KR20210108450A - 증가된 채널을 위한 하이 사이드 및 로우 사이드 스위치를 갖는 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 레이저 어레이 - Google Patents

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KR20210108450A
KR20210108450A KR1020217023679A KR20217023679A KR20210108450A KR 20210108450 A KR20210108450 A KR 20210108450A KR 1020217023679 A KR1020217023679 A KR 1020217023679A KR 20217023679 A KR20217023679 A KR 20217023679A KR 20210108450 A KR20210108450 A KR 20210108450A
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안구스 파칼라
마빈 리우 슈
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아우스터, 인크.
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Abstract

k개의 방출기 뱅크들로 배열된 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하는 전자 스캐닝 방출기 어레이. k개의 방출기 뱅크들 각각은 2차원 어레이 내의 광 방출기들의 서브세트를 포함할 수 있고, 그의 방출기들의 서브세트로부터 광을 방출하도록 독립적으로 동작가능할 수 있다. 전자 스캐닝 방출기 어레이는 광 방출기들의 2차원 어레이에 에너지를 제공하도록 연결된 제1 및 제2 커패시터 뱅크들과, 제1 및 제2 커패시터 뱅크들 및 k개의 방출기 뱅크들에 연결된 방출기 어레이 구동 회로를 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 커패시터 뱅크들 각각은 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 방출기 어레이 구동 회로는 제1 커패시터 뱅크와 전압원 사이에 연결된 제1 하이 사이드 스위치, 제2 커패시터 뱅크와 전압원 사이에 연결된 제2 하이 사이드 스위치, 및 k개의 방출기 뱅크들과 접지 사이에 연결된 k/2개의 로우 사이드 스위치들을 포함할 수 있으며, 방출기 구동 회로는 k개의 방출기 뱅크들 각각이 방출될 때까지 방출 시퀀스에 따라 한번에 k개의 방출기 뱅크들 내의 하나의 방출기 뱅크를 방출시키도록 구성될 수 있다.

Description

증가된 채널을 위한 하이 사이드 및 로우 사이드 스위치를 갖는 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 레이저 어레이
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2019년 11월 26일에 출원된 미국 특허출원 제16/696,540호, 2019년 4월 2일에 출원된 미국 특허 임시출원 제62/828,113호, 2018년 12월 26일에 출원된 미국 특허 임시출원 제62/784,918호의 우선권을 주장한다. 제16/696,540호, 제62/828,113호 및 제62/784,918호 출원들 각각은 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
광 이미징, 검출 및 레인징(LIDAR: light imaging, detection and ranging) 시스템은 펄스형 레이저 광으로 타겟을 조명하고 센서를 이용하여 반사된 펄스를 측정함으로써 타겟까지의 거리를 측정한다. 그 후, 타겟의 디지털 3D 표현을 만들기 위해 전파시간 측정들이 사용될 수 있다. LIDAR 시스템은 특히 고고학, 지리학, 지질학, 임업, 매핑, 건설, 의료 영상 및 군사적 응용을 포함하는 3D 깊이 영상이 유용한 다양한 응용에 사용될 수 있다. 자율주행 차량도 또한 차량 내비게이션뿐만 아니라 장애물 검출 및 회피를 위해 LIDAR를 사용할 수 있다.
일부 LIDAR 시스템들은 시야에서 장면의 이미지를 캡처하기 위해 360° 이하의 회전 각도 주위로 송신 및 수신 요소를 물리적으로 스캔하는 기계적, 이동 요소를 포함한다. 차량에서 장애물 검출 및 회피를 위해 사용될 수 있는 그러한 시스템의 일례는 종종 회전 또는 스피닝(spinning) LIDAR 시스템으로 지칭된다. 회전 LIDAR 시스템에서, LIDAR 센서는 대개 하우징 내에, 전체 360도 회전 또는 스핀하는 칼럼에 장착된다. LIDAR 센서는, LIDAR 센서가 장면을 통해 연속적으로 회전함에 따라 차량 주위의 장면을 조명하기 위해 간섭성(coherent) 광 방출기(예를 들어, 적외선 또는 근적외선 스펙트럼 내의 펄스화된 레이저)를 포함한다. 간섭성 광 방출기들이 회전함에 따라, 그들은 장면에서 상이한 방향들로 LIDAR 시스템으로부터 복사 펄스들을 전송한다. 장면 내의 주변 물체들에 입사하는 복사의 일부는 차량 주위의 이러한 물체들로부터 반사되고, 이어서 이러한 반사들은 상이한 시간 간격들에서 LIDAR 센서의 이미징 시스템 부분에 의해 검출된다. 이미징 시스템은 검출된 광을 전기 신호로 변환한다.
이런 식으로, 거리 및 형상을 포함하는 LIDAR 시스템을 둘러싸는 물체에 관한 정보가 수집되고 처리된다. LIDAR 시스템의 디지털 신호 처리 유닛은 전기 신호들을 처리하고, 차량 내비게이션 및 다른 목적들뿐만 아니라 장애물 검출 및 회피에서의 보조물로서 사용될 수 있는 깊이 이미지 또는 3D 포인트 클라우드 내의 물체들에 관한 정보를 재생할 수 있다. 부가적으로, 이미지 처리 및 이미지 스티칭 모듈들이 정보를 얻을 수 있고 차량 주위의 물체들의 디스플레이를 조합할 수 있다.
다른 유형의 기계적인 LIDAR 시스템은 예를 들어, 미러 검류계(mirror galvanometer)를 사용하여 미리 결정된 스캔 패턴을 따라 레이저 빔을 스캔한다. 몇몇 이러한 시스템들은 레이저 빔의 스캔 패턴과 일치하도록 전자적으로 스캔되는 광센서들의 2차원 어레이를 포함할 수 있다. 그러나, 빔을 조향하기 위해 기계적 시스템이 이용되는 경우 센서 어레이를 보정하고 레이저 빔과 동기화하는 것은 어려울 수 있다.
또한, 어떠한 이동하는 기계 부분들도 포함하지 않는 솔리드 스테이트 LIDAR 시스템도 존재한다. 장면을 통해 회전하는 대신, 몇몇 솔리드 스테이트 LIDAR 시스템들은 광으로 캡처하고 반사된 광을 감지하고자 하는 장면의 전체 부분을 플래시한다. 이러한 시스템들에서, 송신기는, 장면을 조명하기 위해 모두 한번에 광을 방출하는 방출기들의 어레이를 포함하고, 따라서 때때로 "플래시" LIDAR 시스템들로 지칭된다. 플래시 LIDAR 시스템은 이동하는 부품이 없기 때문에 제조하기에는 덜 복잡하지만, 모든 방출기들이 한번에 활성화되기 때문에 많은 양의 전력이 필요할 수 있고, 이들은 한번에 모든 픽셀 검출기들로부터 신호들을 처리하기 위해 많은 양의 처리 능력을 필요로 할 수 있다. 광 방출기들의 수를 감소시키는 것은 결과적인 이미지의 품질 및 해상도를 희생하면서 전력을 절약할 수 있다. 방출된 많은 양의 광은 또한 수신 단에서 잡음을 발생시킬 수 있는 바람직하지 않은 양의 미광(stray light)을 유도할 수 있으며, 이에 의해 감지된 신호들의 신호 대 잡음비를 감소시키고 흐릿한 이미지들을 초래한다.
본 발명의 일부 실시예들은 스피닝 열(spinning column) 또는 미러 검류계(mirror galvanometer)가 존재하지 않는 고정식의 솔리드-스테이트(solid-state) LIDAR 시스템들에 관한 것이다. 실시예들은 높은 해상도 및 낮은 전력 소모로 장면의 이미지를 캡처할 수 있고, 현재 이용 가능한 몇몇 스피닝 LIDAR 시스템들과 비교하여 향상된 정확도, 신뢰도, 크기, 집적도 및 외관을 갖는다.
일부 실시예들에 따르면, 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템은, 송신 요소 내의 방출기 어레이의 방출 시퀀스가 수신 요소 내의 광센서 어레이의 캡처 시퀀스에 대응하도록 동작들이 동기화되는 스캐닝 초점면 송신 요소 및 스캐닝 초점면 수신 요소를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 송신 요소 및 수신 요소는 각각, 대상 공간 내의 송신기 및 수신기 시야들을 시준(collimate)하는 이미지 공간 텔레센트릭 벌크 광학계들과 각각 커플링될 수 있다. 그리고, 일부 실시예들에서, 방출기 어레이는 수직 공동 표면 방출 레이저들(VCSEL: vertical-cavity surface-emitting laser)의 어레이일 수 있고, 광센서 어레이 내의 각각의 광센서는 단일 광자 애벌란시 다이오드들(SPAD들)과 같은 광 검출기들의 집합을 포함한다.
동작 동안, 방출기 어레이는 방출기 어레이로부터의 광 방출기들의 하나 이상의 열들을 순차적으로 방출시킬 수 있으며, 반사된 광은 광센서들의 하나 이상의 대응하는 열들에 의해 수신될 수 있다. 방출 및 캡처 시퀀스들을 동기화함으로써, 솔리드 스테이트 스캐닝 LIDAR 시스템은, 주어진 시점에서, 대응하는 세트의 광센서들에 의해 효율적으로 검출될 수 있는 방출기들의 세트로부터 특정한 양의 빛만을 조명함으로써 이미지들을 효율적으로 캡처할 수 있으며, 이에 의해, 시스템에 이용가능한 전력의 최적의 사용을 가능하게 하는 방식으로 장면의 과도한 조명을 최소화하고 에너지를 집중시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들은 개별적으로 어드레싱 가능한 채널들의 개수를 증가시키면서 개별 채널들이 높은 전력 레벨들에서 구동될 수 있게 하고 방출기 어레이와 연관된 제어 회로의 크기를 최소화하기 위해, 방출기 어레이의 하이 사이드(high-side) 및 로우 사이드(low-side) 모두에 스위치들을 포함할 수 있다. 하이 사이드 스위치들은 방출기 어레이를 구동하도록 구성된 전압원과 커패시터들 사이에 연결될 수 있다. 하이 사이드 스위치들은 커패시터들을 충전하기 위해 커패시터들을 전압원에 연결하도록 선택적으로 활성화될 수 있다. 로우 사이드 스위치들은 어레이 내의 방출기들의 뱅크들을 선택적으로 방출시키기 위해, 방출기 어레이를 통해 커패시터들을 방전하도록 선택적으로 활성화될 수 있다. 커패시터들은 더 높은 전류 레벨들을 처리하는 데 필요한 로우 사이드 스위치들보다 하이 사이드 스위치들이 더 작게(즉, 더 적은 실면적을 차지하게) 하면서 방출기 어레이를 구동하기 위해 커패시터들에 의해 전달되는 전류 레벨들보다 낮은 전류 레벨들에서 충전될 수 있다. 이런 식으로, 본 발명의 일부 실시예들은 더 적은 수의 독립적으로 어드레싱 가능한 채널들이 더 낮은 전력 레벨들에서 구동되는 경우에 제공되는 휘도와 비교하여 레이저 빔들의 증가된 밝기를 가능하게 하는, 시스템에 이용가능한 전력의 사용에 대한 추가적인 개선을 제공한다. 증가된 휘도는 또한 광센서 어레이의 개선된 검출 범위 및 정확도를 초래할 수 있다.
일부 실시예들에서, 본원의 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들은 또한 장면의 이미지들이 캡처되는 효율을 더 향상시키기 위해 마이크로-광학계(micro-optics)를 이용할 수 있다. 마이크로-광학계는 전송 구성요소로부터 방출된 광의 휘도 및 강도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 전기적 스캐닝 LIDAR 시스템의 수신 요소의 센서 픽셀들 사이의 크로스토크(cross-talk)를 최소화할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 개구층이 광센서들의 전방에 위치될 수 있다. 각각의 광 방출기는 개구층 내의 개구에 대응할 수 있고, 각각의 개구는 각각의 광 방출기가 수신 요소 내의 특정 광센서에 대응하도록 수신 요소 내의 광센서에 대응할 수 있다. 개구는 이웃하는 광센서들 상의 미광의 노출을 완화시킬 뿐만 아니라, 광센서에 대한 시야를 시야 내의 단일 지점으로 좁힐 수 있다.
일부 실시예들은 k개의 방출기 뱅크들로 배열된 광 방출기들의 2차원 어레이를 포함하는 전자 스캐닝 방출기 어레이에 관한 것이다. k개의 방출기 뱅크들 각각은 2차원 어레이 내의 광 방출기들의 서브세트를 포함할 수 있고, 그의 방출기들의 서브세트로부터 광을 방출하도록 독립적으로 동작가능할 수 있다. 전자 스캐닝 방출기 어레이는 광 방출기들의 2차원 어레이에 에너지를 제공하도록 연결된 제1 및 제2 커패시터 뱅크들과, 제1 및 제2 커패시터 뱅크들 및 k개의 방출기 뱅크들에 연결된 방출기 어레이 구동 회로를 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 커패시터 뱅크들 각각은 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 방출기 어레이 구동 회로는 제1 커패시터 뱅크와 전압원 사이에 연결된 제1 하이 사이드 스위치, 제2 커패시터 뱅크와 전압원 사이에 연결된 제2 하이 사이드 스위치, 및 k개의 방출기 뱅크들과 접지 사이에 연결된 k/2개의 로우 사이드 스위치들을 포함할 수 있으며, 방출기 구동 회로는 k개의 방출기 뱅크들 각각이 방출될 때까지 방출 시퀀스에 따라 한번에 k개의 방출기 뱅크들 내의 하나의 방출기 뱅크를 방출시키도록 구성될 수 있다.
k개의 방출기 뱅크들은 제1 복수의 방출기 뱅크들 및 제2 복수의 방출기 뱅크들을 포함할 수 있으며, 제1 커패시터 뱅크는 제1 복수의 방출기 뱅크들의 양극들에 연결될 수 있고, 제2 커패시터 뱅크는 제2 복수의 방출기 뱅크들의 양극들에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출기 어레이 구동 회로는 복수의 연속적인 방출 사이클들에서 방출기 어레이를 구동하도록 구성되며, 각각의 방출 사이클 동안, 방출 시퀀스는 제1 복수의 방출기 뱅크들의 각각을 방출시키고 이어서 제2 복수의 방출기 뱅크들 각각을 방출시킨다. 다른 실시예들에서, 방출기 어레이 구동 회로는 복수의 연속적인 방출 사이클들에서 방출기 어레이를 구동하도록 구성되며, 각각의 방출 사이클 동안, 방출 시퀀스는 제1 복수의 방출기 뱅크들로부터 방출기 뱅크를 방출시키는 것과 제2 복수의 방출기 뱅크들로부터 방출기 뱅크를 방출시키는 것 사이에 교호하게 된다.
일부 실시예들에서, 전자 스캐닝 방출기 어레이는 k개의 방출기 뱅크들로 배열된 2차원 어레이의 광 방출기들, 및 l 개의 커패시터 뱅크들로서 배열되고 광 방출기들의 2차원 어레이에 에너지를 제공하도록 연결된 복수의 커패시터들을 포함한다. k개의 방출기 뱅크들 각각은 2차원 어레이 내의 광 방출기들의 서브세트를 포함할 수 있고, 이들 방출기들의 서브세트로부터 광을 방출하도록 독립적으로 동작가능할 수 있으며, l 개의 커패시터 뱅크들 각각은 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다.
방출기 어레이 구동 회로는, l 개의 커패시터 뱅크들 중 하나와 전압원 사이에 연결된 l 개의 하이 사이드 스위치들 각각을 갖는 l 개의 하이 사이드 스위치들, 및 k개의 방출기 뱅크들과 접지 사이에 연결된 각각의 k/l개의 로우 사이드 스위치들 각각을 갖는 k/l개의 로우 사이드 스위치들을 포함할 수 있다. 방출기 구동 회로는 k개의 방출기 뱅크들 각각이 방출될 때까지 방출 시퀀스에 따라 k개의 방출기 뱅크들 내의 하나의 방출기 뱅크를 한번에 방출시키도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은 광센서들의 어레이와 함께 본원에 기재된 바와 같은 전자 스캐닝 방출기 어레이, 및 광센서들의 어레이에 연결된 센서 어레이 판독 회로를 포함하는 솔리드 스테이트 광학 시스템에 관한 것이다. 광센서들의 어레이는 k개의 광센서 뱅크들 각각이 k개의 방출기 뱅크들 중 하나와 페어링되는 k개의 광센서 뱅크들을 포함할 수 있고, 센서 어레이 판독 회로는 개개의 광 방출기들의 2차원 어레이 내의 각각의 광 방출기가 활성화될 수 있도록 그리고 광센서들의 어레이 내의 각각의 광센서가 하나의 방출 사이클을 통해 판독될 수 있도록 k개의 방출기 뱅크들 내의 대응하는 방출기 뱅크의 방출과 동시에 어레이 내의 k개의 광센서 뱅크들의 각각의 판독을 동기화하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들의 특성들 및 이점들에 대한 보다 양호한 이해는 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조하여 얻어질 수 있다. 그러나, 도면들 각각은 단지 예시를 위해 제공되고 본 발명의 범위를 제한하는 정의로서 의도되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 또한, 일반적인 규칙으로서, 그리고 설명으로부터 상반되는 것이 명백하지 않은 한, 상이한 도면들에서의 구성요소들이 동일한 도면부호들을 사용하는 경우, 구성요소들은 일반적으로 기능 또는 목적에서 동일하거나 적어도 유사하다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 예시적인 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템의 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 예시적인 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템을 위한 방출기 어레이 및 센서 어레이의 단순화된 도면이다.
도 2b 내지 도 2d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 센서 어레이의 방출기 어레이의 예시적인 방출 시퀀스 및 센서 판독 시퀀스를 도시하는 개략도들이다.
도 3a는 특정 시나리오에서 본 발명의 일부 실시예에 따른 전자 스캐닝 LIDAR 시스템에 대한 광 전송 및 검출 동작의 예를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 방출기 어레이 및 센서 어레이에 대한 중첩하는 시야들의 개략도이다.
도 4a는 솔리드 스테이트 LIDAR 시스템에 포함될 수 있는 예시적인 전자 스캐닝 레이저 어레이의 단순화된 톱다운 블록도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 예시적인 시스템에 따른 16개 채널의 방출기 어레이를 지원하는 드라이버들의 배열을 도시하는 적절한 축척의 도면이 되도록 의도된 개략도이다.
도 5는 솔리드 스테이트 LIDAR 시스템에 포함될 수 있는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전자 스캐닝 레이저 어레이의 단순화된 톱다운 블록도이다.
도 6은 도 5에 도시된 전자 스캐닝 레이저 어레이(500)를 나타내는 전자 회로의 개략도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도 6에 도시된 전자 회로(600)의 동작을 도시하는 타이밍도이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전자 스캐닝 레이저 어레이의 단순화된 도면이다.
도 9는 도 8의 A-A 부분의 단순화된 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 예시적인 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템의 상세한 측면도를 예시하는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 예시적인 향상된 광 방출 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도로 차량의 외측 영역들에서 구현되는 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 도로 차량의 상부에 구현된 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템의 단순화된 도면이다.
본 발명의 실시예들을 더 잘 이해하고 인식하기 위해, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 예시적인 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(100)의 간략화된 블록도인 도 1을 참조한다. 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(100)은 광 레인징 장치(102) 및 사용자 인터페이스(150)를 포함할 수 있다. 광 레인징 장치(102)는 레인징 시스템 컨트롤러(104), 광 전송(Tx) 모듈(106) 및 광 감지(Rx) 모듈(108)을 포함할 수 있다. 광 레인징 장치(102)에 의해 광 전송 모듈(106)로부터 광 펄스(110)의 스트림을 광 전송 장치(102)를 둘러싸는 시야 내의 물체로 전송함으로써 레인징 데이터가 생성될 수 있다. 그후, 전송된 광의 반사된 부분(112)은 약간의 지연 시간 후에 광 감지 모듈(108)에 의해 검출된다. 지연 시간에 기초하여, 반사 표면까지의 거리가 결정될 수 있다. 다른 레인징 방법들, 예를 들어 연속파, 광 복조, 도플러 등이 이용될 수 있다.
광 전송 모듈(106)은 방출기 어레이(114)(예를 들어, 방출기들의 2차원 어레이) 및 Tx 광학 시스템(116)을 포함하며, 이는 방출기 어레이(114)와 함께 광 방출 시스템(138)을 형성할 수 있다. Tx 광학 시스템(116)은 이미지-공간 텔레센트릭(image-space telecentric)인 벌크 송신기 광학계(144)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, Tx 광학 시스템(116)은 예를 들어, 방출기 어레이(114)와 조합되어 마이크로-광학 송신기 채널들의 어레이를 형성할 수 있는 개구층 및 렌즈 층과 같은 하나 이상의 Tx 광학계 요소들(146)을 더 포함할 수 있으며, 각각의 마이크로-광학 송신기 채널은 도 11과 관련하여 본원에서 더 설명되는 바와 같이, 벌크 송신기 광학계로부터 나오는 빔들의 휘도 및/또는 빔 형성, 빔 스티어링 등을 증가시킬 수 있다. 방출기 어레이(114) 또는 개별적인 방출기들은 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL), 레이저 다이오드 등과 같은 레이저 소스일 수 있다. Tx 모듈(106)은 선택적인 프로세서(118) 및 메모리(120)를 더 포함할 수 있지만, 일부 실시예들에서 이러한 컴퓨팅 리소스들은 레인징 시스템 컨트롤러(104)에 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 코딩 기술, 예를 들어, 바커(Barker) 코드 등이 사용될 수 있다. 이러한 경우들에서, 메모리(120)는 빛이 전송되어야 하는 때를 나타내는 펄스-코드들을 저장할 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 코드들은 메모리에 저장된 정수들의 시퀀스로서 저장된다.
광 감지 모듈(108)은 센서 어레이(126)(예를 들어, 광센서들의 2차원 어레이)를 포함할 수 있고, 센서 어레이(126)의 각각의 광센서는 예를 들어, 광 감지 모듈(108) 및 Tx 모듈(106)의 기하학적 구성의 결과로서, 방출기 어레이(114)의 특정 방출기에 대응할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 광센서(종종 "센서" 또는 "픽셀" 로서 지칭됨)는 광 검출기들, 예를 들어, SPAD 등의 수집을 포함할 수 있는 반면, 다른 실시예들에서 광센서는 단일 광자 검출기(예를 들어, APD)일 수 있다. 광 감지 모듈(108)은 수신기 광학 감지 시스템(128)을 포함하며, 이는 센서 어레이(126)와 함께 광 검출 시스템(136)을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수신기 광 감지 시스템(128)은 마이크로-광학 수신기 채널들의 어레이를 형성하기 위해 센서 어레이(126)와 조합될 수 있는 개구층, 렌즈 층 및 광학 필터와 같은 수신기 벌크 수신기 광학계(140) 및 수신기 광학 요소들(142)을 포함할 수 있으며, 각각의 마이크로-광학 수신기 채널은 광 레인징 장치(102)가 위치되는 주변 시야의 별개의 시야 내의 이미지 픽셀에 대응하는 광을 측정한다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 Rx 및 Tx 광학 시스템들의 추가적인 세부사항들은 아래에서 도 10 및 2018년 5월 14일에 출원되고 양수인이 공통되는 미국 특허출원 제15/979,235호("Optical Imaging Transmitter with Brightness Enhancement")와 관련하여 설명되며, 그 전문은 모든 목적을 위해 본원에 참조로 포함된다.
일부 실시예들에서, 광 감지 모듈(108)의 센서 어레이(126)는 광센서들의 어레이 및 어레이 내의 개별 광센서들(또는 광센서들의 그룹들)로부터 측정된 광을 신호 처리하기 위한 프로세서(122)와 메모리(124)를 포함하는 단일 기판 상에 모놀리식 장치의 일부로서 (예를 들어, CMOS 기술을 사용하여) 제조된다. 센서 어레이(126), 프로세서(122), 및 메모리(124)를 포함하는 모놀리식 구조는 전용 ASIC으로 제조될 수 있다. 다른 실시예에서, 센서 어레이(126)는 단일 광 감지 모듈(108) 내로 함께 접합되고 그들 사이를 통과하는 전기적 신호들을 갖는 2개 이상의 모놀리식 전자 장치들("반도체 다이들")의 스택으로서 제조될 수 있다. 이 실시예에서, 광센서들의 상부 어레이는 광감지 효율을 최대화하거나 노이즈를 최소화하는 공정으로 제조될 수 있으며, 다른 다이들은 더 낮은 전력, 고속 디지털 처리를 위해 최적화될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 요소들(142)은 또한 센서 어레이(126), 프로세서(122), 및 메모리(124)가 일 부분이 되는 모놀리식 구조의 일부일 수 있다. 예를 들어, 광학 요소들(142)의 개구층, 렌즈 층, 및 광학 필터 층은 다이싱 전 또는 후에 웨이퍼 레벨에서 그 위에 제조된 다수의 ASIC들을 갖는 반도체 기판에 대해 에폭시 위에 적층되거나 에폭시로 접합될 수 있다. 예를 들어, 광학 필터 층은 광센서 층에 대하여 배치되고 그 후 광센서 층에 접합되어 광학 필터 층을 광센서 층과 연결하여 광학 층이 모놀리식 구조의 일부를 형성하게 하는 얇은 웨이퍼일 수 있고, 시준 렌즈 층은 광학 필터 층 상에 사출 성형될 수 있으며, 개구층은 투명 기판의 상부에 비-투명 기판을 적층하거나 투명 기판을 불투명 필름으로 코팅함으로써 형성될 수 있다. 대안적으로, 광센서 층은 제조되고 다이싱될 수 있으며, 광학 필터 층, 시준 렌즈층, 및 개구층은 제조되고 다이싱될 수 있다. 이어서, 각각의 다이싱된 광센서 층 및 광학층들이 함께 접합되어, 각각의 모놀리식 구조체가 광센서 층, 광학 필터 층, 시준 렌즈 층, 및 개구층을 포함하는, 모놀리식 구조물을 형성할 수 있다. 층들을 ASIC에 접합함으로써, ASIC 및 접합된 층들은 모놀리식 구조물을 형성할 수 있다. 그 후, 웨이퍼는 장치들로 다이싱될 수 있으며, 여기서 각각의 장치는 각각의 벌크 수신기 광학계(140)와 쌍을 이루어 광 감지 모듈(108)을 형성할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 광 감지 모듈(108)의 하나 이상의 요소들은 모놀리식 구조물의 외부에 있을 수 있다. 예를 들어, 개구층은 핀-홀(pin-hole)들을 갖는 별도의 금속 시트로서 구현될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 프로세서(122)(예를 들어, 디지털 신호 프로세서(DSP), 마이크로컨트롤러, 시야 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 등) 및 메모리(124)(예를 들어, SRAM)는 어레이 내의 개별 광자 검출기들(또는 검출기들의 그룹들)로부터 원시 히스토그램들의 신호 처리를 수행할 수 있다. 신호 처리의 예로서, 각각의 광자 검출기 또는 광자 검출기들의 그룹에 대해, 메모리(124)는 연속적인 시간 빈들에 걸쳐 검출된 광자들의 카운트들을 축적할 수 있고, 이들 시간 빈들은 함께 반사된 광 펄스의 시계열을 재생성하는 데 사용될 수 있다(즉, 광자들의 카운트 대 시간). 집계된 광자 카운트들의 이러한 시계열은 본원에서 강도 히스토그램(또는 단지 히스토그램)으로 지칭된다. 프로세서(122)는 리턴 신호들을 적시에 식별하기 위해 매칭된 필터들 및 피크 검출 프로세싱을 구현할 수 있다. 또한, 프로세서(122)는 SPAD 포화 및 퀀칭(quenching)으로 인해 발생할 수 있는 펄스 형상 왜곡에 덜 민감한 광자 시계열을 복구하는 것을 돕기 위해 멀티-프로파일 매칭 필터링과 같은 특정한 신호 처리 기술을 달성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 필터링의 전부 또는 일부는 프로세서(122)에 의해 수행될 수 있다.
일부 실시예들에서, 프로세서(122)로부터 출력된 광자 시계열은 추가적인 처리를 위해 레인징 시스템 컨트롤러(104)로 전송되고, 예를 들어, 데이터는 레인징 시스템 컨트롤러(104)의 하나 이상의 인코더들에 의해 인코딩될 수 있으며, 이어서 사용자 인터페이스(150)에 데이터 패킷들로서 전송될 수 있다. 레인징 시스템 컨트롤러(104)는, 예를 들어, 메모리(132)를 갖는 프로세서(130)를 사용하여, ASIC 또는 ASIC의 일부로서 FPGA와 같은 프로그래머블 로직 디바이스를 이용하는 것, 및 상기의 일부 조합을 포함하여 다수의 방식으로 실현될 수 있다. 레인징 시스템 컨트롤러(104)는 시작 및 정지 광 검출을 포함하고 광검출기 파라미터들을 조정하는 명령들을 전송함으로써 광 감지 모듈(108)을 제어할 수 있다. 유사하게, 레인징 시스템 컨트롤러(104)는 광 전송 모듈(106)을 제어할 수 있거나, 예를 들어, 다른 광-방출기 파라미터들(예를 들어, 펄스 코드들)을 조정할 수 있는 광 방출 및 제어를 시작하고 정지시키기 위한 제어들을 포함하는 명령들을 전송하거나 중계할 수 있다. 일부 실시예들에서, 레인징 시스템 컨트롤러(104)는 광 감지 모듈(108) 및 광 전송 모듈(106)과 데이터를 교환하기 위한 하나 이상의 유선 인터페이스들 또는 커넥터들을 가진다. 다른 실시예들에서, 레인징 시스템 컨트롤러(104)는 광 통신 링크와 같은 무선 상호연결부를 통해 광 감지 모듈(108) 및 광 전송 모듈(106)과 통신한다.
솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(100)은 사용자로 하여금 컴퓨터 시스템, 예를 들어, CPU와 메모리를 포함하는 노트북, 태블릿, 및/또는 핸드헬드 디바이스 컴퓨터 시스템과 인터페이싱하기 위한 디스플레이, 터치스크린, 키보드, 마우스, 및/또는 트랙 패드와 상호작용할 수 있게 하는 임의의 적절한 사용자 인터페이스일 수 있는 사용자 인터페이스(150)와 상호작용할 수 있다. 사용자 인터페이스(150)는 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(100)이 장착되는 물체에 대해 로컬일 수 있지만 원격 운영 체제일 수도 있다. 예를 들어, 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(100)으로/로부터의 명령들 및 데이터는 셀룰러 네트워크(LTE 등), 개인 통신망(블루투스, 지그비(Zigbee) 등), 근거리 네트워크(WiFi, IR 등), 또는 인터넷과 같은 광역 네트워크를 통해 라우팅될 수 있다.
하드웨어 및 소프트웨어의 사용자 인터페이스(150)는 장치로부터 사용자에게 이미저 데이터를 제공할 수 있지만, 또한 사용자로 하여금 하나 이상의 명령들로 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(100)을 제어하게 할 수 있다. 예시적인 명령들은 이미저 시스템을 활성화 또는 비활성화시키거나, 광검출기 노출 레벨, 바이어스, 샘플링 기간 및 다른 동작 파라미터들(예를 들어, 방출된 펄스 패턴들 및 신호 프로세싱)을 특정하거나, 휘도와 같은 광 방출기 파라미터들을 특정하는 명령들을 포함한다. 또한, 명령들은 사용자가 결과들을 디스플레이하기 위한 방법을 선택하게 할 수 있다. 사용자 인터페이스는, 예를 들어, 단일 프레임 스냅샷 이미지, 지속적으로 업데이트된 비디오 이미지, 및/또는 일부 또는 모든 픽셀에 대한 다른 광 측정의 디스플레이를 포함할 수 있는 이미저 시스템 결과를 디스플레이할 수 있다.
예를 들어, 차량 내비게이션을 위해 LIDAR 시스템(100)이 사용되는 일부 실시예들에서, 사용자 인터페이스(150)는, 전술한 유선 또는 무선 네트워크들 중 하나와 같은 네트워크를 통해 광 레인징 장치(102) 및/또는 사용자 인터페이스(150)로부터 출력을 수신하거나, 그와 통신하는 차량 제어 유닛의 일부일 수 있다. 차량의 제어와 관련된 하나 이상의 파라미터들은 수신된 LIDAR 데이터에 기초하여 차량 제어 유닛에 의해 수정될 수 있다. 예를 들어, 완전 자율주행 차량에서, LIDAR 시스템(100)은 GPS 및 다른 데이터와 함께 내비게이션을 보조하기 위해 자동차 주변 환경의 실시간 3D 이미지를 제공할 수 있다. 다른 경우, LIDAR 시스템(100)은 첨단 운전자-보조 시스템(ADAS)의 일부로서 또는 예를 들어, 3D 이미지 데이터를 임의의 수의 상이한 시스템들, 예를 들어, 적응형 크루즈 컨트롤, 자동 주차, 운전자 졸음 모니터링, 블라인드 스팟 모니터링, 충돌 회피 시스템 등에 제공할 수 있는 안전 시스템의 일부로서 이용될 수 있다. 사용자 인터페이스(150)가 차량 제어 유닛의 일부로서 구현되는 경우, 경보가 운전자에게 제공될 수 있거나 물체의 근접도 추적이 추적될 수 있다.
본원에 언급된 바와 같이, 광 레인징 장치(102)는 한 번에 하나의 뱅크의 방출기들만을 활성화시킴으로써 그리고 방출기들의 방출과 동시에, 대응하는 뱅크의 광센서들을 판독함으로써 장면의 이미지를 캡처할 수 있는 전자 스캐닝 LIDAR 장치일 수 있다. 상이한 뱅크들의 방출기들은, 모든 방출기들이 결국 활성화될 수 있고 센서 어레이 내의 모든 광센서들이 하나의 방출 사이클을 통해 판독될 수 있도록, 동시에 판독되는 대응하는 뱅크들의 광센서들과 상이한 시간에 활성화될 수 있다. 일 예로서, 방출기 어레이는 각각의 방출 사이클에 대해 좌측에서 우측으로 순차적으로 한번에 하나의 뱅크를 활성화시킴으로써 광을 방출할 수 있는 반면, 센서 어레이는 대응하는 시퀀스로 대응하는 뱅크의 광센서들을 판독하도록 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 광의 방출 및 감지를 동기화하기 위한 하나 이상의 요소들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 광 전송 모듈(106)은 방출기 어레이(114)에 연결된 방출기 컨트롤러(115)를 포함할 수 있다. 방출기 컨트롤러(115)는, 예를 들어, 요구되는 방출 시퀀스에 따라 각각의 뱅크의 방출기들을 선택적으로 방출시킴으로써 방출기 어레이(126)의 동작을 제어하도록 구성된다. 방출기 컨트롤러(115)는 이하에서 설명되는 바와 같이 방출기 어레이(114)를 동작시키기 위한 하나 이상의 구동 요소들과 함께 ASIC, 마이크로컨트롤러, FPGA 또는 다른 적절한 프로세싱 요소와 같은 적절한 프로세서를 포함할 수 있다. 유사하게, 광 검출 시스템(136)은 센서 어레이(126)에 연결되고 센서 어레이(126)의 동작을 제어하도록 구성된 센서 컨트롤러(125)를 포함할 수 있다. 센서 컨트롤러(125)는 ASIC, 마이크로컨트롤러, FPGA, 또는 선택 회로, 예를 들어, 멀티플렉서에 연결된 다른 적절한 프로세서와 같은 광을 감지하기 위해 하나 이상의 광센서들을 선택할 수 있는 임의의 적절한 요소 또는 요소들의 그룹일 수 있다.
일부 실시예들에서, 방출기 어레이(114) 내의 광 방출들의 시퀀스가 센서 어레이(126) 내의 광센서들을 판독하는 시퀀스와 동기화되도록 센서 컨트롤러(125) 및 방출기 컨트롤러(115)가 동기화된다. 일 예로서, 센서 컨트롤러(125) 및 방출기 컨트롤러(115) 모두는 클록(117)에 연결될 수 있어서, 두 컨트롤러들 모두 동일한 타이밍 방식에 기초하여 동작할 수 있다. 클록(117)은 디지털 회로들의 동작들을 조정하기 위해 특정 속도로 하이 상태와 로우 상태 사이에서 발진하는 특정 신호를 생성하는 전기 요소일 수 있다. 선택적으로, 센서 컨트롤러(125) 및 방출기 컨트롤러(115)는 자신들의 동작들을 조정하기 위한 자신들의 클록 회로들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 센서 컨트롤러(125) 및 방출기 컨트롤러(115)는 센서 컨트롤러(125)가 자신의 클록을 방출기 컨트롤러(115)와 동기화시킬 수 있도록 통신 라인(119)을 통해 함께 통신가능하게 연결될 수 있다. 이런 식으로, 센서 컨트롤러(125) 및 방출기 컨트롤러(115)는 이미지 캡처를 유발하기 위해 동기화되어 각각 센서 어레이(126) 및 방출기 어레이(114)를 동작시킬 수 있다.
일부 다른 실시예들에서, 센서 컨트롤러(125) 및 방출기 컨트롤러(115) 대신에, 또는 이에 더하여, 레인징 시스템 컨트롤러(104)는 방출기 어레이(114)에 의한 광 방출들의 시퀀스가 센서 어레이(126)에 의한 광 감지 시퀀스와 동기화되도록, 광 감지 모듈(108)과 광 전송 모듈(106)의 동작을 동기화하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 레인징 시스템 컨트롤러(104)는 각각의 방출 사이클에 대해 좌측에서 우측으로 한 번에 하나의 뱅크를 활성화시킴으로써 광을 방출하도록 광 전송 모듈(106)의 방출기 어레이(114)에 지시할 수 있고, 상응하게 한 번에 하나의 뱅크를 동일한 순서로 광을 감지하도록 광 감지 모듈(108) 내의 센서 어레이(126)에 지시할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 레인징 시스템 컨트롤러(104)는 광 감지 모듈(108) 및 광 전송 모듈(106)에 대한 시퀀싱 명령들이 기초하는 자신의 클록 신호를 가질 수 있다. 광 검출을 위한 다른 형태의 시퀀싱이 본원에 포함되며, 이러한 시퀀스들은 본원에서 더 설명되는 바와 같이 제한적이지 않음을 이해해야 한다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 예시적인 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(200)에 대한 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)의 단순화된 설명인 도 2a를 참조하여, 순차적인 방출기 어레이의 방출 및 감지 어레이의 감지가 도시된다. 방출기 어레이(210)는 m개의 열들 및 n개의 행들을 갖는 2차원 m x n 어레이의 방출기들(212)일 수 있고, 센서 어레이(222)는 각각의 광센서(222)가 방출기 어레이(210) 내의 각각의 방출기(212)에 매핑되도록 방출기 어레이(210)에 대응할 수 있다. 따라서, 센서 어레이(220)는 광센서들(222)의 대응하는 2차원 m x n 어레이일 수 있다.
일부 실시예들에서, 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)는 일반적으로 회전 LIDAR 시스템들에 사용되는 방출기 또는 센서 어레이들보다 더 많은 구성요소들(즉, 더 많은 방출기들 및 더 많은 광센서들)을 포함하는 큰 어레이들이다. 센서 어레이(220) 내의 광센서들의 피치와 함께 센서 어레이(220)의 크기, 즉 전체 물리적 치수들(따라서, 센서 어레이(220)에 대응하는 시야도 조명하기 위한 대응하는 방출기 어레이(210))는 센서 어레이(220)에 의해 캡처될 수 있는 이미지들의 시야 및 해상도를 나타낼 수 있다. 큰 크기의 어레이들은 일반적으로 더 큰 시야를 초래하고, 더 작은 피치 크기들은 일반적으로 더 높은 해상도를 갖는 캡처된 이미지들을 초래한다. 일부 실시예들에서, 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220)는 각각 단일의 반도체 다이로부터 형성되는 반면, 다른 실시예들에서, 방출기 어레이(210) 및 센서 어레이(220) 중 하나 또는 둘 모두는 본원에서 설명되는 바와 같이 공통 기판에 장착된 다수의 칩들로 형성될 수 있다.
방출기 어레이(210)는 하나 이상의 세트들의 방출기들(본원에서, 각각의 세트는 "뱅크"로 지칭됨)이 동시에 방출될 수 있게 동작되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 실시예들에서, 방출기 어레이(210)는 6개의 뱅크들(214(1)..214(6))을 포함하도록 구성되며, 각 뱅크는 4개의 열들의 방출기들을 포함한다. 센서 어레이(220)는 광센서들(222)이 유사하게 배열된 뱅크들로 배열되도록 방출기 어레이(210)와 유사한 기하학적 구조로 구성될 수 있다. 따라서, 도 2a에 도시된 실시예에서, 센서 어레이(220)는 또한 각 뱅크가 광센서들의 4개의 열들을 포함하는 6개의 뱅크들(224(1)..224(6))을 포함하도록 구성된다.
도 2b 내지 도 2d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 방출기 어레이(210)의 방출 시퀀스 및 센서 어레이(220)의 센서 판독 시퀀스를 예시하는 개략도들이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 이미지 캡처 시퀀스의 제1 스테이지는 방출기 어레이(210)의 방출기 뱅크(214(1))를 방출시키고 센서 어레이(220)의 센서 뱅크(224(1))를 동시에 판독함으로써 시작할 수 있다. 이러한 제1 스테이지 동안, 방출기 뱅크(214(1))에서 각각의 개별 방출기로부터 방출된 빛의 펄스가 시야로 방출된다. 그 후, 방출된 광은 시야 내의 하나 이상의 물체들로부터 반사될 수 있고, 센서 어레이(220)의 센서 뱅크(224(1)) 내의 광센서들의 각각의 서브세트에 의해 캡처될 수 있다. 다음으로, 시퀀스의 제2 스테이지 동안, 방출기 어레이의 제2 뱅크(214(2))로부터의 방출기들은 도 2c에 도시된 바와 같이 센서 어레이 내의 센서 뱅크(224(2)) 내의 센서들에 의해 판독될 수 있는 광 펄스를 방출하도록 활성화될 수 있다. 방출기들의 열들의 순차적 방출 및 광센서들의 대응하는 열에서의 광센서들의 열들의 동시 판독은 도 2d에 도시된 바와 같이 마지막 뱅크의 방출기들(214(6))이, 판독되는 마지막 뱅크의 광센서들(224(6))과 동시에 활성화될 때까지, 계속된다. 하나의 전체 사이클이 완료되는 경우(도 2b 내지 도 2d에 도시된 예에서 이미지 캡처링 시퀀스의 6개의 단계들), 방출기 어레이(210)의 모든 뱅크가 활성화되고, 센서 어레이(220)의 모든 대응하는 뱅크가 대응하는 방출기 어레이(210)의 뱅크들로부터 방출된 광자들을 검출하기 위해 판독될 것이다. 그 후, LIDAR 시스템(200)이 작동하는 동안 사이클은 연속적으로 반복될 수 있다.
도 2a는 각각 특정 수의 방출기들 또는 광센서들을 갖는 6개의 상이한 뱅크들로 분할되는 방출기 어레이 및 센서 어레이들을 예시하지만, 실시예들은 이러한 구성들에 제한되지 않는다. 다른 실시예들은 6개보다 많거나 적은 뱅크들을 가질 수 있으며 뱅크마다 더 많거나 적은 방출기들 또는 광센서들을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, k개의 뱅크들의 방출기들 및 k개의 뱅크들의 광센서들이 이용되고, k는 도 2a에 도시된 6개의 뱅크들 보다 많거나 더 적다. 다른 예들로서, 일부 실시예들에서, LIDAR 센서(200)는 16, 32, 64, 128, 또는 그 이상의 채널들로 분할될 수 있으며, 각 채널은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 1, 2, 4, 8 또는 그 이상의 방출기 열들을 포함한다. 또한, 도 2a는 방출기들의 열들 및 광센서들의 열들의 관점에서 뱅크들을 설명하지만, 다른 실시예들에서 방출기 및 광센서 어레이들은 열(column) 대신에, 하나 이상의 대응하는 행들의 광센서들을 동시에 판독하는 동안 하나 이상의 행의 방출기들이 방출되도록 하나 이상의 행들의 방출기들 및 하나 이상의 행들의 광센서들을 갖는 뱅크들로 분할될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 방출기 어레이(210) 내의 뱅크는 다수의 열들 및 다수의 행들(예를 들어, 정사각형 또는 직사각형 패턴으로 배열된 방출기들)로 방출기들을 포함하는 방출기들의 서브세트를 포함할 수 있고, 센서 어레이(220) 내의 뱅크는 방출기들의 서브세트에 대응하는 패턴으로 배열된 광센서들의 서브세트를 포함할 수 있다.
또한, 도 2b 내지 도 2d는 방출된 방출기들이 스테이지마다 하나의 뱅크를 전진시키는 이미지 캡처 시퀀스를 도시하고 있지만, 본 발명의 실시예들이 임의의 특정 시퀀스로 제한되지는 않는다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, k개의 뱅크들을 갖는 LIDAR 시스템에서 다음의 시퀀스가 사용될 수 있다: 스테이지 1 동안 방출기 어레이(210)의 제1 뱅크가 방출되고, 스테이지 2 동안 뱅크(k/2+1)가 방출되며, 스테이지 3 동안 뱅크 2가 방출되고, 스테이지 4 동안 뱅크(k/2+2)가 방출되는 등 뱅크 k가 방출되는 k번째 스테이지까지 계속된다. 이러한 실시예는 인접한 센서 뱅크들이 연속적인 스테이지들에서 판독되지 않기 때문에 센서 어레이 내의 크로스토크를 최소화하는 데 유리할 수 있다. 또 다른 예로서, 대응하는 2개 이상의 인접한 대응하는 센서들이 판독되는 동안 2개 이상의 인접한 뱅크들의 방출기들이 동시에 방출될 수 있다. 2개의 뱅크들이 동시에 방출되고 판독되는 예시로서, 이미지 캡처 시퀀스의 제1 스테이지 동안, 방출기 어레이(210)의 뱅크들(214(1) 및 214(2))은, 제2 스테이지 뱅크들(214(3) 및 214(4))이 방출될 수 있는 동안 등에, 방출될 수 있다. 이들 실시예는 가능한 많은 상이한 방출 및 판독 시퀀스들 중 일부일 뿐이며, 다른 실시예들에서는 다른 방출 및 판독 시퀀스들이 가능하다.
도 3a는 특정 시나리오에서 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(300)에 대한 광 전송 및 검출 동작의 예시적인 예이다. 구체적으로, 도 3a는 시스템을 둘러싸는 볼륨 또는 장면의 3차원 거리 데이터를 수집하는, 도 1에 도시된 LIDAR 시스템(100)을 나타낼 수 있는 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(300)을 도시한다. 도 3a는 방출기들과 센서들 사이의 관계를 강조하기 위한 이상적인 도면이고, 따라서 다른 구성요소들은 도시되지 않았다.
전자 스캐닝 LIDAR 시스템(300)은 방출기 어레이(310)(예를 들어, 방출기 어레이(114)) 및 센서 어레이(320)(예를 들어, 센서 어레이(126))를 포함한다. 방출기 어레이(310)는 방출기들의 뱅크들(312(1) 내지 312(n))을 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL: vertical-cavity surface-emitting laser)들 등의 어레이와 같은 광 방출기들의 어레이일 수 있다. 센서 어레이(320)는 센서들의 뱅크들(322(1) 내지 322(n))을 포함하는 광센서들의 어레이일 수 있다. 광센서들은 각각의 광센서에 대해 단일 광자 애벌란시(avalanche) 다이오드(SPAD) 등과 같은 일 세트의 개별 광검출기들을 사용하는 픽셀화된 광센서들일 수 있다. 그러나, 다양한 실시예들은 다른 유형의 광센서들을 배치할 수 있다.
예시를 용이하게 하기 위해, 방출기 어레이(310)는 각각의 뱅크가 3개의 방출기들의 단일 열을 포함하는 6개의 방출기들을 갖는 것으로 도시되고, 센서 어레이(320)는 광센서들의 대응하는 배열을 갖는 것으로 도시되어 있는 도시되어 있다. 방출기의 뱅크들(312(1) 내지 312(n)) 및 센서들의 뱅크들(322(1) 내지 322(n))은 각각, 방출기 어레이(310) 및 센서 어레이(320)의 훨씬 큰 뱅크들의 부분들을 나타낼 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 도 3a는 설명을 용이하게 하기 위한 21개의 별개의 포인트들에 대한 방출기들 및 센서들만을 도시하지만, 다른 구현예들은 각각의 열이 3개보다 많은 개별적인 방출기들을 포함하는 방출기들의 다수의 열들을 갖는 뱅크들이 포함된 상당히 더 많은 방출기들을 가질 수 있음을 이해할 수 있다. 즉, 방출기들의 보다 밀도 높은 어레이 및 광센서들의 대응하는 보다 밀도 높은 어레이를 가짐으로써 포인트들의 보다 밀도 높은 샘플링이 달성될 수 있다.
각각의 방출기는 피치 거리만큼 이격될 수 있고, 그의 이웃하는 방출기들로부터 상이한 시야로 광 펄스들을 전송하도록 구성될 수 있으며, 그에 의해 해당 방출기에만 연관된 각각의 시야를 조명할 수 있다. 예를 들어, 방출기들의 뱅크(312(1))는 시야의 영역(315(1)) 내로 조명 빔들(314(1))(각각이 하나 이상의 광 펄스로 형성됨)을 방출하고, 이에 따라 시야의 나무(330)로부터 반사된다. 마찬가지로, 방출기들의 뱅크(312(n))는 시야의 영역(315(n)) 내로 조명 빔들(314(n))을 방출한다. 도 3a에 도시된 실시예에서, 방출기 어레이(310)는 그 뱅크들을 통해 좌측에서 우측으로 순차적으로 스캔한다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 도 3a는 방출기들의 뱅크(312(1))가 활성화되고 있는 시간의 제1 인스턴스 및 마지막 뱅크, 즉 방출기들의 뱅크(312(n))가 활성화되는 시간의 마지막 인스턴스를 도시한다. 다른 뱅크들은 순차적으로 뱅크(312(1) 내지 312(n)) 사이에서 좌측에서 우측으로 순차적으로 진행할 수 있다. 도 3a는 방출기 및 센서 어레이들(310 및 320)이 수직 방향 뱅크들에 의해 그리고 순차적으로 동작하는 실시예를 도시하지만, 실시예들은 이러한 구성들로 제한되지 않는다. 다른 실시예들에서, 방출기 및 센서 어레이들(310 및 320)은 크로스토크를 최소화하기 위해 비-순차적인 순서로 수직 방향 뱅크들에 의해, 또는 순차적 또는 비-순차적인 순서로 수평 방향 뱅크들에 의해, 또는 상술한 바와 같이 그리고 본원에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 광을 방출하고 수신하기 위한 임의의 다른 적절한 순서로 동작할 수 있다.
방출기에 의해 조명되는 각각의 시야는 레인징 데이터로부터 생성되는 대응하는 3D 이미지 내의 픽셀 또는 스팟으로서 생각될 수 있다. 따라서, 각각의 방출기는 방출기들의 세트 및 중첩되지 않는 시야들의 세트 사이에 일대일 매핑이 존재하도록, 다른 방출기들과 구별될 수 있고, 다른 방출기들과 중첩되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출기 어레이(310) 및 센서 어레이(320)는 매우 작고 서로 매우 근접할 수 있는 각각의 솔리드 스테이트 장치들이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들에 따른 방출기 또는 센서 어레이의 크기는 수 밀리미터 내지 수 센티미터의 범위일 수 있다. 이와 같이, 수 센티미터 미만일 수 있는 2개의 어레이의 치수 및 이들의 이격 거리는 장면 내의 물체에 대한 거리에 비해 무시할 수 있다. 방출기 및 센서 어레이들의 이러한 배열이 방출기 어레이에 의해 방출된 광을 시준할 수 있고 반사된 광을 센서 어레이에 집속시킬 수 있는 각각의 벌크 광학계와 쌍을 이루는 경우, 센서 어레이 및 방출기 어레이는 임계 거리를 넘어서 상당히 유사한 시야를 가질 수 있어, 각각의 방출기 및 대응하는 센서가 시야 내의 본질적으로 동일한 스팟을 보게 된다. 이러한 개념은 도 3b를 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
도 3b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 방출기 어레이(310) 및 센서 어레이(320)에 대한 중첩하는 시야들의 개략도이다. 방출기 어레이(310) 내의 각각의 방출기는 벌크 송신기 광학계(384)를 통해 시준되고 방출된 광(386)으로서 시야 내로 출력되는 원뿔(382)로서 도 3b에 도시된 광의 펄스를 방출할 수 있다. 이어서, 방출된 광(386)은 시야 내의 하나 이상의 물체들로부터 반사되며, 이후 반사된 광(392)을 펄스 광(388)의 원뿔로서 다시 초점을 향하게 하는 벌크 수신기 광학계(390)를 통해 먼저 전파되고 이어서 센서 어레이(320) 내의 대응하는 광센서 상으로 전파되는, 반사된 광(392)으로서 센서 어레이(320)를 향해 다시 전파될 수 있다. 도 3b를 참조하여 이해될 수 있는 바와 같이, 예를 들어 1 내지 3 cm 사이의 범위일 수 있는 벌크 방출기 및 수신기 광학계들(184, 390) 사이의 거리는 장면에 대한 거리에 비해 상대적으로 작다. 따라서, 장면이 점점 더 멀어지면, 방출기 어레이에 대한 시야는 센서 어레이에 대한 시야와 점점 더 중첩된다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 방출기 어레이(310) 및 센서 어레이(320)에 대한 시야의 중첩 영역들(394, 396, 및 398)은 장면에 대한 거리가 증가함에 따라 더 커지게 된다. 따라서, 장면의 끝 근처, 예를 들어, 시야 내의 물체들의 거리에서, 방출기 어레이(310)의 시야는 센서 어레이(320)의 시야와 실질적으로 중첩할 수 있다. 따라서, 각각의 대응하는 방출기 및 센서는 벌크 수신기 및 송신기 광학계가 1 cm 이상 만큼 분리되더라도 장면에서 본질적으로 동일한 지점을 관찰할 수 있다. 즉, 벌크 송신기 광학계(184)로부터 시스템의 전방 시야로 투사되는 각각의 조명 빔은 시스템으로부터 특정 거리에서 대응하는 광센서(또는 대응하는 광센서에 대한 마이크로-광학 수신기 채널)의 시야와 실질적으로 동일한 크기 및 기하학적 형상일 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출기 어레이(310)는 시스템(300)으로부터 특정 범위의 거리들, 입력 채널들의 시야들에 걸쳐, 크기 및 기하학적 형상이 실질적으로 매칭되는 조명 패턴에 따라 시스템(300) 전방의 시야 내로 빔들을 선택적으로 투영할 수 있다. 방출기 어레이와 센서 어레이 사이에 실질적으로 중첩하는 시야들을 가짐으로써, 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(300)은 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 달성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 방출기 어레이 및 센서 어레이는 매칭되는 기하학적 형상들을 가지며, 방출기 어레이의 벌크 광학계는 센서 어레이의 벌크 광학계와 실질적으로 동일하다. 다른 실시예들에서, 센서 어레이(320)의 치수들 및 벌크 광학계들은 방출기 어레이(310)와 동일하지 않을 수 있지만, 이들은 방출기 어레이(310) 및 센서 어레이(320)의 대응하는 뱅크들이 상당히 동일한 시야를 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 센서 어레이(320)의 크기는 방출기 어레이(310)의 크기보다 클 수 있다. 이는, 센서 어레이(320)의 벌크 수신기 광학계(390)가 방출기 어레이(310)의 벌크 송신기 광학계(184)와 상이해야 하고, 2개의 어레이 내의 대응하는 뱅크들의 시야가 상당히 동일하도록 2개의 벌크 광학계가 주의 깊게 선택되어야 한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 방출기 어레이(310)의 것보다 2배만큼 큰 렌즈 요소를 갖는 유사한 벌크 광학계가 사용될 수 있다. 결과적인 벌크 수신기 광학계는 벌크 송신기 광학계의 초점 길이보다 2배의 초점 길이를 가질 것이다. 이 경우, 센서 어레이(320)는 수신 개구 직경이 방출 직경의 2배이면서 방출기 어레이(310)보다 폭 및 높이가 2배여야 하며, 모든 광센서 및 방출기에 대한 각도 시야가 매칭되어야 한다.
방출기 어레이(310) 및 센서 어레이(320)의 대응하는 뱅크들이 동일한 시야를 보도록 보장하기 위해, LIDAR 시스템(300)의 정렬 프로세스가 현장 사용 전에 예를 들어 제조자에 의해 수행될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들(예를 들어, 방출기 어레이에 대한 단일의 반도체 다이 또는 멀티칩 모듈을 갖고, 센서 어레이에 대한 멀티칩 모듈의 단일 반도체 다이를 갖는)의 설계 특징들은 이러한 정렬이 제조자에 의해 한 번만 수행되도록 하여, LIDAR 시스템(300)이 제조되고 제조 후에 유지되는 방식을 용이하게 한다. 광학계의 정렬 동안, 시야가 상당히 동일한지 확인하기 위해 모든 방출기 및 모든 픽셀의 시야가 측정될 수 있다. 정렬 프로세스는 수차, 왜곡, 및 초점 길이와 같은 렌즈 특성들을 고려할 수 있을 뿐만 아니라 외부 요소들에 대한 렌즈 요소들의 위치 및 배향을 조절할 수 있다.
방출기들의 시야들이 그들 각각의 센서들의 시야들과 중첩되기 때문에, 각각의 광센서는 이상적으로는 크로스토크가 없는 그의 대응하는 방출기로부터 유래하는 반사된 조명 빔을 이상적으로 검출할 수 있고, 즉, 다른 조명 빔들로부터의 반사된 광이 검출되지 않는다. 예를 들어, 도 3a를 다시 참조하면, 방출기들(312(1))의 뱅크는 시야의 영역(315(1)) 내로 조명 빔들(314(1))을 방출하고, 조명 빔들의 일부는 물체(330), 즉 나무로부터 반사된다. 이상적으로, 광(324(1))의 반사 부분은 광센서(322(1))의 뱅크에 의해서만 검출된다. 따라서, 방출기들(312(1))의 뱅크 및 광센서들(322(1))의 뱅크는 동일한 시야를 공유한다. 마찬가지로, 방출기들의 뱅크(312(n)) 및 광센서들의 뱅크(322(n))는 또한 광(324(n))의 반사된 부분이 광센서들(322(n))에 의해서만 검출되도록 동일한 시야를 공유할 수 있다. 예를 들어, 방출 사이클의 마지막 반복 동안, 방출기들(312(n))의 뱅크는 시야의 영역(315(n)) 내로 조명 빔(314(n))을 방출하고, 조명 빔의 일부는 물체(332), 즉, 물체(330) 옆에 주차된 자동차로부터 반사된다. 하나의 사이클에서, 도 3a의 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(350)은 나무(330) 및 차량(332)의 부분들을 포함하는 장면을 나타내는 이미지를 캡처하고 생성할 수 있다. 예를 들어, 시스템(300)이 차량 상에 장착될 때, 도 12 및 도 13과 관련하여 본원에서 더 설명되는 바와 같이, 특히 시스템(300)이 움직이는 경우, 추가적인 사이클들이 장면의 다른 영역들을 더 캡처할 수 있다. 대응하는 방출기들 및 센서들이 도 3a에서 그들 각각의 어레이에서 동일한 상대 위치에 있는 것으로 도시되어 있지만, 임의의 방출기는 시스템에 사용되는 광학계의 설계에 따라 임의의 센서와 쌍을 이룰 수 있다.
레인징 측정 동안, LIDAR 시스템을 둘러싸는 부피 주위에 분포된 상이한 시야로부터의 반사된 광은 다양한 센서들에 의해 수집되고 처리되어, 각각의 시야 내의 임의의 물체들에 대한 거리 측정 정보를 생성한다. 상술한 바와 같이, 광 방출기들이 정확하게 타이밍된 펄스들을 방출하는 전파시간 기술이 사용될 수 있고, 펄스들의 반사들은 일부 시간 경과 후에 각각의 센서들에 의해 검출된다. 이어서, 방출과 검출 사이의 경과 시간 및 빛의 공지된 속도가 사용되어 반사 표면까지의 거리를 계산한다. 일부 실시예들에서, 센서에 의해 추가적인 정보가 획득되어, 해당 범위에 추가하여 반사 표면의 다른 특성들을 결정할 수 있다. 예를 들어, 펄스의 도플러 편이가 센서에 의해 측정되어, 센서와 반사 표면 사이의 상대 속도를 계산하는 데 사용될 수 있다. 펄스 강도는 타겟 반사도를 추정하기 위해 사용될 수 있고, 펄스 형상은 타겟이 경질 또는 확산 재료인지를 결정하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, LIDAR 시스템(300)은 광의 다수의 펄스들을 전송할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 코딩된 펄스는 광 강도에 의해 형성된 내장된 양의 값을 갖는 펄스 코드를 갖는다. 시스템은, 상이한 시간 빈들에서의 검출된, 반사된 광의 강도 히스토그램을 생성함으로써, 배경 광의 존재 하에서의 광학 펄스들의 시간적 위치 및/또는 진폭을 결정할 수 있다. 각각의 시간 빈에 대해, 시스템은 검출된 광의 강도에 의존하는 강도 히스토그램에 가중치를 더한다. 가중치들은 양수 또는 음수일 수 있고, 가변 크기들을 가질 수 있다.
양의 값을 갖는 펄스 코드들의 상이한 조합들을 선택하고 상이한 가중치들을 적용함으로써, 시스템은 표준 디지털 신호 처리 알고리즘들에 적절한 양의 값 및 음의 값을 갖는 코드들을 검출할 수 있다. 이러한 접근법은 반사된 광 펄스들의 측정된 시간적 위치에서 낮은 불확실성을 유지하면서 높은 신호 대 잡음 비를 제공한다.
도 4a는 레이저 어레이를 동작시키기 위한 다양한 커패시터들, 스위치들 및 컨트롤 칩들과 함께 m x n개의 방출기들의 방출기 어레이(410)를 포함하는 전자 스캐닝 레이저 어레이(400)의 단순화된 톱다운 블록도이다. 방출기 어레이(410)는 6개의 개별적으로 구동되는 뱅크들(410(1)..410(6))로 분할되고, 방출기 뱅크들 각각은 조명 패턴을 생성하는 1차원 또는 2차원 어레이들(도 4a에서 4 x n 어레이들로서 도시됨)로 배열된 동일한 수의 개별 광 방출기들(402)(예를 들어, VSCEL)을 포함한다. 방출기 어레이(410)는, 예를 들어, 도 2a 내지 도 2d와 관련하여 위에서 설명된 방출기 어레이(210)를 나타낼 수 있고, 조명 패턴과 기하학적으로 매칭되는 감지 패턴을 갖는 광센서들의 6개의 뱅크들을 포함하는 전술한 광센서 어레이(220)와 같은 광센서 어레이를 갖는 LIDAR 시스템에서 페어링될 수 있다.
일부 실시예들에서, 방출기 어레이(410)는 단일의 모놀리식 구조물(예를 들어, 세라믹 서브마운트(415) 또는 다른 적절한 기판) 상에 형성될 수 있으며, 여기서 각 뱅크는 개별적인 반도체 다이다. 다른 실시예들에서, VCSEL 어레이는, VCSEL 어레이 내의 상이한 뱅크들의 음극들이 뱅크들로 하여금 개별적으로 제어될 수 있게 하는 서로 전기적으로 격리되는 큰 단일 칩 상에 형성될 수 있다. 각각의 뱅크는 k개의 뱅크들을 갖는 방출기 어레이를 위한 k개의 드라이버 회로가 존재하도록 별도의 드라이버 회로에 의해 구동될 수 있다. 도 4에 도시된 실시예에서, 각각의 드라이버 회로는 방출기 어레이(410)의 로우 측에 연결된 FET 드라이버(412) 및 게이트 드라이버(414)를 포함한다. 각각의 FET 드라이버(412)는 각각의 게이트 드라이버(414)에 의해 턴온될 수 있는 하이 전류 스위치이고, 각각의 드라이버 회로(412, 414)는 그의 각각의 뱅크에 연결되고, 자신의 뱅크 내의 모든 개별적인 방출기들(402)을 동시에 방출시킬 수 있다. 드라이버들(412, 414)은 각각의 뱅크가 이미지 캡처 기간 동안에 한번 방출되는 반면에 광센서들의 대응하는 뱅크들은 전체 방출기 어레이가 방출되고 전체 광센서 어레이가 판독될 때까지 판독될 수 있도록, 제어 회로에 의해 미리 결정된 시퀀스(예를 들어, 도 2b 내지 도 2d와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이)에 따라 활성화될 수 있다. 이런 식으로, 레이저 어레이(400)를 전자적으로 스캐닝하는 것은 모든 방출기들을 한번에 활성화시키는 플래시 LIDAR 시스템보다(주어진 크기의 어레이 및 주어진 휘도에 대해) 상당히 적은 전력을 사용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 각각의 뱅크(410(1)..410(6))는 세라믹 또는 다른 적절한 기판(405) 상에 장착되고 서로 전기적으로 절연된 별개의 개별 반도체 다이로서 구성될 수 있다. 각각의 다이(즉, 본 실시예의 뱅크)는 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들의 동작 동안 광을 방출하기 위해 개별적으로 어드레싱된다. 추가적으로, 다양한 실시예들에서, 각각의 게이트 및 FET 드라이버는 구분되는 개별 요소일 수 있고, 다수의 FET 드라이버들은 단일 칩 상에 함께 조합될 수 있으며, 다수의 게이트 드라이버들은 단일 칩 상에 함께 조합될 수 있고, 및/또는 하나 이상의 게이트 드라이버들 및 FET 드라이버들은 단일 칩 상에 함께 조합될 수 있다.
광을 생성시키기 위해, 방출기 어레이(410) 내의 방출기들(402)을 통해 전류가 구동된다. 따라서, 방출기 뱅크(410(1)..410(6))는 방출기 어레이를 통해 전류를 방전하도록 구성된 하나 이상의 캐패시터를 포함하는 커패시터 뱅크(404)에 연결될 수 있다. 각각의 방출기 뱅크는 커패시터 뱅크(404)와의 연결을 위해 각각의 컨택 어레이 또는 비아 어레이(406)를 포함할 수 있다. 컨택 어레이들(406)은 각각의 방출기 뱅크들(410(1)..410(6))이 구성되는 반도체 다이들의 일부일 수 있다. 일부 실시예들에서, 컨택 어레이들(406)은 그들 각각의 방출기 뱅크들 내의 커패시터 뱅크(404) 및 광 방출기들(402) 사이에 위치된다. 방출기 어레이(410) 내의 하나 이상의 방출기들의 활성화 이전에, 커패시터 뱅크(404) 내의 하나 이상의 커패시터들은 방출기 어레이(410) 내의 하나 이상의 방출기들의 활성화 동안에, 하나 이상의 충전된 커패시터들이 협대역 광을 방출하기 위해 각 뱅크를 통해 상당한 양의 전류(예를 들어, 일부 실시예들에서는 10 내지 100 암페어 사이, 일부 실시예들에서는 50 내지 100 암페어 사이, 일부 실시예들에서는 50 내지 200 암페어 사이)를 구동하도록 방전될 수 있다. 커패시터 뱅크(404) 내의 커패시터들은 커패시터들을 충전하기 위한 전원(미도시)에 연결될 수 있다. 전원은 전기 연결부들(405)의 어레이를 통해 커패시터 뱅크(404)에 연결될 수 있고, 여기서 각각의 전기적 연결은 전원으로 라우팅되는 트레이스(도시되지 않음)에 연결된 비아이다. 전기적 연결들 및 트레이스들은, 커패시터 뱅크(404) 및 방출기 어레이(410)가 장착되는 상호연결 구조물(422)(예를 들어, 인쇄 회로 기판(PCB))의 일부일 수 있거나, 그 위에 형성될 수 있다. 트레이스들, 커패시터들, 방출기들 및 드라이버들은 회로에서 구동 전류에 대한 상승 시간들을 최소화하기 위해 회로의 방전 경로의 루프 인덕턴스를 최소화하도록 위치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 전자 스캐닝 레이저 어레이(400)는 시스템에 대한 전기적 입력들 및 출력들(예를 들어, 드라이버들(412 및 414)에 대한 타이밍 신호들)이 전기 커넥터(416)(예를 들어, 보드 대 보드 커넥터)에 의해 전자 스캐닝 레이저 어레이(400)로 그리고 그로부터 전송될 수 있는, 멀티칩 모듈로서 구현될 수 있다. 전기 커넥터(416)는 드라이버들(412 및 414)에 연결되어 제어 신호들이 드라이버들로의 전송되게 할 수 있다. 드라이버들(412 및/또는 414)은 방출기 어레이(410)를 통한 전류의 흐름을 관리하는 반도체 장치들(예를 들어, 전계 효과 트랜지스터들 또는 "FET들")일 수 있다. 따라서, 드라이버들(412 및 414)은 제어 신호들에 응답하여, 방출기 어레이(410)가 광을 방출하는 순서를 지시하거나 또는 커넥터(416)를 통해서 처리 시스템(미도시)을 인에이블시킬 수 있다. 예를 들어, 드라이버들(412 및 414)은 좌측에서 우측으로 순차적으로 또는 도 2b 내지 도 2d와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 상이한 순서로, 방출기 뱅크에 의해 방출기 어레이(410)를 활성화할 수 있다. 따라서, 하나의 방출 사이클에서, 드라이버들(412 및 414)은 시간의 제1 인스턴스 동안 방출기 뱅크(410(1)) 내의 방출기들(402)을 활성화하고, 시간의 제2 인스턴스 동안에 방출기 뱅크(410(2)) 내의 방출기들(402)을 활성화하는 등 마지막 방출기 뱅크(410(6))가 사이클의 마지막 인스턴스 동안 활성화될 때까지, 방출기 어레이(410)를 동작시킬 수 있고, 여기서 시간의 제1 인스턴스 내지 마지막 인스턴스 동안 광을 방출하는 것이 단일 방출 사이클을 함께 형성한다. 일부 실시예들에서, 드라이버들(412 및 414)은 상호연결 구조물(422) 상에 도금된 트레이스일 수 있는 전기 연결부들(424)을 통해 함께 연결된다. 이런 식으로, 드라이버들(412 및 414)은 방출기 어레이(410)의 동작을 제어하기 위해 서로 통신할 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 각각의 방출기 뱅크(410(1)..410(6))는 뱅크를 드라이버(412)와 연결하기 위한 각각의 컨택 어레이(408)를 포함할 수 있다. 컨택 어레이들(406)과 같이, 컨택 어레이들(408)은 각각의 방출기 뱅크들이 제조되는 반도체 다이들의 일부일 수 있다. 일부 실시예들에서, 컨택 어레이들(408)은 그들 각각의 방출기 뱅크들 내의 드라이버들(412)과 광 방출기들(402) 사이에 위치된다. 또한, 드라이버들(412)은 각각의 세트의 전기 연결부들(420)에 연결될 수 있고, 이들은 드라이버들(412 및 414)이 장착되는 상호연결 구조물(422)의 일부일 수 있거나, 또는 그 위에 형성될 수 있다. 전기 연결부들(420)은 드라이버들(412)을 상호연결 구조물(422) 상에 적절한 신호 경로들 및/또는 요소들(도시되지 않음)에 연결시킬 수 있다.
전자 스캐닝 레이저 어레이(400)가 개별적으로 어드레싱 가능한 6개의 뱅크를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 이들 각각은 개별 채널의 일부일 수 있으며, 본 발명의 실시예들은 특정 수의 채널로 제한되지 않는다. 그러나, 도 4a에 도시된 설계는 일부 상용 LIDAR 애플리케이션들의 특정 요건들을 만족시키기 위해 충분히 빠른 속도로 방출기 어레이를 통해 충분히 높은 전류 레벨들을 여전히 구동하면서 포함될 수 있는 개수의 채널들로 실제적인 제한들을 갖는다. 예를 들어, 방출기 어레이(410) 내의 각 방출기의 특정 휘도를 달성하기 위해서, 비교적 높은 레벨의 전류가 레이저 어레이를 통해 드라이버들(412 및 414)에 의해 제공될 필요가 있다. 주어진 채널을 통해 구동될 수 있는 전류의 양은, 커패시터 뱅크(404) 내의 커패시터들의 용량, 채널 내의 방출기들의 수 및 채널에 대한 드라이버들(412 및 414)의 크기에 부분적으로 의존한다. 주어진 채널을 통해 바람직하게 높은 레벨의 전류를 구동하기 위해, 각각의 드라이버(412, 414)는 원하는 전류 레벨을 처리하기에 충분한 크기가 될 필요가 있다. 수십 암페어 또는 그 이상의 비교적 높은 전류 레벨을 지원하는 각각의 채널과 함께 다수의 채널들이 요구되는 일부 실시예들에서, 드라이버(412, 414)의 레이아웃은 방출기 어레이의 성능에 있어서 제한 인자일 수 있다.
일 예로서, 도 4b는 16개의 독립적인 채널 방출기 어레이를 지원하는 드라이버들(412, 414)의 배열을 도시한다. 도 4b는 전기 연결부들(430)에 의해 12.8 × 6.4 mm 방출기 어레이(도 4b에 도시되지 않음)에 배열되고 연결되는 0.9 mm FET 드라이버들(412)의 적절한 축척의 예시를 위한 것이다. 도 4b에 도시되지 않았지만, 커패시터들(예를 들어, 0402 커패시터들)은 하이 사이드 상의 방출기 어레이에 연결될 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 16개의 채널들을 지원하기 위한 16개의 게이트 드라이버들(414)을 이용하여, 게이트 드라이버들(414)은 실제적인 것보다 더 많은 공간을 요구하며, 바람직하지 않게 길고 따라서 회로의 타이밍에 불리한 영향을 줄 수 있는 인덕턴스 레벨들을 갖는 FET 드라이버들에 게이트 드라이버들을 연결하는 신호 경로들을 필요로 할 것이다.
본 발명의 일부 실시예들은 로우 사이드 스위치들에 더하여, 방출기 어레이를 커패시터 뱅크에 연결하는 한 쌍의 하이 사이드 스위치들을 포함함으로써 이러한 잠재적인 문제를 해결한다. 이러한 실시예의 일 예가 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전자 스캐닝 레이저 어레이(500)의 단순화된 톱다운 블록도인 도 5에 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전자 스캐닝 레이저 어레이(500)는 각각이 방출기들의 다수의 열을 포함할 수 있는 12개의 독립적인 방출기 뱅크(510(1)..510(12))를 스캔하기 위해 6개의 로우 사이드 스위치(412)와 함께 동작하는 2개의 하이 사이드 스위치(514a, 514b)를 포함하며, 이들 다. 일부 실시예들에서, 레이저 어레이(500)는 또한 아래에서 설명되는 바와 같이 방출 사이클의 종료시 커패시터 뱅크들을 방전하기 위해 2개의 FET들(516a, 516b)을 포함한다.
하이 사이드 스위치들은 전압원과, 방출기 어레이를 구동하도록 구성된 하나 이상의 캐패시터들을 포함하는 각각의 커패시터 뱅크(504a, 504b) 사이에 연결될 수 있다. 커패시터들(504a, 504b)은 차례로, 상호연결부들(518a, 518b)에 의해 방출기 뱅크들에 연결된다. 일부 실시예들에서, 커패시터 뱅크들(504a, 504b)은 각각의 뱅크에 대한 연관된 스위치들 및 상호연결부들과 함께, 인쇄 회로 기판의 반대 면들(예를 들어, 상부 및 하부 면들) 상에 위치될 수 있다. 도 5는 전자 스캐닝 레이저 어레이(500), 커패시터 뱅크(504b), 스위치(514b), 스위치(516b) 및 상호 연결부(518b)의 블록도인 것으로 의도되지만, 이러한 실시예들에서 요소들(504a, 514a, 516a, 518a)로부터 PCB의 반대 면들 상에서의 위치를 나타내기 위해 점선으로 도시되어 있다.
하이 사이드 스위치들은 커패시터들을 충전하기 위해 커패시터 뱅크들을 전압원에 연결하도록 선택적으로 활성화될 수 있다. 예를 들어, 스위치(514a)는 커패시터 뱅크(504a)를 전압원에 연결시킬 수 있는 한편, 스위치(514b)는 커패시터 뱅크(504b)를 전압원에 연결시킬 수 있다. 로우 사이드 스위치들은 어레이 내의 방출기들의 뱅크들을 선택적으로 방출시키기 위해, 방출기 어레이를 통해 커패시터들을 방전하도록 선택적으로 활성화될 수 있다. 커패시터들은 하이 사이드 스위치들로 하여금 더 높은 전류 레벨들을 다루는 데 필요한 로우 사이드 스위치들보다 더 작게(즉, 더 적은 실면적을 차지) 하면서 방출기 어레이를 구동하기 위해 사용되는 전류 레벨들보다 상당히 더 낮은 전류 레벨들로 충전될 수 있다.
하이 사이드 및 로우 사이드 스위치들의 상술한 배열은 도 4b에 관하여 설명된 바와 같이 로우 사이드 스위치들의 크기 제약들이 주어진 경우 구현될 수 있는 독립 구동 회로들의 총 수가 증가하게 한다. 따라서, 전자 스캐닝 레이저 어레이(500)는 레이저 어레이(400)와 동일한 수의 방출기들(도 5에는 도시되지 않지만 방출기들(402)과 균등함)을 갖지만, 어레이(500) 내의 방출기들은 어레이(400)를 위한 6개의 뱅크들 대신에 독립적으로 제어되는 12개의 뱅크들로 배열된다. 일부 실시예들에서, 이하 설명되는 도 6의 회로도에서 다이오드들(610(1) 내지 610(12))로 도시된 다이오드들은 각 방출기 뱅크와 직렬로 배치될 수 있다. 다이오드들은 높은 역전압을 견디도록 충분한 크기일 수 있으며, 따라서 다수의 방출기 뱅크들이 음극을 공유하지만 상이한 양극 전압들을 갖는 경우 방출기들을 손상시킬 수 있는 반대 방향으로의 전류 흐름을 방지할 수 있다.
도 6은 전자 스캐닝 레이저 어레이(500)를 나타내는 전자 회로(600)의 개략도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 회로(600)는 12개의 개별적이고 독립적으로 동작가능한 채널들(C1 내지 C12)을 포함하며, 설명의 용이성을 위해 단지 채널들(C1..C4 및 C11..C12)만 도시되어 있다. 도 6에 도시되지 않은 채널들(C5, C7 및 C9) 각각은 채널들(C1, C3, C11)에 대해 도시된 바와 같이 실질적으로 동일한 회로에 의해 표현될 수 있고, 또한 도시되지 않은 채널들(C6, C8 및 C10) 각각은 채널들(C2, C4 및 C12)에 대해 도시된 바와 같이 실질적으로 동일한 회로에 의해 표현될 수 있다.
각각의 채널들(C1..C12)은 방출기 뱅크(즉, 방출기 뱅크들(510(1) 내지 510(12)) 중 하나) 및 다이오드(즉, 다이오드들(610(1) 내지 610(12)) 중 하나)를 포함하고, 하이 사이드 스위치들(514a 또는 514b)중 하나와 로우 사이드 스위치들(412(1) 내지 412(6)) 중 하나 사이에서 연결된다. 각각의 채널은 또한 하이 사이드에서 커패시터들(504(a) 또는 504(b)) 중 하나에 연결되고, 2개의 하이 사이드 스위치들 각각은 커패시터들 중 하나와, 방출기 뱅크들을 구동하기 위해 커패시터들을 충전하는 노드(예를 들면, 단자(620))에 전압(VLaser)을 공급하는 전력원 사이에 연결된다.
도 4a 및 도 5와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 게이트 드라이버들(414(1)..414(6))(게이트 드라이버들(414)로서 도 5에 도시됨)은 프로세서, 마이크로컨트롤러 또는 다른 회로(예를 들면, 방출기 컨트롤러(115))에 의해 생성될 수 있는 제어 신호들(Ø1 내지 Ø6)에 응답하여 로우 사이드 스위치들(412(1)..412(6))을 턴 온 및 턴 오프시킨다. 하이 사이드 스위치들(514a, 514b)은 방출기 어레이 및 채널들을 2개의 개별 회로들(A측(또는 A 레일) 및 B측(또는 B 레일))로 분할하는 것으로 언급될 수 있다. 따라서, 채널들 C1..C12는 A 레일 채널들 A1..A6 및 B 레일 채널들 B1..B6로 표현될 수 있고, 채널 C1 = 채널 A1, 채널 C2 = 채널 B1, 채널 C3 = 채널 A2, 채널 C4 = 채널 B2 등 및 채널 C11 = 채널A6 및 채널 C12 = 채널 B6이다.
스위치들(514(a) 및 514(b))은, 높은 전력 스위치들(412(1)..412(6)) 보다 상당히 적은 전류를 처리하는, 따라서 상당히 작은 저전력 스위치들일 수 있다. 따라서, 도 5 및 도 6에 도시된 본 발명의 실시예는 2개의 로우 전류 하이 사이드 스위치들을 사용하는 12개의 독립적으로 동작가능한 채널들 및, 그렇지 않은 경우 요구될 수 있는 12개의 하이 전류 로우 사이드 스위치들보다 상당히 더 적은 실면적을 차지하는 6개의 하이 전류 로우 사이드 스위치들을 인에이블한다.
작동 시, 스위치들(514a 및 514b)은 커패시터들(504a 및 504b)의 충전을 각각 제어한다. 일단 충전되면, 커패시터들은 방출기 뱅크들을 통해 전류를 구동하기 위해 스위치들(412(1)..412(6))에 의해 방전될 수 있다. 회로(600)의 동작을 더 잘 이해하기 위해, 커패시터들(504a 및 504b)이 상대적으로 크고(예를 들어, 마이크로패러드 범위인), 각각의 방출 사이클 동안 채널들 C1 내지 C12의 방출 시퀀스가 A1, A2, A3, A4, A5, A6(이들 모두는 A 레일에 연결됨)에 이어서 B1, B2, B3, B4, B5, B6(이들 모두는 B 레일에 연결됨)인, 본 발명의 일 실시예에 따른 회로(600)의 동작을 도시하는 타이밍도인 도 7a 내지 도 7c를 참조한다. 도 7a 내지 도 7c 각각에서, 전압은 Y축 상에 표현되고, 시간(각각에 대해 동일한 시각 T0에서 시작함)은 X축 상에 표현된다. 특히, 도 7a는 커패시터(504a)를 충전 및 방전하는 것과 관련된 회로의 타이밍 시퀀스를 도시하고, 도 7b는 커패시터(504b)를 충전 및 방전하는 것과 관련된 회로의 타이밍 시퀀스를 도시하며, 도 7c는 도 7a 및 도 7b에 도시된 타이밍 신호들에 응답하여 커패시터들(504a 및 504b)의 전압 레벨을 도시한다. 본 발명의 실시예들은 특정 전압 레벨들로 제한되지 않으며, 따라서 전압들은 도 7c에 도시되지 않지만, 일부 실시예들은 각각의 방출기 뱅크를 방출할 때 커패시터들에 20볼트 내지 50볼트 사이로 저장한다.
본 발명의 실시예들은 커패시터(504a)의 충전을 개시하기 위해 저 전류 FET(514a)를 닫으면서 ØA 신호를 높게 설정함으로써 상술한 방출 시퀀스를 개시할 수 있다. 일단 커패시터가 완전히 충전되면(도 7a의 702), 하이 전류 스위치들(412(1)...412(6)) 각각은 제어 신호들(Ø1..Ø6)에 의해 순차적으로 활성화되어, 채널들(C1, C3, C5, C7, C9 및 C11)을 통해 전류를 구동하고 그와 관련된 방출기들을 방출시킨다. 예를 들어, 제어 신호(Ø1)가 하이 펄스(pulsed high)인 경우, 커패시터(504a)는 방출기 뱅크(510(1))를 통해 방전되어 채널(C1)에서 각각의 방출기를 방출시킨다. 펄스(Ø1)의 길이는 방출기 뱅크(510(1))가 방출되는 시간의 길이를 결정한다. 커패시터(504a)가 다소 크고 펄스(Ø1)는 다소 짧기 때문에, 커패시터(504a)는 펄스 이후 완전히 방전되지 않고, 대신에 전압 레벨(704)에 의해 도시된 전하의 양을 유지한다. 동일한 시퀀스가 채널들 C3, C5, C7, C9 및 C11에 대해 반복될 수 있다.
채널(C11)이 방출된 후에, ØA 라인은 B 레일이 활성화될 때 A 레일 채널들(A1, A2, A3, A4, A5 및 A6)을 방출시킬 수 있는 커패시터(504a) 상의 잔류 전하가 남아있지 않도록, 스위치(615a)를 활성화시키고 접지를 통해 커패시터(504a)를 완전히 방전시키기 위해 시간(706)에서 하이 펄스일 수 있다(도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이 커패시터(504b)의 충전 및 방전 시퀀스의 지속기간 동안 높게 설정될 수 있음).
모든 A 레일 채널들이 방출된 후에, 커패시터(504b)의 충전을 개시하기 위해서, ØB 신호는 저 전류 FET(514b)를 닫으면서 높게 설정된다. 일단 커패시터(504b)가 완전히 충전되면, 하이 전류 스위치들(412(1)..412(6)) 각각은 제어 신호들(Ø1..Ø6)에 의해 순차적으로 다시 활성화되어, A 레일과 관련하여 상술한 바와 같이 B 레일 채널들(B1, B2, B3, B4, B5 및 B6)을 통해 전류를 구동하고 그 안의 방출기들을 방출시킨다. 해당 시퀀스의 끝에서, ØB 라인은 다음 방출 사이클 동안 A 레일이 활성화될 때 B 레일 채널들(B1, B2, B3, B4, B5 및 B6)을 방출시킬 수 있는 커패시터(504b) 상에 잔류 전하가 남지 않도록, 스위치(615b)를 활성화시키고, 접지를 통해 커패시터(504b)를 완전히 방전시키기 위해 높게 설정될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은 커패시터들(504a 및 504b)로서 더 작은 커패시터들(예를 들면, 피코패러드 범위인)을 이용할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 각각의 채널이 방출된 후에 커패시터들은 완전히 방전될 수 있고, 주어진 채널 내의 방출기들이 방출되는 시간의 길이는 신호들(Ø1..Ø6)의 펄스 폭 대신에 커패시터들의 방전 시간에 의존할 것이다. 채널이 방출된 후 커패시터들(504a, 504b)이 완전히 방전될 때, 이러한 실시예들은 다른 레일에서 채널들을 방출하기 전에 레일들(A 또는 B) 중 하나에 연결된 모든 채널들을 방출하는 것이 반드시 유리하지는 않기 때문에, 채널들의 타이밍 시퀀스에서 추가적인 유연성을 가능하게 한다. 예를 들어, 좌측에서 우측으로 순차적으로 채널들의 방출 시퀀스(A1, B1, A2, B2, .. A6, B6)는 제1 레일로부터의 뱅크들의 서브세트가 방출되고 제2 레일로부터 뱅크들의 서브세트가 뒤따르는 다른 임의의 방출 시퀀스들(예를 들어, A1, A2, B1, B2, A3, A4, B3, B4, A5, A6, B5, B6)과 마찬가지로, 가능하다. 또한, 이러한 실시예들에서, 커패시터들(504a, 504b)이 각각의 방출 이벤트 후에 방출기 어레이에 의해 완전히 방전되기 때문에 스위치들(615a, 615b)은 선택적이다.
일부 실시예들에서, 전류는 인덕턴스를 최소화하는 경로들을 사용하여 채널들을 통해 구동된다. 따라서, 채널들의 쌍들(두 개의 하이 사이드 스위치들을 갖는 실시예에서)이 동일한 로우 사이드 스위치에 의해 구동되도록 채널들을 교대하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 채널들(C1 및 C2)은 로우 사이드 스위치(412(1))에 의해 각각 구동되고, 채널들(C3 및 C4)은 로우 사이드 스위치(412(2))에 의해 각각 구동된다. 이러한 배열은 각 쌍의 채널들을 통한 전류 경로가 유사하고(본질적으로 서로에 대하여 평행하다), 따라서 해당 쌍 내의 2개의 채널들(및 시스템 내의 모든 채널들)이 유사한 인덕턴스를 가질 수 있음을 보장할 수 있다.
전자 스캐닝 레이저 어레이(500)(및 회로(600))가 2개의 하이 사이드 스위치들 및 6개의 로우 사이드 스위치들을 사용하는 12개의 채널들을 포함하는 것으로서 도 5 및 도 6에 도시되어 있지만, 다른 실시예들에서 어레이(500)는 2개의 하이 사이드 스위치들 및 k/2개의 로우 사이드 스위치들을 사용하는 k개의 독립적으로 제어되는 채널들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들은 k개의 독립적으로 제어되는 채널들을 구현하기 위해 l 개의 하이 사이드 스위치들 및 k/l개의 로우 사이드 스위치들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예는 3개의 하이 사이드 스위치들(및 따라서 3개의 레일들(A, B 및 C))을 포함할 수 있으며, 이들 각각은 전용 커패시터(504), 및 18개의 독립적으로 제어되는 채널들을 가능하게 하는 6개의 로우 사이드 스위치들에 연결될 수 있다. 다른 실시예는 32개의 독립적으로 제어되는 채널들을 가능하게 하는 4개의 하이 사이드 스위치들 및 8개의 로우 사이드 스위치들을 포함할 수 있다.
도 8은 하이 사이드 상에 12.8 x 6.4 mm 방출기 어레이(810) 및 0402 커패시터들(설명의 용이함을 위해 도 8에 도시되지 않음)을 갖는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전자 스캐닝 레이저 어레이(800)의 적절한 축척으로 그려지도록 의도된 간략화된 예시이다. 방출기 어레이(800)는 50 um 간격을 갖는 128 × 256개의 방출기들의 어레이이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 어레이(810)는 드라이버들(812) 각각이 대개 16개의 열들의 방출기들을 담당하도록, 16개의 독립적인 구동 채널들(16개의 0.9mm FET 드라이버들(812) 및 8개의 대응하는 듀얼 채널 게이트 드라이버들(814)에 의해 도시됨)을 포함할 수 있다.
그러나, 전자 스캐닝 레이저 어레이(800)는, 각각의 FET 드라이버들(812)이 16개의 열들을 구동하는 것에 비해 증가된 휘도로 한번에 8개의 레이저 열을 구동할 수 있게 하는 2개의 하이 사이드 스위치들(설명의 용이함을 위해 도 8에 도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전자 스캐닝 레이저 어레이(800)는 20V구동 전압으로부터 방출기들의 8개 열들을 방출시키기에 충분한 전하를 유지하는 각각의 채널에 대한 0402 커패시터를 포함한다. 예를 들어:
ㆍ 단일 레이저 샷에서 소비되는 에너지: 1와트 피크 전력 * 10e-9초 * (128 * 8)개의 방출기들 = 10마이크로 줄
ㆍ 20V에서 1 uF 커패시터에 저장된 에너지 = 0.5 * C * V^2 = 0.5 * 1e-620V^2 = 200마이크로 줄
도 9는 도 8의 전자 스캐닝 레이저 어레이(800)의 A-A 부분의 단순화된 단면도이다. 단면도에서 도시되는 것은 세라믹 기판(815) 상에 장착된 VCSEL 방출기 어레이(810), 히트 싱크(820), 하이 사이드 커패시터(804a 및 804b) 및 FET 드라이버들(812)이다. 커패시터들(804a 및 804b)은 각각, 도전성 레일들(830a 및 830b)에 연결되며, 이는 전압원(도시되지 않음), 커패시터들 및 방출기 어레이 사이의 전기적 경로들을 제공하고, 레일들 각각과 연관된 회로가 인쇄 회로 기판(825)의 반대되는 면들 위에 있을 수 있게 한다. 접지 평면(840)은 레일들 사이에서 인덕턴스를 감소시키는 2개의 레일들을 분리한다.
본 발명의 일부 실시예들은 멀티-채널 게이트 드라이버들, 멀티-채널 FET 드라이버들 및/또는 이중 조합된 게이트 드라이버/FET 드라이버 칩들을 사용함으로써 방출기 또는 레이저 어레이 내의 실면적을 절약할 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 각각의 이중 채널 게이트 드라이버(814)는 각각의 게이트 드라이버 IC가 방출기 어레이의 2개의 채널들을 활성화하는 이중 채널 게이트 드라이버들에 대해 8개의 IC들이 존재하도록 단일 IC상에 형성될 수 있다. 8개의 게이트 드라이버 IC들은 16개의 단일 채널 게이트 드라이버들에 의해 요구되는 것보다 레이저 어레이(800) 내에서 더 적은 실면적을 차지하도록 조합된다. 유사하게, 본 발명의 일부 실시예들은 단일 FET 칩이 방출기 어레이의 2개 이상의 채널들을 구동할 수 있는 멀티-채널 FET 드라이버들을 포함할 수 있고, 일부 실시예들은 단일 IC가 다중 채널 게이트 드라이버 및 다중 채널 FET 드라이버 모두를 포함할 수 있는 이중 조합된 게이트 드라이버/FET 드라이버 칩들을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 다른 용도들 중에서도, 자율주행 차량에서의 장애물 검출 및 회피를 위해 사용될 수 있는 LIDAR 센서에 관한 것이다. 일부 특정한 실시예들은 센서들이 충분히 저렴하게 제조되고 충분한 신뢰성을 가지며, 대량 생산되는 자동차, 트럭 및 다른 차량들에서 사용하기에 충분히 작은 풋프린트(footprint)를 가질 수 있게 하는 설계 특징들을 포함하는 LIDAR 센서들에 관한 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들은 시야 내로 복사선을 방출하는 조명 소스들로서 수직 공동 표면 방출 레이저들(VCSEL)의 세트를 포함하고, 시야 내의 표면으로부터 다시 반사된 복사선을 검출하는 광센서들(검출기들)의 세트로서 단일 광자 애벌란시 다이오드(SPAD) 검출기들의 어레이들을 포함한다. 방출기들로서 VCSEL 및 검출기들로서 SPAD를 사용하는 것은 다수의 측정들이 동시에 취해질 수 있게 하고(즉, VCSEL 방출기들이 동시에 방출될 수 있음), 또한 방출기들의 세트 및 광센서들의 세트가 단일 칩 상에 각각 제조될 수 있게 하여, 제조 및 조립 공정을 크게 단순화할 수 있다.
그러나, 특정 실시예들에서 VCSEL 및 SPAD를 사용하는 것은 본 발명의 다양한 실시예들이 극복하는 문제들을 야기한다. 예를 들어, VCSEL은 기존 LIDAR 아키텍처에서 사용되는 전형적인 레이저보다 훨씬 덜 강력하고, SPAD는 기존 LIDAR 아키텍처에서 사용되는 전형적인 검출기보다 훨씬 덜 효율적이다. 다수의 방출기들을 동시에 방출함으로써 야기되는 문제들뿐만 아니라 이러한 문제들을 해결하기 위해, 본 발명의 특정 실시예들은 다양한 광학 요소들(예를 들어, 렌즈들, 필터들, 및 개구층)을 포함하며, 이들은 SPAD들의 다수의 어레이들과 협력하여 동작할 수 있으며, 각각의 어레이는 본원에 기술된 바와 같이 상이한 픽셀(예를 들어, 시야 내의 위치)에 대응한다. 예를 들어, 도 1과 관련하여 본원에서 설명되는 바와 같이, 광 감지 모듈(108)의 광학 시스템(128)은 센서 어레이(126)에 의해 검출된 광을 향상시키기 위해 마이크로-광학 수신기 층(도 1에 도시되지 않음)을 포함할 수 있으며, 이는 각각이 SPAD들의 어레이일 수 있는 광센서들의 어레이를 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 예시적인 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(1000)의 상세한 측면도를 예시하는 개략도이다. 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(1000)은 광 검출 시스템(1001) 및 광 방출 시스템(1003)을 포함할 수 있다. 광 방출 시스템(1003)은 시스템(1000)이 협대역 광선(1005)과 함께 위치되는 시야의 적어도 일부에 능동 조명을 제공한다. 광 검출 시스템(1001)은 반사된 광선(1006)으로서 시야 내의 물체에 의해 반사된 후에, 광 방출 시스템(1003)으로부터 방출된 협대역 광을 검출한다.
광 검출 시스템(1001)은 도 1과 관련하여 위에서 설명된 광 검출 시스템(136)을 나타낼 수 있다. 광 검출 시스템(1001)은 광학 센싱 시스템 및 센서 어레이를 포함할 수 있다. 광학 센싱 시스템은 벌크 수신기 광학계, 개구층, 시준 렌즈 층, 및 광학 필터 층을 포함할 수 있으며, 센서 어레이는 광센서들의 어레이를 포함할 수 있고, 각각의 광센서는 광을 측정하기 위한 하나 이상의 광검출기들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 이러한 요소들은 시야로부터 광을 수신하기 위해 함께 동작한다. 예를 들어, 광 검출 시스템(1001)은 벌크 수신기 광학계(1002) 및 마이크로-광학 수신기(Rx) 층(1004)을 포함할 수 있다. 동작 중에, 광선(1006)은 다수의 방향으로부터 벌크 수신기 광학계(1002)로 들어가고, 광 원뿔(1008)를 형성하기 위해 벌크 수신기 광학계(1002)에 의해 집속된다. 마이크로-광학 수신기 층(1004)은 개구(1010)가 벌크 수신기 광학계(1002)의 초점면과 일치하도록 위치된다. 일부 실시예들에서, 마이크로-광학 수신기 층(1004)은 마이크로-광학 수신기 채널들(1012)의 1차원 또는 2차원 어레이일 수 있고, 여기서 각각의 마이크로-광학 수신기 채널(1012)은 광 전송 방향으로 동일한 축을 따라 위치되어 있는, 예를 들어 도 10에 도시된 바와 같이 좌측으로부터 우측으로 수평으로 배치되는, 각각의 개구(1010), 시준 렌즈(1014), 및 광센서(1016)로 형성된다. 또한, 각각의 마이크로-광학 수신기 채널(1012)은 광센서들 사이의 미광으로부터의 간섭을 완화시키기 위해 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 동작 동안, 각각의 마이크로-광학 수신기 채널(1012)은 상이한 픽셀(즉, 시야 내의 위치)에 대한 광 정보를 측정한다.
벌크 수신기 광학계(1002)의 초점에서, 광선들(1006)은 집속되고 개구층(1011) 내의 개구들(1010)을 통해 각각의 시준 렌즈(1014) 내로 통과된다. 각각의 시준 렌즈(1014)는 광선들이 모두 근사적으로 동일한 각도로, 예를 들어 서로 평행하게 광학 필터에 들어가도록, 수신된 광을 시준한다. 벌크 수신기 광학계(1002)의 개구 및 초점 길이는 개구(1010)에서 초점을 이루는 각각의 광선들의 원뿔각을 결정한다. 개구 크기 및 시준 렌즈들(1014)의 초점 길이는 입사되는 광선들이 얼마나 잘 시준될 수 있는지를 결정하는데, 이는 광학 필터(1018)에서 대역통과의 범위가 얼마나 좁게 구현될 수 있는지를 결정한다. 개구층은 광 검출 시스템(1000)의 동작 동안 다양한 기능들을 제공할 수 있다. 예를 들어, (1) 개구들(1010)은 광센서 평면에서의 큰 피치에도 불구하고 좁은(tight) 공간 선택도를 갖도록 픽셀 시야를 제한할 수 있고, (2) 개구들(1010)은 방출기 광의 효율적인 사용을 위해 시야를 방출기 시야의 크기와 유사하거나 동일하도록 제한할 수 있으며, (3) 개구들은 필터를 통과하기 전에 광선들의 좁은 시준을 달성하기 위해 시준 렌즈의 초점면에서, 더 양호한 시준으로 인해 필터를 통과할 수 있는 더 좁은 대역을 생성하는, 작은 점과 같은 소스를 제공할 수 있고, (4) 각각의 개구를 둘러싸는 개구층의 정지 영역은 미광을 거부할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시준 렌즈들(1014)은 포함되지 않으며, 대역통과 필터의 통과대역은 덜 좁다.
광학 필터(1018)는 원하지 않는 파장의 광을 차단한다. 간섭계 기반 필터들은 그들의 성능에서 강한 각도 의존성을 나타내는 경향이 있다. 예를 들어, 0도 입사각에서 900 nm의 중심 파장(CWL: center wavelength)을 갖는 1 nm 광대역 통과 필터는 15도 입사각에서 898 nm의 CWL을 가질 수 있다. 이미징 시스템은 대개, 이러한 효과를 수용하기 위해 수십 나노미터 폭의 필터를 사용하여, CWL의 시프트가 대역통과 폭보다 훨씬 더 작게 된다. 그러나, 마이크로-광학층(1004)의 사용은 모든 광선들이 근사적으로 동일한 입사각으로 광학 필터(1018)에 진입할 수 있게 하여, CWL의 시프트를 최소화하고 매우 좁은 필터(예를 들어, 10 nm 폭 미만)가 사용되게 한다. 광센서(1016)는 입사 광자들에 응답하여 전류 또는 전압을 생성한다. 일부 실시예들에서, 광학 필터(1018)는 마이크로-광학 수신기 채널들(1012)의 전체 어레이에 걸쳐 균일하여, 어레이 내의 각각의 개별 마이크로-광학 수신기 채널(1012)은 동일한 파장 범위의 광을 수신한다.
일부 실시예들에서, 광센서들(1016)은 광선들(1006)이 광센서들(1016) 상에 노출되기 전에 시준 렌즈(1014) 및 광학 필터(1018)를 먼저 통과하도록, 시준 렌즈(1014)의 반대쪽에 위치된다. 각각의 광센서(1016)는 다수의 단일 광자 애벌란시 검출기(SPAD)의 미니 어레이와 같은 복수의 광검출기들일 수 있다. SPAD들의 미니 어레이들의 어레이는 단일의 모놀리식 칩 상에 제조될 수 있으며, 이에 따라 제조를 단순화할 수 있다. 일부 대안적인 실시예들에서, 각각의 광센서(1016)는 단일 광검출기, 예를 들어 표준 광다이오드, 애벌란시 광다이오드, 공진 공동 광다이오드, 또는 다른 유형의 광검출기일 수 있다.
광 방출 시스템(1003)은 벌크 송신기 광학계(1020), 및 광 방출기들(1024)의 1차원 또는 2차원 어레이로 형성된 광 방출 층(1022)을 포함할 수 있다. 각각의 광 방출기(1024)는 협대역 광의 이산 빔들을 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 발광 층(1022)은 광 방출 시스템(1003)으로부터의 거리들의 범위에 걸친 크기 및 기하학적 형상이 마이크로-광학 수신기 층(1004) 내의 수신기 채널들의 시야와 매칭되는 조명 패턴에 따라 벌크 송신기 광학계(1020)를 통해 광의 개별적인 빔들을 선택적으로 투사하도록 구성된다. 광 방출기(1024)는 하나 이상의 모놀리식 칩 상에 집적된 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSELS), 또는 임의의 다른 유형의 레이저 다이오드와 같은 임의의 적절한 발광 요소일 수 있다. 광 방출기들(1024)은 광(1026)의 원뿔들을 시준할 수 있는 벌크 송신기 광학계(1020)로 지향되는 협대역 광(1026)의 원뿔들을 생성할 수 있고, 이어서 시준된 광을 방출된 광선들(1005)으로서 시야 내의 먼 타겟들에 출력할 수 있다. 일부 실시예들에서, 벌크 송신기(1020)는 이미지-공간 텔레센트릭(telecentric)이다.
도 10에서 평행 광선(1005 및 1006)의 예시로부터 명백한 바와 같이, 각각의 마이크로-광학 수신기 채널(1012)은 임계 거리를 넘어서 중첩되지 않는 시야를 갖는다. 도 10에 도시된 바와 같이, 각각의 마이크로-광학 수신기 채널(1012)은 복수의 개구들로부터의 개구, 복수의 렌즈들로부터의 렌즈, 및 복수의 광검출기들로부터의 광검출기를 포함하고, 각각의 채널의 개구는 다른 마이크로-광학 수신기 채널들의 시야 내의 임계 거리를 넘어서 중첩하지 않는 채널 내의 픽셀에 대한 별개의 시야를 정의한다. 이런 식으로, 각각의 마이크로-광학 수신기 채널은 마이크로-광학 수신기 층(1004) 내의 임의의 다른 마이크로-광학 수신기 채널에 의해 측정되지 않는 시야 내의 이산 위치에 대응하는 반사된 광을 수신한다.
추가적인 및 대안적인 실시예들에서, 광 원뿔(1026)로부터의 광선들(1005)은 광 방출 시스템(1003)으로부터 방출된 광의 휘도 및 강도를 향상시키기 위해 벌크 송신기 광학계(1020)에 의해 먼 타겟으로 지향되기 전에 마이크로-광학 송신기 층(도시되지 않음)에 의해 공간 내의 중간 평면 상에 포커싱된다. 이러한 실시예들에서, 광 방출 시스템(1003) 및 광 검출 시스템(1001)은 각각의 마이크로-광학 송신기 채널(도시되지 않음)이 대응하는 마이크로-광학 수신기 층(1004)과 쌍을 이루고, 그들의 시야의 중심들이 센서로부터 특정 거리에서 중첩되도록 정렬되거나 또는 그들의 주광선들이 평행하게 되도록 구성된다. 다른 추가적인 및 대안적인 실시예들에서, 광 방출 시스템(1003)에 의해 방출된 광의 원거리 시야의 빔들은 각각의 마이크로-광학 수신기 층(1004)의 원거리 시야에 대해 유사한 크기 및 발산 각도를 갖는다. 출력된 광의 휘도 및 강도를 향상시키기 위한 마이크로-광학 송신기 층을 갖는 광 방출 시스템(1003)의 세부사항이 아래에 상세히 설명될 것이다.
VCSEL들은 일부 기존 LIDAR 아키텍처들에서 전형적인 레이저들보다 출력이 덜 강하기 때문에, 일부 실시예들에서, 광 방출 시스템(106)은 광 레인징 기능을 수행하는 LIDAR 시스템(100)의 능력을 향상시키도록 구성될 수 있다. 즉, 광 방출 시스템(106)에 의해 방출된 광의 품질이 향상되어 광 레인징 정확도 및 효율을 향상시킬 수 있다. 광 레인징 및 이미징을 위해 전송된 광의 품질은 휘도 및 강도의 관점에서 정의될 수 있다. 벌크 송신기 광학계(144)로부터 방출된 광선들의 휘도 및 강도는 하나 이상의 광학 송신기 층들을 변경 및/또는 구현함으로써 향상될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 예시적인 향상된 광 방출 시스템(1100)의 단순화된 단면도이다. 광 방출 시스템(1100)은 예를 들어 광(1113)을 방출하기 위한 LED, 레이저 다이오드, VCSEL 등 중 임의의 것을 포함할 수 있고 이에 제한되지 않는 광 방출기들(1104)을 갖는 광 방출기 어레이(1102)를 포함할 수 있다. VCSEL은 상부 표면으로부터 수직인 레이저 빔 방출을 갖는 반도체 레이저 다이오드의 한 유형이다. 도 11에 도시된 선형 어레이는 원형, 직사각형, 선형, 또는 임의의 다른 기하학적 형상을 포함하고 이에 제한되지 않는, 방출기 어레이의 임의의 기하학적 형태일 수 있다.
향상된 광 방출 시스템(1100)은 개방 공간(1118)에 의해 광 방출기 어레이(1102)로부터 분리된 마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1106)를 포함할 수 있다. 각각의 마이크로-광학 송신기 채널(1108)은 대응하는 수신기 채널(예를 들어, 도 5의 수신기 채널(512))과 쌍을 이룰 수 있고, 그들의 시야의 중심들은 광학 이미저 시스템으로부터 특정 거리에서 중첩되도록 정렬될 수 있다. 마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1106)는 광 방출기 어레이(1102)를 향하는 면 위에 위치된 제1 광학 표면(1120)과, 광 방출기 어레이(1102)로부터 멀어지는 쪽을 향하는 반대 면 위에 위치된 제2 광학 표면(1121) 사이에 개재된 기판(1119)으로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 광학 표면(1120 및 1121)은 각각 제1 광학 표면(1120)의 볼록 렌즈가 제2 광학 표면(1120)의 각각의 볼록 렌즈와 광학적으로 정렬되도록 구성되어, 제1 광학 표면(1120)을 통해 전송하는 광이 후속적으로 제2 광학 표면(1121)을 통해 전송될 수 있도록 하는, 볼록한 마이크로-광학 렌즈들의 어레이로서 각각 구성될 수 있다. 제1 및 제2 광학 표면(1120 및 1121)으로부터의 대응하는 볼록 렌즈들은 도 11에 도시된 바와 같이 서로로부터 멀어지게 향할 수 있다. 특정 실시예들에서, 제1 광학 표면(1120)의 볼록 렌즈들은 제1 광학 출력을 갖고, 제2 광학 표면(1121)의 볼록 렌즈들은 제1 광학 출력과 상이한 제2 광학 출력을 갖는다. 예를 들어, 제2 광학 출력은 제2 광학 출력의 초점 길이가 제1 광학 출력의 초점 길이보다 짧도록 제1 광학 출력보다 클 수 있다. 기판(1119)은 실리콘, 이산화규소, 보로실리케이트 유리, 폴리머 등 광 방출기들(1104)의 파장 범위에서 투과성인 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 광학 표면들(1120 및 1121)은 기판(1119)의 각각의 반대되는 면들 상에 임프린트되는 투명한 폴리머로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1106)는 마이크로-광학 송신기 채널들(1108)의 모놀리식 어레이로 형성될 수 있다. 각각의 마이크로-광학 송신기 채널(1108)은 제1 광학 표면(1120)으로부터의 제1 볼록 렌즈, 제2 광학 표면(1121)으로부터의 대응하는 제2 볼록 렌즈, 및 2개의 볼록 렌즈 사이에 위치된 기판(1119)의 대응 부분을 포함할 수 있다. 각각의 마이크로-광학 송신기 채널(1108)은 동작 중에 광 방출기(1104)로부터 출력되는 광이 먼저 제1 볼록 렌즈를 통해, 기판(1119)의 대응하는 영역을 통과하고, 그 후 제2 볼록 렌즈를 통과하도록 각각의 광 방출기(1104)와 대응할 수 있다.
일단 광이 제2 광학 표면(1121)의 제2 볼록 렌즈로부터 방출되면, 광은 대응하는 광 방출기(1104)의 실제 이미지이지만 대응하는 광 방출기(1104)의 감소된 크기인 소형 스팟 이미지(1110)를 형성한다. 일부 실시예들에서, 소형 스팟 이미지들(1110)은 마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1106)와 벌크 송신기 광학계(1114) 사이에 위치된다. 예를 들어, 소형 스팟 이미지들(1110)은 개구층(1109)의 각각의 개구 내에 형성될 수 있다. 각각의 개구는 방출된 광이 소형 스팟 이미지(1110)를 형성하도록 집속되는 반사층 또는 불투명 층 내의 핀홀일 수 있다. 개구층(1109)은 선택적이고, 마이크로-광학 송신기 채널 어레이(1106)의 광 향상 능력은 개구층(1109)없이 달성될 수 있음을 이해해야 한다. 그러한 실시예들에서, 소형 스팟 이미지들(1110)은 제2 광학 표면(1121)의 제2 볼록 렌즈의 초점면에 형성될 수 있다. 그로부터, 광 방출기 및 마이크로 광학 채널 모두로부터 계속하여, 광은 벌크 송신기 광학계(1114)를 향해 뻗어 있는 광 원뿔(1112)을 형성한다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 방출된 광(1113)의 발산 정도는 광 원뿔(1112)의 발산 정도보다 더 작을 수 있다. 발산의 이러한 불일치는 마이크로-광학 송신기 채널(1108)에 의해, 특히 제2 광학 표면(1121)의 광학 출력에 의해 생성될 수 있다. 마이크로-광학 송신기 채널(1108)로부터의 광의 발산이 광 방출기들(1104)로부터의 방출된 광(1113)의 발산보다 크기 때문에, 소형 스팟 이미지(1110)는 광 방출기(1104)의 실제 이미지일 수 있지만, 광 방출기(1104)의 크기보다 여러 배 더 작고, 방출된 광(1113)과 동일한 수의 광자들을 갖는다. 실제 스팟 이미지가 형성된 후에 형성된 결과적인 광 원뿔(1112)은 벌크 송신기 광학계(1114)를 통과한 후에 각각의 광 방출기(1104)에 대한 광의 개별 빔들(1125)로서 시야에 투영된다. 광 방출 시스템(1100)에서 나오는 결과적인 광선들은 작은 단면적을 갖는 광(1125)의 고도로 시준된 빔들이며, 이에 의해 광 방출 시스템(1100)이 휘도 및 강도가 향상된 광을 출력할 수 있게 한다. 반대로, 마이크로-광학 채널 어레이가 없고 대신에 벌크 송신기 광학계(1114)의 초점면에 광 방출기 어레이(1102)를 갖는 시스템은 상당히 덜 시준되는 빔들을 생성할 것이며, 따라서 이들 빔들은 먼 시야에서 보다 큰 단면적을 가질 것이다.
벌크 송신기 광학계(1114)는 단일 렌즈, 또는 2개 이상의 렌즈가 함께 기능하여 벌크 송신기 광학계(1114)를 형성하는 렌즈 클러스터를 포함할 수 있음에 유의해야 한다. 벌크 송신기 광학계(1114) 내의 다수의 렌즈들의 사용은 개구 수를 증가시키고, RMS 스팟 크기를 감소시키며, 이미지 평면을 편평하게 하거나, 텔레센트릭 특성을 개선하거나, 또는 그렇지 않으면 벌크 송신기 광학계(1114)의 성능을 개선할 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 광 원뿔(1112)은 원뿔 중첩 영역(1116)을 형성하면서 중첩될 수 있다.
벌크 송신기 광학계(1114)는 벌크 이미징 광학계의 초점면이 소형 스팟 이미지(1110)와 일치하도록 마이크로-광학계 및 방출 층들의 전방에 배치된다. 벌크 송신기 광학계(1114)는 발산하는 광 원뿔(들)(1112)을 수용하고 시준된 빔을 출력한다. 이의 개구 수는 적어도 발산하는 광선 원뿔(들) 내의 각도들의 전체 범위를 캡처하기에 충분히 클 수 있다. 또한, 벌크 송신기 광학계(1114)는 마이크로-광학층을 빠져나가는 광 원뿔(들)(1112)이 모두 평행할 수 있기 때문에(이들의 중심축이 벌크 광학계의 중심을 향하도록 하는 것이 아니라) 이미지-공간 텔레센트릭일 수 있다. 일 실시예에서, 광은 근사적으로 시준된 벌크 송신기 광학계(1114)를 빠져나갈 수 있다. 빔 시준의 품질은 초점면에서 "방출하는 물체"(소형 스팟 이미지(1110))의 크기와 관련된다. 마이크로-광학 스택을 사용함으로써 이 "방출하는 물체"의 크기가 감소되었기 때문에, 방출기 물체가 단순히 직접적으로 이미징되는 경우보다 더 양호한 시준 각도가 얻어진다.
도 11은 제1 광학 표면과 제2 광학 표면 사이에 개재된 기판으로 형성된 마이크로-광학 채널 어레이를 갖고, 광 방출 시스템에 의해 출력되는 광의 휘도 및 강도를 향상시키기 위해 개방 공간에 의해 광 방출기 어레이로부터 떨어진 거리에 위치되는 향상된 광 방출 시스템을 도시하지만, 실시예들이 이러한 구성으로 제한되지는 않는다. 오히려, 다른 실시예들은 2018년 5월 14일 출원된 관련 미국 특허출원 제15/979,235호("Optical Imaging Transmitter with Brightness Enhancement")에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 개방 공간 또는 2개의 광학 표면을 필수적으로 구현하지 않을 수 있으며, 이는 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들은 고정 아키텍처를 갖는 솔리드 스테이트 시스템으로서 구성될 수 있다. 그러한 LIDAR 시스템들은 회전하지 않으며, 따라서 센서 및 송신기 모듈들을 회전시키기 위해 별도의 모터를 필요로 하지 않는다. 본 발명의 실시예들에 따른 특정 솔리드 스테이트 LIDAR 시스템의 시야 및 해상도는 센서 어레이의 크기, 센서 어레이 내의 광센서들의 피치, 방출기 어레이의 피치, 방출기 어레이의 크기, 및 단일 광센서 내의 SPAD들의 피치와 같은, 그러나 이에 제한되지 않는 여러 상호 관련된 요인들에 의존할 수 있다. 더 큰 센서 어레이들은 센서 피치의 크기가 일정한 더 큰 시야를 초래할 수 있다. 또한, 더 작은 광센서 피치들은 센서 어레이의 크기가 일정한 경우에 더 높은 해상도의 이미지를 초래할 수 있지만 더 작은 시야를 초래할 수 있다.
일부 상업용 LIDAR 사양의 요건들을 충족시키기 위해, 전기적 스캐닝 LIDAR 시스템이 다양한 방식으로 설계될 수 있다. 예를 들어, 일부 상업용 LIDAR 사양은 수평 방향으로 근사적으로 45도 및 수직 방향으로 22.5도의 최소 시야, 그리고 근사적으로 256픽셀 x 128픽셀의 최소 해상도를 필요로 한다. 본 발명의 일부 실시예들에 따른 스캐닝 LIDAR 시스템은 256 x 128개의 광센서들의 어레이를 갖는 센서 어레이로 구성됨으로써 이러한 요건들을 충족시키도록 설계될 수 있다. 어레이의 크기를 컴팩트하게 유지하기 위해, 광센서 피치는 특정 실시예들에서 수직 및 수평 치수 모두 50 내지 70 um의 범위, 특히 60 um일 수 있으며, 각각의 광센서가 16개의 SPAD의 세트로 형성되는 실시예들에서 SPAD 피치는 5 내지 15 um의 범위, 특히 특정 실시예들에서 10 um일 수 있다. 센서 어레이의 결과적인 크기는 근사적으로 15 mm × 7.6 mm일 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 발명에 따른 복수의 전기적 스캐닝 LIDAR 유닛들은 단일 유닛보다 더 큰 시야를 제공하기 위해 함께 동작할 수 있다. 예를 들어, 도 12는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들(1202a-d)이 자동차와 같은 도로 차량(1205)의 외부 영역들에서 구현되는 구현예(1200)를 도시하고, 도 13은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들(1302a-b)이 도로 차량(1305)의 상부에 구현되는 구현예(1300)를 도시한다. 각각의 구현예에서, LIDAR 시스템들의 수, LIDAR 시스템들의 배치, 및 각각의 LIDAR 시스템의 시야들은 차량을 둘러싸는 환경의 360도 시야의 대부분(전체가 아닌 경우)을 획득하기 위해 선택될 수 있다. LIDAR 시스템들에 대한 자동차 구현예들은 본원에서 단지 예시를 위해 선택된 것이고, 본원에 설명된 센서들은 다른 유형의 탈 것들(예를 들어, 배, 비행기, 기차 등)뿐만 아니라, 3D 깊이 이미지가 유용한 다양한 다른 응용예들, 예를 들어, 의료 영상, 이동 전화기, 증강 현실, 측지학, 지형정보학, 고고학, 지리학, 지질학, 지형학, 지진학, 임업, 대기 물리학, 레이저 가이드, 공중 레이저 스와스 매핑(ALSM: airborne laser swath mapping), 및 레이저 고도측정에도 이용될 수 있다.
도 12를 참조하면, 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(1202a-d)이 전방 및 후방 펜더 근처에서 차량의 외부 영역에 장착될 수 있다. LIDAR 시스템(1202a-d)은 각각 차량(1205)의 최외측 코너 근방에 위치될 수 있도록 차량(1205)의 각각의 코너에 위치될 수 있다. 이런 식으로, LIDAR 시스템(1202a-d)은 영역(1206a-d)에서 시야의 물체로부터 차량(1205)의 거리를 더 잘 측정할 수 있다. 각각의 솔리드 스테이트 LIDAR 시스템은 각각의 유닛이 그 자신에 대해 캡처할 수 있는 것보다 더 큰 복합 시야를 캡처하기 위해 상이한 방향(가능하게는 유닛들 사이의 부분적인 및/또는 비-중첩하는 시야들을 갖는)을 향할 수 있다. 장면 내의 물체들은 LIDAR Tx 모듈(1208)로부터 방출되는 광 펄스들(1210)의 부분들을 반사할 수 있다. 광 펄스들(1210)의 하나 이상의 반사된 부분들(1212)은 그 다음에 LIDAR 시스템(1202a)으로 다시 이동하고, Rx 모듈(1209)에 의해 수신될 수 있다. Rx 모듈(1209)은 Tx 모듈(1208)과 동일한 하우징 내에 배치될 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 전자 스캐닝 LIDAR 시스템(1202a-d)은 장면의 이미지를 캡처하기 위해 장면을 전자적으로 스캔할 수 있다. 따라서, LIDAR 시스템(1202a)은 영역(1206a)에서, 시야 내의 물체들을 캡처하기 위해 포인트들(1220 및 1222) 사이를 스캔할 수 있고, 그리고 마찬가지로, 시스템(1202b-d)의 경우 영역(1206b-d)에 대하여 스캔할 수 있다.
도 12는 차량의 4개의 코너에 장착된 4개의 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템을 도시하지만, 실시예들은 이러한 구성에 제한되지 않는다. 다른 실시예들은 차량의 다른 영역들 상에 장착된 더 적거나 더 많은 솔리드 스테이트 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들을 가질 수 있다. 예를 들어, 전자 스캐닝 LIDAR 시스템은 도 13에 도시된 바와 같이 차량의 지붕에 장착될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 전자 스캐닝 LIDAR 시스템들(1302a-b)은 차량(1305) 주위의 영역들(1307a-b)을 더 양호하게 관찰하기 위해 더 높은 밴티지(vantage) 포인트를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 스캐닝은 예를 들어, 디지털 마이크로미러(DMD) 장치, 디지털 광 처리(DLP) 장치 등과 같은 하나 이상의 MEMS 기반 반사기들을 이용하는 마이크로칩들을 사용함으로써 칩-기반 빔 조향 기술들과 같은 다른 수단들에 의해 구현될 수 있다.
본원에 언급된 바와 같이, LIDAR 시스템들의 수, LIDAR 시스템들의 배치, 및 각각의 LIDAR 시스템의 시야들은 차량을 둘러싸는 환경의 360도 시야의 대부분(전체가 아닌 경우)을 획득하기 위해 선택될 수 있다. 따라서, 각각의 LIDAR 시스템(1202a-d)은 약 90도의 시야를 갖도록 설계될 수 있어서, 4개의 시스템들(1220a-d) 모두가 구현될 때, 차량(1205) 주변의 360도 시야의 전체 또는 실질적인 대부분이 관찰될 수 있다. 각각의 LIDAR 시스템(1202a-d)이 45도 시야와 같은 90도 시야 미만을 갖는 실시예들에서, 특정 구현에 의해 요구될 수 있는 바와 같이 조합된 시야를 달성하도록 시야를 확장하기 위해 필요에 따라 추가적인 LIDAR 시스템들이 포함될 수 있다.
본 발명은 특정 실시예들에 대하여 기술되었지만, 본 발명은 다음의 청구범위 내의 모든 변형들 및 균등물들을 커버하도록 의도된다는 것을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 전자 스캐닝 방출기 어레이로서,
    k개의 방출기 뱅크들을 포함하는 광 방출기들의 2차원 어레이 - k개의 방출기 뱅크들 각각은 광 방출기들의 2차원 어레이 내의 방출기들의 서브세트를 포함하고, 이들 방출기들의 서브세트로부터 광을 방출하도록 독립적으로 동작 가능함 -; 및
    상기 광 방출기들의 2차원 어레이에 에너지를 제공하도록 연결된 제1 및 제2 커패시터 뱅크들 - 상기 제1 및 제2 커패시터 뱅크들 각각은 적어도 하나의 커패시터를 포함함 -; 및
    상기 제1 및 제2 커패시터 뱅크들과, 상기 k개의 방출기 뱅크들에 연결된 방출기 어레이 구동 회로를 포함하며, 상기 방출기 어레이 구동 회로는, 상기 k개의 방출기 뱅크들 각각이 방출될 때까지 방출 시퀀스에 따라 상기 k개의 방출기 뱅크들 내의 하나의 방출기 뱅크를 한번에 방출하도록 구성되고, 상기 방출기 어레이 구동 회로는, 상기 제1 커패시터 뱅크와 전압원 사이에 연결된 제1 하이 사이드 스위치, 상기 제2 커패시터 뱅크와 상기 전압원 사이에 연결된 제2 하이 사이드 스위치, 및 상기 k개의 방출기 뱅크들과 접지 사이에 연결된 k/2개의 로우 사이드 스위치들을 포함하는, 전자 스캐닝 방출기 어레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이는, 조명 패턴 내의 각각의 개별적인 빔이 상기 시야 내의 중첩하지 않는 시야를 나타내는, 상기 조명 패턴에 따라 상기 광 방출기들의 어레이의 외부의 시야로 광의 개별적인 빔들을 투영하도록 정렬되는, 전자 스캐닝 방출기 어레이.
  3. 제2항에 있어서, 상기 k개의 방출기 뱅크들은 상기 광 방출기들의 2차원 어레이 내에 나란히 정렬되는, 전자 스캐닝 방출기 어레이.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 k개의 방출기 뱅크들은 제1 복수의 방출기 뱅크들 및 제2 복수의 방출기 뱅크들을 포함하며,
    상기 제1 커패시터 뱅크는 상기 제1 복수의 방출기 뱅크들의 양극들에 연결되고,
    상기 제2 커패시터 뱅크는 상기 제2 복수의 방출기 뱅크들의 양극들에 연결되며,
    상기 방출기 어레이 구동 회로는, 각각의 방출 사이클 동안 방출 시퀀스가 상기 제1 복수의 방출기 뱅크들 모두를 방출시키고, 그 후 상기 제2 복수의 방출기 뱅크들 모두를 방출시키는, 복수의 연속적인 방출 사이클들에서 상기 방출기 어레이를 구동하도록 구성되는, 전자 스캐닝 방출기 어레이.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 복수의 방출기 뱅크들 각각은 n개의 방출기 뱅크들을 포함하고, 각각의 방출 사이클 동안, 상기 방출기 어레이 구동 회로는,
    상기 제1 복수의 방출기 뱅크들 내의 제1 내지 제n 방출기 뱅크들 각각을 방출시킨 후에 상기 제1 커패시터 뱅크를 부분적으로 방전시키고, 그 후 상기 제1 복수의 방출기 뱅크들 내의 상기 방출기 뱅크들 모두를 방출시킨 후에, 상기 제1 커패시터 뱅크를 완전히 방전시키며,
    상기 제2 복수의 방출기 뱅크들 내의 제1 내지 제n 방출기 뱅크들 각각을 방출시킨 후에 상기 제2 커패시터 뱅크를 부분적으로 방전시키고, 그 후 상기 제2 복수의 방출기 뱅크들 내의 상기 방출기 뱅크들 모두를 방출시킨 후에, 상기 제2 커패시터 뱅크를 완전히 방전시키도록 구성되는, 전자 스캐닝 방출기 어레이.
  6. 제1항에 있어서, 상기 k개의 방출기 뱅크들은 제1 복수의 방출기 뱅크들 및 제2 복수의 방출기 뱅크들을 포함하고,
    상기 제1 커패시터 뱅크는 상기 제1 복수의 방출기 뱅크들의 양극들에 연결되고,
    상기 제2 커패시터 뱅크는 상기 제2 복수의 방출기 뱅크들의 양극들에 연결되며,
    상기 방출기 어레이 구동 회로는 각각의 방출 사이클 동안, 방출 시퀀스가 상기 제1 복수의 방출기 뱅크들로부터의 하나의 방출기 뱅크를 방출하는 것과 상기 제2 복수의 방출기 뱅크들로부터의 하나의 방출기 뱅크를 방출하는 것 사이에 교대하는, 복수의 연속적인 방출 사이클들에서 상기 방출기 어레이를 구동하도록 구성되는, 전자 스캐닝 방출기 어레이.
  7. 제6항에 있어서, 상기 방출기 어레이 구동 회로는, 방출기 뱅크를 방출하는 각각의 인스턴스 이후에, 상기 방출기에 연결된 상기 커패시터 뱅크를 완전히 방전시키도록 구성되는, 전자 스캐닝 방출기 어레이.
  8. 제1항에 있어서, 상기 로우 사이드 스위치들 각각은 상기 제1 및 제2 하이 사이드 스위치들의 전류의 양의 적어도 10배를 처리하도록 구성되는, 전자 스캐닝 방출기 어레이.
  9. 제1항에 있어서, 상기 방출기 뱅크와 그의 각각의 로우 사이드 스위치 사이에서 각각의 방출기 뱅크와 직렬로 연결된 다이오드를 더 포함하고, 상기 다이오드는 상기 방출기 뱅크를 통과하는 바람직하지 않은 전류 흐름으로부터 상기 방출기 뱅크를 보호하기 위해 높은 역전압을 견디도록 구성되는, 전자 스캐닝 방출기 어레이.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 로우 사이드 스위치에 연결된 게이트 드라이버를 더 포함하고, 상기 게이트 드라이버는 제어 신호에 응답하여 그의 각각의 로우 사이드 스위치를 턴온하도록 구성되는, 전자 스캐닝 방출기 어레이.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 방출기들의 각각의 방출기는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)를 포함하는, 전자 스캐닝 방출기 어레이.
  12. 전자 스캐닝 방출기 어레이로서,
    k개의 방출기 뱅크들을 포함하는 광 방출기들의 2차원 어레이 - 상기 k개의 방출기 뱅크들 각각은 상기 광 방출기들의 2차원 어레이 내의 방출기들의 서브세트를 포함하고, 그의 방출기들의 서브세트로부터 광을 방출하도록 독립적으로 동작 가능함 -;
    l 개의 커패시터 뱅크들로서 배열되고, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이에 에너지를 제공하도록 연결되는 복수의 커패시터들 - 상기 l 개의 커패시터 뱅크들 각각은 적어도 하나의 커패시터를 포함함 -; 및
    상기 l 개의 커패시터 뱅크들 및 상기 k개의 방출기 뱅크들에 연결된 방출기 어레이 구동 회로를 포함하고, 상기 방출기 어레이 구동 회로는 상기 k개의 방출기 뱅크들 각각이 방출될 때까지 방출 시퀀스에 따라 한번에 상기 k개의 방출기 뱅크들 내의 하나의 방출기 뱅크를 방출시키도록 구성되며, 상기 방출기 어레이 구동 회로는 l 개의 하이 사이드 스위치들 - 상기 l 개의 하이 사이드 스위치들 각각은 상기 l 개의 커패시터 뱅크들 중 하나 및 전압원 사이에 연결됨 - 및 k/l개의 로우 사이드 스위치들 - 상기 k/l개의 로우 사이드 스위치들 각각은 상기 k개의 방출기 뱅크들 중 하나 및 접지 사이에 연결됨 - 을 포함하는, 전자 스캐닝 방출기 어레이.
  13. 솔리드 스테이트 광학 시스템으로서,
    k개의 방출기 뱅크들을 포함하는 광 방출기들의 2차원 어레이 - 상기 k개의 방출기 뱅크들 각각은 상기 광 방출기들의 2차원 어레이 내의 방출기들의 서브세트를 포함하고, 그의 방출기들의 서브세트로부터 광을 방출하도록 독립적으로 동작 가능함 -;
    k개의 광센서 뱅크들을 포함하는 광센서들의 어레이 - 상기 k개의 광센서 뱅크들 각각은 상기 광 방출기들의 2차원 어레이 내의 상기 k개의 방출기 뱅크들 중 하나와 쌍을 이룸 -;
    상기 광 방출기들의 2차원 어레이에 에너지를 제공하도록 연결된 제1 및 제2 커패시터 뱅크들 - 상기 제1 및 제2 커패시터 뱅크들 각각은 적어도 하나의 커패시터를 포함함 -; 및
    상기 제1 및 제2 커패시터 뱅크들과, 상기 k개의 방출기 뱅크들에 연결된 방출기 어레이 구동 회로 - 상기 방출기 어레이 구동 회로는 상기 k개의 방출기 뱅크들 각각이 방출될 때까지 방출 시퀀스에 따라 한번에 상기 k개의 방출기 뱅크들 내의 하나의 방출기 뱅크를 방출시키도록 구성되고, 상기 방출기 어레이 구동 회로는 상기 제1 커패시터 뱅크와 전압원 사이에 연결된 제1 하이 사이드 스위치, 상기 제2 커패시터 뱅크와 상기 전압원 사이에 연결된 제2 하이 사이드 스위치, 및 상기 k개의 방출기 뱅크들과 접지 사이에 연결된 k/2개의 로우 사이드 스위치들을 포함함 -; 및
    상기 광센서들의 어레이에 연결되고, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이 내의 각각의 광 방출기가 활성화될 수 있고 상기 광센서들의 어레이 내의 각각의 광센서가 하나의 방출 사이클을 통해 판독될 수 있도록, 상기 어레이 내의 상기 k개의 광센서 뱅크들 각각의 판독을 상기 k개의 방출기 뱅크들 내의 대응하는 방출기 뱅크의 방출과 동시에 동기화하도록 구성되는, 센서 어레이 판독 회로를 포함하는, 솔리드 스테이트 광학 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 광 방출기들의 2차원 어레이는, 조명 패턴 내의 각각의 개별적인 빔이 상기 시야 내의 중첩하지 않는 시야를 나타내는 상기 조명 패턴에 따라 상기 방출기 어레이의 외부의 시야로 광의 개별적인 빔들을 투영하도록 정렬되는, 솔리드 스테이트 광학 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 각각의 광 방출기에 대한 시야는 그의 대응하는 광센서에 대한 시야와 일치하는, 솔리드 스테이트 광학 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 k개의 방출기 뱅크들은 상기 방출기들의 2차원 어레이 내에 나란히 정렬되는, 솔리드 스테이트 광학 시스템.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 k개의 방출기 뱅크들은 제1 복수의 방출기 뱅크들 및 제2 복수의 방출기 뱅크들을 포함하며,
    상기 제1 커패시터 뱅크는 상기 제1 복수의 방출기 뱅크에 연결되고,
    상기 제2 커패시터 뱅크는 상기 제2 복수의 방출기 뱅크에 연결되며,
    상기 방출기 어레이 구동 회로는 각각의 방출 사이클 동안 방출 시퀀스가 상기 제1 복수의 방출기 뱅크들 모두를 방출시키고, 그 후 상기 제2 복수의 방출기 뱅크들 모두를 방출시키는, 복수의 연속적인 방출 사이클들에서 상기 방출기 어레이를 구동하도록 구성되고,
    상기 제1 및 제2 복수의 방출기 뱅크들 각각은 n개의 방출기 뱅크들을 포함하며, 각각의 방출 사이클 동안, 상기 방출기 어레이 구동 회로는, 상기 제1 복수의 방출기 뱅크들 내의 제1 내지 제n 방출기 뱅크들 각각을 방출시킨 후에 상기 제1 커패시터 뱅크를 부분적으로 방전시키고, 그 후 상기 제1 복수의 방출기 뱅크들 내의 상기 방출기 뱅크들 모두를 방출시킨 후에, 상기 제1 커패시터 뱅크를 완전히 방전시키며, 상기 제2 복수의 방출기 뱅크들 내의 제1 내지 제n 방출기 뱅크들 각각을 방출시킨 후에 상기 제2 커패시터 뱅크를 부분적으로 방전시키고, 그 후 상기 제2 복수의 방출기 뱅크들 내의 상기 방출기 뱅크들 모두를 방출시킨 후에, 상기 제2 커패시터 뱅크를 완전히 방전시키도록 구성되는, 솔리드 스테이트 광학 시스템.
  18. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 k개의 방출기 뱅크들은 제1 복수의 방출기 뱅크들 및 제2 복수의 방출기 뱅크들을 포함하며,
    상기 제1 커패시터 뱅크는 상기 제1 복수의 방출기 뱅크들의 양극들에 연결되고,
    상기 제2 커패시터 뱅크는 상기 제2 복수의 방출기 뱅크들의 양극들에 연결되며,
    상기 방출기 어레이 구동 회로는 각각의 방출 사이클 동안, 방출 시퀀스가 상기 제1 복수의 방출기 뱅크들로부터의 하나의 방출기 뱅크를 방출하는 것과 상기 제2 복수의 방출기 뱅크들로부터의 하나의 방출기 뱅크를 방출하는 것 사이에 교대하는, 복수의 연속적인 방출 사이클들에서 상기 방출기 어레이를 구동하도록 구성되고,
    상기 방출기 어레이 구동 회로는 방출기 뱅크를 방출하는 각각의 인스턴스 이후에, 상기 방출된 방출기 뱅크에 연결된 상기 커패시터 뱅크를 완전히 방전시키도록 구성되는, 솔리드 스테이트 광학 시스템.
  19. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광센서들의 어레이 내의 각각의 광센서는 복수의 SPADS를 포함하고, 광 방출기들의 2차원 어레이의 각각의 광 방출기는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)인, 솔리드 스테이트 광학 시스템.
  20. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 시스템은 복수의 개구들을 갖는 개구층을 더 포함하고, 상기 개구층 및 상기 광센서들의 어레이는 복수의 수신기 채널들을 형성하도록 배열되며, 상기 복수의 수신기 채널들 내의 각각의 수신기 채널은 상기 복수의 개구들로부터의 하나의 개구 및 상기 광센서들의 어레이로부터의 하나의 광센서를 포함하며, 상기 개구는 상기 수신기 채널 내의 상기 광센서의 시야를 정의하는, 솔리드 스테이트 광학 시스템.
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