KR102637658B1 - 눈-안전 장거리 고체 상태 lidar 시스템 - Google Patents

눈-안전 장거리 고체 상태 lidar 시스템 Download PDF

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마크 제이. 도노반
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옵시스 테크 엘티디
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Abstract

고체 상태 LIDAR 시스템은 통전될 때 FOV를 갖는 광 빔을 각각 발생시키는 복수의 레이저를 포함한다. 복수의 검출기는 복수의 레이저에 의해 발생된 광 빔들의 광 경로 내에 위치된다. 복수의 레이저에 의해 발생된 복수의 광 빔 중 적어도 하나의 FOV는 복수의 검출기 중 적어도 2개의 FOV와 중첩한다. 컨트롤러는 미리 결정된 시간 시퀀스에서 복수의 레이저의 선택된 그룹을 통전하는 바이어스 신호들을 복수의 레이저 제어 출력에서 발생시키도록 구성되고 복수의 검출기에 의해 발생된 검출기 신호들의 미리 결정된 시퀀스를 검출하도록 구성된다.

Description

눈-안전 장거리 고체 상태 LIDAR 시스템 {Eye-safe long-range solid-state LIDAR system}
본원에 사용된 섹션 제목들은 편성의 목적들만을 위한 것이고 임의의 방식으로 본원에 설명되는 주제를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 6월 10일에 출원되고, 발명의 명칭이 "Eye-Safe Long-Range Solid-State LIDAR System"인 미국 가특허 출원 번호 제62/859,349호의 정규 출원이다. 미국 가특허 출원 번호 제62/859,349호의 전체 내용들은 본원에 참조로 원용된다.
도입
자율주행, 자체 주행, 및 반자율주행 자동차들은 주변 객체들의 검출 및 위치 찾기를 위해 레이더, 이미지 인식 카메라들, 및 소나와 같은 상이한 센서들 및 기술들의 조합을 사용한다. 이들 센서들은 충돌 경고, 자동 비상 제동, 차선 이탈 경고, 차선 유지 지원, 적응 크루즈 제어, 및 파일럿 주행을 포함하여 운전자 안전의 다수의 개선을 가능하게 한다. 이들 센서 기술들 중에서, 광 검출 및 거리 측정(light detection and ranging, LIDAR) 시스템들은 중요한 역할을 하여, 주변 환경의 실시간, 고해상도 3D 매핑을 가능하게 한다.
현재 자율주행 차량들에 사용되는 대부분의 상용 가능 LIDAR 시스템들은 환경을 기계적으로 스캐닝하는 일부 방법과 조합되는 소수의 레이저들을 이용한다. 미래 자율주행 자동차들은 고신뢰성 및 넓은 환경 동작 범위들을 갖는 고체 상태 반도체 기반 LIDAR 시스템들을 이용하는 것이 매우 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예는 원하는 패턴에 따라 타겟을 조명하기 위해 레이저 디바이스들의 어레이에서 특정 레이저 디바이스들의 선택적 제어를 제공할 수 있는 어레이 구동 제어 시스템을 사용하는 LIDAR 시스템을 제공한다.
고체 상태 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템은 복수의 레이저, 복수의 검출기 및 컨트롤러를 포함한다. 상기 복수의 레이저 각각은 통전될 때 관측 시야(FOV)를 갖는 광 빔을 각각 발생시킨다. 상기 복수의 검출기는 상기 복수의 레이저에 의해 발생된 광 빔들의 광 경로 내에 위치된다. 상기 복수의 검출기 각각은 검출기 신호 출력을 가지며, 상기 복수의 레이저에 의해 발생된 복수의 광 빔 중 적어도 하나의 FOV는 상기 복수의 검출기 중 적어도 2개의 FOV와 중첩한다. 상기 컨트롤러는 복수의 레이저 제어 출력 및 복수의 검출기 입력을 갖는다. 상기 복수의 레이저 제어 출력 각각은 상기 복수의 레이저 중 하나의 바이어스 입력에 전기적으로 연결되고 상기 복수의 검출기 입력 각각은 상기 복수의 검출기 중 하나의 검출기 신호 출력에 전기적으로 연결된다. 상기 컨트롤러는 눈 안전 조건들을 유지하기 위해 선택되는 시퀀스에서 상기 복수의 레이저의 선택된 그룹을 통전하는 바이어스 신호들을 상기 복수의 레이저 제어 출력에서 발생시키도록 구성되고, 상기 복수의 검출기 중 적어도 두 개의 위치에 기초하는 검출 이벤트 시퀀스를 생성하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시 예는 원하는 패턴에 따라 타겟을 조명하기 위해 레이저 디바이스들의 어레이에서 특정 레이저 디바이스들의 선택적 제어를 제공할 수 있는 어레이 구동 제어 시스템을 사용하는 LIDAR 시스템을 제공할 수 있다.
본 교시는 바람직하고 예시적인 실시예들에 따라, 그의 추가 장점들과 함께, 첨부 도면들과 관련하여 해석되는 이하의 상세한 설명에 더 구체적으로 설명된다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 후술되는 도면들이 도시 목적들만을 위한 것을 이해할 것이다. 도면들은 반드시 축척에 따라 도시되는 것은 아니며, 대신 일반적으로 교시의 원리들을 도시하는 것이 강조된다. 도면들은 임의의 방식으로 출원인의 교시의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
도 1a는 공지된 고체 상태 LIDAR 시스템의 개략도를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 LIDAR 시스템의 시스템 관측 시야(Field-of-View, FOV)의 2차원 투사를 도시한다.
도 2a는 본 교시에 따른 LIDAR 시스템의 일 실시예의 LIDAR 시스템 FOV의 2차원 투사를 도시한다.
도 2b는 본 교시에 따른 LIDAR 시스템의 일 실시예의 LIDAR 시스템 FOV의 2차원 투사에서 단일 레이저에 대응하는 검출기들을 나타낸다.
도 2c는 본 교시에 따른 특정 해상도를 제공하는 단일 레이저 FOV에 대응하는 검출기 그룹화를 갖는 LIDAR 시스템의 일 실시예의 LIDAR 시스템 FOV의 2차원 투사를 도시한다.
도 3은 본 교시의 LIDAR 송신기의 일부 실시예들에 사용되는 공지된 하단 방출 수직 공동 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)의 구조의 개략도의 사시도를 도시한다.
도 4a는 256개의 개별 레이저 방출기를 갖는 2D 모놀리식 VCSEL 어레이의 개략도를 도시하며, 각각의 방출기는 본 교시의 LIDAR 송신기의 일부 실시예들에 사용될 수 있는 큰 단일 애퍼처에 대응한다.
도 4b는 256개의 개별 레이저 방출기를 갖는 2D 모놀리식 VCSEL 어레이의 개략도를 도시하며, 각각의 방출기는 본 교시의 LIDAR 송신기의 일부 실시예들에 사용될 수 있는 9개의 서브애퍼처를 갖는다.
도 5는 905nm의 파장에서 IEC-60825 표준에 기초하여 계산된 클래스 1에 대해 허용되는 J/cm2에서의 최대 허용 노출(MPE)의 일 예의 그래프를 도시한다.
도 6은 펄스형 조건들 하에 VCSEL 레이저에 대한 광 파워 대 듀티 사이클의 그래프를 도시한다.
도 7은 개별 레이저들 듀티 사이클에 관한 눈 안전 및 열적 제약들을 고려하여, 펄스 평균화를 가능하게 하는 LIDAR 시스템을 동작시키는 방법의 일 실시예에 대한 흐름도를 도시한다.
도 8은 장면이 준정적인(quasi-static) 동안 검출기 어레이의 한 행이 다수의 측정을 취득하기 위해 사용되는 일 실시예에 대한 LIDAR 시스템 구성의 시스템 관측 시야(FOV)의 2차원 투사를 도시한다.
도 9는 광학계를 포함하고 공통 기판 상에 배치되는 4개의 VCSEL 어레이 조립체를 사용하여 송신기가 구성되는 본 교시의 LIDAR 시스템의 일부의 일 실시예를 도시한다.
본 교시는 이제 첨부 도면들에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예들을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다. 본 교시가 다양한 실시예들 및 예들과 함께 설명되지만, 본 교시는 그러한 실시예들에 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 반대로, 본 교시는 본 기술 분야의 통상의 기술자들에 의해 이해되는 바와 같이, 다양한 대안들, 수정들 및 등가물들을 포함한다. 본원에서의 교시에 접근하는 본 기술 분야의 통상의 기술자들은 본원에 설명된 바와 같은 본 개시의 범위 내에 있는 부가 구현들, 수정들, 및 실시예들뿐만 아니라, 다른 사용 분야들을 인식할 것이다.
명세서에서 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 참조는 실시예와 관련하여 설명되는 특정 특징, 구조, 또는 특성이 교시의 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 명세서의 다양한 곳에서 구 "일 실시예"의 출현들은 반드시 모두 동일한 실시예를 참조하는 것은 아니다.
본 교시의 방법의 개별 단계들은 교시가 동작 가능한 한 임의의 순서로 그리고/또는 동시에 수행될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 더욱이, 본 교시의 장치 및 방법은 교시가 동작 가능한 한 설명된 실시예들 중 임의의 수 또는 전부를 포함할 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
본 교시는 객체들까지의 거리들(범위들)을 측정하기 위해 레이저 광을 사용하는 원격 감지 방법인 광 검출 및 거리 측정(LIDAR)에 관한 것이다. 자율주행 차량들은 미세 해상도로 주변 환경의 고도로 정확한 3D 맵을 생성하기 위해 LIDAR 시스템들을 이용한다. 본원에 설명된 시스템들 및 방법들은 또한 긴 측정 범위뿐만 아니라 저비용을 유지하면서, 고레벨들의 신뢰성을 고체 상태 펄스형 비행 시간(TOF) LIDAR 시스템에 제공하는 것에 집중된다.
본원에 설명된 고체 상태 펄스형 TOF LIDAR을 제공하는 시스템들 및 방법들은 또한 클래스 1 눈 안전을 유지하도록 구성될 수 있다. 클래스 1 눈 안전 등급은 시스템이 정상 사용의 모든 조건들 하에 안전한 것을 의미한다. 클래스 1 눈 안전을 유지하기 위해, 레이저 광 에너지 또는 레이저 광 파워는 미국 및 국제 안전 표준들에 의해 정의된 바와 같이 최대 허용 노출(MPE) 레벨을 초과할 수 없다. 그러나, LIDAR 시스템의 측정 범위는 최대 송신 광 펄스 에너지 또는 파워 레벨에 강하게 의존한다. 따라서, 자동차 LIDAR 시스템들이 실행 가능한 한 클래스 1 MPE 제한에 가깝게 의도적으로 동작하는 것이 바람직하다.
동일한 파장에서 동작하는 모든 LIDAR 시스템들이 동일한 MPE 제한들을 받는 것을 고려하면, MPE 전력 제한 부근의 파워 레벨들에서 동작하는 다른 LIDAR 시스템에 대해 하나의 LIDAR 시스템에 대한 범위의 추가 개선들은 광 시스템의 양태들을 혁신함으로써 얻을 수 있다. 본 교시의 일 양태는 모든 에너지가 작은 FOV로 송신되는 고도로 시준된 레이저 빔을 사용하는 LIDAR 시스템이 동일한 양의 레이저 광이 더 넓은 FOV에 걸쳐 분산되는 시스템보다 더 긴 측정 범위를 제공할 수 있다는 것이다. 즉, 유사하게 작은 관측 시야(FOV)에 걸쳐 측정을 허용하는 수신기 설계와 조합되는 고도로 시준된 레이저 빔은 반사된 신호 전력 대 배경 광 레벨의 바람직한 비율을 이끌어 낼 것이며, 이는 범위 능력을 개선한다.
일 타입의 공지된 고체 상태 LIDAR 시스템은 소위 플래시 LIDAR 시스템이며, 이는 넓은 FOV에 걸쳐 레이저 광을 방출하는 방출 소스를 이용한다. 일부 플래시 LIDAR 시스템들은 고체 상태이다. 플래시 LIDAR 시스템들은 단일 조명 이벤트로 전체 장면을 조명할 수 있다. 그러나, 클래스 1 눈 안전 MPE 제한에서 동작하는 LIDAR 시스템들에 대해, 플래시 LIDAR에 의해 조명되는 넓은 FOV는 방출 소스로부터의 광이 고도로 시준되는 시스템과 비교하여 측정 범위를 상당히 제한한다.
본 교시의 펄스형 TOF LIDAR 시스템은 종래의 플래시 LIDAR 시스템과 비교하여 상당한 범위 증가를 제공하기 위해 클래스 1 눈 안전에 대한 MPE 제한에, 또는 MPE 제한 약간 아래에 광 파워/에너지를 갖는 시준된 송신기 레이저 빔들을 사용한다. 게다가, 본 교시의 펄스형 TOF LIDAR 시스템들은 신호 대 잡음비(SNR)를 개선하기 위해 다수의 레이저 펄스의 펄스 평균화 및/또는 펄스 히스토그래밍을 사용하며, 이는 범위를 더 개선한다. 이들 LIDAR 시스템들은 100 Hz보다 훨씬 위인 매우 높은 단일 펄스 프레임 속도를 이용한다.
도 1a는 공지된 고체 상태 LIDAR 시스템(100)의 개략도를 도시한다. 도 1a에 도시된 시스템은 전체 시스템 관측 시야를 한 번에 조명하는 플래시 송신기를 이용하지 않는다. 레이저 어레이(102)는 광 빔들의 다양한 패턴들을 발생시킨다. 광 빔은 방출기가 제어 펄스에 의해 활성화될 때 어레이(102) 내의 방출기로부터 방출된다. 하나 이상의 방출기는 때때로 특정 시퀀스에 따라 활성화된다. 레이저 어레이(102) 내의 레이저들로부터의 광 빔들은 광 빔들을 타겟 평면(110)에서의 타겟(106)으로 투사하는 공통 송신기 광학계(104)를 통해 전파된다. 타겟(106)은 이러한 특정 예에서 자동차(106)이지만, 타켓이 임의의 객체일 수 있다는 점이 이해된다.
입사 광 빔들로부터의 광의 부분들은 타겟(106)에 의해 반사된다. 반사된 광 빔들의 이들 부분들은 수신기 광학계(112)를 공유한다. 검출기 어레이(114)는 수신기 광학계(112)에 의해 투사되는 반사된 광을 수신한다. 다양한 실시예들에서, 검출기 어레이(114)는 이동 부분들을 갖지 않는 고체 상태이다. 검출기 어레이(114)는 전형적으로 송신기 어레이(102)가 갖는 개별 레이저들보다 더 적은 수의 개별 검출기 요소들을 갖는다.
LIDAR 시스템(100)의 측정 해상도는 검출기 어레이(114) 내의 검출기 요소들의 크기에 의해 결정되는 것이 아니라, 대신에 송신기 어레이(102) 내의 레이저들의 수 및 개별 광 빔들의 시준에 의해 결정된다. 다시 말해, 해상도는 각각의 광 빔의 관측 시야에 의해 제한된다. LIDAR 시스템(100) 내의 프로세서(도시되지 않음)는 검출기 어레이(114)에서 검출되는 레이저 어레이(102)에 의해 송신된 광 빔들로부터 타겟(106)까지의 거리를 결정하는 비행 시간(TOF) 측정을 수행한다.
본 교시에 따른 LIDAR 시스템들의 하나의 특징은 송신기 어레이(102) 내의 개별 레이저들 및/또는 레이저들의 그룹들이 개별적으로 제어될 수 있다는 것이다. 송신기 어레이 내의 각각의 개별 방출기는 전체 시스템 관측 시야의 일부에만 마주 대하는 3D 투사 각도에 대응하는 각각의 레이저 방출기에 의해 방출된 광 빔에 의해 독립적으로 파이어링(firing)될 수 있다. 그러한 LIDAR 시스템의 일 예는 본 양수인에게 양도된 미국 특허 공개 제2017/0307736 A1호에 설명되어 있다. 미국 특허 공개 제2017/0307736 A1호의 전체 내용들은 본원에 참조로 원용된다.
본 교시에 따른 LIDAR 시스템들의 다른 특징은 검출기 어레이(114) 내의 검출기들 및/또는 검출기들의 그룹들이 또한 개별적으로 제어될 수 있다는 것이다. 송신기 어레이(102) 내의 개별 레이저들 및/또는 레이저들의 그룹들에 대한 그리고 검출기 어레이(114) 내의 검출기들 및/또는 검출기들의 그룹들에 대한 이러한 독립 제어는 시스템 관측 시야의 제어, 광 파워 레벨들, 및 스캐닝 패턴을 포함하는 여러 가지 바람직한 동작 특징들을 제공한다.
도 1b는 도 1a의 LIDAR 시스템의 시스템 관측 시야(150)의 2차원 투사를 도시한다. 도 1a 및 도 1b 둘 다를 참조하면, 검출기 어레이 내의 개별 검출기의 관측 시야는 작은 정사각형(152)에 의해 표현된다. 송신기 레이저 어레이(102) 내의 개별 방출기와 연관되는 조명된 측정 지점은 원(154)에 의해 도시된다. 도 1a의 LIDAR 시스템의 전체 관측 시야 내의 단일 3D 측정 지점은 특정 흑색 원(158)으로서 제시되며, 이는 레이저 어레이 내의 특정 개별 레이저에 대응한다. 이러한 측정 지점이 개별 검출기의 범위 내에 있으며 검출기 어레이(114) 내의 그러한 개별 검출기의 관측 시야가 식별을 위해 크로스 해치 패턴을 갖는 정사각형(156)으로 제시되었던 점이 도 1b에서 더 인지될 수 있다. 이러한 도면은 각각의 레이저가 타겟 범위에서 원들(154)의 크기를 초래하는 특정 각의 투사 각도, 및 개별 검출기 요소의 관측 시야를 표현하는 원들(154) 및 정사각형들(152)의 상대 크기에 대응하므로, LIDAR 시스템의 일부 실시예들의 3D 해상도가 레이저들의 수에 의해 결정되는 것을 도시한다.
따라서, 원하는 관측 시야들은 송신기 어레이 내의 레이저들의 특정 개별 또는 그룹들을 제어하고/하거나 및/또는 수신 어레이 내의 검출기들의 개체 또는 그룹들을 제어함으로써 설정될 수 있다. 다양한 시스템 관측 시야는 방출기들의 개별 또는 그룹들 및/또는 검출기들의 개별 또는 그룹들에 대한 상이한 상대 관측 시야를 사용하여 설정될 수 있다. 관측 시야는 성능 메트릭스의 특정 및/또는 조합들을 생성하기 위해 설정될 수 있다. 이들 성능 메트릭스는 예를 들어, 개선된 신호 대 잡음비, 더 긴 범위 또는 제어된 범위, 눈 안전 동작 파워 레벨들, 및 더 작거나 더 큰 제어 가능 해상도들을 포함한다. 중요하게, 이들 성능 메트릭스는 LIDAR 시스템 성능을 최적화하기 위해 동작 중에 수정될 수 있다.
본 교시에 따른 LIDAR 시스템들은 원하는 패턴에 따라 타겟을 조명하기 위해 레이저 디바이스들의 어레이에서 특정 레이저 디바이스들의 선택적 제어를 제공할 수 있는 어레이 구동 제어 시스템을 사용한다. 또한, 본 교시에 따른 LIDAR 시스템들은 독립적으로 처리될 수 있는 검출기 신호들을 발생시키는 검출기들의 어레이를 사용할 수 있다. 따라서, 본 교시의 LIDAR 시스템들의 특징은 송신 및 수신 광 빔들 둘 다가 공유된 송신 및 수신 광학계를 사용하여 투사된 상태에서 방출기들의 고정된 어레이 및 검출기들의 고정된 어레이를 포함하는 전자, 비기계 또는 비이동 부분들을 독점적으로 갖는 LIDAR 시스템으로부터 다양한 동작 능력들을 제공하는 능력이다. 그러한 LIDAR 시스템 구성은 또한 작고, 신뢰성이 있고, 비용이 비교적 낮은 유연성 시스템을 초래할 수 있다.
본 교시의 LIDAR 시스템들은 또한 도 1a에 도시되는 공지된 시스템과 관련하여 설명된 바와 같이 레이저 어레이, 송신기 광학계, 수신기 광학계 및 검출기 어레이를 이용한다. 그러나, 본 교시에서의 이들 구성요소들은 시스템 관측 시야의 2차원 투사가 상이하도록 선택되고 구성된다. 본 교시의 하나의 특징은 상기 구성요소들이 구성되어 단일 방출기의 관측 시야가 단일 검출기의 관측 시야보다 더 크다는 것이다. 도 2a는 본 교시의 LIDAR 시스템의 일 실시예의 LIDAR 시스템 관측 시야(200)의 2차원 투사의 일 실시예를 도시한다. 도 2a에 도시된 LIDAR 시스템 관측 시야(200)의 2차원 투사를 생성하는 시스템은 도 1a 및 도 1b의 LIDAR 시스템들과 관련하여 설명된 것과 같이 구성된 레이저 어레이 및 송신 광학계를 갖는 투사 LIDAR 시스템이다. 그러나, 상기 구성요소들은 도시된 바와 같이 LIDAR 시스템 FOV(200)를 생성하도록 이격되고 배치된다. 구체적으로, 레이저들 및 연관된 송신 광학계의 어레이는 도시된 바와 같이 16개의 원(202)에 의해 표현된, 특정 크기를 갖는 원형 FOV들에서 빔들의 어레이를 생성하도록 구성된다. 다양한 실시예들은 방출기 및 투사 광학계에 따라 레이저 빔 FOV의 다양한 형상들을 발생시킨다.
도 2a에 도시된 LIDAR 시스템 FOV(200)은 4x4(16) 레이저 어레이에 의해 발생된다. 레이저의 발산/시준은 광 빔들 각각의 충분한 중첩만이 있어 관측 시야에 "갭들"이 없도록 선택되었다. 즉, 원들(202)은 4X4 어레이와 중첩하고 이를 형성한다. 검출기들의 어레이는 256개의 정사각형(204)에 의해 표현된, 특정 크기를 갖는 정사각형 FOV들의 어레이를 제공한다. 정사각형(204)에 의해 표현된 개별 검출기 영역은 때때로 픽셀로 지칭된다. 어레이에 걸쳐 실제로 연속적인 커버리지를 갖는 16x16(256) 검출기가 있는 것을 알 수 있다. 레이저들 및 검출기들의 수, 및 방출기 및 검출기 요소들의 FOV의 특정 크기 및 형상은 본 교시의 특징들을 도시하기 위해 선택되었고, 실제 시스템을 반드시 나타내는 것은 아니라는 점이 이해되어야 한다.
도 2a의 LIDAR 시스템의 실시예에서, 검출기들의 수(256)는 레이저들의 수(16)를 초과한다. 이러한 실시예는 원(202)에 의해 표현된, 레이저 방출기의 FOV가 정사각형들(204)에 의해 표현된, 다수의 검출기의 FOV를 커버하는 본 교시에 따른 LIDAR 시스템들에 대한 중요 사용 경우를 표현한다.
다양한 검출기 기술들은 본 교시에 따른 LIDAR 시스템들에 대한 검출기 어레이를 구성하기 위해 사용된다. 예를 들어, 단일 광자 애벌란치 다이오드 검출기(SPAD) 어레이들, 애벌란치 광검출기(APD) 어레이들, 및 실리콘 포토멀티플라이어 어레이들(SPAs)이 사용될 수 있다. 검출기 크기는 단일 검출기의 FOV를 설정함으로써 해상도를 설정할 뿐만 아니라, 각각의 디바이스의 속도 및 검출 감도와 관련된다. LIDAR에 대한 검출기들의 최신 2차원 어레이들은 VGA 카메라들의 해상도에 이미 접근하고 있고, CMOS 카메라 기술로 인지된 것과 유사한 픽셀 밀도를 증가시키는 경향을 따르는 것으로 예상된다. 따라서, 정사각형(204)에 의해 표현되는 검출기 FOV의 점점 더 작아지는 크기들은 시간에 따라 실현되는 것으로 예상된다. 예를 들어, 264,000 픽셀(688(H) x 384(V))를 갖는 APD 어레이는 "A 250m Direct Time-of-Flight Ranging System Based on a Synthesis of Sub-Ranging Images and a Vertical Avalanche Photo-Diodes(VAPD) CMOS Image Sensor", Sensors 2018, 18, 3642에서 최근 보고되었다.
도 2b는 본 교시에 따른 LIDAR 시스템(250)의 일 실시예의 시스템 FOV의 2차원 투사에서 단일 레이저에 대응하는 검출기들을 나타낸다. 도 2a에 도시된 LIDAR 시스템 FOV(200)와 유사하게, 단일 레이저 FOV는 원(202)에 의해 표현되고, 단일 검출기는 정사각형(204)에 의해 표현된다. 관심 레이저는 특정 원(252)에 의해 표현되는 FOV를 조명하도록 컨트롤러에 의해 통전된다. 컨트롤러는 원하는 시간에 원하는 레이저 또는 레이저들을 통전하는 바이어스 신호를 발생시킨다. 원(252)에 의해 표현된 레이저 빔 FOV의 적어도 일부 부분과 중첩되는 검출기 FOV들은 시스템 FOV에서의 음영 영역(254) 내에 있다. 이러한 특정 구성에서, 32개의 개별 검출기 FOV를 포함하는 검출기 영역(254)은 단일 레이저 빔 FOV(252)에 대해 실현된다. 검출기 영역(254) 내의 각각의 검출기 FOV는 작은 정사각형(204)과 연관된 FOV를 갖는다. 다양한 실시예들에서, 검출기 영역(254)이 반드시 정사각형 또는 직사각형인 것은 아니라는 점을 주목한다. 영역(254)의 형상은 검출기 형상 및 레이저 빔 프로파일에 의존하며, 그 중 어느 하나는 임의의 형상(원형, 정사각형, 또는 다른 것)일 수 있다.
컨트롤러는 선택된 레이저의 레이저 빔 FOV(252) 내에 있는 하나 이상의 검출기의 세트를 영역(254)에서 선택한다. 검출기들의 선택된 세트로부터의 신호들이 동시에 검출되고 검출된 신호가 컨트롤러에 제공된 다음 처리되어 단일 측정 펄스를 발생시킨다. LIDAR 시스템의 가장 긴 지정된 범위에서 동작을 포함하는 장거리 동작에 대해, 측정 펄스를 발생시키기 위해 사용되는 픽셀들(즉, 개별 검출기들)의 수는 해상도의 희생으로 SNR을 최대화하기 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 최상의 SNR은 도 2b에 강조되어 도시된 영역(254) 내의 모든 검출기들로부터 수신된 신호를 일부 방식으로 합산하거나 조합함으로써 이루어진 측정에 대응할 수 있다. 즉, 선택된 레이저의 FOV(252) 내에 있는 다수의 인접 검출기가 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저의 FOV(252)에서 광에 의해 완전히 조명되는 그들 검출기들만이 선택된다. 그와 같이, 완전히 조명되지 않는 검출기들로부터의 잡음이 축적되지 않는다. 대안적으로, 검출기들의 더 작은 서브세트가 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 교시에 따른 일부 구성들에서, 레이저로부터의 파워는 빔 프로파일에 걸쳐 균일하게 분배되지 않는다. 이들 구성들에서, 빔의 프로파일과 매칭하는 검출기들의 서브세트가 사용될 수 있으므로 입사 광의 더 높은 세기를 수신하는 검출기들이 선택된다.
일부 범위들에서, 가장 긴 측정 범위에 대한 SNR을 최대화하기 위해 픽셀 신호들을 조합하는 대신에, 더 높은 해상도 이미지를 생성하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 가까운 범위에서, 각각의 픽셀 또는 더 작은 세트의 픽셀들은 장면의 더 높은 해상도 이미지를 제공하기 위해 개별적으로 측정될 수 있다. 이들 실시예들에서, 타겟 범위에서 특정 해상도를 제공하기 위해 특정 측정 펄스에 기여하도록 검출기 FOV의 특정 크기 또는 형상을 제공하는 다수의 검출기가 선택된다.
도 2c는 본 교시에 따른 특정 해상도를 제공하는 단일 레이저 FOV(286)에 대한 검출기 그룹화를 갖는 LIDAR 시스템의 일 실시예의 LIDAR 시스템 FOV(270)의 2차원 투사를 도시한다. 도 2a와 같이, 단일 레이저 FOV는 원(202)에 의해 표현되고, 단일 검출기는 이러한 구성에서 정사각형(204)에 의해 단일 픽셀을 표현한다. 이러한 실시예에서, 4개의 픽셀의 7개의 그룹(272, 274, 276, 278, 280, 282, 284)은 원(286)에 의해 표현된 단일 레이저 빔 FOV와 함께 각각 사용된다. 4개의 픽셀의 7개의 그룹(272, 274, 276, 278, 280, 282, 284)은 특정 측정 펄스에 기여하기 위해 각각 개별적으로 선택될 수 있다. 각각의 측정 펄스는 특정 그룹(272, 274,276, 278, 280, 282, 284)의 크기에 기초하는 해상도를 생성할 것이다. 따라서, 이러한 경우에, 조명 레이저 스폿 FOV(원(286))의 해상도보다 더 낮은 해상도를 각각 갖는 7개의 측정은 조명 FOV(원(286)) 내에서 이용 가능하다. 따라서, 검출기들의 특정 수 및 형상을 선택함으로써, 다양한 해상도들이 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 2c의 그룹들(272, 274,276, 278, 280, 282, 284)에 도시된 바와 같이 4개의 픽셀보다는 오히려, 수직으로 배열된 2개의 픽셀만을 사용하는 것은 수직 차원에서 동일한 해상도를 생성하고, 수평 차원에서 해상도의 절반을 생성할 것이다. 유사하게, 4개의 픽셀보다는 오히려, 수평으로 배열된 2개의 픽셀만을 사용하는 것은 수평 차원에서 그룹들(272, 274,276, 278, 280, 282, 284)과 동일한 해상도를 생성하고, 수직 차원에서 해상도의 절반을 생성할 것이다. 설명된 다양한 그룹화들은 예들일 뿐이다. 검출기들은 특정 측정을 위한 원하는 해상도를 제공하기 위해 그룹 크기 및 형상들을 제공하도록 선택된다.
도 3은 본 교시의 LIDAR 송신기의 일부 실시예들에 사용되는 공지된 하단 방출 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)(300)의 구조의 개략적 도해의 사시도를 도시한다. VCSEL(300)의 방출 애퍼처(302)의 영역은 전형적으로 mW 전력 동작에 대해서는 수 미크론 직경에서, 100 mW 이상 CW 전력 동작에 대해서는 100 미크론 직경 이상까지의 범위이다. VCSEL(300)은 예를 들어, GaAs, 또는 다수의 다른 반도체 재료일 수 있는 기판(304) 상에 제조된다.
n-형 분산 브래그 반사기(DBR) 층(306)은 기판 상에 위치된다. 활성 영역(308)은 n-형 DBR 층(306) 상에 구성되고, 이어서 산화물 재료로 형성될 수 있는 애퍼처(310)가 있다. 그 다음, p-형 DBR 층(312)은 활성 영역 상에 성장된다. 전형적으로, p-형 DBR 층(312)은 높게 반사하고 있고, n-형 DBR 층(306)은 부분적으로 반사하고 있어, 층 구조의 하단 기판 측으로부터의 광 출력(314)을 초래한다. 활성 영역(308), 산화물 애퍼처(310), 및 p-형 DBR 층(312)은 도시된 디바이스에서 메사(mesa) 구조로 형성된다. 상단 접촉부(316) 및 하단 접촉부(318)는 출력 광을 발생시키기 위해 전류를 활성 영역에 제공하는데 사용된다. 산화물 애퍼처(310)는 전류 한정을 활성 영역(308)에 제공한다. 상단 접촉부(316)는 p-형이고, 하단 접촉부(318)는 n-형이다.
방출 애퍼처들(302)은 출력 광(314)이 하단 방출 VCSEL(300)의 하단 기판 측으로부터 나오는 것을 허용하기 위해 하단 접촉부(318)에 형성된다. 도 3은 다중 방출기 VCSEL 어레이의 하나의 방출기만을 도시하기 때문에 하나의 방출 애퍼처(302)만이 도 3에 도시된다는 점을 주목한다. 이러한 타입의 VCSEL은 독립형 단일 방출기일 수 있거나, 기판(304) 상에 1차원 또는 2차원 어레이들로서 제조될 수 있는 다수의 방출기 VCSEL의 일부일 수 있다. VCSEL 접촉부들(316, 318)은 개별적으로 처리될 수 있고/있거나 공통 전기 입력 신호로 VCSEL들의 그룹들을 처리하기 위해 다양한 구성들에서 함께 전기적으로 연결될 수 있다. 본 교시의 하나의 특징은 특정 LIDAR 시스템 응용을 위해 적절한 구동 신호로 어레이 내의 하나 이상의 VCSEL(300) 디바이스의 통전을 제어하기 위한 시스템 및 방법이다.
본 교시의 다양한 실시예들은 상단 방출 VCSEL들, 하단 방출 VCSEL들, 및 다양한 타입들의 고전력 VCSEL들을 포함하는, 다양한 공지된 VCSEL 레이저 디바이스들을 사용한다.
일부 실시예들에서, VCSEL 어레이는 모놀리식이고 레이저들은 모두 공통 기판을 공유한다. 다양한 공통 기판 타입들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 공통 기판은 반도체 재료일 수 있다. 공통 기판은 또한 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, VCSEL 어레이는 2D VCSEL 어레이이고 2D VCSEL 어레이는 1D 바들의 그룹으로부터 또는 심지어 다수의 개별 다이로부터 조립된다.
본 교시에 따른 LIDAR 시스템들의 하나의 특징은 다양한 레이저 어레이들을 위한 제어 가능 관측 시야를 제공할 수 있다는 것이다. 일부 실시예들은 VCSEL 어레이들을 사용한다. 일부 실시예들에서, VCSEL들은 상단 방출(top-emitting) VCSEL들이다. 다른 실시예들에서, VCSEL들은 하단 방출(bottom-emitting) VCSEL들이다. 개별 VCSEL들은 단일 큰 방출 애퍼처를 가질 수 있거나, 개별 VCSEL들은 더 큰 유효 방출 직경 내에서 2개 이상의 서브애퍼처로 형성될 수 있다. 더 큰 유효 방출 영역을 형성하는 서브애퍼처들의 그룹은 때때로 클러스터로 지칭된다. 클러스터 내의 서브애퍼처들은 단일 제어 신호에 의해 전자적으로 활성되도록 전기적으로 병렬 연결될 수 있다.
도 4a는 256개의 개별 레이저 방출기(402)를 갖는 2D 모놀리식 VCSEL 어레이(400)의 개략도를 도시하며, 각각의 방출기(402)는 본 교시의 LIDAR 송신기의 일부 실시예들에 사용되는 큰 단일 애퍼처에 대응한다. 각각의 레이저 방출기는 방출 애퍼처 직경(a 404)을 갖는다. 각각의 단일 레이저 방출기(402)로부터의 방출은 실질적으로 전체 방출 애퍼처 직경(a 404)을 채운다. 따라서, 각각의 레이저 방출기는 초기 직경(a 404)을 갖는 레이저 빔을 발생시키며, 초기 직경은 방출 애퍼처의 직경과 동일하다. 레이저 방출기들은 간격(dx 406)을 가지고 수평 방향으로 균일하게 이격되고 간격(dy 408)을 가지고 수직 방향으로 균일하게 이격된다. 어레이의 전체 크기는 최외측 레이저들의 중심들로부터 측정되는 바와 같이, 수평 방향으로 거리(Dx 410)이고 수직 방향으로 거리(Dy 412)이다. 실제 칩 크기는 치수들(Dx 410 및 Dy 412)보다 약간 더 클 것이다. 다양한 실시예들에서, 방출기들은 다양한 형상들을 갖는 광 빔들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 타원형, 정사각형, 직사각형 및 다양한 특이한 형상들이 실현될 수 있다.
도 4b는 256개의 개별 레이저 방출기(452)를 갖는 2D 모놀리식 VCSEL 어레이(450)의 개략도를 도시하며, 각각의 레이저 방출기(452)는 본 교시의 LIDAR 송신기의 일부 실시예들에 사용될 수 있는 9개의 서브애퍼처(454)를 갖는다. 각각의 단일 레이저 방출기(452)로부터의 방출은 모든 9개의 서브애퍼처(454)로부터의 방출을 초래한다. 9개의 서브애퍼처(454) 중 하나 이상이 제조 이상들 또는 디바이스 고장들로 인해 광을 방출하지 못하는 경우에, 방출기(452)는 여전히 기능하고 더 낮은 출력 전력에 있을지라도 광 빔을 발생시킨다. 출력 광 빔은 서브애퍼처들(454)의 패턴에 대응할 것이고, 서브애퍼처들(454)은 다양한 형상들로 배치될 수 있다. 도시되는 구성에서, 출력 빔은 형상이 명목상 정사각형이며, 9개의 서브애퍼처(454)의 3X3 정사각형 어레이의 방출기(452) 형상에 대응한다. 레이저 방출기들(452)은 간격(dx 456)을 가지고 수형 방향으로 균일하게 이격되고 간격(dy 458)을 가지고 수직 방향으로 균일하게 이격된다. 최외측 레이저들의 중심들로부터 측정되는, 어레이의 전체 크기는 수평 방향으로 거리(Dx 560)이고 수직 방향으로 거리(Dy 462)이다. 실제 칩 크기는 거리(Dx 460) 및 거리(Dy 462)보다 약간 더 클 것이다. 규칙적 및 불규칙적 어레이들을 포함하는 다양한 어레이 패턴들이 가능하다. 도 4a 내지 도 4b의 VCSEL들은 광이 방출되지 않는 VCSEL 다이의 구역들, 예를 들어, 영역들(414, 464)을 포함한다.
본 교시의 일부 실시예들은 레이저당 큰 단일 애퍼처를 갖는 VCSEL들의 하단 방출 고전력 어레이들을 이용하고, 도 4a에 도시된 구성에서와 같이, 규칙적으로 이격된 직사각형 어레이로 구성된다. 본 교시의 다른 실시예들은 서브애퍼처들을 포함하는 전체 방출 구역에 VCSEL들의 상단 방출 또는 하단 방출 고전력 어레이들을 이용한다. 그러나, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 교시가 상단 및 하단 방출 VCSEL들, 연관된 방출 애퍼처들, 또는 어레이 간격들 또는 형상들의 임의의 단일 구성들에 제한되지 않는 것을 이해할 것이다.
본 교시의 LIDAR 시스템들의 하나의 특징은 방출기들 모두가 동일한 파장에서 광을 방출하지 않을 수 있다는 것이다. VCSEL을 생성하기 위해 사용되는 웨이퍼 제조 공정은 전형적으로 각각의 웨이퍼가 하나의 중심 파장을 갖는 것을 초래하며, 파장들의 분포는 중심 값 주위의 수 나노미터 내에서 웨이퍼에 걸쳐 있다. 따라서, 다수의 파장을 사용하는 LIDAR 시스템들은 전형적으로 다수의 개별 다이, 즉 하나의 특정 파장의 각각의 다이를 사용하고, 그 다음 광 시스템과 함께 이들 다이를 배치하여 원하는 원거리 필드 투사 패턴을 생성할 것이다. 2개의 공통 타입의 원거리 필드 투사 패턴들은 나란히 있고 인터리빙(interleaving)된다. 나란한 원거리 필드 투사 패턴들에서, FOV는 에지들만이 중첩되는 상태에서, 서로 인접하는 상이한 파장의 영역들로 분할되는 반면, 인터리빙된 패턴에서, 대부분의 FOV는 2개 이상의 파장을 포함한다.
본 교시의 LIDAR 시스템들의 빌딩 블록으로서 2D VCSEL 어레이들의 사용은 송신기에 대한 작은 물리적 크기를 허용하는 송신기 플랫폼을 확립한다. 예를 들어, 대략 4mm x 4mm인 치수들을 갖는 모놀리식 칩 상에 256개의 고전력 개별 레이저 방출기를 갖는 전형적인 2D 어레이를 제조하는 것이 가능하다. 그 다음, 모놀리식 2D 레이저 어레이는 물리적 치수를 가능한 한 작게 유지하기 위해 선택되는 송신 광학계와 함께 사용된다. 예를 들어, 일부 실시예들은 모놀리식 칩과 유사한 크기들을 갖는 마이크로렌즈 어레이들을 사용한다. 다른 실시예들은 예를 들어, 20 mm 미만의 직경을 갖는 공유된 렌즈들을 사용한다. 또 다른 실시예들은 예를 들어, 20 mm 직경의 최대 치수들을 갖는 회절 광학계를 사용한다.
본 교시의 LIDAR 시스템들의 하나의 특징은 방출기들에 의해 생성된 광 빔들의 간격 및/또는 발산이 원하는 패턴, 형상 또는 다른 지정된 특성을 갖는 방출기 FOV들을 발생시키도록 구성될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 광 빔들은 중첩되거나 중첩되지 않도록 이루어질 수 있다. FOV 패턴의 선택은 예를 들어, 특정 패턴에 따라, 범위, 눈 안전 파워 레벨, 신호 대 잡음비 및/또는 해상도에 대한 제어를 제공한다.
본 교시의 고체 상태 LIDAR 시스템은 클래스 1 눈 안전 제한들을 고수한다. 도 5는 905nm의 파장에서 IEC-60825 표준에 기초하여 계산된 클래스 1에 대해 허용되는 J/cm2에서의 MPE의 일 예의 그래프(500)를 도시한다. 이것은 단지 대표적인 계산인 점이 이해되어야 한다. MPE는 고려사항들의 수에 기초하고 이러한 예는 예시 목적들을 위해 사용된다. 도 5에 도시된 값들은 사용되는 정확한 레이저 및 광학계의 특정 상세들에 기초하여 변할 것이다. 그러나, MPE 제한이 노출 지속에 따라 변한다는 것을 도 5로부터 알 수 있다. 그 결과, 레이저들이 통전되는 시간의 길이는 피크 전력이 얼마나 많이 사용될 수 있는지에 영향을 미칠 것이다. TOF 시스템에 대응하는 중대한 시간 기간은 1 μsec에서 3 μsec까지 그래프 내의 강조된 구역으로서 도시된다. 이것은 레이저 펄스가 150m 및 450m 각각에서 타겟으로 이동하고 돌아오는데 걸리는 시간에 대응한다. 따라서, MPE 제한에서 광 파워를 갖는 단일 레이저 펄스가 눈 안전 노출 지속에 의해 제약되는 것이 분명하다. MPE 제한에 있는 단일 펄스는 눈 안전 표준에 의해 정의된 바와 같이 100mm의 거리에 위치된 측정 애퍼처와 레이저 사이의 관계를 변화시키는 상대 모션이 그러한 짧은 시간에 거의 발생하지 않으므로, 5 μsec마다 한 번만 파이어링될 수 있다. LIDAR 시스템의 경우에, 펄스 평균화가 요구되는 곳에서, 이것은 개별 레이저가 클래스 1의 MPE 제한에서 동작할 때, 개별 레이저의 파이어링 속도를 5 μsec 초과로 제한한다.
본 교시의 하나의 특징은 서로에 대한 하나 이상의 송신기 어레이, 송신 광학계, 수신 광학계 및 검출기 어레이의 위치결정이 되어 레이저들의 파이어링의 패턴을 제어해서 다중 펄스 평균화를 지원하고/하거나 측정 펄스들의 히스토그램을 제공하는 것이 가능하다는 것이다. 일부 실시예들에서, 레이저들의 그룹이 선택되고 레이저들의 이러한 그룹이 시퀀스에서 통전된다. 그 다음, 시퀀스는 여러 번 반복되어, 각각의 레이저로부터 유도되는 측정 펄스들은 그러한 수의 반복들을 통해 평균화될 수 있다. 예를 들어, 각각의 문자가 4개의 방출기의 그룹 내의 특정 방출기인 A-B-C-D-A-B-C-D와 같은 시퀀스는 N 회까지 반복될 수 있다.
일부 실시예들에서, 시퀀스는 LIDAR 시스템으로부터의 광 파워가 눈 안전 제한을 초과하지 않도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 예를 들어, 각각의 방출기는 MPE에 있거나 MPE에 가까운 광 파워를 생성하기 위해 통전된다. 따라서, 2개 이상의 레이저 방출기의 광 빔들이 중첩되면, MPE가 초과될 수 있다. 이러한 경우에, 레이저 패턴에 대한 파이어링 시퀀스는 MPE가 초과되도록 중첩 FOV들을 갖는 2개의 레이저가 동시에 파이어링되지 않게 되어 있다. 예를 들어, 이것은 중첩 FOV들을 갖는 2개의 레이저가 시퀀스 내의 상이한 지점들에서 파이어링되는 것을 의미할 수 있다. 그러나, 비중첩 FOV들을 갖는 레이저들이 동시에 파이어링될 수 있다.
레이저 어레이들, 송신 광학계, 수신 광학계 및 검출기 어레이들의 특정 위치들인 물리적 아키텍처는 특정 수행 목표들을 지원하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 시퀀스 내의 개별 레이저들은 개별 어레이들 내에 물리적으로 위치된다. 예를 들어, A 및 C로 지정된 레이저들은 위의 예에서, 하나의 어레이 내에 있고, B 및 D로 지정된 레이저들은 상이한 어레이 내에 있다. 일부 실시예들에서, 검출기 어레이 형상 및 구성은 시퀀스 및/또는 반복 값을 제약한다. 예를 들어, 일부 검출기 어레이들은 순차적인 측정들이 측정 데이터의 세트에서 특정 행 또는 열로 제약되면 최상으로 동작한다. 이것은 검출기 어레이들이 임의적인 기하학적 배열을 지원하기에 충분히 빠른 검출 이벤트들을 전환 또는 재구성 가능하지 않을 수 있기 때문이다.
본 교시의 하나의 특징은 LIDAR의 물리적 아키텍처 및 이들 구성요소들의 제어가 범위 측정의 최대 범위 및 정밀도에 대한 제어를 제공할 수 있다는 것이다. 도 6은 LIDAR 시스템에 대한 경우와 같이, 매우 짧은 지속 펄스들로 동작된 레이저에 대해 피크 광 파워와 듀티 사이클 사이의 중요한 관계를 나타내는 그래프(600)를 도시한다. 그래프(600)는 VCSEL 방출기에 대한 펄스 바이어스 전류의 함수로서 피크 광 파워를 나타낸다. 범위를 최대화하고 범위 모호성을 최소화하기 위해, 펄스형 TOF LIDAR 시스템에서의 레이저 펄스는 전형적으로 지속이 10 nsec 미만이다. 레이저의 물리들은 열이 그러한 짧은 지속 펄스 동안 소산할 시간을 갖지 않게 되어 있으므로, 더 높은 광 파워들은 더 낮은 듀티 사이클로 획득된다. 전형적인 거동은 그래프(600)에 도시되며, CW 곡선의 선형 부분이 긴 듀티 사이클들로 훨씬 더 연장될 수 있는 것을 알 수 있다. LIDAR 시스템은 레이저로부터 피크 전력을 최대화하는 것을 획득하기 위해 0.1% 미만의 듀티 사이클로 동작할 수 있다. 10 nsec 펄스 지속 동안, 0.1% 듀티 사이클은 펄스들 사이의 10 μsec 지속에 대응할 것이다.
따라서, 레이저 피크 전력들, 펄스 지속 및 펄스 듀티 사이클은 눈 안전 및 열 방산 고려사항들 둘 모두에 기초하여 제약된다. 범위 및 범위 모호성은 다른 고려사항이다. 가능한 최대 전력에서 레이저를 동작시키기 위해, 그러한 눈 안전 및 펄스 듀티 사이클은 펄스들 사이의 시간을 제약할 수 있고, 이러한 시간은 시스템의 범위에 대해 요구되는 것보다 더 길 수 있는 것이 분명하다. 예를 들어, TOF에만 기초하여, 최대 범위가 150 미터인 LIDAR 시스템은 모호성 없이 1 μsec마다 펄스를 파이어링할 수 있다. 그러나, 눈 안전 및 듀티 사이클 제약들은 이러한 레이저가 5 내지 10 μsec마다 단지 파이어링될 수 있는 것을 제한할 수 있다. 다수의 펄스를 평균화할 수 있기 위해, 펄스들은 시간이 짧아야 한다. 객체들이 50 m/sec의 상대 속도로 이동하고 있으면, 그들의 거리는 100 μsec 내에서 5 mm만큼 변할 수 있다. 따라서, 타겟 거리 및 타겟 자체에 관한 모호성을 갖지 않기 위해, 시스템은 장면이 준정적이고 모든 펄스들 사이의 총 시간이 100 μsec와 유사한 모든 펄스 평균화를 완료해야 한다. 분명히, 이들 다양한 제약들 사이의 상호작용이 있지만, 특정 원하는 성능에 기초하여, 특정 물리적 아키텍처들 및 제어 스킴들이 그러한 성능을 달성하기 위해 조합될 수 있는 것이 명백하다.
본 교시의 고체 상태 LIDAR 시스템은 가능한 측정 속도를 최대화하고, 도 7에 도시된 흐름도를 따름으로써 펄스 평균화를 가능하게 한다. 레이저들의 그룹 또는 서브세트를 형성하기 위한 방법이 사용되며, 개별 레이저들의 파이어링 속도는 눈 안전 및/또는 펄스 듀티 사이클에 의해 제약되지만, 레이저들은 전체 원하는 측정 속도를 유지하기 위해 그룹 내에서 순차적으로 파이어링된다. 예를 들어, 원하는 측정 속도가 1 μsec이고 개별 레이저의 파이어링이 5 μsec로 제약되면, 이때 5개의 레이저(A,B,C,D,E)의 그룹이 형성되고, 레이저들이 시퀀스 A-B-C-D-E에서 파이어링되고, 이러한 시퀀스가 원하는 펄스 평균 수에 대해 반복된다.
도 7은 개별 레이저들 듀티 사이클에 관한 눈 안전 및 열적 제약들을 고려하여, 펄스 평균화를 가능하게 하는 LIDAR 시스템을 동작시키는 방법에 대한 흐름도(700)를 도시한다. 제1 단계(702)에서, 시스템은 초기화된다. 이러한 초기화는 예를 들어, 제어 스킴(scheme)들을 구성하는 것을 돕기 위해 사전 설정된 정보 및/또는 테스트 측정들을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 제어 스킴 구성은 예를 들어, 레이저 파워들, 펄스 지속 듀티 사이클들, 개별 레이저 및 검출기 위치들, 검출기 감도들, 크로스 토크(cross talk), 및/또는 광 빔 프로파일들에 관한 제약들을 결정하는 것을 포함한다. 그 다음, 이러한 정보는 방법의 나중의 단계들을 통지하기 위해 사용된다. 시스템이 초기화되면, 단계 2(704)에서, 레이저 파이어 패턴 및 파이어링 속도가 설정된다. 일부 실시예들에서, 검출 이벤트 시퀀스(검출기 위치, 및 검출 지속 및 듀티 사이클) 및 측정 방법(반복 시간의 평균화 등)이 설정된다. 도 7의 실시예에 있어서, 단계 3(706)에서, 시스템은 개별 레이저 파이어링 속도에 관한 원하는 제약들을 충족하는 레이저들의 전체 리스트로부터 레이저들의 그룹을 선택한다. 단계 4(708)에서, 검출기 이벤트 시퀀스가 또한 결정되고/되거나 특정 펄스 평균 수가 설정된다.
그 다음, 시스템은 그룹 내의 모든 레이저들이 한 번 파이어링되었을 때까지, 각각의 레이저를 그룹 내에서 개별적으로 파이어링하고 원하는 최대 범위에 대한 복귀 신호를 수신 및 저장하는 것으로 이동한다. 구체적으로, 단계 5(710)에서, 선택된 그룹으로부터의 각각의 레이저가 선택된 시퀀스에서 파이어링되고, 각각의 레이저의 파이어링으로부터의 검출 이벤트가 기록된다. 단계 6(712)에서, 컨트롤러는 펄스 평균 수가 도달되었는지를 결정한다. 그렇지 않으면, 시스템은 단계 5(710)로 복귀한다. 파이어링 시퀀스는 결정 단계 6(712)이 원하는 펄스 평균 수에 도달할 때까지 반복된다. 각각의 파이어링으로부터의 기록된 데이터는 순차적인 히스토그램으로서 평균화되거나 저장될 수 있다. 단계 7(714)에서, 신호 처리는 각각의 개별 레이저로부터의 데이터의 평균 및/또는 히스토그램에 기초하여 TOF를 계산하는 프로세서로 수행된다. 단계 8(716)에서, 프로세서는 TOF, 진폭 및 에러의 형태로 3D 포인트 데이터를 결정하고 저장하고/하거나 보고한다. 단계 9(718)에서, 시스템은 단계 3(706)으로 계속 돌아갈지, 및 새로운 그룹으로 이동하거나 종료할지를 결정한다. 계속되지 않으면, 방법은 단계 10(720)에서 종료된다. 파이어링 리스트 내의 모든 레이저들의 완료는 하나의 완전한 프레임의 완료를 나타낸다.
이것은 단지 하나의 가능한 흐름도이고, 일 예로서만 제시된다. 추가 동작 흐름들이 또한 가능하다. 일부 시스템들에서, 예를 들어, 모든 펄스로부터의 데이터는 기록될 뿐만 아니라 외부로 통신될 수 있고/있거나 중간 TOF 정보는 시스템 요건들에 따라 계산될 수 있다. 에러 조작, 펄스 코딩, 및/또는 더 복잡한 디지털 신호 처리는 데이터의 간단한 펄스 평균화 또는 히스토그래밍 대신에 가능하다.
도 8은 도 7에 개략화된 프로세스의 추가 예시를 도시하기 위해 제공된다. 특히, 도 8은 장면이 준정적인 동안 검출기 어레이의 한 행이 다수의 측정을 취득하기 위해 사용되는 일 실시예에 대한 LIDAR 시스템 구성의 시스템 관측 시야(FOV)(800)의 2차원 투사를 도시한다. 이러한 실시예에서, 모든 10개의 검출기를 커버하기 위해 중첩되는 5개의 레이저가 있다. 5개의 대응하는 레이저 FOV(802, 802', 802'', 802''', 및 802'''')가 있다. 10개의 검출기 FOV(804, 804', 804'', 804''', 804'''', 804''''', 804'''''', 804''''''', 804'''''''', 804''''''''')가 있다.
이러한 구성은 문자들(A,B,C,D,E)에 의해 표시된 레이저들의 파이어링 시퀀스를 이용한다. 따라서, FOV(802)를 발생시키는 레이저가 파이어링되며, 그 다음 FOV(802')를 발생시키는 레이저가 파이어링되고, 이어서 FOV(802'')를 발생시키는 레이저가 파이어링되고, 그 다음 FOV(802''')를 발생시키는 레이저가 파이어링되고, 이어서 FOV(802'''')를 발생시키는 레이저가 파이어링된다. 각각의 경우에, 하나의 레이저의 FOV는 대응하는 행 내의 2개의 검출기의 FOV를 조명한다. 다시 말해, 일 예에서, FOV(802)는 검출기 FOV(804, 804')를 조명한다. 눈 안전 및/또는 열적 제약들을 충족시키기 위해, 이들 레이저들을 파이어링하기 위한 특정 시퀀스가 필요할 수 있으며, 예를 들어, A 다음에 C 이어서 E 다음에 B 이어서 D이다. 그 다음, 시퀀스 A-C-E-B-D는 SNR을 개선하기 위해 평균화 또는 히스토그래밍을 위한 다수의 측정을 획득하도록 반복된다. 이러한 시퀀스에서, 검출기들의 세트가 검출기들의 이전 세트에 바로 인접하지 않으며, 이는 대응하는 레이저들에 대한 FOV에 갭이 있는 것을 의미한다는 점을 주목한다. 예를 들어, 검출기 FOV(804, 804')를 초래하는, A로 마킹된 검출기들은 검출기 FOV(804''', 804'''')를 초래하는, C로 마킹된 검출기들에 바로 인접하지 않는다. 이것은 송신된 레이저 빔들 사이의 FOV 중첩을 보장하지 않음으로써 눈 안전에 마찬가지로 유익하다.
측정들이 획득되는 시간의 지속은 장면이 준정적이고 장면 내의 객체가 위치에서 수 mm 초과하여 이동할 수 없도록 일부 특정 실시예들에서 100 μsec와 유사하다. 도 8의 LIDAR 시스템에서의 다른 검출기 행들은 전체 관측 시야를 측정하기 위해, 유사한 방식으로 동작될 것이다. 도 8에서 실시예는 소수의 레이저들 및 소수의 검출기들을 갖는 예시의 용이성에 간단한 반면, 실제 시스템에서 더 큰 수들의 레이저들 및 검출기들이 있을 가능성이 있다는 점이 이해될 수 있다.
도 9는 광학계를 포함하고 공통 기판(912) 상에 배치되는 4개의 VCSEL 어레이 조립체(904, 906, 908, 910)를 사용하여 송신기(902)가 구성되는 본 교시의 LIDAR 시스템(900)의 일부의 일 실시예를 도시한다. 대응하는 광학계를 각각 포함하는 4개의 VCSEL 어레이 조립체(904, 906, 908, 910)는 공통 기판(912) 상에 정사각형 패턴으로 배열된다. 이러한 실시예에서 VCSEL 어레이 조립체들(904, 906, 908, 910) 내의 VCSEL들 각각은 독립적으로 파이어링될 수 있는 32개의 개별 레이저를 갖는다. VCSEL 어레이 조립체들(904, 906, 908, 910)은 조립체 1(904), 조립체 2(906), 조립체 3(908) 및 조립체 4(910)로 라벨링된다. 각각의 VCSEL 어레이 조립체(904, 906, 908, 910)와 연관된 VCSEL 어레이들 내의 개별 레이저들에 대한 개별 광 빔들은 원거리 필드로 투사되어 광 빔들은 어레이들 내의 구성요소들의 간격, VCSEL 어레이들의 간격, 및 투사 광학계에 의해 결정되는 설정된 패턴으로 인터리빙된다.
원거리 필드(914) 내의 레이저 빔 패턴은 다양한 어레이들 내의 개별 레이저들로부터의 광 빔들이 어떻게 나타나는지를 도시한다. 원거리 필드(914) 내의 이러한 패턴은 본원에 설명된 바아 같은 레이저 광 빔 FOV의 패턴이다. 조립체 1(904)로부터의 레이저들에 대한 FOV들은 정사각형(916)으로 도시된 바와 같이 FOV 내의 1로 표시된다. 조립체 2(906)로부터의 레이저들에 대한 FOV들은 정사각형(918)으로 도시된 바와 같이 FOV 내의 2로 표시된다. 조립체 3(908)으로부터의 레이저들에 대한 FOV들은 정사각형(920)으로 도시된 바와 같이 FOV 내의 3으로 표시된다. 조립체 4(910)로부터의 레이저들에 대한 FOV들은 정사각형(922)으로 도시된 바와 같이 FOV 내의 4로 표시된다. FOV들이 정사각형으로 도시되지만, 형상은 예를 들어, 방출기 형상 및 투사 광학계에 기초하여 다양한 형상들일 수 있다.
다양한 실시예들에서, 각각의 어레이로부터의 레이저 빔 패턴들은 다양한 패턴들로 배치될 수 있다. LIDAR 시스템(900)의 실시예에서, 레이저 어레이들(1,4)(904, 910)의 FOV들(916, 922)은 자유 공간에서 중첩되어 있고, 레이저 어레이들(2,3)(906, 908)의 FOV들(918, 920)은 또한 중첩되어 있고, 패턴들((1,4)(924) 및 (2,3)(926))의 2개의 세트는 나란히 배치된다. LIDAR 시스템(900)의 예시는 축척에 따라 도시되지 않고 모든 구성요소들을 도시하지 않지만, 오히려 타겟 범위에서 레이저 FOV 패턴들의 발생의 개념을 도시하는 것으로 의도된다. 따라서, 특정 타겟 평면에서의 원거리 필드 패턴(914)은 축척에 따라 도시되지 않고, 거리의 함수로서 변할 것이다. 동작에서, 각각의 어레이 조립체(904, 906, 908, 910) 내의 개별 레이저들은 본원에 설명된 바와 같이 독립적으로 파이어링될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 파이어링 속도는 원하는 눈 안전 임계치들, 및/또는 열 고려사항들을 충족함으로써 결정될 수 있다.
어레이 조립체들(904, 906, 908, 910) 내의 VCEL 어레이들의 파장들은 반드시 동일한 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 어레이들((1,4)(904, 910) 및 (2,3)(906, 908)) 내의 파장 레이저들은 상이한 파장들일 수 있어, 나란한 패턴을 생성한다. 이러한 파장 배열은 수신기(도시되지 않음)에서 레이저들의 2개의 세트 사이의 광학 크로스 토크의 가능성을 최소화하기 위해 유익할 수 있다. 또는, 대안적으로, 어레이들(1,2)(904, 906) 내의 레이저들은 동일한 파장일 수 있는 한편 어레이들(3,4)(908, 910) 내의 레이저들은 상이한 파장이어서, 인터리빙된 패턴을 생성한다. 이러한 파장 배열은 전체 관측 시야에 걸쳐 일부 레벨의 중복 및 병렬 동작을 허용할 것이다. 기판(912) 상의 물리적으로 분리된 위치들에 어레이 조립체들(904, 906, 908, 910)을 배치함으로써, 각각의 어레이로부터의 빔들이 근거리 필드에서 중복되지 않으므로, 높은 펄스 파이어 속도를 유지하면서 클래스 1 눈 안전을 충족하는 더 많은 유연성이 있다.
등가물들
출원인의 교시가 다양한 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 출원인의 교시가 그러한 실시예들에 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 반대로, 출원인의 교시는 본 기술 분야의 통상의 기술자들에 의해 이해되는 바와 같이, 교시의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 본원에서 이루어질 수 있는 다양한 대안들, 수정들, 및 등가물들을 포함한다.
100: 고체 상태 LIDAR 시스템 102: 레이저 어레이
104: 공통 송신기 광학계 106: 타겟
110: 타겟 평면 112: 수신기 광학계
114: 검출기 어레이

Claims (28)

  1. 고체 상태 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템으로서,
    a) 복수의 레이저 - 상기 복수의 레이저 각각은 통전될 때 관측 시야를 갖는 광 빔을 각각 발생시킴 - ;
    b) 상기 복수의 레이저에 의해 발생된 광 빔들의 광 경로 내에 위치된 복수의 검출기 - 상기 복수의 검출기 각각은 검출기 신호 출력을 가지며, 상기 복수의 레이저에 의해 발생된 복수의 광 빔 중 적어도 하나의 FOV는 상기 복수의 검출기 중 적어도 2개의 FOV와 중첩함 -; 및
    c) 복수의 레이저 제어 출력 및 복수의 검출기 입력을 갖는 컨트롤러(controller) - 상기 복수의 레이저 제어 출력 각각은 상기 복수의 레이저 중 하나의 바이어스 입력에 전기적으로 연결되고 상기 복수의 검출기 입력 각각은 상기 복수의 검출기 중 하나의 검출기 신호 출력에 전기적으로 연결되고, 상기 컨트롤러는 원하는 LIDAR 성능 메트릭스에 기초하여 레이저 제약을 결정하도록 구성되고, 상기 레이저 제약을 충족하도록 선택된 시퀀스에서 상기 복수의 레이저의 선택된 그룹을 통전하는 바이어스 신호들을 상기 복수의 레이저 제어 출력에서 발생시키도록 구성됨 - 를 포함하는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 제약은 레이저 파워인, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 레이저 제약은 레이저 펄스 지속인, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 레이저 제약은 레이저 펄스 듀티 사이클인, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 레이저 제약은 레이저 위치인, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 성능 메트릭스는 신호 대 잡음비인, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 성능 메트릭스는 범위인, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 성능 메트릭스는 눈-안전 제한인, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 성능 메트릭스는 열적 제약인, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복수의 레이저 중 적어도 일부는 수직 공동 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)들을 포함하는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복수의 레이저 중 적어도 일부는 상이한 파장들에서 레이저 광을 방출하는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 복수의 레이저는 레이저들의 2차원 어레이를 포함하는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 레이저들의 2차원 어레이의 한 행은 상기 컨트롤러에 의해 통전될 때 하나의 파장에서 레이저 광을 방출하고 상기 레이저들의 2차원 어레이의 다른 행은 상기 컨트롤러에 의해 통전될 때 제2 파장에서 레이저 광을 방출하는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 레이저의 선택된 그룹은 상기 2차원 어레이의 행을 포함하는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 복수의 레이저의 선택된 그룹은 상기 2차원 어레이의 열을 포함하는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 복수의 검출기는 검출기들의 2차원 어레이를 포함하는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 검출기들의 2차원 어레이의 한 행으로부터 검출기 신호들을 순차적으로 샘플링하도록 구성되는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 검출기들의 2차원 어레이의 한 열로부터 검출기 신호들을 순차적으로 샘플링하도록 구성되는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 복수의 레이저의 선택된 그룹을 통전하는, 복수의 레이저 제어 출력에서 바이어스 신호들의 발생을 복수 회 반복하도록 더 구성되는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 시퀀스에서 상이한 파장들을 갖는 복수의 레이저의 선택된 그룹을 통전하는 바이어스 신호들을 상기 복수의 레이저 제어 출력에서 발생시키도록 구성되는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 미리 결정된 패턴의 광을 방출하기 위해 상기 복수의 레이저의 선택된 그룹을 통전하는 바이어스 신호들을 상기 복수의 레이저 제어 출력에서 발생시키도록 구성되는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 복수의 레이저로부터 방출된 광의 상기 미리 결정된 패턴에 대응하는 상기 복수의 검출기에 의해 발생된 검출기 신호들의 미리 결정된 시퀀스를 검출하도록 구성되는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 미리 결정된 패턴에서 클래스 1 눈 안전 광 파워 레벨들을 유지하는 미리 결정된 패턴의 광을 방출하기 위해 상기 복수의 레이저의 선택된 그룹을 통전하는 바이어스 신호들을 상기 복수의 레이저 제어 출력에서 발생시키도록 구성되는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  24. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 미리 결정된 열 방산을 유지하기 위해 상기 복수의 레이저의 선택된 그룹을 통전하는 바이어스 신호들을 상기 복수의 레이저 제어 출력에서 발생시키도록 구성되는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 단일 레이저 빔 FOV에 의해 조명되는 영역 내에 위치되는 검출기들에 의해 발생된 검출기 신호들의 미리 결정된 시퀀스를 검출하도록 구성되는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 단일 레이저 빔 FOV에 의해 조명되는 영역 내에 위치되는 상기 검출기들은 상기 단일 레이저 빔 FOV에 의해 조명되는 모든 검출기들을 포함하는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  27. 제25항에 있어서, 상기 단일 레이저 빔 FOV에 의해 조명되는 영역 내에 위치되는 상기 검출기들은 상기 단일 레이저 빔 FOV에 의해 조명되는 검출기들의 서브세트를 포함하는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 상기 검출기들의 서브세트는 특정 측정을 위한 원하는 각도 해상도를 제공하는 형상을 형성하는 검출기들을 포함하는, 고체 상태 LIDAR 시스템.
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