KR20160147760A

KR20160147760A - 객체 감지 장치

Info

Publication number: KR20160147760A
Application number: KR1020167029736A
Authority: KR
Inventors: 크리스토프 델프스; 프랑크 피셔; 라이너 슈닛처; 하이코 리더부쉬; 가엘 필라드
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2016-12-23
Also published as: WO2015165616A1; JP2017520756A; US20170059710A1; CN106233156A; DE102014207965A1

Abstract

본 발명은 VCSEL 도플러 센서(1) 및 MEMS 스캐너(3)를 구비한 객체 감지 장치에 관한 것으로, 상기 MEMS 스캐너(3)는 VCSEL 도플러 센서(1)에서 송출되는 레이저 빔을 이용하여 각도 범위를 스캐닝하기 위한 하나 이상의 편향 가능 MEMS 미러를 가지며, 상기 VCSEL 도플러 센서(1)는 객체(30)의 속도 및/또는 거리를 측정하도록 설계된 도플러 제어 및 평가 요소(5)와 연결되어 있다.

Description

객체 감지 장치{DEVICE FOR DETECTING OBJECTS}

본 발명은 VCSEL 도플러 센서 및 MEMS 스캐너를 구비한 객체 감지 장치에 관한 것이다.

문헌, "VCSEL-based miniature laser-Doppler interferometer" (A.Pruijmboom 외 공저, Proc. of SPIE, Vol. 6908)에는 하나의 공통 반도체 기판 상에 VCSEL 및 포토다이오드가 집적되어 있는 집적 도플러 센서가 개시되어 있다. VCSEL 도플러 센서는 이미 고해상도 컴퓨터 마우스에 이용되고 있다. VCSEL 도플러 센서는 반사 객체의 상대 속도 및 (변조 작동에서) 상기 객체의 거리를 측정한다. 그 대안으로, VCSEL 대신 VeCSEL(외부 캐비티를 가진 VCSEL)도 사용될 수 있다.

또한, 선행 기술에는 MEMS 미러 또는 마이크로미러와, 상기 MEMS 미러를 가진 레이저 스캐너 프로젝터가 공지되어 있다.

본 발명의 과제는, 예컨대 컴퓨터 마우스, 터치스크린 및 월 스위치(wall switch)와 같이, 평면상에서의 제스처 인식에 사용될 수 있는, 컴팩트하고 경제적인 객체 감지 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 VCSEL 도플러 센서 및 MEMS 스캐너를 구비한 객체 감지 장치에 관한 것으로, 상기 MEMS 스캐너는 VCSEL 도플러 센서에서 송출되는 레이저 빔을 이용하여 각도 범위를 스캐닝하기 위한 하나 이상의 편향 가능 MEMS 미러를 가지며, 상기 VCSEL 도플러 센서는 객체의 속도 및/또는 거리를 측정하도록 설계된 도플러 제어 및 평가 요소와 연결되어 있다. 바람직하게는 상기 장치를 이용하여 객체로 향하는 각도 범위를 스캐닝할 수 있다. 바람직하게 상기 장치는 매우 전류 절약형이다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에서, VCSEL 도플러 센서는 일체로 집적된 레이저 및 포토다이오드를 갖는다. 이 실시예는 바람직하게 매우 컴팩트하고 경제적이다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에서는, VCSEL 도플러 센서가 외부 캐비티를 가진 레이저, 즉, VeCSEL을 갖는다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에서는, 상기 장치가 스캐너 제어 및 위치 검출 요소를 가지며, 상기 스캐너 제어 및 위치 검출 요소는 MEMS 스캐너와 연결되고 MEMS 미러의 각도 위치를 측정하도록 설계된다. 그럼으로써 바람직하게는, 예컨대 극좌표에서의, 객체의 위치가 측정될 수 있다. 특히 바람직하게는, 상기 장치가 동기화 유닛을 가지며, 이 동기화 유닛은 도플러 제어 및 평가 요소 그리고 스캐너 제어 및 위치 검출 요소와 연결되고, 객체의 속도 및/또는 거리를 시간 분해 및 각도 분해 방식으로 측정하도록 설계된다.

바람직하게는 상응하는 객체의 크기 및 객체 감지 장치의 분해능에서도 객체의 스캐닝된 표면 구조가 측정될 수 있다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에서는, MEMS 스캐너가 입체각 범위의 스캐닝을 위해, 2개의 상이한 회전축으로 편향 가능한 하나의 MEMS 미러 또는 상이한 회전축으로 편향 가능한 2개의 MEMS 미러를 갖는다.

바람직하게는 객체 또는 제스처의 감지를 위해 하나 이상의 레이저 빔을 이용하여 조작 표면에 실질적으로 평행하게 스캐닝된다. 이를 위해 예컨대 MEMS 기술의 하나 이상의 마이크로미러가 사용된다. 본 발명에 따라, 레이저 빔은 도플러 센서의 부분을 형성하는 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser = 수직 발광 반도체 레이저) 또는 VeCSEL(외부 캐비티를 가진 수직 발광 반도체 레이저)에 의해 발생한다.

VCSEL 도플러 센서에서는 VCSEL로부터 레이저 빔이 방출된다. 객체가 레이저 광의 일부를 다시 (출력의 10^-6까지) 산란시키면, 광자들이 VCSEL의 캐비티 내로 결합되어 그곳에서 유도 방출(stimulated emission)의 정상파와 보강 중첩되거나, 상쇄 중첩된다. 이로써 출력 신호의 변동이 일어난다. VCSEL의 출력은 일체로 집적된 포토다이오드에 의해 직접 측정된다. 이 경우, 포토다이오드가 매우 소형인 저가의 소자 내에 VCSEL과 일체로 집적되는 형태는 매우 컴팩트하고 경제적인 구성이다. VCSEL의 미러 구조(반도체 층들로 구성된 다중층)가 광투과에 있어서 매우 협대역 특성을 갖는 것도 바람직하며, 이때 주변광이 필터링되고, 이론적으로 고유 방출의 응집성 광자(coherent photon)만이 중첩 효과를 야기하며, 그로 인해 매우 높은 민감도가 달성된다.

산란 객체가 레이저를 향해 또는 레이저로부터 이동하는 경우에 출력이 진동하기 시작한다(도플러 효과). VCSEL 도플러 센서의 변조 작동 모드에서는 바람직하게 속도 외에 반사 표면까지의 거리도 측정될 수 있다.

바람직하게는 VCSEL의 가우스 빔 구조가 간단한 웨이퍼 레벨 시준 광학계의 사용을 가능케 한다. 바람직하게는 VCSEL 도플러 센서가 높은 민감도를 갖는다. 또한, 상기 VCSEL 도플러 센서는 배경광 및 온도 변동에 대해 매우 강건하다. 따라서 본 발명에 따른 장치는 아주 적게 반사된 광으로도 원활하게 동작하며, 유리하지도 않은 여러 가지 환경 조건에서 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 객체 감지 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 객체 감지 장치의 기능 원리도이다.

도 1에는 본 발명에 따른 객체 감지 장치가 개략적으로 도시되어 있다. VCSEL 도플러 센서(1)가 시준 광학계(2)를 이용하여, 예컨대 IR에서, MEMS 스캐너(3)로 레이저 빔(10)을 송신한다. MEMS 스캐너(3)는 실질적으로 하나 이상의 MEMS 미러로 구성되며, 이들 MEMS 미러의 위치는 (도시되지 않은) 집적 위치 검출 소자에 의해 측정된다. MEMS 스캐너(3)의 후방에는 선택적으로 하나의 각도 확장 광학계(4)가 설치될 수 있으며, 이 광학계는 예컨대 렌즈 광학계로서 형성되거나, 오목한(예컨대 원통형의) (반사) 미러로 형성될 수 있다. 빔 확장의 목적은, 객체 검출을 위한 넓은 범위를 확보하기 위해 미러의 스캔 각도를 확대시키는 것이다. 그 대안으로, 필요에 따라 미러 자체를 더 높은 진폭으로 구동할 수 있다. VCSEL 도플러 센서(1)는 도플러 제어 및 평가 유닛(5)과 연결되어 있다. MEMS 스캐너(3)는 스캐너 제어 및 위치 검출 유닛(6)과 연결되어 있다. 본원 장치는 선택적으로, 도플러 제어 및 평가 유닛(5) 및 스캐너 제어 및 위치 검출 유닛(6)과 연결되어 있는 동기화 유닛(7)을 갖는다. 그럼으로써 도플러 센서의 평가 신호, 다시 말해 검출된 객체의 속도 또는 거리와, 스캐너 모듈(3)의 관련 각도 위치가 시간 분해 방식으로 측정될 수 있다. 객체의 평가된 위치 신호 또는 원시 데이터 세트들도 인터페이스(8)를 통해 응용 프로세서로 전송될 수 있다. 상기 유닛들(5, 6, 7)은 하나의 회로 소자 내에 통합될 수도 있다.

도 2에는 본 발명에 따른 객체 감지 장치의 기능 원리가 도시되어 있다. 여기에는 예컨대 1개의 1차원 스캐너가 도시되어 있고, 이 스캐너는 예컨대 탁상면 또는 시트면과 같은 조작면에 대해 평행하게 스캔한다. 스캔되는 각도 범위(20)는 MEMS 스캐너(3) 내 MEMS 미러의 가능 편향 범위에 의해 결정된다. 또한, 예를 들어 임의의 각도(α(t))에서 송출되는 개별 레이저 빔(10)이 도시되어 있다. 이 레이저 빔들(10)은 d(α(t)의 거리에서 객체(30)의 가장 가까운 반사 표면(40)에 부딪친다. 객체(30) 외부에는 배경 신호가 평면으로 간략하게 도시되어 있다. 거리(d)는 도플러 센서를 이용하여 측정될 수 있다. 그 대안으로, 상기 거리(d) 외에 속도(v)도 검출될 수 있다. 객체 속도의 측정이 스캐너 속도에 비해 빠르게 완료되면, 스캐너 쪽으로의 객체의 운동이 측정될 수 있다. 이러한 유형의 객체 감지 장치를 이용하여, 예컨대 손가락 운동, 간단한 제스처, 또는 복잡한 제스처도 조작면 상에서 또는 조작면 상부에 적절하게 밀착되어 검출될 수 있다. 이를 위해 상기 객체 감지 장치는 예컨대 탁상면과 같은 조작면 위에 올려지거나, 아니면 조작면 옆에 또는 조작면 상부에 적절하게 고정된다. 이는, 스캐너가 조작면에 대해 실질적으로 평행하게 상기 조작면을 스쳐 지나가거나, 조작면 위로 수 밀리미터 내지 수 센티미터에서 스캐닝하는 방식으로 이루어진다.

그 밖에, MEMS 스캐너(3)가 2개의 상이한 회전축으로 편향 가능한 하나의 MEMS 미러 또는 상이한 회전축으로 편향 가능한 2개의 MEMS 미러를 갖는 객체 감지 장치도 가능하다. 이를 이용하여 입체각 범위의 스캐닝이 가능하다.

Claims

VCSEL 도플러 센서(1) 및 MEMS 스캐너(3)를 구비한 객체 감지 장치로서,
상기 MEMS 스캐너(3)는 VCSEL 도플러 센서(1)에서 송출되는 레이저 빔을 이용하여 각도 범위를 스캐닝하기 위한 하나 이상의 편향 가능 MEMS 미러를 가지며,
상기 VCSEL 도플러 센서(1)는 객체(30)의 속도 및/또는 거리를 측정하도록 설계된 도플러 제어 및 평가 요소(5)와 연결되는, 객체 감지 장치.
제1항에 있어서, VCSEL 도플러 센서(1)는 일체로 집적된 레이저 및 포토다이오드를 갖는 것을 특징으로 하는, 객체 감지 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, VCSEL 도플러 센서(1)는 외부 캐비티를 가진 레이저, 즉, VeCSEL을 갖는 것을 특징으로 하는, 객체 감지 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 객체 감지 장치는, MEMS 스캐너(3)와 연결되고 MEMS 미러의 각도 위치를 측정하도록 설계된 스캐너 제어 및 위치 검출 유닛(6)을 갖는 것을 특징으로 하는, 객체 감지 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 객체 감지 장치는 동기화 유닛(7)을 가지며, 이 동기화 유닛은 도플러 제어 및 평가 유닛(5)과 스캐너 제어 및 위치 검출 유닛(6)에 연결되고, 객체(30)의 속도(v) 및/또는 거리(d)를 시간 분해 방식 및 각도 분해 방식으로 측정하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 객체 감지 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, MEMS 스캐너(3)는 입체각 범위의 스캐닝을 위해 2개의 상이한 회전축으로 편향 가능한 하나의 MEMS 미러 또는 상이한 회전축으로 편향 가능한 2개의 MEMS 미러를 갖는 것을 특징으로 하는, 객체 감지 장치.