KR20220046406A - 물체까지의 거리 및 물체의 속도를 결정하고 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 센서 디바이스 - Google Patents

물체까지의 거리 및 물체의 속도를 결정하고 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 센서 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체의 거리 및 속도를 결정하고, 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 소형 광학 감지 디바이스, 예컨대 솔리드-스테이트 LIDAR, 그 광학 감지 디바이스를 사용하여 물체의 거리 및 속도를 결정하고, 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 방법에 관한 것이다. 감지 디바이스는, 광학적으로 커플링된 적어도 하나의 레이저 방사선 소스, 적어도 하나의 광학 시준 수단, 빔 분할 수단, 광 반사 수단, 광학 빔 가이딩 수단, 물체로부터 반사된 방사선을 검출하기 위한 적어도 하나의 검출기 뿐만 아니라 제어부를 포함하며, 여기서, 적어도 하나의 레이저 방사선 소스 각각과 대응하는 상기 적어도 하나의 검출기는, 물체에 관한 데이터를 제공할 가능성을 갖는, 개별적으로 기능하고 개별적으로 조정 가능한 측정 채널을 형성하고; 제어부는 측정 채널들의 동시적인 또는 선택적인 동작, 및 디바이스의 동작 동안 요구되는 동작 범위 분해능에 따른, 적어도 하나의 레이저 방사선 소스의 방사선 파라미터들의 동작 제어, 및 물체의 거리(L) 및 속도(V)의 결정과 물체의 형상 및 구조의 식별을 동시에 행하기 위한, 적어도 하나의 검출기에 의해 감지된 물체 데이터의 프로세싱 및 분석을 보장하도록 구성된다.

Description

물체까지의 거리 및 물체의 속도를 결정하고 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 센서 디바이스 {OPTICAL SENSOR DEVICE FOR DETERMINING DISTANCE, VELOSITY AND IDENTIFICATION OF THE SHAPE AND STRUCTURE OF THE OBJECT}
본 발명은 물체의 거리 및 속도를 결정하고, 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 소형 광학 감지 디바이스, 예컨대 솔리드-스테이트 LIDAR, 그 광학 감지 디바이스를 사용하여 물체의 거리 및 속도를 결정하고, 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 방법에 관한 것이며, 본 발명은 다양한 기술 분야들에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 광학 센서 디바이스는 물체까지의 거리, 물체의 속도 뿐만 아니라, 물체의 구조, 및 물체를 형성하는 구조 또는 재료를 결정하도록 구성되며, 디바이스는 모바일 전자 디바이스들, 콤팩트 휴대용 디바이스들의 내비게이션 목적들, 이를테면 가정용 목적들, 예컨대 진공 청소기들 및 특히 제스처 센서로서 기능들을 확장하기 위한 다른 가정용 기기들 뿐만 아니라, 물체의 내비게이팅 및 물체 파라미터들, 예컨대 물체의 구조 및 재료(조성)의 비접촉식 식별을 위한 산업용 목적들을 위해 센서들에 사용될 수 있다.
광 식별 검출 및 레인징 시스템(Light Identification Detection and Ranging System)들을 나타내는 LIDAR들 또는 레인지 결정 디바이스들은 원래 군사 목적들을 위해 설계되었고, 수십 킬로미터의 장거리들에 걸쳐 표적들(물체들)을 추적하는 것을 목표로 하였다. 그러나, 휴대용 전자 디바이스들의 인기가 높아지면서, 콤팩트 가정용 진공 청소기들과 같은 콤팩트 로봇 공학에 사용되는, 밀폐 공간들에서 단거리들(수 미터)에 있는 물체들을 식별하기 위한 콤팩트 LIDAR들에 대한 수요가 증가하였다.
종래 기술로부터 알려져 있는 LIDAR들은 다음의 원리에 따라 동작한다.
IR LED 또는 레이저의 형태의 디바이스는 지향되는 방사선을 출력한 후에, 감광 수신기(센서)에 의해 반사된 파들을 수신하여 공간의 사진을 형성한다.
반사된 파가 복귀되는 데 걸리는 시간을 결정하면, 예컨대, 다음의 방정식에 따라 센서의 시야 내의 물체까지의 거리를 결정하는 것이 가능하다.
Figure pat00001
여기서, D는 측정된 거리이고, c는 광학 매체 내의 광의 속도이고, f는 스캐닝 펄스들의 주파수이고, Δφ는 위상 시프트이다. 이러한 거리 결정 원리를 비행-시간법(Time-of-Flight, ToF)이라고 한다.
콤팩트 칩 스케일 LIDAR 솔루션(US 10,215,846 B2, 2019년 2월 26일 공개, IPC G01S 17/02 참조)이 종래 기술로부터 알려져 있고, LIDAR 시스템은 비행-시간 원리에 따라 동작한다. LIDAR 시스템은 정적 모놀리식 LIDAR 트랜시버(202), 시준 광학기, 및 제1 및 제2 회전 가능 웨지 프리즘(206, 208)을 포함한다. 정적 모놀리식 LIDAR 트랜시버는 레이저 빔을 송신하고, 제1 대상 물체로부터 반사된 레이저 광을 수신하도록 구성된다. 웨지 프리즘(208)에 대해 웨지 프리즘(206)을 회전시킴으로써, 시준된 레이저 빔은 웨지 프리즘들(206 및 208)을 통과할 때 시준된 레이저 빔의 굴절로 인해 제어될 수있다. 정적 모놀리식 LIDAR 트랜시버(202)는 레이저 빔을 송신하고, 제1 대상 물체로부터 반사된 레이저 광을 수신하도록 구성된다. 이 LIDAR 시스템에서, 이미터와 검출기는 단일 트랜시버 칩(202) 상에 결합된다. 이 경우, 시스템은 다음의 단점들을 갖는다: 웨지-형상 프리즘들(206, 208)을 회전시키기 위해 기계 모터들(210, 212)이 요구되는데, 이는 디바이스의 사이즈가 커지게 하고, 그에 따라, 콤팩트 전자 디바이스들에서 LIDAR를 사용하는 것을 불가능하게 만든다. 부가하여, 통상적으로, ns 단위로 비행-시간을 측정하기 위해 비행-시간 솔루션에 대해 고속 전자기기들이 요구되며, 이는 상당히 복잡하고, LIDAR 시스템의 제조 비용을 증가시킨다. LIDAR 시스템은 물체까지의 거리에 관한 정보만을 제공한다. 특정된 LIDAR 시스템은 다른 소스들로부터의 조명 및 LIDAR 시스템의 동작 영역에 위치된 다른 가능한 LIDAR들의 간섭으로부터의 노이즈를 겪고 있으며, 이러한 사실은 물체까지의 거리에 대한 데이터를 획득하는 정확도를 상당히 감소시킨다.
US 7,544,945 B2(2009년 6월 9일 공개, IPC G01J 5/02)로부터 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL) 어레이 레이저 스캐너가 알려져 있으며, 이 스캐너는 또한 비행-시간 솔루션을 지칭한다. 그 시스템(100)은 차량 기반 LIDAR 시스템들에서 사용된다. 시스템(100)은, 복수의 반도체 레이저들(120), 및 복수의 레이저들 중 적어도 2개가 실질적으로 상이한 방향들로 광학 엘리먼트에서 나오는 빔들을 생성하도록 장착된 광학기 엘리먼트(130)를 갖는 반도체 레이저 어레이(110); 및 복수의 반도체 레이저들과 연관되고, 복수의 레이저들 중 적어도 2개를 순차적으로 그리고 개별적으로 활성화시키도록 구성된 제어 회로를 포함한다. 각각의 반도체 레이저를 개별적으로 순차적으로 활성화시킴으로써, 시스템(100)은 레이저 빔에 의해 렌즈(130)의 시야를 스캐닝하는 데 사용될 수 있다. 하나 이상의 광검출기들이 활성화된 레이저로부터 광을 수집하기 위해 레이저 어레이(110) 근처에 위치될 수 있으며, 광은 레이저 빔에 의해 조명된 물체들에 의해 반사된다. 어레이의 어떤 반도체 레이저가 활성화되었는지에 관한 정보로부터, 검출된 물체의 방향과 같은 각도 정보가 결정된다. 검출 효율성을 개선하고, 검출된 신호 레벨을 증가시키기 위해, 렌즈들이 또한 광검출기들에 통합 또는 링크될 수 있다. 시스템(100)은 반사 광학기들을 회전 또는 이동시키기 위한 기계적 드라이브들이 사용되는 LIDAR 레이저 시스템들을 대체할 수 있도록 동작한다. 이 경우, 레이저들(120)과 광검출기들은 단일 칩 상에 위치된다.
비행-시간 원리에 기초한 이러한 시스템은 US 10,215,846 B2에서 개시된 솔루션에 내재된 모든 단점들을 가지며, 즉, ns 단위의 비행-시간을 측정하기 위해 고속 전자기기들이 필요하고, 이는 복잡하고, LIDAR 시스템을 제조하는 비용을 크게 증가시키며, LIDAR 시스템은 물체까지의 거리에 관한 정보만을 제공한다는 것이 유의되어야 한다. 특정된 LIDAR 시스템은 다른 소스들로부터의 조명 및 LIDAR 시스템의 동작 영역에 위치된 다른 가능한 LIDAR들의 간섭으로부터의 노이즈를 겪고 있으며, 이러한 사실은 물체까지의 거리에 대한 데이터를 획득하는 정확도를 상당히 감소시킨다.
레이저 레이더(WO 2018/133084 A1, 2018년 7월 26일 공개, IPC G01S 17/08 참조)가 종래 기술로부터 알려져 있으며, 레이저 레이더(100)는 제1 기판(110) 상의 수직-공동 표면-방출 레이저(VCSEL)들의 어레이, 및 제2 기판(120) 상의 검출기들(143)의 어레이를 포함하며, 여기서, 검출기들 및 레이저들은 하나의 칩 상에 배치된다. 검출기들(143)은 VCSEL들(150)에 의해 방출되어 물체에 의해 후방 산란되는 레이저 빔들을 검출하도록 구성되며, 여기서, 제1 기판(110)은 제2 기판(120)에 장착되고, VCSEL들(150)에 의해 방출되어 물체에 의해 후방 산란된 레이저 빔들이 제1 기판(110)을 투과하여 검출기들(143)에 도달할 수 있게 하도록 구성된다.
비행-시간 원리에 기초한 이러한 시스템은 그러한 솔루션에 내재된 모든 단점들을 가지며, 즉, ns 단위의 비행-시간을 측정하기 위해 고속 전자기기들이 필요하고, 이는 복잡하고, LIDAR 시스템을 제조하는 비용을 크게 증가시키며, 특정된 LIDAR 시스템은 물체까지의 거리에 관한 정보만을 제공한다는 것이 유의되어야 한다. 특정된 LIDAR 시스템은 다른 소스들로부터의 조명 및 LIDAR 시스템의 동작 영역에 위치된 다른 가능한 LIDAR들의 간섭으로부터의 노이즈를 겪고 있으며, 이러한 사실은 물체까지의 거리에 대한 데이터를 획득하는 정확도를 상당히 감소시킨다.
자체-혼합 간섭 원리에 기초한 솔루션이 청구되는 발명과 가장 밀접하게 유사하고, US 8,692,979 B2(2014년 4월 8일 공개, IPC G01C 3/00)에서 개시된다. 레이저 센서 시스템은 대상까지의 거리 및/또는 대상(50)의 속도를 측정하기 위한 센서 모듈(1)을 포함하며, 센서 모듈(1)은 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)와 같은 적어도 하나의 레이저 소스(100), 적어도 하나의 검출기(200), 및 적어도 하나의 제어 엘리먼트(400)를 포함하고, VCSEL 레이저와 검출기는 하나의 디바이스로 통합된다. 검출기(200)는 레이저 소스(100)에서 변조된 레이저 광을 검출하도록 구성된다. 레이저 소스에서의 레이저 광의 변조는 레이저 소스에 재진입하는 대상에 의해 반사된 레이저 광에 의해 유도될 수 있다. 이 효과는 당업자에게 자체-혼합-간섭(Self-Mixing-Interference, SMI)으로 알려져 있다. 레이저 소스의 전기적 구동 방식에 따라, 대상의 거리 및/또는 속도가 검출될 수 있다. 레이저 센서는 주파수 변조 연속파(frequency modulated continuous wave, FMCW)의 원리에 기초한다. 이 설계는 비행-시간 솔루션들에 내재된 문제들을 갖지 않으며, 즉, 다른 방사선 소스들로부터의 노출 및 다른 유사한 디바이스들로부터의 간섭의 가능성을 갖지 않는다. 그러나, VCSEL 레이저의 방출 구역은 상당히 작고, 10 내지 15 미크론에 달하므로, 이는 결국, 레이저 센서의 신호-대-잡음비가 다소 낮아지게 한다. 그 레이저 센서는 대상까지의 거리만을 측정할 수 있다.
따라서, 종래 기술 LIDAR들의 모든 위의 단점들을 제거하기 위해, 물체의 거리 및 속도를 결정하고 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 소형 광학 감지 디바이스, 및 그 광학 감지 디바이스를 사용하여 물체의 거리 및 속도를 결정하고 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 방법이 제안된다.
위에서 이미 언급된 바와 같이, 청구되는 발명의 목적은, 단거리들, 특히 1 내지 10 m에 걸쳐 동작하고, 사용자의 눈에 안전하고, 정적 및 이동 물체 둘 모두의 거리, 및 물체의 속도를 획득하는 것에 부가하여, 또한, 물체의 형상 및 이의 구조, 즉 연구중인 물체를 이루는 재료의 타입을 제공하는 센서 디바이스를 생성하는 것이다.
부가하여, 거리를 결정하기 위한 종래의 디바이스들에서, 즉, LIDAR들에서, 물체를 스캐닝하기 위한 수단(회전 프리즘들 등)이 설치되어 있는 플랫폼의 회전을 보장하기 위한 기계 모터들이 제공되며, 종래의 디바이스들과 달리, 청구되는 센서 디바이스에는 이동하는 기계 파트들이 존재하지 않으며, 이는 LIDAR의 제조성 및 동작 신뢰성을 증가시킨다. 부가하여, 청구되는 센서 디바이스가 간섭성 검출을 사용하기 때문에, 즉, 그러한 검출에서, 국부 발진기와 간섭하는 신호만이 상당히 증폭되고, 반면에, 국부 발진기와 간섭되지 않는 임의의 다른 신호들은 증폭되지 않을 것이고 배경 노이즈에 대해 보이지 않게 될 것이다. 따라서, 근처에서 동작하는 임의의 그러한 수단은 간섭하지 않을 것이고, 다른 방사선 소스들, 예컨대, 태양 또는 외부 인공 조명, 특히 가로등들에 대한 청구되는 센서 디바이스의 노출의 가능성이 배제된다. 청구되는 센서 디바이스는 레이저 방사선 소스들에 공급되는 전류를 조정하여 동작 파라미터들을 신속하게 재구성하는 능력을 갖도록 제조되고, 무게가 (수십 그램으로) 가볍기 때문에 모바일 전자 디바이스들에 매립될 수 있다.
본 개시의 목적은 물체까지의 거리 및 물체의 속도를 결정하고 물체의 형상 및 구조를 식별할 수 있는 광학 센서 디바이스 및 그 방법을 제공함에 있다.
청구되는 발명의 제1 양태에 따르면, 물체의 거리 및 속도를 결정하고, 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 감지 디바이스(또는, 센서 디바이스)가 제안되며, 광학 감지 디바이스는,
광학적으로 커플링된 적어도 하나의 레이저 방사선 소스(laser radiation source); 대응하는 적어도 하나의 레이저 방사선 소스 위에 위치된 적어도 하나의 광학 시준 수단(optical collimating means); 빔 분할기 수단(beam splitter means); 광 반사 수단(light reflecting means); 물체를 향해 미리 결정된 방향으로 빔을 지향시키도록 구성된 광학 빔 가이딩 수단(optical beam guiding means); 물체로부터 반사된 방사선을 검출하기 위한 적어도 하나의 검출기(detector); 및 적어도 하나의 검출기 및 적어도 하나의 레이저 방사선 소스 각각에 연결된 제어부(controller, 일 예로 프로세서가 될 수 있다.)를 포함하며,
적어도 하나의 레이저 방사선 소스 각각과 대응하는 적어도 하나의 검출기는, 개별적으로 기능하고 개별적으로 조정 가능한 측정 채널을 형성하고, 채널은 물체의 데이터를 제공할 가능성을 갖도록(또는, 물체의 데이터를 제공할 수 있도록) 구성되고,
제어부는 측정 채널들의 동시적인 또는 선택적인 동작, 및 디바이스의 동작 동안 요구되는 동작 범위 분해능에 따른, 적어도 하나의 레이저 방사선 소스의 방사선 파라미터들의 동작 제어, 및 물체의 거리(L) 및 속도(V)의 결정과 물체의 형상 및 구조의 식별을 동시에 행하기 위한, 적어도 하나의 검출기에 의해 감지된 물체 데이터의 프로세싱 및 분석을 보장하도록 구성된다.
상기 센서 디바이스에서, 적어도 하나의 레이저 방사선 소스는 파장 튜닝 가능 레이저, 예컨대, 700 내지 950 nm의 방사선 파장을 갖는 수직 공동 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)이다.
적어도 하나의 레이저 방사선 소스는 레이저 방사선 소스들의 2-차원 어레이를 형성하는 다수의 레이저 방사선 소스들을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 검출기는 어레이 광검출기이거나, 또는 적어도 하나의 검출기는 검출기들의 2-차원 어레이를 형성하는 다수의 검출기들을 포함한다.
적어도 하나의 광학 시준 수단은 적어도 하나의 마이크로렌즈이고, 그 적어도 하나의 광학 시준 수단은 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 의해 방출된 방사선을 시준하도록 구성되거나, 또는 적어도 하나의 마이크로렌즈는 마이크로렌즈들의 2-차원 어레이를 형성하는 마이크로렌즈들의 세트라는 것이 유의되어야 한다.
추가로, 빔 분할기는 빔-분할 큐브이며, 빔-분할 큐브는 큐브 내부에 위치된 반-반사 미러를 갖고, 빔을 기준 빔 및 측정 빔으로 분할하도록 구성되고, 광 반사 수단은 광-반사 코팅이며, 광-반사 코팅은 빔-분할 큐브의 내측 또는 외측 표면에 적용되고, 대응하는 검출기로 기준 빔을 재-반사하도록 구성되거나, 또는 광 반사 수단은 미러이며, 미러는 빔-분할 큐브의 외측 표면의 전방에 위치되고, 대응하는 적어도 하나의 검출기 상에 기준 빔을 재-반사하도록 구성된다.
빔을 가이딩하기 위한 광학 수단은 렌즈이며, 렌즈는 빔-분할 큐브를 향하는 면 상에 평탄한 표면을 갖고, 물체를 향하는 면 상에 적어도 하나의 마이크로렌즈로 구성된 표면을 가지며, 적어도 하나의 마이크로렌즈 각각은 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 대응한다는 것이 또한 유의되어야 한다.
더욱이, 적어도 하나의 마이크로렌즈 각각은 대응하는 입사 레이저 빔에 대해 미리 결정된 각도로 위치되고, 대응하는 레이저 빔이 마이크로렌즈를 통과한 후에 물체를 향해 원하는 미리 결정된 방향으로 지향되도록 이루어진다.
빔을 가이딩하기 위한 광학 수단은 마이크로렌즈들의 2-차원 어레이로서 구성되며, 마이크로렌즈들의 어레이의 각각의 마이크로렌즈는 대응하는 입사 레이저 빔에 대해 미리 결정된 각도로 위치되고, 대응하는 레이저 빔을 마이크로렌즈를 통과한 후에 물체를 향해 요구되는 미리 결정된 방향으로 지향시키도록 구성된다.
본 발명에 따른 디바이스는 적어도 하나의 드라이버를 더 포함하며, 적어도 하나의 드라이버는 대응하는 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 연결되고, 제어부의 제어 신호에 따라 레이저 방사선 소스에 펌핑 전류를 제공하도록 구성된다.
부가하여, 디바이스는 광학 아이솔레이터를 더 포함하며, 광학 아이솔레이터는 빔 분할 수단과 적어도 하나의 광학 시준 수단 사이에 위치되고, 목표 물체로부터 반사된 광이 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 충돌하는 것을 방지하고, 레이저 방사선 소스들의 동작의 불안정화를 방지하도록 구성된다.
본 발명의 제1 양태에 따른 청구되는 센서 디바이스의 이점들 중 하나는 이의 다중성이다. 센서 디바이스는 적어도 하나의 레이저 방사선 소스의 방사선 파라미터들의 동작 제어를 제공할 뿐만 아니라, 범위 및 시야 분해능을 조정함으로써, 제스처 센서로서 기능할 수 있다. 방사선 파라미터들의 조정은 그 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 공급되는 펌핑 전류의 파라미터들을 변화시킴으로써 제공되는 반면에, 펌핑 전류의 파라미터들은 그 적어도 하나의 방사선 소스에 공급되는 전류의 변조의 주파수 및 진폭을 포함한다.
범위 분해능의 조정은 기능하는 레이저 방사선 소스들의 수의 변경과, 그 레이저 방사선 소스에 공급되는 펌프 전류 변조의 진폭의 변경을 동시에 행함으로써 제공된다.
이 경우, 질의되는 검출기들의 수를 변경함으로써, 시야의 조정이 제공된다.
센서 디바이스는, 그 레이저 소스들의 교번 동작을 제공하고, 적어도 하나의 레이저 소스의 방사선 파라미터들을 동작적으로 조정하고, 범위 및 시야 분해능을 조정함으로써, 3-차원 스캐너로서 기능할 수 있다.
이 경우, 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 공급되는 펌프 전류의 파라미터들을 변경함으로써, 방사선 파라미터들의 조정이 제공된다.
펌프 전류 파라미터들은 특정된 적어도 하나의 방사선 소스에 공급되는 전류의 변조의 주파수 및 진폭을 포함한다.
부가하여, 동시에 동작하는 레이저 방사선 소스들의 수를 변경하고, 그 레이저 방사선 소스들에 공급되는 펌프 전류 변조의 진폭을 변경함으로써, 범위 분해능 제어가 제공되며, 질의되는 검출기들의 수를 변경함으로써 시야의 제어가 보장된다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 본 발명의 제1 양태에 따른, 물체의 거리 및 속도를 결정하고, 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 감지 디바이스를 사용하여, 물체의 거리 및 속도를 결정하고, 물체의 형상 및 구조를 식별하는 방법이 제안되며, 방법은,
- 디바이스의 동작 동안, 물체의 요구 분해능에 따라, 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 공급되는 펌핑 전류를 동작적으로 조정하면서, 적어도 하나의 레이저 방사선 소스를 사용하여, 700 내지 950 nm의 미리 결정된 파장을 갖는 레이저 방사선을 방출하는 단계 ― 펌핑 전류는 3 내지 6 mA로 조절됨 ―; 및
- 특정된 방사선을 빔 분할기로 지향시키는 단계를 포함하며,
기준 빔을 나타내는 방사선의 일부분은 적어도 하나의 검출기로 재지향되고,
측정 빔을 나타내는 방사선의 다른 부분은 빔을 가이딩하기 위한 광학 수단으로 지향되어, 물체를 향하는 미리 결정된 방향으로의 측정 빔의 편향이 보장되고,
이어서, 물체로부터 반사된 적어도 하나의 측정 빔이 대응하는 적어도 하나의 검출기로 지향되고, 측정 빔 및 기준 빔에 의해 생성되는 신호들의 주파수 차이가 측정되고, 측정된 주파수 차이에 기초하여, 물체의 거리(L) 및 물체의 속도(V)가 동시에 결정되고,
측정 빔이 물체를 통해 통과되고 있을 때, 그리고/또는 측정 빔이 물체로부터 반사될 때, 물체의 거리에 따라, 물체로부터 반사된 적어도 하나의 측정 빔의 반사 계수의 분포의 등록이 수행되고, 이에 기초하여, 물체의 형상 및 구조가 결정된다.
물체의 거리(L)(m)는 다음의 비율에 의해 결정되며,
Figure pat00002
c는 광의 속도(m/s)이고, α는 방사선 주파수의 증가 레이트(Hz/s)이고,
Δω1은 방사선 주파수(Hz)가 증가됨에 따라 측정 빔 및 기준 빔에 의해 형성된 신호들의 주파수 차이이고,
Δω2는 방사선 주파수(Hz)가 하락될 때 측정 빔 및 기준 빔에 의해 생성된 신호들의 주파수 차이이다.
추가로, 물체의 속도(V)(m/s)는 다음의 비율에 의해 결정된다.
Figure pat00003
c는 광의 속도(m/s)이고, α는 방사선 주파수의 증가 레이트(Hz/s)이고,
ω0는 방출된 광의 주파수(Hz)이고,
Δω1은 방사선 주파수(Hz)가 증가됨에 따라 측정 빔 및 기준 빔에 의해 형성된 신호들의 주파수 차이이고,
Δω2는 방사선 주파수(Hz)가 하락될 때 측정 빔 및 기준 빔에 의해 생성된 신호들의 주파수 차이이다.
적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 공급되는 펌핑 전류를 조정하는 단계에서, 다음의 관계에 의해 결정되는, 물체의 거리의 분해능(Res)의 동작 변화가 제공되며,
Res
Figure pat00004
c는 광의 속도(m/s)이고,
Ω는 적어도 하나의 레이저 방사선(Hz/mA) 소스(11 ... 1n) 내에 펌핑되는 전류에 따른, 방출되는 레이저 광의 주파수의 종속성이고,
dI는 물체를 스캐닝하는 동안의 레이저 방사선 소스의 전류 진폭 변조(mA)이다.
본 발명에 따른 방법에서, 물체의 형상 및 구조를 식별하는 단계는, 제어부에서, 물체로부터 반사된 적어도 하나의 측정 빔의 반사 계수의 분포의 획득된 패턴과, 제어부의 메모리에 저장된 물체들의 특정 구조들에 고유한 반사 계수들의 분포의 알려져 있는 패턴들을 비교함으로써 수행된다.
이상과 같은 본 개시의 다양한 실시 예에 의하면, 물체까지의 거리 및 물체의 속도를 결정하고 물체의 형상 및 구조를 식별할 수 있는 광학 센서 디바이스 및 그 방법을 제공할 수 있다.
아래에서, 본 발명은 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들의 설명에 의해 설명된다.
도 1은 종래 기술의 헤테로다인 측정 방법의 개략도를 예시한다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 물체들의 거리 및 속도를 결정하고 물체들의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 감지 디바이스의 개략도를 예시한다.
도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 레이저 방사선 소스와 검출기의 쌍에 의해 형성된 전용 채널을 이용하여, 물체들의 거리 및 속도를 결정하고 물체들의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 센서 디바이스의 개략도를 예시한다.
도 2c는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 물체들의 거리 및 속도를 결정하고 물체들의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 감지 디바이스의 개략도를 예시한다.
도 2d는 본 발명의 제3 실시예에 따른, 물체들의 거리 및 속도를 결정하고 물체들의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 감지 디바이스의 개략도를 예시한다.
도 2e는 본 발명의 제4 실시예에 따른, 물체들의 거리 및 속도를 결정하고 물체들의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 감지 디바이스의 개략도를 예시한다.
도 2f는 본 발명의 제5 실시예에 따른, 물체들의 거리 및 속도를 결정하고 물체들의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 감지 디바이스의 개략도를 예시한다.
도 3a는 물체까지의 거리를 결정하는 비행-시간 원리에 기초한 종래의 선행 기술의 레인징 디바이스들(LIDAR들)에 의해 수행되는 스캐닝에 의해 생성된 이미지의 예를 예시한다.
도 3b는 본 발명에 따른, 물체들의 거리 및 속도를 결정하고 물체들의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 감지 디바이스에 의해 생성된 이미지의 예를 예시한다.
도 4a는 중간 범위 분해능에 대한 시간 상의 레이저 소스의 펌프 전류의 종속성을 예시하는 그래프이다.
도 4b는 높은 범위 분해능에 대한 시간 상의 레이저 소스의 펌프 전류의 종속성을 예시하는 그래프이다.
도 5a는 평균 프레임 레이트에 대한 시간 상의 레이저 소스의 펌프 전류의 종속성을 예시하는 그래프이다.
도 5b는 높은 프레임 레이트에 대한 시간 상의 레이저 소스의 펌프 전류의 종속성을 예시하는 그래프이다.
도 6은 레이저 빔의 경로 상의 투명 및 불투명 물체들(투명 물체들의 예로서의 2개의 얇은 유리 플레이트들 및 불투명 물체의 예로서의 콘크리트 벽)의 위치의 예 및, 투명 및 불투명 물체들의 배열의 예에 대응하는, 레이저 빔의 경로를 따르는 반사 계수의 분포의 도면이다.
도 7은 직물을 나타내는 물체의 위치의 예, 내부에 밀도가 더 높은 "층"을 갖는 직물 구조 및 직물인 물체의 위치의 예에 대응하는, 레이저 빔의 경로를 따르는 반사 계수의 분포의 도면을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른, 렌즈 형태의 빔 가이딩 광학 수단(6)의 개략도이다.
도 9a는 플라스틱 플레이트를 물체로서 사용할 때 획득되는 신호를 예시하는 그래프이다.
도 9b는 사람의 손바닥을 물체로서 사용할 때 획득되는 신호를 예시하는 그래프이다.
도 9c는 보호용 마스크 직물을 물체로서 사용할 때 획득되는 신호를 예시하는 그래프이다.
도 9d는 유리 플레이트를 물체로서 사용할 때 획득되는 신호를 예시하는 그래프이다.
도 10은 연구소에서 물체들을 식별할 때 제어부로부터 수신되는 데이터에 기초하여 컴퓨터에 의해 생성되는 내비게이션 맵을 도시한다.
도 11은 도 10의 물체들의 이미지들의 세부사항들의 확대도를 도시한다.
도 12는 청구되는 센서 디바이스를 사용하여 이동하는 물체의 속도를 측정하는 정확도에 대한 실험 연구를 위한 시스템의 개략도이다.
도 13의 표 1은 청구되는 센서 디바이스 및 종래 기술로부터 알려져 있는 유사한 디바이스들의 파라미터들의 획득된 연구들의 결과들을 제시한다.
본 발명에 따르면, 물체의 거리, 속도, 및 형상 및 구조의 식별을 결정하기 위한 광학 감지 디바이스가 제공된다. 물체의 거리, 속도, 및 형상 및 구조의 식별을 결정하기 위한 청구되는 광학 센서 디바이스의 동작의 원리는 종래 기술(예컨대, Jacobs, Stephen(1962년 11월 30일) 광 통신에서의 헤테로다인 검출에 대한 기술 노트(PDF)(리포트). 뉴욕, 시오셋: Technical Research Group, Inc.)로부터 잘 알려져 있는 헤테로다인 측정 방법에 기초하며, 방법은 국부 발진기-레이저의 신호의 주파수와 조사되는 광 신호의 주파수를 비교하는 것에 기초한다. 도 1은 헤테로다인 측정 방법의 일반적인 도면을 도시한다. 물체로부터 반사된, 생성된 전기장(E1cos(ω1t))을 표현하고 매우 높은 주파수로 진동하는 광 신호, 및 매우 높은 주파수로 진동하는 전기장 신호(E2cos(ω2t))인, 헤테로다인 또는 국부 발진기(레이저)로부터의 신호는 빔-분할기를 사용하여 포토다이오드 상에 집중되며, 여기서, 광전류가 측정된다. 포토다이오드는 이상적인 제곱 법칙 검출기로서 역할을 하는데, 이는 포토다이오드가 제곱된 전기장에 비례하는 광 파워를 측정하기 때문이다. 반면에, 광 신호의 주파수와 발진기의 신호의 주파수가 약간(대략 kHz 또는 MHz) 상이한 경우, 포토다이오드는 이 주파수 차이를 결정한다.
포토다이오드를 통과하는 전류(I)는 결과적인 전기장의 제곱에 비례한다.
(1)
Figure pat00005
여기서, I는 포토다이오드 상에 국부 및 측정 빔들을 동시에 가하여 발생된 포토다이오드의 결과적인 전류이고;
E1은 광 신호의 전기장 세기이고;
E2는 국부 발진기의 전기장 세기이고;
ω1은 광 신호의 전기장의 주파수이고;
ω2는 국부 발진기 신호의 전기장의 주파수이고;
t는 시간이다.
일련의 변환들 후에, 포토다이오드를 통과하는 전류(I)를 특성화하는 다음의 관계(2)가 획득된다.
(2)
Figure pat00006
포토다이오드를 통과하는 전류(I)는 2개의 성분들에 의해 특성화되며: 여기서, 제1 성분(좌측 대괄호)은 광 신호와 발진기 신호와 주파수 차이(2개의 주파수들, 즉, 광 신호 및 발진기 신호의 주파수들 사이의 차이와 동일함)로 진동하는 신호의 전력들의 합이고, 제2 성분(우측 대괄호)은 매우 높은 주파수들(광학 초과)로 진동하므로 포토다이오드에 의해 검출되지 않는 신호들을 표현한다. 좌측 성분은 다음의 비율을 표현한다.
(3)
Figure pat00007
여기서, 성분
Figure pat00008
+
Figure pat00009
는 고역-통과 필터를 사용하여 필터링되고, 성분 E1E2cos(Δωt)는 광검출기에 의해 검출된 주파수 차이를 특성화하는 헤테로다인 신호를 특성화한다.
레이저의 주파수(즉, 레이저에 의해 방출되는 전자기장의 주파수)를 시간에 따라 선형적으로 변조함으로써, 광 신호를 반사한 물체까지의 거리에 대해, 그 2개의 주파수들(즉, 광 신호 주파수와 발진기 신호 주파수) 사이의 차이(Δω)(Hz)의 선형 종속성을 획득하는 것이 가능하다.
(4)
Figure pat00010
여기서, L은 물체까지의 거리(m)이고;
s는 광의 속도(m/s)이고;
α는 레이저 방사선 주파수 변화의 주파수(Hz/s)이다.
따라서, 물체까지의 거리 및 국부 발진기 신호(헤테로다인)의 주파수는 선형적으로 관련되고, 국부 발진기 신호의 주파수를 결정하였으면, 광 신호를 반사하는 물체까지의 거리를 계산하는 것이 가능하다.
(5)
Figure pat00011
따라서, 포토다이오드를 통과하는 전류는 고조파 신호들의 합이며, 각각의 고조파 신호에 대해, 이 신호의 주파수는 광을 반사한 물체까지의 거리를 결정할 것이고, 이 고조파 신호의 진폭은 이 물체의 반사율을 결정할 것이다. 포토다이오드 전류의 스펙트럼 분석(즉, 구성 고조파 신호들의 주파수들 및 진폭들을 결정하기 위함)을 위해, 고속 푸리에 변환 방법이 적용될 수 있다.
다음은 도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 2d, 및 도 2f를 참조하는 광학 감지 디바이스의 바람직한 실시예들 및 예들이다.
도 2a는 물체들의 거리, 속도, 및 형상 및 구조의 식별을 결정하기 위한 광학 센서 디바이스(이하, 센서 디바이스)의 구성을 도시하며, 이는, 메인 제어부(9)로부터의 신호에 따라 대응하는 적어도 하나의 드라이버(21 ... 2n)에 의해 방사선 파라미터들을 동작적으로 조정할 수 있도록 구성된, 약 700 내지 950nm의 파장 범위에서 동작하는 레이저 방사선(이하, 레이저)의 적어도 하나의 소스(11 ... 1n), 특히, 수직 공진기를 갖는 표면-방출 레이저(VCSEL)를 포함한다.
레이저 방사선의 적어도 하나의 소스(11 ... 1n) 각각에 대해, 대응하는 적어도 하나의 시준 광학기들(31 ... 3n)이, 예컨대, 레이저 방사선의 소스(11 ... 1n) 위에 위치된 적어도 하나의 시준 마이크로렌즈의 형태로 제공되며, 빔-분할 수단(4), 예컨대 빔-분할 큐브(4)는 그 큐브 내부에 위치된 반-반사 미러(미도시)를 갖고, 빔을 기준 및 측정 빔들로 분할하도록 구성된다. 부가하여, 빔-분할 큐브(4)는 빔-분할 큐브(4)의 측면의 외측 또는 내측 표면 상에 위치된 광-반사 표면의 형태, 또는 빔-분할 큐브(4)의 측면의 전방에 위치된 미러(5)(도 2c 참조)의 형태로 반사 수단(5)을 포함한다.
센서 디바이스는 또한, 미리 결정된 방향으로 적어도 하나의 시준된 방사선 빔을 지향시키도록 구성된 빔 지향 광학 수단(6)을 포함하며, 여러 레이저 소스들(11 ... 1n)을 동시에 동작시키는 동안, 빔 지향 광학 수단(6)은 방출되는 레이저 빔 각각을 미리 결정된 방향으로 편향시킨다. 빔을 지향시키기 위한 광학 수단(6)은 렌즈이며, 렌즈는 빔-분할 큐브(4)를 향하는 면 상에 평탄한 표면을 갖고, 물체를 향하는 면 상에 적어도 하나의 마이크로렌즈로 구성된 표면을 갖는 한편, 적어도 하나의 마이크로렌즈 각각은 적어도 하나의 레이저 소스에 대응한다. 여기서, 적어도 하나의 마이크로렌즈 각각은 대응하는 입사 레이저 빔에 대해 미리 결정된 각도로 위치되고, 대응하는 레이저 빔이 마이크로렌즈를 통과한 후에 요구되는 미리 결정된 방향으로 지향되도록 구성된다.
도 8은, 17x17도의 시야를 갖고, 각각 물체의 주어진 포인트로 하나의 레이저 빔을 지향시키는 것을 담당하는 광학 마이크로렌즈들 또는 렌즈 마이크로엘리먼트들의 수가 25개(5x5)인 렌즈의 형태로 빔을 가이딩하기 위한 광학 수단(6)의 예를 도시하거나; 또는 빔을 가이딩하기 위한 광학 수단은 적어도 하나의 마이크로렌즈(61 ... 6n)(도 2d 참조)의 형태로 이루어질 수 있다.
센서 디바이스는 또한 적어도 하나의 검출기(71 ... 7n)를 포함하며, 적어도 하나의 검출기(71 ... 7n)는 방출된 레이저 방사선을 검출하도록 구성되고, 적어도 하나의 트랜스듀서(81 ... 8n)를 통해 데이터 프로세서를 포함하는 메인 제어부(9)에 연결된다. (일 실시예로서) 도 2a에 따르면, 레이저 방사선의 소스들(11 ... 1n)은 이미터들의 2-차원 매트릭스를 형성하고, 시준 광학기들(31 ... 3n)은 마이크로렌즈들의 2-차원 매트릭스를 형성하고, 검출기들(71 ... 7n)은 검출기들의 2-차원 매트릭스를 형성한다.
도 2b는 물체들의 거리 및 속도를 결정하고 물체들의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 센서 디바이스의 구성을 도시한다. 2a에서, 하나의 측정 채널이 레이저 방사선의 소스들(11 ... 1n) 중 하나와 검출기들(71 ... 7n) 중 하나의 쌍으로 형성되어 파선-점선으로 강조되어 있다. 드라이버들(21 ... 2n)로부터의 대응하는 드라이버를 갖는 레이저 방사선의 소스들(11 ... 1n) 각각, 및 변환기들(81 ... 8n)로부터의 대응하는 변환기를 갖는 검출기들(71 ... 7n) 각각은, 개별적으로 기능하고 개별적으로 조정 가능한 작동 채널을 형성하는 한편, 모든 이들 채널들은 메인 제어부(9)로부터의 제어 신호에 따라 동시에 또는 선택적으로 작동할 수 있다.
도 2c는, 미러(5)의 위치를 제외하고, 도 2a 및 도 2b에 따른 센서 디바이스의 구성을 완전히 반복하는 센서 디바이스의 구성을 도시하며, 미러(5)는 빔-분할 큐브(4)의 측면 에지 상에 있는 것이 아니라 이의 측방향 에지의 전방에 배치된다. 이 경우, 도 2c에 따른 센서 디바이스의 동작은 도 2a 및 도 2b에 따른 디바이스의 동작을 완전히 반복한다.
도 2d는, 빔을 가이딩하기 위한 광학 수단(6)의 구현을 제외하고, 도 2a 및 도 2b에 따른 센서 디바이스의 구성을 완전히 반복하는 센서 디바이스의 구성을 도시하며, 빔을 가이딩하기 위한 광학 수단(6)은 마이크로렌즈들(61 ... 6n)의 매트릭스인 한편, 마이크로렌즈들(61 ... 6n) 각각은 물체의 주어진 포인트로 레이저 빔을 지향시키는 것을 제공한다. 도 2d에 따른 센서 디바이스의 동작은 도 2a 및 도 2b에 따른 디바이스의 동작을 완전히 반복한다.
도 2e는, 회로에 광학 아이솔레이터(10)가 부가된 것을 제외하고, 도 2a 및 도 2b에 따른 센서 디바이스의 구성을 완전히 반복하는 센서 디바이스의 구성을 도시하며, 광학 아이솔레이터(10)는 하나의 방향으로만, 즉, 레이저 방사선 소스(1)로부터 빔-분할 수단(4)으로의 레이저 빔의 통과를 보장하는 광학 엘리먼트이고, 빔-분할 수단(4)과 적어도 하나의 광학 시준 수단(31 ... 3n) 사이에 위치되고, 물체로부터 반사된 광이 적어도 하나의 레이저 방사선 소스(11 ... 1n)에 진입하는 것을 방지하고, 이들 레이저 방사선 소스들의 기능의 불안정화를 방지하도록 구성된다. 도 2e에 따른 센서 디바이스의 동작은 도 2a 및 도 2b에 따른 디바이스의 동작을 완전히 반복한다.
도 2f는, 프리즘(11)만이 구성 내에 도입되고, 도 2a 및 도 2b에 따른 센서 디바이스의 구성을 완전히 반복하는 센서 디바이스의 구성을 도시하며, 이로 인해, 기준 및 측정 빔들이 빔-분할 큐브(4)를 벗어난 후에 프리즘(11) 상에 떨어지고, 프리즘(11)의 내측 표면으로부터 반사된 후에 대응하는 검출기(71 ... 7n)로 재지향된다. 이러한 빔 통로의 궤적으로 인해, 센서 디바이스의 엘리먼트들의 더 최적의 배열이 제공되며, 이는 단일 칩 상에 드라이버들(21..2n) 및 검출기들(71 ..7n)과 함께 레이저 방사선 소스들(11..1n)을 배치하는 것을 가능하게 한다. 단일 칩 상의 센서 디바이스의 이러한 배열은 센서 디바이스의 사이즈의 상당한 감소를 가능하게 하며, 이는 모바일 터치 디바이스들에서 센서 다비아스가 사용되는 데 결정적인 역할을 한다. 도 2f에서 변환기들 및 메인 제어부를 예시하는 구성의 일부가 생략되지만, 센서 디바이스는 도 2a 및 도 2b에 도시된 센서 디바이스를 완전히 반복한다. 도 2f에 따른 센서 디바이스의 동작은 도 2a 및 2b에 따른 디바이스의 동작을 완전히 반복한다.
센서 디바이스에 포함되고 도 2a 내지 도 2f에 도시된 모든 광학 엘리먼트들, 즉, 레이저 방사선 소스, 시준 수단, 빔-분할 수단, 빔을 가이딩하기 위한 광학 수단, 검출기들, 및 다른 광학 엘리먼트들은 서로 광학적으로 커플링된다는 것이 유의되어야 한다.
본 발명에 따른 센서 디바이스(도 2a 내지 도 2f 참조)는 다음과 같이 동작한다.
미리 결정된 파장(700 내지 950 nm)의 레이저 방사선은 레이저 방사선 소스들(11 ... 1n) 중 적어도 하나에 의해 방출되고, 시준 마이크로렌즈(31 ... 3n) 중 적어도 하나를 통과하고, 빔-분할 큐브(4) 상에 떨어지며, 여기서, 방사선의 일부분, 즉, 기준 빔(도 2a 내지 도 2f에서 점선으로 표시됨)은 빔-분할 큐브(4) 내부의 반투명 미러(미도시)로부터 반사되고, 빔-분할 큐브(4)의 반사 표면(5)(도 2a) 또는 미러(5)(도 2c 참조) 상에 떨어지고, 이로부터 반사되어 대응하는 적어도 하나의 검출기(71... 7n) 상에 떨어진다. 그리고, 방사선의 제2 부분, 즉, 측정 빔(도 2a 내지 도 2f에서 실선으로 표시됨)은 빔-분할 큐브(4)를 통과하고, 빔을 가이딩하는 광학 수단(6) 상에 떨어지며, 빔을 가이딩하는 광학 수단(6)은 연구 대상 물체에 대해 주어진 각도로 특정 측정 빔을 지향시킬 수 있도록 구성된다. 물체로부터 반사되는 반사된 측정 빔은 빔 가이딩 수단(6) 및 빔-분할 큐브(4)를 통과하고, 검출기들(71 ... 7n)로부터의 대응하는 검출기에 진입하며, 여기서, 위에서 설명된 헤테로다인 특정 방법에 따라, 기준 및 측정 빔에 의해 형성된 2개의 신호들의 주파수 차이(Δω)가 측정된다.
본 발명에 따른 센서 디바이스(도 2a 내지 도 2f)는 고정된 방향으로 물체의 포인트를 향하는 측정 채널을 형성하는 각각의 쌍, 예컨대 레이저 방사선 소스(11)(이미터) 및 검출기(71)의 동작을 보장한다. 따라서, 연구 대상 물체가 동시에 스캐닝되고, 각각의 쌍, 즉, 이미터-검출기가 물체 상에 위치된 이의 특정 포인트들 중 하나로 조준됨으로써, 센서 디바이스는 전체 시야를 커버한다. 대응하는 쌍의 이미터 및 검출기에 의해 형성된 각각의 측정 채널(도 2b 참조, 파선-점선으로 강조됨)은 다른 채널들과 독립적으로 동작하지만, 동시에, 레이저 방사선 소스들(11 ... 1n) 및 검출기들(71… 7n)에 의해 물체를 스캐닝하는 프로세스가 동시에 실행된다. 센서 디바이스의 이러한 구성으로 인해, 물체까지의 거리 및 물체(물체들)의 속도가 동시(t)에 측정되며, 이는 본 발명에 따른 센서 디바이스의 높은 동작 속도 및 획득된 파라미터들의 정확성을 증가시킨다.
이로 인해, 종래의 거리 측정 디바이스들(LIDAR들)과 대조적으로, 물체까지의 거리가 동시에 측정되기 때문에, 이동 물체의 이미지의 흐릿함 또는 블러링의 효과가 발생되지 않으며, 여기서, 물체를 스캐닝하는 동안, 빔이 떨어지는 물체의 각각의 후속 포인트는 Δt 및 거리(Δs)만큼 변위되고, 이는 물체의 이미지에서 왜곡들의 출현을 야기하며, 이는 검은 고양이의 형태의 물체의 약간 왜곡된 이미지를 도시하는 도 3a에서 명확하게 볼 수 있다. 도 3b는 물체의 모든 포인트들이 전체 시야에 걸쳐 동시에 스캐닝되기 때문에 선명한 이미지를 도시한다. 전체 시야에서 측정들을 동시에 실시하고, 종래의 LIDAR들의 속도를 제한하는 기계적 회전 부분들이 없기 때문에, 청구되는 센서 디바이스의 고속 동작이 보장된다.
본 발명에 따른, 물체들의 거리 및 속도를 결정하고 물체들의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 센서 디바이스의 동작은 주파수 변조 연속 방사선(frequency modulated continuous radiation, FMCW)의 원리에 기초하며, 이는, 디바이스 자체에 직접적으로 구조적 변경들을 행하는 것이 아니라 레이저 방사선 소스(11 ... 1n)의 동작 파라미터들, 즉, 메인 제어부(9)로부터의 신호에 따라 드라이버들(21 ... 2n)을 통해 레이저 방사선 소스들(11 ... 1n)에 공급되는 전류를 변경함으로써, "온 플라이(on fly)"로, 즉, 센서 디바이스의 동작 동안 길이 분해능을 조정하는 것을 가능하게 한다.
청구되는 센서 디바이스에 의해 결정되는 파라미터들 중 하나는 범위에 관한 동작 분해능(Res)이다.
동시에, 본 발명자들은 실험 연구들을 수행하였고, 여기서, 본 발명에 따른 센서 디바이스에서, 레이저 방사선 소스들(11 ... 1n)에 공급되는 펌프 전류의 변조의 진폭은 3 mA인 한편(펌프 전류는 3 mA로부터 6 mA로 변화됨), 범위 분해능은 0.25 mm이었으며, 전류 변조 진폭이 1 mA인 경우(펌프 전류는 4 mA로부터 5 mA로 변화됨), 범위 분해능은 0.75 mm이었다. 두 경우 모두, 레이저 방사선 소스들에 공급되는 전류의 값의 변화는 물체까지의 거리에 관하여 분해능을 조정하는 것을 가능하게 하였다. 레이저 방사선 소스들의 파장은 850 nm이었다.
유사한 연구들이 780 nm와 동일한 레이저 소스들의 파장으로 수행되었다. 이 경우, 레이저 방사선 소스(11 ... 1n)에 공급되는 펌프 전류의 변조의 진폭은 40 mA인 한편(펌프 전류는 80 mA로부터 120 mA로 변화됨), 범위 분해능은 6 mm이었으며, 변조 진폭이 10 mA인 경우(전류 펌핑 비율은 100 mA로부터 110 mA로 변화됨), 범위 분해능은 25 mm이었다. 두 경우 모두, 레이저 방사선 소스들에 공급되는 전류의 값의 변화는 물체까지의 거리에 관하여 분해능을 조정하는 것을 가능하게 하였다.
범위 분해능(Res)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
(6)
Res
Figure pat00012
c는 광의 속도(m/s)이고,
Ω는 적어도 하나의 레이저 방사선 소스(11 ... 1n)(이하, 레이저) 내에 펌핑되는 전류에 따른, 방출되는 레이저 광의 주파수의 종속성(Hz/mA)이고,
dI는 물체의 스캐닝 동안 레이저 방사선 소스의 전류의 변조의 진폭(mA)이다(즉, 물체의 스캐닝 동안의 레이저 방사선 소스의 전류 튜닝).
물체를 스캐닝하는 프로세스에서 전류의 변조(dI)의 진폭을 변경함으로써, 범위 분해능을 즉시 변경하는 것이 가능하다.
도 4a 및 도 4b는 전류에 대한 길이 분해능의 종속성을 예시하는 그래프들이고, 도 5a 및 도 5b는 높은 및 중간 프레임 레이트들(즉, 단위 시간당 측정들의 수)의 경우들에 대한 레이저 펌프 전류에 대한 프레임 레이트의 종속성을 예시하는 그래프들을 도시한다. 도 4a는 거리 결정의 평균 분해능(약 3 mm)이 실현되는 시간에 대한 레이저 방사선 소스(레이저)의 펌프 전류의 종속성을 도시하고, 도 4b는 거리 결정의 높은 분해능(약 0.25 mm)이 실현되는 시간에 대한 레이저 방사선 소스(레이저)의 펌프 전류의 종속성을 도시한다. 도 5a는 평균 스캐닝 속도를 도시하고, 도 5b는 높은 스캐닝 속도를 도시한다. 세로 좌표는 레이저 소스에 공급되는 전류 값(mA)을 나타내고, 가로 좌표는 시간(초)을 나타내며, 하나의 주기는 하나의 측정에 대응한다. 이들 그래프들에서 신호가 더 빠르게 반복될 수록, 프레임 레이트가 더 높게 된다는 것을 볼 수 있다. 신호 진폭(즉, 최소치와 최대치 사이의 스윙)이 더 높을수록, 거리 결정의 정확도가 더 높아진다.
청구되는 센서 디바이스가 주파수 변조 연속 방사선(FMCW)의 원리에 기초하기 때문에, 물체까지의 거리를 결정하는 것에 부가하여, 이는 물체 자체의 파라미터들을 식별할 수 있는데, 이는 청구되는 센서 디바이스가 물체의 표면 구조에 따라 반사 계수들의 분포의 데이터를 결정할 수 있기 때문이다.
"원시", 즉 프로세싱되지 않은 데이터의 비행-시간 원리에 기초한 종래의 광학 레이징 디바이스들(LIDAR들)은 각각의 방향으로 하나의 포인트를 리턴하고, 이 포인트는 광이 물체로 비행하는 시간에 대응하며, 그 물체로부터 광은 다시 LIDAR로 반사되었다. 종래의 비행-시간 LIDAR들과 대조적으로, 청구되는 디바이스는, "원시"(프로세싱되지 않은) 데이터로서, 물체로부터 반사된 거리에 따라, 각각의 빔에 대한 반사 계수 분포에 관한 정보를 제공한다.
도 6은 이러한 동작 원리를 명확하게 나타내는 그래프들이다.
도 6은 레이저 방사선 소스(레이저)에 의해 방출된 빔의 경로를 따르는 투명 및 불투명 물체들의 배열 및 레이저 빔이 투명 또는 불투명 물체들을 통과할 때 획득된 반사율의 분포를 예시한다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 2개의 투명 윈도우들(유리 플레이트들)이 레이저 빔의 경로 상에 위치되고, 불투명 물체, 예컨대 벽이 충분히 연장되어 있다.
레이저 방사선 소스(11 ... .1n)로부터 방출되는 레이저 빔(레이저)은 빔의 경로를 따라 위치된 2개의 투명 윈도우들(2개의 얇은 유리 플레이트들)을 통과하며, 플레이트들은 방사선의 대부분(약 90%)을 투과시키고, 작은 부분 방사선(5 내지 10%)은 투명 물체들을 통과할 때 산란 또는 반사된다. 따라서, 도 6은 투명 물체들로부터 반사된 빔의 2개의 작은 피크 특성, 및 벽으로부터 거의 완전히 반사된 빔의 하나의 큰 피크 특성을 도시한다. 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 피크 진폭들은 광 신호의 반사 계수에 비례한다(이는 상이한 거리들에서의 물체들로부터의 반사들이 방정식(4)에 따라 쉽게 구별될 수 있는 상이한 주파수들의 광검출기로부터의 신호를 발생시킬 것이기 때문임).
따라서, 이들 그래프들에 따르면, 레이저 방사선 소스로부터의 빔의 경로에 위치된 물체들의 타입을 판단할 수 있다, 즉, 2개의 작은 피크들(투명 물체(유리)로부터의 작은 반사) 및 하나의 큰 피크(불투명 물체(벽)으로부터의 큰 반사).
추가로, 신호가 주파수로부터 거리(즉 미터 단위)로 변환될 때, 빔을 따라 센서 디바이스로 작은 광을 반사하는 2개의 물체들이 있고, 이들 뒤에, 물체(즉, 벽)로부터 디바이스로의 광의 높은 반사 계수(큰 피크)를 갖는 하나의 물체가 있는 것으로 결론을 내릴 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 센서 디바이스의 이러한 기능은, 종래의 비행-시간 LIDAR들이 고도로 반사되는 물체들만을 인식할 수 있고, 낮은 반사율을 갖는 물체들(투명 또는 반투명 물체들)을 구별할 수 없기 때문에, 집 또는 다른 공간 내부의 내비게이션의 품질을 개선할 것이다.
청구되는 센서 디바이스는 또한, 적어도 하나의 레이저 방사선 소스(11 ... 1n)로부터 방출된 빔이 전파되고 그리고/또는 반사되는 투명 및 불투명 물체들의 표면의 특성 특징들을 인식 또는 식별할 수 있다. 물체의 구조 또는 재료의 인식 또는 식별은 빔 경로를 따르는 반사 계수들의 분포에 기초하여 수행될 수 있다.
도 7은 티슈 물체의 배열의 예, 직물 내의 밀도가 더 높은 "층"을 갖는 직물 구조 및 티슈인 물체의 위치의 예에 대응하는 레이저 빔의 경로를 따르는 반사 계수의 분포의 도면이다. 도 7의 상측 도면은 빔 전파의 경로를 따라 충분히 연장된 물체(예컨대, 티슈)를 통해 적어도 하나의 레이저 방사선 소스(11 ... 1n)(레이저)로부터 방출된 빔의 전파를 예시하는 도면이다. 이 경우, 직물 조각의 층별 분리는 도 7의 중간 도면에 명확하게 도시되며, 물체의 각각의 층은 이의 길이를 따라 반사에 기여한다. 이 경우, 물체로부터 투과 및/또는 반사된 유용한 신호는 물체의 반사 또는 산란의 패턴을 반복한다. 일반적으로, 물체 재료의 각각의 층은 빔의 경로를 따라 반사율을 나타내는 신호를 나타내는 빔을 반사할 것이고, 이는 도 7의 하측 도면에서 명확하게 볼 수 있으며, 여기서, 더 높은 피크는 내측 티슈 층의 더 높은 반사율에 대응한다.
따라서, 물체의 반사율의 분포에 의해 물체를 이루는 재료의 성질을 판단할 수 있다.
콘크리트 벽들, 금속 물체들 등과 같은 고 반사성 물체들은 이들의 표면으로부터 거의 100%의 광을 반사하여, 신호 스펙트럼에서 좁은 피크를 생성한다.
유리, 가죽, 직물 등과 같은 저-반사성 물체들은 표면으로부터 광의 일부를 반사하고, 광이 재료에 진입함에 따라 표면 아래로부터 더 많은 광이 반사된다. 이는 넓고 불균등한 피크를 생성한다. 피크의 형상, 즉 폭 및 높이를 분석함으로써, 연장된 물체의 재료의 타입을 추정할 수 있다. 이 사실은 티슈로부터 반사된 신호의 반사율의 분포를 특성화하는 도 7의 하측 도면의 그래프에 명확하게 예시된다.
따라서, 청구되는 센서 디바이스는 빔의 경로를 따르는 다수의 반사들의 검출과 조합하여, 이동 물체의 고-분해능 이미지를 제공하도록 구성되며, 이는 대상 물체들이 레이저 소스로부터의 빔을 반사하는 방식에 따라 대상 물체를 구별하는 것을 가능하게 한다.
본 발명자들은 다수의 실험 연구들을 실시하였고, 일부 대상 물체들(유리, 콘크리트(벽돌), 직물(티슈)의 반사율의 분포의 패턴들을 분류하였다. 따라서, 물체들의 상이한 재료들에 대한 반사 신호의 피크 특성의 프로파일에 의해, 물체들을 이루는 재료들 및 이들의 형상을 인식하는 것이 가능하게 된다.
도 9a, 도 9b, 도 9c, 및 도 9d는 물체들(플라스틱, 가죽, 직물, 유리)의 재료에 따라 반사율의 분포를 예시하는 그래프들이며, 여기서, 세로 좌표는 반사율(반사)을 (임의의 단위들로) 표시하고, 가로 좌표는 mm 단위의 거리(즉, 실험 동안 대략 150 mm였던 센서 디바이스로부터 물체까지의 거리)이다.
도 9a는 물체로서 플라스틱 플레이트를 사용하여 획득된 신호를 예시하는 그래프이며, 그래프는 신호 피크의 큰 높이 및 작은 폭을 도시한다.
도 9b는 물체로서 사람의 손바닥 피부를 사용하여 획득된 신호를 예시하는 그래프이다. 그래프 상에서 구조 피크의 낮은 높이(표면 아래 광의 침투 및 물체의 깊은 층들로부터 반사되는 것을 나타내는, 우측의 피크의 더 평탄한 부분) 및 상당한 폭을 볼 수 있다.
도 9c는 물체로서 티슈(의료용 마스크)를 사용하여 획득된 신호를 예시하는 그래프이다. 그래프에서 낮은 피크 높이, 피크 구조(이는 2개의 인접한 최대치들로 구성됨) 및 상당한 폭을 볼 수 있다.
도 9d는 물체로서 20 mm 두께의 유리 플레이트를 사용하여 획득된 신호를 예시하는 그래프이다. 그래프에서 큰 피크 높이, 작은 폭, 및 2개의 피크들의 존재가 있음을 알 수 있다(이는 차례로 위치된 2개의 표면들로부터의(이 경우, 유리 플레이트의 전방 표면 및 후방 표면으로부터의) 반사를 명확하게 나타냄).
그래프들의 형태로 도 9a 내지 도 9d에 제시된 실험 데이터는 반사하는 물체의 재료(구조)에 따른 파형들의 상당한 차이들을 명확하게 예시한다. 파형은 재료 타입 인식 알고리즘에 대한 입력 데이터로서 사용될 수 있다.
획득된 실험 데이터는 검출기들(71… 7n) 상에서 획득된 응답 데이터의 결과들을 분류하도록 설계된 머신 학습 알고리즘을 셋업하는 데 사용되고, 메인 제어부(9)(이하에서 제어부로서 지칭됨) 내에 입력되며, 여기서, 물체로부터 수신된 응답 데이터의 분류는 메인 제어부(9)의 미리 세팅된 알고리즘에 기초하여 수행되고, 물체의 구조 및 형상에 관한 결과는 그 분류에 기초하여 디스플레이된다.
청구되는 센서 디바이스는 또한, 종래 기술로부터 알려져 있는 LIDAR들과 대조적으로, 물체까지의 거리와 동시에 측정되는 물체의 각각의 포인트의 속도를 측정하도록 구성되며, 여기서, 속도는 2개의 후속 프레임들에서의 물체들의 위치에 기초하여 결정된다(이 경우, "프레임"은 동시에 수행되는 디바이스의 시야 내의 물체까지의 거리들의 하나의 측정을 의미함).
물체가 이동함에 따라, 물체로부터 반사되는 광은 도플러 효과로 인해 주파수 시프트를 겪게 된다. 이 시프트는 다음의 방정식에 의해 설명된다.
(7)
Figure pat00013
여기서, ω0는 입사 광의 주파수(Hz)이고, V는 물체의 속도(m/s)이고, s는 광의 속도(m/s)이다.
따라서, 레이저 방사선 소스와 측정 신호 사이의 주파수 차이는 다음과 같다.
(8)
Figure pat00014
여기서, ω0는 입사 광의 주파수(Hz)이고, V는 물체의 속도(m/s)이고, s는 광의 속도(m/s)이고, L은 물체까지의 거리(m)이고, α는 방사선 주파수의 상승 레이트(Hz/s), 즉, 소스(레이저)에 의해 방출되는 레이저 방사선의 순간 주파수의 측정의 레이트이다.
예컨대, 레이저가 이의 파장을 852 nm(주파수 = 352.1 THz)로부터 850 nm(주파수 = 352.9 THz)로 0.1초의 시간 내에 변경하는 경우, 주파수 상승 레이트는 다음과 같다.
Figure pat00015
광검출기 신호의 측정된 주파수는 물체까지의 거리(L) 및 물체의 속도(V) 둘 모두에 의해 영향을 받는 것을 (8)에서 알 수 있다. 물체까지의 거리 및 속도를 개별적으로 측정하는 것을 가능하게 하기 위해, 2개의 측정들을 순차적으로 차례로 수행하는 것이 제안되며, 먼저, 주파수의 상승 레이트가 α와 동일할 때 수행한 후에, 주파수의 상승 레이트가 -α와 동일할 때 수행한다. (즉, 주파수는 시간이 지남에 따라 하락된다).
이 경우, 주파수의 상승 동안, 주파수(Δw1)가 측정될 것이다.
(9)
Figure pat00016
여기서, Δω1은 방사선 주파수가 증가됨에 따라 측정 및 기준 빔들에 의해 생성되는 신호들의 주파수 차이(Hz)이고, ω0는 입사 광의 주파수(Hz)이고, V는 물체의 속도(m/s)이고, s는 광의 속도(m/s)이고, L은 물체까지의 거리(m)이고, α는 방사선 주파수의 상승 레이트(Hz/s)이다.
주파수의 하락 동안, 주파수(Δω2)가 측정될 것이다.
(10)
Figure pat00017
여기서, Δω2는 방사선 주파수가 감소될 때 측정 및 기준 빔들에 의해 생성되는 신호들의 주파수들 사이의 차이(Hz)이고, ω0는 입사 광의 주파수(Hz)이고, V는 물체의 속도(m/s)이고, s는 광의 속도(m/s)이고, L은 물체까지의 거리(m)이고, α는 방사선 주파수의 상승 레이트(Hz/s)이다.
따라서, 물체까지의 거리(L) 및 이의 속도(V)는 다음의 방정식들로 계산될 수 있다.
(11)
Figure pat00018
Figure pat00019
이러한 계산들은 메인 제어부(9)에서 수행될 수 있다.
청구되는 디바이스의 주요 효과들
청구되는 센서 디바이스는 물체까지의 거리, 물체의 속도 뿐만 아니라, 물체의 형상 및 구조, 예컨대 물체를 이루는 재료의 동시적인 측정을 제공한다.
청구되는 디바이스는 작은 로봇들 및 다른 가정용 기기들(집 내부와 외부 둘 모두)에서 사용하도록 설계된 콤팩트 센서이다.
부가하여, 청구되는 센서 디바이스는 높은 신뢰성을 특징으로 하는데, 이는 이의 설계가 이동하는 기계 파트들 또는 파트들의 존재를 커버하지 않기 때문이다. 설명에서 이미 나타낸 바와 같이, 센서 디바이스의 동작은 간섭 측정 방법에 기초하며, 이는 밝은 광 및 다른 LIDAR들의 소스들 옆에서 집 내부 및 집 외부 둘 모두에서의 청구되는 디바이스의 동작의 가능성에 기여하는데, 이는 이 간섭 측정 방법이 센서 디바이스 자체에 의해 방출되는 광만의 검출을 제공하고, 다른 방사선 소스들, 이를테면 밝은 램프들, 태양, 달, 및 다른 방사선 소스들에 응답하지 않고, 즉, 다른 잠재적인 방사선 소스들로부터의 플레어(flare)들에 대한 문제가 없기 때문이다.
청구되는 센서 디바이스는 물체까지의 거리와 이의 속도 둘 모두를 동시에 결정하는 것을 가능하게 하며, 이는 내비게이션을 위한 새로운 알고리즘들의 사용을 가능하게 한다. 부가하여, 청구되는 디바이스는 데이터(FMCW 신호)를 획득할 수 있게 하며, 이는, 일부 프로세싱 후에, 물체의 구조를 특성화한다.
부가하여, 청구되는 센서 디바이스는 센서 디바이스의 레이저 변조 파라미터들의 동작 변경을 제공한다. 예컨대, 프레임 레이트를 증가시키기 위해, (메인 제어부(9)로부터의 신호에 따라) 전류의 변조의 주파수를 증가시킬 필요가 있으며, 분해능을 개선하기 위해, (메인 제어부(9)로부터의 신호에 따라) 파장 변조의 더 큰 진폭을 발생시키게 될, 펌프 전류의 변조의 진폭의 증가가 필요하다.
본 발명에 따른 센서 디바이스의 특정 능력들은 디바이스의 기능을 신속하게 변경하는 것을 가능하게 하는데, 예컨대, 센서 디바이스는 가정용 진공 청소기와 함께 동작할 때 내비게이션 목적들을 위해 동작할 수 있지만, 필요한 경우, 물체의 적은 수의 스캐닝 포인트들 그러나 더 높은 분해능 및 높은 주파수 프레임들을 위해 디바이스의 동작을 쉽게 재배열하는 것이 가능하며, 이는 제스처 센서로서의 센서 디바이스의 동작을 보장한다. 이 경우, 메인 제어부(9)로부터의 제어 신호에 따라, 동시에 기능하는 레이저 방사선 소스들의 수가 (이전 경우에 비해) 감소되지만, 이러한 레이저 방사선 소스들(11 ... 1n)에 공급되는 전류의 변조의 진폭이 증가되며, 이는 물체의 이미지 분해능 및 프레임 레이트를 증가시킨다. 레이저 방사선 소스들(11 ... 1n)의 동작의 교번 모드의 경우, 센서 디바이스는 3-차원 스캐너로서 동작한다. 따라서, 청구되는 디바이스는 사용자의 태스크에 따라 이의 동작 모드를 신속하게 변경할 수 있게 한다.
일반적으로, 센서 디바이스로부터의 출력은 주변 공간 내의 광 반사 및 산란 물체들의 분포(이들의 형상과 함께)이다.
제스처 센서 모드로 동작하기 위해, 센서 디바이스는, 질의되는 광검출기들의 수를 감소시킴으로써, 더 높은 프레임 레이트를 갖고(예컨대, 노멀 모드에서 센서 디바이스가 10 프레임/초로 동작하는 경우, 제스처 센서 모드에서 이는 50 프레임/초로 동작함); 더 높은 분해능을 갖고(예컨대, 노멀 모드에서 센서 디바이스가 5 mm의 분해능으로 동작하는 경우, 제스처 센서 모드에서 이는 0.2 mm의 분해능으로 동작함); 및 더 좁은 시야를 갖는(예컨대, 노멀 모드에서 터치 디바이스가 50°의 시야로 동작하는 경우, 제스처 센서 모드에서 이는 15°의 시야로 동작함) 모드로 스위칭될 수 있다. 따라서, 사용자의 제스처의 이미지를 획득하기 위해 파라미터들의 최적의 비율이 실현된다.
3D 스캐너 모드로 작동하기 위해, 센서 디바이스는, 모든 이용 가능한 광검출기들 상에서 스위칭함으로써, 낮은 프레임 레이트를 갖고(예컨대, 노멀 모드에서 센서 디바이스가 10 프레임/초로 동작하는 경우, 3D 스캐너 모드에서 이는 1 프레임/초로 동작함); 높은 분해능을 갖고(예컨대, 노멀 모드에서 센서 디바이스가 5 mm의 분해능으로 동작하는 경우, 3D 스캐너 모드에서 이는 1 mm의 분해능으로 동작함); 및 큰 각도의 시야를 갖는(예컨대, 노멀 모드에서 센서 디바이스가 50°의 시야로 동작하는 경우, 3D 스캐너 모드에서 이는 70°의 시야로 동작함) 모드로 스위칭될 수 있다. 따라서, 물체의 3-차원 이미지를 획득하기 위한 파라미터들의 최적의 비율이 실현되고, 스캐닝 속도는 중요한 역할을 하지 않는다.
본 발명자들은 가정용 목적들을 위해 사용되는 이러한 거리 검출 디바이스들의 파라미터들에 대해 다수의 연구들을 수행했으며, 이러한 연구들은 시장에 알려져 있는 유사한 디바이스들과 비교하여 청구되는 센서 디바이스의 이점들을 명확하게 입증하였다.
다음의 디바이스들이 고려되었다.
(1) 본 발명에 따른, 물체들의 거리 및 속도를 결정하고, 이의 형상, 및 이들 물체들을 이루는 구조 또는 재료를 인식하기 위한 광학 센서 디바이스(이하, 센서 디바이스);
(2) 플레어 비행-시간 LIDAR(Benewake C30A);
(3) 스테레오 카메라(Stereolabs ZED); 및
(4) 삼각 측량 LIDAR(RPLidar M8A1).
연구들은 다음 기준들에 따라 수행되었다. 1) 결정된 거리, 2) 기계적 스캐닝의 사용, 3) 데드 존의 반경, 4) 정확도, 5) 다른 센서들과의 간섭. 표 1은 획득된 연구들의 결과들을 명확하게 나타낸다.
기준 1) 최대 25 m의 거리들을 측정할 수 있는 스테레오 카메라를 제외하고, 모든 테스트된 디바이스들은 거의 동일한 크기로 동작한다.
기준 2) 삼각 측량 LIDAR(RPLidar M8A1)을 제외하고, 테스트중인 모든 디바이스들은 기계적 스캐닝이 요구하지 않는다.
기준 3) 연구중인 모든 디바이스들은 이들이 작동할 수 없는 특정 데드 존을 갖고, 예컨대, 비행-시간 LIDAR(2)의 경우, 이 존은 10 cm인데, 이 거리에서, 방사선 세기가 너무 높고 센서가 조명되기 때문이고, 스테레오 카메라(3)는 스테레오 베이스(일반적으로는 수십 센티미터)로 지칭되는 특정 거리만큼 분리된 2개의 카메라들에 의해 제공되는 스테레오 효과로 인해 작동한다. 더욱이, 스테레오 효과를 관찰하기 위해, 관찰되는 물체가 카메라들 둘 모두의 시야 내에 속할 필요가 있다. 카메라들의 시야가 제한되기 때문에, 스테레오 카메라의 입체 시야가 또한 제한된다. 이 경우, 동작을 위한 최소 거리는 스테레오 베이스, 즉 수십 센티미터와 비슷하다.
LIDAR(4)(RPLidar M8A1)의 동작을 위해, 이미터와 수신기 사이에 최소 약 15 cm의 거리가 요구되며, 그 미만인 경우, 기능할 수 없다. 반대로, 청구되는 광학 센서 디바이스(1)는, 이의 헤테로다인 동작 원리로 인해, 사실상 데드 존이 없는데, 이는, 거리 측정이 방출된 광과 수용된 광 사이의 주파수 차이의 측정들에 기초하기 때문이며, 제로 주파수는 제로 차이, 즉 제로 거리에 대응할 것이고, 즉, 데드 존의 부재는 청구되는 센서 디바이스의 상당한 이점이다.
기준 4) 본 발명에 따른 청구되는 센서 디바이스는 다른 디바이스들에 비해 거리(1 mm 미만)를 측정할 때 더 높은 분해능을 나타냈다.
기준 5) 청구되는 디바이스(1)는 헤테로다인 방법에 기초하기 때문에 다른 디바이스들로부터의 간섭의 영향을 완전히 배제하며, 디바이스들 (2) 및 (4)는 다른 방출 디바이스들의 영향을 받으며, 이는 측정 에러들을 발생시킬 수 있고, 스테레오 카메라(3)는 비-방출 수동 디바이스이기 때문에 다른 방출 디바이스들의 영향을 받지 않는다.
따라서, 표 1은 청구되는 디바이스(1)가 높은 정확도(1 mm 미만), 높은 신뢰성(기계적 이동 파트들의 부재)을 특징으로 하고, 헤테로다인 동작 원리로 인해 다른 방출 디바이스들로부터의 간섭에 완전히 영향을 받지 않는 것을 명확하게 나타낸다.
본 발명자들은 청구되는 센서 디바이스를 사용하여 물체들의 형상 및 구조를 식별하기 위해 실험 연구들을 수행했다(도 10 참조).
도 10에서, 실험 실습실의 섹터들(1 내지 4)의 사진들이 코너들에 도시되고, 도 10의 중앙에는 어두운 원이 있고, 그 원의 중심에는 제어부(9)로부터 수신된 데이터에 기초하여 컴퓨터에 의해 구축된 내비게이션 맵을 형성하는 청구되는 센서 디바이스가 위치된다. 어두운 원 상에서, 작은 물체들(캐비닛들, 선반들, 랩톱들)에 대응하는 작은 섹션들 및 벽들에 대응하는 큰 섹션들(직선들의 세그먼트들)이 섹터들에 명확하게 보인다.
도 11은 도 10으로부터의 이미지들의 세부사항들을 (확대도로) 도시하며, 여기서, 개별 실험실 엘리먼트들의 사진들은 도면의 좌측에 제시되고, 벽 문턱들은 사진의 좌측 상단에 도시되며, 이는 우측의 내비게이션 맵의 대응하는 사진 상에 표시되고, 여기서, 벽 문턱들이 명확하게 보인다. 좌측 중간의 사진은 최대 6 mm 분해능으로 미세한 세부사항들, 및 이들이 내비게이션 맵 상에 어떻게 표시되는지를 나타낸다. 좌측 아래의 사진은 플렉시글라스 큐브를 도시하며, 이의 전방 면과 후방 면이 우측에 명확하게 보인다.
따라서, 본 발명자들은 청구되는 센서 디바이스가 방에 있는 물체들의 형상 및 구조를 인식하는 능력을 명확하게 나타낸다.
본 발명자들은 청구되는 센서 디바이스를 사용하여 이동하는 물체의 속도를 측정하는 정확도에 대한 실험적 연구들을 수행하였다(도 12 참조). 5 mm/s로부터 500 mm/s까지의 속도들이 가능한 선형 모터 상에 이동하는 물체로서 플라스틱 플레이트가 배치된다. 주장되는 센서 디바이스가 도 2a 및 도 2b에 따라 선형 모터 상에 위치된 물체의 반대편에 배치된다. 선형 모터를 시작할 때, 플라스틱 플레이트는 5.16 mm/s의 속도로 이동하는 한편, 청구되는 센서 디바이스로 측정된 플레이트 속도는 5.27 mm/s이며, 선형 모터가 499.2 mm/s의 속도를 발생시킬 때, 측정 에러는 +2.1%이고, 측정된 속도가 495.45 mm/s인 경우 측정 에러는 상당히 감소되고, 즉 에러는 -0.8%이다.
따라서, 본 발명자들에 의해 수행되는 실험 연구들은 물체의 속도의 측정들의 높은 정확도를 나타냈다.
산업상 이용 가능성
본 발명에 따른 광학 센서 디바이스는 물체까지의 거리, 물체의 속도 뿐만 아니라, 물체의 구조, 및 물체를 이루는 재료를 결정하도록 구성되고, 모바일 전자 디바이스들, 콤팩트 휴대용 디바이스들의 내비게이션 목적들, 이를테면 가정용 목적들, 예컨대 진공 청소기들 및 특히 제스처 센서로서 기능들을 확장하기 위한 다른 가정용 기기들, 및 물체의 내비게이팅 및 물체 파라미터들, 예컨대 물체의 구조 및 재료(조성)의 비접촉식 식별을 위한 산업용 목적들을 위한 센서들에 사용될 수 있다.
빔-분할 큐브: 4
미러: 5
제어부: 9

Claims (22)

  1. 물체까지의 거리 및 상기 물체의 속도를 결정하고, 상기 물체의 형상 및 구조를 식별하기 위한 광학 감지 디바이스로서,
    빔을 방출하기 위한 적어도 하나의 레이저 방사선 소스;
    상기 적어도 하나의 레이저 방사선 소스 위에 위치하고, 상기 빔을 통과시키기 위한 적어도 하나의 광학 시준 수단;
    상기 빔을 기준 빔 및 측정 빔으로 분할하기 위한 빔 분할기 수단;
    상기 기준 빔을 반사시키기 위한 광 반사 수단;
    상기 물체를 향해 상기 측정 빔을 지향시키도록 구성된 광학 빔 가이딩 수단;
    상기 광 반사 수단으로부터 반사된 기준 빔 및 상기 물체로부터 반사된 측정 빔을 검출하기 위한 적어도 하나의 검출기; 및
    상기 적어도 하나의 검출기 및 상기 적어도 하나의 레이저 방사선 소스 각각에 연결된 제어부;를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 레이저 방사선 소스와 상기 적어도 하나의 검출기 사이에는, 개별적으로 기능하고 개별적으로 조정 가능한 적어도 하나의 측정 채널이 형성되고, 상기 적어도 하나의 측정 채널은 상기 기준 빔 및 상기 측정 빔에 기초한 물체 데이터를 제공할 수 있도록 구성되고,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나의 측정 채널의 동시적인 또는 선택적인 형성, 상기 광학 감지 디바이스의 동작 동안 요구되는 동작 범위 분해능에 따른, 상기 적어도 하나의 레이저 방사선 소스의 방사선 파라미터들의 동작 제어, 및 상기 물체까지의 거리(L) 및 상기 물체의 속도(V)의 결정과 상기 물체의 형상 및 구조의 식별을 동시에 행하기 위해, 상기 적어도 하나의 측정 채널을 통해 상기 적어도 하나의 검출기에 의해 감지된 상기 물체 데이터의 프로세싱 및 분석을 수행하도록 구성되는, 광학 감지 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 레이저 방사선 소스는 파장 튜닝 가능 레이저인, 광학 감지 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파장 튜닝 가능 레이저는 수직 공동 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)인, 광학 감지 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 레이저 방사선 소스는 레이저 방사선 소스들의 2-차원 어레이를 형성하는 다수의 레이저 방사선 소스들을 포함하는, 광학 감지 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 검출기는 어레이 광검출기인, 광학 감지 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 검출기는 검출기들의 2-차원 어레이를 형성하는 다수의 검출기들을 포함하는, 광학 감지 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 시준 수단은 적어도 하나의 마이크로렌즈이며, 상기 적어도 하나의 광학 시준 수단은 상기 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 의해 방출되는 빔을 시준하도록 구성되는, 광학 감지 디바이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마이크로렌즈는 마이크로렌즈의 2-차원 어레이를 형성하는 마이크로렌즈들의 세트인, 광학 감지 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 빔 분할기 수단은 빔-분할 큐브(cube)이며, 상기 빔-분할 큐브는 상기 큐브 내부에 위치된 반-반사 미러(semi-reflecting mirror)를 갖고, 상기 빔을 상기 기준 빔 및 상기 측정 빔으로 분할하도록 구성되는, 광학 감지 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광 반사 수단은 광-반사 코팅이며, 상기 광-반사 코팅은 상기 빔 분할기 수단의 내측 또는 외측 표면에 적용되고, 상기 적어도 하나의 검출기로 상기 기준 빔을 재-반사하도록 구성되는, 광학 감지 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 반사 수단은 미러이며, 상기 미러는 상기 빔 분할기 수단의 외측 표면의 전방에 위치되고, 상기 적어도 하나의 검출기 상에 상기 기준 빔을 재-반사하도록 구성되는, 광학 감지 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광학 빔 가이딩 수단은 렌즈이며, 상기 렌즈는 상기 빔 분할기 수단을 향하는 면 상에 평탄한 표면을 갖고, 상기 물체를 향하는 면 상에 적어도 하나의 마이크로렌즈로 구성된 표면을 갖는, 광학 감지 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마이크로렌즈 각각은 상기 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 대응하는, 광학 감지 디바이스.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마이크로렌즈 각각은 대응하는 입사 레이저 빔에 대해 미리 결정된 각도로 위치되고, 상기 대응하는 레이저 빔이 상기 마이크로렌즈를 통과한 후에 상기 물체를 향해 미리 결정된 방향으로 지향되도록 이루어진, 광학 감지 디바이스.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 광학 빔 가이딩 수단은 마이크로렌즈들의 2-차원 어레이이며, 상기 마이크로렌즈들의 어레이의 각각의 마이크로렌즈는 대응하는 입사 레이저 빔에 대해 미리 결정된 각도로 위치되고, 상기 대응하는 레이저 빔을 상기 마이크로렌즈를 통과한 후에 상기 물체를 향해 요구되는 미리 결정된 방향으로 지향시키도록 구성되는, 광학 감지 디바이스.
  16. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 드라이버;를 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 드라이버는 상기 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 연결되고, 상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 펌핑 전류를 제공하도록 구성되는, 광학 감지 디바이스.
  17. 제1항에 있어서,
    광학 아이솔레이터;를 더 포함하며,
    상기 광학 아이솔레이터는 상기 빔 분할기 수단과 상기 적어도 하나의 광학 시준 수단 사이에 위치되고, 목표 물체로부터 반사된 광이 상기 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 충돌하는 것을 방지하고, 상기 레이저 방사선 소스들의 동작의 불안정화를 방지하도록 구성되는, 광학 감지 디바이스.
  18. 광학 감지 디바이스를 사용하여, 물체까지의 거리 및 상기 물체의 속도를 결정하고, 상기 물체의 형상 및 구조를 식별하는 방법으로서,
    상기 광학 감지 디바이스의 동작 동안 요구되는 동작 분해능에 따라, 적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 공급되는 펌핑 전류를 조정하면서, 상기 적어도 하나의 레이저 방사선 소스를 사용하여, 미리 결정된 파장을 갖는 빔을 방출하는 단계; 및
    상기 빔을 빔 분할기로 지향시키는 단계;를 포함하며,
    상기 빔의 일부분인 기준 빔은 상기 적어도 하나의 검출기로 지향되고,
    상기 빔의 다른 일부분인 측정 빔은 빔 가이딩 수단으로 지향되어, 상기 물체를 향해 미리 결정된 방향으로 지향되며,
    상기 물체로부터 반사된 상기 측정 빔은 상기 적어도 하나의 검출기로 지향되고,
    상기 방법은,
    상기 측정 빔 및 상기 기준 빔에 의해 생성되는 신호들의 주파수 차이에 기초하여, 상기 물체까지의 거리(L) 및 상기 물체의 속도(V)를 동시에 결정하고,
    상기 측정 빔이 상기 물체를 통과하고 있을 때, 또는 상기 측정 빔이 상기 물체로부터 반사될 때, 상기 물체까지의 거리에 따라, 상기 물체로부터 반사된 상기 측정 빔의 반사 계수의 분포의 등록을 수행하고, 이에 기초하여, 상기 물체의 형상 및 구조를 결정하는 단계;를 더 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 물체까지의 거리(L)(m)는 다음의 비율에 의해 결정되며,
    Figure pat00020

    상기 c는 광의 속도(m/s)이고,
    상기 α는 방사선 주파수의 증가 레이트(Hz/s)이고,
    상기 Δω1은 방사선 주파수(Hz)가 증가됨에 따라 측정 빔 및 기준 빔에 의해 형성된 신호들의 주파수 차이이고,
    상기 Δω2는 상기 방사선 주파수(Hz)가 하락될 때 상기 측정 빔 및 상기 기준 빔에 의해 생성된 신호들의 주파수 차이인, 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 물체의 속도(V)(m/s)는 다음의 비율에 의해 결정되며,
    Figure pat00021

    상기 c는 광의 속도(m/s)이고,
    상기 α는 방사선 주파수의 증가 레이트(Hz/s)이고,
    상기 ω0는 방출된 광의 주파수(Hz)이고,
    상기 Δω1은 상기 방사선 주파수(Hz)가 증가됨에 따라 상기 측정 빔 및 상기 기준 빔에 의해 형성된 신호들의 주파수 차이이고,
    상기 Δω2는 상기 방사선 주파수(Hz)가 하락될 때 상기 측정 빔 및 상기 기준 빔에 의해 생성된 신호들의 주파수 차이인, 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    적어도 하나의 레이저 방사선 소스에 공급되는 펌핑 전류를 조정하는 단계에서, 다음의 관계에 의해 결정되는, 상기 물체의 거리의 분해능(Res)의 동작 변화가 제공되며,
    Res
    Figure pat00022

    상기 c는 광의 속도(m/s)이고,
    상기 Ω는 상기 적어도 하나의 레이저 방사선(Hz/mA) 소스(11 ... 1n) 내에 펌핑되는 전류에 따른, 방출되는 레이저 광의 주파수의 종속성이고,
    상기 dI는 상기 물체를 스캐닝하는 동안의 상기 레이저 방사선 소스의 전류 진폭 변조(mA)인, 방법.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 물체의 형상 및 구조를 식별하는 단계는, 상기 광학 감지 디바이스의 제어부에서, 상기 물체로부터 반사된 상기 적어도 하나의 측정 빔의 반사 계수의 분포의 패턴과, 상기 제어부의 메모리에 저장된 물체들의 특정 구조들에 고유한 반사 계수들의 분포의 알려져 있는 패턴들을 비교함으로써 수행되는, 방법.
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