KR20070119074A - 다수의 레이저를 포함하는 상대적 움직임 센서와 그제어기, 제어 신호 및 측정 방법 - Google Patents

다수의 레이저를 포함하는 상대적 움직임 센서와 그제어기, 제어 신호 및 측정 방법 Download PDF

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KR20070119074A
KR20070119074A KR1020077025783A KR20077025783A KR20070119074A KR 20070119074 A KR20070119074 A KR 20070119074A KR 1020077025783 A KR1020077025783 A KR 1020077025783A KR 20077025783 A KR20077025783 A KR 20077025783A KR 20070119074 A KR20070119074 A KR 20070119074A
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알폰스 아. 엠. 엘. 브루커스
크리스티안 프레수라
안토니우스 하. 엠. 악커만
토마스 아. 엠. 케벤나르
민네 반 데르 빈
마린 체. 담스트라
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

개체(15)의 움직임을 측정하기 위한 상대적 움직임 센서로서, 이 센서는 서로 관계되며, 이 센서는 각각의 측정 빔을 생성하고 개체(15)를 비추기 위한 복수의 레이저(3, 5)를 포함하고, 각각의 레이저 공동에 다시 들어가는 반사된 측정 빔 방사선과 그 레이저 공동 내의 광파에 의해 각각의 레이저 공동에서 일어나는 작동의 변화를 측정하기 위한 복수의 포토다이오드(4, 6) 각각을 포함한다. 복수의 레이저(3, 5)는 시분할 방식에서 동작하여 잔여 레이저가 작동하지 않을 때에, 레이저의 부분집합만이 어느 한 시간에 동작된다. 이는 피크 전력 소실을 줄이고 다른 레이저의 공동에 들어가는 하나의 레이저로부터의 측정 빔 방사선에 의해 일어나는 에러 간섭을 방지한다.
측정 빔 방사선, 상대적 움직임 센서, 레이저 공동(leser cavity), 도플러 효과

Description

다수의 레이저를 포함하는 상대적 움직임 센서와 그 제어기, 제어 신호 및 측정 방법{RELATIVE MOVEMENT SENSOR COMPRISING MULTIPLE LASERS}
본 발명은 개체(예를 들면, 사용자의 손가락, 기타 신체부위, 또는 작업대나 재료의 시트와 같은 무생물체) 또는 (미립자 물질을 포함하는 액체 또는 기체와 같은) 기타 물질의 움직임을 측정하기 위해, 예를 들면, 광 입력 장치에서 사용하는 상대적 움직임 센서에 관한 것으로서, 센서는 서로 연관되어 작용하며, 두 개 이상의 레이저를 포함하는 타입이며, 레이저 각각은 각각의 측정 빔을 생성하고 그릴 이용하여 개체 또는 물질을 비추기(illuminating) 위한 레이저 공동을 가지며, 개체 또는 물질에 의해 반사된 측정 빔 방사선의 적어도 일부가 각각의 레이저 공동에 다시 들어가고, 측정 수단은, 각각의 레이저 공동에 다시 들어가는 반사된 측정 빔 방사선과 그 공동 내의 광파의 간섭에 의해 발생하는, 레이저 공동의 동작 변화를 측정하기 위해 제공되는 것이다.
본 발명은 또한 개체 또는 물질의 움직임을 측정하는 방법 및 서로 연관되어 작용하는 그러한 센서에 관한 것이다.
상기 정의된 것과 같은 상대적 움직임 센서를 포함하는 광 입력 장치가 국제특허 제02/37410호에 공지되어 있는데, 여기서는 입력 장치 및 개체(예를 들면, 인 간의 손가락 또는 기타 개체)의 상대적 움직임을 측정하는 방법을 개시하고 있어며, 이 방법에서는, 다이오드 레이저에서의 소위 셀프믹싱(self-mixing) 효과를 이용한다. 이는 다이오드 레이저에 의해 방출되고 다이오드 레이저의 공동에 다시 들어가는 방사선이 레이저의 이득의 변동을 유도하여 레이저로부터 방출되는 방사선에 변동이 일어나는 현상이다. 레이저 다이오드에 의해 방출되는 방사선은 예를 들면, 플라스틱 렌즈를 통해 외부 개체(예를 들면, 손가락끝) 상에 포커싱된다. 광 산란 및 그 작은 일부가 레이저의 공동에 다시 들어간다. 이때, 산란되는 빛은 공동 내부의 빛과 간섭적으로(coherently) 섞여서, 레이저의 이득 및 주파수를 변화시킨다. 이 셀프믹싱은 감지되어 장치 및 개체의 상대적 움직임의 방향 및 속도를 나타내도록 변환될 수 있다.
도 1a는 그 하부에, 베이스 플레이트(base plate, 1)를 포함하는 광 입력 장치의 개략적인 단면도인데, 이는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 타입의 레이저일 수 있으며, 예를 들면, 포토 다이오드와 같은, 감지기일 수 있는 다이오드 레이저를 위한 캐리어이다. 도 1a에는 단 하나의 다이오드 레이저(3)와 그와 연관된 포토 다이오드가 보이고 있지만, 일반적으로는 도면의 도 1b에 도시된 바와 같이, 적어도 제2 다이오드 레이저(5) 및 연관된 감지기(6)가 베이스 플레이트(1) 상에 제공된다. 다이오드 레이저(3, 5)는 레이저 또는 측정 빔(13 및 17)을 각각 방출한다. 그것의 상부에는, 외부 개체, 예를 들면, 인간의 손가락끝이 가로질러 움직일 투과 창(12)(예를 들면, 플라스틱 렌즈)이 장치에 제공된다. 렌즈(10)(예를 들면, 평철(plano-convex) 렌즈)는 다이오드 레이저와 창 사이에 배열 된다. 이 렌즈는 레이저 빔(13, 17)을 투과 창의 상부면 또는 그 근처에 포커싱시킨다. 이 위치에 개체(15)가 있는 경우에는, 이는 빔(13, 17)을 산란시킨다. 빔(13, 17)의 방사선의 일부분은 조명 빔(13, 17)의 방향으로 산란되고 이 부분은 다이오드 레이저(3, 5)의 방출 표면상의 렌즈(10)에 의해 모여 이 레이저의 공동에 다시 들어간다. 공동에 다시 들어가는 방사선은 레이저의 이득에 변동을 일으켜서 레이저에 의해 방출된 방사선에 변동을 일으킨다. 이 현상은 또한 본원에서 소위 다이오드 레이저에서의 셀프믹싱(self-mixing) 효과라고 불릴 것이다.
손가락과 입력 장치는 서로 연관되어 움직이므로 움직임의 방향은 레이저 빔의 방향에서 컴포넌트를 갖는다. 손가락과 입력 장치가 움직일 때에, 개체에 의해 산란된 방사선은 도플러 효과 때문에, 개체를 비추는 방사선의 주파수와는 상이한 주파수를 얻는다. 산란된 빛의 일부분은, 손가락에 조명 빔을 포커싱하는 동일한 렌즈에 의해 다이오드 레이저 상에 포커싱된다. 산란된 방사선의 일부가 레이저 거울(laser mirror)을 통해 레이저 공동에 들어가기 때문에, 레이저에서 빛의 간섭이 발생한다. 이는 레이저와 방출된 방사선의 특성에 근본적인 변화를 일으킨다. 셀프 커플링(self-coupling) 효과 때문에 변화하는 파라미터는, 레이저 방사선의 세기, 주파수 및 선 폭(line width)과 레이저 임계 이득(threshold gain)이다. 레이저 공동에서의 간섭의 결과는, 두 방사선 주파수 간의 차이만큼의 주파수로 인해 이러한 파라미터의 값이 변동하는 것이다. 이 차이는 손가락끝의 속도에 비례한다. 따라서, 손가락끝의 속도(시간에 대한 평균치) 및 손가락끝의 변위는 상기의 파라미터 중 하나의 값을 측정함으로써 결정될 수 있다.
손가락끝과 입력 장치 사이의 상대적 움직임의 결과로서 다이오드 레이저에 의해 방출된 레이저 방사선의 세기 변화는, 방사선 변동을 전기적 신호로 변환하는 포토 다이오드(4, 6)에 의해 감지될 수 있는데, 이 전기적 신호를 처리하기 위해 전기 회로(18, 19)가 제공된다.
본 발명에서 사용되는 상대적 움직임 센서의 원리 및 상대적 움직임을 측정하는 방법은 국제출원 번호 제02/37410호에 더욱 상세하게 설명되어 있으며, 본원에서는 더 이상 상세히 설명하지 않는다.
따라서, 상대적 움직임이 몇 개의 방향에서 측정되도록 하거나 더욱 정확한 측정 결과가 가능케 하기 위해서는, 두 개 이상의 다이오드 레이저 및 대응하는 감지기들이 사용될 수 있다. 일반적으로는, 여러 개의 레이저의 사용은 하나의 레이저로부터의 빛이 다른 다이오드 레이저의 레이저 공동에 들어가는 결과를 낳을 수 있다. 실제로는, 제조 프로세스의 허용오차 때문에, 서로 다른 레이저의 파장은, 다른 다이오드 레이저의 공동에 들어가는 하나의 다이오드 레이저로부터의 빛에 의해 일어나는 임의의 문제를 피할 수 있을 만큼 충분히 다를 수 있다. 그러나, 레이저의 수가 더 늘어나고/늘어나거나 레이저들이 동일한 칩에 제공되는 경우에는, 신호대 잡음의 비율이 증가할 수 있거나, 레이저의 일시적인 간섭 특성에 따라 상대적 움직임 측정의 정확도에 악영향을 줄 오류 간섭이 일어날 정도로 간섭이 상당히 커질 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 두 개 이상의 레이저 및 대응하는 감지기를 갖는, 상기 정의된 타입의 상대적 움직임 센서를 제공하는 것이며, 여기서는 하나의 레이저로부터의 빛이 다른 레이저의 공동으로 들어가서 그곳에서 간섭을 일으킬 가능성이 적어도 감소한다.
본 발명에 따르면, 개체 또는 기타 물질의 움직임을 측정하기 위한 상대적 움직임 센서로서(이 센서는 적어도 하나의 측정 방향을 따라 서로 관계됨), 복수의 레이저(복수의 레이저 각각은, 각각의 측정 빔을 생성하고 이를 이용하여 개체 또는 기타 물질을 비추기 위한, 대응되는 레이저 공동을 가지며, 그 개체 또는 기타 물질에 의해 반사된 측정 빔 방사선의 적어도 일부는 각각의 레이저 공동에 다시 들어감)를 포함하며, 각각의 레이저 공동에 다시 들어가는 반사된 측정 빔 방사선과 레이저 공동에서의 광파의 간섭에 의해 유발되는 각각의 레이저 공동의 동작 변화를 측정하기 위한 수단, 및 변화를 나타내는 전기적 신호를 제공하기 위한 수단을 더 포함하며, 잔여 레이저가 실질적으로 비활성일 때에, 각각의 측정 빔의 부분집합을 생성하기 위해 임의의 한 시점에 상기 복수의 레이저의 부분집합을 선택적으로 작동하도록 수단이 제공된다.
또한 본 발명에 따르면, 개체 또는 기타 물질의 움직임을 측정하고 상대적 움직임 센서가 적어도 하나의 측정 방향을 따라 서로 관계되는 방법으로서, 복수의 레이저를 제공하는 단계(이 레이저 각각은, 각각의 측정 빔을 생성하고 이를 이용하여 개체 또는 기타 물질을 비추기 위한, 대응하는 레이저 공동을 가지며, 개체 또는 기타 물질에 의해 반사된 측정 빔 방사선의 적어도 일부는 각각의 레이저 공동에 다시 들어감), 각각의 레이저 공동에 다시 들어가는 반사된 측정 빔 방사선과 레이저 공동에서의 광파의 간섭에 의해 유발되는 각각의 레이저 공동의 동작 변화를 측정하기 위한 수단을 제공하는 단계, 및 변화를 나타내는 전기적 신호를 제공하기 위한 수단을 제공하는 단계를 포함하며, 잔여 레이저가 실질적으로 비활성일 때에, 각각의 측정 빔의 부분집합을 생성하기 위해 임의의 한 시점에 복수의 레이저의 부분집합을 선택적으로 작동시키는 단계를 더 포함하는 개체 또는 기타 물질의 움직임을 측정하고 상대적 움직임 센서가 적어도 하나의 측정 방향을 따라 서로 관계되는 측정 방법이 제공된다.
따라서, 복수의 레이저들은 시간 다중화 방식(time-multiplexed manner)으로 작동되어, 그것의 부분집합만이 임의의 한 시각에 활성화되어서, 피크 전력 소실이 감소(즉, 균등해짐)하는데, 보다 중요한 점은, 종래 기술의 구성에 비하여 레이저가 임의의 다른 레이저에 의해 방출된 빛을 보다 적게 포획해서, 상기 설명된 간섭과 관계된 문제를 제거한다는 것이다.
바람직한 실시예에서는, 잔여 레이저에 전류가 거의 공급되지 않거나 혹은 전류가 전혀 공급되지 않는 동안에, 타이밍 신호의 제어하에서, 복수의 레이저의 선택된 부분집합으로 전류를 (랜덤하게 또는 주기적으로) 보내기 위한 시간 다중화 수단이 제공된다. 각각의 측정 수단에 의해 발생되며 각각의 상기 레이저의 부분집합으로부터 유래하는 응답신호가 각각의 전기적 신호를 생성하도록 개별적으로 처리되게 하는 다중화 수단이 또한 제공될 수 있다.
본 발명의 이러한 양태 및 기타 양태가 본원에 설명되는 실시예로부터 명백해지며 이와 관련하여 설명될 것이다.
이제 본 발명의 실시예가 단지 예로서 도면을 수반하여 설명될 것이다.
도 1a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상대적 움직임 센서의 동작의 원리를 예시하기 위한 국제특허 출원 제02/37410호에 개시된 타입의 광 입력 장치의 개략적인 단면도;
도 1b는 도 1a의 장치의 평면도;
도 2는 종래 기술에 따라 하나의 레이저/포토다이오드 서브시스템이 사용되는 상대적 움직임 센서의 개략적인 도면;
도 3은 두 개의 레이저/포토다이오드 서브시스템이 사용되는 상대적 움직임 센서의 개략적인 도면; 및
도 4는 N 개(N≥2 일 때)의 레이저/포토다이오드 서브시스템을 포함하는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상대적 움직임 센서를 사용하기 위한 제어 시스템의 구성을 도시하는 개략적인 도면.
따라서, 도면의 도 2를 참조하면, 국제특허출원 제02/37410호에 개시된 레이저 기반의 상대적 움직임 센서는 광 산란 평면(X)의 움직임을 측정하는 데에 사용될 수 있다. 레이저(3)에는 전류원(20)으로부터의 전류(I)가 공급되고 레이저(3)는 평면(X)의 방향으로 빛을 방출한다. 빛의 일부는 평면에 의해 산란되어 레이저(3)에 다시 들어가며 들어오는 빛이 나가는 빛과 간섭하게 된다. 이 결과, 간섭은 레이저(3)와 평면(X) 사이의 거리에 따라 달라진다(셀프 믹싱 간섭 측정). 또 한, 레이저(3)에 대한 평면(X)의 움직임의 속도는 관련된 도플러 이동과 관계가 있다. 모니터링 포토다이오드(4)는 시변 간섭(R)을 측정하고, 위상 동기 루프(PLL, 22) 및 적합한 프로세싱(참조부호 24로 정의됨)과 함께, 평면의 움직임을 설명하는 출력 데이터(D)가 발생된다. 이 상대적 움직임 센서의 기본 동작 원리의 더욱 상세한 설명은 국제특허 WO02/37410에 제공되어 있으며, 본원에서는 더 이상 논의하지 않을 것이다.
다른 방향에서의 상대적 움직임이 측정되고/되거나 측정의 정확성을 개선하는 것을 가능하게 하기 위하여, 도면의 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 두 개의 레이저(3, 5) 및 대응하는 포토다이오드(4, 6)가 사용될 수 있다. 그러나, 레이저(3, 5) 및 대응하는 포토다이오드(4, 6)의 개수가 더 증가하고/증가하거나 다수의 레이저가 동일한 칩에 제공되면, 하나의 레이저로부터 다른 레이저의 공동에 들어가는 빛에 의해 발생된 간섭은 신호대 잡음의 비율 또는 레이저의 일시적인 간섭 특성에 의존하는 출력 데이터(D)의 정확성에 악영향을 줄 정도로 상당해질 수 있다.
따라서, 본 발명의 기본 원리는 N이 1보다 큰 정수일 때, (시분할 다중 방식으로) N 개의 레이저 및 대응하는 N 개의 포토다이오드를 사용하는 것이다. 따라서, 임의의 한 시각에 N 개의 레이저 전부가 활성화되는 것은 아니어서 피크 전력 소실이 감소(즉, 균등해짐)하고, 보다 중요한 점은, 종래 기술의 구성에 비하여 각 레이저가 임의의 다른 레이저에 의해 방출된 빛을 보다 적게 재포획한다는 점이다. N 개의 레이저 및 대응하는 포토다이오드가 명확성을 위해 생략되어 있는 도면의 도 4에 예시적인 구성이 개략적으로 도시된다. 타이밍 신호(T)의 제어하에서, 전류원(20)에 의해 발생되는 전류(I)를 전류(Ii)(i는 0에서 N-1까지)에 관련된 형태의 N 개의 레이저의 부분집합(즉, 하나 이상)으로 보내는, 전류 다중화기(26)가 사용된다. 하나의 예시적인 실시예에서는, 장치가, 각각 N 개의 레이저를 갖는, 두 개 이상의 상대적 움직임 센서를 포함할 수 있는데, 각각의 경우에서, 각 센서의 레이저의 부분집합(즉, 0개 또는 그 이상)이, 잔여 레이저가 비활성인 채로 임의의 한 시각에 활성화되도록 준비될 수 있다.
임의의 이벤트에서는, 각각의 포토다이오드에서 비롯되는 결과적인 응답 신호(Ri)는 또한 타이밍 신호(T)의 제어하에서, 응답 다중화기(28)에 의해 유발되어, 프로세서(24)에 의해 개별적으로 처리된다. 이 구성에서는, 위상 동기 루프(PLL) 시스템(22)이 N 개의 레이저/포토다이오드 서브시스템 사이에서 공유되는 것이 가능한데, 이는 전력 및 비용면에서 추가의 감소를 제공한다.
상기 설명된 실시예들은 본 발명을 제한하기보다는 예시하고 있으며, 당해 기술 분야의 당업자가 첨부된 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 범위로부터 일탈함이 없이 다양한 다른 방법의 실시예들을 설계하는 것이 가능함에 주목해야 한다. 청구항의 범위에서는, 괄호 안에 들어있는 임의의 참조부호는 청구항을 제한하는 것으로 구성되는 것은 아니다. "포함하는" 및 "포함한다" 등의 단어는 임의의 청구항 또는 명세서 전체에 쓰인 것 이외의 구성 요소 또는 단계의 존재를 배제하는 것은 아니다. 구성 요소 고유의 참조부호는 그러한 구성요소의 복수성을 배제하는 것은 아니며 그 역도 마찬가지이다. 본 발명은 몇 개의 서로 다른 구성요소를 포함하는 하드웨어의 수단 및 적합하게 프로그래밍된 컴퓨터의 수단에 의해 구현될 수 있다. 몇 가지 수단을 열거하는 장치의 청구항에서는, 그러한 몇 가지 수단이 하나의 하드웨어 및 동일한 항목의 하드웨어에 의해 구현될 수 있다. 어떤 측정들이 서로 다른 종속항에서 인용된다는 단순한 사실은 이러한 측정들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다고 가리키는 것은 아니다.

Claims (7)

  1. 개체(15) 또는 기타 물질의 움직임을 측정하기 위한 상대적 움직임 센서로서-상기 센서는 적어도 하나의 측정 방향(X)을 따라 서로 관계됨-,
    복수의 레이저(3, 5)-상기 복수의 레이저(3, 5) 각각은, 각각의 측정 빔(13, 17)을 생성하고 이를 이용하여 개체(15) 또는 기타 물질을 비추기 위한, 대응되는 레이저 공동을 가지며, 상기 개체(15) 또는 기타 물질에 의해 반사된 측정 빔 방사선의 적어도 일부는 각각의 레이저 공동에 다시 들어감-를 포함하며,
    상기 각각의 레이저 공동에 다시 들어가는 반사된 측정 빔 방사선과 상기 레이저 공동에서의 광파의 간섭에 의해 유발되는 각각의 상기 레이저 공동의 동작 변화를 측정하기 위한 수단(4, 6), 및
    상기 변화를 나타내는 전기적 신호를 제공하기 위한 수단(24)을 더 포함하며,
    잔여 레이저(3, 5)가 실질적으로 비활성일 때에, 각각의 측정 빔(13, 17)의 부분집합을 생성하기 위해 임의의 한 시점에 상기 복수의 레이저(3, 5)의 부분집합을 선택적으로 작동하도록 수단(26)이 제공되는 상대적 움직임 센서.
  2. 제1항에 있어서, 잔여 레이저에 전류가 거의 공급되지 않거나 혹은 전류가 전혀 공급되지 않는 동안에, 타이밍 신호(T)의 제어하에서, 복수의 레이저(3, 5)의 선택된 부분집합으로 전류(Ii)를 보내기 위해 시간 다중화 수단(26)이 제공되는 상대적 움직임 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 시간 다중화 수단(26)은, 잔여 레이저에 전류가 거의 공급되지 않거나 혹은 전류가 전혀 공급되지 않는 동안에, 타이밍 신호(T)의 제어하에서, 복수의 레이저(3, 5)의 선택된 부분집합으로 전류(Ii)를 주기적으로 보내기 위해 제공되는 상대적 움직임 센서.
  4. 제2항에 있어서, 각각의 측정 수단(4, 6)에 의해 발생되며 각각의 상기 레이저(3, 5)의 부분집합으로부터 유래하는 응답 신호(R)가 각각의 전기적 신호(D)를 생성하도록 개별적으로 처리되게 하는 다중화 수단(28)이 제공되는 상대적 움직임 센서.
  5. 제1항의 상대적 움직임 센서를 위한 제어기로서, 잔여 레이저(3, 5)가 실질적으로 비활성일 때에, 각각의 측정 빔(13, 17)의 부분집합을 생성하기 위해 임의의 한 시점에 상기 복수의 레이저(3, 5)의 부분집합을 선택적으로 작동시키기 위한 제어 신호를 생성하도록 배열되고 구성된 제어기.
  6. 제5항의 제어기에 의해 생성되는 제어 신호로서, 잔여 레이저(3, 5)가 실질 적으로 비활성일 때에, 각각의 측정 빔(13, 17)의 부분집합을 생성하기 위해 임의의 한 시점에 상기 복수의 레이저(3, 5)의 부분집합을 선택적으로 작동시키도록 준비된 제어 신호.
  7. 개체(15) 또는 기타 물질의 움직임을 측정하고 상대적 움직임 센서가 적어도 하나의 측정 방향(X)을 따라 서로 관계되는 방법으로서,
    복수의 레이저(3, 5)를 제공하는 단계- 상기 복수의 레이저(3, 5)각각은, 각각의 측정 빔(13, 17)을 생성하고 이를 이용하여 개체(15) 또는 기타 물질을 비추기 위한, 대응하는 레이저 공동을 가지며, 상기 개체 또는 기타 물질에 의해 반사된 측정 빔 방사선의 적어도 일부는 각각의 상기 레이저 공동에 다시 들어감-,
    각각의 상기 레이저 공동에 다시 들어가는 반사된 측정 빔 방사선과 상기 레이저 공동에서의 광파의 간섭에 의해 유발되는 각각의 상기 레이저 공동의 동작 변화를 측정하기 위한 수단(4, 6)을 제공하는 단계, 및
    상기 변화를 나타내는 전기적 신호(D)를 제공하기 위한 수단(24)을 제공하는 단계
    를 포함하며,
    잔여 레이저가 실질적으로 비활성일 때에, 각각의 측정 빔(13, 17)의 부분집합을 생성하기 위해 임의의 한 시점에 상기 복수의 레이저(3, 5)의 부분집합을 선택적으로 작동시키는 단계를 더 포함하는 개체(15) 또는 기타 물질의 움직임을 측정하고 상대적 움직임 센서가 적어도 하나의 측정 방향(X)을 따라 서로 관계되는 측정 방법.
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