KR20180113924A - Ｌｉｄａｒ 시스템 및 방법 - Google Patents

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마크 마샬 마이어스
마이클 펠드만
루카스 차칼라코스
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제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

본 발명에 따른 광 검출 및 거리 측정(LiDAR) 시스템은, 개별 광선들을 발생시키도록 구성되어 있는 광원들과, 상기 광원들로부터 상기 개별 광선들을 수광하고 상기 개별 광선들을 시준하여 관심 피시험 영역을 향하는 시준 출사 광으로 만들도록 구성되어 있는 렌즈 어레이와, 상기 시준 출사 광의 적어도 일부분의 반사를 감지하도록 구성되어 있는 감광 검출기, 그리고 상기 시준 출사 광의 적어도 일부분이 상기 감광 검출기를 향해 반사되어 나오는 하나 이상의 물체까지의 거리를 결정하도록 구성되어 있는 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 상기 하나 이상의 프로세서는, 상기 시준 출사 광의 적어도 일부분의 반사에 기초하여 상기 거리를 결정하도록 구성되어 있다.

Description

ＬＩＤＡＲ 시스템 및 방법{LIDAR SYSTEM AND METHOD}
본원에 기술된 대상은 LIDAR 시스템 등과 같은 거리 측정 시스템에 관한 것이다.
다양한 거리 측정 시스템은, 물체가 시스템으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는가를 결정하거나, 및/또는 거리 측정 시스템으로 조사(調査)중인 시야 또는 영역 내에 물체가 존재하는 때를 결정하도록 작동된다. 이러한 거리 측정 시스템의 일례가 광 검출 및 거리 측정(LiDAR) 시스템이다. LiDAR 시스템은, 조사중인 영역 또는 물체를 향해 광을 지향시킴으로써 작동된다. 광의 적어도 일부가 물체에서 반사되어 나올 수 있다. LiDAR 시스템은, 광의 방출과 광 반사의 수광 사이의 시간 지연(반사광의 비행 시간이라고도 함)을 조사한다. 이러한 시간 지연에 기초하여, LiDAR 시스템은 물체가 LiDAR 시스템으로부터 얼마나 떨어져 있는가를 결정할 수 있다.
몇몇 공지의 LiDAR 시스템은, 물체까지의 거리 또는 물체의 존재를 결정하는 데 하나 이상의 광점 또는 광선을 이용한다. 보다 큰 영역을 커버하기 위해, 예를 들어 광원을, LiDAR 시스템에 의해 조사 또는 모니터링되고 있는 영역에 대하여 상대 이동시킴으로써, 광점(들)이 이동된다. 이러한 움직임은, 광점(들)을 반대 방향들을 따라 앞뒤로 래스터링하는 것과, 이러한 광의 전후 래스터링을, 아래 방향 등과 같은 다른 방향으로 점점 이동시키는 것을 수반할 수 있다. 이러한 기법은 LiDAR 시스템이 보다 큰 영역을 커버할 수 있게 하지만, 상기 광의 래스터링은 LiDAR 시스템의 추가적인 기계적 복잡성과 LiDAR에 대한 추가적인 비용을 추가한다.
추가적으로, 반사된 광의 검출의 신호 대 노이즈비(SNR)는, 광의 래스터링 동작 중에 개별 광점들이 훨씬 더 큰 영역을 커버하기 때문에, 나빠질 수 있다. SNR은 상당한 수의 광을 추가함으로써 증가될 수 있지만, 이는 또한 LiDAR 시스템의 복접성 및 비용을 추가한다.
일 실시형태에서, LiDAR 시스템은, 개별 광선들을 발생시키도록 구성되어 있는 광원들과, 상기 광원들로부터 상기 개별 광선들을 수광하고 상기 개별 광선들을 시준하여 관심 피시험 영역을 향하는 시준 출사 광으로 만들도록 구성되어 있는 렌즈 어레이와, 상기 시준 출사 광의 적어도 일부분의 반사를 감지하도록 구성되어 있는 감광 검출기, 그리고 상기 시준 출사 광의 적어도 일부분이 상기 감광 검출기를 향해 반사되어 나오는 하나 이상의 물체까지의 거리를 결정하도록 구성되어 있는 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 상기 하나 이상의 프로세서는, 상기 시준 출사 광의 적어도 일부분의 반사에 기초하여 상기 거리를 결정하도록 구성되어 있다.
일 실시형태에서, 다른 LiDAR 시스템은, 광원들로부터 개별 광점들을 수광하고 개별 광선들을 시준하도록 구성되어 있는 렌즈 어레이와, 시준된 광의 적어도 일부분의 반사를 감지하도록 구성되어 있는 감광 검출기, 그리고 상기 광의 적어도 일부분의 반사에 기초하여 하나 이상의 물체까지의 거리를 결정하도록 구성되어 있는 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
일 실시형태에서, 방법은, 광원들을 열 확산 기판에 연결하는 단계와, 상기 기판을 열전 냉각기에 연결하는 단계, 그리고 접합 일체형 렌즈 어레이가 일측 에지를 따라 배치되어 있는 패키지에 상기 기판을 연결하는 단계를 포함한다. 상기 렌즈 어레이는 상기 광원들로부터 개별 광선들을 수광하고 상기 개별 광선들을 복수의 서로 다른 방향으로 시준하도록 구성되어 있다.
본 발명의 대상은 첨부 도면을 참조로 하여 비제한적인 실시형태들에 대한 이하의 설명을 읽음으로써 보다 잘 이해될 것이다:
도 1은 LiDAR 시스템의 일 실시형태를 보여주고;
도 2는 LiDAR 시스템의 다른 실시형태를 보여주며;
도 3은 본원에 기술된 하나 이상의 LiDAR 시스템에 포함될 수 있는 조명 어셈블리의 일 실시형태를 보여주고;
도 4는 본원에 기술된 LiDAR 시스템의 하나 이상의 실시형태를 제공하는 방법의 흐름도를 보여주며;
도 5는 도 3에 도시된 조명 어셈블리의 패키지와 렌즈 어레이 어셈블리에 있어서의 렌즈의 일 실시형태를 보여준다.
본원에 기술된 본 발명의 대상은, LiDAR 시스템 및 방법으로서, 이 시스템 및 방법에 의해 모니터링되고 있는 영역(예를 들어, LiDAR 시스템의 시야)에서의 물체들의 존재를 검출하고 및/또는 물체들까지의 거리를 결정하기 위해, 가늘고 긴 형상의 광(예를 들어, 광선)을 이용하는 것인 LiDAR 시스템 및 방법을 제공한다. 그 후에, 결과적으로 얻어진 측정값들은, LiDAR 시스템의 관련 필드 내에 속하는, 물체들의 크기, 형상, 위치, 방향, 속도 등을 결정하기 위해 LiDAR 시스템 또는 다른 시스템에 의해 사용될 수 있다.
렌즈 어레이에 의해 형성된 광은 하나 이상의 방향으로 스윕(예를 들어, 이동)될 수 있다. 예를 들어, LiDAR 시스템은 광을 수평 방향을 따라 이동시키도록 검류계, MEMS 액추에이터 등에 의해 작동되는 스캐닝 미러를 이동시킬 수 있다. 이로써, LiDAR 시스템의 관련 필드를 구성하는 다양한 각도를 LiDAR 시스템이 커버하는 것이 허용될 수 있다. 제2 스캐닝 미러가, 광 어레이들 사이의 영역을 채우도록 관련 직각 필드의 일부분에 걸쳐 광선들을 스윕하는 데 사용될 수 있다.
LiDAR은 상기 광원들 각각으로부터 시한 펄스를 전송하고, 광검출기의 어레이를 이용하여 관련 필드 내의 물체들로부터 반사된 광을 모니터링할 수 있다. 광검출기는 관련 필드의 서로 다른 섹션들로부터 광을 수광하고, 관련 필드 내의 물체들로부터 반사되는 임의의 광 펄스의 비행 시간을 결정하기 위해 LiDAR 시스템의 제어기에 의해 사용되는 신호를 생성하도록 구성되어 있다. 광원들로부터 방출된 펄스는, LiDAR 시스템의 광학 레이아웃 및 펄스 인코딩을 통해 광검출기의 어레이에 있는 대응 요소와 동기화된다. 광검출기가 관련 필드 내의 물체로부터 반사된 펄스를 수광한 경우, 물체까지의 거리는, 비행 시간(펄스가 전송된 때와 광의 펄스의 반사가 수광된 때 사이의 시간)에 광의 속도를 곱함으로써 결정될 수 있다.
광검출기 및 광원의 어레이를 이용함으로써, LiDAR 시스템은 보다 긴 기간에 걸쳐 물체로부터 반사된 광을 통합할 수 있다. 그 결과, 소정 스캔 주파수에 대한 SNR이 향상되고, 및/또는 본원에 기술된 렌즈 어레이를 구비하지 않는 몇몇 공지의 LiDAR 시스템에 비해 보다 높은 스캔 주파수가 사용될 수 있게 된다.
렌즈 어레이의 하나 이상의 실시형태는, 광원들로부터의 광을 복수의 방향(예를 들어, 수평 방향과 수직 방향)으로 시준한다. 그 결과, LiDAR의 수직 시야를 커버하는 렌즈 어레이로부터 나오는 시준 광선들이 부채꼴을 이루게 된다. 이러한 부채꼴의 광선들은 넓은 범위(예를 들어, 30도 내지 120도)를 갖는 검류계 또는 스캐닝 MEMs 미러에 의해 수평 방향으로 스윕될 수 있다. 각도 오프셋된 광원들 사이의 각도 범위가 작은(예를 들어, 1도 내지 10도) 인접 광원들 사이에 있는 그리드를 채우도록, 제2 스캐닝 미러가 광선을 수직 방향으로 굴절시킬 수 있다. 이로써, LiDAR 시스템의 시야의 섹션 내에 있는 영역을 동시에 탐사하는 스캔 빔들(예를 들어, 40개 내지 50개의 광선들)의 세트가 생성된다.
LiDAR 시스템은, 마이크로 렌즈에 의해 한 방향으로 시준되고 지향되는, 개별 레이저 각각으로부터의 짧은 레이저 광 펄스(또는 펄스들의 세트)를 방출함으로써 작동될 수 있다. 시준된 광선은 스캐닝 미러에 의해 시야에 걸쳐서 스윕된다. 시야 내에 물체가 있는 경우, 광은 산란되어 다시 LiDAR를 향해 반사될 것이다. 그 후에, 반사된 광은 수광 광학계에 입사되고 InGaAs 또는 Ge 등과 같은 NIR 검출기들의 어레이에 집중되는데, 상기 NIR 검출기들은 레이저 어레이 내의 특정 레이저와 연관된 FOV의 대응 섹션으로부터만 광을 수광하도록 배치되어 있는 것이다.
반사된 광을 감지하는 검출기 어레이의 일 실시형태에 관해서는, 광원들의 수와 동일한 수의 검출기들의 어레이가, 관련 필드에서 산란되고 디-스캔된 광을 수광하는 포커싱 광학계(예를 들어, 하나 이상의 렌즈)의 후방에 배치되어 있다. 이 광은 스캐닝 미러들과 광원들 사이에 배치된 편광 빔 스플리터(PBS)에서 반사된다. 광원들로부터의 출사 광은 편광되고 PBS의 투과축과 정렬된다. 검출기 어레이의 시야로부터 반사되고 산란된 광은, 광의 일부가 PBS에서 반사된 후 검출기 어레이에 의해 수광되는 것을 허용하는 편광 회전을 경험한다. 수광된 광은 각도를 이루어 디-스캔되고, 관련 광원에 의해 조명되는 영역에서 나온다. 대상 물체까지의 왕복 거리는, 광원으로부터의 좁은 펄스의 방출과, 관련 검출기 어레이에서의 펄스의 수광 사이의 시간 지연을 측정하고, 이 시간에 광의 속도를 곱함으로써 결정될 수 있다.
선택적으로, LiDAR 시스템의 시야로부터 보다 많은 광을 모으는, 보다 큰 개구수를 갖는 이미징 렌즈를 통해, 근적외선(NIR) 광검출기의 어레이(예를 들어, 1280×1024 검출기의 어레이)가 시야를 모니터링한다. 검출기 어레이는 교류(AC)가 연결될 수 있고, 검출기 어레이의 시야 내의 이벤트(예를 들어, 반사된 광 펄스의 수광)를 검출기 어레이가 검출하는 짧은 기간(예를 들어, 2 내지 5 나노초)의 시간 내에 소정 픽셀로부터 신호를 출력할 수 있다. 이로써, 반사된 광 펄스의 검출이 허용될 수 있고, 그 결과 물체까지의 거리가 결정될 수 있게 하도록 상기 검출이 상기 광원들에 의한 펄스의 방출과 서로 연관지어질(예를 들어, 매칭될) 수 있다.
본원에 기술된 본 발명의 대상의 적어도 하나의 기술적 효과는, LiDAR 시스템의 전방에 있어서 3차원(3D) 공간의 맵핑을 허용한다는 것이다. 상기 시스템의 전방에 있어서의 상기 공간의 3D 맵을 생성함으로써, 시스템의 출력은, 이동 차량의 전방에 있어서, 로봇 및 드론 등과 같은 자율 장치의 전방에 있어서, 보안 영역 또는 모니터링되는 영역 등에 있어서, 물체의 존재를 탐색 및 검출하는 것 등과 같은 용례들에 사용될 수 있다. 도로의 전방에 또는 도로의 에지에 물체가 존재함을 검출하는 것에 의해, 차량이 충돌을 피할 수 있게 하는 차량의 조종이 허용될 수 있다.
본원에 기술된 LiDAR 시스템의 하나 이상의 실시형태는 1500 내지 1700 나노미터 (㎚) NIR 파장 범위의 파장을 갖는 레이저 다이오드를 이용한다. 700 내지 1000 ㎚ 파장 범위의 광으로 작동하는 다른 LiDAR 시스템에 비해, 본 발명 대상의 하나 이상의 실시형태의 광원들(예를 들어, 레이저 다이오드들)은 대기 감쇠가 줄어들게 되고, 이에 따라 보다 큰 전파 범위에 걸쳐 작동할 수 있다. 보다 긴 파장도 또한, 대기를 통해 전파되는 동안에 레일리(Rayleigh) 산란이 줄어들게 된다. 레일리 산란은 광 파장의 네제곱에 반비례하고, 이로써 LiDAR 시스템의 하나 이상의 실시형태는, 비, 안개 및 미립자가 있는 곳에서, 700 내지 1000 ㎚ 파장 범위로 작동하는 종래의 시스템에 비해, 우수한 기능성을 나타낼 수 있게 된다. 추가적으로, 보다 긴 파장 범위로 작동하는 레이저는, 보다 짧은 700 내지 1000 ㎚의 파장 범위로 작동하는 레이저보다 현저히 눈에 덜 위험하고, 이로써 LiDAR 시스템의 관련 필드에 있는 사람들에 대한 위험이 줄어든다.
본원에 기술된 본 발명 대상의 하나 이상의 실시형태는, LiDAR 시스템의 관련 전체 필드의 섹션을 한꺼번에 (예컨대, 동시에) 각각 탐사하는 광원들의 어레이를 사용함으로써 LiDAR 시스템 전방의 3D 공간의 맵의 품질이 향상될 수 있다. 이로써, 본원에 기술된 렌즈 어레이를 포함하지 않는 다른 LiDAR 시스템보다 적은 비용이 드는 구성요소들을 사용하면서도, 물체까지의 측정 거리에 있어서의 신호 대 노이즈비를 높일 수 있게 된다. 본원에 기술된 본 발명의 대상은 또한, 일 실시형태에서 1500 내지 1700 ㎚ 파장 범위로 작동하는 레이저를 사용하기 때문에, 비, 안개 및 미립자에 대한 감지 범위가 늘어나거나 및/또는 민감도가 줄어드는 것을 허용할 수 있다. 추가적으로, LiDAR 시스템의 시야를 광원의 수로 나눔으로써, LiDAR 시스템은 LiDAR 시스템 전방의 관련 필드 내에 물체가 존재하는가를 확인하는 데 보다 많은 시간(예를 들어, 처리 시간)을 들일 수 있다. 이는, 상기 LiDAR 시스템이, 본원에 기술된 렌즈 어레이 없이 작동하거나 단일 레이지 광선을 이용하는 LiDAR 시스템보다 느린 스캔 속도로 작동할 수 있기 때문이다. 스캔 속도는 LiDAR 시스템에 사용되는 광원의 수로 나눠지고, 일례에서는 4개 내지 50개의 병렬로 작동하는 빔을 포함할 수 있다. 보다 느린 스캔 속도는, 레이저가 타겟에서 체류하는 시간이 증가하는 것을 허용하여, 검출기에서의 신호 대 노이즈비를 높여주거나, 또는 각 빔마다 보다 낮은 전력을, 그리고 보다 낮은 비용의 레이저 공급원을 사용할 수 있게 하는 데 이용될 수 있다.
도 1은 LiDAR 시스템(100)의 일 실시형태를 보여준다. LiDAR 시스템(100)은, 개별적으로 광 또는 광선(104)을 렌즈 어레이 어셈블리(106)를 향해 발생시키는 복수의 광원(도 1에는 도시되지 않음)의 어레이(102)를 포함한다. 이들 광원은, 서로 다른(예를 들어, 개별) 광선들(104)을 렌즈 어레이 어셈블리(106)의 서로 다른 영역을 향해 발생시키는 포토 다이오드 및/또는 레이저 다이오드일 수 있다. 후술하는 바와 같이, 렌즈 어레이 어셈블리(106)는, 광원 어레이(102) 내의 서로 다른 광원으로부터 각각 광(104)을 수광하는, 복수의 마이크로 렌즈(렌즈 요소라고 함)를 포함할 수 있다. 광원들은 모두, 동일한 또는 실질적으로 동일한 (예를 들어, 3% 이내의) 파장, 예를 들어 980 나노미터, 1550 나노미터, 또는 1570 나노미터 등의 파장을 갖는 광을 생성할 수 있다. 이러한 광(104)은 렌즈 어레이(106) 내의 렌즈 요소에 의해 각 렌즈 요소의 후면 또는 측면을 향하게 또는 통과하게 수광된다. 광원들에 의해 생성되고 렌즈 요소들에 의해 수광되는 광(104)은, 입사 광(104)이라 지칭될 수 있다.
입사 광(104)은 렌즈 어레이(106) 내의 렌즈 요소들을 통과하고, 렌즈 요소들에 의해 시준되며, 렌즈 요소들의 반대편의 전면 또는 측면으로부터 출사 광(108)으로서 나오거나 빠져나온다. 렌즈 어레이(106) 내의 렌즈 요소들은 입사 광(104)을 복수의 방향으로 시준하고, 이에 따라 렌즈 요소들의 전면 또는 측면으로부터 나오는 출사 광(108)은 제1 방향(예를 들어, 수직 방향)으로 시준되며 상이한 제2 방향(예를 들어, 수평 방향)으로 시준된다.
시준된 출사 광(108)은 편광 빔 스플리터(110)를 통과하는데, 이 편광 빔 스플리터는 출사 광(108)의 통과를 허용한다. 이러한 출사 광(108)은 미러 어셈블리(116)의 복수의 미러면 또는 반사면(112, 114)에서 반사된다. 제1 미러면(112)이 미러 어셈블리(116)의 제1 모터(118)에 연결되어 이 제1 모터에 의해 이동 가능하다. 모터(118)는 축[즉, 도 1의 지면(紙面)에 대략 수직한 축]을 중심으로 제1 미러면(112)을 회전시켜, 출사 광(108)을 반대측의 제1 방향을 따라 지향 또는 이동시킨다. 광(108)은 제1 미러면(112)에서 반사되고 미러 어셈블리(116)의 제2 미러면(114)에 부딪친다. 제2 미러면(114)은 미러 어셈블리(116)의 다른 제2 모터(120)에 연결되어 이 제2 모터에 의해 이동 가능하다. 모터(120)는 다른 축[즉, 도 1의 지면에 대략 평행한 축]을 중심으로 제2 미러면(114)을 회전시켜, 출사 광(108)을 반대측의 제2 방향을 따라 지향 또는 이동시킨다. 광(108)은 제2 미러면(114)에서 반사되고 LiDAR 시스템(100)의 관련 필드를 향해 지향된다.
미러 어셈블리(116)의 제어기(130)가, LiDAR 시스템(100)에서 나오는 광(108)이 지향되는 위치를 제어하도록 미러(112, 114)의 움직임을 제어할 수 있다. 도 1에 도시되지 않았지만, 제어기는, 광(108)이 지향되는 위치를 제어하도록 모터(118, 120)에 통신되는 제어 신호를 생성하는, 하나 이상의 프로세서(예를 들어, 하나 이상의 마이크로프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 및/또는 집적 회로)를 포함하거나 및/또는 이에 연결되어 있는, 하드웨어 회로를 포함할 수 있다. 제어기는, 개별 광선들(108)을 도 1에서 화살표 122로 도시된 바와 같이 관련 필드의 전체에 걸쳐 앞뒤로 스윕시키도록, 각각의 모터(118, 120)에 의해 미러(112, 114)의 움직임을 제어할 수 있는데, 화살표 122는 관찰자의 시각에서 광선(108)이 앞뒤로 움직이는 것을 보여준다.
광(108)은 LiDAR 시스템(100)의 관련 필드 내의 하나 이상의 물체에 부딪칠 수 있고 적어도 부분적으로 상기 물체(들)에서 반사될 수 있다. 반사광은 적어도 부분적으로 미러(114)에 의해 수광되고, 미러(114)에서 미러(112)를 향해 반사되며, 미러(112)에서 빔 스플리터(110)를 향해 반사된다. [렌즈 어레이(106)로부터의 출사 광(108)과는 반대 방향으로 이동해 가는] 상기 반사광은 무작위적 편광을 가질 수 있다. 상기 반사광에 있어서 출사 광(108)에 대해 직교하는 편광을 갖는 부분은, 빔 스플리터(110)에 의해 렌즈(124)를 향해 지향된다. 렌즈(124)는 상기 반사광을 검출기 어레이(126) 상으로 포커싱하는데, 이 검출기 어레이는 광의 수광을 나타내는 신호들을 생성하는 광검출기들을 포함할 수 있다. 이러한 신호들은 [미러 어셈블리(116)의 작동을 제어하는 제어기와 동일한 제어기이거나 다른 제어기일 수 있는] 제어기에 통신될 수 있는데, 이 제어기는 출사 광(108)의 펄스의 전송과 상기 검출기 어레이(126)에서의 상기 반사광의 수광 사이의 기간으로서 비행 시간을 산출한다. 이 비행 시간은, 물체(들)의 존재 여부 및/또는 물체(들)까지의 거리를 결정하기 위해, 광(108)이 반사되어 나오는 물체(들)까지의 거리를 산출하는 데 사용될 수 있다.
도 2는 LiDAR 시스템(200)의 다른 실시형태를 보여준다. LiDAR 시스템(200)은 전술한 광원들의 어레이(102)와 렌즈 어레이 어셈블리(106)를 포함한다. 광원들에 의해 생성된 입사 광(104)은 렌즈 어레이(106) 내의 렌즈 요소들을 통과하고, 렌즈 요소들에 의해 (예를 들어, 수평 방향과 수직 방향으로) 시준되며, 렌즈 요소들의 반대편의 전면 또는 측면으로부터 출사 광(108)으로서 나오거나 빠져나온다. 출사 광(108)은 전술한 미러 어셈블리(116)의 가동 미러(112, 114)에서 반사된다.
광(108)은 LiDAR 시스템(200)의 관련 필드 내의 하나 이상의 물체에 부딪칠 수 있고 적어도 부분적으로 상기 물체(들)에서 반사광(202)으로서 반사될 수 있다. 반사광(202)은, 광(202)을 검출기 어레이(208)를 향해 포커싱하는 렌즈(204)에 의해 적어도 부분적으로 수광되는데, 이 검출기 어레이는, 전술한 바와 유사하게, 광의 수광을 나타내는 신호들을 생성하는 광검출기들을 포함할 수 있다. LiDAR 시스템(200)의 렌즈(204)는, LiDAR 시스템(100)의 렌즈(124)보다 큰 개구수를 가질 수 있다. 검출기 어레이(126, 208)는 실리콘(Si) 또는 인듐 갈륨 비소(InGaAs) 광검출기들을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 하나 이상의 검출기 어레이(126, 208)는 근적외선(NIR) 광검출기 어레이이다.
LiDAR 시스템(100, 200)에 미러 어셈블리(116)를 사용함으로써, 120도에 걸쳐 있는 LiDAR 시스템(100, 200)의 관련 필드에, 렌즈 어셈블리(106)에서 관련 필드를 향해 나오는 60도에 걸쳐 있는 광선(108)이 제공될 수 있다. 미러 어셈블리(116)의 미러(112, 114)는, 광(108)이 관련 필드에서 보다 장기간 동안 체류할 수 있게 하도록, 비교적 느린 속도로 회전할 수 있다. 이에 따라, 미러 어셈블리(116)를 사용하지 않는 LiDAR 시스템에 비해 반사광의 신호 대 노이즈비가 증가되면서, 미러(112, 114)의 움직임을 제어하는 데 사용되는 전자 하드웨어의 비용 및 복잡성이 감소될 수 있다.
도 3은 본원에 기술된 하나 이상의 LiDAR 시스템(100, 200)에 포함될 수 있는 조명 어셈블리(300)의 일 실시형태를 보여준다. 조명 어셈블리(300)는, 렌즈 어레이 어셈블리(106)를 향하여 광을 생성하는 몇몇 광원들(302)을 포함한다. 이들 광원(302)은, 서로 다른 광선들을 렌즈 어레이 어셈블리(106)의 서로 다른 영역을 향해 발생시키는 포토 다이오드 및/또는 레이저 다이오드일 수 있다. 예를 들어, 렌즈 어레이 어셈블리(106)는, 서로 다른 광원(302)으로부터 각각 광을 수광하는, 복수의 마이크로 렌즈 또는 렌즈 요소(304)를 포함할 수 있다. 예시된 실시형태에서, 렌즈 어레이 어셈블리(106)는 12개의 렌즈 요소 또는 렌즈(304)를 포함한다. 대안적으로, 렌즈 어레이 어셈블리(106)는 단일의 렌즈 요소(304) 또는 여러 렌즈 요소들(304)을 포함할 수 있다.
광원들(302)은 모두, 동일한 또는 실질적으로 동일한 (예를 들어, 3% 이내의) 파장, 예를 들어 980 나노미터, 1550 나노미터, 또는 1570 나노미터 등의 파장을 갖는 광을 생성할 수 있다. 이러한 광은 렌즈 요소들(304)에 의해 각 렌즈 요소(304)의 후면 또는 측면(306)(도 5에 도시)을 향하게 또는 통과하게 수광된다. 광원들(302)에 의해 생성되고 렌즈 요소들(304)에 의해 수광되는 광은, 입사 광(104)이다. 광(104)은 렌즈 요소들(304)을 통과하고, 렌즈 요소들(304)에 의해 시준되며, 렌즈 요소들(304)의 반대편의 전면 또는 측면(308)으로부터 출사 광으로서 나오거나 빠져나온다. 전류 구동 회로(310)는 각 광원(302)에 의해 출력되는 광을 제어할 수 있다. 선택적으로, 다른 타입의 광원(302)이 사용될 수 있거나, 또는 적어도 하나의 광원(302)이, 2개 이상의 렌즈 요소(304)에 의해 수광되는 광을 생성할 수 있다.
회로(310)와 광원들(302)은, 금속 또는 다른 열전도체 등과 같은, 열 확산 기판(316)에 장착될 수 있다. 예를 들어, 기판(316)은 질화알루미늄, 그래핀, 또는 실리콘-기반 인터포저로서, 광원(302)을 회로(310)와 통전 관계로 연결하기 위한 상호 접속부 및 본드 패드가 통합되어 있는 인터포저로 형성될 수 있다. 기판(316)은 패키지(320) 내에 있고, 렌즈 어레이(106)가 패키지(320)의 일측 에지를 따라 배치되어 있는 상태로, 열전 냉각기 또는 냉각 장치(318)에 접합되어 있다. 패키지(320)는 선택적으로 조명 어셈블리의 하우징 또는 외부 하우징으로 지칭될 수 있다. 렌즈 어레이(106)는, 수 개의 서로 다른 렌즈 요소(304)를 포함하는 단일의 일체형 본체일 수 있다. 패키지(320)는 금속, 세라믹, 및/또는 플라스틱으로 형성될 수 있고, 3차원 인쇄, 사출 성형, 및/또는 기계 가공을 이용하여 만들어질 수 있다. 커버(도시 생략)가 패키지(320) 위에 배치될 수 있고, 패키지(320)에 융합되거나 야금학적으로 접합될 수 있다. 편광 빔 스플리터(110)는 선택적으로 패키지(320)의 전방에 장착되고, 검출기 어레이(126 또는 208)는 패키지(320)의 부근에 있어서 광원(302)의 어레이에 직각으로 장착될 수 있다.
각 렌즈 요소(206)는 비교적 작을 수 있다. 예를 들어, 각 렌즈 요소(206)는 2.2 밀리미터 이하의 폭 치수와 3.4 밀리미터 이하의 높이 치수를 가질 수 있다. 선택적으로, 렌즈 요소들(206)은 보다 큰 폭 치수 및/또는 높이 치수를 가질 수 있다.
도 4는 본원에 기술된 LiDAR 시스템의 하나 이상의 실시형태를 제공하는 방법(2000)의 흐름도를 보여준다. 단계 2002에서는, 광원들(302)이 기판(316)에 장착된다. 일 실시형태에서, 광원들(302)은 픽앤플레이스 접합을 이용하여 기판(316)에 장착된다. 단계 2004에서는, 기판(316)이 열전 냉각기(318)에 접합된다. 단계 2006에서는, 기판(316)이 렌즈 어레이(106)를 포함하는 패키지(320) 내에 장착된다. 패키지(320)는 3차원 인쇄, 사출 성형, 또는 기계 가공 등에 의해 형성될 수 있다. 단계 2008에서는, 커버가, 융합, 용접 등에 의해 패키지(320)와 연결되어, 패키지(320)를 덮는다. 단계 2010에서는, 편광 빔 스플리터가 패키지와 연결된다. 단계 2012에서는, 검출기 어레이(126, 208)가 패키지(320)와 연결된다.
도 5는 렌즈 어레이 어셈블리(106) 내의 렌즈들(304)과, 조명 어셈블리(300)의 패키지의 일 실시형태를 도시한다. 패키지(320)는 패키지(320)의 일부분 또는 투광면을 나타내는 창(2100)을 포함한다. 창(2100)은 광학적으로 투명하거나, 또는 그렇지 않으면 광원들(302)(도 3에 도시)에 의해 생성되어 렌즈 어레이 어셈블리(106) 내의 렌즈(304)들에 의해 시준 및/또는 회절되는 광이, 창(2100)을 통과하게 할 수 있다. 창(2100)은 패키지(320)의 외부면을 형성할 수 있다. 시스템(300)의 나머지 구성요소들은 도 21에 도시되어 있지 않다.
렌즈(304) 및/또는 창(2100)의 외부면에는 반사방지 층(2102)이 코팅될 수 있다. 이 층(2102)은 광대역의 전방향 반사방지 특성을 가질 수 있다. 상기 층(2102)은 나노 구조로 이루어질 수 있고, 나노 기둥 또는 나노 와이어 어레이로 구성될 수 있다. 도 5에서는 상기 층(2102)이 렌즈(304)와 창(2100) 각각의 한 면에만 배치되는 것으로 도시되어 있지만, 상기 층(2102)은 렌즈(304) 또는 창(2100)의 한 면 또는 양면에 도포될 수 있다. 상기 층(2102)은, 시스템의 광검출기(126, 208)(도 1과 도 2에 도시)에 영향을 미치는 (외부 물체로부터 반사된) 입사 광의 양을 증가시킴으로써, 시스템(300)의 신호 대 노이즈비를 향상시키는 데 기여할 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 층(2102)은 시스템(300) 내의 비(非)-프레넬 렌즈 및 비-회절 기반 렌즈(304) 상에 배치되지만, 다른 렌즈 또는 렌즈의 면에는 배치되지 않는다.
또 다른 실시형태에서, LiDAR 시스템의 렌즈 및 외부 창에는, 광대역 전방향 반사방지 특성을 지닌 층이 코팅된다. 이러한 층은 나노 구조로 이루어질 수 있고, 나노 기둥 또는 나노 와이어 어레이로 구성될 수 있다. 상기 코팅은 렌즈 또는 창 층의 한 면 또는 양면에 도포될 수 있고, 시스템의 광검출기에 영향을 미치는 (외부 물체로부터 반사된) 입사 광의 양을 증가시킴으로써, 시스템의 SNR을 향상시키는 데 기여한다. 이러한 코팅은 주로 상기 시스템 내의 비-프레넬 및 비-회절 기반 렌즈를 위한 것이다.
일 실시형태에서, LiDAR 시스템은, 개별 광선들을 발생시키도록 구성되어 있는 광원들과, 상기 광원들로부터 상기 개별 광선들을 수광하고 상기 개별 광선들을 시준하여 관심 피시험 영역을 향하는 시준 출사 광으로 만들도록 구성되어 있는 렌즈 어레이와, 상기 시준 출사 광의 적어도 일부분의 반사를 감지하도록 구성되어 있는 감광 검출기, 그리고 상기 시준 출사 광의 적어도 일부분이 상기 감광 검출기를 향해 반사되어 나오는 하나 이상의 물체까지의 거리를 결정하도록 구성되어 있는 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 상기 하나 이상의 프로세서는, 상기 시준 출사 광의 적어도 일부분의 반사에 기초하여 상기 거리를 결정하도록 구성되어 있다.
선택적으로, 상기 렌즈 어레이는 상기 개별 광선들 각각을 서로 다른 방향으로 시준하도록 구성되어 있다. 상기 개별 광선들 각각이 상기 렌즈 어레이에 의해 시준되는 상기 서로 다른 방향은, 수평 방향과 수직 방향을 포함할 수 있다. 상기 렌즈 어레이는 상기 개별 광선들로부터 서로 다른 광선을 각각 수광하도록 배치된 복수의 렌즈를 포함할 수 있다.
일례에서, 상기 시스템은 또한, 상기 시준 출사 광을 하나 이상의 방향으로 지향시키는 미러 어셈블리와 상기 렌즈 어레이의 사이에 배치된 편광 빔 스플리터를 포함한다. 상기 미러 어셈블리는, 상기 시준 출사 광을 관련 필드를 따라 앞뒤로 이동 및 반사시키도록 구성되어 있는 적어도 하나의 가동 미러를 포함할 수 있다.
선택적으로, 상기 시스템은 또한, 상기 광원들과 상호 연결된 열전 냉각기를 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 상기 시준 출사 광이 상기 렌즈 어레이에서 나온 후에 통과하는 창으로서, 반사방지 층을 포함하는 것인 창을 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 상기 렌즈 어레이 상에 반사방지 층을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 다른 LiDAR 시스템은, 광원들로부터 개별 광점들을 수광하고 개별 광선들을 시준하도록 구성되어 있는 렌즈 어레이와, 시준된 광의 적어도 일부분의 반사를 감지하도록 구성되어 있는 감광 검출기, 그리고 상기 광의 적어도 일부분의 반사에 기초하여 하나 이상의 물체까지의 거리를 결정하도록 구성되어 있는 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
선택적으로, 상기 렌즈 어레이는 개별 광선들을 복수의 서로 다른 방향으로 시준하도록 구성되어 있다. 상기 렌즈 어레이는 개별 광점들로부터 서로 다른 광점을 각각 수광하도록 배치된 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 각 렌즈는, 렌즈에 의해 수광된 광점을 제1 방향 및 상이한 제2 방향 모두로 시준하도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 시스템은 또한, 창을 구비하는 패키지를 포함하고, 상기 렌즈 어레이는 상기 패키지 내에 배치되며, 상기 렌즈 어레이 또는 상기 창 중의 하나 이상이 전방향성 코팅 층을 포함한다.
시스템은 또한, 시준된 광을 하나 이상의 방향으로 지향시키는 미러 어셈블리와 상기 렌즈 어레이의 사이에 배치된 편광 빔 스플리터를 포함할 수 있다. 시스템은 선택적으로, 시준된 광을 관련 필드를 따라 앞뒤로 이동 및 반사시키도록 구성되어 있는 적어도 하나의 가동 미러를 구비하는 미러 어셈블리를 포함할 수 있다. 상기 미러 어셈블리는, 상기 광원들을 이동시키지 않으면서, 시준된 광을 이동시키도록 구성될 수 있다. 상기 미러 어셈블리는, 상기 렌즈 어레이를 이동시키지 않으면서, 시준된 광을 이동시키도록 구성될 수 있다.
일 실시형태에서, 방법은, 광원들을 열 확산 기판에 연결하는 단계와, 상기 기판을 열전 냉각기에 연결하는 단계, 그리고 접합 일체형 렌즈 어레이가 일측 에지를 따라 배치되어 있는 패키지에 상기 기판을 연결하는 단계를 포함한다. 상기 렌즈 어레이는 상기 광원들로부터 개별 광선들을 수광하고 상기 개별 광선들을 복수의 서로 다른 방향으로 시준하도록 구성되어 있다.
선택적으로, 상기 광원들은 픽앤플레이스 접합을 이용하여 상기 기판에 연결될 수 있다. 상기 방법은 또한, 편광 빔 스플리터를 상기 패키지에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 단수로 기술되고 부정관사에 뒤이어 오는 요소 또는 단계가, 복수의 상기한 요소 또는 단계를 배제하는 것을 명시적으로 언급하고 있지 않는 한, 복수의 상기한 요소 또는 단계를 배제하지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본원에 기술된 대상의 "일 실시형태"에 대한 언급은, 열거된 특징부들을 역시 포함하는 추가적인 실시형태의 존재를 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 특별한 특성을 갖는 요소 또는 복수의 요소를 "포함하는" 또는 "구비하는" 실시형태들은, 해당 특성을 갖지 않는 추가적인 요소를 포함할 수 있다.
상기한 설명은 제한하려는 의도가 아니가 예시하려는 의도가 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 전술한 실시형태들(및/또는 그 양태들)은 서로 조합되어 사용될 수 있다. 또한, 본원에 제시된 대상의 범위를 벗어나지 않으면서 해당 대상의 교시 내용에 특수한 상황 또는 재료를 맞추는 변경이 다수 실시될 수 있다. 본원에 기술된 재료의 타입 및 치수는 개시된 대상의 파라미터를 규정하도록 의도된 것이지만, 결코 제한적인 것은 아니며 예시적인 실시형태들이다. 많은 다른 실시형태들은 상기한 설명을 검토하여 볼 때 당업자에게 명백해질 것이다. 따라서, 본원에 기술된 대상의 범위는, 첨부된 청구범위를, 이러한 청구범위에 의해 자격이 부여되는 등가물의 전체 범위와 함께 참조함으로써 결정되어야 한다. 첨부된 청구범위에서, 용어 "구비하는" 및 "거기서"는 각각의 용어 "포함하는" 및 "여기서"의 평이한 대응 표현으로서 사용된다. 또한, 이하의 청구범위에서, 용어 "제1", "제2" 및 "제3" 등은 라벨로서 사용되고, 이들 용어의 객체에 수치적 요건을 부과하려는 의도는 없다. 또한, 이하의 청구범위의 한정은, 추가 구조 없이 기능의 서술이 뒤이어 오는 어구 "~위한 수단"을 분명히 사용하지 않는 한, 35 U.S.C. §112(f)에 의거하여 해석되는 것으로 의도되어 있지 않고, 기능식 포맷으로 작성되어 있지 않다.
본 명세서는, 본원에 제시된 대상의 몇몇 실시형태들을 가장 바람직한 유형을 포함해 개시하고, 당업자가 개시된 대상의 실시형태들을 실시할 수 있게 하기 위해, 실시예를 사용하고 있는데, 상기 실시예에는 장치 또는 시스템을 제작하고 사용하는 것과, 방법을 행하는 것 등이 있다. 본원에 기술된 대상의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정해지며, 당업자에게 떠오르는 다른 실시예도 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예는, 청구범위의 문자 그대로의 표현과 다르지 않은 구조 요소를 갖는다면, 또는 청구범위의 문자 그대로의 표현과 실질적으로 차이가 없는 등가의 구조 요소를 갖는다면, 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 되어 있다.

Claims (21)

  1. 광 검출 및 거리 측정(LiDAR) 시스템으로서:
    개별 광선들을 발생시키도록 구성되어 있는 광원들;
    상기 광원들로부터 상기 개별 광선들을 수광하고, 상기 개별 광선들을 시준하여, 관심 피시험 영역을 향하는 시준 출사 광으로 만들도록 구성되어 있는 렌즈 어레이;
    상기 시준 출사 광의 적어도 일부분의 반사를 감지하도록 구성되어 있는 감광 검출기; 및
    상기 시준 출사 광의 적어도 일부분이 상기 감광 검출기를 향해 반사되어 나오는 하나 이상의 물체까지의 거리를 결정하도록 구성되어 있는 하나 이상의 프로세서로서, 상기 시준 출사 광의 적어도 일부분의 반사에 기초하여 상기 거리를 결정하도록 구성되어 있는 것인 하나 이상의 프로세서
    를 포함하는 LiDAR 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈 어레이는 상기 개별 광선들 각각을 서로 다른 방향으로 시준하도록 구성되어 있는 것인 LiDAR 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 개별 광선들 각각이 상기 렌즈 어레이에 의해 시준되는 상기 서로 다른 방향은, 수평 방향과 수직 방향을 포함하는 것인 LiDAR 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 렌즈 어레이는 상기 개별 광선들로부터 서로 다른 광선을 각각 수광하도록 배치된 복수의 렌즈를 포함하는 것인 LiDAR 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 시준 출사 광을 하나 이상의 방향으로 지향시키는 미러 어셈블리와 상기 렌즈 어레이의 사이에 배치된 편광 빔 스플리터를 더 포함하는 LiDAR 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 미러 어셈블리는, 상기 시준 출사 광을 관련 필드를 따라 앞뒤로 이동 및 반사시키도록 구성되어 있는 적어도 하나의 가동(可動) 미러를 포함하는 것인 LiDAR 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광원들과 상호 연결된 열전 냉각기를 더 포함하는 LiDAR 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 시준 출사 광이 상기 렌즈 어레이에서 나온 후에 통과하는 창(窓)으로서, 반사방지 층을 포함하는 것인 창을 더 포함하는 LiDAR 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 렌즈 어레이 상에 반사방지 층을 더 포함하는 LiDAR 시스템.
  10. 광 검출 및 거리 측정(LiDAR) 시스템으로서:
    광원들로부터 개별 광점들을 수광하고, 개별 광선들을 시준하도록 구성되어 있는 렌즈 어레이;
    시준된 광의 적어도 일부분의 반사를 감지하도록 구성되어 있는 감광 검출기; 및
    상기 광의 적어도 일부분의 반사에 기초하여 하나 이상의 물체까지의 거리를 결정하도록 구성되어 있는 하나 이상의 프로세서
    를 포함하는 LiDAR 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 렌즈 어레이는 개별 광선들을 복수의 서로 다른 방향으로 시준하도록 구성되어 있는 것인 LiDAR 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 렌즈 어레이는 개별 광점들로부터 서로 다른 광점을 각각 수광하도록 배치된 복수의 렌즈를 포함하는 것인 LiDAR 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 각 렌즈는, 렌즈에 의해 수광된 광점을 제1 방향 및 상이한 제2 방향 모두로 시준하도록 구성되어 있는 것인 LiDAR 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 창을 구비하는 패키지를 더 포함하고, 상기 렌즈 어레이는 상기 패키지 내에 배치되며, 상기 렌즈 어레이 또는 상기 창 중의 하나 이상이 전방향성 코팅 층을 포함하는 것인 LiDAR 시스템.
  15. 제10항에 있어서, 시준된 광을 하나 이상의 방향으로 지향시키는 미러 어셈블리와 상기 렌즈 어레이의 사이에 배치된 편광 빔 스플리터를 더 포함하는 LiDAR 시스템.
  16. 제10항에 있어서, 시준된 광을 관련 필드를 따라 앞뒤로 이동 및 반사시키도록 구성되어 있는 적어도 하나의 가동 미러를 구비하는 미러 어셈블리를 더 포함하는 LiDAR 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 미러 어셈블리는, 상기 광원들을 이동시키지 않으면서, 시준된 광을 이동시키도록 구성되어 있는 것인 LiDAR 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 상기 미러 어셈블리는, 상기 렌즈 어레이를 이동시키지 않으면서, 시준된 광을 이동시키도록 구성되어 있는 것인 LiDAR 시스템.
  19. 방법으로서,
    광원들을 열 확산 기판에 연결하는 단계;
    상기 기판을 열전 냉각기에 연결하는 단계; 및
    접합 일체형 렌즈 어레이가 일측 에지를 따라 배치되어 있는 패키지에 상기 기판을 연결하는 단계로서, 상기 렌즈 어레이는 상기 광원들로부터 개별 광선들을 수광하고 상기 개별 광선들을 복수의 서로 다른 방향으로 시준하도록 구성되어 있는 것인 단계
    를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 광원들은 픽앤플레이스 접합을 이용하여 상기 기판에 연결되는 것인 방법.
  21. 제19항에 있어서, 편광 빔 스플리터를 상기 패키지에 장착하는 단계를 더 포함하는 방법.
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