KR102469158B1 - 애퍼쳐를 사용하는 광 검출을 위한 도파관 확산기들의 어레이 - Google Patents

애퍼쳐를 사용하는 광 검출을 위한 도파관 확산기들의 어레이 Download PDF

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Abstract

본 개시내용은 애퍼쳐를 사용하는 광 검출기들 상에서의 잡음의 제한에 관한 것이다. 일 예시적인 구현은 시스템을 포함한다. 시스템은, 장면으로부터의 광을 초점면을 향해 포커싱하는 렌즈를 포함한다. 시스템은 또한, 불투명 물질 내에 정의된 애퍼쳐를 포함한다. 시스템은 또한 복수의 도파관들을 포함한다. 복수의 도파관들 중 주어진 도파관은 애퍼쳐를 통해 투과되는 광의 부분을 수신하는 입력단을 갖고, 수신된 부분을 주어진 도파관의 출력단을 향해 안내한다. 출력단에서의 안내된 부분의 단면적은 입력단에서의 수신된 부분의 단면적보다 크다. 시스템은 또한, 출력단을 통해 송신되는 안내된 광을 검출하는 광 검출기들의 어레이를 포함한다.

Description

애퍼쳐를 사용하는 광 검출을 위한 도파관 확산기들의 어레이
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 2016년 12월 1일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/366,746호를 우선권으로 주장하며, 이 출원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
본원에서 달리 표시되지 않는 한, 본 항목에서 설명되는 내용들이 본 출원의 청구항들에 대한 종래 기술은 아니며, 본 항목에 포함되어 있다고 종래 기술인 것으로 인정되는 것은 아니다.
포토다이오드들, 단일 광자 애벌란시 다이오드(SPAD; single photon avalanche diode)들, 또는 다른 유형들의 애벌란시 포토다이오드(APD)들과 같은 광 검출기들은 자신의 표면들 상에 전해지는 광을 (예컨대, 광의 강도에 대응하는, 전압 또는 전류와 같은 전기 신호를 출력함으로써) 검출하는 데 사용될 수 있다. 많은 유형들의 그러한 디바이스들은 규소와 같은 반도체 물질들로 제조된다. 실질적인 기하학적 구조 영역에 걸쳐 광을 검출하기 위해, 병렬로 연결된 어레이들로 다수의 광 검출기들이 배열될 수 있다. 이러한 어레이들은 때때로 규소 광전자 증배관(SiPM; silicon photomultiplier)들 또는 다중 픽셀 광자 계수기(MPPC)들로 지칭된다.
위의 배열들 중 일부는 비교적 낮은 강도들의 광에 민감하고, 그에 의해 배열들의 검출 품질들이 향상된다. 그러나, 이는, 위의 배열들이 또한 불리한 배경 효과들에 불균형하게 취약하게 되는 것을 유발할 수 있다(예컨대, 외부 소스들로부터의 외부에서 비롯된 광이 광 검출기들에 의한 측정에 영향을 줄 수 있음).
일 예에서, 시스템은, 장면에 대해 배치되고 장면으로부터의 광을 렌즈의 초점면을 향해 포커싱하도록 구성되는 렌즈를 포함한다. 시스템은 또한, 렌즈의 초점면에 평행하게 배치된 불투명 물질 내에 정의된 애퍼쳐를 포함한다. 시스템은 또한, 주어진 도파관을 포함하는 복수의 도파관들을 포함한다. 주어진 도파관은 애퍼쳐를 통해 투과되는 광의 부분을 수신하는 입력단을 갖는다. 주어진 도파관은, 주어진 도파관의 출력단을 통한 송신을 위해 광의 수신된 부분을 안내한다. 출력단에서의 안내된 광의 단면적은 입력단에서의 광의 수신된 부분의 단면적보다 크다. 시스템은 또한, 출력단을 통해 송신되는 안내된 광을 검출하는 광 검출기들의 어레이를 포함한다.
다른 예에서, 방법은, 장면에 대해 배치된 렌즈에 의해, 장면으로부터의 광을 초점면을 향해 포커싱하는 단계를 수반한다. 방법은 또한, 초점면에 평행하게 배치된 불투명 물질 내에 정의된 애퍼쳐를 통해, 장면으로부터의 포커싱된 광을 투과시키는 단계를 수반한다. 방법은 또한, 복수의 도파관들 중 주어진 도파관의 입력단에서, 애퍼쳐를 통해 투과되는 광의 부분을 수신하는 단계를 수반한다. 방법은 또한, 주어진 도파관에 의해, 광의 수신된 부분을 주어진 도파관의 출력단을 향해 안내하는 단계를 수반한다. 방법은 또한, 광 검출기들의 어레이에서, 출력단으로부터 전파되는 안내된 광을 검출하는 단계를 수반한다. 검출된 광의 단면적은 입력단에서 수신된 광의 부분의 단면적보다 크다.
또 다른 예에서, 광 검출 및 거리측량(LIDAR; light detection and ranging) 디바이스는 장면을 조명하는 LIDAR 송신기를 포함한다. LIDAR 디바이스는 또한, 장면 내의 하나 이상의 객체에 의해 산란된 광을 수신하는 LIDAR 수신기를 포함한다. LIDAR 수신기는, 수신된 광을 초점면을 향해 포커싱하는 렌즈를 포함한다. LIDAR 수신기는 또한, 초점면에 평행하게 배치된 불투명 물질 내에 정의된 애퍼쳐를 포함한다. LIDAR 수신기는 또한 복수의 도파관들을 포함한다. 복수의 도파관들 중 주어진 도파관은 애퍼쳐를 통해 투과되는 광의 부분을 수신하는 입력단을 갖는다. 주어진 도파관은, 광의 수신된 부분을 주어진 도파관의 출력단을 향해 안내한다. LIDAR 수신기는 또한, 출력단을 통해 송신되는 안내된 광을 가로채고 검출하는 광 검출기들의 어레이를 포함한다. 출력단을 통해 송신되는 안내된 광을 가로채는 어레이의 검출 구역의 단면적은 입력단에서의 광의 수신된 부분의 단면적보다 크다.
또 다른 예에서, 시스템은 장면으로부터의 광을 초점면을 향해 포커싱하기 위한 수단을 포함한다. 시스템은 또한, 초점면에 배치된 불투명 물질 내에 정의된 애퍼쳐를 통해, 장면으로부터의 포커싱된 광을 투과시키기 위한 수단을 포함한다. 시스템은 또한, 복수의 도파관들 중 주어진 도파관의 입력단에서, 애퍼쳐를 통해 투과되는 광의 부분을 수신하기 위한 수단을 포함한다. 시스템은 또한, 주어진 도파관에 의해, 광의 수신된 부분을 주어진 도파관의 출력단을 향해 안내하기 위한 수단을 포함한다. 시스템은 또한, 광 검출기들의 어레이에서, 출력단으로부터 전파되는 안내된 광을 검출하기 위한 수단을 포함한다. 검출된 광의 단면적은 입력단에서 수신된 광의 부분의 단면적보다 크다.
전술한 요약은 단지 예시적인 것이며, 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 위에 설명된 예시적인 양상들, 실시예들, 및 특징들에 부가하여, 추가적인 양상들, 실시예들, 및 특징들이 도면들 및 후속하는 상세한 설명을 참조함으로써 명백해질 것이다.
도 1a는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼쳐를 포함하는 잡음 제한 시스템의 예시이다.
도 1b는 예시적인 실시예들에 따른 도 1a의 시스템의 다른 예시이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 LIDAR 디바이스의 간략화된 블록도이다.
도 3a는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼쳐 및 도파관 어레이를 포함하는 잡음 제한 시스템의 예시이다.
도 3b는 예시적인 실시예들에 따른 도 3a의 시스템의 단면도를 예시한다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 방법의 흐름도이다.
본원에서 설명되는 임의의 예시적인 실시예 또는 특징은 반드시 다른 실시예들 또는 특징들에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석될 필요는 없다. 본원에서 설명되는 예시적인 실시예들은 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 구현들의 특정 양상들은 매우 다양한 상이한 구성들로 배열되고 결합될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다. 또한, 도면들에 도시되는 특정 배열들은 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다. 다른 구현들은 주어진 도면에 도시된 각각의 요소를 더 많거나 더 적게 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 게다가, 예시된 요소들 중 일부는 결합되거나 생략될 수 있다. 유사하게, 예시적인 구현은 도면들에 예시되지 않은 요소들을 포함할 수 있다.
I. 개요
예시적인 구현들은, 광 검출기들의 어레이 상에 전해지는 배경 광을 감소시키기 위한 디바이스들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것일 수 있다. 어레이 내의 광 검출기들은 장면으로부터의 광을 감지할 수 있다. 예컨대, 광 검출기들은 광 검출 및 거리측량(LIDAR) 디바이스의 감지 구성요소일 수 있다.
일 예시적인 시스템은 렌즈를 포함한다. 렌즈는 장면으로부터의 광을 초점면을 향해 포커싱하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 렌즈는 또한, 시스템에 의해 관측되도록 의도되지 않은 배경 광(예컨대, 장면 내의 태양광)을 포커싱할 수 있다. 광을 선택적으로 필터링(즉, 장면 내의 정보에 대응하는 광으로부터의 배경 광을 분리)하기 위해, 불투명 물질(예컨대, 선택적으로 식각된 금속, 마스크에 의해 부분적으로 덮인 유리 기판)이 렌즈 뒤에 배치될 수 있다. 불투명 물질은, 다양한 실시예들에서, 슬래브, 시트, 또는 다양한 다른 형상들로서 형상화될 수 있다. 불투명 물질 내에, 애퍼쳐가 정의될 수 있다. 애퍼쳐는 불투명 물질을 향해 렌즈에 의해 포커싱된 장면의 광의 구역 또는 그 전체를 선택할 수 있다.
불투명 물질의 후면(즉, 렌즈에 대향하는 불투명 물질의 면)에서, 애퍼쳐에 의해 선택된 광은 애퍼쳐를 통해 투과될 수 있다. 애퍼쳐를 통해 투과되는 광의 방향에서, 시스템은, 선형 배열로 복수의 인접한 도파관들을 포함할 수 있다. 각각의 도파관은 애퍼쳐에 인접한 입력단, 및 (예컨대, 애퍼쳐에 대해 더 먼 거리에서) 입력단에 대향하는 출력단을 가질 수 있다. 추가로, 각각의 도파관에 대해, 시스템은 또한, 도파관의 출력단을 따라 배치되는 광 검출기들(예컨대, SPAD들)의 어레이를 포함할 수 있다. 이러한 광 검출기들의 어레이는 도파관을 통해 출력단을 향해 안내되는 광의 부분(예컨대, 그 부분의 광 강도)을 검출할 수 있다. 광이 도파관 내부에서 발산하기 때문에, 검출 영역에 적합할 수 있는 광 검출기들(예컨대, 도파관의 출력단을 통해 송신되는 광을 가로채는 검출기들)의 수는, 광의 부분이 도파관의 입력단 내로 송신되게 하는 애퍼쳐의 부분에 대응하는 검출 영역에 적합할 수 있는 것보다 클 수 있다. 이는, 검출 영역이, 애퍼쳐로부터 변위된 거리에서보다 애퍼쳐에서 더 포커싱되고 그에 따라 더 작은 것에 기인한다.
또한, 일부 구현들에서, 복수의 도파관들은, (예컨대, 애퍼쳐의 장축에 평행한) 다른 방향 보다 (예컨대, 애퍼쳐의 장축에 수직인) 일 방향을 따라 발산이 더 많이 발생하게, 안내된 광의 발산을 제어하도록 구성될 수 있다. 예로서, 2000 ㎛(장축) × 200 ㎛(단축)의 단면적을 갖는 애퍼쳐를 고려한다. 이러한 예에서, 복수의 도파관들은 10개의 적층된 도파관들로서 구현될 수 있고, 각각의 도파관은 200 ㎛의 (애퍼쳐의 장축을 따른) 길이를 갖는다. 이러한 예에서, 도파관의 입력단에 진입하는 광의 부분은 200 ㎛ × 200 ㎛의 단면적을 가질 수 있으며, 이는, 수백 개의 SPAD들(예컨대, 각각의 SPAD는 200 ㎛2 내지 600 ㎛2의 단면적을 가짐)을 수용하기에 적합할 수 있다. 비교하면, 안내된 광이 도파관 내부에서 발산하고 출력단을 통해 빠져나간 후에, 출력단에서의 안내된 광의 단면적은, 예를 들면 도파관의 치수들에 따라 더 클 수 있고, 그에 따라, 수천 개 이상의 SPAD들을 수용할 수 있다. 추가로, 일부 예들에서, SPAD들의 어레이는 서로 병렬로 연결될 수 있고, 이는, 연결된 SPAD들로부터의 신호들을 결합하는 것을 허용하여 시스템의 감도를 개선할 수 있게 한다(예컨대, SPAD들의 결합된 검출 영역을 증가시킴).
부가적으로, 이러한 배열을 이용하여, 제1 도파관에 결합된 광 검출기들의 제1 어레이는 애퍼쳐의 제1 부분을 통해 투과된 광을 수신할 수 있고, 제2 도파관에 결합된 광 검출기들의 제2 어레이는 애퍼쳐의 제2 부분을 통해 광을 수신할 수 있다. 결과적으로, 시스템은, 애퍼쳐의 크기에 비해 더 큰 검출 영역을 여전히 허용하면서, 장면의 1 차원(1D) 이미지를 결정할 수 있다. 예컨대, 광 검출기들의 각각의 어레이는 장면의 단일 이미지 픽셀을 나타내는 결합된 출력을 제공하도록 병렬로 연결될 수 있다.
도파관들 없이, 예컨대, 애퍼쳐를 통해 투과되는 광의 부분들은 광 검출기들의 어레이에 도달하기 전에 발산하고 중첩될 수 있다. 반면에, 복수의 도파관들을 이용하여, 각각의 도파관은, 안내된 부분이 인접한 도파관 내부의 광의 다른 안내된 부분과 중첩하지 않도록 내부에서 안내된 광의 부분의 발산을 제한할 수 있다. 결과적으로, 광 검출기들의 각각의 어레이는, 애퍼쳐의 부분들의 근접 또는 광 검출기들의 개개의 어레이들과 애퍼쳐 사이의 거리에 관계없이 애퍼쳐의 개개의 부분에 대응하는 안내된 광을 수신할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 시스템은, 애퍼쳐들 사이의 거리 또는 광 검출기 어레이와 애퍼쳐 사이의 거리에 관계없이, 다수의 근접하게 배열된 애퍼쳐들(또는 단일 애퍼쳐의 부분들)을 통해 투과된 광을 동시에 검출하여, 장면의 1D 또는 2D 이미지를 생성할 수 있다.
일부 예들에서, 복수의 도파관들은 애퍼쳐에 인접하여 적층된 복수의 유리판들로서 구현될 수 있다. 이러한 배열을 이용하여, 유리판에 인접한 애퍼쳐의 부분을 통해 투과된 광은 유리판을 통해 전파될 수 있다. 예컨대, 적층된 유리판들은, 안내된 광의 다른(예컨대, 수직) 방향으로의 발산을 허용하면서, 내부에서 안내된 광의 (예컨대, 내부 전반사 등을 통한) 인접한 도파관의 방향으로의 발산을 감소시키기 위해, 낮은 굴절률의 물질들(예컨대, 중합체 코팅, 플루오린 도핑된 유리 등)에 의해 분리될 수 있다.
일부 구현들에서, 시스템은 또한, 하나의 도파관 내부의 안내된 광이 다른 도파관 내로 누설되는 것을 방지하기 위해, 인접한 도파관들 사이에 위치된 흡수체(예컨대, 카본 블랙)를 포함할 수 있다. 예컨대, 광 흡수 층은, 인접한 도파관들의 표면들을 통해 소실되는 소실 광을 흡수하고/거나 도파관의 코어 내부가 아니라 도파관의 클래딩 내부에서 전파되는 광(예컨대, 클래딩 모드들)을 흡수하기 위한 적절한 두께를 가질 수 있다.
II. 예시적인 시스템들 및 디바이스들
도 1a는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼쳐를 포함하는 잡음 제한 시스템(100)의 예시이다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 광 검출기들(검출기들(112 및 114)로 예시됨)의 어레이(110), 불투명 물질(120) 내에 정의된 애퍼쳐(122), 및 렌즈(130)를 포함한다. 시스템(100)은 장면 내의 객체(104)에 의해 산란된 광(102)을 측정할 수 있다. 광(102)은 또한 적어도 부분적으로 배경 소스들로부터 비롯될 수 있다. 따라서, 일부 예들에서, 시스템(100)은 광 검출 및 거리측량(LIDAR) 디바이스에 포함될 수 있다. 예컨대, LIDAR 디바이스는 자율주행 차량의 내비게이션에 사용될 수 있다. 추가로, 일부 실시예들에서, 시스템(100) 또는 그의 부분들은 렌즈(130) 및/또는 애퍼쳐(122)를 통하는 것 외에는 외부 광에 노출되지 않는 영역 내에 포함될 수 있다. 이는, 주변 광이 어레이(110) 내의 검출기들을 트리거링하여 측정들에 영향을 주는 것을 방지할 수 있다.
어레이(110)는 검출기들(112 및 114)로 예시된 광 검출기들의 배열을 포함한다. 다양한 실시예들에서, 어레이(110)는 상이한 형상들을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 어레이(110)는 직사각형 형상을 갖는다. 그러나, 다른 실시예들에서, 어레이(110)는 원형일 수 있거나 상이한 형상을 가질 수 있다. 어레이(110)의 크기는 애퍼쳐(122)로부터 발산하는 광(110)의 예상되는 단면적에 따라 선택될 수 있고, 그에 따라, 어레이(110)와 애퍼쳐(122) 사이의 거리, 애퍼쳐(122)의 치수들, 렌즈(130)의 광학 특성들 등에 기반할 수 있다. 일부 실시예들에서, 어레이(110)는 이동가능할 수 있다. 예컨대, 어레이(110)는 애퍼쳐(122)에 더 가깝게 또는 더 멀리서 작동될 수 있다. 그 목적을 위해, 예를 들면, 어레이(110)는 1 차원, 2 차원, 또는 3 차원으로 병진이동할 수 있는 전기적 스테이지 상에 장착될 수 있다.
추가로, 일부 구현들에서, 어레이(110)는 하나 이상의 출력을 컴퓨팅 디바이스 또는 논리 회로에 제공할 수 있다. 예컨대, 마이크로프로세서가 장착된 컴퓨팅 디바이스는, 어레이(110) 상에 입사하는 광(102)의 강도를 표시하는 전기 신호들을 어레이(110)로부터 수신할 수 있다. 그런 다음, 컴퓨팅 디바이스는 전기 신호들을 사용하여 객체(104)에 관한 정보(예컨대, 애퍼쳐(122)로부터의 객체(104)의 거리 등)를 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 어레이(110) 내의 광 검출기들 중 일부 또는 그 전부는 서로 병렬로 상호연결될 수 있다. 그 목적을 위해, 예컨대, 어레이(110)는, 어레이(110) 내의 광 검출기들의 특정 배열 및 유형에 따라 SiPM 또는 MPPC일 수 있다.
광 검출기들(112, 114 등)은 다양한 유형들의 광 검출기들을 포함할 수 있다. 일 예에서, 검출기들(112, 114 등)은 SPAD들을 포함한다. SPAD들은, SPAD 상의 주어진 입사 조명에 대한 출력 전류를 증가시키기 위해, 역 바이어싱된 p-n 접합(즉, 다이오드) 내에서 애벌란시 항복을 이용할 수 있다. 추가로, SPAD들은 단일 입사 광자에 대한 다수의 전자-정공 쌍들을 생성하는 것이 가능할 수 있다. 다른 예에서, 광 검출기들(112, 114 등)은 APD들을 포함할 수 있다. 일부 예시들에서, APD들 또는 SPAD들은 애벌란시 항복 전압을 초과하여 바이어싱될 수 있다. 그러한 바이어싱 조건은 1보다 큰 루프 이득을 갖는 포지티브 피드백 루프를 생성할 수 있다. 추가로, 임계 애벌란시 항복 전압을 초과하여 바이어싱된 SPAD들 또는 APD들은 단일 광자에 민감할 수 있다. 다른 예들에서, 광 검출기들(112, 114 등)은, 다른 것들 중에서도, 포토레지스터들, 전하 결합 디바이스(CCD)들, 및/또는 광기전력 전지들을 포함할 수 있다.
일부 구현들에서, 어레이(110)는, 어레이에 걸쳐 하나 초과의 유형의 광 검출기를 포함할 수 있다. 예컨대, 어레이(110)는 광(102)의 다수의 미리 정의된 파장들을 검출하도록 구성될 수 있다. 그 목적을 위해, 예컨대, 어레이(110)는, 하나의 파장들의 범위에 민감한 일부 SPAD들 및 상이한 파장들의 범위에 민감한 다른 SPAD들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 검출기들(110)은 400 nm 내지 1.6 ㎛(가시 파장 및 적외선 파장)의 파장들에 민감할 수 있다. 추가로, 광 검출기들(110)은 주어진 실시예 내에서 또는 다양한 실시예들에 걸쳐 다양한 크기들 및 형상들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 검출기들(112, 114 등)은 어레이(110)의 영역의 1 %, 0.1 %, 또는 0.01 %인 패키지 크기들을 갖는 SPAD들을 포함할 수 있다.
불투명 물질(120)은, 렌즈(130)에 의해 포커싱되는 장면으로부터의 광(102)(예컨대, 배경 광)의 부분이 어레이(110)로 투과되는 것을 차단할 수 있다. 그러므로, 불투명 물질(120)은, 어레이(110)에 의해 수행되는 측정의 정확도에 악영향을 미칠 수 있는 특정 배경 광을 차단하도록 구성될 수 있다. 불투명 물질(120) 및 그에 따른 애퍼쳐(122)는 렌즈(130)의 초점면에 또는 그 근처에 위치될 수 있다. 일 예에서, 불투명 물질(120)은 광(102)을 흡수함으로써 투과를 차단할 수 있다. 다른 예에서, 불투명 물질(120)은 광(102)을 반사함으로써 투과를 차단할 수 있다. 불투명 물질(120)의 예시적인 구현들의 비-포괄적인 목록은, 다른 가능한 것들 중에서도, 식각된 금속, 중합체 기판, 2축 배향 폴리에틸렌 테레프탈레이트(BoPET) 시트(마일러(Mylar)® 시트로 또한 지칭됨), 또는 불투명 마스크로 덮어씌워진 유리를 포함한다.
애퍼쳐(122)는 광(102)이 투과될 수 있는 포트를 불투명 물질(120) 내에 제공한다. 애퍼쳐(122)는 다양한 방식들로 불투명 물질(120) 내에 정의될 수 있다. 일 예에서, 불투명 물질(120)이 금속을 포함하는 경우, 금속은 애퍼쳐(122)를 정의하도록 식각될 수 있다. 다른 예에서, 불투명 물질(120)이 마스크로 덮어씌워진 유리 기판인 경우, 마스크는 (예컨대, 포토리소그래피를 통해) 애퍼쳐(122)를 정의하는 갭을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 애퍼쳐(122)는 부분적으로 또는 전체적으로 투명할 수 있다. 예컨대, 불투명 물질(120)이 마스크로 덮어씌워진 유리 기판인 경우, 애퍼쳐(122)는 마스크에 의해 덮이지 않은 유리 기판 부분으로서 정의될 수 있어서, 애퍼쳐(122)는 완전히 중공이 아니라 유리로 만들어진다. 따라서, 예를 들면, 애퍼쳐(122)는 (대부분의 유리 기판들이 100 % 투명하지는 않기 때문에) 객체(104)에 의해 산란된 광(102)의 하나 이상의 파장에 대해 거의 투명하지만 전적으로 투명하지는 않을 수 있다.
(불투명 물질(120)과 함께) 애퍼쳐(122)는 초점면에서 장면으로부터의 광(102)을 공간적으로 필터링하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 광(102)은 표면 불투명 물질(120)을 따라 초점면에 포커싱될 수 있고, 애퍼쳐(122)는 포커싱된 광의 부분만이 어레이(110)에 투과될 수 있게 할 수 있다. 그러므로, 애퍼쳐(122)는 광학 핀홀로서 거동할 수 있다. 일 실시예에서, 애퍼쳐(122)는, 0.02 mm2 내지 0.06 mm2(예컨대, 0.04 mm2)의 단면적을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 애퍼쳐(122)는, 다양한 요인들, 이를테면, 렌즈(130)의 광학 특성들, 어레이(110)까지의 거리, 어레이(110) 내의 광 검출기들의 잡음 제거 특성들 등에 따라 상이한 단면적을 가질 수 있다.
애퍼쳐(122)와 관련하여 위에서 사용된 "애퍼쳐"라는 용어는 광이 투과될 수 있는 불투명 물질 내의 오목부 또는 구멍을 설명하지만, "애퍼쳐"라는 용어는 광학 피쳐들의 넓은 어레이를 포함할 수 있다는 것이 유의된다. 일 예에서, 설명 및 청구항들 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이, "애퍼쳐"라는 용어는, 광이 부분적으로 투과될 수 있는 불투명 물질 내에 정의된 투명 또는 반투명 구조들을 부가적으로 포괄할 수 있다. 다른 예에서, "애퍼쳐"라는 용어는, 불투명 물질로 둘러싸인 거울과 같은, 다른 방식으로(예컨대, 반사 또는 굴절을 통해) 광의 통과를 선택적으로 제한하는 구조를 설명할 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 불투명 물질로 둘러싸인 거울 어레이들은 특정 방향으로 광을 반사하도록 배열될 수 있으며, 그에 의해, 반사 부분을 정의한다. 이러한 반사 부분이 "애퍼쳐"로 지칭될 수 있다.
애퍼쳐(122)가 직사각형 형상을 갖는 것으로 도시되지만, 애퍼쳐(122)는, 다른 것들 중에서도, 둥근 형상, 원형 형상, 타원형 형상과 같은 상이한 형상을 가질 수 있다는 것이 유의된다. 일부 예들에서, 애퍼쳐(122)는 대안적으로, 시스템(100) 내의 광학 수차들을 고려하도록 특별히 설계된 불규칙한 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 키홀 형상의 애퍼쳐는 방출기(예컨대, 광(102)을 방출하는 광원)와 수신기(예컨대, 렌즈(130) 및 어레이(110)) 사이에서 발생하는 시차를 고려하는 것을 보조할 수 있다. 시차는, 예컨대, 방출기와 수신기가 동일한 위치에 위치되지 않는 경우에 발생할 수 있다. 특정한 장면 내에 있을 것으로 예상되는 특정 객체들과 대응하는 특별하게 형상화된 애퍼쳐들 또는 광(102)의 특정 편광들(예컨대, 수평 편광들 또는 수직 편광들)을 선택하는 불규칙한 애퍼쳐들과 같은, 다른 불규칙한 애퍼쳐 형상들이 또한 가능하다.
렌즈(130)는 장면으로부터의 광(102)을 애퍼쳐(122)가 위치되는 초점면 상으로 포커싱할 수 있다. 이러한 배열을 이용하여, 렌즈(130)에서 장면으로부터 수집된 광 강도는 광(102)이 투영되는 단면적이 감소하도록(즉, 광(102)의 공간 전력 밀도가 증가함) 포커싱될 수 있다. 예컨대, 렌즈(130)는, 다른 예들 중에서도, 수렴 렌즈, 양면 볼록 렌즈, 및/또는 구면 렌즈를 포함할 수 있다. 대안적으로, 렌즈(130)는, 잇따라 위치된 연속적인 렌즈 세트(예컨대, 제1 방향으로 광을 포커싱하는 양면 볼록 렌즈 및 제2 방향으로 광을 포커싱하는 부가적인 양면 볼록 렌즈)로서 구현될 수 있다. 다른 유형들의 렌즈들 및/또는 렌즈 배열들이 또한 가능하다. 게다가, 시스템(100)은, 렌즈(130) 상에 입사하는 광(102)을 불투명 물질(120) 상에 포커싱하는 것을 보조하기 위해, 렌즈(130) 근처에 위치된 다른 광학 요소들(예컨대, 거울들 등)을 포함할 수 있다.
객체(104)는 시스템(100)을 둘러싸는 장면 내에 위치된 임의의 객체일 수 있다. 시스템(100)이 LIDAR 디바이스에 포함되는 구현들에서, 객체(104)는 광(102)(또는 그의 부분)을 방출하는 LIDAR 송신기에 의해 조명될 수 있다. LIDAR 디바이스가 자율주행 차량에 대한 내비게이션에 사용되는 예시적인 실시예들에서, 객체(104)는, 다른 것들 중에서도, 보행자들, 다른 차량들, 장애물들(예컨대, 나무들), 또는 도로 표지들을 포함할 수 있다.
위에 언급된 바와 같이, 광(102)은, 객체(104)에 의해 산란되고, 렌즈(130)에 의해 포커싱되고, 불투명 물질(120) 내의 애퍼쳐(122)를 통해 투과되고, 어레이(110) 내의 광 검출기들에 의해 측정될 수 있다. 이러한 시퀀스는 객체(104)에 관한 정보를 결정하기 위해 (예컨대, LIDAR 디바이스에서) 발생할 수 있다. 일부 실시예들에서, 어레이(110)에 의해 측정된 광(102)은 부가적으로 또는 대안적으로, 다른 가능한 것들 중에서도, 다른 LIDAR 디바이스의 송신기에 의해 송신된 다수의 객체들에서 산란된 광, 주변 광, 태양광을 포함할 수 있다.
게다가, 객체(104)를 분석하는 데 사용되는 광(102)의 파장(들)은, 장면 내에 있을 것으로 예상되는 객체들의 유형들 및 렌즈(130)로부터의 그들의 예상되는 거리에 기반하여 선택될 수 있다. 예컨대, 500 nm 파장의 모든 인입 광을 흡수하는 객체가 장면 내에 있을 것으로 예상되는 경우, 500 nm 이외의 파장이 객체(104)를 조명하고 시스템(100)에 의해 분석되도록 선택될 수 있다. 광(102)의 파장은, (예컨대, LIDAR 디바이스의 송신기에 의해 송신되는 경우) 광(102)을 생성하는 소스와 연관될 수 있다. 예컨대, 광이 다이오드 레이저에 의해 생성되는 경우, 광(102)은, 900 nm(또는 다이오드 레이저의 다른 파장)에 중심을 둔 파장 범위 내의 광을 포함할 수 있다. 따라서, 광(102)을 생성하는 다양한 유형들의 광원들(예컨대, 광섬유 증폭기, 다양한 유형들의 레이저, 필터를 갖는 광대역 소스 등)이 가능하다.
도 1b는 시스템(100)의 다른 예시이다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 또한 필터(132)를 포함할 수 있다. 필터(132)는, 미리 정의된 파장 범위 내의 광을 선택적으로 투과시키도록 구성되는 임의의 광학 필터를 포함할 수 있다. 예컨대, 필터(132)는 가시 파장 범위, 적외선 파장 범위, 또는 방출기(140)에 의해 방출된 광 신호의 임의의 다른 파장 범위 내의 광을 선택적으로 투과시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 광학 필터(132)는, 특정 파장들의 광을 어레이(110)로부터 멀어지게 우회시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 광학 필터(132)는, 방출기(140)에 의해 방출된 파장 범위에 있지 않은 광(102)의 부분을 어레이(110)로부터 멀어지게 우회시킬 수 있다. 따라서, 광학 필터(132)는, 주변 광 또는 배경 광이 어레이(110)에 의한 측정들에 악영향을 미치는 것을 적어도 부분적으로 감소시킬 수 있다.
다양한 실시예들에서, 광학 필터(132)는 어레이(110)에 대해 다양한 위치들에 위치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 광학 필터(132)는 렌즈(130)와 불투명 물질(120) 사이에 위치한다. 그러나, 광학 필터(132)는 대안적으로, 렌즈(130)와 객체(104) 사이에, 물질(120)과 어레이(110) 사이에, 어레이(110)와 결합되어(예컨대, 어레이(110)가 그 광학 필터(132)에 대한 표면 스크린을 가질 수 있거나, 또는 어레이(110) 내의 광 검출기들 각각이 별개의 광학 필터에 의해 개별적으로 덮일 수 있는 등의 방식임), 애퍼쳐(122)와 결합되어(예컨대, 애퍼쳐(122)가 특정 파장 범위에만 투명할 수 있는 등의 방식임), 또는 렌즈(130)와 결합되어(예컨대, 렌즈(130) 상에 배치된 표면 스크린, 특정 파장 범위에만 투명한 렌즈(130)의 물질 등의 방식임) 위치될 수 있다.
추가로, 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 어레이(110)에 의해 측정될 광 신호를 방출하는 방출기(140)와 함께 사용될 수 있다. 방출기(140)는 광섬유 레이저, 포토다이오드, 필라멘트, LIDAR 송신기, 또는 임의의 다른 광원을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 방출기(140)는, 장면 내의 객체(104)에 의해 산란되고 궁극적으로는 어레이(110)에 의해 (적어도 그의 부분이) 측정되는 광을 방출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출기(140)는 레이저 방출기(140)의 전력 출력을 증가시키는 광섬유 증폭기 또는 다른 증폭 시스템을 포함하는 레이저 방출기일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 일부 실시예들에서, 방출기(140)는 (연속파 레이저와는 대조적으로) 펄스 레이저로서 구현될 수 있어서, 동등한 연속적인 전력 출력을 유지하면서 피크 전력이 증가될 수 있다.
다음은 렌즈(130)에 의해 수신되는 배경 광의 양을 어레이(110)에 의해 검출되는 신호 광의 양과 비교하는 수학적 예시이다. 도시된 바와 같이, 객체(104)와 렌즈(130) 사이의 거리는 'd'이고, 렌즈(130)와 불투명 물질(120) 사이의 거리는 'f'이고, 불투명 물질(120)과 어레이(110) 사이의 거리는 'x'이다. 위에 언급된 바와 같이, 물질(120) 및 애퍼쳐(122)는 렌즈(130)의 초점면에 위치될 수 있다(즉, 'f'가 초점 길이와 등가일 수 있음). 추가로, 도시된 바와 같이, 방출기(140)는 객체(104)로부터 거리 'd'에 위치된다.
예시를 위해, 객체(104)가 수직 입사로의 태양광에 의해 완전히 조명된다고 가정되며, 여기서, 태양광은 배경 광원을 나타낸다. 추가로, 객체(104)를 조명하는 모든 광이 램버트의 코사인 법칙에 따라 산란된다고 가정된다. 게다가, 어레이(110)에 도달하는 광(배경 광 및 신호 광 둘 모두) 모두가 어레이(110)에 의해 완전히 검출된다고 가정된다.
애퍼쳐(122)에 그리고 그에 따라 어레이(110)에 도달하는 방출기(140)에 의해 방출된 신호의 전력은 다음을 사용하여 계산될 수 있다:
Figure 112019065531138-pct00001
여기서, Psignal은 어레이(110)에 도달하는 방출기(140)에 의해 방출된 광학 신호의 방사속(예컨대, W 단위)을 나타내고, Ptx는 방출기(140)에 의해 송신되는 전력(예컨대, W 단위)을 나타내고, Γ는 객체(104)의 반사율을 나타내고(예컨대, 램버트의 코사인 법칙을 고려함), Alens는 렌즈(130)의 단면적을 나타낸다.
렌즈(130)에 도달하는 배경 광은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure 112019065531138-pct00002
여기서,
Figure 112019065531138-pct00003
는 필터(132)에 의해 선택적으로 통과될 파장 대역 내에 있는 렌즈(130) 상에 도달하는 (객체(104)에서 산란되는 태양광에 의해 야기되는) 배경 광의 방사 휘도(예컨대,
Figure 112019065531138-pct00004
단위)를 나타내고,
Figure 112019065531138-pct00005
은 태양(즉, 배경 소스)으로 인한 방사 조도(예컨대,
Figure 112019065531138-pct00006
단위) 밀도를 나타내고, Tfilter는 필터(132)(예컨대, 대역 통과 광학 필터)의 투과 계수를 나타낸다.
Figure 112019065531138-pct00007
의 인자는 수직 입사로부터의 객체(104)에서의 램버시안 산란의 가정에 관한 것이다.
애퍼쳐(122)는 어레이(110)로 투과되도록 허용되는 배경 광의 양을 감소시킨다. 애퍼쳐(122)를 통해 투과된 후에 어레이(110)에 도달하는 배경 광의 전력을 계산하기 위해, 애퍼쳐(122)의 영역이 고려된다. 애퍼쳐(122)의 단면적(Aaperture)은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure 112019065531138-pct00008
여기서, Aaperture는 객체(104)에 대한 애퍼쳐(122)의 표면적을 나타내고, w 및 h는 각각 애퍼쳐(122)의 폭 및 높이(또는 길이)를 나타낸다. 게다가, 렌즈(130)가 원형 렌즈인 경우, 렌즈(130)의 단면적(Alens)은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure 112019065531138-pct00009
여기서, dlens는 렌즈의 직경을 나타낸다.
따라서, 애퍼쳐(122)를 통해 어레이(110)로 투과된 배경 전력은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure 112019065531138-pct00010
여기서, Pbackground는 어레이(110)에 입사하는 배경 전력을 나타내고,
Figure 112019065531138-pct00011
는 입체호도법에서의 수용 입체각을 나타낸다. 위의 공식은 Pbackground가 렌즈(130) 및 애퍼쳐(122)에 의해 감소된 후의 배경 신호에서의 방사 휘도의 양이라는 것을 나타낸다.
Figure 112019065531138-pct00012
, Aaperture, 및 Alens에 대해 위의 결정된 값들을 치환하면, 다음이 도출될 수 있다:
Figure 112019065531138-pct00013
부가적으로, 양
Figure 112019065531138-pct00014
는 렌즈(130)의 "F 수"로 지칭될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 치환으로, 다음이 배경 전력으로서 추론될 수 있다:
Figure 112019065531138-pct00015
유사한 치환들을 행하여, 어레이(110)에 도달하는 방출기(140)로부터 송신된 신호 전력에 대해 다음이 추론될 수 있다:
Figure 112019065531138-pct00016
추가로, 시스템(100)의 신호 대 잡음비(SNR)는 Psignal와 Pbackground를 비교함으로써 결정될 수 있다. 시연된 바와 같이, 배경 전력(Pbackground)은, 특히, 작은 w 및/또는 작은 h(위의 Pbackground 공식의 분자)를 갖는 애퍼쳐들의 경우, 애퍼쳐(122)의 포함에 기인하여 신호 전력에 대해 상당히 감소될 수 있다. 애퍼쳐 영역을 감소시키는 것 외에도, 방출기(140)에 의해 송신된 전력(Ptx)을 증가시키는 것, 투과 계수(Tfilter)를 감소시키는 것(즉, 필터를 통해 투과되는 배경 광의 양을 감소시키는 것), 및 객체(104)의 반사율(Γ)을 증가시키는 것이 SNR을 증가시키는 방식들일 수 있다. 추가로, 방출기(140)가 펄스형 신호를 방출하는 구현들에서, 배경의 전력과는 대조적으로 배경의 산탄 잡음은 SNR을 계산할 때 주로 관련될 수 있다는 것이 유의된다. 따라서, 일부 구현들에서, SNR은 대안적으로 산탄 잡음을 신호 전력에 대해 비교함으로써 계산될 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 광(102)은, 광(102)이 애퍼쳐(122)로부터 멀어지게 전파함에 따라 발산한다. 발산으로 인해, 어레이(110)에서의 검출 영역(예컨대, 광(102)에 의해 조명된 음영 영역으로서 도시됨)은 초점면에서의 애퍼쳐(122)의 단면적보다 클 수 있다. 주어진 광 전력(예컨대, W 단위로 측정됨)에 대한 증가된 검출 영역(예컨대, m2 단위로 측정됨)은 어레이(110) 상에 입사하는 광 강도(예컨대,
Figure 112019065531138-pct00017
단위로 측정됨)가 감소되는 것을 초래할 수 있다.
광 강도의 감소는 특히, 어레이(110)가 높은 감도들을 갖는 SPAD들 또는 다른 광 검출기들을 포함하는 실시예들에서 특히 유익할 수 있다. 예컨대, SPAD들은, 반도체 내에서 애벌란시 항복을 생성하는 큰 역 바이어스 전압으로부터 그들의 감도를 도출한다. 이러한 애벌란시 항복은, 예컨대, 단일 광자의 흡수에 의해 트리거링될 수 있다. 일단 SPAD가 단일 광자를 흡수하고 애벌란시 항복이 시작되면, SPAD는, SPAD가 (예컨대, 역 바이어스 전압을 복원함으로써) ??칭(quench)될 때까지 부가적인 광자들을 검출할 수 없다. SPAD가 ??칭될 때까지의 시간은 회복 시간으로 지칭될 수 있다. 부가적인 광자들이 회복 시간에 근접한 시간 간격들(예컨대, 10 배 내)에 도달하는 경우, SPAD는 포화되기 시작할 수 있고, 따라서, SPAD에 의한 측정들이 덜 신뢰가능하게 될 수 있다. 어레이(110) 내의 임의의 개별 광 검출기(예컨대, SPAD) 상에 입사하는 광 전력을 감소시킴으로써, 어레이(110) 내의 광 검출기들(예컨대, SPAD들)은 불포화된 상태로 유지될 수 있다. 결과적으로, 각각의 개별 SPAD에 의한 광 측정들의 정확도가 증가될 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 LIDAR 디바이스(200)의 간략화된 블록도이다. 일부 예시적인 실시예들에서, LIDAR 디바이스(200)는 차량에 장착되어 차량의 주변 환경(예컨대, 객체(204)를 포함하는 장면 등)을 맵핑하는 데 이용될 수 있다. 도시된 바와 같이, LIDAR 디바이스(200)는 방출기(140)와 유사할 수 있는 레이저 방출기(240)를 포함한다. 추가로, 도시된 바와 같이, LIDAR 디바이스(200)는 제어기(250)를 포함한다. 추가로, 도시된 바와 같이, LIDAR 디바이스(200)는 시스템(100)과 유사할 수 있는 잡음 제한 시스템(290)을 포함한다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 시스템(290)은, 광 검출기들의 어레이(210), 내부에 정의된 애퍼쳐(도시되지 않음)를 갖는 불투명 물질(220), 및 렌즈(230)를 포함하며, 이들은 각각 어레이(110), 불투명 물질(120), 및 렌즈(130)와 유사하다. LIDAR 디바이스(200)는 대안적으로, 도시된 것보다 더 많거나 더 적은 구성요소들을 포함할 수 있다는 것이 유의된다. 예컨대, LIDAR 디바이스(200)는 광학 필터(예컨대, 필터(132))를 포함할 수 있다. 따라서, 시스템(290)은, 시스템(100) 및/또는 본원에서 설명된 임의의 다른 잡음 제한 시스템과 유사하게 구현될 수 있다. 디바이스(200)는, 객체(204)를 포함하는 장면을 향해 광(202)을 방출하도록 방출기(240)를 동작시킬 수 있다. 그런 다음, 디바이스(200)는, 산란된 광(202)을 검출하여, 객체(204)에 관한 정보를 맵핑하거나 다른 방식으로 결정할 수 있다.
제어기(250)는, LIDAR 디바이스(200)의 구성요소들을 제어하고 LIDAR 디바이스(200)의 구성요소들(예컨대, 광 검출기들의 어레이(210))로부터 수신된 신호들을 분석하도록 구성될 수 있다. 그 목적을 위해, 제어기(250)는, 디바이스(200)의 메모리(도시되지 않음)에 저장된 명령어들을 실행하여 디바이스(200)를 동작시키는 하나 이상의 프로세서(예컨대, 마이크로프로세서 등)를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제어기(250)는 본원에서 설명된 다양한 기능들 중 하나 이상을 수행하도록 배선된 디지털 또는 아날로그 회로를 포함할 수 있다.
일부 구현들에서, 제어기(250)는, 객체(204)의 위치(예컨대, LIDAR 디바이스(200)로부터의 거리)를 결정하기 위해 어레이(210)에 의해 측정된 신호와 연관된 타이밍 정보를 사용할 수 있다. 예컨대, 레이저 방출기(240)가 펄스 레이저인 실시예들에서, 제어기(250)는, 출력 광 펄스들의 타이밍들을 모니터링하고 그 타이밍들을 어레이(210)에 의해 측정된 신호 펄스들의 타이밍들과 비교할 수 있다. 예를 들면, 제어기(250)는 광의 속도 및 광 펄스의 이동 시간(이는 타이밍들을 비교함으로써 계산될 수 있음)에 기반하여 디바이스(200)와 객체(204) 사이의 거리를 추정할 수 있다. 일부 구현들에서, 제어기(250)는 (예컨대, 레이저 방출기(240)와 렌즈(230)가 공간 내의 동일한 위치에 위치하지 않는 것으로 인한) 시차를 고려하도록 구성될 수 있다. 시차를 고려함으로써, 제어기(250)는, 출력 광 펄스들의 타이밍과 어레이(210)에 의해 측정된 신호 펄스들의 타이밍 사이의 비교의 정확도를 개선할 수 있다.
일부 구현들에서, 제어기(250)는 방출기(240)에 의해 방출된 광(202)을 변조할 수 있다. 예컨대, 제어기(250)는 (예컨대, 방출기(240)를 장착하는 기계적 스테이지를 작동시킴으로써) 방출기(240)의 투영(예컨대, 지시) 방향을 변경할 수 있다. 다른 예로서, 제어기(250)는 방출기(240)에 의해 방출된 광(202)의 타이밍, 전력 또는 파장을 변조할 수 있다. 일부 구현들에서, 제어기(250)는 또한, 디바이스(200)의 다른 동작 양상들, 이를테면, 다른 가능한 것들 중에서도, 광(202)의 전파 경로를 따라 필터들(예컨대, 필터(132))을 부가하거나 제거하는 것, 디바이스(200)의 다양한 구성요소들(예컨대, 어레이(210), 불투명 물질(220)(및 내부의 애퍼쳐), 렌즈(230) 등)의 상대적인 위치들을 조정하는 것을 제어할 수 있다.
일부 구현들에서, 제어기(250)는 또한 물질(220) 내의 애퍼쳐(도시되지 않음)를 조정할 수 있다. 예컨대, 애퍼쳐는, 일부 실시예들에서, 불투명 물질 내에 정의된 다수의 애퍼쳐들로부터 선택가능할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 렌즈와 불투명 물질 사이에 위치된 MEMS 거울은, 다수의 애퍼쳐들 중 어느 애퍼쳐에 광이 지향되는지를 결정하기 위해 컴퓨팅 디바이스에 의해 조정가능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 다양한 애퍼쳐들은 상이한 형상들 및 크기들을 가질 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 애퍼쳐는 조리개(iris)(또는 다른 유형의 다이어프램)에 의해 정의될 수 있다. 조리개는, 예컨대, 애퍼쳐의 크기 또는 형상을 제어하기 위해 제어기(250)에 의해 확장되거나 수축될 수 있다.
이러한 프로세스를 통해, LIDAR 디바이스(200)는 시스템(290)을 조정하여 객체(204) 및/또는 장면에 관한 부가적이거나 상이한 정보를 획득할 수 있다. 제1 예에서, 제어기(250)는, 시스템(290)에 의해 수신된 배경 잡음이 현재(예컨대, 야간 시간 동안) 비교적 낮은 것으로 결정할 수 있다. 이러한 예에서, 제어기(250)는, 애퍼쳐의 크기를 증가시켜, 그렇지 않았다면 애퍼쳐 외부의 불투명 물질(220)의 구역 상으로 투영되었을 광(202)의 특정한 산란된 광 펄스를 포착할 가능성을 개선할 수 있다. 제2 예에서, 제어기(250)는, 객체(204)와는 상이한 객체로부터 반사되거나 장면 내의 상이한 구역으로부터 반사되는 산란된 광(202)을 가로채기 위해 애퍼쳐의 위치를 조정할 수 있다.
일부 시나리오들에서, SNR에 크게 영향을 미침이 없이, 현재 애퍼쳐 구성을 사용하여 획득된 정보와 동시에, 위에 설명된 부가적인 정보(예컨대, 상이한 애퍼쳐 위치 등)를 획득하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 방출기(240)에 의해 방출된 광 펄스는 LIDAR 디바이스(200)에 대한 상이한 거리들로 여러 개의 객체들에서 산란될 수 있고, 그에 따라, 산란된 광의 부분은 렌즈(230)를 통해 현재 애퍼쳐 외부의 불투명 물질(220)의 구역 상에 포커싱될 수 있다. 따라서, 예로서, 도 1a를 다시 참조하면, 애퍼쳐(122)에 인접한 구역 상에 포커싱된 광을 검출하는 동시에 애퍼쳐(122) 상에 포커싱된 광을 검출하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 부가적인 애퍼쳐가 애퍼쳐(122)에 인접하여 위치되는 경우(또는 애퍼쳐(122)의 크기가 증가되는 경우), 부가적인 애퍼쳐로부터의 발산 광은 어레이(110)에 도달하기 전에 발산 광(102)과 중첩될 수 있으며, 그에 의해, 검출된 신호의 SNR이 감소된다.
따라서, 렌즈(230)의 초점면을 따라 상대적으로 더 큰 영역 상에 포커싱된 광을 검출하는 한편, 또한, 배경 잡음을 감소시키고 광 검출기들이 배치될 수 있는 검출 영역을 증가시키기 위한 예시적인 구현들이 본원에서 설명된다.
도 3a는 예시적인 실시예들에 따른, 애퍼쳐 및 도파관 어레이를 포함하는 잡음 제한 시스템(300)의 예시이다. 일부 구현들에서, 시스템(300)은 시스템(290) 대신에 또는 그에 부가하여 LIDAR 디바이스(200)와 함께 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 시스템(300)은, 각각, 시스템(100), 광(102), 및 객체(104)와 유사하게, 장면 내의 객체(304)에 의해 산란된 광(302)을 측정할 수 있다.
도시된 바와 같이, 시스템(300)은 광 검출기 어레이들(310, 316, 및 318)을 포함하며, 이들 각각은 광 검출기 어레이(110)와 유사할 수 있다. 예컨대, 광 검출기 어레이(310)는, 어레이(310) 상에 입사하는 발산 광 부분(302a)을 가로채고/거나 검출하도록 배열된, 검출기들(112 및 114)과 유사한 복수의 광 검출기들을 포함할 수 있다. 추가로, 어레이(310) 내의 광 검출기들로부터의 출력들은 어레이(110) 내의 광 검출기들의 출력들과 유사하게 결합될 수 있다(예컨대, 병렬 회로 연결, 제어기(250)를 통한 계산 등). 예를 들면, 출력들을 결합함으로써, 시스템(300)은, 애퍼쳐(322)에서의 광 부분(302a)의 대응하는 단면적과 비교하여, 광(302a)을 검출하기 위한 검출 영역(어레이(310)의 음영 구역으로서 도시됨)을 증가시킬 수 있다. 도시된 바와 같이, 시스템(300)은 또한, 불투명 물질(320), 애퍼쳐(322), 및 렌즈(330)를 포함하며, 이들은 각각 불투명 물질(120), 애퍼쳐(122), 및 렌즈(130)와 유사할 수 있다. 예시를 위해, 애퍼쳐(322)는, 애퍼쳐(122)의 형상(직사각형)과 비교하여 상이한 형상(타원형)을 갖는 것으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 시스템(300)은 또한 애퍼쳐(322)와 어레이들(310, 316, 318) 사이에 개재된 도파관 어레이(360)를 포함한다.
도파관 어레이(360)는, 애퍼쳐(322)를 통해 투과되고 어레이(360)의 수신 면(360a)(면(360a)의 음영 구역으로서 도시됨) 상에 투영되는 광(302)을 수신하도록 배열된 복수의 도파관들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다.
도 3b는 예시적인 실시예들에 따른 시스템(300)의 단면도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 도파관 어레이(360)는, 클래딩 층들(362, 366, 372, 376, 382, 및 386), 코어 층들(364, 374, 및 384) 및 흡수 층들(368 및 378)을 포함한다. 클래딩 층들(362, 366, 372, 376, 382, 및 386)은, 예를 들면, 중합체 코팅된 또는 플루오린 도핑된 유리 기판들과 같은 비교적 낮은 굴절률의 물질을 포함할 수 있다. 코어 층들(364, 374, 및 384)은, 적어도 일부 파장들의 광(302)에 대해 투명한, 예를 들면, 유리 또는 높은 굴절률의 중합체 기판과 같은 비교적 높은 굴절률의 물질을 포함할 수 있다. 흡수 층들(368 및 378)은 도파관 어레이(360) 내에서 안내되는 광(302)의 파장들을 흡수하기에 적합한 임의의 물질로 형성된 흡수체를 포함할 수 있다. 그 목적을 위해, 예시적인 흡수체들의 비-포괄적인 목록은, 다른 것들 중에서도, 카본 블랙, 블랙 크롬을 포함한다.
일부 예들에서, 도파관 어레이(360)는 클래딩 층들(362, 366, 372, 376, 및 386)에 대응하는 도핑된 구역들을 포함하는 유리 기판으로 형성될 수 있다. 따라서, 도핑되지 않은 유리 기판의 구역들은 코어 층들(364, 374, 및 378)에 대응할 수 있다. 이러한 배열을 이용하여, 어레이(360) 내의 복수의 도파관들 중의 제1 도파관은 클래딩(362), 코어(364), 및 클래딩(366)을 포함할 수 있다. 유사하게, 제2 도파관은 클래딩(372), 코어(374), 및 클래딩(376)을 포함할 수 있다. 유사하게, 제3 도파관은 클래딩(382), 코어(384), 및 클래딩(386)을 포함할 수 있다.
추가로, 도시된 바와 같이, 어레이(360) 내의 각각의 도파관은, 면(360a)의 표면을 따른 개개의 입력단(예컨대, 개개의 코어의 노출된 표면), 및 출력 면(360b)(면(360a)에 대향함)의 표면을 따른 개개의 출력단(예컨대, 개개의 코어의 다른 노출된 표면)을 가질 수 있다. 추가로, 어레이(360) 내의 도파관들은, 다른 요인들 중에서도, 애퍼쳐(322)의 크기, 애퍼쳐(322)와 렌즈(330) 사이의 거리, 및 렌즈(330)의 특성들(예컨대, 초점 길이)에 기반하여 미리 정의된 치수들을 가질 수 있다. 어레이(360) 내의 도파관들은 또한, 각각의 도파관이 면(360a) 상에 투영되는 광(302)의 개개의 부분을 수신하도록, 적층되거나 또는 다른 방식으로 애퍼쳐(322)와 정렬될 수 있다. 도시된 바와 같이, 예를 들면, 어레이(360) 내의 도파관들은 애퍼쳐(322)의 길이 방향(예컨대, 장축)에 평행한 적층 배열(예컨대, 면들(360c 및 360d) 사이에 수직으로 적층됨)로 있을 수 있다.
결과적으로, 제1 도파관은 면(360a) 상에 투영되고 클래딩 층들(362 및 366) 사이(즉, 제1 도파로의 입력단)에서 연장되는 광(302)의 부분을 수신할 수 있다. 그런 다음, 제1 도파관은, 예를 들면 내부 전반사를 통해, 광(302)의 제1 부분을 제1 도파관의 출력단(예컨대, 면(360b)에서의 코어(364)의 표면)을 향해 그리고 그 출력단 밖으로 제1 발산 광 부분(302a)으로서 안내할 수 있다. 추가로, 도시된 바와 같이, 광 검출기 어레이(310)는 발산 광 부분(302a)을 가로채고 검출하기 위해 제1 도파관의 출력단에 인접하여 위치될 수 있다. 유사하게, 제2 도파관은 제2 발산 광 부분(302b)을 광 검출기 어레이(316)를 향해 안내할 수 있고, 제3 도파관은 제3 발산 광 부분(302c)을 광 검출기 어레이(318)를 향해 안내할 수 있다.
도시된 바와 같이, 각각의 도파관은, 면들(360c 및 360d) 사이에서 수직으로(예컨대, 애퍼쳐(322)의 장축에 평행하게), 그리고 면(360e)과 면(360e)에 대향하는 어레이(360)의 다른 면 사이에서 수평으로(예컨대, 도 3b에서 페이지 밖을 가리키는 애퍼쳐(322)의 단축에 평행하게) 연장될 수 있다. 추가로, 도시된 바와 같이, 각각의 도파관은, 적층 방향에 수직인 방향(예컨대, 수평)으로 더 큰 규모의 발산을 허용하면서, 도파관들의 적층 방향(예컨대, 수직)으로의 (예컨대, 클래딩 층들에서의 안내된 광의 반사 등으로 인한) 발산을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 예를 들면, 어레이(360)는, 애퍼쳐(322)의 단면적에 비해 광 검출기 어레이들에서 개개의 검출 영역들을 증가시키면서, 인접한 도파관들에서 안내되는 개개의 발산 광 부분들(302a, 302b, 302c) 사이의 중첩을 방지할 수 있다.
추가로, 이러한 배열을 이용하여, 시스템(300)은, 각각의 광 검출기 어레이(310, 316, 318) 상에 입사하는 광 부분들을 별개로 그리고 동시에 검출함으로써, 장면의 다중 픽셀 이미지를 포착할 수 있다. 도시된 바와 같이, 예를 들면, 광 검출기 어레이(310, 316, 또는 318)로부터의 각각의 출력은 장면을 나타내는 픽셀들의 수직 배열의 이미지 픽셀에 대응할 수 있다. 추가로, 이미지 픽셀은 개개의 입력단에 진입하는 광(302)의 부분의 단면적보다 더 큰 단면적에 걸쳐 검출된다. 그러므로, 예컨대, 도파관 어레이(360)는, 애퍼쳐(322)를 통해 투과된 광(302)의 전력 밀도를 다양한 광 검출기 어레이들 간에 분배하는 광학 확산기로서 이용될 수 있다.
일부 시나리오들에서, 안내된 광 부분들은 인접한 도파관으로 누설될 수 있다. 예로서, 제1 도파관에서, 그러한 누설은 임계각에 근접한 클래딩(366)과 코어(364) 사이의 계면에서의 안내된 광의 입사각에 기인할 수 있다. 결과적으로, 제1 도파관에서의 안내된 광은 제2 도파관을 향해 소실되는 소실 필드로서 클래딩(366)을 통해 잠재적으로 누설될 수 있다. 이러한 누설을 완화시키기 위해, 도시된 바와 같이, 흡수 층(368)은, 제1 도파관 및/또는 제2 도파관으로부터 소실되는 소실 필드를 흡수하기에 적합한 두께를 갖는 흡수체(예컨대, 카본 블랙)를 포함한다. 유사하게, 흡수 층(378)은 제2 도파관과 제3 도파관 사이의 소실 광을 흡수하도록 구성될 수 있다.
일부 구현들에서, 어레이(360) 내의 도파관의 코어는, 도파관의 노출된 입력단 및 출력단 이외의 코어의 모든 면들을 따라 클래딩 층들에 의해 둘러싸일 수 있다. 예컨대, 클래딩(362)은 클래딩 층(366)과 연결되기 위해 면(360e)(및 어레이(360)의 대향하는 면)에서 코어(364) 주위로 연장될 수 있다. 이러한 구현들에서, 제1 도파관은, 제1 도파관 내부에서 안내되는 광 부분(302a)의 2 차원 횡방향 광밀폐를 제공하는 비-평면형 도파관으로서 구성될 수 있다. 대안적으로, 다른 구현들에서, 코어는, 코어의 2개의 면만을 따라 평면형 클래딩 층들 사이에 개재될 수 있다. 예컨대, 클래딩 층들(372 및 376)은, 어레이(360)의 면(360e)(및 그의 대향하는 면)을 따라서는 아니지만 코어(374)의 2개의 대향하는 면을 따라 배치될 수 있다. 따라서, 이러한 구현들에서, 제2 도파관은, 제2 도파관 내부에서 안내된 광 부분(302b)의 하나의 횡방향에서만 광밀폐를 제공하는 평면형 도파관으로서 구성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 다양한 구성요소들 및 피쳐들의 크기들, 위치들 및 형상들은 반드시 실측에 맞게 도시되지는 않으며, 설명의 편의를 위해 도시된 바와 같이 예시된다는 것이 유의된다. 추가로, 일부 실시예들에서, 시스템(300)은 도시된 것들보다 더 적거나 더 많은 구성요소들을 포함할 수 있다. 추가로, 일부 실시예들에서, 도시된 구성요소들 중 하나 이상은 결합될 수 있거나, 별개의 구성요소들로 분할될 수 있다.
제1 실시예에서, 광 검출기 어레이들(310, 316, 318)은 도파관 어레이(360)의 면(360b)으로부터 일정 거리에 배치되는 것으로 도시되지만, 광 검출기 어레이들(310, 316, 318) 중 하나 이상은 대안적으로 면(360b) 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 어레이(310)는 제1 도파관의 출력단(코어(364)의 노출된 표면) 상에 배치(예컨대, 성형 등)될 수 있고, 광 검출기 어레이(316)는 제2 도파관의 출력단(코어(374)의 노출된 표면) 상에 배치될 수 있고/거나, 광 검출기(318)는 제3 도파관의 출력단(코어(384)의 노출된 표면) 상에 배치될 수 있다.
제2 실시예에서, 도파관 어레이(360)와 애퍼쳐(322) 사이의 거리가 변할 수 있다. 일 예에서, 도시된 바와 같이, 도파관 어레이(360)는 불투명 물질(320)을 따라(예컨대, 그와 접촉하는 등의 방식으로) 배치될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 어레이(360) 내의 도파관들의 입력단들은 애퍼쳐(322)와 실질적으로 동일 평면 상에 있을 수 있다. 이러한 배열을 이용하여, 애퍼쳐(322)는 (예컨대, 애퍼쳐(322)의 장축 또는 길이 방향에 평행한) 일 방향으로의 제한 애퍼쳐로서 구성될 수 있고, 어레이(360) 내의 도파관들의 입력단들은 (예컨대, 애퍼쳐(322)의 단축 또는 폭 방향에 평행한) 다른 방향으로의 애퍼쳐들을 제한하는 것으로 구성될 수 있다. 추가로, 이러한 배열을 이용하여, 예를 들면, 도파관 어레이(360)는, 애퍼쳐(302)를 통해 투과된 후에 광 부분들이 발산 및/또는 혼합되기 전에 광 부분들(302a, 302b, 302c)을 안내할 수 있다. 그러나, 다른 예들에서, 도파관 어레이(360)는 대안적으로, 불투명 물질(320)(및 애퍼쳐(322))로부터 일정 거리(예컨대, 갭)에 위치될 수 있다. 예를 들면, 광 검출기 어레이들(310, 316, 318)의 출력들은 애퍼쳐(322)를 통해 투과된 광(302)의 발산/혼합을 고려하도록 (예컨대, 제어기(250)를 통해) 처리될 수 있다.
제3 실시예에서, 렌즈(330)에 대한 애퍼쳐(322)(및/또는 어레이(360)의 면(360a))의 배열이 변할 수 있다.
일 예에서, 애퍼쳐(322)(및/또는 어레이(360) 내의 도파관들의 입력단들)는 렌즈(330)의 초점면을 따라 배치될 수 있다.
다른 예에서, 애퍼쳐(322)(및/또는 어레이(360) 내의 도파관들의 입력단들)는 렌즈(330)의 초점면에 평행하게 배치될 수 있지만, 초점면과 렌즈(330) 사이의 거리와 상이한 렌즈(330)까지의 거리에 배치될 수 있다. 따라서, 이러한 예에서, 시스템(300)의 광학 특성들(예컨대, 초점 구성 등)은 시스템(300)의 응용에 따라 조정될 수 있다. 그러므로, 일부 예시들에서, 포커싱된 광(302)은 광 검출기 어레이들(310, 316, 318)을 향한 발산이 시작되기 전에 도파관(360) 내부에서 (애퍼쳐(322)를 통한 투과 후에) 계속 수렴할 수 있다. 일부 예시들에서, 시스템(300)은 또한, 장면을 스캐닝하는 동안 특정 광학 구성을 달성하기 위해 렌즈(330), 불투명 물질(320), 및/또는 어레이(360)를 이동시키는 액추에이터를 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 애퍼쳐(322)(및/또는 어레이(360)의 면(60a))는 렌즈(330)의 초점면에 대해 오프셋 배향으로 배열될 수 있다. 예를 들면, 시스템(300)은 어레이(360)의 개개의 도파관들로의 광(302)의 진입 각도를 조정하기 위해 불투명 물질(320)(및/또는 어레이(360))을 (예컨대, 액추에이터를 통해) 회전시킬 수 있다. 그렇게 함으로써, 제어기(예컨대, 제어기(250))는, 다른 요인들 중에서도, (예컨대, 스캐닝된 장면의 특정 구역으로부터 도달하는 잡음/간섭을 감소시키는 것 등을 위해) 렌즈(330)의 렌즈 특성들, 시스템(300)의 환경과 같은 다양한 요인들에 따라 시스템(300)의 광학 특성들을 추가적으로 제어할 수 있다.
제4 실시예에서, 불투명 물질(320)은 시스템(300)으로부터 생략될 수 있다. 이러한 배열을 이용하여, 예를 들면, 어레이(360) 내의 도파관들의 각각의 개개의 입력단은 시스템(300)의 개개의 애퍼쳐에 대응할 수 있다.
제5 실시예에서, 도파관 어레이(360)가 애퍼쳐(322)의 장축에 평행하게 수직으로 배열된 복수의 도파관들을 포함하는 것으로 도시되지만, 어레이(360)는 대안적으로, 애퍼쳐(322)의 단축에 평행하게 배열된(예컨대, 수평으로 적층됨) 도파관들을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 도파관 어레이(360)는, 시스템(300)이 장면의 2 차원(2D) 이미지를 획득할 수 있도록, 수평으로뿐만 아니라 수직으로 배열된 도파관들의 격자를 포함할 수 있다.
제6 실시예에서, 도파관 어레이(360)가 단일 물리적 구조로서 도시되지만, 어레이(360) 내의 도파관들은 대안적으로 별개의 물리적 구조들로서 구현될 수 있고, 별개의 물리적 도파관들은 다양한 도파관들 사이에 적절하게 개재된 흡수체들(368 및 378)과 함께 (예컨대, 수직으로) 적층될 수 있다. 예컨대, 도파관들은, 애퍼쳐(322)의 길이 방향에 평행한 적층 방향으로 층층이 적층되는 유리판들로서 구현될 수 있다.
제7 실시예에서, 클래딩 층들(362, 366, 372, 376, 382, 386) 및/또는 흡수체들(368, 378) 중 하나 이상이 생략될 수 있다.
제8 실시예에서, 클래딩 층들(362, 366, 372, 376, 382) 및/또는 흡수체들(368, 378) 중 임의의 것의 두께는 면들(360a 및 360b) 사이에서 변화될 수 있다. 예컨대, 클래딩 층들(및/또는 흡수체들)은 면(360b) 근처의 대응하는 두께에 비해 면(360a) 근처에서 더 작은 두께를 가질 수 있다(예컨대, 점진적으로 증가되거나, 점감되는 등의 방식임). 그러한 배열을 이용하여, 예를 들면, 면(360a) 상에 입사하는 광(302)의 더 큰 규모가 코어들(364, 374, 384)의 노출된 표면들 상에 투영될 수 있고, 그에 의해, 어레이(360) 내의 도파관들을 통해 광 검출기 어레이들(310, 316, 318)을 향해 안내될 수 있다.
제9 실시예에서, 도파관 어레이(360)는 도시된 3개의 도파관보다 더 적거나 더 많은 도파관을 포함할 수 있다.
제10 실시예에서, 어레이(360) 내의 도파관들의 입력단들이 유사한 크기를 갖는 것으로 도시되지만, 도파관들의 입력단들은 대안적으로 상이한 크기들을 가질 수 있다. 예로서, 클래딩 층들(362 및 366) 사이에서 연장되는 제1 도파관의 입력단은 클래딩 층들(372 및 376) 사이에서 연장되는 제2 도파관의 입력단과 상이한 크기를 가질 수 있다. 이러한 예에서, 광 검출기 어레이(310)에서 검출된 광 부분(302a)은, 시야(FOV; field-of-view) 내에서 스캐닝되고 광 검출기 어레이(316)에서 광 부분(302b)으로서 검출되는 각도들의 범위와 비교하여, 시스템(300)의 FOV 내에서 스캐닝되는 더 크거나 더 낮은 범위의 각도들에 대응할 수 있다.
제11 실시예에서, 광 검출기 어레이들(310, 316, 318)이 별개의 물리적 구조들로서 도시되지만, 광 검출기 어레이들(310, 316, 318)은 대안적으로 단일 물리적 기판 상에 구현될 수 있고, 여기서, 광 검출기들의 하나 이상의 행은 서로 연결되지만 단일 기판 내의 광 검출기들의 다른 행들에 연결되지는 않는다.
제12 실시예에서, 시스템(300)을 제어하는 디바이스(예컨대, LIDAR 디바이스(200) 등)는, 2개 이상의 광 검출기 어레이로부터의 출력들을 결합하여, 검출 영역뿐만 아니라 결합된 검출된 광 부분들과 연관된 유효 애퍼쳐 크기를 증가시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 어레이들(310 및 316)로부터의 출력들은, 제1 및 제2 도파관들의 2개의 입력단 중 하나의 입력단 상에만 입사하는 단일 광 부분에 대응하는 더 작은 유효 애퍼쳐 크기와는 대조적으로 2개의 입력단 상에 입사하는 광(302)의 2개의 부분에 대응하는 더 큰 유효 애퍼쳐 크기가 달성될 수 있도록 결합될 수 있다.
III. 예시적인 방법들 및 컴퓨터 판독가능 매체
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 방법(400)의 흐름도이다. 방법(400)은, 예컨대, 시스템들(100, 300) 및/또는 디바이스(200) 중 임의의 것과 함께 사용될 수 있는 방법의 실시예를 제시한다. 방법(400)은, 블록들(402-410) 중 하나 이상에 의해 예시된 바와 같은 하나 이상의 동작, 기능, 또는 작용을 포함할 수 있다. 블록들이 순차적 순서로 예시되지만, 이러한 블록들은 일부 예시들에서 병렬로 그리고/또는 본원에서 설명된 것들과 상이한 순서로 수행될 수 있다. 또한, 다양한 블록들은 더 적은 블록들로 결합될 수 있고, 부가적인 블록들로 분할될 수 있고/거나 원하는 구현에 기반하여 제거될 수 있다.
게다가, 방법(400) 및 본원에서 개시된 다른 프로세스들과 방법들에 대해, 흐름도는 본 실시예들의 하나의 가능한 구현의 기능성 및 동작을 도시한다. 이와 관련하여, 각각의 블록은, 프로세스에서 특정 논리 기능들 또는 단계들을 구현하기 위해 프로세서에 의해 실행가능한 하나 이상의 명령어를 포함하는 모듈, 세그먼트, 제조 또는 동작 프로세스의 부분, 또는 프로그램 코드의 부분을 나타낼 수 있다. 프로그램 코드는, 예컨대, 디스크 또는 하드 드라이브를 포함하는 저장 디바이스와 같은 임의의 유형의 컴퓨터 판독가능 매체 상에 저장될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는, 예컨대, 레지스터 메모리, 프로세서 캐시, 및 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같이 짧은 시간 기간들 동안 데이터를 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체와 같은 비-일시적인 컴퓨터 판독가능 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 또한, 예컨대, 판독 전용 메모리(ROM), 광학 또는 자기 디스크들, 콤팩트 디스크 판독 전용 메모리(CD-ROM)와 같은, 보조 또는 영구적 장기 저장소와 같은 비-일시적인 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 또한 임의의 다른 휘발성 또는 비-휘발성 저장 시스템들일 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는, 예컨대, 컴퓨터 판독가능 저장 매체 또는 유형의 저장 디바이스로 간주될 수 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 방법(400) 및 본원에서 개시된 다른 프로세스들과 방법들에 대해, 도 4의 각각의 블록은 프로세스에서의 특정 논리 기능들을 수행하도록 배선되는 회로를 나타낼 수 있다.
블록(402)에서, 방법(400)은, 장면에 대해 배치된 렌즈(예컨대, 렌즈(130))에 의해, 장면으로부터의 광을 렌즈의 초점면을 향해 포커싱하는 단계를 수반한다. 일부 예들에서, 장면으로부터의 광은 장면 내의 객체(예컨대, 객체(104))에 의해 산란될 수 있다. 일부 예들에서, 컴퓨팅 디바이스(예컨대, 제어기(250))는 렌즈의 특성(예컨대, 초점면, 초점 길이 등)을 작동시키거나 다른 방식으로 조정할 수 있다.
블록(404)에서, 방법(400)은, 불투명 물질(예컨대, 불투명 물질(120)) 내에 정의된 애퍼쳐(예컨대, 애퍼쳐(122))를 통해, 장면으로부터의 포커싱된 광을 투과시키는 단계를 수반한다.
블록(406)에서, 방법(400)은, 복수의 도파관들 중 주어진 도파관의 입력단에서, 애퍼쳐를 통해 투과되는 광의 부분을 수신하는 단계를 수반한다.
블록(408)에서, 방법(400)은, 주어진 도파관에 의해, 광의 수신된 부분을 주어진 도파관의 출력단을 향해 안내하는 단계를 수반한다.
블록(410)에서, 방법(400)은, 광 검출기들의 어레이를 통해, 출력단으로부터 전파되는 안내된 광을 검출하는 단계를 수반한다. 검출된 광의 단면적은 입력단에서 수신된 광의 부분의 단면적보다 클 수 있다.
위의 상세한 설명은 개시된 시스템들, 디바이스들, 및 방법들의 다양한 특징들 및 기능들을 첨부된 도면들을 참조하여 설명하였다. 본원에서 다양한 양상들 및 실시예들이 개시되었지만, 다른 양상들 및 실시예들이 명백할 것이다. 본원에서 개시된 다양한 양상들 및 실시예들은 단지 예시의 목적들을 위한 것이고, 제한적인 것으로 의도되지 않으며, 실제 범위는 다음의 청구항들에 의해 나타내어진다.

Claims (20)

  1. 광 검출을 위한 시스템으로서,
    장면에 대해 배치되는 렌즈 ― 상기 렌즈는, 상기 장면으로부터의 광을 상기 렌즈의 초점면을 향해 포커싱하도록 구성됨 ―;
    상기 렌즈의 초점면에 평행하게 배치된 불투명 물질 내에 정의되는 애퍼쳐;
    복수의 도파관들 ― 상기 복수의 도파관들 각각은 공통의 상기 애퍼쳐를 통해 투과되는 광의 부분을 수신하는 입력단을 갖고, 상기 도파관 각각은 상기 도파관 각각의 출력단을 통한 송신을 위해 상기 광의 상기 수신된 부분을 안내하고, 상기 출력단에서의 상기 안내된 광의 단면적은 상기 입력단에서의 상기 광의 상기 수신된 부분의 단면적보다 큼 ―; 및
    상기 출력단을 통해 송신되는 상기 안내된 광을 검출하는 광 검출기들의 어레이를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 각각은 상기 공통의 애퍼쳐의 길이 방향을 따른 상기 안내된 광의 발산을 감소시키는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 도파관들은 적층 배열로 있고, 상기 도파관 각각은 상기 적층 배열의 적층 방향을 따른 상기 안내된 광의 발산을 감소시키는, 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 도파관들은 평면형 도파관 어레이를 포함하고, 상기 적층 방향은 상기 공통의 애퍼쳐의 길이 방향에 평행한, 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기들의 어레이는 복수의 단일 광자 애벌란시 다이오드(SPAD; single photon avalanche diode)들을 포함하는, 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 어레이 내의 상기 광 검출기들은 서로 병렬로 연결되는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기들의 어레이는 상기 출력단 상에 배치되는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 출력단은 상기 입력단에 대향하는, 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 도파관들은,
    제1 굴절률을 갖는 제1 코어;
    상기 제1 굴절률을 갖는 제2 코어; 및
    상기 제1 코어와 상기 제2 코어 사이에 적어도 일부가 배치되는 클래딩을 포함하며, 상기 클래딩은 상기 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 갖는, 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 도파관들 중 제1 도파관의 입력단은 상기 공통의 애퍼쳐에 인접한 상기 제1 코어의 표면에 대응하고, 상기 복수의 도파관들 중 제2 도파관의 입력단은 상기 공통의 애퍼쳐에 인접한 상기 제2 코어의 표면에 대응하는, 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 클래딩은, (i) 상기 제1 도파관의 입력단을 포함하는 제1 면, 및 (ii) 상기 제1 도파관의 출력단을 포함하는 제2 면 이외의 상기 제1 코어의 복수의 면들을 따라 배치되는, 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 코어와 상기 제2 코어 사이에 배치되는 흡수체를 더 포함하며, 상기 흡수체는, 상기 클래딩을 통해 상기 제1 코어로부터 소실되는 소실 광이 상기 제2 코어 내로 전파되는 것을 방지하는, 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 도파관들은 유리 기판을 포함하고, 상기 클래딩은 상기 유리 기판의 제1 구역에 대응하고, 상기 제1 구역은 상기 유리 기판의 제2 구역에 비해 더 낮은 굴절률을 갖도록 도핑되고, 상기 제1 코어는 상기 유리 기판의 제2 구역에 대응하고, 상기 제2 구역은 도핑되지 않는, 시스템.
  14. 광 검출을 위한 방법으로서,
    장면에 대해 배치된 렌즈에 의해, 상기 장면으로부터의 광을 초점면을 향해 포커싱하는 단계;
    상기 초점면에 평행한 불투명 물질 내에 정의된 애퍼쳐를 통해, 상기 장면으로부터의 상기 포커싱된 광을 투과시키는 단계;
    복수의 도파관들 각각의 입력단에서, 공통의 상기 애퍼쳐를 통해 투과되는 상기 광의 부분을 수신하는 단계;
    상기 도파관 각각에 의해, 상기 광의 상기 수신된 부분을 상기 도파관 각각의 출력단을 향해 안내하는 단계; 및
    광 검출기들의 어레이에서, 상기 출력단으로부터 전파되는 상기 안내된 광을 검출하는 단계를 포함하며, 상기 검출된 광의 단면적은 상기 입력단에서 수신된 상기 광의 부분의 단면적보다 큰, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 어레이 내의 상기 광 검출기들이 서로 병렬로 연결되는 것에 기반하여 상기 어레이 내의 상기 광 검출기들로부터의 출력들을 결합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    광 방출기를 통해, 광 펄스를 상기 장면을 향해 송신하는 단계;
    상기 광 검출기들로부터의 상기 결합된 출력들에 기반하여 상기 광 펄스의 반사를 검출하는 단계; 및
    적어도 상기 검출된 반사에 기반하여 상기 장면 내의 객체의 위치를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 광 검출 및 거리측량(LIDAR; light detection and ranging) 디바이스로서,
    장면을 조명하는 LIDAR 송신기; 및
    상기 장면 내의 하나 이상의 객체에 의해 산란되는 광을 수신하는 LIDAR 수신기를 포함하며,
    상기 LIDAR 수신기는,
    상기 수신된 광을 초점면을 향해 포커싱하는 렌즈,
    상기 초점면에 평행하게 배치된 불투명 물질 내에 정의되는 애퍼쳐,
    복수의 도파관들 ― 상기 복수의 도파관들 각각은 공통의 상기 애퍼쳐를 통해 투과되는 광의 부분을 수신하는 입력단을 갖고, 상기 도파관 각각은 상기 광의 상기 수신된 부분을 상기 도파관 각각의 출력단을 향해 안내함 ―, 및
    상기 출력단을 통해 송신되는 상기 안내된 광을 수신하고 검출하는 광 검출기들의 어레이를 포함하고, 상기 출력단을 통해 송신되는 상기 안내된 광을 수신하는 상기 어레이의 검출 구역의 단면적은 상기 입력단에서의 상기 광의 상기 수신된 부분의 단면적보다 큰, LIDAR 디바이스.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 광 검출기들의 어레이는 복수의 단일 광자 애벌란시 다이오드(SPAD)들을 포함하는, LIDAR 디바이스.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 어레이 내의 상기 광 검출기들은 서로 병렬로 연결되는, LIDAR 디바이스.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 광 검출기들의 어레이는 상기 출력단을 따라 배치되는, LIDAR 디바이스.
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