KR102534670B1 - 필드 내에서 거리 정보를 수집하기 위한 광학 시스템 - Google Patents

필드 내에서 거리 정보를 수집하기 위한 광학 시스템 Download PDF

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Abstract

거리 정보를 수집하기 위한 광학 시스템들 및 방법들이 개시된다. 예시적 광학 시스템은 제1 송신 옵틱, 복수의 조명 소스, 적어도 제1 열의 픽셀들 및 제2 열의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이 - 제1 열의 픽셀들 내의 각각의 픽셀은 제1 픽셀 피치만큼 제1 열의 픽셀들 내의 인접 픽셀로부터 오프셋되고, 제2 열의 픽셀들은 제1 픽셀 피치만큼 제1 열의 픽셀들로부터 수평으로 오프셋되고, 제2 열의 픽셀들은 제1 수직 피치만큼 제1 열의 픽셀들로부터 수직으로 오프셋됨 -; 및 제1 송신 옵틱과 픽셀 어레이 사이에 개재되는 세트의 입력 채널들을 포함한다.

Description

필드 내에서 거리 정보를 수집하기 위한 광학 시스템
관련 특허 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 발명의 명칭이 "OPTICAL SYSTEM FOR COLLECTING DISTANCE INFORMATION WITHIN A FIELD"이고 2016년 8월 24일에 출원된 미국 임시 출원 제62/379,130호에 대한 우선권을 주장하며, 그것의 내용은 본원에 참조로 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 광학 센서들의 분야에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 광학 센서들의 필드 내에서 거리 정보를 수집하기 위한 새롭고 유용한 시스템 광학 시스템에 관한 것이다.
라이다(Light detection and ranging)(LiDAR) 시스템들은 광범위한 응용들, 예를 들어, 농업, 산림 계획 및 관리, 환경 평가, 측량, 매핑, 이미징, 및 차량 자동화 등에 사용되었다. 카메라들과 달리, LiDAR 시스템들은 밤에 그리고 임의의 날씨 하에 동작될 수 있다. 게다가, LiDAR 시스템들은 낮은 태양각에 영향을 받지 않고, 조명된 객체들로부터의 귀환된 광들에 직접 기초하여 거리 윤곽들을 제공할 수 있다.
그러나, 그것은 더 높은 정밀도, 더 낮은 비용들 및 더 빠른 결과들에 의해 2D 또는 3D 거리 정보를 제공하는 도전으로 남아 있다.
본 개시의 다양한 예들에 따른 시스템들 및 방법들은 해결법을 앞서 언급된 문제들에 제공한다. 거리 정보를 수집하기 위한 예시적 광학 시스템은 광학 시스템 외측의 필드로부터 반사되는 복수의 조명 소스의 조명 빔들을 수집하도록 구성되는 제1 송신 옵틱; 적어도 제1 열의 픽셀들 및 제2 열의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이 - 제1 열의 픽셀들 내의 각각의 픽셀은 제1 픽셀 피치만큼 제1 열의 픽셀들 내의 인접 픽셀로부터 오프셋되고, 제2 열의 픽셀들은 제1 픽셀 피치만큼 제1 열의 픽셀들로부터 수평으로 오프셋되고, 제2 열의 픽셀들은 제1 수직 피치만큼 제1 열의 픽셀들로부터 수직으로 오프셋됨 -; 및 제1 송신 옵틱과 픽셀 어레이 사이에 개재되는 세트의 입력 채널들 - 세트의 입력 채널들은 적어도 제1 복수의 입력 채널 및 제2 복수의 입력 채널을 포함하고, 제1 복수의 입력 채널 각각은 제1 송신 옵틱으로부터의 수집된 조명 빔들 중 하나를 제1 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성되고, 제2 복수의 입력 채널 각각은 제1 송신 옵틱으로부터의 수집된 조명 빔들 중 하나를 제2 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성됨 - 을 포함한다.
본 개시의 일 양태에서, 제1 송신 옵틱은 제1 초점 길이를 갖고 필드와 대향하는 초점 평면을 정의한다. 세트의 입력 채널들은 초점 평면과 실질적으로 일치하여 배치되는 애퍼처 층 - 애퍼처 층은 적어도 제1 복수의 애퍼처 및 제2 복수의 애퍼처를 포함하는 세트의 애퍼처들을 포함함 -; 세트의 렌즈 - 세트의 렌즈는 적어도 제1 복수의 렌즈 및 제2 복수의 렌즈를 포함하고, 제1 복수의 렌즈 각각은 제1 복수의 애퍼처 중 하나에 대응하고, 제2 복수의 렌즈 각각은 제2 복수의 애퍼처 중 하나에 대응함 -; 및 세트의 렌즈에 인접하여 배치되고 세트의 애퍼처들과 대양하는 광학 필터를 포함한다.
본 개시의 다른 양태에서, 세트의 입력 채널들 내의 각각의 입력 채널은 세트의 입력 채널들이 픽셀 어레이와 실질적으로 유사한 스큐이드 그리드 어레이(skewed grid array)에 위치되도록 픽셀 어레이 내의 대응하는 픽셀과 동축이다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 세트의 입력 채널들 내의 각각의 입력 채널은 세트의 렌즈 내의 렌즈 및 세트의 애퍼처들 내의 대응하는 애퍼처를 포함하며, 렌즈는 대응하는 애퍼처와 실질적으로 정렬된다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 세트의 렌즈 각각은 제2 초점 길이를 갖고, 제2 초점 길이만큼 제1 송신 옵틱과 대향하는 초점 평면을 오프셋하고 광학 시스템의 동작 파장과 실질적으로 등가인 파장들을 갖는 광선들을 콜리메이팅하도록 구성된다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 광학 시스템은 제2 송신 옵틱을 추가로 포함한다. 복수의 조명 소스는 제2 송신 옵틱의 초점 평면을 따라 위치되며, 각각의 조명 빔은 세트의 입력 채널들 내의 대응하는 입력 채널의 시야와 실질적으로 동일한 크기 및 기하학적 구조를 갖는 제2 송신 옵틱에 의해 투사된다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 애퍼처 층은 글래스 웨이퍼를 선택적으로 금속화하고 세트의 애퍼처들을 금속화된 글래스 웨이퍼로 에칭함으로써 개별적으로 제작된다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 픽셀 어레이는 반도체 웨이퍼 상에 통합된다. 제1 송신 옵틱 및 세트의 입력 채널들은 포토리소그래피 기술 또는 웨이퍼 레벨 접합 기술 중 적어도 하나를 사용하여 반도체 웨이퍼 상에 제작된다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 픽스 픽셀 피치는 제1 수직 피치의 n 배이며, n은 양의 정수이다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 광학 시스템은 수직 축 주위에서 픽셀 어레이, 세트의 입력 채널들 및 제1 송신 옵틱을 회전시키도록 구성되는 액추에이터를 추가로 포함한다. 액추에이터는 회전 전기 모터 및 광학 인코더를 포함하며, 회전 전기 모터는 광학 인코더의 출력들에 기초하여 픽셀 어레이, 세트의 입력 채널들 및 제1 송신 옵틱의 회전 속도를 제어하도록 구성되고, 광학 인코더는 폐루프 피드백 회로를 통해 픽셀 어레이에 결합된다.
거리 정보를 수집하기 위한 광학 시스템을 제조하는 예시적 방법은 광학 시스템 외측의 필드로부터 반사되는 복수의 조명 소스의 조명 빔들을 수집하도록 구성되는 제1 송신 옵틱을 제공하는 단계; 적어도 제1 열의 픽셀들 및 제2 열의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 제공하는 단계 - 제1 열의 픽셀들 내의 각각의 픽셀은 제1 픽셀 피치만큼 제1 열의 픽셀들 내의 인접 픽셀로부터 오프셋되고, 제2 열의 픽셀들은 제1 픽셀 피치만큼 제1 열의 픽셀들로부터 수평으로 오프셋되고, 제2 열의 픽셀들은 제1 수직 피치만큼 제1 열의 픽셀들로부터 수직으로 오프셋됨 -; 및 제1 송신 옵틱과 픽셀 어레이 사이에 개재되는 세트의 입력 채널들을 위치시키는 단계 - 세트의 입력 채널들은 적어도 제1 복수의 입력 채널 및 제2 복수의 입력 채널을 포함하고, 제1 복수의 입력 채널 각각은 제1 송신 옵틱으로부터의 수집된 조명 빔들 중 하나를 제1 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성되고, 제2 복수의 입력 채널 각각은 제1 송신 옵틱으로부터의 수집된 조명 빔들 중 하나를 제2 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성됨 - 를 포함한다.
거리 정보를 수집하는 예시적 방법은 광학 시스템을 사용하는 단계를 포함하며, 광학 시스템은 광학 시스템 외측의 필드로부터 복수의 조명 소스의 반사된 조명 빔들을 수집하도록 구성되는 제1 송신 옵틱; 적어도 제1 열의 픽셀들 및 제2 열의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이 - 제1 열의 픽셀들 내의 각각의 픽셀은 제1 픽셀 피치만큼 제1 열의 픽셀들 내의 인접 픽셀로부터 오프셋되고, 제2 열의 픽셀들은 제1 픽셀 피치만큼 제1 열의 픽셀들로부터 수평으로 오프셋되고, 제2 열의 픽셀들은 제1 수직 피치만큼 제1 열의 픽셀들로부터 수직으로 오프셋됨 -; 및 제1 송신 옵틱과 픽셀 어레이 사이에 개재되는 세트의 입력 채널들 - 세트의 입력 채널들은 적어도 제1 복수의 입력 채널 및 제2 복수의 입력 채널을 포함하고, 제1 복수의 입력 채널 각각은 제1 송신 옵틱으로부터의 수집된 조명 빔들 중 하나를 제1 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성되고, 제2 복수의 입력 채널 각각은 제1 송신 옵틱으로부터의 수집된 조명 빔들 중 하나를 제2 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성됨 - 을 갖는다.
거리 정보를 수집하는 예시적 방법은 광학 시스템을 제공하는 단계를 포함하며, 광학 시스템은 광학 시스템 외측의 필드로부터 복수의 조명 소스의 반사된 조명 빔들을 수집하도록 구성되는 제1 송신 옵틱; 적어도 제1 열의 픽셀들 및 제2 열의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이 - 제1 열의 픽셀들 내의 각각의 픽셀은 제1 픽셀 피치만큼 제1 열의 픽셀들 내의 인접 픽셀로부터 오프셋되고, 제2 열의 픽셀들은 제1 픽셀 피치만큼 제1 열의 픽셀들로부터 수평으로 오프셋되고, 제2 열의 픽셀들은 제1 수직 피치만큼 제1 열의 픽셀들로부터 수직으로 오프셋됨 -; 및 제1 송신 옵틱과 픽셀 어레이 사이에 개재되는 세트의 입력 채널들 - 세트의 입력 채널들은 적어도 제1 복수의 입력 채널 및 제2 복수의 입력 채널을 포함하고, 제1 복수의 입력 채널 각각은 제1 송신 옵틱으로부터의 수집된 조명 빔들 중 하나를 제1 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성되고, 제2 복수의 입력 채널 각각은 제1 송신 옵틱으로부터의 수집된 조명 빔들 중 하나를 제2 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성됨 - 을 갖는다.
도 1은 시스템의 개략적 표현이다.
도 2는 시스템의 일 변형의 개략적 표현이다.
도 3a 및 도 3b는 시스템의 일 변형의 그래픽 표현들이다.
도 4는 시스템의 일 변형의 개략적 표현이다.
도 5a, 도 5b, 도 5c, 및 도 5d는 시스템의 일 변형의 그래픽 표현들이다.
발명의 실시예들의 이하의 설명은 발명을 이러한 실시예들에 제한하도록 의도되는 것이 아니라 오히려 본 기술분야의 통상의 기술자가 본 발명을 제조하고 사용할 수 있게 하도록 의도된다. 본원에 설명되는 변형들, 구성들, 구현들, 예시적 구현들, 및 예들은 임의적이고 그들이 설명하는 변형들, 구성들, 구현들, 예시적 구현들에 배타적이지 않다. 본원에 설명되는 발명은 이러한 변형들, 구성들, 구현들, 예시적 구현들, 및 예들의 임의의 및 모든 순열들을 포함할 수 있다.
1. 시스템
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 필드 내에서 거리 정보를 수집하기 위한 시스템은 벌크 수신 옵틱; 픽셀 블록; 제1 세트의 입력 채널들; 및 제2 세트의 입력 채널들을 포함한다. 픽셀 블록은 제1 열의 픽셀들 - 제1 열 내의 각각의 픽셀은 픽셀 피치만큼 제1 열 내의 인접 픽셀로부터 수직으로 오프셋됨 -; 및 픽셀 피치만큼 제1 열로부터 수평으로 오프셋되고 수직 피치만큼 제1 열로부터 수직으로 오프셋되는 제2 열의 픽셀들 - 제2 열 내의 각각의 픽셀은 픽셀 피치만큼 제2 열 내의 인접 픽셀로부터 수직으로 오프셋되며, 수직 피치는 픽셀 피치의 부분을 포함함 - 을 포함한다. 제1 세트의 입력 채널들은 벌크 수신 옵틱과 픽셀 블록 사이에 개재되며, 제1 세트의 입력 채널들 내의 각각의 입력 채널은 벌크 수신 옵틱으로부터 입사되는 광을 제1 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성된다. 제2 세트의 입력 채널들은 세트의 입력 채널들로부터 수평으로 오프셋되고 벌크 수신 옵틱과 픽셀 블록 사이에 개재되며, 제2 세트의 입력 채널들 내의 각각의 입력 채널은 벌크 수신 옵틱으로부터 입사되는 광을 제2 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성된다.
2. 응용들
시스템은 열의 픽셀들과 평행한 축 주위에서 회전될 때, 시스템에 의해 점유되는 체적의 3차원 거리 데이터를 수집하는 이미지 센서로서의 기능을 한다. 특히, 동작 동안, 시스템은 스캔 사이클들의 시퀀스 각각에 걸쳐 3차원 거리 데이터를 수집할 수 있고 이들을 시스템에 의해 점유되는 체적의 가상 3차원 표현으로, 예컨대 조명 소스로부터의 조명 빔의 송신 및 동일하거나 유사한 주파수에서의 광자들의 검출 또는 각각의 픽셀에서의 일시적 패터 사이의 기록된 시간에 기초하여 또는 위상 기반 측정 기술들을 구현함으로써 재구성할 수 있다.
시스템은 스큐이드 그리드 어레이 레이아웃 내의 2개 이상의 열의 픽셀을 포함하며, 인접 열들의 픽셀들은 세트의 픽셀들이 행 당 하나의 픽셀을 가진 단일 수직 열의 픽셀들 위로 투사되도록 수직으로 그리고 수평으로 오프셋된다. 시스템은 또한 픽셀 당 하나의 입력 채널을 포함하고, 입력 채널들은 광을 공통 벌크 수신 옵틱으로부터 그들의 대응하는 픽셀들로 전달한다. 시스템은 또한 각각의 픽셀(및 각각의 대응하는 입력 채널)이 회전 액추에이터의 단일 회전(이하 "스캔 사이클") 동안 시스템 내의 각각의 다른 픽셀에 의해 횡단되는 고유 원형 경로와 평행하고 고유 원형 경로로부터 수직으로 오프셋되는 고유 원형 경로를 횡단하도록 수직 축 주위에서 픽셀 블록, 입력 채널들, 및 벌크 수신 옵틱을 회전시키는 액추에이터를 포함할 수 있다. 시스템은 하나의 스캔 사이클 내의 다수의 아치형 샘플링 위치 각각에서의 각각의 픽셀로부터 데이터를 수집하고 스캔 사이클 내의 각각의 아치형 샘플링 기간 동안 다수의 열의 픽셀들로부터 수집되는 이러한 데이터를 거리들의 단일 수직 열로 - 시스템의 회전의 축과 일치하는 (거의) 단일 수직 평면 내의 외부 표면들로 - 조합할 수 있다. 따라서, 시스템은 단일 열의 픽셀들만을 포함하는 유사한 스캐닝 시스템에 의해 출력되는 데이터와 실질적으로 유사한 포맷으로 데이터(예를 들어, 거리 값들)를 출력할 수 있다. 그러나, 시스템은 다수의 수직으로-그리고 수평으로-오프셋 열의 픽셀들을 포함하기 때문에, 시스템 내의 각각의 픽셀은 더 큰 높이를 정의하고 - 따라서 거의 동일한 전체 높이이고 동일한 유효(수직) 픽셀 피치에서 동일한 수의 픽셀들을 포함하는 유사한 스캐닝 시스템 내의 픽셀보다 더 큰 수의 검출기들을 포함하고 더 큰 동적 범위를 나타낼 수 있다 -.
시스템은 스캔 사이클 당 범위 값들의 행렬을 출력할 수 있으며, 행렬의 일 행 내의 모든 범위 값들은 픽셀 블록 내의 하나의 특정 픽셀의 출력들에 대응하고, 행렬의 일 행 내의 각각의 범위 값은 하나의 스캔 사이클 내의 센서 블록의 고유 각도 위치에서의 대응하는 픽셀의 출력에 대응한다. 시스템 내의 인접 픽셀들 열들이 서로 수평으로 그리고 수직으로 오프셋되기 때문에, 시스템은 동시보다는 오히려 한 번에(즉, 타겟 각도 샘플링 위치 당) 하나의 범위 값을 가진 스캔 사이클 동안 행렬의 각각의 행을 파퓰레이팅한다. 인접 열들의 픽셀들 사이의 수평 및 수직 오프셋은 또한 시스템 내의 각각의 픽셀이 시스템의 주어진 유효 수직 피치에 대한 더 큰 영역에 걸칠(더 많은 검출기들을 포함할) 수 있게 하며, 그것에 의해 광학 시스템의 크기에 대한 동적 범위의 상대적으로 큰 비율을 초래한다. 더욱이, 픽셀 블록 상의 각각의 픽셀의 영역이 상대적으로 큰 영역에 걸치지만, 각각의 픽셀은 픽셀이 상대적으로 높은 공간 선택도를 유지하도록 픽셀의 시야를 제약하는 애퍼처를 포함하는 입력 채널과 쌍으로 된다. 따라서, 시스템은 큰 픽셀 영역들을 통한 높은 동적 범위; 각각의 픽셀에 대한 작은 시야들을 통한 높은 공간 선택도; 및 콤팩트 시스템 내의 작은 유효 픽셀 수직 피치를 통한 높은 분해능을 가능하게 하는 수평으로 및 수직으로 오프셋 열들의 픽셀들 및 대응하는 입력 채널들을 포함할 수 있다.
3. 픽셀
시스템은 다수의 픽셀을 포함하고, 각각의 픽셀은 입사 광을 검출하도록 구성되는 하나 이상의 검출기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽셀은 입사 광자들의 카운트, 입사 광자들 사이의 시간, 입사 광자들의 시간(예를 들어, 조명 출력 시간에 관한), 또는 다른 관련 데이터를 출력할 수 있고, 시스템은 이러한 데이터를 시스템으로부터 이러한 픽셀들의 시야들 내의 외부 표면으로의 거리들로 변환할 수 있다. 이러한 데이터가 수집된 시간에 이러한 거리들을 이러한 데이터가 비롯된 픽셀들의 위치 및 이러한 픽셀들의 상대 위치들과 병합함으로써, 시스템(또는 이러한 데이터에 액세스하는 다른 디바이스)은 시스템에 의해 점유되는 공간의 3차원(가상 또는 수학) 모델을, 예컨대 범위 값들의 직사각형 행렬에 의해 표현되는 3D 이미지의 형태로 재구성할 수 있으며, 행렬 내의 각각의 범위 값은 3D 공간 내의 극 좌표에 대응한다.
픽셀 내의 각각의 검출기는 샘플링 기간 당 단일 광자를 검출하도록 구성될 수 있다. 따라서, 픽셀은 픽셀의 동적 범위를 증가시키기 위해 다수의 검출기를 포함할 수 있고; 특히, 픽셀의(및 따라서 시스템의) 동적 범위는 각각의 픽셀로 통합되는 검출기들의 수가 증가함에 따라 증가할 수 있고, 픽셀로 통합될 수 있는 검출기들의 수는 픽셀의 영역에 따라 선형으로 스케일링될 수 있다. 예를 들어, 픽셀은 도 4에 도시된 바와 같이, 4개의 코너 각각 내의 하나의 검출기를 빼는 6x6 그리드 어레이의 32개의 검출기와 같은, 단일 광자 애벌란시 다이오드 검출기들(single-photon avalanche diode detectors)("SPADs")의 어레이를 포함할 수 있다. 10 미크론 직경의 검출기들에 대해, 픽셀은 거의 400 미크론 스퀘어의 풋프린트를 정의할 수 있다. 그러나, 시스템은 임의의 다른 수의 검출기들을 포함하는 임의의 다른 타입의 픽셀을 포함할 수 있다.
4. 픽셀 패턴
시스템은 제1 열의 픽셀들 - 제1 열 내의 각각의 픽셀은 픽셀 피치만큼 제1 열 내의 인접 픽셀로부터 수직으로 오프셋됨 -; 및 픽셀 피치만큼 제1 열로부터 수평으로 오프셋되고 수직 피치만큼 제1 열로부터 수직으로 오프셋되는 제2 열의 픽셀들 - 제2 열 내의 각각의 픽셀은 픽셀 피치만큼 제2 열 내의 인접 픽셀로부터 수직으로 오프셋되며, 수직 피치는 픽셀 피치의 부분을 포함함 - 을 포함하는 픽셀 블록을 포함한다. 일반적으로, 도 1, 도 2, 및 도 4에 도시된 바와 같이, 픽셀 블록은 스큐이드 그리드 어레이 내의 다수의 행 및 열의 픽셀들을 포함하며, 각각의 열은 수직으로 정렬되는 다수의 픽셀을 포함하고, 각각의 행은 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터의 고유 수직 거리에 대응하고 단일 픽셀을 포함한다. 특히, 픽셀 블록은 - 단일 열의 픽셀들과 비교하여 - 각각의 픽셀이 더 크고 더 넓게 될 수 있도록 측방으로 그리고 수직으로 오프셋되는 다수의 열의 픽셀들을 포함할 수 있으며 - 그것에 의해 픽셀들 사이의 그러한 더 큰 수직 피치를 수용하기 위해 더 큰 픽셀 블록을 필요로 하는 것 없이 - 각각의 픽셀이 더 큰 수의 검출기들을 포함할 수 있게 하고 시스템의 동적 범위를 증가시킨다.
일 구현에서, 픽셀 블록 및 픽셀들은 단일 집적 회로로 통합된다. 예를 들어, 픽셀 블록 및 픽셀들은 단일 주문형 집적 회로(application-specific integrated circuit)(또는 "ASIC")에서 정의될 수 있다. 이러한 예에서, 각각의 입력 채널은 픽셀에 대한 더 큰 공간 선택도를 달성하기 위해 ASIC 상에서 대응하는 픽셀의 시야를 제한하는 애퍼처를 포함할 수 있다.
4.1 픽셀 패턴 : 32 x 2:
일 구성에서, 시스템은 공통 벌크 수신 옵틱을 공유하는 픽셀들의 32 x 2 어레이 및 입력 채널들의 대응하는 32 x 2 어레이와 같은, 2개의 열의 픽셀들을 포함한다. 이러한 구성에서, 시스템은 동일한 유효 수직 픽셀 피치에서 거의 동일한 높이의 픽셀 블록 상에 배열되는 동일한 수의 픽셀들을 포함하는 단일 열 시스템의 것과 동일한 벌크 분해능을 나타낼 수 있지만, 2열 시스템은 단일 열 시스템보다 더 큰 동적 범위를 나타낼 수 있다. 특히, 2열 시스템의 제1 열 및 제2 열 둘 다 내의 픽셀들은 단일 열 시스템의 제1 수직 피치 두배의 제2 수직 피치(예를 들어, 200 미크론 대 100 미크론)만큼 수직으로 오프셋될 수 있고, 제2 열의 픽셀들은 제2 가상 피치의 절반만큼 제1 열의 픽셀들로부터 수직으로 오프셋될 수 있으며, 그것에 의해 거의 동일한 높이의 픽셀 블록 상에 배열되는 동일한 수의 픽셀들을 고려하면 단일 열 시스템 내의 픽셀들의 높이 2배의 픽셀들의 위해 2열 시스템 내의 공간을 제공한다. 따라서, 스퀘어 픽셀들에 대해, 2열 시스템 내의 각각의 픽셀은 단일 열 시스템 내의 픽셀의 것의 거의 4배의 영역을 정의할 수 있고, 따라서 단일 열 시스템 내의 픽셀과 같이 검출기들의 수의 거의 4배를 포함할 수 있고, 따라서 단일 열 시스템 내의 픽셀의 동적 범위의 거의 4배를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 높이가 거의 640 미크론이고 64 픽셀(즉, 100 미크론 수직 피치)를 포함하는 픽셀 블록에 대해, 단일 열 시스템은 64개의 100 미크론 스퀘어 픽셀을 포함할 수 있으며, 각각의 픽셀은 4개의 50 미크론 폭 검출기를 포함하고; 2열 시스템은 32개의 200 미크론 스퀘어 픽셀의 제1 열 및 32개의 200 미크론 스퀘어 픽셀의 제2 열을 포함할 수 있으며, 각각의 픽셀은 8개의 50 미크론 폭 검출기를 포함한다.
그러나, 2열 시스템이 2개의 열의 픽셀들을 포함하기 때문에, 열들 둘 다는 시스템의 수평 중심(즉, 픽셀 블록의 y-축)으로부터 수평으로 오프셋되며, 제1 열 내의 픽셀들은 - 수평 평면에서 - 제2 열 내의 픽셀들의 시야들로부터 각지게 오프셋되는 시야들을 나타낼 수 있다. 따라서, 제1 열 내의 픽셀들의 시야들은 시스템으로부터의 증가하는 거리들에서 더 큰 양들만큼 제2 열 내의 픽셀들의 시야들로부터 측방으로 오프셋될 수 있다. 따라서, 동일한 벌크 수신 옵틱을 공유하는 2개의 열의 픽셀들 사이의 수평 오프셋은 - 수평 평면에서 - 제1 열의 픽셀들의 시야들과 제2 열의 픽셀들의 시야들(이하 "수평 왜곡") 사이에서 각진 오프셋으로서 명시될 수 있다.
더욱이, 그러한 수평 왜곡은 하나의 픽셀 열 내의 픽셀들에 걸쳐 균일하지 않을 수 있다. 특히, 제1 픽셀 열 내의 픽셀의 시야는 제1 픽셀 열의 하단에서의 픽셀이 수평 평면에서 최대 음의 각진 오프셋을 나타내도록 그리고 제1 픽셀 열의 상단에서의 픽셀이 수평 평면에서 유사한 최대 양의 각진 오프셋을 나타내도록 벌크 옵틱의 중심 축으로부터의 픽셀의 거리의 함수로서 벌크 렌즈의 중심(예를 들어, 공칭) 축으로부터 각지게 오프셋될 수 있다. 그러나, 시스템은 아래에 설명되는 바와 같이, 정정 행렬에서의 각각의 열 내의 픽셀들의 시야들의 수평 오프셋 각도들(예를 들어, "요" 각도들("yaw" angles))에서 그러한 변형들을 보상할 수 있다.
4.2 픽셀 패턴: 16 x 4:
도 1 및 도 2에 도시된 다른 구성에서, 시스템은 공통 벌크 수신 옵틱을 공유하는 픽셀들의 16 x 4 어레이 및 입력 채널들의 대응하는 16 x 4 어레이와 같은, 4개의 열의 픽셀들을 포함한다. 이러한 구성에서, 시스템은 동일한 유효 수직 픽셀 피치에서 거의 동일한 높이의 픽셀 블록 상에 배열되는 동일한 수의 픽셀들을 포함하는 1 및 2열 시스템의 것과 동일한 벌크 분해능을 나타낼 수 있지만, 4열 시스템은 1 및 2열 시스템보다 더 큰 동적 범위를 나타낼 수 있다. 특히, 4열 시스템의 각각의 열 내의 픽셀들은 2열 시스템의 제2 수직 피치 절반의 제4 수직 피치(예를 들어, 400 미크론 대 200 미크론)만큼 수직으로 오프셋될 수 있고, 4열 시스템 내의 각각의 열의 픽셀들은 제4 가상 피치의 1/4만큼 인접 열의 픽셀들로부터 수직으로 오프셋될 수 있으며, 그것에 의해 거의 동일한 높이의 픽셀 블록 상에 배열되는 동일한 수의 픽셀들을 고려하면 2열 시스템 내의 픽셀들의 높이 2배의 픽셀들을 위해 4열 시스템 내의 공간을 제공한다. 따라서, 스퀘어 픽셀들에 대해, 4열 시스템 내의 각각의 픽셀은 2열 시스템 내의 픽셀의 것의 거의 4배의 영역을 정의할 수 있고, 따라서 2열 시스템 내의 픽셀과 같이 검출기들의 수의 거의 4배를 포함할 수 있고, 2열 시스템 내의 픽셀의 동적 범위의 거의 4배를 나타낼 수 있다. 위의 예에서, 높이가 거의 640 미크론이고 64개의 픽셀을 포함하는 픽셀 블록에 대해, 4열 시스템은 4개의 열의 픽셀들을 포함할 수 있으며, 각각의 열은 16개의 400 미크론 스퀘어 픽셀을 포함하고, 각각의 픽셀은 32개의 50 미크론 폭 검출기들을 포함한다.
그러나, 4열 시스템은 시스템의 중심으로부터 모두 수평으로 오프셋되는, 4개의 열의 픽셀들을 포함하기 때문에, 가장 좌측 열 내의 픽셀들은 - 수평 평면에서 - 위에 설명된 2열 시스템의 제1 및 제2 열들 내의 픽셀들의 시야들 사이의 각진 오프셋보다 더 큰(예를 들어, 2배) - 수평 평면에서 - 가장 우측 열 내의 픽셀들의 시야들로부터 각지게 오프셋되는 시야들을 나타낼 수 있다. 따라서, 4열 시스템은 예컨대 도 3a에 도시된 바와 같이, 2열 시스템보다 더 큰 수평 왜곡을 나타낼 수 있다.
4.3 픽셀 패턴: 8 x 8:
또 다른 구성에서, 시스템은 공통 벌크 수신 옵틱을 공유하는 픽셀들의 8 x 8 어레이 및 입력 채널들의 대응하는 8 x 8 어레이와 같은, 8개의 열의 픽셀들을 포함한다. 이러한 구성에서, 시스템은 동일한 유효 수직 픽셀 피치에서 거의 동일한 높이의 픽셀 블록 상에 배열되는 동일한 수의 픽셀들을 포함하는 1, 2, 및 4열 시스템의 것과 동일한 벌크 분해능을 나타낼 수 있지만, 8열 시스템은 1, 2, 및 4열 시스템보다 더 큰 동적 범위를 나타낼 수 있다. 특히, 8열 시스템의 각각의 열 내의 픽셀들은 4열 시스템의 제4 수직 피치 2배의 8개의 수직 피치(예를 들어, 800 미크론 대 400 미크론)만큼 수직으로 오프셋될 수 있고, 8열 시스템 내의 각각의 열의 픽셀들은 8개의 가상 피치의 1/8만큼 인접 열의 픽셀들로부터 수직으로 오프셋될 수 있으며, 그것에 의해 거의 동일한 높이의 픽셀 블록 상에 배열되는 동일한 수의 픽셀들을 고려하면 4열 시스템 내의 픽셀들의 높이 2배의 픽셀들을 위해 8열 시스템 내의 공간을 제공한다. 따라서, 스퀘어 픽셀들에 대해, 8열 시스템 내의 각각의 픽셀은 4열 시스템 내의 픽셀의 것의 거의 4배의 영역을 정의할 수 있고, 따라서 4열 시스템 내의 픽셀과 같이 검출기들의 수의 거의 4배를 포함할 수 있고, 따라서 4열 시스템 내의 픽셀의 동적 범위의 거의 4배를 나타낼 수 있다. 위의 예에서, 높이가 거의 640 미크론이고 64개의 픽셀을 포함하는 픽셀 블록에 대해, 8열 시스템은 8개의 열의 픽셀들을 포함할 수 있으며, 각각의 열은 8개의 800 미크론 스퀘어 픽셀을 포함하고, 각각의 픽셀은 ~120개의 50 미크론 폭 검출기를 포함한다.
그러나, 8열 시스템은 시스템의 중심으로부터 모두 수평으로 오프셋되는, 8개의 열의 픽셀들을 포함하기 때문에, 가장 좌측 열 내의 픽셀들은 - 수평 평면에서 - 4열 시스템의 가장 좌측 및 가장 우측 열들 내의 픽셀들의 시야들 사이의 각진 오프셋 2배의 - 수평 평면에서 - 가장 우측 열 내의 픽셀들의 시야들로부터 각지게 오프셋되는 시야들을 나타낼 수 있다. 따라서, 8열 시스템은 위에 설명된 4열 시스템보다 더 큰 수평 왜곡을 나타낼 수 있다.
그러나, 시스템은 적어도 임계 분해능, 최소 동적 범위, 픽셀 블록의 주변 상의 픽셀들의 시야들의 최대 수평 및/또는 수직 광학 왜곡, 또는 픽셀 블록의 최대 폭 및/또는 높이 등을 달성하기 위해 임의의 다른 수의 열들 또는 행들에 배열되는 임의의 다른 수의 픽셀들을 포함할 수 있다.
5. 벌크 수신 옵틱 및 입력 채널들
도 1, 도 3a, 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 시스템은 또한 벌크 수신 옵틱; 벌크 수신 옵틱과 픽셀 블록 사이에 개재되는 제1 세트의 입력 채널들 - 제1 세트의 입력 채널들 내의 각각의 입력 채널은 벌크 수신 옵틱으로부터 입사되는 광을 제1 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성됨 -; 및 세트의 입력 채널들로부터 수평으로 오프셋되고 벌크 수신 옵틱과 픽셀 블록 사이에 개재되는 제2 세트의 입력 채널들 - 제2 세트의 입력 채널들 내의 각각의 입력 채널은 벌크 수신 옵틱으로부터 입사되는 광을 제2 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성됨 - 을 포함한다. 일반적으로, 벌크 수신 옵틱은 시스템 외측으로부터 광(즉, 전자기 방사선)을 수집하는 기능을 하고; 각각의 입력 채널은 벌크 수신 옵틱으로부터 광을 수집하고, 이러한 광을 필터링하고, 광을 상대적으로 좁은 파장 대역을 통해 픽셀 블록 내의 대응하는 픽셀에 전달하는 기능을 한다.
일 구현에서, 각각의 입력 채널은 위에 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 세트들의 입력 채널들이 픽셀들에 의해 정의되는 스큐이드 그리드 어레이와 실질적으로 유사한 스큐이드 그리드 어레이에 배열되도록 그것의 대응하는 픽셀과 동축이다. 각각의 입력 채널은 초점 평면 상에 배열되는 애퍼처; 동작 주파수에서(또는 좁은 동작 대역 내에서) 수직 입사 광을 통과시키도록 구성되는 필터; 애퍼처와 필터 사이에 개재되고 콜리메이팅된 광을 필터에 출력하도록 구성되는 입력 렌즈; 및 입력 렌즈와 대향하는 필터에 인접하고 픽셀 블록 내의 대응하는 픽셀에 걸쳐 필터에 의해 통과되는 광을 확산시키도록(및/또는 필터에 에 의해 통과되는 광을 대응하는 픽셀의 활성 영역들로 다시 초점을 맞추도록) 구성되는 출력 렌즈를 포함할 수 있다. 일반적으로, 벌크 수신 옵틱, 애퍼처들, 입력 렌즈들, 광학 필터, 및 픽셀들은 광(예를 들어, 주위 광 및 조명 소스에 의해 출력되는 광)을 수집하고, 이러한 광을 콜리메이팅하고, 조명 소스의 중심 출력 파장을 포함하는 파장들의 좁은 대역 외측의 모든 광을 거부하고(아래에 설명됨), 픽셀에 도달한 광을 검출하기 위해 협력한다. 따라서, 시스템은 대응하는 입력 채널 및 벌크 수신 옵틱에 의해 정의되는 바와 같이, 하나의 샘플링 기간 동안 특정 픽셀에 의해 기록되는 입사 광자 카운트, 입사 광자들 사이의 시간, 조명 빔 출력 시간에 대한 입사 광자 시간 등을 시스템으로부터 특정 픽셀의 시야 내의 외부 표면으로의 거리로 변환할 수 있다.
이러한 구현에서, 세트의 입력 채널들은 벌크 수신 옵틱 뒤에 배열되고 입력 채널 당 하나의 입력 애퍼처를 정의하는 애퍼처 층; 벌크 수신 옵틱과 대향하는 애퍼처 층에 인접하고 각각의 입력 채널에 대한 대응하는 입력 애퍼처와 실질적으로 축방향으로 정렬되는 입력 렌즈를 정의하는 렌즈 층; 및 애퍼처 층과 대향하는 렌즈 층에 인접하고 렌즈 층에 걸치는 광학 필터를 포함하는 단일 입력 블록에 정의될 수 있다. 이러한 구현에서, 벌크 수신 옵틱은 벌크 초점 거리를 특징으로 하고, 벌크 초점 거리만큼 초점 평면으로부터 오프셋되고, 입사 광선들을 시스템 외측으로부터 초점 평면을 향해 투사하는 기능을 한다. 예를 들어, 벌크 수신 옵틱은 광학 필터에 의해 통과되는 수직 광선들의 중심 파장(즉, "시스템의 공칭 동작 파장")에서 또는 이 파장 근처에서 특정 벌크 초점 길이를 특징으로 하는 수렴 렌즈를 형성하기 위해 협력하는, 하나 이상의 양면 볼록 렌즈(도 1 및 도 4에 도시됨) 및/또는 평면 볼록 렌즈들과 같은, 다수의 렌즈를 포함할 수 있다. (벌크 수신 렌즈는 또한 아래에 참조되는 바와 같이, 초점 평면에 수직인 공칭 축을 정의할 수 있다.)
애퍼처 층은 벌크 수신 옵틱 뒤에 배열되고 초점 평면과 일치하는 상대적으로 얇은 불투명 구조체를 포함하고; 입력 채널 당 하나의 애퍼처 및 애퍼처들 주위의 정지 영역을 정의한다. 애퍼처 층의 정지 영역은 입사 광선들을 거부(예를 들어, 차단, 흡수, 반사)하고, 각각의 애퍼처는 입사 광선들을 그것의 대응하는 입력 렌즈를 향해 전달한다. 예를 들어, 애퍼처 층은 세트의 애퍼처들을 정의할 수 있으며, 각각의 애퍼처는 시스템의 시야의 기하학적 선택도를 최대화하기 위해 회절 제한된 직경에 접근하는 직경에 대한 것이다.
이러한 구현에서, 입력 렌즈는 제2 초점 길이를 특징으로 하고, 제2 초점 길이만큼 초점 평면으로부터 오프셋되고, 애퍼처에 의해 통과되는 광선들을 콜리메이팅하고, 콜리메이팅된 광선들을 광학 필터에 전달한다. 예를 들어, 입력 블록은 채널 당 하나의 입력 렌즈를 포함할 수 있으며, 각각의 입력 렌즈는 벌크 수신 옵틱의 레이 콘(ray cone)에 실질적으로 매칭되는 레이 콘을 특징으로 하는 수렴 렌즈를 포함하고 벌크 수신 옵틱의 애퍼처를 보존하고 대응하는 애퍼처에 의해 통과되는 광을 콜리메이팅하기 위해 상대적으로 짧은 제2 초점 길이만큼 벌크 수신 옵틱의 초점 평면으로부터 오프셋될 수 있다. 광학 필터는 - 파장들의 스펙트럼에서 - 입력 렌즈로부터 콜리메이팅된 광을 수신하고, 광의 파장들(예를 들어, 동작 파장 +/- 0.25 나노미터)의 상대적으로 좁은 대역을 대응하는 픽셀에 대응하고, 이러한 좁은 파장 대역 외측에서 광을 차단(예를 들어, 반사, 흡수)한다. 예를 들어, 광학 필터는 좁은 광학 대역 통과 필터를 포함할 수 있다.
시스템이 조명 소스를 포함하는 일 예에서, 아래에 설명되는 바와 같이, 조명 소스는 900 nm의 공칭 파장에서 광을 (대부분) 출력할 수 있고, 광학 필터는 899.95 nm와 900.05 nm 사이에서 광(90°의 각도에서 광학 필터 상에 입사됨)을 통과시키도록 구성되고 이러한 대역 외측에서 실질적으로 모든 광(90°의 각도에서 광학 필터 상에 입사됨)을 차단하도록 구성되는 평면 광학 대역 통과 필터를 정의할 수 있다. 따라서, 세트의 픽셀들 내의 픽셀은 광학 필터에 의해 통과되는 광(즉, "광자들")을 수신하고, 이러한 입사 광자들을 검출하고, 샘플링 기간 동안 검출된 광자들의 수 또는 속도에 대응하는 신호를 출력할 수 있다.
이러한 구현에서, 벌크 수신 옵틱, 애퍼처 층, 렌즈 층, 광학 필터, 및 출력 렌즈들이 제작되고 그 다음 픽셀 블록과 정렬되고 픽셀 블록 위로 장착될 수 있다. 일 예에서, 광학 필터는 용융 실리카 기판을 코팅함으로써 제작된다. 그 다음, 광활성 광학 폴리머는 광학 필터 위에 증착되고, 렌즈의 어레이를 정의하는 렌즈 몰드는 광활성 광학 폴리머 위에 배치되어 형성되고, UV 광 소스는 광활성 광학 폴리머를 광학 필터에 걸쳐 렌즈들의 패턴으로 경화하기 위해 활성화된다. 스탠드오프들(standoffs)은 포토리소그래피 기술들을 통해 광학 필터에 걸쳐 유사하게 몰딩되거나 형성된다. 애퍼처 층은 글래스 웨이퍼를 선택적으로 금속화하고 애퍼처들을 이러한 금속 층으로 에칭함으로써 개별적으로 제작되고; 그 다음 글래스 웨이퍼는 이러한 스탠드오프들에 접합되거나 다른 방법으로 장착된다. 이러한 예에서, 어셈블리는 나중에 반전되고, 제2 세트의 스탠드오프들은 렌즈 층과 대향하는 광학 필터에 걸쳐 유사하게 제작된다. 픽셀 블록(예를 들어, 별개의 이미지 센서)은 제2 세트의 스탠드오프들과 정렬되고 이 스탠드오프들에 접합되며; 벌크 수신 옵틱은 시스템을 완성하기 위해 애퍼처 층 위에 유사하게 장착된다.
대안적으로, 픽셀 블록은 반도체 웨이퍼 상에(예를 들어, 주문형 집적 회로의 형태로) 제작될 수 있고, 벌크 수신 옵틱, 애퍼처 층, 렌즈 층, 및 광학 필터는 반도체 웨이퍼 위로 직접 - 픽셀 블록 위에 - 포토리소그래피 및 웨이퍼 레벨 접합 기술들을 통해 제작될 수 있다. 그러나, 벌크 수신 옵틱, 애퍼처 층, 렌즈 층, 광학 필터, 및 픽셀 블록은 임의의 다른 방식으로 그리고 임의의 다른 방법 또는 기술에 따라 제작 및 조립될 수 있다.
6. 출력 회로
도 1에 도시된 바와 같이, 시스템은 벌크 송신 옵틱 및 조명 소스를 포함하는, 출력 회로를 포함할 수 있다. 일 구현에서, 벌크 송신 옵틱은 재료, 기하학적 구조(예를 들어, 초점 길이), 광학 성질들, 및/또는 열 분리 등에서 벌크 수신 옵틱과 실질적으로 유사하고; 벌크 수신 옵틱으로부터 인접하고 측방으로 및/또는 수직으로 오프셋된다.
일 예에서, 조명 소스는 벌크 송신 옵틱 뒤에 배열되는 광학 방출기들의 모놀리식 VCSEL 어레이를 포함한다. 이러한 예에서, 조명 소스는 애퍼처 피치 거리와 실질적으로 동일한 방출기 피치 거리를 특징으로 하는 광학 방출기들의 열을 정의하는 레이저 다이오드 어레이를 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 광학 방출기는 애퍼처 층 내의 대응하는 애퍼처의 직경과 실질적으로 동일한(또는 이보다 약간 더 큰) 초기 직경의 조명 빔을 출력할 수 있고, 조명 소스는 벌크 송신 옵틱으로부터 시스템 앞의 필드로 투사되는 각각의 조명 빔이 시스템으로부터의 임의의 거리에서 대응하는 입력 채널의 시야 - 및 따라서 대응하는 픽셀의 시야 - 와 실질적으로 동일한 크기 및 기하학적 구조이도록 벌크 송신 옵틱의 초점 평면을 따라 배열될 수 있다. 따라서, 조명 소스 및 벌크 송신 옵틱은 입력 채널들의 시야들을 넘어 투사되는 상대적으로 적은 광을 갖거나 어떠한 광도 갖지 않고 실질적으로 조명 빔들을 입력 채널들의 이러한 시야들로 투사하기 위해 협력할 수 있다.
이러한 예에서, 시스템은 - 크기 및 기하학적 구조에서 시스템으로부터의 거리들의 범위에 걸쳐 - 입력 채널들의 시야들(예를 들어, 애퍼처들에 의해 정의되는 시야들)과 실질적으로 일치하는 조명 패턴에 따라 조명 빔들을 시스템 앞의 필드로 선택적으로 투사할 수 있다. 따라서, 조명 소스는 픽셀들이 블라인드되는 필드 내의 표면들을 조명함으로써 시스템에 의해 조명 소스를 통해 출력되는 최소 전력이 폐기되도록 대응하는 픽셀들의 시야들 내에 있는 시스템 앞의 필드 내의 표면들만을 실질적으로 조명할 수 있다. 더욱이, 조명 소스의 중심 출력 파장은 필터에 의해 통과되는 중심 파장에 매칭될 수 있다. 따라서, 시스템은 신호(예를 들어, 조명 소스에서 비롯되고 센서 블록 상의 픽셀들에 전달되는 광자들) 대 잡음(예를 들어, 주위 광과 같은, 조명 소스에서 비롯되지 않고, 센서 블록 상의 픽셀들에 전달되는 광자들)의 상대적으로 높은 비율을 달성할 수 있다.
7. 데이터 취득
동작 동안, 시스템은 세트의 픽셀들로부터 광 데이터를 수집하고 단일 샘플링 기간 동안 이러한 광 데이터를 거리 값들로 변환할 수 있다. 일 구현에서, 샘플링 기간 동안, 시스템은 광을 각각의 픽셀 및 입력 채널의 시야들로 투사하기 위해 출력 회로의 조명 소스를 활성화시키고; 조명 소스가 활성화된 시간("조명 타임스탬프")을 기록하고; 예컨대 이러한 광자들의 마지막 샘플링 기간 및 입사 시간들 이후로 입사 광자를 기록한 각각의 픽셀 내의 검출기들의 수를 메모리에 저장하고 그 다음 각각의 픽셀에서 모든 검출기들을 제거함으로써, 각각의 픽셀에서 각각의 검출기를 판독한다. 샘플링 기간 동안, 시스템은 또한 세트 내의 각각의 픽셀에 대한 마지막 샘플링 기간 이후로 조명 타임스탬프와 입사 광자들의 피크 주파수의 시간 사이의 차이에 기초하여 픽셀의 시야 내의 표면까지의 거리를 계산할 수 있다. 예를 들어, 각각의 픽셀에 대해, 샘플링 기간의 종결 시에, 시스템은 현재 및 마지막 샘플링 기간 사이의 픽셀에서의 조명 타임스탬프 및 피크 입사 광자 속도의 시간을 시스템으로부터 픽셀의 시야 내의 외부 표면으로의 거리로 변환하기 위해 비행 시간(time of flight) 기술들을 구현할 수 있다. 그러나, 시스템은 샘플링 기간 동안 각각의 픽셀 및 입력 채널의 시야들을 조명하고 세트의 픽셀들로부터 수집되는 데이터를 거리 값들 또는 관련 값들로 처리하기 위해 임의의 다른 방법의 기술을 구현할 수 있다.
시스템은 동작 동안 픽셀 블록, 입력 블록, 및 벌크 수신 옵틱을 회전시키도록 구성되는 액추에이터를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 회전 액추에이터는 광학 인코더를 가진 회전 전기 모터를 포함할 수 있고; 픽셀 블록, 입력 블록, 및 벌크 수신 옵틱은 회전 전기 모터의 출력 샤프트 상에서 인-유닛(in-unit)으로 장착될 수 있고; 시스템은 광학 인코더의 출력들에 기초하여 60Hz(또는 360rpm)에서 회전 전기 모터의 회전 속도를 유지하기 위해 폐루프 피드백 컨트롤들을 구현할 수 있다.
아래에 설명되는 바와 같이, 시스템은 픽셀 블록의 단일 회전 당 다수의 아치형 샘플링 위치들 각각에서 하나의 샘플링 기간을 실행할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 2048개의 아치형 샘플링 위치를 실행하고 픽셀 블록의 각각의 360°회전(즉, 스캔 사이클) 당 거리 값들의 2048개의 열을 포함하는 단일 공칭 행렬을 출력할 수 있으며, 따라서 스캔 사이클 동안 발생되는 단일 공칭 행렬은 센서 주위의 360°에서(벌크 수신 옵틱 및 각각의 열의 픽셀들 내의 다수의 픽셀들에 의해 정의되는 일부 시야 각도에서) 시스템으로부터 외부 표면들의 거리들을 표현한다.
8. 공칭 행렬
시스템은 다수의 열의 픽셀들을 포함하기 때문에, 단일 샘플링 기간 동안 세트의 픽셀들에 의해 출력되는 데이터는 거리 값들의 다수의 열에 대응하며, 각각의 열은 픽셀 블록에 대한 고유 요 각도에 대응한다. 유사하게, 시스템 내의 각각의 픽셀이 고유 수직 위치에 배열되기 때문에(즉, 픽셀들의 어레이가 비중복 픽셀들의 단일 열에 투사되기 때문에), 단일 샘플링 기간 동안 세트의 픽셀들에 의해 출력되는 데이터는 거리 값들의 다수의 행에 대응하며, 각각의 행은 단일 거리 값을 포함하고 픽셀 블록에 대한 고유 피치 각도에 대응한다. 특히, 시스템은 단일 샘플링 기간 동안 세트의 픽셀들로부터 수집되는 데이터를 거리 값들의 다수의 불완전 열로 집합할 수 있으며, 거리 값들의 각각의 불완전 열은 하나의 고유 요 각도에 대응한다.
그러나, 시스템은 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 거리 값들의 제2 열을 완성하기 위해 제1 샘플링 기간 동안 제2 열의 픽셀들로부터 수집되는 데이터로부터 발생되는 거리 값들을 제2 샘플링 기간 동안 제1 열의 픽셀들에 의해 수집되는 데이터로부터 발생되는 거리 값들과 조합할 수 있다. 시스템은 도 5c 및 도 5d에 도시된 바와 같이, 시스템에 의해 구현되는 각각의 아치형 샘플링 위치에 대한 비중복 피치 각도들에 대해 거리 값들의 하나의 완전 열을 포함하는 행렬(또는 다른 데이터 컨테이너)을 발생시키기 위해 시스템의 단일 회전(즉, 단일 스캔 사이클) 동안 각각의 아치형 샘플링 위치에서 이러한 프로세스를 반복할 수 있다.
일 예에서, 시스템은 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 인접 열들의 픽셀들 사이의 Y의 수직 오프셋 및 각각의 열의 픽셀들 내의 4Y의 픽셀 피치를 가진 픽셀들의 16 x 4 어레이를 포함한다. 이러한 예에서, 시스템은 인접 아치형 샘플링 위치들 사이의 0.176°의 각진 오프셋에 대한 회전 당 2048개의 샘플링 기간을 구현한다. 0°의 제1 아치형 샘플링 위치에서, 시스템은 위에 설명된 바와 같이, 제1 샘플링 루틴을 실행한다. 그 다음, 시스템은 도 5a에 도시된 바와 같이, 제1 샘플링 기간 동안, 각각, 제1 열 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬 내에서 [(1,1),(5,1),(9,1),...(57,1), 및 (61,1)] 위치들을 파퓰레이팅하고; 각각, 제2 열 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬 내에서 [(2,2),(6,2),(10,2),...(58, 2), 및 (62,2)] 위치들을 파퓰레이팅하고; 각각, 제3 열 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬 내에서 [(3,3),(7,3),(11,3),...(59,3), 및 (63,3)] 위치들을 파퓰레이팅하고; 제4 열 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬 내에서 [(4,4),(8,4),(12,4),...(60,4), 및 (64,4)] 위치들을 파퓰레이팅한다.
동일한 스캔 사이클 동안, 회전 액추에이터는 픽셀 블록을 0.176°의 다음 아치형 샘플링 위치까지 회전시키고, 그 다음 시스템은 제2 샘플링 루틴을 실행한다. 제2 샘플링 동안, 시스템은 도 5b에 도시된 바와 같이, 제2 샘플링 기간 동안, 각각, 제1 열 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬 내에서 [(1,2),(5,2),(9,2),...(57,2), 및 (61,2)] 위치들을 파퓰레이팅하고; 각각, 제2 열 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬 내에서 [(2,3),(6,3),(10,3),...(58, 3), 및 (62,3)] 위치들을 파퓰레이팅하고; 각각, 제3 열 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬 내에서 [(3,4),(7,4),(11,4),...(59,4), 및 (63,4)] 위치들을 파퓰레이팅하고; 각각, 제4 열 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬 내에서 [(4,5),(8,5),(12,5),...(60,5), 및 (64,5)] 위치들을 파퓰레이팅한다. 시스템은 예컨대 도 5c 및 도 5d에 도시된 바와 같이, 스캔 사이클의 각각의 후속 아치형 샘플링 위치에 대해 이러한 프로세스를 반복하여, 2048개의 열을 포함하는 2048 x 64 행렬을 형성하며, 각각의 열은 회전 액추에이터에 대한 고유 요 각도에 대응하고 64개의 거리 값을 포함하며, 열 내의 각각의 거리 값은 도 3b에 도시된 바와 같이, 픽셀 블록에 대한 고유 피치 각도에 대응한다.
따라서, 시스템은 스캔 사이클 당 픽셀의 단일 360°회전 내에서 각각의 아치형 샘플링 위치에 대응하는 거리 값들의 열을 포함하는 하나의 공칭 행렬을 구성할 수 있다. 특히, 시스템은 - 스캔 사이클 당 - 시스템의 전체 360°회전 축 주위에서 픽셀 블록으로부터 표면들의 거리들을 표현하는 하나의 공칭 행렬을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 회전 액추에이터는 360 rpm의 속도에서 시스템을 회전시킬 수 있고, 시스템은 16.7 밀리세컨드 당(즉, 60Hz의 속도에서) 하나의 공칭 행렬을 발생시킬 수 있다.
더욱이, 각각의 샘플링 위치에서 픽셀 열들의 수직 정렬을 달성하기 위해, 2개의 인접 열의 픽셀들(및 입력 채널들의 2개의 대응하는 열)은 벌크 수신 옵틱의 초점 길이에 대응하는 수평 피치 거리 및 인접 아치형 샘플링 위치들 사이의 각도 피치만큼 수평으로 오프셋될 수 있다. 일 예에서, 픽셀 블록은 픽셀들의 16 x 4 어레이를 포함하며, 벌크 수신 옵틱은 10 밀리미터의 초점 길이를 특징으로 하고, 각각의 입력 채널은 그것의 대응하는 픽셀과 동축이고, 시스템은 스캔 사이클 당(즉, 회전 당) 2048 샘플링 기간을 구현한다. 이러한 예에서, 인접 아치형 샘플링 위치들 사이의 각진 오프셋은 .176°이고, 인접 픽셀 열들 - 및 대응하는 애퍼처들의 인접 열들 - 사이의 수평 오프셋은 400 미크론이어서 .176°의 제2 아치형 샘플링 위치에서의 제2 열의 픽셀들은 0°의 제1 아치형 샘플링 위치 내의 제1 열의 픽셀들과 수직으로 정렬된다. 따라서, 단일 스캔 사이클 동안, 시스템은 단일 360°회전에서 광 데이터의 2048개의 열을 수집하기 위해 2048 아치형 샘플링 위치들 각각에서 모든 픽셀들을 샘플링할 수 있다.
9. 왜곡 정정
시스템은 공통 벌크 수신 옵틱을 공유하는 다수의 측방 오프셋 열의 픽셀들을 포함하기 때문에, 2개의 인접 열의 픽셀들 내의 픽셀들의 시야들은 도 3a에 도시된 바와 같이, 픽셀 블록에 대한 동일한 요 각도를 공유하지 않을 수 있다. 따라서, 스캔 사이클 동안 샘플링 기간들의 시퀀스를 통해 수집되는 데이터로부터 구성되는 공칭 행렬 내의 열은 픽셀 블록에 대한 다수의 상이한 일정 요 각도를 표현하는 세트의 거리 값들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽셀들의 16 x 4 스큐이드 그리드 어레이를 포함하는 위에 설명된 시스템에 대해, 제1 열 내의 픽셀들은 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 요 내의 -.03°오프셋되는 시야들을 나타낼 수 있고; 제2 열 내의 픽셀들은 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 요 내의 -.01°오프셋되는 시야들을 나타낼 수 있고; 제3 열 내의 픽셀들은 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 요 내의 +.01°오프셋되는 시야들을 나타낼 수 있고; 제4 열 내의 픽셀들은 특정 동작 온도를 고려하면 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 요 내의 +.03°오프셋되는 시야들을 나타낼 수 있다. 따라서, 이러한 예에서, 공칭 행렬 내의 (1, 1) 거리 값은 요 내의 -.03°만큼 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 각지게 오프셋되는 시야 내의 표면까지의 거리를 표현할 수 있고; 따라서 공칭 행렬 내의 (2, 1) 거리 값은 요 내의 -.01°만큼 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 각지게 오프셋되는 시야 내의 표면까지의 거리를 표현할 수 있고; ... 따라서 공칭 행렬 내의 (63,1) 거리 값은 요 내의 +.01°만큼 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 각지게 오프셋되는 시야 내의 표면까지의 거리를 표현할 수 있고; 따라서 공칭 행렬 내의 (64,1) 거리 값은 특정 동작 온도에서 요 내의 +.03°만큼 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 각지게 오프셋되는 시야 내의 표면까지의 거리를 표현할 수 있다.
유사하게, 시스템 내에서의 단일 열 내의 픽셀들은 수직으로 오프셋되지만 공통 벌크 수신 옵틱을 공유하기 때문에, 1 열의 픽셀들 내의 2개의 인접 픽셀의 시야들은 도 3b에 도시된 바와 같이, 픽셀 블록에 대한 동일한 피치 각도를 공유하지 않을 수 있다. 따라서, 스캔 사이클 동안 수집되는 데이터로부터 구성되는 공칭 행렬 내의 열은 픽셀 블록에 대한 다수의 상이한 일정 요 피치 각도를 표현하는 세트의 거리 값들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽셀들의 16 x 4 스큐이드 그리드 어레이를 포함하는 위에 설명된 시스템에 대해: 제1 열 내의 제1 픽셀은 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 피치 내의 +.25°오프셋되는 시야를 나타낼 수 있고; 제1 열 내의 제2 픽셀은 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 피치 내의 +.22°오프셋되는 시야를 나타낼 수 있고; ... 제1 열 내의 제16 픽셀은 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 피치 내의 -.25°오프셋되는 시야를 나타낼 수 있고; 제2 열 내의 제1 픽셀은 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 피치 내의 +.243°오프셋되는 시야를 나타낼 수 있고; 제2 열 내의 제2 픽셀은 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 피치 내의 +.235°오프셋되는 시야를 나타낼 수 있고; ... 제2 열 내의 제16 픽셀은 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 피치 내의 -.258°오프셋되는 시야를 나타낼 수 있는 등등이다. 따라서, 이러한 예에서, 공칭 행렬 내의 (1,1) 거리 값은 피치 내의 +.25°만큼 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 각지게 오프셋되는 시야 내의 표면까지의 거리를 표현할 수 있고; 공칭 행렬 내의 (2,1) 거리 값은 피치 내의 +.243°만큼 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 각지게 오프셋되는 시야 내의 표면까지의 거리를 표현할 수 있고; 공칭 행렬 내의 (3, 1) 거리 값은 피치 내의 +.235°만큼 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 각지게 오프셋되는 시야 내의 표면까지의 거리를 표현할 수 있고; 공칭 행렬 내의 (4, 1) 거리 값은 피치 내의 +.228°만큼 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 각지게 오프셋되는 시야 내의 표면까지의 거리를 표현할 수 있고; 공칭 행렬 내의 (5, 1) 거리 값은 피치 내의 +.22°만큼 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 각지게 오프셋되는 시야 내의 표면까지의 거리를 표현할 수 있는 등등이다.
따라서, 시스템은 - 스캔 사이클 동안 세트의 픽셀들에 의해 수집되는 데이터에 대응하는 - 피치 및 요 축들 둘 다에서 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 오프셋되는 시야들 내의 표면들까지의 거리들을 표현하는 거리 값들을 포함하는 공칭 행렬을 발생시킬 수 있다. 특히, 시스템은 센서 블록에 대한(예를 들어, 단일 열의 픽셀들의 시야들과 유사한) 0°의 단일 "이상적" 요 각도를 표현하는 거리 값들의 열을 포함하는 공칭 행렬을 발생시킬 수 있지만, 시스템 내의 열들의 픽셀들 사이의 실제 수평 오프셋은 이러한 이상적 요 각도와 공칭 행렬 내의 거리 값들의 이러한 열에 표현되는 픽셀들의 시야들의 실제 요 각도 사이의 차이를 초래할 수 있고; 이러한 차이는 수평 축을 따라 거리 데이터의 왜곡으로서 명시될 수 있다. 유사하게, 단일 열의 픽셀들 내의 픽셀들은 픽셀들의 그리드 어레이의 중심으로부터의 거리를 증가시킴에 따라 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 오프셋되는 피치 각도에서 증가하는 시야들을 나타낼 수 있으며, 그것은 제1 및 마지막 행들에서 가장 낮은 분해능으로서 명시되고 공칭 행렬 내의 중심 행(들)에서 가장 큰 분해능으로서 명시될 수 있다.
따라서, 시스템은 공칭 행렬을 공칭 행렬 내의 각각의 엔트리를 위한 피치 및 요 오프셋 각도들을 정의하는 정정 행렬과 쌍으로 할 수 있다. 특히, 스캔 사이클에서 출력되는 공칭 행렬에 포함되는 거리 값들을 정정 행렬에 포함되는 대응하는 각도 값들과 병합함으로써, 시스템(또는 다른 디바이스)은 스캔 사이클 동안 검출되는 표면들의 위치들을 개선된 정확도로 계산할 수 있다. 예를 들어, 벌크 수신 옵틱의 공칭 축으로부터 요 내의 -.03°오프셋되는 시야들을 나타내는 제1 열의 픽셀들 내의 픽셀들에 대해, 정정 행렬은 공칭 행렬 내의 100 미터의 (1, 1) 거리 값의 5 센티미터 좌측 방향 정정을 정의할 수 있다(예를 들어, 100 미터 x sin(-.03°) = 5.2 센티미터).
더욱이, 시스템 내의 각각의 픽셀의 시야의 피치 및 요 오프셋 각도들은 벌크 수신 옵틱의 초점 길이에 따라 변화될(즉, 이의 함수일) 수 있고, 벌크 수신 옵틱의 초점 길이는 시스템의 온도에 따라 변화될 수 있다. 따라서, 시스템은 하나 이상의 폴리머 렌즈를 포함하는 벌크 수신 옵틱에 대해서와 같이, 시스템의 온도에 기초하여 공칭 행렬을 정정 행렬과 쌍으로 할 수 있다. 일 구현에서, 시스템은 세트의 사전 설정 정정 행렬들을 저장하며, 각각의 정정 행렬은 특정 온도에 대응하고 특정 온도에서 시스템 내의 각각의 픽셀의 시야들에 대한 피치 및 요 오프셋 각도들을 포함한다. 이러한 구현에서, 시스템은 또한 벌크 수신 옵틱에 열적으로 결합되는 온도 센서를 포함할 수 있고; 온도 센서를 동작 동안(예를 들어, 스캔 사이클 당 한 번) 샘플링할 수 있고; 스캔 사이클 동안 수집되는 데이터로부터 발생되는 공칭 행렬을 - 세트의 정정 행렬들로부터 선택되는 - 동일한 스캔 사이클 동안 기록되는 벌크 수신 옵틱의 온도에 가장 가까운 온도에 대응하는 정정 행렬과 한 쌍으로 할 수 있다. 예를 들어, 119℉에서 121℉까지의 온도 범위 내에서 동작하는 시스템에 대해, 시스템은 21개의 사전 설정 정정 행렬을 포함할 수 있으며, 각각의 정정 행렬은 119℉와 121℉ 사이를 포함한 21개의 0.1℉ 온도 스텝 중 하나에 대응한다. 예를 들어, 각각의 정정 행렬은 선택 동작 온도들에서 시스템 내의 픽셀들의 시야들을 특징으로 함으로써 경험적으로 발생될 수 있다.
대안적으로, 시스템은 벌크 수신 옵틱(또는 시스템 내의 다른 요소)의 온도에 기초하여 정정 행렬을 발생시키기 위해 파라메트릭 모델 또는 다른 파라메트릭 기능을 구현할 수 있다. 그러나, 시스템은 스캔 사이클 동안 수집되는 데이터로부터 발생되는 공칭 행렬을 공칭 행렬 내에 포함되는 데이터의 수평 및 수직 왜곡을 표현하는 정정 행렬과 한 쌍으로 하기 위해 임의의 다른 방법 또는 기술을 구현할 수 있다.
10. 증가된 분해능
일 변형에서, 시스템은 스캔 사이클 동안 발생되는 공칭 행렬의 분해능을 증가시키기 위해 회전 당 각도 샘플링 실행된 위치들의 수를 증가시킨다. 일 구현에서, 시스템은 픽셀들의 스큐이드 그리드 어레이를 포함하며, 인접 열들의 픽셀들(및 대응하는 열들의 입력 채널들)은 단일 회전에서의 레이디얼 스텝들(예를 들어, 스텝들 사이의 .176°에서의 2048 스텝)의 X-수에 대응하는 거리만큼 측방으로 오프셋되지만 완전 회전 당 2X 등거리 아치형 샘플링 위치들(예를 들어, 스캔 사이클 당 스텝들 사이의 .088°에서의 4096 아치형 샘플링 위치들)을 실행한다.
시스템이 픽셀들의 16 x 4 어레이를 포함하는 위에 설명된 예에서, 시스템은 0°의 제1 아치형 샘플링 위치에서 제1 샘플링 루틴을 실행하고 그 다음, 제1 샘플링 기간 동안, 각각, 제1 열의 픽셀들 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬 내의 제1 열 내에서 [(1,1),(5,1),(9,1),...(57,1), 및 (61,1)] 위치들을 파퓰레이팅하고; 각각, 제2 열의 픽셀들 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬의 제3 열 내에서 [(2,3),(6,3),(10,3),...(58, 3), 및 (62,3)] 위치들을 파퓰레이팅하고; 각각, 제3 열의 픽셀들 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬의 제5 열 내에서 [(3,5),(7,5),(11,5),...(59,5), 및 (63,5)] 위치들을 파퓰레이팅하고; 각각, 제4 열의 픽셀들 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬의 제7 열 내에서 [(4,7),(8,7),(12,7),...(60,7), 및 (64,7)] 위치들을 파퓰레이팅한다.
이러한 예에서, 회전 액추에이터는 픽셀 블록을 회전시키고, 시스템은 픽셀 블록이 0.088°의 다음 아치형 샘플링 위치에 도달하면 제2 샘플링 루틴을 실행한다. 그 다음, 시스템은 제1 샘플링 기간 동안, 각각, 제1 열의 픽셀들내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬 내의 제2 열 내에서 [(1,2),(5,2),(9,2),...(57,2), 및 (61,2)] 위치들을 파퓰레이팅하고; 각각, 제2 열의 픽셀들 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬의 제4 열 내에서 [(2,4),(6,4),(10,4),...(58, 4), 및 (62,4)] 위치들을 파퓰레이팅하고; 각각, 제3 열의 픽셀들 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬의 제6 열 내에서 [(3,6),(7,6),(11,6),...(59,6), 및 (63,6)] 위치들을 파퓰레이팅하고; 각각, 제4 열 내의 제1, 제2, 제3, 제4,...제15, 및 제16 픽셀들로부터 수신되는 데이터로부터 계산되는 거리 값들을 가진 거리 행렬의 8개의 열 내에서 [(4,8),(8,8),(12,8),...(60,8), 및 (64,8)] 위치들을 파퓰레이팅한다.
시스템은 4096개의 열을 포함하는 4096 x 64 행렬을 형성하기 위해 .176°에서의 제3 아치형 샘플링 위치에 도달할 시에, 그 다음 .264°의 제4 아치형 샘플링 위치에서, 그리고 픽셀 블록의 전체 회전에서의 각각의 후속 아치형 샘플링 위치에 대해 이러한 프로세스를 한 번 반복하며, 각각의 열은 회전 액추에이터에 대한 고유 요 각도에 대응하고 64개의 거리 값을 포함하며, 열 내의 각각의 거리 값은 픽셀 블록에 대한 고유 피치 각도에 대응한다.
그러나, 시스템은 픽셀 블록의 완전 회전 동안(예를 들어, 완전 스캔 사이클 동안) 임의의 다른 수의 아치형 샘플링 위치들에서 샘플링 기간을 실행할 수 있고, 시스템은 스캔 사이클 동안 세트의 픽셀들로부터 수집되는 데이터를 시스템으로부터 인근의 외부 표면들로의 거리들의 공칭 행렬로 변환하기 위해 임의의 다른 방법 또는 기술을 구현할 수 있다.
본원에 설명되는 시스템들 및 방법들은 컴퓨터 판독가능 명령어들을 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체를 수신하도록 구성되는 머신으로서 적어도 부분적으로 구체화되고 그리고/또는 구현될 수 있다. 명령어들은 애플리케이션, 애플릿, 호스트, 서버, 네트워크, 웹사이트, 통신 서비스, 통신 인터페이스, 사용자 컴퓨터 또는 이동 디바이스의 하드웨어/펌웨어/소프트웨어 요소들, 리스트밴드, 스마트폰, 또는 그것의 임의의 적절한 조합과 통합되는 컴퓨터 실행가능 구성요소들에 의해 실행될 수 있다. 실시예의 다른 시스템들 및 방법들은 컴퓨터 판독가능 명령어들을 저장하는 컴퓨터 판독가능 매체를 수신하도록 구성되는 머신으로서 적어도 부분적으로 구체화되고 그리고/또는 구현될 수 있다. 명령어들은 위에 설명된 타입의 장치들 및 네트워크들과 통합되는 컴퓨터 실행가능 구성요소들에 의해 통합되는 컴퓨터 실행가능 구성요소들에 의해 실행될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 임의의 적절한 컴퓨터 판독가능 매체들 예컨대 RAM들, ROM들, 플래시 메모리, EEPROM들, 광 디바이스들(CD 또는 DVD), 하드 드라이브들, 플로피 드라이브들, 또는 임의의 적절한 디바이스 상에 저장될 수 있다. 컴퓨터 실행가능 구성요소는 프로세서일 수 있지만 임의의 적절한 전용 하드웨어 디바이스는 명령어들을 (대안적으로 또는 부가적으로) 실행할 수 있다.
본 기술분야의 통상의 기술자는 이전 상세한 설명 및 도면들 및 청구항들로부터 인식함에 따라, 수정들 및 변경들은 이하의 청구항들에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위로부터 벗어나는 것 없이 발명의 실시예들에 이루어질 수 있다.

Claims (49)

  1. 거리 정보를 수집하기 위한 광학 시스템으로서,
    상기 광학 시스템 외측의 필드로부터 반사되는 조명 빔들을 수집하도록 구성된 벌크 수신 옵틱;
    적어도 제1 열의 픽셀들 및 상기 제1 열의 픽셀들로부터 수평으로 오프셋되는 제2 열의 픽셀들을 포함하는 복수의 열들의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이 - 상기 제1 및 제2 열들의 픽셀들 내의 각각의 픽셀은 픽셀 피치만큼 그것의 각각의 열의 픽셀들 내의 인접 픽셀로부터 오프셋되고, 상기 제2 열의 픽셀들은 상기 제1 및 제2 열들의 픽셀들로부터의 픽셀들이 행 당 하나의 픽셀을 가진 단일 수직 열의 픽셀들 위로 투사되도록 상기 픽셀 피치보다 작은 수직 피치만큼 상기 제1 열의 픽셀들로부터 수직으로 오프셋됨 -; 및
    상기 벌크 수신 옵틱과 상기 픽셀 어레이 사이에 개재되는 세트의 입력 채널들 - 상기 세트의 입력 채널들은 적어도 제1 복수의 입력 채널 및 제2 복수의 입력 채널을 포함하고, 상기 제1 복수의 입력 채널 각각은 상기 벌크 수신 옵틱으로부터의 수집된 조명 빔들 중 하나를 상기 제1 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성되고, 상기 제2 복수의 입력 채널 각각은 상기 벌크 수신 옵틱으로부터의 수집된 조명 빔들 중 하나를 상기 제2 열의 픽셀들 내의 대응하는 픽셀에 통신하도록 구성됨 -
    을 포함하는 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 벌크 수신 옵틱은 제1 초점 길이를 갖고 상기 필드와 대향하는 초점 평면을 정의하고;
    상기 세트의 입력 채널들은 상기 초점 평면과 일치하여 배치되고 적어도 제1 복수의 애퍼처 및 제2 복수의 애퍼처를 포함하는 애퍼처 층, 상기 벌크 수신 옵틱과 대향하는 상기 애퍼처 층에 인접하고 적어도 제1 복수의 렌즈 및 제2 복수의 렌즈를 포함하는 렌즈 층, 및 상기 애퍼처 층과 대향하는 상기 렌즈 층에 인접하고 상기 복수의 렌즈에 걸치고 광학 필터 상에 입사되는 광을 90 도의 각도에서 좁은 대역으로 전달하고 상기 좁은 대역 외측에서 광을 거부하도록 구성되는 광학 필터 층을 포함하고;
    상기 제1 복수의 입력 채널 내의 각각의 입력 채널은 상기 제1 복수의 애퍼처로부터의 애퍼처, 상기 제1 복수의 렌즈로부터의 렌즈 및 상기 광학 필터 층으로부터의 광학 필터를 포함하고, 상기 제2 복수의 입력 채널 내의 각각의 입력 채널은 상기 제2 복수의 애퍼처로부터의 애퍼처, 상기 제2 복수의 렌즈로부터의 렌즈 및 상기 광학 필터 층으로부터의 광학 필터를 포함하는 광학 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 세트의 입력 채널들 내의 각각의 입력 채널은 상기 세트의 입력 채널들이 상기 픽셀 어레이의 스큐이드 그리드 어레이 레이아웃(skewed grid array layout)에 대응하는 스큐이드 그리드 어레이에 위치되도록 상기 픽셀 어레이 내의 대응하는 픽셀과 동축이고, 상기 세트의 입력 채널들 내의 각각의 입력 채널은 상기 렌즈 층 내의 렌즈 및 상기 애퍼처 층 내의 대응하는 애퍼처를 포함하며, 상기 렌즈는 상기 대응하는 애퍼처와 정렬되는 광학 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 픽셀 어레이는 n 열들의 픽셀들을 포함하며, 상기 n 열들의 픽셀들 각각은 상기 n 열들로부터의 픽셀들이 행 당 하나의 픽셀을 가진 단일 수직 열의 픽셀들 위로 투사되도록 상기 픽셀 피치/n과 동등한 수직 피치만큼 인접 열의 픽셀들로부터 수직으로 오프셋되는 광학 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 벌크 송신 옵틱 및 상기 벌크 송신 옵틱의 초점 평면을 따라 위치되고 복수의 레이저를 포함하는 조명 소스를 추가로 포함하며, 상기 복수의 레이저 내의 각각의 레이저는 별개 조명 빔을 동작 파장에서 상기 벌크 송신 옵틱을 통해 상기 필드로 투사하도록 구성되고;
    각각의 입력 채널은 상기 복수의 레이저의 동작 파장을 포함하는 좁은 대역 내에 입사 광을 전달하도록 구성되는 광학 필터를 포함하는 광학 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 레이저의 조명 패턴은 크기 및 기하학적 구조(geometry)에서, 상기 광학 시스템으로부터의 거리들의 범위에 걸쳐, 상기 세트의 입력 채널들의 시야들과 매칭하는 광학 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 픽셀 어레이 내의 각각의 픽셀 및 대응하는 입력 채널이 회전 액추에이터의 단일 회전 동안 상기 픽셀 어레이 내의 모든 다른 픽셀만큼 횡단되는 고유 원형 경로와 평행하고 이 경로로부터 수직으로 오프셋되는 고유 원형 경로를 횡단하도록, 수직 축 주위에서 상기 픽셀 어레이, 상기 세트의 입력 채널들 및 상기 벌크 수신 옵틱을 회전시키도록 구성되는 액추에이터를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 항에 있어서, 상기 픽셀 어레이 내의 각각의 픽셀은 복수의 단일 광자 애벌란시 다이오드(single-photon avalanche diode)(SPAD) 검출기들을 포함하고, 상기 복수의 레이저 내의 각각의 레이저는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser)(VCSEL)를 포함하는 광학 시스템.
  9. 거리 측정들을 수행하기 위한 광학 시스템으로서,
    상기 광학 시스템 외측의 필드로부터 반사되는 광을 수집하도록 구성된 벌크 수신 옵틱, 복수의 애퍼처를 포함하는 애퍼처 층, 복수의 렌즈를 포함하는 렌즈 층, 및 복수의 픽셀을 포함하는 픽셀 블록을 포함하는 광학 이미징 수신 모듈 - 상기 애퍼처 층, 렌즈 층 및 픽셀 블록은 복수의 입력 채널을 형성하기 위해 배열되고, 상기 복수의 입력 채널 내의 각각의 입력 채널은 상기 복수의 애퍼처로부터의 애퍼처, 상기 복수의 렌즈로부터의 렌즈 및 상기 복수의 픽셀로부터의 픽셀을 포함하고 상기 벌크 수신 옵틱으로부터 입사되는 광을 상기 입력 채널의 픽셀에 통신하도록 구성되고, 상기 픽셀 블록 내의 상기 복수의 픽셀은 복수의 열의 픽셀로 배열되고, 소정의 열 내의 각각의 픽셀은 픽셀 피치만큼 상기 소정의 열 내의 인접 픽셀로부터 오프셋되고, 각각의 열의 픽셀들은 상기 픽셀 피치만큼 인접 열의 픽셀들로부터 수평으로 오프셋되고, 상기 픽셀 피치보다 작은 수직 피치만큼 상기 인접 열로부터 수직으로 오프셋됨 -;
    벌크 송신 옵틱, 및 복수의 레이저를 포함하는 조명 소스를 포함하는 광학 이미징 송신 모듈 - 상기 복수의 레이저 내의 각각의 레이저는 별개 조명 빔을 동작 파장에서 상기 벌크 송신 옵틱을 통해 투사하도록 구성됨 -;
    상기 시스템의 전체 360 도 회전 축 주위에서 상기 복수의 입력 채널 및 상기 벌크 수신 옵틱을 회전시키도록 동작 가능하게 결합되는 회전 전기 모터를 포함하는 회전 액추에이터
    를 포함하는 광학 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 회전 액추에이터는 광학 인코더를 추가로 포함하고, 상기 시스템은 상기 광학 인코더의 출력들에 기초하여 상기 회전 전기 모터의 회전 속도를 제어하기 위해 상기 회전 액추에이터에 결합되는 회로를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 광학 시스템은 상기 회전 액추에이터의 각각의 회전 동안 복수의 샘플링 기간을 실행하도록 구성되며, 상기 광학 이미징 송신 모듈은 광을 상기 벌크 송신 옵틱을 통해 상기 입력 채널들의 시야들로 투사하기 위해 상기 조명 소스를 활성화하고, 상기 복수의 샘플링 기간 내의 각각의 샘플링 기간은 상이한 아치형 샘플링 위치에서 취해지고; 상기 시스템은 동작 동안, 상기 시스템에 의해 점유되는 체적의 가상 3차원 표현으로 재구성될 수 있는 스캔 사이클들의 시퀀스 각각을 통해 3차원 거리 데이터를 수집하도록 구성되는 광학 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 벌크 수신 옵틱과 상기 픽셀 블록 사이의 광학 필터를 추가로 포함하며, 상기 광학 필터는 좁은 대역 외측에서 방사를 차단하면서 상기 복수의 레이저의 동작 파장을 포함하는 방사의 좁은 대역을 상기 복수의 픽셀에 전달하도록 구성되는 광학 시스템.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 항에 있어서,
    상기 벌크 수신 옵틱은 상기 필드와 대향하는 초점 평면을 특징으로 하고, 상기 애퍼처 층은 상기 초점 평면과 일치하는 얇은 불투명 구조체를 포함하고, 상기 복수의 렌즈 내의 각각의 렌즈는 렌즈 초점 길이를 특징으로 하고 상기 렌즈 초점 길이만큼 상기 벌크 수신 옵틱의 초점 평면으로부터 오프셋되는 콜리메이팅 렌즈이고;
    상기 조명 소스는 상기 벌크 송신 옵틱으로부터 상기 광학 시스템 외측의 필드로 투사되는 각각의 조명 빔이 상기 시스템으로부터의 거리들에서의 대응하는 입력 채널의 시야와 실질적으로 동일한 크기 및 기하학적 구조이도록 상기 벌크 송신 옵틱의 초점 평면을 따라 배열되는 광학 시스템.
  14. 제9항 내지 제12항 중 어느 항에 있어서, 상기 복수의 레이저 내의 레이저들 각각은 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)를 포함하고, 상기 복수의 픽셀 각각은 상기 복수의 레이저 중 대응하는 것으로부터 광을 수신하도록 구성되는 복수의 단일 광자 애벌란시 다이오드(SPAD) 검출기들을 포함하는 광학 시스템.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 벌크 수신 옵틱은 초점 길이를 갖고;
    상기 복수의 픽셀 열 각각은 외부 표면들까지의 거리 값들을 계산하기 위한 광 데이터를 발생시키도록 구성되는 복수의 픽셀을 포함하고;
    상기 회전 액추에이터는 픽셀 어레이 및 상기 벌크 수신 옵틱을 복수의 각도 샘플링 위치를 통해 스캔 사이클 동안 스캐닝하고;
    상기 픽셀 블록 내의 적어도 2개의 픽셀 열은 픽셀 열들 사이의 수평 거리 및 상기 벌크 수신 옵틱의 초점 길이에 대응하는 수평 피치 각도만큼 오프셋되며, 상기 수평 피치 각도, 및 각도 샘플링 위치들 사이의 각도 피치는,
    제1 각도 샘플링 위치에서의 제1 픽셀 열 및 제2 각도 샘플링 위치에서의 제2 픽셀 열이 거리 행렬의 단일 거리 열에 대해 수직으로 정렬되는 시야들을 갖도록 되어 있는 광학 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 스캔 사이클의 아치형 샘플링 위치들의 수와 동등한 수평 분해능을 가진 장면을 표현하는 거리 행렬에 스캔 사이클로부터의 거리 값들을 저장하도록 구성되는 회로를 추가로 포함하고;
    상기 회로는 스캔 사이클 동안 한 번에 하나의 거리 값으로 상기 거리 행렬의 각각의 행을 파퓰레이션하고 상기 거리 행렬 내의 하나 이상의 거리 값을 정정 행렬 내의 하나 이상의 각진 오프셋 값과 병합함으로써 조명 빔들을 반사한 표면의 위치를 계산하도록 추가로 구성되고; 상기 거리 행렬의 거리 열 내의 거리 값들의 수는 상기 픽셀 어레이 내의 픽셀들의 수에 대응하고, 상기 거리 행렬의 각각의 거리 열은 상이한 샘플링 기간들에서의 상이한 픽셀 열들에 대응하는 거리 값들을 포함하는 광학 시스템.
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