KR20210141512A - Multi-Static Coherent Lidar - Google Patents
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Abstract
광파의 적어도 하나의 빔은 송신기의 전송 애퍼쳐로부터 타겟 위치를 향하여 송신 각도를 따라 송신된다. 광파는 제1 부분, 및 제1 부분의 특성과 상이한 특성을 갖는 제2 부분을 적어도 포함한다. 2개 이상의 수신기들은 적어도 하나의 수신기를 포함하고, 이는 전송 애퍼쳐 또는 상이한 수신기의 수신 애퍼쳐 중 적어도 하나에 근접하게 배열되는 수신 애퍼쳐, 각각의 수집 각도를 따라 수신 애퍼쳐에 도달하는 수집 광파의 적어도 일부를 수신하도록 구성되는, 수신 애퍼쳐 내의 광학 위상 어레이, 및 광파의 제1 부분의 특성에 따라 수집 광파의 수신 부분을 필터링하도록 구성되는 필터를 포함한다.At least one beam of light waves is transmitted along a transmission angle from a transmission aperture of the transmitter toward a target location. The light wave includes at least a first portion and a second portion having properties different from those of the first portion. The two or more receivers include at least one receiver, which is a receive aperture arranged proximate to at least one of a transmit aperture or a receive aperture of a different receiver, a collecting light wave arriving at the receive aperture along a respective collection angle. an optical phased array in the receive aperture, configured to receive at least a portion of
Description
관련 출원(들)에 대한 상호 참조CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATION(S)
본 출원은 2019년 3월 20일자로 출원된 "Multi-Static Coherent LiDAR"라는 명칭의 미국 가출원 일련번호 제62/821,427호 및 2019년 10월 25일자로 출원된 "Multi-Static Coherent LiDAR"라는 명칭의 미국 가출원 일련번호 제62/926,085호의 이익을 주장한다. 위에서 나열된 각각의 출원들의 전체 개시들은 참조로 본 명세서에 통합된다.This application is a US Provisional Application Serial No. 62/821,427 entitled "Multi-Static Coherent LiDAR", filed on March 20, 2019, and entitled "Multi-Static Coherent LiDAR", filed on October 25, 2019 claims the benefit of U.S. Provisional Application Serial No. 62/926,085. The entire disclosures of each of the applications listed above are incorporated herein by reference.
기술분야technical field
본 개시는 멀티-스태틱 간섭성(multi-static coherent) LiDAR에 관한 것이다.The present disclosure relates to multi-static coherent LiDAR.
일부 LiDAR 시스템들은 단일 애퍼쳐(aperture)를 사용하여 광을 송신하고 수신한다(본 명세서에서 "모노스태틱(monostatic)" 애퍼쳐 구성이라고 지칭됨). 대안적으로, 일부 LiDAR 시스템들은 2개의 애퍼쳐들을 아주 근접하게 사용한다 - 하나는 송신하기 위한 것이고, 하나는 수신하기 위한 것이다(본 명세서에서 "바이스태틱(bistatic)" 애퍼쳐 구성이라고 지칭됨). 상이한 시스템들은 상이한 기준에 기초하여 LiDAR 구성의 다양한 양태들을 최적화한다. 광파는 광원으로부터 주어진 거리에서의 타겟 물체(들)로 송신되고 타겟 물체(들)로부터 후방 산란되는 광자들이 수집된다. 연속파(continuous wave, CW) LiDAR 시스템에 사용되는 광원은 전형적으로 레이저이며, 이는 좁은 선폭을 갖고 특정 범위(예를 들어, 약 100nm 내지 약 1mm 사이, 또는 이의 일부 부분 범위)에 속하는 피크 파장을 갖는 광파를 제공하고, 이는 또한 본 명세서에서 단순히 "광"이라고 지칭된다. 일부 LiDAR 시스템들은 시스템 성능 및/또는 시스템 설계에서 발생할 수 있는 다양한 트레이드오프들에 따라, 모노스태틱 또는 바이스태틱 애퍼쳐 구성을 사용하도록 설계될 수 있다.Some LiDAR systems use a single aperture to transmit and receive light (referred to herein as a “monostatic” aperture configuration). Alternatively, some LiDAR systems use two apertures in close proximity - one for transmitting and one for receiving (referred to herein as a “bistatic” aperture configuration). . Different systems optimize various aspects of LiDAR configuration based on different criteria. The light wave is transmitted to the target object(s) at a given distance from the light source and photons that are backscattered from the target object(s) are collected. The light source used in continuous wave (CW) LiDAR systems is typically a laser, which has a narrow linewidth and has a peak wavelength that falls within a specific range (e.g., between about 100 nm and about 1 mm, or some partial range thereof). Provides a light wave, which is also referred to herein simply as “light”. Some LiDAR systems may be designed to use either a monostatic or bistatic aperture configuration, depending on various tradeoffs that may arise in system performance and/or system design.
일 양태에서, 일반적으로 장치는, 타겟 위치를 향한 송신 각도를 따라 송신 광파(optical wave)의 적어도 하나의 빔을 제공하도록 구성되는 전송 애퍼쳐를 포함하는 적어도 하나의 송신기 - 광파는 광파의 제1 부분, 및 광파의 제1 부분의 특성과 상이한 특성을 갖는 광파의 제2 부분을 적어도 포함함 -; 및 2개 이상의 수신기들을 포함하고, 적어도 하나의 수신기는, 전송 애퍼쳐 또는 상이한 수신기의 수신 애퍼쳐 중 적어도 하나에 근접하게 배열되는 수신 애퍼쳐, 수신 애퍼쳐 내의 광학 위상 어레이 - 광학 위상 어레이는 각각의 수집 각도를 따라 수신 애퍼쳐에 도달하는 수집 광파의 적어도 일부를 수신하도록 구성됨 -, 광파의 제1 부분의 특성에 따라 수집 광파의 수신 부분을 필터링하도록 구성되는 필터, 및 수집 광파의 수신 부분에 기초하여 신호를 제공하도록 구성되는 검출기를 포함한다.In one aspect, generally, an apparatus comprises at least one transmitter comprising a transmit aperture configured to provide at least one beam of a transmit optical wave along a transmit angle toward a target location, the light wave being a first of the light wave. at least comprising a portion and a second portion of the light wave having properties different from properties of the first portion of the light wave; and two or more receivers, wherein at least one receiver comprises: a receive aperture arranged proximate to at least one of a transmit aperture or a receive aperture of a different receiver, an optical phased array in the receive aperture, the optical phased array each configured to receive at least a portion of the collected light wave arriving at the receiving aperture along a collection angle of the filter, configured to filter the receiving portion of the collected light wave according to a characteristic of the first portion of the light wave, and at the receiving portion of the collected light wave and a detector configured to provide a signal based on the detector.
또 다른 양태에서, 일반적으로 방법은, 송신기의 전송 애퍼쳐로부터 타겟 위치를 향해 송신 각도를 따라 송신 광파의 적어도 하나의 빔을 제공하는 단계 - 광파는 광파의 적어도 제1 부분, 및 광파의 제1 부분의 특성과 상이한 특성을 갖는 광파의 제2 부분을 포함함 -; 및 2개 이상의 수신기들의 수신 애퍼쳐들에서 수집 광파를 수신하는 단계를 포함하며, 적어도 하나의 수신기는 전송 애퍼쳐 또는 상이한 수신기의 수신 애퍼쳐 중 적어도 하나에 근접하게 배열되는 수신 애퍼쳐, 수신 애퍼쳐 내의 광학 위상 어레이 - 광학 위상 어레이는 각각의 수집 각도를 따라 수신 애퍼쳐에 도달하는 수집 광파의 적어도 일부를 수신하도록 구성됨 -, 광파의 제1 부분의 특성에 따라 수집 광파의 수신 부분을 필터링하도록 구성되는 필터, 및 수집 광파의 수신 부분에 기초하여 신호를 제공하도록 구성되는 검출기를 포함한다.In another aspect, generally a method includes providing at least one beam of a transmit light wave along a transmit angle from a transmit aperture of a transmitter toward a target location, the light wave comprising at least a first portion of the light wave and a first of the light wave comprising a second portion of the light wave having properties different from properties of the portion; and receiving the collection light wave at the receive apertures of the two or more receivers, wherein at least one receiver has a receive aperture arranged proximate to at least one of a transmit aperture or a receive aperture of a different receiver; an optical phased array in the optical phased array configured to receive at least a portion of the collected light wave arriving at the receive aperture along a respective collection angle; and configured to filter the receiving portion of the collected light wave according to a characteristic of the first portion of the light wave. a filter configured to be used, and a detector configured to provide a signal based on the received portion of the collected light wave.
양태들은 다음 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.Aspects may include one or more of the following features.
각각의 검출기는 수집 광파의 수신 부분을 로컬 발진기 광파와 광학적으로 결합하여 결합 광파를 제공하고 결합 광파를 검출하여 신호를 제공하도록 구성되는 간섭성 검출기를 포함한다.Each detector includes a coherent detector configured to optically couple a receiving portion of the collected light wave with a local oscillator light wave to provide a combined light wave and detect the combined light wave to provide a signal.
간섭성 검출기들에서 헤테로다인 검출(heterodyne detection)을 가능하게 하기 위해 로컬 발진기와 송신 광파 사이에 주파수 편이가 있다.There is a frequency shift between the local oscillator and the transmitted light wave to enable heterodyne detection in coherent detectors.
각각의 신호는 진폭 및 위상 각을 포함하고, 해당 신호에 대응하는 각각의 컴포넌트는 진폭에 기초하고 위상 각에 독립적인 양을 포함한다.Each signal includes an amplitude and a phase angle, and each component corresponding to that signal includes a quantity based on the amplitude and independent of the phase angle.
회로는 각각의 신호를 디지털 형태로 변환하고 디지털 형태로 신호들을 처리하여 위상 각들에 대한 의존성을 제거하도록 구성된다.The circuitry is configured to convert each signal into digital form and process the signals in digital form to remove dependence on phase angles.
적어도 하나의 간섭성 검출기는 제1 로컬 발진기 광파를 사용하여 동위상 결합 광파를 제공하고 제1 로컬 발진기 파에 대해 편이되는 제2 로컬 발진기 광파를 사용하여 직교 결합 광파를 제공하고, 동위상/직교(In-phase/Quadrature, I/Q) 공간에서 진폭 및 위상 각을 제공하도록 구성된다.The at least one coherent detector provides an in-phase coupled light wave using a first local oscillator light wave and provides a quadrature coupled light wave using a second local oscillator light wave that is shifted with respect to the first local oscillator wave, It is configured to provide amplitude and phase angle in (In-phase/Quadrature, I/Q) space.
회로는 실수 값 신호의 결과적인 복소 변환의 복소 공간에서 진폭 및 위상 각을 제공하기 위해 검출기들 중 하나로부터 제공되는 실수 값 신호에 대한 변환을 수행하도록 구성된다.The circuitry is configured to perform a transform on the real-valued signal provided from one of the detectors to provide amplitude and phase angles in the complex space of the resulting complex transform of the real-valued signal.
각각의 검출기는 평형 광검출기들(balanced photodetectors)의 쌍에 의해 생성되는 광전류들 사이의 차이를 나타내는 전류를 생성하도록 구성된다.Each detector is configured to produce a current representative of a difference between the photocurrents produced by the pair of balanced photodetectors.
수신 애퍼쳐들의 총량은 3과 20 사이이다.The total amount of receive apertures is between 3 and 20.
수신 애퍼쳐들의 총량은 4와 10 사이이다.The total amount of receive apertures is between 4 and 10.
전송 애퍼쳐들의 총량은 1이다.The total amount of transmit apertures is 1.
각각의 수신 애퍼쳐들의 면적은 4/9 내지 9/4의 인수 내에서 전송 애퍼쳐의 면적과 동일하다. The area of each receive aperture is equal to the area of the transmit aperture within a factor of 4/9 to 9/4.
수신 애퍼쳐들은 광학 위상 어레이들이 광학 위상 어레이들의 요소들의 위상들을 사용하여 각각의 수집 각도들의 조종을 제공하도록 구성되는 평면 내의 축을 따라 배열된다.The receive apertures are arranged along an axis in a plane in which the optical phased arrays are configured to provide steering of respective collection angles using the phases of the elements of the optical phased arrays.
수신기들의 광학 위상 어레이들 각각은 각각의 수집 각도를 타겟 위치와 정렬하도록 구성된다.Each of the optical phased arrays of receivers is configured to align a respective collection angle with a target position.
송신기는 전송 애퍼쳐 내의 광학 위상 어레이를 포함한다.The transmitter includes an optical phased array within the transmit aperture.
수신 애퍼쳐들 내의 각각의 광학 위상 어레이의 면적은 4/9 내지 9/4 사이의 인수 내에서 전송 애퍼쳐를 갖는 광학 위상 어레이의 면적과 동일하다.The area of each optical phased array within the receive apertures is equal to the area of the optical phased array with the transmit aperture within a factor between 4/9 and 9/4.
전송 애퍼쳐 또는 수신 애퍼쳐들 중 적어도 하나 내의 적어도 하나의 광학 위상 어레이는 광학 위상 어레이의 요소들의 위상들을 사용하여 제1 각도를 조종하고 파장을 사용하여 제2 각도를 조종하도록 구성된다.At least one optical phased array in at least one of the transmit aperture or the receive aperture is configured to steer the first angle using the phases of the elements of the optical phased array and steer the second angle using the wavelength.
수신기는 제1 수신기이고, 수신 애퍼쳐는 제1 수신 애퍼쳐이고, 광학 위상 어레이는 제1 광학 위상 어레이이고, 필터는 제1 필터이고, 검출기는 제1 검출기이고, 2개 이상의 수신기들은 제2 수신기를 포함하고, 제2 수신기는 제2 수신 애퍼쳐로서 구성되는 전송 애퍼쳐, 전송 애퍼쳐 내의 제2 광학 위상 어레이 - 제2 광학 위상 어레이는 각각의 수집 각도를 따라 전송 애퍼쳐에 도달하는 수집 광파의 적어도 일부를 수신하도록 구성됨 -, 광파의 제1 부분의 특성과 상이하고 광파의 제2 부분의 특성과 상이한 특성에 따라 수집 광파의 수신 부분을 필터링하도록 구성되는 제2 필터, 및 제2 필터에 의해 필터링되는 수집 광파의 필터링된 부분에 기초하여 신호를 제공하도록 구성되는 제2 검출기를 포함한다.the receiver is a first receiver, the receive aperture is a first receive aperture, the optical phased array is a first optical phased array, the filter is a first filter, the detector is a first detector, and the two or more receivers are a second a transmitting aperture configured as a second receiving aperture, a second optical phased array in the transmitting aperture, the second optical phased array collecting along a respective collection angle to reach the transmitting aperture; configured to receive at least a portion of the light wave, a second filter configured to filter the receiving portion of the collected light wave according to a property different from a property of the first portion of the light wave and different from a property of the second portion of the light wave, and a second filter and a second detector configured to provide a signal based on the filtered portion of the collected light wave that is filtered by
장치는 2개 이상의 수신기들의 검출기들로부터 제공되는 2개 이상의 신호들 각각에 대응하는 각각의 컴포넌트를 포함하는 조합에 적어도 부분적으로 기초하여 수집 광파와 연관된 추정 거리를 결정하도록 구성되는 회로를 더 포함한다.The apparatus further comprises circuitry configured to determine an estimated distance associated with the collected light wave based at least in part on a combination comprising a respective component corresponding to each of the two or more signals provided from the detectors of the two or more receivers. .
송신기는 회로가 추정 거리를 결정하는 것을 가능하게 하기 위해 송신 광파에 선형 주파수 변조를 적용한다.The transmitter applies linear frequency modulation to the transmitted light wave to enable the circuitry to determine the estimated distance.
전송 애퍼쳐는 광학 위상 어레이가 송신 광파의 특성과 상이한 특성을 갖는 광파의 적어도 일부를 수신하는 데 사용되는 수신 애퍼쳐로서 더 구성되고, 수신 애퍼쳐들의 적어도 하나는 상이한 특성을 갖는 광파의 빔을 제공하기 위한 전송 애퍼쳐로서 사용된다.The transmit aperture is further configured as a receive aperture wherein the optical phased array is used to receive at least a portion of the light wave having a property different from that of the transmit light wave, wherein at least one of the receive apertures receives a beam of the light wave having a different property It is used as a transport aperture to provide.
특성은 특정 파장, 특정 타임 슬롯, 또는 특정 편광 중 적어도 하나를 포함한다.The characteristic includes at least one of a specific wavelength, a specific time slot, or a specific polarization.
특성은 특정 파장을 포함한다.Characteristics include specific wavelengths.
하나 이상의 광원은 상이한 각각의 스펙트럼 대역들에 걸쳐 튜닝 가능한 복수의 스펙트럼 컴포넌트들을 제공하고, 광파의 제1 부분은 제1 스펙트럼 컴포넌트를 포함하고 광파의 제2 부분은 제1 스펙트럼 컴포넌트와 상이한 제2 스펙트럼 컴포넌트를 포함한다.The one or more light sources provide a plurality of spectral components that are tunable across different respective spectral bands, a first portion of the light wave comprising a first spectral component and a second portion of the light wave different from the first spectral component. contains components.
장치는 하나 이상의 광원을 더 포함한다.The device further includes one or more light sources.
전송 애퍼쳐는 광학 위상 어레이가 제1 스펙트럼 컴포넌트와 상이하고 제2 스펙트럼 컴포넌트와 상이한 제3 스펙트럼 컴포넌트를 수신하는 데 사용되는 수신 애퍼쳐로서 더 구성된다.The transmit aperture is further configured as a receive aperture wherein the optical phased array is used to receive a third spectral component different from the first spectral component and different from the second spectral component.
제3 스펙트럼 컴포넌트는 제1 스펙트럼 컴포넌트의 파장과 제2 스펙트럼 컴포넌트의 파장 사이의 파장을 갖고, 송신 광파는 제3 스펙트럼 컴포넌트의 파장에서 상당한 파워를 갖지 않는다.The third spectral component has a wavelength between the wavelength of the first spectral component and the wavelength of the second spectral component, and the transmitted light wave does not have significant power at the wavelength of the third spectral component.
전송 애퍼쳐는 제1 전송 애퍼쳐이고 송신 광파는 제1 송신 광파이며, 장치는 제1 스펙트럼 컴포넌트와 상이하고 제2 스펙트럼 컴포넌트와 상이한 제3 스펙트럼 컴포넌트를 적어도 포함하는 제2 송신 광파의 적어도 하나의 빔을 제공하도록 구성되는 제2 전송 애퍼쳐를 포함한다.the transmit aperture is a first transmit aperture and the transmit light wave is a first transmit light wave, and wherein the apparatus comprises at least one of a second transmit light wave that is different from the first spectral component and includes at least a third spectral component different from the second spectral component. and a second transmit aperture configured to provide a beam.
제2 전송 애퍼쳐는 광학 위상 어레이가 제1 스펙트럼 컴포넌트를 수신하는 데 사용되는 제2 수신 애퍼쳐로서 더 구성된다.The second transmit aperture is further configured as a second receive aperture through which the optical phased array is used to receive the first spectral component.
장치는 제1 스펙트럼 컴포넌트를 제1 전송 애퍼쳐에 제공하는 적어도 하나의 광원으로부터 도출되는 로컬 발진기와의 간섭성 혼합(coherent mixing)에 의해 제2 수신 애퍼쳐로부터 수신되는 제1 스펙트럼 컴포넌트를 검출하도록 구성되는 간섭성 수신기를 더 포함한다.The apparatus is configured to detect a first spectral component received from a second receive aperture by coherent mixing with a local oscillator derived from at least one light source providing the first spectral component to the first transmit aperture. It further includes a configured coherent receiver.
제3 스펙트럼 컴포넌트는 제1 스펙트럼 컴포넌트의 파장과 제2 스펙트럼 컴포넌트의 파장 사이의 파장을 갖고, 제1 송신 광파는 제3 스펙트럼 컴포넌트의 파장에서 상당한 파워를 갖지 않는다.The third spectral component has a wavelength between the wavelength of the first spectral component and the wavelength of the second spectral component, and the first transmitted light wave does not have significant power at the wavelength of the third spectral component.
제1 전송 애퍼쳐 및 제2 전송 애퍼쳐는 애퍼쳐들의 배열의 중심 부근에 위치되고, 수신 애퍼쳐들의 적어도 일부는 애퍼쳐들의 배열의 에지들 부근에 위치된다.The first transmit aperture and the second transmit aperture are located near the center of the arrangement of apertures, and at least some of the receive apertures are located near edges of the arrangement of apertures.
수신 애퍼쳐들의 양은 애퍼쳐들의 배열에서 전송 애퍼쳐들의 양보다 많다.The amount of receive apertures is greater than the amount of transmit apertures in the array of apertures.
또 다른 양태에서, 일반적으로 LiDAR 시스템은, 2개 이상의 애퍼쳐들 중 적어도 2개로부터 타겟 위치를 향해 송신 광파의 적어도 하나의 빔을 제공하도록 구성되는, 2개 이상의 애퍼쳐들의 배열 - 2개 이상의 애퍼쳐들은, 제1 애퍼쳐 내에 제1 광학 위상 어레이를 포함하는 제1 애퍼쳐, 및 제2 애퍼쳐 내에 제2 광학 위상 어레이를 포함하는 제2 애퍼쳐를 포함함 -, 송신 광파의 제1 부분을 2개 이상의 애퍼쳐들 전체보다 더 적은 수로 구성된 제1 서브세트에 제공하고 - 제1 서브세트는 제1 애퍼쳐를 포함함 -, 송신 광파의 제2 부분을 2개 이상의 애퍼쳐들 전체보다 더 적은 수로 구성된 제2 서브세트에 제공하도록 - 제2 서브세트는 제1 서브세트와는 상이하고 제2 애퍼쳐를 포함하고, 광파의 제2 부분은 광파의 제1 부분의 특성과 상이한 특성을 가짐 - 구성되는 송신기 서브시스템, 광파의 제2 부분의 특성에 따라 배열 내의 2개 이상의 애퍼쳐들 중 적어도 하나에 도달하는 수집 광파의 부분을 필터링하도록 구성되는 제1 필터, 및 제1 필터에 의해 필터링되는 수집 광파의 부분에 기초하여 신호를 제공하도록 구성되는 제1 검출기를 포함하는 수신기 서브시스템을 포함한다.In another aspect, generally a LiDAR system is an arrangement of two or more apertures—two or more apertures, configured to provide at least one beam of a transmit light wave from at least two of the two or more apertures toward a target location. the apertures include a first aperture including a first optical phased array within a first aperture, and a second aperture including a second optical phased array within a second aperture, a first portion of a transmit light wave to a first subset consisting of fewer than all of the two or more apertures, the first subset comprising the first aperture, and a second portion of the transmitted light wave having fewer than all of the two or more apertures. to provide a second subset consisting of the number, the second subset being different from the first subset and comprising a second aperture, the second portion of the light wave having a property different from a property of the first portion of the light wave; a transmitter subsystem configured, a first filter configured to filter a portion of the collection light wave that arrives at at least one of the two or more apertures in the array according to a characteristic of the second portion of the light wave, and a collection filtered by the first filter and a receiver subsystem comprising a first detector configured to provide a signal based on a portion of the light wave.
양태들은 다음 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.Aspects may include one or more of the following features.
특성은 특정 파장을 포함하고, 송신 광파의 제1 부분은 제1 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 광을 포함하고, 송신 광파의 제2 부분은 제1 스펙트럼 대역과 상이한 제2 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 광을 포함한다.the characteristic includes a specific wavelength, the first portion of the transmitted light wave includes light having a wavelength in a first spectral band, and the second portion of the transmitted light wave includes light having a wavelength in a second spectral band different from the first spectral band includes
제1 필터는 제1애퍼쳐에 도달하는 수집 광파의 부분을 필터링하도록 구성되고, 수신기 서브시스템은 광파의 제1 부분의 특성에 따라 제2 애퍼쳐에 도달하는 수집 광파의 부분을 필터링하도록 구성되는 제2 필터, 및 제2 필터에 의해 필터링되는 수집 광파의 부분에 기초하여 신호를 제공하도록 구성되는 제2 검출기를 더 포함한다.the first filter is configured to filter the portion of the collected light wave arriving at the first aperture, and the receiver subsystem is configured to filter the portion of the collected light wave arriving at the second aperture according to a characteristic of the first portion of the light wave. It further includes a second filter and a second detector configured to provide a signal based on the portion of the collected light wave that is filtered by the second filter.
송신기 서브시스템은 제1 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 광을 제3 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 광과 결합하도록 구성되는 파장 분할 다중화 컴포넌트를 포함하고, 여기서 제2 스펙트럼 대역은 제1 스펙트럼 대역과 제3 스펙트럼 대역 사이에 있다.The transmitter subsystem includes a wavelength division multiplexing component configured to combine light having a wavelength in a first spectral band with light having a wavelength in a third spectral band, wherein the second spectral band comprises the first spectral band and a third spectrum between the bands.
2개 이상의 애퍼쳐들의 배열은 제3 애퍼쳐 내에 제3 광학 위상 어레이를 포함하는 제3 애퍼쳐를 포함하고, 제1 필터는 제3 애퍼쳐에 도달하는 수집 광파의 부분을 필터링하도록 구성된다.The arrangement of the two or more apertures includes a third aperture including a third optical phased array within the third aperture, the first filter configured to filter a portion of the collected light wave arriving at the third aperture.
송신기 서브시스템은 제1 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 광을 제3 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 광과 결합하도록 구성되는 제1 파장 분할 다중화 컴포넌트, 및 제2 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 광을 제4 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 광과 결합하도록 구성되는 제2 파장 분할 다중화 컴포넌트를 포함하며, 제2 스펙트럼 대역은 제1 스펙트럼 대역과 제3 스펙트럼 대역 사이에 있고, 제3 스펙트럼 대역은 제2 스펙트럼 대역과 제4 스펙트럼 대역 사이에 있다.The transmitter subsystem includes a first wavelength division multiplexing component configured to combine light having a wavelength in a first spectral band with light having a wavelength in a third spectral band, and light having a wavelength in a second spectral band into a fourth spectral band. a second wavelength division multiplexing component configured to combine light having a wavelength of between the spectral bands.
제1 필터는 제2 스펙트럼 대역에 걸쳐 튜닝 가능한 통과대역을 갖는 튜닝 가능한 필터를 포함하고, 수신기 서브시스템은 제2 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 광에 적어도 부분적으로 기초하여 제1 필터를 튜닝하도록 구성된다.The first filter comprises a tunable filter having a tunable passband over a second spectral band, and the receiver subsystem is configured to tune the first filter based at least in part on light having a wavelength in the second spectral band. .
양태들은 다음 이점들 중 하나 이상을 가질 수 있다.Aspects may have one or more of the following advantages.
본 명세서에 설명되는 기술들을 사용하여, LiDAR 시스템은 다양한 방식들로 최적화될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 주어진 총 디바이스 면적(예를 들어, 전송 및 수신 애퍼쳐들 모두) 및 주어진 광원 출력 파워에 대해, 증가된 수의 후방 산란 광자들이 타겟 물체(들)로부터 수집되는 반면 배경 유출 광은 감소된다. 일부 구현들은 거친(예를 들어, 거울이 아닌) 표면들로부터의 후방 산란 광으로부터의 간섭으로 인한 스펙클(speckle) 효과들에 대한 개선된 내성, 및 타겟 물체들이 기대될 수 있는 타겟 위치에 대한 장거리 및 단거리 타겟 거리들 모두에 대한 개선된 성능을 가능하게 한다.Using the techniques described herein, a LiDAR system can be optimized in a variety of ways. For example, in some implementations, for a given total device area (eg, both transmit and receive apertures) and a given light source output power, an increased number of backscattered photons are collected from the target object(s) while Background leakage light is reduced. Some implementations have implemented improved immunity to speckle effects due to interference from backscattered light from rough (eg, non-mirror) surfaces, and improved immunity to target locations where target objects can be expected. Enables improved performance for both long and short target distances.
다른 특징들 및 이점들은 다음 설명으로부터, 및 도면들 및 청구항들로부터 명백해질 것이다.Other features and advantages will become apparent from the following description, and from the drawings and claims.
본 개시는 첨부 도면들과 함께 읽을 때 다음의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 일반적인 관행에 따르면 도면들의 다양한 특징들이 축척에 따르지 않는다는 것이 강조된다. 이에 반해, 다양한 특징들의 치수들은 명료성을 위해 임의로 확대되거나 감소된다.
도 1은 모노스태틱 LiDAR 시스템의 일 예의 개략도이다.
도 2는 바이스태틱 LiDAR 시스템의 일 예의 개략도이다.
도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 예시 시뮬레이션 검출 결과들의 플롯들이다.
도 4a 및 도 4b는 애퍼쳐들 및 타겟으로부터 수신되는 대응하는 스펙클 패턴들의 예들의 개략도들이다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 예시 애퍼쳐 어레이들의 개략도이다.
도 6은 멀티-스태틱 LiDAR 시스템의 일 예의 개략도이다.
도 7a, 도 7b, 도 8, 및 도 9는 멀티-스태틱 간섭성 LiDAR 시스템들의 예들의 다양한 부분들의 개략도들이다.
도 10은 멀티-스태틱 애퍼쳐 구성의 WDM 버전의 개략도이다.
도 11a 및 도 11b는 스펙트럼의 상이한 범위들에 대한 2개 이상의 애퍼쳐를 사용하는 WDM 레이저 시스템의 개략도들이다.
도 11c는 도 11a 및 도 11b에 도시되는 시스템과 함께 사용될 수 있는 예시 WDM 컴포넌트들의 개략도이다.
도 11d는 WDM 컴포넌트들의 스펙트럼 응답들의 보호 대역들의 예시 플롯이다.
도 12a 및 도 12b는 WDM 컴포넌트의 드롭 및 통과 포트들의 예시 스펙트럼 응답들의 플롯들이다.
도 13은 더 넓은 송신 대역들의 일 예의 플롯이다.
도 14는 밀접하게 정렬된 송신 대역들의 일 예의 플롯이다.
도 15는 멀티-스태틱 애퍼쳐 구성의 일반화된 WDM 버전의 개략도이다.
도 16a는 특정 애퍼쳐에 대한 예시 WDM 시스템의 개략도이다.
도 16b는 도 16a의 시스템에서 송신되고 수신되는 예시 파장 대역들의 플롯이다.
도 17은 대안적인 WDM 시스템의 개략도이다.
도 18은 대안적인 WDM 시스템의 개략도이다.
도 19는 대역들 사이에 있는 데드 존을 갖는 WDM 다중화기에 대한 예시 파장 대역들의 플롯이다.
도 20은 2개의 WDM 다중화기들에 대한 예시 인터리빙된(interleaved) 파장 대역들의 플롯이다.
도 21은 LiDAR 시스템의 부분의 개략도이다.
도 22는 캘리브레이션(calibration) 요소들 및 다른 광자 회로 요소들을 갖는 LiDAR 시스템의 부분의 개략도이다.
도 23은 2개의 WDM 다중화기들에 대한 예시 인터리빙된 파장 대역들의 플롯이다.
도 24는 WDM 광학 구성의 일 예의 개략도이다.
도 25는 광학 회로 구성의 개략도이다.
도 26은 광학 수신기 구성의 개략도이다.
도 27은 LiDAR 시스템의 부분의 일 예의 개략도이다.
도 28은 LiDAR 시스템의 부분의 일 예의 개략도이다.
도 29는 WDM 시스템의 부분의 일 예의 개략도이다.
도 30은 광학 송신기 구성의 일 예의 개략도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present disclosure is best understood from the following detailed description when read in conjunction with the accompanying drawings. It is emphasized that, in accordance with common practice, various features of the drawings are not to scale. In contrast, the dimensions of various features are arbitrarily enlarged or reduced for clarity.
1 is a schematic diagram of an example of a monostatic LiDAR system.
2 is a schematic diagram of an example of a bistatic LiDAR system.
3A, 3B, and 3C are plots of example simulation detection results.
4A and 4B are schematic diagrams of examples of apertures and corresponding speckle patterns received from a target.
5A, 5B, and 5C are schematic diagrams of example aperture arrays.
6 is a schematic diagram of an example of a multi-static LiDAR system.
7A, 7B, 8, and 9 are schematic diagrams of various portions of examples of multi-static coherent LiDAR systems.
10 is a schematic diagram of a WDM version of a multi-static aperture configuration.
11A and 11B are schematic diagrams of a WDM laser system using two or more apertures for different ranges of the spectrum.
11C is a schematic diagram of example WDM components that may be used with the system shown in FIGS. 11A and 11B .
11D is an example plot of guard bands of spectral responses of WDM components.
12A and 12B are plots of example spectral responses of drop and pass ports of a WDM component.
13 is a plot of an example of wider transmission bands.
14 is an example plot of closely aligned transmission bands.
15 is a schematic diagram of a generalized WDM version of a multi-static aperture configuration.
16A is a schematic diagram of an example WDM system for a particular aperture.
16B is a plot of example wavelength bands transmitted and received in the system of FIG. 16A.
17 is a schematic diagram of an alternative WDM system.
18 is a schematic diagram of an alternative WDM system.
19 is a plot of example wavelength bands for a WDM multiplexer with a dead zone between the bands.
20 is a plot of example interleaved wavelength bands for two WDM multiplexers.
21 is a schematic diagram of a portion of a LiDAR system.
22 is a schematic diagram of a portion of a LiDAR system with calibration elements and other photonic circuit elements.
23 is a plot of example interleaved wavelength bands for two WDM multiplexers.
24 is a schematic diagram of an example of a WDM optical configuration.
25 is a schematic diagram of an optical circuit configuration.
26 is a schematic diagram of an optical receiver configuration;
27 is a schematic diagram of an example of a portion of a LiDAR system.
28 is a schematic diagram of an example of a portion of a LiDAR system.
29 is a schematic diagram of an example of a portion of a WDM system.
30 is a schematic diagram of an example of an optical transmitter configuration.
모노스태틱 애퍼쳐 구성의 경우, 송신 동작 및 수신 동작 모두를 위해 애퍼쳐를 다중화하기 위한 여러 접근법들이 있다. 예를 들어, 일부 접근법들은, (1) 편광기를 사용하여 하나의 편광으로 광을 송신하고 반대(즉, 직교) 편광으로 광을 수신하는 것, (2) 시간 영역 다중화, 및/또는 (3) 순환기와 같은 비가역적 디바이스들을 사용하는 것을 포함한다. 모노스태틱 애퍼쳐 구성들은 타겟 위치를 향해 광 빔을 송신할 전송 애퍼쳐 및 동일한 애퍼쳐에 도달하는 임의의 후방 산란 광을 수집할 수신 애퍼쳐 둘 다를 위해 사용가능한 애퍼쳐 공간 전체를 사용할 수 있지만, 수신기가 유출된 송신 광에 의해 포화되지 않고서 타겟 물체로부터의 작은 반사들을 검출할 수 있도록 LiDAR 시스템 내의 송신 및 수신 경로들 사이에 충분히 높은 격리를 달성하기 어려울 수 있다. 주파수 변조 연속파(frequency modulated continuous wave, FMCW) LiDAR 시스템에서, 모노스태틱 시스템 내부의 후방 산란은 더 높은 주파수들에서의 실제 타겟 검출을 위해 신호-대-노이즈 비(SNR)를 감소시킬 수 있는 강력한 낮은 주파수 피크들로 이어진다. 바이스태틱 애퍼쳐 구성에서, 광은 하나의 애퍼쳐로부터 송신되고 상이한 애퍼쳐로부터 수신되어, 사용가능한 애퍼쳐 공간 내의 송신 및 수신 애퍼쳐 모두에 대한 감소된 크기의 대가를 치르고서 모노스태틱 애퍼쳐 구성의 격리 과제들을 극복한다.For monostatic aperture construction, there are several approaches to multiplexing the aperture for both transmit and receive operations. For example, some approaches include (1) using a polarizer to transmit light in one polarization and receive light in an opposite (ie, orthogonal) polarization, (2) time domain multiplexing, and/or (3) This includes using irreversible devices such as circulators. Monostatic aperture configurations can use the entire available aperture space for both a transmit aperture to transmit a light beam towards a target location and a receive aperture to collect any backscattered light arriving at the same aperture; It can be difficult to achieve sufficiently high isolation between the transmit and receive paths in a LiDAR system so that the receiver can detect small reflections from the target object without being saturated by the outgoing transmit light. In a frequency modulated continuous wave (FMCW) LiDAR system, backscattering inside a monostatic system is a powerful low that can reduce the signal-to-noise ratio (SNR) for real target detection at higher frequencies. leading to frequency peaks. In a bistatic aperture configuration, light is transmitted from one aperture and received from a different aperture, forming a monostatic aperture at the cost of reduced sizes for both the transmit and receive apertures within the available aperture space. overcome the isolation challenges of
도 1 및 도 2는 각각 모노스태틱 애퍼쳐 구성(100) 및 바이스태틱 애퍼쳐 구성(200)을 사용하는 LiDAR 시스템들의 예들을 보여준다. 두 시스템들 모두는 수신 광을 로컬 발진기(LO)(30)의 광과 혼합하는 데 사용되는 레이저(10) 및 간섭성 수신기(20)를 포함한다. 레이저(10)는, 예를 들어, 관심 있는 시간 규모들에 걸쳐 간섭성 검출을 수행하기에 충분히 긴 시간적 간섭성 길이를 제공하기에 충분한 좁은 선폭 및 낮은 위상 노이즈를 갖는 CW 레이저일 수 있다. 또한, 모노스태틱 애퍼쳐 구성(100)은 광을 상이한 방향들로 재지향시키기 위한 순환기(40)를 포함한다. 모노스태틱 애퍼쳐 구성(100)에서, 애퍼쳐(102)는 전송 및 수신 애퍼쳐 모두의 역할을 하므로, 애퍼쳐(102)로부터 타겟 위치로의 경로의 송신 각도 및 타겟 위치로부터 다시 애퍼쳐(102)로의 경로의 수집 각도는 타겟 위치까지의 거리에 관계없이 실질적으로 동일하다(도 1). 한편, 바이스태틱 애퍼쳐 구성(200)에서, 전송 애퍼쳐(202A)로부터 타겟 위치(204)로의 경로 및 타겟 위치(204)로부터 수신 애퍼쳐(202B)로의 경로는 상이하고, 상이한 송신 및 수집 각도들을 낳는다(도 2). 일부 LiDAR 시스템들에서, 송신 및 수집 각도들은 타겟 위치(204)까지의 최적의 타겟 거리에서 동작하도록 정렬된다. 결과적으로, 더 먼 타겟 거리(206) 또는 더 짧은 타겟 거리(208)에서의 동작은 차선의(sub-optimal) 성능을 제공할 수 있다. 또한, 애퍼쳐들에 대한 사용가능한 면적이 바이스태틱을 위한 전송과 수신 사이에서 나누어지기 때문에, 바이스태틱 구성은 모노스태틱 구성보다 낮은 공간 효율성을 갖는다.1 and 2 show examples of LiDAR systems using a
타겟 물체의 표면이 연마되지 않거나(예를 들어, 금속 거울의 표면과 같이) 재귀반사(retro-reflective) 표면을 갖는 것으로서 다른 방식으로 구성되지 않는다면, 후방 산란 광은 타겟 물체의 표면 거칠기에 의해 그에 부과되는 랜덤 위상 변동들을 경험한다. 대부분의 거친 표면들의 미세한 특징들은 표면의 각각의 지점으로부터 후방 산란되는 광에 대한 랜덤화된 위상으로 이어진다. 이것은 결국 수신 애퍼쳐에서 관찰되는 간섭 패턴들에 대한 책임이 있는 스펙클 현상으로 이어진다. 랜덤화된 위상과 함께 확장된 표면으로부터의 산란에 의해 생성되는 간섭 패턴의 랜덤 보행 본성(random walk nature)으로 인해, 수집 광의 진폭은 Rayleigh 분포를 갖고 수집된 광의 강도(수신 애퍼쳐에 들어가는 광자들의 수에 비례)는 지수 통계 분포를 갖는다. 따라서, 예를 들어, 송신 광 빔이 벽을 가로질러 이동되고 평균적으로 10개의 광자들이 다시 수집된다면, 대부분의 타겟 위치들에 대해 애퍼쳐는 10개보다 훨씬 적은 광자들을 수집하고, 종종 수신기는 수십 개의 광자들을 수집할 수 있고 수신기의 검출 시스템의 회로를 포화시킬 수 있다. LiDAR 시스템이 너무 적은 광자들을 수집할 때 수집 광은 배경 노이즈 아래 묻혀 있을 수 있고, 너무 많은 광자들이 수집될 때 광은 검출 시스템의 선형 이득 범위의 바깥에 있을 수 있다. 도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 LiDAR 시스템의 스펙클의 영향들에 대한 시뮬레이션 검출 결과들의 예들을 도시한다. 도 3a는 전기장 진폭의 특정한 정규화된 값에 대한 Rayleigh 확률 밀도의 플롯을 도시한다. 도 3b는 지수적인 전기장 강도에 대한 확률 밀도의 대응하는 플롯을 도시한다. 도 3c는 정규화된 강도에 대한 1000번의 랜덤화된 시험들의 몬테-카를로 시뮬레이션(Monte-Carlo simulation)을 도시한다. 도 3b 및 도 3c의 플롯들에 1의 정규화된 평균 강도 값이 도시되어 있다(300). 도 3c이 도시하는 바와 같이, 평균 강도가 1로 정규화될 때, 대부분의 시험들이 1보다 작은 값에 대응하는 반면 수 개의 별개의 시험들은 훨씬 더 큰 강도들을 낳는다.Unless the surface of the target object is unpolished (such as the surface of a metal mirror) or otherwise configured as having a retro-reflective surface, backscattered light may be affected by the surface roughness of the target object. It experiences random phase fluctuations imposed. The fine features of most rough surfaces lead to a randomized phase for the light backscattered from each point on the surface. This in turn leads to the speckle phenomenon responsible for the interference patterns observed in the receive aperture. Due to the random walk nature of the interference pattern created by scattering from the extended surface with a randomized phase, the amplitude of the collected light has a Rayleigh distribution and the intensity of the collected light (of photons entering the receive aperture) proportional to the number) has an exponential statistical distribution. Thus, for example, if the transmit light beam is moved across a wall and on average 10 photons are collected again, then for most target locations the aperture will collect much less than 10 photons, and often the receiver will collect tens of photons. It can collect several photons and saturate the circuitry of the receiver's detection system. When the LiDAR system collects too few photons, the collection light may be buried under the background noise, and when too many photons are collected, the light may be outside the linear gain range of the detection system. 3A, 3B, and 3C show examples of simulation detection results on the effects of speckle of a LiDAR system. 3A shows a plot of the Rayleigh probability density for a particular normalized value of the electric field amplitude. 3B shows a corresponding plot of probability density versus exponential electric field strength. 3C shows a Monte-Carlo simulation of 1000 randomized trials for normalized intensity. A normalized average intensity value of 1 is shown in the plots of FIGS. 3B and 3C ( 300 ). As Figure 3c shows, when the average intensity is normalized to one, most trials correspond to values less than one while several separate trials yield much larger intensities.
LiDAR 시스템의 모노스태틱 및 바이스태틱 애퍼쳐 구성들 모두는 시스템의 간섭성 수신기의 스펙클로 인한 잠재적인 해로운 영향들로 인해 잠재적으로 어려움을 겪는다. 크기가 전송 애퍼쳐의 크기와 대략 매칭되는 하나의 수신 애퍼쳐만 있을 때, 수신기에서 검출되는 특정 간섭 패턴("스펙클 실현"이라고도 불림)의 하나의 부분만 있다. 이는 단일 스펙클 실현으로부터 수집되는 신호의 지수 확률 분포 때문에 수신기의 검출 확률을 제한한다.Both monostatic and bistatic aperture configurations of a LiDAR system potentially suffer from potentially detrimental effects due to the speckle of the system's coherent receiver. When there is only one receive aperture whose size roughly matches the size of the transmit aperture, there is only one portion of a particular interference pattern (also called "speckle realization") that is detected at the receiver. This limits the detection probability of the receiver because of the exponential probability distribution of the signal collected from a single speckle realization.
주어진 LiDAR 시스템에 대해, 전형적으로 임의의 수의 전송 및 수신 애퍼쳐들에 사용가능한 총 사용가능한 면적은, LiDAR 시스템이 평면 통합 광학 흐름에서 제조된다면, 특정 제조 프로세스에서 허용가능한 시스템의 크기 또는 레티클(reticle)의 크기에 의해 제한된다. 멀티-스태틱 애퍼쳐 구성을 갖는 LiDAR 시스템에서, 이 사용가능한 면적은 애퍼쳐 배열에서 하나 이상의 전송 애퍼쳐 및 2개 이상의 수신 애퍼쳐들에 사용된다. 하나 이상의 전송 애퍼쳐에 사용되는 총 면적을 2개 이상의 수신 애퍼쳐들에 사용되는 총 면적으로 나눈 것이 "전송-수신 비율"이라고 지칭된다. 2개 이상의 수신 애퍼쳐들에 사용되는 총 면적을 전체 애퍼쳐 배열에 사용되는 총 면적으로 나눈 것이 "수신 채우기 계수"라고 지칭된다. 이러한 파라미터들 및 기타 파라미터들은 애퍼쳐들의 수 및 그것들의 크기들을 적절하게 설계함으로써 다양한 방식들로 최적화될 수 있다.For a given LiDAR system, typically the total usable area available for any number of transmit and receive apertures is the size or reticle of the system acceptable for a particular manufacturing process if the LiDAR system is fabricated in planar integrated optical flow. ) is limited by the size of In a LiDAR system with a multi-static aperture configuration, this usable area is used for one or more transmit apertures and two or more receive apertures in the aperture arrangement. The total area used for one or more transmit apertures divided by the total area used for two or more receive apertures is referred to as the "transmit-receive ratio". The total area used for the two or more receive apertures divided by the total area used for the total aperture arrangement is referred to as the "receive fill factor". These and other parameters can be optimized in various ways by appropriately designing the number of apertures and their sizes.
도 4a 및 도 4b는 상이한 크기들을 갖는 상이한 전송 애퍼쳐들의 예들을 도시한다. 예를 들어, 전송 애퍼쳐들은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 어레이의 특성에 의해 조종되는 광 빔을 송신하는 2차원 광학 위상 어레이(OPA)의 면적에 의해 실질적으로 채워지는 정사각형 형상의 영역일 수 있다. 시스템에 수차(aberration)가 없다고 가정하면, 특정 전송 애퍼쳐(400A, 400B)에 대해, 원거리 장(far field)에서의 회절 제한 송신 광 빔(402A, 402B)의 크기 WA, WB는 전송 애퍼쳐(400A, 400B)의 크기에 반비례한다. 이러한 송신 광 빔(402A, 402B)은 타겟 물체의 표면(404)을 타격하고 해당 타겟 물체의 표면 상의 특정 영역을 조명한다. 타겟 물체의 조명 영역으로부터의 후방 산란 광은 애퍼쳐 배열(410A, 410B) 상에 스펙클 패턴(408A, 408B)을 생성한다. 애퍼쳐 배열(410A, 410B) 상에 생성되는 스펙클 패턴의 상관 길이는 조명 영역(406A, 406B)의 크기에 반비례한다. 따라서, 더 작은 전송 애퍼쳐(400B)는 (예를 들어, 보강/상쇄 간섭에 의해 생성되는 더 작은 크기의 스펙클 패턴의 밝은/어두운 특징들을 갖는) 더 빠르게 변화하는 스펙클 패턴(408B)으로 이어지고, 더 큰 전송 애퍼쳐(400A)는 (예를 들어, 더 큰 크기의 스펙클 패턴의 밝은/어두운 특징들을 갖는) 더 느리게 변화하는 스펙클 패턴(408A)으로 이어진다. 애퍼쳐 배열들 각각 내의 2개 이상의 수신 애퍼쳐들의 최적의 수량 및 크기는 전송 애퍼쳐의 크기에 따라 상이할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 수신 애퍼쳐들 각각의 크기는 전송 애퍼쳐의 크기에 대해 크기가 동일하거나 크기가 비슷하다(예를 들어, 직경이 1/2 내지 2의 인수 내 및 면적이 1/4에서 4인치의 인수 내, 또는 직경이 2/3에서 3/2의 인수 내 및 면적이 4/9에서 9/4의 인수 내). 일부 구현들에서, 수신 애퍼쳐들의 크기들은 서로에 대해 대략 동일하지만, 전송 애퍼쳐의 크기는 수신 애퍼쳐들의 크기들보다 작은 양만큼 더 클 수 있다(예를 들어, 10% 더 크거나 20% 더 클 수 있다).4A and 4B show examples of different transmit apertures with different sizes. For example, the transmit apertures may be a square-shaped area substantially filled by the area of a two-dimensional optically phased array (OPA) that transmits a beam of light that is steered by a characteristic of the array, as described in more detail below. have. Assuming there is no aberration in the system, for a particular transmit
일부 구현들에서, 애퍼쳐 배열은 근접하여 배치되는, 간섭성 LiDAR 시스템에서 사용하기 위한 적어도 3개의 애퍼쳐들의 컬렉션을 포함한다. 애퍼쳐들 중 적어도 하나는 타겟 위치를 향해 광을 송신하기 위한 전송 애퍼쳐로서 사용되며, 애퍼쳐들 중 적어도 2개는 해당 전송 애퍼쳐로부터 유래되는 후방 산란 광을 수신하기 위한 수신 애퍼쳐들로서 사용된다. 다중-파장 LiDAR 시스템에서, 주어진 중심 파장에 대한 단일 전송 애퍼쳐로 선택되는 상이한 애퍼쳐들이 있을 수 있고, 남은 애퍼쳐들 전체는 해당 주어진 중심 파장에 대한 수신 애퍼쳐들로 선택된다(잠재적으로 해당 중심 파장 주위에 주파수 처프(chirp)가 부과됨). 광학 위상 어레이들을 사용하는 LiDAR 시스템에서, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 수신 애퍼쳐는 광학 위상 어레이를 사용하여 수집 각도를 조종할 수 있고, 전송 애퍼쳐는 광학 위상 어레이를 사용하여 송신 각도를 조종할 수 있다. 이러한 광학 위상 어레이들은 어레이 크기(개개의 광학적으로 분산된 위상 제어 요소들의 수) 및 서로에 대해 크기가 매칭되는(또는 거의 매칭되는) 결과적인 횡단 빔 크기를 가질 수 있다.In some implementations, the aperture arrangement includes a collection of at least three apertures for use in a coherent LiDAR system, disposed in close proximity. At least one of the apertures is used as a transmit aperture for transmitting light towards a target location, and at least two of the apertures are used as receive apertures for receiving backscattered light originating from that transmit aperture. In a multi-wavelength LiDAR system, there may be different apertures selected as a single transmit aperture for a given center wavelength, and all remaining apertures are selected as receive apertures for that given center wavelength (potentially that center wavelength frequency chirp around). In a LiDAR system using optical phased arrays, as described in more detail below, the receive aperture can steer the collection angle using the optical phased array and the transmit aperture adjust the transmit angle using the optical phased array. can be steered Such optical phased arrays may have an array size (number of individual optically dispersed phase control elements) and a resulting transverse beam size that matches (or nearly matches) one another in size.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 애퍼쳐들이 하나의 차원을 따라 선형적으로 배열되는 예들을 도시하며, 여기서 애퍼쳐 크기는 동일한 정사각형 형상의 애퍼쳐들의 너비로 도시된다(이러한 예들에서 애퍼쳐 높이의 다른 차원은 페이지 안을 향함). N개의 애퍼쳐들의 이러한 유형의 선형 애퍼쳐 배열은 (예를 들어, 애퍼쳐 배열에 사용가능한 직사각형 면적의 긴 변을 따라) 총 사용가능한 공간의 분수로서 1/N 크기의 하나의 전송 애퍼쳐를 사용할 수 있으며, 사용가능한 애퍼쳐 공간의 나머지를 사용가능한 애퍼쳐 공간의 분수로서 크기가 역시 1/N인 N-1개의 애퍼쳐들로 채울 수 있다. 광을 수신하는 데 사용되는 총 사용가능한 애퍼쳐 공간의 백분율은 수신 애퍼쳐들의 수가 증가함에 따라 100%에 접근한다. 도 5a, 도 5b, 및 도 5c에 도시된 바와 같이, N은 2(도 5a)로부터 3(도 5b) 내지 10(도 5c)으로 변하고, 수신 애퍼쳐들의 수가 증가됨에 따라(1로부터 2 내지 9로), 전송 애퍼쳐의 상대적 크기는 감소되고(1/2로부터 1/3 내지 1/10로) 수신 채우기 인수를 나타내는 분수는 증가한다(1/2로부터 2/3 내지 9/10로). 그러나, 전송-수신 비율 또한 감소한다(1로부터 1/2 내지 1/9로). 임의의 주어진 시스템 설계에 대해 최적의 애퍼쳐들의 수가 선택될 수 있도록 수신 채우기 인수와 전송-수신 비율 사이에 트레이드오프가 발생할 수 있다. 예를 들어, 일부 시스템 구현들에서 5 내지 11 사이의 임의의 N의 값은 수용가능한 트레이드오프를 제공할 수 있다. 다른 구현들에서, 더 넓은 범위의 N 값들이 허용될 수 있거나(예를 들어, 4 내지 20 사이), 주어진 허용 오차들에 대한 특정 성능 파라미터들을 최대화하는 N의 값이 있을 수 있다(예를 들어, N = 9). N의 홀수 값으로, 전송 애퍼쳐는 애퍼쳐 배열의 중앙에 위치될 수 있으며, 이는 (예를 들어, 전송 애퍼쳐로부터 가장 멀리 떨어진 수신 애퍼쳐들에 대한 시차 효과(parallax effect)들로 인한 오류들을 줄이기 위해) 일부 구현들에서 바람직할 수 있다. 또한, 유사한 특성들은 전송 애퍼쳐가 여전히 두 차원들 모두에서 중심 근처에 있을 수 있는 정사각형 형상의 사용가능한 애퍼쳐 공간 내의 애퍼쳐들의 2차원 배열에 대해 유지될 것이다. 또한, 다른 예들은 전송 애퍼쳐로서 2개 이상의 애퍼쳐를 사용할 수 있고, 남은 애퍼쳐들은 수신 애퍼쳐들로서 사용되며, 중심 근처가 아닌 위치들에 전송 애퍼쳐(들)를 배치할 수 있다.5A, 5B, and 5C show examples in which apertures are arranged linearly along one dimension, where the aperture size is shown as the width of apertures of the same square shape (in these examples the aperture size is other dimensions of height are towards the inside of the page). This type of linear aperture arrangement of N apertures (e.g., along the long side of the rectangular area available for the aperture arrangement) gives one transmit aperture of
일부 구현들에서, 각각의 수신 애퍼쳐에서 수신되는 광을 검출하는 데 사용되는 간섭성 검출기들은 함께 결합되어 비간섭성 조합("비간섭성 평균화"라고도 불림)을 수행하고, 여기서 간섭성으로 검출된 페이저(phasor)들은 진폭들을 복구하도록 처리되며, 그런 다음 이들의 절대값들 또는 제곱값들은 임의적으로(optionally) 상이한 가중치들을 갖는 조합의 상이한 컴포넌트들로 추가된다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 각각의 수신 애퍼쳐의 간섭성 검출은 서로에 대해 90도로 위상 편이되는 LO의 2개의 버전들을 사용하는 동위상/직교(I/Q) 검출 구성을 사용할 수 있다. 이것은 각도 및 진폭이 있는 (I/Q 공간에서의) 2차원 페이저를 산출한다. 일부 구현들에서, 각각의 수신 애퍼쳐의 간섭성 검출은 시간 영역 신호(예를 들어, 단일 광검출기 또는 평형 검출기들의 쌍으로부터의 광전류)의 (예를 들어, 주파수 영역에서의) 복소수 값 변환을 산출할 수 있으며, 이는 또한 각도 및 진폭이 있는 (복소수 공간에서의) 2차원 페이저를 산출한다. 어느 경우에도, 해당 페이저의 각도는 폐기될 수 있으며 페이저의 진폭은 간섭성 수신기들 각각에 대해 복구될 수 있다. 그런 다음, (N-1)개의 수신기들 각각에 걸쳐, 해당 진폭(페이저의 절대값) 또는 해당 진폭의 제곱은 합산되거나 다른 방식으로 결합될 수 있다. 일부 구현들에서, 합산되는 값들은 상이한 수신 애퍼쳐들에 대해 상이하게 합산에서 가중될 수 있으며, 여기서 가중치들은 다양한 파라미터들(예를 들어, 설계된 타겟 거리)에 의존할 수 있다. 이러한 페이저의 각도의 폐기는 검출 신호의 평균 값이 얼마나 빨리 증가하는지를 희생할 수 있지만, (예를 들어, 더 낮은 표준 편차를 갖는) 더 안정적인 신호를 제공할 수 있다.In some implementations, the coherent detectors used to detect light received at each receive aperture are coupled together to perform incoherent combining (also called "incoherent averaging"), where detecting as coherent. The phased phasors are processed to recover the amplitudes, then their absolute or square values are optionally added to the different components of the combination with different weights. For example, in some implementations, coherent detection of each receive aperture may use an in-phase/quadrature (I/Q) detection scheme that uses two versions of an LO that are phase shifted 90 degrees with respect to each other. . This yields a two-dimensional phasor (in I/Q space) with angle and amplitude. In some implementations, the coherent detection of each receive aperture comprises a complex-valued transformation (eg, in the frequency domain) of a time domain signal (eg, a photocurrent from a single photodetector or pair of balanced detectors). can be computed, which also yields a two-dimensional phasor (in complex space) with angles and amplitudes. In either case, the angle of that phasor can be discarded and the amplitude of the phasor can be recovered for each of the coherent receivers. Then, across each of the (N-1) receivers, the corresponding amplitude (the absolute value of the phasor) or the square of the corresponding amplitude may be summed or otherwise combined. In some implementations, the summed values may be weighted in the summation differently for different receive apertures, where the weights may depend on various parameters (eg, a designed target distance). Discarding this angle of the phasor may sacrifice how quickly the mean value of the detection signal increases, but may provide a more stable signal (eg, with a lower standard deviation).
상대적으로 많은 수의 수신 애퍼쳐들이 있어도, 각각의 수신 애퍼쳐가 비상관 스펙클 실현을 측정하도록 수신 애퍼쳐들의 크기가 충분히 크게 유지되어, 단일 수신 애퍼쳐를 사용하는 모노스태틱 또는 바이스태틱 LiDAR 시스템과 비교하여 LiDAR 수신기들의 스펙클 다이버시티를 증가시킨다. 위에서 언급된 바와 같이, 각각의 수신 애퍼쳐에서 수집되는 광자들의 수의 확률 분포는 지수적이다. 또한, 각각의 간섭성 검출기에서의 노이즈는 지수 분포를 갖는다. 이론에 얽매이지 않고, k개의 공간적 비간섭성 애퍼쳐들의 비간섭성 조합에 대한 하나의 표현은 신호 및 노이즈 모두에 대한 Erlang 분포들로 이어진다.Even with a relatively large number of receive apertures, the size of the receive apertures remains large enough for each receive aperture to measure uncorrelated speckle realization, so that a monostatic or bistatic LiDAR system using a single receive aperture and increases speckle diversity of LiDAR receivers. As mentioned above, the probability distribution of the number of photons collected at each receive aperture is exponential. Also, the noise in each coherence detector has an exponential distribution. Without wishing to be bound by theory, one expression for the incoherent combination of k spatially incoherent apertures leads to Erlang distributions for both signal and noise.
노이즈~Erlang(k, 1)Noise to Erlang(k, 1)
신호~Erlang(k, )Signal ~ Erlang(k, )
따라서, 검출 확률이 높은 경우(즉, 검출된 전력 레벨에 대한 임계값 또는 검출되는 광자들의 수가 높은 경우), 비간섭성 평균화(incoherent averaging)(예를 들어, 복수의 수신 애퍼쳐들과 동일한 크기의 하나의 수신 애퍼쳐를 가짐)가 없으면, 비간섭성 평균화가 있을 때에 비해, 오경보(false alarm)(즉, 신호 광자들보다는 노이즈 광자들로 인해 임계값이 초과됨)의 확률이 더 높다. 그러나, 검출 확률이 낮은 경우, 비간섭성 평균화가 더 높은 오경보 비율을 갖는다. 즉, 오경보 필요조건의 확률이 덜 엄격할 때(즉, 오경보의 더 높은 확률이 허용 가능할 때), 더 적은 스펙클 실현들(더 낮은 스펙클 다이버시티)이 더 좋다. 오경보 필요조건의 확률이 더 엄격할 때(즉, 오경보의 더 낮은 확률이 허용 가능할 때), 더 많은 스펙클 실현들(더 높은 스펙클 다이버시티)이 더 좋다.Thus, when the detection probability is high (i.e., the threshold for the detected power level or the number of detected photons is high), incoherent averaging (e.g., a plurality of receive apertures of the same size as Without one receive aperture), there is a higher probability of a false alarm (ie, the threshold is exceeded due to noise photons rather than signal photons) compared to when there is incoherent averaging. However, when the detection probability is low, incoherent averaging has a higher false alarm rate. That is, when the probability of a false alarm requirement is less stringent (ie, a higher probability of a false alarm is acceptable), fewer speckle realizations (lower speckle diversity) are better. When the probability of a false alarm requirement is stricter (ie, a lower probability of a false alarm is acceptable), more speckle realizations (higher speckle diversity) are better.
멀티-스태틱 애퍼쳐 구성에 의해 가능하게 되는 또 다른 유용한 특징은, 원거리 장 동작에 필요한 프라운호퍼(Fraunhofer) 거리가 더 작은 애퍼쳐들에 대해 더 빨리 도달됨에 따라 LiDAR 시스템의 혼합 효율이 단거리들에서 개선될 수 있다는 것이다. 다른 시스템들에서는, 가정된 타겟 거리보다 짧은 거리들에 있는 물체들의 경우, 원거리 장 프라운호퍼 거리는 도달되지 않았을 수 있다. 그러나, 일부 멀티-스태틱 LiDAR 시스템들에서와 같이 애퍼쳐 크기가 더 작을 때, 더 짧은 거리에 있는 물체는 여전히 원거리 장에서 고려될 수 있으며, 일부 이점들은 여전히 적용할 수 있다.Another useful feature enabled by the multi-static aperture configuration is that the mixing efficiency of the LiDAR system will be improved at short distances as the Fraunhofer distance required for far field operation is reached faster for smaller apertures. that it can In other systems, for objects at distances shorter than the assumed target distance, the far-field Fraunhofer distance may not have been reached. However, when the aperture size is smaller, as in some multi-static LiDAR systems, an object at a shorter distance can still be considered in the far field, and some advantages are still applicable.
또한, 개개의 수신 애퍼쳐들 및 각각의 수신 애퍼쳐 내에서 사용되는 광학 요소들(예를 들어, OPA들)에 대해 다양한 최적화들이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 각각의 수신 애퍼쳐에 대한 수집 각도는 독립적으로 기울여질 수 있다. 또한, 각각의 수신 애퍼쳐에 의해 수집되는 광은 상이한 범위에서의 성능을 최적화하기 위해 포커싱될 수 있다.In addition, various optimizations may be made for the individual receive apertures and the optical elements (eg, OPAs) used within each receive aperture. For example, the collection angle for each receive aperture can be tilted independently. In addition, the light collected by each receive aperture can be focused to optimize performance at different ranges.
도 6은 멀티-스태틱 애퍼쳐 구성(600)을 사용하는 LiDAR 시스템의 예를 도시한다. 전송 애퍼쳐(611)로부터의 주어진 송신 각도(601)에 대해, 수신 애퍼쳐(612) 내로의 제1 수집 각도(602) 및 수신 애퍼쳐(613) 내로의 제2 수집 각도(603)는 독립적으로 기울여질 수 있다. 레이저(10) 광으로부터 간섭성 수신기들(20A, 20B)의 검출기들 내로의 잠재적인 간섭은 (바이스태틱 구성들에서와 같이) 송신 및 수신을 위한 별도의 애퍼쳐들을 사용함으로써 감소된다. 각각의 애퍼쳐가 OPA를 사용하는 경우, 각각의 OPA의 (예를 들어, 상이한 각도들을 제어하기 위해 위상 조종 및 파장 조종을 사용하는) 기울기 및 (예를 들어, 위상들도 사용하는) 포커스는, LiDAR가 가장 높은 혼합 효율을 갖는 범위를 조정하기 위해 즉석에서 조정될 수 있다.6 shows an example of a LiDAR system using a
간섭성 LiDAR 시스템을 위한 멀티-스태틱 애퍼쳐 구성의 또 다른 예가 도 7a에 도시되어 있다. 이 예에서, 레이저(10)는 (예를 들어, 송신 파장에 대응하는 피크 주파수에 선형 처프(chirp)를 부과하는 FMCW 변조를 사용하여) 변조기(702)에 의해 변조된 이후에 전송 애퍼쳐를 통해 전송(Tx) OPA로부터 송신되는 광파를 제공한다. 서로에 대해 근접하게 배열되는 각각의 애퍼쳐들 내의 OPA들(703)의 그룹은 Rx OPA들을 포함하는 수신 애퍼쳐들에 도달하는 수집 광파의 상이한 수신 부분들을 제공하는 8개의 수신(Rx) OPA들을 포함한다. LO(30)는 수집 광파의 수신 부분들 각각과 결합되고, 결과적인 결합 광파들은 검출기들(704)에 의해 간섭성으로 검출된다. 검출기들(704)은, 예를 들어, 2개의 광검출기들에 의해 생성되는 광전류들 사이의 차이인 출력 전류를 산출하기 위해 연결되는 광검출기들을 사용하는 평형 검출, 및/또는 피크 주파수에 대한 주파수 편이를 LO(30)에 부과하는 호모다인 검출을 사용하여 구현될 수 있다. 그런 다음, 검출기들(704)에 의해 제공되는 결과적인 전기 신호들은 진폭을 복구하고 위상 각을 폐기하기 위한 처리가 디지털 방식으로 수행될 수 있는 아날로그-디지털(A/D) 변환을 사용하는 처리를 포함하는 처리 모듈들(706)에서 처리될 수 있다. 또한, 이러한 복구된 진폭들(또는 진폭들의 제곱들)은 진폭 제어 모듈들(708)을 사용하여 가중될 수 있다. 그런 다음, 이러한 잠재적으로 가중된 진폭들은 본 명세서에 설명되는 비간섭성 평균화를 수행하도록 구성되는 회로(710)를 사용하여 결합된다.Another example of a multi-static aperture configuration for a coherent LiDAR system is shown in FIG. 7A . In this example,
도 7b는 전송 애퍼쳐로부터 변조 광파(718)를 송신하기 위한 변조기(717)에 결합되는 레이저(10), 및 다른 수신 애퍼쳐들 및 대응하는 검출기들을 포함한 다른 요소들을 포함하는 LiDAR 시스템(716)과 관련하여, 수신 애퍼쳐에서 수신되는 광파(714)를 검출하기 위한 검출기(704)의 예를 도시한다. 검출기(704)는 들어오는 로컬 발진기 광파 LO_1의 위상 편이된 버전 LO_2를 제공하기 위한 90도 위상 편이기(720)를 포함한다. 50/50 분할기들의 세트(721)는 I/Q 검출을 수행하기 위해 광파(714)를 LO의 상이한 버전들과 결합할 수 있다. 검출기(704)는 평형 검출 배열에서 감산될 수 있는 광전류들의 대응하는 쌍에 기초하여 동위상(I) 신호를 검출하기 위한 제1 쌍의 광검출기들(722A, 722B), 및 평형 검출 배열에서 감산될 수 있는 광전류들의 대응하는 쌍에 기초하여 직교(Q) 신호를 검출하기 위한 제2 쌍의 광검출기들(724A, 724B)을 포함한다. 4개의 이러한 광전류들 전체로부터, 처리 모듈(726)은 광파(714)와 연관된 위상 각 및 진폭을 추출할 수 있다. 검출기(704)의 다른 구현들 또한 가능하다.7B shows a
도 8은 송신(Tx) OPA(802) 및 2개의 수신(Rx) OPA들(804, 806)을 위한 빔 조종 및 포커싱 배열 및 광학 결합기들을 도시하는 간섭성 LiDAR 시스템(800)을 위한 멀티-스태틱 애퍼쳐 구성의 부분의 예를 도시한다. 조종은 극좌표 시스템의 횡방향(예를 들어, 극 및 방위각)의 각도 방향들을 따라 수행될 수 있으며, 하나의 각도 방향의 조종은 위상 편이기들(808)에 의해 수행되고 다른 각도 방향의 조종은 (도 8에 도시된 바와 같이) 파장에 의해 수행된다. 위상 제어 각도 방향에서의 Tx OPA(802)에 대한 송신 각도 및 Rx OPA들(804, 806)에 대한 수집 각도들의 조정은 위상 편이기들(808)에 의해 부과되는 위상들이 신속하게 튜닝될 수 있기 때문에 동적으로 수행될 수 있다. Tx OPA(802)에 의해 송신되는 광 빔은 위상 편이기들(808)에 의해 그것에 부과되는 비선형 위상 프론트를 가질 수 있다. 또한, 이러한 동적으로 조정된 위상 프론트는 Rx OPA들(804, 806)의 포커스 깊이를 튜닝할 수 있다. 또한, 세로 방향에서, 위상 어레이들은 미리 결정되거나 동적으로 조정된 방향들로 조종할 수 있지만 이러한 방식으로 격자들을 튜닝하는 것은 더 도전적이거나 더 많은 파워를 소비하는 것일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 복수의 수신 애퍼쳐들을 갖는 것은 설계자가 상황에 따라 필요하게 되는 상이한 거리들에서의 물체들을 검출하기 위해 시스템을 최적화하도록 허용한다.8 is a multi-static for a
도 9는 송신 OPA(904)로부터 객체(902)로의 송신 경로 및 객체(902)로부터 수신 OPA들(906A, 906B, 906C, 906D)로의 결과적인 수집 경로들을 도시하는 간섭성 LiDAR 시스템(900)에 대한 멀티-스태틱 애퍼쳐 구성의 부분의 예를 도시한다. 경로들은 OPA들을 포함하는 애퍼쳐들이 그를 따라 배열되는 축에 평행한 평면 내에서 펼쳐진다. 이 예에서, 이 평면은 위상 제어 각도 방향이 조종되는 동일한 평면이다. 이러한 경로들은 이 예에서 특정 수렴 거리(908)에서의 타겟 물체(902)를 타격하는 것으로 도시되는 특정 타겟 위치에 정렬되도록 집합적으로서 구성될 수 있다. 또한, OPA들은 가정된 수렴 거리(908)에 따라 포커싱될 수 있다.9 is a
일부 구현들에서, 애퍼쳐 배열 내의 애퍼쳐들은 (그에 대해 주파수 변조 및/또는 주파수 조종이 적용될 수 있는) 상이한 중심 파장들에 대해 다중화될 수 있다. 이러한 방식으로, 멀티-스태틱 애퍼쳐 구성의 파장 분할 다중화(WDM) 버전은 애퍼쳐들의 상이한 조합들을 상이한 중심 파장들에 대한 전송 애퍼쳐 및 대응하는 수신 애퍼쳐들로서 할당할 수 있다. 따라서, 상이한 중심 파장들을 사용하는 광파들(및 결과적인 신호들) 사이에 강한 격리(예를 들어, 낮은 유출)가 있도록, 각각의 파장 대역의 중심 파장들은 그것들 사이에 적절한 보호 대역들을 갖고서 충분히 멀리 떨어져 있기 때문에, 임의의 주어진 중심 파장에 대한 동작은 위에서 설명된 동작 특성을 달성할 수 있다.In some implementations, apertures in the aperture arrangement may be multiplexed for different center wavelengths to which frequency modulation and/or frequency steering may be applied. In this way, the wavelength division multiplexing (WDM) version of the multi-static aperture configuration can assign different combinations of apertures as transmit aperture and corresponding receive apertures for different center wavelengths. Thus, the center wavelengths of each wavelength band are sufficiently far apart with appropriate guard bands between them so that there is strong isolation (eg, low emission) between light waves (and resulting signals) using different center wavelengths. Since they are spaced apart, operation for any given central wavelength can achieve the operating characteristics described above.
도 10은 각각의 애퍼쳐가 하나 이상의 파장 대역들의 세트를 송신하고 모든 다른 파장 대역들을 수신하는 멀티-스태틱 애퍼쳐 구성(1000)의 WDM 버전의 예를 도시한다. 이 예에서, 4개의 파장 대역들이 있고, 제1 대역은 1500nm 내지 1525nm, 제2 대역은 1525nm 내지 1550nm, 제3 대역은 1550nm 내지 1575nm, 제4 대역은 1575nm 내지 1600nm이다. 각각의 대역의 끝 부분들 중 적절한 부분은 보호 대역들로 사용될 수 있다. 일부 애퍼쳐들은 WDM 결합기를 사용하여 송신을 위한 상이한 각각의 스펙트럼 대역들(또는 "파장 대역들") 내에서 광파의 복수의 스펙트럼 컴포넌트들(또는 "파장들")을 결합할 수 있다. 예를 들어, 애퍼쳐(1001)는 WDM 결합기(1010)를 사용하여 제1 및 제3 파장 대역들을 결합하고, 애퍼쳐들(1002 및 1003) 각각은 하나의 파장 대역(각각 제2 및 제4 대역)만을 송신하므로, WDM 결합기를 사용하지 않는다. 이 예에서의 광학 경로들은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 특정 파장 대역들 내에서 특정 파장들을 수신하기 위한 지향성 파장 필터들로서 마이크로링 공진기들을 포함한다. 대안적으로, 임의의 다른 파장 필터들은 수신 경로 상에서 사용되어 해당 애퍼쳐에 대해 송신되지 않는 파장들을 선택할 수 있다.10 shows an example of a WDM version of a
멀티-스태틱 간섭성 LiDAR 시스템의 일부 구현들은 WDM에 의해 제공되는 다이버시티에 더하여 또는 그에 대신하여, 상이한 특성을 갖는 상이한 광파들을 사용함으로써 다른 형태들의 다이버시티를 사용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상이한 타임 슬롯들 내의 시분할 다중화가 사용될 수 있고, 편광 다이버시티는 직교 편광들을 사용함으로써 제공될 수 있고, 애퍼쳐의 면적을 제2 차원을 따른 상이한 세트들의 애퍼쳐들을 위해 전송하고 수신하는 데 사용되는 제1 차원을 따른 상이한 영역들로 분할함으로써 공간 다이버시티가 사용될 수 있다.Some implementations of a multi-static coherent LiDAR system may be configured to use other forms of diversity by using different light waves with different characteristics in addition to or instead of the diversity provided by WDM. For example, time division multiplexing within different time slots may be used, polarization diversity may be provided by using orthogonal polarizations, and the area of an aperture transmits and receives for different sets of apertures along the second dimension. Spatial diversity may be used by partitioning into different regions along a first dimension used to
도 1 및 도 2를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 간섭성 LiDAR를 위한 일부 시스템들은 단일 애퍼쳐를 사용하여 광을 송신하고 수신하고(모노스태틱), 일부 시스템들은 2개의 애퍼쳐들을 아주 근접하게 사용한다 - 하나는 송신하기 위한 것이고, 하나는 수신하기 위한 것이다(바이스태틱). 대신에, 각각의 애퍼쳐의 크기가 동일하게 유지된다면, 3개 이상의 애퍼쳐들을 사용함으로써, 바이스태틱 시스템의 높은 격리를 유지하면서 모노스태틱 시스템의 높은 애퍼쳐 이용을 달성하는 것이 가능하다. 또한, (예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같은) 멀티스태틱 광학 위상 어레이 구성은 시스템에 (검출의 확률을 증가시키는) 스펙클 다이버시티를 제공하고 원거리 장에서 각도 갭들을 줄이거나 제거한다.As described above with reference to FIGS. 1 and 2 , some systems for coherent LiDAR use a single aperture to transmit and receive light (monostatic), and some systems close the two apertures in close proximity. Use - one for transmitting and one for receiving (bistatic). Instead, by using three or more apertures, it is possible to achieve high aperture utilization of the monostatic system while maintaining the high isolation of the bistatic system, provided that the size of each aperture remains the same. In addition, a multistatic optical phased array configuration (eg, as shown in FIG. 6 ) provides the system with speckle diversity (which increases the probability of detection) and reduces or eliminates angular gaps in the far field.
분산 안테나 요소들을 사용하는 광학 위상 어레이들의 경우, 하나의 축에서의 조종은 (예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이) 소스의 파장을 변경함으로써 달성된다. LiDAR가 이러한 광학 위상 어레이 주위에 구축되는 것을 가능하게 하는 높은 파워의 광범위하게 튜닝 가능한 레이저 소스는, (1) 사용 가능한 레이저 이득 매질의 제한된 스펙트럼 범위, (2) 실리콘 도파관들의 비선형 손실들, 및 (3) 반도체 광학 증폭기들의 달성 가능한 포화 출력 파워로 인해 실리콘 포토닉스(photonics)에 대한 도전이 될 수 있다. 멀티스태틱 애퍼쳐 구성으로 송신 및 수신 모듈들 상에 파장 분할 다중화기를 결합하는 것은, 예를 들어, 아마도 임의의 하나의 도파관으로 파워를 감소시키고, 임의의 하나의 레이저 선의 스펙트럼 커버리지 필요조건을 감소시키고, 임의의 하나의 레이저 선에서 필요한 출력 파워를 감소시킴으로써, LiDAR의 복잡성을 감소시킨다.For optical phased arrays using distributed antenna elements, steering in one axis is achieved by changing the wavelength of the source (eg, as shown in FIG. 8 ). The high power, widely tunable laser source that enables LiDAR to be built around such an optical phased array is (1) limited spectral range of usable laser gain medium, (2) nonlinear losses of silicon waveguides, and ( 3) Can be a challenge for silicon photonics due to the achievable saturated output power of semiconductor optical amplifiers. Combining a wavelength division multiplexer on the transmit and receive modules in a multistatic aperture configuration, for example, reduces the power, perhaps to any one waveguide, and reduces the spectral coverage requirement of any one laser line and , reducing the complexity of the LiDAR by reducing the required output power in any one laser line.
WDM 시스템의 남은 과제는 낮은 손실로 파장 대역의 높은(예를 들어, 거의 100%) 커버리지를 달성하는 것이다. 전형적인 WDM 시스템의 2개의 대역들 사이의 전이 영역에서는, 2개의 서브 대역들 사이에 손실 페널티가 있다. 멀티스태틱 시스템의 상이한 서브 애퍼쳐들로부터 상이한 파장들을 송신함으로써, 이 전이 영역은 크게 감소되거나 완전히 제거되어, 송신 시에 각도 갭들을 감소시키거나 제거한다. 수신 시에, 각도 갭들 또한 제거될 수 있다. 좁은 대역 시변 파장 분할 다중화기는 수신 및 송신 채널들 사이의 높은 격리를 허용하고 로컬 발진기에 고정될(locked) 수 있다.A remaining challenge for WDM systems is to achieve high (eg nearly 100%) coverage of a wavelength band with low losses. In the transition region between the two bands of a typical WDM system, there is a loss penalty between the two subbands. By transmitting different wavelengths from different sub-apertures of the multistatic system, this transition region is greatly reduced or completely eliminated, reducing or eliminating angular gaps in transmission. Upon reception, angular gaps may also be eliminated. The narrow band time-varying wavelength division multiplexer allows high isolation between the receive and transmit channels and can be locked to the local oscillator.
멀티스태틱 애퍼쳐 구성을 갖는 시스템에서, 타겟으로부터 반사되는 스펙클 복귀들의 존재 하에, 이러한 서브 애퍼쳐들 각각은 독립적인 스펙클 실현을 측정하고, 수신기의 스펙클 다이버시티를 증가시키고 따라서 시스템의 검출의 확률을 증가시키기 위해 비간섭성으로 결합될 수 있다. 도 7a의 예에서, 수신기 면적은 시스템의 총 애퍼쳐 면적의 89%이며, 이는 바이스태틱 시스템에 대해 수신 면적에서 2.5dB 증가를 제공하거나 모노스태틱 시스템과 비교하여 -0.5dB 페널티만을 제공한다.In a system with a multistatic aperture configuration, in the presence of speckle returns reflected from the target, each of these sub-apertures measures an independent speckle realization, increasing the speckle diversity of the receiver and thus of the detection of the system. They can be combined non-coherently to increase the probability. In the example of FIG. 7A, the receiver area is 89% of the total aperture area of the system, which provides a 2.5 dB increase in receive area for a bistatic system or only a -0.5 dB penalty compared to a monostatic system.
본 명세서에 설명된 것들과 같은 구성들은 (1) 수신기의 스펙클 다이버시티를 증가시키는 것; (2) (예를 들어, WDM 사용하여) 총 애퍼쳐 면적에 대해 수신기의 부분적인 이용(fractional utilization)을 증가시키는 것; (3) 스팟 크기를 증가시킴으로써 원거리 장의 시스템의 각도 갭들의 크기를 감소시키는 것(아래의 스펙트럼 커버리지 섹션에서 논의됨); (4) 애퍼쳐들을 분할함으로써 송신과 수신 사이의 높은 격리를 유지하는 것을 포함한 다양한 목적들 중 임의의 것을 수행할 수 있다.Configurations, such as those described herein, are capable of (1) increasing the speckle diversity of a receiver; (2) increasing the fractional utilization of the receiver relative to the total aperture area (eg, using WDM); (3) reducing the size of the angular gaps of the far-field system by increasing the spot size (discussed in the Spectral Coverage section below); (4) It can serve any of a variety of purposes, including maintaining high isolation between transmit and receive by splitting the apertures.
위에서 언급된 바와 같이, WDM은 2개 이상의 애퍼쳐를 이용하고 각각의 애퍼쳐를 총 광학 스펙트럼의 상이한 부분을 커버하는 상이한 소스(예를 들어, 상이한 레이저들 또는 동일한 레이저의 상이한 선들)에 연결함으로써 시야와 레이저의 스펙트럼 커버리지를 개선시키기 위한 하나의 기술이다.As mentioned above, WDM uses two or more apertures and connects each aperture to a different source (eg, different lasers or different lines of the same laser) that covers a different portion of the total optical spectrum. It is one technique for improving the field of view and spectral coverage of the laser.
다음은 송신 체제에서 이용되는 적어도 2개의 애퍼쳐들을 갖는 상이한 애퍼쳐들로부터 상이한 파장 대역들의 광을 송신하는 광학 위상 어레이 LiDAR 또는 다른 레이저 시스템을 갖는 광자 칩(photonic chip)의 추가 예들이다. 도 11a 및 도 11b는 다음 중 하나 이상을 포함한 다양한 이점들을 제공할 수 있는 이러한 구조(1100)의 예를 도시한다: (1) 개개의 도파관 파워를 낮게 유지하면서 시스템의 총 방출 파워를 증가시키는 것, (2) 방출 강도를 낮추고 눈 안전을 돕기 위해 방출 파워를 분배하는 것(총 방출 파워가 동일한 경우), 및 (3) 파장 커버리지를 증가시킴으로써 OPA의 시야를 증가시키는 것.The following are further examples of a photonic chip with an optical phased array LiDAR or other laser system that transmits light of different wavelength bands from different apertures with at least two apertures used in the transmission regime. 11A and 11B illustrate examples of such a
수신 동작은 하나 이상의 애퍼쳐에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 하나의 파장()은 하나의 애퍼쳐(1101)가 다른 파장()을 수신하는 동안 레이저 1로부터 동일한 애퍼쳐(1101)를 통해 보내질 수 있고, 해당 다른 파장은 또 다른 애퍼쳐(1102)가 제1 파장()을 수신하는 동안 레이저 2로부터 동일한 애퍼쳐(1102)를 통해 보내질 수 있다. 이 접근법은, 사용가능한 애퍼쳐 전체가 상이한 파장들에서라도 광을 능동적으로 전송하고 수신하기 때문에, 면적 사용을 최적화한다. 도 11a는 상이한 레이저들로부터의 2개의 파장들의 상이한 튜닝 범위들의 예를 도시한다. 도 11b에서 보여질 수 있는 바와 같이, 하나의 애퍼쳐로부터 전송된 광은 물체로부터 후방산란하고 다른 애퍼쳐에서 수신되며, 이는 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 혼신(crosstalk)을 감소시킨다.The receive operation may be performed on one or more apertures. For example, one wavelength ( ) indicates that one
도 11c는 구조(1100)에서 파장 다중화에 사용될 수 있는 2개의 WDM 다중화기 컴포넌트들(WDM1 및 WDM2)의 예를 도시한다. 이러한 컴포넌트들은, 추가/드롭 다중화기 구성에서 컴포넌트 WDM1이 에서 송신, 에서 수신하고, 컴포넌트 WDM2가 에서 송신, 에서 수신하는 방식으로 구성된다.11C shows an example of two WDM multiplexer components (WDM1 and WDM2) that may be used for wavelength multiplexing in
전형적으로, 결합 컴포넌트들 WDM1 및 WDM2 및 다른 파장 의존 필터들과 같은 WDM 컴포넌트들의 스펙트럼 응답이 반드시 이상적인 박스형 형상을 가질 필요는 없다. 따라서, 도 11d에 도시된 WDM 컴포넌트들 WDM1 및 WDM2의 인접한 교대하는 스펙트럼 응답들 사이에 면적이 있으며, 여기서는 (파장의 함수로서 높은 송신(T)의 음영 영역들 사이에서) 손실 및 혼신 비율이 더 높다. 도 12a에서 보여질 수 있는 바와 같이, 애퍼쳐들 각각을 구동하는 레이저들은 음영 영역들에 도시된 각각의 레이저 스위프(sweep) 범위들(1201 및 1202)에 걸쳐 스캐닝될 수 있다. 레이저들의 스위프 범위들("스캐닝 범위들"이라고도 함)은 오버랩할 수 있거나, 도 12a에 도시된 바와 같이 오버랩 없이 인접하도록 정렬될 수 있다. 2개의 WDM 컴포넌트들의 송신 포트(즉, 드롭 포트)에 대한 드롭 응답들은, 송신 손실이 없거나 거의 없도록 레이저들의 레이저 스위프 범위들(1201 및 1202)에 걸쳐 높은 파워(약 0dB)를 갖는 곡선들로 도시된다. 2개의 WDM 컴포넌트들의 수신 포트(즉, 관통 포트)에 대한 관통 응답들은 레이저 스위프 범위들(1201 및 1202)에 걸쳐 낮은 파워를 갖는 곡선들로 도시된다. WDM1 컴포넌트 및 WDM2 컴포넌트 각각에 대한 관통/수신 응답들(1203 및 1204)만을 도시하는 도 12b에 보여질 수 있는 바와 같이, 2개의 레이저들의 스위프 범위가 완벽하게 정렬되더라도, 수신 파워 레벨에서 WDM 스펙트럼 응답들이 낮기 때문에(-3dB 미만) 적절한 수신 커버리지가 없는 데드 영역(1205)이 여전히 있다.Typically, the spectral response of WDM components, such as coupling components WDM1 and WDM2 and other wavelength dependent filters, does not necessarily have to have an ideal box-shaped shape. Thus, there is an area between the adjacent alternating spectral responses of the WDM components WDM1 and WDM2 shown in FIG. high. As can be seen in FIG. 12A , the lasers driving each of the apertures may be scanned over respective laser sweep ranges 1201 and 1202 shown in the shaded areas. The sweep ranges of the lasers (also referred to as “scanning ranges”) may overlap, or may be arranged adjacent to each other without overlap as shown in FIG. 12A . The drop responses for the transmit port (ie, drop port) of the two WDM components are shown as curves with high power (about 0 dB) over the laser sweep ranges 1201 and 1202 of the lasers with little or no transmission loss. do. The penetration responses for the receive port (ie, the penetration port) of the two WDM components are shown as curves with low power over the laser sweep ranges 1201 and 1202 . The WDM spectral response at the receive power level, even though the sweep ranges of the two lasers are perfectly aligned, as can be seen in FIG. There is still a dead area 1205 that does not have adequate receive coverage because the values are low (less than -3 dB).
도 13에서 보여질 수 있는 바와 같이, WDM 컴포넌트들의 스펙트럼 응답들의 -3dB 파워 감소 레벨들로 확장되는 더 넓은 음영 영역들을 가로질러 애퍼쳐들 각각의 레이저가 스위핑되면, 실제 높은 손실의 데드 영역들은 없지만, 레이저 광은 송신에서 최대 3dB의 파워 감소를 경험할 수 있고 수신에서 최대 3dB의 파워 감소를 경험할 수 있다.As can be seen in FIG. 13 , when the laser of each of the apertures is swept across wider shaded areas that extend to -3dB power reduction levels of the spectral responses of the WDM components, there are practically no high-loss dead areas, Laser light can experience a power reduction of up to 3 dB at transmit and up to 3 dB at receive.
높은 손실의 보호 대역 데드 영역들을 완화하기 위한 하나의 기술은 애퍼쳐들의 수를 증가시키기 위한 것이며, 시스템의 하나의 부분에서 애퍼쳐들/수신기들에 의해 커버되지 않는 파장 범위들이 시스템의 하나 이상의 다른 애퍼쳐들/수신기들에 의해 처리된다는 것을 보장한다.One technique for mitigating high loss guard band dead regions is to increase the number of apertures, in which wavelength ranges not covered by apertures/receivers in one part of the system are not covered by one or more other apertures of the system. It is guaranteed to be processed by the listeners/receivers.
예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이, 스펙트럼 응답들의 편이들을 갖는 3개의 WDM 컴포넌트들은 파장들 전체가 상대적으로 높은 송신 파워 레벨들(음영 영역들에 걸쳐 도시됨)에서 커버되는 시스템을 생성할 수 있으며, 각각의 레이저는 상대적으로 높은 수신 파워 레벨에서 한 번에 적어도 하나의 애퍼쳐/수신기에 의해 검출된다. 그럼에도 불구하고, 특정 파장들에서 라이더 총 면적의 3분의 1만이 특정 채널을 검출하기 때문에 이러한 시스템들은 여전히 공간 효율성의 부족으로 어려움을 겪을 수 있다.For example, as shown in FIG. 14 , three WDM components with shifts in spectral responses would create a system in which all wavelengths are covered at relatively high transmit power levels (shown across shaded regions). wherein each laser is detected by at least one aperture/receiver at a time at a relatively high receive power level. Nevertheless, these systems may still suffer from a lack of space efficiency, as only a third of the total area of the lidar at certain wavelengths detects a particular channel.
본 명세서에 개시된 기술들의 일부 구현들에서, 수신 회로는 수신되는 대응하는 송신 파장으로 고정되는 튜닝 가능한 WDM 컴포넌트(예를 들어, 튜닝 가능한 필터)를 포함한다. 이 문제를 달성하기 위한 하나의 방법은 송신 광만이 WMD 다중화기들(예를 들어, 고정 WDM 다중화기들)을 통과하도록 하고 WDM 다중화기들에 도달하기 전에 수신 광이 검출되는 것이다.In some implementations of the techniques disclosed herein, the receive circuitry includes a tunable WDM component (eg, a tunable filter) that is fixed to a corresponding transmit wavelength being received. One way to achieve this problem is to have only the transmit light pass through WMD multiplexers (eg, fixed WDM multiplexers) and the receive light is detected before reaching the WDM multiplexers.
예를 들어, 시스템에 대한 일반적인 예시 송신 및 수신 WDM 아키텍처는 적어도 2개의 애퍼쳐들을 포함하고, 하나 이상의 해당 애퍼쳐들 각각의 하나 이상의 파장 대역(들)의 세트에서 광을 송신한다. 또한, 각각의 애퍼쳐는 해당 애퍼쳐에 대한 송신 대역(들)에 상보적인 파장 대역(들)의 세트에서 광을 수신하도록 구성된다. 이러한 아키텍처는, 예를 들어 이점들을 달성하기 위해 LiDAR 시스템을 구성하는 데 사용될 수 있고, 이는 스펙클 다이버시티 수신기, 높은 애퍼쳐 채우기 인수, 넓은 시야, 낮은 손실, 및/또는 시야 커버리지 갭의 부재를 포함할 수 있다.For example, a typical example transmit and receive WDM architecture for a system includes at least two apertures and transmits light in a set of one or more wavelength band(s) in each of the one or more corresponding apertures. Further, each aperture is configured to receive light in a set of wavelength band(s) that are complementary to the transmit band(s) for that aperture. Such an architecture may be used, for example, to construct a LiDAR system to achieve advantages, which may include a speckle diversity receiver, high aperture fill factor, wide field of view, low loss, and/or absence of a field of view coverage gap. may include
이러한 아키텍처는, 예를 들어, 복수의 레이저 선들을 단일 광학 위상 어레이 애퍼쳐로 결합하기 위해 송신 시 파장 분할 다중화를 사용하는 광학 위상 어레이 LiDAR 시스템을 제공하기 위해 실리콘 광자 칩 상에서 구현될 수 있다.Such an architecture may be implemented, for example, on a silicon photonic chip to provide an optical phased array LiDAR system that uses wavelength division multiplexing in transmission to couple a plurality of laser lines into a single optical phased array aperture.
일부 구현들에서, 튜닝 가능한 파장 분할 다중화 광학 회로는 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 로컬 발진기의 파장 상에 수신 회로를 고정하기 위해, 튜닝 가능한 광자 링 및 광 검출기들을 사용하도록 구성될 수 있다.In some implementations, the tunable wavelength division multiplexing optical circuit can be configured to use a tunable photon ring and photo detectors to lock the receive circuit on the wavelength of a local oscillator as described in more detail below.
도 10에 도시된 예의 일반화로서, 도 15는 각각의 애퍼쳐가 파장 대역들의 세트를 송신하고 모든 다른 파장 대역들을 수신하는 방식으로 배열되는 구성(1500)을 도시한다. 각각의 파장 대역은 하나의 애퍼쳐에서 (송신 대역으로서) 송신하는 데 사용되고, 또 다른 애퍼쳐에서 (수신 대역으로서) 수신하는 데 사용될 수 있는 채널을 정의한다. WDM 다중화기들로부터의 송신의 손실을 피하기 위해, (Tx1 및 Tx3와 같은) 송신 대역들 각각은 보호 대역으로서 적어도 하나의 채널에 의해 분리된다. 수신 대역들은 다른 애퍼쳐들로부터 전송된 송신 레이저의 파장을 따르도록 튜닝된다. 예를 들어, 도 15에서, 최상부의 애퍼쳐는 (Tx1, Tx3, ...)를 송신하고 (Rx2, Rx4, ...)를 수신한다. 애퍼쳐 1에서 수신되는 채널들은 동일한 애퍼쳐로부터 송신되지 않고, 튜닝 가능한 WDM(필터 뱅크) 응답은 다른 애퍼쳐들로부터 방출되는 (Tx2, Tx4, ...)의 파장들을 따른다. (특정 채널/파장 대역에 대한) 단 하나의 파장만이 각각의 애퍼쳐로부터 송신되면, 모든 다른 채널들은 동일한 애퍼쳐로부터 수신될 수 있고, 해당 애퍼쳐에 대한 광학 시스템의 송신 부분(즉, 송신기 서브시스템)에 있는 어느 WDM 다중화기도 필요하지 않다. 예를 들어, 도 10에 보여질 수 있는 바와 같이, 시스템이 제1 애퍼쳐(1001)로부터 (1500-1525nm 범위의) 을 송신하도록 구성된다면, 동일한 애퍼쳐(1001)로부터 송신되는 파장들의 제2 범위는 이 범위로부터의 소정의 파장 분리를 가져야 한다(예를 들어, 는 1550-1575nm 범위에 있다). 따라서, 제1 애퍼쳐에서 이용되는 WDM 결합기(1010)(예를 들어, 고정 WDM 다중화기)는 , 범위들 중 어느 하나의 송신 파워에도 영향을 주지 않고 (1525-1550nm 범위의, 이 애퍼쳐에 대한 보호 대역 역할을 하는) 에서 손실 응답을 가질 수 있다. 이 예의 제4 파장 범위는 1575-1600nm 범위의 에 대응한다. 이러한 파장 범위들은 예들로 주어지며 실제 파장 범위들은 응용 및 설계 제한들에 적합한 것일 수 있다는 것에 주목해야 한다.As a generalization of the example shown in FIG. 10 , FIG. 15 shows a
도 10에 도시된 예에서, 모든 애퍼쳐들이 송신 채널들을 위한 애퍼쳐(1001)(또는 다른 고정 WDM 다중화기)에 사용되는 결합기(1010)와 같은 WDM 결합기를 필요로 하는 것은 아니다. 예를 들어, 애퍼쳐들(1002 및 1003) 각각은 하나의 채널만을 송신하므로 고정 WDM 다중화기를 필요로 하지 않는다. 마이크로링들(또는 임의의 다른 튜닝 가능한 파장 드롭 필터들)은 광학 시스템의 수신 부분(즉, 수신기 서브시스템)의 수신 경로들 상에서 사용되어 해당 애퍼쳐로부터 송신되지 않는 파장들을 선택할 수 있다. 검사자(examiner)에게는, 튜닝 가능한 필터로 사용되는 마이크로링의 경우, 높은 송신 피크들 사이의 파장 거리에 대응하는 자유 스펙트럼 범위(FSR)는 각각의 파장 대역(예를 들어, 위에서 주어진 예시 파장 대역들의 경우 적어도 25nm)에 걸쳐 있기에 충분히 크게 선택될 수 있다. 특정 애퍼쳐로부터 송신되는 특정 채널의 광을, 동일한 애퍼쳐에서 수집되는 동일한 채널의 광으로부터 수신하려고 시도하지 않는 잠재적인 이유들은 다음을 포함한다: 1) 송신 광은 보통 수집 광보다 몇십 배 더 강하고, 필터를 송신되는 파장에 튜닝하는 것은 필터를 손상시키거나 광학 응답에서 비선형성들을 야기할 수 있다; 2) 수신 필터가 복귀 경로의 특정 파장을 픽업하면, 송신 경로의 동일한 파장에 영향을 미치고 송신에 원치 않는 손실을 유도한다; 3) 송신 광은 훨씬 더 강하고, 애퍼쳐로부터의 임의의 후방 산란은 동일한 파장에서의 수신 광을 지배한다.In the example shown in FIG. 10, not all apertures require a WDM combiner, such as
잠재적인 기술적 문제는 수신 튜닝 가능한 WDM 컴포넌트들(예를 들어, 튜닝 가능한 필터들)은 다른 애퍼쳐들로부터의 송신 파장들에 동기적으로 튜닝(예를 들어, 고정)되어야 한다는 것이다. 일부 구현들은 송신 광으로부터 생성되는 로컬 발진기 광을 튜닝을 위한 참조로 사용하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 16a 및 도 16b를 참조하면, 특정 애퍼쳐에 대한 WDM 시스템(1600)(도 16a)은 레이저 스위프 범위 SR2(1525-1550nm) 및 레이저 스위프 범위 SR4(1575-1600nm)의 음영 파장 영역들(도 16b)의 광을 송신하도록 설계된다. 따라서, 수신 범위 RR1(1500-1525nm) 및 수신 범위 RR3(1550-1575nm)의 파장 영역들이 복귀 경로에서 수신될 수 있다. 하나의 튜닝 가능한 마이크로링은 각각의 수신 범위 RR1 및 RR3 각각에서 복귀 신호들을 픽업하는 데 사용된다. 마이크로링 M3는 RR3(1550-1575nm) 범위에서 레이저 LP3에 튜닝되고, 마이크로링 M1은 RR1(1500-1525nm) 범위에서 레이저 LP1에 튜닝된다. 이러한 레이저들로부터의 레이저 광의 부분(다른 애퍼쳐들에서의 송신 및 이 애퍼쳐에서의 "픽오프(pickoff)"에 사용됨)은 로컬 발진기들(LO)로서의 수신 블록들에 주입된다. 도 16b의 수신 범위 RR3의 중간 근처의 파장에서의 화살표 및 해당 파장의 광의 경로를 따라가는 도 16a에 도시된 대응하는 화살표들에 의해 표시된 바와 같이, 5% 방향성 결합기들에 의해 픽오프되는 로컬 발진기 광의 부분이 마이크로링 M3을 튜닝함으로써 광검출기 D1(예를 들어, 광다이오드 검출기)에서 최소화되면, 마이크로링 M3이 로컬 발진기 신호에 고정될 것이므로 애퍼쳐로부터 올바른 복귀 신호를 픽업할 것이다. 광검출기 D3를 최소화함으로써 마이크로링 M1을 튜닝하기 위해 유사한 튜닝 절차가 수행될 수 있다. 수집 복귀 신호를 최대화하려고 시도하는 것에 비교하여, 이 튜닝 절차의 잠재적인 이점은, 복귀 경로에 여러 송신/후방 산란 및 수집 레이저 선들이 있기 때문에 잘못된 레이저 선에 고정될 확률을 제거한다는 것이다.A potential technical problem is that receive tunable WDM components (eg, tunable filters) must be tuned (eg, fixed) synchronously to transmit wavelengths from different apertures. Some implementations may be configured to use the local oscillator light generated from the transmit light as a reference for tuning. For example, referring to FIGS. 16A and 16B , the WDM system 1600 ( FIG. 16A ) for a particular aperture has a shaded wavelength in the laser sweep range SR2 (1525-1550 nm) and laser sweep range SR4 (1575-1600 nm). It is designed to transmit light in the areas (FIG. 16B). Accordingly, the wavelength regions of the reception range RR1 (1500-1525 nm) and the reception range RR3 (1550-1575 nm) can be received on the return path. One tunable microring is used to pick up the return signals in each of the respective reception ranges RR1 and RR3. Microring M3 is tuned to laser LP3 in the range RR3 (1550-1575 nm), and microring M1 is tuned to laser LP1 in the RR1 (1500-1525 nm) range. A portion of the laser light from these lasers (used for transmission at other apertures and “pickoff” at this aperture) is injected into the receive blocks as local oscillators (LO). of the local oscillator light picked off by the 5% directional couplers, as indicated by the arrow at a wavelength near the middle of the reception range RR3 in FIG. 16B and the corresponding arrows shown in FIG. 16A along the path of light at that wavelength. If the portion is minimized at the photodetector D1 (eg photodiode detector) by tuning the microring M3, it will pick up the correct return signal from the aperture as the microring M3 will be locked to the local oscillator signal. A similar tuning procedure can be performed to tune the microring M1 by minimizing the photodetector D3. A potential advantage of this tuning procedure, compared to trying to maximize the collection return signal, is that it eliminates the probability of being stuck on the wrong laser line because there are multiple transmit/backscatter and collection laser lines in the return path.
유사하지만 미세하게 상이한 WDM 시스템 구성(1700)이 도 17에 도시되어 있다. 시스템들(1600 및1700) 사이의 차이점은 시스템(1700)의 광검출기들 D2 및 D4가 최소화되어 송신 레이저에 대해 고정하는 것을 보장한다는 것이다. 또한, 시스템(1700)의 이러한 특정 애퍼쳐는 파장 범위들 SR2(1525-1550nm) 및 SR4(1575-1600nm)의 광을 송신하도록 설계된다. 따라서, 파장 범위들 RR1(1500-1525nm) 및 RR3(1550-1575nm)는 복귀 경로에서 수신될 수 있다. 하나의 마이크로링 M1 및 M3는 각각의 파장 범위 각각에서 복귀 신호를 픽업하는 데 사용된다. 마이크로링 M3은 RR3(1550-1575nm) 범위의 레이저에 튜닝되고, 마이크로링 M1은 RR1(1500-1525nm) 범위의 레이저에 튜닝된다. 이러한 레이저들로부터의 레이저 광의 부분은 로컬 발진기들(LO)로서의 수신 블록들 내로 주입된다. 도 16a에서와 같이, 도 17에서 화살표들은 주입 광의 경로를 도시하며, 5% 지향성 결합기들에 의해 픽오프되는 로컬 발진기 광의 부분이 마이크로링 M3을 튜닝함으로써 광검출기 D2에서 최소화되면, 마이크로링 M3는 로컬 발진기 신호에 고정될 것이므로 애퍼쳐로부터 올바른 복귀 신호를 픽업할 것이다. 유사한 튜닝 절차는 광검출기 D4를 최소화함으로써 마이크로링 M1을 튜닝하기 위해 수행될 수 있다.A similar but slightly different
유사하지만 미세하게 상이한 WDM 시스템 구성(1800)이 도 18에 도시되어 있다. 도 16a의 시스템과 유사하게, 광검출기들 D1 및 D3은 마이크로링들 M1 및 M3의 튜닝 가능한 파장들을 픽오프되는 송신 레이저 파장(또 다른 애퍼쳐로부터 송신됨)에 고정하는 것을 보장하기 위해 최소화된다.A similar but slightly different
LiDAR 시스템의 애퍼쳐들이 광학 스펙트럼의 상이한 부분들에서 동시에 광을 송신하고 수신할 수 있다는 것을 보장하는 데 다양한 다른 기술들이 사용될 수 있다. 어느 스펙트럼 범위도 차단되지 않는 방식으로 파장 범위들이 조정될 수 있다. 고정 WDM 디바이스들은 송신 광을 출력에 결합하는 데 사용될 수 있으며, 튜닝 가능한 필터들은 각각의 수신 대역을 선택적으로 검출하기 위해 수신 경로 상에서 사용될 수 있다. 튜닝 가능한 필터들을 각각의 순간에 (다른 애퍼쳐들을 위해) 송신 레이저 파장에 고정하기 위해, 로컬 발진기 광의 부분이 파장 기준으로 이용될 수 있다. 어느 다른 레이저 선도 우연히 픽업되지 않는다는 것을 보장하기 위해 기준 광검출기에서의 로컬 발진기 광을 최소화하는 것이 이롭다.Various other techniques can be used to ensure that the apertures of the LiDAR system can transmit and receive light simultaneously in different parts of the optical spectrum. The wavelength ranges can be adjusted in such a way that neither spectral range is blocked. Fixed WDM devices may be used to couple the transmit light to the output, and tunable filters may be used on the receive path to selectively detect each receive band. To lock the tunable filters to the transmit laser wavelength at each instant (for different apertures), a portion of the local oscillator light can be used as a wavelength reference. It is advantageous to minimize the local oscillator light at the reference photodetector to ensure that no other laser line is picked up accidentally.
넓은 시야를 커버하기 위한 파장 스위핑에 의존하는 LiDAR 시스템들에서, 단일 레이저 및 이득 매질로 가능한 것 이상으로 전체 파장 범위 및 시야를 증가시키기 위해 복수의 레이저들로부터 상이한 각각의 파장 범위들을 결합하기 위한 본 명세서에 설명된 기술들은 다양한 이점들 중 임의의 것을 가질 수 있다.In LiDAR systems that rely on wavelength sweeping to cover a large field of view, the present invention for combining different respective wavelength ranges from multiple lasers to increase the overall wavelength range and field of view beyond what is possible with a single laser and gain medium. The techniques described herein may have any of a variety of advantages.
예를 들어, 일부 구현들은 다음 이점들 중 하나 이상을 갖는다.For example, some implementations have one or more of the following advantages.
능력: 많은 레이저 선들이 초당 포인트들을 증가시킨다.Ability: Many laser lines increase points per second.
견고성: 레이저마다의 부분 스펙트럼 커버리지는 온도에 따른 성능을 개선시킨다.Robustness: Partial spectral coverage per laser improves performance over temperature.
능력: 실리콘 도파관들에서, 1550nm 주변의 200nm 총 스펙트럼 커버리지는 24°+ 수직 FOV를 가능하게 한다.Capability: In silicon waveguides, 200nm total spectral coverage around 1550nm enables 24°+ vertical FOV.
비용 절감: 수신 애퍼쳐들은 총 애퍼쳐 면적의 75%를 사용한다.Cost savings: Receive apertures use 75% of the total aperture area.
견고성: 자체 캘리브레이션 구조들은 온도 및 수명에 대한 성능을 보장한다.Robustness: Self-calibrating structures ensure performance over temperature and lifetime.
안전성: 스펙클 다이버시티를 갖는 멀티-애퍼쳐 수신기는 검출 확률을 2배로 증가시킬 수 있다.Safety: A multi-aperture receiver with speckle diversity can double the detection probability.
멀티칩 스위핑 시스템의 과제는 위에서 설명된 바와 같이 낮은 손실로 파장 대역의 100% 커버리지를 달성하는 것이다.The challenge of multichip sweeping systems is to achieve 100% coverage of the wavelength band with low loss as described above.
도 19에 도시된 바와 같이, 단일 WDM 다중화기(1900)의 경우, 위에서 설명된 바와 같이 WDM 다중화기(1900)에 의해 결합되는 채널들에 대한 레이저 튜닝 범위들(1904) 사이에 데드 존(1902)이 있을 수 있다.19, for a
대안적으로, 도 20에 도시된 바와 같이, 상이한 각각의 애퍼쳐들에 대한 2개 이상의 WDM 다중화기를 이용하는 것은 더 많은 스펙트럼(예를 들어, WDM 채널들 사이의 스펙트럼의 데드 존 부분을 포함함)이 다른 WDM 다중화기들에 의해 커버된다는 것을 보장할 수 있다. 따라서, 하나의 WDM 컴포넌트(제1 다중화기(2000)로 사용됨)의 데드 존은 또 다른 WDM 컴포넌트(제2 다중화기(2002)로 사용됨)의 통과대역과 실질적으로 정렬된다. 각각의 통과대역 내에서, 대응하는 레이저의 파장은 전체 통과대역을 실질적으로 커버하도록 스위핑될 수 있다. 그런 다음, 이러한 다중화기들의 쌍은 이 예에서 임의의 데드 존 없이 인터리빙된 제1 다중화기(2000)의 레이저 튜닝 범위들(2004) 및 제2 다중화기(2002)의 레이저 튜닝 범위들(2006)로 도시된 바와 같이, 송신기 시스템에 대한 파장 튜닝 가능성의 실질적으로 연속적인 범위를 제공한다. 결과적인 광파는 송신 신호에 사용될 수 있고, 수신기 시스템에서 간섭성 수신에 사용될 대응하는 로컬 발진기 신호에 사용될 수 있다. 또한, 수신기 시스템의 필터(예를 들어, 마이크로링 공진기)는 위에서 설명된 바와 같이 대응하는 레이저의 스위핑과 함께 스위핑되는 좁은 통과대역을 가질 수 있다.Alternatively, as shown in FIG. 20 , using two or more WDM multiplexers for different respective apertures results in more spectrum (eg, including the dead zone portion of the spectrum between WDM channels). It can ensure that it is covered by other WDM multiplexers. Thus, the dead zone of one WDM component (used as the first multiplexer 2000) is substantially aligned with the passband of another WDM component (used as the second multiplexer 2002). Within each passband, the wavelength of the corresponding laser may be swept to cover substantially the entire passband. This pair of multiplexers is then, in this example, interleaved with laser tuning ranges 2004 of
일부 구현들에서, 상이한 파장들의 세트들을 수신하고 송신하는 데 복수의 애퍼쳐들이 사용될 수 있지만, 수신 애퍼쳐들 및 송신 애퍼쳐들은 분리될 수 있다. 도 21은 다음을 포함하는 WDM 시스템(2100)을 포함한 LiDAR 시스템의 부분의 예를 도시한다: 8개 애퍼쳐들의 세트의 중간에 있는 송신(Tx) 애퍼쳐들 Tx 애퍼쳐 1 및 Tx 애퍼쳐 2; 송신 애퍼쳐들의 양측에 있는 수신(Rx) 애퍼쳐들 Rx 애퍼쳐 1, Rx 애퍼쳐 2, Rx 애퍼쳐 3, Rx 애퍼쳐 4, Rx 애퍼쳐 5 및 Rx 애퍼쳐 6; 8개의 파장 소스들(예를 들어, 복수의 레이저들 또는 하나의 레이저의 복수의 선들), 위상 편이기 드라이버 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit, ASIC)(2102)에 연결하기 위한 회로, 및 LiDAR 시스템의 아날로그 프론트-엔드 ASIC(2104). 수신 애퍼쳐들 1-6은 간섭성 수신기들로 구성되며 그것들의 전자 출력은 아날로그 프론트-엔드 ASIC(2104)에 의해 결합된다. 위상 편이기 드라이버 ASIC(2102)은 송신 및 수신 애퍼쳐들 모두의 전체 위상 편이기들의 위상을 제어한다.In some implementations, multiple apertures may be used to receive and transmit different sets of wavelengths, but the receive apertures and transmit apertures may be separated. 21 shows an example of a portion of a LiDAR system including a
도 22는 캘리브레이션 요소들을 포함하는 이러한 LiDAR 시스템(6개의 수신 애퍼쳐들 중 4개만 도시함)의 부분(2200)을 도시한다. 각각의 애퍼쳐 내에서 각각의 위상 어레이의 끝(또는 시작)에 결합되는 캘리브레이션 요소들(2202)의 세트는 각각의 애퍼쳐로부터의/각각의 애퍼쳐로의 빔이 회절 제한되고 애퍼쳐들이 올바른 방향들로 지향된다는 것을 보장한다. 다양한 유형들의 광자 회로 요소들, 예를 들어 광자 집적 회로(photonics integrated circuit, PIC)의 요소들은 송신 측 광자 회로들(2204A 및 2204B) 및 수신 측 광자 회로들(2206) 상에서 이용될 수 있다. 수신 측의 파워 레벨들이 송신 측보다 낮기 때문에 수신 측에서 수행되는 WDM 필터링/라우팅의 유형은 송신 측에서 수행되는 WDM 필터링/라우팅과 상이할 수 있다. 예를 들어, 마이크로링 기반 공진기 필터들의 파워 처리 제한들 때문에 송신 측에서 사용할 수 없는 마이크로링 기반 공진기 필터들은 수신 측에서 (큰 스펙트럼 데드 존 없이) 사용될 수 있다. 수신기들이 데드 존 없이 동작할 수 있으므로, 각각의 수신 애퍼쳐는 송신 애퍼쳐들(이 경우, 2개의 송신 애퍼쳐들) 전체로부터 신호를 픽업할 수 있다. 수신 애퍼쳐들은 간섭성일 수 있고, Tx 애퍼쳐들로부터 송신되고 있는 동일한 광으로부터 도출되는 로컬 발진기(LO)를 사용할 수 있다. 도 22에 보여질 수 있는 바와 같이, 송신 WDM 다중화 회로들(2204A 및 2204B) 이후의 광의 부분은 수집되고 수신 WDM 필터 회로들(2206)에 공급될 수 있다. 하나의 도파관 탭은 짝수 번호 레이저들로부터의 광으로 WDM 다중화 회로(2204B)의 출력으로부터 LO들을 전달할 것이고, 또 다른 도파관 탭은 홀수 번호 레이저들로부터의 광으로 WDM 다중화 회로(2204A)의 출력으로부터 LO들을 전달할 것이다. 도 23에 도시된 바와 같이, 이러한 WDM 다중화 회로들의 일반화된 예에서, 홀수 범위 다중화기(2300A)는 홀수 번호 레이저들로부터 광을 결합하고, 이는 Tx 애퍼쳐 1에 전송되고 LO_1을 제공하도록 태핑되고, 짝수 범위 다중화기(2300B)는 짝수 번호 레이저들로부터 광을 결합하고, 이는 Tx 애퍼쳐 2에 전송되고 LO_2를 제공하도록 태핑된다. Tx 어레이들에 공급되는 레이저들은 모두 튜닝 가능하고 그것들의 특정 스펙트럼 대역을 가로질러 스위핑되므로, LO 경로들의 레이저 선들의 컬렉션은 빗(comb)의 톱니(teeth) 각각이 독립적으로 그 범위 내에서 앞뒤로 움직이는 레이저 선들의 빗들처럼 보일 것이고, 여기서 각각의 레이저 및 대응하는 스펙트럼 대역의 번호는 스펙트럼 대역들의 균일하게 이격되고 오프셋된 세트들에서 그것이 발생하는 곳을 표시한다. 예를 들어, 도 23은 제2 및 제4 스펙트럼 대역들에 대한 레이저 튜닝 범위들(2304) 사이에서 발생하는 제1 스펙트럼 대역에 대한 레이저 튜닝 범위(2302)를 도시한다.22 shows a
도 24을 참조하면, WDM 광학 구성(2400)은 수신 광(2404)의 순간 파장에 연속적으로/일정하게 튜닝될 수 있는 마이크로링들을 포함하는 간섭성 수신기들(2402)을 포함한다. 예를 들어, 각각의 마이크로링은 수신 빗(2406)의 개개의 선에 튜닝될 수 있다. 또한, (홀수 번호 스펙트럼 대역들 내의) LO 선들 또는 (짝수 번호 스펙트럼 대역들 내의) LO 선들 2의 대응하는 선의 파장을 추적하는 데 사용할 수 있는 간섭성 수신기들(2402)의 LO 마이크로링들이 있다.Referring to FIG. 24 , a WDM
도 25는 LO 선들을 수신기들에 전달하기 위한 대안적인 광학 회로 구성(2500)을 도시한다. 2x2 결합기(2502)는 2개의 WDM 다중화기들(2504) 이후에 태핑된 LO 선들의 2개의 컬렉션들을 인터리빙된/스태거링된(staggered) 보호 대역들과 결합할 수 있다. 결합기의 각각의 출력은 각각의 탭으로부터 광의 절반을 수신하고 2개의 출력들은 간섭성 수신기들에 의해 필요한 모든 레이저 선들을 포함할 것이다. 그런 다음, LO 광은 모든 수신기들에 모든 레이저 선들이 제공되는 방식으로 수신기들 사이에서 분할된다. 또한, 구성(2500)은 LO 광을 사용하는 역다중화기들 및 동위상 및 직교(IQ) 검출기들(2506)을 포함한다.25 shows an alternative
광학 수신기 구성(2600)의 예시인 도 26을 참조하면, LO 선들의 다중화된 컬렉션을 포함하는 LO 신호(2604)는 IQ 수신기들에 공급되고, 해당 특정 IQ 수신기를 위해 튜닝되는 마이크로링을 사용하여 수신 광학 위상 어레이들(Rx 선들)로부터 수집되는 광(2602)과 혼합된다. 이 예시 구성에서, IQ 수신기들 전체는 상이한 각각의 마이크로링들을 사용하여 동일한 도파관에 캐스캐이딩된다. 각각의 수신 애퍼쳐는 해당 애퍼쳐에서 수신되는 모든 파장들을 커버하는 일련의 이러한 필터링 수신기들(IQ 1, IQ 2, ...)을 포함하는 이러한 광학 수신기 구성(2600)을 포함한다. 마이크로링(또는 다른 선택적 필터)은 각각의 마이크로링이 하나의 LO 선 및 하나의 Rx 선을 픽업하는 방식으로 튜닝 가능한 레이저들과 동기화되어 튜닝된다. 수신 신호는 환경으로 전송된 레이저 광의 단지 지연되고 감쇠된 버전이므로, LO 선 및 대응하는 수신 신호의 파장은 본질적으로 동일하다. 따라서, 레이저의 처프를 수용하기에 충분한 대역폭이 주어지면, 동일한 필터는 그것들을 동시에 픽업할 수 있다. 주파수-변조 연속파(frequency-modulated continuous-wave, FMCW) 시스템들에서와 같이, 레이저의 주파수는 시간의 함수로 처핑될 수 있으므로 지연된 복귀 신호 및 방출 광(및 LO)의 순시 주파수(instantaneous frequency)는 미세하게 상이하여 수신기에서의 비트 주파수 노트들(beat frequency notes)로 이어진다. 이 미세한 주파수 처프는 위에서 언급된 바와 같이 2개의 레이저 선들이 주파수에서 미세하게 미스매치되는 것을 가능하게 하며, 이는 필터에 의해 커버될 수 있다.Referring to FIG. 26 , which is an example of an
도 26에 도시된 바와 같이, 양측으로부터 공급될 때 LO 및 Rx 신호는 마이크로링 필터들 각각의 내부에서 각각 반시계 방향(CCW) 및 시계 방향(CW)으로 전파할 것이고, 각각의 IQ 검출기의 왼쪽 및 오른쪽 도파관들로 각각 드롭된다. 필터는 더 고차의 공진 기반 필터들 또는 다른 형태들의 필터를 포함하는, 2개의 출력들을 갖는 임의의 다른 좁은 대역 필터일 수 있다. 필터는 다른 WDM 선들을 방해하지 않을 만큼 충분히 좁고 LO 및 주파수 오프셋 지연 신호를 통과하기에 충분히 넓은 통과 대역을 갖도록 구성될 수 있다.26, the LO and Rx signals when supplied from both sides will propagate counterclockwise (CCW) and clockwise (CW), respectively, inside each of the microring filters, to the left of each IQ detector. and to the right waveguides, respectively. The filter may be any other narrow band filter with two outputs, including higher order resonance based filters or other types of filter. The filter may be configured to have a passband narrow enough not to interfere with other WDM lines and wide enough to pass the LO and frequency offset delay signals.
도 27 및 도 28은 WDM 광을 상이한 방식들로 라우팅하기 위해 결합기들을 사용하는 예시 LiDAR 시스템들의 부분들을 도시한다. 도 27에서, WDM 시스템(2700)의 수신 부분은 수신 애퍼쳐들의 상이한 쌍들 이후에 2x2 결합기들(2702)을 포함하도록 구성될 수 있다. 인접한 애퍼쳐들에 의해 수집되는 WDM 광은 더 간섭성의 검출을 위해 홀수 및 짝수 출력 포트들에 결합될 수 있다. 즉, 각각의 레이저 선에 대해, 애퍼쳐 1-2, 3-4 등에 의해 수집되는 광의 위상이 같거나 다르다면, 해당 특정 파장에 대한 광 전체는 하나의 수신기 세트에 공급되고, 하나의 수신기에 대한 신호 대 노이즈 비는 증가되는 반면 다른 수신기는 해당 파장에서 어느 광도 얻지 않는다.27 and 28 show portions of example LiDAR systems that use combiners to route WDM light in different ways. In FIG. 27 , the receive portion of the
도 28에 도시된 바와 같이, 이는 4개의 수신 애퍼쳐들의 상이한 세트들 이후에 4x4 결합기들(2802)을 포함하도록 구성되는 WDM 시스템(2800)의 수신 부분에서 더 확장될 수 있다. 대안적으로, 도 29를 참조하면, 일련의 2x2 분할기들인 3dB 결합기들(2902)은 4개의 인접한 Rx 애퍼쳐들(Rx_1, Rx_2, Rx_3, Rx_4)의 컬렉션으로 구성된 슈퍼-애퍼쳐에 수신되는 고차 위상 프론트(2904)의 더 고차의 공간 모드들을 수집하기 위해 복귀 경로에 배치될 수 있고, 짝수 및 홀수 모드들은 LO 빗들과 결합되는 상이한 각각의 Rx 링들(Rx_1 링, Rx_2 링, Rx_3 링, Rx_4 링)에 제공된다.As shown in FIG. 28 , this can be further extended in the receive portion of the
도 30은 2x2 결합기(3002)가 짝수 번호 및 홀수 번호 파장들 각각에 대한 2개의 WDM 다중화기들(3004A 및 3004B)과, 송신기들 모두(Tx_1 및 Tx_2)로부터 모든 파장에서의 선을 비추기 위한 2개의 송신기 OPA들(3006) 사이에 배치되는 예시 광학 송신기 구성(3000)을 도시한다.30 shows two
본 개시가 특정 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 개시는 개시된 실시예들로 제한되는 것이 아니라, 첨부된 청구항들의 범위 내에서 포함된 다양한 수정들 및 동등한 배열들을 커버하도록 의도되고, 그 범위는 법률에 따라 허용되는 이러한 수정들 및 동등한 구조들 전체를 포괄할 수 있도록 가장 넓은 해석이 부여되도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다.Although the present disclosure has been described in connection with specific embodiments, the present disclosure is not intended to be limited to the disclosed embodiments, but is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the scope of the appended claims, the scope of which is It should be understood that the broadest interpretation is intended to be accorded so as to encompass all such modifications and equivalent structures permitted by law.
Claims (43)
타겟 위치를 향한 송신 각도를 따라 송신 광파(optical wave)의 적어도 하나의 빔을 제공하도록 구성되는 전송 애퍼쳐를 포함하는 적어도 하나의 송신기 - 상기 광파는 상기 광파의 제1 부분, 및 상기 광파의 상기 제1 부분의 특성과 상이한 특성을 갖는 상기 광파의 제2 부분을 적어도 포함함 -; 및
2개 이상의 수신기들
을 포함하며, 적어도 하나의 수신기는
상기 전송 애퍼쳐 또는 상이한 수신기의 수신 애퍼쳐 중 적어도 하나에 근접하게 배열되는 수신 애퍼쳐,
상기 수신 애퍼쳐 내의 광학 위상 어레이 - 상기 광학 위상 어레이는 각각의 수집 각도를 따라 상기 수신 애퍼쳐에 도달하는 수집 광파의 적어도 일부를 수신하도록 구성됨 -,
상기 광파의 상기 제1 부분의 특성에 따라 상기 수집 광파의 수신 부분을 필터링하도록 구성되는 필터, 및
상기 수집 광파의 필터링된 부분에 기초하여 신호를 제공하도록 구성되는 검출기
를 포함하는, 장치.As a device,
at least one transmitter comprising a transmit aperture configured to provide at least one beam of a transmit optical wave along a transmit angle towards a target location, the light wave comprising a first portion of the light wave and the light wave at least a second portion of said light wave having properties different from properties of said first portion; and
2 or more receivers
comprising, at least one receiver
a receive aperture arranged proximate to at least one of the transmit aperture or a receive aperture of a different receiver;
an optical phased array within the receive aperture, the optical phased array configured to receive at least a portion of a collection light wave arriving at the reception aperture along a respective collection angle;
a filter configured to filter a receiving portion of the collected light wave according to a characteristic of the first portion of the light wave, and
a detector configured to provide a signal based on a filtered portion of the collected light wave
A device comprising a.
제2 수신 애퍼쳐로서 구성되는 상기 전송 애퍼쳐,
상기 전송 애퍼쳐 내의 제2 광학 위상 어레이 - 상기 제2 광학 위상 어레이는 각각의 수집 각도를 따라 상기 전송 애퍼쳐에 도달하는 수집 광파의 적어도 일부를 수신하도록 구성됨 -,
상기 광파의 상기 제1 부분의 특성과 상이하고 상기 광파의 상기 제2 부분의 특성과 상이한 특성에 따라 상기 수집 광파의 수신 부분을 필터링하도록 구성되는 제2 필터, 및
상기 제2 필터에 의해 필터링되는 상기 수집 광파의 필터링된 부분에 기초하여 신호를 제공하도록 구성되는 제2 검출기
를 포함하는, 장치.2. The method of claim 1, wherein the receiver is a first receiver, the receive aperture is a first receive aperture, the optical phased array is a first optical phased array, the filter is a first filter, and the detector is a first 1 detector, wherein the two or more receivers include a second receiver, the second receiver comprising:
the transmit aperture configured as a second receive aperture;
a second optical phased array in the transmission aperture, the second optical phased array configured to receive at least a portion of a collection light wave arriving at the transmission aperture along a respective collection angle;
a second filter configured to filter the receiving portion of the collected light wave according to a property different from a property of the first portion of the light wave and different from a property of the second portion of the light wave; and
a second detector configured to provide a signal based on a filtered portion of the collected light wave that is filtered by the second filter
A device comprising a.
송신기의 전송 애퍼쳐로부터 타겟 위치를 향해 송신 각도를 따라 송신 광파의 적어도 하나의 빔을 제공하는 단계 - 상기 광파는 상기 광파의 적어도 제1 부분, 및 상기 광파의 상기 제1 부분의 특성과 상이한 특성을 갖는 상기 광파의 제2 부분을 포함함 -; 및
2개 이상의 수신기들 중의 수신 애퍼쳐들에서 수집 광파를 수신하는 단계
를 포함하며, 적어도 하나의 수신기는,
상기 전송 애퍼쳐 또는 상이한 수신기의 수신 애퍼쳐 중 적어도 하나에 근접하게 배열되는 수신 애퍼쳐,
상기 수신 애퍼쳐 내의 광학 위상 어레이 - 상기 광학 위상 어레이는 각각의 수집 각도를 따라 상기 수신 애퍼쳐에 도달하는 수집 광파의 적어도 일부를 수신하도록 구성됨 -,
상기 광파의 상기 제1 부분의 특성에 따라 상기 수집 광파의 수신 부분을 필터링하도록 구성되는 필터, 및
상기 수집 광파의 수신 부분에 기초하여 신호를 제공하도록 구성되는 검출기
를 포함하는, 방법.As a method,
providing at least one beam of a transmit light wave along a transmit angle from a transmit aperture of the transmitter toward a target location, wherein the light wave has at least a first portion of the light wave and characteristics different from characteristics of the first portion of the light wave a second portion of said light wave having a -; and
receiving the collected light wave at receive apertures of the two or more receivers;
Including, at least one receiver,
a receive aperture arranged proximate to at least one of the transmit aperture or a receive aperture of a different receiver;
an optical phased array within the receive aperture, the optical phased array configured to receive at least a portion of a collection light wave arriving at the reception aperture along a respective collection angle;
a filter configured to filter a receiving portion of the collected light wave according to a characteristic of the first portion of the light wave, and
a detector configured to provide a signal based on the received portion of the collected light wave
A method comprising
2개 이상의 애퍼쳐들 중의 적어도 2개로부터 타겟 위치를 향해 송신 광파의 적어도 하나의 빔을 제공하도록 구성되는, 2개 이상의 애퍼쳐들의 배열 - 상기 2개 이상의 애퍼쳐들은,
상기 제1 애퍼쳐 내에 제1 광학 위상 어레이를 포함하는 제1 애퍼쳐, 및
상기 제2 애퍼쳐 내에 제2 광학 위상 어레이를 포함하는 제2 애퍼쳐
를 포함함 -;
송신기 서브시스템 - 상기 송신기 서브시스템은,
상기 2개 이상의 애퍼쳐들 전체보다 적은 수로 구성된 제1 서브세트에 상기 송신 광파의 제1 부분을 제공하고 - 상기 제1 서브세트는 상기 제1 애퍼쳐를 포함함 -,
상기 2개 이상의 애퍼쳐들 전체보다 적은 수로 구성된 제2 서브세트에 상기 송신 광파의 제2 부분을 제공하도록 - 상기 제2 서브세트는 상기 제1 서브세트와 상이하고 상기 제2 애퍼쳐를 포함하고, 상기 광파의 상기 제2 부분은 상기 광파의 상기 제1 부분의 특성과 상이한 특성을 가짐 -
구성됨 -; 및
수신기 서브시스템 - 상기 수신기 서브시스템은,
상기 광파의 상기 제2 부분의 특성에 따라, 상기 배열 내의 상기 2개 이상의 애퍼쳐들 중 적어도 하나에 도달하는 수집 광파의 부분을 필터링하도록 구성되는 제1 필터, 및
상기 제1 필터에 의해 필터링되는 상기 수집 광파의 부분에 기초하여 신호를 제공하도록 구성되는 제1 검출기
를 포함함 -
을 포함하는, LiDAR 시스템.A LiDAR system comprising:
an arrangement of two or more apertures configured to provide at least one beam of a transmit light wave from at least two of the two or more apertures toward a target location, the two or more apertures comprising:
a first aperture comprising a first optical phased array within the first aperture, and
a second aperture including a second optical phased array within the second aperture
including -;
transmitter subsystem - the transmitter subsystem comprising:
providing a first portion of the transmit light wave to a first subset consisting of fewer than all of the two or more apertures, the first subset comprising the first aperture;
provide a second portion of the transmitted light wave to a second subset consisting of fewer than all of the two or more apertures, the second subset being different from the first subset and comprising the second aperture; the second portion of the light wave has a property different from the property of the first portion of the light wave;
configured -; and
Receiver subsystem - the receiver subsystem comprising:
a first filter configured to filter, according to a characteristic of the second portion of the light wave, the portion of the collected light wave arriving at at least one of the two or more apertures in the array; and
a first detector configured to provide a signal based on a portion of the collected light wave that is filtered by the first filter
including -
Including, LiDAR system.
상기 광파의 상기 제1 부분의 특성에 따라, 상기 제2 애퍼쳐에 도달하는 상기 수집 광파의 부분을 필터링하도록 구성되는 제2 필터, 및
상기 제2 필터에 의해 필터링되는 상기 수집 광파의 부분에 기초하여 신호를 제공하도록 구성되는 제2 검출기
를 더 포함하는, LiDAR 시스템.37. The system of claim 36, wherein the first filter is configured to filter a portion of the collected light wave arriving at the first aperture, the receiver subsystem comprising:
a second filter configured to filter, according to a characteristic of the first portion of the light wave, the portion of the collected light wave arriving at the second aperture; and
a second detector configured to provide a signal based on a portion of the collected light wave that is filtered by the second filter
Further comprising a, LiDAR system.
제1 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 상기 광을 제3 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 광과 결합하도록 구성되는 제1 파장 분할 다중화 컴포넌트, 및
상기 제2 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 상기 광을 제4 스펙트럼 대역의 파장을 갖는 광과 결합하도록 구성되는 제2 파장 분할 다중화 컴포넌트
를 포함하고, 상기 제2 스펙트럼 대역은 상기 제1 스펙트럼 대역과 상기 제3 스펙트럼 대역 사이에 있고, 상기 제3 스펙트럼 대역은 상기 제2 스펙트럼 대역과 상기 제4 스펙트럼 대역 사이에 있는, LiDAR 시스템.40. The method of claim 39, wherein the transmitter subsystem comprises:
a first wavelength division multiplexing component configured to combine the light having a wavelength in a first spectral band with light having a wavelength in a third spectral band; and
a second wavelength division multiplexing component configured to combine the light having a wavelength in the second spectral band with light having a wavelength in a fourth spectral band
wherein the second spectral band is between the first spectral band and the third spectral band, and the third spectral band is between the second spectral band and the fourth spectral band.
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