KR102114781B1 - 히페리온 라이더 시스템을 위한 초점면 2d apd 어레이의 구현 - Google Patents

히페리온 라이더 시스템을 위한 초점면 2d apd 어레이의 구현 Download PDF

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Abstract

본 개시내용의 양상들은 라이더 디바이스에 관한 것으로, 라이더 디바이스는: 송신(TX) 경로 상의 진동 광섬유 캔틸레버 시스템; 및 수신(RX) 경로 상의 2차원(2D) 광 감지기 어레이를 포함한다.

Description

히페리온 라이더 시스템을 위한 초점면 2D APD 어레이의 구현
[0001] 본 출원은, "IMPLEMENTATION OF THE FOCAL PLANE 2D APD ARRAY FOR HYPERION LIDAR SYSTEM"이라는 명칭으로, 2016년 9월 15일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제15/266,618호 및 "IMPLEMENTATION OF THE FOCAL PLANE 2D APD ARRAY FOR HYPERION LIDAR SYSTEM"이라는 명칭으로 2015년 9월 18일자로 출원된 미국 가특허 출원 시리얼 번호 제62/220,777호로부터의 우선권의 권익을 주장한다. 위에서 언급된 출원 전체는 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0002] 본원에 개시된 청구 대상은, 전자 디바이스들에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 광을 사용하여 오브젝트까지의 거리를 측정하기 위한 방법들, 장치들, 및 시스템들에 관한 것이다.
[0003] 라이더(Lidar)(또한 라이더(LIDAR), 라이더(LiDAR), 또는 레이더(LADAR), "광(light)"과 "레이더(radar)"의 합성어)는, 레이저를 이용하여 타겟을 조명하고 반사된 광을 분석함으로써 거리를 측정하는 원격 감지 기술이다. 아주 가까이 있는 환경의 오브젝트들까지의 거리를 정확하게 거리측정(range)하는 능력은, 많은 모바일 애플리케이션들, 이를테면, 실내 맵핑 및 내비게이션, 향상된 사진술(photography), 또는 컴퓨터 비전 등에서 중요하다.
[0004] 오브젝트들의 매우 정확한 3D 스캔들을 신속하게 생성하는 능력은 모바일 디바이스들에서 중요한 특징이 될 것이다.
[0005] 알려진 방법들은 다수의 단점들(제한된 범위, 낮은 정확도, 실내 동작 제한들 등)로 인해 어려움을 겪는다. 많은 경우들에서, 종래의 솔루션들은, 모바일 디바이스들의 작은 폼 팩터(form factor)에 의해서는 수용될 수 없다.
[0006] 본 개시내용의 일 양상은 라이더 디바이스(Lidar device)에 관한 것으로, 라이더 디바이스는: 송신(TX) 경로 상의 진동 광섬유 캔틸레버 시스템(vibrating fiber optic cantilever system); 및 수신(RX) 경로 상의 2차원(2D) 광 감지기 어레이를 포함한다.
[0007] 라이더 디바이스를 구현하기 위한 방법은: 송신(TX) 경로 상에 진동 광섬유 캔틸레버 시스템을 구현하는 단계; 및 수신(RX) 경로 상에 2차원(2D) 광 감지기 어레이를 구현하는 단계를 포함한다.
[0008] 라이더 디바이스는: 송신(TX) 경로 상의 진동 광섬유 캔틸레버 수단; 및 수신(RX) 경로 상의 2차원(2D) 광 감지 수단을 포함한다.
[0009] 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 코드를 포함하며, 코드는, 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서로 하여금 방법을 구현하게 하고, 방법은: 라이더 디바이스의 송신(TX) 경로 상에서 진동 광섬유 캔틸레버 시스템을 구동시키는 단계; 및 라이더 디바이스의 수신(RX) 경로 상에서 2차원(2D) 광 감지기 어레이를 구동시키는 단계를 포함한다.
[0010] 도 1은, 본 개시내용의 실시예들이 실시될 수 있는 예시적 디바이스를 예시하는 도면이다.
[0011] 도 2는 예시적 진동 광섬유 캔틸레버 시스템을 예시하는 도면이다.
[0012] 도 3은 TX 경로 및 RX 경로 둘 모두를 포함하는 예시적인 라이더를 예시하는 도면이다.
[0013] 도 4는 2D 광 감지기 어레이로부터 데이터를 추출하기 위한 예시적인 직렬 아키텍처를 예시하는 도면이다.
[0014] 본 개시내용의 실시예들은, 레이저를 이용하여 타겟을 조명하고 반사된 광을 분석함으로써 거리를 측정하기 위한 장치들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것이다.
[0015] 도 1을 참조하면, 라이더에 사용하기 위해 적응된 예시적 디바이스(100)가 도시된다. 디바이스(100)는, 버스(105)를 통해 전기적으로 커플링될 수 있는(또는 그렇지 않으면, 적절하게, 통신할 수 있는) 하드웨어 엘리먼트들을 포함하는 것으로 도시된다. 하드웨어 엘리먼트들은, 하나 또는 그 초과의 범용 프로세서들 및/또는 하나 또는 그 초과의 특수-목적 프로세서들(이를테면, 디지털 신호 프로세싱 칩들, 그래픽 가속 프로세서들 등)을 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 하나 또는 그 초과의 프로세서들(110); 라이더(150), 마우스, 키보드, 스피커, 프린터 등을 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 하나 또는 그 초과의 입력/출력 디바이스들(115)을 포함할 수 있다. 라이더(150)는 하드웨어 라이더 제어기를 포함할 수 있다.
[0016] 디바이스(100)는, 로컬 및/또는 네트워크 액세스가능한 저장소를 포함할 수 있고(그러나 이에 제한되지 않음) 그리고/또는 디스크 드라이브, 드라이브 어레이, 광학 저장 디바이스, 고체-상태 저장 디바이스, 이를테면, 프로그래밍가능하고, 플래시-업데이트가능한(flash-updateable) 식일 수 있는 "RAM(random access memory)" 및/또는 "ROM(read-only memory)"을 포함할 수 있는(그러나 이에 제한되지 않음) 하나 또는 그 초과의 비-일시적 저장 디바이스들(125)을 더 포함할 수 있다(그리고/또는 이들과 통신할 수 있음). 이러한 저장 디바이스들은, 다양한 파일 시스템들, 데이터베이스 구조들 등을 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 임의의 적절한 데이터 저장부들을 구현하도록 구성될 수 있다.
[0017] 디바이스(100)는 또한, 모뎀, 네트워크 카드(무선 또는 유선), 적외선 통신 디바이스, 무선 통신 디바이스 및/또는 칩셋(이를테면, 블루투스 디바이스, 802.11 디바이스, Wi-Fi 디바이스, WiMax 디바이스, 셀룰러 통신 설비들 등) 등을 포함할 수 있는(그러나 이에 제한되지 않음) 통신 서브시스템(130)을 포함할 수 있다. 통신 서브시스템(130)은, 데이터가 본원에서 설명된 네트워크, 다른 컴퓨터 시스템들/디바이스들, 및/또는 임의의 다른 디바이스들과 교환되도록 허용할 수 있다. 많은 실시예들에서, 디바이스(100)는, 위에서 설명된 바와 같이, RAM 또는 ROM 디바이스를 포함할 수 있는 작동 메모리(135)를 더 포함할 것이다.
[0018] 디바이스(100)는 또한, 운영 시스템(140), 디바이스 드라이버들, 실행가능한 라이브러리들, 및/또는 본원에서 설명된 바와 같은 다른 실시예들에 의해 제공된 방법들을 포함할 수 있거나 또는 방법들을 구현하도록 설계될 수 있고 그리고/또는 시스템들을 구성할 수 있는 다른 코드, 이를테면, 하나 또는 그 초과의 애플리케이션 프로그램들(145)을 포함하는 (작동 메모리(135) 내에 현재 로케이팅된 것으로 도시된) 소프트웨어 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 단지 예로서, 아래에서 논의되는 방법(들)에 대해 설명된 하나 또는 그 초과의 절차들은, 컴퓨터(및/또는 컴퓨터 내의 프로세서)에 의해 실행가능한 코드 및/또는 명령들로서 구현될 수 있으며; 이어서, 양상에서, 이러한 코드 및/또는 명령들은, 설명된 방법들에 따라 하나 또는 그 초과의 동작들을 수행하도록 범용 컴퓨터(또는 다른 디바이스)를 구성 및/또는 적응시키는데 사용될 수 있다.
[0019] 이들 명령들 및/또는 코드의 세트는, 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체, 이를테면, 위에서 설명된 저장 디바이스(들)(125) 상에 저장될 수 있다. 일부 경우들에서, 저장 매체는, 컴퓨터 디바이스, 이를테면, 디바이스(100) 내에 포함될 수 있다. 다른 실시예들에서, 저장 매체는 컴퓨터 디바이스로부터 분리되고(예컨대, 제거가능 매체, 이를테면, 컴팩트 디스크) 그리고/또는 설치 패키지로 제공될 수 있어서, 저장 매체는, 저장된 명령들/코드로 범용 컴퓨터를 프로그래밍, 구성 및/또는 적응시키는 데 사용될 수 있다. 이들 명령들은, 컴퓨터화된 디바이스(100)에 의해 실행가능한 실행가능 코드의 형태를 취할 수 있고, 그리고/또는 (예컨대, 임의의 다양한 일반적으로 이용가능한 컴파일러들, 설치 프로그램들, 압축/압축해제 유틸리티들 등을 사용하여) 디바이스(100) 상에서의 컴파일레이션(compilation) 및/또는 설치 시에, 소스 및/또는 설치가능 코드의 형태를 취하고, 이어서 실행가능 코드의 형태를 취할 수 있다.
[0020] 특정 요건들에 따라 상당한 변경들이 이루어질 수 있음이 당업자들에게 명백할 것이다. 예컨대, 커스터마이징된 하드웨어가 또한 사용될 수 있고, 그리고/또는 특정 엘리먼트들이 하드웨어, 소프트웨어(휴대가능 소프트웨어, 이를테면, 애플릿(applet)들 등을 포함함) 또는 둘 모두로 구현될 수 있다. 또한, 다른 컴퓨팅 디바이스들, 이를테면, 네트워크 입력/출력 디바이스들로의 연결이 이용될 수 있다.
[0021] 라이더, 이를테면, 라이더(150)는 2개의 서브시스템들, 즉, 빔 스티어링 엘리먼트(beam steering element) 및 거리계(range finder)로 이루어질 수 있다. 빔 스티어링 엘리먼트는 투사된 레이저 빔을 스티어링하여 스캐닝 패턴을 생성할 수 있다. 그리고, 거리계(range finder)는, 스캐닝되는 오브젝트로부터 반사된 광을, 펄스형 ToF(Time of Flight), 위상 시프트 ToF(Time of Flight), 또는 코히어런트 검출(coherent detection) 등과 같은 측정들 및/또는 기법들에 기반하여, 오브젝트의 상이한 부분들까지의 거리에 관한 정보로 변환할 수 있다. 일 실시예에서, 빔 스티어링 엘리먼트 서브시스템 및 거리계 서브시스템 둘 모두는 매우 작은 폼 팩터로 구현될 수 있다.
[0022] 따라서, 라이더는 2개의 광 경로들, 즉, 송신(TX) 경로 ― 송신(TX) 경로를 통해, 레이저가 레이저 소스로부터, 스캐닝되는 오브젝트(타겟)로 이동함 ―, 및 수신(RX) 경로 ― 수신(RX) 경로를 통해, 반사된 광이 타겟으로부터 거리계의 광 수신 엘리먼트로 이동함 ― 를 포함할 수 있다.
[0023] 일 실시예에서, TX 경로 상에서, 스캐닝 레이저는 광섬유 케이블, 이를테면, 단일 모드 또는 다중모드 광섬유 케이블로부터, 그리고 일련의 TX 옵틱(optic)들을 통해 방출될 수 있다. 거리계 서브시스템으로부터의 레이저는 광섬유 케이블 내로 커플링될 수 있다.
[0024] 도 2를 참조하면, 예시적 진동 광섬유 캔틸레버 시스템(200)을 예시하는 도면이 도시된다. 광섬유 케이블 (210)은 피에조 세라믹 튜브(piezo ceramic tube)(220)를 통해 스레딩될(threaded) 수 있다. 피에조 세라믹 튜브(220)는 일 단부(230)에서 디바이스(100)와 같은 디바이스의 바디에 고정되고, 그리고 다른 단부(240)에서는 자유로울 수 있다. 광섬유 케이블(210)은 피에조 세라믹 튜브(220)의 자유 단부(240)에 대한 고정될 수 있는 한편, 광섬유 케이블 (210)의 자유 단부(250)는 피에조 세라믹 튜브(220)의 자유 단부(240)로부터 미리 결정된 길이만큼 추가로 연장될 수 있다. 이로써, 고정된-자유 진동 캔틸레버 시스템(fixed-free vibrating cantilever system)(200)이 생성될 수 있다. 당업자는, 피에조 세라믹 튜브(220) 외부의 자유 광섬유 케이블 연장의 길이 및 광섬유 케이블(210)의 다른 물리적 특성들이 캔틸레버의 공진 주파수를 결정할 수 있다는 것을 인지할 것이다.
[0025] 적절한 구동 신호들을 인가함으로써, 피에조 세라믹 튜브(220)는 원하는 주파수로 진동하도록 구동될 수 있다. 피에조 세라믹 튜브(220)가 캔틸레버의 공진 주파수로 진동하도록 구동될 때, 캔틸레버는 공진 모드에서 여기될 수 있다. 다시 말해, 캔틸레버의 베이스에서의 작은 진동들이 증폭될 수 있고, 광섬유 케이블(210)의 팁(예컨대, 자유 단부(250))이 큰 진폭으로 진동할 수 있다. 더욱이, 광섬유 케이블(210)의 팁(예컨대, 자유 단부(250))의 모션은 피에조 세라믹 튜브(220)에 인가되는 적절한 구동 신호들로 제어될 수 있다. 따라서, 원하는 스캐닝 패턴이 구현될 수 있다.
[0026] 단순한 TX 옵틱들, 이를테면, 단순한 렌즈 어셈블리는, 광섬유 케이블(210)의 팁(예컨대, 자유 단부(250))으로부터 나오는 레이저를 수집하고 그리고 이를 투사를 위해 컨디셔닝하는 데 사용될 수 있다.
[0027] RX 경로 상에서, 반사된 광은 전방향성 렌즈 또는 렌즈 어셈블리에 의해 광 감지기 상에 수집될 수 있다. 따라서, 스캐닝되는 오브젝트까지의 거리는 광 감지기에 의해 생성된 신호에 기반하여 결정될 수 있는 한편, 오브젝트의 방향은 광섬유 케이블(210)의 팁(예컨대, 자유 단부(250))의 포지션에 기반하여 결정될 수 있다.
[0028] 따라서, 라이더는 스캐닝된 타겟의 부분들의 매우 정확한 3D 좌표들을 포함하는 포인트 클라우드(points cloud)를 생성할 수 있다. 환경의 3D 맵들 또는 오브젝트들의 3D 스캔들은 라이더 포인트 클라우드에 기반하여 생성될 수 있다.
[0029] 스캐닝되는 오브젝트로부터 반사된 광을 넓은 FOV(field of view) 렌즈를 이용하여 단일 광 감지기 상에 수집하는 것은 소정의 단점들을 가질 수 있다. 렌즈가 넓은 FOV를 갖기 때문에, 백그라운드 간섭(background interference), 이를테면, 태양광 방사 또는 자동차의 하이빔 광(high beam light) 등이 광 감지기 상에 수집될 수 있다. 결과적으로, 라이더의 범위가 악영향을 받을 수 있다.
[0030] RX 경로상의 넓은 FOV 렌즈에 대한 대안으로서, 활성 FOV가 감소될 수 있도록, 반사된 광이 다시 캔틸레버 내로 커플링될 수 있다. 그러나, 커플링 효율성이 제한될 수 있기 때문에, 백그라운드 간섭의 감소는 유용한 신호들의 감소를 동반할 수 있다. 더욱이, RX 경로로의 TX 경로 상의 레이저 펄스의 상당한 누설은, RX 경로 상의 전자기기를 둔감화시켜서(desensitize) 라이더의 성능을 저하시킬 수 있다.
[0031] 도 3을 참조하면, TX 경로 및 RX 경로 둘 모두를 포함하는 예시적인 라이더(300)를 예시하는 도면이 도시된다. TX 경로(310)상에서, 진동 광섬유 캔틸레버(315)는, TX 옵틱들(320)을 통해 타겟 상에 스캐닝 레이저를 투사하는데 활용될 수 있다. 일 실시예에서, 적절한 구동 신호들을 사용하여, 광섬유 케이블의 자유 단부가 나선형 패턴을 따라 이동될 수 있다. 사용되는 스캐닝 패턴은 본 개시내용을 제한하지 않으며, 다른 스캐닝 패턴들이 또한 활용될 수 있다. 레이저 방출 엘리먼트는 간격을 두고(at intervals) 레이저 펄스들을 발사(fire)할 수 있다. 도 3의 각각의 점(325)은 단일 레이저 펄스에 대응할 수 있다. RX 경로(330)상에서, 반사된 광뿐만 아니라 간섭들은 RX 옵틱들(335)에 의해, 복수의 광 감지기들을 포함하는 2차원(2D) 광 감지기 어레이(340) 상에 수집된다. 다시 말해, 2D 광 감지기 어레이(340)는 RX 옵틱들(335)의 초점면(focal plane)에 위치될 수 있다. 사용되는 광 감지기들의 타입은 본 개시내용을 제한하지 않는다. 예컨대, 2D 광 감지기 어레이(340)는 APD(avalanche photodiode)들 또는 PIN 포토다이오드들을 광 감지기들로서 포함할 수 있다. 4 × 4 2D 광 감지기 어레이가 도 3에 도시되지만; 2D 광 감지기 어레이의 구성은 본 개시내용을 제한하지 않는다. 또한, 단일 렌즈만이 도 3의 RX 옵틱들(335)에 대해 도시되지만, 더 복잡한 RX 옵틱들이 또한 활용될 수 있다는 것이 인지되어야 한다.
[0032] 2D 광 감지기 어레이(340)의 각각의 개별적인 광 감지기의 FOV가 전체 시스템의 결합된 FOV의 단지 부분(fraction)이기 때문에, 각각의 광 감지기 상에 수집된 백그라운드 간섭은 비례적으로 감소되는 반면, 라이더에 유용한 반사된 광은 감쇄되지 않는다. 따라서, 라이더의 SNR(signal-to-noise ratio) 값이 개선되어, 범위를 증가시키고 그리고 측정들의 정확도를 개선할 수 있다. 더욱이, 라이더는, 간섭의 존재에서, 더 견고하게 수행할 수 있다.
[0033] 위에서 설명된 일 실시예에서, 펄스형 ToF(Time of Flight) 방법은 스캐닝되는 오브젝트까지의 거리를 측정하는 데 활용될 수 있다. 이 방법을 사용하기 위해, 대응하는 레이저 펄스가 환경에 투사되었을 때의 시간에 대해, 반사된 광이 2D 광 감지기 어레이(340)의 특정한 하나 또는 그 초과의 광 감지기들에 의해 등록되었을 때의 시간이 측정될 필요가 있다. 상이한 실시예들에서, 측정은 TDC(Time-to-Digital Converter)들 또는 ADC(Analog-to-Digital Converter)들을 사용하여 수행될 수 있다.
[0034] TDC의 경우, 미리 정의된 임계값들의 세트는, 카운터들의 시작 및 중단을 트리거하는 데 사용될 수 있으므로, 광 감지기로부터의 전압이 소정의 값을 초과할 때, 카운터가 활성화될 수 있다. TDC는 단순한 아키텍처를 가지며 구현하기 용이하다. 그러나, TDC는 타이밍 정보만을 캡처할 수 있기 때문에, 반사된 광의 파워(power)와 같은, 라이더에 유용한 다른 데이터는 정확하게 캡처되지 않을 수 있거나, 또는 상실될 수 있다. 또한, TDC는, 다수의 오브젝트들, 예컨대, 나뭇가지들, 빗방울들 등이 광 경로에 존재할 때, 광 감지기 신호에서 이용가능한 데이터를 정확하게 나타내지 못할 수 있다.
[0035] 반면에, ADC는, 포괄적이고 정확한 방식으로, 광 감지기 신호로부터 데이터를 더 양호하게 추출할 수 있다. 라이더에 사용하기 위해, 고성능의 ADC들(예컨대, 거의 10GHz에서 실행되는 ADC들)이 요구될 수 있다. 일부 실시예들에서, ADC 성능 요건은 더 작은 ADC 워드 사이즈(예컨대, 8 비트)로 완화될 수 있다.
[0036] 2D 광 감지기 어레이로부터의 신호들은 병렬 아키텍처 또는 직렬 아키텍처로 프로세싱될 수 있다. 병렬 아키텍처의 경우, 2D 광 감지기 어레이의 각각의 광 감지기에는 전용 시간 측정 변환기(TDC 또는 ADC)가 제공 및 연결된다. 따라서, 2D 광 감지기 어레이의 모든 광 감지기들의 출력들은 시간 측정 변환기들에 의해 동시에 프로세싱될 수 있다.
[0037] 일 실시예에서, 각각의 레이저 펄스 발사(laser pulse firing)가 전송된 방향이 TX 경로 아키텍처의 결과로서 알려지기 때문에, 대응하는 반사된 광을 수신할, 2D 광 감지기 어레이의 하나 또는 그 초과의 특정 광 감지기들도 또한 알려진다. 이러한 아키텍처를 이용 시에, 라이더 측정들의 정확도는 TX 경로 상의 스캐닝 분해능에 의해 정의되는 한편, RX 경로 아키텍처는 측정들의 SNR을 향상시킨다. 다시 말해, 반사된 광을 수신하지 않을, 2D 광 감지기 어레이의 광 감지기들로부터의 출력들은 유용한 정보를 포함하지 않기 때문에, 단지 타이밍 정보만이 알려지지 않았으므로 측정될 필요가 있다.
[0038] 도 4를 참조하면, 2D 광 감지기 어레이로부터 데이터를 추출하기 위한 예시적인 직렬 아키텍처(400)를 예시하는 도면이 도시된다. 2D 광 감지기 어레이(410)의 개별적인 광 감지기들로부터의 모든 출력들은 동적 스위치(420)를 통해 라우팅될 수 있다. TX 경로로부터 획득될 수 있는, 투사된 레이저 펄스의 방향에 기반하여, 동적 스위치(420)는, 반사된 광을 수신할 것으로 예상되는 하나 또는 그 초과의 특정 광 감지기들로부터의 출력을 시간 측정 변환기(들)(430) 상으로 라우팅할 수 있다. 상이한 구현들에 따라, 시간 측정 변환기(들)(430)의 수는 변화할 수 있다. 일 실시예에서, 단일 시간 측정 변환기(430)가 사용될 수 있다. 시간 측정 변환기(들)(430)의 수는 광 감지기들 ― 광 감지기들로부터의 신호들이 각각의 레이저 펄스 발사(laser pulse firing)에 대해 프로세싱됨 ― 의 수를 제한한다. TX 경로 상의 각각의 새로운 레이저 펄스 발사 후에, 동적 스위치(420)는 하나 또는 그 초과의 광 감지기들의 새로운 특정 세트로부터의 출력들을 시간 측정 변환기(들)(430)로 상응하게 라우팅할 수 있다. 따라서, 동적 스위치(420)의 사용으로, 광 감지기들의 수보다 적은 수의 시간 측정 변환기들(430)이 요구될 수 있다. 일 실시예에서, 단지 단일 시간 측정 변환기(430)만이 요구되고 사용된다.
[0039] 2D 광 감지기 어레이는 또한, TX 경로의 교정(calibration)/재-교정(re-calibration) 프로세스를 보조하는 데 활용될 수 있다. 반사된 광이 2D 광 감지기 어레이의 예상된 하나 또는 그 초과의 광 감지기들에 의해 수신되지 않는 경우, TX 경로는 올바른 방향으로 레이저 펄스들을 투사하지 않을 수 있다. 명백한 투사 방향들을 반사된 광을 수신하는 광 감지기들과 상관시킴으로써, TX 경로에 대한 교정/재-교정 프로세스가 수행될 수 있고, 튜닝 파라미터(tuning parameter)들이 업데이트될 수 있다.
[0040] 따라서, 본 개시내용의 실시예들은, TX 경로 상의 진동 광섬유 캔틸레버 시스템 및 RX 경로 상의 2D 광 감지기 어레이를 포함하는 라이더에 관한 것이다. 진동 광섬유 캔틸레버 시스템은 피에조 세라믹 튜브 및 광섬유 케이블을 더 포함할 수 있다. 광섬유 케이블의 자유 단부는 피에조 세라믹 튜브의 자유 단부 외부로 미리 결정된 길이만큼 연장될 수 있다. 피에조 세라믹 튜브는, 광섬유 케이블의 자유 단부에서 진동이 증폭되도록, 캔틸레버 시스템의 공진 주파수로 진동하도록 적절한 신호에 의해 구동될 수 있다. 광섬유 케이블의 자유 단부의 모션은 미리 결정된 스캐닝 패턴을 따를 수 있고, 레이저 방출 엘리먼트는 간격을 두고(at intervals) 레이저 펄스들을 방출할 수 있다. 레이저 펄스들은 광섬유 케이블의 자유 단부로부터 나와서, TX 옵틱들에 의해, 스캐닝되는 타겟 상에 투사될 수 있다. 스캐닝되는 타겟으로부터 반사된 광은 RX 옵틱들에 의해 2D 광 감지기 어레이 상에 수집될 수 있다. 레이저 펄스가 투사되는 방향에 기반하여, 동적 스위치는, 반사된 광을 수신할 것으로 예상되는, 2D 광 감지기 어레이의 하나 또는 그 초과의 특정 광 감지기들로부터의 출력들을 하나 또는 그 초과의 시간 측정 변환기들로 라우팅할 수 있으며, 시간 측정 변환기들은 TDC들 또는 ADC들일 수 있다. 일 실시예에서, 단지 하나의 시간 측정 변환기만이 사용될 수 있다.
[0041] 라이더는, 시간 측정 변환기들에 의해 캡처된 데이터를 프로세싱하고 그리고 포인트 클라우드를 생성할 수 있고, 이에 기반하여 환경의 정확한 3D 맵들 또는 오브젝트의 3D 스캔들이 구성될 수 있다. 따라서, 라이더 측정들의 정확도는 TX 경로 상의 스캐닝 분해능에 의해 정의되는 한편, RX 경로 아키텍처는 측정들의 SNR을 향상시킨다. 본 개시내용의 실시예들에 따른 라이더는, 더 긴 범위 및 더 양호한 신호 정확도를 가질 수 있고, 간섭이 존재할 수 있는 경우에, 더 견고하게 수행할 수 있다.
[0042] 본 개시내용의 다른 실시예는, 라이더 디바이스를 구현하기 위한 방법에 관한 것으로, 방법은: 송신(TX) 경로 상에 진동 광섬유 캔틸레버 시스템을 구현하는 단계; 및 수신(RX) 경로 상에 2차원(2D) 광 감지기 어레이를 구현하는 단계를 포함한다.
[0043] 본 개시내용의 또 다른 실시예는 코드를 포함하는 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 관한 것으로, 코드는, 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서로 하여금, 방법을 구현하게 하고, 방법은: 라이더 디바이스의 송신(TX) 경로 상에서 진동 광섬유 캔틸레버 시스템을 구동시키는 단계; 및 라이더 디바이스의 수신(RX) 경로 상에서 2차원(2D) 광 감지기 어레이를 구동시키는 단계를 포함한다.
[0044] 본원에서 제시된 예시적인 방법들, 장치들, 또는 제조 물품들은, 전체적으로 또는 부분적으로, 모바일 통신 디바이스들에서 또는 모바일 통신 디바이스들과 함께 사용하기 위해 구현될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "모바일 디바이스", "모바일 통신 디바이스", "핸드-헬드 디바이스", "태블릿들" 등 또는 그러한 용어들의 복수 형태는, 상호교환가능하게 사용될 수 있으며, 하나 또는 그 초과의 통신 프로토콜들에 따른 적절한 통신 네트워크들을 통한 정보의 무선 송신 또는 수신을 통해 통신할 수 있고 그리고 시간마다 변하는 포지션 또는 위치를 가질 수 있는 임의의 종류의 특수 목적 컴퓨팅 플랫폼 또는 디바이스를 지칭할 수 있다. 예시로서, 특수 목적 모바일 통신 디바이스들은, 예컨대, 셀룰러 전화들, 위성 전화들, 스마트 전화들, 히트 맵 또는 라디오 맵 생성 툴들 또는 디바이스들, 관찰된 신호 파라미터 생성 툴들 또는 디바이스들, PDA(personal digital assistant)들, 랩톱 컴퓨터들, 개인용 엔터테인먼트 시스템들, e-북 리더들, 태블릿 PC(personal computer)들, 개인용 오디오 또는 비디오 디바이스들, 개인용 내비게이션 유닛들, 웨어러블 디바이스들 등을 포함할 수 있다. 그러나, 이들은 단지 본원에서 설명된 하나 또는 그 초과의 프로세스들 또는 동작들을 가능하게 하거나 지원하는 데 활용될 수 있는 모바일 디바이스들과 관련된 예시적인 예들이라는 것이 인지되어야 한다.
[0045] 본원에서 설명된 방법론들은 특정 애플리케이션에 따라 상이한 방식들로 그리고 상이한 구성들로 구현될 수 있다. 예컨대, 이러한 방법론들은 소프트웨어와 함께, 하드웨어, 펌웨어, 및/또는 이들의 결합들로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에서, 예컨대, 프로세싱 유닛은 하나 또는 그 초과의 ASIC(application specific integrated circuit)들, DSP(digital signal processor)들, DSPD(digital signal processing device)들, PLD(programmable logic device)들, FPGA(field programmable gate array)들, 프로세서들, 제어기들, 마이크로-제어기들, 마이크로프로세서들, 전자 디바이스들, 본원에서 설명되는 기능들을 수행하도록 설계된 다른 디바이스 유닛들, 및/또는 이들의 결합들 내에 구현될 수 있다.
[0046] 본원에서 설명된 저장 매체들은 1 차, 2 차, 및/또는 3 차 저장 매체들을 포함할 수 있다. 1 차 저장 매체들은, 예컨대, 랜덤 액세스 메모리 및/또는 판독-전용 메모리와 같은 메모리를 포함할 수 있다. 2차 저장 매체들은, 대용량 저장소, 이를테면, 자기 또는 고체 상태 하드 드라이브를 포함할 수 있다. 3차 저장 매체들은, 제거가능 저장 매체들, 이를테면, 자기 또는 광학 디스크, 자기 테이프, 고체 상태 저장 디바이스 등을 포함할 수 있다. 소정의 구현들에서, 저장 매체들 또는 저장 매체들의 부분들은, 프로세서와 같은 컴퓨팅 플랫폼의 다른 컴포넌트들을 동작가능하게 수용할 수 있거나 또는 그렇지 않으면 컴퓨팅 플랫폼의 다른 컴포넌트들에 커플링되도록 구성가능할 수 있다.
[0047] 적어도 일부 구현들에서, 본원에서 설명된 저장 매체들의 하나 또는 그 초과의 부분들은, 저장 매체들의 특정 상태에 의해 표현되는 데이터 및/또는 정보를 나타내는 신호들을 저장할 수 있다. 예컨대, 데이터 및/또는 정보를 나타내는 전자 신호는, 데이터 및/또는 정보를 바이너리 정보(예컨대, 1들 및 0들)로서 표현하기 위해 저장 매체들(예컨대, 메모리)의 그러한 부분들의 상태에 영향을 미치거나 또는 그 상태를 변화시킴으로써 저장 매체들의 부분에 "저장"될 수 있다. 따라서, 특정 구현에서, 데이터 및/또는 정보를 나타내는 신호를 저장하기 위한 저장 매체들의 부분의 그러한 상태 변화는, 상이한 상태 또는 상이한 것(thing)으로의 저장 매체들의 변환(transformation)을 구성한다.
[0048] 앞선 상세한 설명에서는, 청구 대상의 완전한 이해를 제공하기 위해 많은 특정 세부사항들이 제시되었다. 그러나, 이러한 특정 세부사항들 없이, 청구 대상이 실시될 수 있다는 것이 당업자들에 의해 이해될 것이다. 다른 경우들에서, 청구 대상을 모호하게 하지 않기 위해, 당업자에게 알려진 방법들 및 장치들은 상세히 설명되지 않았다.
[0049] 앞선 상세한 설명의 일부 부분들은, 특정 장치 또는 특수 목적 컴퓨팅 디바이스 또는 플랫폼의 메모리 내에 저장된 바이너리 디지털 전자 신호들에 대한 동작들의 알고리즘들 또는 심볼 표현들의 관점에서 제시되었다. 본 특정 명세서의 맥락에서, 특정 장치 등의 용어는, 범용 컴퓨터가 프로그램 소프트웨어로부터의 명령들에 따라 특정 기능들을 수행하도록 프로그래밍된다면, 이러한 범용 컴퓨터를 포함한다. 알고리즘 설명들 또는 심볼 표현들은, 자신들의 작업의 본질을 다른 당업자들에게 전달하기 위해, 신호 프로세싱 또는 관련 기술들에서 당업자들에 의해 사용되는 기법들의 예들이다. 알고리즘은, 여기서 그리고 일반적으로, 원하는 결과로 이어지는, 동작들 또는 유사한 신호 프로세싱의 자기 모순이 없는 시퀀스인 것으로 간주된다. 이 맥락에서, 동작들 또는 프로세싱은 물리적 수량들의 물리적 조작을 수반한다. 반드시는 아니지만, 통상적으로, 그러한 수량들은, 정보를 나타내는 전자 신호들로서 저장, 전송, 결합, 비교 또는 다른 방식으로 조작될 수 있는 전기 또는 자기 신호들의 형태를 취할 수 있다. 주로 일반적인 사용의 이유들로, 이러한 신호들을 비트들, 데이터, 값들, 엘리먼트들, 심볼들, 캐릭터들, 항들, 숫자들, 수사들, 정보 등으로 나타내는 것이 때로는 편리한 것으로 증명되었다. 그러나, 이들 또는 유사한 용어들 전부는 적절한 물리적 수량들과 연관되어야 하고, 단지 편리한 라벨들일 뿐이라는 것이 이해되어야 한다.
[0050] 달리 구체적으로 진술되지 않는 한, 다음의 논의로부터 명백한 바와 같이, 본 명세서 전반에 걸쳐, "프로세싱", "컴퓨팅", "계산", "식별", "결정", "설정", "획득" 등과 같은 용어들을 활용하는 논의들이, 특정 장치, 이를테면 특수 목적 컴퓨터 또는 유사한 특수 목적 전자 컴퓨팅 디바이스의 액션들 또는 프로세스들을 나타낸다는 것이 인지된다. 따라서, 본 명세서의 맥락에서, 특수 목적 컴퓨터 또는 유사한 특수 목적 전자 컴퓨팅 디바이스는, 특수 목적 컴퓨터 또는 유사한 특수 목적 전자 컴퓨팅 디바이스의 메모리들, 레지스터들, 또는 다른 정보 저장 디바이스들, 송신 디바이스들, 또는 디스플레이 디바이스들 내에서 물리적 전자 또는 자기 수량들로서 통상적으로 표현되는 신호들을 조작하거나 또는 변환하는 것이 가능하다. 이러한 특정 특허 출원의 맥락에서, "특정 장치"라는 용어는, 범용 컴퓨터가 프로그램 소프트웨어로부터의 명령들에 따라 특정 기능들을 수행하도록 프로그래밍된다면, 이러한 범용 컴퓨터를 포함할 수 있다.
[0051] 본 명세서 전반에 걸쳐 "일 예", "예", "소정의 예들", 또는 "예시적인 구현"에 대한 참조는, 특징 및/또는 예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조, 또는 특징이, 청구 대상의 적어도 하나의 특징 및/또는 예에 포함될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 위치들에서의 "일 예에서", "예", "소정의 예들에서", 또는 "일부 구현들에서"라는 문구 또는 다른 유사한 문구들의 출현들 전부가 반드시 동일한 특징, 예, 및/또는 제한을 나타내는 것은 아니다. 또한, 특정 특성들, 구조들, 또는 특징들은 하나 또는 그 초과의 예들 및/또는 특성들로 결합될 수 있다.
[0052] 예시적인 특징들인 것으로 현재 간주되는 것이 예시 및 설명되었지만, 청구 대상을 벗어나지 않으면서 다양한 다른 수정들이 이루어질 수 있고, 등가물들이 치환될 수 있다는 것이 당업자들 의해 이해될 것이다. 부가적으로, 본원에서 설명된 중심 개념을 벗어나지 않으면서, 특정 상황을 청구 대상의 교시들에 적응시키기 위해 많은 수정들이 이루어질 수 있다. 따라서, 청구 대상은 개시된 특정 예들로 제한되는 것이 아니라, 이러한 청구 대상은 또한, 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 모든 양상들, 및 그 등가물들을 포함할 수 있다는 것이 의도된다.

Claims (24)

  1. 라이더 디바이스(Lidar device)로서,
    송신(TX) 경로 상의 진동 광섬유 캔틸레버 시스템(vibrating fiber optic cantilever system) ― 상기 진동 광섬유 캔틸레버 시스템은:
    간격을 두고(at intervals) 레이저 펄스들을 방출하는 레이저 방출 엘리먼트; 및
    피에조 세라믹 튜브(piezo ceramic tube) 및 광섬유 케이블을 포함하고,
    상기 광섬유 케이블의 자유 단부는 상기 피에조 세라믹 튜브의 자유 단부 외부로 미리결정된 길이만큼 연장되고, 상기 피에조 세라믹 튜브는, 상기 광섬유 케이블의 자유 단부에서 진동이 증폭되도록, 상기 진동 광섬유 캔틸레버 시스템의 공진 주파수로 진동하도록 신호에 의해 구동되고, 상기 광섬유 케이블의 자유 단부의 모션은 미리결정된 스캐닝 패턴을 따르고, 레이저 펄스는 상기 광섬유 케이블의 자유 단부로부터 나오고, 그리고 TX 옵틱(optic)들을 통해 타겟 상에 투사됨 ―;
    수신(RX) 옵틱들을 포함하는, RX 경로 상의 2차원(2D) 광 감지기 어레이 ― 상기 타겟으로부터 반사되는 광은 상기 RX 옵틱들에 의해 2D 광 감지기 어레이 상에 수집됨 ―; 및
    동적 스위치 및 하나 이상의 시간 측정 변환기들을 포함하고,
    상기 레이저 펄스가 투사되는 방향에 기초하여, 상기 동적 스위치는, 상기 반사되는 광을 수신할 것으로 예상되는, 상기 2D 광 감지기 어레이의 하나 이상의 특정 광 감지기들로부터의 출력들을 상기 시간 측정 변환기들로 라우팅하는,
    라이더 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 시간 측정 변환기들은 TDC(Time-to-Digital Converter)들 또는 ADC(Analog-to-Digital Converter)들인,
    라이더 디바이스.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 2D 광 감지기 어레이는 APD(avalanche photodiode)들 또는 PIN 포토다이오드들을 포함하는,
    라이더 디바이스.
  4. 라이더 디바이스를 구현하기 위한 방법으로서,
    송신(TX) 경로 상에 진동 광섬유 캔틸레버 시스템을 구현하는 단계 ― 상기 진동 광섬유 캔틸레버 시스템을 구현하는 단계는:
    레이저 방출 엘리먼트에 의해, 간격을 두고 레이저 펄스들을 방출하는 단계; 및
    피에조 세라믹 튜브 및 광섬유 케이블을 사용하여 스캐닝하는 단계를 포함하고,
    상기 광섬유 케이블의 자유 단부는 상기 피에조 세라믹 튜브의 자유 단부 외부로 연장되고, 상기 피에조 세라믹 튜브는 상기 진동 광섬유 캔틸레버 시스템의 공진 주파수로 진동하도록 신호에 의해 구동되고, 상기 광섬유 케이블의 자유 단부의 모션은 미리결정된 스캐닝 패턴을 따르고, 상기 레이저 펄스들은 상기 광섬유 케이블의 자유 단부에서 TX 옵틱들을 통해 타겟 상에 투사됨 ―;
    수신(RX) 경로 상에 2차원(2D) 광 감지기 어레이를 구현하는 단계를 포함하고,
    상기 2D 광 감지기 어레이를 구현하는 단계는:
    2D 광 감지기 어레이 상에 RX 옵틱들에 의해 상기 타겟으로부터 반사되는 광을 수집하는 단계
    레이저 펄스가 투사되는 방향에 기초하여, 상기 수집되는 광을 수신할 것으로 예상되는, 상기 2D 광 감지기 어레이의 하나 이상의 특정 광 감지기들로의 상기 수집되는 광을 하나 이상의 시간 측정 변환기들로 동적으로 스위칭하는 단계를 포함하는,
    라이더 디바이스를 구현하기 위한 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 시간 측정 변환기들은 TDC(Time-to-Digital Converter)들 또는 ADC(Analog-to-Digital Converter)들인,
    라이더 디바이스를 구현하기 위한 방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 2D 광 감지기 어레이는 APD(avalanche photodiode)들 또는 PIN 포토다이오드들을 포함하는,
    라이더 디바이스를 구현하기 위한 방법.
  7. 라이더 디바이스로서,
    송신(TX) 경로 상의 진동 광섬유 캔틸레버 수단 ― 상기 진동 광섬유 캔틸레버 수단은:
    피에조 세라믹 튜브; 및
    광섬유 케이블을 포함하고,
    상기 광섬유 케이블의 자유 단부는 상기 피에조 세라믹 튜브의 자유 단부 외부로 미리결정된 길이만큼 연장되고, 그리고 상기 피에조 세라믹 튜브는, 상기 광섬유 케이블의 자유 단부에서 진동이 증폭되도록, 상기 진동 광섬유 캔틸레버 수단의 공진 주파수로 진동하도록 신호에 의해 구동되고, 상기 광섬유 케이블의 자유 단부는 미리결정된 스캐닝 패턴을 따름 ―;
    간격을 두고 레이저 펄스들을 방출하도록 구성된 레이저 방출 수단;
    TX 옵틱 수단 ― 레이저 펄스는 상기 광섬유 케이블의 자유 단부로부터 나오고, 그리고 상기 TX 옵틱 수단을 통해 타겟 상에 투사됨 ―; 및
    수신(RX) 경로 상의 2차원(2D) 광 감지 수단을 포함하고,
    상기 2D 광 감지 수단은:
    RX 옵틱 수단 ― 상기 타겟으로부터 반사되는 광은 상기 RX 옵틱들에 의해 상기 2D 광 감지 수단 상에 수집됨 ―; 및
    동적 스위치 및 하나 이상의 시간 측정 변환기들을 포함하고,
    상기 레이저 펄스가 투사되는 방향에 기초하여, 상기 동적 스위치는, 상기 반사되는 광을 수신할 것으로 예상되는, 상기 2D 광 감지 수단의 하나 이상의 특정 광 감지기들로부터의 출력들을 상기 시간 측정 변환기들로 라우팅하는,
    라이더 디바이스.
  8. 코드를 포함하는 비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체로서,
    상기 코드는, 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 프로세서로 하여금, 방법을 구현하게 하고, 상기 방법은:
    라이더 디바이스의 송신(TX) 경로 상에서 진동 광섬유 캔틸레버 시스템을 구동시키는 단계 ― 상기 진동 광섬유 캔틸레버 시스템은 피에조 세라믹 튜브 및 광섬유 케이블을 더 포함하고, 그리고 상기 광섬유 케이블의 자유 단부는 상기 피에조 세라믹 튜브의 자유 단부 외부로 미리결정된 길이만큼 연장되고, 그리고 상기 피에조 세라믹 튜브는, 상기 광섬유 케이블의 자유 단부에서 진동이 증폭되도록, 상기 진동 광섬유 캔틸레버 시스템의 공진 주파수로 진동하도록 신호에 의해 구동되고, 상기 광섬유 케이블의 자유 단부의 모션은 미리결정된 스캐닝 패턴을 따름 ―;
    간격을 두고 레이저 펄스들을 방출하는 레이저 방출 엘리먼트를 구동시키는 단계;
    TX 옵틱들을 구동시키는 단계 ― 레이저 펄스는 상기 광섬유 케이블의 자유 단부로부터 나오고, 그리고 상기 TX 옵틱들을 통해 타겟 상에 투사됨 ―;
    상기 라이더 디바이스의 수신(RX) 경로 상에서 2차원(2D) 광 감지기 어레이를 구동시키는 단계;
    RX 옵틱들을 구동시키는 단계 ― 상기 타겟으로부터 반사되는 광은 상기 RX 옵틱들에 의해 상기 2D 광 감지기 어레이 상에 수집됨 ―; 및
    상기 레이저 펄스가 투사되는 방향에 기초하여, 상기 수집되는 광을 수신할 것으로 예상되는, 상기 2D 광 감지기 어레이의 하나 이상의 특정 광 감지기들로의 상기 수집되는 광을 하나 이상의 시간 측정 변환기들로 동적으로 스위칭하는 단계를 포함하는,
    비-일시적 컴퓨터-판독가능 저장 매체.
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