CN101341421B - 测量相对运动的器件和方法 - Google Patents

测量相对运动的器件和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101341421B
CN101341421B CN2006800482421A CN200680048242A CN101341421B CN 101341421 B CN101341421 B CN 101341421B CN 2006800482421 A CN2006800482421 A CN 2006800482421A CN 200680048242 A CN200680048242 A CN 200680048242A CN 101341421 B CN101341421 B CN 101341421B
Authority
CN
China
Prior art keywords
measurement beam
laser
radiation
beam radiation
laser instrument
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN2006800482421A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101341421A (zh
Inventor
C·海因克斯
M·谢曼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongkuai Optoelectronic Device Co ltd
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Koninklijke Philips Electronics NV
Publication of CN101341421A publication Critical patent/CN101341421A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101341421B publication Critical patent/CN101341421B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01P3/366—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light by using diffraction of light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912—Receivers
    • G01S7/4916—Receivers using self-mixing in the laser cavity
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/0304—Detection arrangements using opto-electronic means
    • G06F3/0317—Detection arrangements using opto-electronic means in co-operation with a patterned surface, e.g. absolute position or relative movement detection for an optical mouse or pen positioned with respect to a coded surface
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0354—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of 2D relative movements between the device, or an operating part thereof, and a plane or surface, e.g. 2D mice, trackballs, pens or pucks
    • G06F3/03547—Touch pads, in which fingers can move on a surface
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/042—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means
    • G06F3/0421—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means by interrupting or reflecting a light beam, e.g. optical touch-screen

Abstract

一种器件，这种器件用于测量物体(15)与这种器件相互之间的运动。这种器件包括一种激光器(3)，这种激光器(3)用于产生测量射束(13)，该测量射束(13)由一种透镜(10)会聚在作用面。将由这种物体(15)所反射的辐射会聚以重新进入该激光腔中，以在该激光器(3)中产生自混合效应。设有测量装置(4)以接收所反射的测量射束辐射，并允许确定该测量射束(13)与所反射的测量射束辐射之间的差异，这种差异表示这种相对运动。

Description

测量相对运动的器件和方法
技术领域
本发明总体上涉及一种器件，这种器件用于测量物体与这种器件相互之间的运动，这种器件包括至少一个激光器、会聚装置和测量装置，该至少一个激光器具有激光腔，这种激光腔用于产生测量射束，这种会聚装置用于将这种测量射束会聚在作用面，并将由物体所反射的测量射束辐射会聚在激光腔中，以在激光器中产生自混合效应，这种测量装置用于测量这种自混合效应的结果，这种效应由这种相对运动确定。
背景技术
将作用面理解为意指一种平面，在这种平面中，测量射束辐射与物体汇合并受到物体与该器件相互之间的相对运动的影响。将激光器自混合效应理解为意指由二极管激光器所发射并被反射回激光腔中的辐射引起激光腔的运行的变化的现象，这些变化由重新进入腔体内的反射的辐射与激光腔内所产生的光波的干扰所导致。这种器件将这种自混合效应与多普勒(Doppler)效应结合使用。多普勒效应是由物体所反射的辐射束在物体以这种射束的传播方向运动时经历一种频率漂移的现象，这种频率漂移称为多普勒漂移。若所反射的射束重新进入发射这种射束的激光腔内，就会出现激光腔的运行的变化，这些变化由该物体的运动确定。这些变化(波动)随着物体(或外部反射体)跨越等于激光辐射的波长的一半的距离重复。这就意味着激光频率与物体的速度成比例。
基于激光自混合的测量器件展示出高灵敏度并因此而具有高精度，这可能是因为重新进入激光腔的所反射的光确定激光频率并因此而在激光腔内被放大。PCT申请WO 02/37410公开了这种器件，该PCT申请描述了这种器件的运行原理以及这种器件的多个实施例和可能的应用，并且通过参考结合在本发明之中。
不过，前面所描述的器件的测量范围受到激光辐射的相干长度的限制，因为要求由物体所反射的辐射应与激光器中所产生的辐射相干互动，以使完整的系统(即激光器加上物体)可建立起一种新的平衡。因此，以激光的相干长度将测量射束会聚在作用面，以使在作用面的物体所反射并重新进入激光腔的辐射与激光腔内的光波相干互动，以产生前面所提及的自混合效应。这样，若物体距器件的距离大于激光器的相干长度，就不可能使用这种器件来精确地测量物体的速度或距离。
在一种称为干涉系统的替代系统中，将从物体反射的辐射与位于辐射灵敏探测器的激光器所发射的辐射混合。在这种干涉系统中，最初的激光平衡并不改变，但由运动物体所引起的多普勒漂移(Dopplershift)导致探测器的输出信号的波动。这些波动在本质上类似于出现在前面所描述的激光自混合器件中的波动。在这种干涉系统中，若距物体的距离超过激光辐射的相干长度，则探测器信号就基本上成为噪声，这种噪声具有约为激光源的线宽的两倍的某种带宽。所获得的光谱看上去像一种铃形曲线，这种曲线的中心随着增加的物体速度漂移。因此，虽然干涉系统允许确定以大于激光器的相干长度的距离定位的物体的速度，但速度测量的精度取决于诸如线宽、测量时间和信号水平等的参数，而且不可能确定物体的精确位置。此外，与前面所描述的自混合激光器件相反，干涉系统并不包括调整到所涉及的波长即接收到的辐射的波长的接收器，这样就并不获得理想的测量信号振幅。而且，对于多种应用而言，尤其是在消费领域，禁止使用干涉系统，且其价格太高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在开始段落中所描述的类型的激光自混合器件，从而相对于现有技术中的简单结构扩大测量范围并保留小的器件尺寸。
根据本发明，提供一种器件，这种器件用于测量物体与这种器件相互之间的运动，这种器件包括至少一个激光器、会聚装置和测量装置，该至少一个激光器具有激光腔，这种激光腔用于产生测量射束，这种会聚装置用于将这种测量射束会聚在作用面，并将由物体所反射的测量射束辐射会聚在激光腔中，以在激光器中产生自混合效应，这种测量装置用于测量这种自混合效应的结果，这种效应由这种相对运动确定，其中，将这些会聚装置布置成跨越延伸超过该测量射束辐射的相干长度的距离范围将该测量射束聚焦，且将这些测量装置构造成确定该测量射束与由物体所反射的激光腔内的测量射束辐射之间的频率差异。
根据本发明，提供一种用于测量物体与这种器件相互之间的运动的方法，这种方法包括通过具有激光腔的至少一个激光器产生测量射束、跨越延伸超过该测量射束辐射的相干长度的距离范围将该测量射束会聚在一种作用面中、将由物体所反射的测量射束辐射会聚在该激光腔中以在该激光器中产生自混合效应以及确定该测量射束与由物体所反射的该激光腔内的测量射束辐射之间的频率差异，上述平均频率漂移由这种相对运动确定。
因此，本发明基于这样的观点，即从大于该测量射束辐射的相干长度的距离在该激光腔内反射的辐射也引起该激光腔内足够的自混合，以能够获得用于确定相对信号的有用信号，而且，通过利用非相干探测方法即确定该测量射束与反射的测量射束辐射之间的频率差异，可获得以距该器件相对较大的距离定位的物体的相对精确的运动测量值。
在一个示范性实施例中，将这些测量装置构造成确定由所反射的测量射束辐射所产生的噪声光谱的频率漂移。或者，可将这些测量装置构造成确定由所反射的测量射束辐射所产生的噪声光谱的瞬时频率漂移。在另一个示范性实施例中，可将这些测量装置构造成进行频率漂移的反射测量射束辐射和频率未漂移的反射测量射束辐射的时域探测。在不光确定平均频率漂移的情形中(即瞬时或依时)，可确定速度和距离。
将这种器件有利地构造成确定这种器件与相对于这种器件运动或不运动的物体之间的距离。
在一个示范性实施例中，可设有用于控制该至少一个激光器的装置，其中，可将这些控制装置构造成向该至少一个激光器提供周期性地变动的电流，这种电流引起这种测量射束波长的周期性变动，以使所反射的测量射束辐射的光谱基本上与由该至少一个激光器所产生的测量射束辐射重叠。
或者，可将这些控制装置构造成向该至少一个激光器提供周期性地变动的电流，这种电流引起这种测量射束波长的周期性变动，以使所反射的测量射束辐射的光谱与由该至少一个激光器所产生的测量射束辐射至多部分地重叠。这样，由于由该激光器所产生的辐射与在由该激光器放大时所反射的辐射的混合，就会获得一种RF信号。
在本发明的另一个示范性实施例中，可将这些控制装置构造成向该激光器提供脉动电流，这样就可确定激光脉冲的瞬时重叠和对应的反射辐射脉冲。
可将这种器件布置并构造成以第一探测模式和第二探测模式中的一种进行选择性地操作，该第一探测模式是一种相干探测模式，且该第二探测模式是一种非相干探测模式。因此，这种会聚装置可在一个示范性实施例中具有固定焦点，或者在另一个示范性实施例中具有可选择性地变动的焦点，以选择性地以该测量射束辐射的相干长度或超过该测量射束辐射的相干长度将该测量射束辐射聚集。
从本说明书所描述的实施例就会明白本发明的这些和其它方面，并参考本说明书所描述的实施例对本发明的这些和其它方面进行说明。
附图说明
仅通过示例对本发明的实施例进行描述，并结合附图，在这些图中：
图1是根据现有技术的输入器件或控制器件的示意性截面图；
图2是示于图1中的器件的示意性平面图；
图3示意性地示出了用在示于图1中的器件中的测量方法的原理；
图4用图形示出了随着示于图1中的器件和该物体的相对运动的激光腔的光学频率的变化和增益的变化，其中，图4示出了用于非相干情形的相干模式运行情形的典型曲线，激光腔的光学频率和增益示出了随着增加的噪声的气候正弦(与锯齿相对的)变化；
图5示意性地示出了用在示于图1的器件中的测量方法；
图6是根据本发明的示范性实施例的输入器件或控制器件的示意性截面图。
具体实施方式
首先将参考图1至图4对根据现有技术的自混合激光器件的操作原理和总体结构进行描述。
图1是在WO 02/37410中所描述的输入器件或控制器件的示意性截面图。这种器件包括在其下侧的基板1，这种基板1是一种用于二极管激光器和探测器的载体，在此实施例中，这些激光器是VCSEL类型的激光器，这些探测器如光电二极管。在图1中，仅可看到一个二极管激光器3以及与其关联的光电二极管4，但通常还在这种基板上设有另一个二极管激光器5和关联的探测器6，如图2所示，该图示出了这种设备的俯视图。二极管激光器3和5分别发射激光射束或测量射束13和17。这种器件在其上侧设有透明窗口12，穿过窗口12移动物体15，如人的手指。透镜10布置在这些二极管激光器与该窗口之间，这种透镜10如一种平凸型透镜。这种透镜将激光射束13和17聚集在该透明窗口的上侧或该透明窗口的上侧附近。若物体处于该位置，则这种物体将射束13散射。以照明射束13的方向将射束13的辐射的一部分散射，且该部分由透镜10会聚在二极管激光器3的发射表面上并重新进入这种激光器的腔体中。正如将在下面说明的那样，返回到该腔体中的辐射引起该腔体中的变化，除了其它的之外，这些变化导致由该二极管激光器发射的激光辐射强度的变化。这种变化可由光电二极管4和电子电路18探测，光电二极管4将这种辐射变动变换成电信号，这种电子电路18用于对这种信号进行处理。照明射束17也聚集在该物体上并在该物体散射，且散射的辐射的一部分重新进入该二极管激光器5的腔体中。示于图1和图2中的用于光电二极管6的信号的电路18和19仅用于图示目的，并可或多或少为常规类型。正如图2所示出的那样，将这种电路互连。
图3示出了在使用布置在该激光器的后面的水平发光二极管激光器和监测光电二极管时根据现有技术的输入器件和测量方法的原理。在该图中，这种二极管激光器由其腔体20以及前面和后面或激光镜21和22分别表示，这种二极管激光器如二极管激光器3。这种腔体具有长度L。对其运动进行测量的物体用附图标记15表示。该物体与前面21之间的空间形成外腔体，该外腔体具有长度L0。穿过该前面发射的激光射束用附图标记25表示，且由该物体以该前面的方向反射的辐射用附图标记26表示。在该激光器内所产生的辐射的一部分穿过该后面并由光电二极管4俘获。
若物体15以照明射束13的方向运动，则所反射的辐射26经历一种多普勒漂移。这就意味着这种辐射的频率改变或出现频率漂移。这种频率漂移取决于该物体运动的速度并约为几kHz至MHz。重新进入激光腔的频率漂移的辐射干涉光波或在该腔体内产生的辐射，即在该腔体内产生自混合效应。根据这种光波与重新进入该腔体内的辐射之间的相位漂移量，这种干涉将会具有建设性或负面影响，即周期性地增加或降低这种激光辐射的强度。以这种方式所产生的激光辐射调制的频率恰好等于该腔体中光波的频率与重新进入该腔体内的多普勒漂移的辐射的频率之间的差异。这种频率差异约为几kHz至MHz并因此而易于探测。自混合效应与多普勒漂移的结合引起该激光腔的行为的变动，尤其是这种激光腔的增益或光放大发生变动。
这在图4中示出。在该图中，曲线31和32分别表示随着物体15与前镜21之间的距离L0变化的所发射的激光辐射的频率v的变动和该二极管激光器的增益的变动。v、g和L0均呈任意单位形式。由于距离L0的变动由该物体的运动所导致，所以可按照时轴将图4中的横坐标重新定标，以作为时间的函数标出这种增益。作为该物体的速度v的函数的增益变动Δg由下面的方程式给出(用于相干情形)：
Δg = - K . cos . L { 4 πv . v . t c + 4 π . L 0 . t } c
在该方程式中：
K是至外腔体的耦合系数，这种耦合系数表示从该激光腔耦合输出的辐射量；
v是该激光辐射的频率；
v是以照明射束的方向的物体的速度；
t是时间矩；以及
c是光速。
该方程式可得自于前面所提及的两篇文章中所公开的自混合效应理论。物体表面以其自身的平面运动，如图3中的箭头16所指的那样。由于多普勒漂移仅在以该射束的方向的物体运动的情形中出现，所以这种运动16应为该运动具有以此方向的分量16′。这样就可在一种XZ平面中测量这种运动，这种XZ平面即示于图3中的平面，可将这种运动称为X运动。图3示出了这种物体表面具有相对于系统的其它部分的歪斜位置。实际上，这种测量射束通常是一种歪斜射束(skew beam)且这种物体表面的运动会出现在XY平面中。Y方向垂直于图3中的视图的平面。以此方向的运动可由另一个二极管激光器所发射的另一测量射束测量，且这种射束的散射的光由与该另一个二极管激光器关联的另一个光电二极管俘获。通过如图1所示的那样相对于透镜10离心布置该(这些)二极管激光器获得一种(这些)歪斜照明射束。
通过在该后激光面用一种监测二极管测量这种辐射的强度来测量由这种物体运动所导致的激光腔增益的变动是最简单的方式，因此也是最有吸引力的方式。这种二极管通常用于保持这种激光辐射的强度恒定，但现在这种二极管也用于测量这种物体的运动。
测量这种增益变动并因此而测量物体的运动的另一种方法将半导体材料的光学增益随着激光器结中传导带中的电子的数量变化作为依据。穿过半导体二极管的压降随着载流子浓度变化，且光学增益中的任何变动导致穿过这种结的电压的变动。图5示出了这种测量方法的一种实施例。在该图中，用附图标记35表示该二极管激光器的活性层，且用附图标记36表示用于向该激光器供给的电流源。接合线的电感37与该二极管激光器串联，并且选择足够低的电感37以形成用于穿过这种二极管激光器的信号的无意义阻抗。
除了运动量之外，还必须测量运动方向，运动量即移动物体所跨越的距离，且可通过将所测得的速度与时间集成来测量这种运动量。这就意味着必须确定物体是沿着运动轴向前还是向后运动。可通过确定由自混合效应所产生的信号的形状来探测运动的方向。如图4中的曲线32所示，这种信号是一种非对称信号。曲线32表示物体15正在朝向该激光器运动的情形。上升斜线32′比下降斜线32″陡。正如在《应用光学》(1992年6月20日，第31卷No.8，第3401至3408页)中所描述的那样，将这种非对称反转以用于离开该激光器的物体的运动，即下降斜线比上升斜线陡。通过确定这种自混合信号的非对称的类型，可确定该物体的运动方向。
在WO 02/37410所描述的输入器件中，这种会聚装置或透镜10是将测量射束聚集在物体15上的类型或将这种会聚装置或透镜10布置成将测量射束聚集在物体15上。这实际上就意味着将这种测量射束聚焦在器件窗口12的上表面的平面内，因为在使用这种器件时，人的手指或物体15会放在该表面上并穿过该表面运动。在PCT申请WO 2005/076116中所描述的布置中，提出调整自混合激光输入器件的透镜的焦点，以扩大这种器件的工作范围。该焦点适合于提供一种自混合效应，这种自混合效应小于可能的最大值但大于用于该物体与该器件之间的距离的扩大范围的阈值。不过，由于这种器件仍使用上述相干探测方法，所以这种测量范围仍在某种程度上受限。
因此，根据本发明，提出提供会聚装置，这些会聚装置起到以超过该激光辐射的相干长度的距离聚集这种测量射束的作用并构造这种器件，以按照非相干探测模式(而不是用在现有技术的器件中的相干探测模式)运行，以确定噪声光谱的平均频率漂移，这种噪声光谱由一种物体以距这种器件的大于这种辐射的相干长度的距离反射到该激光腔中的辐射产生。本发明基于这样的观点，即从大于该激光测量射束的相干长度的距离重新进入该激光腔的辐射也引起该激光腔内足够的自混合，以提供用于测量该物体的速度的有用信号。现已确定利用根据本发明的器件的速度测量的精度可比得上干涉系统的精度，但无复杂性和高成本。而且，本发明中的器件并不受背景辐射的影响，且这种器件的激光腔具有仅用于测量辐射的波长的高增益。
因此，参看图6，将会聚装置10进行修改，以使其以更大距离聚焦。而且，在WO 02/37410中所描述的和在WO 2005/076116中所描述的器件利用波动信号确定物体的行进速度和行进方向(如图4所示)，而在本发明中，确定所产生的噪声光谱的平均频率的漂移。
在由该物体所反射的辐射无与在这种激光器中所产生的辐射的相位关系的实施例中，将辐射灵敏探测器(光电二极管)用于确定混合辐射，这种混合辐射由该激光器所产生的辐射和由该物体所反射的激光辐射组成。
可用类似于WO 02/37410中的器件的方式向这种二极管激光器提供周期性地变动的电流，以对这种激光辐射的波长进行调制。这就允许确定该物体与这种器件相互运动的方向。在由这种激光器所产生的辐射的光谱和由这种物体所反射的辐射的光谱不必重叠的WO02/37410中的器件中，这种调制相对较大，例如，这种波长调制的幅度为0.4nm，这种调制对应于50GHz的频率调制。
在新的器件的一个实施例中，这种波长调制非常小，以使由该激光器所产生的辐射的光谱基本上与由这种物体所反射的辐射的噪声光谱重叠，并且可确定由这种物体所反射的辐射的光谱的平均频率。
在另一个实施例中，这种激光调制模式是由该物体所反射的辐射的光谱仅展示出与由该激光器所产生的辐射的部分重叠或无重叠。在辐射灵敏探测器的位置，这种激光产生的辐射和反射的辐射干涉并提供以有用RF频率的探测器信号，这种信号适于进一步的信号处理，以获得表示这种器件与该物体的相互运动的最终信号。
在再一个实施例中，将这种激光简单地脉动而不是周期性地进行调制，并确定激光脉冲和由该物体所反射的辐射脉冲的瞬时重叠。这种重叠表示所反射的脉冲的飞行时间，并因此而表示该物体与这种器件之间的距离。由于任何激光脉冲的加热部分已引起了激光辐射的波长变动，所以可确定这种器件与该物体的相互运动的方向，而并不将周期性地变动的电源电流用于该激光器。
会聚装置，如一种单透镜，可具有固定的焦点。还可使用一种具有可控焦点的透镜，这种透镜允许采集最大量的反射的辐射。例如，这种可控透镜可以是一种所称的液体透镜，这种液体透镜包括具有不同折射指数的两种液体和在这两种液体之间的凹凸透镜形状的界面。可通过电压改变这种凹凸透镜的曲率，并因此而改变透镜光学能力。可通过于WO 02/37410中所公开的输入器件控制这种液体透镜。
应注意，术语物体是一种包括单固态物体、介质中的颗粒、介质本身(例如，要确定这种介质的折射指数)等的总体术语。
在一个示范性实施例中，本发明提供一种激光自混合器件，这种器件可按照两种模式运行：第一相干和灵敏度非常高的模式和第二非相干模式，第一模式适于以近距离的物体，第二模式具有降低的灵敏度并适于远距离物体。
本发明可用于测量物体的距离和运动(速度和方向)。本发明为干涉器件提供低成本选择。本发明还可用于确定介质的折射指数。
应注意前面所提及的实施例是对本发明进行说明而不是进行限制，且本领域中熟练的技术人员在并不脱离所附的权利要求书所限定的本发明的范围的前提下将能够设计出许多替代实施例。在权利要求书中，置于括号中的任何附图标记不应解释为对权利要求书进行限制。动词“包括”等并不排除作为整体的任何权利要求或说明书中所列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。在元件之前出现的单数标记并不排除这些元件的复数标记，反之亦然。可通过包括几个不同元件的硬件并通过适当地编程的计算机来实现本发明。在列举几种装置的器件权利要求中，这些装置中的几种可由一个且是相同的硬件项目来体现。仅在相互不同的从属权利要求中所引用的某些测度并不表明这些测度的结合不能够使用来产生有利效果。

Claims (13)

1.一种用于测量物体(15)与器件本身之间的相对运动的器件，所述器件包括至少一个激光器(3)、会聚装置(10)和测量装置(4)，所述至少一个激光器具有激光腔(20)，所述激光腔(20)用于产生测量射束(13)，所述会聚装置(10)用于将所述测量射束(13)会聚在作用面，并将由所述物体所反射的测量射束辐射会聚在所述激光腔(20)中，以在所述激光器(3)中产生自混合效应，所述测量装置(4)用于测量所述自混合效应的结果，所述效应由所述相对运动确定，其中，将所述会聚装置(10)布置成跨越延伸超过所述测量射束辐射的相干长度的距离范围而将所述测量射束(13)聚焦，且将所述测量装置(4)构造成确定所述测量射束(13)与由物体所反射的所述激光腔(20)内的测量射束辐射之间的频率差异。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于：将所述测量装置(4)构造成确定由所述反射的测量射束辐射所产生的噪声光谱的平均频率漂移。
3.如权利要求1所述的器件，其特征在于：将所述测量装置(4)构造成确定由所述反射的测量射束辐射所产生的噪声光谱的瞬时频率漂移。
4.如权利要求1所述的器件，其特征在于：将所述测量装置(4)构造成进行频率漂移的反射测量射束辐射和频率未漂移的反射测量射束辐射的时域探测。
5.如权利要求1所述的器件，其特征在于：所述器件用于测量所述物体(15)的运动以及所述器件与所述物体(15)之间的距离。
6.如权利要求1所述的器件，其特征在于：设有用于控制所述至少一个激光器(3)的控制装置。
7.如权利要求6所述的器件，其特征在于：将所述控制装置构造成向所述至少一个激光器(3)提供周期性地变动的电流，所述电流引起所述测量射束波长的周期性变动，以使所述反射的测量射束辐射的光谱基本上与由所述至少一个激光器(3)所产生的测量射束辐射重叠。
8.如权利要求6所述的器件，其特征在于：将所述控制装置构造成向所述至少一个激光器(3)提供周期性地变动的电流，所述电流引起所述测量射束波长的周期性变动，以使所述反射的测量射束辐射的光谱至多部分地与由所述至少一个激光器(3)所产生的测量射束辐射重叠。
9.如权利要求6所述的器件，其特征在于：将所述控制装置构造成向所述至少一个激光器(3)提供脉动电流。
10.如权利要求1所述的器件，其特征在于：将所述器件布置并构造成以第一探测模式和第二探测模式中的一种进行选择性地操作，所述第一探测模式是一种相干探测模式，且所述第二探测模式是一种非相干探测模式。
11.如权利要求1所述的器件，其特征在于：所述会聚装置(10)具有固定的焦点。
12.如权利要求1所述的器件，其特征在于：所述会聚装置(10)具有可选择性地变动的焦点，以按照所述测量射束辐射的相干长度或超过所述测量射束辐射的相干长度选择性地聚焦所述测量射束辐射。
13.一种用于测量物体(15)与器件之间的相对运动的方法，所述方法包括通过具有激光腔(20)的至少一个激光器(3)产生测量射束(13)、跨越延伸超过所述测量射束辐射的相干长度的距离范围而将所述测量射束(13)会聚在一种作用面中、将由所述物体所反射的测量射束会聚在所述激光腔(20)中以在所述激光器(3)中产生自混合效应以及确定所述测量射束与由物体(15)所反射的所述激光腔(20)内的测量射束辐射之间的频率差异，所述频率差异由所述相对运动确定。
CN2006800482421A 2005-12-20 2006-12-20 测量相对运动的器件和方法 Active CN101341421B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP05112471.7 2005-12-20
EP05112471 2005-12-20
PCT/IB2006/054980 WO2007072446A2 (en) 2005-12-20 2006-12-20 Device and method for measuring relative movement

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101341421A CN101341421A (zh) 2009-01-07
CN101341421B true CN101341421B (zh) 2013-03-27

Family

ID=38058961

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2006800482421A Active CN101341421B (zh) 2005-12-20 2006-12-20 测量相对运动的器件和方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US7920249B2 (zh)
EP (1) EP1966627B1 (zh)
JP (1) JP2009520203A (zh)
KR (1) KR101241003B1 (zh)
CN (1) CN101341421B (zh)
TW (1) TWI401460B (zh)
WO (1) WO2007072446A2 (zh)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1927044B1 (en) * 2005-08-30 2018-10-10 Koninklijke Philips N.V. Method of measuring relative movement of an object and an optical input device over a range of speeds
RU2009100161A (ru) * 2006-06-12 2010-07-20 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. (Nl) Устройство для контроля кожи, способ контроля кожи, контрольное устройство, способ облучения кожи и использование oled
WO2009031087A1 (en) * 2007-09-03 2009-03-12 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Laser sensor based system for status detection of tires
CN101897089B (zh) * 2007-12-11 2013-02-06 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有集成光电晶体管的半导体激光器
KR101644476B1 (ko) * 2008-01-16 2016-08-01 코닌클리케 필립스 엔.브이. 자체 혼합 간섭에 기초한 레이저 센서 시스템
US8560180B2 (en) 2008-09-09 2013-10-15 Koninklijke Philips N.V. Velocity determination apparatus
EP2414916B1 (en) 2009-03-31 2015-09-23 Koninklijke Philips N.V. System for demodulating a signal
JP5752685B2 (ja) * 2009-08-17 2015-07-22 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ Ｓｍｉセンサを動作させる方法および対応のセンサ装置
FR2960063B1 (fr) * 2010-05-11 2013-05-10 Toulouse Inst Nat Polytech Dispositif de mesure optique d'un parametre physique
WO2012014124A1 (en) * 2010-07-26 2012-02-02 Koninklijke Philips Electronics N.V. Apparatus for measuring a distance
EP3036526B1 (en) * 2013-08-22 2021-09-29 The University Of Queensland Laser system for imaging and materials analysis and corresponding method
JP6894851B2 (ja) * 2015-07-30 2021-06-30 トランプ フォトニック コンポーネンツ ゲーエムベーハー マルチパラメータ検出のためのレーザセンサ
BR112019011447A2 (pt) * 2016-12-09 2019-10-08 Koninklijke Philips Nv módulo sensor a laser, dispositivo de comunicação móvel, método de detecção de partícula, e produto de programa de computador
WO2018104154A1 (en) * 2016-12-09 2018-06-14 Koninklijke Philips N.V. Laser sensor module for particle density detection
JP2018180709A (ja) * 2017-04-06 2018-11-15 富士ゼロックス株式会社 受付装置および検出装置
DE102018212685B4 (de) * 2018-07-30 2023-06-22 Robert Bosch Gmbh Optische Partikelsensorvorrichtung und entsprechendes Partikelmessverfahren
WO2024056271A1 (en) * 2022-09-14 2024-03-21 Ams International Ag Trigger module, device, method for operating a trigger module and method for operating a device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1233759A (zh) * 1998-04-24 1999-11-03 中国科学院上海光学精密机械研究所 探测大气的非相干激光雷达系统
US6233045B1 (en) * 1998-05-18 2001-05-15 Light Works Llc Self-mixing sensor apparatus and method
US6388739B1 (en) * 2001-01-18 2002-05-14 The Boeing Company Self-referencing microdoppler ladar receiver and associated detection method
CN1416554A (zh) * 2000-11-06 2003-05-07 皇家菲利浦电子有限公司 用于测量手指运动的光学输入设备

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5594543A (en) * 1990-01-16 1997-01-14 Hughes Danbury Optical Systems, Inc. Laser diode radar with extended range
US5267016A (en) * 1991-11-27 1993-11-30 United Technologies Corporation Laser diode distance measurement
DE4400680C2 (de) * 1994-01-12 1995-11-02 Kayser Threde Gmbh Vorrichtung zur Bestimmung von Abstandsänderungen eines Objekts
JP3279116B2 (ja) * 1994-03-22 2002-04-30 株式会社豊田中央研究所 レーザドップラ流速計
US5745437A (en) * 1996-08-05 1998-04-28 Wachter; Eric A. Method and apparatus for coherent burst ranging
US5847817A (en) * 1997-01-14 1998-12-08 Mcdonnell Douglas Corporation Method for extending range and sensitivity of a fiber optic micro-doppler ladar system and apparatus therefor
FR2761782B1 (fr) * 1997-04-02 1999-05-07 Commissariat Energie Atomique Velocimetre et telemetre laser utilisant une detection coherente
AU6633798A (en) 1998-03-09 1999-09-27 Gou Lite Ltd. Optical translation measurement
EP1509834A2 (en) 2002-05-17 2005-03-02 Koninklijke Philips Electronics N.V. Apparatus comprising an optical input device and at least one further optical device having a common radiation source
TW580561B (en) * 2002-12-31 2004-03-21 Ind Tech Res Inst A method for measuring the perpendicularity between an image detector and its relative movement direction with an object detected
US7573580B2 (en) * 2003-11-17 2009-08-11 Asml Holding N.V. Optical position measuring system and method using a low coherence light source
JP4705047B2 (ja) 2004-02-09 2011-06-22 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ ドップラシフト及びレーザ自己混合に基づく光入力装置
WO2005106634A1 (en) * 2004-04-29 2005-11-10 Koninklijke Philips Electronics N.V. Relative movement sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1233759A (zh) * 1998-04-24 1999-11-03 中国科学院上海光学精密机械研究所 探测大气的非相干激光雷达系统
US6233045B1 (en) * 1998-05-18 2001-05-15 Light Works Llc Self-mixing sensor apparatus and method
CN1416554A (zh) * 2000-11-06 2003-05-07 皇家菲利浦电子有限公司 用于测量手指运动的光学输入设备
US6388739B1 (en) * 2001-01-18 2002-05-14 The Boeing Company Self-referencing microdoppler ladar receiver and associated detection method

Also Published As

Publication number Publication date
EP1966627A2 (en) 2008-09-10
KR101241003B1 (ko) 2013-03-08
JP2009520203A (ja) 2009-05-21
CN101341421A (zh) 2009-01-07
TWI401460B (zh) 2013-07-11
US7920249B2 (en) 2011-04-05
TW200730856A (en) 2007-08-16
WO2007072446A2 (en) 2007-06-28
EP1966627B1 (en) 2016-09-28
US20090303458A1 (en) 2009-12-10
KR20080079327A (ko) 2008-08-29
WO2007072446A3 (en) 2007-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101341421B (zh) 测量相对运动的器件和方法
KR100813428B1 (ko) 입력 장치의 움직임 측정 방법
JP5576294B2 (ja) 自己混合干渉に基づくレーザセンサシステム
US20220155052A1 (en) Configuration and Operation of Array of Self-Mixing Interferometry Sensors
CN108027312B (zh) 用于颗粒尺寸检测的激光传感器
KR100780259B1 (ko) 거리 측정 방법 및 장치
Palojarvi et al. Integrated time-of-flight laser radar
GB2443662A (en) Laser motion detector
CN110325878A (zh) Vcsel窄发散度接近度传感器
KR101303371B1 (ko) 소정 범위의 속도들에 걸친 객체와 광 입력 장치의 상대이동을 측정하는 방법
RU2744932C1 (ru) Лидарное измерительное устройство
CN100464287C (zh) 光学输入设备和测量物体与光学输入设备之间相对运动的方法
US20220082696A1 (en) System and method for determining a range of a scene using fmcw lidar imaging
CN101156073A (zh) 包括多个激光器的相对运动传感器
CN112965074B (zh) 一种基于自混合半导体激光器的激光测距方法和装置
Nordin Optical frequency modulated continuous wave (FMCW) range and velocity measurements
US11360294B2 (en) Optical sensor
WO2020076725A1 (en) Lidar with dynamically variable resolution in selected areas within a field of view
US20220107409A1 (en) Optical sensor device for determining distance to object and velocity of the object, and identifying the shape and structure of the object
KR20220046406A (ko) 물체까지의 거리 및 물체의 속도를 결정하고 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 센서 디바이스
KR20200005083A (ko) 광센싱 시스템 및 이를 포함하는 전자 기기
WO2023232460A1 (en) Self-mixing interferometry sensor module for multilayer target detection, electronic device and method of multilayer target detection
Tucker A Self-Mixing Imaging System Based on an Array of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: Eindhoven, Netherlands

Patentee after: KONINKLIJKE PHILIPS N.V.

Address before: Eindhoven, Netherlands

Patentee before: KONINKLIJKE PHILIPS ELECTRONICS N.V.

CP01 Change in the name or title of a patent holder
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20200703

Address after: Ulm

Patentee after: Tongkuai optoelectronic device Co.,Ltd.

Address before: Eindhoven, Netherlands

Patentee before: KONINKLIJKE PHILIPS N.V.

TR01 Transfer of patent right