KR20190057125A - 이미징 어레이 내의 픽셀의 노출 값으로부터 백그라운드 광을 차감하기 위한 방법 및 이를 이용한 픽셀 - Google Patents

이미징 어레이 내의 픽셀의 노출 값으로부터 백그라운드 광을 차감하기 위한 방법 및 이를 이용한 픽셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이미징 어레이 내의 픽셀의 노출 값으로부터 백그라운드 광을 차감하기 위한 방법 및 이를 이용한 픽셀에 관한 것이다. 본 발명은 이미징 어레이내의 제 1 픽셀의 노출 값으로부터 백그라운드 광을 차감하는 방법에 관한 것으로, 상기 제 1 픽셀은 주기적으로 펄스화된 스폿의 패턴에 의해 조명되는 경관으로부터 스폿의 반사를 수신하고, 상기 주기적으로 펄스화된 패턴은 교번하는 조명된 위상(illuminated phase) 및 비-조명된 위상(non-illuminated phase)을 포함하고, 상기 방법은 : 미리 결정된 시간 량 동안 상기 스폿을 검출하는 동안 상기 제 1 픽셀에 수신된 입사광의 제 1 양에 비례하는 전하를 상기 제 1 픽셀에 축적하는 단계; 및 상기 스폿의 부존재시에 상기 미리 결정된 시간 량 동안 수신된 입사광의 제 2 양에 비례하는 전하를 감소시키는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 픽셀 및 이미징 어레이에 관한 것이다.

Description

이미징 어레이 내의 픽셀의 노출 값으로부터 백그라운드 광을 차감하기 위한 방법 및 이를 이용한 픽셀
본 발명은 이미징 시스템 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이미징 어레이의 픽셀의 노출 값으로부터 백그라운드 광을 차감하기 위한 방법 및 이러한 방법을 사용하기 위한 픽셀에 관한 것이다. 본 발명은 그 중에서도 물체까지의 거리를 결정하기 위한 시스템에서 특별히, 장면의 특징 또는 그 일부에 사용될 비행 시간 기반 감지 시스템에 사용될 수 있다.
한정되는 것은 아니지만, 자동차 및 산업 환경, 게임 애플리케이션 및 맵핑 애플리케이션과 같은 많은 제어 및 네비게이션 애플리케이션에서 사용되는 원격 감지 기술의 분야에서, 주로 주위의 고해상도 맵을 생성하는 사용에서, 센서로부터 물체의 거리를 결정하기 위해 비행 시간 기반 감지를 사용하는 것이 공지되어 있다. 비행 시간 기반 기술은 RF 변조 소스, 레인지 게이티드 이미저(range gated imager) 및 직접 비행 시간(DToF : direct time-of-flight) 이미저의 사용을 포함한다. RF 변조 소스 및 레인지 게이티드 이미저의 사용을 위해, 변조된 또는 펄스화된 소스로 전체 관심 장면을 조명할 필요가 있다. 대부분의 LIDAR와 같은 직접 비행 시간 시스템은 펄스화된 빔으로 관심 영역을 기계적으로 스캔하고, 이의 반사율은 펄스 검출기로 감지된다.
감지된 반사 신호와 방출된 RF 변조된 신호를 상관시키기 위해서, 방출된 신호 는 많은 제약들을 충족시켜야 한다. 실제로, 이러한 제약은 RF 변조 시스템을 차량 시스템에 사용에 매우 비실용적으로 만드는 것으로 판명되고 : 감지 달성 레인지는 통상의 안전 한계 내에서 그리고 일반 차량의 파워 예산 내에 있는 신호 강도에 대하여 매우 제한된다.
대부분 LIDAR 시스템에서 사용되는 직접 TOF(DToF) 이미저는 강력한 펄스 레이저(나노초 펄스 체제에서 동작하는), 3 차원 맵을 1D 포인트 측정으로부터 획득하는 기계적 스캐닝 시스템 및 펄스 검출기를 포함한다. 이러한 유형의 시스템은 현재 캘리포니아, Morgan Hill의 Velodyne Lidar를 포함하는 공급 업체로부터 구입할 수 있다. 최첨단 시스템의 일 예인 Velodyne HDL-64E는 초당 5 내지 15 회전의 기계식 회전 구조로 64 개의 고 파워 레이저와 64 개의 검출기(애벌런치 다이오드(avalanche diode))를 사용한다. 그 낮은 크기의 5 내지 6 차수(order of magnitude)들의 레인지 내에 있는 이러한 DToF LIDAR의 시스템들에 의해 요구되는 광 파워는 너무 높아서 반도체 레이저로 획득될 수 없다. 추가하여, 스캐닝 목적을 위해 기계적으로 회전하는 엘리먼트의 사용은 소형화, 신뢰성 및 이러한 유형의 시스템의 비용 감소를 위한 전망을 제한한다.
미국 특허 출원 공개 번호. Trilumina 라는 이름의 2015/0063387은 20ns의 펄스 폭을 갖는 펄스에서 50mW의 총 에너지를 전달하는 VCSEL을 개시한다. 시중에서 판매되는 Optek OPV310 VCSEL은 10 ns의 지속 기간을 갖는 펄스에서 총 60 mW의 에너지를 전달하며 100 mW의 최대 광 파워를 갖는 것이 외삽법(extrapolation)으로 추정될 수 있다. 이 값은 열적 문제로 인한 불안정성을 피하기 위해 최적의 듀티 사이클 및 짧은 펄스 폭을 의미하는 매우 엄격한 작동 조건에서만 실현된다. Trilumina의 개시 및 Optek 시스템은 VCSEL 디자인에 본질적으로 링크된 열적 제약으로 인해 연속파 VCSEL 시스템이 광 피크 파워 출력과 관련하여 그것들의 물리적 한계에 도달하고 있음을 예시한다. 이 펄스 에너지 레벨에서, DToF 애플리케이션에서 현재 사용되는 ns 펄스를 사용하는 것은 120m 거리에서 물체에 의해 유용하게 반사될 것으로 예상할 수 있는 단순한 광자(photon) 수가 너무 작아서 CMOS 또는 CCD 또는 SPAD 어레이와 같은 통상의 반도체 센서를 쓰는 검출을 무산시킨다. 따라서, 공지된 DToF 시스템의 레인지를 확장시키는데 요구되는 VCSEL 파워 출력을 5 또는 6 차수만큼 증가시키는 것은 물리적으로 불가능하다.
몇 개의 리턴 광자를 캡쳐하기에 이론적으로 충분히 민감한 애벌런치 다이오드(AD 또는 SPAD)의 사용에서 조차도, 유용하게 알려진 LIDAR 시스템 아키텍처에 배치할 수 없다. SPAD 어레이의 고체 상태 구현은 직렬로 판독되어야 한다. 원하는 정확도를 달성하기 위해 많은 수의 SPAD가 필요하다. 고체 상태 구현의 직렬 판독 제한은 시스템의 대역폭을 제한하여 원하는 정확도에 부적절하게 된다. Velodyne 시스템(0.02m 내지 0.04m, 거리에 관계 없음)과 같은 정확도의 경우, 현재의 IC 구현예의 경우 필요한 판독 데이터 레이트가 실제로 성취할 수 있는 대역폭을 초과한다. 120m에서의 동작을 위해, 500x500 픽셀 SPAD 어레이가 요구되고, 이는 IC 기반 구현예에서, 직렬로 판독되어야 한다. 앞서 언급한 Velodyne 시스템과 동일한 정밀도를 들어, 초당 250 기가 픽셀의 판독 레이트로 번역(translate), 밀리초 당 1000 펄스 및 따라서 밀리초 당 1000 프레임을 필요로 할 것이다. 이것은 현재의 SPAD IC 기술의 맥락에서 기술적으로 실현 불가능한 것으로 여겨진다.
Neil E. Newman et al.에 의한 논문, "High Peak Power VCSELs in Short Range LIDAR Applications”, Journal of Undergraduate Research in Physics, 2013, http://www.jurp.org/2013/12017EXR.pdf 은 VCSEL 기반 LIDAR 애플리케이션을 설명한다. 이 논문은 설명된 프로토타입 시스템의 최대 출력 파워가 0.75m보다 큰 레인지에서 와이드 필드 LIDAR를 수행할 만큼 충분히 크지 않는다고 말한다. 비교적 집속된 빔(focused beam) (1m 거리에서 0.02m 스폿 크기)으로, 저자는 1m까지의 거리에서 타겟 물체를 레인지(range) 할 수 있었다.
상기 예들은 명백하게 본 반도체 레이저에 의해 방출되는 광 파워는 (예를 들어, 120m까지의 레인지에 대하여) 자동차 애플리케이션들에서 실제 사용되기 위한 공지된 LIDAR 시스템의 동작에 필요한 파워 요건을 충족할 수 없은 것을 나타낸다.
Avago Technologies General IP(Singapore) Pte. Ltd.의 이름의 미국 특허 번호. 7,544,945는 보다 콤팩트하고 비용 효율적인 LIDAR 기능을 제공하기 위해 다수의 레이저를 이용하는 차량 기반 LIDAR 시스템 및 방법을 개시한다. 레이저 어레이 내의 각각의 레이저는 순차적으로 활성화되어, 레이저 어레이에 대해 장착된 대응하는 광학 엘리먼트가 실질적으로 상이한 방향으로 개별 질의 빔(interrogation beam)을 생성한다. 이러한 빔으로부터의 광은 차량의 환경에 있는 물체에 의해 반사되어 차량 운영자 및/또는 승객에게 물체에 대한 정보를 제공하기 위해 감지된다. 특허는 공지된 DToF LIDAR 시스템에서 공지된 기계적인 스캐닝을 대체하기 위해 개별 레이저가 연속적으로 활성화되는 고체 상태 프로젝터를 제공한다.
비행 시간 감지를 사용하지 않는 차량용 고정밀 중거리 서라운드 감지 시스템은 본 출원인의 이름으로 국제 특허 출원 공보 WO 2015/004213 A1에 공지된다. 해당 공보에서, 물체의 국부화(localization)는 펄스화된 방사 스폿의 투영(projection) 및 미리 결정된 기준 스폿 위치를 참조하여 감지된 스폿의 변위 분석에 기초한다. 특히, 인용된 공보의 시스템은 삼각 측량을 사용한다. 그러나, 달성될 수 있는 정확도는 삼각측량 베이스와 상관되고, 이는 달성될 수 있는 소형화를 추가로 제한한다.
미국 특허 출원 공보 No. US 2012/0038903 A1은 장면의 조명을 적응적으로 제어하기 위한 방법 및 시스템을 개시한다. 특히, 장면이 조명되고 장면으로부터 반사된 광이 감지된다. 장면 내의 상이한 영역에 대응하는 다수의 픽셀 검출기의 상이한 픽셀들에 의해 수신된 광 강도의 레벨 및/또는 장면 내의 영역에 대한 레인지에 관한 정보가 수신된다. 해당 정보는 그런 다음 장면 내의 조명 레벨을 제어하는 피드백 신호로 사용된다. 보다 상세하게는, 장면의 상이한 영역은 피드백 신호에 응답하여 상이한 레벨의 조명(illumination)이 제공될 수 있다.
유럽 특허 출원 공개 번호. EP 2 322 953 A1는 거리 분해능을 감소시키지 않으면서 거리 측정 레인지를 확장시킬 수 있는 거리 이미지 센서를 개시한다. 방사원(radiation source)은 시간 축 상에 순차적으로 배열된 제 1 내지 제 5 프레임에서 방사 펄스로서 물체에 조사되는 제 1 내지 제 5 펄스 트레인(train)을 제공한다. 각각의 프레임에서, 각각의 프레임의 시작 지점으로부터 미리 결정된 시간의 지점에서 이미징 시간이 미리 규정되며, 또한 펄스는 제 1 프레임 내지 제 5 프레임의 시작 지점으로부터 서로 다른 시프트 량만큼 개별적으로 시프트된다. 픽셀 어레이는 각각 5 개의 프레임 각각에서 이미징 윈도우(A, B)을 사용하여 서로 다른 거리 레인지의 물체의 거리 정보를 갖는 엘리먼트 이미지 신호를 생성한다. 프로세싱 유닛은 엘리먼트 이미지 신호를 결합함으로써 이미지 신호를 생성한다. 5 번의 비행 시간 측정이 사용되기 때문에, 넓은 거리 레인지에서 물체의 거리 정보를 획득하기 위해 방사 펄스의 폭을 증가시킬 필요가 없으며 거리 분해능이 감소되지 않는다.
유럽 특허 출원 공개 공보 번호. EP 2 290 402 A1은 복수의 2 차원으로 배열된 유닛들로 구성된 이미징 영역을 갖는 반도체 기판 상에 제공되어 유닛들로부터 출력된 전하량의 베이시스(basis) 상에 레인지 이미지를 획득하는 레인지 이미지 센서(range image sensor)를 개시한다. 유닛들 중 하나는, 전하 생성 영역으로부터의 전하를 수집하기 위해 공간적으로 이격되어 배열된 적어도 2 개의 반도체 영역에서, 입사광에 응답하여 전하가 생성되는 전하 생성 영역(전송 전극 외측의 영역)과 반도체 영역을 둘러싸서 위상이 다른 전하 전송 신호가 주어지는 반도체 영역의 각 주변에 설치된 전송 전극이 제공된다.
Shoji Kawahito et al.에 의한 논문, “A CMOS Time-of-Flight Range Image Sensor With Gates-on-Field-Oxide Structure”, IEEE Sensors Journal, Vol. 7, no. 12, p. 1578-1586은 사진 변환 및 전하 전송을 위해 필드 옥사이드 구조 상에 단일 계층 게이트를 사용하는 CMOS TOS(time-of-flight) 레인지 이미지 센서의 유형을 개시한다. 이 구조는 표준 CMOS 프로세스에서 15 × 15 ㎛2 픽셀의 조밀한 TOF 레인지 이미징 어레이의 실현을 가능하게 한다. 고속 전하 전송에 필요한 n 형 매립층을 생성하기 위한 추가 프로세스 단계만이 제조 프로세스에 추가된다. 센서는 활성 조명 광원으로부터의 다시 반사된 적외선 광 펄스에 의해 유도된 시간 지연 의존 광전하(photocharge)의 변조에 기초하여 동작한다. 백그라운드 광의 영향을 줄이기 위해, 작은 듀티 사이클 광 펄스가 사용되며 전하 배출 구조가 픽셀에 포함된다. 제조된 TOF 센서 칩은 초당 30 프레임들에서 2.35cm의 레인지 분해능을 측정하고 100ns의 펄스 폭을 갖는 초당 3 프레임들에서 0.74cm로 개선되었다.
감지될 경관으로 방출되는 구조화된 광의 감지에 의존하는 모든 시스템은 주변 광의 존재에도 불구하고 경관의 조명된 부분을 비-조명된 부분과 구별하는 방법을 필요로 한다. 따라서, 노출 값으로부터 백그라운드 조명 성분의 신뢰할 수 있는 제거를 허용 방법 및 픽셀을 획득하기 위한 지속적인 요구가 있다.
본 발명의 일 태양에 따라, 이미징 어레이 내의 제 1 픽셀의 노출 값(exposure value)으로부터 백그라운드 광을 차감하기 위한 방법이 제공되고, 상기 제 1 픽셀은 주기적으로 펄스화된 스폿들의 패턴에 의해 조명된 경관(scenery)로부터의 스폿의 반사를 수신하고, 상기 주기적으로 펄스화된 패턴은 교번하는 조명된 상(illuminated phase)과 비-조명된 상(non-illuminated phase)을 포함하고, 상기 방법은 : 미리 결정된 시간 량 동안 상기 스폿을 검출하는 동안 상기 제 1 픽셀에 수신된 입사광의 제 1 양에 비례하는 전하를 상기 제 1 픽셀에 축적하는 단계;및 상기 스폿의 부존재시에 상기 미리 결정된 시간 량 동안 수신된 입사광의 제 2 양에 비례하는 전하를 감소시키는 단계를 포함한다.
유용한 신호를 검출하는 컴포넌트와 사실상 동일한 컴포넌트로 백그라운드 조명이 검출되고, 백그라운드 조명 및 유용한 신호 모두가 동일한 시간 양에 걸쳐 통합되는 것이 본 발명의 장점이다. 이러한 방식으로, 최적의 신호 쌍이 차감을 위해 획득된다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 상기 입사광의 제 2 양은 상기 비-조명 위상에서 상기 미리 정해진 시간 량 동안 상기 제 1 픽셀에서 수신된 광을 포함한다.
이 실시예의 장점은 백그라운드 조명이 경관의 단일 위치로부터 발원하는 광을 검출하는 유용한 신호를 검출하는 컴포넌트와 정확히 동일한 컴포넌트로 검출되어 (센서의 움직임으로 인한 약간의 시프트는 제외 함) 조명된 위상과 비-조명된 위상 간의 비교는 해당 바로 그 위치에서 백그라운드 조명의 차감을 제공한다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에서, 상기 입사광의 제 2 양은 상기 축적하는 단계 동안, 상기 픽셀 어레이의 제 2 픽셀에 수신된 광을 포함하고, 상기 제 2 픽셀은 상기 스폿에 의해 조명되지 않도록 상기 제 1 픽셀로부터 충분한 거리에 있다.
백그라운드 조명의 차감이 시간에 따른 백그라운드 조명 레벨의 변화에 민감하지 않도록 유용한 신호와 동시에 백그라운드 조명이 검출되는 것이 이 실시예의 장점이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기에서 설명된 방법에서 상기 제 1 픽셀로서 사용하기에 적합한 픽셀이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 픽셀은 상기 전하를 저장하기 위한 커패시터를 포함하고, 상기 커패시터는 제 1 측면과 제 2 측면을 갖고, 상기 축적하는 단계는 상기 제 1 측면으로 전하를 전송하는 단계, 상기 감소시키는 단계는 상기 제 2 측면으로 전하를 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 픽셀의 이 실시예의 장점은 매우 콤팩트하고 신뢰할 수 있는 방식으로 백그라운드를 차감하는 창의적인 방법을 구현하고 추가적인 디지털 계산에 의존하지 않는다는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 상기에서 설명된 것 처럼, 복수의 픽셀을 포함하는 이미징 어레이가 제공된다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 물체까지의 거리를 결정하기 위한 시스템이 제공되고 : 펄스들의 시퀀스로 상기 물체를 향해 레이저 광의 스폿들의 패턴을 투영시키도록 배열된 고체-상태 광원; 상기에서 설명된 상기 이미징 어레이를 포함하는 검출기로서, 상기 검출기는 상기 펄스들의 시퀀스와 동기화하여 상기 물체에 의해 반사된 스폿들의 패턴을 나타내는 광을 검출하도록 구성된, 상기 검출기; 및 상기 검출된 광에 응답하여 상기 픽셀들에 의해 생성된 노출 값(exposure value)의 함수로서 상기 물체까지의 거리를 산출하도록 구성된 프로세싱 수단을 포함하되, 상기 픽셀들은 상기 시퀀스의 각각의 펄스에 대해, 제 1 미리 결정된 시간 윈도우(time window)동안 상기 물체에 의해 반사된 제 1 광량(amount of light)을 나타내는 제 1 전하량을 축적하고 그리고 제 2 미리 결정된 시간 윈도우 동안 상기 물체에 의해 반사된 제 2 광량을 나타내는 제 2 전하량을 축적함으로써 상기 노출 값을 생성하도록 구성되고, 상기 제 2 미리 결정된 시간 윈도우는 상기 제 1 미리 결정된 시간 윈도우 이후에 발생한다.
본 발명자들은 본 발명의 개선된 백그라운드 차감 방법이 콤팩트한, 반도체 기반 비행 시간 기반 레인징 시스템을 사용하는 자동차 애플리케이션의 요구되는 파워/성능 요건을 달성하는데 기여할 수 있다는 것을 발견했다.
본 발명의 이들 및 다른 양태들 및 장점들은 이제 첨부 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 방법의 실시예의 흐름도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 픽셀의 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 실시예의 흐름도를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 시스템의 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에서의 투영 및 검출을 위한 타이밍도를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 이미징 어레이 내의 제 1 픽셀의 노출 값(exposure value)으로부터 백그라운드 광을 차감하기 위한 방법의 실시예의 흐름도를 나타낸다. 제 1 픽셀은 주기적으로 펄스화된 스폿들의 패턴에 의해 조명된 경관(scenery)로부터의 스폿의 반사를 수신하고, 주기적으로 펄스화된 패턴은 교번하는 조명된 위상(illuminated phase)과 비-조명된 위상(non-illuminated phase)을 포함한다.
방법은 미리 결정된 시간 량 동안 해당 스폿을 검출하는 동안 제 1 픽셀에 수신된 입사광의 제 1 양에 비례하는 전하를 제 1 픽셀에 축적하는 단계(110)를 포함한다. 본 출원에서 ”축적하는(accumulating)"이라는 용어는 전하의 누적량을 수집할 수 있는 전자 회로의 동작과 디지털 계산 수단에 의해 수행되는 수학적 연산을 지정하기 위해 사용된다.
노출 값으로부터 주변 광의 영향을 제거하기 위해, 방법은 스폿의 부존재시에 동일한 미리 결정된 시간 량 동안 수신된 입사광의 제 2 양에 비례하는 축적된 전하를 감소시키는 단계(120)를 포함한다.
입사광의 제 2 양은 비-조명된 위상의 펄스화된 패턴에 동일한 시간 량 동안 광을 동일한 픽셀에서 수신함으로써 획득될 수 있다. 대안적으로, 입사광의 제 2 양은 스폿의 수신과 동시에 그러나 픽셀 어레이의 상이한 픽셀에서 광을 수신함으로써 획득될 수 있다. 이 변형예는 투영된 패턴이 별개의 스폿을 구성하고 동일한 스폿에 의해 조명되지 않도록 제 2 픽셀이 제 1 픽셀로부터 충분한 거리에 있을 것을 필요로 한다는 사실에 의존한다.
도 2는 본 발명에 따른 픽셀의 실시예를 개략적으로 나타낸다. 픽셀은 상기에서 설명된 방법에서 사용하기에 적합하며, 이미징 어레이의 일부일 수 있다.
픽셀은 전하를 저장하기 위한 커패시터(130)를 포함하고, 상기 캐패시터는 제 1 측면(130a)과 제 2 측면(130b)을 갖는다. 축적하는 단계(110)는 제 1 측면(130a)으로 전하를 전송하는 단계를 포함하고, 감소시키는 단계(120)는 제 2 측면(130b)으로 전하를 전송하는 단계를 포함한다. 이어서, 용량(130)상의 전압이 측정되고, 이는 레이저 스폿 유도 전하와 백그라운드 전하의 차이를 나타낸다.
제 2 커패시터 및 감광 엘리먼트("B 신호"로 이어지는 도 2의 우측)의 반대측에 우물의 제 2 쌍의 존재 이유는 레인지-게이팅의 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명자들은 본 발명에 따른 픽셀 어레이가 바람직하게는 콤팩트한, 반도체 기반 비행 시간 기반 시스템과 동일한 파워/성능 특성을 달성하는 것을 목표로 하는 레인징 시스템(ranging system)의 새로운 유형에 적용할 수 있음을 발견하였다. 따라서, 본 발명의 일 양태는 상기에서 설명된 픽셀 어레이를 포함하는 레인징 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 태양에서, 기존의 LIDAR 기반 시스템의 제한들은 비행 시간 기반 시스템이 작동하는 방식을 변경하여 극복된다. 각각의 비행 시간 측정을 위해 방출된 광 에너지의 총량 (따라서, 각각의 비행 시간 측정을 위해 검출기에서 검출할 수 있는 광자들의 수)은 개별 펄스들의 지속 시간을 증가시키고 다수의 개별 펄스 시퀀스로 구성된 가상 "합성 펄스(composite pulse)"를 생성함으로써 증가될 수 있다. 이러한 연장된 펄스들의 번들링(bundling)은 발명자들이 저파워 VCSEL로 원하는 동작 레인지에 필요한 양의 광 에너지(광자)를 획득할 수 있게 했다.
기존 LIDAR 시스템의 각각의 펄스는 1 ns의 지속 기간을 가질 수 있는 경우, 본 설명된 시스템은 VCSEL과 같은 반도체 레이저의 상대적 저파워 레벨을 보상하기 위해 실질적으로 더 긴 펄스 지속 기간으로부터 이점이 있고; 본 발명의 실시예에서, 시퀀스 내의 개별 펄스는 1 ㎲(이것은 명확하고 간단한 설명을 유지하기 위해 본 출원에서 선택된 하나의 가능한 값이다; 보다 일반적으로, 본 발명의 실시예들에서, 펄스 지속 기간은 예를 들어 500 ns 이상, 바람직하게는 750 ns 이상, 가장 바람직하게는 900 ns 이상일 수 있다)의 예시적인 지속 기간을 가질 수 있다. 본 발명에 따른 예시적인 시스템에서, 시퀀스는 1000 사이클 펄스로 구성될 수 있고, 따라서, 합하여 최대 1ms의 지속 기간까지 구성될 수 있다. 광이 다시 검출기 100 m의 거리에 타겟까지 그리고 다시 검출기로 이동하는데 약 0.66㎲가 필요하다는 사실을 감안할 때, 이 10배의 거리에 이르기까지 이 기간의 복합 펄스들을 사용하는 것이 가능하고; 당업자는 선택된 펄스 폭 및 원하는 레인지의 함수로 펄스 사이클의 필요한 수를 조정할 수 있을 것이다. 시퀀스의 검출은 바람직하게는 VCSEL- 기반 광원과 동기화된 개별 펄스들을 검출하고, 판독 이전에 전체 시퀀스에 대한 픽셀 우물(well) 레벨에서 입력 광자에 응답하여 생성된 전하를 축적하는 단계를 포함한다. "노출 값(exposure value)"이라는 용어는 이하에서 시퀀스 상에 통합된 전하(따라서, 픽셀에서 수신된 광량)를 나타내는 값을 표시하기 위해 사용된다. 시퀀스 방출 및 검출은 주기적으로 반복될 수 있다.
본 발명의 레인징 시스템은 레인지 게이팅(range gating)를 사용하여 동작한다. 레인지 게이티드 이미저는 펄스의 지속 기간 동안 방출된 펄스의 반사의 검출된 파워를 통합한다. 펄스 방출 윈도우와 반사된 펄스의 도달 사이의 시간적 중첩(overlap)의 양은 광 펄스의 리턴 시간에 의존하고, 따라서, 펄스에 의해 이동된 거리에 의존한다. 따라서, 통합된 파워는 펄스에 의해 이동된 거리와 상관 관계가 있다. 본 발명은 상술된 펄스 시퀀스에 적용되는 레인지 게이팅 원리(range gating principle)를 사용한다. 이하의 설명에서는, 전체 시퀀스의 측정치를 획득하기 위한 화소 레벨에서의 시퀀스의 개별 펄스의 통합이 내포되어 이해된다.
도 3은 적용 가능한 레인징 방법의 흐름도를 나타낸다. 보편성의 상실없이, 레인징(ranging) 방법은 레인지 게이팅 알고리즘을 참조하여 설명된다. 제 1 시간 윈도우(10)에서, 이 방법은 경관의 타겟 지역에 임의의 물체 상으로 고체-상태 광원(210)을 포함하는 광원으로부터 레이저 광의 스폿들의 패턴(예를 들어, 규칙적이거나 불규칙적인 스폿들의 공간 패턴)을 투영하는 단계(110)를 포함한다. 공간 패턴은 펄스들의 시퀀스로 반복적으로 투영된다.
전술한 바와 같이, 고체-상태 광원은 VCSEL 어레이 또는 원하는 패턴을 생성하기에 적합한 격자를 갖는 레이저를 포함할 수 있다. 시스템이 장거리 및 주변 광의 높은 레벨(예를 들어, 일광)에서 최적으로 작동하기 위해서는, 본 발명의 실시예에서 사용하기 위한 VCSEL은 바람직하게는 단위 면적 당 스폿 당 최대 광 파워를 방출하도록 배열된다. 따라서, 양호한 빔 품질(낮은 M2-인자)을 갖는 레이저가 선호된다. 보다 바람직하게는, 레이저는 최소 파장 확산을 가져야 하며; 단일모드(monomode) 레이저로 특히 낮은 파장 확산이 달성될 수 있다. 따라서, 실질적으로 동일한 펄스가 필요한 공간적 및 시간적 정확도로 재생 가능하게 생성될 수 있다.
펄스가 방출되는 동일한 시간 윈도우, 또는 실질적으로 중첩되는 시간 윈도우에서, 관심 물체에 의해 반사된 스폿들의 패턴을 나타내는 제 1 광량이 검출기에서 검출되고(120), 이는 바람직하게는 가능한 한 광원에 가까이 배열된다. 스폿 패턴의 투영(110)과 제 1 검출(120)의 반사 사이의 동기화(synchronicity) 또는 근 동기화가 이들 단계들의 나란한 배열에 의해 흐름도에 예시된다. 후속 제 2 미리 결정된 시간 윈도우(20)에서, 반사된 광 스폿을 나타내는 제 2 광량이 검출기에서 검출된다(130). 이 제 2 윈도우(20) 동안, 고체-상태 광원은 비활성이다. 그런 다음 물체까지의 거리가 제 1 반사된 광량과 제 2 반사된 광량의 함수로서 산출될 수 있다(140).
제 1 미리 결정된 시간 윈도우(10) 및 제 2 미리 결정된 시간 윈도우(20)는 바람직하게는 실질적으로 동일한 지속 기간의 백투백(back-to-back) 윈도우이며, 검출된 양 중 하나를 다른 것으로부터 감산함으로써 잡음 및 주변 광 제거를 가능하게 한다. 예시적인 타이밍 기법은 도 5와 관련하여 이하에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
검출기는 경관의 이미지(조명된 스폿 포함)를 화소로 투영하도록 배열된 적절한 광학 기기를 갖는 도 1 및 도 2와 연계하여 설명된 백그라운드 광 차감을 수행하도록 구성된 상기에서 설명된 픽셀 어레이를 포함한다.
본 출원에서 사용되는 "화소(picture element)"라는 용어는 픽셀의 개별 감광 영역 또는 우물 또는 전체 픽셀(다수의 우물을 포함할 수 있음, 아래 참조)를 지칭할 수 있다. 모든 주어진 투영된 스폿에 대하여, 제 1 광량의 검출 단계(120) 및 제 2 광량의 검출 단계(130)는 동일한 화소 또는 복수의 화소의 동일한 그룹에서 발생한다.
일반성의 상실없이, 각각의 화소는 적어도 2 개의 전하 저장 우물 (221, 222)을 포함하는 화소일 수 있어서, 제 1 광량의 검출 (120) 및 제 2 광량의 검출 (130)은 동일한 픽셀 또는 픽셀 그룹의 각각의 전하 저장 우물들 (221, 222)에서 발생할 수 있다.
도 4는 관심 경관의 물체(99)와 관련하여 본 발명에 따른 시스템의 실시예를 개략적으로 나타낸다. 시스템(200)은 물체(99) 상으로 주기적으로 반복될 수 있는 스폿들의 시퀀스의 패턴을 투영하는 고체-상태 광원(210)을 포함한다. 검출기(220)는 광원 근처에 배열되고 물체에 의해 반사된 광을 검출하도록 구성된다.
물체(99)에서 튀어 나오는 광 빔은 파선에 화살표로 예시되고, 광원(210)으로부터 물체(99)로 그리고 다시 검출기(220)로 이동한다. 이 표현은 엄밀히 개략적이며, 임의의 실제 상대 거리 또는 각도를 나타내기 위한 것이 아님을 유의해야 한다.
통상의 클록 회로 또는 발진기를 포함할 수 있는 동기화 수단(230)은 제 1 미리 결정된 시간 윈도우들(10)동안 물체 상으로 스폿들의 패턴을 투영하기 위해 고체-상태 광원(210)을 동작시키고, 그리고 실질적으로 동일한 시간에 물체(99)에 의해 반사된 광 스폿(들)을 나타내는 제 1 광량을 검출하기 위해 검출기(220)를 동작시키도록 구성된다. 추가로, 개별 후속하는 제 2 미리 결정된 시간 윈도우들(20) 동안에 물체(99)에 의해 반사된 광 스폿들을 나타내는 제 2 광량을 검출하기 위해 검출기(220)를 동작시킨다. 적절한 프로세싱 수단(240)은 제 1 반사광 량(amount of reflected light) 및 제 2 반사광 량의 함수로서 물체까지의 거리를 산출하도록 구성된다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 광 투영 및 검출을 위한 타이밍도를 나타낸다. 명확성을 위해, 도 3의 주기적으로 반복되는 펄스 시퀀스의 단일 펄스만이 예시되며, 이는 제 1 시간 윈도우(10) 및 제 2 시간 윈도우(20)로 구성된다.
도 5a에 보여지는 것처럼, 제 1 시간 윈도우(10)에서, 고체-상태 광원(210)은 광 스폿의 패턴을 경관에 방출하는 "온(ON)" 상태에 있다. 제 2 시간 윈도우(20)동안, 고체-상태 광원(210)은 "오프(OFF)" 상태에 있다.
검출기(220)에서의 반사된 광의 도달은 이동된 거리(자유 공간에서 약 3.3ns/m)에 비례하는 시간량만큼 투영의 시작에 비해 지연된다. 이 지연 때문에, 반사광의 단지 일부 광이 제 1 시간 윈도우(10)동안 단지 활성화되는 검출기(220)의 제 1 우물(221)에서 검출될 것이다. 따라서, 활성화 기간(제 1 시간 윈도우(10)) 동안 이 제 1 우물에 축적된 전하는 반사된 펄스의 도달 이전에 픽셀(pixel) 상에 충돌하는 잡음 및 주변 광만을 나타내는 부분과, 잡음, 주변 광 및 반사된 펄스의 리딩 에지(leading edge)를 나타내는 부분으로 구성된다.
반사된 펄스의 후반 부분은 바람직하게는 제 1 시간 윈도우(10)에 바로 후속하는, 제 2 시간 윈도우(20) 동안에만 활성화되는 검출기(220)의 제 2 우물(222)에서 검출될 것이다. 따라서, 활성화 기간(제 2 시간 윈도우(20)) 동안 이 제 2 우물에 축적된 전하는 잡음, 주변 광 및 반사된 펄스의 트레일링 에지(trailing edge)를 나타내는 부분 및 반사된 펄스의 도달 이후에 픽셀 상에 충돌하는 잡음 및 주변 광만을 나타내는 부분으로 구성된다.
반사 물체(99)와 시스템(200) 사이의 거리가 클수록, 제 1 우물(221)에서 검출될 펄스의 비율이 작아지고, 제 2 우물(222)에서 검출될 펄스의 비율을 커진다.
반사된 펄스의 리딩 에지가 제 1 우물(221)의 폐쇄 후에(즉, 제 1 시간 윈도우(10)의 종료 후에) 도달하면, 제 2 우물(222)에서 검출될 수 있는 반사된 펄스의 비율은 또는 비행 지연 시간의 증가로 다시 감소될 것이다.
물체(99)의 다양한 거리에 대한 개별 우물들(221, 222) 각각에서의 결과적인 전하(A, B)의 양이 도 5b에 도시된다. 표현을 단순화하기 위해, 역 제곱 법칙에 따라 거리에 따른 광의 감쇠 효과가 다이어그램에서 고려되지 않았다. 제 1 시간 윈도우(10)와 제 2 시간 윈도우(20)의 결합 지속 기간까지의 비행 지연에 대해, 비행 지연 시간은 원칙적으로 A 및 B의 값으로부터 명백하게 유도될 수 있음이 명백하다 :
- 제 1 윈도우(10)의 지속 기간까지의 비행 지연에 대하여, B는 물체(99)의 거리에 비례한다. 절대 거리를 쉽게 결정할 수 있도록, 정규화된 값 B/(B + A)가 사용될 수 있고 검출된 물체와 역 제곱 법칙의 완전하지 않은 반사의 임의의 영향을 제거할 수 있다.
- 제 1 시간 윈도우(10)의 지속 기간을 초과하는 비행 시간 지연들에 대하여, A는 일광 및 잡음 기여만으로 구성되며 (예시되지 않음), C-B는 물체(99)의 거리에 실질적으로 비례하고(역 제곱 법칙을 보정한 후), 여기서 C는 오프셋 값이다.
도 5a 및 도 5b는 시간 윈도우(10)에 방출된 단일 펄스와 관련하여 본 발명의 원리를 예시하지만, 예시된 펄스는 상기 정의된 펄스들의 시퀀스의 일부라는 것을 이해해야 한다. 도 5c는 이런 시퀀스의 예시적인 타이밍 특성을 개략적으로 도시한다. 예시된 바와 같이, 조명 기법(40)은 개별 펄스들(10)의 시퀀스(30)의 반복된 방출로 구성된다. 개별 펄스(10)의 폭은 최대 동작 레인지(maximal operating range)에 의해 결정된다. 전체 시퀀스는 예를 들어 60 Hz의 주파수에서 반복될 수 있다.
짧은 거리에 있는 물체에 의한 광의 반사는 픽셀 포화(pixel saturation)를 유발할 가능성이 있는데, 왜냐하면 이러한 반사의 감쇠는 먼 거리의 물체에서 발원하는 반사의 감쇠보다 훨씬 적기 때문일 것이다(거리에 대한 광 감쇠의 역 제곱 법칙으로 인해). 자동차 애플리케이션과 같은 특정 애플리케이션에서는, 비교적 먼 거리까지 정확한 시스템 작동이 요구되기 때문에, 가장 가까운 동작 거리와 가장 먼 동작 거리 사이에 큰 광자 스팬(photon span)이 있어야 한다. 이러한 제약으로 인해, 단거리의 픽셀 포화는 특히 제 1 우물(단거리에서 반사의 대부분을 수신하는)에서 매우 위험하다. 발명자들은 주어진 전체 픽셀 공간에 대해, 포화 문제가 제 1 우물에 의해 표현되는 광자 용량이 증가되고 제 2 우물에 의해 표현되는 광자 용량이 감소하는 비대칭 우물 배열을 사용함으로써 완화될 수 있다는 것을 발견했다. 만약 증가 및 감소가 균형을 이루면, 추가 픽셀 표면 비용없이 동적 레인지의 증가가 획득될 수 있다.
블루밍(blooming)은 픽셀의 전하가 특정 픽셀의 포화 레벨을 초과할 때 발생하는 현상이다. 결과적으로, 전하는 오버 플로우(overflow)를 시작하여 인접한 픽셀에 성가신 일을 유발한다. 이는 인접 픽셀에 부정확한 데이터를 생성한다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 시스템의 픽셀은 관련 우물을 포화시키고 인접한 픽셀의 우물로 유출되기 전에 초과 전하를 블리드 오프(bleed off)하기 위해 안티 블루밍(anti-blooming) 전자 기기가 제공된다. 특히, 인접한 스폿으로부터의 정보가 백그라운드 광의 제거에 사용되는 경우, 인접한 픽셀로부터 독립적으로(그리고 오염되지 않고) 획득되는 백그라운드 광을 정확하게 추정하는 것이 매우 중요하다.
본 발명의 실시예는 우물의 용량과 관련된 열 잡음(“kTC 잡음(kTC noise)"이라고도 함)에 대한 샘플을 보정하기 위해 상관된 이중 샘플링을 이용할 수 있다. 이 목적을 위해, 픽셀의 전자 기기는, 예를 들어, 프레임의 시작에서 V리셋을 측정하고 프레임의 끝에서 V신호를 측정함으로써 리셋 전압(V리셋)과 신호 전압(V신호) 사이의 차동 측정을 수행하도록 디자인될 수 있다. 전자(픽셀 내) 구현에 대한 대안으로, 상관 이중 샘플링은 프로세서에서 판독 신호(V신호 -V리셋)를 디지털 방식으로 차감하여 구현될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 픽셀 구조에서 감광 엘리먼트들(특히, 다이오드들)에 도달하는 광의 양을 증가시키기 위해, 후면 조명(backside illumination)을 사용할 수 있다; 이 경우에, 픽셀 회로가 감광 계층 뒤에 있으므로 감광 엘리먼트를 판독하기 위해 충돌하는 광자가 가로 질러야 하는 계층의 수를 줄인다.
본 발명에 따른 레인징 시스템은 WO 2015/004213 A1에 따른 삼각측량 기반 시스템과 통합될 수 있다. 만약 소형화를 목표로 한다면, 삼각 측량 기반 시스템은 프로젝터와 검출기 사이의 거리가 비교적 짧아지게 되어 동작 레인지가 줄어들게 된다. 그러나 삼각 측량 기반 시스템은 비행 시간 기반 시스템이 충분히 정확하게 작동할 수 없는 거리를 커버할 수 있기 때문에 정확하게는 조합이 그 장점을 제공하는 단거리에 있다.
전체 레인징 프로세스는 반복적으로 반복되어, 시간 경과에 따른 검출된 물체 또는 물체들까지의 거리를 모니터링할 수 있다. 따라서, 이 방법의 결과는 어드밴스드 드라이버 보조 시스템, 능동 서스펜션 또는 자율 차량과 같이 연속적인 베이시스상에 검출된 물체까지의 거리에 대한 정보를 필요로 하는 프로세스에 사용될 수 있다.
설명된 시스템의 모든 엘리먼트가 최적으로 동작하려면 시스템은 열적으로 안정적이어야 한다. 열적 안정성은 무엇보다도, 그렇지 않으면 광학 필터 및 광학 체인의 다른 엘리먼트의 적절한 기능을 손상시킬 수 있는 광학 엘리먼트의 원하지 않는 파장 시프트(열적 드리프트(thermal drift))를 회피한다. 본 발명에 따른 시스템의 실시예는 그 디자인에 의한 열적 안정성을 달성하거나, PID 유형 제어기를 갖는 온도 제어 루프에 의한 능동적인 조절에 의해 달성된다.
WO 2015/004213 A1은 검출 간격 동안 픽셀에 도달하는 주변 광의 양을 최소화하여 패터닝된 레이저 스폿의 검출 정확도를 향상시키는 다양한 기술을 개시한다. 이들 기술들은 LIDAR 시스템의 상황에서 개시되지는 않았지만, 본 발명의 발명자들은 본 발명의 실시예와 조합될 때 몇몇의 그러한 기술이 탁월한 결과를 낸다는 것을 발견했다. 이는 검출기에서 좁은 대역 통과 필터를 사용하고, 반사된 광이 필터에 거의 수직으로 입사하는 것을 보장하는 적절한 광학 배열을 사용하는 경우에 특히 해당된다. WO 제 2015/004213 A1에 나타난 이러한 배열의 세부 사항이 본 출원에 참고로 통합된다. 추가 특징 및 세부 사항이 이하에 제공된다.
WO 2015/004213 A1에 공지된 다양한 기술이 검출 간격 동안 픽셀에 도달하는 주변 광량을 최소화하기 위해 본 발명의 실시예에 적용될 수 있지만, 일정량의 주변 광을 피할 수 없다. 다중 픽셀 시스템에서, 단지 일부 픽셀만이 반사된 스폿에 의해 조명될 것이고, 다른 픽셀은 단지 잔류 주변 광에 의해 조명될 것이다. 후자의 픽셀 그룹의 신호 레벨은 관심 픽셀의 신호에 대한 주변 광의 기여도를 추정하고 이에 따라 해당 기여도를 차감하는데 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 백그라운드 광 또는 주변 광은 픽셀 레벨에서 검출된 신호로부터 차감될 수 있다. 이는 두 번의 노출을 필요로 하고, 하나는 레이저 펄스의 도달 동안이고 다른 하나는 펄스의 부존재시이다.
일부 실시예에서, 검출기는 고 동적 레인지 검출기, 즉 적어도 90dB, 바람직하게는 적어도 120dB의 동적 레인지를 갖는 검출기일 수 있다. 고 동적 레인지 센서, 즉 장면의 가장 어두운 부분에서 강도 레벨의 충분한 식별을 유지하면서 포화없이 많은 양의 광자를 획득할 수 있는 센서는 센서의 이러한 사용의 장점이고; 매우 긴 레인지를 갖고 포화 없이 짧은 거리(반사광이 상대적으로 강한 곳)에서 물체를 또한 검출할 수 있는 센서를 허용한다. 본 발명자들은 실제 고 동적 레인지 센서의 사용이 톤 맵핑(tone mapping)을 적용하는 센서의 사용보다 유리하다는 것을 발견했다. 톤 매핑에서, 센서 선형 레인지는 더 높은 분해능으로 압축된다. 문헌에서, 로그 압축 또는 다중 선형 압축(도 4 참조)과 같은 여러 압축 방법이 문서화되어 있다. 그러나, 이러한 비선형 압축은 릴리프 정보를 추출하기 위해 캡쳐된 장면에 대한 로직 또는 산술 연산을 수행하기 전에 신호의 재선형화(relinearisation)를 필요로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 해결책은 산출 요건들을 증가시키지 않고 검출 정밀도를 증가시킨다. 완전 선형 고 동적 레인지 센서를 사용하는 것이 일부 실시예의 또 다른 장점이다. 원하는 동적 레인지 특성을 제공할 수 있는 픽셀 아키텍처 및 광 검출기가 미국 특허 출원 공개 번호. US 2014/353472 A1, 특별히 문단들 65-73 및 88에 개시되며, 해당 내용은 당업자가 본 발명의 이 양태를 실시할 수 있도록 하기 위해 참고 문헌으로 인용된다.
본 발명의 실시예는 고 동적 레인지 픽셀을 사용한다. 이것은 전하 저장소의 상당한 크기의 전체 우물 용량 또는 픽셀 당 전자 잡음을 제한하는 디자인 또는 전하 전송시 잡음을 추가하지 않는 CCD 게이트의 사용 또는 큰 검출 양자 효율(DQE)(예를 들어, 전면 조명의 경우 50%, 후면 희석(back thinning)이라고도 하는 후면 조명의 경우 90%의 레인지)을 가진 디자인을 통해 또는 특정 디자인에 의해 또는 나열된 개선 사항들의 임의의 조합에 의해 획득될 수 있다. 더욱이, 동적 레인지는 프론트 사이드(front side)에 오버레이된(overlay) 픽셀에 오버 플로우 용량을 추가함으로써 더욱 확대될 수 있다. 바람직하게는, 픽셀 디자인은 안티 블루밍 메커니즘을 구현한다.
본 출원의 출원일에 공개되지 않은 본 출원인의 이름에 유럽 특허 출원 EP15191288.8은 본 발명과 결합될 수 있는 물체까지의 거리를 결정하기 위한 시스템 및 방법의 또 다른 양태를 설명한다.
예를 들어 능동 서스펜션 차량 애플리케이션들이 고려되는 본 발명의 실시예에서, 스폿 패턴의 투영은 유익하게 하방, 즉 도로를 향하여 지향된다.
본 발명에 따른 시스템은 전용 하드웨어(예를 들어, ASIC), 구성 가능한 하드웨어(예를 들어, FPGA), 프로그램 가능한 컴포넌트를(예를 들어, 적절한 소프트웨어를 가진 DSP 또는 범용 프로세서), 또는 이들의 임의 조합으로 전술한 방법의 단계의 구현을 포함할 수 있다. 동일한 컴포넌트(들)이 다른 기능을 포함할 수도 있다. 본 발명은 또한 광학, 자기 또는 고체-상태 캐리어와 같은 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 제공될 수 있는 전술한 방법의 단계들을 구현하는 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.
본 발명은 또한 전술한 시스템을 포함하는 차량에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 제한없이 자동차 애플리케이션, 산업 애플리케이션, 게임 애플리케이션 등을 포함하는 다양한 애플리케이션에 유리하게 사용될 수 있으며, 이는 장거리 또는 단거리에서 실내 및 실외 모두에 적용될 수 있다. 일부 애플리케이션에서, 본 발명의 실시예에 따른 상이한 센서는 바람직하게는 완전한 원(360°의 시야(field of view))에 걸쳐 파노라마 커버리지를 생성하도록 결합될 수 있다(예를 들어, 데이지 체인(daisy-chained)).
본 발명에 따른 방법, 픽셀 및 픽셀 어레이는 WO 2015/004213 A1의 시스템과 같은 삼각 측량 기반 시스템 및 기존 LIDAR 시스템에서 주변 광이 존재하에서의 측정치의 품질을 향상시키기 위해 사용될 수 있다는 것에 유의하여야 한다.
본 발명은 별도의 시스템 및 방법의 실시예를 참조하여 상기 설명되었지만, 이는 단지 목적을 명확하게 하기 위해 행해진 것이다. 당업자는 시스템 또는 방법과 관련하여 설명된 특징들만이 동일한 방법 및 장점으로 개별적으로 방법 또는 시스템에 또한 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 범위는 이들 실시예에 한정되지 않고, 첨부된 청구 범위에 의해 규정된다.

Claims (7)

  1. 이미징 어레이내의 제 1 픽셀의 노출 값(exposure value)으로부터 백그라운드 광을 차감하는 방법에 있어서, 상기 제 1 픽셀은 주기적으로 펄스화된 스폿(spot)들의 패턴에 의해 조명되는 경관으로부터 스폿의 반사를 수신하고, 상기 주기적으로 펄스화된 패턴은 교번하는 조명된 위상(illuminated phase) 및 비-조명된 위상(non-illuminated phase)을 포함하고, 상기 방법은 :
    - 미리 결정된 시간 량 동안 상기 스폿을 검출하는 동안 상기 제 1 픽셀에 수신된 입사광의 제 1 양에 비례하는 전하를 상기 제 1 픽셀에 축적하는 단계(110); 및
    - 상기 스폿의 부존재시에 상기 미리 결정된 시간 량 동안 수신된 입사광의 제 2 양에 비례하는 전하를 감소시키는 단계(120)를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 입사광의 제 2 양은 상기 비-조명된 위상에서 상기 미리 결정된 시간 량 동안 상기 제 1 픽셀에서 수신된 광을 포함하는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 입사광의 제 2 양은 상기 축적하는 단계 동안, 상기 픽셀 어레이의 제 2 픽셀에 수신된 광을 포함하고, 상기 제 2 픽셀은 상기 스폿에 의해 조명되지 않도록 상기 제 1 픽셀로부터 충분한 거리에 있는, 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 방법에서 상기 제 1 픽셀로서 사용하기에 적합한, 픽셀.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전하를 저장하기 위한 커패시터(130)를 포함하고, 상기 커패시터(130)는 제 1 측면(130a)과 제 2 측면(130b)을 갖고, 상기 축적하는 단계(110)는 상기 제 1 측면(130a)으로 전하를 전송하는 단계, 상기 감소시키는 단계(120)는 상기 제 2 측면(130b)으로 전하를 전송하는 단계를 포함하는, 픽셀.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 따른 복수의 픽셀들을 포함하는, 이미징 어레이.
  7. 물체까지의 거리를 결정하기 위한 시스템(200)에 있어서,
    - 펄스들의 시퀀스로 상기 물체를 향해 레이저 광의 스폿들의 패턴을 투영시키도록 배열된 고체-상태 광원(210);
    - 제 6 항에 따른 상기 이미징 어레이를 포함하는 검출기(220)로서, 상기 검출기(220)는 상기 펄스들의 시퀀스와 동기화하여 상기 물체에 의해 반사된 스폿들의 패턴을 나타내는 광을 검출하도록 구성된, 상기 검출기; 및
    - 상기 검출된 광에 응답하여 상기 픽셀들에 의해 생성된 노출 값(exposure value)의 함수로서 상기 물체까지의 거리를 산출하도록 구성된 프로세싱 수단(240)을 포함하되,
    상기 픽셀들 (220)은 상기 시퀀스의 각각의 펄스에 대해, 제 1 미리 결정된 시간 윈도우(time window) (10) 동안 상기 물체에 의해 반사된 제 1 광량(amount of light)을 나타내는 제 1 전하량을 축적하고 그리고 제 2 미리 결정된 시간 윈도우 (20) 동안 상기 물체에 의해 반사된 제 2 광량을 나타내는 제 2 전하량을 축적함으로써 상기 노출 값을 생성하도록 구성되고, 상기 제 2 미리 결정된 시간 윈도우(20)는 상기 제 1 미리 결정된 시간 윈도우 (10) 이후에 발생하는, 시스템.
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