TW548885B - Trainable laser optical sensing systems and methods - Google Patents

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548885 A7 __ B7 五、發日明(Ϊ ~~~ "一- 技術領域 本發明係關於一般的感測領域。更明確的說，本發明係 關於雷射光學感測系統和方法。本發明亦關於一種具有附 加一記憶體及訓練模組的可訓練的雷射光學感測系統。 發明背景 先前解決感測需求的方式一般都會涉及使用到某一光源 ，例如一發光二極體，所發出的一單一光信號，以及多重 偵剛器。為了在一環境中利用一單一光源照射一廣大的區 域，已知的方法有兩種。其中一種方法通常會涉及從該光 源發射一廣幅的光#號並且利用放置於整個環境中的多重 偵測器中的其中一個债測該信號。另外一種方法則通常會 從該光源發射窄幅的光信號，然後，舉例來說，以一旋轉 鏡面’將该彳§號反射展開於整個環境令並且利用放置於整 個環i兄中、的多重偵測器中的其中一個偵測該信號。雖然可 行，不過，兩種方式通常都需要多重偵測器並且功率效率 不佳，因此所得到的一低的信號-雜訊比。一差的功率-轉 換率所反映的係低效率，因為接收光信號的個別的偵測器 一般都只會偵測到原來所發射的信號的一部份。因此，所、 偵測到的信號通常都只能提供有關於該環境中所感測到的 目標物的有限資訊（例如，存在，一般位置）。因為該單一 光信號的因素’所以這些方式亦會限制該環境中欲感測的 目標物的大小範圍。 偵測環境中一目標物移動的應用中，前面方式的限制便 會非常的明顯。多數的移動偵測系統都會涉及到一可視直 -4- 本纸張尺度適用中國國冢標準(CNS) A4規格(210X297公|) — ----------' 548885 A7 B7 五、發明説明（2 ) 線（line-of-sight)的操作，當一目標物中斷從光源所發射的一 光束時，便至少有一個偵測器會偵測到該目標物的移動。 在比較簡單的應用中，例如決定一目標物是否存在，此種 方式已經足夠。對於較複雜的應用而言，例如決定該目標 物的移動方向，此種方式便無法滿足。當一目標物移動經 過從一光源所發射的單一光信號時，當被該目標物阻隔的 信號逐漸地-提高時，一偵測器所接收到的信號便會逐漸地 降低。如該技藝中一般所熟知的，這種信號偵測中逐漸變 化的量測通常都需要很複雜的演算法以決定一目標物在該 環境中的位置。增加多重偵測器可以提供更多的資訊並且 降低所需演算法的複雜性，但卻通常都會產生前面所提及 的低功率效率以及增加額外的硬體成本。 前述方式的限制亦與目標物辨識的應用有關。多數已知 的▲系統〜不論是只辨識特定的目標物或是映射目標物的空 間特徵’都牽涉到利用一旋轉鏡面以及/或是使用多重偵測 器將一光信號展開。使用全息圖（h〇l〇gram)亦可藉由將該信 號分割成較小的光信號以展開該光信號。其中一種只偵測 特定目標物的方式包括從一傳送接收器發射信號脈衝，接 收從目標物反射的信號，以及將所接收到的信號與通常係 f諸存於資料庫中的已知目標物的預設反射信號作比較。其 中一種映射一目標物的方式包括在目標物存在時將不同偵 測器所接收到的光信號重疊，並且將該信號與該目標物不 存在時的環境相關的信號作比較。 雖然每一種方式對某一種特殊的功能都係有效的，但是 ___ -5- 本紙張尺度適用規格(2ι〇χ297公爱)-' —

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線 548885 五、發明説明（3 知的是没有―楂方式能夠執行數複功能(例如位置，移動 :向’特徵)。因為此種缺點，所以便需要一種既能節省功 =又以錢的多功能系統。對本發明者而言很清楚的係這 系統成夠，例如，㈣任何目標物或是—特定的目標物 =存在或是不存在，偵測一目標物的空間特徵，伯測一目 ‘物的#動，或偵測與_目標物移動有關的各種特徵。 發明簡單概要 本發明下面的概要係用以幫助瞭解部分本發明特有的創 新的特徵’但是並非是完整的說明。參考整份說明，申請 專矛J 圍’圖式’以及摘要才能對本發明的各種觀點有完 整的瞭解。 本發明的其中一個方面包括利用一垂直凹洞表面發光雷 射用於債測目標物特徵的可訓練的雷射光學感測系統。該 系統包括一具有至少兩個可以由微影蝕刻界定的發射孔的 垂直凹洞表面發光雷射結構。雷射信號可以從任一發射孔 射入環境令。該系統亦包括至少一個偵測器，其操作上 係用以回應該垂直凹洞表面發光雷射結構。該系統包括一 微處理器可在操作上耦合該偵測器。該系統包括一用於儲 存目標物資料的記憶體以及一訓練該系統辨識目標物的訓 練杈組。在操作中，該垂直凹洞表面發光雷射結構會發射 至少兩個雷射信號進入該環境中，該環境係被一目標物佔 據。當信號經過該環境時，至少會有一個偵測器便會偵測 到该雷射信號。接著該微處理器便會根據該偵測器所接收 到的雷射信號以及儲存於記憶體中的已知的目標物的特徵 本紙張尺度適用中國國家標準(CMS) A4規格(210X297公爱) -6 548885 A7 _____ B7 五、發明（4—) —。 ~ - 負料的比較結果決定目標物的特徵。在同一個垂直凹、、门表 面發光雷射結構中，所發射的雷射信號可以相同亦可以不 相同。亦可以在該系統中加入光學元件，使得雷射信號在 離開該發射孔之後可以穿過至少一個透鏡或是從一鏡面或 是某幾個鏡面反射。 本發明的另一方面提供該雷射系統可訓練的特徵用於目 標物的精確地偵測目標物。一雷射光學感測系統可以包括 加入一智慧型的/可訓練的記憶體（例如包括一智慧型的資 料庫’神經網路等）用以訓練該系統辨識物件/目標物。根 據用於訓練該系統的方法（例如目標物偵測及特徵決定）， 可以已知的或是測試目標參考物訓練該系統。一雷射源， 例如垂直凹洞表面發光雷射結構會發射至少兩個雷射信號 進^ %境中，一環境係被一參考物或是測試目標物所佔據 二。當信號經過該環境時，至少會有一個偵測器便會偵測到 該雷射信號。偵測信號會提供給該微處理器以便根據該偵 測訪所接收到的雷射信號決定目標物的特徵並且將該資訊 =存於記憶體中（資料庫）。在操作期間，一 #射源，例如 垂直凹，同表面發光雷射結構，會發射至少兩個雷射信號 進入被一目標物佔據的環境中。當信號經過含有該目標物 的％ 1兄a寺，至少有一個4貞測_便會債測到該雷射信號。價 號會提供給該微處理器以便根據該偵測器所接收到的 么射U决定目標物的特徵並且將經由雷射式目標物偵測 系統所取得的目標物特徵與儲存於記憶體中已知的/記憶體 化的測試目標物資料進行匹配。 A4 規格----- A7 B7

548885 五、發明説明（5 本發明的其中-方面係提供利用—垂直凹洞表面發光雷 射用於以透射式或是反射式的#式偵測目，票物特徵的方法 4透射式的方法中’ ^直凹洞表面發光雷射結構會靜態 地發射至少兩個雷射信號進入環境中，該環境係被一目標 物所佔據。該目標物會阻隔至少其中一個經過該環境的^ 射信號，而且至少有一個彳貞測器便會以透射的方式接收S 任何未被該目標物阻隔的信號。接著一微處理器會將該垂 直凹洞表面發光雷射結構所發射的雷射信號的特徵與該債 測器所接收到並且亦儲存於記憶體中的信號特徵作比較以 決定目標物的特徵。 在反射式的方法中，垂直凹洞表面發光雷射結構會以連 續的方式一次發射至少一個雷射信號進入環境中，該環境 係被一目標物所佔據。該目標物會反射至少其中一個雷射 信號，而且會被至少一個偵測器偵測到。接著一微處理器 會將該垂直凹洞表面發光雷射結構所發射的雷射信號的暫 時性特徵與該偵測器所接收到的信號的暫時性特徵作比較 以決定目標物的特徵。 在本發明所教授的任何一種方法中，一微處理器都會在 垂直凹洞表面發光雷射結構發射不同的雷射信號陣列之後 藉由決疋偵測器所接收到的係哪個雷射信號以決定目標物 的大小及幵》狀。該微處理器藉由偵測被該目標物阻隔或是 -反射的雷射信號陣列中的變化以偵測在環境中該目標物的 移動。 對於熟習該技藝的人士而言，藉由下面本發明的詳細說 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝

明將可以更清楚本發明的新穎特徵，或是藉由本發明的實 作亦可以學習本發明的新穎特徵。不過，應該瞭解的係， 雖然已經呈現出本發明及特定實例的詳細說明，但是本發 明的特定的具體實施例僅係供作解釋的用途，因為對於熟 習該技藝的人士而言，從本發明的詳細說明及後面的申請 專利範圍中便可以在本發明的範圍内進行各種的變化及修.· 圖式簡單說明 隨附的圖示在所有分開的圖式中，相同的參考數字代表 相同的或是功能相似的元件並且引用併入及形成該說明的 一部份，將進一步地解釋本發明，並且連同本發明的詳細 說明，將會解釋本發明的原理。 圖1所示的係垂直凹洞表面發光雷射結構的圖式； 圖2所·示的係發射兩個不同的光信號2(幻及2(13)圖樣的垂、 直凹洞表面發光雷射結構的圖式； 圖3所示的係從垂直凹洞表面發光雷射結構靜態發射的 一光信號到達偵測器之前被目標物阻隔的圖式； 圖4所示的係一垂直凹洞表面發光雷射結構循環不同的 光信號發射圖樣以決定該目標物的映射的圖式。在4(a)中， 形成一垂直線的光信號全被一垂直條狀的目標物阻隔而不 會到達偵測器。當如4(b)有不同的信號圖樣射出時，形成 直角’便會有一個k 5虎到達該 >(貞測器。但是，如4(c)所示 如果有直角形狀的目標物存在的話，便會阻隔在圖4(b)中 被發射相同直角形狀的圖樣； -9- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 548885 A7 B7 五、發明説明（ 圖5所示的係在5(a)及5(b)中發射相同光信號圖樣的一垂 直凹洞表面發光雷射結構之圖式。在5(a)中目標物會阻隔所 有的發射信號，而在5(b)中不同的目標物則不會阻隔所有 的h號’只能辨識特定的目標物； 圖6所示的係所發射的光信號，其穿過6(a) —單一透鏡產 生一放大的發射陣列影像，以及穿過6(b)組合透鏡系統產 生發射陣列的擴大的影像； 圖7所示的係穿過透鏡陣列的發射的光信號之圖式。在_ 7(a)中的透鏡陣列會擴大光信號的直徑而不會改變其中心點 間隔。在7(b)中的透鏡陣列會擴大所發射的光信號的直徑 並且改變所發射的光信號的方向； 圖8所示的係一從一垂直凹洞表面發光雷射結構連續發 射的一光信號到達偵測器之前被目標物阻隔的圖式； 圖9所-示的係透鏡如何將一垂直凹洞表面發光雷射結構 所發射的光信號展開至被目標物佔據的環境中，其中所發 射的信號會從該目標物反射並且到達該偵測器； 、 圖10所示的係本發明的系統；以及 圖11所示的係本發明的方法的流程圖。 發明詳細說明 在這些非限制實例中所討論的特殊數值及架構都可以改 變並且僅係為了解釋本發明的具體實施例而非限制本發明 的範圍。 在本發明下面的非限制的實例中 複數個發射孔4，6，8，及1 〇的一 ，圖1所示的係一具有 垂直凹洞表面發光雷射 -10-

548885 A7 B7 五、發明説明（8 ) (VCSEL)結構2。可以利用質子隔離（pr〇t〇n is〇iati〇n)或是介 電氧化（dielectric oxide)技術提供載子及光學邊界以製造發射 孔4。發射孔4，舉例來說，功能上係與銲墊12整合在一起 (雖然並非一定要整合）並且係與元件電14耦合。圖中亦顯 示出元件16，18，及20並且可以與彼此及元件14相同或是與 元件14不同。當提供功率給這些元件時，發射孔會發射出 垂直於VCS^L結構2的光信號（未顯示），使得其特別適合製 造一維及二維的陣列。雖然在圖1中（以及其它的圖式中） 的實例包括一 2 X 2的發射孔陣列，但是應該注意的係亦可以 製造MxN的陣列，而2x2的陣列僅係為了簡化解釋而已。、 利用VCSEL結構2進行陣列製造的其中一項主要的優點 係可以利用微影蝕刻製造該陣列中所有的維度，從而在該 發射孔的佈置中會有高的維度容限值。因此，該高的維度 容限值可以產生精確界定的發射光信號陣列並且可以製造 任何所需要的一維或二維的陣列，例如交叉圖樣。這些元 件可以實質上任何想要的方式電性連接或是耦合以及讓光 信號個別或是成群地發射。光信號可以單一或是複數個空 間模式發射並且可以隨著發散角度以及/或是欲發射及聚焦、 的光信號的直徑而改變。光信號亦可以單一或是複數個波 長來發射。藉由使用先進的選擇性磊晶技術，便可以製造 分離廣泛的波長的光信號。 圖2所示的係相同的VcsEL結構2但是照射未同的光信號 圖樣。在圖2(a)中，發射孔4會發射光信號22而發射孔8則 會發射光信號26。在圖2(b)中，發射孔6會發射光信號24， -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) ------ 548885

而發射孔ίο則會發射光信號28。同樣地，可以從2χ2的陣 列中發射任何其它的一個光信號，或是2個，3個，或是4 個的光信號群組。應該重覆說明的係，可以建構含有任何 發射孔數量的任何陣列，用以發射各種的光信號圖樣。 第一種較佳的具體實施例係一可重新建構的靜態結構的 光源，如圖3所不。該圖式顯示的係一分別從發射孔4及6 同時將光信號22及24射入環境中的VCSEL結構2。雖然可以 在不同的時間發射該陣列的不同的光信號（或是信號組）， 但是改變的時序與預期的功能並無直接的關聯。目標物3〇 係放置在VCSEL結構2與偵測器32(可為任何種類，例如光 二極體）之間的環境中。一光二極體包括一個別的光二極體 ，個別封裝的多重光二極體，或是在一單一封裝中一單一 結構上的光二極體陣列。 當目標物30向上移動時，偵測器32所接收到的該特殊的 光信號便會從全部接收（無障礙），變成接收一半（信號24被 阻隔但是信號22未被阻隔），最後則完全接收不到（信號24 及22都被阻隔）。基本上這係以數位或階梯狀形式的方式發 生的。相似的幾何形狀中的一單一個照明器只會在偵測器 照明中產生非常小的變化，因此需要較複雜的演算法才能 決定中點的位置。不過，利用相同的VCSEL陣列，舉例來 說，只要簡單地以發射孔6及8取代發射孔4及6發射信號的 話’便可以提供在圖3所示的部分垂直地移動的目標物3〇 相同的功能。如果要偵測對角移動的目標物的話，只要從 發射孔4及8或是6及1〇發射信號就可以了。因此，藉由從 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公袭：）---

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548885 A7 B7 五、發明説明（10 ) 不同的發射孔連續地發射光信號便可以一單一個偵測器32 感測多重移動。 該概念的延伸便需要更多數量的元件。舉例來說，考慮 具有5 χ2個元件的VCSEL陣列。如果在該VCSEL陣列及偵測 器之間插入一具有一波紋邊緣的靜止的目標物的話，該波 紋將會阻隔部分的光信號但是不會阻隔其它的光信號。藉 由循環幾種”照亮”及’’未照亮'’之VCSEL的固定圖樣，該偵 測器信號便可以當作是該波紋邊緣的映射。在此方式中， 該波紋障礙係當作一把鑰匙而含有該VCSEL陣列及該偵測 器的光學配件則係當作一個鎖。熟習該技藝的人士所熟知 的電子元件可以製造出只能辨識一種或是幾種鑰匙的鎖。 在某種方式中相當於該目標物上的圖樣的任何發射圖樣便 會產生該偵測器的正向識別，或是辨識。 圖4所、示的係循環不同的光信號發射圖樣以決定一目標 物映射的VCSEL結構2。在圖4(a)中，垂直的條狀目標物34 會阻隔光信號22及24到達偵測器32。當如圖⑻發射不同的 信號圖樣時（22，24，及26)，信號26會到達偵測器32而信號 22及24則仍然被阻隔。因此，偵測器32會將該目標物34辨識 成个具，與光彳§號26空間相關的水平部分。但是，在如圖 4(c)所示的直角形狀的目標物36中，與圖4(b)所發射的相同 的直角形狀的圖樣便會被阻隔。信號22，24，及26都不會到 達偵測器32，偵測器32會將該目標物36(與目標物34不同） 辨識成具有與光信號26空間相關的水平部分。 圖5所示的係如何辨識一特定的目標物，但是無法辨識 -13-

548885 五、發明説明（11 ) 其它的目標物。在此實例中，雖然目標物的形狀不同^ 是VCSEL結構2會在圖5⑷及⑻中發射相同的光信號圖樣但 在圖5(a)中，目標物36會阻隔所有的發射信號以，“，及％ 到達偵測器32。而在圖5⑻中’目標物34只會阻隔光俨號η 及⑷但是會讓信號26到達❹j||32。因此利用發射^同 的光信號圖樣，視該環境中所存在的特殊目標物的形狀而 定’便會有不同的信號到達偵測器32。隨後，告/ ^ 1无田该糸統產 生真正的”匹配”時，該差異便可以辨識特定的目標物。 裝 前述的波紋的不透明障礙進係其中一種可能的鑰匙結構 實例。其它種可能的實例有薄膜上的孔陣列或是曝光區\ 除了使用複數個光源之外，本發明亦可以利用照相機作 為偵測器進行速度高於多數的目前系統的物件辨識。該照 相機可以係各種類型中的其中一種，包括電荷一耦合裝置 (CCD)或是CM0S照相機。當將典型的目前的系統的=相機 顯不器分割成不同的區域時，通常會需要複雜的影像處理 演算法以便從均勻的光源中量測該空間阻隔的區域。當將 本發明的顯示器分割成不同的區域時，因為會發射複數個 光信號的因素，所以每個區域都具有自己獨立的照明，在 空間上與相鄰的照明不同。因此，可以同時偵測所有的信 號’並且快速地相加在一起以提供所需要的資訊。 亦可以利用其表面的成分偵測目標物。該表面的吸收特 徵可以根據該信號的波長吸收以及/或是反射不同的光信號 。所以，發射的不同波長的光信號，其可以藉由製造具有 不同元件的VCSEL結構2以達成’亦表示該材料的吸收特徵 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 548885 A7

。在根據其特徵偵測一目標物或是偵測該一目標物的特徵 的任何一種情形中，一微處理器可以藉由將偵測器所接收 的光信號與VCSEL結構所發射的信號作比較以決定特徵。 如果所發射的信號之間的波長的差異大到足以被偵測器偵 測到的話，那麼便可以利用一複數個偵測器（例如圖式中所 不的偵測器32)偵測不同波長範圍中的信號，其可以提供與 大多數目標物的吸收特徵有關的更詳細的資訊。特徵亦可 以與儲存於記憶體中的特徵進行比較。 為了偵測各種大小的目榡物，必須加入光學元件。可以 在VCSEL結構2及目標物30之間放置一透鏡或是透鏡陣列， 使得該透鏡可以將所發射的光信號的圖樣在一影像平面中 以較大的或是較小的圖樣重現。該影像的發射圖樣在形狀 上會與原來所發射的圖樣一樣，但是大小不同。接著，微 處理器會將存在目標物30時偵測器32所接收到的光信號圖 樣與原來所發射的信號圖樣以及/或是儲存於記憶體中的信 號進行相關聯。 圖6所示的係使用透鏡改變光信號陣列的大小的兩種方 式。在圖6(a)中，一單一透鏡38產生一由VCSEL結構2所發 射之陣列的放大影像42，可以偵測大於實體陣列的目標物 。當光信號24進入透鏡38時，透鏡38會將信號24放大成直 徑較大的新的光信號40。在此特殊的結構中，會將放大之 後的影像42反向之後與VCSEL結構2原來所發射的陣列作比 較。在瞄準望遠鏡（collimator-telescope)結構（未顯示）中亦會 使用到兩個透鏡。在圖6(b)中，組合透鏡系統產生一由 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 548885 A7 B7 五、發明説明（13 ) VCSEL結構2所發射之陣列的擴大的影像。當光信號22及24 進入透鏡44時，透鏡44會操作（聚合或是發散）信號22及24 ，分別產生新的光信號46及48。接著信號46及48會進入一透 鏡50，其會將信號46及48分別調整成新的信號52及54。所產 生的信號52及54的直徑會大於原來所發射的光信號22及24的 直徑。 圖7所示的係可用以改變VCSEL結構2所發射之光信號陣 列的另一種透鏡陣列結構。在圖7(a)中，透鏡陣列56含有透-鏡58，60，62，及64在空間上分別對應發射孔4，6，8，及 10。透鏡58會將進入的光信號22的直徑擴大成新的光信號 66。同樣地，透鏡60會將信號24的直徑擴大成新的光信號 68。雖然透鏡陣列56的透鏡會改變光信號的大小，但是卻 不會改變信號的中心點間隔，因此可以保留VCSEL結構2所 發射之陣列的空間特徵。 在圖7(b)中，透鏡陣列70含有透鏡72，74，76，及78在空 間上分別對應發射孔4，6，8，及1〇。透鏡72會擴大進入 的光信號22的直徑並且改變其方向變成新的光信號8〇。同 樣地’透鏡74會擴大信號24的直徑並且改變其方向變成新 的光信號82。在此特殊的實例中，透鏡陣列7〇會將進入的 光信號發散，不過亦可以使用其它的發散或是聚合的結構。 在該第二較佳的具體實施例中，照射個別元件的時序係 該感測程序不可或缺的一部份。這些元件會以某種可以理 解其暫時性特徵的順序依序地照射。在圖8中，VCSELM< 2會以4 ’ 6 ’ 8，1〇，4，6，8，10等順序連續地從發射孔4，6 -16- 本紙張尺度逋财㈣釋罕(CNS) A4規格Y2lGX297g3 ------ 548885 A7

’ 8 ’及1〇發射光信號。因此，從該發射孔所發射出來的 應的光信號係22, 24, 26,及28。在此實例中，已經發射三 個光k號(26 ’ 28，22)，由虛線表示，並且有一個係目前正 在照射的C光信號26已經發射並且未被目標物％阻隔而 已經到達偵測器32。接著會發射信號28並且同樣未被阻隔 而到達偵測器32。接著，光信號22亦未被阻隔而到達債測 器32現在，會發射信號24並且會在到達偵測器32之前被 目標物30阻隔。如果隨著時間監控欲接收該陣列中所有的 光信號的信號偵測器32的輸出的話，便可以在特殊的信號 被阻隔的時候，藉由信號的消失決定目標物30的角位置（以 及空間上部分的範圍）。該陣列不必是環狀的，因為藉由理 解偵測器32的輸出的時間順序便可以利用線性的陣列或是 多重同心環（concentric ring)映射目標物30的形狀。 如果加入光學元件的話，如圖9所示，便可以將光信號 改變成不同的角度。圖中所示的光信號會通過放置在 VCSEL結構2與目標物84之間的透鏡30。接著，透鏡3〇會將 光信號重新導向至該環境中的不同的地方，使得一單一的 偵測器32便可以感測位置相隔很遠的目標物84。只要使用 大約十個VCSEL元件便可以監控2；r度的全半平面。 在此實例中，已經連續地發射光信號28，22，然後24， 如虛線所示，現在要照明的係光信號26 ^經過透鏡3〇重新 導向之後’光信號26會一直前進直到其攔戴到目標物84為 止。接著，光信號26會從目標物84反射並且到達偵測器32 。應該注意的係，目標物84係正好位於光信號26的前進路 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝 訂

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徑中的環境下，而不是光信號26特地去尋找目標物84。如 果目標物84移動的話，其便可能位於不同的光信號的路徑 中。 利用線性陣列，可以偵測到沿著一軸放置的目標物。其 中一種”環狀”陣列應用的實例可以在VCSEL結構2上使用單 一個透鏡。當連續地照射個別的元件時，此透鏡可以將每 個信號偏斜成不同的角度。因此，只要簡單地在不同的時 間照射不同的元件，便可以在不同的時間將光信號導向至 一環境中的不同的區域。量測欲收集反射的光信號的偵測 器的暫時性輸出可以在一目標物及其位置存在時提供資訊 。即使並不需要位置資訊，不必移動部件的光信號的有效 的掃描可以供作純粹的電子功能而非機械功能。此特徵可 以在較低的輸入功率下操作，其在經常必須節省能量的以 電池供應電源的應用中係非常的重要。 可以將透鏡或是透鏡陣列放置在接近VCSEL結構2的位 置’使得透鏡可以調整每個通過的光信號。不過目前的光 學系統一般所熟知的係可以將一單一個光信號調整成一群 平行的信號，而本發明則可以將每個一複數個信號調整成 對應的平行群組。由於在VCSEL結構2中，每個發射孔的位 置不同的因素，每個光信號會以不同的角度穿過透鏡，所 以每一群調整之後的信號便會以不同的角度離開透鏡。 本發明的其中一方面包括利用一垂直凹洞表面發光雷射 偵測目標物特徵的可訓練的雷射光學感測系統。參考圖10 ’一系統包括一具有可以熟知的處理方法，例如微影飯刻 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 548885 五、發明説明（16 所界疋的至少兩個發射孔的一垂直凹洞表面發光雷射結構 105 ° 一雷射信號會從每個發射孔發射進入環境100中。該 系統亦包括至少一個偵測器103，其操作上係用以回應該垂 直凹洞表面發光雷射結構105。該系統包括一微處理器101 其操作上會耦合至該偵測器103，VCSEL 105以及一記憶體 102 ’例如資料庫，用於儲存目標物資料，以及一訓練模組 用以訓練該系統辨識目標物110。只要經過訓練，該可訓練 的雷射光學感測系統便可以正向地識別物件，其中微處理 器101會參考資料庫1〇2以及/或是使用神經網路功能將從目 標物110所偵測到的光信號圖樣與所儲存的已知目標物的信 號圖樣進行相關聯.該可訓練的雷射光學感測系統亦包括 訓練模組106。該訓練模組包括在訓練以及偵測作業期間 ，以熟習該技藝的人士所熟知的方式供該微處理器1〇1使用 的軟體卜亦包括一移動分析模組1〇7讓該系統決定目標物的 移動特徵（例如速度，方向）。 參考圖U，~示的係該系統所採用的方法步驟的方塊圖 。在操作期間，在方塊H1該垂直凹洞表面發光雷射結構會 發射至少兩個雷射信號至該環境中。該環境係被一目標物 佔據。如方塊U2所示，當該信號經過該環境之後，至少有 一個偵測器便會偵測到（接收）該雷射信號的存在。如方塊 Π3所示’該微處理器會將所接收到的信號與儲存於記憶體 中已知的目標物的特徵/資料作比較，，如方塊"4所 ^該微處理器會根據該❹】器所接收到的雷射信號與儲 存於記憶體中的已知的目標物的特徵資料的匹心果或是

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---------- B7 五、發明説明(17 ) ~----— 實貝的關聯性決定該目標物的識別/特徵。在相同的垂直凹 洞表面發光雷射結構内，所發射的雷射信號可以相同或是 不相同。可以在該系統中加入光學元件，使得雷射信號在 離開該發射孔之後可以穿過至少一個透鏡或是從一鏡面或 疋某幾個鏡面反射。 利用一垂直凹洞表面發光雷射結構每次至少將一個雷射 信號射入一含有一已知的目標物，或是已知的目標物特徵 的環境中便可以訓練該系統。該已知的目標物稱之為一測 試目標物。該測試目標物會干擾雷射信號。從該測試目標 物反射的信號會被至少一個偵測器接收。代表目標物特徵 的雷射信號會儲存於記憶體中。 應該注意的係，幾乎所有上述的應用，以及任何其它的 應用’都可以透射式或是反射式系統來解決。此處所提出 的具體實施例及實例對本發明及·淇實際的應用係最佳的解 釋’從而可以讓熟習該技藝的人士製造及利用本發明。不 過，熟習該技藝的人士將會發現前面所呈現的說明及實例 僅係供作解釋及當作實例的用途。熟習該技藝的人士可以 對本發明進行其它的變化及修改，並且在隨附的申請專利 範圍中希望能夠涵蓋這類的變化及修改。所提出的說明並 非係本發明的全部範圍或是限制本發明的範圍。依照上面 的教授内容，在不脫離後面的申請專利範圍的精神及範圍 下’可以進行許多的修改及變化。使用本發明時可以考慮 利用具有不同特徵的元件。在完全理解各方面的等效效應 的前提下，希望以隨附的申請專利範圍來界定本發明的範 圍.。 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

Claims (1)

1348885 第多9抱?%號專利申請案 _ 範圍替換本(92年5月）

申請專利範圍 1 . 一種用於偵測目標物特徵的 一雷射源（105)，其具有 雷射光學感測系統，其包括 至少兩個發射孔； 至少一偵測器（103)， (105)； 其操作上係用以回應該雷射源 一微處理器（101)，其操作 (103)； 上會#馬合該至少一偵測器 一記憶體⑽），其用於儲存目標物特徵；以及 一詞練及债測模組（106)，其用於使系統的訓練進行 目標物辨識， 其中，該雷射源（105)會發射至少兩個雷射信號至一 被目標物⑽)佔據的環境中，該至少—個㈣器（1〇3)會 偵測該至少兩個雷射信號，而該微處理器（1〇1)會根據該 债"4器（103)所接收到的该信號與儲存於該記憶體（1〇2)中 的該目標物特徵的比較結果決定目標物特徵。 2 .如申請專利範圍第1項之系統，其中該雷射源（1〇5)包括 一垂直腔表面發光雷射。 3 .如申請專利範圍第1項之系統，其中該偵測器（1〇3)包括 一光二極體。 4 ·如申請專利範圍第1項之系統，進一步包括穿過至少一 透鏡（50)的該至少兩個雷射信號。 5 ·如申請專利範圍第1項之系統，其中該記憶體（1〇2)進一 步包括一類神經網路強化的資料庫。 6 ·如申請專利範圍第1項之系統，其中該記憶體（102)進一 步包括一可訓練的資料庫。

7.—種用於债測目標物特徵的方法，包括下列步驟： 利用一垂直腔表面發光雷射結構發射（1丨丨）至少兩個 雷射信號至一環境中； 以至少一個放置在該環境中的目標物阻隔至少其中 之一該雷射信號； 利用土少侦測益接收未被該目標物阻隔的任何该 雷射信號； 存取含有已儲存的目標物特徵的一記憶體；以及 利用一微處理器藉由把該偵測器所接收到信號的特 徵與該記憶體所包含的已儲存的目標物特徵相比較 (1 13)以決定（114)目標物特徵。 -2 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)