CN103003715A - 用于测量距离的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量距离的设备。自混合干涉（SMI）单元（2）生成SMI信号，其中SMI单元包括发射被定向至物体（5）的第一激光束（4）的激光器（3），并且其中SMI信号取决于第一激光束与被物体反射的第二激光束（6）的干涉。峰宽确定单元（8）确定SMI信号的峰宽，并且距离确定单元（9）根据所确定的SMI信号的峰宽来确定物体与SMI单元之间的距离。由于距离根据SMI信号的峰宽来确定而不需要激光器驱动电流调制，所以不需要用于调制激光器的驱动电流的高级电子设备。这减少确定距离所需的技术努力。

Description

用于测量距离的设备

技术领域

本发明涉及用于测量距离的设备、方法和计算机程序。本发明进一步涉及用于聚焦用于测量距离的设备的激光束的聚焦设备。

背景技术

由G. Giuliani等人发表在Journal Of Optics A: Pure And Applied Optics, 2002, 第4卷第283-294页上的文章“Laser diode self-mixing technique for sensing applications”披露一种用于测量距离的设备，其使用自混合干涉（SMI）（self-mixing interference）来确定距离。包括腔体（cavity）的激光器发射被定向至物体的第一激光束，其中应确定至该物体的距离。第一激光束被该物体反射，并且被反射的激光束进入腔体，其中在腔体中所发射的激光束与被反射的激光束进行干涉。该干涉生成SMI信号，该SMI信号被测量，同时用于驱动激光器的电流被调制。驱动电流的调制导致激光束的波长位移以及SMI信号的相移，其中基于SMI信号的相移和波长位移来确定距离。

由于为了确定距离而不得不调制用于驱动激光器的电流，所以需要高级电子设备，即，测量距离所需的技术努力（effort）是相对高的。

发明内容

本发明的目的是提供用于测量距离的设备、方法和计算机程序，其中能够减少技术努力。

在本发明的第一方面，提出一种用于测量距离的设备，其中该设备包括：

- SMI单元，用于生成SMI信号，其中SMI单元包括用于发射被定向至物体的第一激光束的激光器，并且其中SMI信号取决于第一激光束与被物体反射的第二激光束的干涉；

- 峰宽确定单元，用于确定SMI信号的峰宽；

- 距离确定单元，用于根据所确定的SMI信号的峰宽来确定在物体与SMI单元之间的距离。

由于距离根据SMI信号的峰宽来确定，所以能够确定距离而无需调制激光器的驱动电流来生成激光束的波长位移和SMI信号的相移。因此，不需要用于调制激光器的驱动电流的高级电子设备。这减少确定距离所需的技术努力。

SMI信号的峰宽优选地是SMI信号的频率宽度。

优选的是：该设备进一步包括标准化（normalization）单元，用于将SMI信号的频率依赖性标准化为SMI信号的峰值的频率，其中峰宽确定单元适合于确定标准化SMI信号的峰宽。标准化减小对于SMI信号的峰宽的可能影响，其可能不指示SMI单元与物体之间的距离并因此可能降低确定距离的精度。标准化因此能够导致改善的确定SMI单元与物体之间的距离的精度。

进一步优选的是：该设备适合于在预定义距离范围内测量距离，其中距离线性地取决于峰宽。这允许通过确定峰宽与距离之间的线性关系以及通过使用这种线性关系来根据峰宽确定距离而以相对简单的方式根据峰宽来确定距离。该线性关系能够通过例如校准测量来确定，其中测量峰宽，而在物体与SMI单元之间的距离是已知的。

优选地，距离确定单元包括在a）SMI信号的峰宽和b）在物体与SMI单元之间在预定义距离范围内的距离之间的分配（assignment），其中距离确定单元适合于根据所确定的SMI信号的峰宽和分配来确定在物体与SMI单元之间的距离。该分配优选地描述上述的峰宽与距离之间的线性关系并且优选地通过校准测量来确定，其中测量峰宽，而距离是已知的。

进一步优选的是：该设备包括用于聚焦第一激光束的聚焦单元，其中聚焦单元的聚焦设置是可修改的，其中距离确定单元包括在a）SMI信号的峰宽和b）在物体与SMI单元之间在不同的预定义距离范围内的距离之间的不同分配，其中不同分配对应于聚焦单元的不同聚焦设置，并且其中距离确定单元适合于根据所确定的SMI信号的峰宽以及与聚焦单元的聚焦设置相对应的分配来确定在物体与SMI单元之间的距离。聚焦单元优选地包括透镜，其中聚焦设置能够利用激光器与透镜之间的距离和/或利用如同透镜的曲率之类的透镜的特性来定义。由于峰宽确定单元包括在a）SMI信号的峰宽和b）在物体与SMI单元之间在不同的预定义距离范围内的距离之间的不同分配，其中不同分配对应于聚焦单元的不同聚焦设置，所以能够修改聚焦单元的聚焦设置，以使得与修改的聚焦设置相对应的分配是峰宽与在希望的预定义距离范围内的距离之间的分配。因而，如果该设备应该用于测量在特定距离范围内的距离，那么能够修改聚焦单元的聚焦设置，以使得该设备可操作在该特定距离范围中。

进一步优选的是：该设备包括用于检测该设备是否处于反馈独立体系（regime）中的反馈独立体系检测单元，其中在反馈独立体系中峰宽独立于第二激光束的强度。优选地，如果反馈独立体系检测单元检测到该设备处于反馈独立体系中，距离确定单元适合于确定距离。如果已进入激光器的腔体的被反射的第二激光束的强度是相对大的话，那么SMI信号的峰宽能够取决于被反射的第二激光束的强度。在这种情况下，该设备将处于反馈依赖体系中。通过确定该设备是处于反馈依赖体系中还是处于反馈独立体系中，即通过确定SMI信号的峰宽是否取决于已进入腔体的被反射的第二激光束的强度以及通过在该设备处于反馈独立体系中时才确定距离，能够以改进的精度确定距离。

应注意：反馈独立体系只定义其中SMI信号的峰值的宽度不取决于被反射的第二激光束的强度的体系。然而，同样在反馈独立体系中，SMI信号当然通过反馈来生成，即，通过第一激光束与被反射的第二激光束在激光器的腔体内的干涉来生成。

进一步优选的是：反馈独立体系检测单元适合于根据SMI信号的幅度来检测该设备是否处于反馈独立体系中。例如，如果SMI信号的幅度小于预定义阈值，反馈独立体系检测单元能够适合于检测该设备处于反馈独立体系中。这允许以相对简单的方式来确定该设备是否处于反馈独立体系中。

进一步优选的是：该设备包括用于衰减第二激光束的衰减器，其中反馈独立体系检测单元适合于根据在由衰减器修改第二激光束的衰减的同时测量的峰宽来检测该设备是否处于反馈独立体系中。在反馈独立体系中，SMI信号的峰宽并不取决于被反射的第二激光束的强度。因而，如果峰宽在由衰减器修改第二激光束的衰减的同时没有被修改，那么反馈独立体系检测单元能够检测到该设备处于反馈独立体系中。这也允许以相对简单的方式来确定该设备是否处于反馈独立体系中。

进一步优选的是：该设备包括用于衰减第二激光束的衰减器，其中该衰减器适合于根据该设备是否处于反馈独立体系中的检测来主动地修改第二激光束的衰减。进一步优选的是：如果该设备没有处于反馈独立体系中，则该衰减器适合于增加第二激光束的衰减。因而，能够控制衰减器，以使得该设备保持在反馈独立体系中或返回至反馈独立体系，其中如果该设备打算离开反馈独立体系或者已经离开反馈独立体系，那么修改第二激光束的衰减，以使得该设备分别地保持在反馈独立体系中或返回至反馈独立体系。

进一步优选的是：该设备包括用于输出输出信号的输出单元，其中输出信号在反馈独立体系检测单元检测到该设备处于反馈独立体系中时指示该设备处于反馈独立体系中或者在反馈独立体系检测单元检测到该设备没有处于反馈独立体系中时指示该设备没有处于反馈独立体系中。因此，能够向用户输出：该设备处于反馈独立体系还是反馈依赖体系中，从而给用户提供与所确定的距离的精度有关的指示和/或从而允许用户在该设备处于反馈独立体系中或处于反馈依赖体系中时决定是否他想要测量距离。

同样优选的是该设备包括：

- 聚焦单元，用于聚焦第一激光束，以及

- 控制单元，用于根据所确定的距离来控制聚焦单元。这允许将该设备用作聚焦设备，尤其，用作自动聚焦设备。例如，控制单元能够适合于控制聚焦单元，以使得所确定的距离保持恒定，其中假定：如果距离是恒定的，则物体相对于第一激光器的焦点而保持在相同的位置中。

在本发明的进一步方面，提出一种聚焦设备，其中该聚焦设备包括：

- SMI单元，用于生成SMI信号，其中SMI单元包括发射被定向至物体的第一激光束的激光器，并且其中SMI信号取决于第一激光束与被物体反射的第二激光束的干涉，

- 峰宽确定单元，用于确定SMI信号的峰宽，

- 聚焦单元，用于聚焦第一激光束，以及

- 控制单元，用于根据所确定的峰宽来控制聚焦单元。

优选的是：控制单元适合于控制聚焦单元，以使得SMI信号的峰宽保持恒定。如果SMI信号的峰宽是恒定的，则不修改物体相对于第一激光束的焦点的位置。通过控制聚焦单元以使得SMI信号的峰宽保持恒定，因此能够确保：该物体相对于焦点而保持在相同的位置中，尤其保持在焦点内。

在本发明的进一步方面，提出一种用于测量距离的方法，其中该方法包括：

- 由SMI单元生成SMI信号，其中SMI单元包括发射被定向至物体的第一激光束的激光器，以及其中SMI信号取决于第一激光束与被物体反射的第二激光束的干涉，

- 由峰宽确定单元确定SMI信号的峰宽，

- 由距离确定单元根据所确定的SMI信号的峰宽来确定在物体与SMI单元之间的距离。

在本发明的进一步方面，提出一种聚焦方法，其中该聚焦方法包括：

- 由SMI单元生成SMI信号，其中SMI单元包括发射被定向至物体的第一激光束的激光器，以及其中SMI信号取决于第一激光束与被物体反射的第二激光束的干涉，

- 由峰宽确定单元确定SMI信号的峰宽，

- 由聚焦单元聚焦第一激光束，以及

- 由控制单元根据所确定的峰宽来控制聚焦单元。

在本发明的进一步方面，提出一种用于测量距离的计算机程序，其中计算机程序包括程序代码装置，用于当计算机程序运行在控制如权利要求1所述的设备的计算机上时导致该设备执行如权利要求14所述的方法的步骤。

在本发明的进一步方面，提出一种聚焦计算机程序。聚焦计算机程序包括程序代码装置，用于当聚焦计算机程序运行在控制如权利要求12所述的聚焦设备的计算机上时导致该聚焦设备执行上述的聚焦方法的步骤。

应明白：权利要求1的用于测量距离的设备、权利要求12的聚焦设备、权利要求14的用于测量距离的方法、上述的聚焦方法、权利要求15的计算机程序以及上述的聚焦计算机程序具有如在从属权利要求中所述的相似和/或相同的优选实施例。

应明白：本发明的优选实施例也能够是从属权利要求与各自的独立权利要求的任何组合。

本发明的这些和其他方面从下文描述的实施例中将是明显的并将参考这些实施例来阐述。

附图说明

图1示意地和示例地显示用于测量距离的设备的实施例，

图2示意地和示例地显示SMI信号的峰宽对于在设备的SMI单元与物体之间的距离的依赖性，

图3示意地和示例地显示与噪声电平相比的SMI信号的强度，

图4示意地和示例地显示聚焦设备的实施例，

图5显示示例地阐述用于测量距离的方法的流程图，以及

图6显示示例地阐述聚焦方法的流程图。

具体实施方式

图1示意地和示例地显示用于测量距离的设备。设备1包括用于生成SMI信号的SMI单元2。SMI单元2包括用于发射第一激光束4的激光器3，其中第一激光束被聚焦单元13聚焦并被定向至物体5。第一激光束4被物体5反射，并且能够被视为第二激光束的反射光6进入激光器3的腔体并且在腔体内与激光进行干涉，以生成SMI信号。激光器3的腔体被适配，以使得激光的一部分能够在用于检测这个激光的检测器16的方向离开腔体。例如，腔体的共振镜（resonant mirror）对于激光而言能够是略微透明的，以便允许激光的一部分离开腔体。所检测的激光的强度被调制，其中该调制由于腔体内的SMI而引起。激光的强度调制是SMI信号。至于SMI信号的生成的更详细描述，例如参见上述的因此引用作为参考的G. Giuliani等人的文章。

为了确定所检测的激光的强度调制，SMI单元2包括调制确定单元30。调制确定单元30能够适合于模拟地确定强度调制或数字化所检测的激光来生成数字激光信号以及从数字激光信号中数字地确定强度调制。

所生成的SMI信号被提供给包括标准化单元7的信号处理单元15。标准化单元7适合于将SMI信号的频率依赖性标准化为SMI信号的峰值的频率。

SMI信号在频域中的峰值是由于被反射的第二激光束的频率的Doppler（多普勒）频移而引起的Doppler峰。

信号处理单元15进一步包括用于确定标准化SMI信号的峰值的宽度的峰宽确定单元8。标准化SMI信号的峰值是标准化SMI信号的频谱中的峰值，并且峰值的峰宽是SMI信号的峰值的频率宽度。信号处理单元15进一步包括用于根据所确定的SMI信号的峰宽来确定在物体5与SMI单元2之间的距离的距离确定单元9。峰宽与距离之间的关系能够通过校准测量来确定，其中测量峰宽，而在SMI单元与物体之间的距离是已知的。在图2中示意地和示例地显示相应的校准曲线。在图2中，校准曲线显示以kHz为单位的峰宽pw对于在SMI单元2与物体5之间以mm（毫米）为单位的距离d的依赖性。校准曲线包括其中峰宽实质上线性地取决于距离的线性区域LR。

图3以任意单位、根据在SMI单元与物体之间以mm为单位的距离d来示意地和示例地显示SMI信号20的强度S与噪声21的强度的依赖性，即SMI信号的峰值的高度与噪声电平的依赖性。如在图3中能够看到的，在图2所示的线性范围中，峰高远远大于噪声电平。因此能够从SMI信号中非常好地确定峰宽。

校准曲线的线性区域LR定义在a）SMI信号的峰宽和b）在物体5和SMI单元2之间在预定义距离范围内的距离之间的分配。预定义距离范围是在校准曲线的线性区域LR内的距离范围。距离确定单元9适合于根据所确定的SMI信号的峰宽和分配来确定在物体5与SMI单元2之间的距离。

在实施例中，聚焦单元13具有可修改的聚焦设置。例如，聚焦单元13能够被适配，已使得在聚焦单元13的聚焦透镜与激光器3之间的距离和/或聚焦透镜的曲率能够被修改。距离确定单元9随后能够包括在a）SMI信号的峰宽和b）在物体5与SMI单元2之间在不同的预定义距离范围中的距离之间的不同分配，其中不同分配对应于聚焦单元的不同聚焦设置，并且其中距离确定单元9能够适合于根据所确定的SMI信号的峰宽以及与聚焦单元13的实际聚焦设置相对应的分配来确定在物体5与SMI单元2之间的距离。这些分配优选地是通过对于不同的已知聚焦设置以及对于不同的已知距离测量SMI信号的峰宽而已确定的不同校准曲线的线性区域。不同的校准曲线的线性区域优选地对应于不同的距离范围，即对应于不同的预定义距离范围。因而，通过修改聚焦单元13的聚焦设置，能够依照要求来选择预定义距离范围。

信号处理单元15进一步包括用于检测设备1是否处于反馈独立体系中的反馈独立体系检测单元10，其中在反馈独立体系中峰宽独立于第二激光束的强度。距离确定单元9优选地适合于在反馈独立体系检测单元10检测到设备1处于反馈独立体系中时才确定距离。在这个实施例中，反馈独立体系检测单元10适合于根据SMI信号的频谱的峰值的幅度来检测设备1是否处于反馈独立体系中。如果幅度小于预定义阈值，则确定设备1处于反馈独立体系中。这个预定义阈值也能够通过校准测量来确定，其中峰值的幅度被测量，而设备1是处于反馈独立体系中还是处于反馈依赖体系中是已知的。

设备1进一步包括用于衰减第二激光束6的衰减器11，其中反馈独立体系检测单元10也能够适合于根据在利用衰减器11修改第二激光束6的衰减的同时测量的峰宽来检测设备1是处于反馈独立体系中还是处于反馈依赖体系中。

在图1中，衰减器11被放置在激光器3与聚焦单元13之间。在另一实施例中，衰减器11也能够被放置在聚焦单元13的另一侧上，即被放置在聚焦单元13与物体5之间。衰减器11衰减第一激光束和第二激光束。衰减器11能够是可变灰色滤波器、连续可变LC单元、与旋转四分之一波片相结合的偏振器或另一类型的衰减器。

衰减器11适合于根据设备1是否处于反馈独立体系中的检测来主动地修改第二激光束6的衰减。特别地，如果该设备没有处于反馈独立体系中，则衰减器11适合于增大第二激光束6的衰减。因而，如果反馈独立体系检测单元10检测到设备1没有处于反馈独立体系中，则第二激光束6的衰减被增大，以便将该设备转入反馈独立体系。

设备1进一步包括用于输出输出信号的输出单元12，其中输出信号在反馈独立体系检测单元10检测到设备1处于反馈独立体系中时指示设备1处于反馈独立体系中或在反馈独立体系检测单元10检测到该设备没有处于反馈独立体系中时指示设备1没有处于反馈独立体系中。在这个实施例中，输出单元12是显示器。然而，在其他实施例中，输出单元也能够是如同声输出单元之类的另一输出单元。由于向用户输出的是该设备处于反馈独立体系中还是处于反馈依赖体系中，所以用户能够根据该设备是处于反馈独立体系中还是处于反馈依赖体系中来决定是否他想要测量距离。

聚焦单元13优选地包括相对于激光器3是可移动的可移动透镜，以便控制第一激光束4的焦点的位置。为了控制聚焦单元13以及设备1的其他元件，该设备包括控制单元14。在实施例中，控制单元14能够适合于根据所确定的距离来控制聚焦单元13。假定：如果在物体5与SMI单元2之间的距离是恒定的，则物体5相对于第一激光束4的焦点位置的相对位置是恒定的。因而，如果控制单元14控制聚焦单元13以使得所确定的距离保持恒定的话，控制单元14能够适合于控制聚焦单元13，以使得第一激光束的焦点位置与物体之间的相对位置保持恒定。例如，控制单元14能够被适配，以使得设备1能够被视为自动聚焦设备，其中控制单元14根据所确定的距离来控制聚焦单元13，以使得物体5位于并且优选地保持在第一激光束4的焦点内。如果设备1操作在这样的自动聚焦模式中，那么不是峰宽的SMI信号的其他特征能够用于确定例如物体5的速度。例如，能够从SMI信号中提取Doppler频率，并且能够根据所提取的Doppler频率来确定物体5的速度。

控制单元14适合于控制整个设备1，尤其SMI单元2、衰减器11、聚焦单元13、信号处理单元15和显示器12。

图4示意地和示例地显示聚焦设备的进一步实施例。聚焦设备101包括带有用于发射第一激光束104的激光器103的SMI单元102、检测器116以及用于确定所检测到的激光的强度调制的调制确定单元130。SMI单元102与上面参考图1所描述的SMI单元2相类似。

由SMI单元102生成的SMI信号被提供给信号处理单元115。信号处理单元115包括标准化单元107，用于标准化所生成的SMI信号，如上参考图1所述。此外，信号处理单元115包括用于确定SMI信号的频率峰宽即SMI信号的频谱的峰值的宽度的峰宽确定单元108。控制单元114控制SMI单元102、聚焦单元113以及信号处理单元115。特别地，控制单元114适合于控制聚焦单元113，以使得SMI信号的峰宽保持恒定。例如，聚焦单元113能够包括聚焦透镜，其中在聚焦透镜与SMI单元102的激光器之间的距离能够被控制，以使得SMI信号的峰宽保持恒定。通过确保SMI信号的峰宽保持恒定，能够保持物体相对于第一激光束104的焦点位置的相对位置。聚焦设备101因此能够被用作自动聚焦设备，其试图将物体105保持在第一激光束104的焦点内。

聚焦设备101也包括反馈独立体系检测单元110，用于确定聚焦设备101是处于反馈独立体系中还是处于反馈依赖体系中，其中控制单元114适合于控制衰减器111，以使得聚焦设备1处于反馈独立体系中。如已在上面参考图1所描述的，SMI信号的幅度即SMI信号的频谱的峰值的幅度和/或峰宽对于第二激光束的衰减的依赖性能够用于确定聚焦设备101是处于反馈独立体系中还是处于反馈依赖体系中。如果反馈独立体系检测单元110检测到聚焦设备101没有处于反馈独立体系中，则优选地增大第二激光束106的衰减，以便将聚焦设备转入反馈独立体系。

如果聚焦设备101用于确保物体相对于第一激光束的焦点位置的相对位置被保持或至少位于预定义范围内，不是峰宽的SMI信号的其他特征能够用于确定其他特性。例如，能够从SMI信号中提取Doppler频率，并且能够从Doppler频率中确定物体的速度。

在下文将参考图5所示的流程图来示例地描述用于测量距离的方法的实施例。

在步骤201，由SMI单元2生成SMI信号，其中激光器3的第一激光束4被聚焦单元13聚焦并被定向至物体5，并且其中SMI信号取决于第一激光束4与被物体5反射的第二激光束6的干涉。在步骤202，由标准化单元7将SMI信号的频谱标准化为SMI信号的峰值的频率，并在步骤203，由峰宽确定单元8确定SMI信号的频率峰宽。在步骤204，由距离确定单元9根据所确定的SMI信号的频率峰宽来确定在物体5与SMI单元2之间的距离。在步骤205，所确定的距离被显示在输出单元12的显示器上。

在下文将参考图6所示的流程图来示例地描述聚焦方法的实施例。

在步骤301，由SMI单元102生成SMI信号，其中激光器103发射第一激光束104，其中第一激光束被聚焦单元113聚焦并被定向至物体105，并且其中SMI信号取决于第一激光束104与被物体105反射的第二激光束106的干涉。在步骤302，由标准化单元107将SMI信号的频谱标准化为SMI信号在频谱中的峰值的频率。在步骤303，由峰宽确定单元108确定SMI信号在频谱中的频率峰宽，并且这个确定的频率峰宽被提供给控制单元114，用于在步骤304根据所确定的频率峰宽来控制聚焦单元113。步骤301－304优选地在循环中执行，以便连续地控制聚焦单元113，以使得物体105相对于第一激光束的焦点的位置保持在希望位置中，尤其，以确保物体105保持在第一激光束104的焦点中。

SMI信号的峰宽是SMI信号的Doppler峰的频率峰宽，并且在SMI单元与物体之间的距离优选地是在SMI单元的激光器与物体之间的距离。通过在激光器腔体内混合第二激光束和第一激光束来生成Doppler峰，其中第二激光束是Doppler偏移电磁波，而第一激光束是未扰动波。

如已在开头所提到的，如果使用现有技术SMI激光传感器，那么常规地需要激光电流的调制来测量在物体与激光器之间的距离。调制方案需要高级电子设备，尤其高级模拟电子设备，并且调制方案的失真导致距离测量的不精确性。上面已描述的并且也能够被视为激光器－SMI传感器的用于测量距离的设备能够利用DC电流源来驱动，从而需要较少的高级电子设备并提高距离测量的精度。

激光器优选地是垂直腔面发射激光器（VCSEL）（vertical-cavity surface-emitting laser）。不使用如同外部光电二极管之类的外部检测器来生成SMI信号，而是激光器也能够包括用于生成SMI信号的内置光电二极管，特别地，SMI单元能够包括具有内置光电二极管的VCSEL。

聚焦单元的透镜能够是具有例如20mm的焦距的消色差双合透镜（doublet）。然而，聚焦单元也能够包括例如不是双合透镜的另一类型的透镜。

SMI信号的峰值即SMI信号在频谱中的峰值通常是高斯峰值。峰宽确定单元能够适合于将高斯函数与峰值相拟合并从拟合的高斯函数的峰宽中确定频率峰宽。

由于第二激光束能够包括可能导致连续变化峰宽的散斑（speckle）性质，所以峰宽能够被时间平均，其中时间平均的峰宽能够用于：例如，a）确定距离；b）确定设备是处于反馈独立体系中还是处于反馈依赖体系中；和/或c）控制聚焦单元。为了平均峰宽，使用在时间周期内所确定的峰宽，其中这个时间周期优选地被定义，以使得上述的峰宽的连续变化达到平均数（average out）。

用于测量距离的设备以及聚焦设备优选地可操作来测量与峰宽-距离曲线即上述的其示例在图2中显示的分配或校准曲线的线性区域相对应的距离。如果峰宽在线性区域内，则第一激光束的光斑尺寸在物体的表面上未必是最小的。

激光器输出信号利用单独的检测器16、116来检测，其中检测器能够被集成在激光器堆栈中或能够是外部的。所测量的激光器输出信号包含SMI信号，其中SMI信号能够利用例如调制确定单元30、130或信号处理单元15、115的单元被转换到数字域并且随后能够利用信号处理单元15、115的单元来处理。标准化单元7、107提取Doppler峰频率并标准化激光器输出信号，其中峰宽确定单元8确定标准化的激光器输出信号在频域中的Doppler峰的宽度为SMI信号的峰宽。

聚焦设备优选地使用致动透镜（actuated lens）作为聚焦单元以及控制环路来保持聚焦。由于在物体与激光器之间可能的距离变化，所以激光束可能离开焦点，并且当激光器与物体之间的距离太大时，SMI信号可能低于检测阈值。为避开此，聚焦单元优选地包括致动透镜，其能够被位移，以使得SMI信号的峰宽保留在某个值上，优选地保留在峰宽-距离曲线的线性范围中的中途。如果至物体的距离位于峰宽-距离曲线的线性范围内，那么控制单元优选地提取误差信号来引导透镜的移动。例如，如果距离位于线性范围内，那么参考峰宽和实际测量的峰宽之间的差异与物体的相应位移成比例。参考峰宽与实际测量的峰宽之间的差异因此能够被用作误差信号，其能够在反馈环路或前馈环路中被应用于聚焦单元，以使得误差信号被最小化。

虽然在上述的实施例中距离确定单元对于聚焦单元的不同聚焦设置包括不同的分配，但是距离确定单元对于其他不同的距离测量的特性也能够包括不同的分配，其中这些分配可以被改变。例如，距离确定单元能够包括在a）SMI信号的峰宽和b）在物体与SMI单元之间针对不同入射角的距离之间的不同分配，其中入射角被定义为在第一激光束与第一激光束被定向至其上面的物体的表面之间的角度。在这种情况下，为了确定入射角，能够提供入射角确定单元。例如，入射角测量单元能够适合于通过一个或若干距离测量单元在三个不同方向上测量至物体的表面上的三个不同位置的距离。一个或若干距离测量单元能够包括用于以已知方式光学测量距离的激光器。三个已知方向中的三个距离定义物体表面的方位，并因此能够被入射角确定单元用于确定表面的方位。由于物体的这个表面相对于SMI单元的方位随后是已知的并由于第一激光束的位置也是已知的，所以能够由入射角确定单元基于表面的这个方位以及第一（激光）束的位置来确定入射角。

用于测量距离的设备和/或聚焦设备能够被集成在若干产品中。例如，用于测量距离的设备和/或聚焦设备能够用于激光鼠标产品、用于汽车的速度地上（speed overground）传感器等等中。然而，用于测量距离的设备以及聚焦设备也能够被用作独立***而不被并入另一设备中。

虽然上面已提到激光器优选地是VCSEL，但是SMI单元也能够包括另一类型的激光器，例如边射型激光器、气体激光器、纤维或固态激光器等等。

本领域技术人员在实践所请求保护的发明中通过研究附图、公开内容以及所附的权利要求书能够明白和实施针对所公开实施例的其他变体。

在权利要求书中，词“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。

单个单元或设备可以实现在权利要求书中叙述的若干项的功能。某些措施在相互不同的从属权利要求中被叙述的纯粹事实并不表示不能有利使用这些措施的组合。

能够利用任何其他数量的单元或设备来执行由一个或若干单元或设备执行的如同将模拟激光器输出信号转换成数字信号之类的转换、如同SMI信号的标准化之类的计算、如同峰宽或距离的确定之类的确定。例如，步骤202－204或步骤302－304能够利用单个单元或利用任何其他数量的不同单元来执行。用于根据上述的用于测量距离的方法来测量距离的设备和/或根据上述的聚焦方法的聚焦设备的转换、计算、确定和/或控制能够被实现为计算机程序的程序代码装置和/或被实现为专用硬件。

计算机程序可以被存储/分布在与其他硬件的部分一起提供或作为其他硬件的部分提供的合适介质诸如光存储介质或固态介质上，但是也可以采用其他形式来分布，诸如借助于因特网或其他有线或无线电信***来分布。

权利要求书中的任何参考符号不应被解释为限制范围。

本发明涉及用于测量距离的设备。自混合干涉（SMI）单元生成SMI信号，其中SMI单元包括发射被定向至物体的第一激光束的激光器，并且其中SMI信号取决于第一激光束与被物体反射的第二激光束的干涉。峰宽确定单元确定SMI信号的峰宽，并且距离确定单元根据所确定的SMI信号的峰宽来确定物体与SMI单元之间的距离。由于距离根据SMI信号的峰宽来确定而无需激光器驱动电流调制，所以不需要用于调制激光器的驱动电流的高级电子设备。这减少确定距离所需的技术努力。

Claims (15)

1.一种用于测量距离的设备，所述设备（1）包括：

- 自混合干涉（SMI）单元（2），用于生成SMI信号，其中所述SMI单元（2）包括发射被定向至物体（5）的第一激光束（4）的激光器（3），并且其中所述SMI信号取决于第一激光束（4）与被所述物体（5）反射的第二激光束（6）的干涉；

- 峰宽确定单元（8），用于确定SMI信号的峰宽；

- 距离确定单元（9），用于根据所确定的SMI信号的峰宽来确定在所述物体（5）与所述SMI单元（2）之间的距离。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述设备（1）进一步包括标准化单元（7），用于将SMI信号的频率依赖性标准化为SMI信号的峰值的频率，其中所述峰宽确定单元（8）适合于确定标准化SMI信号的峰宽。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述设备（1）适合于在预定义距离范围内测量距离，其中所述距离线性地取决于所述峰宽。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述距离确定单元（9）包括在a）所述SMI信号的峰宽和b）在所述物体（5）与所述SMI单元（2）之间在预定义距离范围内的距离之间的分配，其中所述距离确定单元（9）适合于根据所确定的SMI信号的峰宽和所述分配来确定在所述物体（5）与所述SMI单元（2）之间的距离。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述设备（1）进一步包括用于聚焦第一激光束（4）的聚焦单元（13），其中所述聚焦单元（13）的聚焦设置是可修改的，其中所述距离确定单元（9）包括在a）所述SMI信号的峰宽和b）在所述物体（5）与所述SMI单元（2）之间在不同的预定义距离范围内的距离之间的不同分配，其中所述不同分配对应于所述聚焦单元（13）的不同聚焦设置，并且其中所述距离确定单元（9）适合于根据所确定的SMI信号的峰宽以及对应于所述聚焦单元（13）的聚焦设置的分配来确定在所述物体（5）与所述SMI单元（2）之间的距离。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述设备（1）进一步包括反馈独立体系检测单元（10），用于检测所述设备（1）是否处于其中峰宽独立于第二激光束的强度的反馈独立体系中。

7.如权利要求6所述的设备，其中如果所述反馈独立体系检测单元（10）检测到所述设备处于反馈独立体系中，所述距离确定单元（9）适合于确定所述距离。

8.如权利要求6所述的设备，其中所述反馈独立体系检测单元（10）适合于根据所述SMI信号的幅度来检测所述设备（1）是否处于反馈独立体系中。

9.如权利要求6所述的设备，其中所述设备（1）包括用于衰减第二激光束（6）的衰减器（11），以及其中所述反馈独立体系检测单元（10）适合于根据在由所述衰减器（11）修改第二激光束（6）的衰减的同时测量的峰宽来检测所述设备是否处于反馈独立体系中。

10.如权利要求6所述的设备，其中所述设备包括用于衰减第二激光束（6）的衰减器（11），以及其中所述衰减器（11）适合于根据所述设备（1）是否处于反馈独立体系中的检测来主动地修改第二激光束（6）的衰减。

11.如权利要求1所述的设备，其中所述设备（1）进一步包括：

- 聚焦单元（13），用于聚焦第一激光束（4），以及

- 控制单元（14），用于根据所确定的距离来控制所述聚焦单元（13）。

12.一种聚焦设备，所述聚焦设备（101）包括：

- SMI单元（102），用于生成SMI信号，其中所述SMI单元（102）包括发射被定向至物体（105）的第一激光束（104）的激光器（103），并且其中所述SMI信号取决于第一激光束（104）与被所述物体（105）反射的第二激光束（106）的干涉，

- 峰宽确定单元（108），用于确定SMI信号的峰宽，

- 聚焦单元（113），用于聚焦第一激光束（106），以及

- 控制单元（114），用于根据所确定的峰宽来控制所述聚焦单元（113）。

13.如权利要求12所述的聚焦设备，其中所述控制单元（114）适合于控制所述聚焦单元（113），以使得所述SMI信号的峰宽保持恒定。

14.一种用于测量距离的方法，所述方法包括：

- 由SMI单元来生成SMI信号，其中所述SMI单元包括发射被定向至物体的第一激光束的激光器，并且其中所述SMI信号取决于第一激光束与被所述物体反射的第二激光束的干涉，

- 由峰宽确定单元来确定所述SMI信号的峰宽，

- 由距离确定单元根据所确定的SMI信号的峰宽来确定在所述物体与所述SMI单元之间的距离。

15.一种用于测量距离的计算机程序，所述计算机程序包括程序代码装置，用于当所述计算机程序运行在控制如权利要求1所述的设备的计算机上时导致所述设备执行如权利要求14所述的方法的步骤。

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