KR20220082849A

KR20220082849A - 장면까지의 거리들을 결정하기 위한 방법 및 디바이스

Info

Publication number: KR20220082849A
Application number: KR1020227013614A
Authority: KR
Inventors: 릭 파센; 더크 반 다이크; 스틴 반데비엘레; 닉 반 덴 브로엑
Original assignee: 제노마틱스 엔브이
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-06-17
Also published as: EP3798673A1; US20220326358A1; CN114730009A; WO2021058494A1; EP4034910A1; JP2022551427A

Abstract

본 개시내용은 장면까지의 거리들을 결정하기 위한 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 방법은, PW = (TOF_max - T_DL) / N이 되도록 펄스 폭 감소 인자(N)를 사용함으로써 최대 거리(D_max)에 대응하는 최대 비행 시간(TOF_max)보다 작은 레이저 광 펄스 폭(PW)을 결정하는 단계 ― T_DL은 미리 정의된 지연 윈도우임 ―, F_P ≤ 1 / ((N + 1) x PW + T_DL)이도록 펄스 주파수(F_P)를 결정하는 단계, 결정된 펄스 폭 및 주파수를 갖는 복수의 공간적으로 분리된 펄스형 레이저 빔들을 포함하는 조명 패턴으로 장면을 조명하는 단계, T_D = M x (PW / α)이도록 M = α x (N + 1)개의 연속적인 검출 시간 윈도우들로 분할된 검출 시간 기간(T_D) 동안 시간의 함수로서 검출을 수행하는 단계 ― α ≥ 1임 ―, 어느 검출 시간 윈도우들에서 반사된 레이저 광이 검출되는지를 식별하는 단계, 및 이러한 식별에 기반하여 장면까지의 거리를 계산하는 단계를 포함한다.

Description

장면까지의 거리들을 결정하기 위한 방법 및 디바이스

본 개시내용은, 장면까지의 거리를 결정하기 위한 시스템에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은, 레이저 광을 사용하여 장면을 조명하고 반사된 레이저 광을 검출하는 비행 시간(time-of-flight) 기반 감지 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 장면의 하나 이상의 객체까지의 거리들을 검출하기 위한 라이다(LIDAR) 디바이스에 관한 것이다.

장면의 거리를 결정하기 위한 능동 조명에 기반한 디바이스는 라이다(광 검출 및 거리측량(Light Detection And Ranging)) 디바이스로서 또한 알려져 있다. 라이다 디바이스들은, 레이저 광으로 장면을 조명하고 일반적으로 레이저 광을 방출한 레이저 소스 근처에 위치되는 검출기에서 반사된 레이저 광을 검출함으로써 장면까지의 거리를 측정한다. 그러므로, 레이저 광의 방출과 반사된 레이저 광의 검출 사이의 시간 구간은, 레이저 광을 반사한 장면의 객체 또는 장면의 일부까지의 거리의 2배에 비례한다.

대부분의 알려져 있는 라이다 디바이스들은 직접 TOF(DToF) 방법을 이용한다. 이러한 시스템들은, 나노초 펄스 체제에서 동작하는 강력한 펄스 레이저, 펄스형 레이저 빔을 스캐닝하기 위한 기계적 스캐닝 시스템, 및 펄스 검출기를 포함한다. 이러한 유형의 시스템들은, 캘리포니아 주 모건 힐의 벨로다인 라이다(Velodyne LIDAR)를 포함하는 공급업체들로부터 현재 입수가능하다. 최신 기술 시스템들의 예로서, 벨로다인 HDL-64E는, 초당 5번 내지 15번 회전하는 기계적 회전 구조 내의 64개의 고전력 레이저 및 64개의 애벌란시 다이오드 검출기를 사용한다.

이러한 DToF 시스템은 다수의 단점들을 갖는다. 예컨대, 이러한 시스템들은, 현재 이용가능한 반도체 레이저들로 획득되기에는 너무 높은 전력 수준을 갖는 레이저를 요구하며, 그 전력 수준은 수십 배 더 낮다. 게다가, 스캐닝 목적들을 위한 기계적 회전 요소들의 사용은 추가로, 이러한 유형의 시스템의 소형화, 신뢰성, 및 비용 감소에 대한 전망들을 제한한다.

라이다 디바이스의 소형성(compactness)은, 라이다 디바이스가 예컨대 자동차의 전방 방풍유리(windshield)에 결합되거나 자동차의 범퍼에 결합되는 자동차 부문의 응용들에 대한 중요한 인자이다. 실제로, 라이다 디바이스들은 자율 주행 또는 운전자 보조 시스템들의 개발에 대한 핵심 인자이다. 이러한 맥락에서, 라이다 디바이스들은, 장애물들, 이를테면, 차량의 환경 내의 객체들 또는 다른 차량들을 검출하는 데 사용된다.

WO2017/068199에서, 반도체 레이저들 및 CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기를 사용하는 라이다 디바이스가 제안된다. 이는, 조명 시스템 및 검출 시스템이 소형 하우징 내에 함께 배치되는 소형 라이다 디바이스를 제조하는 것을 허용한다. WO2017/068199에 개시된 디바이스는, 스폿 패턴으로 동시에 방출되는 복수의 공간적으로 분리된 펄스형 레이저 광에 의해 형성되는 조명 패턴으로 장면을 조명하도록 구성되는 투영기를 사용한다. 레이저 광의 펄스들은 펄스열로서 방출되는데, 즉, 펄스들의 시퀀스가 주어진 펄스 주파수로 방출된다. CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기는, 장면에 의해 반사되는 바와 같은 공간적으로 분리된 펄스들 또는 공간적으로 분리된 펄스들의 일부를 표현하는 반사된 레이저 광의 스폿들을 검출한다. 이러한 방식으로, 장면의 심도 맵이 임의의 회전 또는 기계적 스캐닝 요소를 사용하지 않고도 획득될 수 있다.

WO2017/068199에서 사용된 조명 및 검출 방법의 원리가 도 1 상에 도시되며, 여기서, 방출된 레이저 펄스 및 반사된 펄스는 각각 참조 번호들(11 및 12)로 식별된다. 이러한 도 1은 단지 개략도이고, 반사된 펄스(12)는 방출된 펄스(11)의 진폭과 비교할 때 일반적으로 더 작은 진폭을 갖는다. 이러한 방법은 또한 범위-게이팅(range-gating) 방법으로 명명된다. 검출기는, 제1 시간 윈도우(TW1) 동안 획득된 제1 양의 반사된 레이저 광을 나타내는 제1 양의 전하들 및 제2 시간 윈도우(TW2) 동안 획득된 제2 양의 반사된 레이저 광을 나타내는 제2 양의 전하들을 검출하도록 구성된다. 제2 시간 윈도우는 제1 시간 윈도우 이후에 발생하고, 2개의 시간 윈도우의 폭은 레이저 펄스들의 펄스 폭(PW)과 동일하다. 처리 수단은, 제1 및 제2 양의 전하들에 기반하여 장면의 객체까지의 거리를 계산하는 것을 허용한다.

WO2017/068199에서, 장면은 펄스들의 시퀀스로 조명된다. 이러한 방식으로, 제1 시간 윈도우(TW1) 및 제2 시간 윈도우(TW2)에서의 충분한 전하들이 축적되어, 장면의 객체까지의 거리를 계산하는 것을 허용하는 신호 대 잡음 비가 획득될 수 있다. 펄스들의 시퀀스로의 장면의 조명, 반사된 레이저 광의 축적, 전하들의 판독, 및 축적된 전하들에 기반한 거리의 계산은 일반적으로 프레임 또는 프레임 측정으로 명명된다. 그러나, 단일 프레임 측정을 수행할 때, 시간적 정밀도 또는 시간적 오차로 또한 명명되는, 획득된 거리의 정밀도가 낮다. 실제로, 다수의 프레임들을 생성할 때, 프레임마다 측정된 거리들에 대해 큰 확산이 존재한다. 다시 말해서, 측정 분포의 시그마 값(σ)인 시간적 오차가 크다. 따라서, 다수의 프레임들이 항상 취해지고, 평균 객체 거리가 결정된다. 이러한 방식으로, 평균 객체 거리 값에 대한 오차는, 단일 프레임 측정의 오차와 비교할 때 인자

로 감소되며, N_F는 프레임들의 수이다. 완벽하게 교정된 라이다 디바이스의 경우, 다수의 프레임들로부터 획득된 계산된 평균 거리는, 표준 편차

에 의해 결정된 신뢰 구간 내의 실제 거리와 동일하다.

WO2017/068199에 개시된 라이다 디바이스는, 위에 언급된 DToF 시스템과 비교할 때 다수의 장점들을 갖는다. 실제로, 그러한 솔리드 스테이트 라이다 디바이스는 소형이고, 강건하며, 비용-효과적인 방식으로 생산될 수 있다. 그러나, 이러한 유형의 라이다 디바이스들은 또한 단점, 즉, 수용가능한 공간적 정확도를 획득하기 위해 많은 수의 프레임들이 취해질 필요가 있다는 사실을 갖는다. 이는, 라이다 검출기의 전체 응답 시간을 강하게 감소시키고 주어진 시간 기간 내에 측정될 수 있는 지점들의 수를 제한한다.

따라서, 그러한 소형 라이다 디바이스를 개선할 필요성이 존재하며, 더 정확하게는, 이러한 유형의 라이다 디바이스들을 100 미터 이상의 거리들을 포함하는 넓은 범위의 거리들에서 동작가능하게 하고 높은 정밀도로 거리 측정들을 수행하게 할 필요성이 존재한다.

본 개시내용의 목적은, 장면 내의 하나 이상의 객체까지의 거리들을 결정하기 위한 방법을 제공하는 것으로, 더 구체적으로는, 수용가능한 공간적 정확도가 제한된 수의 프레임들로, 심지어 단일 프레임 측정으로 획득될 수 있도록 높은 정밀도로 객체 거리들을 결정하는 것이다. 다시 말해서, 목적은, 위에 언급된 시간적 오차(σ)를 감소시키는 것이다. 추가적인 목적은, 취해질 프레임들의 수가 강하게 감소되거나 심지어 단일 프레임 측정으로 제한될 수 있도록 높은 정밀도로 객체 거리들을 결정하기 위한 검출 및 처리 수단을 포함하는 라이다 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명은, 첨부된 독립항들에서 정의된다. 종속항들은 유리한 실시예들을 정의한다.

본 발명의 제1 양상에 따르면, 펄스형 레이저 광으로 장면을 조명하고 레이저 광의 비행 시간과 관련하여 반사된 레이저 광을 검출함으로써 장면 내의 하나 이상의 객체까지의 거리들을 결정하기 위한 방법이 제공되며, 장면 내의 하나 이상의 객체는 최소 거리와 최대 거리 사이의 거리 범위 내에 위치되고, 0 ≤ D_min ≤ 0.6 x D_max, 바람직하게는 0 ≤ D_min ≤ 0.4 x D_max, 더 바람직하게는 0 ≤ D_min ≤ 0.2 x D_max이고, D_min 및 D_max는 각각 거리 범위를 정의하는 최소 및 최대 거리이다.

본 발명에 따른 방법은,

A) PW = (TOF_max - T_DL) / N이도록 최대 거리에 연관된 최대 비행 시간보다 작은 펄스형 레이저 광에 대한 펄스 폭을 결정하는 단계 ― TOF_max = 2 x D_max / c이고,

PW는 펄스 폭이고, D_max는 최대 거리이고, c는 광속이고, TOF_max는 최대 비행 시간이고, T_DL은 0 ≤ T_DL ≤ 2 x D_min / c인 미리 결정된 지연 시간 윈도우이고, N은 미리 정의된 펄스 폭 감소 인자임 ―,

B) F_P ≤ 1 / ((N + 1) x PW + T_DL)이도록 펄스 주파수를 결정하는 단계 ― F_P는 펄스 주파수이고, F_P = 1 / P_P이며, P_P는 펄스 기간임 ―,

C) 펄스형 레이저 광의 펄스 기간(P_P) 내에서 반사된 레이저 광을 검출하기 위한 검출 시간 기간을 결정하고 ― T_D = (N +1) x PW이고, T_D는 검출 시간 기간임 ―,

검출 시간 기간을 다수의 연속적인 검출 시간 윈도우(TW[i])로 분할하는 단계 ― i = 1 내지 M이고, M은 검출 시간 윈도우들의 수이고,

,

이고, M = α x (N + 1)이며,

α는 펄스 폭당 선택된 검출 시간 윈도우들의 수를 표현하는 정수이고, α ≥ 1, 바람직하게는 α ≤ 10, 더 바람직하게는 α ≤ 5이며, α 및 N은, α x N ≥ 2, 바람직하게는 α x N ≥ 3, 더 바람직하게는 α x N ≥ 4이도록 선택됨 ―,

D) 복수의 공간적으로 분리된 펄스형 레이저 빔들에 의해 형성된 스폿 패턴으로 장면을 조명하는 단계 ― 각각의 펄스형 레이저 빔은, 단계 A)에서 결정된 펄스 폭을 갖고 단계 B)에서 결정된 펄스 주파수를 갖는 펄스들의 시퀀스를 포함하고, 복수의 펄스형 레이저 빔들 각각의 펄스들은 동시에 방출됨 ―,

E) 단계 D)에서 정의된 바와 같이 장면을 조명할 때 펄스들의 각각의 동시적인 방출에 후속하여, 단계 C)에서 정의된 검출 시간 기간(T_D)의 상기 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i]) 동안, 반사된 레이저의 스폿들을 검출하는 단계 ― 스폿들은 공간적으로 분리된 펄스형 레이저 빔들을 장면 내의 하나 이상의 객체에 의해 반사된 것으로서 표현하고,

펄스들의 각각의 동시적인 방출에 대해, 펄스형 레이저 빔들의 펄스들의 방출과 동기화하여, 상기 반사된 레이저 광의 스폿들을 검출하는 단계를 수행하며,

a) 지연 시간 윈도우가 영(zero)인 경우, 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 펄스들의 방출 시간 윈도우와 중첩되거나 적어도 부분적으로 중첩되도록 동기화를 수행하고,

b) 지연 시간 윈도우가 영이 아닌 경우, 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 펄스들의 방출 시간 윈도우에 대해 지연되고 지연이 지연 시간 윈도우와 동일하도록 동기화를 수행함 ―,

F) 반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대해, 검출 시간 윈도우들(TW[i])에서 검출된 바와 같은 반사된 레이저 광의 양들을 축적함으로써 검출 시간 윈도우들(TW[i])에 연관된 노출 값들을 획득하는 단계 ― 축적은 펄스들의 시퀀스의 모든 펄스들에 대해 수행됨 ―,

G) 반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대해:

i) 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i]) 중 어느 검출 시간 윈도우들에서 반사된 레이저 광이 검출되는지를 식별하는 단계,

ii) 식별된 검출 시간 윈도우들에 기반하여 객체 거리를 계산하는 단계 ― 객체 거리는 반사된 레이저 광의 스폿을 검출하는 검출기와 반사된 레이저 광이 검출되는 것을 야기한 장면 내의 객체 또는 장면 내의 객체의 일부분 사이의 거리에 대응함 ― 를 포함한다.

유리하게는, 최대 비행 시간(TOF_max), 즉, 측정될 최대 거리에 대응하는 TOF_max에 대한 레이저 펄스들의 펄스 폭을 감소시키고 반사된 레이저 광을 검출하기 위한 검출 시간 윈도우들을 감소시킴으로써, 측정 분포의 시그마 값(σ)인 것으로서 위에 정의된 거리 결정의 시간적 정밀도가 개선되는데, 즉, 감소된다. 다시 말해서, 시간적 정밀도가 개선된다. 이는, 취해질 프레임들의 수를 감소시키거나 심지어 단일 프레임 측정을 수행하는 것을 허용한다. 라이다 디바이스가 완벽하게 교정되고, 단일 프레임 측정만을 수행하는 경우, 시간적 정밀도는, 측정된 거리 값이 실제 거리 값과 어떤 확률로 동일한지에 따라 결정된다.

유리하게는, 검출 시간 기간 및 펄스 주파수는, 최대 거리에 위치되는 객체들로부터 초래되는 반사된 레이저 광이 후속하는 레이저 펄스가 방출되기 전의 검출 시간 기간 내에 검출되도록 정의된다. 이는, 에일리어싱(aliasing) 문제들을 회피한다.

유리하게는, 본 발명에 따른 방법에 따라, 청구된 바와 같은 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스들의 동일한 시퀀스 및 청구된 바와 같은 검출 시간 윈도우를 이용하여, 넓은 범위의 거리들에 걸쳐, 즉, 짧은 거리들(D_min)로부터 최대 거리(D_max)까지 객체들이 검출될 수 있다.

검출 시간 기간이 M개의 연속적인 검출 시간 윈도우로 분할되고, 각각의 검출 시간 윈도우가 펄스 폭과 본질적으로 동일한 시간 폭을 갖는, 즉, α = 1인 검출 시간 기간 동안 시간의 함수로서의 반사된 레이저 광의 검출의 수행은, 반사된 레이저 광이 최대 2개의 검출 시간 윈도우에서 검출된다는 부가적인 장점을 갖는다. 그러므로, M ≥ 3이기 때문에, 배경 측정을 수행하기 위해 부가적인 시간 슬롯이 요구되지 않도록 배경 검출 시간 윈도우로서 사용될 수 있는 적어도 하나의 검출 시간 윈도우가 존재한다.

또한, α > 1인 경우, 반사된 레이저 광은 최대 α + 1개의 검출 시간 윈도우들에서 검출되고, 그러므로, 펄스 폭 인자는, 검출 시간 윈도우들이 배경 측정들을 수행하기 위해 이용가능하도록 선택될 수 있다.

유리하게는, 거리 측정의 개선된 정밀도에 기인하여, 프레임들의 수가 감소될 수 있고, 그러므로, 라이다 디바이스의 전체 응답 시간이 개선된다.

최소 거리(D_min)에 대한 하한 "0"은 영 미터로서 해석되어야 한다.

실시예들에서, 최소 거리(D_min)는 영 미터와 동일하고, 그러므로, 지연 시간 윈도우(T_DL)는 영 나노초로 설정된다.

실시예들에서, 0.005 x D_max ≤ D_min ≤ 0.6 x D_max이다. 다른 실시예들에서, 0.01 x D_max ≤ D_min ≤ 0.6 x D_max이다. 추가적인 실시예들에서, 0.01 x D_max ≤ D_min ≤ 0.4 x D_max이다.

실시예들에서, N과 α의 곱은 1000 이하, 바람직하게는 500 이하, 더 바람직하게는 100 이하이다.

실시예들에서, 미리 정의된 펄스 폭 감소 인자(N)는 3 이상이고, 다른 실시예들에서, N은 4 이상이다.

일부 실시예들에서, 미리 정의된 펄스 폭 감소 인자(N)는 다음의 범위 내에 포함된다: 2 ≤ N ≤ 20, 바람직하게는 3 ≤ N ≤ 20.

실시예들에서, 최대 거리(D_max)는, 30 미터 ≤ D_max ≤ 1000 미터의 범위, 바람직하게는 50 미터 ≤ D_max ≤ 500 미터의 범위 내에 포함된다. 그러나, 본 발명은 결정될 특정 최대 거리에 제한되지 않는다.

위에서 정의되고 청구항들에서 정의된 바와 같은 검출 시간 기간(T_D)은, 반사된 레이저 광을 검출하기 위한 검출 시간 기간으로서 해석되어야 하고, 그러므로, 검출 시간 기간(T_D)에 후속하는 부가적인 검출 시간 윈도우들이 예컨대 배경을 검출하거나 다른 측정들을 수행하기 위해 추가로 사용되는 것을 배제하지 않는다.

실시예들에서, 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i], i = 1 내지 M)은 실질적으로 동일한 지속기간을 갖는다.

실시예들에서, 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i], i = 1 내지 M) 각각에 대해,

≤ 0.10, 바람직하게는

≤ 0.05, 더 바람직하게는

≤ 0.02이다.

실시예들에서, 본 발명에 따른 방법은, 라이다 디바이스로 장면 내의 하나 이상의 객체까지의 거리들을 결정하기 위한 방법이다.

본 발명에 따른 방법은 정의된 단계들의 특정 순서로 제한되지 않고, 문자 A) 내지 문자 G)로 식별된 단계들은 특정 시간순 순서를 표시하는 것으로서 해석되어서는 안 된다는 것을 주의한다. 예컨대, 단계 A) 내지 단계 C)는 상이한 순서로 수행되거나 병렬로 수행될 수 있다. 문자 A) 내지 문자 G)는 단지 본 발명의 방법에 포함된 상이한 단계들을 식별하는 데 사용되고, 이러한 문자들은, 예컨대, 그 단계들이 본문에서 더 상세히 논의될 때 참조부호로서 사용된다.

실시예들에서, 반사된 레이저 광의 검출은, 복수의 픽셀들을 갖는 다중-웰 픽셀 검출기를 포함하는 레이저 광 수신 디바이스를 이용하여 수행되고, 각각의 픽셀은 감광성 영역 및 복수의 전하 저장 웰들(W[i], i = 1 내지 N_W)을 포함하며, N_W는 전하 저장 웰들의 수이고, N_W ≤ M이고, 복수의 전하 저장 웰들은 검출 시간 기간(T_D) 동안 감광성 영역에 의해 검출된 전하들을 저장하도록 구성된다. 바람직한 실시예들에서, N_W < M이고 M ≥ 4이다.

본 발명에 따른 실시예들에서, 단계 C)에서는, 정수 α가 1보다 크도록 선택되는 경우, α는 N_W보다 작도록 선택되고, 바람직하게는 α = Round (N_W / 2)이며, Round는 비 N_W / 2를 가장 가까운 정수로 반올림하기 위한 함수이다. N_W가 홀수인 경우, 2로 나눈 후의 반올림은 가장 작은 또는 가장 큰 정수가 될 수 있다.

실시예들에서, α + 1개의 연속적인 시간 윈도우(TW[k] 내지 TW[k + α], k = 1 내지 M - α)의 각각의 서브-시퀀스는, 반사된 레이저 광이 검출되는 검출 시간 윈도우들이 명확하게 식별가능하도록 복수의 전하 저장 웰들(W[i]) 중의 α + 1개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스에 연관된다.

α = 1인 실시예들에서, 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[k] 내지 TW[k + 1], k = 1 내지 M - 1)의 각각의 쌍은, 반사된 레이저 광이 검출되는 검출 시간 윈도우들이 명확하게 식별가능하도록 복수의 전하 저장 웰들(W[i])의 전하 저장 웰들의 고유 쌍에 연관된다.

α = 1인 실시예들에서, 단계 A)에서는, 전하 저장 웰들의 수가 홀수인 경우,

이거나, 또는 전하 저장 웰들의 수가 짝수인 경우,

이도록 펄스 폭 감소 인자(N)가 정의된다.

실시예들에서, 단계 G) ii)에서는, 객체 거리의 계산은, 식별된 검출 시간 윈도우들에 기반하고/거나 반사된 레이저 광이 식별되는 적어도 가장 이른 검출 시간 윈도우 및 마지막 검출 시간 윈도우에 대해 획득된 노출 값들에 기반한다. 일부 실시예들에서, 객체 거리의 계산은, 반사된 레이저 광이 식별되는 가장 이른 검출 시간 윈도우에 선행하는 검출 시간 윈도우들의 수의 카운팅에 기반한다.

본 발명의 제2 양상에 따르면, 장면의 하나 이상의 객체까지의 거리들을 결정하기 위한 라이다 디바이스가 제공된다. 그러한 라이다 디바이스는, 복수의 공간적으로 분리된 펄스형 레이저 빔들에 의해 형성된 스폿 패턴으로 장면을 조명하도록 구성되는 투영기 ― 각각의 펄스형 레이저 빔은 펄스 폭을 갖는 펄스들의 시퀀스를 포함하고, 복수의 펄스형 레이저 빔들 각각의 펄스들은 동시에 방출됨 ―, 장면의 하나 이상의 객체에 의해 반사되는 바와 같은 스폿 패턴을 표현하는 반사된 레이저 광의 스폿들을 검출하도록 구성되는 CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기를 포함하는 광 수신 디바이스, 및 펄스형 레이저 빔들의 펄스들의 동시적인 방출과 동기화하여, 반사된 레이저 광을 검출 및 축적하도록 투영기 및 광 수신 디바이스를 제어하기 위한 제어기를 포함한다.

본 발명에 따른 라이다 디바이스는, CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기가 펄스형 레이저 빔들의 펄스 기간 내에 속하는 검출 시간 기간 동안, 반사된 레이저 광을 검출하도록 구성되고 동작가능한 것을 특징으로 하며, 검출 시간 기간은 다수의 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i], i = 1 내지 M)로 분할되고, M은 M ≥ 3, 바람직하게는 M ≥ 4, 더 바람직하게는 M ≥ 5인 검출 시간 윈도우들의 수이고,

이고, PW는 펄스 폭이고, T_D는 검출 시간 기간이고, α는 α ≥ 1, 바람직하게는 α ≤ 10, 더 바람직하게는 α ≤ 5인 정수이다.

연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i], i = 1 내지 M)은 실질적으로 동일한 지속기간을 갖는다. 실시예들에서, 검출 시간 윈도우들(TW[i], i = 1 내지 M) 각각에 대해,

≤ 0.10, 바람직하게는

≤ 0.05, 더 바람직하게는

≤ 0.02이다.

CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기는 추가로, 반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대해, 검출 시간 윈도우들(TW[i])에서 검출된 바와 같은 반사된 레이저 광을 나타내는 전하의 양들을 축적함으로써 검출 시간 윈도우들(TW[i])에 연관된 노출 값들을 획득하도록 구성되고 동작가능하며, 축적은 펄스들의 시퀀스의 모든 펄스들에 대해 수행된다.

라이다는 또한, 제어기가, i) 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 펄스들의 펄스 방출 시간 윈도우와 중첩되거나 적어도 부분적으로 중첩되도록, 또는 대안적으로, ii) 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 펄스들의 방출 시간 윈도우에 대해 지연되고 지연이 미리 정의된 지연 시간 윈도우와 동일하도록 동기화를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 미리 결정된 지연 시간 인자는 2 x D_min / c 이하이며 ― D_min은 최소 거리이고, c는 광속임 ―, 이에 따라, 최소 거리(D_min)에 또는 그 근처에 위치되는 객체들이 검출되고 거리가 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 라이다 디바이스는 추가로, 라이다 디바이스가, 반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대해, i) 연속적인 검출 시간 윈도우들 중 어느 검출 시간 윈도우들에서 반사된 레이저 광을 표현하는 노출 값들이 획득되는지를 식별하고, ii) 식별된 검출 시간 윈도우들 및/또는 그 식별된 검출 시간 윈도우들에서 축적된 전하에 기반하여 장면의 객체까지의 객체 거리를 계산하도록 구성되는 처리 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시예들에서, CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기는 다수의 픽셀들을 포함하고, 각각의 픽셀은 감광성 검출 영역 및 복수의 전하 저장 웰들(W[i])을 포함하며, i = 1 내지 N_W이고, N_W는 전하 저장 웰들의 수이고, N_W ≤ M이고, 복수의 전하 저장 웰들은 검출 시간 기간 동안 감광성 영역에 의해 검출된 전하들을 저장하도록 구성된다. 바람직한 실시예들에서, N_W < M이고 M ≥ 4이다.

CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기를 포함하고 N_W < M이고 M ≥ 4인 실시예들에서, α + 1개의 연속적인 시간 윈도우(TW[k] 내지 TW[k + α], k = 1 내지 M - α)의 각각의 서브-시퀀스는, 반사된 레이저 광이 검출되는 검출 시간 윈도우들이 명확하게 식별가능하도록 복수의 전하 저장 웰들(W[i]) 중의 α + 1개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스에 연관된다.

M ≥ 4이고 α = 1인 실시예들에서, 다중-웰 픽셀 검출기의 각각의 픽셀(N_W < M)에 대해, 검출 시간 윈도우들의 연속적인 시간 윈도우들의 각각의 쌍(TW[k] 및 TW[k + 1])은, 반사된 레이저 광이 검출되는 검출 시간 윈도우들이 명확하게 식별가능하도록 전하 저장 웰들의 고유 쌍(W[m] 및 W[n])에 연관된다.

α = 1인 실시예들에서, 전하 저장 웰들의 수(N_W) 및 검출 시간 윈도우들의 수(M)는 다음과 같이 정의된다: N_W = 3이고 M = 4, 또는 N_W = 4이고 5 ≤ M ≤ 6, 또는 N_W = 5이고 7 ≤ M ≤ 11.

바람직한 실시예들에서, 라이다 디바이스는, 검출 시간 윈도우들의 수(M) 및 펄스 폭(PW)이 관련되도록 구성되고, 이러한 관계는

로서 정의되며, TOF_max = 2 x D_max / c이고, TOF_max는 최대 비행 시간이고, D_max는 최대 비행 시간에 연관된 최대 거리이고, c는 광속이고, T_DL은 0 ≤ T_DL ≤ (0.6 x TOF_max), 바람직하게는 0 ≤ T_DL ≤ (0.4 x TOF_max), 더 바람직하게는 0 ≤ T_DL ≤ (0.2 x TOF_max)인 미리 정의된 지연 시간 윈도우이다. 최대 거리는 라이다 디바이스의 동작 범위이고, 일반적으로는, 라이다 디바이스의 최대 동작 범위이다.

실시예들에서, 라이다 디바이스의 최대 동작 범위에 대응하는 이러한 최대 거리(D_max)는 다음의 범위: 30 미터 ≤ D_max ≤ 1000 미터, 바람직하게는 50 미터 ≤ D_max ≤ 500 미터의 범위 내에 있다.

실시예들에서, 투영기는,

이도록 펄스 주파수(F_P)로 펄스형 레이저 빔들을 제공하도록 구성된다.

실시예들에서, 펄스형 레이저 빔들에 의해 생성된 레이저 광은 800 nm 내지 1600 nm의 파장을 갖는다.

본 발명에 따른 실시예들에서, α ≥ 2이다.

본 발명은 또한, 본 발명에 따른 라이다 디바이스를 포함하는 차량에 관한 것이다.

본 개시내용의 이러한 그리고 추가적인 양상들이 첨부된 도면들을 참조하여 예로서 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 광 조명 및 검출을 위한 종래 기술 타이밍 다이어그램을 개략적으로 예시한다.
도 2는 펄스열을 형성하는 펄스들의 시퀀스의 예를 개략적으로 예시한다.
도 3은 다수의 프레임의 반복을 개략적으로 예시한다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 펄스 방출 및 검출에 대한 다양한 타이밍 다이어그램들을 개략적으로 예시한다.
도 5는 본 발명에 따른 펄스 방출 및 검출에 대한 타이밍 다이어그램들의 추가적인 예들을 개략적으로 예시한다.
도 6은 펄스 방출 및 검출에 대한 타이밍 다이어그램을 개략적으로 예시하며, 여기서, 펄스 방출 시간 윈도우와 반사된 레이저 광을 검출하기 위한 제1 검출 시간 윈도우 사이에 지연이 존재한다.
도 7은 주어진 수의 검출 시간 윈도우들에 연관된 복수의 검출기 웰들의 2개의 예를 개략적으로 예시한다.
도 8은 α = 2인 펄스 방출 및 검출에 대한 타이밍 다이어그램의 예를 개략적으로 예시한다.
도 9는 본 발명에 따른 방법을 이용한 거리 측정의 시간적 오차의 감소를 개략적으로 예시한다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 디바이스를 개략적으로 예시한다.
도면들의 도해들은 실척에 맞게 도시되지 않고 비율에 맞게 도시되지도 않는다. 일반적으로, 동일한 구성요소들은 도면들에서 동일한 참조 번호들에 의해 표시된다.

본 개시내용은 특정 실시예들의 관점에서 설명될 것이며, 이들은, 본 개시내용을 예시하는 것이고 제한적인 것으로서 해석되어서는 안 된다. 본 개시내용은 특별히 도시되고/거나 설명된 것에 의해 제한되지 않고 대안들 또는 수정된 실시예들이 본 개시내용의 전체 교시를 고려하여 개발될 수 있다는 것이 관련 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 이해될 것이다. 설명된 도면들은 단지 개략적이고 비-제한적이다.

"포함"이라는 동사뿐만 아니라 개개의 활용형들의 사용은 언급된 것들 이외의 요소들의 존재를 배제하지 않는다. 요소에 선행하는 국제 출원 명세서에서의 관사("a", "an", 또는 "the")의 사용은 복수의 그러한 요소들의 존재를 배제하지 않는다.

또한, 설명에서 그리고 청구항들에서 제1, 제2 등의 용어들은 유사한 요소들 간을 구별하기 위해 사용되며, 반드시 시간적으로, 공간적으로, 순위로, 또는 임의의 다른 방식으로 시퀀스를 설명하기 위해 사용되는 것은 아니다. 그렇게 사용되는 용어들은 적절한 환경들 하에서 상호교환가능하다는 것 및 본원에 설명된 본 개시내용의 실시예들이 본원에 설명되거나 예시된 것과는 다른 시퀀스들로 동작할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

본 명세서 전반에 걸쳐 “일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 참조는, 실시예들과 관련하여 설명된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 그에 따라, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 장소들에서의 "일 실시예" 또는 "실시예"라는 문구들의 출현들 모두가 반드시 동일한 실시예를 지칭할 필요는 없지만, 그러할 수도 있다. 또한, 특정 특징들, 구조들, 또는 특성들은, 하나 이상의 실시예에서, 본 개시내용으로부터 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 바와 같이 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.

펄스 폭이라는 단어가 이를테면 펄스형 레이저 빔의 펄스의 펄스 폭에서 사용될 때, 그것은 시간 단위들로 표현되는, 예컨대 나노초로 표현되는 시간적 펄스 폭으로서 해석되어야 한다.

장면까지의 거리들을 결정하기 위한 방법, 일반

본 발명의 제1 양상에 따르면, 장면의 하나 이상의 객체까지의 거리들을 결정하기 위한 방법이 제공된다. 장면은, 예컨대, 자동차의 방풍유리 또는 범퍼에 장착된 라이다 디바이스에 의해 관측되는 바와 같은 영역이다. 라이다 디바이스의 시야에 따라, 장면은 큰 영역 또는 더 작은 영역을 커버할 수 있다. 자동차 응용들에 대한 시야는 예컨대 30° x 10° 또는 120° x 30° 또는 임의의 다른 적합한 시야이다. 장면은, 예컨대, 라이다 디바이스로부터 상이한 거리들에 위치된 다양한 객체들 또는 소수의 객체들 또는 단 하나의 객체를 포함할 수 있다. 방법은, 장면의 거리 맵핑을 수행하는 것을 목표로 하며, 그에 의해, 객체들까지의 상이한 거리들 또는 장면의 부분들까지의 거리들을 식별한다. 본 발명에 따른 방법은 자동차 응용들에 대한 라이다들로 제한되는 것이 아니라, 방법은 또한, 라이다들이 예컨대 비행기들 또는 위성들 상에 장착되는 다른 영역들에 적용될 수 있다.

방법은, 복수의 공간적으로 분리된 펄스형 레이저 빔들에 의해 형성된 스폿 패턴으로 장면을 조명하는 단계를 포함한다. 각각의 펄스형 레이저 빔은, 펄스 폭(PW) 및 펄스 주파수(F_P)를 갖는 펄스들의 시퀀스를 포함한다. 복수의 펄스형 레이저 빔들 각각의 펄스들은 동시에 방출된다. 펄스들의 그러한 시퀀스는 또한 펄스열로 명명되고, 펄스열(50)의 예는 도 2 상에 개략적으로 도시된다. 이러한 예시적인 예에서, 5개의 펄스만이 도시되지만, 실제로, 펄스열 내의 펄스들의 수는 일반적으로 훨씬 더 많다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 펄스열 내의 펄스들의 수는 범위가 50개 내지 500개의 펄스이다. 펄스(11)의 PW 및 펄스 주파수(F_P)의 역인 펄스 기간(P_P)을 갖는 펄스가 도 2 상에 표시된다.

실시예들에서, 도 2 상에 도시된 바와 같이, 펄스들은 블록 펄스들, 즉, 직사각형 형상 펄스들이다. 그러나, 본 발명은 특정 형상의 펄스들로 제한되지 않는다. 다른 실시예들에서, 펄스들은 다른 형상을 가질 수 있다.

실시예들에서, 이산 스폿 패턴을 형성하는 레이저 빔들에 의해 생성된 레이저 광의 파장은 800 nm 내지 1600 nm이다.

추가적인 단계에서, 반사된 레이저 광의 스폿들이 검출된다. 이러한 스폿들은, 장면 내의 하나 이상의 객체에 의해 또는 장면 내의 하나 이상의 객체들의 일부분에 의해 반사되는 바와 같은 스폿 패턴을 표현한다. 이러한 검출은, 펄스형 레이저 빔들의 각각의 펄스 기간(P_P) 내에서 그리고 펄스형 레이저 빔들의 펄스들의 동시적인 방출과 동기화되어 수행된다.

반사된 레이저 광의 검출은, 예컨대, CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기 및 광학 요소들, 이를테면, 하나 이상의 광학 렌즈 및 협대역 필터를 포함하는 광 수신 디바이스를 이용하여 수행된다. 본 발명에 따른 방법을 적용하기 위해 사용될 수 있는 광 수신 디바이스가 아래에서 더 상세히 추가로 논의될 것이다.

본 발명에 따른 방법은, 장면을 조명하는 스폿 패턴을 형성하기 위한 펄스형 레이저 빔들에 의해 생성되는 펄스형 레이저 광에 대한 최적 펄스 폭(PW)을 결정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 방법에 따르면, 펄스 폭(PW)은 최대 거리(D_max)와 관련하여 결정된다. 실제로, 장면 내의 하나 이상의 객체는, 최소 거리(D_min)와 최대 거리(D_max) 사이의 거리 범위 내의 거리들(D_s)에 위치된다. 일반적으로, 0 ≤ D_min ≤ 0.6 x D_max, 바람직하게는 0 ≤ D_min ≤ 0.4 x D_max, 더 바람직하게는 0 ≤ D_min ≤ 0.2 x D_max이다. 다시 말해서, 객체들은 상이한 거리들에 위치될 수 있고, 방법은, D_min과 D_max 사이의 어떤 거리에 하나 이상의 객체가 실체로 위치되든 하나 이상의 객체까지의 거리들을 결정하는 것을 허용한다.

이러한 최대 거리는 요구되는 최대 동작 범위로서 해석될 수 있는데, 즉, 최대 거리는, 항상 명확하게 측정가능해야 하는, 장면까지의 최대 거리에 대응한다. 예컨대, D_max가 100 미터인 것으로 정의되는 경우, 이는, 100 미터 이하에 위치된 장면 내의 객체들이 검출가능해야 하고 그 거리가 본 발명의 방법에 따라 측정가능해야 하는 한편, 최대 거리보다 더 멀리 위치된 장면 내의 객체들까지의 거리들은 결정될 수 있을 필요가 없다는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 방법에 대해, 이러한 최대 거리는 전형적으로 50 미터 이상이고, 일반적으로 500 미터 이하이다. 그러나, 응용에 따라, 측정될 최대 거리는 또한 더 클 수 있는데, 예컨대, 1000 미터 또는 훨씬 더 클 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 특정 최대 거리에 의해 제한되지 않는다.

본 발명의 방법에 따르면, 펄스 폭(PW)은 최대 거리(D_max)에 연관된 최대 비행 시간(TOF_max)보다 작도록 설정된다. 레이저 광이 방출되어 객체에 의해 다시 반사된 후에 검출될 때, 레이저 광은 객체까지의 거리의 2배인 거리를 이동하였다. 그러므로, TOF_max는 (2 x D_max / c)와 동일하며, 여기서, c는 광속이다. 펄스 폭(PW)은 [TOF_max - T_DL] / N과 동일하도록 설정되고, N은 미리 정의된 펄스 폭 감소 인자이고, T_DL은 미리 결정된 지연 시간 윈도우이다.

미리 결정된 지연 시간 인자는 일반적으로 2 x D_min / c 이하이며, 이에 따라, 최소 거리(D_min)에 또는 그 근처에 위치된 객체들이 검출될 수 있고 거리가 결정될 수 있다.

도 4에서, 미리 결정된 지연 시간 윈도우가 영인 실시예들이 도시된다. 도 4에 개략적으로 예시된 바와 같이, 이러한 경우에, 펄스 폭 감소 인자(N)는, 방출된 레이저 펄스(11)의 펄스 폭(PW)과 최대 측정가능 비행 시간(TOF_max) 사이의 비에 대응한다.

본 발명의 방법에 따르면, 반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대해, 시간의 함수로서의 노출 값들이 획득된다.

본 발명에 따른 방법은, 반사된 레이저 광을 검출하기 위한 펄스형 레이저 빔의 펄스 기간(P_P) 내에 속하는 검출 시간 기간(T_D)을 결정하는 단계를 포함하고, 검출 시간 기간(T_D)을 M개의 연속적인 검출 시간 윈도우(TW[i])로 분할하는 단계를 더 포함하며, i = 1 내지 M이고, M은 검출 시간 윈도우들의 수이고, M = α x (N + 1)이다. 검출 시간 기간(T_D)은 다음과 같이 표현된다:

여기서, α는 α ≥ 1인 정수이다. 인자 α는 펄스 폭 당 시간 윈도우들의 수를 표현한다. α = 1인 실시예들 및 α > 1인 실시예들 둘 모두가 이하에서 추가로 논의될 것이다.

α = 1인 실시예들에서는, 그렇다면, 미리 정의된 펄스 폭 감소 인자(N)는 일반적으로 2 이상, 바람직하게는 3 이상, 더 바람직하게는 4 이상이다.

실시예들에서, α 및 N은 α x N ≥ 2, 바람직하게는 α x N ≥ 3, 더 바람직하게는 α x N ≥ 4이도록 선택된다.

검출 윈도우들(TW[i]) 각각은 시간 기간으로서 해석되어야 한다. 실시예들에서, 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i], i = 1 내지 M)은 실질적으로 동일한 지속기간을 갖는다.

도 4에서, 2부터 5까지 진행되는 N의 값들에 대한 그리고 α = 1에 대한 검출 시간 윈도우들의 다수의 예들이 도시된다. 도 4 상에 도시된 실시예들은 미리 결정된 지연 시간 윈도우가 영인 실시예들이다.

도 6에서, 미리 결정된 지연 시간 윈도우(T_DL)가 영이 아닌 실시예의 예가 도시된다. 실시예들에서, 0 ≤ T_DL ≤ 0.6 x TOF_max, 바람직하게는 0 ≤ T_DL ≤ 0.4 x TOF_max, 더 바람직하게는 0 ≤ T_DL ≤ 0.2 x TOF_max이다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 사용되는 검출 장비에 따라 그리고 동일한 장비로 측정될 필요가 있는 객체 거리들의 범위에 따라 지연 시간 윈도우(T_DL)를 적용하거나 적용하지 않기로 선택할 것이다. 예컨대, D_max의 10 %와 동일한 최소 거리(D_min)와 최대 거리(D_max) 사이의 범위 내의 객체 거리들을 측정하는 것이 목적인 경우, 아래에서 추가로 논의될 바와 같이, 반사된 레이저 광을 검출하는 데 사용되는 검출기의 픽셀 웰들의 수를 감소시키기 위해 TOF_max의 10 %의 시간 지연이 설정될 수 있다. 반면에, 객체들이 0 미터, 즉, D_min = 0과 최대 거리(D_max) 사이의 임의의 거리에 위치되고 검출될 필요가 있을 수 있는 경우, 관련 기술분야의 통상의 기술자는 지연 시간 윈도우를 구현하지 않기로 선택할 수 있다.

도 4, 도 6, 및 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 검출 시간 윈도우(TW[i])는 비 PW / α와 거의 동일하며, PW는 방출된 레이저 펄스들(11)의 펄스 폭이고, α는, 도 4 및 도 5의 예에 대해 1과 동일하고 도 8의 예에 대해 2와 동일한 알파 인자이다. 일부 실시예들에서, 검출 시간 기간(T_D)이 비 PW / α의 M배와 동일하기만 하면, 검출 시간 윈도우들(TW[i]) 각각이 반드시 비 PW / α와 정확히 동일할 필요는 없으며, 약간의 편차가 발생할 수 있다. 일반적으로, 시간 윈도우들(TW[i]) 각각에 대해,

≤ 0.10, 바람직하게는

≤ 0.05, 더 바람직하게는

≤ 0.02이다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 사용되는 장비 및 객체까지의 거리를 결정하는 데 요구되는 최종 정확도에 따라 최적 값을 선택할 것이다. 일부 실시예들에서,

≤ 0.01이다.

반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대해, 방법은, 검출 시간 윈도우들(TW[i])에서 검출된 반사된 레이저 광의 양들을 축적함으로써 검출 시간 윈도우들(TW[i])에 연관된 노출 값들(Q_i)을 획득하는 단계를 포함한다. 이러한 축적은, 스폿을 생성하는 펄스형 레이저 빔의 펄스들의 시퀀스의 모든 펄스들에 대해 수행된다. 실제로, 레이저 광을 반사하고 있는 장면 내의 객체까지의 거리에 따라, 상이한 비행 시간(TOF)이 발생할 것이고, 그러므로, 측정될 거리에 따라 상이한 시간 윈도우들에서 레이저 광이 검출될 수 있다.

α = 1이고 펄스 폭(PW)이 검출 시간 윈도우들의 폭과 거의 동일한 경우, 반사된 펄스(12)는 2개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 또는 단일 검출 시간 윈도우에서 검출될 것이다. 도 4에서, 반사된 펄스가 일반적으로 2개의 연속적인 시간 윈도우와 중첩되는 것을 예시하는 일부 임의적 TOF 예들이 도시된다.

일부 객체 거리들에 대해, 그리고 α = 1인 경우, 반사된 레이저 광은 또한 단일 시간 윈도우에서 검출될 수 있다. 예컨대, 제1 검출 시간 윈도우가 펄스(11)의 방출과 일치하는 경우, 즉, 지연 시간 윈도우(T_DL)가 적용되지 않고, 측정될 객체까지의 거리가 펄스 폭(PW)과 동일하거나 그의 배수인 비행 시간에 대응하는 경우, 반사된 레이저 광은 단일 검출 시간 윈도우에서 검출될 것이다. 유사하게, 지연 시간 윈도우(T_DL)가 적용되고, 측정될 객체까지의 거리가 지연 시간 윈도우(T_DL)에 펄스 폭(PW)의 배수를 더한 것과 동일한 비행 시간에 대응하는 경우, 반사된 레이저 광은 단일 검출 시간 윈도우에서 검출된다.

더 일반적으로, 1 이상의 α의 임의의 값에 대해, 반사된 레이저 광은 α개의 또는 α + 1개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 검출된다.

본 발명의 방법에 따르면, 도 2 상에 예시된 펄스 주파수(F_P)는

이도록 결정된다. 펄스 주파수의 상한은, 후속하는 펄스가 방출되기 전에 최대 거리(D_max)에 위치된 객체들로부터 반사되는 바와 같은 반사된 레이저 광이 검출되도록 정의된다. 일반적으로, 펄스 주파수는, 예컨대 눈 안전 이유들로 정의된 한계들 내로 평균 레이저 전력을 유지하거나, 에일리어싱 문제들을 회피하거나, 2D 측정들을 수행하기 위해,

의 상한보다 낮다. 실시예들에서, 도 2에 예시된 바와 같은 펄스열(50)의 펄스 주파수(F_P)는 전형적으로 kHz 범위 내에 있는데, 예컨대, 10 kHz 내지 500 kHz이다.

일부 실시예들에서, 주파수(F_P)는

이도록 결정된다.

본 발명에 따른 방법은, 반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대한 객체 거리들을 결정하는 추가적인 단계를 제공한다. 객체 거리는, 어느 대응하는 시간 윈도우들에서 반사된 레이저 광이 검출되는지를 먼저 식별함으로써 결정된다. 제2 단계에서, 장면의 객체까지의 객체 거리(D_s, D_s ≤ D_max)는, 아래에서 더 상세히 추가로 논의될 바와 같이, 식별된 대응하는 검출 시간 윈도우들의 식별 및/또는 식별된 검출 시간 윈도우들에서 획득되는 획득된 노출 값들에 기반하여 계산된다.

예컨대 도 1 상에 도시된 바와 같은 종래 기술 타이밍 다이어그램에 따르면, 2개의 검출 시간 윈도우만이 사용되고, 그러므로, 객체 거리는 2개의 시간 윈도우에서 검출된 레이저 광의 양에 기반하여 결정될 수 있다. 반면에, 예컨대 도 4 상에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 타이밍 다이어그램에 따르면, 어느 검출 시간 윈도우들에서 반사된 레이저 광이 검출될 것인지가 미리 알려져 있지 않다. 그러므로, 패턴 조명들의 시퀀스 동안, 반사된 레이저 광의 검출을 수행한 후에, 본 발명에 따른 방법은, 레이저 광이 검출된 검출 시간 윈도우들을 식별하는 단계를 포함한다. 이러한 단계는 검출된 반사된 레이저 광의 스폿들 각각에 대해 수행된다. 위에 언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에 따르면, 반사된 레이저 광은 α개 또는 α + 1개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 검출된다.

검출 시간 윈도우들에서 획득된 데이터를 판독한 후에, 다양한 소프트웨어 알고리즘들이 사용되어, 반사된 레이저 광이 검출된 검출 시간 윈도우들의 식별이 수행될 수 있다. 실제로, 반사된 레이저 광은, α개 또는 α + 1개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 검출되고, 그러므로, 검출 시간 윈도우들 각각에서의 카운트 수를 비교함으로써, 가장 높은 카운트 수를 갖는 α개 또는 α + 1개의 검출 시간 윈도우가 검출된 배경 카운트들만을 갖는 검출 시간 윈도우들과 구별될 수 있다. 부가적으로, 알고리즘은 또한, α + 1개의 검출 시간 윈도우에서의 예상 강도 프로파일을 고려할 수 있으며, 여기서, 반사된 레이저 광이 검출되는 가장 이른 검출 시간 윈도우와 마지막 검출 시간 윈도우에서 더 낮은 강도가 예상되고, 가장 이른 검출 시간 윈도우와 마지막 검출 시간 윈도우 사이에서 더 높고 본질적으로 동일한 강도가 예상된다. 반사된 레이저 광이 α개의 검출 시간 윈도우에서 검출되는 경우에 대해, α개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 본질적으로 동일한 강도가 예상된다. 예컨대, α = 1인 경우, 반사된 레이저 광이 최대 2개의 검출 시간 윈도우에서 검출되고, 그러므로, 배경 검출에 이용가능한 적어도 하나의 검출 시간 윈도우가 항상 존재한다는 것을 주의한다.

실시예들에서, 가장 높은 카운트 수를 갖는 검출 시간 윈도우들의 위치를 결정하기 위해, 예컨대 블록 함수를 사용하는 피팅 알고리즘이 적용될 수 있다.

반사된 레이저 광이 검출된 검출 시간 윈도우들의 식별에 후속하여, 식별된 검출 시간 윈도우들에 기반하여 장면의 객체까지의 거리가 계산될 수 있다.

실시예들에서, 더 상세히 추가로 논의되는 바로서, 객체 거리의 계산은, 식별된 검출 시간 윈도우들에 기반하고/거나 반사된 레이저 광이 식별되는 적어도 가장 이른 검출 시간 윈도우 및 마지막 검출 시간 윈도우에 대해 획득된 노출 값들에 기반한다. 다른 실시예들에서, 객체 거리의 계산은, 반사된 레이저 광이 식별되는 가장 이른 검출 시간 윈도우에 선행하는 검출 시간 윈도우들의 수의 카운팅에 기반한다. α = 1에 대해, 펄스 폭 감소 인자(N)의 상한은, 반사된 레이저 광을 검출하는 데 이용가능한 검출기 기술, 및 특히, 검출기 응답 시간, 예컨대 CMOS 카메라의 속도에 의해 주로 결정된다. 예컨대, D_max = 100 미터이고 10의 펄스 폭 감소 인자를 사용하는 경우, 펄스 폭(PW)은 약 66 나노초와 동일하다. 그러한 펄스 폭은, 예컨대 현재의 CMOS 기반 픽셀 센서 기술과 여전히 호환가능하다.

α > 1에 대해, 감소 인자 N을 갖는 펄스는 인자 α와 관련하여 결정된다. 실제로, 위에 논의된 바와 같이, 검출 시간 윈도우는 N 및 α 둘 모두에 의존한다. 아래에서 논의될 바와 같이, 개방 및 폐쇄될 필요가 있는 전하 저장 웰들을 포함하는 검출기 기술이 사용되는 경우, 검출 시간 윈도우는 CMOS 기술과 호환가능한 시간 윈도우로 유지되어야 한다. 실시예들에서, N과 α의 곱은 1000 이하, 바람직하게는 500 이하, 더 바람직하게는 100 이하이다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 이용가능한 검출 기술에 기반하여 그리고 또한 최대 거리(D_max)에 기반하여 α 및 N에 대한 값을 선택할 것이다. D_max가 클수록, 주어진 감소된 폭을 갖는 검출 시간 윈도우를 획득하기 위해 취해질 곱 α x N이 더 크다.

객체까지의 거리들을 결정하기 위한 공식들

반사된 레이저 광의 검출이 펄스형 레이저 빔들의 펄스의 동시적인 방출과 동기화되어 수행되기 때문에, 어느 검출 시간 윈도우들이 레이저 광을 검출했는지의 식별에 기반하여, 레이저 광의 비행 시간 및 그에 따라 객체까지의 거리가 결정될 수 있다.

관련 기술분야의 통상의 기술자는, 레이저 광이 검출된 식별된 검출 시간 윈도우들에 기반하여 객체까지의 거리를 계산하기 위한 공식들을 정의할 것이다. 객체 거리를 계산하기 위한 다양한 옵션들이 가능하다. 거리들을 계산하기 위한 공식들의 예들이 이하에서 약술될 것이다. 논의될 바와 같이, 일부 실시예들에서, 공식들은, 식별된 검출 시간 윈도우들 중 일부의 노출 값들, 특히, 반사된 레이저 광이 식별되는 가장 이른 검출 시간 윈도우 및 마지막 검출 시간 윈도우의 노출 값들을 고려한다. 다른 실시예들에서, 객체 거리는, 어느 검출 시간 윈도우들이 반사된 레이저 광을 검출했는지의 식별에만 기반하여 결정된다. 이러한 실시예들에서, 객체 거리를 결정하기 위해, 반사된 레이저 광이 검출된 가장 이른 검출 시간 윈도우에 선행하는 검출 시간 윈도우들의 수가 카운팅되고 있다.

α = 1일 때, 즉, 펄스 폭이 검출 시간 기간과 동일할 때 거리 D_s를 계산하기 위한 공식들이 먼저 논의된다. 반사된 레이저 광이 2개의 연속적인 시간 윈도우 i 및 i + 1에서 검출되는 경우, 거리(D_s)는 다음의 공식으로 계산될 수 있다:

.

여기서, Q_i 및 Q_i+1은 각각 시간 윈도우 i 및 시간 윈도우 i + 1에서 획득된 노출 값들이다. 일반적으로, 노출 값들은, 예컨대 검출기 또는 다른 배경 잡음 소스들에 도달하는 주변 광으로부터 초래되는 배경 이벤트들에 대해 보정된다.

대안적으로, 반사된 레이저 광이 2개의 연속적인 시간 윈도우 i 및 i + 1에서 검출되는 경우, 거리(D_s)는 또한 다음의 대안적인 공식으로 계산될 수 있다:

. 이러한 대안적인 공식은 바람직하게는, 시간 윈도우 i에서의 반사된 레이저 광의 양이 시간 윈도우 i + 1에서의 반사된 레이저 광의 양보다 큰 경우에 사용된다.

반면에, 반사된 레이저 광이 하나의 시간 윈도우 i(i ≥ 2)에서만 검출되는 경우, 장면까지의 거리를 계산하기 위해 다음의 공식이 사용될 수 있다:

.

α = 2인 검출 타이밍 다이어그램의 예가 도 8 상에 개략적으로 도시된다. 이러한 예에서, 펄스 폭 감소 인자(N)는 15와 같은데, 즉, 방출된 펄스(11)의 펄스 폭(PW)은 최대 비행 시간을 15로 나눈 것과 동일하다. α = 2인 경우, 검출 시간 윈도우들의 총 수(M)는 32 = α x (N + 1))과 동일하다. α > 1인 도 8에 도시된 바와 같은 검출 타이밍 다이어그램에 대해, 거리(D_s)를 결정하기 위한 공식들이 또한 도출될 수 있다.

α > 1인 경우, 반사된 레이저 광은 α + 1개의 검출 시간 윈도우에서 또는 α 개의 검출 시간 윈도우에서 검출된다. 예컨대, α = 2, 즉, TW[i] = PW / 2인 경우, 반사된 레이저 광은 최대 3개의 연속적인 시간 윈도우에서 검출된다. 일반적으로, α = 2에 대해, 반사된 펄스는 시간 윈도우 TW[i]에서 부분적으로 관측되고, 시간 윈도우 TW[i + 1]에서 완전히 검출되고, 시간 윈도우 TW[i + 2]에서 부분적으로 검출된다. 일부 경우들에서, 장면 내의 객체의 위치에 따라, 반사된 레이저 광은 또한, 2개의 연속적인 시간 윈도우(TW[i] 및 TW[i + 1]에서 검출될 수 있다. 도 8에 도시된 예에 대해, 반사된 레이저 펄스(12)는 시간 윈도우들 14 내지 16에서 검출된다.

α ≥ 1이고 반사된 레이저 광이 α + 1개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 검출되는 경우, 본 발명의 방법에 따라 거리를 결정하기 위한 더 일반적인 공식은 다음과 같이 표현될 수 있으며:

,

및

이다.

이러한 공식에서, D_s는 객체 거리이고, Q_a는 반사된 레이저 광이 식별되는 연속적인 검출 시간 윈도우들 중 가장 이른 검출 시간 윈도우(TW[a])에 대해 획득된 노출 값이고, Q_b는 반사된 레이저 광이 식별되는 연속적인 검출 시간 윈도우들 중 마지막 검출 시간 윈도우(TW[b])에 대해 획득된 노출 값이고, R은 가장 이른 시간 윈도우(TW[a])에 선행하는 검출 시간 윈도우들의 수를 카운팅하는 정수이다. 도 8 상에 도시된 예에서, 반사된 레이저 광은 시간 윈도우들 14 내지 16에서 검출되고, 가장 이른 검출 시간 윈도우(TW[a])는 검출 시간 윈도우 14이고, 검출 시간 윈도우 16은 반사된 레이저 광이 검출되는 마지막 검출 시간 윈도우(TW[b])이다. 이러한 예에서의 정수 R은, 가장 이른 검출 시간 윈도우 번호 14에 선행하는 검출 시간 윈도우들의 수에 대응하는 13과 동일하다. 그러한 노출 값들(Q_a 및 Q_b)은, 예컨대 배경 광으로부터 초래되는 배경 카운트들에 대해 보정된 노출 값들로서 해석되어야 한다. 그러므로, 반사된 레이저 광이 α + 1개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 검출되는 경우, 그리고 위의 공식이 사용될 때, 거리는 식별된 검출 시간 윈도우들에서 획득된 노출 값들을 고려함으로써 결정된다.

α ≥ 1이고 반사된 레이저 광이 α + 1개의 연속적인 검출 시간 윈도우 대신에 α개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 검출되는 경우, 객체 거리(D_s)는 다음의 표현식을 사용하여 계산될 수 있다:

.

R은 반사된 레이저 광이 식별되는 가장 이른 검출 시간 윈도우에 선행하는 검출 시간 윈도우들의 수를 카운팅하는 정수이다. 그러므로, 반사된 레이저 광이 α개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 검출되는 경우, 거리는 식별된 검출 시간 윈도우들에서 획득된 노출 값들을 사용함이 없이 결정된다.

일부 실시예들에서, 객체 거리(D_s)는, 반사된 레이저 광이 α개 또는 α + 1개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 검출되는 경우들 둘 모두에 대해, 식별된 검출 시간 윈도우들에서 획득된 노출 값들을 고려함이 없이 결정될 수 있다. 실제로, 검출 시간 윈도우가 짧은 경우, 예컨대, α에 대해 그리고/또는 펄스 폭 인자(N)에 대해 큰 값을 선택함으로써, 반사된 레이저 광이 검출 시간 윈도우의 일부분 동안에만 검출되는 가장 이른 검출 시간 윈도우는 거리 계산에 대해 무시될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 객체 거리(D_s)는 위에 언급된 것과 동일한 표현식, 즉,

를 사용하여 계산될 수 있으며, R은 반사된 레이저 광이 식별되는 가장 이른 검출 시간 윈도우에 선행하는 검출 시간 윈도우들의 수를 카운팅하는 정수이다. 객체 거리를 계산하기 위한 이러한 접근법은, 예컨대 α 및/또는 N이 큰 경우들 및/또는 결정될 거리들이 큰, 예컨대 100 미터 이상인 경우들에 대해 적용될 수 있다.

레이저 광의 펄스 주파수

본 발명에 따른 방법으로 도달될 수 있는 가장 높은 펄스 주파수(F_P)는

과 동일하다. 그러나, 펄스 주파수는 또한 더 낮을 수 있고, 예컨대,

와 동일할 수 있으며, q ≥ 1이고, q x PW는, 에일리어싱을 회피하기 위해 D_max보다 더 큰 거리들에 위치된 장면 내의 객체들로부터의 반사들로부터 초래되는 잘못된 반사들의 검출이 제거되도록 정의된 지연 시간 슬롯을 형성한다. 다른 실시예들에서, 지연 시간 슬롯은 또한, 눈 안전 이유들로, 예컨대, 방출된 레이저 광의 평균 전력을 감소시키기 위해 구현될 수 있다. 2개의 검출 시간 윈도우만을 갖는 도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술 타이밍 다이어그램, 즉, N = 1인 다이어그램을 사용할 때, 제1 및 제2 시간 윈도우에 후속하는 부가적인 시간 슬롯이 일반적으로 배경 측정들을 위해 제공된다. 위에 논의된 바와 같이, 본 발명에 따른 타이밍 다이어그램에 따르면, 배경 측정들을 위한 부가적인 시간 슬롯은 필수적이지 않은데, 그 이유는, 반사된 레이저 광은 검출되지 않고 배경만이 검출되는 검출 시간 윈도우들(TW[i]) 중 하나로부터 배경 추정이 항상 획득될 수 있기 때문이다.

그러나, 본 발명에 따른 일부 실시예에서, 위에서 언급된 부가적인 지연 시간 슬롯(q x PW)이 부가적인 배경 측정들을 수행하는 데 사용될 수 있거나 부분적으로 사용될 수 있다. 그러므로, 검출 시간 기간(T_D)은, 반사된 레이저 광을 검출하기 위한 검출 시간 기간으로서 해석되어야 하며, 검출 시간 기간(T_D)에 후속하는 부가적인 검출 시간 윈도우들이 예컨대 배경을 검출하는 데 사용되는 것 또는 부가적인 시간 윈도우들이 임의의 다른 적합한 목적을 위해 사용되는 것을 배제한다.

도 5에서, 부가적인 지연 시간 슬롯이 검출 시간 기간(T_D)에 후속하여 제공되는 본 발명에 따른 시간 다이어그램들의 예들이 도시된다. 검출 시간 기간에 후속하는 지연 시간 슬롯은 도 5 상에서 참조부호(21)로 식별된다. 도 5 상에 도시된 이러한 예들에서, 위에 논의된 바와 같은 미리 결정된 지연 시간 윈도우(T_DL)가 구현되지 않았고, 예시된 바와 같이, 방출된 펄스들(11)이 제1 검출 시간 윈도우와 중첩되도록 동기화가 수행된다. 다른 실시예들에서, 위에 논의된 바와 같이, 펄스들의 방출 시간 윈도우에 대해 제1 검출 시간 윈도우를 지연시키도록, 미리 결정된 지연 시간 윈도우(T_DL)가 부가적으로 구현될 수 있다. 위에 논의된 바와 같이, 이러한 부가적인 지연 시간 슬롯(21)은, 잘못된 반사들을 감소시키는 것, 눈 조절 목적들을 위해 평균 전력을 감소시키는 것, 또는 심지어 부가적인 배경 측정들을 수행하는 것으로 이어지는 다수의 목적들을 위해 사용될 수 있다.

실시예들에서, 펄스 주파수(F_P)는

이하이며, IM은, TOF 방법으로 결정된 거리들이 장면의 3D 이미지를 형성하기 위한 사진 이미지들과 결합될 수 있도록 장면의 2D 사진 이미지를 획득하기 위해 주변 광 또는 장면을 조명하는 광원으로 장면을 이미징하기 위해 제공되는 시간 슬롯이다. 위에 언급된 바와 같이, 레이저 광이 반사되지 않는 이용가능한 시간 윈도우가 항상 존재하기 때문에, 노출 값들을 보정하기 위해 요구되는 배경을 측정하기 위한 가외의 시간 슬롯을 제공하는 것은 필수적이지 않다. 그러나, 일부 실시예들에서, 2D 이미지를 보정하고 개선하기 위해서 배경을 측정하기 위해 부가적인 시간 슬롯이 제공된다.

펄스 검출과 펄스 방출 사이의 동기화

위에 논의된 바와 같이, 반사된 레이저 광의 스폿들은 펄스형 레이저 빔들의 펄스들의 동시적인 방출과 동기화되어 검출된다.

지연 시간 윈도우(T_DL)가 위에서 특정된 바와 같이 영인 실시예들에서, 레이저 빔들의 펄스들의 방출 및 반사된 레이저 광의 검출의 동기화는, 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 펄스들의 방출 시간 윈도우와 중첩되거나 적어도 부분적으로 중첩되도록 수행된다. α = 1인 도 4 및 도 5 상에 도시된 실시예들에서, 제1 시간 윈도우(TW[1])는 레이저 펄스(11)의 방출과 일치하는 것으로 예시되는데, 즉, 펄스의 펄스 폭과 제1 시간 윈도우가 완전히 중첩된다.

다른 실시예들에서, 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])는 펄스들의 방출 시간 윈도우와 부분적으로 중첩된다. 이는, 예컨대, 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 펄스들의 방출에 대해 지연될 때 발생할 수 있다. 이러한 지연이 제1 검출 시간 윈도우보다 더 작고, 검출 시간 윈도우가 α = 1인 경우의 펄스와 동일하거나 거의 동일한 폭을 갖는 경우, 제1 시간 윈도우와 펄스들의 방출 사이에 부분적 중첩이 항상 존재한다. 실시예들에서, 펄스 폭과 검출 시간 윈도우가 정확히 동일하지 않은 경우, 제1 검출 시간 윈도우는 또한 펄스들의 방출과 부분적으로 중첩될 수 있는데, 즉, 완전히 중첩되지 않을 수 있다. 더 구체적으로, α > 1인 경우, 펄스 폭(PW)은 검출 시간 윈도우보다 더 크고, 그러므로, 동기화할 때, 레이저 펄스의 방출과 제1 검출 시간 윈도우 사이의 부분적 중첩이 발생할 수 있다. 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])는 펄스들의 방출 시간 윈도우와 완전히 중첩되거나 적어도 부분적으로 중첩된다.

실시예들에서, 제1 검출 시간 윈도우는, 레이저 펄스의 방출 전에 제1 검출 시간 윈도우(TW[1]) 동안 검출을 시작함으로써 펄스들의 방출 시간 윈도우와 부분적으로 중첩되는데, 즉, 레이저 펄스의 방출은 제1 검출 시간 윈도우에 대해 지연된다. 그러므로, 위에서 특정된 바와 같이, T_DL이 영인 경우라 하더라도, 레이저 펄스의 방출 및 제1 검출 시간 윈도우를 동기화하기 위한, 그리고 예컨대, 제1 검출 시간 윈도우와 레이저 펄스의 방출 사이에 부분적 중첩만이 존재하도록 동기화함으로써 양의 또는 음의 지연을 도입하기 위한 일부 마진이 여전히 존재한다.

더 일반적으로, 위에서 정의된 바와 같은 미리 정의된 지연 시간 윈도우(T_DL)가 예컨대 도 6에 도시된 바와 같이 영이 아닌 경우, 동기화는, 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 펄스들의 방출 시간 윈도우에 대해 지연되고 지연 시간 윈도우(T_DL)와 동일한 지연을 갖도록 수행된다.

거리 정확도, 시간적 정밀도

위에 언급된 바와 같이, 다수의 프레임들을 취하고 단일 프레임 측정들 각각 동안 획득된 바와 같은 다양한 객체 거리들(D_s)로부터 평균 객체 거리를 계산함으로써, 계산된 평균 객체 거리 값에 대한 오차는 단일 프레임 측정의 시간적 오차와 비교할 때 인자

로 감소되며, N_F는 프레임들의 수이다. 본 발명에 따른 방법에 따르면, 목적은, 거리를 결정하기 위해 요구되는 프레임들의 수를 감소시키고 심지어 단일 프레임으로 거리 측정을 수행하기 위해 단일 프레임 측정으로 높은 정밀도를 획득하는 것이다.

프레임들은, 일반적으로 펄스 주파수(F_P)보다 훨씬 더 낮은 프레임률(F_F)로 반복될 수 있다. 도 3에서, 프레임들의 반복(60)이 개략적으로 예시되고 프레임률(F_F)이 표시된다. 이러한 예에서, 3개의 프레임의 반복이 도시되며, 실제로, 프레임 반복들의 수는, 일반적으로, 예컨대 자동차 또는 드론에 장착된 라이다 디바이스에 대해 거리들이 연속적인 방식으로 측정되므로 훨씬 더 크다. 도 3에 개략적으로 예시된 바와 같이, 각각의 펄스열(50)에 후속하여, 노출 값들을 판독하고 취득된 데이터를 처리하기 위해 처리 시간(65)이 요구된다. 도달될 수 있는 프레임률(F_F)은 전형적으로 Hz 범위에 있는데, 실시예들에서, 프레임률은 예컨대 5 Hz 내지 50 Hz이다.

예컨대, 도 4, 도 6 및 도 8 상에 도시된 본 발명에 따른 타이밍 다이어그램의 주요 장점은, 단일 프레임에서의 거리 측정의 시간적 정밀도가 도 1 상에 도시된 종래 기술 타이밍 다이어그램과 비교할 때 강하게 개선된다는 것이다. 이는, 검출 시간 윈도우가 더 작아지게 되는 경우 시간적 정밀도가 개선된다는 사실의 결과이다. 2개의 검출 윈도우가 사용되는 도 1 상에 도시된 종래 기술 타이밍 다이어그램에 따라 획득된 정밀도와 현재 방법으로 획득된 정밀도를 비교할 때,

과 동일한 인자에 따른 개선이 획득된다. 그러므로, α = 1인 경우, 개선 인자는 분할 인자 N에 비례한다.

종래 기술 타이밍 다이어그램에 따르면, 수용가능한 값 내에 있는 계산된 평균 거리에 대한 표준 편차(

)를 획득하기 위해 많은 수의 프레임들이 취해질 필요가 있다. 여기서, 단일 프레임 측정의 시간적 오차는 표준 편차(σ)로서 표현된다. 단일 프레임 측정은, 예컨대 도 2 상에 도시된 바와 같은 펄스들의 시퀀스(50)에 기반한 측정이다. 본 발명에 따른 방법을 이용한 단일 프레임 측정의 정밀도의 개선으로, 프레임들의 수(N_F)가 감소될 수 있거나, 심지어 단일 프레임 내에서 측정이 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 장면의 객체까지의 거리가 훨씬 더 빠르게 획득될 수 있다. 정밀도의 개선 및 그에 따른 프레임들의 수의 감소가 이하에서 추가로 논의된다.

주어진 검출 시간 윈도우(TW[i])에 위치된 대응하는 비행 시간을 갖는 객체 거리들에 대한, 표준 편차(σ)로서 표현되는 시간적 오차는 다음과 같이 작성될 수 있다:

여기서,

는, 펄스 폭(PW)과 독립적이고, 하나의 프레임 내의 총 신호 강도(S), 하나의 프레임 동안의 측정된 배경(b), 픽셀 잡음(σ_px), 및 Q_b / (Q_a + Q_b)와 동일한 카운트 비 인자(

)에만 의존하는 정밀도 인자이고, Q_a 및 Q_b는 반사된 레이저 광이 검출되는 가장 이른 검출 시간 윈도우 및 마지막 검출 시간 윈도우에서 검출되는 바와 같은 노출 값들이다.

더 정확하게는, α ≥ 1에 대해, α에 대해 위의 공식에서 언급된 정밀도 인자

는 다음의 인자:

에 비례하며, z = Q_b / (Q_a + Q_b)이고, 위에 논의된 바와 같이, Q_a 및 Q_b는 각각, 반사된 레이저 광이 검출되는 가장 이른 검출 시간 윈도우 및 마지막 검출 시간 윈도우의 노출 값들이다.

분할 인자 N 및 인자 α에 대한 상이한 값들에 대해, 시간적 오차(σ)의 예들이 도 9 상에 도시된다. 도 9의 σ 값들은 도시된 다양한 예들에 대한 σ에서의 상대적 차이를 예시하기 위한 상대적 값들이다. 다양한 예들이 도 9 상에서 문자 A 내지 문자 H로 식별되며, 도 9 상의 범례는 선택된 N 및 α에 대한 대응하는 값들을 표시한다. 시그마의 값들은 여기서, 0부터 1까지 진행되는, 즉, 거리를 결정하기 위한 전체 거리 범위를 커버하는 비 D / D_max = TOF / TOF_max의 함수로서 표현된다. 이러한 예에서, 지연 시간 윈도우(T_DL)는 영으로 가정된다. 도 1 상에 도시된 바와 같은, α = 1 및 N = 1인 종래 기술 펄스 타이밍 다이어그램이 기준 시간적 오차(σ)로서 사용된다. 종래 기술 펄스 타이밍 다이어그램에 따르면, 값 σ는 TOF / TOF_max = 0.5에서 가장 큰 값을 갖는다. 예 B 내지 예 H로 예시된 바와 같이, α x N ≥ 2인 경우, 이러한 예들 각각에 대해, TOF / TOF_max의 함수로서의 σ 값은 반복적인 원호 형상 패턴을 표현한다. 각각의 원호는 검출 시간 윈도우 내에서의 시간적 오차(σ)를 표현하고, 검출 시간 윈도우는 위에 논의된 바와 같이 1 / (α x N)에 비례한다. 도 9에서, α = 1이 N = 2, 3, 5, 및 10과 조합된 그리고 α = 2가 N = 1.5, N= 6, 및 N = 15와 조합된 것에 대한 본 발명에 따른 예들이 도시된다. 도 9 상에 예시된 바와 같이, 종래 기술 타이밍 다이어그램과 비교할 때, 본 발명에 따른 새로운 타이밍 다이어그램들에 따르면, σ의 값들은 인자

로 감소된다.

예컨대, α = 1에 대해, 펄스 폭 감소 인자(N) = 4를 사용함으로써, 시간적 정밀도가 4배 만큼 개선되고, 계산된 평균 객체 거리에 대해 동일한 표준 편차를 획득하기 위해 취해질 프레임들의 수가 2배 만큼 감소될 수 있다. 그러나, 이는 펄스열 동안 방출된 광자들의 총 수가 동일하게 유지되고 배경 및 잡음 기여들이 동일하게 유지되는 것을 조건으로 한다. 예컨대, 펄스열 내의 펄스들의 수가 동일하게 유지되는 경우, 펄스 내에서 방출된 광자들의 수는, 펄스 폭 감소 인자가 4이고 그 목적이 프레임들의 수를 2배 만큼 감소시키는 것인 경우 4배 만큼 증가될 필요가 있다.

α > 1인 경우, α = 1과 비교할 때 시간 검출 윈도우가 추가로 감소되고, 그러므로, 단일 프레임 측정의 정밀도가 추가로 개선된다. 그러나, 정밀도 개선 인자는 α 곱하기 N에 선형적이지 않고, 대신에, 개선 인자는 위에 언급된 바와 같이

에 비례한다. 이러한 부가적인 인자

는, 단일 검출 시간 윈도우에서의 최대 검출가능 레이저 광이 1 / α에 비례한다는 사실에 기인한다. 예컨대, α = 2이고 N이 15와 동일한 경우, 도 1 상에 도시된 종래 기술과 비교할 때의 정밀도의 개선은

배이다. α = 1이고 N이 15와 동일한 경우, 정밀도의 개선은 15배이다.

도 9 상에 도시된 곡선들은 배경 카운트들이 존재하지 않는다고 가정한 이론적인 곡선들이라는 것을 주의한다. 실제로, 노출 값들은 배경 카운트들에 대해 그리고 그에 따라 배경의 양에 따라 보정되어야 하고, 위에 정의된 개선 인자들은 배경 보정들을 고려한 후에는 약간 상이할 수 있다.

다중-웰 픽셀 검출기의 사용 및 N 및 α의 결정

실시예들에서, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해, 반사된 레이저 광 검출이 복수의 픽셀들을 갖는 다중-웰 픽셀 검출기를 포함하는 레이저 광 수신 디바이스를 이용하여 수행되고, 각각의 픽셀은 감광성 영역 및 복수의 전하 저장 웰들(W[i], i = 1 내지 N_W)을 포함하며, N_W는 전하 저장 웰들의 수이고, N_W ≤ M이다. 이러한 복수의 전하 저장 웰들은 검출 시간 기간(T_D) 동안 감광성 영역에 의해 검출된 전하들을 저장하도록 구성된다.

실시예들에서, 각각의 픽셀에 대해, 검출 시간 윈도우들(TW[i]) 각각에 전하 저장 웰이 연관되고, 그러므로, 이러한 실시예들에서, 전하 저장 웰들의 수(N_W)는 검출 시간 윈도우들의 수(M)와 동일하다.

바람직한 실시예들에서, 전하 저장 웰들의 수(N_W)는 검출 시간 윈도우들(M)의 수보다 적다. 따라서, 이러한 실시예들에서, 하나 이상의 전하 저장 웰은 하나 초과의 검출 시간 윈도우의 전하들을 저장하고 있다. 이는, 전하 저장 웰들의 수를 증가시킴이 없이 더 큰 분할 인자(N)를 사용하는 것을 허용한다. 어느 전하 저장 웰이 어느 검출 시간 윈도우 동안 검출된 전하들을 저장하고 있는지를 정의하기 위해 관계가 설정된다. 검출 시간 윈도우들과 전하 저장 웰들 사이의 그러한 관계를 설정하기 위해, 전하 저장 웰들의 고유 시퀀스가 아래에 약술되는 바와 같이 정의될 필요가 있다.

다중-웰 픽셀 검출기를 포함하는 실시예들에서, α + 1개의 연속적인 시간 윈도우(TW[k] 내지 TW[k + α], k = 1 내지 M - α)의 각각의 서브-시퀀스는, 복수의 전하 저장 웰들(W[i]) 중의 α + 1개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스에 연관된다. 그러므로, α + 1개의 전하 저장 웰의 M - α개의 고유 시퀀스들이 정의된다. 전하 저장 웰들의 이러한 고유 시퀀스들은, 반사된 레이저 광이 α개 또는 α + 1개의 전하 저장 웰에서 검출될 때, 반사된 레이저 광이 검출되는 대응하는 검출 시간 윈도우들이 식별될 수 있고, 위에 논의된 공식들을 이용하여 객체 거리가 결정되도록 구성된다. 전하 저장 웰들의 고유 시퀀스들 및 검출 시간 윈도우들과의 연관은 어느 전하 저장 웰이 어느 검출 시간 기간들 동안의 전하들을 저장하기 위해 사용되는지를 정의한다.

α + 1개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스들은, 어느 가장 이른 검출 시간 윈도우에서 그리고 어느 마지막 검출 시간 윈도우에서 반사된 레이저 광이 검출되는지를 명확하게 식별하는 것을 허용하도록 구성되는 전하 저장 웰들의 시퀀스들로서 해석되어야 한다.

예컨대, α = 1인 경우, 전하 저장 웰들의 시퀀스 α + 1은 쌍이고, 그렇다면, 예컨대 N_W가 3과 동일한 경우에, 쌍 1-2가 검출 시간 윈도우들의 쌍에 연관된 전하 저장 웰들의 고유 쌍으로서 정의되는 경우, 쌍 2-1은 추가적인 고유 쌍이 아니다. 실제로, 쌍들 1-2 및 2-1 둘 모두가 사용되는 경우, 레이저 광이 검출되는 대응하는 검출 시간 윈도우들은, 2개의 쌍 사이의 구별이 이루어질 수 없기 때문에 결정될 수 없다. 반면에, 쌍 3-1 및/또는 쌍 3-2는 추가적인 고유 쌍으로서 사용될 수 있다.

유사하게, α = 2인 경우, 예컨대 시퀀스 1-2-3이 3개의 연속적인 검출 시간 윈도우의 시퀀스에 연관된 전하 저장 웰들의 고유 시퀀스로서 정의될 수 있고, 여기서, 웰 1 및 웰 3은, 예컨대 가장 이른 검출 시간 윈도우 및 마지막 검출 시간 윈도우에 각각 대응하는 레이저 광을 검출할 수 있다. 그러나, 시퀀스 3-2-1은 추가적인 고유 시퀀스로서 사용될 수 없는데, 그 이유는, 반사된 레이저 광이 웰들 1, 2, 및 3에서 검출되는 경우, 어느 검출 시간 기간에서 반사된 레이저가 효과적으로 검출되는지가 결정될 수 없기 때문이다. 추가적인 고유 시퀀스는, 예컨대, 네 번째 저장 웰인 저장 웰 4를 사용하여 구성될 수 있고, 여기서, 조합 4-2-3은 3개의 전하 저장 웰의 추가적인 고유 시퀀스를 형성할 수 있다.

예컨대, α = 4이고 N_W가 5와 동일한 경우, 시퀀스 1-2-3-4-5가 반사된 레이저 광을 검출하기 위한 5개의 연속적인 검출 시간 윈도우의 시퀀스에 연관된 5개의 웰의 고유 시퀀스로서 선택될 수 있다. 이러한 시퀀스에서는, 웰 1 및 웰 5에서, 예컨대 가장 이른 검출 시간 기간 및 마지막 검출 시간 기간에 대응하는 반사된 레이저 광이 검출될 수 있다. 이러한 시퀀스 1-2-3-4-5가 고유 시퀀스로서 사용되는 경우, 시퀀스 5-2-3-4-1, 시퀀스 1-3-4-2-5, 시퀀스 5-3-4-2-1, 시퀀스 1-4-2-3-5, 시퀀스 5-4-2-3-1, 시퀀스 1-4-3-2-5, 그리고 시퀀스 5-4-3-2-1 중 어느 것도 추가적인 고유 시퀀스들로서 사용될 수 없다. 실제로, 웰들의 시퀀스들의 그러한 추가적인 조합들 중 임의의 조합이 5개의 연속적인 검출 시간 윈도우의 다른 시퀀스에 연관될 경우, 시퀀스 1-2-3-4-5에 대응하는 검출 시간 윈도우들 동안 검출된 반사된 레이저 광과 구별이 이루어질 수 없다.

도 8에서, N = 15이고 α = 2이고, 그에 따라 검출 시간 윈도우들의 수(M)는 32와 동일하고, 전하 저장 웰들의 수(N_W)는 5와 동일한, 즉, < M인 예가 도시된다. 이러한 예에서, 도 8 상에 도시된 바와 같이, 전하 저장 웰(TW[1])은, 예컨대, 검출 시간 윈도우들 1, 4, 7, 10, 13, 16, 및 31 동안 전하들을 통합하도록 동작한다.

각각의 픽셀이 주어진 수(N_W)의 전하 저장 웰들을 포함하는 다중-웰 픽셀 검출기가 사용되는 이러한 실시예들에 대해, 검출 시간 윈도우들의 수(M) = α x (N + 1)을 정의하는 분할 인자(N) 및 알파 인자는, 검출 시간 윈도우들의 수(M)가, 주어진 수(N_W)의 전하 저장 웰들로 형성될 수 있는 α + 1개의 연속적인 시간 윈도우의 고유 시퀀스들의 최대 수에 대응하는 최대 값(M_max)보다 크지 않도록 선택된다.

도 9 상에 도시된 예에 대해, 사용된 전하 저장 웰들의 수(N_W)는 범례에 표시되어 있다. 예 B 내지 예 H에 대해, 사용된 전하 저장 웰의 수는 3개 내지 5개 사이에서 변한다.

전하 저장 웰들의 쌍들, α = 1

위에 언급된 바와 같이, 인자 α는 1 이상일 수 있다. 먼저, α = 1인 다수의 실시예들이 논의될 것이다.

N ≥ 3이고 다중-웰 픽셀 검출기의 각각의 픽셀에 대해 N_W < M인 실시예들에서, 검출 시간 윈도우들의 연속적인 시간 윈도우들의 각각의 쌍(TW[k] 및 TW[k + 1])은, 전하 저장 웰들의 고유 쌍(W[m] 및 W[n])에 연관된다. 예컨대, 도 7에서, N = 10의 예가 도시되고, 그에 따라, 검출 시간 윈도우들의 수는 11과 동일하다. 도 7 상에서, 2개의 예, 즉, N_W = 11인 하나의 예 및 N_W = 5인 하나의 예가 도시된다. N_W = 5이고 그에 따라 N_W < M인 실시예에 대해, 연속적인 시간 윈도우들의 각각의 쌍은 전하 저장 웰들의 고유 쌍에 연관된다. 예컨대, 도 7 상에 예시된 바와 같이, 연속적인 검출 시간 윈도우들 TW1 및 TW2는, 예컨대 고유 웰 쌍 W1 및 W2에 연관되고, 연속적인 검출 시간 윈도우들 TW7 및 TW8은, 예컨대 고유 웰 쌍 W1 및 W4에 연관되며, 연속적인 검출 시간 윈도우들 TW10 및 TW11은, 예컨대 고유 웰 쌍 W5 및 W1에 연관된다. 위에 언급된 바와 같이, 전하 저장 웰들의 고유 쌍에 대해, 예컨대, 웰 쌍 W1-W2는 웰 쌍 W2-W1과 동일한 쌍이라는 것이 이해되어야 한다.

N ≥ 3이고 다중-웰 픽셀 검출기의 각각의 픽셀에 대해 N_W < M인 실시예들에서, 복수의 전하 저장 웰들 중 적어도 하나의 전하 저장 웰은, 검출 시간 윈도우들 중 2개의 상이한 시간 윈도우(TW[k] 및 TW[m]) 동안 검출된 전하들을 축적 및 저장하도록 구성되며, 여기서, 2개의 상이한 시간 윈도우는

이도록 2개의 비-연속적인 시간 윈도우이다. 도 7 상에서, N_W = 5인 경우에 대해, 예컨대 전하 저장 웰 W5는 검출 시간 윈도우 TW5 및 TW10 둘 모두로부터의 전하들을 축적 및 저장하고, 예컨대 전하 저장 웰 W3은 검출 시간 윈도우 TW3 및 TW6 동안의 전하들을 축적 및 저장하며, 예컨대 전하 저장 웰 W1은 검출 시간 윈도우 TW1, TW7, 및 TW11 동안의 전하들을 축적 및 저장한다.

α = 1인 본 발명에 따른 방법의 실시예들에서, 펄스 폭(PW)을 결정하고 펄스 폭 감소 인자(N)를 적용하는 단계를 적용할 때, 펄스 폭 감소 인자(N)는, 전하 저장 웰들의 수가 홀수인 경우

이고 전하 저장 웰들의 수가 짝수인 경우

이면서 N ≤ N_max이도록 정의된다. 이러한 최대 수(N_max)는 주어진 수의 전하 저장 웰들로 형성될 수 있는 고유 쌍들의 최대 수를 정의한다. 위의 공식에서 정의된 바와 같이 N에 대해 이러한 상한을 취할 때, 주어진 수의 웰들에 대해, 시간 검출 윈도우들의 최대 수(M_max)는 N_max + 1과 동일하다.

α + 1개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스, α > 1

α가 1보다 큰 실시예들이 추가로 논의될 것이다. 1보다 큰 인자 α를 사용하는 것의 장점은, 주어진 수(N_W)의 전하 저장 웰들에 대해, 형성될 수 있는 α + 1개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스들의 수가 더 많고, 따라서, 동일한 수의 전하 저장 웰들에 대해, 더 짧은 검출 시간 윈도우가 사용될 수 있어서, 개선된 정밀도가 초래된다는 것이다.

예컨대, α = 2, 즉, TW[i] = PW / 2인 경우, 반사된 레이저 광은 최대 3개의 연속적인 시간 윈도우에서 검출된다. 그러므로, 반사된 레이저 광을 검출하기 위한 적어도 3개의 전하 저장 웰 및 배경을 측정하기 위해 네 번째 전하 저장 웰이 필요하다. 일반적으로, α = 2에 대해, 반사된 펄스는 시간 윈도우 TW[i]에서 부분적으로 관측되고, 시간 윈도우 TW[i + 1]에서 완전히 검출되고, 시간 윈도우 TW[i + 2]에서 부분적으로 검출된다. 일부 경우들에서, 장면 내의 객체의 위치에 따라, 반사된 레이저 광은 또한, 2개의 연속적인 시간 윈도우(TW[i] 및 TW[i + 1]에서 검출될 수 있다.

α = 2에 대해 그리고 주어진 수(N_W)의 전하 저장 웰들에 대해, 3개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스들의 최대 수(C_max)가 계산될 수 있다. 4부터 10까지 진행되는 N_W에 대해, C_max는 각각 12, 30, 60, 105, 168, 252, 및 360과 동일하다.

더 일반적으로, 임의의 수의 α에 대해, N_W개의 전하 저장 웰로 형성될 수 있는 α + 1개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스들의 최대 수(C_max)가 계산될 수 있다.

고유 시퀀스들의 최대 수(C_max)를 계산하고 전하 저장 웰들의 고유 시퀀스들을 설정하기 위한 수학적 알고리즘들은 관련 기술분야에 알려져 있다. 예컨대, 도 8 상에 도시된 바와 같이, 예컨대 5개의 전하 저장 웰을 사용할 때 3개의 고유 전하 저장 웰의 시퀀스들을 계산하기 위해, 전하 웰들의 시퀀스가 가장 이른 검출 시간 윈도우 및 마지막 검출 시간 윈도우에서 검출된 레이저 광을 명확하게 검출하는 것을 허용해야 하는 경계 조건들을 취하는 반복 프로그램이 사용된다. α = 2이고 N_W = 5인 도 8 상에 도시된 이러한 예에서, 형성될 수 있는 3개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스들의 최대 수(C_max)는 30과 동일하다. 따라서, 이러한 예에서, 사용될 수 있는 최대 펄스 분할 인자(N_max)는 15와 동일하다.

고유 시퀀스들의 최대 수(C_max)는, α x N_max = C_max인 최대 펄스 폭 감소 인자(N_max)를 정의한다. 그러므로, 픽셀당 주어진 수(N_W)의 전하 저장 웰들을 갖는 CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기를 사용할 때, 펄스 폭 감소 인자(N)는 N이 N_max 이하이도록 선택된다.

비교적 작은 α 및 비교적 작은 전하 저장 웰들의 수(N_W)의 선택에 대해, 고유 시퀀스들의 최대 수(C_max)가 커질 수 있다. 예컨대, α = 2 및 N_W = 4에 대해 C_max = 12이고, α = 2 및 N_W = 6에 대해 C_max = 60이다. α = 3 이상을 취하고 N_W = 7 이상을 취함으로써, 수백 개의 고유 조합들이 형성될 수 있고, C_max는 100보다 커진다. α = 4 이상을 취하고 N_W = 9 이상을 취하는 경우, 심지어 수천 개의 고유 조합들이 형성될 수 있고, C_max는 1000보다 커진다.

장면까지의 거리들을 결정하기 위한 라이다 디바이스

본 발명의 제2 양상에 따르면, 장면의 하나 이상의 객체까지의 거리들을 결정하기 위한 라이다 디바이스가 제공된다. 라이다 디바이스(1)의 실시예가 도 10 상에 개략적으로 예시된다.

그러한 라이다 디바이스(1)는, 조명 패턴(150)으로 장면(99)을 조명하도록 구성되는 투영기(100)를 포함한다. 패턴은, 복수의 공간적으로 분리된 펄스형 레이저 빔들에 의해 형성되며, 여기서, 각각의 펄스형 레이저 빔은 펄스들의 시퀀스를 포함한다. 복수의 펄스형 레이저 빔들의 펄스들은 동시에 방출된다. 위에 논의된 바와 같이, 펄스열로 또한 명명되는 펄스들의 시퀀스가 도 2 상에 개략적으로 예시된다.

바람직하게는, 레이저 광은 반도체 레이저에 의해 생성된다. 실시예들에서, 레이저 광은, 수직-캐비티 표면-방출 레이저(VCSEL) 어레이를 포함하는 반도체 광원에 의해 원하는 패턴을 생성하도록 생성된다. 시스템이 심지어 장거리(long range)들에서 그리고 높은 수준들의 주변 광에서(예컨대, 주간에) 최적으로 동작하기 위해, 본 발명의 실시예들에서 사용하기 위한 VCSEL은 바람직하게는 단위 면적당 스폿당 최대 광학 전력을 방출하도록 배열된다. 더 바람직하게는, 레이저들은 최소 파장 확산을 가져야 하는데, 특히, 낮은 파장 확산이 단일모드(monomode) 레이저들로 달성될 수 있다. 그에 따라, 실질적으로 동일한 펄스들이 필요한 공간적 및 시간적 정확도로 재현가능하게 생성될 수 있다.

투영기는, 반도체 레이저 외에도, 정의된 시야 내에서 광 패턴으로 장면을 조명하도록 구성되는 투영 렌즈를 포함한다.

실시예들에서, 레이저에 의해 생성된 레이저 광의 파장은 800 nm 내지 1600 nm이다.

라이다 디바이스는, 반사된 레이저 광의 스폿들을 검출하도록 구성되는 CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기를 포함하는 광 수신 디바이스(300)를 더 포함한다. 다중-웰 픽셀 검출기는 복수의 픽셀들을 포함하며, 여기서, 각각의 픽셀은 레이저 광을 검출하기 위한 감광성 영역을 포함한다. 위에 논의된 바와 같이, 반사된 레이저 광의 그 스폿들은, 장면의 하나 이상의 객체에 의해 반사되는 바와 같은 공간적으로 분리된 빔들을 표현한다. CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기는, 예컨대, WO2017068199에서 개시되어 있다.

반사된 레이저 광은 도 10 상에서 참조부호(350)로 개략적으로 표시되며, 반사된 레이저 광의 펄스를 포함하는 반사된 패턴을 형성하고 있다. 반사된 패턴은, CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기 상에서 복수의 스폿들로서 관측된다. 그러한 스폿은, 레이저 펄스와 검출기의 검출 표면의 교차점으로서 해석되어야 한다.

본 발명에 따른 CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기는, 펄스형 레이저 빔들의 펄스 기간(P_P) 내에 속하는 검출 시간 기간(T_D) 동안의 반사된 레이저 광의 검출을 위해 구성되고 동작가능하며, 여기서, 검출 시간 기간은,

이도록 M개의 연속적인 검출 시간 윈도우(TW[i])로 분할되고, M은 검출 시간 윈도우들의 수이다. 이러한 수(M)는, α x (N + 1)과 동일하고, M ≥ 3, 바람직하게는 M ≥ 4, 더 바람직하게는 M ≥ 5이다. 실시예들에서, 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i], i = 1 내지 M)은 실질적으로 동일한 지속기간을 갖는다. 인자 α는 본 발명에 따른 방법을 논의할 때 위에서 논의된 정수이며, α ≥ 1, 바람직하게는 α ≤ 10, 더 바람직하게는 α ≤ 5이다.

실시예들에서, 검출 시간 윈도우들은 펄스 폭과 거의 동일한데, 즉, 검출 시간 윈도우들(TW[i], i = 1 내지 M) 각각에 대해,

≤ 0.10, 바람직하게는

≤ 0.05, 더 바람직하게는

≤ 0.02이다.

본 발명에 따른 CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기는, 반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대해, 검출 시간 윈도우들(TW[i])에 연관된 노출 값들(Q_i)을 획득하도록 구성되고 동작가능하다. 노출 값들은, 검출 시간 윈도우들(TW[i])에서 검출된 반사된 레이저 광을 나타내는 전하의 양들을 축적함으로써 획득되며, 이에 따라, 검출된 레이저 광과 레이저 광이 검출되는 시간 윈도우 사이에 상관이 설정된다. 전하들의 축적은, 펄스들의 시퀀스의 모든 펄스들에 대해 수행된다.

반사된 레이저 광의 검출은, 레이저 펄스들의 시퀀스의 방출과 동기화하여 수행되어야 한다. 따라서, 라이다 디바이스는, 방출된 펄스들의 시퀀스와 동기화하여 반사된 레이저 광을 검출 및 축적하도록 투영기(100) 및 광 수신 디바이스(300)를 제어하기 위한 제어기(200)를 포함한다. 실시예들에서, 제어기는, 종래의 클록 회로 또는 발진기를 포함할 수 있는 동기화 수단을 포함한다.

실시예들에서, 제어기(200)는, 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 펄스들의 펄스 방출 시간 윈도우와 중첩되거나 적어도 부분적으로 중첩되게 동기화를 수행하도록 구성된다. 펄스들의 방출 시간 윈도우는, 펄스들이 방출되는 시간 윈도우로서 해석되어야 하고, 그러므로, 이러한 방출 시간 윈도우는 펄스 폭의 폭을 갖는다. 제1 검출 시간 윈도우가 펄스들의 방출 시간 윈도우와 중첩되거나 부분적으로 중첩되는 예들은, 본 발명에 따른 방법을 논의할 때 위에서 논의되었다.

다른 실시예들에서, 제어기(200)는, 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 펄스들의 방출 시간 윈도우에 대해 지연되고 지연이 미리 정의된 지연 시간 윈도우(T_DL)와 동일하게, 펄스들의 방출과 검출기 사이의 동기화를 수행하도록 구성된다.

바람직하게는, 미리 결정된 지연 시간 인자는 2 x D_min / c 이하이며 ― D_min은 최소 거리임 ―, 이에 따라, 최소 거리(D_min)에 또는 그 근처에 위치되는 객체들이 검출되고 거리가 결정될 수 있다.

CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기는 픽셀들의 2D 어레이로서 해석되어야 하며, 각각의 픽셀은 레이저 광을 검출하기 위한 개별 검출기를 형성한다. 실제로, 각각의 픽셀은 개별 감광성 영역 및 적어도 3개의 전하 저장 웰을 포함한다. 전하 저장 웰들의 수는 검출 시간 윈도우들의 수(M)에 의존한다.

더 일반적으로, CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기의 각각의 픽셀은, 복수의 전하 저장 웰들(W[i], i = 1 내지 N_W)을 포함하며, N_W는 전하 저장 웰의 수이고, N_W ≤ M이다.

전하 저장 웰은, 픽셀의 감광성 영역 상에 떨어지는 레이저 광으로부터 초래되는 전하들을 축적하기 위한 저장소이다. 각각의 웰은, 레이저 광의 펄스와 동기화되고 특정된 N + 1개의 검출 시간 윈도우와 동기화되는 외부 신호에 의해 제어되는 별개의 전송 게이트를 갖는다. 이러한 방식으로, 전송 게이트들을 제어함으로써, 주어진 시간 윈도우(TW[i])에서 픽셀의 감광성 영역에 의해 검출되는 반사된 레이저 광이 연관된 웰(W[k])에 저장될 것이다.

광 수신 디바이스는, 반사된 레이저 광을 다중-픽셀 검출기 상에 투영하는 렌즈 시스템을 더 포함한다. 예컨대, 조명 패턴의 모든 펄스들이 장면의 객체들에 의해 반사되는 경우, 패턴의 이미지는, 다중-픽셀 검출기의 감광성 영역이 위치되는 광 수신 디바이스의 초점 면에서 획득된다.

본 발명에 따른 라이다 디바이스는, 반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대해, 연속적인 검출 시간 윈도우들 중 어떤 검출 시간 윈도우들에서 반사된 레이저 광이 검출되는지, 즉, 노출 값들이 획득되었는지를 식별하도록 구성되는 처리 수단(400)을 포함한다. 반사된 레이저 광은, α개 또는 α + 1개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 검출된다. 처리 수단은, 검출 시간 윈도우들의 식별에 기반하고/거나 식별된 검출 시간 윈도우들에서 획득된 가장 이른 노출 값 및 마지막 노출 값에 기반하여 객체 거리(D_s)를 추가로 계산한다. 식별을 수행하기 위한 위에 논의된 방법은 일반적으로, 이러한 식별을 수행하기 위한 컴퓨터 알고리즘으로서 구현된다. 식별 알고리즘 이외에, 추가적인 컴퓨터 알고리즘이 사용되어, 위에 논의된 바와 같은 이러한 계산을 수행하기 위한 공식들 및 다양한 옵션들을 사용하여 거리들(D_s)이 계산된다. 실시예들에서, 처리 수단(400)은 전형적으로 프로세서, 마이크로프로세서, 또는 컴퓨터를 포함한다.

다중-픽셀 검출기가 장면으로부터 반사된 레이저 광의 스폿을 검출할 때, 이러한 반사된 레이저 광은 다중-픽셀 검출기의 복수의 픽셀들에서 검출되고, 반사된 레이저 광의 양을 결정하기 위해, 복수의 픽셀들에서 검출된 레이저 광의 합산이 일반적으로 이루어진다는 것을 주의한다. 실시예들에서, 합산을 수행할 때, 픽셀들에 연관된 가중 인자가 고려된다. 조명이, 공간적으로 분리된 스폿들의 패턴으로 수행됨에 따라, 다중-픽셀 검출기 상에서 검출된 다양한 스폿들은 또한, 검출된 다양한 스폿들 사이에 중첩이 존재하지 않거나 거의 존재하지 않도록 공간적으로 분리된다.

반사된 레이저 광의 노출 값들을 결정할 때, 처리 수단은 배경을 감산하도록 구성된다. 이러한 배경은 일반적으로, 반사된 레이저 광이 검출되지 않는 검출 시간 윈도우들로부터 획득된다.

일부 실시예들에서, 레이저 광이 검출된 시간 윈도우들의 결정은, 데이터를 판독하기 전에 CMOS 검출기의 수준 상에서 수행된다. 이러한 실시예들에서, CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기는, 예컨대, 배경 카운트들과 레이저 광을 구별하도록 구성되는 비교기를 포함한다.

픽셀 검출기에서의 픽셀들 각각의 웰들(W[k])의 수(N_W)는 시간 윈도우들(TW[i])의 수(M)와 반드시 동일할 필요는 없다. 바람직한 실시예들에서, N_W < M이고, 그러므로, 이러한 실시예들에서, 시간 윈도우들보다 더 적은 저장 웰들이 존재하기 때문에, 복수의 전하 저장 웰들 중 적어도 하나의 전하 저장 웰은 검출 시간 윈도우들(TW[i]) 중 2개의 상이한 시간 윈도우 동안 검출된 전하들을 저장하도록 구성된다. 위에 논의된 바와 같이, 이러한 2개의 상이한 시간 윈도우는 2개의 비-연속적인 시간 윈도우이다.

M ≥ 4이고 α = 1인 실시예들에서, 다중-웰 픽셀 검출기의 각각의 픽셀에 대해 N_W < M이고, 2개의 연속적인 검출 시간 윈도우의 각각의 쌍은 전하 저장 웰들의 고유 쌍에 연관된다.

더 일반적으로, α ≥ 1에 대해, α + 1개의 연속적인 시간 윈도우(TW[k] 내지 TW[k + α], k = 1 내지 M - α)의 각각의 서브-시퀀스는 복수의 전하 저장 웰들(W[i]) 중의 α + 1개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스에 연관되며, 이에 따라, 반사된 레이저 광이 검출되는 검출 시간 윈도우들이 명확하게 식별가능하다. 전하 저장 웰들의 고유 시퀀스들의 정의는 위에서 논의되었다.

α = 1인 경우, 주어진 수(N_W)의 전하 저장 웰들에 대해, 이루어질 수 있는 고유 쌍 조합들의 수(P)는 순열들의 수(P)로서 표현될 수 있고 다음과 같이 계산될 수 있다:

.

기호 "!"는 순열 기호이다. 예컨대, 3개의 웰에 대해, 3개의 고유 쌍 조합, 즉, 1-2, 1-3, 및 2-3이 형성될 수 있다. 예컨대, 4개의 웰에 대해, 6개의 고유 조합, 즉, 1-2, 1-3, 1-4, 2-3, 2-4, 및 3-4가 형성될 수 있다. 5개의 웰에 대해, 10개의 고유 조합이 형성될 수 있고, 그러므로, 예컨대, 11개의 검출 시간 윈도우를 사용할 때, 5개의 웰만이 요구된다. 도 7에서, 본 발명에 따른, 펄스 폭 감소 인자(N)가 10과 동일하고 그에 따라 11개의 검출 시간 윈도우가 제공되는 예가 도시된다. 도 4의 상단 부분에서, 각각의 검출 시간 윈도우가 그의 적절한 웰을 갖고 그에 따라 각각의 픽셀이 11개의 웰을 요구하는 예가 도시된다. 도 7의 하단 부분에서, 11개의 검출 시간 윈도우에 대한 10개의 고유 쌍 조합을 형성하기 위해 5개의 웰만이 사용된다. 유리하게, 고유 웰 쌍들의 형성을 이용하면, 요구되는 웰들의 수가 강하게 감소되고, CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기의 복잡도가 감소된다.

α = 1에 대해 그리고 주어진 저장 웰들의 수(N_W)에 대해, 위에 논의된 바와 같이, 펄스 폭을 감소시키기 위해 적용될 수 있는 최대 펄스 폭 감소 인자(N_max)가 또한 계산될 수 있다. 웰들의 수가 홀수인 경우, 주어진 수의 웰들에 적용될 수 있는 최대 감소 인자를 계산하기 위해 다음의 공식이 적용될 수 있다:

. 예컨대, 웰들의 수가 5인 경우, N_max = 10이다. 이는 또한, 주어진 수의 웰들에 사용될 수 있는 검출 시간 윈도우들의 최대 수(M_max)가 다음과 같이 표현될 수 있다는 것을 암시한다:

.

α = 1이고 웰들의 수(N_W)가 짝수인 경우, 최대 펄스 폭 감소 인자(N_max)를 계산하기 위한 공식은 상이하고 다음과 같이 표현될 수 있다:

. 예컨대, 웰들의 수가 4인 경우, N_max = 5이다. 유사하게, 웰들의 수가 짝수인 경우의 검출 시간 윈도우들의 최대 수(M_max)는 다음과 같이 표현될 수 있다:

.

실시예들에서, 5 ≤ M ≤ 6이고 N_W = 4이다. 다른 실시예들에서, 7 ≤ M ≤ 11이고 N_W = 5이다. 추가적인 실시예들에서, M = 4이고 N_W = 3이다.

더 일반적으로, α > 1인 경우, 반사된 레이저 광이 검출되는 검출 시간 윈도우들을 명확하게 식별할 수 있기 위해 사용될 수 있는 전하 저장 웰들의 고유 시퀀스들의 최대 수(C_max)를 정의하기 위해, 알려져 있는 수학적 알고리즘들이 사용될 수 있다.

바람직한 실시예들에서, 본 발명에 따른 라이다 디바이스는, 펄스 폭(PW)이 검출 시간 윈도우들의 수(M)에 관련되고 이러한 관계가

와 같이 표현될 수 있도록 구성되며, TOF_max = (2 x D_max / c)이고, 여기서, TOF_max는 최대 비행 시간(TOF_max)이고, D_max는 최대 비행 시간에 연관된 최대 거리이고, c는 광속이고, T_DL은 위에 논의된 미리 정의된 지연 시간 윈도우이며, 0 ≤ T_DL ≤ (0.6 x TOF_max), 바람직하게는 0 ≤ T_DL ≤ (0.4 x TOF_max), 더 바람직하게는 0 ≤ T_DL ≤ (0.2 x TOF_max)이다.

위에 언급된 바와 같이, D_max는 라이다 디바이스의 동작 범위, 일반적으로는 최대 동작 범위로서 해석되어야 한다. 실시예들에서, 본 발명에 따른 라이다 디바이스의 이러한 최대 동작 범위(D_max)는 예컨대 다음의 범위 내에 있다: 30 미터 ≤ D_max ≤ 1000 미터.

위의 정의를 따르는 펄스 폭(PW)은 전형적으로 나노초 내지 마이크로초 범위 내로 예상될 것이다. 예컨대, 100 미터 및 300 미터의 최대 범위를 가정하면, 레이저 광에 대한 대응하는 비행 시간은 전후로 각각 666 나노초 및 2 마이크로초이고, 그러므로, 정의된 펄스 폭 감소 인자(N), 또는 등가의 시간 검출 윈도우들의 수에 따라, 그리고 라이다 디바이스의 요구되는 최대 동작 거리(D_max)에 따라, 펄스 길이(PW)는 33 나노초 내지 1 마이크로초의 범위 내로 예상될 것이다. 감소 인자가 있는 펄스는 일반적으로 20 이하이다.

실시예들에서, 라이다 디바이스의 투영기는,

본 발명에 따른 라이다 디바이스는 차량 내로의 통합에 적합하다. 차량에 통합되는 라이다 디바이스는 차량을 둘러싸는 영역의 적어도 일부를 동작가능하게 커버하도록 배열된다. 영역의 적어도 일부는 거리 결정을 필요로 하는 장면에 대응한다. 커버되는 영역은 라이다 디바이스의 시야(FOV)에 의존하고, 실시예들에서, FOV는, 예컨대, 30° x 10° 또는 120° x 30° 또는 임의의 다른 적합한 시야이다.

Claims

펄스형 레이저 광으로 장면을 조명하고 상기 레이저 광의 비행 시간과 관련하여 반사된 레이저 광을 검출함으로써 상기 장면 내의 하나 이상의 객체까지의 거리들을 결정하기 위한 방법으로서,
상기 하나 이상의 객체는 최소 거리(D_min)와 최대 거리(D_max) 사이의 거리 범위 내에 위치되고, 0 ≤ D_min ≤ 0.6 x D_max, 바람직하게는 0 ≤ D_min ≤ 0.4 x D_max, 더 바람직하게는 0 ≤ D_min ≤ 0.2 x D_max이고, D_min 및 D_max는 각각 상기 최소 거리 및 상기 최대 거리이고,
상기 방법은,
A) PW = (TOF_max - T_DL) / N이도록 상기 최대 거리(D_max)에 연관된 최대 비행 시간(TOF_max)보다 작은 상기 펄스형 레이저 광에 대한 펄스 폭(PW)을 결정하는 단계 ― TOF_max = 2 x D_max / c이고,
PW는 상기 펄스 폭이고, D_max는 상기 최대 거리이고, c는 광속이고, TOF_max는 상기 최대 비행 시간이고, T_DL은 0 ≤ T_DL ≤ 2 x D_min / c인 미리 결정된 지연 시간 윈도우이고, N은 펄스 폭 감소 인자임 ―;
B) F_P ≤ 1 / ((N + 1) x PW + T_DL)이도록 상기 펄스형 레이저 광에 대한 펄스 주파수(F_P)를 결정하는 단계 ― F_P는 상기 펄스 주파수이고, F_P = 1 / P_P이며, P_P는 펄스 기간(P_P)임 ―;
C) 상기 펄스형 레이저 광의 상기 펄스 기간(P_P) 내에서 반사된 레이저 광을 검출하기 위한 검출 시간 기간(T_D)을 결정하고 ― T_D = (N + 1) x PW이고, T_D는 상기 검출 시간 기간임 ―,
상기 검출 시간 기간(T_D)을 다수의 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i])로 분할하는 단계 ― i = 1 내지 M이고, M은 검출 시간 윈도우들의 수이고,
M = α x (N + 1)이고,
이고,
α는 펄스 폭당 검출 시간 윈도우들의 수를 표현하는 정수이고, α ≥ 1, 바람직하게는 α ≤ 10, 더 바람직하게는 α ≤ 5이며, α 및 N은, α x N ≥ 2, 바람직하게는 α x N ≥ 3, 더 바람직하게는 α x N ≥ 4이도록 선택됨 ―;
D) 복수의 공간적으로 분리된 펄스형 레이저 빔들에 의해 형성된 스폿 패턴으로 상기 장면을 조명하는 단계 ― 각각의 펄스형 레이저 빔은, 상기 A) 단계에서 결정된 상기 펄스 폭(PW)을 갖고 상기 B) 단계에서 결정된 상기 펄스 주파수(F_P)를 갖는 펄스들의 시퀀스(50)를 포함하고, 상기 복수의 펄스형 레이저 빔들 각각의 펄스들(12)은 동시에 방출됨 ―,
E) 상기 D) 단계에서 정의된 바와 같이 상기 장면을 조명할 때 상기 펄스들의 각각의 동시적인 방출에 후속하여, 상기 C) 단계에서 정의된 상기 검출 시간 기간(T_D)의 상기 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i]) 동안, 반사된 레이저 광의 스폿들을 검출하는 단계 ― 상기 스폿들은 상기 공간적으로 분리된 펄스형 레이저 빔들을 상기 장면 내의 상기 하나 이상의 객체에 의해 반사된 것으로서 표현하고,
상기 펄스들의 각각의 동시적인 방출에 대해, 상기 펄스형 레이저 빔들의 펄스들의 방출과 동기화하여, 상기 반사된 레이저 광의 스폿들을 검출하는 단계를 수행하며,
a) 상기 지연 시간 윈도우(T_DL)가 영(zero)인 경우, 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 상기 펄스들의 방출 시간 윈도우와 중첩되거나 적어도 부분적으로 중첩되도록 상기 동기화를 수행하고,
b) 상기 지연 시간 윈도우(T_DL)가 영이 아닌 경우, 상기 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 상기 펄스들의 방출 시간 윈도우에 대해 지연되고 상기 지연이 상기 지연 시간 윈도우(T_DL)와 동일하도록 상기 동기화를 수행함 ―,
F) 상기 반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대해, 상기 검출 시간 윈도우들(TW[i])에서 검출된 바와 같은 반사된 레이저 광의 양들을 축적함으로써 상기 검출 시간 윈도우들(TW[i])에 연관된 노출 값들(Q_i)을 획득하는 단계 ― 상기 축적은 상기 펄스들의 시퀀스의 모든 펄스들에 대해 수행됨 ―,
G) 상기 반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대해:
i) 상기 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i]) 중 어느 검출 시간 윈도우들에서 반사된 레이저 광을 표현하는 상기 노출 값들(Q_i)이 획득되는지를 식별하는 단계; 및
ii) 식별된 검출 시간 윈도우들에 기반하여 객체 거리(D_s)를 계산하는 단계 ― 계산된 상기 객체 거리(D_s)는 상기 반사된 레이저 광의 스폿을 검출하는 검출기와 상기 반사된 레이저 광이 검출되는 것을 야기한 상기 장면 내의 객체 또는 상기 장면 내의 객체의 일부분 사이의 거리에 대응함 ― 를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,

이며, q ≥ 1이고, q x PW는, 상기 최대 거리(D_max)보다 더 큰 거리들에 위치된 상기 장면 내의 객체들로부터의 반사들로부터 초래되는 잘못된 반사들의 검출이 감소되도록 정의된 지연 시간 슬롯을 형성하고/거나, q x PW는, 눈 안전 목적들을 위해 레이저 광의 평균 방출 전력을 감소시키기 위해 정의된 지연 시간 슬롯을 형성하는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 D) 단계 내지 상기 G) 단계는 복수 회 반복되고, 반사된 스폿들 각각에 대해, 상기 G) 단계에서 획득된 상기 객체 거리들(D_s)의 평균을 취함으로써 평균 객체 거리가 획득되는, 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 G) ii) 단계는
● 상기 반사된 레이저 광이 α + 1개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 검출되는 경우,
의 표현식을 사용하여 상기 객체 거리(D_s)를 계산하는 것 ―

및
이고,
D_s는 상기 객체 거리이고, Q_a는 상기 반사된 레이저 광이 식별되는 상기 연속적인 검출 시간 윈도우들 중 가장 이른 검출 시간 윈도우(TW[a])에 대해 획득된 노출 값이고, Q_b는 상기 반사된 레이저 광이 식별되는 상기 연속적인 검출 시간 윈도우들 중 마지막 검출 시간 윈도우(TW[b])에 대해 획득된 노출 값이고, R은 상기 가장 이른 검출 시간 윈도우(TW[a])에 선행하는 검출 시간 윈도우들의 수를 카운팅하는 정수임 ―, 또는
● 반사된 레이저 광이 α 개의 연속적인 검출 시간 윈도우에서 검출되는 경우,
의 표현식을 사용하여 상기 객체 거리(D_s)를 계산하는 것 ― R은 상기 반사된 레이저 광이 식별되는 상기 가장 이른 검출 시간 윈도우에 선행하는 검출 시간 윈도우들의 수를 카운팅하는 정수임 ― 을 더 포함하는, 방법.
제4항에 있어서,
상기 노출 값들 Q_a 및 Q_b는 배경 보정 후에 획득되고, 상기 배경 보정은, 상기 연속적인 검출 시간 윈도우들 중 적어도 하나의 검출 시간 윈도우에서 검출된 배경 값들의 양에 기반하고, 상기 적어도 하나의 검출 시간 윈도우는 반사된 레이저 광이 검출되는 상기 식별된 검출 시간 윈도우들과 상이한, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반사된 레이저 광의 검출은, 복수의 픽셀들을 갖는 다중-웰 픽셀 검출기를 포함하는 레이저 광 수신 디바이스를 이용하여 수행되고, 각각의 픽셀은 감광성 영역 및 복수의 전하 저장 웰들(W[i])을 포함하며, i = 1 내지 N_W이고, N_W는 상기 전하 저장 웰들의 수이고, N_W ≤ M이고, 상기 복수의 전하 저장 웰들은 상기 검출 시간 기간(T_D) 동안 상기 감광성 영역에 의해 검출된 전하들을 저장하도록 구성되는, 방법.
제6항에 있어서,
N_W < M이고, M ≥ 4이고, α + 1개의 연속적인 검출 시간 윈도우(TW[k] 내지 TW[k + α])의 각각의 서브-시퀀스는, 반사된 레이저 광이 검출되는 상기 검출 시간 윈도우들이 명확하게 식별가능하도록 상기 복수의 전하 저장 웰들(W[i]) 중의 α + 1개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스에 연관되며, k = 1 내지 M - α인, 방법.
제7항에 있어서,
상기 펄스 폭 감소 인자(N)는 최대 펄스 폭 감소 인자(N_max) 이하이고, α x N_max = C_max이며, N_max는 상기 최대 펄스 폭 감소 인자이고, C_max는 N_W개의 전하 저장 웰로 형성될 수 있는 α + 1개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스들의 최대 수인, 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
α ≥ 2인, 방법.
장면(99)의 하나 이상의 객체까지의 거리들을 결정하기 위한 라이다(LIDAR) 디바이스(1)로서,
● 복수의 공간적으로 분리된 펄스형 레이저 빔들에 의해 형성된 스폿 패턴으로 상기 장면을 조명하도록 구성되는 투영기(100) ― 각각의 펄스형 레이저 빔은 펄스 폭(PW)을 갖는 펄스들(11)의 시퀀스를 포함하고, 상기 복수의 펄스형 레이저 빔들 각각의 펄스들(12)은 동시에 방출됨 ―;
● 상기 장면의 상기 하나 이상의 객체에 의해 반사되는 바와 같은 상기 스폿 패턴을 표현하는 반사된 레이저 광의 스폿들을 검출하도록 구성되는 CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기를 포함하는 광 수신 디바이스(300); 및
● 상기 펄스형 레이저 빔들의 펄스들의 동시적인 방출과 동기화하여, 상기 반사된 레이저 광을 검출 및 축적하도록 상기 투영기(100) 및 상기 광 수신 디바이스(300)를 제어하기 위한 제어기(200)를 포함하며,
상기 CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기는,
i) 상기 펄스형 레이저 빔들의 펄스 기간(P_P) 내의 검출 시간 기간(T_D) 동안, 반사된 레이저 광을 검출하고 ―
상기 검출 시간 기간(T_D)은 다수의 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i])로 분할되고, i = 1 내지 M이고, M은 M ≥ 3, 바람직하게는 M ≥ 4, 더 바람직하게는 M ≥ 5인 상기 검출 시간 윈도우들의 수이고,

이고, T_D는 상기 검출 시간 기간이고, PW는 상기 펄스 폭이고, α는 α ≥ 1, 바람직하게는 α ≤ 10, 더 바람직하게는 α ≤ 5인 정수임 ―,
ii) 상기 반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대해, 상기 검출 시간 윈도우들(TW[i])에서 검출된 바와 같은 반사된 레이저 광을 나타내는 전하의 양들을 축적함으로써 상기 검출 시간 윈도우들(TW[i])에 연관된 노출 값들(Q_i)을 획득 ― 상기 축적은 상기 펄스들의 시퀀스의 모든 펄스들에 대해 수행됨 ― 하도록 구성되고,
상기 제어기(200)는,
i) 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 상기 펄스들의 방출 시간 윈도우와 중첩되거나 적어도 부분적으로 중첩되도록, 또는 대안적으로,
ii) 상기 제1 검출 시간 윈도우(TW[1])가 상기 펄스들의 방출 시간 윈도우에 대해 지연되고 상기 지연이 미리 정의된 지연 시간 윈도우(T_DL)와 동일하도록 상기 동기화를 수행하도록 구성되고,
상기 라이다 디바이스는, 상기 반사된 레이저 광의 검출된 스폿들 각각에 대해,
i) 상기 연속적인 검출 시간 윈도우들(TW[i]) 중 어느 검출 시간 윈도우들에서 반사된 레이저 광을 표현하는 상기 노출 값들(Q_i)이 획득되는지를 식별하고,
ii) 식별된 검출 시간 윈도우들에 기반하여 객체 거리(D_s)를 계산하도록 구성되는 처리 수단(400)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 라이다 디바이스.
제10항에 있어서,
상기 CMOS 기반 다중-웰 픽셀 검출기는 다수의 픽셀들을 포함하고, 각각의 픽셀은 감광성 검출 영역 및 복수의 전하 저장 웰들(W[i])을 포함하며, i = 1 내지 N_W이고, N_W는 상기 전하 저장 웰들의 수이고, N_W ≤ M이고, 상기 복수의 전하 저장 웰들은 상기 검출 시간 기간(T_D) 동안 상기 감광성 영역에 의해 검출된 전하들을 저장하도록 구성되는, 라이다 디바이스.
제11항에 있어서,
N_W < M이고, M ≥ 4이고, α + 1개의 연속적인 검출 시간 윈도우(TW[k] 내지 TW[k + α])의 각각의 서브-시퀀스는, 반사된 레이저 광이 검출되는 상기 검출 시간 윈도우들이 명확하게 식별가능하도록 상기 복수의 전하 저장 웰들(W[i]) 중의 α + 1개의 전하 저장 웰의 고유 시퀀스에 연관되며, k = 1 내지 M - α인, 라이다 디바이스.
제11항 또는 제12항에 있어서,
α = 1이고, 상기 검출 시간 윈도우들의 수(M)는, 상기 전하 저장 웰들의 수가 홀수인 경우,
이거나, 또는 상기 전하 저장 웰들의 수가 짝수인 경우,
이도록 정의되는, 라이다 디바이스.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
α ≥ 2인, 라이다 디바이스.
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

이고, TOF_max = 2 x D_max / c이고, TOF_max는 최대 비행 시간(TOF_max)이고, D_max는 상기 최대 비행 시간에 연관된 최대 거리이고, 상기 최대 거리(D_max)는 상기 라이다 디바이스의 동작 범위이고, c는 광속이고, T_DL은 0 ≤ T_DL ≤ 0.6 x TOF_max, 바람직하게는 0 ≤ T_DL ≤ 0.4 x TOF_max, 더 바람직하게는 0 ≤ T_DL ≤ 0.2 x TOF_max인 상기 미리 정의된 지연 시간 윈도우인, 라이다 디바이스.
제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 투영기(100)는,
이도록 펄스 주파수(F_P)로 상기 펄스형 레이저 빔들을 생성하도록 동작가능하고, F_P는 상기 펄스 주파수인, 라이다 디바이스.
차량으로서,
제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 라이다 디바이스를 포함하며, 상기 라이다 디바이스는, 상기 차량을 둘러싸는 영역의 적어도 일부를 동작가능하게 커버하도록 배열되고, 상기 영역의 상기 적어도 일부는 상기 장면(99)에 대응하는, 차량.