KR20200024914A - 전자적으로 스캔되는 방출기 어레이 및 동기화된 센서 어레이를 갖는 광 레인징 장치 - Google Patents

전자적으로 스캔되는 방출기 어레이 및 동기화된 센서 어레이를 갖는 광 레인징 장치 Download PDF

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안구스 파칼라
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아우스터, 인크.
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Abstract

실시예들은, 송신 구성요소 내의 방출기 어레이의 광 방출 시퀀스가 수신 구성요소 내의 광센서 어레이의 포착 시퀀스에 대응하도록 동작들이 동기화되는 스캐닝 초점 평면 송신 구성요소 및 스캐닝 초점 평면 수신 구성요소를 포함하는 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템을 설명한다. 작동 중에, 방출기 어레이는 하나 이상의 광 방출기들을 장면 내로 순차적으로 광 방출시킬 수 있고, 반사된 광은 광센서들의 전면에 위치된 개구층을 통해 하나 이상의 광센서들의 대응하는 세트에 의해 수신될 수 있다. 각각의 광 방출기는 개구층 내의 개구에 대응할 수 있고, 각각의 개구는 각각의 광 방출기가 수신 구성요소 내의 특정 광센서에 대응하도록 수신 구성요소 내의 광센서에 대응할 수 있다.

Description

전자적으로 스캔되는 방출기 어레이 및 동기화된 센서 어레이를 갖는 광 레인징 장치
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2017년 7월 5일에 출원된 미국 특허 임시출원 제62/528,879호의 우선권을 주장하며, 그 개시내용이 전체적으로 그리고 모든 목적을 위해 본원에 참고로 포함된다.
광 이미징, 검출 및 거리측정(Light imaging, detection and ranging, LIDAR) 시스템은 펄싱된 레이저 광으로 타겟을 조명하고, 반사된 펄스를 센서로 측정함으로써 타겟에 대한 거리를 측정한다. 이어서, 비행 시간(time-of-flight) 측정이, 타겟의 디지털 3D-표현을 만드는 데에 사용될 수 있다. LIDAR 시스템은 다른 응용들 중에서도 고고학, 지리학, 지질학, 임학(forestry), 맵핑, 건설, 의료 영상 및 군사 응용을 포함하여, 3D 깊이 이미지들이 유용한, 다양한 응용들을 위해 사용될 수 있다. 자율주행 차량도 또한, 차량 내비게이션뿐만 아니라 장애물 검출 및 회피를 위해 LIDAR를 사용할 수 있다.
일부 LIDAR 시스템들은, 시야 내의 장면의 이미지를 포착(capture)하기 위해 360° 이하의 회전 각도 주위로 송신 및 수신 구성요소를 물리적으로 스캔하는 기계적인 이동 요소를 포함한다. 차량 내의 장애물 검출 및 회피에 사용될 수 있는 그러한 시스템의 일 예는 종종, 회전 또는 스핀 LIDAR 시스템으로 지칭된다. 회전 LIDAR 시스템에서, LIDAR 센서는 일반적으로 하우징 내에, 360도 전체로 회전 또는 스핀하는 기둥(column)에 장착된다. LIDAR 센서가 장면을 통해 연속적으로 회전될 때 차량 주위의 해당 장면을 조명하기 위해, LIDAR 센서는 간섭성(coherent) 광 방출기(emitter)(예를 들어, 적외선 또는 근적외선 스펙트럼의 펄스화된 레이저)를 포함한다. 간섭성 광 방출기들이 회전함에 따라, 이들은 장면 내의 상이한 방향들로 LIDAR 시스템으로부터 멀리, 복사 펄스들을 전송한다. 장면 내의 주변 물체들에 입사되는 복사의 일부는 차량 주위의 이러한 물체들로부터 반사되고, 이어서 이러한 반사들은 서로 다른 시간 간격들에서 LIDAR 센서의 이미징 시스템 부분에 의해 검출된다. 이미징 시스템은 검출된 광을 전기 신호로 변환한다.
이러한 방식으로, 거리 및 형상을 포함하여 LIDAR 시스템 주위의 물체에 관한 정보가 수집되고 처리된다. LIDAR 시스템의 디지털 신호 처리 유닛은 전기 신호를 처리하고, 차량 내비게이션 및 다른 목적을 위해서뿐만 아니라 장애물 검출 및 회피에 도움되는 것으로서 사용될 수 있는, 3D 포인트 클라우드 또는 깊이 이미지 내의 물체에 대한 정보를 재생성할 수 있다. 부가적으로, 이미지 처리 및 이미지 정합(stitching) 모듈은 정보를 취하여 차량 주위의 물체의 디스플레이를 조립할 수 있다.
다른 유형의 기계적 LIDAR 시스템은, 예를 들어, 거울 검류계(mirror galvanometer)를 사용하여 미리 결정된 스캔 패턴을 따라 레이저 빔을 스캔한다. 일부 이러한 시스템은 레이저 빔의 스캔 패턴과 일치하도록 전자적으로 스캔되는 광센서의 2차원 어레이를 포함할 수 있다. 그러나, 빔을 조향하기 위해 기계적 시스템이 사용될 때 센서 어레이를 레이저 빔으로 보정하고 동기화하는 것이 어려울 수 있다.
또한, 솔리드-스테이트(solid-state) LIDAR 시스템들은 임의의 이동하는 기계 부품들을 포함하지 않는다. 장면을 통해 회전하는 대신에, 일부 솔리드-스테이트 LIDAR 시스템들은 포착하고자 하는 장면의 전체 부분을 광으로 조명(flash)하고, 반사된 광을 감지한다. 이러한 시스템들에서, 송신기는 한 번에 광을 방출하여 장면을 조명하는 방출기들의 어레이를 포함하고, 종종 "플래시" LIDAR 시스템들로 지칭된다. 플래시 LIDAR 시스템들은 이동 부품들이 없기 때문에 제조하기에는 덜 복잡하지만, 그들은 방출기들 모두가 한번에 활성화되고 그들이 한번에 모든 픽셀 검출기들로부터의 신호들을 처리하기 위해 많은 양의 처리 전력을 필요로 할 수 있기 때문에, 동작하기 위해 많은 양의 전력을 필요로 할 수 있다. 광 방출기들의 개수를 감소시키면 결과적인 이미지의 품질 및 해상도를 희생하여 전력을 절약할 수 있다. 방출된 많은 양의 광은 또한 수신단에서 노이즈를 발생시킬 수 있는 바람직하지 않은 양의 미광(stray light)을 유발함으로써, 감지된 신호의 신호-대-노이즈 비를 감소시키고, 흐릿한 이미지를 야기할 수 있다.
본 개시의 일부 실시예들은 회전 기둥 또는 거울 검류계가 존재하지 않는, 고정된(stationary) 솔리드-스테이트 LIDAR 시스템에 관한 것이다. 실시예들은 고해상도 및 낮은 전력 소모에서 장면의 이미지를 포착할 수 있고, 현재 가용한 스핀 LIDAR 시스템들과 비교하여, 향상된 정확성, 신뢰성, 크기, 집적도 및 외관을 갖는다.
일부 실시예들에 따르면, 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템은, 송신 구성요소 내의 방출기 어레이의 광 방출(firing) 시퀀스가 수신 구성요소 내의 광센서 어레이의 포착 시퀀스에 대응하도록 동작들이 동기화되도록 하는, 스캐닝 초점 평면 송신 구성요소 및 스캐닝 초점 평면 수신 구성요소를 포함할 수 있다. 송신 구성요소 및 수신 구성요소는 각각, 대상 공간 내에서의 송신기 시야 및 수신기 시야를 각각 시준(collimate)하는, 이미지 공간 텔레센트릭(telecentric) 벌크 광학계(optics)에 연결될 수 있다.
작동 중에, 방출기 어레이는 하나 이상의 광 방출기들을 장면 내로 순차적으로 광 방출시킬 수 있고, 반사된 광은 광센서들의 전면에 위치된 개구층을 통해 하나 이상의 광센서들의 대응하는 세트에 의해 수신될 수 있다. 각각의 광 방출기는 개구층 내의 개구(aperture)에 대응할 수 있고, 각각의 개구는 각각의 광 방출기가 수신 구성요소 내의 특정 광센서에 대응하도록 수신 구성요소 내의 광센서에 대응할 수 있다. 개구는 이웃 광센서에 대한 미광(stray light)의 노출을 완화시킬 수 있을 뿐만 아니라 광센서에 대한 시야를 시야 내의 단일 지점으로 좁힐 수 있다. 광 방출 및 포착 시퀀스들을 동기화함으로써, 솔리드-스테이트 스캐닝 LIDAR 시스템은, 대응하는 세트의 광센서들에 의해 효율적으로 검출될 수 있는 방출기들의 세트로부터 특정 양의 광만을 조명하여 이미지들을 효율적으로 포착할 수 있고, 이로써, 시스템에 가용전력의 최적의 사용을 가능하게 하는 방식으로 장면의 과도한 조명을 최소화하고 에너지를 집중시킬 수 있다. 또한, 본원의 실시예들에서의 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들은 장면의 이미지들이 포착되는 효율을 더 향상시키기 위해 마이크로-광학계(micro-optics)를 이용할 수 있다. 마이크로-광학계는 송신 구성요소로부터 방출되는 광의 밝기 및 세기를 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 전기적 스캐닝 LIDAR 시스템의 수신 구성요소의 센서 픽셀들 사이의 크로스토크(cross-talk)를 최소화할 수 있다.
본 개시의 일부 실시예들에 따른 솔리드-스테이트 스캐닝 LIDAR 시스템은 수신 구성요소를 위한 스캐닝 초점 평면 어레이, 및 송신 구성요소에 연결된 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 1차원 스캐닝 미러를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 송신기 구성요소는 MEMS 미러의 스캐닝 축에 수직으로 배향된 방출기들의 1차원 어레이일 수 있고, 일부 다른 실시예들에서, 송신기 구성요소는 전자 스캐닝을 가능하게 하기 위해서 다수의 회절 광학 구성요소들 뒤에 MEMS 미러 또는 다수의 방출기들에 연결된 레이저 라인을 생성하기 위해 다른 광학 구성요소의 회절 요소를 갖는 단일 방출기일 수 있다.
일부 실시예들에서, 솔리드-스테이트 광학 시스템은, 개별적인 광 방출기들의 어레이를 갖는 송신기 층을 포함하는 광 전송 모듈과, 광센서들의 어레이를 포함한 센서층을 포함하는 광 센싱 모듈과, 광 방출기들의 어레이에 연결되고, 한 번에 광 방출기들의 서브세트만을 활성화하도록 구성되는 방출기 어레이 광 방출 회로와, 광센서들의 어레이에 연결되되, 하나의 방출 사이클을 통해 개별적인 광 방출기들의 어레이 내의 각각의 광 방출기가 활성화될 수 있도록 그리고 광센서들의 어레이 내의 각각의 광센서가 판독될 수 있도록, 상기 어레이 내의 개별적인 광센서들의 판독을 대응하는 광 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 판독 회로를 포함한다. 광 방출기들의 어레이 내의 각각의 광 방출기는 광 센싱 모듈 내의 대응하는 광센서와 쌍을 이룰 수 있다.
일부 부가적인 실시예들에서, 거리 측정을 수행하기 위한 솔리드-스테이트 광학 시스템은, 벌크 송신기 광학계와, 조명 패턴에 따라 배열되고 광학 시스템의 전방 시야로 벌크 송신기 광학계를 통한 광의 이산적인 빔들을 투사하도록 정렬된, 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함한 조명 소스를 포함하는, 광 방출 시스템을 포함한다. 솔리드-스테이트 광학 시스템은, 복수의 개구들을 포함하는 개구층과, 벌크 수신기 광학계와, 조명 소스로부터 방출되고 벌크 수신기 광학계를 통과한 후의 시야 내의 표면들로부터 반사된 광자들을 검출하도록 구성된, 광센서들의 2차원 어레이를 포함한 광센서층을 포함하는, 광 검출 시스템을 더 포함한다. 개구층 및 광센서층은 조명 패턴에 대응하는 센싱 패턴으로 배열된 복수의 센싱 채널들을 형성하도록 배열될 수 있고, 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널은 방출기들의 어레이 내의 하나의 방출기에 대응하며 개구층 중의 하나의 개구 및 광센서층 중의 하나의 광센서를 포함할 수 있다. 솔리드-스테이트 광학 시스템은, 광 방출기들의 2차원 어레이에 연결되고, 한 번에 광 방출기들의 서브세트만을 활성화하도록 구성되는 방출기 어레이 광 방출 회로와, 광센서들의 2차원 어레이에 연결되되, 하나의 방출 사이클을 통해 개별적인 광 방출기들의 어레이 내의 각각의 광 방출기가 활성화될 수 있도록 그리고 광센서들의 어레이 내의 각각의 광센서가 판독될 수 있도록, 어레이 내의 개별적인 광센서들의 판독을 대응하는 광 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 판독 회로를 더 포함한다.
특정 실시예들에서, 거리 측정을 수행하기 위한 솔리드-스테이트 광학 시스템은, 벌크 송신기 광학계와, 조명 패턴 내의 각각의 이산 빔이 시야 내의 비-중첩 시야를 나타내는 조명 패턴에 따라 광학 시스템 외부의 시야로 벌크 송신기 광학계를 통한 광의 이산적인 빔들을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하는 조명 소스를 포함하는, 광 방출 시스템을 포함한다. 솔리드-스테이트 광학 시스템은, 조명 소스로부터 방출되고 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성된 광 검출 시스템을 더 포함하고, 광 검출 시스템은 복수의 개구들을 포함한 개구층, 벌크 수신기 광학계, 및 광센서들의 2차원 어레이를 포함한 광센서층을 포함하며, 개구층 및 광센서층은 시스템으로부터 특정 거리들의 범위에 걸쳐 크기 및 기하학적 형상이 광 방출기들의 어레이의 조명 패턴과 실질적으로 매칭하는 시야 내의 센싱 패턴을 갖는 복수의 센싱 채널들을 형성하도록 배열되고, 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널은 방출기들의 어레이 중 하나의 방출기에 대응하되, 개구층 중 하나의 개구 및 광센서층 중 하나의 광센서를 포함한다. 솔리드-스테이트 광학 시스템은, 광 방출기들의 어레이에 연결되고, 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성되되, 조명 패턴이 생성될 때까지 각각의 이미지 포착 주기 동안, 광 방출 시퀀스에 따라 광 방출기들의 어레이 내의 방출기들의 서브세트들을 순차적으로 광 방출시키는 방출기 어레이 광 방출 회로와, 광센서들의 어레이에 연결되고, 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 광 방출기들의 어레이 내의 대응하는 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성되는 센서 어레이 판독 회로를 포함한다.
일부 실시예들에서, 거리 측정을 수행하기 위한 솔리드-스테이트 광학 시스템은, 제1 조명 패턴에 따라 광학 시스템 외부의 시야로 광의 이산적인 빔들을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 제1의 2차원 어레이를 포함하는 제1 조명 소스와, 제1 조명 패턴과 동일한 크기 및 기하학적 형상을 갖는 제2의 조명 패턴에 따라 시야 내로 광의 이산적인 빔들을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 제2의 2차원 어레이를 포함하는 제2 조명 소스와, 제1 조명 소스 및 제2 조명 소스로부터 방출되고 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성된 광센서들의 어레이를 포함하는 광 검출 모듈을 포함하고, 광센서들의 어레이 내의 각각의 광센서는 광 방출기들의 제1의 어레이 중의 하나의 방출기 및 광 방출기들의 제2의 어레이 중의 하나의 방출기의 시야와 중첩하는 시야를 가진다. 하나 이상의 광 방출기들이 활성화되는 경우, 대응하는 하나 이상의 광센서들이 판독되도록, 광 방출기들의 제1 및 제2의 어레이들 및 광센서들의 어레이가 동기화되어 동작할 수 있다.
일부 부가적인 실시예들에서, 거리 측정을 수행하기 위한 솔리드-스테이트 광학 시스템은, 제1 벌크 송신기 광학계, 및 상기 제1 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 제1 조명 패턴에 따라 광학 시스템 외부의 시야로 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 제1의 2차원 어레이를 포함한 제1 조명 소스를 포함하는 제1 광 방출 모듈과, 제2 벌크 송신기 광학계, 및 상기 제1 조명 패턴과 동일한 크기 및 기하학적 형상을 갖는 제2 조명 패턴에 따라 제2 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 시야 내로 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 제2의 2차원 어레이를 포함한 제2 조명 소스를 포함하는 제2 광 방출 모듈과, 벌크 수신기 광학계, 복수의 개구를 포함한 개구층, 및 상기 제1 및 제2 조명 소스들로부터 방출되고 상기 벌크 수신기 광학계를 통해 상기 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성되는 광센서들의 어레이를 포함한 광센서층을 포함하는 광 검출 모듈을 포함하고, 개구층 및 광센서층은 센싱 채널들의 2차원 어레이를 형성하도록 배열되며, 각각의 센싱 채널은 개구층 중의 하나의 개구 및 광센서층 중의 하나의 광센서를 포함하되 제1 방출기 어레이 중의 하나의 방출기 및 제2 방출기 어레이 중의 하나의 방출기의 시야와 중첩하는 시야를 가진다. 광 방출기들의 제1 및 제2 어레이들과 광센서들의 어레이는 하나 이상의 광 방출기들이 활성화되는 경우, 대응하는 상기 광센서들이 판독되도록 동기화하여 동작할 수 있다.
특정 실시예들에서, 거리 측정을 수행하기 위한 솔리드-스테이트 광학 시스템은, 벌크 수신기 광학계, 복수의 개구를 포함한 개구층, 및 광센서들의 2차원 어레이를 포함한 광센서층을 포함하는 광 검출 시스템을 포함하고, 개구층 및 광센서층은 센싱 패턴을 갖는 복수의 센싱 채널들을 형성하도록 배열되며, 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널은 광 검출 시스템 전방의 시야 내의 임계 거리를 넘어서 이산적인 비-중첩 시야를 정의하되 개구층 중의 하나의 개구 및 광센서층 중의 하나의 광센서를 포함한다. 솔리드-스테이트 광학 시스템은, 또한, 제1 벌크 송신기 광학계와, 제1 조명 패턴에 따라 제1 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 시야 내로 투사하도록 정렬되는 광 방출기들의 제1의 2차원 어레이와, 제2 벌크 송신기 광학계와, 제1 조명 패턴과 동일한 크기 및 기하학적 형상을 갖는 제2 조명 패턴에 따라 제2 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 시야 내로 투사하도록 정렬되는 광 방출기들의 제2의 2차원 어레이를 포함하는 광 방출 시스템을 포함하며, 제1 및 제2 조명 패턴들은, 제1 조명 패턴 중의 하나의 이산적 빔 및 제2 조명 패턴 중의 하나의 이산적 빔이 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널의 시야 내에 있도록 정렬된다. 솔리드-스테이트 광학 시스템은, 광 방출기들의 제1 및 제2 어레이들에 연결되고, 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성되되, 제1 및 제2 조명 패턴들이 생성될 때까지 각각의 이미지 포착 주기 동안 제1 방출기 어레이 중의 방출기들의 서브세트, 및 이어서 제2 방출기 어레이 중의 방출기들의 서브세트를 순차적으로 광 방출시키는 방출기 어레이 스캐닝 회로와, 광센서들의 어레이에 연결되고, 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 광 방출기들의 제1 및 제2의 어레이들 내의 대응하는 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성되는 센서 어레이 스캐닝 회로를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 거리 측정을 수행하기 위한 광학 시스템은, 광학 시스템 외부의 시야로 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 열을 포함하는 조명 소스와, 광 방출기들의 열에 수직으로 배향된 스캐닝 축을 따라 경사지고, 상기 열로부터의 복사를 시야 내로 반사하여 상기 광 방출기들의 열로부터의 이산적 빔이 패턴 내에서 다수의 비-중첩 열들을 형성하여 여러 번 반복되는 2차원 조명 패턴을 생성하도록 구성되는 MEMS 장치와, 조명 소스로부터 방출되고 시야 내의 표면들로부터 반사된 광자들을 검출하도록 구성된 광 검출 시스템을 포함하되, 광 검출 시스템은 시스템으로부터 특정 거리들의 범위에 걸쳐 크기 및 기하학적 형상이, MEMS 장치에 의해 생성된 2차원 조명 패턴과 실질적으로 매칭하는 센싱 패턴을 갖는, 광센서들의 2차원 어레이를 포함한 광센서층을 포함한다. 광학 시스템은, MEMS 장치 및 광 방출기들의 열에 연결되고, 조명 패턴이 생성될 때까지 각각의 이미지 포착 주기 동안, MEMS 장치가 그 축을 따라 경사지면서, 광 방출기들의 열이 순차적으로 광 방출되는 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성되는 회로와, 광센서들의 어레이에 연결되고, 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 광 방출기들의 열 내의 대응하는 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 스캐닝 회로를 더 포함한다.
일부 부가적인 실시예들에서, 거리 측정을 수행하기 위한 광학 시스템은, 벌크 송신기 광학계 및 상기 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 광학 시스템 외부의 시야로 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 열을 포함하는 조명 소스를 포함하는 광 방출 시스템과, 벌크 송신기 광학계 및 조명 소스 사이에 배치되되, 상기 광 방출기들의 열에 수직으로 배향된 스캐닝 축을 따라 경사지도록, 그리고 상기 열로부터의 복사를 광학 시스템 외부의 시야로 반사하여, 광 방출기들의 열로부터의 이산적 빔이 패턴 내에서 다수의 비-중첩 열들을 형성하여 여러 번 반복되는 2차원 조명 패턴을 생성하도록 구성되는 MEMS 장치와, 상기 조명 소스로부터 방출되고 상기 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성되는 광 검출 시스템을 포함하고, 광 검출 시스템은 벌크 수신기 광학계, 복수의 개구를 포함한 개구층, 및 광센서들의 2차원 어레이를 포함하는 광센서층을 포함하며, 개구층 및 광센서층은 시스템으로부터 특정 거리들의 범위에 걸쳐 크기 및 기하학적 형상이 MEMS 장치에 의해 생성된 2차원 조명 패턴과 실질적으로 매칭하는 시야 내의 센싱 패턴을 갖는, 복수의 센싱 채널들을 형성하도록 구성되고, 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널은 방출기들의 어레이 내의 하나의 방출기에 대응하되 개구층 중의 하나의 개구 및 광센서층 중의 하나의 광센서를 포함한다. 광학 시스템은 MEMS 장치 및 광 방출기들의 열에 연결되고, 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성되되, 조명 패턴이 생성될 때까지 각각의 이미지 포착 주기 동안 MEMS 장치가 그 축을 따라 경사지면서 광 방출기들의 열이 순차적으로 광 방출되는 회로와, 광센서들의 어레이에 연결되고, 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 광 방출기들의 어레이 내의 대응하는 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 스캐닝 회로를 더 포함한다.
특정 실시예들에서, 거리 측정을 수행하기 위한 광학 시스템은, 벌크 송신기 광학계, 및 상기 벌크 송신기 광학계를 통하여 광학 시스템 외부의 시야로 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬된 단일 광 방출기를 포함하는 조명 소스를 포함하는 광 방출 시스템과, 벌크 송신기 광학계 및 조명 소스 사이에 배치되고, 단일 광 방출기로부터 스팟 패턴을 발생시키도록 구성되는 광학 구성요소와, 광학 구성요소 및 조명 소스 사이에 배치되되, 스캐닝 축을 따라 경사지고, 광학 시스템 외부의 시야로 단일 광 방출기로부터의 복사를 반사하여, 광의 스팟 패턴이 패턴 내에서 다수의 비-중첩 열들을 형성하여 여러 번 반복되는 2차원 조명 패턴을 생성하도록 구성되는 MEMS 장치와, 조명 소스로부터 방출되고 시야 내의 표면들로부터 반사된 광자들을 검출하도록 구성되는 광 검출 시스템을 포함하고, 광 검출 시스템은 벌크 수신기 광학계, 복수의 개구를 포함한 개구층, 및 광센서들의 2차원 어레이를 포함한 광센서층을 포함하고, 개구층 및 광센서층은 시스템으로부터 특정 거리들의 범위에 걸쳐 크기 및 기하학적 형상이 MEMS 장치에 의해 생성된 2차원 조명 패턴과 실질적으로 매칭하는 시야 내의 센싱 패턴을 갖는 복수의 센싱 채널들을 형성하도록 배열되며, 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널은 2차원 조명 패턴 내의 스팟에 대응하되 개구층 중의 하나의 개구 및 광센서층 중의 하나의 광센서를 포함한다. 광학 시스템은, MEMS 장치 및 단일 광 방출기에 연결되고, 조명 패턴이 생성될 때까지 각각의 이미지 포착 주기 동안 상기 MEMS 장치가 그의 축을 따라 경사지면서 단일 광 방출기가 순차적으로 광 방출되는 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성되는 회로와, 광센서들의 어레이에 연결되고, 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 단일 광 방출기의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 스캐닝 회로를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 거리 측정을 수행하기 위한 광학 시스템은, 각각의 이산 빔이 시야 내의 비-중첩 시야를 나타내는 조명 패턴에 따라 광학 시스템 외부의 시야로 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 2차원 어레이와, 광센서들의 2차원 어레이로 형성된 광센서층을 포함하는 광 검출 시스템을 포함하며, 광센서들의 2차원 어레이는 제1 광 방출기의 시야가 광센서들의 제1 서브세트 내의 각각의 광센서의 각각의 시야의 적어도 일부와 중첩하도록 광 방출기들의 어레이 중 제1 광 방출기와 대응하도록 위치된 광센서들의 제1 서브세트를 포함하며, 광센서들의 제1 서브세트 내의 각각의 광센서는 제1 광 방출기로부터 방출된 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성된다.
일부 부가적인 실시예들에서, 거리 측정을 수행하기 위한 광학 시스템은, 시야 내로 광의 이산적 빔을 방출하도록 구성되되, 벌크 송신기 광학계, 및 각각의 이산적 빔이 시야 내의 비-중첩 시야를 나타내는 조명 패턴에 따라 광학 시스템 외부의 시야로 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하는, 광 방출 시스템과, 조명 소스로부터 방출되고 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성되되, 벌크 수신기 광학계, 및 광센서들의 2차원 어레이로 형성된 광센서층을 포함하는 광 검출 시스템을 포함하며, 상기 광센서들의 2차원 어레이는 상기 제1 광 방출기의 시야가 상기 광센서들의 제1 서브세트 내의 각각의 광센서의 각각의 시야의 적어도 일부와 중첩하도록 광 방출기들의 어레이 중의 제1 광 방출기와 대응하도록 위치된 광센서들의 제1 서브세트를 포함하며, 상기 광센서들의 제1 서브세트 내의 각각의 광센서는 상기 제1 광 방출기로부터 방출된 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성된다. 광학 시스템은, 광 방출기들의 어레이에 연결되고, 조명 패턴이 생성될 때까지 각각의 포착 주기 동안 광 방출 시퀀스에 따라 광 방출기들의 어레이 내의 방출기들의 서브세트들을 순차적으로 광 방출시키는 복수의 포착 주기를 실행하도록 구성된 방출기 어레이 광 방출 회로와, 광센서 어레이에 연결되고, 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 광 방출기들의 어레이 내의 대응하는 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 판독 회로를 더 포함한다.
특정 실시예들에서, 거리 측정을 수행하기 위한 광학 시스템은, 시야 내로 광의 이산적 빔을 방출하도록 구성되되, 벌크 송신기 광학계, 및 각각의 이산적 빔이 상기 시야 내의 비-중첩 시야를 나타내는 조명 패턴에 따라 광학 시스템 외부의 시야로 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬되는 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하는 광 방출 시스템과, 조명 소스로부터 방출되고 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성되되, 벌크 수신기 광학계, 및 광센서들의 2차원 어레이로 형성된 광센서층을 포함하는 광 검출 시스템을 포함하며, 상기 광센서들의 2차원 어레이는 제1 광 방출기의 시야가 광센서들의 제1 서브세트 내의 각각의 광센서의 각각의 시야의 적어도 일부와 중첩하도록 광 방출기들의 어레이 중의 제1 광 방출기와 대응하도록 위치된 광센서들의 제1 서브세트를 포함하고, 광센서들의 제1 서브세트 내의 각각의 광센서는 제1 광 방출기로부터 방출된 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성된다. 광학 시스템은, 광 방출기들의 어레이에 연결되고, 조명 패턴이 생성될 때까지 각각의 포착 주기 동안 광 방출 시퀀스에 따라 광 방출기들의 어레이 내의 방출기들의 서브세트들을 순차적으로 광 방출시키는 복수의 포착 주기를 실행하도록 구성된 방출기 어레이 광 방출 회로와, 광센서 어레이에 연결되고, 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 광 방출기들의 어레이 내의 대응하는 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 판독 회로를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 광 레인징 장치는, 조명 패턴 내의 각각의 이산적 빔이 시야 내의 비-중첩 시야를 나타내는 조명 패턴에 따라 광 레인징 장치 외부의 시야로 광의 이산적 빔들을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하는 반도체 방출기 어레이로서, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이는 나란히 정렬된 복수의 방출기 뱅크들을 포함하고 상기 각각의 방출기 뱅크는 광 방출기들의 2차원 어레이 내의 방출기들의 서브세트를 포함하되 광 방출기들의 그의 서브세트로부터의 광을 방출시키도록 독립적으로 동작가능한, 반도체 방출기 어레이와, 복수의 방출기 뱅크들에 연결되되, 활성화된 뱅크 내의 방출기들의 서브세트가 광 방출되는 광 방출 시퀀스에 따라 한번에 상기 복수의 방출기 뱅크들 내의 하나의 방출기 뱅크를 활성화하도록 구성되는 방출기 어레이 구동 회로를 포함한다.
일부 부가적인 실시예들에서, 광 레인징 장치는, 상호연결 구조물과, 상호연결 구조물에 연결되는 반도체 방출기 어레이로서, 상기 반도체 방출기 어레이는 벌크 송신기 광학계, 및 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하고, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이는 각각의 개별 빔이 시야 내의 비-중첩 시야를 나타내는 조명 패턴에 따라 광 레인징 장치 외부의 시야로 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬되며, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이는 나란히 정렬된 복수의 방출기 뱅크들을 포함하며 각각의 방출기 뱅크가 광을 방출하도록 독립적으로 동작가능한, 반도체 방출기 어레이와, 반도체 방출기 어레이의 표면 상에 직접 장착되고, 광 방출기들의 어레이에 전기적으로 연결되되, 각각의 구동부가 광 방출 시퀀스에 따라 각각의 방출기 뱅크의 활성화를 제어하도록 구성되는 복수의 구동부들과, 반도체 방출기 어레이가 연결되는 표면에 반대되는 상호연결 구조물의 표면에 연결되되, 복수의 핀을 포함하고, 반도체 방출기 어레이에 의해 생성된 열을 소산하도록 구성되는 히트 싱크와, 상호연결 구조물 및 히트 싱크 사이에 위치하되, 상호연결 구조물로부터의 열을 상기 히트 싱크로 전달하도록 구성되는 열전 냉각기를 포함한다.
특정 실시예들에서, 광 레인징 장치는, 상호연결 구조물과, 상호연결 구조물에 연결되는 방출기 어레이로서, 상기 방출기 어레이는 벌크 송신기 광학계, 및 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하고, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이는 각각의 개별 빔이 시야 내의 비-중첩 시야를 나타내는 조명 패턴에 따라 광 레인징 장치 외부의 시야로 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬되고, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이는 나란히 정렬된 복수의 방출기 뱅크들을 포함하고, 각각의 방출기 뱅크가 광 방출기들의 어레이의 광 방출기들의 각각의 서브세트가 구성되는 반도체 다이인, 방출기 어레이와, 상호연결 구조물 상에 장착되되, 자신 및 광 방출기들의 어레이 사이에 위치된 제1 접촉 어레이를 통해 광 방출기들의 어레이에 전기적으로 연결되는 커패시터 뱅크로서, 상기 커패시터 뱅크는 광의 이산적 빔을 투사하도록 광 방출기들의 어레이를 활성화하기 위해 그의 저장된 에너지를 충전 및 방전하도록 구성되는 복수의 커패시터들을 포함하며, 각각의 커패시터가 각각의 방출기 뱅크에 연결되고 광 방출기들의 각각의 서브세트를 활성화하도록 구성되는, 커패시터 뱅크와, 상호연결 구조물 상에 장착되고, 자신과 광 방출기들의 어레이 사이에 배치된 제2 접촉 어레이를 통해 광 방출기들의 어레이에 전기적으로 연결되는 복수의 구동부들로서, 각각의 구동부가 광 방출기들의 각각의 서브세트의 활성화를 제어하도록 구성되는, 복수의 구동부들과, 상호연결 구조물 상에 장착되고 복수의 구동부들에 전기적으로 연결되되, 외부의 장치가 광 방출 시스템의 동작을 제어하게 하기 위해 외부의 장치에 연결되도록 구성되는 전기 커넥터를 포함한다.
이하의 상세한 설명 및 첨부 도면들을 참조하여 본 개시의 실시예들의 특성 및 장점들을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 예시적인 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템의 블록도이다.
도 2a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 예시적인 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템을 위한 방출기 어레이 및 센서 어레이의 개략도이다.
도 2b 내지 2d는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 예시적인 방출기 어레이의 광 방출 시퀀스 및 센서 어레이의 센서 판독 시퀀스를 예시하는 개략도들이다.
도 3은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 특정 시나리오에서 전자 스캐닝 LIDAR 시스템을 위한 광 전송 및 검출 동작의 예시적인 실시예이다.
도 4는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 방출기 어레이 및 센서 어레이를 위한 중첩 시야들의 단순화한 도면이다.
도 5는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 예시적인 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템의 상세한 측면도를 도시하는 개략도이다.
도 6은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템의 방출기 어레이를 위한 예시적인 방출기 구동 시스템의 톱다운 시스템 도면이다.
도 7a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 구동부들과 페어링되고 개별적으로 제어가능한 뱅크들로 배열된 예시적인 방출기 어레이의 개략도이다.
도 7b는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 구동부들과 페어링되고 개별적으로 제어가능한 열들로 배열된 예시적인 방출기 어레이의 개략도이다.
도 8a는 본 개시의 일부 실시예들에 따라, 센서 어레이에 의해 포착될 수 있는 광을 방출하기 위해 각각 자신의 구동부 세트를 갖고, 비-중첩 시야들을 갖는 복수의 독립적으로 동작가능한 방출기 어레이들을 포함하는 예시적인 LIDAR 시스템의 개략도이다.
도 8b는 본 개시의 일부 실시예에 따른 도 8a의 광센서 위에 중첩된 마이크로렌즈 어레이의 개략도이다.
도 8c는 본 개시의 일부 실시예에 따라, 시야로부터 광을 감지하는 경우 도 8a의 광센서의 전방에 위치되는 도 8b의 마이크로렌즈 어레이의 단순화된 단면도이다.
도 8d는 본 개시의 일부 실시예들에 따라, 센서 어레이에 의해 포착될 수 있는 광을 방출하기 위해, 각각 자신의 구동부들의 세트를 갖고, 중첩하는 시야들을 갖는 복수의 독립적으로 동작가능한 방출기 어레이들을 포함하는 예시적인 LIDAR 시스템의 개략도이다.
도 8e는 도 8d와 관련하여 설명된 실시예들에 따른 방출기 어레이 및 센서 어레이를 위한 중첩하는 시야들의 개략도이다.
도 9a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 1차원 방출기 어레이 및 MEMS 장치를 포함하는 예시적인 광 방출 시스템의 개략도이다.
도 9b는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 단일 방출기 및 하나의 MEMS 장치를 포함하는 예시적인 광 방출 시스템의 개략도이다.
도 10은 본 개시의 일부 실시예에 따른, 예시적인 향상된 광 방출 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 11은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 1열당 m×n 센서 어레이를 동작시키기 위한 센서 제어 시스템의 개략도이다.
도 12는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 1행당 m×n 센서 어레이를 동작시키기 위한 센서 제어 시스템의 개략도이다.
도 13a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 열 및 행 제어 회로들을 갖는 광센서 당 m×n 센서 어레이를 동작시키기 위한 제어 시스템의 개략도이다.
도 13b는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 각각의 광센서에 특정한 제어 회로들을 갖는 광센서 당 m×n 센서 어레이를 동작시키기 위한 제어 시스템의 개략도이다.
도 14는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 방출기 어레이 및 센서 어레이가 일대일 대응을 갖는 구성의 개략도이다.
도 15는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 방출기 어레이 및 센서 어레이가 일대일 대응하지만, 1차원에서의 수정된 해상도를 갖는 구성의 개략도이다.
도 16은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 센서 어레이가 멀티플렉싱된 광센서들을 갖는 구성의 개략도이다.
도 17은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 예시적인 광 전송 모듈의 구성의 단면도이다.
도 18은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 도로 차량의 외부 영역들에서 구현되는 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들의 개략도이다.
도 19는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 도로 차량의 상부에 구현된 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들의 개략도이다.
도 20은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 확장된 시야를 달성하기 위한 둘 이상의 방출 및 검출 시스템들의 세트를 포함하는 예시적인 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템의 단순화된 톱다운 도면이다.
도 21a는 채널들 사이에 크로스토크가 없는 광 검출 시스템의 일부의 개략적인 단면도이다.
도 21b는 채널들 사이에 크로스토크가 존재하는 광 검출 시스템의 일부의 개략적인 단면도이다.
도 22는 본 개시의 일부 실시예에 따른 예시적인 마이크로-광학 수신기 채널 구조의 개략적인 단면도이다.
도 23은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 예시적인 단순화된 수신기 채널의 단순화된 단면도이다.
도 24는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 센서 어레이의 확대된 부분의 개략도이다.
도 25는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 기판의 후면 상에 장착된 하나 이상의 부품들을 구비한 센서 어레이의 확대된 부분의 개략도이다.
본 개시의 일부 실시예들은 회전 기둥 또는 거울 검류계가 존재하지 않는, 고정된(stationary) 솔리드-스테이트 LIDAR 시스템에 관한 것이다. 실시예들은 LIDAR 시스템 외부의 시야로 광을 방출하고, 시야 내의 물체에 반사된 후의 방출된 광을 포착할 수 있다. 그 후, 본 개시의 실시예들은 포착된 방출 광을 이용하여 시야의 3차원 이미지를 생성할 수 있다. 본 개시의 실시예들은 현재 가용한 스핀 LIDAR 시스템들에 비해 향상된 정확성, 신뢰성, 크기, 집적 및 외관을 가질 수 있다. 부가적으로, 본 개시의 실시예들은 솔리드-스테이트 플래시-타입 LIDAR 시스템들보다 적은 전력을 사용하여 주어진 해상도에서 이미지를 포착할 수 있다.
본 개시의 일부 실시예들에 따른 솔리드-스테이트 어레이 전자 스캐닝 LIDAR 시스템은 광 전송 모듈 및 광 센싱 모듈을 포함할 수 있다. 광 전송 모듈은 개별 방출기들의 어레이를 포함하는 송신기 층을 포함할 수 있고, 광 센싱 모듈은 광센서들의 어레이를 포함하는 센서층을 포함할 수 있다. 방출기 어레이의 각각의 방출기는 광센서 어레이 내의 대응하는 센서(즉, 광센서)와 쌍을 이룰 수 있다. 일부 실시예들에서, 전체 방출기들의 세트를 이용하여 장면을 플래싱(flashing)하는 대신에, 방출기들의 서브세트만이 한번에 활성화되고, 광센서들의 대응하는 서브세트만이 상기 방출기들의 광 방출과 동시에 판독된다. 그 후, 하나의 방출 사이클을 통해 방출기 어레이 내의 모든 방출기들이 활성화될 수 있고 센서 어레이 내의 모든 광센서들이 판독될 수 있도록, 방출기들의 상이한 서브세트들이 상이한 시간에 활성화되고 대응하는 광센서들의 서브세트들이 동시에 판독된다.
일례로서, 광 전송 모듈의 방출기 어레이는 각각의 방출 사이클 동안 좌에서 우로 순차적으로 한 번에 하나의 열(column)을 활성화시킴으로써 광을 방출할 수 있다. 마찬가지로, 센서 어레이는 대응하는 시퀀스로, 상기 방출된 광을 감지(즉, 판독)하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 방출기와 센서 어레이가 동기화된 방식으로 동작하도록, 센서 어레이는 좌에서 우로 순차적으로, 한 번에 하나의 열에서 광을 측정하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 활성화된 방출기에 대응하는 광센서들만이 광을 감지하기 위해 판독된다.
일부 실시예들에서, 솔리드-스테이트 LIDAR 시스템은 센서 어레이 위에 형성된 마이크로-광학 수신기 층을 포함한다. 마이크로-광학 수신기 층은 센서 어레이와 조합하여, 마이크로-광학 수신기 채널의 2차원 어레이를 형성하는 광학 구성요소를 포함할 수 있다. 각각의 마이크로-광학 수신기 채널은, 센서 어레이로부터의 광센서와, 대응하는 방출기의 시야와 일치하도록 각각의 광센서의 시야를 제한하도록 구성되는 마이크로-광학층으로부터의 개구(aperture)와, 방출기 어레이의 동작 파장을 포함하는 파장 및 통과대역에서 입사 광자를 통과시키도록 구성된 마이크로-광학층으로부터의 광학 필터를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로-광학 수신기 층은 하나 이상의 렌즈 층들, 부가적인 개구층들, 및/또는 다른 광학 구조물을 더 포함할 수 있다.
일부 경우에, 마이크로-광학 수신기 채널 구조물은 흡수성이고/이거나 반사성인 측벽 및/또는 포커싱 깔때기(funnel)를 갖는 인클로저를 가진, 원주형(columnar) 배열을 갖는다. 마이크로-광학 수신기 채널은, 이하 상세히 설명되는 바와 같이, 자신의 개구를 통해 들어오는 광선의 수집을 최대화하고, 광학 필터에 수직하게 되도록 광을 시준하며, 이웃하는 개구로부터의 입력의 혼합으로 인한 인접 마이크로-광학 수신기 채널과의 크로스토크를 최소화한다. 다양한 경우에서, 본 개시에 따른 벌크 이미징 광학부는 방출기들 또는 광센서들의 전체 어레이에 대한 광 또는 다른 복사선을 변경한다. 마이크로-광학 구조물은 어레이의 일부로서 포함될 수 있고, 어레이 내의 서로 다른 방출기들 및/또는 광센서들에 대해 상이하게 광을 변경할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 개별 어레이 요소(광센서 및/또는 방출기)에 대해 하나 이상의 마이크로-광학 요소가 존재한다.
일부 실시예에서, 광 전송 모듈은 방출기들의 어레이로부터 출력되는 광을 향상시키기 위해 마이크로-광학 송신기 채널 어레이를 포함할 수 있다. 동작되는 동안, 방출기들의 어레이에 의해 출력된 광(예를 들어, 레이저 펄스)은 마이크로-광학 송신기 채널 어레이를 통과하고, 마이크로-광학 송신기 채널 어레이로부터의 광을 더 잘 포착(capture)하기 위해 큰 수치의 개구를 가진 벌크 송신기 광학부에 입사된다. 그 후, 상기 광은 벌크 송신기 광학부를 빠져나가고, 먼 시야에서 복수의 스팟들을 조명한다. 마이크로-광학 송신기 채널 어레이는, 본원에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 향상된 스팟 조명을 제공하기 위해 벌크 송신기 광학부로부터 나오는 빔의 휘도를 개선할 수 있는 한편, 동시에, 측정된 이미지의 공간 해상도를 향상시킬 수 있다.
본원에 정의된 바와 같은 벌크 이미징 광학부는, 1 mm보다 큰 선명한 개구를 갖고, 마이크로-광학 송신기/수신기 층으로부터 투사되는 광을 수신하거나, 수신된 광을 마이크로-광학 송신기/수신기 층에 집속하도록 위치되는, 가능한 한 다수의 렌즈 요소들을 포함하는, 하나 이상의 광학 표면일 수 있다. 마이크로-광학 송신기 층과 같은 광학 방출기로부터 수신된 광을 투사하는 벌크 이미징 광학부는, 종종, 본원에서 벌크 송신기 광학부 또는 출력 벌크 이미징 광학부로 지칭된다. 마이크로-광학 수신기 층과 같은, 특정 시야로부터 수신된 광을 광학 검출기 상에 집속시키는 벌크 광학 층은, 종종, 본원에서 벌크 수신기 광학부 또는 입력 벌크 이미징 광학부로 지칭된다. 입력, 이미지-공간 텔레센트릭(telecentric) 벌크 이미징 광학부는 시스템이 넓은 시야(field-of-view, FOV)에 걸쳐 균일하게 협대역 광을 측정하게 한다.
본 개시의 일부 실시예들에 따르면, 광 센싱 모듈은 넓은 시야로부터 제한된 파장 범위 내에서 광을 수집한다. 예를 들어, 센싱 모듈은 이미지들을 포착하고 적어도 10도의 FOV에 걸쳐 광을 검출할 수 있다. 특정 실시예들에서, 센싱 모듈은 적어도 20도의 FOV에 걸쳐, 적어도 30도의 FOV에 걸쳐, 그리고 일부 실시예들에서는 적어도 45도 또는 적어도 90도의 FOV에 걸쳐서, 이미지들을 포착하고 광을 검출할 수 있다. 또한, 센싱 모듈은 대략 10 nm 이하의 좁은 파장에서 광을 검출할 수 있다. 이는 전체적인 가시 스펙트럼에 걸쳐, 또는 3개의 서로 다른 폭의, 각각이 100 nm 이상의 폭일 수 있는 RGB 색상 대역들에서 광을 검출하는 통상적인 카메라와 다르다. 일부 특정 실시예에서, 광 센싱 모듈은 대략 5 nm 이하의 파장에서 광을 검출할 수 있다. 일부 실시예에서, 센싱 모듈은 대략 32도의 FOV에 걸쳐 5 nm 미만의 파장에서 광을 검출할 수 있다. FOV는 수직 및/또는 수평 방향, 또는 그 사이의 임의의 다른 각도일 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따른 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들은, 본원에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 다양한 방식으로 구성되고 동작될 수 있음을 이해해야 한다.
I. 전자 스캐닝 LIDAR 시스템
본 개시의 일부 실시예들에 따른 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템의 이해는 도 1을 참조하여 더 잘 확인될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 예시적인 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(100)의 블록도를 도시한다. 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(100)은 광 레인징 장치(102) 및 사용자 인터페이스(150)를 포함할 수 있다. 광 레인징 장치(102)는 레인징 시스템 컨트롤러(104), 광 전송(Tx) 모듈(106), 및 광 감지(Rx) 모듈(108)을 포함할 수 있다. 레인징 데이터는 광 전송 모듈(106)로부터의 하나 이상의 광 펄스들(110)을, 광 레인징 장치(102) 주변 시야의 물체들에 전송함으로써 광 레인징 장치(102)에 의해 생성될 수 있다. 이어서, 전송된 광의 반사된 부분들(112)이 약간의 지연 시간 후에 광 센싱 모듈(108)에 의해 검출된다. 지연 시간에 기초하여, 반사 표면까지의 거리가 결정될 수 있다. 다른 거리측정 방법들이 또한 이용될 수 있으며, 예를 들어, 연속파, 광 복조, 도플러 등이 사용될 수 있다.
광 전송 모듈(106)은 방출기들의 1차원 또는 2차원 어레이일 수 있는 방출기 어레이(114), 및 방출기 어레이(114)와 함께 취해질 때 광 방출 시스템(138)을 형성할 수 있는 Tx 광학 시스템(116)을 포함한다. Tx 광학 시스템(116)은 이미지-공간 텔레센트릭(telecentric)인 벌크 송신기 광학부(144)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, Tx 광학 시스템(116)은 개구층, 시준 렌즈층 및 광학 필터와 같은, 마이크로-광학 송신기 채널들의 어레이를 형성하기 위해 방출기 어레이(114)와 조합될 수 있는, 하나 이상의 Tx 광학 구성요소(146)를 더 포함할 수 있고, 각각의 마이크로-광학 송신기 채널은 본원에서 더 설명되는 바와 같이, 벌크 송신기 광학계로부터 나오는 그리고/또는 빔 성형, 빔 조향 등을 위한 빔의 밝기를 증가시킬 수 있다. 방출기 어레이(114) 또는 개별적인 방출기들은 수직 공동 표면-발광 레이저(vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSEL), 레이저 다이오드 등과 같은 레이저 소스일 수 있다. Tx 모듈(106)은 선택적인 프로세서(118) 및 메모리(120)를 더 포함할 수 있지만, 일부 실시예에서 이러한 컴퓨팅 자원들은 레인징 시스템 컨트롤러(104) 내에 통합될 수 있다. 일부 실시예에서, 펄스 코딩 기술, 예를 들어 바커 코드(Barker code) 등이 사용될 수 있다. 이러한 경우들에서, 메모리(120)는 광이 전송되어야 할 때를 나타내는 펄스-코드들을 저장할 수 있다. 일부 실시예에서, 펄스-코드들은 메모리에 저장된 정수들의 시퀀스로서 저장된다.
광 센싱 모듈(108)은 예를 들어, 광센서들의 2차원 어레이일 수 있는, 센서 어레이(126)를 포함할 수 있다. 각각의 광센서(종종 본원에서 단지 "센서" 또는 "픽셀"로서 지칭됨)는 광검출기들의 집합체(예를 들어, SPAD들 등)를 포함할 수 있거나, 또는 센서는 단일 광자 검출기(예를 들어, APD)일 수 있다. 광 센싱 모듈(108)은 수신기 광학 감지 시스템(128)을 포함하는데, 이는 센서 어레이(126)와 함께 취해질 때 광 검출 시스템(136)을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수신기 광학 센싱 시스템(128)은, 수신기 벌크 수신기 광학계(140)와, 마이크로-광학 수신기 채널들의 어레이를 형성하기 위해 센서 어레이(126)와 조합될 수 있는, 개구층, 렌즈층 및 광학 필터와 같은 수신기 광학 구성요소(142)를 포함할 수 있고, 각각의 마이크로광학 수신기 채널은 광 레인징 장치(102)가 위치되는 주위 시야의 구별된 시야 내의 이미지 화소에 대응하는 광을 측정할 수 있다. 본 개시에 따른 광 레인징 장치(102)에 포함될 수 있는 마이크로-광학 수신기 채널들의 다양한 예들의 다른 세부사항들은 이하 도 22 및 23과 관련하여 설명된다.
센서 어레이(126)의 각각의 광센서(예를 들어, SPAD들의 집합체)는, 예를 들어, 광 센싱 모듈(108) 및 Tx 모듈(106)의 기하학적 구성의 결과로서, 방출기 어레이(114)의 특정 방출기에 대응할 수 있다. 본원에서 언급된 바와 같이, 광 레인징 장치(102)는 한 번에 방출기들의 서브세트만을 활성화시키고, 방출기들의 광 방출과 동시에 광센서들의 대응하는 서브세트만을 판독함으로써, 장면의 이미지를 포착할 수 있는 전자 스캐닝 LIDAR 장치일 수 있다. 하나의 방출 사이클을 통해 모든 방출기들이 궁극적으로 활성화될 수 있고 센서 어레이 내의 모든 광센서들이 판독될 수 있도록, 방출기들의 상이한 서브세트들이 상이한 시간들에 활성화되고 대응하는 광센서들의 서브세트들이 동시에 판독될 수 있다. 일례로서, 방출기 어레이는 각각의 방출 사이클 동안 한 번에 하나의 열을 좌에서 우로 순차적으로 활성화시킴으로써 광을 방출할 수 있고, 센서 어레이는 대응하는 시퀀스로, 대응하는 광센서들을 판독하도록 구성될 수 있다. 따라서, 본 개시의 실시예들은 광의 방출 및 감지를 동기화하기 위해 하나 이상의 구성요소들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광 검출 시스템(136)은 센서 어레이(126)에 연결되고 센서 어레이(126)의 동작을 제어하도록 구성된 센서 컨트롤러(125)를 포함할 수 있다. 센서 컨트롤러(125)는 선택 회로(예를 들어, 멀티플렉서)에 연결되는, ASIC, 마이크로컨트롤러, FPGA, 또는 임의의 다른 적합한 프로세서와 같은, 광을 감지하기 위해 하나 이상의 광센서를 선택할 수 있는 임의의 적합한 구성요소이거나, 구성요소들의 그룹일 수 있다. 마찬가지로, 광 방출 시스템(138)은 방출기 어레이(114)에 연결되고 센서 어레이(126)의 동작을 제어하도록 구성된 방출기 컨트롤러(115)를 포함할 수 있다. 또한, 방출기 컨트롤러(115)는 센서 컨트롤러(125)에 대해 위에서 언급된 임의의 적합한 프로세서일 수 있고, 방출기 어레이(114)를 동작하기 위한 하나 이상의 구동 구성요소들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 센서 컨트롤러(125) 및 방출기 컨트롤러(115)는 방출기 어레이(114)에서의 광 방출의 시퀀스가 센서 어레이(126) 내의 광센서들을 판독하는 시퀀스와 동기화되도록, 동기화된다. 일 예로서, 센서 컨트롤러(125) 및 방출기 컨트롤러(115) 모두는 두 컨트롤러들 모두 동일한 타이밍 기법에 기초하여 동작할 수 있도록 클럭(117)에 연결될 수 있다. 클럭(117)은 디지털 회로들의 동작들을 조정하기 위해 특정 속도로 하이 상태 및 로우 상태 사이에서 진동하는 특정 신호를 생성하는 전기적 구성요소일 수 있다. 선택적으로, 센서 컨트롤러(125) 및 방출기 컨트롤러(115)는 자신들의 동작을 조정하기 위한 자신의 클럭 회로들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 센서 컨트롤러(125) 및 방출기 컨트롤러(115)는 센서 컨트롤러(125)가 자신의 클럭을 방출기 컨트롤러(115)와 동기화할 수 있도록, 통신 라인(119)을 통해 통신 가능하게 함께 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 센서 컨트롤러(125) 및 방출기 컨트롤러(115)는 센서 어레이(126) 및 방출기 어레이(114)를 각각 동기화하여 동작시켜 이미지 포착을 수행할 수 있다.
일부 다른 실시예들에서, 방출기 어레이(114)에 의한 광 방출의 시퀀스가 센서 어레이(126)에 의한 광 감지의 시퀀스와 동기화되도록, 센서 컨트롤러(125) 및 방출기 컨트롤러(115) 대신에, 또는 이들에 부가하여, 레인징 시스템 컨트롤러(104)는 광 센싱 모듈(108) 및 광 전송 모듈(106)의 동작을 동기화시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 레인징 시스템 컨트롤러(104)는 각각의 방출 사이클 동안 한 번에 하나의 열을 좌에서 우로 순차적으로 활성화시킴으로써 광을 방출하도록 광 전송 모듈(106)의 방출기 어레이(114)에 지시할 수 있고, 대응하여 한 번에 하나의 열에서 동일한 순차적인 순서로 광을 감지하도록, 광 센싱 모듈(108) 내의 센서 어레이(126)에 지시할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 레인징 시스템 컨트롤러(104)는, 광 센싱 모듈(108) 및 광 전송 모듈(106)에 대한 시퀀싱 명령들에 기초하는 그 자신의 클럭 신호를 가질 수 있다. 광 검출을 위한 다른 형태의 시퀀싱이 본원에서 고려되고, 이러한 시퀀스는 본원에서 더 설명되는 바와 같이 제한적이지 않음을 이해해야 한다.
일부 실시예에서, 광 센싱 모듈(108)의 센서 어레이(126)는, 광센서들의 어레이, 및 어레이 내의 개별 광센서들(또는 광센서들의 그룹들)로부터 측정된 광을 신호 처리하기 위한 프로세서(122) 및 메모리(124) 둘 모두를 포함하는 (예를 들어, CMOS 기술을 이용한) 단일 기판 상의 모놀리식 장치의 일부로서 제조된다. 센서 어레이(126), 프로세서(122) 및 메모리(124)를 포함하는 모놀리식 구조는 전용 ASIC으로 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, 센서 어레이(126)는 자신들 사이를 통과하는 전기 신호를 갖고, 단일의 광 센싱 모듈(108)에 함께 접합되는, 둘 이상의 모놀리식 전자 장치("반도체 다이")의 스택(stack)으로서 제작될 수 있다. 이 실시예에서, 광센서들의 상부 어레이는 광감지 효율을 최대화하거나 노이즈를 최소화하는 공정으로 제조될 수 있는 반면, 다른 다이들은 더 낮은 전력, 고속 디지털 처리를 위해 최적화될 수 있다.
일부 실시예에서, 광학 구성요소들(142)은, 센서 어레이(126), 프로세서(122) 및 메모리(124)가 일 부분이 되는, 모놀리식 구조의 일 부분일 수도 있다. 예를 들어, 광학 구성요소들(142)의 개구층, 렌즈층, 및 광학 필터층이 적층될 수 있고, 다이싱 이전 또는 이후에 웨이퍼 수준에서, 다수의 ASIC이 기판 상에 제조되어 있는 반도체 기판에 대해 에폭시로 접합될 수 있다. 예를 들어, 광학 필터층은, 광센서층에 대향하게 배치된 이후, 상기 광학 필터층이 모노리식 구조의 일부를 형성하도록 광학 필터층과 광센서층을 접합하기 위해 광센서층에 접합되는, 얇은 웨이퍼일 수 있고, 시준 렌즈층은 광학 필터층 상으로 사출성형될 수 있으며, 개구층은 투명 기판의 상부에 불투명 기판을 적층함으로써 또는 투명 기판을 불투명 필름으로 코팅함으로써 형성될 수 있다. 대안적으로는, 광센서층이 제조되고 다이싱될 수 있고, 광학 필터층, 시준 렌즈층, 및 개구층이 제조되고 다이싱될 수 있다. 각각의 다이싱된 광센서층 및 광학 층들은 이후, 모놀리식 구조를 형성하도록 함께 접합될 수 있는데, 각각의 모놀리식 구조는 광센서층, 광학 필터층, 시준 렌즈층 및 개구층을 포함할 수 있다. 상기 층들을 ASIC에 접합함으로써, ASIC 및 접합된 층들이 모놀리식 구조를 형성할 수 있다. 그 후, 웨이퍼는 개별 장치들로 다이싱될 수 있는데, 여기서 각각의 장치는 광 센싱 모듈(108)을 형성하기 위해 각각의 벌크 수신기 광학부(140)와 쌍을 이룰 수 있다. 또 다른 실시예에서, 광 센싱 모듈(108)의 하나 이상의 구성요소는 모놀리식 구조의 외부에 있을 수 있다. 예를 들어, 조리개 층은 핀홀(pin-hole)을 가진 별도의 금속 시트로서 구현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 프로세서(122)(예를 들어, 디지털 신호 프로세서(digital signal processor, DSP), 마이크로컨트롤러, 필드 프로그램가능 어레이(field programmable array, FPGA) 등) 및 메모리(124)(예를 들어, SRAM)는 어레이 내의 개별 광자 검출기(또는 검출기들의 그룹)로부터 원시(raw) 히스토그램의 신호 처리를 수행할 수 있다. 신호 처리의 일 예로서, 각각의 광자 검출기 또는 광자 검출기들의 그룹에 대하여, 메모리(124)는 연속적인 시간 빈(time bin)들에 걸쳐 검출된 광자들의 카운트들을 누적할 수 있고, 이들 시간 빈들은 반사된 광 펄스의 시계열(즉, 광자들의 카운트 대 시간)를 재생성하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 집합된 광자 카운트의 시계열은 본원에서 세기 히스토그램(또는 간단히 히스토그램)으로 지칭된다. 프로세서(122)는 제시간에 복귀 신호들을 식별하기 위해, 매칭된 필터들 및 피크 검출 처리를 구현할 수 있다. 또한, 프로세서(122)는 SPAD 포화 및 퀀칭(quenching)으로 인해 발생할 수 있는 펄스 형상 왜곡에 덜 민감한 광자 시계열을 복구하는 것을 돕기 위해, 다중-프로파일 매칭된 필터링과 같은, 특정한 신호 프로세싱 기술들을 달성할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 필터링의 전부 또는 일부는 프로세서(122)에 의해 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, 프로세서(122)로부터 출력된 광자 시계열은 부가적인 처리를 위해 레인징 시스템 컨트롤러(104)로 전송되는데, 예를 들어, 데이터는 레인징 시스템 컨트롤러(104)의 하나 이상의 인코더에 의해 인코딩된 다음, 데이터 패킷들로서 사용자 인터페이스(150)로 전송될 수 있다. 레인징 시스템 컨트롤러(104)는, 예를 들어, FPGA와 같은 프로그램가능 논리 장치를 ASIC으로서 또는 ASIC의 일부로서 사용하는 것, 메모리(132)를 가진 프로세서(130)를 사용하는 것, 그리고, 이상의 특정 조합을 사용하는 것을 포함하는, 다수의 방식으로 구현될 수 있다. 레인징 시스템 컨트롤러(104)는 광 검출의 개시 및 정지, 그리고 광검출기 파라미터들의 조정을 포함하는 명령들을 전송함으로써 광 센싱 모듈(108)을 제어할 수 있다. 유사하게, 레인징 시스템 컨트롤러(104)는, 예를 들어, 광 방출의 개시 및 정지를 위한 컨트롤 및 다른 광-방출기 파라미터들(예를 들어, 펄스 코드)을 조정할 수 있는 컨트롤을 포함하는 명령들을 전송하거나 중계함으로써 광 전송 모듈(106)을 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 레인징 시스템 컨트롤러(104)는 광 센싱 모듈(108) 및 광 전송 모듈(106)과 데이터를 교환하기 위한 하나 이상의 유선 인터페이스 또는 커넥터를 가진다. 다른 실시예에서, 레인징 시스템 컨트롤러(104)는 광학 통신 링크와 같은 무선 인터커넥트를 통해 광 센싱 모듈(108) 및 광 전송 모듈(106)과 통신한다.
솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(100)은 사용자가 컴퓨터 시스템과 상호작용할 수 있게 하는 임의의 적합한 사용자 인터페이스, 예를 들어 CPU 및 메모리를 포함하는 랩톱, 태블릿, 및/또는 핸드헬드 장치 컴퓨터 시스템과 인터페이스하기 위한 디스플레이, 터치 스크린, 키보드, 마우스, 및/또는 트랙 패드일 수도 있는,사용자 인터페이스(150)와 상호작용할 수 있다. 사용자 인터페이스(150)는 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(100)이 장착되는 물체에 국부적일 수 있지만 원격으로 운영되는 시스템일 수도 있다. 예를 들어, 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(100)에 대한/그로부터의 명령들 및 데이터는 셀룰러 네트워크(LTE 등), 근거리 개인 통신망(블루투스, 지그비 등), 근거리 통신망(WiFi, IR 등), 또는 인터넷과 같은 광역 네트워크를 통해 라우팅될 수 있다.
하드웨어 및 소프트웨어의 사용자 인터페이스(150)는 장치로부터 사용자에게 이미저 데이터를 제공할 수 있지만, 사용자가 하나 이상의 명령으로 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(100)을 제어하게 할 수도 있다. 예시적인 명령들은, 이미저 시스템을 활성화 또는 비활성화시키는 명령, 광 검출기 노출 수준, 바이어스, 샘플링 기간 및 다른 동작 파라미터들(예를 들어, 방출된 펄스 패턴 및 신호 처리)을 지정하는 명령, 휘도(brightness)와 같은 광 방출기 파라미터들을 지정하는 명령들을 포함한다. 또한, 명령들은 사용자가 결과를 표시하기 위한 방법을 선택하게 할 수 있다. 사용자 인터페이스는 예를 들어, 단일 프레임 스냅샷 이미지, 지속적으로 업데이트된 비디오 이미지, 및/또는 일부 픽셀이나 모든 픽셀들에 대한 다른 광 측정의 디스플레이를 포함할 수 있는, 이미저 시스템 결과를 표시할 수 있다.
일부 실시예에서, 예를 들어, LIDAR 시스템(100)이 차량 내비게이션을 위해 사용되는 경우에, 사용자 인터페이스(150)는 위에서 설명된 유선 또는 무선 네트워크들 중 하나와 같은 네트워크를 통해 광 레인징 장치(102) 및/또는 사용자 인터페이스(150)로부터의 출력을 수신하거나 이들과 통신하는, 차량 제어 유닛의 일부일 수 있다. 차량의 제어와 연관된 하나 이상의 파라미터들은 수신된 LIDAR 데이터에 기초하여 차량 제어 유닛에 의해 수정될 수 있다. 예를 들어, 완전한 자율주행 차량에서, LIDAR 시스템(100)은 GPS 및 다른 데이터와 함께 내비게이션을 보조하기 위해 차량 주변 환경의 실시간 3D이미지를 제공할 수 있다. 다른 경우에, LIDAR 시스템(100)은 첨단 운전자-지원 시스템(advanced driver-assistance system, ADAS)의 일부로서 또는 안전 시스템의 일부로서 채용될 수 있으며, 예를 들어, 적응형 크루즈 컨트롤, 자동 주차, 운전자 졸음 모니터링, 블라인드 스팟 모니터링, 충돌 회피 시스템 등 임의의 수의 서로 다른 시스템에 3D 이미지 데이터를 제공할 수 있다. 사용자 인터페이스(150)가 차량 제어 유닛의 일부로서 구현될 때, 경보가 운전자에게 제공될 수 있거나, 물체의 근접 여부 추적이 수행될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 개시의 일부 실시예들은 전자적으로 스캐닝하는 전송 구성요소 및 전자적으로 스캐닝하는 수신 구성요소를 포함하는 솔리드-스테이트 LIDAR 시스템에 관한 것이다. 도 2a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 예시적인 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(200)을 위한 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)의 개략도이다. 방출기 어레이(210)는 m개의 열들 및 n개의 행들을 갖는 방출기들(212)의 2차원 m×n 어레이로서 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 어레이(220)는 각각의 광센서(222)가 방출기 어레이(210)의 각각의 방출기(212)에 맵핑되도록, 방출기 어레이(210)에 대응하도록 구성될 수 있다. 따라서, 센서 어레이(220)는 광센서(222)의 대응하는 2차원 m×n 어레이로서 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)는 대개, LIDAR 시스템들을 회전시키는 데에 사용되는, 방출기 또는 센서 어레이보다 더 많은 구성요소들(즉, 더 많은 방출기들 및 더 많은 광센서들)을 포함하는 일반적으로 큰 어레이들이다. 센서 어레이(220) 내의 광센서들의 피치와 함께, 센서 어레이(220)(및 따라서 센서 어레이(220)에 대응하는 시야를 조명하기 위한 대응하는 방출기 어레이(210))의 크기, 즉 전체적인 물리적 치수는 센서 어레이(220)에 의해 포착될 수 있는 이미지의 해상도 및 시야를 좌우할 수 있다. 더 넓은 크기의 어레이들은 일반적으로 더 넓은 시야들을 초래하고, 더 작은 피치 크기들은 일반적으로 더 높은 해상도로 포착된 이미지들을 초래한다. 일부 실시예들에서, 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)는 단일 반도체 다이로부터 각각 형성되고, 다른 실시예들에서는 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220) 중 하나 또는 둘 모두가 도 6과 관련하여 본원에서 설명된 바와 같이 공통 기판에 장착된 다수의 칩들로 형성될 수 있다.
도 2b 내지 도 2d는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 방출기 어레이(210)의 광 방출 시퀀스 및 센서 어레이(220)의 센서 판독 시퀀스를 예시하는 개략도들이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 이미지 포착 시퀀스의 제1 스테이지는 방출기 어레이(210)의 방출기 열(214(1))을 광 방출하고 동시에 센서 어레이(220)의 센서 열(224(1))을 판독함으로써 시작할 수 있다. 이러한 제1 스테이지 동안, 열(214(1)) 내의 각각의 개별적인 방출기로부터 방출된 광의 펄스가 시야 내로 방출된다. 그 후, 방출된 광은 시야 내의 하나 이상의 물체들로부터 반사될 수 있고, 센서 어레이(220)의 센서 열(224(1)) 내의 광센서들의 각각의 서브세트에 의해 포착될 수 있다. 다음으로, 시퀀스의 제2 스테이지 중에, 방출기 어레이의 제2 열(214(2))로부터의 방출기들은 도 2c에 도시된 바와 같이 센서 어레이 내의 열(224(2))의 센서들에 의해 판독될 수 있는 광 펄스를 방출하도록 활성화될 수 있다. 방출기들의 열들의 순차적인 광 방출 및 광센서들의 대응하는 열들에서의 광센서들로부터의 동시 판독은 도 2d에 도시된 바와 같이 방출기들의 마지막 열(214(m))이, 판독되는 광센서들의 마지막 열(224(m))과 동시에 활성화될 때까지 계속된다. 하나의 전체 사이클이 완료되면(이미지 포착 시퀀스의 m 스테이지들), 방출기 어레이(210)의 모든 열이 활성화될 것이고, 센서 어레이(220)의 모든 열은 방출기 어레이(210)의 대응하는 열들로부터 방출된 광자들을 검출하기 위해 판독되었을 것이다. 그 후, LIDAR 시스템(200)이 동작 중인 동안, 사이클이 연속적으로 반복될 수 있다.
도 2b 내지 도 2d는 광 방출된 방출기들이 스테이지 당 하나의 열을 전진하는 이미지 포착 시퀀스를 예시하고 있지만, 본 개시의 실시예들은 임의의 특정 시퀀스로 제한되지 않는다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 다음의 시퀀스가 사용될 수 있다: 스테이지 1 동안, 방출기 어레이(210)의 제1 열이 광 방출되고, 스테이지 2 동안, 열(m/2+1)이 광 방출되며, 스테이지 3 동안, 열(2)이 광 방출되고, 스테이지 4 동안, 열(m/2+2)가 광 방출되는 등 m번째 스테이지에서 열(m)이 광 방출될 때까지 계속된다. 이러한 실시예는 인접한 센서 열들이 연속적인 스테이지들에서 판독되지 않기 때문에 센서 어레이 내에서의 크로스토크를 최소화하는 데 유리할 수 있다. 다른 예로서, 방출기들의 2개 이상의 인접한 열이 동시에 광 방출될 수 있는 반면, 센서들의 대응하는 2개 이상의 인접한 열들이 판독된다. 4개의 열들이 광 방출되고 동시에 판독되는 예시로서, 이미지 포착 시퀀스의 제1 스테이지 동안에, 방출기 어레이(210)의 열들(1-4)이 광 방출될 수 있고, 제2 스테이지 중에 열들(5 내지 8)이 광 방출되는 등과 같이, 광 방출될 수 있다. 이들 실시예는 많은 상이한 광 방출 및 판독 시퀀스의 단지 일부일 뿐이며, 다른 실시예에서는 다른 광 방출 및 판독 시퀀스가 가능하다.
일 예로서, 방출기들의 열이 광 방출되는 반면 광센서들의 대응하는 열을 동시에 판독하는, 열 단위의 동작 대신에, 실시예들은 방출기들의 행이 광 방출됨과 동시에 광센서들의 대응하는 행을 판독하는, 행 단위로 동작할 수 있다. 일부 다른 실시예에서, LIDAR 시스템은, 개별적인 또는 방출기들의 그룹이 광 방출됨과 동시에 대응하는 광센서 또는 광센서들의 그룹을 판독하는, 방출기 단위로 동작할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 실시예들이 도 13a 및 도 13b에 도시된 그룹화와 매칭하는 방출기들의 임의의 그룹을 광 방출시키도록 동작할 수 있도록, 각각의 방출기는 적절한 방출기-특정 구동 회로로 개별적으로 어드레싱될 수 있다. 본 개시의 일부 실시예들에 따르면, 방출기들의 임의의 특정 광 방출 배열은 광센서들의 대응하는 판독 배열을 가질 수 있음을 이해해야 한다.
도 3은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 시나리오(300)에서 전자 스캐닝 LIDAR 시스템에 대한 광 전송 및 검출 동작의 예시적인 예이다. 구체적으로, 도 3은 시스템 주위의 부피 또는 장면의 3차원 거리 데이터를 수집하는 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(200)을 도시한다. 도 3은 방출기들과 센서들 간의 관계들을 강조하기 위한 이상적인 도면이며, 따라서 다른 구성요소들은 도시되지 않는다.
도 2a에서 설명된 바와 같이, 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(200)은 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)를 포함한다. 방출기 어레이(210)는 방출기들(302 및 304)의 열들을 포함하는, 예를 들어, 수직-공동 표면-발광 레이저들(VCSEL)의 어레이 등의 광 방출기들의 어레이일 수 있다. 센서 어레이(220)는 센서들(306 및 308)의 열들을 포함하는 광센서들의 어레이일 수 있다. 광센서들은 각각의 광센서에 대해, 단일 광자 애벌란시 다이오드(SPAD) 등과 같은 이산적인 광 검출기의 세트를 이용하는, 픽셀화된 광센서들일 수 있다. 그러나, 다양한 실시예들은 다른 유형의 광자 센서들을 이용할 수 있다.
각각의 방출기는 피치 거리만큼 자신의 이웃으로부터 이격되어 있을 수 있고, 광 펄스들을 그 이웃 방출기들로부터 상이한 시야 내로 전송하도록 구성될 수 있으며, 이에 의해, 해당 방출기에만 관련된 각각의 시야를 조명하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 방출기들의 열(302)은 시야의 영역(312) 내로 조명 빔(310)(각각이 하나 이상의 광 펄스들로부터 형성됨)을 방출하고 따라서 시야 내의 나무(313)로부터 반사된다. 마찬가지로, 방출기들의 열(304)은 시야의 영역(316) 내로 조명 빔(314)을 방출한다. 도 3에 도시된 실시예에서, 방출기 어레이(210)는 좌에서 우로 순차적으로 열들을 스캐닝함을 이해해야 한다. 따라서, 도 3은 방출기들의 열(302)이 활성화되는 제1 시간 인스턴스 및 마지막 열, 즉, 방출기들의 열(304)이 활성화되는 마지막 시간 인스턴스를 도시한다. 다른 열들은 열들(302 및 304) 사이에서 좌에서 우로 순차적으로 수행될 수 있다. 도 3은 방출기 및 센서 어레이들(210, 220)이 열 단위로, 그리고 순차적으로 동작하는 실시예를 도시하고 있지만, 실시예들은 이러한 구성들로 제한되지 않는다. 다른 실시예들에서, 방출기 및 센서 어레이들(210및 220)은 전술한 바와 같이 그리고 이하 본원에서 더 설명되는 바와 같이, 크로스토크를 최소화하기 위해, 비-순차적으로 열 단위로 동작할 수 있거나, 또는 순차적으로나 비-순차적으로 행 단위로 동작할 수 있거나, 또는 광을 방출 및 수신하기 위한 임의의 다른 적절한 순서로 동작할 수 있다. 또한, 방출기들의 열들(302 및 304) 및 센서들의 열들(306 및 308)은 설명의 용이함을 위해 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)의 훨씬 더 큰 열들의 단지 일부만을 나타낼 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 도 3은 설명을 용이하게 하기 위해 21개의 상이한 포인트들에 대한 방출기 및 센서만을 도시하고 있지만, 다른 구현들은 그보다 훨씬 더 많이 가질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 즉, 보다 조밀한(denser) 방출기들의 어레이 및 대응하는 광센서들의 어레이를 구비함으로써 더 조밀한(denser) 포인트들의 샘플링이 달성될 수 있다.
방출기에 의해 조명되는 각각의 시야는 레인징 데이터로부터 생성되는 대응하는 3D 이미지 내의 픽셀 또는 스팟으로서 생각될 수 있다. 따라서, 각각의 방출기는 다른 방출기들과 구별될 수 있고, 방출기들의 세트 및 비-중첩 시야들의 세트 사이에 일대일 맵핑이 존재하도록 다른 방출기들과 중첩되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)는 각각, 매우 작고 서로 매우 가까울 수 있는 솔리드-스테이트 장치들이다. 예를 들어, 본 실시예들에 따른 방출기 또는 센서 어레이의 크기는 수 밀리미터 내지 수 센티미터의 범위일 수 있다. 이와 같이, 약 1 cm일 수 있는 2개의 어레이들 및 이들의 분리된 거리의 치수들은 장면 내의 물체들에 대한 거리에 비해 무시할 수 있다. 방출기 및 센서 어레이들의 이러한 배열이 방출기 어레이에 의해 방출된 광을 시준하고 반사된 광을 센서 어레이 내에 집중시킬 수 있는 각각의 벌크 광학계와 쌍을 이루는 경우, 센서 어레이 및 방출기 어레이는 각각의 방출기 및 대응하는 센서가 시야 내에서 본질적으로 동일한 지점을 바라보도록 임계 거리를 넘어서 상당히 유사한 시야를 가질 수 있다. 이러한 개념은 도 4를 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
도 4는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)에 대한 중첩 시야의 개략도이다. 방출기 어레이(210) 내의 각각의 방출기는, 도 4에서 벌크 송신기 광학계(404)를 통해 시준되고 방출된 광(406)으로서 시야 내로 출력되는 원뿔(402)로서 도시된 광 펄스를 방출할 수 있다. 그 후, 방출된 광(406)은 시야 내의 하나 이상의 물체들로부터 반사될 수 있고, 반사된 광(412)을 펄스 광(408)의 초점으로 포커싱하고 그 다음에 센서 어레이(220) 내의 대응하는 광센서 상으로 포커싱하는 벌크 수신기 광학계(410)을 통해 먼저 전파되는 반사된 광(412)으로서, 센서 어레이(220)를 향해 다시 전파될 수 있다. 도 4와 관련하여 이해될 수 있는 바와 같이, 벌크 송신기 및 수신기 광학계(404 및 410) 사이의 거리는 1 내지 3 cm 사이의 범위일 수 있고, 장면까지의 거리에 비해 상대적으로 작다. 따라서, 장면이 더 멀어질수록, 방출기 어레이에 대한 시야는 센서 어레이에 대한 시야와 점점 더 중첩된다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)에 대한 시야의 중첩 영역들(414, 416, 418)은 장면에 대한 거리가 증가함에 따라 더 커진다. 따라서, 장면의 끝 근처, 예를 들어, 시야 내의 물체들의 거리에서, 방출기 어레이(210)의 시야는 센서 어레이(220)의 시야와 실질적으로 중첩할 수 있다. 따라서, 벌크 수신기 및 송신기 광학계가 1 cm 이상으로 분리되더라도, 각각의 대응하는 방출기 및 센서는 해당 장면에서 본질적으로 동일한 지점을 관찰할 수 있다. 즉, 벌크 송신기 광학계(404)로부터 시스템의 전방 시야로 투사되는 각각의 조명 빔은 시스템으로부터의 거리에서 대응하는 광센서(또는 대응하는 광센서에 대한 마이크로-광학 수신기 채널)의 시야와 실질적으로 동일한 크기 및 형상일 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출기 어레이(210)는 시스템(200)으로부터의 거리들의 범위에 걸친 크기 및 형상이 입력 채널들의 시야들과 실질적으로 매칭하는 조명 패턴에 따라 시스템(200) 전방의 시야로 조명 빔들을 선택적으로 투사할 수 있다. 방출기 어레이 및 센서 어레이 사이의 실질적으로 중첩되는 시야를 구비함으로써, 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(200)은 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 달성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 송신기 어레이 및 센서 어레이는 매칭되는 형상들을 갖고, 방출기 어레이의 벌크 광학계는 센서 어레이의 벌크 광학계와 실질적으로 동일하다. 다른 실시예들에서, 센서 어레이(220)의 치수들 및 벌크 광학계들은 방출기 어레이(210)의 치수들과 동일하지 않을 수 있지만, 이들은 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)의 대응하는 열들이 상당히 동일한 시야를 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 센서 어레이(220)의 크기는 방출기 어레이(210)의 크기보다 클 수 있다. 이는 센서 어레이(220)의 벌크 수신기 광학계(410)가 방출기 어레이(210)의 벌크 송신기 광학계(404)와 상이하고, 두 어레이들 내의 대응하는 열들의 시야가 상당히 동일하도록 신중하게 선택되어야 함을 의미한다. 예를 들어, 방출기 어레이(210)의 크기보다 2배 큰 렌즈 요소를 갖는 유사한 벌크 광학계가 사용될 수 있다. 결과적인 벌크 수신기 광학계는 벌크 송신기 광학계의 초점 길이의 2배의 초점 길이를 가질 것이다. 이 경우에, 모든 광센서 및 방출기에 대한 각도(angular) 시야가 일치하도록, 수신측 개구 직경이 방출측 개구 직경의 2배이면서 센서 어레이(220)는 방출기 어레이(210)보다 높이 및 폭이 2배여야 한다.
방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)의 대응하는 열들이 동일한 시야를 바라보는 것을 보장하기 위해, LIDAR 시스템(200)의 신중한 정렬 프로세스가 예를 들어 제조자에 의해 현장 사용 전에 수행될 수 있다. 본 개시의 일부 실시예들의 설계 특징들(예를 들어, 방출기 어레이를 위해 단일 반도체 다이 또는 멀티-칩 모듈을, 센서 어레이를 위해 단일 반도체 다이 또는 멀티-칩 모듈을 가짐)은 이러한 정렬이 제조자에 의해 한 번만 수행될 수 있게 하여, LIDAR 시스템(200)이 제조되고 제조 이후에 유지되는 것을 용이하게 한다. 광학계들의 정렬 동안, 제조자는 그들이 상당히 동일하도록, 모든 픽셀 및 모든 방출기의 시야를 측정한다. 정렬은 외부 구성요소에 대한 렌즈 요소의 위치 및 방향을 조정하는 것뿐만 아니라, 수차, 왜곡 및 초점 길이와 같은 렌즈 특성을 고려하는 것을 포함한다.
방출기들의 시야는 그들 각각의 센서들의 시야들과 중첩되기 때문에, 각각의 광센서는 그 대응하는 방출기로부터 이상적으로 크로스토크 없이 발생되는, 즉 다른 조명 빔으로부터 반사된 광이 검출되지 않는, 반사된 조명 빔을 이상적으로 검출할 수 있다. 예를 들어, 도 3을 다시 참조하면, 방출기들의 열(302)은 시야의 영역(312) 내로 조명 빔(310)을 방출하고, 조명 빔의 일부는 물체(313), 즉 나무로부터 반사된다. 이상적으로, 광의 반사된 열(318)은 광센서의 열(306)에 의해서만 검출된다. 따라서, 방출기들의 열(320) 및 광센서들의 열(306)은 동일한 시야를 공유한다. 마찬가지로, 방출기들의 열(304) 및 광센서들의 열(308)은 또한 동일한 시야를 공유할 수 있다. 예를 들어, 방출 사이클의 마지막 반복 동안, 방출기들의 열(304)은 시야의 영역(316) 내로 조명 빔(314)을 방출하고, 조명 빔의 일부는 물체(315), 즉, 물체(313) 옆에 주차된 자동차로부터 반사된다. 하나의 사이클에서, 도 3의 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(200)은 나무(313) 및 차량(315)의 부분들을 포함하는 장면을 표현하는 이미지를 포착하고 생성할 수 있다. 부가적인 사이클들은, 특히 예컨대, 시스템(200)이 도 18a 내지 도 18b와 관련하여 본원에 더 설명되는 바와 같이, 차량에 장착되는 경우와 같이 시스템(200)이 이동하는 경우, 장면의 다른 영역들을 더 포착할 수 있다. 대응하는 방출기들 및 센서들이 그들 각각의 어레이 내의 동일한 상대적인 위치에 있는 것으로 도 3에 도시되어 있지만, 시스템에서 사용되는 광학계의 설계에 따라 임의의 방출기는 임의의 센서와 쌍을 이룰 수 있다.
거리(ranging) 측정 동안, LIDAR 시스템 주위의 부피에 분산되어 있는 서로 다른 시야로부터의 반사광은 다양한 센서들에 의해 수집되고, 처리되어, 각각의 시야에서의 임의의 물체들에 대한 거리 정보를 제공한다. 전술한 바와 같이, 광 방출기가 정밀하게 시간이 정해진 펄스를 방출하고, 펄스의 반사는 일정 시간 경과 후에 각각의 센서에 의해 검출되는 전파시간 기술이 사용될 수 있다. 이후 방출과 검출 사이의 경과 시간 및 알려진 광의 속도가 반사 표면까지의 거리를 계산하는데 사용된다. 일부 실시예에서, 레인지에 추가하여 반사 표면의 다른 특성을 결정하기 위해 추가 정보가 센서에 의해 획득될 수 있다. 예를 들어, 펄스의 도플러 편이가 센서에 의해 측정될 수 있고 센서와 반사 표면 사이의 상대 속도를 계산하는데 사용될 수 있다. 펄스 강도가 타겟 반사도를 추정하는데 사용될 수 있고, 펄스 형상이 타겟이 단단하거나 확산성 물질(diffuse material)인지를 결정하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, LIDAR 시스템(200)은 다수의 광 펄스들을 전송할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 코드-펄스(coded-pulse)는 광 강도에 의해 형성된, 내장된(embedded) 양의 값 펄스-코드를 가진다. 시스템은 서로 다른 시간 빈에서 검출된 반사 광의 세기 히스토그램을 생성함으로써 배경 광의 존재 하에서 광 펄스의 시간적 위치 및/또는 진폭을 결정할 수 있다. 각각의 시간 빈에 대해, 시스템은 검출된 광의 세기에 따라 세기 히스토그램에 가중치 값을 추가한다. 가중치 값은 양수 또는 음수일 수 있으며 다양한 크기를 가진다.
양의 펄스-코드들의 서로 다른 조합들을 선택하고 서로 다른 가중치들을 적용함으로써, 시스템은 표준 디지털 신호 처리 알고리즘들에 적절한 양의 값 및 음의 값 코드들을 검출할 수 있다. 이 방식은 반사된 광 펄스의 측정된 시간적 위치에서 낮은 불확실성을 유지하면서 높은 신호 대 노이즈비를 제공한다.
II. 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LiDAR 시스템들의 구성 및 구조
도 5는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 예시적인 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(500)의 상세한 측면도를 예시하는 개략도이다. 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(500)은 광 검출 시스템(501) 및 광 방출 시스템(503)을 포함할 수 있다. 광 방출 시스템(503)은 협대역 광선(505)을 사용하여 시스템(500)이 위치되는 시야의 적어도 일부의 능동 조명을 제공한다. 광 검출 시스템(501)은 시야 내의 물체에 의해 반사된 이후, 광 방출 시스템(503)으로부터 방출되는 협대역 광을 반사된 광선(506)으로서 검출한다.
A. 광 검출 시스템
광 검출 시스템(501)은 도 1과 관련하여 앞서 설명된 광 검출 시스템(136)을 나타낼 수 있다. 광 검출 시스템(501)은 광학 감지 시스템 및 센서 어레이를 포함할 수 있다. 광학 감지 시스템은 벌크 수신기 광학부, 개구층, 시준 렌즈층, 및 광학 필터층을 포함할 수 있고, 센서 어레이는 광센서들의 어레이를 포함할 수 있는데, 각각의 광센서는 광을 측정하기 위한 하나 이상의 광 검출기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 이러한 구성요소들은 시야로부터 광을 수신하도록 함께 동작한다. 예를 들어, 광 검출 시스템(501)은 벌크 수신기 광학부(502) 및 마이크로-광학 수신기(Rx) 층(504)을 포함할 수 있다. 동작하는 동안, 광선(506)은 다수의 방향들로부터 벌크 수신기 광학부(502)로 진입하고, 벌크 수신기 광학부(502)에 의해 집속되어 광 원뿔들(508)을 형성한다. 마이크로-광학 수신기 층(504)은 개구(510)가 벌크 수신기 광학부(502)의 초점면과 일치하도록 위치된다. 일부 실시예에서, 마이크로-광학 수신기 층(504)은 마이크로-광학 수신기 채널들(512)의 1차원 또는 2차원 어레이일 수 있으며, 여기서, 각각의 마이크로-광학 수신기 채널(512)은 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 좌측에서 우측으로 수평 방향으로, 광 전송의 방향과 동일한 축을 따라 위치되는, 개별 개구(510), 시준 렌즈(514) 및 광센서(516)로 형성된다. 또한, 각각의 마이크로-광학 수신기 채널(512)은 본원에서 더 설명되는 바와 같이, 광센서들 사이의 미광(stray light)으로부터의 간섭을 완화시키는 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 동작하는 동안, 각각의 마이크로-광학 수신기 채널(512)은 서로 다른 픽셀(즉, 시야 내에서의 위치)에 대한 광 정보를 측정한다.
벌크 수신기 광학부(502)의 초점에서, 광선(506)은 개구층(511)의 개구(510) 및 각각의 시준 렌즈(514) 안으로 집속되고 이를 통과한다. 각각의 시준 렌즈(514)는, 광선이 모두 대략 동일한 각도로, 예를 들어 서로 평행하게 광학 필터에 진입하도록, 수신된 광을 시준(collimate)한다. 벌크 수신기 광학부(502)의 개구 및 초점 거리는, 개구(510)에서 초점이 맞춰지는 각각의 광선의 원추각(cone angle)을 결정한다. 시준 렌즈들(514)의 구경 크기 및 초점 거리는 수신된 광선이 얼마나 잘 시준될 수 있는지를 결정하고, 이는 광학 필터(518)에서 통과대역이 얼마나 좁게 구현될 수 있는지를 결정한다. 개구층은 광 검출 시스템(500)이 동작하는 동안 다양한 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, (1) 개구(510)는 광센서 평면에서 넓은 피치(pitch)에도 불구하고 좁은 공간 선택도(spatial selectivity)를 갖도록 픽셀 시야를 제한할 수 있고, (2) 개구(510)는 방출기 광의 효율적인 사용을 위해 방출기 시야와 크기가 유사하거나 동일한 시야로 시야를 제한할 수 있으며, (3) 개구들은 필터를 통과하기 전에 광선의 엄격한 시준을 달성하도록 시준된 렌즈의 초점 평면에서 작은 점과 같은(point-like) 소스를 제공할 수 있고, 이 경우 보다 양호한 시준은 필터를 통과할 수 있는 더 타이트한 대역을 야기하며, 그리고 (4) 각각의 개구 주위의 개구층의 정지 영역은 미광(stray light)을 차단할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시준 렌즈들(514)은 포함되지 않으며, 대역통과 필터 통과대역은 덜 좁다.
광학 필터(518)는 원치 않는 파장의 광을 차단한다. 간섭 기반 필터들의 성능은 각도에 대해 강한 의존성을 나타내는 경향이 있다. 예를 들어, 0도 입사각에서 900 nm의 중심 파장(center wavelength, CWL)을 가진 1 nm 폭의 대역 통과 필터는 15도 입사각에서 898 nm의 CWL을 가질 수 있다. 대개, 이미징 시스템은 이러한 효과를 수용하기 위해, CWL의 시프트가 통과 대역의 폭보다 훨씬 작도록, 수십 나노미터 폭의 필터를 사용한다. 그러나, 마이크로-광학층(504)의 사용은 모든 광선들이 대략 동일한 입사각으로 광학 필터(518)에 진입하게 하여, CWL의 시프트를 최소화하고, 매우 엄격한 필터들(예를 들어, 10 nm미만의 폭)이 사용될 수 있게 한다. 광센서(516)는 입사 광자들에 반응하여 전류 또는 전압을 발생시킨다. 일부 실시예에서, 어레이 내의 각각의 개별적인 마이크로-광학 수신기 채널(512)이 동일한 파장 범위의 광을 수신하도록, 광학 필터(518)는 마이크로-광학 수신기 채널들(512)의 전체 어레이에 걸쳐 균일하다.
일부 실시예에서, 광선(506)이 광센서(516)에 노출되기 전에 먼저 시준 렌즈(514) 및 광학 필터(518)를 통과하도록, 광센서(516)는 시준 렌즈(514)의 반대측에 배치된다. 각각의 광센서(516)는, 예를 들어, 다수의 단일-광자 애벌란시 검출기(single-photon avalanche detector, SPAD)의 미니-어레이와 같은, 복수의 광 검출기들일 수 있다. SPAD들의 미니-어레이들의 어레이는 단일 모놀리식 칩 위에 제조되어, 제조를 단순화할 수 있다. 일부 대안적인 실시예에서, 각각의 광센서(516)는 하나의 광 검출기, 예를 들어 표준 포토다이오드, 애벌란시 포토다이오드, 공진 공동(resonant cavity) 포토다이오드, 또는 다른 유형의 광 검출기일 수 있다.
B. 광 방출 시스템
광 방출 시스템(503)은 벌크 송신기 광학계(520) 및 광 방출기들(524)의 1차원 또는 2차원 어레이로 형성된 발광층(522)을 포함할 수 있다. 각각의 광 방출기(524)는 협대역 광의 이산적인 빔들을 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 발광층(522)은, 광 방출 시스템(503)으로부터의 특정 거리의 범위에 걸쳐서 크기 및 형상이 마이크로-광학 수신기 층(504) 내의 수신기 채널들의 시야들과 매치하는 조명 패턴에 따라 벌크 송신기 광학계(520)를 통해 이산적인 광의 빔을 선택적으로 투사하도록 구성된다. 광 방출기(524)는 하나 이상의 모놀리식 칩에 집적된 수직-공동 표면-발광 레이저(VCSELS) 또는 임의의 다른 유형의 레이저 다이오드와 같은, 임의의 적절한 발광 장치일 수 있다. 광 방출기(524)는 광의 원뿔(526)들을 시준하고 그 후 방출되는 광선들(505)로서 시야 내의 원거리 목표물들로 시준된 광을 출력할 수 있는, 벌크 송신기 광학부(520)에 지향되는 협대역 광의 원뿔(526)들을 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 벌크 송신기 광학부(520)는 이미지-공간에 텔레센트릭하다.
도 5의 평행 광선들(505 및 506)의 도시로부터 명백한 바와 같이, 각각의 마이크로-광학 수신기 채널(512)은 임계 거리를 넘어 중첩되지 않은 시야를 가진다. 도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 마이크로-광학 수신기 채널(512)은 복수의 개구들로부터의 하나의 개구, 복수의 렌즈들로부터의 하나의 렌즈, 및 복수의 광 검출기들로부터의 하나의 광 검출기를 포함하며, 각각의 채널의 개구는 다른 마이크로-광학 수신기 채널들의 시야 내의 임계 거리를 넘어서 중첩되지 않는 채널 내의 픽셀에 대한 이산적인 시야를 정의한다. 이러한 방식으로, 각각의 마이크로-광학 수신기 채널은 마이크로-광학 수신기 층(504) 내의 임의의 다른 마이크로-광학 수신기 채널에 의해 측정되지 않은 시야 내의 이산적인 위치에 대응하는 반사광을 수신한다.
부가적인 그리고 대안적인 실시예에서, 광 원뿔(526)로부터의 광선(505)은 광 방출 시스템(503)으로부터 방출되는 광의 휘도 및 강도를 향상시키기 위해 벌크 송신기 광학부(520)에 의해 원거리 목표물로 지향되기 전에, 마이크로-광학 송신기 층(도시되지 않음)에 의해 공간 내의 중간 평면 상에 집속된다. 그러한 실시예에서, 광 방출 시스템(503) 및 광 검출 시스템(501)은 각각의 마이크로-광학 송신기 채널(도시되지 않음)이, 대응하는 마이크로-광학 수신기 층(504)과 쌍을 이루고, 그들의 시야의 중심들이 센서로부터의 특정 거리에서 중첩되게 정렬되도록, 또는 그들의 주요 광선들이 병렬로 형성되도록, 구성된다. 부가적인 그리고 대안적인 실시예에서, 광 방출 시스템(503)에 의해 방출되는 광의 원거리-시야의 빔들은, 각각의 마이크로-광학 수신기 층(504)의 원거리 시야에 대해 유사한 크기 및 발산 각도를 가진다. 출력된 광의 휘도 및 강도를 향상시키기 위한 마이크로-광학 송신기 층을 가진 광 방출 시스템(503)의 세부사항은 이하 상세히 설명될 것이다.
1. 전자 스캐닝 LIDAR 시스템을 위한 구동 시스템
일부 실시예들에서, 방출기 어레이는 방출기 어레이를 동작시키기 위한 다양한 커패시터들 및 제어 칩들을 포함하는 구동 시스템에 의해 작동될 수 있다. 도 6은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템 내의 방출기 어레이(601)를 위한 예시적인 방출기 구동 시스템(600)의 톱다운, 시스템 도면이다. 방출기 어레이(601)는 조명 패턴을 생성하는 m × n 어레이로 배열되는 복수의 광 방출기(602)를 포함할 수 있다. 방출기 어레이(601)는, 예를 들어 도 2a 내지 도 2d와 관련하여 위에서 설명된 방출기 어레이(210)를 나타낼 수 있고, 센서 어레이(220)를 나타낼 수 있고 조명 패턴과 매칭되는 형상을 갖는 센싱 패턴을 포함하는 본원에 기재된 광센서 어레이들 중 하나와 같은 광센서 어레이를 갖는 LIDAR 시스템에서 쌍을 이룰 수 있다. 방출기 어레이(601)는 m × n 어레이를 형성하기 위해 정밀하게 정렬되는 복수의 개별적으로 구동되는 방출기 뱅크들(604a-604f)로 분할될 수 있다.
일부 실시예들에서, 방출기 뱅크들(604a-604f) 각각을 포함하는 방출기 어레이(601)는 단일 반도체 다이(예를 들어, 큰 단일 칩 VCSEL 어레이) 상에 형성될 수 있다. k개의 뱅크를 갖는 방출기 어레이에 대해 k개의 구동 회로들이 존재하도록, 각각의 뱅크는 개별 구동부 회로(612, 614)에 의해 구동될 수 있다. 각각의 구동 회로(612, 614)는 그 각각의 뱅크에 연결되고, 동시에 그 뱅크 내의 모든 개별적인 방출기들(602)을 광 방출시킬 수 있다. 전체 광센서 어레이가 판독될 때까지, 주어진 뱅크 내의 방출기들에 대응하는 하나 이상의 열들(또는 개별적인 광센서들의 다른 배열)이 (예를 들어, 도 2b 내지 도 2d에 대하여 전술된 것들과 유사한 스캐닝 시퀀스들 중 하나 이상에 따라) 판독되는 동안, 구동부들(612, 614)은 각각의 뱅크가 이미지 포착 주기 동안 한번 이상 광 방출되도록 본원에서 설명된 바와 같이 제어 회로에 의해 미리 결정된 시퀀스에 따라 활성화될 수 있다. 이 실시예는 모든 방출기들을 한번에 활성화시키는 플래시 LIDAR 시스템과 비교하여 전력을 절약시킨다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 뱅크(604a)는 광을 방출하기 위해 각각의 구동부(612 및 614)에 의해 구동될 수 있다. 방출 사이클 동안 구동될 때, 뱅크(604a) 내의 모든 4개의 열들은 동시에 광을 방출할 수 있는 반면, 방출기들의 4개의 열들 중 하나에 대응하는 광센서들의 단 하나의 열만이 판독되고 있다. 예를 들어, 광센서들의 판독되고 있는 열은 가장 왼쪽의 열, 예를 들어 뱅크(604a) 내의 열 1에 대응할 수 있다(각각의 뱅크(604a-604f) 내의 4개의 열을 좌에서 우로 순서대로 열 1-열 4로 해석하는 경우). 따라서, 전체 방출 사이클 동안에, 뱅크(604a)의 열 1-열 4는 제1 이미지 포착 주기에서 뱅크(604a)의 열 1에 대응하는 광센서들이 판독되는 동안 구동될 수 있고, 이어서, 뱅크(604b)의 열 1-열 4는 제2 이미지 포착 주기에서 뱅크(604b)의 열 1에 대응하는 광센서들이 판독되는 동안 구동될 수 있으며, 뱅크(604a)의 열 2에 대응하는 광센서들이 제7 이미지 포착 주기에서 판독될 수 있는 시점에서 뱅크(604a)가 다시 활성화될 때까지, 뱅크들(604c-f)에 대해서도 마찬가지로 구동될 수 있다. 이러한 시퀀스는 모든 광센서가 판독될 때까지 계속될 수 있다. 이 예시에서, 하나의 완전한 방출 사이클 동안, 각각의 방출기 뱅크는, 각각의 이미지 포착 주기에서 광센서들의 각각의 열에 대해 한번씩, 4번 활성화될 수 있다.
일부 대안적인 실시예들에서, 방출 사이클은 각각의 뱅크 내의 4개의 열들 모두를 구동할 수 있는 한편, 수신기 어레이 내의 광센서들의 모든 4개의 대응하는 열들에 대한 데이터를 동시에 포착할 수도 있다. 예를 들어, 뱅크(604a)는 광센서들의 대응하는 뱅크의 대응하는 열들 1 내지 4가, 시퀀스를 반복하기 위해 다음 뱅크로 이동하기 전에, 제1 이미지 포착 주기에서 모두 활성화되고 판독될 수 있는 동안에 광을 방출할 수 있다. 이러한 접근법은 반사된 광을 검출하기 위해 대응하는 광센서가 활성화되지 않은 레이저를 광 방출시킴으로써 레이저 에너지를 낭비하는 것을 방지하는 이점을 갖는다.
일부 실시예들에서, 각각의 뱅크(604a-604f)는 분리 영역들(606)에 의해 분할된 개별 반도체 다이로서 구성될 수 있다. 분리 영역들(606)은 방출기들의 이웃하는 뱅크들을 서로 간에 전기적으로 분리하기 위한, 공기 갭(air gap)과 같은, 임의의 적절한 전기적 분리기(divider)일 수 있다. 분리 영역들(606)을 이용하여 방출기 어레이(601)를 서로 다른 뱅크들로 분리시킴으로써, 각각의 뱅크는 서로 간에 전기적으로 절연될 수 있고, 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들의 동작 동안에 광을 방출하기 위해 개별적으로 어드레싱될 수 있는 개별 회로들을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출기 뱅크들(604a-604f)은 방출기 뱅크들(604a-604f)을 위한 구조적 지지를 제공하도록 구성된 임의의 적절한 구성요소일 수 있는 지지 구조물(605) 상에 장착될 수 있다. 예로서, 지지 구조물(605)은 방출기 뱅크들(604a-604f)이 또한 실질적으로 편평하고 동일 평면 상에 위치하는 것을 보장하기 위해, 실질적으로 편평한 구성요소일 수 있다. 또한, 지지 구조물(605)은 방출기(602)의 활성화에 의해 발생되는 열이 과열 및 손상을 방지하기 위해 신속히 소산될 수 있도록 열 전도성이 높은 재료일 수 있다. 일부 실시예들에서, 지지 구조물(605)은 세라믹 기판이다.
광을 발생시키기 위해, 방출기 어레이(601) 내의 방출기들(602)을 통해 전류가 구동된다. 따라서, 방출기 뱅크들(604a-604f)은 방출기 어레이(601)를 통한 전류를 방전하도록 구성된 복수의 커패시터들을 포함하는 커패시터 뱅크(608)에 연결될 수 있다. 각각의 뱅크(604a-604f)는 커패시터 뱅크(608)와의 연결을 위한 각각의 접촉 어레이 또는 비아(via) 어레이(610a-610f)를 포함할 수 있다. 접촉 어레이(610a-610f)는 각각의 방출기 뱅크(604a-604f)가 구성되는 반도체 다이의 일부일 수 있다. 일부 실시예들에서, 접촉 어레이들(610a-610f)은 그들 각각의 방출기 뱅크들(604a-604f) 내에 있는 커패시터 뱅크(608) 및 광 방출기들(602) 사이에 위치된다. 방출기 어레이(601) 내의 하나 이상의 방출기들의 활성화 전에, 커패시터 뱅크(608) 내의 하나 이상의 커패시터들이 충전될 수 있고, 그 결과, 방출기 어레이(601) 내의 하나 이상의 방출기들의 활성화 동안에, 하나 이상의 충전된 커패시터들이 협대역 광을 방출하기 위해 하나 이상의 방출기들을 통하여 전류를 구동하도록 방전될 수 있다. 일부 실시예들에서, 커패시터 뱅크(608) 내의 커패시터들은 커패시터들을 충전하기 위한 전원(미도시)에 연결될 수 있다. 전원은 전기 접속부들(618)의 어레이를 통해 커패시터 뱅크(608)에 연결될 수 있고, 여기서 각각의 전기 접속부는 전원으로 라우팅되는 트레이스(미도시)에 연결된 비아(via)이다. 전기 접속부들 및 트레이스들은, 커패시터 뱅크(608) 및 방출기 어레이(601)가 장착되는 상호연결 구조물(622), 예를 들어, 인쇄회로기판(622)의 일부이거나 또는 그 위에 형성될 수 있다. 전기 접속부들의 각각의 쌍은 커패시터 뱅크(608) 내의 각각의 커패시터의 양극 단자 및 음극 단자와 연관될 수 있다. 트레이스들, 커패시터들, 방출기들 및 구동부들은 회로 내의 구동 전류에 대한 상승 시간들을 최소화하기 위해 회로의 방전 경로의 루프 인덕턴스를 최소화하도록 위치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 구동 시스템(600)은 시스템으로의 전기적 입력들 및 출력들(예를 들어, 구동부들(612및 614)에 대한 타이밍 신호들)이 전기 커넥터(616)(예를 들어, 기판-대-기판 커넥터)에 의해 구동 시스템(600)으로 그리고 그로부터 전송될 수 있는, 멀티-칩 모듈로서 구현될 수 있다. 그러한 경우들에서, 전기 커넥터(616)는 구동부들(612 및 614)에 연결되어 이들 간의 통신 신호들의 전달을 가능하게 할 수 있다. 구동부들(612 및/또는 614)은 방출기 어레이(601)를 통한 전류의 흐름을 관리하는 반도체 장치들, 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, FET), FPGA, ASIC 등일 수 있다. 따라서, 구동부들(612 및 614)은 커넥터(616)를 통해서, 방출기 어레이(601)가 광을 방출하거나 처리 시스템(미도시)이 광을 방출하게 하는 순서를 제어할 수 있다. 예를 들어, 구동부들(612 및 614)은 좌에서 우로 또는 그 반대로 순차적으로 방출기 뱅크에 의해 방출기 어레이(601)를 활성화할 수 있다. 따라서, 하나의 방출 사이클에서, 구동부들(612 및 614)은 제1 시간 동안에 방출기 뱅크(604a) 내의 방출기들(602)을 활성화시키고, 제2 시간 동안에 방출기 뱅크(604b) 내의 방출기들(602)을 활성화시키며, 마지막 시간에 마지막 방출기 뱅크(604f)가 활성화될 때까지 이런 식으로 활성화함으로써 방출기 어레이(601)를 동작시킬 수 있는데, 상기 제1 내지 마지막 시간 동안의 광의 방출이 함께, 하나의 방출 사이클을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 구동부들(612 및 614)은 전기 접속부들(624)을 통해 함께 연결되고, 이는 상호연결 구조물(622) 상에 도금된 트레이스들일 수 있다. 이러한 방식으로, 구동부들(612 및 614)은 방출기 어레이(601)의 동작을 제어하기 위해 서로 통신할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 뱅크(604a-604f)는 구동부(612)와의 연결을 위한 각각의 접촉 어레이들(611a-611f)을 포함할 수 있다. 접촉 어레이(610a-610f)와 마찬가지로, 접촉 어레이들(611a-611f)은 각각의 방출기 뱅크(604a-604f)가 구성되는 반도체 다이의 일부일 수 있다. 일부 실시예들에서, 접촉 어레이들(611a-611f)은 구동부들(612) 및 이들 각각의 방출기 뱅크들(604a-604f) 내에 있는 광 방출기들(602) 사이에 위치된다. 접촉 어레이들(611b-611e)에 대한 도면부호들은 중첩된 도면부호들로 복잡해지는 것을 방지하기 위해 도 6에 도시되어 있지 않음을 이해해야 한다. 또한, 구동부들(612)은 전기 접속부들(618)과 마찬가지로, 구동부들(612 및 614)이 장착되는 상호연결 구조물(622)의 일부이거나 그 위에 형성될 수 있는, 전기 접속부들(620)의 각각의 세트에 각각 연결될 수 있다. 전기 접속부들(620)은 구동부들(612)을 전원 또는 상호연결 구조물(622) 상의 임의의 다른 전기적 구성요소(미도시)에 연결할 수 있다.
2. 광 방출 시스템을 위한 방출기 어레이들의 구성
도 6은 6개의 상이한 뱅크들(604a-604f)로 분할되는 방출기 어레이(601)를 도시하고 있지만, 실시예들은 이러한 구성들로 제한되지 않고, 다른 실시예들은 6개 초과 또는 미만의 뱅크들과, 뱅크 당 더 많거나 적은 방출기들을 가질 수 있다. 즉, 방출기 어레이(601)는 방출기들의 하나의 큰 뱅크로 형성될 수 있거나, 방출기 어레이(601)는 본 개시의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고, 16, 32, 64, 128, 또는 임의의 개수의 뱅크들로 분할될 수 있고, 각각은 임의의 개수의 방출기 열들을 가질 수 있다.
예를 들어, 도 7a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 구동부들(702)과 페어링되고 개별적으로 제어 가능한 뱅크들로 배열된 예시적인 방출기 어레이(700)의 개략도이다. 방출기 어레이(700)는 k개의 개별적으로 제어 가능한 방출기 뱅크들로 분할되는 광 방출기들의 m×n 어레이일 수 있으며, 여기서 k는 n 보다 작다. 예를 들어, 뱅크들의 개수가 열들의 개수 n의 1/4이 되도록, 각각의 뱅크는 4개의 열들을 갖도록 구성될 수 있다. 각각의 구동부(702)는 뱅크 단위로 그리고 임의의 순서로, 예를 들어, 좌측에서 우측으로, 우측에서 좌측으로, 다른 모든 뱅크 등과 같이, 방출기 어레이(700)를 활성화할 수 있다. 이러한 실시예들의 장점은 구동 회로가 단순화되어 설계 및 제조 능력을 단순화한다는 점이다. 부가적으로, 개별 구동 회로를 갖는 다수의 뱅크들로 방출기 어레이를 분리하는 것은, 단일 구동 회로가 전체 방출기 어레이에 전력을 공급하기 위해 사용되는 플래시 LIDAR 시스템들과 비교할 때, 각각의 구동 회로에 의해 구동되는 더 적은 수의 방출기들로 인해, 시스템 내의 각각의 채널이 실질적으로 더 낮은 전류에서 동작할 수 있게 한다. 이는 각각의 채널에 있는 방출기들에 더 많은 전력이 공급되어 구동되게 하거나, 한번에 전체 어레이를 광 방출하는 데에 요구되는 피크 전류를 공급할 수 없을 수도 있는 다른 유형의 구동 회로들이 사용될 수 있게 할 수 있다. 또한, 구동 회로는 광 방출기들로부터 분리될 수 있고, 이에 의해, 상업적으로 가용한 구성요소들을 통해 모듈 제작을 가능하게 한다.
다른 예에서, 도 7b는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 구동부들(704)과 페어링되고 개별적으로 제어 가능한 열들로 배열된 예시적인 방출기 어레이(701)의 개략도이다. 방출기 어레이(701)는 각각의 뱅크가 방출기들의 단일 열을 갖도록, n 개의 개별적으로 제어가능한 방출기 뱅크들(예를 들어, 도 7b에 도시된 24개의 뱅크들)로 분할되는 광 방출기들의 m×n 어레이일 수 있다. 이 실시예에서, 각각의 구동부(704)는 하나의 방출기 뱅크에 대응하고, 구동부들(704)의 세트는 방출기 어레이 내의 개별 뱅크들을 예를 들어, 좌에서 우로, 우에서 좌로, 다른 모든 뱅크 등과 같은 임의의 순서로 활성화하기 위해 멀티플렉서(706)와 함께 동작할 수 있다. 즉, 멀티플렉서(706)는 구동부(704)에 의해 활성화할 열을 선택할 수 있다. 이러한 실시예들의 장점은 방출기 어레이(701)를 개별적인 열들로 분할하는 것이, 이웃하는 센서 어레이들로 방출되는 미광(stray light)으로부터의 크로스토크를 최소화하고 그리고/또는 스캐닝 속도를 개선하기 위해, 인터레이싱(interlaced)된 방식으로 열들의 변조를 가능하게 한다는 점이다. 예를 들어, 구동부들(704)은 제1 시간에 모든 짝수 뱅크들(즉, 열들)을 활성화한 다음, 제2 시간에 모든 홀수 뱅크들을 활성화할 수 있고, 이로써 2개의 반복들로 하나의 사이클을 완료할 수 있다. 하나 거른(every other) 열이 한번에 방출되기 때문에, 활성화된 열들에 대응하는 광센서들의 열들만이 방출된 광을 측정하도록 동작되어야 하며, 이에 의해, 광센서들의 열들 간에 크로스토크가 발생할 가능성이 최소화된다. 열들의 변조를 인터레이싱하는 개념은, 모든 제3 방출기 열 또는 제4 방출기 열을 방출하는 것과 같은 다른 인터레이싱 방식들로 확장될 수 있으며, 이는 광센서들의 다음 2개 또는 3개의 이웃하는 열들 사이의 크로스토크를 최소화할 수 있다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 구동부들(704)(도 7a에 도시된 구동부들(702)뿐만 아니라)은, 예를 들어, 광 방출기들을 포함하는 칩 기판에 구동부들(704)을 직접 장착함으로써 방출기 어레이와 밀접하게 집적될 수 있다. 이 구성은 공간을 절약할 수 있고 전체 설계의 크기를 최소화할 수 있다. 그러나, 일부 다른 실시예들에서, 구동부들(704)은 추가적인 방출기들을 위한 더 많은 공간을 제공하기 위해 광 방출기들을 포함하는 칩 기판으로부터 이격되게 위치될 수 있으며, 이에 의해, 이미지 해상도를 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 구동부들(704)(및 구동부들(702))은 개별적인 구동부 칩 ASIC의 일부로서 구현될 수 있는 반면, 다른 실시예들에서, 구동부들(704)은 세라믹 또는 다른 다이 상에 장착된 개별적인 구성요소들일 수 있다.
본원의 실시예들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 단일 구동부에 의해 광 방출되는 픽셀들의 개수는 구동부에 의해 제공될 필요가 있는 전류의 양을 나타낸다. 예를 들어, 도 7a의 방출기 어레이(700) 내의 각각의 뱅크는 도 7b의 방출기 어레이(701)의 각각의 뱅크의 광 방출기들의 개수의 4배의 광 방출기들을 포함한다. 따라서, 도 7a의 각각의 구동부(702)는 도 7b의 구동부(704)에서보다 적어도 4배의 전류의 양을 제공할 필요가 있다. 구동부들이 다량의 전류를 출력할 필요가 있는 것과 관련된 어려움들은 종종, 다수의 방출기들을 활성화시키기 위한 단일 구동부를 갖는 것과 종종 연관되는, 제조 및 설계의 단순성의 장점들을 상쇄할 수 있다. 그러나, 일부 실시예들은 도 8a 및 도 8b에 관해 본원에서 설명된 바와 같이, 다수의 구동 시스템들을 갖는 다수의 방출기 어레이들을 이용함으로써, 도 7a 및 도 7b의 방출기 어레이 구성들 모두에 의해 제공되는 장점들을 이용할 수 있다. 부가적으로, 각각의 광센서에 대해 SPAD들의 어레이를 포함하는 광센서 어레이들은, 다이나믹 레인지를 증가시키기 위해 통상적으로 픽셀당 사용되는 SPAD들의 개수뿐만 아니라 가드 링들의 포함 및 SPAD 소형화에 대한 어려움들을 제공하는 HVCMOS 프로세스들에서의 다른 특징들로 인해, 그들의 해상도가 본질적으로 제한된다. 그 결과, 본 개시의 일부 실시예들은 센서 해상도를 증가시키기 위해 다른 방법들을 이용한다. 즉, 수신기 어레이 대신에 송신기 어레이의 시야 선택도(selectivity)를 이용하는 방법들이다. 예를 들어, 본 개시의 일부 실시예들은 송신기 어레이로서 VCSEL 어레이를 이용한다. VCSEL 어레이는 크기 제한에 의해 SPAD-기반 센서 어레이와 동일한 정도로 제한되지 않고, 예를 들어 도 8a 내지 도 8c에 관하여 설명된 바와 같이, 검출기의 원시 픽셀 해상도보다 더 높은 공간 해상도를 달성하기 위해 사용될 수 있다.
도 8a는 본 개시의 일부 실시예들에 따라, 센서 어레이(806)에 의해 포착될 수 있는 광을 방출하기 위해 각각이 자신들의 구동부들의 세트(804a-804d)를 가지는, 비-중첩 시야를 갖는 복수의 독립적으로 동작가능한 방출기 어레이들(802a-802d)을 포함하는 예시적인 LIDAR 시스템(800)의 개략도이다. 각각의 방출기 어레이(802a-802d)는 다양한 실시예들에서 설명된 바와 같은 방출기들의 m×n 어레이를 포함할 수 있고, 어레이들은 멀리 있는 시야 내의 상이한 각각의 시야들로 지향된다. 예를 들어, 도 8a에 도시된 바와 같이, 방출기 어레이(802a)의 열 1, 행 1은 방출기(812)이고, 방출기 어레이(802b)의 열 1, 행 1은 방출기(814)이며, 방출기 어레이(802c)의 열 1, 행 1은 방출기(816)이고, 방출기 어레이(802d)의 열 1, 행 1은 방출기(818)이다. 각각의 방출기(812, 814, 816 및 818)는 임계 거리를 넘어서 별개의 이산적인 시야를 투사하도록 정렬될 수 있다.
센서 어레이(806)는, 각각의 방출기 어레이들과 동일한 m × n 구성으로 배열되고 방출기 어레이들(802a-802d)로부터 방출된 광을 포착하도록 구성되는, 광센서들(808)의 어레이를 포함할 수 있다. 센서 어레이(806)를 위한 수신기 채널 어레이의 개구층은 각각의 광센서(808)에 대한 4개의 별개의 비-중첩 시야를 정의할 수 있고, 각각의 별개의 시야는 각각의 방출기 어레이(802a-802d) 중 하나의 방출기의 대응하는 시야와 정렬된다. 예를 들어, 광센서(810)는 개구층에 의해 정의되는 4개의 별개의 시야를 가질 수 있는데, 각각의 개구(원으로 도시됨)는 방출기 어레이(802a)의 방출기(812), 방출기 어레이(802b)의 방출기(814), 방출기 어레이(802c)의 방출기(816), 및 방출기 어레이(802d)의 방출기(818) 중 하나의 방출기와 동일한 시야를 갖도록 정렬된다. 따라서, 시야 내의 각각의 위치(예를 들어, 픽셀)를 조명하기 위해 방출기(812, 814, 816, 818)가 그 각각의 시간에 광을 방출하도록 동기화되는 경우, 광센서(810)는 해당 시야 내의 물체로부터 반사된 후 각각의 개구를 통해 상기 방출된 광을 포착할 것이다. 이 개념은, 각각의 방출기(812, 814, 816, 818)의 시야(원으로 도시됨)가 광센서(810)의 시야(정사각형으로 도시됨)의 영역들과 중첩하는, 광센서(810)의 확대된 사시도(801)를 참조하여 이해될 수 있다. 도시된 바와 같이, 광센서(810)가 시야 내의 물체로부터 반사된 후의 그들의 방출된 광을 포착할 수 있도록, 각각의 방출기(812, 814, 816, 818)의 시야는 광센서(810)의 시야의 일부와 중첩된다. 일부 실시예들에서, 방출기 어레이들(802a 내지 802d)은 개별적으로 그리고 순차적으로 광을 방출한다. 예를 들어, 방출기 어레이(802a)가 먼저 (예를 들어, 뱅크 마다 좌측에서 우측으로) 하나의 방출 사이클을 수행할 수 있고, 이어서 방출기 어레이(802b)가 다음의 하나의 방출 사이클을 수행할 수 있으며, 방출기 어레이(802d)가 하나의 방출 사이클을 수행할 때까지 마찬가지로, 방출 사이클들이 수행될 수 있다. 일단 모든 방출기 어레이가 하나의 배출 사이클을 완료하면, 해당 시야의 다른 이미지를 포착하도록 그 순서가 다시 반복될 수 있다.
도 8a에서 알 수 있는 바와 같이, 다수의 방출기 어레이들(802a-802d)을 사용함으로써, 센서 어레이(806)에 의해 고해상도 이미지를 포착하기 위한 방출기들의 총 개수는 방출기 어레이들의 개수(이 경우, 4)로 나누어질 수 있고, 이에 의해, 방출기 어레이들이 더 멀리 이격된 더 적은 방출기들을 갖게 될 수 있다. 그 결과, 센서 어레이(806)를 이용하여 고해상도 이미지를 포착하기 위해 시야를 조명하는 데에 필요한 전력 부하는 방출기 어레이들(802a-802d) 중에서 나누어(예를 들어, 4로 나누어짐)질 수 있다. 따라서, 각각의 방출기 어레이에 대한 구동부들(804a-804d)은 단지 하나의 방출기 어레이만을 갖는 시스템들과 비교할 때에 1/4의 전력(즉, 전류)을 제공하기만 하면 되지만, 장면의 고해상도 이미지를 여전히 포착할 수 있다. 대안적으로, 구동부 1개당 광 방출기들의 개수가 감소되기 때문에, 각각의 구동부는 광 방출기들에 더 많은 전류를 제공할 수 있고, 이에 따라, 방출기들이 더 많은 광을 출력하게 하여 LIDAR 시스템(800)의 이미지 포착 성능을 개선할 수 있다. 동작 동안, 각각의 방출기 어레이(802a-802d)는 도 6 내지 도 7b와 관련하여 본원에서 설명되는 바와 같이 하나의 방출 사이클을 순차적으로 수행할 수 있고, 따라서 모든 방출기 어레이가 방출 사이클을 수행하면 장면의 하나의 전체 스캔이 수행된다.
일부 실시예들에서, 각각의 방출기 어레이(802a-802d) 및 센서 어레이(806)는 자신의 각각의 벌크 이미징 광학계 후방에 배치된다. 벌크 이미징 광학계와 함께 배열되는 경우, 각각의 방출기 어레이(802a-802d)는 광 방출 시스템을 형성할 수 있고, 센서 어레이(806)는 광 감지 시스템을 형성할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 광 방출 시스템들은 광 감지 시스템 주위에 대칭적으로 배열될 수 있고, 시차(parallax)를 최소화하기 위해 광 감지 시스템에 가능한 한 가깝게 위치될 수 있다. 예를 들어, 도 8a에 도시된 바와 같이, (방출기 어레이들(802a-802d)로 표현되는) 광 방출기 시스템들은 (센서 어레이(806)로 표현되는) 광 감지 시스템의 측면들 위, 아래에, 그리고 양 측면들 상에 대칭적으로 배열될 수 있다.
도 8a는 대칭 배열로 구성된 4개의 광 방출 시스템들만을 도시하고 있지만, 실시예들은 이러한 구성들로 제한되지 않으며, 다른 실시예들은 보다 많거나 적은 광 방출 시스템들을 가질 수 있고 비대칭적 배열들을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템은 광 감지 시스템의 측면들 위 또는 아래, 그리고 양 측면들 상에 위치하는 3개의 광 방출 시스템들을 가지거나, 또는 광 감지 시스템의 위 또는 아래, 그리고 좌측 또는 우측에 위치하는 2개의 광 방출 시스템들을 가질 수 있다. 단지 2개의 광 방출 시스템이 존재하는 실시예들에서, 2개의 방출기 어레이들로부터의 광을 포착하도록 단일 센서 어레이가 구성될 수 있다. 따라서, 각각의 방출기 어레이는, 단 하나의 광 방출 시스템을 갖는 LIDAR 시스템들을 위한 방출기 어레이의 1/2인 방출기 어레이 밀도를 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 센서 어레이 내의 각각의 광센서는 각각의 방출기 어레이 중 하나씩, 2개의 광 방출기들에만 대응할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광센서 및 복수의 광 방출기들 사이에서 중첩 시야들을 가능하게 하기 위해 개구층 및 마이크로-렌즈 어레이가 광센서의 전방에 구현될 수 있다. 각각의 개구는 각각의 마이크로-렌즈와 정렬될 수 있고, 개구 및 정렬된 마이크로-렌즈는 모두, 복수의 광 방출기들의 각각의 광 방출기에 대응할 수 있다. 일 예로서, 도 8b는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 개별 광센서(810) 위에 중첩된 마이크로-렌즈 어레이(820)의 개략도이다. 개별 광센서(810)는 시간 분할(time multiplexed) 방식으로 4개의 상이한 시야들 사이에서 공유되므로, 이러한 접근법은 광센서들 사이의 피치가 방출기 및 검출기 시야들 사이의 피치보다 4배 더 크기 때문에 픽셀 처리 로직당 더 많은 시야들이 각각의 광센서에 피팅되게 할 수 있다. 이 실시예에서, 각각의 광센서가 개별적으로 판독될 수 있게 하기 위해 각각의 광센서(810)에 TDC, SRAM, 및 DSP를 직접 내장하는 것이 실용적일 수 있다. 마이크로-렌즈 어레이(820) 내의 각각의 마이크로 렌즈의 시야는 개구층 내의 대응하는 개구에 의해 정의될 수 있다. 이 예에서, 마이크로-렌즈 어레이(820)는 이들의 연관된 개구들과 정렬되는 4개의 마이크로-렌즈들(822, 824, 826, 828)을 포함하며, 이들 각각은 각각의 방출기 어레이(802a 내지 802d)로부터의 각각의 광 방출기와 대응하고, 이와 동일한 시야를 갖도록 정렬될 수 있다. 예를 들어, 마이크로-렌즈(822)는, 방출기(812)와 대응하고, 이와 동일한 시야를 갖도록 정렬될 수 있고, 이는, 마이크로-렌즈(824) 및 방출기(812), 마이크로-렌즈(826) 및 방출기(816), 그리고 마이크로-렌즈(828) 및 방출기(818)에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 마이크로-렌즈 어레이(820)의 피치는, 마이크로-렌즈 어레이(820)가 단일 광센서에 피팅될 수 있도록, 센서 어레이(808)의 피치보다 더 미세할 수 있다. 예를 들어, 도 8b에 도시된 바와 같이, 마이크로-렌즈 어레이(820)의 피치는 광센서 어레이(808)의 피치의 절반일 수 있다. 따라서, 마이크로-렌즈 어레이는 센서 어레이가 그러한 마이크로-렌즈 어레이가 없는 센서 어레이보다 더 많은 개수의 시야를 포착(즉, 더 고해상도로 이미지를 포착)할 수 있게 한다.
도 8c는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 시야로부터의 광을 감지할 때 광센서(810)의 전방에 위치된 마이크로-렌즈 어레이(820)의 개략적인 단면도이다. 일부 실시예들에서, 마이크로-렌즈 어레이(820)는, 시야로부터 수신된 광이 광센서(810) 상에 노출되기 전에 마이크로-렌즈 어레이(820)를 통해 먼저 통과하도록 벌크 이미징 광학계(830) 및 광센서(810) 사이에 위치될 수 있다. 도 8c에 도시된 바와 같이, 광(836)은 방출기(816)로부터 방출된 반사광일 수 있고, 광(838)은 다른 시간에 방출기(818)로부터 방출된 반사광일 수 있다. 광(836)은 벌크 광학계(830)를 통과할 수 있고, 도 5에 관하여 전술한 바와 같이 광센서(810)에 대한 이산적인 시야들을 정의하고 미광을 감소시키기 위한 벌크 이미징 광학계(830)의 초점 면을 따라 배치된 개구층(834)에서의 특정 지점에 포커싱된 후, 마이크로-렌즈(826) 상에 노출될 수 있다. 일단 광(836)이 개구층(834) 및 마이크로-렌즈(826) 내의 개구를 통과하면, 광(836)은 시준되고, 광(836)을 광센서(810) 상으로 방향전환시키고 다시 초점을 맞추도록 구성될 수 있는 2차 광학계(832)를 통과할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로-렌즈(822, 824, 826, 828)가 광센서들 사이의 크로스토크를 완화시키기 위해 광 경로 주위에 터널을 형성하는 측벽들(840) 내에 모두 위치되도록, 마이크로-렌즈 어레이(820) 및 2차 광학계(832)는 광센서(810)에 대한 수신기 채널 내에 구현된다. 2차 광학계(832)는 광센서(810) 상으로 각각의 마이크로-렌즈(822, 824, 826, 828)를 통과하는 광을 초점 맞출 수 있다. 일부 실시예들에서, 광센서(810)는 복수의 SPAD들로 형성되고, 복수의 SPAD들의 서브세트는 대응하는 마이크로-렌즈(822, 824, 826, 828)로부터 광을 수신하도록 위치된다. 대안적인 실시예들에서, 복수의 SPAD들 전체는 각각의 마이크로-렌즈(822, 824, 826, 828)로부터 광을 수신하도록 위치되어, 각각의 시간들에서 각각의 마이크로-렌즈(822, 824, 826, 828)를 통한 광을 한번씩 검출하도록, 복수의 SPAD들 전체가 4번 판독된다.
크로스토크를 더 완화시키기 위해, MEMS 장치들은 개구층 위에, 그리고 마이크로-렌즈들 사이의 크로스토크를 방지하기 위해 각각의 마이크로-렌즈에 대한 광 전파 경로를 따라, 구현될 수 있다. 예를 들어, MEMS 셔터들(미도시)의 어레이는 개구(834) 및 벌크 이미징 광학계(830) 사이에서 구현될 수 있으며, 각각의 셔터는 각각의 개구 위에 위치된다. MEMS 셔터들의 어레이는 대응하는 방출기가 광을 방출하고 있을 때 광이 MEMS 셔터를 통과할 수 있도록, 그리고, 대응하는 방출기가 광을 방출하지 않고 있을 때 광이 통과하는 것을 방지하도록, 동작될 수 있다. 이러한 MEMS 셔터 어레이를 구현함으로써, 광센서(810)에 대한 신호-대-잡음 비가 개선될 수 있다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 각각의 방출기 어레이에 대해 비-중첩되는 시야를 갖고, 검출기 어레이의 해상도를 증가시키는 대신에, 본 개시의 일부 실시예들에서, 방출기 어레이들에 대한 시야는 서로 중첩되어 해당 시야의 각각의 위치에 대해 증가된 휘도 및 중복을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, (예를 들어, 부유하는 파편으로부터의 손상으로 인해) 하나의 방출기 어레이 중 하나의 방출기가 실패하거나 전체 방출기 어레이가 실패하더라도, 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템은 해당 시야에 정렬되는 추가적인 하나 이상의 방출기를 이용하여, 손상된 방출기와 연관된 광센서의 시야 내로 방출된 광을 여전히 투사할 수 있다. 따라서, 그 결과 시스템은 더욱 강건하고 신뢰성이 있을 수 있다. 이 실시예의 예가 도 8d에 도시되어 있다.
도 8d는 본 개시의 일부 실시예들에 따라, 센서 어레이(856)에 의해 포착될 수 있는 광을 방출하기 위해 각각 자신의 구동부들(854a-854b)의 세트를 갖고, 중첩된 시야를 갖는 복수의 독립적으로 동작가능한 방출기 어레이들(852a-852b)을 포함하는 예시적인 LIDAR 시스템(850)을 도시한다. 방출기 어레이들(852a, 852b) 및 이들 각각의 구동부들(854a, 854b)은 도 6 내지 도 7a와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 뱅크들에 따라 배열될 수 있거나, 또는 도 7b에 관하여 설명된 바와 같이 독립적으로 어드레싱 가능한 열들로 배열될 수 있거나, 또는 어레이를 가로지르는 구동 회로들의 임의의 서브세트로 배열될 수 있다. 각각의 방출기 어레이(852a, 852b)는 위의 다양한 실시예들에서 설명된 바와 같은 방출기들의 (동일한 크기의) m×n 어레이들을 포함할 수 있고, 어레이들은 원거리 시야에서 동일한 시야로 지향될 수 있다. 예를 들어, 도 8d에 도시된 바와 같이, 방출기 어레이(852a)의 열 1, 행 1은 방출기(862)이고, 방출기 어레이(852b)의 열 1, 행 1은 방출기(864)이다. 각각의 방출기(862 및 864)는 임계 거리를 넘어서 동일한 구별되는 이산적인 시야로 투사되도록 정렬될 수 있다.
센서 어레이(856)는 각각의 방출기 어레이(852a, 852b)와 동일한 m × n 구성으로 배열된 광센서들(858)의 어레이를 포함할 수 있고, 방출기 어레이(852a, 852b)로부터 방출된 광을 포착하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 각각의 광센서는 각각의 방출기 어레이(852a, 852b) 내의 각각의 방출기와 일대일로 대응할 수 있다. 예를 들어, 광센서(860)는 방출기 어레이(852a) 내의 방출기(862) 및 방출기 어레이(852b) 내의 방출기(864)와 연관되고, 그와 동일한 시야를 갖도록 정렬될 수 있다. 따라서, 방출기들(862 및 864)이 시야 내의 동일한 위치(예를 들어, 이산적인 지점)를 조명하기 위해 광을 방출하도록 광 방출(firing)되는 경우, 광센서(860)는 광이 시야 내의 물체로부터 반사된 이후의 각각의 방출기(862 및 864)로부터의 상기 방출된 광을 포착할 것이다. 이러한 개념은 도 8d에 도시된 광센서(860)의 확대된 사시도(851)뿐만 아니라, 도 8e를 참조하여 이해될 수 있다. 도 8d를 먼저 참조하면, 각각의 방출기들(862 및 864)의 중첩하는 시야들은 광센서(860)의 시야(정사각형으로 도시됨) 위에 중첩된 단일 원으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 광이 시야 내의 하나 이상의 물체들로부터 반사된 이후의 각각의 방출기들(862, 864)로부터의 광을 광센서(860)가 포착할 수 있도록, 방출기들(862 및 864)의 시야들은 광센서(860)의 시야의 동일한 부분과 중첩한다.
도 8e는 이러한 개념을 더 예시한다. 도 8e는 센서 어레이(856) 내의 개별적인 수신기 채널에 대한 시야, 및 방출기 어레이들(852a, 852b) 내의 대응하는 방출기들에 대한 중첩된 시야들의 개략도이다. 방출기 어레이들(852a, 852b)의 각각의 방출기는, 별개의 벌크 송신기 광학계(872a, 872b)를 통해 시준되는 원뿔들(870a 및 870b)로서 도 8e에 도시된 광 펄스를 방출할 수 있다. 이어서, 각각의 방출기 어레이로부터의 시준된 광이 이산적인 빔(874a, 874b)의 펄스로서 시야에 출력된다.
도 8e에 도시된 바와 같이, 방출기 어레이들(852a, 852b)은 각각의 이산적인 빔(874a, 874b)이 임계 거리를 넘어서 동일한 시야(880)를 갖도록 함께 정렬(co-aligned)된다. 이러한 방식으로, 시야(880)에 의해 표현되는 이산적인 지점에 포커싱된 광의 양은 단일 빔에 비해 증가될 수 있고, 다수의 광 빔은 각각의 광센서 시야에서 여분의 조명을 제공한다. 각각의 방출된 광 빔(874a, 874b)은 시야 내의 하나 이상의 물체로부터 반사되어, 반사된 광(882)으로서 센서 어레이(856)로 다시 전파될 수 있다. 반사된 광(882)은 이어서, 반사된 광을 펄스 광(886)의 원뿔로서 초점 내로, 그리고 센서 어레이(856) 내의 대응하는 광센서(예를 들어, 광센서(860)) 상에 포커싱하는, 벌크 수신기 광학계(884)를 통해 전파된다. 방출기들(862 및 864)은 동일한 시야 내로 투사되기 때문에, 방출기들 중 하나(862 또는 864)가 동작하는 데에 실패하면, 광센서(860)는 여분의 유리한 수준을 제공하는 다른 방출기로부터 방출된 시야 내의 특정 위치(예를 들어, 이산적인 지점)에서 광을 여전히 포착할 수 있다. 부가적으로, 모든 방출기들이 단일 광센서를 위한 광을 방출하도록 작동하는 경우, 광센서는 개선된 감지 성능을 갖는다.
도 8e를 참조하여 이해될 수 있는 바와 같이, 일 예로서 0.5 내지 5 cm의 범위일 수 있는 인접한 벌크 송신기 광학계(872a, 872b) 및 벌크 수신기 광학계(884) 사이의 거리는 장면까지의 거리에 비해 상대적으로 작다. 따라서, 장면이 더 멀어질수록, 각각의 방출기 어레이(852a, 852b)에 대한 시야는 서로 간에 그리고 센서 어레이(856)에 대한 시야에, 점점 더 중첩된다. 예를 들어, 도 8e에 도시된 바와 같이, 방출기 어레이들에 대한 시야의 중첩 영역들(890, 892, 894)은 장면에 대한 거리가 증가함에 따라 더 넓어진다. 따라서, 장면의 끝 근처, 예를 들어, 시야 내의 물체들 근처의 거리에서, 방출기 어레이(852a)의 시야는 센서 어레이(856)의 시야와 실질적으로 중첩할 수 있고, 방출기 어레이(852b)의 시야는 또한 센서 어레이(856)의 시야와 실질적으로 중첩할 수 있다. 따라서, 벌크 수신기 광학계 및 벌크 송신기 광학계가 1 cm 이상 분리되더라도, 각각의 대응하는 방출기 쌍 및 센서는 해당 장면에서 본질적으로 동일한 지점을 관찰할 수 있다. 즉, 벌크 송신기 광학계(872a, 872b)로부터 시스템의 외부 시야로 투사된 각각의 조명 빔은 시스템으로부터의 특정 거리에서, 대응하는 광센서(또는 대응하는 광센서에 대한 마이크로-광학 수신기 채널)의 시야와 실질적으로 동일한 크기 및 형상일 수 있다.
도 8d 및 8e는 2개의 방출기 어레이들(852a, 852b)이 LIDAR 시스템(850)에서 증가된 휘도 및 중복성(redundancy)을 제공하는 실시예를 도시하고 있지만, 본 개시의 실시예들은 그러한 구성들로 제한되지 않는다. 다른 실시예들은 보다 높은 신뢰성을 위해 2개 초과의 방출기 어레이들을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들은 중첩하는 시야들을 갖는 3개, 4개, 또는 그 이상의 방출기 어레이들을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 하나, 둘 또는 그 이상의 방출기 어레이가 실패하고 하나의 방출기 어레이가 여전히 작동가능하다면, LIDAR 시스템은 여전히 시야의 이미지를 포착하도록 동작할 수 있다. 부가적으로, 더 많은 방출기 어레이들을 갖는 대신에, 다른 실시예들은 중첩되는 시야들을 갖는 둘 이상의 센서 어레이를 가질 수 있다. 이들 다수의 센서 어레이들은 시간적으로 동기화될 수 있고, 그들의 데이터는 센서 성능 또는 중복성을 향상시키기 위해 하류 컨트롤러에서 조합될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 다수의 방출기들로부터의 동일한 개념이 다수의 센서 어레이들(및 따라서 다수의 수신기들)이 존재하는 경우들에 적용될 수 있다.
3. 광 방출 시스템을 위한 MEMS 장치
이상의 실시예들은 시야 내에 2차원 광 패턴을 투사하기 위한 2차원 방출기 어레이들에 대해 설명한다. 그러나, 본 개시의 일부 실시예들은 그 대신에 광 방출기들의 1차원 어레이 또는 단일 광 방출기로 형성된 전송 구성요소를 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 하나 이상의 마이크로전자기계 시스템(microelectromechanical systems, MEMS) 장치는 도 9a 및 도 9b와 관련하여 본원에서 설명되는 바와 같이, 시야 내의 2차원 광 패턴으로 광 방출기들의 1차원 어레이의 광을 반사하도록 변조될 수 있다.
도 9a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른 1차원 방출기 어레이(902) 및 MEMS 장치(904)를 포함하는 예시적인 광 방출 시스템(900)의 개략도이다. 도 9a는 축척에 맞춰 그려진 것이 아니고, 따라서 방출기 어레이(902)는 실제 구현에서 MEMS 장치(904)보다 반드시 클 필요는 없음을 이해해야 한다. MEMS 장치(904)는 수신된 광을 임의의 미리 결정된 패턴으로 반사할 수 있는 임의의 적합한 MEMS 장치일 수 있다. 예를 들어, MEMS 장치(904)는 하나 이상의 차원에서 틸팅/스캔할 수 있는 경사진 거울(tilt mirror)일 수 있다. 도 9a에 도시된 바와 같이, MEMS 장치(904)는 시야 내의 광 패턴(916)을 생성하기 위해 단일의 수평 방향(즉, 스캐닝 축(918))으로 틸팅/스캔할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 방출기 어레이(902)는 스캐닝 축(918)에 수직으로 배향된다. 결과적인 광 패턴(916)은 장면에 투사되는, 그리고, 반사된 광의 2차원 패턴을 검출하도록 구성된 센서 어레이로 다시 반사되는, 2차원 패턴일 수 있다. 따라서, 방출기 어레이(912) 및 센서 어레이 사이에 일대일 상관관계가 없음에도 불구하고, 도 4에 관하여 본원에서 설명된 바와 같이, 방출기 어레이(902)의 시야는 대응하는 센서 어레이의 시야와 매칭될 수 있다.
일부 실시예들에서, 방출기 어레이(902) 및 MEMS 장치(904)는 방출기 어레이(902) 및 MEMS 장치(904)가 연결되는 제어 회로, 예를 들어, 도 1의 레인징 시스템 컨트롤러(104)의 제어 하에서, 광 패턴(916)을 생성할 수 있다. 제어 회로는, 2차원 조명 패턴, 즉 광 패턴(916)이 생성될 때까지 MEMS 장치(904)가 그의 스캐닝 축을 따라 기울어지는 동안, 방출기 어레이(902)가 각각의 이미지 포착 주기 동안 순차적으로 광 방출되는, 복수의 이미지 포착 주기들(즉, 한번의 방출 사이클)을 실행할 수 있도록 구성될 수 있다. 일부 경우에, 방출기 어레이(902)는 MEMS 장치(904)가 스캐닝 축을 따라 연속적으로 기울어지는 동안에 m개의 이미지 포착 주기들로 반복적으로 방출되는 n개의 광 방출기들로 형성된다. 따라서, 결과적인 조명 패턴은 이산적인 광 빔의 m×n 어레이이다.
도 9b는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 단일 방출기(912) 및 MEMS 장치(914)를 포함하는 예시적인 광 방출 시스템(901)의 개략도이다. 방출기들의 어레이 대신에, 광 방출 시스템(901)은 시야 내로 광을 방출하는 하나의 방출기(912)만을 포함할 수 있다. 1차원의 경사진 거울로서 구성되는 경우, MEMS 장치(904)는 센서 어레이에 매칭하기 위한, 2차원이 아닌 1차원으로 방출된 광만을 투사할 수 있다. 따라서, MEMS 장치(904)는 수신된 광을 제2 차원으로 회절시킬 수 있는 광학 소자와 쌍을 이룰 수 있다. 일 예로서, MEMS 장치(904)는, MEMS 장치(904)로부터 반사된 이후의 광을 수신하도록 위치된 회절 광학 요소(926)와 쌍을 이룰 수 있다. 회절 광학 요소(926)는 수신된 광을 MEMS 장치(904)가 틸팅하지 않는 차원으로 회절시키도록 구성될 수 있다. 일 예로서, MEMS 장치(904)가 x-방향을 따라 경사지면, 회절 광학 요소(926)는 수신된 광을 y-방향으로 회절시킬 수 있다. 따라서, MEMS 장치(904)와 쌍을 이룰 때, 결과적인 광 패턴은 광 방출의 2차원 패턴(즉, 이산적인 광 빔)일 수 있다.
동작 동안, 방출기(912) 및 MEMS 장치(904)는 방출기 어레이(902) 및 MEMS 장치(904)가 연결되는 제어 회로, 예를 들어, 도 1의 레인징 시스템 컨트롤러(104)의 제어 하에, 광 패턴(916)을 생성할 수 있다. 제어 회로는, MEMS 장치(904)가 그의 스캐닝 축을 따라 경사지는 동안 방출기(912)가 순차적으로 각각의 이미지 포착 주기 동안 광 방출되는, 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성될 수 있다. MEMS 장치(904)에 의해 반사된 광이 회절 광학 요소(926)를 통과하고, n개의 이산적인 광 빔으로 회절되도록, 회절 광학 요소(926)는 MEMS 장치(904)의 하류에 위치될 수 있다. 2차원 조명 패턴, 즉 광 패턴(916)이 생성될 때까지 MEMS 장치(904)가 기울어지는 동안, n개의 이산적인 광 빔이 반복적으로 발생될 수 있다. 일부 경우에, 방출기(912)는 m개의 이미지 포착 주기들로 반복되며, 결과적인 조명 패턴은 이산적인 광 빔들의 m×n 어레이이다.
일부 실시예들에서, MEMS 장치(904)는 2차원의, 결과적인 방출된 광 패턴을 달성하기 위해 2차원으로 틸팅/스캔할 수 있는 경사 거울일 수 있다. 즉, MEMS 장치(904)는 시야 내에 광 패턴(924)을 생성하기 위해 수평 및 수직 방향(즉, 스캐닝 축들(920 및 922)) 모두에서 틸팅/스캔할 수 있고, 이에 의해 별개의 회절 요소, 예를 들어 회절 광학 요소(926)에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 패턴(916)과 마찬가지로, 광 패턴(924)은 장면에 투사되는, 그리고, 반사된 광의 2차원 패턴을 검출하도록 구성된 센서 어레이로 다시 반사되는, 2차원 패턴일 수 있다. 따라서, 방출기 어레이(912) 및 센서 어레이 사이에 일대일 상관관계가 없음에도 불구하고, 도 4에 관해 본원에서 설명된 바와 같이, 방출기 어레이(912)의 시야는 대응하는 센서 어레이의 시야와 매칭될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 도 9a 내지 도 9b에서 설명된 광 방출기들은 광을 시준하고 이를 MEMS 장치들 상에 실질적으로 지향시키는, 하나 이상의 대응하는 마이크로-렌즈와 쌍을 이룰 수 있음을 이해해야 한다. 부가적으로, 방출된 광을 MEMS 장치(904)를 향해 지향시키는 데에 다른 회절 요소 또는 광학 요소가 사용될 수 있다.
4. 향상된 광 방출 시스템
본 개시의 실시예는, 다른 용도들 중에서, 자율주행 차량에서 장애물 검출 및 회피를 위해 사용될 수 있는 LIDAR 센서에 관한 것이다. 몇몇 특정 실시예들은, 센서들이 충분히 저렴하면서도 충분한 신뢰성을 가지며 매스마켓(mass-market) 자동차, 트럭 및 다른 차량에 사용하기 위해 적용될 만한 충분히 작은 크기를 가질 수 있는 설계 특징을 포함하는, LIDAR 센서들에 관한 것이다. 예를 들어, 일부 실시예는, 시야 내로 복사를 방출하는 조명 소스로서 수직 공동 표면-방출 레이저들(VCSEL)의 세트를 포함하고, 시야 내의 표면들로부터 다시 반사되는 복사를 검출하는 광센서들(검출기들)의 세트로서 단일-광자 애벌란시 다이오드(SPAD) 검출기들의 어레이들을 포함한다. 방출기들로서 VCSEL들을, 그리고 검출기들로서 SPAD들을 이용하는 것은, 다수의 측정들이 동시에 수행될 수 있게 하고(즉, VCSEL 방출기들이 동시에 발광할 수 있음), 또한, 방출기들의 세트 및 광센서들의 세트가 단일 칩 상의 표준 CMOS 프로세스들을 사용하여 제조될 수 있게 하여, 제조 및 조립 공정을 크게 간소화시킨다.
특정 실시예에서 VCSEL들 및 SPAD들을 사용하는 것은 어려울 수 있지만, 본 개시의 다양한 실시예들은 이를 극복한다. 예를 들어, VCSEL들은 기존 LIDAR 아키텍처들에서 사용되는 전형적인 레이저들보다 출력이 훨씬 약하며, SPAD들은 기존 LIDAR 아키텍처들에서 사용되는 전형적인 검출기들보다 훨씬 덜 효율적이다. 이러한 어려움뿐만 아니라, 다수의 방출기들을 동시에 발광시키는 어려움을 극복하기 위해, 본 개시의 특정 실시예들은, 여기에 설명된 바와 같이, 각각의 어레이가 서로 다른 픽셀(예를 들어, 시야 내의 위치)에 대응하는 다수의 SPAD들의 어레이들과 함께 작동할 수 있는 다양한 광학 구성요소들(예를 들어, 렌즈들, 필터들, 및 개구층)을 포함한다. 예를 들어, 도 1과 관련하여 본원에서 설명되는 바와 같이, 광 센싱 모듈(108)의 광학 시스템(128)은, 광센서들의 어레이를 포함할 수 있는 센서 어레이(126)에 의해 검출되는 광을 향상시키기 위한, 마이크로-광학 수신기 층(도 1에 도시되지 않음)을 포함할 수 있으며, 이들 각각은 SPAD들의 어레이일 수 있다.
VCSEL은 기존 LIDAR 구조들에서 일반적인 레이저들보다 전력이 덜 강하기 때문에, 일부 실시예들에서, 광 방출 시스템은 광 레인징 기능을 수행하는 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템의 능력을 향상시키도록 구성될 수 있다. 즉, 광 방출 시스템에 의해 방출되는 광의 품질은 광 레인징의 정확도 및 효율을 개선하도록 향상될 수 있다. 광 레인징 및 이미징을 위한 전송된 광의 품질은 휘도 및 강도로 정의될 수 있다. 벌크 송신기 광학부로부터 방출되는 광선들의 휘도 및 강도는, 본원에서 더 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 광학 송신기 층들을 수정 및/또는 구현함으로써 향상될 수 있다.
전송되는 광의 휘도는 입체각(solid angle)당 광학 출력(optical power)(와트)으로 정의될 수 있다. 따라서, 엄격한 시준을 가진, 즉 낮은 발산도를 가진 광을 출력하는 광원은 휘도가 높은 광을 생성한다. 역으로, 높은 발산도를 가진 광을 출력하는 광원은 휘도가 낮은 광을 생성한다. 광의 강도는 면적당 광학 출력으로 정의될 수 있으며, 이는 특정한 출력으로 방출된 광이, 작은 면적에서 조밀하게(tightly) 압축되는 경우 더 높은 강도를 가질 것임을 의미한다. 따라서, 조밀하게 압축된 광선으로 광을 출력하는 광원은, 모든 광원들이 낮은 발산도를 가진 광을 출력하더라도, 덜 압축된 광선으로 광을 출력하는 광원보다 더 높은 강도를 가질 것이다. 본원에서 알 수 있는 바와 같이, 본 개시의 실시예들의 LIDAR 시스템들을 위한 송신기 구성요소들은, 마이크로-광학 구성요소들이 없는 유사한 송신기에 비해, 강화된 휘도 및 강도를 가진 광을 출력하게 하는 마이크로-광학 구성요소들로 구성될 수 있다.
도 10은 본 개시의 일부 실시예에 따른, 예시적인 향상된 광 방출 시스템(1000)의 개략적인 단면도이다. 광 방출 시스템(1000)은 광 방출기(1004)들(예를 들어, 광(1013)을 방출하기 위한 LED, 레이저 다이오드, VCSEL 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않음)을 가진 광 방출기 어레이(1002)를 포함할 수 있다. VCSEL은 상부 표면에 수직하는 레이저 빔 방출을 가진 반도체 레이저 다이오드의 한 유형이다. 도 10에 도시된 선형 어레이는 원형, 직사각형, 선형, 또는 임의의 다른 기하학적 형상을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 방출기 어레이의 임의의 기하학적 형태일 수 있다.
향상된 광 방출 시스템(1000)은 개방된 공간(1018)에 의해 광 방출기 어레이(1002)로부터 분리된 마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1006)를 포함할 수 있다. 각각의 마이크로-광학 송신기 채널(1008)은 대응하는 수신기 채널(예를 들어, 도 5의 수신기 채널(512))과 쌍을 이룰 수 있고, 그들의 시야의 중심이 광학 이미저 시스템으로부터 특정 거리에서 중첩되도록 정렬된다. 마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1006)는 광 방출기 어레이(1002)를 향하는 측면에 위치된 제1 광학 표면(1020)과, 광 방출기 어레이(1002)로부터 멀어지는 쪽을 향하는 반대 측면에 위치된 제2 광학 표면(1021) 사이에 개재된 기판(1019)으로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 광학 표면들(1020, 1021)은 각각, 제1 광학 표면(1020)을 통해 전송되는 광이 제2 광학 표면(1021)을 통해 후속적으로 전송될 수 있도록, 제1 광학 표면(1020)의 각각의 볼록 렌즈가 제2 광학 표면(1020)의 각각의 볼록 렌즈와 광학적으로 정렬되도록 구성되는, 볼록한, 마이크로-광학 렌즈들의 어레이로서 구성될 수 있다. 제1 및 제2 광학 표면들(1020, 1021)로부터의 대응하는 볼록 렌즈들은 도 10에 도시된 바와 같이 서로로부터 멀어지는 방향을 향할 수 있다. 특정 실시예에서, 제1 광학 표면(1020)의 볼록 렌즈는 제1 광학 출력을 갖고, 제2 광학 표면(1021)의 볼록 렌즈는 제1 광학 출력과는 상이한 제2 광학 출력을 가진다. 예를 들어, 제2 광학 출력은 제1 광학 출력보다 더 커서, 제2 광학 출력의 초점 거리가 제1 광학 출력의 초점 거리보다 짧을 수 있다. 기판(1019)은 실리콘, 이산화규소, 붕규산 유리, 고분자 등과 같은, 광 방출기들(1004)의 파장 범위에서 투과성을 가진 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 광학 표면들(1020, 1021)은 기판(1019)의 각각의 반대되는 표면들 상에 인쇄(imprint)된 투명 고분자로 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1006)는 마이크로-광학 송신기 채널들(1008)의 모놀리식 어레이로 형성될 수 있다. 각각의 마이크로-광학 송신기 채널(1008)은 제1 광학 표면(1020)으로부터의 제1 볼록 렌즈, 제2 광학 표면(1021)으로부터의 대응하는 제2 볼록 렌즈, 및 이러한 2개의 볼록 렌즈들 사이에 위치된 기판(1019)의 대응하는 부분을 포함할 수 있다. 각각의 마이크로-광학 송신기 채널(1008)은 동작하는 동안에, 광 방출기(1004)로부터 출력된 광이 제1 볼록 렌즈를 먼저 통과하고, 기판(1019)의 대응 영역을 통과하며, 그 다음에 제2 볼록 렌즈를 통과하도록, 각각의 광 방출기(1004)와 대응할 수 있다.
일단 광이 제2 광학 표면(1021)의 제2 볼록 렌즈로부터 방출되면, 해당 광은 대응하는 광 방출기(1004)의 실제 이미지인, 그러나 대응하는 광 방출기(1004)의 감소된 크기인, 소형 스팟 이미지(1010)를 형성한다. 일부 실시예에서, 소형 스팟 이미지(1010)는 마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1006)와 벌크 송신기 광학부(1014) 사이에 위치된다. 예를 들어, 소형 스팟 이미지(1010)는 개구층(1009)의 각각의 개구 내에 형성될 수 있다. 각각의 개구는 방출된 광이 소형 스팟 이미지(1010)를 형성하도록 집속되는 반사성 또는 불투명 층의 핀홀일 수 있다. 개구층(1009)은 선택적이며, 마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1006)의 광 향상 능력은 개구층(1009) 없이도 달성될 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 실시예들에서, 미니어처 스팟 이미지(1010)는 제2 광학 표면(1021)의 제2 볼록 렌즈의 초점 면에서 형성될 수 있다. 그로부터, 광 방출기와 마이크로 광학 채널 모두로부터 멀어지면서, 상기 광은 벌크 송신기 광학부(1014)를 향해 도달하는 광 원뿔(1012)을 형성한다.
본 개시의 일부 실시예에 따르면, 방출된 광(1013)의 발산 정도는 광 원뿔(1012)의 발산 정도보다 작을 수 있다. 이러한 발산에서의 불일치는, 마이크로-광학 송신기 채널(1008)에 의해, 특히 제2 광학 표면(1021)의 광학 출력에 의해 생성될 수 있다. 마이크로-광학 송신기 채널(1008)으로부터의 광의 발산은 광 방출기(1004)로부터 방출된 광(1013)의 발산보다 더 크기 때문에, 소형 스팟 이미지(1010)는 광 방출기(1004)의 실제 이미지일 수 있지만, 광 방출기(1004)의 크기보다 훨씬 더 작으면서, 방출된 광(1013)과 동일한 개수의 광자를 가질 수 있다. 이러한 실제 스팟 이미지들이 형성된 광 원뿔(1012)은 벌크 송신기 광학부(1014)를 통과한 후 각각의 광 방출기(1004)에 대한 이산적인 광의 빔들로서 시야에 투사된다. 광 방출 시스템(1000)으로부터 방출되는 결과적인 광선은 작은 단면적을 갖는 고도로 시준된 광 빔이며, 이에 의해, 광 방출 시스템(1000)이 향상된 휘도 및 강도를 갖는 광을 출력할 수 있게 된다. 이와 반대로, 마이크로-광학 채널 어레이가 없는 대신에 벌크 송신기 광학계(1014)의 초점 면에 광 방출기 어레이(1002)를 가지는 시스템은, 훨씬 덜 시준되는 빔을 생성할 것이고, 따라서 이러한 빔들은 멀리 있는 시야에서 더 큰 단면적을 가질 것이다.
벌크 송신기 광학부(1014)는 하나의 렌즈를 포함하거나, 또는 2개 이상의 렌즈가 함께 기능하여 벌크 송신기 광학부(1014)를 형성하는 렌즈 클러스터를 포함할 수 있음을 유의해야 한다. 벌크 송신기 광학부(1014) 내에서의 다수의 렌즈들을 사용하는 것은, 개구수를 증가시키거나, RMS 스팟 크기를 감소시키거나, 이미지 평면을 평탄화하거나, 텔레센트릭 정도를 개선시키거나, 또는 그렇지 않으면 벌크 송신기 광학부(1014)의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 광 원뿔들(1012)은 원추형 중첩 영역(1016)과 중첩할 수 있음을 유의해야 한다.
마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1006)의 동작 및 효과를 보다 잘 이해하기 위해, 광 방출 시스템(1000)의 동작에 대한 보다 상세한 설명이 제시된다. VCSEL 방출기들로 형성된 광 방출기 어레이를 이용하는 향상된 광 방출 시스템들(1000)의 경우, 방출기를 위한 예시적인 초기 반경은 12.5 μm일 수 있으며 광이 10° 반각 원뿔로 입사된다. 이러한 방출기들은 대개, 활성 영역의 제곱 마이크론당 50 μW를 출력할 것이다. 각각의 방출기(1004)로부터 발산하는 광 원뿔은 마이크로-광학 송신기 채널(1008) 내로 수신되고, 그 후, 예를 들어 20°의 반각을 가진 수렴성 광 원뿔을 생성하도록, 동일한 마이크로 광학 채널에 의해 수렴성 광 원뿔이 출력된다. 따라서, 일부 실시예에서, 방출기(1004)에 의해 생성된 원추 각은 대응하는 마이크로-광학 송신기 채널(1008)에 의해 생성된 원추 각보다 더 작다. 그 후, 마이크로-광학 송신기 채널(1008)에 의해 방출되는 수렴성 광 원뿔은 방출기의 소형 스팟 이미지(1010)를 생성한다. 도 10에 따른 실시예의 경우, 소형 스팟 이미지(1010)는 실제 이미지이고, 대응하는 광 방출기(1004)의 크기보다 작은 크기를 가진다. 임의의 주어진 방출기로부터의 모든 광선들이 모두 임의의 작은 스팟 내로 모두 집속되지는 않을 수도 있음에 유의해야 한다. 소형 스팟 이미지 크기는 대개, 다음의 "광학 불변량"에 의해 제어된다:
Θ_s * r_s >= Θ_e * r_e
여기서, Θ_s는 집속된 스팟의 가장자리 광선의 반각이고, r_s는 집속된 스팟의 반경이며, Θ_e는 원래 방출기의 가장자리 광선의 반각이고, r_e는 원래 방출기의 반경이다. 따라서, 본 예시에서, (방출기로부터 모든 광선을 여전히 포착하는 동안) 형성될 수 있는 가장 작은 소형 스팟 이미지 반경은 다음과 같다:
10/20 * 12.5 μm = 6.25 μm
이러한 더 작은 스팟은 원래 방출기의 면적의 1/4을 가질 것이고, 따라서 스팟 면적의 제곱 마이크론당 200 μW의 출력 밀도를 가짐을 유의해야 한다. 각각의 마이크로-광학 송신기 채널(1008)은 대개, 예를 들어 그리고 비제한적으로, 50 μm의 초점 거리 및 80 μm의 렌즈 직경을 포함할 수 있는 특성을 가지는, 하나 이상의 광학 표면을 가진다. 일부 실시예에서, 광 방출기(1004) 및 대응하는 마이크로-광학 송신기 채널(1008) 사이의 거리는, 예를 들어 그리고 비제한적으로, 150 μm일 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같은 방출기 어레이(1002) 및 마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1006) 사이의 개방된 공간(1018)은, 예를 들어 그리고 비제한적으로, MEMS 장치들을 제조하는 데에 전형적으로 사용되는 방법들에 의해 생성되는 것과 같은 에어 갭(air gap)일 수 있다. 방출기 어레이(1002) 및 마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1006) 사이의 거리는 예를 들어, 150 μm일 수 있다.
벌크 이미징 광학부의 초점면이 소형화된 스팟 이미지(1010)와 일치하도록, 벌크 송신기 광학부(1014)는 마이크로-광학 층 및 방출 층의 전방에 위치된다. 벌크 송신기 광학부(1014)는 발산성 광 원뿔(들)(1012)을 수신하고, 시준된 빔을 출력한다. 그의 개구수(numerical aperture)는 적어도, 발산하는 광선 원추(들) 내의 전체 각도 범위를 포착하기에 충분히 클 수 있으며, 따라서, 예를 들어 그러나 비제한적으로, 본 예시에서, 개구수(NA)=0.34이다. 또한, 벌크 송신기 광학부(1014)는 마이크로-광학층을 빠져나가는 광 원추(들)(1012)가 모두 (벌크 광학부의 중심을 향해 조준되는 자신의 중심 축을 가진 것이 아니라) 평행할 수 있으므로, 이미지-공간에 텔레센트릭할 수 있다. 일 실시예에서, 광은 대략 시준된 벌크 송신기 광학부(1014)를 빠져나갈 수 있다. 빔 시준의 품질은 초점면에서의 "방출 물체(소형 스팟 이미지(1010))"의 크기와 관련된다는 점에 유의해야 한다. 이러한 "방출 물체" 크기는 마이크로-광학 스택을 사용함으로써 감소되었기 때문에, 방출 물체가 단순히 직접 이미징되었을 때보다 더 양호한 시준 각도가 얻어진다.
도 10은 제1 광학 표면 및 제2 광학 표면 사이에 개재된 기판으로 형성된, 그리고 광 방출 시스템에 의해 출력되는 광의 휘도 및 강도를 개선하기 위해 개방 공간에 의해 광 방출기 어레이로부터 일정 거리로 이격되어 위치되는, 마이크로-광학 채널 어레이를 가진 향상된 광 방출 시스템을 도시하고 있지만, 실시예들이 이러한 구성으로 제한되지는 않는다. 오히려, "Optical Imaging Transmitter with Brightness Enhancement"라는 명칭의, 관련된 미국 특허출원 제15/979,235호에 더 상세히 설명되며 모든 목적을 위해 그 전체가 참조로서 본원에 포함되는 것과 같이, 다른 실시예들은 개방 공간 또는 2개의 광학 표면들을 반드시 구현할 필요는 없다.
III. 센서 어레이의 구성 및 동작
일단 광이 전자 스캐닝 LIDAR 시스템에 다시 반사되면, 광 검출 시스템은 개구층을 통해 광을 집속시키고 센서 어레이 내의 복수의 광센서들 상에 광을 노출시키는, 벌크 수신 광학계를 통해 먼저 광을 통과시킴으로써 광을 수신한다. 일부 경우에, 광은 개구층을 통과하기 전에 광학 필터를 통해 전파될 수 있다. 광이 센서 어레이 상에 노출될 때, 각각의 광센서는, 센서 어레이 내의 모든 광센서와 함께 분석될 때 시야 내의 장면의 이미지를 생성하는 데에 사용될 수 있는, 이산적인 광의 양을 검출한다. 즉, 각각의 광센서는 장면의 이미지를 형성하기 위해 외부 회로에 의해 판독될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 센서 어레이는 도 11 내지 도 13을 참조하여 본원에 설명되는 바와 같이 다양한 방식으로 동작될 수 있다.
도 11은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 1열당 m × n 센서 어레이(1102)를 동작시키기 위한 센서 어레이 제어 시스템(1100)의 개략도이다. 센서 어레이 제어 시스템(1100)은 열(column) 선택 회로(1104), 하나 이상의 타임-투-디지털(time-to-digital) 어레이들(1106), 및 디지털 신호 프로세서(DSP) 어레이(1108) 상의 하나 이상의 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM) 장치들을 포함할 수 있다. 열 선택 회로(1104)는 어떤 열을 어떤 특정 시퀀스로 판독할지 선택하도록 구성된 임의의 적절한 회로일 수 있다. 일부 실시예들에서, 열 선택 회로(1104)는 도 2 및 도 3과 관련하여 본원에 설명된 바와 같이, 센서 어레이(1102) 내의 선택된 열이 방출기 어레이 내의 활성화된 열에 대응할 수 있도록, 광 방출 시스템 내의 구동부들과 동기화하여 동작하도록 구성될 수 있다. TDC 어레이(1106)는 광센서들에서 검출된 광자들에 의해 생성된 신호를 이벤트들의 디지털 시계열로 변환하도록 구성될 수 있다. 시계열은 광센서 대 시간으로의 반사된 광자 플럭스를 나타내는 광자 카운트의 시퀀스일 수 있으며, 이는 장면 주위의 물체들의 형상 및 거리를 결정하는 데에 사용될 수 있다. SRAM 및 DSP 어레이(1108)는 센서 어레이(1102) 내의 광센서들로부터 수신된 신호들을 처리하도록 구성된 임의의 적절한 마이크로컨트롤러 또는 프로세서일 수 있다.
센서 어레이가 단일 ASIC 상에 형성되는 일부 실시예들에서, 타임-투-디지털 어레이들(1106) 및 DSP(1108)는 ASIC의 가장자리들로 밀려지고(pushed), 센서 어레이(1102) 주위에 위치될 수 있다. 이러한 설계는 수신기 ASIC의 활성 영역 내의 광 감지 픽셀들(예를 들어, SPAD들의 어레이들)을 위해 많은 공간을 남기고, 이에 의해, 더 많은 광의 수집 및 개선된 성능이 가능해진다.
동작 동안, 열 선택 회로(1104)는 판독할 하나 이상의 열들을 선택할 수 있고, 선택된 열은 TDC 어레이(1106) 및 SRAM/DSP 어레이(1108)의 동작에 의해 판독될 수 있다. 예를 들어, 열 선택 회로(1104)는 TDC 어레이(1106) 및 SRAM/DSP 어레이(1108)를 동작시킴으로써 이후 판독될 수 있는 열(1110)을 선택할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 각각의 열에 대한 광센서들은 센서 어레이(1102) 내의 모든 행을 판독함으로써 판독될 수 있다. 일부 실시예들에서, 한번에 한 행만을 판독하는 대신에, 다수의 행들이 한번에 판독될 수 있다. 예를 들어, 센서 제어 시스템(1100)은 센서 어레이(1102)의 각 측에 하나씩, 2개의 TDC 어레이들(1106) 및 2개의 SRAM/DSP 어레이들(1108)을 포함할 수 있다. 따라서, 동작 동안, 열 선택 회로(1104)는 각각의 TDC 어레이(1106) 및 SRAM/DSP 어레이(1108)가 열들을 판독할 수 있는 경우에, 판독할 2개의 열들(예를 들어, 1110 및 1112)을 선택할 수 있는데, 예를 들어, 열(1110)은 어레이들(1106 및 1108)에 의해 좌측으로 판독될 수 있는 한편, 열(1112)은 어레이들(1106 및 1108)에 의해 우측으로 판독될 수 있다. 이러한 설계는 동시에 판독되는 광센서들의 2개의 열에 대응하는 방출기의 두 열의 동시적인 광 방출을 가능하게 한다. 각각의 광센서에 의해 검출되는 바와 같은 펄스 트레인의 시계열은 SRAM/DSP 어레이(1108) 내의 SRAM 메모리 뱅크에 저장될 수 있고, SRAM 메모리는 DSP 또는 임의의 다른 프로세서, 예를 들어, 도 1의 프로세서(122 또는 130)에 이러한 정보를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, SRAM 용량은, 센서 어레이(1102)를 판독하기 위한 하나의 뱅크 대신에, 2개의 동일한 뱅크들이 존재하도록 배가될 수 있다. 따라서, 하나의 뱅크가 하나의 픽셀 열로부터 데이터를 판독할 때, 다른 뱅크는 데이터를 디지털 신호 처리 시스템으로 푸시할 수 있다. 이러한 구조는 데이터 파이프라이닝이 2배가 될 수 있게 하고, 단일 SRAM 뱅크를 갖는 시스템의 픽셀 포착속도가 2배가 될 수 있게 한다.
열 단위로 판독되는 것에 부가하여, 일부 실시예들은 도 12와 관련하여 본원에서 설명된 바와 같이, 센서 어레이가 행 단위로 판독되도록 구성될 수 있다. 도 12는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 각 행마다 m × n 센서 어레이(1202)를 동작시키기 위한 센서 제어 시스템(1200)의 개략도이다. 센서 제어 시스템(1200)은 행 선택 회로(1204)와, TDC 및 SRAM/DSP 어레이(1206)로 라벨링된 단일 조합 모듈로서 도시된, TDC 어레이들 및 SRAM/DSP 어레이들을 포함할 수 있다. 행 선택 회로(1204)는 도 11의 열 선택 회로(1104)와 실질적으로 동일한 구성 및 동작을 가질 수 있지만, 이는 열 대신에 행 단위로 광센서들을 선택하도록 동작한다. TDC 및 SRAM/DSP 어레이(1206)는 도 11의 TDC 어레이(1106) 및 SRAM/DSP 어레이(1108) 모두와 실질적으로 동일한 구성 및 동작을 가질 수 있지만, 이는 열 대신에 행 단위로 광센서들을 판독하도록 동작한다. 따라서, 행 선택 회로(1204)는 판독할 행을 선택할 수 있고, TDC 및 SRAM/DSP 어레이(1206)는 판독 동작을 수행할 수 있다.
비록 도 11 및 도 12는 전체 행 또는 열이 한번에 판독되는 실시예들을 도시하지만, 실시예들이 그렇게 제한되지는 않는다. 대신, 다른 실시예들은 센서 어레이 내의 하나 이상의 광센서들을 개별적으로 선택하도록 구성될 수 있다. 도 13a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 열 및 행 제어 회로들을 갖는 각각의 광센서마다 m × n의 센서 어레이(1302)를 동작시키기 위한 제어 시스템(1300)의 개략도이다. 하나의 열 또는 행 선택 회로 및 단지 하나의 대응하는 TDC 및 SRAM/DSP 어레이만을 갖는 대신, 센서 제어 시스템(1300)은 행 선택 회로(1306) 및 열 선택 회로(1304)와, 행 및 열 단위로 판독하기 위한 TDC 및 SRAM/DSP 어레이(1308 및 1310)를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 센서 제어 시스템(1300)은 원하는 광센서가 놓이는 특정 행 및 열을 선택함으로써 광센서들의 특정한 1차원 그룹들을 선택할 수 있다. 일 예로서, 센서 제어 시스템(1300)은 광센서(1312)만을, 그리고/또는 1차원 광센서들(1314, 1316)의 그룹만을 선택할 수 있다. 일단 이러한 광센서들이 선택되면, 그들은 각각의 열 및/또는 행 TDC 및 SRAM/DSP 어레이들(1308 및 1310)에 의해 판독될 수 있다.
일부 부가적인 실시예들에서, 광센서들을 열 또는 행 단부 TDC 및 메모리(SRAM)로 판독하는 대신에, 광센서들은 각각의 픽셀 TDC 및 메모리 당 판독될 수 있어서, 1차원 또는 2차원의 광센서들의 임의의 구성이 한번에 인에이블될 수 있다. 예를 들어, 도 13b는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 각각의 광센서에 특정된 제어 회로들을 갖는 각각의 광센서마다 m × n의 센서 어레이(1302)를 동작시키기 위한 제어 시스템(1301)의 개략도이다. 여기서, 열 및 행에 TDC 및 SRAM/DSP 어레이를 포함시키는 대신에, 개별적인 TDC 및 SRAM 장치들은, 광센서들에 인접하게 구현될 수 있거나, 각각의 광센서가 어레이에 걸쳐 광센서의 임의의 개수 및 구성의 동시적인 판독을 가능하게 하기 위해 하부 반도체 다이 상에 구현될 수 있다. DSP 어레이들(1328 및 1330)은 센서 어레이(1302)의 측면 측으로 구현될 수 있고, 각각의 광센서 또는 DSP들에서의 TDC 및 SRAM 장치들에 대한 공유 자원이 각각의 픽셀에 더 포함될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 센서 어레이(1302)는 그들 사이를 통과하는 전기 신호들을 갖는 단일 구조로 함께 접합된 2개 이상의 모놀리식 전자 장치들("반도체 다이들")의 스택으로서 제조될 수 있다. 상부 반도체 다이는 광 센싱 효율을 최대화하거나 잡음을 최소화하는 프로세스에 의해 제조되는 센서 어레이(1302)를 포함할 수 있는 한편, TDC 및 SRAM 장치들을 위한 다른 다이들은 더 낮은 전력, 더 높은 속도의 디지털 처리를 위해 최적화된다. 이러한 구성으로, 센서 어레이(1302)는 원하는 광센서가 놓이는 특정한 행 및 열을 선택함으로써, 그리고 각각의 TDC 및 SRAM 장치가 선택된 광센서들의 판독을 개별적으로 수행함으로써, 임의의 배열의 임의의 1차원 또는 2차원의 광센서들의 그룹들을 선택하도록 동작될 수 있다. 일 예로서, 센서 제어 시스템(1301)은 다양한 배열들에서 2차원 광센서들(1334 및 1336)의 그룹들을 선택할 수 있다. 일단 이러한 광센서들이 선택되면, 그들은 각각의 TDC 및 SRAM 장치에 의해 개별적으로 판독될 수 있다. 광센서들의 이들 2차원 그룹들을 선택하는 것은 1마이크로초 이하로 달성될 수 있고 그룹들은 계속해서 순환되기 때문에, 센서 제어 시스템은 대응하는 방출기 어레이 상의 구동 회로 그룹에 대응하는 다수의 광센서 그룹들을 미리 정의하는 구성 레지스터(configuration register)들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 레이저 방출기 어레이를 위한 16개의 독립된 레이저 구동 뱅크, 및 광센서 그룹들을 정의하기 위한 16개의 개별적인 구성 레지스터들이 존재하는 일부 실시예들에서, 이러한 구성들은 방출기 어레이의 광 방출을 대응하는 광센서 그룹의 선택과 동기화시키는, 레인징 시스템 컨트롤러, 또는 도 1과 관련하여 본원에서 설명된 임의의 다른 컨트롤러에 의해 선택될 수 있다. 이들 그룹핑 레지스터들은 센서 어레이가 켜질 때 구성될 수 있고, 레인징 시스템 컨트롤러로부터의 제어 입력들에 기초하여 또는 타겟 환경으로부터의 정보에 기초하여 그룹들의 시퀀싱을 변경하도록 재프로그래밍될 수 있다.
본원에서 설명된 바와 같이, 방출기 어레이 및 센서 어레이, 그리고 이들을 위해 광을 조작하는 각각의 마이크로-광학 송신기 및 수신기 채널들은, 방출기 어레이로부터 방출된 광이 센서 어레이에 의해 검출될 수 있도록 서로 대응할 수 있다. 방출기 및 광센서들 사이의 대응을 설명하기 위해, 도 14 내지 도 16에 도시된 바와 같이, 마이크로-광학 송신기 채널들의 개구들의 어레이가 마이크로-광학 수신기 채널들의 픽셀들의 어레이 위에 중첩될 수 있다.
도 14 내지 도 16은 이해를 용이하게 하기 위해, 광 방출기들을 원(일부 실시예에서, 마이크로-광학 송신기 채널들의 개구들을 표현될 수 있음)으로 표현하고 마이크로-광학 수신기 채널들의 광센서들을 그들 자신의 기하학적 프로파일(즉, 정사각형/직사각형)로 표현한, 방출기 어레이에 대한 센서 어레이를 위한 예시적인 구성을 도시한다. 도 14 내지 도 16에 도시된 방출기 및 센서 어레이들은, 도면들에 도시된 것보다 더 많은 방출기들 및 광센서들을 포함할 수 있는, 실제 방출기 및 센서 어레이의 일부분만을 나타낼 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 도 14 내지 도 16에 도시된 각각의 광센서는 단일 광검출기, 또는 복수의 SPAD들일 수 있다.
도 14는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 방출기 어레이 및 센서 어레이가 일대일 대응을 갖는 구성(1400)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 각각의 광 방출기(1402)는 방출기(1402)에 의해 방출되는 광이, 시야 내의 물체로부터 반사된 이후에 대응하는 광센서(1404)에 의해 검출될 수 있도록 각각의 광센서(1404)에 대응할 수 있다. 수평 및 수직 측벽들(1406 및 1408)은 인접한 광센서들 사이의 크로스토크를 완화할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 수평 및 수직 픽셀 피치 치수들은 동일할 수 있다. 예를 들어, 구성(1400)을 위한 센서 어레이의 수평 및 수직 픽셀 피치는 100 um x 100 um일 수 있다.
일부 실시예들에서, 광센서들의 치수들은 하나 이상의 방향들에서의 센서 어레이의 해상도를 수정하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 15는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 방출기 어레이 및 센서 어레이가 일대일 대응을 갖지만 1차원으로 수정된 해상도에서의 대응을 갖는, 구성(1500)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 각각의 광센서(1504)는 도 14의 구성(1400)에서의 센서 어레이의 해상도와 비교할 때 수직 해상도가 감소되도록 더 큰 길이를 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 각각의 광센서(1504)는 직사각형의 형상일 수 있다. 1차원 또는 그 이상의 차원들에서 해상도를 감소시킴으로써, 전기적 구성요소들이 장착될 수 있는 더 많은 공간을 가용할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 수평 및 수직 픽셀 피치 치수들은 상이할 수 있다. 예를 들어, 구성(1500)을 위한 센서 어레이의 수평 및 수직 픽셀 피치는 100 um x 200 um일 수 있다.
도 16은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 센서 어레이가 멀티플렉싱된 광센서들을 갖는 구성(1600)의 개략도이다. 멀티플렉싱된 광센서 배열에서, 둘 이상의 광센서가 방출기 어레이 내의 단일 방출기에 대응할 수 있고, 일부 광센서들은 둘 이상의 방출기에 대응할 수 있다. 예를 들어, 구성(1600) 내의 방출기 어레이는 방출기에 대한 개구에 의해 정의되는 바와 같은 방출기의 시야를 나타내는 원들로 특징지어지는 방출기들(1602a-1602h)을 포함할 수 있다. 각각의 방출기(1602a-1602h)는 센서 어레이 내의 복수의 광센서들(1604a-1604f)에 대응할 수 있다. 예를 들어, 방출기(1602a)는 4개의 광센서들(광센서들(1604a-1604d))와 대응할 수 있으며, 이들 각각은, 시야 내의 물체로부터 반사된 이후에 방출기(1602a)로부터 방출된 광을 포착할 수 있는 적어도 일부 부분을 갖는다. 도 16은 4개의 광센서들에 대응하는 방출기만을 도시하고 있지만, 다른 실시예들은 6, 8 또는 심지어 16과 같은 임의의 다른 적합한 개수의 광센서들에 대응하는 방출기를 가질 수 있다. 단일 방출기의 광을 검출하기 위해 더 많은 개수의 광센서들을 갖는 것은 시야에서 측정된 각각의 픽셀에 대해 더 많은 다이나믹 레인지를 제공하고, 더 조밀하게 패킹된 센서 어레이가 구현될 수 있게 하며, 이는 해상도를 향상시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 하나 이상의 광센서들은 다수의 방출기들로부터의 광을 감지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 방출기(1602c)의 시야는 광센서들(1602c-1602f)와 중첩될 수 있고, 따라서, 방출기(1602a)의 시야는 광센서들(1602a-d)과 중첩되므로, 광센서들(1602c-d)은 방출기들(1602a 및 1602c) 모두에 대응할 수 있다. 이러한 센싱 중첩을 가능하게 함으로써, 광센서 자원들이 공유될 수 있고, 이에 의해, 더 효율적인 센서 어레이를 제공할 수 있다. 도 16에서 알 수 있는 바와 같이, 멀티플렉싱된 광센서의 동작을 가능하게 하기 위해, 인접한 열들에 있는 광센서들 사이의 측벽들은 존재하지 않을 수도 있고, 대신에, 행들 사이의 측벽들(1606)만 존재할 수 있다. 서로 다른 방출기들에 대한 광센서들의 중첩에 부가하여 열 벽들(column walls)의 결여는 크로스토크에 영향을 받을 수 있다. 따라서, 광센서 자원들이 여전히 공유될 수 있게 하면서 인접한 광센서들 사이의 크로스토크를 완화시키는 방식으로 방출기 어레이를 변조하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 도 16의 방출기 어레이가, 도 2에 관하여 본원에서 설명되는 바와 같이 방출기(1602a-1602b)가 한번에 활성화되는 (방출기들(1602c-1602d, 1602e-1602f, 1602g-1602h)에 대해서도 마찬가지) 열(column) 변조된 방출기 어레이인 경우, 상기 방출기 어레이는 제1 시간에 방출기들(1602a-1602b 및 1602e-1602f)을 활성화하도록 구성되고, 그 뒤, 제2 시간에 방출기들(1602c-1602d, 1602g-h)을 활성화하도록 구성될 수 있다. 방출기들(1602a-1602b, 1602e-1602f)는, 도 8a 및 도 8d에 관하여 본원에서 설명된, 동일한 방출기 어레이 중의 또는 상이한 방출기 어레이들 중의 방출기들일 수 있다.
도 16은 각각의 점선 정사각형을 개별 광센서로서 지칭하지만, 실시예들은 그러한 구현들로 제한되지 않고 각각의 점선 정사각형이 다른 센싱 요소들을 나타낼 수 있는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 각각의 점선 정사각형은 SPAD들의 어레이 또는 개별 SPAD를 나타낼 수 있다. 이 예에서, 구성(1600) 전체로서의 점선 정사각형들의 어레이는, 어느 방출기(1602a-1602h)가 광을 방출하는 지에 따라 판독하기 위한 SPAD들의 하나 이상의 어레이들 또는 개별 SPAD를 동적으로 선택하는 비정형 센싱 어레이로서 동작할 수 있다. 예를 들면, SPAD들의 어레이들(1604a-1604d)은 방출기(1602a)가 제1 포착 주기 동안에 활성화될 때 판독될 수 있고, SPAD들의 어레이들(1604c-1604f)은 방출기(1602a)가 제2 포착 주기 동안에 활성화될 때 판독될 수 있다. SPAD들의 각각의 어레이(1604a-1604d)는 도 8c와 관련하여 본원에서 유사하게 설명된 바와 같이, 광센서의 서브영역에 대응할 수 있거나, 또는 SPAD들의 각각의 어레이(1604a-d)는 개별 광센서에 대응할 수 있다.
IV. 전자 스캐닝 LIDAR 시스템의 솔리드-스테이트 구성
도 17은 본 개시의 일부 실시예들에 따른 예시적인 광 전송 모듈(1700)의 구성의 단면도이다. 광 전송 모듈(1700)은 기판(1704) 상에 형성된 방출기 어레이(1702)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 방출기 어레이(1702)는 반도체 칩 상에 직접 형성된 VCSEL 어레이일 수 있다. 방출기 어레이(1702)는 도 6 및 도 7a-7b와 관련하여 본원에서 설명된 바와 같은 구동부 회로(미도시)와 함께, 구조물(1706), 예를 들어 세라믹 판 위에 장착될 수 있고, 그리고 구조물(1706)은, 예를 들어, 인쇄회로기판(PCB)과 같은 상호연결 구조물(1708) 위에 장착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 구조물(1706)은 방출기 어레이(1702)를 동작시킬 수 있는 구동부 ASIC과 같은 구동부 회로일 수 있다. 구동부 회로로서 구성될 때, 구조물(1706)은 기판(1704)의 하면에 플립-칩(flip-chip) 접합될 수 있다. 방출기 어레이(1702)를 동작시키기 위해 다양한 다른 전기적 구성요소들(미도시)이 또한 상호연결 구조물(1708) 상에 장착될 수 있다. 따라서, 상호연결 구조물(1708)은 와이어 접합(미도시)과 같은 임의의 적절한 방법을 통해 기판(1704)과 전기적으로 연결될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광 전송 모듈(1700)은 방출기 어레이(1702)가 연결된 측면과 반대측의 측면 상에서 상호연결 구조물(1708)에 연결되는 히트 싱크(1716)를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 히트 싱크(1710)는 과열을 방지하기 위해 작동 중에 방출기 어레이(1702)로부터 열을 끌어낼 수 있다. 이러한 능력을 제공하기 위해, 방출기 어레이(1702)로부터 히트 싱크(1710)로의 열 전달을 가능하게 하기 위해 다양한 구성요소들이 열 라우팅 구조물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 전송 모듈(1700)은 방출기 어레이(1702)에 의해 발생된 열을 히트 싱크(1710)로 라우팅하거나 또는 방출기 어레이(1702)의 온도를 조절하기 위해, 히트 싱크(1710) 및 상호연결 구조물(1708) 사이에 열전 냉각기(thermoelectric cooler, TEC)(1712)를 포함할 수 있다. TEC(1712)는 도 17에 도시된 바와 같이, 복수의 열 전도성 비아들을 샌드위치시키는 2개의 판들을 포함할 수 있다. 히트 싱크(1710)는 핀(fin)을 갖는 금속 구조물과 같은, 주변 환경으로 열을 소산시킬 수 있는 임의의 적절한 히트 싱크일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상호연결 구조물(1708)은 지지 구조물(1706), 기판(1704) 및 방출기 어레이(1702)를 히트 싱크(1710)로 열적으로 연결하기 위해 상호연결 구조물(1708)의 상부 표면 및 하부 표면들 사이에서 연장되는 열 비아(1714)의 어레이를 포함할 수 있다. 열 비아(1714)는 텅스텐, 구리, 알루미늄, 또는 임의의 다른 금속 재료와 같은 임의의 적합한 높은 열 전도성 재료로 형성될 수 있다.
V. 스캐닝 LIDAR Systems을 위한 예시적 구현예들
본 개시의 일부 실시예들에 따르면, 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들은 고정식 구조를 갖는 솔리드-스테이트 시스템으로서 구성될 수 있다. 이러한 LIDAR 시스템은 회전하지 않으므로, 센서 및 송신기 모듈을 회전시키기 위한 별도의 모터가 필요하지 않다. 예시적인 고정형 LIDAR 시스템들이 도 18 및 도 19에 도시되어 있다.
도 18 및 도 19는 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들의 예시적인 구현예들의 개략도이다. 구체적으로, 도 18은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 자동차와 같은 도로 차량(1805)의 외부 영역에서 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들(1802a-1802d)이 구현되는 구현예(1800)를 도시하고, 도 19는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 도로 차량(1905)의 상부에 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들(1902a-1902b)이 구현되는 구현예(1900)를 도시한다. 각각의 구현예에서, LIDAR 시스템들의 개수, LIDAR 시스템들의 배치, 및 각각의 LIDAR 시스템의 시야는, 차량 주변 환경의 360도 시야의, 전체가 아니더라도, 대부분을 획득하도록 선택될 수 있다. LIDAR 시스템을 위한 자동차 구현예들은 단지 예시를 위한 것일 뿐, 본원에 설명된 센서들은 예를 들어, 배, 항공기, 기차 등과 같은 다른 유형의 차량들 뿐만 아니라, 예를 들어, 의료 영상, 이동 전화, 증강 현실, 측지학, 지형정보학, 고고학, 지리학, 지질학, 지형학, 지진학, 산림학, 대기 물리학, 레이저 유도, 공중 레이저 스와스 맵핑(ALSM), 및 레이저 고도측정과 같이 3D 깊이 이미지가 유용할 수 있는 다양한 다른 응용에서도 이용될 수 있다.
도 18을 참조하면, 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들(1802a-1802d)은 차량의 외부 영역들에서, 전방 및 후방 휀더 근처에 장착될 수 있다. LIDAR 시스템들(1802a 내지 1802d)은 이들이 차량(1805)의 최외곽 코너들 근처에 위치되도록 차량(1805)의 각각의 코너에 각각 위치될 수 있다. 이러한 방식으로, LIDAR 시스템(1802a 내지 1802d)은 영역들(1806a 내지 1806d)에 있는 시야 내의 물체로부터의 차량(1805)의 거리를 더 잘 측정할 수 있다. 각각의 고정형 LIDAR 시스템은 각각의 유닛이 자체적으로 포착할 수 있는 것보다 큰 합성된 시야를 포착하도록, (가능한 한, 유닛들 사이의 시야들에 부분적으로 그리고/또는 비-중첩되게) 서로 다른 방향을 향할 수 있다. 장면 내의 물체들은 LIDAR Tx 모듈(1808)로부터 방출되는 광 펄스들(1810)의 부분들을 반사할 수 있다. 그 후, 광 펄스들(1810)의 하나 이상의 반사된 부분들(1812)은 LIDAR 시스템(1802a)으로 다시 이동하고, Rx 모듈(1809)에 의해 수신될 수 있다. Rx 모듈(1809)은 Tx 모듈(1808)과 동일한 하우징 내에 배치될 수 있다. 본원에서 설명된 바와 같이, 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들(1802a-1802d)은 장면을 전자적으로 스캔하여 장면의 이미지들을 포착할 수 있다. 따라서, LIDAR 시스템(1802a)은 포인트들(1820 및 1822) 사이에서 스캔하여 영역(1806a)에서 시야 내의 객체들을 포착할 수 있고, 시스템들(1802b-1802d) 및 영역들(1806b-1806d)에 대해서도 마찬가지일 수 있다.
도 18은 차량의 4개의 코너에 장착된 4개의 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들을 도시하고 있지만, 실시예들은 그러한 구성들로 제한되지 않는다. 다른 실시예들은 차량의 다른 영역들 상에 장착된 더 적거나 더 많은 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들을 가질 수 있다. 예를 들어, 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들은 도 19에 도시된 바와 같이 차량의 지붕에 장착될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들(1902a-1902b)은 차량(1905) 주위의 영역들(1907a-1907b)을 더 잘 관찰하기 위해 더 높은 지점을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 스캐닝은, 도 9a 내지 도 9b에 관하여 더 설명되는 바와 같이, 예를 들어, 디지털 마이크로미러(digital micromirror, DMD) 장치, 디지털 광 처리(digital light processing, DLP) 장치 등과 같은 하나 이상의 MEMS 기반 반사기를 이용하는 마이크로칩을 사용함으로써, 칩-기반 빔 조향 기술과 같은 다른 수단에 의해 구현될 수 있다.
본원에서 언급된 바와 같이, LIDAR 시스템들의 개수, LIDAR 시스템들의 배치, 및 각각의 LIDAR 시스템의 시야는, 차량 주변 환경의 360도 시야의, 전체가 아니더라도, 대부분을 획득하도록 선택될 수 있다. 따라서, 각각의 LIDAR 시스템(1802a-1802d)은, 모든 4개의 시스템들(1820a-1802d)이 구현될 때 차량(1805) 주위의 360도 시야의 상당 부분이 관찰될 수 있도록, 대략 90도의 시야를 갖도록 설계될 수 있다. 각각의 LIDAR 시스템(1802a-1802d)이 45도의 시야와 같이, 90도 미만의 시야를 갖는 실시예들에서, 도 20과 관련하여 본원에서 더 설명되는 바와 같이, 단일 LIDAR 시스템보다 더 큰 조합된 시야를 달성하기 위해 하나 이상의 부가적인 LIDAR 시스템들이 시야를 확장하도록 구현될 수 있다.
도 20은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 확장된 시야를 달성하기 위한 둘 이상의 방출 및 검출 시스템들의 세트를 포함하는 예시적인 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(2000)의 톱다운 개략도이다. 도 20에 도시된 바와 같이, 솔리드-스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(2000)은 중앙 지지 구조물(2004) 상에 장착된 방출 및 검출 시스템들(2002a-2002i)의 세트를 포함할 수 있으며, 각 방출 및 검출 시스템은 각각의 광 방출 시스템, 예를 들어 도 5의 광 방출 시스템(503), 및 광 검출 시스템, 예를 들어 도 5의 광 검출 시스템(501)을 포함한다. 각각의 세트는 지지 구조물(2004)의 중앙으로부터 방사상 외측으로 배열될 수 있고, 그들의 시야가 서로 접촉하여 임의의 단일 방출 및 검출 시스템들의 세트에 대한 시야보다 몇배 더 큰 조합된 시야(2006)를 형성할 수 있도록, 나란히(side-by-side) 위치될 수 있다. 다수의 방출 검출 시스템들은 최종 사용자에게 단일 시스템으로 보이는 것처럼 상호작용하도록, 모두 동기화되고 공통의 LIDAR 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 또한, 날짜가 시야 그리드의 고정된 시야 상에서 동작하는 보다 넓은 시야의 고해상도 시스템을 시뮬레이션할 수 있도록, 개별 방출 검출 시스템들은 모두 고정된 픽셀 그리드에 정렬될 수 있다.
VI. 수신기 채널 크로스토크의 완화
본원의 설명에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 수신 구성요소 내의 인접한 채널들은 서로 매우 가깝게(예를 들어, 서로 100 마이크론 내에) 위치될 수 있다. 본 개시의 일부 실시예들은 수신 구성요소의 좁은 피치로 인해 인접한 채널들 사이에서 발생할 수 있는 크로스토크를 최소화하는 하나 이상의 구조물들을 포함한다. 이상적으로는, 도 21a에 도시된 바와 같이, 어떠한 채널에 의해서도 어떠한 미광도 수신되지 않아야 한다.
도 21a는 채널들 사이에 크로스토크가 없는 광 검출 시스템(2100)의 일부의 개략적인 단면도이다. 동작하는 동안, 수직 광선(2102) 및 주 광선(2104)은 벌크 이미징 광학부(2106)로 들어가고, 광 원뿔(2108)을 생성한다. 광선(2102, 2104)은 개구층(2110)의 개구에 입사되고, 시준 렌즈(2111)에 입사된다. 시준 렌즈(2111)는 제한된 각도 범위의 입사광을 수신한다. 예를 들어, 시준 렌즈(2111)는 수직에 대해 +25도 내지 -25도 사이의 입사각에서의 광선을 수신할 수 있다. 도 21a는 +25도 내지 -25도 사이의 입사 각도들을 가진 광 원뿔(2108)을 도시한다. 주 광선(2104)은 개구의 중심을 통과하는 광선이다. 이 예에서, 주 광선(2104)은 시준 렌즈(2111) 상에서 0도의 입사각을 가진다.
도 21b는 채널들 사이에 크로스토크가 존재하는 광 검출 시스템(2101)의 일부의 개략적인 단면도이다. 이 경우에, 동작하는 동안, 경사진 광선(2112) 및 주 광선(2114)은 벌크 수신기 광학부(2116)로 입사되고, 그 뒤 시준 렌즈(2121)에 입사된다. 이 예에서, 시준 렌즈(2121)는 이미지의 중심으로부터 멀리 있는 광센서에 대응하는 마이크로-광학 채널에 속한다. 이 예에서, 주 광선(2114)은 -12도의 입사각을 갖고, 집속된 광의 원뿔은 +12도 내지 -35도 사이의 입사각을 가진다. 시준 렌즈(2121)는 +25도 내지 -25도 사이의 입사각을 가진 광만 수신하기 때문에, 광선의 일부를 차단한다. 또한, 시준 렌즈가 수신하는 원뿔의 외부에 있는 광선은 다른 광학 표면으로 이동하여 미광이 될 수 있다. 따라서, 비-텔레센트릭(non-telecentric) 벌크 이미징 광학부는, 잠재적으로 잘못된 광선(2122)으로 다른 채널을 오염시키면서, 광 검출기에 대해 상당히 적은 신호 광자를 전달할 것이다. 반면에, 텔레센트릭 벌크 이미징 광학부는, 경사진 광선(2112) 및 주요 광선(2114)의 각도에 상관없이, 시준 렌즈 상에서 대략 0도의 입사각을 가진, +25도 내지 -25도 사이의 입사각을 가진 광을 생성할 것이다. 텔레센트릭 벌크 이미징 광학부는, 송신기에 대해, VCSELS 또는 측면 발광 다이오드 레이저 바에 대한 경우와 같이, 레이저가 텔레센트릭(주 광선들이 모두 평행)할 때, 유사한 장점을 가진다.
일부 실시예에서, 광 센싱 모듈의 광 검출 시스템은 입력 이미지-공간 텔레센트릭 벌크 이미징 광학부를 사용한다. 일부 다른 실시예에서, 예를 들어, 비용 또는 증가된 시야가 성능보다 더 중요한 경우에, 광 검출 시스템은 양-볼록(bi-convex) 렌즈와 같은 더 표준적인 입력 벌크 이미징 광학부를 사용할 수 있다. 이미지-공간 텔레센트릭 렌즈로의 임의의 주어진 입력 시야에 대해, 출력된 주 광선들은 광학 축에 평행하고, 이미지측 광 원뿔들은 모두 대략 동일한 각도들의 세트로 퍼진다. 이는 광 검출 시스템의 광학 축으로부터 멀리 있는 마이크로-광학 채널들이 축 상의 마이크로-광학 채널과 유사한 성능을 달성할 수 있게 한다. 광 검출 시스템은 이를 위해 완전한 이미지-공간 텔레센트릭을 필요로 하지는 않지만, 완전한 텔레센트릭에 더 가까운 것이 더 나을 것이다. +/-25도의 광만 수신할 수 있는 마이크로-광학 수신기 광학 층 렌즈들의 경우, 상기 입력 벌크 이미징 광학부는 초점면의 모든 지점에 대해 각도가 25도 이하인 이미지측 광선을 생성하는 것이 바람직하다.
특정 실시예에서, 넓은 시야 및 협대역 이미징을 가진 특정한 광 검출 시스템들은, 개구수(NA)가 0.34이고 초점 거리가 20 mm인 입력 이미지-공간 텔레센트릭 벌크 이미징 광학부를 가질 수 있다. 유사하게, 일부 다른 실시예는 1 nm폭의 대역통과 필터를 가질 수 있으며, 이에 의해, 매우 특정한 파장의 광을 검출할 수 있게 한다. 상기 광 검출 시스템은 30도보다 큰 FOV들을 지원할 수 있다.
본 개시의 일부 실시예에 따르면, 마이크로-광학 수신기 채널 어레이의 각각의 채널의 설계는 각각의 광 검출기 상으로의 미광의 침입을 최소화하는 특징들을 갖도록 특히 구성될 수 있고, 이에 의해, 미광의 발생에 의해 야기되는 임의의 악영향들을 감소시키거나 제거할 수 있다. 도 22는 본원의 설명에서 마이크로-광학 수신기 채널이라고도 불리는, 예시적인 마이크로-광학 수신기 채널 구조(2200)의 개략적인 단면도이다. 수신기 채널(2200)은 도 5의 마이크로-광학 수신기 채널들(512)을 나타낼 수 있고, 넓은 범위의 파장들을 포함하는 입력 광 원뿔(cone)을 수용하고, 동작 파장을 중심으로 하는 파장들의 좁은 대역을 제외한 모두를 필터링하며, 광센서(2202)가 전술한 좁은 파장 대역 안에서만의 또는 실질적으로 그 안에서의 광자들을 검출하게 하는 역할을 한다. 본 개시의 일부 실시예에 따라, 수신기 채널(2200)과 같은 마이크로-광학 수신기 채널 구조들은 다음의 층들을 포함할 수 있다:
· 도 5(도 22에 도시되지 않음)에 도시된 벌크 수신기 광학계(502)와 같이, 이미징 광학계의 초점 면에 배치될 때 좁은 시야를 정의하도록 구성되는, 광학적으로 투명한 개구(2206) 및 광학적으로 비투과성인 정지(stop) 영역(2208)을 포함하는 입력 개구층(2204). 개구층(2204)은 입력 가장자리 광선들(2210)을 수신하도록 구성된다. 본원에서 "광학적으로 투명한"이란 용어는 대부분의 또는 모든 광이 통과되도록 허용하는 것을 지칭한다. 본원에서 광은 근자외선, 가시광선 및 근적외선 범위(예를 들어, 300 nm 내지 5000 nm)에서의 전자기 복사의 스펙트럼을 지칭한다. 여기서, 광학적으로 불투명한 것은 통과하는 광이 없거나 거의 없이, 해당 광을 흡수하거나 반사시키는 것을 지칭한다. 개구층(2204)은 광학적으로 비투과성인 정지 영역들에 의해 서로 분리되는, 균일한 영역의 광학적으로 투명한 개구들의 어레이를 포함할 수 있다(예를 들어, 각각의 개구는 동일한 직경을 갖는 핀포인트 홀일 수 있다). 개구 및 조리개 영역들은 광학적으로 투명한 기판과 같은 단일 모놀리식 요소 위에 형성될 수 있다. 개구층(2204)은 선택적으로, 개구부들(2206)의 1차원 또는 2차원 어레이를 포함할 수 있다.
· 초점 거리에 의해 특징지어지되, 개구(2206) 및 조리개 영역(2208)의 평면으로부터 초점 거리로 오프셋되고, 개구(2206)와 축방향으로 정렬되며, 수신기 채널(2200)의 광학 축과 정렬되는 시준 렌즈(2214)의 축에 대해 대략 평행하게 이동하도록 통과되는 광자들을 개구에 의해 시준하도록 구성되는, 시준 렌즈(2214)를 포함하는 광학 렌즈층(2212). 광학 렌즈층(2212)은 크로스토크를 감소시키기 위해 선택적으로, 개구들, 광학적으로 불투명한 영역들 및 튜브 구조를 포함할 수 있다.
· 시준 렌즈(2214)에 인접하고 개구(2206)의 반대쪽에 있는, 대개, 브래그 반사기 유형의 필터인 광학 필터(2218)를 포함하는 광학 필터층(2216). 광학 필터층(2216)은 특정한 동작 파장 및 통과대역에서, 수직으로 입사된 광자들을 통과시키도록 구성될 수 있다. 광학 필터층(2216)은 임의의 개수의 광학 필터들(2218)을 포함할 수 있다. 광학 필터층(2216)은 크로스토크를 감소시키기 위해 선택적으로, 개구들, 광학적으로 불투명한 영역들 및 튜브 구조를 포함할 수 있다.
· 광학 필터층(2216)에 인접한 광센서(2202)를 포함하고, 광센서(2202)에 입사되는 광자를 검출하도록 구성되는 광센서층(2220). 여기서, 광센서(2202)는 광자를 검출할 수 있는 단일 광 검출기(예를 들어, 애벌란시 포토다이오드, 단일 광자 애벌란시 검출기(single photon avalanche detector, SPAD), 공진 공동 포토다이오드(resonant cavity photo-diode, RCP), 등), 또는 단일 광센서로서 동작하도록 함께 동작하는, 종종, 하나의 큰 광자 검출 영역에 비해 더 높은 다이나믹 레인지, 더 낮은 암계수율(dark count rate), 또는 다른 이점의 속성들을 가지는, SPAD들의 어레이와 같은, 다수의 광 검출기들을 지칭한다. 각각의 광 검출기는 광자, 즉, 광을 감지할 수 있는 활성 영역일 수 있다. 일부 실시예들에서, 광센서층은 광검출기들의 어레이를 포함하며, 이들 각각은 개구층(2204) 내의 대응하는 개구의 면적보다 큰 실질적으로 균일한 감지 영역을 갖는다. 각각의 광센서가 SPAD들 또는 다른 광검출기들의 어레이인 실시예들에서, 주어진 광센서의 SPAD들 또는 다른 광검출기들이 감지 영역에 걸쳐 분포된다. 광센서층(2220)은 광 검출기(들)로 만들어진 층을 지칭하며, 검출 효율성을 개선하고 이웃하는 수신기 구조들과의 크로스토크를 감소시키기 위한 선택적인 구조들을 포함한다. 광센서층(2220)은 선택적으로, 확산기, 수렴 렌즈, 개구, 광학적으로 불투명한 튜브 스페이서 구조물, 광학적으로 불투명한 원뿔형 스페이서 구조물 등을 포함할 수 있다.
미광은 광학 표면의 거칠기, 투명 매질의 불완전성, 후방 반사 등에서의 결함에 의해 야기될 수 있고, 수신기 채널(2200) 내부 또는 외부의 여러 특징부에서 발생될 수 있다. 미광은 시준 렌즈(2214)의 광학 축에 평행하지 않은 경로를 따라 필터 영역(2218)을 통과하게 지향되고, 개구(2206) 및 시준 렌즈(2214) 사이에서 반사되며, 일반적으로 여러 반사 및 굴절을 포함하는 임의의 다른 경로 또는 궤적을 포함할 수 있다. 다수의 수신기 채널들이 서로 인접하여 배열되는 경우, 하나의 수신기 채널 내의 미광은 다른 채널 내의 광센서에 의해 흡수될 수 있으며, 이에 의해, 광자들에 고유한 타이밍, 위상, 또는 다른 정보를 오염시킬 수 있다. 따라서, 수신기 채널(2200)은 수신기 채널들 사이의 크로스토크를 감소시키기 위해 여러 구조들을 특징으로 할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 마이크로-광학 채널 층 구조의 각각의 층은 미광의 악영향을 완화시키기 위해 특정한 방식으로 설계될 수 있다. 각각의 층에 대한 다양한 상이한 설계들이 2018년 5월 14일에 출원된 "채널당 다수의 수렴 렌즈들을 갖는 이미징 모듈을 위한 마이크로-광학계(Micro-optics for Imaging Module with Multiple Converging Lenses per Channel)"라는 제목의 미국 특허출원 제15/979,295호에서 설명되며, 이는 모든 목적을 위해 본원에 참조로 포함된다.
각각의 이러한 층은 크로스토크, 즉, 도 22에 관하여 본원에 설명된 바와 같이 인접한 수신기 채널들로 미광을 노출하는 것을 완화시키기 위해 다양한 방식으로 구성될 수 있으나, 본 개시의 실시예들은 해당 특정 구성으로 제한되지 않으며, 다른 실시예들은 위에서 언급된 미국 특허출원 제15/979,295호에 개시된 각각의 층들의 상이한 실시예들을 사용하여 상이한 방식으로 구성될 수 있다.
도 22에서 알 수 있는 바와 같이, 수신기 채널은 특정 기능들을 수행하는 복수의 층들을 포함할 수 있다. 그러나, 각 층과 관련하여, 제조 비용이 존재한다. 따라서, 더 많은 수의 층들은 종종 더 높은 제조 비용을 초래할 수 있다. 일부 예들에서, 수신기 채널의 센싱 능력에 상당한 영향을 미치지 않고 비용을 절감하기 위해 하나 이상의 층들을 제거하거나 수신기 채널의 구성을 단순화하는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 단순화된 수신기 채널의 일 예가 도 23과 관련하여 본원에서 설명된다.
도 23은 광센서들(예를 들어, SPAD들의 어레이들)이 매우 조밀하게 패킹되고, 좁은 간격으로 인해 수신기 채널의 개구가 더 작게 되는 실시예들에 잘 맞는, 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 예시적인 단순화된 수신기 채널(2300)의 단순화된 단면도이다. 예를 들어, 광센서 어레이가 SPAD들의 어레이를 포함하는 회전 LIDAR 응용예에서, 어레이는 200 마이크론 또는 심지어 400 마이크론의 픽셀 피치를 갖도록 설계될 수 있다. 일부 솔리드-스테이트 LIDAR 설계들에서의 경쟁우위적인 해상도를 달성하기 위해, 픽셀들은, 예를 들어, 100 마이크론 이하의 더 좁은 피치로 함께 패킹된다. 더 큰 200 내지 400 마이크론 채널을 이용하면, 일부 경우에 각각의 센서 채널의 개구(예를 들어, 개구(2304))는 직경이 약 25 내지 30 마이크론일 수 있다. 센서 채널이 더 작은 피치(예를 들어, 100 마이크론)로 집적(condense)됨에 따라, 개구의 직경이 더 집적될 수 있다. 개구를 통과하는 광선을 시준하는 렌즈층을 포함하는 이점이 렌즈를 제조하는 부가적인 처리 단계에 가치가 없도록 감소된 피치 및 더 작은 개구가 조합된다.
도 23에 도시된 바와 같이, 수신기 채널(2300)은 불투명층(2306)에 형성된 개구(2304)를 포함하는 개구층(2302)을 포함할 수 있다. 개구(2304)는 일부 실시예들에서 층(2306) 내의 개구들에 의해 형성된 빈 공간으로 형성될 수 있는 반면, 개구(2304)는 일부 다른 실시예들에서 광학적으로 투명한 물질에 의해 형성될 수 있다.
수신기 채널(2300)은 도 23에 도시된 바와 같이 개구층(2302) 바로 위에 위치하거나, 개구(2302) 및 광센서들(2326) 사이에 위치하는 광학 필터층(2314)을 더 포함할 수 있다. 광학 필터층(2314)은, 광학 필터(2316)를 구조적으로 지지하는 광학적으로 투명한 기판(2318) 상에 직접 배치된, 광학 필터(2316)를 포함할 수 있다. 도 14 및 도 15와 비교하여 이해될 수 있는 바와 같이, 수신기 채널(2300)은 개구(2304)에 들어가는 시준 광을 위한 광학 렌즈층을 포함하지 않는다. 광학 렌즈층을 제거함으로써, 수신기 채널(2300)은 더 적은 층들을 갖는 더 단순한 설계를 가질 수 있다. 광학 렌즈층을 포함하지 않는 광학 성능에서의 희생은 수신기 채널을 제조하는 데에 있어서의 비용 절감 및 제조의 단순화보다 더 작을 수 있다. 또한, 광학 렌즈층의 부재를 보상하기 위해 수신기 채널(2300)의 하나 이상의 다른 층이 변경될 수 있다. 예를 들어, 광학 필터(2316)는 도 22의 광학 필터(2218)보다 더 넓은 대역통과 필터로 변경될 수 있다. 광학 렌즈층을 갖지 않음으로써, 입사광은 더 경사지며, 따라서 보다 넓은 파장의 스펙트럼을 포함할 것이다. 따라서, 더 넓은 통과 대역을 갖는 더 넓은 대역통과 필터를 가짐으로써, 광학 필터(2316)를 통해 더 넓은 스펙트럼의 광을 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 필터(2316)는 통과대역 폭이 광학 필터들(1416 및 1516)보다 수 배 더 크고, 예를 들어, 일부 특정 실시예들에서 9배 내지 11배, 특히 10배 더 크다. 따라서, 일 예로서, 광학 필터(2316)는 광학 필터들(1416 및 1516)을 위한 1 nm 통과 대역 대신에 10 nm폭의 통과 대역을 가질 수 있다.
개구층(2302) 바로 아래에 광센서층(2320)이 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 수신기 채널(2300)의 광센서층(2320)은 광학적으로 불투명한 스페이서 구조물(2322), 수렴 렌즈 세트(2324), 및 광센서(2326)를 포함할 수 있다. 수렴 렌즈 세트(2324)는 광센서(2326)의 상부 표면 상에 직접 위치될 수 있고, 광센서(2326) 내에 개별 광검출기(2328)당 하나의 수렴 렌즈를 포함할 수 있는데, 수렴 렌즈 세트(2324)의 각각의 렌즈는 비활성 영역(2330)보다는 대응하는 별개의 광검출기(2328) 상에, 광학 필터층(2314) 및 개구(2304)에 의해 통과된 입사 광자를 집중시키도록 구성된다. 또한, 광학적으로 불투명한 스페이서 구조물(2322)은 광학적으로 불투명한 재료(예를 들어, 블랙 크롬)로 형성될 수 있다. 광학적으로 불투명한 스페이서 구조물(2322)은 광센서(2326) 및 개구층(2302) 사이의 영역에서 임의의 광이 수신기 채널(2300)의 외부로 이동하는 것을 방지하는 튜브를 형성한다.
본 개시의 일부 실시예들에 따르면, 개구(2304)를 그 각각의 광센서의 전방에 위치시킴으로써, 개구(2304)는 광센서(2326)에 의해 검출되는 시야를 제한하며, 이에 의해, 광센서(2326)가 시야 내의 단일 지점만을 관찰하도록 하기 때문에 광센서(2326)의 공간적 분해등(acuity)을 개선한다. 또한, 개구(2304)는 특정 각도로 전파되고 있는 광만이 수신기 채널 내에 입력되게 하고, 광센서(2326) 상에, 또는 광센서(2326)가 SPAD들의 어레이로서 배열되는 경우 모든 SPAD들에 노출되게 하는 필터링 기능을 제공한다. 일부 실시예들에서, 개구(2304)의 크기는 광센서(2326)의 크기보다 작다.
도 23과 관련하여 본원에 설명된 임의의 실시예들에 따라 수신기 채널을 구현함으로써, 잘못된 광이 인접한 수신기 채널들 상에 노출되는 것이 방지될 수 있고, 이에 의해, 이미징을 위한 각각의 광센서의 광자 포착 능력의 정확성을 개선할 수 있다.
VII. 전자 스캐닝 LIDAR 시스템 사양
본 개시의 실시예들에 의해 알 수 있는 바와 같이, 특정 LIDAR 시스템의 시야 및 해상도는 센서 어레이의 크기, 센서 어레이 내의 광센서들의 피치, 방출기 어레이의 피치, 방출기 어레이의 크기, 및 단일 광센서의 SPAD들의 피치와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는, 여러 상호 관련된 요인들에 의존할 수 있다. 더 큰 센서 어레이는 센서 피치의 크기가 일정한, 더 큰 시야를 초래할 수 있다. 부가적으로, 더 작은 광센서 피치는 센서 어레이의 크기가 일정한 경우 더 높은 해상도를 초래할 수 있지만, 더 작은 시야의 시야를 초래할 수 있다.
몇몇 상업적 LIDAR 사양들의 요구사항들을 만족시키기 위해, 전기 스캐닝 LIDAR 시스템들은 다양한 방식들로 설계될 수 있다. 예를 들어, 일부 상업적 LIDAR 사양은 수평 방향으로 대략 45도 및 수직 방향으로 22.5도의 최소 시야를 필요로 하고, 약 256픽셀 × 128픽셀의 최소 해상도를 필요로 한다. 따라서, 일부 스캐닝 LIDAR 시스템들은 256 × 128의 센서 어레이를 갖는 센서 어레이를 갖도록 구성되어, 이들 요구사항들을 충족시키도록 설계될 수 있다. 어레이의 크기를 컴팩트하게 유지하기 위해, 광센서 피치는 수직 및 수평 치수 모두에서 50 내지 70 um 사이의 범위, 특히 60 um일 수 있고, 각각의 광센서가 SPAD들의 어레이로 형성되는 실시예에서, SPAD 피치는 5 내지 15 um 사이의 범위, 특히 특정 실시예에서 10 um일 수 있다. 그러한 실시예들에서, 각각의 광센서는 16개의 SPAD들을 가질 수 있다. 센서 어레이의 결과적인 크기는 약 15 mm × 7.6 mm일 수 있다.
센서 어레이가 충분한 광을 수신하도록 하기 위해, 방출기 어레이는 센서 어레이의 사양을 보완하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 방출기 어레이는 2개의 방출기 어레이들로 형성될 수 있고(2개의 광 방출 시스템을 갖는 LIDAR 시스템을 초래함), 여기서 방출기 어레이들은, 도 8a와 관련하여 본원에서 설명된 바와 같이, 이들 각각보다 더 큰 해상도를 달성하기 위해 조합될 수 있는 각각 이격된(sparse) 방출기 어레이들이다. 조합으로서, 방출기 어레이들은 센서 어레이의 광센서 배열과 매칭하는 조명 패턴을 생성할 수 있다. 따라서, 각각의 방출기는 대략 7.6 mm × 3.8 mm의 크기를 가질 수 있다.
VIII. 센서 어레이를 위한 판독 라인의 위치 지정
도 11 내지 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 판독 라인들(각각의 센서 어레이들(1102, 1202, 및 1302)에서 화살표들로 표시됨)은 광센서들과 중첩하여 도시된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 이러한 판독 라인들은 광센서들을 위한 점유 공간을 최대화하도록 재정렬될 수 있다. 일 예로서, 도 24는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 센서 어레이(2402)의 확대된 부분(2400)의 개략도이다. 복수의 열(column) 인에이블 라인들(2404) 및 판독 라인들(2406)은 광센서들(2408)의 동작을 인에이블하기 위해 존재할 수 있다. 열 인에이블 라인들(2404) 및 판독 라인들(2406)을 센서 어레이(2402)를 통해서 그리고 광센서들(2408) 사이에서 라우팅하는 대신에, 열 인에이블 라인들(2404) 및 판독 라인들(2406)은 센서 어레이(2402)의 주위, 즉, 외주 둘레 근처 또는 그 외부로 라우팅될 수 있다. 부가적으로, 광센서(2408)가 SPAD들인 경우, 각각의 SPAD는, 동작 동안 광센서(2408)의 바이어싱, 퀀칭(quenching) 및 재충전을 위해 구성되는 솔리드-스테이트 장치일 수 있는 아날로그 전단 구성요소(2410)를 필요로 하고, 판독 라인들(2406)은 또한 전단 구성요소(2410)의 외부로 라우팅될 수 있다. 센서 어레이(2402) 주위로 열 인에이블 라인들(2404) 및 판독 라인들(2406)을 라우팅함으로써, 광센서들(2408)은 그들의 로컬 영역 내의 필 팩터(fill factor)를 최대화하도록 위치될 수 있다. 마이크로-렌즈 어레이와 조합하여 사용되는 경우, 이는 광센서 레벨에서 높은 광학적 필 팩터를 가능하게 한다.
광센서들(2408)을 위한 더 많은 공간을 제공하기 위해, 하나 이상의 구성요소들이, 센서 어레이가 배치되는 실리콘 기판의 배면에, 또는 상이한 기판 상에 함께, 장착될 수 있다. 일 예로서, 도 25는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 기판의 배면 상에 장착된 하나 이상의 구성요소들을 구비한 센서 어레이(2502)의 확대된 부분(2500)의 개략도이다. 광센서들(2508)의 동작을 인에이블하고 센서 어레이(2502) 주위에 배치되도록 복수의 열 인에이블 라인들(2504) 및 판독 라인들(2506)이 존재할 수 있다. 전단 구성요소가 센서 어레이(2502)와 함께 기판의 전면에 배치되는 대신에, 전단 구성요소는 후면에 장착될 수 있고, 따라서, 광센서들(2508)을 위해 더 많은 공간을 자유롭게 할 수 있다. 이와 같이, 도 24에 도시된 전단 구성요소(2410)는 도 25에 존재하지 않고, 센서 어레이(2502)가 위치하는 면적이 증가된다. 따라서, 센서 어레이의 해상도가 증가될 수 있고, 칩의 크기가 감소될 수 있으며, 그에 의해 비용을 절약할 수 있다.
본 개시는 특정 실시예들에 관하여 기술되었지만, 본 개시는 이하의 청구범위 내에서 모든 수정 및 균등물을 커버하도록 의도됨을 알 수 있을 것이다.

Claims (100)

  1. 솔리드-스테이트 광학 시스템으로서,
    개별적인 광 방출기들의 어레이를 포함한 송신기 층을 포함하는, 광 전송 모듈;
    광센서들의 어레이를 포함한 센서층을 포함하는, 광 센싱 모듈 - 상기 광 방출기들의 어레이 내의 각각의 광 방출기는 상기 광 센싱 모듈 내의 대응하는 광센서와 쌍을 이룸 - ;
    광 방출기들의 어레이에 연결되고, 한 번에 광 방출기들의 서브세트만을 활성화하도록 구성되는 방출기 어레이 광 방출 회로; 및
    상기 광센서들의 어레이에 연결되되, 하나의 방출 사이클을 통해 상기 개별적인 광 방출기들의 어레이 내의 각각의 광 방출기가 활성화될 수 있도록 그리고 상기 광센서들의 어레이 내의 각각의 광센서가 판독될 수 있도록, 상기 어레이 내의 개별적인 광센서들의 판독을 대응하는 광 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 판독 회로를 포함하는 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 광 방출기에 대한 시야는 대응하는 광센서에 대한 시야와 매칭되는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광 전송 모듈은 벌크 송신기 광학계를 더 포함하고, 상기 광 센싱 모듈은 벌크 수신기 광학계를 더 포함하는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 개별적인 광 방출기들의 어레이는 제1 치수들을 갖는 2차원 어레이로 배열되되 상기 벌크 송신기 광학계를 통해 광의 이산적인 빔들을 상기 광학 시스템 외부의 시야로 투사하도록 구성되고, 상기 광센서들의 어레이는 제2 치수들을 갖는 2차원 어레이로 배열되고 광자들이 상기 벌크 수신기 광학계를 통과한 후에 상기 시야 내의 표면들로부터 반사되는 상기 광자들을 검출하도록 구성되며, 상기 제1 치수들, 제2 치수들, 벌크 송신기 광학계 및 벌크 수신기 광학계들의 조합은 벌크 송신기 광학계를 통과하는 각각의 방출기 열의 시야가 벌크 수신기 광학계를 통과하는 대응하는 픽셀 열의 시야와 상당히 동일하도록 설계되는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광 센싱 모듈은 복수의 개구들을 갖는 개구층을 더 포함하고, 상기 개구층 및 광센서들의 어레이는 복수의 수신기 채널들을 형성하도록 배열되며, 상기 복수의 수신기 채널들 내의 각각의 수신기 채널은 상기 복수의 개구들 중의 하나의 개구 및 상기 복수의 광센서들 중의 하나의 광센서를 포함하고, 상기 개구는 상기 수신기 채널 내의 상기 광센서의 시야를 정의하는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광센서들의 어레이 내의 각각의 광센서는 SPAD들의 어레이를 포함하고, 각각의 광 방출기는 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)인, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 광 방출기들의 어레이 및 광센서들의 어레이는 열 단위로 또는 행 단위로 활성화되는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 광 전송 모듈은 제1 광 전송 모듈이고, 상기 송신기 층은 제1 송신기 층이며, 상기 개별적인 광 방출기들의 어레이는 개별적인 광 방출기들의 제1 어레이이고;
    상기 시스템은, 개별적인 광 방출기들의 제2 어레이를 포함한 제2 송신기 층을 포함하는, 제2 광 전송 모듈을 더 포함하며;
    상기 개별적인 광 방출기들의 제1 및 제2 어레이는 각각, 제1 조명 패턴 및 제2 조명 패턴에 따라 상기 광학 시스템 외부의 시야로 광의 이산적인 빔을 투사하도록 정렬되고, 상기 제1 조명 패턴 및 제2 조명 패턴은 상기 제1 조명 패턴으로부터의 하나의 이산 빔 및 상기 제2 조명 패턴으로부터의 하나의 이산 빔이 상기 복수의 수신기 채널들 내의 각각의 수신기 채널의 시야 내에 있도록 정렬되는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  9. 거리 측정을 수행하기 위한 솔리드-스테이트 광학 시스템으로서, 상기 솔리드-스테이트 광학 시스템은,
    벌크 송신기 광학계 및 조명 소스를 포함하는 광 방출 시스템 - 상기 조명 소스는, 조명 패턴에 따라 배열되고 상기 광학 시스템의 전방 시야로 상기 벌크 송신기 광학계를 통한 광의 이산적인 빔들을 투사하도록 정렬된, 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함함 - ;
    벌크 수신기 광학계, 복수의 개구들을 포함하는 개구층, 및 광센서층을 포함하는 광 검출 시스템 - 상기 광센서 층은, 상기 조명 소스로부터 방출되고 상기 벌크 수신기 광학계를 통과한 후 상기 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성된, 광센서들의 2차원 어레이를 포함하고, 상기 개구층 및 상기 광센서층은 상기 조명 패턴에 대응하는 센싱 패턴으로 배열된 복수의 센싱 채널들을 형성하도록 배열되며, 상기 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널은 상기 방출기들의 어레이 내의 하나의 방출기에 대응하되 상기 개구층 중의 하나의 개구 및 상기 광센서층 중의 하나의 광센서를 포함함 - ;
    상기 광 방출기들의 2차원 어레이에 연결되고, 한 번에 광 방출기들의 서브세트만을 활성화하도록 구성되는 방출기 어레이 광 방출(firing) 회로; 및
    상기 광센서들의 2차원 어레이에 연결되되, 하나의 방출 사이클을 통해 상기 개별적인 광 방출기들의 어레이 내의 각각의 광 방출기가 활성화될 수 있도록 그리고 상기 광센서들의 어레이 내의 각각의 광센서가 판독될 수 있도록, 상기 어레이 내의 개별적인 광센서들의 판독을 대응하는 광 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 판독 회로를 포함하는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 각각의 광 방출기에 대한 시야는 상기 시야 내의 비-중첩 시야를 나타내고, 대응하는 광센서에 대한 시야와 매칭되는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 방출기 어레이 광 방출 회로는 한 번에 하나의 열 또는 하나의 행 단위로 광 방출기들의 서브세트들을 활성화시키고, 상기 센서 어레이 판독 회로는 한 번에 하나의 열 또는 하나의 행 단위로 상기 대응하는 광센서들의 판독을 동기화하는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 광센서들의 어레이 내의 각각의 광센서는 SPAD들의 어레이를 포함하고, 각각의 광 방출기는 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)인, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 방출기 어레이 광 방출 회로는 각각의 방출 사이클에 걸쳐 단일 방향으로 광 방출기들의 열들 또는 행들을 순차적으로 활성화시키는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  14. 제9항에 있어서, 상기 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널에 대하여, 상기 센싱 채널 내의 상기 광센서에 대한 센싱 면적은 그의 각각의 개구의 면적보다 큰, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  15. 제9항에 있어서, 상기 방출기들의 2차원 어레이는 제1 피치만큼 서로로부터 분리된 복수의 열들을 포함하고, 상기 광센서들의 2차원 어레이는 상기 제1 피치와 동일한 제2 피치만큼 서로로부터 분리된 복수의 열들을 포함하는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  16. 제9항에 있어서, 상기 조명 소스 및 상기 벌크 송신기 광학계 사이에 배치되는 마이크로-광학 채널 어레이를 더 포함하고, 상기 마이크로-광학 채널 어레이는 복수의 마이크로-광학 송신기 채널들을 정의하며, 각각의 마이크로-광학 송신기 채널은 상기 광 방출기들의 2차원 어레이 중의 하나의 광 방출기로부터 이격되는 마이크로-광학 렌즈를 포함하고, 상기 마이크로-광학 렌즈는 그의 각각의 송신기 채널 내의 상기 광 방출기로부터의 광 원뿔을 수신하고 상기 광 방출기 및 상기 벌크 송신기 광학계 사이의 위치에서의 상기 광 방출기로부터 변위된 초점에서 상기 광 방출기의 감소된 크기의 스팟 이미지를 생성하도록 구성되는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  17. 제9항에 있어서, 상기 벌크 수신기 광학계 및 상기 광센서들의 어레이 사이에 배치된 광학 필터를 더 포함하고, 상기 광학 필터는 상기 벌크 수신기 광학계를 통과하는 광을 수신하도록, 그리고, 상기 복수의 광센서들에 대해서 상기 복수의 방출기들의 동작 파장을 포함한 좁은 대역의 복사를 통과시키되 상기 대역 외부의 복사를 차단하도록 구성되는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  18. 거리 측정을 수행하기 위한 솔리드-스테이트 광학 시스템으로서, 상기 솔리드-스테이트 광학 시스템은,
    벌크 송신기 광학계 및 조명 소스를 포함하는 광 방출 시스템 - 상기 조명 소스는, 조명 패턴 내의 각각의 이산 빔이 시야 내의 비-중첩 시야를 나타내는 상기 조명 패턴에 따라 상기 광학 시스템 외부의 시야로 상기 벌크 송신기 광학계를 통한 광의 이산적인 빔들을 투사하도록 정렬된, 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함함 - ;
    상기 조명 소스로부터 방출되고 상기 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성된 광 검출 시스템 - 상기 광 검출 시스템은 벌크 수신기 광학계, 복수의 개구들을 포함한 개구층, 및 광센서들의 2차원 어레이를 포함한 광센서층을 포함하고, 상기 개구층 및 상기 광센서층은 상기 시스템으로부터 특정 거리들의 범위에 걸쳐 크기 및 기하학적 형상이 상기 광 방출기들의 어레이의 상기 조명 패턴과 실질적으로 매칭하는 상기 시야 내의 센싱 패턴을 갖는, 복수의 센싱 채널들을 형성하도록 배열되며, 상기 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널은 상기 방출기들의 어레이 중 하나의 방출기에 대응하되, 상기 개구층 중 하나의 개구 및 상기 광센서층 중 하나의 광센서를 포함함 - ;
    상기 광 방출기들의 어레이에 연결되고, 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성되는 방출기 어레이 광 방출 회로 - 상기 조명 패턴이 생성될 때까지 각각의 이미지 포착 주기 동안, 상기 방출기 어레이 광 방출 회로는 광 방출 시퀀스에 따라 상기 광 방출기들의 어레이 내의 방출기들의 서브세트들을 순차적으로 광 방출시킴 - ; 및
    상기 광센서들의 어레이에 연결되고, 상기 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 상기 광 방출기들의 어레이 내의 대응하는 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성되는 센서 어레이 판독 회로를 포함하는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 광센서들의 2차원 어레이 내의 각각의 광센서는 SPAD들의 어레이를 포함하고, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이 내의 각각의 광 방출기는 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)인, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 상기 벌크 수신기 광학계 및 상기 광센서들의 어레이 사이에 배치된 광학 필터를 더 포함하고, 상기 광학 필터는 상기 벌크 수신기 광학계를 통과하는 광을 수신하도록, 그리고, 상기 복수의 광센서들에 대해서 상기 복수의 방출기들의 동작 파장을 포함한 좁은 대역의 복사를 통과시키되 상기 대역 외부의 복사를 차단하도록 구성되는, 솔리드-스테이트 광학 시스템.
  21. 거리 측정을 수행하기 위한 솔리드-스테이트 광학 시스템으로서, 상기 솔리드-스테이트 광학 시스템은,
    제1 조명 패턴에 따라 상기 광학 시스템 외부의 시야로 광의 이산적인 빔들을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 제1의 2차원 어레이를 포함하는 제1 조명 소스;
    상기 제1 조명 패턴과 동일한 크기 및 기하학적 형상을 갖는 제2 조명 패턴에 따라 상기 시야 내로 광의 이산적인 빔들을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 제2의 2차원 어레이를 포함하는 제2 조명 소스; 및
    상기 제1 조명 소스 및 상기 제2 조명 소스로부터 방출되고 상기 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성된 광센서들의 어레이를 포함하는 광 검출 모듈을 포함하고,
    상기 광센서들의 어레이 내의 각각의 광센서는 상기 광 방출기들의 제1의 어레이 중의 하나의 방출기 및 상기 광 방출기들의 제2의 어레이 중의 하나의 방출기의 시야와 중첩하는 시야를 가지며,
    하나 이상의 광 방출기들이 활성화되는 경우, 대응하는 하나 이상의 광센서들이 판독되도록, 상기 광 방출기들의 제1 및 제2의 어레이들 및 상기 광센서들의 어레이가 동기화되어 동작하는, 광학 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 광 방출기들의 제1 및 제2의 어레이들에 연결되고 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성되는 방출기 어레이 광 방출 회로를 더 포함하고, 각각의 이미지 포착 주기 동안 상기 제1 및 제2 조명 패턴들이 생성될 때까지 상기 방출기 어레이 광 방출 회로는 상기 제1 방출기 어레이 중의 방출기들의 서브세트, 및 이어서 상기 제2 방출기 어레이 중의 방출기들의 서브세트를 순차적으로 광 방출시키는, 광학 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 각각의 이미지 포착 주기 동안, 상기 방출기 어레이 광 방출 회로에 의해 광 방출된 상기 제1 방출기 어레이 중의 방출기들의 각각의 서브세트는 상기 제1 조명 패턴의 별개의 일 부분을 나타내고, 상기 제1 방출기 어레이 중의 상기 방출기들의 서브세트에 후속하여 광 방출된 상기 제2 방출기 어레이 중의 방출기들의 각각의 서브세트는 상기 제1 조명 패턴의 상기 별개의 부분에 대응하는 상기 제2 조명 패턴의 별개의 일 부분을 나타내는, 광학 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 광센서들의 어레이에 연결되고, 상기 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 상기 제1 및 제2의 광 방출기 어레이들 중의 대응하는 광 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 판독 회로를 더 포함하는, 광학 시스템.
  25. 제21항에 있어서, 상기 광센서들의 어레이는 상기 광 방출기의 제1 및 제2의 어레이들 사이에 배치되는, 광학 시스템.
  26. 제21항에 있어서, 상기 제1 조명 패턴 내의 각각의 이산적 스팟 및 상기 제2 조명 패턴 내의 그에 대응하는 이산적 스팟은 상기 대응하는 센싱 채널의 시야의 비-중첩 부분들을 나타내는, 광학 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 상기 광 검출 모듈은 복수의 개구를 포함한 개구층을 더 포함하고, 상기 개구층 및 상기 광센서들의 어레이는 복수의 센싱 채널들을 형성하도록 배열되며, 상기 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널은, 상기 광센서들의 어레이 중의 하나의 광센서, 상기 채널 내의 상기 광센서에 대한 제1 시야를 정의하는 상기 개구층 내의 제1 개구, 및 상기 채널 내의 상기 광센서에 대한 제2 시야를 정의하는 상기 개구층 내의 제2 개구를 포함하고, 상기 제1 시야는 상기 제1 조명 소스 내의 하나의 방출기의 시야와 정렬되고, 상기 제2 시야는 상기 제2 조명 소스 내의 하나의 방출기의 시야와 정렬되는, 광학 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 각각의 센싱 채널은 상기 제1 개구와 정렬된 제1 마이크로-렌즈 및 상기 제2 개구와 정렬된 제2 마이크로-렌즈를 포함하는, 광학 시스템.
  29. 제21항에 있어서, 상기 제1 조명 패턴 내의 각각의 이산적 스팟은 상기 제2 조명 패턴 내의 그의 대응하는 스팟과 중첩하고 실질적으로 동일한 크기를 갖는, 광학 시스템.
  30. 제21항에 있어서, 상기 제1 조명 패턴과 동일한 크기 및 기하학적 형상을 갖는 제3 조명 패턴에 따라 상기 광학 시스템 외부의 시야로 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 제3의 2차원 어레이를 포함한 제3 조명 소스를 더 포함하고;
    상기 광센서들의 어레이는, 상기 제3 조명 소스로부터 방출된 광자들을 검출하도록 더 구성되며, 상기 광 방출기들의 제3 어레이는 하나 이상의 광 방출기들이 활성화되는 경우, 대응하는 하나 이상의 상기 광센서들이 판독되도록 상기 광 방출기들의 제1 및 제2 어레이들과 상기 광센서들의 어레이와 동기화하여 동작하는, 광학 시스템.
  31. 거리 측정을 수행하기 위한 솔리드-스테이트 광학 시스템으로서,
    제1 벌크 송신기 광학계 및 제1 조명 소스를 포함하는 제1 광 방출 모듈 - 상기 제1 조명 소스는 상기 제1 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 제1 조명 패턴에 따라 상기 광학 시스템 외부의 시야로 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 제1의 2차원 어레이를 포함함 - ;
    제2 벌크 송신기 광학계 및 제2 조명 소스를 포함하는 제2 광 방출 모듈 - 상기 제2 조명 소스는 상기 제1 조명 패턴과 동일한 크기 및 기하학적 형상을 갖는 제2 조명 패턴에 따라 상기 제2 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 상기 시야 내로 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 제2의 2차원 어레이를 포함함 - ; 및
    벌크 수신기 광학계, 복수의 개구를 포함한 개구층, 및 광센서들의 어레이를 포함한 광센서층을 포함하는 광 검출 모듈 - 상기 광센서들의 어레이는 상기 제1 및 제2 조명 소스들로부터 방출되고 상기 벌크 수신기 광학계를 통해 상기 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성되고, 상기 개구층 및 상기 광센서층은 센싱 채널들의 2차원 어레이를 형성하도록 배열되며, 각각의 센싱 채널은 상기 개구층 중의 하나의 개구 및 상기 광센서층 중의 하나의 광센서를 포함하되 상기 제1 방출기 어레이 중의 하나의 방출기 및 상기 제2 방출기 어레이 중의 하나의 방출기의 시야와 중첩하는 시야를 가짐 - ;
    상기 광 방출기들의 제1 및 제2 어레이들과 상기 광센서들의 어레이는 하나 이상의 광 방출기들이 활성화되는 경우, 대응하는 상기 광센서들이 판독되도록 동기화하여 동작하는, 광학 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 광 방출기들의 제1 및 제2 어레이들에 연결되고, 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성되는 방출기 어레이 광 방출 회로 - 각각의 이미지 포착 주기 동안 상기 방출기 어레이 스캐닝 회로는 상기 제1 및 제2 조명 패턴들이 생성될 때까지 상기 제1 방출기 어레이 중의 방출기들의 서브세트, 및 이어서 상기 제2 방출기 어레이 중의 방출기들의 서브세트를 순차적으로 광 방출시킴 - ; 및
    상기 광센서들의 어레이에 연결되고, 상기 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 상기 제1 및 제2 광 방출기 어레이들 중의 대응하는 광 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 판독 회로를 더 포함하는, 광학 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 각각의 이미지 포착 주기 동안, 상기 방출기 어레이 광 방출 회로에 의해 광 방출된 상기 제1 방출기 어레이 중의 방출기들의 각각의 서브세트는 상기 제1 조명 패턴의 별개의 일 부분을 나타내고, 상기 제1 방출기 어레이 중의 상기 방출기들의 서브세트에 후속하여 광 방출된 상기 제2 방출기 어레이 중의 방출기들의 각각의 서브세트는 상기 제1 조명 패턴의 상기 별개의 부분에 대응하는 상기 제2 조명 패턴의 별개의 일 부분을 나타내는, 광학 시스템.
  34. 제31항에 있어서, 상기 제1 조명 패턴 내의 각각의 이산적 스팟 및 상기 제2 조명 패턴 내의 그에 대응하는 이산적 스팟은 대응하는 상기 센싱 채널의 시야의 비-중첩 부분들을 나타내는, 광학 시스템.
  35. 제31항에 있어서, 상기 제1 조명 패턴 내의 각각의 이산적 스팟은 상기 제2 조명 패턴 내의 그에 대응하는 스팟과 중첩되고 실질적으로 동일한 크기를 갖는, 광학 시스템.
  36. 거리 측정을 수행하기 위한 솔리드-스테이트 광학 시스템으로서, 상기 솔리드-스테이트 광학 시스템은,
    벌크 수신기 광학계, 복수의 개구를 포함한 개구층, 및 광센서들의 2차원 어레이를 포함한 광센서층을 포함하는 광 검출 시스템 - 상기 개구층 및 상기 광센서층은 센싱 패턴을 갖는 복수의 센싱 채널들을 형성하도록 배열되고, 상기 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널은 상기 광 검출 시스템 전방의 시야 내의 임계 거리를 넘어서 이산적인 비-중첩 시야를 정의하되 상기 개구층 중의 하나의 개구 및 상기 광센서층 중의 하나의 광센서를 포함함 - ;
    제1 벌크 송신기 광학계, 광 방출기들의 제1의 2차원 어레이, 제2 벌크 송신기 광학계, 및 광 방출기들의 제2의 2차원 어레이를 포함하는 광 방출 시스템 - 상기 광 방출기들의 제1의 어레이는 제1 조명 패턴에 따라 상기 제1 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 상기 시야 내로 투사하도록 정렬되고, 상기 광 방출기들의 제2의 어레이는 상기 제1 조명 패턴과 동일한 크기 및 기하학적 형상을 갖는 제2 조명 패턴에 따라 상기 제2 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 상기 시야 내로 투사하도록 정렬되며, 상기 제1 및 제2 조명 패턴들은, 상기 제1 조명 패턴 중의 하나의 이산적 빔 및 상기 제2 조명 패턴 중의 하나의 이산적 빔이 상기 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널의 상기 시야 내에 있도록 정렬됨 - ;
    상기 광 방출기들의 제1 및 제2 어레이들에 연결되고, 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성되는 방출기 어레이 스캐닝 회로 - 상기 제1 및 제2 조명 패턴들이 생성될 때까지 각각의 이미지 포착 주기 동안 상기 방출기 어레이 스캐닝 회로는 상기 제1 방출기 어레이 중의 방출기들의 서브세트, 및 이어서 상기 제2 방출기 어레이 중의 방출기들의 서브세트를 순차적으로 광 방출시킴 - ; 및
    상기 광센서들의 어레이에 연결되고, 상기 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 상기 광 방출기들의 제1 및 제2의 어레이들 내의 대응하는 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성되는 센서 어레이 스캐닝 회로를 포함하는, 광학 시스템.
  37. 제36항에 있어서, 상기 제1 조명 패턴 내의 각각의 이산적 스팟 및 상기 제2 조명 패턴 내의 그에 대응하는 이산적 스팟은 대응하는 상기 센싱 채널의 시야의 비-중첩 부분들을 나타내는, 광학 시스템.
  38. 제37항에 있어서, 각각의 센싱 채널은 상기 제1 조명 패턴 내의 이산 빔의 시야와 정렬된 제1 마이크로-렌즈와, 상기 제2 조명 패턴 내의 이산 빔의 시야와 정렬된 제2 마이크로-렌즈를 포함하는, 광학 시스템.
  39. 제36항에 있어서, 상기 제1 조명 패턴 내의 각각의 이산적 스팟은 상기 제2 조명 패턴 내의 그에 대응하는 스팟과 중첩하고 실질적으로 동일한 크기를 갖는, 광학 시스템.
  40. 제36항에 있어서, 상기 광센서들의 2차원 어레이 내의 각각의 광센서는 SPAD들의 어레이를 포함하고, 상기 광 방출기들의 제1 및 제2 어레이 내의 각각의 광 방출기는 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)인, 광학 시스템.
  41. 거리 측정을 수행하기 위한 광학 시스템으로서, 상기 광학 시스템은,
    상기 광학 시스템 외부의 시야로 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 열을 포함하는 조명 소스;
    상기 광 방출기들의 열에 수직으로 배향된 스캐닝 축을 따라 경사지고, 상기 열로부터의 복사를 상기 시야 내로 반사하여 2차원 조명 패턴을 생성하도록 구성되는 MEMS 장치 - 상기 2차원 조명 패턴은 상기 광 방출기들의 열로부터의 상기 이산적 빔이 상기 패턴 내에서 다수의 비-중첩 열들을 형성하여 여러 번 반복됨 - ;
    상기 조명 소스로부터 방출되고 상기 시야 내의 표면들로부터 반사된 광자들을 검출하도록 구성된 광 검출 시스템 - 상기 광 검출 시스템은 광센서들의 2차원 어레이를 포함한 광센서층을 포함하고, 상기 광센서들의 2차원 어레이는 상기 시스템으로부터의 거리들의 범위에 걸쳐, 크기 및 기하학적 형상이, 상기 MEMS 장치에 의해 생성된 상기 2차원 조명 패턴과 실질적으로 매칭하는 센싱 패턴을 가짐 - ;
    상기 MEMS 장치 및 상기 광 방출기들의 열에 연결되고, 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성되는 회로 - 각각의 이미지 포착 주기 동안, 상기 조명 패턴이 생성될 때까지 상기 MEMS 장치가 그 축을 따라 경사지면서, 상기 광 방출기들의 열이 순차적으로 광 방출됨 - ;
    상기 광센서들의 어레이에 연결되고, 상기 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 상기 광 방출기들의 열 내의 대응하는 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 스캐닝 회로를 포함하는, 광학 시스템.
  42. 제41항에 있어서, 상기 광센서들의 2차원 어레이는 광센서들의 m × n 어레이를 형성하는, 행마다 m개의 광센서들 및 열마다 n개의 광센서들을 포함하는, 광학 시스템.
  43. 제42항에 있어서, 상기 조명 소스는, n개의 광 방출기들을 포함하는 광 방출기들의 1차원 어레이인, 광학 시스템.
  44. 제43항에 있어서, 상기 회로는 각각의 이미지 포착 주기 동안 상기 n개의 광 방출기들이 동시에 방출하도록 상기 조명 소스를 동작시키도록 구성되는, 광학 시스템.
  45. 제44항에 있어서, 상기 회로는, 상기 MEMS 미러가 상기 2차원 조명 패턴을 생성하기 위해 상기 스캐닝 축을 따라 연속적으로 경사지면서, m개의 이미지 포착 주기 동안 상기 조명 소스를 동작시키도록 더 구성되고, 상기 2차원 조명 패턴은 상기 광학 시스템 외부의 시야 내로 광의 이산 빔들의 m × n 어레이를 형성하는, 상기 광학 시스템 외부의 상기 시야 내로의 행마다 m개의 광의 이산 빔 및 상기 광학 시스템 외부의 상기 시야 내로의 열마다 n개의 광의 이산 빔을 포함하는, 광학 시스템.
  46. 제41항에 있어서, 상기 MEMS 장치는 상기 스캐닝 축을 따라 1차원으로 경사지는 MEMS 틸트 미러인, 광학 시스템.
  47. 제41항에 있어서, 상기 광 검출 시스템은 복수의 개구를 포함한 개구층을 더 포함하고, 상기 개구층 및 상기 광센서층은 복수의 센싱 채널을 형성하도록 배열되는, 광학 시스템.
  48. 제47항에 있어서, 상기 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널은 상기 방출기들의 어레이 내의 방출기에 대응하되 상기 개구층 중의 하나의 개구 및 상기 광센서층 중의 하나의 광센서를 포함하는, 광학 시스템.
  49. 거리 측정을 수행하기 위한 광학 시스템으로서, 상기 광학 시스템은,
    벌크 송신기 광학계 및 조명 소스를 포함하는 광 방출 시스템 - 상기 조명 소스는 상기 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 상기 광학 시스템 외부의 시야로 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 열을 포함함 - ;
    상기 벌크 송신기 광학계 및 상기 조명 소스 사이에 배치된 MEMS 장치 - 상기 MEMS 장치는 상기 광 방출기들의 열에 수직으로 배향된 스캐닝 축을 따라 경사지도록, 그리고 상기 열로부터의 복사를 상기 광학 시스템 외부의 시야로 반사하여, 2차원 조명 패턴을 생성하도록 구성되며, 상기 2차원 조명 패턴은, 상기 광 방출기들의 열로부터의 상기 이산적 빔이 상기 패턴 내에서 다수의 비-중첩 열들을 형성하여 여러 번 반복됨 - ;
    상기 조명 소스로부터 방출되고 상기 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성되는 광 검출 시스템 - 상기 광 검출 시스템은 벌크 수신기 광학계, 복수의 개구를 포함한 개구층, 및 광센서들의 2차원 어레이를 포함하는 광센서층을 포함하고, 상기 개구층 및 상기 광센서층은 상기 시스템으로부터의 거리들의 범위에 걸쳐 크기 및 기하학적 형상이 상기 MEMS 장치에 의해 생성된 상기 2차원 조명 패턴과 실질적으로 매칭하는 상기 시야 내의 센싱 패턴을 갖는, 복수의 센싱 채널들을 형성하도록 구성되며, 상기 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널은 상기 방출기들의 어레이 내의 하나의 방출기에 대응하되 상기 개구층 중의 하나의 개구 및 상기 광센서층 중의 하나의 광센서를 포함함 - ;
    상기 MEMS 장치 및 상기 광 방출기들의 열에 연결되고, 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성되는 회로 - 각각의 이미지 포착 주기 동안 상기 조명 패턴이 생성될 때까지 상기 MEMS 장치는 그 축을 따라 경사지면서 상기 광 방출기들의 열이 순차적으로 광 방출됨 - ; 및
    상기 광센서들의 어레이에 연결되고, 상기 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 상기 광 방출기들의 어레이 내의 대응하는 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 스캐닝 회로를 포함하는, 광학 시스템.
  50. 제49항에 있어서, 상기 광센서들의 2차원 어레이는 광센서들의 m × n 어레이를 형성하는, 행마다 m개의 광센서들 및 열마다 n개의 광센서들을 포함하는, 광학 시스템.
  51. 제50항에 있어서, 상기 조명 소스는, n개의 광 방출기들을 포함하는 광 방출기들의 1차원 어레이인, 광학 시스템.
  52. 제51항에 있어서, 상기 회로는 각각의 이미지 포착 주기 동안 n개의 광 방출기들을 동시에 방출하도록 상기 조명 광 소스를 동작시키도록 구성되는, 광학 시스템.
  53. 제52항에 있어서, 상기 회로는, 상기 MEMS 미러가 2차원 조명 패턴을 생성하기 위해 스캐닝 축을 따라 연속적으로 경사지면서 m개의 이미지 포착 주기 동안 조명 소스를 동작시키도록 더 구성되고, 상기 2차원 조명 패턴은 상기 광학 시스템 외부의 시야로의 광의 이산적 빔의 m × n 어레이를 형성하는, 상기 광학 시스템 외부의 시야로의 행마다 m개의 광의 이산적 빔 및 상기 광학 시스템 외부의 시야로의 열마다 n개의 광의 이산적 빔을 포함하는, 광학 시스템.
  54. 거리 측정을 수행하기 위한 광학 시스템으로서, 상기 광학 시스템은,
    벌크 송신기 광학계 및 조명 소스를 포함하는 광 방출 시스템 - 상기 조명 소스는 상기 벌크 송신기 광학계를 통하여 상기 광학 시스템 외부의 시야로 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬된 단일 광 방출기를 포함함 - ;
    상기 벌크 송신기 광학계 및 상기 조명 소스 사이에 배치되고, 상기 단일 광 방출기로부터 스팟 패턴을 발생시키도록 구성되는 광학 구성요소;
    상기 광학 구성요소 및 상기 조명 소스 사이에 배치된 MEMS 장치 - 상기 MEMS 장치는 스캐닝 축을 따라 경사지고, 상기 광학 시스템 외부의 시야로 상기 단일 광 방출기로부터의 복사를 반사하여 2차원 조명 패턴을 생성하도록 구성되며, 상기 2차원 조명 패턴은 상기 광의 스팟 패턴이 상기 패턴 내에서 다수의 비-중첩 열들을 형성하여 여러 번 반복됨 - ;
    상기 조명 소스로부터 방출되고 상기 시야 내의 표면들로부터 반사된 광자들을 검출하도록 구성되는 광 검출 시스템 - 상기 광 검출 시스템은 벌크 수신기 광학계, 복수의 개구를 포함한 개구층, 및 광센서들의 2차원 어레이를 포함한 광센서층을 포함하고, 상기 개구층 및 상기 광센서층은 상기 시스템으로부터의 거리들의 범위에 걸쳐 크기 및 기하학적 형상이 상기 MEMS 장치에 의해 생성된 상기 2차원 조명 패턴과 실질적으로 매칭하는 상기 시야 내의 센싱 패턴을 갖는, 복수의 센싱 채널들을 형성하도록 배열되며, 상기 복수의 센싱 채널들 내의 각각의 센싱 채널은 상기 2차원 조명 패턴 내의 스팟에 대응하되 상기 개구층 중의 하나의 개구 및 상기 광센서층 중의 하나의 광센서를 포함함 - ;
    상기 MEMS 장치 및 상기 단일 광 방출기에 연결되고, 복수의 이미지 포착 주기들을 실행하도록 구성되는 회로 - 상기 조명 패턴이 생성될 때까지 각각의 이미지 포착 주기 동안 상기 단일 광 방출기는 상기 MEMS 장치가 그의 축을 따라 경사지면서 순차적으로 광 방출됨 - ; 및
    상기 광센서들의 어레이에 연결되고, 상기 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 상기 단일 광 방출기의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성된 센서 어레이 스캐닝 회로를 포함하는, 광학 시스템.
  55. 제54항에 있어서, 상기 광학 구성요소는 상기 단일 광 방출기로부터 방출된 상기 광의 이산적 빔을 광의 이산적 빔의 1차원 어레이로 회절시키도록 구성된 회절 광학 구성요소이고, 상기 광의 이산적 빔의 1차원 어레이는 광의 n개의 이산적 빔을 포함하는, 광학 시스템.
  56. 제55항에 있어서, 상기 MEMS 장치의 스캐닝 축은 상기 광의 이산적 빔의 1차원 어레이에 수직으로 배향되는, 광학 시스템.
  57. 제56항에 있어서, 상기 회로는 상기 MEMS 미러가 상기 2차원 조명 패턴을 생성하기 위해 상기 스캐닝 축을 따라 연속적으로 경사지면서 m개의 이미지 포착 주기들 동안 상기 조명 소스를 동작시키도록 더 구성되는, 광학 시스템.
  58. 제57항에 있어서, 상기 2차원 조명 패턴은, 상기 광학 시스템 외부의 상기 시야 내에 광의 이산적 빔의 m × n 어레이를 형성하는, 상기 광학 시스템 외부의 시야로의 행마다 m개의 광의 이산 빔 및 상기 광학 시스템 외부의 시야로의 열마다 n개의 광의 이산 빔을 포함하는, 광학 시스템.
  59. 제59항에 있어서, 상기 광센서들의 2차원 어레이는 광센서들의 m × n 어레이를 형성하는, 행마다 m개의 광센서들 및 열마다 n개의 광센서들을 포함하는, 광학 시스템.
  60. 제54항에 있어서, 상기 MEMS 장치는 상기 스캐닝 축을 따라 1차원으로 경사지는 MEMS 틸트 미러인, 광학 시스템.
  61. 거리 측정을 수행하기 위한 광학 시스템으로서, 상기 광학 시스템은,
    조명 패턴에 따라 상기 광학 시스템 외부의 시야로 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 2차원 어레이 - 상기 조명 패턴 내의 각각의 이산 빔은 상기 시야 내의 비-중첩 시야를 나타냄 - ; 및
    광센서들의 2차원 어레이로 형성된 광센서층을 포함하는 광 검출 시스템 - 상기 광센서들의 2차원 어레이는, 상기 광 방출기들의 어레이 중 제1 광 방출기와 대응하도록 위치된 광센서들의 제1 서브세트를 포함하여, 상기 제1 광 방출기의 시야가 상기 광센서들의 제1 서브세트 내의 각각의 광센서의 각각의 시야의 적어도 일부와 중첩하며, 상기 광센서들의 제1 서브세트 내의 각각의 광센서는 상기 제1 광 방출기로부터 방출된 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성됨 - 을 포함하는, 광학 시스템.
  62. 제61항에 있어서, 상기 광센서들의 어레이는 상기 광 방출기들의 어레이의 제2 광 방출기에 대응하도록 위치된 광센서들의 제2 서브세트를 더 포함하여, 상기 제2 광 방출기의 시야가 상기 광센서들의 상기 제2 서브세트 내의 각각의 광센서의 각각의 시야의 적어도 일부와 중첩하며, 상기 광센서들의 제2 서브세트 내의 각각의 광센서는 상기 제2 광 방출기로부터 방출된 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성되는, 광학 시스템.
  63. 제62항에 있어서, 상기 광센서들의 제1 서브세트 및 상기 광센서들의 제2 세트 중의 적어도 하나의 광센서는 상기 제1 광 방출기 및 제2 광 방출기 모두로부터 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성되는, 광학 시스템.
  64. 제61항에 있어서, 상기 광센서들의 어레이를 서로 광학적으로 분리된 복수의 행으로 분할하는 복수의 행 분할기(divider)를 더 포함하는, 광학 시스템.
  65. 제64항에 있어서, 상기 복수의 행 중 각각의 행은 서로 직접 인접하여 위치되는 광센서들의 적어도 2개의 행을 포함하는, 광학 시스템.
  66. 제61항에 있어서, 상기 광 방출기들의 어레이 위에 위치된 개구들의 어레이를 포함하는 개구층을 더 포함하고, 각각의 개구는 상기 광 방출기들의 어레이의 각각의 광 방출기에 대한 상기 시야 내에서 시야를 정의하는, 광학 시스템.
  67. 거리 측정을 수행하기 위한 광학 시스템에서, 상기 광학 시스템은,
    시야 내로 광의 이산적 빔을 방출하도록 구성된 광 방출 시스템 - 상기 광 방출 시스템은,
    벌크 송신기 광학계; 및
    조명 패턴에 따라 상기 광학 시스템 외부의 시야로 상기 벌크 송신기 광학계를 통하여 상기 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬되는 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하고,
    상기 조명 패턴 내의 각각의 이산적 빔은 상기 시야 내의 비-중첩 시야를 나타냄 - ;
    상기 조명 소스로부터 방출되고 상기 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성된 광 검출 시스템 - 상기 광 검출 시스템은,
    벌크 수신기 광학계; 및
    광센서들의 2차원 어레이로 형성된 광센서층을 포함하고,
    상기 광센서들의 2차원 어레이는 상기 광 방출기들의 어레이 중의 제1 광 방출기와 대응하도록 위치된 광센서들의 제1 서브세트를 포함하여, 상기 제1 광 방출기의 시야가 상기 광센서들의 제1 서브세트 내의 각각의 광센서의 각각의 시야의 적어도 일부와 중첩하고, 상기 광센서들의 제1 서브세트 내의 각각의 광센서는 상기 제1 광 방출기로부터 방출된 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성됨 - ;
    상기 광 방출기들의 어레이에 연결되고, 복수의 포착 주기를 실행하도록 구성된 방출기 어레이 광 방출 회로 - 상기 조명 패턴이 생성될 때까지 각각의 포착 주기 동안 상기 방출기 어레이 광 방출 회로는 광 방출 시퀀스에 따라 상기 광 방출기들의 어레이 내의 방출기들의 서브세트들을 순차적으로 광 방출 시킴 - ; 및
    상기 광센서 어레이에 연결되고, 상기 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 상기 광 방출기들의 어레이 내의 대응하는 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성되는 센서 어레이 판독 회로를 포함하는, 광학 시스템.
  68. 제67항에 있어서, 광 방출되는 방출기들의 각각의 서브세트는 광 방출되지 않은 적어도 하나의 방출기에 의해 이격되는 적어도 2개의 방출기들을 포함하는, 광학 시스템.
  69. 제68항에 있어서, 광 방출되는 적어도 2개의 방출기들 및 광 방출되지 않은 적어도 하나의 광 방출기는 광 방출기들의 2차원 어레이 내에서 동일한 행에 위치되는, 광학 시스템.
  70. 제67항에 있어서, 광 방출되는 방출기들의 각각의 서브세트는 광 방출되지 않은 방출기들의 적어도 하나의 열에 의해 각각 이격되는 방출기들의 적어도 2개의 열들을 포함하는, 광학 시스템.
  71. 제67항에 있어서, 상기 광센서들의 어레이는 상기 광 방출기들의 어레이의 제2 광 방출기에 대응하도록 위치된 광센서들의 제2 서브세트를 더 포함하여, 상기 제2 광 방출기의 시야가 상기 광센서들의 제2 서브세트 내의 각각의 광센서의 각각의 시야의 적어도 일부와 중첩하고, 상기 광센서들의 제2 서브세트 내의 각각의 광센서는 상기 제2 광 방출기로부터 방출된 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성되는, 광학 시스템.
  72. 제71항에 있어서, 상기 광센서들의 제1 서브세트 및 상기 광센서들의 제2 세트 중의 적어도 하나의 광센서는 상기 제1 광 방출기 및 제2 광 방출기 모두로부터 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성되는, 광학 시스템.
  73. 제67항에 있어서, 상기 광센서들의 어레이를 서로 광학적으로 분리된 복수의 행으로 분할하는 복수의 행 분할기를 더 포함하는, 광학 시스템.
  74. 제73항에 있어서, 상기 복수의 행 중의 각각의 행은 서로 직접 인접하게 위치되는 광센서들의 적어도 2개의 행을 포함하는, 광학 시스템.
  75. 거리 측정을 수행하기 위한 광학 시스템으로서, 상기 광학 시스템은,
    시야 내로 광의 이산적 빔을 방출하도록 구성된 광 방출 시스템 -상기 광 방출 시스템은,
    벌크 송신기 광학계; 및
    조명 패턴에 따라 상기 광학 시스템 외부의 시야로 상기 벌크 송신기 광학계를 통하여 상기 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬되는 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하고,
    상기 조명 패턴 내의 각각의 이산적 빔은 상기 시야 내의 비-중첩 시야를 나타냄 - ;
    상기 조명 소스로부터 방출되고 상기 시야 내의 표면들로부터 반사되는 광자들을 검출하도록 구성된 광 검출 시스템 - 상기 광 검출 시스템은,
    벌크 수신기 광학계; 및
    광센서들의 2차원 어레이로 형성된 광센서층을 포함하고,
    상기 광센서들의 2차원 어레이는 상기 광 방출기들의 어레이 중의 제1 광 방출기와 대응하도록 위치된 광센서들의 제1 서브세트를 포함하여, 상기 제1 광 방출기의 시야가 상기 광센서들의 제1 서브세트 내의 각각의 광센서의 각각의 시야의 적어도 일부와 중첩하고, 상기 광센서들의 제1 서브세트 내의 각각의 광센서는 상기 제1 광 방출기로부터 방출된 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성됨 - ;
    상기 광 방출기들의 어레이에 연결되고, 복수의 포착 주기를 실행하도록 구성된 방출기 어레이 광 방출 회로 - 상기 조명 패턴이 생성될 때까지 각각의 포착 주기 동안 상기 방출기 어레이 광 방출 회로는 광 방출 시퀀스에 따라 상기 광 방출기들의 어레이 내의 방출기들의 서브세트들을 순차적으로 광 방출 시킴 - ; 및
    상기 광센서 어레이에 연결되고, 상기 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 상기 광 방출기들의 어레이 내의 대응하는 방출기들의 광 방출과 동시에 동기화시키도록 구성되는 센서 어레이 판독 회로를 포함하는, 광학 시스템.
  76. 제75항에 있어서, 상기 광센서들의 어레이는 상기 광 방출기들의 어레이의 제2 광 방출기에 대응하도록 위치된 광센서들의 제2 서브세트를 더 포함하여, 상기 제2 광 방출기의 시야가 상기 광센서들의 제2 서브세트 내의 각각의 광센서의 각각의 시야의 적어도 일부와 중첩하고, 상기 광센서들의 제2 서브세트 내의 각각의 광센서는 상기 제2 광 방출기로부터 방출된 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성되는, 광학 시스템.
  77. 제76항에 있어서, 상기 광센서들의 제1 서브세트 및 상기 광센서들의 제2 세트의 적어도 하나의 광센서는 제1 광 방출기 및 제2 광 방출기 모두로부터 광의 적어도 일부를 수신하도록 구성되는, 광학 시스템.
  78. 제75항에 있어서, 상기 광센서들의 어레이를 서로 광학적으로 분리된 복수의 행들로 나누는 복수의 행 분할기를 더 포함하는, 광학 시스템.
  79. 제78항에 있어서, 상기 복수의 행들의 각각의 행은 서로 직접 인접하게 위치되는 광센서들의 적어도 2개의 행들을 포함하는, 광학 시스템.
  80. 제75항에 있어서, 광 방출되는 방출기들의 각각의 서브세트는 광 방출되지 않은 방출기들의 적어도 하나의 열에 의해 각각 이격되는, 방출기들의 적어도 2개의 열을 포함하는, 광학 시스템.
  81. 광 레인징 장치로서,
    조명 패턴에 따라 상기 광학 시스템 외부의 시야로 광의 이산적 빔들을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하는 반도체 방출기 어레이 - 상기 조명 패턴 내의 각각의 이산적 빔은 상기 시야 내의 비-중첩 시야를 나타내며, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이는 나란히 정렬된 복수의 방출기 뱅크들을 포함하고, 각각의 방출기 뱅크는 상기 광 방출기들의 2차원 어레이 내의 방출기들의 서브세트를 포함하되 광 방출기들의 그의 서브세트로부터의 광을 방출시키도록 독립적으로 동작가능함 - ; 및
    상기 복수의 방출기 뱅크들에 연결되는 방출기 어레이 구동 회로 - 상기 방출기 어레이 구동 회로는 활성화된 뱅크 내의 방출기들의 서브세트가 광 방출되는 광 방출 시퀀스에 따라 한번에 상기 복수의 방출기 뱅크들 내의 하나의 방출기 뱅크를 활성화하도록 구성됨 - 를 포함하는, 광 레인징 장치.
  82. 제81항에 있어서, 상기 반도체 방출기 어레이는 복수의 반도체 다이로 형성되고, 상기 방출기 어레이 구동 회로는 복수의 구동부들을 포함하며, 상기 복수의 구동부들 각각은 상기 반도체 다이의 표면에 직접 장착되는, 광 레인징 장치.
  83. 제81항에 있어서, 상기 반도체 방출기 어레이는 단일 반도체 다이로 형성되고, 상기 방출기 어레이 구동 회로는 상기 반도체 다이에 직접 장착되는, 광 레인징 장치.
  84. 제81항에 있어서, 상기 반도체 방출기 어레이는 단일 반도체 다이로 형성되고, 상기 방출기 어레이 구동 회로는 상기 광 방출기들의 2차원 어레이가 배치되는 표면의 반대편에 있는 반도체 다이의 바닥 표면에 장착되는 별도의 ASIC 상에 형성되는, 광 레인징 장치.
  85. 제81항에 있어서, 상기 반도체 방출기 어레이는 인접한 방출기 뱅크들 사이에 복수의 분리 영역을 포함하는 단일 반도체 다이로 형성되고, 상기 반도체 다이가 단일 구조물로 유지되는 반면, 각각의 분리 영역은 반도체 다이의 두께를 관통하여 부분적으로 연장되어, 상기 인접한 방출기 뱅크들이 서로 전기적으로 분리되는, 광 레인징 장치.
  86. 제81항에 있어서, 상기 광의 이산적 빔을 수신하도록, 그리고 수신된 상기 이산적 빔을 비-중첩 배열 내의 시야로 투사하도록 위치된 벌크 송신기 광학계를 더 포함하는, 광 레인징 장치.
  87. 제86항에 있어서, 상기 벌크 송신기 광학계 및 상기 반도체 방출기 어레이 사이에 위치되는 마이크로-광학 채널 어레이를 더 포함하고, 각각의 마이크로-광학 채널은 각각의 방출기에 대응하도록 위치되는, 광 레인징 장치.
  88. 제87항에 있어서, 상기 마이크로-광학 채널 어레이는 기판 및 상기 기판 상에 위치된 광학 표면을 포함하고, 상기 광학 표면은 상기 광의 이산적 빔의 휘도를 향상시키도록 개구층을 통해 상기 광의 이산적 빔을 포커싱하도록 구성된, 광 레인징 장치.
  89. 제81항에 있어서,
    광센서들의 어레이를 포함한 센서층을 포함하는 광 센싱 모듈 - 상기 광 방출기들의 2차원 어레이 내의 각각의 광 방출기는 상기 광 센싱 모듈 내의 대응하는 광센서와 쌍을 이룸 - ; 및
    상기 광센서들의 어레이에 연결되며, 상기 개별 광 방출기들의 어레이 내의 각각의 광 방출기가 활성화될 수 있고 상기 광센서들의 어레이 내의 각각의 광센서가 하나의 방출 사이클을 통해 판독될 수 있도록 상기 어레이 내의 개별 광센서들의 판독을 대응하는 방출기 뱅크들의 광 방출과 동시에 동기화하도록 구성되는, 센서 어레이 판독 회로를 더 포함하는, 광 레인징 장치.
  90. 제89항에 있어서,
    상기 복수의 뱅크들 내의 각각의 뱅크는 x개의 열들을 포함하고, 상기 방출기 어레이 구동 회로는 단일 방출 사이클 동안에, 상기 복수의 뱅크들 내의 각각의 뱅크를 x번 활성화하도록 구성되며; 그리고
    특정 뱅크가 단일 방출 사이클 내에서 활성화될 때마다, 상기 센서 어레이 판독 회로는 상기 활성화된 뱅크에 대응하는 상기 센서 어레이 내의 상이한 열을 판독하기 위해 상기 방출기 어레이 구동 회로와 동기화되는, 광 레인징 장치.
  91. 광 레인징 장치로서,
    상호연결 구조물;
    상기 상호연결 구조물에 연결되는 반도체 방출기 어레이 - 상기 반도체 방출기 어레이는 벌크 송신기 광학계와, 조명 패턴에 따라 상기 광학 시스템 외부의 시야로 상기 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하고, 상기 조명 패턴 내의 각각의 개별 빔은 상기 시야 내의 비-중첩 시야를 나타내며, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이는 나란히 정렬된 복수의 방출기 뱅크들을 포함하고, 각각의 방출기 뱅크는 광을 방출하도록 독립적으로 동작가능함 - ;
    상기 반도체 방출기 어레이의 표면 상에 직접 장착되고, 상기 광 방출기들의 어레이에 전기적으로 연결되는 복수의 구동부들 - 각각의 구동부는 광 방출 시퀀스에 따라 각각의 방출기 뱅크의 활성화를 제어하도록 구성됨 - ;
    상기 반도체 방출기 어레이가 연결되는 표면에 반대되는 상기 상호연결 구조물의 표면에 연결된 히트 싱크 - 상기 히트 싱크는 복수의 핀을 포함하고, 상기 반도체 방출기 어레이에 의해 생성된 열을 소산하도록 구성됨 - ; 및
    상기 상호연결 구조물 및 상기 히트 싱크 사이에 위치하는 열전 냉각기 - 상기 열전 냉각기는 상기 상호연결 구조물로부터의 열을 상기 히트 싱크로 전달하도록 구성됨 - 를 포함하는, 광 레인징 장치.
  92. 제91항에 있어서, 상기 상호연결 구조물은, 열 전도성 물질로 형성되고 상기 반도체 방출기 어레이로부터 상기 열전 냉각기로 열을 전달하도록 구성된, 복수의 비아를 포함하는, 광 레인징 장치.
  93. 제91항에 있어서, 상기 복수의 구동부들은, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이가 배치되는 영역 옆의 영역에서 상기 반도체 방출기 어레이의 상부 표면에 직접 장착되는, 광 레인징 장치.
  94. 제91항에 있어서, 상기 복수의 구동부들은, 상기 복수의 구동부들이 상기 상호연결 구조물 및 상기 반도체 방출기 어레이 사이에 위치되도록, 상기 반도체 방출기 어레이의 바닥 표면에 직접 장착되는, 광 레인징 장치.
  95. 제91항에 있어서, 상기 반도체 방출기 어레이는 인접한 방출기 뱅크 사이에 복수의 분리 영역을 포함하는 단일 반도체 다이로 형성되고, 상기 반도체 다이가 단일 구조로 유지되는 반면 각각의 분리 영역은 상기 반도체 다이의 두께를 관통하여 부분적으로 연장되어 상기 인접한 방출기 뱅크들이 서로 전기적으로 분리되는, 광 레인징 장치.
  96. 광 레인징 장치로서,
    상호연결 구조물;
    상기 상호연결 구조물에 연결되는 방출기 어레이 - 상기 방출기 어레이는 벌크 송신기 광학계와, 조명 패턴에 따라 상기 광학 시스템 외부의 시야로 상기 벌크 송신기 광학계를 통하여 광의 이산적 빔을 투사하도록 정렬된 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하고, 상기 조명 패턴 내의 각각의 개별 빔은 상기 시야 내의 비-중첩 시야를 나타내며, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이는 나란히 정렬된 복수의 방출기 뱅크들을 포함하고, 각각의 방출기 뱅크는 상기 광 방출기들의 어레이의 광 방출기들의 각각의 서브세트가 구성되는 반도체 다이임 - ;
    상기 상호연결 구조물 상에 장착되고, 상기 커패시터 뱅크와 상기 광 방출기들의 어레이 사이에 위치된 제1 접촉 어레이를 통해 상기 광 방출기들의 어레이에 전기적으로 연결되는 커패시터 뱅크 - 상기 커패시터 뱅크는, 상기 광의 이산적 빔을 투사하도록 상기 광 방출기들의 어레이를 활성화하기 위해 그의 저장된 에너지를 충전 및 방전하도록 구성되는 복수의 커패시터들을 포함하며, 각각의 커패시터는 각각의 방출기 뱅크에 연결되고 상기 광 방출기들의 각각의 서브세트를 활성화하도록 구성됨 - ;
    상기 상호연결 구조물 상에 장착되고, 상기 복수의 구동부들과 상기 광 방출기들의 어레이 사이에 배치된 제2 접촉 어레이를 통해 상기 광 방출기들의 어레이에 전기적으로 연결되는 복수의 구동부들 - 각각의 구동부는 상기 광 방출기들의 각각의 서브세트의 상기 활성화를 제어하도록 구성됨 - ; 및
    상기 상호연결 구조물 상에 장착되고 상기 복수의 구동부들에 전기적으로 연결되는 전기 커넥터 - 상기 전기 커넥터는 외부의 장치에 연결되어 상기 외부의 장치가 상기 광 방출 시스템의 동작을 제어하게 하도록 구성됨 - 를 포함하는, 광 레인징 장치.
  97. 제96항에 있어서, 광 방출기들의 서브세트는 상기 복수의 방출기 뱅크들의 각각의 방출기 뱅크 상에 형성되고 상기 복수의 커패시터들 중 각각의 커패시터 및 상기 복수의 구동부들 중 각각의 하나 이상의 구동부들과 전기적으로 연결되어, 상기 광 방출기들의 서브세트, 상기 각각의 커패시터 및 상기 각각의 하나 이상의 구동부들은 광 방출기들의 다른 서브세트들, 그들의 각각의 커패시터들 및 하나 이상의 구동부들로부터 분리된 회로를 형성하는, 광 레인징 장치.
  98. 제96항에 있어서, 각각의 방출기 뱅크는 에어 갭으로 형성된 분리 영역에 의해 인접한 방출기 뱅크로부터 분리된, 별도의 반도체 다이로 형성되는, 광 레인징 장치.
  99. 제96항에 있어서, 상기 복수의 구동부들은, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이가 배치되는 영역 옆의 영역에서 상기 반도체 방출기 어레이의 상부 표면에 직접 장착되는, 광 레인징 장치.
  100. 제96항에 있어서, 상기 방출기 어레이는 상기 광 방출기들의 어레이와 연결된 복수의 접촉 어레이들을 더 포함하고, 각각의 접촉 어레이는 상기 광 방출기들의 각각의 서브세트에 연결되고, 상기 광 방출기들의 각각의 서브세트가 구성되는 상기 반도체 다이의 일부로서 형성되는, 광 레인징 장치.
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