KR20200078695A - 시차 보상 공간 필터들 - Google Patents

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KR20200078695A
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랄프 해밀턴 셰퍼드
블레즈 가상디
피에르-이브 드로즈
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웨이모 엘엘씨
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Abstract

하나의 예시적인 시스템은 장면에 대해 배치되고 장면으로부터의 광을 집광시키도록 구성되는 렌즈를 포함한다. 시스템은 또한 불투명 재료를 포함한다. 불투명 재료는 1차 애퍼처 및 하나 이상의 2차 애퍼처를 포함하는 복수의 애퍼처들을 정의한다. 시스템은 또한 렌즈에 의해 집광되고 불투명 재료에 의해 정의되는 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 투과되는 발산 광을 인터셉트 및 검출하도록 구성되는 하나 이상의 광 검출기(예를 들어, 단일 엘리먼트 검출기 또는 검출기들의 어레이)를 포함한다.

Description

시차 보상 공간 필터들
본 출원은 2018년 12월 29일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제16/236,442호 및 2018년 11월 2일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/755,252호의 우선권을 주장하며, 이들 모두는 본 명세서에 전체적으로 참조로 포함된다.
본 명세서에서 달리 지시되지 않는 한, 본 섹션에서 설명되는 내용들은 본 출원의 청구 범위에 대한 종래 기술이 아니며, 본 섹션에 포함됨으로써 종래 기술인 것으로 인정되는 것도 아니다.
포토다이오드들, 단일 광자 애벌란시 다이오드(single photon avalanche diode)(SPAD)들 또는 다른 타입들의 애벌란시 포토다이오드(avalanche photodiode)(APD)들과 같은 광 검출기들은 (예를 들어, 광의 강도에 대응하는 전압 또는 전류와 같은 전기 신호를 출력함으로써) 그들의 표면들에 부과되는 광을 검출하는 데 사용될 수 있다. 많은 타입들의 이러한 디바이스들은 실리콘과 같은 반도체 재료들로 제조된다. 실질적인 기하학적 영역에서 광을 검출하기 위해, 다수의 광 검출기들이 병렬로 연결되는 어레이들로 배열될 수 있다. 이러한 어레이들은 때때로 실리콘 광증배소자(silicon photomultiplier)(SiPM)들 또는 멀티-픽셀 광자 계수기(multi-pixel photon counter)(MPPC)들로 지칭된다.
일례에서, 시스템은 장면에 대해 배치되고 장면으로부터의 광을 집광시키도록 구성되는 렌즈를 포함한다. 시스템은 또한 불투명 재료를 포함한다. 불투명 재료는 1차 애퍼처 및 하나 이상의 2차 애퍼처를 포함하는 복수의 애퍼처들을 정의한다. 시스템은 또한 렌즈에 의해 집광되고 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 투과되는 광을 인터셉트하도록 배열되는 하나 이상의 광 검출기를 포함한다.
다른 예에서, 방법은, 장면에 대해 배치되는 렌즈에 의해, 장면으로부터의 광을 집광시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한 불투명 재료 내에 정의되는 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 집광된 광을 투과시키는 단계를 포함한다. 복수의 애퍼처들은 1차 애퍼처 및 하나 이상의 2차 애퍼처를 포함한다. 방법은 또한, 하나 이상의 광 검출기에 의해, 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 투과되는 광을 인터셉트하는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 하나 이상의 광 검출기에 의해, 인터셉트된 광을 검출하는 단계를 포함한다.
또 다른 예에서, 라이다(light detection and ranging)(LIDAR) 디바이스는 장면을 광으로 조명하도록 구성되는 LIDAR 송신기를 포함한다. LIDAR 디바이스는 또한 장면 내의 하나 이상의 객체에 의해 반사되는 광을 수신하도록 구성되는 LIDAR 수신기를 포함한다. LIDAR 수신기는 장면으로부터 반사된 광을 집광시키도록 구성되는 렌즈를 포함한다. LIDAR 수신기는 또한 불투명 재료를 포함한다. 불투명 재료는 1차 애퍼처 및 하나 이상의 2차 애퍼처를 포함하는 복수의 애퍼처들을 정의한다. LIDAR 수신기는 또한 렌즈에 의해 집광되고 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 투과되는 광을 검출하도록 구성되는 하나 이상의 광 검출기를 포함한다.
또 다른 예에서, 시스템은, 장면에 대해 배치되는 렌즈에 의해, 장면으로부터의 광을 집광시키기 위한 수단을 포함한다. 시스템은 또한 불투명 재료 내에 정의되는 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 집광된 광을 투과시키기 위한 수단을 포함한다. 복수의 애퍼처들은 1차 애퍼처 및 하나 이상의 2차 애퍼처를 포함한다. 시스템은 또한, 하나 이상의 광 검출기에 의해, 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 투과되는 광을 인터셉트하기 위한 수단을 포함한다. 시스템은 또한, 하나 이상의 광 검출기에 의해, 인터셉트된 광을 검출하기 위한 수단을 포함한다.
또 다른 예에서, 시스템이 제공된다. 시스템은 바이스태틱 구성(bistatic configuration)의 라이다(LIDAR) 디바이스를 포함한다. LIDAR 디바이스는 객체에 대해 이동하면서 동작하도록 구성된다. LIDAR 디바이스는 객체를 조명하기 위해 광을 투과시키는 투과 렌즈, 객체로부터의 광을 집광시키는 수광 렌즈, 및 수광 렌즈로부터 집광된 광을 수신하는 공간 필터를 포함한다. 공간 필터는, 공간 필터를 통해, 객체가 LIDAR 디바이스에 대해 임계 거리보다 큰 거리에 있는 것에 기초하여 집광된 광의 적어도 임계 부분을 투과시키도록 배열되는 1차 핀홀을 포함한다. 공간 필터는 또한 1차 핀홀에 대해 하나 이상의 포지션에 배치되는 하나 이상의 2차 핀홀을 포함한다. 하나 이상의 2차 핀홀의 각각의 2차 핀홀의 각각의 사이즈는 1차 핀홀의 사이즈보다 작다. 하나 이상의 2차 핀홀은, 공간 필터를 통해, 객체가 LIDAR 디바이스에 대해 임계 거리보다 작은 거리에 있는 것에 기초하여 집광된 광의 하나 이상의 부분을 투과시키도록 배열된다.
전술한 요약은 단지 예시적이며, 임의의 방식으로 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 전술한 예시적인 양태들, 실시예들 및 특징들에 추가하여, 추가적인 양태들, 실시예들 및 특징들이 도면들 및 이하의 상세한 설명을 참조하여 명백해질 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 광 검출 시스템의 예시이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 LIDAR 디바이스의 예시이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 다른 LIDAR 디바이스의 예시이다.
도 4a는 예시적인 실시예들에 따른 또 다른 LIDAR 디바이스의 예시이다.
도 4b는 예시적인 실시예들에 따른 도 4a의 LIDAR 디바이스의 부분 단면도를 예시한다.
도 4c는 예시적인 실시예들에 따른 도 4a의 LIDAR 디바이스의 다른 부분 단면도를 예시한다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 단일 애퍼처를 정의하는 불투명 재료의 예시이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 다수의 애퍼처들을 정의하는 불투명 재료의 예시이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 다수의 애퍼처들을 정의하는 다른 불투명 재료의 예시이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 LIDAR 시스템 응답들의 개념도이다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 차량을 예시한다.
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 방법의 흐름도이다.
예시적인 방법들 및 시스템들이 본 명세서에 설명되어 있다. 본 명세서에 설명된 임의의 예시적인 실시예 또는 특징은 다른 실시예들 또는 특징들보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석될 필요는 없다. 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예들은 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 개시된 시스템들 및 방법들의 특정 양태들은 매우 다양한 상이한 구성들로 배열되고 조합될 수 있으며, 이들 모두가 본 명세서에서 고려된다는 것이 쉽게 이해될 것이다. 또한, 도면들에 도시된 특정 배열들은 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다. 다른 실시예들은 주어진 도면에 도시된 각각의 엘리먼트를 다소 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 예시된 엘리먼트들 중 일부는 조합될 수도 있고 또는 생략될 수도 있다. 유사하게, 예시적인 실시예는 도면들에 예시되지 않은 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
I. 개요
예시적인 실시예들은 하나 이상의 광 검출기(예를 들어, 단일 엘리먼트 검출기 또는 검출기들의 어레이)에 부과된 배경 광을 감소시키기 위한 디바이스들, 시스템들 및 방법들에 관한 것일 수 있다. 광 검출기(들)는 장면으로부터의 광을 감지할 수 있다(예를 들어, 광 검출기(들)는 LIDAR 시스템의 컴포넌트일 수 있다).
하나의 예시적인 시스템은 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈는 장면으로부터의 광을 초점면에 집광시키는 데 사용될 수 있다. 그러나, 렌즈는 또한 초점면에서 관찰되도록 의도되지 않는 배경 광(예를 들어, 장면 내의 태양광)을 집광시킬 수도 있다. 광을 선택적으로 필터링하기 위해(즉, 장면 내의 정보에 대응하는 광으로부터 배경 광을 분리하기 위해), 불투명 재료(예를 들어, 선택적으로 에칭된 금속 또는 그 위에 마스크가 배치된 유리 기판)가 렌즈의 초점면에 배치될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 불투명 재료는 슬래브, 시트 또는 다양한 다른 형상들일 수 있다. 불투명 재료 내에서, 애퍼처가 정의될 수 있다. 애퍼처는 렌즈에 의해 집광되는 장면의 광의 일부 또는 전부를 초점면에 투과시킬 수 있다.
불투명 재료의 후면(즉, 렌즈 반대편의 불투명 재료의 측면)에서, 애퍼처에 의해 선택되는 광이 애퍼처로부터 발산될 수 있다. 광의 발산 방향에서, 시스템은 애퍼처로부터 어느 정도 거리에 배치되는 하나 이상의 광 검출기(예를 들어, SPAD)를 포함할 수 있다. 광 검출기(들)는 발산 광(예를 들어, 발산 광의 강도)을 검출할 수 있다. 광이 발산하기 때문에, 광 검출기(들)에 이용 가능한 검출 영역은 렌즈의 초점면에서의 동일한 광 원뿔에 대응하는 검출 영역보다 클 수 있다. 이것은 애퍼처로부터 멀리 떨어진 거리에서보다 렌즈의 초점면에서 검출 영역이 보다 타이트하게 집광될 것이고, 이에 따라 더 작을 것이라는 사실 때문이다. 예로서, 200㎛ x 200㎛의 단면적을 갖는 애퍼처는 수백개의 SPAD들과 등가의 면적을 점유할 수 있다(예를 들어, 각각의 SPAD는 200㎛2 내지 600㎛2의 단면적을 갖는다). 이에 비해, 광이 애퍼처로부터 직경 1.33mm의 원형 단면적에 대응하는 거리로 발산하는 경우, 해당 평면에서, 검출 영역은 수천 또는 수만개의 SPAD들과 등가의 면적을 점유할 수 있다.
예를 들어, 예시적인 시스템이 LIDAR 디바이스의 일부인 일부 시나리오들에서, 장면으로부터의 광은 광 검출기들의 시선(line-of-sight)(LOS)과 장면에 대한 상이한 LOS를 갖는 하나 이상의 광원(예를 들어, LIDAR 송신기)에 의해 송신되는 광의 반사들을 포함할 수 있다. 예를 들어, LIDAR 송신기는 광 검출기들에 의해 검출되는 광을 선택하는 애퍼처의 시점과 상이한 시점(예를 들어, 공간 포지션)으로부터의 장면을 조명할 수 있다. 광원(들)과 광 검출기(들)의 포지션들 사이의 오프셋으로 인해, 렌즈는 (예를 들어, LIDAR 디바이스와 투과된 광을 LIDAR 디바이스에 다시 반사하는 각각의 객체들 사이의 각각의 거리들에 따라) 초점면의 상이한 영역들에 투과된 광의 리턴하는 반사들을 투영시킬 수 있다. 이 현상을 일반적으로 시차(parallax)라고 한다.
시차의 영향들을 완화시키기 위해, 일부 예들에서, 불투명 재료는 그 안에 정의되는 다수의 애퍼처들을 가질 수 있다. 예를 들어, 불투명 재료는 (예를 들어, 시차 오차들에 덜 민감한) 원거리 객체들로부터 LIDAR에 의해 수신된 집광된 광을 선택하는 (예를 들어, 렌즈의 초점면 또는 그 근처에 있는) 1차 애퍼처를 정의할 수 있다. 불투명 재료는 또한 (예를 들어, 시차 오차들에 더 민감한) 더 가까운 객체들로부터 LIDAR에 의해 수신된 집광된 광을 선택하는 (예를 들어, 축 외, 중심 외, 아웃 포커스 등의 포지션들에 있는) 하나 이상의 2차 애퍼처를 정의할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 2차 애퍼처는 (예를 들어, LIDAR 송신기 및 LIDAR 수신기 등의 상대적 기하학적 배열에 기초하여) 집광된 광의 시차-시프트된 부분들이 예상되는 초점면 상의 포지션들에 배열될 수 있다.
일부 예들에서, 다수의 애퍼처들은 상이한 형상들 및/또는 사이즈들을 가질 수 있다. 일례에서, 1차 애퍼처는 2차 애퍼처들보다 큰 사이즈를 가질 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 2차 애퍼처들에서 수신되는 시차-시프트된 광 부분들은 상대적으로 근거리 객체로부터 반사되는 광에 대응할 수 있다. 일반적으로, 객체로부터 LIDAR로 다시 반사되는 광의 강도는 객체와 LIDAR 사이의 거리가 증가함에 따라 감소될 것으로 예상된다. 따라서, 이 예에서, 상대적으로 더 작은 2차 애퍼처들은 (시차-시프트 광 부분들의 예상되는 상대적으로 더 높은 광 강도로 인해) 충분한 양의 광을 투과시킬 수 있다. 또한, 이 예에서, 원거리 객체로부터 반사되는 충분한 양의 광(즉, 상대적으로 더 낮은 광 강도를 갖는 것으로 예상됨)은 상대적으로 더 큰 1차 애퍼처를 통해 투과될 수 있다. 다른 예들도 가능하다.
상기 논의에 따라, 본 명세서의 하나의 예시적인 LIDAR 디바이스는 바이스태틱 구성(bistatic configuration)을 가질 수 있다. 예를 들어, 바이스태틱 LIDAR는 별도의 투과 및 수광 렌즈를 가질 수 있다. 2개의 렌즈 사이의 횡방향 분리는 타겟 객체에 대한 범위의 함수로서 시차를 야기할 수 있다. 예를 들어, LIDAR와 타겟 객체 사이의 거리가 변함에 따라, LIDAR의 수신기의 초점면에서의 객체의 이미지가 횡방향으로 시프트할 수 있다. 이 예에서, 공간 필터(예를 들어, 수광 렌즈의 초점면에 1차 애퍼처/핀홀을 갖는 불투명 재료)가 배경 방사선을 억제하기 위해 LIDAR의 수신기에 사용되는 경우, 이미지가 1차 핀홀로부터 "이탈"할 수 있고, 이에 따라 상대적으로 짧은 범위들(예를 들어, 타겟 객체와 LIDAR 사이의 거리들)에서 공간 필터를 통해 투과되는 광의 강도를 감소시킬 수 있다. 일부 예들에서, 수신되는 신호의 강도의 변화는 균일하지 않을 수 있다. 예를 들어, LIDAR 내부에서의(예를 들어, 수신기의 벽들 등에서의) 시차-시프트된 이미지의 내부 반사들로 인해, (타겟 객체가 더 가까워짐에 따라, 강도가 균일하게 점차 감소하는 것과 반대로) 타겟 객체가 LIDAR에 더 가까워짐에 따라, 수신되는 신호의 강도가 산발적으로 증가할 수도 있다.
따라서, 타겟 객체가 LIDAR에 대해 짧은 범위(예를 들어, 1미터 이내 등)에 있을 때, 수신되는 신호의 균일성 및 강도의 향상을 용이하게 하기 위해, 공간 필터는 시차-시프트된 이미지의 부분들을 검출기(들)를 향해 투과시키도록 배열되는 하나 이상의 더 작은 핀홀(예를 들어, 2차 애퍼처들)을 포함할 수 있다(예를 들어, 이에 의해, 수신되는 신호의 균일성을 타겟 객체까지의 범위 또는 거리의 함수 등으로서 향상시킬 수 있다).
II. 예시적인 디바이스들 및 시스템들
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 시스템(100)의 예시이다. 시스템(100)은 (검출기(112)로 예시된) 광 검출기들의 어레이(110), 불투명 재료(120) 내에 정의되는 애퍼처(122), 렌즈(130) 및 필터(160)를 포함할 수 있다. 시스템(100)은 장면 내의 객체(140)로부터 수신되는 광(102)을 측정할 수 있다. 광(102)은 또한 배경 소스들로부터도 적어도 부분적으로 올 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템(100)은 LIDAR 디바이스의 일부(예를 들어, LIDAR 수신기)로서 구현될 수 있다. 일례에서, 시스템(100)을 포함하는 LIDAR 디바이스는 차량 내비게이션을 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템(100) 또는 그 일부들은 렌즈(130)를 통해 시스템(100)에 들어오는 광 이외의 외부 광으로부터 광학적으로 분리될 수 있다(예를 들어, 하우징 등에 배치될 수 있다).
어레이(110)는 (검출기(112)로 예시된) 광 검출기들의 배열을 포함한다. 다양한 실시예들에서, 어레이(110)는 상이한 형상들을 가질 수 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, 어레이(110)는 직사각형 또는 정사각형 형상을 가질 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 어레이(110)는 원형일 수도 있고, 또는 임의의 다른 형상을 가질 수도 있다. 어레이(110)의 사이즈는 (애퍼처(122)로부터 발산하는) 광(102)의 단면적에 대응하도록 선택될 수 있고, 따라서, 어레이(110)의 사이즈는 어레이(110)와 애퍼처(122) 사이의 거리에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 어레이(110)는 이동 가능할 수 있다. 예를 들어, 어레이는 어레이를 1개, 2개 또는 3개의 방향으로 병진 이동시킬 수 있는 전기 스테이지 상에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 어레이(110)는 애퍼처(122)에 더 가깝게 또는 이로부터 더 멀리 이동 가능할 수 있다.
또한, 어레이(110)는 컴퓨팅 디바이스로의 하나 이상의 출력을 가질 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(예를 들어, 마이크로프로세서)는 어레이의 광 검출기들(예를 들어, 112)에 입사되는 광(102)의 강도를 나타내는 전기 신호들을 어레이(110)로부터 수신할 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 전기 신호들을 사용하여 객체(140)에 관한 정보(예를 들어, 애퍼처(122)로부터 객체(140)의 거리)를 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 어레이(110) 내의 광 검출기들(예를 들어, 112 등)은 어레이 내의 광 검출기들의 임의의 조합에 의한 검출들을 나타내는 결합된 출력 신호를 제공하기 위해 서로 병렬로 상호 연결될 수 있다. 예를 들어, 어레이(110)는 어레이(110)의 광 검출기들의 특정 배열 및 타입에 따라 SiPM 또는 MPPC로서 구현될 수 있다.
어레이(110)의 광 검출기들(예를 들어, 검출기(112) 등)은 다양한 타입들의 검출기들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광 검출기들(예를 들어, 112)은 SPAD들을 포함할 수 있다. SPAD들은 광 검출기에 주어진 입사 조명에 대한 출력 전류를 증가시키기 위해 역 바이어스된 p-n 접합(즉, 다이오드) 내에서 애벌란시 항복(avalanche breakdown)을 사용할 수 있다. 또한, SPAD들은 단일 입사 광자에 대해 다수의 전자-홀 쌍들을 생성할 수 있다. 다른 실시예에서, 광 검출기들은 APD들을 포함할 수 있다. APD들 및 SPAD들은 모두 애벌란시 항복 전압을 넘어 바이어스될 수 있다. 이러한 바이어싱 조건은 1보다 큰 루프 이득을 갖는 포지티브 피드백 루프를 생성할 수 있다. 따라서, 임계 애벌란시 항복 전압을 넘어 바이어스된 APD들 및 SPAD들은 단일 광자 민감형일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 광 검출기들(예를 들어, 112 등)은 포토레지스터들, 전하-커플링형 디바이스(charge-coupled device)(CCD)들, 광전지들 또는 임의의 다른 타입의 광 센서를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 어레이(110)는 어레이 전반에 걸쳐 둘 이상의 타입의 광 검출기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 어레이(110)는 다수의 파장들을 검출하도록 구성될 수 있다. 이 예에서, 어레이(110)는 하나의 파장 범위에 민감한 하나 이상의 SPAD 및 상이한 파장 범위에 민감한 하나 이상의 SPAD를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 어레이(110)의 광 검출기들은 400nm 내지 1.6μm의 파장들(가시 및 적외선 파장들)에 민감할 수 있다. 또한, 어레이(110)의 광 검출기들은 주어진 실시예 내에서 또는 다양한 실시예들에 걸쳐 다양한 사이즈들 및 형상들을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 광 검출기들(예를 들어, 112)은 어레이(110)의 면적의 1%, .1%, 또는 0.01%인 패키지 사이즈들을 갖는 SPAD들을 포함할 수 있다.
불투명 재료(120)는 렌즈(130)에 의해 집광된 광(102)의 적어도 일부가 어레이(110)로 송신되는 것을 방지할 수 있다(또는 감소시킬 수 있다). 예를 들어, 불투명 재료(120)는 어레이(110)의 광 검출기들을 사용하여 수집된 측정의 정확도에 악영향을 줄 수 있는 특정 배경 광을 차단하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 불투명 재료(120), 따라서 애퍼처(122)는 렌즈(130)의 초점면 또는 그 근처에 위치 결정될 수 있다. 불투명 재료(120)는 그에 입사되는 광(102)을 흡수함으로써 투과를 차단할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 불투명 재료(120)는 어레이(110)로부터 광(102)을 멀리 반사시킴으로써 및/또는 다른 방식으로 전환시킴으로써 광(102)의 투과를 차단할 수 있다. 일부 실시예들에서, 불투명 재료(120)는 에칭된 금속을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 불투명 재료(120)는 폴리머 기판, 이축-배향 폴리에틸렌 테레프탈레이트(biaxially-oriented polyethylene terephthalate)(BoPET) 시트(Mylar® 시트라고도 함), 또는 불투명 마스크로 오버레이된 유리를 포함할 수 있다. 다양한 대안적인 실시예들에서는, 다른 불투명 재료들도 가능하다.
애퍼처(122)는 불투명 재료(120) 내에 포트를 제공하며, 이를 통해, 광(102)이 어레이(110)를 향해 투과될 수 있다. 애퍼처(122)는 다양한 방식들로 불투명 재료(120) 내에 정의될 수 있다. 일례에서, 불투명 재료(120)는 금속을 포함할 수 있고, 금속은 애퍼처(122)를 정의하기 위해 에칭될 수 있다. 다른 예에서, 불투명 재료(120)는 마스크로 오버레이된 유리 기판을 포함할 수 있고, 마스크는 포토리소그래피를 사용하여 정의되는 애퍼처(122)를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 애퍼처(122)는 부분적으로 또는 전체적으로 투명할 수 있다. 예를 들어, 불투명 재료(120)가 마스크로 오버레이된 유리 기판을 포함하는 경우, 애퍼처(122)는 마스크에 의해 커버되지 않은 유리 기판의 일부로서 정의될 수 있다. 따라서, 이 예에서, 애퍼처(122)는 완전히 중공이 아니라 유리로 만들어진다. 일부 예들에서, 애퍼처(122)는 객체(140)에 의해 산란되는 광(102)의 파장에 대해 거의 투명할 수 있지만, 완전히 그러한 것은 아니다(예를 들어, 대부분의 유리들은 100% 투명하지는 않다).
(불투명 재료(120)와 함께) 애퍼처(122)는 장면으로부터의 광(102)을 공간적으로 필터링하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광(102)은 불투명 재료(120) 상에 집광될 수 있고, 애퍼처(122)는 집광된 광의 일부만이 어레이(110)에 투과되게 할 수 있다. 따라서, 애퍼처(122)는 광학 핀홀로서 거동할 수 있다.
예를 들어, 애퍼처(122)는 원형 형상을 갖는 것으로 도시되어 있다. 대안적인 실시예들에서, 애퍼처(122)는 직사각형 형상, 열쇠 구멍 형상 또는 임의의 다른 형상과 같은 상이한 형상을 가질 수 있다.
애퍼처(122)와 관련하여 위에서 사용된 "애퍼처"라는 용어는 광이 투과될 수 있는 불투명 재료 내의 리세스 또는 홀을 설명하지만, "애퍼처"라는 용어는 광범위한 광학 피처들의 어레이를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 상세한 설명 및 청구 범위 전반에 걸쳐 사용되는 바와 같이, "애퍼처"라는 용어는 광이 부분적으로 투과될 수 있는 불투명 재료 내에 정의되는 투명 또는 반투명 구조들을 추가로 포함할 수 있다. 또한, "애퍼처"라는 용어는 불투명 재료에 의해 둘러싸인 미러와 같이 (예를 들어, 반사 또는 굴절을 통해) 광의 통과를 다른 방식으로 선택적으로 제한하는 구조를 설명할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 불투명 재료에 의해 둘러싸인 미러형 어레이들은 특정 방향으로 광을 반사시킴으로써, 반사 부분을 정의하도록 배열될 수 있다. 이 반사 부분이 "애퍼처"로 지칭될 수 있다.
렌즈(130)는 장면으로부터 렌즈의 초점면을 향해(예를 들어, 불투명 재료(120)를 향해) 광(102)을 집광시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 렌즈(130)에서, 장면으로부터 수집되는 광 강도는 광(102)이 투영되는 단면적을 감소시키면서(즉, 광(102)의 공간 전력 밀도를 증가시키면서) 유지될 수 있다. 일례에서, 렌즈(130)는 수렴 렌즈를 포함할 수 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, 일부 예들에서, 렌즈(130)는 양볼록 렌즈를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 렌즈(130)는 구면 렌즈를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 렌즈는 다수의 렌즈들 또는 다른 광학 엘리먼트들(예를 들어, 제1 방향으로 광을 집광시키는 양볼록 렌즈 및 제1 방향에 직교하는 제2 평면에서 광을 집광시키는 추가적인 양볼록 렌즈)의 어셈블리를 포함할 수 있다. 다른 타입들의 렌즈들도 가능하다. 또한, 렌즈(130)에 입사되는 광(102)을 불투명 재료(120) 상으로 집광시키는 것을 돕기 위해 렌즈(130) 근처에 위치 결정되는 다른 자유 공간 광학기들(예를 들어, 미러들)이 있을 수 있다.
객체(140)는 장면 주변 시스템(100) 내에 위치 결정되는 임의의 객체일 수 있다. 시스템(100)이 LIDAR 시스템의 수신기의 컴포넌트인 예들에서, 객체(140)는 동일한 LIDAR 시스템의 송신기에 의해 조명될 수 있다. 예를 들어, LIDAR 시스템이 차량의 네비게이션에 사용되는 예시적인 실시예들에서, 객체(140)는 특히 보행자들, 다른 차량들, 장애물들(예를 들어, 나무들) 또는 도로 표지판들을 포함할 수 있다.
하나의 예시적인 시나리오에서는, 위에 설명된 바와 같이, 광(102)은 LIDAR 디바이스의 송신기로부터의 광을 포함할 수 있다. 이 시나리오에서, 광(102)(또는 그 일부)은 객체(140)에 의해 반사되고, 렌즈(130)에 의해 집광되고, 애퍼처(122)를 통해 투과된 다음, 어레이(110)에 의해 측정될 수 있다. 이 시퀀스는, 예를 들어, 객체(140)에 관한 정보를 결정하기 위해 (예를 들어, LIDAR 디바이스를 통해) 발생할 수 있다. 일부 실시예들에서, 어레이에 의해 측정되는 광은 또한 다수의 객체들에 의해 반사되는 광 및/또는 다른 소스들로부터의 광(예를 들어, 주변 광)을 포함할 수도 있다.
또한, 객체(140)를 분석하는 데 사용되는 광(102)의 파장은 장면 내에 있을 것으로 예상되는 객체들의 타입들 및 그들의 렌즈(130)로부터의 예상 거리에 기초하여 맞춤화될 수 있다. 예를 들어, 장면 내에 있을 것으로 예상되는 객체들이 500nm 파장의 입사 광을 흡수하는 경우, 500nm 이외의 파장이 객체(140)를 조명하고 시스템(100)에 의해 분석되도록 선택될 수 있다. (예를 들어, LIDAR 디바이스의 송신기에 의해 송신되는) 광(102)의 파장은 광(102)을 발생시키는 소스에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 특정 다이오드 레이저는 900nm를 포함하는 파장 범위를 갖는 광(102)을 방출할 수 있다. 임의의 특정 파장 범위 내에서 광(102)을 생성할 수 있는 다른 소스들(예를 들어, 광섬유 증폭기, 레이저들, 필터가 있는 광대역 소스 등)도 가능하다.
필터(160)는 장면으로부터 (렌즈(130)에 의해 집광된) 입사 광을 선택적으로 투과시키도록 구성되는 대역-통과 필터 또는 임의의 다른 광학 필터를 포함할 수 있다. 광학 필터(160)는 어레이(110)로부터 특정 파장들의 광을 멀리 전환시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 시스템(300)이 LIDAR 디바이스의 컴포넌트(예를 들어, LIDAR 수신기)인 경우, 광학 필터(160)는 LIDAR 디바이스의 방출기(예를 들어, LIDAR 송신기)에 의해 방출되는 파장 범위가 아닌 광을 (예를 들어, 애퍼처(122)로부터 멀리) 전환시킬 수 있다. 예를 들어, 광학 필터(160)는 주변 또는 배경 광이 어레이(110)에 의한 측정들에 악영향을 미치는 것을 적어도 부분적으로 방지할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 광학 필터(160)는 어레이(110)에 대한 다양한 포지션들에 위치될 수 있다. 도시된 실시예에서, 광학 필터(160)는 렌즈(130)와 불투명 재료(120) 사이에 위치될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 광학 필터(160)는 렌즈와 객체 사이, 불투명 재료와 어레이 사이 또는 어레이 자체 상에 위치될 수 있다(예를 들어, 단일 광학 필터가 어레이 상에 배치될 수도 있고, 또는 광 검출기들 각각이 별도의 광학 필터에 의해 개별적으로 커버될 수도 있다).
일부 예들에서, 광학 필터(160)는 흡수성 필터(예를 들어, 입사 광의 일부를 흡수하는 필터), 반사성 필터(예를 들어, 입사 광의 일부를 반사하는 필터) 및/또는 다른 타입의 필터(예를 들어, 입사 광의 방향을 그것의 파장에 기초하여 조정하는 필터)를 포함할 수 있다. 따라서, 다양한 예들에서, 광학 필터(160)는 정의되는 파장 범위 내의 파장들(예를 들어, 대역-통과 광학 필터, 단색 광학 필터 등), 정의되는 파장 범위 밖의 파장들(즉, 대역-제거 광학 필터 등), 정의되는 임계값 아래의 파장들(즉, 저역-통과 광학 필터) 또는 정의되는 임계값을 넘는 파장들(즉, 고역-통과 광학 필터)을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 필터(160)는 특정 필터링 특성들을 달성하기 위해 광학적으로 커플링된 다수의 광학 필터들(예를 들어, 대역-통과 필터 특성을 달성하기 위해 고역-통과 필터와 캐스케이드된 저역-통과 필터 등)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 필터(160)는 이색 필터 또는 하나 이상의 (예를 들어, 캐스케이드형) 이색 필터를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 광학 필터(160)는 회절 필터를 포함할 수 있다. 회절 필터는, 예를 들어, 배경 광 및 신호 광의 광학 경로를 분할할 수 있다. 예를 들어, 필터(160)는 배경 광을 다른 광 검출기 어레이(도시 생략)로 지향시킬 수 있다. 따라서, 이 경우, 시스템(100)은 어레이(110)에 의한 측정과 별도로 배경 광을 측정할 수 있다.
일부 실시예들에서, 필터(160)는 (예를 들어, 더 균일한 에너지 분포를 달성하기 위해) 광 검출기들(112) 간에 애퍼처(122)를 통해 투과되는 광(102)의 전력 밀도를 분산시키도록 구성되는 광 확산기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예들에서, 광 확산기는 샌드블라스트형 유리 확산기, 그라운드 유리 확산기 또는 홀로그래픽 확산기를 포함할 수 있다. 다른 타입들의 광 확산기들도 가능하다. 따라서, 필터(160)(예를 들어, 광 확산기)는 애퍼처(122)를 통해 투과되는 광(102)의 발산의 양태를 강화시키도록 구성될 수 있다. 본 명세서의 다른 가능한 발산 강화 컴포넌트들은, 예를 들어, 비-통합 굴절률들을 갖는 광 도파관들 또는 유체들을 포함한다.
일부 예들에서, 필터(160)는 파장 이외의 (또는 그에 추가한) 광 특성들에 기초하여 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 광학 필터(160)는 편광(예를 들어, 수평 편광 또는 수직 편광)에 기초하여 광을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 다른 타입들의 광학 필터들도 가능하다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 LIDAR 디바이스(200)의 예시이다. 도시된 바와 같이, LIDAR 디바이스(200)는 각각 시스템(100)의 어레이(110), 불투명 재료(120) 및 렌즈(130)와 유사한 하나 이상의 광 검출기(210), 불투명 재료(220) 및 렌즈(230)를 포함한다. 따라서, 일부 예들에서, 검출기(들)(210)는 어레이(110)와 유사한 광 검출기들의 어레이로서 구현될 수 있다. 그러나, 대안적인 예들에서, 검출기(들)(210)는 대신에 단일 감지 엘리먼트(예를 들어, 단일 검출기)로서 구현될 수 있다. 또한, 예를 들어, 도시되지는 않았지만, 불투명 재료(220)는 렌즈(230)에 의해 집광되는 광의 일부가 어레이(110)에 의해 수신되도록 투과되는 애퍼처(예를 들어, 핀홀 등)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, LIDAR 디바이스(200)는 또한 (예를 들어, 방출기(150)와 유사한) 방출기(250) 및 컴퓨팅 디바이스(270)를 포함한다.
방출기(250)는 장면의 (예를 들어, 객체(140)와 유사한) 객체(240)에 의해 반사되고 궁극적으로 광 검출기(들)(210)에 의해 측정되는 (예를 들어, 광(102)과 유사한) 광(202)을 방출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 방출기(250)는 레이저 방출기(250)의 전력 출력을 증가시키기 위해 광섬유 증폭기 또는 다른 증폭 시스템을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 레이저 방출기(250)는 레이저 다이오드(예를 들어, 다이오드 바 등), 필라멘트 광원, 액정 디스플레이(liquid crystal display)(LCD), 필라멘트 광원, 또는 임의의 다른 타입의 광원을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 방출기(250)는 (연속파(continuous wave)(CW) 레이저와는 대조적으로) 펄스형 레이저를 포함할 수 있어, 등가의 연속 전력 출력을 유지하면서 피크 전력을 증가시킬 수 있다.
컴퓨팅 디바이스(270)는 LIDAR 디바이스(200)의 하나 이상의 컴포넌트로부터 수신되는 신호들을 제어 및/또는 분석하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 컴퓨팅 디바이스(270)는 LIDAR 디바이스(200)로 하여금 다양한 동작들을 수행하게 하는 메모리(예를 들어, 데이터 스토리지) 내에 저장된 명령어들을 실행하는 하나 이상의 프로세서(예를 들어, 마이크로제어기의 마이크로프로세서)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(270)는 객체(240)의 위치(예를 들어, 객체(240)와 LIDAR 디바이스(200) 사이의 거리)를 결정하기 위해 검출기(들)(210)를 통해 측정되는 신호와 연관된 타이밍 정보를 사용할 수 있다. 예를 들어, 레이저 방출기(250)가 펄스형 레이저인 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스(270)는 출력 광 펄스들의 타이밍들을 모니터링하고, 해당 타이밍들을 검출기(들)(210)에 의해 검출되는 반사된 광 펄스들의 타이밍들과 비교할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(270)는 (방출기(250)를 통한) 광 펄스의 방출과 (검출기(들)(210)를 통한) 방출된 광 펄스의 반사의 수신 사이의 시간량을 고려함으로써 디바이스(200)와 객체(240) 사이의 거리를 계산할 수 있다.
일부 예들에서, 컴퓨팅 디바이스(270)는 레이저 방출기(250)에 의해 방출되는 광(202)을 변조하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(270)는 레이저 방출기(250)의 포인팅 방향을 변경하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 레이저 방출기(270)가 컴퓨팅 디바이스(270)에 의해 제어되는 기계적 스테이지 상에 장착될 수 있다). 일부 예들에서, 컴퓨팅 디바이스(270)는 또한 레이저 방출기(250)에 의해 방출되는 광(202)의 타이밍, 전력 또는 파장을 변조하도록 구성될 수 있다. 이러한 변조들은 특히 광(202)의 경로로부터 필터들의 추가 또는 제거를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 컴퓨팅 디바이스(270)는 렌즈(230), 불투명 재료(220) 및/또는 검출기(들)(210)의 위치들을 서로에 대해 조정하도록 구성될 수 있다. 일례에서, 렌즈(230)는 렌즈(230)의 위치(및 이에 따른, 렌즈(230)의 초점면의 위치)를 조정하기 위해 컴퓨팅 디바이스(270)에 의해 제어되는 이동식 스테이지 상에 장착될 수 있다. 다른 예에서, 검출기(들)(210)는 컴퓨팅 디바이스(270)가 검출기(들)(210)를 불투명 재료(220)(및/또는 그 위에 정의되는 애퍼처(들))에 대해 이동할 수 있게 하는 별도의 스테이지 상에 장착될 수 있다. 일부 예들에서, 검출기(들)(210)는 검출기(들)(210) 상의 검출 영역을 변경시키기 위해 컴퓨팅 디바이스(270)에 의해 이동될 수 있다. 예를 들어, (예를 들어, 광(202)의 발산은 불투명 재료(220)의 애퍼처를 통해 투과되어 발산되기 때문에) 검출기(들)(210)는 검출기(들)(210) 상의 단면 검출 영역을 증가시키기 위해 불투명 재료(220)로부터 더 멀리 이동될 수 있다. 따라서, 컴퓨팅 디바이스(270)는 발산 광에 의해 조명되는 광 검출기들의 수를 변경하기 위해 검출기(들)(210)를 이동시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스는 또한 애퍼처를 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 애퍼처는, 일부 실시예들에서, 불투명 재료 내에 정의되는 다수의 애퍼처들로부터 선택 가능할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 렌즈와 불투명 재료 사이에 위치되는 MEMS 미러는 광이 다수의 애퍼처들 중 어느 애퍼처로 지향되는지를 결정하기 위해 컴퓨팅 디바이스에 의해 조정 가능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 다양한 애퍼처들은 상이한 형상들 및 사이즈들을 가질 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 애퍼처는 아이리스(iris)(또는 다른 타입의 다이어프램)에 의해 정의될 수 있다. 아이리스는, 예를 들어, 애퍼처의 사이즈를 제어하기 위해 컴퓨팅 디바이스에 의해 확장될 수도 있고 또는 수축될 수도 있다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 다른 LIDAR 디바이스(300)를 예시한다. 도시된 바와 같이, 디바이스(300)는 LIDAR 송신기(350), LIDAR 수신기(380) 및 회전 플랫폼(392)을 포함한다.
LIDAR 송신기(350)는 각각 디바이스(200)의 방출기(250) 및 광(202)과 유사하게 디바이스(300)의 환경을 향해 광(302a)을 방출하도록 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 송신기(350)는 투과 렌즈(332)를 포함할 수 있다. 렌즈(332)는 디바이스(300)의 환경의 특정 영역을 조명하기 위해 LIDAR 디바이스(300)로부터 투과되는 방출된 광(302a)을 지향(예를 들어, 및/또는 시준 등)시키도록 구성될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 송신기(350)는 또한 송신기(350)의 하우징 내부에 (예를 들어, 방출기(250)와 유사한) 방출기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방출기는 투과 렌즈(332)를 통해 LIDAR 디바이스(300)로부터 주변 환경을 향해 광(302a)을 방출하도록 구성될 수 있다.
LIDAR 수신기(380)는 광 검출 시스템(예를 들어, 시스템(100))을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수신기(380)는 상기 논의에 따라 환경의 하나 이상의 객체에서 반사되어, LIDAR 디바이스(300)로 리턴하는 방출된 광(302a) 중 적어도 일부를 반사된 광(302b)으로서 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 수신기(380)는 렌즈들(130 및/또는 230)과 유사할 수 있는 수광 렌즈(330)를 포함한다. 또한, 도시되지는 않았지만, 수신기(380)는 광학 필터(예를 들어, 필터(160)), 공간 필터(예를 들어, 불투명 재료(120)) 및/또는 하나 이상의 광 검출기(예를 들어, 광 검출기(112), 어레이(110) 등)과 같이 시스템(100)의 컴포넌트들과 유사한 (예를 들어, 수신기(380)의 하우징 내부의) 하나 이상의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 따라서, 이 예에서, 반사된 광(302b)은 도 1 및 도 2의 설명에 따라 하나 이상의 광 검출기(도시 생략)에 의한 검출을 위해 애퍼처(도시 생략)를 통해 수광 렌즈(130)에 의해 집광될 수 있다. 예를 들어, 애퍼처는 반사된 광(302b)(예를 들어, 방출된 광(302a)에 의해 조명되는 환경 영역으로부터의 광)을 포함하는 렌즈(330)로부터의 집광된 광 중 일부를 선택하기 위해 수광 렌즈(330) 뒤의 특정 포지션에 위치 결정될 수 있다.
회전 플랫폼(392)(예를 들어, 기계적 스테이지 등)은 도시된 특정 상대 배열로 수신기(380) 및 송신기(350)를 지지한다. 이를 위해, 회전 플랫폼(392)은 LIDAR(300)의 하나 이상의 컴포넌트를 지지하기에 적절한 임의의 고체 재료로 형성될 수 있다. 일례에서, 회전 플랫폼(392)은 축(390)을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 회전 동안, 송신기(350) 및 수신기(380)의 포인팅 방향들은 도시된 특정 상대 배열을 유지하도록 동시에 변경될 수 있다. 따라서, LIDAR(300)는 축(390)을 중심으로 한 LIDAR(300)의 상이한 회전 포지션들에 따라 주변 환경의 상이한 영역들을 스캔할 수 있다. 예를 들어, LIDAR(300)가 축(390)을 중심으로 회전함에 따라, 디바이스(300)(및/또는 다른 컴퓨팅 시스템)는 LIDAR의 상이한 포인팅 방향들과 연관된 데이터를 프로세싱함으로써 디바이스(300) 환경의 360°(또는 그 이하의) 뷰의 3차원 맵을 결정할 수 있다. 일 실시예에서, LIDAR(300)는 차량 상에 장착될 수 있고, 회전 플랫폼(392)은 차량으로부터 멀리 떨어진 다양한 방향들을 따라 환경 영역들을 스캔하도록 회전될 수 있다.
일부 예들에서, 축(390)은 실질적으로 수직일 수 있다. 이들 예들에서, 디바이스(300)의 뷰잉 또는 스캐닝 방향은 축(390)을 중심으로 수신기(380)(및 송신기(350))를 회전시킴으로써 수평으로 조정될 수 있다. 다른 예들에서는, LIDAR(300)가 축(390)을 중심으로 회전함에 따라, 수신기(380)(및 송신기(350))가 LIDAR에 의해 스캔되는 시야(field-of-view)(FOV)의 수직 범위들을 조정하도록 (축(390)에 대해) 기울어질 수 있다. 예를 들어, LIDAR(300)는 차량의 상면 상에 장착될 수 있고, 수신기(380)는 (송신기(350)와 함께) 차량을 향해 기울어질 수 있다. 따라서, 이 예에서, LIDAR(300)는 차량 위에 있는 환경 영역들로부터의 데이터 포인트들보다 차량이 위치되어 있는 주행면에 더 가까운 환경 영역들로부터 더 많은 데이터 포인트들을 수집할 수 있다. LIDAR 디바이스(300)의 다른 장착 포지션들, 기울임 구성들 및/또는 응용들도 가능하다. 예를 들어, LIDAR는 차량의 상이한 측면, 로봇 플랫폼 또는 임의의 다른 장착 표면 상에 장착될 수 있다.
이러한 방식으로 플랫폼(392)을 회전시키기 위해, LIDAR 디바이스(300)는 또한 플랫폼(382)을 작동시키도록(예를 들어, 회전시키도록, 기울이도록 등) 구성되는 하나 이상의 액추에이터(도시 생략)를 포함할 수 있다. 예시적인 액추에이터들은 특히 모터들, 공압 액추에이터들, 유압 피스톤들 및/또는 압전 액추에이터들을 포함한다.
도 4a는 예시적인 실시예들에 따른 시스템(100)과 함께 사용될 수 있는 다른 LIDAR 디바이스(400)를 예시한다. 설명의 편의를 위해, 도 4a는 x-y-z 직교 방향 축을 도시하며, 여기서 x-축 및 y-축은 페이지의 표면과 평행하다. 도시된 바와 같이, LIDAR 디바이스(400)는 각각 수광 렌즈(330), 투과 렌즈(332), 송신기(350), 수신기(380) 및 회전 플랫폼(392)과 유사한 수광 렌즈(430), 투과 렌즈(432), 송신기(450), 수신기(480) 및 회전 플랫폼(492)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 디바이스(400)는 또한 미러(434) 및 모터(494)를 포함한다. 모터(494)는 x-축에 평행한 수평축을 중심으로 미러(434)를 회전시키도록 구성된다.
일부 예들에서, LIDAR 송신기(450)는 미러(434)에서 반사되는 (투과 렌즈(432)를 통한) 광을 LIDAR(400)로부터 멀리 전파되도록 방출할 수 있다. 또한, LIDAR(400)의 환경으로부터의 광(방출된 광의 리턴하는 반사들 포함)은 (렌즈(430)를 통해) 미러(434)에서 LIDAR 수신기(480) 내로 반사될 수 있다. 따라서, 예를 들어, LIDAR(400)의 수직 스캐닝 방향은 미러(434)를 (예를 들어, x-축에 평행한 수평축을 중심으로) 회전시킴으로써 제어될 수 있고, LIDAR(400)의 수평 스캐닝 방향은 회전 플랫폼(492)을 사용하여 (예를 들어, y-축에 평행한) 수직축을 중심으로 LIDAR 디바이스를 회전시킴으로써 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 미러(434)는 삼각 미러로서 구현될 수 있다. 송신기(450)가 미러를 향해 일련의 광 펄스들을 방출하는 동안, 삼각 미러는 회전될 수 있다. 미러의 회전 포지션에 따라, 각각의 광 펄스가 이에 따라 (예를 들어, 수직으로) 스티어링될 수 있다. 이와 같이, LIDAR(400)는 미러(434)에 의해 제공되는 (수직) 스티어링 방향들의 범위에 의해 정의되는 수직 FOV를 스캔할 수 있다. 일부 예들에서, LIDAR(400)는 송신기(450)로부터 방출된 광을 수직으로 스티어링하기 위해 미러(434)를 하나 이상의 완전한 회전으로 회전시키도록 구성될 수 있다. 다른 예들에서, LIDAR 디바이스(400)는 방출된 광을 특정 방향 범위에 걸쳐 (수직으로) 스티어링하기 위해 주어진 각도 범위 내에서 미러(434)를 회전시키도록 구성될 수 있다. 따라서, LIDAR(400)는 미러(434)의 회전을 조정함으로써 다양한 수직 FOV들을 스캔할 수 있다. 일 실시예에서, LIDAR(400)의 수직 FOV는 110°이다.
모터(494)는 특히 스테퍼 모터, 전기 모터, 연소 모터, 팬케이크 모터 및/또는 압전 액추에이터와 같은 임의의 액추에이터를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 플랫폼(492)은 모터(494)와 유사한 모터를 사용하여 (예를 들어, y-축에 평행한 수직축을 중심으로) 회전될 수 있다. 플랫폼(492)의 회전은 미러(434), 모터(494), 렌즈들(430 및 432), 송신기(450) 및 수신기(480)를 수직축을 중심으로 회전시킨다. 따라서, 회전 플랫폼(492)은 (예를 들어, 플랫폼(492)의 회전축을 중심으로) (송신기(450)로부터의) 방출된 광을 수평으로 스티어링하는 데 사용될 수 있다. 추가적으로, 플랫폼(492)의 회전 범위는 LIDAR(400)의 수평 FOV를 정의하도록 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 플랫폼(492)은 360°보다 작은 수평 FOV를 제공하기 위해 정의된 각도 범위(예를 들어, 270° 등) 내에서 회전할 수 있다. 그러나, 임의의 수평 FOV를 스캔하기 위해 다른 양들의 회전도 가능하다(예를 들어, 360°, 8° 등).
도 4b는 LIDAR 디바이스(400)의 부분 단면도를 예시한다. LIDAR(400)의 컴포넌트들 중 일부는 설명의 편의를 위해 도 4b의 예시로부터 생략된다는 것에 유의하도록 한다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 송신기(450)는, 예를 들어, 방출기(250)에 대해 설명된 광원들 중 임의의 것과 유사할 수 있는 광원(452)을 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 송신기(450)는 2개 이상의 광원을 대안적으로 포함할 수 있다. 광원(452)은 하나 이상의 광 펄스(402a)(예를 들어, 레이저 빔 등)를 렌즈(432)를 향해 방출하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 투과 렌즈(432)는 방출된 광(402a)을 미러(434)를 향해 지향(및/또는 시준)시키도록 구성될 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 미러(434)는 3개의 반사면(434a, 434b, 434c)을 갖는 삼각 미러를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 예들에서, 미러(434)는 대안적으로 추가적인 또는 더 적은 반사면들을 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 광(402a)은 반사면(434a)에서 화살표(404)로 예시된 방향의 LIDAR(400)의 환경으로 반사될 수 있다. 이 예에서, 미러(434)가 (예를 들어, 페이지를 통해 연장되는 축을 중심으로) 회전됨에 따라, 방출된 광(402a)은 화살표(404)로 예시된 것과 상이한 방향을 갖도록 스티어링될 수 있다. 예를 들어, 방출된 광(402a)의 방향(404)은 삼각 미러(434)의 회전 포지션에 기초하여 조정될 수 있다.
도 4c는 LIDAR 디바이스(400)의 다른 부분 단면도를 예시한다. 예시의 목적으로, 도 4c는 x-y-z 직교 방향 축들을 도시하며, 여기서 x-축 및 y-축은 페이지의 표면에 평행하다. LIDAR(400)의 컴포넌트들 중 일부는 설명의 편의를 위해 도 4c의 예시로부터 생략된다는 것에 유의하도록 한다.
도시된 바와 같이, 수신기(480)는 각각 시스템(100)의 불투명 재료(120) 및 검출기(들)(112)와 유사할 수 있는 불투명 재료(420) 및 하나 이상의 광 검출기(412)를 포함한다. 예를 들어, 수광 렌즈(430)는 LIDAR(400)의 환경으로부터 수신된 광을 불투명 재료(420)의 애퍼처를 향해 집광시키도록 구성될 수 있고, 집광된 광 중 적어도 일부는 검출기(들)(412)에 의해 검출되도록 발산 광(402b)으로서 애퍼처를 통해 투과될 수 있다.
일부 구현들에서, LIDAR 디바이스(400)는 바이스태틱 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4c에 도시된 바와 같이, 송신기(450) 및 수신기(480)는 서로에 대해 공간적으로 오프셋된 포지션들에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 방출된 광(402a)은 투과 렌즈(432)의 제1 공간 포지션으로부터 투과 렌즈(432)를 통과하여 빠져나가고, 수신된 광(402b)은 투과 렌즈(432)의 제1 공간 포지션으로부터 횡방향으로 변위되는(예를 들어, 공간적으로 오프셋되는) 수광 렌즈(430)의 제2 공간 포지션으로부터 수광 렌즈(430)에 의해 인터셉트된다.
일부 구현들에서, LIDAR 디바이스(400)는 LIDAR 디바이스(400)에 의해 스캔된 객체에 대해 이동하는 시스템에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 다시 참조하면, 시스템(200)은 자동차, 버스, 기차, 보트, 항공기 또는 객체(240)에 대해 이동하는 임의의 다른 타입의 이동 차량과 같은 이동 차량을 포함할 수도 있고 또는 이에 장착될 수도 있다. 이 예에서, LIDAR 디바이스(400)는 (예를 들어, 도 2에 도시된 다양한 컴포넌트들(210, 220, 230, 250 및/또는 270) 대신에 또는 이에 더하여) 시스템(200)에 포함될 수 있다. 따라서, 이 예에서, LIDAR 디바이스(400)는 객체(240)에 대한 시스템(200)의 이동에 응답하여 객체(240)에 대해 이동할 수 있다.
이러한 구현들에서, LIDAR 디바이스(400)의 투과 렌즈(432)는 객체를 조명하기 위해 광을 투과시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4b를 다시 참조하면, LIDAR(400)의 투과 렌즈(432)는, 회전 가능한 미러(434)를 통해, 객체(240)를 조명하는 광(202)(도 2에 도시됨)으로서 LIDAR(400)로부터 광(402a)을 지향시킬 수 있다. 또한, 이 예에서, 투과된 광 중 일부는 객체(240)로부터 LIDAR(400)를 향해 다시 반사될 수 있다. 회전 가능한 미러(434)는 수신된 광을 수광 렌즈(430)(도 4c에 도시됨)를 향해 반사시킬 수 있고, 수광 렌즈(430)는 그 후 입사 광을 공간 필터(420)(즉, 광학 재료(420))를 향해 집광시킬 수 있다.
III. 예시적인 애퍼처 배열들
위에서 언급된 바와 같이, 일부 시나리오들에서, 광학 스캐닝 센서들(예를 들어, LIDAR들(200, 300, 400) 등)을 사용하여 획득되는 측정들은 광 신호를 방출하는 송신기의 시선(LOS)과 방출된 신호의 반사들을 검출하는 수신기의 LOS 사이의 오프셋과 연관된 시차에 의해 영향을 받을 수 있다. 일반적으로, 시차는 2개의 상이한 시선을 따라 보이는 객체의 겉보기 포지션에서의 변위 또는 차이이다.
예를 들어, 투과 렌즈(432)의 위치에서 볼 때 LIDAR(400)의 환경의 객체의 제1 겉보기 포지션은 수광 렌즈(430)의 위치에서 볼 때 동일한 객체의 제2 겉보기 포지션과 상이할 수 있다. 2개의 겉보기 포지션 사이의 변위 방향은 렌즈들(432 및 430)의 2개의 각각의 위치 사이의 변위 방향에 의존할 수 있다. 예를 들어, (렌즈(432)의 관점에서의) 객체의 제1 겉보기 포지션은 (렌즈(430)의 관점에서의) 객체의 제2 겉보기 포지션과 비교하여 x-축 방향으로 시프트된 것으로 보일 수 있다.
또한, 객체의 2개의 겉보기 포지션 사이의 변위의 정도는 2개의 렌즈(430, 432)의 위치들 사이의 거리뿐만 아니라 LIDAR(400)와 객체 사이의 거리에 의존할 수 있다. 예를 들어, 객체까지의 거리가 렌즈들(430, 432) 사이의 거리(예를 들어, 5밀리미터 등)보다 실질적으로 더 큰 경우(예를 들어, 1미터보다 더 멀리 있는 경우 등), 객체로부터 전파되는 광은 렌즈들(430, 432)의 관점들에서 실질적으로 유사한 방향들로부터 온 것으로 보일 수 있다. 따라서, "원거리" 객체들(예를 들어, 두 시점 사이의 거리와 비교하여 "원거리")의 겉보기 포지션들은 실질적으로 유사할 수 있다. 반면에, 객체가 LIDAR(400) 근처에 있는 경우(예를 들어, 1미터보다 더 가까이 있는 경우), 2개의 겉보기 포지션 사이의 차이는 상대적으로 더 클 수 있다. 예를 들어, "근거리" 객체(예를 들어, 두 시점 사이의 거리와 비교하여 "근거리")는 렌즈(432)의 위치에서 볼 때에는 장면의 우측에 있는 것으로 보일 수 있고, 렌즈(430)의 위치에서 볼 때에는 장면의 좌측에 있는 것으로 보일 수 있다.
도 5는 단일 애퍼처(522)를 갖는 불투명 재료(520)를 예시한다. 불투명 재료(520) 및 애퍼처(522)는 각각 불투명 재료(120) 및 애퍼처(122)와 유사할 수 있다. 그러나, 애퍼처(122)와 달리, 애퍼처(522)는 둥근 에지들을 갖는 직사각형 형상을 갖는 것으로 도시되어 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 애퍼처(522)는 대안적으로 상이한 형상을 가질 수 있다.
광학 스캐닝 시스템(예를 들어, 시스템(100), LIDAR들(200, 300, 400) 등)의 동작에 대한 시차의 영향을 설명하는 예시적인 시나리오는 다음과 같다. 시나리오에서는, 불투명 재료(520)가 불투명 재료(420) 대신 LIDAR(400)에 채택될 수 있다. 따라서, 시나리오에서, 불투명 재료(520)의 제1 축(582)은 도 4c에 도시된 x-축과 평행할 수 있다. 또한, 축(582)에 직교하는 (그리고 애퍼처(522)의 위치에서 축(582)과 교차하는) 불투명 재료(520)의 제2 축(584)은 도 4c에 도시된 z-축에 평행할 수 있다.
시나리오에서, 애퍼처(522)는 렌즈(430)의 광학 축과 교차하도록 위치 결정될 수 있다. 예를 들어, 렌즈(430)의 광학 축은 도 5의 축(531)에 대응할 수 있다(이는 도 4c에 도시된 y-축에 평행한 방향으로 도 5의 페이지에서 연장된다). 예를 들어, 불투명 재료(520)는 렌즈(430)의 초점면 또는 근처에 배치될 수 있고, 따라서, 애퍼처(522)는 렌즈(430)의 "포커스" 또는 렌즈(430)의 초점과 정렬될 수 있으며, 여기서 광학 축(531)은 초점면과 교차한다. 이와 같이, 윤곽(502c)은 렌즈(430)가 (예를 들어, LIDAR(400)로부터 1미터보다 더 멀리 있는 등의) "원거리" 객체들로부터 광을 집광시키는 불투명 재료(520)의 영역에 대응할 수 있다. 예를 들어, 시나리오에서, 방출된 광(402a)은 원거리 객체에서 반사하고, 광학 축(531)에 실질적으로 평행한 방향으로부터 렌즈(430)로 리턴할 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 애퍼처(522)의 위치는 송신기(450)에 의해 조명되는 환경 영역 내의 (예를 들어, LIDAR(400)로부터 1미터보다 더 멀리 있는) 파-필드(far-field) 객체들에서 반사된 광의 상대적으로 큰 부분을 수신하도록 선택될 수 있다.
도시된 실시예에서, 애퍼처(522)는 윤곽(502c) 내에 맞도록 형성된다. 대안적인 실시예에서, 애퍼처(522)는 윤곽(502c)의 더 큰 부분과 중첩되고/되거나 윤곽(502c) 전부와 중첩되도록 형성될 수 있다.
이 시나리오에서는, 시차로 인해, "근거리" 객체들(1미터보다 더 가까이 있거나 또는 LIDAR에 대한 다른 임계 거리에 있는 객체들)에서 반사되는 방출된 광(402a) 중 일부들이 초점면보다 렌즈(430)에 대해 더 큰 거리에 있는 이미지 평면을 향해 렌즈(430)에 의해 집광될 수 있다. 예를 들어, 윤곽(502d)은 렌즈(430)가 "근거리" 객체로부터 방출된 광(402a)의 반사들을 투영하는 불투명 재료(520)의 영역을 나타낼 수 있다. 도시된 바와 같이, 윤곽(502d)에 의해 나타내어지는 투영된 광은 (윤곽(502c)에 의해 나타내어지는 투영된 광과 비교하여) 1차 애퍼처(522)와 덜 정렬된다. 예를 들어, 윤곽(502d)의 포지션은 (윤곽(502c)에 대해) 수평으로 시프트된 것으로 도시되어 있다.
또한, 도시된 시나리오에서, 윤곽(502d)에 의해 나타내어지는 시차-시프트된 광은 공간 필터(520)의 표면의 더 넓은 영역에 걸쳐 투영될 수 있다. 예를 들어, 투영된 광은 초점면(또는 공간 필터(520)가 위치되는 다른 평면)에서 흐릿하게 보일 수 있다(예를 들어, 아웃 포커스 등).
위에서 언급된 바와 같이, 윤곽들(502c 및 502d) 사이의 시차 시프트의 방향은 투과 렌즈(432)와 수광 렌즈(430)의 포지션들 사이의 차이에 기초할 수 있다(즉, 도 4c의 x-축 및 도 5의 축(582)에 의해 도시된 x-방향). 예를 들어, 불투명 재료(520)가 LIDAR(400) 대신 LIDAR(300)와 함께 채택되는 시나리오에서, 윤곽들(502c 및 502d) 사이의 시차 시프트는 LIDAR(300)에서의 송신기(350)와 수신기(380)의 포지션들 사이의 상이한 (수직) 변위로 인해 대신 상이한 방향을 따라(예를 들어, 수직축(584) 등을 따라) 이루어질 수 있다.
도 5의 시나리오를 계속하자면, 윤곽(502e)은 (윤곽(502d)과 연관된 객체보다 LIDAR(400)에 더 가까운) 다른 "근거리" 객체로부터의 광이 렌즈(430)에 의해 투영되는 불투명 재료(520)의 영역에 대응할 수 있다. 따라서, 공간 필터(520)가 위치되는 평면에서의 시차 왜곡(예를 들어, 포지션 시프팅, 이미지 블러링 등)의 정도는 반사 객체와 LIDAR 사이의 거리에 기초하여 변할 수 있다. 예를 들어, 이 시나리오에서는, (윤곽(502e)과 연관된 객체가 윤곽(502d)과 연관된 객체보다 LIDAR에 더 가까이 있기 때문에) (윤곽(502c)에 대한) 윤곽(502e)의 왜곡 정도가 윤곽(502d)의 것보다 클 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 윤곽(502e)은 1차 애퍼처(522)와 교차하지도 않는 방식으로 시프트될 수 있다.
시차로 인해, 이 시나리오에서는, (애퍼처(522)를 통해 투과되는 "원거리" 객체들로부터 반사된 광의 부분과 비교하여) "근거리" 객체들로부터 반사된 광의 더 작은 부분이 애퍼처(522)를 통해 투과될 것이다.
따라서, 광학 스캐닝 시스템(예를 들어, 시스템(100), LIDAR들(200, 300, 400) 등)에 대한 시차의 영향을 완화시키기 위한 예시적인 실시예들이 본 명세서에 개시된다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 복수의 애퍼처들(622, 624, 625, 626, 628, 629)을 정의하는 불투명 재료(620)를 예시한다. 불투명 재료(620)는 불투명 재료들(120, 420, 520) 중 임의의 것과 유사할 수 있고, 시스템(100) 및/또는 LIDAR 디바이스들(200, 300, 400) 등과 같은 광학 시스템과 함께 채택될 수 있다. 또한, 애퍼처들(622, 624, 625, 626, 628, 629)은 애퍼처들(122 및 522) 중 임의의 것과 유사하게 구현될 수 있다. 또한, 축들(682, 684 및 631)은 각각 도 5의 축들(582, 584 및 531)과 유사할 수 있다.
도시된 바와 같이, 불투명 재료(620)는, 단일 애퍼처보다는, 1차 애퍼처(622) 및 하나 이상의 2차 애퍼처(624, 625, 626, 628, 629)를 포함하는 복수의 애퍼처들을 정의한다. 이러한 배열로, 본 명세서의 디바이스 또는 시스템은 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 (예를 들어, 렌즈(130, 230, 330, 430) 등으로부터) 집광된 광을 하나 이상의 광 검출기(예를 들어, 어레이(110), 검출기(112), 검출기(들)(412) 등))를 향해 투과시키기 위해 불투명 재료(620)를 사용할 수 있다. 이를 위해, 도시된 바와 같이, 2차 애퍼처들(624, 625, 626, 628, 629)은 1차 애퍼처(622)의 포지션과 비교하여 축외(예를 들어, 아웃 포커스 포지션들)에 위치 결정된다. 따라서, 예를 들어, "근거리" 객체에 의해 반사된 광이 시차로 인해 수광 렌즈(예를 들어, 렌즈(430))에 의해 1차 애퍼처(622)와 중첩되지 않는 투명 재료(620)의 영역들(예를 들어, 도 5에서 윤곽들(502d 및 502e)로서 설명된 영역들) 상으로 집광(및/또는 투영)되는 시나리오에서, 왜곡된 집광된 광의 일부(들)는 광 검출기(들)(예를 들어, 어레이(110), 검출기(들)(112, 412) 등)로 2차 애퍼처들을 통해 여전히 투과될 수 있다. 따라서, 불투명 재료(620)는 시스템(100) 및/또는 LIDAR들(200, 300, 400) 등의 동작에서 시차의 영향을 완화시키기 위한 본 명세서의 예시적인 실시예이다.
일부 예들에서, 복수의 애퍼처들(622, 624, 625, 626, 628, 629) 중 적어도 하나를 통해 투과되는 발산 광을 수신하는 광 검출기(들)(예를 들어, 어레이(110), 검출기(들)(112, 412) 등)의 단면적은 복수의 애퍼처들의 단면적들의 합보다 클 수 있다. 따라서, 예를 들어, 본 명세서의 시스템은 복수의 애퍼처들 중 하나 이상을 통해 투과되는 발산 광을 검출하기 위해 이용 가능한 검출 영역을 증가시키면서 노이즈 검출을 감소시키기 위해 불투명 재료(620)를 채택할 수 있다.
일부 예들에서, 다양한 애퍼처들의 사이즈는 불투명 재료(620)를 통해 투과되는 광량을 제어하도록 변할 수 있다.
제1 예에서, 1차 애퍼처의 사이즈는 하나 이상의 2차 애퍼처의 각각의 2차 애퍼처의 각각의 사이즈보다 크다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 1차 애퍼처(622)는 각각의 2차 애퍼처들(624, 625, 626, 628, 629)보다 클 수 있다.
제2 예에서, 1차 애퍼처는 제1 사이즈를 갖고, 하나 이상의 2차 애퍼처 중 제1 2차 애퍼처는 제2 사이즈를 갖고, 하나 이상의 2차 애퍼처 중 제2 2차 애퍼처는 제3 사이즈를 갖는다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 1차 애퍼처(622)는 제2 사이즈의 2차 애퍼처들(624, 625, 626)보다 큰 제1 사이즈를 갖고, 2차 애퍼처들(628, 629)은 제2 사이즈보다 훨씬 작은 제3 사이즈를 갖는다.
대안적으로, 제3 예에서, 1차 애퍼처는 제1 사이즈를 가질 수 있고, 각각의 2차 애퍼처는 제2 (동일한) 사이즈를 가질 수 있다. 따라서, 도시되지는 않았지만, 모든 2차 애퍼처들(624, 625, 626, 628, 629)은 대안적으로 제1 사이즈의 1차 애퍼처(622)보다 작은 동일한 (제2) 사이즈를 가질 수 있다.
제4 예에서, 제2 예의 변형으로서, 제1 2차 애퍼처는 1차 애퍼처에 대해 제1 거리에 있을 수 있고, 제2 2차 애퍼처는 제1 거리보다 큰 1차 애퍼처에 대한 제2 거리에 있을 수 있고, 제1 2차 애퍼처의 제2 사이즈는 제3 사이즈보다 클 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 2차 애퍼처(624)는 2차 애퍼처(629)의 (제3) 사이즈보다 큰 (제2) 사이즈를 갖고, 1차 애퍼처(622)와 2차 애퍼처(629) 사이의 (제2) 거리보다 작은 1차 애퍼처(622)에 대한 (제1) 거리에 있다. 따라서, 이 배열에 의하면, 추가적인 2차 애퍼처들은 광 검출기들에 송신되는 노이즈 양을 감소시키기 위해 더 작을 수 있는데, 왜냐하면, LIDAR에 대한 "근거리" 객체와 연관된 시차의 이벤트에서, 1차 애퍼처에 더 가까운 다른 2차 애퍼처들은 "근거리" 객체로부터 반사된 시차-시프트된 집광된 광의 부분들을 투과시킬 수도 있을 가능성이 있기 때문이다.
일 실시예에서, 1차 애퍼처(622)는 수평으로(즉, 축(682) 방향으로) 250㎛의 폭 및 수직으로(즉, 축(684) 방향으로) 100㎛의 길이를 가질 수 있고, 2차 애퍼처들(624, 625, 626)은 60㎛의 직경을 가질 수 있고, 2차 애퍼처들(628, 629)은 40㎛의 직경을 가질 수 있다. 또한, 본 실시예에서, 1차 애퍼처(622)의 포지션과 2차 애퍼처들(624, 625, 626, 628, 629)의 각각의 포지션들 사이의 각각의 거리들은 275㎛, 425㎛, 575㎛, 725㎛ 및 875㎛일 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 다양한 애퍼처들의 사이즈들 및 포지션들은 위에서 설명된 예시적인 사이즈들 및 포지션들과 다를 수 있다.
일부 예들에서, 2차 애퍼처들은 애퍼처들을 채택하는 시스템에서의 시차 시프트의 예상 방향에 따라 배열될 수 있다.
LIDAR 송신기가 장면을 조명하기 위해 광을 방출하고 방출된 광의 반사들이 수광 렌즈(예를 들어, 렌즈(130, 230, 330, 430) 등)에 의해 불투명 재료(620)를 향해 집광되는 제1 예에서, 하나 이상의 2차 애퍼처는 수광 렌즈의 포지션에 대한 LIDAR 송신기의 포지션에 기초하여 불투명 재료에 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 4c를 다시 참조하면, 불투명 재료(620)는 LIDAR 디바이스(400)와 함께 사용하도록 구성될 수 있다. 이 예에서, 수광 렌즈(430)의 포지션은 송신기(460)의 포지션에 대해 양의 x-축 방향(예를 들어, 도 6의 축(682))을 따라 변위된다. 따라서, 이 예에서, 2차 애퍼처들(624, 625, 626, 628, 629)은 (예를 들어, 해당 특정 LIDAR 배열에서의 시차 이동의 예상 경로에 따라 광을 인터셉트하도록) x-축(즉, 축(682))과 유사한 방향을 따라 오프셋된 포지션들에 배열될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 제2 예에서, 1차 애퍼처는 불투명 재료의 특정 측면에 대해 주어진 거리에 있을 수 있고, 하나 이상의 2차 애퍼처 각각은 불투명 재료의 특정 측면에 대해 주어진 거리보다 클 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 1차 애퍼처(622)는 불투명 재료(620a)의 측면(620a)에 대해 주어진 거리에 있고, 2차 애퍼처들(624, 625, 626, 628, 629) 각각은 측면(620a)에 대해 주어진 거리보다 더 큰 거리에 있다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 복수의 애퍼처들(722, 724, 725, 728, 729)을 정의하는 다른 불투명 재료(720)를 예시한다. 불투명 재료(720)는 불투명 재료들(120, 420, 520, 620) 중 임의의 것과 유사할 수 있고, 시스템(100) 및/또는 LIDAR 디바이스들(200, 300, 400) 등과 같은 광학 시스템과 함께 채택될 수 있다. 또한, 애퍼처들(722, 724, 725, 728, 729)은 애퍼처들(122 및 522) 중 임의의 것과 유사하게 구현될 수 있다. 또한, 축들(782, 784 및 731)은 각각 도 5의 축들(582, 584 및 531)과 유사할 수 있다.
도시된 바와 같이, 불투명 재료(720)는 1차 애퍼처(722) 및 하나 이상의 2차 애퍼처(724, 725, 728, 729)를 포함하는 복수의 애퍼처들을 정의한다. 언급된 바와 같이, 복수의 애퍼처들은 다양한 방식들로 배열될 수 있다.
일부 예들에서, 불투명 재료(720)의 1차 애퍼처는 수직축 및 수직축에 직교하는 수평축을 가질 수 있다. 이러한 예들에서, 하나 이상의 2차 애퍼처의 제1 2차 애퍼처는 1차 애퍼처의 수평축 위에 위치 결정될 수 있고, 하나 이상의 2차 애퍼처의 제2 2차 애퍼처는 수평축 아래에 위치 결정될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 축(784)은 1차 애퍼처(722)의 수직축에 대응할 수 있고, 축(782)은 1차 애퍼처(722)의 수평축에 대응할 수 있다. 이 예에서, 도시된 바와 같이, 제1 2차 애퍼처(724)는 수평축(782) 위에 위치 결정되고, 제2 2차 애퍼처(728)는 수평축(782) 아래에 위치 결정된다.
부가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 공간 필터(예를 들어, 불투명 재료(720) 등)는 수직축과 수평축 사이에서의 제1 선형 배열의 적어도 2개의 2차 애퍼처, 및 수직축과 수평축 사이에서의 제2 선형 배열의 적어도 2개의 다른 2차 애퍼처를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 2차 애퍼처들(724 및 725)은 축(782) 위에 위치 결정되고, 2차 애퍼처들(728 및 729)은 축(782) 아래에 위치 결정된다. 예를 들어, 2차 애퍼처들(724, 725, 728, 729) 중 하나 이상은 반드시 도 6의 2차 애퍼처들(624, 625, 626, 628, 629)에 대해 도시된 선형 배열일 필요 없이 윤곽들(502d 및/또는 502e)(도 5에 도시됨)과 여전히 중첩될 수 있다. 다른 2차 애퍼처 배열들도 가능하다.
또한, 일부 예들에서, 2차 애퍼처들은 불투명 재료(720)를 채택하는 시스템(예를 들어, 시스템(100), LIDAR들(200, 300, 400) 등)의 광학 엘리먼트들에 의해 집광되는 주변 광(또는 다른 배경 노이즈)을 수신하는 데 덜 민감한 위치들에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 도 4c를 다시 참조하여, 불투명 재료(420) 대신에 불투명 재료(720)가 LIDAR(400)에서 사용되는 시나리오를 고려하도록 한다. 이 시나리오에서, 송신기(450)(및/또는 수신기(480))의 광학 캐비티 및/또는 LIDAR(400)의 하나 이상의 다른 컴포넌트(예를 들어, 렌즈(430, 432) 등)는 투과된 광빔(402a)(및/또는 수신된 광빔(402))의 일부들을 전환(예를 들어, 산란, 편향, 반사 등)시킬 수 있다. 결과적으로, 전환된 광은 렌즈(430)에 의해 1차 애퍼처(722)로부터 멀어지도록 (예를 들어, 1차 애퍼처(722)와 중첩되지 않는 불투명 재료(720)의 영역 등을 향해) 집광될 수 있다. 또한, 이 시나리오에서는, 렌즈(430)에 의해 공간 필터(720)를 향해 집광될 때, 이러한 (전환된) 노이즈 신호들의 위치들이 축(782)을 따라 있을 것으로 예상될 수 있다. 따라서, 불투명 재료(720)를 통해 투과되는 노이즈 신호들의 양을 감소시키면서도 불투명 재료를 통해 시차-시프트된 광 신호들의 투과를 허용하기 위해, 2차 애퍼처들(724, 725, 728, 729)은 노이즈 신호들이 1차 애퍼처(722)로부터 멀리 전환되는 예상 위치들로부터 멀리 배열될 수 있다.
일부 구현들에서, 불투명 재료(720)는 공간 필터(720)를 통해 그에 입사되는 (예를 들어, 수광 렌즈(430) 등에 의해 집광되는) 집광된 광의 하나 이상의 부분을 투과시키는 공간 필터(720)로서 구성될 수 있다.
이들 구현들에서, 1차 애퍼처(722)는 LIDAR 디바이스에 대해 임계 거리보다 큰 거리에 있는 집광된 광과 연관된 객체(예를 들어, 시스템(200)의 LIDAR 디바이스에 입사 광을 다시 반사하는 도 2의 객체(240) 등)에 기초하여 집광된 광의 적어도 임계 부분을 공간 필터(720)를 통해 투과시키도록 (예를 들어, 수광 렌즈(430)의 초점 축 등을 따라) 배열되는 1차 핀홀(722)로서 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5를 다시 참조하면, 임계 거리보다 큰 거리에 있는(예를 들어, LIDAR 디바이스로부터 1미터보다 더 멀리 있는) 객체로부터 반사된 광은 윤곽(502c)과 실질적으로 유사한 공간 필터(520)의 영역에 집광될 수 있다. 이러한 방식으로, 집광된 광의 적어도 임계 부분(예를 들어, 1차 핀홀(522)과 중첩되는 윤곽(502c)의 부분)은 1차 핀홀(522)을 통해 투과될 수 있다. 일 실시예에서, 1차 핀홀(522)을 통해 투과되는 임계 부분은 집광된 광의 적어도 대략 85%(예를 들어, 87%, 89% 등)이다. 다른 임계 부분들도 가능하다.
이들 구현들에서, 2차 애퍼처들(724, 725, 728, 729)은 객체(예를 들어, 객체(240))가 LIDAR 디바이스에 대해 임계 거리보다 작은 거리에 있는 것에 기초하여 집광된 광의 하나 이상의 부분을 공간 필터(720)를 통해 투과시키도록 배열되는 2차 핀홀들(724, 725, 728, 729)로서 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5를 다시 참조하면, 객체가 공간 필터(720)의 LIDAR 디바이스에 더 가까워질수록, 초점면 상의 객체의 이미지는 윤곽(502d)에 대응할 수 있다. 또한, 객체가 더욱 가까워질수록, 이미지는 윤곽(502e)에 대응할 수 있고, 기타 등등 마찬가지이다. 따라서, 이 예에서, 객체의 범위(즉, 객체와 LIDAR 디바이스 사이의 거리)에 따라, 객체의 시차-시프트된 이미지의 부분(들)이 2차 핀홀들(724, 725, 728 및/또는 729) 중 하나 이상과 중첩되기 시작할 수 있다. 이러한 방식으로, 2차 핀홀(들)은 공간 필터(720)를 통해 그 위에 입사되는 (시차-시프트된) 집광된 광의 각각의 부분들을 투과시킬 수 있다.
일부 예들에서, 공간 필터(720)는 그 위에 입사되는 집광된 광의 일부(예를 들어, 공간 필터(720)를 포함하는 LIDAR 디바이스에 의해 스캔된 객체로부터 수신되는 반사된 광 펄스)를 선택하도록 구성된다. 이러한 예들에서, 선택된 부분의 강도는 객체와 LIDAR 시스템 사이의 거리와 연관될 수 있다.
제1 예에서, 객체가 임계 거리보다 큰 제1 거리 범위 내에 있는 경우, 객체까지의 거리가 증가함에 따라 선택된 부분의 강도가 감소될 수 있다. 일 실시예에서, 선택된 부분의 강도는 1/R2의 팩터만큼 감소될 수 있다(여기서, R은 LIDAR와 객체 사이의 거리이다). 예를 들어, 객체가 제1 거리 범위 내의 임의의 거리에 있는 경우, 반사된 광 펄스는 LIDAR에 의해 1차 핀홀이 (예를 들어, 도 5의 윤곽(502c)과 유사하게) 위치되는 공간 필터(720)의 대략 동일한 영역을 향해 집광될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 상대적으로 원거리 객체들을 스캔할 때, 시차 시프팅은 최소화될 것으로 예상된다.
제2 예에서, 객체가 임계 거리보다 작은 제2 거리 범위 내에 있는 경우, 선택된 부분의 강도는 객체까지의 거리가 감소함에 따라 감소할 수 있다. 예를 들어, 객체가 제2 거리 범위 내의 임의의 거리에 있는 경우, 반사된 광 펄스는 도 5의 윤곽들(502d 및 502e)에 의해 나타내어지는 시차-시프트된 포지션들과 같은 공간 필터(720) 상의 시차-시프트된 포지션을 향해 집광될 수 있다. 결과적으로, 반사된 광 펄스의 더 작은 부분(또는 없음)은 (시차로 인해) 1차 핀홀(722)과 중첩될 수 있다.
따라서, 일부 구현들에서, 2차 핀홀들(724, 725, 728, 729)의 사이즈들 및/또는 포지션들은 공간 필터에 의해 선택되는 집광된 광 부분의 신호 강도와 객체 거리를 연관시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, (제2 거리 범위 내의 객체에 의해 반사된) 공간 필터의 표면 상의 시차-시프트된 집광된 광의 예상 위치들(예를 들어, 윤곽들(502d, 502e) 및 다른 특성들(예를 들어, 스폿 사이즈, 강도 분포 등)은 계산될 수 있고(예를 들어, 송신기 및 수신기의 상대 포지션들 등과 같은 LIDAR의 광학 특성들에 기초하여 시뮬레이션될 수 있고), 또는 (측정들 등을 수집하면서 LIDAR 근처의 객체를 이동시킴으로써) 측정될 수 있다. 이 정보에 기초하여, 객체가 제2 거리 범위 내에 있을 때, 2차 핀홀들의 사이즈들 및/또는 위치들은 원하는 LIDAR 시스템 응답 거동을 달성하도록 조정될 수 있다. 일 구현에서, 객체가 제2 거리 범위 내에 있는 것에 기초하여, 공간 필터(720)에 의해 선택되는 집광된 광 부분들의 강도는 객체에 따라 객체와 LIDAR 사이의 거리의 감소에 응답하여 감소할 수 있다.
제3 예에서, 객체가 임계 거리보다 작은 (그리고 제2 거리 범위와 상이한) 제3 거리 범위 내의 임의의 거리에 있는 경우, 공간 필터로부터 선택된 부분의 강도는 주어진 강도(또는 주어진 강도로부터의 임계 허용 오차 내)에 대응할 수 있다. 예를 들어, LIDAR 시스템은, 객체가 제3 거리 범위 내의 임의의 거리에 있을 때, "평탄한" 또는 "일정한" 시스템 응답을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 LIDAR 시스템 응답들의 개념도이다.
도 8에서, 수평축을 따른 값들은 LIDAR에 의해 스캔된 객체(또는 "타겟")까지의 거리들(또는 "범위들")을 나타낸다. 설명의 편의를 위해, 수평축의 범위 값들은 d의 팩터로 스케일링된다. 일 실시예에서, d는 1밀리미터에 대응한다. 본 실시예에서, 수평축에서의 100의 범위는 100d = 100밀리미터의 거리에 대응할 수 있다. 다른 실시예들에서, d는 상이한 스케일링 팩터에 대응할 수 있다.
도 8에서, 수직축을 따른 값들은 LIDAR가 대응하는 범위들에 위치되는 객체를 스캔할 때 예상되는 LIDAR 시스템 응답들을 나타낸다. 예를 들어, 도 8에 나타낸 개념적 LIDAR 시스템 응답들은 각각 수신 신호 전력(예를 들어, LIDAR 시스템에 의해 검출되는 반사된 광 펄스의 강도) 대 대응하는 송신 신호 전력(예를 들어, LIDAR 시스템으로 다시 반사된 대응하는 방출된 광 펄스의 강도)의 (스케일링된) 비율을 나타낼 수 있다. 설명의 편의상, 도 8에 의해 나타내어진 시스템 응답들은 0 내지 100 사이의 값들에 대응하도록 스케일링된다.
일부 예들에서, 방출된 광 펄스는 LIDAR 시스템에 의해 검출되는 대응하는 반사된 광 펄스의 부분보다 실질적으로 더 큰 수의 광자 에너지를 가질 수 있다. 일례에서, 방출된 광 펄스의 광자들의 수는 1조 개의 광자보다 많을 수 있고, 대응하는 반사된 광 펄스로부터 LIDAR 시스템에 의해 검출되는 광자들의 수는 수천 내지 수백만 개의 광자의 범위에 이를 수 있다. 다른 예들도 가능하다.
도 8에 도시된 시스템 응답 및 범위 값들은 반드시 정확할 필요는 없으며, 예시를 위해 도시된 바와 같이 단지 예시적이라는 것에 유의하도록 한다. 따라서, 본 개시내용의 범위 내의 일부 예시적인 LIDAR 시스템들은 도시된 것과 상이한 LIDAR 시스템 응답들(및/또는 상이한 스캐닝 범위들)을 가질 수 있다.
일부 예들에서, LIDAR 시스템 응답들은 (예를 들어, 제조 테스트의 일부로서, 캘리브레이션 동안 등) 측정되거나 특성화될 수 있다. 다른 예들에서, LIDAR 시스템 응답들은 다양한 LIDAR 컴포넌트들(예를 들어, LIDAR 송신기, LIDAR 수신기, 공간 필터, 핀홀들, 렌즈들, 미러들 등)의 상대 포지션들, 및/또는 다양한 LIDAR 컴포넌트들의 광학 특성들(예를 들어, 투과 및/또는 수광 렌즈 초점 거리, 광 검출기 감도 등)과 같은 LIDAR 시스템의 광학 특성들에 기초하여 컴퓨터를 사용하여 계산되거나 시뮬레이션될 수 있다.
도 8은 (예를 들어, 불투명 재료(520)과 유사한) 단일-핀홀 공간 필터가 장착된 LIDAR 시스템; 및 (예를 들어, 불투명 재료(720)와 유사한) 멀티-핀홀 공간 필터가 장착된 다른 LIDAR 시스템의 개념적 LIDAR 시스템 응답들을 도시한다.
도시된 바와 같이, 두 공간 필터는 각각의 LIDAR들로부터 임계 거리(예를 들어, 1000d)보다 더 먼 거리에 위치되는 객체를 스캐닝할 때의 유사한 LIDAR 시스템 응답들과 연관될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 이러한 "먼" 범위들에서 스캔되는 객체들은 시차의 영향들에 덜 민감할 수 있다. 예를 들어, (예를 들어, 1000d보다 큰 거리들에서의) 두 LIDAR의 시스템 응답들은 객체까지의 실제 거리와 균일한 관계를 가질 것으로 예상될 수 있다(예를 들어, 시스템 응답은 LIDAR와 객체 사이의 제곱 거리에 반비례할 수 있다).
추가적으로, 도시된 바와 같이, 두 공간 필터는 (예를 들어, LIDAR가 1000d보다 가까운 객체를 스캐닝하는 동안) 더 가까운 스캐닝 범위들에서의 상대적으로 더 낮은 LIDAR 시스템 응답들과 연관된다. 이러한 더 낮은 시스템 응답 값들은 위에서 설명된 시차-시프트 영향에 기인할 수 있고, 이는 조명된 객체로부터 리턴하는 광 신호가 공간 필터 상의 시프팅된 포지션(예를 들어, 윤곽들(502d, 502e) 등)에 (적어도 부분적으로) 집광되게 한다.
도시된 예에서, 멀티-핀홀 공간 필터(예를 들어, 불투명 재료(720))가 장착된 LIDAR는, 단일-핀홀 공간 필터(예를 들어, 불투명 재료(520))가 장착된 LIDAR와 비교할 때, 가까운 범위의 타겟들(예를 들어, 1000d보다 가까운 객체들)을 스캔할 때 LIDAR 시스템 응답들(예를 들어, 검출 능력)을 향상시켰을 수 있다. (단일-핀홀이 장착된 LIDAR와 비교하여) 10d-1000d 떨어져 위치되는 객체들을 스캔할 때, 멀티-핀홀 공간 필터가 장착된 LIDAR의 일반적으로 더 높은 시스템 응답 값들이 도 8에 도시되어 있다. 예를 들어, 도 8의 시나리오에서, 멀티-핀홀 공간 필터의 LIDAR는 200d 떨어져 있는 객체로부터의 신호(예를 들어, 대략 40의 시스템 응답)를 검출한 반면, 단일-핀홀 공간 필터의 다른 LIDAR는 해당 동일한 (200d) 범위로부터 어떤 신호도 검출하지 못했다(예를 들어, 시스템 응답 = 0).
일부 예들에서, 본 명세서의 LIDAR 시스템(예를 들어, LIDAR들(200, 300, 400) 등)은 복수의 시스템 응답 구성들 중 하나에 따라 객체(예를 들어, 객체(240))를 스캔하도록 구성될 수 있다.
제1 예에서, LIDAR 시스템은 객체가 LIDAR 시스템으로부터 임계 거리보다 큰 제1 거리 범위 내에 있는 것에 기초하여 제1 시스템 응답 구성에 따라 객체를 스캔할 수 있다. 예를 들어, 도 8의 시나리오에서, 제1 거리 범위는 LIDAR 시스템으로부터 1000d(예를 들어, 1000밀리미터 등)의 예시적인 임계 거리보다 큰 스캐닝 범위 간격에 대응할 수 있다. 이 예에서, LIDAR 시스템은 제1 시스템 응답 구성(예를 들어, 객체에 대한 제곱 거리에 반비례하는 시스템 응답 등)에 따라 객체를 스캔할 수 있다. 따라서, 제1 시스템 응답 구성에 따라 동작하는 동안, LIDAR 시스템은 LIDAR 시스템으로부터 객체까지의 거리를 나타내는 출력을 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 구현들에서, LIDAR 시스템은, 객체가 제1 거리 범위 내의 거리에 있는 것에 기초하여, LIDAR 시스템으로부터 객체까지의 거리를 나타내는 강도를 갖는 객체로부터의 집광된 광의 적어도 일부를 투과시키도록 구성되는 공간 필터(예를 들어, 불투명 재료(720))를 포함할 수 있다. 예를 들어, 공간 필터의 1차 핀홀(예를 들어, 1차 애퍼처들(522, 622, 722) 등)은 "파-필드" 범위들(예를 들어, 도 8의 예에서는 1000밀리미터보다 더 멀리 있음)로부터의 신호들을 수신하기 위해 LIDAR의 수광 렌즈의 초점 축을 따라 위치 결정될 수 있다.
제2 예에서, LIDAR 시스템은 객체가 임계 거리보다 작은 제2 거리 범위 내에 있는 것에 기초하여 제2 시스템 응답 구성에 따라 객체를 스캔할 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, LIDAR 시스템은 400-1000 범위 간격 내에 위치되는 객체들에 대한 객체 거리에 따라 변하는 시스템 응답들을 제공할 수 있다(예를 들어, 객체까지의 거리가 증가함에 따라, 시스템 응답들이 증가한다). 이를 용이하게 하기 위해, 공간 필터의 2차 애퍼처들의 포지션들 및/또는 사이즈들은 LIDAR 시스템(및/또는 그 하나 이상의 컴포넌트)의 광학 특성들에 기초할 수 있다. 예를 들어, 도 7을 다시 참조하면, 2차 애퍼처들(724, 725, 728, 729)의 사이즈들 및/또는 위치들은 LIDAR 시스템에 대한 제2 거리 범위 내에 위치되는 객체들로부터 집광된 광의 예상된 시차-시프트된 광학 경로들(예를 들어, 윤곽들(502e 및 502d))에 기초할 수 있다.
제3 예에서, LIDAR 시스템은 객체가 LIDAR 시스템으로부터 제3 거리 범위 내에 있는 것에 기초하여 제3 시스템 응답 구성에 따라 객체를 스캔할 수 있다.
일부 구현들에서, 제3 거리 범위는 임계 거리 미만 및/또는 제2 거리 범위 미만일 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 멀티-핀홀 공간 필터의 LIDAR는 200-400 범위 간격의 객체들을 스캔할 때 거의-일정한 또는 평탄한 시스템 응답을 제공할 수 있다. 따라서, 이 예에서, LIDAR는 200-400 범위 간격 내의 임의의 거리에 있는 객체들을 스캔할 때 거의 일정한 수신 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제3 시스템 응답 구성에 의하면, LIDAR 시스템은 광 검출기들에 의해 인터셉트된 반사된 신호의 일부가 제3 거리 범위 내의 실제 객체 거리에 관계없이 충분히 높은 것(예를 들어, 적어도 38의 시스템 응답 값)을 보장할 수 있다. 예를 들어, 제3 시스템 응답 구성은 LIDAR 시스템이 객체들 근처(예를 들어, 200-400 범위 간격)를 스캔할 때 배경 노이즈와 리턴하는 광 펄스들을 구분하게 할 수 있다.
다른 구현들에서, ("평탄한" 또는 "일정한" 시스템 응답과 연관된) 제3 거리 범위는 대안적으로 임계 거리보다 클 수 있고/있거나, 대안적으로 제2 거리 범위보다 클 수 있다. 따라서, 예들 내에서, 2차 핀홀들의 사이즈들 및/또는 포지션들은 상이한 LIDAR 스캐닝 범위들에서 상이한 타입들의 LIDAR 시스템 응답들을 달성하기 위해 상이한 방식들로 변경될 수 있다.
일부 예들에서, LIDAR 시스템의 복수의 시스템 응답 구성들은 LIDAR 시스템의 응용(예를 들어, 차량-장착형 LIDAR, 로봇 플랫폼 장착형 LIDAR, 실내 환경들에서 사용되는 LIDAR들, 실외 환경들에서 사용되는 LIDAR들, 차량의 상면 또는 차량의 정면 등과 같은 시스템의 특정 부분 상에 장착된 LIDAR들)에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 차량에 채택되는 LIDAR 시스템은 실내 세팅에 채택되는 LIDAR 시스템과는 상이한 시스템 응답 구성들(예를 들어, 특정 스캐닝 범위들에 대한 시스템 응답 거동들)을 가질 수 있다.
일부 예들에서, 본 명세서의 시스템(예를 들어, 시스템(100), LIDAR(200, 300, 400) 등)은 제어 신호(및/또는 출력 신호)에 기초하여 복수의 시스템 응답 구성들 중 하나 이상을 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 신호는 제어기(예를 들어, 제어기(270)) 또는 다른 컴퓨팅 디바이스에 의해 제공될 수 있다.
일례에서, 시스템(100)은 (예를 들어, 액추에이터 등을 통해) 공간 필터(120)를 렌즈(130)를 향해, 렌즈(130)로부터 멀리 및/또는 수평으로(예를 들어, 렌즈(130)의 초점면 등을 따라) 이동시켜, 렌즈(130)에 대한 그의 하나 이상의 애퍼처(예를 들어, 애퍼처(122))의 포지션들을 조정할 수 있다. 이 예에서, 시스템(100)의 특정 스캔 범위들에 대한 시스템 응답 구성들은 조정될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 렌즈(130) 및/또는 검출기 어레이(110)는 공간 필터(120)에 대해 이동될 수 있다.
다른 예에서, LIDAR(200)는 불투명 재료(220)를 상이한 시스템 응답 구성들과 연관된 상이한 불투명 재료로 대체할 수 있다. 예를 들어, 제어기(270)는 렌즈(230)와 검출기(210) 사이에 상이한 개수 또는 배열의 애퍼처들을 갖는 상이한 공간 필터(도 2에는 도시 생략)를 개재하기 위해 액추에이터를 작동시킬 수 있다.
도 9는 예시적인 실시예들에 따른 차량을 예시한다. 차량(900)은 하나 이상의 센서 시스템(902, 904, 906, 908 및 910)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서 시스템(902, 904, 906, 908 및 910)은 시스템(100), LIDAR들(200, 300 및/또는 400)과 유사하거나 동일할 수 있다.
센서 시스템들(902, 904, 906, 908 및 910) 중 하나 이상은 차량(900) 주위의 환경을 광 펄스들로 조명하기 위해 주어진 평면에 수직인 축(예를 들어, z-축)을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 다양한 양태들의 반사된 광 펄스들(예를 들어, 경과된 비행 시간, 편광 등)을 검출하는 것에 기초하여, 환경에 관한 정보가 결정될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 센서 시스템들(902, 904, 906, 908 및 910)은 차량(900)의 환경 내의 물리적 객체들과 관련될 수 있는 각각의 포인트 클라우드 정보를 제공하도록 구성될 수 있다. 차량(900) 및 센서 시스템들(902, 904, 906, 908 및 910)은 특정 특징들을 포함하는 것으로 예시되어 있지만, 다른 타입들의 시스템들도 본 개시내용의 범위 내에서 고려된다는 것이 이해될 것이다.
일부 구현들에서, 공간 필터들(불투명 재료들)(120, 220, 420, 520, 620 및/또는 720) 중 하나 이상이 렌즈(예를 들어, 렌즈(130, 230, 330, 430) 등)의 초점면에 배치될 수 있다. 대안적으로, 다른 구현들에서, 본 명세서의 시스템은 이들 공간 필터들 중 상이한 위치에 배치되는 임의의 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공간 필터(들)는, 특히, 대안적으로 렌즈의 초점면 근처에, 렌즈의 초점면에 평행하게, 시스템에 대한 특정 거리(예를 들어, LIDAR 시스템의 가장 먼 명확한 검출 범위)에 있는 장면의 일부와 연관된 켤레면에서, 및/또는 렌즈로부터의 과초점 거리와 연관된 이미지 평면을 따라 배치될 수 있다.
따라서, 일부 예들에서, 본 명세서의 LIDAR 시스템(예를 들어, LIDAR(200, 300, 400) 등)은 LIDAR 시스템의 미리 결정된 최대 스캐닝 범위 구성과 연관된 수광 렌즈(예를 들어, 수광 렌즈(130, 230 및/또는 430))의 켤레면 또는 그 근처에 배치되는 불투명 재료(예를 들어, 공간 필터(120, 220, 420, 520, 620 및/또는 720)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2를 다시 참조하면, LIDAR(200)는 LIDAR(200)까지 30미터의 예시적인 미리 결정된 최대 스캐닝 범위 내에 있는 환경 영역을 반복적으로 스캔하도록 구성될 수 있다. 이 예에서, 공간 필터(220)는 30미터의 해당 최대 스캐닝 범위와 연관된 렌즈(230)의 켤레면 또는 그 근처에 배치될 수 있다. 다른 예들도 가능하다.
IV. 예시적인 방법들
도 10은 예시적인 실시예들에 따른 방법(1000)의 흐름도이다. 방법(1000)은, 예를 들어, 시스템(100), LIDAR 디바이스들(200, 300, 400), 불투명 재료들(520, 620, 720) 및/또는 차량(900)과 함께 사용될 수 있는 방법의 실시예를 제시한다. 방법(1000)은 블록들(1002-1008) 중 하나 이상에 의해 예시되는 하나 이상의 동작, 기능 또는 액션을 포함할 수 있다. 블록들이 순차적인 순서로 예시되어 있지만, 이들 블록들은 일부 예들에서 병렬로 및/또는 본 명세서에 설명된 것과 상이한 순서로 수행될 수 있다. 또한, 다양한 블록들은 더 적은 수의 블록들로 결합되고, 추가적인 블록들로 분할되고/되거나, 원하는 구현에 기초하여 제거될 수 있다.
블록(1002)에서, 방법(1000)은, 장면에 대해 배치되는 렌즈(예를 들어, 렌즈(130))에 의해, 장면으로부터의 광(예를 들어, 광(102))을 렌즈의 초점면을 향해 집광시키는 단계를 포함한다.
블록(1004)에서, 방법(1000)은 렌즈의 초점면에 배치되는 불투명 재료 내에 정의되는 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 집광된 광을 투과시키는 단계를 포함한다. 예를 들어, 도 7을 다시 참조하면, 불투명 재료(720)는 렌즈(130, 330 및/또는 430) 중 임의의 것의 초점면에 배치될 수 있다. 이 예에서, 렌즈에 의해 집광된 광은 복수의 애퍼처들(722, 724, 725, 728, 729) 중 하나 이상과 (적어도 부분적으로) 중첩되는 (예를 들어, 도 5에 도시된 영역들(502c, 502d, 502e) 중 임의의 것과 유사한) 영역들의 불투명 재료(720)의 표면에 투영될 수 있다. 따라서, 이 예에서는, 하나 이상의 애퍼처가 불투명 재료(720)를 통해 그 위에 투영된 집광된 광의 일부(들)를 투과시킬 수 있다.
블록(1006)에서, 방법(1000)은, 하나 이상의 광 검출기(예를 들어, 어레이(110), 광 검출기(112), 광 검출기(210), 광 검출기(412) 등)에 의해, 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 투과되는 발산 광(예를 들어, 발산 광(102))을 인터셉트하는 단계를 포함한다.
블록(91008)에서, 방법(1000)은, 하나 이상의 광 검출기에 의해, 인터셉트된 광을 검출하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 어레이(110)의 광 검출기들은 그에 입사되는 광(102)의 강도를 나타내는 출력 신호를 제공할 수 있다. 다른 예로서, 도 4c를 다시 참조하면, 단일 광 검출기(412)가 대신 출력 신호를 제공할 수 있다.
V. 결론
상기 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 개시된 시스템들, 디바이스들 및 방법들의 다양한 특징들 및 기능들을 설명한다. 다양한 양태들 및 실시예들이 본 명세서에 개시되어 있지만, 다른 양태들 및 실시예들도 명백할 것이다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태들 및 실시예들은 단지 예시를 위한 것이고 제한하려는 의도가 아니며, 진정한 범위는 다음의 청구 범위에 의해 나타내어진다.

Claims (25)

  1. 시스템으로서,
    장면에 대해 배치되는 렌즈 - 상기 렌즈는 상기 장면으로부터의 광을 집광시키도록 구성됨 -;
    불투명 재료 - 상기 불투명 재료는 1차 애퍼처 및 하나 이상의 2차 애퍼처를 포함하는 복수의 애퍼처들을 정의함 -; 및
    상기 렌즈에 의해 집광되고 상기 불투명 재료에 의해 정의되는 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 투과되는 광을 인터셉트하도록 배열되는 하나 이상의 광 검출기
    를 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불투명 재료는 상기 렌즈의 상기 초점면 또는 그 근처에 배치되는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 불투명 재료는 상기 시스템의 미리 결정된 최대 스캐닝 범위 구성과 연관된 렌즈의 켤레면(conjugate plane) 또는 그 근처에 배치되는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 1차 애퍼처의 사이즈는 상기 하나 이상의 2차 애퍼처의 각각의 2차 애퍼처의 각각의 사이즈보다 큰 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 1차 애퍼처는 제1 사이즈를 갖고, 각각의 2차 애퍼처는 제2 사이즈를 갖는 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 1차 애퍼처는 제1 사이즈를 갖고, 상기 하나 이상의 2차 애퍼처의 제1 2차 애퍼처는 제2 사이즈를 갖고, 상기 하나 이상의 2차 애퍼처의 제2 2차 애퍼처는 제3 사이즈를 갖는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 2차 애퍼처는 상기 1차 애퍼처에 대해 제1 거리에 있고, 상기 제2 2차 애퍼처는 상기 1차 애퍼처에 대해 제2 거리에 있고, 상기 제1 2차 애퍼처의 제2 사이즈는 상기 제2 2차 애퍼처의 제3 사이즈보다 큰 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 1차 애퍼처는 상기 렌즈의 광학 축과 교차하도록 위치 결정되는 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 렌즈에 의해 집광되는 상기 장면으로부터의 광은 라이다(light detection and ranging)(LIDAR) 디바이스의 송신기에 의해 조명되는 하나 이상의 객체에 의해 반사되는 광을 포함하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 하나 이상의 2차 애퍼처는 상기 시스템의 렌즈의 포지션에 대한 상기 LIDAR 디바이스의 송신기의 포지션에 기초하여 상기 불투명 재료에 배열되는 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 1차 애퍼처는 상기 불투명 재료의 제1 측에 대해 제1 거리에 있고, 상기 하나 이상의 2차 애퍼처 각각은 상기 불투명 재료의 제1 측에 대해 제1 거리보다 큰 각각의 거리에 있는 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 1차 애퍼처는 수직축 및 상기 수직축에 직교하는 수평축을 갖고, 상기 하나 이상의 2차 애퍼처는 제1 2차 애퍼처 및 제2 2차 애퍼처를 포함하고, 상기 제1 2차 애퍼처는 상기 1차 애퍼처의 수평축 위에 위치 결정되고, 상기 제2 2차 애퍼처는 상기 1차 애퍼처의 수평축 아래에 위치 결정되는 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 1차 애퍼처는 수직축 및 상기 수직축에 직교하는 수평축을 갖고, 상기 하나 이상의 2차 애퍼처는 상기 수직축과 상기 수평축 사이에서 제1 선형 배열로 적어도 2개의 2차 애퍼처를 포함하고, 상기 하나 이상의 2차 애퍼처는 상기 수직축과 상기 수평축 사이에서 제2 선형 배열로 적어도 2개의 다른 2차 애퍼처를 포함하는 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 광 검출기는 서로 병렬로 연결되는 광 검출기들의 어레이를 포함하는 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 광 검출기는 단일 감지 엘리먼트 검출기를 포함하는 시스템.
  16. 방법으로서,
    장면에 대해 배치되는 렌즈에 의해, 상기 장면으로부터의 광을 집광시키는 단계;
    불투명 재료 내에 정의되는 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 상기 집광된 광을 투과시키는 단계 - 상기 복수의 애퍼처들은 1차 애퍼처 및 하나 이상의 2차 애퍼처를 포함함 -;
    하나 이상의 광 검출기에 의해, 상기 불투명 재료에 의해 정의되는 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 투과되는 광을 인터셉트하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 광 검출기에 의해, 상기 인터셉트된 광을 검출하는 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 라이다(light detection and ranging)(LIDAR) 디바이스로서,
    장면을 광으로 조명하도록 구성되는 LIDAR 송신기; 및
    상기 장면 내의 하나 이상의 객체에 의해 반사되는 광을 수신하도록 구성되는 LIDAR 수신기
    를 포함하고,
    상기 LIDAR 수신기는,
    상기 장면으로부터 반사된 광을 집광시키도록 구성되는 렌즈;
    불투명 재료 - 상기 불투명 재료는 1차 애퍼처 및 하나 이상의 2차 애퍼처를 포함하는 복수의 애퍼처들을 정의함 -; 및
    상기 렌즈에 의해 집광되고 상기 복수의 애퍼처들 중 적어도 하나를 통해 투과되는 광을 검출하도록 구성되는 하나 이상의 광 검출기
    를 포함하는 LIDAR 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 하나 이상의 광 검출기의 단면적은 상기 1차 애퍼처의 단면적보다 큰 LIDAR 디바이스.
  19. 제17항에 있어서, 상기 하나 이상의 광 검출기의 단면적은 상기 복수의 애퍼처들의 단면적들의 합보다 큰 LIDAR 디바이스.
  20. 제17항에 있어서, 상기 하나 이상의 광 검출기는 상기 렌즈에 대해 제1 거리에 있고, 상기 불투명 재료는 상기 렌즈에 대해 제2 거리에 있고, 상기 제1 거리는 상기 제2 거리보다 큰 LIDAR 디바이스.
  21. 제17항에 있어서, 상기 불투명 재료는 유리 기판 위에 오버레이되는 불투명 마스크를 포함하는 LIDAR 디바이스.
  22. 제17항에 있어서, 상기 불투명 재료는 금속을 포함하고, 상기 금속은 상기 복수의 애퍼처들을 정의하도록 에칭되는 LIDAR 디바이스.
  23. 시스템으로서,
    바이스태틱 구성(bistatic configuration)의 라이다(light detection and ranging)(LIDAR) 디바이스
    를 포함하고,
    상기 LIDAR 디바이스는 객체에 대해 이동하면서 동작하도록 구성되고, 상기 LIDAR 디바이스는,
    상기 객체를 조명하기 위해 광을 투과시키는 투과 렌즈;
    상기 객체로부터의 광을 집광시키는 수광 렌즈; 및
    상기 수광 렌즈로부터 상기 집광된 광을 수신하는 공간 필터
    를 포함하고,
    상기 공간 필터는,
    상기 공간 필터를 통해, 상기 객체가 상기 LIDAR 디바이스에 대해 임계 거리보다 큰 거리에 있는 것에 기초하여 상기 집광된 광의 적어도 임계 부분을 투과시키도록 배열되는 1차 핀홀;
    상기 1차 핀홀에 대해 하나 이상의 포지션에 배치되는 하나 이상의 2차 핀홀 - 상기 하나 이상의 2차 핀홀의 각각의 2차 핀홀의 각각의 사이즈는 상기 1차 핀홀의 사이즈보다 작고, 상기 하나 이상의 2차 핀홀은, 상기 공간 필터를 통해, 상기 객체가 상기 LIDAR 디바이스에 대해 임계 거리보다 작은 거리에 있는 것에 기초하여 상기 집광된 광의 하나 이상의 부분을 투과시키도록 배열됨 -
    을 포함하는 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 차량을 추가로 포함하고, 상기 LIDAR 디바이스는 상기 차량에 커플링되는 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 상기 LIDAR 디바이스는,
    상기 투과 렌즈를 통해 투과되는 광을 방출하도록 구성되는 방출기; 및
    상기 투과 렌즈로부터 방출되는 광을 상기 LIDAR 디바이스 밖으로 지향시키는 회전 가능한 미러 - 상기 회전 가능한 미러는 상기 투과되는 광의 복수의 방향들을 정의하도록 회전함 -
    를 추가로 포함하는 시스템.
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