KR102444307B1

KR102444307B1 - Lidar 측정 시스템

Info

Publication number: KR102444307B1
Application number: KR1020207020425A
Authority: KR
Inventors: 랄프 베셀; 라이너 키젤
Original assignee: 이베오 오토모티브 시스템즈 게엠베하
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2022-09-19
Also published as: CN111684303A; JP2021507262A; DE102017222970A1; IL275324A; US11686822B2; EP3724681B1; IL275324B2; WO2019115151A1; EP3724681A1; CA3091048A1; CN111684303B; IL275324B1; JP7074875B2; KR20210002449A; US20210080548A1

Abstract

초점 평면 어레이 배치로 구성된, LIDAR 수신 유닛(12) 및 LIDAR 송신 유닛(14)을 구비하는 LIDAR 측정 시스템(10)으로서, LIDAR 수신 유닛(12)은 복수의 센서 소자(26)를 갖고, LIDAR 송신 유닛(14)은 복수의 이미터 소자(22)를 가지며, 복수의 센서 소자(26)는 매크로 셀(1, 2, 3, 4)을 형성하고, 매크로 셀(1, 2, 3, 4)은 단일 이미터 소자(22)와 관련되며, 2개의 인접한 이미터 소자(22) 사이의 거리(D)는 2개의 인접한 센서 소자(26) 사이의 거리(d)의 정수배와 같지 않다.
또한, 추가적인 LIDAR 측정 시스템(10) 뿐만 아니라 이러한 LIDAR 측정 시스템(10)을 위한 LIDAR 수신 유닛(12)이 설명된다.

Description

LIDAR 측정 시스템

본 발명은 LIDAR 수신 유닛을 구비하는 LIDAR 측정 시스템에 관한 것이다.

LIDAR 측정 시스템이 WO2017/081294로부터 공지되어 있다. 이 LIDAR 측정 시스템은 그 중에서도, 송신 유닛, 송신 광학계, 수신 광학계 및 수신 유닛을 갖는다. 레이저 광은 송신 유닛의 하나 이상의 이미터 소자에 의해 방출되고, 송신 광학계를 통해 상이한 공간 방향으로 산란된다. 이후, 레이저 광은 물체 상에서 반사되고 수신 광학계를 통해 수신 유닛으로 안내된다. 입사하는 반사된 레이저 광은 센서 소자에 의해 검출된다. 이 시스템의 이점은 컴팩트한 방식으로 구성될 수 있고, 고정적, 즉 이미터 소자와 센서 소자에 움직일 수 있는 조정 소자가 필요하지 않다는 것이다.

본 발명의 목적은, 이러한 LIDAR 측정 시스템, 특히 그 LIDAR 수신 유닛을 개선하여, 입사 레이저 광이 가능한 최적으로 검출될 수 있도록 하는 것에 있다.

이 목적은 청구항 1에 따른 LIDAR 측정 시스템에 의해 달성된다. 후속의 종속항은 유리한 실시예를 구성한다.

LIDAR 측정 시스템의 기본 구조는 종래 기술에 관한 서술에 따라 구성된다. LIDAR 측정 시스템은 LIDAR 송신 유닛 및 LIDAR 수신 유닛을 포함한다. 또한, LIDAR 측정 시스템 및 그 구성요소는 바람직하게는 차량에 고정적으로, 즉 부동 방식으로 배치되도록 설계된다. 이는 LIDAR 측정 시스템 및 그 구성요소가 측정 프로세스에 대하여, 예를 들어 전기 모터와 같은 어떠한 활성적인 이동성/조정 메커니즘을 갖지 않는다는 것을 의미한다.

LIDAR 수신 유닛 및/또는 LIDAR 송신 유닛은 유리하게는 초점 평면 어레이 구조(focal-plane-array configuration)로 형성된다. 각 유닛의 소자는 기본적으로 평면에, 유리하게는 칩 상에 배치된다. 각각의 유닛은, 바람직하게는 LIDAR 측정 시스템 상에서 대응하는 광학계, 송신 광학계 또는 수신 광학계의 초점에 배치된다. 특히, 센서 소자 및 이미터 소자는 수신 광학계의 초점에 배치된다. 이러한 광학계는, 예를 들어 광학 렌즈 시스템에 의해 형성될 수 있다.

LIDAR 수신 유닛은 바람직하게는 단일 광자 애벌런치 다이오드(single-photon avalanche diode; SPAD)로 구성된 복수의 센서 소자를 갖는다. LIDAR 송신 유닛은 레이저 광, 유리하게는 레이저 펄스,를 방출하기 위한 복수의 이미터 소자를 갖는다. 이미터 소자는 유리하게는 수직-공동 표면 방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser; VCSEL)로 구성된다.

LIDAR 수신 유닛과 LIDAR 송신 유닛은 유리하게는 LIDAR 측정 시스템 상에서 서로 옆에 배치된다. 여기서 서로 옆에 있다는 것은 LIDAR 수신 유닛과 LIDAR 송신 유닛의 인접한 배치, 즉 서로 위 아래로 있거나 대각선으로 인접해 있는 것을 포함한다. 센서 소자와 이미터 소자는 유리하게는 공통 평면 상에 배치된다. 따라서, 이들의 각각의 칩은 센서 소자 및 이미터 소자가 동일한 평면 상에 놓이는 방식으로 서로에 대해 유리하게 배치된다. 수직 방향으로 상응하는 오프셋을 갖는 평행 배치도 가능하다.

LIDAR 송신 유닛은 복수의 이미터 소자를 가지며, 조사된 레이저 광은 송신 광학계를 통해 상이한 입체각(solid angle)으로 조사된다. 이는 주어진 입체각이 각 이미터 소자와 관련되어 있음을 의미한다. LIDAR 수신 유닛의 센서 소자와 그 수신 광학계의 배치는 수신 광학계가 주어진 입체각을 LIDAR 수신 유닛의 주어진 표면 영역 상에 매핑하는 것과 유사하다.

다시 말해서, 이미터 광학계를 통해 원거리의 물체로 방출된 이미터 소자의 레이저 광은 항상 수신 광학계를 통해 LIDAR 수신 유닛 상의 동일한 영역에 매핑된다. 매크로 셀을 함께 형성하는 복수의 센서 소자는 바람직하게는 레이저 광이 예상되는 영역에 배치된다. 이미터 소자와 이러한 매크로 셀이 서로 할당된다.

VCSEL은 일반적으로 SPAD보다 크고 이에 따라 그 레이저 광은 복수의 센서 소자를 조사할 수 있으므로, 매크로 셀에서 복수의 센서 소자를 구성하는 것이 유리하다. 이러한 매크로 셀은, 예를 들어 물체에 반사된 후 이미터 소자가 이론적으로 또는 실질적으로 매핑할 수 있는 표면 영역을 통해 정의될 수 있다. 이 표면 영역을 이하에서는 매핑 영역이라 하고, 매핑 영역보다 작은, 레이저 광에 의해 실제로 조사되는 영역을 조사 영역이라고 한다. 입사 레이저 광은 상이한 영향, 예를 들어 송신 및 수신 광학계의 광학적 매핑 오류, 조절 불량 또는 전면 패널로 인해 편향될 수 있다. 따라서, 레이저 표면 영역은 매핑 영역 내의 영역 상에 매핑된다. 매핑 영역은 일반적으로 조사 영역보다 몇 배 더 크다.

따라서, 비록 작동 중에 단지 센서 소자의 일부만이 실제로 레이저 광에 의해 조사되지만, 센서 소자는 유리하게는 적어도 매핑 영역을 커버한다. 센서 소자는 바람직하게는 개별적으로 또는 그룹으로 활성화 및 비활성화될 수 있다. 조사되지 않은 센서 소자는 주변 복사(ambient radiation)의 검출을 감소시키기 위해 바람직하게는 비활성화된다.

일반적으로 검출된 레이저 광의 평가를 위해 전자 시스템이 LIDAR 측정 시스템 상에 구성된다. 그러나 이 전자 시스템은 여기서 더 설명되지 않는다. 예를 들어, 복수의 센서 소자, 특히 매크로 셀의 모든 센서 소자는 전자 평가 시스템의 판독 소자에 의해 판독될 수 있어서, 매크로 셀의 정의가 하드웨어 측면에서 가능하다. 예를 들어, 판독 소자는 매크로 셀의 행에 제공된다.

광학계 또는 광학 렌즈 시스템은 입사 광이 기본적으로, 잠재적인 매핑 오류를 포함하는, 인접 영역에서 동일하게 매핑되는 효과를 갖는다. 이는 입사 레이저 광이, 인접한 매크로 셀에서 그리고 정적 매핑 오류가 있는 경우, 매핑 영역 내에서 기본적으로 동일한 편향을 겪는다는 것을 의미한다. 따라서, 인접한 매크로 셀에서의 레이저 광의 편향은 상관된다.

따라서, 잠재적인 매핑 오류에 관계없이, 통계적 평균으로 인접 매크로 셀의 센서 소자를 항상 균일하게 조사할 수 있게 하는 센서 소자에 대한 구성이 제안된다. 센서 소자 및 이미터 소자는 상관 감소 배치(decorrelated arrangement)를 갖는다.

예를 들어, 4개의 이미터 소자 및 16개의 관련된 행의 센서 소자로 이루어진 구성이 사용되고, 이미터 소자 사이의 거리는 센서 소자의 행 사이의 거리의 배수에 상응한다. 센서 소자의 행의 수는 이미터 소자의 행의 수의 정수배에 해당하므로, 각 이미터 소자는 매크로 셀의 매핑 영역 내에서 동일한 지점에 매핑된다. 따라서, 4개의 모든 매크로 셀의 센서 소자는 동일한 방식으로, 즉 최적으로 또는 열악하게 조사된다.

2개의 인접한 이미터 소자 사이의 거리는 2개의 인접한 센서 소자 사이의 거리의 정수배와 같지 않다. 따라서, 상관 감소 LIDAR 측정 시스템(decorrelated LIDAR measurement system)이 제공된다. 이에 의해, 이미터 소자가 매크로 셀의 안 좋은 영역에 매핑되는 경우, 인접한 이미터 소자가 매크로 셀에서 다른 더 유리한 영역에 매핑된다는 것이 보장된다. 결과적으로, 개별 매크로 셀이 열악하게 조사되더라도, 인접 매크로 셀은 실질적으로 더욱 잘 조사되어, 통계적 평균으로 좋은 조사가 달성된다. 따라서, LIDAR 측정 시스템에 의해 좋은 검출이 보장된다. 이러한 비율은, 예를 들어 1 또는 그 이상의 차원에서 실현될 수 있다. 예를 들어, 열 방향 또는 열 방향 및 행 방향으로 실현될 수 있다.

마찬가지로, 인접 센서 소자는 이미터 소자와 센서 소자 사이의 배치 또는 상관 감소 배치에 따라 달라지는 거리를 갖는다. 인접한 센서 소자 사이의 거리는 열 방향 및 행 방향에서 상이할 수 있다. 유리하게는, 인접한 센서 소자들 사이의 거리는 모든 방향에서 동일하다. 다른 바람직한 실시예에서, 행 방향으로 인접한 센서 소자 사이의 거리는 열 방향보다 작다. 행 방향은 유리하게는 LIDAR 송신 유닛으로부터 LIDAR 수신 유닛으로 향한다.

유리한 실시예에서, 이미터 소자와 매크로 셀을 각각 행-열 배치로 이격 배치하고, 센서 소자도 마찬가지로 일종의 행-열 배치로 배치하는 것이 제안된다.

이는 기본적으로 위에서 서술한 매크로 셀 및 이미터 소자의 분할에 대응하며, 후자는 각각의 광학계를 통해 대응하는 입체각을 조사하거나 확인한다. 다시 말해서, 각각의 유닛 상의 매크로 셀 및 이미터 소자의 배치는 동일하다. 동일하거나 유사한 유형의 행-열 배치로의 센서 소자의 배치가 특히 유리하다. 가능한 유형의 행-열 배치가 아래에서 더욱 상세히 설명될 것이다.

2개의 인접한, 특히 행 방향으로 인접한, 이미터 소자 사이의 거리는 유리하게는 센서 소자의 2개의 인접한 행 사이의 거리의 정수배와 같지 않다.

마찬가지로 도입부에서 기술한 목적을 달성하는, 청구항 3에 따른 LIDAR 측정 시스템이 추가로 제안된다. 종속항은 유리한 실시예를 구성한다.

청구항 1 및 2에 관한 이전의 서술은 이 LIDAR 측정 시스템에 동일한 방식으로 적용 가능하다.

여기서, 복수의 인접 매크로 셀의 센서 소자 행의 공통 수는 관련된 이미터 소자의 정수배와 같지 않다. 이는 적어도 2개의 이미터 소자와 관련된 매크로 셀이 고려됨을 의미한다. 매크로 셀은 복수의 행으로 배치되는 복수의 센서 소자를 갖는다. 센서 소자는 유리하게는 행으로의 배치 외에 열로도 배치되며, 행마다 2개, 3개, 4개 또는 그 이상의 센서 소자가 배열된다.

이들 매크로 소자의 모든 행의 수는 여기에서 매크로 소자의 행의 정수배와 같지 않다. 이러한 배치에 의해, 상응하는 동일한 반복, 즉 전술한 바와 같이, 2개의 인접한 이미터 소자를 관련된 매크로 셀에서 그 센서 소자로 동일한 열악한 위치에 매핑하는 것을 피할 수 있다. 예를 들어, 매크로 셀에 4개의 이미터 소자가 사용되는 반면, 매크로 셀의 센서 소자의 행의 수는 18이다. 이러한 방식으로, 이론적으로 완벽한 매핑이 가정되거나 광학계가 공간적으로 인접한 매크로 셀에 동일한 광학적 오류를 갖고 매핑하는 경우, 이미터 소자의 매크로 셀로의 매핑은 네 번째의 매크로 셀과 동일한 방식으로 반복된다. 하나의 이미터 소자가 매크로 셀의 안 좋은 지점에 매핑하면, 적어도 다른 3개의 이미터 소자는 다른 더 나은 지점에 매핑한다.

청구항 4에 따른 LIDAR 측정 시스템이 추가로 제안된다. 종속항은 LIDAR 측정 시스템의 유리한 실시예를 나타낸다.

청구항 1, 2 및 3에 관한 이전의 서술은 동일한 방식으로 이 LIDAR 측정 시스템에 적용 가능하다. 따라서, 서로 다른 LIDAR 측정 시스템은 기술 및 특징과 관련된 많은 중첩을 보인다.

N개 행의 이미터 소자와 관련된 N개의 매크로 셀이 존재하는 경우, N개의 매크로 셀의 센서 소자의 행의 수는 (m N)+k로 결정되고, 여기서 m은 정수이며, k는 1과 N-1 사이의 정수이다. 숫자 m과 숫자 k는 자유롭게 선택될 수 있다.

LIDAR 측정 시스템의 유리한 실시예가 다음에 설명된다.

예를 들어, 센서 소자의 하나 이상의 빈 행의 형태에서 거리는, 특히 유리하게는 2개의 매크로 셀 사이에 형성될 수 있다. 이는, 행으로 배치되는 경우 또는 전술한 변형예에 따라 배치되는 경우, 필요에 따라 계산되거나 계산되지 않을 수 있다. 대응하는 빈 행은 센서 소자가 있는 행보다 넓거나 좁을 수 있다. 이는 빈 행의 폭이 2개의 인접한 센서 소자 사이의 거리보다 크거나 작게 구성될 수 있음을 의미한다.

홀수 번째의 인접 센서 소자는 오프셋을 가지며, 짝수 번째의 인접 센서 소자는 오프셋을 갖지 않는 것이 추가로 제안된다.

소자, 즉 센서 소자 또는 이미터 소자는 첫 번째의 이웃인, 직접 이웃을 갖는다. 이 이웃 다음에 오는 소자는 두 번째의 이웃에 대응하며, 이후의 소자는 세 번째의 이웃 등에 대응한다. 여기서 이웃은 유리하게는 행 단위 인접성 또는 열 단위 인접성과 관련된다. 다시 말해서, 이는 센서 소자가 이웃과 관련하여 오프셋을 가지며, 오프셋이 그 다음의 센서 소자와 관련하여 취소됨을 의미한다. 행 방향으로 인접한 소자는 유리하게는 열 방향으로 오프셋되고, 열 방향으로 인접한 소자는 유리하게는 행 방향으로 서로에 대해 오프셋된다.

다른 변형예에서, 오프셋은 행 단위 또는 열 단위로 추가된다. 또한, 오프셋 값은 행마다 또는 열마다 달라질 수 있다. 따라서, 행 및 열의 형태는 직사각형 패턴 뿐만 아니라, 예를 들어, 다이아몬드 형상 또는 육각형 형상과 같은 다른 패턴 형상도 허용한다.

열 방향으로 인접한 센서 소자는 유리하게는 행 방향을 가리키는 오프셋을 갖는다.

행 방향으로 인접한 센서 소자는 특히 유리하게는 열 방향으로 오프셋을 갖는다.

직교 방향으로 인접한 센서 소자의 이러한 오프셋에 의해, 칩 상에서 개선된 커버링이 달성된다. 특히, 육각형 형상의 센서 소자에 의해 칩 표면 영역 당 특히 높은 검출기 표면 영역이 달성된다.

바람직한 오프셋 값은 예를 들어, 센서 소자 사이의 거리의 1/3 또는 1/2이다.

유리한 실시예에서, 센서 소자는 원형, 정사각형 또는 육각형으로 구성된다.

센서 소자의 원형 및 정사각형 설계는 특히 SPAD의 제조 관점에서 유리하다. 대조적으로, 육각형 센서 소자를 사용함으로써 비교적 넓은 검출기 표면 영역이 달성된다. 센서 소자, 특히 SPAD는 유리하게는 모서리가 라운드진다.

LIDAR 송신 유닛의 이미터 소자의 열 및 LIDAR 수신 유닛의 센서 소자의 열은 서로에 대해 각도(α)를 갖거나 서로 평행하게 구성되는 것이 특히 유리하다.

평행 배치의 경우, 센서 소자 사이의 거리를 통해 이미터 소자와 센서 소자를 서로 상관 감소시키는 것이 이미 가능하다. 열 또는 행의 각도 α로의 회전은 추가적인 상관 감소 요소의 도입을 가능하게 한다. 대안적으로, 각도는 센서 소자 및 이미터 소자의 행에 기초하여 설정될 수도 있다.

여기서 각도(α)는 유닛의 초점 평면 어레이에 수직인 표면을 중심으로 회전한다. LIDAR 송신 유닛과 LIDAR 수신 유닛의 초점 평면 어레이의 평면은 유리하게는 결과적으로 서로를 향해 경사져 있지 않다. 따라서, 이미터 소자와 센서 소자는 동일한 평면 또는 서로 평행한 두 평면에 계속 놓인다.

각도(α)는 0°와 45° 사이, 가장 바람직하게는 2°와 10° 사이이다.

이 범위에서 센서 소자의 최적 조명을 제공하기 위한 특히 유리한 상관 감소가 가능하다.

청구항 10에 따른 LIDAR 수신 유닛이 추가로 제안되며, 본 수신 유닛은 이전 실시예들 중 적어도 하나에 따른 LIDAR 측정 시스템 또는 청구항 1 내지 9에 따른 LIDAR 측정 시스템에 적합하다.

LIDAR 수신 유닛에 관한 이전 및 이후의 서술은 본 LIDAR 수신 유닛에 대하여 적용된다.

이하에서, LIDAR 측정 시스템 및 LIDAR 수신 유닛을, 예시를 위한 몇몇 도면의 도움을 받아 추가로 설명한다.
도 1은 LIDAR 측정 시스템의 개략도이다.
도 2는 LIDAR 수신 유닛 및 LIDAR 송신 유닛의 단면도이다.
도 3은 상관 LIDAR 측정 시스템으로 상이한 매핑 가능성을 나타낸다.
도 4는 상관 감소 LIDAR 측정 시스템의 제1 변형예를 나타낸다.
도 5는 상관 감소 LIDAR 측정 시스템의 제2 변형예를 나타낸다.
도 6은 도 5에 따른 상관 감소 LIDAR 측정 시스템의 매핑 가능성을 나타낸다.
도 7은 상관 감소 LIDAR 측정 시스템의 제3 변형예를 나타낸다.
도 8은 상관 감소 LIDAR 측정 시스템의 제4 변형예를 나타낸다.

도 1에서, LIDAR 수신 유닛(12) 및 LIDAR 송신 유닛(14)을 구비한 LIDAR 측정 시스템(10)이 도시된다. LIDAR 측정 시스템(10)은 수신 광학계(16) 및 송신 광학계(18)를 추가적으로 포함한다. 이 LIDAR 측정 시스템(10)은 주변 환경을 모니터링하고, 그 과정에서, 차량에 대한 물체(20)의 거리 및 움직임을 결정하기 위해 차량에 고정적으로 장착되도록 설계된다. 이러한 측정 시스템은 예를 들어, 자율 주행에 사용될 수 있다. 작동 원리는 다음과 같다.

LIDAR 송신 유닛(14)은 이미터 소자(22)를 가지며, 이 이미터 소자(22)는 광 펄스 형태로 레이저 광을 방출한다. 이 이미터 소자(22)는 예를 들어 하나 이상의 수직-공동 표면 방출 레이저(VCSEL)에 의해 형성될 수 있다. 이미터 소자(22)에 의해 방출된 펄스(24)는 송신 광학계(18)를 통과하고, 물체(20) 상에서 반사되어 수신 광학계(16)를 통해 복수의 센서 소자(26) 중 하나로 안내된다. 이러한 센서 소자는 예를 들어 SPAD라고 일컬어지는 단일 광자 애벌런치 다이오드에 의해 형성된다.

도 1에는 간이한 표현을 위해, 펄스(24)의 경로를 보여주는 단 하나의 빔(25)만이 도시된다. 광학계(16, 18), 복수의 이미터 소자(22) 및 센서 소자(26)를 통해, 측정 시스템(10)으로 물체에 대해 공간이 스캔 될 수 있다. 주어진 입체각은 궁극적으로 대응 광학계(16, 18)에 의해 각각의 이미터 소자(22) 및 각각의 센서 소자(26)에 할당된다. 센서 소자(26)에 의해 검출된 광 펄스(24)는 판독 소자(28)에 의해 판독되고, 평가 유닛(30), 그 중에서도 메모리 소자를 갖는 평가 유닛(30)으로 전달된다. TOF라고도 일컬어지는 비행 시간 원리(time-of-flight principle)가 차량으로부터 물체(20)의 거리를 결정하기 위해 여기서 사용된다. 방출된 펄스는 수신 유닛(12)에 도달할 때까지 경과한 시간과 상관되며, 이로부터 광 펄스(24)의 경로가 결정될 수 있다. 실행중인 프로세스에 상응하는 조정은 제어 유닛(32)에 의해 실현된다. 이 실시예에서의 판독 소자는 히스토그램을 모델링하는 메모리 소자를 채우는 시간-디지털 변환기(time-to-digital converter; TDC)에 의해 형성된다. 그러나 이러한 설명은 매우 기본적이며, 일반적인 원리를 설명하기 위해서만 쓰였다. 이 실시예가 측정 시스템의 전자 구조(electronic structure)를 한정하는 것은 아니다. 본 명세서의 틀이 과도하게 확장하는 것을 피하기 위해, 각각의 전자 구성요소와 그들의 정밀한 구조 사이의 모든 상호 작용이 도시되고 설명될 수 있는 것은 아니다. LIDAR 측정 시스템은 대응하는 데이터가 전송될 수 있는 연결부(34)를 통해 차량의 추가 구성요소에 연결된다.

도 2는 LIDAR 수신 유닛(12) 및 LIDAR 송신 유닛(14)의 관련된 섹션의 평단면도를 나타낸다. 도시된 이미터 소자(22)는 이에 따라 수신 유닛(12)의 도시된 섹션 상에 매핑된다.

이 도시에서, 수신 유닛은 4개의 이미터 소자(22)와 관련된 4개의 매크로 셀(1,2,3,4)을 갖는다. 수신 유닛(12) 상으로의 각각의 이미터 소자(22)의 실제 매핑은 원(36)으로 도시된다. 후자는 도 2에서 수신 유닛(12)상으로의 이미터 소자(22)의 이론적 매핑 위치를 나타내며, 이 목적을 위해 레이저 광(36)이 무한대 또는 최대 검출 범위에서 물체에 반사되어 수신 유닛(12)에 충돌하는 것으로 가정된다. 도시에서 원(36)은 음영 처리되어 있다.

복수의 센서 소자(26)는 각각의 이미터 소자(22)와 관련되며, 명확한 표현을 보장하기 위해, 센서 소자(26)의 일부에만 참조 부호가 제공된다. 이미터 소자(22)는 센서 소자(26)보다 크므로, 레이저 광(36)은 복수의 센서 소자(26)를 조사하거나 조사할 수 있다.

예를 들어, 광학적 효과 또는 노화 효과와 같은 다른 효과로 인한 입사 레이저 광의 가능한 편차는 원(38)으로 표시되며, 그 안에서 입사 레이저 광(36)이 움직일 수 있다. 센서 소자(26)는 개별적으로 활성화될 수 있고 이에 따라 개별적으로 비활성화될 수 있어, 주변 복사의 검출을 감소시키기 위해 조사되지 않은 센서 소자(26)가 비활성화된다.

센서 소자는 매크로 셀(1,2,3,4)로 결합되며, 매크로 셀(1,2,3,4)과 이미터 소자(22)는 서로 관련된다. 이 관련성은 도 2에서 각 센서 소자(26)를 대응하는 매크로 셀(1,2,3,4)의 숫자로 표시함으로써 도시된다. 따라서, 이미터 소자(22)는 각각의 매크로 셀(1, 2, 3, 4)의 센서 소자(22) 상에만 매핑된다. 매크로 셀(1)을 구성하는 숫자 1로 표시된 센서 소자(26)는 최상단의 이미터 소자(22)와 관련되고, 매크로 셀(2)의 센서 소자는 아래의 이미터 소자(22)와 관련되는 식이다.

센서 소자는 육각형 형상을 가진다. 그 모서리는 유리하게는 라운드진다. 매크로 셀, 이미터 소자 및 센서 소자의 배치는 행-열 형태로 구성된다. 이미터 소자와 매크로 셀의 열은 대문자 로마 숫자로 표시되고, 행은 대문자 라틴 문자로 표시된다. 센서 소자의 열은 소문자 로마 숫자로 표시되고, 센서 소자의 행은 소문자 라틴 문자로 표시된다.

열을 따라 인접한 센서 소자는 행 방향으로 향하는 오프셋을 가지므로, 육각형 형상이 달성된다. 첫 번째 및 추가 홀수 번째의 인접 센서 소자는 여기서 행 방향으로 오프셋을 갖는 반면, 두 번째 및 짝수 번째의 인접 센서 소자는 행 방향으로 서로에 대해 오프셋을 갖지 않는다.

도 3은 상관 LIDAR 측정 시스템(correlated LIDAR measuring system)에 대한 복수의 매핑 변형예를 나타낸다. 이 LIDAR 측정 시스템은 예를 들어, 이미터 소자 또는 매크로 셀 당 4개의 행의 센서 소자(26)를 포함한다. 이미터 소자(22)의 입사 레이저 광도 여기서 원(36)으로 도시된다. 센서 소자(26)는 개별적으로 비활성화될 뿐만 아니라 활성화될 수 있고, 활성 센서 소자(26)만이 측정값을 전자 평가 시스템으로 전송한다.

검출 표면 영역의 단지 작은 부분이 조사되는 센서 소자(26)는, 이미터 소자(22)에 의해 활성적으로 보내진 측정 가능한 레이저 광에 관하여 검출된 주변 복사가 불균형적으로 크게 증가하는 것을 야기한다. 활성 센서 소자(26)는 음영으로 표시되고, 비활성 센서 소자(26)는 육각형 윤곽으로 도시된다.

LIDAR 측정 시스템(10)의 상관 관계는 도 3에서 명확하게 볼 수 있다. 매크로 셀(1)과 매크로 셀(2)의 입사 레이저 광(36)의 비교는 상기 광이 매크로 셀 상의 센서 소자(26)에 동일한 방식으로 매핑됨을 드러낸다. 이는 LIDAR 송신 유닛(14)을 LIDAR 수신 유닛(12)에 매핑하는 이론적인 위치를 나타내는 도 3a, 입사 레이저 광(24)의 가능한 최악의 편향을 도시하는 도 3b, 그리고 입사 레이저 광에 대한 가능한 최상의 편향을 나타내는 도 3c에 대하여 유효하다.

도 3a에서, 2개의 센서 소자(26)가 거의 완전히 조사된다. 일반적으로, 센서 소자는 50%를 넘는 표면 영역이 조사될 때 활성화할 가치가 있다. 따라서, 도 3a에서 오직 작은 부분만이 조사되는 센서 소자(26)는 비활성화된다. 최악의 시나리오인 도 3b에서, 6개의 센서 소자가 레이저 광(24)에 의해 타격되지만, 오직 하나의 센서 소자(26)만이 충분히 조사된다. 도 1의 조사와 비교하여, 배경 잡음에 대한 측정 신호의 비는 불리하게 감소된다. 더욱이, 오직 작은 부분만이 조사되는 추가 5개의 센서 소자(26)의 활성화는 잡음 배경에 대한 측정 신호의 저하를 야기할 것이다.

레이저 광(24)의 가능한 최상의 이동이 도 3c에 도시되어 있으며, 여기서 3개의 센서 소자(26)가 충분히, 즉 50%를 넘는 표면 영역으로 조사된다. 도 3a 내지 도 3c는, 예를 들어 광학적 매핑 오류에 의해 야기되는 레이저 광(36)의 상응하는 편향을 나타낸다.

기술된 상관된 LIDAR 측정 시스템에서, 상응하는 편향은 검출 능력의 현저한 저하 또는 현저한 개선을 초래한다. 이 문제는 제조 공정에서의 분산의 관점에서 그리고 경제적인 이유에서도 피해야 한다.

이러한 균일한 이동의 이유는, 그 중에서도, 광학계, 즉 수신 광학계(16) 및 송신 광학계(18)에서, 일반적인 생산 부정확이 발생할 수 있기 때문이며, 이는 방출 또는 입사 레이저 광의 약간의 편향을 야기한다. 이러한 매핑 오류는 광학계의 특정 영역에 대해 실질적으로 동일하거나 적어도 특정 영역에 대해 상관된다. 센서 소자 상호 간 거리가 작기 때문에, 서로 가까이 있는 센서 소자에 대한 광학적 매핑 오류가 서로 상관된다. 이는 광학적 매핑 오류로 인한 이동이, 인접한 매크로 셀에 대해 기본적으로 동일한 방식으로 레이저 광(36)이 이동한다는 것을 의미한다. 상관 LIDAR 측정 시스템에서 매크로 셀의 안 좋은 영역이 타격된다면, 이는 이 영역의 모든 매크로 셀에 대해 좋지 않다. 이러한 영향은 다음의 상관 감소 LIDAR 측정 시스템의 실현에 의해 회피될 수 있다.

도 4에 상관 감소 LIDAR 측정 시스템(10)이 도시된다. 4개의 이미터 소자(22)와 관련된 4개의 매크로 셀(1,2,3,4)을 구비하는 LIDAR 수신 유닛(12)은 여기에서도 LIDAR 측정 시스템(10)에 대한 단면으로만 나타낸다. 이미터 소자(22)를 대표하여 레이저 광(36)이 도시되고, 뿐만 아니라 레이저 광(36)의 가능한 경계 영역을 나타내는 원(38)도 도시된다.

또한, 도 4a는 무한대 또는 최대 검출 범위에서 물체에 대한 레이저 광(36)의 반사 후, LIDAR 수신 유닛으로의 이론적 매핑을 나타낸다. 도 4b는 레이저 광(36)의 LIDAR 수신 유닛으로의 가능한 최상의 매핑을 나타내고, 도 4c는 가능한 최악의 변형예를 나타낸다. 표는 또한 각각의 도면과 관련되며, 이 표는 개별 매크로 셀(1, 2, 3, 4) 및 그들의 센서 소자(26)의 대응하는 조사를 보여준다.

센서 소자(26)의 조사는 도 4a, 도 4b 및 도 4c 아래의 표에 각각 수치로 나타낸다. 이 수치들은 레이저 광에 의해 조사되는 센서 소자(26)의 표면 영역의 비율에 대응한다. 값 1은 전체 표면 영역의 조사에 대응하고, 0.5는 50%의 표면 영역의 조사, 0은 0%의 표면 영역 조사에 대응한다. 상기 언급한 바와 같이, 레이저 광에 의해 50%를 넘는 표면 영역이 조사되는 센서 소자(26)만이 활성화된다.

또한 이 도시에서, 활성 센서 소자(26)는 음영 처리되며, 활성 센서 소자(26)의 조사된 표면 영역은 각각의 매크로 셀(1,2,3,4)에 함께 추가된다. 도 4에서, 인접한 매크로 셀(1, 2, 3, 4)의 원(38) 내의 센서 소자(26)의 배치는 다양하다. 레이저 광(36)의 편향은 상이한 매크로 셀(1,2,3,4)에 대해 상이한 효과를 갖는다. 이는 레이저 광(36)이 인접한 매크로 셀(1,2,3,4)에서 센서 소자(26)의 2개의 상이한 배치 변형예를 타격하는 도 4a에서 인식될 수 있다. 센서 소자(26)의 배치는 매 두 번째의 매크로 셀(1,2,3,4)마다 반복된다. 홀수 번째 매크로 셀(1, 3) 및 짝수 번째 매크로 셀(2, 4)은 각각 동일한 조사 패턴을 갖는다.

특히, 도 4a에 따른 기준 위치에서 매크로 셀(1,2,3,4) 당 2개의 센서 소자(26)가 각각 완전히 조사되어, 전체 조사가 8.0이 된다. 레이저 광(36)의 가능한 최상의 이동을 도시한 도 4b에서, 매크로 셀마다 각각 3개의 센서 소자가 활성화되어, 전체 조사가 11.4가 된다. 도 4c에는, 이미터 소자(22)에 의한 조사에 대한 가능한 최악의 위치가 도시되어 있다. 매크로 셀(1) 및 매크로 셀(3)에서 3개의 센서 소자(26)는 각각 거의 전체가 조사되는 반면, 매크로 셀(2, 4)에서는 단지 하나의 센서 소자(26)만 활성화되고 조사된다. 그러나 그럼에도 불구하고 전체 조사는 7.9로, 이론적 매핑보다 단지 0.1 낮다. 상관 감소에 의해, 레이저 광(36)의 편향이 발생하는 경우에도 충분한 조사가 항상 보장된다.

도 4에 도시된 실시예의 상관 감소는 4개의 매크로 셀 및 4개의 이미터 소자가 할당된 19개 행의 센서 소자를 사용함으로써 달성된다. 숫자 19는 숫자 4의 배수가 아니다. 센서 소자(26)의 행의 수는 이미터 소자의 관련된 행의 수의 배수와 같지 않다. 마찬가지로, 인접한 이미터 소자(22) 사이의 거리(D)는 센서 소자(26)의 2개의 행 사이의 거리(d)의 정수배가 아니다. 거리(d) 및 거리(D)는 도 4a에 도시된다. 일반적인 설명에서 상기 서술에 따른 공식의 변수는 N=4, M=4 및 K=3이다.

도 5 및 도 6에 따른 추가 변형예에서, 17개 행의 센서 소자(26)는 4개 행의 이미터 소자(22)와 관련되도록 배치된다. 도 5는 LIDAR 송신 유닛(14)의 단면과 LIDAR 수신 유닛(12)의 대응 단면을 병렬로 나타낸다. 이미터 소자(22)에 대한 매크로 셀(1, 2, 3, 4)의 할당이 여기에서도 명확하게 도시된다.

도 4에 따른 실시예에서 더 발전하여, 각각의 이미터 소자는 여기에서 상이한 배치의 센서 소자에 매핑된다. 이러한 배치는 예를 들어, 매 네 번째의 매크로 셀마다 반복된다.

도 6a, 도 6b 및 도 6c에서, 3개의 매핑 변형예가 다시 도시된다. 각각의 매크로 셀(1, 2, 3, 4) 및 이들의 활성 센서 소자(26)의 조사에 관한 상이한 수치가 상이한 조명 패턴으로 다시 보여진다.

각 매크로 셀(1,2,3,4)은 자체 조사 강도(illumination intensity)를 겪는다. 이론적으로, 가능한 최악 및 최상의 입사 레이저 광의 경우, 전체 조사 강도의 변형은 8.9와 9.2 사이이다. 광학적 매핑 오류의 결과로서, 레이저 광의 편향에 상관없이 4개의 매크로 셀 그룹의 조사는 실질적으로 변경되지 않은 조사 강도로 이어진다.

상관 감소에 의해, LIDAR 측정 시스템(10)은 사용된 광학계의 잠재적인 매핑 오류와 무관하게 된다. 동일한 기능을 유지하면서 저렴한 광학계를 사용함으로써 제조 비용을 절감할 수 있다.

따라서, 입체각은 항상 충분히 조사되어, 물체의 신뢰성 있는 검출이 달성된다. 도 6에 따르면, 최적의 조사 및 검출을 구현하기 위해 51개의 센서 소자(26)가 이용 가능하다. 이미터 소자의 이론적 매핑 영역 밖에 있는 센서 소자(26)는 예를 들어 생산 중에 생략될 수 있다. 그러나 제조 공정의 결과로서, 단순하게 동시에 제조하는 것이 유리하다. 대안적으로, 이 SPAD는 후방 반사 효과가 발생할 수 있는 근거리에서 활성화되는 애퍼처(aperture) SPAD로 사용될 수도 있다. 이러한 후방 반사는 예를 들어, 방출된 레이저 광을 부분적으로 반사시키는 전면 패널을 통해 트리거될 수 있다. 애퍼처 SPAD는 이 반사에 의해 트리거되는 것을 피하거나 이러한 트리거링의 가능성을 낮게 유지하기 위해, 그에 따라 예를 들어 코팅에 의해 조정된다.

도 7은 육각형 센서 소자 대신에 실질적으로 정사각형 센서 소자를 사용하는 다른 실시예를 나타낸다. 이 정사각형 센서 소자는 라운드 모서리를 갖는다.

이 실시예에서, 3개의 열(i, ⅱ, ⅲ) 및 13개의 행은 이미터 소자(22)의 4개의 행을 가로질러 형성된다. 또한, 이 비율은 이미터 소자(22)의 수 또는 행의 수의 정수배와 같지 않다. 이미터 소자 사이의 거리(D)는 센서 소자 사이의 거리(d)의 정수배가 아니다.

거리는 일반적으로 소자의 한 지점에서 인접한 소자의 동일한 지점까지의 거리를 통해 정의된다. 이 지점은 예를 들어, 소자의 중심 또는 가장자리일 수 있다.

LIDAR 수신 유닛(12)의 센서 소자(26)의 행(a)에서, 행 방향으로 인접한 센서 소자(22)에 대해 상응하는 열의 오프셋이 도시된다. 열(ⅱ)은 약 50% 아래쪽으로, 즉 열 방향으로 또는 행 방향을 가로질러 이동된다. 이어지는 열(ⅲ)의 인접 센서 소자(26)는 열(i)에 대해 이동되지 않는다.

짝수 번째의 행 방향으로 인접한 센서 소자는 서로에 대해 이동되지 않고, 홀수 번째의 행 방향으로 인접한 센서 소자들은 열 방향으로 서로에 대해 이동된다. 조사 구조는 또한 각각의 매크로 셀에 대한 이 상관 감소 LIDAR 측정 시스템(10)에서도 상이하다.

도 8에서는, 육각형 패턴의 추가 변형예를 나타낸다. 이는 기본적으로 위에서 설명한 도 4 또는 도 5 및 도 6에 따른 육각형 변형예에 대응한다. 15개 행의 센서 소자(26)가 센서 유닛 세그먼트상의 4개의 이미터 소자(22)에 할당된다. 센서 소자는 육각형 배치에서 각도(α)로 회전된다. 초점 평면 어레이의 표면 영역에 수직을 기준으로 회전이 일어난다. 이 각도(α)는, 예를 들어 6.9°로 선택된다. 그러나 0°와 45° 사이의 각도도 가능하고, 각도(α)는 바람직하게는 2°와 10° 사이에 있다. 특히, 매크로 셀(1, 2, 3, 4) 또는 센서 소자(26)의 열 방향(sr)은 이미터 소자(22)의 열 방향(SR)에 대해 각도(α)를 갖는다.

상기 설명은 예시적으로 송신 유닛 및 후자의 우측에 배치되는 수신 유닛을 갖는 측정 시스템에 기초하여 이루어졌다. 서로 위 아래에 또는 서로에 대해 대각선으로 배치하는 것도 따라서 여기에 포함되며, 별도의 설명이 필요하지 않다. 하나 또는 두 유닛의 회전도 전술한 설명에 의해 포함된다. 후자는 유닛의 칩의 회전일 수도 있다.

1,2,3,4: 매크로 셀
10: LIDAR 측정 시스템
12: LIDAR 수신 유닛
14: LIDAR 송신 유닛
16: 수신 광학계
18: 송신 광학계
20: 물체
22: 이미터 소자, VCSEL
24: 레이저 광, 펄스
25: 빔
26: 센서 소자
28: 판독 유닛
30: 평가 유닛
32: 제어 유닛
34: 연결부
36: 원, 레이저 광
38: 원, 입사 레이저 광의 경계
Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ: 매크로 셀, 이미터 소자 열
i, ⅱ, ⅲ: 센서 소자 열
A, B, C: 매크로 셀, 이미터 소자 행
a, b, c: 센서 소자 행
d: 거리
D: 거리
α: 각도
sr: 매크로 셀, 센서 소자 열 방향
SR: 이미터 소자 열 방향

Claims

초점 평면 어레이 배치로 구성된, LIDAR 수신 유닛(12) 및 LIDAR 송신 유닛(14)을 구비하는 LIDAR 측정 시스템(10)으로서,
상기 LIDAR 수신 유닛(12)은 복수의 센서 소자(26)를 갖고,
상기 LIDAR 송신 유닛(14)은 복수의 이미터 소자(22)를 가지며,
복수의 센서 소자(26)가 매크로 셀(1,2,3,4)을 형성하고, 상기 매크로 셀(1,2,3,4)은 단일 이미터 소자(22)와 관련되고,
행 방향으로 인접한 2개의 이미터 소자(22) 사이의 거리(D)는 행 방향으로 인접한 2개의 센서 소자(26) 사이의 거리(d)의 정수배와 같지 않은 것을 특징으로 하는,
LIDAR 측정 시스템(10).
제1항에 있어서,
상기 이미터 소자(22)와 상기 매크로 셀(1,2,3,4)은 각각 일종의 행-열 배치로 이격 배치되고,
상기 센서 소자(26)도 마찬가지로 일종의 행-열 배치로 배치되는 것을 특징으로 하는,
LIDAR 측정 시스템(10).
제1항에 있어서,
상기 이미터 소자(22)와 상기 매크로 셀(1,2,3,4)은 각각 일종의 행-열 배치로 이격 배치되고,
상기 센서 소자(26)도 마찬가지로 일종의 행-열 배치로 배치되며,
복수의 인접한 매크로 셀(1,2,3,4)의 센서 소자(26)의 행의 공통 수는 상기 관련된 이미터 소자(22)의 정수배와 같지 않은 것을 특징으로 하는,
LIDAR 측정 시스템(10).
제3항에 있어서,
N개 행의 이미터 소자(22) 및 상기 관련된 N개의 매크로 셀(1, 2, 3, 4)이 있는 경우, 상기 N개의 매크로 셀(1,2,3,4)의 센서 소자(26)의 행의 수는 (m·N)+k로 결정되며, 여기서 m은 정수이고, k는 1과 N-1 사이의 정수인 것을 특징으로 하는,
LIDAR 측정 시스템(10).
제1항에 있어서,
홀수 번째의 인접 센서 소자(26)는 오프셋을 갖고, 짝수 번째의 인접 센서 소자(26)는 오프셋을 갖지 않는 것을 특징으로 하는
LIDAR 측정 시스템(10).
제1항에 있어서,
열 방향으로 인접한 센서 소자(26)는 행 방향 오프셋을 갖는 것을 특징으로 하는,
LIDAR 측정 시스템(10).
제1항에 있어서,
행 방향으로 인접한 센서 소자(26)는 열 방향을 향하는 오프셋을 갖는 것을 특징으로 하는,
LIDAR 측정 시스템(10).
제1항에 있어서,
상기 LIDAR 송신 유닛(14)의 이미터 소자(22)의 열 및 상기 LIDAR 측정 유닛(12)의 센서 소자(26)의 열은 서로 평행하거나 서로에 대해 각도(α)를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
LIDAR 측정 시스템(10).
제8항에 있어서,
상기 각도(α)는 0°와 45° 사이인 것을 특징으로 하는,
LIDAR 측정 시스템 (10).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 LIDAR 측정 시스템(10)에 적합한 LIDAR 수신 유닛(12).