KR20100115356A - 자체 혼합 간섭에 기초한 레이저 센서 시스템 - Google Patents

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알렉산더 엠. 반 더 리
스테판 슈완
멩 한
마르셀 에프. 씨. 슈만
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

타깃까지의 거리 및/또는 상기 타깃(50)의 속도를 측정하기 위한 센서 모듈(1)로서, 상기 센서 모듈(1)은 적어도 하나의 레이저 광원(100), 변조된 레이저 광을 검출하도록 적응되어 있는 적어도 하나의 검출기(200) 및 상기 레이저 광의 초점 및/또는 상기 레이저 광의 강도 및/또는 상기 레이저 광의 방향을 변경하도록 적응되어 있는 적어도 하나의 제어 엘리먼트(400)를 포함한다. 레이저 광원들(100) 및 검출기들(200)의 어레이들과 조합하여 가변 초점 렌즈들 또는 제어 가능한 감쇠기들로서의 능동 광학 장치들 또는 수동 광학 엘리먼트들에 의한 상기 레이저 광원(100)에 의해 방출된 레이저 광의 제어는 적응성 있고 강건한 센서 모듈들을 가능하게 한다.

Description

자체 혼합 간섭에 기초한 레이저 센서 시스템{LASER SENSOR SYSTEM BASED ON SELF-MIXING INTERFERENCE}
본 발명은 타깃까지의 거리 및 타깃의 속도를 측정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 시스템의 사용에 관한 것이다.
US 2007/0058157 A1에는 타깃의 속도를 측정하기 위한 시스템이 개시되어 있다. 상기 시스템은 레이저 장치, 검출기 및 신호 프로세서를 포함한다. 상기 레이저 장치는 주파수 변조된 레이저 빔을 생성하고, 상기 주파수 변조된 빔은 적어도 2개의 레이저 빔으로 분할되고, 하나의 분할된 빔을 포함하는 반사된 빔이 타깃으로 유도되고 타깃으로부터 반사된다. 상기 검출기는 상기 반사된 빔 및 다른 분할된 빔을 포함하는 기준 빔(reference beam)의 조합을 검출하고, 상기 반사된 빔 및 상기 기준 빔은 같지 않은 지연들을 갖는다. 상기 신호 프로세서는 변조 주파수의 도플러 이동된 고조파들(Doppler-shifted harmonics)을 이용하여 상기 조합된 빔으로부터 속도 정보를 획득한다. 상기 개시된 센서 모듈의 다이내믹 레인지(dynamic range) 및 적응성(flexibility)이 문제이다.
[발명의 개요]
본 발명의 목적은 타깃의 속도 및/또는 타깃의 거리를 측정하기 위한 개선된 센서 모듈을 제공하는 것이다.
상기 목적은 타깃까지의 거리 및/또는 상기 타깃의 속도를 측정하기 위한 센서 모듈에 의하여 달성되고, 상기 센서 모듈은 레이저 광을 방출하기 위한 적어도 하나의 레이저 광원, 변조된 레이저 광을 검출하도록 적응되어 있는 적어도 하나의 검출기 및 상기 레이저 광의 초점 및/또는 상기 레이저 광의 강도 및/또는 상기 레이저 광의 방향을 변경하도록 적응되어 있는 적어도 하나의 제어 엘리먼트를 포함한다.
상기 검출기는 예를 들면 이 기술의 숙련자들에 의해 잘 알려진 빔 분할기(beam splitter), 미러들(mirrors) 및 포토다이오드(photodiode)를 갖는 종래의 간섭계(interferometer)일 수 있다. 상기 레이저 광의 변조는 상기 레이저 광에 의해 방출된 상기 레이저 광과 간섭하는 상기 타깃의 운동으로 인한 반사된 레이저 광의 도플러 이동에 의해 야기될 수 있다. 상기 포토다이오드는 상기 변조된 레이저 광의 광 신호를 전기 신호로 변환할 수 있고, 상기 전기 신호는 상기 검출기 또는 상기 제어 엘리먼트에 의하여 분석될 수 있고 그 결과에 따라서 상기 레이저 광원 예를 들면 레이저 다이오드에 의해 방출되는 상기 레이저 광은 상기 제어 엘리먼트에 의하여 변경될 수 있다. 상기 레이저 광원은 예를 들면 기준 축에 관하여 제어되는 방식으로 경사지게 될 수 있고 그 경사 각도는 모니터된다. 상기 레이저 광원의 경사는 상기 레이저 광에 평행인 상기 타깃의 속도 성분의 변화를 야기시킬 수 있다. 상기 기준 축에 관하여 알려진 경사 각도 및 상기 레이저 광에 평행인 상기 속도 성분의 조합은 상기 기준 축에 평행인 상기 타깃의 속도 성분의 결정을 가능하게 할 수 있다. 상기 도플러 이동의 주파수 및 그 결과로 생기는 상기 포토다이오드에 의해 검출될 수 있는 상기 레이저 광의 주파수 변조는 상기 레이저 광원에 의해 방출된 상기 레이저 광의 빔에 평행인 상기 타깃의 속도 성분에 비례한다는 사실 때문에, 상기 레이저 광의 제어되는 경사는 상기 센서 모듈에 의해 검출될 수 있는 속도들의 범위를 증가시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 상기 경사 각도에 따라서 상기 레이저 광의 동일한 변조 주파수는 상기 기준 축에 평행인 상기 타깃의 상이한 속도들을 나타낼 수 있다. 상기 방출된 레이저 광을 상기 타깃에 포커싱하기 위하여 상기 레이저 광을 렌즈와 조합하는 것이 유리할 수 있다. 상기 센서 모듈은 상기 레이저 광원, 상기 검출기 및/또는 상기 제어 엘리먼트를 위한 드라이버 회로 또는 드라이버 회로들을 포함할 수 있다. 예를 들면 배터리로서의 추가적인 하나 이상의 전원들이 상기 센서 모듈에 추가될 수 있다.
상기 레이저 광의 강도의 변화는 상기 레이저 광원의 펄스 구동(pulsed driving)을 제외한 제로 강도와 다른 강도들 사이의 변화로서 의도된다. 또한 상기 변화는 연속적이거나 불연속적일 수 있다.
상기 종래의 간섭계 접근법의 대안으로서 상기 검출기는 상기 레이저 광원에서의 공진하는 레이저 광(resonating laser light)의 변조를 검출할 수 있다. 상기 레이저 광원에서의 상기 레이저 광의 변조는 상기 레이저 광원에 다시 들어가는 상기 타깃에 의해 반사된 레이저 광에 의해 유발될 수 있다. 그 효과는 이 기술의 숙련자들에 의해 자체 혼합 간섭(Self-Mixing-Interference; SMI)으로서 알려져 있다. 상기 레이저 광원의 전기 구동 방식에 따라서 상기 타깃의 거리 및/또는 속도가 검출될 수 있다. 상기 검출기는 포토다이오드일 수 있고 상기 레이저 광원은 예를 들면 측면 방출 레이저다이오드인 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 또는 VECSEL(Vertical Extended Cavity Surface Emitting Laser)로서의 레이저다이오드일 수 있다. 특히 VCSEL 또는 VECSEL은 반도체 처리에 의하여 상기 포토다이오드와 상기 레이저다이오드를 하나의 장치에 통합하는 것을 허용한다. 자체 혼합 간섭에 의한 속도의 검출에 관한 상세는 예를 들면 WO 02/37410 A1의 도 2 내지 도 7 및 관련 설명에서 발견될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서 상기 제어 엘리먼트는 광학 엘리먼트를 포함하고 상기 광학 엘리먼트는 상기 타깃과 상기 레이저 광원의 사이에 배치된다. 상기 레이저 광의 강도는 예를 들면 상기 레이저 광원과 상기 타깃 사이의 가변 광 감쇠기(variable optical attenuator)에 의하여 변경될 수 있고, 이것은 상기 타깃에 의해 반사된 상기 레이저 광의 높은 강도들에 의해 야기되는 비선형성들(non-linearities)을 방지함으로써 상기 검출된 상기 레이저 광의 변조의 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다. 대안으로 또는 추가로 상기 레이저 광의 초점은 가변 초점 렌즈(variable focus lens)에 의하여 변경될 수 있고, 이것은 고정된 초점을 갖는 렌즈를 갖는 센서 모듈들에 비하여 상기 센서 모듈의 검출 범위를 증가시킬 수 있다. 또한 상기 레이저 광은 상기 레이저 광원과 상기 타깃 사이의 이동 가능한 미러(moveable mirror)에 의하여 기준 축에 관하여 경사지게 될 수 있고, 이것은 상기 레이저 광원 자체의 경사와 관련하여 위에 설명된 바와 같이 검출될 수 있는 속도들의 범위를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 추가의 실시예에서 상기 센서 모듈은 적어도 2개의 레이저 광원들 및 적어도 2개의 검출기들을 포함하고 상기 레이저 광원들은 본질적으로 동일한 방향으로 레이저 광을 방출하도록 적응되어 있다. 본질적으로 동일한 방향으로 레이저 광을 방출하도록 하는 상기 레이저 광원들의 적응은 상기 레이저 광원들이 동일한 방향으로 레이저 광을 방출하기 위하여 평행으로 정렬되는 것을 의미한다. 방출 후에 상이한 레이저 광원들에 의해 방출된 레이저 광은 예를 들면 상기 제어 엘리먼트에 의하여 조종(manipulate)되어 상기 레이저 광의 방출 방향으로부터의 편향(deviation)을 야기시킬 수 있고, 그것에 의해 상기 레이저 광의 방출 방향으로부터의 편향은 상이한 레이저 광원들에 대하여 상이할 수 있다. 각 레이저 광원은 그 소속 레이저 광원에 의해 방출된 레이저 광의 변조만을 검출하는 전용 검출기를 가질 수 있다. 상기 레이저 광원들 및 상기 검출기들은 예를 들면 반도체 처리에 의해 제조된 통합된 SMI 센서들일 수 있다. 적어도 2개의 상이한 레이저 광원들의 레이저 광은 상기 제어 엘리먼트에 의하여 상기 레이저 광의 초점 및/또는 상기 레이저 광의 강도 및/또는 상기 레이저 광의 방향에 관하여 상이하게 변경될 수 있다. 후자는 예를 들면 상기 센서 모듈에 통합된 적어도 2개의 또는 모든 레이지 광원들에 대하여 제공된 가변 광 감쇠기들, 가변 초점 렌즈들 또는 이동 가능한 미러들에 의하여 행해질 수 있다. 대안으로 상기 레이저 광원들에 의해 방출된 레이저 광을 상이하게 변경하거나 조종하기 위하여 수동 광학 엘리먼트(passive optical element)가 이용될 수 있다. 이것은 예를 들면 하나의 레이저 광원에 의해 방출된 레이저 광을 반사하는 곡면 미러(curved mirror)에 의하여 상기 방출된 레이저 광이 상기 미러에 부딪치는 상기 미러 상의 지점에 따라서 행해질 수 있다. 레이저 광원들 및 검출기들의 어레이를 이용하는 것은 이동하는 부분들 없이 기준 축에 관하여 경사 각도의 변화를 가능하게 할 수 있다. 레이저 광원들의 어레이 내의 레이저 광원들의 초점들을 변경하기 위하여 상이한 초점 거리를 갖는 추가의 렌즈들이 이용될 수 있다. 대안으로 또는 렌즈들 및/또는 미러들과 조합하여 상기 수동 광학 엘리먼트는 광 감쇠기일 수 있다. 예를 들면 제1 레이저 광원 및 제1 검출기와 조합하여 제1 광 감쇠를 갖는 제1 광 감쇠기 및 제2 레이저 광원 및 제2 검출기와 조합하여 상기 제1 광 감쇠와 다른 제2 광 감쇠를 갖는 제2 광 감쇠기를 이용하는 것은 상기 센서 모듈을 단순화할 수 있다. 상기 상이한 레이저 광원들은 병행하여 구동될 수 있고 또는 상기 레이저 광원들은 적절한 전기 구동 회로를 이용하여 순차적으로 구동될 수 있다. 상기 상이한 레이저 광원들을 순차적으로(번갈아) 구동하는 것은 전자 회로의 복잡도를 감소시킬 수 있다. 레이저 광원들 및 검출기들(3개, 4개, 5개 또는 그 이상의 레이저 광원들 및 검출기들)의 어레이와 조합하여 수동 광학 엘리먼트들을 이용하는 것은 적응성 있고(flexible) 비용 효과적이고 신뢰할 수 있는 센서 모듈을 가능하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서 제1 검출기의 검출의 범위는 적어도 하나의 제2 검출기의 검출의 범위와 겹친다. 상기 검출의 범위는 (각기 광학 엘리먼트의 소속 부분인 그 소속 레이저 광원 및 광학 엘리먼트와 조합하여) 하나의 정의된 검출기에 의해 검출될 수 있는 타깃까지의 거리들 및 타깃의 속도들의 범위일 수 있다. 그것은 상기 제1 검출기는 1 m/s와 10 m/s 사이의 속도들을 검출할 수 있고 상기 제2 검출기는 3 m/s와 30 m/s 사이의 속도들을 검출할 수 있다는 것을 의미한다. 3 m/s와 10 m/s 사이의 겹치는 검출의 범위는 상기 제1 검출기에 의해 검출된 변조된 레이저 광의 검출의 결과로 생기는 제1 측정 신호를 분석기에 의하여 상기 제2 검출기에 의해 검출된 변조된 레이저 광의 검출의 결과로 생기는 제2 측정 신호와 비교하는 것에 의해 상기 제1 측정 신호를 검증하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면 상기 제1 검출기에 의하여 검출된 7.6m/s의 속도 측정은 상기 제2 검출기의 속도 측정과 비교되고 상기 제2 검출기의 속도 측정에 의해 검증될 수 있다. 하나의 검출기보다 많은 검출기들 및 소속 레이저 광원들의 어레이를 갖는 것은 하나의 정의된 검출기의 측정 결과를 검증하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 추가의 실시예에서 상기 센서 모듈은 컴퓨팅 유닛 및 인터페이스를 더 포함하고, 상기 컴퓨팅 유닛(예를 들면 프로세서, ASIC 등)은 적어도 하나의 검출기에 의해 검출된 변조된 레이저 광의 검출의 결과로 생기는 측정 신호들에 기초하여 타깃의 거리 및/또는 속도 데이터를 계산하도록 적응되어 있고 상기 인터페이스는 추가의 처리를 위해 상기 타깃의 거리 및/또는 속도 데이터를 통신하도록 적응되어 있다. 추가의 처리는 상기 거리 및/또는 속도 데이터를 디스플레이 상에 디스플레이하는 것 또는 상기 거리 및/또는 속도 데이터를 다른 시스템(들)에 전송하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 센서 모듈을 포함하는 시스템은 운전자 정보 시스템(driver information system) 및 브레이크 보조 시스템(brake assistant system)으로서 자동차 응용들에서 이용될 수 있다. 또한 그것은,
- 자동차 운전자 정보;
- 제조 장비의 부품들의 속도 측정;
- 제조 중의 상품의 속도 측정;
- 철도 응용;
- 비행기 응용; 및
- 보안 응용
을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나의 응용에서 이용될 수 있다.
또한 본 발명의 목적은 타깃의 속도 및/또는 상기 타깃의 거리를 측정하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 타깃까지의 거리 및/또는 상기 타깃의 속도를 측정하기 위한 방법으로서,
- 적어도 하나의 레이저 광원에 의하여 레이저 광을 방출하는 단계;
- 적어도 하나의 제어 엘리먼트에 의하여 상기 레이저 광의 초점 및/또는 상기 레이저 광의 강도 및/또는 상기 레이저 광의 방향을 변경하는 단계; 및
- 적어도 하나의 검출기에 의하여 변조된 레이저 광을 검출하는 단계
를 포함하는 방법에 의하여 달성된다.
각 레이저 광원마다 하나의 전용 검출기와 조합하여 2개, 3개, 4개의 레이저 광원 또는 심지어 레이저 광원들의 어레이 및 제어 엘리먼트들로서 기능하는 수동 광학 엘리먼트들을 이용하는 것은 타깃의 속도 및/또는 상기 타깃의 거리를 측정하기 위한 크게 신뢰할 수 있는 방법으로 귀착할 수 있다.
아래에서는 함께 조합되고 상기 양태들 중 임의의 것과 조합될 수 있는 추가적인 특징들이 설명될 것이다. 다른 이점들은, 특히 다른 종래 기술에 비하여, 이 기술의 숙련자들에게 명백할 것이다. 본 발명의 청구항들로부터 일탈하지 않고 다수의 변화들 및 수정들이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명의 형태는 단지 설명적인 것이고 본 발명의 범위를 제한하기 위해 의도되지 않은 것을 분명히 이해해야 한다.
본 발명은 도면들에 관련하여 더 상세히 설명될 것이고, 도면들에서 동일한 참조 부호들은 유사한 부분들을 지시한다.
도 1은 VCSEL 및 통합된 포토 다이오드를 포함하는 VECSEL의 개략도를 나타낸다.
도 2는 제어 엘리먼트로서 이용되는 자동 초점 렌즈를 갖는 본 발명에 따른 제1 실시예의 개략도를 나타낸다.
도 3은 제어 엘리먼트로서 이용되는 이동 가능한 미러를 갖는 본 발명에 따른 제2 실시예의 개략도를 나타낸다.
도 4는 제어 엘리먼트로서 이용되는 적응 가능한 감쇠기를 갖는 본 발명에 따른 제3 실시예의 개략도를 나타낸다.
도 5는 레이저 광원들의 어레이를 갖는 본 발명에 따른 제4 실시예의 개략도를 나타낸다.
도 6은 제어 엘리먼트로서 이용되는 광 감쇠기 및 2개의 레이저 광원들을 갖는 본 발명에 따른 제5 실시예의 개략도를 나타낸다.
도 7은 제어 엘리먼트로서 이용되는 렌즈들의 배열 및 레이저 광원들의 어레이를 갖는 본 발명에 따른 제6 실시예의 개략도를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 센서 모듈에서 검출기(200)로서 이용될 수 있는 통합된 포토 다이오드와 함께 레이저 광원(100)으로서 이용될 수 있는 VECSEL을 나타낸다. 이 VECSEL은 VCSEL 층 구조(9)를 포함하고 레이저의 내부 공동(inner cavity)을 형성하는 2개의 DBR(Distributed Bragg Reflector)들(2, 4)의 사이에 삽입된 전기적으로 펌핑된 이득 매질(electrically pumped gain medium)(3)(GaAs에 삽입된 InGaAs 양자 우물들)에 의해 형성된다. 하부 DBR(4)은 레이징 파장(lasing wavelength)에 대하여 크게 반사하는(바람직하게는 99.5%로보다 큰 반사율) 반면, 상부 DBR(2)은 외부 공동(external cavity)으로부터의 피드백을 허용하기 위하여 보다 작은 반사율을 갖는다. 이득 영역으로의 효율적인 전류 공급(current feeding)을 허용하기 위해 상기 DBR들 중 하나는 p-도핑되고 다른 것은 n-도핑된다. 이 예에서, 높은 반사율을 갖는 하부 DBR(4)은 p-도핑되고 상부 DBR(2)은 n-도핑된다. 그러나, 대체로 역순으로의 도핑도 가능하다. 이득 매질(3)로의 전류 주입을 위한 동작 전류는 주입 전류를 적시에 변조하기 위해 제어 유닛(도시되지 않음)에 연결되어 있는 적당한 전원(도시되지 않음)에 의해 제공된다. 소망의 거리 또는 속도 정보를 획득하기 위한 방출된 레이저 방사(7)의 주파수 편이(frequency shift)는 이 전류 변조에 의해 달성된다. 적합한 전류 형상이 n 및 p-DBR 전기 콘택트들(도면에 도시되지 않음)을 통해 이득 영역으로 공급된다. 하부 DBR(4)의 뒤쪽에 부착되어 있는 포토다이오드는 크게 반사하는 p-DBR 미러(4)로부터의 작은 양의 방사 누출을 측정하고 따라서 타깃(도면에 도시되지 않음)으로부터의 후방 산란된 광(8)이 레이저에 미치는 영향을 모니터하고, 그로부터 타깃 물체의 거리 또는 속도에 관한 정보가 획득될 수 있다. VCSEL 층 구조(9)는 적당한 광학적으로 투명한 기판(1) 위에 성장된다. 이 기판 위의 그러한 층 구조는 VCSEL 칩들을 위한 저비용 제조 프로세스에서 제조될 수 있다. 그러므로 포토다이오드는 그러한 칩의 뒤쪽에 부착된다. 외부 공동은 상부 DBR(2) 위쪽에 적당한 거리를 두고 배치되고 조절된 레이저 미러(5)에 의해 형성된다. 적절한 작은 대역폭 IR 반사 특성을 갖는 협대역 VBG(Volume Bragg Grating)이 이 레이저 미러(5) 또는 예를 들면 금속 또는 유전체 코팅된 미러를 형성할 수 있다. 이득 매질은 내부 레이저 공동 시스템이 레이저 임계치를 초과하게 하지 않는 레벨에서 전기적으로 펌핑되지만, 레이징을 달성하기 위해 외부 공동, 즉 외부 미러(5)의 피드백을 필요로 한다. 이런 식으로, 방출된 레이저 방사(7)의 특성들은 VCSEL 칩 상의 짧은 내부 공동에 의해서보다는 외부 레이저 공동에 의해 결정된다. 그 결과, 방출된 레이저 방사(7)의 발산 각도도 감소되고 모드 품질은 순수한 VCSEL 기반 센서와 비교하여 향상된다. 따라서 레이저는 타깃 물체에 더 잘 포커싱되고, 센싱 응용을 위하여 요구되는, 레이저 공동으로의 피드백(8)(타깃 물체로부터의 후방 산란된 방사)은 개선된다. 그럼에도 불구하고 레이징 파장에 대하여 크게 반사하는(바람직하게는 99.5%보다 큰 반사율) 하부 DBR(4) 및 상부 DBR(2) 양쪽 모두와 미러(5)가 없는 단순한 VCSEL도 본 발명에 따른 센서 모듈에서 레이저 광원으로서 이용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 센서 모듈(10)의 제1 실시예의 개략도를 나타낸다. 레이저 광원(100) 이 경우 VCSEL은 구동 회로(도시되지 않음) 및 전원(도시되지 않음)에 연결된다. VCSEL에 의해 방출된 레이저 광은 양쪽 모두 또한 전원(도시되지 않음)에 연결되어 있는 가변 초점을 갖는 렌즈 및 제어 회로를 포함하는 제어 엘리먼트(400)를 통과한다. 가변 초점을 갖는 렌즈를 통과한 후에 레이저 광은 타깃(50)에 부딪치고 레이저 광의 일부는 타깃(50)에 의해 반사되어, 다시 자동 초점 렌즈를 통과하고 VCSEL의 레이저 공동에 다시 들어가서 레이저 공동에서 레이저 광의 변조를 야기시킨다. 레이저 공동에서의 레이저 광의 변조는 전술한 바와 같이 VCSEL에 부착된 포토다이오드인 검출기(200)에 의해 검출된다. 레이저 공동에서의 레이저 광의 변조로 인해 포토다이오드에 의하여 생성되는 전기 신호는 예를 들면 타깃(50)의 속도를 결정하기 위한 정보를 포함한다. 그 정보는 컴퓨터에 의해 처리되어 디스플레이에 의하여 디스플레이될 수 있다. 또한 그 정보는 이 실시예에서 제어 회로를 통해 가변 초점을 갖는 렌즈에 피드백을 제공하기 위해 이용된다. 포토다이오드에 의해 제공된 전기 신호에 따라서 가변 초점을 갖는 렌즈의 초점 거리는 전기 신호의 품질을 개선하여, 센서 모듈의 검출 범위를 강화하기 위하여 변경될 수 있다. 대안으로, 가변 초점을 갖는 렌즈는 포토다이오드에 의해 제공된 전기 신호와 관계없는 자동 초점 렌즈일 수 있다.
도 3에는 본 발명에 따른 센서 모듈의 제2 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 검출기(200)에 부착되어 있는 레이저 광원(100)은 렌즈(도시되지 않음)에 의해 포커싱될 수 있는 레이저 광을 방출한다. 레이저 광원(100)에 의해 방출된 레이저 광은 제어 엘리먼트(400)에 부딪치고, 제어 엘리먼트(400)는 제어 가능한 미러와, 레이저 광원(100)에 의해 방출된 레이저 광이 제어 가능한 미러에 부딪치기 전에 상기 레이저 광에 의해 정의된 기준 축(150)에 관하여 상기 미러를 도 3의 화살에 의해 나타내어진 바와 같이 경사지게 하는 제어 회로(도시되지 않음) 및 모터(도시되지 않음)를 포함한다. 기준 축(150)에 관하여 상기 제어 가능한 미러의 경사 각도에 따라서 상기 제어 가능한 미러에 의해 편향된 레이저 광과 타깃(50)의 표면 사이의 입사의 각도 α가 변화한다. 편향된 레이저 광은 타깃(50)에 의하여 적어도 부분적으로 반사되고, 제어 가능한 미러에 의해 다시 편향되어 레이저 광원(100)의 레이저 공동에 다시 들어가서 검출기(200)에 의해 검출되는 레이저 공동에서의 레이저 광의 변조를 야기시킨다. 센서 모듈은 거리(타깃(50))에서 속도 V0로 질주하는 차에 통합될 수 있다. 입사의 각도 α에 따라서 제어 가능한 미러에 의해 편향된 레이저 광에 평행인 속도 성분은 Vα = V0*cos(α)에 따라서 변화한다. 입사의 각도 α는 레이저 공동에서의 변조된 레이저 광의 변조 주파수가 검출기(200)에 연결되어 있고 검출기(200)에 의해 제공되는 전자 신호를 평가하는 컴퓨팅 유닛(도시되지 않음)에 가장 잘 맞도록 선택된다. 그 결과 레이저 공동에서의 레이저 광의 변조 주파수들의 대역폭은 차의 속도에 따라서 제어 가능한 미러에 의하여 입사의 각도 α를 선택하는 것에 의해 제한될 수 있기 때문에 컴퓨팅 유닛은 다소 간단할 수 있다. 제어 가능한 미러와 컴퓨팅 유닛 사이의 피드백 루프들은 센서 모듈에 의해 측정되는 측정 결과들의 품질을 더욱 최적화하기 위해 이용될 수 있다. 대안으로 제어 가능한 미러는 차의 속도를 측정하기 위한 종래의 시스템과 전자적으로 결합될 수 있다.
도 4에서는 본 발명에 따른 센서 모듈의 제3 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 검출기(200)에 부착되어 있는 레이저 광원(100)은 렌즈(도시되지 않음)에 의하여 포커싱될 수 있는 레이저 광을 방출한다. 레이저 광원(100)에 의해 방출된 레이저 광은 제어 엘리먼트(400)에 부딪치고, 제어 엘리먼트(400)는 제어 가능한 광 감쇠기 및 제어 회로(도시되지 않음)를 포함한다. 레이저 광은 타깃(50)에 의하여 적어도 부분적으로 반사되고, 제어 가능한 광 감쇠기를 다시 통과하여 레이저 광원(100)의 레이저 공동에 다시 들어가서 검출기(200)에 의해 검출되는 레이저 공동에서의 레이저 광의 변조를 야기시킨다. 컴퓨팅 유닛(도시되지 않음)이 검출기(200)에 연결되어 검출기(200)에 의해 제공되는 전자 신호를 평가할 수 있다. 제어 가능한 광 감쇠기는 레이저 공동에 다시 들어가는 레이저 광의 양을 제어하는 것에 의해 센서 모듈의 신호 대 잡음비를 최적화하기 위해 이용될 수 있다. 제어를 위한 제어 신호는 개별 포토다이오드에 의하여 또는 컴퓨팅 유닛에 의해 제공되는 피드백 신호에 의하여 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 센서 모듈의 제4 실시예의 개략도를 나타낸다. 이 실시예에서는 레이저 광원들(100)(VCSEL들)의 어레이가 조합된다. 제어 엘리먼트(400)는 마이크로-렌즈들(401) 및 곡면 미러(402)로서의 수동 광학 엘리먼트들을 포함한다. 레이저 광원들(100)에 의해 방출된 레이저 광은 마이크로-렌즈(401)에 의해 시준되고 미러(402)에 의해 타깃(50), 즉, 도로에 관하여 상이한 방향들로 더 포커싱된다. 곡면 미러(402)의 곡률은 흥미 있는 각도들의 범위를 커버하도록 선택된다. 개별 마이크로-렌즈들(401)의 초점 거리 및/또는 위치는 상이한 각도들에 대하여 유사한 포커싱 조건들을 갖도록 선택된다. 즉, 입사의 각도 α1에서 도로에 부딪치는 평평한 광선(flat ray)(121)은 입사의 각도 α2(α2>α1)에서 도로에 부딪치는 가파른 광선(steep ray)(111)보다 도로에 도달하기 위해 더 긴 도정(longer way)을 갖는다. 마이크로-렌즈들(401)의 상이한 위치는 초점들까지의 상이한 거리를 초래한다. 개별 마이크로-렌즈(401)의 상이한 초점 거리도 그러할 것이다. 타깃(50)은 상당한 양의 광을 후방으로 산란시키고, 그 광은 곡면 미러(402) 및 마이크로-렌즈들(401)에 의하여 레이저 광원들(100)의 레이저 공동으로 포커싱된다. 피드백의 양은, 레이저 광원(100)과 통합되어 있는 포토다이오드들인, 검출기(200)에 의해 VCSEL의 후방에서 모니터되는, 레이저 전력을 결정한다. 개별 신호들은 증폭되고 그 주파수 스펙트럼들은 포토다이오드들과 연결되어 있는 컴퓨팅 유닛들(500)에 의하여 분석된다. 분석기(600)는 컴퓨팅 유닛들(500)의 상이한 결과들을 비교한다. 가장 간단한 경우에 이것은 적당한 주파수를 갖는 신호들만을 받아들이는, 대역 통과(band-pass)에 의해 행해질 수 있다. 신호가 나오고 있는 센서 및 따라서 입사의 각도를 알면 도 3에 관련하여 위에 설명된 바와 같이 지면 위의 실제 속도를 산출하는 것이 가능하다. 이 결과는 인터페이스(610)를 통해 차 관리 시스템에 또는 디스플레이에 전달되고, 그것은 운전자에 알려준다. 또한 다수의 이전의 측정들로부터의 속도들을 저장하는 메모리(620)가 이용될 수 있다. 속도는 보다 큰 점프들 없이 단지 연속적으로 변화한다는 것을 알면 이전의 측정들을 외삽(extrapolate)하고 "예상 속도"(anticipated velocity)를 추론하는 것이 가능하다. 이것은 양호한 결과들을 제공하는 가장 유망한 2개의 센서들을 선택하고 그에 따라 데이터 처리의 복잡도를 더 감소시키기 위해 이용될 수 있다.
또한 예상 속도 및 그에 따라 주파수는 측정된 신호와 혼합되는 주파수를 전자적으로 생성하기 위해 이용될 수 있다. 이 방법에 의하여, 분석되어야 하는 신호의 대역폭을 감소시키는 것이 가능할 수 있다. 그 후 속도 차이들만이 측정된다. 예상 속도와 실제 속도 사이의 차이가 측정되고, 이는 정확한 결과를 제공하기 때문에, 정확도가 손실되지 않는다는 것에 유의해야 한다. 이 방법은 측정된 가속 값들에 대하여 적분하려고 시도하는 어떠한 방법보다 더 우수하다. 이 방법은 또한 얼마간의 여분(redundancy)을 제공한다. 만약 센서들 중 하나가 작동하지 않는다면(예를 들면, 가로막힌다면) 차선의 신호가 아무것도 없는 것보다 더 낫다.
이 셋업(set-up)은 속도의 큰 변동에 스스로를 적응시킨다. 항상 양호한 신호가 이용 가능한 것이 보장된다. 레이저 광원들(100) 및 검출기들(200)의 증가(multiplication)는 실제로는 매우 단순하고 측정은 매우 강건하게 된다. 레이저 광원들(100) 및 검출기들(200)의 증가는 매우 광대역의 증폭 및 신호 분석 전자 공학보다 훨씬 더 비용 효율적이다. 통합된 마이크로-광학들을 갖는 VCSEL들의 어레이도 매우 작고(약 1mm), 따라서 매우 콤팩트한 센서 모듈을 산출한다.
도 6은 본 발명에 따른 센서 모듈의 제5 실시예의 개략도를 나타낸다. 이 실시예에서는 2개의 레이저 광원들(100)(VCSEL들)이 조합된다. 제어 엘리먼트(400)는 렌즈들(401) 및 광 감쇠기(403)를 포함한다. VCSEL들은 움직이는 타깃(50), 예를 들면, 도로에 레이저 광을 포커싱하는 렌즈들을 통해 방출한다. 도로는 상당한 양의 레이저 광을 후방으로 산란시키고, 그 광은 렌즈들에 의해 대응하는 레이저 공동으로 포커싱된다. 피드백의 양은, 검출기들(200)의 일부인 포토다이오드들에 의해 VCSEL의 후방에서 모니터되는, 레이저 전력을 결정한다. 신호는 증폭되고 그 주파수 스펙트럼은 검출기들(200)에 의하여 분석된다. 광 감쇠기(403)는 VCSEL 중 하나의 나가는 및 들어오는 빔을 감쇠시킨다. 즉, 그 효과는 제곱된다. 실제로는 2개보다는 더 많은 채널들이 있을 것이다. ND 필터들은 개별 센서들 사이의 스테이지에서 셋업될 수 있다(예를 들면, 1:2:4:8). 단일 VCSEL들에 의해 방출된 레이저 광은 라인을 따라 연속적인 위치들에서 도로에 포커싱될 수 있다. 실제로는 VCSEL들 사이의 거리는 비교적 작을 것이다(<1mm). 원한다면 렌즈들(401)은 또한 단지 빔을 평행한 것으로 시준하는 마이크로렌즈일 수 있고 모든 레이저 엘리먼트들 전부에 대한 추가적인 큰 렌즈가 그것들을 정확히 동일한 위치에 포커싱하기 위해 이용된다.
분석기(600)는 검출기들(200)의 상이한 결과들을 비교한다. 잡음 레벨 위의 첫 번째 피크의 높이뿐만 아니라 보다 높은 고조파들(higher harmonics)의 기여(도면은 감쇠 경우에 덜 높은 고조파들을 도시한다)가 분석되고 최선의 측정이 선택된다. 이 결과는 인터페이스(610)를 통해 예를 들면 차 관리 시스템에 또는 디스플레이에 전달되고, 그것은 운전자에 알려준다. 이 방법은 또한 피드백 및 신호의 품질에 관한 표시를 제공한다. 이 정보는 신뢰도 표시를 위해 또는 도로 표면에 관한 정보로서 이용될 수 있다(극단적인 예는 백색 점선(broken white line)을 따른 강하게 변화하는 피드백이다).
이 방법은 또한 얼마간의 여분을 제공한다. 만약 레이저 광원들(100) 또는 검출기들(200) 중 하나가 작동하지 않는다면(예를 들면, 가로막힌다면) 차선의 신호 대 잡음이 이용될 수 있다.
이 셋업은 (예를 들면 변화하는 도로 표면과 같은) 변화하는 피드백 조건들에 스스로를 적응시킨다. 항상 양호한 신호가 이용 가능한 것이 보장된다. 레이저 광원들(100) 및 검출기들(200)의 증가는 실제로는 매우 단순하고 측정은 매우 강건하게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 센서 모듈의 제6 실시예의 개략도를 나타낸다. 이 실시예에서는 레이저 광원들(100)(VCSEL들)의 어레이가 조합된다. 제어 엘리먼트(400)는 마이크로-렌즈들(401a) 및 공통의 렌즈(401b)로서의 수동 광학 엘리먼트들을 포함한다. VCSEL들에 의해 방출된 레이저 광은 마이크로-렌즈들(401a)에 의해 시준되고 공통의 렌즈(401b)에 상이한 초점들(710, 720, 730, 740, 750, 760)로 포커싱된다. 마이크로-렌즈들(401a)의 상이한 위치는 초점들까지의 상이한 거리를 초래한다. 개별 마이크로-렌즈들(401a)의 상이한 초점 거리도 그러할 것이다. 타깃(도시되지 않음) 예를 들면 도로의 표면은 상당한 양의 레이저 광을 후방으로 산란시키고, 그 광은 곡면 마이크로-렌즈들(401a) 및 공통의 렌즈(401b)에 의해 VCSEL들의 레이저 공동들로 포커싱된다. 피드백의 양은, 레이저 광원(100)과 통합되어 있는 검출기들(200)로서 이용되는 포토다이오드들에 의해 VCSEL의 후방에서 모니터되는, 레이저 전력을 결정한다. 개별 신호들은 증폭되고 그 주파수 스펙트럼들은 포토다이오드들과 연결되어 있는 컴퓨팅 유닛들(500)에 의하여 분석된다. 대안으로 비용을 감소시키기 위해 하나의 컴퓨팅 유닛(500)이 병렬로 스위칭되는 모든 포토다이오드들에 연결될 수 있다. 분석기(600)는 컴퓨팅 유닛들(500)의 상이한 결과들을 비교한다. 잡음 레벨 위의 진동 주파수 피크들(beat frequency peaks)의 높이 및 피크 폭들이 분석기(600)에 의하여 비교되고 최선의 측정이 선택된다. 이 결과는 센서 모듈이 차에 통합되어 있다면 인터페이스(610)를 통해 차 관리 시스템에 또는 디스플레이에 전달되고, 그것은 운전자에 알려준다. 대안적인 접근법에서 레이저 다이오드들 및 포토다이오드들은 번갈아(순차적으로) 스위칭될 수 있고, 이것은 결과들이 컴퓨팅 유닛에 의해 번갈아 획득될 수 있기 때문에 컴퓨팅 유닛(500) 및 분석기(600)의 비용을 감소시킬 수 있다. 레이저 다이오드들의 스위칭은 예를 들면 고정된 방식을 따르는 것에 의해 컴퓨팅 유닛(500)에 의해 시작될 수 있다. 대안 실시예에서 레이저 다이오드들 및 포토다이오드들의 스위칭은 레이저 다이오드들 및 대응하는 포토다이오드들의 서브세트가 온으로 스위칭되는 것을 의미하는 컴퓨팅 유닛(500)의 결과들에 의하여 시작될 수 있고, 이 레이저 다이오드들 및 대응하는 포토다이오드들의 서브세트는 측정의 시간 커버리지(time coverage)를 개선하기 위하여 컴퓨팅 유닛(500)에 의해 제공된 이전의 측정들의 결과들(잡음 레벨 위의 진동 주파수 피크들의 높이)의 품질에 관하여 선택된다.
상이한 속도로 움직일 수 있는, 도로와 센서 사이의 교란시키는 물체들도 이 실시예에 따른 센서 모듈에 의하여 검출될 수 있다. 실제의 예는 비로부터 또는 거리로부터의 물이다. 초점이 맞지 않는 측정 셋업은 몇 개의 상이한 속도를 산출할 것이다. 자동 초점 시스템은 아마 실패할 것이다. 제안된 발명은 단일 레이저 광원에 관하여 제어 엘리먼트(400)의 상이한 초점으로 인해 통합된 검출기들(200)을 갖는 레이저 광원들(100)에 대하여 상이한 속도들을 산출할 것이다. 이것은 분석기(600)가 어느 속도가 비에 속하지 않고 도로 표면에 속하는지를 결정하는 것을 간단하게 만든다. 또한 이용 가능한 교란시키는 물체들의 속도 및 양에 관한 추가적인 정보도 존재한다.
본 발명에 따른 실시예는 또한, 도로까지의 거리도 결정될 수 있기 때문에, 차 적재량(car load) 및 운전 조건에 관한 정보를 도출하기 위해 이용될 수 있다.
이 방법은 또한 얼마간의 여유를 제공한다. 만약 센서들 중 하나가 작동하지 않는다면(예를 들면, 가로막힌다면) 차선의 신호가 이용될 수 있다. 대안으로 겹치는 검출의 범위(800)는 상이한 검출기들(200)에 의해 생성된 측정 신호들을 제어하기 위해 이용될 수 있다.
이 셋업은 물체까지의 변화하는 거리에 스스로를 적응시킨다. 항상 양호한 신호가 이용 가능한 것이 보장된다. 레이저 광원들(100) 및 검출기들(200)의 증가는 실제로는 매우 단순하고 측정은 매우 강건하게 된다.
본 발명은 특정한 실시예들에 관하여 및 특정한 도면들에 관련하여 설명될 것이지만, 본 발명은 첨부된 청구항들에 의해서만 제한되기 때문에, 이것은 제한적인 의미에서 해석되지 않아야 한다. 청구항들에서의 임의의 참조 부호들은 그의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 설명된 도면들은 단지 개요이고 제한적인 것이 아니다. 도면들에서, 엘리먼트들 중 일부의 사이즈는 설명적인 목적을 위해 과장될 수 있고 일정한 비례로 그려지지 않을 수 있다. 용어 "comprising"이 본 설명 및 청구항들에서 사용될 때, 그것은 다른 엘리먼트들 또는 단계들을 배제하지 않는다. 단수 명사를 언급할 때 부정관사 또는 정관사, 예를 들면, "a" 또는 "an", "the"가 사용되는 경우, 이것은 구체적으로 다르게 진술되지 않는다면 복수의 그 명사를 포함한다.
또한, 설명에서 및 청구항들에서 용어 제1, 제2, 제3 등은 유사한 엘리먼트들을 구별하기 위해 사용되고 반드시 순차적인 또는 연대순의 순서를 묘사하기 위해 사용되는 것은 아니다. 그렇게 사용되는 용어들은 적절한 상황에서 교환 가능하고, 여기에서 설명된 본 발명의 실시예들은 여기에서 설명되거나 도시된 것과 다른 순서로 동작하는 것이 가능하다는 것을 이해해야 할 것이다.
또한, 설명 및 청구항들에서 용어 상부, 하부, 제1, 제2 등은 설명적인 목적을 위해 사용되고 반드시 상대적인 위치들을 묘사하기 위해 사용되는 것은 아니다. 그렇게 사용되는 용어들은 적당한 상황에서 교환 가능하고, 여기에서 설명된 본 발명의 실시예들은 여기에서 설명되거나 도시된 것과 다른 방위로 동작하는 것이 가능하다는 것을 이해해야 할 것이다.
이 기술의 숙련자들은 도면들, 명세서, 및 첨부된 청구항들의 연구로부터, 청구된 발명을 실시하는 데 있어서 개시된 실시예들의 다른 변형들을 이해하고 실행할 수 있다.

Claims (12)

  1. 타깃까지의 거리 및/또는 상기 타깃(50)의 속도를 측정하기 위한 센서 모듈(1)로서, 레이저 광을 방출하기 위한 적어도 하나의 레이저 광원(100), 변조된 레이저 광을 검출하도록 되어있는 적어도 하나의 검출기(200) 및 상기 레이저 광의 초점 및/또는 상기 레이저 광의 강도 및/또는 상기 레이저 광의 방향을 변경하도록 되어있는 적어도 하나의 제어 엘리먼트(400)를 포함하는 센서 모듈(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 검출기(200)는 상기 레이저 광원(100)에서의 공진하는 레이저 광(resonating laser light)의 변조를 검출하도록 되어있고, 상기 레이저 광원(100)에서의 상기 레이저 광의 변조는 상기 레이저 광원(100)에 다시 들어가는 반사된 레이저 광에 의해 유발되는 센서 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어 엘리먼트(400)는 광학 엘리먼트를 포함하고 상기 광학 엘리먼트는 상기 타깃(50)과 상기 레이저 광원(100)의 사이에 배치되는 센서 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 모듈은 적어도 2개의 레이저 광원들(100) 및 적어도 2개의 검출기들(200)을 포함하고 상기 레이저 광원들(100)은 본질적으로 동일한 방향으로 레이저 광을 방출하도록 되어있는 센서 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어 엘리먼트(400)는 적어도 2개의 레이저 광원들(100)에 의해 상이하게 방출되는 상기 레이저 광의 초점 및/또는 상기 레이저 광의 강도 및/또는 상기 레이저 광의 방향을 변경하도록 되어있는 센서 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어 엘리먼트(400)는 적어도 하나의 수동 광학 엘리먼트(passive optical element)(401, 402, 403)를 포함하는 센서 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 수동 광학 엘리먼트는 렌즈(401, 401a, 401b) 또는 미러(402) 또는 광 감쇠기(403)인 센서 모듈.
  8. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 검출기의 검출의 범위(710, 720, 730, 740, 750, 760)는 적어도 하나의 제2 검출기의 검출의 범위와 겹치는 센서 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 상기 센서 모듈은 분석기(600)를 더 포함하고, 상기 분석기(600)는 상기 제1 검출기(200)에 의해 검출된 변조된 레이저 광의 검출로부터 생기는 제1 측정 신호를 상기 제2 검출기(200)에 의해 검출된 변조된 레이저 광의 검출로부터 생기는 적어도 제2 측정 신호와 비교하는 것에 의해 상기 제1 측정 신호를 검증하도록 구성되어 있는 센서 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 모듈은 컴퓨팅 유닛(500) 및 인터페이스(610)를 더 포함하고, 상기 컴퓨팅 유닛(500)은 적어도 하나의 검출기(200)에 의해 검출된 변조된 레이저 광의 검출의 결과로 생기는 측정 신호들에 기초하여 상기 타깃(50)의 거리 및/또는 속도 데이터를 결정하도록 구성되어 있고, 상기 인터페이스(610)는 추가의 처리를 위해 상기 타깃의 거리 및/또는 속도 데이터를 통신하도록 구성되어 있는 센서 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 센서 모듈을 포함하는 시스템으로서,
    - 자동차 안전;
    - 자동차 운전자 정보;
    - 제조 장비의 부품들의 속도 측정;
    - 제조 중의 상품의 속도 측정;
    - 철도 응용;
    - 비행기 응용; 및
    - 보안 응용
    을 포함하는 그룹으로부터 선택된 응용들 중 적어도 하나의 응용에서 이용되는 시스템.
  12. 타깃까지의 거리 및/또는 상기 타깃의 속도를 측정하기 위한 방법으로서,
    - 적어도 하나의 레이저 광원(100)에 의하여 레이저 광을 방출하는 단계;
    - 적어도 하나의 제어 엘리먼트(400)에 의하여 상기 레이저 광의 초점 및/또는 상기 레이저 광의 강도 및/또는 상기 레이저 광의 방향을 변경하는 단계; 및
    - 적어도 하나의 검출기(200)에 의하여 변조된 레이저 광을 검출하는 단계
    를 포함하는 방법.
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