KR20220110850A - 다중 범위 채널들을 갖는 lidar - Google Patents

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KR20220110850A
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바쌈 할랄
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에이엠에스 센서스 아시아 프라이빗 리미티드
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Abstract

광 검출 및 레인징(LIDAR) 시스템. 시스템은 장거리 채널들의 세트 및 단거리 채널들의 세트를 포함한다. 각각의 채널은 조명 소스를 포함한다. 단거리 채널들의 조명 소스들은 각각의 조명 소스로부터의 제1 입체각에 의해 정의되는 각각의 공간 영역을 조명하도록 각각 구성된다. 장거리 채널들의 조명 소스들은 각각의 조명 소스로부터의 제2 입체각에 의해 정의되는 각각의 공간 영역을 조명하도록 각각 구성된다. 제1 입체각은 제2 입체각보다 크고, 장거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도는 단거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도보다 크다. 단거리 채널들의 세트는 제1 시야 내에서 오브젝트들을 검출하도록 구성되고, 장거리 채널들의 세트는 제2 시야 내에서 오브젝트들을 검출하도록 구성된다.

Description

다중 범위 채널들을 갖는 LIDAR
본 개시내용은 LIDAR(light detection and ranging: 광 검출 및 레인징) 시스템(system)에 관한 것으로, 배타적이 아니라 구체적으로는, 장거리 채널 및 단거리 채널 둘 다를 갖는 LIDAR 시스템, 및 이를 동작시키는 방법에 관한 것이다.
본 개시내용은 LIDAR 시스템들에 관한 것이다.
공지된 LIDAR 시스템(100)의 일례가 도 1에 도시되어 있다. 시스템은 복수의 채널(channel)을 포함하고, 그 각각은 조명 소스(illumination source)(101)를 갖는다. 각각의 조명 소스는 각각의 공간 볼륨(spatial volume)(102)을 조명하고, 반사된 광은 하나 이상의 검출기(도시되지 않음)에 의해 픽업(pick up)된다. 반사된 광의 속성들(예를 들어, 조명과 반사 사이의 시간 지연, 또는 파장, 및/또는 밝기)은 각각의 공간 영역 내의 오브젝트(object)들의 거리를 결정하는 데 사용된다.
공간 볼륨(102)의 한도(extent)는 조명 소스가 광(즉, 조명의 프레임(frame))을 투사하는 입체각(solid angle), 및 조명 소스에 의해 조명된 오브젝트가 검출기(들)에 의해 검출될 수 있는 최대 범위에 의존할 것이다.
각각의 조명 소스(예컨대, 조명 소스들이 순차적으로 활성화됨)로부터의 반사된 광을 검출하는 단일 검출기가 있을 수 있거나, 각자의 공간 볼륨 내의 각각의 오브젝트로부터 반사된 광을 검출하도록 구성된, 각각의 조명 소스에 대한 검출기가 있을 수 있다.
그러한 알려진 LIDAR 시스템들과 연관된 일부 문제들은 범위와 눈 안전 사이에 필요한 절충들이다. LIDAR 시스템에 대한 더 긴 검출 범위를 획득하는 것은 더 높은 조명 강도를 요구한다. 그러나, 시스템이 사람들 또는 동물들 주위에서(예를 들어, 자율 차량들에서) 사용될 수 있는 경우, 높은 강도는 조명된 영역 내의 누군가의 눈들에 손상을 야기할 수 있다. 따라서, LIDAR 시스템들의 강도는 안전 목적들을 위해 제한되어야 하지만, 이것은 그들의 유효 범위, 따라서 그들의 유용성을 감소시킨다. 부가적으로, 더 큰 조명 강도는 더 큰 전력 입력을 요구하므로, 에너지 사용(energy usage)과 범위 사이의 절충이 또한 있다.
따라서, 본 개시내용의 목적은 상기 문제점들 중 하나 이상을 해결하거나 적어도 유용한 대안을 제공하는 LIDAR 시스템 및/또는 그 동작 방법을 제공하는 것이다.
제1 양태에 따르면, 광 검출 및 레인징(LIDAR) 시스템이 제공된다. LIDAR 시스템은 장거리 채널들의 세트(set) 및 단거리 채널들의 세트를 포함한다. 각각의 채널은 조명 소스를 포함한다. 단거리 채널들의 조명 소스들은 각각의 조명 소스로부터의 제1 입체각에 의해 정의된 각각의 공간 영역을 조명하도록 각각 구성된다. 장거리 채널들의 조명 소스들은 각각의 조명 소스로부터의 제2 입체각에 의해 정의된 각각의 공간 영역을 조명하도록 각각 구성된다. 제1 입체각은 제2 입체각보다 크고, 장거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도는 단거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도보다 크다. 단거리 채널들의 세트는 제1 시야 내에서 오브젝트들을 검출하도록 구성되고, 장거리 채널들의 세트는 제2 시야 내에서 오브젝트들을 검출하도록 구성된다.
각각의 조명 소스는 VSCEL 및 렌즈를 포함할 수 있다. VSCEL들은 어레이로 배열될 수 있고, 렌즈들은 대응하는 멀티렌즈 어레이(multi-lens array)로 배열될 수 있다. VSCEL 어레이는 단일 칩(chip) 상에 있을 수 있고, 멀티렌즈 어레이는 단일 기판 상에 있을 수 있다.
LIDAR 시스템은 하나 이상의 추가 채널 세트를 포함할 수 있다. 각각의 추가 채널 세트 내의 조명 소스들은 각각의 입체각에 의해 정의된 공간 영역 내의 오브젝트들을 조명하도록 구성될 수 있고, 추가 채널 세트들 각각 내의 각각의 조명 소스의 강도는 더 큰 입체각을 갖는 채널 세트들이 더 낮은 강도를 갖도록 설정될 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다.
제1 시야는 제2 시야에 포함될 수 있다.
LIDAR 시스템은 광학 검출기 및 프로세서(processor)를 더 포함할 수 있다. 광학 검출기 및 프로세서는 서로 그리고 조명 소스들에 커플링될 수 있고, 프로세서는 광학 검출기로부터 수신된 신호에 따라 조명 소스들을 동작시키도록 배열될 수 있다.
제2 양태에 따르면, LIDAR 시스템을 동작시키는 방법이 제공된다. LIDAR 시스템은 장거리 채널들의 세트 및 단거리 채널들의 세트를 포함하고, 각각의 채널은 조명 소스를 포함한다. 단거리 채널들의 각각의 조명 소스에 대해, 조명 소스로부터의 제1 입체각에 의해 정의된 각각의 공간 영역이 조명된다. 장거리 채널들의 각각의 조명 소스에 대해, 각각의 조명 소스로부터의 제2 입체각에 의해 정의된 각각의 공간 영역이 조명된다. 제1 입체각은 제2 입체각보다 크고, 장거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도는 단거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도보다 크다. 단거리 채널들의 세트를 사용하여 제1 시야 내에서 오브젝트들이 검출되고, 장거리 채널들의 세트를 사용하여 제2 시야 내에서 오브젝트들이 검출된다.
제1 시야는 제2 시야에 포함될 수 있다.
조명 소스들은 상기 오브젝트들의 검출에 응답하여 동작될 수 있다.
도 1은 공지된 LIDAR 시스템을 도시한다.
도 2는 예시적인 LIDAR 시스템을 도시한다.
도 3은 도 2의 것과 유사한 LIDAR 시스템의 개략도이다.
도 4는 LIDAR 시스템을 동작시키는 방법의 흐름도이다.
일반적으로 말하면, 본 개시내용은 "장거리" 채널 및 "단거리" 채널 둘 다가 제공되는 LIDAR 시스템을 동작시키는 방법을 제공하며, 장거리 채널들은 단거리 채널들에 비해 더 작은 발산(즉, 더 작은 입체각을 각각 커버(cover)함)을 갖지만 더 긴 범위를 갖고, 장거리 채널들의 세트는 단거리 채널들에 의해 커버되는 시야에 포함되는 시야를 커버한다.
솔루션(solution)의 일부 예들이 첨부 도면들에 주어진다.
도 2는 예시적인 LIDAR 시스템을 도시한다. 시스템은 각각이 조명 소스(201)를 포함하는 복수의 채널을 포함한다. 채널들은 장거리 채널들 및 단거리 채널들로 분할된다. 단거리 채널들 각각은 큰 각도 한도(즉, 조명 소스로부터의 입체각)를 갖는 공간 볼륨들(202)을 그러나 단거리를 조명하고, 장거리 채널들 각각은 작은 각도 한도를 갖는 공간 볼륨들(203)을 그러나 장거리를 조명한다. 이것은 단거리 채널들이 장거리 채널들보다 낮은 강도(즉, 단위 입체각당 전력)로 동작하게 함으로써 달성된다. 이것은 각각의 세트 내의 채널들에 대해 동일한 총 출력 전력을 유지하면서(즉, 단거리 채널들은 그들의 더 넓은 조명의 결과로서 더 낮은 강도를 가짐) 행해질 수 있다.
조명 소스들이 소스들의 직사각형 그리드(grid)로서 도시되지만, 공간 볼륨들이 광학적으로 정의될 수 있으므로, 장거리 및 단거리 채널들에 대한 조명 소스들의 임의의 특정 물리적 배열을 가질 필요가 없다.
단거리 채널들의 세트는 넓은 시야(204)(점선으로 도시됨)를 커버한다. 장거리 채널들의 세트는 단거리 채널들의 세트에 의해 커버되는 시야(204) 내에 있는 더 작은 시야(205)를 커버한다. 이러한 방식으로, LIDAR 시스템은 좁은 관심 영역(예를 들어, 자율 차량의 바로 앞에서)에서는 장거리를 갖지만, 더 넓은 영역(예를 들어, 차량으로부터 더 넓은 "정면 뷰(view)")에서는 더 짧은 범위를 갖는다.
LIDAR 시스템은 예를 들어, VSCEL/렌즈 쌍들 중 일부가 장거리 채널들을 제공하고, 다른 것들이 단거리 채널들을 제공하도록 구성되는 VSCEL 어레이 및 대응하는 멀티렌즈 어레이를 제공함으로써, 모든 채널들이 단일 요소 상에 있도록 배열될 수 있다. VSCEL 어레이는 단일 칩 상에 있을 수 있고, 멀티렌즈 어레이는 단일 기판 상에 있을 수 있다. 상이한 채널들은 멀티렌즈 어레이(예를 들어, 렌즈들의 초점 거리들), VSCEL 어레이(예를 들어, 출력 전력), 또는 둘 다의 구성을 조정함으로써 제공될 수 있다. 양 채널 세트는 동시에 또는 순차적으로 동작될 수 있지만, 통상적으로는 독립적으로 동작된다. 동작은 채널들에 의해 조명된 오브젝트들로부터 다시 반사된 광을 검출하는 광학 검출기들로부터 수신된 피드백(feedback)에 의존할 수 있다.
상기 시스템은 단지 2 개의 채널 세트를 갖는 것으로 설명되었지만, 훨씬 더 많은 세트들, 예를 들어, 단거리 채널, 중거리 채널, 및 장거리 채널(각각의 채널 세트는 채널당 상이한 각도 한도를 갖고, 더 큰 각도 한도를 갖는 채널들은 더 낮은 강도를 갖고, 그 반대도 가능함)을 제공하는 것이 가능할 것이다. 추가의 예로서, (예를 들어, 다수의 관심 영역들을 갖는 시스템에 대해) 단거리 채널들의 프레임 내의 상이한 서브프레임을 각각 조명하는 장거리 채널들의 다수의 세트들이 있을 수 있다.
눈 안전의 추가 개선들을 위해, LIDAR 시스템은 오브젝트가 단거리 채널들에 의해 검출될 때 장거리 채널들이 감소된 강도에서 동작하도록 구성될 수 있는데, 즉 사람이 눈 안전에 문제가 될 정도로 충분히 가까울 수 있다면, 손상을 야기할 수 있는 강도에서 동작하는 채널들은 대신에 감소된 강도에서 동작된다. 대안적으로, 장거리 채널들은 오브젝트들이 단거리 채널들에 의해 검출될 때 스위치 오프(switch off)될 수 있다.
도 3은 도 2의 것과 유사한 LIDAR 시스템의 개략도이다. LIDAR 시스템은 단거리 채널들의 세트(301) 및 장거리 채널들의 세트(302)를 포함하고, 각각의 채널은 조명 소스를 포함한다. 장거리 및 단거리 채널들이 이 표현에서 그룹(group)화된 것으로 도시되어 있지만, 각각의 세트는 물리적으로 함께 그룹화될 필요는 없다. 단거리 채널들의 조명 소스들(303)은 각각의 조명 소스로부터의 제1 입체각에 의해 정의된 각각의 공간 영역을 조명하도록 각각 구성된다. 장거리 채널들의 조명 소스들(304)은 각각의 조명 소스로부터의 제2 입체각에 의해 정의된 각각의 공간 영역을 조명하도록 각각 구성된다. 제1 입체각은 제2 입체각보다 크고, 장거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도는 단거리 채널의 각각의 조명 소스의 강도보다 크다. 단거리 채널들의 세트는 제1 프레임 내에서 오브젝트들을 검출하도록 구성되고, 장거리 채널들의 세트는 제1 프레임의 서브세트인 제2 프레임 내에서 오브젝트들을 검출하도록 구성된다.
도 4는 도 2 또는 도 3에 도시된 시스템들과 같은 LIDAR 시스템을 동작시키는 방법의 흐름도이다. LIDAR 시스템은 장거리 채널들의 세트 및 단거리 채널들의 세트를 가지며, 각각의 채널은 조명 소스를 포함한다.
단계(401)에서, 단거리 채널들의 각각의 조명 소스에 대해, 조명 소스로부터의 제1 입체각에 의해 정의된 각각의 공간 영역이 조명된다. 단계(402)에서, 장거리 채널들의 각각의 조명 소스에 대해, 각각의 조명 소스로부터의 제2 입체각에 의해 정의되는 각각의 공간 영역이 조명된다. 제1 입체각은 제2 입체각보다 크고, 장거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도는 단거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도보다 크다. 단계(403)에서, 단거리 채널들의 세트를 사용하여 제1 프레임 내에서 오브젝트들이 검출되고, 장거리 채널들의 세트를 사용하여 제2 프레임 내에서 오브젝트들이 검출되며, 제2 프레임은 제1 프레임의 서브세트이다.
본 개시내용의 실시예들은 자율 차량들, 장면 매핑(mapping) 등을 포함하는 많은 상이한 응용들에서 이용될 수 있다.
참조 번호들의 리스트:
100: LIDAR 시스템
101： 조명 소스
102: 공간 볼륨(조명 소스에 의해 조명됨)
201: 조명 소스
202: 단거리 채널의 공간 볼륨
203: 장거리 채널의 공간 볼륨
204: 단거리 채널들의 시야
205: 장거리 채널들의 시야
301: 단거리 채널들
302: 장거리 채널들
303: 단거리 채널의 조명 소스
304: 장거리 채널의 조명 소스
401: 제1 방법 단계
402: 제2 방법 단계
403: 제3 방법 단계
통상의 기술자는, 이전 설명 및 첨부된 청구항들에서, '위에(above)', '따라(along)', '측(side)' 등과 같은 위치 용어들이 첨부 도면들에 도시된 것들과 같은 개념적 예시들을 참조하여 이루어진다는 것을 이해할 것이다. 이러한 용어들은 참조의 용이함을 위해 사용되지만 제한적인 성질인 것으로 의도되지 않는다. 따라서, 이러한 용어들은 첨부 도면들에 도시된 바와 같은 배향에 있을 때 오브젝트를 지칭하는 것으로서 이해되어야 한다.
본 개시내용이 위에 제시된 바와 같은 바람직한 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 이러한 실시예들은 예시적일 뿐이고, 청구항들은 이러한 실시예들로 제한되지 않는다는 점이 이해되어야 한다. 이 분야의 기술자들은 본 개시내용에 비추어 첨부된 청구항들의 범위 내에 있는 것으로서 고려되는 수정들 및 대안들을 행할 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시되거나 예시되는 각각의 특징은 단독으로든 또는 본 명세서에 개시되거나 예시되는 임의의 다른 특징과의 임의의 적절한 조합으로든 임의의 실시예들에 포함될 수 있다.
예를 들어, 본 개시내용은 플래시(flash) LIDAR 및 스캐닝(scanning) LIDAR 시스템들 둘 다와 함께 사용될 수 있는 것으로 예상된다. 플래시 LIDAR 시스템들에서, 조명 소스들은 주기적인 간격들로 광의 고에너지 펄스(pulse) 또는 플래시를 방출한다. 플래시들이 반복되는 주파수는 통상적으로 LIDAR 시스템의 주어진 사용 사례에 대한 원하는 프레임 레이트(frame rate) 또는 리프레시 레이트(refresh rate)에 의해 결정될 수 있다. 높은 프레임 레이트 또는 리프레시 레이트가 통상적으로 요구되는 예시적인 사용 사례는 차량 근처의 오브젝트들의 거의 실시간 시각화가 요구될 수 있는 자율 차량들의 분야이다. 조명 소스들로부터의 광은 장면 내의 오브젝트들로 전파되며, LIDAR 시스템의 렌즈의 초점 평면에 위치된 센서(sensor)들의 어레이에 의해 반사되고 검출된다. 광이 LIDAR 시스템의 조명 소스들로부터 장면 내의 오브젝트들로 그리고 다시 LIDAR 시스템의 센서들로 전파되는 시간은 오브젝트들로부터 LIDAR 시스템까지의 거리들을 결정하는 데 사용된다. 어레이 내의 각각의 센서는 데이터 포인트(data point)가 획득될 수 있는 수신 요소로서 작용한다. 통상적으로, 센서들에 대한 조명 소스들의 일대일 대응이 있을 것이다. 예를 들어, 어레이 내에 10,000 개의 조명 소스가 있는 경우, 센서 어레이는 10,000 개의 대응하는 센서를 포함할 수 있다. 따라서, 플래시 LIDAR에서, 단일 플래시는 시스템 내의 센서들의 수와 동일한 수의 데이터 포인트들을 제공한다. 따라서, 조명되는 장면에 관한 많은 양의 정보가 각각의 플래시로부터 획득될 수 있다.
대조적으로, 스캐닝 LIDAR 시스템들에서, 조명 소스들은 조명될 장면을 가로질러 스캐닝하는 연속적인 펄스형 광 빔(pulsed beam of light)을 방출한다. 거울들, 렌즈들 및/또는 다른 광학 구성요소들을 이동시키는 기계적 작동기들은 스캐닝 동안 빔을 주위로 이동시키는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 위상 어레이(phased array)가 장면에 걸쳐 빔을 스캐닝하는 데 사용될 수 있다. 위상 어레이는 더 적은 이동 부분들이 있고, 따라서 시스템의 기계적 고장의 더 낮은 위험이 있기 때문에 통상적으로 유리하다. 스캐닝 LIDAR 시스템들에서, 비행 시간 측정들은 또한 LIDAR 시스템으로부터 장면의 오브젝트들까지의 거리를 결정하는 데 사용된다.
통상적으로, 플래시 LIDAR 시스템의 플래시당 조명 소스들에 의해 방출되는 전력은 스캐닝 LIDAR 시스템의 연속 스캐닝 빔의 전력에 비해 높다. 스캐닝 LIDAR 시스템들에서, 방출되는 광의 전력은 통상적으로 플래시 LIDAR보다 낮지만, 전술한 바와 같이 30-40 미터의 범위들을 달성하기 위해 덜 안전한 레벨들로 여전히 증가될 필요가 있을 수 있다. 따라서, 장거리 및 단거리 채널들(및 전술한 다른 개선들)은 플래시 또는 스캐닝 LIDAR 시스템들에서 동일하게 양호하게 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 장거리 채널(channel)들의 세트(set)와 단거리 채널들의 세트를 포함하는 광 검출 및 레인징(light detection and ranging: LIDAR) 시스템(system)으로서,
    각각의 채널은 조명 소스(illumination source)를 포함하고,
    상기 단거리 채널들의 상기 조명 소스들은 각각의 조명 소스로부터의 제1 입체각에 의해 정의되는 각각의 공간 영역을 조명하도록 각각 구성되고,
    상기 장거리 채널들의 상기 조명 소스들은 각각의 조명 소스로부터의 제2 입체각에 의해 정의되는 각각의 공간 영역을 조명하도록 각각 구성되고,
    상기 제1 입체각은 상기 제2 입체각보다 크고, 상기 장거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도는 상기 단거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도보다 크고, 그리고
    상기 단거리 채널들의 세트는 제1 시야 내에서 오브젝트(object)들을 검출하도록 구성되고, 상기 장거리 채널들의 세트는 제2 시야 내에서 오브젝트들을 검출하도록 구성되는, LIDAR 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    각각의 조명 소스는 VSCEL 및 렌즈(lens)를 포함하는, LIDAR 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    VSCEL들은 어레이(array)로 배열되고, 렌즈들은 대응하는 멀티렌즈 어레이(multi-lens array)로 배열되는, LIDAR 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 VSCEL 어레이는 단일 칩(chip) 상에 있고, 상기 멀티렌즈 어레이는 단일 기판 상에 있는, LIDAR 시스템.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 추가 채널 세트들을 포함하고,
    각각의 추가 채널 세트 내의 상기 조명 소스들은 각각의 입체각에 의해 정의되는 공간 영역 내의 오브젝트들을 조명하도록 구성되고;
    상기 추가 채널 세트들 각각 내의 각각의 조명 소스의 강도는 더 큰 입체각을 갖는 채널 세트들이 더 낮은 강도를 갖도록 설정되고, 그 반대도 가능한, LIDAR 시스템.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 시야는 상기 제2 시야에 포함되는, LIDAR 시스템.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    광학 검출기 및 프로세서(processor)를 더 포함하고, 상기 광학 검출기 및 상기 프로세서는 서로 그리고 상기 조명 소스들에 커플링되고, 상기 프로세서는 상기 광학 검출기로부터 수신된 신호에 따라 상기 조명 소스들을 동작시키도록 배열되는, LIDAR 시스템.
  8. LIDAR 시스템을 동작시키는 방법으로서,
    상기 LIDAR 시스템은 장거리 채널들의 세트 및 단거리 채널들의 세트를 포함하고, 각각의 채널은 조명 소스를 포함하고, 상기 방법은:
    상기 단거리 채널들의 각각의 조명 소스에 대해, 상기 조명 소스로부터의 제1 입체각에 의해 정의되는 각각의 공간 영역을 조명하는 단계;
    상기 장거리 채널들의 각각의 조명 소스에 대해, 상기 각각의 조명 소스로부터의 제2 입체각에 의해 정의되는 각각의 공간 영역을 조명하는 단계; 및
    상기 단거리 채널들의 세트를 사용하여 제1 시야 내의 오브젝트들을 검출하고, 상기 장거리 채널들의 세트를 사용하여 제2 시야 내의 오브젝트들을 검출하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 입체각은 상기 제2 입체각보다 크고, 상기 장거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도는 상기 단거리 채널들의 각각의 조명 소스의 강도보다 큰, 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 시야는 상기 제2 시야에 포함되는, 방법.
  10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 조명 소스들은 상기 오브젝트들의 검출에 응답하여 동작되는, 방법.
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