KR20210024556A

KR20210024556A - 광학 빔 지향기

Info

Publication number: KR20210024556A
Application number: KR1020217001611A
Authority: KR
Inventors: 시비 풀리카세릴; 본디 페데리코 콜라테; 레베카 로딘; 안드레아 타바치니
Original assignee: 바라자 피티와이 엘티디
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2021-03-05
Also published as: AU2019290021A1; EP3811140A4; JP2022503412A; CA3101633A1; US20210116703A1; CN112437896A; EP3811140A1; WO2019241825A1

Abstract

광 감지 및 거리 측정(LiDAR) 기반 기술에 기초하여 환경의 공간적 프로파일의 추정을 용이하게 하기 위한 시스템 및 방법이 공개된다. 일 배치에서, 본 발명은 수직 방향을 따르는 것과 같은 1개 차원에 걸쳐 빛을 지향시키는 것에 기초하여 공간적 프로파일 추정을 용이하게 한다. 다른 배치에서, 일-차원적으로 지향된 빛을 다른 차원으로 더 지향시키는 것에 의해, 본 발명은 2개 차원들로 빛을 지향시키는 것에 기초하여 공간적 프로파일 추정을 용이하게 한다.

Description

광학 빔 지향기

본 발명은 일반적으로 빛을 여러 방향들로 지향시키는 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 파장에 기초하여 빛의 방향 제어를 용이하게 하는 것에 관련된다.

광학 빔 지향은 여러가지 용도를 가지는데, 광 감지 및 거리측정(light detection and ranging) 용도를 포함하나 이에 한정되지 않으며, LiDAR는 매핑 목적으로 빛을 환경으로 송신하는 것이다. 2차원 또는 3차원 매핑에서, 차원들 중의 하나는 광학 빔의 원점으로부터 한 지점의 거리에 관련되고 다른 하나 또는 두 개의 차원들은 광학 빔이 움직여 나아가는 1차원 또는 2차원 공간(예컨대 카테시안(Cartesian) (x, y) 또는 극좌표계(r, theta)에서)와 연관된다.

본 명세서에서 임의의 선행기술의 인용은, 이 선행기술이 임의의 관할권 내에서 공통된 일반 상식의 부분을 형성한다는 또는 이 선행기술들이 당업자에게 선행기술의 다른 부분들과 관련되거나 및/또는 조합되는 것으로 간주되는 것으로 이해되는 것으로 합리적으로 예상되는 것으로 인정하거나 또는 임의의 형태의 제시를 하는 것이 아니고 그렇게 취급되어서는 안된다.

본 발명은 일반적으로 빛을 여러 방향들로 지향시키는 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명의 실시예들은 파장에 기초하여 빛의 방향 제어를 용이하게 것과 관련된다.

광학 빔 지향기의 일 실시예는, 광학 빔의 하나 또는 그 이상의 선택된 파장 채널들 각각에 기초하여 제1 차원에 걸쳐 하나 또는 그 이상의 복수의 방향들로 광학 빔을 지향시키도록 구성된 제1 회절 어셈블리(first diffractive assembly)를 포함한다. 광학 빔 지향기는 복수의 회절 소자들을 포함하는 제2 회절 어셈블리;를 포함한다. 각각의 회절 소자들은: 그 회절 축이 적어도 하나의 다른 회절 소자의 회절 축으로부터 각도상 오프셋(angularly offset)되도록 배향되고; 그리고 제1 차원에 실질적으로 직교하는 제2 차원에 걸친 광학 빔의 지향을 용이하게 하기 위하여 그 회절 축에 수직한 회전 축을 중심으로 회전가능하다.

일부 실시예에서, 복수의 회절 소자들은 공통의 회전 축을 중심으로 공동으로 회전가능하다.

일부 실시예에서, 복수의 회절 소자들은 그들의 회절 축들이 각도상 최대로 오프셋되도록 배향된다. 복수의 회절 소자들은 그들의 회절 축들이 서로 간에 90도로 각도상 오프셋되는 2개의 회절 소자들을 포함할 수 있다. 복수의 회절 소자들은 그들의 회절 축들이 서로 간에 60도로 각도상 오프셋되는 3개의 회절 소자들을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서 복수의 회절 소자들은 복수의 회절 소자들의 회전에 있어서, 제2 차원에 따른 회절 문턱값(diffraction threshold) 이상으로 광학 빔을 순차적으로 회절시키도록 구성된다. 복수의 회절 소자들은 복수의 회절 소자들의 회전에 있어서, 제2 차원에 따른 회절 문턱값 이상으로 광학 빔 지향의 작동 주기를 최대화하기 위해 최적화된 주기성을 가질 수 있다. 회절 문턱값은 비-회절 조건에 대응하거나, 또는 회절 문턱값은 최소 측정 집합(minimum set of metrics)에 대응하고, (a) 최소 필요 각도상 스팬(angular span) 및 (b) 최소 필요 출력 광전력(output optical power) 중의 어느 하나 또는 둘 다를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 주기성은 제1 차원을 따른 각도상 스팬의 한계들에 대응하는 에지 파장 채널들(edge wavelength channels)에서의 회절 효율을 증가시키도록 더 구성된다.

일부 실시예에서 제1 회절 어셈블리는 제1 차원에 걸쳐 광학 빔을 지향시키기 용이하도록 그(들)의 광 축(들)을 중심으로 회전가능하지 않은 하나 또는 그 이상의 추가적인 회절 소자들을 포함한다.

일부 실시예에서, 제1 차원 및 제2 차원을 가로지르는 시야에 걸쳐, 제2 회절 어셈블리는 적어도 80%의 작동 주기를 가진다. 일부 실시예에서 작동 주기는 적어도 90%이다. 일부 실시예에서 작동 주기는 적어도 95%이다.

공간적 프로파일링 시스템의 일 실시예는 여기에 설명된 및/또는 위에서 요약된 광학 빔 지향기를 포함한다.

방법의 일 실시예는, 제1 회절 어셈블리를 사용하여, 광학 빔의 하나 또는 그 이상의 선택된 파장 채널들 각각에 기초하여 제1 차원에 걸쳐 하나 또는 그 이상의 복수의 방향들로 광학 빔을 지향시키는 단계; 및 제2 회절 어셈블리의 하나 또는 그 이상의 회절 소자들을 회전시키는 것에 의해, 제1 차원과 실질적으로 직교하는 제2 차원에 걸쳐 광학 빔을 지향시키는 단계;를 포함한다. 제2 회절 어셈블리의 회절 소자들은 그 회절 축이 서로 간에 각도상 오프셋될 수 있다. 제2 회절 어셈블리의 회절 소자들은 회절 축에 수직인 회전 축을 중심으로 회전가능할 수 있다.

광학 시스템의 일 실시예는, 하나 또는 그 이상의 빔들의 복수의 파장들을 포함하는 빛을 제1 차원 및 제2 차원에 걸친 깊이 차원(depth dimension)을 가지는 환경으로 지향시키도록 구성된 광학 구성요소들을 포함하며, 제2 차원은 제1 차원에 실질적으로 수직하다. 상기 광학 구성요소는: 빛을 수신하기 위한 제1 광학 서브시스템으로서, 제1 광학 서브시스템은 분산 소자, 회절 소자 및 반사 소자들 중에서 선택된 복수의 소자들을 포함하고, 복수의 소자들은 파장에 기초하여 제1 차원에 걸쳐 수신된 빛을 지향시키는 구성으로 배치되는 제1 광학 서브시스템을 포함한다. 광학 구성요소는 또한 제1 차원에 걸쳐 지향된 빛을 수신하는 제2 광학 서브시스템으로서, 제2 광학 서브시스템은 광학 빔을 제2 차원에 걸쳐 지향시키는 것을 용이하게 하기 위한 회절 축에 수직한 회전 축을 중심으로 회전가능한, 적어도 하나의 회절 소자를 포함하는 제2 광학 서브시스템을 포함한다. 광학 시스템은 광학 구성요소들로부터의 빛에 대응하여 환경으로부터 되돌아온 빛을 위한 수신기로서, 되돌아온 빛은 제1 차원 및 제2 차원에 걸친 깊이 차원의 결정을 위한 정보를 포함하는, 수신기;를 포함한다.

일부 실시예에서, 제1 광학 서브시스템의 복수의 소자들 각각은 서로에 대하여 위치 및 방향이 실질적으로 고정되어 있다.

일부 실시예에서, 제1 광학 서브시스템은 각도 의존 대역통과 필터를 포함하고, 각도 의존 대역 통과 필터에서 하나의 파장 채널은 반사되고 다른 인접한 파장 채널은 통과되며, 채널들 사이의 각도상 차이를 만들어낸다. 제1 광학 서브시스템은 수신된 빛의 적어도 일부분을 대역통과 필터의 상이한 통과-대역들에 대응하는 상이한 각도들로 대역통과 필터로 여러번 지향시키도록 구성될 수 있다. 제1 광학 서브시스템의 구성은 평행이 아닌 방향으로 대역통과 필터에 면하는 거울을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 제2 광학 서브시스템은: 제2 차원에 걸친 광학 빔 지향과 관련된 문턱값을 초과하는 회절에 영향을 미치는 위치들의 제1 집합 및 상기 문턱값을 초과하는 회절에 영향을 미치지 않는 위치들의 제2 집합을 통해 회전가능한 제1 회절 소자; 및 상기 문턱값을 초과하는 회절에 영향을 미치기 위해, 제1 회절 소자가 적어도 위치들의 제2 집합에 있을 때, 광학 시스템 내에서 배향되는 제2 회절 소자;를 포함한다. 광학 시스템은 제1 회절 소자 및 제2 회절 소자를 동기식으로 회전시키도록 구성될 수 있다. 광학 시스템은 실질적으로 동일한 회전축을 중심으로 제1 회절 소자 및 제2 회절 소자를 회전시키도록 구성될 수 있다.

광학 시스템의 일 실시예는 빛을 2개 차원들에 걸친 깊이 차원을 가진 환경으로 지향시키는 광학 시스템으로서, 상기 2개 차원들은 제1 차원 및 제1 차원과 실질적으로 수직인 제2 차원을 포함하고, 상시 시스템은:

파장에 기초하여 제1 포트로부터 복수의 제2 포트들 중의 하나로 빛을 라우팅하는 파장 라우터(wavelength router)로서, 제2 포트들은 환경의 제1 차원과 연관된 자유 공간의 파장 차원(wavelength)을 가로질러 라우팅된 빛을 지향하도록 구성되는, 파장 라우터;

파장 차원을 가로질러 배치되고 제2 포트들로부터의 빛을 각각의 광학 빔들로 시준하도록 구성되는 시준 소자(collimating element);

시준 소자로부터 빛을 수신하고 수신된 빛의 방향이 환경의 제2 차원을 가로지르도록 야기하도록 구성되는 회전 회절 소자로서, 제2 차원을 가로지르는 방향은 회전 회절 소자의 회전상 위치(rotational position)에 기초하는, 회전 회절 소자; 및

환경으로부터 되돌아 온 빛을 수신하는 수신기로서, 되돌아 온 빛은 제1 차원 및 제2 차원에 걸친 깊이 차원의 결정을 위한 정보를 포함하는, 수신기;를 포함한다.

일부 실시에에서, 광학 시스템은 이웃하지 않는 파장 채널들을 선택하는 파장 선택기를 더 포함하고, 파장 선택기와 파장 라우터는 이웃하지 않는 파장 채널들의 그룹을 각각의 복수의 제2 포트들로 지향시키도록 구성된다.

일부 실시예에서, 파장 선택기는 10 GHz를 초과하지 않는, 또는 5 GHz를 초과하지 않는, 또는 1 GHz를 초과하지 않는 자유 스펙트럼 범위를 가진다.

일부 실시예에서, 회전 회절 소자는 제1 회절 축을 구비하고, 상기 광학 시스템은 제1 회절 축으로부터 각도상 오프셋된 제2 회절축을 가진 추가적인 회전 회절 소자를 포함하며, 회전 회절 소자들은 조합하였을 때 제2 차원에 걸쳐 빛을 지향시키는 작동 주기가 회절 소자들 중의 오직 하나만의 작동 주기에 비해 증가한다.

광학 빔 지향기의 일 실시예는 기판 상의 2차원 패턴에 의해 특징지어지는 회절 소자를 포함하고, 2차원 패턴은 복수의 각도상 오프셋된 회절 축들을 가진 회절 소자를 제공하고, 회절 어셈블리의 기판은 광학 빔의 지향을 용이하게 하기 위하여 회전 축을 중심으로 회전가능하다.

일부 실시예에서 광학 빔 지향기는 복수의 광학 빔 지향기들을 포함하고, 제1 광학 빔 지향기는 제1 차원에 걸쳐 광학 빔의 지향을 용이하게 하고 기판 상의 2차원 패턴에 의해 특징지어지는 회절 소자를 포함하고, 제2 광학 빔 지향기는 제1 차원과 실질적으로 직교하는 제2 차원에 걸쳐 하나 또는 그 이상의 복수의 방향들로 광학 빔을 지향시키도록 구성된다. 제2 광학 빔 지향기는 기판 상의 2차원 패턴에 의해 특징지어지는 회절 소자 이전 또는 이후일 수 있다.

추가적인 실시예들은 예시로서 주어진 첨부된 도면들을 참조하여, 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명은 일반적으로 빛을 여러 방향들로 지향시키는 시스템, 더 구체적으로는, 파장에 기초하여 빛의 방향 제어를 용이하게 하는 시스템을 제공한다. 발명의 구체적인 효과는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 읽음으로서 명백하게 이해될 수 있다.

도 1은 공간적 프로파일링 시스템의 일 배치를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 공간적 프로파일링 시스템에서 사용되는 광원의 예시를 도시한 것이다.
도 3a는 도 1의 공간적 프로파일링 시스템의 더 상세한 예시를 도시한 것이다.
도 3b는 도 3a의 빔 확장 광학계의 예시를 도시한 것이다.
도 4a는 다중 회절 차수들로 회절된 다중 파장 채널들의 수직으로 입사된 빛으로 조광된 회절 소자를 도시한 것이다.
도 4b는 각도상으로 분리된 회절 차수들로 회절된 단일 파장 채널의 수직으로 입사되지 않은 빛으로 조광된 다른 회절 소자를 도시한 것이다.
도 4c는 제1 차원에 걸쳐 상이한 파장 채널들로 빛을 수신하고 지향시키는 파장-조정 소자의 제1 예시를 도시한 것이다.
도 4d는 제1 차원에 걸쳐 상이한 파장 채널들로 빛을 수신하고 지향시키는 파장-조정 소자의 제2 예시를 도시한 것이다.
도 4e는 제1 차원에 걸쳐 상이한 파장 채널들로 빛을 수신하고 지향시키는 파장-조정 소자의 제3 예시를 도시한 것이다.
도 4f는 제1 차원 및 제2 차원에 걸쳐 상이한 파장 채널들로 빛을 수신하고 지향시키는 파장-조정 소자의 제3 예시를 도시한 것이다.
도 4g는 (도 3b의) 빔 확장 광학계와 (도 4f의) 파장-조정 소자의 조합을 도시한 것이다.
도 4g의 (1) 내지 (4)는 이차원 회절 소자의 실시예를 도시한 것이다.
도 5a는 스펙트럼 빗형 필터(comb filter)의 예시를 도시한 것이다.
도 5b는 환경의 공간적 프로파일 추정을 용이하게 하기 위한 시스템의 일부의 다른 배치를 도시한 것이다.
도 5c는 빔 지향기의 실시예를 도시한 것이다.
도 6a는 빔 지향기의 실시예를 도시한 것이다.
도 6b는 예시적인 반사 필터의 특성을 보여주는 시뮬레이션된 결과의 그래프를 도시한 것이다.
도 6c는 반사 필터 및 거울 조합의 실시예를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 광학 빔 지향기의 일 배치의 결과로 시뮬레이션된 시야를 도시한 것이다.
도 8은 파장-조정 소자의 회절 소자의 각도상 배치를 도시한 것이다.

<관련 출원>

본 발명은 2018년 6월 21일 출원된 호주 특허출원 2018902217과 연관되고, 그 내용 전체가 여기에 참조로서 포함된다.

본 발명은 2018년 9월 6일 출원된 국제 특허출원 PCT/AU2018/050961과 연관되고, 그 내용 전체가 여기에 참조로서 포함된다.

<실시예의 상세한 설명>

주변 환경의 2차원 또는 3차원 이미지를 생성하기 위해 광 감지 및 거리 측정(LiDAR) 응용에 맞춰진 빛을 여러 방향들로 지향하는 시스템이 설명된다. 이하에서 "빛(light)"이란 원적외선 복사, 적외선 복사, 가시광선 복사 및 자외선 복사를 포함하는, 광학 주파수를 갖는 전자기 복사를 포함한다. 일반적으로, LiDAR는 빛을 환경으로 전송하고 이어서 환경에 의해 반사되는 빛을 감지하는 것을 포함한다. 빛이 왕복 운동을 하는 시간을 결정함으로써, 그리고 시야 내의 반사 표면의 거리를 결정함으로써, 환경의 공간적 프로파일의 추정이 형성될 수 있다. 본 발명은 빛을 2개의 실질적으로 직교하는 차원들에 걸쳐 지향시키는 것에 기초하여 공간적 프로파일 추정을 용이하게 한다.

설명되는 시스템은 파장-조정가능 레이저로부터 방출되는 것과 같은 제어가능한 파장의 빛을 수신하여, 빛의 방향을 제어할 수 있다 - 이하에서 "파장-조정(wavelength-steering)"으로 언급되는 기술 분야이다. 회절 격자나 주기성 구조와 같은 회절 소자는 파장-조정을 가능케 하는 광학 소자의 예시이다. 일부 실시예에서 2개의 그러한 회절 소자들은 실질적으로 직교하는 차원들에 걸쳐 광학 빔 지향에 사용될 수 있다. 예컨대, 첫번째의 비-회전하는 회절 소자는 광학 빔의 선택된 파장 채널(들)에 기초하여 2개 차원들 중의 첫번째 하나(이하에서 "제1 차원")에 걸쳐 각도상 스팬(angular span)을 용이하게 한다. 그 광축에 평행하게 회전축을 중심으로 회전하는 두번째 회절 소자는 회전에 기초한 2개 차원들 중의 두번째 하나(이하에서 "제2 차원")에 걸쳐 각도상 스팬을 용이하게 한다. 그러나, 회전하는 회절 소자의 회전 사이클은 그 회절 축이 회전하지 않은 회절 소자와 정렬(또는 거의 정렬)하는 부분이 존재하고, 그에 따라 제2 차원을 따른 각도상 스팬에 기여하는 회절 효율을 감소시킨다. 본 발명은 회절 축들의 그러한 정렬(또는 거의 정렬)이 제2 차원에 걸친 광학 빔 지향의 작동 주기를 감소시킨다는 것을 인식한다. 일부 예시들에서 회전하는 회절 소자가 제2 차원의 각도상 스팬을 게종함에 있어 회전 사이클의 약 60%에 불과한 효율을 가짐을 발견하였다. 유사하게, 다른 파장 의존 조정 소자가 제1 차원에 걸친 조정에 효과를 미치도록 배치되고 회전하는 회절 소자가 제2 차원에 걸친 조정에 효과를 미치도록 배치되는 다른 실시예에서, 제2 차원에 걸친 각도상 스팬에 기여하는 감소된 회절 효율이 있는 회전 사이클 부분이 여전히 있었다. 이 다른 실시예들의 예시들은 파장 의존 조정 소자가 파장 라우터(wavelength router), 예컨대 광학 인터리버(interleaver)나 디멀티플렉서(demultiplexer)의 형태인 실시예들을 포함한다.

이러한 인식에 기초하여, 본 발명은 광학 빔 지향의 작동 주기를 증가시키는 빔 지향기의 배치를 고안하였다. 단일 회전 회절 소자를 사용하는 대신, 복수의 회전하는 회절 소자들이 각도상 오프셋(offset)된 회절 축들을 가진 것이 회절을 제공하기 위해 사용되었고, 따라서 제2 차원에 걸쳐 회전 사이클 동안의, 또는 적어도 증가된 작동 주기 동안의 각도상 스팬을 제공한다. 회절 축들의 각도상 오프셋은 저어도 하나의 회전 회절 소자가 회전 사이클의 어떤 부분에서도 비-회전 회절 소와 정렬이 맞지 않는 (또는 거의 정렬이 맞지 않는) 것을 보장한다. 달리 말하면, 다중 회전 회절 소자는 교대로 제2 차원에 따른 광학 빔을 주로 회절시킨다. 일 예시에서, 2개의 공동-회전하는 회절 소자들은 90도 오프셋된 회절 축들을 가진다. 다른 예시에서, 3개의 공동-회전하는 회절 소자들은 60도 오프셋된 회절 축들을 가진다.

공간 프로파일링 시스템의 예시

본 광학 빔 지향기에 의해 촉진되는 공간적 프로파일링 시스템은 환경에서의 상대적인 움직임이나 변화들을 모니터링하는데 유용할 수 있다. 예컨대, 자동화 차량 분야(육지, 공중, 해상 또는 우주)에서, 공간적 프로파일링 시스템은 차량의 관점에서, 장애물이나 앞에 있는 목표와 같은 임의의 물체와의 거리를 포함하여 교통 조건의 공간적 프로파일을 추정할 수 있다. 차량이 움직임에 따라, 차량으로부터 보여지는 다른 위치에서의 공간적 프로파일이 변화할 수 있고 재평가될 수 있다. 다른 예시로서, 도킹(docking) 분야에서, 공간적 프로파일링 시스템은 컨테이너선과 부두(dock)의 특정 부분과의 근접도와 같은 부두의 공간적 프로파일을 컨테이너선의 관점에서 추정할 수 있어서, 부두의 어떤 부분과도 충돌하지 않고 성공적인 도킹을 용이하게 해준다. 또다른 예시로서, 자유공간 광통신이나 초단파 통신과 같은 가시거리 통신(line-of-sight communication) 분야에서, 공간적 프로파일링 시스템은 정렬(alignment) 목적으로 사용될 수 있다. 트랜스시버(transceiver)가 움직였거나 움직이는 도중에, 계속 추적되어서 광통신이나 초단파 빔을 정렬하는 것이 가능하다. 또다른 예시로서, 응용가능한 분야에는, 산업용 계측 및 자동화, 부지 측량, 군용, 안전 모니터링 및 감시, 로보틱스 및 머신 비전(machine vision), 인쇄, 프로젝터, 조명, 타 레이저 또는 IR 비전 시스템을 공격 및/또는 포화(flooding) 및/또는 재밍(jamming)을 포함하나 이에 한정되지 않는다.

도 1은 공간적 프로파일링 시스템(100)의 배치를 도시한 것이다. 공간적 프로파일링 시스템의 추가적인 예시 및 세부사항은 PCT 특허 공보 WO 2017/054036에서 제공되며, 그 내용이 여기에 통합된다. 시스템(100)은 광원(102), 빔 지향기(103), 광 감지기(104) 및 프로세싱 유닛(105)을 포함한다. 도 1의 배치에서, 광원(102)으로부터의 빛은 빔 지향기(103)에 의해 공간적 프로파일을 가진 환경(110)의 1개 또는 2개 차원들로 지향된다. 출력광(outgoing light)이 물체 또는 반사면을 때리면, 출력광의 적어도 일부분이 물체 또는 반사면에 의해 예컨대 산란(scatter)과 같이 반사되어 빔 지향기(103)로 되돌아 올 수 있어서(실선 화살표로 표현됨), 광 감지기(104)에 의해 수신된다. 프로세싱 유닛(105)은 광원의 동작을 제어하기 위해 광원(102)에 작동상 결합된다. 프로세싱 유닛(105)은 또한 빔 지향기(103)로 되돌아오는 반사광에 대한 왕복 시간을 결정함으로써 반사면과의 거리를 결정하기 위해 광 감지기(104)에 작동상 결합된다.

일 변형례에서, 광원(102), 빔 지향기(103), 광 감지기(104) 및 프로세싱 유닛(105)은 실질적으로 병치될(collocated) 수 있다. 예컨대, 자동 차량 응용에서, 병치는 이 구성들로 하여금 차량의 좁은 공간 내에 또는 단일 하우징에 조밀하게 패키징되는 것을 가능케 한다. 다른 변형례에서(도시되지 않음), 광원(102), 광 감지기(104) 및 프로세싱 유닛(105)은 실질적으로 "중앙(central)" 유닛 내에 병치되는데, 여기서 빔 지향기(103)는 중앙 유닛(central unit)(101)과 원격이다. 이 변형례에서, 중앙 유닛(101)은 하나 또는 그 이상의 광섬유들(106)을 통해 원격 빔 지향기(103)와 광학상 결합된다. 이 예시는 (수동 교차-분산 광학계와 같은) 수동 소자들만을 포함할 수 있는 원격 빔 지향기(103)가 더 가혹한 환경에 놓이는 것을 가능케 하는데, 열, 습기, 부식 또는 물리적 피해와 같은 외부 손상들에 덜 민감하게 되기 때문이다. 또다른 변형례에서(도시되지 않음), 공간적 프로파일링 시스템은 단일 중앙 유닛과 복수의 빔 지향기들을 포함할 수 있다. 복수의 빔 지향기들 각각은 각각의 광섬유들을 통해 중앙 유닛에 광학적으로 결합될 수 있다. 다중 빔 지향기들은 상이한 위치들에 배치되거나 및/또는 상이한 시야 방향으로 지향될 수 있다(예컨대 차량의 4개 모서리에). 달리 특정되지 않는 한, 이하의 설명은 병치된 변형례를 언급하나, 당업자라면 간단한 수정만으로 이하의 설명들이 다른 변형례들에도 적용가능함을 이해할 것이다.

일 배치에서, 광원(102)은 다중 파장 채널들(각각은 각각의 중심 파장 λ₁, λ₂ , ... λ_N로 표현됨) 중의 선택된 하나에서 시변(time-variant) 강도 프로파일을 가지는 출력광을 제공하도록 구성된다. 도 2는 그러한 광원(102)의 일 배치의 예시를 도시한다. 이 예시에서, 광원(102)은 파장-조절가능(wavelength-tunable) 광원을 포함하는데, 파장-조절가능 레이저 다이오드와 같은 것이고, 레이저 다이오드에 적용되는 하나 또는 그 이상의 전류들(예컨대 레이저 공명에서 하나 또는 그 이상의 파장 조절 소자들로 들어가는 주입 전류)에 기초하여 조절가능한 파장의 빛을 제공한다. 다른 예시에서, 광원(102)은 광대역 광원과 선택된 파장에서 실질적으로 연속파(continuous-wave, CW) 광도를 제공하는 조절가능한 스펙트럼 필터를 포함할 수 있다.

도 2의 예시에서, 광원(102)은 출력광 상에 시변 강도 프로파일을 부여하기 위한 모듈레이터(modulator)(204)를 포함할 수 있다. 일 예시에서, 모듈레이터(204)는 반도체 광학 증폭기(semiconductor optical amplifier, SOA)이거나 마하-젠더 모듈레이터(Mach Zehnder modulator)로 레이저 다이오드에 집적된(integrated) 것이다. SOA에 인가되는 전류는 시간에 따라 변화할 수 있어서 시간에 따라 레이저에 의해 생성되는 CW 광의 증폭을 변화시키고, 이것은 다시 시변 강도 프로파일을 가진 출력광을 제공한다. 다른 예시에서, 모듈레이터(204)는 레이저 다이오드로의 (마하-젠더 모듈레이터나 외부 SOA 모듈레이터와 같은) 외부 모듈레이터이다. 또다른 예시에서, 집적된 또는 외부 모듈레이터를 포함하는 대신에, 광원(102)은 출력광에 시변 강도 프로파일을 부여하기 위해 여기 전류(excitation electrical current)가 제어가능하게 주입되는 이득 매질(gain medium)을 포함하는 레이저를 포함할 수 있다.

다른 배치에서(도시되지 않음), 파장-조절가능 레이저(202)를 갖는 대신, 광원(206)은 파장-조절가능 필터가 뒤따르는 광대역 레이저를 포함한다. 또다른 배치에서(도시되지 않음), 광원(206)은 복수의 레이저 다이오드들을 포함하는데, 각각은 각각의 범위에 걸쳐 파장-조절가능하고 그 각각의 출력들이 조합되어 단일 출력을 형성한다. 각각의 출력들은 광학 스플리터(optical splitter)나 AWG와 같은 파장 조합기를 사용하여 조합될 수 있다.

광원(102)은 복수의 파장 채널들 중의 선택된 하나 또는 그 이상에서 빛을 제공하도록 구성된다. 일 배치에서, 광원(102)은 파장-조절가능 레이저와 같이 한 번에 단일의 선택된 파장 채널을 제공한다. 이 배치에서, 설명된 시스템(100)은 한 번에 하나의 선택된 파장 채널에 기초한 특정 방향으로 빛을 조정(steer)하는 것이 가능하다. 다른 배치에서, 광원(102)은 조절가능 필터가 뒤따르는 광대역 소스와 같은, 단일 또는 다중의 선택된 파장 채널들을 제공하고, 그 조절가능 통과 밴드는 단일 또는 다중의 선택된 파장 채널들을 포함한다. 한 번에 하나의 선택된 파장 채널이 사용되는 경우, 광 감지기(104)는 다중 파장 채널들의 범위 내에서 임의의 파장을 감지하는 애벌란시 광다이오드(avalanche photodiode, APD)를 포함할 수 있다. 한번에 복수의 선택된 파장 채널들이 사용되는 경우, 광 감지기(104)는 각각이 특정 파장 채널들에 맞춰진 복수의 APD를 사용하는 것처럼 파장-감응 감지기 시스템을 포함할 수 있거나, 또는 각각의 채널이 그들의 시변 특성(예컨대, 각각 1550.01, 1550.02, 1550.03 nm ... 채널들에 대응하는, 21 MHz, 22 MHz, 23 MHz ...의 모듈레이션 주파수와 같은 상이한 사인파형 모듈레이션에 기초하는)에 기초하여 구별가능하게 감지가능한 다중 파장 채널들을 위한 단일 APD를 사용할 수 있다. 이하의 설명에서는 한 번에 단일한 선택된 파장 채널을 제공하는 것에 의해 빛의 방향을 연관시키나, 당업자라면 간단한 수정만으로 이하의 설명들이 한 번에 복수의 선택된 파장 채널들을 제공하는 것으로 빛의 방향을 연관시키는 데에도 적용가능함을 이해할 것이다.

파장-조절가능 레이저(202)(예컨대 그 파장) 및 모듈레이터(204)(예컨대, 모듈레이팅하는 파형) 모두와 같은 광원(102)의 동작은, 프로세싱 유닛(105)에 의해 제어될 수 있다.

도 3a는 도 1의 공간적 프로파일링 시스템의 예제(300)를 도시한 것이다. 이 예시에서, 시스템(300)은 출력광(301)을 광원(102)으로부터 빔 지향기(103)로 전송하고 반사광(303)을 빔 지향기(103)로부터 광 감지기(104)로 전송하도록 구성된 광 전송 어셈블리(302)를 포함한다. 광 전송 어셈블리(302)는 광섬유나 광회로와 같은 광학 도파관(waveguide)을 2D나 3D 도파관들의 형태로 포함한다. 광원(102)으로부터의 출력광은 환경으로 지향시키기 위하여 빔 지향기(103)에 제공된다. 일부 실시예에서, 빔 지향기(103)에 의해 수집된 임의의 반사광이 추가적으로 광 감지기(104)로 지향될 수 있다. 일 배치에서, 광 혼합 감지를 위해, 광원(102)으로부터의 빛은 또한 광원(102)으로부터 광 감지기(104)로의 직접 광 경로(도시되지 않음)을 통해 광학 프로세싱 목적으로 광 감지기(104)로 제공된다. 예컨대, 광원(102)으로부터의 빛은 먼저 샘플러(예컨대 90/10 가이드된-광학 커플러)로 진입하여, 여기서 대부분(예컨대 90%)의 빛이 빔 지향기(103)로 제공되고 남은 샘플 부분(예컨대 10%)의 빛이 직접 경로를 통해 광 감지기(104)에 제공될 수 있다. 다른 예시에서, 광원(102)으로부터의 빛은 먼저 광학 스위치의 입력 포트로 진입하고 2개의 출력 포트들 중의 하나로부터 탈출하며, 여기서 프로세싱 유닛(105)에 의해 정해진 시간에, 하나의 출력 포트는 빛을 빔 지향기(103)로 지향시키고 다른 출력 포트는 빛을 광 감지기(104)로 재-지향시킨다.

광 전송 어셈블리(302)는 제1 포트로부터 수신된 출력광을 제2 포트로 결합하고 제2 포트로부터의 수신을 제3 포트로 결합하기 위한 3-포트 소자(305)를 포함한다. 이 3-포트 소자는 광학 서큘레이터(optical circulator) 또는 (4번째 포트가 쓰이지 않는) 2x2 결합기를 포함할 수 있다. 일 배치에서, 광 전송 어셈블리(302)는 제1 및 제2 선택된 파장 채널들에서 출력광(301)을 운반하기 위한 광원(102)과 빔 지향기(103) 사이의 나가는 가이드된-광 경로(outbound guided-optic route) 및 제1 및 제2 선택된 파장 채널들에서(같은 시간에 또는 다른 시간에) 반사광(303)을 운반하기 위한 빔 지향기(102)와 광 감지기(104) 사이의 들어오는(inbound) 가이드된-광 경로(303)를 포함한다. 가이드된-광 경로는 각각 광섬유 경로 또는 광 회로 경로 중의 하나일 수 있다.

일 배치에서, 도 3a에 도시된 것처럼, 빔 지향기(103)는 빔 확장 광학계(304)를 포함한다. 도 3b에 도시된 것처럼, 빔 확장 광학계(304)의 예시는 파장-가이드된 형태로부터 자유 공간 형태(314)로 출력광(301)을 제공하기 위한, 다단계 지표(graded-index, GRIN) 렌즈와 같은, 피그테일드 시준기(pigtailed collimator)(312)를 포함한다. 자유 공간 형태(314)에서의 빛은 공간 회절 광학에 따라 발산을 계속한다. 자유 공간 형태(314)에서의 빛이 가우시안 광도 분포(Gaussian intensity distribution)을 나타낼 때, 빛은 가우시안 회절 광학을 따른다. 빔 확장 광학계(304)는 또한 자유 공간 형태(314)에서 집속 소자(focussing element)(318)를 항해 빛을 수신 및 재귀-반사(retro-reflect)시키는 재귀반사기 어셈블리(316)를 더 포함한다. 재귀반사기 어셈블리(316)는 발산하는 빔(306)을 확장 시준된 빔(306)으로 파장 조정 소자(308)를 향해 집속하기 위해 집속 소자(318)의 초점 거리에 기초하여 조절가능하게 배치된다. 재귀반사기 어셈블리(316)를 사용하면 광학 정렬 기준을 완화하면서 광학 경로를 접는 것에 의해 차지하는 공간을 절감할 수 있다. 게다가, 재귀반사기 어셈블리(316)의 사용은 재귀반사기가 들어오는 광학 빔을 나가는 광학 빔과 평행하게 만들도록 설계되기 때문에 약간의 비정렬에 대해 각도의 공차를 제공한다. 도 3a를 다시 참조하면, 실선과 파선들은 상이한 선택된 파장 채널들에서의 확장된 빔들을 나타내며, 설명을 위해 다소 오프셋되도록 도시되었다. 실제로는 그들은 공간 안에서 실질적으로 또는 전체적으로 중첩되거나 중첩되지 않을 수 있다. 도 4d 내지 도 4g에서 실선과 파선도 유사한 것을 나타낸다.

제1 차원에 걸친 빔 지향

빔 지향기(103)는 또한 그 파장에 기초하여 빛의 각도상 분리를 제공하는 파장-조정 소자(wavelength-steering element)(308)를 포함한다. 파장-조정 소자(308)는 확장된 빔(306)을 그 파장에 따라 적어도 제1 방향(310A)과 제2 방향(310B)으로 제1 차원을 따라 지향시키도록 구성된다. 파장-조정 소자(308)가 편의상 블럭의 형태로 도식적으로 도시되었으나, 그 실제 형태는 다를 수 있고 도 4a 내지 4e에 도시된 것과 같은 회절 소자를 적어도 포함하고, 또는 도 5a에 도시된 것과 같은 파장 라우터를 포함할 수 있다. 파장 라우터를 포함하는 빔 지향기의 경우, 자유 공간으로의 전송 위치는 라우터 뒤로 이동될 수 있으며, 이 경우 확장 광학계(304)는 대응하여 라우터 뒤에 위치될 수 있다. 제1 방향(310A)은 제1 선택된 파장 채널 λ_A에서의 출력광에 대응한다. 제2 방향(310B)은 같은 차수의 제2 선택된 파장 채널 λ_B에서의 출력광에 대응한다.

도 4a 및 4b를 참조하면, y-축을 따라 회절축(401)을 가지고(예컨대 도 4a에 보여진 것과 같은 격자 선들의 방향에 의해 정의되는) x-축을 따라 d (404)의 주기성을 가지며 z-축을 따라 전파 성분을 가진 빛에 의해 입사되는 회절 소자(400)는 x-z 평면에 걸친 각 분산을 드러낸다. 각 분산은 다음과 같다:

m λ / d = sin(α) + sin(β) (식 1)

여기서 α는 z-축에 대한 입사각이고, β는 z-축에 대한 회절각이고, λ는 빛의 파장이고, m은 회절 차수(diffraction order)이다. 각각의 파장 채널은 중앙 파장(λ_A ... λ_B)에 중심을 두고 있고 상대적으로 작은 스펙트럼 폭을 점유하고 있는데, 모듈레이션 대역폭(modulation bandwidth)이나 광원 안정성과 같은 몇몇 요인들에 의존한다. 임의의 주어진 차수 m에 대하여, 각분산(angular dispersion) dβ / dλ = m sec(β) / d는 주기 d를 수정함으로써 맞춰진다. 예컨대, 각분산은 파장-조정의 바람직한 각도 스팬(angular span)에 대응하기 위하여 빛의 제어가능한 파장 범위에 매칭하기 위해 맞춰질 수 있다. 일반적으로, 주기 d가 짧을 수록, 각분산 dβ/dλ이 커지며, 주어진 각도 스팬에 대해 더 작은 파장 범위를 요구한다. 이 각분산은 임의의 0이 아닌 차수(즉 m ≠ 0)에 대하여 상이한 파장 채널들의 빛의 차수간 각도 분리(intra-order angular separation)를 드러내보인다.

도 4a는 다중 회절 차수 m = {+2, +1, 0, -1, -2}로 회절된 다중 파장 채널들(λ_A ... λ_B)을 포함하는 빛(306)의 수직 입사(즉 α = 0) 시나리오를 묘사한 것인 반면, 도 4b는 각도 상으로 분리된 광선((410) 및 (412))에 대응하는, 다중 회절 차수 m = {0, -1}로 회절된 단일 파장 채널(λ_A)을 포함하는 빛(408)의 비-직교 입사(즉 직교 입사 축(402)를 기준으로 α ≠ 0)의 시나리오를 묘사한다. 이하에서, 회절 소자(들)은 회절 격자의 용어들로 설명되지만, 당업자라면 파장-의존 회절이 가능한 임의의 다른 광학 소자들도 적용가능함을 알 수 있을 것이다. 예컨대 도 4a 및 4b에서 회절 축(401)은 각각 y-축을 따라 연장되고 x-축을 따라 주기 d로 이격되며, 빛이 x-y 평면에서 확장하는 격자 표면 상에 입사하는 것으로 정의된다. 편의상 도 4a와 도 4b 모두는 각각의 광선을 빔의 폭(beam width)을 나타냄 없이 선으로 도시하였다. 당업자라면 실제로는 광선이 특정한 빔 폭을 가짐을 인식할 것이다.

도 4c는 다중 회절 소자 (400A), (400B) 및 (400C)를 포함하는 파장-조정 소자(308C)의 예시를 도시한 것이다. 이 예시가 3개의 회절 소자들의 예시를 도시하고 있지만, 당업자라면 더 많거나(예컨대 4개) 더 적은(예컨대 2개) 회절 소자들이 사용될 수도 있음을 이해할 것이다. 각각의 추가적인 회절 소자는 추가적인 회절을 제공할 수 있으며, 따라서 상이하게 지향된 빔들의 더 큰 각도 분리가 된다. 별개의 회절 소자들의 사용은 또한 파장-조정 소자(308C) 설계에 더 큰 자유도를 부여한다(예컨대, 그레이징 입사(grazing incidence) 대신 수직 입사(normal incidence)를 향하는 각도들을 선택함으로써 반사-방지 코팅 기준을 완화함으로써). 그러나, 각각의 추가적인 회절 소자는 또한 감쇠(attenuation)를 증가시킬 수 있다(예컨대 격자의 유한한 회절 효율성을 통해). 회절 소자 (400A), (400B) 및 (400C)는 그 파장에 따라, 제1 차원을 따라 적어도 제1 방향(412A)과 제2 방향(412B)으로 확장된 빔(406)을 지향시키도록 구성된다. 제1 방향(412A)은 제1 선택된 파장 채널 λ_A에서의 출력광에 대응한다. 제2 방향(412B)은 같은 차수의 제1 선택된 파장 채널 λ_B에서의 출력광에 대응한다. 도 4c는 각각의 회절 소자가 하나의 회절 차수를 생성하는 것을 도시하고 있으나 실제로는 각각이 하나 또는 그 이상의 추가적인 차수들을 생성할 수도 있다. 각각의 회절 소자에서, 빔은 점증적으로 각도상 분산된다. 다중 회절 소자의 사용은 예컨대 단일 회절 소자의 배치와 비교하여 각 분리를 증가시킨다. 게다가, 다중 회절 소자들은 그들의 회절 평면이 광선을 단향성(unidirectional) 빔 경로로 돌리도록 배치된다(예컨대 격자 (400A), (400B) 그 후 (400C)를 통해 도 4d에 도시된 것처럼 시계방향으로, 또는 반시계방향으로).

단방향 빔 경로는 광 경로의 접힘(folding)을 용이하게 하여 파장-조정 소자(308)의 크기 따라서 전체적인 시스템 크기를 감소시킨다. 이 경로 접힘은 재귀반사기(316)에 의한 경로-접힘에 부가하여 그리고 함께 할 수 있다. 재귀반사기(316)와 파장-조정 소자가 협동하여 경로-접힘을 하면 공간을 절약하는 장점을 제공한다. 예컨대, 도 4g에 도시된 것처럼, 재귀반사기(316)와 파장-조정 소자(308E)의 조합은 S-형상 광 경로를 용이하게 하여 빔 지향기(103)를 통한 빛의 입출력이 반대 방향에 있도록 한다.

도 4d 및 4e는 파장-조정 소자(308D 및 308ㄸ)의 다른 예시들을 도시한 것이다. 각각의 파장-조정 소자들은 이 다른 예시에서 다중 회절 격자들과 다중 분산 소자들을 포함한다. 파장-조정 소자(308D)는 3개의 회절 격자 (400A), (400B) 및 (400C) 그리고 2개의 분산 소자 (414A) 및 (414B)를 포함한다. 파장-조정 소자(308E)는 2개의 회절 격자 (412A) 및 (412B) 그리고 2개의 분산 소자 (414A) 및 (414B)를 포함한다. 이 배치들에서, 하나 또는 복수의 분산 소자들은 공간-절약을 위해 하나 또는 그 이상의 다중 회절 소자들 사이에 배치되었다.

도 5a는 파장 라우터의 실시예를 도시한 것으로, 특히 입력 (복합) 포트와 M 출력 포트들 (인터리빙 포트들) 중의 하나 사이의 빛을 포팅(porting)하는 광 인터리버(800)의 형태의 스펙트럼 빗형 필터이며, 여기서 M = 2^x이고 x는 양의 정수이다. 도 5a에서, M은 8이다. 다른 배치에서, M은 2이거나 16일 수 있다. 광 인터리버(800)는 복수의 간섭 세그먼트(interferometric segment)(예컨대 802)를 포함하며 각각은 광학 경로 차이 ΔL을 가지는 2개의 간섭 경로들에 의해 분리되는 세그먼트의 각각의 단부들에 스플리터(804)를 포함한다. 브랜치(branch)의 각각의 세그먼트(802)는 다음 브랜치에서 2개의 세그먼트들로 분할된다. 광학 경로 차이는 한 브랜치에서 다음으로 넘어가면서 2배가 된다(예컨대 ΔL, 2ΔL, 4ΔL ... 등). 복합 포트(806)는 다중 파장 채널들의 모든 M번째 연이은 파장 채널들(예컨대 λ₁, λ_M+1, λ_2M+1, ...) 중의 임의의 하나에 빛을 수신하거나 제공하도록 구성된다. M 인터리빙 포트들(808)은 M개 그룹의 파장 채널들 중의 하나에 대응하는 빛을 각각 제공하고 각각 수신하도록 구성된다.

당업자라면, 광 인터리버 대신 또는 이에 더하여, Fabry-Perot 공조기나 Mach-Zehnder 간섭기와 같은 다른 형태의 스펙트럼 빗형 필터가 사용될 수 있고, 또는 하나 또는 그 이상의 배열 도파관 격자(arrayed waveguide gratings, AWGs), 에셀 디멀티플렉서(echelle demultiplexor)와 같은 다른 형태의 파장 라우터 또는 이 구성요소들의 임의의 조합이 가능함을 이해할 것이다.

다른 배치에서, 광 인터리버(800)를 사용하는 대신, 미소전자기계 시스템 또는 MEMS와 같은 하나의 반사성 소자 또는 어레이가 차원에 걸쳐 빛의 지향을 제공하도록 구성될 수 있다. 반사성 소자 하나 또는 어레이는 집속 및 확장을 위해 확장 광학계 예컨대 확장 광학계(304)로 빛을 지향하도록 구성될 수 있다. 이 배치는 광 인터리버(800)의 경우와 같은 이산 각도(discrete angle) 보다는 연속 각도에 걸쳐 조정을 용이하게 한다.

일부 실시예에서 파장 라우터의 M 포트들의 파장 채널들은 예컨대 통합된 관련 출원 PCT/AU2018/050961에 설명된 것과 같은, 인터리브된 파장 채널들의 M개 그룹일 수 있다. 일 예시에서, N 파장 채널들이 그들의 중심 파장 λ₁, λ₂, ... λ_N에 의해 지정되었을 때, 인터리브된 파장 채널들의 M개 그룹은 {λ₁, λ_M+1, ... λ_N-M+1}, {λ₂, λ_M+2, ... λ_N-M+2}, ... 및 {λ₁, λ_2M, ... λ_N}이다. 즉, 이 예시에서, 각각의 그룹은 균등하게 이격된 파장들의 채널(이 경우, 매 M 파장 채널들마다)을 포함하고, 모든 M 그룹이 동일한 간격을 갖는다. 다른 예시에서, 이웃하지 않은 파장 채널들은 인터리브 되지 않은 파장 채널들이지만, 여전히 λ₁에서 λ_N까지(예컨대 {λ₁, ... λ_M}, {λ₂, ... λ_N-2}, ... 및 {λ_M, ... λ_N-M}) 퍼져 있을 수 있다. 어느 쪽이든 간에, 각각의 인터리브된 파장 채널들의 그룹은 광원(102)의 조율가능한 범위인 거의 λ₁에서 λ_N까지 퍼져 있다.

따라서, 파장 라우터는 M개의 제2 포트들을 포함하며, 파장 채널들의 M개 그룹들에 대응하고, 각각의 제2 포트는 M/N 이웃하지 않은 채널들을 전달한다. 한 경우에, M과 N/M 중의 하나는 적어도 8, 16 또는 32이다. 이 경우는 빛이 적어도 8개, 16개 또는 32개 픽셀들(예컨대 도 2b에서 x축 또는 y축을 가로질러 8개, 16개 또는 32개의 점들을 생성하는)에 걸쳐 제1 및 제2 차원들 중의 하나를 가로질러 지향되는 빔 지향기에 대응한다. 예컨대, 이하에서 설명되는 배치에서, M은 8이다. 다른 예시에서, M은 16이다. 또다른 예시에서, M은 32이다.

더 작은 자유 스펙트럼 범위(free spectrum range, FSR)을 가진 광 인터리버는 제2 포트당 더 많은 파장 채널들을 전달한다. 한가지 경우에, FSR은 10 GHz를 넘지 않도록 설계된다. 다른 경우에, FSR은 5 GHz를 넘지 않도록 설계된다. 또다른 경우에, FSR은 1 GHz를 넘지 않도록 설계된다. 예컨대, 일 배치에서, FSR은 1 GHz이다.

제2 차원에 걸친 빔의 지향

도 4c 내지 4e에서, 모든 회절 소자들은 제1 차원(예컨대 x-축을 따라)에서의 각 분산(angular dispersion)을 야기하는 동일한 방향(예컨대 y-축을 따라)으로 정렬되는 그들의 회절축들을 가진다. 적어도 하나의 회절 소자를 회전시키거나 또는 각도상 조절함으로써(예컨대 그 광축이나 z-축을 중심으로) 그리고 따라서 그 회절 축을 회전시킴으로써(예컨대 x-y 평문에서), 광학 빔은 제1 차원(예컨대 x-축을 따르는)에 실질적으로 수직인 제2 차원에 걸쳐(예컨대 y-축을 따라) 지향된다. 게다가, 제2 차원을 따른 회전의 작동 주기를 향상시키기 위해, 적어도 하나의 회전가능한 회절 소자가 각도상 오프셋된 회절 축들을 가지고 복수의 회전가능한 회절 소자들을 포함하는 회절 어셈블리(이하에서 400X라고 지칭함)에 의해 교체된다. 남아있는 회전하지 않는 회절 소자들은 제1 차원에 대한 다른 회절 어셈블리를 형성하며, 제2 차원에 대한 회절 어셈블리(400X)와 광학상 결합된다. 당업자라면, "회전(rotation)"이나 "회전하는(rotating)"을 지칭하는 것이 임의의 형태의 각도상 조절을 포함하고 필수적으로 예컨대 계속적이나 연속적 회전하는 소자들을 의미하는 것이 아님을 이해할 것이다.

일 배치에서, 도 4f에 도시된 바와 같이, 파장-조정 소자(308F)는 회절 소자(400C)가 각도상 오프셋도니 회절 축 (424) 및 (426)을 가지는 2개의 회절 소자 (420)과 (422)를 포함하는 회절 어셈블리(400X)로 교체되었다는 점을 제외하고는 파장-조정 소자(308D)와 유사하게 배치된다. 2개의 회절 소자 (420) 및 (422)는 회절 축 (424) 및 (426)에 수직인 공통의 회전 축(428)을 중심으로 공동-회전(즉, 동일한 속도 및 동일한 회전 방향으로)하도록 구성된다. 각도상 오프셋은 회절 소자 (420) 및 (422)로 하여금 제2 차원에 걸쳐 빛을 연이어 회절하도록 해준다. 일 배치에서, 회절 축 (424) 및 (426)은 서로 간에 최대한 각도상 오프셋된다(즉, 도시된 경우처럼 2개의 회절 소자들인 경우에는 90도로). 회절 축들 사이의 각도상 오프셋을 최대화함으로써, 연이은 회절은 제2 차원에 걸친 회절의 작동 주기를 최대화하여, 회절 어셈블리(400X)의 적어도 하나의 회절 소자가 회절 문턱값을 넘는 것과 같은 충분한 각도상 분산을 제공하며, 반면 다른 회절 소자는 거의 또는 전혀 분산을 제공하지 않는다. 게다가, 주기 d는 제2 차원에 따른 회절 문턱값 너머로 회절의 작동 주기가 최대화되도록 최적화될 수 있다. 복수 회절 소자들을 최대로 각도상 오프셋된 회절 축으로 사용하면 제2 차원에 대한 광학 빔 지향의 작동 주기가 약 60% 에서 100% 가까운 수준으로 증가시켜, 지향된 빛이 회절 문턱값(diffraction threshold) 밑으로 떨어지는 순차적인 회절에서의 임의의 갭(gap)들을 감소시킨다는 사실을 발견하였다. 회절 문턱값은 특정 회절 조건(들)에 대응한다. 일 배치에서, 회절 문턱값은 (식 1)이 해(solution)를 갖지 않고 따라서 회절을 달성하지 않는 회전 사이클의 한 부분(들)과 같은, 비-회절 조건에 대응한다. 다른 배치에서, 회절 문턱값은 (a) 최소 필요 각도 스팬 및/또는 (b) 최소 필요 출력 광전력 또는 회절 투과율 중의 하나 또는 그 이상과 같은 최소 측정 집합에 대응한다. 예컨대, 회전 문턱값은 수평축에서 ±60도 수직축에서 ±15도의시야에서 200 미터 범위를 감지하는 광 전력을 출력을 가지고 지향되는 빛에 대응한다. 회절 문턱값은 공간적 프로파일링 시스템이 상기 사양 내에서 수행하는 작동 시간의 일부분이 되는 작동 주기를 정의한다.

당업자라면, 회절 축들이 회전 사이클 동안 충분한 회절을 유지하기 위하여 최대 각도상 오프셋 미만일 수 있음을 이해할 것이다(예컨대 도시된 2개 회절 소자의 경우 85, 80 또는 75도). 게다가, 당업자라면 복수의 회절 소자들 (420) 및 (422)이 공통 회전 축(428) 중심으로 공동-회전하는 대신, 서로 간에 그 회전 축을 중심으로 독립적으로 회전할 수 있음을 이해할 것이다. 다른 배치에서(도시되지 않음), 회절 어셈블리(400X)는 3개 회절 소자들과 같이 2개 이상의 회절 소자들을 포함할 수 있는데, 이 경우 서로 간의 최대 각도상 오프셋은 60도이다.

다른 배치에서, 회절 소자(400C)나 회절 어셈블리(400X)는 2D 단일 회절 소자(400Y)로 교체될 수 있는데, 예컨대 도 4g의 (1)에 도시된 것과 같은 2D 격자이다. 직선 모양 패턴이 한 방향을 따라 주기적으로 반복되는 종래의 1D 회절 격자와 달리, 설계된 2차원 프로파일이 2D 격자(400Y)를 위해 제작되어 주기성이 2차원에 걸쳐 반복된다.

2차원 프로파일은 단일 격자 내에 복수의 회절 축들을 만들며, 1D 회절 격자의 단일 회절 축과 다른 점이다.

일부 실시예에서, 설계된 이차원 프로파일이 각도 범위에서 격자의 효율을 증가 또는 최대화하거나 및/또는 작동 주기를 증가 또는 최대화하기 위해 선택된다. 최대화되는 효율은 제1 회절 차수에 대한 것일 수 있으며, 하나 또는 그 이상의 다른 회절 차수들의 최소화와 함께 조합하거나 단독일 수 있다. 활성 작동 주기 내의 각도 범위는 공간적 프로파일링 시스템 내의 격자가 이동하는 각도 범위에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 각도의 범위는 360도에 근접하는데, 예컨대 격자가 그 회전 축을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 스핀(spint)하는 (한 방향 또는 다른 방향으로의 스핀을 포함) 것에 의해 격자가 회전하는 실시예이다. 다른 실시예에서 각도 범위는 360도 보다 작을 수 있다.

일부 실시예에서 회전 축은 격자 표면에 직교하는 것일 수 있다. 다른 실시예에서 회전 축은 격자 표면에 직교하는 선으로부터 오프셋될 수 있는데, 그런 경우 격자는 스피닝 동안 흔들릴 수 있다.

원하는 회절 차수가 효율적으로 최적화되는 각도 범위는 하나 또는 그 이상의 부분범위를 생략할 수 있다. 일부 실시예에서, 최적화는 대각행렬을 배제한다. 예컨대, 프로파일은 동시에 -40도 내지 +40도, 및 -50도 내지 +130도, 및 +140도 내지 +220도, 및 +230도 내지 310도의 각도 범위에 최적화 될 수 있다. 대각행렬을 배제하는 것은 행(row)과 열(column)로 형성된, 2차원 배열 형태의 격자 프로파일들에 응용을 가질 수 있다. 배제된 대각행렬들이나 다른 부분범위는, 제공될 경우, ±10도 보다 좁거나 넓을 수 있는데, ±1도에서 ±20도 또는 그 사이의 임의의 값일 수 있다.

일부 실시예에서, 설계된 이차원 프로파일은 예컨대 회절 어셈블리(400X)와 같이, 서로 간에 회전 오프셋된 2개의 종래 방식의 격자의 회절을 다시 만들거나 근사할 수 있다. 일 예시에서, 설계된 이차원 프로파일은 도 4g의 (1)에 도시된 것처럼 사각형 단면을 가진 기둥의 2D 주기성 반복일 수 있다. 다른 예시에서, 다른 토폴로지와 다양한 단면적 형상의 주기성 2D 패턴이 구현될 수 있는데, 예컨대 도 4g의 (2)(사각형 단면을 가진 주기성 홀의 2차원 토폴로지), 도 4g의 (3)(원형 단면을 가진 주기성 기의 2차원 토폴로지), 도 4g의 (4)(원형 단면을 가진 주기성 홀)에 도시된 것과 같은 것이다.

2D 격자의 제조 절차는 종래의 회절 격자와 유사할 수 있다. 일 실시예에서, 용융 실리카와 같은 유전체 재질의 기판 상에, 표면 인터페이스에 원하는 굴절률 변화를 만들기 위해 상이한 굴절률로 특성화된 재질의 여러 레이어들이 적층될 수 있다. 레이어의 숫자 및 두께의 최적화는 파장 범위, 입사각 그리고 원하는 빛의 회절 모드에 따라 변화하고 관련될 수 있다.

설계된 패턴은 유전체 기판 표면들 중의 하나에 에칭될 수 있다. 다른 실시예에서 패턴은 양 표면들에 적층(deposition)(또는 임의의 다른 적절한 기술로) 형성될 수 있다.

당업자는 패턴의 설계가 기둥/홀의 두께, 위치 및 단면을 통해 최적화될 수 있음을 이해할 것이다. 당업자는 또한 기판이 투과성이거나 반사성 물질이고 따라서 격자가 회절된 광학 빔을 각각 투과 혹은 반사할 수 있음을 이해할 것이다.

투과성 회절 격자의 일부 실시예에서, 반사-방지(anti-reflection, AR) 코팅이 2D 격자의 표면의 한 쪽 또는 양 쪽에 제공된다. 예컨대 설계된 패턴이 예컨대 적층 혹은 에칭에 의해 회절 격자의 한 쪽에 있을 때, AR 코팅은 기판의 다른 쪽 표면에 있을 수 있다. 일부 실시예에서 AR 코팅은 패턴의 적층 및/또는 에칭 이전에 기판의 한 표면 상에 이미 존재한다.

도 4g의 (1) 내지 (4)를 참조하여 앞에서 설명된 배치들이 사각형 어레이와 관련된 것이지만, 다른 실시예에서는 상이한 2D 프로파일들이 채택된다. 예컨대, 일부 실시예에서 프로파일은 극성 어레이(polar array)의 형태이다. 이에 더해, 기판의 지오메트리 형태, 예컨대 사각형이나 정사각형으로 묘사된 것도 상이할 수 있다. 예컨대 일부 실시예에서 기판은 디스크(disc) 형태일 수 있다.

도 5b는 광 인터리버(800), N 파장 조정 소자(308) 및 확장 광학계(304)를 포함하는 예시적인 빔 지향기(103)를 도시한 것이다. 파장 조정 소자(308)는 제1 차원에 걸쳐 공간적으로 오프셋된 각각의 인터리빙 포트들로부터 각각의 빛을 수신한다. 각각의 파장 조정 소자(308)는 빛을 제2 차원에 걸쳐(예컨대 페이지 안으로 그리고 밖으로) 지향시키는 반면, 확장 광학계(304)는 지향된 빛을 빔 지향기들(103)로부터 제1 차원에 걸쳐 더 지향되도록 (예컨대 페이지의 위 그리고 아래로) 움직인다. 파장 조정 소자들(308)은 각각 하나 또는 그 이상의 회절 소자들을 포함할 수 있는데, 예컨대 도 4a 내지 도 4f를 참조하여 설명된 것이다. 일부 실시예에서 하나 또는 그 이상의 회절 소자들은 여기에 설명된 것과 같은 회전 회절 소자를 포함한다. 일부 실시예에서, 회전 회절 소자는 상술한 것처럼 각도상 오프셋된 회절 축들 (424) 및 (426)을 가진 2개의 회절 소자 (420) 및 (422)를 포함하는 회절 어셈블리(400X)이다.

도 5c는 도 1의 빔 지향기(103)의 다른 실시예를 도시한 것이다. 광원(102)으로부터의 빛(501)은, 예컨대, N 파장 채널들 중의 선택된 하나를 포함한다. 광원(102)은 파장-조절가능 레이저일 수 있는데, 전자 제어 신호를 통해 원하는 파장 채널의 선택을 가능케 한다.

도 5c에 도시된 것처럼, 빔 지향기(103)는 파장 라우터(502)를 포함하고(예컨대 광 인터리버나 디멀티플렉서), 여기에 설명된 임의의 실시예의 파장 라우터와 유사하게 동작할 수 있다. 이 실시예에서 파장 라우터(502)는 빛을 장 공간으로 출력하는데, 예컨대 출력 포트들 (502-1) 내지 (502-M)으로부터 빛을 방출하고, 이 포트들은 파장 라우터(502)의 표면을 따라 또는 에지를 따라 위치된다. (502)의 출력 포트들은 라우팅된 빛을 제1 차원을 가로질러 지향시키도록 물리적으로 배치된다. 예컨대 빛은 제1 축을 따라 라우팅될 수 있는데, 예컨대 수직 방향일 수 있다.

출력 포트들로부터 확장하는 빛(503)은 파장 차원에 걸쳐 배치된 시준 소자에 의해 수신된다. 예컨대 파장 차원이 수직축이면, 시준 렌즈(504)는 수직 축을 가로질러 배치될 수 있다. 시준 렌즈(504)는 확장하는 빛을 수신하고 대응하는 시준된 빛(505)을 생성한다.

시준 렌즈(504)로부터의 시준된 빛(505)은 회절 소자, 예컨대 회전 격자(506)에 의해 수신된다. 다른 실시예에서 하나 이상의 격자를 포함하는 광학 서브-시스템이 시준된 빛(505)을 수신할 수 있는데, 예컨대 도 4a 내지 4f를 참조하여 설명된 임의의 배치들이다. 광격자 또는 광학 서브-시스템은 수신된 시준된 빛(505)을 제2 차원을 가로질러 나아가도록 구성된다. 광학 서브-시스템의 경우에, 제1 차원을 가로질러 나아가는 것은 광학 서브-시스템의 하나 또는 그 이상의 구성요소들에 의해 증가될 수 있다. 예컨대, 회전하는 격자를 가진 도 4f의 광학 서브시스템은 제1 및 제2 차원들 모두를 가로질러 나아가는 능력을 가지고 있다. 도 5c를 참조하면, A 방향으로의 격자(506)의 회전은 빛이 제2 차원을 가로질러 나아가도록 야기할 수 있고, 빛은 파장 라우터(502)에 의해 제1 차원을 가로질러 나아가게 된다. 일부 실시예에서 빔 확장 광학계도 포함되는데, 빔 확장 광학계(304)와 유사한 것이며, 예컨대 제1 차원을 가로지르는 조정 범위를 증가시키기 위한 것이다.

도 6a는 도 1의 빔 지향기(103)의 다른 실시예를 도시한 것이다. 광원(102)으로부터의 빛(601)은 예컨대 N 파장 채널들 중의 선택된 하나를 포함한다. 앞선 예시적인 실시예에서와 같이, 광원(102)은 파장-조절가능 레이저일 수 있는데, 전자 제어 신호를 통해 원하는 파장 채널의 선택을 가능케 한다.

빛(601)은 시준된 빛(603)을 생성하기 위하여, 빔 지향기(103) 또는 그 일부에 광학적으로 결합된 시준 렌즈(602)에 의해 수신된다. 시준된 빛(603)은 필터 소자 예컨대 파장 및/또는 각도 의존 광학 필터, 예컨대 박막 반사 필터(604)에 의해 수신된다.

반사 필터(604)로부터 반사된 빛은 거울(605)에 의해 수신되고, 거울(605)은 빛을 반사 필터(604)로 되돌려보낸다. 일부 실시예에서, 반사 필터(604)는 각도 의존적이고 거울(605)에 대해 배치되어 돌아오는 빛(606)은 시준된 빛(603)과 다른 각도로 반사 필터(604)에 의해 수신된다. 일 실시예에서, 거울(605)은 반사 필터(604)로부터 발산되도록 배치된다. 발산각은 약 5도, 약 10도 또는 약 20도 또는 그 사이의 임의의 각도일 수 있다. 반사 필터(604)에 의해 통과되는 다른 파장은 다른 각도들로, 고체상(solidstate) 시야를 만들어낸다. 출력의 해상도는 필터의 대역통과 범위의 함수이며(도 6a를 참조하여 논의된 예시에서는 0.45 nm였다) 거울에 대한 대역통과 필터의 각도의 함수이다.

도 6b는 도 6a의 반사 필터(604)로 사용되기에 적합할 수 있는, 예시적인 반사 필터의 특성을 보여주는 시뮬레이션 결과의 그래프이다. 이 그래프에서 보여지듯이 적어도 15도의 시야가 이 정보로부터 시뮬레이션된 C-밴드에 걸쳐 가능하였다.

도 6c는 반사 필터 및 거울 조합의 다른 실시예를, 대역통과 필터 웨지(700)의 형태로 도시한 것이다. 대역통과 필터 웨지(700)는 광학적으로 투명하거나 실질적으로 광학적으로 투명한 재질의 웨지-형상 본체(701)를 포함한다. 본체(701)는 반사방지 코팅으로 코팅될 수 있는 진입 영역(702)을 포함한다. 광원(102)으로부터 온 빛은 진입 영역(702)에서 대역통과 필터 웨지(700)로 진입한다. 대역통과 필터(703)가 웨지의 한쪽을 따라 제공되는데, 예컨대 미소구조 적층에 의한 것이며, 본 예시에서는 진입 영역(702) 반대편에 있다. 대역 통과 필터(703)는 앞에서 논의한 반사 필터(604)와 동일하거나 유사한 성질을 가지며, 필터 상에 입사하는 빛의 입사각에 따라 상이한 파장을 통과시킨다. 예컨대 거울 코팅과 같은 거울(704)이 대역통과 필터(703)의 웨지의 다른 편에 제공된다.

대안적인 실시예들에서, 반사 필터(604)와 대역 통과 필터(703)는 필터들의 어레이이고, 그럼으로써 인접한 필터들이 상이한 파장들을 통과시킨다. 이 대안적인 실시예들에서, 입사각은 필터와 거울 사이의 각각의 반사마다 변하거나 변하지 않을 수 있다.

제1 차원을 가로질러 광학 필터들에 의해 조정되어 온 빛(607)은 다른 조정 소자에 의해 수신될 수 있고, 제2 차원을 가로질러 빛을 조정할 수 있다. 예컨대 빛(607)은 회전 격자(608)에 의해 수신될 수 있다. 회전 격자(608)는 도 5c를 참조하여 설명된 회전 격자(506)와 유사한 방식으로 작동할 수 있다.

일부 실시예에서, 회전 격자의 회전 제어는 도 1의 프로세싱 유닛(105)에 의한다. 프로세싱 유닛(105)은 제어 신호를 모터 또는 마이크로모터에 제공하는데, 예컨대 DC 마이크로모터이다(도시되지 않음). 프로세싱 유닛(105)은 그러므로 모터 제어기로서 작동한다. 일부 실시예에서 제어는 단순히 ON 또는 OFF인데, 회전 격자가 회전하거나 회전하지 않도록 하는 것이다. 다른 실시예들에서, 회전의 속력은 상이한 관련된 회전 속력들을 가진 2개 또는 상이한 선택가능한 모드들 사이에서 제어될 수도 있다. 프로세싱 유닛(105)의 기능들은 프로세싱 장치에 중앙화되거나 복수의 프로세싱 장치들로 분산되고 그 장치들 간의 적절한 커뮤니케이션을 가지는 컴퓨터 하드웨어에 의해 수행될 수 있다.

일부 실시예에서 회전 격자의 회전 위치는 위치 센서에 의해 측정되거나 모니터링된다. 일 예시에서 암호화된 광학 디스크가 격자와 함께 회전하고 광학 센서인 센서에 의해 측정되어, 격자의 회전 위치를 나타내는 신호를 제공한다. 다른 예시에서 자기 또는 전자기 소자가 격자와 함께 회전하고 센서는 홀 효과 센서(Hall effect sensor)이며, 격자의 회전 위치를 나타내는 신호를 생성한다. 또다른 예제에서 센서는 격자를 통해 빛의 0차 차수의 강도를 측정하며, 이것은 격자의 회전 위치와 관련된다. 도 4b를 참조하면, 광학 강도 센서(450)는 m = 0 경로를 따라 위치될 수 있다. 다른 예시에서, 격자는 센서에 의해 탐지가능한, 하나 또는 그 이상의 위치표지자(fiducial marker)들(예컨대 격자, 격자 패턴, 격자 상에 또는 그 내부에 배치되는 자기 소자 등에 표시된 마킹)을 포함한다. 신호는 그 후 프로세싱 유닛(105)으로 전해지며, 그 프로세싱이 부분적으로 신호에 기초한다. 예컨대, 프로세싱 유닛(105)(또는 다른 컴퓨터 시스템)은 신호값을 시스템으로부터 온 빛의 각분산과 연관시키는 정보를 가지거나 또는 정보에 접속하는 미리 프로그램된 것일 수 있으며, 공간 프로파일이 프로세싱 유닛(105)에 의해 또는 예컨대 프로세싱 유닛(105)으로부터 관계있는 데이터를 수신하는 다른 컴퓨터 시스템에 의해 구축되는 것을 가능케 한다.

일 배치에서, 파장 채널 선택에 기초한 제1 차원을 따른 각도 스팬은 약 30도이며, 반면 회절 어셈블리(400X)의 회전에 기초한 제2 차원을 따른 각도 스팬은 약 90도이다. 도 7은 본 발명에 따른 광학 빔 지향기의 배치에 의해 입력 광학 빔이 조정으로부터 얻어지는 시뮬레이션된 시야(900)를 도시한 것이다. 도 7의 시야는 개별 지점들로 만들어진 것이며 각각은 입력 광학 빔이 나아가는(steered) 방향을 나타낸다. 이 지점들은 상당히 미세하여 도 7에서 연속 패치인 것처럼 보여진다. 지점들의 상이한 그룹들 (902), (904) 및 (906)은 격자 회전 각도들의 상이한 범위들을 나타낸다. 예컨대, 그룹 (902) 및 (906)은 각각 수평 시야(즉 제2 차원에 걸친)의 어느 한계 근처의 광학 빔 방향을 얻는 격자 회전 각도들을 나타내며, 반면 그룹 (904)는 수평 시야(즉 제2 차원에 걸친) 중심 근처 방향의 광학 빔 방향을 얻는 격자 회전 각도들을 나타내고, 각각의 그룹 내에서, 개별 지점은 수직 시야(즉 제1 차원에 걸친)를 만드는 개별 파장 채널들을 나타낸다. 실질적으로 사각인 아웃라인(912)는 실질적으로 사각인 시야를 표시한다. 게다가, 아웃라인(912)은 또한 회절 문턱값을 만족하는 격자 회전 각도들과 파장 채널들을 느슨하게 표시하기도 한다. 아웃라인(912) 바깥은 회절 문턱값을 만족하지 않는 그룹들 (908) 및 (910)이다.

회절 격자에 대해 (투과에 의해 측정되는) 가장 효율적인 회절은 입사각이 리쓰로 각(Littrow angle)과 동일할 때에 발생한다. 입사각이 이 각도로부터 멀어지면서(예컨대 제1 차원에 걸친 빔 방향 및/또는 회절 어셈블리의 회전 때문에) 회절 효율이 감소한다. 도 8은 제1 차원을 따른 각도 스팬의 (리쓰로 각도에 대한) ±15도 사이의 입사각 대 다양한 각도에서의 일 배치의 회절 효율을 도시한 것이다. "에지" 파장 채널들(즉 약 -15도에서 약 +15도의 제1 차원을 따른 각도 스팬의 한계에 대응하는 파장 채널들)은 에지가 아닌 파장 채널들보다 회절 효율 따라서 범위 면에서 더 나쁜 경향이 있다. 에지 파장 채널들에 대한 회절 효율을 향상시키기 위하여, 회절 소자들의 주기 d가 조절될 수 있다. 주기 d는 회절 효율 따라서 범위를 최대화하도록 최적화될 수 있다. 예컨대, 도 8은 주기 d를 600 라인/mm에서 800 라인/mm로 증가시켰을 때 에지 파장 채널들의 회절 효율이 약 30~40%에서 약 80~90%로 향상되는 것을 도시한 것이다.

이제 본 발명의 배치가 설명되었으며, 당업자에게는 설명된 배치들이 다음과 같은 하나 또는 그 이상의 장점들 중의 적어도 하나를 가짐이 명백할 것이다:

● 다중 회절 분산 소자들을 각도상 오프셋된 회절 축들과 함께 활용함으로써 회절의 작동 주기가 향상된다.

● 증가된 작동 주기는 시야의 보윙(bowing)의 워핑(warping)을 감소시킨다.

● 제조 비용 감소.

● 용이해진 장착 및 정렬 절차. 격자의 파손 및 손상 위험 감소.

본 명세서에 개시되고 정의된 발명은 설명 및 도면에 언급되거나 그로부터 명백한 2개 또는 그 이상의 개별 특성들의 모든 대체 조합들로 확장됨을 이해할 수 있을 것이다. 모든 이러한 상이한 조합들은 본 발명의 다양한 대안적인 측면들을 구성한다.

Claims

광학 빔 지향기로서,
광학 빔의 하나 또는 그 이상의 선택된 파장 채널들 각각에 기초하여 제1 차원에 걸쳐 하나 또는 그 이상의 복수의 방향들로 광학 빔을 지향시키도록 구성된 제1 회절 어셈블리(first diffractive assembly); 및
복수의 회절 소자들을 포함하는 제2 회절 어셈블리;를 포함하고,
각각의 회절 소자들은:
그 회절 축이 적어도 하나의 다른 회절 소자의 회절 축으로부터 각도상 오프셋(angularly offset)되도록 배향되고; 그리고
제1 차원에 실질적으로 직교하는 제2 차원에 걸친 광학 빔의 지향을 용이하게 하기 위하여 그 회절 축에 수직한 회전 축을 중심으로 회전가능한; 광학 빔 지향기.
제1항에 있어서,
복수의 회절 소자들은 공통의 회전 축을 중심으로 공동으로 회전가능한, 광학 빔 지향기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
복수의 회절 소자들은 그들의 회절 축들이 각도상 최대로 오프셋되도록 배향되는, 광학 빔 지향기.
제3항에 있어서,
복수의 회절 소자들은 그들의 회절 축들이 서로 간에 90도로 각도상 오프셋되는 2개의 회절 소자들을 포함하는, 광학 빔 지향기.
제3항에 있어서,
복수의 회절 소자들은 그들의 회절 축들이 서로 간에 60도로 각도상 오프셋되는 3개의 회절 소자들을 포함하는, 광학 빔 지향기.
앞선 항들 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 회절 소자들은 복수의 회절 소자들의 회전에 있어서, 제2 차원에 따른 회절 문턱값(diffraction threshold) 이상으로 광학 빔을 순차적으로 회절시키도록 구성되는, 광학 빔 지향기.
제6항에 있어서,
복수의 회절 소자들은 복수의 회절 소자들의 회전에 있어서, 제2 차원에 따른 회절 문턱값 이상으로 광학 빔 지향의 작동 주기를 최대화하기 위해 최적화된 주기성을 가지는, 광학 빔 지향기.
제6항 또는 제7항에 있어서,
회절 문턱값은 비-회절 조건에 대응하는, 광학 빔 지향기.
제6항 또는 제7항에 있어서,
회절 문턱값은 최소 측정 집합(minimum set of metrics)에 대응하고, (a) 최소 필요 각도상 스팬(angular span) 및 (b) 최소 필요 출력 광전력(output optical power) 중의 어느 하나 또는 둘 다를 포함하는, 광학 빔 지향기.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
주기성은 제1 차원을 따른 각도상 스팬의 한계들에 대응하는 에지 파장 채널들(edge wavelength channels)에서의 회절 효율을 증가시키도록 더 구성되는, 광학 빔 지향기.
앞선 항들 중 어느 한 항에 있어서,
제1 회절 어셈블리는 제1 차원에 걸쳐 광학 빔을 지향시키기 용이하도록 그(들)의 광 축(들)을 중심으로 회전가능하지 않은 하나 또는 그 이상의 추가적인 회절 소자들을 포함하는, 광학 빔 지향기.
앞선 항들 중 어느 한 항에 있어서,
제1 차원 및 제2 차원을 가로지르는 시야에 걸쳐, 제2 회절 어셈블리는 적어도 80% 또는 적어도 90% 또는 적어도 95%의 작동 주기를 가지는, 광학 빔 지향기.
광학 시스템으로서:
하나 또는 그 이상의 빔들의 복수의 파장들을 포함하는 빛을 제1 차원 및 제2 차원에 걸친 깊이 차원(depth dimension)을 가지는 환경으로 지향시키도록 구성된 광학 구성요소들로서, 제2 차원은 제1 차원에 실질적으로 수직하고, 상기 광학 구성요소들은:
빛을 수신하기 위한 제1 광학 서브시스템으로서, 제1 광학 서브시스템은 분산 소자, 회절 소자 및 반사 소자들 중에서 선택된 복수의 소자들을 포함하고, 복수의 소자들은 파장에 기초하여 제1 차원에 걸쳐 수신된 빛을 지향시키는 구성으로 배치되는, 제1 광학 서브시스템; 및
제1 차원에 걸쳐 지향된 빛을 수신하는 제2 광학 서브시스템으로서, 제2 광학 서브시스템은 광학 빔을 제2 차원에 걸쳐 지향시키는 것을 용이하게 하기 위한 회절 축에 수직한 회전 축을 중심으로 회전가능한, 적어도 하나의 회절 소자를 포함하는 제2 광학 서브시스템;을 포함하는 광학 구성요소들; 및
광학 구성요소들로부터의 빛에 대응하여 환경으로부터 되돌아온 빛을 위한 수신기로서, 되돌아온 빛은 제1 차원 및 제2 차원에 걸친 깊이 차원의 결정을 위한 정보를 포함하는, 수신기;를 포함하는, 광학시스템.
제13항에 있어서,
제1 광학 서브시스템의 복수의 소자들 각각은 서로에 대하여 위치 및 방향이 실질적으로 고정되어 있는, 광학 시스템.
제13항 또는 제14항에 있어서,
제1 광학 서브시스템은 각도 의존 대역통과 필터를 포함하고, 각도 의존 대역 통과 필터에서 하나의 파장 채널은 반사되고 다른 인접한 파장 채널은 통과되며, 채널들 사이의 각도상 차이를 만들어내는, 광학 시스템.
제15항에 있어서,
제1 광학 서브시스템은 수신된 빛의 적어도 일부분을 대역통과 필터의 상이한 통과-대역들에 대응하는 상이한 각도들로 대역통과 필터로 여러번 지향시키도록 구성되는, 광학 시스템.
제16항에 있어서,
제1 광학 서브시스템의 구성은 평행이 아닌 방향으로 대역통과 필터에 면하는 거울을 포함하는, 광학 시스템.
제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 광학 서브시스템은:
제2 차원에 걸친 광학 빔 지향과 관련된 문턱값을 초과하는 회절에 영향을 미치는 위치들의 제1 집합 및 상기 문턱값을 초과하는 회절에 영향을 미치지 않는 위치들의 제2 집합을 통해 회전가능한 제1 회절 소자; 및
상기 문턱값을 초과하는 회절에 영향을 미치기 위해, 제1 회절 소자가 적어도 위치들의 제2 집합에 있을 때, 광학 시스템 내에서 배향되는 제2 회절 소자;를 포함하는, 복수의 회절 소자들을 포함하는, 광학 시스템.
제18항에 있어서,
제1 회절 소자 및 제2 회절 소자를 동기식으로 회전시키도록 구성된, 광학 시스템.
제19항에 있어서,
실질적으로 동일한 회전축을 중심으로 제1 회절 소자 및 제2 회절 소자를 회전시키도록 구성된, 광학 시스템.
제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 광학 서브시스템은 투과성 이차원 프로파일 격자 또는 반사성 이차원 프로파일 격자를 포함하는, 광학 시스템.
제21항에 있어서,
이차원 프로파일 격자는 제1 회절 축과 제1 회절로부터 각도상 오프셋되어 제1 회절 축을 실질적으로 횡단하는 제2 회절 축을 포함하는, 광학 시스템.
제22항에 있어서,
이차원 프로파일 격자는 제1 회절 축과 제2 회절 축 모두의 제1 회절 차수를 최적화하는 프로파일을 가지는, 광학 시스템.
제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
이차원 프로파일 격자는 격자를 가로질러 분포된 이산 회절 소자들(discrete diffracting elements)을 포함하고, 이산 회절 소자들은 제1 차원을 가로질러 그리고 제1 차원과 상이하고 제1 차원으로부터 각도상 오프셋된 제2 차원을 가로질러 주기적으로 분포되는, 광학 시스템.
빛을 2개 차원들에 걸친 깊이 차원을 가진 환경으로 지향시키는 광학 시스템으로서, 상기 2개 차원들은 제1 차원 및 제1 차원과 실질적으로 수직인 제2 차원을 포함하고, 상시 시스템은:
파장에 기초하여 제1 포트로부터 복수의 제2 포트들 중의 하나로 빛을 라우팅하는 파장 라우터(wavelength router)로서, 제2 포트들은 환경의 제1 차원과 연관된 자유 공간의 파장 차원(wavelength)을 가로질러 라우팅된 빛을 지향하도록 구성되는, 파장 라우터;
파장 차원을 가로질러 배치되고 제2 포트들로부터의 빛을 각각의 광학 빔들로 시준하도록 구성되는 시준 소자(collimating element);
시준 소자로부터 빛을 수신하고 수신된 빛의 방향이 환경의 제2 차원을 가로지르도록 야기하도록 구성되는 회전 회절 소자로서, 제2 차원을 가로지르는 방향은 회전 회절 소자의 회전상 위치(rotational position)에 기초하는, 회전 회절 소자; 및
환경으로부터 되돌아 온 빛을 수신하는 수신기로서, 되돌아 온 빛은 제1 차원 및 제2 차원에 걸친 깊이 차원의 결정을 위한 정보를 포함하는, 수신기;를 포함하는, 광학 시스템.
제25항에 있어서,
이웃하지 않는 파장 채널들을 선택하는 파장 선택기를 더 포함하고, 파장 선택기와 파장 라우터는 이웃하지 않는 파장 채널들의 그룹을 각각의 복수의 제2 포트들로 지향시키도록 구성되는, 광학 시스템.
제25항 또는 제26항에 있어서,
파장 선택기는 10 GHz를 초과하지 않는, 또는 5 GHz를 초과하지 않는, 또는 1 GHz를 초과하지 않는 자유 스펙트럼 범위를 가지는, 광학 시스템.
제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
회전 회절 소자는 제1 회절 축을 구비하고, 상기 광학 시스템은 제1 회절 축으로부터 각도상 오프셋된 제2 회절축을 가진 추가적인 회전 회절 소자를 포함하며, 회전 회절 소자들은 조합하였을 때 제2 차원에 걸쳐 빛을 지향시키는 작동 주기가 회절 소자들 중의 오직 하나만의 작동 주기에 비해 증가하는, 광학 시스템.
제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
회전 회절 소자는 투과성 이차원 프로파일 격자 또는 반사성 이차원 프로파일 격자를 포함하는, 광학 시스템.
제29항에 있어서,
이차원 프로파일 격자는 제1 회절 축과 제1 회절 축으로부터 각도상 오프셋되어 제1 회절 축을 실질적으로 횡단하는 제2 회절 축을 포함하는, 광학 시스템.
제30항에 있어서,
이차원 프로파일 격자는 제1 회절 축과 제2 회절 축 모두의 제1 회절 차수를 최적화하는 프로파일을 가지는, 광학 시스템.
제29항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
이차원 프로파일 격자는 격자를 가로질러 분포된 이산 회절 소자들을 포함하고, 이산 회절 소자들은 제1 차원을 가로질러 그리고 제1 차원과 상이하고 제1 차원으로부터 각도상 오프셋된 제2 차원을 가로질러 주기적으로 분포되는, 광학 시스템.
기판 상의 2차원 패턴에 의해 특징지어지는 회절 소자를 포함하는 광학 빔 지향기로서, 2차원 패턴은 복수의 각도상 오프셋된 회절 축들을 가진 회절 소자를 제공하고, 회절 어셈블리의 기판은 광학 빔의 지향을 용이하게 하기 위하여 회전 축을 중심으로 회전가능한, 광학 빔 지향기.
제33항에 있어서,
복수의 광학 빔 지향기들을 포함하고, 제1 광학 빔 지향기는 제1 차원에 걸쳐 광학 빔의 지향을 용이하게 하고 기판 상의 2차원 패턴에 의해 특징지어지는 회절 소자를 포함하고, 제2 광학 빔 지향기는 제1 차원과 실질적으로 직교하는 제2 차원에 걸쳐 하나 또는 그 이상의 복수의 방향들로 광학 빔을 지향시키도록 구성되는, 광학 빔 지향기.
제33항 또는 제34항에 있어서,
회절 축들은 각도상 최대로 오프셋되는, 광학 빔 지향기.