KR20200015407A - 솔리드 스테이트 라이더용 매트릭스 광원 및 검출기 디바이스 - Google Patents

솔리드 스테이트 라이더용 매트릭스 광원 및 검출기 디바이스 Download PDF

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light
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노베르트 엘벨
게오르크 펠츠
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인피니언 테크놀로지스 아게
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Abstract

전자 시스템은 복수의 개별 제어 가능한 픽셀을 갖는 픽셀화된 광원, 픽셀화된 광원을 제어하도록 동작하는 제어기, 픽셀화된 광원으로부터 방사된 광 신호를 검출하도록 구성된 광센서, 및 광센서에 의해 검출된 광 신호에 기초하여, 픽셀화된 광원 및 광센서의 범위 내를 통과하는 상이한 특성을 가진 대상체를 인식하도록 구성된 분석 유닛을 포함한다. 대응하는 대상체 인식 및 재료 분석 방법에 대해서도 설명된다.

Description

솔리드 스테이트 라이더용 매트릭스 광원 및 검출기 디바이스{MATRIX LIGHT SOURCE AND DETECTOR DEVICE FOR SOLID-STATE LIDAR}
범위 측정(ranging) 및 대상체 인식(object recognition)은 도로 교통, 산업 환경, 가정이나 건물 내비게이션 등과 같은 많은 응용 분야의 표준 과제이다. 범위 측정 및 대상체 인식을 위한 하나의 접근법은 LIDAR(Light Detection and Ranging)이다. LIDAR는 광이 방사되어 범위 측정 거리 내의 대상체에 의한 반사가 감지되는 기술이다. 비행 시간(Time of Flight, TOF)을 통해 LIDAR 시스템과 검출된 대상체 간 거리를 측정한다.
LIDAR 시스템의 하나의 유형은 기울어진 회전 거울이나 마이크로 미러를 사용하여 스캐닝을 구현한다. 이러한 유형의 LIDAR 시스템은 고가이고, 이동부(moving part)로 인해 많은 공간을 필요로 한다. 다른 유형의 LIDAR 시스템은 수직 라인의 광원과 수평 라인의 검출기를 사용한다. 이러한 유형의 LIDAR 시스템은 이동부는 없지만, 2차원이 아니며, 방사된 광을 확산시키고, 관측 영역 상으로 투사되는 좁고 수직인 레이저 광빔을 생성하기 위해, 디퓨저 렌즈(diffuser lens)와 같은 추가 광학 장치를 사용한다.
따라서 더욱 비용 효율적이고, 덜 복잡한 LIDAR 시스템이 필요하다.
LIDAR(Light Detection and Ranging) 시스템의 일 실시예에 따르면, LIDAR 시스템은 개별 제어 가능한 픽셀의 2차원 어레이를 포함하는 픽셀화된 광원과, 픽셀화된 광원으로부터 독립 제어된 광빔을 방사하기 위해 2차원 어레이의 각 픽셀을 개별 제어하도록 동작 가능한 제어기와, 픽셀화된 광원과 함께 정렬되고 픽셀화된 광원으로부터 방사된 독립 제어된 광빔을 상이한 방향으로 지향시키고/지향시키거나 독립 제어된 광빔을 확산시키도록 구성된 하나 이상의 광학 부품, 및 픽셀화된 광원의 범위 내에서 광센서(photosensor)를 향하는 방향으로 대상체로부터 반사된 하나 이상의 독립 제어된 광빔을 검출하도록 구성된 광센서를 포함한다. 광원은 가시광, 적외선, 자외선 또는 엑스레이도 포함하지만, 이들에 제한되지 않는 임의의 유형의 전자기 방사원(electromagnetic radiation source)일 수 있다.
광센서는 픽셀화된 광원과 함께 동일한 반도체 다이(die)나 동일한 패키지 내에 집적될 수 있다. 따라서 광센서는 컴팩트한 장치, 예를 들어, 단일 전원 공급 장치만 연결하면 되고, 공통 I/O 인터페이스를 제공할 수 있는 단일 구성 요소를 제공할 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 광센서는 발광 소자로서 동작하지 않는 픽셀화된 광원의 개별 제어 가능한 픽셀의 서브세트에 의해 실현될 수 있다. 따라서 광센서는 픽셀화된 광원의 개별 제어 가능한 픽셀의 효율적인 사용을 제공할 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 제어기는 발광에 사용되는 픽셀 및 광 검출용으로 사용되는 픽셀이 시간 경과에 따라 변경되도록, 광센서를 구현하기 위해 사용되는 개별 제어 가능한 픽셀의 서브세트를 변경하도록 동작할 수 있다. 따라서 광센서는 픽셀화된 광원의 개별 제어 가능한 픽셀의 효율적이고 유연한 사용을 제공할 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 픽셀화된 광원의 각 픽셀은 발광 모드와 광 검출 모드에서 교대로 동작될 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 광센서는 픽셀화되지 않은 단일 광센서이거나, 또는 픽셀화된 광원으로부터 이격되어 픽셀화된 광원으로부터의 독립 제어된 광빔과 정렬된 광센서의 픽셀화된 어레이일 수 있다. 픽셀화되지 않은 단일 광센서는 픽셀화된 광원과 함께 일부 애플리케이션에 대해 충분한 공간 해상도를 제공할 수 있으므로 이들 애플리케이션을 위한 비용 효율적인 솔루션을 제공할 수 있다. 광센서의 픽셀화된 어레이는 광센서뿐만 아니라 광원으로부터의 공간 정보가 분석 목적으로 결합될 수 있는 고해상도 LIDAR 시스템(high resolution Light Detection and Ranging system)을 제공할 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 제어기는 제 1 픽셀 대 면적비를 사용하여 하나 이상의 대상체 후보를 검출하기 위해 2차원 어레이의 픽셀의 서브세트를 사용하여 LIDAR 시스템의 전체 범위의 제 1 해상도 스캔을 수행하고, 제 2 픽셀 대 면적비를 사용하여 하나 이상의 대상체 후보의 방향으로 광을 방사하는 2차원 어레이의 픽셀의 제 2 서브세트를 사용하여 LIDAR 시스템의 전체 범위 중 하나 이상의 대상체 후보가 검출된 하나 이상의 각 영역의 제 2 해상도 스캔을 수행하도록 동작할 수 있다. 전술한 제어기를 갖는 LIDAR 시스템은, 개별 제어 가능한 픽셀들 중에서 제 1 스캔에서 식별된 관심 영역에 위치되는 것들만 동작하는 경우, 필요한 해상도를 제공하면서 에너지 효율적인 방식으로 동작할 수 있다. 관심 영역은 스캔에서 검출된 하나 이상의 대상체 후보에 따라 전체 범위 또는 전체 범위의 서브세트일 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 하나 이상의 대상체 후보 중 하나가 대상체로 확인되면, 픽셀의 제 2 서브세트는 대상체의 예측된 이동 트랙의 영역을 포함하도록 자동적으로 조정될 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 제어기는 LIDAR 시스템의 전체 범위로 들어가는 새로운 대상체 후보를 검출하기 위해 2차원 어레이의 픽셀의 제 1 서브세트를 주기적으로 활성화하도록 동작할 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 제어기는 LIDAR 시스템의 범위로 들어가는 새로운 대상체 후보를 검출하기 위해 50 내지 100 밀리초마다 2차원 어레이 픽셀의 제 1 서브세트를 주기적으로 활성화하도록 동작할 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 제어기는 2차원 어레이의 픽셀의 서브세트 부근 또는 범위 내에서 광센서에 의해 검출된 약한 반사 또는 스퓨리어스 신호(spurious signal)를 검증하기 위해 픽셀의 서브세트를 동시에 활성화하도록 동작할 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, LIDAR 시스템은 광센서에 의해 검출된 독립 제어된 광빔 중 하나 이상에 기초하여 대상체와 LIDAR 시스템 사이의 거리를 계산하도록 동작 가능한 분석 유닛을 더 포함할 수 있다.
개별 제어 가능한 픽셀들의 2차원 어레이를 포함하는 픽셀화된 광원 및 광센서를 포함하는 LIDAR 시스템의 동작 방법의 일 실시예에 따르면, 이 방법은 픽셀화된 광원으로부터 독립 제어된 광빔을 방사하기 위해, 2차원 어레이의 각 픽셀을 개별 제어하는 단계와, 픽셀화된 광원으로부터 방사된 독립 제어된 광빔을 상이한 방향으로 지향 및/또는 독립 제어된 광빔을 확산시키는 단계와, 픽셀화된 광원의 범위 내에서 광센서를 향하는 방향으로 대상체로부터 반사된, 독립 제어된 광빔 중 하나 이상을 검출하는 단계를 포함한다.
개별적으로 또는 조합하여, 이 방법은 발광 소자로서 동작하지 않는 픽셀화된 광원의 개별 제어 가능한 픽셀의 서브세트에 의해 광센서를 실현하는 단계를 더 포함할 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 이 방법은 발광용으로 사용되는 픽셀 및 광 검출용으로 사용되는 픽셀이 시간 경과에 따라 변경되도록, 광센서를 구현하기 위해 사용되는 개별 제어 가능한 픽셀의 서브세트를 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 광센서를 구현하기 위해 사용되는 개별 제어 가능한 픽셀의 서브세트를 변경하는 단계는 픽셀화된 광원의 각 픽셀을 발광 모드와 광 검출 모드에서 번갈아 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 이 방법은 제 1 픽셀 대 면적비를 사용하여 대상체 후보를 검출하기 위해 2차원 어레이의 픽셀 서브세트를 사용하여 LIDAR 시스템의 전체 범위의 제 1 해상도 스캔을 수행하는 단계와, 제 2 픽셀 대 면적비를 사용하여 대상체 후보의 방향으로 광을 방사하는 2차원 어레이의 픽셀의 제 2 서브세트를 사용하여 LIDAR 시스템의 전체 범위 중 대상체 후보가 검출된 영역의 제 2 해상도 스캔을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 이 방법은 LIDAR 시스템의 전체 범위로 들어가는 새로운 대상체 후보를 검출하기 위해 2차원 어레이의 픽셀의 제 1 서브세트를 주기적으로 활성화하는 단계를 더 포함한다.
개별적으로 또는 조합하여, 이 방법은 2차원 어레이의 픽셀의 서브세트 근처 또는 범위 내에서 광센서에 의해 검출된 약한 반사 또는 스퓨리어스 신호를 검증하기 위해 픽셀의 서브세트를 동시에 활성화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
개별적으로 또는 조합하여, 이 방법은 광센서에 의해 검출된 독립 제어된 광빔 중 하나 이상에 기초하여 대상체와 LIDAR 시스템 사이의 거리를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다음의 상세한 설명을 읽고, 첨부 도면을 보면, 당업자는 추가적인 특징 및 이점을 인식할 것이다.
도면의 요소는 반드시 서로 상대적인 축척을 갖는 것은 아니다. 동일한 참조 부호는 대응하는 유사한 부분을 나타낸다. 도시된 다양한 실시예의 피처는 서로 배제되지 않는 한 결합될 수 있다. 실시예는 도면에 도시되어 있고, 이하의 상세한 설명에서 상세하게 설명된다.
도 1은 범위 측정 및 대상체 인식 기능을 구현하기 위한 지능형 제어 방법 및 광센서와 조합하여 개별 제어 가능한 광원의 어레이를 갖는 LIDAR(Light Detection and Ranging) 시스템의 일 실시예의 블록도를 도시한다.
도 2는 광센서가 픽셀화된 광원의 개별 제어 가능한 픽셀의 서브세트에 의해 실현되는 LIDAR 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 3은 픽셀화된 광원과 광센서가 동일한 픽셀 어레이를 공유하고, 제어기가 픽셀의 일부를 발광용으로 할당하고 픽셀의 다른 일부를 광 검출용으로 할당하는 LIDAR 시스템의 실시예를 도시한다.
도 4는 LIDAR 시스템의 제어기에 의해 구현되는 다중 해상도 대상체 후보 스캔 방법의 일 실시예를 도시한다.
도 5 내지 도 7은 LIDAR 시스템의 픽셀화된 광원 및 광센서 구성 요소에 대한 다양한 구현 실시예를 도시한다.
본 명세서에 설명된 실시예는 픽셀화된 광원, 광센서, 및 범위 측정 및 대상체 인식 기능을 구현하기 위한 지능형 제어 방법을 갖는 LIDAR(Light Detection and Ranging) 시스템을 제공한다. 본 명세서에 설명된 LIDAR 시스템은 독립적으로 제어될 수 있는 광빔을 생성하기 위해 개별 제어 가능한 픽셀의 2차원 어레이를 포함한다. LIDAR 시스템은 회전 거울이나 이와 유사한 이동 부품을 사용하지 않고, 2차원의 관측 영역을 스캔한다. LIDAR 시스템은 개별 제어 가능한 픽셀의 2차원 어레이에 포함된 가용 픽셀 중에서, 반드시 전부는 아니지만 더 많은 것을 사용하는 고해상도 스캔을 통해 검출된 대상체를 추적할 수 있다. LIDAR 시스템은 광센서에 의해 검출된 반사에 기초하여 범위 측정을 구현할 수 있다. LIDAR 시스템은 관심있는 픽셀만을 조명할 수 있으므로 시스템의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다. LIDAR 시스템은, 픽셀의 개별 제어가 가능하기 때문에, 픽셀의 각각에 랜덤하게 액세스할 수 있다. 이 방법에서, LIDAR 시스템에서 방사되는 광빔은 랜덤 방식으로 액세스될 수 있고, LIDAR 시스템의 범위 내 대상체를 검출하기 위해 해당 전체 공간에 대한 반복적인 전체 스캔은 필요하지 않다. LIDAR 시스템은 범위 측정 및 대상체 인식을 필요로 하는 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있다. 몇몇 비제한적 예로는 서비스 로봇과 같은 빌딩 내 내비게이션 장비, 차량의 자동 주차, 가공 중 공작물 검출 및 배향을 포함하며, 이는 단지 몇몇을 제시한 것이다. LIDAR 시스템은 이하에 더 상세하게 설명된다.
도 1은 범위 측정 및 대상체 인식 기능을 갖는 LIDAR 시스템의 일 실시예를 도시한다. LIDAR 시스템은 개별 제어 가능한 픽셀(104)의 2차원 어레이(102)를 갖는 픽셀화된 광원(100), 제어기(106), 픽셀화된 광원(100)과 함께 정렬된 하나 이상의 광학 구성 요소(108), 및 광센서(110)를 포함한다. 2차원 어레이(102)는 설명의 편의상 도 1에서 픽셀(104)의 4×4 어레이로 도시된다. 일반적으로, 2차원 어레이(102)는 N과 M이 각각 1보다 큰 정수인 개별 제어 가능한 픽셀(104)의 N×M 어레이이다. 각 픽셀(104)은, 제어기(106)가 픽셀화된 광원(100)에 적절한 전기 신호를 인가함으로써, 임의의 시간에 개별적으로 액세스될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "픽셀"이라는 용어는 광원 또는 광센서의 가장 작은 제어 가능한 요소를 의미한다. 각 픽셀은 광을 방사하거나, 검출할 수 있고, 또는 상이한 시점에서 광의 방사 및 검출 모두를 행할 수 있다. 즉, 픽셀은 광 검출기로서만 구성되거나 발광 소자로서만 구성될 수도 있고, 또는 일부 지속 기간에는 발광 소자로서 그리고 다른 지속 기간에는 광 검출기로서 구성될 수도 있다. 예를 들어, LED(발광 다이오드)는 광을 방사하거나 검출하도록 구성될 수 있다. 일반적으로, 픽셀화된 광원(100)은 가시광선, 적외선, 자외선 또는 엑스레이도 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는 임의 유형의 전자기 방사원(electromagnetic radiation source)일 수 있다. 광센서(110)는 픽셀화될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 광센서(110)가 픽셀화되지 않으면, 제어기(106)는 시간 다중화(time-multiplex)로 광센서(100)를 동작시켜 공간 해상도를 제공할 수 있다. 픽셀화된 광원(100) 및 광센서(110)는 동일한 반도체 다이 내에 모놀리식으로 집적되거나, 동일한 패키지에 집적되거나, 개별 구성 요소 등으로서 구현될 수 있다. 픽셀화된 광원(100) 및 광센서(110)는 픽셀(104)의 동일 어레이(102)를 공유할 수 있다. 예를 들어, 개별 제어 가능한 픽셀들(104) 중 제 1 픽셀들은 광원(100)을 구현하는데 사용될 수 있는 반면, 개별 제어 가능한 픽셀들(104) 중 제 2 픽셀은 광센서(110)를 구현하는데 사용될 수 있다. 선택적으로, 광센서(110)가 픽셀화되는 경우, 픽셀화된 광원(100) 및 광센서(110)는 별도의 픽셀 어레이로 구현될 수 있다.
제어기(106)는 2차원 어레이(102)의 각 픽셀(104)을 개별 제어하여 픽셀화된 광원(100)으로부터 독립 제어된 광빔(112)을 방사한다. 제어기(106)는 마이크로프로세서, 프로세서 코어 등과 같은 프로세서, 마이크로컨트롤러, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등일 수 있다. 제어기(106)는 본 명세서에서 설명된 범위 측정 및 대상체 식별 실시예에 따라 픽셀화된 광원(100) 및 광센서(110)를 제어하도록 설계, 프로그래밍 및/또는 하드웨어에 내장된다(hardwired). 예를 들어, 제어기(106)는 개별 제어 가능한 픽셀(104) 중 어느 것이 조명될 지, 어떤 순서로 조명될 지를 결정할 수 있다. 광원(100)과 광센서(110)를 구현하기 위해 개별 제어 가능한 픽셀(104)이 사용되는 경우, 제어기(106)는 개별 제어 가능한 픽셀(104) 중 어느 것이 광원(100)을 구현하는데 사용되고, 개별 제어 가능한 픽셀 픽셀(104) 중 어느 것이 광센서(110)를 구현하는데 사용될 지를 결정한다. 제어기(106)는 개별 제어 가능한 픽셀(104)의 사용을 발광에서 광 검출로 또는 광 검출에서 발광으로 변경시킬 수 있다. 제어기(106)는 어떤 픽셀(104)이 활성이고 어떤 픽셀이 아닌지를 결정할 수 있다. 제어기(106)에 의해 구현되는 다양한 제어 양태가, 설명되는 대응 실시예에 따라, 이하에서 보다 상세하게 설명된다.
픽셀화된 광원(100)과 함께 정렬된 하나 이상의 광학 구성 요소(108)는 픽셀화된 광원(100)으로부터 방사된 독립 제어되는 광빔(112)을 상이한 방향으로 지향시키고/지향시키거나 독립 제어된 광빔(112)을 분산시켜 범위 측정 및 대상체 인식을 위한 관측 영역을 생성한다. 하나 이상의 광학 구성 요소(108)는 광빔을 지향 및/또는 성형(shaping)하기 위해 개별 제어 가능한 픽셀(104)의 2차원 어레이(102)와 함께 정렬된 렌즈를 포함할 수 있다. 이러한 방식에서, 픽셀화된 광원(100)은 하나 이상의 광학 구성 요소(108)의 도움으로 정의된 상이한 방향으로 광빔을 방사할 수 있다. 2차원 어레이(102) 내의 임의의 단일 픽셀(104)은 관련된 방향을 가질 수 있다. 개별 제어 가능한 픽셀(104)의 2차원 어레이(102)에 의해 방사된 독립 제어된 광빔(112)의 파장은, 예를 들어, 가시 스펙트럼, IR(적외선) 스펙트럼 또는 UV(자외선) 스펙트럼일 수 있다.
광센서(110)는 독립적으로 제어되는 광빔(112) 중에서 LIDAR 시스템의 관측 영역에 위치한 대상체로부터 반사되고 광센서(110)를 향하는 방향으로 전파하는 하나 이상의 광 빔을 검출한다. 광센서(110)와 픽셀화된 광원(100)이 픽셀(104)의 동일한 2차원 어레이(102)를 공유하는 경우에, 이 반사는 픽셀(104) 중에서 제어기(106)에 의해 광센서로서 동작되는 조명되지 않은 픽셀에 의해 검출될 수 있다. 이와 달리, 이 반사는 광센서(110)를 형성하는 인근의 별도의 광센서 센싱 장치에 의해 검출될 수도 있다. 하나 이상의 광학 구성 요소(108)는 광센서(110)에 의해 검출되고 분석 유닛(114)에 의해 분석되는 반사광을 집광하기 위해 광센서(110)와 정렬되는 렌즈를 포함할 수 있다.
LIDAR 시스템은 광센서(110)의 출력을 분석하기 위한 분석 유닛(114)을 더 포함할 수 있다. 분석 유닛(114)은 광센서 출력에 기초하여 LIDAR 시스템의 관측 영역 내에 위치된 대상체를 초기에 검출할 수 있다. LIDAR 시스템은 대상체의 움직임을 추적하기 위해 픽셀(104)의 서브세트를 사용할 수 있다. 이 방법에서는, LIDAR 시스템의 전체 범위가 대상체를 추적하는데 사용될 필요는 없다. LIDAR 시스템은 LIDAR 시스템의 관측 영역 내에 위치된 새로운 대상체를 검출하기 위해 주기적으로, 예를 들어, 50 또는 100ms마다 모든 광빔을 방사할 수 있다. 이렇게 함으로써, 분석 유닛(114)에 의해 구현되는 새로운 대상체 검출에 필요한 광학 핑(optical pings)이 적기 때문에, 이를 통해 '광학 핑'을 송신 및 수신하기 위한 타이밍 요건을 감소시킨다.
일 실시예에서, 분석 유닛(114)은 광센서(110)에 의해 검출된 독립적으로 제어되는 광빔(들)(112)에 기초하여 검출 대상체와 LIDAR 시스템 사이의 거리를 계산한다. 예를 들어, 분석 유닛(114)은 거리(d)를 d = c*t/2로 계산할 수 있고, 여기서 c는 광의 속도, t는 발광과 광 검출 사이의 시간이다. 분석 유닛(114)은 제어기(106)에 포함되고/포함되거나 연관될 수 있다. 예를 들어, 프로세서 기반 제어기의 경우에, 제어기(106)는 본 명세서에 기술된 분석 유닛(114)의 기능을 구현하도록 프로그래밍될 수 있다. ASIC 기반 제어기의 경우에, 제어기(106)는 본 명세서에 설명된 분석 유닛 기능을 구현하도록 설계 및/또는 하드웨어에 내장될 수 있다. 대신에, 분석 유닛(114)은 제어기(106)와 별개의 구성 요소일 수도 있다.
도 2는 픽셀화된 광원(100)의 개별 제어 가능한 픽셀(104) 중에서 발광 소자로서 동작되지 않는 서브세트에 의해 광센서(110)가 실현되는 LIDAR 시스템의 일 실시예를 도시한다. 본 실시예에 따르면, 픽셀화된 광원(100)과 광센서(110)는 개별 제어 가능한 픽셀(104)의 동일한 2차원 어레이(102)를 공유한다. 제어기(106)는 픽셀(104)의 일부를 발광용으로 할당하고 픽셀(104)의 다른 일부를 광 검출용으로 할당한다. 제어기(106)는 발광/광 검출 픽셀 할당을 변경할 수 있다. 즉, 픽셀(104)은 일부 기간 동안은 발광, 그리고 다른 기간 동안은 광 검출을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 픽셀(104)의 2차원 어레이(102)를 갖는 픽셀화된 Si/LED(발광 다이오드) 하이브리드 다이가 사용될 수 있다. 이러한 다이는 발광하거나 광을 검출하도록 제어될 수 있는 픽셀을 갖는다. 픽셀화된 광원(100) 및 광센서(110)는 동일한 반도체 다이 내에 모놀리식으로 집적될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
도 2에 도시된 실시예에 따르면, 광센서(110)를 구현하는데 사용되는 개별 제어 가능한 픽셀(104)의 서브세트는 범위 내 대상체(200)의 반사 표면으로부터의 광 반사를 검출하도록 구성된다. 분석 유닛(114)은 광센서(110)를 구현하는데 사용되는 개별 제어 가능한 픽셀(104)의 서브세트에 의해 검출된 광 신호에 기초하여 범위 측정 및 대상체 인식을 수행한다. 공간적 해상도는 2차원 어레이(102)의 각 픽셀(104)을 발광 모드와 광 검출 모드에서 교대로 동작시킴으로써 개선될 수 있다. 제어기(106)는 광센서(110)에 의해 검출된 약한 반사 또는 스퓨리어스 신호를 검증하기 위해 픽셀(104)의 서브세트(예컨대, 4 픽셀, 9 픽셀 등)를 동시에 활성화할 수 있다.
도 2는 또한 LIDAR 시스템의 관측 영역 내의 예시적인 대상체(200)를 도시한다. 하나의 광빔/픽셀은 도 2의 범위 내 대상체(200)을 조명한다. 광센서(110)는 광센서(110)를 향하는 방향으로 범위 내 대상체(200)에서 반사되는 광빔(112)을 검출한다. 분석 유닛(114)은 광센서 출력에 기초하여 범위 측정 및/또는 대상체 인식을 수행한다. 예를 들어, 분석 유닛(114)은 광센서(110)에 의해 검출된 독립적으로 제어되는 광빔(들)(112)에 기초하여, 검출된 범위 내 대상체(200)와 LIDAR 시스템 사이의 거리를 계산할 수 있다.
도 3은 픽셀화된 광원(100)과 광센서(110)가 개별 제어 가능한 픽셀(104)의 동일한 2차원 어레이(102)를 공유하고, 제어기(106)가 픽셀(104)의 일부를 발광용으로 할당하고 픽셀(104)의 다른 일부를 광 검출용으로 할당하는 실시예를 도시한다. 원하는 광 패턴은 제어기(106)가 픽셀화된 광원(100)에 적절한 전기 신호를 인가함으로써 실현될 수 있다. 발광/광 검출 픽셀 할당은 도 3에서 바둑판 패턴으로 도시되어 있다. 그러나, 제어기(106)는 픽셀화된 광원(100)에 대응하는 전기 신호를 인가함으로써 임의의 원하는 패턴으로 발광 또는 광 검출을 위해 픽셀(104)을 할당할 수 있다. 제어기(106)는 발광용으로 사용되는 픽셀(104) 및 광 검출용으로 사용되는 픽셀(104)이 시간 경과에 따라 변경되도록, 광센서(110)를 구현하기 위해 사용되는 개별 제어 가능한 픽셀(104)의 서브세트를 변경할 수 있다. 일 실시예에서, 픽셀화된 광원(100) 각각의 픽셀(104)은 발광 모드와 광 검출 모드에서 교대로 동작되어 공간 해상도를 증가시킨다.
LIDAR 시스템의 다른 실시예에서, 광센서(110)는 픽셀화되지 않은 단일 광센서이거나, 또는 픽셀화된 광원(100)으로부터 이격되어 그로부터 방사되는 독립 제어되는 광빔(112)과 정렬된 광센서의 픽셀화된 어레이이다. 하나 이상의 광학 구성 요소(108)는 별도의 광센서(110)를 픽셀화된 광원(100)으로부터 방사된 독립 제어된 광빔(112)과 정렬시키는데 사용될 수 있다.
도 4는 LIDAR 시스템의 제어기(106)에 의해 구현되는 다중 해상도 대상체 후보 스캔 방법의 일 실시예를 도시한다. 이 실시예에 따르면, 제어기(106)는, 제 1 픽셀 대 면적비를 사용하여 대상체 후보를 검출하기 위해, 2차원 어레이(102)의 픽셀(104)의 서브세트를 사용하여 LIDAR 시스템의 전체 관측 영역의 제 1 해상도 스캔을 수행한다(블록(300)). 제 1 해상도 스캔을 수행하는데 사용되는 픽셀(104)의 서브세트는 제어기(106)에 의해 때때로 변경되거나 고정된 상태로 유지될 수 있다. 제어기(106)는 또한 픽셀(104)의 제 1 서브세트를 주기적으로 활성화하여 LIDAR 시스템의 관측 영역에 들어갈 수 있는 새로운 대상체 후보를 검출할 수 있다. 일 실시예에서, 제어기(106)는 LIDAR 시스템의 관측 영역에 들어가는 새로운 대상체 후보를 검출하기 위해 50 내지 100밀리초마다 픽셀(104)의 제 1 서브세트를 주기적으로 활성화시킨다.
제어기(106)는 대상체가 검출될 때까지 제 1 해상도 스캔을 계속한다(블록(302)). 분석 유닛(114)은 광센서(110)의 출력에 기초하여 대상체의 존재를 확인할 수 있다.
제어기(106)는 제 2 픽셀 대 면적비를 이용하여 검출된 대상체 후보의 방향으로 발광하는 2차원 어레이(102)의 픽셀(104)의 제 2 서브세트를 사용하여, LIDAR 시스템의 전체 관측 영역 중 대상체 후보가 검출된 영역의 제 2 해상도 스캔을 수행한다. 도 4의 우측은 제어기(106)에 의해 구현되는 대상체 후보 스캔 방법을 도시하고, 반면에 좌측은 스캔 방법에 따라 상이한 스테이지에서 제어기(106)에 의해 구현되는 예시적인 스캔을 도시한다. 대상체 후보는 도 4의 좌측에 파선으로 도시되어 있다. 도 4의 좌측의 어두운 픽셀(104)은 대상체 후보 스캔 방법의 상이한 스테이지 동안 제어기(106)에 의해 조명된 픽셀(104)을 나타낸다.
제 1 해상도 스캔은, 예를 들어, 2차원 어레이(102)의 매 10번째 픽셀(104)마다, 2차원 어레이(102)의 매 20번째 픽셀(104)마다, 2차원 어레이(102)의 매 30번째 픽셀(104)마다 등으로, 비교적 낮은 픽셀 대 면적비로 수행될 수 있다. 제 1 해상도 스캔 동안 사용된 2차원 어레이(102) 내의 픽셀(104)은 LIDAR 시스템의 전체 관측 영역을 커버하지만, 낮은 해상도를 갖는다. 이것은 도 4의 왼쪽에 'A'로 표시된 픽셀 시나리오에 의해 설명되며, 여기서 저해상도 스캔은 LIDAR 시스템의 전체 관측 영역을 포함한다. 이러한 방식에서는, 모든 픽셀(104)을 조명해야 하는 것에 의한 과도한 전력 소모없이, LIDAR 시스템의 전체 관측 영역의 어딘가에서 대상체 후보가 검출될 수 있다. 후보 대상체가 검출되면, LIDAR 시스템의 전체 관측 영역 중 대상체가 검출된 영역에서의 픽셀 대 면적비는 제 2 해상도 스캔 동안 증가된다. 특정 관심 영역과 관련된, 예를 들어, 매 3번째 픽셀(104), 매 2번째 픽셀(104) 또는 매 픽셀(104)이 제어기(106)에 의해 활성화될 수 있다. 이것은 고해상도 스캔이 LIDAR 시스템의 전체 관측 영역 중 대상체가 검출된 영역만을 포함하는 도 4의 왼쪽에 'B'로 표시된 픽셀 시나리오로 도시된다.
대상체 후보가, 예를 들어, 분석 유닛(114)에 의해 대상체로 확인되면, 제어기(106)는 픽셀(104)의 제 2 서브세트를 대상체의 예측된 이동 트랙의 영역을 포함하도록 자동적으로 조정할 수 있다. 이것은 제어기(106)가 검출된 대상체의 이동 또는 예상되는 이동에 기초하여 고해상도 스캔으로 추적하기 위해 상이한 픽셀(104)을 사용하는 도 4의 좌측에 'C'로 표시된 픽셀 시나리오에 의해 도시된다. 이러한 방식에서는, 픽셀화된 광원(100) 및 광센서(110)를 갖는 LIDAR 시스템은 더 많은 픽셀(104)을 활성화하지 않고도 고해상도 대상체 추적을 유지할 수 있다.
다음으로, 픽셀화된 광원 및 광센서(110)를 구현하기 위한 다양한 실시예가 설명된다.
도 5는 픽셀화된 광원(100)의 일 실시예를 도시한다. 픽셀화된 광원(100)은 발광 디바이스(400)에 전기 신호를 인가하기 위한 개별 LED 및 대응하는 LED 구동 칩(다이) 또는 복수의 LED 구동 칩(402)의 어레이와 같은 발광 디바이스(400)로서 구현될 수 있다. 방사된 광은 가시광, 적외선, 자외선 등일 수 있다. 발광 디바이스(400) 및 LED 구동 칩(들)(402)은 PCB(예컨대, 인쇄 회로 기판)와 같은 기판(404) 상에 나란한 구성으로 배열될 수 있다. 전기적인 칩 대 칩 연결(chip-to-chip connection)은 기판(404)을 통해 실현될 수 있다.
도 6은 픽셀화된 광원(100)의 다른 실시예를 도시한다. 픽셀화된 광원(100)은 발광 디바이스(500)에 전기 신호를 인가하기 위한 개별 LED 및 대응하는 LED 구동 칩 또는 복수의 LED 구동 칩(502)의 어레이와 같은 발광 디바이스(500)로서 구현될 수 있다. 방사된 광은 가시광, 적외선, 자외선 등일 수 있다. 발광 디바이스(500) 및 LED 구동 칩(들)(502)은 하이브리드 칩-온-칩 구성(hybrid chip-on-chip)으로 어레이될 수 있다. 전기적인 연결은 발광 디바이스(500)와 LED 구동 칩(들)(502) 사이의 수직 칩 대 칩 인터페이스에 의해 실현될 수 있다.
도 7은 픽셀화된 광원(100) 및 광센서(110)에 대한 다양한 구현 실시예를 도시한다. 상부 행은 광원 및 광센서의 물리적 구성의 유형을 나타내고, 제 2 행은 픽셀화된 광원(100)에 대응하고, 제 3 행은 광센서(110)에 대응하며, 제 4 행은 상이한 픽셀화된 광원 및 광센서의 물리적 구성에 대해 제어기(106)에 의해 구현된 동일한 예시적인 픽셀 패턴을 도시한다.
픽셀화된 광원(100)은, 제 1 열에 도시된 바와 같이, LED 구동 칩 또는 복수의 LED 구동 칩을 갖는 개별 LED의 어레이로서 구현될 수 있다. 그 대신 픽셀화된 광원(100)은, 제 2 열에 도시된 바와 같이, LED 구동 칩 또는 복수의 LED 구동 칩을 갖는 CSP(Chip Scalable Package)로 조립된 복수의 LED로서 구현될 수 있다. 다른 옵션은, 제 3 열에 도시된 바와 같이, 개별 제어 가능한 LED 픽셀을 갖는 모놀리식 하이브리드 칩(LED + 드라이버 IC)으로서 픽셀화된 광원(100)을 구현하는 것이다.
광센서(110)는 제 1 열에 도시된 바와 같은 개별 센서 어레이, 제 2 열에 도시된 바와 같은 CSP에 조립된 복수의 센서, 또는 제 3 열에 도시된 바와 같은 개별적으로 어드레스 가능한 센서 픽셀을 갖는 모놀리식 하이브리드 칩(센서+제어 IC)으로 구현될 수 있다.
광센서(110) 및 픽셀화된 광원(100)은 동일한 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 이 디바이스는 LED 구동 칩(다이)과 센서 제어 칩(다이) 또는 다수의 LED 구동 칩 및 센서 제어 칩을 가진 개별 LED와 개별 센서의 혼합 어레이를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 이 디바이스는 LED 구동 칩 및 센서 제어 칩 또는 다수의 LED 구동 칩 및 센서 제어 칩을 가진 CSP에 조립된 복수의 센서를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 이 디바이스는 개별 제어 가능한 픽셀들을 가진 모놀리식 하이브리드 칩(LED+드라이버 IC)을 포함할 수 있고, 여기서 픽셀들은 발광 모드 또는 광 감지 모드로 동작될 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시예의 광센서 및 픽셀화된 광원은 가시광 LED 및/또는 광 소자로 제한되지 않는다. IR 또는 UV 파장 또는 다중 파장을 방사/감지하는 소자가 또한 사용될 수 있다.
픽셀화된 광원(100)을 제어하고 광센서 데이터를 분석하기 위한 방법은 소프트웨어, 펌웨어 및/또는 하드웨어 내에 코딩되어 구현될 수 있다. 이 방법은 주변 장치를 갖는 마이크로컨트롤러 디바이스와 같은 연산/제어 유닛에 위치될 수 있고, LED 구동 칩이나 센서 제어 칩 등에 집적될 수 있다.
"제 1", "제 2" 등과 같은 용어는 다양한 요소, 영역, 섹션 등을 설명하기 위해 사용되며, 제한하려는 의도로 사용되는 것은 아니다. 동일한 용어는 상세한 설명 전반에 걸쳐 동일한 요소를 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "갖는(having)", "함유하는(containing)", "포함하는(including)", "구비하는(comprising)" 등은 명시된 요소나 피처의 존재를 나타내지만 추가 요소나 피처를 배제하지 않는 개방적 종결 용어이다. "하나(a)", "하나(an)" 및 "그(the)"라는 문구는 문맥에 달리 명시되어 있지 않은 한 단수뿐만 아니라 복수까지 포함하기 위한 것이다.
달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 본 명세서에 기술된 다양한 실시예의 피처는 서로 조합될 수 있음을 이해해야 한다.
본 명세서에서 특정 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 기술 분야의 당업자라면 다양한 대안적 및/또는 등가의 구현이 본 발명의 범주를 벗어나지 않고, 도시 및 설명된 특정 실시예를 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 본 출원은 본 명세서에서 논의된 특정 실시예의 모든 개조 또는 변형을 포함하고자 한다. 따라서, 본 발명은 특허 청구 범위 및 그 균등물에 의해서만 제한되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. LIDAR(Light Detection and Ranging) 시스템으로서,
    개별 제어 가능한 픽셀의 2차원 어레이를 포함하는 픽셀화된 광원과,
    상기 픽셀화된 광원으로부터 독립 제어된 광빔을 방사하기 위해 상기 2차원 어레이의 각 픽셀을 개별 제어하도록 동작 가능한 제어기와,
    상기 픽셀화된 광원과 함께 정렬되고, 상기 픽셀화된 광원으로부터 방사된 상기 독립 제어된 광빔을 상이한 방향으로 지향시키는 것과 상기 독립 제어된 광빔을 확산시키는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 하나 이상의 광학 부품과,
    상기 픽셀화된 광원의 범위 내에서 광센서가 지향하는 방향으로 대상체로부터 반사된, 상기 독립 제어된 광빔 중 하나 이상을 검출하도록 구성된 상기 광센서를 포함하는
    LIDAR 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광센서는, 상기 픽셀화된 광원과 함께 동일한 반도체 다이(die) 내 또는 동일한 패키지 내에 집적되는,
    LIDAR 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광센서는, 발광 소자(light emitter)로서 동작하지 않는 상기 픽셀화된 광원의 개별 제어 가능한 픽셀의 서브세트에 의해 실현되는,
    LIDAR 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어기는, 발광용으로 사용되는 픽셀 및 광 검출용으로 사용되는 픽셀이 시간 경과에 따라 변경되도록, 상기 광센서를 구현하기 위해 사용되는 개별 제어 가능한 픽셀의 상기 서브세트를 변경하도록 동작 가능한,
    LIDAR 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 픽셀화된 광원의 각 픽셀은 발광 모드와 광 검출 모드에서 교대로 동작하는,
    LIDAR 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광센서는, 픽셀화되지 않은 단일 광센서이거나, 또는 상기 픽셀화된 광원으로부터 이격되어 상기 픽셀화된 광원으로부터 방사된 상기 독립 제어된 광빔과 정렬된 광센서의 픽셀화된 어레이인,
    LIDAR 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 제 1 픽셀 대 면적비(pixel-to-area-ratio)를 사용하여 하나 이상의 대상체 후보를 검출하기 위해 상기 2차원 어레이의 픽셀의 서브세트를 사용하여 상기 LIDAR 시스템의 전체 범위의 제 1 해상도 스캔을 수행하고, 제 2 픽셀 대 면적비를 사용하여 상기 하나 이상의 대상체 후보의 방향으로 발광하는 상기 2차원 어레이의 픽셀의 제 2 서브세트를 사용하여 상기 LIDAR 시스템의 상기 전체 범위 중 상기 하나 이상의 대상체 후보가 검출된 영역의 제 2 해상도 스캔을 수행하도록 동작 가능한,
    LIDAR 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 대상체 후보 중 하나가 상기 대상체로서 확인되면, 상기 제 2 서브세트의 픽셀은, 상기 대상체의 예측된 이동 트랙의 영역을 포함하도록 자동적으로 조정되는,
    LIDAR 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 LIDAR 시스템의 전체 범위로 들어가는 새로운 대상체 후보를 검출하기 위해 상기 2차원 어레이의 픽셀의 제 1 서브세트를 주기적으로 활성화하도록 동작 가능한,
    LIDAR 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 LIDAR 시스템의 범위로 들어가는 새로운 대상체 후보를 검출하기 위해 50 내지 100 밀리초마다 상기 2차원 어레이의 픽셀의 제 1 서브세트를 주기적으로 활성화하도록 동작 가능한,
    LIDAR 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 2차원 어레이의 픽셀의 서브세트 부근 또는 범위 내에서 상기 광센서에 의해 검출된 약한 반사나 스퓨리어스 신호(spurious signal)를 검증하기 위해, 상기 픽셀의 서브세트를 동시에 활성화하도록 동작 가능한,
    LIDAR 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광센서에 의해 검출된 상기 독립 제어된 광 빔 중 하나 이상에 기초하여 상기 대상체와 상기 LIDAR 시스템 사이의 거리와 방위 중 적어도 하나를 계산하도록 동작 가능한 분석 유닛을 더 포함하는
    LIDAR 시스템.
  13. LIDAR(Light Detection and Ranging) 시스템의 동작 방법으로서,
    상기 시스템은, 개별 제어 가능한 픽셀의 2차원 어레이를 포함하는 픽셀화된 광원 및 광센서를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 픽셀화된 광원으로부터 독립 제어된 광빔을 방사하기 위해 상기 2차원 어레이의 각 픽셀을 개별 제어하는 단계와,
    상기 픽셀화된 광원으로부터 방사된 상기 독립 제어된 광빔을 상이한 방향으로 지향시키는 것과 상기 독립 제어된 광빔을 확산시키는 것 중 적어도 하나를 수행하는 단계와,
    상기 픽셀화된 광원의 범위 내에서 상기 광센서를 향하는 방향으로 대상체로부터 반사된, 상기 독립 제어된 광빔 중 하나 이상을 검출하는 단계를 포함하는,
    LIDAR 시스템의 동작 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    발광 소자로서 동작하지 않는 상기 픽셀화된 광원의 개별 제어 가능한 픽셀의 서브세트에 의해 상기 광센서를 실현하는 단계를 더 포함하는
    LIDAR 시스템의 동작 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    발광용으로 사용되는 상기 픽셀 및 광 검출용으로 사용되는 상기 픽셀이 시간 경과에 따라 변경되도록, 상기 광센서를 구현하기 위해 사용되는 개별 제어 가능한 픽셀의 상기 서브세트를 변경하는 단계를 더 포함하는
    LIDAR 시스템의 동작 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광센서를 구현하기 위해 사용되는 개별 제어 가능한 픽셀의 상기 서브세트를 변경하는 단계는,
    상기 픽셀화된 광원의 각 픽셀을 발광 모드와 광 검출 모드에서 교대로 동작시키는 단계를 포함하는,
    LIDAR 시스템의 동작 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    제 1 픽셀 대 면적비를 사용하여 대상체 후보를 검출하기 위해 상기 2차원 어레이의 픽셀의 서브세트를 사용하여 상기 LIDAR 시스템의 전체 범위의 제 1 해상도 스캔을 수행하는 단계와,
    제 2 픽셀 대 면적비를 사용하여 상기 대상체 후보의 방향으로 발광하는 상기 2차원 어레이의 픽셀의 제 2 서브세트를 사용하여, 상기 LIDAR 시스템의 전체 범위 중 상기 대상체 후보가 검출된 영역의 제 2 해상도 스캔을 수행하는 단계를 더 포함하는
    LIDAR 시스템의 동작 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 LIDAR 시스템의 범위로 들어가는 새로운 대상체 후보를 검출하기 위해 상기 2차원 어레이의 픽셀의 제 1 서브세트를 주기적으로 활성화시키는 단계를 더 포함하는
    LIDAR 시스템의 동작 방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 2차원 어레이의 픽셀의 서브세트 부근 또는 범위 내에서 상기 광센서에 의해 검출된 약한 반사 또는 스퓨리어스 신호를 검증하기 위해 상기 픽셀의 서브세트를 동시에 활성화하는 단계를 더 포함하는
    LIDAR 시스템의 동작 방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 광센서에 의해 검출된 상기 독립 제어된 광빔 중 하나 이상에 기초하여 상기 대상체와 상기 LIDAR 시스템 사이의 거리를 계산하는 단계를 더 포함하는
    LIDAR 시스템의 동작 방법.
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