KR20200004873A - 라이다 시스템용 송신 광학계, 라이다 시스템용 광학 어셈블리, 라이다 시스템, 그리고 작동 장치 - Google Patents

라이다 시스템용 송신 광학계, 라이다 시스템용 광학 어셈블리, 라이다 시스템, 그리고 작동 장치 Download PDF

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한스-요헨 슈바르츠
요언 오스트린스키
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 시야(50)에 광을 조명하기 위한 라이다 시스템(1)용 송신 광학계(60)에 관한 것이며, 상기 송신 광학계는, 선 형태로 일차광(57)을 생성하여 송출하기 위한 선광원(line light source)(65-1)과; 시야(50) 내로 수신되는 일차광(52)의 송출을 위한 편향 광학계(62)의 중간 상 평면(69) 내 렌즈 어셈블리(68) 및 축(64-1)을 중심으로 1차원적으로 선회 가능한 편향 미러(64)를 구비한 편향 광학계(62);를 포함하며, 선광원(65-1)으로부터 일차광(57)을 흡수하여 렌즈 어셈블리(68)로 상기 일차광(57)을 지향시키도록, 그리고 이때 편향 미러(63)의 선회 운동 시 선광원(65-1)의 상이 렌즈 어셈블리(68) 또는 그의 일부를 스위핑하는 방식으로 렌즈 어셈블리(68) 상에 선광원(65-1)을 투영하도록 형성된다.

Description

라이다 시스템용 송신 광학계, 라이다 시스템용 광학 어셈블리, 라이다 시스템, 그리고 작동 장치
본 발명은, 시야(FoV: field of view)를 광으로 조명하기 위한 라이다 시스템(LiDAR system)용 송신 광학계(transmitter optics), 시야의 광학적 검출을 위한 라이다 시스템용 광학 어셈블리, 라이다 시스템 자체, 그리고 작동 장치(working device) 및 특히 차량에 관한 것이다.
작동 장치들, 차량들 및 기타 기계들과 설비들을 사용할 때, 작동 환경의 검출을 위해 작동 보조 시스템들 또는 센서 어셈블리들이 점점 더 많이 사용되고 있다. 레이더(radar) 기반 시스템들 또는 초음파 기반 시스템들 외에, 광 기반 검출 시스템들, 예컨대 이른바 라이다 시스템들(LiDAR: light detection and ranging)도 사용된다.
스캐닝(scanning) 방식의 라이다 시스템의 경우, 일차광(primary light)은 생성된 후에, 시야를 스캐닝 방식으로 일차광으로 스위핑하기 위해, 회전되거나 선회된 광학 요소들(optical element)을 통해 시야에 걸쳐 안내된다. 한편으로, 상기 유형의 시스템들에서 진동하거나 회전하는 컴포넌트들은 극복되어야 하는 비교적 높은 관성력을 갖는다. 또한, 마이크로 렌즈들 등의 형태로 사용되는 광학 요소들은, 또 다른 광학 컴포넌트들의 운동 시에도 높은 투영 품질(imaging quality)을 획득하기 위해 최대한 정확하게 적중되어야 한다. 이는 장치 및 제어 기술 측면의 상당한 복잡성을 요구한다.
그와 달리, 청구항 제1항의 특징들을 갖는, 본 발명에 따른 라이다 시스템용 송신 광학계는, 스캐닝 방식의 라이다 시스템의 경우 비교적 간단한 구성으로, 관성력이 감소된 조건에서, 특히 손실이 없으면서 정밀 투영된 시야의 검출이 달성된다는 장점을 갖는다. 이는, 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징들에 의해, 시야를 광으로 조명하기 위한 라이다 시스템용 송신 광학계에 있어서, (i) 선 형태로 일차광을 생성하여 출력하기 위한 선광원(line light source)과, (ii) 수신된 일차광을 시야 내로 송출하기 위한 편향 광학계의 중간 상 평면(intermediate image plane) 내에 있는 렌즈 어셈블리 및 축을 중심으로 1차원적으로 선회 가능한 편향 미러를 구비한 편향 광학계를 포함하며; 선광원으로부터 일차광을 흡수하여 렌즈 어셈블리로 상기 일차광을 지향시키도록, 그리고 이때 편향 미러의 선회 운동 시 선광원의 이미지가 렌즈 어셈블리 또는 그의 일부를 스위핑하는 방식으로, 상기 렌즈 어셈블리 상에 선광원을 광학적으로 투영하도록 형성된; 라이다 시스템용 송신 광학계를 제시함으로써 달성된다.
종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들을 보여준다.
렌즈 어셈블리의 다양한 구성 형태들이 제공된다.
이렇게, 본 발명에 따른 송신 광학계의 바람직한 실시예에 따라서, 시야 내로 수신된 일차광의 출력을 위한 렌즈 어셈블리는 (a) 세그먼트화된 렌즈 어셈블리, 즉, 렌즈 어레이; 렌즈 매트릭스; 마이크로 렌즈 어레이; 평행한 로드 축들(rod axis), 특히 틸팅 미러의 선회축에 대해 평행하게 정렬된 로드 축들을 갖는 복수의 로드 렌즈(road lens)를 구비한 로드 렌즈 어레이; (b) 회절 광학 소자, 특히 DOE, 및/또는 (c) 홀로그램을 포함할 수 있다.
선광원과 관련하여서도, 바람직한 방식으로, 하나 또는 복수의 기초 광원을 포함하는 다양한 구성 형태들이 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 송신 광학계는 (A) 레이저, 단면 발광 레이저, 표면 광방출 레이저, VCSEL(vertical cabvity surface emitting laser), VeCSEL(vertical external cabvity surface emitting laser), 및/또는 (B) 조명 가능하거나 조명된 간극을 가진 어셈블리를 포함할 수 있다. 그 대안으로, 각각의 레이저가, 상응하는 빔 성형 광학계의 사용 하에 라인 상으로 확장되는 기체 레이저 또는 고체 레이저로서도 형성될 수 있다.
또한, 일반적으로 편향 유닛이라고도 지칭될 수 있는 편향 미러와 관련하여서도 다양한 구성 형태들을 생각해볼 수 있다.
송신 광학계의 바람직한 구성 형태들에 따른 편향 미러는,
- 하나 이상의 평평하고, 볼록하고, 그리고/또는 오목한 미러면, 및
- 다각형 횡단면 또는 베이스면
을 가진 하나 이상의 프리즘 미러 또는 다면체 미러와;
- 실리콘에 기반하고
- 정적으로, 그리고/또는 공진 방식으로 작동되거나 작동될 수 있어야 하는 하나 이상의 마이크로 미러;를 포함하며,
연속으로, 그리고/또는 회전 진동의 유형에 따라, 특히 고정 회전축을 중심으로 선회 운동 및/또는 회전 운동을 실행하도록 형성될 수 있다.
라이다 시스템을 위한 본 발명에 따른 송신 광학계에서 또 다른 바람직한 개선예들은 중간 상 광학계(intermediate image optics)를 포함한다. 상기 중간 상 광학계는,
- 편향 미러와 선광원 사이의 광학계로서,
- 선광원과 편향 미러 사이의 광학계로서,
- 렌즈 어셈블리 상에, 특히 레이저 선의 유형에 따라, 선 조명(line illumination)을 발생시키기 위한 빔 성형 광학계로서, 그리고/또는
- 중간 상 평면에 평면 상 영역(plane image field)을 생성하기 위한 텔레센트릭 광학계 및/또는 f-세타(θ) 광학계로서,
렌즈 어셈블리 상에 선광원을 투영하도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 전체적으로, 요컨대 본 발명에 따라 형성된, 시야를 일차광으로 조명하기 위한 송신 광학계와, 시야로부터 이차광(secondary light)을 수신하기 위한 수신 광학계(receiver optics)를 포함하는, 시야의 광학적 검출을 위한, 특히 작동 장치 및/또는 차량용의, 라이다 시스템용 광학 어셈블리에 관한 것이다.
라이다 시스템을 위한 본 발명에 따른 광학 어셈블리의 한 바람직한 개선예의 경우, 송신 광학계와 수신 광학계는, 특히 라이다 시스템의 빔 출사 측 및 빔 입사 측의 영역에서, 예컨대 적어도 부분적으로 또는 일부 섹션에서 상호 동축인 광로들을 포함하도록 형성된다.
이러한 상황에서, 빔 분할기(beam splitter)는, 라이다 시스템의 광학 어셈블리의 빔 출사 측 및 빔 입사 측에서 동축 형태의 광로들을 송신 광학계의 선광원에서 시작하는 경로로 그리고 수신 광학계의 검출기 어셈블리로 향하는 경로로 전이시키도록 형성될 수 있다.
그 대안으로, 빔 출사 측 상의 송신 광학계 및 빔 입사 측 상의 수신 광학계의 광로들의 부분적인 또는 일부 섹션의 동축 구성에도 불구하고, 빔 분할기를 포함하지 않도록 형성되는, 본 발명에 따른 라이다 시스템용 광학 어셈블리들도 생각해볼 수 있으며, 이 경우 수신 광학계의 제공된 검출기 어셈블리는 선광원에 바로 인접하여, 그리고/또는 선광원 옆에 배치된다.
라이다 시스템을 위한 본 발명에 따른 광학 어셈블리의 한 대안적 구성 형태의 경우, 송신 광학계와 수신 광학계는, 특히 송신 광학계의 빔 출사 측 및 수신 광학계의 빔 입사 측에, 상호 실질적으로 또는 대부분 분리되고, 그리고/또는 상호 2축성인 광로들을 포함하여 형성된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라 라이다 시스템 자체도 제공되며, 이 라이다 시스템은 시야의 광학적 검출을 위해, 그리고 특히 작동 장치 및/또는 차량을 위한 용도로 형성되며, 본 발명에 따른 광학 어셈블리를 포함한다.
마지막으로, 시야의 광학적 검출을 위한 본 발명에 따른 라이다 시스템을 포함하여 형성된 작동 장치 및 특히 차량도 본 발명의 대상이다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 라이다 시스템의 일 실시예의 구성의 개략적 블록선도이다.
도 2는 본 발명에 따른 송신 광학계의 제1 실시예의 개략적 상면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 송신 광학계의 실시예들을 이용하는 본 발명에 따른 라이다 시스템의 실시예들의 개략적 상면도들이다.
도 5는 2개의 송신 경로를 가진, 본 발명에 따른 송신 광학계의 일 실시예의 개략적 상면도이다.
하기에서는, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예들 및 기술적 배경이 상세하게 기술된다. 동일하고 대등한, 그리고 동일하게 또는 대등하게 작용하는 요소들 및 컴포넌트들은 동일한 도면부호들로 표시된다. 표시된 요소들 및 컴포넌트들이 언급될 때마다 항시 상세하게 기술되지는 않는다.
도시된 특징들 및 또 다른 특성들은, 본 발명의 핵심을 벗어나지 않으면서, 임의의 형태로 상호 간에 분리 및 조합될 수 있다.
도 1에는, 본 발명에 따른 광학 어셈블리(10)의 일 실시예를 이용하는 본 발명에 따른 라이다 시스템(1)의 일 실시예가 개략적인 블록선도의 형태로 도시되어 있다.
도 1에 따른 라이다 시스템(1)은, 시야 내에 위치하는 객체(52)의 분석을 위해, 예컨대 레이저 형태의 선광원(65-1)을 포함한 광원 유닛(65)으로부터 공급받아 -경우에 따라 빔 성형 광학계(66)를 통과한 후에- 일차광(57)을 시야(50) 내로 송출하는, 본 발명에 따른 송신 광학계(60)의 일 실시예를 포함한다.
또한, 도 1에 따른 라이다 시스템(1)은 시야(50) 내의 객체(52)에 의해 반사되는 이차광(58)을 일차 광학계로서의 대물부(34)를 통해 수신하여 -경우에 따라 이차 광학계(35)를 통해- 검출을 위해 검출기 어셈블리(20)로 전송하는 수신 광학계(30)를 포함한다.
선광원(65-1)을 구비한 광원 유닛(65) 및 검출기 어셈블리(20)의 제어는 제어 및 평가 유닛(40)에 의해 제어 라인들(42 내지 41)을 통해 수행된다.
본 발명의 핵심 양태들은 편향 광학계(62)의 영역에 집중되며, 광원 유닛(65)의 선광원(65-1)의 상으로 스캐닝하여 렌즈 어셈블리(68)를 투영하는 방식으로 조명하기 위해, 선회 운동(64) 또는 회전 운동(64)에 의해 회전축 또는 선회축(64-1)을 중심으로 선회될 수 있거나 회전될 수 있는 회전 미러(63)를 제공하는 점에서 드러난다. 복수의 개별 렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리(68)는, 객체(52)가 포함되어 있는 시야(50) 내로 일차광(57)을 지향시키도록 형성된다.
바람직하게는, 편향 광학계(62)의 부분으로서 투사 광학계(90)도 형성되며, 이 투사 광학계는, 상이한 각도들로 시야(50) 내에 일차광(57)을 송출하고, 그에 상응하게 대물부의 유형에 따라 시야(50)의 상이한 각도들로부터 이차광(58)을 흡수하도록 구성된다.
도 2는, 라이다 시스템(1)용 광학 어셈블리(10)의 부분으로서 본 발명에 따른 송신 광학계(60)의 일 실시예의 개략적 상면도를 보여주며, 본 발명의 핵심 양태들에 집중되어 있다.
상기 핵심 양태들은, 광원 유닛(65)의 구성요소로서 선광원(65-1)을 이용하고; 회전 운동(64)을 통해 회전축(64-1)을 중심으로 회전될 수 있는, 제3 조치로서 제공된 회전 미러(63)를 통해, 선광원(65-1)의 상이 중간 상 평면(69) 및 그에 따른 렌즈 어셈블리(68)를 스위핑하면서 투영되는 중간 상 평면(69)을 정의하는 렌즈 어셈블리(68)를 사용하는; 것이다.
렌즈 어셈블리(68) 자체는, 주변 환경의 유형에 따라 시야(50)를 모니터링하기 위해, 상기 시야(50) 내로 일차광(57)을 지향시키는 데 이용된다.
도 2에 따른 실시예에서, 프리즘 미러 타입의 회전 미러(63)는 같은 모양의 육각형 베이스면과 정사각형 또는 직사각형 미러면들을 포함하여 형성된다. 렌즈 어셈블리(68)는 상호 평행하게 정렬된 복수의 로드 렌즈로 구성되며, 이들 로드 렌즈의 대칭축은 회전 미러(63)의 회전축(64-1)에 대해 평행하게 정렬된다. 여기서 개별 렌즈 세그먼트들은 예컨대 양면이 오목하게 형성되어 있다.
도 3 및 도 4에는, 본 발명에 따른 송신 광학계(60)의 실시예들을 이용하는 본 발명에 따른 라이다 시스템(1)의 실시예들의 개략적 상면도들이 도시되어 있다.
도 3에 따른 실시예의 경우, 수신 광학계(30) 및 본 발명에 따른 송신 광학계(60)의 광로들(31 및 61)은 상호 부분 동축으로 형성되며, 빔 분할기(80)의 영역에서 상기 빔 분할기의 작용에 의해 비로소 분리된다.
도 3에 따른 송신 광학계(60)는 도 2에 따른 실시예에 따른 핵심에 상응한다. 그러나 여기서는 그에 추가로 (선택적인) 부분 광학계들(71, 72 및 73)을 포함하는 중간 상 광학계(70)가 광원 유닛(65)과 빔 분할기(80) 또는 선광원(65-1) 사이에, 빔 분할기(80)와 회전 미러(63) 사이에, 또는 회전 미러(63)와 렌즈 어셈블리(68)의 중간 상 평면(69) 사이에 형성되어 있다.
그에 추가로, 대물 광학계(90)도 회전 미러(63)와 렌즈 어셈블리(68) 사이에 제공되며, 상기 대물 광학계는 시야(50) 내로의 일차광(57)의 투사, 및 시야(50)로부터 유래하는 이차광(58)의 후면 투사(rear projection)에 이용된다.
송신 광학계(60) 및 수신 광학계(30) 각각의 광로들(61 및 31)의 분리 후에, 수신기측에서 복수의 센서 요소(22)를 포함하는 검출기 어셈블리(20)가 발견된다. 검출기 어셈블리(20)와 빔 분할기(80) 사이에는, 이차광(58)을 검출기 어셈블리(20) 및 센서 요소들(22) 상으로 적합한 방식으로 투영하기 위해, 수신 광학계(30)의 이차 광학계(35)가 형성된다.
도 4에 따른 실시예도 본원의 핵심에 따라 수신 광학계(30) 및 송신 광학계(60) 각각을 위해 동축으로 안내되는 광로들(31 및 61)을 구비하여 형성되어 있으나, 여기서는 빔 분할기(80)가 이용되지 않는다. 여기서는 오히려, 검출기 어셈블리(20)가 광원 어셈블리(65)의 선광원(65-1)에 바로 인접하여 형성되어 있다.
도 5에는, 2개의 송신 경로(61)를 가진 본 발명에 따른 송신 광학계(60)의 일 실시예가 개략적 상면도로 도시되어 있다.
이 경우, 도 5에 따라 한 쌍의 선광원(65-1)이 광원 유닛(65)의 구성요소로서 형성된다. 그러나 두 광로(61)에서는 한 개만 제공된 회전 미러(63)가 공통으로 이용되며, 그 결과, 별도의 선광원들(65-1)의 각각의 상을 마찬가지로 각각 별도로 제공된 렌즈 어셈블리들(68)의 중간 상 평면(69) 상으로 투사되고, 그런 다음 상기 상들에 의해 마찬가지로 별도로 제공된 투사 광학계(90)를 통해 여기서 조합된 시야(50)가 조명된다.
본 발명의 전술한 그리고 또 다른 특징들 및 특성들을 하기 진술들에 따라 계속 설명한다.
본 발명에 의해 제안되는 개선안들은, 예컨대 매크로 미러들을 포함하거나, 회전하는 전체 유닛을 포함하는 선 스캐너들(line scanner)을 기반으로 한다.
실시예들은 2축으로 고려될 수 있으며, 다시 말해 송신 경로와 수신 경로가 광학적으로 별도로 형성된다. 실시예들은 동축으로도 형성될 수 있으며, 다시 말하면 송신 경로와 수신 경로가 하나의 공통 광학계에 의해 정의된다.
매크로 스캐너들에서의 취약점은, (a) 관성력이 높고, 그로 인해 축들의 마모 위험이 상대적으로 더 높은, 비교적 큰 기계식 미러 유닛 또는 전체 유닛이 존재한다는 점과, (b) 센서의 전체 크기에 미치는 영향이 있다는 점과, 실시예에 따라 (c) 회전 플랫폼 상으로의 에너지 전달 및 정보 전송의 문제가 있다는 점이다.
유도 커플링, 무선을 이용한 커플링, 또는 광학 커플링과 같은 대안적인 해결 가능성들은 일반적으로 추가 비용을 야기하고 성능 저하를 초래한다.
중간 평면(69) 및 2차원 미러들을 포함하는 점 조명 컨셉에서의 취약점은, 여기서 사용되는 마이크로 렌즈들에 정확하게 조준해야 하는 필요성이며, 이는 공진 진동 2차원 미러를 사용할 경우 쉽지 않다[리사주 도형(Lissajous figure)].
본 발명의 일 양태에 따라, 1차원 미러 및 선 조명 장치(line illumination device)와 중간 평면 컨셉의 조합이 제안된다. 미러는, 공진 방식으로 또는 정적으로 작동되는 마이크로 미러 또는 μ-미러일 수 있거나, 소형화된 회전 미러, 예컨대 일정한 각도 속도로 작동되는 다각형 미러일 수 있다.
장점들은 특히 하기와 같다.
- 실리콘 기반 μ-미러뿐만 아니라 소형 다각형 미러(miniature polygonal mirror)에서도 운동 질량이 비교적 작음.
- 매크로 스캐너의 경우보다 전체 크기가 비교적 더 작고, 더 동적인 작동이 가능하며, 그럼으로써 상대적으로 더 큰 프레임 레이트(frame rate)가 가능함.
- 회전 유닛과 송/수신 유닛이 분리되며, 그 결과 레이저 및 검출기의 제어 시 복잡도가 더 감소함.
- 리사주 도형이 발생할 수 없으므로, 광빔의 궤적 컨트롤이 더 용이함.
- 고속 미러들에서, 빔 분할기 손실을 야기하지 않는 동축 시스템을 구성할 수 있음.
가능한 구성 중 하나가 도 3에 도시되어 있다.
예컨대 에지 이미터 형태인 선 레이저(65-1)는, 예컨대 고속 축 시준 기능(fast-axis collimation)을 가진 광학계(71), 빔 분할기(80), 및 집속 광학계로서의 광학계(72)를 거쳐, 그리고 프리즘 또는 다각형 미러(63)의 미러면을 통해 마이크로 렌즈 어레이(68) 상으로 투영된다.
또 다른 실시예의 경우, 광학계(72)가 프리즘 또는 다각형 미러(63)와 순서가 뒤바뀌어 배치되며, 그럼으로써 도 3에 파선으로 옵션으로서 암시된 광학계(73)를 사용하여 먼저 레이저 빔(57)의 변위 또는 편향이 수행되고, 그런 다음 중간 평면(69) 내 마이크로 렌즈 어레이(68) 상으로의 투영이 수행된다.
이 경우, 광학계(73)는 일정한 f-세타 비율 및/또는 텔레센트릭 특성(telecentricity)을 갖는 집속 광학계로서 구현될 수 있다.
본 발명의 또 다른 대안의 경우, 광학계들(72 및 73)이 공통으로 형성될 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이(68)는, 레이저빔을 한 방향으로 확장하거나 확대하는 로드 렌즈들로 구성될 수 있다. 이 경우, 개별 로드 렌즈들은 구면 또는 비구면 요소들로 구성될 수 있다. 개별 요소들은 오목하게 또는 볼록하게 구현될 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(68)의 양면이 모두 곡면을 가질 수도 있다. 그러나 한 쪽 면이 평평하게 구현된 마이크로 렌즈 어레이의 변형예들도 있다.
그 대안으로, 렌즈 특성들, 예컨대 마이크로 렌즈 어레이(68)의 레이저 광의 확장 내지 편향은 DOE 또는 회절 광학 소자를 통해, 또는 홀로그램을 통해 발생할 수 있다.
확장된 빔(57)은 투사 광학계(90)를 통해 주변으로, 요컨대 시야(50) 내로 투사된다. 객체들(52)에 의해 후방 산란되는 광은 투사 광학계(90), 마이크로 렌즈 어레이(68), 미러(63) 및 광학계(72)를 거쳐 빔 분할기(80) 상으로 조향된다.
광의 일부는 광학계(35)를 통해 선 검출기(20)(line detector), 예컨대 APD 라인 상으로 투영된다.
시스템의 수평 해상도는 마이크로 렌즈들(68)의 이격 간격 및 투사 광학계(90)의 투영 계수(imaging factor)에 의해 정해진다.
수직 해상도는 선 검출기(20) 상에서의 픽셀에 의해 정해진다.
모든 광학계(70, 71, 72, 73, 35)는 높은 광 투과율을 위해 코팅층으로 코팅된다.
도 3에, 동축 시스템을 위한 프리즘 또는 다각형 미러(63) 및 빔 분할기(80)를 포함하는 일 실시예가 도시되어 있다.
또 다른 가능한 변형예들은 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.
미러들이 비교적 느리게 운동하고 마이크로 렌즈당 샷(shot)이 많은 경우, 입사점은 렌즈에 걸쳐 이동되며, 이는 더 작은 각도 분해능을 야기한다.
미러들이 비교적 빠르게 움직이는 경우, 마이크로 렌즈가 항상 중심에서 조준되도록, 샷 패턴(shot pattern)이 설정될 수 있다.
도 4에는, 빔 분할기(80)가 없는 광로(61, 31)와; 송신 축(61) 바깥쪽에 배치된, 예컨대 매우 빠르게 움직이는 미러들(63)에서 사용될 수 있는 것과 같은 검출기(20);를 포함하는 본 발명에 따른 송신 광학계(60)가 도시되어 있다.
이차광(58)으로서 복귀하는 광은 그 사이에서 계속 움직이는 미러(63)를 통해, 검출기 요소들(22)을 구비한 검출기 어셈블리(20)의 방향으로 조향될 수 있다.
도 5에는, 미러(63)가 2개의 시스템을 조작할 수 있도록 사용되는 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 그렇게 하여, 확대된 시야(FoV: Field of View)를 갖는 버전이 생성된다. 수신 경로들(31) 내지 복귀 경로들은 표시되어 있지는 않지만, 별도의 광학 경로에도, 다시 말하면 2축 어셈블리로도, 존재할 수 있다.
하기 리스트에 따라, 본 발명의 범주에서 다양한 실시 및 조합 가능성들이 실현될 수 있으며, 하기의 컴포넌트들 및/또는 특성들은 본 발명의 핵심 사상에서 벗어나지 않으면서 임의로 상호 조합될 수 있다.
시스템의 대안
- 종래 50/50 빔 분할기 또는 고해상도 비율용의 분극 빔 분할기,
- 구경 미러 빔 분할기(aperture mirror beam splitter), 및/또는
- 레이저 바로 옆에 배치되고, 경우에 따라 빔 분할기가 없는 검출기
와의 동축 시스템.
- 별도의 수신 경로
와의 2축 시스템.
레이저의 대안
- 단면 발광 레이저(edge emitting laser)
a. 광역 레이저(broad area laser)
b. 레이저바(laser bar)
i. 단일 레이저바, 또는
ii. 상호 직렬로 납땜된 다중 레이저바, 예컨대 2개의 피스.
이로써 2개의 마이크로 렌즈의 동시 샷이 가능함.
- 표면 광방출 레이저 어레이(surface emitting laser array)
a. 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL: vertical cavity surface emitting laser)
i. 라인 유형,
ii. 라인 어레이(line array)(예: 50개의 이미터)
iii. 저차원성 2차원 어레이(예: 50×2개의 이미터). 이로써 2개의 마이크로 렌즈의 동시 샷이 가능함.
및/또는
iv. 빔 형태와 관련하여 하나의 라인 상으로 확장되어 있거나 확장되는 기체 레이저 또는 고체 레이저.
b. 수직 외부 캐비티 표면 방출 레이저(VeCSEL: vertical external cavity surface emitting laser)
i. 라인 유형,
ii. 라인 어레이 및/또는
iii. 저차원성 2차원 어레(예: 50×2개의 이미터). 이로써 2개의 마이크로 렌즈의 동시 샷이 가능함.
미러의 대안
- 다양한 수의 면, 및/또는
- 다각형 곡면들(예컨대 수직 방향 빔을 성형하기 위한 투영 특성)
을 가진 다각형 미러.
- 공진 방식으로 작동되거나, 또는
- 정적으로 작동되는,
예컨대 실리콘 기반의 마이크로 미러.
검출기의 대안
- APD 검출기(APD: avalanche photodiode)
i. 라인 어레이(예컨대 50개의 개별 검출기), 및/또는
ii. 저차원성 2차원 어레이(예: 50×2개의 검출기)
- SPAD 검출기(SPAD: single photon counting avalanche diode)
i. 라인 어레이(예: 50개의 개별 검출기)
ii. 저차원성 2차원 어레이(예: 50×2개의 검출기), 및/또는
iii. 1차원 또는 다차원 실리콘 광전자 증배관(SiPM: silicium photomultiplier).
광학계의 대안:
- 광학계 2:
i. 레이저 선의 생성을 위한 빔 성형 광학계,
ii. 수직 광 입사와, 기계적 편향 각도와 상 전사(image lifting) 간의 일정 비율로, 중간 평면에 평면 상 영역(plane image field)을 생성하기 위한 텔레센트릭 f-세타 광학계,
iii. 상기 두 버전의 조합체.
- 송/수신 광학계
i. 작은 시야(FoV: Field of View)를 위한 단순 광학계(예: 1개 내지 3개의 개별 렌즈),
ii. 큰 시야를 위한 복합 광학계(예: 3개보다 많은, 다시 말해 약 3개 내지 8개의 개별 렌즈).
- 마이크로 렌즈 어레이
a. 레이저 빔을 한 방향으로 확장하거나 확대하는 로드 렌즈들
i. 구면 또는 비구면 요소들,
ii. 오목 또는 볼록 요소들, 및/또는
iii. 양면이 곡면인(양면 오목형 또는 양면 볼록형), 또는 한쪽 면이 평면인(평면-오목면 또는 평면-볼록면 타입) 마이크로 렌즈 어레이.
b. DOE(diffractive optical element; 회절 광학 소자)로서의 유형
c. 홀로그램으로서의 유형

Claims (10)

  1. 시야(50)를 광으로 조명하기 위한 라이다 시스템(1)용 송신 광학계(60)로서,
    상기 송신 광학계는,
    - 선 형태로 일차광(57)을 생성하여 송출하기 위한 선광원(65-1)과;
    - 편향 광학계(62)로서,
    - 시야(50) 내로 수신된 일차광(52)의 송출을 위한 편향 광학계(62)의 중간 상 평면(69) 내에 있는 렌즈 어셈블리(68) 및
    - 축(64-1)을 중심으로 1차원적으로 선회 가능한 편향 미러(64)
    를 구비한 편향 광학계(62);를 포함하며,
    - 선광원(65-1)으로부터 일차광(57)을 흡수하여 렌즈 어셈블리(68)로 상기 일차광(57)을 지향시키도록, 그리고 이때 편향 미러(63)의 선회 운동 시 선광원(65-1)의 상이 렌즈 어셈블리(68) 또는 그의 일부를 스위핑하는 방식으로 상기 렌즈 어셈블리(68) 상에 선광원(65-1)을 광학적으로 투영하도록 형성되는,
    라이다 시스템용 송신 광학계(60).
  2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈 어셈블리(68)는,
    - 세그먼트화된 렌즈 어셈블리, 즉, 렌즈 어레이; 렌즈 매트릭스; 마이크로 렌즈 어레이; 평행한 로드 축들, 특히 틸팅 미러(63)의 선회축(64-1)에 대해 평행하게 정렬된 로드 축들을 갖는 복수의 로드 렌즈를 구비한 로드 렌즈 어레이;
    - 회절 광학 소자, 특히 DOE, 및/또는
    - 홀로그램
    을 포함하는, 라이다 시스템용 송신 광학계(60).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 선광원(65-1)은,
    - 레이저, 단면 발광 레이저, 표면 광방출 레이저, VCSEL, VeCSEL, 기체 레이저, 고체 레이저 및/또는
    - 조명 가능하거나 조명된 간극을 가진 어셈블리
    를 포함하는, 라이다 시스템용 송신 광학계(60).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 편향 미러(63)는,
    - 평평하고, 볼록하고, 그리고/또는 오목한 미러면, 및
    - 다각형인 횡단면 또는 베이스면
    을 가진 프리즘 미러 또는 다면체 미러와;
    - 실리콘에 기반하고
    - 정적으로 그리고/또는 공진 방식으로 작동되거나 작동될 수 있어야 하는 하나 이상의 마이크로 미러;를 포함하며,
    연속으로 그리고/또는 회전 진동의 유형에 따라, 특히 고정 회전축(64-1)을 중심으로 선회 운동 또는 회전 운동을 실행하도록 형성되는, 라이다 시스템용 송신 광학계(60).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신 광학계는 중간 상 광학계(70)를 포함하며, 상기 중간 상 광학계는,
    - 편향 미러(63)와 선광원(65-1) 사이의 광학계로서,
    - 선광원(65-1)과 편향 미러(63) 사이의 광학계로서,
    - 렌즈 어셈블리(68) 상에, 특히 레이저 선의 유형에 따라, 선 조명(line illumination)을 발생시키기 위한 빔 성형 광학계로서, 그리고/또는
    - 중간 상 평면(69)에 평면 상 영역을 생성하기 위한 텔레센트릭 광학계 및/또는 f-세타 광학계로서,
    렌즈 어셈블리(68) 상에 선광원(65-1)을 투영하도록 형성되는, 라이다 시스템용 송신 광학계(60).
  6. 시야(50)의 광학적 검출을 위한, 특히 작동 장치 및/또는 차량용의, 라이다 시스템(1)용 광학 어셈블리(10)로서,
    - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따라 형성된, 시야(50)를 일차광(57)으로 조명하기 위한 송신 광학계(60)와,
    - 시야(50)로부터 이차광(58)을 수신하기 위한 수신 광학계(30)를 포함하는,
    라이다 시스템용 광학 어셈블리(10).
  7. 제6항에 있어서, 송신 광학계(60)와 수신 광학계(30)는,
    - 적어도 부분적으로 또는 일부 섹션에서 상호 동축인 광로들(31, 61)을 포함하도록, 그리고
    - 선광원(65-1)에 바로 인접하여 그리고/또는 선광원(65-1) 옆에, 수신 광학계(30)의 검출기 어셈블리(20)를 구비한 빔 분할기(80)를 포함하거나, 상기 빔 분할기(80)를 포함하지 않도록 형성되는,
    라이다 시스템용 광학 어셈블리(10).
  8. 제6항에 있어서, 송신 광학계(60)와 수신 광학계(30)는 상호 2축성인 광로들을 포함하여 형성되는, 라이다 시스템용 광학 어셈블리(10).
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 광학 어셈블리(10)를 포함하는, 특히 작동 장치 및/또는 차량용의, 시야(50)의 광학적 검출을 위한 라이다 시스템(1).
  10. 시야(50)의 광학적 검출을 위한, 제9항에 따른 라이다 시스템(1)을 포함하는 작동 장치 및 특히 차량.
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