KR102622132B1 - Lidar 시스템 내에서의 송신 및 수신 모드의 공간적 변위의 제공 - Google Patents
Lidar 시스템 내에서의 송신 및 수신 모드의 공간적 변위의 제공 Download PDFInfo
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Abstract
장치는 트랜시버와 하나 이상의 광학 기기를 포함한다. 트랜시버는 송신 모드에서 레이저 소스로부터 전송 신호를 전송하고 수신 모드에서 물체에 의해 반사된 리턴 신호를 수신하도록 구성된다. 하나 이상의 광학 기기는 전송 신호와 리턴 신호 사이의 거리를 광학적으로 변경하는 것에 의해 송신 모드와 수신 모드를 공간적으로 분리하도록 구성된다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
[0001] 본 출원은 전체 개시 내용이 본 명세서에 참조로서 포함되는 2019년 4월 22일자 출원된 미국 임시 출원 번호 제62/837,050호에 대한 이익 및 그 우선권을 주장한다.
[0002] 광학 검출 및 거리 측정(Light detection and ranging)을 위한, 종종 니모닉(mnemonic)인 LIDAR(라이다)로 참조되고, 때때로 레이저 RADAR라고도 불리는 레이저를 이용한 광학 거리 검출은 고도 측정으로부터, 이미징, 충돌 회피에 이르기까지 다양한 애플리케이션을 위해 사용된다. LIDAR는 RADAR(radio-wave detection and ranging)과 같은 종래의 마이크로파 거리 측정 시스템(microwave ranging system)보다 작은 빔 크기로 더 미세한 스케일 범위(scale range)의 해상도를 제공한다. 거리의 광학적 검출은 물체에 대한 광 펄스의 왕복 이동 시간(round trip travel time)에 초한 직접 거리 측정과 송신된 처프된(chirped) 광 신호와, 물체로부터 산란되어 리턴된 신호 사이의 주파수 차이를 기초로 한 처프 검출과, 자연 신호들로부터 구별될 수 있는 일련의 단일 주파수 위상 변화의 시퀀스에 기초한 위상 인코딩된 검출(phase-encoded detection)을 포함한 여러 가지 다른 기술들을 이용하여 수행될 수 있다.
[0003] 본 개시 내용의 구현예들은 개괄적으로 코히런트 LIDAR에서 송신 및 수신 모드들의 공간적 변위(spatial displacement)를 제공하기 위한 시스템 및 방법을 포함하지만 이에 제한되지 않는 LIDAR를 사용하여 거리의 광학적 검출을 제공하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
[0004] 제1 세트의 구현예들에서, 장치는 트랜시버 및 자유 공간 광학 기기를 포함한다. 트랜시버는 전송 경로를 따라 레이저 소스로부터 제1 신호를 전송하고 타겟에 의해 반사된 제2 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 자유 공간 광학 기기는 제2 신호가 전송 경로에서 수신되지 않도록 수신 경로를 따라 제2 신호를 지향하도록 구성될 수 있다. 트랜시버는 단일 모드 도파관을 포함하는 모노스태틱 트랜시버(monostatic transceiver)일 수 있다. 자유 공간 광학 기기는 레이저 소스와 단일 모드 도파관 사이에 위치될 수 있다. 일부 구현예들에서, 자유 공간 광학 기기는 광 서큘레이터, 광 아이솔레이터, 편광 빔 스플리터/결합기, 또는 광섬유 결합된 광 서큘레이터 중 하나이다. 일부 구현예들에서, 자유 공간 광학 기기는 광 아이솔레이터 또는 편광 빔 스플리터/결합기 중 하나이다. 자유 공간 광학 기기는 제1 편광으로 전송 경로로부터의 제1 신호를 편광시키고, 제1 편광에 직교하는 제2 편광으로 제2 신호를 편광시키도록 구성될 수 있다. 일부 구현예들에서, 자유 공간 광학 기기는 전송 경로에 연결된 제1 포트, 단일 모드 도파관의 끝단에 연결된 제2 포트, 및 수신 경로에 연결된 제3 포트를 포함하는 광섬유 결합된 광 서큘레이터일 수 있다. 자유 공간 광학 기기는 제1 포트로부터 제2 포트 방향으로 신호의 이동을 허용하고, 제2 포트로부터 제1 포트로의 신호의 이동을 허용하지 않도록 구성될 수 있다. 자유 공간 광학 기기는 제2 포트로부터 제3 포트 방향으로 신호의 이동을 허용하고, 제3 포트로부터 제2 포트로의 신호의 이동을 허용하지 않도록 구성될 수 있다. 일부 구현예들에서, 장치는 단일 모드 도파관과 타겟 사이에 위치된 콜리메이팅 광학 기기를 더 포함할 수 있다. 콜리메이팅 광학 기기는 단일 모드 도파관으로부터 전송된 제1 신호를 콜리메이트하고, 제2 신호를 단일 모드 도파관의 끝단에 포커싱키도록 구성될 수 있다.
[0005] 제2 세트의 구현예들에서, 장치는 트랜시버 및 자유 공간 광학 기기를 포함한다. 트랜시버는 송신 모드에서 레이저 소스로부터 제1 신호를 전송하고, 수신 모드에서 타겟에 의해 반사된 제2 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 자유 공간 광학 기기는 제1 신호와 제2 신호 사이의 거리를 광학적으로 변경함으로써 송신 모드와 수신 모드를 공간적으로 분리하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예들에서, 트랜시버는 송신 도파관 및 수신 도파관을 포함하는 바이스태틱 트랜시버(bistatic transceiver)일 수 있다. 자유 공간 광학 기기는 바이스태틱 트랜시버와 타겟 사이에 위치될 수 있다. 일부 구현예들에서, 자유 공간 광학 기기는 제1 신호와 제2 신호 중 하나의 신호를 제1 신호와 제2 신호 중 하나의 신호의 방향에 직교하는 방향으로 변위시키도록 구성된 복굴절 디스플레이서(birefringent displacer)일 수 있다. 일부 구현예들에서, 장치는 송신 도파관으로부터 전송된 제1 신호를 성형(shape)하고 타겟에 의해 반사된 제2 신호를 성형하도록 구성된 콜리메이팅 광학 기기를 더 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 장치는 제1 신호와 제2 신호의 직교 필드 성분들 사이의 상대 위상을 조정하도록 구성된 편광 변환 광학 기기를 더 포함할 수 있다. 복굴절 디스플레이서 및 편광 변환 광학 기기는 바이스태틱 트랜시버와 콜리메이팅 광학 기기 사이에 위치될 수 있다. 일부 구현예들에서, 수신 도파관은 송신 도파관으로부터 간격만큼 이격될 수 있다. 복굴절 디스플레이서는 제1 신호와 제2 신호 중 하나의 신호를 제1 신호와 제2 신호 중 하나의 신호의 방향과 직교하는 거리만큼 변위시키도록 구성될 수 있다. 거리는 간격에 기초할 수 있다. 일부 구현예들에서, 복굴절 디스플레이서는 장치의 종축을 따른 치수를 가질 수 있으며, 치수는 거리가 간격과 거의 동일하도록 크기가 형성된다. 일부 구현예들에서, 복굴절 디스플레이서는 제1 신호가 변위되지 않도록 하고 변위된 제2 신호가 수신 도파관에 입사하도록 제2 신호가 간격에 기초하여 변위되게 하도록 구성될 수 있다.
[0006] 제3 세트의 구현예들에서, 방법은 레이저 소스로부터 트랜시버의 송신 도파관으로부터의 제1 신호를 전송하는 단계를 포함한다. 방법은 트랜시버의 수신 도파관에 의해 타겟에 의해 반사된 제2 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 복굴절 디스플레이서에 의해, 제1 신호와 제2 신호 중 하나의 신호를 제1 신호와 제2 신호 중 하나의 신호의 방향과 직교하는 방향으로 변위시키는 단계를 포함할 수 있다. 복굴절 디스플레이서는 트랜시버와 타겟 사이에 위치될 수 있다. 수신 도파관은 송신 도파관으로부터 간격만큼 이격될 수 있다. 변위는 제1 신호와 제2 신호 중 하나의 신호를 제1 신호와 제2 신호 중 하나의 신호의 방향과 직교하는 거리만큼 변위시키는 것을 포함할 수 있으며, 거리는 간격에 기초한다. 수신 도파관은 송신 도파관으로부터 간격만큼 이격될 수 있다. 변위는 제1 신호를 제1 신호의 방향과 직교하는 방향으로 변위시키지 않고, 복굴절 디스플레이서에 의해 제2 신호를 변위된 제2 신호가 수신 도파관에 입사하도록 간격에 기초한 제2 신호의 방향과 직교하는 방향으로 변위시키는 것을 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 방법은 편광 변환 광학 기기에 의해 제1 신호와 제2 신호의 직교 필드 성분들 사이의 상대 위상을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 콜리메이팅 광학 가기에 의해 송신 도파관으로부터 전송된 제1 신호 및 타겟으로부터 반사된 제2 신호를 성형하는 단계를 포함할 수 있다. 복굴절 디스플레이서 및 편광 변환 광학 기기는 트랜시버와 콜리메이팅 광학 기기 사이에 위치될 수 있다. 일부 구현예들에서, 조정 단계는 편광 변환 광학 기기에 의해 제1 신호의 제1 선형 편광을 제1 방향의 제1 원형 편광으로 조정하고, 편광 변환 광학 기기에 의해 타겟에 의해 반사된 제2 신호의 제2 원형 편광을 제1 선형 편광에 직교하는 제2 선형 편광으로 조정하는 것을 포함하고, 제2 원형 편광은 제1 방향과 반대인 제2 방향을 가질 수 있다. 일부 구현예들에서, 변위는 복굴절 디스플레이서 중의 제1 복굴절 디스플레이서에 의해 제1 신호의 제1 성분을 변위시키되, 제1 성분의 제1 선형 편광을 기초로 변위시키고, 제1 신호의 제2 성분을 변위시키지 않되, 제1 선형 편광에 직교하는 제2 성분의 제2 선형 편광을 기초로 변위시키지 않는 것을 포함할 수 있다. 조정은 편광 변환 광학 기기에 의해 제1 성분의 제1 선형 편광을 제2 선형 편광으로 회전시키고, 제2 성분의 제2 선형 편광을 제1 선형 편광으로 회전시키는 것을 포함할 수 있다. 변위는 복굴절 디스플레이서 중의 제2 복굴절 디스플레이서에 의해 편광 변환 광학 기기로부터 입사하는 제1 신호의 제2 성분을 변위시키되, 제2 성분의 제1 선형 편광을 기초로 변위시키고, 제1 신호의 제1 성분을 변위시키지 않되, 제1 성분의 제2 선형 편광을 기초로 변위시키지 않는 것을 포함할 수 있다.
[0007] 또 다른 양태들, 특징들 및 장점들은 본 개시 내용을 수행하기 위해 고려되는 최상의 모드를 포함하는 다수의 특정 실시예들 및 구현예들을 단순히 예시하는 아래의 상세한 설명으로부터 쉽게 알 수 있다.. 다른 구현예들은 또한 다른 및 상이한 특징들 및 장점들을 가질 수 있고, 이들의 여러 세부 사항은 본 개시 내용의 취지 및 범위를 모두 벗어나지 않고 다양한 자명한 측면에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면들 및 설명은 제한적인 것이 아니며 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
[0008] 첨부 도면에서 구현예들은 제한적인 방식이 아니라 예시적인 방식으로 예시되며, 유사한 참조 번호가 유사한 요소를 지칭한다.
[0009] 도 1a는, 일 구현예에 따라, 일련의 이진수(binary digit)의 예시적인 송신된 신호를 거리의 측정을 위해 리턴된 광 신호들과 함께 도시하는 개략적인 그래프이고;
[0010] 도 1b는, 일 구현예에 따라, 기준 신호의 예시적인 스펙트럼과 도플러 시프트된 리턴 신호(Doppler shifted return signal)의 예시적인 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프이고;
[0011] 도 1c는, 일 구현예에 따라, 도플러 시프트된 리턴 신호의 위상 성분의 예시적인 교차-스펙트럼(cross-spectrum)을 도시하는 개략적인 그래프이고;
[0012] 도 1d는, 일 구현예에 따라, 예시적인 광 처프(optical chirp) 거리 측정을 도시하는 일련의 그래프이고;
[0013] 도 1e는 대칭 LO 신호를 사용하는 그래프로서, 일 구현예에 따라, 도플러 시프트가 없을 때 리턴 신호를 주파수-시간 플롯(frequency time plot)에서 점선으로 나타내고;
[0014] 도 1f는 대칭 LO 신호를 사용하는 도 1e와 유사한 그래프로서, 일 구현예에 따라, 0이 아닌 도플러 시프트가 있을 때 리턴 신호를 주파수-시간 플롯에서 점선으로 나타내고;
[0015] 도 2a는, 일 구현예에 따라, 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이고;
[0016] 도 2b는, 일부 구현예에 사용되는, 고해상도 도플러 시스템을 위한 톱니형(saw tooth) 스캔 패턴을 도시하는 블록도이고;
[0017] 도 2c는, 일 구현예에 따라, 고해상도 도플러 LIDAR 시스템에 의해 생성된 예시적인 속도 포인트 클라우드(speed point cloud)를 도시하는 이미지이고;
[0018] 도 2d는, 일 구현예에 따라, 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이고;
[0019] 도 2e는, 일 구현예에 따라, 바이스태틱(bistatic) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 측면도를 도시하는 블록도이고;
[0020] 도 2f는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0021] 도 2g는, 일 구현예에 따라, 노모스태틱(monostatic) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 측면도를 도시하는 블록도이고;
[0022] 도 2h는, 일 구현예에 따라, 모노스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0023] 도 2i는, 일 구현예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0024] 도 2j는, 일 구현예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0025] 도 2k는, 일 구현예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0026] 도 2l은, 일 구현예에 따라, 도 2i의 LIDAR 시스템의 바이스태틱 트랜시버(bistatic transceiver)의 정면도를 도시하는 블록도이고;
[0027] 도 2m은, 일 구현예에 따라, 도 2i의 LIDAR 시스템의 바이스태틱 트랜시버의 정면도를 도시하는 블록도이고;
[0028] 도 2n은, 일 구현예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0029] 도 2o는, 일 구현예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0030] 도 3a는, 일 구현예에 따라, 차량에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이고;
[0031] 도 3b는, 일 구현예에 따라, 차량에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이고;
[0032] 도 3c는, 일 구현예에 따라, 도 3b의 LIDAR 시스템으로부터 다중 각도로 전송된 빔의 예들을 나타낸 블록도이고;
[0033] 도 3d는, 일 구현예에 따라, 차량에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 예시적인 시스템을 나타낸 블록도이고;
[0034] 도 4a는, 일 구현예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템에서 송신된 신호에 대한 예시적인 신호대잡음비(SNR) 대 타겟 거리를 나타낸 그래프이고;
[0035] 도 4b는, 일 구현예에 따라, 원거리(far field)에서 도 4a의 SNR 곡선의 형상을 구동하는 1/r 제곱 손실을 나타내는 곡선의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0036] 도 4c는, 일 구현예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템에서 송신된 신호에 대한 콜리메이트된 빔 직경 대 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0037] 도 4d는, 일 구현예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템에서 송신된 신호에 대한 수집 효율과 연관된 SNR 대 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0038] 도 4e는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 타겟 거리 및 스캔 속도에 대한 빔 이탈(walkoff)의 일례를 나타낸 이미지이고;
[0039] 도 4f는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 스캔 레이트(scan rate)에 대한 커플링 효율 대 타겟 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0040] 도 4g는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 스캔 레이트에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0041] 도 4h는, 일 구현예에 따라, 이동하는 차량에 장착된 도 2e의 시스템에서 빔의 통상적인 스캔 궤적의 예를 나타낸 그래프이고;
[0042] 도 4i는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 인테그레이션 시간(integration time)에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0043] 도 4j는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 측정 속도(measurement rate) 대 타겟 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0044] 도 4k는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 간격 값들에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시한 그래프이고;
[0045] 도 4l은, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 SNR 값들에 대한 간격 대 타겟 거리의 일례를 나타내는 그래프이고;
[0046] 도 4m은, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 간격 값들에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0047] 도 4n은, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 SNR 값들에 대한 간격 대 타겟 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0048] 도 4o는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 최소 임계값 SNR을 갖는 다양한 타겟 거리 값들에 대한 간격 대 스캔 속도의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0049] 도 5는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다중 각도 범위들에 걸쳐 시간에 따른 수직 각도의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0050] 도 6a는, 일 구현예에 따라, LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 예시적인 방법을 나타낸 순서도이고;
[0051] 도 6b는, 일 구현예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템 내의 송신 및 수신 모듈들의 공간적 변위를 위한 예시적인 방법을 나타낸 순서도이고;
[0052] 도 7은 본 개시 내용의 일 실시예가 구현될 수 있는 컴퓨터 시스템을 도시하는 블록도이고;
[0053] 도 8은 본 개시 내용의 일 실시예가 구현될 수 있는 칩셋(chip set)을 예시한다.
[0009] 도 1a는, 일 구현예에 따라, 일련의 이진수(binary digit)의 예시적인 송신된 신호를 거리의 측정을 위해 리턴된 광 신호들과 함께 도시하는 개략적인 그래프이고;
[0010] 도 1b는, 일 구현예에 따라, 기준 신호의 예시적인 스펙트럼과 도플러 시프트된 리턴 신호(Doppler shifted return signal)의 예시적인 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프이고;
[0011] 도 1c는, 일 구현예에 따라, 도플러 시프트된 리턴 신호의 위상 성분의 예시적인 교차-스펙트럼(cross-spectrum)을 도시하는 개략적인 그래프이고;
[0012] 도 1d는, 일 구현예에 따라, 예시적인 광 처프(optical chirp) 거리 측정을 도시하는 일련의 그래프이고;
[0013] 도 1e는 대칭 LO 신호를 사용하는 그래프로서, 일 구현예에 따라, 도플러 시프트가 없을 때 리턴 신호를 주파수-시간 플롯(frequency time plot)에서 점선으로 나타내고;
[0014] 도 1f는 대칭 LO 신호를 사용하는 도 1e와 유사한 그래프로서, 일 구현예에 따라, 0이 아닌 도플러 시프트가 있을 때 리턴 신호를 주파수-시간 플롯에서 점선으로 나타내고;
[0015] 도 2a는, 일 구현예에 따라, 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이고;
[0016] 도 2b는, 일부 구현예에 사용되는, 고해상도 도플러 시스템을 위한 톱니형(saw tooth) 스캔 패턴을 도시하는 블록도이고;
[0017] 도 2c는, 일 구현예에 따라, 고해상도 도플러 LIDAR 시스템에 의해 생성된 예시적인 속도 포인트 클라우드(speed point cloud)를 도시하는 이미지이고;
[0018] 도 2d는, 일 구현예에 따라, 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이고;
[0019] 도 2e는, 일 구현예에 따라, 바이스태틱(bistatic) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 측면도를 도시하는 블록도이고;
[0020] 도 2f는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0021] 도 2g는, 일 구현예에 따라, 노모스태틱(monostatic) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 측면도를 도시하는 블록도이고;
[0022] 도 2h는, 일 구현예에 따라, 모노스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0023] 도 2i는, 일 구현예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0024] 도 2j는, 일 구현예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0025] 도 2k는, 일 구현예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0026] 도 2l은, 일 구현예에 따라, 도 2i의 LIDAR 시스템의 바이스태틱 트랜시버(bistatic transceiver)의 정면도를 도시하는 블록도이고;
[0027] 도 2m은, 일 구현예에 따라, 도 2i의 LIDAR 시스템의 바이스태틱 트랜시버의 정면도를 도시하는 블록도이고;
[0028] 도 2n은, 일 구현예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0029] 도 2o는, 일 구현예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이고;
[0030] 도 3a는, 일 구현예에 따라, 차량에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이고;
[0031] 도 3b는, 일 구현예에 따라, 차량에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이고;
[0032] 도 3c는, 일 구현예에 따라, 도 3b의 LIDAR 시스템으로부터 다중 각도로 전송된 빔의 예들을 나타낸 블록도이고;
[0033] 도 3d는, 일 구현예에 따라, 차량에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 예시적인 시스템을 나타낸 블록도이고;
[0034] 도 4a는, 일 구현예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템에서 송신된 신호에 대한 예시적인 신호대잡음비(SNR) 대 타겟 거리를 나타낸 그래프이고;
[0035] 도 4b는, 일 구현예에 따라, 원거리(far field)에서 도 4a의 SNR 곡선의 형상을 구동하는 1/r 제곱 손실을 나타내는 곡선의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0036] 도 4c는, 일 구현예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템에서 송신된 신호에 대한 콜리메이트된 빔 직경 대 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0037] 도 4d는, 일 구현예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템에서 송신된 신호에 대한 수집 효율과 연관된 SNR 대 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0038] 도 4e는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 타겟 거리 및 스캔 속도에 대한 빔 이탈(walkoff)의 일례를 나타낸 이미지이고;
[0039] 도 4f는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 스캔 레이트(scan rate)에 대한 커플링 효율 대 타겟 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0040] 도 4g는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 스캔 레이트에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0041] 도 4h는, 일 구현예에 따라, 이동하는 차량에 장착된 도 2e의 시스템에서 빔의 통상적인 스캔 궤적의 예를 나타낸 그래프이고;
[0042] 도 4i는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 인테그레이션 시간(integration time)에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0043] 도 4j는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 측정 속도(measurement rate) 대 타겟 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0044] 도 4k는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 간격 값들에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시한 그래프이고;
[0045] 도 4l은, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 SNR 값들에 대한 간격 대 타겟 거리의 일례를 나타내는 그래프이고;
[0046] 도 4m은, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 간격 값들에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0047] 도 4n은, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다양한 SNR 값들에 대한 간격 대 타겟 거리의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0048] 도 4o는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 최소 임계값 SNR을 갖는 다양한 타겟 거리 값들에 대한 간격 대 스캔 속도의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0049] 도 5는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템에서 다중 각도 범위들에 걸쳐 시간에 따른 수직 각도의 일례를 나타낸 그래프이고;
[0050] 도 6a는, 일 구현예에 따라, LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 예시적인 방법을 나타낸 순서도이고;
[0051] 도 6b는, 일 구현예에 따라, 바이스태틱 LIDAR 시스템 내의 송신 및 수신 모듈들의 공간적 변위를 위한 예시적인 방법을 나타낸 순서도이고;
[0052] 도 7은 본 개시 내용의 일 실시예가 구현될 수 있는 컴퓨터 시스템을 도시하는 블록도이고;
[0053] 도 8은 본 개시 내용의 일 실시예가 구현될 수 있는 칩셋(chip set)을 예시한다.
[0054] 본 개시 내용의 구현예들은 일반적으로 코히런트 LIDAR 내에서 송신 및 수신 모드들의 공간적 변위(spatial displacement)를 제공하기 위한 시스템 및 방법을 포함하지만 이에 제한되지 않는 LIDAR를 사용하여 거리의 광학적 검출을 제공하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
[0055] 허용 가능한 거리 정밀도 및 검출 감도를 달성하기 위해, 다이렉트 장거리 LIDAR 시스템들은 펄스 반복률이 낮고 펄스 피크 전력이 매우 높은 단펄스(short pulse) 레이저들을 사용한다. 높은 펄스 전력은 광학 부품의 급속한 열화로 이어질 수 있다. 처프 및 위상 인코딩된(chirped and phase-encoded) LIDAR 시스템들은 상대적으로 피크 광 전력이 낮은 긴 광 펄스들을 사용한다. 이 구성에서, 거리 정밀도는 펄스 지속 시간보다 위상 코드들의 대역폭 및 처프 대역폭 또는 길이에 따라 증가하므로 여전히 우수한 거리 정밀도가 얻어질 수 있다.
[0056] 광 반송파를 변조하기 위해 광대역 무선 주파수(RF) 전기 신호들을 사용하여 유용한 광 대역폭이 달성되었다. LIDAR의 최근 발전은 동일한 변조된 광 반송파를 기준 신호로 사용하는 것을 포함하며, 기준 신호는 광 검출기에서 리턴된 신호와 결합되어 결과적인 전기 신호에서 기준 신호들과 리턴된 광 신호들 사이의 주파수 또는 위상 차이에 비례하는 RF 대역의 상대적으로 낮은 비트 주파수를 생성한다. 검출기에서의 주파수 차이에 대한 이러한 종류의 비트 주파수 검출을 헤테로다인 검출(heterodyne detection)이라고 한다. 이것은 준비되고 저렴한 가용성의 RF 부품들을 사용하는 장점들과 같은 몇 가지 장점들을 가진다.
[0057] 본 발명자들의 최근 연구는 개선된 거리뿐만 아니라 LIDAR 시스템과 각각의 외부 물체 사이의 벡터에 대한 상대적인 부호의 속도를 제공하는 리턴된 신호들의 도플러 시프트들을 검출하기 위한 광학 부품들의 새로운 배열 및 간섭성 처리를 보여준다. 이들 시스템들을 여기에서는 고해상도 거리 도플러 LIDAR라 불린다. 이들 개선 사항들은 목표 속도의 유무에 관계없이 적절한 주파수 또는 위상 콘텐츠의 펜슬형의 얇은 레이저 빔에 거리를 제공할 수 있다. 이러한 빔들이 장면(scene)을 스윕하면(swept), 주변 물체의 위치와 속도에 대한 정보가 획득될 수 있다. 이 정보는 자율주행 또는 운전자 보조 차량과 같은 자율주행 차량의 제어 시스템에서 가치가 있을 것으로 기대된다.
[0058] 더욱이, 본 개시 내용의 발명자들은 모노스태틱 트랜시버(monostatic transceiver)를 사용하는 것을 포함하는 종래의 LIDAR 시스템이 콜리메이팅 광학 기기의 초점면에서 단일 모드(SM) 광섬유의 정렬을 포함한다는 것을 주목하였다. 이러한 배열은 송신 및 수신 광이 동일한 광 경로를 따르기 때문에 자체 정렬의 장점을 가지지만, 본 개시 내용의 발명자들은 또한 송신 및 수신 모드들의 분리가 일부 순환 수단을 통해 SM 광섬유 내에서 이루어져야 한다는 것을 인식하였다. 본 개시 내용의 발명자들은 또한 바이스태틱 트랜시버(bistatic transceiver)를 사용하는 종래의 LIDAR 시스템이 송신 모드와 수신 모드를 공간적으로 분리하기 위한 수단을 제공하지 않는다는 것을 인식하였다. 이 결핍의 한 가지 단점은 그러한 종래의 LIDAR 시스템 내의 바이스태틱 트랜시버의 각각의 송신 및 수신 도파관들과 송신 및 수신 모드의 필요한 정렬이 매우 어렵다는 것이다.
[0059] 이 문제를 해결하기 위해, 본 개시 내용의 일부 구현예는 송신 및 수신 모드들을 공간적으로 분리하기 위해 트랜시버(예를 들어, 바이스태틱 트랜시버)의 송신 및 수신 도파관들 외부에 위치된 자유 공간 광학 부품들(자유 공간 광학 기기)을 제공한다. 이 구성은 트랜시버(예, 바이스태틱 트랜시버) 내의 각각의 송수신 도파관들과 송신 및 수신 모드들을 쉽게 정렬할 수 있는 장점을 제공할 수 있다. 여기서, "자유 공간 광학 기기"라는 용어는 통신 또는 컴퓨터 네트워킹을 위해 데이터를 무선 송신하기 위해 자유 공간(예, 공기, 우주 공간, 진공 등)에서 전파되는 광을 사용하는 광학 부품 또는 장치를 의미한다.
[0060] 일부 구현예들에서, 장치는 트랜시버(예를 들어, 모노스태틱 트랜시버) 및 자유 공간 광학 기기를 포함한다. 트랜시버는 송신 경로를 따라 레이저 소스로부터 제1 신호를 송신하고 타겟에 의해 반사된 제2 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 자유 공간 광학 기기는 제2 신호가 송신 경로에서 수신되지 않도록 수신 경로를 따라 제2 신호를 지향하도록 구성될 수 있다. 이 구성은 트랜시버(예, 모노스태틱 트랜시버) 내에서 오직 송신 경로로부터 송신 빔을 송신하고 오직 수신 경로에서 리턴 빔을 수신하여 송신 및 수신 모드들이 트랜시버 내에서 분리되는 장점들을 제공할 수 있다.
[0061] 이하, LIDAR 시스템의 스캐닝을 위한 방법, 장치, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능 매체를 설명한다. 아래의 설명에서, 설명의 목적으로, 본 개시 내용의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 상세가 제시된다. 그러나, 본 개시 내용은 이들 특정 상세 없이 실시될 수 있음이 당업자에게 분명할 것이다. 다른 경우에, 본 개시 내용이 불필요하게 모호해 지는 것을 피하기 위해 널리 알려진 구조 및 장치들이 블록도 형태로 예시된다.
[0062] 본 개시 내용의 일부 구현예들은 고해상도 LIDAR 시스템의 측면에서 아래에서 설명된다. 본 개시 내용의 일 구현예는 고해상도 바이스태틱 LIDAR 시스템의 측면에서 설명된다. 본 개시 내용의 다른 구현예들은 자가용 자동차의 전방에 장착된 단일 고해상도 도플러 LIDAR 시스템의 측면에서 설명되지만; 구현예들은 이러한 측면에 한정되지 않는다. 다른 구현예들에서, 중첩하거나 중첩하지 않는 시야를 갖고, 도플러 컴포넌트들을 가지거나 가지지 않은 동일한 유형 또는 다른 고해상도 LIDAR의 하나 또는 다수의 시스템 또는 파일럿되거나 자율적인 더 작거나 더 큰 지상, 해상, 공중 또는 우주 운송 수단에 장착된 하나 이상의 이러한 시스템이 사용된다. 정적-지상 기반의(static-land based) LIDAR-스캐닝은 또한 아래에 설명된 개시 내용의 구현예들에도 적용 가능하다.
[0063] 이 설명의 목적상, "바이스태틱 LIDAR 시스템"은 타겟에 있는 송신 도파관으로부터 빔을 송신하고 하나 이상의 수신 도파관들에서 타겟으로부터 반사된 하나 이상의 리턴 빔들을 수신하기 위해 바이스태틱 트랜시버를 사용하는 LIDAR 시스템을 의미한다. 추가로, 이 설명의 목적상, "바이스태틱 트랜시버"는 적어도 하나의 송신 도파관 및 적어도 하나의 수신 도파관을 포함하는 도파관 어레이를 의미한다. 일부 구현예들에서, 바이스태틱 트랜시버는 하나 이상의 도파관 쌍이며, 여기서 도파관의 각 쌍은 하나의 송신 도파관 및 하나의 수신 도파관이다. 다른 구현예들에서, 바이스태틱 트랜시버는 하나의 송신 도파관, 제1 간격만큼 도파관의 제1 측면으로부터 이격된 제1 수신 도파관 및 제2 간격만큼 송신 도파관의 제2 측면으로부터 이격된 제2 수신 도파관을 각각 포함하는 하나 이상의 그룹의 도파관들이다. 또 다른 구현예들에서, 바이스태틱 트랜시버의 도파관은 1차원 어레이 또는 2차원 어레이의 도파관들로 배열된다.
1. 위상 인코딩(phase-encoded) 검출 개요
[0064] 거리 측정을 위한 광 위상 인코딩 신호를 이용하면, 송신된 신호는 송신된 신호의 일부에 대한 반송파(carrier)와 동 위상(in phase)이고(위상 = 0), 그 다음, 짧은 시간 간격 동안 심벌 Δ 에 의해 표현되는 하나 이상의 위상 변화만큼 변동하고(따라서, 위상 = Δ ), 송신된 신호에 대하여 반복적으로 2 이상의 위상 값 사이에서 전후로 스위칭한다. 일정한 위상의 가장 짧은 간격은 펄스 지속 시간(τ)으로 불리는 인코딩의 파라미터이고, 통상적으로 대역에서 가장 낮은 주파수의 다수의 주기들의 지속 시간이다. 역(1/τ)은 보드 레이트(baud rate)이고, 각각의 보드는 심벌을 나타낸다. 송신된 신호의 시간 동안의 이러한 일정한 위상 펄스의 개수(N)는 심벌의 개수(N)이고 인코딩의 길이를 나타낸다. 이진(binary) 인코딩에서, 2개의 위상 값이 있고, 가장 짧은 간격의 위상이 하나의 값에 대하여 0으로 간주될 수 있고 다른 것에 대하여 1로 간주될 수 있으며, 따라서 심벌은 1 비트(bit)이고, 보드 레이트 역시 비트 레이트(bit rate)로 불린다. 다중(multiple) 위상 인코딩에서, 다수의 위상 값이 존재한다. 예를 들어, Δ *{0, 1, 2 및 3}과 같은 4개의 위상 값은 Δ = π/2(90도)에 대하여 {0, π/2, π 및 3π/2}와 각각 동일하고; 따라서 4개의 위상 값은 각각 0, 1, 2, 3을 나타낼 수 있다. 이 예에서, 각각의 심벌은 2 비트이고, 비트 레이트는 보드 레이트의 2배이다.
[0065] 위상 시프트 변조(Phase-Shift Keying, PSK)는 기준 신호(반송파)의 위상을 변경(변조)시킴으로써 데이터를 전달하는 디지털 변조 방식을 의미한다. 변조는 정확한 시간에 사인 입력과 코사인 입력을 변화시킴으로써 각인된다. 무선 주파수(RF)에서, PSK는 무선 근거리 통신망(LAN), 무선 주파수 인식(RFID) 및 블루투스 통신을 위해 광범위하게 사용된다. 대안적으로, 일정한 기준파(reference wave)에 대해서 동작하는 대신에, 송신은 자기 자신에 대해서 동작할 수 있다. 단일의 송신된 파형의 위상 변화는 심벌로 간주될 수 있다. 이 시스템에서, 복조기는(기준파에 대한) 위상 그 자체가 아닌, 수신 신호의 위상 변화를 결정한다. 이 방식이 연속하는 위상들 사이의 차이에 의존하기 때문에, 이것은 차동 위상 시프트 변조(Differential Phase-Shift Keying, DPSK)라 불린다. 복조기가 수신 신호의 정확한 위상을 결정하기 위하여 기준 신호의 사본을 가질 필요가 없기 때문에, DPSK는 통신 애플리케이션에서 보통의 PSK보다 상당히 더 간단하게 구현될 수 있다(따라서, 그것은 논-코히런트(non-coherent), 즉 비동기 방식이다).
[0066] 송신기 및 수신기가 동일한 장치 내에 있기 때문에, 광 거리 측정 애플리케이션에, 코히런트 PSK가 사용될 수 있다. 반송파 주파수(carrier frequency)는 광 주파수(fc)이고 RF(fo)는 광 반송파(optical carrier)로 변조된다. 심벌의 개수(N)와 지속 시간(τ)은 요구되는 거리 정밀도와 해상도를 달성하기 위하여 선택된다. 심벌들의 패턴은 노이즈와 코드화된 신호들의 다른 소스로부터 구별 가능하도록 선택된다. 따라서, 송신된 신호와 리턴된 신호 사이의 강한 상관 관계는 반사되거나 후방 산란된(backscattered) 신호의 강한 표시이다. 송신된 신호는 하나 이상의 심벌 블록으로 구성되고, 각각의 블록은 노이즈가 존재하는 경우에서도 반사되거나 후방 산란된 리턴과의 강한 상관 관계를 제공할 만큼 충분히 길다. 다음의 설명에서, 송신된 신호는 블록 당 N개 심볼의 M개 블록으로 구성되고, M과 N은 음이 아닌 정수인 것으로 가정한다.
[0067] 도 1a는, 일 구현예에 따라, 일련의 이진수(binary digit)로서 예시적인 송신된 신호를 거리의 측정을 위하여 리턴된 광 신호들과 함께 도시하는 개략적인 그래프(120)이다. 수평 축(122)은 0(zero)에서의 시작 시간 후의 시간을 임의 단위(arbitrary unit)로 나타낸다. 수직 축(124a)은 송신된 광 신호의 진폭을 0에 관한 주파수(fc+f0)의 임의 단위로 나타낸다. 수직 축(124b)은 리턴된 광 신호의 진폭을 0에 관한 주파수(fc+f0)의 임의 단위로 나타내고; 트레이스들을 분리하기 위하여 축(124a)으로부터 오프셋된다. 트레이스(125)는 00011010으로부터 시작하여 생략 부호로 표시된 바와 같이 계속하는 코드를 생성하기 위하여 도 1a에 도시된 바와 같은 위상 변화를 갖는 M*N 이진 심벌의 송신된 신호를 나타낸다. 트레이스(126)는 움직이고 있지 않는 물체로부터 산란된 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호를 나타낸다(따라서, 리턴은 도플러 시프트되지 않는다). 진폭은 감소되지만, 코드(00011010)는 인식 가능하다. 트레이스(127)는 움직이고 있는 물체로부터 산란됨으로써, 도플러 시프트된 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호를 나타낸다. 리턴은 적절한 광 주파수(fc+fo)에 있지 않고, 예상된 주파수 대역 내에서 잘 검출되지 않으며, 따라서 진폭이 줄어든다.
[0068] 리턴의 관찰된 주파수(f')는 수학식 1에 의해 주어진 도플러 효과에 의한 리턴의 정확한 주파수(f = fc+f0)와 상이하다.
[수학식 1]
여기서, c는 매질 내의 빛의 속도이고, v0는 관찰자의 속도이고, vs는 소스와 수신기를 연결하는 벡터에 따른 소스의 속도이다. 관찰자와 소스가 둘 사이의 벡터 상에서 동일한 방향으로 동일한 속도로 움직이고 있으면, 2개의 주파수는 동일하다는 것에 주목하라. 2개의 주파수 사이의 차이(Δf = f'-f)는 거리 측정에 대하여 문제점을 야기하는 도플러 시프트(ΔfD)이고, 수학식 2에 의해 주어진다.
[수학식 2]
오차의 크기는 신호의 주파수(f)에 따라 증가한다는 것에 주목하라. 또한, 정지된 LIDAR 시스템(v0 = 0)의 경우, 초당 10 미터(v0 = 10)로 이동하는 물체와 대략 500 THz의 주파수를 갖는 가시 광선에 대한 도플러 시프트의 크기는 대략 16 메가헤르츠(MHz, 1MHz = 106 헤르츠(Hz), 1 Hz = 초당 1 사이클)인 것에 주목하라. 아래에 설명되는 다양한 구현예들에서, 거리 계산을 위한 데이터를 처리하기 위해 도플러 시프트 오차가 검출되어 사용된다.
[0069] 위상 코드화된 거리 측정(phase coded ranging)에서, 위상 코드화된 반사의 도달은, 송신된 신호 또는 다른 기준 신호를, RF 신호를 위한 코드를 헤테로다인(heterodyne) 검출을 이용하는 광 검출기(optical detector)로부터의 전기 신호와 교차 상관시키고 RF 대역으로 되돌리는 다운 믹싱(down-mixing)을 행하는 것에 의해 실질적으로 구현될 수 있는 리턴된 신호와 교차 상관(cross-correlations)시킴으로써 리턴에서 검출된다. 임의의 하나의 래그(lag)를 위한 교차 상관은 2개의 트레이스를 컨벌루션 처리(convolving)함으로써, 즉 2개의 트레이스 내 대응하는 값들을 곱하고 트레이스 내의 모든 점(point)에 대하여 합산한 후, 각각의 타임 래그(time lag)마다 반복함으로써 계산될 수 있다. 대안적으로, 교차 상관은 2개의 트레이스 각각의 푸리에 변환을 곱한 후 역방향 푸리에 변환(inverse Fourier transform)함으로써 달성될 수 있다. 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform: FFT)을 위한 효율적인 하드웨어 및 소프트웨어 구현예들은 순방향 및 역방향 모두의 푸리에 변환에 대해 널리 사용될 수 있다.
[0070] 교차 상관의 계산은 통상적으로 리턴의 진폭과 위상이 광 검출기에서 검출된 이후에 아날로그 또는 디지털 전기 신호들을 이용하여 수행된다는 것에 주목하라. 광 검출기에서의 신호를 용이하게 디지털화될 수 있는 RF 주파수 범위로 이동시키기 위하여, 광 리턴 신호는 검출기에 충돌하기 전에 기준 신호와 광학적으로 믹스(mix)된다. 위상 인코딩된 송신된 광 신호의 사본은 기준 신호로서 사용될 수 있지만, 레이저에 의해 출력되는 지속파 반송파 주파수 광 신호(continuous wave carrier frequency optical signal)를 기준 신호로서 사용하고 검출기에 의해 출력되는 전기 신호의 진폭과 위상 모두를 캡처하는 것 또한 가능하고, 종종 바람직하다.
[0071] 움직이고 있지 않은 물체로부터 반사된 (따라서, 리턴이 도플러 시프트되지 않은) 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호에 대하여, 피크는 송신된 신호의 시작 후에 시간 Δt에서 발생한다. 이것은 리턴된 신호가 시간 Δt에서 시작하는 송신된 위상 코드의 버전을 포함한다는 것을 나타낸다. 반사하는 (또는 후방 산란하는) 물체에 대한 거리(R)는, 수학식 3에 의해 주어지는 바와 같이, 매질 내 빛의 속도(c)에 기초한 양방향 여행 시간 지연(two way travel time delay)으로부터 계산된다.
[수학식 3]
[0072] 움직이고 있는 물체로부터 산란된 (따라서, 리턴이 도플러 시프트된) 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호에 대하여, 리턴 신호는 적절한 주파수 빈(frequency bin) 내의 위상 인코딩을 포함하지 않고, 상관 관계는 모든 타임 래그(time lag)에 대해 낮게 유지되고, 피크는 용이하게 검출되지 않으며, 노이즈가 있는 경우에는 종종 검출 가능하지 않다. 따라서, Δt는 용이하게 결정되지 않고; 거리(R)는 용이하게 생성되지 않는다.
[0073] 본 발명자의 이전의 연구의 다양한 구현예들에 따르면, 도플러 시프트는 리턴된 신호의 전기적 처리에서 결정되며, 교차 상관 계산을 보정하기 위하여 도플러 시프트가 적용된다. 따라서, 피크는 더 용이하게 발견되고 거리는 더욱 용이하게 결정될 수 있다. 도 1b는, 일 구현예에 따라, 송신된 신호의 예시적 스펙트럼과 도플러 시프트된 복소수 리턴 신호의 예시적 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프(140)이다. 수평 축(142)은 광 반송파(fc)로부터 오프셋된 RF 주파수를 임의 단위로 나타낸다. 수직 축(144a)은 스펙트럼 밀도(spectral density)로도 불리는 특정한 좁은 주파수 빈의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타낸다. 수직 축(144b)은 스펙트럼 밀도를 0에 상대적인 임의 단위로 나타내고; 트레이스들을 분리하기 위해 축(144a)으로부터 오프셋된다. 트레이스(145)는 송신된 신호를 나타내고; 피크는 적절한 RF(f0)에서 발생한다. 트레이스(146)는 LIDAR 시스템을 향해 움직이고 있는 물체로부터 후방 산란되어 더 높은 주파수로 도플러 시프트(청색 편이(blue shift)로 불림)된 이상적인(노이즈가 없는) 복소수 리턴 신호를 나타낸다. 리턴은 적절한 RF(f0)에서 피크를 가지지 않는다; 그러나, 대신에, ΔfD만큼 시프트된 주파수(fs)로 청색 편이된다. 실제로, 리턴의 동 위상 및 직교 위상(in-phase and quadrature, I/Q) 성분을 모두 나타내는 복소수 리턴은 +ΔfD에서 피크를 결정하는데 사용되므로, 도플러 시프트의 방향 및 센서와 물체 사이의 벡터 상에서 타겟의 이동 방향은 단일 리턴으로부터 명확하다.
[0074] 일부 도플러 보상(Doppler compensation) 구현예들에서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 송신된 신호와 리턴된 신호 모두의 스펙트럼을 얻고 각각에서 피크를 찾은 다음 대응하는 피크의 주파수를 빼는 것에 의해 ΔfD를 찾는 대신에, RF 대역에서 다운 믹스된 리턴된 신호의 동 위상 및 직교 위상 성분의 교차 스펙트럼(cross spectrum)을 취하는 것이 더 효과적일 수 있다. 도 1c는, 일 구현예에 따라, 예시적인 교차 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프(150)이다. 수평 축(152)은 기준 스펙트럼에 대한 주파수 시프트를 임의 단위로 나타내고; 수직 축(154)은 교차 스펙트럼의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타낸다. 트레이스(155)는 LIDAR 시스템을 향해 움직이고 있는 제1 물체(ΔfD1의 청색 편이 = 도 1b의 ΔfD)과 LIDAR 시스템으로부터 멀어지고 있는 제2 물체(ΔfD2의 적색 편이(red shift))에 의해 생성된 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호와의 교차 스펙트럼을 나타낸다. 하나의 피크는 성분 중 하나가 청색 편이(ΔfD1)될 때 발생하고; 다른 피크는 성분 중 하나가 적색 편이(ΔfD2)될 때 발생한다. 따라서, 도플러 시프트들이 결정된다. 이 시프트는, 예를 들어, 충돌 방지 애플리케이션에 대해 중요할 수 있는 바와 같이 LIDAR 부근에서 물체의 부호를 가진 접근 속도(signed velocity of approach)를 결정하는데 이용될 수 있다. 그러나, I/Q 처리가 완료되지 않은 경우, 피크는 +/-ΔfD1 모두와 +/-ΔfD2 모두에 나타나며, 따라서 도플러 시프트의 부호 및 이에 따른 이동 방향에서 모호성이 존재할 수 있다.
[0075] 본 발명자의 이전의 연구에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 교차 스펙트럼에서 검출되는 도플러 시프트(들)는, 피크(135)가 래그 Δt에서 도플러 보상된 도플러 시프트된 리턴에서 명백해지고, 거리(R)가 결정될 수 있도록, 교차 상관을 보정하는데 사용된다. 일부 구현예들에서, 동시 I/Q 처리는 그 전체 내용이 여기에 완전히 설명된 것처럼 참조로 포함된, S. Crouch 등에 의한 "Method and system for Doppler detection and Doppler correction of optical phase-encoded range detection"이라는 제하의 특허 출원 공개에 더 상세히 설명된 바와 같이 수행된다. 다른 구현예들에서, 직렬 I/Q 처리는 그 전체 내용이 여기에 완전히 설명된 것처럼 참조로 포함된, S. Crouch 등에 의한 "Method and System for Time Separated Quadrature Detection of Doppler Effects in Optical Range Measurements"라는 제하의 특허 출원 공개에 더 상세히 설명된 바와 같이 도플러 리턴의 부호를 결정하는 데 사용된다. 다른 구현예들에서, 도플러 보정을 결정하기 위해 다른 수단이 사용되며, 다양한 구현예들에서, 도플러 보정을 수행하기 위해 당해 기술 분야에 공지된 임의의 방법이 사용된다. 일부 구현예들에서, 도플러 시프트로 인한 오류가 허용되거나 무시되며; 어떤 도플러 보정도 거리 측정에 적용되지 않는다.
2. 처프 검출 개요(Chirped Detection Overview)
[0076] 도 1d는, 일 구현예에 따라, 예시적인 광 처프 거리 측정(optical chirp measurement of range)을 도시하는 일련의 그래프이다. 수평 축(102)은 4개의 그래프 모두에 대해 동일하며 시간을 대략 밀리 초(ms, 1ms = 10-3 초)의 임의 단위로 나타낸다. 그래프(100)는 송신된 광 신호로서 사용되는 광의 빔의 파워를 나타낸다. 그래프(100)의 수직 축(104)은 송신된 신호의 파워를 임의 단위로 나타낸다. 트레이스(106)는 시간 0에서 시작하여 제한된 펄스 지속 시간(τ) 동안 파워가 온(on)인 것을 나타낸다. 그래프(110)는 송신된 신호의 주파수를 나타낸다. 수직 축(114)은 송신된 신호의 주파수를 임의 단위로 나타낸다. 트레이스(116)는 펄스의 지속 시간(τ)에 걸쳐 펄스의 주파수가 f1로부터 f2로 증가하고, 이에 따라 대역폭 B = f2-f1을 가진다는 것을 나타낸다. 주파수 변화율은 (f2-f1)/τ이다.
[0077] 리턴된 신호는 그래프(110)에서와 같이 시간을 나타내는 수평 축(102)과 주파수를 나타내는 수직 축(114)을 갖는 그래프(160)로 도시된다. 또한, 그래프(110)의 처프(예를 들어, 트레이스(116))가 그래프(160) 상에 점선으로 도시된다. 강도(도시되지 않음)가 감소되고 Δt만큼 지연된 송신된 기준 신호인 제1 리턴된 신호는 트레이스(166a)로 주어진다. 리턴된 신호가 2R의 거리를 이동한 후 외부 물체로부터 수신될 때, 리턴된 신호는 위에서 설명된 수학식 3에 따라 2R/c로 주어질 수 있는 지연된 시간 Δt에서 시작하고, 여기서 R은 타겟까지의 거리이고, c는 매질 내 빛의 속도(약 3x108 m/s)이다. 이 시간 동안, 주파수 fR은 거리에 기초한 양만큼 변경되고, 주파수 변화율에 지연 시간을 곱하여 주어진다. 이것은 수학식 4a에 의해 주어진다.
[수학식 4a]
fR의 값은 디처핑(de-chirping)으로 지칭되는 시간 도메인 믹싱 동작에서 송신된 신호(116)와 리턴된 신호(166a) 사이의 주파수 차이에 의해 측정된다. 따라서 거리 R은 수학식 4b에 의해 주어진다.
[수학식 4b]
물론, 펄스가 완전히 송신된 후 리턴된 신호가 도착하면, 즉 2R/c가 τ보다 크면, 수학식 4a 및 4b는 유효하지 않다. 이 경우에, 기준 신호는 리턴된 신호가 기준 신호와 중첩하는 것을 보장하도록 알려진 양 또는 정해진 양만큼 지연된다. 기준 신호의 정해진 지연 시간 또는 알려진 지연 시간은 수학식 4b로부터 계산된 거리에 추가되는 추가 거리를 제공하기 위해 빛의 속도(c)와 곱해진다. 매질에서 빛의 속도의 불확실성으로 인하여 절대 거리는 부정확할 수 있지만, 이는 거의 일정한 오차(near-constant error)이며 주파수 차이를 기반으로 한 상대적 거리는 여전히 매우 정확하다.
[0078] 일부 상황에서, 송신된 광 빔에 의해 조명된 지점(펜슬 빔 단면(pencil beam cross section))은 반투명 물체의 전방 및 후방, 또는 LIDAR로부터 다양한 거리에 있는 물체의 더 가까운 부분과 더 먼 부분, 또는 조명된 지점 내에서 두 개의 분리된 물체와 같이 상이한 거리에 있는 2개 이상의 상이한 산란체를 만난다. 이러한 상황에서, 그래프(160)에 트레이스(166b)로 표시된 것과 같이, 제2 감소된 강도 및 상이하게 지연된 신호가 또한 수신될 것이다. 이것은 수학식 4b를 사용하여 다른 거리를 제공하는 fR의 다른 측정 값을 가질 것이다. 일부 상황에서는, 여러 개의 추가적인 리턴된 신호들이 수신된다.
[0079] 그래프(170)는 제1 리턴된 신호(166a)와 기준 처프(116) 사이의 차이 주파수 fR을 도시한다. 수평 축(102)은 도 1d에서 정렬된 다른 모든 그래프와 같이 시간을 나타내고, 수직 축(164)은 더 확대된 스케일 상에서 주파수 차이를 나타낸다. 트레이스(176)는 송신된 처프에 응답하여 측정된 일정한 주파수 fR을 나타내며, 수학식 4b에 의해 주어지는 특정 거리를 나타낸다. 제2 리턴된 신호(166b)는, 존재한다면, 디처핑 동안에 다른 더 큰 값의 fR(도시되지 않음)을 발생시킬 것이고; 결과적으로 수학식 4b를 사용하여 더 큰 거리를 산출할 것이다.
[0080] 디처핑(de-chirping)을 위한 공통의 방법은 기준 광 신호와 리턴된 광 신호를 동일한 광 검출기로 보내는 것이다. 검출기의 전기적 출력은 검출기로 수렴하는 2개의 신호의 주파수 차이와 같거나 아니면 이에 의존하는 비트 주파수(beat frequency)에 의해 좌우된다. 이러한 전기적 출력 신호의 푸리에 변환은 비트 주파수에서 피크를 산출할 것이다. 이러한 비트 주파수는 테라헤르츠(THz, 1 THz = 1012 헤르츠)의 광 주파수 범위가 아닌 메가헤르츠(MHz, 1MHz = 106 Hz = 초당 106 사이클)의 무선 주파수(RF) 범위 내에 있다. 이러한 신호들은 마이크로프로세서 또는 특수 제작된 FFT(Fast Fourier Transform) 또는 기타 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing, DSP) 집적 회로에서 실행되는 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘과 같은 일반적인 저가의 RF 컴포넌트들에 의해 용이하게 처리된다. 다른 구현예들에서, 리턴 신호는(국부 발진기(local oscillator)의 역할을 하는 처프와 비교하여) 국부 발진기의 역할을 하는 연속파(continuous wave, CW) 톤(tone)과 믹스될 수 있다. 이것은 그 자체가 처프인 (또는 어떤 파형이 송신되건 간에) 검출된 신호로 이어진다. 이 경우, 검출된 신호는, 여기에 사용된 것과는 일치하지 않는 용어를 제외하고, 그 전체 내용이 여기에 완전히 언급된 것처럼 포함된, 1990년도 Kachelmyer에 기술된 바와 같이 디지털 도메인에서 정합 필터링을 거칠 것이다. 단점은 디지타이저(digitizer) 대역폭 요구 사항이 일반적으로 더 높다는 것이다. 그렇지 않은 경우, 코히런트 검출의 긍정적인 면은 유지된다.
[0081] 일부 구현예들에서, LIDAR 시스템은 동시 업 및 다운 처프(simultaneous up and down chirps)를 생성하도록 변경된다. 이 접근 방식은, 다른 것들 중에서도, 물체 속도 차이, 실제로 거리를 변경하는 물체에 대한 LIDAR 위치 변경 또는 빔 내의 일시적인 산란체들(scatterers), 또는 이들의 조합에 의해 유발되는 변동성을 제거한다. 상기 방식은 업 및 다운 처프에서 측정된 도플러 시프트 및 거리가 사실상 동일하고 가장 유용하게 결합될 수 있다는 것을 보장한다. 도플러 방식은 높은 확률의 정확한 보상을 위하여 주파수 공간에서 비대칭으로 시프트된 리턴 쌍들의 병렬 캡처(parallel capture)를 보장한다.
[0082] 도 1e는, 일 구현예에 따라, 대칭 LO 신호를 사용하는 그래프이고; 도플러 시프트가 없을 때 리턴 신호를 주파수-시간 플롯(frequency time plot)에서 점선으로 도시한다. 수평 축은 시간을 10-5 초(수십 마이크로초)의 예시적인 단위로 나타낸다. 수직 축은 반송파 주파수 fc 또는 기준 신호에 대한 송신된 광 신호의 주파수를 기가헤르츠(GHz, 1 GHz = 109 헤르츠)의 예시적인 단위로 나타낸다. 펄스 지속 시간 동안, 언제든지 2개의 광 주파수를 포함하는 광 빔이 생성된다. 하나의 주파수가, 예를 들어, f1로부터 (예를 들어, 광 반송파보다 1 내지 2GHz 높은) f2로 증가하고, 동시에 다른 주파수가 f4로부터 (예를 들어, 광 반송파보다 1 내지 2GHz 낮은) f3으로 감소한다. 2개의 주파수 대역(예를 들어, f1 내지 f2의 대역 1과, f3 내지 f4의 대역 2)은 중첩되지 않아, 송신된 신호 및 리턴 신호가 통과 주파수 fp에서 시작하는 통과 대역을 갖는 고역 통과 필터나 저역 통과 필터 또는 이들의 조합에 의해 광학적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, f1<f2<fp<f3<f4일 수 있다. 예시되는 구현예에서, 더 높은 주파수가 업 처프를 제공하고 더 낮은 주파수가 다운 처프를 제공하지만, 다른 구현예들에서, 더 높은 주파수가 다운 처프를 생성하고 더 낮은 주파수가 업 처프를 생성한다.
[0083] 일부 구현예들에서, 2개의 상이한 레이저 소스가 매 시간마다 각각의 빔에서 2개의 상이한 광 주파수를 생성하는데 사용된다. 그러나, 일부 구현예들에서, 단일 광 반송파는 단일 RF 처프에 의해 변조되어 동시 업 및 다운 처프의 역할을 하는 대칭적인 측파대(symmetrical sideband)를 생성한다. 이들 구현예 중 일부에서, 일반적으로, 반송파 주파수에 많은 에너지를 남기지 않고, 대신에, 거의 모든 에너지가 측파대로 들어가는 이중 측파대 마하-젠더 강도 변조기(double sideband Mach-Zehnder intensity modulator)가 사용된다.
[0084] 측파대 대칭(sideband symmetry)의 결과로서, 동일한 차수의 측파대가 사용되면 2개의 광 처프의 대역폭은 동일할 수 있다. 일부 구현예들에서, 다른 측파대가 사용되며, 예를 들어, 2개의 2차 측파대가 사용되거나, 1차 측파대 및 중첩하지 않는 2차 측파대가 사용되거나, 일부 다른 조합이 사용된다.
[0085] Crouch 등에 의한 "Method and System for Doppler Detection and Doppler Correction of Optical Chirped Range Detection"이라는 제하의 미국 특허 출원 공개에 기술된 바와 같이, 송신(TX) 및 국부 발진기(LO) 처프 파형을 선택할 때, 시스템의 주파수 시스트된 대역(frequency shifted band)이 이용 가능한 디지타이저(digitizer) 대역폭을 최대한 활용하도록 하는 것이 유리하다. 일반적으로, 이것은 0에 가까운 거리 주파수 비트를 갖도록 업 처프 또는 다운 처프를 시프트하여 달성된다.
[0086] 도 1f는 대칭 LO 신호를 사용하는 도 1e와 유사한 그래프이고, 0이 아닌 도플러 시프트가 있을 때 이 주파수-시간 플롯에서 리턴 신호를 점선으로 도시한다. 처프된 파형의 경우, 시간 분리된 I/Q 처리(시간 도메인 멀티플렉싱(time domain multiplexing)이라고도 알려짐)가 전술한 바와 같이 다른 접근 방식의 하드웨어 요구 사항을 극복하기 위해 사용될 수 있다. 그 경우에, AOM이 실수 값(real valued) 신호들에 대한 거리-도플러 모호성을 타개하기 위하여 사용된다. 일부 구현예들에서, 그 전체 내용이 여기에 완전히 설명된 것처럼 참조로 포함된, S. Crouch 등에 의한 "Method and system for Doppler detection and Doppler correction of optical chirped range detection"이라는 제하의 특허 출원 공개에 더 상세히 설명된 바와 같이, 스코어링 시스템(scoring system)이 업 및 다운 처프 리턴을 페어링하는데 사용된다. 일부 구현예들에서, 그 전체 내용이 여기에 완전히 설명된 것처럼 참조로 포함된, S. Crouch 등에 의한 "Method and System for Time Separated Quadrature Detection of Doppler Effects in Optical Range Measurements"이라는 제하의 특허 출원 공개에 더 상세히 설명된 바와 같이, I/Q 처리가 도플러 처프의 부호를 결정하는데 사용된다.
3. 광 검출 하드웨어 개요
[0087] 고해상도 거리-도플러 검출 시스템을 사용하는 방법을 설명하기 위해 몇몇 일반 하드웨어 접근 방식을 기술한다. 도 2a는, 일 구현예에 따라, 고해상도 거리 LIDAR 시스템(200)의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이다. 광 신호들은 화살표로 표시된다. 전자적인(electronic) 유선 또는 무선 연결은 화살촉이 없는 선분으로 표시된다. 레이저 소스(212)는, 지속 시간 D를 갖는 위상 코드화되거나 처프된 광 신호(203)를 생성하기 위하여, 스플리터(216) 이전 또는 이후에, 변조기(282a)에서 위상 또는 주파수 변조된 반송파(201)를 방출한다. 스플리터(216)는 기준 경로(220)에 사용하기 위한 변조된 (또는, 도시된 바와 같이, 변조되지 않은) 광 신호를 분리한다. 빔(201)의 에너지의 대부분을 갖는, 본 명세서에서 송신된 신호(transmitted signal)라고도 불리는, 타겟 빔(205)이 생성된다. 또한, 적은 양이기는 하지만 물체(도시되지 않음)로부터 산란된 리턴된 광(291)과 잘 믹스되기에 충분한 양의 에너지를 가질 수 있는 변조되거나 변조되지 않은 기준 빔(207a)이 생성된다. 예시된 구현예에서, 기준 빔(207a)은 변조기(282b)에서 개별적으로 변조된다. 기준 빔(207a)은 기준 경로(220)를 통과하고, 기준 빔(207b)으로서 하나 이상의 검출기로 지향된다. 일부 구현예들에서, 기준 경로(220)는 기준 빔(207a)이 관심 거리의 범위(spread of ranges of interest) 내에서 LIDAR 외부의 물체로부터 산란된 광과 함께 검출기 어레이(230)에 도달하기에 충분한 알려진 지연을 도입한다. 일부 구현예들에서, 기준 빔(207b)은 별개의 발진기로부터 국부적으로 생성된 기준 빔(207b)을 생성하는 기존의 접근 방식을 의미하는 국부 발진기(Local Oscillator LO) 신호로 명명된다. 다양한 구현예들에서, 덜 유연한 접근 방식으로부터 더 유연한 접근 방식까지 망라하여, 기준 빔은 1) 경로 길이들이 잘 매칭되도록 검출기 어레이에서 전송된 빔의 일부를 다시 반사시키기 위해 장면(scene) 내에 거울을 배치하는 것; 2) 경로 길이를 가깝게 매칭시키고, 특정 거리에 대해 관찰되거나 예측된 위상 또는 주파수 차이를 보상하기 위한 경로 길이 조절을 이용하거나 이용하지 않으면서, 도 2a에서 제안된 바와 같이, 검출기 어레이 부근의 광학 기기를 이용하여 기준 빔을 브로드캐스트(broadcast)하기 위해 섬유 지연(fiber delay)을 이용하는 것; 또는 3) 경로 길이 불일치(mismatch)를 보상하기 위한 별개의 변조를 생성하기 위해 주파수 시프팅 디바이스(음향 광학 변조기(acousto-optic modulator, AOM) 또는 (예를 들면 변조기(282b) 내) 국부 발진기 파형 변조의 시간 지연을 이용하는 것; 또는 일부의 조합을 통해 산란되거나 반사된 필드(시야)를 갖고 도착하게 된다. 일부 구현예들에서, 물체는 충분히 가깝고 송신된 지속 시간은 충분히 길어서 리턴이 지연 없이 기준 신호와 충분히 중첩한다.
[0088] 송신된 신호는 종종 몇몇 스캐닝 광학 기기(scanning optics, 218)를 통해 관심 영역을 조명하기 위해 송신된다. 검출기 어레이는 쌍을 이루거나 또는 쌍을 이루지 않은 단일의 검출기 또는 물체로부터 리턴된 빔(291)들에 대략 수직인 평면에 배열된 쌍을 이루거나 또는 쌍을 이루지 않은 검출기의 1차원(1D) 또는 2차원(2D) 어레이이다. 기준 빔(207b) 및 리턴된 빔(291)은 적절하게 검출될 광 특성 신호를 생성하기 위하여 0 또는 그 이상의 광 믹서(284)에서 결합된다. 간섭 패턴의 주파수, 위상 또는 진폭 또는 일부 조합은 획득 시스템(240)에 의해 각각의 검출기에 대해 신호 지속 시간(D) 동안 여러 번 기록된다. 신호 지속 시간 당 처리되는 시간적(temporal) 샘플의 개수 또는 인테그레이션 시간(integration time)은 다운-레인지 규모(down-range extent)에 영향을 미친다. 개수 또는 인테그레이션 시간은 신호 당 심벌의 개수, 신호 반복률(signal repetition rate) 및 가용 카메라 프레임률(available camera frame rate)에 기초하여 선택되는 실질적인 고려 사항인 경우가 있다. 프레임률은 샘플링 대역폭이고, 흔히 "디지타이저 주파수(digitizer frequency)"로 불린다. 거리 규모(range extent)의 유일한 근본적인 한계는 레이저의 코히어런스(coherence) 길이 및 (명확한 거리 측정을 위해) 그것이 반복하기 전의 처프 또는 고유 위상 코드의 길이다. 이는 리턴된 헤테로다인(heterodyne) 신호 또는 비트들(bits)의 디지털 레코드가 이전 송신 이력으로부터 송신된 비트들의 임의의 부분과 비교되거나 교차 상관될 수 있기 때문에 가능하게 된다.
[0089] 획득된 데이터는 도 7을 참조하여 후술되는 컴퓨터 시스템 또는 도 8을 참조하여 후술되는 칩셋(chip set)과 같은 처리 시스템(250)에 이용 가능하게 구성된다. 스캐너 제어 모듈(270)은 후술되는 하나 이상의 구현예에 따른 스캐닝 광학 기기(218)를 구동하기 위한 스캐닝 신호들을 제공한다. 하나의 구현예에서, 스캐너 제어 모듈(270)은 도 6a의 순서도에 관련된 방법(500) 및/또는 도 6b의 순서도에 관련된 방법(650)의 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 명령어를 포함한다. 처리 시스템(250)에서 부호를 가진 도플러 보상 모듈(도시되지 않음)은 도플러 시프트의 부호와 크기를 결정할 수 있고, 임의의 다른 보정과 함께 그에 기초한 보정된 거리를 결정한다. 또한, 처리 시스템(250)은 변조기(282a, 282b)를 구동하는 하나 이상의 전기 신호를 전송하기 위한 변조 신호 모듈(도시되지 않음)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 처리 시스템은 시스템(200)이 설치되는 차량을 제어하기 위한 차량 제어 모듈(272)을 더 포함한다.
[0090] 임의의 공지된 장치 또는 시스템이 레이저 소스(212), 변조기(282a, 282b), 빔 스플리터(216), 기준 경로(220), 광 믹서(284), 검출기 어레이(230), 스캐닝 광학 기기(218), 또는 획득 시스템(240)을 구현하는 데 사용될 수 있다. 동공면(pupil plane)을 지나간 초점 또는 타겟 상의 초점 또는 투광 조명(flood)에 대한 광 커플링(optical coupling)은 도시되지 않는다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 광 커플러(optical coupler)는, 다른 것들 중에서도, 진공, 공기, 유리, 크리스탈, 거울, 렌즈, 광 서큘레이터(optical circulator), 빔 스플리터, 위상판(phase plate), 편광자(polarizer), 광 섬유(optical fiber), 광 믹서와 같은 다른 컴포넌트를, 단독으로 또는 일부 조합과 같이, 하나의 컴포넌트로부터 다른 컴포넌트로 광을 지향시키기 위하여 공간 좌표 내에서 광의 전파(propagation)에 영향을 미치는 임의의 컴포넌트이다.
[0091] 또한, 도 2a는 일 구현예에 따른 동시 업 및 다운 처프 LIDAR 시스템을 위한 컴포넌트들의 예를 도시한다. 이 구현예에서, 변조기(282a)는 전송된 빔(205)의 광 경로에 추가된 주파수 시프터이다. 다른 구현예들에서, 이와 달리, 주파수 시프터는 리턴된 빔(291)의 광 경로 또는 기준 경로(220)에 추가된다. 일반적으로, 변조기(예를 들어, AOM(acousto-optic modulator))로서 사용되는 장치가 연관된 손실을 가지며, 손실이 많은 컴포넌트들을 수신 측에 배치하거나 광 증폭기 뒤에 배치하는 것은 불리하기 때문에, 주파수 시프팅 요소는 국부 발진기(Local Oscillator(LO), 기준 경로라고도 함) 측 또는 송신 측(광 증폭기 앞)에 변조기(282b)로서 추가된다. 광 시프터(optical shifter)의 목적은 광 검출기(230)에 의해 출력되는 전기 신호의 분석에 있어서, 예를 들어, 처리 시스템(250) 내의 FFT 컴포넌트에 의해 픽업될 수 있는 상이한 주파수 대역에서 업 및 다운 처프의 비트(beat) 주파수가 발생하도록, 기준 신호의 주파수에 대하여 송신된 신호(또는 리턴 신호)의 주파수를 알려진 양(ΔfS)만큼 시프트하는 것이다. 예를 들어, 거리 효과를 발생시키는 청색 편이가 fB 이면, 업 처프의 비트 주파수는 오프셋만큼 증가되어 fB + ΔfS로 나타날 것이고, 다운 처프의 비트 주파수는 fB - ΔfS로 오프셋만큼 감소될 것이다. 따라서, 업 처프는 다운 처프보다 더 높은 주파수를 가질 것이고, 이에 의해 이들은 분리된다. ΔfS가 예상된 도플러 효과보다 더 크면, 업 처프 및 다운 처프와 연관된 거리에서의 모호성은 없을 것이다. 그 다음, 측정된 비트는 적합한 업 처프 및 다운 처프 거리를 얻기 위하여 알려진 ΔfS의 정확하게 부호가 부여된 값으로 보정될 수 있다. 일부 구현예들에서, 평형 검출기(balanced detector)로부터 유래하는 RF 신호는 FFT를 통해 분리되는 대역과 함께 직접 디지털화된다. 일부 구현예들에서, 평형 검출기로부터 유래하는 RF 신호는 직접 디지털화될 수 있는 저대역(업 처프 또는 다운 처프 중 하나에 대응)과 기저 대역에 전자적으로 다운 믹스된(down-mixed) 후 디지털화될 수 있는 고대역(반대하는 처프에 대응)으로 분리하기 위하여 아날로그 RF 전자 장치를 이용하여 전처리된다. 두 구현예들은 검출된 신호들의 대역들을 사용 가능한 디지타이저 자원(digitizer resource)에 일치시키는 경로를 제공한다. 일부 (예를 들어, 직접 거리 측정) 구현예들에서, 변조기(282a)는 제외된다.
[0092] 도 2b는 일부 구현예들에 사용되는 고해상도 도플러 시스템을 위한 단순 톱니형(saw tooth) 스캔 패턴을 도시하는 블록도이다. 스캔은 (수평으로) 방위각(azimuth angle) 범위를 스윕하고 경사각(inclination angle) 범위를 (0 경사에서 수평 방향(level direction)의 상하 수직으로) 스윕(sweep)한다. 아래에 설명된 다양한 구현예들에서, 다른 스캔 패턴이 사용된다. 당해 기술 분야에 공지된 임의의 스캔 패턴이 다양한 구현예들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 그 전체 내용이 여기에 완전히 설명된 것처럼 참조로 포함된, Crouch에 의한 "Method and system for adaptive scanning with optical ranging systems" 또는 "Method and system for automatic real-time adaptive scanning with optical ranging systems"라는 제하의 PCT 특허 출원에 설명된 방법들을 이용하여 적응형 스캐닝(adaptive scanning)이 수행된다. 도 2c는 일부 구현예에 따라 고해상도 도플러 LIDAR 시스템에 의해 생성된 예시적인 속도 포인트 클라우드를 도시하는 이미지이다.
[0093] 도 2d는 일부 구현예에 따라 고해상도(hi res) LIDAR 시스템(200')의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이다. 일 구현예에서, 시스템(200')은 여기에서 논의되는 특징을 제외하고는 시스템(200)과 유사하다. 일 구현예에서, 시스템(200')은 모노스태틱 트랜시버(monostatic transceiver)를 이용하여 구성되는 코히런트 LIDAR 시스템이다. 시스템(200')은 송신 경로(222) 상의 단일 모드 광 도파관을 따라 자유 공간 광학 기기(226)를 통해서 콜리메이팅(collimating) 광학 기기(229)의 초점 평면 내에 위치된 단일 모드 광 도파관의 끝단(tip, 217) 밖으로 반송파(201)를 송신하는 소스(212)를 포함한다. 일부 구현예들에서, 끝단(217)은 콜리메이팅 광학 기기(229)의 초점 평면의 임계 거리(예를 들어, 대략 100 ㎛) 내에 또는 콜리메이팅 광학 기기(229)의 초점 길이의 대략 0.1% 내지 대략 0.5% 내에 위치된다. 다른 구현예에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 이중(doublet), 비구면 또는 다중 요소 디자인들 중 하나 이상을 포함한다. 일 구현예에서, 광 도파관 끝단(217)을 빠져 나오는 반송파(201)는 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 각도 범위(227)에 걸쳐 스캔되는 콜리메이트된 타겟 빔(205')으로 광학 기기(229)에 의해 만들어진다. 일부 구현예들에서, 반송파(201)는 콜리메이팅 광학 기기(229)의 상류에 있는 변조기(282a)에서 위상 또는 주파수 변조된다. 다른 구현예들에서, 변조기(282)는 제외된다. 일 구현예에서, 리턴 빔(291)이 단일 모드 광 도파관 끝단(217)에서 수신되도록, 물체로부터 리턴된 리턴 빔들(291)은 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 지향되고 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에 포커싱된다. 일 구현예에서, 그 다음, 리턴 빔(291)은 자유 공간 광학 기기(226)에 의해 수신 경로(224)를 따라 단일 모드 광 도파관 내로 그리고 리턴 빔(291)이 국부 발진기 경로(220)를 따라 단일 모드 광 도파관을 통해 지향되는 기준 빔(207b)과 결합되는 광 믹서(284)로 재지향(redirect)될 수 있다. 일 구현예에서, 시스템(200')은 기준 신호(207b)와 리턴된 빔(291)의 최대 공간 모드 중첩(maximum spatial mode overlap)이 리턴된 신호(291)와 국부 발진기(207b) 사이의 헤테로다인 믹싱(광 간섭) 효율을 최대화할 것이라는 원리 하에서 동작한다. 이 모노스태틱 배열은 바이스태틱(bi-static) LIDAR 시스템과 연관된 쉽지 않은 정렬 절차를 회피하는데 도움을 주기 때문에 유리하다.
[0094] 도 2e는 일 구현예에 따라 바이스태틱 LIDAR 시스템(200")의 예시적인 컴포넌트들의 예시적인 측면도를 도시하는 블록도이다. 도 2f는 일 구현예에 따라 도 2e의 바이스태틱 LIDAR 시스템(200")의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 도시하는 블록도이다. 일 구현예에서, 바이스태틱 시스템(200")은 여기에서 논의되는 특징을 제외하고는 도 2d의 시스템(200')과 유사하다.
[0095] 일 구현예에서, 시스템(200")은 송신 도파관(223) 및 하나 이상의 수신 도파관(225a, 225b)을 포함하는 바이스태틱 트랜시버(215)를 포함한다. 제1 수신 도파로(225a)는 간격(221a)만큼 송신 도파로(223)와 이격된다. 제2 수신 도파관(225b)은 간격(221a)보다 큰 간격(221b)만큼 송신 도파관(223)으로부터 이격된다. 도 2f는 2개의 수신 도파관(225a, 225b)을 도시하지만, 시스템은 2개의 수신 도파관으로 제한되지 않고 하나 또는 3개 이상의 수신 도파관을 포함할 수 있다. 예시적인 구현예에서, 바이스태틱 트랜시버(215)는 밀접하게 이격된 도파관의 제조가 바이스태틱 트랜시버 개구로서 작용하도록 하는 평면 광 회로와 같은 온-칩(on-chip) 도파관 기술에 의해 지원된다. 예시적인 구현예에서, 바이스태틱 트랜시버(215)는 캘리포니아 산호세 소재의 NeoPhotonics Corporation에 의해 개발된 평면 광파 회로 기술을 특징으로 한다. 다른 예시적인 구현예에서, 바이스태틱 트랜시버(215)는 평면 광파 회로 기술의 표준 제조 프로세스에 대한 최소한의 변형으로 맞춤 제작된다. 또 다른 예시적인 구현예에서, 바이스태틱 트랜시버(215)는 Columbus Ohio의 PLC Connections에 의해 제조된다.
[0096] 일 구현예에서, 시스템(200")에서 소스(212)는 반송파(201)를 송신 경로(222)를 통해 송신 도파관(223)을 따라 송신 도파관(223)의 끝단(217)으로 송신한다. 일 구현예에서, 시스템(200")은 시스템(200")의 비용 및 복잡성을 유리하게 감소시킬 수 있는 자유 공간 광학 기기(226)를 배제한다. 송신 도파관(223)의 끝단(217)을 빠져나가는 반송파(201)는 시스템(200')에서와 같이 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 콜리메이트된 타겟 빔(205')으로 형성된다.
[0097] 일 구현예에서, 스캐닝 광학 기기(218)는 복수의 거울 또는 패싯(245a, 245b)을 갖고 회전축(243)을 중심으로 각속도(249)로 회전하도록 구성된 폴리곤 스캐너(244)이다. 일 구현예에서, 폴리곤 스캐너(244)는 회전축(243)을 중심으로 일정한 속도로 회전하도록 구성된다. 예시적인 구현예에서, 폴리곤 스캐너(244)는 다음 특성들: 즉, Copal 회전 거울(turned mirror)을 갖는 Blackmore 센서에 의해 제조된 것, 대략 2인치이거나 대략 1인치 내지 대략 3인치 범위의 내접 직경을 가지는 것, 각각의 미러가 대략 0.5 인치이거나 대략 0.25 인치 내지 대략 0.75인치의 범위의 높이를 가지는 것, 전체 높이가 대략 2.5 인치이거나 대략 2 인치 내지 대략 3인치의 범위인 것, 인코더 폴-쌍 스위칭을 갖는 3상 브러시리스 직류(Brushless Direct Current, BLDC) 모터에 의해 전력이 공급되는 것, 범위가 대략 1000 rpm 내지 대략 5000 rpm의 회전 속도를 가지는 것, 감소비가 대략 5:1이고 콜리메이터(229)로부터의 거리가 대략 1.5 인치이거나 또는 1 인치 내지 대략 2 인치의 범위인 것 중의 하나 이상을 가진다. 다른 구현예들에서, 시스템(200")의 스캐닝 광학 기기(218)는 폴리곤 스캐너(244)가 아닌 임의의 광학 기기이다.
[0098] 일 구현예에서, 콜리메이트된 타겟 빔(205')은 폴리곤 패싯(245) 중 하나에서 스캔된 빔(205")으로 반사되고 폴리곤 스캐너(244)가 각속도(249)로 회전함에 따라 각도들(227)의 범위를 통해 스캔된다. 일 구현예에서, 송신 도파관(223) 및 수신 도파관(225)을 포함하는 바이스태틱 트랜시버(215)는 제1 평면(예를 들어, 도 2f의 평면)에 배열되고, 폴리곤 스캐너(244)는 동일한 제1 평면(또는 제1 평면과 평행한 평면)에서 각도들(227)의 범위에 걸쳐 빔(205")의 방향을 조정한다. 다른 구현예에서, 제1 평면은 회전축(243)에 직교한다. 이 설명의 목적상, "평행"은 ±10도 이내를 의미하고 "직교"는 90 ± 10도 이내를 의미한다.
[0099] 일 구현예에서, 빔(205")은 소정 거리에 위치된 타겟에 의해 반사되고 리턴 빔(291')은 리턴 빔(291')을 수신 도파관(225a)의 끝단(217)에 포커싱하는 콜리메이팅 광학 기기(229)로 패싯(245) 중 하나에 의해 반사된다.
[0100] 일 구현예에서, 시스템(200", 200"', 200"")의 하나 이상의 파라미터들의 값들은 리턴 빔(291')의 신호대잡음비(SNR)를 최적화하기 위해 시스템(200", 200"', 200"")의 설계 단계 중에 선택된다. 일 구현예에서, 이들 파라미터들의 값들은 SNR을 최적화하기 위해 각도들(227)의 범위에 걸쳐 타겟 설계 범위에 기초하여 선택되는 폴리곤 스캐너(244)의 회전 속도의 값을 포함한다. 도 4g는 일 구현예에 따라 도 2e의 시스템(200")에서 다양한 스캔 레이트에 대한 타겟 범위 대 SNR의 예를 예시하는 그래프이다. 수평축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고 수직축(404)은 데시벨(dB) 단위의 SNR이다. 제1 곡선(440d)은 빔이 스캔되지 않은 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 나타낸다. 제2 곡선(440b)은 빔이 느린 스캔 레이트(예를 들어, 초당 약 2500도)로 스캔되는 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리던 빔(291')의 SNR을 나타낸다. 제3 곡선(440c)은 빔이 최적의 스캔 레이트(예를 들어, 약 5500deg/sec)로 스캔되는 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 나타낸다. SNR 임계값(442, 예를 들어, 10dB)이 또한 표시되어 있다. 따라서, 시스템(200")을 설계할 때, 사용자는 먼저 각도 범위(예, 0m 내지 150m)에 걸쳐 타겟 설계 거리를 결정한 다음 도 4g를 이용하여 곡선(440b, 440c, 440d) 중 어느 곡선이 그 타겟 설계 거리에 걸쳐 SNR 임계값(442)보다 높은 SNR을 유지하는 지를 신속하게 결정한다. 이 예시적인 구현예에서, 곡선(440c)은 타겟 설계 거리(예, 0m 내지 150m)에 걸쳐 SNR 임계값(442)보다 높은 SNR을 유지하므로, 사용자는 시스템(200")을 설계할 때 곡선(440c)과 관련된 최적의 스캔 속도(예, 약 5500 deg/sec)를 선택한다. 따라서, 폴리곤 스캐너(244)는 이 최적의 스캔 속도에 기초하여 고정된 회전 속도를 갖도록 설정된다. 따라서, 곡선(440)은 특히 폴리곤 스캐너(244)의 고정된 스캔 속도를 선택할 때 사용자가 시스템(200")을 설계하는 효율적인 방법을 유리하게 제공한다. 일 구현예에서, 각각의 곡선(440)은 시스템(200")을 사용하여 생성되고 각 곡선(440)과 관련된 폴리곤 스캐너의 각 스캔 속도에서 리턴 빔(291')의 SNR을 측정한다. 곡선(440)은 도 4g에 도시된 것에 제한되지 않으며, 유사한 수단을 사용하여 생성된 모든 SNR 곡선을 포함한다. 일부 구현예들에서, 도 4g의 곡선과 유사한 곡선들은 위의 시스템(200")과 유사한 방식으로 시스템(200"'(도 2i) 또는 시스템(200"", 도 2j))에 대해 생성될 수 있으며, 사용자에게 시스템(200"') 또는 시스템(200"")을 설계하는 유리하고 효율적인 방법을 제공한다.
[0101] 다른 구현예에서, 시스템(200')의 설계 단계 중에 선택되는 설계 파라미터의 값들은 SNR을 최적화하기 위해 각도들(227)의 범위에 걸쳐 타겟 설계 거리 및 폴리곤 스캐너(244)의 스캔 속도에 기초하여 선택되는 간격(221)의 값을 포함한다. 다른 구현예에서, 시스템(200"', 도 2i)의 설계 단계 중에 선택되는 설계 파라미터의 값들은 자유 공간 광학 기기(260)의 간격(221) 및/또는 길이(262)의 값을 포함한다. 일부 구현예들에서, 자유 공간 광학 기기(260)는 복굴절 디스플레이서(birefringent displacer)일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 일 구현예에서, 자유 공간 광학 기기(260)의 길이(262)는 시스템의 종축을 따라 측정되며, 여기서 종축은 전송된 빔(205', 도 2i) 및/또는 리턴 빔(291, 도 2j) 및/또는 광섬유 어레이(215', 215")로부터 타겟(292)을 향한 벡터의 방향에 의해 정의된다. 또 다른 구현예에서, 시스템(200""(도 2j)의 설계 단계 중에 선택되는 설계 파라미터의 값들은 제1 자유 공간 광학 기기(260a)의 간격(221a, 221b) 및/또는 길이(262a) 및/또는 제2 자유 공간 광학 기기(260b)의 길이(262b)를 포함한다. 일부 구현예들에서, 제1 및 제2 자유 공간 광학 기기 각각은 복굴절 디스플레이서일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 도 4k는 일 구현예에 따라 낮은 고정된 스캔 속도(예, 4000 도/초)에서의 도 2e의 시스템(200") 내의 다양한 간격(221) 값들에 대한 타겟 거리 대 SNR의 예를 도시하는 그래프이다. 수평축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직축(404)은 데시벨(dB) 단위의 SNR이다. 제1 곡선(464a)은 4wo의 간격(221)에 대한 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 나타내며, 여기서 wo는 송신 도파관(223)의 직경이다. 제2 곡선(464b)은 0(예를 들어, 0wo)의 간격(221)에 대한 타겟 거리에 기초하여 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 나타낸다. 제1 곡선(464a)과 제2 곡선(464b) 사이의 각 곡선(464)은 간격(221) 값에서 0.25wo 감소를 나타낸다. 일 구현예에서, 타겟 설계 거리에 걸쳐 SNR 임계값(442)보다 높은 SNR 값을 갖기 때문에 곡선(464c)은 타겟 설계 거리(예를 들어, 0m - 250m)에 대해 선택된다. 곡선(464c)과 관련된 간격 값(221)은 0.25wo이고, 따라서 타겟 설계 거리(예, 0m 내지 250m) 및 낮은 고정된 스캔 속도(예, 4000 도/초)로 시스템(200")을 설계할 때 간격(221)은 0.25wo로 설정된다. 일부 구현예들에서, 도 4k의 곡선(464)과 유사한 SNR 곡선이 시스템(200"', 도 2i)의 다양한 간격(221) 및/또는 길이(262) 값들에 기초하여 및/또는 시스템(200"", 도 2j)의 다양한 간격(221a, 221b) 및 길이(262a, 262b) 값들에 기초하여 생성될 수 있다. 도 4l은 낮은 고정된 스캔 속도(예를 들어, 4000 도/초)를 갖는 시스템(200")에 대한 복수의 SNR 곡선(466)을 나타낸 그래프이다. 수평축(402)을 따른 특정 타겟 설계 거리(예를 들어, 250m)에 대해, SNR 곡선(466)은 곡선(466)과 관련된 SNR 레벨을 유지하는 데 필요한 (수직축(409)을 따른) 간격(221)의 값을 전달한다. 예시적인 구현예에서, 250m의 타겟 설계 거리에 대해, 곡선(466a)은 18 dB의 SNR이 간격(221)의 다중 값들(예를 들어, 약 0.25 wo 및 약 2.75 wo)로 유지될 수 있고, 따라서 시스템(200")의 설계시 사용자에게 다른 옵션을 제공한다. 도 4k 이외에, 곡선(466)은 알려진 타겟 설계 거리 및 고정된 스캔 속도에 기초하여 시스템(200")을 설계할 때 사용자를 위한 빠른 조회 수단을 제공한다. 일 구현예에서, 도 4k의 곡선(464)과 같이, 곡선(466)은 다중 타겟 가리 값들에 걸쳐 다중 간격(221) 값들에서 리턴 빔(291')의 SNR을 측정함으로써 시스템(200")을 사용하여 생성된다. 또한, 곡선(466)은 도 4l에 예시된 것에 제한되지 않는다. 일부 구현예들에서, 도 4l의 곡선(466)과 유사한 SNR 곡선은 시스템(200"')의 다양한 간격(221) 및/또는 길이(262) 값들에 기초하여 그리고/또는 시스템(200"")의 다양한 간격(221a, 221b) 및 길이(262a, 262b) 값들에 기초하여 생성될 수 있다.
[0102] 도 4m은 도 4k의 그래프와 유사한 그래프이지만, 높은 고정된 스캔 속도(예, 12000 도/초)에 대한 그래프이다. 제1 곡선(465a)은 제1 곡선(464a)과 유사하고, 4wo의 간격(221)의 경우이다. 제2 곡선(465b)은 제2 곡선(464b)과 유사하고 0(예를 들어, 0wo)의 간격(221)의 경우이다. 동일한 타겟 설계 거리(예를 들어, 0m 내지 250m)를 사용하여 곡선(465c)은 타겟 설계 거리에 걸쳐 SNR 임계값(442)보다 높은 SNR 값들을 가지기 때문에 선택된다. 곡선(465c)과 관련된 간격(221) 값은 2.75wo이고, 따라서 폴리곤 스캐너(244)가 높은 고정된 스캔 속도(예를 들어, 12000 도/초)로 작동되는 경우 시스템(200")에서의 간격(221)은 2.75wo로 설정된다. 따라서, 시스템(200")을 설계할 때, 사용자는 먼저 각도들의 범위에 걸쳐 타겟 설계 거리(예, 0m 내지 250m)를 결정한 다음 도 4m을 사용하여 곡선(465) 중 어느 것이 폴리곤 스캐너(244)의 고정된 스캔 속도 및 타겟 설계 거리에 걸쳐 SNR 임계값(442)보다 높은 SNR을 유지하는지 신속하게 결정할 수 있다. 일부 구현예들에서, 도 4m의 곡선들(465)과 유사한 SNR 곡선들은 시스템(200"')의 다양한 간격(221) 및/또는 길이(262) 값들 및/또는 시스템(200"")의 다양한 간격(221a, 221b) 및 길이(262a, 262b) 값들에 기초하여 생성될 수 있다. 도 4n은 높은 고정된 스캔 속도(예를 들어, 12000 도/초)를 갖는 시스템(200")에 대한 복수의 SNR 곡선(467)을 나타낸 그래프이다. 수평축(402)을 따른 특정 타겟 설계 거리(예를 들어, 100m)에 대해, SNR 곡선(467)은 곡선(467)과 관련된 SNR 레벨을 유지하는 데 필요한 (수직축(409)을 따른) 간격(221)의 값을 전달한다. 예시적인 구현예에서, 100m의 타겟 설계 거리에 대해, 곡선(467a)은 28 dB의 SNR이 다중 간격(221) 값들(예를 들어, 약 0.75wo 및 약 2.25wo)로 유지될 수 있음을 나타낸다. 도 4m 이외에, 곡선(467)은 알려진 타겟 설계 거리 및 고정된 스캔 속도에 기초하여 시스템(200")을 설계할 때 사용자를 위한 빠른 조회 수단을 제공한다. 일 구현예에서, 도 4m의 곡선(465)과 같이, 곡선(467)은 시스템(200")을 사용하여 다중 타겟 거리 값들에 걸쳐 다중 간격(221) 값들에서 리턴 빔(291')의 SNR을 측정함으로써 생성된다. 또한, 곡선(467)은 도 4n에 나타낸 것에 제한되지 않는다. 일부 구현예들에서, 도 4n의 곡선(467)과 유사한 SNR 곡선은 시스템(200"')의 다양한 간격(221) 및/또는 길이(262) 값들에 기초하여 그리고/또는 시스템(200"")의 다양한 간격(221a, 221b) 및 길이(262a, 262b) 값들에 기초하여 생성될 수 있다.
[0103] 도 4o는 일 구현예에 따라 도 2e의 시스템에서 최소 임계값 SNR을 갖는 다양한 타겟 거리 값들에 대한 간격 대 스캔 속도의 예를 예시하는 그래프이다. 수평축(403)은 초당 킬로 도(kilo degrees per second) 단위의 스캔 속도이다. 수직축(409)은 wo 단위의 간격(221)이다. 수평축(403)을 따른 특정 스캔 속도에서, 곡선(469)은 곡선(469)과 연관된 타겟 설계 거리 값에 걸쳐 SNR 임계값(442, 예를 들어, 10 dB)을 유지하기 위해 간격(221)의 값을 제공한다. 예시적인 구현예에서, 12,000 도/초의 스캔 속도에서 곡선(469a)은 250m의 타겟 설계 거리에 대해 SNR 임계값(442)을 유지하기 위해 약 2.75wo의 간격(221) 값을 나타낸다. 이것은 도 4m의 곡선(465c)의 예시적인 구현예와 일치한다. 추가로, 예시적인 구현예에서, 4,000 도/초의 스캔 속도에 대해, 곡선(469a)은 250m의 타겟 설계 거리에 대해 SNR 임계값(442)을 유지하기 위해 약 0.25wo의 간격(221) 값을 나타낸다. 이것은 도 4k의 곡선(464c)의 예시적인 구현예와 부합한다. 따라서, 도 4o는 시스템(200")의 설계 단계 중에 유용한 추가적인 유리한 조회 그래프를 제공한다. 일부 구현예들에서, 도 4o의 곡선(469)과 유사한 곡선은 시스템(200"')의 다양한 간격(221) 및/또는 길이(262) 값들에 기초하여 그리고/또는 시스템(200"")의 다양한 간격(221a, 221b) 및 길이(262a, 262b) 값들에 기초하여 생성될 수 있다.
[0104] 도 2f에 도시된 바와 같이, 폴리곤 스캐너(244)는 예를 들어, 타겟으로의 왕복 시간 동안, 예를 들어 빔(205")이 패싯(245a)에서 타겟으로 반사되는 시간과 리턴 빔(291')이 패싯(245a)에 의해 광학 기기(229)로 반사되는 시간 사이에 제1 지향(예를 들어, 실선)으로부터 제2 지향(예를 들어, 점선)으로 회전한다. 일 구현예에서, 이들 시간 사이의 패싯(245a)의 회전은 리턴 빔(291')이 입사 빔(205')에 대해 소정 각도(228)로 패싯(245a)에 의해 편향되는 원인이다. 일 구현예에서, 폴리곤 스캐너(244)의 (예를 들어, 왕복 시간에 기초하는) 타겟 거리 및/또는 회전 속도 및/또는 바이스태틱 트랜시버(215) 상의 리턴 빔(291')의 이미지(418, 도 4e)의 직경은 각도(228)를 결정하고 이에 따라 송신 도파관(223)에 대해 수신 도파관(225a)을 위치시켜 리턴 빔(291')이 수신 도파관(225a)의 끝단에 포커싱되도록 선택되는 간격(221a)을 결정한다. 도 2i의 시스템(200"')의 구현예에서. 리턴 빔(291')이 수신 도파관(225')의 끝단에 포커싱되도록, 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)의 길이(262) 및/또는 리턴 빔(291')의 변위 거리(264) 이외에 상기 파라미터 중 하나 이상도 고려된다. 도 2j의 시스템(200"")의 구현예에서, 리턴 빔(291')이 수신 도파관(225a', 225b')의 끝단에 포커싱되도록, 자유 공간 광학 기기(260a, 260b)의 길이(262a, 262b) 및/또는 리턴 빔(291')의 변위 거리(264a, 264b) 이외에 상기 파라미터 중 하나 이상이 역시 고려된다. 일 구현예에서, 도 2f의 시스템(200")에 대해, 수학식 5는 간격(221), 폴리곤 스캐너(244)의 회전 속도 및 타겟 거리 사이의 관계를 표현한다.
[수학식 5]
y = 초점거리 * 회전속도 * (4 * 거리)/c
여기서 y는 간격(221)이고, 초점 거리는 콜리메이팅 광학 기기(229)의 초점 길이(미터 단위)이고, 회전 속도는 폴리곤 스캐너(244)의 회전 속도(초당 라디안 단위)이고, c는 광속(초당 미터 단위)이고, 거리는 타겟 거리(미터 단위)이다.
[0105] 시스템(200"', 200"")의 구현예에서, 변위된 빔(예를 들어, 제2 선형 편광(254)을 갖는 리턴 빔(291'))이 편향되는 각도(예를 들어, 도 2i의 각도 259)로 정의되는 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)에 대한 빔 이탈(walk-off) 각도(α)는 다음에 의해 정의된다:
[수학식 6]
여기서 no 및 ne은 자유 공간 광학 기기(260, 예, 복굴절 디스플레이서)의 정상 및 비정상 굴절률이고, θ는 결정축 각도(예, 이탈을 최대화하기 위해 일반적으로 약 45도)이다. 일 구현예에서, 변위 거리(264)는 간단히 다음과 같다:
[수학식 7]
여기서 d는 변위 거리이고, L은 자유 공간 광학 기기(260)의 길이(262)이다. 일 구현예에서, 시스템(200"', 200"")에서 도파관들 사이의 간격(221)은 (예, 수학식 7을 이용한) 변위 벡터 d 및 (예, 수학식 5를 이용한) 왕복 지연 기반의 간격의 크기의 합이다. 여기서, "정상 굴절률"은 결정축에 직교하고 (예를 들어, 자유 공간 광학 기기(260)의 표면에 대해 수직으로 입사하고 자유 공간 광학 기기(260)를 통해 해당 방향으로 계속되는) 정상 굴절 법칙에 따라 거동하는 선형 편광(예, 도 2i-2j의 선형 편광(252))의 빔들이 굴절되는 굴절률을 의미한다. 추가로, "비정상 굴절률"은 결정축에 평행하고 (예를 들어, 자유 공간 광학 기기(260)의 표면에 대해 수직으로 입사하고 자유 공간 광학 기기(260)를 통해 해당 방향으로 계속되지 않는) 정상 굴절 법칙에 따라 거동하지 않는 선형 편광(예, 도 2i-2j의 선형 편광(252))의 빔들이 굴절되는 굴절률을 의미한다.
[0106] 일 구현예에서, 수신 도파관(225a)은 송신 도파관(223)의 직경(wo)의 약 2 내지 5배인 간격(221a)을 가지며, 추가의 거리(예를 들어, 약 50m 초과)에 위치된 타겟으로부터 리턴 빔(291')을 수신하는 데 사용된다. 추가의 거리에 위치된 타겟의 경우, 왕복 시간이 더 길며, 패싯(245a)은 도 2f에 도시된 것보다 더 크게 회전하며, 따라서 리턴 빔(291')은 콜리메이팅 광학 기기(229)에 대해 더 큰 각도(228)만큼 편향된다. 그러나, 추가의 거리에 위치된 타겟의 경우, 바이스태틱 트랜시버(215) 상의 리턴 빔(291')의 이미지(418, 도 4e)의 직경이 더 작기 때문에 간격(221a)의 크기 및 범위가 더 작아서 (예를 들어, 정밀도가 증가되어) 이미지(418)가 적절한 간격(221a)에 의해 수신 도파관(225a)으로 이동되는 것을 보장한다. 일 구현예에서, 간격(221)은 이미지(418)의 직경의 비율(예를 들어, 1 미만)에 기초한다. 일부 구현예들에서, 간격(221, 도 2i) 및/또는 간격(221a, 221b, 도 2j)은 또한 각각의 바이스태틱 트랜시버(215', 215") 상의 이미지(418)의 직경의 비율(예, 1 미만) 및/또는 복굴절 디스플레이서의 길이 및/또는 복굴절 디스플레이서에 의한 빔의 변위 거리와 같은 다른 파라미터들에 기초한다.
[0107] 일 구현예에서, 수신 도파관(225b)은 송신 도파관(223)의 직경(wo)의 약 5-10배인 간격(221b)을 가지고, 더 작은 거리(예를 들어, 더 작은 약 50m 미만)에 위치된 타겟으로부터 리턴 빔(291')을 수신하는 데 사용된다. 더 작은 거리에 위치된 타겟의 경우, 왕복 시간이 더 짧고, 패싯(245a)은 도 2f에 나타낸 것보다 더 적게 회전하며, 따라서 리턴 빔(291')은 콜리메이팅 광학 기기(229)에 대해 더 작은 각도(228)만큼 편향된다. 그러나, 더 작은 거리에 위치된 타겟의 경우, 수신 도파관(225b)에서 최소 SNR을 달성하기 위해 더 큰 이미지(418)가 특정 양만큼 시프트되는지 여부에 대한 더 넓은 관용도(latitude)가 있기 때문에, 바이스태틱 트랜시버(215) 상의 리턴 빔(291')의 이미지(418, 도 4e)의 직경이 더 크고 그에 따라 간격(221a)의 크기 및 범위가 더 크다(예를 들어, 정밀도 감소)이다.
[0108] 따라서, 일 구현예에서, 수신 도파관(225a, 225b)은 빔(205")이 고정된 회전 속도로 각도 범위(227)에 걸쳐 스캔될 때 상이한 거리들의 타겟들로부터 리턴 빔들(291')을 수신하는 데 사용될 수 있다. 예시적인 구현예에서, 도파관(225a)은 각도 범위(227)의 제1 부분에 걸쳐 더 긴 거리에 위치된 타겟들로부터 리턴 빔들(291')을 수신하고, 도파관(225b)은 각도 범위(227)의 제2 부분에 걸쳐 더 짧은 거리들에 위치된 타겟들로부터 리턴 빔들(291')을 수신한다. 그러나, 다른 구현예들에서, 빔(205")이 각도 범위(227, 예, 약 0m 내지 약 250m)에 걸쳐 스캔될 때 타겟 거리의 하나의 값 또는 값들의 범위 내에서 타겟들로부터 리턴 빔들(291')을 수신하기 위해 하나의 수신 도파관(225a 또는 225b)만이 사용된다.
[0109] 일 구현예에서, 시스템(200")은 자유 공간 광학 기기(226)를 배제하므로 수신 도파관(225a)은 수신 경로(224)를 따라 제공되고 광 믹서(284)에 연결된다. 기준 빔(207b)은 기준 빔(207b)이 광 믹서(284) 내에서 수신 도파관(225a)으로부터의 리턴 빔(291')과 결합되도록 LO 경로(220)를 따라 도파관 내에서 전송된다. 다수의 수신 도파관들(225b, 225b)이 제공되는 일 구현예에서, 수신 도파관(225b)이 수신 경로(224)를 따라 제공되고 각각의 기준 빔(207b)이 수신 도파관(225b)으로부터의 리턴 빔(291')과 결합되는 각각의 광 믹서(284)에 연결되도록 유사한 배열이 수신 도판관(225b)에 제공된다. 하나의 수신 도파관(225a)이 바이스태틱 트랜시버(215)에 있는 일 구현예에서, 하나의 처리 채널(예를 들어, LO 경로를 따른 하나의 수신 도파관, 하나의 광 믹서, 하나의 도파관)만이 제공된다. 예시적인 구현예에서, 도 2i의 시스템(200"')의 바이스태틱 트랜시버(215')의 수신 도파관(225')을 위해 하나의 처리 채널만이 제공된다. 그러나, 2쌍 이상의 도파관 - 여기서 도파관의 각 쌍은 도 2i의 송신 도파관(223') 및 수신 도파관(225')을 포함함 - 을 포함하는 도파관들의 선형 어레이(예를 들어, 1차원 선형 어레이)를 도시하는 도 2k의 시스템(200"')의 수신 도파관들(225a', 225b')을 위해 다수의 처리 채널이 제공된다. 다수의 수신 도파관들(225a, 225b)이 제공되는 다른 구현예에서, 다수의 처리 채널이 제공된다. 예시적인 구현예에서, 도 2j의 시스템(200"")의 바이스태틱 트랜시버(215")의 수신 도파관들(225a', 225b')을 위해 다수의 처리 채널이 제공된다. 이 예시적인 구현예에서, 다수의 처리 채널은 수신 도파관들(225a', 225b')의 끝단들에 수신된 다수의 리턴 빔들의 직교 선형 편광을 처리하도록 구성된다. 또 다른 예시적인 구현예에서, 바이스태틱 트랜시버(215")는 선형 어레이(예를 들어, 1차원 어레이)이고, 따라서 다수의 처리 채널이 제공되어 1차원 선형 어레이의 도파관들 중 다수의 수신 도파관들에 수신된 다수의 리턴 빔 신호들(예, 직교 선형 편광을 가짐)을 동시에 처리한다. 따라서, 일 구현예에서, 시스템(200", 200"', 200"")은 수신 도파관들(225)의 개수와 동일한 개수의 처리 채널을 포함한다. 일 구현예에서, 이는 리턴 빔들(291')이 수신 도파관들(225a, 225b)로부터 비중첩 기간에 순차적으로 수신되기 때문에, 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)은 리턴 빔(291')을 수신 도파관들(225)로부터 순차적인 기간에 따라 처리(예를 들어, 제1 시간 주기에 걸쳐 수신 도파관(225a)로부터 리턴 빔(291')을 처리하고, 제2 기간에 걸쳐 수신 도파관(225b)으로부터 리턴 빔(291')을 처리)하도록 구성된다. 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)은 시스템(200"', 200"") 내에 수신된 다수의 리턴 빔들을 동시에 처리하도록 구성된다.
4. 코히런트 LIDAR 시스템 파라미터
[0110] 일 구현예에서, 시스템(200')의 모노스태틱 코히런트 LIDAR 성능은 이른바 "링크 버짓(link budget)"에 시스템 파라미터를 포함함으로써 모델링된다. 링크 버짓은 다양한 시스템 및 타겟 파라미터에 대하여 신호대잡음비(SNR)의 예상 값을 추정한다. 일 구현예에서, 시스템 측에서, 링크 버짓은 출력 광 파워, 인테그레이션 시간, 검출기 특성들, 도파관 연결에서의 삽입 손실, 이미징된 스폿과 모노스태틱 수집 도파관 사이의 모드 중첩 및 광 트랜시버 특성 중에서 하나 이상을 포함한다. 다른 구현예에서, 타겟 측에서, 링크 버짓은 대기 특성(atmospheric characteristics), 타겟 반사도 및 타겟 거리 중에서 하나 이상을 포함한다.
[0111] 도 4a는, 일 구현예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템(200')에서 리턴 빔(291)에 대한 예시적인 신호대잡음비(SNR) 대 타겟 거리를 도시하는 그래프이다. 다른 구현예에서, 도 4a는 도 2a의 시스템(200)에서 리턴 빔(291)에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시한다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이다. 수직 축(404)은 데시벨(dB) 단위의 SNR이다. 곡선(410)은 근거리(near field, 406)와 원거리(far field)로 분할된 SNR 대 거리의 값들을 나타내며, 상대적으로 평탄한 기울기를 갖는 곡선(410)의 근거리(406)로부터 음의 기울기(예를 들어, 10m 당 대략 -20dB)를 갖는 곡선(410)의 원거리(408)로 천이된다. 리턴 빔(291)이 통과하는 산란하는 대기가 타겟까지의 거리의 제곱에 따라 증가하고, 리턴 빔(291)을 수집하기 위한 광 도파관 끝단(217)의 표면적이 고정되기 때문에, 원거리(408)에서의 SNR 감소는 "r 제곱(r-square)" 손실에 의해 지배된다. 도 4b는, 일 구현예에 따라, 원거리(408)에서 SNR 곡선(410)의 형상을 구동하는 l/r 제곱 손실을 나타내는 곡선(411)의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 거리이고, 수직 축(407)은 단위가 없는 파워 손실이다.
[0112] 근거리(406)에서, SNR의 1차 동인(driver)은 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에 포커싱되기 전의 콜리메이트된 리턴 빔(291)의 직경이다. 도 4c는, 일 구현예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템(200')에서 리턴 빔(291)에 대한 콜리메이트된 빔 직경 대 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(405)은 미터(m) 단위의 리턴 빔(291)의 직경이다. 일 구현예에서, 곡선(414)은 리턴 빔(291)이 광 도파관의 끝단(217)에 포커싱되기 이전에 콜리메이팅 광학 기기(229)에 입사하는 콜리메이트된 리턴 빔(291)의 직경을 나타낸다. 곡선(414)은 콜리메이팅 광학 기기(229)에 입사하는 콜리메이트된 리턴 빔(291)의 직경이 증가하는 타겟 거리에 따라 증가한다는 것을 나타낸다.
[0113] 일 구현예에서, 근거리(406)에서, 콜리메이트된 리턴 빔(291)의 직경이 더 큰 타겟 거리에서 증가함에 따라, 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에 포커싱되는 리턴 빔(291)의 직경은 줄어든다. 도 4d는, 일 구현예에 따라, 스캐닝 없는 도 2d의 시스템에서 송신된 신호에 대한 리턴 빔(291)의 끝단(217)에서의 수집 효율과 연관된 SNR 대 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(404)은 데시벨(dB) 단위의 SNR이다. 곡선(416)은 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291)의 근거리 SNR을 타겟 거리에 기초하여 나타낸다. 근거리(406) 내의 가까운 거리에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(418a)는 단일 모드 광 섬유 끝단(217)의 코어 크기보다 충분히 더 크다. 따라서, 수집 효율과 연관된 SNR은 상대적으로 낮다. 근거리(406) 내의 더 긴 거리에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(418b)는 이미지(418a)보다 훨씬 작고, 따라서 수집 효율에 기인하는 SNR은 더 긴 거리에서 증가한다. 일 구현예에서, 곡선(416)은 근거리(406)의 SNR이 포커싱된 리턴 빔(291)의 더 긴 거리에서 개선된 수집 효율에 기초하여 양의 기울기(예를 들어, 10미터 당 +20dB)를 가지는 것을 보여준다. 하나의 구현예에서, 근거리 SNR에서의 이러한 양의 기울기는 "r-제곱" 손실에 기인하는 도 4b에서 논의된 근거리 SNR에서의 음의 기울기를 상쇄시키며, 따라서 근거리(406)에서의 곡선(410)의 상대적으로 평탄한 영역으로 이어진다. 도 4d의 SNR 곡선(416) 내 양의 기울기는 원거리(408)까지 연장되지 않고, 따라서 원거리(408)에서의 SNR 곡선(410)에 도시된 바와 같이 도 4b의 "r-제곱" 손실이 원거리(408) SNR을 지배한다.
[0114] 도 4a 내지 4d와 관련한 논의에서는 리턴 빔(291)의 SNR을 타겟 거리의 함수로서 예상하지만, 도 4a 내지 4d에서 예상되는 SNR은 모노스태틱 코히런트 LIDAR 시스템(200')에 대한 것으로, 이것은 스캐닝 광학 기기(218)의 스캔 레이트를 고려하지 않기 때문에, 스캔된 모노스태틱 코히런트 LIDAR 시스템(200')의 성능을 완전히 특징화하지 않는다. 하기의 도 4e-4g는 빔(205")이 0보다 큰 스캔 레이트로 스캔되는 바이스태틱 코히런트 LIDAR 시스템(200")의 측면에서 논의된다. 일 구현예에서, 리턴 빔(291)의 왕복 이동 지연으로 인하여, 빔이 스캐닝 광학 기기(218, 예, 폴리곤 스캐너(244))에 의해 스캔되고 있을 때, 리턴 빔(291)의 수신 모드는 전송된 빔(205')의 송신된 모드로부터 좌우로 시프트하거나 "이탈(walk off)"할 것이다. 일 구현예에서, 리턴 빔(291')은 전송된 빔(205')에 대해 각도(228)로 편향되고, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 측방향 시프트 또는 "이탈(walk-off)"이 간격(221a)에 대응하거나 간격(221a)의 임계값 내에 있는 경우, 수신 도파관(225a)의 끝단(217)으로 리턴 빔(291')을 포커싱한다. 일 구현예에서, 임계값은 수신 도파관(225)의 끝단(217) 상의 리턴 빔(291')의 이미지의 직경의 최대 비율(예를 들어, 1보다 작은 비율)이다. 일 구현예에서, 이탈은 리턴 빔(291')의 이미지(418)와 수신 도파관(225)의 중첩이 최적의 수집 효율로 이어지도록 하는 것이 필요하며, 예를 들어, 이탈은 이미지(418)의 중심이 수신 도파관(225)의 끝단(217)의 ±10% 이내가 되도록 제공된다. 도 4e는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템(200")에서 다양한 타겟 거리 및 스캔 속도에 대한 빔 이탈의 일례를 도시하는 이미지이다. 수평 축(502)은 타겟 거리이고, 수직 축(422)은 스캐닝 광학 기기(218)를 이용한 빔의 스캔 속도이다. 도 4e가 도시하는 바와 같이, 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(418a)가 송신 도파관(223)의 끝단(217)에 집중되어 짧은 타겟 거리에서 빔 이탈이 없다는 것을 나타내고 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(418b)도 송신 도파관(223)의 끝단(217)에 집중되어 먼 타겟 거리에서 빔 이탈이 없다는 것을 나타내기 때문에, 빔이 스캔되지 않을 때(하부 행)에는 빔 이탈은 없다. 일 구현예에서, 빔(291')은 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 또는 그 근처에 집중되지 않고 그리고/또는 빔 이탈이 거의 또는 전혀 없기 때문에 빔 이탈은 송신 도파관(223)과 수신 도파관(225) 사이의 간격(221)의 임계값 내에 있지 않다. 결과적으로, 이것은 바이스태틱 트랜시버 시스템(200")에 대한 최적의 배열이 아니다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 이미지(418a)의 직경은 간격(221)보다 크므로 리턴 빔(291')의 이미지(418a)는 수신 도파관(225)의 끝단(217)과 부분적으로 중첩된다. 결과적으로, 리턴 빔(291')의 일부가 더 짧은 타겟 거리에서 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 수신되므로, 빔(205")이 스캔되지 않을 때에도 신호대잡음비(SNR)는 0보다 크다. 또한, 도 4e에 도시된 바와 같이, 이미지(418b)의 직경은 간격(221)보다 작거나 거의 동일하므로 리턴 빔(291')의 이미지(418b)는 더 긴 타겟 거리에 대해 수신 도파관(225)의 끝단(217)과 중첩되지 않을 수 있다. 결국, 빔(205")이 스캔되지 않을 때 더 긴 타겟 거리에서 수신 도파관(225)의 끝단에 리턴 빔(291')이 거의 수신되지 않거나 전혀 수신되지 않는다.
[0115] 빔(205")이 중간 스캔 속도로 스캐닝될 때(도 4e의 중간 행), 짧은 타겟 거리에 대해 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(418a)와 송신 도파관(223)의 끝단(217) 사이에서 중간 빔 이탈(4l9a)이 관찰되고, 먼 타겟 거리에 대해 포커싱된 리턴 빔(291)의 이미지(218b)와 송신 도파관(223)의 끝단(217) 사이에서 더 큰 빔 이탈(419b)이 관찰된다. 빔 이탈(419b)은 더 작은 타겟 거리에 대한 빔 이탈(419a)보다 더 큰 타겟 거리에 대해 더 크지만, 리턴 빔(291')은 수신 도파관(225) 상의 이미지(418a)의 훨씬 더 큰 직경으로 인해 더 작은 타겟 거리에서 더 높은 SNR을 갖는다. 이탈(419b)은 이미지(418b)의 직경의 비율보다 작기 때문에, 이것은 원거리 타겟 거리에 대한 바이스태틱 트랜시버 시스템(200")에 대한 최적의 배열이 아니다. 그러나, 일부 구현예들에서, 간격(221)은 폴리곤 스캐너(244)가 중간 스캔 속도로 회전할 때 수신 도파관(225a)이 짧은 거리에서 리턴 빔(291')을 수신하게 구성되도록 이탈(419a)에 기초하여 선택되는 데, 이는 짧은 타겟 거리에 대한 이미지(418a)의 증가된 직경은 작은 이탈(419a)에도 불구하고 리턴 빔(291')의 SNR이 SNR 임계값보다 더 커지게 할 수 있기 때문이다.
[0116] 빔(205")이 높은 스캔 속도로 스캔될 때(도 4e의 상부 행), 중간 스캔 속도의 빔 이탈(4l9a)을 초과하는 빔 이탈(421a)이 짧은 거리에서 관찰되고, 중간 스캔 속도의 빔 이탈(4l9b)을 초과하는 빔 이탈(421b)이 긴 거리에서 관찰된다. 따라서, 빔 이탈은 타겟 거리와 스캔 속도가 증가함에 따라 증가한다. 일 구현예에서, 증가된 타겟 거리는 시간 지연을 유발하며 그 동안 이미지(418a, 4l8b)는 송신 도파관(223)의 끝단(217)으로부터 멀리 시프트된다. 따라서, 모드 중첩의 모델은 이 이탈을 적절하게 설명한다. 하나의 구현예에서, 이러한 모델은 빔 이탈(419, 421)을 이미지(418)의 직경에 기초하여 (예를 들어, 이미지(418)의 직경의 절반보다 크지 않게) 제한하여야 하며, 따라서 더 작은 타겟 거리의 타겟(418a)에 대해 빔 이탈(419, 421)의 허용 가능한 범위에 대한 더 넓은 관용도가 존재한다. 일 구현예에서, 폴리곤 스캐너(244)가 고정된 최적의 스캔 속도로 설정될 수 있고 더 짧은 거리의 타겟으로부터의 리턴 빔들(291')이 수신 도파관(225b)으로 편향되고 더 긴 거리의 타겟으로부터 리턴된 빔들(291')이 수신 도파관(225a)으로 편향되도록, 간격(221b)은 빔 이탈(421a)에 기초하여 조정되고 간격(221a)은 빔 이탈(421b)에 기초하여 조정된다. 이 예시적인 구현예에서, 빔 이탈(421a)은 간격(221a)의 임계값 내에 있고, 빔 이탈(421b)은 간격(221b)의 임계값 내에 있다. 일부 구현예들에서, 도 4e에 도시된 것과 유사한 빔 이탈은 도 2i의 시스템(200"') 및/또는 도 2j의 시스템(200"")에서의 다양한 타겟 거리, 스캔 속도, 복굴절 디스플레이서 길이 및/또는 변위된 빔 거리에 대해 생성될 수 있다.
[0117] 도 4f는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템(200")에서 다양한 스캔 레이트에 대한 커플링 효율 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(430)은 단위가 없는 커플링 효율이다. 일 구현예에서, 커플링 효율은 간격(221)과 빔 이탈(419, 421) 사이의 차이 및/또는 이미지(418)의 직경에 반비례한다(예를 들어, 더 큰 직경의 경우, 간격(221)과 빔 이탈(419, 421) 간의 차이에서 더 넓은 관용도를 가지고, 더 작은 직경의 경우, 해당 차이에서 더 좁은 관용도를 가진다). 제1 곡선(432a)은 빔(205')의 스캐닝이 없는 것에 기초하여, 모노스태틱 시스템(200')의 광 섬유 끝단(217)으로 포커싱된 리턴 빔(291)의 다양한 타겟 거리에 대한 커플링 효율을 나타낸다. 커플링 효율은 넓은 범위의 타겟 거리에 대하여 상대적으로 높고 일정한 상태를 유지한다. 제2 곡선(432c)은 빔의 중간 스캔 레이트에 기초하여, 수신 도파관(225)의 끝단(217)으로 포커싱된 리턴 빔(291')의 다양한 타겟 거리에 대한 커플링 효율을 나타낸다. 일 구현예에서, 중간 스캔 레이트에서 커플링 효율은 높은 타겟 거리(예를 들어, 대략 450m)에서 피크에 도달한 후, 상기 높은 타겟 거리 위 아래의 타겟 거리들에 대해 감소한다. 제3 곡선(432b)은 빔의 높은 스캔 레이트에 기초하여, 수신 도파관(225)의 끝단(217)으로 포커싱된 리턴 빔(291')의 커플링 효율을 다양한 타겟 거리에 대하여 나타낸다. 일 구현예에서, 높은 스캔 레이트의 커플링 효율은 중간 타겟 거리(예를 들어, 대략 180m)에서 피크에 도달한 후, 타겟 거리가 증가함에 따라 감소한다. 제4 곡선(432d)은 빔의 스캐닝이 없 을 때 다양한 타겟 거리에 대한 수신 도파관(225)의 끝단(217)으로 포커싱된 리턴 빔(291')의 커플링 효율을 나타낸다. 빔의 스캐닝이 없으면 리턴 빔(291')이 송신 도파관(223, 도 4e의 바닥 행)에 중심 정렬되므로, 커플링 효율은 타겟 거리 전체에 걸쳐 약 0이다. 결과적으로, 빔(205")의 스캐닝이 없는 경우는 바이스태틱 LIDAR 시스템(200")에 대한 유리한 동작 모드가 아니다. 일부 구현예들에서, 도 4f에 도시된 것과 유사한 커플링 효율은 도 2i의 시스템(200"') 및/또는 도 2j의 시스템(200"")에서 다양한 타겟 범위, 스캔 속도, 복굴절 디스플레이서 길이 및/또는 변위된 빔 거리에 대해 생성될 수 있다.
[0118] 도 4f의 곡선에 기초하여, 스캐닝이 없으면 수신 도파관들(225)로의 커플링 효율이 거의 또는 전혀 발생하지 않으므로, 바이스태틱 LIDAR 시스템(200")에 최적이 아니다. 또한, 스캔 속도가 너무 느리면 넓은 타겟 거리(예, < 300m) 내에서는 볼 수 없다. 이 경우에, 포커싱된 리턴 빔(291')의 이미지(418b)의 빔 이탈(419b)은 매우 큰 타겟 거리(예를 들어, 300m 이상)에서만 간격(221)에 접근한다. 결과적으로, 적어도 이러한 매우 큰 거리보다 짧은 거리를 갖는 타겟(예, 거리가 < 300m인 타겟의 경우)에 대한 리턴 빔(291') 데이터를 캡처하기 위해 바이스태틱 LIDAR 시스템(200")을 느린 스캔 속도로 작동하는 것은 최적이 아니다. 도 4f는 또한 최적의 속도(예를 들어, 곡선(432b))의 스캐닝은 넓은 타겟 거리(예를 들어, 약 100m 내지 약 300m) 내에 위치된 타겟을 볼 수 있게 하는 것을 예시한다. 이것은 빔 이탈(421b)이 간격(221)의 임계값 내에 있는 것에 기초한다. 예시적인 구현예에서, 중간 스캔 속도는 약 1000 도/초 내지 약 2000 도/초의 범위에 있고 최적의 스캔 속도는 약 4000 도/초에서 약 7000 도/초까지의 범위에 있다.
[0119] 도 4g는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템(200")에서 다양한 스캔 레이트에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(404)은 데시벨(dB) 단위의 SNR이다. 제1 곡선(440d)은 빔이 스캔되지 않는 경우에, 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 타겟 거리에 기초하여 나타낸다. 빔이 스캔되지 않을 때 빔 이탈은 없지만, 포커싱된 리턴 빔(291')의 이미지(418a)는 수신 도파관(225)의 끝단(217)과 부분적으로 중첩되며(도 4e의 바닥 행), 따라서 SNR은 0보다 크며 이미지(418a)의 직경이 비교적 크기 때문에 SNR 임계값(442)보다 클 수 있다. 추가로, 빔이 큰 타겟 거리에 대해 스캔되지 않을 때(도 4e의 바닥 행), 포커싱된 리턴 빔(291')의 이미지(418b)의 직경은 더 작은 타겟 거리에서보다 훨씬 더 작고, 수신 도파관(225)의 끝단(217)과 중첩되지 않는다. 따라서, 일부 타겟 거리(예, 약 90m)를 지나면 곡선(440d)의 SNR은 0에 접근한다.
[0120] 제2 곡선(440b)은 빔이 중간 스캔 레이트로 스캔되는 경우에, 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 SNR을 타겟 거리에 기초하여 나타낸다. 예시적인 구현예에서, 낮은 스캔 레이트는 대략 2500 도/초이거나, 대략 1000 도/초 내지 대략 4000 도/초의 범위 또는 대략 500 도/초 내지 대략 5000 도/초의 범위 내에 있다. 제3 곡선(440c)은 최적의 스캔 레이트로 빔이 스캔되는 경우에, 수신 도파관(225)의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291)의 SNR을 타겟 거리에 기초하여 나타낸다. 예시적인 구현예에서, 최적의 스캔 레이트는 대략 5500 도/초이거나, 대략 4000 도/초 내지 대략 7000 도/초의 범위 또는 대략 3000 도/초 내지 대략 8000 도/초의 범위 내에 있다. 일 구현예에서, 낮은 스캔 레이트와 최적의 스캔 레이트는 시스템의 빔 크기 및/또는 간격(221) 및/또는 목표를 포함하는 시스템(200")의 하나 이상의 파라미터들에 기초한다. 예시적인 구현예에서, 상술한 낮은 스캔 레이트와 최적의 스캔 레이트의 수치 범위는 대략 400 미터(m)의 최대 타겟 거리까지 이미지를 스캔하기 위하여 사용되는 대략 1 센티미터(cm)의 직경을 갖는 콜리메이트된 빔에 기초한다.
[0121] 궁극적으로, 빔 이탈(419, 421)과 간격(221) 사이의 차이는 코히런트 바이스태틱 LIDAR 시스템(200")의 SNR의 중요한 억제자(inhibitor)이며 그리고/또는 특정 타겟 거리에 대한 이미지(418)의 직경은 임계값 SNR을 달성하기 위한 상기 차이의 허용 오차 또는 정밀도를 나타낸다. 일 구현예에서, 바이스태틱 시스템(200")에서 빔의 스캔 속도는 각도 범위 및 결과적인 타겟 거리에 걸쳐 고정된 스캔 속도(예를 들어, 폴리곤 스캐너(244)의 각속도(249)의 고정된 속도)로 설정되며, 여기서 고정 스캔 속도는 고정 스캔 속도의 연관된 SNR이 타겟 거리에 걸쳐 SNR 임계값보다 높도록 선택된다. 이전에 논의된 바와 같이, 도 4g의 SNR 곡선은 시스템(200"', 도 2i) 및 시스템(200"", 도 2j)에서 수신 도파관들의 끝단들에 수신된 리턴 빔들에 대해 생성될 수 있다. 일 구현예에서, 본 명세서에서 논의된 바와 유사한 방법은 (예를 들어, 연관된 SNR 곡선이 타겟 거리에 걸쳐 SNR 임계값보다 높은 스캔 속도로 설정된) 이러한 시스템에서 스캐닝 광학 기기의 고정된 스캔 속도를 결정하기 위해 SNR 곡선과 함께 사용될 수 있다. 종래의 코히런트 LIDAR 시스템에서, 이것은 스캔 궤적(460)에 걸쳐 빔을 스캔하는 데 사용되는 비교적 낮은 고정 스캔 레이트를 초래하며, 이는 도 4h에 도시된 바와 같이 인접한 스캔들 사이에 큰 갭(462)을 초래한다. 스캔 속도 제한은 빔 궤적(460)을 따라 조밀한 샘플링으로 이어진다. 빔이 적은 수의 상당히 큰 필드(예, 어느 한 차원에서 수십 배의 도)에 걸쳐 스캔될 때, 빔 궤적(460)은 각도 범위에 큰 갭(462)을 남긴다. 이는 큰 갭(462)에 위치된 타겟이 탐지되지 않기 때문에 이상적이지 않다. 직사각형 샘플링의 "정사각형 그리드"는 달성되지 않는다. 대신에, 스캔 궤적(460)을 따른 샘플링과 10:1보다 클 수 있는 궤적(460) 사이의 갭들(462) 사이에 비대칭이 관찰된다. 이러한 문제를 염두에 두고, 본 개시 내용의 발명자들은 고정 빔 스캔 속도를 최대화하고 이러한 개념에 대한 효율적인 하드웨어 솔루션(예, 폴리곤 스캐너(244))을 제공하는 것 중 하나 이상을 포함하는 여러 보완 솔루션을 개발했다.
[0122] 빔의 스캔 레이트 이외에, 리턴 빔(291')의 SNR은 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)이 리턴 빔(291')을 샘플링하여 처리하는 시간인 인테그레이션 시간에 의해 영향을 받는다. 일부 구현예들에서, 빔은 이산 각도들(discrete angles) 사이에 스캔되고, 각각의 이산 각도에서 각각의 인테그레이션 시간 동안 각도 범위(227) 내의 이산 각도들로 고정된 상태로 또는 거의 고정된 상태로 유지된다. 다른 구현예들에서, 빔은 (예를 들어, 폴리곤 스캐너(244)를 사용하여) 각도 범위(227) 전체에 걸쳐 고정된 스캔 레이트로 스캔된다. 리턴 빔(291')의 SNR은 인테그레이션 시간 및/또는 타겟 거리 및/또는 스캔 레이트 및/또는 간격(221)의 값에 의해 영향을 받는다. 따라서, 더 긴 타겟 거리로부터 리턴 빔(191')에 대해 동일한 SNR을 달성하기 위해 더 긴 인테그레이션 시간이 필요하다.
[0123] 도 4i는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템(200")에서 다양한 인테그레이션 시간에 대한 SNR 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(404)은 데시벨(dB) 단위의 SNR이다. 제1 곡선(450a)은 타겟 거리에 걸친 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내며, 여기서 시스템(200')은 제1 인테그레이션 시간(예를 들어, 3.2㎲)으로 설정된다. 제2 곡선(450b)은 타겟 거리에 걸친 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내며, 여기서 시스템(200')은 제2 인테그레이션 시간(예를 들어, 1.6㎲)으로 설정된다. 제3 곡선(450c)은 타겟 거리에 걸친 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내며, 여기서 시스템(200')은 제3 인테그레이션 시간(예를 들어, 800ns)으로 설정된다. 제4 곡선(450d)은 타겟 거리에 걸친 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내며, 여기서 시스템(200', 200")은 제4 인테그레이션 시간(예를 들어, 400ns)으로 설정된다. 곡선(450)은 고정된 타겟 거리에 대하여 인테그레이션 시간의 증가에 따라 증가된 SNR이 달성된다는 것을 보여준다. 또한, 곡선(450)은 고정된 인테그레이션 시간에 대하여 리턴 빔(291)의 SNR이 이전에 논의된 이유로 거리 증가에 따라 감소한다는 것을 보여준다. 일 구현예에서, 고정된 인테그레이션 시간과 연관된 SNR이 타겟 거리에 걸친 SNR 임계값(452)을 초과하도록, 각도들의 범위(227) 및 결과적인 타겟 거리들에서의 스캐닝을 위하여 고정된 인테그레이션 시간(예를 들어, 1.6㎲)이 선택된다. 다른 구현예는 각각의 각도에서의 타겟 거리를 이용하여 각도들의 범위(227) 내의 각각의 각도에서 인테그레이션 시간을 최소화하여 각도들의 범위(227)에 걸쳐 인테그레이션 시간을 최소화하는 것을 포함한다. 도 4j는, 일 구현예에 따라, 도 2e의 시스템(200")에서 측정 속도(measurement rate) 대 타겟 거리의 일례를 도시하는 그래프이다. 수평 축(402)은 미터(m) 단위의 타겟 거리이고, 수직 축(474)은 초당 허용 가능한 측정 횟수 단위의 단위 시간당 허용 가능한 측정 횟수이다. 곡선(476)은 각각의 타겟 거리에서의 초당 허용 가능한 측정 횟수를 나타낸다. 일 구현예에서, 곡선(476)은 인테그레이션 시간의 역수, 예를 들어, 초당 각각의 타겟 거리에서 검출될 수 있는 리턴 빔들(291')의 개수를 나타내며, 인테그레이션 시간은 각각의 타겟 거리에서 리턴 빔(291)을 처리하는데 얼마나 걸리는지를 나타낸다. 또한, 곡선(478)이 제공되고, 이는 각각의 타겟 거리에서 초당 허용 가능한 측정 횟수의 좋은 목표이다. 곡선(478)은 주어진 아날로그 디지털 변환기(ADC) 레이트에 대한 2의 거듭제곱 간격에 기초한다. 곡선(478)은 디지털화된 샘플의 개수가 2의 거듭제곱일 때 이러한 길이 신호에 대한 고속 푸리에 변환이 더 효율적이기 때문에, 초당 허용 가능한 측정 횟수의 좋은 목표를 나타낸다. 곡선(450)은 한정되는 것은 아니지만, 도파관 간격(221), 송신된 신호(205')의 전력 및 콜리메이팅 광학 기기(229)의 초점 거리를 포함하는 하나 이상의 시스템(200") 시스템 파라미터에 기초하여 변한다. 일 구현예에서, 도 4i의 곡선들(450)과 유사한 곡선들이 시스템(200"', 도 2i) 및 시스템(200"", 도 2j)에서 수신 도파관들의 끝단들에 수신된 리턴 빔들의 인테그레이션 시간에 대해 생성될 수 있다. 여기에서 논의된 것과 유사한 방법들이 고정된 인테그레이션 시간, 예를 들어, 타겟 거리에 걸쳐 SNR 임계값을 초과하는 곡선의 인테그레이션 시간의 값을 결정하도록 사용될 수 있다.
5. 바이스태틱 LIDAR 시스템을 위한 자유 공간 광학 기기
[0124] 도 2g 및 도 2h는 일 구현예에 따라 모노스태틱 LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 예시하는 블록도이다. 도 2g 및 도 2h에 도시된 모노스태틱 LIDAR 시스템은 여기에서 논의된 특징들을 제외하고는 도 2d의 시스템과 유사하다. 도 2d의 시스템과 달리, 도 2g 및 도 2h의 시스템(207, 209)의 송신 경로(222') 및 수신 경로(224')는 직교 지향을 갖는 편광 유지(PM) 도파관들이다. 또한, 도 2g의 모노스태틱 LIDAR 시스템(207)은 (도 2d의 자유 공간 광학 기기(226) 대신에) 자유 공간 광학 기기(226') 및 콜리메이팅 광학 기기(229)와 타겟(292) 사이에 위치된 1/4 파장판(211)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 자유 공간 광학 기기(226')는 광 아이솔레이터(optical isolator) 또는 편광 빔 스플리터/결합기일 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 자유 공간 광학 기기(226', 예를 들어, 편광 빔 스플리터/결합기)는 제1 선형 편광(예를 들어, 수직 선형 편광)으로 송신 경로(222')로부터의 빔을 편광시키고, 이는 모노스태틱 광섬유의 끝단(217)으로부터 출력된다. 그 다음, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 제1 선형 편광으로 빔을 콜리메이트하고, 그 후 1/4 파장판(211)이 빔의 제1 선형 편광을 제1 원형 편광(예를 들어, 우측 원형 편광)으로 변환한다. 그 다음, 빔은 제1 원형 편광의 방향과 반대인 제2 원형 편광(예를 들어, 좌측 원형 편광)으로의 위상 변화를 야기하는 타겟(292)으로부터 반사된다. 그 다음, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 이 리턴 빔을 모노스태틱 광섬유의 끝단(217)에 포커싱시킨다. 그 다음, 자유 공간 광학 기기(226')는 제2 원형 편광을 송신 빔의 제1 선형 편광에 직교하는 제2 선형 편광(예를 들어, 수평 선형 편광)으로 변환함으로써 빔을 편광시킨다. 수신 경로(224')의 PM 광섬유는 제2 선형 편광과 정렬되어 제2 선형 편광을 갖는 리턴 빔은 수신 경로(224')의 PM 광섬유에서만 수신되고 송신 경로(222')의 PM 광섬유에서는 수신되지 않는 데, 이는 제2 선형 편광에 직교 상태로 정렬되기 때문이다.
[0125] 도 2h의 시스템(209)은 도 2h의 시스템(209)이 자유 공간 광학 기기(226)를 특징으로 하고 1/4 파장 판(211)을 배제하는 것을 제외하고 도 2g의 시스템(207)과 유사한 방식으로 동작한다. 일부 구현예들에서, 도 2h의 자유 공간 광학 기기(226)는 광섬유 결합된 서큘레이터일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 구현예들에서, 도 2h의 자유 공간 광학 기기(226, 예, 광섬유 결합된 서큘레이터)는 제1 포트(예, 송신 경로(222') 도파관)로부터 제2 포트(예, 도파관 끝단(217))로의 일 방향으로만 이동을 허용하고 제2 포트로부터 제1 포트로의 반대 방향으로 이동하는 것은 허용하지 않도록 설계된다. 유사하게, 자유 공간 광학 기기(226, 예, 광섬유 결합된 서큘레이터)는 제2 포트(예, 도파관 끝단(217))로부터 제3 포트(예, 수신 경로(224') 도파관)로의 일 방향으로만 이동을 허용하고 제3 포트로부터 제2 포트로의 반대 방향으로 이동하는 것은 허용하지 않도록 설계된다. 이것은 송신 경로(222') 도파관으로부터의 송신 빔이 도파관 끝단(217)으로부터만 송신되고 도파관 끝단(217)에서 수신된 리턴 빔이 수신 경로(224') 도파관에서만 수신되는 것을 보장한다.
[0126] 본 개시 내용의 발명자들은 도 2g 및 도 2h의 시스템이 송신 및 수신 모드가 모노스태틱 광섬유 내에서 분리되는 모노스태틱 LIDAR 시스템을 위해 특별히 설계되는 것에 주목하였다. 따라서, 이들 시스템은 광섬유 어레이 또는 바이스태틱 트랜시버 내에 공간적으로 분리된 송신 및 수신 도파관이 있는 바이스태틱 LIDAR 시스템에서 송신 및 수신 모드의 공간적 분리를 위한 메커니즘을 제공하지 않는다. 또한, 본 개시 내용의 발명자들은 도 2g의 시스템이 편광 변환 광학 기기(예, 1/4 파장판(211))를 콜리메이팅 광학 기기(229) 너머에 배치하는 것을 필요로 하므로 LIDAR 시스템에 더 근접한 자유 공간 광학 기기를 편리하게 채용한 배열을 설계하는 것이 더 유리할 것임을 인식하였다. 예를 들어, 자유 공간 광학 기기를 LIDAR 시스템에 더 근접하게 배치하면, 바이스태틱 LIDAR 시스템의 작동 중에 비해 송신 및 수신 모드의 필수 정렬을 더 쉽게 유지할 수 있는 장점이 있다. 다른 예에서, LIDAR 시스템에 더 근접한 자유 공간 광학 기기의 배치는 빔이 콜리메이트된 빔에 비해 도파관 끝단 근처에서 훨씬 작기 때문에 더 작은 (예를 들어, 더 저렴한) 컴포넌트들을 사용하는 것을 비롯한 장점들이 있다. 또한, 콜리메이팅 광학 기기의 타측에 서큘레이터를 사용하려면 정렬 허용 오차를 유지하기가 더 어려운 수신 모드의 각도 오프셋을 생성하기 위해 복굴절 웨지들(birefringent wedges)을 사용해야 한다.
[0127] 도 2i는 일 구현예에 따라 바이스태틱 LIDAR 시스템(200"')의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 예시하는 블록도이다. 일 구현예에서, 바이스태틱 LIDAR 시스템(200"')은 본 명세서에서 논의된 특징들을 제외하고는 바이스태틱 LIDAR 시스템(200")과 유사하다. 일 구현예에서, 시스템(200"')은 송신 도파관(223') 및 간격(221)만큼 송신 도파관(223')으로부터 이격된 수신 도파관(225')을 포함하는 한 쌍의 도파관을 포함하는 광섬유 어레이 또는 바이스태틱 트랜시버(215')를 포함한다. 예시적인 구현예에서, 간격(221)은 약 127㎛ 또는 약 100㎛ 내지 약 150㎛의 범위 및/또는 약 50㎛ 내지 약 300㎛의 범위에 있다. 일 구현예에서, 바이스태틱 트랜시버(215')는 도파관들의 (예를 들어, 1차원 또는 2차원의) 선형 어레이이다. 예시적인 구현예에서, 바이스태틱 트랜시버(215')는 포토리소그래피 기술을 통해 정의된 병렬 광섬유들 사이의 서브-미크론 정렬 허용오차를 갖는 표준 통신 컴포넌트들이다. 일 구현예에서, 송신 도파관(223') 및/또는 수신 도파관(225')은 편광 유지(PM) 도파관들 또는 광섬유들이다. 예시적인 구현예에서, 송신 도파관(223') 및 수신 도파관(225')은 직교 지향을 갖는 PM 광섬유이다(예를 들어, 송신 도파관(223')은 수직 지향을 갖는 PM 광섬유이고 수신 도파관(225')은 수평 지향을 갖는 PM 광섬유이거나 그 반대이다). 이 구현예에서, 송신 도파관(223')의 끝단으로부터 전송된 빔(205')은 예를 들어, 송신 도파관(223')의 PM 광섬유에 대응하는 제1 선형 편광(252, 예를 들어, 수직 선형 편광)으로 편광된다. 추가로, 이 구현예에서, 수신 도파관(225')의 끝단에서 수신된 리턴 빔(291')은 예를 들어, 수신 도파관(225')의 PM 광섬유에 대응하고 제1 선형 편광에 직교하는 제2 선형 편광(254, 예를 들어, 수평 선형 편광)으로 편광된다.
[0128] 일 구현예에서, 바이스태틱 LIDAR 시스템(200"')은 제1 선형 편광(252, 예를 들어, 수직 선형 편광)으로 빔들을 변위시키지 않고 빔들의 방향에 직교하는 거리(264)만큼 제1 선형 편광에 직교하는 제2 선형 편광(254, 예를 들어, 수평 선형 편광)으로 빔들을 변위시키는 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)를 포함한다. 일 구현예에서, 거리(264)는 빔이 횡단하는 자유 공간 광학 기기(260)의 길이(262) 및/또는 자유 공간 광학 기기(260)의 재료에 기초한다. 예시적인 구현예에서, 자유 공간 광학 기기(260)는 방해석, YVO4, αBBO 또는 금홍석(rutile)과 같은 임의의 복굴절 재료로 제조된다. 다른 예시적인 구현예에서, 자유 공간 광학 기기(260)는 길이(262)에 대해 약 ±0.01 밀리미터(mm) 및/또는 결정축 및 표면 각도에 대해 ±0.1도의 정밀 제조 공차를 갖는다. 이것은 변위 거리(264)에 대해 미크론 수준의 허용 오차들을 허용한다. 이 설명의 목적상, "표면 각도들"은 입사 및 출사 빔들에 대한 복굴절 디스플레이서의 입력 및 출력 표면의 임의의 경사 각도를 의미한다. 추가로, 이 설명의 목적상, "결정축"은 변위(예를 들어, 도 2i의 변위(264))의 방향을 정의하는 복굴절 디스플레이서의 결정의 c-축(예, 광축)이고, 빔에 대한 그 각도(예를 들어, 도 2i의 각도(259))는 이탈 각도를 계산하는 데 사용된다. 예시적인 구현예에서, 일례에서 변위 평면의 각도(예를 들어, 도 2i의 평면에서의 각도(259))는 빔의 방향(예를 들어, 도 2i의 자유 공간 광학 기기(260)에 입사되는 리턴 빔(291')의 방향)에 대해 약 45도이다. 재료의 유형은 양 또는 음의 복굴절을 나타내므로 결정 축의 방향은 재료에 따라 다르다. 도 2i의 예시적인 구현예에서, 자유 공간 광학 기기(260)는 YVO4 재료(예를 들어, 양의 복굴절성)로 제조되고, 좌측 하단에서 우측 상단으로(방향이 아님) 약 45도의 각도로 도 2i 의 평면에서 광축을 가질 것이다. 다른 예시적인 구현예에서, αBBO 재료(예를 들어, 음의 복굴절성)로 제조된 디스플레이서는 도 2i의 평면에서 상부 좌측으로부터 하부 우측으로 각을 이루는 광축을 가질 것이다. 편향 각도(예, 이탈 각도)는 수학식 6에 정의되어 있다.
[0129] 일 구현예에서, 송신 도파관(223')으로부터 전송된 제1 선형 편광(252)을 갖는 빔(205')은 자유 공간 광학 기기(260)에 입사한다. 자유 공간 광학 기기(260)는 제1 선형 편광(252)을 갖는 입사 빔을 변위시키지 않기 때문에, 전송된 빔(205')은 변위를 겪지 않고 자유 공간 광학 기기(260)를 통과한다. 그런 다음, 전송된 빔(205')은 전송된 빔(205')의 직교 필드 컴포넌트들 사이의 상대 위상을 조정하도록 편광 변환 광학 기기에 입사된다. 일 구현예에서, 편광 변환 광학 기기는 전송된 빔(205')의 제1 선형 편광(252)을 제1 방향(예를 들어, 시계 방향)을 갖는 제1 원형 편광(256)으로 조정하는 1/4 파장판(211)이다. 예시적인 구현예에서, 1/4 파장판은 석영으로 제조되고 자유 공간 광학 기기(260)의 변위축에 대해 약 45도로 지향된다.
[0130] 그런 다음, 제1 원형 편광(256)을 갖는 전송된 빔(205')은 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 콜리메이트되고 그리고/또는 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 스캔된다. 일부 구현예들에서, 스캐닝 광학 기기(218)는 생략되고 전송된 빔(205')은 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 콜리메이트된다. 예시적인 구현예에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 연삭 및 연마 또는 몰딩에 의해 제조될 수 있는 비구면 렌즈이다. 다른 예시적인 구현예에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 단일 또는 다중 요소(예를 들어, 이중, 삼중 요소 등) 구면 렌즈이다. 도 2i에 도시된 바와 같이, 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서) 및 편광 변환 광학 기기(예를 들어, 1/4 파장판(211))는 바이스태틱 트랜시버(215')와 콜리메이팅 광학 기기(229) 사이에 위치되며, 이는 1/4 파장판(211)이 모노스태틱 도파관 끝단(217)으로부터 콜리메이팅 광학 기기(229)의 먼 쪽에 위치하는 도 2g의 모노스태틱 시스템(207)과 구별된다.
[0131] 일 구현예에서, 콜리메이팅 광학 기기(229) 및/또는 스캐닝 광학 기기(218)는 전송된 빔(205')을 타겟(292)으로 지향한다. 여기서, 타겟(292)으로부터의 리턴 빔(291')의 반사는 제1 원형 편광(256)으로부터 제1 원형 편광(256)의 제1 방향과 반대인 제2 방향(예, 반시계 방향)을 갖는 제2 원형 편광(258)으로의 위상 변화를 야기한다. 콜리메이팅 광학 기기(229) 및/또는 스캐닝 광학 기기(218)는 제2 원형 편광(258)의 리턴 빔(291')을 1/4 파장판(211)으로 지향하며, 1/4 파장판은 제2 원형 편광(258)을 전송된 빔(205')의 제1 선형 편광(252)에 직교하는 제2 선형 편광(254)으로 조정한다.
[0132] 일 구현예에서, 제2 선형 편광(254)의 리턴 빔(291')은 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)에 입사된다. 자유 공간 광학 기기(260)는 제2 선형 편광(254)의 입사 빔들을 변위시키기 때문에, 리턴 빔(291')은 리턴 빔(291')이 자유 공간 광학 기기(260)를 통과할 때 리턴 빔(291')의 진행 방향에 직교하는 방향으로 거리(264)만큼 변위된다. 일 구현예에서, 자유 공간 광학 기기(260)의 길이(262) 및/또는 자유 공간 광학 기기(260)의 재료는 거리(264)가 송신 도파관(223')과 수신 도파관(225')의 간격(221)에 기초하여 조정되도록 선택된다. 예시적인 구현예에서, 자유 공간 광학 기기(260)의 길이(262) 및/또는 재료는 거리(264)가 간격(221)과 (예를 들어, ±2% 또는 ±5% 이내에서) 거의 동일하도록 선택된다. 다른 예시적인 구현예에서, 자유 공간 광학 기기(260)의 재료는 이트륨 오르소바나데이트(YV04) 및 그 결정 지향을 갖도록 선택되고, 길이(262)는 거리(264)가 간격(221)과 거의 동일하도록 크기가 결정된다.
[0133] 도 2i에 도시된 바와 같이, 리턴 빔(291')이 거리(264)만큼 변위된 후, 리턴 빔(291')은 수신 도파관(225')의 끝단과 정렬되어 그 끝단에서 수신된다. 예시적인 구현예에서, 약 1.2 데시벨(dB) 미만의 전형적인 결합 손실이 달성될 수 있다. 일 구현예에서, 리턴 빔(291')은 이후 검출기 어레이(230) 내의 하나 이상의 광 믹서들(284)을 사용하여 기준 빔(207b, 또는 LO 신호)과 결합된다. 일 구현예에서, 리턴 빔(291')은 유리하게는 전송된 빔(205')의 선형 편광(252)에 직교하는 선형 편광(254)을 가지며, 따라서 리턴 빔(291')의 처리는 다른 바이스태틱 시스템들에서 얻어지지 않는 타겟(292)에 관한 추가 데이터를 (예를 들어, 리턴 빔(291')의 선형 편광(254)을 사용하여) 제공할 수 있다. 배타적이 아니라 일반적으로, 천연 재료들은 산란시 편광이 제거되는 경향이 있지만 도포된 금속을 포함하는 인공 재료는 편광을 더 잘 유지하는 경향이 있다. 처리 단계들 중에 획득된 리턴 빔(291')의 편광 특성은 물체들을 유사한 형상의 물체들로부터 구별하고 식별하는데 사용될 수 있다. 예시적인 구현예에서, 방위 또는 상업용의 공중 및 지상의 정적 및 이동 플랫폼들에 대한 타겟 식별 애플리케이션은 편광 정보로부터 이익을 얻을 수 있다.
[0134] 도 2i는 바이스태틱 트랜시버(215')가 어레이(예를 들어, 1차원 어레이)로 배열된 하나의 송신 도파관(223') 및 하나의 수신 도파관(225')을 포함하는 한 쌍의 도파관을 포함하는 일 구현예를 나타내지만, 다른 구현예에서, 바이스태틱 트랜시버(215')는 2쌍 이상의 도파관을 포함한다. 도 2k는 일 구현예에 따른 바이스태틱 LIDAR 시스템(200"')의 예시적인 컴포넌트들의 싱면도를 예시하는 블록도이다. 도 2k의 바이스태틱 트랜시버(215')는 2개 이상의 송신 도파관(223a', 223b') 및 2개 이상의 수신 도파관(225a')을 포함하되, 각각의 송신 도파관(223a', 225b')에 인접하게 수신 도파관(225a', 225b')이 있는 어레이(예, 1차원 어레이)로 배열된 2쌍 이상의 도파관을 특징으로 한다. 도 2k에 도시된 바와 같이, 일 구현예에서, 전송된 빔(205a', 205b')은 병렬 또는 직렬로 송신 도파관들(223a', 223b')의 끝단들로부터 출력된다. 도 2k에 추가로 도시된 바와 같이, 일 구현예에서, 리턴 빔들(291a', 291b')은 병렬 또는 직렬로 수신 도파관(225a', 225b')의 끝단에서 수신된다. 예시적인 구현에서, 송신 도파관들(223a', 223b')의 끝단들로부터 출력된 전송된 빔들(205a', 205b')은 각도로 이격된 전송 빔들의 팬(fan)을 형성하고, 수신 도파관들(225a', 225b')의 끝단들에서 수신된 리턴 빔들(291a', 291b')은 각도로 이격된 리턴 빔들의 팬을 형성한다. 도 2k에 도시된 바와 같이, 일 구현예에서, 단일 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 단일 복굴절 디스플레이서) 및 편광 변환 광학 기기(예, 1/4 파장판(211))가 바이스태틱 트랜시버(215')로부터 다중 빔들을 형성하는 데 사용되며, 이는 송신 및 수신 도파관들의 각 쌍에 대해 개별 빔-형성 광학 기기가 사용되는 기존의 바이스태틱 시스템들에 비해 장점을 제공한다.
[0135] 도 2j는 일 구현예에 따른 바이스태틱 LIDAR 시스템(200"")의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 예시하는 블록도이다. 시스템(200"")은 여기에서 논의된 특징들을 제외하고 도 2i의 시스템(200"')과 유사하다. 일 구현예에서, 도 2j의 광섬유 어레이 또는 바이스태틱 트랜시버(215")는 송신 도파관(223), 제1 간격(221a)만큼 송신 도파관(223)의 제1 측면으로부터 이격된 제1 수신 도파관(225a'), 및 제2 간격(221b)만큼 송신 도파관(223b)의 제2 측면으로부터 이격된 제2 수신 도파관(225b')을 포함하는 도파관들(예를 들어, 3개)의 그룹을 포함한다. 일 구현예에서, 바이스태틱 트랜시버(215")의 도파관들은 1차원 어레이 또는 2차원 어레이로 배열된다. 일 구현예에서, 2차원 어레이는 1차원 어레이의 인접 적층과 일치하는 도파관 배열에 기초한다. 일부 구현예들에서, 제1 간격(221a)은 제2 간격(221b)과 대략 동일하다. 도 2j는 바이스태틱 트랜시버(215")가 송신 도파관의 양측에 수신 도파관을 갖는 한 쌍의 수신 도파관을 포함하는 것을 예시하고 있지만, 다른 구현예들에서, 한 쌍의 수신 도파관은 도 2f의 배열에서와 같이 송신 도파관의 동일 측면에 위치된다. 예시적인 구현예에서, 간격(221a 및/또는 221b)은 약 127㎛ 또는 약 100㎛ 내지 약 150㎛의 범위 및/또는 약 50㎛ 내지 약 300㎛의 범위에 있다. 일 구현예에서, 바이스태틱 트랜시버(215")는 도파관들의 (예를 들어, 1차원 또는 2차원의) 선형 어레이이다. 예시적인 구현예에서, 바이스태틱 트랜시버(215")는 포토리소그래피 기술을 통해 정의된 병렬 광섬유들 사이의 서브-미크론 정렬 허용오차를 갖는 표준 통신 컴포넌트들이다.
[0136] 일 구현예에서, 도 2j의 송신 도파관(223)은 단일 모드(SM) 광섬유이고, 수신 도파관들(225a', 225b')은 서로에 대해 직교되게 지향된 편광 유지(PM) 광섬유이다. 일 구현예에서, 전송 도파관(223)의 끝단으로부터 전송된 빔(205')은 송신 도파관(223)의 SM 광섬유에 의해 수용되는 비편광(253)이다. 다른 구현예에서, 제1 수신 도파관(225a')에 수신된 리턴 빔(291')의 제1 성분(237)은 제1 수신 도파관(225a')의 PM 광섬유와 정렬되는 제1 선형 편광(252)을 갖는다. 또한, 다른 구현예에서, 제2 수신 도파관(225b')에 수신된 리던 빔(291')의 제2 성분(239)은 제2 수신 도파관(225b')의 PM 광섬유와 정렬되는 제2 선형 편광(254)을 갖는다.
[0137] 일 구현예에서, 단일 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)를 특징으로 하는 도 2i의 시스템(200"')과 달리, 도 2j의 시스템(200"")은 제1 자유 공간 광학 기기(260a, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서), 제2 자유 공간 광학 기기(260b, 예를 들어, 다른 복굴절 디스플레이서), 및 제1 및 제2 자유 공간 광학 기기(260a, 260b) 사이에 위치된 하나 이상의 편광 변환 광학 기기를 특징으로 한다. 일 구현예에서, 제1 및 제2 자유 공간 광학 기기(260a, 260b)는 빔(또는 빔의 성분)을 제1 선형 편광(252)으로 변위시키고 빔(또는 빔의 성분)을 제1 선형 편광(252)에 직교하는 제2 선형 편광(254)으로 변위시키지 않는 것을 포함하는 도 2i의 자유 공간 광학 기기(260)와 유사한 방식으로 빔들을 변위시킨다. 또한, 제1 및 제2 자유 공간 광학 기기(260a, 260b)는 자유 공간 광학 기기(260)를 제조하는 데 사용되는 유사한 재료로 제조될 수 있다. 2개의 복굴절 디스플레이서들이 예시되어 있지만, 다른 실시예에서는 3개 이상의 복굴절 디스플에이서들이 제공된다.
[0138] 일 구현예에서, 도 2j에 도시된 바와 같이, 비편광된(253) 전송된 빔(205')은 제1 자유 공간 광학 기기(260a, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)에 입사한다. 일 구현예에서, 제1 자유 공간 광학 기기(260a)는 전송된 빔(205')의 제1 성분(235)을 제1 성분(235)의 제1 선형 편광(252)에 기초하여, 전송된 빔(205')의 이동 방향과 직교하는 거리(264a)만큼 변위시킨다. 일 구현예에서, 제1 자유 공간 광학 기기(260a)는 전송된 빔(205')의 제2 성분(233)을 제2 성분(233)의 제2 선형 편광(254)에 기초하여 변위시키지 않는다. 따라서, 일 구현예에서, 제1 자유 공간 광학 기기(260a)는 비편광된 전송된 빔(205')을 직교 선형 편광(252, 254)을 갖는 각각의 성분(233, 235)으로 분기시킨다. 일 구현예에서, 제1 자유 공간 광학 기기(260a)의 길이(262a) 및/또는 재료는 거리(264a)가 제1 간격(221a)과 (예를 들어, ±10% 이내로) 대략 동일하게 크기 조정되도록 선택된다. 이것은 유리하게도 제1 수신 도파관(225a')과 정렬되도록 전송된 빔(205')의 제1 성분(235)을 시프트되게 한다.
[0139] 일 구현예에서, 도 2j에 도시된 바와 같이, 전송된 빔(205') 및/또는 리턴 빔(291')의 직교 필드 성분들 사이의 상대 위상을 조정하기 위해 하나 이상의 편광 변환 광학 기기가 제공된다. 일 구현예에서, 편광 변환 광학 기기는 패러데이 회전자(266) 및 반파장 판(268)을 포함한다. 예시적인 구현예에서, 패러데이 회전자(266)는 비스무트 철 석류석(BIG) 재료로 제조되고 그리고/또는 약 45도의 패러데이 회전을 달성한다. 다른 예시적인 구현예에서, 반파장판(268)은 석영으로 제조되고 그리고/또는 약 45도만큼 편광을 회전시키도록 지향된다. 다른 구현예들에서, 다른 편광 변환 광학 기기가 제공되며 그리고/또는 편광 변환 광학 기기는 45도 이외의 각도로 편광을 회전시킨다.
[0140] 일 구현예에서, 제1 성분(235)의 제1 선형 편광(252)은 패러데이 회전자(266)에 의해 중간 선형 편광(255)으로 회전되고, 제2 성분(233)의 제2 선형 편광(254)은 패러데이 회전자(266)에 의해 중간 선형 편광(257)으로 회전된다. 또한, 일 구현예에서, 제1 성분(235)의 중간 선형 편광(255)은 반파장판(268)에 의해 제2 선형 편광(254)으로 회전되며, 중간 선형 편광(257)은 반파장판(268)에 의해 제1 선형 편광(252)으로 회전된다. 따라서, 일 구현예에서, 패러데이 회전자(266) 및 반파장판(268)은 제1 성분(235)의 제1 선형 편광(252)을 제2 선형 편광(254)으로 전체적으로 회전시키고, 추가로 제2 성분(233)의 제2 선형 편광(254)을 제1 선형 편광(252)으로 전체적으로 회전시킨다.
[0141] 일 구현예에서, 제2 자유 공간 광학 기기(260b, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)는 제2 성분(233)의 제1 선형 편광(252)에 기초하여 편광 변환 광학 기기로부터 입사되는 전송된 빔(205')의 제2 성분(233)을 변위시킨다. 일 구현예에서, 제2 자유 공간 광학 기기(260b)의 길이(262b) 및/또는 재료는 제2 성분(233)이 제1 간격(221a)과 (예를 들어, ±10% 이내로) 대략 동일한 거리(264a)만큼 변위되도록 선택된다. 다른 구현예에서, 제2 자유 공간 광학 기기(260b)는 제1 성분(235)의 제2 선형 편광(254)에 기초하여 전송된 빔(205')의 제1 성분(235)을 변위시키지 않는다. 일 구현예에서, 전송된 빔(205')의 제1 성분(235) 및 제2 성분(233)은 자유 공간 광학 기기(260b)의 변위와 비편광(253)인 전송된 빔(205')에 기초하여 재결합한다. 일 구현예에서, 콜리메이팅 광학 기기(229) 및/또는 스캐닝 광학 기기(218)에 입사하는 재형성된(reformed) 송신된 빔(205')은 재형성된 전송된 빔(205')이 제1 수신 도파관(225a')과 정렬되도록 측방향으로 시프트된 것을 제외하고는 제1 자유 공간 광학 기기(260a)에 입사하는 전송된 빔(205')과 동일하다.
[0142] 다른 구현예에서, 재형성된 전송된 빔(205')은 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 콜리메이트되고 그리고/또는 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 스캔된다. 일부 구현예에서, 스캐닝 광학 기기(218)는 생략되고 재형성된 전송된 빔(205')은 콜리메이팅 광학 기기에 의해 콜리메이트된다. 리턴 빔(291')은 타겟(292)으로부터 반사되고 마찬가지로 비편광(253)이다. 도 2j에 도시된 바와 같이, 일 구현예에서, 비편광된 리턴 빔(291')은 제2 자유 공간 광학 기기(260b, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)에 입사한다. 일 구현예에서, 제2 자유 공간 광학 기기(260b)는 제1 성분(237)의 제1 선형 편광(252)에 기초하여 리턴 빔(291')의 제1 성분(237)을 변위시킨다. 일 구현예에서, 제1 성분(237)은 제1 간격(221a)과 거의 동일한 거리(264a)만큼 변위된다. 다른 구현예에서, 제2 자유 공간 광학 기기(260b)는 제1 선형 편광(252)에 직교하는 제2 성분(239)의 제2 선형 편광(254)에 기초하여 리턴 빔(291')의 제2 성분(239)을 변위시키지 않는다.
[0143] 다른 구현예에서, 리턴 빔(291')의 제1 성분(237) 및 제2 성분(239)은 편광 변환 광학 기기에 입사한다. 일 구현예에서, 편광 변환 광학 기기는 제1 성분(237)의 제1 선형 편광(252) 및 제2 성분(239)의 제2 선형 편광(254)에 영향을 미치지 않는다. 편광 변환 광학 기기가 패러데이 회전자(266) 및 반파장 판(268)을 포함하는 일 구현예에서, 반파장 판(268)은 제1 성분(237)의 제1 선형 편광(252)을 중간 선형 편광(257)으로 회전시키고, 제2 성분(239)의 제2 선형 편광(254)을 중간 선형 편광(255)으로 회전시킨다. 추가의 구현예에서, 패러데이 회전자(266)는 이어서 제1 성분(237)의 중간 선형 편광(257)을 제1 선형 편광(252)으로 역으로 회전시키고, 제2 성분(239)의 중간 선형 편광(255)을 제2 선형 편광(254)으로 역으로 회전시킨다. 따라서, 예시적인 구현예에서, 반파장 판(268)과 패러데이 회전자(266)는 제1 및 제2 성분(237, 239)이 편광 변환 광학 기기에 입사하는 것과 동일한 각각의 선형 편광으로 제1 자유 공간 광학 기기(260a, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)에 입사하도록 제1 및 제2 성분(237, 239)의 선형 편광의 회전과 관련하여 서로 상쇄된다. 예시적인 구현예에서, 반파장 판(268) 및 패러데이 회전자(266)는 각각의 선형 편광을 동일하게 반대 방향으로 약 45도 회전시킨다.
[0144] 일 구현예에서, 제1 선형 편광(252)을 갖는 제1 성분(237) 및 제2 선형 편광(254)을 갖는 리턴 빔(291')의 제2 성분(239)은 제1 자유 공간 광학 기기(260a, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)에 입사한다. 일 구현예에서, 제1 자유 공간 광학 기기(260a)는 제1 성분(237)의 제1 선형 편광(252)에 기초하여 리턴 빔(291')의 제1 성분(237)을 변위시키고, 추가로 제2 성분의 제2 선형 편광(254)에 기초하여 리턴 빔(291')의 제2 성분(239)을 변위시키지는 않는다. 일 구현예에서, 제1 성분(237)은 변위된 제1 성분(237)이 제2 수신 도파관(225b')과 정렬되도록 제2 간격(221b)에 기초한 거리(264b)만큼 변위된다. 예시적인 구현예에서, 자유 공간 광학 기기(260a)의 길이(262a) 및/또는 재료와 같은 제1 자유 공간 광학 기기(260a)의 하나 이상의 파라미터가 거리(264b)가 제2 간격(221b)과 대략 동일하게 조정되도록 선택된다.
[0145] 도 2l은 일 구현예에 따라 도 2i의 LIDAR 시스템(200"')의 바이스태틱 트랜시버(215')의 정면도를 보여주는 블록도이다. 도 2l의 좌측은 스캐닝 광학 기기(218)가 없는 그리고/또는 전송된 빔(205')의 스캐닝이 일어나지 않는 구현예를 보여준다. 일 구현예에서, 변위 벡터(274)는 리턴 빔(291')이 수신 도파관(225')의 끝단에서 수신되도록 거리(264)에 걸쳐 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)에 의해 변위되는 방향을 나타낸다. 전송된 빔(205')의 스캐닝이 없기 때문에 왕복 시간 지연으로 인해 이탈이 발생하지 않으며, 따라서 자유 공간 광학 기기(260)는 변위 벡터(274)가 송신 도파관(223')으로부터 수신 도파관(225')으로의 벡터(275)와 정렬되도록 위치된다.
[0146] 도 2l의 중간은 스캐닝 광학 기기(218)가 채용되고 송신된 빔(205')의 스캐닝이 스캔 방향(276)으로 발생하는 구현예를 나타낸다. 이 구현예에서, 스캔 방향(276)은 바이스태틱 트랜시버(215')의 송신 및 수신 도파관(223', 225') 사이의 벡터(275)에 대해 (예를 들어, 직교되게) 각도를 이룬다. 일 구현예에서, 리턴 빔(291')은 송신 및 수신 도파관(223', 225') 사이의 벡터(275)와 정렬되는 도 2l의 좌측에서와 같은 동일한 변위 벡터(274)를 따라 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)에 의해 변위된다. 그러나, 도 2l의 중간에 도시된 바와 같이, 빔의 스캐닝에 기인하는 왕복 시간 지연은 빔 이탈(277)를 야기하고 이에 따라 리턴 빔(291')이 수신 도파관(225')을 지나치게 한다.
[0147] 도 2l의 우측은 스캐닝 광학 기기(218)가 채용되고 전송된 빔(205')의 스캐닝이 스캔 방향(276)으로 발생하는 구현예를 나타낸다. 일 구현예에서, 리턴 빔(291')은 송신 및 수신 도파관(223', 225') 사이의 벡터(275)에 대해 소정 각도(278)로 지향된 보정된 변위 벡터(274')를 따라 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)에 의해 변위된다. 일 구현예에서, 이것은 자유 공간 광학 기기(260)를 바이스태틱 트랜시버(215')에 대해 상기 각도(278)만큼 (예를 들어, 도 2i의 평면 밖의 방향으로) 기울이거나 지향함으로써 달성된다. 일 구현예에서, 각도(278)는 벡터(275)에 대해 스캔 방향(276)과 동일한 방향으로 지향된다. 다른 구현예에서, 각도(278)의 크기는 스캔 속도의 크기에 기초한다. 예시적인 구현예에서, 각도(278)는 약 5도 또는 약 1도 내지 약 10도의 범위 및/또는 약 0도 내지 약 20도 범위이다. 예시적인 구현예에서, 각도(278)는 다음에 의해 스캔 속도(예, 폴리곤 스캐너의 회전 속도)와 관련된다:
[수학식 8]
θ=arctan((4 * 초점거리 * 회전 속도 * 거리)/(도파관 간격 * c))
여기서 θ는 각도(278)이고, 초점 거리는 콜리메이팅 광학 기기(229)의 초점 길이(미터 단위)이고, 회전 속도는 폴리곤 스캐너(244)의 회전 속도(초당 라디안 단위)이고, 거리는 타겟 거리(미터 단위)이고, 도파관 간격은 간격(221, 미터 단위)이고, c는 광속(초당 미터 단위)이다. 다른 구현예들에서, 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)가 (예를 들어, 도 2i의 평면 밖으로) 각도(278)만큼 회전되기보다는 자유 공간 광학 기기(260)의 광축이 동일한 각도(278)만큼 절단된다. 도 2l의 우측에 도시된 바와 같이, 경사진 변위 벡터(274') 및 스캐닝으로부터의 왕복 지연과 관련된 빔 이탈(277)에 기초하여, 리턴 빔(291')은 수신 도파관(225')의 끝단에서 수신된다.
[0148] 도 2m은 일 구현예에 따라 도 2i의 LIDAR 시스템(200"')의 바이스태틱 트랜시버(215')의 정면도를 보여주는 블록도이다. 도 2m의 상부는 스캐닝 광학 기기(218)가 없고 따라서 전송된 빔(205')의 스캐닝이 발생하지 않는 구현예를 나타낸다. 일 구현예에서, 변위 벡터(274)는 리턴 빔(291')이 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)에 의해 변위되는 방향에 기초한 방향 및 리턴 빔(291')이 수신 도파관(225')의 끝단에서 수신되는 거리(264)에 기초한 크기를 가진다.
[0149] 도 2m의 중간은 스캐닝 광학 기기(218)가 채용되고 전송된 빔(205')의 스캐닝이 스캔 방향(276')으로 발생하는 구현예를 나타낸다. 이 구현예에서, 스캔 방향(276')은 바이스태틱 트랜시버(215')의 송신 및 수신 도파관(223', 225') 사이의 벡터(275)에 대해 (예를 들어, ±10도 이내로) 대략 평행하다. 일 구현예에서, 리턴 빔(291')은 도 2l의 좌측에서와 같이 동일한 변위 벡터(274) 크기를 따라 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)에 의해 변위된다. 그러나, 도 2m의 중간에 도시된 바와 같이, 빔의 스캐닝으로부터 왕복 시간 지연에 기인하는 빔 이탈(277')은 리턴 빔(291')이 송신 도파관(223')과 수신 도파관(225') 사이에서 수신 도파관(225')을 지나치게 하므로, 변위 벡터(274) 크기 (예, 거리(264))는 너무 작았다.
[0150] 도 2m의 하부는 스캐닝 광학 기기(218)가 채용되고 전송된 빔(205')의 스캐닝이 스캔 방향(276')으로 발생하는 구현예를 나타내다. 일 구현예에서, 리턴 빔(291')은 왕복 지연에 의한 빔 이탈(277')으로 인해 빔(291')이 수신 도파관(225')에서 수신되도록 증가된 크기(예를 들어, 증가된 거리(264))를 갖는 보정된 변위 벡터(274")를 따라 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)에 의해 변위된다. 일부 구현예들에서, 변위 벡터 크기는 자유 공간 광학 기기(260)의 길이(262)를 조정함으로써 조절된다. 예시적인 구현예에서, 리턴 빔(291')이 변위되는 거리(264)는 자유 공간 광학 기기의 길이(262)를 증가시킴으로써 증가된다. 일 구현예에서, 길이(262)의 변화는 변위 거리(264)의 변화의 비율(예를 들어, 약 10x)이다. 예시적인 구현예에서, 길이(262)는 약 200㎛ 미만만큼 또는 약 100㎛ 내지 약 300㎛의 범위만큼 변화된다. 다른 예시적인 구현예에서, 길이(262)의 변화는 바이스태틱 트랜시버에 대한 스캔 방향에 따라 양의 값 또는 음의 값이 된다.
[0151] 도 2n은 일 구현예에 따라 바이스태틱 LIDAR 시스템(200"')의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 예시하는 블록도이다. 일 구현예에서, 도 2n은 바이스태틱 트랜시버(215') 내의 송신 및 수신 도파관(223', 225') 사이의 방향 또는 축(275)에 대해 각도(278)로 지향된 자유 공간 광학 기기(260, 예를 들어, 복굴절 디스플레이서)을 도시한다. 따라서, 일 구현예에서, 리턴 빔(291')은, 왕복 시간 지연과 관련된 빔 이탈(277)을 고려할 때, 리턴 빔(291')이 수신 도파관(225')의 끝단에서 수신되도록, 자유 공간 광학 기기(260)에 의해 바이스태틱 트랜시버(215')에 대해 각도(278)로 거리(264)만큼 변위된다. 추가로, 일 구현예에서, 도 2n은 바이스태틱 트랜시버(215')의 하나 이상의 송신 도파관(223')이 발산하는 전송 빔들(205a', 205b')의 팬을 전송하며 후속하여 이 빔들의 팬은 콜리메이팅 광학 기기(229) 및/또는 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 콜리메이트된 전송된 빔들(205a", 205b")의 팬으로 콜리메이트되는 것을 보여준다. 예시적인 구현예에서, 발산 전송 빔들(205a', 205b')은 콜리메이팅 광학 기기(229)에서 약 8mm 또는 약 4mm 내지 약 12mm의 범위 및/또는 약 2mm 내지 약 20mm의 범위의 직경으로 확대된다. 그러나, 다른 구현예에서, 발산 전송 빔들(205a', 205b')의 직경은 LIDAR 시스템의 물리적 크기 및 거리 성능의 요구를 충족시키도록 달라진다. 다른 예시적인 구현예에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 전송된 빔들(205a", 205b")을 콜리메이트하는 약 40mm 내지 약 50mm 범위 및/또는 약 30mm 내지 약 60mm 범위의 초점 길이를 갖는 비구면 렌즈이다. 유사하게, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 각각의 콜리메이트된 전송된 빔들(205a", 205b")과 크게 중첩되는 콜리메이트된 리턴 빔들(도시되지 않음)의 팬을 수신한다. 예시적인 구현예에서, 콜리메이트된 전송된 빔들(205a", 205b")과 콜리메이트된 리턴 빔들의 팬 사이의 각도 간격은 약 0.02도 내지 약 0.05도 및/또는 약 0.01도 내지 약 0.10도 정도이다. 일 구현예에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 콜리메이트된 리턴 빔들의 팬을 도 2n의 1/4 파장판(211)에서 수렴 리턴 빔들로 포커싱한다. 일 구현예에서, 도 2n의 광섬유 어레이(215')와 자유 공간 광학 기기(260, 예, 복굴절 디스플레이서) 사이의 점선 아래의 가는 점선은 인접한 수신 도파관들(225')로 입사하는 분리된 리턴 빔들을 나타낸다. 일 구현예에서, 도 2n의 트랜시버는 유리하게도 2개의 송신 도파관들이 단일 콜리메이터로부터 전송된 빔들의 팬을 생성하는 배열을 제공한다.
[0152] 도 2o는 일 구현예에 따라 바이스태틱 LIDAR 시스템(200"")의 예시적인 컴포넌트들의 상면도를 예시하는 블록도이다. 도 2o의 바이스태틱 트랜시버(215")는 하나 이상의 도파관 그룹들을 포함하고, 여기서 도파관들의 각 그룹은 송신 도파관(223)과 송신 도파관(223)의 양측에 있는 한 쌍의 수신 도파관(225a', 225b')이다. 예시적인 구현예에서, 송신 도파관(223)은 SM 광섬유이고, 한 쌍의 수신 도파관(225a', 225b')은 직교 지향을 갖는 PM 광섬유이다. 예시적인 구현예에서, 바이스태틱 트랜시버(215")는 다수의 3개의 도파관들을 포함하고, 여기서 3개의 도파관들의 각각의 그룹은 송신 도파관(223) 및 송신 도파관(223)의 양측에 있는 한 쌍의 수신 도파관(225a', 225b')이다. 추가로, 일 구현예에서, 도 2o는 바이스태틱 트랜시버(215")의 하나 이상의 송신 도파관(223)이 한 쌍의 발산하는 전송된 빔들을 전송하며 후속하여 이 한 쌍의 빔은 콜리메이팅 광학 기기(229) 및/또는 스캐닝 광학 기기(218)에 의해 (도 2n에 나타낸 바와 같이) 콜리메이트된 전송된 빔들의 팬으로 콜리메이트되는 것을 도시한다. 예시적인 구현예에서, 발산하는 전송된 빔들은 콜리메이팅 광학 기기에서 약 8mm 또는 약 4mm 내지 약 12mm의 범위 및/또는 약 2mm 내지 약 20mm의 범위의 직경으로 확장된다. 다른 예시적인 구현예에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 전송된 빔(205")을 콜리메이트하는 약 40mm 내지 약 50mm의 범위 및/또는 약 30mm 내지 약 60mm의 범위의 초점 길이를 갖는 비구면 렌즈이다. 유사하게, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 콜리메이트된 리턴 빔들(291a", 291b")의 팬을 수신하고 수렴 리턴 빔들(291a', 291b')을 도 2j의 자유 공간 광학 기기(260b)에 포커싱한다. 도 2n의 구현예과 같이, 콜리메이트된 리턴 빔들(291a", 291b")의 팬은 콜리메이트된 전송된 빔들의 팬과 크게 중첩된다. 예시적인 구현예에서, 콜리메이트된 리턴 빔들(291a", 291b")의 팬과 콜리메이트된 전송된 빔들 사이의 각도 간격은 약 0.02도 내지 약 0.05도 및/또는 약 0.01도 내지 약 0.10도 정도이다. 일 구현예에서, 도 2o의 트랜시버는 유리하게도 2개의 송신 도파관들이 단일 콜리메이터로부터 송신된 빔들의 팬을 생성하는 배열을 제공한다.
[0153] 도 6b는 일 구현예에 따라 바이스태틱 LIDAR 시스템 내에서 송신 및 수신 모드들의 공간적 변위를 위한 예시적인 방법(650)을 나타낸 순서도이다. 일 구현예에서, 단계 651에서, 빔(205')이 레이저 소스(212)로부터 그리고 바이스태틱 트랜시버의 송신 도파관(223', 223)을 통해 전송된다. 일부 구현예들에서, 빔(205')이 편광되지 않는 단계 651에서 빔(205')이 도 2j의 바이스태틱 트랜시버(215")의 송신 도파관(223, 예를 들어, SM 광섬유)으로부터 전송된다. 다른 구현예들에서, 빔(205')이 선형으로 편광되는 단계 651에서 빔(205')이 도 2i의 바이스태틱 트랜시버(215')의 송신 도파관(예를 들어, PM 광섬유)으로부터 전송된다.
[0154] 일 구현예에서, 단계 653에서, 전송된 빔(205')은 전송된 빔(205')의 방향에 직교하는 방향으로 복굴절 디스플레이서로 변위된다. 일 구현예에서, 단계 653에서, 도 2j의 시스템(200"") 내 전송된 빔(205')의 제1 성분(235)은 전송된 빔(205')의 방향에 직교하는 거리(264a)만큼 변위된다. 예시적인 구현예에서, 거리(264a)는 변위된 제1 성분(235)이 제1 수신 도파관(225a')과 정렬되도록 제1 간격(221a)에 기초한다. 일부 구현예들에서, 예컨대, 도 2i의 시스템(200"')에서 단계(653)가 생략된다.
[0155] 일 구현예에서, 단계 655에서 전송된 빔(205')의 직교 필드 성분들 사이의 상대 위상이 편광 변환 광학 기기로 조정된다. 일 구현예에서, 단계 655에서, 전송된 빔(205')의 제1 선형 편광(252)이 1/4 파장 판(211, 도 2i)을 사용하여 제1 원형 편광(256)으로 조정된다. 다른 구현예에서, 단계 655에서, 전송된 빔(205')의 제1 성분(235)의 제1 선형 편광(252)이 패러데이 회전자(266) 및 반파장 판(268, 도 2j)을 사용하여 제1 선형 편광(252)에 직교하는 제2 선형 편광(254)으로 회전된다. 유사하게, 단계 655에서, 전송된 빔(205')의 제2 성분(233)의 제2 선형 편광(254)은 패러데이 회전자(266) 및 반파장 판(268, 도 2j)을 사용하여 제1 선형 편광(252)으로 회전된다.
[0156] 일 구현예에서, 단계 655에서, 리턴 빔(291')의 직교 필드 성분들 사이의 상대 위상이 편광 변환 광학 기기로 조정된다. 일 구현예에서, 단계 655에서, 리턴 빔(291')의 제2 원형 편광(258)이 1/4 파장 판(211, 도 2i)을 사용하여 제2 원형 편광(254)으로 조정된다.
[0157] 일 구현예에서, 단계 657에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)를 사용하여 송신 도파관으로부터 전송된 빔(205')을 성형(shape)하고 그리고 타겟(292)으로부터 반사된 리턴 빔(291')을 형성한다. 일 구현예에서, 단계 657에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 발산하는 전송된 빔(205', 예를 들어, 콜리메이팅 광학 기기(229)에서 약 8mm의 직경)이 광학 기기(229)에 의해 콜리메이트되도록 하는 초점 길이를 갖는다. 예시적인 구현예에서, 콜리메이팅 광학 기기(229)는 발산하는 전송된 빔(205')이 콜리메이트된 전송된 빔(205")으로 콜리메이트되도록 하는 크기(예를 들어, 약 40mm 내지 약 50mm의 범위)의 초점 길이를 가진다.
[0158] 일 구현예에서, 단계 658에서, 리턴 빔(291')은 리턴 빔(291')의 방향에 직교하는 방향으로 복굴절 디스플레이서로 변위된다. 일 구현예에서, 단계 658에서, 도 2i의 시스템(200"') 내 리턴 빔(291')은 리턴 빔(291')의 방향에 직교하는 거리(264)만큼 변위된다. 예시적인 구현예에서, 거리(264)는 간격(221)에 기초한다. 다른 구현예에서, 단계 658에서, 도 2j의 시스템(200"") 내 리턴 빔(291')의 제1 성분(237)은 리턴 빔(291')의 방향에 직교하는 거리(264a)만큼 변위된다. 예시적인 구현예에서, 거리(264a)는 변위된 제1 성분(235)이 제1 수신 도파관(225a')과 정렬되도록 제1 간격(221a)에 기초한다.
[0159] 일 구현예에서, 단계 659에서, 리턴 빔(291')은 바이스태틱 트랜시버의 하나 이상의 수신 도파관에서 수신된다. 일 구현예에서, 리턴 빔(291')은 도 2i의 시스템(200"')의 수신 도파관(225')에서 수신된다. 다른 구현예에서, 리턴 빔(291')의 직교 선형 편광의 제1 및 제2 성분(237, 239)은 각각의 수신 도파관(225a', 225b')에서 수신된다.
[0160] 일 구현예에서, 단계 661에서, 단계 659에서 수신된 리턴 빔(291')은 하나 이상의 광 믹서(284)에서 기준 신호(207, 또는 LO 신호)와 결합된다. 리턴 빔(291')의 직교 선형 편광의 다중 성분들(237, 239)이 각각의 수신 도파관(225a', 225b')에서 수신되는 일부 구현예들에서, 다중 처리 채널이 각각의 성분에 제공되어 리턴 빔(291')의 각각의 개별 성분을 개별적으로 처리한다. 일 구현예에서, 단계 663에서, 단계 661)의 결합에 기초하여 신호가 생성되고, 단계 665에서, 생성된 신호에 기초하여 장치가 동작된다. 일부 구현예에서, 장치는 차량의 제동 또는 가속 또는 조향 시스템과 같은 차량이다.
6. 차량 제어 개요
[0161] 일부 구현예들에서, 차량은 차량에 장착된 고해상도 도플러 LIDAR 시스템으로부터 수신된 데이터에 기초하여 적어도 부분적으로 제어된다.
[0162] 도 3a는, 일 구현예에 따라, 차량(310)에 장착된 적어도 하나의 고해상도 도플러 LIDAR 시스템(320)을 포함하는 예시적인 시스템(301)을 도시하는 블록도이다. 일 구현예에서, LIDAR 시스템(320)은 LIDAR 시스템(200, 200', 200", 200"', 200"") 중 하나와 유사하다. 차량은 별(311)로 표시된 질량 중심을 가지며 화살표(313)에 의해 주어진 전방 방향으로 이동한다. 일부 구현예들에서, 차량(310)은 처리 시스템(250)의 차량 제어 모듈(272)과 같은 프로세서의 신호에 응답하여 동작되는, 조향 또는 제동 시스템(도시되지 않음)과 같은, 컴포넌트를 포함한다. 일부 구현예들에서, 차량은 도 8에 도시된 칩셋과 같은 온-보드(on-board) 프로세서(314)를 가진다. 일부 구현예들에서, 온-보드 프로세서(314)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 원격 프로세서와 유선 또는 무선 통신한다. 일 구현예에서, LIDAR 시스템의 처리 시스템(250)이 온-보드 프로세서(314)와 통신 가능하게 결합되거나, LIDAR의 처리 시스템(250)은 차량 제어 모듈(272)이 처리 시스템(250)으로 하여금 차량의 방향 및 속도를 제어하기 위해 차량의 조향 또는 제동 시스템에 하나 이상의 신호를 송신하게 하도록 온-보드 프로세서(314)의 동작을 수행하는데 사용된다. 고해상도 도플러 LIDAR는 방위각 시야(324)뿐만 아니라 차량(310) 주변의 스폿들(spots)을 조명하는 수직 각도(도 3b)를 통해서 한 측으로부터 장래의(future) 빔(323)에 의해 표시되는 다른 측으로 스윕하는 스캐닝 빔(322)을 사용한다. 일부 구현예들에서, 시야는 360도의 방위각이다. 일부 구현예들에서, 경사각 시야는 대략 +10도 내지 대략 -10도이거나 또는 이의 부분 집합이다. 시스템(320)이 시스템(200")인 일부 구현예들에서, 시야(324)는 각도들(227)의 범위에 의해 정의된다. 시스템(301)을 설계할 때, 시야(324)에 걸친 각 각도의 빔들의 미리 결정된 최대 설계 거리가 결정되고 시야(324)의 범위 내의 각 각도의 최대 예상 타겟 거리를 나타낸다. 예시적인 구현예에서, 최대 설계 거리는 시야(324)에 대한 고정값 또는 고정값 범위이다. 예시적인 구현예에서, 시야(324)에 대한 최대 설계 거리는 약 200 미터 또는 약 150 미터 내지 약 300 미터의 범위이다.
[0163] 일부 구현예에서, 차량은, 당해 기술 분야에 널리 공지된 다른 것들 중에서, GPS 센서, 주행 기록계(odometer), 회전 속도계(tachometer), 온도 센서, 진공 센서, 전압 또는 전류 센서와 같은 보조적인 센서들(도시되지 않음)을 포함한다. 일부 구현예들에서, 회전 정보를 제공하기 위하여 자이로스코프(330)가 포함된다.
[0164] 도 3b는, 일 구현예에 따라, 차량(310)에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템(320)을 포함하는 예시적인 시스템(301')을 도시하는 블록도이다. 일 구현예에서, LIDAR 시스템(320)은 시스템(200) 또는 시스템(200') 또는 시스템(200")과 유사하다. 일 구현예에서, 차량(310)은 화살표(313)에 기초한 전방 방향으로 지면(349, 예를 들어, 도로) 위로 이동한다. LIDAR 시스템(320)은 화살표(313)에 대해 측정된 제1 각도로 지향된 제1 빔(342)으로부터 화살표(313)에 대해 측정된 제2 각도로 지향된 제2 빔(346)까지 각도들의 범위(326)에 걸쳐 스캔한다. 일 구현예에서, 제1 각도 및 제2 각도는 지면(349)에 대해 대략 수직으로 지향된 수직 평면 내의 수직 각도들이다. 이 설명의 목적상, "대략 직교"는 지면(349)에 대한 법선의 ±20도 이내를 의미한다. LIDAR 시스템(320)이 시스템(200")과 유사한 일부 구현예들에서, 각도들의 범위(326)는 각도들의 범위(227)에 의해 정의된다.
[0165] 시스템(301')을 설계하는데 있어서, 각각의 각도의 빔들의 미리 정해진 최대 설계 거리가 결정되고, 범위(326) 내의 각각의 각도에서의 최대 예상 타겟 거리를 나타낸다. 다른 구현예들에서, 각각의 각도에서의 최대 설계 거리는 미리 결정되지 않지만 증분 기간들에서 처리 시스템(250)의 메모리에서 정기적으로 측정되고 업데이트된다. 일 구현예에서, 제1 빔(342)은 지면(349)을 향하여 지향되고 차량(310)으로부터의 일부 최대 설계 거리 내에서 지면(349)과 교차한다. 하나의 구현예에서, 미리 정해진 최대 설계 거리는 각각의 평면(235, 237)에 대하여 고정된 값 또는 고정된 범위의 값이다. 일 구현예에서, 제1 평면(235)은 지면(349)을 향하여 지향되어, 차량(310)으로부터의 일부 최대 설계 거리 내에서 지면(349)과 교차한다. 따라서, 제1 각도에서, 시스템(320)은 지면(349)을 넘어 위치된 타겟들을 고려하지 않는다. 예시적인 구현예에서, 제1 빔(342)의 제1 각도는 화살표(313)에 대하여 대략 -15도이거나 대략 -25도 내지 대략 -10도의 범위이고, 최대 설계 거리는 대략 4 미터이거나, 대략 1m 내지 대략 10m의 범위 또는 대략 2m 내지 대략 6m의 범위 내에 있다. 일 구현예에서, 제2 빔(346)은 하늘을 향하여 지향되고, 차량(310)으로부터의 일부 최대 설계 거리 내에서 상한(347)과 교차한다. 따라서, 제2 각도에서, 시스템(320)은 상한(347) 위에 위치된 타겟들을 고려하지 않는다. 예시적인 구현예에서, 상한(347)은 (예를 들어, 0m의 고도로 정의된) 지면(349)으로부터 대략 12m의 고도 또는 대략 8m 내지 15m 범위 내의 고도에 있고, 제2 빔(346)의 제2 각도는 화살표(313)에 대하여 대략 15도이거나 대략 10도 내지 대략 25도의 범위 내에 있는 각도를 형성하고, 최대 설계 거리는 대략 7m이거나, 대략 4m 내지 대략 10m의 범위 내에 있거나, 대략 1m 내지 대략 15m의 범위 내에 있다. 일부 구현예들에서, 상한(347) 고도는 LIDAR 시스템(320)의 고도(예를 들어, 지면(349)이 0m로 정의되는 경우, 약 1.5m 또는 약 1m 내지 약 4m의 범위)에 의존한다. 일 구현예에서, 제1 빔(342)과 제2 빔(346) 사이의 중간 빔(344)은 화살표(313)와 대략 평행하게 지향되고, 차량(310)으로부터 최대 설계 거리에 위치된 타겟(343)과 교차한다. 예시적인 구현예에서, 도 3b는 척도에 맞춰 작도되지 않았으며, 타겟(343)은 도시된 것보다 차량(310)으로부터 훨씬 더 먼 거리에 위치된다. 이 설명의 목적상, "대략 평행하게"는 화살표(313)의 대략 ±10도 이내 또는 대략 ±15도 이내를 의미한다. 예시적인 구현예들에서, 타겟(343)의 최대 설계 거리는 대략 200m이거나, 대략 150m 내지 대략 300m의 범위 내에 있거나, 대략 100m 내지 대략 500m의 범위 내에 있다.
[0166] 도 3b는 지면(349) 위를 주행하도록 구성된 차량(310)에 장착된 LIDAR 시스템을 도시하지만, 본 개시 내용의 구현예들은 이러한 유형의 차량으로 제한되지 않으며, LIDAR 시스템은 비행하도록 구성된 항공기(310', 예를 들어, 여객기)에 장착될 수 있다. 일 구현예에서, 차량(310')은 하나 이상의 타겟들(343)이 존재하는 지면(349) 위로 비행하도록 구성된다. 도 3d는 일 구현예에 따라 지면(349) 위로 비행하도록 구성된 차량(310')에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템(320)을 포함하는 예시적인 시스템(301")을 나타낸 블록도이다. 일 구현예에서, LIDAR 시스템(320)은 화살표(313)에 대한 제1 각도의 제1 빔(342')의 최대 설계 거리가 지면(349)에 대해 하한(348)을 기초로 정의된다는 점을 제외하고는 시스템(301')의 LIDAR 시스템(320)과 유사한 방식으로 동작한다. 예시적인 구현예에서, 하한(348)은 약 0m 내지 약 -10m 범위 또는 약 0m 내지 약 -2m 범위의 시스템(320) 고도에 대한 고도를 갖는다. 다른 예시적인 구현예에서, 상한(347)은 약 0m 내지 약 10m 범위의 시스템(320)의 고도에 대한 고도를 갖는다. 다른 예시적인 구현예에서, 제1 각도는 약 -30도 또는 약 -60도 내지 약 -15도의 범위에 있다. 일부 구현예들에서, 제1 각도는 상한(347)의 제2 각도와 동일하고 반대일 수 있다.
7. 코히런트 LIDAR 시스템에서 스캔 패턴을 최적화하기 위한 방법
[0167] 도 6a는 자율 주행 차량에서 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 예시적인 방법(600)을 도시하는 순서도이다. 일 구현예에서, 시스템(600)은 자율주행 차량에 장착되는 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 것이다. 단계들이 예시적인 목적으로 특정 순서에 따른 통합 단계들로서 도 6a 및 도 6b 그리고 후속하는 순서도들에서 예시되지만, 다른 구현예들에서, 하나 이상의 단계 또는 그 일부는 상이한 순서로 수행되거나, 직렬 또는 병렬로 시간적으로 중첩되어 수행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 추가 단계가 추가되거나, 방법이 몇몇 조합 방식으로 변경된다.
[0168] 단계 601에서, 신호가 바이스태틱 트랜시버의 송신 도파관에 의해 전송된 후 타겟에 의해 반사되고 바이스태틱 트랜시버의 수신 도파관에 의해 수신된 신호의 제1 SNR 값들을 나타내는 프로세서에서 데이터가 수신되는 데, 여기서 수신 도파관은 간격만큼 송신 도파관으로부터 이격된다. 제1 SNR 값들은 타겟 거리의 값들에 기초하고, 제1 SNR 값들은 LIDAR 시스템의 스캔 레이트의 각각의 값에 대한 것이다. 일 구현예에서, 단계 601에서, 제1 SNR 값들은 빔(205')이 송신 도파관(223)에 의해 송신된 후 타겟에 의해 반사되고 바이스태틱 트랜시버(215)의 수신 도파관(225)에 의해 수신된 리턴 빔(291')의 값들이며, 여기서 수신 도파관(225)은 간격(221)만큼 송신 도파관(223)으로부터 이격된다. 일 구현예에서, 데이터는 시스템(200")의 수신 도파관들(225a, 225b) 중 하나 또는 둘 모두의 끝단(217)에 포커싱된 리턴 빔(291')의 제1 SNR 값들이다. 다른 구현예에서, 단계 601에서, 데이터는 시스템(200")의 검출기 어레이(230) 상의 포커싱된 리턴 빔(291')의 제1 SNR 값들이다. 일 구현예에서, 데이터는 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내는 곡선(440b) 및/또는 곡선(440c) 및/또는 곡선(440d)의 값들을 포함하며, 여기서 각각의 곡선(440)은 빔의 스캔 레이트의 각각의 값에 대한 것이다. 예시적인 구현예에서, 곡선들(440b, 440c, 440d)은 간격(221)의 동일한 값에 기초하고, 단계 601에서, 복수 세트의 곡선들(440b, 440c, 440d)이 복수의 간격(221) 값들 각각에 대해 수신된다. 일부 구현예들에서, 데이터는 곡선들(440b, 440c, 440d)로 제한되지 않고, 도 4g에 나타낸 것보다 더 적거나 더 많은 곡선의 SNR 값들을 포함하며, 여기서 각각의 SNR 곡선은 스캔 레이트의 각각의 값에 기초하고 그리고/또는 곡선들(440b, 440c, 440d)은 간격(221)의 특정 값에 기초한다.
[0169] 다른 구현예들에서, 단계 601에서 수신된 데이터는 스캔 레이트의 각각의 값 및/또는 간격(221)의 각각의 값에 대한 타겟 거리에 걸쳐 곡선을 형성하는데 사용될 수 있는 SNR 값들을 포함한다. 일 구현예에서, 곡선들(464, 466)은 스캔 레이트의 고정 값(예, 4000 도/초)을 기초로 간격(221)의 다중 값들에 대해 제공된다. 다른 구현예에서, 곡선들(465, 467)은 스캔 레이트의 고정 값(예, 12000 도/초)을 기초로 간격(221)의 다중 값에 대해 제공된다. 또 다른 구현예에서, 단계 601에서, 곡선(469)은 SNR 임계값을 달성하기 위해 각각의 타겟 거리에 대해 제공되고, 곡선(469)은 특정 고정된 스캔 속도에 대해 요구되는 간격(221) 값을 나타낸다. 예시적인 구현예에서, 단계 601에서, 데이터는 처리 시스템(250)의 메모리에 저장되고, 각 세트의 제1 SNR 값들은 LIDAR 시스템의 스캔 레이트의 연관된 값 및/또는 간격(221)의 연관된 값과 함께 저장된다. 일 구현예에서, 단계 601에서, 제1 SNR 값들은 약 0미터 내지 약 500미터(예를 들어, 자동차)의 범위에 걸쳐 또는 약 0미터 내지 약 1000미터(예를 들어, 항공기)의 범위 내에서 그리고 약 2000 도/초 내지 약 6000 도/초 또는 약 1000 도/초 내지 약 7000 도/초 범위 내의 스캔 레이트 값들에 대해 그리고/또는 약 0wo 내지 4 wo 또는 약 0wo 내지 약 10wo 범위의 간격(221) 값들에 대해 획득되며, 여기서 wo 는 송신 도파관(223)의 직경이다. 일부 구현예들에서, 제1 SNR 값들은 미리 결정되고 단계 601에서 프로세서에 의해 수신된다. 다른 구현예들에서, 제1 SNR 값들은 LIDAR 시스템에 의해 측정되고 후속으로 단계 601에서 프로세서에 의해 수신된다. 일 구현예에서, 데이터가 입력 장치(712)를 사용하여 단계 601에서 입력되고 그리고/또는 근거리 네트워크(780), 인터넷(790), 또는 외부 서버(792)로부터 네트워크 링크(778)를 통해 처리 시스템(250)의 메모리(704)에 업로드된다.
[0170] 일 구현예에서, 단계 601에서, 제1 SNR 값들(예, 곡선들(440b, 440c, 440d))이 제1 간격(221a)에 기초하여 제1 수신 도파관(225a)에 의해 수신된 리턴 빔(291')에 대해 수신되고, 다른 세트의 제1 SNR 값들(예, 곡선(440b, 440c, 440d))이 제2 간격(221b)에 기초하여 제2 수신 도파관(225b)에 의해 수신된 리턴 빔(291')에 대해 수신된다. 하나의 예시적인 구현예에서, 수신 도파관들(225a, 225b)에 의해 수신된 리턴 빔(291')에 대한 제1 SNR 값들은 미리 결정되고 단계 601에서 프로세서에 의해 수신된다. 다른 예시적인 구현예에서, 수신 도파관들(225a, 225b)에 의해 수신된 리턴 빔(291')에 대한 제1 SNR 값들은 LIDAR 시스템에 의해 측정되고 후속으로 단계 601에서 프로세서에 의해 수신된다.
[0171] 단계 603에서, 타겟의 거리의 값들에 기초하여 타겟에 의해 반사되고 LIDAR 시스템에 의해 검출된 신호의 제2 SNR 값들을 나타내는 데이터가 프로세서에서 수신되고, 제2 SNR 값들은 LIDAR 시스템의 인테그레이션 시간의 각각의 값에 대한 것이다. 일 구현예에서, 단계 603에서, 데이터는 각각의 인테그레이션 시간에 대한 시스템(200")에서 포커싱된 리턴 빔(291)의 제2 SNR 값들이며, 인테그레이션 시간 동안 빔이 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)에 의해 처리된다. 하나의 구현예에서, 데이터는 리턴 빔(291')의 SNR 값들을 나타내는 곡선(450a) 및/또는 곡선(450b) 및/또는 곡선(450c) 및/또는 곡선(450d)의 값들을 포함하고, 각각의 곡선(450)은 빔이 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)에 의해 처리되는 인테그레이션 시간의 각각의 값에 대한 것이다. 일부 구현예들에서, 데이터는 곡선(450a, 450b, 450c, 450d)에 한정되지 않고, 도 4i에 도시된 것보다 더 적거나 더 많은 곡선을 포함하고, 각각의 SNR 곡선은 인테그레이션 시간의 각각의 값에 기초한다. 다른 구현예들에서, 데이터는 곡선일 필요는 없고 대신에 인테그레이션 시간의 각각의 개별 값에 대하여 타겟 거리에 걸쳐 곡선을 형성하는데 사용되는 SNR 값들이다. 예시적인 구현예에서, 단계 603에서, 데이터는 처리 시스템(250)의 메모리에 저장되고, 제2 SNR 값들의 각각의 집합은 LIDAR 시스템의 인테그레이션 시간의 연관된 값과 함께 저장된다. 하나의 구현예에서, 단계 603에서, 제2 SNR 값들은 (예를 들어, 자동차의 경우) 대략 0 미터 내지 대략 500 미터의 범위에 걸쳐 또는 (예를 들어, 항공기의 경우) 대략 0 미터 내지 대략 1000 미터의 범위에서, 대략 100 나노초(ns) 내지 대략 5 밀리초(㎲)의 인테그레이션 시간 값들에 대하여 획득된다. 일부 구현예들에서, 제2 SNR 값들은 미리 정해지고 단계 603에서 프로세서에 의해 수신된다. 다른 구현예들에서, 제2 SNR 값들은 LIDAR 시스템에 의해 측정된 후, 단계 603에서 프로세서에 의해 수신된다. 하나의 구현예에서, 데이터는 입력 장치(712)를 이용하여 단계 603에서 입력되고 그리고/또는 근거리 통신망(780), 인터넷(790) 또는 외부 서버(792)로부터 네트워크 링크(778)를 통해 처리 시스템(250)의 메모리(704)에 업로드된다.
[0172] 단계 605에서, 각도 범위(227)를 정의하는 제1 각도 및 제2 각도를 나타내는 데이터가 프로세서에 수신된다. 하나의 구현예에서, 단계 605에서, 제1 각도 및 제2 각도는 입력 장치(712, 예를 들어, 마우스 또는 포인팅 장치(716))를 이용하여 입력되고 그리고/또는 네트워크 링크(778)를 통해 처리 시스템(250)으로 업로드된다. 각도 범위(227)가 도 3a의 시야(324)인 일 구현예에서, 제1 각도는 제1 빔(322)과 차량(310)의 진행 방향을 나타내는 화살표(313) 사이의 각도로 정의되고, 제2 각도는 제2 빔(323)과 화살표(313) 사이의 각도로 정의된다.
[0173] 각도 범위(227)가 도 3b의 각도 범위(326)인 다른 구현예에서, 제1 각도는 제1 빔(342)과 차량(310)의 진행 방향을 나타내는 화살표(313) 사이의 각도로 정의되고, 제2 각도는 제2 빔(346)과 화살표(313) 사이의 각도로 정의된다. 일 구현예에서, 제1 각도 및 제2 각도는 화살표(313)에 대해 대칭이며, 예를 들어 제1 각도와 제2 각도는 서로 동일하고 반대이다. 일 구현예에서, 제1 각도는 제1 빔(342)이 지면(349)을 향해 지향되도록 선택되고, 제2 각도는 제2 빔(346)이 지면(349)으로부터 멀리 상한(347)을 향하여 지향되도록 선택된다.
[0174] 일 구현예에서, 단계 601, 603 및 605는 단계 601, 603 및 605의 데이터가 하나의 동시 단계로 프로세서에서 수신되는 하나의 단계로 동시에 수행된다.
[0175] 단계 607에서, 각도 범위 내의 각 각도의 타겟의 최대 설계 거리를 나타내는 데이터가 프로세서에서 수신된다. 일 구현예에서, 최대 설계 거리는 각도들의 범위(227)의 각 각도의 타겟의 미리 결정된 최대 거리이다. 일 구현예에서, 단계 607에서, 각 각도의 타겟의 최대 설계 거리는 도 3a의 시야(324)에 기초한다. 예시적인 구현예에서, 최대 설계 거리는 시야(324)에 대한 고정된 값 또는 고정값 범위이다. 예시적인 구현예에서, 시야(324)에 대한 최대 설계 거리는 약 250 미터 또는 약 150 미터 내지 약 300 미터의 범위에 있다.
[0176] 다른 구현예에서, 단계 607의 데이터는 각도들의 범위(326)보다 큰 제1 각도 범위에 걸쳐 제공된다. 일 구현예에서, 단계 607의 데이터는 각도 범위에 걸쳐 증분 각도로 제공되며, 여기서 증분 각도는 약 0.005도 내지 약 0.01도의 범위 또는 약 0.0005도 내지 약 0.01도의 범위로 선택된다.
[0177] 하나의 예시적인 구현예에서, 단계 607의 데이터는 입력 장치(712, 예를 들어, 마우스 또는 포인팅 장치(716))를 사용하여 입력되고 그리고/또는 네트워크 링크(778)를 통해 처리 시스템(250)에 업로드된다. 일부 구현예들에서, 최대 설계 거리는 미리 결정되고, 단계 607 중에 수신된다. 다른 구현예들에서, 시스템(200, 200', 200")은 각도 범위(227) 내의 각 각도의 최대 설계 거리를 측정하는 데 사용되며, 각 각도의 최대 설계 거리는 후속으로 단계 607에서 처리 시스템(250)에 의해 수신된다.
[0178] 단계 609에서, LIDAR 시스템의 SNR이 최소 SNR 임계값보다 크도록 각도 범위(227) 내의 각 각도에서 LIDAR 시스템의 최대 스캔 레이트가 결정된다. 일 구현예에서, 단계 609에서, 각도 범위(227)의 각도들에 대해 고정된 최대 스캔 레이트가 결정된다. 각도 범위(227)에 대한 최대 설계 거리에 대한 값들의 범위는 먼저 단계 607에서 수신된 데이터에 기초하여 결정된다. 그 다음, 단계 601에서 수신된 SNR 값들이 각도 범위(227)에 걸쳐 최대 설계 거리(예를 들어, 약 150m 내지 약 300m)의 값 또는 값들의 범위에 대해 결정되고, 이들 제1 SNR 값들 중 어느 것이 최소 SNR 임계값을 초과하는지 추가로 결정된다. 일 구현예에서, 곡선들(440b, 440c, 440d)의 값들은 각도 범위(227)에 걸쳐 최대 설계 거리(예를 들어, 약 80m 내지 약 120m)의 값들의 범위에 대해 결정되고, 곡선(440d)의 값들만이 최대 설계 거리(예를 들어, 약 80m 내지 약 120m)의 값들 범위에 대해 최소 SNR 임계값(442)을 초과한다는 것이 추가로 결정된다. 곡선(440d)의 값들만이 최소 SNR 임계값(442)을 초과하기 때문에, 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 최대 스캔 레이트는 곡선(440d)에 대응하는 스캔 레이트로 설정된다. 예시적인 구현예에서, 단계 609에서의 최대 스캔 레이트의 결정은 수신 도파관들(225a, 225b)의 끝단(217) 상의 리턴 빔(291')의 빔 이탈(419, 421, 도 4e)이 간격(221)의 임계값 내에 있는 것을 보장하며, 여기서 임계값은 끝단 상의 리턴 빔(291')의 이미지(418)의 직경에 기초한다(예를 들어, 더 큰 직경에 대해 더 큰 임계값, 더 작은 직경에 대해 더 작은 임계값을 가진다). 예시적인 구현예에서, 임계값은 수신 도파관(225)의 끝단(217) 상의 리턴 빔(291')의 이미지(418)의 직경의 비율이다. 예시적인 구현예에서, 비율은 약 0.5 또는 약 0.3 내지 약 0.7의 범위에 있다.
[0179] 다른 구현예에서, 단계 609에서, 간격(221)의 상이한 값들에 대응하는 제1 SNR 값들(예를 들어, 곡선들(464, 465, 466, 467, 469))은 최소 SNR 임계값(442)을 초과하고 최소 SNR 임계값(442)을 초과하는 제1 SNR 값들 중 최대값인 제1 SNR 값들(예를 들어, 고정 스캔 속도 4000 도/초에 대한 곡선들(464) 중 하나 또는 고정 스캔 속도 12000 도/초에 대한 곡선들(465) 중 하나)을 결정하는 데 사용된다. 일 구현예에서, 시스템(200")의 설계 단계 중에, 송신 도파관(223)과 수신 도파관(225) 사이의 간격(221)은 결정된 제1 SNR 값들에 대응하는 간격(221)의 값에 기초하여 선택되고, 고정된 최대 스캔 레이트는 결정된 제1 SNR 값들에 대응하는 스캔 레이트에 기초하여 선택된다(예를 들어, 간격(221)의 값은 0m 내지 250m의 타겟 설계 거리에 대한 곡선(465c)에 기초하여 2.75wo로 선택되고 그리고/또는 고정 스캔 레이트는 곡선(465)에 대해 12,000 도/초의 고정 스캔 속도에 기초하여 선택된다). 하나의 예시적인 구현예에서, 제1 간격(221a, 예를 들어, 0.25 wo)에 대응하는 제1 SNR 값들(예를 들어, 곡선(464c))은 SNR이 (예를 들어, 타겟 거리 > 80m에 대한) 각도 범위(227)의 제1 부분에 걸쳐 SNR 임계값(442)을 초과하도록 고정된 스캔 레이트(예를 들어, 4000 도/초)에 대해 사용되며, 제2 간격(221b, 예를 들어, 4wo)에 대응하는 제1 SNR 값들(예를 들어, 곡선(464a))은 SNR이 (예를 들어, 타겟 거리 < 80m에 대한) 각도 범위(227)의 제2 부분에 걸쳐 SNR 임계값(442)을 초과하도록 고정된 스캔 레이트에 대해 사용된다. 이 구현예에서, 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 최대 스캔 레이트는 최적의 스캔 레이트로 설정된다. 이 구현예는 스캔 레이트가 각도 범위(227)에 걸쳐 고정되어 있는 동안 각도 범위(227)에 걸쳐 최대 설계 거리의 상이한 부분들로부터 리턴 빔(291') 데이터를 검출하기 위해 다중 수신 도파관들(225a, 225b)을 유리하게 사용한다(예를 들어, 수신 도파관(225a)은 더 긴 거리의 타겟으로부터 리턴 빔(291')을 수신하고, 수신 도파관(225b)은 더 짧은 거리의 타겟으로부터 리턴 빔(291')을 수신함). 각도 범위(227)가 각도 범위(326)인 예시적인 구현예에서, 수신 도파관(225b)은 제1 및 제2 각도로 전송된 빔들(342, 346)을 기초로 리턴 빔들(291')을 수신하고, 수신 도파관(225a)은 중간 전송된 빔(344)을 기초로 리턴 빔들(291')을 수신한다.
[0180] 다른 구현예에서, 단계 609에서, 각도 범위(227)의 각 각도에 대해 각각의 최대 스캔 레이트가 결정된다. 각 각도에서, 해당 각도에 대한 최대 설계 거리는 단계 607에서 수신된 데이터에 기초하여 먼저 결정된다. 그런 다음, 단계 601에서 수신된 제1 SNR 값들은 상기 각도에서의 최대 설계 거리에 대해 결정되고, 이들 제1 SNR 값들 중 어느 것이 최소 SNR 임계값을 초과하는지가 추가로 결정된다. 일 구현예에서, 곡선들(440b, 440c, 440d)의 값들은 최대 설계 거리(예를 들어, 약 90m)에 대해 결정되고, 곡선들(440b, 440c)의 값들이 최소 SNR 임계값(442)을 초과하는 것이 추가로 결정된다. 최소 SNR 임계값을 초과하는 제1 SNR 값들 중에서, 최대 스캔 속도를 갖는 제1 SNR 값들이 선택되고, 해당 각도에 대해 최대 스캔 속도가 단계 609에서 결정된다. 상기 구현예에서, 최대 설계 거리(예를 들어, 약 90m)에서 최소 SNR 임계값(442)을 초과하는 곡선들(440b, 440c)의 값들 중에서, 곡선(440c) 값들은 최대 스캔 속도로서 선택되고, 최대 스캔 속도(예를 들어, 곡선(440c)과 관련된 최적의 스캔 속도)가 해당 각도에 대해 단계 609에서 결정된다. 하나의 예시적인 구현예에서, 도 4g는 제1 및 제2 각도의 빔들(342, 346)에 대해 단계 609에서 결정된 최대 스캔 속도(예를 들어, 곡선(440c)에 기초한 최적의 스캔 속도)가 제1 및 제2 각도 사이의 각도의 빔(344)에 대해 단계 609에서 결정된 최대 스캔 속도(예를 들어, 곡선(440b)에 기초한 느린 스캔 속도)보다 높은 것을 나타낸다. 이 예시적인 구현예에서, 스캐닝 광학 기기(218)의 스캔 레이트는 각도 범위(227)에 걸쳐 변하며, 리턴 빔(291')은 더 짧은 타겟 거리(예를 들어, 빔들(342, 346))에 대응하는 각도 범위(227)의 해당 부분에 대해 빠른 스캔 속도로 스캔되고, 더 긴 타겟 거리(예를 들어, 빔(344))에 대응하는 각도 범위(227)의 해당 부분에 대해 느린 스캔 속도로 스캔된다. 이 예시적인 구현예에서, 하나의 수신 도파관(225)이 각도 범위(227)에 걸쳐 리턴 빔(291')을 캡처하는 데 사용된다. 예시적인 구현예에서, 단계 609에서 최대 스캔 레이트의 결정은 수신 도파관(225)의 끝단(217) 상의 리턴 빔(291')의 빔 이탈(419, 도 4e)이 간격(221)의 임계값 내에 있고, 여기서 임계값은 끝단(217) 상의 리턴 빔(291')의 이미지(418) 직경의 비율보다 작다. 예시적인 구현예에서, 상기 비율은 약 0.5 또는 약 0.3 내지 약 0.7의 범위에 있다.
[0181] 도 3c는 일 구현예에 따라 도 3b의 LIDAR 시스템(320)으로부터 다중 각도(345a, 345b)로 전송된 빔들(343a, 343b)의 예를 나타낸 블록도이다. 일 구현예에서, 빔들(343a, 343b)은 제1 빔(342)과 중간 빔(344) 사이의 중간 빔들이다. 다른 구현예들에서, 빔(343a)은 제1 빔(342)이고, 빔(343b)은 제1 빔(342) 이후에 처리되는 후속 빔이다. 단계 609에서, LIDAR 시스템(320)의 최대 스캔 속도는 각도(345a)에서 결정된다. 각도(345a)에서의 빔(343a)의 최대 설계 거리(예를 들어, 30m)가 먼저 단계 607에서의 데이터를 사용하여 결정된다. 그 다음, 최대 설계 거리에 대한 단계 601로부터의 제1 SNR 값들이 결정된다. 예시적인 구현예에서, 제1 SNR 값들은 곡선들(440b, 440c, 440d)의 값들을 포함한다. 그런 다음, 최대 설계 거리의 제1 SNR 값들 중 어느 것이 최소 SNR 임계값을 초과하는지가 결정된다. 예시적인 구현예에서, 최대 설계 거리(예를 들어, 30m)에서의 곡선들(440b, 440c, 440d)의 값들은 모두 최소 SNR 임계값(442)을 초과한다. 그런 다음, 이들 제1 SNR 값들 중 어떤 것이 최대 스캔 속도를 가지는 것인지가 결정되고, 해당 각도에 대해 단계 609에서 상기 최대 스캔 레이트가 결정된다. 예시적인 구현예에서, 곡선(440c)은 최대 스캔 레이트를 가지며, 따라서 이 최대 스캔 레이트는 빔(343a)을 각도(345a)로 스캔하는 데 사용된다. 일 구현예에서, 도 4i는 제1 및 제2 각도(예를 들어, 곡선(450d)에 기초한 400㎲)의 빔들(342, 346)에 대해 단계 611에서 결정된 최소 스캔 레이트가 제1 및 제2 각도(예를 들어, 곡선(450a)에 기초한 3.2㎲) 사이의 각도의 빔(344)에 대해 단계 611에서 결정된 최소 인테그레이션 시간보다 짧은 것을 예시한다.
[0182] 단계 611에서, LIDAR 시스템의 SNR이 최소 SNR 임계값보다 크도록 각도 범위(227)의 각 각도에서 LIDAR 시스템의 최소 인테그레이션 시간이 결정된다. 최대 설계 거리가 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 값 또는 고정된 값 범위를 갖는 일부 구현예들에서, 단계 611에서, 고정된 최대 설계 거리(예를 들어, 200m) 또는 고정된 최대 설계 거리 범위(예를 들어, 180m 내지 220m)에 기초하여 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 최소 인테그레이션 시간이 결정된다. 다른 구현예들에서, 각도 범위(227)의 각각의 각도에서, 해당 각도에 대한 최대 설계 거리가 단계 607에서 수신된 데이터에 기초하여 먼저 결정된다. 그 다음, 단계 603에서 수신된 제2 SNR 값들이 해당 각도에서의 최대 설계 거리에 대하여 결정되고, 이들 제2 SNR 값들 중 어느 것이 최소 SNR 임계값을 초과하는지가 추가로 결정된다. 하나의 구현예에서, 곡선들(450a, 450b, 450c, 450d)의 값들이 최대 설계 거리(예를 들어, 대략 120m) 또는 최대 설계 거리에 대한 값들의 범위에 대하여 결정되고, 곡선들(450a, 450b, 450c)의 값들이 최소 SNR 임계값(452)을 초과하는 것이 추가로 결정된다. 최소 SNR 임계값을 초과하는 제2 SNR 값들 중에서, 최소 인테그레이션 시간을 갖는 제2 SNR 값들이 선택되고, 해당 각도 또는 각도들의 범위(227)에 대한 최소 인테그레이션 시간이 단계 611에서 결정된다. 상기 구현예에서, 최대 설계 거리(예를 들어, 대략 120m)에서 최소 SNR 임계값(442)을 초과하는 곡선들(450a, 450b, 450c)의 값들 중에서, 곡선(450c) 값들이 최소 인테그레이션 시간을 갖는 것으로 선택되고, 해당 각도에 대한 최소 인테그레이션 시간(예를 들어, 대략 800㎲)이 단계 611에서 결정된다.
[0183] 단계 611에서, LIDAR 시스템(320)의 최소 인테그레이션 시간은 각도(345a)에서 결정된다. 각도(345a)에서 빔(343a)의 최대 설계 거리(예를 들어, 30m)는 먼저 단계 607의 데이터를 사용하여 결정된다. 그 다음, 최대 설계 거리에 대한 단계 603으로부터의 제2 SNR 값들이 결정된다. 예시적인 구현예에서, 제2 SNR 값들은 곡선들(450a, 450b, 450c, 450d)의 값들을 포함한다. 그 다음, 최대 설계 거리에서 이들 제2 SNR 값들 중 어느 것이 최소 SNR 임계값을 초과하는지가 결정된다. 예시적인 구현예에서, 최대 설계 거리(예를 들어, 30m)에서의 곡선들(450a, 450b, 450c, 450d)의 값들은 모두 최소 SNR 임계값(452)을 초과한다. 그런 다음, 이들 제2 SNR 값들 중 어느 것이 최소 인테그레이션 시간을 가지는지가 결정되고, 해당 각도에 대해 이 최소 인테그레이션 시간이 단계 611에서 결정된다. 예시적인 구현예에서, 곡선(450d)은 최소 인테그레이션 시간(예를 들어, 약 400㎲)을 가지며, 따라서 이 최소 인테그레이션 시간은 빔(343a)을 각도(345a)로 처리하는 데 사용된다.
[0184] 단계 613에서, 단계 609 및 611의 또 다른 반복을 수행하기 위해 추가적인 각도들이 각도 범위(227)에 남아 있는지 여부가 결정된다. 최대 설계 거리가 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 값 또는 고정된 값들의 범위를 가지는 일부 구현예들에서, 단계 609 및 611가 최대 설계 거리의 상기 고정된 값 또는 고정된 값들의 범위에 기초하여 각각 한 번 수행되고 단계 613 및 615는 생략되어 방법(600)은 단계 617로 진행한다. 이 구현예에서, 최대 설계 거리의 고정 값 또는 고정 값들의 범위에 기초하여 단계 609에서 고정된 최대 스캔 레이트가 결정되고, 고정된 최소 인테그레이션 시간이 최대 설계 거리의 고정 값 또는 고정 값들의 범위에 기초하여 단계 611에서 결정된다.
[0185] 일 구현예에서, 각도 범위(326)에 대한 단계 613에서, 단계 609 및 611의 초기 반복이 범위(326) 내의 제1 빔(342)의 제1 각도에 수행된 경우, 단계 613은 단계 609 및 611의 이전 반복이 각도 범위(326)의 제2 빔(346)의 제2 각도에서 또는 그 이상에서 수행되었는지 여부의 결정을 포함한다. 다른 구현예에서, 단계 609 및 611의 초기 반복이 범위(326)의 제2 각도에서 수행된 다른 구현예에서, 단계 613은 단계 609 및 611의 이전 반복이 각도 범위(326)의 제1 각도에서 그 이상에서 수행되었는 지 여부의 결정을 포함한다. 단계 613이 범위(326)에 더 많은 각도들이 남아 있다고 결정하면, 방법은 블록(615)으로 진행한다. 단계 613이 범위(326) 내에 추가의 각도가 없는 것을 결정하면, 방법은 블록(617)으로 진행한다.
[0186] 단계 615에서, 초기 각도에서 단계 609 및 611의 이전 반복을 수행한 후 단계 609 및 611을 반복할 후속 각도의 결정이 이루어진다. 일 구현예에서, 도 3c는 초기 각도(345a)의 초기 빔(343a)에서 단계 609 및 611의 이전 반복을 수행한 후 단계 609 및 611를 반복하는 후속 빔(343b)의 후속 각도(345b)를 나타낸다. 일 구현에서, 단계 615는 후속 각도(345b)와 초기 각도(345a)와 후속 각도(345b) 사이의 각도 증분(350a)의 결정을 포함한다. 일 구현예에서, 후속 각도(345b)는 초기 각도(345a), 단계 609에서 결정된 각도(345a)의 최대 스캔 속도, 및 단계 611에서 결정된 각도(345a)의 최소 인테그레이션 시간에 기초한다. 예시적인 구현예에서, 후속 각도(θs)는 다음 수학식을 사용하여 초기 각도(θi), 최대 스캔 레이트(Sm), 및 최소 인테그레이션 시간(Im)에 기초한다:
[수학식 9]
θs = θi + SmIm
예시적인 구현예에서, 초기 각도(345a)가 -15도이고, 최대 스캔 레이트가 초당 15도이고, 최소 인테그레이션 시간이 2㎲이면, 후속 각도(345b)는 수학식 9를 사용하여 약 -14.97도이다. 단계 615에서 후속 각도를 결정한 후, 방법은 다시 블록(609)으로 진행하여 단계 609 및 611가 후속 각도에서 반복된다.
[0187] 단계 617에서, 단계 609 및 611의 더 이상의 반복이 수행될 필요가 없다고 결정된 후, LIDAR 시스템의 스캔 패턴은 각도 범위(326)의 각 각도에서 단계 609로부터의 최대 스캔 레이트 및 단계 611로부터의 최소 인테그레이션 시간에 기초하여 정의된다. 최대 설계 거리가 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 값 또는 고정된 값들의 범위를 갖는 일부 구현예에서, 고정된 최대 스캔 레이트는 최대 설계 거리의 고정된 값 또는 고정된 값들의 범위에 기초하여 단계 609에서 결정되며, 고정된 최소 인테그레이션 시간은 최대 설계 거리의 고정된 값 또는 고정된 값들의 범위에 기초하여 단계 611에서 결정된다. 이 구현예에서, 단계 617에서, 스캔 패턴은 각도 범위(227)에 걸쳐 각 각도에서 고정된 최대 스캔 레이트 및 고정된 최소 인테그레이션 시간에 기초하여 정의된다.
[0188] 다른 구현예에서, 스캔 패턴은 제1 빔(342)의 제1 각도와 제2 빔(346)의 제2 각도 사이의 각도 범위(326) 내의 각 각도에 대한 최대 스캔 패턴 및 최소 인테그레이션 시간을 포함한다. 예시적인 구현예에서, 스캔 패턴은 처리 시스템(250)의 메모리(예를 들어, 메모리(704))에 저장된다. 다른 예시적인 구현예에서, 스캔 패턴의 인접한 각도들 사이의 각도 증분은 단계 615에서 결정되며, 예를 들어, 각도 증분은 단계 615에서 후속 각도와 초기 각도 사이의 간격이다. 다른 예시적인 구현예에서, 도 3c는 단계 615의 목적상 후속 각도(345b)와 초기 각도(345a) 사이의 각도 증분(350a) 및 단계 617에서 결정된 스캔 패턴을 예시한다.
[0189] 단계 619에서, LIDAR 시스템은 단계 617에서 결정된 스캔 패턴에 따라 작동된다. 최대 설계 거리가 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 값 또는 고정된 값들의 범위를 갖는 일 구현예에서, 고정된 최대 스캔 레이트는 최대 설계 거리의 고정된 값 또는 고정된 값들의 범위에 기초하여 단계 609에서 결정된다. 이 구현예에서, 단계 619에서, LIDAR 시스템의 빔은 각도 범위(227)에 걸쳐 스캐닝 광학 기기(218)를 사용하여 고정된 최대 스캔 레이트로 스캔된다. 예시적인 구현예에서, 단계 619에서, 빔(205")은 폴리곤 스캐너(244)를 사용하여 고정된 최대 스캔 레이트로 스캔된다. 일 구현예에서, 처리 시스템(250)은 폴리곤 스캐너(244)에 의해 각속도(249)의 속도가 고정된 최대 스캔 레이트가 되도록 신호를 폴리곤 스캐너(244)에 전송한다. 또한, 이 구현예에서, LIDAR 시스템의 최소 인테그레이션 시간은 최대 설계 거리에 대한 고정된 값 또는 고정된 값들의 범위에 기초한 고정된 최소 인테그레이션 시간에 기초한다. 일 구현예에서, 빔(205')은 빔(205")이 폴리곤 스캐너(244)의 인접한 패싯(245)에 의해 스캔됨에 따라 각도 범위(227)에 걸쳐 연속적으로 스캔된다. 따라서, 예시적인 구현예에서, 빔(205")은 각도 범위(227)에 걸쳐 패싯(245a)에 의해 스캔되고, 빔(205")은 후속하여 각도 범위(227)에 걸쳐 패싯(245b)에 의해 스캔된다. 단계 619 중에, 리턴 빔(291')은 콜리메이팅 광학 기기(229)에 의해 수신 도파관(225)의 끝단(217)으로 포커싱된다. 다수의 수신 도파관(225a, 225b)이 제공되는 예시적인 구현예에서, 빔(205")이 각도 범위(227)의 제1 부분에 걸쳐 고정된 최대 스캔 레이트로 스캔될 때(예를 들어, 추가의 타겟 거리; 빔(344)), 리턴 빔(291')은 제1 수신 도파관(225a)의 끝단(217)으로 포커싱되고, 빔(205")이 각도 범위(227)의 제2 부분에 걸쳐 고정된 최대 스캔 레이트로 스캔될 때(예를 들어, 더 짧은 타겟 거리; 빔들(342, 346)), 리턴 빔(291')은 제2 수신 도파관(225b)의 끝단으로 포커싱된다. 다른 예시적인 구현예에서, 하나의 수신 도파관(225a) 및 수신 도파관(225b)은 생략되고, 빔(205")이 각도 범위(227, 예를 들어, 시야(324))에 걸쳐 고정된 최대 스캔 레이트로 스캔될 때 리턴 빔(291')은 수신 도파관(225a)의 끝단에 수신된다.
[0190] 단계 619에서, LIDAR 시스템의 하나 이상의 파라미터가 시스템(200")의 설계 단계 중에 선택된다. 예시적인 구현예에서, 송신 도파관(223)과 수신 도파관(225) 사이의 간격(221)의 값은 그래프(464, 465, 466, 467, 469) 중 하나 이상을 사용하는 것을 기초로 선택되며, 여기서 사용자는 리턴 빔(291')의 SNR 임계값을 달성하기 위해 타겟 설계 거리 및 스캔 속도의 알려진 값들에 기초한 간격(221)의 값을 결정한다. 또 다른 예시적인 구현예에서, 폴리곤 스캐너(244)의 스캔 속도의 값은 그래프(464, 465, 466, 467, 469) 및 그래프(440)의 사용에 기초하여 선택되며, 여기서 사용자는 리턴 빔(291')의 SNR 임계값을 달성하기 위해 타겟 설계 거리 및 간격(221)의 알려진 값들을 기초로 스캔 속도의 값을 결정한다..
[0191] 다른 구현예에서, 단계 619에서, LIDAR 시스템의 빔은 하나 이상의 사이클에 걸쳐 각도 범위(326)에서 스캔되며, 여기서 각 각도의 빔의 스캔 레이트는 해당 각도에 대한 스캔 패턴의 최대 스캔 레이트이고, 각 각도에서의 LIDAR 시스템의 인테그레이션 시간은 해당 각도에 대한 최소 인테그레이션 시간이다. 일 구현예에서, 단계 619에서, 각각의 각도에서, LIDAR 시스템의 처리 시스템(250)은 각각의 각도에서의 스캔 레이트가 해당 각도에 대한 스캔 패턴의 최대 스캔 레이트가 되도록 하나 이상의 신호를 스캐닝 광학 기기(218)에 전송한다. 추가로, 일 구현예에서, 단계 619에서, 각각의 각도에서, LIDAR 시스템의 처리 시스템(250)은 인테그레이션 시간이 해당 각도에 대한 스캔 패턴의 최소 인테그레이션 시간이 되도록 각 각도에서 수신된 리턴 빔(291)에 대한 획득 시스템(240) 및/또는 처리 시스템(250)의 인테그레이션 시간을 조정한다. 이것은 유리하게도 LIDAR 시스템이 각 각도에서 적절한 SNR을 유지하도록 보장하면서 빔이 최대 스캔 레이트로 스캔되고 리턴 빔이 각각의 각도에서 가장 짧은 인테그레이션 시간으로 처리되는 것을 보장한다.
[0192] 도 5는 일 구현예에 따라 도 2e의 시스템에서 다중 각도 거리에 걸쳐 시간에 따른 수직 각도를 예시하는 그래프이다. 수평축(502)은 초(s) 단위의 시간이고, 수직축은 라디안(rad) 단위의 각도이다. 곡선(540)은 단계 619에서 다중 스캔 패턴 중에 빔에 대한 스캐닝 중에 시간에 따른 빔의 각도를 나타낸다. 시간의 순간에서의 곡선(540)의 기울기는 해당 시간의 빔의 스캔 속도를 나타낸다. 일 구현에서, 곡선(540)의 영역(542)은 빔이 상한(347)을 향해 지향될 때 더 빠른 스캔 레이트(예를 들어, 곡선(540)의 높은 기울기)를 나타내고; 곡선(540)의 영역(544)은 또한 빔이 지면(349)을 향해 지향될 때 더 빠른 스캔 레이트(예를 들어, 곡선(540)의 높은 기울기)를 나타내고; 곡선(540)의 영역(546)은 빔이 지면(349)과 대략 평행하게 지향될 때 더 느린 스캔 레이트(예를 들어, 곡선(540)의 더 낮은 기울기)를 나타낸다. 빔(205")이 고정된 최대 스캔 레이트로 스캔되는 다른 구현예들에서, 곡선은 각도 범위(227)에 걸쳐 고정된 기울기를 나타낼 수 있다.
[0193] 다른 구현예에서, 단계 619 도중 또는 이후에, 프로세서는 적어도 부분적으로, 단계 619 중에 LIDAR 시스템에 의해 수집된 데이터를 기초로 차량(310)을 작동시킨다. 하나의 구현예에서, LIDAR 시스템의 처리 시스템(250) 및/또는 차량(310)의 프로세서(314)는 단계 619에서 LIDAR 시스템에 의해 수집된 데이터에 기초하여 차량의 조향 및/또는 제동 시스템에 하나 이상의 신호를 송신한다. 하나의 예시적인 구현예에서, 처리 시스템(250)은 LIDAR 데이터에 응답하여 차량(310)의 위치를 제어하기 위하여 차량(310)의 조향 또는 제동 시스템에 하나 이상의 신호를 송신한다. 일부 구현예들에서, 처리 시스템(250)은 단계 619에서 수집된 LIDAR 데이터에 기초하여 차량(310)의 프로세서(314)에 하나 이상의 신호를 송신하고, 이에 따라, 프로세서(314)는 차량(310)의 조향 및 제동 시스템에 하나 이상의 신호를 송신한다.
8. 컴퓨터 하드웨어 개요
[0194] 도 7은 본 개시 내용의 구현예가 구현될 수 있는 컴퓨터 시스템(700)을 도시하는 블록도이다. 컴퓨터 시스템(700)은 컴퓨터 시스템(700)의 다른 내부 및 외부 컴포넌트들 사이에 정보를 전달하기 위한 버스(710)와 같은 통신 메커니즘을 포함한다. 정보는 전형적으로는 전압인 측정 가능한 현상의 물리적 신호들로 표현되지만, 다른 구현예들에서는 자기 상호 작용, 전자기 상호 작용, 압력 상호 작용, 화학 상호 작용, 분자 원자 상호 작용 및 양자 상호 작용과 같은 현상을 포함한다. 예를 들어, N극 및 S극 자기장, 또는 0인 전압 및 0이 아닌 전압은, 2 진수(비트)의 두 가지 상태(0, 1)를 나타낸다. 다른 현상은 더 높은 베이스의 숫자를 나타낼 수 있다. 측정 전에 여러 개의 동시 양자 상태의 중첩은 양자 비트(큐비트)를 나타낸다. 하나 이상의 숫자들 시퀀스는 숫자 또는 문자에 대한 코드를 나타내는데 사용되는 디지털 데이터를 구성한다. 일부 구현예들에서, 아날로그 데이터라 불리는 정보는 특정 범위 내의 측정 가능한 값의 근접 연속체(near continuum)로 표시된다. 컴퓨터 시스템(700) 또는 그 일부는, 본 명세서에 설명된 하나 이상의 방법 중 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 수단을 구성한다.
[0195] 이진수 시퀀스는 숫자 또는 문자에 대한 코드를 나타내는데 사용되는 디지털 데이터를 구성한다. 버스(710)는 정보가 버스(710)에 연결된 장치들 사이에 빠르게 송신될 수 있도록 많은 병렬 정보 컨덕터(parallel conductors of information)를 포함할 수 있다. 정보를 처리하기 위한 하나 이상의 프로세서(702)가 버스(710)와 결합된다. 프로세서(702)는 정보에 대한 일련의 동작을 수행한다. 일련의 동작은 버스(710)로부터 정보를 가져오는 것 및 버스(710) 상에 정보를 배치하는 것을 포함한다. 또한, 일련의 동작은 통상적으로 2개 이상의 정보 단위의 비교, 정보 단위의 위치 시프트, 덧셈 또는 곱셈과 같은 2개 이상의 정보 단위의 결합을 포함한다. 프로세서(702)에 의해 실행되는 동작 시퀀스는 컴퓨터 명령어를 구성한다.
[0196] 또한, 컴퓨터 시스템(700)은 버스(710)에 결합된 메모리(704)를 포함한다. RAM(random access memory) 또는 다른 동적 저장 장치와 같은 메모리(704)는 컴퓨터 명령어를 포함하는 정보를 저장한다. 동적 메모리는 그 안에 저장된 정보가 컴퓨터 시스템(700)에 의해 변경되도록 한다. RAM은 메모리 어드레스로 불리는 위치에 저장된 정보 단위가 이웃하는 어드레스의 정보와 독립적으로 저장되고 검색되도록 한다. 또한, 메모리(704)는 컴퓨터 명령어의 실행 동안 임시 값을 저장하기 위하여 프로세서(702)에 의해 사용된다. 또한, 컴퓨터 시스템(700)은 ROM(read only memory, 706) 또는 컴퓨터 시스템(700)에 의해 변경되지 않는 명령어를 포함하는 정적 정보를 저장하기 위해 버스(710)에 결합된 다른 정적 저장 장치를 포함한다. 또한, 컴퓨터 시스템(700)이 꺼지거나 아니면 전원이 손실될 때에도 지속되는 명령어를 포함하는 정보를 저장하기 위한, 자기 디스크 또는 광 디스크와 같은 비휘발성(영구) 저장 장치(708)가 버스(710)에 결합될 수 있다.
[0197] 명령어를 포함하는 정보는, 인간 사용자에 의해 조작되는 문자-숫자 키를 포함하는 키보드와 같은 외부 입력 장치(712) 또는 센서로부터 프로세서에 의한 사용을 위해 버스(710)에 제공된다. 센서는 그 부근의 상태를 검출하고 이러한 검출들을 컴퓨터 시스템(700)에서 정보를 나타내는데 사용되는 신호들과 호환 가능한 신호들로 변환한다. 주로 인간과 상호 작용하기 위해 사용되는 버스(710)에 결합된 다른 외부 장치는, 이미지를 제공하기 위한 CRT(Cathode Ray Tube) 또는 액정 디스플레이(LCD)와 같은 디스플레이 장치(714)를 포함하고, 디스플레이(714)에 제공되는 작은 커서 이미지의 위치를 제어하고 디스플레이(714) 상에 제공되는 그래픽 요소에 연관된 명령을 발행하기 위한, 마우스 또는 트랙볼 또는 커서 방향 키와 같은 포인팅 장치(716)를 포함한다.
[0198] 도시된 구현예에서, ASIC(application specific integrated circuit, 720)와 같은 특수 목적 하드웨어가 버스(710)에 결합된다. 특수 목적 하드웨어는 특별한 목적을 위해 프로세서(702)에 의해 신속하게 수행되지 않는 동작을 충분히 빠르게 수행하도록 구성된다. ASIC의 예는, 디스플레이(714)를 위한 이미지를 생성하기 위한 그래픽 가속기 카드, 네트워크를 통해 전송된 메시지를 암호화 및 복호화하기 위한 암호화 보드(cryptographic board), 음성 인식 및 하드웨어 내에서 보다 효율적으로 구현된 일부 복잡한 일련의 동작을 반복적으로 수행하는 로봇 암(robotic arm) 및 의료 스캐닝 장비와 같은 특별한 외부 장치들과의 인터페이스를 포함한다.
[0199] 또한, 컴퓨터 시스템(700)은 버스(710)에 결합된 통신 인터페이스(770)의 하나 이상의 예를 포함한다. 통신 인터페이스(770)는 프린터, 스캐너 및 외부 디스크와 같은 자신의 프로세서로 동작하는 다양한 외부 장치에 대한 양방향 통신 커플링을 제공한다. 일반적으로, 커플링은 자신의 프로세서를 갖는 다양한 외부 장치가 접속되는 로컬 네트워크(780)에 접속되는 네트워크 링크(778)와 이루어진다. 예를 들어, 통신 인터페이스(770)는 개인용 컴퓨터상의 병렬 포트 또는 직렬 포트 또는 USB(universal serial bus) 포트일 수 있다. 일부 구현예들에서, 통신 인터페이스(770)는 ISDN(Integrated Services Digital Network) 카드 또는 DSL(digital subscriber line) 카드 또는 대응하는 유형의 전화선으로의 정보 통신 연결을 제공하는 전화 모뎀이다. 일부 구현예들에서, 통신 인터페이스(770)는 버스(710) 상의 신호들을 동축 케이블을 통한 통신 연결을 위한 신호들 또는 광섬유 케이블을 통한 통신 연결을 위한 광 신호들로 변환하는 케이블 모뎀이다. 다른 예로서, 통신 인터페이스(770)는 이더넷(Ethernet)과 같은 호환 가능한 근거리 통신망(Local Area Network, LAN)으로의 데이터 통신 연결을 제공하는 LAN 카드일 수 있다. 또한, 무선 링크들이 구현될 수 있다. 음파 및 전자기파 - 전파(radio wave), 광파(optical wave) 및 적외선 파(infrared wave)를 포함함 - 와 같은 반송파는 와이어 또는 케이블 없이 공간을 통과한다. 신호들은 진폭, 주파수, 위상, 편광 또는 반송파의 다른 물리적 특성들의 인공적인 변화를 포함한다. 무선 링크에 대하여, 통신 인터페이스(770)는 디지털 데이터와 같은 정보 스트림을 운반하는 적외선 및 광 신호들 포함하는, 전기, 음향 또는 전자기 신호들을 송수신한다.
[0200] 본 명세서에서 컴퓨터 판독 가능한 매체라는 용어는 실행을 위한 명령어를 포함하는 정보를 프로세서(702)에 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭하는데 사용된다. 이러한 매체는 비휘발성 매체, 휘발성 매체 및 전송 매체를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 형태를 취할 수 있다. 비휘발성 매체는, 예를 들어 저장 장치(708)와 같은, 광 또는 자기 디스크를 포함한다. 휘발성 매체는 예를 들어 동적 메모리(704)를 포함한다. 전송 매체는 예를 들어 동축 케이블, 구리선, 광섬유 케이블 및 전파, 광파 및 적외선 파를 포함하는, 음파 및 전자기파와 같은, 유선 또는 케이블 없이 공간을 통과하는 파를 포함한다. 본 명세서에서 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체라는 용어는 전송 매체를 제외하고, 프로세서(702)에 정보를 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭하기 위해 사용된다.
[0201] 컴퓨터 판독 가능한 매체의 일반적인 형태는, 예를 들어, 플로피 디스크, 플렉시블(flexible) 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 또는 임의의 다른 자기 매체, 콤팩트 디스크 ROM(CD-ROM), 디지털 비디오 디스크(DVD), 또는 다른 광 매체, 펀치 카드, 종이 테이프 또는 홀 패턴을 갖는 임의의 다른 물리적 매체, RAM, PROM(programmable PROM), EPROM(erasable EPROM), FLASH-EPROM, 또는 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 반송파, 또는 컴퓨터 판독할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다. 본 명세서에서 컴퓨터 판독 가능한 비일시적인(non-transitory) 저장 매체라는 용어는, 반송파 및 다른 신호들을 제외하고, 프로세서(702)에 정보를 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭하기 위해 사용된다.
[0202] 하나 이상의 유형의 매체(tangible media) 내에 인코딩된 로직은 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체 상의 프로세서 명령어 및 ASIC(720)과 같은 특수 목적 하드웨어 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다.
[0203] 네트워크 링크(778)는 통상적으로 정보를 사용하거나 처리하는 다른 장치로의 하나 이상의 네트워크를 통한 정보 통신을 제공한다. 예를 들어, 네트워크 링크(778)는 로컬 네트워크(780)를 통해 호스트 컴퓨터(782) 또는 인터넷 서비스 제공자(ISP)에 의해 운영되는 장비(784)에 접속을 제공할 수 있다. ISP 장비(784)는 현재 일반적으로 인터넷(790)으로 지칭되는 네트워크의 공개적이고 전세계적인 패킷 교환 통신 네트워크를 통해 데이터 통신 서비스를 제공한다. 인터넷에 접속된 서버(1192)로 불리는 컴퓨터는 인터넷을 통해 수신된 정보에 응답하여 서비스를 제공한다. 예를 들어, 서버(792)는 디스플레이(714)에서 프리젠테이션하기 위한 비디오 데이터를 나타내는 정보를 제공한다.
[0204] 본 개시 내용은 여기에 설명된 기술들을 구현하기 위한 컴퓨터 시스템(700)의 사용에 관한 것이다. 본 개시 내용의 일 구현예에 따르면, 상기 기술들은 메모리(704)에 포함된 하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를 실행하는 프로세서(702)에 응답하여 컴퓨터 시스템(700)에 의해 수행된다. 소프트웨어 및 프로그램 코드라고도 불리는 이러한 명령어는 저장 장치(708)와 같은 다른 컴퓨터 판독 가능한 매체로부터 메모리(704)로 읽혀질 수 있다. 메모리(704)에 포함된 명령어 시퀀스의 실행은 프로세서(702)로 하여금 본 명세서에 설명된 방법의 단계들을 수행하게 한다. 대안적인 구현예들에서, ASIC(720)와 같은 하드웨어가 본 개시 내용을 구현하기 위해 소프트웨어 대신에 또는 소프트웨어와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 구현예들은 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 특정 조합으로 제한되지 않는다.
[0205] 네트워크 링크(778) 및 통신 인터페이스(770)를 통한 다른 네트워크를 통해 송신된 신호들은 컴퓨터 시스템(700)으로 그리고 그로부터 정보를 운반한다. 컴퓨터 시스템(700)은, 다른 것들 중에서도, 네트워크(780, 790)를 통해, 네트워크 링크(778) 및 통신 인터페이스(770)를 통해, 프로그램 코드를 포함하는 정보를 송수신할 수 있다. 인터넷(790)을 이용한 일례에서, 서버(792)는, 인터넷(790), ISP 장비(784), 로컬 네트워크(780) 및 통신 인터페이스(770)를 통해, 컴퓨터(1100)로부터 전송된 메시지에 의해 요청된, 특정 애플리케이션을 위한 프로그램 코드를 송신한다. 수신된 코드는 수신될 때 프로세서(702)에 의해 실행되거나, 나중에 실행하기 위해 저장 장치(708) 또는 다른 비휘발성 저장 장치에 저장되거나, 이들 모두가 실행될 수 있다. 이러한 방식으로, 컴퓨터 시스템(700)은 반송파 상의 신호의 형태로 애플리케이션 프로그램 코드를 얻을 수 있다.
[0206] 다양한 형태의 컴퓨터 판독 가능한 매체는 실행을 위해 프로세서(702)에 명령어 또는 데이터, 또는 이 모두의 하나 이상의 시퀀스를 운반하는데 관련될 수 있다. 예를 들어, 명령어 및 데이터는 초기에 호스트(782)와 같은 원격 컴퓨터의 자기 디스크 상에 운반될 수 있다. 원격 컴퓨터는 명령어 및 데이터를 그의 동적 메모리에 로딩하고 모뎀을 사용하여 전화선을 통해 명령어 및 데이터를 전송한다. 컴퓨터 시스템(700)에 국지적인 모뎀은 전화선 상에서 명령어 및 데이터를 수신하고 적외선 송신기를 사용하여 명령어 및 데이터를 네트워크 링크(778)의 역할을 하는 적외선 반송파 상의 신호로 변환한다. 통신 인터페이스(770)의 역할을 하는 적외선 검출기는 적외선 신호 내에 운반된 명령어 및 데이터를 수신하고, 명령어 및 데이터를 나타내는 정보를 버스(710) 상에 위치시킨다. 버스(710)는 정보를 메모리(704)로 옮기고, 프로세서(702)는 명령어와 함께 전송된 데이터의 일부를 이용하여 메모리(704)로부터 명령어를 검색하고 실행한다. 메모리(704)에서 수신된 명령어 및 데이터는 프로세서(702)에 의한 실행 전 또는 후에 저장 장치(708)에 선택적으로 저장될 수 있다.
[0207] 도 8은 본 개시 내용의 일 실시예가 구현될 수 있는 칩셋(800)을 도시한다. 칩셋(800)은 본 명세서에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하도록 프로그래밍되며, 예를 들어, 하나 이상의 물리적 패키지(예를 들어, 칩들)에 포함된 도 7과 관련하여 설명된 프로세서 및 메모리 컴포넌트들을 포함한다. 예로서, 물리적 패키지는, 물리적 강도, 크기 보존 및/또는 전기적 상호 작용의 제한과 같은 하나 이상의 특성을 제공하기 위해 구조적 어셈블리(예를 들어, 베이스 보드) 상의 하나 이상의 재료, 컴포넌트 및/또는 와이어의 배열을 포함한다. 소정의 실시예에서 칩셋은 단일 칩으로 구현될 수 있다는 것이 고려된다. 칩셋(800) 또는 그 일부는, 본 명세서에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 수단을 구성한다.
[0208] 하나의 구현예에서, 칩셋(800)은 칩셋(800)의 컴포넌트들 사이에서 정보를 전달하기 위한 버스(801)와 같은 통신 메커니즘을 포함한다. 프로세서(803)는 명령어를 실행하고, 예를 들어, 메모리(805)에 저장된 정보를 처리하기 위해 버스(801)에 연결된다. 프로세서(803)는 각각의 코어가 독립적으로 수행하도록 구성된 하나 이상의 프로세싱 코어를 포함할 수 있다. 멀티 코어 프로세서는 단일 물리적 패키지 내에서 다중 처리를 가능하게 한다. 멀티 코어 프로세서의 예는 2개, 4개, 8개 또는 그 이상의 프로세싱 코어를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 프로세서(803)는 명령어, 파이프라이닝(pipelining) 및 멀티스레딩(multithreading)의 독립적인 실행을 가능하게 하기 위해 버스(801)를 통해 직렬로 구성된 하나 이상의 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다. 또한, 프로세서(803)는 하나 이상의 디지털 신호 프로세서(digital signal processor, DSP) 또는 하나 이상의 ASIC(809)와 같은 소정의 처리 기능 및 작업을 수행하기 위한 하나 이상의 특수 컴포넌트를 수반할 수 있다. DSP(807)는 통상적으로 프로세서(803)와 독립적으로 실세계 신호들(예를 들어, 사운드)을 실시간으로 처리하도록 구성된다. 유사하게, ASIC(809)은 범용 프로세서에 의해 쉽게 수행되지 않는 특수 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에 설명된 발명적 기능을 수행하는데 도움이 되는 다른 특수 컴포넌트들은 하나 이상의 FPGA(Field Programmable Gate Array, 도시되지 않음), 하나 이상의 컨트롤러(도시되지 않음) 또는 하나 이상의 다른 특수 목적 컴퓨터 칩을 포함한다.
[0209] 프로세서(803) 및 수반하는 컴포넌트들은 버스(801)를 통해 메모리(805)에 연결된다. 메모리(805)는 실행될 때 본 명세서에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하도록 실행 가능한 명령어를 저장하기 위한 동적 메모리(예를 들어, RAM, 자기 디스크, 기록 가능한 광디스크 등) 및 정적 메모리(예를 들어, ROM, CD-ROM 등) 모두를 포함한다. 또한, 메모리(805)는 본 명세서에 설명된 방법 중 하나 이상의 단계의 실행과 연관되거나 그에 의해 생성된 데이터를 저장한다.
9. 변경, 확장 및 수정
[0210] 전술한 명세서에서, 본 개시 내용은 그 특정 구현예를 참조로 설명되었다. 그러나, 본 개시 내용의 보다 넓은 취지 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음이 분명할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 본 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐, 문맥에서 달리 요구하지 않는 한, "포함하다" 및 "포함하는"과 같은 단어 및 그 변형은 다음의 언급된 항목, 요소 또는 단계 또는 항목들, 요소들 또는 단계들을 포함하는 것을 의미하지만, 임의의 다른 항목, 요소 또는 단계, 또는 항목들, 요소들 또는 단계들의 그룹을 배제하지 않는 것을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 단수형의 항목은 해당 단수형으로 한정된 항목, 요소 또는 단계 중 하나 이상을 나타내는 것을 의미한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 문맥상 분명히 달리 하지 않는 한, 값은 다른 값의 2배(2배 또는 절반) 내에 있는 경우 "대략" 다른 값이다. 예시적인 범위들이 제공되지만, 문맥에서 명백히 달리 하지 않는 한, 임의의 기재된 범위들은 다양한 구현예들에도 의도된 것이다. 따라서, 0부터 10까지의 범위는 일부 구현예에서 1 내지 4의 범위를 포함한다.
[0211] 넓은 범위를 설명하는 수치 범위들 및 파라미터들이 근사치임에도 불구하고, 특정의 비제한적인 예들에 기재된 수치 값들은 가능한 한 정확하게 보고된다. 그러나, 임의의 수치들은 본질적으로 본 문서 작성의 시점에 각각의 테스트 측정치에서 얻어지는 표준 편차로 인해 필연적으로 발생하는 특정 오류를 포함하고 있다. 더욱이, 문맥상 달리 분명하지 않는 한, 여기에 제시된 수치 값은 최하위 숫자에 의해 주어진 묵시적인 정밀도를 갖는다. 따라서, 1.1 값은 1.05부터 1.15까지를 의미한다. "대략"이라는 용어는 주어진 값을 중심으로 더 넓은 범위를 나타내는 데 사용되며, 문맥상 분명하지 않는 한, 최하위 숫자 주변의 더 넓은 범위를 의미하는 데, 예컨대, "대략 1.1"은 1.0에서 1.2까지의 범위를 의미한다. 최하위 숫자가 불명확한 경우, "대략"이라는 용어는 2의 인수(factor of two)를 의미한다. 예를 들어 "대략 X"는 0.5X에서 2X까지의 범위의 값을 의미한다. 예를 들어, 대략 100은 50부터 100까지의 범위의 값을 의미한다. 또한, 본 명세서에 개시된 모든 범위는 그 안에 포함된 임의의 및 모든 하위 범위를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "10 미만"의 범위는 최소값 0과 최대값 10 사이의 (해당 값들을 포함하는) 임의의 및 모든 하위 범위, 즉 0 이상의 최소값과 10 이하의 최대값을 가지는 임의의 및 모든 하위 범위, 예컨대 1 내지 4의 범위이다.
[0212] 본 개시 내용의 일부 구현예들은 광 신호로 변조된 무선 주파수에서의 이진, π/2(90도) 위상 인코딩의 측면에서 아래에서 설명되지만, 구현예들은 이 측면에 한정되지 않는다. 다른 구현예들에서, 상이한 위상 차이(예를 들어, 30도, 60도, 또는 180도)를 갖거나 3개 이상의 상이한 위상을 갖는 인코딩인 다른 위상 인코딩이 사용된다. 구현예들은 다른 구현예들에서 이후에 선형 스테핑 또는 회전 광학 컴포넌트들이거나 또는 송신기 어레이 또는 검출기 어레이 또는 검출기 쌍을 가지는 임의의 알려진 스캔 수단을 사용하여 스캔될 수 있는 단일 광 빔과 단일 검출기 또는 한 쌍의 검출기에 대한 리턴의 측면에서 설명된다. 이 설명의 목적상, "위상 코드 지속 시간"은 광 신호로 변조된 위상 인코딩된 신호에 대한 위상 시퀀스를 나타내는 코드의 지속 시간이다.
[0213] 일부 구현예들에서, 장치는 바이스태틱 트랜시버, 복굴절 디스플레이서, 편광 변환 광학 기기 및 콜리메이팅 광학 기기를 포함한다. 바이스태틱 트랜시버는 레이저 소스로부터의 제1 신호를 송신하도록 구성된 송신 도파관 및 간격만큼 송신 도파관으로부터 이격되고 타겟에 의해 반사된 제2 신호를 수신하도록 구성된 수신 도파관을 포함할 수 있다. 복굴절 디스플레이서는 제1 신호 및 제2 신호 중 하나의 방향에 직교하는 방향으로 제1 신호 및 제2 신호 중 하나를 변위시키도록 구성될 수 있다. 편광 변환 광학 기기는 제1 신호와 제2 신호의 직교 필드 성분들 사이의 상대 위상을 조정하도록 구성될 수 있다. 콜리메이팅 광학 기기는 송신 도파관으로부터 송신된 제1 신호를 성형하고 타겟에 의해 반사된 제2 신호를 성형하도록 구성될 수 있다. 복굴절 디스플레이서와 편광 변환 광학 기기가 바이스태틱 트랜시버와 콜리메이팅 광학 기기 사이에 위치된다.
[0214] 일부 구현예들에서, 복굴절 디스플레이서는 제1 신호 및 제2 신호 중 하나의 방향에 직교하는 거리만큼 제1 신호 및 제2 신호 중 하나를 변위시키도록 구성될 수 있고, 거리는 간격에 기초한다.
[0215] 일부 구현예들에서, 복굴절 디스플레이서는 장치의 종축을 따른 치수를 가질 수 있고, 치수는 거리가 간격과 거의 동일하도록 크기가 형성된다.
[0216] 일부 구현예들에서, 바이스태틱 트랜시버는 하나 이상의 도파관 쌍을 포함할 수 있다. 각각의 쌍은 하나의 송신 도파관과 하나의 수신 도파관을 포함할 수 있다. 복굴절 디스플레이서는 제1 신호가 복굴절 디스플레이서에 의해 변위되지 않도록 구성될 수 있고, 또한 변위된 제2 신호가 수신 도파관에 입사되도록 간격을 기초로 제2 신호를 변위시키도록 구성될 수 있다.
[0217] 일부 구현예들에서, 송신 도파관 및 수신 도파관은 직교 지향을 갖는 편광 유지 광섬유들일 수 있다. 제1 신호 및 제2 신호는 편광 유지 광섬유의 직교 지향에 기초한 직교 편광으로 선형 편광될 수 있다.
[0218] 일부 구현예들에서, 편광 변환 광학 기기는 1/4 파장판일 수 있다. 1/4 파장판은 제1 신호의 제1 선형 편광을 제1 방향의 제1 원형 편광으로 조정하도록 구성될 수 있다. 1/4 파장판은 타겟에 의해 반사된 제2 신호의 제2 원형 편광을 제1 선형 편광에 직교하는 제2 선형 편광으로 조정하도록 추가로 구성될 수 있다. 제2 원형 편광은 제1 방향과 반대인 제2 방향을 가질 수 있다.
[0219] 일부 구현예들에서, 바이스태틱 트랜시버는 하나의 송신 도파관과 한 쌍의 수신 도파관을 포함할 수 있고, 한 쌍의 수신 도파관은 송신 도파관의 제1 측면으로부터 제1 간격만큼 이격된 제1 수신 도파관 및 송신 도파관의 제2 측면으로부터 제2 간격만큼 이격된 제2 수신 도파관을 포함한다. 송신 도파관은 단일 모드 광섬유를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 수신 도파관은 직교 지향을 갖는 편광 유지 광섬유일 수 있다. 제1 신호는 편광되지 않을 수 있다. 제1 및 제2 수신 도파관은 편광 유지 광섬유의 직교 지향을 기초로 직교 편광으로 선형 편광된 각각의 제2 신호들을 수신하도록 구성될 수 있다.
[0220] 일부 구현예들에서, 복굴절 디스플레이서는 제1 복굴절 디스플레이서 및 제2 복굴절 디스플레이서를 포함할 수 있으며, 제1 복굴절 디스플레이서와 제2 복굴절 디스플레이서 사이에 편광 변환 광학 기기가 배치된다. 제1 복굴절 디스플레이서는 제1 성분의 제1 선형 편광을 기초로 제1 신호의 제1 성분을 변위시키도록 구성될 수 있고, 제1 선형 편광에 직교하는 제2 성분의 제2 선형 편광을 기초로 제1 신호의 제2 성분을 변위시키지 않도록 추가로 구성될 수 있다. 편광 변환 광학 기기는 제1 성분의 제1 선형 편광을 제2 선형 편광으로 회전시키도록 구성될 수 있고, 제2 성분의 제2 선형 편광을 제1 선형 편광으로 회전시키도록 추가로 구성될 수 있다. 제2 복굴절 디스플레이서는 제2 성분의 제1 선형 편광을 기초로 편광 변환 광학 기기로부터 입사하는 제1 신호의 제2 성분을 변위시키도록 구성될 수 있고, 제1 성분의 제2 선형 편광을 기초로 제1 신호의 제1 성분을 변위시키지 않도록 추가로 구성될 수 있다. 제1 복굴절 디스플레이서에 입사되는 제1 신호는 편광되지 않을 수 있다. 제1 복굴절 디스플레이서는 제1 간격을 기초로 제1 신호의 제1 성분을 변위시키도록 구성될 수 있다. 제2 복굴절 디스플레이서는 제1 간격을 기초로 제1 신호의 제2 성분을 변위시키도록 구성될 수 있다. 제2 복굴절 디스플레이서는 제1 성분의 제1 선형 편광을 기초로 타겟에 의해 반사된 제2 신호의 제1 성분을 변위시키도록 구성될 수 있고, 제1 선형 편광에 직교하는 제2 성분의 제2 선형 편광을 기초로 제2 신호의 제2 성분을 변위시키지 않도록 추가로 구성될 수 있다. 제1 복굴절 디스플레이서는 제1 성분의 제1 선형 편광을 기초로 제2 신호의 제1 성분을 변위시키도록 구성될 수 있고, 제1 성분의 제2 선형 편광을 기초로 제2 신호의 제2 성분을 변위시키지 않도록 추가로 구성될 수 있다. 타겟으로부터 제2 복굴절 디스플레이서에 입사하는 제2 신호는 편광되지 않을 수 있다. 제2 복굴절 디스플레이서는 제1 간격을 기초로 제2 신호의 제1 성분을 변위시키도록 구성될 수 있다. 제1 복굴절 디스플레이서는 제2 간격을 기초로 제2 신호의 제1 성분을 변위시키도록 구성될 수 있다.
[0221] 일부 구현예들에서, 편광 변환 광학 기기는 제2 복굴절 디스플레이서로부터 편광 변환 광학 기기에 입사하는 제2 신호의 제1 및 제2 성분들의 선형 편광에 영향을 미치지 않도록 구성될 수 있다. 편광 광학 기기는 패러데이 회전자 및 반파장 판을 포함할 수 있다. 반파장 판은 제2 신호의 제1 및 제2 성분들의 선형 편광을 회전시키도록 구성될 수 있다. 패러데이 회전자는 제2 신호의 제1 및 제2 성분들의 선형 편광을 반파장 판과 동일한 양만큼 반대로 회전시키도록 구성될 수 있다.
[0222] 일부 구현예들에서, 장치는 제1 각도 및 제2 각도에 의해 정의된 각도 범위에 걸쳐 스캔 레이트에서 스캔 방향으로 제1 신호의 방향을 조정하도록 구성된 스캐닝 광학 기기를 포함할 수 있다. 스캔 방향은 송신 도파관으로부터 수신 도파관으로의 벡터의 방향에 대해 평행하지 않을 수 있다. 복굴절 디스플레이서는 변위된 제2 신호가 수신 도파관 내에 수신되도록 벡터에 대한 각도로 지향될 수 있다. 벡터에 대한 각도의 방향은 스캔 방향에 기초할 수 있고, 각도의 크기는 스캔 레이트를 기초로 할 수 있다.
[0223] 일부 구현예들에서, 스캔 방향은 송신 도파관으로부터 수신 도파관으로의 벡터의 방향에 대해 대략 평행할 수 있다. 복굴절 디스플레이서는 제2 신호의 변위의 크기가 스캔 방향에 기초하도록 구성될 수 있다. 장치의 종축을 따른 복굴절 디스플레이서의 치수는 변위의 크기를 조정하도록 선택될 수 있다. 일부 구현예들에서, 스캔 방향은 벡터와 동일한 방향일 수 있다. 변위의 크기는 변위된 제2 신호가 수신 도파관 내에 수신되도록 벡터의 크기보다 클 수 있다.
[0224] 일부 구현예들에서, 방법은 레이저 소스로부터 바이스태틱 트랜시버의 송신 도파관으로부터의 제1 신호를 전송하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 바이스태틱 트랜시버의 수신 도파관에서 타겟에 의해 반사된 제2 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 수신 도파관은 송신 도파관으로부터 간격만큼 이격될 수 있다. 방법은 또한 복굴절 디스플레이서를 사용하여 제1 신호 및 제2 신호 중 하나를 제1 신호 및 제2 신호 중 하나의 방향에 직교하는 방향으로 변위시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한 편광 변환 광학 기기를 사용하여 제1 신호와 제2 신호의 직교 필드 성분들 사이의 상대 위상을 조정하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 콜리메이팅 광학 기기를 사용하여 송신 도파관으로부터 전송된 제1 신호 및 타겟으로부터 반사된 제2 신호를 성형하는 단계를 포함한다. 복굴절 디스플레이서 및 편광 광학 기기는 바이스태틱 트랜시버와 콜리메이팅 광학 기기 사이에 위치될 수 있다.
[0225] 일부 구현예들에서, 변위는 제1 신호와 제2 신호 중 하나의 신호를 제1 신호와 제2 신호 중 하나의 신호의 방향에 직교하는 거리만큼 변위시키는 것을 포함할 수 있다. 거리는 간격을 기초로 할 수 있다.
[0226] 일부 구현예들에서, 변위는 복굴절 디스플레이서를 사용하여 제1 신호를 제1 신호의 방향에 직교하는 방향으로 변위시키지 않고 제2 신호를 변위시키되, 변위된 제2 신호가 수신 도파관에 입사하도록 제2 신호를 간격을 기초로 제2 신호의 방향에 직교하는 방향으로 변위시키는 것을 포함할 수 있다.
[0227] 일부 구현예들에서, 편광 변환 광학 기기는 1/4 파장판일 수 있다. 조정 단계는 1/4 파장판을 사용하여 제1 신호의 제1 선형 편광을 제1 방향의 제1 원형 편광으로 조정하는 것을 포함할 수 있다. 조정 단계는 또한 1/4 파장판을 사용하여 타겟에 의해 반사된 제2 신호의 제2 원형 편광을 제1 선형 편광에 직교하는 제2 선형 편광으로 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 제2 원형 편광은 제1 방향과 반대인 제2 방향을 가질 수 있다.
[0228] 일부 구현예들에서, 복굴절 디스플레이서는 제1 복굴절 디스플레이서 및 제2 복굴절 디스플레이서를 포함할 수 있으며, 제1 복굴절 디스플레이서와 제2 복굴절 디스플레이서 사이에 편광 변환 광학 기기가 배치된다. 제1 복굴절 디스플레이서에 의한 변위는 제1 신호의 제1 성분을 변위시키되, 제1 성분의 제1 선형 편광을 기초로 제1 신호의 제1 성분을 변위시키고, 제1 신호의 제2 성분을 변위시키지 않되, 제1 선형 편광에 직교하는 제2 성분의 제2 선형 편광을 기초로 제1 신호의 제2 성분을 변위시키지 않는 것을 포함할 수 있다. 편광 변환 광학 기기에 의한 조정은 제1 성분의 제1 선형 편광을 제2 선형 편광으로 회전시키고, 제2 성분의 제2 선형 편광을 제1 선형 편광으로 회전시키는 것을 포함할 수 있다. 제2 복굴절 디스플레이서에 의한 변위는 제2 성분의 제1 선형 편광을 기초로 편광 변환 광학 기기로부터 입사하는 제1 신호의 제2 성분을 변위시키고, 제1 성분의 제2 선형 편광을 기초로 제1 신호의 제1 성분을 변위시키지 않는 것을 포함할 수 있다.
[0229] 일부 구현예들에서, 바이스태틱 트랜시버는 하나의 송신 도파관과 한 쌍의 수신 도파관을 포함할 수 있고, 한 쌍의 수신 도파관은 송신 도파관의 제1 측면으로부터 제1 간격만큼 이격된 제1 수신 도파관 및 송신 도파관의 제2 측면으로부터 제2 간격만큼 이격된 제2 수신 도파관을 포함한다. 제1 복굴절 디스플레이서에 입사되는 제1 신호는 편광되지 않을 수 있다. 제1 복굴절 디스플레이서로 제1 신호의 제1 성분을 변위시키는 것은 제1 간격을 기초로 할 수 있다. 제2 복굴절 디스플레이서로 제1 신호의 제2 성분을 변위시키는 것은 제1 간격을 기초로 할 수 있다.
[0230] 일부 구현예들에서, 제2 복굴절 디스플레이서에 의한 변위는 타겟에 의해 반사된 제2 신호의 제1 성분을 변위시키되, 제1 성분의 제1 선형 편광을 기초로 변위시키고, 제2 신호의 제2 성분을 변위시키지 않되, 제1 선형 편광에 직교하는 제2 성분의 제2 선형 편광을 기초로 변위시키지 않는 것을 포함할 수 있다. 제1 복굴절 디스플레이서에 의한 변위는 제2 신호의 제1 성분을 변위시키되, 제1 성분의 제1 선형 편광을 기초로 변위시키고, 제2 신호의 제2 성분을 변위시키지 않되, 제1 성분의 제2 선형 편광을 기초로 변위시키지 않는 것을 포함할 수 있다.
[0231] 일부 구현예들에서, 바이스태틱 트랜시버는 하나의 송신 도파관과 한 쌍의 수신 도파관을 포함할 수 있고, 한 쌍의 수신 도파관은 송신 도파관의 제1 측면으로부터 제1 간격만큼 이격된 제1 수신 도파관 및 송신 도파관의 제2 측면으로부터 제2 간격만큼 이격된 제2 수신 도파관을 포함한다. 타겟으로부터의 제1 복굴절 디스플레이서에 입사되는 제2 신호는 편광되지 않을 수 있다. 제2 복굴절 디스플레이서로 제2 신호의 제1 성분을 변위시키는 것은 제1 간격을 기초로 할 수 있다. 제1 복굴절 디스플레이서로 제2 신호의 제1 성분을 변위시키는 것은 제2 간격을 기초로 할 수 있다.
[0232] 일부 구현예들에서, 편광 변환 광학 기기는 제2 복굴절 디스플레이서로부터 편광 변환 광학 기기에 입사하는 제2 신호의 제1 및 제2 성분들의 선형 편광에 영향을 미치지 않도록 구성될 수 있다. 편광 광학 기기는 패러데이 회전자 및 반파장 판을 포함할 수 있다. 조정 단계는 반파장 판을 사용하여 제2 신호의 제1 및 제2 성분들의 선형 편광을 회전시키고, 패러데이 회전기를 사용하여 제2 신호의 제1 및 제2 성분들의 선형 편광을 반파장 판과 동일하지만 반대인 양만큼 회전시키는 것을 포함할 수 있다.
[0233] 일부 구현예들에서, 방법은 스캐닝 광학 기기를 사용하여 제1 각도와 제2 각도에 의해 정의된 각도 범위에 걸쳐 스캔 레이트에서 스캔 방향으로 제1 신호의 방향을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 스캔 방향은 송신 도파관으로부터 수신 도파관으로의 벡터에 평행하지 않을 수 있다. 변위는 복굴절 디스플레이서를 벡터에 대한 각도로 지향시키는 것을 포함할 수 있다. 각도의 방향은 스캔 방향을 기초로 하고, 각도의 크기는 스캔 속도에 기초한다. 스캔 방향은 송신 도파관으로부터 수신 도파관으로의 벡터에 대략 평행할 수 있다. 변위는 스캔 방향을 기초로 변위의 크기를 조정하는 것을 포함할 수 있다.
[0234] 일부 구현예들에서, LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하는 시스템은 전술한 장치 및 레이저 소스를 구비한 LIDAR 시스템을 포함할 수 있다. 시스템은 프로세서 및 하나 이상의 명령어 시퀀스를 가지는 적어도 하나의 메모리를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 명령어 시퀀스는, 프로세서에 의해 실행될 때, 시스템이 송신 도파관으로부터 제1 신호를 전송하고, 수신 도파관에서 제2 신호를 수신하고, 하나 이상의 광 믹서에서 제2 신호를 하나의 레이저 소스로부터의 기준 빔과 결합하고, 제2 신호와 기준 빔의 결합을 기초로 신호를 생성하고, 해당 신호를 기초로 장치를 동작시도록 한다. 장치는 송신 도파관 및 복수의 수신 도파관을 구비한 1차원 바이스태틱 트랜시버를 포함할 수 있다. 시스템은 복수의 처리 채널을 더 포함할 수 있다. 제2 신호를 수신하는 단계는 각각의 복수의 수신 도파관에서 복수의 제2 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 결합 단계는 복수의 처리 채널 내에서 복수의 제2 신호를 기준 빔과 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 각각의 처리 채널은 각각의 수신 도파관에 할당될 수 있다.
Claims (21)
- 광 검출 및 거리 측정(LIDAR, light detection and ranging) 시스템으로서,
빔을 생성하도록 구성된 레이저 소스;
상기 빔에 기초하여 전송 신호를 생성하고, 송신 도파관을 통해 상기 전송 신호를 전송하고, 수신 도파관을 통해 물체에 의해 반사된 리턴 신호를 수신하도록 구성된 트랜시버; 및
상기 트랜시버 외부에 위치하고, (ⅰ) 상기 전송 신호에 평행한 변위된 전송 신호를 생성하기 위하여 상기 전송 신호를 변위시키거나 (ⅱ) 상기 리턴 신호에 평행한 변위된 리턴 신호를 생성하기 위하여 상기 리턴 신호를 변위시켜 상기 전송 신호와 상기 리턴 신호 사이의 거리를 광학적으로 변경하도록 구성된 하나 이상의 광학 기기를 포함하는, LIDAR 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 기기는 상기 리턴 신호가 이동하는 제2 방향에 직교하는 제1 방향으로 상기 리턴 신호를 변위시키도록 구성되는, LIDAR 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 기기는 적어도 2개의 굴절률을 갖는 디스플레이서를 포함하고,
상기 디스플레이서는 상기 리턴 신호를 상기 제1 방향으로 변위시키도록 구성되는, LIDAR 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 송신 도파관으로부터 전송된 상기 전송 신호를 콜리메이팅하고, 상기 물체에 의해 반사된 상기 리턴 신호를 포커싱하도록 구성된 제1 광학 기기를 더 포함하는, LIDAR 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 전송 신호의 조정된 편광이 상기 리턴 신호의 조정된 편광에 직교하도록 상기 전송 신호와 상기 리턴 신호의 편광을 상기 전송 신호와 상기 리턴 신호의 조정된 편광으로 조정하도록 구성된 편광 변환 광학 기기를 더 포함하는, LIDAR 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 디스플레이서 및 상기 편광 변환 광학 기기는 상기 트랜시버와 상기 제1 광학 기기 사이에 위치되는, LIDAR 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 수신 도파관은 상기 송신 도파관으로부터 간격만큼 이격되고,
상기 디스플레이서는 상기 리턴 신호를 상기 제1 방향으로 제1 거리만큼 변위시키도록 구성되고,
상기 제1 거리는 상기 간격을 기초로 하는, LIDAR 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 기기는 상기 전송 신호가 이동하는 방향에 직교하는 방향으로 상기 전송 신호를 변위시키도록 구성되는, LIDAR 시스템. - 하나 이상의 프로세서를 포함하는 자율주행 차량 제어 시스템으로서, 상기 하나 이상의 프로세서는:
레이저 소스로 하여금 빔을 생성하도록 하고,
트랜시버로 하여금 상기 빔에 기초하여 전송 신호를 생성하고, 송신 도파관을 통해 상기 전송 신호를 전송하고, 수신 도파관을 통해 물체에 의해 반사된 리턴 신호를 수신하도록 하고,
하나 이상의 광학 기기로 하여금 (ⅰ) 상기 전송 신호에 평행한 변위된 전송 신호를 생성하기 위하여 상기 전송 신호를 변위시키거나 (ⅱ) 상기 리턴 신호에 평행한 변위된 리턴 신호를 생성하기 위하여 상기 리턴 신호를 변위시켜 상기 전송 신호와 상기 리턴 신호 사이의 거리를 광학적으로 변경하도록 하고,
상기 트랜시버에 의해 수신된 상기 리턴 신호에 기반하여 차량을 구동하도록 구성된, 자율주행 차량 제어 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 기기는 적어도 2개의 굴절률을 갖는 디스플레이서를 포함하고,
상기 하나 이상의 프로세서는 상기 디스플레이서로 하여금 상기 리턴 신호가 이동하는 제2 방향에 직교하는 제1 방향으로 상기 리턴 신호를 변위시키도록 구성되는, 자율주행 차량 제어 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 하나 이상의 프로세서는 제1 광학 기기로 하여금 상기 송신 도파관으로부터 전송된 상기 전송 신호를 콜리메이팅하고 상기 물체에 의해 반사된 상기 리턴 신호를 포컹싱하도록 구성되는, 자율주행 차량 제어 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 하나 이상의 프로세서는 편광 변환 광학 기기로 하여금 상기 전송 신호의 조정된 편광이 상리 리턴 신호의 조정된 편광에 직교하도록 상기 전송 신호와 상기 리턴 신호의 편광을 상기 전송 신호와 상기 리턴 신호의 조정된 편광으로 조정하도록 구성되며,
상기 디스플레이서와 상기 편광 변환 광학 기기는 상기 트랜시버와 상기 제1 광학 기기 사이에 위치되는, 자율주행 차량 제어 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 수신 도파관은 상기 송신 도파관으로부터 간격만큼 이격되고,
상기 하나 이상의 프로세서는 상기 디스플레이서로 하여금 상기 리턴 신호를 상기 제1 방향으로 제1 거리만큼 변위시키도록 구성되고,
상기 제1 거리는 상기 간격을 기초로 하는, 자율주행 차량 제어 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 하나 이상의 프로세서는 상기 디스플레이서로 하여금 상기 전송 신호가 이동하는 방향에 직교하는 방향으로 상기 전송 신호를 변위시키도록 구성되는, 자율주행 차량 제어 시스템. - 광 검출 및 거리 측정(LIDAR, light detection and ranging) 시스템을 포함하는 자율주행 차량으로서,
상기 LIDAR 시스템은,
빔을 생성하도록 구성된 레이저 소스;
상기 빔에 기초하여 전송 신호를 생성하고, 송신 도파관을 통해 상기 전송 신호를 전송하고, 수신 도파관을 통해 물체에 의해 반사된 리턴 신호를 수신하도록 구성된 트랜시버; 및
상기 트랜시버 외부에 위치하고, (ⅰ) 상기 전송 신호에 평행한 변위된 전송 신호를 생성하기 위하여 상기 전송 신호를 변위시키거나 (ⅱ) 상기 리턴 신호에 평행한 변위된 리턴 신호를 생성하기 위하여 상기 리턴 신호를 변위시켜 상기 전송 신호와 상기 리턴 신호 사이의 거리를 광학적으로 변경하도록 구성된 하나 이상의 광학 기기를 포함하는, 자율주행 차량. - 제15항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 기기는 적어도 2개의 굴절률을 갖는 디스플레이서를 포함하고,
상기 디스플레이서는 상기 리턴 신호가 이동하는 제2 방향에 직교하는 제1 방향으로 상기 리턴 신호를 변위시키도록 구성되는, 자율주행 차량. - 제16항에 있어서,
상기 LIDAR 시스템은 상기 송신 도파관으로부터 전송된 상기 전송 신호를 콜리메이팅하고, 상기 물체에 의해 반사된 상기 리턴 신호를 포커싱하도록 구성된 제1 광학 기기를 더 포함하는, 자율주행 차량. - 제17항에 있어서,
상기 LIDAR 시스템은 상기 전송 신호의 조정된 편광이 상기 리턴 신호의 조정된 편광에 직교하도록 상기 전송 신호와 상기 리턴 신호의 편광을 상기 전송 신호와 상기 리턴 신호의 조정된 편광으로 조정하도록 구성된 편광 변환 광학 기기를 더 포함하고,
상기 디스플레이서 및 상기 편광 변환 광학 기기는 상기 트랜시버와 상기 제1 광학 기기 사이에 위치되는, 자율주행 차량. - 제18항에 있어서,
상기 수신 도파관은 상기 송신 도파관으로부터 간격만큼 이격되고,
상기 디스플레이서는 상기 리턴 신호를 상기 제1 방향으로 제1 거리만큼 변위시키도록 구성되고,
상기 제1 거리는 상기 간격을 기초로 하는, 자율주행 차량. - 제16항에 있어서,
상기 디스플레이서는 상기 전송 신호가 이동하는 방향에 직교하는 방향으로 상기 전송 신호를 변위시키도록 구성되는, 자율주행 차량. - 삭제
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