고, 빔 경로 내의 전송 시스템의 소자는 광축에 대해 회전식으로 배열되거나 대칭 방식으로도 배치될 수 있다. 계속해서, 이하에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 빔 경로 내에 위치된 하나 이상의 광학 소자는 광축에 대하여 중심이 벗어나거나 경사질 수도 있다. 그러나, 이 경우, 예를 들어, 렌즈의 중심을 상호 연결하는 것과 같이, 빔 경로 내의 광학 소자의 중심을 상호 연결함으로써, 광축이 순차적으로 정의될 수 있고, 이러한 맥락에서, 광학 센서는 광학 소자로서 계수되지 않는다. 광축은 일반적으로 빔 경로를 나타낼 수 있다. 여기서, 검출기는 대상체로부터 광학 센서로 진행할 수 있는 광빔을 따라 단일 빔 경로를 가질 수 있거나, 복수의 빔 경로를 가질 수 있다. 일 예로서, 단일 빔 경로가 주어지거나, 빔 경로가 2 이상의 부분 빔 경로로 분할될 수 있다. 후자의 경우, 각각의 부분 빔 경로는 자체 광축을 가질 수 있다. 광학 센서는 하나의 동일한 빔 경로 또는 부분 빔 경로에 위치될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 광학 센서는 상이한 부분 빔 경로에 위치될 수도 있다.
전송 장치는 좌표 시스템을 구성할 수 있고, 여기서, 종 방향 좌표 l은 광축을 따르는 좌표이고, d는 광축으로부터의 공간 오프셋이다. 좌표계는, 전송 장치의 광축이 z축을 형성하고, z축으로부터의 거리 및 극각(polar angle)이 추가 좌표로서 사용될 수 있는 극 좌표계가 사용될 수 있다. z축에 평행하거나 역평행한 방향은 종 방향으로 간주될 수 있고, z축을 따르는 좌표는 종 방향 좌표로 간주될 수 있다. z축에 수직인 임의의 방향은 횡 방향으로 간주될 수 있고, 극 좌표 및/또는 극각은 횡 방향 좌표로 간주될 수 있다.
적어도 하나의 수신 섬유의 입구면 및/또는 광학 센서는 초점을 벗어나 위치될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 "초점"이라는 용어는 일반적으로 광빔의 착란원(Circle of Confusion)의 최소 범위 중 하나 또는 양쪽을 지칭하고, 특히 전송 장치 또는 전송 장치의 초점 길이에 의해 야기되는 대상체의 한 지점에서 방출된 적어도 하나의 광빔을 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 "착란원"이라는 용어는 전송 장치에 의해 집속된 광빔의 원뿔형 광빔에 의해 발생되는 광 스폿을 지칭한다. 착란원은 전송 장치의 초점 길이(f), 대상체로부터 전송 장치까지의 종 방향 거리, 전송 장치의 사출 동공 직경, 전송 장치로부터 감광 영역까지의 종 방향 거리, 전송 장치로부터 대상체의 이미지까지의 거리에 의존할 수 있다. 예를 들어, 가우스 빔의 경우, 착란원의 직경은 가우스 빔의 폭일 수 있다. 특히, 검출기로부터 무한 거리에 위치하거나 배치된 대상체와 같은 지점의 경우, 전송 장치는 대상체로부터의 광빔을 전송 장치의 초점 길이에 있는 초점 포인트로 초점을 맞추도록 적응될 수 있다. 검출기로부터 무한 거리에 위치하거나 배치된 대상체와 같은 비지점(non-point)의 경우, 전송 장치는 대상체의 적어도 하나의 지점으로부터 전송 장치의 초점 길이에 있는 초점면에 광빔을 포커싱하도록 적응될 수 있다. 검출기로부터 무한 거리에 위치하지 않거나 배치되지 않은 대상체와 같은 지점의 경우, 착란원은 적어도 하나의 종 방향 좌표에서 최소 범위를 가질 수 있다. 검출기로부터 무한 거리에 위치하지 않거나 배치되지 않은 대상체와 같은 비지점의 경우, 대상체의 적어도 하나의 지점으로부터의 광빔의 착란원은 적어도 하나의 종 방향 좌표에서 최소 범위를 가질 수 있다. 본 명세서에 사용되는 "초점 밖에 위치된"이라는 용어는 일반적으로 전송 장치 또는 전송 장치의 초점 길이에 의해 발생된 광빔의 착란원의 최소 범위 이외의 위치를 지칭한다. 특히, 착란원의 초점 위치 또는 최소 범위는 종 방향 좌표 lfocus에 있을 수 있는 반면, 광학 센서 및/또는 적어도 하나의 수신 섬유의 입구면 각각의 위치는 lfocus와는 다른 종 방향 좌표 lsensor를 가질 수 있다. 예를 들어, 종 방향 좌표 lsensor는, 종 방향에서, 종 방향 좌표 lfocus보다 전송 장치의 위치에 더 가깝게 배열될 수 있거나, 종 방향 좌표 lfocus보다 전송 장치의 위치로부터 더 멀리 배열될 수 있다. 따라서, 종 방향 좌표 lsensor 및 종 방향 좌표 lfocus는 전송 장치와는 다른 거리에 위치될 수 있다. 예를 들어, 광학 센서 및/또는 적어도 하나의 수신 섬유의 입구면은 종 방향에서 ±2%의 초점 길이만큼, 바람직하게는 ±10%의 초점 길이만큼, 가장 바람직하게는 ±20%의 초점 길이만큼 착란원의 최소 범위로부터 이격될 수 있다. 예를 들어, 전송 장치의 초점 길이는 20mm일 수 있고, 종 방향 좌표 lsensor는 19.5mm일 수 있으며, 즉, lsensor가 초점 길이의 2.5%만큼 초점으로부터 이격되도록, 센서 및/또는 적어도 하나의 수신 섬유의 입구면은 97.5%의 초점 길이에 위치할 수 있다.
전술한 바와 같이, 적어도 하나의 수신 섬유의 입구면 및/또는 광학 센서는 초점을 벗어나 배열될 수 있다. 적어도 하나의 수신 섬유의 입구면 및/또는 광학 센서는 결합 신호의 거리 의존성에 대한 분산이 최대가 되도록 배열될 수 있으며, 이는 결합 신호 Q의 최대 동적 범위와 등가이다. 이 이론에 구속되길 바라지 않고, 동적 영역을 최대화하기 위한 실제 근사값은 거리 의존성에 대한 분산 착란원을 최대화하는 것이다. 작고 큰 대상체 거리에서 착란원 반경의 몫은 작고 큰 대상체 거리에서 결합 신호의 몫에 대한 실제 근사값이다. 특히, 적어도 하나의 수신 섬유의 입구면 및/또는 광학 센서는 큰 대상체 거리에서의 결합 신호 Qfar와 작은 대상체 거리에서의 결합 신호 Qclose가 최대 변동되도록 위치 결정될 수 있다.
여기서, 는 작은 대상체 거리에서의 착란원의 반경이고, 는 큰 대상체 거리에서의 착란원의 반경이며, 여기서, zO는 적어도 하나의 수신 섬유의 입구면 및/또는 광학 센서와 대상체 사이의 검출 가능한 거리 범위이고, zs는 전송 장치와, 적어도 하나의 수신 섬유의 입구면 및/또는 광학 센서 사이의 거리이며, zi는 전송 장치 뒤에 포커싱된 이미지의 위치이며, 이는 대상체 zo의 위치에 좌우된다. 광학 센서의 최적 위치 및/또는 각도 의존적 광학 소자의 최적 위치, 특히, 대상체로부터 검출기로 진행하는 광빔이 광 섬유에 충돌하는 광 섬유의 말단의 위치는, i) 적어도 하나의 수신 섬유의 입구면 및/또는 광학 센서를 가장 먼 대상체 거리의 초점 위치에 위치시키는 단계, 및 ii) 초점 위치로부터의 거리 Δ가 가장 큰 변화의 착란원 및 가장 큰 영역을 제공하도록, 적어도 하나의 수신 섬유의 입구면 및/또는 광학 센서를 초점 위치로부터, 특히, 광축을 따라 또는 광축에 대해, 벗어나게 이동시키는 단계 ― 여기서, 이고, 여기서 Osize는 적어도 하나의 수신 섬유의 입구면 및/또는 광학 센서상의 스폿 크기이고, f는 전송 장치의 초점 길이이고, F#은 전송 장치의 F 번호이며, 는 가장 먼 대상체 거리임 ― 를 통해 조정될 수 있다.
적어도 하나의 수신 섬유의 입구면 및/또는 광학 센서는 광학 센서의 감광 영역 및/또는 적어도 하나의 수신 섬유의 입구면이 종 방향 좌표, 공간 오프셋 또는 그들의 표면 영역 중 적어도 하나가 다르도록 배치될 수 있다.
각각의 감광 영역은 기하학적 중심을 가질 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 영역의 "기하학적 중심"이라는 용어는 일반적으로 영역의 무게 중심을 지칭할 수 있다. 일 예로서, 영역 내부 또는 외부의 임의의 지점이 선택되고, 이 임의의 지점을 영역의 모든 지점과 각기 연결하는 벡터에 대해 적분이 형성되면, 적분은 임의 지점의 위치 함수이다. 임의의 지점이 영역의 기하학적 중심에 위치될 때, 적분의 절대값의 적분은 최소화된다. 따라서, 다시 말해서, 기하학적 중심은 전체 또는 영역의 모든 지점으로부터 최소의 합계 거리를 갖는 영역의 내부 또는 외부의 한 지점일 수 있다.
예를 들어, 각각의 감광 영역의 각각의 기하학적 중심은 종 방향 좌표 lcenter, i에 배열될 수 있고, 여기서, i는 각의 광학 센서의 수를 나타낸다. 정확하게 2개의 광학 센서를 포함하는 검출기의 경우, 및 2개 초과의 광학 센서를 포함하는 검출기의 경우, 광학 센서는 적어도 하나의 제 1 광학 센서 ― 여기서, 제 1 광학 센서, 특히, 기하학적 중심은 제 1 종 방향 좌표 lcenter, 1에 배치됨 ― , 및 적어도 하나의 제 2 광학 센서 ― 여기서, 제 2 광학 센서, 특히, 기하학적 중심은 제 2 종 방향 좌표 lcenter, 2에 있음 ― 를 포함할 수 있고, 여기서, 제 1 종 방향 좌표와 제 2 종 방향 좌표는 상이하다. 예를 들어, 제 1 광학 센서 및 제 2 광학 센서는 광축의 방향으로 오프셋되는 상이한 평면에 위치될 수 있다. 제 1 광학 센서는 제 2 광학 센서의 전방에 배치될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 제 1 광학 센서는 단순히 제 2 광학 센서의 표면에 배치될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제 1 광학 센서는, 예를 들어, 제 1 감광 영역의 표면 영역의 제곱근의 5배 이하만큼 제 2 광학 센서로부터 이격될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제 1 광학 센서는 제 2 광학 센서의 전방에 배치될 수 있고, 제 2 광학 센서로부터 50mm 이하, 바람직하게는 15mm 이하로 이격될 수 있다. 제 1 광학 센서 및 제 2 광학 센서의 상대 거리는, 예를 들어, 초점 길이 또는 대상체 거리에 좌우될 수 있다.
전술한 조건 중 하나가 충족되는 한, 광학 센서의 종 방향 좌표는 또한 동일할 수 있다. 예를 들어, 광학 센서의 종 방향 좌표는 동일할 수 있지만, 감광 영역은 광축으로부터 이격될 수 있고/있거나 표면 영역이 상이할 수 있다.
각각의 감광 영역의 각각의 기하학적 중심은 빔 경로의 광축 또는 각각의 광학 센서가 위치된 각각의 빔 경로와 같이 전송 장치의 광축으로부터 이격될 수 있다. 기하학적 중심과 광축 사이의 거리, 특히, 횡 방향은 용어 "공간 오프셋"으로 표시된다. 정확하게 2개의 광학 센서를 포함하는 검출기의 경우 및 2개보다 많은 광학 센서를 포함하는 검출기의 경우에도, 광학 센서는 제 1 공간 오프셋에 의해 광축으로부터 이격되어 있는 적어도 하나의 제 1 광학 센서와, 제 2 공간 오프셋에 의해 광축으로부터 이격되어 있는 적어도 하나의 제 2 광학 센서를 포함하되, 여기서, 제 1 공간 오프셋과 제 2 공간 오프셋은 서로 상이하다. 일 예로서, 제 1 및 제 2 공간 오프셋은 적어도 1.2배, 더 바람직하게는 적어도 1.5배, 더욱 바람직하게는 적어도 2배만큼 다를 수 있다. 전술한 조건 중 하나를 만족하는 한, 공간 오프셋은 0일 수도 있고, 음의 값일 수도 있다.
본 명세서에 사용된 "표면 영역"이라는 용어는 일반적으로 적어도 하나의 감광 영역의 형상 및 내용 모두를 지칭한다. 정확하게 2개의 광학 센서를 포함하는 검출기의 경우 및 2개 초과의 광학 센서를 포함하는 검출기의 경우, 광학 센서는 제 1 표면 영역을 갖는 적어도 하나의 제 1 광학 센서 및 제 2 표면 영역을 갖는 적어도 하나의 제 2 광학 센서를 포함할 수 있다. 예컨대, 광학 센서의 매트릭스를 포함하는 센서 소자와 같이 2개 초과인 광학 센서로 구성된 검출기의 경우, 제 1 광학 센서 그룹 또는 매트릭스의 광학 센서 중 적어도 하나는 제 1 표면 영역을 형성할 수 있고, 여기서, 제 2 광학 센서 그룹 또는 매트릭스의 적어도 하나의 다른 광학 센서는 제 2 표면 영역을 형성할 수 있다. 제 1 표면 영역과 제 2 표면 영역은 상이할 수 있다. 특히, 제 1 표면 영역과 제 2 표면 영역은 동일하지 않다. 따라서, 제 1 광학 센서 및 제 2 광학 센서의 표면 영역은 하나 이상의 형상이나 내용이 상이할 수 있다. 예를 들어, 제 1 표면 영역은 제 2 표면 영역보다 작을 수 있다. 일 예로서, 제 1 표면 영역과 제 2 표면 영역의 양쪽은 정사각형 또는 직사각형 형상일 수 있고, 여기서, 제 1 표면 영역의 정사각형 또는 직사각형의 측면 길이는 제 2 표면 영역의 정사각형 또는 직사각형의 대응하는 측면 길이보다 작다. 대안적으로, 일 예로서, 제 1 표면 영역과 제 2 표면 영역 양쪽 모두는 원형일 수 있고, 제 1 표면 영역의 직경은 제 2 표면 영역의 직경보다 작다. 다시, 대안적으로, 일 예로서, 제 1 표면 영역은 제 1 등가 직경일 수 있고, 제 2 표면 영역은 제 2 등가 직경일 수 있으며, 여기서, 제 1 등가 직경은 제 2 등가 직경보다 작다. 전술한 조건 중 하나를 만족하는 한, 표면 영역은 동일할 수 있다.
광학 센서, 특히, 감광 영역은 광학 센서 사이에서 중첩되거나 중첩되지 않도록 배열될 수 있다.
예를 들어, 검출기는 적어도 2개의 광 섬유, 특히, 적어도 2개의 수신 섬유를 포함할 수 있고, 여기서, 제 1 수신 섬유는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔의 적어도 일부를 제 1 광학 센서에 제공하도록 적응되고, 제 2 수신 섬유는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔의 적어도 일부를 제 2 광학 센서에 제공하도록 적응된다. 검출기, 특히, 각도 의존적 광학 소자는 복수의 광 섬유를 포함할 수 있고, 여기서, 각각의 광 섬유는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔의 적어도 일부를 광학 센서 중 하나로 제공하도록 적응된다. 수신 섬유의 각각의 입구면의 기하학적 중심의 각각은 종 방향 좌표 lcenter, i로 배열될 수 있고, 여기서, i는 각각의 수신 섬유의 수를 나타낸다. 검출기는 정확하게 2개의 광학 센서 및/또는 2개의 수신 섬유를 포함할 수 있고, 이들 각각은 입구면을 포함한다. 검출기는 2개 초과의 광학 센서 및/또는 2개 초과의 수신 섬유를 포함할 수 있다. 수신 섬유는 적어도 하나의 제 1 입구면을 갖는 적어도 하나의 제 1 수신 섬유 및 적어도 하나의 제 2 입구면을 갖는 적어도 하나의 제 2 수신 섬유를 포함할 수 있다. 제 1 입구면, 특히, 기하학적 중심은 제 1 종 방향 좌표 lcenter, 1로 배열될 수 있고, 제 2 입구면, 특히, 기하학적 중심은 제 2 종 방향 좌표 lcenter, 2로 배열될 수 있으며, 여기서, 제 1 종 방향 좌표와 제 2 종 방향 좌표는 서로 상이하다. 예를 들어, 제 1 입구 말단 및 제 2 입구 말단은 광축의 방향으로 오프셋되는 상이한 평면에 위치될 수 있다. 제 1 입구 말단은 제 2 입구 말단의 전방에 배치될 수 있다. 제 1 입구 단부 및 제 2 입구 말단의 상대 거리는, 예를 들어, 초점 길이 또는 대상체 거리에 좌우될 수 있다. 전술한 조건 중 하나를 만족하는 한, 수신 섬유의 입구면의 종 방향 좌표는 또한 동일할 수 있다. 구체적으로, 수신 섬유의 입구면의 종 방향 좌표는 동일할 수 있지만, 수신 섬유의 입구면은 상이한 공간 오프셋에 의해 광축으로부터 이격될 수 있다. 제 1 광 섬유 및 제 2 광 섬유는 공통 중심 축을 갖도록 배열될 수 있다. 제 1 광 섬유 및 제 2 광 섬유는 동심으로 배열될 수 있다. 제 1 광 섬유는 제 2 광 섬유를 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 제 1 입구면 및 제 2 입구면은 원형일 수 있고, 여기서, 제 1 입구면은 제 1 반경을 갖는 원일 수 있고, 제 2 입구면은 제 1 반경과 다른 제 2 반경을 갖는 원일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제 1 입구면은 제 2 입구면으로부터 이격될 수 있다. 제 1 입구면은 제 2 입구면의 전방에 배치될 수 있고, 제 2 입구면으로부터 50mm 이하, 바람직하게는 15mm 이하로 이격될 수 있다. 제 1 광학 센서 및 제 2 광학 센서의 상대 거리는, 예를 들어, 초점 길이 또는 대상체 거리에 좌우될 수 있다.
각도 의존적 광학 소자는 각각 적어도 하나의 입구면이 마련된 적어도 2개의 광 섬유를 포함할 수 있다. 각도 의존적 광학 소자는 복수의 광 섬유를 포함할 수 있다. 입구면은 서로 동심원 및/또는 서로의 상부 및/또는 서로 평행하게 및/또는 나란히 배치된다.
수신 섬유의 각 입구면의 기하학적 중심의 각각은 빔 경로의 광축 또는 수신 섬유의 각 입구면이 위치한 각각의 빔 경로와 같은 전송 장치의 광축으로부터 이격될 수 있다. 검출기가 각각 하나의 입구면을 포함하는 정확하게 2개의 수신 섬유를 포함하는 경우, 및 검출기가 2개 초과의 수신 섬유를 포함하는 경우, 수신 섬유는 제 1 공간 오프셋에 의해 광축으로부터 이격되어 있는 적어도 하나의 제 1 입구면을 포함하는 적어도 하나의 제 1 수신 섬유와, 제 2 공간 오프셋에 의해 광축으로부터 이격되어 있는 적어도 하나의 제 1 입구면을 포함하는 적어도 하나의 제 2 수신 섬유를 포함하며, 여기서, 제 1 공간 오프셋과 제 2 공간 오프셋은 서로 상이하다. 일 예로서, 제 1 및 제 2 공간 오프셋은 적어도 1.2배, 더 바람직하게는 적어도 1.5배, 더욱 바람직하게는 적어도 2배만큼 다를 수 있다. 전술한 조건 중 하나를 만족하는 한, 공간 오프셋은 0일 수도 있고, 음의 값일 수도 있다.
정확하게 2개의 수신 섬유를 포함하는 검출기의 경우, 및 2개 초과의 수신 섬유를 포함하는 검출기의 경우, 수신 섬유는 제 1 단면으로 이루어진 적어도 하나의 제 1 수신 섬유와 제 2 단면으로 이루어진 적어도 하나의 제 2 수신 섬유를 포함할 수 있다. "단면"이라는 용어는 수신 섬유의 연장 방향에 수직인 영역을 지칭한다. 2개 초과의 수신 섬유를 포함하는 검출기의 경우, 제 1 광 섬유 그룹 또는 적어도 하나의 광 섬유는 제 1 단면을 형성할 수 있고, 여기서, 제 2 광 섬유 그룹 또는 적어도 하나의 다른 광 섬유는 제 2 단면을 형성할 수 있다. 제 1 단면과 제 2 단면은 서로 상이할 수 있다. 특히, 제 1 단면과 제 2 단면은 일치하지 않는다. 따라서, 제 1 수신 섬유 및 제 2 수신 섬유의 단면은 하나 이상의 형상 또는 내용이 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 제 1 단면은 제 2 단면보다 작을 수 있다. 일 예로서, 제 1 단면 및 제 2 단면의 양쪽 모두는 원형일 수 있다. 제 1 입구면의 제 1 원의 반경은 제 2 입구면의 제 2 원의 대응 반경보다 작을 수 있다. 구체적으로, 제 1 단면의 직경은 제 2 단면의 직경보다 작을 수 있다. 다시, 대안적으로, 일 예로서, 제 1 단면은 제 1 등가 직경일 수 있고, 제 2 단면은 제 2 등가 직경일 수 있으며, 여기서, 제 1 등가 직경은 제 2 등가 직경보다 작다. 전술한 조건 중 하나를 만족하는 한, 단면은 동일할 수 있다.
본 명세서에서 또한 사용되는 "평가 장치"라는 용어는 일반적으로, 바람직하게는 적어도 하나의 데이터 처리 장치, 더 바람직하게는 적어도 하나의 프로세서 및/또는 적어도 하나의 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)을 사용하여, 지정된 동작을 수행하도록 적응된 임의의 장치를 지칭한다. 따라서, 일 예로서, 적어도 하나의 평가 장치는 다수의 컴퓨터 명령을 포함하는 소프트웨어 코드가 저장된 적어도 하나의 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 평가 장치는 하나 이상의 지정된 동작을 수행하기 위한 하나 이상의 하드웨어 요소를 제공할 수 있고/있거나 하나 이상의 지정된 동작을 수행하기 위한 소프트웨어가 구동되는 하나 이상의 프로세서를 제공할 수 있다.
평가 장치는 센서 신호의 결합 신호 Q를 평가하여, 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성된다. 본 명세서에 사용되는 "결합 신호 Q"라는 용어는 센서 신호를 조합하여, 특히, 센서 신호를 분할하거나, 센서 신호의 배수를 분할하거나 또는 센서 신호의 선형 조합을 분할함으로써 생성되는 신호를 지칭한다. 특히, 결합 신호는 몫 신호일 수 있다. 결합 신호 Q는 다양한 수단을 사용하여 결정될 수 있다. 일 예로서, 결합 신호를 도출하기 위한 소프트웨어 수단, 결합 신호를 도출하기 위한 하드웨어 수단, 또는 양쪽 모두가 사용될 수 있고, 평가 장치에서 구현될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 평가 장치는 적어도 하나의 제산기(divider)를 포함할 수 있고, 여기서, 제산기는 몫 신호를 도출하도록 구성된다. 제산기는 소프트웨어 제산기 또는 하드웨어 제산기 중 하나 또는 양쪽 모두로 구현될 수 있다.
평가 장치는 센서 신호를 나누는 것, 센서 신호의 배수를 나누는 것, 센서 신호의 선형 조합을 나누는 것 중 하나 이상에 의해 결합 신호 Q를 도출하도록 구성될 수 있다. 평가 장치는 종 방향 좌표를 결정하기 위해, 결합 신호 Q와 종 방향 좌표 사이의 적어도 하나의 사전 결정된 관계를 사용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 평가 장치는 결합 신호 Q를 다음 수학식에 의해 도출하도록 구성된다.
여기서, x 및 y는 횡 방향 좌표이고, A1 및 A2는 센서 위치에서 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔의 빔 프로파일의 영역이고, E(x,y,z0)는 대상체 거리 z0에서 주어진 빔 프로파일을 나타낸다. 영역 A1과 영역 A2는 서로 다를 수 있다. 특히, A1과 A2는 일치하지 않는다. 따라서, A1 및 A2는 형상이나 내용 중 하나 이상에서 서로 다를 수 있다. 빔 프로파일은 광빔의 단면일 수 있다. 빔 프로파일은 사다리꼴 빔 프로파일, 삼각형 빔 프로파일, 원추형 빔 프로파일, 및 가우스 빔 프로파일의 선형 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 일반적으로 빔 프로파일은 휘도 L(z0) 및 빔 형상 S(x,y;z0), E(x,y;z0) = L·S에 좌우된다. 따라서, 결합 신호를 도출함으로써, 휘도와 관계없는 종 방향 좌표를 결정할 수 있게 한다. 또한, 결합 신호를 사용하면, 대상체 크기와 관계없는 거리 z0을 결정할 수 있게 한다. 따라서, 결합 신호는 대상체의 재료 특성 및/또는 반사 특성 및/또는 산란 특성과 관계없고, 또한, 예를 들어, 제조 정밀도, 열, 물, 먼지, 렌즈의 손상 등에 의한 광원의 변경과도 관계없는 거리 z0를 결정할 수 있게 한다.
센서 신호의 각각은 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔의 빔 프로파일의 적어도 하나의 영역에 대한 적어도 하나의 정보를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 "빔 프로파일의 영역"이라는 용어는 일반적으로 결합 신호 Q를 결정하기 위해 사용되는 센서 위치에서의 빔 프로파일의 임의의 영역을 지칭한다. 감광 영역은, 제 1 센서 신호가 빔 프로파일의 제 1 영역의 정보를 포함하고, 제 2 센서 신호가 빔 프로파일의 제 2 영역의 정보를 포함하도록 배열될 수 있다. 빔 프로파일의 제 1 영역 및 빔 프로파일의 제 2 영역은 인접하거나 겹치는 영역 중 하나 또는 양쪽 모두일 수 있다. 빔 프로파일의 제 1 영역 및 빔 프로파일의 제 2 영역은 영역에서 일치하지 않을 수 있다.
평가 장치는 빔 프로파일의 제 1 영역 및 빔 프로파일의 제 2 영역을 결정 및/또는 선택하도록 구성될 수 있다. 빔 프로파일의 제 1 영역은 본질적으로 빔 프로파일의 가장자리 정보를 포함할 수 있고, 빔 프로파일의 제 2 영역은 본질적으로 빔 프로파일의 중심 정보를 포함할 수 있다. 빔 프로파일은 예컨대, 빔 프로파일의 최대값 및/또는 빔 프로파일의 고원(plateau)의 중심점 및/또는 광 스폿의 기하학적 중심과 같은 중심과, 중심으로부터 연장되는 하강 에지를 가질 수 있다. 제 2 영역은 횡단면의 내부 영역을 포함할 수 있고, 제 1 영역은 횡단면의 외부 영역을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "본질적으로 중심 정보"라는 용어는, 일반적으로, 예컨대, 중심에 대응하는 강도 분포의 비율과 같은 중심 정보의 비율과 비교하여, 예컨대, 가장자리에 대응하는 강도 분포의 비율과 같은 가장자리 정보의 낮은 비율을 지칭한다. 바람직하게는, 센터 정보는 가장자리 정보의 비율이 10% 미만, 더 바람직하게는 5% 미만, 가장 바람직하게는 센터 정보는 가장자리 콘텐츠를 포함하지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 "본질적으로 가장자리 정보"라는 용어는 일반적으로 가장자리 정보의 비율과 비교하여 중심 정보의 낮은 비율을 지칭한다. 가장자리 정보는 전체 빔 프로파일의 정보, 특히, 중심 및 가장자리 영역으로부터의 정보를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 가장자리 정보는 중심 정보의 비율이 10% 미만, 더 바람직하게는 5% 미만, 가장 바람직하게는 가장자리 정보는 중심 콘텐츠를 포함하지 않는다. 빔 프로파일이 인접하거나 중심 주위에 있고, 본질적으로 중심 정보를 구성하는 경우, 빔 프로파일의 적어도 하나의 영역은 결정될 수 있고/있거나 빔 프로파일의 제 2 영역으로 선택될 수 있다. 빔 프로파일의 적어도 하나의 영역은, 그것이 단면의 하강 에지의 적어도 일부를 포함하는 경우, 빔 프로파일의 제 1 영역으로서 결정 및/또는 선택될 수 있다. 예를 들어, 단면의 전체 영역이 제 1 영역으로 결정될 수 있다. 빔 프로파일의 제 1 영역은 영역 A2일 수 있고, 빔 프로파일의 제 2 영역은 영역 A1일 수 있다.
가장자리 정보는 빔 프로파일의 제 1 영역 내의 광자 수에 관한 정보를 포함할 수 있고, 중심 정보는 빔 프로파일의 제 2 영역 내의 광자 수에 관한 정보를 포함할 수 있다. 평가 장치는 빔 프로파일의 면적 적분을 결정하도록 적용될 수 있다. 평가 장치는 제 1 영역의 적분 및/또는 합산에 의해 가장자리 정보를 결정하도록 적응될 수 있다. 평가 장치는 제 2 영역의 적분 및/또는 합산에 의해 중심 정보를 결정하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 빔 프로파일은 사다리꼴 빔 프로파일일 수 있고, 평가 장치는 사다리꼴의 적분을 결정하도록 적응될 수 있다. 또한, 사다리꼴 빔 프로파일이 가정될 수 있는 경우, 가장자리 및 중심 신호의 결정은 가장자리의 경사와 위치 결정, 중심 고원의 높이 결정, 및 기하학적 고려에 의한 가장자리 및 중심 신호의 도출과 같은 사다리꼴 빔 프로파일의 특성을 이용하는 등가의 평가로 대체될 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 평가 장치는 광 스폿의 적어도 하나의 슬라이스 또는 절단으로부터 중심 정보 또는 가장자리 정보 중 하나 또는 양쪽 모두를 결정하도록 적응될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 결합 신호 Q의 면적 적분을 슬라이스 또는 절단을 따라 라인 적분으로 대체함으로써 실현될 수 있다. 정확도의 향상을 위해, 광 스폿을 통과하는 몇몇 슬라이스 또는 절단이 사용되어 평균화될 수 있다. 타원형 스폿 프로파일의 경우에, 몇몇 슬라이스나 절단을 평균화하면, 결과적으로 거리 정보가 향상될 수 있다.
평가 장치는 가장자리 정보와 중심 정보를 나누는 것, 가장자리 정보와 중심 정보의 배수를 나누는 것, 가장자리 정보와 중심 정보의 선형 조합을 나누는 것 중 하나 이상에 의해 결합 신호 Q를 도출하도록 구성될 수 있다. 따라서, 본질적으로, 광자비(photon ratios)는 방법의 물리적 기초로서 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 검출기는,
- 제 1 감광 영역을 갖는 적어도 하나의 제 1 광학 센서 ― 여기서, 제 1 광학 센서는 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔에 의해 제 1 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 제 1 센서 신호를 생성하도록 구성될 수 있음 ―, 및
- 제 2 감광 영역을 갖는 적어도 하나의 제 2 광학 센서 ― 여기서, 제 2 광학 센서는 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔에 의해 제 2 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 구성될 수 있음 ― 를 포함할 수 있다.
평가 장치는 제 1 및 제 2 센서 신호를 평가하여 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성될 수 있다.
제 1 감광 영역은 제 2 감광 영역보다 더 작을 수 있다. 본 실시예에서, 광학 센서는 광학 센서의 감광 영역이 종 방향 좌표 및/또는 표면 영역과 상이하도록 배치될 수 있다.
각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔은 구체적으로 제 1 감광 영역이 제 1 광학 센서의 감광 영역보다 넓은 광빔 내에 완전히 위치되도록 제 1 감광 영역을 완전히 조명할 수 있다. 반대로, 바람직하게는, 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔은 구체적으로 제 2 감광 영역보다 작은 제 2 감광 영역 상에 광 스폿을 생성할 수 있어서, 광 스폿이 제 2 감광 영역 내에 완전히 위치될 수 있다. 제 2 감광 영역상의 광 스폿 내에, 제 1 광학 센서에 의해 생성된 그림자가 위치될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 제 1 감광 영역이 더 작은 제 1 광학 센서는, 대상체로부터 볼 때, 제 2 광학 센서의 전방에 위치될 수 있고, 제 1 감광 영역은 광빔 내에 완전히 위치되고, 제 2 감광 영역 상에 광 스폿을 생성하는 광빔은 제 2 감광 영역보다 작으며, 또한 광 스폿 내에서 제 1 광학 센서에 의해 생성된 그림자를 더 포함한다. 그 상황은, 이하에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 예컨대, 적절한 전송 장치를 사용하여, 광빔에 포커싱 또는 디포커싱 효과를 갖는 하나 이상의 적절한 렌즈나 소자를 선택함으로써 광학 분야의 당업자에 의해 쉽게 조정될 수 있다. 본 명세서에서 추가로 사용되는 광 스폿은 일반적으로 광빔에 의한 물품, 영역 또는 대상체의 가시광 또는 검출 가능한 원형 또는 비원형 조명을 지칭한다.
상술한 바와 같이, 제 1 감광 영역은 제 2 감광 영역보다 작다. 본 명세서에서 사용되는 "보다 작다"라는 용어는 제 1 감광 영역의 표면 영역이 적어도 0.9배, 예컨대, 적어도 0.7배 또는 적어도 0.5배와 같이 제 2 감광 영역의 표면 영역보다 작다는 것을 의미한다. 일 예로서, 제 1 감광 영역과 제 2 감광 영역의 양쪽은 정사각형 또는 직사각형 형상일 수 있고, 여기서, 제 1 감광 영역의 정사각형 또는 직사각형의 측면 길이는 제 2 감광 영역의 정사각형 또는 직사각형의 대응하는 측면 길이보다 작다. 대안적으로, 일 예로서, 제 1 감광 영역과 제 2 감광 영역 양쪽 모두는 원형일 수 있고, 제 1 감광 영역의 직경은 제 2 감광 영역의 직경보다 작다. 다시, 대안적으로, 일 예로서, 제 1 감광 영역은 제 1 등가 직경일 수 있고, 제 2 감광 영역은 제 2 등가 직경일 수 있으며, 여기서, 제 1 등가 직경은 제 2 등가 직경보다 작다.
상술한 바와 같이, 제 2 감광 영역은 제 1 감광 영역보다 크다. 따라서, 일 예로서, 제 2 감광 영역은 제 1 감광 영역보다 2배 이상, 보다 바람직하게는 3배 이상, 가장 바람직하게는 5배 이상 클 수 있다.
제 1 감광 영역은 구체적으로 작은 감광 영역일 수 있어서, 바람직하게는 광빔이 이 감광 영역을 완전히 조명한다. 따라서, 전형적인 광학 구성에 적용할 수 있는 일 예로서, 제 1 감광 영역은 1㎟ 내지 150㎟의 표면 영역, 보다 바람직하게는 10㎟ 내지 100㎟의 표면 영역을 가질 수 있다.
제 2 감광 영역은 구체적으로 넓은 영역일 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 검출기의 측정 범위 내에서, 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔에 의해 생성된 광 스폿은 제 2 감광 영역 내에 완전히 위치될 수 있어서, 광 스폿은 제 2 감광 영역의 경계 내에 완전히 위치될 수 있다. 전형적인 광학 구성에 적용 가능한 일 예로서, 제 2 감광 영역은 160㎟ 내지 1,000㎟의 표면 영역, 보다 바람직하게는 200㎟ 내지 600㎟의 표면 영역을 가질 수 있다.
제 1 감광 영역은 구체적으로 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔의 전파 방향으로 제 2 감광 영역과 중첩될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔은 제 1 감광 영역 및 제 2 감광 영역의 전체 또는 일부를 조명할 수 있다. 따라서, 일 예로서, 검출기의 광축 상에 위치된 대상체에서 볼 때, 제 1 감광 영역은 제 2 감광 영역의 전방에 위치되어, 제 1 감광 영역이, 대상체에서 볼 때, 제 2 감광 영역 내에 완전히 위치될 수 있다. 이 대상체로부터의 광빔이 제 1 및 제 2 감광 영역을 향해 전파될 때, 상술한 바와 같이, 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔은 제 1 감광 영역을 완전히 조명할 수 있고, 또한 제 2 감광 영역에 광 스폿을 생성할 수 있고, 여기서, 제 1 광학 센서에 의해 생성된 그림자가 광 스폿 내에 위치된다. 그러나, 다른 실시예가 실현 가능하다는 것을 유의해야 한다.
제 1 및 제 2 광학 센서는 구체적으로 검출기의 하나와 동일한 빔 경로에 선형으로 배열될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "선형"이라는 용어는 일반적으로 센서가 하나의 축을 따라 배열되는 것을 의미한다. 따라서, 일 예로서, 제 1 및 제 2 광학 센서는 검출기의 광축 상에 위치될 수 있다. 구체적으로, 제 1 및 제 2 광학 센서는 검출기의 광축에 대하여 동심으로 배열될 수 있다.
제 1 광학 센서는 제 2 광학 센서의 전방에 배치될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 제 1 광학 센서는 단순히 제 2 광학 센서의 표면에 배치될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제 1 광학 센서는 제 1 감광 영역의 표면 영역의 제곱근의 5배 이하만큼 제 2 광학 센서로부터 이격될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제 1 광학 센서는 제 2 광학 센서의 전방에 배치될 수 있고, 제 2 광학 센서로부터 50mm 이하, 바람직하게는 15mm 이하로 이격될 수 있다.
검출기는,
- 제 1 단면을 갖는 적어도 하나의 제 1 수신 섬유 ― 여기서, 제 1 수신 섬유는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔의 적어도 일부를 광학 센서의 적어도 하나의 광학 센서에 제공하도록 적응될 수 있음 ― 와,
- 제 2 단면을 갖는 적어도 하나의 제 2 수신 섬유 ― 여기서, 제 2 수신 섬유는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔의 적어도 일부를 광학 센서의 적어도 하나의 다른 광학 센서에 제공하도록 적응될 수 있음 ― 를 포함할 수 있다.
제 1 단면은 제 2 단면보다 더 작을 수 있다. 수신 섬유의 입구면은 수신 섬유의 단면이 그들의 종 방향 좌표 및/또는 그들의 표면 영역이 서로 상이하도록 배열될 수 있다.
대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔은 구체적으로 제 1 단면 및/또는 제 2 단면을 완전히 조명하여, 제 1 단면 및/또는 제 2 단면이 제 1 수신 섬유의 제 1 단면 및/또는 제 2 수신 섬유의 제 2 단면보다 큰 광빔의 폭으로 광빔 내에 완전히 위치될 수 있다. 반대로, 바람직하게는, 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔은 구체적으로 제 1 단면 및/또는 제 2 단면을 부분적으로 조명할 수 있다. 광빔에 대한 포커싱 또는 디포커싱 효과를 갖는 적어도 하나 이상의 적절한 렌즈 또는 소자, 예를 들어, 적절한 전송 장치는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔의 전파 방향으로 수신 섬유의 입구면 전방에 배치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제 1 단면은 제 2 단면보다 작을 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "보다 작다"라는 용어는 제 1 단면이 적어도 0.9배, 예컨대, 적어도 0.7배 또는 적어도 0.5배와 같이, 제 2 단면보다 작다는 것을 의미한다. 일 예로서, 제 1 단면과 제 2 단면의 양쪽 모두는 원형일 수 있고, 제 1 단면의 직경은 제 2 단면의 직경보다 작다. 전술한 바와 같이, 제 2 단면은 제 1 단면보다 클 수 있다. 따라서, 일 예로서, 제 2 단면은 제 1 단면보다 2배 이상, 보다 바람직하게는 3배 이상, 가장 바람직하게는 5배 이상 클 수 있다.
제 1 단면은 구체적으로 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔의 전파 방향으로 제 2 단면과 중첩될 수 있다. 대상체로부터 검출기로 전파되는 광빔은 제 1 단면 및 제 2 단면의 양쪽을 완전히 또는 부분적으로 조명할 수 있다. 따라서, 일 예로서, 검출기의 광축 상에 위치된 대상체에서 볼 때, 제 1 단면은 제 1 단면과 제 2 단면이 동심원으로 되도록 제 2 단면의 중심에 위치될 수 있다. 그러나, 다른 실시예가 실현 가능하다는 것을 유의해야 한다.
제 1 및 제 2 수신 섬유의 입구면은 구체적으로 동일한 종 방향 좌표로 배열되거나 상이한 종 방향 좌표로 배열될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 제 1 및 제 2 입구면의 양쪽 모두는 검출기의 광축 상에 위치될 수 있다. 구체적으로, 제 1 및 제 2 입구면은 검출기의 광축에 대해 동심으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 제 1 입구면은 제 2 입구면 전방에 배열될 수 있다. 예를 들어, 제 1 입구면은 제 1 입구면의 단면의 제곱근의 5배 이하만큼 제 2 입구면으로부터 이격될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제 1 입구면은 제 2 입구면의 전방에 배치될 수 있고, 제 2 입구면으로부터 50mm 이하, 바람직하게는 15mm 이하로 이격될 수 있다.
2개의 광학 센서의 선형 배열의 대안으로, 광학 센서는 검출기의 상이한 빔 경로에 배열될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자는 제 1 광빔 및 제 2 광빔을 생성하도록 적응될 수 있다. 제 1 광빔 및 제 2 광빔은 상이한 투과도로 생성될 수 있다. 제 1 광학 센서는 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 제 1 광빔에 의해 제 1 감광 영역의 조명에 응답하여 제 1 센서 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 제 2 광학 센서는 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 제 2 광빔에 의해 제 2 감광 영역의 조명에 응답하여 제 2 센서 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 각도 의존적 광학 소자는 입사광빔이 제 1 섬유로의 제 1 입사각 및 제 1 입사각과는 다른 제 2 입사각으로 제 2 섬유와 충돌할 수 있도록 배치된 적어도 하나의 다중 분기된 광 섬유를 포함할 수 있고, 그로 인해 제 1 광빔, 이 경우에는 제 1 전송 광빔과, 제 2 광빔, 이 경우에는 제 2 전송 광빔의 전송도는 서로 상이하다. 제 1 및 제 2 광학 센서 중 하나는 제 1 섬유의 출구 말단에 배치될 수 있고, 나머지 광학 센서는 제 2 섬유의 출구 말단에 배치될 수 있다.
평가 장치는 구체적으로 제 1 및 제 2 센서 신호를 분할함으로써, 제 1 및 제 2 센서 신호의 배수를 분할함으로써, 또는 제 1 및 제 2 센서 신호의 선형 조합을 분할함으로써, 결합 신호 Q를 도출하도록 구성될 수 있다. 일 예로서, Q는 간단히 Q = s1/s2 또는 Q = s2/s1로 결정될 수 있고, 여기서 s1은 제 1 센서 신호를 나타내고, s2는 제 2 센서 신호를 나타낸다. 부가적으로 또는 대안적으로, Q는 Q = a·s1/b·s2 또는 Q = b·s2/a·s1로 결정될 수 있고, a 및 b는, 예를 들어, 사전 결정되거나 결정될 수 있는 실수이다. 부가적으로 또는 대안적으로, Q는 Q = (a·s1+b·s2)/(c·s1+d·s2)로 결정될 수 있고, 여기서, a, b, c 및 d는, 예를 들어, 사전 결정되거나 결정될 수 있는 실수이다. 후자의 간단한 예로서, Q는 Q = s1/(s1+s2)로 결정될 수 있다.
다른 결합이나 몫 신호가 실현 가능하다.
전형적으로, 전술한 구성에서, Q는 대상체의 종 방향 좌표 및/또는 광 스폿의 직경 또는 등가 직경과 같은 광 스폿의 크기의 단조 함수이다. 따라서, 일 예로서, 구체적으로 선형 광학 센서가 사용되는 경우, 몫 Q = s1/s2은 광 스폿 크기의 단조 감소 함수이다. 이 이론에 구속되기를 바라지 않고, 이것은, 전술한 구성에서, 검출기에 도달하는 빛의 양이 감소하기 때문에, 광원에 대한 거리가 증가하는 제곱 함수(square function)로서, 제 1 신호 s1 및 제 2 신호 s2의 양쪽 모두가 감소하기 때문이라고 생각된다. 그러나, 여기에서, 실험에 사용되는 광학 구성에서는, 이미지 평면 내의 광 스폿이 증가하여 더 큰 영역으로 확산되기 때문에, 제 1 신호 s1는 제 2 신호 s2보다 더 빠르게 감소한다. 따라서 제 1 및 제 2 센서 신호의 몫은 제 1 및 제 2 감광 영역 상의 광빔의 직경 또는 광 스폿의 직경이 증가함에 따라 연속적으로 감소한다. 이 몫은, 또한, 광빔의 총 전력이 제 1 센서 신호와 제 2 센서 신호에서 모두 인자를 형성하기 때문에, 통상 광빔의 총 전력과는 독립적이다. 그 결과, 몫 Q는 제 1 및 제 2 센서 신호와 광빔의 크기 또는 직경 사이에서 유일하고 모호하지 않은 관계를 제공하는 2차 신호를 형성할 수 있다. 반면에, 광빔의 크기 또는 직경은 입사광빔이 검출기를 향해 전파되는 대상체와 검출기 자체 사이의 거리, 즉, 대상체의 종 방향 좌표에 의존하기 때문에, 제 1 및 제 2 센서 신호와 종 방향 좌표 사이의 유일하고 모호하지 않은 관계가 존재할 수 있다. 후자에 대해, 예를 들어, WO 2014/097181 A1과 같은 상술한 선행 기술 문헌 중 하나 이상을 참조할 수 있다. 사전 결정된 관계는, 예컨대, 제 1 및 제 2 센서 신호를 측정하는 측정값, 또는 대상체의 종 방향 좌표의 함수로서 이 값들로부터 도출된 2차 신호, 또는 양쪽 모두와 같은 경험적 측정에 의해, 가우스 광빔의 선형 조합을 가정하는 것과 같은 분석적 고려 사항에 의해 결정될 수 있다.
전술한 종래 기술 문서들에 포함된 기술적 도전의 관점에서, 구체적으로는 FiP 효과를 생성하기 위해 필요한 기술적인 노력의 관점에서, 본 발명은, 특히, 비-FiP 광학 센서를 사용함으로써 실현될 수 있음을 유의해야 한다. 실제로, FiP 특성을 갖는 광학 센서는 초점에서 각각의 센서 신호의 강한 피크를 나타내기 때문에, 광학 센서로서 FiP 센서를 사용하는 본 발명에 따른 검출기의 측정 범위는 제 1 및 제 2 광학 센서가 광빔의 초점 내에 있는 2개의 위치 사이의 범위로 제한될 수 있다. 그러나 선형 광학 센서, 즉, FiP 효과를 나타내지 않는 광학 센서를 사용할 때, 본 발명의 구성으로 이러한 문제점을 일반적으로 회피할 수 있다. 결과적으로, 제 1 및 제 2 광학 센서는 각각의 제 1 및 제 2 센서 신호가 각각의 광학 센서의 조명의 총 전력에 의존하고, 조명의 광 스폿의 직경으로부터는 독립적일 수 있도록, 적어도 측정 범위 내에서, 선형 신호 특성을 각각 가질 수 있다. 그러나, 다른 실시예가 실현 가능하다는 것을 또한 유의해야 한다.
제 1 및 제 2 광학 센서는 각각 구체적으로 반도체 센서, 바람직하게는 무기 반도체 센서, 보다 바람직하게는 광다이오드 및 가장 바람직하게는 실리콘 광다이오드일 수 있다. 따라서, 복잡하고 고가인 FiP 센서와 달리, 본 발명은 상업적으로 이용 가능한 무기 광다이오드, 즉, 하나의 작은 광다이오드와 하나의 대면적 광다이오드를 사용함으로써 간단하게 실현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 구성은 저렴한 방식으로 실현될 수 있다.
구체적으로, 제 1 및 제 2 광학 센서는 각각 독립적으로 적외선 스펙트럼 범위, 바람직하게, 780nm 내지 3.0 마이크로미터의 범위 및/또는 가시광 스펙트럼 범위, 바람직하게, 380nm 내지 780nm의 범위에서 감지할 수 있는 무기 광다이오드일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제 1 및 제 2 광학 센서는 실리콘 광다이오드가, 특히, 700nm 내지 1,000nm의 범위에서 적용 가능한 근적외선 영역의 부분에서 감지할 수 있다. 제 1 광학 센서, 제 2 광학 센서 또는 양쪽 모두에 사용될 수 있는 적외선 광학 센서는 D-82211 Herrsching am Ammersee, Germany에 위치하는 Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH로부터 상업적으로 입수할 수 있는 적외선 광학 센서와 같은 상업적으로 이용 가능한 적외선 광학 센서일 수 있다. 따라서, 일 예로서, 제 1 광학 센서, 제 2 광학 센서 또는 제 1 및 제 2 광학 센서의 양쪽 모두는 진성 광전형(intrinsic photovoltaic type)의 적어도 하나의 광학 센서, 보다 바람직하게는 Ge 광다이오드, InGaAs 광다이오드, 확장된 InGaAs 광다이오드, InAs 광다이오드, InSb 광다이오드, HgCdTe 광다이오드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 반도체 광다이오드를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제 1 광학 센서, 제 2 광학 센서 또는 제 1 및 제 2 광학 센서의 양쪽 모두는 외부 광전형(extrinsic photovoltaic type)의 적어도 하나의 광학 센서, 보다 바람직하게는 Ge:Au 광다이오드, Ge:Hg 광다이오드, Ge:Cu 광다이오드, Ge:Zn 광다이오드, Si:Ga 광다이오드, Si:As 광다이오드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 반도체 광다이오드를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제 1 광학 센서, 제 2 광학 센서 또는 제 1 및 제 2 광학 센서의 양쪽 모두는 적어도 하나의 볼로미터(bolometer), 바람직하게는 VO 볼로미터 및 비정질 Si 볼로미터로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 볼로미터를 포함할 수 있다.
제 1 및 제 2 광학 센서는 각각 독립적으로 불투명, 투명 또는 반투명일 수 있다. 그러나, 간략화를 위해, 광빔에 대해 투명하지 않은 불투명한 센서가 사용될 수 있는데, 이러한 불투명한 센서는 일반적으로 널리 시판되고 있기 때문이다.
제 1 및 제 2 광학 센서의 각각은 구체적으로 단일 감광 영역을 각각 갖는 균일한 센서일 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 광학 센서는 구체적으로 픽셀화되지 않은 광학 센서일 수 있다.
대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표를 결정하는 것을 포함하는 전술한 동작은 적어도 하나의 평가 장치에 의해 수행된다. 따라서, 일 예로서, 전술한 관계 중 하나 이상은 소프트웨어 및/또는 하드웨어, 예를 들어, 하나 이상의 룩업 테이블을 구현함으로써, 구현될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 평가 장치는 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표를 결정하기 위해 전술한 평가를 수행하도록 구성된 하나 이상의 컴퓨터, ASICs(Application-Specific Integrated Circuits), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays) 또는 DSPs(Digital Signal Processors)와 같은 하나 이상의 프로그래밍 가능한 장치를 포함할 수 있다. 그러나, 부가적으로 또는 대안적으로, 평가 장치는 하드웨어에 의해 전체적 또는 부분적으로 구현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제 1 및 제 2 센서 신호를 평가함으로써, 검출기는 전체 대상체 또는 대상체의 하나 이상의 부분의 종 방향 좌표를 결정하는 옵션을 포함하여, 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표를 결정하게 할 수 있다. 그러나, 하나 이상의 횡 방향 좌표 및/또는 회전 좌표를 포함하는 대상체의 다른 좌표는 또한 검출기, 특히, 평가 장치에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 하나 이상의 추가 횡 방향 센서는 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표를 결정하는 데 사용될 수 있다. WO 2014/097181 A1에 개시된, 예컨대, 횡 방향 센서 및/또는 사분면 다이오드, CCD 또는 CMOS 칩 등의 다른 위치 감지 장치(PSD)와 같은 다양한 횡 방향 센서가 당업계에 일반적으로 알려져 있다. 또한 이들 장치는 일반적으로 본 발명에 따른 검출기로 구현될 수 있다. 일 예로서, 광빔의 일부는 적어도 하나의 빔 분할 소자에 의해, 검출기 내에서 분리될 수 있다. 일 예로서, 분리 부분은 CCD나 CMOS 칩 또는 카메라 센서와 같은 횡 방향 센서를 향해 안내될 수 있고, 횡 방향 센서상의 분리 부분에 의해 생성된 광 스폿의 횡 방향 위치가 결정되어 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표를 결정할 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 검출기는 단순 거리 측정 장치와 같은 1차원 검출기일 수도 있고, 2 차원 검출기 또는 3 차원 검출기로도 구현될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 또는 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 1차원 방식으로 배경 또는 환경을 스캐닝함으로써, 3차원 이미지가 또한 생성될 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 검출기는 구체적으로는 1차원 검출기, 2차원 검출기 또는 3차원 검출기 중 하나일 수 있다. 평가 장치는 또한 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표 x, y를 결정하도록 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 검출기는 하나 이상의 추가 광학 소자와 같은 하나 이상의 추가 소자를 더 포함할 수 있다. 또한, 검출기는 적어도 하나의 하우징에 전체적 또는 부분적으로 통합될 수 있다.
본 발명의 추가 실시예에서, 검출기는,
- 광학 센서의 매트릭스를 갖는 적어도 하나의 센서 소자를 포함하되, 광학 센서 각각은 감광 영역을 갖고, 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔에 의한 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 검출기는 검출기의 상이한 빔 경로에 배열된 2개의 센서 소자, 특히, 적어도 하나의 제 1 센서 소자 및 적어도 하나의 제 2 센서 소자를 포함할 수 있다. 각도 의존적 광학 소자는 제 1 광빔 및 제 2 광빔을 생성하도록 적응될 수 있다. 제 1 광빔 및 제 2 광빔은 상이한 투과도로 생성될 수 있다. 제 1 센서 소자는 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 제 1 광빔에 의한 조명에 응답하여 제 1 센서 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 제 2 센서 소자는 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 제 2 광빔에 의한 조명에 응답하여 제 2 센서 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 각도 의존적 광학 소자는 입사광빔이 제 1 섬유로의 제 1 입사각 및 제 1 입사각과는 다른 제 2 입사각으로 제 2 섬유와 충돌할 수 있도록 배치된 적어도 하나의 다중 분기된 광 섬유를 포함할 수 있고, 그로 인해 제 1 전송 광빔과 제 2 전송 광빔의 전송도는 서로 상이하다. 제 1 및 제 2 센서 소자 중 하나는 제 1 섬유의 출구 말단에 배치될 수 있고, 다른 센서 소자는 제 2 섬유의 출구 말단에 배치될 수 있다.
평가 장치는 다음의 단계에 의해 센서 신호를 평가할 수 있고, 다음의 단계는,
a) 센서 신호가 가장 높은적어도 하나의 광학 센서를 결정하고, 적어도 하나의 중심 신호를 형성하는 단계와,
b) 매트릭스의 광학 센서의 센서 신호를 평가하고, 적어도 하나의 합산 신호를 형성하는 단계와,
c) 중심 신호와 합산 신호를 결합하여 적어도 하나의 결합 신호를 결정하는 단계, 및
d) 그 결합 신호를 평가함으로써, 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하는 단계를 포함한다.
본 실시예에서, 광학 센서는 광학 센서의 감광 영역이 공간 오프셋 및/또는 표면 영역과 상이하도록 배치될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "센서 소자"라는 용어는 일반적으로 적어도 하나의 파라미터를 감지하도록 구성된 장치 또는 복수의 장치의 조합을 지칭한다. 이러한 경우, 파라미터는 구체적으로 광학 파라미터일 수 있고, 센서 소자는, 특히, 광학 센서 소자일 수 있다. 센서 소자는 일원화된 단일 장치 또는 여러 장치의 조합으로 형성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "매트릭스"라는 용어는 일반적으로 사전 결정된 기하학적 순서로 복수의 요소를 배열하는 것을 지칭한다. 매트릭스는, 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 구체적으로 하나 이상의 행과 하나 이상의 열을 갖는 직사각형 매트릭스일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 행 및 열은 구체적으로 직사각형 형태로 배열될 수 있다. 그러나, 직사각형 배열이 아닌 다른 배열이 가능하다는 것은 개략적으로 설명되어야 한다. 일 예로서, 요소들이 중심 위치를 중심으로 동심원 또는 타원으로 배열되는 원형 배열이 또한 가능할 수 있다. 예를 들어, 매트릭스는 단일 행의 픽셀일 수 있다. 다른 배열도 가능하다.
매트릭스의 광학 센서는, 특히, 크기, 감도 및 기타 광학적, 전기적 및 기계적 특성 중 하나 이상에서 동일할 수 있다. 매트릭스의 모든 광학 센서의 감광 영역은, 특히, 공통 평면에 위치될 수 있고, 공통 평면은, 바람직하게는, 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔이 공통 평면 상에 광 스폿을 생성할 수 있도록 대상체와 대향한다.
전술한 종래 기술 문헌 중 하나 이상, 예를 들어, WO 2012/110924 A1 또는 WO 2014/097181 A1에서 더 상세하게 설명된 바와 같이, 전형적으로, 광 스폿의 직경, 빔 웨이스트 또는 등가 직경과 같은 광 스폿의 크기와, 광빔이 검출기를 향해 전파하는 대상체의 종 방향 좌표 사이에 사전 결정되거나 결정할 수 있는 관계가 존재한다. 이 이론에 구속되기를 바라지 않고, 광 스폿은 2개의 측정 변수: 광 스폿의 중심 또는 중심 근처의 작은 측정 패치에서 측정된 중심 신호라고도 일컬어지는 측정 신호, 및 중심 신호의 유무에 관계없이, 광 스폿에 통합된 적분 또는 총합 신호에 의해 특징지어질 수 있다. 빔이 퍼지거나 포커싱될 때, 변하지 않는 특정 총 전력을 갖는 광빔의 경우, 총합 신호는 광 스폿의 스폿 크기와는 독립적이어야 하고, 따라서, 적어도 각각의 측정 범위 내의 선형 광학 센서가 사용될 때는, 대상체와 검출기 사이의 거리로부터 독립적이어야 한다. 그러나, 중심 신호는 스폿 크기에 의존한다. 따라서, 중심 신호는, 광빔이 포커싱될 때 전형적으로 증가하고, 광빔이 디포커싱될 때 감소한다. 따라서, 중심 신호와 총합 신호를 비교함으로써, 광빔에 의해 생성된 광 스폿의 크기에 대한 정보 항목과, 그에 따른 대상체의 종 방향 좌표에 대한 정보 항목이 생성될 수 있다. 중심 신호와 총합 신호의 비교는, 일 예로서, 중심 신호와 총합 신호에서 벗어난 결합 신호 Q를 형성하고, 종 방향 좌표와 종 방향 좌표를 도출하기 위한 결합 신호 간의 사전 결정되거나 결정할 수 있는 관계를 이용함으로써 이루어질 수 있다.
광학 센서의 매트릭스의 사용은 많은 장점 및 이점을 제공한다. 따라서, 센서 소자 매트릭스의 광학 센서의 감광 영역의 공통 평면과 같이, 센서 소자의 광빔에 의해 생성된 광 스폿의 중심은 대상체의 횡 방향 위치에 따라 달라질 수 있다. 광학 센서의 매트릭스를 사용함으로써, 본 발명에 따른 검출기는 이러한 조건 변화에 적응될 수 있고, 따라서 단순히 센서 신호를 비교함으로써, 광 스폿의 중심을 결정할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 검출기 자체는 중심 신호를 선택하고 총합 신호를 결정할 수 있고, 이들 2개의 신호로부터 대상체의 종 방향 좌표에 대한 정보를 포함하는 결합 신호를 도출할 수 있다. 따라서, 결합 신호를 평가함으로써, 대상체의 종 방향 좌표가 결정될 수 있다. 따라서 광학 센서의 매트릭스를 사용하면, 대상체의 위치, 특히, 대상체의 횡 방향 위치의 관점에서 상당한 유연성을 제공한다.
센서 신호를 생성하는 적어도 하나의 광학 센서의 횡 방향 위치와 같은 광학 센서의 매트릭스 상의 광 스폿의 횡 방향 위치는, 예를 들어, WO 2014/198629 A1에 개시된 바와 같이, 대상체의 횡 방향 위치 상의 적어도 하나의 정보 항목이 도출될 수 있는 부가적인 정보 항목으로 사용될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명에 따른 검출기는 적어도 하나의 종 방향 좌표 이 외에, 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표를 검출하기 위한 적어도 하나의 부가적인 횡 방향 검출기를 포함할 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따르면, "중심 신호"라는 용어는 본질적으로 빔 프로파일의 중심 정보를 포함하는 적어도 하나의 센서 신호를 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 "최고의 센서 신호"라는 용어는 관심 영역에서의 최대 또는 로컬 최대 중 하나 또는 둘 모두를 지칭한다. 예를 들어, 중심 신호는 전체 매트릭스 또는 매트릭스 내의 관심 영역의 광학 센서에 의해 생성된 복수의 센서 신호 중 센서 신호가 가장 높은적어도 하나의 광학 센서의 신호일 수 있고, 여기서, 관심 영역은 매트릭스의 광학 센서에 의해 생성된 이미지 내에서 사전 결정되거나 결정될 수 있다. 중심 신호는 단일 광학 센서로부터 발생할 수 있거나, 이하에서 더 상세히 설명하는 바와 같이, 광학 센서 그룹으로부터 발생할 수 있으며, 후자의 경우, 일 예로서, 광학 센서 그룹의 센서 신호는 중심 신호를 결정하기 위해 가산되거나, 통합되거나, 평균화될 수 있다. 중심 신호가 발생하는 광학 센서의 그룹은, 센서 신호가 가장 높은실제의 광학 센서로부터의 사전 결정된 거리보다 짧은 거리를 갖는 광학 센서와 같은 인접한 광학 센서의 그룹일 수 있거나, 또는 최고의 센서 신호로부터 사전 결정된 범위 내에 있는 센서 신호를 생성하는 광학 센서의 그룹일 수 있다. 최대 동적 범위를 허용하기 위해, 중심 신호가 생성되는 광학 센서의 그룹이 가능한 한 크게 선택될 수 있다. 평가 장치는, 예를 들어, 센서 신호가 가장 높은 광학 센서 주위의 복수의 광학 센서에 대한 복수의 센서 신호를 통합하는 것에 의해 중심 신호를 결정하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 빔 프로파일은 사다리꼴 빔 프로파일일 수 있고, 평가 장치는 사다리꼴의, 특히, 사다리꼴의 고원(plateau)의 통합을 결정하도록 적응될 수 있다.
유사하게, "합산 신호"라는 용어는 본질적으로 빔 프로파일의 가장자리 정보를 포함하는 신호를 지칭한다. 예를 들어, 총합 신호는 센서 신호를 추가하거나, 센서 신호를 통합하거나, 전체 매트릭스나 매트릭스 내의 관심 영역의 센서 신호들을 평균화함으로써 도출될 수 있고, 여기서, 관심 영역은 매트릭스의 광학 센서에 의해 생성된 이미지 내에서 사전 결정되거나 결정될 수 있다. 센서 신호들에 대한 추가, 통합 또는 평균화 시, 센서 신호가 생성되는 것으로부터 실제 광학 센서는 추가, 통합 또는 평균화에서 제외되거나, 그렇지 않으면, 추가, 통합 또는 평균화에 포함될 수 있다. 평가 장치는 전체 매트릭스나 매트릭스 내의 관심 영역의 신호를 통합함으로써 총합 신호를 결정하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 빔 프로파일은 사다리꼴 빔 프로파일일 수 있고, 평가 장치는 전체 사다리꼴의 통합을 결정하도록 적응될 수 있다. 또한, 사다리꼴 빔 프로파일이 가정될 수 있는 경우, 가장자리 및 중심 신호의 결정은 가장자리의 경사와 위치 결정, 중심 고원의 높이 결정, 및 기하학적 고려에 의한 가장자리 및 중심 신호의 도출과 같은 사다리꼴 빔 프로파일의 특성을 이용하는 등가의 평가로 대체될 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 평가 장치는 광 스폿의 적어도 하나의 슬라이스 또는 절단으로부터 중심 정보 또는 가장자리 정보 중 하나 또는 양쪽 모두를 결정하도록 적응될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 결합 신호 Q의 면적 적분을 슬라이스 또는 절단을 따라 라인 적분으로 대체함으로써 실현될 수 있다. 정확도의 향상을 위해, 광 스폿을 통과하는 몇몇 슬라이스 또는 절단이 사용되어 평균화될 수 있다. 타원형 스폿 프로파일의 경우에, 몇몇 슬라이스나 절단을 평균화하면, 결과적으로 거리 정보가 향상될 수 있다.
유사하게, 본 명세서에서 사용되는 "결합 신호"라는 용어는 일반적으로 중심 신호와 총합 신호를 결합함으로써 생성된 신호를 지칭한다. 구체적으로, 이 결합은 중심 신호와 총합 신호의 몫을 형성하거나 그 반대로 형성하는 것과, 중심 신호의 배수와 총합 신호의 배수의 몫을 형성하거나 그 반대로 형성하는 것과, 중심 신호의 선형 조합과 총합 신호의 선형 조합의 몫을 형성하거나 그 반대로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 결합 신호는 중심 신호와 총합 신호 사이의 비교에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 포함하는 임의의 신호 또는 신호 조합을 포함할 수 있다.
각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔은 구체적으로 중심 신호가 생성되는 적어도 하나의 광학 센서를 완전히 조명할 수 있는 데, 여기서, 중심 신호가 발생하는 적어도 하나의 광학 센서는 광빔 내에 완전히 위치되고, 광빔의 폭은 센서 신호가 발생하는 적어도 하나의 광학 센서의 감광 영역보다 크다. 반대로, 바람직하게는, 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔은 광 스폿이 매트릭스 내에 완전히 위치되도록 전체 매트릭스 상에 매트릭스보다 작은 광 스폿을 생성할 수 있다. 이러한 상황은, 이하에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 예컨대, 적절한 전송 장치를 사용하여, 광빔에 포커싱 또는 디포커싱 효과를 갖는 하나 이상의 적절한 렌즈나 요소를 선택함으로써 광학 분야의 당업자에 의해 쉽게 조정될 수 있다. 본 명세서에서 더 사용되는 "광 스폿"은 일반적으로 광빔에 의한 물품, 영역 또는 대상체의 가시광 또는 검출 가능한 원형 또는 비원형 조명을 지칭한다.
전술한 바와 같이, 중심 신호는 일반적으로 광 스폿의 중심에서의 광학 센서로부터의 센서 신호와 같은 단일 센서 신호일 수 있거나, 광 스폿의 중심에서의 광학 센서로부터 발생하는 센서 신호의 조합, 또는 전술한 가능성 중 하나 이상에 의해 도출된 센서 신호를 처리하여 도출된 제 2 센서 신호와 같은 복수의 센서 신호의 조합일 수 있다. 센서 신호의 비교가 종래의 전자 장치에 의해 상당히 간단하게 구현되거나, 또는 소프트웨어에 의해 전체적 또는 부분적으로 수행될 수 있기 때문에, 중심 신호의 결정은 전자적으로 수행될 수 있다. 구체적으로, 중심 신호는: 최고의 센서 신호; 최고의 센서 신호로부터의 사전 결정된 허용 범위 내에 있는 센서 신호 그룹의 평균; 센서 신호가 가장 높은광학 센서 및 인접하는 광학 센서들의 사전 결정된 그룹을 포함하는 광학 센서의 그룹으로부터의 센서 신호의 평균; 센서 신호가 가장 높은광학 센서 및 인접하는 광학 센서들의 사전 결정된 그룹을 포함하는 광학 센서들의 그룹으로부터의 센서 신호의 합; 최고의 센서 신호로부터의 허용 오차의 사전 결정된 범위 내에 있는 센서 신호 그룹의 합; 사전 결정된 임계값 이상인 센서 신호 그룹의 평균; 사전 결정된 임계값 이상인 센서 신호 그룹의 합; 센서 신호가 가장 높은광학 센서와 인접하는 광학 센서의 사전 결정된 그룹을 포함하는 광학 센서의 그룹으로부터의 센서 신호의 적분; 최고의 센서 신호로부터의 허용 오차의 사전 결정된 범위 내에 있는 센서 신호 그룹의 적분; 위의 사전 결정된 임계값 이상인 센서 신호 그룹의 적분으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
전술한 바와 같이, 광학 센서의 미가공 센서 신호는 평가를 위해 사용되거나, 그로 인해 도출된 2차 센서 신호에 사용될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 "2차 센서 신호"라는 용어는 일반적으로 전자 신호, 바람직하게는 아날로그 및/또는 디지털 신호와 같은 신호를 지칭하고, 이는 필터링, 평균화, 복호화 등과 같은 방식으로 하나 이상의 미가공 신호를 처리함으로써 얻어진다. 따라서, 이미지 처리 알고리즘은 매트릭스의 센서 신호의 전체 또는 매트릭스 내의 관심 영역으로부터 2차 센서 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다. 구체적으로, 평가 장치와 같은 검출기는 광학 센서의 센서 신호를 변환하도록 구성되어 2차 광학 센서 신호를 생성할 수 있고, 여기서, 평가 장치는 2차 광학 센서 신호를 사용하여 단계 a) ~ d)를 수행하도록 구성된다. 구체적으로, 센서 신호의 변환은 필터링; 적어도 하나의 관심 영역의 선택; 센서 신호에 의해 생성된 이미지와 적어도 하나의 오프셋 간의 차이 이미지 형성; 센서 신호에 의해 생성된 이미지를 반전시키는 것에 의한 센서 신호의 반전; 상이한 시간에 센서 신호에 의해 생성된 이미지 간의 차이 이미지의 형성; 배경 보정; 컬러 채널로의 분해; 색조(hue)로의 분해; 포화(saturation); 및 밝기 채널; 주파수 분해; 특이값 분해(singular value decomposition); 캐니 가장자리 검출기(Canny edge detector) 적용; LoG 필터(Laplacian of Gaussian filter) 적용; DoG 필터(Difference of Gaussian filter) 적용; 소벨 연산자(Sobel operator) 적용; 라플라스 연산자(Laplacian operator) 적용; Scharr 연산자 적용; Prewitt 연산자 적용; Roberts 연산자 적용; Kirsch 연산자 적용; 고역 필터(high-pass filter) 적용; 저역 통과 필터(low-pass filter) 적용; 푸리에 변환 적용; 라돈 변형(Radon transformation) 적용; 허프 변형(Hough transformation) 적용; 웨이블릿 변환(wavelet-transformation) 적용; 이진화(thresholding); 이진 이미지 생성으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 변환을 포함할 수 있다. 관심 영역은 사용자에 의해 수동으로 결정될 수 있거나 또는 광학 센서에 의해 생성된 이미지 내의 대상체를 인식함으로써 자동적으로 결정될 수도 있다. 예를 들어, 차량, 사람 또는 다른 유형의 사전 결정된 대상체는 이미지 내, 즉 광학 센서에 의해 생성된 센서 신호의 전체 내의 자동 이미지 인식에 의해 결정될 수 있고, 관심 영역은 대상체가 관심 영역 내에 위치하도록 선택될 수 있다. 이 경우, 종 방향 좌표의 결정과 같은 평가는 관심 영역에 대해서만 수행될 수 있다. 그러나, 다른 구현예도 가능하다.
전술한 바와 같이, 광 스폿의 중심 검출, 즉, 중심 신호의 검출 및/또는 중심 신호가 발생하는 적어도 하나의 광학 센서의 검출은 하나 이상의 소프트웨어 알고리즘을 사용하여 전체적, 부분적 또는 전자적으로, 또는 전체적 또는 부분적으로 수행될 수 있다. 특히, 평가 장치는 적어도 하나의 최고의 센서 신호를 검출하고/하거나 중심 신호를 형성하기 위한 적어도 하나의 중심 검출기를 포함할 수 있다. 중심 검출기는, 특히, 소프트웨어로 전체적 또는 부분적으로 구현될 수 있고/있거나 하드웨어로 전체적 또는 부분적으로 구현될 수 있다. 중심 검출기는 적어도 하나의 센서 소자에 전체적 또는 부분적으로 통합될 수 있고/있거나 센서 소자와는 전체적 또는 부분적으로 독립하여 구현될 수도 있다.
이상에서 요약된 바와 같이, 합산 신호는 매트릭스의 모든 센서 신호로부터, 관심 영역 내의 센서 신호로부터, 또는 중심 신호에 기여하는 광학 센서로부터 발생된 센서 신호를 제외하고 이러한 가능성 중 하나로부터 도출될 수 있다. 모든 경우에, 종 방향 좌표를 결정하기 위해, 중심 신호와 신뢰성 있게 비교될 수 있는 신뢰할 수 있는 합산 신호가 생성될 수 있다. 일반적으로, 합산 신호는 매트릭스의 모든 센서 신호에 대한 평균; 매트릭스의 모든 센서 신호의 합; 매트릭스의 모든 센서 신호의 적분; 중심 신호에 기여하는 광학 센서로부터의 센서 신호를 제외한 매트릭스의 모든 센서 신호에 대한 평균; 중심 신호에 기여하는 광학 센서로부터의 센서 신호를 제외한 매트릭스의 모든 센서 신호의 합; 중심 신호에 기여하는 광학 센서로부터의 센서 신호를 제외한 매트릭스의 모든 센서 신호의 적분; 센서 신호가 가장 높은광학 센서로부터 사전 결정된 범위 내의 광학 센서의 센서 신호의 합; 센서 신호가 가장 높은광학 센서로부터 사전 결정된 범위 내의 광학 센서의 센서 신호의 적분; 센서 신호가 가장 높은광학 센서로부터 사전 결정된 범위 내에 위치되는 광학 센서의 특정 임계값 초과의 센서 신호의 합; 센서 신호가 가장 높은광학 센서로부터 사전 결정된 범위 내에 위치되는 광학 센서의 특정 임계값 초과의 센서 신호의 적분으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 그러나, 다른 옵션도 존재한다.
합산은 소프트웨어로 전체적 또는 부분적으로 수행될 수 있고/있거나 하드웨어로 전체적 또는 부분적으로 수행될 수 있다. 일반적으로, 합산은 순수하게 전자적인 수단으로 가능하며, 일반적으로 검출기에서 쉽게 구현될 수 있다. 따라서, 전자 공학 분야에서, 아날로그 신호 및 디지털 신호 양쪽 모두에 대해 2 이상의 전기 신호를 합산하는 합산 장치가 일반적으로 공지되어 있다. 따라서, 평가 장치는 합산 신호를 형성하기 위한 적어도 하나의 합산 장치를 포함할 수 있다. 합산 장치는 센서 소자에 전체적 또는 부분적으로 통합될 수 있거나 센서 소자와는 전체적 또는 부분적으로 독립하여 구현될 수도 있다. 합산 장치는 하드웨어 또는 소프트웨어 중 하나 또는 양쪽 모두로 전체적 또는 부분적으로 구현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 중심 신호와 합산 신호 사이의 비교는 특히 하나 이상의 몫 신호를 형성함으로써 수행될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 결합 신호는 중심 신호와 합산 신호의 몫을 형성하거나 그 반대로 형성하는 것과, 중심 신호의 배수와 합산 신호의 배수의 몫을 형성하거나 그 반대로 형성하는 것과, 중심 신호의 선형 조합과 합산 신호의 선형 조합의 몫을 형성하거나 그 반대로 형성하는 것과, 합산 신호와 중심 신호의 선형 조합과 중심 신호의 몫을 형성하거나 그 반대로 형성하는 것과, 합산 신호와 중심 신호의 선형 조합과 합산 신호의 몫을 형성하거나 또는 그 반대로 형성하는 것, 및 중심 신호의 지수와 합산 신호의 지수의 몫을 형성하거나 그 반대로 형성하는 것 중에서 하나 이상에 의해 도출되는 몫 신호일 수 있다. 그러나, 다른 옵션도 존재한다. 평가 장치는 하나 이상의 몫 신호를 형성하도록 구성될 수 있다. 평가 장치는, 또한, 적어도 하나의 몫 신호를 평가함으로써 적어도 하나의 종 방향 좌표를 결정하도록 구성될 수 있다.
평가 장치는 구체적으로 적어도 하나의 종 방향 좌표를 결정하기 위해, 결합 신호 Q와 종 방향 좌표 사이의 적어도 하나의 사전 결정된 관계를 사용하도록 구성될 수 있다. 따라서, 전술한 이유 및 종 방향 좌표에 대한 광 스폿의 특성의 의존성으로 인해, 결합 신호 Q는 통상적으로 대상체의 종 방향 좌표 및/또는 광 스폿의 직경 또는 등가 직경과 같은 광 스폿의 크기의 단조 함수(monotonous function)이다. 따라서, 일 예로서, 특히, 선형 광학 센서가 사용되는 경우, 센서 신호 scenter 및 합산 신호 ssum의 단순한 몫 Q = scenter/ssum은 거리의 단조 감소 함수일 수 있다. 이 이론에 구속되기를 바라지 않고, 이것은 전술한 바람직한 설정에서, 검출기에 도달하는 빛의 양이 감소하기 때문에, 광원에 대한 거리가 증가하는 제곱 함수(square function)로서, 중심 신호 scenter 및 합산 신호 ssum 모두가 감소하기 때문이라고 생각된다. 그러나, 여기에서, 실험에 사용되는 광학 설정에서는, 이미지 평면 내의 광 스폿이 증가하여 더 큰 영역으로 확산되기 때문에, 중심 신호 scenter는 합산 신호 ssum보다 더 빠르게 감소한다. 따라서 중심 신호와 합산 신호의 몫은 매트릭스의 광학 센서의 감광 영역 상의 광빔의 직경 또는 광 스폿의 직경이 증가함에 따라 연속적으로 감소한다. 이 몫은, 또한, 광빔의 총 전력이 중심 신호와 합산 신호에서 모두 인자를 형성하기 때문에, 일반적으로 광빔의 총 전력과는 독립적이다. 그 결과, 몫 Q는 중심 신호와 합산 신호와 광빔의 크기 또는 직경 사이에서 유일하고 모호하지 않은 관계를 제공하는 2차 신호를 형성할 수 있다. 반면에, 광빔의 크기 또는 직경은 광빔이 검출기를 향해 전파되는 대상체와 검출기 자체 사이의 거리, 즉, 대상체의 종 방향 좌표에 의존하기 때문에, 한편으로는 중심 신호와 합산 신호 사이의 유일하고 모호하지 않은 관계 및 다른 한편으로는 종 방향 좌표가 존재할 수 있다. 후자에 대해, 예를 들어, WO 2014/097181 A1과 같은 상술한 선행 기술 문헌 중 하나 이상을 참조할 수 있다. 사전 결정된 관계는, 예컨대, 결합 신호 및/또는 중심 신호와 합산 신호를 측정하는 측정값, 및/또는 대상체의 종 방향 좌표의 함수로서 이 값들로부터 도출된 2차 신호와 같은 경험적 측정에 의해, 가우스 광빔의 선형 조합을 가정하는 것과 같은 분석적 고려 사항에 의해 결정될 수 있다.
따라서, 일반적으로, 평가 장치는 몫 신호와 같은 결합 신호 Q를 평가함으로써 종 방향 좌표를 결정하도록 구성될 수 있다. 이 결정은 중심 신호 및 합산 신호를 직접 결합하고, 그것의 종 방향 좌표를 도출하는 것과 같은 하나의 단계 처리일 수 있거나, 중심 신호 및 합산 신호로부터 결합 신호를 첫 번째로 도출하고, 두 번째로 결합 신호로부터 종 방향 좌표를 도출하는 다단계 처리일 수 있다. 양 옵션, 즉, 단계 c) 및 d)의 옵션이 별개의 독립적인 단계이고, 단계 c) 및 d)의 옵션이 완전히 또는 부분적으로 결합된 것이 본 발명에 포함될 수 있다.
평가 장치는 결합 신호와 종 방향 좌표 사이의 적어도 하나의 사전 결정된 관계를 사용하도록 구성될 수 있다. 사전 결정된 관계는 경험적 관계(empiric relationship), 반경험적 관계(semi-empiric relationship) 및 분석적으로 도출된 관계(analytically derived relationship) 중 하나 이상일 수 있다. 평가 장치는 룩업 리스트 또는 룩업 테이블과 같은 사전 결정된 관계를 저장하기 위한 적어도 하나의 데이터 저장 장치를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 광학 센서는, 특히, 광검출기(photodetectors), 바람직하게는 무기 광검출기, 더 바람직하게는 무기 반도체 광검출기, 가장 바람직하게는 실리콘 광검출기일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 구체적으로, 광학 센서는 적외선 스펙트럼 범위에서 감지할 수 있다. 매트릭스의 모든 광학 센서 또는 적어도 한 그룹의 매트릭스의 광학 센서는 구체적으로 동일할 수 있다. 매트릭스의 동일한 광학 센서의 그룹은, 특히, 상이한 스펙트럼 범위에 대하여 제공될 수 있거나, 모든 광학 센서는 스펙트럼 감도와 관련하여 동일할 수 있다. 또한, 광학 센서는 그 크기 및/또는 그들의 전자적 또는 광전자적 특성과 관련하여 동일할 수 있다.
매트릭스는 독립적인 광학 센서로 구성될 수 있다. 따라서, 무기 광다이오드의 매트릭스가 구성될 수 있다. 그러나, 대안적으로, CCD 검출기 칩과 같은 하나 이상의 CCD 검출기 및/또는 CMOS 검출기 칩과 같은 CMOS 검출기와 같이, 상업적으로 이용 가능한 매트릭스가 사용될 수도 있다.
따라서, 일반적으로, 검출기의 광학 센서는, 전술한 매트릭스와 같이, 센서 어레이를 형성할 수 있거나 센서 어레이의 일부일 수 있다. 따라서, 일 예로서, 검출기는, m, n이 독립적으로 양의 정수인 m개의 행과 n개의 열로 구성된 직사각형 어레이와 같은 광학 센서의 어레이를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 하나 초과의 열 및 하나 초과의 행, 즉, n>1, m>1이 주어진다. 따라서, 일 예로서, n은 2 내지 16 또는 그 이상일 수 있고, m은 2 내지 16 또는 그 이상일 수 있다. 바람직하게는, 행의 개수와 열의 개수의 비율은 1에 가깝다. 일 예로서, m/n = 1:1, 4:3, 16:9 또는 이와 유사한 것을 선택하는 것과 같이, n과 m은 0.3 ≤ m/n ≤ 3인 것으로 선택될 수 있다. 일 예로서, 어레이는 m=2, n=2 또는 m=3, n=3 등을 선택하는 것과 같이, 같은 수의 행 및 열을 갖는 정사각형 어레이일 수 있다.
상술한 바와 같이, 매트릭스는 구체적으로 적어도 하나의 행, 바람직하게는 복수의 행 및 복수의 열을 갖는 직사각형 매트릭스일 수 있다. 일 예로서, 행 및 열은 실질적으로 수직이 될 수 있고, 여기서 "실질적으로 수직"이라는 용어에 관해서는 위에서 주어진 정의를 참조할 수 있다. 따라서, 예로서, 20° 미만, 특히 10° 미만 또는 심지어 5° 미만의 허용 오차가 허용될 수 있다. 넓은 범위의 시야를 제공하기 위해, 매트릭스는 구체적으로 적어도 10행, 바람직하게는 적어도 50행, 더 바람직하게는 적어도 100행을 가질 수 있다. 마찬가지로, 매트릭스는 적어도 10열, 바람직하게는 적어도 50열, 더 바람직하게는 적어도 100열을 가질 수 있다. 매트릭스는 적어도 50개의 광학 센서, 바람직하게는 적어도 100개의 광학 센서, 더 바람직하게는 적어도 500개의 광학 센서를 포함할 수 있다. 매트릭스는 멀티메가 픽셀 범위의 많은 픽셀을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시예도 가능하다. 따라서, 상술한 바와 같이, 축 회전 대칭이 예상되는 구성에서, 픽셀이라고도 지칭되는 매트릭스의 광학 센서의 원형 배열 또는 동심원 배열이 바람직할 수 있다.
전술한 바와 같이, 센서 소자는 실질적으로 검출기의 광축에 수직으로 배향되는 것이 바람직할 수 있다. 다시, "실질적으로 수직"이라는 용어와 관련하여, 위에 주어진 정의와 허용 오차가 참조될 수 있다. 광축은 직선 광축일 수 있거나 또는 하나 이상의 편향 요소 및/또는 하나 이상의 빔 스플리터를 사용하는 것과 같이, 구부러지거나 심지어 분할될 수 있고, 후자의 경우, 실질적으로 수직 배향은 광학 구성 각각의 브랜치(branch) 또는 빔 경로 내의 로컬 광축을 지칭할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 센서 소자는 대상체를 향한 배향과는 다른 방향으로 배향될 수 있다. 특히, 검출기가 2개의 센서 소자를 포함하는 경우, 센서 소자 중 적어도 하나는 대상체를 향한 방향과 다르게 배향될 수 있다. 예를 들어, 센서 소자 중 적어도 하나는 광축 및 대상체에 대해 수직 또는 임의의 각도로 배향될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자는 광빔이 센서 소자에 충돌하도록 광빔을 발생시키기 위해 적응될 수 있다. 예를 들어, 센서 소자 중 적어도 하나가 광축에 대해 임의의 각도로 배향되는 경우, 각도 의존적 광학 소자는 광빔을 센서 소자의 감광 영역 상으로 안내하도록 적응될 수 있다.
대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표를 결정하는 것을 포함하여 전술한 동작은 적어도 하나의 평가 장치에 의해 수행된다. 따라서, 일 예로서, 전술한 관계 중 하나 이상은, 예컨대, 하나 이상의 룩업 테이블을 구현함으로써, 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 평가 장치는 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표를 결정하기 위해 전술한 평가를 수행하도록 구성된 하나 이상의 컴퓨터, ASICs(Application-Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors) 또는 FPGA(Field Programmable Gate Arrays)와 같은 하나 이상의 프로그래밍 가능한 장치를 포함할 수 있다. 그러나, 부가적으로 또는 대안적으로, 평가 장치는 하드웨어에 의해 전체적 또는 부분적으로 구현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 중심 신호 및 합산 신호를 평가함으로써, 검출기는 전체 대상체 또는 대상체의 하나 이상의 부분의 종 방향 좌표를 결정하는 옵션을 포함하여, 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표를 결정하게 할 수 있다. 그러나, 하나 이상의 횡 방향 좌표 및/또는 회전 좌표를 포함하는 대상체의 다른 좌표는 또한 검출기, 특히, 평가 장치에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 하나 이상의 횡 방향 센서는 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표를 결정하는 데 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 중심 신호가 발생하는 적어도 하나의 광학 센서의 위치는 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표에 대한 정보를 제공할 수 있으며, 여기서, 예를 들어, 간단한 렌즈 방정식이 광학 변환 및 횡 방향 좌표를 도출하기 위해 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 추가의 횡 방향 센서가 사용될 수 있고 검출기에 포함될 수 있다. WO 2014/097181 A1에 개시된 횡 방향 센서 및/또는 쿼드런트 다이오드, CCD 또는 CMOS 칩 등과 같은 다른 PSD(Position Sensitive Device)와 같은 다양한 횡 방향 센서가 당업계에 일반적으로 알려져 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 일 예로서, 본 발명에 따른 검출기는 R.A.Street, 비정질 실리콘의 기술과 응용(Technology and Applications of Amorphous Silicon), Springer-Verlag Heidelberg, 2010, pp. 346-349에 개시된 하나 이상의 PSD를 포함할 수 있다. 다른 실시예도 가능하다. 또한 이들 장치는 일반적으로 본 발명에 따른 검출기로 구현될 수 있다. 일 예로서, 광빔의 일부는 적어도 하나의 빔 분할 소자에 의해, 검출기 내에서 분리될 수 있다. 일 예로서, 분리 부분은 CCD나 CMOS 칩 또는 카메라 센서와 같은 횡 방향 센서를 향해 안내될 수 있고, 횡 방향 센서상의 분리 부분에 의해 생성된 광 스폿의 횡 방향 위치가 결정되어 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표를 결정할 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 검출기는 단순 거리 측정 장치와 같은 1차원 검출기일 수도 있고, 2차원 검출기 또는 3차원 검출기로도 구현될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 또는 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 1차원 방식으로 배경 또는 환경을 스캐닝함으로써, 3차원 이미지가 또한 생성될 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 검출기는 구체적으로는 1차원 검출기, 2차원 검출기 또는 3차원 검출기 중 하나일 수 있다. 평가 장치는 또한 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표 x, y를 결정하도록 구성될 수 있다. 평가 장치는 종 방향 좌표와 횡 방향 좌표의 정보를 결합하고, 공간에서 대상체의 위치를 결정하도록 적응될 수 있다.
검출기는 단일 광빔 또는 복수의 광빔을 평가하도록 구성될 수 있다. 복수의 광빔이 대상체로부터 검출기로 전파하는 경우, 광빔을 구별하기 위한 수단이 제공될 수 있다. 따라서, 광빔은 상이한 스펙트럼 특성을 가질 수 있고, 검출기는 상이한 광빔을 구별하기 위한 하나 이상의 파장 선택 소자를 포함할 수 있다. 각각의 광빔은 독립적으로 평가될 수 있다. 일 예로서, 파장 선택 소자는 하나 이상의 필터, 하나 이상의 프리즘, 하나 이상의 격자, 하나 이상의 이색성 거울 또는 이들의 임의 조합일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 또한, 부가적으로 또는 대안적으로, 2개 이상의 광빔을 구별하기 위해, 광빔은 특정 방식으로 변조될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 광빔은 주파수 변조될 수 있고, 센서 신호는 그들의 복조 주파수에 따라 상이한 광빔으로부터 유래하는 센서 신호를 부분적으로 구별하기 위해 복조될 수 있다. 이들 기술은 일반적으로 고주파 전자 분야의 당업자에게 공지되어 있다. 일반적으로, 평가 장치는 상이한 변조를 갖는 상이한 광빔을 구별하도록 구성될 수 있다.
조명원은 광학 센서의 매트릭스, 예를 들어, CMOS 검출기 상에 복수의 조명 영역이 생성되도록 점 구름을 생성 및/또는 투영하도록 적응될 수 있다. 또한, 스페클 및/또는 외부광 및/또는 다중 반사로 인한 교란과 같은 광학 센서의 매트릭스 상에 장애가 존재할 수 있다. 평가 장치는 적어도 하나의 관심 영역, 예를 들어, 대상체의 종 방향 좌표의 결정을 위해 사용되는 광빔에 의해 조명된 하나 이상의 픽셀을 결정하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 평가 장치는 필터링 방법, 예를 들어, 얼룩 분석(blob-analysis) 및/또는 대상체 인식 방법을 수행하도록 적응될 수 있다.
추가 실시예에서, 검출기는 감광 영역을 각각 갖는 적어도 2개의 광학 센서를 포함할 수 있고, 여기서, 각각의 감광 영역은 기하학적 중심을 갖고, 광학 센서의 기하학적 중심은 상이한 공간 오프셋에 의해 검출기의 광축으로부터 이격되며, 각각의 광학 센서는 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔에 의해 그것의 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 센서 신호를 생성하도록 구성된다.
평가 장치는 적어도 2개의 센서 신호를 조합하여 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성될 수 있다. 이러한 추가 실시예에서, 광학 센서는 광학 센서의 감광 영역이 그들의 공간 오프셋 및/또는 그들의 표면 영역과 상이하도록 배치될 수 있다.
광학 센서의 감광 영역은 대상체로부터 볼 때 중첩될 수 있거나 중첩되지 않을 수 있다. 즉, 중첩없이 서로 옆에 배치될 수 있다. 감광 영역은 서로 이격되거나 바로 인접할 수 있다.
검출기는 대상체로부터 광학 센서로 진행할 수 있는 광빔을 따라 단일 빔 경로를 가질 수 있거나, 복수의 빔 경로를 가질 수 있다. 예를 들어, 각도 의존적 광학 소자가 적어도 하나의 다중 분기된 광 섬유를 포함하는 경우, 다중 분기된 광 섬유 각각의 섬유는 독립적인 빔 경로를 구성할 수 있다. 일 예로서, 단일 빔 경로가 주어지거나, 빔 경로가 2 이상의 부분 빔 경로로 분할될 수 있다. 후자의 경우, 각각의 부분 빔 경로는 그 자신의 광축을 가질 수 있고, 전술한 조건은 일반적으로 각각의 빔 경로를 독립적으로 나타낼 수 있다. 광학 센서는 하나의 동일한 빔 경로 또는 부분 빔 경로에 위치될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 광학 센서는 상이한 부분 빔 경로에 위치될 수도 있다. 광학 센서가 상이한 부분 빔 경로 상에 분포되는 경우, 상술한 조건은 적어도 하나의 제 1 광학 센서가 제 1 부분 빔 경로의 광축으로부터 제 1 공간 오프셋만큼 오프셋된 적어도 하나의 제 1 부분 빔 경로에 위치되고, 적어도 하나의 제 2 광학 센서는 적어도 하나의 제 2 부분 빔 경로의 광축으로부터 제 2 공간 오프셋만큼 오프셋된 적어도 하나의 제 2 부분 빔 경로에 위치되도록 기술될 수 있고, 여기서 제 1 공간 오프셋과 제 2 공간 오프셋은 서로 상이하다.
검출기는 2개 이상의 광학 센서를 포함할 수 있다. 어느 경우에도, 예컨대, 정확하게 2개의 광학 센서를 포함하는 검출기의 경우 및 2개보다 많은 광학 센서를 포함하는 검출기의 경우에도, 광학 센서는 제 1 공간 오프셋에 의해 광축으로부터 이격되어 있는 적어도 하나의 제 1 광학 센서와, 제 2 공간 오프셋에 의해 광축으로부터 이격되어 있는 적어도 하나의 제 2 광학 센서를 포함하되, 여기서 제 1 공간 오프셋과 제 2 공간 오프셋은 서로 상이하다. 추가의 광학 센서가 제공되는 경우, 제 1 및 제 2 광학 센서 이외에, 이러한 추가 광학 센서는 또한 이러한 조건을 충족시키거나, 대안적으로, 제 1 공간 오프셋, 제 2 공간 오프셋 또는 다른 공간 오프셋에 의해 광축으로부터 이격될 수 있다. 일 예로서, 제 1 및 제 2 공간 오프셋은 적어도 1.2배, 더 바람직하게는 적어도 1.5배, 더욱 바람직하게는 적어도 2배만큼 다를 수 있다. 전술한 조건들이 충족되는 한, 공간 오프셋은 0일 수도 있고, 음의 값을 가질 수도 있다.
전술한 바와 같이, 각 감광 영역은 기하학적 중심을 갖는다. 각각의 감광 영역의 각각의 기하학적 중심은 빔 경로의 광축 또는 각각의 광학 센서가 위치된 각각의 빔 경로와 같이 검출기의 광축으로부터 이격될 수 있다.
상술한 바와 같이, 광학 센서 및/또는 수신 섬유의 입구면은, 특히, 하나의 동일 평면에 위치될 수 있고, 이 평면은 바람직하게는 광축에 수직인 평면이다. 그러나 다른 구성도 가능하다. 따라서, 2개 이상의 광학 센서 및/또는 수신 섬유의 입구면이 또한 광축에 평행한 방향으로 이격될 수 있다.
예를 들어, 광학 센서는 세그먼트화된 다이오드의 부분 다이오드일 수 있고, 세그먼트화된 다이오드의 중심이 검출기의 광축으로부터 오프 센터링되어(off-centered) 있다. 광학 센서는 바이셀(bi-cell) 또는 쿼드런트 다이오드의 부분 다이오드일 수 있고/있거나 적어도 하나의 CMOS 센서를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "부분 다이오드"라는 용어는 직렬 또는 병렬로 연결된 몇몇 다이오드를 포함할 수 있다. 이 예는 다소 간단하고 비용 효율적으로 실현할 수 있다. 따라서, 일 예로서, 바이셀 다이오드 또는 쿼드런트 다이오드가 저가로 널리 상업적으로 이용 가능하고, 이러한 바이셀 다이오드 또는 쿼드런트 다이오드에 대한 구동 방식은 일반적으로 공지되어 있다. 본 명세서에서 사용되는 "바이셀 다이오드(bi-cell diode)"라는 용어는 일반적으로 하나의 패키지 내에 2개의 부분 다이오드를 갖는 다이오드를 지칭한다. 바이셀 및 쿼드런트 다이오드는 2개 또는 4개의 개별 감광 영역, 특히, 2개 또는 4개의 활성 영역을 포함할 수 있다. 일 예로서, 바이셀 다이오드는 다이오드의 완전한 기능을 갖는 독립적인 다이오드를 각각 형성할 수 있다. 일 예로서, 바이셀 다이오드의 각각은 정사각형 또는 직사각형 형상일 수 있고, 2개의 다이오드는 전체적으로 2개의 부분 다이오드가 직사각형 형상을 가진 1×2 또는 2×1 매트릭스를 형성하도록 하나의 평면에 배치될 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 바이셀 다이오드 및 쿼드런트 다이오드의 센서 신호를 평가하기 위한 새로운 방식이 제안되며, 이는 이하에서 더 상세히 설명될 것이다. 그러나, 일반적으로, 광학 센서는 쿼드런트 다이오드의 부분 다이오드일 수 있고, 쿼드런트 다이오드의 중심이 검출기의 광축으로부터 오프 센터링되어 있다. 본 명세서에서 사용되는 "쿼드런트 다이오드"라는 용어는 일반적으로 하나의 패키지 내에 4개의 부분 다이오드를 갖는 다이오드를 지칭한다. 일 예로서, 4개의 부분 다이오드는 각각 다이오드의 완전한 기능을 갖는 독립적인 다이오드를 형성할 수 있다. 일 예로서, 4개의 부분 다이오드는 각각 정사각형 또는 직사각형 형상일 수 있고, 4개의 부분 다이오드는 총 4개의 부분 다이오드가 직사각형 또는 정사각형 형상인 2×2 매트릭스를 형성하도록 하나의 평면에 배치될 수 있다. 추가의 예에서, 4개의 부분 다이오드는 전체적으로 원형 또는 타원형인 2×2 매트릭스를 형성할 수 있다. 일 예로서, 부분 다이오드는 서로 최소로 이격하여 인접할 수 있다.
부분 다이오드의 2×2 매트릭스인 쿼드런트 다이오드가 사용되는 경우에, 쿼드런트 다이오드의 중심은 구체적으로 광축으로부터 오프 센터링되거나 오프셋될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 쿼드런트 다이오드의 광학 센서의 기하학적 중심의 교차점일 수 있는 쿼드런트 다이오드의 중심은 광축으로부터 적어도 0.2mm, 보다 바람직하게는 0.5mm 이상, 보다 바람직하게는 1.0mm 또는 심지어 2.0 mm 이상 오프 센터링될 수 있다. 마찬가지로, 복수의 광학 센서를 갖는 다른 유형의 광학 센서 구성을 사용할 때, 광학 센서의 전체 중심은 동일한 거리만큼 광축으로부터 오프셋될 수 있다.
일반적으로, 광학 센서의 감광 영역은 임의의 표면적 또는 크기를 가질 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 센서 신호의 단순화된 평가의 관점에서, 광학 센서의 감광 영역은, 예컨대, 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만 또는 심지어 1% 미만의 허용 오차 내에서 실질적으로 동일하다. 특히, 이것은 일반적인 상용 쿼드런트 다이오드의 경우이다.
구체적으로, 이하에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 평가 장치는 센서 신호 및/또는 그 것으로부터 도출된 임의의 2차 신호와, 종 방향 좌표 사이의 적어도 하나의 알려진, 결정 가능하거나 사전 결정된 관계를 이용하여 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성될 수 있다. 따라서, 평가 장치는 적어도 2개의 센서 신호, 즉, 적어도 하나의 제 1 광학 센서의 적어도 하나의 센서 신호 및 적어도 하나의 제 2 광학 센서의 적어도 하나의 센서 신호 중 적어도 하나의 결합 센서 신호를 결정하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에서 일반적으로 사용되는 "결합"이라는 용어는 일반적으로 신호와 같은 적어도 2개의 성분이 적어도 하나의 병합된 결합 신호를 형성하기 위해 수학적으로 병합되고/병합되거나 적어도 하나의 비교 신호 또는 비교 결과를 형성하기 위해 비교되는 임의의 동작을 지칭할 수 있다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 결합 센서 신호 또는 2차 신호는 적어도 하나의 몫 신호이거나, 이를 포함할 수 있다.
일 예로서, Q는 간단히 Q = s1/s2 또는 Q = s2/s1로 결정될 수 있고, 여기서 s1은 센서 신호 중 제 1 센서 신호를 나타내고, s2는 센서 신호 중 제 2 센서 신호를 나타낸다. 부가적으로 또는 대안적으로, Q는 Q = j·s1/k·s2 또는 Q = k·s2/j·s1로 결정될 수 있고, 여기서, j 및 k는, 예를 들어, 사전 결정되거나 결정될 수 있는 실수이다. 부가적으로 또는 대안적으로, Q는 Q = (j·s1+k·s2)/(p·s1+q·s2)로 결정될 수 있고, 여기서, j, k, p 및 q는, 예를 들어, 사전 결정되거나 결정될 수 있는 실수이다. 후자의 간단한 예로서, Q는 Q = s1/(s1+s2)로 결정될 수 있거나, 또는 추가의 예로서, Q는 Q = (s1-s2)/(s1+s2)로 결정될 수 있다.
다른 몫 신호가 실현 가능하다. 따라서, 일 예로서, 2개 초과의 광학 센서가 제공되는 경우, 전술한 몫 형성은 이들 광학 센서에 의해 생성된 2개의 센서 신호 사이에서 발생되거나, 2개 초과의 센서 신호 사이에서 발생될 수 있다. 따라서, 주어진 식에서 센서 신호 중 제 1 센서 신호 및 센서 신호 중 제 2 센서 신호를 사용하는 대신, 결합 센서 신호가 몫 형성에 사용될 수 있다.
결합 신호 Q는 일반적으로 감광 영역상의 광빔에 의해 생성된 광 스폿의 비대칭 또는 비대칭 분포를 나타내는 비대칭 파라미터의 예이다. 2개 이상의 광다이오드와 같은 2개 이상의 광학 센서의 몫은, 이하에 실험 데이터로 표시되는 바와 같이, 일반적으로 광빔이 검출기를 향해 이동하는 대상체와 검출기 사이의 거리에 단조롭게 좌우되는 결합 신호를 제공할 수 있다. 몫 신호에 부가하거나 대안으로, 본 발명의 구성에서 2개 이상의 센서의 센서 신호를 구현하는 다른 유형의 결합 함수가 사용될 수 있고, 이는 대상체와 검출기 사이의 거리에 대한 의존성을 나타낼 수도 있다. 예를 들어, 광 스폿의 비대칭 또는 비대칭 파라미터는 광빔의 폭의 표시자일 수 있다. 이 비대칭 파라미터가 거리에만 의존하는 경우, 측정을 사용하여 거리를 결정할 수 있다.
일반적인 구성에서, 쿼드런트 광다이오드와 같은 시판되는 쿼드런트 다이오드는 위치 결정, 즉, 쿼드런트 광다이오드의 평면에서 광 스폿의 횡 방향 좌표를 조정 및/또는 측정하기 위해 사용된다. 따라서, 일 예로서, 쿼드런트 광다이오드를 사용하여 위치 결정하는 레이저 빔이 잘 알려져 있다. 그러나 일반적인 편견에 따르면, 쿼드런트 광다이오드는 xy 좌표의 위치 결정에만 사용된다. 이러한 가정에 따르면, 쿼드런트 광다이오드는 거리 측정에는 적합하지 않다. 그러나, 검출기의 광축과 관련하여 오프 센터링된 쿼드런트 광다이오드를 사용하는 상술한 결과는, 이하의 추가 측정에서 나타내는 바와 같이, 다르게 나타난다. 따라서, 상술한 바와 같이, 쿼드런트 광다이오드에서, 스팟의 비대칭은 쿼드런트 다이오드를 상술한 오프셋과 같이 약간 축을 벗어나게 이동시킴으로써 측정될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 2개 이상의 부분 광다이오드의 2개 이상의 센서 신호(즉, 쿼드런트 광다이오드의 사분면)의 결합 신호 Q를 형성함으로써, z-의존 단조 함수(monotonously z-dependent function)가 생성될 수 있다. 원칙적으로 측정에는 단지 2개의 광다이오드만 필요하다. 다른 2개의 다이오드는 노이즈 제거나 보다 정확한 측정값을 얻기 위해 사용될 수 있다.
쿼드런트 다이오드 또는 쿼드런트 광다이오드를 사용하는 것에 부가하거나 대안으로, 다른 유형의 광학 센서가 사용될 수 있다. 따라서, 이하에 추가로 상세히 나타내는 바와 같이, 스태거된(staggered) 광학 센서가 사용될 수 있다.
쿼드런트 다이오드의 사용은 종래의 광 검출기보다 많은 장점이 있다. 따라서, 쿼드런트 다이오드는 LED 또는 능동 타겟과 함께 다수의 응용 분야에 사용되고, 가격이 저렴하고, 스펙트럼 감도 및 다양한 크기와 같은 다양한 광학 특성을 가지므로 널리 시판되고 있다. 시판되고 있는 제품이 본 발명에 따른 검출기로 구현될 수 있기 때문에, 특정한 제조 공정을 확립할 필요는 없다.
본 발명에 따른 검출기는 구체적으로 2015년 3월 26일에 출원된 PCT/IB2015/052233에 개시된 바와 같은 다층 광 저장 디스크에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 검출기를 사용하여 수행된 측정은 구체적으로 광 저장 디스크에서의 초점 위치를 최적화하기 위해 사용될 수 있다.
이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명에 따른 검출기를 사용한 거리 측정은 하나 이상의 추가 거리 측정 수단을 검출기에 구현하고/구현하거나 검출기를 다른 유형의 거리 측정 수단과 결합함으로써 향상될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 검출기는 적어도 하나의 삼각 거리 측정 장치(triangulation distance measurement device)를 포함하거나 조합될 수 있다. 따라서, 전술한 측정 원리와 삼각 거리 측정의 조합을 이용함으로써 거리 측정을 향상시킬 수 있다. 또한, x 및/또는 y 좌표와 같은 하나 이상의 다른 좌표를 측정하기 위한 수단이 제공될 수 있다.
쿼드런트 다이오드가 사용되는 경우, 쿼드런트 다이오드는 추가 목적으로 사용될 수도 있다. 따라서, 쿼드런트 다이오드는 광전자 및 레이저 물리학 분야에서 일반적으로 알려진 바와 같은 광 스폿의 종래의 xy 측정에도 사용될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 렌즈 또는 검출기 위치는 거리 측정을 위한 스폿의 위치를 최적화하기 위해 쿼드런트 다이오드의 종래 xy 위치 정보를 사용하여 조정될 수 있다. 실제적인 예로서, 초기에, 광 스폿은 쿼드런트 다이오드의 중심에 바로 위치할 수 있으며, 이는 일반적으로 몫 함수 Q를 사용한 상술한 거리 측정을 허용하지 않는다. 따라서, 먼저, 종래의 쿼드런트 광다이오드 기술은, 예를 들어, 쿼드런트 다이오드상의 스폿 위치가 측정에 최적이 되도록 쿼드런트 광다이오드상의 광 스폿의 위치를 오프 센터링하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 검출기의 광학 센서의 상이한 오프 센터링은 단지 광 스폿이 광축 및 광학 센서 어레이의 기하학적 중심에 대하여 오프 센터링되도록 광축에 관한 광학 센서의 이동을 위한 시작점일 수 있다.
따라서, 일반적으로, 검출기의 광학 센서는, 전술한 쿼드런트 다이오드와 같이, 센서 어레이를 형성할 수 있거나, 센서 어레이의 일부일 수 있다. 따라서, 일 예로서, 검출기는, m, n이 독립적으로 양의 정수인 m개의 행과 n개의 열로 구성된 직사각형 어레이와 같은 광학 센서의 어레이를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 하나 초과의 열 및 하나 초과의 행, 즉, n>1, m>1이 주어진다. 따라서, 일 예로서, n은 2 내지 16 또는 그 이상일 수 있고, m은 2 내지 16 또는 그 이상일 수 있다. 바람직하게는, 행의 개수와 열의 개수의 비율은 1에 가깝다. 일 예로서, m/n = 1:1, 4:3, 16:9 또는 이와 유사한 것을 선택하는 것과 같이, n과 m은 0.3 ≤ m/n ≤ 3인 것으로 선택될 수 있다. 일 예로서, 어레이는 m = 2, n = 2 또는 m = 3, n = 3 등을 선택하는 것과 같이, 같은 수의 행 및 열로 구성된 정사각형 어레이일 수 있다. m = 2, n = 2의 경우는 쿼드런트 다이오드 또는 쿼드런트 광학 센서의 경우로서, 쿼드런트 광다이오드가 널리 이용 가능하기 때문에, 이 사분원 광학 센서의 바람직한 경우 중 하나이다.
시작점으로서, 어레이 내의 광학 센서의 기하학적 중심은, 예컨대, 전술한 오프셋에 의해 광축으로부터 오프 센터링될 수 있다. 센서 어레이는, 특히, 광축에 대해 이동할 수 있고, 예를 들어, 광축에 수직인 평면에서 센서 어레이를 이동하고/이동하거나 광축 자체를 이동(예컨대, 광축의 평행 시프트 및/또는 광축의 틸팅)하는 것과 같이, 예를 들어, 구배를 따라 자동으로 이동할 수 있다. 따라서, 센서 어레이의 평면에서 광빔에 의해 생성된 광 스폿의 위치를 조정하기 위해 센서 어레이가 시프트될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 광축은 하나 이상의 편향 소자 및/또는 하나 이상의 렌즈를 사용하는 것과 같은 적절한 소자를 사용함으로써 시프트 및/또는 기울어질 수 있다. 일 예로서, 이동은 하나 이상의 피에조 액추에이터 및/또는 하나 이상의 전자기 액추에이터 및/또는 하나 이상의 공압 또는 기계식 액추에이터와 같은 하나 이상의 적절한 액추에이터를 사용함으로써 발생할 수 있고, 예컨대, 광축의 평행 시프트 및/또는 광축의 틸트와 같이, 광축을 이동시키기 위해 빔 경로에서 어레이를 이동 및/또는 틸트시키고/틸트시키거나 하나 이상의 광학 소자를 이동 및/또는 시프트 및/또는 틸트시킬 수 있다. 평가 장치는 구체적으로, 예컨대, 광축에 수직인 평면에서 광축에 대한 센서 어레이의 상대 위치를 제어하도록 조정될 수 있다. 조정 절차는 먼저 센서 신호를 사용하여 센서 어레이상에서 광빔에 의해 생성된 광 스폿의 적어도 하나의 횡 방향 위치를 결정하고, 다음에 어레이 및/또는 광축을 이동시킴으로써, 예컨대, 광 스폿이 오프 센터링될 때까지 평면 내 어레이를 광축에 대해 이동시키고/이동시키거나 광 스폿이 오프 센터링될 때까지 렌즈를 틸트함으로써, 광축에 대해 어레이를 상대적으로 이동시키도록 구성된다. 본 명세서에 사용되는, 횡 방향 위치는 광축에 수직인 평면 내의 위치일 수 있고, 이는 xy 평면으로도 지칭될 수 있다. 횡 방향 좌표의 측정을 위해, 일 예로서, 광학 센서의 센서 신호가 비교될 수 있다. 일 예로서, 센서 신호가 동일하고, 그에 따라 광 스폿이, 쿼드런트 다이오드의 중심과 같이, 광학 센서에 대해 대칭적으로 위치하는 것으로 판단되는 경우, 어레이의 광 스폿을 오프 센터링하기 위해 어레이의 시프트 및/또는 렌즈의 틸팅이 일어날 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 광축으로부터 쿼드런트 광다이오드의 중심을 오프 센터링하는 것과 같이, 어레이의 광축으로부터의 오프 센터링하는 것은 광 스폿이 광축 상에 위치하여 중심으로 되는 일반적인 상황을 피하기 위한 단순한 출발점일 수 있다. 광축에 대해 어레이의 오프 센터링을 행함으로써, 광 스폿은 오프 센터링되어야 한다. 이것이 사실이 아닌 것으로 밝혀지는 경우, 우연히, 광 스폿이 어레이의 중앙에 위치하여 모든 광학 센서를 동일하게 조명하는 경우, 광축에 대한 어레이의 전술한 시프트가 바람직하게는 어레이상의 광 스폿을 오프 센터링하기 위해 자동적으로 일어날 수 있다. 이에 의해, 신뢰할 수 있는 거리 측정이 이루어질 수 있다.
또한, 이동 가능한 광원을 구비하는 스캐닝 시스템에서, 쿼드런트 다이오드상의 광 스폿의 위치는 고정되지 않을 수 있다. 이것은 여전히 가능하지만, 다이오드에서 스폿의 xy 위치에 따라 다른 보정이 사용되어야 할 수도 있다.
또한, 전술한 결합 신호 Q의 사용은 거리 측정을 위한 매우 신뢰할 수 있는 방법이다. 일반적으로, Q는 대상체의 종 방향 좌표 및/또는 광 스폿의 직경이나 등가 직경과 같은 광 스폿의 크기의 단조 함수이다. 따라서, 일 예로서, 구체적으로 선형 광학 센서가 사용되는 경우, 몫 Q = s1/s2은 광 스폿 크기의 단조 감소 함수이다. 이 이론에 구속되기를 바라지 않고, 이것은, 전술한 바람직한 구성에서, 검출기에 도달하는 빛의 양이 감소하기 때문에, 광원에 대한 거리가 증가하는 제곱 함수(square function)로서, 상술한 제 1 센서 신호 s1 및 상술한 제 2 센서 신호 s2와 같은 센서 신호가 감소하기 때문이라고 생각된다. 그러나, 여기서, 오프 센터링으로 인해, 하나의 센서 신호는 다른 신호보다 더 빠르게 감소하고, 그 이유는, 실험에 사용된 광학 구성에서, 영상 평면 내의 광 스폿이 커지고, 그에 따라, 더 큰 영역으로 확산되기 때문이다. 그러나, 광 스폿을 확산시킴으로써, 광 스폿의 중심 외부의 하나 이상의 광학 센서를 조명하는 광의 일부분은 매우 작은 광 스폿의 상황에 비해서는 증가한다. 따라서, 센서 신호의 몫은 광빔의 직경이나 광 스폿의 직경이 증가함에 따라 연속적으로 변화, 즉, 증가 또는 감소한다. 이 몫은, 또한, 광빔의 총 전력이 모든 센서 신호에서 인자를 형성하기 때문에, 주로 광빔의 총 전력과는 독립적으로 렌더링될 수 있다. 그 결과, 몫 Q는 센서 신호와 광빔의 크기 또는 직경 사이에서 유일하고 모호하지 않은 관계를 제공하는 2차 신호를 형성할 수 있다.
반면에, 광빔의 크기 또는 직경은 광빔이 검출기를 향해 전파되는 대상체와 검출기 자체 사이의 거리, 즉, 대상체의 종 방향 좌표에 의존하기 때문에, 제 1 및 제 2 센서 신호와 종 방향 좌표 사이의 유일하고 모호하지 않은 관계가 존재할 수 있다. 후자에 대해, 예를 들어, WO 2014/097181 A1과 같은 상술한 선행 기술 문헌 중 하나 이상을 참조할 수 있다. 사전 결정된 관계는, 예컨대, 제 1 및 제 2 센서 신호를 측정하는 측정값, 또는 대상체의 종 방향 좌표의 함수로서 이 값들로부터 도출된 2차 신호, 또는 양쪽 모두와 같은 경험적 측정에 의해, 가우스 광빔의 선형 조합을 가정하는 것과 같은 분석적 고려 사항에 의해 결정될 수 있다.
전술한 바와 같이, 구체적으로, 쿼드런트 광다이오드가 사용될 수 있다. 일 예로서, 시판되는 쿼드런트 광다이오드를 통합하여, 4개의 광학 센서, 예컨대, 독일 허슁 앰 애머시 D-82211(D-82211 Herrsching am Ammersee, Germany) 소재의 Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH 제품인, UV 스펙트럼 범위에서 근적외선 스펙트럼 범위에 민감한 S4349 타입의 사분면 Si PIN 광다이오드와 같은 하나 이상의 쿼드런트 광다이오드를 제공할 수 있다. 광학 센서의 어레이가 사용되는 경우, 어레이는 네이키드 칩일 수 있거나, TO-5 금속 패키지로 캡슐화된 것과 같은 캡슐화된 어레이일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 영국, GU21 6EB, 워킹 서리, 웨스트 스트릿, 스트릿 앤드류스 하우스, 4층(Fourth Floor, St Andrews House, West Street Woking Surrey, GU21 6EB, England) 소재의 TT Electronics사의 제품인 TT Electronics OPR5911과 같은 표면 장착 장치가 사용될 수 있다. 다른 광학 센서도 사용될 수 있음을 유의해야 한다.
또한, 정확히 하나의 쿼드런트 광다이오드를 사용하는 옵션 외에, 둘 이상의 쿼드런트 광다이오드가 사용될 수도 있음을 유의해야 한다. 따라서, 일 예로서, 제 1 쿼드런트 광다이오드는, 전술한 바와 같이, 거리 측정용으로 사용될 수 있어서, 2개 이상의 광학 센서를 제공할 수 있다. 또 다른 쿼드런트 광다이오드가, 예컨대, 제 1 쿼드런트 광다이오드의 빔 경로로부터 분기된 제 2 부분 빔 경로에서, 예를 들어, 적어도 하나의 횡 방향 좌표 x 및/또는 y를 사용하기 위한 횡 방향 위치 측정을 위해 사용될 수 있다. 제 2 쿼드런트 광다이오드는, 일 예로서, 광축에 대해 축 상에 위치될 수 있다.
또한, 하나 이상의 쿼드런트 광다이오드를 사용하는 옵션 외에, 하나 이상의 쿼드런트 광다이오드 또는 추가 광다이오드 어레이는 또한 바람직하게는 2x2 매트릭스과 같은 직사각형 매트릭스의 대칭 형상에서 서로 가까이 배치되거나 조립된 개별 광다이오드로 대체되거나 모방될 수 있음을 유의해야 한다. 그러나, 추가의 배열도 가능하다. 이러한 배열 또는 어셈블리에서, 광다이오드는 단일 하우징 또는 마운트의 모든 광다이오드 또는 하나의 하우징 또는 마운트 내의 광다이오드 그룹 또는 개별 하우징 또는 마운트의 각 광다이오드와 같이 하우징 또는 마운트에서 배열되거나 조립될 수 있다. 또한, 광다이오드는 회로 기판 상에 직접 조립될 수도 있다. 이러한 배열 또는 조립체에서, 광다이오드는 광다이오드의 활성 영역 사이의 분리가 1cm 미만, 바람직하게는 1mm 미만, 보다 바람직하게는 가능한 한 작은 값으로 배열될 수 있다. 또한, 측정을 악화시킬 수 있는 광학 반사, 왜곡 등을 피하기 위해, 활성 영역 사이의 공간은 비어 있거나 재료, 바람직하게는 검은 실리콘, 검은 폴리옥시메틸렌 등의 검은 폴리머와 같은 광 흡수 재료, 보다 바람직하게는 검은 세라믹과 같은 광 흡수 및 전기 절연 재료 또는 검은 실리콘 등과 같은 검은 절연 폴리머로 채워질 수 있다. 또한, 광다이오드 분리의 확실한 값은 또한 플라스틱 분리기(plastic separator)와 같은 광다이오드 사이에 별개의 빌딩 블록을 추가함으로써 실현될 수 있다. 추가의 실시예도 가능하다. 활성 영역 사이의 거리가 최소인 2 x 2 직사각형 매트릭스와 같은 유사한 구성으로 배열된 단일 다이오드에 의해 쿼드런트 광다이오드를 대체함으로써 광 검출기에 대한 비용을 더욱 최소화할 수 있다. 또한, 쿼드런트 다이오드로부터의 2개 이상의 다이오드는 단일 감광 영역을 형성하기 위해 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 광학 센서는 진성 광전형(intrinsic photovoltaic type)의 적어도 하나의 광학 센서, 보다 바람직하게는 Ge 광다이오드, InGaAs 광다이오드, 확장된 InGaAs 광다이오드, InAs 광다이오드, InSb 광다이오드, HgCdTe 광다이오드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 반도체 광다이오드를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 광학 센서는 외부 광전형(extrinsic photovoltaic type)의 적어도 하나의 광학 센서, 보다 바람직하게는 Ge:Au 광다이오드, Ge:Hg 광다이오드, Ge:Cu 광다이오드, Ge:Zn 광다이오드, Si:Ga 광다이오드, Si:As 광다이오드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 반도체 광다이오드를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 광학 센서는 적어도 하나의 볼로미터(bolometer), 바람직하게는 VO 볼로미터 및 비정질 실리콘 볼로미터로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 볼로미터를 포함할 수 있다.
광학 센서는 각각 독립적으로 불투명, 투명 또는 반투명일 수 있다. 그러나, 간략화를 위해, 광빔에 대해 투명하지 않은 불투명한 센서가 사용될 수 있는데, 이러한 불투명한 센서는 일반적으로 널리 시판되고 있기 때문이다.
광학 센서 각각은 구체적으로 단일 감광 영역을 각각 갖는 균일한 센서일 수 있다. 따라서, 광학 센서는 구체적으로 픽셀화되지 않은 광학 센서일 수 있다.
전술한 바와 같이, 센서 신호를 평가함으로써, 검출기는 전체 대상체 또는 대상체의 하나 이상의 부분의 종 방향 좌표를 결정하는 옵션을 포함하여, 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표를 결정하게 할 수 있다. 그러나, 하나 이상의 횡 방향 좌표 및/또는 회전 좌표를 포함하는 대상체의 다른 좌표는 또한 검출기, 특히, 평가 장치에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 하나 이상의 추가 횡 방향 센서는 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표를 결정하는 데 사용될 수 있다. WO 2014/097181 A1에 개시된 횡 방향 센서 및/또는 쿼드런트 다이오드, CCD 또는 CMOS 칩 등과 같은 다른 위치 감지 장치(PSD)와 같은 다양한 횡 방향 센서가 당업계에 일반적으로 알려져 있다. 또한 이들 장치는 일반적으로 본 발명에 따른 검출기로 구현될 수 있다. 일 예로서, 광빔의 일부는 적어도 하나의 빔 분할 소자에 의해, 검출기 내에서 분리될 수 있다. 일 예로서, 분할 부분은 CCD나 CMOS 칩 또는 카메라 센서와 같은 횡 방향 센서를 향해 안내될 수 있고, 횡 방향 센서상의 분할 부분에 의해 생성된 광 스폿의 횡 방향 위치가 결정되어 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표를 결정할 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 검출기는 단순 거리 측정 장치와 같은 1차원 검출기일 수도 있고, 2 차원 검출기 또는 3 차원 검출기로도 구현될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 또는 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 1차원 방식으로 배경 또는 환경을 스캐닝함으로써, 3차원 이미지를 또한 생성할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 검출기는 구체적으로는 1차원 검출기, 2차원 검출기 또는 3차원 검출기 중 하나일 수 있다. 평가 장치는 또한 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표 x, y를 결정하도록 구성될 수 있다. 평가 장치는 종 방향 좌표와 횡 방향 좌표의 정보를 결합하고, 공간에서 대상체의 위치를 결정하도록 적응될 수 있다.
일 실시예에서, 검출기는,
- 하나의 광학 측정 섬유 및 하나 이상의 전송 장치를 포함하는 적어도 하나의 측정 헤드와,
- 적어도 하나의 감광 영역을 각각 포함하는 적어도 2개의 광학 센서 ― 여기서, 각각의 광학 센서는 광학 측정 섬유로부터 기원하는 적어도 하나의 광빔에 의해 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ―, 및
- 센서 신호로부터 결합 신호 Q를 평가함으로써, 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "측정 헤드"라는 용어는 대상체로부터 적어도 하나의 광빔을 수신하도록 적응된 적어도 하나의 측정 수단을 지칭한다. 측정 헤드는 적어도 하나의 광학 측정 섬유일 수 있거나, 이를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 광학 조명 섬유, 적어도 하나의 광학 측정 섬유, 적어도 하나의 스페이서 소자 및 적어도 하나의 전송 소자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 소자를 더 포함할 수 있다. 측정 헤드는, 특히, 광학 측정 섬유 및 적어도 하나의 조명 섬유의 배열을 고려하여, 적어도 하나의 방사상으로 배열되거나, 심지어 방사상 대칭인 설계를 포함할 수 있다. 방사상으로 배열되거나 방사상 대칭인 설계는, 특히, 대상체의 측정 지점에서의 강한 흑백 콘트라스트에서 또는 오목하거나 볼록한 표면의 측정을 위해 측정값의 강건성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 사용되는 "광학 측정 섬유"라는 용어는 적어도 하나의 광 섬유가 포함된 적어도 하나의 각도 의존적 광학 소자를 지칭한다. 측정 헤드는 정확히 하나의 광학 측정 섬유를 포함할 수 있다. 하나의 광학 측정 섬유만을 사용하도록 하기 위해, 결합 신호 Q는 광학 측정 섬유의 출구 말단에 배치된 적어도 2개의 광학 센서로부터의 적어도 2개의 센서 신호에서 결정된다. 광학 측정 섬유는 2개의 단부를 포함할 수 있다. 광학 측정 섬유는 대상체로부터 기원된 적어도 하나의 광빔을 수용하도록 적응된 적어도 하나의 수신 단부를 포함할 수 있다. 광학 측정 섬유는 대상체로부터 기원된 광빔이 광학 측정 섬유를 떠나는 적어도 하나의 출구 말단를 포함할 수 있다. 광학 측정 섬유는 수신 섬유로 명시될 수도 있다. 수신 말단은 또한 대상체로부터 검출기로 진행하는 광빔이, 구체적으로 광 섬유 상의 각도 의존적 광학 소자에 충돌하는 위치로서도 표시될 수 있는 적어도 하나의 수신 섬유의 적어도 하나의 입구면으로 명시될 수 있다. 이 이론에 구속되기를 바라지 않고, 입사각이 동일하거나 광 섬유의 수용 각도보다 작다고 가정하면, 광 섬유에 의해 수신된 광빔의 입사각은 이 입사각이 출구 각도(exit-angle)와 동일하도록 유지되는 것으로 생각된다. 따라서, 광빔에 인코딩된 거리 정보는 본질적으로 보존될 수 있고, 결합 신호 Q를 사용하여 평가될 수 있다.
광학 센서는 바이셀(bi-cell) 또는 쿼드런트 다이오드의 부분 다이오드일 수 있고/있거나 적어도 하나의 CMOS 센서를 포함한다. 예를 들어, 광학 센서는 CMOS 센서를 포함할 수 있다. 평가 장치는 CMOS 센서의 센서 영역을 적어도 2개의 서브 영역으로 분할하도록 적응될 수 있다. 구체적으로, 평가 장치는 CMOS 센서의 센서 영역을 적어도 하나의 좌측 부분과 적어도 하나의 우측 부분 및/또는 적어도 하나의 상부와 적어도 하나의 하부 및/또는 적어도 하나의 내부 부분과 적어도 하나의 외부 부분으로 나누도록 적응될 수 있다. 평가장치는 적어도 2개의 서브 영역의 센서 신호로부터 결합 신호 Q를 평가하여, 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 CMOS 센서를 사용하면, 대상체를 조명하기 위한 조명원을 이동하게 할 수 있다. 특히, 적어도 하나의 광학 조명 섬유 및 광학 측정 섬유의 독자적인 이동이 가능할 수 있다.
측정 헤드는 적어도 하나의 시준 렌즈를 포함하는 적어도 하나의 전송 장치를 포함할 수 있다. 전송 장치의 개구수는 광학 측정 섬유의 개구 수보다 작을 수 있다.
검출기는 적어도 하나의 광학 조명 섬유를 포함할 수 있다. 조명원은 광학 조명 섬유를 거쳐 대상체를 조명하도록 적응될 수 있다. 본 명세서에 사용된 "광학 조명 섬유"라는 용어는 대상체의 조명을 위한 적어도 하나의 광빔을 제공하도록 적응된 적어도 하나의 광 섬유를 지칭한다. 광학 조명 섬유는 적어도 하나의 도광 소자(light guiding element)이거나, 이를 포함할 수 있다. 광학 조명 섬유는, 예컨대, 조명원에 의해 생성된 적어도 하나의 조명광빔을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 제 1 말단을 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 조명원은 광 섬유를 통해 안내될 수 있다. 광학 조명 섬유는 조명광빔이 대상체의 조명을 위해 광학 조명 섬유를 떠나는 적어도 하나의 제 2 말단을 포함할 수 있다. 제 2 말단은 적어도 하나의 광학 조명 섬유의 출구면으로 표시될 수도 있다. 바이셀 또는 쿼드런트 다이오드의 부분 다이오드로서 배열된 광학 센서를 사용하는 경우, 광학 측정 섬유와 광학 조명 섬유는, 특히, 고정적으로 상호 연결될 수 있다. 광학 조명 섬유를 사용하는 조명에 부가하거나 대안으로, 대상체는 임의의 조명원으로부터 생성된 광빔에 의해 조명될 수 있다. 특히, 대상체의 조명은 광 섬유와는 독립적으로 수행될 수 있다.
조명원 및 광학 센서는 베이스라인에 의해 구분될 수 있다. 특히, 광학 조명 섬유는 적어도 하나의 송신용 렌즈를 포함할 수 있다. 광학 측정 섬유는 적어도 하나의 수신용 렌즈를 포함할 수 있다. 송신용 렌즈와 수신용 렌즈 사이의 베이스라인은 작을 수 있다. 베이스라인은 0.01m 미만, 바람직하게는 0.005m 미만, 더욱 바람직하게는 0.0025m 미만일 수 있다. 바이셀 또는 쿼드런트 다이오드의 부분 다이오드의 분할선은 베이스라인에 본질적으로 평행하거나 본질적으로 수직으로 배열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태에서, 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하는 검출기 시스템이 개시된다. 검출기 시스템은, 예를 들어, 전술한 하나 이상의 실시예에 따라, 또는 이하에 개시된 하나 이상의 실시예에 따라, 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함한다. 검출기 시스템은 검출기를 향해 적어도 하나의 광빔을 지향시키도록 적응된 적어도 하나의 비콘 장치를 더 포함하고, 여기서, 비콘 장치는 대상체에 적어도 하나를 장착할 수 있고, 대상체에 의해 보유 가능하며, 대상체에 통합될 수 있다. 비콘 장치에 관한 보다 상세한 내용은 그것의 잠재적인 실시예를 포함하여 이하에 설명될 것이다. 따라서, 적어도 하나의 비콘 장치는, 예컨대, 레이저, LED, 전구 등의 하나 이상의 광원과 같은 하나 이상의 조명원을 포함하는 적어도 하나의 능동형 비컨 장치일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 일 예로서, 조명원에 의해 방출된 광의 파장은 300 내지 1,000nm, 특히, 500 내지 1,000nm일 수 있다. 대안적으로, 상술한 바와 같이, 예컨대, 780nm 내지 3.0㎛의 적외선 스펙트럼 범위가 사용될 수 있다. 구체적으로, 실리콘 광다이오드가, 특히, 700nm 내지 1,000nm의 범위에서 적용 가능한 근적외선 영역이 사용될 수 있다. 하나 이상의 비콘 장치에 의해 방출된 광은 2개 이상의 광빔을 구별하기 위해, 상술한 바와 같이, 변조되거나 변조되지 않을 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 적어도 하나의 비콘 장치는, 예컨대, 하나 이상의 반사 소자를 포함하는 검출기를 향하여 하나 이상의 광빔을 반사시키도록 적응될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 비콘 장치는 광빔을 산란시키기 위해 적응된 하나 이상의 산란 소자일 수도 있거나, 이를 포함할 수도 있다. 여기서, 탄성 또는 비탄성 산란이 사용될 수 있다. 적어도 하나의 비콘 장치가 검출기를 향해 1차 광빔을 반사 및/또는 산란시키도록 적응되면, 비콘 장치는 광빔의 스펙트럼 특성의 영향을 받지 않은 상태로 되도록 적응되거나, 대안적으로, 광빔의 파장을 변조하여 광빔의 스펙트럼 특성을 변경하도록 적응될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 사용자와 기계간에 적어도 하나의 정보 항목을 교환하기 위한 인간-기계 인터페이스가 개시된다. 인간-기계 인터페이스는 전술한 실시예 및/또는 이하에 상세하게 개시된 하나 이상의 실시예에 따라, 적어도 하나의 검출기 시스템을 포함한다. 여기서, 적어도 하나의 비콘 장치는 사용자가 직간접적으로 부착하거나 사용자가 소지하는 것 중 적어도 하나로 되도록 적응된다. 인간-기계 인터페이스는 검출기 시스템에 의해 사용자의 적어도 하나의 위치를 결정하도록 설계되며, 인간-기계 인터페이스는 적어도 하나의 정보 항목의 위치를 할당하도록 설계된다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 적어도 하나의 엔터테인먼트 기능을 수행하기 위한 엔터테인먼트 장치가 개시된다. 엔터테인먼트 장치는 전술한 실시예 및/또는 이하에 상세하게 개시된 하나 이상의 실시예에 따라, 적어도 하나의 인간-기계 인터페이스를 포함한다. 엔터테인먼트 장치는 인간-기계 인터페이스를 통해 플레이어가 적어도 하나의 정보 항목을 입력할 수 있도록 구성된다. 엔터테인먼트 장치는 또한 정보에 따라 엔터테인먼트 기능을 변경시키도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 적어도 하나의 이동 가능한 대상체의 위치를 추적하기 위한 추적 시스템이 개시된다. 추적 시스템은, 전술하는 및/또는 이하에 더욱 상세하게 설명하는 검출기 시스템을 참조하는 실시예 중 하나 이상에 따른 적어도 하나의 검출기 시스템을 포함한다. 추적 시스템은 적어도 하나의 추적 제어기를 더 포함한다. 추적 제어기는 특정 시점에서 대상체의 일련의 위치를 추적하도록 적응된다.
본 발명의 다른 양태에서, 적어도 하나의 대상체를 촬상하기 위한 카메라가 개시된다. 카메라는 전술하거나 이하에 더욱 상세하게 설명하는 검출기를 참조하는 실시예 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에서, 광학 저장 매체용 판독 장치가 제안된다. 판독 장치는 검출기를 지칭하는 이전 실시예 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함한다. 여기에 사용되는 광학 저장 매체를 위한 판독 장치는 일반적으로 광학 저장 디스크, 예컨대, CCD, DVD 또는 블루레이 디스크와 같은 광학 저장 매체에 저장된 정보를 광학적으로 검색할 수 있는 장치를 지칭한다. 따라서, 상술한 본 발명에 따른 검출기의 측정 원리는 광 저장 디스크와 같은 광학 저장 매체 내의 데이터 모듈을 검출하는 데 사용될 수 있다. 일 예로서, 반사 데이터 모듈이 존재하고 조명광빔을 반사하는 경우, 검출기는 상술한 측정 원리에 따라 반사광빔을 검출할 뿐만 아니라 검출기와 반사 데이터 모듈, 즉, 광학 저장 매체 내의 반사 데이터 모듈의 깊이 사이의 거리를 검출할 것이다. 따라서, 일 예로서, 검출기는 광학 저장 매체 내의 정보 모듈이나 데이터 모듈의 상이한 층을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 이에 따라, 일 예로서, 2개의 층 디스크나 3개의 층 디스크 또는 3개보다 많은 층을 갖는 디스크가 생성되어 판독될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 적어도 하나의 대상체의 적어도 하나의 위치를 결정하는 것을 의미할 수도 있는 배경의 깊이 프로파일을 결정하기 위한 스캐닝 시스템이 제공된다. 스캐닝 시스템은 상술한 하나 이상의 실시예 및/또는 이하의 하나 이상의 실시예에서 개시된 적어도 하나의 검출기와 같은 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함한다. 스캐닝 시스템은 조명광빔 또는 주사광빔으로도 지칭될 수 있는 적어도 하나의 광빔으로 배경을 스캔하도록 적응된 적어도 하나의 조명원을 더 포함한다. 본 명세서에 사용되는 "배경"이라는 용어는 일반적으로 2차원 또는 3차원 범위의 적어도 하나의 기하학적 또는 공간적 특성을 검출기로 평가할 수 있도록, 검출기에 의해 가시인 2차원 또는 3차원 범위를 지칭한다. 본 명세서에서 또한 사용되는 "스캔"이라는 용어는 일반적으로 상이한 영역에서의 연속적인 측정을 지칭한다. 따라서, 스캐닝은, 구체적으로, 제 1 방식으로 지향하거나 또는 지향되는 조명광빔을 구비하는 적어도 하나의 제 1 측정과, 제 1 방식과는 다른 제 2 방식으로 지향하거나 또는 지향되는 조명광빔을 구비하는 적어도 하나의 제 2 측정을 의미할 수 있다. 스캐닝은 연속 스캐닝 또는 단계적 스캐닝일 수 있다. 따라서, 연속적 또는 단계적 방식으로, 조명광빔은 배경의 다른 영역으로 지향될 수 있고, 검출기는 각 영역에 대해 적어도 하나의 종 방향 좌표와 같은 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 검출될 수 있다. 일 예로서, 대상체를 스캐닝하기 위해, 하나 이상의 조명광빔은 연속적 또는 단계적으로 대상체의 표면 상에 광 스폿을 생성할 수 있고, 여기서, 종 방향 좌표는 광 스폿에 대해 생성된다. 그러나, 대안적으로, 광 패턴이 스캐닝을 위해 사용될 수 있다. 스캐닝은 포인트 스캐닝이나 라인 스캐닝 또는 더 복잡한 광 패턴을 이용한 스캐닝일 수 있다. 스캐닝 시스템의 조명원은 검출기의 선택적인 조명원과 구별될 수 있다. 그러나, 대안적으로, 스캐닝 시스템의 조명원은 검출기의 적어도 하나의 선택적인 조명원과 전체적 또는 부분적으로 동일할 수도 있거나 이것에 통합될 수도 있다.
따라서, 스캐닝 시스템은 적어도 하나의 대상체의 적어도 하나의 표면에 위치한 적어도 하나의 점 조명용으로 구성된 적어도 하나의 광빔을 방출하도록 적응된 적어도 하나의 조명원을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "점(dot)"이라는 용어는, 예를 들어, 스캐닝 시스템의 사용자에 의해 선택되어 조명원에 의해 조명될 수 있는 대상체 표면의 일부 영역, 특히, 작은 영역을 지칭한다. 바람직하게, 점은, 한편으로는, 스캐닝 시스템이 스캐닝 시스템에 포함된 조명원과, 점이 가능한 한 정확하게 위치될 수 있는 대상체 표면의 일부분 사이의 거리에 대한 값을 결정하도록 하기 위해, 가능한 한 작은 크기를 나타낼 수 있고, 다른 한편으로는, 스캐닝 시스템의 사용자 또는 스캐닝 시스템 자체, 특히, 자동화 절차에 의해 대상체 표면의 관련 부분 상에서의 점의 존재를 검출할 수 있게 하기 위해 가능한 한 크게 나타낼 수도 있다.
이 목적을 위해, 조명원은 인공 조명원, 특히, 적어도 하나의 레이저 광원 및/또는 적어도 하나의 백열 램프 및/또는 적어도 하나의 반도체 광원, 예를 들어, 적어도 하나의 발광 다이오드, 특히, 유기 및/또는 무기 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 일 예로서, 조명원에 의해 방출된 광은 300 내지 1,000nm, 특히, 500 내지 1,000nm의 파장을 가질 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 예컨대, 780nm 내지 3.0㎛의 범위의 적외선 스펙트럼 범위의 광이 사용될 수 있다. 구체적으로, 실리콘 광다이오드가, 특히, 700nm 내지 1,000nm의 범위에서 적용 가능한 근적외선 영역의 일부의 광이 사용될 수 있다. 일반적으로 정의된 빔 프로파일 및 처리 가능한 다른 특성으로 인해, 적어도 하나의 레이저 광원을 조명원으로서 사용하는 것이, 특히, 바람직하다. 여기서, 사용자가 쉽게 저장 및 전송할 수 있는 소형 스캐닝 시스템을 제공하는 것이 중요한 경우에는, 단일 레이저 광원을 사용하는 것이, 특히, 바람직할 수 있다. 따라서, 조명원은 바람직하게는 검출기의 구성 소자일 수 있고, 그에 따라, 특히, 검출기, 예컨대, 검출기의 하우징에 통합될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 특히, 스캐닝 시스템의 하우징은 읽기 쉬운 방식으로 사용자에게 거리 관련 정보를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 디스플레이를 포함할 수 있다. 추가의 바람직한 실시예에서, 특히, 스캐닝 시스템의 하우징은 하나 이상의 동작 모드를 설정하는 것과 같이, 스캐닝 시스템에 관한 적어도 하나의 기능을 동작하도록 구성될 수 있는 적어도 하나의 버튼을 더 포함할 수 있다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 특히, 스캐닝 시스템의 하우징은, 특히, 사용자에 의해 스캐닝 시스템의 거리 측정 및/또는 처리 가능성의 정확도를 증가시키기 위해, 예컨대, 자성 재료를 포함하는 베이스 플레이트나 홀더와 같은 고무 받침(rubber foot), 베이스 플레이트 또는 벽 홀더(wall holder)와 같이, 다른 표면에 스캐닝 시스템을 고정하도록 구성될 수 있는 적어도 하나의 고정 유닛을 포함할 수 있다.
따라서, 스캐닝 시스템의 조명원은, 특히, 대상체의 표면에 위치한 단일 점의 조명용으로 구성될 수 있는 단일 레이저 빔을 방출할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기를 사용함으로써, 적어도 하나의 점과 스캐닝 시스템 사이의 거리에 관한 적어도 하나의 정보 항목이 생성될 수 있다. 이로써, 바람직하게는, 예컨대, 적어도 하나의 검출기에 포함된 평가 장치를 사용함으로써, 스캐닝 시스템에 포함된 조명 시스템과, 조명원에 의해 생성된 단일 점 사이의 거리가 결정될 수 있다. 그러나, 스캐닝 시스템은, 특히, 이러한 목적을 위해 적응될 수 있는 추가의 평가 시스템을 포함할 수도 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 스캐닝 시스템의 크기, 특히, 스캐닝 시스템의 하우징의 크기가 고려될 수 있고, 따라서 스캐닝 시스템의 하우징상의 특정 지점, 예컨대, 하우징의 전방 에지 또는 후방 에지와 단일 점 사이의 거리가 대안적으로 결정될 수 있다. 조명원은 지점들의 구름(cloud of point)을 생성 및/또는 투영하도록 적응될 수 있고, 예를 들어, 조명원은 적어도 하나의 DLP(Digital Light Processing) 프로젝터, 적어도 하나의 LCoS 프로젝터, 적어도 하나의 공간 광 변조기와, 적어도 하나의 회절 광학 소자와, 적어도 하나의 발광 다이오드 어레이 및 적어도 하나의 레이저 광원 어레이 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
대안으로, 스캐닝 시스템의 조명원은 빔의 방출 방향 사이에 직각과 같은 개별 각도를 제공하도록 구성될 수 있는 2개의 개별 레이저 빔을 방출할 수 있고, 이에 의해 동일한 대상체의 표면 또는 2개의 개별 대상체에서 2개의 상이한 표면에 위치된 2개의 점 각각이 조명될 수 있다. 그러나, 2개의 개별 레이저 빔 사이의 각도에 대한 다른 값도 가능할 수 있다. 이 특징은, 예를 들어, 스캐닝 시스템과 점 사이에 하나 이상의 장애물이 존재하는 것으로 인해, 직접적으로 접근할 수 없는 간접 거리를 도출하는 것과 같은 간접 측정 함수를 위해 사용될 수 있거나, 그렇지 않은 경우 도달하기가 어렵다. 예를 들어, 2개의 개별 거리를 측정하고 피타고라스 공식을 사용하여 높이를 도출함으로써, 대상체의 높이 값을 결정할 수 있다. 특히, 대상체에 대해 사전 정의된 레벨을 유지할 수 있기 때문에, 스캐닝 시스템은 적어도 하나의 레벨링 유닛, 특히, 사용자에 의해 사전 정의된 레벨을 유지하는 데 사용될 수 있는 일체화된 버블 바이알(bubble vial)을 더 포함할 수 있다.
또 다른 대안으로서, 스캐닝 시스템의 조명원은 서로에 대해 각각의 피치, 특히, 정규 피치(regular pitch)를 나타낼 수 있고, 적어도 하나의 대상체의 적어도 하나의 표면 상에 위치된 점의 어레이를 생성하기 위한 방식으로 배치되는 레이저 빔의 어레이와 같은 복수의 개별 레이저 빔을 방출할 수 있다. 이 목적을 위해, 빔 분할 장치 및 미러와 같은 특별히 적응된 광학 소자가 제공되어, 레이저 빔의 상술한 어레이를 생성하게 할 수 있다. 특히, 조명원은 주기적 또는 비주기적 방식으로 광빔을 재차 지향시키기 위해 하나 이상의 이동 가능한 거울을 사용함으로써 영역 또는 체적을 스캔하도록 지향될 수 있다.
따라서, 스캐닝 시스템은 하나 이상의 대상체의 하나 이상의 표면 상에 위치된 하나 이상의 점의 정적 배열을 제공할 수 있다. 대안적으로, 스캐닝 시스템의 조명원, 특히, 상술한 레이저 빔의 어레이와 같은 하나 이상의 레이저 빔은, 특히, 1개 이상의 미러, 예컨대, 상술한 마이크로미러의 배열 내에 포함되는 마이크로미러를 이동함으로써, 시간 경과에 따라 변화하는 강도를 나타낼 수 있는 하나 이상의 광빔 및/또는 시간의 경과에 따라 방출 방향이 교대로 적용될 수 있는 하나 이상의 광빔을 제공하도록 구성될 수 있다. 그 결과, 조명원은 스캐닝 장치의 적어도 하나의 조명원에 의해 생성된 교번 특징(alternating features)을 갖는 하나 이상의 광빔을 사용함으로써, 적어도 하나의 대상체의 적어도 하나의 표면의 일부를 이미지로서 스캐닝하도록 구성될 수 있다. 따라서, 스캐닝 시스템은, 특히, 하나 이상의 대상체의 하나 이상의 표면을 순차적으로 또는 동시에 스캐닝하는 것과 같이, 적어도 하나의 행 스캔 및/또는 라인 스캔을 사용할 수 있다. 따라서, 스캐닝 시스템은, 3개 이상의 점을 측정함으로써, 각도를 측정하도록 적응될 수 있거나, 또는 스캐닝 시스템은 종래의 측정 스틱을 사용하여 접근하기 어려울 수 있는 지붕의 게이블(gable)과 같은 모서리 또는 좁은 영역을 측정하도록 적응될 수 있다. 비제한적 예로서, 스캐닝 시스템은 안전 레이저 스캐너에 사용될 수 있고, 예컨대, 생산 환경에서 및/또는 3D 프린팅, 신체 스캐닝, 품질 관리와 관련한 것과 같이 대상체의 형상을 결정하는 데 사용되는 3D 스캐닝 장치에서, 거리 측정기(range meter)와 같은 건설 애플리케이션에서, 소포의 크기 또는 부피 측정을 위한 물류 애플리케이션, 로봇 진공 청소기나 잔디 깎기와 같은 가정용 애플리케이션, 또는 스캐닝 단계를 포함하는 다른 종류의 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 스캐닝 시스템은 산업용 방화 커튼 애플리케이션에 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 스캐닝 시스템은 청소(sweeping), 진공 청소(vacuuming), 걸레질(mopping) 또는 왁싱 기능, 또는 풀베기(mowing) 또는 써레질(raking)과 같은 마당 또는 정원 관리 기능을 수행하는 데 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 스캐닝 시스템은 시준 광학계를 구비하는 LED 조명원을 사용할 수 있고, 보다 정확한 결과를 얻기 위해 조명원의 주파수를 다른 주파수로 시프트시키도록 적응될 수 있고/있거나 필터를 사용하여 특정 주파수를 감쇠시키는 동안 다른 주파수는 송신시킬 수 있다. 비제한적인 예로서, 스캐닝 시스템 및/또는 조명원은 전체적으로 회전될 수 있거나, 작동 중인 전용 모터를 사용하여, 미러, 빔 스플리터 등과 같은 특정 광학 패키지만을 회전시킬 수 있고, 여기서, 스캐닝 시스템은 스캐닝 영역을 추가로 증가시키기 위해 시야가 360도 전체일 수 있거나, 평면 밖으로 이동 및/또는 회전될 수 있다. 또한, 조명원은 사전 결정된 방향으로 능동적으로 조준될 수 있다. 또한, 유선 전기 시스템의 회전을 허용하기 위해, 슬립 링, 광학 데이터 전송 또는 인덕티브 커플링이 사용될 수 있다.
비제한적인 예로서, 스캐닝 시스템은 삼각대에 장착될 수 있고, 몇몇 코너 및 표면으로 이루어진 대상체 또는 영역을 지향할 수 있다. 하나 이상의 유연한 이동식 레이저 광원이 스캐닝 시스템에 장착된다. 하나 이상의 레이저 광원은 관심 지점을 조명하도록 이동된다. 스캐닝 시스템에 대한 조명 지점의 위치는 스캐닝 시스템상의 지정된 버튼을 누를 때 측정되고, 위치 정보는 무선 인터페이스를 통해 이동 전화로 전송된다. 위치 정보는 이동 전화 애플리케이션에 저장된다. 레이저 광원은 그 위치가 측정되어 휴대 전화 애플리케이션으로 전송되는 추가의 관심 지점을 조명하도록 이동된다. 이동 전화 애플리케이션은 인접한 지점들을 평면으로 연결하여 지점들의 집합을 3D 모델로 변환할 수 있다. 3D 모델은 추가로 저장 및 처리될 수 있다. 측정된 지점들 또는 표면들 사이의 거리 및/또는 각도는 위치 정보가 전송되는 스캐닝 시스템이나 이동 전화에 장착된 디스플레이 상에 직접 디스플레이될 수 있다.
비제한적 예로서, 스캐닝 시스템은 지점을 투영하는 2개 이상의 가요성 가동 레이저 광원과, 추가로 라인을 투영하는 하나의 가동 레이저 광원을 포함할 수 있다. 라인은 라인을 따라 2개 이상의 레이저 스폿을 배열하는 데 사용될 수 있고, 스캐닝 장치의 디스플레이는, 예컨대, 등거리로 라인을 따라 배열될 수 있는 2개 이상의 레이저 스폿 간의 거리를 디스플레이할 수 있다. 2개의 레이저 스폿의 경우, 단일 레이저 광원이 사용될 수 있는 반면, 투영된 지점의 거리는 하나 이상의 빔 스플리터 또는 프리즘을 사용하여 수정되며, 여기서, 빔 스플리터 또는 프리즘은 투영된 레이저 스폿들이 서로 멀거나 가깝게 이동될 수 있다. 또한, 스캐닝 시스템은, 예컨대, 직각, 원, 정사각형, 삼각형 등의 추가의 패턴을 투영하도록 적응될 수 있고, 이 과정에서 레이저 스폿을 투영하고 그들의 위치를 측정함으로써, 측정이 수행될 수 있다.
검출기는 대상체로부터 생성되는 적어도 하나의 광빔을 제 1 광학 센서에 제공하도록 적응된 적어도 하나의 제 1 광학 측정 섬유와, 대상체로부터 생성되는 광빔을 제 2 광학 센서에 제공하도록 적응된 적어도 하나의 제 2 광학 측정 섬유를 구비하는 적어도 하나의 측정 헤드를 포함한다. 측정 헤드와 광학 측정 섬유의 설명 및 실시예와 관련하여, 상기에 또는 이하에 더욱 상세히 설명되는 바와 같은 검출기의 설명이 참조된다.
구체적으로, 각각의 광학 측정 섬유는 적어도 2개의 말단, 즉, 출구 말단(exit-end)로도 표시되는 말단부(distal end)와, 수신 말단(receiving end)으로도 표시되는 적어도 하나의 전단부(proximal end)를 구비할 수 있다. 전단부는 측정 헤드 내에 배치 및/또는 측정 헤드에 부착될 수 있다. 각각의 전단부는 대상체로부터 생성되는 광빔을 각각의 광학 측정 섬유에 결합시키도록 적응될 수 있다. 말단부는 광학 센서에 더 가깝게 배치될 수 있고, 광학 측정 섬유를 통해 전단부로부터 말단부로 진행하는 광빔이 말단부에서 광학 측정 섬유를 떠나 각각의 광학 센서를 조명하도록 배치될 수 있다.
측정 헤드는 적어도 하나의 전송 장치를 더 포함할 수 있다. 전송 장치는 광학 측정 섬유의 전방에 배열될 수 있다. 전송 장치는 대상체로부터 생성되는 광빔을 전단부 상에 포커싱하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 전송 장치는 적어도 하나의 오목 렌즈, 적어도 하나의 볼록 렌즈, 적어도 하나의 구면 렌즈, 적어도 하나의 GRIN 렌즈, 적어도 하나의 팁형 렌즈(tip-shaped lens), 적어도 하나의 프리즘 형상 렌즈, 특히, 비회전 대칭 렌즈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 전송 소자를 포함할 수 있다. 또한, 측정 헤드는 전송 장치를 광학 측정 섬유에 부착하도록 적응된 적어도 하나의 스페이서 소자를 포함할 수 있다. 제 1 측정 섬유 및 제 2 측정 섬유의 광 경로는 내부 반사를 피하기 위해 완전히 또는 부분적으로 불투명한 기계적 벽이나 클래딩(cladding) 등과 같은 기계적 수단에 의해 완전히 또는 부분적으로 광학적으로 분리될 수 있다. 기계적 수단에 의한 이러한 광학적 분리는 스페이서 소자의 일부일 수 있다.
검출기는 적어도 하나의 광학 조명 섬유를 포함할 수 있다. 조명원은 광학 조명 섬유를 거쳐 대상체를 조명하도록 적응될 수 있다. 광학 조명 섬유는 적어도 하나의 광빔을 수신하도록 적응된 적어도 하나의 제 1 말단 및 대상체의 조명을 위해 적어도 하나의 광빔이 광학 조명 섬유를 떠나는 적어도 하나의 제 2 말단을 포함할 수 있다. 광학 조명 섬유의 제 2 말단은 적어도 측정 헤드 내에 배치될 수 있고/있거나 측정 헤드에 부착될 수 있다.
스캐닝 시스템은 관심 영역을 스캐닝하기 위해 측정 헤드를 이동시키도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 "이동(move)"이라는 용어는 측정 헤드를 구동 및/또는 진동시키는 것을 의미한다. 본 명세서에 사용되는 "액추에이터"라는 용어는 측정 헤드가 이동하게 하는 힘을 생성하도록 적응된 임의의 장치를 지칭한다. 구체적으로, 액추에이터는 광학 측정 섬유에 부착 및/또는 결합 및/또는 연결될 수 있고, 광학 측정 섬유가 이동하도록 하는 힘, 특히, 진동하도록 하는 힘을 생성하도록 적응될 수 있다. 액추에이터는 광학 조명 섬유에 부착 및/또는 결합 및/또는 연결될 수 있고, 광학 조명 섬유가 움직이게 하는 힘을 생성하도록 적응될 수 있다. 액추에이터는 광학 측정 섬유 및/또는 광학 조명 섬유의 고유 공진 주파수의 고조파에 대응하는 힘을 생성하도록 구성될 수 있다. 액추에이터는 적어도 하나의 전자 기계 액추에이터 및/또는 적어도 하나의 피에조 액추에이터(piezo actuator)를 포함할 수 있다. 피에조 액추에이터는 적어도 하나의 피에조 세라믹 액추에이터와, 적어도 하나의 압전 액추에이터로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 액추에이터를 포함할 수 있다. 액추에이터는 측정 헤드, 특히, 광학 조명 섬유 및/또는 광학 측정 섬유가 진동하도록 적응될 수 있다. 액추에이터는 선형 스캔 및/또는 방사형 스캔 및/또는 나선형 스캔에서 측정 헤드가 이동되도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 액추에이터는 측정 헤드를 상하로 이동시키기 위해 측정 헤드에 힘이 발생하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 액추에이터는 측정 헤드가 사전 정의된 반경을 갖는 궤도에서 이동하도록 측정 헤드에 힘이 발생하게 구성될 수 있다. 반경은 조정 가능할 수 있다. 예를 들어, 액추에이터는 측정 헤드가 교대로 감소하거나 증가하는 반경과 같은 나선형으로 이동하는 힘을 발생하도록 적응될 수 있다.
비제한적인 예로서, 스캐닝 시스템은 톱, 드릴 등과 같은 목재나 금속 가공 공구와 같은 공구로 작업을 지원하도록 적응될 수 있다. 따라서, 스캐닝 시스템은 2개의 반대 방향에서 거리를 측정하고, 디스플레이에서 2개의 측정된 거리 또는 그 거리의 합을 표시하도록 적응될 수 있다. 또한, 스캐닝 시스템은 표면 가장자리까지의 거리를 측정하기 위해, 스캐닝 시스템이 표면에 배치되면, 거리 측정이 표면의 모서리 또는 가장자리로 인해 급격한 변화를 보일 때까지, 레이저 포인트가 표면을 따라 스캐닝 시스템으로부터 자동적으로 멀리 이동되도록 적응될 수 있다. 이것은 스캐닝 장치가 나무 판자상에 배치되지만, 그 끝으로부터 멀리 떨어져 있는 동안, 나무 판자 끝까지의 거리를 측정할 수 있게 한다. 또한, 스캐닝 시스템은 한 방향에서 나무 판자의 일단까지의 거리를 측정하고, 반대 방향에서 지정된 거리 내에 라인 또는 원 또는 지점을 투영할 수 있다. 스캐닝 시스템은, 반대 방향에서 측정된 거리, 예컨대, 사전 결정된 총 거리에 따라 거리 내의 선 또는 원 또는 지점을 투영하도록 적응될 수 있다. 이를 통해 공구로부터 안전한 거리에 스캐닝 시스템을 배치하는 동시에 투영된 위치에서 톱이나 드릴과 같은 공구로 작업할 수 있으며, 동시에 판자의 가장자리까지 사전 결정된 거리에서 공구를 사용하여 프로세스를 수행할 수 있다. 또한, 스캐닝 시스템은 사전 결정된 거리에서 2개의 반대 방향으로 지점 또는 라인 등을 투영하도록 적응될 수 있다. 거리의 합이 변경되면, 투영된 거리 중 하나만 변경된다.
비제한적인 예로서, 스캐닝 시스템은 표면, 예를 들어, 절단, 톱질, 드릴링 등과 같은 작업이 수행되는 표면 상에 배치되도록, 또한, 예를 들어, 스캐닝 장치 상의 버튼을 이용하여 조정될 수 있는 사전 결정된 거리의 표면 상에 라인을 투영하도록 구성될 수 있다.
비제한적 예로서, 스캐닝 시스템은 안전 레이저 스캐너에 사용될 수 있고, 예컨대, 생산 환경에서 및/또는 3D 프린팅, 신체 스캐닝, 품질 관리와 관련한 것과 같이 대상체의 형상을 결정하는 데 사용되는 3D 스캐닝 장치에서, 거리 측정기(range meter)와 같은 건설 애플리케이션에서, 소포의 크기 또는 부피 측정을 위한 물류 애플리케이션, 로봇 진공 청소기나 잔디 깎기와 같은 가정용 애플리케이션, 또는 스캐닝 단계를 포함하는 다른 종류의 애플리케이션에서 사용될 수 있다.
전송 장치는, 상술한 바와 같이, 바람직하게는 대상체로부터 검출기로 전파되는 광을 연속해서 광학 센서로 공급하도록 설계될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 공급은 선택적으로 촬상 수단 또는 전송 장치의 비촬상 특성을 통해 영향을 받을 수 있다. 특히, 전송 장치는 광이 광학 센서에 공급되기 전에 전자기 방사선을 수집하도록 설계될 수 있다. 또한, 전송 장치는, 예컨대, 정의되거나 정확하게 알려진 빔 프로파일을 갖는 것과 같은 정의된 광학적 특성을 갖는 광빔, 예컨대, 적어도 하나의 가우스 빔의 선형 조합, 특히, 공지된 빔 프로파일을 갖는 적어도 하나의 레이저 빔을 제공하도록 설계된 조명원에 의해, 적어도 하나의 선택적 조명원의 구성 부분의 전부 또는 일부일 수 있다.
광학 조명원의 가능한 실시예에 대해서는 WO 2012/110924 A1을 참조할 수 있다. 여전히, 다른 실시예가 가능하다. 대상체로부터 방출되는 광은 대상체 자체에서 기원할 수 있지만, 선택적으로 그 기원이 다를 수 있고, 이 기원으로부터 대상체로 그리고 나서 횡 방향 및/또는 종 방향 광학 센서를 향해 전파될 수 있다. 후자의 경우는, 예를 들어, 사용되는 적어도 하나의 조명원에 의해 영향을 받을 수 있다. 이 조명원은, 예를 들어, 주변 조명원이거나 이를 포함할 수 있고/있거나 인공 조명원이거나 이를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 검출기 자체는 적어도 하나의 조명원, 예컨대, 적어도 하나의 레이저 및/또는 적어도 하나의 백열 램프 및/또는 적어도 하나의 반도체 조명원, 예컨대, 적어도 하나의 발광 다이오드, 특히, 유기 및/또는 무기 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 일반적으로 정의된 빔 프로파일 및 처리 가능한 다른 특성으로 인해, 하나 또는 복수의 레이저를 조명원으로서 또는 그것의 일부로서 사용하는 것이, 특히, 바람직하다. 조명원 자체는 검출기의 구성 요소일 수 있거나, 검출기와는 독립적으로 형성될 수 있다. 조명원은, 특히, 검출기, 예를 들어, 검출기의 하우징에 통합될 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 적어도 하나의 조명원은 적어도 하나의 비콘 장치 또는 적어도 하나의 비콘 장치 및/또는 대상체에 통합되거나 또는 대상체에 연결되거나 공간적으로 결합될 수 있다.
이에 따라, 적어도 하나의 선택적 비콘 장치로부터 방출되는 광은, 광이 각각의 비콘 장치 자체에서 기원한다는 옵션에 대해 대안적으로 또는 추가적으로 조명원으로부터 나오고/나오거나 조명원에 의해 여기될 수 있다. 예를 들어, 비콘 장치로부터 나오는 전자기적인 광은 비콘 장치 자체에 의해 방출될 수 있고/있거나 비콘 장치에 의해 반사될 수 있고/있거나 광이 검출기에 공급되기 전에 비콘 장치에 의해 산란될 수 있다. 이 경우, 전자기 방사선의 방출 및/또는 산란은 전자기 방사선의 스펙트럼에 영향을 미치는지 여부에 관계없이 수행될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 스톡스(Stokes) 또는 라만(Raman)에 따른 산란 동안 파장 시프트가 발생할 수도 있다. 또한, 광의 방출은, 예를 들어, 1차 조명원에 의해, 발광(luminescence), 특히, 인광(phosphorescence) 및/또는 형광(fluorescence)을 발생시키기 위해 여기된 대상체나 대상체의 일부 영역에 의해, 여기될 수 있다. 원칙적으로 다른 방출 프로세스도 가능하다. 반사가 발생하면, 대상체는, 예를 들어, 적어도 하나의 반사 영역, 특히, 적어도 하나의 반사면을 구비할 수 있다. 반사면은 대상체 자체의 일부일 수 있지만, 예를 들어, 대상체에 연결되거나 공간적으로 결합된 반사 장치(reflector), 예를 들어, 대상체에 연결된 반사판(reflector plaque)일 수도 있다. 적어도 하나의 반사 장치가 사용되면, 이는 또한, 예를 들어, 검출기의 다른 구성 요소와 독립적으로 대상체에 연결된 검출기의 일부로 간주될 수 있다.
비콘 장치 및/또는 적어도 하나의 선택적인 조명원은 일반적으로 자외선 스펙트럼 범위, 바람직하게는 200nm 내지 380nm의 범위이고, 가시 스펙트럼 범위(380nm 내지 780nm); 적외선 스펙트럼 범위, 바람직하게는 780nm 내지 3.0㎛ 범위, 가장 바람직하게는 실리콘 광다이오드가 특히, 700nm 내지 1,000nm의 범위에서 적용 가능한 근적외선 영역의 부분 중 적어도 하나에서 광을 방출할 수 있다. 열 촬상 애플리케이션에서, 타겟은 원적외선 스펙트럼 범위, 바람직하게는 3.0㎛ 내지 20㎛ 범위에서 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 조명원은 가시 스펙트럼 범위, 바람직하게는 500nm 내지 780nm, 가장 바람직하게는 650nm 내지 750nm 또는 690nm 내지 700nm의 범위에서 광을 방출하도록 적응된다. 예를 들어, 적어도 하나의 조명원은 적외선 스펙트럼 범위의 광을 방출하도록 적응된다. 그러나, 다른 옵션도 가능하다.
광학 센서에의 광 빔의 공급은, 특히, 예컨대, 원형, 타원형 또는 다르게 구성된 단면을 갖는 광 스폿이 광학 센서의 선택적인 센서 영역 상에 생성되는 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 검출기는 시야 범위, 특히, 입체각 범위 및/또는 공간 범위를 가질 수 있으며, 이러한 범위 내에서 대상체를 검출할 수 있다. 바람직하게는, 전송 장치는, 예를 들어, 검출기의 가시 범위 내에 배열된 대상체인 경우에, 광 스폿이 센서 영역 및/또는 광학 센서의 센서 영역 상에 완전히 배열되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 센서 영역은 이 상태를 보장하기 위해 대응하는 크기를 갖도록 선택될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은, 전술하거나 이하에 더욱 상세하게 개시된 바와 같이, 검출기를 참조하는 실시예들 중 하나 이상에 따라, 본 발명에 따른 검출기와 같은 검출기를 사용함으로써 적어도 하나의 대상체의 위치를 결정하는 방법을 개시한다. 여전히, 다른 유형의 검출기가 사용될 수 있다. 이 방법은 다음의 방법 단계를 포함하고, 여기서 방법 단계는 주어진 순서 또는 상이한 순서로 수행될 수 있다. 또한, 열거되지 않은 하나 이상의 추가적인 방법 단계가 존재할 수 있다. 또한, 하나, 둘 이상 또는 심지어 모든 방법 단계가 반복적으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은,
- 적어도 하나의 각도 의존적 광학 소자를 제공하고, 입사각에 따라 적어도 하나의 빔 프로파일을 갖는 적어도 하나의 광빔을 생성하는 단계와,
- 적어도 하나의 감광 영역을 각각 포함하는 적어도 2개의 광학 센서를 제공하는 단계 ― 여기서, 각각의 광학 센서는, 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔에 의한 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ― 와,
- 검출기의 적어도 2개의 광학 센서 각각의 감광 영역을, 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔으로 조명함으로써, 각각의 감광 영역이 적어도 하나의 센서 신호를 생성하는 단계, 및
- 센서 신호를 평가함으로써, 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하는 단계 ― 여기서, 평가 단계는 센서 신호의 결합 신호 Q를 도출하는 것을 포함함 ― 를 포함한다.
구체적으로 제 1 및 제 2 센서 신호를 평가하는 것은, 제 1 및 제 2 센서 신호를 분할함으로써, 제 1 및 제 2 센서 신호의 배수를 분할함으로써, 또는 제 1 및 제 2 센서 신호의 선형 조합을 분할함으로써, 결합 신호 Q를 도출하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 종 방향 좌표를 결정하는 단계는 결합 신호 Q를 평가하는 것을 포함할 수 있다.
또한 전술한 바와 같이, 제 2 광학 센서는 구체적으로 적어도 2개의 감광 소자를 포함할 수 있다. 이 방법은 감광 소자의 센서 신호를 평가함으로써, 대상체의 적어도 하나의 횡 방향 좌표 x, y를 결정하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 추가로,
- 하나의 광학 측정 섬유 및 적어도 하나의 전송 장치를 포함하는 적어도 하나의 측정 헤드를 제공하는 단계와,
- 광학 측정 섬유로부터 기원하는 적어도 하나의 광빔을 생성하는 단계와,
- 적어도 2개의 광학 센서를 제공하는 단계 ― 여기서, 각각의 광학 센서는 광학 측정 섬유로부터 기원하는 적어도 하나의 광빔에 의해 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ― 와,
- 적어도 2개의 광학 센서 각각의 감광 영역을 광빔으로 조명함으로써, 각각의 감광 영역이 적어도 하나의 센서 신호를 생성하는 단계, 및
- 센서 신호를 평가함으로써, 대상체의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하는 단계 ― 여기서, 평가 단계는 센서 신호의 결합 신호 Q를 도출하는 것을 포함함 ― 를 더 포함한다.
세부 사항, 옵션 및 정의에 관해서는, 상술한 바와 같은 검출기를 참조할 수 있다. 따라서, 구체적으로 전술한 바와 같이, 이 방법은 상술하거나 이하에 상세하게 설명되는 하나 이상의 실시예에 따라 본 발명에 따른 검출기를 사용하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 상기에 주어지거나 또는 이하에 더 상세히 주어진 적어도 하나의 실시예와 같이, 본 발명에 따른 검출기의 사용법은, 교통 기술에서의 위치 측정; 엔터테인먼트 애플리케이션; 광학 데이터 저장 애플리케이션; 보안 애플리케이션; 감시 애플리케이션; 안전 애플리케이션; 인간-기계 인터페이스 애플리케이션; 추적 애플리케이션; 포토그래피 애플리케이션; 촬상 애플리케이션이나 카메라 애플리케이션; 적어도 하나의 공간에 맵을 생성하기 위한 매핑 애플리케이션; 차량용 귀환 또는 추적 비콘 탐색기; 머신 비젼 애플리케이션; 로봇 애플리케이션; 품질 관리 애플리케이션; 제조 애플리케이션으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 사용을 목적으로 하여 제안된다.
이 대상체는 일반적으로 생물이거나 무생물일 수 있다. 검출기 또는 검출기 시스템은 적어도 하나의 대상체, 즉, 검출기 시스템의 일부를 형성하는 대상체를 형성할 수도 있다. 그러나 대상체는 바람직하게 적어도 하나의 공간 차원에서 검출기로부터 독립적으로 이동할 수 있다. 대상체는 일반적으로 임의의 대상체일 수 있다. 일 실시예에서, 대상체는 강체(rigid object)일 수 있다. 다른 실시예는 대상체가 비강체(non-rigid object) 또는 그 형태가 변할 수 있는 대상체인 실시예도 가능하다.
이하에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명은, 특히, 기계, 게이밍 또는 스포츠 시뮬레이션을 제어하기 위해 사람의 위치 및/또는 동작을 추적하는 데 사용될 수 있다. 본 실시예 또는 다른 실시예에서, 구체적으로, 대상체는, 특히, 스포츠 장비의 물품으로 이루어진 그룹, 바람직하게는 라켓, 클럽, 배트와, 의류 물품과, 모자와 신발로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
따라서, 일반적으로, 검출기와 같은 본 발명에 따른 장치는 다양한 사용 분야에 적용될 수 있다. 구체적으로, 검출기는 교통 기술에서의 위치 측정; 엔터테인먼트 애플리케이션; 보안 애플리케이션; 인간-기계 인터페이스 애플리케이션; 추적 애플리케이션; 포토그래피 애플리케이션; 방, 건물 및 거리의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 공간과 같은 적어도 하나의 공간에 대한 맵을 생성하는 맵핑 애플리케이션; 모바일 애플리케이션; 웹캠; 오디오 장치; 돌비 서라운드 오디오 시스템; 컴퓨터 주변 장치; 게이밍 애플리케이션; 카메라 또는 비디오 애플리케이션; 보안 애플리케이션; 감시 애플리케이션; 자동차 애플리케이션; 운송 애플리케이션; 의료 애플리케이션; 스포츠 애플리케이션; 머신 비전 애플리케이션; 차량 애플리케이션; 항공기 애플리케이션; 선박 애플리케이션; 우주선 애플리케이션; 건축 애플리케이션; 건설 애플리케이션; 지도 제작 애플리케이션; 제조 애플리케이션으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 사용을 목적으로 하여 적용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 지역 및/또는 글로벌 포지셔닝 시스템의 애플리케이션, 특히, 랜드마크 기반의 위치 결정 및/또는 네비게이션은, 특히, 자동차 또는 다른 차량(예컨대, 열차, 오토바이, 자전거, 화물 운송용 트럭), 로봇 또는 보행자가 사용할 목적으로 명명될 수 있다. 또한, 실내의 위치 결정 시스템은 가정용 애플리케이션 및/또는 제조, 물류, 감시 또는 유지 보수 기술에 사용되는 로봇과 같은 잠재적인 애플리케이션으로 명명될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 휴대 전화, 태블릿 컴퓨터, 랩탑, 스마트 패널 또는 다른 고정형 또는 이동형 또는 웨어러블 컴퓨터나 통신 애플리케이션에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 성능을 향상시키기 위해, 가시 범위 또는 적외선 스펙트럼 범위의 광을 방출하는 광원과 같은 적어도 하나의 활성 광원과 결합될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 본 발명에 따른 장치는 환경, 대상체 및 생명체를 스캐닝 및/또는 검출하기 위한 모바일 소프트웨어와 결합하여 카메라 및/또는 센서로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 촬상 효과를 증가시키기 위해 종래의 카메라와 같은 2D 카메라와 결합될 수도 있다. 본 발명에 따른 장치는, 특히, 음성 및/또는 동작 인식과 조합하여 감시 및/또는 기록하거나 모바일 장치를 제어하기 위한 입력 장치로서 사용될 수도 있다. 따라서, 구체적으로, 입력 장치로도 지칭되는 인간-기계 인터페이스로서 작동하는 본 발명에 따른 장치는 휴대 전화와 같은 모바일 장치를 통해 다른 전자 장치 또는 구성 요소를 제어하는 것과 같은 모바일 애플리케이션에 사용될 수 있다. 일 예로서, 본 발명에 따른 적어도 하나의 장치를 포함하는 모바일 애플리케이션은 텔레비전 세트, 게임 콘솔, 뮤직 플레이어나 뮤직 장치 또는 다른 엔터테인먼트 장치를 제어하는 데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 컴퓨팅 애플리케이션용 웹캠이나 다른 주변 장치에 사용될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 본 발명에 따른 장치는 촬상, 기록, 감시, 스캐닝 또는 동작 검출을 위한 소프트웨어와 조합하여 사용될 수 있다. 인간-기계 인터페이스 및/또는 엔터테인먼트 장치와 관련하여 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 표정 및/또는 신체 표현에 의해 명령을 내리는 데 특히 유용하다. 본 발명에 따른 장치는, 예를 들어, 마우스, 키보드, 터치 패드, 마이크로폰 등과 같은 다른 입력 발생 장치와 결합될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 웹캠을 사용하는 것과 같은 게임용 애플리케이션에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 가상 트레이닝 애플리케이션 및/또는 화상 회의에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 특히, 머리 장착형 디스플레이를 착용할 때, 가상 또는 증강 현실 애플리케이션에서 사용되는 손, 팔 또는 대상체를 인식 또는 추적하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 장치는 투사의 초점 및/또는 위치를 결정하기 위해 가상 또는 증강 현실 애플리케이션에서 눈과 안경 사이의 거리 및/또는 눈 및/또는 안경의 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는, 부분적으로 상술한 바와 같이, 모바일 오디오 장치, 텔레비전 장치 및 게임용 장치에 사용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 장치는 전자 장치, 엔터테인먼트 장치 등의 제어 또는 제어 장치로서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 특히, 증강 현실 애플리케이션을 위해, 및/또는 디스플레이를 보고 있는지 여부 및/또는 디스플레이를 어떤 관점에서 보고 있는지 여부를 인식하기 위해 투명 디스플레이를 갖는 2D 및 3D 디스플레이 기술과 같은 눈 검출 또는 눈 추적용으로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 특히, 머리 장착형 디스플레이를 착용할 때, 가상 또는 증강 현실 애플리케이션과 관련하여 실내, 경계, 장애물을 탐색용으로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 DSC 카메라와 같은 디지털 카메라에 사용되거나 디지털 카메라로서 사용될 수 있고/있거나, SLR 카메라와 같은 반사 카메라(reflex camera)에 사용되거나 반사 카메라로서 사용될 수 있다. 이들 애플리케이션에 대하여, 전술한 바와 같이, 휴대 전화와 같은 모바일 애플리케이션에서 본 발명에 따른 장치의 사용이 참조될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 보안 또는 감시 애플리케이션용으로 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 본 발명에 따른 적어도 하나의 장치는, 대상체가 (예를 들어, 은행이나 박물관 내의 감시 애플리케이션용의) 사전 결정된 영역 내부 또는 외부에 있을 경우, 신호를 제공할 수 있는 하나 이상의 디지털 및/또는 아날로그 전자 장치와 결합될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 장치는 광학 암호화용으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 적어도 하나의 장치를 이용하는 것에 의한 검출은 IR, X선, UV-VIS, 레이더 또는 초음파 검출기와 같은 파장을 보완하기 위한 다른 검출 장치와 결합될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 낮은 조명 환경에서 검출할 수 있도록 능동 적외선 광원(active infrared light source)과 추가 결합될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 능동 검출기 시스템과 비교하여 유리하다. 이는, 본 발명에 따른 장치가, 특히, 예를 들어, 레이더 애플리케이션, 초음파 애플리케이션, LIDAR 또는 유사한 능동 검출기와 같이, 제 3 자에 의해 감지될 수 있는 신호를 능동적으로 전송하지 않기 때문이다. 따라서, 일반적으로, 본 발명에 따른 장치는 인식 및 탐지할 수 없는 이동 중인 대상체를 추적하는 데 사용될 수 있다. 부가적으로, 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 종래의 장치와 비교하여 조작 및 자극에 덜 취약하다.
또한, 본 발명에 따른 장치를 사용하는 것에 의해 3D 검출의 용이성 및 정확성이 주어지면, 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 얼굴, 몸 그리고 사람의 인식 및 식별에 사용될 수 있다. 여기서, 본 발명에 따른 장치는 패스워드, 지문, 홍채 검출, 음성 인식 또는 다른 수단과 같은 식별 또는 개인화 목적을 위한 다른 검출 수단과 결합될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 본 발명에 따른 장치는 보안 장치 및 다른 개인화 애플리케이션에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 제품 식별을 위한 3D 바코드 판독기로 사용될 수 있다.
전술한 보안 및 감시 애플리케이션 이외에, 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 공간 및 영역의 감시 및 모니터링에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 공간 및 영역의 조사 및 모니터링용으로 사용되고, 예를 들어, 금지 구역을 침범하는 경우에 알람을 트리거링하거나 실행하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 본 발명에 따른 장치는 영상 증배관(image intensifier) 또는 이미지 강화 장치 및/또는 광전자 증배관(photomultiplier)과 결합하여, 모션 또는 열 센서와 결합되는 것과 같이, 다른 유형의 센서와 선택적으로 결합하여 빌딩이나 박물관에서의 감시를 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 주차장에서의 도난과 같은 범죄의 발생이나, 공항에서의 무연고 수하물과 같은 무연고 대상체 등의 잠재적인 위험 활동을 탐지하기 위해 공공 장소나 혼잡한 공간에서 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 비디오 및 캠코더 애플리케이션과 같은 카메라 애플리케이션에 유리하게 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 모션 캡처 및 3D 영화 기록용으로 사용될 수 있다. 여기서, 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 종래의 광학 장치에 비해 많은 이점을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 광학 구성 요소에 대하여 더 낮은 복잡성을 요구한다. 따라서, 일 예로서, 하나의 렌즈만을 사용하는 본 발명에 따른 장치를 제공하는 것과 같이, 렌즈의 개수는 종래의 광학 장치에 비해 감소될 수 있다. 감소된 복잡성으로 인해, 휴대용과 같은 매우 작은 장치도 가능하다. 고품질의 2개 이상의 렌즈를 갖는 종래의 광학 시스템은 일반적으로, 예컨대, 큰 빔 스플리터에 대한 일반적인 필요성으로 인해 부피가 크다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 자동 초점 카메라와 같이, 초점/자동 초점 장치에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 광학 현미경, 특히, 공초점 현미경(confocal microscopy)에서도 사용될 수 있다. 본 발명의 하나 이상의 장치는 렌즈에서 샘플까지의 거리나 샘플의 방향과 같이, 현미경에서의 거리 결정용으로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 자동차 기술 및 운송 기술의 기술 분야에 적용할 수 있다. 따라서, 일 예로서, 본 발명에 따른 장치는, 예를 들어, 적응적인 크루즈 제어, 비상 브레이크 어시스트, 차선 이탈 경고, 서라운드 뷰, 사각 지대 검출, 교통 표지판 검출, 교통 표지판 인식, 차선 인식, 후방 교차 주행 경보, 접근하는 차량 또는 추월하는 차량에 따라 헤드라이트 강도 및 범위를 적응시키기 위한 광원 인식, 적응형 전조등 시스템, 하이 빔 헤드라이트의 자동 제어, 전조등 시스템에서의 적응형 차단광, 눈부심없는 하이 빔 전조등 시스템, 동물, 장애물 또는 이와 유사한 것을 헤드라이트 조명에 의해 표시, 후방 교차 주행 경보 및 진보된 운전자 지원 시스템이나 다른 자동차 및 교통 애플리케이션과 같은 다른 운전자 지원 시스템과 같은 거리 및 감시 센서로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 충돌 회피 등을 위해 운전자의 조작을 미리 예상하는 운전자 보조 시스템에 사용될 수 있다. 아울러, 본 발명에 따른 장치는, 또한 본 발명에 따른 검출기를 사용하여 얻어진 위치 정보의 제 1 및 제 2 시간 미분을 분석함으로써, 속도 및/또는 가속도 측정용으로 사용될 수 있다. 이 특징은 일반적으로 자동차 기술, 운송 기술 또는 일반 교통 기술에 적용될 수 있다. 다른 기술 분야의 응용도 가능하다. 내부의 위치 결정 시스템에서의 특정 애플리케이션은, 운송 시, 승객의 위치 검출, 더욱 상세하게는, 에어백과 같은 안전 시스템의 사용을 전자 제어하기 위한 것일 수 있다. 승객이 에어백의 사용으로 인해 심각한 부상을 입을 수 있는 곳에 위치한 경우, 에어백 사용을 막을 수 있다. 또한, 자동차, 기차, 비행기 등과 같은 차량, 특히, 자율 주행 차량에서, 본 발명에 따른 장치는 운전자가 교통 상황에 주의를 기울이거나, 산만하거나, 잠들거나, 피곤하거나, 또는, 예컨대, 알콜 등의 섭취로 인해 운전이 불가능한 지 여부를 결정하는 데 사용될 수 있다.
이들 또는 다른 애플리케이션에서, 일반적으로, 본 발명에 따른 장치는 독립형 장치로서 또는 레이더 및/또는 초음파 장치와의 조합과 같이 다른 센서 장치와 조합하여 사용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 장치는 자율 주행 및 안전 문제에 사용될 수 있다. 또한, 이들 애플리케이션에서, 본 발명에 따른 장치는 음파 센서, 2차원 카메라 또는 다른 유형의 센서인 레이더 센서, 적외선 센서와 조합하여 사용될 수 있다. 이들 애플리케이션에서, 본 발명에 따른 장치의 수동적 특성이 일반적으로 유리하다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 신호를 방출할 필요가 없기 때문에, 능동 센서 신호가 다른 신호원과 간섭하는 위험을 피할 수 있다. 본 발명에 따른 장치는, 특히, 표준 이미지 인식 소프트웨어와 같은 인식 소프트웨어와 결합하여 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치에 의해 제공되는 신호 및 데이터는 통상적으로 용이하게 처리할 수 있으므로, 일반적으로 확립된 3D 측정 시스템보다 낮은 계산 능력을 요구한다. 공간 수요가 적기 때문에, 카메라와 같은 본 발명에 따른 장치는 윈도우 스크린의 위 또는 뒤, 전방 후드 위, 범퍼 위, 조명 위, 거울 위 또는 다른 위치 등과 같이, 차량의 사실상 모든 위치에 배치될 수 있다. 본 발명에 개시된 효과에 기초한 하나 이상의 검출기와 같은 본 발명에 따른 다양한 검출기는 차량을 자율 주행시키거나 능동적인 안전 개념의 성능을 향상시키기 위해 결합될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 다양한 장치는 본 발명에 따른 하나 이상의 다른 장치 및/또는 리어 윈도우, 손잡이, 사이드 윈도우 또는 프런트 윈도우와 같은 윈도우 내, 범퍼 위 또는 조명 위의 기존 센서와 결합될 수 있다.
하나 이상의 강우 검출 센서(rain detection sensor)를 구비하는 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기와 같은 본 발명에 따른 적어도 하나의 장치의 조합도 또한 가능하다. 이는 본 발명에 따른 장치가, 특히, 호우 동안 레이더와 같은 종래의 센서 기술보다 일반적으로 유리하다는 사실에 기인한다. 본 발명에 따른 적어도 하나의 장치와 레이더와 같은 적어도 하나의 종래의 감지 기술의 조합은 소프트웨어가 기상 조건에 따라 올바른 신호 조합을 선택할 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 브레이크 보조 및/또는 주차 보조 및/또는 속도 측정용으로 사용될 수 있다. 속도 측정은 차량 내에 통합될 수 있거나, 예컨대, 교통 통제에서 다른 차량의 속도를 측정하기 위해 차량 외부에서 사용될 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 주차장의 빈 주차 공간을 검출하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 자동화된 주차장과 같은 견인 로봇에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 하나 이상의 모션 센서, 예컨대, 위치 센서, 경사 센서, 가속도 센서, 진동 센서, 및 자이로스코프 센서로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 다른 유형의 모션 센서가 사용될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 모션 센서는 일반적으로 센서 및/또는 센서가 부착될 수 있고/있거나 센서가 통합될 수 있는 대상체의 위치, 속도, 가속도 및 경사나 배향 중 적어도 하나를 결정하도록 적응된 센서를 지칭한다. 광축을 따른 선형 거리 측정에서, 모션 센서와의 조합은 광축 이외의 방향으로 측정이 가능할 수 있다. 일 예로서, 광축을 따라 제 1 대상체의 제 1 거리를 측정하고, 자이로스코프(gyroscope)와 같은 모션 센서에 의해 측정 헤드의 회전 각도를 측정하고, 회전된 광축을 따라 제 2 대상체까지의 제 2 거리를 측정하는 것은 표준 삼각법(standard laws of trigonometry)을 사용하여 제 1 대상체와 제 2 대상체 사이의 거리를 결정할 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 의료 시스템 분야 및 스포츠 분야에서 사용될 수 있다. 따라서, 의료 기술 분야에서, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 작은 부피만을 필요로 하여 다른 장치에 통합될 수 있기 때문에, 예를 들어, 내시경에 사용하기 위한 수술용 로봇이 해당될 수 있다. 특히, 하나의 렌즈를 구비하는 본 발명에 따른 장치는 기껏해야 내시경과 같은 의료 장치에서 3D 정보를 캡처링하는 데 사용될 수 있다. 의료용 내시경 검사에 본 발명에 따른 장치를 사용하면, 팁과 추가 케이블에서 전자 장치를 사용하지 않을 수 있다. 이는, 예를 들어, 복강경 검사에서 일반적으로 수행되는 것과 같이, 소독을 위해 전자 기기 및 광학 기계 부품을 분리할 수 있게 한다. 특히, 본 발명에 따른 장치는 병변 크기 측정, 루멘 부피(기도 루멘(airway lumen)), 기관 위치, 기관 크기, 기준 위치나 진단 및 추적을 위한 크기 측정에 더 유리하게 사용될 수 있거나 병변, 종양 등의 국소화와 같은 수술 과정에서 더 높은 정밀도를 가능하게 할 수 있다. 또한, 내시경 검사를 위한 포커싱 및/또는 자동 포커싱이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 내시경 이미지의 크기를 교정하는 데 유리하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 이동의 추적 및 분석을 가능하게 하기 위해, 적절한 모니터링 소프트웨어와 결합될 수 있다. 이것은 내시경 또는 수술용 메스(scalpel)와 같은 의료 장치의 위치를, 예컨대, 자기 공명 촬영, X-선 촬영 또는 초음파 촬영으로부터 얻은 의료 영상의 결과와 함께 즉시 오버레이할 수 있게 한다. 이러한 애플리케이션은, 특히, 뇌 수술, 장거리 진단 및 원격 의료와 같이 정확한 위치 정보가 중요한 의료 처치에 유용하다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 3D 인체 스캐닝에 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 스캐닝 시스템은 관심 영역을 스캐닝하기 위해 측정 헤드를 이동시키도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터를 포함할 수 있다. 가동(movable) 측정 헤드는 관심 영역의 3D 스캐닝을 가능하게 할 수 있다. 가동 측정 헤드는 소형 장치의 제조를 가능하게 할 수 있다. 구체적으로, 스캐닝 시스템은 최소 침습적 의료 절차(invasive medical procedure), 특히, 내시경에 사용될 수 있다. 구체적으로, 스캐닝 시스템은 투영, 측정 또는 양쪽 모두를 위해 증강 또는 가상 현실 안경과 같은 증강 또는 가상 현실 장치에 사용될 수 있다. 신체 스캐닝은 치과 수술, 성형 수술, 비만 수술 또는 미용 성형 수술과 같은 의학적 분야에서 적용될 수 있거나, 또는 근위축성 통증 증후군, 암, 신체 이형 장애 또는 추가 질병의 진단과 같은 의료 진단에 적용될 수 있다. 신체 스캐닝은 또한 스포츠 분야에서 인체 공학적 용도 또는 스포츠 장비의 적합성을 평가하기 위해 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 외골격(exoskeleton)이나 보철 등과 같은 웨어러블 로봇에 사용될 수 있다.
신체 스캐닝은 옷의 적절한 크기와 피팅을 결정하는 것과 같이 의복 분야에서도 사용될 수 있다. 이 기술은 맞춤 의류 분야, 또는 인터넷이나 마이크로 키오스크 장치(micro kiosk device) 또는 고객 컨시어지 장치(customer concierge device)와 같은 셀프 쇼핑 서비스 장치에서 의류나 신발을 주문하는 분야에 사용될 수 있다. 의류 분야에서 신체 스캐닝은, 특히, 완전한 복장을 한 고객을 스캐닝하는 데 중요하다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 엘리베이터, 기차, 버스, 자동차 또는 비행기 내의 사람수를 세거나, 또는 복도, 문, 통로, 소매점, 경기장, 유흥지, 박물관, 도서관, 공공 장소, 영화관, 극장 등을 통과하는 사람수를 세는 것과 같은 인원 계수 시스템의 분야에서 사용될 수 있다. 또한, 인원 계수 시스템의 3D 기능은 신장, 체중, 나이, 신체 건강(physical fitness) 등과 같이 카운팅되는 사람들에 대한 추가 정보를 얻거나 추정하는데 사용될 수 있다. 이 정보는 비즈니스 인텔리전스 메트릭스 및/또는 사람들을 더 매력적이거나 안전하게 하는 것으로 간주할 수 있는 지역의 최적화를 위해 사용될 수 있다. 소매 환경에서, 본 발명에 따른 장치는, 인원 계수와 관련하여, 재 방문 고객 또는 교차 구매자를 인식하고, 쇼핑 행동을 평가하고, 구매하는 방문자의 비율을 평가하고, 직원 교대(shift)를 최적화하거나, 방문자 당 쇼핑몰 비용을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 또한, 인원 계수 시스템은 인체 측정학적 조사(anthropometric surveys)에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 수송 거리에 따라 승객에게 자동으로 요금을 청구하는 대중 교통 시스템(public transportation system)에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 어린이 놀이터에서, 부상당한 어린이 또는 위험한 행동을 하는 어린이를 인식하고, 놀이터의 놀이 기구와의 추가적인 상호 작용을 허용하고, 놀이터의 놀이 기구 등의 안전한 사용을 보장하는 데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는, 표면이 평면인지 여부를 평가하거나, 순서가 정해진 방식으로 대상체를 정렬하거나 배치하기 위해, 대상체 또는 벽까지의 거리를 결정하는 거리 측정기(range meter)와 같은 건설 도구에 사용되거나, 또는 건설 환경 등에서 사용하기 위한 검사 카메라에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 트레이닝, 원격 지시 또는 경쟁 목적과 같은 스포츠 및 운동 분야에 적용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 장치는 춤, 에어로빅, 미식축구, 축구, 농구, 야구, 크리켓, 하키, 육상, 수영, 폴로, 핸드볼, 배구, 럭비, 스모, 유도, 펜싱, 복싱, 골프, 카 레이싱, 레이저 태그(laser tag), 전장 시뮬레이션(battlefield simulation) 등의 분야에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 스포츠 및 게임에서 볼, 배트, 칼, 모션 등의 위치를 검출하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 경기를 모니터링하거나, 심판을 지원하거나, 점수나 골이 실제로 이루어졌는지의 판정과 같은 스포츠에서의 특정 상황의 판정, 특히, 자동 판정을 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는, 차량의 위치 또는 차량의 트랙, 또는 이전의 트랙 또는 이상적인 트랙으로부터의 편차 등을 결정하기 위해, 자동차 경주 또는 자동차 운전자 훈련 또는 자동차 안전 교육 등의 분야에서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는, 예를 들어, 피들, 바이올린, 비올라, 첼로, 베이스, 하프, 기타, 밴조(banjos), 우쿨렐레와 같은 현악기와, 피아노, 오르간, 키보드, 하프시코드(harpsichord), 하모늄(harmonium) 또는 아코디언과 같은 건반 악기 및/또는 드럼, 팀파니, 마림바(marimba), 실로폰, 비브라폰, 봉고, 콩가, 팀발레스(timbales), 젬베(djembe) 또는 타블로와 같은 타악기의 레슨, 특히, 원격 레슨으로 악기 연습을 지원하기 위해 또한 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 또한 트레이닝의 장려 및/또는 움직임의 조사 및 교정을 위해 재활 및 물리 치료에 사용될 수 있다. 여기서, 본 발명에 따른 장치는 거리 진단에도 또한 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 머신 비전 분야에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 하나 이상의 장치는, 예를 들어, 자율 주행 및/또는 로봇 작업을 위한 수동 제어 유닛으로 사용될 수 있다. 이동 로봇과 조합하여, 본 발명에 따른 장치는 자율 이동 및/또는 부품 고장의 자동 검출을 가능하게 할 수 있다. 본 발명에 따른 장치는, 예를 들어, 로봇, 생산 부품 및 생명체 간의 충돌을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 사고를 피하기 위해 제조 및 안전 감시용으로 또한 사용될 수 있다. 로봇 공학에서, 인간과 로봇의 안전하고 직접적인 상호 작용은 종종 문제가 되는데, 이는 로봇이 인식하지 못할 경우에 인간을 심하게 다치게 할 수 있기 때문이다. 본 발명에 따른 장치는 로봇이 대상체와 인간을 더 잘 그리고 더 빨리 위치시켜서 안전한 상호 작용을 할 수 있도록 도울 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 수동적 특성을 감안할 때, 본 발명에 따른 장치는 능동 장치에 비해 유리할 수 있고/있거나 레이더, 초음파, 2D 카메라, IR 검출 등과 같은 기존 솔루션에 보완적으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 한 가지 특별한 장점은 신호 간섭의 가능성이 낮다는 것이다. 따라서, 여러 센서를 신호 간섭의 위험없이 동일한 환경에서 동시에 작동시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 자동차, 광업, 제철 등과 같은 고도로 자동화된 생산 환경에서 유용할 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 장치는 또한 생산 동안의 품질 관리, 예를 들면, 2D 촬상, 레이더, 초음파, IR 등과 같은 다른 센서와 조합하여 품질 관리 또는 기타 목적으로 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 마이크로미터 범위부터 미터 범위까지 제품의 표면 평탄도 또는 특정 치수의 준수 여부를 조사하는 것과 같은 표면 품질 평가에 사용될 수 있다. 다른 품질 관리 애플리케이션도 가능하다. 제조 환경에서, 본 발명에 따른 장치는, 특히, 대량의 폐자재를 피하기 위해 식품이나 목재와 같은 자연 제품을 복잡한 3 차원 구조로 처리하는 데 유용하다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 탱크, 사일로(silo) 등의 충전 레벨을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예를 들어, 인쇄 회로 기판의 검사, 어셈블리 또는 서브어셈블리의 검사, 엔지니어링 부품의 검증, 엔진 부품 검사, 목재 품질 검사, 라벨 검사, 의료기기의 검사, 제품 오리엔테이션 검사, 포장 검사, 식품 팩킹 검사 등과 같은 자동 광학 검사에서, 복잡한 제품에 대한 누락 부품, 불완전한 부품, 느슨한 부품, 저품질 부품 등을 검사하는 데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 차량, 기차, 항공기, 선박, 우주선 및 기타 교통 애플리케이션에 사용될 수 있다. 따라서, 교통 애플리케이션의 분야에서 전술한 애플리케이션 외에, 항공기, 차량 등을 위한 수동 추적 시스템이 지정될 수 있다. 이동하는 대상체의 속도 및/또는 방향을 모니터링하기 위해, 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기와 같은 본 발명에 따른 적어도 하나의 장치를 사용하는 것이 가능하다. 구체적으로, 육상, 바다 및 우주를 포함하는 공중에서 빠르게 움직이는 대상체의 추적이 지정될 수 있다. 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기와 같은 본 발명에 따른 적어도 하나의 장치는 구체적으로 정지 장치 및/또는 이동 장치 상에 장착될 수 있다. 본 발명에 따른 적어도 하나의 장치의 출력 신호는, 예를 들어, 다른 대상체의 자율 이동 또는 안내 이동을 위한 안내 매커니즘과 결합될 수 있다. 따라서, 충돌을 회피하거나, 추적된 대상체와 조향 대상체(steered object) 사이의 충돌을 가능하게 하는 애플리케이션이 가능하다. 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 능동 시스템, 예를 들어, 레이다와 비교하여, 요구되는 낮은 계산력, 즉각적인 응답 및 검출 및 방해하기 어려운 검출 시스템의 수동적 특성으로 인해 유용하고 유리하다. 본 발명에 따른 장치는, 예를 들어, 속도 제어 및 항공 교통 제어 장치에, 특히, 유용하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 통행료 지불을 위한 자동화된 요금 징수 시스템에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 일반적으로 수동 애플리케이션에 사용될 수 있다. 수동 애플리케이션은 항구나 위험 지역에 있는 선박 및 이착륙 시의 항공기에 대한 지침이 포함된다. 여기서, 정확한 지침을 위해 고정된 기지의 능동 표적이 사용될 수 있다. 광산 차량과 같이 위험하지만 잘 정의된 경로에서 주행하는 차량에도 마찬가지로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 자동차, 기차, 비행체, 동물 등과 같은 빠르게 접근하는 대상체를 검색하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 대상체의 속도 또는 가속도를 검출하거나 시간에 따라 그 위치, 속도 및/또는 가속도 중 하나 이상을 추적함으로써 대상체의 움직임을 예측하는 데 사용될 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 게임 분야에서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 그것의 콘텐츠에 움직임을 통합하는 소프트웨어와 결합하여 움직임 검출 등과 같이 크기, 색상, 모양 등이 같거나 다른 복수의 대상체와 함께 사용하는 데 수동적일 수 있다. 특히, 그래픽 출력으로 움직임을 구현할 때, 애플리케이션이 사용될 수 있다. 또한, 명령을 내리기 위한 본 발명에 따른 장치의 애플리케이션은, 예를 들어, 제스처 또는 안면 인식을 위해 본 발명에 따른 하나 이상의 장치를 사용하는 것에 의해 실현 가능하다. 본 발명에 따른 장치는, 예를 들어, 낮은 조명 조건 하에서 또는 주변 조건의 향상이 요구되는 다른 상황 하에서 작동하기 위해 능동 시스템과 결합될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 본 발명에 따른 하나 이상의 장치와 하나 이상의 IR 또는 VIS 광원의 조합이 가능하다. 본 발명에 따른 검출기와 특수 장치의 조합도 가능하고, 이는 시스템 및 그것의 소프트웨어에 의해 용이하게 구별될 수 있고, 예를 들어, 특별한 색, 형상, 다른 장치에 대한 상대 위치, 이동 속도, 빛, 장치의 광원을 변조하는 데 사용되는 주파수, 표면 특성, 사용된 재료, 반사 특성, 투명도, 흡수 특성 등에 의해 구별될 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 이 장치는 다른 가능성 중에서도 스틱, 라켓, 클럽, 총, 칼, 휠(wheel), 반지, 핸들, 병, 공, 유리, 꽃병, 숟가락, 포크, 큐브, 주사위, 피규어, 인형, 테디, 비커(beaker), 페달, 스위치, 글러브, 보석, 악기 또는 플렉트럼(plectrum), 드럼 스틱 등과 같은 악기를 연주하기 위한 보조 장치와 유사할 수 있다. 다른 옵션도 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 장치는, 예를 들어, 고온 또는 추가의 발광 프로세스로 인해 자체적으로 광을 방출하는 대상체를 검출 및/또는 추적하는 데 사용될 수 있다. 발광부는 배기 스트림 등일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 반사 대상체를 추적하고 이들 대상체의 회전 또는 방향을 분석하는 데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 건축, 건설 및 지도 제작(cartography) 분야에서 사용될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 본 발명에 따른 하나 이상의 장치는, 예컨대, 시골 또는 빌딩과 같은 환경 영역을 측정 및/또는 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 여기서, 본 발명에 따른 하나 이상의 장치는 다른 방법 및 장치와 결합될 수 있거나, 단지 건축 프로젝트, 변하는 대상체, 주택 등의 진행 및 정확성을 모니터링하기 위해 단독으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 지상 또는 공중 양쪽에서, 방, 거리, 주택, 지역 사회 또는 풍경(landscape)의 지도를 작성하기 위해, 스캐닝된 환경의 3차원 모델을 생성하는 데 사용될 수 있다. 잠재적인 적용 분야는 건설, 지도 제작, 부동산 관리, 토지 조사 등일 수 있다. 일 예로서, 본 발명에 따른 장치는, 밭, 생산 공장 또는 경관(landscape)과 같은 빌딩, 생산 현장(production site), 농산물 생산 환경을 모니터링하고, 구조 작업을 지원하고, 위험한 환경에서의 작업을 지원하고, 실내외의 화재 장소에서 소방대를 지원하며, 한 명 이상의 사람 또는 동물 등을 찾거나 모니터링하거나, 또는, 예를 들어, 드론이 헬멧, 마크, 비콘 장치 등을 따라가면서 스키나 사이클링과 같은 스포츠를 하는 한 명 이상의 사람을 추적하고 기록하는 것과 같은 엔터테인먼트의 목적을 위해, 드론이나 멀티콥터(multicopter)에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 장애물을 인식하거나, 사전 정의된 경로를 따르거나, 에지, 파이프, 빌딩 등을 따르거나 환경에 대한 글로벌 또는 로컬 맵을 기록하는 데 사용될 수 있다. 또한, 실내외의 위치 설정 및 드론의 위치 결정을 위해, 대기압 센서가 정확하지 않은 실내에서의 드론 높이를 안정화시키기 위해, 또는 여러 드론의 일치된 이동이나 대기중에서의 재충전 또는 재급유 등과 같은 복수 드론의 상호 작용을 위해, 본 발명에 따른 장치가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 CHAIN(Cedec Home Appliances Interoperating Network)과 같은 가전 제품의 상호 연결 네트워크 내에서, 예컨대, 에너지 또는 부하 관리, 원격 진단, 애완 동물 관련 기기, 아동 관련 기기, 아동 감시, 가전 제품 관련 감시, 노인 또는 환자에 대한 지원 또는 서비스, 주택 보안 및/또는 감시, 가전기기 작동의 원격 제어 및 자동 유지 보수 지원과 같은 가정에서의 기본적인 가전기기 관련 서비스를 상호 연결, 자동화 및 제어하는 데 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 특히, 한 명 이상의 사람의 위치에 따라 실내의 어느 부분을 소정의 온도나 습도로 유지해야 하는지를 결정하기 위해, 공조 시스템(air-conditioning system)과 같은 냉난방 시스템에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 가사 노동에 사용될 수 있는 서비스 로봇 또는 자율 로봇과 같은 가정용 로봇에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 다수의 상이한 목적을 위해, 예컨대, 충돌을 방지하기 위해 또는 환경을 매핑하기 위해, 또한 사용자를 식별하기 위해, 주어진 사용자에 대한 로봇의 성능을 개인 맞춤화하기 위해, 보안 목적을 위해, 또는 제스처나 얼굴 인식을 위해 사용될 수도 있다. 일 예로서, 본 발명에 따른 장치는 로봇 진공 청소기, 바닥 청소 로봇, 건식 청소 로봇, 의류 다림질용 다림질 로봇, 개 또는 고양이 화장실 로봇과 같은 동물 쓰레기 로봇(animal litter robot), 전기차 충전 로봇, 침입자를 감지하는 보안 로봇, 로봇식 잔디 깍기, 자동 수영장 청소기, 배수로 세척 로봇, 로봇식 쇼핑 카트, 수하물 운반 로봇, 라인 추적 로봇, 세탁 로봇, 다림질 로봇, 창 세척 로봇, 장난감 로봇, 환자 모니터링 로봇 , 아기 모니터링 로봇, 노인 모니터링 로봇, 어린이 모니터링 로봇, 운송 로봇, 텔레프레전스 로봇(telepresence robot), 전문 서비스 로봇, 프로그래머블 장난감 로봇, 패스파인더 로봇(pathfinder robot), 이동이 적은 사람들에게 친구를 제공하는 소셜 로봇, 팔로잉 로봇, 스마트 카드 팔로잉 로봇(smart card following robots), 심리 치료 로봇, 또는 음성을 수화로 또는 수화를 음성으로 변환하는 로봇에 사용될 수 있다. 노인과 같이 이동성이 적은 사람들의 맥락에서, 본 발명에 따른 장치를 가진 가정용 로봇은 대상체를 픽업하고, 대상체를 운반하고, 대상체 및 사용자와 안전한 방식으로 상호 작용하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 인간형 로봇, 특히, 인간형 손을 사용하여 대상체를 픽업 또는 유지 또는 배치하는 관점에서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 특히, 온라인 또는 오프라인 컴퓨터 애플리케이션에 대한 인터페이스를 구비하는 디지털 보조장치로서 제공될 수 있는 가정용 로봇과의 조합에 오디오 인터페이스와 조합하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 산업 및 가정용으로 스위치 및 버튼을 제어할 수 있는 로봇에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, Mayfield’s Kuri와 같은 스마트 홈 로봇에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 위험한 물질 또는 대상체 또는 위험한 환경에서 작동하는 로봇에 사용될 수 있다. 비제한적인 예로서, 본 발명에 따른 장치는 로봇이나 무인 원격 제어 차량에서, 특히, 재해 발생 후에 화학 물질 또는 방사성 물질과 같은 유해 물질, 또는 지뢰, 미폭발 무기 등과 같은 다른 위험물이나 잠재적으로 위험한 대상체를 취급하기 위해 사용될 수 있고, 또는 근처의 불타는 대상체나 재해 지역과 같은 안전하지 않은 환경에서 작업 또는 조사하거나, 또는 공중, 바다, 지하 등에서 유인 또는 무인 구조 작업을 하는 데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 접착제 비즈, 밀봉 비즈 등의 검사, 예컨대, 붕괴, 슬러브, 수축, 비대칭, 국소 결함 등을 인식하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 유사한 색상 및 형상의 과일이 서로 맞닿아 있는 경우와 같은 구별이 어려운 상황에서, 컨베이어 벨트상의 건조 과일과 같은 대상체를 계수하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 흠없는 주조나 몰딩을 보장하거나, 표면 손상을 인식하거나, 마모된 공구를 인식하는 등과 같이 다이 캐스트나 사출 성형 부품의 품질 관리에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 레이저의 품질 관리 및 위치 결정과 같은 레이저 스크라이빙(laser scribing)에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 대상체의 위치, 회전 및 형상을 검출하고, 이를 대상체의 데이터베이스와 비교하여 대상체를 분류하는 것과 같은 분류 시스템에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 스탬핑 부품 검사, 식품 및 제약 포장 검사와 같은 포장 검사, 필라멘트 검사 등에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 GPS(Global Positioning System)를 충분히 신뢰할 수 없는 곳에서, 항법 목적으로 사용될 수 있다. GPS 신호는 일반적으로 계곡이나 수목 한계선(treeline) 아래의 숲의 실내나 야외에서 수신하기 어렵거나 차단되기 쉬운 전파를 사용한다. 또한, 특히, 무인 자율 주행 차량의 경우, 시스템의 무게가 중요할 수 있다. 특히, 무인 자율 주행 차량은 신뢰할 수 있는 피드백과 제어 시스템의 안정성을 위해 고속 위치 데이터가 필요하다. 본 발명에 따른 장치를 사용하면, 무거운 장치로 인한 중량의 추가 없이 단시간의 응답 및 위치 결정을 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 냉장고, 전자 렌지, 세탁기, 윈도우 블라인드 또는 셔터, 가정용 알람, 에어컨, 난방 장치, 텔레비전, 오디오 장치, 스마트 시계, 휴대 전화, 전화기, 식기 세척기, 스토브 등의 가정용, 이동식 또는 엔터테인먼트 장치에서, 사람의 존재를 검출하거나, 장치의 콘텐츠 또는 기능을 모니터링하거나, 사람과 상호 작용하고/작용하거나 해당 개인에 관한 정보를 추가적인 가정용, 이동식 또는 엔터테인먼트 장치와 공유할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 가사 노동이나 작업장에서 대상체를 들고, 운반하거나, 줍는 장치, 또는 주변 환경의 장애물을 알리는 광학 신호 또는 음향 신호를 구비한 안전 시스템을 통해 노약자나 장애인 또는 시력이 제한되거나 없는 시각 장애인을 지원하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 완전히 또는 부분적으로 해충, 잡초 및/또는 감염된 작물을 검출 및 분류하기 위한 농업에 사용될 수 있고, 여기서, 작물은 균류 또는 곤충에 의해 감염될 수 있다. 또한, 작물을 수확하기 위해, 본 발명에 따른 장치는 수확 장치에 의해 해를 입을 수 있는 사슴과 같은 동물을 검출하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 특히, 밭이나 온실의 소정 영역 또는 심지어 소정 식물에 대한 물이나 비료 또는 작물 보호 제품의 양을 조절하기 위해, 밭이나 온실에서 식물의 성장을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 또한, 농업 생명 공학에서, 본 발명에 따른 장치는 식물의 크기 및 형상을 모니터링하는 데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 면도, 이발 또는 화장 절차 등을 수행하는 동안 사용자를 안내하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 바이올린과 같은 악기에서 연주되는 것을 녹음하거나 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 냉장고의 내용물을 모니터링하고 내용물에 따라 알림을 전송하는 스마트 냉장고와 같은 스마트 가전 제품에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 숲의 소중한 개체군 또는 나무 개체군과 같이, 인간, 동물 또는 식물의 개체군을 모니터링하거나 추적하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 포도, 옥수수, 홉, 사과, 곡류, 쌀, 딸기, 아스파라거스, 튤립, 장미, 대두 등의 작물, 꽃 또는 과일을 수확하는 것과 같은 수확 기계에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 번식, 식품 생산, 농업 또는 연구 애플리케이션에서, 식물, 동물, 조류, 물고기 등의 성장을 모니터링하여, 관개, 수정, 습도, 온도, 또는 제초제, 살충제, 살균제, 쥐약 등의 사용을 제어하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 소, 돼지, 고양이, 개, 새, 어류 등과 같은 동물이나 애완 동물을 위한 사료 공급 기계에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 자동화된 착유(milking) 공정이나 도살 공정에서 우유, 계란, 모피, 고기 등을 수집하는 것과 같은 동물 제품 생산 공정에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 옥수수, 마늘, 나무, 샐러드 등을 심기 위해 자동 시딩 기계(automated seeding machine) 또는 파종기(sowing machine), 또는 플랜팅 머신(planting machine)에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 구름, 안개 등의 기상 현상을 평가 또는 모니터링하거나, 눈사태, 해일, 강풍, 지진, 천둥 폭풍 등의 위험으로부터 경고하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 지진 위험을 모니터링하기 위해 모션, 충격, 진동 등을 측정하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 위험한 건널목을 모니터링하고, 교통량에 따라 교통 신호등을 제어하고, 공공 장소를 모니터링하고, 도로, 체육관, 경기장, 스키 리조트, 공공 행사 등을 모니터링하는 교통 기술에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 망막 스캔, 호흡 또는 맥파 측정, 위 내시경 검사, 환자 감시 등을 위해 박테리아, 혈액 세포, 세포, 조류(algae) 등을 카운팅하여, 점(mole) 또는 흑색종(melanoma)과 같은 조직의 변화를, 조직, 의학 또는 생물학적으로 모니터링 또는 분석하는 것과 같은 의료 애플리케이션에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 드롭(drop), 스트림(stream), 제트(jet) 등의 형상, 크기 또는 둘레를 모니터링하거나, 바람 통로(wind channel) 등과 같은 액체 흐름 또는 가스 또는 프로파일을 분석, 평가 또는 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 자동차 또는 열차의 운전자와 같은 운전자가 아프거나 피곤할 때 등에, 그들에게 경고하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 변형(strain) 또는 장력(tension) 또는 균열(fissure) 등을 인식하기 위한 재료 시험에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 항해에서, 자동으로 항해 위치를 모니터링하고 최적화하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 연료 레벨 게이지용으로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 화학 물질 또는 오염물을 검출하기 위한 센서, 전자 노우즈 칩(electronic nose chip), 박테리아 또는 바이러스 등을 검출하기 위한 미생물 센서 칩, 가이거 계수기(Geiger counter), 촉각 센서(tactile sensor), 열 센서 등과 결합될 수 있다. 예를 들어, 고감염성 환자의 치료, 매우 위험한 물질의 취급 또는 제거, 고방사능 영역이나 화학 물질 유출과 같은 고도로 오염된 지역의 청소, 농업에서의 해충 방제와 같은 위험하거나 어려운 작업을 처리하기 위해 구성된 스마트 로봇을 구축하는 데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 하나 이상의 장치가 사용되어, 3D 프린팅에서의 거리 측정 및 공정 자동화, 예를 들어, 인쇄에서, 노즐 대 표면 거리 및/또는 노즐 위치 및/또는 노즐과 대상체 사이의 거리를 측정하는 데 유리할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 3D 프린터의 입력 데이터와 인쇄된 대상체 치수 및/또는 형상을 비교하여 3D 인쇄의 품질 보증을 위해 사용될 수 있다. 또한, 다른 각도에서 인쇄를 계속하여 인쇄를 재시작할 위치를 결정하고/결정하거나 인쇄 프로세스의 오류, 일시 정지나 정단이 발생한 후 인쇄 프로세스를 재시작해야 하는 위치를 결정하여 인쇄 구조물을 재배치할 때 본 발명에 따른 장치가 사용될 수 있다. 아울러 본 발명에 따른 하나 이상의 장치는, 예컨대, 적층 제조 및/또는 3D 프린팅을 위해 CAD나 유사한 소프트웨어와 조합하여 대상체를 스캐닝하는 데 사용될 수 있다. 여기서, 예컨대, x, y 또는 z 방향으로 또는 동시에 이들 방향의 임의의 조합으로, 본 발명에 따른 장치의 높은 치수 정확도로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 파이프라인 검사 게이지(pipeline inspection gauges)와 같은 검사 및 유지 보수에 사용될 수 있다. 또한, 생산 환경에서, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 형상이나 크기에 따라 야채나 기타 자연 제품을 분류하거나, 가공 단계에 필요한 정밀도보다 낮은 정밀도로 제조된 고기나 대상체와 같은 제품을 절단하는 것과 같이, 자연적으로 재배된 대상체와 같은 러프하게 정의된 형태의 대상체와 함께 작업하는 데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 로컬 네비게이션 시스템(local navigation system)에 사용되어, 자율적으로 또는 부분 자율적으로 차량 또는 멀티콥터 등을 실내 또는 실외 공간을 통해 이동할 수 있게 한다. 비제한적인 예는 대상체를 집어 다른 위치에 배치하기 위해 자동화된 저장소를 통해 이동하는 차량을 포함할 수 있다. 실내 내비게이션은 쇼핑몰, 소매점, 박물관, 공항 또는 기차역에서 추가로 사용되어 모바일 용품, 휴대기기, 수하물, 고객 또는 직원의 위치를 추적하거나, 지도상의 현재 위치와 같은 위치 관련 정보 또는 판매 상품에 관한 정보 등을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 속도, 경사, 다가오는 장애물, 도로의 불균일성 또는 커브 등을 모니터링함으로써 모터사이클의 주행 보조와 같은 모터사이클의 안전한 주행을 보장하는 데 사용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 장치는 충돌을 피하기 위해 열차나 트램에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 물류 처리를 최적화하기 위해 포장이나 소포를 스캐닝하는 것과 같은 휴대용 장치에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 개인 쇼핑 장치, RFID 판독기, 의료용, 또는 환자나 환자의 보건 관련 정보를 획득, 교환 또는 기록하기 위한 것과 같은 병원이나 보건 환경에서 사용하기 위한 휴대용 장치, 소매나 보건 환경을 위한 스마트 배지 등에 추가로 사용될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 (예를 들어, 최적의 장소 또는 패키지를 발견하고, 폐기물 등을 감소시키는 것과 같은) 제품 식별 또는 크기 식별과 같은 제조, 품질 관리 또는 식별 애플리케이션에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 물류 애플리케이션에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 컨테이너나 차량의 적재 또는 포장을 최적화하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 제조 분야에서 표면 손상의 모니터링이나 제어, 렌탈 차량과 같은 렌탈 대상체의 모니터링이나 제어, 및/또는 손해 평가와 같은 보험 애플리케이션에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 특히, 로봇과 조합하여 최적의 재료 취급과 같이 재료, 대상체 또는 공구의 크기를 식별하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 탱크의 충전 레벨을 관찰하기 위해 생산 과정에서 프로세스를 제어하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 탱크, 파이프, 리액터, 공구 등과 같은 생산 자산을 유지 보수하는 데 사용될 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 3D 품질 표시를 분석하는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 치아 인레이(tooth inlays), 치아 교정기(tooth braces), 보철물(prosthesis), 의류 등과 같은 맞춤형 제품을 제조하는 데 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 또한 신속한 프로토타이핑, 3D 복사 등을 위해 하나 이상의 3D 프린터와 결합될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 제품 불법 복제 방지 및 위조 방지 목적과 같은 하나 이상의 물품의 형상을 검출하는 데 사용될 수 있다.
따라서, 구체적으로는, 본 출원은 포토그래피 분야에 적용될 수 있다. 따라서, 검출기는 사진기, 특히, 디지털 카메라의 일부일 수 있다. 특히, 검출기는 3D 포토그래피, 특히, 디지털 3D 포토그래피에 사용될 수 있다. 따라서, 검출기는 디지털 3D 카메라를 형성하거나, 디지털 3D 카메라의 일부일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "포토그래피(photography)"라는 용어는 일반적으로 적어도 하나의 대상체의 이미지 정보를 획득하는 기술을 지칭한다. 본 명세서에서 또한 사용되는 바와 같이, 카메라는 일반적으로 포토그래피를 수행하도록 적응된 장치이다. 본 명세서에서 또한 사용되는 바와 같이, 디지털 포토그래피라는 용어는 일반적으로 조명의 강도 및/또는 색상, 바람직하게는, 디지털 전기 신호를 나타내는 전기 신호를 생성하도록 적응된 복수의 감광 소자를 사용함으로써 적어도 하나의 대상체의 이미지 정보를 획득하는 기술을 지칭한다. 본 명세서에서 또한 사용되는 바와 같이, 3D 포토그래피라는 용어는 일반적으로 3차원 공간에서 적어도 하나의 대상체의 이미지 정보를 획득하는 기술을 지칭한다. 따라서, 3D 카메라는 3D 포토그래피를 수행하도록 적응된 장치이다. 카메라는 일반적으로 단일 3D 이미지와 같은 단일 이미지를 획득하도록 적응될 수 있거나, 일련의 이미지와 같은 복수의 이미지를 획득하도록 적응될 수도 있다. 따라서, 카메라는 또한 디지털 비디오 시퀀스를 획득하는 것과 같은 비디오 애플리케이션에 적응된 비디오 카메라일 수 있다.
따라서, 일반적으로, 본 발명은 또한 적어도 하나의 대상체를 촬상하기 위한 카메라, 특히, 디지털 카메라, 보다 구체적으로는 3D 카메라 또는 디지털 3D 카메라를 지칭한다. 전술한 바와 같이, 본 명세서에서 사용된 촬상(imaging)이라는 용어는 일반적으로 적어도 하나의 대상체의 이미지 정보를 획득하는 기술을 지칭한다. 카메라는 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함한다. 전술한 바와 같이, 카메라는 단일 이미지를 획득하거나, 이미지 시퀀스와 같은 복수의 이미지를 획득하기 위해, 바람직하게는 디지털 비디오 시퀀스를 획득하기 위해 적응될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 카메라는 비디오카메라일 수 있거나 이를 포함할 수도 있다. 후자의 경우, 카메라는 이미지 시퀀스를 저장하기 위한 데이터 메모리를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 “위치”라는 표현은 일반적으로 대상체의 하나 이상의 지점의 절대 위치 및 방향 중 하나 이상에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 지칭한다. 따라서, 구체적으로는, 위치는 직교 좌표계와 같은 검출기의 좌표계에서 결정될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 극 좌표계 및/또는 구 좌표계와 같은 다른 유형의 좌표계가 사용될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 또한 이하에 더욱 상세하게 설명하는 바와 같이, 본 발명은 인간-기계 인터페이스 분야, 스포츠 분야 및/또는 컴퓨터 게임 분야에서 바람직하게 적용될 수 있다. 따라서, 대상체는 스포츠 장비의 물품, 바람직하게는 라켓, 클럽, 배트, 의류 물품, 모자, 신발로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물품으로 구성되는 그룹으로부터 바람직하게 선택될 수 있다. 다른 실시예도 가능하다.
본 명세서에서 사용되는 대상체는 일반적으로 생물체 및 무생물체 중에서 선택되는 임의의 대상체일 수 있다. 따라서, 일 예로서, 적어도 하나의 대상체는 하나 이상의 물품 및/또는 물품의 하나 이상의 부분을 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 대상체는 하나 이상의 생명체(예컨대, 사용자 및/또는 동물) 및/또는 그 생명체의 하나 이상의 부분(예컨대, 인간의 하나 이상의 신체 부위)이거나 이를 포함할 수 있다.
검출기의 좌표계일 수도 있는 대상체의 위치를 결정하기 위한 좌표계와 관련하여, 검출기는 검출기의 광축이 z축을 형성하고, z축에 수직인 x축 및 y축이 추가적으로 제공될 수 있고, 또한 이들이 서로 수직인 좌표계를 구성할 수 있다. 일 예로서, 검출기 및/또는 검출기의 일부는 이 좌표계의 원점과 같은 이 좌표계 내의 특정 지점에 위치될 수 있다. 이 좌표계에서, z축에 평행하거나 역평행한(antiparallel) 방향은 종 방향으로 간주될 수 있고, z축을 따르는 좌표는 종 방향 좌표로 간주될 수 있다. 종 방향에 수직인 임의의 방향은 횡 방향으로 간주될 수 있고, x 및/또는 y 좌표는 횡 방향 좌표로 간주될 수 있다.
대안적으로, 다른 유형의 좌표계가 사용될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 광축이 z축을 형성하고, z축으로부터의 거리 및 극각(polar angle)이 추가 좌표로서 사용될 수 있는 극 좌표계가 사용될 수 있다. 다시, z축에 평행하거나 역평행한 방향은 종 방향으로 간주될 수 있고, z축을 따르는 좌표는 종 방향 좌표로 간주될 수 있다. z축에 수직인 임의의 방향은 횡 방향으로 간주될 수 있고, 극 좌표 및/또는 극각은 횡 방향 좌표로 간주될 수 있다.
검출기는 적어도 하나의 대상체 및/또는 그의 일부분의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 제공하도록 구성된 장치일 수 있다. 따라서, 위치는 바람직하게는 검출기의 좌표계에서 대상체 또는 그의 일부분의 위치를 완전히 기술하는 정보 항목을 지칭할 수 있거나, 그 위치를 부분적으로만 기술하는 부분 정보를 지칭할 수도 있다. 검출기는 일반적으로 비콘 장치로부터 검출기를 향해 전파하는 광빔과 같은 광빔을 검출하도록 적응된 장치일 수 있다.
평가 장치와 검출기는 전체적 또는 부분적으로 단일 장치에 통합될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 평가 장치는 또한 검출기의 일부를 형성할 수도 있다. 대안적으로, 평가 장치 및 검출기는 전체적 또는 부분적으로 개별 장치로서 구현될 수 있다. 검출기는 추가 구성 요소를 포함할 수 있다.
검출기는 고정형 장치(stationary device) 또는 이동형 장치(mobile device)일 수 있다. 또한, 검출기는 독립형 장치(stand-alone device)이거나, 컴퓨터, 차량 또는 임의의 다른 장치와 같은 다른 장치의 일부를 형성할 수도 있다. 또한, 검출기는 휴대용 장치일 수 있다. 검출기의 다른 실시예가 가능하다.
검출기는, 특히, 플렌옵틱(plenoptic) 또는 라이트 필드 카메라(light-field camera)에 필적하는 검출기의 렌즈나 렌즈 시스템 뒤의 라이트 필드를 기록하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 구체적으로는, 검출기는 다수의 초점 평면에서 동시에 화상을 획득하는 데 적응된 라이트 필드 카메라로서 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 라이트 필드(light-field)라는 용어는 일반적으로 카메라 내부와 같은 검출기 내부에서의 광의 공간 광 전파를 지칭한다. 본 발명에 따른 검출기는, 특히, 광학 센서의 스택을 포함하고, 렌즈 뒤에서와 같이 검출기 또는 카메라 내에서 직접 라이트 필드를 기록할 수 있는 능력을 구비할 수 있다. 복수의 센서는 렌즈로부터 상이한 거리에서 이미지를 기록할 수 있다. 예컨대, “초점 심도(depth from focus)” 또는 “디포커싱 깊이(depth from defocus)"와 같은 컨볼루션 기반 알고리즘을 사용하면, 렌즈 뒤의 전파 방향, 초점 지점 및 광의 확산을 모델링할 수 있다. 렌즈 뒤에 모델링된 광의 전파로부터, 렌즈까지의 다양한 거리에서 이미지를 추출할 수 있고, 피사계 심도(depth of field)를 최적화할 수 있고, 다양한 거리에서 초점이 맞춰진 화상을 추출할 수 있거나, 대상체의 거리를 계산할 수 있다. 추가 정보가 추출될 수 있다.
몇몇 광학 센서의 사용은, 이미지를 기록한 후, 추가로 이미지 처리 단계에서 렌즈 오류를 보정할 수 있게 한다. 광학 기기는, 렌즈 오류를 수정해야 할 때, 종종 고가로 되고, 구조가 복잡해진다. 이들은 현미경과 망원경에서, 특히, 문제로 된다. 현미경에서, 일반적인 렌즈 오류는 광축까지의 거리가 다른 광선이 다르게 왜곡된다는 것이다(구면 수차). 망원경에서, 초점 변화는 대기 중의 상이한 온도에서 발생할 수 있다. 구면 수차와 같은 정적 오류나 생산 단계에서의 추가 오류는 보정 단계에서 오류를 결정한 후, 픽셀 및 센서의 고정된 세트와 같은 고정 이미지 처리를 사용하거나, 광 전파 정보를 사용하는 보다 복잡한 처리 기술을 사용하여 수정할 수 있다. 렌즈 오차가 시간에 크게 의존하는 경우, 즉, 망원경에서의 기상 조건에 따라, 렌즈 뒤에서의 광 전파, 확장된 피사계 심도 이미지 계산, 초점 심도 기술 등을 사용하여 렌즈 오류를 보정할 수 있다.
본 발명에 따른 검출기는 컬러 검출을 추가로 허용할 수 있다. 컬러 검출을 위해, 상이한 스펙트럼 특성을 갖는 복수의 광학 센서가 사용될 수 있고, 이들 광학 센서의 센서 신호가 비교될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 제스처 인식과 관련하여 사용될 수 있다. 이와 관련해서, 본 발명에 따른 장치와 조합된 제스처 인식은, 특히, 신체, 신체 부위 또는 대상체의 모션을 통해 정보를 기계로 전송하기 위한 인간-기계 인터페이스로서 사용될 수 있다. 여기에서, 정보는, 바람직하게는, 손가락과 같은 손이나 손 부분의 모션을 통해, 특히, 대상체를 가리키거나, 예컨대, 청각 장애인을 위한 수화를 적용하거나, 숫자, 승인, 거부 등을 표시하거나, 예컨대, 누군가에게 다가가라고 할 때, 나가라고 할 때, 또는 누군가에게 인사하게 할 때, 대상체를 누르라고 할 때, 대상체를 가져가라고 할 때, 또는 스포츠나 음악 분야에서, 준비 운동과 같이 손이나 손가락 운동으로 손을 흔드는 것에 의해 전달될 수 있다. 또한, 정보는, 예컨대, 회전, 발차기, 잡기, 비틀기, 로테이팅, 스크롤링, 브라우징, 밀기, 구부리기, 펀칭, 흔들기, 팔, 다리, 양팔이나 양다리, 또는 팔 다리의 조합과 같은 팔이나 다리의 모션이나, 스포츠나 음악의 목적, 예컨대, 엔터테인먼트, 운동 또는 기계의 훈련 기능에 의해 전달될 수 있다. 또한, 정보는 “우회전”, “좌회전”, “진행”, “저속”, “정지” 또는 “엔진 정지”와 같은 정보를 전송하기 위해 공항이나 교통 경찰에 의해 사용되는 수화나, 또는 수영하는 척, 다이빙하는 척, 달리는 척, 사격하는 척하거나 요가, 필라테스, 유도, 가라데, 춤, 발레와 같은 복잡한 동작이나 몸의 자세를 취하는 것과 같이, 전신이나 주요 부분의 움직임을 통해, 예컨대, 점핑, 회전 또는 복잡한 표시를 만드는 것에 의해 전달될 수 있다. 또한, 정보는 모의 장치(mock-up device)에 상응하는 가상 장치를 제어하기 위해 실제 또는 모의 장치를 사용하여 전달될 수 있고, 예를 들어, 컴퓨터 프로그램에서 가상 기타 기능을 제어하기 위해 모의 기타를 사용하는 것, 컴퓨터 프로그램에서 가상 기타 기능을 제어하기 위해 실제 기타를 사용하는 것, 전자책을 읽거나 페이지를 이동하거나 가상 문서를 통해 탐색하는 데 실제 또는 모의 책을 사용하는 것, 컴퓨터 프로그램에서 실제 또는 드로잉용 모의 펜을 사용하는 것 등에 의해 전달될 수 있다. 또한, 정보의 전송은 소리, 진동 또는 움직임과 같은 사용자로의 피드백과 결합될 수 있다.
음악 및/또는 악기와 관련하여, 제스처 인식과 결합된 본 발명에 따른 장치는 모의 악기의 사용을 통해 또는 악기가 존재하는 척하는 것에 의해 연습 목적, 악기의 제어, 악기의 녹음, 음악의 재생 또는 녹음을 위해 사용될 수 있고, 예를 들어, 소음을 피하거나 녹음을 하기 위해 에어 기타(air guitar)를 연주하거나, 가상 오케스트라, 앙상블, 밴드, 빅 밴드, 합창단 등을 지휘하거나, 연습, 운동, 녹음 또는 오락 목적 등에 사용될 수 있다.
또한, 안전 및 감시와 관련하여, 제스처 인식과 결합된 본 발명에 따른 장치는 사람의 동작 프로파일을 인식하는데 사용될 수 있고, 예컨대, 사람의 보행 또는 몸을 움직이는 방식이나 손 표시나 움직임 또는 전신이나 신체 부위의 표시나 움직임을, 액세스 또는 개인 식별 표시 또는 개인 식별 움직임과 같은 식별 제어로서 사용할 수 있다.
또한, 스마트 홈 애플리케이션 또는 사물 인터넷과 관련하여, 제스처 인식과 결합된 본 발명에 따른 장치는 가전기기 및/또는 가정용 장치의 상호 접속 네트워크의 일부일 수 있는 가정용 장치의 중앙 또는 비중앙 제어에 사용될 수 있고, 예컨대, 냉장고, 중앙 난방, 에어컨, 전자레인지, 각빙 제조기(ice cube maker) 또는 온수기(water boiler), 또는 텔레비전, 스마트폰, 게임 콘솔, 비디오 레코더, DVD 플레이어, 개인용 컴퓨터, 랩톱, 태블릿 또는 이들의 조합과 같은 엔터테인먼트 장치, 또는 가정용 장치와 엔터테인먼트 장치의 조합으로 사용될 수 있다.
또한, 가상 현실 또는 증강 현실과 관련하여, 제스처 인식과 결합된 본 발명에 따른 장치는 가상 현실 애플리케이션 또는 증강 현실 애플리케이션의 움직임 또는 기능을 제어하는 데 사용될 수 있고, 예컨대, 사인, 제스처, 신체 이동 또는 신체 부위 움직임 등을 사용하여 게임을 플레이하거나 제어하는 것, 가상 세계를 통해 움직이는 것, 가상의 대상체를 조작하는 것, 공, 체스 피규어, 바둑 돌, 악기, 도구, 붓과 같은 가상 대상체를 사용하여 스포츠, 예술, 공예품, 음악 또는 게임을 연습, 운동 또는 플레이하는 데 사용될 수 있다.
또한, 의료 분야와 관련하여, 제스처 인식과 결합된 본 발명에 따른 장치는 재활 훈련, 원격 진단을 지원하거나, 수술 또는 치료를 모니터링하거나 조사하거나, 의료기기의 위치로 의료 영상을 오버레이하고 표시하거나, 수술 또는 치료 중에 기록된 내시경 또는 초음파 등으로부터의 이미지와 자기 공명 단층 촬영 또는 x선 등과 같은 사전 기록된 의료 영상을 오버레이하고 표시하는 데 사용될 수 있다.
또한, 제조 및 프로세스 자동화와 관련하여, 제스처 인식과 결합된 본 발명에 따른 장치는 로봇, 드론, 무인 자율 주행 차량, 서비스 로봇, 이동 가능한 대상체 등을 제어, 교육 또는 프로그래밍하는 데 사용될 수 있고, 예를 들어, 프로그래밍, 제어, 제조, 조작, 수리 또는 교육 목적, 또는 안전상의 이유 또는 유지 보수 목적으로 대상체 또는 영역을 원격 조작하는 데 사용될 수 있다.
또한, 비즈니스 인텔리전스 메트릭스(business intelligence metrics)와 관련하여, 제스처 인식과 결합된 본 발명에 따른 장치는 인원 계수, 고객 움직임 조사, 고객이 시간을 소비하는 영역, 대상체, 고객 테스트, 테이크, 프로빙 등에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는, 특히, 드릴링 머신, 톱, 끌, 해머, 렌치, 스테이플 건, 디스크 절단기, 금속 전단기 및 니블러, 앵글 그라인더, 드릴, 해머 드릴, 히트 건, 렌치, 샌더, 인그레이버(engraiver), 네일러(nailer), 실톱(jig saw), 비스킷 결합기(buiscuit joiner), 우드 라우터, 전동 대패, 폴리 셔, 타일 커터, 와셔, 롤러, 월 체이서, 선반, 임팩트 드라이버, 조인터, 페인트 롤러, 스프레이 건, 모티서(morticer), 또는 용접기, 특히, 제조 시에, 안전 조치에 대한 최소 또는 최대 거리를 유지하기 위한 정확성을 지원하는 등과 같은 전기 또는 모터 구동 공구 또는 전동 공구와 같은 DIY 공구 또는 전문 공구의 맥락에서 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 시각 장애인을 돕기 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 소매 환경, 의료 애플리케이션, 생산 환경 등에 사용될 수 있는, 예컨대, 위생상의 이유와 같은 직접적인 맥락을 피하기 위해 터치 스크린에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는, 예컨대, 안정적인 청소 로봇, 달걀 수집 기계, 착유기, 수확 기계, 농기계, 수확기, 포워더(forwarder), 콤바인, 트랙터, 경운기, 쟁기, 디스토너(destoner), 써레(harrow), 스트립 틸(strip till), 파종기(broadcast seeder), 감자 플랜터, 거름 스프레더, 스프레이너, 스프링클러 시스템, 스웨터(swather), 발포기, 적재기, 포크리프트, 모우어 등과 같은 플랜터(planter) 등의 농업 생산 환경에서 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 어린이 또는 장애인과 같은 제한된 의사 소통 기술 또는 가능성을 가진 사람이나 동물을 위한 의복, 신발, 안경, 모자, 보철물, 치아 교정기의 선택 및/또는 적용을 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 창고, 물류, 유통, 운송(shipping), 선적(loading), 하역, 스마트 매뉴팩처링, 4차 산업 등과 같은 맥락에서 사용될 수 있다. 또한, 제조 분야에서, 본 발명에 따른 장치는 처리, 분사, 벤딩, 재료 취급 등의 맥락에서 사용될 수 있다.
평가 장치는 하나 이상의 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)와 같은 하나 이상의 집적 회로 및/또는 하나 이상의 컴퓨터, 바람직하게는 하나 이상의 마이크로 컴퓨터 및/또는 마이크로 컨트롤러, FPA(Field Programmable Array) 또는 DSP(Digital Signal Processor)와 같은 하나 이상의 데이터 처리 장치일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 하나 이상의 AD 변환기 및/또는 하나 이상의 필터와 같은 센서 신호의 수신 및/또는 전처리를 위한 하나 이상의 장치와 같은 하나 이상의 전처리 장치 및/또는 데이터 획득 장치와 같은 추가 구성 요소가 포함될 수 있다. 또한, 평가 장치는 전류 및/또는 전압을 측정하기 위한 하나 이상의 측정 장치와 같은 하나 이상의 측정 장치를 포함할 수 있다. 또한, 평가 장치는 하나 이상의 데이터 저장 장치를 포함할 수 있다. 또한, 평가 장치는 하나 이상의 무선 인터페이스 및/또는 하나 이상의 유선 인터페이스와 같은 하나 이상의 인터페이스를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 평가 장치는 본 발명에 따른 방법의 방법 단계 중 하나 이상이나 전체를 수행하거나 지원하도록 적응된 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램과 같은 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램을 수행하도록 적응될 수 있다. 일 예로서, 센서 신호를 입력 변수로 사용함으로써, 대상체의 위치를 결정할 수 있는 하나 이상의 알고리즘이 구현될 수 있다.
평가 장치는, 예컨대, 광학 센서 및/또는 평가 장치에 의해 얻어진 정보의 디스플레이, 시각화, 분석, 분배, 통신 또는 추가 처리 중 하나 이상에 사용될 수 있는 적어도 하나의 추가 데이터 프로세싱 장치에 연결될 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 일 예로서, 데이터 처리 장치는 디스플레이, 프로젝터, 모니터, LCD, TFT, 스피커, 다중 채널 사운드 시스템, LED 패턴, 또는 추가의 시각화 장치 중 적어도 하나에 연결되거나 이들에 통합될 수 있다. 또한, 하나 이상의 이메일, 문자 메시지, 전화, 블루투스, Wi-Fi, 적외선 또는 인터넷 인터페이스, 포트 또는 접속부 중 하나 이상을 사용하여 암호화되거나 암호화되지 않은 정보를 전송할 수 있는 통신 장치 또는 통신 인터페이스, 커넥터 또는 포트 중 적어도 하나를 연결하거나 통합할 수 있다. 또한, 프로세서, 그래픽 프로세서, CPU, OMAPTM(Open Multimedia Applications Platform), 집적 회로, Apple A 시리즈 또는 삼성 S3C2 시리즈의 제품과 같은 칩상의 시스템, 마이크로 컨트롤러 또는 마이크로 프로세서, ROM, RAM, EEPROM 또는 플래시 메모리와 같은 하나 이상의 메모리 블록, 오실레이터 또는 위상 동기 루프(PLL, Phase Locked Loop), 카운터 타이머, 실시간 타이머 또는 파워 온 리셋 제너레이터(power-on reset generator)와 같은 타이밍 소스, 전압 레귤레이터, 전원 관리 회로 또는 DMA 제어기 중 적어도 하나를 연결하거나 통합할 수 있다. 개별 유닛은 추가로 AMBA 버스와 같은 버스에 의해 연결될 수 있거나, 사물 인터넷 또는 4차 산업형 네트워크에 통합될 수 있다.
평가 장치 및/또는 데이터 프로세싱 장치는 하나 이상의 직렬 또는 병렬 인터페이스 또는 포트, USB, Centronics Port, FireWire, HDMI, 이더넷, 블루투스, RFID, Wi-Fi, USART 또는 SPI, 또는 하나 이상의 ADC나 DAC와 같은 아날로그 인터페이스나 포트, 또는 CameraLink와 같은 RGB 인터페이스를 사용하는 2D 카메라 장치와 같은 추가 장치에 대한 표준화된 인터페이스 또는 포트와 같은 추가의 외부 인터페이스 또는 포트에 의해 연결될 수 있다. 평가 장치 및/또는 데이터 처리 장치는 인터프로세서 인터페이스 또는 포트, FPGA-FPGA 인터페이스나, 직렬 또는 병렬 인터페이스 포트 중 하나 이상에 의해 추가로 접속될 수 있다. 평가 장치 및 데이터 처리 장치는 광 디스크 드라이브, CD-RW 드라이브, DVD+RW 드라이브, 플래시 드라이브, 메모리 카드, 디스크 드라이브, 하드 디스크 드라이브, 고체 상태 디스크 또는 고체 상태 하드 디스크에 추가로 접속될 수 있다.
평가 장치 및/또는 데이터 처리 장치는 하나 이상의 전화 커넥터, RCA 커넥터, VGA 커넥터, 자웅동체형 커넥터(hermaphrodite connectors), USB 커넥터, HDMI 커넥터, 8P8C 커넥터, BCN 커넥터, IEC 60320 C14 커넥터, 광섬유 커넥터, D-서브미니어처 커넥터(D-subminiature connector), RF 커넥터, 동축 커넥터, SCART 커넥터, XLR 커넥터와 같은 외부 커넥터에 추가로 하나 이상 연결되거나 이를 가질 수 있고/있거나 이들 커넥터 중 하나 이상에 적어도 하나의 적합한 소켓을 통합시킬 수 있다.
예를 들어, 광학 센서, 광학 시스템, 평가 장치, 통신 장치, 데이터 처리 장치, 인터페이스, 칩 상의 시스템, 디스플레이 장치 또는 추가 전자 장치와 같은 본 발명에 따른 검출기, 평가 장치 또는 데이터 처리 장치 중 하나 이상을 통합하는 단일 장치의 가능한 실시예는 휴대 전화, 개인용 컴퓨터, 태블릿 PC, 텔레비전, 게임 콘솔 또는 기타 엔터테인먼트 장치가 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 이하에 보다 상세하게 설명될 3D 카메라 기능은 장치의 하우징 또는 외관상 현저한 차이 없이 종래의 2D 디지털 카메라로 사용할 수 있는 장치에 통합될 수 있고, 여기서, 사용자에 대한 현저한 차이는 3D 정보를 획득 및/또는 처리하는 기능일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 360° 디지털 카메라 또는 서라운드 뷰 카메라에 사용될 수 있다.
특히, 평가 장치 및/또는 데이터 처리 장치와 같은 검출기 및/또는 그 일부를 포함하는 실시예는 디스플레이 장치, 데이터 처리 장치, 광학 센서, 선택적으로 센서 광학 장치 및 3D 카메라의 기능성을 위한 평가 장치를 포함하는 휴대 전화일 수 있다. 본 발명에 따른 검출기는, 특히, 엔터테인먼트 장치 및/또는 휴대 전화와 같은 통신 장치에 통합하는 데 적합할 수 있다.
본 발명의 추가 실시예는 다임러의 지능형 드라이브 시스템과 같은 자동차용, 자율 주행용 또는 자동차 안전 시스템용으로 사용되는 장치에 평가 장치 및/또는 데이터 처리 장치와 같은 검출기 또는 그의 일부가 통합될 수 있고, 여기서, 예를 들어, 광학 센서, 선택적으로 하나 이상의 광학 시스템, 평가 장치, 선택적으로 통신 장치, 선택적으로 데이터 처리 장치, 선택적으로 하나 이상의 인터페이스, 선택적으로 칩 상의 시스템, 선택적으로 하나 이상의 디스플레이 장치 또는 선택적으로 추가적인 전자 장치를 포함하는 장치는 차량, 자동차, 트럭, 기차, 자전거, 비행기, 선박, 모터사이클의 일부일 수 있다. 자동차 애플리케이션에서 장치를 자동차 설계에 통합하는 것은 외부 또는 내부에서 최소한의 가시성으로 광학 센서, 선택적으로 광학 장치 또는 장치를 통합하는 것이 필요할 수 있다. 평가 장치 및/또는 데이터 처리 장치와 같은 검출기 또는 그의 일부는 이러한 자동차 설계와의 통합에 특히 적합할 수 있다.
본 발명에 따른 검출기는 하나 이상의 다른 유형의 센서나 검출기와 추가로 결합될 수 있다. 또한, 검출기는 적어도 하나의 추가 검출기를 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 추가 검출기는 주변 환경의 온도 및/또는 밝기와 같은 주변 환경의 파라미터와, 검출기의 위치 및/또는 방향에 관한 파라미터와, 대상체의 위치, 예컨대, 대상체의 절대 위치 및/또는 공간에서의 대상체의 방향과 같은 검출될 대상체의 상태를 특정하는 파라미터 중 적어도 하나와 같은 적어도 하나의 파라미터를 검출하도록 적응될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 본 발명의 원리는 추가 정보를 얻기 위해 및/또는 측정 결과를 검증하거나 측정 에러나 잡음을 감소시키기 위해 다른 측정 원리와 결합될 수 있다.
상술한 바와 같이, 인간-기계 인터페이스는 사용자에게 직접적 또는 간접적으로 부착되고, 사용자에 의해 소지되는 것 중 적어도 하나로 되도록 적응된 복수의 비콘 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 비콘 장치는 각각 적절한 고정 장치에 의한 것과 같은 임의의 적절한 수단에 의해 사용자에게 독립적으로 부착될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 사용자는 적어도 하나의 비콘 장치나, 하나 이상의 비콘 장치를 자신의 손에 소지 및/또는 운반할 수 있고/있거나 적어도 하나의 비콘 장치 및/또는 비콘 장치를 포함하는 의복을 몸의 일부에 착용함으로써 소지 및/또는 운반할 수 있다.
비콘 장치는 일반적으로 적어도 하나의 검출기에 의해 검출될 수 있고/있거나 적어도 하나의 검출기에 의해 검출을 용이하게 하는 임의의 장치일 수 있다. 따라서, 상술하거나 이하에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 비콘 장치는, 예를 들어, 적어도 하나의 광빔을 생성하기 위한 하나 이상의 조명원을 갖는 것에 의해, 검출기에 의해 검출되는 적어도 하나의 광빔을 생성하도록 적응된 활성 비콘 장치일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 비콘 장치는, 별도의 조명원에 의해 생성된 광빔을 반사시키도록 적응된 하나 이상의 반사 소자를 제공하는 것과 같은 수동형 비콘 장치로서 전체적 또는 부분적으로 설계될 수 있다. 적어도 하나의 비콘 장치는 영구적으로 또는 일시적으로 직접 또는 간접적으로 사용자에게 부착될 수 있고/있거나 사용자에 의해 운반되거나 소지될 수 있다. 이 부착은 하나 이상의 부착 수단을 사용함으로써, 및/또는 사용자 자신에 의해, 예컨대, 사용자가 적어도 하나의 비콘 장치를 손으로 잡고/잡거나 사용자가 비콘 장치를 착용하는 것에 의해 수행될 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 비콘 장치는 대상체에 부착되고, 사용자가 소지하는 대상체에 통합되는 것 중 적어도 하나일 수 있고, 이는 본 발명의 관점에서 비콘 장치를 보유하는 사용자 옵션의 의미로 포함되어야 할 것이다. 따라서, 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 비콘 장치는 인간-기계 인터페이스의 일부일 수 있고, 사용자가 소지하거나 운반할 수 있는 제어 소자에 부착되거나 통합될 수 있으며, 여기서, 방향은 검출기에 의해 인식될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함하고, 나아가 적어도 하나의 대상체를 포함할 수 있는 검출기 시스템을 지칭하고, 여기서, 비콘 장치는 대상체에 부착되고, 대상체에 의해 유지되며, 대상체에 통합되는 것 중 하나의 방식으로 마련된다. 일 예로서, 대상체에는 바람직하게 사용자가 방향을 인식할 수 있는 제어 소자가 형성될 수 있다. 따라서, 검출기 시스템은, 전술하거나 이하에 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 인간-기계 인터페이스의 일부일 수 있다. 일 예로서, 사용자는 하나 이상의 명령을 기계에 전송하는 것과 같은 하나 이상의 정보 항목을 기계에 전송하기 위해 제어 소자를 특정 방식으로 처리할 수 있다.
대안적으로, 검출기 시스템은 다른 방식으로 사용될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 검출기 시스템의 대상체는 사용자나 사용자의 신체 일부와는 다를 수 있고, 예컨대, 사용자와는 별개로 움직이는 대상체일 수 있다. 일 예로서, 검출기 시스템은 제조 공정 및/또는 로봇 공정과 같은 장치 및/또는 산업 공정을 제어하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 일 예로서, 대상체는 로봇 암과 같은 기계 및/또는 기계 부품일 수 있고, 그 방향은 검출기 시스템을 사용하여 검출될 수 있다.
인간-기계 인터페이스는 검출기가 사용자나 사용자의 적어도 하나의 신체 일부의 위치에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하는 방식으로 적응될 수 있다. 특히, 사용자에게 적어도 하나의 비콘 장치를 부착하는 방법을 아는 경우, 적어도 하나의 비콘 장치의 위치를 평가함으로써, 사용자나 사용자의 신체 일부에 대한 위치 및/또는 방향에 대한 적어도 하나의 정보 항목을 얻을 수 있다.
비콘 장치는, 바람직하게는, 사용자의 신체 또는 신체 일부에 부착 가능한 비콘 장치 및 사용자에 의해 소지될 수 있는 비콘 장치 중 하나이다. 전술한 바와 같이, 비콘 장치는 전체적 또는 부분적으로 능동형 비콘 장치로 설계될 수 있다. 따라서, 비콘 장치는 검출기로 전송될 적어도 하나의 광빔, 바람직하게는 알려진 빔 특성을 가진 적어도 하나의 광빔을 생성하도록 적응된 적어도 하나의 조명원을 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 비콘 장치는 조명원에 의해 생성된 광을 반사시키도록 적응된 적어도 하나의 반사기를 포함할 수 있고, 이를 통해 검출기로 전송될 반사 광빔을 생성할 수 있다.
검출기 시스템의 일부를 형성할 수 있는 대상체는 일반적으로 임의의 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 상술한 바와 같이, 검출기 시스템의 일부인 대상체는 수동으로 사용자에 의해 처리될 수 있는 제어 소자일 수 있다. 일 예로서, 제어 소자는 장갑, 자켓, 모자, 신발, 바지 및 양복, 손으로 쥘 수 있는 스틱(stick), 배트 및 클럽, 라켓, 지팡이, 장난감 총과 같은 장난감으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 요소일 수 있거나, 이를 포함할 수도 있다. 따라서, 일 예로서, 검출기 시스템은 인간-기계 인터페이스 및/또는 엔터테인머트 장치의 일부일 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 엔터테인먼트 장치는 한 명 이상의 사용자(이하에서는 한 명 이상의 플레이어라고도 함)의 여가 및/또는 오락의 목적으로 제공될 수 있는 장치이다. 일 예로서, 엔터테인먼트 장치는 게임, 바람직하게는 컴퓨터 게임을 목적으로 제공될 수 있다. 따라서, 엔터테인먼트 장치는 컴퓨터, 컴퓨터 네트워크 또는 컴퓨터 시스템으로 구현될 수 있거나, 하나 이상의 게임 소프트웨어 프로그램을 구동하는 컴퓨터, 컴퓨터 네트워크 또는 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다.
엔터테인먼트 장치는, 예컨대, 전술한 하나 이상의 실시예 및/또는 이하에 개시된 하나 이상의 실시예와 같은 본 발명에 따른 적어도 하나의 인간-기계 인터페이스를 포함한다. 엔터테인먼트 장치는 인간-기계 인터페이스를 통해 플레이어가 적어도 하나의 정보 항목을 입력할 수 있도록 설계된다. 적어도 하나의 정보 항목은 엔터테인먼트 장치의 제어기 및/또는 컴퓨터에 의해 전송 및/또는 사용될 수 있다. 적어도 하나의 정보 항목은, 바람직하게는, 게임의 진행에 영향을 미치도록 적응된 적어도 하나의 커맨드를 포함할 수 있다. 따라서, 일 예로서, 적어도 하나의 정보 항목은 플레이어 및/또는 플레이어의 하나 이상의 신체 일부 중 적어도 하나의 방향에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 포함할 수 있고, 이에 의해 플레이어가 특정 위치 및/또는 방향 및/또는 게임에 요구되는 동작을 시뮬레이션할 수 있게 한다. 일 예로서, 댄싱, 러닝, 점프, 라켓의 스윙, 배트의 스윙, 클럽의 스윙, 타겟을 향한 장난감 총의 포인팅과 같은 다른 대상체를 향한 대상체의 포인팅 중 하나 이상의 움직임이 시뮬레이팅되어 엔터테인먼트 장치의 제어기 및/또는 컴퓨터에 전달될 수 있다.
엔터테인먼트 장치의 일부 또는 전체로서, 바람직하게는 엔터테인먼트 장치의 제어기 및/또는 컴퓨터가 정보에 따라 오락 기능을 변화시키도록 설계된다. 따라서, 전술한 바와 같이, 게임의 코스는 적어도 하나의 정보 항목에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 엔터테인먼트 장치는 적어도 하나의 검출기의 평가 장치로부터 분리될 수 있고/있거나 적어도 하나의 평가 장치와 전체적 또는 부분적으로 동일하거나 또는 적어도 하나의 평가 장치를 포함할 수도 있는 하나 이상의 제어기를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 적어도 하나의 제어기는 하나 이상의 컴퓨터 및/또는 마이크로제어기와 같은 하나 이상의 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 또한 사용되는 추적 시스템은 적어도 하나의 대상체 및/또는 대상체의 적어도 일부에 대한 일련의 과거 위치에 관한 정보를 수집하도록 적응된 장치이다. 또한, 추적 시스템은 적어도 하나의 대상체나 대상체의 적어도 일부에 대한 적어도 하나의 예측되는 향후의 위치 및/또는 방향에 관한 정보를 제공하도록 적응될 수 있다. 추적 시스템은 전자 장치, 바람직하게는 적어도 하나의 데이터 처리 장치, 더 바람직하게는 적어도 하나의 컴퓨터 또는 마이크로컨트롤러에 의해 전체적 또는 부분적으로 구현될 수 있는 적어도 하나의 추적 제어기를 포함할 수 있다. 다시, 적어도 하나의 추적 제어기는 적어도 하나의 평가 장치를 전체적 또는 부분적으로 포함할 수 있고/있거나 적어도 하나의 평가 장치의 일부일 수 있고/있거나 적어도 하나의 평가 장치와 전체적 또는 부분적으로 동일할 수 있다.
추적 시스템은 상술한 하나 이상의 실시예 및/또는 이하의 하나 이상의 실시예에 개시된 적어도 하나의 검출기와 같이, 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기를 포함한다. 추적 시스템은 적어도 하나의 추적 제어기를 더 포함한다. 추적 제어기는, 데이터 또는 데이터 쌍의 그룹들을 기록하는 것과 같이, 특정 시점에서 대상체의 일련의 위치를 추적하도록 적응되고, 데이터 또는 데이터 쌍의 각 그룹은 적어도 하나의 위치 정보 및 적어도 하나의 시간 정보를 포함한다.
추적 시스템은 본 발명에 따른 적어도 하나의 검출기 시스템을 더 포함할 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 검출기 및 적어도 하나의 평가 장치 및 적어도 하나의 선택적인 비콘 장치 외에, 추적 시스템은 비콘 장치를 포함하는 적어도 하나의 제어 소자와 같은 대상체 자체 또는 대상체의 일부를 더 포함할 수 있고, 여기서, 제어 소자는 추적될 대상체에 직접적 또는 간접적으로 부착 가능하거나 또는 그 대상체에 통합될 수 있다.
추적 시스템은 추적 시스템 자체 및/또는 하나 이상의 개별 장치의 하나 이상의 동작을 개시하도록 적응될 수 있다. 후자의 목적을 위해, 추적 시스템, 바람직하게 추적 제어기는 적어도 하나의 동작을 개시하기 위해 하나 이상의 무선 및/또는 유선 인터페이스 및/또는 다른 유형의 제어 연결을 가질 수 있다. 바람직하게는, 적어도 하나의 추적 제어기는 대상체의 적어도 하나의 실제 위치에 따라 적어도 하나의 동작을 개시하도록 적응될 수 있다. 일 예로서, 동작은 대상체의 향후 위치의 예측, 적어도 하나의 장치가 대상체 쪽을 향해 포인팅하는 것, 적어도 하나의 장치가 검출기 쪽을 향해 포인팅하는 것, 대상체를 조명하는 것, 검출기를 조명하는 것으로 이루어지는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
추적 시스템의 적용예로서, 추적 시스템은 제 1 대상체 및/또는 제 2 대상체가 이동하더라도, 적어도 하나의 제 1 대상체가 적어도 하나의 제 2 대상체를 지속적으로 포인팅하는 데 사용될 수 있다. 다시 말해, 로봇 공학 및/또는 제조 라인이나 조립 라인에서 제조하는 동안에서와 같이 제품이 움직이는 경우에도, 제품에 대해 지속적으로 작업하는 산업 애플리케이션에서 잠재적인 예를 찾을 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 추적 시스템은, 대상체가 움직이고 있을지라도, 지속적으로 조명원을 대상체에 포인팅함으로써, 대상체를 계속 조명하는 것과 같은 조명 목적으로 사용될 수 있다. 전송기가 움직이는 대상체 쪽을 향하게 함으로써, 움직이는 대상체에 지속적으로 정보를 전송하는 것과 같은 통신 시스템에서 추가의 애플리케이션을 발견할 수 있다.
제안된 장치 및 방법은 이러한 종류의 공지된 검출기에 비해 많은 이점을 제공한다. 따라서, 검출기는 일반적으로 상술한 공지의 종래 시스템의 단점을 피할 수 있다. 구체적으로, 검출기는 FiP 센서의 사용을 피할 수 있고, 그로 인해, 예컨대, 실리콘 광다이오드와 같은 간단하고 저렴하고 시판되고 있는 반도체 센서를 사용할 수 있다. 이들 광다이오드는 일반적으로 휘도 의존성을 나타내지 않고, 상기에 개시된 방법은 일반적으로 배경의 밝기 및/또는 광빔 상의 광 스폿의 밝기와는 독립적이다. 그 결과, 검출기에 입사하는 광빔의 휘도 또는 총 전력의 관점에서의 측정 범위는 일반적으로 전술한 많은 장치와 비교하여 본 발명에서 더 크다. 또한, 본 발명에 따른 검출기를 이용한 측정은 일반적으로 타겟 스폿 크기, 즉, 대상체의 크기, 대상체에 투영된 광 스폿의 크기 또는 대상체에 부착되거나 대상체에 통합되거나 대상체에 의해 소지되는 하나 이상의 비콘 장치의 크기와는 별개이다.
본 발명에 따른 검출기는 z 좌표의 거리 측정이나 측정 기능을, 하나 이상의 횡 방향 좌표를 측정하는 추가 옵션과 결합하여 PSD의 기능을 통합하는 간단한 장치를 통해 실현될 수 있다.
검출기는 구체적으로 2개 이상의 선형 실리콘 광다이오드를 사용할 수 있다. 하나의 광다이오드는 전송 장치의 렌즈 뒤의 스폿보다 크고, 광다오이드 중 하나는 더 작을 수도 있다. 광다이오드는 서로의 상부에 배치되거나, 렌즈 뒤의 다른 위치, 바람직하게는 검출기의 광축을 따라 다른 위치에 위치될 수 있다. 빔 스플리터의 사용은 선택 사항이지만, 일반적으로 필요하지 않으므로, 간단한 광학 구성을 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 제 2 광 센서는 단일 감광 소자 또는 하나 이상의 광다이오드와 같은 복수의 감광 소자를 포함할 수 있다. 이러한 감광 소자를, 예컨대, 직선 림 부분(straight rim portion)과 같은 직선 가장자리 및/또는 모서리에 매우 가깝게 배치함으로써, 형광 도파 시트(fluorescent waveguiding sheet)의, 예컨대, 직선 림 부분과 같은 직선 가장자리 및/또는 모서리와 같은 에지에 감광 소자가 위치될 수 있다. 또한, 형광 도파 시트는 일반적으로 완전히 또는 부분적으로 투명하게 설계될 수 있다. 이것에 의해, 적어도 하나의 제 2 광 센서가 완전히 또는 부분적으로 투명한 PSD로 생성될 수 있다. 검출기 내에 더 이상의 PSD가 필요하지 않을 수 있다.
전술한 바와 같이, 형광 도파 시트로부터 나온 형광광의 아웃 커플링(outcoupling)은, 예컨대, 한 방울의 접착제, 에칭, 스크래치 등을 사용함으로써 매우 간단한 방식으로 일어날 수 있다. 아웃 커플링은, 예컨대, 림 부분과 같은 직선 가장자리 및/또는 형광 도파 시트의 모서리에, 특히, 근접하여 일어날 수 있다.
하나 이상의 감광 소자를 참조하면, 이들 감광 소자는, 일 예로서, 매우 작거나 심지어 스폿형으로 렌더링될 수 있다. 일반적으로, 전자 공학 분야에서, 작은 크기의 광다이오드는 일반적으로 더 낮은 전기 용량으로 인해 광다이오드를 매우 빠르게 렌더링한다. 그러나, 부가적으로 또는 대안적으로, 스트립 형 광다이오드와 같은 다른 유형의 감광 소자가 사용될 수 있다.
측정 결과, 즉, 적어도 하나의 종 방향 좌표와 같은 검출기에 의해 결정된 위치는 배경의 밝기 및/또는 대상체의 밝기, 적어도 하나의 비콘 장치의 밝기, 적어도 하나의 조명원의 밝기 또는 대상체로부터 검출기로 전파하는 광빔의 전체 파워와는 독립적으로 폭넓게 렌더링될 수 있다. 또한, 이러한 독립성 및 밝기의 관점에서의 측정 범위가 넓기 때문에, 반사 대상체 또는 비반사 대상체가 사용될 수 있다.
측정 범위를 언급할 때, 측정 범위는 본 발명에 따른 검출기와 함께 사용될 수 있는 밝기의 범위, 예컨대, 광빔의 총 출력 범위를 지칭할 수도 있고, 또는 측정될 수 있는 검출기와 대상체 사이의 거리의 범위를 지칭할 수도 있다. 전술한 하나 이상의 문서에 따른 것과 같은 종래의 검출기는 일반적으로 양쪽 측정 범위 모두에 제한된다. 전술한 바와 같이, 몫 신호의 사용은, 역으로, 몫 신호로부터 종 방향 좌표를 결정하는 데 사용될 수 있는 연속적이고 단조롭게 증감하는 함수에 대해 넓은 범위를 제공한다. 그 결과, 대상체와 검출기 사이의 거리의 관점에서 매우 넓은 범위의 측정이 제공된다. 마찬가지로, 적어도 광학 센서의 하나 또는 양쪽의 포화 상태에 도달하지 않는 한, 몫 신호가 광빔의 총 전력으로부터 일반적으로 독립적이기 때문에, 밝기의 관점, 즉, 광빔의 총 전력의 관점에서 매우 넓은 범위의 측정이 제공된다.
검출기 내의 광빔은 일반적으로 검출기의 광축을 따라 전파될 수 있다. 제 1 및 제 2 광 센서는 광축 상에 배치될 수 있다. 그러나, 광빔은 광축을 따르는 것과 다른 방식으로 전파될 수 있다. 일 예로서, 광축을 따라 전파되거나, 광축에 평행하게 전파되거나, 또는 1° 내지 20°의 각도와 같이 0°와 다른 광축에 대해 소정 각도로 전파되는 조명광빔이 생성될 수 있다. 다른 실시예도 가능하다.
전반적으로, 본 발명과 관련하여, 다음의 실시예가 바람직한 것으로 간주된다.
실시예 1: 하나 이상의 대상체의 위치를 결정하는 검출기로서, 검출기는,
- 대상체로부터 검출기를 향해 전파되고 각도 의존적 광학 소자를 조명하는 입사광빔의 입사각에 따라 하나 이상의 빔 프로파일을 갖는 하나 이상의 전송광빔을 생성하도록 적응된 하나 이상의 각도 의존적 광학 소자 ― 여기서, 각도 의존적 광학 소자는 하나 이상의 광 섬유, 특히, 하나 이상의 다중 분기된 광 섬유, 특히, 하나 이상의 이중 분기된 광 섬유와, 하나 이상의 회절 광학 소자와, 하나 이상의 각도 의존적 반사 소자와, 하나 이상의 회절 격자 소자, 특히, 블레이즈 격자 소자와, 하나 이상의 개구 조리개와, 하나 이상의 프리즘과, 하나 이상의 렌즈와, 하나 이상의 렌즈 어레이, 특히, 하나 이상의 마이크로 렌즈 어레이와, 하나 이상의 광학 필터와, 하나 이상의 편광 필터와, 하나 이상의 대역 통과 필터와, 하나 이상의 액정 필터, 특히, 액정 가변 필터(liquid crystal tunable filter)와, 하나 이상의 숏 패스 필터(short-pass filter)와, 하나 이상의 롱 패스 필터(long pass filter)와, 하나 이상의 노치 필터와, 하나 이상의 간섭 필터와, 하나 이상의 전송 격자, 및 하나 이상의 비선형 광학 소자, 특히, 하나의 복굴절 광학 소자로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 광학 소자를 포함함 ― 와,
- 하나 이상의 감광 영역을 각각 구비하고, 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔에 의한 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 하나 이상의 센서 신호를 생성하도록 각각 설계된 2개 이상의 광학 센서, 및
- 센서 신호로부터 결합 신호 Q를 평가함으로써, 대상체의 하나 이상의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성된 하나 이상의 평가 장치를 포함한다.
실시예 2: 실시예 1에 따른 검출기에 있어서, 검출기는 하나 이상의 전송 장치를 포함하되, 전송 장치는 대상체로부터 검출기로 전파되는 하나 이상의 입사광빔에 응답하여 하나 이상의 초점 거리를 갖는다.
실시예 3: 실시예 1 또는 실시예 2에 따른 검출기에 있어서, 검출기는 대상체를 조명하기 위한 조명원을 더 포함한다.
실시예 4: 실시예 3에 따른 검출기에 있어서, 조명원은 각도 의존적 광학 소자를 통해 대상체를 조명하도록 적응된다.
실시예 5: 실시예 3 또는 실시예 4에 따른 검출기에 있어서, 조명원과 각도 의존적 광학 소자는 대상체로부터 전송 장치 뒤의 검출기로 진행하는 광빔의 전파 방향으로 배열된다.
실시예 6: 실시예 3 내지 실시예 5 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 조명원과 광학 센서 사이에서 검출기의 광축에 수직인 거리는 작다.
실시예 7: 실시예 6에 따른 검출기에 있어서, 조명원과 광학 센서 사이에서 검출기의 광축에 수직인 거리는 0.01m 미만, 바람직하게는 0.005m 미만, 더 바람직하게는 0.0025m 미만이다.
실시예 8: 실시예 3 내지 실시예 7 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 각도 의존적 광학 소자는 하나 이상의 입구면을 구비하는 하나 이상의 광 섬유를 포함하되, 여기서, 조명원과 광 섬유의 입구면 사이에서 검출기의 광축에 수직인 거리는 0.01m 미만, 바람직하게는 0.005m 미만, 더 바람직하게는 0.0025m 미만으로 작다.
실시예 9: 실시예 2 내지 실시예 8 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 각도 의존적 광학 소자는 각각 하나 이상의 입구면을 구비하는 2개 이상의 광 섬유를 포함하되, 여기서, 입구면은 동심원으로 또는 서로의 상부에 또는 서로 평행하거나 나란하게 배치된다.
실시예 10: 실시예 9에 따른 검출기에 있어서, 조명원과 입구면 중 하나 또는 양쪽 사이에서 검출기의 광축에 수직인 거리는 0.01m 미만, 바람직하게는 0.005m 미만, 더 바람직하게는 0.0025m 미만이다.
실시예 11: 실시예 7 내지 실시예 10 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 각도 의존적 광학 소자는 광 섬유이고, 조명원은 광 섬유를 통해 안내되고, 하나 이상의 조명 빔을 생성하도록 적응되되, 여기서, 조명 빔은 전송 장치의 반경보다 작은 베이스라인 내에서 전송 장치 뒤의 광 섬유를 빠져나가고, 조명 빔을 안내하는 광 섬유는 전송 장치에 부착되어 굴절률 차이가 큰 인터페이스에서의 반사를 감소시킬 수 있다.
실시예 12: 실시예 11에 따른 검출기에 있어서, 광 섬유는 하나 이상의 폴리머, 접착제 또는 다른 부착 수단에 의해 전송 장치에 부착된다.
실시예 13: 실시예 7 내지 실시예 12 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 조명원과 광학 센서 사이에서 검출기의 광축에 수직인 거리는 전송 장치의 반경보다 작다.
실시예 14: 실시예 7 내지 실시예 12 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 각도 의존적 광학 소자는 하나 이상의 입구면을 포함하는 하나 이상의 광 섬유를 포함하고, 조명원과 입구면 사이에서 검출기의 광축에 수직인 거리는 전송 장치의 반경보다 작다.
실시예 15: 실시예 1 내지 실시예 14 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 평가 장치는, 센서 신호를 나누는 것, 센서 신호의 배수를 나누는 것, 센서 신호의 선형 조합을 나누는 것 중 하나 이상에 의해 결합 신호 Q를 도출하도록 구성될 수 있다.
실시예 16: 실시예 15에 따른 검출기에 있어서, 평가 장치는, 결합 신호 Q와 종 방향 좌표를 결정하기 위한 종 방향 좌표 사이의 하나 이상의 사전 결정된 관계를 사용하도록 구성된다.
실시예 17: 실시예 1 내지 실시예 16 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 평가 장치는,
에 의해 결합 신호 Q를 도출하도록 구성되고, 여기서, x 및 y는 횡 방향 좌표이고, A1 및 A2는 광학 센서의 센서 위치에서 빔 프로파일의 영역이고, E(x,y,zo)는 대상체 거리 zo에서 주어진 빔 프로파일을 나타낸다.
실시예 18: 실시예 1 내지 실시예 17 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 평가 장치는 결합 신호를 도출하도록 구성된 하나 이상의 제산기(divider)를 포함한다.
실시예 19: 실시예 1 내지 실시예 18 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 광학 센서는 초점을 벗어나 위치된다.
실시예 20: 실시예 1 내지 실시예 19 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 각도 의존적 광학 소자는 초점을 벗어난 위치에 입구면을 마련하는 하나 이상의 광 섬유를 포함한다.
실시예 21: 실시예 1 내지 실시예 20 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 센서 신호의 각각은 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔의 빔 프로파일 중 하나 이상의 영역의 하나 이상의 정보를 포함한다.
실시예 22: 실시예 21에 따른 검출기에 있어서, 빔 프로파일은 사다리꼴 빔 프로파일, 삼각형 빔 프로파일, 원추형 빔 프로파일, 및 가우스 빔 프로파일의 선형 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
실시예 23: 실시예 21 또는 실시예 22에 따른 검출기에 있어서, 감광 영역은 빔 프로파일의 제 1 영역의 정보를 포함하는 제 1 센서 신호와 빔 프로파일의 제 2 영역의 정보를 포함하도록 배열되고, 여기서, 빔 프로파일의 제 1 영역 및 빔 프로파일의 제 2 영역은 인접하거나 겹치는 영역 중 하나 또는 양쪽 모두이다.
실시예 24: 실시예 21 내지 실시예 23 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 각도 의존적 광학 소자는 각각의 입구면을 구비하는 적어도 2개의 광 섬유를 포함하고, 입구면은 제 1 센서 신호가 빔 프로파일의 제 1 영역의 정보를 포함하고 제 2 센서 신호가 빔 프로파일의 제 2 영역의 정보를 포함하도록 배열되고, 빔 프로파일의 제 1 영역 및 빔 프로파일의 제 2 영역은 인접하거나 겹치는 영역 중 하나 또는 양쪽 모두이다.
실시예 25: 실시예 23 또는 실시예 24에 따른 검출기에 있어서, 평가 장치는 빔 프로파일의 제 1 영역 및 빔 프로파일의 제 2 영역을 결정하도록 구성된다.
실시예 26: 실시예 21 내지 실시예 25 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 빔 프로파일의 제 1 영역은 본질적으로 빔 프로파일의 가장자리 정보를 포함하고, 빔 프로파일의 제 2 영역은 본질적으로 빔 프로파일의 중심 정보를 포함한다.
실시예 27: 실시예 26에 따른 검출기에 있어서, 가장자리 정보는 빔 프로파일의 제 1 영역 내의 많은 광자에 관한 정보를 포함하고, 중심 정보는 빔 프로파일의 제 2 영역 내의 많은 광자에 관한 정보를 포함한다.
실시예 28: 실시예 26 또는 실시예 27에 따른 검출기에 있어서, 평가 장치는 가장자리 정보와 중심 정보를 나누는 것, 가장자리 정보와 중심 정보의 배수를 나누는 것, 가장자리 정보와 중심 정보의 선형 조합을 나누는 것 중 하나 이상에 의해 결합 신호 Q를 도출하도록 구성된다.
실시예 29: 실시예 1 내지 실시예 28 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 검출기는 광학 센서의 매트릭스를 구비하는 하나 이상의 센서 소자를 포함하되, 광학 센서 각각은 감광 영역을 구비하고, 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔에 의한 감광 영역의 조명에 응답하여 하나 이상의 센서 신호를 생성하도록 구성된다.
실시예 30: 실시예 29에 따른 검출기에 있어서, 평가 장치는, 다음의 단계, 즉,
a) 최고의 센서 신호를 갖고 하나 이상의 중심 신호를 형성하는 하나 이상의 광학 센서를 결정하는 것과,
b) 매트릭스의 광학 센서의 센서 신호를 평가하고, 하나 이상의 합산 신호를 형성하는 것과,
c) 중심 신호와 합산 신호를 결합하여 하나 이상의 결합 신호를 결정하는 것, 및
d) 결합 신호를 평가함으로써, 대상체의 하나 이상의 종 방향 좌표 z를 결정하는 것에 의해 센서 신호를 평가하도록 구성된다.
실시예 31: 실시예 30에 따른 검출기에 있어서, 중심 신호는 최고의 센서 신호와, 최고의 센서 신호로부터의 사전 결정된 허용 오차 범위 내에 있는 센서 신호 그룹의 평균값과, 최고의 센서 신호를 구비하는 광학 센서 및 인접하는 광학 센서의 사전 결정된 그룹을 포함하는 광학 센서의 그룹으로부터의 센서 신호의 평균값과, 최고의 센서 신호를 구비하는 광학 센서 및 인접하는 광학 센서의 사전 결정된 그룹을 포함하는 광학 센서들의 그룹으로부터의 센서 신호의 합과, 최고의 센서 신호로부터의 사전 결정된 허용 오차 범위 내에 있는 센서 신호 그룹의 합과, 사전 결정된 임계값 초과의 센서 신호 그룹의 평균과, 사전 결정된 임계값 초과의 센서 신호 그룹의 합과, 최고의 센서 신호를 구비하는 광학 센서와 인접하는 광학 센서의 사전 결정된 그룹을 포함하는 광학 센서의 그룹으로부터의 센서 신호의 적분값과, 최고의 센서 신호로부터의 사전 결정된 허용 오차 범위 내에 있는 센서 신호 그룹의 적분값, 및 사전 결정된 임계값 초과의 센서 신호 그룹의 적분값으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
실시예 32: 실시예 30 또는 실시예 31에 따른 검출기에 있어서, 합산 신호는, 매트릭스의 모든 센서 신호에 대한 평균값과, 매트릭스의 모든 센서 신호의 합과, 매트릭스의 모든 센서 신호의 적분값과, 중심 신호에 기여하는 광학 센서들로부터의 센서 신호를 제외한 매트릭스의 모든 센서 신호에 대한 평균값과, 중심 신호에 기여하는 광학 센서들로부터의 센서 신호를 제외한 매트릭스의 모든 센서 신호의 합과, 중심 신호에 기여하는 광학 센서들로부터의 센서 신호를 제외한 매트릭스의 모든 센서 신호의 적분값과, 최고의 센서 신호를 갖는 광학 센서로부터 사전 결정된 범위 내의 광학 센서의 센서 신호의 합과, 최고의 센서 신호를 갖는 광학 센서로부터 사전 결정된 범위 내의 광학 센서의 센서 신호의 적분값과, 최고의 센서 신호를 구비하는 광학 센서로부터 사전 결정된 범위 내에 위치되는 광학 센서의 특정 임계값 초과의 센서 신호의 합과, 최고의 센서 신호를 구비하는 광학 센서로부터 사전 결정된 범위 내에 위치되는 광학 센서의 특정 임계값 초과의 센서 신호의 적분값으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
실시예 33: 실시예 30 내지 실시예 32 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 결합 신호는, 중심 신호와 합산 신호의 몫을 형성하는 것 또는 그 반대로 형성하는 것과, 중심 신호의 배수와 합산 신호의 배수의 몫을 형성하는 것 또는 그 반대로 형성하는 것, 및 중심 신호의 선형 조합과 합산 신호의 선형 조합의 몫을 형성하는 것 또는 그 반대로 형성하는 것 중 하나 이상에 의해 도출된 결합 신호 Q이다.
실시예 34: 실시예 1 내지 실시예 33 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 각각의 감광 영역은 기하학적 중심을 갖고, 여기서, 광학 센서의 기하학적 중심은 상이한 공간 오프셋에 의해 검출기의 광축으로부터 이격되며, 각각의 광학 센서는 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔에 의해 그것의 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 센서 신호를 생성하도록 구성된다.
실시예 35: 실시예 34에 따른 검출기에 있어서, 광학 센서는 센서 어레이의 일부이고, 센서 어레이의 기하학적 중심은 광축으로부터 오프셋된다.
실시예 36: 실시예 35에 따른 검출기에 있어서, 센서 어레이는 광축에 대하여 이동 가능하다.
실시예 37: 실시예 36에 따른 검출기에 있어서, 평가 장치는, 우선, 센서 신호를 이용하여 센서 어레이 상의 광빔에 의해 생성된 광 스폿의 횡 방향 위치를 결정하고, 다음으로, 광 스폿이 중심을 벗어날 때까지 광축에 대해 센서 어레이를 이동시키도록 구성된다.
실시예 38: 실시예 34 내지 실시예 37 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 광학 센서는 바이셀 다이오드나 쿼드런트 다이오드의 부분 다이오드이고, 쿼드런트 다이오드의 기하학적 중심은 검출기의 광축으로부터 벗어나 있다.
실시예 39: 실시예 1 내지 실시예 38 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 검출기는
- 하나의 광학 측정 섬유 및 하나 이상의 전송 장치를 포함하는 하나 이상의 측정 헤드와,
- 하나 이상의 감광 영역을 각각 구비하는 2개 이상의 광학 센서 ― 여기서, 각각의 광학 센서는 광학 측정 섬유로부터 기원하는 하나 이상의 광빔에 의해 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 하나 이상의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ―, 및
- 센서 신호로부터 결합 신호 Q를 평가함으로써, 대상체의 하나 이상의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성된 하나 이상의 평가 장치를 포함한다.
실시예 40: 실시예 39에 따른 검출기에 있어서, 전송 장치의 개구 수는 광학 측정 섬유의 개구 수보다 작다.
실시예 41: 실시예 39 또는 실시예 40에 따른 검출기에 있어서, 전송 장치는 하나 이상의 시준 렌즈를 포함한다.
실시예 42: 실시예 39 내지 실시예 41 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 검출기는 하나 이상의 광학 조명 섬유를 포함하고, 조명원은 광학 조명 섬유를 통해 대상체를 조명하도록 적응된다.
실시예 43: 실시예 1 내지 실시예 42 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 검출기는 스몰 베이스라인을 포함한다.
실시예 44: 실시예 43에 따른 검출기에 있어서, 베이스라인은 고정 베이스라인 또는 가변 베이스라인이다.
실시예 45: 실시예 43 또는 실시예 44에 따른 검출기에 있어서, 바이셀 다이오드나 사분면 다이오드의 부분 다이오드의 분할선은 베이스라인에 본질적으로 평행하거나 수직으로 배열된다.
실시예 46: 실시예 43 내지 실시예 45 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 베이스라인은 0.01m 미만, 바람직하게는 0.005m 미만, 더 바람직하게는 0.0025m 미만이다.
실시예 47: 실시예 39 내지 실시예 46 중 어느 하나에 따른 검출기에 있어서, 광학 센서는 CMOS 센서를 포함하고, 평가 장치는 CMOS 센서의 센서 영역을 2개 이상의 하위 영역으로 분할하도록 적응되고, 평가 장치는 2개 이상의 하위 영역의 센서 신호로부터 결합 신호 Q를 평가함으로써 대상체의 하나 이상의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성된다.
실시예 48: 실시예 47에 따른 검출기에 있어서, 평가 장치는 CMOS 센서의 센서 영역을 하나 이상의 좌측 부분과 하나 이상의 우측 부분 및/또는 하나 이상의 상부와 하나 이상의 하부 및/또는 하나 이상의 내부 부분과 하나 이상의 외부 부분으로 나누도록 적응될 수 있다.
실시예 49: 하나 이상의 대상체의 위치를 결정하기 위한 검출기 시스템으로서, 검출기 시스템은 실시예 1 내지 실시예 48 중 어느 하나에 따른 하나 이상의 검출기를 포함하고, 검출기 시스템은 검출기를 향해 하나 이상의 광빔을 지향시키도록 적응된 하나 이상의 비콘 장치를 포함하고, 여기서, 비콘 장치는 대상체에 하나 이상을 장착할 수 있고, 대상체에 의해 소지될 수 있으며, 대상체에 통합될 수 있다.
실시예 50: 인간과 기계 사이에 하나 이상의 정보 항목을 교환하기 위한 인간-기계 인터페이스로서, 여기서, 인간-기계 인터페이스는 실시예 49에 따른 하나 이상의 검출기 시스템을 포함하고, 여기서, 하나 이상의 비콘 장치는 직접적 또는 간접적으로 사용자에게 장착되고, 사용자에 의해 보유되는 것 중 적어도 하나로 되도록 적응되고, 여기서, 인간-기계 인터페이스는 검출기 시스템에 의해 사용자의 하나 이상의 위치를 결정하도록 설계되고, 또한 인간-기계 인터페이스는 하나 이상의 정보 항목을 그 위치에 할당하도록 설계된다.
실시예 51: 하나 이상의 엔터테인먼트 기능을 수행하기 위한 엔터테인먼트 장치로서, 여기서, 엔터테인먼트 장치는 실시예 50에 따른 하나 이상의 인간-기계 인터페이스를 포함하고, 여기서, 엔터테인먼트 장치는 인간-기계 인터페이스를 통해 플레이어에 의해 하나 이상의 정보 항목이 입력될 수 있도록 설계되며, 엔터테인먼트 장치는 정보에 따라 엔터테인먼트 기능을 변경시키도록 설계된다.
실시예 52: 하나 이상의 이동 가능한 대상체의 위치를 추적하기 위한 추적 시스템으로서, 추적 시스템은 검출기 시스템을 지칭하는 실시예 49에 따른 하나 이상의 검출기 시스템을 포함하고, 추적 시스템은 하나 이상의 추적 제어기를 더 포함하며, 여기서, 추적 제어기는 특정 시점에서 대상체의 일련의 위치를 추적하도록 적응된다.
실시예 53: 배경의 깊이 프로파일을 결정하기 위한 스캐닝 시스템으로서, 스캐닝 시스템은 검출기를 지칭하는 실시예 1 내지 실시예 48 중 어느 하나에 따른 하나 이상의 검출기를 포함하고, 스캐닝 시스템은 하나 이상의 광빔으로 배경을 스캐닝하도록 적응된 하나 이상의 조명원을 더 포함한다.
실시예 54: 배경의 깊이 프로파일을 결정하기 위한 스캐닝 시스템으로서, 스캐닝 시스템은 검출기를 지칭하는 실시예 1 내지 실시예 48 중 어느 하나에 따른 하나 이상의 검출기를 포함하고, 스캐닝 시스템은 하나 이상의 광빔으로 배경을 스캐닝하도록 적응된 하나 이상의 조명원을 더 포함하고, 여기서, 검출기는 대상체로부터 발생하는 하나 이상의 광빔을 제 1 광학 센서에 제공하도록 적응된 하나 이상의 제 1 광학 측정 섬유와 대상체로부터 발생하는 광빔을 제 2 광학 센서에 제공하도록 적응된 하나 이상의 제 2 광학 측정 섬유를 포함하는 하나 이상의 측정 헤드를 포함한다.
실시예 55: 실시예 54에 따른 스캐닝 시스템에 있어서, 검출기는 하나 이상의 광학 조명 섬유를 포함하고, 여기서, 조명원은 광학 조명 섬유를 통해 대상체를 조명하도록 적응되고, 광학 조명 섬유는 하나 이상의 광빔을 수신하도록 적응된 하나 이상의 제 1 말단을 포함하고, 광학 조명 섬유는 대상체의 조명을 위해 하나 이상의 광빔이 광학 조명 섬유를 떠나는 하나 이상의 제 2 말단을 포함하되, 광학 조명 섬유의 적어도 제 2 말단은 측정 헤드 내에 배치되고/배치되거나 측정 헤드에 부착된다.
실시예 56: 스캐닝 시스템을 지칭하는 실시예 53 내지 실시예 55 중 어느 하나에 따른 스캐닝 시스템에 있어서, 스캐닝 시스템은 관심 영역을 스캐닝하기 위해 측정 헤드를 이동시키도록 구성된 하나 이상의 액추에이터를 포함한다.
실시예 57: 실시예 56에 따른 스캐닝 시스템에 있어서, 액추에이터는 하나 이상의 전자 기계 액추에이터 및/또는 하나 이상의 피에조 액추에이터를 포함하되, 여기서, 피에조 액추에이터는 하나 이상의 피에조 세라믹 액추에이터와 하나 이상의 압전 액추에이터로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 액추에이터를 포함한다.
실시예 58: 실시예 56 또는 실시예 57에 따른 스캐닝 시스템에 있어서, 액추에이터는 광학 조명 섬유 및/또는 측정 헤드를 이동시키도록 구성된다.
실시예 59: 실시예 56 내지 실시예 58 중 어느 하나에 따른 스캐닝 시스템에 있어서, 액추에이터는 선형 스캔 및/또는 방사상 스캔 및/또는 나선 스캔에서 광학 조명 섬유 및/또는 측정 헤드 중 하나 또는 양쪽 모두를 이동시키도록 적응된다.
실시예 60: 하나 이상의 대상체를 촬상하기 위한 카메라로서, 카메라는 검출기를 지칭하는 실시예 1 내지 실시예 48 중 어느 하나에 따른 하나 이상의 검출기를 포함한다.
실시예 61: 광학 저장 매체용 판독 장치로서, 판독 장치는 검출기를 지칭하는 실시예 1 내지 실시예 48 중 어느 하나에 따른 하나 이상의 검출기를 포함한다.
실시예 62: 하나 이상의 검출기를 사용하여 하나 이상의 대상체의 위치를 결정하는 방법으로서, 방법은,
- 하나 이상의 각도 의존적 광학 소자를 제공하고, 입사각에 따라 하나 이상의 빔 프로파일을 갖는 하나 이상의 광빔을 생성하는 단계와,
- 하나 이상의 감광 영역을 각각 구비하는 2개 이상의 광학 센서를 제공하는 단계 ― 여기서, 각각의 광학 센서는 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔에 의한 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ― 와,
- 검출기의 2개 이상의 광학 센서 각각의 감광 영역을, 각도 의존적 광학 소자에 의해 생성된 광빔으로 조명함으로써, 각각의 감광 영역이 하나 이상의 센서 신호를 생성하는 단계, 및
- 센서 신호를 평가함으로써, 대상체의 하나 이상의 종 방향 좌표 z를 결정하는 단계 ― 여기서, 평가 단계는 센서 신호의 결합 신호 Q를 도출하는 것을 포함함 ― 를 포함한다.
실시예 63: 실시예 62에 따른 방법에 있어서, 결합 신호 Q를 도출하는 것은 센서 신호를 나누는 것, 센서 신호의 배수를 나누는 것, 센서 신호의 선형 조합을 나누는 것 중 하나 이상을 포함한다.
실시예 64: 실시예 62 또는 실시예 63에 따른 방법에 있어서, 방법은,
- 하나의 광학 측정 섬유 및 하나 이상의 전송 장치를 포함하는 하나 이상의 측정 헤드를 제공하는 단계와,
- 광학 측정 섬유로부터 기원하는 하나 이상의 광빔을 생성하는 단계와,
- 2개 이상의 광학 센서를 제공하는 단계 ― 여기서, 각각의 광학 센서는 광학 측정 섬유로부터 기원하는 적어도 하나의 광빔에 의해 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ― 와,
- 2개 이상의 광학 센서 각각의 감광 영역을 광빔으로 조명함으로써, 각각의 감광 영역이 하나 이상의 센서 신호를 생성하는 단계, 및
- 센서 신호를 평가함으로써, 대상체의 하나 이상의 종 방향 좌표 z를 결정하는 단계 ― 여기서, 평가 단계는 센서 신호의 결합 신호 Q를 도출하는 것을 포함함 ― 를 더 포함한다.
실시예 65: 검출기에 관한 실시예 1 내지 실시예 48에 따른 검출기의 사용법은 교통 기술에서의 위치 측정; 엔터테인먼트 애플리케이션; 광학적 데이터 저장 애플리케이션; 보안 애플리케이션; 감시 애플리케이션; 안전 애플리케이션; 인간-기계 인터페이스 애플리케이션; 물류 애플리케이션; 내시경 검사 애플리케이션; 의료 애플리케이션; 추적 애플리케이션; 포토그래피 애플리케이션; 머신 비전 애플리케이션; 로봇 애플리케이션; 품질 관리 애플리케이션; 3D 프린팅 애플리케이션; 증강 현실 애플리케이션; 제조 애플리케이션; 광학적 데이터 저장 및 판독과 함께 사용하는 사용으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 사용을 목적으로 한다.
본 발명의 특징 및 추가의 선택적인 상세한 설명은 종속항과 함께 이하의 바람직한 예시적인 실시예의 설명으로부터 명백해질 것이다. 이러한 맥락에서, 특정 형상들은 개별 방식으로 또는 다른 형상과 결합하여 구현될 수 있다. 본 발명은 예시적인 실시예들에 제한되지 않는다. 예시적인 실시예가 도면에 개략적으로 도시된다. 각 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 요소 또는 동일한 기능을 갖는 요소, 또는 그 기능과 관련하여 서로 상응하는 요소를 지칭한다.
특히, 도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 검출기의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2(a) 및 2(b)는 다중 분기된 광 섬유(multifurcated optical fiber)를 갖는 실시예를 도시한다.
도 3은 도 2(a)의 광 섬유의 단면도이다.
도 4는 각도 의존적 광학 소자의 각도 의존적 전송을 시각화한 도면이다.
도 5는 일정한 조사 전력에서 광 섬유의 각도 의존적 전송 전력을 도시한다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 거리 측정의 실험 결과를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 검출기, 검출기 시스템, 인간-기계 인터페이스, 엔터테인먼트 장치, 추적 시스템, 스캐닝 시스템 및 카메라의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 검출기의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 9는 검출기의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10은 검출기의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 11은 CMOS 픽셀 수의 함수로서 광 스폿의 정규화된 방사 강도 프로파일을 도시한다.
도 12는 표준화된 결합 센서 신호 Q를 대상체 거리 z의 함수를 mm 단위로 도시한다.
도 13(a) 내지 도 13(mm)은 측정 헤드의 평면도를 도시한다.
도 15(a) 내지 도 15(d)는 측정 헤드에서의 광 섬유 및 렌즈 배열의 실시예의 측면도를 도시한다.
도 16(a) 내지 도 16(f)는 광 섬유 단부에서의 렌즈 배열을 도시한다.
도 17은 측정 헤드의 다른 실시예를 도시한다.
도 18은 스캐닝 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
도 19는 스캐닝 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
특히, 도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 검출기의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2(a) 및 2(b)는 다중 분기된 광 섬유(multifurcated optical fiber)를 갖는 실시예를 도시한다.
도 3은 도 2(a)의 광 섬유의 단면도이다.
도 4는 각도 의존적 광학 소자의 각도 의존적 전송을 시각화한 도면이다.
도 5는 일정한 조사 전력에서 광 섬유의 각도 의존적 전송 전력을 도시한다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 거리 측정의 실험 결과를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 검출기, 검출기 시스템, 인간-기계 인터페이스, 엔터테인먼트 장치, 추적 시스템, 스캐닝 시스템 및 카메라의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 검출기의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 9는 검출기의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10은 검출기의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 11은 CMOS 픽셀 수의 함수로서 광 스폿의 정규화된 방사 강도 프로파일을 도시한다.
도 12는 표준화된 결합 센서 신호 Q를 대상체 거리 z의 함수를 mm 단위로 도시한다.
도 13(a) 내지 도 13(mm)은 측정 헤드의 평면도를 도시한다.
도 15(a) 내지 도 15(d)는 측정 헤드에서의 광 섬유 및 렌즈 배열의 실시예의 측면도를 도시한다.
도 16(a) 내지 도 16(f)는 광 섬유 단부에서의 렌즈 배열을 도시한다.
도 17은 측정 헤드의 다른 실시예를 도시한다.
도 18은 스캐닝 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
도 19는 스캐닝 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
도 1에서, 적어도 하나의 대상체(112)의 위치를 결정하기 위한 검출기(110)의 예시적인 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 도 1에서, 대상체(112)는 2개의 상이한 대상체 거리에 대해 도시되어 있다. 검출기(110)는 각각 적어도 하나의 감광 영역(121)을 구비하는 적어도 2개의 광학 센서(113), 예를 들어, 제 1 광학 센서(118) 및 제 2 광학 센서(120)를 포함한다. 대상체(112)는 입사광빔으로도 지칭되는 광빔(116)이 검출기(110)를 향해 전파되는 적어도 하나의 비콘 장치(114)를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 검출기는 대상체(112)를 조명하기 위한 적어도 하나의 조명원(115)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명원(115)은 대상체(112)를 조명하기 위한 조명광빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 조명원(115)은 적어도 하나의 레이저 및/또는 레이저 광원을 포함할 수 있다. 반도체 레이저와 같은 다양한 형태의 레이저가 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, LED 및/또는 전구와 같은 비레이저 광원이 사용될 수 있다. 조명원(115)은 인공 조명원, 특히, 적어도 하나의 레이저 광원 및/또는 적어도 하나의 백열 램프 및/또는 적어도 하나의 반도체 광원, 예를 들어, 적어도 하나의 발광 다이오드, 특히, 유기 및/또는 무기 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 일 예로서, 조명원(115)에 의해 방출된 광의 파장은 300 내지 1,000nm, 특히, 500 내지 1,000nm일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 예컨대, 780nm 내지 3.0㎛의 범위의 적외선 스펙트럼 범위의 광이 사용될 수 있다. 구체적으로는, 700nm 내지 1,000nm의 범위에서 실리콘 광다이오드가 적용할 수 있는 근적외선 영역 부분의 광이 사용될 수 있다. 또한, 조명원(115)은 변조광이나 비변조광을 방출하도록 구성될 수 있다. 복수의 조명원(115)이 사용되는 경우에, 상이한 조명원은, 이하에 추가로 상세히 설명되는 바와 같이, 이후에 광빔을 구별하는 데 사용할 수 있는 상이한 변조 주파수를 가질 수 있다.
제 1 광학 센서(118)는 제 1 감광 영역(122)을 포함할 수 있고, 제 2 광학 센서(120)는 제 2 감광 영역(124)을 포함할 수 있다. 일 예로서, 광빔(116)은 검출기(110)의 광축(126)을 따라 전파될 수 있다. 그러나, 다른 실시예도 가능하다. 제 1 감광 영역(122) 및 제 2 감광 영역은 대상체(112)를 향해 배향될 수 있다. 광 검출기(110)는, 특히, 빔 성형을 위한 적어도 하나의 렌즈나 렌즈 시스템과 같은 적어도 하나의 전송 장치(128)를 더 포함할 수 있다. 전송 장치(128)는 대상체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 입사광빔(116)에 응답하여 적어도 하나의 초점 길이가 형성될 수 있다. 전송 장치(128)에는 광축(129)이 형성될 수 있고, 여기서, 전송 장치(128)와 광 검출기에는 바람직하게는 공통 광축이 형성될 수 있다. 전송 장치(128)는 좌표계를 구성할 수 있다. 광축(126, 129)에 평행하거나 역평행한(anti-parallel) 방향은 종 방향으로 정의될 수 있는 반면에, 광축(126, 129)에 수직인 방향은 횡 방향으로 정의될 수 있고, 여기서, 종 방향 좌표 z는 광축(126, 129)을 따른 좌표이고, d는 광축(126, 129)으로부터의 공간 오프셋이다. 그 결과, 광빔(116)은 하나 이상의 초점 위치와 같이 포커싱되고, 광빔(116)의 빔 폭은 검출기(110)와, 비콘 장치(114) 및/또는 대상체(112) 사이의 거리와 같은 대상체(112)의 종 방향 좌표 z에 좌우될 수 있다. 광학 센서(118, 120)는 초점 밖에 위치될 수 있다. 종 방향 좌표에 대한 이러한 빔 폭 의존성의 상세에 대해서는, WO2001/110924 A1 및/또는 WO 2014/097181 A1 중 하나 이상과 같은 하나 이상의 전술한 선행 기술 문헌이 참조될 수 있다.
검출기는 대상체(112)로부터 검출기(110)를 향해 전파되고, 각도 의존적 광학 소자(130)를 조명하는 입사광빔의 입사각에 따라 적어도 하나의 빔 프로파일을 구비하는 적어도 하나의 광빔(131)을 생성하도록 적응된 적어도 하나의 각도 의존적 광학 소자(130)를 포함한다. 각도 의존적 광학 소자(130)는 각도 의존적 광학 소자(130)의 제 1 측면(132), 예를 들어, 표면 및/또는 입구에 충돌하는 전자기파가 각도 의존적 광학 소자의 특성에 따라 부분적으로 흡수 및/또는 반사 및/또는 전송될 수 있도록 하는 각도 의존적 전송 특성을 포함할 수 있다. 전송도는 전자기파의 전송 전력, 즉, 각도 의존적 광학 소자(130) 이후의 전력 및 전자기파의 입사 전력, 즉, 각도 의존적 광학 소자(130)에 충돌하기 전의 전력의 몫으로 정의될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자(130)는 전송도가 대상체로부터 검출기(110)를 향해 전파하는 입사광빔이 각도 의존적 광학 소자(130)에 충돌하는 입사각에 좌우되도록 설계될 수 있다. 입사각은 각도 의존적 광학 소자(130)의 광축에 대해 측정될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자(130)는 전송 장치(128) 뒤에서 전파 방향으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 전송 장치는 적어도 하나의 시준 렌즈(collimating lens)를 포함할 수 있다. 각도 의존적 광학 소자(130)는 더 작은 각도로 충돌하는 광선에 비해 더 큰 각도로 충돌하는 광선을 약화시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 전송도는 광축에 평행한 광선, 즉, 0°에서 가장 높을 수 있고, 더 큰 각도에서 감소될 수 있다. 특히, 적어도 하나의 컷오프 각도에서의 전송도는 급격히 0으로 떨어질 수 있다. 따라서, 입사각이 큰 광선은 컷오프될 수 있다.
각도 의존적 광학 소자(130)는, 적어도 하나의 광 섬유, 특히, 적어도 하나의 다중 분기된 광 섬유, 특히, 적어도 하나의 이중 분기된 광 섬유와, 적어도 하나의 회절 광학 소자와, 적어도 하나의 각도 의존적 반사 소자와, 적어도 하나의 회절 격자 소자, 특히, 블레이즈 격자 소자와, 적어도 하나의 개구 조리개와, 적어도 하나의 프리즘과, 적어도 하나의 렌즈와, 적어도 하나의 렌즈 어레이, 특히, 적어도 하나의 마이크로 렌즈 어레이와, 적어도 하나의 광학 필터와, 적어도 하나의 편광 필터와, 적어도 하나의 대역 통과 필터와, 적어도 하나의 액정 필터, 특히, 액정 가변 필터(liquid crystal tunable filter)와, 적어도 하나의 숏 패스 필터(short-pass filter)와, 적어도 하나의 롱 패스 필터(long pass filter)와, 적어도 하나의 노치 필터와, 적어도 하나의 간섭 필터와, 적어도 하나의 전송 격자, 및 적어도 하나의 비선형 광학 소자, 특히, 하나의 복굴절 광학 소자로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 광학 소자를 포함한다.
광빔(131)에 의한 조명에 응답하여, 제 1 광학 센서(118)는 제 1 센서 신호 s1를 생성할 수 있는 한편, 제 2 광학 센서(120)는 제 2 센서 신호 s2를 생성할 수 있다. 바람직하게는, 광학 센서(118, 120)는 선형 광학 센서이고, 다시 말해, 센서 신호 s1 및 s2 각각은 그들 각각의 감광 영역(122, 124)을 조명하는 광빔(131)의 일부의 총전력이나 광빔(131)의 총 전력에 단독으로 의존하는 반면, 이들 센서 신호 s1 및 s2는 조명의 광 스폿의 실제 크기와는 독립적이다.
센서 신호 s1 및 s2는 검출기(110)의 평가 장치(133)에 제공된다. 평가 장치(133)는, 전술한 바와 같이, 결합 신호 Q를 도출하도록 구현된다. 센서 신호 s1 및 s2를 나누거나, 이들의 배수나 선형 조합을 나누는 것에 의해 도출되는 결합 신호 Q로부터 광빔(116)이 검출기(110)를 향해 전파되는 대상체(112) 및/또는 비콘 장치(114)의 종 방향 좌표 z에 관한 적어도 하나의 정보 항목을 도출하는 데 사용될 수 있다. 평가 장치(133)는 결합 신호 Q를 형성하기 위한 적어도 하나의 분배기(134)와, 일 예로서, 결합 신호 Q로부터 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 도출하기 위한 적어도 하나의 위치 평가 장치(136)를 구비할 수 있다. 평가 장치(133)가 하드웨어 및/또는 소프트웨어에 전체적 또는 부분적으로 내장될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 일 예로서, 하나 이상의 구성 요소(134, 136)가 적절한 소프트웨어 구성 요소에 의해 구현될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 검출기(110)는 스몰 베이스라인을 포함할 수 있다. 도 1의 실시예에서, 베이스라인은 조명원(115)과 전송 장치(128) 사이의 거리일 수 있다. 구체적으로, 베이스라인은 0일 수 있고/있거나 하우징의 치수와 같은 조명원(115)의 치수 및 직경과 같은 전송 장치(128)의 치수에 의해 한정될 수 있다.
도 2(a) 및 도 2(b)에는, 대체 검출기(110)를 형성하는 도 1의 실시예의 변형예가 도시되어 있다. 검출기(110)의 대안적인 실시예는 도 1에 도시되는 실시예에 폭넓게 대응한다. 도 2(a)에서, 각도 의존적 광학 소자는 적어도 하나의 광 섬유(138)를 포함할 수 있다. 광 섬유(138)는 광 섬유(138)의 양단 사이에서 흡수 및/또는 반사되지 않는 입사광빔(116)의 적어도 일부를 전송하도록 적응될 수 있다. 광 섬유(138)는 길이를 가질 수 있고, 거리를 통한 전송을 허용하도록 적응될 수 있다. 광 섬유(138)는 섬유 코어로서 굴절률이 더 낮은 적어도 하나의 섬유 피복(fiber cladding)에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 섬유 코어를 포함할 수 있다. 수용 각도 이하에서, 광 섬유(138)는 전체 내부 반사에 의해 들어오는 광빔을 안내하도록 구성될 수 있다.
광 섬유(138)는 반사 효과를 무시하고, 광 섬유에 평행하게, 즉, 0°의 각도로 입사되는 광선에 대해 전송도가 최고로 되도록 설계될 수 있다. 광 섬유(138)는 더 높은 각도, 예를 들어, 1° 내지 10°의 각도에 대해, 전송도가 평행 광선에 대한 전송도의 약 80%로 완만하게 감소할 수 있고, 이 수준에서 광 섬유(138)의 수용 각도까지 일정하게 유지될 수 있도록 설계될 수 있다. 광 섬유(138)는 광선이 광 섬유(138)로부터 반사되도록 광 섬유(138) 내의 수용 각도 이상의 전체 반사가 불가능하도록 설계될 수 있다. 광 섬유(138)는 수용 각도에서 전송도가 0으로 급격히 떨어지도록 설계될 수 있다. 입사각이 큰 광선이 차단될 수 있다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, 조명원(115)은 각도 의존적 광학 소자(130)를 통해 대상체(112)를 조명하도록 적응될 수 있다. 광 섬유(138)는 대상체(112)를 조명하도록 조명원(115)에 의해 생성된 광빔(142)을 전송하도록 적응된 적어도 하나의 조명 섬유(140)를 포함할 수 있다. 조명원(115)은 조명원(115)에 의해 생성된 적어도 하나의 광빔(142)을 조명 섬유(140)에 결합시키도록 적응될 수 있다. 광빔(142)은 광학 조명 섬유(140)의 출구면에서 광학 조명 섬유(140)를 떠날 수 있다.
광 섬유(138)는 적어도 2개의 섬유를 포함할 수 있다. 광 섬유(138)는 적어도 하나의 다중 분기된 광 섬유, 특히, 적어도 하나의 이중 분기된 광 섬유일 수 있다. 도 2(a)의 실시예에서, 그리고 도 3에서 단면도로 도시된 바와 같이, 광 섬유(138)는 4개의 섬유를 포함할 수 있다. 특히, 광 섬유는 조명 섬유(138) 및 제 1 섬유(144) 및 제 2 섬유(146)로 표시되는 적어도 하나의 광빔(131)을 각각 생성하기 위한 적어도 2개의 섬유를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 섬유(144) 및 제 2 섬유(146)는 각각 광 섬유(138)의 입구 말단(148)에서 서로 근접하여 배치될 수 있고, 광 섬유(138)의 출구 말단(150)에서 소정 거리만큼 분리된 레그들로 분할될 수 있다. 제 1 섬유(144) 및 제 2 섬유(146)는 특성이 동일한 섬유로 설계되거나 상이한 유형의 섬유일 수 있다. 제 1 섬유(144)는 적어도 하나의 제 1 광빔(152)을 생성하도록 적응될 수 있고, 제 2 섬유(146)는 적어도 하나의 제 2 광빔(154)을 생성하도록 적응될 수 있다. 광 섬유(138)는 입사광빔(116)이 제 1 섬유(144)로의 제 1 입사각, 및 제 2 섬유(146)로 제 1 입사각과는 상이한 제 2 입사각으로 충돌할 수 있도록 배치되어, 제 1 광빔(152)과 제 2 광빔(154)의 전송도는 서로 상이할 수 있다. 입사광빔(116)은 광 섬유(138)의 입구면에 충돌할 수 있다. 광학 센서(113) 중 하나는 제 1 섬유(144)의 출구 말단에 배치될 수 있고, 다른 광학 센서(113)는 제 2 섬유(146)의 출구 말단에 배치될 수 있다. 광 섬유는 3개 초과의 섬유, 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 4개의 섬유를 포함할 수 있고, 여기서, 제 4 섬유는 추가의 제 1 섬유(144) 또는 추가의 제 2 섬유(146)일 수 있고, 이 섬유는 일반적으로 도면 부호 130, 138로 도 3에 표시된다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, 검출기(110)는 스몰 베이스라인을 포함할 수 있다. 도 2(a)의 실시예에서, 베이스라인은 광 섬유(138)의 입구면과 광 섬유(138)의 출구면 사이의 거리일 수 있다. 특히, 베이스라인은 0일 수 있다.
도 2(b)에, 도 2(a)와 유사한 실시예가 도시되어 있다. 도 2(b)는 대상체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광빔(116)에 대한 전송 장치(128)의 영향을 시각화한다. 도 2(a)에서와 같이, 대상체(112)는 상이한 대상체 거리, 즉, 제 1 대상체 거리(206) 및 제 2 대상체 거리(208)로 도시되어 있다. 제 1 대상체 거리(206)에서 생성된 광빔(116)은 제 2 대상체 거리(208)에서 생성된 광빔(116)과 다른 각도로 전송 장치(128)에 전파될 수 있다. 특히, 광축(129) 상의 제 1 대상체 거리(206)에서 생성된 광빔(116)은 광축(129) 상의 제 2 대상체 거리(208)에서 생성된 광빔(116)과는 다른 각도로 전송 장치(128)의 가장자리에 전파될 수 있다. 전송 장치(128)는 대상체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광빔(116)에 영향을 미치도록, 예를 들어, 광빔을 전환시키도록 구성될 수 있다. 특히, 전송 장치(128)는, 광빔(116)이 전송 장치(128)에 충돌하는 입사각에 따라 광빔(116)의 전파 방향을 조정하도록 적응될 수 있다. 전송 장치(128)는 광축(129)에 대해 전파 각도를 조정 및/또는 생성하도록 적응될 수 있다. 전파 각도는 광축(129)과, 대상체(112)로부터 검출기(110)로 전파되는 광빔(116)의 전파 방향 사이의 각도일 수 있다. 전송 장치를 사용하지 않으면, 광빔의 전파 각도는 주로 광빔이 생성된 표면 특성 및/또는 재료 특성 및/또는 표면의 방향 및/또는 표면 형상과 같은 대상체의 특성에 좌우될 수 있다. 따라서, 전송 장치를 사용하지 않고, 전파 각도에 의존하는 결합 신호의 거리 의존성은 결합 신호의 표면 의존성에 의해 혼합되거나 심지어 억제될 수 있다. 전송 장치(128)는 대상체(112)의 표면 특성과 관계없이 전파 각도를 조정 및/또는 생성하도록 적응될 수 있다. 특히, 전송 장치는, 광빔이 각도 의존적 광학 소자에 충돌하기 전에 전송 장치를 통과하지 않은 경우보다 광빔이 각도 의존적 광학 소자에 충돌하기 전에 전송 장치를 통과한 경우에, 각도 의존적 광학 소자에 충돌하는 광빔의 2개의 상이한 전파 각도가 더 상이하게 되는 방식으로 전파 각도에 대한 의존성을 향상시킬 수 있다. 각도 의존성의 증가는 강한 거리 의존적 각도 의존성에 의해 표면 특성의 영향이 덜 뚜렷해지거나 심지어 억제될 수 있다. 전송 장치(128)는 광빔(116)의 전파 방향의 각도 의존성을 강화 및/또는 증폭시키도록 적응될 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2에 도시된 실시예는 단순히 대상체(112)의 종 방향 좌표 z를 결정하기 위한 실시예를 제공한다는 점에 유의해야 한다. 그러나, 도 1 및 도 2의 구성을 수정하여 대상체(112) 및/또는 그 일부의 횡 방향 좌표에 대한 추가 정보를 제공하는 것도 가능하다. 일 예로서, 전송 장치(128)와 광학 센서(118, 120) 사이에서, 광빔(116)의 하나 이상의 부분이 분기될 수 있고, 여기서 생성된 광 스폿의 횡 방향 위치로부터 대상체(112) 및/또는 그의 일부분의 횡 방향 좌표를 도출할 수 있는, 예를 들어, 하나 이상의 CCD 및/또는 CMOS 픽셀화된 센서 및/또는 쿼드런트 검출기 및/또는 다른 위치 감지 장치와 같은 위치 감지 장치로 안내될 수 있다. 횡 방향 좌표는 거리 정보의 품질을 검증 및/또는 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 더욱 상세한 설명을 위해, 일 예로서, 횡 방향 센서의 잠재적 해결책을 제공하는 전술한 종래 기술 문서 중 하나 이상을 참조할 수 있다.
도 4는 각도 의존적 광학 소자(130)의 각도 의존적 전송을 시각화한 도면이다. 각도 의존적 광학 소자(130)는 전송도가 대상체로부터 검출기(110)를 향해 전파하는 입사광빔이 각도 의존적 광학 소자(130)에 충돌하는 입사각에 좌우되도록 설계될 수 있다. 각도 의존적 광학 소자(130)는 더 작은 각도로 충돌하는 광선에 비해 더 큰 각도로 충돌하는 광선을 약화시키도록 설계될 수 있다. 특히, 컷오프 각도에서 전송도는 급격히 0으로 떨어질 수 있고, 입사각이 큰 광선은 컷오프될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 입사광빔(116)의 영역은 생성된 광빔(131)에서 각도 의존적 광학 소자(130)에 의해 컷오프된다.
도 5는 입사각 A의 함수로서 일정한 조사 전력에서 광 섬유의 W에서 전송 전력 P의 의존성을 도시한다. 수용 각도는 수직선으로 도시된다. 전송도는 광 섬유는 반사 효과를 무시하고, 광 섬유에 평행하게, 즉, 0°의 각도로 입사되는 광빔에 대해 최고일 수 있다. 더 높은 각도, 예를 들어, 1° 내지 10°의 각도에 대해, 전송도가 평행 광선에 대한 전송도의 약 80%로 완만하게 감소할 수 있고, 이 수준에서 광 섬유(138)의 수용 각도까지 일정하게 유지될 수 있다. 수용 각도에서, 전송도가 0으로 급격히 떨어질 수 있다. 입사각이 큰 광선이 컷오프될 수 있다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 거리 측정의 실험 결과를 나타낸다. 결정 거리 zmeas(mm 단위)는 대상체 거리 zobj(mm 단위)의 함수로 표시된다. 조명원(115)으로서, Flexpoint® Laser 구성 요소 모듈에서 사용 가능한 파장 980nm 및 평균 전력 2.4mW인 레이저가 사용되었다. 광학 센서(113)로서 2개의 Si 광검출기가 사용되었다. Thorlabs Fixed Focus Collimation 패키지 F220SMA-980에서 사용 가능한 광 섬유(138) 및 전송 장치(128)가 사용되었다. 도 6(a)에서 실선은 zmeas = zobj를 나타낸다. 측정을 위해, 대상체 거리가 다양하고, 두 가지 다른 유형의 대상체, 특히, 검은 종이 대상체, 곡선(156)(점선) 및 흰 종이 대상체, 곡선(158)(파선)이 사용되었다. 결정된 대상체 거리는 중소 거리의 경우 2% 이내, 원거리의 경우 10% 이내의 실제 거리와 일치한다. 도 6(b)에서, 2개의 광검출기의 신호를 거리 zobj(mm 단위)의 함수로 나누는 것에 의해 결정된 결합 신호 Q는 검은 종이 대상체에 대해 점선 및 흰색 종이 대상체에 대해 파선으로 도시된다. 2개의 대상체 유형 모두에 대해 결정된 몫은 중소 거리의 경우 2% 이내, 원거리의 경우 10% 이내에서 일치한다.
도 7은, 예를 들어, 도 1 또는 도 2에 도시된 실시예에 따른 검출기(110)의 예시적인 실시예를 매우 개략적인 도면으로 나타낸다. 검출기(110)는, 구체적으로, 카메라(156)로 구현될 수 있고/있거나 카메라(156)의 일부일 수 있다. 카메라(156)는 촬상, 특히, 3D 촬상용으로 제작될 수 있고, 정지 이미지 및/또는 디지털 비디오 클립과 같은 이미지 시퀀스를 획득하기 위해 제작될 수 있다. 다른 실시예도 가능하다.
도 7은 검출기 시스템(158)의 실시예를 나타내고, 이 검출기 시스템(158)은 적어도 하나의 검출기(110) 이외에, 하나 이상의 비콘 장치(114)를 포함하며, 이 예에서는, 이 비콘 장치(114)가 대상체(112)에 부착 및/또는 통합되고, 그로 인해 그 위치가 검출기(110)를 사용하여 검출될 수 있다. 또한, 도 7은 적어도 하나의 검출기 시스템(158)을 포함하는 인간-기계 인터페이스(160)와, 그 인간-기계 인터페이스(160)를 포함하는 엔터테인먼트 장치(162)의 예시적인 실시예를 추가로 나타낸다. 도면은 또한 검출기 시스템(158)을 포함하고, 대상체(112)의 위치를 추적하기 위한 추적 시스템(164)의 실시예를 나타낸다. 장치와 시스템의 구성 요소는 이하에 더 상세히 설명될 것이다.
도 7은, 예컨대, 대상체(112)를 스캐닝 및/또는 적어도 하나의 대상체(112)의 적어도 하나의 위치를 결정하기 위해, 대상체(112)를 포함하는 배경을 스캐닝하기 위한 스캐닝 시스템(166)의 예시적인 실시예를 추가로 나타낸다. 스캐닝 시스템(166)은 적어도 하나의 검출기(110)를 포함하고, 또한 적어도 하나의 조명원(115)과 적어도 하나의 추가 조명원(115)을 선택적으로 포함한다. 조명원(115)은 일반적으로 적어도 하나의 점(dot)의 조명, 예컨대, 비콘 장치(114)의 위치들 중 하나 이상 및/또는 대상체(112)의 표면 상에 위치하는 점의 조명을 위해 적어도 하나의 조명광빔(142)을 방출하도록 구성된다. 스캐닝 시스템(166)은 대상체(112) 및/또는 대상체(112)의 프로파일을 포함하는 배경의 프로파일을 생성하도록 설계될 수 있고/있거나, 적어도 하나의 검출기(110)를 사용하는 것에 의해, 적어도 하나의 점과 스캐닝 시스템(166), 특히, 검출기(110)와의 거리에 대한 적어도 하나의 정보 항목을 생성하도록 설계될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 7의 구성에 사용될 수 있는 검출기(110)의 예시적인 실시예는 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 따라서, 검출기(110)는, 광학 센서(118, 120) 이외에, 도 7에 상징적으로 도시된 바와 같이, 예컨대, 적어도 하나의 분배기(134) 및/또는 적어도 하나의 위치 평가 장치(136)를 구비하는 적어도 하나의 평가 장치(133)를 포함한다. 평가 장치(133)의 구성 요소는 전체적 또는 부분적으로 별개의 장치에 통합될 수 있고/있거나 검출기(110)의 다른 구성 요소에 전체적 또는 부분적으로 통합될 수 있다. 2개 이상의 구성 요소를 전체적 또는 부분적으로 결합할 가능성 외에, 하나 이상의 광학 센서(118, 120) 및 평가 장치(133)의 하나 이상의 구성 요소는, 도 7에 상징적으로 나타내는 바와 같이, 하나 이상의 커넥터(168) 및/또는 하나 이상의 인터페이스에 의해 상호 연결될 수 있다. 또한, 하나 이상의 커넥터(168)는 센서 신호를 변형 또는 전처리하기 위한 하나 이상의 드라이버 및/또는 하나 이상의 장치를 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 선택적인 커넥터(168)를 사용하는 대신, 평가 장치(133)는 광학 센서(118, 120) 및/또는 검출기(110)의 하우징(170) 내 중 하나 또는 양쪽 모두에 전체적 또는 부분적으로 통합될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 평가 장치(133)는 전체적 또는 부분적으로 별개의 장치로서 설계될 수 있다.
이러한 예시적인 실시예에서, 위치가 검출될 수 있는 대상체(112)는 스포츠 장비의 용품으로서 설계될 수 있고/있거나, 제어 요소 또는 제어 장치(172)를 형성할 수 있고, 그 위치는 사용자(174)에 의해 조작될 수 있다. 일 예로서, 대상체(112)는 배트, 라켓, 클럽 또는 임의의 다른 스포츠 장비 용품 및/또는 유사 스포츠 장비(fake sports equipment)이거나 이를 포함할 수 있다. 다른 유형의 대상체(112)가 가능하다. 또한, 사용자(174)는 사용자 자신이 그 위치가 검출되어야 하는 대상체(112)로 간주될 수 있다.
전술한 바와 같이, 검출기(110)는 적어도 광학 센서(120)를 포함한다. 광학 센서(118, 120)는 검출기(110)의 하우징(170) 내에 위치될 수 있다. 또한, 예컨대, 하나 이상의 렌즈를 포함하는 하나 이상의 광학 시스템과 같이, 적어도 하나의 전송 장치(128)가 바람직하게 구성될 수 있다.
바람직하게는 검출기(110)의 광축(126)을 중심으로 하여 위치되는 하우징(170) 내의 개구(176)는 검출기(110)의 시야 방향(178)을 바람직하게 정의할 수 있다. 광축(126)에 평행한 방향 또는 역평행한 방향(antiparallel direction)은 종 방향으로 정의될 수 있는 한편, 광축(126)에 수직인 방향은 횡 방향으로 정의될 수 있는 좌표계(180)가 정의될 수 있다. 도 7에 상징적으로 도시되는 좌표계(180)에서, 종 방향은 z로 표시되고, 횡 방향은 각각 x 및 y로 표시된다. 비직교 좌표계와 같은 다른 유형의 좌표계(180)도 실현 가능하다.
검출기(110)는 광학 센서(118, 120)뿐만 아니라, 선택적으로, 추가 광학 센서를 포함할 수 있다. 광학 센서(118, 120)는 제 1 광학 센서(118)가 제 2 광학 센서(120)의 일부를 덮도록, 예를 들어, 하나가 빔 경로 내에 배치되고, 다른 하나가 동일한 빔 경로에서 그 하나의 뒤에 배치될 수 있다. 그러나, 대안으로, 예를 들어, 다중 분기된 광 섬유를 사용하는 분기된 빔 경로가 가능할 수 있다. 분기된 빔 경로는 대상체(112) 및/또는 그것의 일부의 횡 방향 좌표를 결정하기 위해, 적어도 하나의 횡 방향 검출기 또는 횡 방향 센서에 대한 빔 경로를 분기시키는 것과 같이, 하나 이상의 추가 빔 경로 내에 추가의 광학 센서를 포함할 수도 있다. 그러나, 대안으로, 광학 센서(118, 120)는 동일한 종 방향 좌표에 위치될 수 있다.
하나 이상의 광빔(116)은 대상체(112) 및/또는 하나 이상의 비콘 장치(114)로부터 검출기(110)를 향해 전파하고 있다. 검출기(110)는 적어도 하나의 대상체(112)의 위치를 결정하도록 구성된다. 이러한 목적을 위해, 도 1 내지 도 6의 맥락에서 전술한 바와 같이, 평가 장치(133)는 광학 센서(118, 120)에 의해 제공된 센서 신호를 평가하도록 구성된다. 검출기(110)는 대상체(112)의 위치를 결정하도록 적응되고, 광학 센서(118, 120)는 광빔(131)을 검출하도록 적응된다. 조명원(115)이 사용되지 않는 경우, 비콘 장치(114) 및/또는 이들 비콘 장치(114) 중 적어도 하나는 발광 다이오드와 같은 집적된 조명원을 구비하는 능동 비콘 장치이거나 이를 포함할 수 있다. 조명원(115)이 사용되는 경우, 비콘 장치(114)는 반드시 능동 비콘 장치일 필요는 없다. 반대로, 예컨대, 거울, 역반사 소자(retro reflector), 반사 필름 등과 같은 적어도 하나의 반사면을 구비하는 집적된 반사 비콘 장치(114)와 같은 대상체(112)의 반사면이 사용될 수도 있다. 하나 이상의 렌즈에 의해 포커싱되는 것과 같이, 전송 장치(128)에 의해 직접 및/또는 변형된 후에 광빔(116)은 광학 센서(118, 120)의 감광 영역(122, 124)을 조명하는 적어도 하나의 광빔을 생성하는 각도 의존적 광학 소자(130)에 충돌한다. 평가에 대한 상세는 상술한 도 1 내지 도 6을 참조할 수 있다.
전술한 바와 같이, 검출기(110)를 사용하여 대상체(112)의 위치 및/또는 그것의 일부분의 위치를 결정하는 것은, 적어도 하나의 정보 항목을 기계(182)에 제공하기 위해, 인간-기계 인터페이스(160)를 제공하는 데 사용될 수 있다. 도 7에 개략적으로 도시되는 실시예에서, 기계(182)는 컴퓨터일 수 있고/있거나 컴퓨터를 포함할 수 있다. 다른 실시예도 가능하다. 평가 장치(133)는 심지어 컴퓨터 내와 같이, 기계(182)에 전체적 또는 부분적으로 통합될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 7은 또한 적어도 하나의 대상체(112) 및/또는 그 일부의 위치를 추적하도록 구성된 추적 시스템(164)의 예를 도시한다. 추적 시스템(164)은 검출기(110) 및 적어도 하나의 추적 제어기(184)를 포함한다. 추적 제어기(184)는 특정 시점에서 대상체(112)의 일련의 위치를 추적하도록 적응될 수 있다. 추적 제어기(184)는 독립적인 장치일 수 있고/있거나, 도 7에 도시되는 바와 같이, 기계(182), 특히, 컴퓨터 및/또는 평가 장치(133) 내에 전체적 또는 부분적으로 통합될 수 있다.
마찬가지로, 전술한 바와 같이, 인간-기계 인터페이스(160)는 엔터테인먼트 장치(162)의 일부를 형성할 수 있다. 기계(182), 특히, 컴퓨터는 엔터테인먼트 장치(162)의 일부를 또한 형성할 수도 있다. 따라서, 대상체(112)로서 기능하는 사용자(174)에 의해 및/또는 대상체(112)로서 기능하는 제어 장치(172)를 핸들링하는 사용자(174)에 의해, 사용자(174)는 적어도 하나의 제어 명령과 같은 적어도 하나의 정보 항목을 컴퓨터에 입력함으로써, 예컨대, 컴퓨터 게임의 과정을 제어하는 엔터테인먼트 기능을 변화시킨다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 검출기(110)의 추가의 예시적인 실시예를 매우 개략적으로 도시한 것이다. 이 실시예에서, 검출기(110)는 하나의 광학 측정 섬유(188)와 적어도 하나의 전송 장치(128)를 포함하는 적어도 하나의 측정 헤드(186)를 포함할 수 있다. 또한, 검출기(110)는 적어도 2개의 광학 센서(113)를 포함할 수 있다. 각각의 광학 센서(113)는 광학 측정 섬유(188)로부터 기원하는 적어도 하나의 광빔(190)에 의해 각각의 감광 영역(121)의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계될 수 있다. 적어도 하나의 평가 장치(133)는 센서 신호로부터 결합 신호 Q를 평가함으로써, 대상체(112)의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성될 수 있다. 측정 헤드(186)는 정확히 하나의 광학 측정 섬유(188)를 포함할 수 있다. 하나의 광학 측정 섬유(188)만을 사용하도록 하기 위해, 결합 신호 Q는 광학 측정 섬유의 말단에 배치된 적어도 2개의 광학 센서(113)로부터의 적어도 2개의 센서 신호에서 결정된다. 광학 측정 섬유(188)는 2개의 말단을 포함할 수 있다. 광학 측정 섬유(188)는 대상체(112)로부터 기원된 적어도 하나의 광빔을 수신하도록 적응된 적어도 하나의 수신 말단(192)을 포함할 수 있다. 광학 측정 섬유(188)는 대상체(112)로부터 기원된 광빔(116)이 광학 측정 섬유(188)를 떠나는 적어도 하나의 출구 말단(194)을 포함할 수 있다. 광학 센서(113)는 광학 측정 섬유(188)의 출구 말단(194) 내에 배치될 수 있다. 이 이론에 구속되기를 바라지 않고, 입사각이 동일하거나 광 섬유의 수용 각도보다 작다고 가정하면, 광학 측정 섬유(188)에 의해 수신된 광빔의 입사각은 이 입사각이 출구 각도(exit-angle)와 동일하도록 유지되는 것으로 생각된다. 따라서, 광빔(116)에 인코딩된 거리 정보는 본질적으로 보존될 수 있고 결합 신호 Q를 사용하여 평가될 수 있다. 도 8(a) 및 도 8(b)는 대상체로부터 기원하는 광빔(116)의 입사각이 상이한 2개의 실시예에서 각도 보존을 도시한다.
도 8(a) 및 도 8(b)에서, 광학 센서(113)는 CMOS 센서를 포함할 수 있다. 평가 장치(133)는 CMOS 센서의 센서 영역을 적어도 2개의 서브 영역으로 분할하도록 적응될 수 있다. 구체적으로, 평가 장치는 CMOS 센서의 센서 영역을 적어도 하나의 좌측 부분과 적어도 하나의 우측 부분 및/또는 적어도 하나의 상부와 적어도 하나의 하부로 나누도록 적응될 수 있다. 평가 장치(133)는 적어도 2개의 서브 영역의 센서 신호로부터 결합 신호 Q를 평가하는 것에 의해, 대상체(112)의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 CMOS 센서를 사용하면, 대상체(112)를 조명하기 위한 조명원(115)을 이동하게 할 수 있다. 특히, 적어도 하나의 광학 조명 섬유(196) 및 광학 측정 섬유(188)의 독자적인 이동이 가능할 수 있다.
측정 헤드(186)는 적어도 하나의 시준 렌즈를 포함하는 적어도 하나의 전송 장치(128)를 포함할 수 있다. 전송 장치(128)의 개구수는 광학 측정 섬유(188)의 개구수보다 작을 수 있다.
조명원(115) 및 광학 센서(113)는 베이스라인에 의해 구분될 수 있다. 베이스라인은 0.01m 미만, 바람직하게는 0.005m 미만, 더욱 바람직하게는 0.0025m 미만일 수 있다. 바이셀 또는 쿼드런트 다이오드의 부분 다이오드의 분할선은 베이스라인에 본질적으로 평행하거나 수직으로 배열될 수 있다.
여러 개의 측정 헤드(186)가 하나의 검출기 내에 사용될 수 있다. 일 예로서, 하나 초과의 조명원(115)이 다수의 광학 조명 섬유(196)를 통해 적어도 하나의 대상체(112)를 조명하기 위해 사용될 수 있다. 다수의 조명원(115)은 상이한 변조 주파수에서 변조될 수 있다. 다수의 광학 측정 섬유(188)는 광빔을 광학 센서(113)를 향해 안내하기 위해 사용될 수 있다. 다수의 광학 측정 섬유(188)가 적어도 2개의 광학 센서(113) 중 적어도 하나에 결합되는 경우, 다수의 조명원(115)의 기여는 상이한 변조 주파수의 기여를 산출하는 복조 절차에서 분리될 수 있다. 추가 예에서, 다수의 광학 측정 섬유(188)는 적어도 하나의 CMOS 센서 상에 결합될 수 있다. 그런 다음 CMOS 상의 광 스폿의 위치를 사용하여 다중 측정 섬유의 기여를 분리할 수 있다. CMOS 상의 광 스폿의 위치가 다중 측정 섬유의 기여를 구별하기 위해 사용될 수 있는 경우, 단일 조명원(115)은 적어도 하나의 광학 조명 섬유(196)를 통해 적어도 하나의 대상체(112)를 조명하기 위해 사용될 수 있다.
도 9는 검출기(110)의 추가의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한 것이다. 본 실시예에서의 검출기(110)는 도 8(a) 및 도 8(b)에 도시된 검출기(110)의 실시예에서와 같이 설계될 수 있다. 도 9의 실시예에서, 검출기(110)는 적어도 하나의 광학 조명 섬유(196)를 포함할 수 있다. 조명원(115)은 광학 조명 섬유(196)를 거쳐 대상체(112)를 조명하도록 적응될 수 있다. 광학 조명 섬유(196)는 적어도 하나의 도광 소자(light guiding element)이거나, 이를 포함할 수 있다. 광학 조명 섬유(196)는, 예컨대, 조명원(115)에 의해 생성된 적어도 하나의 조명광빔을 수신하도록 적응된 적어도 하나의 제 1 말단를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 조명원(115)은 광 섬유를 통해 안내될 수 있다. 광학 조명 섬유(196)는 조명광빔이 대상체의 조명을 위해 광학 조명 섬유(196)를 떠나는 적어도 하나의 제 2 말단를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 렌즈, 특히, 적어도 하나의 시준 렌즈가 제 2 말단에 위치될 수 있다. 도 9에 도시된 실시예에서, 광학 센서(113)는 바이셀의 부분 다이오드로서 배열될 수 있다. 광학 측정 섬유(188)와 광학 조명 섬유(196)는, 특히, 고정적으로 상호 연결될 수 있다.
광학 조명 섬유(196)를 사용하는 조명에 부가하거나 대안으로, 대상체(112)는 임의의 조명원(115)으로부터 생성된 광빔에 의해 조명될 수 있다. 특히, 대상체(112)의 조명은 광 섬유와는 독립적으로 수행될 수 있다.
도 10은 검출기(110)의 추가 실시예를 개략적으로 도시한다. 검출기(110)의 설명과 관련하여, 도 8(a) 내지 도 9의 설명이 참조된다. 본 실시예에서, 광학 센서(113)는 CMOS 센서로서 구현된다. 적어도 하나의 CMOS 센서를 사용하면, 대상체(112)를 조명하기 위한 조명원(115)을 이동하게 할 수 있다. 특히, 적어도 하나의 광학 조명 섬유(196) 및 광학 측정 섬유(188)의 독자적인 이동이 가능할 수 있다. 광학 조명 섬유(196) 및 광학 센서(113)는 베이스라인에 의해 구분될 수 있다. 베이스라인은 0.01m 미만, 바람직하게는 0.005m 미만, 더 바람직하게는 0.0025m 미만일 수 있다.
도 11 및 도 12는 OSRAM에서 구입 가능한 625nm-LED, Basler 사로부터의 daA2500-14μm, 2592픽셀x1944픽셀로 사용 가능한 CMOS 칩, SICK LL3 시리즈의 DB01로 사용 가능한 광 섬유, 개구수가 0.64이고 초점 길이가 4.03mm인 Thorlabs 사의 C340TMD-A으로 사용 가능한 렌즈를 사용한 측정 구성의 측정 결과를 도시한다. 도 11에는, CMOS 픽셀 번호 N의 함수로써 10 내지 100mm의 대상체 거리가 상이한 광 스폿의 정규화된 방사 강도 프로파일 이 도시된다. 특히, 파선은 20mm의 대상체 거리, 점선은 40mm의 대상체 거리, 짙은 파선은 60mm의 대상체 거리, 일점 쇄선은 80mm의 대상체 거리 및 이점 쇄선은 100 mm의 대상체 거리를 나타낸다. 스폿 프로파일은 대상체 거리에 따른 차이를 도시한다. 전술한 바와 같이, 평가 장치(133)는 CMOS 센서의 센서 영역을, 예를 들어, 적어도 하나의 좌측 부분과 적어도 하나의 우측 부분 및/또는 적어도 하나의 상부와 적어도 하나의 하부 및/또는 적어도 하나의 내부 부분과 적어도 하나의 외부 부분으로 나누도록 적응될 수 있다. 평가 장치(133)는 적어도 2개의 서브 영역의 센서 신호로부터 결합 신호 Q를 평가하는 것에 의해, 대상체(112)의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성될 수 있다. 도 12는 대상체 거리 z(mm 단위)의 함수로서 CMOS 센서의 내측 및 외측 부분의 센서 신호를 나누어 결정된 정규화된 결합 센서 신호 Q를 도시한다. 도 12에서, 결합 센서 신호의 거리 의존성이 관찰된다.
도 13(a) 내지 도 13(mm)은 측정 헤드(186)의 평면도를 도시한다. 측정 헤드(186)는 적어도 하나의 하우징, 예를 들어, 적어도 하나의 금속 하우징 및/또는 플라스틱 하우징을 포함할 수 있다. 각각의 측정 헤드(186)는 복수의 섬유, 구체적으로, 복수의 적어도 하나의 광학 조명 섬유(196) 및/또는 적어도 하나의 광학 측정 섬유(188)를 포함할 수 있다. 특히, 도 13(a), 도 13(b), 도 13(f), 도 13(g), 도 13(h), 도 13(l), 도 13(m), 도 13(n), 도 13(r), 도 13(s), 및 도 13(x)는 하나의 광학 조명 섬유(196) 및 두 개의 광학 측정 섬유(188)를 구비하는 측정 헤드(186), 구체적으로는 대상체(112)로부터 기원하는 광빔을 제 1 광학 센서(113)에 제공하도록 적응된 제 1 광학 측정 섬유(198), 및 대상체(112)로부터 기원하는 광빔을 제 2 광학 센서(113)로 제공하도록 적응된 제 2 광학 측정 섬유(200)의 실시예를 도시한다. 측정 헤드(186)는 방사상으로 배열되거나 방사상 대칭인 설계를 적어도 하나 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 광학 측정 섬유(198)와 제 2 광학 측정 섬유(200) 또는 광학 조명 섬유(196)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 2개의 소자는 동심으로 배열되고, 공통 중심축을 갖거나 공유할 수 있다. 예를 들어, 도 13(b), 도 13(h) 및 도 13(n)에 도시된 바와 같이, 제 1 광학 측정 섬유(198), 제 2 광학 측정 섬유(200) 및 광학 조명 섬유(196)는 동심으로 배열되고 공통 중심축을 갖거나 공유할 수 있다. 방사상으로 배열되거나 방사상 대칭인 설계의 다른 실시예들이 가능하다. 예를 들어, 도 13(gg), 도 13(kk) 및 도 13(ll)에 도시된 바와 같이, 제 1 광학 측정 섬유(198)와 제 2 광학 측정 섬유(200) 또는 광학 조명 섬유(196)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 복수의 적어도 하나의 소자는 제 1 광학 측정 섬유(198)와 제 2 광학 측정 섬유(200) 또는 광학 조명 섬유(196)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 다른 소자 둘레에 방사상으로 배열될 수 있다. 방사상으로 배열되거나 방사상 대칭인 설계는, 특히, 대상체의 측정 지점에서의 강한 흑백 콘트라스트에서 또는 오목하거나 볼록한 표면의 측정을 위해 측정값의 강건성을 향상시킬 수 있다. 도 13(c), 도 13(d), 도 13(e), 도 13(i), 도 13(j), 도 13(k), 도 13(o), 도 13(p), 도 13(q), 도 13(t), 도 13(u), 도 13(v), 도 13(w), 도 13(y), 도 13(z) 및 도 13(aa) 내지 도 13(mm)은 측정 헤드(186) 내의 상이한 수의 광학 조명 섬유(196), 제 1 광학 측정 섬유(198) 및 제 2 광학 측정 섬유(200)의 다른 가능한 배열을 도시한다. 측정 헤드(186) 내의 섬유의 다른 배열을 생각할 수 있다.
측정 헤드(186)는 하나 이상의 전송 장치(128), 특히, 시준 렌즈를 포함할 수 있다. 도 14(a) 내지 도 14(mm)은 측정 헤드(186)에서의 렌즈 배열의 실시예의 평면도를 도시한다. 도 14(a) 내지 도 14(mm)의 측정 헤드(186)에서의 섬유 배열은 도 13(a) 내지 도 13(mm)에 도시된 배열에 대응하며, 도 14(a) 및 도 14(a1), 도 14(c1) 및 도 14(c2)에서 도 13(a) 및 도 13(c)의 섬유 배열에 대한 2개의 실시예가 각각 도시된다. 명확성을 위해, 각각의 섬유의 도면 부호는 도 13(a) 내지 도 13(mm)을 참조하도록 생략되었다. 도 14(a), 도 14(aa), 도 14(bb), 도 14(c2), 도 14(e), 도 14(ee), 도 14(h), 도 14(hh), 도 14(jj), 도 14(k), 도 14(m), 도 14(mm), 도 14(o), 도 14(r), 도 14(v), 도 14(y), 도 14(z)에 도시된 측정 헤드(186)는 모든 섬유의 전방에 배치된 하나의 전송 장치(128)를 포함한다. 도 14(a1), 도 14(c1), 도 14(dd), 도 14(f), 도 14(ff), 도 14(g), 도 14(i), 도 14(kk), 도 14(l), 도 14(p), 도 14(u), 도 14(x)는 섬유 전방에 2개 이상의 전송 장치(128)를 포함하는 측정 헤드(186)를 도시한다. 도 14(b), 도 14(d), 도 14(cc), 도 14(gg), 도 14(ii), 도 14(j), 도 14(n), 도 14(ll), 도 14(s), 도 14(t), 도 14(w), 도 14(q)는 기능이 동일한 섬유를 위한 적어도 하나의 분리 렌즈(128)를 포함하는 측정 헤드(186)를 도시한다. 예를 들어, 도 14(b), 도 14(cc), 도 14(d), 도 14(ii), 도 14(j), 도 14(ll), 도 14(t) 및 도 14(q)에서, 측정 헤드(186)는 모든 섬유를 덮는 전송 장치(128) 및 광학 조명 섬유(196)만을 추가로 덮는 분리 렌즈(128)를 포함한다. 예를 들어, 도 14(gg)에서, 측정 헤드(186)는 2개의 전송 장치(128)를 포함한다. 제 1 전송 장치(128)는 제 1 광학 조명 섬유(196) 및 제 1 광학 조명 섬유(196) 둘레에 방사상으로 배열된 복수의 제 1 광학 측정 섬유(198)를 덮을 수 있고, 제 2 전송 장치(128)는 제 2 광학 조명 섬유(196)를 덮을 수 있고, 복수의 제 2 광학 측정 섬유(200)는 하나의 제 2 광학 조명 섬유(196) 둘레에 방사상으로 배열된다. 또한, 도 14(gg)에는 제 1 및 제 2 조명 섬유(196)만을 추가로 덮는 2개의 개별 전송 장치(128)가 도시되어 있다. 예를 들어, 도 14(n)은 제 1 전송 장치(128)가 모든 광 섬유를 덮을 수 있고, 제 2 개별 전송 장치(128)가 제 1 광학 측정 섬유(198) 및 제 2 광학 측정 섬유(200)를 덮을 수 있고, 또한 제 3 개별 전송 장치(128)가 제 1 광학 측정 섬유(198)만을 덮을 수 있는 실시예를 도시한다. 예를 들어, 도 14(s)는 3개의 전송 장치(128), 즉, 제 2 광학 측정 섬유(200)만을 덮는 제 1 전송 장치(128), 제 1 광학 측정 섬유(198)와 광학 조명 섬유(196)의 양쪽 모두를 덮는 제 2 전송 장치(128), 및 제 1 광학 측정 섬유(198)만을 덮는 제 3 전송 장치(128)를 구비하는 실시예를 도시한다. 예를 들어, 도 14(w)는 2개의 전송 장치, 즉, 모든 섬유를 덮는 제 1 전송 장치(128) 및 제 1 광학 측정 섬유(198)와 제 2 광학 측정 섬유(200)를 덮는 적어도 하나의 개별 렌즈(128)를 포함하는 측정 헤드(186)를 도시한다. 제 1 측정 섬유 및/또는 제 2 측정 섬유 및/또는 조명 섬유의 광 경로, 및/또는 2개 이상의 전송 장치의 광 경로는, 내부 반사를 피하기 위해, 완전히 또는 부분적으로 불투명한 기계적 벽이나 클래딩 등과 같은 기계적 수단에 의해 완전히 또는 부분적으로 광 분리될 수 있다.
도 15(a) 내지 도 15(d)는 측정 헤드(186)에서의 섬유 및 렌즈 배열의 실시예의 측면도를 도시한다. 도 15(a)는 도 13(ff) 및 도 14(ff)에 도시된 섬유 및 렌즈 배열에 대응한다. 측정 헤드(186)는 광학 조명 섬유(196) 및 수신 광 섬유, 즉, 적어도 하나의 제 1 광학 측정 섬유(198) 및 적어도 하나의 제 2 광학 측정 섬유(200)를 위한 개별 전송 장치를 포함할 수 있다. 측정 헤드(186)는 하나의 광학 조명 섬유(196)를 포함할 수 있다. 측정 헤드(186)는, 특히, 광학 조명 섬유(196)로부터 벗어나 제 2 광학 측정 섬유(200) 둘레에 방사상으로 배열된 6개의 제 1 광학 측정 섬유(198)로 둘러싸인 하나의 제 2 광학 측정 섬유(200)를 포함할 수 있다. 측정 헤드(186)는 광학 조명 섬유(196) 앞에 배치될 수 있는 제 1 전송 장치(128), 및 제 1 광학 측정 섬유(198) 및 제 2 광학 측정 섬유(200)를 덮을 수 있는 제 2 전송 장치(128)를 포함할 수 있다.
도 15(b) 내지 도 15(d)는 하나의 광학 조명 섬유(198), 6개의 제 1 광학 측정 섬유(198) 및 6개의 제 2 광학 측정 섬유(200)를 포함하는 측정 헤드(186)의 실시예를 도시한다. 도 15(b)에서, 광학 조명 섬유(196)가 6개의 제 1 광학 측정 섬유(198)에 의해 방사상으로 둘러싸인 중심에 배열되는 배열체가 도시되어 있다. 제 1 광학 측정 섬유(198)는 6개의 제 2 광학 측정 섬유(200)에 의해 방사상으로 둘러싸일 수 있다. 측정 헤드(186)는 광학 조명 섬유(196) 및 수신 섬유에 대한 하나의 전송 장치(128)를 포함할 수 있다. 수신 섬유에 대한 신호 오프셋을 생성할 수 있는 전송 장치에서 내부 반사가 발생할 수 있다. 도 15(b)는 베이스라인이 없는 방사상 배열체의 실시예를 도시한다. 도 15(c)에, 유사한 섬유 배열체가 도시되어 있지만, 측정 헤드(186)는 광학 조명 섬유(196) 및 수신 섬유에 대한 개별 전송 장치(128)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 광학 조명 섬유(196)는 내부 반사가 방지될 수 있도록 전송 장치(128)까지 안내될 수 있다. 본 실시예는 베이스라인이 없는 방사상 배열체를 도시한다. 도 15(d)는 광 조명 섬유(196)가 배열체의 중심으로부터 벗어나 배열되는 섬유 배열체를 도시한다. 본 실시예에서, 광학 조명 섬유(196)는 내부 반사가 방지될 수 있도록 전송 장치(128)까지 안내될 수 있다.
도 16(a) 내지 도 16(f)는 섬유 단부에서의 상이한 렌즈 배열을 도시한다. 전술한 바와 같이, 적어도 하나의 전송 장치(128)는 광 섬유의 말단에 배치될 수 있다. 전송 장치(128)는 하나의 광 섬유에 직접 부착되거나 광 섬유 다발에 부착될 수 있다. 대안적으로, 전송 장치(128)는 적어도 하나의 스페이서 소자(202)를 사용하여 광 섬유나 광 섬유 다발에 부착될 수 있다. 도 16(a)는 광 섬유 또는 광 섬유 다발을 도시한다. 도 16(b)는 적어도 하나의 오목 렌즈가 부착된 광 섬유 또는 광 섬유 다발을 도시한다. 도 16(c)는 적어도 하나의 볼록 렌즈가 부착된 광 섬유 또는 광 섬유 다발을 도시한다. 도 16(d)는 적어도 하나의 구면 렌즈가 부착된 광 섬유 또는 광 섬유 다발을 도시한다. 도 16(e)는 적어도 하나의 원추형 렌즈 또는 적어도 하나의 팁형 렌즈가 부착된 광 섬유 또는 광 섬유 다발을 도시한다. 도 16(f)는 적어도 하나의 프리즘 형상 렌즈, 특히, 비회전식 대칭 렌즈가 부착된 광 섬유 또는 광 섬유 다발을 도시한다. 도 17은 측정 헤드(186)의 추가 실시예를 도시한다. 도 17의 렌즈 및 섬유 배열체는 도 15(a)에 도시된 렌즈 및 섬유 배열체에 대응한다. 도 17에서, 측정 헤드(186)는 또한 전송 장치(128)를 광 섬유에 부착하도록 적응된 스페이서 소자(202)를 포함한다. 제 1 측정 섬유 및/또는 제 2 측정 섬유 및/또는 조명 섬유의 광 경로, 및/또는 2개 이상의 전송 장치의 광 경로는, 내부 반사를 피하기 위해, 완전히 또는 부분적으로 불투명한 기계적 벽이나 클래딩 등과 같은 기계적 수단에 의해 완전히 또는 부분적으로 광 분리될 수 있다. 기계적 수단에 의한 이러한 광 분리는 스페이서 소자(202)의 일부일 수 있다.
도 18은 배경의 깊이 프로파일을 결정하기 위한 스캐닝 시스템(166)의 추가 실시예를 도시한다. 스캐닝 시스템(166)은 적어도 하나의 검출기(110)를 포함한다. 스캐닝 시스템은, 여기에 도시하지는 않지만, 조명광빔 또는 주사광빔으로도 지칭될 수 있는 적어도 하나의 광빔으로 배경을 스캔하도록 적응된 적어도 하나의 조명원(115)을 더 포함한다. 스캐닝 시스템은 2차원 또는 3차원 범위의 적어도 하나의 기하학적 또는 공간적 특성이 검출기로 평가될 수 있도록, 검출기에 의해 가시인 2차원 또는 3차원 범위, 특히, 관심 영역을 스캐닝하도록 적응될 수 있다.
검출기(110)는 대상체(112)로부터 생성되는 적어도 하나의 광빔을 도시하지 않은 제 1 광학 센서(113)에 제공하도록 적응된 적어도 하나의 제 1 광학 측정 섬유(198)와, 대상체(112)로부터 생성되는 광빔을 도시하지 않은 제 2 광학 센서(113)에 제공하도록 적응된 적어도 하나의 제 2 광학 측정 섬유(200)를 구비하는 적어도 하나의 측정 헤드(186)를 포함한다. 도 18에는, 검출기가 제 2 광학 측정 섬유(200) 및 제 2 광학 측정 섬유(200) 둘레에 배열된 6개의 제 1 광학 측정 섬유(198)를 포함하는 실시예가 도시된다. 구체적으로, 각각의 광학 측정 섬유(188)는 적어도 2개의 단부, 즉, 출구 말단(exit-end)으로도 표시되는 말단부(distal end)와, 수신 단단(receiving end)으로도 표시되는 적어도 하나의 전단부(proximal end)를 구비할 수 있다. 전단부는 측정 헤드 내에 배치 및/또는 측정 헤드에 부착될 수 있다. 각각의 전단부는 대상체(112)로부터 생성되는 광빔을 각각의 광학 측정 섬유(188)에 결합시키도록 적응될 수 있다. 말단부는 광학 센서(113)에 더 가깝게 배치될 수 있고, 광학 측정 섬유(188)를 통해 전단부로부터 말단부로 진행하는 광빔이 말단부에서 광학 측정 섬유(188)를 떠나 각각의 광학 센서(113)를 조명하도록 배치될 수 있다.
측정 헤드(186)는 적어도 하나의 전송 장치(128)를 더 포함할 수 있다. 전송 장치(128)는 광학 측정 섬유(188)의 전방에 배치될 수 있다. 전송 장치(128)는 대상체(112)로부터 생성되는 광빔을 전단부 상에 포커싱하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 전송 장치(128)는 적어도 하나의 오목 렌즈, 적어도 하나의 볼록 렌즈, 적어도 하나의 구면 렌즈, 적어도 하나의 팁형 렌즈(tip-shaped lens), 적어도 하나의 프리즘 형상 렌즈, 특히, 비회전 대칭 렌즈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 전송 소자를 포함할 수 있다. 또한, 측정 헤드는 전송 장치(128)를 광학 측정 섬유(188)에 부착하도록 적응된 적어도 하나의 스페이서 소자(202)를 포함할 수 있다. 제 1 측정 섬유(198) 및 제 2 측정 섬유(200)의 광 경로는 내부 반사를 피하기 위해 완전히 또는 부분적으로 불투명한 기계적 벽이나 클래딩 등과 같은 기계적 수단에 의해 완전히 또는 부분적으로 광 분리될 수 있다. 기계적 수단에 의한 이러한 광 분리는 스페이서 소자(202)의 일부일 수 있다.
검출기(110)는 적어도 하나의 광학 조명 섬유(196)를 포함할 수 있다. 조명원(115)은 광학 조명 섬유(196)를 거쳐 대상체(112)를 조명하도록 적응될 수 있다. 광학 조명 섬유는 적어도 하나의 광빔을 수신하도록 적응된 적어도 하나의 제 1 말단 및 대상체(112)를 조명하기 위해 적어도 하나의 광빔이 광학 조명 섬유(196)를 떠나는 적어도 하나의 제 2 말단을 포함할 수 있다. 광학 조명 섬유(196)의 제 2 말단은 적어도 측정 헤드(186) 내에 배치될 수 있고/있거나 측정 헤드(186)에 부착될 수 있다. 광학 조명 섬유(196)는, 예를 들어, 광학 측정 섬유(188)와 함께 다발로 광학 측정 섬유(188)의 팽창 방향에 평행하게 배치될 수 있다. 검출기는 광학 조명 섬유(196) 전방에 배치될 수 있는 적어도 하나의 추가 전송 장치(128)를 포함할 수 있다.
스캐닝 시스템(166)은 관심 영역을 스캐닝하기 위해 측정 헤드(186)를 이동시키도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터(204)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 액추에이터는 광학 측정 섬유(188) 및/또는 광학 조명 섬유(196)에 부착 및/또는 결합 및/또는 연결될 수 있고, 광학 측정 섬유(188) 및/또는 광학 조명 섬유(196)가 이동하도록 하는 힘, 특히, 진동하도록 하는 힘을 생성하도록 적응될 수 있다. 따라서, 광학 측정 섬유(188) 및/또는 광학 조명 섬유(196)를 구동시킴으로써 측정 헤드(186)가 이동한다. 액추에이터(204)는 광학 측정 섬유(188) 및/또는 광학 조명 섬유(196)의 고유 공진 주파수의 고조파에 대응하는 힘을 생성하도록 적응될 수 있다. 액추에이터(204)는 적어도 하나의 전자 기계 액추에이터 및/또는 적어도 하나의 피에조 액추에이터를 포함할 수 있다. 피에조 액추에이터는 적어도 하나의 피에조 세라믹 액추에이터와, 적어도 하나의 압전 액추에이터로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 액추에이터를 포함할 수 있다. 액추에이터(204)는 측정 헤드(186), 특히, 광학 조명 섬유(196) 및/또는 광학 측정 섬유(188)가 진동하도록 구성될 수 있다. 액추에이터(204)는 선형 스캔 및/또는 방사형 스캔 및/또는 나선형 스캔에서 측정 헤드(186)가 이동되도록 적응될 수 있다. 도 18에는, 측정 헤드(186)의 예시적인 움직임이 도시되어 있다. 예를 들어, 액추에이터(204)는 측정 헤드(186)를 상하로 이동시키기 위해 광 섬유(188, 196)에 힘이 발생하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 액추에이터(204)는 측정 헤드(186)가 사전 정의된 반경을 갖는 궤도에서 이동하도록 광 섬유(188, 196)에 힘이 발생하게 구성될 수 있다. 반경은 조정 가능할 수 있다. 예를 들어, 액추에이터(204)는 측정 헤드(186)가 교대로 감소하거나 증가하는 반경과 같은 나선형으로 이동하는 힘이 발생하도록 적응될 수 있다.
도 19는 스캐닝 시스템(166)의 다른 실시예를 도시한다. 도 19는 측정 헤드(186)의 정면도를 도시한다. 본 실시예에서, 측정 헤드(186)는 복수의 제 1 측정 섬유(198) 및 광학 조명 섬유(196) 둘레에 방사상으로 배열된 복수의 제 2 측정 섬유(200)를 포함할 수 있다. 광학 조명 섬유(198)는 액추에이터(204)에 의해 이동 가능할 수 있다. 광학 조명 섬유(198)는 제 1 측정 섬유(198) 및 제 2 측정 섬유(200)에 대해 나선형 이동 및/또는 원형 이동을 수행하여 나선형 또는 원형 스캔을 허용하도록 적응될 수 있다. 평가 장치(133)는 광학 조명 섬유(196)의 위치를 교정하고, 광학 조명 섬유(196)의 위치에 따라 결합 신호 Q로부터의 거리를 평가하도록 적응될 수 있다. 검출기(110)는 광 섬유(138) 전방에 배치될 수 있는 적어도 하나의 추가 전송 장치(128)를 포함할 수 있다.
110 검출기
112 대상체
113 광학 센서
114 비콘 장치
115 조명원
116 광빔
118 제 1 광학 센서
120 제 2 광학 센서
121 감광 영역
122 제 1 감광 영역
124 제 2 감광 영역
126 검출기의 광축
128 전송 장치
129 전송 장치의 광축
130 각도 의존적 광학 소자
131 광빔
132 제 1 측면
133 평가 장치
134 분배기
136 위치 평가 장치
138 광 섬유
140 조명 섬유
142 광빔
144 제 1 섬유
146 제 2 섬유
148 입구 말단
150 출구 말단
152 제 1 광빔
154 제 2 광빔
156 카메라
158 검출기 시스템
160 인간-기계 인터페이스
162 엔터테인먼트 장치
164 추적 시스템
166 스캐닝 시스템
168 커넥터
170 하우징
172 제어 장치
174 사용자
176 개구
178 시야 방향
180 좌표계
182 기계
184 추적 제어기
186 측정 헤드
188 광학 측정 섬유
190 광빔
192 수신 말단
194 출구 말단
196 광학 조명 섬유
198 제 1 광학 측정 섬유
200 제 2 광학 측정 섬유
202 스페이서 소자
204 액추에이터
206 제 1 대상체 거리
208 제 2 대상체 거리
210 제 2 광빔
112 대상체
113 광학 센서
114 비콘 장치
115 조명원
116 광빔
118 제 1 광학 센서
120 제 2 광학 센서
121 감광 영역
122 제 1 감광 영역
124 제 2 감광 영역
126 검출기의 광축
128 전송 장치
129 전송 장치의 광축
130 각도 의존적 광학 소자
131 광빔
132 제 1 측면
133 평가 장치
134 분배기
136 위치 평가 장치
138 광 섬유
140 조명 섬유
142 광빔
144 제 1 섬유
146 제 2 섬유
148 입구 말단
150 출구 말단
152 제 1 광빔
154 제 2 광빔
156 카메라
158 검출기 시스템
160 인간-기계 인터페이스
162 엔터테인먼트 장치
164 추적 시스템
166 스캐닝 시스템
168 커넥터
170 하우징
172 제어 장치
174 사용자
176 개구
178 시야 방향
180 좌표계
182 기계
184 추적 제어기
186 측정 헤드
188 광학 측정 섬유
190 광빔
192 수신 말단
194 출구 말단
196 광학 조명 섬유
198 제 1 광학 측정 섬유
200 제 2 광학 측정 섬유
202 스페이서 소자
204 액추에이터
206 제 1 대상체 거리
208 제 2 대상체 거리
210 제 2 광빔
Claims (36)
- 적어도 하나의 대상체(112)의 위치를 결정하는 검출기(110)로서,
- 상기 대상체(112)로부터 상기 검출기(110)를 향해 전파되고 각도 의존적 광학 소자(130)를 조명하는 입사광빔(116)의 입사각에 따라 적어도 하나의 빔 프로파일을 갖는 적어도 하나의 광빔(131)을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 각도 의존적 광학 소자(130) ― 상기 각도 의존적 광학 소자(130)는, 적어도 하나의 광 섬유와, 상기 검출기의 광축에 수직인 적어도 하나의 평면에 배열된 적어도 하나의 렌즈 어레이와, 적어도 하나의 광 간섭 필터, 및 적어도 하나의 비선형 광학 소자로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 광학 소자를 포함함 ― 와,
- 적어도 하나의 전송 장치(128) ― 상기 전송 장치(128)는, 상기 대상체(112)로부터 상기 검출기(110)로 전파되는 적어도 하나의 입사광빔(116)에 응답하여 적어도 하나의 초점 길이를 가짐 ― 와,
- 적어도 2개의 광학 센서(113) ― 각각의 광학 센서(113)는 적어도 하나의 감광 영역(121)을 구비하고, 상기 각도 의존적 광학 소자(130)에 의해 생성된 상기 광빔(131)에 의한 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ― 와,
- 상기 센서 신호로부터 결합 신호 Q를 평가함으로써, 상기 대상체(112)의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 평가 장치(133)를 포함하며,
상기 평가 장치(133)는, 상기 센서 신호를 나누는 것, 상기 센서 신호의 배수를 나누는 것, 상기 센서 신호의 선형 조합을 나누는 것 중 하나 이상에 의해 상기 결합 신호 Q를 도출하도록 구성되고,
상기 평가 장치(133)는, 상기 종 방향 좌표를 결정하기 위해 상기 결합 신호 Q와 상기 종 방향 좌표 사이의 적어도 하나의 사전 결정된 관계를 사용하도록 구성되는,
검출기(110). - 제 1 항에 있어서,
상기 검출기(110)는 상기 대상체(112)를 조명하기 위한 조명원(115)을 더 포함하는
검출기(110). - 제 2 항에 있어서,
상기 조명원(115)은, 상기 각도 의존적 광학 소자(130)를 통해 상기 대상체(112)를 조명하도록 구성되는
검출기(110). - 제 2 항에 있어서,
상기 조명원(115)과 상기 광학 센서(113) 사이에서 상기 검출기(110)의 광축(126)에 수직인 거리는 작으며, 상기 조명원(115)과 상기 광학 센서(113) 사이에서 상기 검출기(110)의 상기 광축(126)에 수직인 상기 거리는 0.01m 미만인
검출기(110). - 제 2 항에 있어서,
상기 각도 의존적 광학 소자(130)는, 적어도 하나의 입구면을 구비하는 적어도 하나의 광 섬유를 포함하고,
상기 조명원(115)과 상기 광 섬유의 상기 입구면 사이에서 상기 검출기(110)의 광축(126)에 수직인 거리는 작으며, 상기 조명원(115)과 상기 광 섬유의 상기 입구면 사이에서 상기 검출기(110)의 상기 광축(126)에 수직인 상기 거리는 0.01m 미만인
검출기(110). - 제 2 항에 있어서,
상기 각도 의존적 광학 소자(130)는, 각각 적어도 하나의 입구면을 구비하는 적어도 2개의 광 섬유를 포함하되,
상기 입구면은, 동심원으로 또는 서로의 상부 또는 서로 평행하거나 나란하게 배치되고,
하나 또는 두개의 입구면과 상기 조명원(115) 사이에서 상기 검출기(110)의 광축(126)에 수직인 거리는, 0.01m 미만인,
검출기(110). - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 평가 장치(133)는, 다음의 식,
에 의해 상기 결합 신호 Q를 도출하도록 구성되고,
x 및 y는 횡 방향 좌표이고, A1 및 A2는 상기 광학 센서(113)의 센서 위치에서의 빔 프로파일 영역이고, E(x,y,z0)는 대상체 거리 z0에서 주어진 빔 프로파일을 나타내는,
검출기(110). - 제 1 항에 있어서,
상기 광학 센서(113)는 초점을 벗어난 위치에 있는,
검출기(110). - 제 1 항에 있어서,
상기 각도 의존적 광학 소자는 적어도 하나의 입구면을 구비하는 적어도 하나의 광 섬유를 포함하고,
상기 입구면은 초점을 벗어난 위치에 있는,
검출기(110). - 제 1 항에 있어서,
각각의 센서 신호는, 상기 각도 의존적 광학 소자(130)에 의해 생성된 상기 광빔(131)의 빔 프로파일의 적어도 하나의 영역의 적어도 하나의 정보를 포함하고,
상기 빔 프로파일은, 사다리꼴 빔 프로파일과, 삼각형 빔 프로파일과, 원추형 빔 프로파일과, 가우스 빔 프로파일들의 선형 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
검출기(110). - 제 12 항에 있어서,
상기 감광 영역(121)은, 제 1 센서 신호가 상기 빔 프로파일의 제 1 영역의 정보를 포함하고, 제 2 센서 신호가 상기 빔 프로파일의 제 2 영역의 정보를 포함하도록 배치되며,
상기 빔 프로파일의 상기 제 1 영역 및 상기 빔 프로파일의 상기 제 2 영역은, 인접 영역 또는 중첩 영역 중 하나 또는 두개 모두이며,
상기 평가 장치(133)는, 상기 빔 프로파일의 상기 제 1 영역 및 상기 빔 프로파일의 상기 제 2 영역을 결정하도록 구성되고,
상기 빔 프로파일의 상기 제 1 영역은, 본질적으로 상기 빔 프로파일의 가장자리 정보를 포함하고, 상기 빔 프로파일의 상기 제 2 영역은, 본질적으로 상기 빔 프로파일의 중심 정보를 포함하고,
상기 가장자리 정보는, 상기 빔 프로파일의 상기 제 1 영역에서의 다수의 광자에 관한 정보를 포함하고, 상기 중심 정보는, 상기 빔 프로파일의 상기 제 2 영역에서의 다수의 광자에 관한 정보를 포함하며,
상기 평가 장치(133)는, 상기 가장자리 정보와 상기 중심 정보를 나누는 것, 상기 가장자리 정보와 상기 중심 정보의 배수를 나누는 것, 및 상기 가장자리 정보와 상기 중심 정보의 선형 조합을 나누는 것 중 하나 이상에 의해 결합 신호 Q를 도출하도록 구성되는,
검출기(110). - 제 12 항에 있어서,
상기 각도 의존적 광학 소자는, 입구면을 각각 구비하는 2개의 광 섬유를 포함하고,
상기 입구면은, 제 1 센서 신호가 상기 빔 프로파일의 제 1 영역의 정보를 포함하고, 제 2 센서 신호가 상기 빔 프로파일의 제 2 영역의 정보를 포함하도록 배치되며,
상기 빔 프로파일의 상기 제 1 영역 및 상기 빔 프로파일의 상기 제 2 영역은, 인접 영역 또는 중첩 영역 중 하나 또는 두개 모두이고,
상기 평가 장치(133)는, 상기 빔 프로파일의 상기 제 1 영역 및 상기 빔 프로파일의 상기 제 2 영역을 결정하도록 구성되고,
상기 빔 프로파일의 상기 제 1 영역은, 본질적으로 상기 빔 프로파일의 가장자리 정보를 포함하고, 상기 빔 프로파일의 상기 제 2 영역은 본질적으로 상기 빔 프로파일의 중심 정보를 포함하고,
상기 가장자리 정보는, 상기 빔 프로파일의 상기 제 1 영역에서의 다수의 광자에 관한 정보를 포함하고, 상기 중심 정보는 상기 빔 프로파일의 상기 제 2 영역에서의 다수의 광자에 관한 정보를 포함하며,
상기 평가 장치(133)는, 상기 가장자리 정보와 상기 중심 정보를 나누는 것, 상기 가장자리 정보와 상기 중심 정보의 배수를 나누는 것, 및 상기 가장자리 정보와 상기 중심 정보의 선형 조합을 나누는 것 중 하나 이상에 의해 결합 신호 Q를 도출하도록 구성되는,
검출기(110). - 제 1 항에 있어서,
상기 검출기(110)는 감광 영역을 각각 구비하는 광학 센서(113)의 매트릭스를 구비하는 적어도 하나의 센서 소자를 구비하고,
각각의 광학 센서(113)는, 상기 각도 의존적 광학 소자(130)에 의해 생성된 상기 광빔(131)에 의한 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 구성되며,
상기 평가 장치(133)는,
a) 최고의 센서 신호를 갖고 적어도 하나의 중심 신호를 형성하는 적어도 하나의 광학 센서(113)를 결정하는 것과,
b) 상기 매트릭스의 상기 광학 센서(113)의 센서 신호를 평가하고, 적어도 하나의 합산 신호를 형성하는 것과,
c) 상기 중심 신호와 상기 합산 신호를 결합하여 적어도 하나의 결합 신호를 결정하는 것, 및
d) 상기 결합 신호를 평가함으로써 상기 대상체(112)의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하는 것
에 의해 상기 센서 신호를 평가하도록 구성된,
검출기(110). - 제 15 항에 있어서,
상기 중심 신호는, 상기 최고의 센서 신호와, 상기 최고의 센서 신호로부터의 사전 결정된 허용 오차 범위 내에 있는 센서 신호 그룹의 평균과, 상기 최고의 센서 신호를 갖는 상기 광학 센서 및 인접하는 광학 센서의 사전 결정된 그룹을 포함하는 광학 센서의 그룹으로부터의 센서 신호의 평균과, 상기 최고의 센서 신호를 갖는 상기 광학 센서 및 인접하는 광학 센서의 사전 결정된 그룹을 포함하는 광학 센서의 그룹으로부터의 센서 신호의 합과, 상기 최고의 센서 신호로부터의 사전 결정된 허용 오차 범위 내에 있는 센서 신호 그룹의 합과, 사전 결정된 임계값을 초과하는 센서 신호 그룹의 평균과, 사전 결정된 임계값을 초과하는 센서 신호 그룹의 합과, 상기 최고의 센서 신호를 갖는 상기 광학 센서 및 인접하는 광학 센서의 사전 결정된 그룹을 포함하는 광학 센서의 그룹으로부터의 센서 신호의 적분과, 상기 최고의 센서 신호로부터의 사전 결정된 허용 오차 범위 내에 있는 센서 신호 그룹의 적분, 및 사전 결정된 임계값을 초과하는 센서 신호 그룹의 적분으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
검출기(110). - 제 15 항에 있어서,
상기 합산 신호는, 상기 매트릭스의 모든 센서 신호에 대한 평균과, 상기 매트릭스의 모든 센서 신호의 합과, 상기 매트릭스의 모든 센서 신호의 적분과, 상기 중심 신호에 기여하는 상기 광학 센서로부터의 센서 신호를 제외한 상기 매트릭스의 모든 센서 신호에 대한 평균과, 상기 중심 신호에 기여하는 상기 광학 센서로부터의 센서 신호를 제외한 상기 매트릭스의 모든 센서 신호의 합과, 상기 중심 신호에 기여하는 상기 광학 센서로부터의 센서 신호를 제외한 상기 매트릭스의 모든 센서 신호의 적분과, 상기 최고의 센서 신호를 갖는 상기 광학 센서로부터 사전 결정된 범위 내에 있는 광학 센서의 센서 신호의 합과, 상기 최고의 센서 신호를 갖는 상기 광학 센서로부터 사전 결정된 범위 내에 있는 광학 센서의 센서 신호의 적분과, 상기 최고의 센서 신호를 갖는 상기 광학 센서로부터 사전 결정된 범위 내에 위치하는 광학 센서의 소정 임계값을 초과하는 센서 신호의 합과, 상기 최고의 센서 신호를 갖는 상기 광학 센서로부터 사전 결정된 범위 내에 위치하는 광학 센서의 소정 임계값을 초과하는 센서 신호의 적분으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고,
상기 결합 신호는, 상기 중심 신호와 상기 합산 신호의 몫을 형성하거나 그 반대로 형성하는 것, 상기 중심 신호의 배수와 상기 합산 신호의 배수의 몫을 형성하거나 그 반대로 형성하는 것, 및 상기 중심 신호의 선형 조합과 상기 합산 신호의 선형 조합의 몫을 형성하거나 그 반대로 형성하는 것 중 하나 이상에 의해 도출되는 결합 신호 Q인,
검출기(110). - 제 1 항에 있어서,
상기 광학 센서(113)는, 바이셀(bi-cell) 또는 쿼드런트 다이오드(quadrant diode)의 부분 다이오드이고/이거나, 적어도 하나의 CMOS 센서를 포함하는,
검출기(110). - 제 2 항에 있어서,
상기 검출기(110)는,
- 적어도 하나의 광학 측정 섬유(188) 및 적어도 하나의 전송 장치(128)를 포함하는 적어도 하나의 측정 헤드(186)와,
- 상기 적어도 2개의 광학 센서(113) ― 각각의 광학 센서(113)는, 적어도 하나의 감광 영역(121)을 구비하고, 상기 광학 측정 섬유(188)로부터 발생하는 적어도 하나의 광빔에 의해 각각의 감광 영역의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ― 와,
- 상기 센서 신호로부터 상기 결합 신호 Q를 평가함으로써, 상기 대상체(112)의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성된 상기 적어도 하나의 평가 장치(133)를 포함하는,
검출기(110). - 제 19 항에 있어서,
상기 전송 장치(128)의 개구수는 상기 광학 측정 섬유의 개구수(numerical aperture)보다 작은,
검출기(110). - 제 19 항에 있어서,
상기 전송 장치(128)는 적어도 하나의 시준 렌즈를 포함하는,
검출기(110). - 제 19 항에 있어서,
상기 검출기(110)는 적어도 하나의 광학 조명 섬유(196)를 포함하고,
상기 조명원(115)은 상기 광학 조명 섬유(196)를 통해 상기 대상체(112)를 조명하도록 구성되는,
검출기(110). - 제 18 항에 있어서,
상기 검출기(110)는 스몰 베이스라인(small baseline)을 포함하는,
검출기(110). - 제 23 항에 있어서,
상기 바이셀 또는 상기 쿼드런트 다이오드의 부분 다이오드의 분할선은 상기 베이스라인에 본질적으로 평행하거나 본질적으로 수직으로 배치되는,
검출기(110). - 제 23 항에 있어서,
상기 베이스라인은, 0.01m 미만인,
검출기(110). - 제 19 항에 있어서,
상기 광학 센서(113)는 CMOS 센서를 포함하고,
상기 평가 장치(133)는 상기 CMOS 센서의 센서 영역을 적어도 2개의 하위 영역으로 분할하도록 구성되고,
상기 평가 장치(133)는 상기 적어도 2개의 하위 영역의 센서 신호로부터 상기 결합 신호 Q를 평가함으로써 상기 대상체(112)의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하도록 구성되는,
검출기(110). - 제 26 항에 있어서,
상기 평가 장치(133)는, 상기 CMOS 센서의 센서 영역을 적어도 하나의 좌측 부분과 적어도 하나의 우측 부분 및/또는 적어도 하나의 상부와 적어도 하나의 하부 및/또는 적어도 하나의 내부 부분과 적어도 하나의 외부 부분으로 분할하도록 구성되는,
검출기(110). - 배경(scenery)의 깊이 프로파일을 결정하기 위한 스캐닝 시스템(166)으로서,
검출기와 관련된 제 1 항 내지 제 6 항, 및 제 9 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 검출기(110)와,
적어도 하나의 광빔으로 상기 배경을 스캐닝하도록 구성된 적어도 하나의 조명원(115)을 포함하되,
상기 검출기는, 상기 대상체(112)로부터 발생하는 적어도 하나의 광빔을 제 1 광학 센서(113)에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 제 1 광학 측정 섬유(198)와, 상기 대상체(112)로부터 발생하는 상기 광빔을 제 2 광학 센서(113)에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 제 2 광학 측정 섬유(200)를 포함하는 적어도 하나의 측정 헤드(186)를 포함하는,
스캐닝 시스템(166). - 제 28 항에 있어서,
상기 검출기(110)는, 적어도 하나의 광학 조명 섬유(196)를 포함하고,
상기 조명원(115)은, 상기 광학 조명 섬유(196)를 통해 상기 대상체(112)를 조명하도록 구성되고,
상기 광학 조명 섬유(196)는, 적어도 하나의 광빔을 수신하도록 구성된 적어도 하나의 제 1 말단을 포함하고,
상기 광학 조명 섬유(196)는, 상기 적어도 하나의 광빔이 상기 대상체(112)의 조명을 위해 상기 광학 조명 섬유(196)를 떠나는 적어도 하나의 제 2 말단을 포함하며,
적어도 상기 광학 조명 섬유(196)의 제 2 말단은 상기 측정 헤드(186) 내에 배치되고/배치되거나 상기 측정 헤드(186)에 부착되는,
스캐닝 시스템(166). - 제 29 항에 있어서,
상기 스캐닝 시스템(166)은 관심 영역을 스캐닝하기 위해 상기 측정 헤드(186)를 이동시키도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하는,
스캐닝 시스템(166). - 제 30 항에 있어서,
상기 액추에이터는 적어도 하나의 전자기계 액추에이터 및/또는 적어도 하나의 피에조 액추에이터(piezo actuator)를 포함하고,
상기 피에조 액추에이터는, 적어도 하나의 피에조 세라믹 액추에이터(piezo ceramic actuator) 및 적어도 하나의 압전 액추에이터(piezoelectric actuator)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하는,
스캐닝 시스템(166). - 제 30 항에 있어서,
상기 액추에이터는 상기 광학 조명 섬유(196) 및/또는 상기 측정 헤드(186)를 이동시키도록 구성되는,
스캐닝 시스템(166). - 제 30 항에 있어서,
상기 액추에이터는 선형 스캔 및/또는 방사상 스캔 및/또는 나선형 스캔에서 상기 광학 조명 섬유(196) 및/또는 상기 측정 헤드(186) 중 하나 또는 두개 모두를 이동시키도록 구성되는,
스캐닝 시스템(166). - 제 1 항 내지 제 6 항, 및 제 9 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 검출기(110)를 사용하여 적어도 하나의 대상체(112)의 위치를 결정하는 방법으로서,
- 적어도 하나의 각도 의존적 광학 소자(130)를 제공하고, 입사각에 따라 적어도 하나의 빔 프로파일을 갖는 적어도 하나의 광빔(131)을 생성하는 단계와,
- 적어도 2개의 광학 센서(113)를 제공하는 단계 ― 각각의 광학 센서(113)는, 적어도 하나의 감광 영역(121)을 구비하고, 상기 각도 의존적 광학 소자(130)에 의해 생성된 상기 광빔(131)에 의한 각각의 감광 영역(121)의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ― 와,
- 각각의 감광 영역(121)이 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록, 상기 검출기(110)의 상기 적어도 2개의 광학 센서(113)의 각각의 감광 영역(121)을, 상기 각도 의존적 광학 소자(130)에 의해 생성된 상기 광빔(131)으로 조명하는 단계와,
- 상기 대상체(112)의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하기 위해 상기 센서 신호를 평가하는 단계 ― 상기 평가 단계는 상기 센서 신호의 결합 신호 Q를 도출하는 것을 포함함 ― 를 포함하는,
방법. - 제 34 항에 있어서,
- 하나의 광학 측정 섬유 및 적어도 하나의 전송 장치(128)를 포함하는 적어도 하나의 측정 헤드를 제공하는 단계와,
- 상기 광학 측정 섬유로부터 발생하는 적어도 하나의 광빔을 생성하는 단계와,
- 적어도 2개의 광학 센서(113)를 제공하는 단계 ― 각각의 광학 센서(113)는 상기 광학 측정 섬유로부터 발생하는 적어도 하나의 광빔에 의한 각각의 감광 영역(121)의 조명에 응답하여 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록 설계됨 ― 와,
- 각각의 감광 영역(121)이 적어도 하나의 센서 신호를 생성하도록, 상기 적어도 2개의 광학 센서(113)의 상기 감광 영역(121)의 각각을 상기 광빔으로 조명하는 단계와,
- 상기 대상체(112)의 적어도 하나의 종 방향 좌표 z를 결정하기 위해, 상기 센서 신호를 평가하는 단계 ― 상기 평가하는 단계는, 상기 센서 신호의 결합 신호 Q를 도출하는 것을 포함함 ― 를 더 포함하는,
방법. - 제 1 항 내지 제 6 항, 및 제 9 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 따른 검출기의 사용법으로서,
교통 기술에서의 위치 측정과, 엔터테인먼트 애플리케이션과, 광학적 데이터 저장 애플리케이션과, 보안 애플리케이션과, 감시 애플리케이션과, 안전 애플리케이션과, 인간-기계 인터페이스 애플리케이션과, 물류 애플리케이션과, 내시경 검사 애플리케이션과, 의료 애플리케이션과, 추적 애플리케이션과, 포토그래피 애플리케이션과, 머신 비전 애플리케이션과, 로봇 애플리케이션과, 품질 관리 애플리케이션과, 3D 프린팅 애플리케이션과, 증강 현실 애플리케이션과, 제조 애플리케이션과, 광학적 데이터 저장 및 판독과 결합한 사용
으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 사용 목적을 위한 검출기의 사용법.
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