KR102633680B1 - 라이다 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 라이다 장치는 레이저 빔을 출력하는 제1 이미터 및 제2 이미터를 포함하는 이미터 어레이, 제1 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 제1 디텍터 및 제2 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 제2 디텍터를 포함하는 디텍터 어레이, 및 상기 디텍터 어레이의 출력 신호가 축적된 히스토그램에 기초하여 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 특성을 결정하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 특성을 결정하기 위해, 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초한 복수의 데이터 셋을 축적하여 제1 히스토그램 및 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초한 복수의 데이터 셋을 축적하여 제2 히스토그램을 형성하고, 상기 제1 히스토그램은 상기 제1 이미터가 레이저 빔을 출력한 제1 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제1 데이터 셋 및 상기 제1 이미터가 레이저 빔을 출력한 제2 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제2 데이터 셋을 포함하고, 상기 제2 히스토그램은 상기 제2 이미터가 레이저 빔을 출력한 제3 시점 이후 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제3 데이터 셋을 포함하고, 상기 제3 시점은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이에 존재할 수 있다.

Description

라이다 장치{LIDAR DEVICE}
본 발명은 라이다 장치에 포함된 이미터 어레이의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이미터 어레이에 포함된 이미터들의 레이저 빔 출력 시점을 제어하여 라이다 장치의 프레임 레이트를 향상시키는 방법에 관한 것이다.
근래에, 자율주행자동차 및 무인자동차에 대한 관심과 함께 라이다(LiDAR: Light Detection and Ranging)가 각광받고 있다. 라이다는 레이저를 이용하여 주변의 거리 정보를 획득하는 장치로서, 정밀도 및 해상도가 뛰어나며 사물을 입체로 파악할 수 있다는 장점 덕분에, 자동차뿐만 아니라 드론, 항공기 등 다양한 분야에 적용되고 있는 추세이다.
한편, 라이다 장치의 프레임 레이트를 향상시키기 위한 문제가 이슈화되고 있다. 라이다 장치가 측정하는 대상체의 특성에 대한 정확도를 향상시키기 위해, 소정의 시간에 많은 포인트 및 프레임을 획득하는 것이 중요하다.
본 발명의 일 과제는 이미터 어레이에 포함된 이미터들의 레이저 출력 시점을 컨트롤하는 방법에 관한 것이다.
일 실시예에 따른 라이다 장치는 레이저 빔을 출력하는 제1 이미터 및 제2 이미터를 포함하는 이미터 어레이, 제1 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 제1 디텍터 및 제2 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 제2 디텍터를 포함하는 디텍터 어레이, 및 상기 디텍터 어레이의 출력 신호가 축적된 히스토그램에 기초하여 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 특성을 결정하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 특성을 결정하기 위해, 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초한 복수의 데이터 셋을 축적하여 제1 히스토그램 및 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초한 복수의 데이터 셋을 축적하여 제2 히스토그램을 형성하고, 상기 제1 히스토그램은 상기 제1 이미터가 레이저 빔을 출력한 제1 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제1 데이터 셋 및 상기 제1 이미터가 레이저 빔을 출력한 제2 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제2 데이터 셋을 포함하고, 상기 제2 히스토그램은 상기 제2 이미터가 레이저 빔을 출력한 제3 시점 이후 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제3 데이터 셋을 포함하고, 상기 제3 시점은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이에 존재할 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 제어 방법은 대상체에 레이저 빔을 조사하는 이미터 어레이 및 상기 대상체에 반사된 레이저 빔을 수신하는 디텍터 어레이를 포함하고, 상기 디텍터 어레이의 출력 신호에 기초한 복수의 데이터 셋이 축적된 히스토그램에 기초하여 상기 대상체의 특성을 결정하는 라이다 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 이미터 어레이에 포함된 제1 이미터를 통해 제1 시점 및 제2 시점에 제1 영역으로 레이저 빔을 조사하는 단계, 상기 디텍터 어레이에 포함된 제1 디텍터를 통해 상기 제1 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 단계, 상기 제1 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초한 제1 데이터 셋 및 상기 제2 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초한 제2 데이터 셋을 포함하는 제1 히스토그램을 형성하는 단계, 상기 이미터 어레이에 포함된 제2 이미터를 통해 제3 시점에 제2 영역으로 레이저 빔을 조사하는 단계, 상기 디텍터 어레이에 포함된 제2 디텍터를 통해 상기 제2 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 단계, 및 상기 제3 시점 이후 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초한 제3 데이터 셋을 포함하는 제2 히스토그램을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제3 시점은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이에 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 이미터 어레이에 포함된 이미터들의 레이저 출력 시점을 컨트롤하여 프레임 레이트가 향상된 라이다 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 이미터 어레이에 포함된 이미터들의 레이저 출력 시점을 컨트롤하여 프레임 레이트가 향상시키는 라이다 장치의 제어 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 라이다 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 레이저 출력부를 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 VCSEL unit을 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 VCSEL array를 나타낸 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 VCSEL array 및 메탈 컨택을 나타낸 측면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 VCSEL array를 나타낸 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 콜리메이션 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 콜리메이션 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 콜리메이션 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 콜리메이션 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 15 및 도 16는 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 19은 일 실시예에 따른 메타표면을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 일 실시예에 따른 메타표면을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 일 실시예에 따른 메타표면을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 일 실시예에 따른 회전 다면 미러를 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 반사면의 수가 3개이며 몸체의 상부 및 하부가 정삼각형 형태인 회전 다면 미러의 시야각에 대하여 설명하기 위한 상면도이다.
도 24는 반사면의 수가 4개이며 몸체의 상부 및 하부가 정사각형 형태인 회전 다면 미러의 시야각에 대하여 설명하기 위한 상면도이다.
도 25는 반사면의 수가 5개이며 몸체의 상부 및 하부가 정오각형 형태인 회전 다면 미러의 시야각에 대하여 설명하기 위한 상면도이다.
도 26은 일 실시예에 따른 회전 다면 미러의 조사부분 및 수광부분을 설명하기 위한 도면이다.
도 27은 일 실시예에 따른 옵틱부를 설명하기 위한 도면이다.
도 28은 일 실시예에 따른 옵틱부를 설명하기 위한 도면이다.
도 29는 일 실시예에 따른 메타 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 30은 다른 일 실시예에 따른 메타 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 31은 일 실시예에 따른 SPAD 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 32는 일 실시예에 따른 SPAD의 히스토그램을 설명하기 위한 도면이다.
도 33은 일 실시예에 따른 SiPM을 설명하기 위한 도면이다.
도 34는 일 실시예에 따른 SiPM의 히스토그램을 설명하기 위한 도면이다.
도 35는 일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다를 설명하기 위한 도면이다.
도 36은 일 실시예에 따른 세미 플레시 라이다의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 37은 다른 일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다를 설명하기 위한 도면이다.
도 38은 다른 일 실시예에 따른 세미 플레시 라이다의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 39는 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 40은 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 41은 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동 순서를 설명하기 위한 도면이다.
도 42는 다른 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 43 내지 도 46은 또 다른 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 47은 일 실시예에 라이다 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분양에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 명확히 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하여 가능한 현재 널리 사용되고 있는 일반적인 용어를 선택하였으나 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 의도, 판례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 다만, 이와 달리 특정한 용어를 임의의 의미로 정의하여 사용하는 경우에는 그 용어의 의미에 관하여 별도로 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가진 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것으로 도면에 도시된 형상은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 필요에 따라 과장되어 표시된 것일 수 있으므로 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 본 발명에 관련된 공지의 구성 도는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 이에 관한 자세한 설명은 필요에 따라 생략하기로 한다.
일 실시예에 따르면, 레이저 빔을 출력하는 제1 이미터 및 제2 이미터를 포함하는 이미터 어레이, 제1 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 제1 디텍터 및 제2 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 제2 디텍터를 포함하는 디텍터 어레이, 및 상기 디텍터 어레이의 출력 신호가 축적된 히스토그램에 기초하여 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 특성을 결정하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 특성을 결정하기 위해, 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초한 복수의 데이터 셋을 축적하여 제1 히스토그램 및 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초한 복수의 데이터 셋을 축적하여 제2 히스토그램을 형성하고, 상기 제1 히스토그램은 상기 제1 이미터가 레이저 빔을 출력한 제1 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제1 데이터 셋 및 상기 제1 이미터가 레이저 빔을 출력한 제2 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제2 데이터 셋을 포함하고, 상기 제2 히스토그램은 상기 제2 이미터가 레이저 빔을 출력한 제3 시점 이후 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제3 데이터 셋을 포함하고, 상기 제3 시점은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이에 존재하는 라이다 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 프로세서는 상기 제1 히스토그램 및 상기 제2 히스토그램의 피크에 기초하여 각각 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 특성을 결정할 수 있다.
여기서, 상기 제1 시점 및 상기 제3 시점 사이의 간격은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이의 간격의 절반일 수 있다.
여기서, 상기 제2 히스토그램은 상기 제2 이미터가 레이저 빔을 출력한 제4 시점 이후 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제4 데이터 셋을 포함하고, 상기 제2 시점은 상기 제3 시점 및 상기 제4 시점 사이에 존재할 수 있다.
여기서, 상기 제3 시점 및 상기 제4 시점 사이의 간격은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이의 간격과 동일할 수 있다.
여기서, 상기 제1 시점 및 상기 제3 시점 사이의 간격은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이의 간격의 절반보다 클 수 있다.
여기서, 상기 제1 디텍터는 상기 제3 시점 및 상기 제2 시점 사이에 오프 상태이고, 상기 제2 디텍터는 상기 제1 시점 및 상기 제3 시점 사이에 오프 상태일 수 있다.
여기서, 상기 이미터 어레이는 빅셀(VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 어레이일 수 있다.
여기서, 상기 디텍터 어레이는 SPAD(Single-Photon Avalanche Diode) 어레이일 수 있다.
여기서, 상기 라이다 장치는 상기 제1 이미터에서 출력된 제1 레이저 빔을 상기 제1 영역에 조사하고, 상기 제2 이미터에서 출력된 제2 레이저 빔을 상기 제2 영역에 조사하는 옵틱을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 옵틱은 렌즈, 프리즘, 마이크로프리즘 어레이, 메타 표면 중 적어도 하나일 수 있다.
여기서, 상기 제1 히스토그램은 상기 제1 이미터가 레이저 빔을 출력한 제4 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제4 데이터 셋을 포함하고, 상기 제1 이미터는 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이의 간격이 제1 간격이 되고, 상기 제2 시점 및 상기 제4 시점 사이의 간격이 상기 제1 간격과 상이한 제2 간격이 되도록 레이저 빔을 출력할 수 있다.
여기서, 상기 제1 데이터 셋은 제1 시간 구간에서 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성되고, 상기 제2 데이터 셋은 제2 시간 구간에서 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성되고, 상기 제3 데이터 셋은 제3 시간 구간에서 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성되고, 상기 제3 시간 구간은 상기 제1 시간 구간 및 상기 제2 시간 구간과 적어도 일부가 오버랩될 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 대상체에 레이저 빔을 조사하는 이미터 어레이 및 상기 대상체에 반사된 레이저 빔을 수신하는 디텍터 어레이를 포함하고, 상기 디텍터 어레이의 출력 신호에 기초한 복수의 데이터 셋이 축적된 히스토그램에 기초하여 상기 대상체의 특성을 결정하는 라이다 장치의 제어 방법에 있어서, 상기 이미터 어레이에 포함된 제1 이미터를 통해 제1 시점 및 제2 시점에 제1 영역으로 레이저 빔을 조사하는 단계, 상기 디텍터 어레이에 포함된 제1 디텍터를 통해 상기 제1 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 단계, 상기 제1 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초한 제1 데이터 셋 및 상기 제2 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초한 제2 데이터 셋을 포함하는 제1 히스토그램을 형성하는 단계, 상기 이미터 어레이에 포함된 제2 이미터를 통해 제3 시점에 제2 영역으로 레이저 빔을 조사하는 단계, 상기 디텍터 어레이에 포함된 제2 디텍터를 통해 상기 제2 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 단계, 및 상기 제3 시점 이후 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초한 제3 데이터 셋을 포함하는 제2 히스토그램을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제3 시점은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이에 존재하는 라이다 장치의 제어 방법이 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 전술한 방법들을 수행하기 위해 프로그램이 기록된 컴퓨터에 의해 독출되어 실행 가능한 코드가 저장된 기록매체가 제공될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 라이다 장치를 설명한다.
라이다 장치는 레이저를 이용하여 대상체와의 거리 및 대상체의 위치를 탐지하기 위한 장치이다. 예를 들어, 라이다 장치는 레이저를 출력할 수 있고, 출력된 레이저가 대상체에서 반사된 경우 반사된 레이저를 수신하여 대상체와 라이다 장치의 거리 및 대상체의 위치를 측정할 수 있다. 이때, 대상체의 거리 및 위치는 좌표계를 통해 표현될 수 있다. 예를 들어, 대상체의 거리 및 위치는 구좌표계(r, θ, )로 표현될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 직교좌표계(X, Y, Z) 또는 원통 좌표계(r, θ, z) 등으로 표현될 수 있다.
또한, 라이다 장치는 대상체의 거리를 측정하기 위해 라이다 장치에서 출력되어 대상체에서 반사된 레이저를 이용할 수 있다.
일 실시예에 따른 라이다 장치는 대상체의 거리를 측정하기 위해 레이저가 출력된 후 감지되기 까지 레이저의 비행 시간 (TOF : Time Of Flight)을 이용할 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치는 출력된 레이저의 출력 시간에 기초한 시간 값과 대상체에서 반사되어 감지된 레이저의 감지된 시간에 기초한 시간 값의 차이를 이용하여, 대상체의 거리를 측정할 수 있다.
또한, 라이다 장치는 출력된 레이저가 대상체를 거치지 않고 바로 감지된 시간 값과 대상체에서 반사되어 감지된 레이저의 감지된 시간에 기초한 시간 값의 차이를 이용하여 대상체의 거리를 측정할 수 있다.
라이다 장치가 제어부에 의해 레이저 빔을 출광하기 위한 트리거 신호를 보내는 시점과 실제 레이저 출력 소자에서 레이저 빔이 출력되는 시간인 실제 출광 시점은 차이가 있을 수 있다. 상기 트리거 신호의 시점과 실제 출광 시점 사이에서는 실제로 레이저 빔이 출력되지 않았으므로, 레이저의 비행 시간에 포함되면 정밀도가 감소할 수 있다.
레이저 빔의 비행 시간 측정에 정밀도를 향상시키기 위해서는, 레이저 빔의 실제 출광 시점을 이용할 수 있다. 그러나, 레이저 빔의 실제 출광 시점을 파악하는 것은 어려울 수 있다. 그러므로, 레이저 출력 소자에서 출력된 레이저 빔은 출력 되자마자, 또는 출력된 후 대상체를 거치지 않고 곧바로 센서부로 전달되어야 한다.
예를 들어, 레이저 출력 소자의 상부에 옵틱이 배치되어, 상기 옵틱에 의해 레이저 출력 소자에서 출력된 레이저 빔은 대상체를 거치지 않고 바로 수광부에 감지될 수 있다. 상기 옵틱은 미러, 렌즈, 프리즘, 메타표면 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 옵틱은 하나일 수 있으나, 복수 개일 수 있다.
또한, 예를 들어, 레이저 출력 소자의 상부에 센서부가 배치되어, 레이저 출력 소자에서 출력된 레이저 빔은 대상체를 거치지 않고 바로 센서부에 감지될 수 있다. 상기 센서부는 레이저 출력 소자와 1mm, 1um, 1nm 등의 거리를 두고 이격될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또는, 상기 센서부는 레이저 출력 소자와 이격되지 않고 인접하게 배치될 수도 있다. 상기 센서부와 상기 레이저 출력 소자 사이에는 옵틱이 존재할 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 라이다 장치는 대상체의 거리를 측정하기 위해 비행 시간 외에도 삼각 측량법(Triangulation method), 간섭계 방법(Interferometry method), 위상 변화 측정법(Phase shift measurement) 등을 이용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따른 라이다 장치는 차량에 설치될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치는 차량의 루프, 후드, 헤드램프 또는 범퍼 등에 설치될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 복수 개의 라이다 장치가 차량에 설치될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치 2개가 차량의 루프에 설치되는 경우, 하나의 라이다 장치는 전방을 관측하기 위한 것이고, 나머지 하나는 후방을 관측하기 위한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 예를 들어, 라이다 장치 2개가 차량의 루프에 설치되는 경우, 하나의 라이다 장치는 좌측을 관측하기 위한 것이고, 나머지 하나는 우측을 관측하기 위한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 라이다 장치가 차량에 설치될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치가 차량 내부에 설치되는 경우, 주행 중 운전자의 제스쳐를 인식하기 위한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한 예를 들어, 라이다 장치가 차량 내부 또는 차량 외부에 설치되는 경우, 운전자의 얼굴을 인식하기 위한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따른 라이다 장치는 무인 비행체에 설치될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치는 무인항공기 시스템(UAV System), 드론(Drone), RPV(Remote Piloted Vehicle), UAVs(Unmanned Aerial Vehicle System), UAS(Unmanned Aircraft System), RPAV(Remote Piloted Air/Aerial Vehicle) 또는 RPAS(Remote Piloted Aircraft System) 등에 설치될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 복수 개의 라이다 장치가 무인 비행체에 설치될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치 2개가 무인 비행체에 설치되는 경우, 하나의 라이다 장치는 전방을 관측하기 위한 것이고, 나머지 하나는 후방을 관측하기 위한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 예를 들어, 라이다 장치 2개가 무인 비행체에 설치되는 경우, 하나의 라이다 장치는 좌측을 관측하기 위한 것이고, 나머지 하나는 우측을 관측하기 위한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따른 라이다 장치는 로봇에 설치될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치는 개인용 로봇, 전문 로봇, 공공 서비스 로봇, 기타 산업용 로봇 또는 제조업용 로봇 등에 설치될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 복수 개의 라이다 장치가 로봇에 설치될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치 2개가 로봇에 설치되는 경우, 하나의 라이다 장치는 전방을 관측하기 위한 것이고, 나머지 하나는 후방을 관측하기 위한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 예를 들어, 라이다 장치 2개가 로봇에 설치되는 경우, 하나의 라이다 장치는 좌측을 관측하기 위한 것이고, 나머지 하나는 우측을 관측하기 위한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 라이다 장치가 로봇에 설치될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치가 로봇에 설치되는 경우, 사람의 얼굴을 인식하기 위한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 라이다 장치는 산업 보안을 위해 설치될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치는 산업 보안을 위해 스마트 공장에 설치될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 복수 개의 라이다 장치가 산업 보안을 위해 스마트 공장에 설치될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치 2개가 스마트 공장에 설치되는 경우, 하나의 라이다 장치는 전방을 관측하기 위한 것이고, 나머지 하나는 후방을 관측하기 위한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 예를 들어, 라이다 장치 2개가 스마트 공장에 설치되는 경우, 하나의 라이다 장치는 좌측을 관측하기 위한 것이고, 나머지 하나는 우측을 관측하기 위한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 라이다 장치가 산업 보안을 위해 설치될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치가 산업 보안을 위해 설치되는 경우, 사람의 얼굴을 인식하기 위한 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이하에서는 라이다 장치의 구성요소들의 다양한 실시예들에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(1000)는 레이저 출력부(100)를 포함할 수 있다.
이때, 일 실시예에 따른 레이저 출력부(100)는 레이저를 출사할 수 있다.
또한, 레이저 출력부(100)는 하나 이상의 레이저 출력 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 레이저 출력부(100)는 단일 레이저 출력 소자를 포함할 수 있으며, 복수 개의 레이저 출력 소자를 포함할 수도 있고, 또한 복수 개의 레이저 출력 소자를 포함하는 경우 복수 개의 레이저 출력 소자가 하나의 어레이를 구성할 수 있다.
또한, 레이저 출력부(100)는 레이저 다이오드(Laser Diode:LD), Solid-state laser, High power laser, Light entitling diode(LED), Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL), External cavity diode laser(ECDL) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 레이저 출력부(100)는 일정 파장의 레이저를 출력할 수 있다. 예를 들어, 레이저 출력부(100)는 905nm대역의 레이저 또는 1550nm 대역의 레이저를 출력할 수 있다. 또한, 예를 들어, 레이저 출력부(100)는 940nm 대역의 레이저를 출력할 수 있다. 또한, 예를 들어, 레이저 출력부(100)는 800nm 내지 1000nm 사이의 복수 개의 파장을 포함하는 레이저를 출력할 수 있다. 또한, 레이저 출력부(100)가 복수 개의 레이저 출력 소자를 포함하는 경우, 복수 개의 레이저 출력 소자의 일부는 905nm 대역의 레이저를 출력할 수 있으며, 다른 일부는 1500nm 대역의 레이저를 출력할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(1000)는 옵틱부(200)를 포함할 수 있다.
상기 옵틱부는 본 발명에 대한 설명에 있어서, 스티어링부, 스캔부 등으로 다양하게 표현될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이때, 일 실시예에 따른 옵틱부(200)는 레이저의 비행 경로를 변경할 수 있다. 예를 들어, 옵틱부(200)는 레이저 출력부(100)에서 출사된 레이저가 스캔 영역을 향하도록 레이저의 비행 경로를 변경할 수 있다. 또한, 예를 들어, 스캔 영역 내에 위치하는 대상체로부터 반사된 레이저가 센서부를 향하도록 레이저의 비행 경로를 변경할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 옵틱부(200)는 레이저를 반사함으로써 레이저의 비행 경로를 변경할 수 있다. 예를 들어, 옵틱부(200)는 레이저 출력부(100)에서 출사된 레이저를 반사하여, 레이저가 스캔 영역을 향하도록 레이저의 비행 경로를 변경할 수 있다. 또한, 예를 들어, 스캔 영역 내에 위치하는 대상체로부터 반사된 레이저가 센서부를 향하도록 레이저의 비행 경로를 변경할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 옵틱부(200)는 레이저를 반사하기 위하여 다양한 광학 수단들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 옵틱부(200)는 미러(mirror), 공진 스캐너(Resonance scanner), 멤스 미러(MEMS mirror), VCM(Voice Coil Motor), 다면 미러(Polygonal mirror), 회전 미러(Rotating mirror) 또는 갈바노 미러(Galvano mirror) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 옵틱부(200)는 레이저를 굴절시킴으로써 레이저의 비행 경로를 변경할 수 있다. 예를 들어, 옵틱부(200)는 레이저 출력부(100)에서 출사된 레이저를 굴절시켜, 레이저가 스캔 영역을 향하도록 레이저의 비행 경로를 변경할 수 있다. 또한, 예를 들어, 스캔 영역 내에 위치하는 대상체로부터 반사된 레이저가 센서부를 향하도록 레이저의 비행 경로를 변경할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 옵틱부(200)는 레이저를 굴절시키기 위하여 다양한 광학 수단들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 옵틱부(200)는 렌즈(lens), 프리즘(prism), 마이크로렌즈(Micro lens) 또는 액체 렌즈(Microfluidie lens) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 옵틱부(200)는 레이저의 위상을 변화시킴으로써 레이저의 비행 경로를 변경할 수 있다. 예를 들어, 옵틱부(200)는 레이저 출력부(100)에서 출사된 레이저의 위상을 변화시켜, 레이저가 스캔 영역을 향하도록 레이저의 비행 경로를 변경할 수 있다. 또한, 예를 들어, 스캔 영역 내에 위치하는 대상체로부터 반사된 레이저가 센서부를 향하도록 레이저의 비행 경로를 변경할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 옵틱부(200)는 레이저의 위상을 변화시키기 위하여 다양한 광학 수단들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 옵틱부(200)는 OPA(Optical Phased Array), 메타 렌즈(Meta lens) 또는 메타 표면(Metasurface) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 옵틱부(200)는 하나 이상의 광학 수단을 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 옵틱부(200)는 복수 개의 광학 수단을 포함할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 센서부(300)를 포함할 수 있다.
상기 센서부는 본 발명에 대한 설명에 있어서 수광부, 수신부 등으로 다양하게 표현될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이때, 일 실시예에 따른 센서부(300)는 레이저를 감지할 수 있다. 예를 들어, 센서부는 스캔 영역 내에 위치하는 대상체에서 반사된 레이저를 감지할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 센서부(300)는 레이저를 수신할 수 있으며, 수신된 레이저를 기초로 전기 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 센서부(300)는 스캔 영역 내에 위치하는 대상체에서 반사된 레이저를 수신할 수 있으며, 이를 기초로 전기 신호를 생성할 수 있다. 또한, 예를 들어, 센서부(300)는 스캔 영역 내에 위치하는 대상체에서 반사된 레이저를 하나 이상의 광학수단을 통해 수신할 수 있으며, 이를 기초로 전기 신호를 생성할 수 있다. 또한, 예를 들어, 센서부(300)는 스캔 영역 내에 위치하는 대상체에서 반사된 레이저를 광학 필터를 거쳐 수신할 수 있으며, 이를 기초로 전기 신호를 생성할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 센서부(300)는 생성된 전기 신호를 기초로 레이저를 감지할 수 있다. 예를 들어, 센서부(300)는 미리 정해진 문턱 값과 생성된 전기 신호의 크기를 비교하여 레이저를 감지할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 예를 들어, 센서부(300)는 미리 정해진 문턱 값과 생성된 전기 신호의 rising edge, falling edge 또는 rising edge와 falling edge의 중앙값을 비교하여 레이저를 감지할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 예를 들어, 센서부(300)는 미리 정해진 문턱 값과 생성된 전기 신호의 피크 값을 비교하여 레이저를 감지할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 센서부(300)는 다양한 센서 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서부(300)는 PN 포토 다이오드, 포토트랜지스터, PIN 포토다이오드, APD(Avalanche Photodiode), SPAD(Single-photon avalanche diode), SiPM(Silicon PhotoMultipliers), TDC(Time to Digital Converter), Comparator, CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor) 또는 CCD(charge coupled device) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 센서부(300)는 2D SPAD array일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 예를 들어, SPAD array는 복수 개의 SPAD unit을 포함하고, SPAD unit은 복수 개의 SPAD(pixel)을 포함할 수 있다.
이때, 센서부(300)는 2D SPAD array를 이용하여 N번의 히스토그램(histogram)을 쌓을 수 있다. 예를 들어, 센서부(300)는 히스토그램을 이용하여, 대상체로부터 반사되어 수광되는 레이저 빔의 수광 시점을 감지할 수 있다.
예를 들어, 센서부(300)는 히스토그램을 이용하여, 히스토그램의 피크(peak) 지점을 대상체로부터 반사되어 수광되는 레이저 빔의 수광 시점으로 감지할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한 예를 들어, 센서부(300)는 히스토그램을 이용하여, 히스토그램이 미리 정해진 값 이상인 지점을 대상체로부터 반사되어 수광되는 레이저 빔의 수광시점으로 감지할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 센서부(300)는 하나 이상의 센서 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서부(300)는 단일 센서 소자를 포함할 수 있으며, 복수 개의 센서 소자를 포함할 수도 있다.
또한, 일 실시예에 따른 센서부(300)는 하나 이상의 광학 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서부(300)는 Aperture, 마이크로 렌즈(Micro lens), 수렴 렌즈(converging lens) 또는 Diffuser 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 센서부(300)는 하나 이상의 광학 필터(Optical Filter)를 포함할 수 있다. 센서부(300)는 대상체에서 반사된 레이저를 광학 필터를 거쳐 수신할 수 있다. 예를 들어, 센서부(300)는 Band pass filter, Dichroic filter, Guided-mode resonance filter, Polarizer, Wedge filter 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
다시 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(1000)는 제어부(400)를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 본 발명을 위한 설명에 있어너 컨트롤러 등으로 다양하게 표현될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이때, 일 실시예에 따른 제어부(400)는 레이저 출력부(100), 옵틱부(200) 또는 센서부(300)의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 제어부(400)는 레이저 출력부(100)의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(400)는 레이저 출력부(100)에서 출력되는 레이저의 출력 시점을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(400)는 레이저 출력부(100)에서 출력되는 레이저의 파워를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(400)는 레이저 출력부(100)에서 출력되는 레이저의 펄스 폭(Pulse Width)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(400)는 레이저 출력부(100)에서 출력되는 레이저의 주기를 제어할 수 있다. 또한, 레이저 출력부(100)가 복수 개의 레이저 출력 소자를 포함하는 경우, 제어부(400)는 복수 개의 레이저 출력 소자 중 일부가 동작되도록 레이저 출력부(100)를 제어할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 제어부(400)는 옵틱부(200)의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(400)는 옵틱부(200) 동작 속도를 제어할 수 있다. 구체적으로 옵틱부(200)가 회전 미러를 포함하는 경우 회전 미러의 회전 속도를 제어할 수 있으며, 옵틱부(200)가 멤스 미러(MEMS mirror)를 포함하는 경우 사이 멤스 미러의 반복 주기를 제어할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 예를 들어, 제어부(400)는 옵틱부(200)의 동작 정도를 제어할 수 있다. 구체적으로, 옵틱부(200)가 멤스 미러를 포함하는 경우 멤스 미러의 동작 각도를 제어할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 제어부(400)는 센서부(300)의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(400)는 센서부(300)의 민감도를 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(400)는 미리 정해진 문턱 값을 조절하여 센서부(300)의 민감도를 제어할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 예를 들어, 제어부(400)는 센서부(300)의 동작을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(400)는 센서부(300)의 On/Off를 제어할 수 있으며, 제어부(300)가 복수 개의 센서 소자를 포함하는 경우 복수 개의 센서 소자 중 일부의 센서 소자가 동작되도록 센서부(300)의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 제어부(400)는 센서부(300)에서 감지된 레이저에 기초하여 라이다 장치(1000)로부터 스캔 영역 내에 위치하는 대상체까지의 거리를 판단할 수 있다.
예를 들어, 제어부(400)는 레이저 출력부(100)에서 레이저가 출력된 시점과 센서부(300)에서 레이저가 감지된 시점에 기초하여 스캔 영역 내에 위치하는 대상체까지의 거리를 판단할 수 있다. 또한, 예를 들어, 제어부(400)는 레이저 출력부(100)에서 레이저가 출력되어 대상체를 거치지 않고 바로 센서부(300)에서 레이저가 감지된 시점 및 대상체에서 반사된 레이저가 센서부(300)에서 감지된 시점에 기초하여 스캔 영역 내에 위치하는 대상체까지의 거리를 판단할 수 있다.
라이다 장치(1000)가 제어부(400)에 의해 레이저 빔을 출광하기 위한 트리거 신호를 보내는 시점과 실제 레이저 출력 소자에서 레이저 빔이 출력되는 시간인 실제 출광 시점은 차이가 있을 수 있다. 상기 트리거 신호의 시점과 실제 출광 시점 사이에서는 실제로 레이저 빔이 출력되지 않았으므로, 레이저의 비행 시간에 포함되면 정밀도가 감소할 수 있다.
레이저 빔의 비행 시간 측정에 정밀도를 향상시키기 위해서는, 레이저 빔의 실제 출광 시점을 이용할 수 있다. 그러나, 레이저 빔의 실제 출광 시점을 파악하는 것은 어려울 수 있다. 그러므로, 레이저 출력 소자에서 출력된 레이저 빔은 출력 되자마자, 또는 출력된 후 대상체를 거치지 않고 곧바로 센서부(300)로 전달되어야 한다.
예를 들어, 레이저 출력 소자의 상부에 옵틱이 배치되어, 상기 옵틱에 의해 레이저 출력 소자에서 출력된 레이저 빔은 대상체를 거치지 않고 바로 센서부(300)에 감지될 수 있다. 상기 옵틱은 미러, 렌즈, 프리즘, 메타표면 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 옵틱은 하나일 수 있으나, 복수 개일 수 있다.
또한, 예를 들어, 레이저 출력 소자의 상부에 센서부(300)가 배치되어, 레이저 출력 소자에서 출력된 레이저 빔은 대상체를 거치지 않고 바로 센서부(300)에 감지될 수 있다. 상기 센서부(300)는 레이저 출력 소자와 1mm, 1um, 1nm 등의 거리를 두고 이격될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또는, 상기 센서부(300)는 레이저 출력 소자와 이격되지 않고 인접하게 배치될 수도 있다. 상기 센서부(300)와 상기 레이저 출력 소자 사이에는 옵틱이 존재할 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
구체적으로, 레이저 출력부(100)는 레이저를 출력할 수 있고, 제어부(400)는 레이저 출력부(100)에서 레이저가 출력된 시점을 획득할 수 있으며, 레이저 출력부(100)에서 출력된 레이저가 스캔 영역 내에 위치하는 대상체에서 반사된 경우 센서부(300)는 대상체에서 반사된 레이저를 감지할 수 있고, 제어부(400)는 센서부(300)에서 레이저가 감지된 시점을 획득할 수 있으며, 제어부(400)는 레이저의 출력 시점 및 감지 시점에 기초하여 스캔 영역 내에 위치하는 대상체까지의 거리를 판단할 수 있다.
또한, 구체적으로, 레이저 출력부(100)에서 레이저를 출력할 수 있고, 레이저 출력부(100)에서 출력된 레이저가 스캔 영역 내에 위치하는 대상체를 거지치 않고 바로 센서부(300)에 의해 감지될 수 있고, 제어부(400)는 대상체를 거치지 않은 레이저가 감지된 시점을 획득할 수 있다. 레이저 출력부(100)에서 출력된 레이저가 스캔 영역 내에 위치하는 대상체에서 반사된 경우 센서부(300)는 대상체에서 반사된 레이저를 감지할 수 있고, 제어부(400)는 센서부(300)에서 레이저가 감지된 시점을 획득할 수 있으며, 제어부(400)는 대상체를 거치지 않은 레이저의 감지 시점 및 대상체에서 반사된 레이저의 감지 시점에 기초하여 스캔 영역 내에 위치하는 대상체까지의 거리를 판단할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 라이다 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(1050)는 레이저 출력부(100), 옵틱부(200) 및 센서부(300)를 포함할 수 있다.
레이저 출력부(100), 옵틱부(200) 및 센서부(300)는 도 1에서 설명되었으므로, 이하에서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
레이저 출력부(100)에서 출력된 레이저 빔은 옵틱부(200)를 거칠 수 있다. 또한 옵틱부(200)를 거친 레이저 빔은 대상체(500)를 향해 조사될 수 있다. 또한 대상체(500)에서 반사된 레이저 빔은 센서부(300)에 수광될 수 있다.
도 3은 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치(1150)는 레이저 출력부(100), 옵틱부(200) 및 센서부(300)를 포함할 수 있다.
레이저 출력부(100), 옵틱부(200) 및 센서부(300)는 도 1에서 설명되었으므로, 이하에서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
레이저 출력부(100)에서 출력된 레이저 빔은 옵틱부(200)를 거칠 수 있다. 또한 옵틱부(200)를 거친 레이저 빔은 대상체(500)를 향해 조사될 수 있다. 또한 대상체(500)에서 반사된 레이저 빔은 다시 옵틱부(200)를 거칠 수 있다.
이때, 대상체에 조사되기 전 레이저 빔이 거친 옵틱부와 대상체에 반사된 레이저 빔이 거치는 옵틱부는 물리적으로 동일한 옵틱부일 수 있으나, 물리적으로 다른 옵틱부일 수도 있다.
옵틱부(200)를 거친 레이저 빔은 센서부(300)에 수광될 수 있다.
이하에서는 VCSEL을 포함하는 레이저 출력부의 다양한 실시예들에 대하여 상세하게 설명한다.
도 4는 일 실시예에 따른 레이저 출력부를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 레이저 출력부(100)는 VCSEL emitter(110)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 VCSEL emitter(110)는 상부 메탈 컨택(10), 상부 DBR 레이어(20, upper Distributed Bragg reflector), active 레이어(40, quantum well), 하부 DBR 레이어(30, lower Distributed Bragg reflector), 기판(50, substrate) 및 하부 메탈 컨택(60)을 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 VCSEL emitter(110)는 상단 표면에서 수직으로 레이저 빔을 방출할 수 있다. 예를 들어, VCSEL emitter(110)는 상부 메탈 컨택(10)의 표면과 수직인 방향으로 레이저 빔을 방출할 수 있다. 또한, 예를 들어, VCSEL emitter(110)는 acvite 레이어(40)에 수직으로 레이저 빔을 방출할 수 있다.
일 실시예에 따른 VCSEL emitter(110)는 상부 DBR 레이어(20) 및 하부 DBR 레이어(30)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상부 DBR 레이어(20) 및 하부 DBR 레이어(30)는 복수 개의 반사층으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 반사층은 반사율이 높은 반사층과 반사율이 낮은 반사층이 교대로 배치될 수 있다. 이때, 복수 개의 반사층의 두께는 VCSEL emitter(110)에서 방출되는 레이저 파장의 4분의 1일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 상부 DBR 레이어(20) 및 하부 DBR 레이어(30)는 p형 및 n형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상부 DBR 레이어(20)는 p형으로 도핑되고, 하부 DBR 레이어(30)는 n형으로 도핑될 수 있다. 또는, 예를 들어, 상부 DBR 레이어(20)는 n형으로 도핑되고, 하부 DBR 레이어(30)는 p형으로 도핑될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면 하부 DBR 레이어(30)와 하부 메탈 컨택(60) 사이에는 substrate(50)가 배치될 수 있다. 하부 DBR 레이어(30)가 p형으로 도핑되는 경우 Substrate(50)도 p형 substrate가 될 수 있고, 하부 DBR 레이어(30)가 n형으로 도핑되는 경우 Substrate(50)도 n형 substrate가 될 수 있다.
일 실시예에 따른 VCSEL emitter(110)는 active 레이어(40)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 active 레이어(40)는 상부 DBR 레이어(20) 및 하부 DBR 레이어(30) 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따른 active 레이어(40)는 레이저 빔을 생성하는 복수 개의 퀀텀 웰(Quantum well)을 포함할 수 있다. Active 레이어(40)는 레이저 빔을 방출시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 VCSEL emitter(110)는 전원 등과의 전기적 연결을 위해 메탈 컨택을 포함할 수 있다. 예를 들어 VCSEL emitter(110)는 상부 메탈 컨택(10) 및 하부 메탈 컨택(60)을 포함할 수 있다.
또한 일 실시예에 따른 VCSEL emitter(110)는 메탈 컨택을 통해 상부 DBR 레이어(20) 및 하부 DBR 레이어(30)와 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 상부 DBR 레이어(20)가 p형으로 도핑되고 하부 DBR 레이어(30)가 n형으로 도핑되는 경우, 상부 메탈 컨택(10)에는 p형 전원이 공급되어 상부 DBR 레이어(20)와 전기적으로 연결되고, 하부 메탈 컨택(60)에는 n형 전원이 공급되어 하부 DBR 레이어(30)와 전기적으로 연결될 수 있다.
또한 예를 들어, 예를 들어, 상부 DBR 레이어(20)가 n형으로 도핑되고 하부 DBR 레이어(30)가 p형으로 도핑되는 경우, 상부 메탈 컨택(10)에는 n형 전원이 공급되어 상부 DBR 레이어(20)와 전기적으로 연결되고, 하부 메탈 컨택(60)에는 p형 전원이 공급되어 하부 DBR 레이어(30)와 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 따른 VCSEL emitter(110)는 oxidation area를 포함할 수 있다. Oxidation area는 active layer의 상부에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따른 oxidation area는 절연성을 띌 수 있다. 예를 들어, oxidation area에는 전기적 흐름이 제한될 수 있다. 예를 들어, oxidation area에는 전기적 연결이 제한될 수 있다.
또한 일 실시예에 따른 oxidation area는 aperture의 역할을 할 수 있다. 구체적으로, oxidation area는 절연성을 가지므로, oxidation area가 아닌 부분에서만 active layer(40)로부터 생성된 빔이 방출될 수 있다.
일 실시예에 따른 레이저 출력부는 복수 개의 VCSEL emitter(110)를 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 레이저 출력부는 복수 개의 VCSEL emitter(110)들을 한번에 on시킬 수 있거나, 개별적으로 on시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 레이저 출력부는 다양한 파장의 레이저 빔을 출사할 수 있다. 예를 들어, 레이저 출력부는 파장이 905nm인 레이저 빔을 출사할 수 있다. 또한 예를 들어, 레이저 출력부는 1550nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 출사할 수 있다.
또한 일 실시예에 따른 레이저 출력부는 출력되는 파장이 주변 환경에 의해 변화될 수 있다. 예를 들어, 레이저 출력부는 주변 환경의 온도가 증가할수록, 출력되는 파장도 증가할 수 있다. 또는 예를 들어, 레이저 출력부는 주변 환경의 온도가 감소할수록, 출력되는 파장도 감소할 수 있다. 상기 주변 환경이란, 온도, 습도, 압력, 먼지의 농도, 주변 광량, 고도, 중력, 가속도 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
레이저 출력부는 지지면과 수직한 방향으로 레이저 빔을 출사할 수 있다. 또는, 레이저 출력부는 상기 출사면과 수직한 방향으로 레이저 빔을 출사할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 VCSEL unit을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 레이저 출력부(100)는 VCSEL unit(130)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 VCSEL unit(130)은 복수 개의 VCSEL emitter(110)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 VCSEL emitter(110)들은 허니콤(honeycomb)구조로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 1개의 허니콤 구조에는 VCSEL emitter(110) 7개가 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한 일 실시예에 따른 VCSEL unit(130)에 포함된 VCSEL emitter(110)들은 모두 동일한 방향으로 조사될 수 있다. 예를 들어, VCSEL unit(130)에 포함된 400개의 VCSEL emitter(110)들은 모두 동일한 방향으로 조사될 수 있다.
또한, VCSEL unit(130)은 출력된 레이저 빔의 조사 방향에 의해 구별될 수 있다. 예를 들어, N개의 VCSEL emitter(110)들이 모두 제1 방향으로 레이저 빔을 출력하고, M개의 VCSEL emitter(110)들이 모두 제2 방향으로 레이저 빔을 출력하는 경우, 상기 N개의 VCSEL emitter(110)들은 제1 VCSEL unit으로 구별되고, 상기 M개의 VCSEL emitter(110)들은 제2 VCSEL unit으로 구별될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 VCSEL unit(130)은 메탈 컨택을 포함할 수 있다. 예를 들어, VCSEL unit(130)은 p형 메탈 및 n형 메탈을 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, VCSEL unit(130)에 포함된 복수 개의 VCSEL emitter(110)는 메탈 컨택을 공유할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 VCSEL array를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 레이저 출력부(100)는 VCSEL array(150)를 포함할 수 있다. 도 6은 8X8 VCSEL array를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따른 VCSEL array(150)는 복수 개의 VCSEL unit(130)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 VCSEL unit(130)은 매트릭스 구조로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 상기 복수 개의 VCSEL unit(130)은 N X N 매트릭스일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한 예를 들어, 상기 복수 개의 VCSEL unit(130)은 N X M 매트릭스일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 VCSEL array(150)는 메탈 컨택을 포함할 수 있다. 예를 들어, VCSEL array(150)는 p형 메탈 및 n형 메탈을 포함할 수 있다. 이때, 복수 개의 VCSEL unit(130)은 메탈 컨택을 공유할 수도 있으나, 메탈 컨택을 공유하지 않고 각각 독립된 메탈 컨택을 가질 수도 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 VCSEL array 및 메탈 컨택을 나타낸 측면도이다.
도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 레이저 출력부(100)는 VCSEL array(151)를 포함할 수 있다. 도 6은 4X4 VCSEL array를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않는다. VCSEL array(151)는 제1 메탈 컨택(11), 와이어(12), 제2 메탈 컨택(13) 및 VCSEL unit(130)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 VCSEL array(151)는 매트릭스 구조로 배치된 복수 개의 VCSEL unit(130)을 포함할 수 있다. 이때, 복수 개의 VCSEL unit(130)은 각각 메탈 컨택에 독립적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 VCSEL unit(130)은 제1 메탈 컨택(11)을 공유하여 제1 메탈 컨택에는 함께 연결되고, 제2 메탈 컨택(13)은 공유하지 않아 제2 메탈 컨택에는 독립적으로 연결될 수 있다. 또한, 예를 들어, 복수 개의 VCSEL unit(130)은 제1 메탈 컨택(11)에는 직접적으로 연결되고, 제2 메탈 컨택에는 와이어(12)를 통해 연결될 수 있다. 이때, 필요한 와이어(12)의 개수는 복수 개의 VCSEL unit(130)의 개수와 같을 수 있다. 예를 들어, VCSEL array(151)가 N X M 매트릭스 구조로 배치된 복수 개의 VCSEL unit(130)을 포함할 경우, 와이어(12)의 개수는 N * M 개가 될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 제1 메탈 컨택(11)과 제2 메탈 컨택(13)은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 메탈 컨택(11)은 n형 메탈이고, 제2 메탈 컨택(13)은 p형 메탈일 수 있다. 반대로, 제1 메탈 컨택(11)은 p형 메탈이고, 제2 메탈 컨택(13)은 n형 메탈일 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 VCSEL array를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 레이저 출력부(100)는 VCSEL array(153)를 포함할 수 있다. 도 7은 4X4 VCSEL array를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따른 VCSEL array(153)는 매트릭스 구조로 배치된 복수 개의 VCSEL unit(130)을 포함할 수 있다. 이때, 복수 개의 VCSEL unit(130)은 메탈 컨택을 공유할 수도 있으나, 메탈 컨택을 공유하지 않고 독립된 메탈 컨택을 가질 수도 있다. 예를 들어, 복수 개의 VCSEL unit(130)은 행(row) 단위로 제1 메탈 컨택(15)을 공유할 수 있다. 또한, 예를 들어, 복수 개의 VCSEL unit(130)은 열(column) 단위로 제2 메탈 컨택(17)을 공유할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 제1 메탈 컨택(15)과 제2 메탈 컨택(17)은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제1 메탈 컨택(15)은 n형 메탈이고, 제2 메탈 컨택(17)은 p형 메탈일 수 있다. 반대로, 제1 메탈 컨택(15)은 p형 메탈이고, 제2 메탈 컨택(17)은 n형 메탈일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 VCSEL unit(130)은 제1 메탈 컨택(15) 및 제2 메탈 컨택(17)과 와이어(12)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 따른 VCSEL array(153)는 어드레서블(addressable)하게 동작할 수 있다. 예를 들어, VCSEL array(153)에 포함된 복수의 VCSEL unit(130)들은 다른 VCSEL unit과 상관 없이 독립적으로 동작할 수 있다.
예를 들어, 1행의 제1 메탈 컨택(15)과 1열의 제2 메탈 컨택(17)에 전원을 공급하면, 1행 1열의 VCSEL unit이 동작할 수 있다. 또한 예를 들어, 1행의 제1 메탈 컨택(15)과 1열 및 3열의 제2 메탈 컨택(17)에 전원을 공급하면, 1행 1열의 VCSEL unit 및 1행 3열의 VCSEL unit이 동작할 수 있다.
일 실시예에 따르면, VCSEL array(153)에 포함된 VCSEL unit(130)들은 일정한 패턴을 가지고 동작할 수 있다.
예를 들어, 1행 1열의 VCSEL unit 동작 후 1행 2열의 VCSEL unit, 1행 3열의 VCSEL unit, 1행 4열의 VCSEL unit, 2행 1열의 VCSEL unit, 2행 2열의 VCSEL unit 등이 순서대로 동작하고, 4행 4열의 VCSEL unit을 마지막으로 하는 일정한 패턴을 가질 수 있다.
또한 예를 들어, 1행 1열의 VCSEL unit 동작 후 2행 1열의 VCSEL unit, 3행 1열의 VCSEL unit, 4행 1열의 VCSEL unit, 1행 2열의 VCSEL unit, 2행 2열의 VCSEL unit 등이 순서대로 동작하고, 4행 4열의 VCSEL unit을 마지막으로 하는 일정한 패턴을 가질 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, VCSEL array(153)에 포함된 VCSEL unit(130)들은 불규칙한 패턴을 가지고 동작할 수 있다. 또는, VCSEL array(153)에 포함된 VCSEL unit(130)들은 패턴을 가지지 않고 동작할 수 있다.
예를 들어, VCSEL unit(130)들이 랜덤으로 동작할 수 있다. VCSEL unit(130)들이 랜덤으로 동작할 경우, VCSEL unit(130)들간의 간섭이 방지될 수 있다.
레이저 출력부에서 방출되는 레이저 빔을 대상체로 향하게 하는 방법은 여러가지가 있을 수 있다. 그 중 플래시 방식은 레이저 빔의 발산에 의해 레이저 빔이 대상체로 퍼져나가는 것을 이용한 방식이다. 플래시 방식에서 원거리에 존재하는 대상체에 레이저 빔을 향하게 하기 위해서는 높은 파워의 레이저 빔이 필요하다. 높은 파워의 레이저 빔은 높은 전압을 인가해야 하므로 전력이 커진다. 또한, 사람의 눈에도 데미지를 줄 수 있어 플래시 방식을 사용하는 라이다가 측정할 수 있는 거리에는 한계가 있다.
스캐닝 방식은 레이저 출력부에서 방출되는 레이저 빔을 특정 방향으로 향하게 하는 방식이다. 스캐닝 방식 레이저 빔을 특정 방향으로 향하게 함으로써 레이저 파워 손실을 줄일 수 있다. 레이저 파워 손실을 줄일 수 있으므로, 플래시 방식과 비교했을 때 동일한 레이저 파워를 사용하더라도 라이다가 측정할 수 있는 거리는 스캐닝 방식이 더 길다. 또한, 플래시 방식과 비교했을 때 동일 거리 측정을 위한 레이저 파워는 스캐닝 방식이 더 낮으므로, 사람의 눈에 대한 안정성이 향상될 수 있다.
레이저 빔 스캐닝은 콜리메이션과 스티어링으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔 스캐닝은 레이저 빔을 콜리메이션 한 후 스티어링을 하는 방식으로 이루어질 수 있다. 또한, 예를 들어, 레이저 빔 스캐닝은 스티어링을 한 후 콜리메이션을 하는 방식으로 이루어질 수 있다.
이하에서는 BCSC(Beam Collimation and Steering component)를 포함하는 옵틱부의 다양한 실시예들에 대하여 상세하게 설명한다.
도 9는 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(1200)는 레이저 출력부(100), 옵틱부를 포함할 수 있다. 이때, 옵틱부는 BCSC(250)을 포함할 수 있다. 또한, BCSC(250)는 콜리메이션 컴포넌트(210, Collimation component) 및 스티어링 컴포넌트(230, Steering component)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 BCSC(250)는 다음과 같이 구성될 수 있다. 콜리메이션 컴포넌트(210)가 먼저 레이저 빔을 콜리메이션 시키고, 콜리메이션 된 레이저 빔은 스티어링 컴포넌트(230)를 거쳐 스티어링될 수 있다. 또는, 스티어링 컴포넌트(230)가 먼저 레이저 빔을 스티어링 시키고, 스티어링 된 레이저 빔은 콜리메이션 컴포넌트(210)를 거쳐 콜리메이션될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 라이다 장치(1200)의 광 경로는 다음과 같다. 레이저 출력부(100)에서 방출된 레이저 빔은 BCSC(250)로 향할 수 있다. BCSC(250)로 입사된 레이저 빔은 콜리메이션 컴포넌트(210)에 의해서 콜리메이션되어 스티어링 컴포넌트(230)로 향할 수 있다. 스티어링 컴포넌트(230)로 입사된 레이저 빔은 스티어링되어 대상체로 향할 수 있다. 대상체(500)로 입사된 레이저 빔은 대상체(500)에 의해 반사되어 센서부로 향할 수 있다.
레이저 출력부에서 방출되는 레이저 빔은 직진성(Directivity)을 갖는다고 하더라도, 레이저 빔이 직진함에 따라 어느 정도의 발산(divergence)이 있을 수 있다. 이러한 발산에 의해, 레이저 출력부에서 방출되는 레이저 빔이 대상체에 입사되지 않거나, 입사되더라도 그 양이 매우 적을 수 있다.
레이저 빔의 발산 정도가 큰 경우, 대상체에 입사되는 레이저 빔의 양이 적어지고, 대상체에서 반사되어 센서부로 향하는 레이저 빔도 그 발산에 의해 양이 매우 적어져, 원하는 측정 결과를 얻지 못할 수 있다. 또는, 레이저 빔의 발산 정도가 큰 경우, 라이다 장치가 측정할 수 있는 거리가 줄어들어, 원거리의 대상체는 측정을 못할 수 있다.
따라서, 대상체로 레이저 빔을 입사시키기 전에, 레이저 출력부에서 방출되는 레이저 빔의 발산 정도를 줄일수록 라이다 장치의 효율이 향상될 수 있다. 본원 발명의 콜리메이션 컴포넌트는 레이저 빔의 발산 정도를 줄일 수 있다. 콜리메이션 컴포넌트를 거친 레이저 빔은 평행광이 될 수 있다. 또는 콜리메이션 컴포넌트를 거친 레이저 빔은 발산 정도가 0.4도 내지 1도일 수 있다.
레이저 빔의 발산 정도를 줄일 경우, 대상체로 입사되는 광량은 증가될 수 있다. 대상체로 입사되는 광량이 증가될 경우, 대상체에서 반사되는 광량도 증가되어 레이저 빔의 수신이 효율적으로 이루어질 수 있다. 또한, 대상체로 입사되는 광량이 증가될 경우, 레이저 빔을 콜리메이션 하기 전과 비교했을 때, 같은 레이저 빔 파워로 더 먼 거리에 있는 대상체도 측정이 가능할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 콜리메이션 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 콜리메이션 컴포넌트(210)는 레이저 출력부(100)에서 방출된 레이저 빔이 향하는 방향에 배치될 수 있다. 콜리메이션 컴포넌트(210)는 레이저 빔의 발산 정도를 조절할 수 있다. 콜리메이션 컴포넌트(210)는 레이저 빔의 발산 정도를 줄일 수 있다.
예를 들어, 레이저 출력부(100)에서 방출되는 레이저 빔의 발산 각도는 16도 내지 30도일 수 있다. 이때, 레이저 출력부(100)에서 방출된 레이저 빔이 콜리메이션 컴포넌트(210)를 거친 후에는, 레이저 빔의 발산 각도가 0.4도 내지 1도일 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 콜리메이션 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 콜리메이션 컴포넌트(210)는 복수 개의 마이크로 렌즈(211) 및 기판(213)을 포함할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈는 지름이 밀리미터(mm), 마이크로미터(um), 나노미터(nm), 피코미터(pm) 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따른 복수 개의 마이크로 렌즈(211)는 기판(213) 상에 배치될 수 있다. 복수 개의 마이크로 렌즈(211) 및 기판(213)은 복수 개의 VCSEL emitter(110)의 상부에 배치될 수 있다. 이때, 복수 개의 마이크로 렌즈(211) 중 하나는 복수 개의 VCSEL emitter(110) 중 하나에 대응되도록 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 복수 개의 마이크로 렌즈(211)는 복수 개의 VCSEL emitter(110)에서 방출된 레이저 빔을 콜리메이션 시킬 수 있다. 이때, 복수 개의 VCSEL emitter(110) 중 하나에서 방출된 레이저 빔은 복수 개의 마이크로 렌즈(211) 중 하나에 의해 콜리메이션 될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 VCSEL emitter(110) 중 하나에서 방출된 레이저 빔의 발산 각도는 복수 개의 마이크로 렌즈(211) 중 하나를 거친 후 감소될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 복수 개의 마이크로 렌즈는 굴절률 분포형 렌즈, 미소곡면 렌즈, 어레이 렌즈 및 프레넬 렌즈 등이 될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 복수 개의 마이크로 렌즈는 몰딩, 이온 교환, 확산 중합, 스퍼터링 및 에칭 등의 방법으로 제작될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 복수 개의 마이크로 렌즈는 그 직경이 130um 내지 150um 일 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 마이크로 렌즈의 직경은 140um일 수 있다. 또한, 복수 개의 마이크로 렌즈는 그 두께가 400um 내지 600um 일 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 마이크로 렌즈의 두께는 500um 일 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 콜리메이션 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 일 실시예에 따른 콜리메이션 컴포넌트(210)는 복수 개의 마이크로 렌즈(211) 및 기판(213)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 복수 개의 마이크로 렌즈(211)는 기판(213) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 마이크로 렌즈(211)는 기판(213)의 표면 및 배면 상에 배치될 수 있다. 이때, 기판(213)의 표면에 배치된 마이크로 렌즈(211)와 기판(213)의 배면에 배치된 마이크로 렌즈(211)의 광축(optical axis)은 일치될 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 콜리메이션 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 일 실시예에 따른 콜리메이션 컴포넌트는 메타표면(220, metasurface)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 메타표면(220)은 복수의 나노기둥(221)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노기둥(221)은 메타표면(220)의 일측면에 배치될 수 있다. 또한, 예를 들어, 복수의 나노기둥(221)은 메타표면(220)의 양면에 배치될 수 있다.
복수의 나노기둥(221)은 서브-파장(sub-wavelength)치수를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 나노기둥(221)사이의 간격은 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔의 파장보다 작을 수 있다. 또는, 나노기둥(221)의 폭, 직경 및 높이는 레이저 빔의 파장의 길이보다 작을 수 있다.
메타표면(220)은 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔의 위상을 조절함으로써 상기 레이저 빔을 굴절시킬 수 있다. 메타표면(220)은 레이저 출력부(100)로부터 다양한 방향으로 출력되는 레이저 빔을 굴절시킬 수 있다.
메타표면(220)은 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔을 콜리메이션 시킬 수 있다. 또한, 메타표면(220)은 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔의 발산각도를 줄일 수 있다. 예를 들어, 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔의 발산각도는 15도 내지 30도이고, 메타표면(220)을 거친 후의 레이저 빔의 발산각도는 0.4도 내지 1.8도일 수 있다.
메타표면(220)은 레이저 출력부(100)상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 메타표면(220)은 레이저 출력부(100)의 상기 출사면측에 배치될 수 있다.
또는, 메타표면(220)은 레이저 출력부(100)상에 증착될 수 있다. 복수의 나노기둥(221)은 레이저 출력부(100)의 상부에 형성될 수 있다. 상기 복수의 나노기둥(221)은 레이저 출력부(100)상에서 다양한 나노패턴을 형성할 수 있다.
나노기둥(221)은 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노기둥(221)은 원기둥, 다각기둥, 원뿔, 다각뿔 등의 형상을 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 나노기둥(221)은 불규칙적인 형상을 가질 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트(230)는 레이저 출력부(100)에서 방출된 레이저 빔이 향하는 방향에 배치될 수 있다. 스티어링 컴포넌트(230)는 레이저 빔이 향하는 방향을 조절할 수 있다. 스티어링 컴포넌트(230)는 레이저 광원의 광축과 레이저 빔이 이루는 각도를 조절할 수 있다.
예를 들어, 스티어링 컴포넌트(230)는 레이저 광원의 광축과 레이저 빔이 이루는 각도가 0도 내지 30도가 되도록 레이저 빔을 스티어링 할 수 있다. 또는, 예를 들어, 스티어링 컴포넌트(230)는 레이저 광원의 광축과 레이저 빔이 이루는 각도가 -30도 내지 0도가 되도록 레이저 빔을 스티어링 할 수 있다.
도 15 및 도 16은 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트(231)는 복수 개의 마이크로 렌즈(231) 및 기판(233)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 복수 개의 마이크로 렌즈(232)는 기판(233) 상에 배치될 수 있다. 복수 개의 마이크로 렌즈(232) 및 기판(233)은 복수 개의 VCSEL emitter(110)의 상부에 배치될 수 있다. 이때, 복수 개의 마이크로 렌즈(232) 중 하나는 복수 개의 VCSEL emitter(110) 중 하나에 대응되도록 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 복수 개의 마이크로 렌즈(232)는 복수 개의 VCSEL emitter(110)에서 방출된 레이저 빔을 스티어링 시킬 수 있다. 이때, 복수 개의 VCSEL emitter(110) 중 하나에서 방출된 레이저 빔은 복수 개의 마이크로 렌즈(232) 중 하나에 의해 스티어링 될 수 있다.
이때, 마이크로 렌즈(232)의 광축과 VCSEL emitter(110)의 광축은 일치하지 않을 수 있다. 예를 들어, 도 14를 참조하면, VCSEL emitter(110)의 광축이 마이크로 렌즈(232)의 광축보다 오른쪽에 있는 경우, VCSEL emitter(110)에서 방출되어 마이크로 렌즈(232)를 거친 레이저 빔은 왼쪽으로 향할 수 있다. 또한, 예를 들어, 도 15를 참조하면, VCSEL emitter(110)의 광축이 마이크로 렌즈(232)의 광축보다 왼쪽에 있는 경우, VCSEL emitter(110)에서 방출되어 마이크로 렌즈(232)를 거친 레이저 빔은 오른쪽으로 향할 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈(232)의 광축과 VCSEL emitter(110)의 광축 사이의 거리가 멀어질수록, 레이저 빔의 스티어링 정도가 커질 수 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈(232)의 광축과 VCSEL emitter(110)의 광축 사이의 거리가 1um인 경우보다 10um인 경우에 레이저 광원의 광축과 레이저 빔이 이루는 각도가 더 커질 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 17을 참조하면, 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트(234)는 복수 개의 마이크로 프리즘(235) 및 기판(236)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 복수 개의 마이크로 프리즘(235)은 기판(236) 상에 배치될 수 있다. 복수 개의 마이크로 프리즘(235) 및 기판(236)은 복수 개의 VCSEL emitter(110)의 상부에 배치될 수 있다. 이때, 복수 개의 마이크로 프리즘(235)은복수 개의 VCSEL emitter(110) 중 하나에 대응되도록 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 복수 개의 마이크로 프리즘(235)은 복수 개의 VCSEL emitter(110)에서 방출된 레이저 빔을 스티어링 시킬 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 마이크로 프리즘(235)은 레이저 광원의 광축과 레이저 빔이 이루는 각도를 변화시킬 수 있다.
이때, 마이크로 프리즘(235)의 각도가 작을수록, 레이저 광원의 광축과 레이저 빔이 이루는 각도가 증가한다. 예를 들어, 마이크로 프리즘(235)의 각도가 0.05도인 경우 레이저 빔이 35도 스티어링 되고, 마이크로 프리즘(235)의 각도가 0.25도인 경우, 레이저 빔이 15도 스티어링 된다.
또한, 일 실시예에 따른 복수 개의 마이크로 프리즘(235)은 Porro prism, Amici roof prism, Pentaprism, Dove prism, Retroreflector prism 등이 될 수 있다. 또한, 복수 개의 마이크로 프리즘(235)은 유리, 플라스틱 또는 형석 등으로 이루어질 수 있다. 또한, 복수 개의 마이크로 프리즘(235)은 몰딩, 에칭 등의 방법으로 제작될 수 있다.
이때, 마이크로 프리즘(235)의 표면을 폴리싱(polishing) 공정을 통해 매끄럽게 하여 표면 거칠기로 인한 난반사를 방지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 마이크로 프리즘(235)은 기판(236)의 양면에 배치될 수 있다. 예를 들어, 기판(236)의 제1 면에 배치된 마이크로 프리즘은 레이저 빔을 제1 축으로 스티어링 시키고, 기판(236)의 제2 면에 배치된 마이크로 프리즘은 레이저 빔을 제2 축으로 스티어링 시킬 수 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 18을 참조하면, 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트는 메타표면(240)을 포함할 수 있다.
메타표면(240)은 복수의 나노기둥(241)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노기둥(241)은 메타표면(240)의 일측면에 배치될 수 있다. 또한, 예를 들어, 복수의 나노기둥(241)은 메타표면(240)의 양면에 배치될 수 있다.
메타표면(240)은 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔의 위상을 조절함으로써 상기 레이저 빔을 굴절시킬 수 있다.
메타표면(240)은 레이저 출력부(100)상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 메타표면(240)은 레이저 출력부(100)의 상기 출사면측에 배치될 수 있다.
또는, 메타표면(240)은 레이저 출력부(100)상에 증착될 수 있다. 복수의 나노기둥(241)은 레이저 출력부(100)의 상부에 형성될 수 있다. 상기 복수의 나노기둥(241)은 레이저 출력부(100)상에서 다양한 나노패턴을 형성할 수 있다.
나노기둥(241)은 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노기둥(241)은 원기둥, 다각기둥, 원뿔, 다각뿔 등의 형상을 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 나노기둥(241)은 불규칙적인 형상을 가질 수 있다.
복수의 나노기둥(241)은 다양한 나노패턴을 형성할 수 있다. 메타표면(240)은 상기 나노패턴에 기초하여 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔을 스티어링할 수 있다.
나노기둥(241)은 다양한 특성에 기초하여 나노패턴을 형성할 수 있다. 상기 특성은 나노기둥(241)의 폭(Width, 이하 W), 간격(Pitch, 이하 P), 높이(Height, 이하 H) 및 단위 길이 당 개수를 포함할 수 있다.
이하에서는, 다양한 특성에 기초하여 형성되는 나노패턴 및 그에 따른 레이저 빔의 스티어링에 대하여 설명한다.
도 19는 일 실시예에 따른 메타표면을 설명하기 위한 도면이다.
도 19를 참조하면, 일 실시예에 따른 메타표면(240)은 폭(W)이 상이한 복수 개의 나노기둥(241)을 포함할 수 있다.
복수의 나노기둥(241)은 그 폭(W)에 기초하여 나노패턴을 형성할 수 있다. 예를 들면, 복수의 나노기둥(241)은 일 방향으로 갈수록 그 폭(W1, W2, W3)이 증가하도록 배치될 수 있다. 이때, 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔은 나노기둥(241)의 폭(W)이 증가하는 방향으로 스티어링될 수 있다.
예를 들어, 메타표면(240)은 제1 폭(W1)을 갖는 제1 나노기둥(243), 제2 폭(W2)을 갖는 제2 나노기둥(245), 제3 폭(W3)을 갖는 제3 나노기둥(247)을 포함할 수 있다. 제1 폭(W1)은 제2 폭(W2) 및 제3 폭(W3)보다 클 수 있다. 제2 폭(W2)은 제3 폭(W3)보다 클 수 있다. 즉, 제1 나노기둥(243)으로부터 제3 나노기둥(247) 측으로 갈수록 나노기둥(241)의 폭(W)이 감소할 수 있다. 이때, 레이저 출력부(100)로부터 출사된 레이저 빔이 메타표면(240)을 거칠 경우, 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 제1 방향과 제3 나노기둥(247)으로부터 제1 나노기둥(243)으로의 방향인 제2 방향의 사이 방향으로 스티어링될 수 있다.
한편, 상기 레이저 빔의 스티어링 각도(θ)는 나노기둥(241)의 폭(W)의 증감률에 따라 달라질 수 있다. 여기서 나노기둥(241)의 폭(W)의 증감률이란 인접한 복수의 나노기둥(241)의 폭(W)의 증감 정도를 평균적으로 나타낸 수치를 의미할 수 있다.
제1 폭(W1)과 제2 폭(W2)의 차이 및 제2 폭(W2)과 제3 폭(W3)의 차이에 기초하여 나노기둥(241)의 폭(W)의 증감률이 산출될 수 있다.
제1 폭(W1)과 제2 폭(W2)의 차이는 제2 폭(W2)과 제3 폭(W3)의 차이와 다를 수 있다.
레이저 빔의 스티어링 각도(θ)는 나노기둥(241)의 폭(W)에 따라 달리질 수 있다.
구체적으로, 상기 스티어링 각도(θ)는 나노기둥(241)의 폭(W)의 증감률이 증가할수록 커질 수 있다.
예를 들어, 나노기둥(241)은 그 폭(W)에 기초하여 제1 증감률을 가지는 제1 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 나노기둥(241)은 그 폭(W)에 기초하여 상기 제1 증감률보다 작은 제2 증감률을 가지는 제2 패턴을 형성할 수 있다.
이때, 상기 제1 패턴에 의한 제1 스티어링 각도는, 상기 제2 패턴에 의한 제2 스티어링 각도보다 클 수 있다.
한편, 상기 스티어링 각도(θ)의 범위는 -90도에서 90도일 수 있다.
도 20은 일 실시예에 따른 메타표면을 설명하기 위한 도면이다.
도 20을 참조하면, 일 실시예에 따른 메타표면(240)은 인접한 나노기둥(241) 사이의 간격(P)이 상이한 복수 개의 나노기둥(241)을 포함할 수 있다.
복수의 나노기둥(241)은 인접한 나노기둥(241) 사이의 간격(P)의 변화에 기초하여 나노패턴을 형성할 수 있다. 메타표면(240)은 나노기둥(241) 사이의 간격(P)의 변화에 기초하여 형성되는 나노패턴에 기초하여 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔을 스티어링할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 나노기둥(241) 사이의 간격(P)은 일 방향으로 갈수록 작아질 수 있다. 여기서, 상기 간격(P)이란 인접한 두 나노기둥(241)의 중심간의 거리를 의미할 수 있다. 예컨대, 제1 간격(P1)은 제1 나노기둥(243)의 중심과 제2 나노기둥(245)의 중심간의 거리로 정의될 수 있다. 또는, 제1 간격(P1)은 제1 나노기둥(243)과 제2 나노기둥(245)의 최단거리로 정의될 수 있다.
레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔은 상기 나노기둥(241) 사이의 간격(P)이 작아지는 방향으로 스티어링될 수 있다.
메타표면(240)은 제1 나노기둥(243), 제2 나노기둥(245) 및 제3 나노기둥(247)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 나노기둥(243) 및 제2 나노기둥(245) 사이의 거리에 기초하여 제1 간격(P1)이 획득될 수 있다. 마찬가지로, 제2 나노기둥(245) 및 제3 나노기둥(247) 사이의 거리에 기초하여 제2 간격(P2)이 획득될 수 있다. 이때, 제1 간격(P1)은 제2 간격(P2)보다 작을 수 있다. 즉, 제1 나노기둥(243)으로부터 제3 나노기둥(247) 측으로 갈수록 상기 간격(P)이 커질 수 있다.
이때, 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔이 메타표면(240)을 거지는 경우, 상기 레이저 빔은 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 제1 방향과 제3 나노기둥(247)으로부터 제1 나노기둥(243)으로의 방향인 제1 방향의 사이 방향으로 스티어링될 수 있다.
상기 레이저 빔의 스티어링 각도(θ)는 나노기둥(241) 사이의 간격(P)에 따라 달라질 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저 빔의 스티어링 각도(θ)는 나노기둥(241) 사이의 간격(P)의 증감률에 따라 달라질 수 있다. 여기서, 나노기둥(241) 사이의 간격(P)의 증감률이란 인접한 나노기둥(241) 사이의 간격(P)의 변화 정도를 평균적으로 나타낸 수치를 의미할 수 있다.
상기 레이저 빔의 스티어링 각도(θ)는 나노기둥(241) 사이의 간격(P)의 증감률이 증가할수록 커질 수 있다.
예를 들어, 나노기둥(241)은 그 간격(P)에 기초하여 제1 증감률을 가지는 제1 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 나노기둥(241)은 그 간격(P)에 기초하여 제2 증감률을 가지는 제2 패턴을 형성할 수 있다.
이때, 상기 제1 패턴에 의한 제1 스티어링각도는, 상기 제2 패턴에 의한 제2 스티어링각도보다 클 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 나노기둥(241)의 간격(P)의 변화에 따른 레이저 빔의 스티어링 원리는 단위 길이 당 나노기둥(241)의 개수가 변하는 경우에도 유사하게 적용될 수 있다.
예를 들어, 단위 길이 당 나노기둥(241)의 개수가 변하는 경우, 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔은, 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 제1 방향과 단위 길이 당 나노기둥(241)의 개수가 증가하는 제2 방향의 사이 방향으로 스티어링될 수 있다.
도 21은 일 실시예에 따른 메타표면을 설명하기 위한 도면이다.
도 21을 참조하면, 일 실시예에 따른 메타표면(240)은 나노기둥(241)의 높이(H)가 상이한 복수 개의 나노기둥(241)을 포함할 수 있다.
복수의 나노기둥(241)은 나노기둥(241)의 높이(H)의 변화에 기초하여 나노패턴을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복수의 나노기둥(241)의 높이(H1, H2, H3)는 일 방향으로 갈수록 증가할 수 있다. 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔은 상기 나노기둥(241)의 높이(H)가 증가하는 방향으로 스티어링될 수 있다.
예를 들어, 메타표면(240)은 제1 높이(H1)를 갖는 제1 나노기둥(243), 제2 높이(H2)를 갖는 제2 나노기둥(245) 및 제3 높이(H3)를 갖는 제3 나노기둥(247)을 포함할 수 있다. 제3 높이(H3)은 제1 높이(H1) 및 제2 높이(H2)보다 클 수 있다. 제2 높이(H2)는 제1 높이(H1)보다 클 수 있다. 즉, 제1 나노기둥(243)으로부터 제3 나노기둥(247) 측으로 갈수록 나노기둥(241)의 높이(H)가 증가할 수 있다. 이때, 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔이 메타표면(240)을 거치는 경우, 상기 레이저 빔은 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 제1 방향과 제1 나노기둥(243)으로부터 제3 나노기둥(247)으로의 방향인 제2 방향의 사이 방향으로 스티어링될 수 있다.
상기 레이저 빔의 스티어링 각도(θ)는 나노기둥(241)의 높이(H)에 따라 달라질 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저 빔의 스티어링 각도(θ)는 나노기둥(241)의 높이(H)의 증감률에 따라 달라질 수 있다. 여기서, 나노기둥(241)의 높이(H)의 증감률이란 인접한 나노기둥(241)의 높이(H) 변화 정도를 평균적으로 나타낸 수치를 의미할 수 있다.
제1 높이(H1)와 제2 높이(H2)의 차이 및 제2 높이(H2)와 제3 높이(H3)의 차이에 기초하여 나노기둥(241)의 높이(H)의 증감률이 산출될 수 있다. 제1 높이(H1)와 제2 높이(H2)의 차이는 제2 높이(H3)와 제3 높이(H3)의 차이와 다를 수 있다.
상기 레이저 빔의 스티어링 각도(θ)는 나노기둥(241)의 높이(H)의 증감률이 증가할수록 커질 수 있다.
예를 들어, 나노기둥(241)은 그 높이(H)에 기초하여 제1 증감률을 가지는 제1 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 나노기둥(241)은 그 높이(H)에 기초하여 제2 증감률을 가지는 제2 패턴을 형성할 수 있다.
이때, 상기 제1 패턴에 의한 제1 스티어링각도는, 상기 제2 패턴에 의한 제2 스티어링각도보다 클 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스티어링 컴포넌트(230)는 레이저 빔을 반사하는 미러를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스티어링 컴포넌트(230)는 평면 미러, 다면 미러, 레조넌트 미러(resonant mirror), 멤스 미러(MEMS mirror) 및 갈바노 미러(galvano mirror)를 포함할 수 있다.
또는, 스티어링 컴포넌트(230)는 일 축을 따라 360도 회전하는 다면 미러(polygonal mirror) 및 일 축을 따라 기 설정된 범위에서 반복 구동하는 노딩 미러(nodding mirror)를 포함할 수 있다.
도 22는 일 실시예에 따른 스티어링 컴포넌트인 다면 미러를 설명하기 위한 도면이다.
도 22를 참조하면, 일 실시예에 따른 회전 다면 미러(600)는 반사면(620), 및 몸체를 포함할 수 있으며, 상기 몸체의 상부(615)와 하부(610)를 중심을 수직으로 관통하는 회전축(630)을 중심으로 회전할 수 있다. 다만 상기 회전 다면 미러(600)는 상술한 구성 중 일부만으로 구성될 수 있으며, 더 많은 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 회전 다면 미러(600)는 반사면(620) 및 몸체를 포함할 수 있으며, 상기 몸체는 하부(610)만으로 구성 될 수 있다. 이 때 상기 반사면(620)은 상기 몸체의 하부(610)에 지지될 수 있다.
상기 반사면(620)은 전달받은 레이저를 반사하기 위한 면으로 반사 미러, 반사 가능한 플라스틱 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 반사면(620)은 상기 몸체의 상부(610) 및 하부(615)를 제외한 옆면에 설치될 수 있으며, 상기 회전축(630)과 상기 각 반사면(620)의 법선이 직교하도록 설치될 수 있다. 이는 상기 각 반사면(620)에서 조사되는 레이저의 스캔영역을 동일하게 하여 동일한 스캔영역을 반복적으로 스캔 하기 위함일 수 있다.
또한 상기 반사면(620)은 상기 몸체의 상부(610) 및 하부(615)를 제외한 옆면에 설치될 수 있으며, 상기 각 반사면(620)의 법선이 상기 회전축(630)과 각각 상이한 각도를 가지도록 설치될 수 있다. 이는 상기 각 반사면(620)에서 조사되는 레이저의 스캔영역을 상이하게 하여 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키기 위함일 수 있다.
또한 상기 반사면(620)은 직사각형 형태일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 삼각형, 사다리꼴 등 다양한 형태일 수 있다.
또한 상기 몸체는 상기 반사면(620)을 지지하기 위한 것으로 상부(615), 하부(610) 및 상부(615)와 하부(610)를 연결하는 기둥(612)을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 기둥(612)은 상기 몸체의 상부(615) 및 하부(610)의 중심을 연결하도록 설치될 수 있으며, 상기 몸체의 상부(615) 및 하부(610)의 각 꼭지점을 연결하도록 설치될 수도 있고, 상기 몸체의 상부(615) 및 하부(610)의 각 모서리를 연결하도록 설치될 수도 있으나, 상기 몸체의 상부(615) 및 하부(610)를 연결하여 지지하기 위한 구조에 한정은 없다.
또한 상기 몸체는 회전하기 위한 구동력을 전달받기 위해서 구동부(640)에 체결될 수 있으며, 상기 몸체의 하부(610)를 통하여 구동부(640)에 체결될 수도 있고, 상기 몸체의 상부(615)를 통하여 구동부(640)에 체결될 수도 있다.
또한 상기 몸체의 상부(615) 및 하부(610)는 다각형의 형태일 수 있다. 이 때, 상기 몸체의 상부(615)와 상기 몸체의 하부(610)의 형태는 동일할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 몸체의 상부(615)와 상기 몸체의 하부(610)의 형태가 서로 상이할 수도 있다.
또한 상기 몸체의 상부(615) 및 하부(610)는 크기가 동일할 수 있다. 다만 이에 한정되지 않고 상기 몸체의 상부(615)와 상기 몸체의 하부(610)의 크기가 서로 상이할 수도 있다.
또한 상기 몸체의 상부(615) 및/또는 하부(610)는 공기가 지나다닐 수 있는 빈 공간을 포함할 수 있다.
도 22에서는 상기 회전 다면 미러(600)가 4개의 반사면(620)을 포함하는 4각 기둥 형태의 육면체로 설명이 되어 있으나, 상기 회전 다면 미러(600)의 반사면(620)이 반드시 4개인 것은 아니며, 반드시 4각 기둥 형태의 6면체인 것은 아니다.
또한 상기 회전 다면 미러(600)의 회전 각도를 탐지하기 위하여, 라이다 장치는 인코더부를 더 포함할 수 있다. 또한 라이다 장치는 상기 탐지된 회전 각도를 이용하여 상기 회전 다면 미러(600)의 동작을 제어할 수 있다. 이 때, 상기 인코더부는 상기 회전 다면 미러(600)에 포함될 수도 있고, 상기 회전 다면 미러(600)와 이격되어 배치될 수도 있다.
라이다 장치는 그 용도에 따라 요구되는 시야각(FOV)이 다를 수 있다. 예를 들어, 3차원 지도(3D Mapping)을 위한 고정형 라이다 장치의 경우는 수직, 수평방향으로 최대한 넓은 시야각을 요구할 수 있으며, 차량에 배치되는 라이다 장치의 경우는 수평방향으로 상대적으로 넓은 시야각에 비해 수직방향으로 상대적으로 좁은 시야각을 요구할 수 있다. 또한 드론(Dron)에 배치되는 라이다의 경우는 수직, 수평방향으로 최대한 넓은 시야각을 요구 할 수 있다.
또한 라이다 장치의 스캔영역은 회전 다면 미러의 반사면의 수에 기초하여 결정될 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치의 시야각이 결정될 수 있다. 따라서 요구되는 라이다 장치의 시야각에 기초하여 회전 다면 미러의 반사면의 수를 결정 할 수 있다.
도 23 내지 도 25는 반사면의 수와 시야각의 관계에 대하여 설명하는 도면이다.
도 23 내지 도 25에는 반사면이 3개, 4개, 5개인 경우에 대하여 설명하나, 상기 반사면의 수는 정해져 있지 않으며, 반사면의 수가 다른 경우 이하 설명을 유추하여 손쉽게 계산할 수 있을 것이다. 또한 도 22 내지 도 24에는 몸체의 상부 및 하부가 정다각형인 경우에 대하여 설명하나, 몸체의 상부 및 하부가 정다각형이 아닌 경우에도 이하 설명을 유추하여 손쉽게 계산할 수 있다.
도 23은 상기 반사면의 수가 3개이며 상기 몸체의 상부 및 하부가 정삼각형 형태인 회전 다면 미러(650)의 시야각에 대하여 설명하기 위한 상면도이다.
도 23을 참조하면, 레이저(653)는 상기 회전 다면 미러(650)의 회전축(651)과 일치하는 방향으로 입사될 수 있다. 여기서, 상기 회전 다면 미러(650)의 상부는 정삼각형 형태이므로 3개의 반사면이 이루는 각도는 각 60도 일 수 있다. 그리고 도 23을 참조하면, 상기 회전 다면 미러(650)가 시계방향으로 조금 회전하여 위치하는 경우 상기 레이저는 도면상에서 위쪽부분으로 반사되며, 상기 회전 다면 미러가 반시계 방향으로 조금 회전하여 위치하는 경우 상기 레이저는 도면상에서 아래쪽부분으로 반사될 수 있다. 따라서 도 23을 참조하여 반사되는 레이저의 경로를 계산하면 상기 회전 다면 미러의 최대 시야각을 알 수 있다.
예를 들어, 상기 회전 다면 미러(650)의 1번 반사면을 통하여 반사되는 경우, 반사된 레이저는 상기 입사된 레이저(653)와 위쪽으로 120도의 각도로 반사될 수 있다. 또한 상기 회전 다면 미러의 3번 반사면을 통하여 반사되는 경우, 반사된 레이저는 상기 입사된 레이저와 아래쪽으로 120도의 각도로 반사될 수 있다.
따라서 상기 회전 다면 미러(650)의 상기 반사면의 수가 3개이며, 상기 몸체의 상부 및 하부가 정삼각형 형태인 경우, 상기 회전 다면 미러의 최대 시야각은 240도 일 수 있다.
도 24는 상기 반사면의 수가 4개이며 상기 몸체의 상부 및 하부가 정사각형 형태인 회전 다면 미러의 시야각에 대하여 설명하기 위한 상면도이다.
도 24를 참조하면, 레이저(663)는 상기 회전 다면 미러(660)의 회전축(661)과 일치하는 방향으로 입사될 수 있다. 여기서, 상기 회전 다면 미러(660)의 상부는 정사각형 형태 이므로 4개의 반사면이 이루는 각도는 각 90도 일 수 있다. 그리고 도 24를 참조하면 상기 회전 다면 미러(660)가 시계방향으로 조금 회전하여 위치하는 경우 상기 레이저는 도면상에서 위쪽부분으로 반사되며, 상기 회전 다면 미러(660)가 반시계 방향으로 조금 회전하여 위치하는 경우 상기 레이저는 도면상에서 아래쪽부분으로 반사될 수 있다. 따라서 도 24를 참조하여 반사되는 레이저의 경로를 계산하면 상기 회전 다면 미러(660)의 최대 시야각을 알 수 있다.
예를 들어, 상기 회전 다면 미러(660)의 1번 반사면을 통하여 반사되는 경우, 반사된 레이저는 상기 입사된 레이저(663)와 위쪽으로 90도의 각도로 반사될 수 있다. 또한 상기 회전 다면 미러(660)의 4번 반사면을 통하여 반사되는 경우, 반사된 레이저는 상기 입사된 레이저(663)와 아래쪽으로 90도의 각도로 반사될 수 있다.
따라서 상기 회전 다면 미러(660)의 상기 반사면의 수가 4개이며, 상기 몸체의 상부 및 하부가 정사각형 형태인 경우, 상기 회전 다면 미러(660)의 최대 시야각은 180도 일 수 있다.
도 24는 상기 반사면의 수가 5개이며 상기 몸체의 상부 및 하부가 정오각형 형태인 회전 다면 미러의 시야각에 대하여 설명하기 위한 상면도이다.
도 24를 참조하면, 레이저(673)는 상기 회전 다면 미러(670)의 회전축(671)과 일치하는 방향으로 입사될 수 있다. 여기서, 상기 회전 다면 미러(670)의 상부는 정오각형 형태 이므로 5개의 반사면이 이루는 각도는 각 108도 일 수 있다. 그리고 도 24를 참조하면, 상기 회전 다면 미러(670)가 시계방향으로 조금 회전하여 위치하는 경우 상기 레이저는 도면상에서 위쪽부분으로 반사되며, 상기 회전 다면 미러(670)가 반시계 방향으로 조금 회전하여 위치하는 경우 상기 레이저는 도면상에서 아래쪽부분으로 반사될 수 있다. 따라서 도 24를 참조하여 반사되는 레이저의 경로를 계산하면 상기 회전 다면 미러의 최대 시야각을 알 수 있다.
예를 들어, 상기 회전 다면 미러(670)의 1번 반사면을 통하여 반사되는 경우, 반사된 레이저는 상기 입사된 레이저(673)와 위쪽으로 72도의 각도로 반사될 수 있다. 또한 상기 회전 다면 미러(670)의 5번 반사면을 통하여 반사되는 경우, 반사된 레이저는 상기 입사된 레이저(673)와 아래쪽으로 72도의 각도로 반사될 수 있다.
따라서 상기 회전 다면 미러(670)의 상기 반사면의 수가 5개이며, 상기 몸체의 상부 및 하부가 정오각형 형태인 경우, 상기 회전 다면 미러의 최대 시야각은 144도 일 수 있다.
결과적으로 상술한 도 23 내지 도 25를 참조하면, 상기 회전 다면 미러의 반사면의 수가 N개이고, 상기 몸체의 상부 및 하부가 N각형인 경우, 상기 N각형의 내각을 세타라 하면, 상기 회전 다면 미러의 최대 시야각은 360도-2세타가 될 수 있다.
다만, 상술한 상기 회전 다면 미러의 시야각은 최대값을 계산한 것일 뿐이므로 라이다 장치에서 상기 회전 다면 미러에 의해 결정되는 시야각은 상기 계산한 최대값보다 작을 수 있다. 또한 이 때 라이다 장치는 상기 회전 다면 미러의 각 반사면의 일부분만을 스캐닝에 이용할 수 있다.
라이다 장치의 스캐닝부가 회전 다면 미러를 포함하는 경우 회전 다면 미러는 레이저 출력부에서 출사된 레이저를 라이다 장치의 스캔영역을 향해 조사하기 위해 이용될 수 있으며, 스캔영역상에 존재하는 대상체로부터 반사된 레이저를 센서부로 수광시키기 위해 이용될 수 있다.
여기서 출사된 레이저를 라이다 장치의 스캔영역으로 조사하기 위해 이용되는 회전 다면 미러의 각 반사면의 일 부분을 조사부분으로 지칭하기로 한다. 또한 스캔영역상에 존재하는 대상체로부터 반사된 레이저를 센서부로 수광시키기 위한 회전 다면 미러의 각 반사면의 일 부분을 수광부분으로 지칭하기로 한다.
도 26은 일 실시예에 따른 회전 다면 미러의 조사부분 및 수광부분을 설명하기 위한 도면이다.
도 26을 참조하면, 레이저 출력부(100)에서 출사된 레이저는 점 형태의 조사영역을 가질 수 있으며, 회전 다면 미러(700)의 반사면에 입사될 수 있다. 다만, 도 26에는 표현되지 않았으나, 상기 레이저 출력부(100)에서 출사된 레이저는 선 또는 면 형태의 조사영역을 가질 수 있다.
상기 레이저 출력부(100)에서 출사된 레이저가 점 형태의 조사영역을 갖는 경우, 상기 회전 다면 미러(700)에서 조사부분(720)은 상기 출사된 레이저가 상기 회전 다면 미러와 만나는 점을 상기 회전 다면 미러의 회전방향으로 이은 선 형태가 될 수 있다. 따라서 이 경우 상기 회전 다면 미러(700)의 조사부분(720)은 각 반사면에 상기 회전 다면 미러(700)의 회전축(710)과 수직한 방향의 선 형태로 위치할 수 있다.
또한 상기 회전 다면 미러(700)의 조사부분(720)에서 조사되어, 라이다 장치(1000)의 스캔영역(510)으로 조사된 레이저는 상기 스캔영역(510)상에 존재하는 대상체로(500)부터 반사될 수 있으며, 상기 대상체(500)로부터 반사된 레이저(735)는 조사된 레이저(725)보다 큰 범위에서 반사될 수 있다. 따라서 상기 대상체(500)로부터 반사된 레이저(735)는 조사된 레이저와 평행하며, 더 넓은 범위로 라이다 장치(1000)로 수광 될 수 있다.
이 때, 상기 대상체(500)로부터 반사된 레이저(735)는 상기 회전 다면 미러(700)의 반사면의 크기보다 크게 전달될 수 있다. 그러나 상기 회전 다면 미러(700)의 수광부분(730)은 상기 대상체(500)로부터 반사된 레이저(735)를 센서부(300)로 수광시키기 위한 부분으로 상기 회전 다면 미러(700)의 반사면의 크기보다 작은 상기 반사면의 일 부분일 수 있다.
예를 들어, 도 26에서 표현된 바와 같이 상기 대상체(500)로부터 반사된 레이저(735)가 상기 회전 다면 미러(700)를 통해서 센서부(300)를 향해 전달되는 경우 상기 회전 다면 미러(700)의 반사면 중 상기 센서부(300)를 향해 전달되도록 반사하는 부분이 수광부분(730)이 될 수 있다. 따라서 상기 회전 다면 미러(700)의 수광부분(730)은 상기 반사면 중 상기 센서부(300)를 향해 전달되도록 반사하는 일 부분을 상기 회전 다면 미러(700)의 회전방향으로 연장시킨 부분일 수 있다.
또한 상기 회전 다면 미러(700)와 상기 센서부(300) 사이에 집광렌즈를 더 포함하는 경우, 상기 회전 다면 미러(700)의 수광부분(730)은 상기 반사면 중 상기 집광렌즈를 향해 전달되도록 반사하는 일 부분을 상기 회전 다면 미러(700)의 회전방향으로 연장시킨 부분일 수 있다.
다만 도 26에서는 상기 회전 다면 미러(700)의 조사부분(720)과 수광부분(730)을 이격되어 있는 것처럼 설명하였으나, 상기 회전 다면 미러(1550)의 조사부분(720)과 수광부분(730)은 일부가 겹칠 수도 있으며, 상기 조사부분(720)이 상기 수광부분(730)의 내부에 포함 될 수도 있다.
또한 일 실시예에 따르면, 스티어링 컴포넌트(230)는 출사된 레이저의 위상을 변화시키고 이를 통하여 조사 방향을 변경하기 위하여 OPA(Optical phased array)등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따른 라이다 장치는 레이저 출력부에서 방출되는 레이저 빔을 대상체로 향하게 하는 옵틱부를 포함할 수 있다.
상기 옵틱부는 레이저 출력부에서 방출되는 레이저 빔을 콜리메이션 시키고 스티어링 시키는 BCSC(Beam Collimation and Steering Component)를 포함할 수 있다. 상기 BCSC는 하나의 컴포넌트로 구성될 수도 있고, 복수개의 컴포넌트로 구성될 수도 있다.
도 27은 일 실시예에 따른 옵틱부를 설명하기 위한 도면이다.
도 27을 참조하면, 일 실시예에 따른 옵틱부는 복수 개의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 콜리메이션 컴포넌트(210) 및 스티어링 컴포넌트(230)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 콜리메이션 컴포넌트(210)는 레이저 출력부(100)에서 방출된 빔을 콜리메이션 시키는 역할을 수행할 수 있고, 스티어링 컴포넌트(230)는 콜리메이션 컴포넌트(210)에서 방출된 콜리메이션된 빔을 스티어링 시키는 역할을 수행할 수 있다. 결과적으로, 옵틱부에서 방출되는 레이저 빔은 미리 정해진 방향으로 향하게 될 수 있다.
콜리메이션 컴포넌트(210)는 마이크로 렌즈가 될 수도 있고, 메타표면이 될 수도 있다.
콜리메이션 컴포넌트(210)가 마이크로 렌즈인 경우, 기판의 한쪽 면에 마이크로 렌즈 어레이가 배치될 수도 있고, 기판의 양면에 마이크로 렌즈 어레이가 배치될 수도 있다.
콜리메이션 컴포넌트(210)가 메타표면인 경우, 메타표면에 포함된 복수의 나노기둥에 의해 형성된 나노패턴에 의해 레이저 빔이 콜리메이션될 수 있다.
스티어링 컴포넌트(230)는 마이크로 렌즈가 될 수도 있고, 마이크로 프리즘이 될 수도 있고, 메타표면이 될 수도 있다.
스티어링 컴포넌트(230)가 마이크로 렌즈인 경우, 기판의 한쪽 면에 마이크로 렌즈 어레이가 배치될 수도 있고, 기판의 양면에 마이크로 렌즈 어레이가 배치될 수도 있다.
스티어링 컴포넌트(230)가 마이크로 프리즘인 경우, 마이크로 프리즘의 각도에 의해 스티어링 시킬 수 있다.
스티어링 컴포넌트(230)가 메타표면인 경우, 메타표면에 포함된 복수의 나노기둥에 의해 형성된 나노패턴에 의해 레이저 빔이 스티어링될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 옵틱부가 복수개의 컴포넌트를 포함하는 경우, 복수개의 컴포넌트들 사이에 올바른 배치가 필요할 수 있다. 이때, 얼라인(alignment) 마크(mark)를 통해 콜리메이션 컴포넌트와 스티어링 컴포넌트를 올바르게 배치할 수 있다. 또한, 얼라인(alignment) 마크(mark)를 통해 PCB(Printed Circuit Board), VCSEL array, 콜리메이션 컴포넌트 및 스티어링 컴포넌트를 올바르게 배치할 수 있다.
예를 들어, VCSEL array에 포함된 VCSEL unit들 사이 또는 VCSEL array의 엣지 부분에 얼라인 마크를 삽입하여 VCSEL array와 콜리메이션 컴포넌트를 올바르게 배치할 수 있다.
또한 예를 들어, 콜리메이션 컴포넌트의 사이 또는 엣지 부분에 얼라인 마크를 삽입하여 콜리메이션 컴포넌트와 스티어링 컴포넌트를 올바르게 배치할 수 있다.
도 28은 일 실시예에 따른 옵틱부를 설명하기 위한 도면이다.
도 28을 참조하면, 일 실시예에 따른 옵틱부는 하나의 단일 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메타 컴포넌트(270)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 메타 컴포넌트(270)는 레이저 출력부(100)에서 출사되는 레이저 빔을 콜리메이션 시킬 수도 있고, 스티어링 시킬 수도 있다.
예를 들어, 메타 컴포넌트(270)는 복수 개의 메타표면을 포함하여, 하나의 메타표면에서는 레이저 출력부(100)에서 출사되는 레이저 빔을 콜리메이션 시키고, 다른 하나의 메타표면에서는 콜리메이션된 레이저 빔을 스티어링시킬 수 있다. 이하의 도 29에서 구체적으로 설명한다.
또는 예를 들어, 메타 컴포넌트(270)는 하나의 메타표면을 포함하여 레이저 출력부(100)에서 출사되는 레이저 빔을 콜리메이션 시키고, 스티어링시킬 수 있다. 이하의 도 24에서 구체적으로 설명한다.
도 29는 일 실시예에 따른 메타 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 29를 참조하면, 일 실시예에 따른 메타 컴포넌트(270)는 복수 개의 메타표면(271, 273)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 메타표면(271) 및 제2 메타표면(273)을 포함할 수 있다.
제1 메타표면(271)은 레이저 출력부(100)에서 레이저 빔이 출사되는 방향에 배치될 수 있다. 제1 메타표면(271)은 복수 개의 나노기둥을 포함할 수 있다. 제1 메타표면은 복수 개의 나노기둥에 의해 나노패턴을 형성할 수 있다. 제1 메타표면(271)은 상기 형성된 나노패턴에 의해 레이저 출력부(100)에서 출사되는 레이저 빔을 콜리메이션시킬 수 있다.
제2 메타표면(273)은 제1 메타표면(271)에서 레이저 빔이 출력되는 방향에 배치될 수 있다. 제2 메타표면(273)은 복수 개의 나노기둥을 포함할 수 있다. 제2 메타표면(273)은 복수 개의 나노기둥에 의해 나노패턴을 형성할 수 있다. 제2 메타표면(273)은 상기 형성된 나노패턴에 의해 레이저 출력부(100)에서 출사되는 레이저 빔을 스티어링시킬 수 있다. 예를 들어, 도 24에 도시된 바와 같이, 복수 개의 나노기둥의 폭(W)의 증감률에 의해 레이저 빔을 특정 방향으로 스티어링시킬 수 있다. 또한, 복수 개의 나노기둥들의 간격(P), 높이(H) 및 단위 길이 당 개수 등에 의해 레이저 빔을 특정 방향으로 스티어링시킬 수 있다.
도 30은 다른 일 실시예에 따른 메타 컴포넌트를 설명하기 위한 도면이다.
도 30을 참조하면, 일 실시예에 따른 메타 컴포넌트(270)는 하나의 메타표면(274)을 포함할 수 있다.
메타표면(275)은 양면에 복수의 나노기둥을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메타표면(275)은 제1 면에 제1 나노기둥세트(276)를 포함하고, 제2 면에 제2 나노기둥세트(278)를 포함할 수 있다.
메타표면(275)은 양면에 각각의 나노패턴을 형성하는 복수의 나노기둥에 의해, 레이저 출력부(100)에서 출사되는 레이저 빔을 콜리메이션 시킨 후 스티어링시킬 수 있다.
예를 들어, 메타표면(275)의 일측에 배치된 제1 나노기둥세트(276)는 나노패턴을 형성할 수 있다. 제1 나노기둥세트(276)에 의해 형성된 상기 나노패턴에 의해 레이저 출력부(100)에서 출사되는 레이저 빔을 콜리메이션시킬 수 있다. 메타표면(275)의 타측에 배치된 제2 나노기둥세트(278)는 나노패턴을 형성할 수 있다. 제2 나노기둥세트(278)에 의해 형성된 상기 나노패턴에 의해 제1 나노기둥(276)을 거친 레이저 빔이 특정 방향으로 스티어링될 수 있다.
도 31은 일 실시예에 따른 SPAD 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 31을 참조하면, 일 실시예에 따른 센서부(300)는 SPAD 어레이(750)를 포함할 수 있다. 도 31은 8X8 SPAD 어레이를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고, 10X10, 12X12, 24X24, 64X64 등이 될 수 있다.
일 실시예에 따른 SPAD 어레이(750)는 복수의 SPAD(751)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수의 SPAD(751)은 매트릭스 구조로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 원형, 타원형, 허니콤 구조 등으로 배치될 수 있다.
SPAD 어레이(750)에 레이저 빔이 입사되면, 아발란치(avalanche) 현상에 의해 광자를 디텍팅(detecting)할 수 있다. 일 실시예에 따르면, SPAD 어레이(750)에 의한 결과를 히스토그램(histogram)의 형태로 축적할 수 있다.
도 32는 일 실시예에 따른 SPAD의 히스토그램을 설명하기 위한 도면이다.
도 32를 참조하면, 일 실시예에 따른 SPAD(751)는 광자를 디텍팅할 수 있다. SPAD(751)가 광자를 디텍팅할 경우, 신호(766, 767)가 생성될 수 있다.
SPAD(751)가 광자를 디텍팅한 후, 다시 광자를 디텍팅할 수 있는 상태로 되돌아가기까지 회복 시간(recovery time)이 필요할 수 있다. SPAD(751)가 광자를 디텍팅한 후 회복 시간이 지나지 않은 경우, 이때 광자가 SPAD(751)에 입사가 되더라도, SPAD(751)는 광자를 디텍팅할 수 없게 된다. 따라서, SPAD(751)의 레졸루션(resolution)은 회복 시간에 의해 정해질 수 있다.
일 실시예에 따르면, SPAD(751)는 레이저 출력부에서 레이저 빔이 출력되고 나서 일정 시간동안 광자를 디텍팅할 수 있다. 이때, SPAD(751)는 일정 기간의 사이클동안 광자를 디텍팅할 수 있다. 예를 들어, SPAD(751)는 사이클동안 SPAD(751)의 타임 레졸루션(time resolution)에 따라 광자를 여러 번 디텍팅할 수 있다. 이때, SPAD(751)의 타임 레졸루션은 SPAD(751)의 회복 시간에 의해 정해질 수 있다.
일 실시예에 따르면, SPAD(751)는 대상체에서 반사된 광자 및 이외의 광자를 디텍팅할 수 있다. 예를 들어, SPAD(751)는 대상체에서 반사된 광자를 디텍팅할 경우, 신호(767)를 생성할 수 있다.
또한 예를 들어, SPAD(751)는 대상체에서 반사된 광자 이외의 광자를 디텍팅할 경우, 신호(766)를 생성할 수 있다. 이때, 대상체에서 반사된 광자 이외의 광자란 햇빛, 윈도우에서 반사된 레이저 빔 등이 있을 수 있다.
일 실시예에 따르면, SPAD(751)는 레이저 출력부에서 레이저 빔을 출력한 이후 일정 시간의 사이클동안 광자를 디텍팅할 수 있다.
예를 들어, SPAD(751)는 레이저 출력부에서 첫번째 레이저 빔을 출력한 후 제1 사이클 동안 광자를 디텍팅 할 수 있다. 이때, SPAD(751)는 광자를 디텍팅한 후 제1 디텍팅 신호(761)를 생성할 수 있다.
또한 예를 들어, SPAD(751)는 레이저 출력부에서 두번째 레이저 빔을 출력한 후 제2 사이클 동안 광자를 디텍팅 할 수 있다. 이때, SPAD(751)는 광자를 디텍팅한 후 제2 디텍팅 신호(762)를 생성할 수 있다.
또한 예를 들어, SPAD(751)는 레이저 출력부에서 세번째 레이저 빔을 출력한 후 제3 사이클 동안 광자를 디텍팅 할 수 있다. 이때, SPAD(751)는 광자를 디텍팅한 후 제3 디텍팅 신호(763)를 생성할 수 있다.
또한 예를 들어, SPAD(751)는 레이저 출력부에서 N번째 레이저 빔을 출력한 후 제N 사이클 동안 광자를 디텍팅 할 수 있다. 이때, SPAD(751)는 광자를 디텍팅한 후 제N 디텍팅 신호(764)를 생성할 수 있다.
이때, 제1 디텍팅 신호(761), 제2 디텍팅 신호(762), 제3 디텍팅 신호(763) ?? 제N 디텍팅 신호(764)에는 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호(767) 또는 대상체에서 반사된 광자 이외의 광자에 의한 신호(766)가 포함될 수 있다.
이때, 제N 디텍팅 신호(764)는 N번째 레이저 빔을 출력한 후 제N 사이클 동안의 광자 디텍팅 신호일 수 있다. 예를 들어, N은 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300 등이 될 수 있다.
SPAD(751)에 의한 신호들은 히스토그램의 형태로 축적될 수 있다. 히스토그램은 복수의 히스토그램 빈(bin)을 가질 수 있다. SPAD(751)에 의한 신호들은 각각 히스토그램 빈에 대응되어 히스토그램의 형태로 축적될 수 있다.
예를 들어, 히스토그램은 하나의 SPAD(751)에 의한 신호들을 축적하여 형성될 수도 있고, 복수의 SPAD(751)에 의한 신호들을 축적하여 형성될 수도 있다.
예를 들어, 제1 디텍팅 신호(761), 제2 디텍팅 신호(762), 제3 디텍팅 신호(763) ?? 제N 디텍팅 신호(764)들을 축적하여 히스토그램(765)을 만들 수 있다. 이때, 히스토그램(765)은 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호 또는 이외의 광자에 의한 신호를 포함할 수 있다.
대상체의 거리 정보를 획득하기 위해서는, 히스토그램(765)에서 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호를 추출할 필요가 있다. 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호는 이외의 광자에 의한 신호보다 양이 많고 규칙적일 수 있다.
이때, 사이클 내에서 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호는 특정한 시간에 규칙적으로 존재할 수 있다. 반면, 햇빛에 의한 신호는 그 양이 적으며 불규칙적으로 존재할 수 있다.
특정 시간에 히스토그램의 축적 양이 많은 신호가 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호일 가능성이 높다. 따라서, 축적된 히스토그램(765) 중 축적 양이 많은 신호를 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호로 추출할 수 있다.
예를 들어, 히스토그램(765) 중 단순히 가장 높은 값의 신호를 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호로 추출할 수 있다. 또한 예를 들어, 히스토그램(765) 중 일정량(768) 이상의 신호를 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호로 추출할 수 있다.
위에서 설명한 방법 외에도, 히스토그램(765) 중 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호로 추출할 수 있는 다양한 알고리즘이 존재할 수 있다.
히스토그램(765) 중 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호를 추출한 다음, 해당 신호의 발생 시간 또는 광자의 수신 시간 등을 기초로 대상체의 거리 정보를 산출할 수 있다.
예를 들어, 히스토그램(765)에서 추출한 신호는 하나의 스캔 포인트(scan point)에서의 신호일 수 있다. 이때, 하나의 스캔 포인트는 하나의 SPAD에 대응될 수 있다.
다른 예를 들어, 복수의 히스토그램에서 추출한 신호들은 하나의 스캔 포인트에서의 신호일 수 있다. 이때, 하나의 스캔 포인트는 복수의 SPAD에 대응될 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 복수의 히스토그램에서 추출한 신호들에 가중치를 두어 하나의 스캔 포인트에서의 신호로 산출할 수 있다. 이때, 가중치는 SPAD 사이의 거리에 의해 정해질 수 있다.
예를 들어, 제1 스캔 포인트에서의 신호는 제1 SPAD에 의한 신호에 0.8의 가중치, 제2 SPAD에 의한 신호에 0.6의 가중치, 제3 SPAD에 의한 신호에 0.4의 가중치, 제4 SPAD에 의한 신호에 0.2의 가중치를 두어 산출될 수 있다.
복수의 히스토그램에서 추출한 신호들에 가중치를 두어 하나의 스캔 포인트에서의 신호로 산출하는 경우, 한번의 히스토그램 축적으로 여러 번 히스토그램을 축적한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 스캔 시간이 감소되고, 전체 이미지를 얻는 시간이 감소되는 효과가 도출될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 레이저 출력부는 어드레서블(addressable)하게 레이저 빔을 출력할 수 있다. 또는 레이저 출력부는 빅셀 유닛별로 어드레서블하게 레이저 빔을 출력할 수 있다.
예를 들어, 레이저 출력부는 1행 1열의 빅셀 유닛의 레이저 빔을 1번 출력한 후 1행 3열의 빅셀 유닛의 레이저 빔을 1번 출력하고, 이후 2행 4열의 빅셀 유닛의 레이저 빔을 1번 출력할 수 있다. 이와 같이, 레이저 출력부는 A행 B열의 빅셀 유닛의 레이저 빔을 N번 출력한 후 C행 D열의 빅셀 유닛의 레이저 빔을 M번 출력할 수 있다.
이때, SPAD 어레이는 대응되는 빅셀 유닛으로부터 출력된 레이저 빔 중 대상체에 반사되어 되돌아오는 레이저 빔을 수광할 수 있다.
예를 들어, 레이저 출력부의 레이저 빔 출력 시퀀스(sequence) 중 1행 1열의 빅셀 유닛이 N번 레이저 빔을 출력한 경우, 1행 1열과 대응되는 1행 1열의 SPAD 유닛이 대상체에 반사된 레이저 빔을 최대 N번 수광할 수 있다.
또한 예를 들어, SPAD의 히스토그램에 반사된 레이저 빔을 N번 축적되어야 하고, 레이저 출력부의 빅셀 유닛이 M개가 있는 경우, M개의 빅셀 유닛을 한꺼번에 N번 동작시킬 수 있다. 또는 M개의 빅셀 유닛을 1개씩 M*N번 동작시킬 수도 있고, M개의 빅셀 유닛을 5개씩 M*N/5번 동작시킬 수도 있다.
도 33은 일 실시예에 따른 SiPM을 설명하기 위한 도면이다.
도 33을 참조하면, 일 실시예에 따른 센서부(300)는 SiPM(780)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따른 SiPM(780)은 복수의 마이크로셀(microcell, 781) 및 복수의 마이크로셀 유닛(782)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로셀은 SPAD일 수 있다. 또한 예를 들어, 마이크로셀 유닛(782)는 복수의 SPAD의 집합인 SPAD 어레이일 수 있다.
일 실시예에 따른 SiPM(780)는 복수의 마이크로셀 유닛(782)을 포함할 수 있다. 도 33은 마이크로셀 유닛(782)이 4X6 매트릭스로 배치된 SiPM(780)을 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고 10X10, 12X12, 24X24, 64X64 매트릭스 등이 될 수 있다. 또한, 마이크로셀 유닛(782)은 매트릭스 구조로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 원형, 타원형, 허니콤 구조 등으로 배치될 수 있다.
SiPM(780)에 레이저 빔이 입사되면, 아발란치 현상에 의해 광자를 디텍팅할 수 있다. 일 실시예에 따르면, SiPM(780)에 의한 결과를 히스토그램의 형태로 축적할 수 있다.
SiPM(780)에 의한 히스토그램과 SPAD(751)에 의한 히스토그램은 몇가지 차이점이 있다.
위에서 설명한 바와 같이, SPAD(751)에 의한 히스토그램은 하나의 SPAD(751)가 N번 레이저 빔을 받아서 형성된 N개의 디텍팅 신호로 축적된 것일 수 있다. 또한, SPAD(751)에 의한 히스토그램은 X개의 SPAD(751)가 Y번 레이저 빔을 받아서 형성된 X*Y개의 디텍팅 신호로 축적된 것일 수 있다.
반면, SiPM(780)에 의한 히스토그램은 하나의 마이크로셀 유닛(782)에 의한 신호들을 축적하여 형성될 수도 있고, 복수의 마이크로셀 유닛(782)에 의한 신호들을 축적하여 형성될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 하나의 마이크로셀 유닛(782)은 레이저 출력부에서 1번 레이저 빔을 출력한 후 대상체로부터 반사된 광자들을 디텍팅하여 히스토그램을 형성할 수 있다.
예를 들어, SiPM(780)에 의한 히스토그램은 하나의 마이크로셀 유닛(782)에 포함된 복수의 마이크로셀들이 대상체로부터 반사된 광자들을 디텍팅하여 만든 신호를 축적하여 형성될 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 복수의 마이크로셀 유닛(782)은 레이저 출력부에서 1번 레이저 빔을 출력한 후 대상체로부터 반사된 광자들을 디텍팅하여 히스토그램을 형성할 수 있다.
예를 들어, SiPM(780)에 의한 히스토그램은 복수의 마이크로셀 유닛(782)에 포함된 복수의 마이크로셀들이 대상체로부터 반사된 광자들을 디텍팅하여 만든 신호를 축적하여 형성될 수 있다.
SPAD(751)에 의한 히스토그램은 하나의 SPAD(751) 또는 복수의 SPAD(751)가 레이저 출력부의 N번 레이저 빔 출력이 필요할 수 있다. 그러나 SiPM(780)에 의한 히스토그램은 하나의 마이크로셀 유닛(782) 또는 복수의 마이크로셀 유닛(782)이 1번의 레이저 빔 출력만을 필요로 할 수 있다.
따라서, SPAD(751)에 의한 히스토그램은 SiPM(780)에 의한 히스토그램보다 히스토그램을 축적하기까지 오랜 시간이 걸릴 수 있다. SiPM(780)에 의한 히스토그램은 1번의 레이저 빔 출력만으로 히스토그램을 빠른 시간 내에 형성할 수 있다는 장점이 있다.
도 34는 일 실시예에 따른 SiPM의 히스토그램을 설명하기 위한 도면이다.
도 34를 참조하면, 일 실시예에 따른 SiPM(780)은 광자를 디텍팅할 수 있다. 예를 들어, 마이크로셀 유닛(782)은 광자를 디텍팅할 수 있다. 마이크로셀 유닛(782)이 광자를 디텍팅할 경우, 신호(787, 788)가 생성될 수 있다.
마이크로셀 유닛(782)이 광자를 디텍팅한 후, 다시 광자를 디텍팅할 수 있는 상태로 되돌아가기까지 회복 시간이 필요할 수 있다. 마이크로셀 유닛(782)이 광자를 디텍팅한 후 회복 시간이 지나지 않은 경우, 이때 광자가 마이크로셀 유닛(782)에 입사가 되더라도, 마이크로셀 유닛(782)은 광자를 디텍팅할 수 없게 된다. 따라서, 마이크로셀 유닛(782)의 레졸루션(resolution)은 회복 시간에 의해 정해질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 마이크로셀 유닛(782)은 레이저 출력부에서 레이저 빔이 출력되고 나서 일정 시간동안 광자를 디텍팅할 수 있다. 이때, 마이크로셀 유닛(782)은 일정 기간의 사이클동안 광자를 디텍팅할 수 있다. 예를 들어, 마이크로셀 유닛(782)은 사이클동안 마이크로셀 유닛(782)의 타임 레졸루션(time resolution)에 따라 광자를 여러 번 디텍팅할 수 있다. 이때, 마이크로셀 유닛(782)의 타임 레졸루션은 마이크로셀 유닛(782)의 회복 시간에 의해 정해질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 마이크로셀 유닛(782)은 대상체에서 반사된 광자 및 이외의 광자를 디텍팅할 수 있다. 예를 들어, 마이크로셀 유닛(782)은 대상체에서 반사된 광자를 디텍팅할 경우, 신호(787)를 생성할 수 있다.
또한 예를 들어, 마이크로셀 유닛(782)은 대상체에서 반사된 광자 이외의 광자를 디텍팅할 경우, 신호(788)를 생성할 수 있다. 이때, 대상체에서 반사된 광자 이외의 광자란 햇빛, 윈도우에서 반사된 레이저 빔 등이 있을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 마이크로셀 유닛(782)은 레이저 출력부에서 레이저 빔을 출력한 이후 일정 시간의 사이클동안 광자를 디텍팅할 수 있다.
예를 들어, 마이크로셀 유닛(782)에 포함된 제1 마이크로셀(783)은 레이저 출력부에서 레이저 빔을 출력한 후 제1 사이클 동안 광자를 디텍팅 할 수 있다. 이때, 제1 마이크로셀(783)은 광자를 디텍팅한 후 제1 디텍팅 신호(791)를 생성할 수 있다.
또한 예를 들어, 마이크로셀 유닛(782)에 포함된 제2 마이크로셀(784)은 레이저 출력부에서 레이저 빔을 출력한 후 제1 사이클 동안 광자를 디텍팅 할 수 있다. 이때, 제2 마이크로셀(784)은 광자를 디텍팅한 후 제1 디텍팅 신호(792)를 생성할 수 있다.
또한 예를 들어, 마이크로셀 유닛(782)에 포함된 제3 마이크로셀(785)은 레이저 출력부에서 레이저 빔을 출력한 후 제1 사이클 동안 광자를 디텍팅 할 수 있다. 이때, 제3 마이크로셀(785)은 광자를 디텍팅한 후 제3 디텍팅 신호(793)를 생성할 수 있다.
또한 예를 들어, 마이크로셀 유닛(782)에 포함된 제N 마이크로셀(786)은 레이저 출력부에서 레이저 빔을 출력한 후 제1 사이클 동안 광자를 디텍팅 할 수 있다. 이때, 제N 마이크로셀(786)은 광자를 디텍팅한 후 제N 디텍팅 신호(794)를 생성할 수 있다.
이때, 제1 디텍팅 신호(791), 제2 디텍팅 신호(792), 제3 디텍팅 신호(793) ?? 제N 디텍팅 신호(794)에는 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호(787) 또는 대상체에서 반사된 광자 이외의 광자에 의한 신호(788)가 포함될 수 있다.
이때, 제N 디텍팅 신호(764)는 마이크로셀 유닛(782)에 포함된 N번째 마이크로셀의 광자 디텍팅 신호일 수 있다. 예를 들어, N은 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300 등이 될 수 있다.
마이크로셀들에 의한 신호들은 히스토그램의 형태로 축적될 수 있다. 히스토그램은 복수의 히스토그램 빈을 가질 수 있다. 마이크로셀들에 의한 신호들은 각각 히스토그램 빈에 대응되어 히스토그램의 형태로 축적될 수 있다.
예를 들어, 히스토그램은 하나의 마이크로셀 유닛(782)에 의한 신호들을 축적하여 형성될 수도 있고, 복수의 마이크로셀 유닛(782)에 의한 신호들을 축적하여 형성될 수도 있다.
예를 들어, 제1 디텍팅 신호(791), 제2 디텍팅 신호(792), 제3 디텍팅 신호(793) ?? 제N 디텍팅 신호(794)들을 축적하여 히스토그램(795)을 만들 수 있다. 이때, 히스토그램(795)은 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호 또는 이외의 광자에 의한 신호를 포함할 수 있다.
대상체의 거리 정보를 획득하기 위해서는, 히스토그램(795)에서 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호를 추출할 필요가 있다. 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호는 이외의 광자에 의한 신호보다 양이 많고 규칙적일 수 있다.
이때, 사이클 내에서 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호는 특정한 시간에 규칙적으로 존재할 수 있다. 반면, 햇빛에 의한 신호는 그 양이 적으며 불규칙적으로 존재할 수 있다.
특정 시간에 히스토그램의 축적 양이 많은 신호가 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호일 가능성이 높다. 따라서, 축적된 히스토그램(795) 중 축적 양이 많은 신호를 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호로 추출할 수 있다.
예를 들어, 히스토그램(795) 중 단순히 가장 높은 값의 신호를 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호로 추출할 수 있다. 또한 예를 들어, 히스토그램(795) 중 일정량(797) 이상의 신호를 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호로 추출할 수 있다.
위에서 설명한 방법 외에도, 히스토그램(795) 중 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호로 추출할 수 있는 다양한 알고리즘이 존재할 수 있다.
히스토그램(795) 중 대상체에서 반사된 광자에 의한 신호를 추출한 다음, 해당 신호의 발생 시간 또는 광자의 수신 시간 등을 기초로 대상체의 거리 정보를 산출할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 레이저 출력부는 어드레서블(addressable)하게 레이저 빔을 출력할 수 있다. 또는 레이저 출력부는 빅셀 유닛별로 어드레서블하게 레이저 빔을 출력할 수 있다.
예를 들어, 레이저 출력부는 1행 1열의 빅셀 유닛의 레이저 빔을 1번 출력한 후 1행 3열의 빅셀 유닛의 레이저 빔을 1번 출력하고, 이후 2행 4열의 빅셀 유닛의 레이저 빔을 1번 출력할 수 있다. 이와 같이, 레이저 출력부는 A행 B열의 빅셀 유닛의 레이저 빔을 N번 출력한 후 C행 D열의 빅셀 유닛의 레이저 빔을 M번 출력할 수 있다.
이때, SiPM은 대응되는 빅셀 유닛으로부터 출력된 레이저 빔 중 대상체에 반사되어 되돌아오는 레이저 빔을 수광할 수 있다.
예를 들어, 레이저 출력부의 레이저 빔 출력 시퀀스(sequence) 중 1행 1열의 빅셀 유닛이 N번 레이저 빔을 출력한 경우, 1행 1열과 대응되는 1행 1열의 마이크로셀 유닛이 대상체에 반사된 레이저 빔을 최대 N번 수광할 수 있다.
또한 예를 들어, SiPM의 히스토그램에 반사된 레이저 빔을 N번 축적되어야 하고, 레이저 출력부의 빅셀 유닛이 M개가 있는 경우, M개의 빅셀 유닛을 한꺼번에 N번 동작시킬 수 있다. 또는 M개의 빅셀 유닛을 1개씩 M*N번 동작시킬 수도 있고, M개의 빅셀 유닛을 5개씩 M*N/5번 동작시킬 수도 있다.
라이다는 여러가지 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 라이다에는 플래시 방식과 스캐닝 방식이 있을 수 있다.
전술한 바와 같이, 플래시 방식은 레이저 빔의 발산에 의해 레이저 빔이 대상체로 퍼져나가는 것을 이용한 방식이다. 플래시 방식은 단일 레이저 펄스를 FOV에 조명하여 대상체의 거리 정보를 수집하므로, 플래시 방식 라이다의 분해능(resolution)은 센서부 또는 수신부에 의해 정해질 수 있다.
또한 전술한 바와 같이, 스캐닝 방식은 레이저 출력부에서 방출되는 레이저 빔을 특정 방향으로 향하게 하는 방식이다. 스캐닝 방식은 스캐너 또는 스티어링부를 이용하여 레이저 빔을 FOV에 조명하므로, 스캐닝 방식 라이다의 분해능은 스캐너 또는 스티어링부에 의해 정해질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 라이다가 플래시 방식과 스캐닝 방식의 혼합 방식으로 구현될 수 있다. 이때, 플래시 방식과 스캐닝 방식의 혼합 방식은 세미 플래시(semi-flash) 방식 또는 세미 스캐닝(semi-scanning) 방식이 될 수 있다. 또는 플래시 방식과 스캐닝 방식의 혼합 방식은 콰지 플래시(quasi-flash) 방식 또는 콰지 스캐닝(quasi-scanning) 방식이 될 수 있다.
상기 세미 플래시 방식 라이다 또는 상기 콰지 플래시 방식 라이다는 완전한 플래시 방식이 아닌 준 플래시 방식 라이다를 의미하는 것일 수 있다. 예를 들어, 레이저 출력부의 유닛 하나와 수신부의 유닛 하나는 플래시 방식 라이다일 수 있으나, 레이저 출력부의 복수의 유닛들과 수신부의 복수의 유닛들이 모여, 완전한 플래시 방식 라이다가 아닌 준 플래시 방식 라이다일 수 있다.
또한 예를 들어, 상기 세미 플래시 방식 라이다 또는 상기 콰지 플래시 방식 라이다의 레이저 출력부에서 출력된 레이저 빔은 스티어링부를 거칠 수 있으므로, 완전한 플래시 방식 라이다가 아닌 준 플래시 방식 라이다일 수 있다.
상기 세미 플래시 방식 라이다 또는 상기 콰지 플래시 방식 라이다는 플래시 방식 라이다의 단점을 극복할 수 있다. 예를 들어, 플래시 방식 라이다는 레이저 빔간의 간섭 현상에 취약할 수 있고, 대상체 감지를 위해서는 강한 플래시가 필요하고 또한 감지 범위를 제한할 수 없는 문제가 존재했다.
그러나, 상기 세미 플래시 방식 라이다 또는 상기 콰지 플래시 방식 라이다는 레이저 빔들이 스티어링부를 거쳐, 레이저 빔간의 간섭 현상을 극복할 수 있고, 레이저 출력 유닛 하나하나를 제어할 수 있어, 감지 범위를 제어할 수 있고, 강한 플래시가 필요하지 않을 수 있다.
도 35는 일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다를 설명하기 위한 도면이다.
도 35를 참조하면, 일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다(800)는 레이저 출력부(810), BCSC(Beam Collimation & Steering Component, 820), 스캐닝부(830) 및 수신부(840)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다(800)는 레이저 출력부(810)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 레이저 출력부(810)는 빅셀 어레이를 포함할 수 있다. 이때 레이저 출력부(810)는 복수의 빅셀 이미터를 포함하는 유닛들이 모인 빅셀 어레이를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다(800)는 BCSC(820)를 포함할 수 있다. 예를 들어, BCSC(820)는 콜리메이션 컴포넌트(210) 및 스티어링 컨포넌트(230)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 레이저 출력부(810)에서 출력된 레이저 빔이 BCSC(820)의 콜리메이션 컴포넌트(210)에 의해 콜리메이션되고, 콜리메이션 된 레이저 빔은 BCSC(820)의 스티어링 컴포넌트(230)를 거쳐 스티어링될 수 있다.
예를 들어, 레이저 출력부(810)에 포함된 제1 빅셀 유닛으로부터 출력된 레이저 빔은 제1 콜리메이션 컴포넌트에 의해 콜리메이션되고, 제1 스티어링 컴포넌트에 의해 제1 방향으로 스티어링될 수 있다.
또한 예를 들어, 레이저 출력부(810)에 포함된 제2 빅셀 유닛으로부터 출력된 레이저 빔은 제2 콜리메이션 컴포넌트에 의해 콜리메이션되고, 제2 스티어링 컴포넌트에 의해 제2 방향으로 스티어링될 수 있다.
이때, 레이저 출력부(810)에 포함된 빅셀 유닛들은 각각 다른 방향으로 스티어링될 수 있다. 따라서, 단일 펄스의 확산에 의한 플래시 방식과는 달리, 세미 플래시 방식 라이다의 레이저 출력부의 레이저 빔은 BCSC에 의해 특정 방향으로 스티어링될 수 있다. 그러므로, 세미 플래시 방식 라이다의 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔은 BCSC에 의해 방향성을 갖을 수 있다.
일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다(800)는 스캐닝부(830)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝부(830)는 옵틱부(200)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝부(830)는 레이저 빔을 반사하는 미러를 포함할 수 있다.
예를 들어, 스캐닝부(830)는 평면 미러, 다면 미러, 레조넌트 미러, 멤스 미러 및 갈바노 미러를 포함할 수 있다. 또한 예를 들어, 스캐닝부(830)는 일 축을 따라 360도 회전하는 다면 미러 및 일 축을 따라 기 설정된 범위에서 반복 구동하는 노딩 미러를 포함할 수 있다.
세미 플래시 방식 라이다는 스캐닝부를 포함할 수 있다. 따라서, 단일 펄스의 확산에 의해 한번에 전체 이미지를 획득하는 플래시 방식과는 달리, 세미 플래시 방식 라이다는 스캐닝부에 의해 대상체의 이미지를 스캔할 수 있다.
또한, 세미 플래시 방식 라이다의 레이저 출력부의 레이저 출력에 의해 대상체를 랜덤 스캔할 수도 있다. 그러므로, 세미 플래시 방식 라이다는 전체 FOV 중 원하는 관심 영역만을 집중적으로 스캔할 수 있다.
일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다(800)는 수신부(840)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수신부(840)는 센서부(300)를 포함할 수 있다. 또한 예를 들어, 수신부(840)는 SPAD 어레이(750)일 수 있다. 또한 예를 들어, 수신부(840)는 SiPM(780)일 수 있다.
수신부(850)는 다양한 센서 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수신부(840)는 PN 포토 다이오드, 포토트랜지스터, PIN 포토 다이오드, APD, SPAD, SiPM, TDC, CMOS 또는 CCD 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이때, 수신부(840)는 히스토그램(histogram)을 쌓을 수 있다. 예를 들어, 수신부(840)는 히스토그램을 이용하여, 대상체(850)로부터 반사되어 수광되는 레이저 빔의 수광 시점을 감지할 수 있다.
일 실시예에 따른 수신부(840)는 하나 이상의 광학 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수신부(840)는 Aperture, 마이크로 렌즈(Micro lens), 수렴 렌즈(converging lens) 또는 Diffuser 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 일 실시예에 따른 수신부(840)는 하나 이상의 광학 필터(Optical Filter)를 포함할 수 있다. 수신부(840)는 대상체에서 반사된 레이저를 광학 필터를 거쳐 수신할 수 있다. 예를 들어, 수신부(840)는 Band pass filter, Dichroic filter, Guided-mode resonance filter, Polarizer, Wedge filter 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 세미 플래시 방식의 라이다(800)는 구성 요소들 사이에 일정한 광 경로를 가질 수 있다.
예를 들어, 레이저 출력부(810)에서 출력된 광은 BCSC(820)를 거쳐 스캐닝부(830)에 입사될 수 있다. 또한, 스캐닝부(830)로 입사된 광은 반사되어 대상체(850)로 입사될 수 있다. 또한, 대상체(850)에 입사된 광은 반사되어 다시 스캐닝부(830)에 입사될 수 있다. 또한, 스캐닝부(830)에 입사된 광은 반사되어 수신부(840)에 수신될 수 있다. 위의 광경로에 송수광 효율을 증대시키기 위한 렌즈가 추가적으로 삽입될 수 있다.
도 36은 일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 36을 참조하면, 일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다(800)는 레이저 출력부(810), 스캐닝부(830) 및 수신부(840)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 레이저 출력부(810)는 빅셀 어레이(811)를 포함할 수 있다. 도 36에는 1열(column)의 빅셀 어레이(811)만 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 빅셀 어레이(811)는 N X M 매트릭스 구조일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 빅셀 어레이(811)는 복수의 빅셀 유닛(812)을 포함할 수 있다. 이때, 빅셀 유닛(812)은 복수의 빅셀 이미터(emitter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 빅셀 어레이(811)는 25개의 빅셀 유닛(812)을 포함할 수 있다. 이때, 25개의 빅셀 유닛(812)은 1열로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 빅셀 유닛(812)은 확산 각도(diverging angle)를 가질 수 있다. 예를 들어, 빅셀 유닛(812)은 수평(horizontal) 확산 각도(813) 및 수직(vertical) 확산 각도(814)를 가질 수 있다. 예를 들어, 빅셀 유닛(812)은 1.2도의 수평 확산 각도(813) 및 1.2도의 수직 확산 각도(814)를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 스캐닝부(830)는 레이저 출력부(810)로부터 출력된 레이저 빔을 수신할 수 있다. 이때, 스캐닝부(830)는 레이저 빔을 대상체를 향해 반사시킬 수 있다. 또한, 스캐닝부(830)는 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 수신할 수 있다. 이때, 스캐닝부(830)는 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 수신부(840)로 전달할 수 있다.
이때, 대상체를 향해 레이저 빔을 반사시키는 영역과 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 수신하는 영역은 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 예를 들어, 대상체를 향해 레이저 빔을 반사시키는 영역과 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 수신하는 영역은 동일 반사면 내에 있을 수 있다. 이때, 상기 영역들은 동일 반사면 내에 상하 또는 좌우로 구분될 수 있다.
또한 예를 들어, 대상체를 향해 레이저 빔을 반사시키는 영역과 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 수신하는 영역은 다른 반사면일 수 있다. 예를 들어, 대상체를 향해 레이저 빔을 반사시키는 영역은 스캐닝부(830)의 제1 반사면이고, 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 수신하는 영역은 스캐닝부(830)의 제2 반사면일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스캐닝부(830)는 레이저 출력부(810)로부터 출력된 2D 레이저 빔을 대상체를 향해 반사시킬 수 있다. 이때, 라이다 장치는 스캐닝부(830)의 회전 또는 스캐닝으로 인해 대상체를 3D로 스캔할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 수신부(840)는 SPAD 어레이(841)를 포함할 수 있다. 도 36에는 1열의 SPAD 어레이(841)만 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, SPAD 어레이(841)는 N X M 매트릭스 구조일 수 있다.
일 실시예에 따르면, SPAD 어레이(841)는 복수의 SPAD 유닛(842)을 포함할 수 있다. 이때, SPAD 유닛(842)은 복수의 SPAD pixel(847)를 포함할 수 있다. 예를 들어, SPAD 유닛(842)은 12 X 12의 SPAD pixel(847)을 포함할 수 있다. 이때, SPAD pixel(847)은 SPAD 소자 하나를 의미하는 것일 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한 예를 들어, SPAD 어레이(841)는 25개의 SPAD 유닛(842)을 포함할 수 있다. 이때, 25개의 SPAD 유닛(842)은 1열로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한 이때, SPAD 유닛(842)의 배열은 빅셀 유닛(812)의 배열에 대응될 수 있다.
일 실시예에 따르면, SPAD 유닛(842)은 수광할 수 있는 FOV를 가질 수 있다. 예를 들어, SPAD 유닛(842)은 수평 FOV(843) 및 수직 FOV(844)를 가질 수 있다. 예를 들어, SPAD 유닛(842)은 1.2도의 수평 FOV(843) 및 1.2도의 수직 FOV(844)를 가질 수 있다.
이때, SPAD 유닛(842)의 FOV는 SPAD 유닛(842)에 포함된 SPAD pixel(847)의 개수에 비례할 수 있다. 또는, SPAD 유닛(842)의 FOV에 의해 SPAD 유닛(842)에 포함된 개별 SPAD pixel(847)의 FOV가 정해질 수 있다.
예를 들어, 개별 SPAD pixel(847)의 수평 FOV(845) 및 수직 FOV(846)가 0.1도일 때, SPAD 유닛(842)이 N X M의 SPAD pixel(847)을 포함한다면, SPAD 유닛(842)의 수평 FOV(843)는 0.1*N이 되고, 수직 FOV(844)는 0.1*M이 될 수 있다.
또한 예를 들어, SPAD 유닛(842)의 수평 FOV(843) 및 수직 FOV(844)가 1.2도이고, SPAD 유닛(842)이 12 X 12의 SPAD pixel(847)을 포함할 때, 개별 SPAD pixel(847)의 수평 FOV(845) 및 수직 FOV(846)은 0.1도(1.2/12)일 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 수신부(840)는 SiPM 어레이(841)를 포함할 수 있다. 도 36에는 1열의 SiPM 어레이(841)만 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, SiPM 어레이(841)는 N X M 매트릭스 구조일 수 있다.
일 실시예에 따르면, SiPM 어레이(841)는 복수의 마이크로셀 유닛(842)을 포함할 수 있다. 이때, 마이크로셀 유닛(842)은 복수의 마이크로셀(847)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로셀 유닛(842)은 12 X 12의 마이크로셀(847)을 포함할 수 있다.
또한 예를 들어, SiPM 어레이(841)는 25개의 마이크로셀 유닛(842)을 포함할 수 있다. 이때, 25개의 마이크로셀 유닛(842)은 1열로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한 이때, 마이크로셀 유닛(842)의 배열은 빅셀 유닛(812)의 배열에 대응될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 마이크로셀 유닛(842)은 수광할 수 있는 FOV를 가질 수 있다. 예를 들어, 마이크로셀 유닛(842)은 수평 FOV(843) 및 수직 FOV(844)를 가질 수 있다. 예를 들어, 마이크로셀 유닛(842)은 1.2도의 수평 FOV(843) 및 1.2도의 수직 FOV(844)를 가질 수 있다.
이때, 마이크로셀 유닛(842)의 FOV는 마이크로셀 유닛(842)에 포함된 마이크로셀의 개수에 비례할 수 있다. 또는, 마이크로셀 유닛(842)의 FOV에 의해 마이크로셀 유닛(842)에 포함된 개별 마이크로셀(847)의 FOV가 정해질 수 있다.
예를 들어, 개별 마이크로셀(847)의 수평 FOV(845) 및 수직 FOV(846)가 0.1도일 때, 마이크로셀 유닛(842)이 N X M의 마이크로셀(847)을 포함한다면, 마이크로셀 유닛(842)의 수평 FOV(843)는 0.1*N이 되고, 수직 FOV(844)는 0.1*M이 될 수 있다.
또한 예를 들어, 마이크로셀 유닛(842)의 수평 FOV(843) 및 수직 FOV(844)가 1.2도이고, 마이크로셀 유닛(842)이 12 X 12의 마이크로셀(847)을 포함할 때, 개별 마이크로셀(847)의 수평 FOV(845) 및 수직 FOV(846)은 0.1도(1.2/12)일 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 하나의 빅셀 유닛(812)과 복수의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)이 대응될 수 있다. 예를 들어, 1행 1열의 빅셀 유닛(812)으로부터 출력된 레이저 빔은 스캐닝부(830) 및 대상체(850)에 의해 반사되어 1행 1열 및 1행 2열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)에 수광될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 복수의 빅셀 유닛(812)과 하나의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)이 대응될 수 있다. 예를 들어, 1행 1열의 빅셀 유닛(812)으로부터 출력된 레이저 빔은 스캐닝부(830) 및 대상체(850)에 의해 반사되어 1행 1열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)에 수광될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 레이저 출력부(810)의 빅셀 유닛(812)과 수신부(840)의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)이 대응될 수 있다.
예를 들어, 빅셀 유닛(812)의 수평 확산 각도 및 수직 확산 각도는 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)의 수평 FOV(845) 및 수직 FOV(846)와 동일할 수 있다.
예를 들어, 1행 1열의 빅셀 유닛(812)으로부터 출력된 레이저 빔은 스캐닝부(830) 및 대상체(850)에 의해 반사되어 1행 1열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)에 수광될 수 있다.
또한 예를 들어, N행 M열의 빅셀 유닛(812)으로부터 출력된 레이저 빔은 스캐닝부(830) 및 대상체(850)에 의해 반사되어 N행 M열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)에 수광될 수 있다.
이때, N행 M열의 빅셀 유닛(812)으로부터 출력되어 스캐닝부(830) 및 대상체(850)에 의해 반사된 레이저 빔은 N행 M열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)에 수광되고, 라이다 장치(800)는 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)에 의해 분해능을 가질 수 있다.
예를 들어, SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)이 N행 M열의 SPAD pixel 또는 마이크로셀(847)을 포함한다면, 빅셀 유닛(812)이 조사되는 FOV를 N X M 영역으로 나누어 대상체의 거리 정보를 파악할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 하나의 빅셀 유닛(812)과 복수의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)이 대응될 수 있다. 예를 들어, 1행 1열의 빅셀 유닛(812)으로부터 출력된 레이저 빔은 스캐닝부(830) 및 대상체(850)에 의해 반사되어 1행 1열 및 1행 2열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)에 수광될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 복수의 빅셀 유닛(812)과 하나의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)이 대응될 수 있다. 예를 들어, 1행 1열의 빅셀 유닛(812)으로부터 출력된 레이저 빔은 스캐닝부(830) 및 대상체(850)에 의해 반사되어 1행 1열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)에 수광될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 레이저 출력부(810)가 포함하는 복수의 빅셀 유닛(812)은 일정한 시퀀스에 따라 동작할 수도 있고, 랜덤으로 동작할 수도 있다. 이때, 수신부(840)의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)도 빅셀 유닛(812)의 동작에 대응되어 동작할 수 있다.
예를 들어, 빅셀 어레이(811)의 제1 행 빅셀 유닛이 동작한 다음, 제3 행 빅셀 유닛이 동작할 수 있다. 그 다음, 제5 빅셀 유닛이 동작하고, 그 다음 제7 빅셀 유닛이 동작할 수 있다.
이때, 수신부(840)의 제1 행 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)이 동작한 다음, 제3 행 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)이 동작할 수 있다. 그 다음, 제5 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)이 동작하고, 그 다음 제7 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)이 동작할 수 있다.
또한 예를 들어, 빅셀 어레이(811)의 빅셀 유닛이 랜덤하게 동작할 수 있다. 이때, 랜덤하게 동작하는 빅셀 유닛(812)의 위치와 대응되는 위치에 존재하는 수신부의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(842)이 동작할 수 있다.
도 37은 다른 일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다를 설명하기 위한 도면이다.
도 37을 참조하면, 다른 일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다(900)는 레이저 출력부(910), BCSC(920) 및 수신부(940)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다(900)는 레이저 출력부(910)를 포함할 수 있다. 레이저 출력부(910)에 대한 설명은 도 35의 레이저 출력부(810)와 중복될 수 있어, 자세한 설명은 생략한다.
일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다(900)는 BCSC(920)를 포함할 수 있다. BCSC(920)에 대한 설명은 도 35의 BCSC(820)와 중복될 수 있어, 자세한 설명은 생략한다.
일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다(900)는 수신부(940)를 포함할 수 있다. 수신부(940)에 대한 설명은 도 35의 수신부(840)와 중복될 수 있어, 자세한 설명은 생략한다.
일 실시예에 따르면, 세미 플래시 방식의 라이다(900)는 구성 요소들 사이에 일정한 광 경로를 가질 수 있다.
예를 들어, 레이저 출력부(910)에서 출력된 광은 BCSC(920)를 거쳐 대상체(950)로 입사될 수 있다. 또한, 대상체(950)에 입사된 광은 반사되어 수신부(940)에 수신될 수 있다. 위의 광경로에 송수광 효율을 증대시키기 위한 렌즈가 추가적으로 삽입될 수 있다.
도 35의 세미 플래시 라이다(800)와 비교하였을 때, 도 37의 세미 플래시 라이다(900)는 스캐닝부를 포함하지 않을 수 있다. 스캐닝부의 스캔 역할을 레이저 출력부(910) 및 BCSC(920)에 의해 이뤄질 수 있다.
예를 들어, 레이저 출력부(910)는 어드레서블(addressable) 빅셀 어레이를 포함하여, 어드레서블한 동작에 의해 관심 영역에 대해 부분적으로 레이저 빔을 출력할 수 있다.
또한 예를 들어, BCSC(920)는 콜리메이션 컴포넌트 및 스티어링 컴포넌트를 포함하여, 원하는 관심 영역에 레이저 빔을 조사하도록 레이저 빔에 특정 방향성을 제공할 수 있다.
또한, 도 35의 세미 플래시 라이다(800)와 비교하였을 때, 도 37의 세미 플래시 라이다(900)의 광 경로는 단순해질 수 있다. 광 경로를 단순화함으로써, 수광시 광 손실을 최소화할 수 있고, 크로스토크(crosstalk)의 발생 가능성을 감소시킬 수 있다.
도 38은 다른 일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 38을 참조하면, 일 실시예에 따른 세미 플래시 라이다(900)는 레이저 출력부(910) 및 수신부(940)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 레이저 출력부(910)는 빅셀 어레이(911)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 빅셀 어레이99110)는 N X M 매트릭스 구조일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 빅셀 어레이(911)는 복수의 빅셀 유닛(914)을 포함할 수 있다. 이때, 빅셀 유닛(914)은 복수의 빅셀 이미터(emitter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 빅셀 어레이(811)는 50 X 25 매트릭스 구조의 1250개의 빅셀 유닛(914)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 빅셀 유닛(914)은 확산 각도(diverging angle)를 가질 수 있다. 예를 들어, 빅셀 유닛(914)은 수평(horizontal) 확산 각도(915) 및 수직(vertical) 확산 각도(916)를 가질 수 있다. 예를 들어, 빅셀 유닛(914)은 1.2도의 수평 확산 각도(813) 및 1.2도의 수직 확산 각도(814)를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 수신부(940)는 SPAD 어레이(941)를 포함할 수 있다. 예를 들어, SPAD 어레이(841)는 N X M 매트릭스 구조일 수 있다.
일 실시예에 따르면, SPAD 어레이(941)는 복수의 SPAD 유닛(944)을 포함할 수 있다. 이때, SPAD 유닛(944)은 복수의 SPAD pixel(947)를 포함할 수 있다. 예를 들어, SPAD 유닛(944)은 12 X 12의 SPAD pixel(947)을 포함할 수 있다.
또한 예를 들어, SPAD 어레이(941)는 50 X 25 매트릭스 구조의 1250개의 SPAD 유닛(944)을 포함할 수 있다. 이때, SPAD 유닛(944)의 배열은 빅셀 유닛(914)의 배열에 대응될 수 있다.
일 실시예에 따르면, SPAD 유닛(944)은 수광할 수 있는 FOV를 가질 수 있다. 예를 들어, SPAD 유닛(944)은 수평 FOV(945) 및 수직 FOV(946)를 가질 수 있다. 예를 들어, SPAD 유닛(944)은 1.2도의 수평 FOV(945) 및 1.2도의 수직 FOV(946)를 가질 수 있다.
이때, SPAD 유닛(944)의 FOV는 SPAD 유닛(944)에 포함된 SPAD pixel(947)의 개수에 비례할 수 있다. 또는, SPAD 유닛(944)의 FOV에 의해 SPAD 유닛(944)에 포함된 개별 SPAD pixel(947)의 FOV가 정해질 수 있다.
예를 들어, 개별 SPAD pixel(947)의 수평 FOV(948) 및 수직 FOV(949)가 0.1도일 때, SPAD 유닛(944)이 N X M의 SPAD pixel(947)을 포함한다면, SPAD 유닛(944)의 수평 FOV(945)는 0.1*N이 되고, 수직 FOV(946)는 0.1*M이 될 수 있다.
또한 예를 들어, SPAD 유닛(944)의 수평 FOV(945) 및 수직 FOV(946)가 1.2도이고, SPAD 유닛(944)이 12 X 12의 SPAD pixel(947)을 포함할 때, 개별 SPAD pixel(947)의 수평 FOV(948) 및 수직 FOV(949)은 0.1도(1.2/12)일 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 수신부(840)는 SiPM 어레이(941)를 포함할 수 있다. 예를 들어, SiPM 어레이(841)는 N X M 매트릭스 구조일 수 있다.
일 실시예에 따르면, SiPM 어레이(941)는 복수의 마이크로셀 유닛(944)을 포함할 수 있다. 이때, 마이크로셀 유닛(944)은 복수의 마이크로셀(947)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로셀 유닛(944)은 12 X 12의 마이크로셀(947)을 포함할 수 있다.
또한 예를 들어, SiPM 어레이(941)는 50 X 25 매트릭스 구조의 1250개의 마이크로셀 유닛(944)을 포함할 수 있다. 이때, 마이크로셀 유닛(944)의 배열은 빅셀 유닛(914)의 배열에 대응될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 마이크로셀 유닛(944)은 수광할 수 있는 FOV를 가질 수 있다. 예를 들어, 마이크로셀 유닛(944)은 수평 FOV(945) 및 수직 FOV(946)를 가질 수 있다. 예를 들어, 마이크로셀 유닛(944)은 1.2도의 수평 FOV(945) 및 1.2도의 수직 FOV(946)를 가질 수 있다.
이때, 마이크로셀 유닛(944)의 FOV는 마이크로셀 유닛(944)에 포함된 마이크로셀(947)의 개수에 비례할 수 있다. 또는, 마이크로셀 유닛(944)의 FOV에 의해 마이크로셀 유닛(944)에 포함된 개별 마이크로셀(947)의 FOV가 정해질 수 있다.
예를 들어, 개별 마이크로셀(947)의 수평 FOV(948) 및 수직 FOV(949)가 0.1도일 때, 마이크로셀 유닛(944)이 N X M의 마이크로셀(947)을 포함한다면, 마이크로셀 유닛(944)의 수평 FOV(945)는 0.1*N이 되고, 수직 FOV(946)는 0.1*M이 될 수 있다.
또한 예를 들어, 마이크로셀 유닛(944)의 수평 FOV(945) 및 수직 FOV(946)가 1.2도이고, 마이크로셀 유닛(944)이 12 X 12의 마이크로셀(947)을 포함할 때, 개별 마이크로셀(947)의 수평 FOV(948) 및 수직 FOV(949)은 0.1도(1.2/12)일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 레이저 출력부(910)의 빅셀 유닛(914)과 수신부(940)의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)이 대응될 수 있다.
예를 들어, 빅셀 유닛(914)의 수평 확산 각도 및 수직 확산 각도는 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)의 수평 FOV(945) 및 수직 FOV(946)와 동일할 수 있다.
예를 들어, 1행 1열의 빅셀 유닛(914)으로부터 출력된 레이저 빔은 대상체(850)에 의해 반사되어 1행 1열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)에 수광될 수 있다.
또한 예를 들어, N행 M열의 빅셀 유닛(914)으로부터 출력된 레이저 빔은 대상체(850)에 의해 반사되어 N행 M열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)에 수광될 수 있다.
이때, N행 M열의 빅셀 유닛(914)으로부터 출력되어 대상체(850)에 의해 반사된 레이저 빔은 N행 M열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)에 수광되고, 라이다 장치(900)는 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)에 의해 분해능을 가질 수 있다.
예를 들어, SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)이 N행 M열의 SPAD pixel 또는 마이크로셀(947)을 포함한다면, 빅셀 유닛(914)이 조사되는 FOV를 N X M 영역으로 나누어 대상체의 거리 정보를 파악할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 하나의 빅셀 유닛(914)과 복수의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)이 대응될 수 있다. 예를 들어, 1행 1열의 빅셀 유닛(914)으로부터 출력된 레이저 빔은 대상체(850)에 의해 반사되어 1행 1열 및 1행 2열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)에 수광될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 복수의 빅셀 유닛(914)과 하나의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)이 대응될 수 있다. 예를 들어, 1행 1열의 빅셀 유닛(914)으로부터 출력된 레이저 빔은 대상체(850)에 의해 반사되어 1행 1열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)에 수광될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 레이저 출력부(910)가 포함하는 복수의 빅셀 유닛(914)은 일정한 시퀀스에 따라 동작할 수도 있고, 랜덤으로 동작할 수도 있다. 이때, 수신부(940)의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)도 빅셀 유닛(914)의 동작에 대응되어 동작할 수 있다.
예를 들어, 빅셀 어레이(911)의 1행 1열의 빅셀 유닛이 동작한 다음, 1행 3열의 빅셀 유닛이 동작할 수 있다. 그 다음, 1행 5열의 빅셀 유닛이 동작하고, 그 다음 1행 7열의 빅셀 유닛이 동작할 수 있다.
이때, 수신부(940)의 1행 1열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)이 동작한 다음, 1행 3열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)이 동작할 수 있다. 그 다음, 1행 5열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)이 동작하고, 그 다음 1행 7열의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)이 동작할 수 있다.
또한 예를 들어, 빅셀 어레이(911)의 빅셀 유닛이 랜덤하게 동작할 수 있다. 이때, 랜덤하게 동작하는 빅셀 유닛(914)의 위치와 대응되는 위치에 존재하는 수신부의 SPAD 유닛 또는 마이크로셀 유닛(944)이 동작할 수 있다.
이하에서는 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동 방법에 대해 설명한다.
도 39는 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 39를 참조하면, 본 발명의 라이다 장치는 이미터 어레이(1100) 및 디텍터 어레이(1200)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면 이미터 어레이(1100)는 도 1 내지 도 3의 레이저 출력부(100)에 포함되고, 디텍터 어레이(1200)는 도 1 내지 도 3의 센서부(300)에 포함될 수 있다.
옵틱부(200)는 이미터 어레이(1100)가 레이저를 출력하는 방향에 배치될 수 있다. 상기 옵틱부(200)는 이미터 어레이(1100)로부터 출력된 레이저 빔을 콜리메이션 시키거나, 스티어링 시킬 수 있다.
이미터 어레이(1100)로부터 출력되어 옵틱부(200)를 거친 레이저 빔은 대상체에 조사될 수 있다. 대상체에 반사된 레이저 빔은 디텍터 어레이(1200)에 수신될 수 있다. 이때, 대상체에 반사된 레이저 빔은 옵틱부(200)를 거쳐 디텍터 어레이(1200)에 수신될 수 있다.
레이저 빔이 디텍터 어레이(1200)에 수신되면, 디텍터 어레이(1200)는 광자를 감지하여 전기 신호를 생성할 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 도 1의 설명과 중복될 수 있으므로, 여기서 생략하기로 한다.
일 실시예에 따르면 이미터 어레이(1100)는 복수의 이미터들을 포함할 수 있다. 이때, 상기 이미터는 레이저 다이오드(Laser Diode:LD), Solid-state laser, High power laser, Light entitling diode(LED), Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL), External cavity diode laser(ECDL) 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
바람직하게는, 이미터 어레이(1100)는 도 6의 빅셀 어레이(150)일 수 있다. 이때, 이미터 어레이(1100)에 포함된 이미터(1115)는 도 4의 빅셀 이미터(110)일 수 있다.
도 39는 8 X 8 매트릭스 형태의 이미터 어레이를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고 다른 형태의 이미터 어레이도 가능하다.
일 실시예에 따르면 디텍터 어레이(1200)는 복수의 디텍터들을 포함할 수 있다. 이때, 상기 디텍터는 PN 포토 다이오드, 포토트랜지스터, PIN 포토 다이오드, APD, SPAD, SiPM, TDC, CMOS 또는 CCD 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
바람직하게는, 디텍터 어레이(1200)는 도 31의 SPAD 어레이(750)일 수 있다. 이때, 디텍터 어레이(1200)에 포함된 디텍터(1215)는 도 31의 SPAD(7510)일 수 있다.
도 39는 8 X 8 매트릭스 형태의 디텍터 어레이를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고 다른 형태의 디텍터 어레이도 가능하다.
일 실시예에 따르면 제어부(400)는 이미터 어레이(1100)에 포함된 복수의 이미터들을 한 줄씩 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(400)는 복수의 이미터들이 포함된 제1 이미터 그룹(1110)을 작동시킬 수 있다. 또한, 제어부(400)는 제1 이미터 그룹(1110) 작동 이후, 제2 이미터 그룹(1120)을 작동시킬 수 있다.
이때, 제1 이미터 그룹(1110) 및 제2 이미터 그룹(1120)은 인접한 열(column)일 수도 있고, 인접하지 않은 열일 수도 있다.
또한 이때, 제1 이미터 그룹(1110)으로부터 출력되어 대상체에 반사된 레이저 빔은 제1 디텍터 그룹(1210)에 수신될 수 있다. 또한, 제1 이미터 그룹(1110) 작동 이후, 제2 이미터 그룹(1120)으로부터 출력되어 대상체에 반사된 레이저 빔은 제2 디텍터 그룹(1220)에 수신될 수 있다.
일 실시예에 따르면 제1 이미터 그룹(1110)에 포함된 제1 이미터(1115)는 제1 영역에 레이저 빔을 조사하고, 제2 이미터(1116)는 제2 영역에 레이저 빔을 조사할 수 있다. 예를 들어, 제1 이미터(1115)로부터 출력된 제1 레이저 빔 및 제2 이미터(1116)로부터 출력된 제2 레이저 빔은 옵틱부(200)의 옵틱을 통해 각각 제1 영역 및 제2 영역으로 조사될 수 있다.
이때, 제1 영역에서 반사된 제1 레이저 빔은 제1 디텍터(1215)에 수신되고, 제2 영역에서 반사된 제2 레이저 빔은 제2 디텍터(1216)에 수신될 수 있다. 제1 디텍터(1215) 및 제2 디텍터(1216)는 레이저 빔의 광자를 디텍팅하여 신호를 생성할 수 있다.
제1 이미터(1115) 및 제2 이미터(1116)이 각각 제1 영역 및 제2 영역에 레이저 빔을 여러 번 조사함에 따라, 제1 디텍터(1215) 및 제2 디텍터(1216)도 광자를 여러 번 디텍팅하여 복수의 신호를 생성할 수 있다.
이때, 제어부(400)는 제1 디텍터(1215) 및 제2 디텍터(1216)가 출력한 복수의 신호를 각각 축적하여 히스토그램을 생성할 수 있다.
예를 들어, 제1 이미터(1115)가 제1 영역에 N번 레이저를 조사함에 따라, 제어부(400)는 제1 디텍터(1215)의 출력 신호인 N개의 데이터 셋을 축적함으로써 제1 히스토그램을 생성할 수 있다.
이때, 데이터 셋은 복수의 히스토그램 빈(bin)에 포함된 데이터들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 데이터 셋은 10000개의 히스토그램 빈으로 구성되고, 각각의 히스토그램 빈에는 데이터들이 포함될 수 있다.
구체적으로, 제1 히스토그램 빈에는 데이터가 없고, 제2 히스토그램 빈에는 데이터가 있을 수 있다. 이때, 제1 히스토그램 빈의 시간 동안에는 광자가 디텍팅되지 않았고, 제2 히스토그램 빈의 시간 동안에는 광자가 디텍팅된 것으로 볼 수 있다.
또한 이때, 히스토그램 빈에 데이터가 있는 경우는 광자가 디텍팅된 경우이므로, 이미터 어레이에서 출력된 레이저 빔이 대상체에 반사되어 감지되거나, 외부 노이즈(햇빛 등)가 감지된 것일 수 있다.
따라서, 데이터 셋 하나로는 어느 데이터가 대상체에 반사되어 감지된 레이저 빔에 의한 것인지 알 수 없으므로, 제어부(400)는 복수의 데이터 셋을 축적하여 히스토그램의 피크를 추출할 필요가 있다.
이때, 제어부(400)는 축적된 히스토그램 중 피크가 형성된 히스토그램 빈의 시간 구간 동안에 대상체로부터 반사된 레이저 빔이 수신된 것으로 파악할 수 있다.
또한 예를 들어, 제2 이미터(1116)가 제2 영역에 M번 레이저를 조사함에 따라, 제어부(400)는 제2 디텍터(1216)의 출력 신호인 M개의 데이터 셋을 축적함으로써 제2 히스토그램을 생성할 수 있다.
따라서, 제어부(400)는 X개의 디텍터를 포함하고 있는 디텍터 어레이(1200)를 통해 X개의 히스토그램을 생성할 수 있다. 이때, 제어부(400)는 생성된 히스토그램에 기초하여 제1 영역 및 제2 영역, 또는 대상체의 특성을 결정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(400)는 히스토그램에 기초하여 대상체(500)의 거리, 위치 좌표를 산출할 수 있다. 또한 예를 들어, 제어부(400)는 히스토그램에 기초하여 대상체(500)의 반사율, 재질 정보 등을 확인할 수 있다. 또한 예를 들어, 제어부(400)는 복수의 프레임마다 생성된 히스토그램에 기초하여 대상체(500)의 속도, 이동 방향 등을 확인할 수 있다.
구체적으로 도 32에서 설명한 바와 같이, 제어부(400)는 히스토그램(765) 중 일정량(768) 이상의 신호를 대상체(500)에서 반사된 광자에 의한 신호로 추출할 수 있다.
제어부(400)가 히스토그램(765) 중 대상체(500)에서 반사된 광자에 의한 신호를 추출하는 알고리즘에 대해서는 도 32의 설명과 중복될 수 있어, 자세한 내용은 생략한다.
다른 실시예에 따르면, 제어부(400)는 이미터 어레이(1100)에 포함된 이미터들을 열(column)이 아닌 행(row)으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(400)는 복수의 이미터들이 포함된 제1 행방향 이미터 그룹을 작동시킬 수 있다. 또한, 제어부(400)는 제1 행방향 이미터 그룹 작동 이후, 제2 행방향 이미터 그룹을 작동시킬 수 있다. 이때, 제1 행방향 이미터 그룹 및 제2 행방향 이미터 그룹은 인접한 행일 수도 있고, 인접하지 않은 행일 수도 있다.
또한 이때, 제1 행방향 이미터 그룹으로부터 출력되어 대상체에서 반사된 레이저 빔은 제1 행방향 디텍터 그룹에 수신될 수 있다. 또한, 제1 행방향 이미터 그룹 작동 이후, 제2 행방향 이미터 그룹으로부터 출력되어 대상체에 반사된 레이저 빔은 제2 행방향 디텍터 그룹에 수신될 수 있다.
열방향 동작과 마찬가지로, 제1 행방향 이미터 그룹 및 제2 행방향 이미터 그룹에서 출력된 레이저 빔은 각각 제3 영역 및 제4 영역으로 조사될 수 있다. 이때, 제3 영역에서 반사된 레이저 빔은 제1 행방향 디텍터 그룹에 수신되고, 제4 영역에서 반사된 레이저 빔은 제2 행방향 디텍터 그룹에 수신될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 제어부(400)는 이미터 어레이(1100)에 포함된 이미터들을 행방향 또는 열방향이 아닌 일정한 시퀀스에 따라 제어할 수도 있고, 랜덤으로 제어할 수도 있다. 이때, 제어부(400)는 이미터 어레이(1100)가 작동시키는 이미터들에 대응하는 디텍터들을 일정한 시퀀스에 따라 또는 랜덤으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(400)가 이미터 어레이(1100)의 1행 1열의 이미터, 1행 3열의 이미터, 2행 2열의 이미터, 2행 5열의 이미터들을 차례대로 작동시킬 때, 이에 따라 1행 1열의 디텍터, 1행 3열의 디텍터, 2행 2열의 디텍터, 2행 5열의 디텍터들이 차례대로 작동될 수 있다.
이에 대해서는 전술한 바와 같이, 빅셀 어레이(153)의 어드레서블한 동작에 대한 내용과 중복될 수 있어, 자세한 내용은 생략한다.
제어부(400)가 히스토그램을 형성하기 위해서는 적어도 N개의 데이터 셋이 필요하다. 예를 들어, N은 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 또는 그 이상의 수가 될 수 있고, N이 커질수록 외부 노이즈와 대상체에서 반사된 레이저 빔을 잘 구별할 수 있다.
제어부(400)가 N개의 데이터 셋을 축적하여 히스토그램을 형성하기 위해서는, 레이저 출력부(100)가 적어도 N번 레이저를 출력하여야 한다. 예를 들어, 레이저 출력부(100)는 이미터당 50번의 레이저를 출력하여야 한다.
일 실시예에 따르면, 제어부(400)는 8 X 8 매트릭스 형태의 이미터 어레이에 포함된 이미터들을 한 줄(column)씩 작동시킬 수 있다.
이때, 디텍터 어레이는 그 내부에 열(column)을 선택할 수 있는 컨트롤 로직(control logic) 유닛을 포함하고 있어, 제어부(400)에 의해 컨트롤 로직 유닛이 이미터 어레이 내에 동작하는 열(column)과 대응되는 디텍터 어레이(1200) 내의 열을 선택하여, 선택된 디텍터 어레이(1200) 내의 열을 작동시킬 수 있다.
예를 들어, 이미터 어레이의 내부에도 컨트롤 로직 유닛이 포함되어, 이미터 어레이의 컨트롤 로직 유닛에 인가되는 열 선택 신호와 디텍터 어레이의 컨트롤 로직 유닛에 인가되는 열 선택 신호는 동일한 것일 수 있다.
또한 이때, 제어부(400)가 히스토그램을 형성하기 위해서는, 8 X 8 매트릭스 형태의 이미터 어레이(1100)에 포함된 한 줄의 이미터들은 N번(예, 50번)씩 레이저를 조사하여야 한다.
예를 들어, 이미터 어레이(1100)의 1열 이미터 그룹이 레이저를 50번 조사한 후, 2열 이미터 그룹이 레이저를 50번 조사하고, 그 이후, 3열 이미터 그룹이 레이저를 50번 조사할 수 있다. 즉, 1열, 2열, 3열 ?? 8열의 이미터 그룹이 각각 레이저를 50번씩 순차적으로 조사할 수 있다.
이때, 1개의 프레임이 완성되기 위해서는, 이미터 어레이(1100) 내에 포함된 각 이미터 들에 대한 히스토그램들이 모두 형성되어야 한다. 즉, 1열 내지 8열의 이미터 그룹이 각각 레이저를 여러 번 조사한 후, 디텍터 어레이(1200)의 1열 내지 8열의 디텍터 그룹들의 출력 신호가 축적된 히스토그램이 형성되어야 한다.
일 실시예에 따르면, 이미터 어레이(1100)에 포함된 열(column)은 N개이고, 이미터들의 PRF(Pulse Repetition Frequency)는 P[Hz], 디텍터 어레이(1200)의 샘플링 수는 M개일 수 있다. 이때, 프레임 레이트는 P/(M*N)[fps]일 수 있다.
예를 들어, 이미터 어레이(1100)에 포함된 열의 개수는 100개이고, 이미터들의 PRF는 500kHz, 디텍터 어레이(1200)의 샘플링 수가 1000개일 때, 프레임 레이트는 5fps일 수 있다.
또한 예를 들어, 이미터 어레이(1100)에 포함된 열의 개수는 100개이고, 이미터들의 PRF는 500kHz, 디텍터 어레이(1200)의 샘플링 수가 500개일 때, 프레임 레이트는 10fps일 수 있다.
히스토그램을 생성할 때, 외부 노이즈 신호와 대상체에 반사된 레이저 빔에 대한 신호를 명확하게 구분하기 위해서는 디텍터 어레이(1200)의 샘플링 수(M, 예를 들어 1 내지 1023)가 많아야 한다. 그러나, 프레임 레이트와 디텍터 어레이(1200)의 샘플링 수(M)는 반비례 관계이므로, 높은 프레임 레이트를 가지기 위해서는 디텍터 어레이(1200)의 샘플링 수(M)를 증가시키는 것에 한계가 있을 수 있다.
이때, 높은 프레임 레이트를 가짐과 동시에, 디텍터 어레이(1200)의 샘플링 수(M)를 증가시키기 위해서는 이미터들의 PRF(P)를 증가시킬 수도 있다. 그러나, 이미터들의 PRF(P)를 높이는 데에도 한계가 있어, 최대 PRF로 작동하더라도, 위 문제를 해결하지 못할 수 있다.
따라서, 본원 발명은 프레임 레이트를 증가시키기 위한 해결책을 이하에서 설명한다. 이하의 방법에 따르면, 프레임 레이트를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 프레임 레이트에 구애받지 않고, 디텍터 어레이(1200)의 샘플링 수(M)에 대한 다양한 제어가 가능하다.
도 40은 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 40에 도시된 제1 이미터(1310) 및 제2 이미터(1320)는 이미터 어레이(1100)에 포함될 수 있다. 또한, 제1 디텍터(1410) 및 제2 디텍터(1420)는 디텍터 어레이(1200)에 포함될 수 있다.
예를 들어, 제1 이미터(1310)는 제1 이미터 그룹(1110)에 포함되고, 제2 이미터(1320)는 제2 이미터 그룹(1120)에 포함될 수 있다. 또한 예를 들어, 제1 이미터(1310) 및 제2 이미터(1320)는 제1 이미터 그룹(1110), 즉, 한 열(column)에 포함될 수도 있다.
또한 예를 들어, 제1 이미터(1310)는 제1 이미터 그룹(1110)에 포함되고, 제2 이미터(1320)는 제1 이미터 그룹(1110)과 인접하지 않은 열인 제3 이미터 그룹에 포함될 수 있다. 또한 예를 들어, 제1 이미터(1310)는 1행에 포함되고, 제2 이미터(1320)는 1행과 인접하지 않은 행에 포함될 수 있다.
이미터의 배열과 마찬가지로, 제1 디텍터(1410)는 제1 디텍터 그룹(1210)에 포함되고, 제2 디텍터(1420)는 제2 디텍터 그룹(1220)에 포함될 수 있다. 또한 예를 들어, 제1 디텍터(1410) 및 제2 디텍터(1420)는 제1 디텍터 그룹(11210), 즉, 한 열(column)에 포함될 수도 있다.
또한 예를 들어, 제1 디텍터(1410)는 제1 디텍터 그룹(1210)에 포함되고, 제2 디텍터(1420)는 제1 디텍터 그룹(1210)과 인접하지 않은 열인 제3 디텍터 그룹에 포함될 수 있다. 또한 예를 들어, 제1 디텍터(1410)는 1행에 포함되고, 제2 디텍터(1420)는 1행과 인접하지 않은 행에 포함될 수 있다.
전술한 바와 같이, 디텍터는 작동되는 이미터의 배열에 따라 달라질 수 있다. 즉, 이미터와 디텍터가 일대일 대응이 되어, N행 M열의 이미터가 작동될 때, N행 M열의 디텍터도 작동될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 이미터(1310)는 제1 시점(t1), 제2 시점(t2) 및 제5 시점(t5)에 레이저 빔을 출력할 수 있다. 이때, 제2 시점(t2)은 제1 시점(t1)보다 제1 시간(ts1)만큼 늦은 시점일 수 있다. 또한 이때, 제5 시점(t5)은 제2 시점(t2)보다 제1 시간(ts1)만큼 늦은 시점일 수 있다. 즉, 제1 이미터(1310)는 제1 주기(ts1)를 가지고 레이저 빔을 출력할 수 있다.
이때, 제1 디텍터(1410)는 제1 이미터(1310)가 제1 시점(t1)에 출력한 레이저 빔 중 대상체에 반사된 레이저 빔을 제1 시간 구간(p1) 동안 수신할 수 있다. 또한 제1 시간 구간(p1) 이후, 제1 디텍터(1410)는 제1 이미터(1310)가 제2 시점(t2)에 출력한 레이저 빔 중 대상체에 반사된 레이저 빔을 제2 시간 구간(p2) 동안 수신할 수 있다.
제1 시점(t1) 및 제2 시점(t2)은 제1 이미터(1310)의 PRF에 따른 레이저 빔 출력 시점일 수 있다. 즉, 제1 이미터(1310)는 정해진 PRF에 따라, 제1 시점(t1) 및 제2 시점(t2) 사이에는 소정의 파워를 가지는 레이저 빔을 출력하지 못할 수 있다.
따라서, 본원 발명의 제어부(400)는 제1 이미터(1310)가 소정의 파워를 가지는 레이저 빔을 출력하지 못하는 공백 시간(예, 제1 시점(t1) 및 제2 시점(t2) 사이의 시간)동안, 제2 이미터(1320)가 레이저 빔을 출력하도록 제어하여, 상기 공백 시간을 제2 이미터(1320)의 레이저 빔 출력 시간으로 활용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제2 이미터(1320)는 제3 시점(t3), 제4 시점(t4) 및 제6 시점(t6)에 레이저 빔을 출력할 수 있다. 이때, 제4 시점(t4)은 제3 시점(t3)보다 제2 시간(ts2)만큼 늦은 시점일 수 있다. 또한 이때, 제6 시점(t6)은 제4 시점(t4)보다 제2 시간(ts2)만큼 늦은 시점일 수 있다. 즉, 제2 이미터(1320)는 제2 주기(ts2)를 가지고 레이저 빔을 출력할 수 있다. 이때, 제2 주기(ts2)는 상기 제1 주기(ts1)와 동일할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이때, 제2 디텍터(1420)는 제2 이미터(1320)가 제3 시점(t3)에 출력한 레이저 빔 중 대상체에 반사된 레이저 빔을 제3 시간 구간(p3) 동안 수신할 수 있다. 또한, 제3 시간 구간(p3) 이후, 제2 디텍터(1420)는 제2 이미터(1320)가 제4 시점(t4)에 출력한 레이저 빔 중 대상체에 반사된 레이저 빔을 제4 시간 구간(p4) 동안 수신할 수 있다.
이때, 제1 디텍터(1410) 및 제2 디텍터(1420)의 각 레이저 빔 수신 구간은 일부 오버랩될 수 있다.
예를 들어, 제1 디텍터(1410)가 제1 이미터(1310)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하는 제1 시간 구간(p1)은 제2 디텍터(1420)가 제2 이미터(1320)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하는 제3 시간 구간(p3)과 일부 오버랩될 수 있다.
또한 예를 들어, 제2 디텍터(1420)가 제2 이미터(1320)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하는 제2 시간 구간(p2)은 제1 디텍터(1410)가 제1 이미터(1310)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하는 제2 시간 구간(p2)과 일부 오버랩될 수 있다.
제3 시점(t3)은 제1 시점(t1) 및 제2 시점(t2) 사이의 시점일 수 있다. 또한 이때, 제3 시점(t3)은 제1 시간 구간(p1) 이내의 시점일 수 있다.
또한, 제4 시점(t4)은 제2 시점(t2) 및 제5 시점(t5) 사이의 시점일 수 있다. 또한, 제4 시점(t4)은 제2 시간 구간(p2) 이내의 시점일 수 있다.
또한 이때, 제1 시점(t1) 및 제3 시점(t3)은 딜레이 시간(td)만큼의 차이를 가질 수 있다. 이때, 딜레이 시간(td)은 상기 제1 주기(ts1)의 절반(즉, 제1 시점(t1) 및 제2 시점(t2)의 중앙 시점)일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제3 시점(t3) 및 제4 시점(t4)은 제2 이미터(1320)의 PRF에 따른 레이저 빔 출력 시점일 수 있다. 즉, 제2 이미터(1320)는 정해진 PRF에 따라, 제3 시점(t3) 및 제4 시점(t4) 사이에는 소정의 파워를 가지는 레이저 빔을 출력하지 못할 수 있다.
따라서, 제어부(400)는 제2 이미터(1320)가 소정의 파워를 가지는 레이저 빔을 출력하지 못하는 공백 시간(예, 제3 시점(t3) 및 제4 시점(t4) 사이의 시간)동안, 제1 이미터(1310)가 레이저 빔을 출력하도록 제어하여, 상기 공백 시간을 제1 이미터(1310)의 레이저 빔 출력 시간으로 활용할 수 있다.
즉, 본원 발명의 제어부(400)는 제1 이미터(1310)의 레이저 빔 출력 시점 사이에 제2 이미터(1320)가 레이저 빔을 출력하도록 하여, 상기 공백 시간을 활용할 수 있다. 따라서, 1개의 프레임을 형성하기 위한 시간이 종래의 방법보다 절반 가량으로 줄어들 수 있다.
예를 들어, 종래의 방법은 위에서 설명한 바와 같이, 이미터 어레이(1100)에 포함된 열(column)은 N개, 이미터들의 PRF(Pulse Repetition Frequency)는 P[Hz], 디텍터 어레이(1200)의 샘플링 수는 M개인 경우, 프레임 레이트는 P/(M*N)[fps]일 수 있다.
그러나 도 40에서 설명한 방법에 따를 경우, 프레임 레이트는 약 P/(M*(N/2))[fps], 즉 2P/(M*N)[fps]일 수 있다.
도 41은 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동 순서를 설명하기 위한 도면이다.
도 41(a)와 같이, 이미터 어레이(1100) 및 디텍터 어레이(1200)는 1줄씩 순서대로 작동될 수 있다.
예를 들어, 1열 이미터 그룹의 레이저 빔 출력 시간 사이에 2열 이미터 그룹이 레이저 빔을 출력하여, 1열 및 2열 이미터 그룹이 디텍터 어레이(1200)의 샘플링 수(M)만큼 레이저 빔을 출력할 수 있다.
1열 및 2열 이미터 그룹의 레이저 빔 출력이 완료된 후, 3열 및 4열 이미터 그룹의 레이저 빔이 전술한 바와 같이 출력될 수 있다.
또한, 3열 및 4열 이미터 그룹의 레이저 빔 출력이 완료된 후, 5열 및 6열 이미터 그룹의 레이저 빔이 전술한 바와 같이 출력될 수 있다.
또한, 5열 및 6열 이미터 그룹의 레이저 빔 출력이 완료된 후, 7열 및 8열 이미터 그룹의 레이저 빔이 전술한 바와 같이 출력될 수 있다.
이미터 어레이(1100)의 레이저 빔 출력에 따라, 각 열의 이미터 그룹에 대응되는 디텍터 그룹들이 작동될 수 있다.
예를 들어, 1열 및 2열 이미터 그룹이 레이저 빔을 출력하는 동안, 1열 및 2열 디텍터 그룹이 레이저 빔을 수신할 수 있다. 또한, 3열 및 4열 이미터 그룹이 레이저 빔을 출력하는 동안, 3열 및 4열 디텍터 그룹이 레이저 빔을 수신할 수 있다.
위와 같이, 이미터 어레이(1100) 및 디텍터 어레이(1200)의 작동 순서는 왼쪽부터 오른쪽 방향으로 순서대로 작동할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이미터 어레이(1100) 및 디텍터 어레이(1200)는 일정 시퀀스를 따라 작동될 수도 있고, 랜덤으로 작동될 수도 있다.
도 41(b)는 간섭을 최소화하기 위한 이미터 어레이(1100) 및 디텍터 어레이(1200)의 작동 순서를 나타낸다.
제어부(400)는 레이저 빔을 번갈아 출력하는 두 열 사이의 거리가 소정의 거리 이상으로 일정하게 유지되도록 이미터 그룹 및 디텍터 그룹을 동작시킬 수 있다.
예를 들어, 1열 이미터 그룹의 레이저 빔 출력 시간 사이에 5열 이미터 그룹이 레이저 빔을 출력하여, 1열 및 5열 이미터 그룹이 디텍터 어레이(1200)의 샘플링 수(M)만큼 레이저 빔을 출력할 수 있다.
1열 및 5열 이미터 그룹의 레이저 빔 출력이 완료된 후, 2열 및 6열 이미터 그룹의 레이저 빔이 전술한 바와 같이 출력될 수 있다.
또한, 2열 및 6열 이미터 그룹의 레이저 빔 출력이 완료된 후, 3열 및 7열 이미터 그룹의 레이저 빔이 전술한 바와 같이 출력될 수 있다.
또한, 3열 및 7열 이미터 그룹의 레이저 빔 출력이 완료된 후, 4열 및 8열 이미터 그룹의 레이저 빔이 전술한 바와 같이 출력될 수 있다.
이미터 어레이(1100)의 레이저 빔 출력에 따라, 각 열의 이미터 그룹에 대응되는 디텍터 그룹들이 작동될 수 있다.
예를 들어, 1열 및 5열 이미터 그룹이 레이저 빔을 출력하는 동안, 1열 및 5열 디텍터 그룹이 레이저 빔을 수신할 수 있다. 또한, 2열 및 6열 이미터 그룹이 레이저 빔을 출력하는 동안, 2열 및 6열 디텍터 그룹이 레이저 빔을 수신할 수 있다.
위와 같이, 레이저 빔을 번갈아 출력하는 두 열이 소정의 거리를 두고 이격되어 있으므로, 두 열간의 간섭을 최소화할 수 있다.
도 42는 다른 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 42는 도 40과 달리, 3개 이상의 이미터에 대한 작동 방법이 나타나있다.
도 42에 도시된 제1 이미터(1310), 제2 이미터(1320) 및 제3 이미터(1330)는 이미터 어레이(1100)에 포함될 수 있다. 또한, 제1 디텍터(1410), 제2 디텍터(1420) 및 제3 디텍터(1430)는 디텍터 어레이(1200)에 포함될 수 있다.
제1 이미터(1310), 제2 이미터(1320) 및 제3 이미터(1330)의 배치 관계 및 제1 디텍터(1410), 제2 디텍터(1420) 및 제3 디텍터(1430)는 디텍터 어레이(1200)의 배치 관계는 도 40의 설명과 중복될 수 있어, 자세한 내용은 생략한다.
일 실시예에 따르면, 제1 이미터(1310)는 제1 시점(t1), 제2 시점(t2) 및 제5 시점(t5)에 레이저 빔을 출력할 수 있다. 이때, 제2 시점(t2)은 제1 시점(t1)보다 제1 시간(ts1)만큼 늦은 시점일 수 있다. 또한 이때, 제5 시점(t5)은 제2 시점(t2)보다 제1 시간(ts1)만큼 늦은 시점일 수 있다. 즉, 제1 이미터(1310)는 제1 주기(ts1)를 가지고 레이저 빔을 출력할 수 있다.
이때, 제1 디텍터(1410)는 제1 이미터(1310)가 제1 시점(t1)에 출력한 레이저 빔 중 대상체에 반사된 레이저 빔을 제1 시간 구간(p1) 동안 수신할 수 있다. 또한 제1 시간 구간(p1) 이후, 제1 디텍터(1410)는 제1 이미터(1310)가 제2 시점(t2)에 출력한 레이저 빔 중 대상체에 반사된 레이저 빔을 제2 시간 구간(p2) 동안 수신할 수 있다.
제1 시점(t1) 및 제2 시점(t2)은 제1 이미터(1310)의 PRF에 따른 레이저 빔 출력 시점일 수 있다. 즉, 제1 이미터(1310)는 정해진 PRF에 따라, 제1 시점(t1) 및 제2 시점(t2) 사이에는 소정의 파워를 가지는 레이저 빔을 출력하지 못할 수 있다.
따라서, 본원 발명의 제어부(400)는 제1 이미터(1310)가 소정의 파워를 가지는 레이저 빔을 출력하지 못하는 공백 시간(예, 제1 시점(t1) 및 제2 시점(t2) 사이의 시간)동안, 제2 이미터(1320) 및 제3 이미터(1330)가 레이저 빔을 출력하도록 제어하여, 상기 공백 시간을 제2 이미터(1320) 및 제3 이미터(1330)의 레이저 빔 출력 시간으로 활용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제2 이미터(1320)는 제3 시점(t3) 및 제6 시점(t6)에 레이저 빔을 출력할 수 있다. 이때, 제6 시점(t6)은 제3 시점(t3)보다 제2 시간(ts2)만큼 늦은 시점일 수 있다. 즉, 제2 이미터(1320)는 제2 주기(ts2)를 가지고 레이저 빔을 출력할 수 있다.
이때, 제2 디텍터(1420)는 제2 이미터(1320)가 제3 시점(t3)에 출력한 레이저 빔 중 대상체에 반사된 레이저 빔을 제3 시간 구간(p3) 동안 수신할 수 있다. 또한, 제3 시간 구간(p3) 이후, 제2 디텍터(1420)는 제2 이미터(1320)가 제6 시점(t6)에 출력한 레이저 빔 중 대상체에 반사된 레이저 빔을 제6 시간 구간(p6) 동안 수신할 수 있다.
이때, 제1 디텍터(1410) 및 제2 디텍터(1420)의 각 레이저 빔 수신 구간은 일부 오버랩될 수 있다.
예를 들어, 제1 디텍터(1410)가 제1 이미터(1310)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하는 제1 시간 구간(p1)은 제2 디텍터(1420)가 제2 이미터(1320)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하는 제3 시간 구간(p3)과 일부 오버랩될 수 있다.
제3 시점(t3)은 제1 시점(t1) 및 제2 시점(t2) 사이의 시점일 수 있다. 또한 이때, 제3 시점(t3)은 제1 시간 구간(p1) 이내의 시점일 수 있다.
또한, 제6 시점(t6)은 제2 시점(t2) 및 제5 시점(t5) 사이의 시점일 수 있다. 또한, 제6 시점(t6)은 제2 시간 구간(p2) 이내의 시점일 수 있다.
또한 이때, 제1 시점(t1) 및 제3 시점(t3)은 제1 딜레이 시간(td1)만큼의 차이를 가질 수 있다. 이때, 제1 딜레이 시간(td1)은 상기 제1 주기(ts1)의 삼분의 일 일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제3 시점(t3) 및 제6 시점(t6)은 제2 이미터(1320)의 PRF에 따른 레이저 빔 출력 시점일 수 있다. 즉, 제2 이미터(1320)는 정해진 PRF에 따라, 제3 시점(t3) 및 제6 시점(t6) 사이에는 소정의 파워를 가지는 레이저 빔을 출력하지 못할 수 있다.
따라서, 제어부(400)는 제2 이미터(1320)가 소정의 파워를 가지는 레이저 빔을 출력하지 못하는 공백 시간(예, 제3 시점(t3) 및 제6 시점(t6) 사이의 시간)동안, 제1 이미터(1310) 및 제3 이미터(1330)가 레이저 빔을 출력하도록 제어하여, 상기 공백 시간을 제1 이미터(1310) 및 제3 이미터(1330)의 레이저 빔 출력 시간으로 활용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제3 이미터(1330)는 제4 시점(t4) 및 제7 시점(t7)에 레이저 빔을 출력할 수 있다. 이때, 제7 시점(t7)은 제4 시점(t4)보다 제3 시간(ts3)만큼 늦은 시점일 수 있다. 즉, 제3 이미터(1330)는 제3 주기(ts3)를 가지고 레이저 빔을 출력할 수 있다. 이때, 제3 주기(ts3)는 상기 제1 주기(ts1) 또는 상기 제2 주기(ts2)와 동일할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이때, 제3 디텍터(1430)는 제3 이미터(1330)가 제4 시점(t4)에 출력한 레이저 빔 중 대상체에 반사된 레이저 빔을 제4 시간 구간(p4) 동안 수신할 수 있다. 또한, 제4 시간 구간(p4) 이후, 제3 디텍터(1430)는 제3 이미터(1330)가 제7 시점(t7)에 출력한 레이저 빔 중 대상체에 반사된 레이저 빔을 제7 시간 구간(p7) 동안 수신할 수 있다.
이때, 제1 디텍터(1410), 제2 디텍터(1420) 및 제3 디텍터(1430)의 각 레이저 빔 수신 구간은 일부 오버랩될 수 있다.
예를 들어, 제1 디텍터(1410)가 제1 이미터(1310)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하는 제1 시간 구간(p1)은 제2 디텍터(1420)가 제2 이미터(1320)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하는 제3 시간 구간(p3) 및 제3 디텍터(1430)가 제3 이미터(1330)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하는 제4 시간 구간(p4)과 일부 오버랩될 수 있다.
제4 시점(t4)은 제1 시점(t1) 및 제2 시점(t2) 사이의 시점일 수 있다. 또한 이때, 제3 시점(t3)은 제1 시간 구간(p1) 이내의 시점일 수 있다.
또한, 제4 시점(t4)은 제3 시점(t3) 및 제6 시점(t6) 사이의 시점일 수 있다. 또한 이때, 제4 시점(t4)은 제3 시간 구간(p3) 이내의 시점일 수 있다.
제7 시점(t7)은 제2 시점(t2) 및 제5 시점(t5) 사이의 시점일 수 있다. 또한 이때, 제7 시점(t7)은 제2 시간 구간(p2) 이내의 시점일 수 있다.
또한, 제7 시점(t7)은 제6 시점(t6) 이후의 시점일 수 있다. 또한 이때, 제7 시점(t7)은 제6 시간 구간(p6) 이내의 시점일 수 있다.
또한 이때, 제1 시점(t1) 및 제4 시점(t4)은 제2 딜레이 시간(td2)만큼의 차이를 가질 수 있다. 이때, 제2 딜레이 시간(td2)은 상기 제1 주기(ts1)의 삼분의 이 일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한 이때, 제3 시점(t3) 및 제4 시점(t4)은 제3 딜레이 시간(td3)만큼의 차이를 가질 수 있다. 이때, 제3 딜레이 시간(td3)은 상기 제1 주기(ts1) 또는 상기 제2 주기(ts2)의 삼분의 일 일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제4 시점(t4) 및 제7 시점(t7)은 제3 이미터(1330)의 PRF에 따른 레이저 빔 출력 시점일 수 있다. 즉, 제3 이미터(1330)는 정해진 PRF에 따라, 제4 시점(t4) 및 제7 시점(t7) 사이에는 소정의 파워를 가지는 레이저 빔을 출력하지 못할 수 있다.
따라서, 제어부(400)는 제3 이미터(1330)가 소정의 파워를 가지는 레이저 빔을 출력하지 못하는 공백 시간(예, 제4 시점(t4) 및 제7 시점(t7) 사이의 시간)동안, 제1 이미터(1310) 및 제2 이미터(1320)가 레이저 빔을 출력하도록 제어하여, 상기 공백 시간을 제1 이미터(1310) 및 제2 이미터(1320)의 레이저 빔 출력 시간으로 활용할 수 있다.
즉, 본원 발명 제어부(400)는 제1 이미터(1310)의 레이저 빔 출력 시점 사이에 제2 이미터(1320) 및 제3 이미터(1330)가 레이저 빔을 출력하도록 하여, 상기 공백 시간을 활용할 수 있다. 따라서, 1개의 프레임을 형성하기 위한 시간이 종래의 방법보다 삼분의 일 가량으로 줄어들 수 있다.
예를 들어, 종래의 방법은 위에서 설명한 바와 같이, 이미터 어레이(1100)에 포함된 열(column)은 N개, 이미터들의 PRF(Pulse Repetition Frequency)는 P[Hz], 디텍터 어레이(1200)의 샘플링 수는 M개인 경우, 프레임 레이트는 P/(M*N)[fps]일 수 있다.
그러나 도 42에서 설명한 방법에 따를 경우, 프레임 레이트는 약 P/(M*(N/3))[fps], 즉 3P/(M*N)[fps]일 수 있다.
도 43은 또 다른 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 43은 레이저 빔을 번갈아 출력 및 수신하는 각각의 이미터 그룹 및 디텍터 그룹간의 간섭을 최소화하기 위한 디텍터의 온오프 제어 방법을 도시하고 있다.
도 43의 제1 이미터(1310), 제2 이미터(1320), 제1 디텍터(1410) 및 제2 디텍터(1420)의 기본적인 작동 방법은 도 40의 설명과 중복될 수 있어, 자세한 내용은 생략한다.
일 실시예에 따르면, 제1 시간 구간(p1)은 제1 디텍터(1410)의 온(on) 상태인 구간 및 오프(off) 상태인 구간을 포함할 수 있다.
디텍터의 온 상태는 스위치로 온/오프 제어를 했을 때, 스위치에 의한 온 상태를 포함할 수 있다. 또한, 디텍터의 온 상태는 디텍터 어레이 내의 컨트롤 로직 유닛에 의해 상기 디텍터가 선택된 경우를 포함할 수 있다.
또한, 디텍터의 온 상태는 상기 디텍터에 전원이 인가된 경우를 포함할 수 있다. 디텍터의 온 상태는 위 경우에 한정되지 않고, 디텍터가 광자를 감지할 수 있는 모든 경우를 포함할 수 있다.
디텍터의 오프 상태는 스위치로 온/오프 제어를 했을 때, 스위치에 의한 오프상태를 포함할 수 있다. 또한, 디텍터의 오프 상태는 디텍터 어레이 내의 컨트롤 로직 유닛에 의해 상기 디텍터가 선택되지 않은 경우를 포함할 수 있다.
또한, 디텍터의 오프 상태는 상기 디텍터에 전원이 인가되지 않은 경우를 포함할 수 있다. 디텍터의 오프 상태는 위 경우에 한정되지 않고, 디텍터가 광자를 감지하지 못하는 모든 경우를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 이미터(1310)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하는 제1 디텍터(1410)는 제1 이미터(1310)가 레이저 빔을 출력하는 제1 시점(t1)부터 제2 이미터(1320)가 레이저 빔을 출력하는 제3 시점(t3) 까지는 온 상태일 수 있다.
또한 예를 들어, 제1 디텍터(1410)는 제2 이미터(1320)가 레이저 빔을 출력하는 제3 시점(t3)부터 제1 이미터(1310)가 레이저 빔을 출력하는 제2 시점(t2) 까지는 오프 상태일 수 있다.
제2 이미터(1320)가 레이저 빔을 출력한 시점인 제3 시점(t3) 이후에, 제1 디텍터(1410)가 제2 이미터(1320)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하여 발생되는 간섭 효과를 방지하기 위해, 제어부(400)는 제3 시점(t3)부터 제2 시점(t2) 사이에 제1 디텍터(1410)를 오프시킬 수 있다.
또한 일 실시예에 따르면 제3 시간 구간(p3)은 제2 디텍터(1420)의 온(on) 상태 구간 및 오프(off) 상태 구간을 포함할 수 있다.
제2 디텍터(1420)는 제1 디텍터(1410)와 마찬가지로, 제3 시간 구간(p3) 동안 온(on) 상태일 수도 있고, 오프(off) 상태일 수도 있다.
예를 들어, 제2 이미터(1320)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하는 제2 디텍터(1420)는 제2 이미터(1320)가 레이저 빔을 출력하는 제3 시점(t3)부터 제1 이미터(1310)가 레이저 빔을 출력하는 제2 시점(t2) 까지는 온 상태일 수 있다.
또한 예를 들어, 제2 디텍터(1420)는 제1 이미터(1310)가 레이저 빔을 출력하는 제2 시점(t2)부터 제2 이미터(1320)가 레이저 빔을 출력하는 제4 시점(t4) 까지는 오프 상태일 수 있다.
제1 이미터(1310)가 레이저 빔을 출력한 시점인 제2 시점(t2) 이후에, 제2 디텍터(1420)가 제1 이미터(1310)로부터 출력된 레이저 빔을 수신하여 발생되는 간섭 효과를 방지하기 위해, 제어부(400)는 제2 시점(t2)부터 제4 시점(t4) 사이에 제2 디텍터(1420)를 오프시킬 수 있다.
도 43은 제1 시점(t1) 및 제3 시점(t3) 사이의 간격인 딜레이 시간(td)이 상기 제1 주기(ts1) 또는 상기 제2 주기(ts2)의 절반인 경우를 도시하고 있다.
딜레이 시간(td)이 상기 제1 주기(ts1) 또는 상기 제2 주기(ts2)의 절반인 경우, 제1 디텍터(1410)가 온 상태일 때, 제2 디텍터(1420)는 오프 상태이고, 제1 디텍터(1410)가 오프 상태일 때, 제2 디텍터(1420)는 온 상태일 수 있다.
이하의 도 44에서는 제1 시점(t1) 및 제3 시점(t3) 사이의 간격인 딜레이 시간(td)이 상기 제1 주기(ts1) 또는 상기 제2 주기(ts2)의 절반이 아닌 경우에 대해서 설명한다.
도 44는 또 다른 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 44의 제1 이미터(1310), 제2 이미터(1320), 제1 디텍터(1410) 및 제2 디텍터(1420)의 기본적인 작동 방법은 도 40의 설명과 중복될 수 있어, 자세한 내용은 생략한다.
도 44는 제1 시점(t1) 및 제3 시점(t3) 사이의 간격인 딜레이 시간(td)이 상기 제1 주기(ts1) 또는 상기 제2 주기(ts2)의 절반이 아닌 경우에 대해 도시하고 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 딜레이 시간(td)은 상기 제1 주기(ts1) 또는 상기 제2 주기(ts2)의 절반 이하일 수 있다. 이에 따라, 도 43의 경우보다 제1 디텍터(1410)가 온 상태인 시간은 줄어들고, 제2 디텍터(1420)가 온 상태인 시간은 늘어날 수 있다.
따라서, 도 43의 경우보다, 제1 디텍터(1410)의 타임 윈도우(time window)는 줄어들어, 제1 디텍터(1410)가 감지할 수 있는 거리는 짧아질 수 있다. 즉, 제어부(400)가 제1 디텍터(1410)를 통해 측정할 수 있는 측정 거리가 짧아질 수 있다.
또한, 도 43의 경우보다, 제2 디텍터(1420)의 타임 윈도우는 늘어나게 되어, 제2 디텍터(1420)가 감지할 수 있는 거리는 길어질 수 있다. 즉, 제어부(400)가 제2 디텍터(1420)를 통해 측정할 수 있는 측정 거리는 길어질 수 있다.
즉, 제어부(400)는 제1 이미터(1310) 및 제1 디텍터(1410)를 통해 제1 영역의 단거리 부분을 측정할 수 있고, 제2 이미터(1320) 및 제2 디텍터(1420)를 통해 제2 영역의 장거리 부분을 측정할 수 있다.
의도적으로, 제어부(400)는 제1 영역은 단거리 부분을 측정하고, 제2 영역은 장거리 부분을 측정할 수 있다. 그러나 일반적으로, 제어부(400)는 제1 영역과 제2 영역의 측정 거리를 동일하게 하여 제1 영역 및 제2 영역에 존재하는 대상체의 특성을 결정할 것이다.
따라서, 이하의 도 45에서는 제1 영역 및 제2 영역의 측정 거리를 동일하게 할 수 있는 방법에 대해 설명한다.
도 45는 또 다른 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 45의 제1 이미터(1310), 제2 이미터(1320), 제1 디텍터(1410) 및 제2 디텍터(1420)의 기본적인 작동 방법은 도 40의 설명과 중복될 수 있어, 자세한 내용은 생략한다.
도 45는 제1 시점(t1) 및 제3 시점(t3) 사이의 간격인 딜레이 시간(td)이 상기 제1 주기(ts1) 또는 상기 제2 주기(ts2)의 절반이 아닌 경우에 대해 도시하고 있다.
또한 도 45는 제1 이미터(1310)의 레이저 빔 출력 시점 및 제2 이미터(1320)의 레이저 빔 출력 시점 사이의 시간인 딜레이 시간(td1, td2)이 일정하지 않은 경우에 대해 도시하고 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 주기(p11) 동안 제1 이미터(1310) 및 제2 이미터(1320)의 레이저 빔 출력 시점의 차이인 제1 딜레이 시간(td1)은 상기 제1 주기(ts1)의 절반보다 작을 수 있다. 반대로, 제2 주기(p22) 동안 제1 이미터(1310) 및 제2 이미터(1320)의 레이저 빔 출력 시점의 차이인 제2 딜레이 시간(td2)은 상기 제1 주기(ts1)의 절반보다 클 수 있다.
제1 주기(p11) 동안, 제1 디텍터(1410)의 타임 윈도우는 제1 시간 구간(p1)의 절반보다 짧을 수 있다. 따라서, 제1 주기(p11) 동안, 제어부(400)는 제1 디텍터(1410)를 통해 제1 영역의 단거리 부분을 측정할 수 있다.
또한, 제1 주기(p11) 동안, 제2 디텍터(1420)의 타임 윈도우는 제3 시간 구간(p3)의 절반 보다 길 수 있다. 따라서, 제1 주기(p11) 동안, 제어부(400)는 제2 디텍터(1420)를 통해 제2 영역의 장거리 부분을 측정할 수 있다.
반대로, 제2 주기(p22) 동안, 제1 디텍터(1410)의 타임 윈도우는 제1 시간 구간(p1)의 절반 보다 길 수 있다. 따라서, 제2 주기(p22) 동안, 제어부(400)는 제1 디텍터(1410)를 통해 제1 영역의 장거리 부분을 측정할 수 있다.
또한, 제2 주기(p22) 동안, 제2 디텍터(1420)의 타임 윈도우는 제3 시간 구간(p3)의 절반 보다 짧을 수 있다. 따라서, 제2 주기(p22) 동안, 제어부(400)는 제2 디텍터(1420)를 통해 제2 영역의 단거리 부분을 측정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 주기(p11)와 제2 주기(p22)는 번갈아 반복될 수 있다. 이때, 제1 주기(p11)에서 제2 주기(p22)로 넘어가기 전, 제2 디텍터(1420)의 측정 구간인 제4 시간 구간(p4)에는 제1 시간 구간(p1)의 길이보다 늘어질 수 있는 새그(sag) 구간(1421)이 존재할 수 있다.
상기 새그 구간(1421)에서는 제2 디텍터(1420)의 온/오프 상태 반복이 일시적으로 불규칙해질 수 있다. 그러나, 새그 구간(1421) 이후에는 다시 온/오프 상태의 제어가 규칙적으로 변할 수 있다.
제어부(400)는 제1 주기(p11) 및 제2 주기(p22)를 번갈아 반복하거나, 제1 주기(p11) 및 제2 주기(p22)의 시간 간격을 동일하게 함으로써, 제1 영역 및 제2 영역의 단거리 측정 및 장거리 측정을 가능하게 할 수 있다.
예를 들어, 제어부(400)는 한 프레임 측정 동안 제1 주기(p11) 및 제2 주기(p22)를 동일한 개수로 번갈아 반복할 수 있다. 또한 예를 들어, 제어부(400)는 한 프레임 측정 동안 절반은 제1 주기(p11), 다른 절반은 제2 주기(p22)를 따르도록 이미터 어레이(1100) 및 디텍터 어레이(1200)를 제어할 수 있다.
도 46은 또 다른 일 실시예에 따른 이미터 어레이 및 디텍터 어레이의 작동 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 46의 제1 이미터(1310), 제2 이미터(1320), 제1 디텍터(1410) 및 제2 디텍터(1420)의 기본적인 작동 방법은 도 40의 설명과 중복될 수 있어, 자세한 내용은 생략한다.
도 46은 제1 이미터(1310) 및 제2 이미터(1320)의 레이저 빔 출력 주기를 다르게 하는 경우에 대해 도시하고 있다.
제어부(400)는 제1 이미터(1310) 및 제2 이미터(1320)의 레이저 빔 출력 주기를 다르게 하여, 이미터 어레이(1100)가 출력하는 레이저 빔에 시그니처(signature) 또는 식별자를 포함시킬 수 있다.
제어부(400)는 레이저 빔에 시그니처 또는 식별자를 포함시킴으로써, 다른 레이저 출력 장치 또는 다른 라이다 장치 등과 상기 시그니처 또는 식별자가 포함된 레이저 빔을 출력하는 라이다 장치를 구분할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(400)는 제1 이미터(1310) 및 제2 이미터(1320)는 레이저 빔 출력 주기를 제1 주기(d1) 및 제2 주기(d2)로 하여, 주기를 번갈아 레이저 빔을 출력할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 제어부(400)는 제1 이미터(1310) 및 제2 이미터(1320)의 레이저 빔 출력 주기를 3개 이상으로 하여 출력할 수 있다. 예를 들어, 제어부(400)는 제1 이미터(1310)가 3초, 4초, 1초, 2초 간격으로 레이저 빔을 출력하도록 제어할 수 있다.
이때, 제어부(400)는 제1 이미터(1310)가 레이저 빔을 출력하는 시점인 제1 시점(t1) 이후 딜레이 시간(td)이 지난 후, 제2 이미터(1320)가 3초, 4초, 1초, 2초 간격으로 레이저 빔을 출력하도록 제어할 수 있다.
위의 실시예에 한정되지 않고, 제어부(400)는 이미터의 레이저 빔 출력 시점을 일정 시퀀스에 따라 정할 수 있다.
제어부(400)는 레이저 빔 출력에 시그니처를 포함시킴으로써, 다른 장치와의 간섭을 방지할 수 있고, 제어부(400)가 출력한 신호를 타 신호와 구분함으로써, 오작동을 방지할 수 있다.
도 47은 일 실시예에 라이다 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 47을 참조하면, 라이다 장치는 이미터 어레이 및 디텍터 어레이를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 라이다 장치의 제어 방법은 제1 이미터가 제1 시점에 제1 영역에 레이저 빔을 방출하는 단계(S110), 제1 디텍터가 제1 신호를 출력하는 단계(S120) 및 제1 히스토그램에 상기 제1 신호에 기초한 제1 데이터 셋을 축적하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
또한, 제2 이미터가 제2 시점에 제2 영역에 레이저 빔을 방출하는 단계(S140), 제2 디텍터가 제2 신호를 출력하는 단계(S150) 및 제2 히스토그램에 상기 제2 신호에 기초한 제2 데이터 셋을 축적하는 단계(S160)를 포함할 수 있다.
또한, 제1 이미터가 제3 시점에 제1 영역에 레이저 빔을 방출하는 단계(S170), 제1 디텍터가 제3 신호를 출력하는 단계(S180) 및 제1 히스토그램에 상기 제3 신호에 기초한 제3 데이터 셋을 축적하는 단계(S190)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제2 시점은 상기 제1 시점 및 상기 제3 시점 사이의 시점일 수 있다.
상기 라이다 장치의 제어 방법은 도 40 내지 도 46에서 설명한 제어부(400)의 제어 방법과 중복될 수 있어, 자세한 내용은 생략한다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
1310 : 제1 이미터
1320 : 제2 이미터
1410 : 제1 디텍터
1420 : 제2 디텍터

Claims (15)

  1. 레이저 빔을 출력하는 제1 이미터 및 제2 이미터를 포함하는 이미터 어레이;
    제1 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 제1 디텍터 및 제2 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 제2 디텍터를 포함하는 디텍터 어레이; 및
    상기 디텍터 어레이의 출력 신호가 축적된 히스토그램에 기초하여 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 특성을 결정하는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 특성을 결정하기 위해, 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초한 복수의 데이터 셋을 축적하여 제1 히스토그램 및 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초한 복수의 데이터 셋을 축적하여 제2 히스토그램을 형성하고,
    상기 제1 히스토그램은 상기 제1 이미터가 레이저 빔을 출력한 제1 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제1 데이터 셋 및 상기 제1 이미터가 레이저 빔을 출력한 제2 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제2 데이터 셋을 포함하고,
    상기 제2 히스토그램은 상기 제2 이미터가 레이저 빔을 출력한 제3 시점 이후 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제3 데이터 셋을 포함하고,
    상기 제3 시점은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이에 존재하는
    라이다 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 제1 히스토그램 및 상기 제2 히스토그램의 피크에 기초하여 각각 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 특성을 결정하는
    라이다 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시점 및 상기 제3 시점 사이의 간격은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이의 간격의 절반인
    라이다 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 히스토그램은 상기 제2 이미터가 레이저 빔을 출력한 제4 시점 이후 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제4 데이터 셋을 포함하고,
    상기 제2 시점은 상기 제3 시점 및 상기 제4 시점 사이에 존재하는
    라이다 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 시점 및 상기 제4 시점 사이의 간격은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이의 간격과 동일한
    라이다 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시점 및 상기 제3 시점 사이의 간격은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이의 간격의 절반보다 큰
    라이다 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 디텍터는 상기 제3 시점 및 상기 제2 시점 사이에 오프 상태이고,
    상기 제2 디텍터는 상기 제1 시점 및 상기 제3 시점 사이에 오프 상태인
    라이다 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이미터 어레이는 빅셀(VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 어레이인
    라이다 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 디텍터 어레이는 SPAD(Single-Photon Avalanche Diode) 어레이인
    라이다 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 라이다 장치는 상기 제1 이미터에서 출력된 제1 레이저 빔을 상기 제1 영역에 조사하고, 상기 제2 이미터에서 출력된 제2 레이저 빔을 상기 제2 영역에 조사하는 옵틱을 포함하는
    라이다 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 옵틱은 렌즈, 프리즘, 마이크로프리즘 어레이, 메타 표면 중 적어도 하나인
    라이다 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 히스토그램은 상기 제1 이미터가 레이저 빔을 출력한 제4 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성된 제4 데이터 셋을 포함하고,
    상기 제1 이미터는 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이의 간격이 제1 간격이 되고, 상기 제2 시점 및 상기 제4 시점 사이의 간격이 상기 제1 간격과 상이한 제2 간격이 되도록 레이저 빔을 출력하는
    라이다 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 데이터 셋은 제1 시간 구간에서 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성되고,
    상기 제2 데이터 셋은 제2 시간 구간에서 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성되고,
    상기 제3 데이터 셋은 제3 시간 구간에서 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초하여 생성되고,
    상기 제3 시간 구간은 상기 제1 시간 구간 및 상기 제2 시간 구간과 적어도 일부가 오버랩되는
    라이다 장치.
  14. 대상체에 레이저 빔을 조사하는 이미터 어레이 및 상기 대상체에 반사된 레이저 빔을 수신하는 디텍터 어레이를 포함하고, 상기 디텍터 어레이의 출력 신호에 기초한 복수의 데이터 셋이 축적된 히스토그램에 기초하여 상기 대상체의 특성을 결정하는 라이다 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 이미터 어레이에 포함된 제1 이미터를 통해 제1 시점 및 제2 시점에 제1 영역으로 레이저 빔을 조사하는 단계;
    상기 디텍터 어레이에 포함된 제1 디텍터를 통해 상기 제1 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 단계;
    상기 제1 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초한 제1 데이터 셋 및 상기 제2 시점 이후 상기 제1 디텍터의 출력 신호에 기초한 제2 데이터 셋을 포함하는 제1 히스토그램을 형성하는 단계;
    상기 이미터 어레이에 포함된 제2 이미터를 통해 제3 시점에 제2 영역으로 레이저 빔을 조사하는 단계;
    상기 디텍터 어레이에 포함된 제2 디텍터를 통해 상기 제2 영역에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 단계; 및
    상기 제3 시점 이후 상기 제2 디텍터의 출력 신호에 기초한 제3 데이터 셋을 포함하는 제2 히스토그램을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제3 시점은 상기 제1 시점 및 상기 제2 시점 사이에 존재하는
    라이다 장치의 제어 방법.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위해 프로그램이 기록된 컴퓨터에 의해 독출되어 실행 가능한 코드가 저장된 기록매체.
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