KR102568116B1 - 회전 오목 거울과 빔 조향 디바이스들의 조합을 사용한 2D 스캐닝 고정밀 LiDAR - Google Patents

회전 오목 거울과 빔 조향 디바이스들의 조합을 사용한 2D 스캐닝 고정밀 LiDAR Download PDF

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Abstract

본 개시는 동축 LiDAR 스캐닝을 위한 시스템 및 방법을 기술한다. 시스템은 제1 광 펄스들을 제공하도록 구성된 제1 광원을 포함한다. 시스템은 또한 제1 광원에 광학적으로 결합된 하나 이상의 빔 조향 장치를 포함한다. 각각의 빔 조향 장치는 회전가능한 오목 반사체, 및 회전가능한 오목 반사체 내에 적어도 부분적으로 배치된 광 빔 조향 디바이스를 포함한다. 광 빔 조향 디바이스와 회전가능한 오목 반사체의 조합은, 서로에 대해 이동할 때, 시야 내의 물체를 조명하기 위해 하나 이상의 제1 광 펄스를 수직 및 수평 둘 모두로 조향하고, 시야 내의 물체를 조명하는 조향된 제1 광 펄스들에 기초하여 발생되는 하나 이상의 제1 복귀 광 펄스를 획득하고, 하나 이상의 제1 복귀 광 펄스를 방향 전환시킨다.

Description

회전 오목 거울과 빔 조향 디바이스들의 조합을 사용한 2D 스캐닝 고정밀 LiDAR{2D SCANNING HIGH PRECISION LiDAR USING COMBINATION OF ROTATING CONCAVE MIRROR AND BEAM STEERING DEVICES}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2016년 12월 31일자로 출원된, 발명의 명칭이 "LiDAR를 위한 동축 인터레이싱된 래스터 스캐닝 시스템(COAXIAL INTERLACED RASTER SCANNING SYSTEM FOR LiDAR)"인 미국 가특허 출원 제62/441,280호; 및 2017년 7월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "회전 오목 거울과 빔 조향 디바이스들의 조합을 사용한 2D 스캐닝 고정밀 LiDAR(2D SCANNING HIGH PRECISION LiDAR USING COMBINATION OF ROTATING CONCAVE MIRROR AND BEAM STEERING DEVICES)"인 미국 가특허 출원 제62/529,955호에 대한 우선권을 주장하는, 2017년 9월 29일자로 출원된, 발명의 명칭이 "회전 오목 거울과 빔 조향 디바이스들의 조합을 사용한 2D 스캐닝 고정밀 LiDAR"인 미국 정규 특허 출원 제15/721,127호에 대한 우선권을 주장한다. 모든 출원들의 내용은 이에 의해 모든 목적을 위해 전체적으로 참고로 포함된다.
기술분야
본 개시는 일반적으로 광 검출 및 거리 측정(light detection and ranging, LiDAR)에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 시야 내의 물체들을 조명하기 위해 연속적인 광 펄스들을 스캐닝하고 시야 내의 물체들을 거리 측정하기 위해 각각의 광 펄스로부터 산란된 광을 동축으로 수집하기 위한 시스템에 관한 것이다.
LiDAR 시스템의 크기를 감소시키기 위해, 시야 내의 물체들을 조명하는 광의 펄스들을 조향하는 온칩 마이크로-전자-기계 시스템(on-chip micro-electro-mechanical system, MEMS)을 구현하려는 노력이 있다. 그러한 온칩 솔루션들은 LiDAR 시스템의 크기를 감소시킨다. 그러나, 이들 온칩 MEMS 설계는 전형적으로 수(5 미만) 밀리미터 이하인 광학 개구 단면을 산출하며, 이는 더 먼 거리(예를 들어, 100 미터)에 있는 물체들에 의해 반사되는 광의 펄스를 배경 잡음 신호들과 구별하는 것을 어렵게 만든다. 더 큰 광학 개구 단면이 광에 대한 신호 대 잡음비를 증가시킨다는 것이 밝혀졌다. 그러나, 전형적인 LiDAR 시스템은 그것의 시스템 구성들로 인해 부피가 크고 비쌀 수 있다. 이들 시스템은 차량과 쉽게 통합되지 않을 수 있고/있거나 차량과 통합되는 데 엄청나게 비용이 많이 들 수 있다. 그러므로, 치수와 비용이 감소된 고정밀 LiDAR 시스템이 요망된다. 고정밀 LiDAR 시스템에 대한 난제들 중 일부는 단면 수집 광학 개구를 증가시키면서 LiDAR 시스템의 크기를 감소시키는 것이다.
하기는 본 개시의 기본적인 이해를 제공하기 위해 하나 이상의 예의 단순화된 요약을 제공한다. 이 요약은 모든 고려되는 예의 광범위한 개관은 아니며, 모든 예의 핵심적인 또는 중대한 요소를 식별하거나 임의의 또는 모든 예의 범위를 기술하도록 의도되지 않는다. 그것의 목적은 아래에 제공되는 더 상세한 설명에 대한 서문으로서 하나 이상의 예의 몇몇 개념을 단순화된 형태로 제공하는 것이다.
몇몇 실시예에 따르면, 광 검출 및 거리 측정(LiDAR) 스캐닝 시스템이 제공된다. 시스템은 하나 이상의 제1 광 펄스를 제공하도록 구성된 제1 광원을 포함한다. 시스템은 또한 제1 광원에 광학적으로 결합된 하나 이상의 빔 조향 장치를 포함한다. 각각의 빔 조향 장치는 회전가능한 오목 반사체 및 광 빔 조향 디바이스를 포함하며, 이들은 회전가능한 오목 반사체 또는 광 빔 조향 디바이스에 의해 지향되는 광 펄스들이 광 빔 조향 디바이스 또는 회전가능한 오목 반사체에 의해 상이한 방향으로 추가로 지향될 수 있게 하는 위치에 배치된다. 광 빔 조향 디바이스와 회전가능한 오목 반사체의 조합은, 서로에 대해 이동할 때, 시야 내의 물체를 조명하기 위해 하나 이상의 제1 광 펄스를 수직 및 수평 둘 모두로 조향하고, 시야 내의 물체를 조명하는 조향된 제1 광 펄스들에 기초하여 발생되는 하나 이상의 제1 복귀 광 펄스를 획득하고, 하나 이상의 제1 복귀 광 펄스를 하나 이상의 복귀 광 검출기로 방향 전환시킨다.
다양한 설명된 태양들에 대한 더 나은 이해를 위해, 다음의 도면들과 함께, 아래의 설명을 참조하여야 하며, 도면들 전반에 걸쳐 동일한 도면 부호들은 대응하는 부분들을 지시한다.
도 1a는 차량에 부착된 복수의 동축 LiDAR 시스템을 예시한다.
도 1b는 오목 반사체 내에 위치된 다면체를 갖는 예시적인 빔 조향 장치를 예시한다.
도 1c는 오목 반사체를 대체하는 진동 거울을 갖는 예시적인 빔 조향 장치를 예시한다.
도 2a는 양안 LiDAR 시스템을 예시한다.
도 2b는 수렴 렌즈를 갖는 동축 LiDAR 시스템을 예시한다.
도 2c는 수렴 거울을 갖는 동축 LiDAR 시스템을 예시한다.
도 3은 이중 동축 LiDAR 시스템을 예시한다.
도 4a는 전송된 광을 양의 x-축과 양의 z-축 사이의 방향으로 지향시키고 그 방향으로부터 산란된 광을 수집하는 예시적인 빔 조향 장치를 예시한다.
도 4b는 전송된 광을 음의 x-축과 양의 z-축 사이의 방향으로 지향시키고 그 방향으로부터 산란된 광을 수집하는 예시적인 빔 조향 장치를 예시한다.
도 5는 전송된 광을 시야의 양의 수평 범위의 에지 쪽으로 더 향하는 방향으로 지향시키고 그 방향으로부터 산란된 광을 수집하는 예시적인 빔 조향 장치를 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 이중 동축 LiDAR 시스템에 대한 수평 및 수직 방향에 걸친 각도 분포에 대한 인터레이싱된 프레임 다이어그램들을 예시한다.
도 7은 이중 동축 LiDAR 시스템에 대한 수평 및 수직 방향들에 걸친 y=0에서의 x-z 평면을 따른 수집 개구의 폭들에 대응하는 히트 맵(heat map)을 예시한다.
도 8은 LiDAR 스캐닝 검출을 위한 예시적인 프로세스를 예시한다.
도 9a 내지 도 9d는 본 개시의 예들에 따른, 빔 조향 장치의 다른 실시예의 상이한 도면들을 예시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 개시의 예들에 따른, 시준된 조명 레이저 빔을 발생시키기 위한 다양한 예시적인 구성들을 예시한다.
도 11은 본 개시의 예들에 따른, 수신 개구를 증가시키고 상이한 면(facet)들로부터의 복귀 광 펄스들을 수집하기 위한 빔 조향 장치의 예시적인 구성들을 예시한다.
도 12a 내지 도 12c는 본 개시의 예들에 따른, 수신 광학 시스템들의 예시적인 구성들을 예시한다.
도 13a 및 도 13b는 본 개시의 예들에 따른, 광학 감응 디바이스를 사용한 광 수집을 위한 예시적인 검출기 요소들을 예시한다.
도 14a 및 도 14b는 본 개시의 예들에 따른, 자유-공간 광학계 또는 파이버 번들 및/또는 전력 결합기의 조합을 사용하여 상이한 면들로부터의 광 펄스들을 결합하기 위한 예시적인 구성들을 예시한다.
도 15a 내지 도 15e는 본 개시의 예들에 따른, 만곡된 표면들 및 평탄한 표면들을 갖는 예시적인 다면체들의 다수의 면의 다양한 구성들을 예시한다.
도 16은 본 개시의 예들에 따른, 광 펄스의 비행 시간(time-of-flight)을 결정하기 위한 LiDAR 시스템의 예시적인 구성을 예시한다.
도 17은 본 개시의 예들에 따른, 기준 펄스 및 수신된 복귀 광 펄스를 예시한다.
도 18은 본 개시의 예들에 따른, 진동 거울을 갖는 빔 조향 장치의 다른 실시예를 예시한다.
도 19는 본 개시의 예들에 따른, 하나 이상의 레이저 펄스의 비행 시간을 결정하는 방법에 대한 예시적인 흐름도를 예시한다.
첨부된 도면들과 관련하여 아래에 기술되는 상세한 설명은 다양한 구성들의 설명으로서 의도되며, 본 명세서에 설명된 개념들이 실시될 수 있는 유일한 구성들을 나타내도록 의도되지 않는다. 상세한 설명은 다양한 개념들에 대한 철저한 이해를 제공할 목적으로 특정 세부 사항들을 포함한다. 그러나, 이들 개념은 이들 특정 세부 사항들 없이도 실시될 수 있음이 당업자들에게 명백할 것이다. 몇몇 경우에는, 그러한 개념을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려진 구조들 및 컴포넌트들은 블록 다이어그램 형식으로 도시된다.
이제 장치 및 방법들의 다양한 요소들과 관련하여 LiDAR 스캐닝 시스템들의 예들이 제시될 것이다. 이들 장치 및 방법들은 다음의 상세한 설명에서 설명되고, 다양한 블록들, 컴포넌트들, 회로들, 단계들, 프로세스들, 알고리즘들 등(집합적으로 "요소들"로 지칭됨)에 의해 첨부 도면에 예시될 것이다. 이들 요소는 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 그러한 요소들이 하드웨어로서 구현되는지 또는 소프트웨어로서 구현되는지는 전체 시스템에 부과된 설계 제약 사항들 및 특정 응용에 좌우된다.
본 개시는 회전가능한 오목 반사체와 광 빔 조향 디바이스들의 조합을 사용한 2D 스캐닝 고정밀 LiDAR 시스템을 설명한다. LiDAR 시스템은 중심 축 주위로 정렬되는 오목 반사체 내에 위치된 다면체 반사체를 갖는 빔 조향 장치를 포함한다. 오목 반사체는 중심 축을 중심으로 회전하도록 구성된다. 다면체는 중심 축에 대해 소정 각도(예를 들어, 90도)의 방향으로 피벗(pivot)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 오목 반사체 및 다면체의 각자의 순간 위치들은 물체들에서 산란된 광의 펄스들로부터 산란된 광을 수집하면서, 시야 내의 물체들을 조명하기 위해 광의 펄스들을 조향한다. 각각의 전송된 광의 펄스는 대응하는 광의 펄스로부터의 수집된 산란된 광과 실질적으로 동축이거나 평행하다. LiDAR 시스템은 각각의 전송된 광의 펄스와 물체들에서 산란된 대응하는 광의 펄스로부터의 수집된 광 사이의 시간 차이들에 기초하여 물체들까지의 거리를 계산하는 마이크로컨트롤러를 포함한다. 본 개시는 더 높은 해상도 프레임을 달성하기 위해 서브-프레임들을 인터레이싱하는 것을 추가로 설명한다. 이 기술은 하나 이상의 서브-프레임을 형성하기 위해 연이은 수평 및 수직 방향들에 걸쳐 하나 이상의 물체에 대한 범위 포인트들을 샘플링하는 것을 포함한다. 연속적으로 캡처된 서브-프레임들에 대한 샘플 포인트들의 수직 및/또는 수평 위치들은 약간 오프셋되며, 이는, 결합될 때, 인터레이싱된 더 높은 밀도의 샘플링된 포인트들을 제공한다. 더 높은 밀도의 샘플링된 포인트들은 LiDAR 시스템에 대한 더 높은 해상도를 산출한다.
본 개시의 예들은 차량에의 통합에 대해 설명되지만, 다른 응용들이 고려된다. 예를 들어, 중앙 집중식 레이저 전달 시스템과 다수의 LiDAR 시스템이 로봇들에 배치되거나 로봇들과 통합되거나, 보안 모니터링 목적으로 건물의 다수의 위치에 설치되거나, 교통 모니터링을 위해 도로의 소정 위치 또는 교통 교차로에 설치될 수 있다.
도 1a는 차량(150)에 부착된 복수의 LiDAR 스캐닝 시스템(300A 내지 300F)을 예시한다. LiDAR 스캐닝 시스템들(300A 내지 300F)은 2D 스캐닝 LiDAR 시스템들일 수 있다. 각각의 LiDAR 스캐닝 시스템들(300A 내지 300F)은 차량(150)이 있는 그리고 그 주위의 위치들에 대응하는, 시야 내의 물체들을 검출하고 그것들까지의 범위를 계산한다. 예로서, 차량(150)의 전방에 배치된 LiDAR 스캐닝 시스템들(300A)은 각각의 각자의 광 펄스와 실질적으로 동축으로 또는 그것에 실질적으로 평행하게 수집된 광의 펄스들로 인접 차량(150')(및/또는 다른 물체들)을 조명한다. 인접 차량(150')까지의 범위(예를 들어, 거리)는 각각의 광 펄스가 전송되고 대응하는 광의 펄스로부터의 산란된 광이 검출되는 시간의 차이로부터 결정된다.
도 1a에 도시된 예에서와 같이, 복수의 LiDAR 스캐닝 시스템(300A 내지 300F)은 개개의 동축 LiDAR 시스템 각각 사이의 시야를 커버하도록 차량(150) 주위에 분포된다. 예를 들어, 시야는 LiDAR 스캐닝 시스템(300F)이 차량(150)의 일 측의 중심 선(154)을 검출할 수 있고 LiDAR 스캐닝 시스템(300C)이 차량(150)의 다른 측의 차선 구분 선(152)을 검출할 수 있도록 구성될 수 있다. 몇몇 경우에, 복수의 LiDAR 스캐닝 시스템(300A 내지 300F) 중 하나 이상에 대한 시야가 중첩될 수 있다. 예를 들어, LiDAR 스캐닝 시스템(300B)의 시야가 LiDAR 스캐닝 시스템(300A)의 시야와 중첩될 수 있다. 시야의 중첩은 더 높은 샘플링 밀도를 제공할 수 있다. 마찬가지로, LiDAR 스캐닝 시스템들(300A)의 시야가 LiDAR 스캐닝 시스템(300F)의 시야와 중첩될 수 있다. LiDAR 스캐닝 시스템들(300A 내지 300F) 각각은 물체들을 스캐닝하기 위해 시야로 전송하는 것에 수직으로뿐만 아니라 수평으로 광 펄스들을 조향할 수 있는 빔 조향 장치를 포함할 수 있다. 광 펄스들의 조향은 시야 내의 하나 이상의 물체로부터 포인트들의 연속적인 샘플링을 가능하게 한다.
도 1a에 도시된 LiDAR 스캐닝 시스템들(300A 내지 300F)의 크기들은 비교적 작을 수 있다는 점을 인식해야 한다. 즉, 각각의 각자의 LiDAR 스캐닝 시스템(예를 들어, 시스템들(300A 내지 300F))은, 예를 들어, 1 입방 피트 또는 1 입방 피트의 1/4 이하의 공간을 차지할 수 있다.
도 1b는 오목 반사체(112) 내에 배치된 광 빔 조향 디바이스(예를 들어, 다면체(102))를 갖는 예시적인 빔 조향 장치(100)를 예시한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 오목 반사체(112)는 제1 축(106)과 동축으로 정렬된다(예를 들어, 실질적으로 동심). 오목 반사체(112)는 개구(118)를 둘러싸는 오목 측에 하나 이상의 반사 표면(예를 들어, 평탄한 표면의 거울)을 포함할 수 있다. 오목 반사체(112)의 개구(118)는 제1 축(106)과 동축으로 정렬된다(예를 들어, 실질적으로 동심). 도 1b에 도시된 예에서, 거울들은 오목 반사체(112)의 육각 형상의 볼(hex-shaped bowl)을 형성하도록 안쪽을 향하여 기울어져 있다. 도 1b에 도시된 예에서, 오목 반사체(112)의 육각형 개구(118)는 (예를 들어, 육각형) 개구(118)의 서로 반대편에 있는 측면들을 가로질러 1 인치의 폭을 가질 수 있고, 오목 반사체(112)의 반사 표면들(예를 들어, 거울들)은 육각형 개구(118)로부터 45° 기울어질 수 있으며 (기울어진 거울들을 따른) 2.45 인치의 길이를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 오목 반사체(112)의 반사 표면들(예를 들어, 거울들)은 0.2 인치 내지 4 인치의 범위이다. 몇몇 실시예에서, 오목 반사체(112)의 반사 표면들은 만곡될 수 있다. 몇몇 예에서, 만곡된 표면들은 바깥쪽으로 돌출하고(예를 들어, 볼록), 이는 빔 조향 장치(100)의 시야를 증가시키는 데 이용될 수 있다. 몇몇 예에서, 만곡된 표면들은 안쪽으로 돌출한다(예를 들어, 오목).
도 1b에 도시된 바와 같이, 다면체(102)는 오목 반사체(112) 내에 배치될 수 있다. 다면체(102)는 제1 축(106)에 수직인 제2 축(104)과 동축으로 정렬된(예를 들어, 실질적으로 동심) 피벗(120)을 포함한다. 다면체(102)는 오목 반사체(112)의 개구(118)와 오목 반사체(112)의 적어도 하나의 반사 표면(예를 들어, 거울) 사이의 광을 방향 전환시키기 위해 다면체(102)의 면에 배치된 적어도 하나의 반사 표면(예컨대, 거울)을 추가로 포함한다. 예를 들어, 개구(118)를 통해 다면체(102)의 반사 표면을 향해 전송된 광 펄스들은 오목 반사체(112)의 반사 표면을 향해 방향 전환되거나 조향될 수 있으며, 이는 시야로 추가로 방향 전환되거나 조향될 수 있다. 도 1b에 도시된 예에서, 다면체(102)는 6개의 면을 갖는 입방체이다. 몇몇 예에서, 피벗(120)을 갖는 2개의 서로 반대편에 있는 면은 반사 표면들(예를 들어, 거울들)을 갖지 않고 나머지 4개의 면은 바깥쪽으로 지향된 반사 표면들(예를 들어, 거울들)을 갖는다. 도 1b에 도시된 예에서, 입방체는 약 1.22 인치의 에지 길이를 갖는다.
다면체(102)는 모두 직교는 아닌 6개의 면을 가질 수 있다는 점을 인식해야 한다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 다면체(102)는 비대칭인 면들을 가질 수 있으며, 이는 서브-프레임들 사이에서 수직 및 수평 스캐닝 방향을 오프셋하고/하거나 인터레이싱 래스터 패턴을 변화시킬 수 있다. 몇몇 예에서, 다면체(102)는 능면체(rhombohedron)이다. 다면체(102)는 6개 미만의 면을 가질 수 있다는 점도 인식해야 한다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 다면체(102)는 오면체이다. 그러한 실시예에서, 다면체(102)는 2개의 서로 반대편에 있는 삼각형 면에 위치된 피벗 및 직사각형 면들에 위치된 하나 이상의 반사 표면(예를 들어, 거울)을 갖는 삼각형 프리즘일 수 있다. 다면체(102)는 6개 초과의 면을 가질 수 있다는 점도 인식해야 한다. 예를 들어, 다면체(102)는 육면체, 칠면체, 팔면체 등일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다면체(102)의 면들은 만곡된다. 몇몇 예에서, 만곡된 면들은 바깥쪽으로 돌출하고(예를 들어, 볼록), 이는 빔 조향 장치(100)의 시야를 증가시키는 데 이용될 수 있다. 몇몇 예에서, 만곡된 면들은 안쪽으로 돌출하고(예를 들어, 오목), 이는 시야를 감소시키고 출사하는 레이저 빔의 프로파일을 형상화할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 빔 조향 장치(100)는 오목 반사체(112) 및 다면체(102)에 작동 가능하게 결합되는 하나 이상의 모터(도시되지 않음)를 포함한다. 이 예에서, 하나 이상의 모터는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 오목 반사체(112)를 제1 회전 속도(116)로 제1 축(106)을 중심으로 반시계 방향(-z 방향에서 볼 때)으로 회전시키도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 모터는 또한 다면체(102)를 제2 회전 속도(114)로 반시계 방향(+y 방향에서 볼 때)으로 제2 축(104) 주위에 있는 피벗(120)을 중심으로 회전시키도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 회전 제어기가 오목 반사체(112)의 제1 회전 속도(116) 및 다면체(102)의 제2 회전 속도(114)를 제어하도록 구성된다. 몇몇 경우에, 회전 제어기는 하나 이상의 모터에 전기적으로 결합되어 오목 반사체(112)의 제1 회전 속도(116) 및 다면체(102)의 제2 회전 속도(114)를 독립적으로 제어한다. 몇몇 실시예에서, 오목 반사체(112)의 제1 회전 속도(116)는 다면체(102)의 제2 회전 속도(114)와는 상이하다. 예를 들어, 다면체(102)의 제2 회전 속도(114)는 오목 반사체(112)의 제1 회전 속도(116)보다 빠를 수 있다. 도 1b에 도시된 예에서, 다면체(102)의 제2 회전 속도(114)는 500 rps(revolutions per second)로 설정될 수 있는 반면, 오목 반사체(112)의 제1 회전 속도(116)는 10 rps로 설정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다면체(102)의 제2 회전 속도(114)는 오목 반사체(112)의 제1 회전 속도(116)보다 느릴 수 있다.
몇몇 실시예에서, 빔 조향 장치(100)에 의해 인에이블되는 스캔 내의 각각의 샘플링된 포인트에 대해, 회전 오목 반사체(112)에 대한 회전 다면체(102)의 순간 위치들은 빔 조향 장치(100)가 물체로 광 펄스들을 지향시키거나 조향하고 실질적으로 유사한 광학 경로를 따라 물체로부터의 복귀 광 펄스들을 수집할 수 있게 한다. 도 1b를 참조하면, 회전 다면체(102)의 순간 위치들은 양의 z-축에 대해 측정될 수 있다. 다면체(102)의 각도는 y-축을 따라 볼 때 반시계 방향으로부터 측정될 때 양(positive)이다. 회전 오목 반사체(112)의 순간 위치들은 음의 y-축에 대해 측정될 수 있다. 오목 반사체(112)의 각도는 z-축을 따라 볼 때 시계 방향으로부터 측정될 때 양이다.
오목 반사체(112)를 회전시키는 것 및/또는 다면체(102)를 회전시키는 것과 동일한 효과를 제공하는 다른 메커니즘들이 적용될 수 있다는 점을 인식해야 한다. 예를 들어, 도 1c에 도시된 바와 같이, 오목 반사체(112)는 축(129)을 따라 진동하는 진동 거울(112A)로 대체될 수 있다. 그렇기 때문에, 진동 거울(112A)과 결합된 다면체(102)의 회전은 시야 내의 물체들을 조명하기 위해 연속적인 광 펄스들을 스캐닝하고 시야 내의 물체들을 거리 측정하기 위해 조명 광 펄스들에 평행하게 또는 동축으로 각각의 광 펄스로부터의 복귀 광을 수집하기 위한 유사한 조향 메커니즘을 제공할 수 있다. 다른 예에서, 다면체(102)는 다면체가 축을 따라 앞뒤로 진동하게 하는 액추에이터(actuator)에 의해 구동될 수 있다. 몇몇 예에서, 도 1c에 예시된 바와 같이, 진동 거울(112A)은 제1 축을 중심으로 진동할 수 있고 다면체(102)는 진동 거울(112A)에 인접하게 배치될 수 있다. 다면체(102)는 제2 축과 동축으로 정렬된 피벗을 포함할 수 있다. 제2 축은 제1 축에 대해 소정 각도(예를 들어, 90도 또는 75도)로 배치될 수 있다. 적어도 하나의 거울이 개구와 오목 반사체(112) 사이의 광 펄스들을 반사하기 위해 다면체(102)의 면에 배치될 수 있다. 하나 이상의 모터 또는 액추에이터가 진동 거울(112A) 및 다면체(102)에 작동 가능하게 결합될 수 있다. 하나 이상의 모터 또는 액추에이터는 제1 주파수로 제1 축을 중심으로 진동 거울(112A)을 회전시키거나(128A로서 예시됨) 진동시키거나(128B로서 예시됨), 제2 주파수로 제2 축을 중심으로 회전가능한 다면체를 회전시키거나(125A로서 예시됨) 진동시키도록(125B로서 예시됨) 구성될 수 있다.
도 1b에 도시된 예에서, 광원으로부터 획득된 광 펄스들(307A)은 개구(118)를 통해 다면체(102)를 향해 지향되며, 이 다면체는 광 펄스들(307A)을 방향 전환시키거나 반사함으로써 방향 전환된 광 펄스들(307B)을 발생시킨다. 광 펄스들(307B)은 오목 반사체(112) 상의 거울을 향해 지향된다. 오목 반사체(112)는 이어서 조향된 광 펄스들(307B)을 방향 전환시키거나 반사함으로써 조향된 광 펄스들(312A)을 발생시킨다. 조향된 광 펄스들(312A)은 시야 내의 물체들을 조명하기 위해 시야를 향해 지향된다. 조향된 광 펄스들(312A)은 물체들을 조명하며, 이 물체들은 하나 이상의 방향으로 광의 펄스들을 산란시킨다. 산란된 광의 펄스들 중 일부는 제1 복귀 광 펄스들(207A)로서 빔 조향 장치(100)로 복귀한다. 도 1b에 예시된 바와 같이, 몇몇 예에서, 제1 복귀 광 펄스들(207A)은 조향된 광 펄스들(312A)과 실질적으로 유사한 광학 경로를 따라 (동축으로) 빔 조향 장치(100)로 복귀할 수 있다. 제1 복귀 광 펄스들(207A) 각각은 오목 반사체(112)에 의해 방향 전환되거나 반사되어 방향 전환된 복귀 광 펄스들(209)을 발생시킬 수 있다. 방향 전환된 복귀 광 펄스들(209)은 다면체(102)를 향해 지향되고, 이 다면체는 이어서 광 펄스들을 방향 전환 및 반사하여 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214A)을 발생시킨다. 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214A)은 다시 개구(118)를 통해 광 검출기로 지향된다.
도 2a는 양안 LiDAR 시스템(200)을 예시한다. 몇몇 예에서, 양안 LiDAR 시스템(200)은 광원으로부터 발생된 광 펄스들을 제1 개구(210A)를 통해 조명 광학 경로(210C)를 따라 시야 내의 물체들로 전송한다. 전송된 광 펄스들은 물체들에 도달하고 하나 이상의 방향으로 산란 및 분산된다. 산란된 광의 펄스들 중 일부는 검출 광학 경로(210D)를 따라 제2 개구(210B)를 통해 광 검출기로 복귀한다. 양안 LiDAR 시스템(200)의 기하학적 구조는 도 2a에 도시된 예시적인 조명 광학 경로(210C)와 검출 광학 경로(210D) 사이의 중첩 영역에 의해 결정되는 검출 범위를 결정한다. 그렇기 때문에, 양안 LiDAR 시스템(200)의 광학 경로를 따른 소정 영역들 내의 산란된 광의 펄스들은 제2 개구(210B)를 통해 복귀하지 않을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 조명 광학 경로(210C)와 검출 광학 경로(210D)는 실질적으로 평행하다(예를 들어, 작은 각도로). 그 결과, 검출 범위가 넓을 수 있다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 검출 범위는 우측에 경계를 갖지 않을 수 있다. 양안 LiDAR 시스템의 이점은 조명 광학계와 검출 광학계가 LiDAR 스캐닝 시스템 내에서 물리적으로 분리되어, 조명 광학계에서의 광 산란에 의한 검출 모듈에서의 광 간섭을 피하는 것이 더 쉽다는 점이다.
도 2b는 수렴 렌즈(224)를 갖는 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(250)을 예시한다. 몇몇 실시예에서, 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(250)은 광원(220), 반사 거울(222), 수렴 렌즈(224), 개구를 갖는 마스크(226), 광 검출기(230) 및 빔 조향 장치(100)를 포함한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 광원(220)으로부터 발생된 입사 광 펄스들(212A)은 반사 거울(222)로 지향되고, 이 반사 거울은 입사 광 펄스들(212A)을 방향 전환시키거나 반사하여 방향 전환된 광 펄스들(212B)을 발생시킨다. 방향 전환된 광 펄스들(212B)은 광학 축(211)을 따라 빔 조향 장치(100)로 지향된다. 빔 조향 장치(100)는 이어서 전술된 것과 유사하게 방향 전환된 광 펄스들(212B)을 조향하여 FOV 내의 물체들을 조명하기 위한 조향된 광 펄스들(212C)을 발생시킬 수 있으며, 여기서 도 2b에서의 212C의 방향은 조향된 방향이 212B의 방향에 평행한 시점을 예시할 뿐이다. 다른 시점들에서, 212C의 방향은 FOV 내의 다른 방향들일 수 있다. 도 2b에 도시된 예에서, 반사 거울(222)은 방향 전환된 광 펄스들(212B) 및 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214) 둘 모두의 광학 경로를 따르는 광학 축(211)에 배치된 거의 100% 반사 거울이다. 반사 거울(222)은 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214)을 방해하거나 간섭하지 않도록 충분히 작아야 한다는 점을 인식해야 한다.
도 2b의 예에서, 빔 조향 장치(100)는 도 1b로부터의 동축 빔 조향 장치(100)일 수 있다. 몇몇 예에서, 빔 조향 장치(100)는 시야 내의 하나 이상의 물체로 지향된 2개의 실질적으로 평행한 광의 펄스를 구현하는 이중 동축 장치일 수 있다. 빔 조향 장치(100)는 조향된 광 펄스들(212C)과 실질적으로 동일한 광학 경로를 따라 복귀 광 펄스들(212D)을 수집하면서, 조향된 광 펄스들(212C)을 발생시키기 위해 방향 전환된 광 펄스들(212B)을 수직 및 수평 방향들로 조향하도록 구성될 수 있다. 빔 조향 장치(100)는 복귀 광 펄스들(212D)을 방향 전환시켜 212B의 반대 방향으로 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214)을 발생시킨다. 그렇기 때문에, 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214)에 대한 복귀 광 펄스들(212D)의 광학 경로는 조향된 광 펄스들(212C)에 대한 방향 전환된 광 펄스들(212B)의 조명 광학 경로와 중첩되며, 이에 따라 유효 검출 범위를 증가시킨다.
도 2b를 참조하면, 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(250)의 수렴 렌즈(224)는 광학 축(211)을 따라 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214)을 수집하고 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214)을 마스크(226)의 개구를 통해 광 검출기(230)로 지향시키도록 구성된다. 수렴 렌즈(224)는 고굴절률 유리, 플라스틱 등과 같은 임의의 투명 재료로부터 제조될 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 수렴 렌즈(224)는 광학 축(211)과 실질적으로 동심일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 수렴 렌즈(224)는 그것이 광학 축(210)과 비-동심이 되도록 배치된다는 점을 인식해야 한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 몇몇 예에서, 광 검출기(230)는 광학 축(211)과 실질적으로 동심으로 배치된다. 광 검출기(230)는 포토다이오드, 애벌란시 포토다이오드(avalanche photodiode) 등일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도 2b에 도시된 광 검출기(230)의 확대된 다이어그램에 예시된 바와 같이, 광 검출기(230)는 광 입사 표면(232)의 반대측을 향하는 반사 표면(231)(예를 들어, 반사 거울)을 포함할 수 있다. 반사 표면(231)은 광을 다시 광 검출기(230)의 흡수 영역으로 방향 전환(예를 들어, 반사)시키고, 이에 의해 검출 효율 및 감도를 증가시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 마스크(226)는 광 검출기(230)의 부분일 수 있다. 일반적으로, 마스크(226)는, 광학 축(211)에 실질적으로 평행한 광 펄스들만이 광 검출기(230)에 도달할 수 있도록, 광학 경로(예를 들어, 광학 축(211)을 따른 광학 경로)에 대해 비스듬하게 기울어진 광 검출기(230) 부근의 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214)을 필터링한다.
도 2b에 도시된 예에서, 광원(220)은 레이저 광원일 수 있다. 몇몇 예에서, 광원(220)에 의해 발생된 레이저 광은 가시 스펙트럼 내의 파장을 가질 수 있다. 몇몇 예에서, 레이저 광은 적외선 스펙트럼 내의 파장을 가질 수 있다. 몇몇 예에서, 레이저 광은 자외선 스펙트럼 내의 파장을 가질 수 있다.
도 2c는 수렴 거울(221)을 갖는 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(250')을 예시한다. 몇몇 실시예에서, 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(250')은 광원(220), 수렴 거울(221), 개구를 갖는 마스크(226), 광 검출기(230), 및 빔 조향 장치(100)를 포함한다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 광원(220)으로부터 발생된 입사 광 펄스들(212A)은 수렴 거울(221)의 개구를 통해 광학 축(211)을 따라 빔 조향 장치(100)로 지향된다. 빔 조향 장치(100)는 입사 광 펄스들(212A)을 조향(예를 들어, 방향 전환 및 반사)하여 조향된 광 펄스들(212C)을 발생시켜 물체를 조명한다. 물체는 조향된 광 펄스들(212C)을 산란시킬 수 있다. 산란된 광의 펄스들 중 일부는 복귀 광 펄스들(212D)로서 빔 조향 장치(100)로 복귀한다. 복귀 광 펄스들(212D)은 조향된 광 펄스들(212C)의 경로와 실질적으로 유사한 또는 그것에 평행한 경로를 따라 지향된다. 빔 조향 장치(100)는 이어서 복귀 광 펄스들(212D)을 지향시켜 광학 축(211)과 동축으로 수렴 거울(221)을 향하는 방향에 있는 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214)을 발생시키고, 수렴 거울은 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214)을 마스크(226)의 개구를 통해 광 검출기(230)를 향해 방향 전환(예를 들어, 반사)시킨다.
몇몇 실시예에서, 설명된 바와 같이, 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(250)의 수렴 거울(221)는 광학 축(211)을 따라 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214)을 수집하고 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214)을 마스크(226)의 개구를 통해 광 검출기(230)로 방향 전환시키도록 구성된다. 도 2c에 도시된 예에서, 수렴 거울(221)은 조향된 광 펄스들(212C) 및 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214) 둘 모두의 광학 경로를 따르는 광학 축(211)에 또는 그 부근에 배치된 거의 100% 반사 거울일 수 있다. 수렴 거울(221)은 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214)이 광 검출기(230) 상에 포커싱하게 한다. 몇몇 실시예에서, 수렴 거울(221)은 광학 축(211)과 비-동심이 되도록 배치될 수 있다는 점을 인식해야 한다. 수렴 거울(221)은 반사 거울 마무리 층을 갖는 임의의 기판(예를 들어, 유리, 플라스틱, 금속 등)으로부터 제조될 수 있다. 몇몇 예에서, 반사 층을 공기로부터 밀폐식으로 격리시키기 위해 반사 거울 마무리 층에 산화-방지 층이 적용된다. 이는 산소 및 다른 부식제들(예를 들어, 부식성 기체들 또는 부식성 액체들)이 수렴 거울(221)의 표면의 반사 부분들을 손상시키는 것을 방지한다.
도 2c에 도시된 예에서, 빔 조향 장치(100)는 도 1b의 동축 빔 조향 장치(100)일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 빔 조향 장치(100)는 시야 내의 하나 이상의 물체로 지향된 2개의 실질적으로 평행한 광의 펄스를 구현하는 이중 동축 장치일 수 있다. 빔 조향 장치(100)는 조향된 광 펄스들(212C)과 실질적으로 동일한 광학 경로를 따라 복귀 광 펄스들(212D)을 수집하면서, 조향된 광 펄스들(212C)을 발생시키기 위해 입사 광 펄스들(212A)을 수직 및 수평 방향들로 지향시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2c에 도시된 바와 같이, 복귀 광 펄스들(212D)의 광학 경로는 조향된 광 펄스들(212C)의 광학 경로의 적어도 부분과 실질적으로 평행할 수 있다. 그렇기 때문에, 212D의 복귀 광 펄스들의 광학 경로는 조향된 광 펄스들(212C)의 광학 경로와 중첩된다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 광 검출기(230)는 반사된 광학 축(211')과 실질적으로 동심으로 배치된다. 몇몇 실시예에서, 반사된 광학 축(211')은 수렴 거울(221)(예를 들어, 수렴 거울(221)의 개구의 중심)로부터 수렴 거울(221)의 초점을 통해 연장된다. 반사된 광학 축(211')은 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214) 및 조향된 광 펄스들(212C)의 광학 경로와 실질적으로 평행한 광학 축(211)과 소정 각도를 형성할 수 있다. 광 검출기(230)는 포토다이오드, 애벌란시 포토다이오드 등일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도 2b에 예시된 것과 유사하게, 광 검출기(230)는 광 입사 표면의 반대측을 향하는 반사 표면(예를 들어, 반사 거울)을 포함할 수 있다. 반사 표면은 광을 다시 광 검출기(230)의 흡수 영역으로 방향 전환(예를 들어, 반사)시키고, 이에 의해 검출 효율 및 감도를 증가시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 마스크(226)는 광 검출기(230)의 부분일 수 있다.
도 2c에 도시된 예에서, 광원(220)은 레이저 광원일 수 있다. 몇몇 예에서, 광원(220)에 의해 발생된 레이저 광은 가시 스펙트럼 내의 파장을 가질 수 있다. 몇몇 예에서, 레이저 광은 적외선 스펙트럼 내의 파장을 가질 수 있다. 몇몇 예에서, 레이저 광은 자외선 스펙트럼 내의 파장을 가질 수 있다.
도 3은 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)을 예시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)은 광원(220), 반사 거울(222), 부분 반사 거울(322), 제1 수렴 렌즈(224A), 제2 수렴 렌즈(224B), 개구를 갖는 제1 마스크(226A), 개구를 갖는 제2 마스크(226B), 제1 광 검출기(230A), 제2 광 검출기(230B), 및 이중 빔 조향 장치(100')를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광원(220)으로부터 발생된 입사 광 펄스들(212A)은 부분 반사 거울(322)로 지향되고, 부분 반사 거울은 입사 광 펄스들(212A)의 제1 부분을 반사하여 방향 전환된 광 펄스들(212B)을 발생시킨다. 방향 전환된 광 펄스들(212B)에 기초하여, 다면체(102)는 방향 전환된 광 펄스들(212C)을 발생시키고, 이 방향 전환된 광 펄스들은 이어서 오목 반사체(112)에 의해 방향 전환되어 조향된 광 펄스들(312A)을 발생시킨다. 조향된 광 펄스들(312A)은 빔 조향 장치(100')의 개구(118)를 통해 FOV 내의 물체들로 지향될 수 있다. 도 3에 도시된 예에서, 부분 반사 거울(322)은 제1 광학 축(311A)을 따라 배치된 50% 반사 거울이다. 부분 반사 거울(322)은 제1 광학 축(311A)을 따라, 예를 들어, 입사 광의 50%를 반사하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 부분 반사 거울(322)은 제1 광학 축(311A)을 따라 입사 광의 50% 초과를 반사하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 부분 반사 거울(322)은 제1 광학 축(311A)을 따라 입사 광의 50% 미만을 반사하도록 구성될 수 있다. 부분 반사 거울(322)은 제1 복귀 광 펄스들(207A)의 상당한 부분을 차단하지 않도록 충분히 작아야 한다는 점을 인식해야 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 입사 광 펄스들(212A)의 다른 부분은 부분 반사 거울(322)을 통과하고 입사 광 펄스들(212A)의 제2 부분이 된다. 입사 광 펄스들(212A)의 제2 부분은 반사 거울(222)로 방향 전환될 수 있고, 이 반사 거울은 입사 광 펄스들(212A)의 제2 부분을 방향 전환시켜 방향 전환된 광 펄스들(213B)을 발생시킨다. 방향 전환된 광 펄스들(213B)에 기초하여, 다면체(102)는 방향 전환된 광 펄스들(213C)을 발생시키고, 이 방향 전환된 광 펄스들은 이어서 오목 반사체(112)에 의해 방향 전환되어 조향된 광 펄스들(312B)을 발생시킨다. 조향된 광 펄스들(312B)은 빔 조향 장치(100)의 개구(118)를 통해 제2 광학 축(311B)을 따라 지향될 수 있다. 도 3에 도시된 예에서, 반사 거울(222)은 제2 광학 축(311B)에 배치된 거의 100% 반사 거울일 수 있다. 반사 거울(222)은 복귀 광 펄스들(207B)의 상당한 부분을 차단하지 않도록 충분히 작아야 한다는 점을 인식해야 한다. 도 3은 입사 광 펄스들(212A)의 2개의 부분이 광원(220)으로부터 발생되는 것을 예시하지만, 2개의 별개의 독립적인 광원이 입사 광 펄스들(212A)의 2개의 부분을 개별적으로 발생시키는 데 사용될 수 있다는 점이 또한 인식된다.
도 3에 예시된 이중 빔 조향 장치(100')는 도 1b에 도시된 동축 빔 조향 장치(100)일 수 있다. 이 예에서의 차이점은, 빔 조향 장치(100')는 시야 내의 하나 이상의 물체를 조명하기 위해 광 펄스들의 2개의 빔(예를 들어, 제1 조향된 광 펄스들(312A) 및 제2 조향된 광 펄스들(312B))을 지향시키도록 구성된다는 점이다. 예를 들어, 빔 조향 장치(100')는 제1 복귀 광 펄스들(207A) 및 제2 복귀 광 펄스들(207B)을 수집하면서, 제1 조향된 광 펄스들(312A) 및 제2 조향된 광 펄스들(312B)을 수직 및 수평 방향들로 지향시키도록 구성될 수 있다. 제1 복귀 광 펄스들(207A) 및 제2 복귀 광 펄스들(207B)은 각각 제1 조향된 광 펄스들(312A) 및 제2 조향된 광 펄스들(312B)의 광학 경로들과 실질적으로 동일하거나 그것과 평행한 광학 경로들을 가질 수 있다. 그렇기 때문에, 제1 복귀 광 펄스들(207A) 및 제2 복귀 광 펄스들(207B)의 광학 경로들은 각각 제1 조향된 광 펄스들(312A) 및 제2 조향된 광 펄스들(312B)의 광학 경로들과 중첩된다. 몇몇 실시예에서, 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)은 또한 광원(220)의 전력을 동적으로 제어하도록 구성된 전력 제어기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 광원(220)의 전력의 제어는 복귀 광 펄스들(207A 및 207B)과 연관된 개구의 단면적에 기초할 수 있다. 광원(220)의 전력의 제어는 시야 내의 개구 변화를 보상할 수 있다.
도 3에 도시된 예에서, 이중 빔 조향 장치(100')는 일반적으로 x-z 평면 상에서 비대칭일 수 있다. 그렇기 때문에, 제1 조향된 광 펄스들(312A)을 발생시키기 위한 광학 컴포넌트들의 기하학적 구조는 임의의 시점에서 제2 조향된 광 펄스들(312B)을 발생시키기 위한 것에 비대칭일 수 있다. 유사하게, 제1 복귀 광 펄스들(207A)을 지향시키기 위한 광학 컴포넌트들의 기하학적 구조는 임의의 시점에서 제2 복귀 광 펄스들(207B)을 지향시키기 위한 것에 비대칭일 수 있다. 그 결과, 제1 조향된 광 펄스들(312A)의 광학 경로는 제2 조향된 광 펄스들(312B)과는 상이한 범위 및 패턴으로 스캐닝할 수 있다.
도 3을 참조하면, 전술된 것들과 유사하게, 제1 복귀 광 펄스들(207A) 및 제2 복귀 광 펄스들(207B)은 이중 빔 조향 장치(100')에 의해 개구(118)를 통해 제1 수렴 렌즈(224A) 및 제2 수렴 렌즈(224B)를 향해 지향될 수 있다. 전술된 것들과 유사하게, 제1 및 제2 복귀 광 펄스들(207A 및 207B)은 다면체(102) 및 오목 반사체(112)에 의해 방향 전환되어 각각 제1 및 제2 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214A 및 214B)을 발생시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)의 제1 수렴 렌즈(224A)는 제1 광학 축(311A)을 따라 제1 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214A)을 수집하고 제1 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214A)을 제1 마스크(226A)의 개구를 통해 제1 광 검출기(230A)로 지향시키도록 구성된다. 마찬가지로, 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)의 제2 수렴 렌즈(224B)는 제2 광학 축(311B)을 따라 제2 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214B)을 수집하고 제2 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214B)을 제2 마스크(226B)의 개구를 통해 제2 광 검출기(230B)로 지향시키도록 구성된다. 제1 수렴 렌즈(224A) 및 제2 수렴 렌즈(224B) 둘 모두는 고굴절률 유리, 플라스틱 등과 같은 임의의 투명 재료로부터 제조될 수 있다. 도 3에 도시된 예에서, 제1 수렴 렌즈(224A)는 제1 광학 축(311A)과 비-동심이고 제2 수렴 렌즈(224B)는 제2 광학 축(311B)과 비-동심이다. 몇몇 실시예에서, 제1 수렴 렌즈(224A) 및 제2 수렴 렌즈(224B) 중 하나 또는 둘 모두는 각각 제1 광학 축(311A) 및 제2 광학 축(311B)과 동심일 수 있다는 점을 인식해야 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 몇몇 예에서, 제1 광 검출기(230A)는 제1 수렴 렌즈(224A)의 초점 영역에 또는 그 부근에 배치될 수 있다. 마찬가지로, 제2 광 검출기(230B)는 제2 수렴 렌즈(224B)의 초점 영역에 또는 그 부근에 배치될 수 있다. 그 결과, 제1 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214A)은 제1 광 검출기(230A) 상에 포커싱될 수 있고 제2 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214B)은 제2 광 검출기(230B) 상에 포커싱될 수 있다. 제1 광 검출기(230A) 또는 제2 광 검출기(230B) 중 하나 또는 둘 모두는 포토다이오드, 애벌란시 포토다이오드 등일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전술된 광 검출기(230)와 유사하게, 제1 광 검출기(230A) 또는 제2 광 검출기(230B) 중 하나 또는 둘 모두는 광 입사 표면의 반대측을 향하는 반사 표면(예를 들어, 반사 거울)을 포함할 수 있다. 광 입사 표면은 광을 다시 각각 제1 광 검출기(230A) 또는 제2 광 검출기(230B)의 흡수 영역으로 방향 전환(예를 들어, 반사)시킬 수 있다. 그 결과, 제1 및 제2 광 검출기들(230A 및 230B)의 효율 및 감도가 개선될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 마스크(226A)는 제1 광 검출기(230A)의 부분일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제2 마스크(226B)는 제2 광 검출기(230B)의 부분일 수 있다.
도 3에 도시된 예에서, 광원(220)은 레이저 광원일 수 있다. 몇몇 예에서, 광원(220)에 의해 발생된 레이저 광은 가시 스펙트럼 내의 파장을 가질 수 있다. 몇몇 예에서, 레이저 광은 적외선 스펙트럼 내의 파장을 가질 수 있다. 몇몇 예에서, 레이저 광은 자외선 스펙트럼 내의 파장을 가질 수 있다.
도 3에 예시된 바와 같이, 몇몇 예에서, 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)은 컴퓨터-판독가능 매체/메모리(304), 광원(220), 제1 광 검출기(230A), 제2 광 검출기(230B), 또는 하나 이상의 모터(302)에 전기적으로 결합되는 마이크로프로세서(306)를 포함한다. 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300) 내의 마이크로프로세서는 소프트웨어를 실행할 수 있다. 소프트웨어는, 소프트웨어로, 펌웨어로, 미들웨어로, 마이크로코드로, 하드웨어 기술 언어로, 또는 다른 것으로 지칭되든지 간에, 예를 들어, 명령, 명령 세트, 코드, 코드 세그먼트, 프로그램 코드, 프로그램, 서브프로그램, 소프트웨어 컴포넌트, 애플리케이션, 소프트웨어 애플리케이션, 소프트웨어 패키지, 루틴, 서브루틴, 개체, 실행 파일, 실행 스레드, 프로시저, 함수 등을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 마이크로프로세서(306)는 시야 내의 하나 이상의 물체까지의 거리를 결정하도록 구성될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로프로세서(306)는 타이머/클록 모듈(308) 및 계산기(310)를 포함하는데, 이들은 조향된 광 펄스들(312A)을 전송하는 것과 각각의 대응하는 광의 펄스에 대한 제1 복귀 광 펄스들(207A)을 검출하는 것 사이의 시간 차이에 기초하여 하나 이상의 물체까지의 거리를 계산하도록 구성된다.
타이머/클록 모듈(308)은 전송되거나 수신되는 각각의 광 펄스를 타임스탬프로 마킹하도록 구성된다. 타임스탬프는 인코딩된 날짜와 시간이다. 시간 타임스탬프들의 예는 "월-일-년@시:분:초", "월-일-년@시:분:초", "년-일-월@시:분:초", "1234567890(유닉스 시간)" 등을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 조향된 광 펄스의 전송은 조향된 광 펄스를 타임스탬프로 마킹하도록 타이머/클록 모듈(308)을 트리거링한다. 타이머/클록 모듈(308)은 또한 조향된 광 펄스를 대응하는 복귀 광 펄스와 짝을 짓고 타임스탬프들에 기초하여 시간 차이를 결정할 수 있다.
계산기(310)는 시간 차이로부터 하나 이상의 물체까지의 거리를 계산하도록 구성된다. 몇몇 예에서, 계산기(310)는 시간 차이에 광속을 곱하고 2로 나누어(대칭 광학 경로를 가정함) 물체까지의 거리를 결정할 수 있다. 예를 들어, 시간 차이가 0.8 마이크로초이면, 계산기(310)는 물체까지의 거리를 약 120 미터 떨어진 것으로 계산한다(예를 들어, (0.8*10-6)*(2.9979*108)/2). 거리를 계산한 후에, 계산기(310)는 그 값들을 컴퓨터-판독가능 매체/메모리(304)에 저장할 수 있다.
컴퓨터-판독가능 매체/메모리(304)는 마이크로프로세서(306)에 전기적으로 결합되고, FOV로 전송된 조향된 광 펄스들과 연관된 식별자들, 복귀 광 펄스들과 연관된 식별자들, 타임스탬프들, 거리 결정들 등에 대한 저장을 제공할 수 있다. 몇몇 예에서, 각각의 펄스(예를 들어, FOV로 전송된 조향된 광 펄스 및/또는 복귀 광 펄스)에는 특정 펄스를 고유하게 식별하는 식별자가 할당될 수 있다. 펄스들의 식별은 대응하는 전송된 광 펄스와 복귀 광 펄스 사이의 시간 차이들의 결정을 가능하게 한다.
몇몇 실시예에서, 마이크로프로세서(306)는 선택적으로 회전 제어기(312)를 포함할 수 있다. 회전 제어기(312)는 오목 반사체(112)의 제1 회전 속도 및 다면체(102)의 제2 회전 속도를 제어하도록 구성된다. 회전 제어기(312)는 오목 반사체(112) 및 다면체(102)에 작동 가능하게 결합된 하나 이상의 모터(302)에 전기적으로 결합된다. 몇몇 예에서, 회전 제어기(312)는 하나 이상의 모터(302)로의 구동 전류를 변화시킴으로써 오목 반사체(112)의 제1 회전 속도 및 다면체(102)의 제2 회전 속도를 변경할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 회전 제어기(312)는 제어 파라미터에 랜덤 퍼터베이션(random perturbation)을 중첩시켜 오목 반사체(112)의 제1 회전 속도 및/또는 다면체(102)의 제2 회전 속도가 랜덤 퍼터베이션에 비례하여 증가하게 하도록 구성된다. 오목 반사체(112)의 제1 회전 속도 및/또는 다면체(102)의 제2 회전 속도의 랜덤 퍼터베이션은 빔 조향 장치(100')로부터 전송된 광 펄스와 연관된 수평 및 수직 스캐닝 각도들이 광 펄스들이 실질적으로 주기적(예를 들어, 동일한 간격)일 때 랜덤하게 분포되게 한다. 이는 서브-프레임에서 보다 랜덤한 커버리지를 용이하게 한다. 몇몇 예에서, 회전 제어기(312)는 오목 반사체(112)의 제1 회전 속도를 10 rps로 설정하고 다면체(102)의 제2 회전 속도를 500 rps로 설정할 수 있다. 회전 제어기(312)는 또한 오목 반사체(112)의 제1 회전 속도와 다면체(102)의 제2 회전 속도 중 하나 또는 둘 모두에 ±1 rps의 퍼터베이션을 부가할 수 있다. 몇몇 경우에, 퍼터베이션은 동일할 수 있고 다른 경우들에서 퍼터베이션은 상이할 수 있다.
하나 이상의 모터는 오목 반사체(112) 및 다면체(102)에 작동 가능하게 결합된다. 몇몇 예에서, 제1 모터가 오목 반사체(112)를 회전시킬 수 있는 반면 제2 모터가 다면체(102)를 회전시킬 수 있다. 몇몇 예에서, 하나 이상의 기어에 결합된 단일 모터가 오목 반사체(112)를 회전시키고 다면체(102)를 회전시킬 수 있다. 도 3에 도시된 예에서, 하나 이상의 모터(302)는 오목 반사체(112)를 제1 축(106)을 중심으로 제1 회전 속도로 회전시키고 다면체(102)를 제2 축(104)을 중심으로 제2 회전 속도로 회전시키도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 회전 속도들은 서로 독립적이도록 제어된다.
도 3은 제1 조향된 광 펄스들(312A) 및 제2 조향된 광 펄스들(312B)이 양의 z-축의 방향을 따라 지향되는 것을 예시한다. 양의 z-축의 방향을 따라 지향되는 제1 조향된 광 펄스들(312A) 및 제2 조향된 광 펄스들(312B)을 발생시키기 위한, 도 3에 도시된 바와 같은, 다면체(102) 및 오목 반사체(112)의 위치들은 공칭 위치로 정의될 수 있다. 빔 조향 장치(100)는 다면체(102) 및 오목 반사체(112)가 소정 각도로 회전할 때 조향된 광 펄스들을 시야 내의 임의의 원하는 방향으로 지향시키고 그 방향으로부터 복귀 광 펄스들을 수집할 수 있다. 도 4a는 조향된 광 펄스들을 양의 x-축과 양의 z-축 사이의 방향으로 지향시키고 그 방향으로부터 복귀 광 펄스들을 수집하는 예시적인 빔 조향 장치(100)를 예시한다. 몇몇 예에서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 회전 다면체(102)의 순간 위치는 공칭 위치에 대해 +15°에 있고, 회전 오목 반사체(112)의 순간 위치는 공칭 위치에 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 광 펄스들(307A)은 빔 조향 장치(100)의 개구(118)를 통해 지향되고 다면체(102)에 의해 방향 전환(예를 들어, 그로부터 반사)되어 방향 전환된 광 펄스들(307B)을 발생시킨다. 방향 전환은 포인트(402)에서 또는 그 부근에서 발생할 수 있고 방향 전환된 광 펄스들(307B)을 오목 반사체(112)를 향해 조향할 수 있다. 방향 전환된 광 펄스들(307B)은 오목 반사체(112)의 반사 표면(예를 들어, 거울)에 의해 추가로 방향 전환(예를 들어, 그로부터 반사)되어 제1 조향된 광 펄스들(312A)을 발생시킨다. 방향 전환은 포인트(404)에서 또는 그 부근에서 발생할 수 있고 제1 조향된 광 펄스들(312A)을 시야 내에서 양의 x-축과 양의 z-축 사이의 방향으로 하나 이상의 물체를 향해 지향시킬 수 있다. 제1 조향된 광 펄스들(312A)은 물체들을 조명하고 제1 복귀 광 펄스들(207A)은 제1 조향된 광 펄스들(312A)과 실질적으로 동축이거나 평행한 광학 경로를 따라 복귀한다. 도 4a에 도시된 예에서, 제1 복귀 광 펄스들(207A)은 제1 조향된 광 펄스들(312A)과 중첩된다. 예를 들어, 제1 조향된 광 펄스들(312A)은 수평 방향을 향해 약 30° 각도(예를 들어, 양의 z-축과 전송된 광 펄스들(312A)의 방향 사이의 30° 각도)에서 물체를 조명하고, 예시적인 빔 조향 장치(100)는 수평 방향을 향해 약 30° 각도에서 제1 복귀 광 펄스들(207A)을 수집한다. 전술된 것들과 유사하게, 제1 복귀 광 펄스들(207A)은 다면체(102) 및 오목 반사체(112)에 의해 방향 전환되어 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214A)을 발생시킬 수 있다.
도 4b는 조향된 광 펄스들을 FOV로 지향시키고 음의 x-축과 양의 z-축 사이의 방향으로부터 복귀 광 펄스들을 수집하는 예시적인 빔 조향 장치(100)를 예시한다. 몇몇 예에서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 회전 다면체(102)의 순간 위치는 공칭 위치에 대해 -5°(또는 355°)에 있고, 회전 오목 반사체(112)의 순간 위치는 공칭 위치에 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 광 펄스들(307A)은 빔 조향 장치(100)의 개구(118)를 통해 지향되고 다면체(102)에 의해 방향 전환(예를 들어, 그로부터 반사)되어 방향 전환된 광 펄스들(307B)을 발생시킨다. 방향 전환은 포인트(402)에서 또는 그 부근에서 발생할 수 있고 방향 전환된 광 펄스들(307B)을 오목 반사체(112)를 향해 조향할 수 있다. 방향 전환된 광 펄스들(307B)은 오목 반사체(112)의 반사 표면(예를 들어, 거울)에 의해 추가로 방향 전환(예를 들어, 그로부터 반사)되어 제1 조향된 광 펄스들(312A)을 발생시킨다. 방향 전환은 포인트(404)에서 또는 그 부근에서 발생할 수 있고 제1 조향된 광 펄스들(312A)을 시야 내에서 음의 x-축과 양의 z-축 사이의 방향으로 하나 이상의 물체를 향해 지향시킬 수 있다. 제1 조향된 광 펄스들(312A)은 물체들을 조명하고 제1 복귀 광 펄스들(207A)은 제1 조향된 광 펄스들(312A)과 실질적으로 동축이거나 평행한 광학 경로를 따라 복귀한다. 도 4b에 도시된 예에서, 제1 복귀 광 펄스들(207A)은 제1 조향된 광 펄스들(312A)과 중첩되며, 여기서 제1 조향된 광 펄스들(312A)은 수평 방향을 향해 약 -10° 각도(예를 들어, 양의 z-축과 제1 조향된 광 펄스들(312A)의 방향 사이의 -10° 각도)에서 물체를 조명하고, 예시적인 빔 조향 장치(100)는 수평 방향을 향해 약 -10° 각도에서 제1 복귀 광 펄스들(207A)을 수집한다. 전술된 것들과 유사하게, 제1 복귀 광 펄스들(207A)은 다면체(102) 및 오목 반사체(112)에 의해 방향 전환되어 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214A)을 발생시킬 수 있다.
몇몇 실시예에서, 빔 조향 장치(100)는 시야의 에지 쪽으로 더 향하는 방향으로 광 펄스들을 전송하고 그 방향으로부터 복귀 광 펄스들을 수집하도록 구성될 수 있다. 도 5는 조향된 광 펄스들을 시야의 양의 수평 범위의 에지 쪽으로 더 향하는 방향으로 지향시키고 그 방향으로부터 복귀 광을 수집하는 예시적인 빔 조향 장치(100)를 예시한다. 도 5에 예시된 바와 같이, 회전 다면체(102)의 순간 위치는 공칭 위치에 대해 15°에 있고, 회전 오목 반사체(112)의 순간 위치는 공칭 위치에 대해 30°에 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 광 펄스들(307A)은 빔 조향 장치(100)의 개구(118)를 통해 지향되고 다면체(102)에 의해 방향 전환(예를 들어, 그로부터 반사)되어 포인트(402)에서 또는 그 부근에서 방향 전환된 광 펄스들(307B)을 발생시킨다. 방향 전환은 방향 전환된 광 펄스들(307B)을 오목 반사체(112)를 향해 조향할 수 있다. 방향 전환된 광 펄스들(307B)은 오목 반사체(112)의 반사 표면(예를 들어, 거울)에 의해 추가로 방향 전환(예를 들어, 그로부터 반사)되어 포인트(404)에서 또는 그 부근에서 제1 조향된 광 펄스들(312A)을 발생시킨다. 방향 전환은 조향된 광 펄스들(312A)을 시야의 에지 쪽으로 더 향하는 방향으로 하나 이상의 물체를 향해 지향시킬 수 있다. 제1 조향된 광 펄스들(312A)은 물체들을 조명하고 제1 복귀 광 펄스들(207A)은 제1 조향된 광 펄스들(312A)과 실질적으로 동축이거나 평행한 광학 경로를 따라 복귀한다. 도 5에 도시된 예에서, 제1 복귀 광 펄스들(207A)은 제1 조향된 광 펄스들(312A)과 중첩된다. 예를 들어, 제1 조향된 광 펄스들(312A)은 양의 x-방향을 향해 약 40° 각도(예를 들어, 양의 z-축과 X-Z 평면 상의 조향된 광 펄스들(312A)의 투영 사이의 40° 각도) 및 y-방향을 향해 약 -7°(예를 들어, z-축과 Y-Z 평면 상의 조향된 광 펄스들(312A)의 투영 사이의 음의 y 방향에서 7°)에서 물체를 조명하고, 예시적인 빔 조향 장치(100)는 양의 x-방향을 향해 약 40°의 각도 및 y-방향을 향해 약 -7°에서 제1 복귀 광 펄스들(207A)을 수집한다. 전술된 것들과 유사하게, 제1 복귀 광 펄스들(207A)은 다면체(102) 및 오목 반사체(112)에 의해 방향 전환되어 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214A)을 발생시킬 수 있다.
몇몇 실시예에서, 스캐닝 범위를 더욱 확장하기 위해, 조향된 광 펄스들(312A) 및/또는 제2 조향된 광 펄스들(312B)이 빔 조향 장치(100)로부터 전송되고 있을 때 그것들의 광학 경로 내에 오목 렌즈들 또는 원통형 렌즈들이 배치될 수 있다. 이러한 구성은 수평 및/또는 수직 스캐닝 범위를 더욱 확장할 수 있다. 몇몇 예에서, 볼록 렌즈들을 포함시키는 것이 또한 광 각도를 확장할 수 있으며, 이는 해상도를 감소시킬 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)(도 3)에 대한 수평 및 수직 방향들에 걸친 각도 분포에 대한 인터레이싱된 프레임 다이어그램들을 예시한다. 도 6a 및 도 6b의 다이어그램들(600A 및 600B)은 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)이 약 50 밀리초 내에 데이터를 수집하도록 구성된 시뮬레이션의 결과들을 예시한다. 다이어그램들은 약 20 fps(frames per second)에 대응하는, 하나의 프레임을 형성하는 3개의 연속적인 서브-프레임의 조합을 보여준다. 제1 서브-프레임(604)을 형성하기 위해, 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)은 수평 방향 및 수직 방향 둘 모두에서 시야를 가로질러 주기적인 간격으로 하나 이상의 물체를 연속적으로 샘플링한다. 그렇게 함에 있어서, (도 4a, 도 4b, 또는 도 5에 도시된 바와 같은) 오목 반사체(112)의 반사 표면(예를 들어, 거울)에 의해 방향 전환(예를 들어, 그로부터 반사)된 레이저 광 빔(도 4a 및 도 4b와 도 5에 도시된 바와 같은 포인트(404) 또는 그 부근의 광 빔 스폿)은 다면체(102)의 면들 중 하나에서 거울을 가로질러 이동하여, 광 빔 스폿이 거울의 하나의 에지로부터 거울의 다른 에지로 이동한다. 제2 서브-프레임(606)을 형성하기 위해, 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)은, 이번에는 수평 및 수직 방향들에서의 스캐닝이 제1 서브-프레임(604)을 생성하기 위한 스캐닝으로부터 약간 오프셋되는 것을 제외하고는, 시야를 가로질러 주기적인 간격으로 하나 이상의 물체를 연속적으로 샘플링한다. 이러한 스캐닝 오프셋을 갖고서, 광 빔은 다면체(102)의 면들 중 하나에서 거울을 가로질러 이동하여, 광 빔 스폿이 거울의 하나의 에지로부터 거울의 다른 에지로 이동한다. 제3 서브-프레임(608)을 형성하기 위해, 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)은, 이번에는 수평 및 수직 방향들에서의 스캐닝이 제1 서브-프레임(604)을 생성하기 위한 스캐닝 및 제2 서브-프레임(606)을 생성하기 위한 스캐닝으로부터 약간 오프셋되는 것을 제외하고는, 시야에 걸쳐 주기적인 간격으로 하나 이상의 물체를 연속적으로 샘플링한다. 제1 서브-프레임(604), 제2 서브-프레임(606), 및 제3 서브-프레임(608)은 인터레이싱되어 더 높은 해상도에 대응하는, 더 높은 밀도의 샘플들을 갖는 단일 프레임을 형성한다. 단일 프레임은 또한 LiDAR 스캐닝 시스템의 움직임과 검출된 물체의 움직임 둘 모두의 움직임 보정을 나타낸다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 조향된 광 펄스들(312A)에 의해 발생된 프레임으로부터의 래스터화된 포인트들은 x 방향으로 대략 -10° 내지 40°와 y 방향으로 -30° 내지 30°의 범위를 커버하는 패턴을 형성한다. 유사하게 조향된 광 펄스들(312B)에 의해 발생된 프레임의 래스터화된 포인트들은 x 방향으로 대략 -40° 내지 10°와 y 방향으로 -30° 내지 30°의 범위를 커버하는 패턴을 형성한다. 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)에 대한 범위 내에서, 제1 조향된 광 펄스들(312A)과 제2 조향된 광 펄스들(312B) 사이의 약간의 중첩 영역(602)이 있다. 중첩은 시야의 중심(예를 들어, 대략 x 방향으로 -10° 내지 10°와 y 방향으로 -30° 내지 30°)에서 더 밀도가 높은 데이터 샘플링을 제공한다. 그렇기 때문에, 해상도는 중첩 영역(602)에서 더 높다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 래스터화된 프레임 패턴의 형상은 이중 빔 조향 장치(100')의 기하학적 구조(예를 들어, 다면체(102) 및 오목 반사체(112)의 기하학적 구조)에 기초한다. 광학 경로를 방해하는 인자들은 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 전체적인 래스터화된 프레임 패턴에 기여할 수 있다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4b, 도 5, 및 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 몇몇 경우에 제1 조향된 광 펄스들(312A)은 소정 각도에서 오목 반사체(112)에 도달할 수 없는데, 이는 이중 빔 조향 장치(100')의 스캐닝 범위의 끝을 결정한다. 이들은 수평 주변 범위에 대응할 수 있다. 전체적으로, 몇몇 실시예에서, 이중 빔 조향 장치(100')가 제1 조향된 광 펄스들(312A)을 지향시킬 수 있는 스캐닝 범위는 x 방향으로 대략 -10° 내지 40° 그리고 y 방향으로 대략 -30° 내지 30°이다. 유사하게, 이중 빔 조향 장치(100')의 스캐닝 범위는 x 방향으로 대략 -40°와 10° 그리고 y 방향으로 -30°와 30° 사이에서 제2 조향된 광 펄스들(312B)을 지향시킬 수 있다.
도 6b는 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)에 대한 수평 및 수직 방향들에 걸친 각도 분포에 대한 프레임 다이어그램의 확대된 부분을 예시한다. 도 6b는 이에 따라 3개의 연속적인 서브-프레임(예를 들어, 제1 서브-프레임(604), 제2 서브-프레임(606), 및 제3 서브-프레임(608))의 조합을 더 명확하게 예시한다. 전술된 바와 같이, 다면체(102) 및/또는 오목 반사체(112)의 회전 속도에 퍼터베이션들이 부가되면, 수평 및 수직 방향들에 걸친 각도 분포는 랜덤일 수 있다.
몇몇 예에서, 도 6a 및 도 6b에 도시된 서브-프레임들 및/또는 프레임들은 3개의 차원으로 맵핑되어 "포인트 클라우드(point cloud)"를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 6a 및 도 6b는 물체 상의 광 산란에 대한 2개의 차원에서의 위치들을 도시한다. 몇몇 예에서, (도 3에 도시된) 마이크로프로세서(306)의 계산기(310)는 제3 차원(예를 들어, 대응하는 수평 및 수직 각도들에서의 거리)을 제공할 수 있다. 그렇기 때문에, LiDAR 스캐닝 시스템(300) 주위의 물체들의 형상이 재구성될 수 있다(예를 들어, 데이터 분석 알고리즘들을 사용하여 "포인트 클라우드"를 분석함으로써).
몇몇 예에서, 시야 내에 위치된 물체들은 프레임 또는 서브-프레임을 형성하기 위한 스캔 동안 이동하고 있거나 시프팅하고 있을 수 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 하나의 프레임 내의 광 펄스들의 시간 범위는 실질적으로 짧을 수 있으며(예를 들어, 1 밀리초 미만), 이는 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300A) 및 시야 내의 물체들 둘 모두를 포함한 물체들이 실질적으로 이동하지 않음을 의미한다. 그러한 경우들에서, 프레임 내의 포인트 클라우드 내의 샘플 포인트들은 실질적으로 동시에 수집된다. 그러나, 몇몇 경우에, 시간 범위는 비교적 길 수 있는데(예를 들어, 20 내지 50 밀리초), 이는 하나 이상의 물체가 측정가능한 거리를 이동하기에 충분한 시간이다. 예를 들어, 시간당 약 65 마일을 이동하는 물체는 20 밀리초 내에 약 2 피트를 이동할 수 있다. 그렇기 때문에, 프레임의 포인트 클라우드 내의 각각의 포인트의 위치는 시야 내의 움직이는 물체의 검출된 속도 및 LiDAR 자체의 움직임에 의해 보상될 수 있다.
물체들의 그러한 움직임을 수용하기 위해, 이중 동축 LiDAR 스캐닝 시스템(300)은 하나 이상의 서브-프레임으로부터 샘플링 레이트를 결정하고, 하나 이상의 물체의 상대 속도를 결정하고, 집계된 거리를 보상하는 것에 기초하여 3개의 차원에서 포인트들의 포인트 클라우드를 형성할 때 샘플링 레이트 및 상대 속도를 보상할 수 있다. 임의의 임의적인 시간 간격에 걸쳐 수집된 데이터는 포인트 클라우드의 하나의 프레임을 형성하도록 집계될 수 있다는 점을 인식해야 한다. 그렇기 때문에, 포인트 클라우드의 밀도는 전술된 것보다 밀도가 높거나 밀도가 낮을 수 있다.
도 7은 소정의 시스템 파라미터 값들을 갖는 이중 동축 LiDAR 시스템에 대한 수집 개구 면적들에 대응하는 히트 맵(700)을 예시하며, 여기서 도 1, 도 3, 도 4a, 도 4b, 및 도 5에 도시된 제1 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214A) 및 제2 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214B)의 수집된 단면적들이 둘 모두 도 7에 도시되고 FOV의 중간에서 중첩된다. 그렇기 때문에, 수집 개구의 면적은 다면체(102)의 각도 및 오목 반사체(112)의 각도에 따라 변한다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 214A의 제1 방향 전환된 복귀 광 펄스들의 단면적은 도 4b에 도시된 214A의 제1 방향 전환된 복귀 광 펄스들의 단면적보다 작다. 그렇기 때문에, 도 4a에 도시된 각도들을 갖는 다면체(102) 및 오목 반사체(112)의 구성에 대응하는 수집된 광의 강도는 제1 조향된 광 펄스들(312A)의 동일한 강도 및 시야 내의 물체로부터의 동일한 반사율 및 거리에 대해 도 4b에 도시된 것보다 작다.
도 7에 도시된 예에서, x 방향으로 약 -10° 내지 10° 및 y 방향으로 -30° 내지 30°에 대응하는 히트 맵(700)의 중심 영역은 높은 수집 개구를 갖는다. 이 영역은 대략 동일한 영역에서 중첩되는 이중 광학 경로들로부터 모래시계 형상을 형성한다. x 방향으로 약 -35° 내지 -30° 및 y 방향으로 약 -5° 내지 5°뿐만 아니라 x 방향으로 약 30° 내지 35° 및 y 방향으로 약 -5° 내지 5°에 대응하는 영역들은 오목 반사체(112)에서의 사각(oblique angle)들로부터의 것인 낮은 수집 개구를 갖는다.
몇몇 실시예에서, 광원(220)(도 2b, 도 2c, 및 도 3에 도시됨)으로부터의 입사 광 펄스들(212)의 전력은 수집 개구에 기초하여 변경될 수 있다. 입사 광 펄스들(212)의 전력을 변경하는 것은 시야 내에서 수직 및 수평 방향들을 가로질러 제1 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214A) 및 제2 방향 전환된 복귀 광 펄스들(214B)의 수집 개구 크기들의 변화를 보상할 수 있다.
도 8은 본 개시의 예들에 따른 LiDAR 스캐닝 검출을 위한 예시적인 프로세스(800)를 예시한다. 프로세스(800)는 도 1a 및 도 1b, 도 2a 내지 도 2c, 도 3, 도 4a 및 도 4b, 및 도 5에 도시된 다양한 시스템들 및, 아래에 상세히 설명되는 바와 같은, 도 9a 내지 도 9d, 도 10a 및 도 10b, 및 도 11에 도시된 시스템들과 같은, 차량 내에 배치되거나 포함된 시스템에 의해 수행될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 블록 802에서, LiDAR 스캐닝 시스템의 제1 광원이 하나 이상의 제1 광 펄스를 제공할 수 있다. 본 명세서에 설명된 예들에서, 제1 광원은 레이저 광원일 수 있다. 제1 광원은 백열등, 형광등 등일 수 있다는 점을 인식해야 한다. 또한, 제1 광원은 가시 스펙트럼 내의 하나 이상의 파장, 적외선 스펙트럼 내의 하나 이상의 파장, 또는 자외선 스펙트럼 내의 하나 이상의 파장을 가질 수 있다.
블록 804에서, LiDAR 스캐닝 시스템의 빔 조향 장치가 광학 경로를 따라 물체를 조명하도록 제1 광 펄스들을 조향할 수 있다. 빔 조향 장치는 광 펄스들의 단일 빔(예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같은 광 펄스들(312A))을 전송하도록 구성된 동축 빔 조향 장치(100), 또는 광 펄스들의 이중 빔들(예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 광 펄스들(312A 및 312B))을 전송하도록 구성된 이중 동축 빔 조향 장치(100')일 수 있다. 연속적인 스캔들 동안, 광 빔 조향 디바이스(예를 들어, 다면체(102)) 및 오목 반사체(예를 들어, 오목 반사체(112))의 회전은 광 펄스들의 광학 경로 내에 있는 광 빔 조향 디바이스 및 오목 반사체의 반사 면들이 시간 경과에 따라 변화하게 할 수 있다. 빔 조향 장치에 의한 광 펄스들의 조향 각도는 광 빔 조향 디바이스 및 오목 반사체의 회전 위치들을 이용하여 계산될 수 있다. 몇몇 실시예의 경우, 광 빔 조향 디바이스 및 오목 반사체의 회전 위치들은 광 펄스를 전송하도록 광원을 트리거링할 수 있다는 점을 인식해야 한다.
블록 806에서, 몇몇 예에서, 빔 조향 장치(예를 들어, 빔 조향 장치(100) 또는 이중 빔 조향 장치(100'))는 복귀 광 펄스들(예를 들어, 물체를 조명한 제1 조향된 광 펄스들(312A)에 기초하여 발생된 제1 복귀 광 펄스들(207A))을 수집하고 방향 전환시킬 수 있다. 수집된 복귀 광 펄스들은 광학 경로와 동축으로 또는 평행하게 정렬될 수 있다. 복귀 광 펄스들은 오목 반사체 및 광 빔 조향 디바이스에 의해 수신 광학 시스템들을 향해 방향 전환될 수 있다. 빔 조향 장치를 사용할 때, 몇몇 예에서, 조향된 광 펄스들 및 복귀 광 펄스들은 동축으로 정렬될 수 있다. 또한, 빔 조향 장치는 복귀 광 펄스들을 병렬로 또는 실질적으로 동시에 수집하면서 조향된 광 펄스들을 전송할 수 있다. 예를 들어, 전송된 조향된 광 펄스가 물체를 조명하고 동일한 광학 경로를 따라 복귀하기 위해 이동하는 시간은 광 빔 조향 디바이스(예를 들어, 다면체(102)) 및 오목 반사체의 위치들에 대해 거의 순간적이다. 예를 들어, 광 펄스의 비행 시간은 약 150 미터 떨어진 물체에 대해 약 1 마이크로초이다. 이는 광 빔 조향 디바이스(예를 들어, 500 rps로 회전하는 다면체(102))의 약 0.18° 회전에 대응한다.
블록 808에서, 광 수렴 장치를 포함하는 수신 광학 시스템이 방향 전환된 복귀 광 펄스들을 광 검출기(예를 들어, 도 3에 도시된 제1 광 검출기(230A)) 상으로 추가로 지향(예를 들어, 수렴 또는 포커싱)시킬 수 있다. 몇몇 예에서, 광 수렴 장치는 수렴 렌즈(224)(도 2b) 또는 수렴 거울(221)(도 2c)일 수 있다.
블록 810에서, 마이크로컨트롤러/프로세서가 조향된 광 펄스들을 전송하는 것과 대응하는 복귀 광 펄스들을 검출하는 것 사이의 시간 차이에 기초하여 LiDAR 스캐닝 시스템으로부터 물체까지의 거리를 계산(예를 들어, 결정)할 수 있다. 광 펄스가 광학 경로를 따라 이동하는 비행 시간은 광 펄스가 물체를 조명하기 위해 이동하는 거리에 비례한다. 일반적으로, 광 펄스가 물체를 조명하기 위한 이 비행 시간은 광 펄스가 검출되는 데 걸리는 시간의 약 절반이다.
선택적인 블록 812에서, 마이크로컨트롤러는 연이은 또는 연속적인 수평 및 수직 스캔들에 걸쳐 하나 이상의 물체까지의 거리들의 집계에 기초하여 하나 이상의 서브-프레임(예를 들어, 제1 서브-프레임(604), 제2 서브-프레임(606), 제3 서브-프레임(608), 도 6a 및 도 6b)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 동축 LiDAR 스캐닝 시스템 또는 이중 동축 LiDAR 시스템(예를 들어, 시스템(300))이 수평 방향 및 수직 방향 둘 모두에서 시야에 걸쳐 주기적인 간격으로 동일한 하나 이상의 물체를 연속적으로 샘플링할 수 있다. 샘플링되는(예를 들어, 스캐닝되는) 시야는, 도 6a 및 도 6b에서 주해된, 제1 서브-프레임(604)과 유사한 제1 서브-패턴에 따라 집계될 수 있다. 이중 동축 LiDAR 시스템은, 이번에는 수평 및 수직 방향들이 제1 서브-프레임(604)으로부터 약간 오프셋되는 것을 제외하고는, 동일한 시야에 걸쳐 주기적인 간격으로 하나 이상을 한 번 더 연속적으로 샘플링할 수 있다. 샘플링되는(예를 들어, 스캐닝되는) 시야는 도 6a 및 도 6b의 제2 서브-프레임(606)과 유사한 제2 서브-패턴에 따라 집계될 수 있다. 이중 동축 LiDAR 시스템은, 이번에는 수평 및 수직 방향들이 제1 서브-프레임(604) 및 제2 서브-프레임(606)으로부터 약간 오프셋되는 것을 제외하고는, 동일한 시야 또는 부분적으로 동일한 시야에 걸쳐 주기적인 간격으로 동일한 하나 이상을 한 번 더 연속적으로 샘플링할 수 있다. 샘플링되는(예를 들어, 스캐닝되는) 시야는 도 6a 및 도 6b의 제3 서브-프레임(608)과 유사한 제3 서브-패턴에 따라 집계될 수 있다.
선택적인 블록 814에서, 마이크로컨트롤러는 하나 이상의 서브-프레임을 인터레이싱하여 더 높은 해상도를 갖는 프레임을 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, LiDAR 시스템은 제1 서브-프레임(604), 제2 서브-프레임(606), 및 제3 서브-프레임(608)을 인터레이싱하여 더 높은 밀도의 샘플들을 갖는 프레임을 형성할 수 있다. (비-중첩 샘플 포인트들의) 더 높은 밀도의 샘플들은 더 높은 해상도에 대응한다. 이중 동축 LiDAR 시스템(예를 들어, 시스템(300))의 중첩 영역(602)(도 6a) 내의 샘플 포인트들 중 다수가 더 높은 밀도를 가질 수 있다는 점을 인식해야 한다. 그렇기 때문에, 해상도는 도 6a에 도시된 중첩 영역(602)에서 더 높다.
도 2a 및 도 2b, 도 3, 도 4a 및 도 4b 및 도 5에 도시된 바와 같은 빔 조향 장치(100 및 100')는 6개의 면을 갖는 다면체(102)를 포함한다. 설명된 바와 같이, 다면체는 임의의 수(예를 들어, 6개 초과 또는 6개 미만)의 면을 가질 수 있다. 도 9a 내지 도 9d는 빔 조향 장치(900)의 다른 예시적인 실시예의 상이한 도면들을 예시한다. 빔 조향 장치(900)는 6개 초과인 다수의 면을 갖는 다면체를 가질 수 있다. 빔 조향 장치(900)는 프로세스(800 및/또는 1900)의 하나 이상의 단계(예를 들어, 도 19에 도시된 블록 1904 및 블록 1910에서의 광 펄스들의 조향)를 수행하는 데 사용될 수 있다. 도 9a는 빔 조향 장치(900)의 사시도를 예시하고; 도 9b는 양의 y 축 방향을 따른 빔 조향 장치(900)의 측면도를 예시하고; 도 9c는 양의 z 축 방향을 따른 빔 조향 장치(900)의 배면도를 예시하고; 도 9d는 양의 x 축 방향을 따른 빔 조향 장치(900)의 측면도를 예시한다. 도 9a 내지 도 9d를 참조하면, 다면체(910)는 다면체(910)의 y-축에 평행한 복수의(예를 들어, 18 개의) 측부-면을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다면체(910)는 y-축에 중심을 두고 그것을 중심으로 또는 그것을 따라 회전할 수 있다. 즉, y-축은 다면체(910)의 회전 축일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 복수의 측부-면 각각은 폴리싱될 수 있고, 레이저 광을 전송 및 수집하기 위한 반사 표면(예를 들어, 거울 표면)과 유사하게 동작할 수 있다.
도 9a 내지 도 9d를 참조하면, 빔 조향 장치(900)는 또한 오목 반사체(920)를 포함할 수 있다. 오목 반사체(920)는 복수의(예를 들어, 4개의) 평탄한 또는 만곡된 반사 표면들(예를 들어, 거울들)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 오목 반사체(920)의 평탄한 또는 만곡된 거울들 각각은 다각형 형상(예를 들어, 사다리꼴 형상) 또는 임의의 다른 원하는 형상을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 평탄한 또는 만곡된 거울들 각각은 입사 레이저 광이 오목 반사체(920)를 통과할 수 있도록 절단되거나 트리밍된 모서리들 및/또는 저부 에지들을 가질 수 있다. 예를 들어, 오목 반사체(920)에서 절단된 모서리들 및/또는 저부 에지들이 도 9a 내지 도 9d에 예시된다. 몇몇 실시예에서, 도 1b에 도시된 오목 반사체(112)와 유사하게, 오목 반사체(920)는 z-축을 중심으로 또는 그것을 따라 회전할 수 있으며, 이때 회전 속도는 다면체(910)에 대한 회전 속도와는 독립적이다. 도 9b를 참조하면, 회전하는 다면체(910) 및 회전하는 오목 반사체(920)의 순간 위치에서, 시준된 하나 이상의 광 펄스(930)의 빔이 각도(935)(예를 들어, 시준된 하나 이상의 광 펄스(930)의 빔과 음의 z 방향 사이의 각도)로 x-z 평면 내의 다면체(910)의 면(940)을 향해 지향될 수 있다.
도 10a는 하나 이상의 광 펄스를 포함하는 시준된 조명 레이저 빔을 발생시키기 위한 구성의 일 실시예를 예시한다. 도 10a에 예시된 바와 같이, 광원(1010)은 광학 렌즈(1020)를 향해 하나 이상의 광 펄스를 지향시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광학 렌즈(1020) 및 광원(1010)은 조명 레이저 빔(예를 들어, 가우스 빔(Gaussian beam))이 미리 결정된 빔 발산 각도를 갖도록 형성될 수 있도록 미리 결정된 거리를 갖도록 구성될 수 있다. 조명 레이저 빔은 다면체(910)의 면으로 지향될 수 있다. 광원(1010)은 파이버 레이저, 반도체 레이저, 또는 다른 유형의 레이저 광원들일 수 있다. 대안적으로, 비구면 렌즈, 복합 렌즈, 반사 구면 표면, 반사 포물면 표면 등과 같은 다른 시준 광학계가 시준된 레이저 빔을 발생시키는 데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 오목 반사체(920)는 조명 레이저 빔이 오목 반사체(920)의 하나 이상의 반사 표면(예를 들어, 거울)에 의해 소정 회전 각도에서 차단되거나 부분적으로 차단될 수 있게 하는 기하학적 구조 파라미터 값들을 갖도록 구성될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 오목 반사체(920)에서, 도 10a에 도시된 바와 같이, 광원으로부터의 레이저 빔이 통과할 수 있게 하기 위해, 하나 이상의 사다리꼴-형상의 거울의 저부 에지들의 일부(예를 들어, 컷아웃 섹션(cutout section)(1030))가 컷 오프되거나 노출될 수 있다.
도 10b는 광 펄스들을 포함하는 시준된 조명 레이저 빔을 발생시키기 위한 구성의 다른 실시예를 예시한다. 이 구성에서, 파이버 레이저, 반도체 레이저, 또는 다른 유형의 레이저 소스들과 같은 광원(도 10b에 도시되지 않음)에 의해 하나 이상의 광 펄스가 발생될 수 있다. 하나 이상의 광 펄스는 광학 파이버(1042)에 의해 전달되고 거울(1040)에 의해 다면체(910)의 면을 향해 지향될 수 있다. 도 10b에 예시된 광 전달 구성은 광학계(예를 들어, 파이버, 거울)가 오목 반사체(920)의 내부에 배치되는 것을 가능하게 하여서, 오목 반사체(920)의 에지들을 컷 오프하는 것에 대한 필요성을 제거하거나 감소시킨다(예를 들어, 도 10a에 예시된 바와 같은 컷아웃 섹션(1030)을 제거하거나 컷아웃 섹션(1030)의 크기를 감소시킴).
도 9b 및 도 10b를 참조하면, 몇몇 실시예에서, 반사 표면들(예를 들어, 다각형 거울들) 다면체(910)의 회전 축에 대한 전달되는 레이저 빔(예를 들어, 광학 파이버(1042) 및 거울(1040)에 의해 전달되는 레이저 빔)의 상대 위치 및/또는 각도는 유효 LiDAR 스캐닝 범위(예를 들어, 수평 및 수직 스캐닝 커버리지 각도들)가 원하는 커버리지 값들에 도달하는 방식으로 구성될 수 있다. 일 예에서, 다면체(910)의 다각형 거울들의 면들 중 하나에 도달하는 레이저 빔의 위치 및/또는 각도는 약 100°의 수평 FOV 및 25°의 수직 FOV를 달성하기 위해 (도 9b에 도시된) 각도(965)가 수직 방향(예를 들어, 도 9b에서 음의 z 방향)으로부터 대략 59°이도록 구성된다.
광 전달 구성들의 몇몇 실시예에서, 다면체(910)의 측부 면에 도달하는 레이저 빔은 y-축 방향 및 x-z 평면 내의 방향에서, 빔 웨이스트 폭(beam waist width)들 및 빔 발산 각도들과 같은, 상이한 가우스 빔 파라미터들을 가질 수 있다. 상이한 가우스 빔 파라미터들은 레이저 광원과 다면체(910)의 측부 면 사이에 하나 이상의 비구면 렌즈 또는 원통형 렌즈를 사용함으로써 달성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 레이저 빔이 다면체(910)의 측부 면에 도달하는 위치에서 빔 웨이스트 폭이 매우 좁도록 LiDAR 시스템의 렌즈들 또는 다른 컴포넌트들을 구성하는 것이 바람직하고 유익하다. 하나의 전형적인 실시예에서, 0.45 mm의 빔 웨이스트 폭이 대략 0.06° 발산 각도로 달성될 수 있다. 좁거나 작은 레이저 빔 웨이스트(예를 들어, 0.2 mm) 폭은 광 빔이 도달하는 모든 다면체 회전 위치들에 대한, 광 빔의 일부가 2개의 측부 면에 동시에 도달하는(예를 들어, 레이저 빔 스폿이 공통 에지를 공유하는 2개의 면에 도달하는) 다면체 회전 위치들의 비율 또는 백분율을 감소시킬 수 있다. 2개의 측부 면에 동시에 도달하는 광 빔은 그것이 신호를 분석하는 데 어려움을 야기할 수 있기 때문에 바람직하지 않을 수 있다.
하나의 방향에서 가우스 빔의 빔 웨이스트가 좁을 때, 그의 빔 발산 각도는 이 방향에서 더 커질 수 있으며, 이는 소정 실시예들의 경우에 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들어, 0.2 mm 웨이스트 폭을 갖는 가우스 빔의 경우, 발산 각도는 약 0.14°일 수 있다. 빔 발산 각도를 감소시키기 위해, 몇몇 예에서, 다면체(910)는 만곡된 표면들을 갖는 만곡된 면들을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도 15a에 도시된 바와 같이, 만곡된 표면이 다면체(910)의 측부 면들에 대해 사용될 수 있다.
도 15a는 만곡된 표면들을 갖는 예시적인 다면체(910)의 다수의 면(1510A 내지 1510C)을 예시한다. 도 15a에서, 실선들은 평탄한 표면들이 사용되는 경우 다면체(910)의 다수의 측부 면 중 3개를 예시한다. 파선들은 빔 발산 각도를 감소시키기 위해 가우스 빔을 수정할 수 있는 만곡된 표면들을 예시한다. 도 15a는 만곡된 표면들을 볼록 표면들로서 예시하지만, 당업자는 몇몇 실시예의 경우 오목 표면들이 또한 사용될 수 있다는 것을 인식할 수 있다. 다른 실시예에서, 가우스 빔을 수정하기 위해 오목 반사체(920)(도 9a 내지 도 9d 및 도 10a 및 도 10b에 도시됨)의 반사 표면들(예를 들어, 거울들)에 대해서도 만곡된 표면들이 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 조명 레이저 빔을 반사하는 다면체의 부분은 하나의 파라미터 세트(평탄한 또는 만곡된 표면, 직경, 면의 수)를 갖도록 구성될 수 있는 반면, 복귀 광을 수집하는 다면체의 나머지 부분은 상이한 파라미터 세트를 갖도록 구성될 수 있다. 도 15b는 하나의 그러한 실시예의 평면도를 예시하며, 여기서 조명 또는 전송 레이저 빔을 반사하는 다면체(910)의 부분은 만곡된 표면들(예를 들어, 면들(1520A 내지 1520C)) 및 더 큰 직경을 갖는 반면, 복귀 광을 수집하는 다면체의 나머지 부분은 더 작은 직경을 갖는 평탄한 표면들(예를 들어, 면들(1522A 내지 1522C))을 갖는다. 다면체(910)의 둘 모두의 부분들은 동일한 수(예를 들어, 18개)의 면을 가질 수 있다. 도 15c는 조명 또는 전송 레이저 빔을 반사하기 위한 만곡된 표면들을 갖는 면들(1520A 내지 1520N)을 포함하고 복귀 광을 수집하기 위한 평탄한 표면들을 갖는 면들(1522A 내지 1522N)을 포함하는, 다면체(910)의 이 실시예의 측면도를 예시한다.
도 15d는 다면체(910)의 다른 실시예의 평면도를 예시한다. 도 15d에 예시된 바와 같이, 조명 레이저 빔을 반사하는 다면체의 부분은 만곡된 표면들 및 더 큰 직경을 갖는 제1 수(예를 들어, 18개)의 면(예를 들어, 면들(1540A 내지 1540D))을 가질 수 있는 반면, 복귀 광을 수집하는 부분은 평탄한 표면들 및 더 작은 직경을 갖는 제2 수(예를 들어, 6개)의 면(예를 들어, 면들(1542A 및 1542B))을 가질 수 있다. 도 10e는 조명 또는 전송 레이저 빔을 반사하기 위한 만곡된 표면들을 갖는 면들(1540A 내지 1540N)을 포함하고 복귀 광을 수집하기 위한 평탄한 표면들을 갖는 면들(1542A 내지 1542M)을 포함하는, 다면체(910)의 이 실시예의 측면도를 예시한다.
다시 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 위에서 논의된 바와 같이, 시준된 하나 이상의 광 펄스(930)의 빔이 각도(935)로 x-z 평면 내의 다면체(910)의 하나의 면(940)을 향해 지향될 수 있다. 각도(935)는 조명 레이저 빔의 광 펄스들(930)의 방향과 복귀 광 검출기(960)에 입사하는 복귀 광의 방향 사이의 각도가 다면체(910)의 하나의 측면의 스패닝 각도(spanning angle)의 2N배가 되도록 구성될 수 있다. 스패닝 각도는 다면체(910)의 중심으로부터 면의 2개의 이웃하는 에지까지 연장되는 2개의 반경 사이의 각도이다. 따라서, 18-면 다각형의 경우, 스패닝 각도는 20°(즉, 360°/18 = 20°)이다. 도 9a 내지 도 9d에서의 예시적인 실시예에서, 20°의 스패닝 각도를 갖는 18-면 다각형에 대해 "N"은 1의 값을 가질 수 있고 각도(935)는 40°의 값을 가질 수 있다. 도 9b에 예시된 바와 같이, 면(940)으로부터 발생된(예를 들어, 반사된) 하나 이상의 방향 전환된 광 펄스(942)는 오목 반사체(920)의 거울(945)로 지향되고, 이어서 거울(945)에 의해 반사되고 조향된 광 펄스들(948)로서 시야로 방향 전환된다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 하나 이상의 조향된 광 펄스(948)가 시야 내의 물체에 도달한 후에, 이들은 다수의 방향으로 반사되거나 산란될 수 있고, 복귀 광 펄스들(950) 중 일부가 다시 거울(945)로 반사되고 그것에 의해 수집될 수 있다. 물체가 LiDAR 시스템으로부터 비교적 멀리(예를 들어, 1 미터보다 더 멀리) 있을 때, 복귀 광 펄스들(950)은 시준된 빔으로서 근사화될 수 있으며 조향된 광 펄스들(948)의 원래의 방향과 실질적으로 평행한 방향에, 그러나 그와는 반대 방향에 있다. 복귀 광 펄스들(950)은 거울(945)에 의해 방향 전환되고 방향 전환된 광 펄스들(942)과는 반대 방향을 따라 다면체(910)를 향해 전파될 수 있다.
도 11은 수신 개구를 효과적으로 증가시키고 상이한 면들로부터의 복귀 광 펄스들을 수집하기 위한 빔 조향 장치(1100)의 예시적인 구성을 예시한다. 도 9b 및 도 11을 참조하면, 도 9b에 도시된 하나 이상의 복귀 광 펄스(950)(예를 들어, 시야 내의 물체에 의해 산란되거나 반사된 광 펄스들로부터 LiDAR 시스템에 의해 수집된 광 펄스)는 도 11에 도시된 복귀 광 펄스들(1110)에 대응할 수 있다. 복귀 광 펄스들(1110)은, 예를 들어, 오목 반사체(920)의 반사 표면(예를 들어, 거울(1130))에 도달할 수 있다. 오목 반사체(920)의 거울(1130)에 의한 제1 반사 후에, 복귀 광 펄스들(1110)은 다면체(910)를 향해 방향 전환될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 복귀 광 펄스(1110)는 산란될 수 있고 빔 전파에 수직인 방향들로 광범위하게 연장될 수 있다. 그 결과, (다면체(910)에 의해 차단되어 그것의 그늘 내에 있는 부분을 제외하고) 거울(1130)의 상당한 부분 또는 전체 표면이 하나 이상의 복귀 광 펄스(1110)를 수신할 수 있다. 그러므로, 하나 이상의 복귀 광 펄스(1110)는 거울(1130)에 의해 반사되어 다면체(910)의 상이한 면들로 지향되는 광의 다수의 부분의 펄스들을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 다면체(910)를 향해 전파되는 복귀 광 펄스들(1120)의 하나의 부분이 면(1140)(예를 들어, 도 9b에 도시된 동일한 면(940))에 도달할 수 있고 광 펄스들(1150)로서 면(1140)에 의해 반사/방향 전환될 수 있으며; 다면체(910)를 향해 전파되는 복귀 광 펄스들(1122)의 다른 부분이 상이한 면(1142)에 도달할 수 있고 광 펄스들(1152)로서 면(1142)에 의해 반사/방향 전환될 수 있으며; 다면체(910)를 향해 전파되는 복귀 광 펄스들(1124)의 또 다른 부분이 상이한 면(1144)에 도달할 수 있고 광 펄스들(1154)로서 면(1144)에 의해 반사/방향 전환될 수 있다.
도 11을 참조하면, 몇몇 실시예에서, 다면체(910)의 상이한 면들에 의해 반사/방향 전환된 빔들은 상이한 수신 광학 시스템들(예를 들어, 시스템들(1160, 1162, 및 1164))에 의해 수집될 수 있다. 예를 들어, 제1 수신 광학 시스템(1160)이 광 펄스들(1150)의 경로 내에 배치될 수 있고; 제2 수신 광학 시스템(1162)이 광 펄스들(1152)의 경로 내에 배치될 수 있고, 기타 등등이다.
도 12a 내지 도 12c는 수신 광학 시스템들의 예시적인 구성들을 예시한다. 도 12a, 도 12b, 및 도 12c를 참조하면, 수신 광학 시스템은 하나의 굴절 광학 렌즈(1210)(도 12a에 도시됨), 또는 다수의 광학 요소를 포함하는 하나의 복합 광학 렌즈(1220)(도 12b에 도시됨), 또는 하나의 포물면 또는 구면 거울 및 하나의 굴절 광학 렌즈를 포함하는 하나의 복합 포커싱 광학계(1230)(도 12c에 도시됨)를 포함할 수 있다. 도 12a 내지 도 12c에 도시된 굴절 광학 렌즈들은 구면 또는 비구면 렌즈들, 또는 둘 모두의 조합일 수 있다. 도 12a 내지 도 12c에 도시된 수신 광학 시스템들 중 임의의 것이, 입사 광의 펄스들이 약간 기울어지고 발산하는 각도들을 가질 수 있는지 여부에 관계없이, 실질적으로 평행한 입사 광을 검출기 요소(1240) 상에 포커싱할 수 있다. 3개의 예시적인 실시예가 도 12a 내지 도 12c에 열거되지만, 수신 광학 시스템들의 다른 구성들이 동일한 목적에 기여하기 위해 사용될 수 있다는 점이 인식된다.
도 12a 내지 도 12에 예시된 검출기 요소(1240)는 광학 신호들을 검출하고 광학 신호들을 전기 신호들로 변환할 수 있는 광학 감응 디바이스를 포함할 수 있다. 도 13a는 광학 감응 디바이스(1320)를 사용한 직접 광 수집을 위한 검출기 요소(1240)의 예시적인 실시예를 예시한다. 도 13a에 도시된 바와 같이, 광 펄스들은 선택적인 윈도우(1310)를 통해 전파되고 광학 감응 디바이스(1320)에 도달할 수 있으며, 이 광학 감응 디바이스는 광학 신호들을 전기 신호들로 변환한다. 전기 신호들은 전기 회로 보드(1330) 상의 전기 회로 요소들에 의해 추가로 처리될 수 있고 추가 처리를 위해 디지털 데이터로 변환될 수 있다. 몇몇 예에서, 광학 감응 디바이스(1320)는 광학 감응 디바이스(1320)의 표면 상에 배치된 굴절률 매칭 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 감응 디바이스(1320)는 InGaAs 재료를 포함할 수 있는데, 그것의 굴절률은 공기와 불일치한다. 그러므로, 불일치를 완화하거나 제거하기 위해 굴절률 매칭 재료가 광학 감응 디바이스(1320)의 표면 상에 배치된다.
도 13b는 광학 파이버(1350)를 사용한 광 수집을 위한 검출기 요소(1240)의 다른 예시적인 실시예를 예시한다. 도 13b에 도시된 바와 같이, 광학 감응 디바이스(1370)에 의해 수신된 광 펄스들은 먼저 광학 디바이스(1340)에 의해 광학 파이버(1350)의 일 단부에 포커싱될 수 있다. 광학 파이버(1350)는 다중-모드 파이버, 또는 단일 모드 파이버, 또는 파이버 내부 클래딩에 들어가는 광이 작은 코어 내로 천천히 흡수되는 이중 클래딩 파이버일 수 있다. 일 실시예에서, 광학 파이버(1350)의 다른 단부로부터 출사하는 광 펄스들은 광학 디바이스(1360)에 의해 광학 감응 디바이스(1370)에 수렴될 수 있으며, 이 광학 감응 디바이스는 광학 신호들을 전기 신호들로 변환할 수 있다. 광학 파이버(1350) 밖으로 나오는 광 신호를 수렴시키는 광학 디바이스(1360)는 광학 렌즈, 구면 또는 비구면 거울, 또는 광학 감응 디바이스(1370)에 대한 직접 결합일 수 있으며, 이때 광학 감응 디바이스(1370)에 의해 수신되는 광의 양을 개선하기 위해 디바이스(1370)의 표면 상에 선택적인 굴절률 매칭 재료가 배치된다. 전기 신호들은 전기 보드(1380) 상의 전기 회로 요소들에 의해 추가로 처리될 수 있다. 이 실시예에서, 전기 디바이스들(예를 들어, 전기 보드(1380)) 및/또는 광학 감응 디바이스(1370)는 도 11에 도시된 빔 조향 장치(1100)로부터 멀리 떨어져서(예를 들어, 0.1 미터 초과, 1 미터 초과, 또는 심지어 5 미터 초과) 배치될 수 있어, 빔 조향 장치(1100)의 크기가 감소될 수 있다. 예를 들어, 광학 파이버(1350)의 광 출사 단부 이외에, 빔 조향 장치(1100)는 작은 물리적 치수를 갖도록 구성될 수 있다.
다시 도 11을 참조하면, 다른 실시예에서 수신 광학 시스템(1160)은 광 펄스들(1150)의 경로 내에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 수신 광학 시스템(1164)은 광 펄스들(1154)의 경로 내에 배치될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 2개 이상의 수신 광학 시스템(예를 들어, 1160 및 162 둘 모두, 또는 1160, 1162 및 1164 전부)이 LiDAR 시스템에서 공존할 수 있다. 일 실시예에서 이러한 수신 광학 시스템들 각각은 서로 독립적일 수 있으며, 각각은 그 자신의 광학 감응 디바이스를 갖는다. 다른 실시예에서 이들 수신 광학 시스템의 일부 또는 전부가 하나의 광학 감응 디바이스를 공유할 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 자유-공간 광학계 또는 파이버 번들 및/또는 전력 결합기의 조합을 사용하여 상이한 면들로부터의 방향 전환된 복귀 광 펄스들을 결합하기 위한 예시적인 구성들을 예시한다. 도 14a에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 하나의 광학 감응 디바이스(예를 들어, 디바이스(1420))는 다수의 수신 광학 시스템들 사이에서 공유될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 상이한 방향들로부터 오는 빔들의 광 펄스들은 다수의 거울 및 포커싱 광학계(예를 들어, 광학계(1410, 1412, 및 1414))에 의해 동일한 광학 감응 디바이스(1420)로 방향 전환될 수 있다. 예를 들어, 광 펄스들(1150)은 포커싱 광학계(1410)에 의해 포커싱되고 후속하여 포커싱된 광(1450)의 펄스들이 되고 광학 감응 디바이스(1420)에 도달할 수 있다. 유사하게, 광 펄스들(1152)의 펄스들은 광학계(1412)에 의해 방향 전환 및 포커싱되고 후속하여 포커싱된 광 빔(1452)의 펄스들이 되고 광학 감응 디바이스(1420)에 도달할 수 있다. 1154의 펄스들은 광학계(1414)에 의해 방향 전환 및 포커싱되고 후속하여 포커싱된 광 빔(1454)이 되고 광학 감응 디바이스(1420)에 도달할 수 있다.
도 14b는 하나의 광학 감응 디바이스(1440)가 다수의 수신 광학 시스템들 사이에서 공유되는 다른 실시예를 예시한다. 이 실시예에서, 각각의 상이한 방향으로부터 오는 각각의 광의 펄스들은 광학 수렴 디바이스(도 14b에 도시되지 않음)에 의해 포커싱될 수 있다. 후속하여, 포커싱된 광 빔들 각각은 각각 3개의 광학 파이버 채널(1430, 1432, 및 1434) 각각의 수신 단부 내로 결합될 수 있다. 이들 3개의 광학 파이버 채널은, 예를 들어, 3 대 1 광학 결합 디바이스(예를 들어, 리버스 팬-아웃 파이버 광학계 번들(reverse fan-out fiber optics bundle))를 사용하여 하나의 광학 채널로 함께 결합될 수 있다. 후속하여, 결합된 광학 채널의 전송 단부로부터 전송된 광 펄스들은 하나의 공유된 광학 감응 디바이스(1440)로 지향될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광학 결합 디바이스들이 사용되지 않을 수 있고, 광학 파이버 번들(예를 들어, 3개의 광학 파이버의 번들)의 전송 단부로부터 전송된 광 펄스들은 하나의 공유된 광학 감응 디바이스 상에 직접 포커싱될 수 있다.
도 18은 진동 거울을 갖는 빔 조향 장치(1800)의 다른 실시예를 예시한다. 도 18에 도시된 바와 같이, 다면체(910)(도 9a 내지 도 9d에 도시됨)를 갖는 대신에, 빔 조향 장치(1800)는 1-면 또는 다중-면 진동 거울(1810)을 포함한다. 다중-면 거울의 경우, 이웃하는 면들은 도 11에 도시된 다면체(910)의 이웃하는 면들의 각도와 유사한 각도(예를 들어, 20°)에 있을 수 있다. 거울(1810)은 y-축에 평행한 또는 그것을 따르는 축(1820)을 따라 앞뒤로 진동할 수 있어서, 거울(1810)의 하나 이상의 면에서 조명하는 광 빔의 펄스들이 x-z 평면을 따라 상이한 방향들로 조향될 수 있다. 다면체에 대해 도 15a 내지 도 15e에서 설명된 실시예들과 유사하게, 조명 광 펄스들을 반사하는 진동 거울(1810)의 부분은 만곡될 수 있고/있거나 복귀 광 펄스들을 수집하는 진동 거울(1810)의 부분과는 상이한 크기를 가질 수 있다는 것이 인식된다.
다시 도 16을 참조하면, 몇몇 실시예에서, 펄스의 비행 시간(예를 들어, 펄스가 LiDAR 시스템 밖으로 전송되는 것으로부터 FOV 내의 물체에 의해 산란/반사되는 것까지 그리고 LiDAR 시스템의 검출기에 의해 수신되는 것까지 걸리는 시간)을 정확하게 결정하기 위해, 펄스가 LiDAR 시스템 밖으로 전송되는 시간이 결정될 필요가 있다. 도 16은 광학 빔 조향 장치(1610), 광원(1620), 및 광학 감응 디바이스(1630)를 예시한다. 광학 빔 조향 장치(1610)는 도 1b, 도 4a, 도 4b, 또는 도 5에 예시된 빔 조향 장치(100), 도 9a 내지 도 9d에 예시된 장치(900)와 유사하거나 동일할 수 있고; 광원(1620)은 도 2b, 도 2c, 또는 도 3에 예시된 광원(220), 도 10a 및 도 10b에 예시된 광원(1010)과 유사하거나 동일할 수 있고; 광학 감응 디바이스(1630)는 도 12a 내지 도 12c, 도 13a 및 도 13b, 및 도 14a 및 도 14b에 예시된 것들과 유사하거나 동일할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 광학 감응 디바이스는 수신된 광 신호들을 검출 및 변환하는 광 검출 모듈을 포함할 수 있다.
도 16을 참조하면, 일 실시예에서, 광원(1620)은 외부 신호 소스 또는 내부적으로 발생된 신호 소스로부터 제공될 수 있는 전기 트리거 신호에 기초하여 하나 이상의 광 펄스를 발생시킨다. 몇몇 실시예에서, 전기 트리거 신호를 발생시키는 것과 광원(1620) 밖으로 하나 이상의 광 펄스를 전송하는 것 사이에 걸리는 시간은 펄스마다 상수로 간주될 수 있고/있거나(예를 들어, 무시할 만한 편차를 갖고서) 교정될 수 있다. 이러한 전기 트리거 신호는 전기 접속부(예를 들어, 케이블)(1640)를 통해 광학 감응 디바이스(1630)로 전송되고 광 펄스의 기준 시간을 결정하는 데 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 광학 파이버(1650)가 광원(1620) 밖으로 전송된 하나 이상의 광 펄스의 일부를 지향시키는 데 사용될 수 있다. 광학 스플리터가 광 펄스를 분할하고 광 펄스의 일부를 기준 신호로서 획득하는 데 사용될 수 있다. 이 부분은 10%, 1%, 0.1%, 또는 0.0001%, 또는 임의의 원하는 백분율과 같은 총 광 펄스의 임의의 백분율일 수 있다. 광 펄스의 이 부분은 광학 파이버(1650)에 의해 광학 감응 디바이스(1630)로 지향되고 광원(1620) 밖으로 전송된 광 펄스의 기준 시간을 결정하는 데 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 광 펄스의 일부를 기준 신호로서 획득하고 광 펄스가 광원(1620) 밖으로 전송된 후에 그 부분을 광학 감응 디바이스(1630)로 방향 전환시키기 위해 기준 펄스 발생 디바이스(1660)가 광학 빔 조향 장치(1610)와 함께 배치될 수 있다. 이 부분은 10%, 1%, 0.1%, 또는 0.0001%, 또는 임의의 원하는 백분율과 같은 총 광 펄스의 임의의 백분율일 수 있다. 당업자는 도 16에 도시된 기준 펄스 발생 디바이스(1660)는 단지 예시일 뿐이고; 하나 이상의 광 펄스의 일부를 기준 신호들로서 획득하고 이들을 광학 감응 디바이스(1630)로 방향 전환시킬 수 있는 임의의 광학계가 사용될 수 있다는 점을 인식할 수 있다. 예를 들어, 기준 펄스 발생 디바이스(1660)는 광 펄스들의 일부를 광학 감응 디바이스로 반사하는 부분 반사 디바이스일 수 있다.
도 16과 관련하여 논의된 이전의 실시예들에서, 기준 신호(예를 들어, 기준 광 펄스)는 광학 감응 디바이스(1630)에 의해 검출될 수 있다. 도 17을 참조하면, 기준 신호는 기준 펄스(1710)로서 예시된다. 도 17은 또한 복귀 광 펄스(1720)를 예시한다. 복귀 광 펄스(예를 들어, FOV 내의 물체에 의해 반사/산란되고 광학 감응 디바이스(1630)에 의해 수신되는 펄스)는 펄스(1720)로서 예시된다. 펄스(1720)는 기준 펄스(1710)와는 상이한 강도 및 펄스 폭을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 펄스들(1710 및 1720)은 유사한 형상 프로파일을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 기준 펄스(1710)는 복귀 펄스와 기준 펄스 사이의 시간 차이(또는 TOF)를 정확하게 결정하기 위해 수신된 복귀 펄스(1720)를 매칭시키기 위한 템플릿으로서 사용될 수 있다. TOF에 기초하여, 시야 내의 물체의 거리가 결정될 수 있다.
도 19는 LiDAR 스캐닝 시스템(예를 들어, 도 1a 및 도 1b, 도 2a 내지 도 2c, 도 3, 도 4a 및 도 4b, 도 5, 도 9a 내지 도 9d, 도 10a 및 도 10b, 및 도 11에 도시된 다양한 시스템들)을 사용하여 3D 이미지를 생성하기 위한 하나 이상의 광 펄스의 비행 시간을 결정하는 프로세스에 대한 예시적인 흐름도를 예시한다. 도 19를 참조하면, 블록 1902에서, 하나 이상의 광 펄스(예를 들어, 약 0.01 나노초 내지 5 나노초의 펄스 폭을 갖는 짧은 레이저 광 펄스들, 또는 5 나노초 내지 30 나노초 또는 그보다 긴 펄스 폭을 갖는 광 펄스들)가 LiDAR 스캐닝 시스템의 광원으로부터 발생될 수 있다. 블록 1904에서, 빔 조향 장치가 수평 방향 및 수직 방향 둘 모두에서 시야를 가로질러 하나 이상의 광 펄스를 조향하거나 스캐닝할 수 있다. 블록 1906에서, 하나 이상의 광 펄스 또는 그의 일부가 물체를 조명하거나 그에 도달하고 하나 이상의 방향으로 산란되거나 반사된다. 몇몇 실시예에서, 산란되거나 반사된 광 펄스들 중 일부가 LiDAR 스캐닝 시스템으로 복귀하고 LiDAR 스캐닝 시스템의 검출기의 수집 개구에 도달할 수 있다.
블록 1910에서, 하나 이상의 복귀 광 펄스는 LiDAR 스캐닝 시스템 밖으로 전송된 광 펄스들의 조향 방향과 실질적으로 반대이고 그 광 펄스들에 실질적으로 평행한 방향으로 조향되거나 방향 전환될 수 있다. 블록 1912에서, 하나 이상의 방향 전환된 복귀 광 펄스는 수신 광학 시스템의 광 검출기 상에 포커싱될 수 있다. 블록 1914에서, 광 검출기는 광 검출기에 도달하는 방향 전환된 복귀 광 펄스들의 광자들을 하나 이상의 전기 신호로 변환한다. 블록 1916에서, 광 검출기에 의해 발생된 하나 이상의 출력 전기 신호가 미리 결정된 비율만큼 증폭 회로 또는 디바이스를 사용하여 증폭될 수 있다. 블록 1920에서, 증폭된 하나 이상의 전기 신호는 미리 결정된 샘플링 레이트로 샘플링되고 디지털 값으로 변환될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 디지털화된 신호 데이터는 시야 내의 가장 먼 물체에 대응하는 예상 최대 TOF의 기간 내에 수집될 수 있다. 블록 1922에서, 디지털화된 신호 데이터는 하나 이상의 복귀 광 펄스의 TOF를 결정하고, LiDAR 스캐닝 시스템으로부터 물체들의 반사 또는 산란 포인트들까지의 거리를 결정하기 위해 분석될 수 있다.
개시된 프로세스들 및/또는 흐름도들에서의 블록들의 특정 순서 또는 계층 구조는 예시적인 접근법들의 예시라는 것이 이해된다. 설계 선호도에 기초하여, 프로세스들 및/또는 흐름도들에서의 블록들의 특정 순서 또는 계층 구조가 재배열될 수 있다는 것이 이해된다. 또한, 몇몇 블록들이 결합되거나 생략될 수 있다. 첨부한 방법 청구항들은 다양한 블록들의 요소들을 샘플 순서로 제시하며, 제시된 특정 순서 또는 계층 구조로 제한되도록 의도되지 않는다.
이전의 설명은 임의의 당업자가 본 명세서에 설명된 다양한 태양들을 실시하는 것을 가능하게 하기 위해 제공된다. 이들 태양들에 대한 다양한 수정들을 당업자가 손쉽게 알 수 있을 것이며, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리들은 다른 태양들에 적용될 수 있다. 따라서, 청구항들은 본 명세서에 도시된 태양들로 제한되도록 의도되지 않고, 청구항 언어와 일치하는 전체 범위가 부여되어야 하며, 여기서 요소를 단수 형태로 언급하는 것은 명확하게 그렇게 명시되지 않는 한 "오직 유일한 하나"를 의미하도록 의도되기보다는 "하나 이상"을 의미하도록 의도된다. 단어 "예시적인"은 본 명세서에서 "예, 사례, 또는 예시로서의 역할을 하는"을 의미하도록 사용된다. 본 명세서에서 "예시적인"으로 설명된 임의의 태양은 반드시 다른 태양들에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다. 명확하게 달리 명시되지 않는 한, 용어 "몇몇"은 하나 이상을 말한다. "A, B, 또는 C 중 적어도 하나", "A, B, 또는 C 중 하나 이상", "A, B, 및 C 중 적어도 하나", "A, B, 및 C 중 하나 이상", 및 "A, B, C, 또는 이들의 임의의 조합"과 같은 조합들은 A, B, 및/또는 C의 임의의 조합을 포함하며, 다수의 A, 다수의 B, 또는 다수의 C를 포함할 수 있다. 구체적으로, "A, B, 또는 C 중 적어도 하나", "A, B, 또는 C 중 하나 이상", "A, B, 및 C 중 적어도 하나", "A, B, 및 C 중 하나 이상", 및 "A, B, C, 또는 이들의 임의의 조합"과 같은 조합들은 A만, B만, C만, A와 B, A와 C, B와 C, 또는 A와 B와 C일 수 있으며, 여기서 임의의 그러한 조합들은 A, B, 또는 C의 하나 이상의 멤버 또는 멤버들을 포함할 수 있다. 당업자에게 알려진 또는 나중에 알려지게 되는 본 개시 전체에 걸쳐 설명된 다양한 태양들의 요소들에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물들은 본 명세서에 참고로 명시적으로 포함되며 청구항들에 의해 포함되도록 의도된다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 어떠한 것도 그러한 개시가 청구항들에 명시적으로 언급되는지 여부에 관계없이 대중에 헌정되도록 의도되지 않는다. 단어 "모듈", "메커니즘", "요소", "디바이스" 등은 단어 "수단"에 대한 대체물이 아닐 수 있다. 그렇기 때문에, 어떠한 청구항 요소도, 그 요소가 어구 "~하기 위한 수단"을 사용하여 명시적으로 언급되지 않는 한, 35 U.S.C. § 112(f)에 따라 해석되어서는 안 된다.

Claims (28)

  1. 차량에 사용되기 위한 광 검출 및 거리 측정(light detection and ranging, LiDAR) 시스템으로서,
    하나 이상의 광 빔을 제공하도록 구성되는 광원과,
    광원에 광학적으로 결합되는 빔 조향 장치를 포함하며,
    빔 조향 장치는,
    서로에 대해 모두 직교하지 않는 복수의 반사 면(facet)을 포함하고, 복수의 반사 면 각각은 인접한 두 반사 면 각각과 경계를 공유하는, 다각형 구조체와,
    다각형 구조체에 광학적으로 결합되는 이동 가능한 거울을 포함하고,
    다각형 구조체와 이동 가능한 거울의 조합은, 서로에 대해 이동할 때,
    시야 내의 물체를 조명하기 위해 하나 이상의 광 빔을 수직 및 수평으로 조향하고,
    시야 내의 물체의 조명에 기초하여 발생되는 복귀 광을 수신하고,
    복귀 광을 검출기로 지향시키도록 구성되는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 반사 면 중 임의의 인접한 두 반사 면 사이의 각도는 90도가 아닌, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    다각형 구조체는, 복수의 반사 면과 2개의 비반사 면을 포함하여 총 6개보다 많은 면을 포함하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    다각형 구조체는 육면체나 칠면체나 팔면체인, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    다각형 구조체는 총 6개 미만의 면을 포함하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    다각형 구조체는 오면체인, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    서브-프레임들 사이에서 수직 및 수평 스캐닝 방향을 오프셋하기 및 인터레이싱 래스터 패턴을 변화시키기 중 어느 하나 또는 양자 모두를 용이하게 하기 위해 복수의 반사 면은 비대칭이 되도록 구성되는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    복수의 반사 면 중 적어도 하나는 만곡된 면인, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    이동 가능한 거울은 진동 거울을 포함하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    진동 거울은 제1 축을 중심으로 진동하도록 작동하고, 다각형 구조체는 제2 축을 중심으로 회전하도록 작동하며,
    진동 거울과 다각형 구조체의 조합은, 각각의 축에 기초하여 이동할 때, 하나 이상의 광 빔을 이용하여 물체를 동축으로 조명하고 복귀 광을 수집하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    진동 거울은 다수 면 진동 거울인, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    다각형 구조체가 회전하도록 구성되는 축에 대해 직교하는 축을 중심으로 진동 거울이 진동하도록 구성되는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 광 빔은 제1 광 빔과 제2 광 빔을 포함하고,
    빔 조향 장치는, 시야 내의 제1 범위에서 제1 광 빔을 스캐닝하고 시야 내의 제2 범위에서 제2 광 빔을 스캐닝하고,
    제1 범위와 제2 범위는 중첩되는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  14. 차량에 사용되기 위한 광 검출 및 거리 측정 시스템으로서,
    하나 이상의 광 빔을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 광원과,
    하나 이상의 광 빔을 이용하여 광 검출 및 거리 측정 시스템의 시야를 스캐닝하도록 구성되는 빔 스캐너를 포함하며,
    빔 스캐너는,
    복수의 반사 표면을 포함하는 블록을 구비하는 회전 가능한 다각형 거울로서, 회전 가능한 다각형 거울의 적어도 두 개의 인접한 반사 표면은 서로에 대해 직교하지 않고, 복수의 반사 표면 각각은 인접한 두 반사 표면 각각과 경계를 공유하는, 회전 가능한 다각형 거울과,
    회전 가능한 평면 거울을 포함하고,
    빔 스캐너는 광학적으로 광원에 결합되고 광 검출 및 거리 측정 시스템의 시야 내의 물체를 조명하기 위해 광을 수직 및 수평으로 조향하도록 배치되는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    빔 스캐너에 의해 지향되는 복귀 광을 수신하도록 구성되는 검출기를 더 포함하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    복수의 반사 표면은 4개 이상의 반사 표면을 포함하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    회전 가능한 다각형 거울은 다각형 거울 축을 중심으로 회전하도록 작동하고, 다각형 거울 축은 2개의 서로 반대편에 있는 블록의 비반사 표면을 통해 회전 가능한 다각형 거울 블록 안으로 연장하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  18. 제14항에 있어서,
    회전 가능한 평면 거울은 다각형 거울 축에 직교하는 축을 중심으로 회전할 수 있는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    회전 가능한 평면 거울은 제1 축을 중심으로 진동하도록 작동하고, 회전 가능한 다각형 거울의 블록은 제2 축을 중심으로 회전하도록 작동하고,
    회전 가능한 평면 거울과 회전 가능한 다각형 거울의 블록의 조합은, 각각의 축에 기초하여 이동할 때, 하나 이상의 광 빔을 이용하여 물체를 동축으로 조명하고 복귀 광을 수집하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  20. 제14항에 있어서,
    하나 이상의 광 빔을 빔 스캐너로 전달하는 하나 이상의 광학 파이버를 더 포함하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  21. 제14항에 있어서,
    하나 이상의 광 빔은 제1 광 빔과 제2 광 빔을 포함하고,
    제1 광 빔과 제2 광 빔은 빔 스캐너에 의해 스캐닝되어 각각 제1 시야와 제2 시야를 형성하고,
    제1 시야와 제2 시야는 결합되어 광 검출 및 거리 측정 시스템의 시야를 형성하고,
    제1 시야와 제2 시야는 부분적으로 중첩되어 광 검출 및 거리 측정 시스템의 시야 내의 중첩 영역을 형성하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  22. 제14항에 있어서,
    하나 이상의 광 빔은 제1 광 빔과 제2 광 빔을 포함하고,
    제1 광 빔과 제2 광 빔 각각은 빔 스캐너에 의해 스캐닝되어 한 방향에서 약 60도 폭의 개별적인 부분 시야를 형성하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  23. 제14항에 있어서,
    회전 가능한 평면 거울은 회전 가능한 다각형 거울에 의해 반사되는 광을 수신하도록 배치되고, 회전 가능한 평면 거울은 광을 시야를 향해 지향하도룩 배치되는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  24. 차량에 사용되기 위한 광 검출 및 거리 측정 시스템으로서,
    입사 광을 제공하도록 작동하는 광원과,
    복귀 광을 수신하도록 작동하는 검출기와,
    광원에 광학적으로 결합되는 다각형 구조체로서, 다각형 구조체는 복수의 반사 면을 포함하고, 복수의 반사 면 중 임의의 인접한 두 반사 면 사이의 각도는 90도가 아닌, 복수의 반사 면 각각은 인접한 두 반사 면 각각과 경계를 공유하는, 다각형 구조체와,
    다각형 구조체에 광학적으로 결합되는 이동 가능한 거울을 포함하고,
    다각형 구조체와 이동 가능한 거울은 서로 직교하는 두 방향으로 광을 조향하도록 배치되는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    다각형 구조체의 복수의 반사 면은 3개 이상의 면을 포함하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  26. 제24항에 있어서,
    이동 가능한 거울은 진동 거울을 포함하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  27. 제24항에 있어서,
    다각형 구조체가 회전하도록 구성되는 축에 대해 직교하는 축을 중심으로 진동 거울이 진동하도록 구성되는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  28. 제24항에 있어서,
    이동 가능한 거울은 다각형 구조체에 의해 반사되는 광을 수신하도록 배치되고, 이동 가능한 거울은 광을 시야를 향해 지향하도룩 배치되는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
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