KR102572056B1 - Lidar 시스템 내에서 다수의 애퍼쳐로부터의 가간섭성 검출을 관리하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

애퍼쳐 어레이는 하나 이상의 차원에 걸쳐서 배치되는 애퍼쳐를 포함한다. 각각의 애퍼쳐는 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성된다. 각각의 애퍼쳐는, 수신된 광파면의 개별 부분을 개별 국부 발진기 광파와 가간섭적으로 간섭시키는 개별 광믹서에 커플링된다. 처리 모듈은, 복수 개의 광믹서의 개별 광믹서에 대하여, 해당 광믹서의 적어도 하나의 출력으로부터 검출된 적어도 하나의 전기 신호로부터 위상 또는 진폭 정보 중 적어도 하나를 결정하는 것, 상기 복수 개의 광믹서 중 적어도 두 개의 광믹서로부터 유도된 위상 또는 진폭 정보에 기반하여, 상기 가시 범위의 서브세트와 연관되는 방향-기반 정보를 결정하는 것, 및 방향-기반 정보로부터 거리 정보를 결정하는 것을 포함하여, 광믹서의 출력으로부터 검출된 전기 신호를 처리하도록 구성된다.

Description

LIDAR 시스템 내에서 다수의 애퍼쳐로부터의 가간섭성 검출을 관리하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 광신호 검출 시스템 및 방법, 예컨대 LiDAR(light detection and ranging) 장치 및 이를 사용한 방법, 및 특히 LiDAR 시스템 내에서 여러 애퍼쳐로부터의 가간섭성 검출을 관리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
다양한 타입의 LIDAR 시스템은 동작을 위한 다양한 종류의 장면 재구성 기법을 사용한다. 일부 시스템에서, 초점면 어레이가 이미징 구조에서 사용되는데, 여기에서 가시 범위의 상이한 부분이 어레이의 상이한 개별 요소 상에 이미징된다. 일부 시스템에서는, 상이한 요소들로부터의 광신호들을 믹싱함으로써, 요소들 사이의 가변 물리적 위상 천이를 통해 조절될 수 있는 주어진 방향을 선택하기 위해 사용되지만, 이러한 가간섭성 검출으로부터의 진폭 및 위상 정보를 사용하는 것은 다양한 방식으로 제한될 수 있다.
일 양태에서, 장치는 일반적으로 가시 범위를 조명하는 변조된 조명 광파를 제공하는 제 1 광학 소스 또는 포트; 상기 변조된 조명 광파에 대한 규정된 위상 관계를 가지는 레퍼런스 광파를 제공하는 제 2 광학 소스 또는 포트; 하나 이상의 차원에 걸쳐서 배치된 복수 개의 애퍼쳐를 포함하고, 상기 가시 범위의 적어도 일부에 걸친 기여분(contribution)을 포함하는 광파면(optical wavefront)을 수신하도록 구성된 애퍼쳐 어레이를 포함하고, 상기 애퍼쳐들 중 두 개 이상의 애퍼쳐들 각각은 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성되고, 상기 애퍼쳐 어레이 내의 적어도 두 개의 비-인접 애퍼쳐들은 상기 가시 범위의 동일한 부분으로부터의 기여분을 포함하는 상기 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성되며, 상기 애퍼쳐들 중 두 개 이상의 애퍼쳐들 각각은 상기 수신된 광파면의 개별 부분을 개별 국부 발진기 광파와 가간섭적으로 간섭시키는 개별 광믹서에 커플링되고, 각각의 개별 국부 발진기 광파는, 각각의 개별 애퍼쳐에 대하여, (i) 상기 제 2 광학 소스 또는 포트와 상기 개별 광믹서 사이, 및 (ii) 상기 개별 애퍼쳐와 상기 개별 광믹서 사이의 그룹 지연 내의 개별 차이가 실질적으로 동일하도록 상기 레퍼런스 광파로부터 유도된다.
이러한 장치는 상기 광믹서의 출력으로부터 검출된 전기 신호를 처리하도록 구성된 처리 모듈을 더 포함하고, 상기 처리는, 복수 개의 광믹서의 개별 광믹서에 대하여, 해당 광믹서의 적어도 하나의 출력으로부터 검출된 적어도 하나의 전기 신호로부터 위상 또는 진폭 정보 중 적어도 하나를 결정하는 것, 상기 복수 개의 광믹서 중 적어도 두 개의 광믹서로부터 유도된 위상 또는 진폭 정보에 기반하여, 상기 가시 범위의 제 1 서브세트와 연관된 제 1 방향-기반 정보를 결정하는 것, 상기 제 1 방향-기반 정보로부터 제 1 거리 정보를 결정하는 것, 상기 복수 개의 광믹서 중 적어도 두 개의 광믹서로부터 유도된 위상 또는 진폭 정보에 기반하여, 상기 가시 범위의 제 2 서브세트와 연관된 제 2 방향-기반 정보를 결정하는 것, 및 상기 제 2 방향-기반 정보로부터 제 2 거리 정보를 결정하는 것을 포함한다.
다른 양태에서는, 다수의 애퍼쳐로부터의 가간섭성 검출을 관리하기 위한 방법은, 제 1 광학 소스 또는 포트로부터, 가시 범위를 조명하는 변조된 조명 광파를 제공하는 단계; 제 2 광학 소스 또는 포트로부터, 상기 변조된 조명 광파에 대한 규정된 위상 관계를 가지는 레퍼런스 광파를 제공하는 단계; 하나 이상의 차원에 걸쳐서 배치된 복수 개의 애퍼쳐를 포함하는 애퍼쳐 어레이에서 상기 가시 범위의 적어도 일부에 걸친 기여분을 포함하는 광파면을 수신하는 단계를 포함하고, 상기 애퍼쳐들 중 두 개 이상의 애퍼쳐들 각각은 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성되고, 상기 애퍼쳐 어레이 내의 적어도 두 개의 비-인접 애퍼쳐들은 상기 가시 범위의 동일한 부분으로부터의 기여분을 포함하는 상기 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성되며, 상기 애퍼쳐들 중 두 개 이상의 애퍼쳐들 각각은 상기 수신된 광파면의 개별 부분을 개별 국부 발진기 광파와 가간섭적으로 간섭시키는 개별 광믹서에 커플링된다.
각각의 개별 국부 발진기 광파는, 각각의 개별 애퍼쳐에 대하여, (i) 상기 제 2 광학 소스 또는 포트와 상기 개별 광믹서 사이, 및 (ii) 상기 개별 애퍼쳐와 상기 개별 광믹서 사이의 그룹 지연 내의 개별 차이가 실질적으로 동일하도록 상기 레퍼런스 광파로부터 유도된다.
이러한 방법은 또한, 처리 모듈에서 상기 광믹서의 출력으로부터 검출된 전기 신호를 처리하는 단계를 포함하는데, 이러한 처리는, 복수 개의 광믹서의 개별 광믹서에 대하여, 해당 광믹서의 적어도 하나의 출력으로부터 검출된 적어도 하나의 전기 신호로부터 위상 또는 진폭 정보 중 적어도 하나를 결정하는 것, 상기 복수 개의 광믹서 중 적어도 두 개의 광믹서로부터 유도된 위상 또는 진폭 정보에 기반하여, 상기 가시 범위의 제 1 서브세트와 연관된 제 1 방향-기반 정보를 결정하는 것, 상기 제 1 방향-기반 정보로부터 제 1 거리 정보를 결정하는 것, 상기 복수 개의 광믹서 중 적어도 두 개의 광믹서로부터 유도된 위상 또는 진폭 정보에 기반하여, 상기 가시 범위의 제 2 서브세트와 연관된 제 2 방향-기반 정보를 결정하는 것, 및 상기 제 2 방향-기반 정보로부터 제 2 거리 정보를 결정하는 것을 포함한다.
다른 양태에서, 일반적으로, 장치는 가시 범위를 조명하는 변조된 조명 광파를 제공하는 제 1 광학 소스 또는 포트; 상기 변조된 조명 광파에 대한 규정된 위상 관계를 가지는 레퍼런스 광파를 제공하는 제 2 광학 소스 또는 포트; 하나 이상의 차원에 걸쳐서 배치된 적어도 40 개의 애퍼쳐를 포함하고, 상기 가시 범위의 적어도 일부에 걸친 기여분을 포함하는 광파면을 수신하도록 구성된 애퍼쳐 어레이 - 상기 애퍼쳐들 중 두 개 이상의 애퍼쳐들 각각은 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성되고, 상기 애퍼쳐 어레이 내의 적어도 두 개의 비-인접 애퍼쳐들은 상기 가시 범위의 동일한 부분으로부터의 기여분을 포함하는 상기 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성되며, 상기 애퍼쳐들 중 두 개 이상의 애퍼쳐들 각각은 상기 수신된 광파면의 개별 부분을 상기 레퍼런스 광파로부터 유도된 개별 국부 발진기 광파와 가간섭적으로 간섭시키는 개별 광믹서에 커플링됨 -; 및
상기 광믹서의 출력으로부터 검출된 전기 신호를 처리하도록 구성된 처리 모듈 - 상기 처리는, 복수 개의 광믹서의 개별 광믹서에 대하여, 해당 광믹서의 적어도 하나의 출력으로부터 검출된 적어도 하나의 전기 신호로부터 위상 또는 진폭 정보 중 적어도 하나를 결정하는 것, 상기 복수 개의 광믹서 중 적어도 두 개의 광믹서로부터 유도된 위상 또는 진폭 정보에 기반하여, 상기 가시 범위의 제 1 서브세트와 연관된 제 1 방향-기반 정보를 결정하는 것, 상기 제 1 방향-기반 정보로부터 제 1 거리 정보를 결정하는 것, 상기 복수 개의 광믹서 중 적어도 두 개의 광믹서로부터 유도된 위상 또는 진폭 정보에 기반하여, 상기 가시 범위의 제 2 서브세트와 연관된 제 2 방향-기반 정보를 결정하는 것, 및 상기 제 2 방향-기반 정보로부터 제 2 거리 정보를 결정하는 것을 포함함 -을 포함한다.
양태들은 다음 피쳐 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 변조된 조명 광파는, 주파수 변조 연속파(frequency modulated continuous wave; FMCW) 조명 광파를 제공하도록 튜닝가능한 주파수에서 피크를 포함하는 주파수 스펙트럼을 가진다.
변조된 조명 광파는 펄스형 신호이다.
상기 변조된 조명 광파는 두 개의 파장의 광의 교번에 의해서 형성된다.
상기 변조된 조명 광파는 상이한 주파수 대역들을 커버하는 스펙트럼을 가진다.
(1) 상기 제 2 광학 소스 또는 포트와 상기 개별 광믹서 사이, 및 (2) 상기 개별 애퍼쳐와 상기 개별 광믹서 사이의 그룹 지연 내의 개별 차이는, 10 cm 또는 1 cm 미만의 광로 길이차에 해당한다.
상기 제 1 방향-기반 정보 및 제 2 방향-기반 정보는, 상기 가시 범위의 제 1 서브세트 및 제 2 서브세트 각각으로부터 도달하는 광의 제 1 세기 및 제 2 세기를 측정하도록 더 처리된다.
상기 제 1 방향-기반 정보 및 제 2 방향-기반 정보는, 상기 가시 범위의 제 1 서브세트 및 제 2 서브세트 각각으로부터 도달하는 광을 반사하는 대상물들의 상대 속도를 측정하도록 더 처리된다.
상기 제 1 방향-기반 정보의 적어도 일부 및 상기 제 2 방향-기반 정보의 적어도 일부는 병렬적으로 결정된다.
상기 조명 광파는 전체 가시 범위를 동시에 조명하도록 제공된다.
상기 조명 광파는 상기 가시 범위의 상이한 부분을 시간에 걸쳐 스캔하도록 제공된다.
상기 애퍼쳐 어레이 내의 애퍼쳐들 중 하나 이상의 애퍼쳐는, 상기 조명 광파의 적어도 일부를 방출하도록 사용된다.
상기 장치는 상기 애퍼쳐 어레이 내에 포함되지 않는 적어도 하나의 조명 애퍼쳐를 더 포함하고, 상기 조명 애퍼쳐는 상기 조명 광파의 적어도 일부를 방출하도록 구성된다.
상기 애퍼쳐 어레이는 규칙적으로 이격된 직사각형 그리드 내에 배치된 애퍼쳐들을 가진다.
상기 애퍼쳐 어레이는 규칙적으로 이격된 극성 그리드 내에 배치된 애퍼쳐들을 가진다.
상기 애퍼쳐 어레이는 밀스 교차 구조(Mills cross configuration) 내에 배치된 애퍼쳐들을 가진다.
상기 애퍼쳐 어레이는 의사-무작위 구조 내에 배치된 애퍼쳐들을 가진다.
상기 애퍼쳐 어레이는 이미징 센서의 픽셀에 의하여 규정된다.
상기 개별 광믹서는, 상기 레퍼런스 광파의 90° 천이된 복제본의 사용을 통하여 동위상/직교위상(I-Q) 검출을 제공하도록 구성된다.
상기 개별 광믹서는, 멀티모드 간섭 커플러 내에서의 상기 레퍼런스 광파와의 간섭의 사용을 통하여 동위상/직교위상(I-Q) 검출을 제공하도록 구성된다.
상기 광믹서는, 부분 투과층, 방향성 커플러, 에버네슨트(evanescent) 커플러, 멀티모드 간섭 커플러, 또는 격자 커플러 중 적어도 하나를 통하여 구현된다.
상기 처리 모듈은, 상기 변조된 조명 광파의 변조 패턴에 적어도 부분적으로 기반하여 추정된, 상기 애퍼쳐 어레이 내의 애퍼쳐들 사이의 상대 위상에서의 오차를 보상하도록 구성된다.
상기 처리 모듈은, 미리 결정된 파면과 함께 획득된 교정 데이터에 적어도 부분적으로 기반하여 추정된, 상기 애퍼쳐 어레이 내의 애퍼쳐들 사이의 상대 위상에서의 오차를 보상하도록 구성된다.
상기 처리 모듈은, 상기 장치 및/또는 상기 장치의 환경에서의 온도 및/또는 온도 구배를 측정하는 센서를 사용하여 추정된, 상기 애퍼쳐 어레이 내의 애퍼쳐들 사이의 상대 위상에서의 오차를 보상하도록 구성된다.
상기 처리 모듈은 아날로그-디지털 변환 컴포넌트를 포함한다.
처리 모듈은 데이터 직렬변환기(serializer)를 포함한다.
상기 처리 모듈은 광섬유 링크를 통하여 출력된 데이터에 대한 전기-광학 트랜스듀서를 포함한다.
상기 제 1 광학 소스 또는 포트 및 상기 제 2 광학 소스 또는 포트는 단일 공통 광원으로부터의 광을 제공한다.
상기 제 2 광학 소스 또는 포트는, 상기 제 1 광학 소스 또는 포트로 공급된 광의 위상 변조에 의하여 광을 제공한다.
상기 제 1 광학 소스 또는 포트는 광 확산 요소를 통하여 상기 가시 범위를 조명한다.
양태들은 후속하는 장점들 중 하나 이상을 가질 수 있다.
다수의 애퍼쳐에 대한 가간섭성 검출은, 애퍼쳐들 사이의 상대 위상 정보를 보존하는 방식으로 단일 국부 발진기를 사용할 수 있고, 물리적 빔 조향이 필요 없이 단일 획득의 디지털 후처리를 통해서 가시 범위 내의 임의의 방향의 선택을 허용할 수 있다.
요구되는 파면 또는 빔 방향의 재구성은 후-처리, 예컨대 디지털 후-처리에서 수행될 수 있다.
어레이 내의 개별 애퍼쳐로부터의 진폭 및 상대 위상 정보는 디지털적으로 기록되고 저장될 수 있고, 가상 빔 조향 및 이미지 스캐닝 효과를 생성하기 위하여 결합될 수 있다.
여러 애퍼쳐 사이의 위상 정보를 추출하기 위하여 헤테로다인 검출이 사용될 수 있고, 이러한 정보가 상이한 시청 방향들을 분리하기 위해서 복소 도메인에서 처리될 수 있다. 가시 범위의 상이한 부분의 다수의 기여분의 거리 및 세기가 개별 방향에 대해서 분해될 수 있고, 이러한 방식으로 가시 범위 내의 볼륨에 대한 토포그래피 정보가 재구성될 수 있다.
설명된 기법은 통합된 광학적 구현형태와 호환된다.
이러한 기법은 위상 오차를 최소화 및 추정하기 위해서 사용될 수 있고, 이것은 시스템의 양호한 성능을 구현하기 위해서 보상될 수 있다.
전체 가시 범위가 동시에 이미징될 수 있어서, 광(wide)-필드 조명이 가능해지고, 따라서 허용될 수 있는 눈 안전성 표준 내에서 더 높은 조명 파워가 가능해진다.
허용가능한 조명 파워가 더 높기 때문에, 더 빠른 이미징, 더 긴 범위, 및/또는 더 높은 분해능 이미징을 달성할 수 있다.
설명을 보완하고 본 발명의 특징을 더 잘 이해하도록 돕기 위해서, 본 발명의 실용적 실시형태의 바람직한 예에 따르면, 도면들의 세트가 본 명세서의 필수 부분으로서 첨부되고, 예시적이고 비한정적인 성질로서 다음 설명이 제공된다:
도 1a 및 도 1b는 평형(balanced) 검출, 및 비평형(unbalanced) 검출 각각을 사용하여 국부 발진기와의 간섭을 생성하기 위한 예시적인 가간섭성 검출 스킴의 개략도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 국부 발진기가 인입하는 필드의 두 개의 복제본과 믹싱되는 예시적인 가간섭성 검출 스킴의 개략도를 도시한다.
도 3은 예시적인 수신 서브시스템의 개략도를 도시한다.
도 4는 예시적인 수신 서브시스템의 개략도를 도시한다.
도 5는 국부 발진기가 개별 믹서까지의 등화된 암 길이를 가지고 분포되는 예시적인 수신 서브시스템의 개략도를 도시한다.
도 6은 개별 믹서까지의 등화된 암 길이를 가지는 국부 발진기의 원형 분포가 있는 마스크 레이아웃의 예시도를 도시하는데, 애퍼쳐의 분포는 두 개의 동심원을 규정한다.
도 7은 동일한 길이를 가지지만 수평 방향으로 상이한 천이를 가지는 두 개의 도파로 세그멘트의 예시도를 도시한다.
도 8은 예시적인 LIDAR 시스템에 대한 광학적 구성의 개략도를 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 애퍼쳐들의 평평한 배열체에 대한, 구에 표시된 방사선 패턴의 각도 분포의 3 차원의 그래프를 도시한다.
LIDAR 시스템(또는 LiDAR 시스템)의 다양한 예들이 수신 서브시스템의 수신 도파로 내에 커플링되는 검출 어레이의 개별적인 수집 애퍼쳐의 알려진 공간적 분포로부터 형성되는 합성 애퍼쳐(synthetic aperture)에 기반하여 구현될 수 있다.
각각의 전자기파가 개별 수신 도파로 내로 커플링된 이후에 각각의 애퍼쳐에서 수집된 전자기파의 필드(또는 "수집된 필드")는, 애퍼쳐의 입력에서의 수집된 필드의 위상 정보가 추론될 수 있고 애퍼쳐들 사이의 상대 위상차가 측정될 수 있는 방식으로 국부 발진기(LO) 필드와 믹싱된다.
이것은, 예를 들어 90° 위상-천이된 두 개의 국부 발진기를 사용하는 동위상/직교위상(IQ) 광 복조기를 도입함으로써 이루어질 수 있다. 또는, 애퍼쳐들에서 수집된 필드들 사이의 상대 위상차가 주파수 천이로부터 초래되는 캐리어 주파수에 상대적으로 측정될 수 있도록, 국부 발진기는 애퍼쳐에서 수집된 필드들의 주파수에 상대적으로 주파수 천이될 수 있다.
예시적인 검출 옵션이 도 1a 및 도 1b에 도시된다. 도 1a에서, 가간섭성 검출기(또는 "믹서")(100A)는, LO 소스(104)로부터의 국부 발진기(LO) 및 입력 애퍼쳐(101)에서 수집된 필드의 헤테로다인 믹싱을 생성하기 위하여 사용되는 2x2 커플러(102)(예를 들어, 멀티모드 간섭(multimode interference; MMI) 커플러)를 포함한다. 두 개의 검출기(106A 및 106B)(예를 들어, 포토다이오드와 같은 광검출기)가 검출된 광간섭 신호의 180° 천이된 버전을 생성하여, 차동 모드 신호를 나타내는 전류를 산출하도록 평형 검출을 사용하여 합산되는 광전류를 제공한다. 이것은 노이즈 및 간섭을 증가시킬 수 있는 신호 내의 공통 모드 요소를 억제하는 장점을 가진다.
또는, 도 1b에서, 가간섭성 검출기(100B)는 단일 검출기(106C)(예를 들어, 포토다이오드와 같은 광검출기)를 포함하는데, 이것은 공통 모드 억제 효과를 상실하는 트레이드오프는 있지만 더 단순할 수 있다. 평형 검출 스킴 대신에 사용되는 이러한 비평형 검출 스킴의 잠재적인 단점은, 국부 발진기 필드 및 수집된 필드가 동일한 주파수라면, 신호의 진폭 및 이들 사이의 위상 천이에 의존하는 검출기(106C) 상의 간섭의 DC 성분이 주로 국부 발진기 진폭에 의존하는 비평형 검출의 비-간섭성 DC 성분과 믹싱될 것이라는 점이다. LO의 주파수 변조에 기인하여 양자들 사이에 주파수 천이가 존재한다면, 수집된 필드의 위상 및 진폭 양자 모두를 분해하는 것이 가능해질 것이다.
임의의 주어진 구현형태에서, 규정된 커플러(102)는 MMI, 에버네슨트 커플러 또는 임의의 다른 형태의 적절한 커플러일 수 있다. 감도를 개선하고 시스템의 유효 범위를 증가시키기 위해서, 이러한 디바이스의 과다한 손실이 감소되어야 한다. 수집 애퍼쳐 및 검출기 사이에서 발견되는 디바이스의 개수가 감소되면, 예를 들어 위상형(phased) 어레이에서 통상적으로 사용되는 긴 이진 트리(long binary tree)에 대한 디바이스 과다 손실의 영향을 감소시키는 것에 도움이 된다.
사용되는 전자기파는 본 명세서에서 간단히 "광(light)"이라고도 불리는 특정 범위의 광파장(예를 들어, 약 100 nm 내지 약 1 mm, 또는 그 일부 세부 범위)에 속하는 피크 파장을 가질 수 있다.
광검출기는 PIN 포토다이오드, 애벌랜치 포토다이오드, 광전자증배기(photomultiplier) 튜브 및 이러한 애플리케이션에 적합한 다른 광감응 디바이스를 통해서 구현될 수 있다. 특히, 이들은 적어도 LIDAR 시스템을 위하여 사용되는 광의 파장에 대해 감광성을 가지고, 관심 신호의 판독을 허용하기에 충분한 대역폭을 보유한다. 이러한 광검출기의 암 전류 및 양자 효율(quantum efficiency)은 시스템 감도 및 범위를 최대화하도록 최적화될 수 있다.
도 2a를 참조하면, 가간섭성 검출기(200)의 대안적인 구현형태에서, 2x2 커플러(202A)는 LO 소스(204)로부터 LO 광파를 수신하고, 서로 90°만큼 천이되는 국부 발진기의 두 버전을 생성한다. 이러한 천이된 LO들은, 입력 애퍼쳐(201)로부터의 인입하는 필드를 두 개의 출력으로 분할하는(이것은 두 출력들 사이의 위상 천이를 생성하지 않음) 1x2 분할기(202B)에 의해서 생성되는 인입하는 필드의 두 개의 복제본과 각각 믹싱되어 개별 2x2 커플러(202C 및 202D) 내에서 IQ 복조를 획득한다. 커플러(202A, 202B, 202C, 및 202D)는, 예를 들어 MMI 커플러일 수 있다. 이러한 경우에 네 개의 검출기(206A, 206B, 206C, 및 206D)(예를 들어, 포토다이오드와 같은 광검출기)가 I 및 Q 채널 각각의 평형 검출을 위하여 사용된다.
이러한 구조에서는, 위상이 주파수 천이된 캐리어가 필요 없이 복원될 수 있다. 단일 믹서 스킴에서와 같은 비평형 검출도 유사한 제한과 함께 역시 가능하다. 도 2b는 두 개의 별개의 2x2 커플러(202C 및 202D) 대신에 2x4 커플러(212)가 사용되는 가간섭성 검출기(210)의 다른 대안적인 구현형태를 도시한다. 이러한 구현형태에서, 2x4 커플러(212)는 입력 애퍼쳐(201)로부터의 인입하는 필드를 LO 소스(204)로부터의 LO와 네 개의 검출기(206A, 206B, 206C, 및 206D)에서의 적절한 위상 천이를 가지고 믹싱하는 MMI 커플러이다.
다수의 수집 애퍼쳐를 포함하는 검출 어레이의 합성 애퍼쳐에 의해 커버되는 가시 범위를 스캔하고, 가시 범위 내의 광을 반사하는 대상물(들)의 표현(예를 들어, 3D 클라우드 맵)을 복원하기 위하여, 개별 수집 애퍼쳐에서의 페이저(phasor)의 디지털화된 버전들이 조합된다. 이러한 조합은 가시 범위 내의 소망되는 방향에 대응하는 가상 파면을 효과적으로 규정한다. 이것이 수치 계산이기 때문에, 이것은 복소 도메인에서 이루어진 위상 천이의 조절을 통하여 LIDAR 시스템의 가시 범위 내의 모든 가능한 수신 방향에 대해서 동시에 수행될 수 있다. 이것은 복소 매트릭스 승산에 대응하고, 이것은, 예를 들어 컴퓨터의 CPU를 사용하여 순차적인 계산으로 수행될 수 있거나, 예를 들어 FPGA/GPU 하드웨어를 사용한 병렬 계산에서 수행될 수 있다. 이러한 컴퓨팅 모듈 또는 임의의 다양한 컴퓨팅 모듈은 임의의 순차적인, 병렬적인, 또는 순차적 및 병렬적 계산의 조합에서 사용될 수 있다.
이론에 의해서 한정되지 않으면서, 이러한 계산 중 일부를 수행하기 위하여 사용될 수 있는 수학식 중 일부에 대한 공식화의 일 예로서, 가시 범위 내의 요구되는 방향 에 대하여, 어레이 상의 좌표(xi,yi,0)이며 국부 발진기 레퍼런스에 상대적인 위상 오차 를 가지는 특정 애퍼쳐는 다음과 같이 표현될 수 있다:
A가 어레이 내의 모든 애퍼쳐에서의 복소 진폭의 매트릭스라면, 컴퓨팅 모듈은 가시 범위를 다음과 같이 재구성할 수 있다:
그리고, 균일한 변환 매트릭스는 다음과 같이 표현될 수 있다:
다른 변환 매트릭스들도 가능하고, 이러한 경우 일련의 진폭 인자가 어레이의 등가 방사선 패턴을 테이퍼링하도록 도입된다. 규칙적인 간극을 가지는 선형 어레이에서, 일부 특성 설계는 어레이 중심으로부터 삼각형 및 2항 형태의(binomial shaped) 필드 세기를 포함한다. 이러한 설계는 더 넓은 메인 방사선 로브를 희생하여 이차 로브(secondary lobe)를 억제한다. 대안적인 디자인은 체비세프(Chebychev)의 다항식에 기반할 수 있고, 돌프(Dolph) 또는 테일러(Taylor) 변환을 가지는데, 이들은 메인 로브의 폭을 최소화하면서 이차 로브에 대한 상한을 설정할 수 있게 한다.
수집 애퍼쳐의 공간적 분포는 안테나 위상형 어레이 설계의 샘플링 문제와 유사한 문제이다. 소망되는 안테나 패턴 및 로브 프로파일에 의존하여 상이한 구성들이 가능하다. 수집 애퍼쳐의 어레이의 상이한 구성 배치구성은, 원형 어레이, 직사각형 그리드 등과 같은 배치구성을 포함할 수 있고, 이것은 안테나들의 어레이를 사용하는 시스템(예를 들어, RADAR 시스템)과 유사하게 사용될 수 있다. 일부 구현형태들에서, 애퍼쳐들의 개수는 사소하지 않은(non-trivial) 장면의 고-분해능 이미징, 및 장거리 이미징(예를 들어 300m 초과)을 위한 충분한 광 수집을 가능하게 하도록 충분히 많다.
일부 구현형태들에서, 애퍼쳐는 2019 년 5 월 3 일에 출원되고 본 명세서에서 원용에 의해 통합되는 미국 가출원 일련 번호 제 62/842,924에 좀 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 자력을 인가함으로써 자기-조립될 수 있는 비-평면 포메이션의 서브유닛 상에 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 서브유닛은 평면형 기판 상에 제작되고, 각각의 서브유닛은: 서브유닛 중 하나 이상에 충돌하는 광파면의 적어도 일부를 수신하도록 구성되는 광학적 감지 구조체, 및 적어도 하나의 인접한 서브유닛과의 경계 근방에 있는 힌지의 적어도 일부를 형성하는 재료를 포함한다. 기판의 적어도 일부는 서브유닛들의 적어도 세 개의 상이한 쌍들 각각 사이의 개별 경계 상에서 제거되어, 각각의 쌍 내의 서브유닛들 사이에 이러한 재료로 형성된 힌지들 중 하나에 의해 제약되는 상대 운동이 일어날 수 있게 한다. 하나 이상의 액츄에이터는 다수의 서브유닛의 연결된 네트워크를 비-평면형 포메이션으로 폴딩하기 위한 힘을 인가하도록 구성된다.
LIDAR 시스템의 컴포넌트를 포함하는 디바이스가 통합된 광학기를 사용하여 구현된다면, 예를 들어 도파로 및 애퍼쳐의 배열이 웨이퍼의 표면의 평면 내에서 이루어질 수 있고, 도파로의 끝에 있는 광학 요소는 광 방사선을 평면 밖으로 편향시키기 위해서(예를 들어, 웨이퍼의 표면에 수직으로) 사용될 수 있다. 이러한 광학 요소는 여러 가지 중에서 격자 커플러, 에칭된 45° 미러, 3D 인쇄된 마이크로미러 또는 외부 마이크로미러를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 원용에 의해 통합되는 US 공개 번호 제 2017/0350965A1에 기술된 바와 같은 디자인의 가시 범위를 적응시키기 위해서, 회절 요소가 마이크로렌즈와 같은 디자인 내에 도입될 수 있다. 이러한 마이크로렌즈는 여러 가지 중에서, 그레이스케일 리소그래피, 레지스트 리플로우(reflow), 임프린트 몰딩, 또는 3D 인쇄 기법을 사용하여 생성될 수 있다.
통합된 광학적 구현형태에서, 포토다이오드 및 전자 증폭기(예를 들어, 트랜스임피던스 증폭기(transimpedance amplifier; TIA))가 동일한 기판 상에 생성될 수 있어서, 시스템 비용을 최소화하고 디바이스 점유공간을 감소시킨다. 이것은 CMOS 호환가능 기술을 적용함으로써 수행될 수 있다. 전자부품은 CMOS 프로세스를 사용하여 생성될 수 있고, 도파로는 전자부품 층 상에, 예를 들어 실리콘, 실리카, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물을 사용하여 생성될 수 있다. 광검출기는, 예를 들어 더 긴 파장에 대해서 실리콘 웨이퍼 상의 게르마늄 성장을 사용하여 생성되거나, 파장이 허용한다면 CMOS 플랫폼 상에서 이용가능한 실리콘 검출기를 통해서 생성될 수 있다.
LIDAR 시스템의 일부 구현형태에 대한 전자부품은 디바이스 내의 검출기들 또는 검출기 쌍들 각각에 대한 적합한 트랜스임피던스 이득을 제공하도록 구성되는 하나 또는 여러 증폭 스테이지를 포함할 수 있다. 증폭되면, 신호는 디지털화되고 디지털적으로 처리되어(예를 들어, 전술된 수학식에 따라서 처리됨) 가시 범위에 걸친 소망되는 관람 방향들 각각에 대응하는 독립 데이터 스트림을 생성할 수 있다. 그러면, 이러한 데이터 스트림이 일부 다른 LIDAR 시스템에서 사용되는 깊이-추출(또는 거리-추출) 알고리즘을 사용하여 깊이 정보(거리 정보라고도 불림)를 추출하도록 처리될 수 있다. 처핑된(chirped) 또는 주파수-변조된 연속파(FMCW) 시스템에서는, 깊이가 국부 발진기 및 수신된 광의 주파수 사이의 순시 주파수차에 인코딩된다. 다른 스킴에서는, 헤테로다인 검출이 있는 펄스형 스킴에 대한 두 개의 파장들 또는 시간 측정치들 사이에서 스위칭할 경우의 위상차가 적용될 수 있다.
디지털 처리 전자부품은 광학 디바이스와 같은 기판 상에 제작될 수 있고, 또는 ASIC 칩과 같은 별개의 전용 디바이스 상에 구현될 수 있다. FPGA, DSP 또는 CPU 또는 GPU에서 실행되는 소프트웨어 구현형태와 같은 기성품 컴포넌트들도 이러한 목적을 위하여 사용될 수 있다. 도 3은 수신 서브시스템 내에서 동일한 디바이스 상에 통합되거나 이와 조합될 수 있는 IQ 검출기(302A … 302B)(애퍼쳐 어레이 내의 개별 애퍼쳐에 대한 검출기들임)의 어레이에 커플링되는 디지털 신호 처리(DSP) 모듈(300)의 일 예를 도시한다. IQ 검출기(302A)는 동위상(I) 성분을 위한 한 쌍의 포토다이오드(304A) 및 직교위상(Q) 성분을 위한 한 쌍의 포토다이오드(304B)를 포함한다. 포토다이오드(304A 및 304B)로부터의 신호는 개별 TIA(306A 및 306B)에 의하여 증폭되는데, 이들은 개별 DAC(308A 및 308B)에 의하여 디지털 도메인으로 변환된다. 이와 유사하게, IQ 검출기(302B)는 I 성분을 위한 한 쌍의 포토다이오드(304C) 및 Q 성분을 위한 한 쌍의 포토다이오드(304D)를 포함한다. 포토다이오드(304C 및 304D)로부터의 신호는 개별 TIA(306C 및 306D)에 의하여 증폭되고, 이들은 개별 DAC(308C 및 308D)에 의하여 디지털 도메인으로 변환된다.
다수의 수집 애퍼쳐에 대한 채널의 개수, 특정 장면에 대한 가시 범위에 걸친 스캐닝된 범위, 및/또는 장면 획득 레이트는 큰 값일 수 있다. 일부 애플리케이션에서, 설명된 디바이스를 구현하기 위하여 사용되고 있는 동일한 포토닉스(photonics) 플랫폼이, 광학적으로 정보를 인코딩하고 시스템의 나머지로 다시 전송하기 위해서 사용될 수 있다.
이것은, 예를 들어 PIN 디바이스 내의 캐리어-주입에 기반하는 고속 변조기를 통하여 또는 다른 전기-광학 효과를 통하여 수행될 수 있다. 도 4는, IQ 검출기의 어레이(402A … 402B)(애퍼쳐 어레이 내의 개별 애퍼쳐에 대한 것임)로부터의 데이터가, 직렬화된 출력이 변조기(406)에 의하여 외부 광원(408)로부터의 광캐리어 상에 진폭 변조되기 이전에 디지털 신호를 침에서 직렬화시키는 직렬변환기(404)에 커플링된다. 그러면, 직접 검출 광학-전기 컨버터(410) 및 직렬변환해제기(deserializer; 412)는 디지털 신호를 DSP 모듈(414)로 제공할 수 있다.
이러한 온-칩 광통신 채널은 파장 분할 다중화를 사용하여, 전파 방향들 양자 모두를 분리하기 위한 아이솔레이터/커플러를 통하여, 또는 다른 기법들 중에서 시간 다중화를 사용하여, 국부 발진기를 디바이스에 제공하기 위하여 사용된 동일한 광로 상에서 다중화될 수 있다. 또는, 인코딩된 광학적 정보에 대해서는 별개의 물리적 경로가 사용될 수 있는데, 이것은 방출 광 및 수집 광 및 국부 발진기 광을 제공하는 레이저에 대해서 사용되는 단일-모드 광섬유와 다른 타입일 수 있다. 예를 들어, 인코딩된 광학적 정보에 대한 이러한 별개의 경로는 멀티-모드 광섬유일 수 있다. 이러한 데이터의 광섬유 통신은 감지 요소와의 인터페이스를 단지 수 개의 파워/제어 전기 신호 및 하나의 또는 두 개의 광섬유로 단순화할 수 있다.
도파로의 배열체는 디바이스의 성능을 개선하도록 구성될 수 있다. 광자 집적 회로(PIC) 내의 통합된 광학기는 현대의 리소그래피에 의해 달성가능한 정확도라는 장점을 가지는데, 이것은 스케일이 100nm보다 훨씬 더 양호할 수 있다. 디바이스의 일부 구현형태를 광자 집적 회로 내에 통합된 광학기 대신에 또는 이에 추가하여 벌크 광학기 및/또는 광학 섬유를 사용하여 조립하는 것이 가능하다. 하지만, LIDAR 시스템의 주된 광학 컴포넌트를 PIC 내에 통합시키는 일부 구현형태들에서, 이러한 구현형태에 의해서 가능해지는 치수 및 공차는 더 안정한 시스템이 가능해지게 할 수 있고, 정보는 복구하기가 더 쉬워질 수 있다.
다른 가능한 구현형태는 분포 네트워크(distribution network)가 적당한 분해능 및 만족스러운 도파로 품질을 가지는 3D 인쇄 기법을 사용하여 생성되는 것이다. 굽힘(bend) 및 낮은 손실을 구현하기 위한 충분한 인덱스 콘트라스트(index contrast)는 이러한 시스템을 구현하기 위한 인자일 수 있다. 믹싱 기능을 제공하기 위하여 사용되는 커플러는 평면형 구조체 또는 광자 랜턴과 같은 트루 3D 컴포넌트를 사용하여 생산될 수 있다. 3D 인쇄된 도파로는 적절한 검출기 어레이에 믹싱된 이후에 지향될 수 있다.
FMCW 시스템의 경우, 일부 구현형태들에서 첫째로 각각의 애퍼쳐 및 개별 믹서 입력을 연결하는 각각의 광로 및 둘째로 국부 발진기의 공통 입력을 간섭을 생성하는 커플러(들)에 연결하는 광로 사이의 경로 길이차는 어레이 내의 모든 채널에 대해서 실질적으로 동일하다. 이것은 FMCW 시스템의 파수 처프 특성 도중에 이들 사이에서 발견되는 위상 천이를 최소화할 것이고, 전술된 변환 매트릭스들의 교정 및 디지털 보상에 대한 필요성을 감소시킬 것이다. 이와 유사하게, 특히 국부 발진기의 파장에 영향을 주는 다른 소스 변조 스킴에서는, 적절한 방향 복구를 방해하는 애퍼쳐들 사이의 상대 위상 측정에 변조-의존적 위상 오차를 도입시키는 것을 피하기 위해서 경로 길이차가 최소화될 수 있다.
암 길이를 같게 하면 온도 감도도 좋아진다. 단결정 실리콘과 같이 이러한 예시적인 시스템을 구현하기 위하여 사용될 수 있는 일부 재료는 중간에서 높은 열-광학 효과를 가진다. 국부 발진기 입력으로부터 개별 믹서까지, 또는 애퍼쳐로부터 믹서까지 연장되는 길이가 다르면, 온도 변화가 어레이에 제어되지 않는 위상 천이를 유발할 수 있어서, 교정 손실이 초래된다. 1.3μm에서 2.4x10-4의 열-광학 계수를 가지는 실리콘의 경우에 그리고 어레이에서 허용가능한 최대 위상 오차가 λ/100 이라고 가정하면, 허용가능한 최대 경로 길이차는 1.3μm의 파장에서 허용된 온도 변동의 1K마다 54μm 이하가 되도록 선택될 수 있다. 칩이 열중성자화되지(thermalized) 않을 것이고 -20 내지 80°C의 온도 범위에 걸쳐서 동작해야 한다면, 허용가능한 최대 경로 길이차는 0.54μm 이하가 되도록 선택될 수 있다.
디바이스가 열을 소산하는 전자부품 또는 전기-광학 컴포넌트와 함께 패키징되거나 제조되는 경우에는, 구조체 내의 임의의 열적 구배를 감소시키기 위해서 추가적으로 주의할 필요가 있을 수 있다. 또는, 더 낮은 열-광학 계수를 가지는 실리콘 산화물, 질화물, 또는 산화질화물과 같은 재료가 모든 도파로 또는 광학 회로의 일부 섹션에 대해서 사용될 수 있다. 또한, 위상 오차를 추정하고 이들을 후-처리에서 보상할 수 있기 위해서, 하나 이상의 온도 센서가 이러한 유닛을 제작하기 위하여 사용되는 기판 상에 포함될 수 있다.
총 발진기에 대한 총 경로 길이를 같게 하는 것은, 여러 가지 중에서 이진 분할 트리(binary splitting tree)를 통해서 달성될 수 있다. IQ 가간섭성 검출기(예를 들어, 전술된 가간섭성 검출기(200))에 커플링된 N 개의 애퍼쳐(예를 들어, N = 8 이러한 예에서)의 작은 선형 어레이를 포함하는 수신 서브시스템(500)의 예의 경우의 이러한 스킴의 일 예가 도 5에 도시된다. 그들의 두 출력들 사이에 위상 천이를 유발하지 않는 타입의 1x2 분할기(502)가 존재하고, 트리가 각각의 스테이지에서 대칭이 되도록 구성될 수 있으면, 범용 입력(504) 및 각각의 IQ 가간섭성 검출기의 입력은 실질적으로 동일하도록 구성될 수 있다. 애퍼쳐로부터 믹서까지의 거리는 위상 지연이 모든 애퍼쳐에 대해서 동일하도록 보장하기 위해서 일정하게 유지될 수 있다.
애퍼쳐들의 어레이 내에 애퍼쳐를 선형 배치하는 대신에, 애퍼쳐들의 배열체의 기하학적 구조는 2-차원 또는 3-차원의 배열체에 걸쳐 분포될 수 있다. 예를 들어, 원형 기하학적 구조의 경우에는, 각각의 분할기 이후의 각도 범위 및 세그멘트 길이는 도 6에 도시되는 마스크 레이아웃(600)의 예에서 예시된 것과 실질적으로 같아지도록 배열될 수 있다.
예시된 레이아웃에서 애퍼쳐들은 두 개의 동심 링을 따라서 배열되고, 애퍼쳐로부터 믹서까지의 거리는 일정하게 유지되었다. 이것은 통상적으로 개별 도파로보다 넓은 믹서들에 대하여 교번하는 위치를 생성하는 장점을 가진다. 이러한 인터리빙은 링 내의 애퍼쳐 밀도가 증가될 수 있게 한다. 그러나, 대칭이 부족하기 때문에, 국부 발진기의 입력으로부터 디바이스 사이의 경로 길이 및 상이한 믹서 입력들이 조절될 수 있다. 이러한 목적을 위해서, 도 7에 도시된 바와 같이 웨이퍼 상의 변동하는 물리적 거리를 조절하지만 광학적 총 지연을 일정하게 유지하는 보상 요소를 도입하는 것이 가능하다. 도파로 세그멘트(700A) 및 도파로 세그멘트(700B)는 수평 방향으로(예를 들어, 어레이의 평면에서) 그들의 종단점들 사이에 상이한 거리를 가지지만, 그러한 종단점들 사이에서 도파로 세그멘트를 통한 동일한 전파 거리를 가진다.
본 명세서에서 설명된 검출 어레이 및 처리 기법들을 사용하는 수신 서브시스템을 포함하는 LIDAR 시스템의 방출 서브시스템은, 조명 빔이 관심 대상인 장면의 영역을 커버하도록 다양한 형태 중 임의의 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 방출된 빔에 의한 가시 범위를 완전히 커버하는 조명 패턴을 생성하도록, 단일 도파로 또는 애퍼쳐가 독자적으로 또는 빔 포밍 광학기와 조합되어 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 수신 서브시스템은 가시 범위(FOV)를 소망되는 분해능으로 분해하는 것을 담당한다.
도 8은 방출 서브시스템(또는 "방출기") 및 수신 서브시스템(또는 "수신기")을 포함하는 LIDAR 시스템(800)의 방출기 및 수신기 광학적 구조의 일 예를 도시하고, 방출기가 전체 FOV(802)를 어떻게 커버하는지를 예시하며, 어레이 분해(804)를 겪는 FOV(802)의 특정 방향을 선택하는 것은 수신기 내에서의 신호 처리이다. 이러한 예에서, 레이저 소스(806)는 국부 발진기(808)로서 광을 제공하고, 광을 FOV(802)를 조명하는 LIDAR 방출기(810)에 제공한다. 평행 가간섭성 수신기(812)는 광파면을 다수의 애퍼쳐의 어레이에 걸쳐서 수신한다. 각각의 애퍼쳐는 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성된다. 또한, 상이한 애퍼쳐들(상이한 비-인접 애퍼쳐를 포함함)은 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성되는데, 여기에서 광파면의 이러한 부분들 각각은 가시 범위의 동일한 부분으로부터의 기여분을 포함한다.
또는, 여기 빔을 조향하고 가시 범위를 스캔하기 위하여 위상형(phased) 어레이가 사용될 수 있다. 이러한 위상형 어레이의 설계를 위하여, 다양한 기법 및 분산 스킴들 중 임의의 것이 적용될 수 있다. 도 9a 및 도 9b는 직사각형 그리드(도 9a) 및 원형 어레이(도 9b)의 구형 방사선 패턴들을 보여주는데, 최대 빔 세기는 스케일의 최대를 규정하고, 타겟 대상물로 가는 전파 방향을 가리킨다. 도 9a는 3.8λ의 간극을 가지는 40x40 직사각형 그리드로부터 초래되는 구형 방사선 패턴(900)을 보여주고, 도 9b는 요소들 및 1.6λ의 간극을 가지는 원형 어레이(600)로부터 초래되는 구형 방사선 패턴(902)을 도시한다. 각각의 방사선 패턴 아래에는 음영 세기(shading intensity) 및 상대적인 방사선 세기(dB 단위) 사이의 대응관계를 보여주는 범례가 있다. 이러한 예들에서는 애퍼쳐의 안테나 기능을 고려하지 않았다.
추가적인 옵션으로서, MEMS 디바이스 또는 다른 전기-기계 디바이스가 방출기에 대해 스캐닝 기능을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 여기 스캐너 및 수집 어레이 사이의 중첩에 의하여 각도 방향을 선택하는 것은 반-에일리어싱(anti-aliasing) 억제 스킴에 대한 기반이 될 수 있다(예를 들어, 방출 및 수집 어레이의 에일리어싱 복제본(aliasing replica)의 버니어(Vernier) 분포를 통하거나 에일리어싱 각도 주기(aliasing angular period)보다 작은 여기 상태의 FOV의 사용을 통한 공간적 필터링을 통함).
여기 빔이 더 큰 가시 범위의 상이한 서브세트에 걸쳐서 스캔하도록 조향되는 경우, 가시 범위에 걸친 상이한 시청 방향에 대응하는 데이터 스트림과 같은 방향-기반 정보를 결정하기 위하여 사용되는 연산이 각각의 서브세트에 걸쳐 스캔하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 주어진 서브세트에 대하여 수신된 데이터를 수집하는 경우, 가시 범위의 상이한 서브세트에 대하여 상이한 파라미터(예를 들어, 노출 시간(integration time))가 사용될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 기법들은, 일부가 고속 장거리 LIDAR 검출을 보장하는 것에 관련되는 다양한 잠재적인 기술적 이슈를 해결할 수 있다. 이것은 자율주행 차량 및 거리가 연장되면 유리한 항공 우주 분야와 같은 다른 애플리케이션에서 안전성을 개선하기 위하여 유용할 수 있다.
현존 시스템에서의 거리 제한은 주어진 검출기 기술을 사용하여 달성될 수 있는 주어진 파장 및 감도에서 사용될 수 있는 최대 파워에 링크된다. 한 장면을 조명하기 위하여 사용되는 최대 빔 파워는 장비 내에서의 실용적인 고려사항에 의하여 그리고 눈에 노출되기 위한 안전성 한계에 의해서 제한될 수 있다. 이러한 한계는 파장에 의존하는데, 광 파장이 짧으면 눈에 더 적게 흡수되기 때문에 더 엄격한 제한을 가진다. 파장이 길수록 내재적으로 더 안전하다. 또한, 빔의 물리적 속성은 눈 안전의 연산에 대해서 관련된다. LIDAR 내에서 사용되는 것과 같은 시준된 빔 내의 최대 파워는 빔의 직경 및 빔과 눈 퓨필의 가능한 교차에 의존한다. 어떠한 경우에서도, 파장 및 광학적 디자인의 선택이 주어지면, 안전하게 사용될 수 있는 최대 파워가 존재한다. 본 발명의 설명은 장면 이미징 기능을 수신기 어레이로 이동시킴으로써, 어떻게 전체 가시 범위만큼 넓은 조명 빔을 사용하는 것이 가능해지는지를 보여주고, 그 발산이 더 커질수록 파워가 커지거나 내재적으로 더 안전해진다.
감도에 관해서는, 상이한 감도 이슈가 이동시간(time-of-flight) 시스템 및 헤테로다인 또는 CW 시스템과 같이 상이한 시스템들에 대해서 발생한다. 이동 시간 시스템은 헤테로다인 시스템에 상대적으로 열악한 감도를 가질 수 있는데, 그 이유는 전자적 노이즈가 매우 약한 신호에 대한 샷(shot) 노이즈보다 쉽게 높아질 수 있기 때문이다. 헤테로다인 시스템은 가시 범위 내의 검출된 반사 및 레퍼런스 신호 사이의 간섭으로부터 분기한 제 1 레벨의 광학적 "이득"의 혜택을 볼 수 있다.
비록 단일-광자 애벌랜치 다이오드(SPAD)-기반 검출기 어레이를 개발하려는 노력이 세기-기반 시스템 내의 감도를 개선할 수 있지만, 이러한 개선은 디바이스의 비이상성(non-idealities)에 의해 제한될 수 있고, 다른 디자인 절충을 도입할 수 있다. 그 높은 집적 능력과 낮은 비용 때문에, 포토다이오드 어레이는 일반적으로 실리콘으로 제작된다. 실무상, 이것은 이동 시간 LIDAR 시스템의 동작 범위를 1μm 미만의 파장으로 한정하는데, 이것은 실리콘 밴드갭이 주어질 경우 전자-홀 쌍을 생성하기 위한 최소 에너지이다. 이제, 이것은 허용될 수 있는 광 파워의 관점에서 볼 때에는 최적 미만이 될 수 있다.
헤테로다인 시스템의 추가적인 잠재적 이점은 이것이 동일한 FOV를 바라보는 다수의 디바이스들 사이의 크로스토크에 대한 내재적인 보호를 제공한다는 것이다. 이동 시간 시스템에서는 상이한 방출기들로부터 온 펄스들을 구별하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 그러나, 헤테로다인 시스템이 반사된 신호와의 간섭을 생성하기 위하여 국부 발진기를 사용한다는 것이 알려지면, 독립 방출기들은 일반적으로 서로 비간섭성일 것이다.
FMCW 시스템에서의 잠재적인 문제점은, 각각의 빔의 입체각(solid angle)이 LIDAR 분해능을 결정하기 때문에 이러한 시스템이 통상적으로 제한된 에탕듀(ㅹtendue)(AΩ)를 가진다는 것이다. 이것은 반사된 광자를 수집하기 위한 시스템의 능력을 제한한다. 본 발명의 설명은, 이미징 기능성을 검출기 어레이로 이동시키고 정적 단일-빔 조명을 여전히 허용하는 동안에 시스템 에탕듀 및 광 쓰루풋을 증가시키면서 이러한 제한이 어떻게 해결될 수 있는지를 보여준다. 회전 스캐너 내에서 다수의 빔을 복제하면 스캐닝 속도가 증가될 수 있지만 복잡도 및 비용이 추가될 수 있다.
설명된 피쳐는 다음 두 개의 메커니즘을 포함하는 상이한 메커니즘을 통하여 LIDAR 시스템의 성능을 개선할 수 있다:
1. 위상-천이된 안테나 어레이 내의 상호성 손실(reciprocity loss)을 통해 휘도를 제한하지 않고서 수집 애퍼쳐의 개수를 증가시킨다. 신호가 높다는 것은 더 긴 거리가 획득될 수 있고 더 빠른 스캐닝이 가능하다는 것을 의미한다.
2. 각각의 애퍼쳐 및 수학적 변환에서 복소 필드의 단일 측정을 통하여 가시 범위를 재구성한다. 그러면 해당 어레이에 대한 가동 방사선 패턴을 생성하기 위해서 각각의 애퍼쳐의 위상을 스캔할 필요가 없어진다.
이러한 이점들 중 일부를 증가시키기 위해서 FMCW 검출 스킴이 사용될 수 있는데, 그 이유는 전기 노이즈의 레벨 보다 높은 신호를 증가시키기 위해서 헤테로다인 이득이 사용될 수 있고 양호한 축방향 분해능 및 거리를 얻을 수 있기 때문이다. 이중 파장 LIDAR과 같은 다른 헤테로다인 스킴도 이러한 시스템의 일부 구현형태에 적용가능하다.
거리 및 속도의 이슈는 방출기의 출력 광 파워를 증가시킴으로써 동시에 해결될 수 있다. 그러나, 시준된 빔 내에 가해질 수 있는 레이저 파워의 양에는 안전성 한계가 있다. 이러한 안전성 파워 임계는 일부 시스템의 성능에 대한 한계를 생성할 수 있다.
스캐닝을 어떤 어레이로부터 수집된 데이터에 대한 수학적 변환으로 줄이는 대신에, 위상 천이기를 통해서 빔을 실제로 조향하는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 위상 천이기는 제조 공차 때문에 교정할 필요가 있을 수 있다. 또한, 수신된 신호를 캐스케이딩 믹싱(cascaded mixing)하면 수신 측에서의 광 수집 효율이 감소되고, 위상 천이기에 대해서 사용되는 작동 메커니즘에 의존하여, 결과적으로 얻어지는 빔 조향이 일부 애플리케이션에 대해서는 너무 느린 결과가 얻어질 수도 있다.
설명된 기법의 잠재적인 이점은 어레이로부터 획득된 에탕듀(AΩ)가 증가하는 것이다. 단일 수집 애퍼쳐의 경우, 이러한 에탕듀는 최소가 되고 기본적으로 다음 파장에 의해 규정된다: AΩ ~ λ2. 이것은 일반적 조명 설정에서 후방-산란된 광을 수집하는 애퍼쳐의 능력을 제한한다. 다수의 도파로가 통상적인 위상형 어레이 구조를 사용하여 조합되면, 단일 도파로에 대해서 얻어질 것과 본질적으로 동일한 에탕듀 및 휘도가 결과적으로 얻어진다.
이것을 관찰할 하나의 방식은, 상이한 애퍼쳐 기여분들이 조합될 때에 커플러 내의 상호성 손실을 통하는 것이다. 그러나, 설명된 기법에서는, 각각의 애퍼쳐에서 수집된 광이 국부 발진기와 믹싱되고, 내재적 손실이 없이 검출된다. 모든 애퍼쳐로부터 수집된 모든 광자들이 간섭하기 때문에, 이러한 시스템의 신호-대-잡음비는 균일하게 조명된 장면에 대한 인자 N과 함께 증가한다. 그러면 시스템이 더 높은 속도로 스캔하게 될 수 있는데, 그 이유는 하나의 검출을 호출하기 위한 광자의 충분한 레벨에 도달하기 위해서 더 짧게 기다리면 되기 때문이다.
일부 구현형태의 잠재적인 이슈는 애퍼쳐들 사이에 위상 및 그룹 지연 오차가 존재하는 것이다. 이것은 LO 경로들 사이의 기하학적 차이를 감소시키기 위해서 고분해능 리소그래피를 사용하면서 설계 도중에 감소될 수 있다. 또한, 그룹 및 위상 굴절률들에 영향을 주는 외부 파라미터가 고려될 수 있다; 이것을 위하여, 대응하는 도파로들은 상대적으로 짧게 유지될 수 있고, 및/또는 서로에 가깝게 진행하고 대칭성을 제공하여 차동 오차를 최소화할 수 있다.
주지된 여기(excitation)(예를 들어, 시준된 빔)를 사용하여 디바이스 교정을 수행하고, 이것을 앞서 규정된 기하학적 변환과 승산될 보상 매트릭스로서 저장하는 것도 가능하다.
설명된 기법의 일부 구현형태는 충분한 코히어런스 길이(coherence length)를 가지는 가간섭성 소스를 사용하여 소망되는 깊이 스캐닝 범위 전체에서 간섭을 보장한다.
본 명세서가 특정 실시형태들과 연계하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시형태들로 한정되어서는 안 되고, 반면에 첨부된 청구항들의 범위의 다양한 수정 및 균등한 구성 내에 포함되는 다양한 변경예 및 균등한 구성을 커버하도록 의도된다는 것이 이해되어야 하는데, 이러한 범위는 법에 의해서 허용되는 이러한 변경예 및 균등한 구성 모두를 망라하기 위해서 최광의로 해석되어야 한다.

Claims (33)

  1. LIDAR 시스템 내에서 다수의 애퍼쳐로부터의 가간섭성 검출(coherent detection)을 관리하기 위한 장치로서,
    가시 범위를 조명하는 변조된 조명 광파를 제공하는 제 1 광학 소스 또는 포트;
    상기 변조된 조명 광파에 대한 규정된 위상 관계를 가지는 레퍼런스 광파를 제공하는 제 2 광학 소스 또는 포트;
    하나 이상의 차원에 걸쳐서 배치된 복수 개의 애퍼쳐를 포함하고, 상기 가시 범위의 적어도 일부에 걸친 기여분(contribution)을 포함하는 광파면(optical wavefront)을 수신하도록 구성된 애퍼쳐 어레이 - 상기 애퍼쳐들 중 두 개 이상의 애퍼쳐들 각각은 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성되고, 상기 애퍼쳐 어레이 내의 적어도 두 개의 비-인접 애퍼쳐들은 상기 가시 범위의 동일한 부분으로부터의 기여분을 포함하는 상기 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성되며,
    상기 애퍼쳐들 중 두 개 이상의 애퍼쳐들 각각은 상기 수신된 광파면의 개별 부분을 개별 국부 발진기 광파와 가간섭적으로(coherently) 간섭시키는 개별 광믹서에 커플링되고,
    각각의 개별 국부 발진기 광파는, 각각의 개별 애퍼쳐에 대하여,
    (i) 상기 제 2 광학 소스 또는 포트와 상기 개별 광믹서 사이, 및
    (ii) 상기 개별 애퍼쳐와 상기 개별 광믹서 사이
    의 그룹 지연 내의 개별 차이가 실질적으로 동일하도록 상기 레퍼런스 광파로부터 유도됨 -; 및
    상기 광믹서의 출력으로부터 검출된 전기 신호를 처리하도록 구성된 처리 모듈 - 상기 처리는,
    복수 개의 광믹서의 개별 광믹서에 대하여, 해당 광믹서의 적어도 하나의 출력으로부터 검출된 적어도 하나의 전기 신호로부터 위상 또는 진폭 정보 중 적어도 하나를 결정하는 것,
    상기 복수 개의 광믹서 중 적어도 두 개의 광믹서로부터 유도된 위상 또는 진폭 정보에 기반하여, 상기 가시 범위의 제 1 서브세트와 연관된 제 1 방향-기반 정보를 결정하는 것,
    상기 제 1 방향-기반 정보로부터 제 1 거리 정보를 결정하는 것,
    상기 복수 개의 광믹서 중 적어도 두 개의 광믹서로부터 유도된 위상 또는 진폭 정보에 기반하여, 상기 가시 범위의 제 2 서브세트와 연관된 제 2 방향-기반 정보를 결정하는 것, 및
    상기 제 2 방향-기반 정보로부터 제 2 거리 정보를 결정하는 것
    을 포함함 -을 포함하는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조된 조명 광파는, 주파수 변조 연속파(frequency modulated continuous wave; FMCW) 조명 광파를 제공하도록 튜닝가능한 주파수에서 피크를 포함하는 주파수 스펙트럼을 가지는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조된 조명 광파는 펄스형 신호인, 가간섭성 검출 관리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조된 조명 광파는 두 개의 파장의 광의 교번에 의해서 형성되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조된 조명 광파는 상이한 주파수 대역들을 커버하는 스펙트럼을 가지는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    (i) 상기 제 2 광학 소스 또는 포트와 상기 개별 광믹서 사이, 및
    (ii) 상기 개별 애퍼쳐와 상기 개별 광믹서 사이
    의 그룹 지연 내의 개별 차이는, 10 cm 미만의 광로 길이차에 해당하는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    (i) 상기 제 2 광학 소스 또는 포트와 상기 개별 광믹서 사이, 및
    (ii) 상기 개별 애퍼쳐와 상기 개별 광믹서 사이
    의 그룹 지연 내의 개별 차이는, 1 cm 미만의 광로 길이차에 해당하는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 방향-기반 정보 및 제 2 방향-기반 정보는,
    상기 가시 범위의 제 1 서브세트 및 제 2 서브세트 각각으로부터 도달하는 광의 제 1 세기 및 제 2 세기를 측정하도록 더 처리되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 방향-기반 정보 및 제 2 방향-기반 정보는,
    상기 가시 범위의 제 1 서브세트 및 제 2 서브세트 각각으로부터 도달하는 광을 반사하는 대상물들의 상대 속도를 측정하도록 더 처리되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 방향-기반 정보의 적어도 일부 및 상기 제 2 방향-기반 정보의 적어도 일부는 병렬적으로 결정되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명 광파는 전체 가시 범위를 동시에 조명하도록 제공되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명 광파는 상기 가시 범위의 상이한 부분을 시간에 걸쳐 스캔하도록 제공되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 애퍼쳐 어레이 내의 애퍼쳐들 중 하나 이상의 애퍼쳐는, 상기 조명 광파의 적어도 일부를 방출하도록 사용되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는,
    상기 애퍼쳐 어레이 내에 포함되지 않는 적어도 하나의 조명 애퍼쳐를 더 포함하고,
    상기 조명 애퍼쳐는 상기 조명 광파의 적어도 일부를 방출하도록 구성되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 애퍼쳐 어레이는 규칙적으로 이격된 직사각형 그리드 내에 배치된 애퍼쳐들을 가지는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 애퍼쳐 어레이는 규칙적으로 이격된 극성(polar) 그리드 내에 배치된 애퍼쳐들을 가지는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 애퍼쳐 어레이는 밀스 교차 구조로 배치된 애퍼쳐들을 가지는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 애퍼쳐 어레이는 의사-무작위 구조로 배치된 애퍼쳐들을 가지는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 애퍼쳐 어레이는 이미징 센서의 픽셀에 의하여 규정되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 개별 광믹서는, 상기 레퍼런스 광파의 90° 천이된 복제본의 사용을 통하여 동위상/직교위상(I-Q) 검출을 제공하도록 구성되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 개별 광믹서는, 멀티모드 간섭 커플러 내에서의 상기 레퍼런스 광파와의 간섭의 사용을 통하여 동위상/직교위상(I-Q) 검출을 제공하도록 구성되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 광믹서는,
    부분 투과층, 방향성 커플러, 에버네슨트(evanescent) 커플러, 멀티모드 간섭 커플러, 또는 격자 커플러
    중 적어도 하나를 통하여 구현되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 모듈은,
    상기 변조된 조명 광파의 변조 패턴에 적어도 부분적으로 기반하여 추정된, 상기 애퍼쳐 어레이 내의 애퍼쳐들 사이의 상대 위상에서의 오차를 보상하도록 구성되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 모듈은,
    미리 결정된 파면과 함께 획득된 교정 데이터에 적어도 부분적으로 기반하여 추정된, 상기 애퍼쳐 어레이 내의 애퍼쳐들 사이의 상대 위상에서의 오차를 보상하도록 구성되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 모듈은,
    상기 장치 및/또는 상기 장치의 환경에서의 온도 및/또는 온도 구배를 측정하는 센서를 사용하여 추정된, 상기 애퍼쳐 어레이 내의 애퍼쳐들 사이의 상대 위상에서의 오차를 보상하도록 구성되는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 모듈은 아날로그-디지털 변환 컴포넌트를 포함하는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 모듈은 데이터 직렬 변환기(serializer)를 포함하는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 모듈은 광섬유 링크를 통하여 출력된 데이터에 대한 전기-광학 트랜스듀서를 포함하는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 소스 또는 포트 및 상기 제 2 광학 소스 또는 포트는 단일 공통 광원으로부터의 광을 제공하는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광학 소스 또는 포트는, 상기 제 1 광학 소스 또는 포트로 공급된 광의 위상 변조에 의하여 광을 제공하는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  31. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 소스 또는 포트는 광 확산 요소를 통하여 상기 가시 범위를 조명하는, 가간섭성 검출 관리 장치.
  32. 다수의 애퍼쳐로부터의 가간섭성 검출을 관리하기 위한 방법으로서,
    제 1 광학 소스 또는 포트로부터, 가시 범위를 조명하는 변조된 조명 광파를 제공하는 단계;
    제 2 광학 소스 또는 포트로부터, 상기 변조된 조명 광파에 대한 규정된 위상 관계를 가지는 레퍼런스 광파를 제공하는 단계;
    하나 이상의 차원에 걸쳐서 배치된 복수 개의 애퍼쳐를 포함하는 애퍼쳐 어레이에서 상기 가시 범위의 적어도 일부에 걸친 기여분을 포함하는 광파면을 수신하는 단계 - 상기 애퍼쳐들 중 두 개 이상의 애퍼쳐들 각각은 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성되고, 상기 애퍼쳐 어레이 내의 적어도 두 개의 비-인접 애퍼쳐들은 상기 가시 범위의 동일한 부분으로부터의 기여분을 포함하는 상기 수신된 광파면의 개별 부분을 수신하도록 구성되며,
    상기 애퍼쳐들 중 두 개 이상의 애퍼쳐들 각각은 상기 수신된 광파면의 개별 부분을 개별 국부 발진기 광파와 가간섭적으로 간섭시키는 개별 광믹서에 커플링되고,
    각각의 개별 국부 발진기 광파는, 각각의 개별 애퍼쳐에 대하여,
    (i) 상기 제 2 광학 소스 또는 포트와 상기 개별 광믹서 사이, 및
    (ii) 상기 개별 애퍼쳐와 상기 개별 광믹서 사이
    의 그룹 지연 내의 개별 차이가 실질적으로 동일하도록 상기 레퍼런스 광파로부터 유도됨 -; 및
    처리 모듈에서, 상기 광믹서의 출력으로부터 검출된 전기 신호를 처리하는 단계 - 상기 처리하는 단계는,
    복수 개의 광믹서의 개별 광믹서에 대하여, 해당 광믹서의 적어도 하나의 출력으로부터 검출된 적어도 하나의 전기 신호로부터 위상 또는 진폭 정보 중 적어도 하나를 결정하는 것,
    상기 복수 개의 광믹서 중 적어도 두 개의 광믹서로부터 유도된 위상 또는 진폭 정보에 기반하여, 상기 가시 범위의 제 1 서브세트와 연관된 제 1 방향-기반 정보를 결정하는 것,
    상기 제 1 방향-기반 정보로부터 제 1 거리 정보를 결정하는 것,
    상기 복수 개의 광믹서 중 적어도 두 개의 광믹서로부터 유도된 위상 또는 진폭 정보에 기반하여, 상기 가시 범위의 제 2 서브세트와 연관된 제 2 방향-기반 정보를 결정하는 것, 및
    상기 제 2 방향-기반 정보로부터 제 2 거리 정보를 결정하는 것
    을 포함함 -를 포함하는, 가간섭성 검출 관리 방법.
  33. 삭제
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