KR20210029831A

KR20210029831A - 분산 모듈형 솔리드-스테이트 광 검출 및 거리 측정 시스템

Info

Publication number: KR20210029831A
Application number: KR1020217006391A
Authority: KR
Inventors: 마크 제이. 도노반; 래리 파비니; 민 두옹
Original assignee: 옵시스 테크 엘티디
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2021-03-16
Also published as: KR102398080B1; US20200041614A1; WO2020028173A1; EP3830602A1; JP2022130697A; CN112543875A; KR20220066422A; EP3830602A4; JP2021532368A; KR102604047B1

Abstract

LIDAR 시스템은 복수의 제1 이미터를 포함하는 제1 광 송신기를 포함하고, 제1 이미터들의 각각은 타겟 범위에서 FOV를 갖는 광학 빔을 생성하도록 위치한다. 제2 광 송신기는 복수의 제2 이미터를 포함하고, 제2 이미터들의 각각은 타겟 범위에서 FOV를 갖는 광학 빔을 생성하도록 위치한다. 제1 및 제2 광 송신기는, 광학 빔들 중 적어도 일부의 FOV가 타겟 범위에서 중첩되도록 위치한다. 제어기는, 타겟 범위에서 중첩되는 FOV를 갖는 광학 빔들을 생성하는 복수의 제1 이미터와 복수의 제2 이미터 중 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하는 제어 신호를 생성하고, 타겟 범위에서 대상으로부터 반사되는 광학 빔들을 검출하도록 복수의 광 검출기 중 선택된 광 검출기들을 활성화하여 제어 신호를 생성한다.

Description

분산 모듈형 솔리드-스테이트 광 검출 및 거리 측정 시스템

본원에서 사용되는 섹션 제목들은, 구성 목적으로만 사용된 것이며, 어떤 식으로든 본원에 설명된 주제를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본원은, "Distributed Modular Solid-State LIDAR System"이라는 명칭으로 2018년 8월 3일에 출원되어 공동계류중인 미국 가특허출원번호 제62/714,463호의 정규출원이다. 미국 특허출원번호 제62/714,463호의 전문은 본원에 참고로 원용된다.

자율 주행(autonomous) 자동차, 자기 운전(self-driving) 자동차, 및 반자율 주행 자동차는, 주변 대상의 검출과 위치파악을 위해 레이더, 이미지 인식 카메라, 및 소나와 같은 상이한 센서들과 기술들의 조합을 이용한다. 이들 센서는, 충돌 경고, 자동 비상 제동, 차선 이탈 경고, 차선 유지 지원, 적응형 크루즈 제어, 및 파일럿형 운전(piloted driving)을 포함하여 다수의 운전자 안전을 개선할 수 있다. 이러한 센서 기술들 중, 광 검출 및 거리 측정(light detection and ranging; LIDAR) 시스템이 중요한 역할을 하여, 주변 환경의 실시간 고 분해능 3D 맵핑을 가능하게 한다.

오늘날 자율 주행 차량에 사용되는 상업적으로 이용가능한 대부분의 LIDAR 시스템은, 환경을 기계적으로 스캐닝하는 일부 방법과 결합된 적은 수의 레이저를 이용한다. 예를 들어, 여러 제조업체는, 360° 수평 시야(field-of-view; FOV)를 제공하도록 회전 모터에 송신/수신 옵틱스(optics)가 있는 회전식 LIDAR 시스템을 제공한다. 수직 방향에는 레이저들의 고정된 1차원(1D) 어레이가 사용되며, 회전을 통해 수평 스캐닝이 달성된다. 현재, 상용 시장에서 가장 큰 1D 어레이는 128개의 레이저를 포함하고 있다. 일부 공급업체는 이동 미러를 이용하여 FOV를 스캐닝한다. 예를 들어, 미러는 MEMS 또는 검류계를 사용하여 기동할 수 있다. 이들 시스템에서는, 종종 1개 또는 2개의 레이저가 2개의 미러와 함께 사용되며, 한 미러는 수평 방향용이고 나머지 하나의 미러는 수직 방향용이다.

기계적 스캐닝 LIDAR 시스템에서, 스캐닝 방법은 수신기 및 송신기 옵틱스들에 물리적 제약을 가한다. 예를 들어, 회전 모터 스캐닝 LIDAR 시스템에서, 수신기는, 전형적으로, 동작 중에 송신기와 수신기가 "동일한 지점을 볼" 수 있도록 동일한 모터 상에 송신기와 함께 배치된다. 유사하게, 스캐닝 미러 장치의 수신기는, 타겟으로부터 반사되는 광이 공유 미러 옵틱스를 통해 역으로 이동하여 수신기에 도달하도록 송신기와 동일한 이동 미러를 사용하도록 종종 배치된다. 이러한 물리적 제약으로 인해, LIDAR 시스템(들)의 크기, 및 개별 구성요소들의 크기와 위치가 제한될 수 있다. 또한, 이러한 물리적 제약은 측정 범위 및 SNR/누화와 같은 성능 기능부에 영향을 준다.

본 발명의 일 과제는, 자율 차량 내 LIDAR 시스템의 통합 유연성의 증가 및 성능 개선이 가능하게 실현되고, 모듈형이며 쉽게 분산될 수 있는, 분산 모듈형 솔리드-스테이트 광 검출 및 거리 측정 시스템을 제공하는 것이다.

이동 부품을 갖는 공지된 LIDAR 시스템에는, 신뢰성 문제가 발생하기 쉽다는 이유를 포함한 여러 가지 이유로 문제가 있다. 본 교시의 일 양태는, 시야를 스캐닝하는 데 이동 부품을 필요로 하지 않는 솔리드-스테이트 LIDAR 시스템이 물리적 제약이 적게 설계될 수 있어서 자율 차량 내의 LIDAR 시스템의 통합 유연성의 증가 및 성능 개선을 가능하게 실현한다는 점이다. 또한, 상당히 많은 레이저를 사용하는 솔리드-스테이트 시스템은, 스캐닝 패턴에 대한 어떠한 기계적 제약 없이도 시야를 랜덤하게 스캐닝하는 기능과 같이 기계적 스캐닝으로는 달성될 수 없는 동작 모드를 가능하게 한다.

많은 이유로 인해, LIDAR 시스템은 일반적으로 측정 요건을 지원하기 위해 다수 개별 유닛을 필요로 한다. 이러한 이유에는, 예를 들어, 크기 제한, 장착 제한, 측정 요건, 다른 시스템과의 통합, 및 기타 이유가 포함된다. 이처럼, 모듈형이며 쉽게 분산될 수 있는 LIDAR 시스템이 필요하다.

본 교시는, 각각의 레이저가 하나의 고정된 투영 각도에 대응할 수 있는 복수의 레이저를 갖는, 이동 부품을 포함하지 않는 솔리드-스테이트 LIDAR 시스템에 관한 것이다. MEMS 장치는 종종 솔리드-스테이트라고도 하므로, 솔리드-스테이트 레이저를 사용한다는 것 자체가 이동 부품이 없음을 의미하지는 않는다. 그러나, LIDAR 시스템의 MEMS 장치는, 전형적으로 물리적 움직임을 통합하므로, 안정성과 장치 수명에 문제로 될 수 있다. 본 교시에 따른 LIDAR 시스템의 한 가지 특징은, 모듈형 분산(distributed modular) 시스템 설계가 솔리드-스테이트(solid-state) 레이저 어레이를 사용하는 그러한 시스템 및/또는 MEMS 장치가 없는 시스템을 포함하여 모든 솔리드-스테이트 시스템과 호환된다는 점이다. 이것은 물리적 움직임이 없는 시스템을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 자율 차량 내 LIDAR 시스템의 통합 유연성의 증가 및 성능 개선이 가능하게 실현되고, 모듈형이며 쉽게 분산될 수 있는, 분산 모듈형 솔리드-스테이트 광 검출 및 거리 측정 시스템이 제공될 수 있다.

바람직한 실시예 및 예시적인 실시예에 따른 본 교시는, 추가 이점과 함께 첨부 도면과 함께 취해진 다음에 따르는 상세한 설명에서 더욱 구체적으로 설명한다. 통상의 기술자는 아래에 설명된 도면이 단지 예시적 목적을 위한 것이라는 점을 이해할 것이다. 도면은 반드시 축척대로 된 것이 아니며, 대신 일반적으로 본 교시의 원리를 설명하는 데 중점을 둔다. 도면은 어떤 식으로든 출원인의 교시 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 차량에 구현된 LIDAR 시스템의 동작을 도시한다.
도 2는 다수 유형의 알려진 센서를 사용하는 자율 주행 차량용 분산형 센서 시스템을 도시한다.
도 3은 자동차에 대한 다중 2차원 시야 및 범위를 갖는 다중 센서 LIDAR 시스템을 나타내는 개략도를 도시한다.
도 4는 차량을 위한 공지된 회전식 LIDAR 시스템의 개략도를 도시한다.
도 5는 다수의 공지된 회전식 LIDAR 시스템이 장착된 자율 주행 차량을 도시한다.
도 6은 다수의 이동 부품을 갖는 공지된 LIDAR 시스템을 도시한다.
도 7a는 솔리드-스테이트 LIDAR 시스템의 개략도를 도시한다.
도 7b는 도 7a의 LIDAR 시스템의 시스템 시야(FOV)의 2차원 투영을 도시한다.
도 8a는 시야를 조명하는 단일 2D 레이저 어레이 소스를 갖는 본 교시에 따른 LIDAR 시스템에 대한 측정 포인트 클라우드를 도시한다.
도 8b는 시야를 조명하는 2개의 2D 레이저 어레이 소스를 갖는 본 교시에 따른 LIDAR 시스템에 대한 측정 포인트 클라우드를 도시한다.
도 9는 본 교시의 LIDAR 시스템에서 사용될 수 있는 공지된 하부 방출 VCSEL 레이저의 구조의 단면의 개략도를 도시한다.
도 10은 본 교시에 따른 256개의 개별 레이저 이미터를 갖는 2D 모놀리식 VCSEL 어레이의 일 실시예의 개략도를 도시한다.
도 11은 별도의 송신 모듈과 수신 모듈을 포함하는 본 교시에 따른 모듈형 LIDAR 시스템의 일 실시예의 개략도를 도시한다.
도 12는 도 11의 모듈형 LIDAR 시스템에 의해 생성된 합성 FOV의 일 실시예를 도시한다.
도 13은 본 교시의 모듈형 LIDAR 시스템의 일 실시예와 통합된 자율 주행 자동차를 도시한다.
도 14는 공동 송신/수신 모듈을 포함하는 본 교시에 따른 모듈형 LIDAR 시스템의 일 실시예의 개략도를 도시한다.
도 15는 도 14의 모듈형 LIDAR 시스템에 의해 생성된 합성 시야의 일 실시예를 도시한다.
도 16은 자율 차량에 통합된 본 교시에 따른 모듈형 LIDAR 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 17은 제어기 모듈과 함께 공존하는 본 교시의 모듈형 LIDAR 시스템의 일 실시예의 개략도를 예시한다.
도 18은 도 17의 모듈형 LIDAR 시스템에 의해 생성된 합성 시야의 일 실시예를 도시한다.
도 19는 2개의 개별 수신기와 2개의 개별 송신기를 포함하는 본 교시에 따른 모듈형 LIDAR 시스템을 포함하는 동작 시나리오의 일 실시예를 도시한다.
도 20은 본 교시의 제어기의 일 실시예의 블록도를 도시한다.

다양한 실시예에 대한 설명

이제, 본 교시를 첨부 도면에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 본 교시는 다양한 실시예 및 예와 관련하여 설명되지만, 본 교시를 이러한 실시예들로 제한하려는 것은 아니다. 반대로, 본 교시는 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이 다양한 대안, 수정, 및 등가물을 포함한다. 본원의 교시에 대한 접근 권한을 가진 통상의 기술자는, 본원에 설명된 바와 같이 본 개시 내용의 범위 내에 있는 다른 사용 분야뿐만 아니라 추가 구현예, 수정예, 및 실시예도 인식할 것이다.

명세서에서 "일 실시예" 또는 "실시예"라고 언급하는 것은, 해당 실시예와 관련하여 설명되는 특정한 기능, 구조, 또는 특성이 본 교시의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 명세서의 다양한 위치에서 보이는 "일 실시예에서"라는 문구는 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.

본 교시 방법의 개별 단계들은, 본 교시가 적용 가능한 상태로 유지되는 한 임의의 순서로 및/또는 동시에 수행될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 교시의 장치 및 방법은, 본 교시가 적용 가능한 상태로 유지되는 한 설명되는 실시예들 중 임의의 수 또는 모두를 포함할 수 있음을 이해해야 한다.

도 1은 차량에 구현된 LIDAR 시스템의 동작을 도시한다. LIDAR 시스템(100)은, 광원에 의해 생성된 광학 빔(102)을 타겟 장면을 향해 투영하는 조명기라고도 하는 레이저 프로젝터 및 그 타겟 장면에서 사람(106)으로서 표시된 대상으로부터 반사되는 광(104)을 수신하는 수신기를 포함한다. LIDAR 시스템은, 또한, 전형적으로 반사 광으로부터 대상(106)에 대한 거리 정보를 연산하는 제어기 및/또는 시스템 프로세서, 및 원하는 범위 및 시야에 걸쳐 정적 패턴일 수 있는 광의 특정 패턴을 스캐닝하거나 제공할 수 있는 요소를 포함한다. 수신기, 제어기, 및 시스템 프로세서는, 수신된 신호 광을 LIDAR 시스템 범위 및 시야에 속하는 주변 환경의 포인트별 3D 맵을 나타내는 측정값으로 변환하는 데 사용된다. 다양한 실시예에서, 제어기는, 특정 애플리케이션 및 원하는 성능에 따라 단순한 전기 회로일 수 있거나 더욱 복잡한 프로세서일 수 있다.

조명기와 수신기를 형성하는 레이저 소스 및 광학 빔 프로젝션 시스템은 차량(108)의 전면에 위치할 수 있다. 레이저 소스 및 광학 빔 프로젝션 시스템은 송신기라고도 칭할 수 있다. 사람(106) 및/또는 자동차 또는 등주 등의 다른 대상은 소스로부터 반사되는 광을 수신기에 다시 제공한다. 이어서, 제어기 또는 프로세서는 대상까지의 범위 또는 거리를 결정한다. 당업계에 알려진 바와 같이, LIDAR 수신기는 광원으로부터 방출되는 광 펄스의 비행시간 측정에 기초하여 범위 정보를 계산한다. 또한, 특정 범위에 연관된 타겟 평면에서 장면을 조명하며 소스 및 프로젝터 시스템의 특정 설계에 기초하는 광학 빔 프로파일에 대한 알려진 정보는, 반사 표면에 대한 위치 정보를 결정하는 데 사용되며, 이에 따라 완전한 장면의 X, Y, Z 또는 3차원 픽처를 생성한다. 즉, 주변 환경의 점별 3차원(3D) 맵은, LIDAR 시스템의 시야 내에서 소스로부터 수신기로의 조명을 반사하는 모든 표면의 위치 정보를 가리키는 측정 데이터의 모음을 나타낸다. 이러한 방식으로, LIDAR 시스템의 시야에 있는 대상의 3D 표현을 취득하게 된다. 포인트별 3D 데이터 맵은 측정 포인트 클라우드라고도 칭할 수 있다.

도 2는 다수의 유형의 공지된 센서(204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218)를 이용하는 자율 차량(202)을 위한 분산형 센서 시스템(200)을 도시한다. 각 센서 기술에는 장단점이 있다. 상이한 센서(204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218)로부터 출력되는 측정의 조합은 장면으로부터 데이터 세트를 생성하는 데 사용된다. 장면으로부터의 다양한 측정을 포함하는 분산형 센서 시스템(200)으로부터의 데이터 세트는, 함께 처리되어, 모든 조건에서 오류가 없고 안전하며 신뢰할 수 있는 탐색(navigation)을 가능하게 한다. 분산형 센서 시스템(200)은, 다수의 카메라(204, 206, 208), 다수의 초음파 센서(210, 212), 다수의 레이더(214, 216), 회전식 LIDAR 시스템(218), 및 제어기(220)를 포함한다. 자율 주행차(202)는 색상을 구분할 수 있는 카메라(204, 206, 208)를 사용한다. 카메라(204, 206, 208)는, 또한, 신호등, 방향 지시등 및 측정되는 장면으로부터의 다른 방출 광을 보는 데 사용될 수 있다. 카메라(204, 206, 208)는, 또한, 물리적으로 작게 분리되면서 장착될 수 있으며, 이들의 이미지는 스테레오 이미지를 생성하도록 결합된다. 초음파 센서(210, 212)는, 차량의 몇 미터 내에서의 대상의 근접성을 검출하는 데 사용된다. 레이더(214, 216)는 장거리에서 움직이는 대상을 검출하는 데 사용된다. 일반적으로, 레이더(214, 216)는 LIDAR 시스템(218)의 고 분해능으로 동작하지 않는다. LIDAR 시스템(218)은 환경의 고 분해능 3D 포인트 클라우드를 실시간으로 생성하는 데 사용된다. 제어기(220)는, 모든 다양한 센서(204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218)로부터의 측정의 출력에 의해 제공되는 데이터 세트를 생성하고 처리하는 데 사용된다. 제어기는, 또한, 다양한 센서(204, 206, 208, 210, 212, 214)의 동작을 조정하는 데 사용될 수 있다.

도 3은 자동차(302)에 대한 다중 2차원 시야 및 범위를 갖는 다중 센서 LIDAR 시스템(300)을 나타내는 개략도를 도시한다. 이 시스템에는 다수의 LIDAR 모듈이 포함되어 있다. 모듈은 도시되어 있지 않으며, 시야 및 범위만이 도시되어 있다. 예를 들어, 적응형 크루즈 제어 기능은, 측면에서 보이는 "서라운드 뷰" 시야 및 범위(306, 308)를 갖는 넓은 시야 및 짧은 범위의 시스템에 비해, 시야가 좁고 거리 범위가 길어야 하는 시야 및 범위(304)를 필요로 할 수 있다. 자동차의 합성 시야는, 차량 주변에 위치하는 모든 LIDAR 모듈의 결합된 시야이며, 이는 모듈들 중 일부 또는 전부의 성능 특성에 있어서 상이할 수 있다. 도 3에 예시된 시스템(300)에서는, 합성 시야를 생성하는 데 5개의 LIDAR 모듈(도시하지 않음)이 사용된다. 장거리 전향 LIDAR 시스템의 시야 및 범위(304)는, 시야가 넓지만 범위가 짧은 기능을 갖는 시야 및 범위(310)를 갖는 제2 LIDAR 모듈과 중첩되는 시야를 갖는다. 또한, 제2 LIDAR 시스템의 시야각 및 범위(310)의 유사한 치수를 갖는 시야 및 범위(312)를 갖는 후방 시야 모듈이 있다.

본 교시는 자동차의 맥락에서 LIDAR 시스템을 설명하고 있으며, 여기서 LIDAR는 자율 주행 차량, 자기 운전 차량, 또는 운전자 보조 차량에 널리 사용되는 것이지만, 실시예들은 임의의 유형의 차량에 적용될 수 있음을 이해해야 한다. 다른 유형의 차량에는, 로봇, 트랙터, 트럭, 비행기, 드론, 보트, 선박 등이 포함될 수 있다. 본 교시는 다양한 고정형 응용분야에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 고밀도 대도시 지역에서는, LIDAR를 사용하여 차량과 보행자 모두의 교통을 모니터링할 수 있다. LIDAR 시스템은 특히 가까운 미래에 LIDAR 시스템의 비용이 감소됨에 따라 많은 상이한 응용분야에 배치될 것으로 예상된다. 통상의 기술자는, 본 교시가 본 명세서에서 검출되고 거리 측정되는 것으로서 설명되는 타겟 대상의 유형에 의해 제한되지 않고, 임의의 유형의 타겟에 더욱 광범위하게 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

도 4는 차량을 위한 공지된 회전식 LIDAR 시스템(400)의 개략도를 도시한다. LIDAR 시스템(400)은 회전 모터를 사용하여 환경의 360° 수평 스캔을 제공한다. LIDAR 시스템(400)은 베이스(402)를 갖는다. 예를 들어, 베이스(402)는 자동차(도시하지 않음)에 고정될 수 있다. LIDAR 시스템의 상단 부분(404)은, 베이스에 대해 회전하며, 수신기 옵틱스 및 송신기 옵틱스를 포함한다. 송신기의 시야와 수신기의 시야는 타겟 이미지 평면에 해당하는 거리에 걸쳐 중첩된다. 수신기 및 송신기 옵틱스들은, 원하는 수직 시야를 커버하도록 고정된 레이저와 검출기의 1D 어레이일 수 있다. 16개, 32개, 64개, 및 128개 레이저의 어레이는 때때로 도 4에 도시된 LIDAR 시스템(400)과 같은 회전식 LIDAR 시스템과 함께 사용된다. 수직 각도 분해능은, 고정되어 있으며, 전형적으로 고정 어레이의 레이저 수에 대한 수직 시야의 비와 같다. 수평 각도 분해능은, 시스템의 회전 속도 및 동작 파라미터의 함수이며, 응용분야 및 원하는 성능에 따라 가변될 수 있다.

개념적으로, 단일 회전식 LIDAR 시스템은 전체 360° 뷰를 제공할 수 있어서, 단일 LIDAR 시스템의 가능하게 한다. 그러나, 실제로는, 차량 주변의 시야를 분할하도록 다수의 회전식 LIDAR 시스템이 사용된다. 도 5는 다수의 공지된 회전식 LIDAR 시스템(500)이 장착된 자율 차량을 도시한다. 도 5에 도시된 시스템은, 루프 랙에 장착된 다수의 개별적인 회전식 LIDAR 시스템(502)을 포함하며, 각 시스템은 180° 미만의 개별 시야를 달성하도록 구성된다. 일부 시스템은 12개를 초과하는 개별적인 회전식 LIDAR 시스템(502)을 포함한다. 일반적으로, 각각의 회전식 LIDAR 유닛의 상당 부분은 다수의 회전식 LIDAR 유닛의 광학적 누화를 최소화하기 위한 방향으로 차단된 시야를 갖는다는 점에 주목한다. 회전식 유닛들이 시야가 차단된 방향으로 지향하면, 해당 LIDAR 유닛에 의해 유용한 데이터가 생성되지 않는다. 이와 관련하여, 180° 미만의 시야로 지속적으로 동작하는 LIDAR 시스템에 비해 회전식 LIDAR를 사용하면, 비용과 효율성이 크게 악화된다.

도 6은 다수의 이동 부품을 갖는 공지된 LIDAR 시스템(600)을 도시한다. 시스템(600)은, 수직 및 수평 방향 모두에 있어서 환경을 스캐닝하는 X-Y 검류계(606)에 장착된 제1 미러(602) 및 제2 미러(604)를 사용한다. 전형적으로 한 개 또는 두 개의 레이저를 포함하는 레이저 송신기(608)로부터의 광은 제1 미러(602)에서 제2 미러(604) 상으로 반사되고, 두 개의 미러(602, 604)의 조합은 투영 각도를 결정한다. 상당한 광학 손실과 복잡성 없이 미러 시스템 상으로 다중 레이저/수신기를 정렬하는 물리적인 어려움 때문에, 회전식 LIDAR 시스템에서와 같은 많은 레이저 어레이 대신, 이들 시스템에서는 전형적으로 한 개 또는 두 개의 레이저가 사용된다. 투과된 광은 이미지 평면(610)에서 타겟으로부터 반사되고, 수신기(612)는, 수신기(612)가 반사 광을 포착하도록 이미지 평면(610)에서 타겟과 중첩되는 시야를 갖도록 구성된다. 미러의 크기와 물리적 배향은 설계에 다양한 기계적 제약을 가한다. 예를 들어, 미러의 크기는 집광될 수 있는 반사 광의 양을 제한하여, 효과적인 최대 조리개로서 기능하게 된다. 미러의 크기는 전력 소비, 스캐닝 속도, 및 시스템 성능의 절충과 함께 성능에도 영향을 미친다.

도 7a는 솔리드-스테이트 LIDAR 시스템의 개략도를 도시한다. 송신기(702)는 어레이로 구성될 수 있는 복수의 레이저를 포함한다. 각 개별 레이저는 독립적으로 발사될 수 있으며, 각 레이저에 의해 방출되는 광학 빔은 전체 시스템 시야의 일부만을 대하는(subtend) 3D 투영 각도에 해당한다. 따라서, 각 레이저 이미터(emitter)는, 에너지가 공급(발사)될 때 타겟 범위에서 해당 시야를 조명하는 광학 빔을 생성한다. 송신기 시야는, 다양하게 에너지 공급된 이미터 시야들의 조합이다. 본 교시의 일부 실시예가 레이저 이미터를 사용하지만, 다른 이미터, 예를 들어, LED, 또는 에너지 공급시 광학 빔을 생성하는 다른 장치를 사용할 수 있음을 이해해야 한다. 본 교시의 LIDAR 시스템의 일부 실시예에서, 레이저 어레이의 레이저들로부터의 모든 광학 빔은, 투영된 광(조명)(706)을 생성하기 위해 송신기 옵틱스(704)를 공유한다. 타겟 범위(710)로부터의 반사 광(708)은 수신기 옵틱스(712)를 공유한다. 이 예에서, 자동차(714)는 타겟 범위(710)에 도시되어 있다. 송신기의 일례는, 본 양수인에게 양도된 미국 특허 공개 번호 2017/0307736 A1에 상세히 설명되어 있다. 미국 특허 공개 번호 2017/0307736 A1의 전문은 본원에 참고로 원용된다.

도 7a에 도시된 LIDAR 시스템(700)은, 전형적으로 송신기 어레이가 개별 레이저들을 갖는 것보다 적은 수의 개별 검출기 요소를 갖는 검출기 어레이(716)를 사용한다. 이들 검출기는, 개별 검출기 또는 검출기 그룹이 활성화되어 타겟 범위에서 특정 수신기 시야를 통해 광을 검출하도록 개별적으로 제어될 수 있다. 수신기 시야는 활성화된 검출기 시야들의 합성을 나타낸다. 예를 들어, 활성화는, 타겟 범위에서 특정 시야로부터의 광만을 통과시키는 검출기 앞의 제어가능한 셔터, 또는 특정 검출기 또는 검출기 그룹에 적용되는 바이어스를 포함할 수 있다.

도 7b는 도 7a와 관련하여 설명된 LIDAR 시스템(700)의 시스템 시야(750)의 2차원 투영을 도시한다. 검출기 어레이의 개별적인 검출기 시야는 작은 정사각형(752)으로서 도시되어 있다. 송신기에서 에너지 공급되는 개별 레이저에 연관된 조명된 측정 포인트는 원(754)으로서 도시되어 있다.

도 7b에서, 각 어레이의 레이저 수(즉, 원(754)의 수)에 대한 검출기 수(즉, 작은 정사각형(752)의 수)의 비는 1 내지 9이다. 도 7b에 도시된 특정 예에서, 검출기 어레이는 5×5 어레이이다. 동등한 각도 분해능을 갖는 종래 기술의 플래시 LIDAR 시스템과 비교할 때, 필요한 검출기의 수가 상당히 작을 수 있기 때문에, 검출기 어레이의 비용이 상당히 적을 수 있다. 도 7a의 시스템의 측정 분해능은, 검출기 요소의 크기에 의해 결정되지 않고, 대신 송신기의 레이저의 수와 개별 레이저 빔의 시준에 의해 결정된다. 이들 파라미터는, 알려진 방식으로 타겟 범위에서 원(754)의 크기, 및 검출기 요소의 시야를 나타내는 정사각형(752)과 원(754)의 상대적 크기로 변환된다.

도 7b는 도 7a의 LIDAR 시스템의 중요한 양태를 도시한다. 도 7a의 LIDAR 시스템의 전체 시야에서의 단일 3D 측정 포인트는, 특정 정사각형(756)의 해시 마크에 의해 강조되고, 이러한 측정 포인트는 레이저 어레이의 특정 개별 레이저에 대응하는 특정 다크 서클(758)로서 표시된다. 또한, 도 7b에서, 이러한 측정 포인트는, 개별 검출기의 시야가 식별을 위한 크로스-해칭 패턴으로 도시된 개별 검출기 내에 속한다는 것을 알 수 있다. 이 도는, 각 레이저가 타겟 범위에서 원(754)의 크기를 야기하는 특정한 각도 투영각에 대응하므로, LIDAR 시스템(700)의 3D 분해능이, 레이저의 수, 및 검출기 요소의 시야를 나타내는 정사각형(752)과 원(754)의 상대 크기에 결정된다는 것을 도시한다.

본 교시의 한 가지 특징은, LIDAR 모듈이 이동 부품이 없는 솔리드-스테이트라는 점이다. LIDAR 모듈은, 각 레이저가 고정된 투영 각도로 광학 빔을 생성하는 복수의 레이저를 통합한다. 하나 이상의 모듈을 포함하는 LIDAR 시스템의 결과적인 합성 시야와 각도 분해능은, 옵틱스들과 레이저와 모듈의 구성에 의해 결정된다. 각 모듈의 레이저들은, 해당 옵틱스들과 결합될 때 원하는 모듈 합성 시야와 원하는 모듈 각도 분해능을 모두 제공하도록 위치하는 2D 어레이로 그룹화된다. 각각의 개별 레이저는 단일 포인팅 각도에 해당하는 광학 빔을 생성한다. 각도 분해능은, 두 개 이상의 2D 레이저 어레이의 시야를 인터리빙함으로써 달성될 수 있다. 두 개의 개별 2D 레이저 어레이에 의해 생성되는 두 개의 시야가 공간에서 중첩되면, 결과적인 합성 시야가 미세한 각도 분해능으로 생성된다.

LIDAR 시스템의 물리적 크기는 자율 주행 차량에 통합하는 데 중요하다. 현재의 최신 시스템은 일반적으로 부피가 크고 루프 랙에 종종 장착되지만, 목표는 결국 LIDAR 시스템을 섀시에 통합하여 외부와 시각적으로 매끄럽고 외관상 매력적일 수 있도록 하는 것이다. LIDAR 시스템의 일부 또는 전부와 함께 패키징됨으로써 시너지 효과를 얻을 수 있는 헤드라이트와 같은 소정의 구성요소가 있다. 본원에 설명된 LIDAR 시스템의 일 양태는, 미래에 LIDAR를 시각적으로 눈에 띄지 않게 만들려는 바람을 지원하도록 작은 모듈형 구성요소들로 분리될 수 있다는 점이다.

도 8a는 시야를 조명하는 단일 2D 레이저 어레이 소스에 대한 측정 포인트 클라우드(800)를 도시한다. 각각의 측정 포인트(802)는 어레이 내의 특정 레이저 요소에 의해 방출되는 광에 기초한 측정 신호를 나타낸다. 측정 포인트들(802)의 수직 간격 사이의 거리(804)는 수직 각도 분해능을 결정한다. 포인트 클라우드 상의 포인트들(802)의 수평 간격(806)은 포인트 클라우드(800)의 수평 각도 분해능을 결정한다.

도 8b는, 제2 2D 레이저 어레이의 조명이 제1 2D 레이저 어레이와 실질적으로 중첩되도록 투영된 본 교시의 일 실시예에 대한 측정 포인트 클라우드(850)를 도시한다. 제1 2D VCSEL 어레이에 대응하는 측정 포인트(852)는 원으로 도시되고, 제2 2D VCSEL 어레이로부터의 측정 포인트(854)는 삼각형으로 도시된다. 합성 포인트 클라우드(850)는, 수평 방향, 수직 방향, 또는 수평 방향과 수직 방향의 조합으로 더욱 미세한 각도 분해능을 달성하기 위해 2개의 개별 2D 어레이의 시야를 인터리빙함으로써 형성된다. 이러한 송신기의 일례는, 현재 양수인에게 양도된 "VCSEL Array LIDAR With Small Angular Divergence"라는 명칭으로 출원된 미국 특허출원번호 제62/538,149호에 개시되어 있다. 미국 특허출원번호 제62/538,149호의 전문은 본원에 참고로 원용된다.

본 교시의 LIDAR 시스템은, 각각의 레이저가 특정 투영 각도에 대응하므로, 기계적으로 스캐닝하는 종래의 LIDAR 시스템보다 상당히 많은 레이저를 이용할 수 있다. 예를 들어 자율 주행 차량이 20°의 균일한 수직 시야를 갖는 완전한 360° 수평 시야를 필요로 하고 양측 방향의 평균 각도 분해능이 0.5°라면, 필요한 레이저 수는 28,800과 같다. 수천 개의 개별 레이저를 필요로 하는 LIDAR 시스템에 대해 모든 유형의 레이저를 실제 방식으로 구현할 수 있는 것은 아니다. 실제로, 많은 수의 레이저를 필요로 하는 본 교시의 LIDAR 시스템의 다양한 실시예는, 해당하는 현재 크기, 비용, 및 성능 능력으로 인해 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)의 2D 어레이를 사용할 가능성이 높다. 그러나, 다른 종류의 송신기 어레이도 사용할 수 있다. 통상의 기술자는 본 교시에 따른 LIDAR 시스템에서 많은 유형의 레이저가 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

본 교시의 한 가지 특징은, 상부 방출 VCSEL, 하부 방출 VCSEL, 및 다양한 유형의 고 출력 VCSEL을 포함하여 알려진 다양한 VCSEL 장치를 사용할 수 있다는 점이다. 도 9는 본 교시의 LIDAR 시스템에서 사용될 수 있는 공지된 하부 방출 VCSEL 레이저(900)의 구조의 단면의 개략도를 도시한다. VCSEL 레이저(900)의 방출 애퍼처(902)의 면적은, 전형적으로 mW 전력 동작의 경우 직경이 수 마이크로미터 내지 100 mW를 초과하는 더 큰 CW 전력 동작의 경우 직경이 100마이크로미터 이상이다. VCSEL(900)은, 예를 들어, GaAs 또는 다른 많은 반도체 재료일 수 있는 기판(904) 상에 제조된다. n형 분산 브래그 반사기(DBR) 층(906)은 기판 상에 위치한다. 활성 영역(908)은 n형 DBR 층(906) 상에 구성되고, 이어서 산화물 재료로 형성될 수 있는 애퍼처가 후속한다. 이어서, p형 분산 브래그 격자 DBR 층(912)이 활성 영역에서 성장된다. 전형적으로, p형 DBR은 고도로 반사되고, n형 DBR은 부분적으로 반사되어, 층 구조의 하부 기판측으로부터 광 출력(914)을 발생시킨다. 활성 영역(908), 산화물 애퍼처(910), 및 p형 DBR 층(912)은 메사 구조로 형성된다. 상부 접점(916)과 하부 접점(918)은, 활성 영역에 전류를 제공하여 출력 광을 생성하기 위해 사용된다. 산화물 애퍼처(910)는 전류를 활성 영역(908)으로 구속한다. 상부 접점(916)은 p형이고, 하부 접점(918)은 n형이다. 방출 애퍼처(902)는, 출력 광(914)이 하부 방출 VCSEL의 하부 기판측으로부터 나올 수 있도록 하부 접점(918)에 형성된다. 하나의 방출 애퍼처(902)만이 다중 요소 어레이의 하나의 요소를 예시하는 도 9에 도시되어 있다는 점에 주목한다. 이러한 유형의 VCSEL(900)은, 기판(904) 상에 1차원 또는 2차원 어레이로서 제조될 수 있는 단일 요소 또는 다중 요소 VCSEL일 수 있다.

일부 실시예에서, VCSEL 어레이는 모놀리식이고, 레이저는 모두 공통 기판을 공유한다. 다양한 공통 기판 유형을 사용할 수 있다. 예를 들어, 공통 기판은 반도체 재료일 수 있다. 공통 기판은, 또한, 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 2D VCSEL 어레이는 1D 레이저 바 그룹으로부터 조립된다.

일부 실시예에서, VCSEL은 상부 방출 VCSEL이다. 다른 실시예에서, VCSEL은 하부 방출 VCSEL이다. 개별 VCSEL은 하나의 큰 방출 애퍼처를 가질 수 있거나, 개별 VCSEL은 더 큰 유효 방출 직경 내에 2개 이상의 서브 애퍼처로부터 형성될 수 있다. 더욱 큰 유효 방출 영역을 형성하는 서브 애퍼처들의 그룹을 때때로 클러스터라고 칭한다. VCSEL 상의 접점들은, 하나 이상의 전기 구동 신호가 접점에 공급될 때 다양하고 상이한 조명 패턴을 제공하도록 구동 신호를 하나 이상의 개별 요소, 또는 모든 요소, 또는 요소들의 서브세트들에 연결할 수 있다.

도 10은 본 교시에 따른 256개의 개별 레이저 이미터(1002)를 갖는 2D 모놀리식 VCSEL 어레이(1000)의 일 실시예의 개략도를 도시한다. 각각의 레이저 이미터(1002)는 직경 "a"(1004)의 방출 애퍼처를 갖는다. 각각의 단일 레이저 이미터(1002)로부터의 방출은 전체 방출 애퍼처를 실질적으로 채운다. 따라서, 각각의 레이저 이미터(1002)는 방출 애퍼처의 직경(1004)과 동일한 초기 직경 "a"를 갖는 레이저 빔을 생성한다. 레이저 이미터들(1002)은 간격 dx(1006)로 수평 방향으로 균일하게 이격된다. 레이저 이미터들은 간격 dy(1008)로 수직 방향으로 균일하게 이격된다. 최외측 레이저들의 중심으로부터 측정된 어레이의 전체 크기는, 수평 방향으로 거리 Dx(1010)이고 수직 방향으로 거리 Dy(1012)이다. 실제 칩 크기는, 거리 Dx(1010) 및 거리 Dy(1012)보다 치수가 약간 더 크다. 다양한 실시예에서, 이미터(1002)는 원형 이미터 형상 이외의 다양한 형상을 갖는 빔을 생성할 수 있다. 예를 들어, 타원형, 정사각형, 직사각형, 및 다양한 이상 형상이 다양한 실시예에서 실현될 수 있다. 레이저들이 2D 어레이로서 배열되는 실시예에서, 레이저의 행과 열은 매트릭스 주소지정가능(matrix addressable) 방식으로 전기적으로 구동될 수 있다.

본 교시의 일부 실시예는, 도 9에 도시된 구성과 같이 레이저당 하나의 큰 애퍼처를 갖는 VCSEL의 하부 방출 고 출력 어레이를 이용한다. 본 교시의 다른 실시예는, 서브 애퍼처를 포함하는 전체 방출 영역을 갖는 VCSEL의 상부 방출 또는 하부 방출 고 출력 어레이를 이용한다. 그러나, 통상의 기술자는, 본 교시가 상부 및 하부 방출 VCSEL 및 연관된 방출 애퍼처의 임의의 단일 구성으로 제한되지 않음을 이해할 것이다.

2D VCSEL 어레이를 본원에 설명된 LIDAR 시스템의 빌딩 블록으로서 사용함으로써, 송신기에 대해 작은 물리적 크기를 허용하는 플랫폼을 확립하게 된다. 256개의 고 출력 개별 레이저가 있는 전형적인 2D 어레이는 ~4 mm×4 mm의 모놀리식 칩에서 가능하다. 이어서, 레이저 2D 어레이는, 예를 들어, 최대 치수 20 mm의 회절 옵틱스 또는 치수 <20 mm의 공유형 렌즈인 마이크로렌즈 어레이를 예로서 이용함으로써 물리적 치수를 가능한 한 작게 유지하도록 선택된 옵틱스들과 함께 사용된다.

도 11은 모듈당 단일 송신기 및 단일 수신기를 포함하는 본 교시에 따른 모듈형 LIDAR 시스템(1100)의 일 실시예의 개략도를 도시한다. 송신기, 수신기, 및 제어기는 물리적으로 개별적인 모듈들(1102, 1104, 1106, 1108)이다. 2개의 송신기 모듈(1102, 1104), 수신기 모듈(1106), 및 제어기 모듈(1108)이 있다. 제어기 모듈(1108)과 다른 모듈들(1102, 1104, 1106) 간의 통신 및 전력 공급을 위한 모듈들(1102, 1104, 1106, 1108) 간에 연결부(1110)가 존재한다. 모듈들(1102, 1104, 1106, 1108) 간의 통신은, 광학적으로 또는 전기적으로 발생할 수 있으며, 이더넷 또는 기타 다양한 다른 통신 프로토콜을 포함하는 다양한 통신 프로토콜을 사용할 수 있다. 송신기 및 수신기 모듈들(1102, 1104, 1106)에 대한 전력은, 도시된 바와 같이 제어기 모듈(1108)을 통해 공급될 수 있거나 별도로 공급될 수 있다. 모듈형 LIDAR 시스템(1100)은 2개의 송신기 모듈(1102, 1104)과 단일 수신기 모듈(1106)만을 포함하는 비교적 간단한 구성이다. 다른 실시예에서는, 하나 이상의 송신기 및/또는 하나 이상의 수신기를 제어하는 단일 제어기 모듈(1108)이 사용된다.

도 12는 도 11과 관련하여 설명된 모듈형 LIDAR 시스템(1100)에 의해 생성되는 예시적인 합성 시야(1200)의 일 실시예를 도시한다. 도 11과 도 12를 참조해 보면, 하나의 송신기 모듈(1102)에 대한 시야(1202)를 나타내는 영역과 다른 송신기 모듈(1104)에 대한 시야(1204)를 나타내는 영역이 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 송신기 모듈(1102, 1104)은, 더욱 미세한 각도 측정 분해능을 생성하기 위해 시야에서 실질적으로 중첩되는 적어도 2개의 2D 레이저 어레이를 사용한다. 제1 어레이로부터의 개별 레이저 요소에 대한 시야는 원(1206)으로 도시된다. 제2 어레이로부터의 개별 레이저 요소에 대한 시야는 정사각형(1208)으로 도시된다. 도면에 도시된 바와 같이, 각각의 송신기 모듈(1102, 1104)에는 256개의 레이저로 구성된 2개의 16×16 어레이가 있다. 이들 어레이는, 대응하는 원(1206)과 정사각형(1208)의 밀집된 어레이들에 의해 도시된 실질적으로 중첩된 시야를 생성한다. 양측 모듈(1102, 1104)에 대한 이중 어레이 구성은 본 실시예에서 동일하다. 또한, 대응 송신기에 대한 시야(1202, 1204)는 타겟 범위에서 나란히 놓이도록 구성된다.

2개의 송신기의 전체 합성 시야는 1,024개의 레이저 시야로 구성된다. 일부 실시예에서, 제1 송신 모듈(1102)과 제2 송신 모듈(1104)에서 레이저 어레이들의 방출 파장은 동일하지 않다. 또한, 일부 실시예에서, 단일 송신기 모듈(1102, 1104) 내의 레이저 파장들은 동일하지 않다. 예를 들어, 각각의 레이저 어레이는 서로 다른 파장에서 방출될 수 있다. 이 구성에서, 원(1206)으로 표현된 레이저 시야는 정사각형(1208)으로 표현된 레이저 시야와 파장이 다를 수 있다. 일반적으로, 어레이 또는 모듈 내의 파장의 수와 분포에는 제한이 없다. 서로 다른 레이저 파장의 수와 위치는, 측정 대상 범위에서 시야에 대하여 원하는 효과에 기초하여 선택된다. 합성 시야(1200)의 경우, 단일 수신기 모듈의 시야가 점선 상자(1210)로 도시되며, 이는 결합된 송신기 시야들(1202, 1204)의 시야보다 약간 더 크다. 일부 실시예에서, 수신기 시야(1210)는 어레이로서 구성된 다중 검출기로부터의 다중 검출기 시야를 포함한다. 전형적으로, 수신기와 송신기 시야의 정렬을 단순화하기 위해 수신기 시야(1210)가 송신기 시야(1202, 1204)보다 약간 더 큰 것이 바람직하다.

제어기 모듈(1108)은, 눈에 안전한 동작을 위한 광 출력 레벨뿐만 아니라 광학적 누화도 최소화하기 위해 2개의 송신기 모듈(1102, 1104)의 동작을 관리한다. 제어기 모듈(1108)은, 또한, 일부 실시예에서 검출기들의 적어도 하나의 2D 어레이를 사용하고, 다른 실시예에서 검출기들의 복수의 2D 어레이를 사용하는 수신기 모듈(1106)을 관리한다. 다양한 검출기 어레이의 수와 위치는, 타겟 범위에서 특정 수신 시야를 달성하도록 선택된다. 예를 들어, 2개의 파장이 사용되는 경우, 수신기는 각 파장에 대해 하나씩 검출기의 2개의 분리된 2D 어레이를 가질 수 있다.

일반적으로, 본 교시의 송신기 모듈은 복수의 레이저 이미터를 포함한다. 각각의 레이저 이미터는 타겟 범위에서 특정 이미터 시야를 조명하도록 위치한다. 다양한 실시예에서, 복수의 이미터는 다양한 패턴으로 위치한다. 예를 들어, 복수의 이미터는, 수직 방향 및/또는 수평 방향으로 이미터들 사이의 특정 간격을 갖는 1차원 어레이 및/또는 2차원 어레이일 수 있다. 본 발명의 핵심은, 개별 이미터 및/또는 이미터 그룹이 타겟 범위에서 특정 이미터 시야를 조명하도록 위치한다는 사실이다. 이 정보는, 전형적으로 제어기에 의해 알려져 있으며, 개별 이미터 및/또는 이미터 그룹의 에너지 공급을 제어함으로써 타겟 범위에서 특정 시야에 조명을 생성하는 데 사용된다. 임의의 특정 시간에 제어기로부터의 신호에 기초하여 조명되는 특정 송신기에 포함된 하나 이상의 이미터 시야의 시야를 송신기 시야라고 칭한다.

일반적으로, 본 교시의 수신기 모듈은 복수의 검출기 요소를 포함한다. 각각의 검출기 요소는 타겟 범위에서 특정 검출기 시야로부터의 광을 검출하도록 위치한다. 다양한 실시예에서, 복수의 검출기는 다양한 패턴으로 위치한다. 예를 들어, 복수의 검출기는 수직 방향 및/또는 수평 방향으로 검출기들 사이의 특정 간격을 갖는 1차원 및/또는 2차원 어레이일 수 있다. 본 교시의 일 양태는, 개별 검출기 및/또는 검출기 그룹이 타겟 범위에서 특정 검출 시야로부터 광을 검출하도록 위치할 수 있다는 사실이다. 시야에 대한 이러한 정보는, 제어기가 알고 있을 수 있으며, 이러한 검출기들이 활성화되어 활성화된 검출기 또는 검출기들의 시야에서 타겟 범위로부터 반사되는 광을 검출하도록 검출기/수신기를 제어함으로써, 타겟 범위에서 특정 시야로부터의 조명을 검출하는 데 사용된다. 임의의 특정 시간에 제어기로부터의 신호에 기초하여 검출하도록 활성화된 특정 수신기에 포함된 하나 이상의 검출기 시야의 시야를 수신기 시야라고 칭한다.

제어기는, 다수의 공지된 제어 메커니즘 중 임의의 것에 의해 특정 검출기의 활성화를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어가능한 애퍼처는, 수신기 시야에서 하나 이상의 검출기 시야의 활성화를 제어하는 데 사용될 수 있다. 또한, 개별 검출기 바이어스를 제어하여 수신 시야 내에서 개별 검출기 시야의 활성화를 제어할 수 있다.

상이한 송신기 및/또는 상이한 수신기 사이의 중첩 영역은, 종종 특정 합성 시야에 걸쳐 대상의 연속적인 추적을 제공하도록 시스템에 설계된다. 예를 들어, 연속적 합성 시야는, 각 송신기의 이미터들의 시야 중 적어도 일부가 어느 정도 중첩될 때 2개의 송신기에 의해 제공된다. 또한, 적어도 하나의 검출기 시야가 중첩된 이미터 시야와 중첩될 때 연속적인 송신 수신 합성 시야가 제공된다. 2개의 수신기로부터의 적어도 일부의 개별 검출기 시야의 중첩도, 2개의 상이한 수신기에 걸쳐 연속적인 합성 수신 시야를 제공하는 데 사용된다.

중첩 영역에서, 제어기는 시스템으로부터 성능 목표를 달성하는 데 사용된다. 예를 들어, 제어기는, 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔을 생성하는 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어할 수 있으며, 2개의 중첩된 송신기 각각 중 하나의 이미터만이, 타겟 범위에서 대상으로부터 반사될 때 특정 광 검출 및 거리 측정 중에 광 검출기들 중 하나에 의해 검출되는 광학 빔을 생성한다. 이는 특히 동일한 파장에서 동작하는 그러한 송신기들의 누화를 제거하거나 상당히 감소시킨다.

본 교시의 한 가지 특징은, 이미터 및 검출기를 제어하여 모듈형 LIDAR 시스템의 성능을 지원할 수 있다는 점이다. 제어기는, 다양한 FOV 위치에 대한 정보, 및 개별 레이저 이미터 및 레이저 이미터 그룹의 에너지 공급을 제어하고 개별 검출기의 활성화를 제어하는 기능을 갖는다. 이러한 지식은 연결된 모든 모듈을 포함하도록 개별 송신기 및/또는 수신기를 넘어 연장될 수 있다. 이와 같이, 제어기는, 연결된 모든 송신 모듈, 수신 모듈, 및 송신/수신 모듈로부터 타겟 범위에서 임의의 특정 시각에 및/또는 임의의 원하는 측정 시퀀스에 대하여 특정 송신기 시야 및 특정 수신기 시야를 제공할 수 있다. 단일 송신기 내에서 또는 다수의 송신기에 걸쳐 서로 다른 파장이 사용되는 경우, 다수의 파장에 대한 송신 및 검출의 세부 사항은, 전형적으로 알려져 있으며, 또한, 제어기에 의해 능동적으로 관리된다.

본 교시의 LIDAR 시스템의 일부 실시예에서, 수신기는 상이한 파장들을 개별적으로 검출할 수 있다. 이들 실시예에서, 레이저 이미터들은, 중첩 시야에서 에너지를 동시에 공급받을 수 있으며, 이에 따라 도 8b와 관련하여 설명된 바와 같이 동시 측정 및 개선된 각도 분해능이 가능하다. 본 교시의 일 양태는, 특정 이미터의 에너지 공급 및 특정 검출기의 활성화를 제어하는 능력이 있는 제어기로 LIDAR 시스템을 구성함으로써 설계자가 시스템의 다수의 중요한 성능 파라미터를 제어하는 것을 실현한다는 점이다. 예를 들어, 제어기는, 타겟 범위의 조명이 특정 애퍼처 크기의 광 출력에 대한 눈에 안전한 최대 허용 노광량(maximum permissible exposure: MPE) 제한을 초과하지 않게끔 송신기의 에너지 공급을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 2개 이상의 이미터 시야가 중첩되어 눈 안전 표준에 의해 정의된 애퍼처 내의 광 출력의 합이 너무 높으면, 최대 허용 노광량을 초과할 수 있다.

제어기는, 또한, 에너지 공급된 이미터와 검출을 위해 구성된 검출기 간의 일대일 대응이 유지되게끔 송신기 이미터 및 수신기 검출기를 제어하도록 구성될 수 있다. 제어기는, 이미터 그룹의 에너지 공급된 송신기 시야와 검출을 위해 구성된 검출기 그룹의 수신기 시야 간의 일대일 대응이 유지되도록 송신기 이미터 및 수신기 감지기를 제어할 수 있다. 제어기는, 또한, 측정 누화의 감소와 같은 다양한 성능 메트릭을 개선하기 위해 이미터의 에너지 공급 및/또는 검출기의 검출을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나보다 많은 송신기의 시야가 검출기 및/또는 수신기 시야와 중첩될 때 측정 누화가 발생할 수 있다. 이러한 중첩 영역은, 종종 합성 시야에 걸쳐 대상의 연속적인 추적을 제공하도록 시스템 내에 설계된다. 즉, 각 송신기의 이미터들의 시야 중 적어도 일부가 어느 정도 중첩될 때 2개의 송신기에 의해 연속적인 합성 시야가 제공된다. 또한, 적어도 하나의 검출기 시야가 이미터 시야와 중첩된다. 일반적으로, 2개의 수신기로부터의 적어도 일부의 개별 검출기 시야의 중첩도, 2개의 상이한 수신기에 걸쳐 연속적인 합성 시야를 제공하는 데 사용된다.

또한, 제어기는, 타겟 범위에서 원하는 및/또는 다양한 각도 분해능을 생성하기 위해 이미터의 에너지 공급 및/또는 검출기의 활성화를 제어하도록 구성될 수 있다. 제어기는, 또한, 합성 시야에 걸쳐 대상을 추적하기 위해 이미터의 에너지 공급 및/또는 검출기의 활성화를 제어하도록 구성될 수 있다. 합성 시야는, 모듈형 LIDAR 시스템을 형성하는 하나 이상의 송신기, 하나 이상의 수신기, 및/또는 하나 이상의 모듈에 의해 제공될 수 있다.

본 교시에 따른 LIDAR 시스템 설계에 대한 모듈형 방안의 한 가지 특징은 다양한 모듈을 자율 주행 차량에 쉽게 통합할 수 있다는 점이다. 도 13은 본 교시에 따른 모듈형 LIDAR 시스템(1300)의 일 실시예와 통합된 자율 주행 자동차를 도시한다. 3개의 수신기 모듈(1302, 1304, 1306)이 자동차(1306)의 지붕 근처에 도시되어 있다. 자동차(1308)의 사이드미러, 헤드라이트, 및 그릴과 같은 다양한 영역에 위치한 8개의 송신기 모듈(1310, 1312, 1314, 1316, 1318, 1320, 1322, 1324)이 도시되어 있다. 제어기 모듈(1326)은 자동차(1308)의 트렁크 영역에 별도로 위치한다. 비교적 작은 크기의 다수의 모듈을 가질 수 있는 능력은, 송신기의 위치를 허용하며 자동차(1308)의 거의 모든 위치에서 수신을 가능하게 하며, 이는 차량으로의 원활한 통합을 허용한다. 제어기 모듈(1326)은, 다양한 수신기 모듈(1302, 1304, 1306) 및 송신기 모듈(1310, 1312, 1314, 1316, 1318, 1320, 1322, 1324)의 동작을 조정하여 광학적 누화를 최소화하고 눈의 안전을 제어하도록 기능한다.

또한, 단일 제어기 모듈(1326)을 사용함으로써 차량 앞을 가로지르는 대상을 부드럽게 추적할 수 있는데, 솔리드-스테이트 시스템을 사용하면, 시스템이 관심 대상을 지속적으로 측정하도록 다양한 송신기 모듈(1310, 1312, 1314, 1316, 1318, 1320, 1322, 1324) 내의 레이저 어레이에 있는 요소들의 레이저 에너지 공급 패턴을 제어할 수 있기 때문이다. 대상이 하나의 송신기 시야에서 다음 송신기 시야로 경계를 넘어감에 따라, 제어기 모듈(1326)은, 측정에서의 임의의 갭을 방지하도록 송신기 모듈(1310, 1312, 1314, 1316, 1318, 1320, 1322, 1324)과 수신기 모듈(1302, 1304, 1306)을 조정할 수 있다. 여기에 설명된 모듈형 설계는, 또한, 물리적 크기가 상대적으로 작으므로 상이한 유형의 차량들에 통합하기가 더 쉽다. 많은 공간을 차지하는 큰 단일 유닛을 갖는 알려진 LIDAR 시스템은, 도 5와 관련하여 설명된 시스템에 도시된 바와 같이 차량의 외부에 위치해야 할 수 있다. 분명히, 도 5와 관련하여 설명된 자동차는, 기계적으로 회전하는 LIDAR가 있는 대형 루프 랙을 필요로 하기 때문에 보기 안 좋게 미학적으로 영향을 받으며, 자동차의 효율성에 영향을 미치는 바람직하지 않은 기류 역학을 갖는다.

본 교시의 모듈형 LIDAR 시스템의 한 가지 특징은 송신기 및 수신기 요소들 간의 전기적 누화를 최소화하는 능력이다. 자동차 LIDAR에 사용되는 레이저는, 전형적으로, 상대적으로 고 출력이며, 눈의 안전 한계에서 동작하며, 광 펄스를 생성하기 위해 큰 전기 구동 펄스 전류를 종종 필요로 한다. 송신기로부터의 전기 신호는, 수신 회로에 전자기적으로 결합되면, 잘못된 리턴 신호를 제공할 수 있는 과도한 노이즈를 생성한다. 이것은 다른 파장을 사용하여 하나보다 많은 레이저 펄스에 에너지를 공급할 수 있는 LIDAR 시스템의 경우에 특히 어려운 문제이다. 이러한 시스템 구성에서, 임의의 특정 송신 레이저의 에너지 공급 시간은 수신기 타이밍과는 완전히 무관할 수 있다. 본 교시의 모듈형 LIDAR 시스템은 송신 및 수신 신호들을 분리하여 임의의 전기적 누화 문제를 상당히 완화할 수 있다. 이러한 분리는 EMI 방출을 개선하는 데에도 사용될 수 있다.

도 14는 모듈당 다수의 송신기를 포함하는 본 교시에 따른 모듈형 LIDAR 시스템(1400)의 일 실시예의 개략도를 도시한다. 도 14에서, 하나의 모듈형 유닛(1402, 1404)은 여러 송신기(1406) 및 단일 수신기(1408)를 포함한다. 제어기 모듈(1410)은 별도의 모듈이다. 전력 공급 및 통신용 케이블(1412)을 사용하는 모듈들 사이에 연결이 존재한다. 모듈들(1402, 1404, 1410) 간의 통신은, 광학적으로 또는 전기적으로, 그리고 이더넷 또는 다른 통신 프로토콜을 포함하는 다양한 통신 프로토콜에서 발생할 수 있다. 송신/수신 모듈로의 전력은 도시된 바와 같이 제어기 모듈(1410)을 통해 또는 별도로 공급될 수 있다.

도 15는 도 14의 모듈형 LIDAR 시스템(1400)에 의해 생성된 합성 시야(1500)의 일 실시예를 도시한다. 도 14와 도 15를 참조해 보면, 송신/수신 모듈(1402)에 대해 생성된 시야(1502) 및 송신/수신 모듈(1404)에 대해 생성된 시야(1504)가 있다. 이러한 시야들(1502, 1504) 각각은, 각 모듈(1402, 1404)에 있는 2개의 송신기 각각에 대한 송신 시야(1506, 1508, 1510, 1512), 및 각 모듈(1402, 1404)에 있는 2개의 수신기 각각에 대한 수신 시야(1514, 1516)를 포함한다. 각 모듈(1402, 1404)에 대한 송신/수신 시야(1502, 1504)는, 명목상 도 12에 도시된 것과 동일하며, 상당히 중첩되는 1,024개의 레이저 각각에 대한 시야를 포함한다. 따라서, 합성 시야는 2,048개의 레이저 각각에 대한 시야를 갖는다. 2개의 모듈(1402, 1404)의 시야(1500)는, 하나의 개별 유닛에 대해 수평 방향으로 총 시야의 정확히 2배를 제공하도록 배열되었다. 다양한 실시예에서, 2개의 송신/수신 모듈의 파장은 동일하거나 상이할 수 있다. 통상의 기술자는, 본 교시가 시스템에 의해 사용되는 파장의 수에 의해 제한되지 않음을 이해할 것이다. 제어기 모듈(1410)은, 송신-수신 모듈들(1402, 1404) 모두를 동작시키고, 송신 어레이에 대한 레이저 구동 에너지 공급 패턴을 제어함으로써 모듈들 간의 광학적 누화를 최소화하고 또한 눈의 안전을 유지하도록 기능한다.

본 교시의 모듈형 LIDAR 시스템의 한 가지 특징은, 합성 시야가 시야에 걸쳐 대상을 연속적으로 추적할 수 있도록 설계된다는 점이다. 도 15와 관련하여 설명된 합성 시야(1500)를 참조해 볼 때, 연속적 추적의 장점은 송신 시야들(1506, 1508, 1510, 1512) 사이에 갭이 없다는 점이다. 그러나, 수신 시야들(1514, 1516)에는 중첩이 존재한다. 이는 수신 시야(1514, 1516) 모두가 송신 시야(1508, 1510) 모두로부터 광을 검출할 수 있는 중첩 영역(1518)을 생성한다. 제어기 모듈(1410)은, 최소한의 누화만이 존재하도록 중첩 영역(1518)에서 광을 생성하는 송신 어레이의 특정 레이저들의 에너지 공급을 관리하는 데 사용된다. 결과적으로, 송신 시야(1510)에서 생성되는 레이저 광은 수신 시야(1514)에서 최소화된다. 또한, 송신 시야(1508)로부터의 레이저 광은 수신 시야(1516)에서 최소화된다. 또한, 제어기 모듈(1410)은, 합성 시야(1500) 내의 피크 전력이 눈의 안전 임계 전력을 절대 초과하지 않도록 송신기 어레이의 특정 레이저들에 에너지 공급하는 것을 관리한다. 또한, 제어기는, 송신/수신 모듈(1402)의 제1 송신기와 송신/수신 모듈(1404)의 제2 송신기 중 하나만이 특정한 광 검출 및 거리 측정 동안 타겟 범위에서 대상으로부터 반사될 때 제1 및 제2 송신/수신 모듈(1402, 1404) 중 해당하는 하나의 송신기 내의 복수의 광 검출기 중 하나에 의해 검출되는 광학 빔을 생성하도록, 타겟 범위에 중첩 영역(1518)이 있는 광학 빔을 생성하는 송신기 어레이들의 특정 레이저들에 대한 에너지 공급을 제어한다.

도 16은 자율 차량(1602)에 통합된 본 교시에 따른 모듈형 LIDAR 시스템(1600)의 일 실시예를 도시한다. 도 16은 모듈형 송신/수신 모듈(1604, 1606, 1608)이 자동차(1602) 상에 어떻게 위치할 수 있는지를 도시한다. 2개의 송신/수신 모듈(1604, 1606)은 지붕(1610) 가까이에 배치되는 한편, 단일 모듈(1606)은 자동차(1602)의 그릴(1612)에 배치된다. 제어기 모듈(1614)은 자동차(1602)의 트렁크 내에 있다. 이러한 구성은, 공지된 대형 기계식 회전 LIDAR 시스템에 비해 다양한 차량에 쉽게 통합될 수 있게 한다.

본 교시의 한 가지 특징은, 송신 모듈, 수신 모듈, 및/또는 송신/수신 모듈이 반드시 제어기 모듈과는 별도로 패키징될 필요가 없다는 점이다. 이처럼, 송신 모듈, 수신 모듈, 및/또는 송신/수신 모듈과 제어기 모듈은 물리적으로 상이한 위치에 있을 필요가 없다. 도 17은, 공동 배치된 제어기 모듈(1702)을 갖는 본 교시의 모듈형 LIDAR 시스템(1700)의 일 실시예의 개략도를 도시한다. 단일 인클로저(1704)는, 일련의 송신/수신 모듈(1706, 1708, 1710, 1712, 1714, 1716)을 단일 제어기 모듈(1702)과 함께 그룹화하는 데 사용된다. 예를 들어, 세미-트레일러 트럭이나 쓰레기 트럭과 같은 대형 차량의 경우에는, 하나의 공통 인클로저(1704)가 있는 모듈형 시스템을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 공통 인클로저(1704)는 환경 인자에 대한 견고성을 추가로 제공할 수 있다.

도 18은 도 17의 모듈형 LIDAR 시스템(1700)에 의해 생성된 합성 시야(1800)의 일 실시예를 도시한다. 도 17과 도 18을 참조해 보면, 각각의 송신/수신 모듈(1706, 1708, 1710, 1712, 1714, 1716)은, 대응하는 수신 시야(1802, 1804, 1806, 1808, 1810, 1812) 및 2개의 대응하는 송신 시야(1814, 1816, 1818, 1820, 1822, 1824, 1826, 1828, 1830, 1832, 1834, 1836)를 갖는다. 송신/수신 모듈(1706, 1708, 1710, 1712, 1714, 1716)은, 각각 256개의 레이저를 가진 24개의 2D 레이저 어레이를 사용한다. 도 18은 수신기 시야(1802, 1804, 1806, 1808, 1810, 1812)에 다수의 중첩이 있음을 도시한다. 수신 시야(1802, 1804, 1806, 1808, 1810, 1812)는 중첩을 예시하는 데 도움이 되도록 상이한 라인 유형들로 도시되어 있다. 이 구성에서는, 광학적 누화를 피하고 눈의 안전을 보장하기 위해 송신 시야들 사이의 다수의 에지 또는 중첩 영역을 관리해야 한다. 제어기 모듈(1702)은, 안전 및 성능 사양이 충족되도록 또한 합성 시야(1800) 내에서 대상의 추적과 같은 기능의 최적화가 가능하도록 모든 송신/수신 모듈(1706, 1708, 1710, 1712, 1714, 1716)을 동작시킨다.

도 19는, 2개의 개별 수신기(1902, 1904) 및 2개의 개별 송신기(1906, 1908)를 갖는 본 교시에 따른 모듈형 LIDAR 시스템을 포함하는 동작 시나리오(1900)의 일 실시예를 도시한다. 이러한 동작 시나리오(1900)에서, 2개의 수신기(1902, 1904)의 각각은, 30°와 동일한 전체 시야를 가지며, 커버리지에 갭이 없음을 보장하기 위해 시야에서 일부 중첩을 갖도록 구성된다. 이것은, 예를 들어, 보행자(1910, 1912, 1914)의 연속적인 추적을 허용한다. 2개의 개별 송신기(1906, 1908)의 각각은 복수의 레이저를 포함한다. 각 송신기로부터의 점선들(1916, 1918, 1920, 1922)의 두 쌍은 각 송신기 내의 2개의 레이저의 투영 각도를 나타낸다. 2개의 레이저는 보행자(1910, 1912, 1914)에 대응하도록 선택된다. 보행자 #1(1910)은 송신기 #1(1906)과 수신기 #1(1902)의 시야 내에만 있다. 보행자 #3(1914)은 송신기 #2(1908)와 수신기 #2(1904)의 시야 내에만 있다. 그러나, 보행자 #2(1912)는 양측 송신기(1906, 1908)와 양측 수신기(1902, 1904)의 시야 내에 있다.

양측 수신기(1902, 1904)는 검출기들의 어레이를 사용한다. 검출기들의 어레이의 각 검출기는, 전체 수신기 시야의 서브세트인 시야를 갖는다. 예를 들어, 도 7b 및 관련 설명을 참조한다. 도시된 동작 시나리오(1900)에서, 각 수신기의 시야는, 각각 10° 시야를 갖는 3개의 섹션으로 분할된 것으로 도시된다. 수신기 #1(1902)의 경우에는, 이들이 영역 1A(1924), 1B(1926), 및 1C(1928)이다. 수신기 #2(1904)의 경우에는, 이들이 영역 2A(1930), 2B(1932), 및 2C(1934)이다. 수평면에서의 균일한 치수의 3-요소 검출기 어레이는, 임의의 수신기(1902, 1904)에 대한 시야(1924, 1926, 1928, 1930, 1932, 1934)에 해당한다. 동작 시나리오(1900)는 단순화를 위해 도시된 것이며, 개별 검출기당 작은 시야를 갖기 위해 검출기 어레이 크기가 실제로는 더 클 수 있다는 점을 이해해야 한다. 각 검출기의 시야는 참조를 위해 고유하게(1A, 1B, 1C, 2A, 2B, 2C) 표시된다.

단일 제어기(1938)는, 양측 수신기(1902, 1904) 및 양측 송신기(1906, 1908)를 제어하는 데 사용될 수 있다. 도 19에 도시된 동작 시나리오(1900)는, 보행자 #1이 수신기 #1에 의해서만 보이지만 검출기 lA와 1B 모두에 의해 보이는 것을 예시한다. 보행자 #2는, 검출기 1A와 검출기 2A의 시야가 상당히 중첩되므로, 수신기 #1과 수신기 #2 모두에 의해 보일 수 있다. 중첩 부분은 대각선-해칭 영역(1936)으로 표시되어 있다. 제어기(1938)는, 양측 수신기(1902, 1904)에 대한 각각의 검출기 요소에 대응하는 특정 시야(1924, 1926, 1928, 1930, 1932, 1934)를 알고 있으며, 따라서 이러한 중첩 영역을 알고 있다. 제어기(1938)는, 또한, 송신기 #1(1906) 및 송신기 #2(1908) 내의 레이저의 투영 각도(1916, 1918, 1920, 1922)를 알고 있으므로, 각 송신기(1906, 1908) 내의 각 레이저로부터 반사되는 펄스를 측정하는 데 어떠한 거리 범위에서 어떤 검출기를 사용할 수 있는지를 연산할 수 있다.

제어기(1938)는, 2개의 송신기(1906, 1908)에서 레이저에 대한 레이저 에너지 공급 패턴을 설정하고, 리턴 신호 펄스를 측정하기 위해 가능한 모든 수신기(1902, 1904) 내의 검출기 또는 검출기들의 조합을 선택한다. 각 레이저 및 범위를 측정하기 위한 최적의 검출기를 선택하는 전형적인 기준에는, 최대 수신 신호 전력 또는 최고 SNR이 포함될 수 있다. 제어기(1938)가 2개의 수신기(1902, 1904)의 검출기들 간의 중첩 영역(1936)에서 에너지 공급 패턴을 제어하지 않으면 광학적 누화가 잘못된 측정을 초래할 가능성이 있다. 예를 들어, 보행자 #2(1912)는 임의의 송신기(1906, 1908)를 사용하여 측정될 수 있다. 제어기(1938)가 보행자 #2(1912)의 송신기 #1(1906)로부터의 펄스를 에너지 공급하고 해당 펄스가 수신기(1902, 1904)에 의해 측정되기 전에 송신기 #2(1908)로부터의 제2 펄스에 에너지가 공급되면, 양측 펄스는 단일 측정 동안 단일 검출기에서 관찰된다. 이로 인해 거리 오류가 발생하고/하거나 잘못된 대상이 검출된다. 제어기(1938)는, 선택된 검출기의 시야 내에서 단일 측정 동안 레이저와 검출기 간의 엄격한 일대일 맵핑을 유지하도록 에너지 공급 패턴을 제어한다. 이는, 모듈형 LIDAR 시스템 내에서의 측정시 광학적 누화 및 오류를 방지할 수 있다.

도 20은 본 교시의 제어기(2002)의 일 실시예의 블록도(2000)를 도시한다. 단순함을 위해, 제어기(2002)는, 2개의 수신기(2004, 2006) 및 2개의 송신기(2008, 2010)와 통신하는 것으로 도시되지만, 실제 사용시에는, 임의의 수의 수신기와 제어기가 존재할 수 있다. 제어기(2002)는, 저장되고 이용가능한 다양한 정보 세트를 갖는다. 이 정보는 설정/교정 중에 결정될 수 있고/있거나 시스템 동작 중에 업데이트될 수 있다. 이 정보에는 시스템 제약(2012)이 포함된다. 예를 들어, 시스템 제약에는, 단일 레이저에 대한 최대 듀티 사이클, 시스템 동작에 대한 눈 안전 제약, 및 다른 유형의 제약이 포함될 수 있다. 또한, 해당 송신기에 대한 각 레이저의 투영 각도 및 원점을 포함하는 레이저 데이터(2014)가 있다. 또한, 각 검출기의 시야와 해당 수신기에 대한 각 검출기의 원점을 포함하는 검출기 데이터(2016)가 있다. 또한, 제어기(2002)는, 시스템 위치 정보(2018), 예를 들어, 일부 글로벌 원점 및/또는 축에 대한 시스템 내의 각 송신기 및 수신기 모듈의 위치에 대한 정보를 갖는다.

제어기(2002)는, 레이저 선택 및 에너지 공급 패턴 알고리즘/프로세스를 결정하기 위한 추가 입력으로서 수신기로부터의 TOF 측정 정보를 이용할 수 있다. TOF 연산은, 광 수신기와 동일한 물리적 유닛 내에서 수행될 수 있거나 다른 곳에서 수행될 수 있다.

제어기(2002)는, 레이저 선택 및 에너지 공급 패턴을 제어하는 알고리즘을 실행한다. 이것은 솔리드-스테이트 시스템이므로, 시야 내에서 많은 유형의 에너지 공급 및 스캐닝 패턴이 가능하다. 본 교시에 따른 방법의 일 실시예에서, 제어기(2002)는 각 송신기에 대해 발사될 레이저를 선택하는 제1 단계(2020)를 실행한다. 제2 단계(2022)에서, 제어기는 대응하는 검출기를 선택한다. 제3 단계(2024)에서, 제어기는 이러한 레이저 및 검출기의 시야에서 중첩을 체크한다. 오류 및/또는 광학적 누화를 초래할 수 있는 중첩이 없는 경우, 제어기는, 레이저에 에너지가 공급되는 제4 단계(2026)로 진행한다. 해당 리턴 펄스는 수신기 #1(2004) 및/또는 수신기 #2(2006)에서 수신된다. 중첩이 있는 경우, 제어기(2002)는, 제1 단계(2020)로 돌아가고, 이에 따라 에너지를 공급할 새로운 레이저 세트를 선택하고, 원하는 중첩 조건을 수용하도록 필요에 따라 에너지 공급 패턴을 조정한다. 리턴 펄스가 수신기 #1(2004) 및/또는 수신기 #2(2006)에서 수신된 후, TOF 분석(2028)을 수행한다. 분석(2028) 결과는 다음으로 진행할 에너지 공급 패턴을 결정하도록 단계 1(2020)에서 이용될 수 있다.

균등물

출원인의 교시를 다양한 실시예와 관련하여 설명하였지만, 출원인의 교시를 이러한 실시예로 제한하려는 것이 아니다. 역으로, 출원인의 교시는 다양한 대안, 수정, 및 균등물을 포함하며, 이는, 통상의 기술자가 이해하듯이, 교시의 사상과 범위를 벗어나지 않고 교시 내에서 이루어질 수 있다.

Claims

모듈형 광 검출 및 거리 측정(LIDAR; light detection and ranging) 시스템으로서,
a) 복수의 제1 이미터를 포함하는 제1 광 송신기로서, 상기 복수의 제1 이미터의 각각은 에너지 공급(energize)시 타겟 범위에서 시야(FOV; field-of-view)를 갖는 광학 빔을 생성하도록 위치하는, 제1 광 송신기;
b) 복수의 제2 이미터를 포함하는 제2 광 송신기로서, 상기 복수의 제2 이미터의 각각은 에너지 공급시 상기 타겟 범위에서 시야를 갖는 광학 빔을 생성하도록 위치하고, 상기 제1 및 제2 광 송신기는, 에너지 공급시 상기 제1 및 제2 광 송신기에 의해 생성되는 광학 빔들 중 적어도 일부의 시야가 상기 타겟 범위에서 중첩되도록 서로에 대하여 위치하는, 제2 광 송신기;
c) 복수의 광 검출기를 포함하는 광 수신기로서, 상기 복수의 광 검출기의 각각은, 상기 제1 및 제2 광 송신기 중 적어도 하나에 의해 생성되며 상기 타겟 범위에서 상기 시야 내의 타겟에 의해 반사되는 해당 광학 빔을 검출하도록 위치하는, 광 수신기; 및
d) 상기 제1 및 제2 광 송신기의 제어 입력들에 각각 연결된 제1 출력과 제2 출력, 및 상기 광 수신기의 제어 입력에 연결된 제3 출력을 포함하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는, 상기 복수의 제1 이미터와 상기 복수의 제2 이미터 중 상기 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔들을 생성하는 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하는 제어 신호들을 상기 제1 및 제2 출력에서 생성하고, 상기 복수의 광 검출기 중 선택된 광 검출기들을 활성화하여 상기 타겟 범위에서 대상으로부터 반사되는 광학 빔들을 검출하는 제어 신호를 상기 제3 출력에서 생성하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기는, 특정한 광 검출 및 거리 측정 동안 상기 대상으로부터 반사될 때 상기 타겟 범위에서 상기 복수의 광 검출기 중 하나에 의해 검출되는 광학 빔을 상기 제1 및 제2 송신기 중 하나만이 생성하도록, 상기 복수의 제1 이미터와 상기 복수의 제2 이미터 중 상기 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔들을 생성하는 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 복수의 제1 및 제2 이미터 중 상기 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔들로부터 발생하는 누화가 감소되도록 상기 광학 빔들을 생성하는 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 복수의 제1 및 제2 이미터 중 상기 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔들로부터 발생하는 누화가 최소화되도록 상기 광학 빔들을 생성하는 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 복수의 제1 및 제2 이미터 중 상기 타겟 범위에서의 애퍼처의 광 출력(optical power)이 미리 정해진 양보다 적도록 상기 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔들을 생성하는 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하는 제어 신호들을 상기 제1 및 제2 출력에서 생성하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제5항에 있어서, 상기 미리 정해진 양은 최대 허용 노광량(maximum permissible exposure: MPE)보다 적은, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, a) 복수의 광 검출기를 포함하는 제2 광 수신기를 더 포함하고,
상기 제2 광 수신기의 상기 복수의 광 검출기의 각각은, 상기 제1 및 제2 광 송신기 중 적어도 하나에 의해 생성되며 상기 타겟 범위에서 상기 시야 내의 상기 타겟에 의해 반사되는 각 광학 빔을 검출하도록 위치하고,
b) 상기 제어기는 상기 제2 광 수신기의 제어 입력에 연결된 제4 출력을 더 포함하고, 상기 제어기는, 상기 타겟 범위에서 상기 대상으로부터 반사되는 광학 빔들을 검출하도록 상기 제2 광 수신기의 상기 복수의 광 검출기 중 선택된 광 검출기들을 활성화하는 제어 신호를 상기 제4 출력에서 생성하고,
상기 제어기는, 상기 제1 광 수신기의 복수의 광 검출기 또는 상기 제2 광 수신기의 복수의 광 검출기 중 선택된 광 검출기들만이 상기 타겟 범위에서 상기 대상으로부터 반사되는 광학 빔들을 한 번에 검출하도록 제어 신호를 상기 제3 및 제4 출력에서 생성하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 송신기는 단일 인클로저에 수용된, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 송신기는 물리적으로 별개인 인클로저들에 수용된, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 광 수신기는, 상기 제1 및 제2 광 송신기를 수용하는 인클로저들과는 물리적으로 별개인 인클로저에 수용된, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 송신기 중 적어도 하나 및 상기 광 수신기는 동일한 인클로저에 수용된, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 송신기 중 적어도 하나, 상기 광 수신기, 및 상기 제어기는 동일한 인클로저에 수용된, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 광 수신기의 복수의 광 검출기는 2차원 어레이를 포함하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 광 송신기의 복수의 제1 이미터는 이미터들의 2차원 어레이를 포함하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제14항에 있어서, 상기 이미터들의 2차원 어레이는 이미터들의 매트릭스 주소지정가능 어레이(matrix addressable array of emitters)를 포함하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 광 송신기의 복수의 제1 이미터는 이미터들의 제1 2차원 어레이와 제2 차원 어레이를 포함하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제16항에 있어서, 상기 이미터들의 제1 2차원 어레이와 제2 차원 어레이는 인터리빙된 시야를 갖는 광학 빔들을 생성하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 광 송신기의 복수의 제1 이미터는 VCSEL 어레이를 포함하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 복수의 제1 이미터는 제1 파장에서 광학 빔들을 생성하고, 상기 복수의 제2 이미터는 제2 파장에서 광학 빔들을 생성하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 복수의 제1 이미터 중 적어도 2개는 상이한 파장들에서 광학 빔들을 생성하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 제1 및 제2 광 송신기의 상대 위치에 기초하여 상기 복수의 제1 이미터와 상기 복수의 제2 이미터 중 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하는 제어 신호들을 상기 제1 및 제2 출력에서 생성하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 복수의 제1 이미터와 상기 복수의 제2 이미터 중 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하고 상기 제1 광 송신기, 상기 제2 광 송신기, 및 상기 광 수신기의 상대 위치에 기초하여 상기 복수의 광 검출기 중 선택된 광 검출기들의 활성화를 제어하는 제어 신호들을 상기 제1 출력, 제2 출력, 제3 출력에서 생성하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
모듈형 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템으로서,
a) 에너지 공급시 타겟 범위에서 인터리빙된 시야를 갖는 광학 빔들의 제1 어레이와 광학 빔들의 제2 어레이를 생성하는, 이미터들의 제1 2차원 어레이와 이미터들의 제2 2차원 어레이를 포함하는 제1 광 송신기;
b) 에너지 공급시 상기 타겟 범위에서 인터리빙된 시야를 갖는 광학 빔들의 제1 어레이와 광학 빔들의 제2 어레이를 생성하는, 이미터들의 제1 2차원 어레이와 이미터들의 제2 2차원 어레이를 포함하는 제2 광 송신기로서, 상기 제1 및 제2 광 송신기는, 에너지 공급시 상기 제1 광 송신기에 의해 생성되는 상기 광학 빔들의 제1 및 제2 어레이의 광학 빔들 중 적어도 일부 및 에너지 공급시 상기 제2 광 송신기에 의해 생성되는 상기 광학 빔들의 제1 및 제2 어레이의 광학 빔들 중 적어도 일부가 상기 타겟 범위에서 중첩되는, 제2 광 송신기;
c) 복수의 광 검출기를 포함하는 광 수신기로서, 상기 복수의 광 검출기의 각 광 검출기는, 상기 제1 및 제2 광 송신기 중 적어도 하나에 의해 생성되고 상기 타겟 범위에서 상기 시야 내의 타겟에 의해 반사되는 각 광학 빔들을 검출하도록 위치하는, 광 수신기; 및
d) 상기 제1 광 송신기와 상기 제2 광 송신기의 각 제어 입력에 연결된 제1 출력과 제2 출력, 및 상기 광 수신기의 제어 입력에 연결된 제3 출력을 포함하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는, 에너지 공급시 상기 타겟 범위에서 인터리빙된 시야를 갖는 상기 광학 빔들의 제1 및 제2 어레이를 생성하는 상기 제1 및 제2 광 송신기 모두의 상기 이미터들의 제1 및 제2 2차원 어레이에서의 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하는 제어 신호들을 상기 제1 및 제2 출력에서 생성하고, 상기 타겟 범위에서 대상으로부터 반사되는 광학 빔들을 검출하도록 상기 복수의 광 검출기 중 선택된 광 검출기들을 활성화하는 제어 신호를 상기 제3 출력에서 생성하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 송신기 중 적어도 하나의 광 송신기의 제1 및 제2 어레이의 상대 위치는 상기 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템의 원하는 각도 해상도를 제공하도록 선택되는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 이미터들의 제1 2차원 어레이의 파장은, 상기 제1 및 제2 광 송신기 중 적어도 하나의 광 송신기의 상기 이미터들의 제2 2차원 어레이의 파장과는 상이한, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 타겟 범위에서 상기 대상으로부터 반사될 때 특정한 광 검출 및 거리 측정 동안 상기 복수의 광 검출기 중 하나에 의해 검출되는 광학 빔을 상기 제1 및 제2 송신기 중 하나만이 생성하도록, 에너지 공급시 상기 타겟 범위에서 인터리빙된 시야를 갖는 광학 빔들의 제1 및 제2 어레이를 생성하는, 상기 제1 및 제2 광 송신기 모두의 상기 이미터들의 제1 및 제2 2차원 어레이의 이미터들 중 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔들로부터 발생하는 누화가 감소되도록 에너지 공급시 상기 타겟 범위에서 인터리빙된 시야를 갖는 상기 광학 빔들의 제1 및 제2 어레이를 생성하는, 상기 제1 및 제2 광 송신기의 상기 이미터들의 제1 및 제2 2차원 어레이의 이미터들 중 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔들로부터 발생하는 누화가 최소화되도록 에너지 공급시 상기 타겟 범위에서 인터리빙된 시야를 갖는 상기 광학 빔들의 제1 및 제2 어레이를 생성하는, 상기 제1 및 제2 광 송신기의 상기 이미터들의 제1 및 제2 2차원 어레이의 이미터들 중 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 타겟 범위에서의 애퍼처의 광 출력이 미리 정해진 양보다 적도록 에너지 공급시 상기 타겟 범위에서 인터리빙된 시야를 갖는 상기 광학 빔들의 제1 및 제2 어레이를 생성하는 상기 제1 및 제2 광 송신기의 상기 이미터들의 제1 및 제2 2차원 어레이의 선택된 이미터들로의 에너지 공급을 제어하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제29항에 있어서, 상기 미리 정해진 양은 최대 허용 노광량(MPE)보다 적은, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, a) 복수의 광 검출기를 포함하는 제2 광 수신기를 더 포함하고, 상기 복수의 광 검출기의 각각은, 상기 제1 및 제2 광 송신기 중 적어도 하나에 의해 생성되며 상기 타겟 범위에서 상기 시야 내의 상기 타겟에 의해 반사되는 각 광학 빔을 검출하도록 위치하고,
b) 상기 제어기는, 또한, 상기 제2 광 수신기의 제어 입력에 연결된 제4 출력을 포함하고, 상기 제어기는, 상기 타겟 범위에서 상기 대상으로부터 반사되는 광학 빔을 검출하도록 상기 제2 광 수신기의 상기 복수의 광 검출기 중 선택된 광 검출기들을 활성화하는 제어 신호를 상기 제4 출력에서 생성하고,
상기 제어기는, 상기 제1 광 수신기의 복수의 광 검출기 또는 상기 제2 광 수신기의 복수의 광 검출기 중 선택된 광 검출기들만이 상기 타겟 범위에서 상기 대상으로 반사되는 광학 빔들을 한 번에 검출하도록 제어 신호들을 상기 제3 및 제4 출력에서 생성하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 송신기는 단일 인클로저에 수용된, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 송신기는 물리적인 별개인 인클로저들에 수용된, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 광 수신기는 상기 제1 및 제2 광 송신기를 수용하는 인클로저들과는 물리적으로 별개인 인클로저에 수용되는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 송신기 중 적어도 하나 및 상기 광 수신기는 동일한 인클로저에 수용된, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 송신기 중 적어도 하나, 상기 광 수신기, 및 상기 제어기는 동일한 인클로저에 수용된, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 광 수신기의 복수의 광 검출기는 2차원 어레이를 포함하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 송신기 층 적어도 하나의 광 송신기의 제1 및 제2 2차원 어레이 중 적어도 하나는 VCSEL 어레이를 포함하는, 모듈형 광 검출 및 거리 측정 시스템.
모듈형 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 방법으로서,
a) 제1 광 송신기의 복수의 제1 이미터에 에너지가 공급될 때 타겟 범위에 시야(FOV)를 갖는 복수의 광학 빔을 생성하는 단계;
b) 제2 광 송신기의 복수의 제2 이미터에 에너지가 공급될 때 상기 타겟 범위에 시야를 갖는 복수의 광학 빔을 생성하는 단계;
c) 에너지 공급시 상기 제1 및 제2 광 송신기에 의해 생성되는 광학 빔들 중 적어도 일부의 시야가 상기 타겟 범위에서 중첩되도록 상기 제1 및 제2 광 송신기를 서로에 대하여 위치결정하는 단계;
d) 복수의 광 검출기의 각각이 상기 제1 및 제2 광 송신기 중 적어도 하나의 광 송신기에 의해 생성되며 상기 타겟 범위에서 상기 시야 내의 타겟에 의해 반사되는 각 광학 빔을 검출하도록 상기 복수의 광 검출기를 위치결정하는 단계; 및
e) 상기 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔들을 생성하는 상기 복수의 제1 이미터와 상기 복수의 제2 이미터 중 선택된 이미터들에 에너지를 공급하고, 상기 복수의 광 검출기 중 선택된 광 검출기들을 활성화하여 상기 타겟 범위에서 대상으로부터 반사되는 광학 빔들을 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
제39항에 있어서, 특정한 광 검출 및 거리 측정 동안 상기 타겟 범위에서 상기 대상으로부터 반사될 때 상기 복수의 광 검출기 중 하나에 의해 검출되는 광학 빔을 상기 제1 및 제2 송신기 중 하나만이 생성하도록, 상기 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔들을 생성하는, 상기 복수의 제1 이미터와 상기 복수의 제2 이미터 중 선택된 이미터들에 에너지를 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제39항에 있어서, 상기 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔들로부터 발생하는 누화가 감소되도록 상기 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔들을 생성하는, 상기 복수의 제1 이미터와 상기 복수의 제2 이미터 중 선택된 이미터들에 에너지를 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제39항에 있어서, 특정한 눈 보호 측정 애퍼처의 광 출력이 미리 정해진 양보다 적도록 상기 타겟 범위에서 중첩되는 시야를 갖는 광학 빔들을 생성하는, 상기 복수의 제1 이미터와 상기 복수의 제2 이미터 중 선택된 이미터들에 에너지를 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제39항에 있어서, 상기 제1 이미터들에 의해 생성되는 복수의 광학 빔은 제1 파장을 갖고, 상기 제2 이미터들에 의해 생성되는 복수의 광학 빔은 제2 파장을 갖는, 방법.
제39항에 있어서, 상기 복수의 제1 이미터 중 적어도 2개는 상이한 파장들로 광학 빔들을 생성하는, 방법.