KR20080079327A - 물체와 디바이스의 서로에 대한 상대적인 움직임을측정하기 위한 디바이스 및 방법 - Google Patents
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Abstract
물체(15)와 디바이스의 서로에 대한 상대적인 움직임을 측정하기 위한 디바이스가 제공된다. 이 디바이스는, 측정 빔(13)을 발생시키기 위한 레이저(3)를 포함하며, 이 측정 빔은 렌즈(10)에 의해 액션 평면에 수렴된다. 물체에 의해 반사된 방사파는 레이저 캐비티에 재진입하여 레이저(3)에서 자기-혼합 효과를 발생시킨다. 측정 수단(4)이 제공되어 반사된 측정 빔 방사파는 받으며, 측정 빔(13)과 반사된 측정 빔 방사파 간의 주파수 차가 결정되는 것이 가능하게 하며, 이 차는 상대적인 움직임을 나타낸다.
측정 빔, 레이저, 자기-혼합 효과, 측정 수단
Description
본 발명은 일반적으로 물체(object)와 디바이스 서로에 대한 물체와 디바이스의 상대적인 움직임을 측정하기 위한 디바이스에 관한 것이며, 이 디바이스는, 측정 빔(measuring beam)을 발생시키기 위한, 캐비티를 지니는 적어도 하나의 레이저, 이 측정 빔을 액션 평면(action plane)에 수렴시키고(converge), 물체에 의해 반사된 측정 빔 방사파를 레이저 캐비티에 수렴시켜 레이저에서 자기-혼합 효과(self-mixing effect)를 발생시키기 위한 수렴 수단, 및 상대적인 움직임에 의해 결정되는 자기-혼합 효과의 결과를 측정하기 위한 측정 수단을 포함한다.
액션 평면은, 측정 빔 방사파가 물체와 만나고, 물체와 디바이스의 서로에 대한 상대적인 움직임에 의해 영향을 받는 평면(plane)을 의미하도록 이해된다. 레이저 자기-혼합 효과는, 다이오드 레이저에 의해 방출되어 레이저 캐비티로 다시 반사된 방사파가 레이저 캐비티에서의 동작에 변화를 일으키는 현상을 의미하도록 이해되며, 이 변화는 캐비티에 재진입하는(re-entering) 반사된 방사파와 레이저 캐비티에서 발생되는 광 파(optical wave)의 간섭에 기인한다. 본 디바이스는 도플러 효과(Doppler effect)와 함께 이 자기-혼합 효과를 이용한다. 도플러 효과 는, 물체가 빔의 전파 방향으로 움직일 때, 이 물체에 의해 반사된 방사파의 빔이 도플러 편이(Doppler shift)라고 불리는 주파수 편이(frequency shift)를 겪는(undergo) 현상이다. 반사된 빔이 그 빔을 방출하는 레이저의 캐비티에 재진입하면, 레이저 캐비티의 동작에 변화가 일어날 것이고, 이 변화는 물체의 움직임에 의해 결정된다. 이러한 변화(파동(undulation))는, 레이저 방사파의 파장의 절반과 동일한 거리에 걸쳐 물체(또는 외부 반사기)의 함수로서 반복적이다. 이것은 레이저 주파수가 물체의 속도(speed)에 비례하게 됨을 의미한다.
레이저 자기-혼합에 기초하는 측정 수단은 고 감도(high sensitivity), 따라서 높은 정확도를 보이며, 이것은 레이저 캐비티에 재진입하는 반사된 광이 레이저 주파수를 결정하며, 따라서 레이저 캐비티에서 증폭된다는 사실 덕분일 수 있다. 이러한 장치가 PCT 출원 WO 02/37410에 개시되어 있으며, 여기서는 디바이스의 동작 원리, 많은 수의 실시예 및 그 디바이스의 가능한 적용 등이 기술되어 있으며, 참조함으로써 본 명세서에 포함된다.
그러나, 상술된 이 디바이스의 측정 범위는, 전체 시스템(즉, 레이저+물체)이 새로운 평형 상태(equilibrium)를 확립할 수 있도록, 물체에 의해 반사된 방사파가 레이저에서 발생되는 방사파와 코히어런트하게 인터랙트해야만(interact coherently) 한다는 요건 때문에, 레이저 방사파의 코히어런스 길이(coherence length)에 의해 제한된다. 따라서, 측정 빔은, 액션 평면에서 물체에 의해 다시 반사된 방사파와 레이저 캐비티에 재진입하는 방사파가 레이저 캐비티에 있는 광 파와 코히어런트하게 인터랙트하여 상술된 자기-혼합 효과를 발생시키도록, 레이저 의 코히어런스 길이로 액션 평면에서 수렴된다. 그 결과, 물체가 디바이스로부터 레이저의 코히어런스 길이보다 더 먼 곳에 위치되어 있다면, 물체의 속도 또는 거리를 정확하게 측정하는 데 이 디바이스를 사용하는 것이 불가능하다.
간섭 시스템(interferometic system)이라 공지된 대안의 시스템에서, 물체로부터 반사된 방사파는 방사파-센서티브한 검출기(radiation-sensitive detector)의 위치에서 레이저에 의해 방출되는 방사파와 혼합된다. 간섭 시스템에서, 레이저의 원래의 평형 상태는 변하지 않지만, 이동하는 물체에 의해 야기된 도플러 편이는, 결과적으로, 검출기의 출력 신호의 파동(undulation)을 일으킨다. 이 파동은 상술된 레이저 자기-혼합 디바이스에서 발생하는 파동과 유사한 속성의 것이다. 간섭 시스템에서, 물체까지의 거리가 레이저 방사파의 코히어런스 길이를 초과한다면, 검출기 신호는 사실상 레이저 소스의 라인 폭의 약 두 배인 소정의 대역폭을 갖는 노이즈가 된다. 획득된 스펙트럼은 종 모양의 곡선(bell-shaped curve)이며, 그 편이의 중심에서는 물체의 속도가 증가한다. 그 결과, 간섭 시스템이 레이저의 코히어런스 길이보다 더 먼 거리에 위치한 물체들에 관한 속도 결정을 가능하게 하지만, 속도 측정의 정확도는 라인 폭, 측정 시간, 신호 레벨 등과 같은 파라미터에 의존하게 되며, 물체의 정확한 위치를 결정하는 것이 가능하지 않다. 게다가, 상술된 자기-혼합 레이저 디바이스와는 대조적으로, 간섭 시스템은 관심이 있는 파장, 즉, 받은 방사파의 파장에 맞춰진(tuned) 리시버를 포함하지 않으므로, 최적의 측정 신호 진폭이 얻어지지 않는다. 또한, 많은 응용에 있어, 특히 소비자 분야에 있어, 간섭 시스템 및 그 비용이 엄청나게 비싸다(prohibitive).
본 발명의 목적은 도입부에 설명된 유형의 레이저 자기-혼합 디바이스를 제공하여, 종래 기술에 비해 측정 범위를 확장하고, 디바이스의 단순한 구성 및 작은 크기를 유지하는 것이다.
본 발명에 따라, 물체와 디바이스의 서로에 대한 상대적인 움직임을 측정하기 위한 디바이스가 제공되며, 이 디바이스는, 측정 빔을 발생시키기 위한, 레이저 캐비티를 지니는 적어도 하나의 레이저, 이 측정 빔을 액션 평면에 수렴시키고, 물체에 의해 반사된 측정 빔 방사파를 레이저 캐비티에 수렴시켜 레이저에서 자기-혼합 효과를 발생시키기 위한 수렴 수단, 및 자기-혼합 효과의 결과를 측정하기 위한 측정 수단을 포함하며, 이 효과는 상대적인 움직임에 의해 결정되며, 수렴 수단은 측정 빔 방사파의 코히어런스 길이 너머로 확장하는 거리 범위에 걸쳐 측정 빔을 집속시키도록(focus) 배치되며, 측정 수단은 측정 빔과 물체에 의해 반사된 레이저 캐비티 내의 측정 빔 방사파 간의 주파수 차를 결정하도록 구성된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 물체와 디바이스의 서로에 대한 상대적인 움직임을 측정하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은, 레이저 캐비티를 지니는 적어도 하나의 레이저에 의해 측정 빔을 발생시키는 단계, 측정 빔 방사파의 코히어런스 길이 너머로 확장하는 거리 범위에 걸쳐 액션 평면에 측정 빔을 수렴시키고, 물체에 의해 반사된 측정 빔 방사파는 레이저 캐비티에 수렴시켜 레이저에서 자기-혼합 효과를 발생시키는 단계, 및 측정 빔과 물체에 의해 반사된 레이저 캐비티 내의 측정 빔 방사파 간의 평균 주파수 차를 결정하는 단계를 포함하며, 이 평균 주파수 편이는 상대적인 움직임에 의해 결정된다.
따라서, 본 발명은 측정 빔 방사파의 코히어런스의 길이보다 더 먼 거리에서부터 반사된 레이저 캐비티 내의 방사파가 또한 레이저 캐비티에서 충분한 자기-혼합을 야기시켜 상대적인 신호를 결정하는 데 유용한 신호가 획득될 수 있으며, 인코히어런트 검출 방법을 이용함으로써, 즉, 측정 빔과 반사된 측정 빔 방사파 간의 주파수 차를 결정함으로써, 디바이스로부터 비교적 더 먼 거리에 위치되어 있는 물체들에 관해 비교적 정확한 움직임 측정이 획득될 수 있다는 통찰력(insight)에 기초한다.
한 예시적인 실시예에서, 측정 수단은 반사된 측정 빔 방사파에 의해 발생되는 노이즈 스펙트럼의 평균 주파수 편이를 결정하도록 구성된다. 대안으로, 측정 수단은, 반사된 측정 빔 방사파에 의해 발생되는 노이즈 스펙트럼의 순간적인(momentary) 주파수 편이를 결정하도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 측정 수단은, 주파수 편이된 반사 측정 빔 방사파와 주파수 편이되지 않은 반사 측정 빔 방사파의 시간-영역 검출을 수행하도록 구성될 수 있다(the measuring means may be configured to perform a time-domain detection of frequency shifted and non-frequency shifted reflected measuring beam radiation). 평균 주파수 편이 이상의(즉, 순간적이거나 또는 시간-의존적인) 것이 결정되는 경우, 속도 및 거리 둘 모두 결정될 수 있다.
본 디바이스는 디바이스와 물체 서로에 대해 이동하거나 또는 이동하지 않는, 디바이스와 물체 간의 거리를 결정하는 데 유리하게 구성되어 있다.
한 예시적인 실시예에서, 적어도 하나의 레이저를 제어하기 위한 수단이 제공될 수 있으며, 이 제어 수단은 적어도 하나의 레이저에 주기적으로 변하는 전류를 제공하도록 구성될 수 있으며, 이 주기적으로 변하는 전류는 측정 빔의 파장의 주기적인 변동을 일으켜서, 반사된 측정 빔 방사파의 스펙트럼이 적어도 하나의 레이저에 의해 발생되는 측정 빔 방사파와 사실상 오버랩하게 한다.
대안으로, 제어 수단은 적어도 하나의 레이저에 주기적으로 변하는 전류를 제공하도록 구성될 수 있으며, 이 주기적으로 변하는 전류는 측정 빔의 파장의 주기적인 변동을 일으켜서, 반사된 측정 빔 방사파의 스펙트럼이 적어도 하나의 레이저에 의해 발생되는 측정 빔 방사파와 기껏해야 일부분 오버랩하게 한다. 그 결과, 레이저에 의해 발생되는 방사파와 레이저에 의해 증폭된, 반사된 방사파의 혼합으로 인해 RF 신호가 획득된다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 제어 수단은 레이저에 펄스 전류(pulsed current)를 제공하도록 구성될 수 있으며, 이에 의해 레이저 펄스와 대응하는 반사된 방사파 펄스의 순간적인 오버랩이 결정될 수 있다.
본 디바이스는, 제1 검출 모드 및 제2 검출 모드 중 하나의 모드에서 선택적으로 동작하도록 배치되고 구성될 수 있으며, 제1 검출 모드는 코히어런트(coherent) 검출 모드이며, 제2 검출 모드는 인코히어런트(incoherent) 검출 모드이다. 따라서, 수렴 수단은, 측정 빔 방사파의 코히어런스 길이에 또는 측정 빔 방사파의 코히어런스 길이 너머로 선택적으로 측정 빔 방사파를 집속시킬 수 있도록, 한 예시적인 실시예에서는 고정된 초점을 지닐 수 있으며, 또는, 다른 예시적인 실시예에서는 초점이 선택적으로 변할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 양태들은 본 명세서에 설명된 실시예로부터 명백할 것이며, 이를 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 입력 또는 제어 디바이스의 개략적인 단면도.
도 2는 도 1의 디바이스의 개략적인 평면도.
도 3은 도 1의 디바이스에서 사용된 측정 방법의 원리를 개략적으로 도시하는 도면.
도 4는 도 1의 디바이스와 물체 서로에 대한 움직임의 함수로서 광 주파수 및 레이저 캐비티의 이득의 변동을 그래프로 도시하고 있으며, 인코히어런스의 경우에 대비한 코히어런트 모드 동작의 경우의 통상적인 곡선을 도시하며, 광 주파수 및 캐비티의 이득은 노이즈가 부가된 (톱니파(sawtooth)에 반대되는) 사인파의 변동의 형세를 도시한다.
도 5는 도 1의 디바이스에서 사용되는 측정 방법을 개략적으로 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 입력 또는 제어 디바이스의 개략적인 단면도.
본 발명의 실시예는 이제부터 예시로서만 설명되며, 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
종래 기술에 따른 자기-혼합 레이저 디바이스의 동작 원리 및 일반적인 구조가 도 1 내지 도 4를 참조하여 먼저 설명될 것이다.
도 1은 WO 02/37410에 설명된 입력 또는 제어 디바이스의 개략적인 단면도이다. 이 디바이스는 그 아래 측에 베이스 플레이트(base plate)(1)를 포함하며, 이것은 본 실시예에서는 VCSEL 유형의 레이저인 다이오드 레이저와, 예를 들면 포토 다이오드(photo diode)인 검출기(detector)를 위한 캐리어(carrier)이다. 도 1에서는, 단지 단 하나의 다이오드 레이저(3)와 그에 관련된 포토 다이오드(4)만이 보이지만, 장치의 상부도인 도 2에서 도시된 바와 같이, 일반적으로, 적어도 제2 다이오드 레이저(5) 및 관련된 검출기(6)가 베이스 플레이트에 제공된다. 다이오드 레이저(3 및 5)는 레이저 또는 측정 빔(13 및 17)을 각각 방출한다. 이 디바이스의 상부 측에는, 사람 손가락과 같은 물체(15)가 움직여질 투명 윈도우(transparent window)(12)가 제공된다. 예를 들면, 플라노-컨벡스 렌즈(plano-convex lens)와 같은 렌즈(10)가 다이오드 레이저와 윈도우 사이에 배치된다. 이 렌즈는 투명 윈도우에 또는 투명 윈도우의 상부쪽 가까이에 레이저 빔(13 및 17)을 집속시킨다. 물체(15)가 이 위치에 있다면, 이 물체는 빔(13)을 산란시킨다. 빔(13)의 방사파의 일부가 조명 빔(13)의 방향으로 산란되고, 이 일부는 렌즈(10)에 의해 다이오드 레이저(3)의 방출 표면 상으로 수렴되어, 이 레이저의 캐비티로 재진입한다. 이하에서 설명될 바와 같이, 캐비티로 되돌아온 방사파는 이 캐비티에 변화를 야기시켜, 이것은 특히(inter alia), 다이오드 레이저에 의해 방출되는 레이저 방사파의 강도를 변화시키는 결과를 가져온다. 이러한 변화는 방사파 변 동(radiation variation)을 전기 신호로 변환시키는 포토 다이오드(4)와 이 신호를 처리하는 전자 회로(18)에 의해 검출될 수 있다. 이 물체에 조명 빔(17)이 또한 집속되고 산란되어, 이 산란된 방사파의 일부가 다이오드 레이저(5)의 캐비티에 재진입한다. 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 포토 다이오드(6)의 신호용의 회로(18 및 19)는 단지 설명을 목적으로 하는 것이며, 다소 통상적일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이 회로는 상호연결되어(interconnected) 있다.
도 3은 레이저의 뒷면(rear facet)에 배치된 수평 방출 다이오드 레이저(horizontal emitting diode laser)와 모니터 포토 다이오드(monitor photo diode)가 사용되는 경우에서의, 종래 기술에 따른 입력 디바이스의 원리 및 측정 방법을 도시한다. 이 도면에서, 예를 들면, 다이오드 레이저(3)인 다이오드 레이저는 그 캐비티(20), 다이오드 레이저의 앞면 및 뒷면, 또는 레이저 미러(21 및 22)로 각각 개략적으로 표현되어 있다. 캐비티는 길이 L을 갖는다. 움직임이 측정될 물체는 참조번호(15)로 표시된다. 이 물체와 앞면(21) 사이의 공간은 길이가 L0인 외부 캐비티를 형성한다. 앞면을 관통하여 방출되는 레이저 빔은 참조번호(25)로 표시되고, 물체에 의해 앞면의 방향으로 반사되는 방사파는 참조번호(26)로 표시된다. 레이저 캐비티에서 발생되는 방사파의 일부는 뒷면을 통과하여 포토 다이오드(4)에 의해 캡쳐된다.
물체(15)가 조명 빔(13)의 방향으로 이동하면, 반사된 방사파(26)는 도플러 편이를 겪는다(undergo). 이것은 이 방사파의 주파수가 변하거나 또는 주파수 편 이가 발생한다는 것을 의미한다. 이 주파수 편이는 물체가 이동하는 속도(velocity)에 좌우되며, 수 ㎑ 내지 ㎒ 정도이다. 레이저 캐비티에 재진입한 주파수-편이된 방사파는 광 파 또는 이 캐비티에서 발생되는 방사파와 간섭한다(즉, 자기-혼합 효과가 이 캐비티에서 발생함). 광 파와 캐비티에 재진입한 방사파 간의 위상 편이(phase shift)의 양에 따라, 간섭이 적극적(constructive)이 되거나 또는 소극적(negative)이 될 것이다(즉, 레이저 방사파의 강도가 주기적으로 증가하거나 감소될 것이다). 이러한 방식으로 발생되는 레이저 방사파 변조의 주파수는, 캐비티 내의 광 파의 주파수와 캐비티에 재진입한 도플러-편이된 방사파의 주파수 간의 차와 정확하게 같다. 주파수 차는 수 ㎑ 내지 ㎒ 정도이므로, 검출하기 쉽다. 자기-혼합 효과와 도플러 편이의 조합은 레이저 캐비티의 거동에서의 변동을 야기시킨다. 특히, 그 이득 또는 광 증폭(light amplication)이 변한다.
이것이 도 4에 도시되어 있다. 이 도면에서, 곡선(31 및 32)은, 물체(15)와 프런트 미러(21) 간의 거리 L0의 함수로서, 방출된 레이저 방사파의 주파수 υ의 변동과 다이오드 레이저의 이득 ｇ의 변동을 각각 나타낸다. υ, ｇ 및 L0 둘 모두 임의의 단위이다. 거리 L0의 변동이 물체의 움직임의 결과이기 때문에, 도 4의 횡좌표(abscissa)는 시간 축 눈금이 재조정(re-scale)될 수 있어, 이득은 시간 함수로서 플롯팅될(plotted) 것이다. 물체의 속도 ｖ의 함수로서 이득 변동 Δｇ는 이하의 수학식에 의해 산출된다(코히어런트 사례(coherent case)의 경우).
이 수학식에서,
K는 외부 캐비티로의 커플링 계수(coupling efficient)이며, 이것은 레이저 캐비티로부터 커플 아웃된(coupled out of the laser cavity) 방사파의 양을 나타냄;
υ는 레이저 방사파의 주파수임;
ｖ는 조명 빔의 방향으로의 물체의 속도임;
t는 시간의 어떤 순간(moment)임;
c는 빛의 속도임.
이 수학식은 본 명세서에서 상술된 두 개의 논문에 개시된 자기-혼합 효과에 관한 이론으로부터 도출될 수 있다. 물체의 표면(surface)은 도 3의 화살표(16)로 표시된 바와 같이 자신의 평면(plane)에서 이동된다. 도플러 편이가 물체의 빔의 방향으로의 움직임에 대해서만 발생하기 때문에, 이 움직임(16)은 이 방향으로 컴포넌트(16')를 갖는 그러한 것이어야만 한다. 이에 의해, XZ 평면, 즉, 움직임이 X 움직임이라 지칭될 수 있는 도 3의 도면의 평면에서 이 움직임을 측정하는 것이 가능하게 된다. 도 3은 물체의 표면이 본 시스템(system)의 받침대(rest)에 대해 비스듬한 위치에 있음을 도시하고 있다. 실제로, 일반적으로 측정 빔은 비스듬한 빔이며, 물체 표면의 움직임은 XY-평면에서 발생할 것이다. Y-방향(direction)은 도 3의 도면의 평면에 직각이다. 이 방향으로의 움직임은 제2 다이오드 레이저에 의해 방출되는 제2 측정 빔에 의해 측정될 수 있으며, 제2 측정 빔의 산란 광은 제2 다이오드 레이저와 관련된 제2 포토 다이오드에 의해 캡쳐된다. 비스듬한 조명 빔(들)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 렌즈(10)에 대해 다이오드 레이저(들)를 편심적으로(eccentrically) 배치함으로써 획득된다.
모니터 다이오드에 의해 레이저의 뒷면에서 방사파의 강도를 측정함으로써 물체의 움직임에 의해 야기된 레이저 캐비티 이득의 변동을 측정하는 것이 가장 단순하므로, 가장 끌리는(most attractive) 방식이다. 통상적으로, 이 다이오드는 레이저 방사파의 강도를 일정하게 유지하는 데 사용되지만, 이제는 물체의 움직임을 측정하는데 또한 사용된다.
이득 변동 따라서 물체의 움직임을 측정하는 또 다른 방법은, 반도체 재료의 광 이득이 레이저의 접합부(junction)에서의 전도대(conduction band)에 있는 전자의 개수의 함수라는 사실을 이용하는 것이다. 반도체 다이오드 양단의 전압 강하(drop)는 캐리어 농도(carrier concentration)의 함수이며, 광 이득의 임의의 변동은 접합부 양단의 전압의 변동을 가져온다. 이 측정 방법의 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 이 도면에서, 다이오드 레이저의 액티브 층은 참조번호(35)로 도시되어 있고, 이 레이저에 전류를 공급하기 위한 전류원은 참조번호(36)로 도시되어 있다. 다이오드 레이저 양단의 전압이 커패시터(38)를 통해 전자 회로(40)에 공급된다. 본드와이어(bondwire)의 인덕턴스(37)가 다이오드 레이저와 직렬로 연결되어 있으며, 이것은 다이오드 레이저 양단의 신호에 대해 대수롭지 않은 임피던스(insignificant impedance)를 형성하도록 충분히 낮게 선택된다.
움직임의 양, 즉, 측정된 속도를 시간에 대하여 적분함으로써 측정될 수 있는 물체가 이동하는 거리 외에도, 움직임의 방향이 또한 검출될 수 있다. 이것은, 물체가 움직임의 축을 따라 앞으로 또는 뒤로 움직이는지를 판단해야한다는 것을 의미한다. 움직임의 방향은 자기-혼합 효과로부터 기인하는 신호의 형상을 판단함으로써 검출될 수 있다. 도 4의 그래프(32)에 도시된 바와 같이, 이 신호는 비대칭 신호이다. 그래프(32)는 물체(15)가 레이저를 향해 앞으로 이동하는 상황을 나타낸다. 상승 슬로프(rising slope)(32')는 하강 슬로프(falling slope)(32'')보다 더 가파르다. Applied Optics, Vol 31, No.8, 1992년 6월 20일자, 페이지 3401-3408에 기술되어 있는 바와 같이, 이 비대칭성(asymmetry)은 레이저에서 멀리 떨어져 있는 물체의 움직임의 경우는 반대가 된다, 즉, 하강 슬로프가 상승 슬로프보다 더 가파르다. 자기-혼합 신호의 비대칭성의 유형을 판단함으로써, 물체의 움직임의 방향을 확인할 수 있다.
WO 02/37410에 기술된 입력 디바이스에서, 수렴 수단 또는 렌즈(10)는, 물체(15)에 측정 빔을 집속시키는 그러한 유형의 것이며, 그러하도록 배치된다. 실제로, 이것은 측정 빔이 디바이스의 윈도우(12)의 윗 표면의 평면에서 집속된다는 것을 의미하는데, 그 이유는 이 디바이스를 사용할 때, 사람의 손가락 또는 물체(15)가 이 표면 위에 놓여 있고 그 위에서 움직이기 때문이다. PCT 출원 WO 2005/076116에 기술된 장치에서는, 자기-혼합 레이저 입력 디바이스의 렌즈의 초점을 그 디바이스의 작동 범위(working range)를 확장하도록 적응시키는 것이 제안되어 있다. 이 초점은, 가능한 최대치보다는 작지만, 물체와 디바이스 간의 확장된 거리 범위에 대한 임계치보다는 큰 자기-혼합 효과를 제공하도록 적응된다. 그러나, 이 디바이스가 여전히 상술된 코히어런스의 검출 방법을 사용하기 때문에, 이 측정 범위는 여전히 어느 정도 제한된다.
따라서, 본 발명에 따라, 레이저 방사파의 코히어런스 길이 너머의 거리에서 측정 빔을 집속시키도록 동작하는 수렴 수단을 제공하고, (종래 기술의 디바이스에서 사용된 코히어런스 검출 모드가 아니라) 인코히어런스 검출 모드에서 동작하도록 디바이스를 구성하여, 방사파의 코히어런스 길이보다 더 먼 디바이스로부터의 거리에서 물체에 의해 레이저 캐비티 내로 반사된 방사파에 의해 발생되는 노이즈 스펙트럼의 평균 주파수 편이를 결정하는 것이 제안된다. 본 발명은, 레이저 측정 빔의 코히어런스의 길이보다 더 먼 거리에서부터 레이저 캐비티에 재진입한 방사파가 또한 캐비티 내에서 충분한 자기-혼합을 야기시켜 물체의 속도(speed)를 측정하는 데 유용한 신호를 제공한다는 통찰력에 기초한다. 본 발명에 따른 디바이스를 이용한 속도 측정의 정확도는 간섭 시스템의 정확도에 필적하지만 복잡하지 않고 비용이 많이 들지 않는 것으로 드러났다. 게다가, 본 발명의 디바이스는 배경 방사파(backgound radiation)에 의해 영향을 받지 않으며, 그 레이저 캐비티는 측정 방사파의 주파수에 대해서만 높은 이득을 갖는다.
따라서, 도면의 도 6을 참조해보면, 수렴 수단(10)이 더 먼 거리에 집속을 하도록 변경되어 있다. 게다가, WO 02/37410 및 WO 2005/076116에 기술되어 있는 디바이스는 (도 4에 도시된 바와 같은) 파동하는 신호(undulating signal)를 이용하여 물체의 속도와 이동의 방향을 결정하는 데 비해, 본 발명에서는, 발생되는 노이즈 스펙트럼의 평균 주파수의 편이가 결정된다.
물체에 의해 반사된 방사파와 레이저에서 발생되는 방사파 간에 아무런 위상 관계(phase relation)가 없는 실시예에서는, 레이저에 의해 발생되는 방사파와 물체에 의해 반사된 레이저 방사파로 구성된 혼합 방사파를 판단하는 데에 방사파에 민감한 검출기(radiation-sensitive detector)(광 다이오드)가 이용된다.
다이오드 레이저에는, 레이저 방사파의 파장이 변조되도록 WO 02/37410의 디바이스에서와 동일한 방식으로 주기적으로 변하는 전류가 제공된다. 이것을 이용하여 물체와 디바이스는 서로에 대한 상대적인 움직임의 방향을 결정한다. 레이저에 의해 발생되는 방사파의 스펙트럼과 물체에 의해 반사된 방사파의 스펙트럼이 오버랩될 필요가 없는 WO 02/37410의 디바이스에서는, 변조가 비교적 크다. 파장 변조의 진폭은, 예를 들면, 0.4㎚이며, 이것은 50㎓의 주파수 변조에 대응한다.
새 디바이스의 제1 실시예에서, 파장 변조는, 레이저에 의해 발생되는 방사파의 광 스펙트럼이 물체에 의해 반사된 방사파의 노이즈 스펙트럼을 사실상 오버랩하고, 노이즈 스펙트럼의 평균 주파수의 편이가 결정될 수 있도록 매우 작다.
제2 실시예에서, 레이저 변조 패턴은, 물체에 의해 반사된 방사파의 스펙트럼이 레이저에 의해 발생되는 방사파의 스펙트럼과 일부분만 오버랩하거나, 또는 전혀 오버랩하지 않는 그러한 것이다. 방사파에 민감한 검출기의 위치에서, 레이저에 의해 발생되는 방사파와 반사된 방사파는 간섭하며, 디바이스와 물체의 서로에 대한 상대적인 움직임을 나타내는 최종 신호를 획득하기 위한 추가의 신호 처리에 적합한, 유용한 RF 주파수에서의 검출기 신호를 제공한다.
제3 실시예에서, 레이저는 주기적으로 변조되는 대신, 단순히 펄스되며(pulsed), 레이저 펄스와 물체에 의해 반사된 방사파 펄스의 순간적인 오버랩이 결정된다. 이 오버랩은 반사된 펄스의 플라이트(flight)의 시간, 따라서 물체와 디바이스 간의 거리를 나타낸다. 임의의 레이저 펄스의 가열된 부분(heat-up portion)이 레이저 방사파의 파장 변동을 이미 일으키기 때문에, 디바이스와 물체의 서로에 대한 상대적인 움직임의 방향은, 레이저를 위한 주기적으로 변하는 전기 공급 전류(a periodically varying electrical supply current for the laser)를 사용하지 않고 결정될 수 있다.
수렴 수단, 예를 들면 단일의 렌즈는 그 초점이 고정될 수 있다. 반사된 방사파의 최대 양을 수집할 수 있는, 초점이 제어가능한 렌즈를 사용하는 것 또한 가능하다. 제어가능한 렌즈는, 예를 들면, 소위 액체 렌즈(liquid lens)일 수 있는데, 이것은 서로 다른 굴절률을 가지는 두 가지의 액체를 포함하며, 그 액체들 사이의 계면에 형성된 요철 렌즈(meniscus)를 포함한다. 이 액체 렌즈의 곡률(curvature), 즉 렌즈 파워는 전압에 의해 변할 수 있다. 이 액체 렌즈는 WO 02/37410에 개시된 입력 디바이스에 의해 제어될 수 있다.
물체(object)라는 용어가 단일의 단단한 물체, 매질 속의 입자, (예를 들면 그 굴절률이 결정될) 매질 그 자체 등을 포함하는 일반적인 용어임을 유의한다.
한 예시적인 실시예에서, 본 발명은, 두 가지의 모드에서 동작하는 레이저 자기-혼합 디바이스를 제공하며, 이 두 가지 모드는, 가까운 거리에 있는 물체에 적합한 코히어런드 및 아주 높은 감도의 모드와, 멀리 있는 물체에 적합한 감도가 감소된 모드이다.
본 발명은 물체의 거리와 움직임(속도와 방향 둘 모두)을 측정하는 데 사용 될 수 있다. 이것은 간섭 디바이스에 대한 저비용의 대안을 제공한다. 본 발명은 또한 매질의 굴절률을 결정하는 데에 사용될 수 있다.
상술된 실시예가 본 발명을 제한하는 것이 아니며, 당업자들은 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 많은 대안의 실시예들을 설계할 수 있다는 것을 유의한다. 청구항에서, 괄호 속의 임의의 참조번호는 청구항을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 단어 "포함하는(comprising)"과 "포함하는(comprises)" 등은 임의의 클레임 또는 전체로서의 명세서에 리스트된 것 외의 엘리먼트 또는 단계의 존재를 배제하는 것은 아니다. 엘리먼트의 단수 참조는 그 엘리먼트의 복수의 참조를 배제하는 것이 아니며, 그 역(vice-versa) 또한 마찬가지이다. 본 발명은 여러 서로 다른 엘리먼트를 포함하는 하드웨어에 의해, 적합하게 프로그램된 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다. 여러 수단들을 나열하는 장치 청구항에서, 이들 수단들 중 몇몇은 하나의 그리고 동일한 하드웨어 항목에 의해 구현될 수 있다. 몇몇 수단들이 서로 다른 종속항들에서 언급된다는 사실은, 이들 실시예들의 조합이 이롭게 하기 위해 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다.
Claims (13)
- 물체(object)(15)와 디바이스의 서로에 대한 상대적인 움직임을 측정하기 위한 디바이스로서,측정 빔(measuring beam)(13)을 발생시키기 위한, 레이저 캐비티(20)를 지니는 적어도 하나의 레이저(3),상기 측정 빔(13)을 액션 평면(action plane)에 수렴시키고(converge), 상기 물체에 의해 반사된 측정 빔 방사파(measuring beam radiation)를 상기 레이저 캐비티(20)에 수렴시켜 상기 레이저(3)에서 자기-혼합 효과(self-mixing effect)를 발생시키기 위한 수렴 수단(converging means)(10), 및상대적인 움직임에 의해 결정되는 상기 자기-혼합 효과의 결과를 측정하기 위한 측정 수단(measuring means)(4)을 포함하며,상기 수렴 수단(10)은 상기 측정 빔 방사파의 코히어런스 길이 너머로 확장하는 거리 범위에 걸쳐 상기 측정 빔(13)을 집속시키도록(focus) 배치되며,상기 측정 수단(4)은 상기 측정 빔(13)과 물체에 의해 반사된 상기 레이저 캐비티(20) 내의 상기 측정 빔 방사파 간의 주파수 차를 결정하도록 구성된 움직임 측정 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 측정 수단(4)은 상기 반사된 측정 빔 방사파에 의해 발생되는 노이즈 스펙트럼의 평균 주파수 편이(mean frequency shift)를 결정하도록 구성된 움직임 측정 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 측정 수단(4)은 상기 반사된 측정 빔 방사파에 의해 발생되는 노이즈 스펙트럼의 순간적인 주파수 편이(momentary frequency shift)를 결정하도록 구성된 움직임 측정 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 측정 수단(4)은, 주파수 편이된 반사된 측정 빔 방사파와 주파수 편이되지 않은 반사된 측정 빔 방사파의 시간-영역 검출을 수행하도록 구성된 움직임 측정 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 움직임 측정 디바이스는 상기 물체(15)의 움직임 및 상기 디바이스와 상기 물체(15) 간의 거리를 측정하기 위한 것이며, 상기 물체(15)는 상기 디바이스에 대해 이동하고 있거나 또는 이동하지 않는(the said object(5) is moving or non-moving relative thereto) 움직임 측정 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 레이저(3)를 제어하기 위한 제어 수단이 제공되는 움직임 측정 디바이스.
- 제6항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 적어도 하나의 레이저(3)에 주기적 으로 변하는 전류를 제공하도록 구성되며, 상기 주기적으로 변하는 전류는 측정 빔의 파장의 주기적인 변동을 일으켜서, 상기 반사된 측정 빔 방사파의 스펙트럼이 상기 적어도 하나의 레이저(3)에 의해 발생되는 측정 빔 방사파와 사실상 오버랩하게 되는 움직임 측정 디바이스.
- 제6항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 적어도 하나의 레이저(3)에 주기적으로 변하는 전류를 제공하도록 구성되며, 상기 주기적으로 변하는 전류는 측정 빔의 파장의 주기적인 변동을 일으켜서, 상기 반사된 측정 빔 방사파의 스펙트럼이 상기 적어도 하나의 레이저(3)에 의해 발생되는 측정 빔 방사파와 기껏해야 일부분 오버랩하게 되는 움직임 측정 디바이스.
- 제6항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 적어도 하나의 레이저(3)에 펄스 전류(pulsed current)를 제공하도록 구성된 움직임 측정 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 움직임 측정 디바이스는 제1 검출 모드 및 제2 검출 모드 중 하나의 모드에서 선택적으로 동작하도록 배치되고 구성되며, 상기 제1 검출 모드는 코히어런트(coherent) 검출 모드이며, 상기 제2 검출 모드는 인코히어런트(incoherent) 검출 모드인 움직임 측정 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 수렴 수단(10)은 초점이 고정된 움직임 측정 디바이 스.
- 제1항에 있어서, 상기 수렴 수단(10)은, 상기 측정 빔 방사파의 코히어런스 길이에서 또는 상기 측정 빔 방사파의 코히어런스 길이 너머로 선택적으로 상기 측정 빔 방사파를 집속시키기 위해 초점이 선택적으로 변할 수 있는 움직임 측정 디바이스.
- 물체(15)와 디바이스의 서로에 대한 상대적인 움직임을 측정하기 위한 방법으로서,레이저 캐비티(20)를 지니는 적어도 하나의 레이저(3)에 의해 측정 빔(13)을 발생시키는 단계;측정 빔 방사파의 코히어런스 길이 너머로 확장하는 거리에 걸쳐 액션 평면에서 상기 측정 빔(13)을 수렴시키고, 상기 물체에 의해 반사된 측정 빔 방사파는 상기 레이저 캐비티(20)에 수렴시켜 상기 레이저(3)에서 자기-혼합 효과를 발생시키는 단계; 및상기 측정 빔(13)과 물체(15)에 의해 반사된 상기 레이저 캐비티(20) 내의 상기 측정 빔 방사파 간의 평균 주파수 차(mean frequency difference)를 결정하는 단계 -상기 주파수 차는 상기 상대적인 움직임에 의해 결정됨-를 포함하는 움직임 측정 방법.
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