KR20200014346A - 스캐너 및 플래시 광 소스를 구비한 라이다의 거리 측정 - Google Patents

스캐너 및 플래시 광 소스를 구비한 라이다의 거리 측정 Download PDF

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Abstract

장치(100)는 펄스형 제1 광 소스(151)로부터 스캐너(180)를 통해 장치(100)의 주변들(190)로 연장되는 제1 투과 빔 경로(161)를 포함한다. 장치(100)는 또한, 주변들(190)로부터 스캐너(180)를 통해 검출기(159)로 연장되는 수신 빔 경로(169)를 포함한다. 장치(100)는 또한, 적어도 하나의 펄스형 제2 광 소스(152)로부터 스캐너(180)를 통과하지 않고 주변들(190)로 연장되는 적어도 하나의 제2 투과 빔 경로(162)를 포함한다.

Description

스캐너 및 플래시 광 소스를 구비한 라이다의 거리 측정
본 발명의 다양한 예들은 일반적으로, 예를 들어 라이다(LIDAR: Light Detection And Ranging) 측정 기술들에 의한 거리 측정을 위한 광 펄스들의 방출에 관한 것이다. 본 발명의 다양한 예들은 특히, 스캐너를 통해 연장되는, 그리고 스캐너를 통해 연장되지 않는 상이한 방출 빔 경로들을 따르는 광 펄스들의 방출에 관한 것이다.
물체들의 거리 측정은 다양한 기술 분야들에서 바람직하다. 예를 들어, 차량들의 주변들 내의 물체들을 인식하고, 특히 물체들까지의 거리를 확인하는 것이 자율 주행의 애플리케이션들과 관련하여 바람직할 수 있다.
물체들의 거리 측정을 위한 하나의 기술은 소위 라이다 기술(광 검출 및 거리 측정; 때로는 또한 LADAR)이다. 이 경우, 예를 들어, 펄스 레이저 광이 이미터에 의해 방출된다. 주변들 내의 물체들은 레이저 광을 반사시킨다. 이러한 반사들은 후속하여 측정될 수 있다. 레이저 광의 런타임(runtime)을 결정함으로써 물체들까지의 거리가 결정될 수 있다.
위치-확인 방식(position-resolved manner)으로 주변들 내의 물체들을 인식하기 위해, 레이저 광을 스캐닝하는 것이 가능할 수 있다. 따라서, 레이저 광의 방출 각도에 따라 주변들 내의 상이한 물체들이 인식될 수 있다. 이를 위해 스캐너가 제공될 수 있다.
대응하는 디바이스를 견고하게 만들기 위해, 광 소스와 스캐너를 하나의 하우징에 배열하는 것이 전형적으로 필요하다. 하우징은 광에 투명한 외측 판유리(pane)를 포함할 수 있다.
외측 판유리 상에서 원하지 않는 광 반사들이 발생할 수 있다. 한편으로는, 외측 판유리에 대한 방출 빔 경로의 경사로 인해 이러한 경우가 발생될 수 있다. 이러한 경사는, 특히 광의 2차원 스캐닝과 관련하여, 방지될 수 없거나 또는 어렵게만 방지될 수 있다. 반사들의 추가적인 이유는 외측 판유리의 오염일 수 있다.
스캐너는 때때로, 역-반사된 광을 검출하기 위해 또한 사용된다. 이어서, 수신 빔 경로 및 방출 빔 경로는 적어도 부분적으로 합동으로 연장될 수 있고, 그리고/또는 역평행하고 중첩될 수 있다. 이 경우, 방출 빔 경로 그리고 또한 수신 빔 경로 둘 모두는 스캐너를 통해 연장된다. 이러한 구현에서, 외측 판유리 상의 역방향 반사는 사용되는 검출기의 포화를 발생시킬 수 있는데, 이는 광의 비교적 많은 양이 입사되기 때문이다. 따라서, 검출기는 펄스를 발생시킨 후 제1 나노초 동안 "블라인드(blind)"된다. 이는, 근접한 주변들(예를 들어, 최대 10m의 범위 내)에서 물체들을 측정하는 것이 때때로 어려울 수 있음을 의미한다.
따라서, 라이다의 거리 측정들을 위한 개선된 기술들이 요구된다. 특히, 전술된 단점들 중 적어도 일부를 완화 또는 해결하는 기술들이 요구된다.
이러한 목적은 독립 특허 청구항들의 특징들에 의해 달성된다. 종속 특허 청구항들의 특징들은 실시예들을 정의한다.
일 예에서, 디바이스는 제1 방출 빔 경로를 포함한다. 제1 방출 빔 경로는 펄스형 제1 광 소스로부터 스캐너를 통해 디바이스의 주변들로 연장된다. 더욱이, 디바이스는 또한, 주변들로부터 스캐너를 통해 검출기로 연장되는 수신 빔 경로를 포함한다. 디바이스는 또한, 적어도 하나의 펄스형 광 소스로부터 주변들로 연장되는 적어도 하나의 제2 방출 빔 경로를 포함한다. 이 경우, 적어도 하나의 제2 방출 빔 경로는 스캐너를 통해 연장되지 않는다.
일 예에서, 디바이스는 펄스형 제1 광 소스를 포함하며, 그 펄스형 제1 광 소스는 스캐너를 통해 디바이스의 주변들로 광을 방출하도록 구성된다. 디바이스는 또한, 주변들로부터 스캐너를 통해 광을 검출하도록 구성된 검출기를 포함한다. 디바이스는 또한, 스캐너를 통하지 않고 주변들로 광을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 펄스형 제2 광 소스를 포함한다.
일 예에서, 방법은, 제1 방출 빔 경로를 따라 스캐너를 통해 주변들로 제1 광 펄스를 방출하기 위한 펄스형 제1 광 소스의 활성화를 포함한다. 이 방법은 또한, 주변들로부터 스캐너를 통해 연장되는 수신 빔 경로를 따라 제1 광 펄스의 반사를 검출하기 위한 검출기의 활성화를 포함한다. 방법은, 제2 방출 빔 경로를 따라 스캐너를 통하지 않고 주변들로 제2 광 펄스를 방출하기 위한 적어도 하나의 펄스형 제2 광 소스의 활성화를 더 포함한다. 이 방법은, 수신 빔 경로를 따라 제2 광 펄스의 반사를 검출하기 위한 검출기의 활성화를 더 포함한다.
일 예에서, 라이다의 거리 측정들을 위한 디바이스는 스캐너를 통해 레이저 펄스들을 방출하도록 구성된 제1 레이저를 포함한다. 디바이스는 또한, 스캐너를 통하지 않고 레이저 펄스들을 방출하도록 구성된 플래시 레이저(FLASH laser)를 포함한다. 검출기는 스캐너를 통한 반사들을 검출하도록 구성된다.
전술된 예들은 또한, 추가적인 예들에서 서로 조합될 수 있다.
도 1은 스캐너를 통해 방출하는 광 소스, 스캐너를 통하지 않고 방출하는 추가적인 광 소스, 및 스캐너를 통해 수신하는 검출기를 갖는 예시적인 디바이스를 개략적으로 예시한다.
도 2는 광 소스에 의해 조명되는 각도 범위, 추가적인 광 소스에 의해 조명되는 추가적인 각도 범위, 및 도 1로부터의 디바이스의 스캐너의 스캐닝 범위를 개략적으로 예시한다.
도 3은 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 4는 다양한 예들에 따른 스캐너를 개략적으로 예시한다.
본 발명의 전술된 특성들, 특징들 및 이점들 그리고 이들이 달성되는 방식은 도면들과 함께 더 상세히 설명되는 예시적인 실시예들의 다음의 설명과 함께 더 명확하고 이해하기 쉽게 될 것이다.
본 발명은 도면들을 참조하여 바람직한 실시예들에 기초하여 이하 더 상세히 설명된다. 도면들에서, 동일한 참조 부호들은 동일하거나 유사한 엘리먼트들을 식별한다. 도면들은 본 발명의 다양한 실시예들의 개략도들이다. 도면들에 예시된 엘리먼트들은 반드시 실척대로 도시된 것은 아니다. 오히려, 도면들에 예시된 다양한 엘리먼트들은 이들의 기능 및 일반적인 목적이 당업자에게 이해하기 쉽게 되도록 하는 방식으로 재현된다. 도면들에 도시된 기능 유닛들과 엘리먼트들 사이의 연결들 및 커플링들은 또한, 간접 연결 또는 커플링으로서 구현될 수 있다. 기능 유닛들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로서 구현될 수 있다.
이하, 광을 스캐닝하기 위한 다양한 기술들이 설명된다. 이하에 설명되는 기술들은, 예를 들어, 광의 2D 스캐닝을 가능하게 할 수 있다. 스캐닝은 상이한 방출 각도들로의 광 펄스들의 반복 방출을 지칭할 수 있다. 스캐닝을 위해 스캐너가 사용될 수 있다. 스캐닝은, 예를 들어, 하나의 편향 유닛(deflection unit) 또는 다수의 편향 유닛들을 포함할 수 있다. 하나 또는 다수의 편향 유닛들은 광(예를 들어, 펄스형 레이저 광)을 한 번 또는 여러 번 편향시키도록 구성될 수 있다. 편향 유닛은, 예를 들어, 미러를 포함할 수 있다. 편향 유닛은 또한, 미러 대신 프리즘을 포함할 수 있다. 스캐너는 탄성 지지 엘리먼트를 포함할 수 있으며, 그 탄성 지지 엘리먼트는 편향 유닛을 탄성적으로 서스펜딩(suspending)한다. 편향 유닛의 상이한 위치들, 그리고 그에 따라 상이한 스캐닝 각도들은 탄성 지지 엘리먼트의 가역적 변형에 의해 구현될 수 있다. 탄성 엘리먼트가 스캐닝을 실시하기 위해 공진 또는 반-공진 방식으로 여기되는 것이 가능하다(이러한 기술들은 때때로 "공진 굴곡 스캐닝(resonant flexure scanning)"으로서 또한 지칭됨). 다양한 예들에서, 그에 따라, 형상-유도 및/또는 재료-유도 탄성을 갖는 적어도 하나의 지지 엘리먼트가 광을 스캐닝하기 위해 사용된다. 따라서, 적어도 하나의 지지 엘리먼트는 스프링 엘리먼트 또는 탄성 서스펜션으로서 또한 지칭될 수 있다. 지지 엘리먼트는 이동 가능 단부를 포함한다. 그러면, 적어도 하나의 지지 엘리먼트의 이동의 적어도 하나의 자유도, 예를 들어 비틀림 및/또는 횡 방향 편향이 여기될 수 있다. 이 경우, 상이한 차수들의 횡 방향 모드들이 여기될 수 있다. 이러한 이동의 여기에 의해, 적어도 하나의 지지 엘리먼트의 이동 가능 단부에 연결된 편향 유닛이 이동될 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 지지 엘리먼트의 이동 가능 단부는 대응하는 편향 엘리먼트에 대한 인터페이스 엘리먼트를 정의한다. 예를 들어, 하나 초과의 단일 지지 엘리먼트, 예를 들어 2개 또는 3개 또는 4개의 지지 엘리먼트들이 사용되는 것이 가능할 것이다. 이들은 선택적으로, 서로에 대해 대칭적으로 배열될 수 있다.
하나 또는 다수의 편향 유닛들은 상이한 스캐닝 각도들로 위치될 수 있고, 상이한 스캐닝 각도들은 이 경우 광의 상이한 방출 각도들에 대응할 수 있다. 예를 들어, 이동의 2개의 자유도들이 스캐닝을 위해 시간적으로 그리고 선택적으로는 위치적으로 중첩되는 방식으로 사용되는 경우, 스캐닝 각도들의 시퀀스는 중첩 피겨(superposition figure)로 설정될 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 각도들의 세트는 스캐닝 범위를 정의할 수 있다. 다양한 예들에서, 광의 스캐닝은 적어도 하나의 탄성 서스펜션의 상이한 자유도들에 따른 2개의 이동들의 시간적 중첩 그리고 선택적으로는 위치 중첩에 의해 수행될 수 있다. 이어서, 2D 스캐닝 범위가 획득된다.
다양한 예들에서, 하나의 섬유 또는 다수의 섬유들의 이동 가능 단부(movable end)가 레이저 광을 스캐닝하기 위한 지지 엘리먼트로서 사용되며: 이는 적어도 하나의 지지 엘리먼트가 하나 또는 다수의 섬유들에 의해 형성될 수 있음을 의미한다. 지지 엘리먼트들로서 다양한 섬유들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유들로서 또한 지칭되는 광 섬유들이 사용될 수 있다. 그러나, 이 경우, 섬유들이 반드시 유리로 생성될 필요는 없다. 섬유들은, 예를 들어, 플라스틱, 유리, 또는 다른 재료로 생성될 수 있다. 예를 들어, 섬유들은 석영 유리로부터 생성될 수 있다. 섬유들은, 예를 들어, 3mm 내지 10mm의 범위, 선택적으로는 3.8mm 내지 7.5mm의 범위의 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 섬유들은 70GPa 탄성 계수를 가질 수 있다. 이는 섬유들이 탄력적일 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 섬유들은 최대 4%의 재료 신장을 가능하게 할 수 있다. 일부 예들에서, 섬유들은 공급되는 레이저 광이 전파되고 에지들(광 도파관)에서의 전체 반사에 의해 둘러싸인 코어를 포함한다. 그러나, 섬유들은 코어를 반드시 포함할 필요는 없다. 다양한 예들에서, 소위 단일-모드 섬유들 또는 다중모드 섬유들이 사용될 수 있다. 본원에서 설명되는 다양한 섬유들은, 예를 들어, 원형 단면을 가질 수 있다. 예를 들어, 본원에서 설명되는 다양한 섬유들은 50μm 이상, 선택적으로는 150μm 이상, 추가로 선택적으로는 500μm 이상, 추가로 선택적으로는 1mm 이상의 직경을 갖는 것이 가능할 것이다. 예를 들어, 본원에서 설명되는 다양한 섬유들은 구부러지거나 휘어질 수 있는, 즉 가요성 및/또는 탄성으로 설계될 수 있다. 본원에서 설명되는 섬유들의 재료는 이를 위해 특정 탄성을 가질 수 있다. 섬유들은 코어를 포함할 수 있다. 섬유들은 보호 코팅을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 보호 코팅은, 예를 들어, 섬유들의 단부들에서 적어도 부분적으로 제거될 수 있다.
다른 예들에서, 하나 이상의 탄성 지지 엘리먼트들이 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 기술들에 의해, 즉 적합한 리소그래피 프로세스 단계들에 의해, 예를 들어 웨이퍼의 에칭에 의해 생성되는 것이 또한 가능할 것이다.
예를 들어, 지지 엘리먼트의 이동 가능 단부는, 이동의 2개의 자유도들의 시간적 및 위치적 중첩의 경우, 1개 또는 2개의 차원들로 이동될 수 있다. 이를 위해, 하나 이상의 액추에이터들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 이동 가능 단부가 적어도 하나의 지지 엘리먼트의 고정에 대하여 경사질 수 있는 것이 가능할 것이며; 이는 적어도 하나의 지지 엘리먼트의 곡률을 발생시킨다. 이는 이동의 제1 자유도에 대응할 수 있으며; 이는 횡 방향 모드로서 지칭될 수 있다(또는 때로는 위글(wiggle) 모드라고 또한 지칭됨). 대안적으로 또는 부가적으로, 이동 가능 단부가 지지 엘리먼트의 길이 방향 축을 따라 피벗되는 것이 가능할 것이다(비틀림 모드). 이는 이동의 제2 자유도에 대응할 수 있다. 이동 가능 단부의 이동에 의해 레이저 광이 다양한 각도들로 방출될 수 있다. 이를 위해, 편향 유닛, 예를 들어, 고정부에 대한 적절한 인터페이스를 갖는 미러가 제공될 수 있다. 따라서, 레이저 광을 사용하여 주변들이 스캐닝될 수 있다. 이동 가능 단부의 이동의 강도에 따라, 상이한 사이즈들의 스캐닝 범위들이 구현될 수 있다.
본원에서 설명되는 다양한 예들에서, 각각의 경우, 횡 방향 모드에 대안적으로 또는 부가적으로 비틀림 모드를 여기시키는 것이 가능하며, 즉, 비틀림 모드와 횡 방향 모드의 시간적 및 위치적 중첩이 가능할 것이다. 그러나, 이 시간적 및 위치적 중첩이 또한 억제될 수 있다. 다른 예들에서, 이동의 다른 자유도들이 또한 구현될 수 있다.
중첩 피겨는 때때로, 리사주 피겨(Lissajous figure)로서 또한 지칭된다. 중첩 피겨는 상이한 스캐닝 각도들이 구현되는 시퀀스를 설명할 수 있다.
다양한 예들에서, 레이저 광을 스캔하는 것이 가능하다. 이 경우, 예를 들어, 간섭성 또는 비간섭성 레이저 광이 사용될 수 있다. 편광 또는 비편광된 레이저 광을 사용하는 것이 가능할 것이다. 예를 들어, 레이저 광이 펄스 형태로 사용되는 것이 가능할 것이다. 예를 들어, 펨토초 또는 피코초 또는 나노초 범위의 펄스 폭들을 갖는 짧은 레이저 펄스들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 펄스 지속기간은 0.5ns 내지 3ns의 범위일 수 있다. 레이저 광은 700nm 내지 1800nm 범위의 파장을 가질 수 있다. 단순성의 이유로, 이하에서 레이저 광에 대해 주로 참조되며; 본원에서 설명되는 다양한 예들은 또한, 다른 광 소스들, 예를 들어 광대역 광 소스들 또는 RGB 광 소스들로부터의 광의 스캐닝에 적용될 수 있다. 여기서 RGB 광 소스들은 일반적으로, 가시 스펙트럼의 광 소스들을 지칭하며, 여기서, 컬러 공간은 다수의 상이한 컬러들(예를 들어, 적색, 녹색, 청색 또는 청록색, 마젠타색, 황색, 흑색)을 중첩시킴으로써 커버된다.
펄스형 레이저 광이 특히 사용될 수 있다. 예를 들어, 대략 0.5ps 내지 5ns 또는 선택적으로는 1ns 내지 2ns 범위의 지속기간을 갖는 펄스들이 사용될 수 있다. 이어서, 주변들 내의 물체의 라이다 거리 측정(TOF(time-of-flight) 측정)을 수행하기 위해, 펄스들의 런타임이 사용될 수 있다.
다양한 예들에서, 그에 따라, 거리 측정을 위해 라이다 기술들이 사용될 수 있다. 라이다 기술들은 주변들 내의 물체들의 위치-확인 거리 측정을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 라이다 기술은 광 소스, 주변들 내의 물체 및 검출기 사이의 레이저 광의 TOF 측정을 포함할 수 있다.
다양한 예들에서, 광 소스로부터 주변들로의 방출 빔 경로 및 주변들로부터 검출기로의 수신 빔 경로는 적어도 부분적으로 합동으로 연장될 수 있다. 이는 특히, 방출 빔 경로 그리고 또한 수신 빔 경로 둘 모두가 스캐너를 통해 연장되는, 즉 하나 또는 다수의 편향 유닛들에 의해 편향되는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 공간 필터링이 달성될 수 있다. 이전에 또한 조명되었던 주변 영역으로부터의 광만이 검출된다. 따라서, 특히 높은 신호-대-잡음비가 달성될 수 있다. 더욱이, 합동 방출 및 수신 빔 경로에 의해, 고도의 통합 및 작은 외부 치수들이 달성될 수 있다.
다양한 예들은, 공간 필터링의 이러한 시나리오에서, 특히 근접한 물체들까지의 거리를 측정하는 것이 어려울 수 있다는 발견에 기초한다. 이는 방출된 광 펄스가 디바이스의 외측 판유리 상에서 적어도 부분적으로 반사되기 때문일 수 있으며; 이러한 방식으로 반사된 광은 특정 포화 지속기간 동안, 검출기, 예를 들어 단일 광자 애벌란치 다이오드 어레이(SPAD: Single Photon Avalanche Diode array) 검출기를 포화시킨다. 더욱이, 스캐너의 편향 유닛 또는 유닛들 상에서 반사가 발생될 수 있다. 포화 지속기간은 전형적으로, 수십 나노초의 범위에 있고, 그에 따라, 예를 들어 10m까지의 범위의 근접 주변들 내의 물체들에 대한 광 런타임의 범위에 있다. 이러한 포화를 방지하기 위해 방출 및 수신 빔 경로의 분리(예를 들어, DE 10 2010 047 984 A1 참조)가 특히 2차원 스캐닝 범위의 경우, 어렵게만 구현될 수 있고, 그리고/또는 스캐너의 상당한 확대를 요구할 수 있다. 따라서, 공간 필터링 및 합동 방출 및 수신 빔 경로들에도 불구하고, 인근 주변들 내의 물체들의 거리를 정확하고 신뢰성 있게 측정하는 것이 가능한 기술들이 이하에 설명된다.
다양한 예들에서, 플래시 광 소스가 이를 위해 스캐너와 조합될 수 있다. 스캐너를 통한 일차 방출 빔 경로들을 정의하는 광 소스 외에도, 플래시 광 소스가 주변들을 조명하는 추가적인 펄스형 광을 방출하거나, 또는 비교적 큰 각도 범위, 특히 펄스당 광 소스보다 더 큰 각도 범위로 펄스를 방출한다. 이를 위해, 강하게 발산되는 방출 빔 경로 및/또는 다수의 패닝-아웃된 서브-방출 빔 경로들이 사용될 수 있다. 대응하는 확산기가 제공될 수 있다. 예를 들어, 플래시 광 소스의 방출 빔 경로는 40°이상, 선택적으로는 100°이상, 추가로 선택적으로는 150°이상의 각도 범위에서 주변들을 조명할 수 있다. 이 경우, 플래시 광 소스에 의해 조명되는 공간 영역은 1D 또는 2D로 형성될 수 있다. 예를 들어, 100°× 30°(가로 × 세로)의 치수들을 갖는 2D 공간 각도가 조명될 수 있다. 주변들 내의 물체들로부터 반사되는 플래시 광 소스의 광은 스캐너를 통해 연장되는 수신 빔 경로를 통해 감지될 수 있다. 따라서, 공간 필터링이 달성될 수 있다.
적절한 신호-대-잡음비를 달성하기 위해, 플래시 광 소스에 의해 조명되는 각도 범위와 스캐너의 스캐닝 범위가 서로 정렬되어야 한다. 예를 들어, 스캐닝 범위가 각도 범위를 포함할 수 있거나, 또는 각도 범위가 스캐닝 범위를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각도 범위는 스캐닝 범위의 40% 이상, 선택적으로는 70% 이상, 추가로 선택적으로는 100% 이상일 수 있다.
이어서, 근처 주변 영역 내의 물체들이 플래시 광 소스를 사용하여 측정될 수 있는데, 이는 대응하는 적어도 하나의 방출 빔 경로가 스캐너 또는 외측 판유리의 동일한 영역을 통해 연장되지 않고, 그에 따라, 스캐너의 편향 유닛 및/또는 외측 판유리 상의 역방향 반사들이 검출기에서 특히 큰 신호를 발생시키지 않기 때문이다. 따라서, 검출기의 포화가 방지된다.
도 1은 디바이스(100)에 대한 양태들을 예시한다. 디바이스(100)는 주변들(190) 내에 배열된 물체들의 라이다 거리 측정들을 수행할 수 있다. 이를 위해, 레이저들(151, 152), 검출기(159) 및 스캐너(180)를 적절히 제어하는 제어기(101)가 제공된다. 제어기(101)는, 예를 들어, 레이저(151) 및 검출기(159), 그리고 또한 레이저(151) 및 검출기(159)에 대해 TOF 측정을 수행할 수 있다. 제어기는 FPGA 또는 ASIC, 및/또는 마이크로프로세서 상에서 실행되는 소프트웨어로서 설계될 수 있다.
도 1은 특히, 디바이스(100)에 의해 정의되는 빔 경로들(161, 162, 169)에 대해 양상들을 예시한다. 방출 빔 경로(161)는 레이저(151)로부터 스캐너(180)를 통해 주변들(190)로 연장된다. 이 경우, 빔 경로(161)는 영역(171-1)에서 디바이스의 외측 판유리(171)와 조우한다.
방출 빔 경로(162)는 레이저(152)로부터 주변들(190)로 연장되지만, 여기서는 스캐너(180)를 통과하지 않는다. 이 경우, 빔 경로(162)는, 영역(171-1)으로부터 이격된 영역(171-2)에서 디바이스의 외측 판유리(171)와 조우한다. 영역들(171-1, 171-2) 사이의 거리는, 예를 들어, 1cm보다 더 클 수 있고, 그에 따라, 외측 판유리(171)의 영역에서의 방출 빔 경로들(161, 162)의 빔 단면들보다 상당히 더 클 수 있다. 외측 판유리는 일반적으로, 하나의 피스 또는 다수의 피스들로 형성될 수 있다.
수신 빔 경로(169)는 주변들(190)로부터 스캐너(180)를 통해 이어서 검출기(159)로 연장된다. 반사된 광 펄스들(169)은 수신 빔 경로(159)를 따라 수신되고, 검출기(159)에 의해 검출될 수 있다. 빔 경로들(161, 169)은, 외측 판유리(171)와 빔 스플리터(173) 사이의 위치 공간에서, 서로에 대해 중첩되어, 즉 역평행하게 그리고 합동으로 연장되는 것이 도 1로부터 명백하다. 그러나, 수신 빔 경로(169)는 방출 빔 경로(162)와 합동으로 연장되지 않는다. 더욱이, 방출 빔 경로들(161, 162)은 서로 이격되어 연장되는 것이 명백하다.
레이저들(151, 152)은 중첩 또는 동일 주파수들을 갖는 레이저 광을 방출할 수 있다. 그러면, 검출기(159)는 상이한 감지 스펙트럼 범위들에 걸쳐 스위칭할 필요가 없기 때문에 특히 간단하게 동작될 수 있다.
검출기(159) 및 레이저들(151, 152)은 스캐너(180)의 하나 이상의 편향 유닛들의 이동 운동 시스템에 대해 고정자들이다. 이는 특히, 레이저들(151, 152) 및 검출기(159)가 예를 들어 볼 베어링에 의해 또한 회전되는 시스템들(예를 들어, US 7,969,558 B2 참조)과 비교하여 스캐너의 특히 작고 공간 절약적이고 견고한 설계를 가능하게 한다.
방출 빔 경로(161)의 반사는, 외측 판유리(171)의 영역(171-1)에서, 검출기(159)에서의 강한 신호를 발생시키며, 검출기(159)는 그에 따라, 특정 지속기간 동안, 예를 들어 50ns 내지 150ns 동안 포화된다. 더욱이, 스캐너(180)의 하나 이상의 편향 유닛들에서의 반사가 또한 포화를 발생시킬 수 있다. 따라서, 주변들(190)에서 외측 판유리(171) 뒤에 근접하게 배열된 물체들은, 레이저(151)에 의해 방출되는 광 펄스들(156)에 의해 측정될 수 없거나 또는 제한된 정도로만 측정될 수 있다.
이러한 근접 물체들을 측정하기 위해, 레이저(152)에 의해 방출되는 광 펄스들(157)이 대신 사용된다. 방출 빔 경로(162)를 따라 전파되고 외측 판유리(171)의 영역(171-2)에서 발생하는 광 펄스들(157)의 반사들(162A)은 대응하는 스크린(172)이 제공되기 때문에 검출기(159)에 도달하지 않는다. 이는 검출기(159)의 포화를 방지한다. 방출 빔 경로들(161, 162)의 공간적 분리로 인해 스크린이 간단하게 부착될 수 있다.
그러나, 동시에, 수신 빔 경로(169)에 의해(그에 따라 스캐너(180)를 통해) 측정될 주변들(190) 내의 물체들이 광 펄스들(157)에 의해 조명되는 것이 보장되어야 한다. 이를 위해, 방출 빔 경로(162)가 주변들(190)에서 비교적 큰 각도 범위를 조명하는 것이 제공될 수 있다. 이는 도 2와 함께 예시된다.
도 2는 방출 빔 경로(162)에 의하여 광 펄스들(157)에 의해 주변들(190)에서 조명되는 각도 범위(262)에 대한 양태들을 예시한다. 각도 범위(262)가 대략 160°인 것이 도 2로부터 명백하다. 일반적으로, 각도 범위(262)는 40°이상, 선택적으로는 100°이상, 추가로 선택적으로는 150°이하일 수 있다. 따라서, 각도 범위(262)는 비교적 크며, 이로 인해, 레이저(152)는 플래시 레이저(152)로서 또한 지칭될 수 있으며: 이는 주변들(190)의 작은 부분만이 아니라 큰 각도 범위(262)가 모든 각각의 레이저 펄스(157)로 조명되기 때문이다.
이러한 비교적 큰 각도 범위들(262)을 구현하기 위해 다양한 기술들이 고려될 수 있다. 예를 들어, 확산기(179)(도 1 참조)가 빔 경로(162)에 제공될 수 있다. 확산기(179)는 빔 경로(162)의 발산을 증가시키도록 구성될 수 있으며: 이는 광 펄스(157)가, 예를 들어, 확산기(179) 이전에, 대략 1°또는 10°크기의 더 작은 위치 공간 발산을 갖는 것을 의미한다. 발산은 각도 범위(262)에 따라, 즉 예를 들어 5 또는 10 이상의 인자만큼, 확산기(179) 이후에 확대될 수 있다. 확산기는, 예를 들어, 석영 유리 또는 플라스틱으로 제조된 산란 판유리에 의해 구현될 수 있다. 그러나, 확산기(179)는 또한, 빔 경로(162)를 패닝 아웃(fan out)하여, 즉 다수의 작은 서브-빔 경로들을 형성하도록 구성될 수 있다. 각각의 서브-빔 경로는 비교적 작은 발산을 가질 수 있지만; 그럼에도 불구하고, 패닝 아웃에 의해 큰 각도 범위(262)가 조명될 수 있다. 일부 예들에서, 각도 범위(262)를 조명하기 위해 팬과 같이 위치된 다수의 방출 빔 경로들을 생성하는 다수의 플래시 레이저들이 또한 사용될 수 있으며; 그러면, 확산기(179)는 불필요할 수 있다. 예를 들어, 수직-공동 표면-방출 레이저(VCSEL: Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 어레이가 사용될 수 있다.
도 2는 또한, 방출 빔 경로(161)에 의하여 광 펄스들(156)에 의해 주변들(190)에서 조명되는 각도 범위(261)에 대한 양태들을 예시한다. 이 경우, 각도 범위(261)는 스캐너(180)의 단일 스캐닝 각도에 대해 예로서 도시된다. 스캐닝 범위(252)는, 스캐너(180)의 적어도 하나의 편향 유닛의 이동에 의해, 방출 빔 경로(161) 및 수신 빔 경로(169)에 의해 스캐닝된다. 스캐닝으로 인해, 방출 빔 경로(161)는, 예를 들어, 0.05°내지 1.5°의 범위에서 비교적 작은 발산을 가질 수 있으며; 그에 따라, 이용 가능한 광이 작은 각도 범위(161) 상으로 번들링되기 때문에, 매우 멀리 있는 물체들이 또한 검출될 수 있다. 예를 들어, 100m 내지 200m의 거리를 갖는 물체들이 주변들(190)에서 인식될 수 있다. 그러나, 동시에, 더 큰 스캐닝 범위(252)에 배열된 물체들이 검출될 수 있다.
스캐닝 범위(252)가 각도 범위(262)와 중첩되는 것이 도 2로부터 명백하다. 따라서, 광 펄스들(157)에 의하여 방출 빔 경로(162)에 의해 조명되는 주변들(190) 내의 물체들은 반사된 광 펄스들(158)에 의해 수신 빔 경로(169)를 통해 검출될 수 있다. 이는 또한, 각각의 경우에, 스캐닝 각도마다, 플래시 레이저(152)에 의해 방출된 광의 작은 부분, 즉 스캐너(180)의 공간 필터링에 의해 획득되는 부분만이 측정됨을 의미한다. 따라서, 특히, 예를 들어 10m 또는 20m까지의 거리에 있는 근접 주변들(190) 내의 물체들이 플래시 레이저(152)에 의해 방출된 광에 의해 검출될 수 있다. 일반적으로, 각도 범위(262)는 스캐닝 범위(252)의 40% 이상, 선택적으로는 70% 이상, 추가로 선택적으로는 100% 이상, 추가로 선택적으로는 120% 이상일 수 있다.
도 2에서, 스캐닝 범위(252) 및 각도 범위(262), 그리고 또한 각도 범위(261)가 1D로 도시되며; 일반적으로, 스캐닝 범위(252) 및 각도 범위(262) 및 각도 범위(261)는 또한, 2D로 형성될 수 있지만, 여기서, 전술된 특징들에 따라, 2개의 차원들에 중첩이 존재할 수 있고/있거나, 각도 범위(262)는 차례로, 스캐닝 범위(252)를 포함할 수 있거나, 또는 스캐닝 범위(252)는 각도 범위(262)를 포함할 수 있다.
도 3은 예시적인 방법의 흐름도이다. 방법은 블록(1001)에서 시작된다. 블록(1001)에서, 제1 광 소스(예를 들어, 레이저(151))가 활성화되고, 그에 따라, 제1 광 소스는 제1 방출 빔 경로(예를 들어, 방출 빔 경로(161))를 따라 광 펄스(예를 들어, 광 펄스(156))를 방출한다. 이들 광 펄스들은 스캐너를 통해 방출된다.
블록(1002)에서, 이어서, 검출기(예를 들어, 검출기(159))가 활성화되고, 그에 따라, 검출기는 수신 빔 경로(예를 들어, 수신 빔 경로(169))를 따라 블록(1001)으로부터의 광 펄스의 반사를 검출한다.
블록(1003)에서, 이어서, 적어도 하나의 제2 레이저(예를 들어, 플래시 레이저(152))가 활성화되고, 그에 따라, 적어도 하나의 제2 레이저는 적어도 하나의 제2 방출 빔 경로(예를 들어, 방출 빔 경로(162))를 따라 광 펄스(예를 들어, 광 펄스(157))를 방출한다. 이들 광 펄스들은 스캐너를 통해 방출되지 않는다.
블록(1003)에서, 이어서, 검출기가 활성화되고, 그에 따라, 검출기는 수신 빔 경로를 따라 블록(1003)으로부터의 광 펄스의 반사를 검출한다.
그러면, 라이다 거리 측정을 수행하는 것이 가능하게 될 것이고, 즉 예를 들어, 블록들(1001 및 1002) 사이, 그리고 또한 블록들(1003 및 1004) 사이에서 각각 광 런타임들을 측정하는 것이 가능하게 될 것이다. 이 경우, 블록들(1001 및 1002) 사이의 광 런타임은 비교적 멀리 떨어진 물체들, 예를 들어 10m보다 더 멀리 떨어져 배열된 물체들을 검출하는 데 적합할 수 있다. 이는 제1 방출 빔 경로의 비교적 작은 발산에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 동시에, 블록(1001)에서의 광 펄스의 방출 직후에, 대응하는 디바이스의 외측 판유리 상에서의 이 광 펄스의 반사는, 예를 들어, 최대 100ns의 지속기간 동안 검출기를 포화시킬 수 있다. 이는 특히, 제1 방출 빔 경로와 수신 빔 경로가 중첩하여 배열되어, 외측 판유리 및/또는 스캐너의 편향 유닛 상에서 반사된 광이 방해받지 않고 검출기에 도달할 수 있는 경우에 해당될 수 있다. 그러면, 대략 이 포화 지속기간의 크기의 광 런타임에 대응하는 거리를 갖는 물체들은 블록(1001)으로부터의 광 펄스의 반사에 의해 측정될 수 없고; 대신에, 블록(1003)으로부터의 광 펄스의 반사들이 블록(1004)에서 사용될 수 있다. 이는 대응하는 적어도 하나의 제2 방출 빔 경로가 수신 빔 경로와 중첩되지 않게 배열되어, 외측 판유리 상에서 반사된 광이 검출기에 도달할 수 없거나, 또는 검출기에 매우 제한된 정도로만 도달할 수 있기 때문이다. 따라서, 검출기의 포화는 외측 판유리 상의 반사로 인해 블록(1003)에서 발생되지 않는다.
블록들(1001 및 1003) 사이의 지속기간은 스캐너의 스캐닝 주기의 2% 미만, 선택적으로는 1% 미만, 추가로 선택적으로는 0.1% 미만, 추가로 선택적으로는 0.01% 미만일 수 있다. 이는 플래시 레이저의 펄스와 추가적인 레이저의 펄스 사이의 지속기간이 스캐닝 주파수와 상관될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 스캐닝 주파수는 100Hz 내지 5kHz의 범위일 수 있으며, 즉 스캐닝 주기는 100ms 내지 0.2ms의 범위일 수 있다. 따라서, 블록들(1001 및 1003) 사이의 지속기간은 각각 2ms 또는 4μs보다 더 클 수 없다. 이러한 지속기간은 블록(1001)에서 방출된 광으로 인한 포화가 블록(1003)에서 더 이상 존재하지 않도록 하기에 충분히 크며; 동시에, 편향 유닛은 아직 상당히 더 멀리 이동되지 않아서, 측방향 위치 분해능이 높게 된다.
블록(1003 및 1004)을 먼저 수행한 다음에 블록들(1001 및 1002)만을 수행하는 것이 때때로 바람직할 수 있다. 예를 들어, 블록들(1003 및 1004)에 의해 최대 10m의 거리의 물체들만이 측정될 수 있는 경우, 1001 및 1002가 후속하여 수행될 때까지의 지속기간이 짧게, 예를 들어 0.5μs 미만으로 설정될 수 있으며: 짧은 TOF로 인해, 검출기 상의 1001 및 1003에서 방출된 광의 반사들 사이의 불명확성들이 없을 것으로 예상된다. 더욱이, 이러한 시나리오에서, 물체가 근접 주변들에 위치되어 있는지가 1003 및 1004에 의해 체크될 수 있으며, 그러한 경우, 1001 및 1002의 수행이 생략될 수 있거나, 또는 시각적 안전을 보장하기 위해 더 낮은 광 전력을 갖는 펄스를 방출하도록 레이저가 활성화될 수 있다. 이는, 1004로부터의 제2 광 펄스와 연관된 측정 신호에 기초하여, 1001로부터의 제1 광 펄스의 방출 파워(emission power)가 적응될 수 있음을 의미한다.
도 4는 스캐너(180)에 대한 양태들을 예시한다. 도 4의 예에서, 스캐너(180)는 2개의 미러들(350)을 포함하며, 2개의 미러들(350)은 각각 방출 빔 경로(161) 또는 수신 빔 경로(169)에 의해 순차적으로 조우된다. 따라서, 광은 2회 편향되고, 이에 의해, 2D 스캐닝 범위(252)가 정의된다. 미러들(350)은 각각, 각각의 경우에 4개의 지지 엘리먼트들을 갖는 탄성 서스펜션(301)에 의해 홀딩되며, 이는 변형에 의해 상이한 스캐닝 각도들을 구현할 수 있다. 예를 들어, 공진 비틀림이 탄성 서스펜션(301)의 길이 방향으로 배향된 중심 대칭축 주위에서 발생할 수 있다(비틀림 모드). 탄성 서스펜션(301)은 미러(350)의 후방 측으로부터, 예를 들어, 유휴 상태에서 미러 표면에 대하여 45°의 각도로 연장된다. 탄성 서스펜션들(301)은 실리콘, 예를 들어, 웨이퍼 프로세스(MEMS 제조)에서의 단결정 실리콘으로 생성될 수 있다. 섬유들이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 정전 인터디지털 핑거 구조들 또는 굽힘 압전액추에이터들이 액추에이터들로서 사용될 수 있다(도 4에 도시되지 않음). 스캐너(180)에 대한 대응하는 기술들은, 예를 들어, 독일 특허 출원들 제10 2017 002 235.6호, 제10 2017 002 866.4호 및 제10 2017 002 870.2호에서 설명되며, 이들의 개시의 내용은 그 전체가 본원에 상호 참조로 포함된다.
물론, 본 발명의 양태들 및 전술된 실시예들의 특징들은 서로 조합될 수 있다. 특히, 특징들은 설명된 조합뿐만 아니라, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 다른 조합들 등에 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 디바이스(100)로서,
    - 펄스형 제1 광 소스(151)로부터 스캐너(180)를 통해 상기 디바이스(100)의 주변들(190)로 연장되는 제1 방출 빔 경로(161);
    - 상기 주변들(190)로부터 상기 스캐너(180)를 통해 검출기(159)로 연장되는 수신 빔 경로(169);
    - 적어도 하나의 펄스형 광 소스(152)로부터 상기 스캐너(180)를 통하지 않고 상기 주변들(190)로 연장되는 적어도 하나의 제2 빔 경로(162); 및
    - 상기 제1 방출 빔 경로(161)를 따라 제1 광 펄스를 방출하기 위해 상기 펄스형 제1 광 소스(151)를 활성화하고, 상기 제2 방출 빔 경로(162)를 따라 제2 광 펄스를 방출하기 위해 상기 펄스형 제2 광 소스(151)를 활성화하도록 구성된 제어기;를 포함하며,
    상기 제어기는 또한, 상기 수신 빔 경로(169)를 따라 상기 제1 광 펄스의 반사를 검출하고 상기 수신 빔 경로(169)를 따라 상기 제2 광 펄스의 반사를 검출하기 위해, 상기 검출기(159)를 활성화하도록 구성되는 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    - 상기 디바이스(100)를 상기 주변들(190)로부터 분리하는 적어도 하나의 외측 판유리(171)를 더 포함하며,
    상기 제1 방출 빔 경로(161)와 상기 적어도 하나의 제2 방출 빔 경로(162)는 상이한 영역들(171-1, 171-2)에서 상기 적어도 하나의 외측 판유리(171)와 조우하는 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 디바이스(100)의 적어도 하나의 외측 판유리(171)와 상기 검출기(159) 사이에 배열되고, 상기 디바이스(100)의 적어도 하나의 외측 판유리(171) 상에서 반사된 적어도 하나의 제2 광 소스(152)의 광(162A)을 차단하도록 구성된 스크린(172)을 더 포함하는 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 광 소스(152)의 단일 펄스(157)에 대하여, 상기 적어도 하나의 제2 빔 경로(162)는 적어도 40°이상, 선택적으로는 100°이상, 추가로 선택적으로는 150°이상의 각도 범위(262)로 상기 주변들(190)을 조명하는 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제2 광 소스(152)의 단일 펄스(157)에 대하여, 상기 적어도 하나의 제2 방출 빔 경로(162)는 상기 스캐너(180)의 스캐닝 범위(252)의 40% 이상, 선택적으로는 70% 이상, 추가로 선택적으로는 100% 이상의 각도 범위(262)로 상기 주변들(190)을 조명하는 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 적어도 하나의 제2 방출 빔 경로(162)에 배열되고, 상기 적어도 하나의 제2 방출 빔 경로(162)의 발산을 확대하고 그리고/또는 상기 적어도 하나의 제2 방출 빔 경로(162)를 패닝 아웃(fan out)하도록 구성된 확산기(179)를 더 포함하는 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신 빔 경로(169) 및 상기 제1 방출 빔 경로(161)는 적어도 부분적으로 합동으로 연장되고, 그리고/또는
    상기 수신 빔 경로(169) 및 상기 적어도 하나의 제2 방출 빔 경로(162)는 비-합동으로 연장되는 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 제1 시점에서 상기 제1 방출 빔 경로(161)를 따라 제1 광 펄스(156)를 방출하기 위해 상기 제1 광 소스(151)를 활성화하고, 제2 시점에서 상기 적어도 하나의 제2 방출 빔 경로(162)를 따라 제2 광 펄스(157)를 방출하기 위해 상기 적어도 하나의 제2 광 소스(152)를 활성화하도록 구성된 제어기(101)를 더 포함하며,
    상기 제1 시점과 상기 제2 시점 사이의 지속기간의 절대 값은 상기 스캐너(180)의 스캐닝 주기의 2% 이하인 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 검출기(159)로부터 상기 제2 광 펄스(157)와 연관된 측정 신호를 수신하고, 상기 측정 신호에 기초하여 상기 제1 광 펄스(156)의 방출 파워를 결정하도록 구성되는 디바이스.
  10. - 제1 방출 빔 경로(161)를 따라 스캐너(180)를 통해 주변들(190)로 제1 광 펄스를 방출하기 위해 펄스형 제1 광 소스(151)를 활성화하는 단계;
    - 상기 주변들(190)로부터 상기 스캐너(180)를 통해 연장되는 수신 빔 경로(169)를 따라 상기 제1 광 펄스의 반사를 검출하기 위해 검출기(159)를 활성화하는 단계;
    - 제2 방출 빔 경로(162)를 따라 상기 스캐너(180)를 통하지 않고 상기 주변들(190)로 제2 광 펄스를 방출하기 위해 적어도 하나의 펄스형 제2 광 소스(152)를 활성화하는 단계; 및
    - 상기 수신 빔 경로(169)를 따라 상기 제2 광 펄스의 반사를 검출하기 위해 상기 검출기(159)를 활성화하는 단계;를 포함하는 방법.
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