KR102357873B1 - 비행시간 수신기용 랜덤 하드웨어 결함 및 열화 방지 보호 장치 - Google Patents

비행시간 수신기용 랜덤 하드웨어 결함 및 열화 방지 보호 장치 Download PDF

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Abstract

비행시간 광 검출 시스템은 복수의 신호 채널을 포함하는 신호 경로를 따라 순차 배열된 복수의 회로 - 복수의 회로는 제 1 회로 및 제 1 회로의 하류에 배열된 제 2 회로를 포함함 - 와, 복수의 기준 신호를 생성하도록 구성된 기준 신호원 - 제 1 회로에서의 복수의 신호 채널의 각각은 복수의 기준 신호 중 적어도 하나를 수신함 - ,와 처리된 기준 신호를 신호 경로로부터 수신하기 위해 복수의 신호 채널에 커플링된 평가 회로 - 평가 회로는 처리된 기준 신호를 제 1 예상 결과와 비교하여 제 1 비교 결과를 생성하도록 추가 구성됨 - 를 포함한다.

Description

비행시간 수신기용 랜덤 하드웨어 결함 및 열화 방지 보호 장치{RANDOM HARDWARE FAULT AND DEGRADATION PROTECTION APPARATUS FOR TIME-OF-FLIGHT RECEIVER}
본 발명은 일반적으로 TOF(Time-of-Flight) 수신기용 장치 및 방법에 관한 것이다.
LIDAR(Light Detection And Ranging)는 펄스 레이저 형태의 광을 사용하여 시야 내의 하나 이상의 물체까지의 범위(가변 거리)를 측정하는 원격 감지 방법이다. 특히, 광은 물체를 향해 전송된다. 단일 광검출기 또는 광검출기 어레이는 광에 의해 조명된 물체로부터 반사광을 수신하고, 반사광이 광검출기 어레이의 다양한 센서에 도달하는 데 걸리는 시간이 결정된다. 이것은 비행시간(TOF, Time-Of-Flight) 측정이라고도 지칭된다. LIDAR 시스템은 비행시간 계산에 기초하여 물체와의 거리를 매핑함으로써 깊이 측정을 형성하고 거리 측정을 수행한다. 따라서, 비행시간 계산은 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있는 거리 및 깊이 맵을 생성할 수 있다.
LIDAR 수신기 시스템은 ASIL-B/-C/-D에 따라 ISO26262 호환 개발이 필요하다. 수신기 신호 경로를 따른 광검출기 전류 신호의 LIDAR 시스템 제어기 집적 회로(IC)에의 안정적인 전파와 편차/결함이 있는 경우의 보고는 이러한 요구 사항을 준수하기 위해 필요하다.
현재의 LIDAR 시스템에서, 추가의 레이저 다이오드 플래시, 포인트 레이저 또는 바 레이저(bar laser)는 광검출기 어레이를 포함하는 광학 시스템의 연속적인 점검을 수행하기 위해 사용된다. 이것은 광검출기 셀의 기본적인 점검이고, 이득, 차단 주파수, 그룹 지연 등과 같은 수신기 IC의 모든 기술 관련 파라미터를 점검하기에는 충분하지 않을 것이다.
따라서, 수신기 신호 경로를 모니터링하는 개선된 방식의 향상된 디바이스가 바람직할 수 있다.
실시예는 비행시간 시스템 및 이를 작동시키기 위한 방법, 더욱 구체적으로는, 비행시간 수신기에서의 하드웨어 결함 및 열화를 검출하기 위한 비행시간 시스템 및 이를 작동시키기 위한 방법을 제공한다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 비행시간 광 검출 시스템은, 복수의 신호 채널을 포함하는 신호 경로를 따라 순차 배열된 복수의 회로 - 해당 복수의 회로는 제 1 회로와 제 1 회로의 하류에 배열된 제 2 회로를 포함함 - 와, 복수의 기준 신호를 생성하도록 구성된 기준 신호원 - 제 1 회로에서의 복수의 신호 채널의 각각은 복수의 기준 신호 중 적어도 하나를 수신함 - , 및 처리된 기준 신호를 신호 경로로부터 수신하기 위해 복수의 신호 채널에 커플링된 평가 회로 - 해당 평가 회로는 처리된 기준 신호를 제 1 예상 결과와 비교하여 제 1 비교 결과를 생성하도록 추가 구성됨 - 를 포함한다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 비행시간 광 검출 수신기 시스템은, 복수의 신호 채널을 포함하는 신호 경로를 따라 순차 배열된 복수의 회로 - 해당 복수의 회로는 제 1 회로와 제 1 회로의 하류에 배열된 제 2 회로를 포함함 - 와, 복수의 기준 신호를 생성하도록 구성된 기준 신호원 - 제 1 회로에서의 복수의 신호 채널의 각각은 복수의 기준 신호 중 적어도 하나를 수신함 - 과, 복수의 판독 소자와 복수의 신호 채널의 제 1 부분을 나타내는 복수의 광검출기 판독 채널을 포함하고, 복수의 판독 소자에 커플링된 제 1 회로 - 복수의 판독 소자는 복수의 기준 신호를 복수의 광검출기 판독 채널에 선택적으로 라우팅되도록 구성됨 - 와, 복수의 신호 채널의 제 2 부분을 나타내는 복수의 처리 채널을 포함하는 제 2 회로 - 해당 복수의 처리 채널은 복수의 기준 신호로부터 도출된, 처리된 기준 신호를 생성하고 제 2 회로로부터 처리된 기준 신호를 출력하도록 구성된 복수의 처리 소자를 포함함 - , 및 처리된 기준 신호들 중 하나의 처리된 기준 신호를 수신하기 위해 신호 경로에 커플링된 평가 회로 - 해당 평가 회로는 처리된 기준 신호를 제 1 예상 결과와 비교하여 제 1 비교 결과를 생성하도록 구성됨 - 를 포함한다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 복수의 신호 채널을 포함하는 비행시간 광 검출 신호 경로를 따라 순차 배열된 복수의 회로를 포함하는 비행시간 광 검출 시스템에서 복수의 신호 채널의 적어도 하나의 특성을 평가하기 위한 방법이 제공되고, 복수의 회로는 제 1 회로와 제 1 회로의 하류에 배열된 제 2 회로를 포함한다. 방법은 복수의 기준 신호를 생성하는 단계와, 복수의 기준 신호가 신호 경로에서 처리되도록 제 1 회로에서 복수의 기준 신호 중 적어도 하나를 복수의 신호 채널 각각에 투입하는 단계와, 처리된 기준 신호를 예상 결과와 비교하여 비교 결과를 생성하는 단계와, 비교 결과에 기초하여 복수의 신호 채널 중 적어도 하나에 대한 적어도 하나의 특성을 평가하는 단계, 및 복수의 신호 채널 중 적어도 하나에 대한 적어도 하나의 평가된 특성에 기초하여 제 1 회로 또는 제 2 회로 중 어느 하나에 결함이 있는지를 결정하는 단계를 포함한다.
실시예는 첨부 도면을 참조하여 이하에 설명된다.
도 1은 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 스캐닝 시스템의 개략도이다.
도 2는 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 스캐닝 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 3은 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 수신기의 전기 신호 경로의 개략적인 블록도이다.
도 4는 하나 이상의 실시예에 따라 기준 신호가 투입되는 LIDAR 시스템에서 구현되는 복수의 신호 채널의 신호도이다.
도 5a 및 도 5b는 하나 이상의 실시예에 따른 예시적인 펄스 패턴의 기준 신호도이다.
도 6은 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 수신기의 전기 신호 경로의 개략적인 블록도이다.
도 7은 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 수신기의 전기 신호 경로의 개략적인 블록도이다.
도 8은 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 수신기의 전기 신호 경로의 개략적인 블록도이다.
도 9는 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 수신기의 전기 신호 경로의 개략적인 블록도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예가 상세하게 설명될 것이다. 이들 실시예는 단지 예시적인 목적으로만 제공하며, 이것으로 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 실시예는 복수의 특징 또는 요소를 포함하는 것으로 설명될 수 있지만, 이러한 모든 특징 또는 요소가 실시예를 구현하기 위해 필요하다는 것을 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다. 그 대신, 다른 실시예에서, 특징이나 요소 중 일부는 생략되거나 대안적인 특징이나 요소로 대체될 수 있다. 부가적으로, 명시적으로 도시되고 설명된 것 외에 추가 특징 또는 요소, 예를 들어, 센서 디바이스의 종래의 구성 요소가 제공될 수 있다.
다른 실시예로부터의 특징은, 달리 명시되지 않는 한, 추가 실시예를 형성하기 위해 결합될 수 있다. 실시예 중 하나와 관련하여 설명된 변형 또는 수정은 다른 실시예에도 적용될 수 있다. 일부 경우에, 공지된 구조체 및 디바이스가 실시예를 모호하지 않게 하기 위해 세부 사항보다는 블록도의 형태로 도시된다.
도면에 도시되거나 본 명세서에 기술된 요소간의 연결 또는 커플링은, 달리 언급되지 않는 한, 유선 기반 연결 또는 무선 연결일 수 있다. 또한, 예를 들어, 특정 종류의 신호를 송신하거나 특정 종류의 정보를 송신하기 위한 연결 또는 커플링의 일반적인 목적이 본질적으로 유지되는 한, 이러한 연결 또는 커플링은 추가의 개재 요소가 없는 직접 연결 또는 커플링이거나 하나 이상의 추가적인 개재 요소와의 간접 연결 또는 커플링일 수 있다.
실시예는 광학 센서 및 광학 센서 시스템에 관한 것이고, 또한 광학 센서 및 광학 센서 시스템에 대한 정보를 획득하는 것에 관한 것이다. 센서는 측정될 물리량을 전기 신호, 예를 들어, 전류 신호나 전압 신호로 변환하는 구성 요소를 지칭할 수 있다. 물리량은, 예를 들어, 가시 광선, 적외 방사선(IR radiation), 또는 다른 유형의 조명 신호와 같은 전자기 방사선, 전류 또는 전압을 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 이미지 센서는 렌즈로부터 나오는 광의 광자를 전압으로 변환하는 카메라 내부의 실리콘 칩일 수 있다. 센서의 활성 영역이 클수록 더 많은 광을 수집하여 이미지를 생성할 수 있다.
본 명세서에 사용된 센서 디바이스는 센서 및 추가 구성 요소, 예를 들어, 바이어싱 회로, 아날로그-디지털 변환기 또는 필터를 포함하는 디바이스를 지칭할 수 있다. 센서 디바이스는 단일 칩 상에 집적될 수 있지만, 다른 실시예에서는 복수의 칩이나 칩 외부의 구성 요소가 센서 디바이스를 구현하기 위해 사용될 수도 있다.
LIDAR(Light Detection and Ranging) 시스템에서, 광원은 광 펄스를 시야(field of view)로 전송하고, 광은 후방 산란을 통해 하나 이상의 물체로부터 반사된다. 특히, LIDAR는 광 펄스(예컨대, 적외선 광의 레이저 빔)가 시야로 방출되고, 픽셀 어레이가 반사된 빔을 검출 및 측정하는 직접 TOF(Time-of-Flight) 시스템이다. 예를 들어, 광검출기 어레이는 광에 의해 조명된 물체로부터의 반사광을 수신한다.
현재, 광검출기 어레이는 반사광을 측정하는 데 사용될 수 있다. 광검출기 어레이는 단일 열로 배열된 다수 행의 광검출기(픽셀)로 구성되는 1차원(1D) 어레이일 수 있거나, 그리드 형상 배열로 배열된 다수의 행과 열의 광검출기로 구성되는 2차원(2D) 어레이일 수도 있다. 각 픽셀 행이나 인접한 픽셀 행의 그룹은 원시 아날로그 데이터(raw analog data) 형태의 측정 신호로서 판독될 수 있다. 각 측정 신호는 선택된 픽셀 행(들)에 대응하는 둘 이상의 픽셀 열이나 단일 픽셀 열로부터의 데이터를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이의 다수의 픽셀에 걸친 각각의 광 펄스에 대한 복귀 시간의 차이는 환경의 디지털 3D 표현을 만들거나 다른 센서 데이터를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 광원은 단일 광 펄스를 방출할 수 있고, 픽셀 어레이에 전기적으로 커플링된 TDC(Time-to-Digital Converter)는 시작 신호에 대응하여 광 펄스가 방출되는 시점부터, 정지 신호에 대응하여 반사광 펄스가 수신기(즉, 픽셀 어레이)에 수신되는 시점까지 카운트할 수 있다. 그런 다음, 광 펄스의 "비행시간"은 거리로 변환된다. 다른 예에서, ADC(Analog-to-Digital Converter)는 펄스 검출 및 ToF 측정을 위해 픽셀 어레이에 전기적으로 커플링(예컨대, 중간에 개재 소자와 간접적으로 커플링됨)될 수 있다. 예를 들어, 적절한 알고리즘을 사용하여 시작/정지 신호 사이의 시간 간격을 추정하는 데 ADC가 사용될 수 있다.
(예컨대, 시야의 좌로부터 우 및 우로부터 좌로) 왕복하는 수평 스캔과 같은 스캔은 연속 스캔 방식으로 장면(scene)을 조명할 수 있다. 광원에 의해 레이저 빔이 발사될 때마다 "시야"에 스캔 라인이 생길 수 있다. 상이한 스캔 방향으로 연속적인 광 펄스를 방출함으로써, 시야로 지칭되는 영역이 주사될 수 있고 영역 내의 물체가 검출되고 이미지화될 수 있다. 따라서, 시야는 투영 중심이 있는 주사 평면을 나타낸다. 래스터 스캔도 사용될 수 있다.
도 1은 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 스캐닝 시스템(100)의 개략도이다. LIDAR 스캐닝 시스템(100)은 조명 유닛(10), 송신기 광학계(11) 및 1차원(1D) MEMS 미러(12)(1D MEMS 스캐너)를 포함하는 송신기와, 1차 광학계(14) 및 광학 수신기(15)를 포함하는 수신기를 포함하는 광학 주사 디바이스이다. 도시된 광학 수신기(15)는 2D 광검출기 어레이(15)이지만 대안적으로 1D 광검출기 어레이일 수 있다. 수신기는, 도 2에 따라 추가로 설명되는 바와 같이, 데이터 획득/판독 회로 및 데이터 처리 회로와 같은 수신기 회로를 더 포함할 수 있다.
이 배열체는 LIDAR 시스템 유형의 일 예를 나타내지만, 플래시 LIDAR에 사용되는 것과 같은 LIDAR 시스템의 다른 유형도 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 명세서에 기술된 실시예는 특정 유형의 광 송신기나 TOF 시스템으로 한정되지 않고, 펄스 변조나 연속파 변조를 사용하는 시스템을 포함하는 다른 유형의 TOF 시스템에도 적용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 LIDAR 기술과 유사한 펄스 변조는 광 펄스가 소스로부터 3D 장면으로 이동하고, 반사된 후 되돌아 오는 데 걸리는 절대 시간을 측정함으로써 3D 객체까지의 거리를 측정한다. 연속파 변조는 짧은 광 펄스 대신 연속 광파를 사용하며, 변조는 정현파의 주파수에 의해 수행된다. 연속파 변조의 경우, 반사 후 검출된 파형은 위상이 시프트되고, 위상 시프트는 반사면으로부터의 거리에 비례한다. 따라서, 거리는 측정된 위상 시프트로부터 결정될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기술된 실시예는 보다 일반적으로 TOF 시스템 및 3D 이미징 시스템에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 이러한 시스템의 수신기에 관한 것이다.
도 1로 돌아가면, 광검출기 어레이(15)는, 그것이 2D 어레이이든 1D 어레이이든, 의도된 시야가 광검출기 어레이(15)의 수직 연장부 상에 수직으로 매핑되는 방식으로 배열된다. 수신된 광빔은 수신된 광빔의 수직 각도에 따라 검출기 어레이의 특정 행이나 그룹 또는 행들에만 충돌할 것이다. 의도된 시야는 2D 광검출기 어레이의 수평 연장부 상에 수평으로 추가 맵핑될 수 있다.
이 예에서, 조명 유닛(10)은 단일 바 형성에서 선형적으로 정렬되고 물체의 시야를 스캐닝하는 데 사용되는 광을 전송하도록 구성된 3개의 광원(예컨대, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드)을 포함한다. 광원에 의해 방출되는 광은 일반적으로는 적외선이지만, 다른 파장의 광이 사용될 수도 있다. 도 1의 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 광원에 의해 방출된 광의 형상은 전송 방향에 수직인 방향으로 확산되어 전송 방향에 수직인 장방형 형상의 광빔을 형성한다. 광원으로부터 전송된 조명광은 각각의 레이저를 1차원 MEMS 미러(12)에 포커싱하도록 구성된 송신기 광학계(11)를 향한다. 송신기 광학계(11)는, 예를 들어, 렌즈나 프리즘일 수 있다.
MEMS 미러(12)에 의해 반사될 때, 광원으로부터의 광은 각각의 방출된 레이저 샷에 대해 적외광의 1차원 수직 주사선(SL: Scanning Line)이나 적외광의 수직 바(vertical bar)를 형성하도록 수직으로 정렬된다. 조명 유닛(10)의 각각의 광원은 수직 주사선(SL)의 상이한 수직 영역에 기여한다. 따라서, 광원은 다수의 수직 세그먼트로 이루어진 광 펄스를 얻기 위해 동시에 활성화되고, 또한 동시에 비활성화될 수 있으며, 여기서, 각각의 수직 세그먼트는 각각의 광원에 대응한다. 하지만, 수직 주사선(SL) 각각의 수직 영역이나 세그먼트는 조명 유닛(10)의 광원들 중 대응하는 하나를 켜거나 끔으로써 독립적으로 활성화되거나 비활성화될 수도 있다. 따라서, 광의 수직 주사선(SL)의 일부 또는 전체는 시스템(100)으로부터 시야로 출력될 수 있다.
따라서, 시스템(100)의 송신기는 레이저 펄스에 기초하여 레이저 빔을 생성하도록 구성된 광학 배열체이며, 레이저 빔은 레이저 빔의 전송 방향에 수직인 방향으로 연장되는 장방형 형상이다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 광원은, 각 광원이 해당 광원과 연관된 수직 영역으로만 수직 주사선을 조명하도록, 시야 내의 상이한 수직 영역과 연관된다. 예를 들어, 제 1 광원은 제 1 수직 영역에 조명되고, 제 2 광원은 제 1 수직 영역과 상이한 제 2 수직 영역에 조명된다.
또한, 3개의 레이저 소스가 도시되어 있지만, 레이저 소스의 수는 이것으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 수직 주사선(SL)은 단일 레이저 소스, 2개의 레이저 소스 또는 3개 이상의 레이저 소스에 의해 생성될 수 있다.
MEMS 미러(12)는 반도체 칩(미도시) 상에 집적된 기계식 이동 미러(즉, MEMS 마이크로 미러)이다. 본 실시예에 따른 MEMS 미러(12)는 단일 스캔축을 중심으로 회전하도록 구성되며, 이는 주사를 위한 단 하나의 자유도를 갖는다고 말할 수 있다. 2D-MEMS 미러(2D MEMS 스캐너)와 구별되는 1D MEMS 미러에서의 단일 스캔축은 회전하지 않는 기판에 고정되므로, MEMS 미러가 왕복하는 동안, 그것의 공간 방향을 유지한다. 이 단일 스캔 회전축으로 인해, MEMS 미러(12)는 1D MEMS 미러 또는 1D MEMS 스캐너로 지칭된다.
MEMS 미러(12)는 MEMS 미러(12)(즉, 광의 수직 주사선)로부터 반사된 광이 수평 주사 방향에서 앞뒤로 왕복하도록, 단일 스캔축(13)에 대해 "좌우(side to side)"로 왕복하도록 구성된다. 주사 기간 또는 왕복 기간은, 예를 들어, 시야의 제 1 가장자리(예컨대, 좌측)로부터 시야의 제 2 가장자리(예컨대, 우측)로 그리고 다시 제 1 가장자리로 복귀하는 한 번의 완전한 왕복으로 정의된다. MEMS 미러(12)의 미러 기간은 주사 기간에 대응한다.
따라서, 스캔축(13)상의 MEMS 미러(12)의 각도를 변경시킴으로써, 시야는 광의 수직 바에 의해 수평 방향으로 주사된다. 예를 들어, MEMS 미러(12)는, 시야의 수평 주사 범위를 구성하는 ±30도(즉, 60도)에 걸친 광을 조향하기 위해, 수평 주사 방향으로 ±15도 사이에서 왕복하도록 구성될 수 있다. 따라서, 시야는 그것의 움직임 범위에 따라 MEMS 미러(12)의 회전에 의해 라인별로 주사될 수 있다. 움직임 범위(예컨대, -15도로부터 +15도로 또는 그 반대로)에 따른 이러한 하나의 시퀀스는 단일 스캔으로 지칭된다. 따라서 2개의 스캔이 각 스캔 기간마다 사용된다. 프로세싱 유닛에 의한 3D 이미지뿐만 아니라, 거리 및 깊이 맵을 생성하기 위해 다중 스캔이 사용될 수 있다. 깊이 맵 및 이미지의 수평 해상도는 스캔 사이에서 취해진 MEMS 미러(12)의 회전 각도의 증분 단계의 크기에 따라 달라진다.
전송 미러가 MEMS 미러와 관련하여 설명되었지만, 다른 1D 미러나 2D 미러도 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 회전도(degree of rotation)는 ±15도로 제한되지 않으며, 애플리케이션에 따라 시야가 증가 또는 감소될 수 있다. 따라서, 1차원 스캐닝 미러는 단일 스캔축을 중심으로 왕복하고 다른 방향에서 레이저 빔을 시야로 지향시키도록 구성된다. 따라서, 전송 기술은 단일 스캔축을 중심으로 왕복하는 전송 미러로부터 광빔을 시야로 전송하는 것을 포함하여, 전송 미러가 단일 스캔축을 중심으로 왕복함에 따라, 광빔이, 수직 주사선(SL)으로서, 시야를 수평으로 가로 질러 이동하는 시야에 투영되게 한다. 1D 스캐닝 미러를 사용하는 LIDAR 시스템은 송신기가 시야를 스캔하는 데 더 많은 샷이 필요한 시야를 스캐닝하기 위해 레이저 포인트를 사용하는 2D 스캐닝 미러와 비교하여 조명 유닛(10)(즉, 송신기)의 샷 속도를 좀 더 느리게 사용할 수 있다. 또한, 1D 스캐닝 미러를 사용하는 LIDAR 시스템은 일반적으로 2D 스캐닝 미러과 비교할 때 충격 및 왕복에 대해 더 견고하므로 자동차 응용 분야에 적합하다.
하나 이상의 물체를 충돌시키면, 제 2 광학계(14)(예컨대, 렌즈 또는 프리즘)가 반사광을 수신하는 반사 수직선으로서 LIDAR 스캐닝 시스템(100)을 향해 후방 산란하여 전송된 수직광의 바(bar)가 반사된다. 제 2 광학계(14)는 반사광을 수신선(RL)으로서 수신하고 전기 측정 신호를 생성하도록 구성된 광검출기 어레이(15) 상으로 반사광을 지향시킨다. 전기 측정 신호는 (예컨대, TOF 계산 및 처리를 통해) 반사광에 기초하여 환경의 3D 맵 및/또는 다른 객체 데이터를 생성하는 데 사용될 수 있다.
수신선(RL: Receiving Line)은 픽셀 열 중 하나를 따라 픽셀 열의 길이 방향으로 연장되는 수직의 광열(column of light)로 도시된다. 수신선은 도 1에 도시된 수직 주사선(SL)의 수직 영역에 대응하는 3개의 수직 영역으로 이루어진다. 수직 주사선(SL)이 시야를 수평으로 가로질러 이동함에 따라, 2D 광검출기 어레이(15)에 입사하는 수직의 광열(RL)이 2D 광검출기 어레이(15)를 수평으로 가로질러 이동한다. 반사광빔(RL)은, 반사광빔(RL)의 수신 방향이 변함에 따라, 광검출기 어레이(15)의 제 1 가장자리로부터 광검출기 어레이(15)의 제 2 가장자리로 이동한다. 반사광빔(RL)의 수신 방향은 주사선(SL)의 전송 방향에 대응한다.
2D 광검출기 어레이 대신 1D 광검출기 어레이를 사용하는 시스템에서, 각각의 광빔(즉, 각각의 수신선(RL))은 검출기 어레이의 열에 투영된다.
광검출기 어레이(15)는 다수의 광검출기 유형 중 임의의 것일 수 있고, 애벌란치 포토다이오드(APD: Avalanche Photo-Diode), 광전지 및/또는 다른 포토다이오드 디바이스를 포함한다. CCD(Charge-Coupled Device)와 같은 이미지 센서가 광검출기일 수 있다. 본 명세서에 제공된 예에서, 광검출기 어레이(15)는 APD 픽셀의 어레이를 포함하는 2차원(2D) APD 어레이이다. 전술한 바와 같이, 광검출기 어레이(15)는 단일 열의 포토다이오드를 포함하는 1D 어레이일 수 있다. 포토다이오드의 활성화는 조명 유닛(10)에 의해 방출된 광 펄스와 동기화될 수 있다.
광검출기 어레이(15)는 수신선(RL)으로서 반사광 펄스를 수신하고, 이에 응답하여 전기 신호를 생성한다. 조명 유닛(10)으로부터의 각각의 광 펄스의 전송 시간이 알려져 있고, 광이 알려진 속도로 이동되기 때문에, 전기 신호를 사용하는 ToF 계산은 광검출기 어레이(15)로부터 물체의 거리를 결정할 수 있다. 깊이 맵은 거리 정보를 플롯팅할 수 있다.
일 예에서, 각각의 거리 샘플링에 대해, 마이크로 컨트롤러는 조명 유닛(10)의 각각의 광원으로부터 레이저 펄스를 트리거하고, 또한 TDC IC(Time-to-Digital Converter Integrated Circuit)에서 타이머를 시작한다. 레이저 펄스는 전송 광학계를 통해 전파되고, 목표 필드에서 반사되고, 광검출기 어레이(15)의 하나 이상의 수신 포토다이오드에 의해 포착된다. 각 수신 포토다이오드는 아날로그 판독 회로에 의해 판독되는 짧은 전기 펄스를 방출한다. 아날로그 판독 회로로부터 판독된 각각의 신호는 전기 신호 증폭기에 의해 증폭될 수 있다.
비교기 IC는 펄스를 인식하고, TDC에 디지털 신호를 전송하여 타이머를 정지시킨다. TDC는 클럭 주파수를 사용하여 각각의 측정을 교정한다. TDC는 시작 및 정지 디지털 신호 사이의 차동 시간의 직렬 데이터를, 마이크로 컨트롤러로 전송하고, 여기서, 모든 오류 판독을 필터링하고, 여러 번의 시간 측정을 평균화하며, 해당 특정 필드 위치에서 대상까지의 거리를 계산한다. MEMS 미러(12)에 의해 확립된 연속적인 광 펄스를 상이한 방향으로 방출함으로써, 영역(즉, 시야)이 주사될 수 있고, 3차원 이미지가 생성될 수 있으며, 영역 내의 물체가 검출될 수 있다.
수신기의 신호 처리 체인은 각각의 포토다이오드 또는 포토다이오드 그룹에 대한 ADC를 포함할 수도 있다. ADC는 포토다이오드 또는 포토다이오드 그룹으로부터의 아날로그 전기 신호를 추가의 데이터 처리에 사용되는 디지털 신호로 변환하도록 구성된다.
또한, TDC 접근법을 사용하는 대신 신호 감지 및 ToF 측정에 ADC를 사용할 수 있다. 예를 들어, 각각의 ADC는 적절한 알고리즘으로 시작 신호(즉, 전송된 광 펄스의 타이밍에 대응)와 정지 신호(즉, ADC에서 아날로그 전기 신호를 수신하는 타이밍에 대응) 사이의 시간 간격을 추정하기 위해 하나 이상의 포토다이오드로부터 아날로그 전기 신호를 검출하는 데 사용될 수 있다.
수직 주사선(SL)으로서 레이저 에너지의 펄스가 MEMS 미러(12)의 표면으로부터 시야에 들어가면, 레이저 광이 시야 내의 물체를 조명할 때, 반사 펄스가 나타난다. 이들 반사 펄스는, 예를 들어, 하나의 광검출기 픽셀의 폭과 길이 방향으로 광검출기 어레이(15)의 픽셀 열을 따라 적어도 부분적으로 수직으로 걸치는 길이를 가질 수 있는 수직의 광열로서 광검출기 어레이(15)에 도달한다. 즉, 픽셀 열의 모든 광검출기 픽셀이나 픽셀 열의 광검출기 픽셀의 일부는 광 바를 수신할 수 있다. 예를 들어, 일 예에서, 조명 유닛(10)의 모든 광원은 주사선(SL)/수신선(RL)을 생성하는 데 사용될 수 있다. 이 경우, 수신선(RL)은 전체 픽셀 열을 따라 길이 방향으로 연장될 수 있다. 다른 예에서, 주사선(SL)/수신선(RL)을 생성하기 위해 광원의 서브세트만이 사용될 수 있다. 이 경우, 수신선은 세로 방향으로 픽셀 열의 일부만을 따라 연장될 수 있다.
일부 경우에, 둘 이상의 픽셀 열은 동일한 광 바로부터 광을 수신할 수 있다. 예를 들어, 수신된 광 바의 일부가 2개의 광검출기 픽셀 사이의 영역에 충돌할 때, 2개의 픽셀 열이 광을 수신할 수 있다. 이 경우, 2개의 픽셀 열은 단일 광 바에 의해 폭 방향으로 부분 조명될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 조명 유닛(10)에 의해 부분 수직 주사선(SL)이 생성되면, 광검출기 어레이(15)의 부분 픽셀 열만이 길이 방향으로 조명될 수 있다.
광검출기 어레이(15)는 반사광에 기초하여 (예컨대, TOF 계산 및 처리를 통해) 환경의 3D 맵을 생성하는 데 사용되는 측정 신호(전기 신호)를 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 광검출기 어레이(15)는 광을 검출 및 측정하고 그로부터 전기 신호를 생성할 수 있는 포토다이오드의 2D 어레이나 다른 광 검출 소자일 수 있다.
도시되지는 않았지만, LIDAR 스캐닝 시스템(100)은 1차 광학계(14)를 통해 반사광을 초기에 수신하고, 수신된 반사광을 광검출기 어레이(15)를 향해 재지향하도록 구성된 DMD(Digital Micromirror Device) 및 2차 광학계(예컨대, 렌즈, TIR(Total Internal Reflection) 프리즘 또는 빔 스플리터)를 포함할 수도 있다. 예를 들어, DMD는 우선 1차 광학계로부터 반사광 펄스를 수신하고, 2차 광학계(예컨대, 렌즈, TIR(Total Internal Reflection) 프리즘 또는 빔 스플리터)를 통해 광검출기 어레이(15) 상으로 수신된 반사광을 편향시킨다. 이 경우에, 광검출기 어레이(15)는, 전술한 바와 같이, 여전히 수직의 광 열을 수신하게 된다.
도 2는 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 스캐닝 시스템(200)의 개략적인 블록도이다. 특히, 도 2는 MEMS 드라이버, 수신기 회로 및 시스템 제어기와 같은 예시적인 처리 및 제어 시스템 구성 요소를 포함하는 LIDAR 스캐닝 시스템(200)의 추가 특징을 도시한다.
LIDAR 스캐닝 시스템(200)은 시스템(200)의 이미터 경로를 담당하는 송신기 유닛(21)과, 시스템(200)의 수신기 경로를 담당하는 수신기 유닛(22)을 포함한다. 이 시스템은 또한 송신기 유닛(21) 및 수신기 유닛(22)의 구성 요소를 제어하고, 수신기 유닛(22)으로부터 원시 데이터를 수신하고 (예컨대, 디지털 신호 처리를 통해) 그에 대한 오브젝트 데이터(예컨대, 포인트 클라우드 데이터)를 생성하기 위한 처리를 수행하도록 구성된 시스템 제어기(23)를 포함한다. 따라서, 시스템 제어기(23)는 데이터를 처리하기 위한 신호 처리 체인의 적어도 하나의 프로세서 및/또는 프로세서 회로(예컨대, 비교기, TDC, ADC 및 DSP(Digital Signal Processor))뿐만 아니라, 제어 신호를 생성하도록 구성된 마이크로 컨트롤러와 같은 제어 회로를 포함한다. LIDAR 스캐닝 시스템(200)은 센서 정보를 시스템 제어기(23)에 제공하는 온도 센서와 같은 센서(26)를 포함할 수도 있다.
송신기 유닛(21)은 조명 유닛(10), MEMS 미러(12), 및 이 MEMS 미러(12)를 구동하도록 구성된 MEMS 드라이버(25)를 포함한다. 특히, MEMS 드라이버(25)는 미러의 회전 위치를 작동 및 감지하고, 미러의 위치 정보(예컨대, 회전축에 대한 회전 각도나 틸트 각도)를 시스템 제어기(23)에 제공한다. 이 위치 정보에 기초하여, 조명 유닛(10)의 레이저 소스는 시스템 제어기(23)에 의해 트리거되고, 포토다이오드는 활성화되어 반사광 신호를 감지하고 측정한다. 따라서, MEMS 미러의 위치 감지의 정확도가 높을수록, LIDAR 시스템의 다른 구성 요소를 보다 정확하고 정밀하게 제어하게 된다.
수신기 유닛(22)은 광검출기 어레이(15)뿐만 아니라, 아날로그 판독 회로를 포함하는 수신기 회로(24)를 포함한다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 광검출기 어레이(15)의 각 행은 아날로그 멀티플렉서에 의해 수신기 회로(24)에 선택적으로 커플링 및 디커플링될 수 있다. 수신기 회로(24)에 커플링된 픽셀, 행 또는 열은 활성이라고 지칭될 수 있는 반면, 수신기 회로(24)에 커플링되지 않은 픽셀, 행 또는 열은 비활성이라고 지칭될 수 있다.
아날로그 판독 회로는 광검출기 어레이(15)의 커플링된 행의 선택된 픽셀로부터 수신된 측정 신호를 판독하도록 구성된 N개의 아날로그 출력 채널(예컨대, 32개의 채널)을 포함한다. 또한, 커플링된 행으로부터 하나보다 많은 픽셀이 선택될 수 있고, 다수의 행은 동시에 출력 채널에 커플링될 수 있으며, 하나 이상의 픽셀이 각각의 커플링된 행으로부터 선택될 수 있다.
따라서, 수신기 회로(24)는 광검출기 어레이(15)의 광검출기로부터 아날로그 전기 신호를 수신하고, 전기 신호를 원시 아날로그 데이터로서 ADC(Analog-to-Digital Converter)로 전송할 수 있다. ADC가 전기 신호를 수신하기 전에, 전기 신호는, 예를 들어, 전류로부터 전압으로 전기 신호를 변환하는 증폭기(예컨대, TIA(Transimpedance Amplifier))를 통과할 수 있다. ADC는 추가 처리를 위해 원시 아날로그 데이터를 원시 디지털 데이터로 변환하도록 구성된다. 증폭기 및/또는 ADC는 시스템 제어기(23) 또는 수신기 회로(24)에 통합될 수 있거나, 수신기 회로(24)와 시스템 제어기(23) 사이에 개별 회로로서 삽입될 수 있다.
수신기 회로(24)는 또한 하나 이상의 광검출기의 활성화를 트리거하는 시스템 제어기(23)로부터 트리거 제어 신호를 수신할 수 있다. 수신기 회로(24)는 또한 하나 이상의 광검출기의 이득을 제어하기 위한 이득 설정 제어 신호를 수신할 수 있다.
시스템 제어기(23)는 ADC에 의해 생성된 시작 및 정지 디지털 신호 사이의 차동 시간의 직렬 데이터뿐만 아니라, 원시 디지털 데이터를 수신하고, 시야 내에서 각 필드 위치에 대한 비행시간 정보를 계산하고, 객체 데이터(예컨대, 포인트 클라우드 데이터)를 생성하며, 3D 포인트 클라우드를 생성하기 위해 수신된 데이터를 사용한다.
광검출기 어레이(15)의 광검출기로부터 시스템 제어기(23)로의 전기 신호 경로는 고장에 취약할 수 있다. 이러한 고장은 광검출기 어레이(15)의 픽셀을 포함하는 광학 구성 요소와 광검출기 어레이(15) 출력으로부터 시스템 제어기(23)로의 신호 경로를 따라 배열된 신호 처리 소자에서 발생할 수 있다. 여기에 제공된 실시예는 광검출기 어레이(15)로부터 시스템 제어기(23)로 연장되는 전기 신호 경로의 보호 및 모니터링을 제공한다.
도 3은 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 수신기(300)의 전기 신호 경로의 개략적인 블록도이다. 특히, LIDAR 수신기(300)의 전기 신호 경로는 광검출기 회로(31), 수신기 회로(32), 비교기 회로(33) 및 시스템 제어기(34)를 포함한다. 각각의 소자(31~34)는 별개의 IC(Integrated Circuit) 상에 배열되거나, 동일한 IC상의 하나 이상의 다른 회로와 결합될 수 있다.
광검출기 회로(31)는 2D 광검출기 어레이(31-1), 디코더(31-2), 아날로그 멀티플렉서(mux)(31-3) 및 기준 신호 생성기(31-4)를 포함한다. 이 예에서, 광검출기 어레이는 96개의 열과 128개의 행으로 이루어진 2D 광검출기 어레이이지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 특정 열은 광을 수신할 때 활성화될 수 있다(즉, 송신기에 의한 레이저의 발사 방향에 따라 동기화됨). 이것은 주변 광의 노이즈를 줄이는 데 도움이 된다. 디코더(31-2)는 시스템 제어기(34)로부터 어떤 열(들)을 활성화할지를 나타내는 열 선택 정보 Col_Sel를 수신하고, 디코더(31-2)는 대응하는 열(들)을 활성화한다.
아날로그 멀티플렉서(31-3)는 아날로그 신호를 수신 및 라우팅하도록 구성되고, 광검출기 회로(31)로부터 출력하기 위해 광검출기 어레이(31-1)로부터 어떤 행을 선택하도록 추가 구성된다. 즉, 아날로그 멀티플렉서는 광검출기 어레이(31-1)의 행의 개수보다 적은 N개의 판독 채널(예컨대, 32개의 판독 채널)을 포함한다. 아날로그 멀티플렉서(31-3)는 시스템 제어기(34)로부터 특정 판독 채널로 라우팅할 행(들)을 나타내는 행 선택 정보 Row_Sel를 수신하고, 그에 따라 아날로그 멀티플렉서(31-3)는 대응하는 행(들)을 라우팅한다. 아날로그 멀티플렉서(31-3)는 판독 채널에 커플링되어, 광검출기 어레이(31-1)의 하나 이상의 인접한 행으로부터 수신된 아날로그 신호를 수신기 신호 경로의 다음 단계로 선택적으로 판독하거나 출력하는 판독 소자를 포함한다. 이러한 방식으로, 광검출기 어레이(31-1)의 각각의 광검출기 픽셀은 판독 채널 중 하나로 출력하기 위해 (디코더를 통한) 열 및 (아날로그 멀티플렉서를 통한) 행에 의해 개별적으로 선택될 수 있다.
또한, 아날로그 멀티플렉서(31-3)의 각각의 판독 채널의 입력 또는 출력은 기준 신호 생성기(31-4)에 의해 제공되는 투입된 기준 신호를 수신할 수 있다. 기준 신호 생성기(31-4)는, 광검출기 어레이(31-1)의 실제 픽셀 열과 매우 유사하게, 아날로그 멀티플렉서(31-3)에 입력된 가상 픽셀 열처럼 동작하는 프로그램 가능한 전류원일 수 있다. 즉, 기준 신호 생성기(31-4)는 하나 이상의 기준 신호 Iref를 광검출기 어레이(31-1)의 출력 경로로 투입할 수 있고, 아날로그 멀티플렉서(31-3)는 기준 신호를 전달하는 행이나 인접 행이 특정 판독 채널로 라우팅되는 것을 선택할 수 있다. 다수의 인접 행이 단일 판독 채널로 라우팅될 때, 이들 행의 신호는, 예를 들어, 평균화하여 아날로그 멀티플렉서(31-3)의 판독 소자에 의해 함께 합산되고, 결합된 신호는 적절한 채널에서 아날로그 멀티플렉서에 의해 판독된다.
기준 신호 생성기(31-4)는, 기준 신호가 가능한 한 많은 회로 소자를 통과하도록, 신호 경로에서 가능한 한 빨리(예컨대, 광검출기 어레이에 가능한 한 가깝게) 커플링될 수 있다. 대안적으로, 기준 신호는 광검출기 어레이(31-1)의 열에 직접 투입되고, 아날로그 멀티플렉서(31-3)를 통해 선택적으로 판독될 수 있다.
기준 신호는 광검출기 어레이에서 생성된 전기 신호(즉, 제 1 시간 간격 동안) 대신 투입되거나, 광검출기 어레이에서 생성된 전기 신호(즉, 제 2 시간 간격 동안)와 결합하여 투입될 수 있다. 복수의 제 1 시간 간격은 복수의 제 2 시간 간격과 인터리브될 수 있고, 기준 신호는 제 1 시간 간격 동안만, 또는 제 2 시간 간격 동안만, 또는 제 1 및 제 2 시간 간격의 양 시간 간격 동안에 투입될 수 있다. 제 1 시간 간격은 LIDAR 시스템의 제 1 작동 모드에 대응할 수 있고, 제 2 시간 간격은 LIDAR 시스템의 제 2 작동 모드에 대응할 수 있다.
따라서, 투입된 기준 신호는 광검출기 어레이의 하나 이상의 행으로부터 수신된 아날로그 데이터 신호와 결합될 수 있거나, 그들이 광검출기 어레이가 광검출기 어레이에서 제공되는 아날로그 데이터 신호없이 측정을 수행하지 않는 동안 투입될 수 있다. 다시, 이것은 아날로그 멀티플렉서나 광검출기 어레이에서 기준 신호를 투입함으로써 달성될 수 있다.
각각의 투입된 기준 신호는 알려진 높이(진폭), 길이(폭), 상승 시간, 하강 시간, 형상 등을 포함하는 알려진 특성을 포함하는 전류 펄스일 수 있다. 예를 들어, 기준 신호는 단순 전류 펄스, 보다 복잡한 전류 펄스나, 동일하거나 상이한 높이(진폭), 길이(폭), 상승 시간, 하강 시간, 형상 등의 전류 펄스의 조합일 수 있다. 하나 이상의 신호 펄스를 포함하는 상이한 펄스 패턴은 펄스 패턴 정보로서 메모리에 저장될 수 있고, 펄스 패턴은 하나 이상의 입력에 따라 선택 소자(예컨대, 상태 머신 또는 프로세서)에 의해 선택될 수 있다.
예를 들어, 메모리 테이블은 상이한 펄스 형상과 패턴을 펄스 패턴 정보로서 저장할 수 있고, 상태 머신은 외부 입력에 기초하여 투입할 펄스 패턴을 테이블로부터 선택할 수 있다. 선택된 펄스 패턴은 프로그래밍 가능한 기준 신호원일 수 있는 기준 신호 생성기(31-4)에 제공될 수 있고, 기준 신호 생성기(31-4)는 선택된 펄스 패턴에 따라 적어도 하나의 기준 신호를 생성할 수 있다. 또한, 펄스 패턴 중 하나는 선택 소자에 의해 무작위로 선택될 수 있거나, 또는 선택 소자는 외부 입력에 기초하여 랜덤 펄스 패턴을 생성할 수 있고, 기준 신호 생성기(31-4)에 랜덤 펄스 패턴을 제공하여 기준 신호 생성기(31-4)가 적어도 하나의 기준 신호에 대한 랜덤 펄스 패턴을 생성하도록 구성된다.
전기 신호 경로의 소정 채널로의 각각의 투입된 기준 신호의 정확한 라우팅은 아날로그 멀티플렉서(31-3)에서 채널 멀티플렉싱에 의해 수행된다. 채널 크로스 토크(channel cross-talk)는 각 채널의 기준 신호를 개별적으로 투입함으로써(예컨대, 타임 시프팅) 방지된다. 따라서, 인접 채널은, 예를 들어, 인접 채널에서 기준 신호를 동시에 투입함으로써 야기되는 간섭을 방지하기 위해, 기준 신호 생성기(31-4)와 아날로그 멀티플렉서(31-3)에서 서로에 대해 시간 시프트된다.
수신기 회로(32)는 각 채널마다 하나씩 증폭기의 어레이, 예를 들어, TIA를 포함한다. TIA는 광검출기 회로(31)로부터 수신된 대응하는 채널의 전류 아날로그 신호를 전압 신호로 변환하는 전류-전압 변환기이다. 따라서 각 채널에는 이 변환을 수행하는 TIA가 포함된다. 각각의 TIA는 전기 신호를 추가로 증폭 및 필터링할 수 있다. 그런 다음, 각각의 전압 신호는 대응하는 채널을 따라 ADC 회로(33)로 라우팅된다. 이들 전압 신호는, 광검출기 어레이(31-1)에 의해 생성된 전기 신호로부터 또는 기준 신호 생성기(31-4)에 의해 생성된 기준 신호로부터 도출되는 것인지에 관계없이, 처리된 신호로 지칭될 수 있다. 또한, 기준 신호 생성기(31-4)는 광검출기 회로(31) 대신 수신기 회로(32)에서 구현될 수 있다.
ADC 회로(33)는 ToF 측정을 위해 수신기 회로(32)로부터 출력된 아날로그 전압 신호를 검출하고 아날로그 전압 신호를 디지털화하도록 구성된 ADC의 어레이를 각 채널에 대해 하나씩 포함한다. 디지털화된 전압 신호는, 광검출기 어레이(31-1)에서 생성된 전기 신호로부터 또는 기준 신호 생성기(31-4)에서 생성된 기준 신호로부터 도출된 것인지에 관계없이, 처리된 신호 또는 추가 처리된 신호로 지칭될 수도 있다. ADC 회로(33)는 예를 들어, 3D 포인트 클라우드 데이터를 생성하는 추가 처리를 위해 하나 이상의 신호 채널을 통해 이들 처리된 신호를 시스템 제어기(34)에 제공한다.
시스템 제어기(34)는 전술한 시스템 제어기(25)와 마찬가지의 특징을 포함한다. 따라서, 시스템 제어기(34)는 신호 처리 회로 및 제어 회로를 포함한다. 특히, 시스템 제어기(34)는 신호 처리 유닛(34-1) 및 제어 유닛(34-2)을 포함한다. 시스템 제어기(34)는 FPGA(Field Programmable Logic Array), 마이크로 컨트롤러, 또는 FPGA와 마이크로 컨트롤러의 조합으로 구현될 수 있다.
신호 처리 유닛(34-1)은 광검출기 어레이(31-1)에서 생성된 전기 신호로부터 도출된, 처리된 전기 신호를 수신하고, 그로부터 3D 포인트 클라우드 데이터를 생성하도록 구성된다.
제어 유닛(34-2)은 열 선택 정보 Col_Sel, 행 선택 정보 Row_Sel, (예컨대, 신호 경로를 따라 하나 이상의 회로 소자의 이득 설정을 수정하기 위한) 신호 경로 구성 정보, 펄스 패턴을 선택하는 데 사용되는 외부 입력 등과 같은 다양한 제어 신호를 생성하도록 구성된다. 제어 유닛(34-2)은 또한 신호 경로에 커플링되고 신호 경로를 따라 하나 이상의 신호 추출 지점을 평가하도록 구성된 평가 회로(34-3)를 포함한다. 따라서, 평가 회로(34-3)는 그로부터 신호(예컨대, 처리된 기준 신호 또는 처리된 결합 신호)를 수신하기 위해 신호 경로를 따라 다양한 지점에서 복수의 신호 채널에 커플링될 수 있다.
추출 지점은 신호 경로를 따라 임의의 지점에 위치될 수 있지만, 광검출기 회로(31)의 출력, 수신기 회로(32)의 출력 및 ADC 회로(33)의 출력을 포함할 수 있다. 추출 지점은 전술한 회로(31~33) 내부에도 있을 수 있다. 또한, 각각의 추출 지점에서 하나 이상의 신호 채널이 평가될 수 있다. 평가 회로(34-3)는 그로부터 신호를 수신하기 위해 추출 지점을 선택하고, 선택된 추출 지점에서 신호 채널들 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
평가 회로(34-3)는 신호 경로를 따라 하나 이상의 신호 채널로부터 처리된 기준 신호 또는 처리된 결합 신호를 수신하도록 구성된다. 처리된 기준 신호는 신호 경로상의 회로 소자에서 후속 처리되는 신호 기준 생성기(31-4)에 의해 생성된 기준 신호이다. 결합 신호는 신호 기준 생성기(31-4)에서 생성된 적어도 하나의 기준 신호와 광검출기 어레이(31-1)에서 생성된 적어도 하나의 전기 신호의 조합인 신호이고, 처리된 결합 신호는 신호 경로상의 회로 소자에 의해 처리되는 결합 신호이다.
평가 회로(34-3)는 또한 처리된 기준 신호를 예상 결과와 비교하여 비교 결과를 생성하도록 구성된다. 각각의 신호 채널은 상이한 처리된 기준 신호를 제공할 수 있고, 각각의 처리된 기준 신호는 그 신호 채널에 대응하는 예상 결과와 비교될 수 있다. 예상 결과는 추출 지점으로부터 상류에 위치한 회로 소자에서 기준 신호에 대해 수행된 모든 예상 처리를 고려한다. 신호 경로를 따라 하나 이상의 회로 소자에 의해 처리될 때, 예상 결과는 평가 회로(34-3)에서 메모리에 저장되고, 추출 지점에서 기준 신호의 예상 출력을 나타낸다. 예상 출력은 이득, 차단 주파수, 그룹 지연, 신호 왜곡, 노이즈 레벨 및 기타 속성을 고려할 수 있다. 예상 결과는 투입된 기준 신호의 유형(즉, 기준 신호의 펄스 패턴)과 신호 경로에서의 추출 지점 양쪽 모두에 대응한다. 예상 결과는 또한 특정 회로 소자를 포함하는 신호 경로의 특정 신호 채널에 특정될 수 있다.
평가 회로(34-3)는 또한 비교 결과에 기초하여 신호 경로 또는 하나 이상의 신호 채널의 적어도 하나의 특성(예컨대, 이득, 차단 주파수, 그룹 지연, 신호 왜곡, 노이즈 레벨 및 다른 특성)을 평가하고, LIDAR 시스템을 안전하게 작동하기 위해 신호 경로의 품질이 허용 가능한 공차 범위 내에 있는지 판단하도록 구성된다. 신호 경로의 품질이 허용 가능한 공차 범위 내에 있으면, 신호 경로 내의 회로 소자가 설정된 안전 파라미터 내에서 정상적으로 작동하는 것으로 판단된다. 그러나, 신호 경로의 품질이 허용 가능한 공차 범위를 벗어나면, 평가 회로(34-3)는 신호 경로를 따라 결함 또는 열화가 있을 수 있다고 판단하고 추가 동작이 취해진다.
예를 들어, 평가 회로(34-3)는 결함 또는 열화의 위치를 결정하기 위해 신호 경로에 대한 추가 진단을 수행할 수 있다. 평가 회로(34-3)가 결함 또는 열화를 국소화할 수 있도록, 다른 추출 지점에서 추가 기준 신호가 생성 및 평가될 수 있다. 이 경우, 평가 회로(34-3)는 결함 또는 열화가 더 이상 존재하지 않을 때까지 상류에서 순차적으로 상이한 추출 지점을 평가할 수 있다.
비결함 추출 지점으로부터 하류에 있는 회로 소자는 결함원(source of the fault)으로서 결정될 수 있다. 국소화 동안 비결함이 실현되지 않으면, 결함원은 상류(즉, 광검출기 어레이(31-1))에서 가장 먼 회로 소자일 수 있으며, 그로부터 상류에는 추출 지점이 없다. 대안적으로, 2개의 추출 지점이 평가되고, 그 결과가 분석될 수 있다. 예를 들어, 비결함 추출 지점과 결함 추출 지점 사이에 있는 회로 소자는 결함원으로서 결정될 수 있다.
신호 경로의 결함/열화의 원인에 따라, 제어 유닛(34-2)은, 물체 검출을 위해 센서 데이터를 병합할 때(즉, 다른 객체 스캐닝 센서에 비해 LIDAR 센서의 우선 순위가 낮을 때), 다른 객체 스캐닝 센서(예컨대, 카메라 센서나 레이더 센서)에 높은 우선 순위를 두는 것, 시야 및/또는 범위 관점에서 성능이 감소된 상태로 LIDAR 센서의 작동을 계속하는 것, 또는 LIDAR 센서를 모두 비활성화하고 차량 운전자에게 통지하는 것 중 적어도 하나를 포함하는 응답을 결정한다.
처리된 기준 신호를 평가하는 것에 더하여, 평가 회로(34-3)는 처리된 결합 신호를 예상 결과와 비교하여 비교 결과를 생성하도록 추가 구성된다. 평가 회로(34-3)는 처리된 기준 신호에 대해 전술한 것과 유사한 방식으로 이 평가를 수행할 수 있다. 따라서, 각각의 처리된 결합 신호는 신호 채널에 대응하는 예상 결과와 비교될 수 있다. 예상 결과는 추출 지점으로부터 상류에 위치된 회로 소자에서 결합 신호에 대해 수행된 모든 예상 처리를 고려한다. 신호 경로를 따라 하나 이상의 회로 소자에서 처리될 때, 예상 결과는 평가 회로(34-3)에서 메모리에 저장되고, 추출 지점에서의 결합 신호 또는 그로부터 추출된 기준 신호의 예상 출력을 나타낸다.
평가 회로(34-3)는 또한 비교 결과에 기초하여 신호 경로 또는 하나 이상의 신호 채널의 적어도 하나의 특성(예컨대, 이득, 차단 주파수, 그룹 지연, 신호 왜곡, 노이즈 레벨 및 다른 특성)을 평가하고, LIDAR 시스템을 안전하게 작동하기 위해 신호 경로의 품질이 허용 가능한 공차 범위 내에 있는지 판단하도록 구성된다. 평가 회로(34-3)는 결함 또는 열화의 위치를 결정하기 위해 신호 경로에 대한 추가 진단을 더 수행할 수 있다.
이 접근 방식으로 전체 신호 경로의 랜덤 결함과 열화를 효과적으로 감지할 수 있고, 이는 런타임 동안 시스템 작동에 통합될 수 있다. 구체적으로, 제어 유닛(34-2)은 신호 경로를 따라 배열된 수신기 구성 요소의 임의의 기능 열화를 점검함으로써 수신기 신호 경로에 대한 안전 메커니즘을 제공할 수 있다. 모니터링은 내결함성 시간 간격 내에서 또는 차량의 구동 사이클당 한 번(즉, 차량 작동 중 차량의 전원 공급과 전원 차단 사이에서 한 번) 주기적으로 작동될 수 있다.
도 4는 하나 이상의 실시예에 따라 기준 신호가 투입되는 LIDAR 시스템에서 구현되는 복수의 신호 채널의 신호도이다. 이 예에서 기준 신호는 단순한 신호 펄스로 표시되지만, 다른 펄스 패턴으로 대체될 수 있다. LIDAR 시스템은 안전 모드와 작동 모드의 두 가지 작동 모드로 작동하도록 구성된다.
복수의 제 1 시간 간격으로 표시되는 작동 모드는 복수의 제 2 시간 간격으로 표시되는 안전 모드와 인터리빙된다. 안전 모드 동안, 광검출기 어레이는 신호 경로에 신호를 제공하지 않는다. 안전 모드는 LIDAR 시스템의 2개의 광 획득 기간 사이에 발생한다. 이 경우, 평가 회로(34-3)는 신호 경로로부터 처리된 기준 신호를 수신한다. 따라서, 기준 신호 생성기(31-4)는 LIDAR 시스템의 2개의 광 획득 주기 사이에 복수의 기준 신호를 투입하도록 구성된다.
대조적으로, 작동 모드 동안, 광검출기 어레이(31-1)는 수신된 광에 기초하여 전기 신호를 생성하도록 구성된다. 이 경우, 신호 경로의 평가가 수행되지 않을 수 있다. 평가 회로(34-3)가 작동 모드 동안 평가를 수행하지 않는 경우, 기준 신호는 신호 경로로 투입되지 않는다.
대안적으로, 신호 경로의 평가는 작동 모드 동안 수행될 수 있다. 이 경우, 평가 회로(34-3)는 기준 신호를 신호 채널에 투입하도록 기준 신호 생성기(31-4)를 구성한다. 결과적으로, 기준 신호 생성기(31-4)는 LIDAR 시스템의 광 획득 주기 동안에 복수의 기준 신호를 투입하도록 구성된다. 여기서, 평가 회로(34-3)는 신호 경로로부터 처리된 결합 신호를 수신한다.
기준 신호 생성기(31-4) 및 아날로그 멀티플렉서(31-3)는 복수의 신호 채널 중 인접 채널이 상이한 시간에 복수의 기준 신호 중 대응하는 기준 신호를 수신하도록 복수의 기준 신호의 시간 시프트를 구현하기 위해 함께 제어될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 기준 신호는 채널 2의 인접 채널인 채널 1 및 3에 투입된 기준 신호에 비해 시간 시프트된 채널 2에 투입된다.
도 5a 및 도 5b는 하나 이상의 실시예에 따른 예시적인 펄스 패턴의 기준 신호도이다. 펄스 패턴은 높이(진폭), 길이(폭), 상승 시간, 하강 시간, 형상 등이 상이하며, 선택 소자에 의해 선택된 상이한 기준 신호에 사용될 수 있다. 이 경우 펄스 패턴은 전류 펄스 Iref1 및 Iref2로 구성된다.
따라서, 도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 제어 유닛(34-2)은 (시간 시프팅을 통한) 시간 및/또는 펄스 패턴의 양쪽 모두의 테스트에서 다이버시티를 구현하도록 기준 신호 생성기(31-4)와 아날로그 멀티플렉서(31-3)를 구성할 수 있다. 즉, 서로 시간 시프트되어 있는 펄스 패턴 외에 서로 다른 펄스 패턴이 인접 채널에 투입되더라도 기준 신호를 수신하는 관점에서 볼 때 인접 채널에서 중첩이 거의 또는 전혀 발생되지 않도록 할 수 있다.
도 6은 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 수신기(600)의 전기 신호 경로의 개략적인 블록도이다. 특히, LIDAR 수신기(600)의 전기 신호 경로는 도 3에 도시된 LIDAR 수신기(300)의 전기 신호 경로와 마찬가지이다. 그러나 이 예에서, LIDAR 수신기(600)는 안전 모드 동안에만 신호 경로를 평가하도록 구성된다. 이 경우, 안전 평가를 수행하기 위해 광 펄스를 송수신하는 정상적인 동작이 사전 결정된 시간 동안(즉, 제 2 시간 간격 동안) 중단될 수 있다.
광검출기 회로(31)는 2개의 스위치, 즉, 광검출기 어레이(31-1)와 아날로그 멀티플렉서(mux)(31-3) 사이에 연결된 스위치(31-5) 및 기준 신호 생성기(31-4)와 아날로그 멀티플렉서(31-3) 사이에 연결된 스위치(31-6)를 더 포함한다. 스위치(31-5, 31-6)는 상호 보완적인 스위치로서, 하나가 폐쇄되면 다른 하나가 개방됨을 의미한다. 따라서, 광검출기 어레이(31-1) 또는 기준 신호 생성기(31-4)의 신호 경로 중 하나만 아날로그 멀티플렉서(31-3)에 한번에 연결된다. 보다 구체적으로, LIDAR 시스템이 작동 모드에서 작동하여 광검출기 어레이(31-1)로부터 전기 신호가 제공될 때, 스위치(31-5)가 폐쇄된다. 또한, LIDAR 시스템이 안전 모드에서 작동하여 기준 신호 생성기(31-4)로부터 기준 신호가 제공될 때, 스위치(31-6)가 폐쇄된다.
광검출기 회로(31)는 2개의 스위치, 즉, 광검출기 어레이(31-1)와 아날로그 멀티플렉서(mux)(31-3) 사이에 연결된 스위치(31-5) 및 기준 신호 생성기(31-4)와 아날로그 멀티플렉서(31-3) 사이에 연결된 스위치(31-6)를 더 포함한다. 스위치(31-5, 31-6)는 상호 보완적인 스위치로서, 하나가 폐쇄되면 다른 하나가 개방됨을 의미한다.
시스템 제어기(34)는 또한 2개의 스위치, 즉, 시스템 제어기(34)의 입력과 신호 처리 유닛(34-1) 사이에 연결된 스위치(34-5) 및 시스템 제어기(34)의 입력과 제어 유닛(34-2) 사이에 연결된 스위치(34-6)를 포함한다. 스위치(34-5, 34-6)는 상호 보완적인 스위치로서, 하나가 폐쇄되면 다른 하나가 개방됨을 의미한다. 따라서, 입력으로부터 신호 처리 유닛(34-1) 또는 제어 유닛(34-2)으로의 신호 경로 중 하나만 한번에 연결된다. 보다 구체적으로, LIDAR 시스템이 작동 모드에서 작동되어 광검출기 어레이(31-1)로부터 유도되어 처리된 전기 신호를 신호 처리 유닛(34-1)에 제공할 때, 스위치(34-5)가 폐쇄된다. 또한, LIDAR 시스템이 안전 모드에서 작동되어 기준 신호 생성기(31-4)로부터 유도되어 처리된 기준 신호를 제어 유닛(34-2), 보다 구체적으로는 평가 회로(34-3)에 제공할 때, 스위치(34-6)가 폐쇄된다. 따라서, 기준 신호는 신호 경로로 투입될 수 있고, 평가 회로(34-3)는 다양한 추출 지점에서 신호 채널을 점검할 수 있다.
신호 처리 유닛(34-1)은 처리된 전기 신호(즉, 센서 데이터)를 처리하도록 구성된 DSP(61)와, 센서 데이터에서 물체를 검출하도록 구성된 물체 검출 유닛(62)과, 각각의 검출된 물체(범위)의 거리를 결정하도록 구성된 거리 결정 유닛(63)과, 각각의 검출된 물체의 반사율을 결정하도록 구성된 반사 유닛(64), 및 검출된 물체, 결정된 물체의 거리 및 결정된 물체의 반사율로부터 3D 포인트 클라우드 데이터를 생성하도록 구성된 3D 포인트 클라우드 유닛(65)을 포함한다.
도 7은 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 수신기(700)의 전기 신호 경로의 개략적인 블록도이다. 특히, LIDAR 수신기(700)의 전기 신호 경로는 도 6에 도시된 LIDAR 수신기(600)의 전기 신호 경로와 마찬가지이다. 그러나, 이 예에서, LIDAR 수신기(700)는 안전 모드 및/또는 작동 모드 동안 신호 경로를 평가하도록 구성된다. 이 예에서, 신호 경로의 평가는 오브젝트 레벨로 수행된다.
특히, 제어 유닛(34-2)은 신호 경로에 투입할 하나 이상의 펄스 패턴이나 가상 객체를 선택하도록 구성되며, 여기서, 가상 객체는 고정된 가상 거리에서 포인트 클라우드의 특정 가상 위치에 배치된다. 즉, 가상 객체는 시야의 물체를 반사하는 광으로부터 광검출기 어레이(31-1)에 의해 검출된 것과 같이 형성되어 실제 물체를 시뮬레이션하기 위해 신호 경로에 삽입된다. 가상 객체는 실제 물체와 일치하여 구분이 모호해지지 않도록 작아야 한다.
제어 유닛(34-2)은 기준 신호 생성기(31-4)가 가상 객체와 그 거리를 나타내는 기준 신호를 생성하고, 아날로그 멀티플렉서(31-3)가 기준 신호를 물체 위치를 나타내는 하나 이상의 신호 채널에 라우팅하도록 기준 신호 생성기(31-4) 및 아날로그 멀티플렉서(31-3)를 제어할 수 있다. 안전 모드 또는 작동 모드 동안 가상 객체가 신호 경로에 삽입될 수 있다. 후자의 경우, 가상 객체는 광검출기 어레이(31-1)에 의해 생성된 전기 신호(센서 데이터)와 결합될 수 있다.
신호 처리 유닛(34-1)에 의해 수행된 후 처리(post processing)는 센서 데이터에 삽입된 가상 객체가 예상 위치에서 검출되어 포인트 클라우드 데이터에서 제거되도록 한다. 따라서, 신호 처리 유닛(34-1)은 검출된 물체, 결정된 물체 거리(범위) 및 기준 신호를 통해 투입된 임의의 가상 객체로부터의 정보를 포함하는 결정된 물체 반사율로부터 예비 3D 포인트 클라우드 데이터를 생성하는 예비 3D 포인트 클라우드 유닛(71)을 더 포함한다.
신호 처리 유닛(34-1)은 제어 유닛(34-2)으로부터의 가상 객체 데이터 및 예비 3D 포인트 클라우드 유닛(71)으로부터의 예비 3D 포인트 클라우드 데이터를 수신하고, 실제 3D 포인트 클라우드 데이터를 생성하기 위해 예비 3D 포인트로부터 가상 객체 데이터를 제거하는 필터(72)를 더 포함한다. 3D 포인트 클라우드 유닛(65)은 3D 포인트 클라우드 데이터를 완성한다. 따라서, 신호 경로의 평가는 LIDAR 센서의 런타임 동안 평가 회로(34-3)에 의해 수행될 수 있다.
도 8은 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 수신기(800)의 전기 신호 경로의 개략적인 블록도이다. 특히, LIDAR 수신기(800)의 전기 신호 경로는 각각 도 6 및 도 7에 도시된 LIDAR 수신기(600, 700)의 전기 신호 경로와 마찬가지이다. 그러나 이 예에서, LIDAR 수신기(800)는 펄스 레벨 상의 안전 모드 및/또는 작동 모드 동안 신호 경로를 평가하도록 구성된다. 즉, 기준 신호와 제거의 비교는 물리적 레벨에서 수행된다(예컨대, ADC 데이터 또는 처리된 ADC 데이터에 대해 수행됨).
제어 유닛(34-2)은 신호 경로에 투입할 하나 이상의 펄스 패턴이나 가상 객체를 선택하도록 구성되며, 도 7을 참조하여 전술한 것과 마찬가지의 방식이다. 그러나, 시스템 제어기(34)에서, 투입된 기준 신호는 포인트 클라우드 데이터를 생성하기 전에 처리된 결합 신호로부터 제거(즉, 필터링)된다.
신호 경로에 투입된 기준 신호(즉, 펄스)는, 도 7에서와 같이, 반드시 가상 객체를 모델링할 필요는 없지만, 신호 채널을 최적으로 식별하도록 설계된다. 시스템 제어기(34)에서의 후 처리에서, 펄스는 채널 추정기(81)를 통해 (기능적인 안전에 따라 한계치 이내에 있는 것으로 확인되는) 채널 특성을 추출하는 데 사용되며, 펄스는 필터(82)에 의해 처리된 결합 신호로부터 제거된다. 결과적으로, 광검출기 어레이(31-1)의 전기 신호로부터 도출된, 처리된 전기 신호만이 신호 경로에 남아 3D 포인트 클라우드 데이터의 생성을 위해 DSP(61)로 입력된다.
채널 추정기(81)는 처리된 결합 신호를 수신하고 신호 채널로 투입된 기준 신호의 알려진 특성에 기초하여(즉, 기준 자극에 기초하여) 하나 이상의 신호 채널의 하나 이상의 채널 특성을 추정하도록 구성되며, 여기서, 알려진 특성은 평가 회로(34-3)로부터 수신된다. 채널 추정기(81)는 추정된 채널 특성을 평가 회로(34-3)에 제공한 다음, 그 추정된 채널 특성을 예상 채널 특성과 비교한다. 이 비교 결과에 기초하여, 평가 회로(34-3)는 특정 신호 채널이 설정된 가이드 라인을 기능적으로 준수하는지 여부를 결정한다.
도 9는 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 수신기(900)의 전기 신호 경로의 개략적인 블록도이다. 특히, LIDAR 수신기(900)의 전기 신호 경로는 도 6에 도시된 LIDAR 수신기(600)의 전기 신호 경로와 마찬가지이다. 그러나, 이 예에서, LIDAR 수신기(900)는 안전 모드 및/또는 작동 모드 동안 신호 경로를 평가하도록 구성된다. 이 예에서, 신호 경로의 평가는 오브젝트 레벨로 수행된다.
도 9는 하나 이상의 실시예에 따른 LIDAR 수신기(900)의 전기 신호 경로의 개략적인 블록도이다. 특히, LIDAR 수신기(900)의 전기 신호 경로는 도 6에 도시된 LIDAR 수신기(600)의 전기 신호 경로와 마찬가지이다. 그러나, 이 예에서, LIDAR 수신기(900)는 신호 경로의 하나 이상의 신호 채널로 투입하기 위해 복수의 상이한 펄스 패턴 중에서 선택하도록 추가 구성된다. 도 3, 도 4, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 마찬가지로 설명된 바와 같이, 이 방식은 또한 도 7 및 도 8에 도시된 LIDAR 수신기에서 구현될 수도 있음을 이해할 것이다.
광검출기 회로(31)는 복수의 상이한 전류 펄스 패턴에 대응하는 펄스 패턴 정보를 저장하도록 구성된 메모리 디바이스(91)를 포함한다. 이것은, 예를 들어, 복수의 상이한 펄스 패턴에 대응하는 펄스 패턴 정보를 저장하는 메모리 테이블(예컨대, 룩업 테이블)을 사용함으로써 달성될 수 있다.
광검출기 회로(31)는 복수의 상이한 펄스 패턴 중 하나를 선택하고, 복수의 상이한 펄스 패턴 중 선택된 하나에 기초하여 복수의 기준 신호 중 적어도 하나를 생성하기 위해 기준 전류원(31-4)을 제어하도록 구성된 선택 소자(92)를 더 포함한다. 특히, 선택 소자(92)는 유한 상태 머신(finite state machine) 또는 제어 유닛(34-2)으로부터 구성 정보를 수신하도록 구성된 프로세서일 수 있다. 유한 상태 머신은 수신된 구성 정보에 기초하여 상태를 선택할 수 있다. 메모리 디바이스(91)는 상태 머신의 상태에 대응하는 펄스 패턴 중 하나를 선택하고, 선택된 펄스 패턴에 대응하는 펄스 패턴 정보를 선택적으로 출력하고, 이 펄스 패턴 정보를 기준 신호 생성기(31-4)에 제공하도록 구성된다. 즉, 각각의 펄스 패턴은 메모리 테이블을 통해 상태 머신의 하나 이상의 상태에 매핑될 수 있다. 결국, 기준 신호 생성기(31-4)는 메모리 디바이스(91)로부터 수신된 펄스 패턴 정보에 따라 기준 신호를 생성한다.
이 방식은 광검출기 어레이(31-1)의 출력을 모방할 뿐만 아니라 하나 이상의 신호 채널의 특성을 테스트하거나 다양한 신호 경로 구성에 대한 응답을 테스트하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 펄스 패턴은 다른 것보다 신호 경로의 특정 특성이나 조건을 테스트하는 데 더욱 적합할 수 있다. 마찬가지로, 일부 펄스 패턴은 다른 것보다 신호 경로의 특정 구성을 테스트하는 데 더욱 적합할 수 있다. 따라서, 선택 소자(92)는 제어 유닛(34-2)으로부터 수신된 구성 정보에 기초하여 특정 펄스 패턴을 선택하는 데 사용될 수 있고, 여기서, 구성 정보는 테스트 될 조건, 특성 또는 구성에 대응한다.
일 예에서, 제어 유닛(34)은 신호 경로 구성을 수정하도록 (즉, 신호 경로를 따라 하나 이상의 회로 소자의 설정을 수정하도록) 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(34)은 광검출기 어레이(31-1), 수신기 회로(32)의 TIA 및 ADC 회로(33)의 ADC의 이득 설정을 수정할 수 있다. 선택 소자(92)는 제어 유닛(34)으로부터 이득 설정과 관련된 신호 경로 구성 정보를 수신하고, 구성 정보에 기초하여 상태를 선택할 수 있다. 따라서, 선택 소자(92) 및 메모리 디바이스(91)는 전체적으로 신호 경로의 구성에 기초하여 복수의 상이한 펄스 패턴 중 하나를 선택한다.
제 1 이득 설정을 위해, 선택 소자(92)와 메모리 디바이스(91)는 복수의 상이한 전류 펄스 패턴 중 제 1 패턴을 선택하도록 구성된다. 제 2 이득 설정을 위해, 선택 소자(92)와 메모리 디바이스(91)는 복수의 상이한 전류 펄스 패턴 중 제 2 패턴을 선택하도록 구성된다. 제 1 이득 설정이 제 2 이득 설정보다 큰 경우에, 복수의 상이한 전류 펄스 패턴 중 제 1 패턴의 진폭은 복수의 상이한 전류 펄스 패턴 중 제 2 패턴의 진폭보다 작을 수 있다.
따라서, 제어 유닛(34-2)은 신호 경로를 따라 배열된 수신기 구성 요소의 임의의 기능 열화를 점검함으로써 수신기 신호 경로에 대한 안전 메커니즘을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 단일 픽셀 행 경로로부터의 신호가 점검될 수 있거나 아날로그 멀티플렉서(31-3)에서 결합된 다중 픽셀 행 경로로부터의 신호가 점검될 수 있다. 시스템 성능을 보장하기 위해, 신호 경로의 임의의 교란에 대해 펄스를 모니터링할 수 있고, 시간 경과에 따라 변화하거나 드리프트하지 않도록 각 신호 채널의 특성을 모니터링할 수 있다. 평가 회로(34-3)는 기준 신호에 기초하여 신호 채널을 초기에 특성화하여 각 채널의 예상 결과의 모델을 생성하고, 예상 결과의 모델을 메모리에 저장한 다음, 기준 신호를 다시 사용하여 예상 결과에 대한 임의의 변동을 점검할 수 있다. 예상 결과로는 이득, 그룹 지연, 신호 왜곡, 노이즈 레벨, 차단 주파수 및 기타 속성 중 하나 이상이 고려된다.
본 명세서에 기술된 실시예는 미러를 구비한 MEMS 디바이스에 관한 것이지만, 다른 구현예는 MEMS 미러 디바이스 이외의 광학 장치를 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 몇몇 양태가 장치의 맥락에서 설명되었지만, 이들 양태는 블록이나 디바이스가 방법 단계나 방법 단계의 특징에 대응하는 해당 방법에 대한 설명도 나타내는 것이 명백하다. 마찬가지로, 방법 단계의 맥락으로 설명된 양태는 대응하는 블록이나 해당 장치의 아이템 또는 특징의 기술을 나타낸다. 방법 단계 중 일부 또는 전부는, 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그래밍 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해 (또는 하드웨어 장치를 사용하여) 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 방법 단계 중 일부는 이러한 장치에 의해 수행될 수 있다.
특정한 구현예의 요구에 따르면, 본 명세서에 제공된 실시예는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 구현예는 디지털 저장 매체, 예를 들어, 플로피 디스크, DVD, 블루레이, CD, ROM, PROM, EPROM, EEPROM 또는 FLASH 메모리, 하드 디스크를 사용하여 수행될 수 있고, 여기에 전자적으로 판독 가능한 제어 신호가 저장되고, 이러한 제어 신호는 각각의 방법이 수행되는 방식으로 프로그래밍 가능한 컴퓨터 시스템과 협력하거나 협력할 수 있다. 따라서 디지털 저장 매체는 컴퓨터 판독 가능하다.
명령어는 하나 이상의 CPU(Central Processing Unit), DSP(Digital Signal Processor), 범용 마이크로프로세서, ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Logic Array) 또는 다른 동등한 통합 또는 이산 논리 회로에 의해 실행될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 용어 "프로세서"는 전술한 구조 또는 본 명세서에 기술된 기술의 구현예에 적합한 임의의 다른 구조를 지칭한다. 또한, 일부 양태에서, 본 명세서에 설명된 기능은 전용 하드웨어 및/또는 소프트웨어 모듈 내에 제공될 수 있다. 또한, 기술은 하나 이상의 회로 또는 논리 소자에서 완전히 구현될 수 있다.
전술한 예시적인 실시예는 단지 예시일 뿐이다. 본 명세서에 설명된 구성 및 상세의 변경 및 변형은 당업자에게 명백할 것으로 이해된다. 따라서, 이하의 특허 청구 범위의 범주에 의해서만 제한되고, 본 명세서의 실시예에 대한 기술 및 설명에 의해 제공된 특정 상세에 의해 제한되는 것으로 의도되는 것은 아니다.

Claims (22)

  1. 비행시간(time-of-flight) 광 검출 시스템으로서,
    복수의 신호 채널을 포함하는 신호 경로를 따라 순차적으로 배열된 복수의 회로 - 상기 복수의 회로는 제 1 회로와 상기 제 1 회로의 하류에 배열된 제 2 회로를 포함함 - 와,
    복수의 기준 신호를 생성하도록 구성된 기준 신호원 - 상기 제 1 회로에서의 상기 복수의 신호 채널의 각각은 상기 복수의 기준 신호 중 적어도 하나를 수신함 - 과,
    상기 신호 경로로부터 처리된 기준 신호를 수신하기 위해 상기 복수의 신호 채널에 커플링된 평가 회로 - 상기 평가 회로는 상기 처리된 기준 신호를 제 1 예상 결과와 비교하여 제 1 비교 결과를 생성하도록 더 구성됨 -
    를 포함하는 비행시간 광 검출 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 신호원은 전류원이고, 상기 복수의 기준 신호는 전류 기준 신호인,
    비행시간 광 검출 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 평가 회로는 상기 신호 경로로부터 복수의 처리된 기준 신호를 수신하도록 구성되고, 상기 복수의 처리된 기준 신호의 각각은 상기 복수의 기준 신호 중 적어도 하나로부터 도출되며, 상기 평가 회로는 상기 복수의 처리된 기준 신호의 각각을 복수의 예상 결과 중 적어도 하나와 비교하여 복수의 제 1 비교 결과를 생성하도록 더 구성되는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 평가 회로는 상기 신호 경로의 적어도 2개의 추출 지점으로부터 상기 복수의 처리된 기준 신호를 수신하도록 구성되는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추출 지점은 상기 제 2 회로보다 상류의 제 1 추출 지점과 상기 제 2 회로보다 하류의 제 2 추출 지점을 포함하는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 평가 회로는,
    상기 복수의 제 1 비교 결과에 기초하여 상기 복수의 신호 채널 중 적어도 하나의 특성을 평가하고, 상기 평가에 기초하여 상기 신호 경로가 정상적으로 기능하는 지 여부를 판정하도록 구성되는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 회로는 광검출기 회로이고, 상기 제 2 회로는 증폭기 회로 또는 아날로그-디지털 변환기 회로 중 하나인,
    비행시간 광 검출 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 회로는 수신된 광에 기초하여 전기 신호를 생성하도록 구성된 광검출기 어레이를 포함하고,
    상기 기준 신호원은, 상기 제 1 회로에서 상기 복수의 기준 신호 중 하나를 상기 복수의 신호 채널의 각각에 투입하도록 구성되어, 각각의 기준 신호가 처리된 결합 신호를 생성하기 위해 상기 신호 경로에서 처리되는 결합 신호를 생성하도록 적어도 하나의 상기 전기 신호와 결합되고,
    상기 평가 회로는 상기 신호 경로로부터 처리된 결합 신호를 수신하도록 구성되고, 상기 평가 회로는 상기 처리된 결합 신호를 제 2 예상 결과와 비교하여 제 2 비교 결과를 생성하도록 더 구성되는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 신호 경로로부터 상기 처리된 결합 신호를 수신하고, 상기 처리된 결합 신호로부터 상기 복수의 기준 신호를 필터링하여 상기 전기 신호를 생성하도록 구성된 필터와,
    상기 생성된 전기 신호에 기초하여 객체 데이터를 생성하도록 구성된 신호 처리 회로
    를 더 포함하는 비행시간 광 검출 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 신호 경로로부터 상기 처리된 결합 신호를 수신하고, 상기 처리된 결합 신호에 기초하여 제 1 객체 데이터를 생성하도록 구성된 신호 처리 회로와,
    상기 신호 처리 회로로부터 상기 제 1 객체 데이터를 수신하고, 상기 제 1 객체 데이터에서 상기 복수의 기준 신호에 대응하는 가상 객체 데이터를 검출하고, 상기 검출된 가상 객체 데이터를 상기 제 1 객체 데이터로부터 제거하여 제 2 객체 데이터를 생성하도록 구성된 필터
    를 더 포함하는 비행시간 광 검출 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 평가 회로는,
    상기 제 2 비교 결과에 기초하여 상기 복수의 신호 채널의 적어도 하나의 특성을 평가하고, 상기 평가에 기초하여 상기 신호 경로가 정상적으로 기능하는 지 여부를 판정하도록 구성되는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    복수의 상이한 전류 펄스 패턴에 대응하는 정보를 저장하도록 구성된 메모리 디바이스와,
    상기 복수의 상이한 전류 펄스 패턴 중 하나를 선택하고, 상기 복수의 상이한 전류 펄스 패턴 중 상기 선택된 패턴에 기초하여 상기 복수의 기준 신호 중 적어도 하나를 생성하기 위해 상기 기준 신호원을 제어하도록 구성된 선택 소자
    를 더 포함하는 비행시간 광 검출 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 신호 경로의 구성을 수정하도록 구성된 시스템 제어기를 더 포함하고,
    상기 선택 소자는 상기 신호 경로의 상기 구성에 기초하여 상기 복수의 상이한 전류 펄스 패턴 중 하나를 선택하도록 구성되는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 신호 경로의 상기 구성은, 상기 제 1 회로 또는 상기 제 2 회로 중 적어도 하나의 이득 설정이고,
    제 1 이득 설정을 위해, 상기 선택 소자는 상기 복수의 상이한 전류 펄스 패턴 중 제 1 패턴을 선택하도록 구성되고,
    제 2 이득 설정을 위해, 상기 선택 소자는 상기 복수의 상이한 전류 펄스 패턴 중 제 2 패턴을 선택하도록 구성되며,
    상기 제 1 이득 설정은 상기 제 2 이득 설정보다 크고, 상기 복수의 상이한 전류 펄스 패턴 중 상기 제 1 패턴의 진폭은 상기 복수의 상이한 전류 펄스 패턴 중 상기 제 2 패턴의 진폭보다 작은,
    비행시간 광 검출 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 회로는 상기 복수의 신호 채널에 커플링되고, 상기 복수의 기준 신호를 입력으로서 수신하고 상기 복수의 기준 신호의 각각을 상기 복수의 신호 채널 중 다른 하나에 라우팅하도록 구성된 아날로그 멀티플렉서를 포함하는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 기준 신호원 및 상기 아날로그 멀티플렉서는, 상기 복수의 신호 채널 중 인접 채널이 상이한 시간에서 상기 복수의 기준 신호 중 대응하는 기준 신호를 수신하도록 상기 복수의 기준 신호의 시간 시프트를 구현하기 위해 제어되는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    복수의 제 1 시간 간격은 복수의 제 2 시간 간격과 인터리빙되고, 상기 제 1 회로는 상기 복수의 제 1 시간 간격 동안 수신된 광에 기초하여 전기 신호를 생성하도록 구성된 광검출기 어레이를 포함하고, 상기 광검출기 어레이는 상기 복수의 제 2 시간 간격 동안 상기 신호 경로에 신호를 제공하지 않으며,
    상기 기준 신호원은 상기 복수의 제 2 시간 간격 동안 상기 제 1 회로에서 상기 복수의 기준 신호를 상기 복수의 신호 채널에 투입하도록 구성되는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    시스템 제어기를 더 포함하고,
    상기 평가 회로는 상기 제 1 비교 결과에 기초하여 비행시간 광 검출 시스템에서 결함을 검출하고, 상기 결함을 상기 시스템 제어기에 표시하도록 구성되고,
    상기 시스템 제어기는 상기 결함을 수신하고, 이에 응답하여, 상기 비행시간 광 검출 시스템을 비활성화하거나, 상기 비행시간 광 검출 시스템의 성능을 감소시키거나, 다른 객체 스캐닝 센서에 대한 LIDAR 센서의 우선 순위를 낮추는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성되는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 신호원은 상기 비행시간 광 검출 시스템의 2개의 광 획득 주기 사이에 상기 복수의 기준 신호를 투입하도록 구성되는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 신호원은 상기 비행시간 광 검출 시스템의 광 획득 기간 동안 상기 복수의 기준 신호를 투입하도록 구성되는,
    비행시간 광 검출 시스템.
  21. 비행시간 광 검출 수신기 시스템으로서,
    복수의 신호 채널을 포함하는 신호 경로를 따라 순차적으로 배열된 복수의 회로 - 상기 복수의 회로는 제 1 회로와 상기 제 1 회로의 하류에 배열된 제 2 회로를 포함함 - 와,
    복수의 기준 신호를 생성하도록 구성된 기준 신호원 - 상기 제 1 회로에서 상기 복수의 신호 채널의 각각은 상기 복수의 기준 신호 중 적어도 하나를 수신함 - 과,
    평가 회로
    를 포함하되,
    상기 제 1 회로는, 복수의 판독 소자와, 상기 복수의 신호 채널의 제 1 부분을 나타내고 상기 복수의 판독 소자에 커플링된 복수의 광검출기 판독 채널을 포함하고, 상기 복수의 판독 소자는 상기 복수의 기준 신호를 상기 복수의 광검출기 판독 채널에 선택적으로 라우팅하도록 구성되고,
    상기 제 2 회로는 상기 복수의 신호 채널의 제 2 부분을 나타내는 복수의 처리 채널을 포함하고, 상기 복수의 처리 채널은 상기 복수의 기준 신호로부터 도출된 처리된 기준 신호를 생성하고 상기 처리된 기준 신호를 상기 제 2 회로로부터 출력하도록 구성된 복수의 처리 소자를 포함하며,
    상기 평가 회로는 상기 처리된 기준 신호들 중 하나의 처리된 기준 신호를 수신하기 위해 상기 신호 경로에 커플링되고 상기 처리된 기준 신호를 제 1 예상 결과와 비교하여 제 1 비교 결과를 생성하도록 구성되는,
    비행시간 광 검출 수신기 시스템.
  22. 복수의 신호 채널을 포함하는 비행시간 광 검출 신호 경로를 따라 순차적으로 배열된 복수의 회로 - 상기 복수의 회로는 제 1 회로와 상기 제 1 회로의 하류에 배열된 제 2 회로를 포함함 - 를 포함하는 비행시간 광 검출 시스템에서, 복수의 신호 채널의 적어도 하나의 특성을 평가하는 방법으로서,
    복수의 기준 신호를 생성하는 단계와,
    상기 복수의 기준 신호가 상기 신호 경로에서 처리되도록 상기 제 1 회로에서 상기 복수의 기준 신호 중 적어도 하나를 상기 복수의 신호 채널의 각각에 투입하는 단계와,
    비교 결과를 생성하기 위해 처리된 기준 신호를 예상 결과와 비교하는 단계와,
    상기 비교 결과에 기초하여 상기 복수의 신호 채널 중 적어도 하나에 대한 적어도 하나의 특성을 평가하는 단계와,
    상기 복수의 신호 채널 중 적어도 하나에 대한 적어도 하나의 평가된 특성에 기초하여 상기 제 1 회로 또는 상기 제 2 회로 중 어느 하나에 결함이 있는지를 판정하는 단계
    를 포함하는 방법.
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