KR20210137201A - 리턴 경로의 광학 증폭기를 갖는 lidar 장치 - Google Patents

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Abstract

LIDAR(light detection and ranging) 장치는 광학 회로를 포함하고, 광학 회로는, 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 소스, 레이저 소스에 동작 가능하게 커플링된 빔 분리기 ― 빔 분리기는 타겟을 향해 전파되는 레이저 빔을 분리하도록 구성됨 ― , 빔 분리기에 커플링된 제1 광학 증폭기 ― 제1 광학 증폭기는, 리턴 경로에서 타겟으로부터 반사된 리턴 레이저 빔을 수신하고 그리고 증폭된 리턴 레이저 빔을 출력하기 위해 리턴 레이저 빔을 증폭하도록 구성됨 ― , 및 제1 광학 증폭기에 동작 가능하게 커플링되는 광학 컴포넌트를 포함하고, 광학 컴포넌트는 증폭된 리턴 레이저 빔에 기초하여 전류를 출력하도록 구성된다.

Description

리턴 경로의 광학 증폭기를 갖는 LIDAR 장치
본 출원은 2019년 3월 18일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제16/356,927호의 35 U.S.C.§119(e)에 따른 이익을 주장하며, 이 문서의 전체 내용은 본원에 인용에 의해 포함된다.
본 개시내용은 일반적으로 개선된 신호 대 잡음비를 제공하는 LIDAR(light detection and ranging) 장치에 관한 것이다.
이상적인 경우에, 통상적으로 타겟으로부터 수신된 광자들(광)의 수는 더 많은 광학 출력(즉, 더 많은 광자들)을 전송하거나 수집 경로의 어퍼처 크기를 확대함으로써 증가된다. 그러나 인간들의 눈 안전과 LIDAR 장치의 크기 및 비용의 선호들로 인한 제한들을 고려하면, 이러한 방법들 중 어느 것도 확장 가능하지 않다.
SNR(signal to noise ratio)를 증가시키는 다른 방법은 높은 이득 및 높은 응답률을 갖는 광검출기(photodetector)들을 사용하는 것이다. 그러나, 그러한 검출기 또는 센서(예컨대, 애벌랜치 광다이오드(avalanche photodiode)들)는, 그것이 반사 오브젝트들을 검출할 때 LIDAR 장치의 블라인딩(blinding)을 초래하고 이에 따라 센서의 동적 범위를 감소시킬 수 있는 저포화 광학 출력(low saturation optical power)을 특징으로 할 수 있다.
본 개시내용은 제한 없이, 다음의 예시적인 구현들을 포함한다. 일부 예시적인 구현은 광학 회로를 포함하는 LIDAR(light detection and ranging) 장치를 제공하며, 이 광학 회로는 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 소스 및 레이저 소스에 동작 가능하게 커플링된 빔 분리기를 포함하고, 여기서 빔 분리기는 타겟을 향해 전파되는 레이저 빔을 분리하도록 구성된다. 광학 회로는 빔 분리기에 동작 가능하게 커플링된 제1 광학 증폭기를 더 포함한다. 제1 광학 증폭기는 리턴 경로에서 타겟으로부터 반사된 리턴 레이저 빔을 수신하고 증폭된 리턴 레이저 빔을 출력하기 위해 리턴 레이저 빔을 증폭하도록 구성된다. 광학 회로는 제1 광학 증폭기에 동작 가능하게 커플링되는 광학 컴포넌트를 더 포함하며, 광학 컴포넌트는 증폭된 리턴 레이저 빔에 기초하여 전류를 출력하도록 구성된다.
본 개시내용의 다른 양상에 따라, LIDAR(light detection and ranging) 장치를 위한 광학 회로는, 타겟을 향해 전파되는 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 소스 및 레이저 소스에 동작 가능하게 커플링된 제1 광학 증폭기를 포함한다. 제1 광학 증폭기는 리턴 경로에서 타겟으로부터 반사된 리턴 레이저 빔을 수신하고 증폭된 리턴 레이저 빔을 출력하기 위해 리턴 레이저 빔을 증폭하도록 구성된다. 광학 회로는 제1 광학 증폭기에 동작 가능하게 커플링되는 광학 컴포넌트를 더 포함하며, 광학 컴포넌트는 증폭된 리턴 레이저 빔 및 로컬 오실레이터 신호에 기초하여 전류를 출력하도록 구성된다.
본 개시내용의 또 다른 양상에 따라, 방법은, 레이저 소스에 의해, 레이저 빔을 방출하는 단계, 광학 증폭기에 의해, 리턴 경로에서 타겟으로부터 반사된 리턴 레이저 빔을 수신하는 단계, 광학 증폭기에 의해, 증폭된 리턴 레이저 빔을 출력하기 위해 리턴 레이저 빔을 증폭하는 단계, 로컬 오실레이터 신호의 일부와 증폭된 리턴 레이저 빔을 혼합하는 단계, 및 광학 컴포넌트에 의해, 증폭된 리턴 레이저 빔에 기초한 전류를 출력하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 이들 및 다른 특징들, 양상들, 및 이점들은 아래에 간략하게 설명되는 첨부 도면들과 함께 다음의 상세한 설명을 읽으면 명백해질 것이다. 본 개시내용은 이러한 특징들 또는 엘리먼트들이 본원에서 설명된 특정 예시적인 구현에서 명시적으로 결합되거나 달리 인용되는지 여부에 관계없이 본 개시내용에서 기술된 2개, 3개, 4개 또는 그 이상의 특징들 또는 엘리먼트들의 임의의 결합을 포함한다. 본 개시내용은 전체론적으로 판독되도록 의도되어서, 본 개시내용의 양상들 중 임의의 것에서 그리고 예시적인 구현들에서 본 개시내용의 임의의 분리 가능한 특징들 또는 엘리먼트들은 본 개시내용의 맥락이 달리 명백하게 지시하지 않는 한 결합 가능한 것으로 간주되어야 한다.
따라서 이 간략한 요약은 본 개시내용의 일부 양상들의 기본적인 이해를 제공하기 위해 일부 예시적인 구현을 요약하기 위한 목적으로만 제공된다는 것이 인지될 것이다. 따라서, 위에서 설명된 예시적인 구현들은 단지 예들일 뿐이며 어떤 방식으로든 본 개시내용의 범위 또는 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것이 인지될 것이다. 다른 예시적인 구현들, 양상들, 및 이점들은, 예로서 일부 설명된 예시적인 구현들의 원리들을 예시하는 첨부 도면들과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시내용의 예시적인 구현들에 따른 LIDAR 장치를 예시한다.
도 2는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 도 1의 LIDAR 장치의 광학 회로들의 양상들을 예시한다.
도 3은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 도 1의 LIDAR 장치의 광학 회로들의 양상들을 예시한다.
도 4는 본 개시내용의 양상에 따라 LIDAR 장치를 동작시키는 방법의 흐름도이다.
FMCW(frequency modulated continuous wave) LIDAR(light detection and ranging) 시스템들 또는 장치들(예컨대, 코히어런트(coherent) LIDAR 시스템)은 광을 2개의 상이한 지연들과 코히어런트하게(coherently) 혼합하며, 이는 비트 RF(radio frequency) 신호를 초래한다. 저(low) 반사율을 갖는 타겟 또는 오브젝트가 LIDAR 시스템에서 멀리 떨어져 있을 때, LIDAR 시스템에 의해 수신되는, 타겟으로부터 반사된 타겟 신호는 LIDAR 시스템이 타겟을 적절히 검출하기에 충분한 전력(power)을 갖지 않을 수 있다. SNR(signal-to-noise ratio)이 증가될 때, LIDAR 시스템들의 감지 성능이 개선된다. 예컨대, 타겟으로부터 반사되는 캡처된 광자들의 수가 증가되는 경우, 감지된 신호는 증가한다. 본 개시내용은 저 노이즈 레벨을 유지하면서 광학 타겟 신호를 코히어런트하게 증폭하는 능동 방법을 설명한다. 이 방법은 견고하고 통합된 광학기와 호환 가능하고, 대량 제조에 적합하다. 본 개시내용은 타겟으로부터 수신된 광자들의 코히어런트 증폭을 이용하는 코히어런트 LIDAR 시스템 아키텍처를 설명한다. 이 방법은 비트 RF 신호들의 SNR을 크게 개선하여, 더 낮은 반사율을 갖는 오브젝트들이 더 긴 범위에서 검출될 수 있게 한다. 본 개시내용의 양상들은 타겟을 향해 더 많은 광학 전력을 전송하거나 수집 어퍼처/효율을 향상시키지 않고도 캡처된 광자들의 수를 증가시킴으로써 LIDAR 시스템의 SNR을 개선한다. 또한, 이 방법은 광학 집적 회로들과 호환 가능하고 소형 폼팩터로 구현될 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 예시적인 구현들에 따른 LIDAR 장치(100)를 예시한다. LIDAR 장치(100)는 다수의 컴포넌트들의 각각의 컴포넌트 중 하나 이상을 포함하지만, 도 1에 도시된 것보다 더 적거나 부가적인 컴포넌트들을 포함할 수 있다. LIDAR 장치(100)는 운송, 제조, 계측, 의료 및 보안 시스템들과 같은(그러나 이에 제한되지 않음) 임의의 감지 시장에서 구현될 수 있다. 예컨대, 자동차 산업에서, 설명된 빔 전달 시스템은 자동화된 운전자 보조 시스템들 또는 자율-주행 차량들에 대한 공간 인식을 보조할 수 있는 FMCW(frequency modulated continuous-wave) 디바이스들의 프론트 엔드(front-end)가 된다. 도시된 바와 같이, LIDAR 장치(100)는 광학 회로들(101)을 포함한다. 광학 회로들(101)은 능동 광학 컴포넌트들 및 수동 광학 컴포넌트들의 조합을 포함할 수 있다. 능동 광학 컴포넌트들은 광학 신호들 등을 생성, 증폭 또는 검출할 수 있다. 일부 예들에서, 능동 광학 회로는 상이한 파장들의 레이저들, 하나 이상의 광학 증폭기들, 하나 이상의 광학 검출기들 등을 포함한다.
수동 광학 회로들은 광학 신호들을 전달하고 광학 신호들을 능동 광학 회로의 적절한 입력/출력 포트들로 라우팅 및 조작하기 위한 하나 이상의 광섬유들을 포함할 수 있다. 수동 광학 회로들은 또한 탭들, 파장 분할 멀티플렉서들, 스플리터들/결합기들, 편광 빔 스플리터들, 시준기들 등과 같은 하나 이상의 섬유 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 수동 광학 회로들은 PBS를 사용하여 편광 상태를 변환하고 수신된 편광된 광을 광학 검출기들로 지향시키기 위한 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
광학 스캐너(102)는 스캐닝 패턴에 따라 환경을 스캐닝하기 위해 광학 신호들을 조종하도록 개개의 직교 축들을 따라 회전 가능한 하나 이상의 스캐닝 미러들을 포함한다. 예컨대, 스캐닝 미러들은 하나 이상의 검류계들에 의해 회전 가능할 수 있다. 광학 스캐너(102)는 또한 광학 회로들(101)의 수동 광학 회로 컴포넌트로 리턴되는 리턴 레이저 빔 내로 환경의 임의의 오브젝트들 상에 입사되는 광을 수집한다. 예컨대, 리턴 레이저 빔은 편광 빔 스플리터에 의해 광학 검출기로 지향될 수 있다. 미러들 및 검류계들에 추가로, 광학 스캐닝 시스템은 1/4 파장 판, 렌즈, 반사 방지 코팅된 윈도우 등과 같은 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
광학 회로들(101) 및 광학 스캐너(102)를 제어 및 지원하기 위해, LIDAR 장치(100)는 LIDAR 제어 시스템(110)을 포함한다. LIDAR 제어 시스템들(110)은 LIDAR 장치(100)에 대한 프로세싱 디바이스로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, LIDAR 제어 시스템(110)은 디지털 신호 프로세서와 같은 신호 프로세싱(112)을 포함할 수 있다. LIDAR 제어 시스템들(110)은 광학 드라이버들(103)을 제어하기 위해 디지털 제어 신호들을 출력하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 디지털 제어 신호들은 신호 변환 유닛들(106)을 통해 아날로그 신호들로 변환될 수 있다. 예컨대, 신호 변환 유닛(106)은 디지털-아날로그 변환기를 포함할 수 있다. 그 후, 광학 드라이버들(103)은 광원들을 구동하기 위한 광학 회로들(101)의 능동 컴포넌트들 이를테면, 레이저들 및 증폭기들에 구동 신호들을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 여러 광학 드라이버들(103) 및 신호 변환 유닛들(106)이 다수의 광원들을 구동하기 위해 제공될 수 있다.
LIDAR 제어 시스템들(112)은 또한 광학 스캐너(102)에 대한 디지털 제어 신호들을 출력하도록 구성된다. 모션 제어 시스템(105)은 LIDAR 제어 시스템들(110)로부터 수신된 제어 신호들에 기초하여 광학 스캐너(102)의 검류계들을 제어할 수 있다. 예컨대, 디지털-아날로그 변환기는 LIDAR 제어 시스템들(110)로부터의 좌표 라우팅 정보를 광학 스캐너(102)의 검류계들에 의해 해석 가능한 신호들로 변환할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모션 제어 시스템(105)은 또한 광학 스캐너(102)의 컴포넌트들의 동작 또는 포지션에 관한 정보를 LIDAR 제어 시스템(110)에 리턴할 수 있다. 예컨대, 아날로그-디지털 변환기는 차례로, 검류계의 포지션에 관한 정보를 LIDAR 제어 시스템들(110)에 의해 해석 가능한 신호로 변환할 수 있다.
LIDAR 제어 시스템(110)은 인입 디지털 신호들을 분석하도록 추가로 구성된다. 이와 관련하여, LIDAR 장치(100)는 광학 회로들(101)에 의해 수신된 하나 이상의 빔들을 측정하기 위한 광학 수신기들(104)을 포함한다. 예컨대, 기준 빔 수신기는 능동 광학 회로로부터의 기준 빔의 진폭을 측정할 수 있고, 아날로그-디지털 변환기는 기준 수신기로부터의 신호들을 LIDAR 제어 시스템들(110)에 의해 해석 가능한 신호들로 변환한다. 타겟 수신기들은 비트 주파수의 형태로 타겟의 범위 및 속도에 관한 정보를 전달하는 광학 신호 즉, 변조된 광학 신호를 측정한다. 반사된 빔은 로컬 오실레이터로부터의 제2 신호와 혼합될 수 있다. 광학 수신기들(104)은 타겟 수신기로부터의 신호들을 LIDAR 제어 시스템들(110)에 의해 해석 가능한 신호들로 변환하기 위한 고속 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다.
일부 애플리케이션들에서, LIDAR 장치(100)는 환경의 이미지들을 캡처하도록 구성된 하나 이상의 이미징 디바이스들(108), 시스템의 지리적 로케이션을 제공하도록 구성된 글로벌 포지셔닝 시스템(109), 또는 다른 센서 입력들을 부가적으로 포함할 수 있다. LIDAR 장치(100)는 또한 이미지 프로세싱 시스템(114)을 포함할 수 있다. 이미지 프로세싱 시스템(114)은 이미지들 및 지리적 로케이션을 수신하고, 이미지들 및 이와 관련된 로케이션 또는 정보를 LIDAR 제어 시스템(110) 또는 LIDAR 장치(100)에 연결된 다른 시스템들에 전송하도록 구성될 수 있다.
일부 예들에 따른 동작에서, LIDAR 장치(100)는 2차원들에 걸쳐 범위 및 속도를 동시에 측정하기 위해 넌디제너레이트(nondegenerate) 레이저 소스들을 사용하도록 구성된다. 이 능력은 주변 환경의 범위, 속도, 방위각 및 고도의 실시간 장거리 측정들을 허용한다. 일부 예시적인 구현들에서, 시스템은 다중 변조된 레이저 빔들을 동일한 타겟으로 포인팅한다.
일부 예들에서, 스캐닝 프로세스는 광학 드라이버들(103) 및 LIDAR 제어 시스템(110)과 함께 시작한다. LIDAR 제어 시스템(110)은 하나 이상의 레이저들을 독립적으로 변조하도록 광학 드라이버들(103)에 지시하고, 이러한 변조된 신호들은 수동 광학 회로를 통해 시준기로 전파된다. 시준기는 모션 제어 서브시스템에 의해 정의된 사전 프로그래밍된 패턴을 통해 환경을 스캔하는 광학 스캐닝 시스템에서 광을 지향시킨다. 광학 회로들은 또한 광이 광학 회로(101)를 떠날 때 광의 편광을 변환하기 위한 1/4 파장 판을 포함한다. 편광된 광의 일부는 또한 광학 회로들(101)로 역으로 반사될 수 있다. 예컨대, 렌징 또는 시준 시스템들은 자연 반사 특성들 또는 광의 일부를 광학 회로들(101)로 역으로 반사하기 위한 반사 코팅을 가질 수 있다.
환경으로부터 반사된 광학 신호들은 광학 회로들(101)을 통해 수신기들로 전달된다. 광은 편광되기 때문에, 광은 광학 회로들(101)로 역으로 반사된 편광된 광의 일부와 함께 편광 빔 스플리터에 의해 반사될 수 있다. 따라서, 광원과 동일한 광 섬유 또는 도파관으로 리턴하기 보다는, 반사된 광은 별개의 광학 수신기들로 반사된다. 이러한 신호들은 서로 간섭하고 결합된 신호를 생성한다. 타겟으로부터 리턴되는 각각의 빔 신호는 시간-시프트된 파형을 생성한다. 2개의 파형들 사이의 시간적 위상 차이는 광학 수신기들(광검출기들) 상에서 측정되는 비트 주파수를 생성한다. 결합된 신호는 그 후, 광학 수신기(104)로 반사될 수 있다. 빔들을 편광하고 광학 수신기들(104)로 지향시키기 위한 광학 회로들(101)의 구성은 아래에서 추가로 설명된다.
광학 수신기들(104)로부터의 아날로그 신호들은 ADC들을 이용하여 디지털 신호들로 변환된다. 그 후, 디지털 신호들은 LIDAR 제어 시스템들(110)로 전송된다. 신호 프로세싱 유닛(112)은 그 후, 디지털 신호들을 수신하고 이들을 해석할 수 있다. 일부 실시예들에서, 신호 프로세싱 유닛(112)은 또한 모션 제어 시스템(105) 및 검류계로부터 포지션 데이터뿐만 아니라 이미지 프로세싱 시스템(114)으로부터 이미지 데이터를 수신한다. 그 후, 신호 프로세싱 유닛(112)은 광학 스캐너(102)가 부가적인 포인트들을 스캔함에 따라 환경 내의 포인트들의 범위 및 속도에 관한 정보를 갖는 3D 포인트 클라우드를 생성할 수 있다. 신호 프로세싱 유닛(112)은 또한 3D 포인트 클라우드 데이터를 이미지 데이터와 오버레이하여 주변 영역에서 오브젝트들의 속도 및 거리를 결정할 수 있다. 또한 시스템은 위성-기반 내비게이션 로케이션 데이터를 프로세싱하여 정확한 글로벌 로케이션을 제공한다.
도 2는 본 개시내용의 일 실시예에 따른 도 1의 LIDAR 장치의 광학 회로들의 양상들을 예시한다. 도 2에 도시된 광학 회로(200)와 같은 광학 회로는 도 1에 도시된 광학 회로들(101)의 부분일 수 있다. 도 2의 광학 회로(200)는 빔 전달 시스템의 측면도로서 도시된다. 광학 회로(200)는 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 소스(202), 레이저 소스(202)에 동작 가능하게 커플링된(예컨대, 광학적으로 커플링된) 빔 분리기(예컨대, 도시된 바와 같은 빔 스플리터)(204), 및 타겟(214)을 향해 전파되는 레이저 빔을 분리하도록 구성된 빔 분리기(208)를 포함한다. 광학 회로(200)는 빔 분리기(예컨대, 도시된 바와 같은 편광 빔 스플리터)(208)에 동작 가능하게 커플링된 제1 광학 증폭기(216) ― 제1 광학 증폭기(216)는 리턴 경로에서 타겟(214)으로부터 반사된 리턴 레이저 빔을 수신하고 리턴 레이저 빔을 증폭하여 증폭된 리턴 레이저 빔을 출력하도록 구성됨 ― , 및 제1 광학 증폭기(216)에 동작 가능하게 커플링된 광학 컴포넌트(224)를 더 포함한다. 광학 컴포넌트(224)는 증폭된 리턴 레이저 빔에 기초하여 전류(iPD)를 출력하도록 구성된다. 레이저 소스(202)는 FM(frequency modulated) 레이저를 적절하게 포함할 수 있다. 레이저 소스(202)는 상이한 파장들을 갖는 하나 이상의 레이저들을 방출할 수 있고 단일 모드 또는 다중 모드 광섬유를 적합하게 포함할 수 있다.
계속해서 도 2를 참조하면, 광학 회로(200)는 빔 스플리터(204), 제2 광학 증폭기(206), 광을 시준하기 위한 렌즈(210), 및 PWP(polarization wave plate)(212) ― 이들 모두는 레이저 빔의 송신 또는 전송 경로에 있음 ― 을 더 포함한다. 일 실시예에서, 편광 파장판(212)은 1/4 파장판일 수 있다. 1/4 파장판은 편광을 원형 편광 상태로 변환할 수 있다. 다른 실시예에서, 편광 파장판(212)은 반파장판일 수 있다. 반파장판은 선형 편광된 광의 편광 방향을 시프트할 수 있다. 빔 스플리터(204)는 일 실시예에서 탭 광섬유 빔 스플리터를 적합하게 포함할 수 있다. 빔 분리기(208), 렌즈(210), 및 PWP(212)는 시준 광학기를 적합하게 형성할 수 있다. 제2 광학 증폭기(206)는 타겟(214)을 향해 전파되는 레이저 빔의 송신 경로에 있고 제2 광학 증폭기(206)는 레이저 소스(202)와 빔 분리기(208) 사이에 동작 가능하게 커플링된다. 빔 스플리터(204)는 레이저 소스(202)와 제1 광학 증폭기(216) 사이에 동작 가능하게 커플링되고, 빔 스플리터(204)는 광학 컴포넌트(224)에 대한 입력으로서 수신된 로컬 오실레이션 신호(LO)를 출력하도록 구성된다. 제1 광학 증폭기(216)는 본 개시내용의 일 양상에 따라 SOA(semiconductor optical amplifier)일 수 있다. 대안적으로, 제1 광학 증폭기(216)는 본 개시내용의 다른 양상에 따라 광섬유 광학 증폭기일 수 있다. 빔 분리기(208)는 본 개시내용의 양상에 따라 도 2에 도시된 바와 같은 PBS(polarizing beam splitter)일 수 있다. 대안적으로, 빔 스플리터(208)는 본 개시내용의 다른 양상에 따라 도 3에서 도시된 바와 같은 서큘레이터일 수 있다.
계속해서 도 2를 참조하면, 광학 컴포넌트(224)는 제1 광학 증폭기(216)의 출력에 동작 가능하게 커플링된 빔 결합기(218), 로컬 오실레이터 신호(LO)를 수신하도록 구성된 빔 결합기(218), 및 빔 결합기(218)에 동작 가능하게 커플링된 광검출기(220)를 포함한다. 광학 컴포넌트(224)는 광검출기(220)에 동작 가능하게 커플링된 증폭기(222)를 더 포함하며, 여기서 증폭기(222)는 전류(iPD)를 출력하도록 구성된다. 빔 결합기(218)는 50/50 광섬유 빔 결합기를 적합하게 포함할 수 있고, 증폭기(222)는 일 실시예에서 TIA(transimpedance amplifier)를 적합하게 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 빔 결합기(218)는 리턴 경로로부터 생략될 수 있어서, 로컬 오실레이터 경로가 렌즈 시스템(210)에서의 반사로부터 추출될 수 있게 한다.
도 3은 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 도 1의 LIDAR 장치의 광학 회로들의 양상들을 예시한다. 도 3에 도시된 광학 회로(300)와 같은 광학 회로는 도 1에 도시된 광학 회로들(101)의 부분일 수 있다. 광학 회로(300)는 레이저 소스(302), 빔 스플리터(304), 광학 증폭기(306), 도시된 실시예에서 서큘레이터인 빔 분리기(308), 렌즈(310), 타겟(314), 광학 증폭기(316), 및 광학 컴포넌트(324)를 포함한다. 광학 컴포넌트(324)는 빔 스플리터(318), 광검출기(320) 및 전류(iPD)를 출력하기 위한 증폭기(322)를 포함한다. 도 3에 도시된 실시예는, 도 3에서 서큘레이터(308)는 편광 빔 스플리터 대신 사용되고 편광 파장 판이 레이저 빔(Psend)을 타겟(314)으로 전송하기 위해 렌즈(310)와 함께 사용되지 않는다는 점에서 도 2에 도시된 실시예와 상이하다. 그렇지 않으면, 도 3에 도시된 실시예는 일반적으로 도 2에 도시된 실시예와 동일하다.
재차 도 2를 참조하면, 레이저 소스(202)는 빔 스플리터(204), 제2 광학 증폭기(206), 빔 분리기(208), 렌즈(210), 및 PWP(212)를 통한 프로세싱을 거친 후 타겟(214)과 같은 타겟 쪽을 향하는 레이저 빔을 방출한다. 레이저 빔은 타겟에 의해 반사되고 도 2에 도시된 바와 같이 리턴 경로("수집 경로")에서 수신된다. 제1 광학 증폭기(216)와 같은 광학 증폭기(OA)는 유도 방출(stimulated emission)을 통해 타겟(214)과 같은 타겟으로부터 수신된 광자들("반사된/리턴된 레이저 빔")을 증폭한다. OA에 의해 생성된 중복 광자들은 타겟으로부터 수신된 광자들과 동일한 위상을 갖는다. FMCW LIDAR 시스템에서 선형 주파수 램프를 표현하는 이득 수학식들의 영향을 정량적으로 연구하는데 활용될 수 있다. FMCW LIDAR 시스템에 의해 전송되는 광학 전력의 정규화된 전기장은 다음과 의해 주어진다:
Figure pct00001
여기서 Asend는 LIDAR를 떠나는 전력의 전기장 진폭이고, γ는 주파수 변조의 기울기이고, ω0은 반송파 주파수이고, φ0은 일정한 초기 위상이다. 렌즈 시스템에 의해 수집되고 OA에 의해 증폭되는, 타겟으로부터의 반사된 전력은 다음에 의해 주어진다:
Figure pct00002
여기서 R은 오브젝트("타겟")의 반사율이고, η는 (렌즈 시스템에 의해 결정되는) 수집 효율이고, G는 OA 이득이다.
FMCW LIDAR 시스템은 다음과 같은 전기장을 갖는 로컬 오실레이터 전력(LO)과 타겟으로부터의 수신된 전력을 혼합한다:
Figure pct00003
여기서 ALO는 LO 광학 전력의 진폭이다. 이 경우에, 광검출기(PD)에서의 혼합으로 인한 정규화된 광전류는 다음에 의해 주어진다:
Figure pct00004
Figure pct00005
e1
여기서 Κ 및
Figure pct00006
은 각각 PD의 이득 및 응답률이다. 여기서 PASE는 OA의 증폭된 자발적 방출 전력이다. 수학식 1(E1)에서, 오실레이팅 항
Figure pct00007
은 RF 신호이고, DC 항
Figure pct00008
은 샷 노이즈를 결정한다. 일 양상에서, LIDAR 시스템은 최대 SNR을 달성하기 위해 샷 노이즈 제한 구역에서 동작된다. 이 경우에 SNR은 시간 평균화 신호(time averaged signal)를 사용하여 계산할 수 있다:
Figure pct00009
Figure pct00010
e2
여기서 q는 기본 전하이고 BW는 검출 대역폭이다. LIDAR 시스템들에 대해, 수신된 신호 전력은 LO 및 ASE 전력보다 훨씬 작다(즉, PLO 및 PASE >> PSend임). OA를 사용한 SNR 이득은 대략적으로 다음에 의해 계산된다:
Figure pct00011
e3
따라서 수학식 3(e3)에서 도시된 바와 같이, OA를 사용하는 FMCW LIDAR 시스템의 SNR은 PLO가 PASE에 필적할 때 개선될 수 있다. 예컨대, PLO ~ PASE 및 각각의 전력 레벨이 약 1 mW이고 OA 이득(G)이 20 dB까지 될 수 있는 상용 FMCW 레이저에 대해, 17 dB의 SNR 이득이 달성될 수 있다.
수학식 2(e2)는 SNR이 TIA 이득(Κ), PD의 응답률(
Figure pct00012
), 수집 효율(η) 또는 전송 광학 전력(PSend)을 증가시킴으로써, 그리고 검출 대역폭(BW)을 감소(즉, 검출 평균 시간 증가시킴)시킴으로써 또한 개선될 수 있음을 표시한다는 것에 주의한다. 그럼에도, 원하는 동적 범위 및 대역폭을 달성하면서 TIA 이득을 증가시키는 데는 한계가 있다. 검출기의 응답률은 또한 본 개시내용의 양상에 따라 APD(avalanche photodiode)들을 사용하여 증가될 수 있다. 수집 효율이 수집 어퍼처의 확대에 의해 증가될 수 있지만; LIDAR 시스템을 콤팩트하게 유지하는 것이 바람직하다. 전송된 광학 전력은 눈 안전에 대한 요건들을 보장하기 위해 특정 전력 아래로 유지되어야 한다. 검출의 대역폭은 일반적으로 감소될 수 없는데 그 이유는 그것이 시스템 레이턴시를 증가시키고 센서 반응을 늦출 것이기 때문이다. 일 실시예에서, 도 2 및 도 3에 각각 도시된 광학 회로들(200 및 300)은 포토닉스 칩 또는 집적 회로에 각각 포함될 수 있다.
도 4는 본 개시내용의 일부 양상들에 따라, LIDAR 장치를 동작시키기 위한 방법(400)의 예시적인 흐름도를 예시한다. 일부 실시예들에서, 흐름도(400)는 위의 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 시스템들 및 장치들의 하나 이상의 컴포넌트들에 의해 수행될 수 있다.
도 4를 참조하면, 방법(400)은 다양한 실시예들에 의해 사용되는 예시적인 기능들을 예시한다. 특정 기능 블록들("블록들")이 방법(400)에서 개시되지만, 이러한 블록들은 예들이다. 즉, 실시예들은 방법(400)에서 인용된 블록들의 변동들 또는 다양한 다른 블록들을 수행하는 데 매우 적합하다. 방법(400)의 블록들은 제시된 것과 상이한 순서로 수행될 수 있고 방법(400)의 모든 블록들이 수행되진 않을 수 있다는 것이 인지된다. 흐름도(400)는 블록(402)에서 레이저 소스에 의해 레이저 빔을 방출하는 것을 포함한다. 흐름도(400)는 블록(404)에서, 광학 증폭기에 의해, 리턴 경로에서 타겟으로부터 반사된 리턴 레이저 빔(타겟으로부터의 반사된 레이저 빔)을 수신하는 것, 그리고 블록(406)에서, 광학 증폭기에 의해, 증폭된 리턴 레이저 빔을 출력하기 위해 리턴 레이저 빔을 증폭하는 것을 더 포함한다. 흐름도(400)는 블록(408)에서, 로컬 오실레이터 신호의 일부와 증폭된 리턴 레이저 빔을 혼합하는 것을 더 포함하고, 블록(410)에서, 광학 컴포넌트는 증폭된 리턴 레이저 빔에 기초하여 전류를 출력한다. 실시예에서, 흐름도(400)는 광학 컴포넌트에 의해, 전류를 출력하기 위해 증폭된 리턴 레이저 빔으로 로컬 오실레이터 신호를 프로세싱하는 것 그리고 타겟을 향해 전파된 레이저 빔을 분리하기 전에 다른 광학 증폭기에 의해 레이저 빔을 증폭하는 것을 더 포함할 수 있다.
위의 설명은, 본 개시내용의 여러 실시예들의 양호한 이해를 제공하기 위해, 특정한 시스템들, 컴포넌트들, 방법들 등의 예들과 같은 다수의 특정한 세부사항들을 기술한다. 그러나, 본 개시내용의 적어도 일부 실시예들이 그러한 특정한 세부사항들 없이도 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우들에서, 본 개시내용을 불필요하게 모호하게 하는 것을 회피하기 위해, 잘-알려진 컴포넌트들 또는 방법들은 상세히 설명되지 않거나, 또는 간단한 블록도 포멧으로 제시된다. 따라서, 설명된 특정 세부사항들은 단지 예시적인 것일 뿐이다. 특정한 실시예들은 이들 예시적인 세부사항들에서 변할 수 있고, 여전히 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 고려될 수 있다.
본 명세서 전반에 걸친, "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 참조는, 실시예들과 관련하여 설명된 특정한 피처, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸친 다양한 위치들에서 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 문구의 출현들이 모두 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 용어 "또는"은, 배타적인 "또는"이 아니라 포괄적인 "또는"을 의미하도록 의도된다.
본원에서의 방법들의 동작들이 특정 순서로 도시되고 설명되지만, 각각의 방법의 동작들의 순서는, 특정한 동작들이 역순으로 수행될 수 있도록, 또는 특정한 동작이 적어도 부분적으로 다른 동작들과 동시에 수행될 수 있도록 변경될 수 있다. 다른 실시예에서, 별개의 동작들의 하위-동작들 또는 명령들은 간헐적인 또는 교호적인 방식으로 이루어질 수 있다.
요약서에서 설명된 것을 포함하는 본 발명의 예시된 구현들의 위의 설명은, 포괄적이거나 또는 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도되지 않는다. 본 발명의 특정 구현들 및 본 발명에 대한 예들이 예시의 목적들을 위해 본 명세서에서 설명되지만, 당업자들이 인식할 바와 같이, 다양한 등가의 수정들이 본 발명의 범위 내에서 가능하다. "예" 또는 "예시적인"이란 단어는 예, 경우, 또는 예시로서 역할을 하는 것을 의미하도록 본원에서 사용된다. "예" 또는 "예시적인" 것으로서 본원에서 설명된 임의의 양상 또는 설계는 다른 양상들 또는 설계들에 비해 반드시 바람직하거나 유리한 것으로서 해석될 필요는 없다. 오히려, "예" 또는 "예시적인"이란 단어들의 사용은 견고한 방식으로 개념들을 제시하도록 의도된다. 본 출원에서 사용되는 바와 같은 "또는"이란 용어는 배타적인 "또는" 보다는 포괄적인 "또는"을 의미하도록 의도된다. 즉, 달리 명시되거나 문맥상 명확하지 않으면, "X는 A 또는 B를 포함한다"는 본래의 포괄적인 치환들 중 임의의 치환을 의미하도록 의도된다. 즉, X는 A를 포함하고; X는 B를 포함하고; 또는 X가 A 및 B 둘 모두 포함하는 경우, 위의 경우들 중 임의의 것 하에서 "X는 A 또는 B를 포함한다"가 만족된다. 부가적으로, 본 출원 및 첨부된 청구항들에서 사용된 바와 같은 단수 표현들은 달리 명시되지 않거나 단수 형태로 지시되는 것으로 문맥상 명확하지 않으면, "하나 이상"을 의미하도록 일반적으로 해석되어야 한다. 또한, 전체에 걸쳐 "실시예" 또는 "일 실시예" 또는 "구현" 또는 "일 구현"이라는 용어의 사용은, 그러한 것으로 설명되지 않는 한 동일한 실시예 또는 구현을 의미하는 것으로 의도되지 않는다. 또한, 본원에서 사용되는 바와 같은 "제 1", "제2", "제3", "제4" 등의 용어들은 상이한 엘리먼트들 간을 구별하기 위한 라벨들로서 의도되고, 반드시 그의 수치 지정에 따라 서수 의미를 가질 필요는 없다.

Claims (21)

  1. LIDAR(light detection and ranging) 장치로서,
    광학 회로를 포함하고, 상기 광학 회로는,
    레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 소스;
    상기 레이저 소스에 동작 가능하게 커플링된 빔 분리기 ― 상기 빔 분리기는 타겟을 향해 전파되는 레이저 빔을 분리하도록 구성됨 ― ;
    상기 빔 분리기에 동작 가능하게 커플링된 제1 광학 증폭기 ― 상기 제1 광학 증폭기는,
    리턴 경로에서 상기 타겟으로부터 반사된 리턴 레이저 빔을 수신하고; 그리고
    증폭된 리턴 레이저 빔을 출력하기 위해 상기 리턴 레이저 빔을 증폭하도록 구성됨 ― ; 및
    상기 제1 광학 증폭기에 동작 가능하게 커플링되는 광학 컴포넌트를 포함하고,
    상기 광학 컴포넌트는 상기 증폭된 리턴 레이저 빔에 기초하여 전류를 출력하도록 구성되는,
    LIDAR 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광학 증폭기는 반도체 광학 증폭기를 포함하는,
    LIDAR 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 컴포넌트는,
    상기 제1 광학 증폭기의 출력에 동작 가능하게 커플링된 빔 결합기 ― 상기 빔 결합기는 로컬 오실레이터 신호(local oscillator signal)를 수신하도록 구성됨 ― ;
    상기 빔 결합기에 동작 가능하게 커플링된 광검출기(photodetector); 및
    상기 광검출기에 동작 가능하게 커플링된 증폭기를 포함하고, 상기 증폭기는 상기 전류를 출력하도록 구성되는,
    LIDAR 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 빔 분리기는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)를 포함하고, 상기 LIDAR 장치는 상기 편광 빔 스플리터 뒤에 포지셔닝된 광학 증폭기를 더 포함하는,
    LIDAR 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 빔 분리기는 서큘레이터(circulator)를 포함하는,
    LIDAR 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 회로는 상기 타겟을 향해 전파되는 레이저 빔의 송신 경로의 제2 광학 증폭기를 포함하고, 상기 제2 광학 증폭기는 상기 레이저 소스와 상기 빔 분리기 사이에 동작 가능하게 커플링되는,
    LIDAR 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 회로는 상기 레이저 소스와 상기 제1 광학 증폭기 사이에 동작 가능하게 커플링된 빔 스플리터를 포함하고, 상기 빔 스플리터는 상기 광학 컴포넌트에 대한 입력으로서 수신된 로컬 오실레이션 신호를 출력하도록 구성되는,
    LIDAR 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 회로는 포토닉스 칩(photonics chip)에 포함되는,
    LIDAR 장치.
  9. LIDAR(light detection and ranging) 장치를 위한 광학 회로로서,
    타겟을 향해 전파되는 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 소스;
    상기 레이저 소스에 동작 가능하게 커플링된 제1 광학 증폭기 ― 상기 제1 광학 증폭기는,
    리턴 경로에서 상기 타겟으로부터 반사된 리턴 레이저 빔을 수신하고; 그리고
    증폭된 리턴 레이저 빔을 출력하기 위해 상기 리턴 레이저 빔을 증폭하도록 구성됨 ― ; 및
    상기 제1 광학 증폭기에 동작 가능하게 커플링되는 광학 컴포넌트를 포함하고,
    상기 광학 컴포넌트는 상기 증폭된 리턴 레이저 빔 및 로컬 오실레이터 신호에 기초하여 전류를 출력하도록 구성되는,
    LIDAR 장치를 위한 광학 회로.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 광학 증폭기는 반도체 광학 증폭기를 포함하는,
    LIDAR 장치를 위한 광학 회로.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 광학 컴포넌트는,
    상기 제1 광학 증폭기의 출력에 동작 가능하게 커플링된 빔 결합기 ― 상기 빔 결합기는 상기 로컬 오실레이터 신호를 수신하도록 구성됨 ― ;
    상기 빔 결합기에 동작 가능하게 커플링된 광검출기; 및
    상기 광검출기에 동작 가능하게 커플링된 증폭기를 포함하고, 상기 증폭기는 상기 전류를 출력하도록 구성되는,
    LIDAR 장치를 위한 광학 회로.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 빔 분리기는 편광 빔 스플리터를 포함하는,
    LIDAR 장치를 위한 광학 회로.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 빔 분리기는 서큘레이터를 포함하는,
    LIDAR 장치를 위한 광학 회로.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 타겟을 향해 전파되는 레이저 빔의 제1 부분의 송신 경로의 제2 광학 증폭기를 더 포함하고,
    상기 제2 광학 증폭기는 상기 레이저 소스와 상기 빔 분리기 사이에 동작 가능하게 커플링되는,
    LIDAR 장치를 위한 광학 회로.
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 레이저 소스와 제2 광학 증폭기 사이에 동작 가능하게 커플링된 빔 스플리터를 더 포함하고,
    상기 빔 스플리터는 상기 타겟을 향해 전파된 레이저 빔의 제1 부분 및 상기 광학 컴포넌트에서 수신된 로컬 오실레이터 신호로서 상기 레이저 빔의 제2 부분을 분리하도록 구성되는,
    LIDAR 장치를 위한 광학 회로.
  16. 방법으로서,
    레이저 소스에 의해, 레이저 빔을 방출하는 단계;
    광학 증폭기에 의해, 리턴 경로에서 타겟으로부터 반사된 리턴 레이저 빔을 수신하는 단계;
    상기 광학 증폭기에 의해, 증폭된 리턴 레이저 빔을 출력하기 위해 상기 리턴 레이저 빔을 증폭하는 단계;
    로컬 오실레이터 신호의 일부와 상기 증폭된 리턴 레이저 빔을 혼합하는 단계; 및
    광학 컴포넌트에 의해, 상기 증폭된 리턴 레이저 빔에 기초한 전류를 출력하는 단계를 포함하는,
    방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 광학 컴포넌트에 의해, 상기 전류를 출력하기 위해 상기 증폭된 리턴 레이저 빔으로 로컬 오실레이터 신호를 프로세싱하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    다른 광학 증폭기에 의해, 상기 레이저 빔을 증폭하는 단계를 더 포함하고,
    상기 다른 광학 증폭기에 의해, 상기 레이저 빔을 증폭하는 것에 응답하여, 상기 타겟을 향해 전파된 레이저 빔이 분리되는,
    방법.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 광학 증폭기는 반도체 광학 증폭기를 포함하는,
    방법.
  20. 제16 항에 있어서,
    상기 광학 증폭기는 광섬유 광학 증폭기를 포함하는,
    방법.
  21. 제16 항에 있어서,
    상기 빔 분리기는 편광 빔 스플리터를 포함하는,
    방법.
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