KR20170049539A - 1 차원 스티어링 광학 위상 어레이들에 기초한 3 차원 맵핑 2 차원 스캐닝 라이더 및 이를 이용하는 방법 - Google Patents
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Abstract
복수의 1 차원 평면 빔 형성 및 스티어링 광학 위상 어레이 칩들은 2 차원 스캐닝 솔리드 스테이트 라이더를 형성하여, 상기 1 차원 광학 위상 어레이 칩들의 단순성에서 기인한 저가 및 고수율로 3 차원 맵핑 비행 시간 라이더들의 제조를 가능하게 한다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2014년 8월 15일자로 출원된 미국 특허출원 제14/460,369호에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용은 여기에 참조로 통합된다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 환경 센싱의 분야에 관한 것으로, 특히 실시간 3 차원 맵핑 및 오브젝트 검출, 추적, 식별 및/또는 분류를 위한 비행 시간 (Time of Flight; ToF) 라이더 센서들의 이용에 관한 것이다.
라이더 센서는 광 검출 및 레인징 (light detection and ranging) 센서이다. 그것은 레이저로부터의 펄스들 (또는 대안적으로 변조된 신호) 을 이용하여, 타겟 또는 장면에 광을 조사하고, 그리고 광자들이 상기 타겟 또는 랜드스케이프로 이동하고 라이더 모듈에서의 리시버 (receiver) 에 대한 반사 후 리턴하는데 걸리는 시간을 측정하는 것에 의해, 장면에서의 오브젝트들 또는 타겟까지의 거리를 측정할 수 있는 광학 원격 센싱 모듈이다. 반사된 펄스들 (또는 변조된 신호들) 이 검출되고, 여기서 그 펄스들 (또는 변조된 신호들) 의 비행 시간 및 강도는 각각 센싱된 오브젝트의 거리 및 반사율 (reflectivity) 의 측정치들이다.
종래의 라이더 센서들은 레이저 빔들을 스캔하기 위해 기계적 가동부 (mechanically moving part) 들을 활용한다. ADAS (advanced driver assist systems) 및 자율 주행 시스템들 (autonomous driving systems) 과 같은, 자동차 애플리케이션들에서 이용되는 소정의 시스템들을 포함한, 일부 시스템들에서는, 더 높은 센서 신뢰도, 더 긴 센서 수명, 더 작은 센서 사이즈, 더 낮은 센서 무게, 및 더 낮은 센서 비용을 포함하지만 이들에 제한되지는 않는 다양한 잠재적인 이점들을 위해 솔리드 스테이트 센서들을 이용하는 것이 선호된다.
레이더 위상 어레이들의 생성을 위해 이용되는 무선 주파수 (RF) 지연선 (delay line) 들이 수십 년 전에는 레이더 신호들의 솔리드 스테이트 스티어링을 위해 이용되었다. RF 안테나 어레이들 및 검출기들과 결합된 광자 집적 회로 (photonic integrated circuit; PIC) 기반 지연선들이 20 년 전에는 레이더 신호들의 솔리드 스테이트 스티어링에 있어서 지연들의 정확성을 개선시키기 위해 이용되었다. 마이크로스케일 및 나노스케일 디바이스들을 가진 PIC들은, 레이저 빔들의 솔리드 스테이트 스티어링을 위해, 튜너블 광학 지연선들 및 광학 안테나들을 포함한, 광학 위상 어레이들 (optical phased arrays; OPA들) 을 생성하기 위해 이용될 수 있다.
지금까지 생성되는 광학 도메인에서의 위상 어레이들은 복잡하고, 고가이며, 및/또는 빔 형성 및 빔 스티어링과는 상이한 목적을 갖는다; 일부는 공간 필터들, 광학 증폭기들 및 링 레이저들을 결합한다 (US 7,339,727), 일부는 복수의 광학 입력 빔들을 수반한다 (US 7,406,220), 일부는 볼륨 회절 격자들 및 복수의 입력 방향들을 수반한다 (US 7,428,100), 일부는 복수의 파장들의 빔들을 결합한다 (US 7,436,588), 일부는 광학 위상 레퍼런스 소스들 및 이득 엘리먼트들을 갖는다 (US 7,489,870), 일부는 시야에서의 미리결정된 영역들 및 복수의 빔 형성 엘리먼트들을 갖는다 (US 7,532,311), 및 일부는 다수의 주파수들 및 다수의 광학 위상 레퍼런스 소스들을 갖는다 (US 7,555,217).
지금까지 생성되는 광학 도메인에서의 2 차원 빔 형성 및 스티어링 위상 어레이들은, 그들이 복잡한 2 차원 픽셀 어레이를 가진 2 개의 차원들에서 스티어링하기 때문에 고가이고 낮은 수율 (yields) 을 갖는다.
복수의 1 차원 (1D) 평면 빔 형성 및 스티어링 광학 위상 어레이 (optical phased array; OPA) 칩들은, 2 차원 (2D) 스캐닝 솔리드-스테이트 라이더를 형성하여, 상기 1D OPA 칩들의 단순성에서 기인한 저가 및 고수율로 3 차원 (3D) 맵핑 비행 시간 라이더들의 제조를 가능하게 한다.
다음의 도면들은 본 발명의 실시형태들의 예시이고 본 출원의 일부를 형성하는 청구항들에 의해 포괄되는 것으로서 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1 의 개략적 다이어그램은 복수의 1D 평면 빔 형성 및 스티어링 광학 위상 어레이 칩들 (10) 을 도시한다. 쌍촉 화살표 (20) 는 시야 내의 스티어링 평면에 있다. 그레이디드-인덱스 (graded-index; GRIN) 렌즈 (30) 가 스티어링 방향에 수직인 차원에서의 스폿 사이즈를 감소시키기 위해 각각의 칩과 함께 사용될 수 있다. 대안적으로는, 기하학적 굴절 렌즈, 회절 광학 엘리먼트 (diffractive optical element; DOE), 또는 홀로그램 광학 엘리먼트 (holographic optical element; HOE) 가 상기 스폿 사이즈 감소를 달성하기 위해 사용될 수 있다.
도 2 의 개략적 다이어그램은 복수의 1D 평면 빔 형성 및 스티어링 광학 위상 어레이 칩들 (10) 을 도시한다. 쌍촉 화살표 (20) 는 시야 내의 스티어링 평면에 있다. 스티어링 방향에 수직인 차원에서의 스폿 사이즈는 온-칩 격자 (on-chip grating) (40) 로 감소된다.
도 1 의 개략적 다이어그램은 복수의 1D 평면 빔 형성 및 스티어링 광학 위상 어레이 칩들 (10) 을 도시한다. 쌍촉 화살표 (20) 는 시야 내의 스티어링 평면에 있다. 그레이디드-인덱스 (graded-index; GRIN) 렌즈 (30) 가 스티어링 방향에 수직인 차원에서의 스폿 사이즈를 감소시키기 위해 각각의 칩과 함께 사용될 수 있다. 대안적으로는, 기하학적 굴절 렌즈, 회절 광학 엘리먼트 (diffractive optical element; DOE), 또는 홀로그램 광학 엘리먼트 (holographic optical element; HOE) 가 상기 스폿 사이즈 감소를 달성하기 위해 사용될 수 있다.
도 2 의 개략적 다이어그램은 복수의 1D 평면 빔 형성 및 스티어링 광학 위상 어레이 칩들 (10) 을 도시한다. 쌍촉 화살표 (20) 는 시야 내의 스티어링 평면에 있다. 스티어링 방향에 수직인 차원에서의 스폿 사이즈는 온-칩 격자 (on-chip grating) (40) 로 감소된다.
라이더-기반 장치 및 방법이 광자 집적 회로 (Photonic Integrated Circuit; PIC) 들을 이용한 레이저 빔들의 솔리드 스테이트 스티어링을 위해 이용된다. 집적 광학 설계 및 제작 마이크로- 및 나노기술들이 칩-스케일 광학 스플리터들의 생산을 위해 이용되고, 그 칩-스케일 광학 스플리터들은 레이저로부터의 광학 신호 (optical signal) 를 본질적으로 균일하게 픽셀들의 어레이에 분배하고, 상기 픽셀들은 튜너블 광학 지연선들 및 광학 안테나들을 포함한다. 상기 안테나들은 광의 면외 (out-of-plane) 커플링을 달성한다.
상기 어레이에서의 상기 안테나-포함 픽셀들의 지연선들이 튜닝됨에 따라, 각각의 안테나는 특정 위상의 광을 방출하여 이들 방출물들의 간섭을 통하여 원하는 원거리장 (far-field) 방사 패턴을 형성한다. 상기 어레이는 솔리드 스테이트 광학 위상 어레이 (OPA) 의 기능을 서빙한다.
많은 수의 안테나들을 통합함으로써, 고분해능 원거리장 패턴들은, 솔리드 스테이트 라이더에서 필요로 하는 방사 패턴 빔 형성 및 스티어링, 뿐만 아니라 3 차원 홀로그래피, 광학 메모리, 광학 공간-분할 멀티플렉싱을 위한 모드 매칭, 자유 공간 통신 (free space communications), 및 생물의학 과학 (biomedical sciences) 에서 필요로 하는 바와 같은 임의 방사 패턴들의 생성을 지원하는, OPA 에 의해 달성될 수 있다. 어레이로부터의 이미징이 종래에는 픽셀들의 강도를 통해 송신되지만, OPA 는 단일의 소스로부터 코히어런트 광파 (light wave) 들을 수신하는 픽셀들의 광학 위상의 제어를 통해 이미징을 허용한다.
복수의 1 차원 (1D) 평면 빔 형성 및 스티어링 광학 위상 어레이 칩들은 솔리드-스테이트 라이더에서의 송신기의 단순한 빌딩 블록들이어서, 저가로 그리고 고수율을 가진 라이더들의 제조를 가능하게 한다.
각각의 상기 칩의 스폿 사이즈의 수직 차원 (즉, 스티어링 방향에 수직인 차원) 은 적어도 하나의 오프-칩 렌즈 또는 적어도 하나의 온-칩 격자로 감소된다.
상기 오프-칩 렌즈의 타입들은 다음을 포함하지만 이들에 제한되지는 않는다:
- 굴절 렌즈
- 그레이디드-인덱스 (Graded-index; GRIN) 렌즈
- 회절 광학 엘리먼트 (DOE)
- 홀로그램 광학 엘리먼트 (HOE)
OPA PIC 를 포함하는 각각의 칩은 상보형 금속-산화물-반도체 (CMOS) 프로세스와 양립할 수 있는 것이 바람직하다.
복수의 칩들로 커플링된 광 파워 (optical power) 는 단일의 레이저로부터 또는 복수의 레이저들로부터 비롯될 수 있다.
Claims (10)
- 복수의 1 차원 광학 위상 어레이 기반 레이저 빔 형성 및 스티어링 광자 집적 회로 칩들을 포함하는, 3 차원 맵핑 2 차원 스캐닝 비행 시간 라이더 레인징 장치.
- 제 1 항에 있어서,
복수의 상기 광자 집적 회로 칩들은, 1 차원 광학 위상 어레이의 스티어링 평면에 직각을 이루는 방향에서의 빔 사이즈 제어의 수단으로서,
적어도 하나의 오프-칩 렌즈; 및
적어도 하나의 온-칩 격자
를 포함하는 엘리먼트들의 세트의 적어도 서브세트를 활용하여 레이저 빔들을 형성 및 스티어링하는, 3 차원 맵핑 2 차원 스캐닝 비행 시간 라이더 레인징 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 오프-칩 렌즈는:
적어도 하나의 굴절 렌즈;
적어도 하나의 그레이디드-인덱스 (graded-index) 렌즈;
적어도 하나의 회절 광학 엘리먼트; 및
적어도 하나의 홀로그램 광학 엘리먼트
를 포함하지만 이들에 제한되지는 않는 엘리먼트들의 세트의 서브세트를 포함하는, 3 차원 맵핑 2 차원 스캐닝 비행 시간 라이더 레인징 장치. - 제 1 항에 있어서,
복수의 상기 광자 집적 회로 칩들로 커플링된 광 신호 (light signal) 들은 단일의 레이저로부터 생성되는, 3 차원 맵핑 2 차원 스캐닝 비행 시간 라이더 레인징 장치. - 제 1 항에 있어서,
복수의 상기 광자 집적 회로 칩들로 커플링된 광 신호들은 복수의 레이저들로부터 생성되는, 3 차원 맵핑 2 차원 스캐닝 비행 시간 라이더 레인징 장치. - 복수의 1 차원 광학 위상 어레이 기반 레이저 빔 형성 및 스티어링 광자 집적 회로 칩들을 포함하는, 2 차원 스캐닝 비행 시간 라이더 레인징 장치를 활용한 3 차원 맵핑을 위한 방법.
- 제 6 항에 있어서,
복수의 상기 광자 집적 회로 칩들은, 1 차원 광학 위상 어레이의 스티어링 평면에 직각을 이루는 방향에서의 빔 사이즈 제어의 수단으로서,
적어도 하나의 오프-칩 렌즈; 및
적어도 하나의 온-칩 격자
를 포함하는 엘리먼트들의 세트의 적어도 서브세트를 활용하여 레이저 빔들을 형성 및 스티어링하는, 2 차원 스캐닝 비행 시간 라이더 레인징 장치를 활용한 3 차원 맵핑을 위한 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 오프-칩 렌즈는:
적어도 하나의 굴절 렌즈;
적어도 하나의 그레이디드-인덱스 렌즈;
적어도 하나의 회절 광학 엘리먼트; 및
적어도 하나의 홀로그램 광학 엘리먼트
를 포함하지만 이들에 제한되지는 않는 엘리먼트들의 세트의 서브세트를 포함하는, 2 차원 스캐닝 비행 시간 라이더 레인징 장치를 활용한 3 차원 맵핑을 위한 방법. - 제 6 항에 있어서,
복수의 상기 광자 집적 회로 칩들로 커플링된 광 신호들은 단일의 레이저로부터 생성되는, 2 차원 스캐닝 비행 시간 라이더 레인징 장치를 활용한 3 차원 맵핑을 위한 방법. - 제 6 항에 있어서,
복수의 상기 광자 집적 회로 칩들로 커플링된 광 신호들은 복수의 레이저들로부터 생성되는, 2 차원 스캐닝 비행 시간 라이더 레인징 장치를 활용한 3 차원 맵핑을 위한 방법.
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