專利名稱：用于目標(biāo)表征的可訓(xùn)練激光光學(xué)傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及傳感領(lǐng)域。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及激光光學(xué)傳感系統(tǒng)和方法。本發(fā)明還涉及一種外加一個(gè)存儲(chǔ)器和訓(xùn)練組件的可訓(xùn)練激光光學(xué)傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
早先的尋址傳感需要的方法一般包括用一個(gè)來(lái)自光源如發(fā)光二極管的光信號(hào)和多個(gè)檢測(cè)器。為了用一個(gè)光源照明一個(gè)環(huán)境中的大面積，已知兩種通用方法。一種方法通常包括從光源發(fā)射一個(gè)寬闊的光信號(hào)并用遍布整個(gè)環(huán)境設(shè)置的多個(gè)檢測(cè)器的其中之一檢測(cè)信號(hào)。另一種方法通常包括從光源發(fā)射一個(gè)狹窄的光信號(hào)，通過(guò)將信號(hào)反射離開(kāi)一個(gè)例如旋轉(zhuǎn)的鏡面使信號(hào)繞環(huán)境分布，并用遍布整個(gè)環(huán)境設(shè)置的多個(gè)檢測(cè)器的其中之一檢測(cè)信號(hào)。盡管方法可行，但兩種方法通常都需要多個(gè)檢測(cè)器，并且通常出力效率不高，結(jié)果，產(chǎn)生一個(gè)低的信噪比。很差的功率轉(zhuǎn)換比反映了這種低效率，因?yàn)榻邮展庑盘?hào)的單個(gè)檢測(cè)器通常只檢測(cè)原始發(fā)射的信號(hào)其中一部分。因此，檢測(cè)得的信號(hào)一般只提供有限的有關(guān)一個(gè)目標(biāo)在環(huán)境中傳感的信息(比如，存在，一般位置)。由于單一光信號(hào)的性質(zhì)，這些方法還往往限制目標(biāo)在環(huán)境中傳感的尺寸范圍。
早先這些方法的局限性常常在一些應(yīng)用中如檢測(cè)目標(biāo)在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)顯露出來(lái)。許多運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)一般都包括一種視線操作，這里至少一個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)一個(gè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槟繕?biāo)中斷從一個(gè)光源發(fā)射的光束。在一些比較簡(jiǎn)單的應(yīng)用中，如確定目標(biāo)存在與否，這種方法一般足夠。對(duì)一些更復(fù)雜的應(yīng)用，如確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向，這種方法顯得不太足。當(dāng)一個(gè)目標(biāo)橫過(guò)一個(gè)由光源發(fā)射的光信號(hào)時(shí)，隨著被目標(biāo)擋住的信號(hào)逐漸增加，由檢測(cè)器所接收的信號(hào)逐漸減小。正如該技術(shù)中一般已知的那樣，在信號(hào)檢測(cè)中這種逐漸變化的測(cè)量需要一種復(fù)雜的算法，以便確定一個(gè)目標(biāo)在環(huán)境中的位置。加多個(gè)檢測(cè)器可以提供更多的信息，并減少所需算法的復(fù)雜性，然而，這一般造成如上所述的出力效率不高及增加了與附加硬件有關(guān)的費(fèi)用。
上述方法的局限性還涉及包括目標(biāo)識(shí)別的應(yīng)用。許多已知的系統(tǒng)，無(wú)論是用于只識(shí)別一些特定的目標(biāo)，還是用于映射目標(biāo)的空間特性，都涉及用一旋轉(zhuǎn)的鏡面擴(kuò)展光信號(hào)和/或用多個(gè)檢測(cè)器。也可以利用全息照相術(shù)通過(guò)將信號(hào)分成若干更小的光信號(hào)來(lái)擴(kuò)展光信號(hào)。一種用于只檢測(cè)特定目標(biāo)的方法包括從無(wú)線電收發(fā)機(jī)發(fā)射信號(hào)脈沖，接收反射離開(kāi)目標(biāo)的信號(hào)，并將所接收的信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的反射離開(kāi)已知目標(biāo)的信號(hào)進(jìn)行比較，信號(hào)通常都貯存在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。一種用于映射目標(biāo)的方法包括將在一個(gè)目標(biāo)存在時(shí)由不同檢測(cè)器所接收的光信號(hào)疊加，并將上述信號(hào)與同沒(méi)有目標(biāo)的環(huán)境有關(guān)的信號(hào)進(jìn)行比較。
盡管這些方法的每一種對(duì)一特定的功能都是可行的，但已知沒(méi)有一種方法完成幾種功能(比如，位置，行進(jìn)方向，特性)。這種不足產(chǎn)生了對(duì)一種出力效率和成本效益二者通用系統(tǒng)的需要。對(duì)本發(fā)明人來(lái)說(shuō)很顯然，這種系統(tǒng)可能能例如檢測(cè)任何目標(biāo)或一種特定目標(biāo)存在與否，檢測(cè)一個(gè)目標(biāo)的空間特性，檢測(cè)一個(gè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，或檢測(cè)有關(guān)一個(gè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的各種不同特性。
發(fā)明概要提供本發(fā)明的下面提要以便有助于理解本發(fā)明獨(dú)特的某些發(fā)明特點(diǎn)，并且不打算是一個(gè)完整的說(shuō)明。完全理解本發(fā)明的各個(gè)方面可以通過(guò)利用整個(gè)說(shuō)明書(shū)，權(quán)利要求書(shū)，附圖，及全文摘要獲得。
本發(fā)明的一個(gè)方面包括一種利用一垂直空腔表面發(fā)射激光器檢測(cè)目標(biāo)特性的可訓(xùn)練激光光學(xué)傳感系統(tǒng)。系統(tǒng)可以包括一個(gè)垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，上述垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)具有至少兩個(gè)發(fā)射孔，這些發(fā)射孔可以用光刻法限定。激光信號(hào)可以從每個(gè)發(fā)射孔發(fā)射到一個(gè)環(huán)境中。系統(tǒng)還可以包括至少一個(gè)檢測(cè)器，所述檢測(cè)器可操作式對(duì)垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)起響應(yīng)。系統(tǒng)可以包括一個(gè)微處理器，上述微處理器可操作式耦合到一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器上。系統(tǒng)包括一個(gè)存儲(chǔ)器和一個(gè)訓(xùn)練組件，上述存儲(chǔ)器用于貯存目標(biāo)數(shù)據(jù)，而上述訓(xùn)練組件用于使系統(tǒng)能訓(xùn)練識(shí)別目標(biāo)。在操作時(shí)，垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)可以發(fā)射至少兩個(gè)激光信號(hào)到環(huán)境中，上述環(huán)境可以被一個(gè)目標(biāo)占據(jù)。一旦激光信號(hào)通過(guò)了環(huán)境，則至少一個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)這些激光信號(hào)。微處理器然后可以根據(jù)由一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器所接收的激光信號(hào)并與貯存在存儲(chǔ)器中的已知目標(biāo)特性數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)確定目標(biāo)特性。在同一垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)內(nèi)，所發(fā)射的各激光信號(hào)可以相同或是不同。還可以將光學(xué)元件加到系統(tǒng)中，以便激光信號(hào)在射出發(fā)射孔之后通過(guò)至少一個(gè)透鏡或是反射離開(kāi)一個(gè)鏡面或多個(gè)鏡面。
本發(fā)明的另一方面提供可產(chǎn)生激光的系統(tǒng)的可訓(xùn)練特性用于目標(biāo)的準(zhǔn)確檢測(cè)。激光光學(xué)傳感系統(tǒng)可以包括加一個(gè)智能可訓(xùn)練的存儲(chǔ)器(比如，可以包括一個(gè)智能數(shù)據(jù)庫(kù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)，供在訓(xùn)練系統(tǒng)識(shí)別物體/目標(biāo)時(shí)用。按照用于訓(xùn)練系統(tǒng)的方法(比如，目標(biāo)檢測(cè)和特性測(cè)定)，系統(tǒng)用已知的測(cè)試目標(biāo)基準(zhǔn)訓(xùn)練。一個(gè)激光源如一種垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，發(fā)射至少兩個(gè)激光信號(hào)到一個(gè)環(huán)境，即一種可以被一基準(zhǔn)或測(cè)試目標(biāo)占據(jù)的環(huán)境中。一旦激光信號(hào)通過(guò)了上述環(huán)境，則至少一個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)上述激光信號(hào)。各檢測(cè)信號(hào)提供給微處理器，以便根據(jù)由檢測(cè)器所接收的激光信號(hào)確定目標(biāo)特性，并把信息貯存在存儲(chǔ)器(比如數(shù)據(jù)庫(kù))中。在操作期間，一個(gè)激光源如一種垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，發(fā)射至少兩個(gè)激光信號(hào)到一個(gè)被一目標(biāo)占據(jù)的環(huán)境中。一旦激光信號(hào)通過(guò)了包含目標(biāo)的環(huán)境，則至少一個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)上述激光信號(hào)。各檢測(cè)信號(hào)提供給微處理器，以便根據(jù)由一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器所接收的激光信號(hào)確定目標(biāo)特性，并用于將通過(guò)一個(gè)激光基目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)所獲得的目標(biāo)的特性與貯存在存儲(chǔ)器中的已知的/存儲(chǔ)的目標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)照。
本發(fā)明的一個(gè)方面提供用一種垂直空腔表面發(fā)射激光器透射式或反射式檢測(cè)目標(biāo)特性的方法。在一透射方法中，一種垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)可以靜態(tài)地發(fā)射至少兩個(gè)激光信號(hào)到一個(gè)環(huán)境中，上述環(huán)境可以被一個(gè)目標(biāo)占據(jù)。目標(biāo)可以擋住通過(guò)環(huán)境的激光信號(hào)的至少其中之一，并且至少一個(gè)檢測(cè)器可以透射式接收任何未被目標(biāo)擋住的信號(hào)。一個(gè)微處理器然后可以通過(guò)把由垂直空腔發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)所發(fā)射的各激光信號(hào)特性與一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器所接收的信號(hào)特性進(jìn)行比較來(lái)確定目標(biāo)特性，并且上述目標(biāo)特性也貯存在存儲(chǔ)器中。
在一種反射法中，一種垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)可以連續(xù)地一次發(fā)射至少一個(gè)激光信號(hào)到一個(gè)環(huán)境中，上述環(huán)境可以被一個(gè)目標(biāo)占據(jù)。各激光信號(hào)的至少其中之一可以反射離開(kāi)目標(biāo)，并可以用至少一個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)。一個(gè)微處理器可以通過(guò)將由垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)所發(fā)射的各激光信號(hào)的瞬時(shí)特性與由一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器所接收的信號(hào)瞬時(shí)特性進(jìn)行比較來(lái)確定目標(biāo)特性。
在本發(fā)明所述的任何方法中，一個(gè)微處理器可以在一個(gè)垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)發(fā)射不同的激光信號(hào)陣列之后通過(guò)確定哪些激光信號(hào)被一個(gè)檢測(cè)器接收來(lái)確定一個(gè)目標(biāo)的尺寸和形狀。微處理器還可以通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)擋住或反射離開(kāi)的激光信號(hào)陣列的變化來(lái)檢測(cè)目標(biāo)在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)。
對(duì)該技術(shù)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在驗(yàn)證本發(fā)明的下面詳細(xì)說(shuō)明或是能通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐學(xué)會(huì)時(shí)，本發(fā)明的新奇特點(diǎn)將變得更顯而易見(jiàn)。然而，應(yīng)該理解，盡管表明了本發(fā)明的某些實(shí)施例，但本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明和所表示的一些特定實(shí)例僅是提供用于舉例說(shuō)明的目的，因?yàn)閷?duì)該技術(shù)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，從本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明和后面的權(quán)利要求書(shū)，在本發(fā)明的范圍的各種變化和改變將變得顯而易見(jiàn)。
附圖簡(jiǎn)述在各附圖中，同樣的標(biāo)號(hào)始終與各分開(kāi)的視圖中相同或功能上類似的元件有關(guān)，并且上述各附圖包括在說(shuō)明書(shū)中和形成說(shuō)明書(shū)的一部分，上述各附圖還示出了本發(fā)明，并與本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明一起，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的原理。


圖1示出一種垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2示出一種發(fā)射兩個(gè)不同光信號(hào)圖形2(a)和2(b)的垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3示出一個(gè)目標(biāo)在光信號(hào)到達(dá)一個(gè)檢測(cè)器之前擋住由一垂直空腔表面發(fā)射器結(jié)構(gòu)靜態(tài)發(fā)射的光信號(hào)示意圖。
圖4示出一種垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)通過(guò)不同的光信號(hào)發(fā)射圖形循環(huán)來(lái)確定目標(biāo)的一種映射的示意圖。在圖4(a)中形成一條垂直線的各光信號(hào)，被一垂直的條形目標(biāo)擋住，并且沒(méi)有一個(gè)光信號(hào)到達(dá)一個(gè)檢測(cè)器。當(dāng)如圖4(b)所示發(fā)射不同的信號(hào)圖形形成一個(gè)直角時(shí)，一個(gè)信號(hào)到達(dá)檢測(cè)器。然而，在存在一種如圖4(c)所示的直角形目標(biāo)時(shí)，將擋住與圖4(b)中相同的直角形圖形；
圖5示出一種發(fā)射圖5(a)和5(b)中的相同光信號(hào)圖形的垂直空表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)示意圖。在圖5(a)中目標(biāo)擋住所有發(fā)射的信號(hào)，而在圖5(b)中一個(gè)不同的目標(biāo)不擋住所有信號(hào)，同時(shí)只能識(shí)別一個(gè)特定的目標(biāo)。
圖6示出發(fā)射的光信號(hào)通過(guò)6(a)一個(gè)產(chǎn)生一發(fā)射陣列的放大圖象的透鏡和6(b)一個(gè)產(chǎn)生發(fā)射陣列擴(kuò)張形式的復(fù)合透鏡系統(tǒng)的示意圖；圖7示出發(fā)射的光信號(hào)通過(guò)透鏡陣列的示意圖。圖7(a)中的透鏡陣列在不改變各光信號(hào)中心間距情況下擴(kuò)大它們的直徑。圖7(b)中的透鏡陣列擴(kuò)大發(fā)射的光信號(hào)直徑并改變發(fā)射的光信號(hào)方向。
圖8示出一個(gè)目標(biāo)在一個(gè)由一垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)連續(xù)發(fā)射的光信號(hào)到達(dá)一檢測(cè)器之前擋住所述光信號(hào)的示意圖；圖9示出一個(gè)透鏡如何能用來(lái)將由一個(gè)垂直空腔表面發(fā)射激光器發(fā)射的光信號(hào)擴(kuò)展到一個(gè)被一目標(biāo)占據(jù)的環(huán)境中，其中一個(gè)發(fā)射的信號(hào)反射離開(kāi)目標(biāo)并到達(dá)檢測(cè)器；圖10示出本發(fā)明的一個(gè)系統(tǒng)；及圖11示出一個(gè)用于本發(fā)明的一種方法的流程圖。
發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明在這些非限制性實(shí)例中所討論的一些特定值和構(gòu)造可以改變，并且僅僅是舉例說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例和不打算限制本發(fā)明的范圍。
在下面的這個(gè)實(shí)施例的非限制性實(shí)例中，圖1示出一種垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，結(jié)構(gòu)2，上述VCSEL結(jié)構(gòu)2具有多個(gè)發(fā)射孔4，6，8和10。發(fā)射孔4可以通過(guò)用質(zhì)子隔離或電介質(zhì)氧化物技術(shù)其中之一制造，以便提供載波和光學(xué)約束二者。發(fā)射孔4例如在功能上與一個(gè)焊接盤(pán)12成為整體(不過(guò)它們不必成為整體)并且電耦合到一個(gè)元件14上。元件16，18，和20也在圖1中示出，并且它們可以彼此之間及與元件14相同或者不同。在給各元件供電時(shí)，各發(fā)射孔發(fā)射垂直于VCSEL結(jié)構(gòu)2的光信號(hào)(未示出)，同時(shí)使它們特別適合于一維和二維陣列二者的制造。盡管在圖1(及其它附圖)中所示的實(shí)例包括一個(gè)2×2發(fā)射孔陣列，但應(yīng)該注意，M×M陣列的制造也是可行的，并且2×2陣列只提供用于簡(jiǎn)化說(shuō)明。
對(duì)采用VCSEL結(jié)構(gòu)2進(jìn)行陣列制造的其中一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，陣列中的所有尺寸都可以用光刻法制造，因而在發(fā)射孔的布局上有很大的尺寸公差。結(jié)果，很大的尺寸公差產(chǎn)生一個(gè)精確限定的所發(fā)射的光信號(hào)陣列，并能制造任何所希望的一維或二維陣列，如一種交叉的圖形。各元件可以用電學(xué)方法連接，或者實(shí)際上可用任何所希望的方式耦合，并且使光信號(hào)能單獨(dú)地或成組發(fā)射。各光信號(hào)可以用單個(gè)或多個(gè)空間模式發(fā)射，并且可以在發(fā)散角和/或光信號(hào)發(fā)射和聚焦的直徑方面改變。各光信號(hào)還可以用單一波長(zhǎng)或多個(gè)波長(zhǎng)發(fā)射。通過(guò)采用先進(jìn)的選擇外延技術(shù)，可以制造波長(zhǎng)分開(kāi)很寬的光信號(hào)。
圖2示出用同一VCSEL結(jié)構(gòu)2產(chǎn)生不同光信號(hào)圖形的照明。在圖2(a)中，發(fā)射孔4發(fā)射光信號(hào)22，而孔8發(fā)射光信號(hào)26。在圖2(b)中，發(fā)射孔6發(fā)射光信號(hào)24，而孔10發(fā)射光信號(hào)28。同樣，任何其它一個(gè)光信號(hào)或兩個(gè)，三個(gè)，或四個(gè)光信號(hào)組都可以從一2×2陣列發(fā)射。應(yīng)當(dāng)重申，包括任何數(shù)量發(fā)射孔的任何陣列者可以制造，同時(shí)能發(fā)射各種不同的光信號(hào)圖形。
第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是一種可重新組合的靜態(tài)結(jié)構(gòu)式光源，上述靜態(tài)結(jié)構(gòu)式光源在圖3中示出。圖3示出VCSEL結(jié)構(gòu)2分別從發(fā)射孔4和6同時(shí)將光信號(hào)22和24發(fā)射到環(huán)境中。盡管陣列的不同光信號(hào)(或信號(hào)組)可以在不同的時(shí)間發(fā)射，但變化的定時(shí)時(shí)間不直接與預(yù)定的功能有關(guān)。目標(biāo)30設(shè)置在VCSEL結(jié)構(gòu)2和檢測(cè)器32之間的環(huán)境中，上述檢測(cè)器32可以是各種類型中的任何一種，如光電二極管。光電二極管檢測(cè)器可以包括一單個(gè)光電二極管，多個(gè)單獨(dú)封裝的光電二極管，或是在一個(gè)整體封裝中的整體結(jié)構(gòu)上光電二極管陣列。
隨著目標(biāo)30向上移動(dòng)，由檢測(cè)器32接收的特定光信號(hào)從全部射到檢測(cè)器32上(沒(méi)有阻礙)，改變到一半射到檢測(cè)器32上(信號(hào)24被擋住而信號(hào)22未被擋住)，和最后全部不射到檢測(cè)器32上(信號(hào)22和24二者都被擋住)。這以一種基本上是數(shù)字形式或者逐步的形式發(fā)生。在一類似幾何形狀中的單個(gè)照明器在檢測(cè)器的照明上只提供一種很平緩的變化，同時(shí)需要一種更復(fù)雜的算法來(lái)確定中點(diǎn)處的位置。然而，在用這種相同VCSEL陣列的情況下，簡(jiǎn)單地通過(guò)例如從發(fā)射口6和8而不是4和6發(fā)射信號(hào)，可以為目標(biāo)30正交于圖3所示的方向移動(dòng)提供同樣的功能。為了檢測(cè)對(duì)角移動(dòng)的目標(biāo)，將發(fā)射來(lái)自發(fā)射孔4和8或6和10的信號(hào)。因此，通過(guò)依次從不同的孔發(fā)射光信號(hào)，可以用單個(gè)檢測(cè)器32傳感多種運(yùn)動(dòng)。
擴(kuò)展該概念要求更大的元件總數(shù)。例如，考慮具有5×2元素的VCSEL陣列，如果將一個(gè)帶波紋狀邊緣的固定目標(biāo)插在VCSEL陣列和一個(gè)檢測(cè)器之間，則波紋將擋住某些光信號(hào)而不擋住另一些信號(hào)。若利用通過(guò)“發(fā)射的”和“未發(fā)射的”VCSELs的幾個(gè)固定圖形進(jìn)行循環(huán)，則檢測(cè)器信號(hào)可以說(shuō)成是波紋狀邊緣的映射。這樣，波紋式阻擋起一個(gè)鑰匙作用，而包括VCSEL陣列和檢測(cè)器的光學(xué)組件起一把鎖的作用。該技術(shù)的技術(shù)人員已知的電子學(xué)可以生產(chǎn)只識(shí)別一把或幾把鑰匙的鎖。在某些方法中相應(yīng)于目標(biāo)上圖形的任何發(fā)射圖形，將通過(guò)檢測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)正確的辨識(shí)或識(shí)別。
圖4示出通過(guò)光信號(hào)不同發(fā)射圖形進(jìn)行循環(huán)來(lái)確定一個(gè)目標(biāo)映射的VCSEL結(jié)構(gòu)2。在圖4(a)中，一個(gè)垂直的條形目標(biāo)34擋住光信號(hào)22和24到達(dá)檢測(cè)器32。當(dāng)象在圖4(b)中那樣發(fā)射不同的信號(hào)圖形(22，24，和26)時(shí)，信號(hào)26到達(dá)檢測(cè)器32，而信號(hào)22和24仍被檔柱。因此，檢測(cè)器32識(shí)別出目標(biāo)34沒(méi)有在空間上與信號(hào)26有關(guān)的水平部分。然而，在存在如圖4(c)所示的直角形目標(biāo)36時(shí)，與圖4(b)中所發(fā)射的相同的直角形圖形被擋住。既沒(méi)有信號(hào)22，24，也沒(méi)有信號(hào)26到達(dá)檢測(cè)器32，向檢測(cè)器32表明目標(biāo)36(不象目標(biāo)34)確有一個(gè)在空間上與光信號(hào)26有關(guān)的水平部分。
圖5示出一個(gè)特定的目標(biāo)如何可以被識(shí)別而另一些目標(biāo)不能被識(shí)別。在這個(gè)實(shí)例中，VCSEL結(jié)構(gòu)2在圖5(a)和5(b)中發(fā)射相同的光信號(hào)圖形，可是目標(biāo)的形狀不同。在圖5(a)中，目標(biāo)36擋住不讓所有發(fā)射的信號(hào)22，24，和26到達(dá)檢測(cè)器32。在圖5(b)中，目標(biāo)34只擋住光信號(hào)22和24，同時(shí)讓信號(hào)26到達(dá)檢測(cè)器32。因此，在發(fā)射相同的光信號(hào)圖形情況下，根據(jù)環(huán)境中存在的特定目標(biāo)的形狀，不同的信號(hào)將到達(dá)檢測(cè)器32。當(dāng)通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行精確“對(duì)照”時(shí)，結(jié)果這種差別可識(shí)別一個(gè)特定的目標(biāo)。
上述波紋狀不透明障礙物只是可能的關(guān)鍵構(gòu)造的一個(gè)例子。另一些可能性其中包括孔或膜上曝光區(qū)的陣列。
除了用多個(gè)光源之外，本發(fā)明可以比許多目前用攝像機(jī)作為檢測(cè)器的系統(tǒng)更快的完成物體識(shí)別任務(wù)。攝像機(jī)可以是各種不同類型的其中一種，包括電荷耦合器件(CCD)或互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)攝像機(jī)。當(dāng)一種典型的目前系統(tǒng)的攝像機(jī)顯示分成若干分開(kāi)的區(qū)域時(shí)，常常需要復(fù)雜的圖像處理算法，以便測(cè)量空間上被擋住均勻光源的區(qū)域。當(dāng)本發(fā)明的顯示分成若干分開(kāi)的區(qū)域時(shí)，由于發(fā)射多個(gè)光信號(hào)，所以每個(gè)區(qū)域都有它自己的單獨(dú)照明，該單獨(dú)照明在空間上與相鄰的各照明不同。結(jié)果，所有的信號(hào)可以同時(shí)檢測(cè)并迅速加和在一起，以便提供所希望的信息。
目標(biāo)也可以通過(guò)它表面的組成檢測(cè)。表面的吸收特性可以根據(jù)各信號(hào)波長(zhǎng)的不同而吸收和/或反射光信號(hào)。發(fā)射不同波長(zhǎng)的光信號(hào)可以通過(guò)制造具有不同元件的VCSEL結(jié)構(gòu)2完成，因此，上述發(fā)射不同波長(zhǎng)的光信號(hào)也表示材料的吸收特性。在無(wú)論哪種情況下，即根據(jù)目標(biāo)的特性檢測(cè)目標(biāo)，或是檢測(cè)目標(biāo)的特性，一個(gè)微處理器可以通過(guò)將檢測(cè)器所接收的光信號(hào)與VCSEL結(jié)構(gòu)所發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行比較確定各種特性。如果在所發(fā)射的各信號(hào)中波長(zhǎng)差大到足以用一檢測(cè)器檢測(cè)，則可以用多個(gè)檢測(cè)器(如各附圖中所示的檢測(cè)器32)來(lái)檢測(cè)不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的信號(hào)，這樣可以提供有關(guān)大多數(shù)目標(biāo)吸收特性的更詳細(xì)信息。這些特點(diǎn)可以與存儲(chǔ)器中貯存的特性進(jìn)行比較。
為了檢測(cè)不同尺寸的目標(biāo)，可以增加光學(xué)元件。可以將一個(gè)透鏡或透鏡陣列這樣設(shè)置在VCSEL結(jié)構(gòu)2和目標(biāo)30之間，以便透鏡將發(fā)射的光信號(hào)圖形在圖象平面中再現(xiàn)成一較大或較小的圖形。圖像的發(fā)射圖形在形狀上將與所發(fā)射的原始圖形相同，但二者尺寸上不同。微處理機(jī)然后可以用原始發(fā)射的信號(hào)圖形和/或用貯存在存儲(chǔ)器中的信號(hào)校正在目標(biāo)30存在時(shí)由檢測(cè)器32所接收的光信號(hào)圖形。
圖6示出兩種方法，在上述兩種方法中可以用透鏡來(lái)改變一個(gè)光信號(hào)陣列的尺寸。在圖6(a)中，一個(gè)透鏡38產(chǎn)生一個(gè)由VCSEL結(jié)構(gòu)2所發(fā)射的陣列的放大圖像42，同時(shí)能檢測(cè)大于實(shí)際陣列的目標(biāo)。當(dāng)光信號(hào)24進(jìn)入透鏡38時(shí)，透鏡38將信號(hào)放大成具有一更大直徑的新光信號(hào)40。在這種特定的構(gòu)造中，放大的圖像將與由VCSEL結(jié)構(gòu)2原始發(fā)射的陣列相反。在準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡構(gòu)造(未示出)中也可以用兩個(gè)透鏡。在圖6(b)中，一種復(fù)合透鏡系統(tǒng)產(chǎn)生一種擴(kuò)大型式的由VCSEL結(jié)構(gòu)2所發(fā)射的陣列。當(dāng)光信號(hào)22和24進(jìn)入透鏡44時(shí)，透鏡44映射(或是通過(guò)會(huì)聚或是通過(guò)發(fā)散)信號(hào)22和24，同時(shí)分別產(chǎn)生新的光信號(hào)46和48。然后信號(hào)46和48進(jìn)入一個(gè)透鏡50，上述透鏡50分別使信號(hào)46和48準(zhǔn)直成新的信號(hào)52和54。這些最終的信號(hào)52和54具有一比原始發(fā)射的光信號(hào)22和24大的直徑。
圖7示出可供選擇的透鏡陣列構(gòu)造，上述透鏡陣列構(gòu)造可用來(lái)改變由VCSEL結(jié)構(gòu)2所發(fā)射的光信號(hào)陣列。在圖7(a)中，透鏡陣列56包括透鏡58，60，62，和64，這些透鏡58，60，62和64在空間上分別對(duì)應(yīng)于發(fā)射孔4，6，8和10。透鏡58將進(jìn)入的光信號(hào)22的直徑擴(kuò)大成新的光信號(hào)66。同樣，透鏡60將光信號(hào)24的直徑擴(kuò)大成新的光信號(hào)68。盡管透鏡陣列56的各透鏡改變了各個(gè)光信號(hào)的直徑，但它們不改變各信號(hào)的中心間距，并因此保存由VCSEL結(jié)構(gòu)2所發(fā)射的陣列空間特性。
在圖7(b)中，透鏡陣列70包括透鏡72，74，76，和78，這些透鏡72，74，76，和78在空間上分別對(duì)應(yīng)于發(fā)射孔4，6，8，和10。透鏡72使進(jìn)入的光信號(hào)2的直徑擴(kuò)大，并將進(jìn)入的光信號(hào)22的方向改變成新的信號(hào)80。同樣，透鏡74使信號(hào)24的直徑擴(kuò)大，并將信號(hào)24的方向改變成新的信號(hào)82。在這個(gè)特定的實(shí)例中，透鏡陣列70使進(jìn)入的光信號(hào)發(fā)射，但是也可以用其它的發(fā)散或會(huì)聚的構(gòu)造。
在第二個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，照明各單個(gè)元件的定時(shí)是傳感過(guò)程的一個(gè)整體部分。各元件按順序串聯(lián)式照明，說(shuō)明它們的暫時(shí)特性。在圖8中，示出VCSEL結(jié)構(gòu)2按照4，6，8，10，4，6，8，10等依次從發(fā)射孔4，6，8，和10發(fā)射光信號(hào)。因此，從發(fā)射孔發(fā)射對(duì)應(yīng)的光信號(hào)22，24，26，和28。在這個(gè)實(shí)例中，已經(jīng)發(fā)射的三個(gè)光信號(hào)(26，28，22)用虛線示出，并且其中一個(gè)光信號(hào)目前在發(fā)射(24)。光信號(hào)26已經(jīng)發(fā)射，并且不受目標(biāo)30阻礙到達(dá)檢測(cè)器32。然后發(fā)射信號(hào)28并同樣地受阻礙到達(dá)檢測(cè)器32。接著光信號(hào)22也不受阻礙地到達(dá)目標(biāo)30。目前，信號(hào)24發(fā)射出來(lái)并在到達(dá)檢測(cè)器32之前已被目標(biāo)30擋住。如果在所有時(shí)間里監(jiān)測(cè)單個(gè)檢測(cè)器32的輸出，上述檢測(cè)器32設(shè)置成接收陣列中所有的光信號(hào)，則可以通過(guò)在特定信號(hào)被擋住時(shí)沒(méi)有信號(hào)來(lái)確定目標(biāo)30的角度(及在部分程度上，空間的位置)。陣列不必是圓形，因?yàn)榫€性陣列或多個(gè)同心環(huán)都可通過(guò)說(shuō)明檢測(cè)器32的輸出時(shí)序用來(lái)映射目標(biāo)30的形狀。
如果加入光學(xué)元件，如圖9所示，則可以使各光信號(hào)轉(zhuǎn)向成不同的角度。光信號(hào)示出通過(guò)設(shè)置在VCSEL結(jié)構(gòu)2和目標(biāo)84之間的透鏡30。透鏡30然后使各光信號(hào)改變方向到環(huán)境中的不同地方，同時(shí)讓一個(gè)檢測(cè)器32在分開(kāi)很寬的位置處傳感目標(biāo)84。在只有10個(gè)VCSEL元件的情況下，大約能監(jiān)測(cè)2π立體弧度的全部半個(gè)平面。
在這個(gè)實(shí)例中，光信號(hào)28，22，及然后24已經(jīng)依次發(fā)射，如虛線所表示的，并且光信號(hào)26目前發(fā)射。在通過(guò)透鏡30改變方向之后，光信號(hào)26進(jìn)行至它與目標(biāo)84相交。然后光信號(hào)26反射離開(kāi)目標(biāo)84并到達(dá)檢測(cè)器32。應(yīng)該注意，目標(biāo)84發(fā)生這樣設(shè)置在環(huán)境中，以致它位于光信號(hào)26的路線中，而不是光信號(hào)26專門(mén)尋找目標(biāo)84。如果目標(biāo)84移動(dòng)，則它位于一個(gè)不同光信號(hào)的路線上。
在線性陣列情況下，可以檢測(cè)一個(gè)目標(biāo)沿著一個(gè)軸線的位置?！皥A形”陣列應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例可以在VCSEL結(jié)構(gòu)2上方用一個(gè)透鏡。隨著各單個(gè)元件依次照明，這個(gè)透鏡可以將每個(gè)信號(hào)歪斜成不同的角度。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單地在不同時(shí)間照明不同的元件，可以使光信號(hào)在不同時(shí)間射向環(huán)境中的不同區(qū)域。測(cè)量為收集反射光信號(hào)而設(shè)置的一個(gè)檢測(cè)器的臨時(shí)輸出，可以提供有關(guān)一個(gè)目標(biāo)存在及其位置的信息。即使位置信息不需要，但在不移動(dòng)部件情況下一個(gè)光信號(hào)的有效掃描可以提供一個(gè)純電氣功能而不是機(jī)械功能。這個(gè)特點(diǎn)可在在低得多的輸入功率下操作用，在低得多的輸入功率下操作在以電池供電的應(yīng)用中可能很重要，在電池供電的應(yīng)用處，能量守恒常常是關(guān)鍵。
一個(gè)透鏡或透鏡陣列可以這樣設(shè)置在VCSEL結(jié)構(gòu)2附近，以便一個(gè)透鏡使每個(gè)通過(guò)它的光信號(hào)都準(zhǔn)直。而目前的光學(xué)系統(tǒng)一般已知是使單個(gè)光信號(hào)準(zhǔn)直成一個(gè)平行的信號(hào)組，本發(fā)明可以使多個(gè)信號(hào)中的每個(gè)信號(hào)都準(zhǔn)直成相應(yīng)的平行組。因?yàn)槊總€(gè)光信號(hào)都是以不同的角度通過(guò)一個(gè)透鏡，由于每個(gè)發(fā)射孔在VCSEL結(jié)構(gòu)2上的不同位置，所以每組準(zhǔn)直的信號(hào)都以不同的角度射出透鏡。
本發(fā)明的一個(gè)方面包括一種可訓(xùn)練的激光光學(xué)傳感系統(tǒng)供利用一種垂直空腔表面發(fā)射激光器檢測(cè)目標(biāo)特性。參見(jiàn)圖10，一個(gè)系統(tǒng)可以包括一個(gè)帶至少兩個(gè)發(fā)射孔的垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)105，上述兩個(gè)發(fā)射孔可以用已知的處理方法如光刻法限定。激光信號(hào)可以從每個(gè)發(fā)射孔發(fā)射到一個(gè)環(huán)境100中。系統(tǒng)還包括至少一個(gè)檢測(cè)器103，上述檢測(cè)器103可操作式對(duì)垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)105起響應(yīng)。系統(tǒng)可以包括一個(gè)微處理器101，VCSEL和一個(gè)存儲(chǔ)器102如一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，上述微處理器101可操作式耦合到一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器103上，上述存儲(chǔ)器102用于貯存目標(biāo)數(shù)據(jù)和一個(gè)訓(xùn)練組件，上述訓(xùn)練組件用于使系統(tǒng)能訓(xùn)練識(shí)別目標(biāo)110?？捎?xùn)練的激光光學(xué)傳感系統(tǒng)一旦訓(xùn)練就可以進(jìn)行物體的正確識(shí)別，在那里微處理器101參照一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)102和/或利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能力用貯存的已知目標(biāo)信號(hào)圖形來(lái)校正檢測(cè)的來(lái)自目標(biāo)110的光信號(hào)圖形。可訓(xùn)練的激光光學(xué)傳感系統(tǒng)還可以包括一個(gè)訓(xùn)練的組件106。訓(xùn)練組件包括在該技術(shù)的技術(shù)人員用已知的方式訓(xùn)練和操作期間微處理器101所用的軟件。還可以包括一個(gè)運(yùn)動(dòng)分析組件107，以便使系統(tǒng)能確定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)性特性(比如，速度，方向)。
參見(jiàn)圖11，圖11示出由系統(tǒng)所從事的方法步驟方框圖。在操作期間，垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)可以發(fā)射至少兩個(gè)激光信號(hào)到環(huán)境中，如方框圖111處所示。環(huán)境可以被一個(gè)目標(biāo)占據(jù)。如方框圖112處所示，至少一個(gè)檢測(cè)器可以檢測(cè)一旦激光信號(hào)通過(guò)環(huán)境時(shí)它們的存在(接收激光信號(hào))。如方框圖113處所示，微處理器將接收的信號(hào)與貯存在存儲(chǔ)器中的已知目標(biāo)特性/數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。然后微處理器根據(jù)用貯存在存儲(chǔ)器中的已知目標(biāo)特性數(shù)據(jù)對(duì)由檢測(cè)器接收的激光信號(hào)進(jìn)行對(duì)照和重要校正，確定目標(biāo)識(shí)別/特性，如方框圖114處所示。在同一垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)內(nèi)，所發(fā)射的激光信號(hào)可以相同或不同。還可以將光學(xué)元件加到系統(tǒng)中，以便激光信號(hào)在從發(fā)射孔射出之后通過(guò)至少一個(gè)透鏡或是反射離開(kāi)一個(gè)或多個(gè)鏡面。
系統(tǒng)可以利用一個(gè)垂直空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，通過(guò)一次將發(fā)射至少一個(gè)激光信號(hào)到一個(gè)含有一已知目標(biāo)或一些已知目標(biāo)特性的環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練。已知目標(biāo)可以稱之為測(cè)試目標(biāo)。測(cè)試目標(biāo)影響激光信號(hào)。反射離開(kāi)上述測(cè)試目標(biāo)的信號(hào)用至少一個(gè)檢測(cè)器接收。代表目標(biāo)特性的激光信號(hào)貯存在存儲(chǔ)器中。
應(yīng)該注意，幾乎所有的上述應(yīng)用以及其它應(yīng)用，大概可以用透鏡系統(tǒng)或反射系統(tǒng)進(jìn)行尋址。本文所述的實(shí)施例和實(shí)例都是本發(fā)明及其實(shí)際應(yīng)用的最佳說(shuō)明，并因而使該技術(shù)的技術(shù)人員能制造和利用本發(fā)明。然而，該技術(shù)的技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述說(shuō)明和一些實(shí)例只是表示用于舉例說(shuō)明和作為例子的目的。對(duì)該技術(shù)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的另一些改變和修改將是顯而易見(jiàn)的，并且它是所附權(quán)利要求書(shū)的內(nèi)容，所附權(quán)利要求書(shū)包括了這些變化和修改。如所述的說(shuō)明不打算是詳盡無(wú)遺或是限制本發(fā)明的范圍。在不脫離后面權(quán)利要求書(shū)的精神和范圍情況下，按照上述說(shuō)明進(jìn)行許多修改和改變是可能的?？梢栽O(shè)想，利用本發(fā)明可以包括許多具有不同特性的元件。企圖把本發(fā)明的范圍用附于其后的權(quán)利要求書(shū)限定，同時(shí)對(duì)所有方面的等效物提供充分的認(rèn)識(shí)。
權(quán)利要求
1.用于檢測(cè)目標(biāo)特性的一種激光光學(xué)傳感系統(tǒng)，上述系統(tǒng)包括一個(gè)激光源(105)，所述激光源(105)具有至少兩個(gè)發(fā)射孔；至少一個(gè)檢測(cè)器(103)，所述檢測(cè)器(103)可操作式對(duì)上述激光源(105)響應(yīng)；一個(gè)微處理器(101)，所述微處理器(101)可操作式耦合到上述至少一個(gè)檢測(cè)器(103)上；一個(gè)存儲(chǔ)器(102)，所述存儲(chǔ)器(102)用于貯存目標(biāo)特性；及一個(gè)訓(xùn)練和檢測(cè)組件(106)，所述組件(106)使得能訓(xùn)練系統(tǒng)識(shí)別目標(biāo)，其中上述激光源(105)發(fā)射至少兩個(gè)激光信號(hào)到一個(gè)被目標(biāo)(110)占據(jù)的環(huán)境中，上述至少一個(gè)檢測(cè)器(103)檢測(cè)上述至少兩個(gè)激光信號(hào)，而上述微處理器(101)根據(jù)將由上述檢測(cè)器(103)所接收的上述信號(hào)與貯存在存儲(chǔ)器(102)中的上述目標(biāo)特性進(jìn)行比較來(lái)確定目標(biāo)特性。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中上述激光源(105)包括一垂直空腔表面發(fā)射激光器。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中上述檢測(cè)器(103)包括一光電二極管。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括上述至少兩個(gè)激光信號(hào)通過(guò)至少一個(gè)透鏡(50)。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中上述存儲(chǔ)器(102)還包括一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)式數(shù)據(jù)庫(kù)。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中上述存儲(chǔ)器(102)還包括一個(gè)可訓(xùn)練的數(shù)據(jù)庫(kù)。
7.用于檢測(cè)目標(biāo)特性的方法，包括以下步驟用一垂直空腔表面發(fā)射激光結(jié)構(gòu)發(fā)射至少兩個(gè)激光信號(hào)到一個(gè)環(huán)境(111)中；通過(guò)至少一個(gè)設(shè)置在上述環(huán)境內(nèi)的目標(biāo)擋住上述激光信號(hào)的至少其中之一；用至少一個(gè)檢測(cè)器(112)接收(113)未被上述目標(biāo)擋住的任何上述激光信號(hào)；存取一個(gè)含有貯存的目標(biāo)特性的存儲(chǔ)器；及用一個(gè)微處理器通過(guò)將由上述檢測(cè)器所接收的信號(hào)特性(113)與上述存儲(chǔ)器內(nèi)所包含的貯存的目標(biāo)特性進(jìn)行比較確定目標(biāo)特性(114)。
全文摘要
公開(kāi)了一種激光光學(xué)傳感系統(tǒng)和用于檢測(cè)目標(biāo)特性的方法。系統(tǒng)包括一個(gè)激光源(105)，上述激光源(105)具有至少兩個(gè)激光信號(hào)由其發(fā)射的發(fā)射孔。系統(tǒng)還包括至少一個(gè)檢測(cè)器(103)，上述檢測(cè)器(103)可操作式對(duì)激光源(105)起響應(yīng)。系統(tǒng)包括一個(gè)微處理器(101)，所述微處理器(101)可操作式耦合至少一個(gè)檢測(cè)器(103)，一個(gè)存儲(chǔ)器(102)，和至少一個(gè)軟件組件(106)，上述檢測(cè)器(103)用于處理信號(hào)數(shù)據(jù)，上述存儲(chǔ)器(102)可通過(guò)微處理器(101)存取，用于貯存目標(biāo)信號(hào)(比如，獨(dú)特的信號(hào))而上述軟件組件(106)通過(guò)微處理器可存取，用于實(shí)施系統(tǒng)的訓(xùn)練和檢測(cè)操作。在操作時(shí)，激光源發(fā)射(111)至少兩個(gè)激光信號(hào)到一個(gè)環(huán)境中，上述兩個(gè)激光信號(hào)每個(gè)發(fā)射孔發(fā)射一個(gè)。檢測(cè)器檢測(cè)(112)在信號(hào)通過(guò)環(huán)境之后的激光信號(hào)，上述環(huán)境被一個(gè)目標(biāo)占據(jù)，并且微處理器根據(jù)由檢測(cè)器接收(113)的激光信號(hào)與貯存在存儲(chǔ)器中的特性對(duì)照來(lái)確定(114)目標(biāo)特性。
文檔編號(hào)G01S7/41GK1516813SQ02811918
公開(kāi)日2004年7月28日 申請(qǐng)日期2002年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月12日
發(fā)明者J·A·塔圖姆, J·K·格恩特爾, J A 塔圖姆, 格恩特爾 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司