KR20200085297A - 방출기들의 어드레스가능 어레이를 사용하는 비행 시간 감지 - Google Patents

방출기들의 어드레스가능 어레이를 사용하는 비행 시간 감지 Download PDF

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Abstract

광학 감지 장치(20)는 방출기들(50)의 어레이(28)를 포함하고, 방출기들(50)의 어레이(28)는 어레이에 인가되는 제어 입력에 응답하여 상이한 각자의 시간들에 광학 방사의 펄스들을 방출한다. 수신기(26)는 복수의 검출기들(40)을 포함하며, 복수의 검출기들(40)은 검출기들에서 광자들의 도달 횟수들을 나타내는 신호들을 출력한다. 광학체(30, 32)는 방출기들로부터의 광학 방사를 장면 내의 각자의 위치들 상으로 투사하고, 각자의 위치들을 수신기의 대응하는 픽셀들 상에 이미징한다. 제어기(44)는 미리 정의된 공간-시간 시퀀스에서 출력 펄스들을 방출하도록 방출기들을 제어하고 장면 내의 각자의 위치들로의 그리고 각자의 위치들로부터의 펄스들의 각자의 비행 시간들을 측정하기 위해 공간-시간 시퀀스와 동기화하여 대응하는 픽셀들에 의해 출력된 신호들을 수집 및 프로세싱한다.

Description

방출기들의 어드레스가능 어레이를 사용하는 비행 시간 감지
본 발명은 일반적으로 범위 감지에 관한 것이며, 특히 비행 시간 측정에 기초한 깊이 맵핑을 위한 디바이스들 및 방법들에 관한 것이다.
비행 시간(ToF) 이미징 기술들이 많은 깊이 맵핑 시스템들(또한 3D 맵핑 또는 3D 이미징으로 지칭됨)에서 사용된다. 직접 ToF 기술들에서, 펄스형 레이저와 같은 광원이 맵핑될 장면을 향해 광 방사의 펄스들을 지향시키고, 고속 검출기가 장면으로부터 반사된 방사의 도달 시간을 감지한다. 깊이 맵 내의 각각의 픽셀에서의 깊이 값은 발신 펄스의 방출 시간과 장면 내의 대응하는 포인트로부터의 반사된 방사의 도달 시간 사이의 차이로부터 도출되며, 이는 광학 펄스들의 "비행 시간"으로 지칭된다. 다시 반사되고 검출기에 의해 수신되는 방사 펄스들은 또한 "에코(echo)들"로 지칭된다.
GAPD(Geiger-mode avalanche photodiode)들로도 알려진 SPAD(Single-photon avalanche diode)들은 개별 광자들을 매우 높은 도달 시간 해상도(time-of-arrival resolution)으로 수십 피코초 정도 캡처할 수 있는 검출기들이다. 그들은 전용 반도체 프로세스들 또는 표준 CMOS 기술들로 제조될 수 있다. 단일 칩 상에 제조된 SPAD 센서들의 어레이들은 3D 이미징 카메라들에서 실험적으로 사용되어 왔다. 샤르본(Charbon) 등은 TOF(time-of-flight) 범위 이미징 카메라들(TOF Range-Imaging Cameras) (Springer-Verlag, 2013)에 게시된 "SPAD 기반 센서들(SPAD-Based Sensors)"에서 SPAD 기술들의 유용한 검토를 제공한다.
이하에 기술되는 본 발명의 일부 실시예는 직접 ToF 감지를 위한 개선된 장치 및 방법을 제공한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 어레이에 인가되는 제어 입력에 응답하여 상이한 각자의 시간들에 광학 방사의 펄스들을 방출하도록 구성되는 방출기들의 어레이를 포함하는 광학 감지 장치가 제공된다. 수신기는 복수의 검출기들을 포함하고, 복수의 검출기들은 검출기들에서의 광자들의 도달 시간들을 나타내는 신호들을 출력하도록 구성된다. 광학체는 방출기들로부터의 광학 방사를 장면 내의 각자의 위치들 상으로 투사하고 각자의 위치들을 수신기의 대응하는 픽셀들 상에 이미징하도록 구성되고, 각각의 픽셀은 검출기들 중 하나 이상을 포함한다. 제어기는 미리 정의된 공간-시간 시퀀스에서 출력 펄스들을 방출하도록 방출기들을 제어하고 장면 내의 각자의 위치들로의 그리고 각자의 위치들로부터의 펄스들의 각자의 비행 시간들을 측정하기 위해 공간-시간 시퀀스와 동기화하여 대응하는 픽셀들에 의해 출력된 신호들을 수집 및 프로세싱하도록 결합된다.
개시된 실시예에서, 방출기들은 수직-공동 표면-방출 레이저(VCSEL)를 포함한다.
추가적으로 또는 대안적으로 검출기들은 단일 광자 센서들을 포함하고, 수신기는 적어도 하나의 시간-디지털 변환기(TDC)를 포함하고, 시간-디지털 변환기는 방출기들 중 하나에 의해 방출된 펄스와 수신기의 대응하는 픽셀에서의 광자의 수신 사이의 지연을 나타내는 디지털 값을 출력한다. 일부 실시예들에서, 방출기들 각각은 미리 정의된 공간-시간 시퀀스에 따라 일련의 펄스를 방출하도록 구동되고, 제어기는, 각각의 픽셀에 대해, 일련의 펄스들에 응답하여 적어도 하나의 TDC에 의해 출력된 디지털 값들의 각자의 히스토그램을 축적하고 히스토그램으로부터 각자의 비행 시간을 도출하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기는 방출기들 각각에 의해 방출되는 일련의 펄스들 내의 펄스들의 수를 변화시킴으로써 공간-시간 시퀀스를 수정하도록 구성된다.
또한 추가적으로 또는 대안적으로, 방출기들 및 단일 광자 센서들 둘 모두는 다수의 행들 및 다수의 열들을 포함하는 각자의 매트릭스들 내에 배열되고, 적어도 하나의 TDC는 다수의 TDC들을 포함하고, 각각의 TDC는 단일 광자 센서들의 상이한 각자의 행에 결합되고, 공간-시간 시퀀스는, 어레이의 상이한 각자의 행들 내의 적어도 제1 및 제2 방출기들이 펄스들을 동시에 방출하는 반면, 행들 각각 내의 단일 방출기 이외에는 임의의 주어진 시간에 동작하지 않도록 정의된다.
추가적 실시예들에서, 공간-시간 시퀀스는, 적어도 제1 및 제2 방출기들이 장면 내의 각자의 위치들로의 그리고 각자의 위치들로부터의 펄스들의 평균 비행 시간들의 절반보다 작은, 펄스들 사이의 간격을 갖는 각자의 제1 및 제2 펄스들을 방출하도록 정의된다. 개시된 실시예에서, 적어도 제1 및 제2 방출기들은 방출기들의 제1 및 제2 그룹들에 각각 속하여, 그룹들 각각의 방출기들이 어레이 위에 이격되고 펄스들을 동시에 방출한다.
일부 실시예들에서, 제어기는, 초기 공간-시간 시퀀스에 따라 제1 비행 시간을 측정한 후에, 공간-시간 시퀀스를 수정하고 수정된 공간-시간 시퀀스에 따라 제2 비행 시간들을 측정하도록 구성된다. 일 실시예에서, 공간-시간 시퀀스는 제1 비행 시간들의 해상도보다 더 미세한 해상도로 제2 비행 시간들을 측정하도록 수정된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학 감지를 위한 방법이 제공되며, 이는 미리 정의된 공간-시간 시퀀스에서 상이한 각자의 시간들에 방출기들의 어레이로부터 광학 방사의 펄스들을 방출하는 단계를 포함한다. 광학 방사는 방출기들로부터 장면 내의 각자의 위치들 상으로 투사된다. 각자의 위치들은 수신기의 대응하는 픽셀들 상에 이미징되며, 이는 대응하는 픽셀들에서 광자들의 도달 횟수를 나타내는 신호들을 출력한다. 대응하는 픽셀들에 의해 출력된 신호들은, 장면 내의 각자의 위치들로의 그리고 각자의 위치들로부터의 펄스들의 각자의 비행 시간들을 측정하기 위해 공간-시간 시퀀스와 동기화하여 수집 및 프로세싱된다.
본 발명은 다음의 도면들과 함께 취해진 본 발명의 실시예들의 아래의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 깊이 맵핑 디바이스의 개략적 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 방출기 어레이를 개략적으로 예시하는 블록도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 방출 시퀀스 내의 연속적인 스테이지들을 도시하는, 방출기 어레이의 개략적 정면도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3a 내지 도 3c의 방출 시퀀스 내의 펄스들의 타이밍을 개략적으로 예시하는 플롯이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 디바이스 내의 방출기 어레이의 상이한 각자의 동작 모드들을 예시하는, 깊이 맵핑 디바이스에 의해 맵핑되는 장면의 개략도이다.
당업계에 알려진 직접 ToF 깊이 맵핑 시스템에서, 데이터 획득 레이트는 맵핑될 타겟까지의 거리에 의해 제한되며: 광원은 밝은 방사 펄스를 방출하고, 이어서, 시스템은 다음 펄스가 발사될 수 있기 전에 타겟까지 그리고 다시 수신기까지의 광자들의 비행 시간 이상의 시간을 대기한다. 다시 말하면, 시스템은 최대 작동 거리, 즉 시스템에 의해 측정될 수 있는 타겟 물체까지의 최대 거리에 대응하는 고정된 시간량을 대기한다. (펄스 반복 기간이 비행 시간보다 작다면, 수신기는 연속적인 펄스들의 에코들 사이를 구별할 수 없어서, ToF 측정들에서의 알리어싱(aliasing) 문제들을 초래할 수 있다.) 그러한 시스템들에 사용되는 레이저 소스들이 전형적으로 1 ns 미만의 펄스 폭들을 갖는 반면, (공기 중의) 비행 시간은 타겟까지의 거리의 미터 당 6 ns로 성장하는 것을 고려하면, 펄스 레이트에 대한 제한은 광원이 매우 낮은 듀티 사이클에서 동작한다는 것을 의미한다. 따라서, 광원은 허용가능한 측정 처리량으로 양호한 해상도 및 신호/잡음비를 달성하기 위해 매우 강한 펄스들을 방출해야 할 수 있다.
본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예들은 어레이에 인가되는 제어 입력에 응답하여 상이한 각자의 시간들에 광학 방사의 펄스들을 방출하도록 구동될 수 있는 방출기들의 어레이를 사용함으로써 이러한 제한들을 처리한다. 이러한 종류의 어레이들은 예를 들어 단일 칩 내의 제어 회로들과 방출기들을 통합함으로써 생성될 수 있다. 하나의 그러한 실시예에서, 방출기들이 그 상에 제조되는 III-V 족 반도체 기판이, 방출기들을 위한 제어 회로들이 그 상에 제조되는 실리콘 기판에 접합된다. 이러한 구조는 실질적으로 임의의 원하는 공간-시간 시퀀스로 어레이 내의 방출기들을 개별적으로 어드레스 및 발사하는 것을 가능하게 한다.
개시된 실시예들에서, 광학체는 방출기들로부터의 광학 방사를 장면 내의 각자의 위치들 상으로 투사하고, 이들 위치들을 수신기의 대응하는 픽셀들 상에 이미징한다. 수신기는 검출기들의 어레이를 포함하며, 검출기들의 어레이는 검출기들에서 광자들의 도달 횟수들을 나타내는 신호들을 출력한다. 각각의 픽셀은 검출기들 중 하나 이상을 포함한다(즉, 방출기 빔이 투사되는 장면 내의 각각의 위치는 단일 검출기 상으로 또는 이웃 검출기들의 그룹 상으로 다시 이미징될 수 있으며, 이어서, 그의 출력 신호들은 하나의 픽셀로 풀링된다). 따라서, 각각의 픽셀은 어레이 내의 특정 대응하는 방출기로부터 송신된 광자들의 도달 시간을 검출한다.
이러한 배열은 제어기가 미리 정의된 공간-시간 시퀀스에서 자신들의 출력 펄스들을 방출하도록 방출기들을 제어하고 장면 내의 각자의 위치들로의 그리고 각자의 위치들로부터의 펄스들의 각자의 비행 시간들을 측정하기 위해 공간-시간 시퀀스와 동기화하여 대응하는 픽셀들에 의해 출력된 신호들을 수집 및 프로세싱하는 것을 가능하게 한다. 용어 "공간-시간 시퀀스"는, 동일한 또는 상이한 방출기들에 의해 발사될 수 있는, 특정 방출기들이 그들의 펄스들을 발사하는 공간 순서 및 연속적인 펄스들 사이의 간격들을 지칭한다.
성능을 최적화하고 처리량 및 해상도 요건들을 충족시키기 위해 다양한 공간-시간 시퀀스들이 정의될 수 있다. 예를 들어, 공간-시간 시퀀스는 어레이 내의 상이한 위치들에서 다수의 방출기들이 그들의 펄스들을 동시에 방출하도록 정의될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 시퀀스는 상이한 위치들에 있는 상이한 방출기들이 측정들이 이루어질 작동 거리들의 범위에 기초하여 예상 비행 시간보다 실질적으로 작은 펄스들 사이의 간격을 갖는 그들 각자의 펄스들을 방출하도록 정의될 수 있다. 예를 들어, 펄스들 사이의 간격은 전형적으로 장면 내의 각자의 위치들로의 그리고 각자의 위치들로부터의 펄스들의 평균 비행 시간들의 절반보다 작다. 두 경우들 모두에서, 얻어진 에코들이 수신기의 상이한 각자의 픽셀들에 의해 동시에 캡처될 것이기 때문에, 알리어싱의 위험이 거의 없다. 이러한 배열은 ToF 데이터의 획득 처리량을 증가시키는 것 및 방출기 어레이의 전체 듀티 사이클을 증가시키는 것 둘 모두에서 유리하며, 따라서 높은 피크 전력을 갖는 매우 밝은 펄스들의 방출로 인해 달리 발생하는 문제들을 경감시킨다.
또한, 공간-시간 시퀀스는 ToF 데이터 획득을 최적화하기 위해 시스템 동작 과정에서 수정될 수 있다. 예를 들어, 시퀀스는 ToF 데이터를 대략적인 해상도에서 신속하게 획득하도록 원래 선택되고, 이어서 시스템의 전체 시야에 걸쳐 또는 단지 소정의 감소된 관심 영역 내에 있는 더 미세한 해상도에서 ToF 데이터를 획득하도록 수정될 수 있다. 이와 관련하여, "해상도"는 결과적인 깊이 맵 내의 픽셀들의 밀도에 대응하는 횡방향 해상도, 및 측정된 ToF 값들의 정밀도에 대응하는 깊이 해상도 중 어느 하나 또는 둘 모두를 의미할 수 있다. (깊이 해상도는 주어진 방출기에 의해 방출된 펄스들의 수의 함수로서 통계적으로 변하고, 장면 내의 각자의 위치에 대한 ToF 측정을 생성하기 위해 대응하는 픽셀에서 감지된다). 대안적으로 또는 추가적으로, 공간-시간 시퀀스는 부근의 다른 방사 소스들로 인한 가능한 간섭을 방지하기 위해 시간 경과에 따라 스위칭될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 깊이 맵핑 디바이스(20)의 개략적 측면도이다. 도시된 실시예에서, 디바이스(20)는 본 예에서 디바이스의 사용자의 신체의 일부인 물체(22)를 포함하는 장면의 깊이 맵들을 생성하는 데 사용된다. 깊이 맵을 생성하기 위해, 조명 조립체(24)가 광의 펄스들을 물체(22)를 향해 지향시키고, 수신기(26)가 물체로부터 반사된 광자들의 ToF를 측정한다. (본 명세서 및 특허청구범위에서 사용되는 바와 같은 용어 "광"은 임의의 가시광선, 적외선 및 자외선 범위들 내에 있을 수 있는 광학 방사를 지칭한다.)
조명 조립체(24)는 전형적으로 펄스형 레이저 어레이(28)와 같은 방출기들의 어레이를 포함한다. 레이저들은, 나노초 또는 서브-나노초 범위의 펄스 지속시간을 갖고 개별 레이저들이 서브-나노초 정밀도로 원하는 공간-시간 시퀀스로 발사될 수 있게 하는 온-보드 제어를 갖는 짧은 펄스들의 광을 방출한다. 어레이(28)는 예를 들어 어드레스가능 VCSEL 어레이를 포함할 수 있다. 수집 광학체(30)는 광을 물체(22)를 향해 지향시킨다. 대안적으로, 다른 펄스 지속시간들 및 반복 주파수들이 애플리케이션 요건들에 따라 사용될 수 있다.
수신기(26)는 물체(22)를 감지 어레이(34) 상에 이미징하여, 조명 조립체(24)에 의해 방출되고 물체(22)로부터 반사된 광자들이 감지 어레이에 입사하도록 하는 대물 광학체(32)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 감지 어레이(34)는 센서 칩(36) 및 프로세싱 칩(38)을 포함하며, 이들은 예를 들어 당업계에 알려진 칩 적층 기술들을 사용하여 함께 결합된다. 센서 칩(36)은 행들 및 열들의 매트릭스 내에 배열된 고속 단일 광자 검출기들의 어레이를 포함한다.
일부 실시예들에서, 센서 칩(36) 내의 광검출기들은 SPAD들(40)의 어레이를 포함하며, 이들 각각은 조명 조립체(24)에 의한 펄스들의 방출 후에 SPAD 상의 광자들의 입사 시간들을 나타내는 신호를 출력한다. 프로세싱 칩(38)은 감지 요소들에 각각 결합되는 프로세싱 회로들(42)의 어레이를 포함한다. 칩들(36, 38) 둘 모두는, 수반되는 구동 회로들, 로직 및 메모리와 함께, 본 기술 분야에 공지되어 있는 SPAD 센서 설계들에 기초하여 주지의 CMOS 제조 프로세스들을 이용하여 실리콘 웨이퍼들로부터 제조될 수 있다.
대안으로, 본 명세서에서 기술되는 검출의 설계들 및 원리들은 다른 회로들, 재료들 및 프로세스들을 이용하여 필요한 부분만 약간 수정하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 감지 어레이(34)는 당업계에 알려진 바와 같이, 적합한 지지 및 프로세싱 회로들을 갖는 애벌런치 포토다이오드들의 어레이를 포함할 수 있다. 모든 그러한 대안의 구현예들은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다.
수신기(26)는 (SPAD(40) 또는 이웃 SPAD들의 그룹에 대응하는) 각각의 픽셀에서 또는 동등하게, 맵핑되고 있는 장면 내의 각각의 위치로부터 수신된 광자들의 각자의 도달 시간을 나타내는 신호들을 출력한다. 이들 출력 신호들은 전형적으로 프로세싱 회로들(42)에 의해 생성되는 도달 시간들의 각자의 디지털 값들의 형태이지만, 디지털 및 아날로그 둘 모두의 다른 신호 포맷들이 또한 가능하다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 프로세싱 회로들(42)은 하나 이상의 시간-디지털 변환기(TDC)들을 포함하며, 이는 어레이(28)내의 각자의 방출기들에 의해 방출된 펄스들과 수신기(26)의 대응하는 픽셀에서의 광자의 수신 사이의 지연들을 나타내는 디지털 값들을 출력한다. 회로들(42)은 각각의 픽셀에 대한 각자의 전용 TDC를 포함할 수 있다. 대안적으로, 펄스 방출의 공간-시간 패턴의 적절한 선택들에 대해, TDC들은 다수의 픽셀들에 의해, 예를 들어, 검출기 어레이의 행 당 (또는 동등하게, 열 당) 단일 TDC와 공유될 수 있다.
제어기(44)는 장면 내의 각자의 위치들로의 그리고 각자의 위치들부터의 각각의 픽셀에서 측정된 ToF 또는 동등하게 측정된 깊이 값을 포함하는 출력 깊이 맵을 생성하기 위해, 대응하는 방출기들에 의한 방출의 공간-시간 방출 시퀀스와 동기화하여 개별 픽셀 값들을 판독하고 도달 시간들을 프로세싱한다. 일부 실시예들에서, 공간-시간 시퀀스는 어레이(28) 내의 방출기들 각각이 일련의 펄스들을 방출하도록 구동되고, 감지 어레이(34)가 각각의 방출된 펄스에 응답하여 적절한 픽셀로부터 디지털 도달 시간 값을 출력하도록 정의된다. 제어기(44)는, 각각의 픽셀에 대해, 일련의 펄스들에 응답하여 픽셀로부터 출력된 디지털 값들의 각자의 히스토그램을 축적하고, 예를 들어 히스토그램의 모드를 취함으로써 히스토그램으로부터의 각자의 비행 시간을 도출한다. 이러한 히스토그램 기반 접근법은 광자 도달 시간에서의 통계적 변동들 및 잡음을 평활화하는 데 유용하고, 깊이 해상도는 전형적으로 각각의 픽셀에서 캡처된 펄스들의 수에 따라 증가한다. 제어기(44)는 깊이 맵을 디스플레이 또는 컴퓨터 또는 다른 프로세서와 같은 수신 디바이스(46)에 전달하고, 이는 깊이 맵으로부터 고레벨 정보를 세그먼트화하고 추출하지만 이들 특징부들은 본 개시의 범위를 넘어선다.
본 설명은 제어기와 프로세싱 칩 사이의 기능들의 소정 분할로, 별개의 엔티티들로서 제어기(44) 및 프로세싱 칩(38)과 관련되지만, 실제로 이들 엔티티들 및 그들의 기능들은 동일한 집적 회로 상에서 모놀리식 방식으로 조합 및 구현될 수 있다. 대안적으로, 이들 엔티티들 사이의 기능성의 다른 분할들이 또한 당업자에게 명백할 것이고, 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다. 따라서, 본 설명 및 특허청구범위에서, 용어 "제어기"는 하드웨어 로직에서 수행되든 또는 소프트웨어에서 수행되든, 제어기(44) 및 프로세싱 칩(38)에 기인되는 기능성들의 모든 구현들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 방출기 어레이(28)를 개략적으로 예시하는 블록도이다. 어레이(28) 내의 VCSEL들(50)은 GaAs 기판과 같은 적합한 III-V 족 반도체 기판(52) 상의 에피택셜 성장에 의해 생성된다. 별도의 단계에서, VCSEL들을 위한 제어 회로들이, 예를 들어, CMOS 공정을 사용하여, 실리콘 기판(54) 상에 형성된다. 이어서, III-V 족 기판(52)이 실리콘 기판(54)에 접합되며, 이때 각각의 VCSEL(50)은 그의 각자의 제어 회로들과 정렬된다. 도시된 실시예에서, 기판(54) 상의 구동 회로들(58)은 VCSEL의 독립적인 제어를 가능하게 하기 위해 별개의 애노드 및/또는 캐소드 접속부를 갖는 각각의 VCSEL(50)에 대한 구동기를 포함한다. 어드레싱 회로(56)는 예를 들어 제어기(44)에 의해 어드레싱 회로(56)에 입력되는 미리 정의된 공간-시간 시퀀스에 따라 VCSEL들을 발사하도록 구동 회로들(58)을 트리거링한다.
이제, 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이(28)로부터의 방출의 공간-시간 시퀀스의 특징부들을 개략적으로 예시하는 도 3a 내지 도 3c 및 도 4를 참조한다. 도 3a 내지 도 3c는 방출 시퀀스 내의 연속적인 스테이지들을 도시하는, 방출기 어레이(28)의 정면도들인 반면, 도 4는 방출 시퀀스 내의 펄스들의 타이밍을 도시하는 플롯이다.
도시된 시퀀스에서, 방출기들(50)은 50a, 50b, …, 50j, …로 라벨링된 그룹들로 분할된다. 각각의 그룹 내의 방출기들은 어레이의 상이한 각자의 행들에 속하고, 주어진 열을 따라 이격되어 있다. 각각의 그룹 내의 방출기들은 그들 각자의 펄스들을 동시에 방출하며, 이때 열들 각각 내의 단일 방출기는 임의의 주어진 시간에 동작한다. 도 3a 내지 도 3c 각각에 도시된 3개의 그룹들(예를 들어, 도 3a의 방출기들(50a), 방출기들(50b) 및 방출기들(50c))은 또한 어레이(28) 위에 이격되어 있다. 도시된 시퀀스에서, 예를 들어, 이들 그룹들 각각의 방출기들은 넓게 분리된 상이한 행들 및 열들로 위치된다. 따라서, 이들 방출기들로부터 반사된 광자들을 수용할 감지 어레이(34)의 각자의 픽셀들은 또한 각각의 그룹 내에서 그리고 상이한 그룹들 사이에서 넓게 이격된다.
이러한 공간 분포의 결과로서, 방출기들(50a, 50b, 및 50c)(및 유사하게, 도 3b 및 도 3c의 방출기 그룹들)은 디바이스(20)에 의해 맵핑되고 있는 장면 내의 각자의 위치들로의 그리고 각자의 위치들부터의 펄스들의 비행 시간들보다 실질적으로 짧은 펄스들 사이의 간격을 갖는 그들 각자의 펄스들을 방출하도록 구동될 수 있다. 그룹들 내에 그리고 그들 사이의 방출기들의 넓은 간격은 픽셀들 사이에 상당한 크로스토크가 없을 것이고, 따라서 이 때문에 어떠한 상당한 알리어싱도 없을 것을 보장한다. 예를 들어, 상이한 그룹들로부터 방출된 펄스들 사이의 간격은 도 4에 도시된 바와 같이 평균 비행 시간의 절반 미만, 또는 심지어 실질적으로 더 작을 수 있다. 방출기들의 넓은 간격은 또한 임의의 주어진 시간에 단일 위치에 초점을 맞추기보다는, 어레이(28)로부터 방출되는 전력을 맵핑되고 있는 장면에 걸쳐 넓게 확산시키는 데 유용하다.
도 4는 각각 방출기들(50a, 50b, 및 50c)의 그룹들에 의해 주기적으로 방출되는 광학 펄스들(60a, 60b, 및 60c)의 트레인(62)을 갖는 이러한 종류의 시간 방식의 예를 도시한다. 펄스들(60a, 60b, 60c)은 전형적으로 1 ns 이하의 각자의 펄스 폭을 가지며, 각각의 트레인(62) 내의 펄스들 사이의 간격은 마찬가지로 1 ns 정도이다. 펄스 트레인(62)은 맵핑되고 있는 장면 내의 위치들로의 그리고 그로부터의 예상되는 비행 시간보다 크도록 선택되는 기간 T로, 예를 들어, 인근 타겟들에 대해 10 ns로 반복된다. 방출기들의 상이한 그룹들에 의해 방출되는 펄스들의 엄격한 간격은 듀티 사이클을 증가시키고 어레이(28)의 피크 방출 전력을 감소시키는 데 뿐만 아니라, 디바이스(20)의 측정 처리량을 증가시키는 데 유용하다. 대안적으로, 컴포넌트들의 적용 요건들 및 선택에 따라, 다른 펄스 폭들 및 반복 기간들이 사용될 수 있다.
펄스 트레인(62)은 전형적으로, 제어기(44)가 이들 그룹들 내의 각각의 픽셀에서 광자 도달 시간들의 적합한 히스토그램을 구축할 수 있게 하기 위해, 방출기들(50a, 50b, 및 50c)에 대해 다수 회 반복된다. 각각의 그룹이 레이저 어레이(28)의 행들의 별개의 세트로부터 도시되는 이들 그룹들에서의 방출기들의 선택에 의해, 히스토그램들은 센서 어레이(34)의 각각의 행을 서빙하는 단일의 각자의 TDC를 사용하여 축적될 수 있다. 먼 물체들로 인한 가능한 알리어싱을 식별하기 위해, 반복 기간 T는 디더링될(dithered) 수 있으며, 이 경우에 (이전의 펄스 트레인으로부터의 먼 반사들로 인한) 알리어싱된 히스토그램 피크들이 또한 디더링될 것이고, 이에 기초하여 깊이 맵으로부터 제거될 수 있다.
원하는 일련의 펄스 트레인들(62)을 방출기들(50a, 50b, 및 50c)의 그룹들에 적용한 후에, 유사한 일련의 펄스 트레인들이 전체 어레이(28)가 커버될 때까지 방출기들(50d, 50e, 및 50f)에, 그리고 이어서 방출기(50g, 50h, 및 50j) 등에 적용된다. 대안적으로, 일부 실시예들에서 (예를 들어, 아래의 도 5a/도 5b에 예시된 바와 같이), 공간-시간 시퀀스는 어레이(28) 내의 방출기들(50)의 서브세트만을 사용할 수 있다. 또한 대안적으로, 공간 및 시간에서의 그룹들 사이의 분리가 상이한 픽셀들 사이의 상당한 크로스토크를 회피하기에 충분하기만 하다면, 다른 공간 그룹화들 및 시간 시퀀스들이 적용될 수 있다.
비록 도 3a 내지 도 3c가 방출 그룹들의 순서화된 롤링 시퀀스를 도시하지만, 공간 및/또는 시간 분포에서 불규칙한 패턴들을 포함하는 다른 종류의 공간 패턴들이 어레이(28)에 적용될 수 있다. 그러한 불규칙적인 패턴들(가능하게는 의사 랜덤 패턴들을 포함함)은 디바이스(20) 부근의 다른 깊이 맵핑 디바이스들 및 다른 방사 소스들로 인한 크로스토크 및 간섭을 회피하는 데 유용하다.
일부 실시예들에서, 감지 어레이(34) 내의 SPAD들(40)은 어레이(28) 내의 방출기들(50)을 발사하는 공간-시간 시퀀스와 동기화하여 작동된다. 다시 말하면, 각각의 SPAD는 대응하는 방출기가 동작할 때에만 작동되고, 그렇지 않으면 효과적으로 휴면(dormant)된다. 이러한 동작 모드는 ToF 측정치들에서의 잡음을 감소시키는 데 유용하다. 도 3a 내지 도 3c에 예시된 종류의 공간-시간 시퀀스와 함께 적용될 때, 활성 픽셀들의 영역들 및 그들의 획득 트리거들은 감지 어레이(34)를 가로질러 매끄럽게 롤링할 것이며, 따라서 ToF 값들의 효율적인 저소음 획득을 용이하게 한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 디바이스의 상이한 각자의 동작 모드들을 예시하는, 디바이스(20)에 의해 맵핑되는 장면(70)의 개략도이다. 도 5a는 방출기들(50)의 서브세트(예를 들어, 방출기들에 의해 조명되는 장면(70) 내의 각자의 위치들(72)에 의해 예시된 바와 같은 방출기들의 절반)만이 작동되는 초기 공간-시간 시퀀스를 예시한다. 이러한 공간-시간 시퀀스를 사용하여, 제어기(44)는 대략적인 횡방향 해상도를 갖는 장면의 초기 깊이 맵을 획득하지만, 모든 방출기들이 사용될 경우 달성될 것보다 더 빠른 처리량을 갖는다. 추가적으로 또는 대안적으로, 초기 공간-시간 시퀀스는 방출기들 각각에 의해 방출되는 비교적 적은 수의 펄스들만을 포함할 수 있어서, 초기 깊이 맵의 깊이 해상도는 또한 비교적 대략적이다.
초기 공간-시간 시퀀스에 따라 비행 시간들을 측정한 후에, 제어기(44)는 도 5b 예시된 바와 같이 수정된 공간-시간 시퀀스에 따라 비행 시간을 재측정하도록 진행한다. 여기서, 예를 들어, 초기 깊이 맵을 분석하는 프로세서는 장면(70)에서 관심 물체를 인식했을 수 있고, 따라서 제어기(44)에게 관심 물체를 포함하는 장면 내의 제한된 영역(74)에 걸쳐 더 미세한 해상도로 비행 시간들을 획득하도록 지시할 수 있다. 따라서, 영역(74) 내에서 빔들을 방출하는 모든 방출기들(50)이 작동되어, 디바이스(20)가 각자의 조밀하게 이격된 위치들(76)에서 ToF 값들을 획득할 수 있게 하는 반면, 이 영역 밖의 방출기들은 사용되지 않는다. 추가적으로 또는 대안적으로, 수정된 공간-시간 시퀀스는 방출기 조명 영역(74) 각각에 의해 더 많은 수의 펄스들을 포함할 수 있다. 영역(74)에 대한 유효 시야를 감소시킴으로써, 디바이스(20)는 높은 처리량을 유지하면서 횡방향 및/또는 깊이 치수에서 더 미세한 해상도를 갖는 로컬 깊이 맵을 생성할 수 있다.
도 5b에 예시된 수정된 공간-시간 시퀀스에서, 영역(74) 밖의 방출기들(50)은 관심 대상이 아닌 장면(70)의 영역들 상의 디바이스(20)의 자원들(예컨대 어레이(28)로부터의 출력 전력)을 낭비하는 것을 피하기 위해 작동되지 않는다. 이러한 종류의 자원들의 보존은 사용가능한 ToF 값들을 제공할 수 없다면 영역(74) 내에서도 방출기들(50)을 비활성화시킴으로써 더 향상될 수 있다. 예를 들어, 제어기(74)는, 감지 어레이(34)가 포화로 인해 이러한 영역에서 사용가능한 ToF 값들을 제공할 수 없다고 결정할 때, 장면(70) 내의 밝은 스팟(78)을 조사하는 방출기(또는 방출기들)를 비활성화시킬 수 있다.
따라서, 일반적으로 말하면, 각각의 방출기에 의해 적용되는 펄스들의 수 및 방출기들의 선택을 포함하는 공간-시간 시퀀스의 파라미터들은 시야, 해상도 및 처리량 사이의 최적의 트레이드오프(tradeoff)를 제공하도록 선택되고 수정될 수 있다. 전술된 실시예들은, 구체성 및 명료함을 위해, 이러한 접근법을 구현할 수 있는 특정 종류의 디바이스 아키텍처를 참조하지만, 본 발명의 원리들은, 상기 개시를 읽은 후에 당업자에게 명백할 바와 같이 다른 제어가능한 방출기 및 센서 어레이들을 사용하여 유사하게 적용될 수 있다. 모든 그러한 대안의 구현예들은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다.
따라서, 전술된 실시예들은 예로서 인용되어 있고 본 고안은 이상의 본 명세서에서 특히 도시되고 설명된 것으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명의 범주는 위에서 기술된 다양한 특징들의 조합들 및 하위조합들 양측 모두를 포함할 뿐만 아니라, 전술된 설명을 읽을 때 당업자에게 생각이 떠오를 것이고 종래 기술에서 개시되지 않은 변형들 및 변경들도 포함한다.

Claims (20)

  1. 광학 감지 장치로서,
    방출기들의 어레이 - 상기 방출기들의 어레이는 상기 어레이에 인가되는 제어 입력에 응답하여 상이한 각자의 시간들에 광학 방사의 펄스들을 방출하도록 구성됨 -;
    복수의 검출기들을 포함하는 수신기 - 상기 복수의 검출기들은 상기 검출기들에서의 광자들의 도달 시간들을 나타내는 신호들을 출력하도록 구성됨 -;
    상기 방출기들로부터의 상기 광학 방사를 장면 내의 각자의 위치들 상으로 투사하고 상기 각자의 위치들을 상기 수신기의 대응하는 픽셀들 상에 이미징하도록 구성되는 광학체 - 각각의 픽셀은 상기 검출기들 중 하나 이상을 포함함 -; 및
    미리 정의된 공간-시간 시퀀스에서 상기 출력 펄스들을 방출하도록 상기 방출기들을 제어하고 상기 장면 내의 상기 각자의 위치들로의 그리고 상기 각자의 위치들로부터의 펄스들의 각자의 비행 시간들을 측정하기 위해 상기 공간-시간 시퀀스와 동기화하여 대응하는 픽셀들에 의해 출력된 신호들을 수집 및 프로세싱하도록 결합되는 제어기를 포함하는, 광학 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방출기들은 수직-공동 표면-방출 레이저(VCSEL)들을 포함하는, 광학 감지 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 검출기들은 단일 광자 센서들을 포함하고, 상기 수신기는 적어도 하나의 시간-디지털 변환기(TDC)를 포함하고, 상기 시간-디지털 변환기는 상기 방출기들 중 하나에 의해 방출된 펄스와 상기 수신기의 대응하는 픽셀에서의 광자의 수신 사이의 지연을 나타내는 디지털 값을 출력하는, 광학 감지 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 미리 정의된 공간-시간 시퀀스에 따라, 상기 방출기들 각각은 일련의 펄스들을 방출하도록 구동되고, 상기 제어기는, 각각의 픽셀에 대해, 상기 일련의 펄스들에 응답하여 상기 적어도 하나의 TDC에 의해 출력된 디지털 값들의 각자의 히스토그램을 축적하고 상기 히스토그램으로부터 각자의 비행 시간을 도출하도록 구성되는, 광학 감지 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어기는 상기 방출기들 각각에 의해 방출되는 상기 일련의 펄스들 내의 펄스들의 수를 변화시킴으로써 상기 공간-시간 시퀀스를 수정하도록 구성되는, 광학 감지 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 방출기들 및 상기 단일 광자 센서들 둘 모두는 다수의 행들 및 다수의 열들을 포함하는 각자의 매트릭스들 내에 배열되고, 상기 적어도 하나의 TDC는 다수의 TDC들을 포함하고, 각각의 TDC는 상기 단일 광자 센서들의 상이한 각자의 행에 결합되고,
    상기 공간-시간 시퀀스는, 상기 어레이의 상이한 각자의 행들 내의 적어도 제1 및 제2 방출기들이 상기 펄스들을 동시에 방출하는 반면, 상기 행들 각각 내의 단일 방출기 이외에는 임의의 주어진 시간에 동작하지 않도록 정의되는, 광학 감지 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공간-시간 시퀀스는, 적어도 제1 및 제2 방출기들이 상기 장면 내의 상기 각자의 위치들로의 그리고 상기 각자의 위치들로부터의 상기 펄스들의 평균 비행 시간들의 절반보다 작은, 상기 펄스들 사이의 간격을 갖는 각자의 제1 및 제2 펄스들을 방출하도록 정의되는, 광학 감지 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 방출기들은 상기 방출기들의 제1 및 제2 그룹들에 각각 속하여, 상기 그룹들 각각의 상기 방출기들이 상기 어레이 위에 이격되고 상기 펄스들을 동시에 방출하는, 광학 감지 장치.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는, 초기 공간-시간 시퀀스에 따라 제1 비행 시간을 측정한 후에, 상기 공간-시간 시퀀스를 수정하고 상기 수정된 공간-시간 시퀀스에 따라 제2 비행 시간들을 측정하도록 구성되는, 광학 감지 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 공간-시간 시퀀스는 상기 제1 비행 시간들의 해상도보다 더 미세한 해상도로 상기 제2 비행 시간들을 측정하도록 수정되는, 광학 감지 장치.
  11. 광학 감지 방법으로서,
    미리 정의된 공간-시간 시퀀스에서 상이한 각자의 시간들에 방출기들의 어레이로부터 광학 방사의 펄스들을 방출하는 단계;
    상기 방출기들로부터 장면 내의 각자의 위치들로 상기 광학 방사를 투사하는 단계;
    상기 각자의 위치들을 수신기의 대응하는 픽셀들 상에 이미징하는 단계;
    상기 대응하는 픽셀들에서 광자들의 도달 횟수를 나타내는 신호들을 상기 수신기로부터 출력하는 단계; 및
    상기 장면 내의 상기 각자의 위치들로의 그리고 상기 각자의 위치들로부터의 펄스들의 각자의 비행 시간들을 측정하기 위해 상기 공간-시간 시퀀스와 동기화하여 대응하는 픽셀들에 의해 출력된 신호들을 수집 및 프로세싱하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 방출기들은 수직-공동 표면-방출 레이저(VCSEL)들을 포함하고, 상기 펄스들은 1 ns 미만인 지속 시간을 갖는, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 수신기는 단일 광자 센서들의 매트릭스를 포함하고, 상기 신호들을 출력하는 단계는 상기 방출기들 중 하나에 의해 방출된 펄스와 상기 수신기의 대응하는 픽셀에서의 광자의 수신 사이의 지연을 나타내는 디지털 값을 출력하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 미리 정의된 공간-시간 시퀀스에 따라, 상기 방출기들 각각은 일련의 펄스들을 방출하도록 구동되고, 상기 신호들을 수집 및 프로세싱하는 단계는 각각의 픽셀에 대해, 상기 일련의 펄스들에 응답하여 상기 지연을 나타내는 디지털 값들의 각자의 히스토그램을 축적하는 단계 및 상기 히스토그램으로부터 각자의 비행 시간을 도출하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 방출기들 각각에 의해 방출되는 상기 일련의 펄스들 내의 펄스들의 수를 변화시킴으로써 상기 공간-시간 시퀀스를 수정하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 방출기들 및 상기 단일 광자 센서들 둘 모두는 다수의 행들 및 다수의 열들을 포함하는 각자의 매트릭스들 내에 배열되고, 상기 디지털 값을 출력하는 단계는 상기 단일 광자 센서들의 각각의 행으로부터의 상기 디지털 값을 판독하기 위해 각자의 시간-디지털 변환기(TDC)를 결합하는 단계를 포함하고,
    상기 공간-시간 시퀀스는, 상기 어레이의 상이한 각자의 행들 내의 적어도 제1 및 제2 방출기들이 상기 펄스들을 동시에 방출하는 반면, 상기 행들 각각 내의 단일 방출기 이외에는 임의의 주어진 시간에 동작하지 않도록 정의되는, 방법.
  17. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공간-시간 시퀀스는, 적어도 제1 및 제2 방출기들이 상기 장면 내의 상기 각자의 위치들로의 그리고 상기 각자의 위치들로부터의 상기 펄스들의 평균 비행 시간들의 절반보다 작은, 상기 펄스들 사이의 간격을 갖는 각자의 제1 및 제2 펄스들을 방출하도록 정의되는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 적어도 제1 및 제2 방출기들은 상기 방출기들의 제1 및 제2 그룹들에 각각 속하여, 상기 그룹들 각각의 상기 방출기들이 상기 어레이 위에 이격되고 상기 펄스들을 동시에 방출하는, 방법.
  19. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 초기 공간-시간 시퀀스에 따라 제1 비행 시간을 측정한 후에, 상기 공간-시간 시퀀스를 수정하고 상기 수정된 공간-시간 시퀀스에 따라 제2 비행 시간들을 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 공간-시간 시퀀스는 상기 제1 비행 시간들의 해상도보다 더 미세한 해상도로 상기 제2 비행 시간들을 측정하도록 수정되는, 방법.
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