KR20220116224A - 광 도파관을 채용하는 검출 및 거리 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

광 도파관은 적어도 두 개의 주된 외부 표면을 갖고, 내부 반사에 의해 광을 가이드하도록 구성되고, 두 개의 주된 외부 표면 중 하나의 표면이 광경과 대향하는 관계로 배치된다. 광학 커플링-아웃(coupling-out) 구성은 광 도파관과 연관되고, 광경을 향해 광 도파관의 외부로 광 도파관에 의해 가이드된 광의 일정 비율의 부분을 커플링(coupling)하도록 구성된다. 조명 배열체는, 광 도파관에 커플링되기 전에 시준되는 광 도파관 안으로 커플링하기 위한 광을 방출하도록 배치된다. 검출기는, 광학 커플링-아웃 구성에 의해 광 도파관 외부로 커플링된 광에 의한 물체의 조명에 응답하여 광경 내에 위치된 물체로부터 반사된 광을 감지하도록 구성된다. 처리 서브시스템은 물체와 연관된 정보를 도출하기 위해 검출기로부터의 신호를 처리하도록 구성된다.

Description

광 도파관을 채용하는 검출 및 거리 측정 시스템
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2019년 12월 30일에 출원된 미국 임시 특허 출원 제62/954,739호의 우선권을 주장하며, 이의 개시내용은 그 전체가 본원에 인용되어 포함된다.
기술분야
본 발명은 광 도파관(optical waveguide)에 관한 것으로, 특히 검출 및 거리 측정 시스템에 사용되는 광 도파관에 관한 것이다.
광 검출 및 거리 측정(LIDAR: Light Detection and Ranging) 시스템은, 예를 들어, 자율주행 비이클(autonomous vehicle)용 3차원(3D) 센서를 포함하여, 다양한 응용분야에서 사용된다. LIDAR 시스템은, 레이저 펄스를 전송하기 위한 광 이미터 유닛, 큰 관심 영역을 스캐닝하기 위해서, 방출된 레이저 펄스를 광경(scene)으로 지향시키는 스캔형 배열체, 및 스캐닝된 물체에 관한 정보를 도출하기 위해서 광경 내의 물체로부터 반사된 광을 수집하고 수집된 반사 광을 처리하는 수광 유닛을 채용한다.
광 이미터 유닛은 일반적으로 사람의 눈에 해로울 수 있는 비교적 높은 강도로 레이저 펄스를 전송한다. 따라서 많은 LIDAR 시스템은, 특히 LIDAR 시스템이 자율주행 비이클과 같은 비이클에 배치되는 상황에서, 눈 안전 규정을 준수해야 한다. 레이저 광의 강도는, 예를 들어, 광 이미터 유닛의 레이저 광원의 전송 파워, 레이저 펄스의 지속 시간, 레이저 빔의 각도 발산, 및 사출 동공의 사이즈를 포함하여, 여러 파라미터에 의해 결정된다. 더 긴 작동 범위를 달성하기 위해서는, 상대적으로 높은 강도와 낮은 빔 발산으로 상대적으로 짧은 펄스 지속 시간을 가진 레이저 광을 전송하는 것이 바람직하다.
조명된 광경의 각각의 스팟에 대해 높은 강도를 달성하기 위해, 광의 펄스가 다양한 방향으로 전송되도록, 광경을 가로질러(일반적으로 스캐닝 배열체에 의해 수직으로 그리고 수평으로(즉, 측 방향으로)) 빔을 스캐닝한다. 스캐닝 배열체는 다양한 방식으로 구현될 수 있지만, 일반적으로 레이저 전송기 애퍼처에 대해 수직 및 수평 방향 모두에서 스캐닝을 제공하는 비교적 빠르게 움직이는 큰 미러를 사용하여 구현된다.
전자기 스펙트럼의 근적외선(NIR) 영역에서 작동되는 투광기와 수광기를 사용하여 최적 또는 거의 최적의 결과를 얻을 수 있다. 그러나 NIR 영역의 광은 사람의 눈에는 가시적이지 않고, 따라서 NIR 광은 관찰자가 손상이 유발되고 있다는 사실을 인식하지 못하는 상태에서 관찰자의 눈에 상당한 손상을 유발할 있다. 사람의 눈에 손상을 줄 가능성을 줄이기 위해, NIR 범위에서 작동되는 많은 LIDAR 시스템은 수신된 반사 빔의 강도를 감소시키기 위해 이미터에서 전력 제한을 채용한다.
본 발명은 광 도파관을 채용한 검출 및 거리 측정 시스템(detection and ranging system)이다. 바람직한 실시형태에서, 상이한 파장(바람직하게는 NIR 영역)에서 작동되는 다수의 레이저 광원으로부터의 빔은 스캐닝 배열체(예를 들어, 스캐닝 미러)를 조명하도록, 결합된 빔으로서 결합된다. 스캐닝된 빔은 시준 렌즈 또는 반사 미러와 같은 시준 광학 구성요소에 의해서 시준되고, 투명 재료(예: 유리)로 구성된 광 도파관 안으로 커플링된다. 광은, 일반적으로 커플링 프리즘 또는 커플링 반사기로서 구현되는 광학 커플링-인(coupling-in) 구성에 의해 광 도파관 안으로 커플링된다. 커플링-인된 광은 내부 반사에 의해 도파관의 주된 외부 표면들 사이의 광 도파관 내에 트랩되어 도파관을 통해 가이드(즉, 내에서 전파)된다. 전파되는 광은 광학 커플링-아웃 구성에 의해 도파관 밖으로 점차적으로 커플링되며, 바람직하게는, 도파관의 평행한 주된 표면들에 대해 비스듬히 도파관 내에 배치된 상호 평행한 한 세트의 부분 반사 표면들로서 구현된다. 결과적으로, 도파관에 대한 입력 빔은 여러 평행한 출력 빔으로 증배되며, 이로써 병렬 전파를 유지하면서 시스템의 출력 애퍼처를 증배시킨다. 출력 빔은, 함께 전파되는 모든 구성 레이저 빔들로 구성된다. 특정 실시형태에서, 스캐닝 배열체는 큰 스캐닝된 출력 필드를 달성하기 위해 큰 출력 애퍼처를 유지하면서 전송 필드를 스캐닝한다. 특정의 바람직한 비제한적인 실시형태에서, 레이저 광원 중 하나는 개선된 눈 안전을 위해 전자기 스펙트럼의 가시 영역의 파장에서 작동된다.
본 발명의 일 실시형태의 교시에 따르면, 시스템이 제공된다. 시스템은, 내부 반사에 의해 광을 가이드하기 위한 적어도 2개의 주된 외부 표면을 갖는 광 도파관 - 2개의 주된 외부 표면 중 제1 표면은 광경(scene)과 대향하는 관계로 배치됨 -; 광경을 향해 광 도파관의 외부로 광 도파관에 의해 가이드된 광의 일정 비율의 부분을 커플링(coupling)하도록 구성된 광 도파관과 연관된 광학 커플링-아웃(coupling-out) 구성; 광 도파관에 커플링되기 전에 시준되는 광 도파관 안으로 커플링하기 위한 광을 방출하도록 배치된 조명 배열체; 광학 커플링-아웃 구성에 의해 광 도파관 외부로 커플링된 광에 의한 물체의 조명에 응답하여 광경 내에 위치된 물체로부터 반사된 광을 감지하기 위한 검출기; 및 적어도 하나의 프로세서를 포함하며, 검출기와 전기적으로 연관되며, 물체와 연관된 정보를 도출하기 위해 상기 검출기로부터의 신호를 처리하도록 구성된 처리 서브시스템을 포함한다.
선택적으로, 시스템은 반사 광을 검출기 상에 집속하기 위한 집속 광학기기(optics)를 더 포함한다.
선택적으로, 집속 광학기기는 2개의 주된 외부 표면 중 제2 표면과 연관된다.
선택적으로, 반사 광은 집속 광학기기에 의해 수신되기 전에 2개의 주된 외부 표면을 투과한다.
선택적으로, 시스템의 출력 애퍼처는 커플링-아웃 구성에 의해 적어도 일부가 획정되고, 시스템의 입력 애퍼처는 집속 광학기기에 의해 적어도 일부가 획정된다.
선택적으로, 입력 애퍼처는 출력 애퍼처와 적어도 부분적으로 중첩된다.
선택적으로, 입력 애퍼처와 출력 애퍼처는 중첩되지 않는다.
선택적으로, 시스템은 2개의 주된 외부 표면 중 제1 표면과 연관된 회절 광학 요소를 더 포함한다.
선택적으로, 시스템은 광학 커플링-아웃 구성에 의해 광 도파관의 외부로 커플링된 광으로 광경을 스캐닝하도록 배치된 스캐닝 배열체를 더 포함한다.
선택적으로, 스캐닝 배열체는 조명 배열체와 광 도파관 사이에 배치되고, 스캐닝 배열체는 조명 배열체에 의해 방출된 광을 소정의 각도 범위를 커버하게끔 편향시키도록 구성되어, 광 도파관 외부로 커플링된 광이 대응되는 각도 범위를 커버한다.
선택적으로, 스캐닝 배열체는 2개의 주된 외부 표면 중 제1 표면과 연관된다.
선택적으로, 시스템은 광 도파관 안으로 커플링되기 전에 조명 배열체에 의해 방출된 광을 시준하기 위해 조명 배열체와 광 도파관 사이의 광학 경로에 배치된 시준 광학기기를 더 포함한다.
선택적으로, 시스템은, 조명 배열체와 광 도파관 사이의 광학 경로에 배치되고 조명 배열체에 의해 방출된 광의 애퍼처 확장을 적어도 제1 차원으로 수행하도록 구성된 광학 구성요소를 더 포함한다.
선택적으로, 시스템은, 2개의 주된 외부 표면 중 제1 표면과 연관되고 제1 차원에 직교하는 제2 차원을 스캐닝하도록 구성된 스캐닝 배열체를 더 포함한다.
선택적으로, 광학 구성요소는 조명 배열체에 의해 방출된 광의 확장을 제1 차원 및 제1 차원에 직교하는 제2 차원으로 수행하도록 구성된다.
선택적으로, 광학 구성요소는, 내부 반사에 의해 조명 배열체에 의해 방출된 광을 가이드하기 위한 투광성 기판, 및 기판에 의해 가이드된 광의 일정 비율의 부분을 기판 외부로 광 도파관을 향해 커플링하기 위해 기판과 연관된 제2 광학 커플링-아웃 구성을 포함한다.
선택적으로, 광학 커플링-아웃 구성은 2개의 주된 외부 표면에 대해 비스듬하게 광 도파관 내에 배치된 복수의 부분 반사 표면을 포함한다.
선택적으로, 광학 커플링-아웃 구성은 2개의 주된 외부 표면 중 적어도 하나와 연관된 회절 광학 요소를 포함한다.
선택적으로, 시스템은, 광 도파관과 연관된 것으로서, 내부 반사에 의해 광 도파관 내에서 전파되도록 광을 광 도파관 안으로 커플링하도록 구성된, 광학 커플링-인 구성을 더 포함한다.
선택적으로, 조명 배열체는 복수의 빔 소스를 포함하고, 그 빔 소스들은 서로 다른 각각의 파장에서 광을 생성하도록 구성된다.
선택적으로, 조명 배열체는 빔 소스들에 의해 생성된 광을 결합된 광 빔으로 결합하기 위한 빔 결합기를 더 포함한다.
선택적으로, 파장은 전자기 스펙트럼의 근적외선 영역에 있다.
선택적으로, 빔 소스는 레이저 소스로서 구현된다.
선택적으로, 레이저 소스는 펄스 레이저 소스이고, 처리 서브시스템은 조명 배열체와 전기적으로 연관되며, 레이저 소스의 펄스 타이밍을 제어하도록 하는 것도 더 구성된다.
선택적으로, 빔 소스 중 하나는 전자기 스펙트럼의 가시 영역의 광을 생성하도록 구성되고, 상기 나머지 빔 소스들은 전자기 스펙트럼의 근적외선 영역의 서로 다른 각각의 파장에서 광을 생성하도록 구성된다.
선택적으로, 처리 서브시스템은 조명 배열체와 전기적으로 연관되며, 조명 배열체의 조명 타이밍을 제어하도록 하는 것도 더 구성된다.
선택적으로, 처리 서브시스템에 의해 도출된 물체와 연관된 정보는 비행 시간 정보를 포함한다.
선택적으로, 처리 서브시스템에 의해 도출된 물체와 연관된 정보는 검출기로부터 물체까지의 거리를 포함한다.
선택적으로, 처리 서브시스템은 물체와 연관된 정보에 기반하여 물체의 3차원 표현을 구성(construct)하도록 하는 것도 더 구성된다.
선택적으로, 시스템은 지상 기반 비이클에 배치된다.
선택적으로, 시스템은 항공기에 장착된다.
선택적으로, 광 도파관은 광 도파관 외부로 커플링된 광으로 광경의 측 방향 스캐닝을 달성하도록 단면 평면이 사다리꼴 모양이다.
선택적으로, 시스템은, 직사각형 단면을 형성하는 두 쌍의 평행한 주된 외부 표면을 갖는 투광성 기판; 및 기판과 연관된 광학 커플링 구성을 더 포함하고, 기판 안으로 커플링된 광은 기판을 통해 4중(four-fold) 내부 반사에 의해 진행되고, 기판을 통해 진행되는 광의 강도의 소정 비율은 광학 커플링 구성에 의해 기판 외부로 그리고 광 도파관 안으로 커플링된다.
선택적으로, 광 도파관은 직사각형 단면을 형성하는 2개의 쌍의 평행한 주된 외부 표면을 포함하고, 광 도파관 안으로 커플링된 광은 광 도파관을 통한 4중 내부 반사에 의해 진행된다.
선택적으로, 시스템은 광학 커플링 구성을 더 포함하고, 광 도파관은 광학 커플링 구성과 연관된 제1 도파관 섹션 및 광학 커플링-아웃 구성과 연관된 제2 광 도파관 섹션을 포함하고, 광 도파관 안으로 커플링된 광은 내부 반사에 의해 제1 도파관 섹션을 통해 진행되고, 제1 도파관 섹션을 통해 진행되는 광의 강도의 소정 비율은 제1 도파관 섹션 외부로 커플링되도록, 그리고 내부 반사에 의해 상기 제2 도파관 섹션을 통해 진행되도록 제2 도파관 섹션 안으로 광학 커플링 구성에 의해 제1 방향으로 편향되고, 제2 도파관 섹션을 통해 진행되는 광은 광경을 향해 광 도파관 외부로 커플링되도록 광학 커플링-아웃 구성에 의해 제2 방향으로 편향된다.
선택적으로, 광학 커플링 구성은 광의 스캐닝을 제1 차원으로 실시하고, 광학 커플링-아웃 구성은 광의 스캐닝을 제1 차원에 실질적으로 직교하는 제2 차원으로 실시한다.
또한, 본 발명의 교시의 일 실시형태에 따라 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템이 제공된다. LIDAR 시스템은, 전송기로서, 내부 반사에 의해 광을 가이드하기 위한 적어도 2개의 주된 외부 표면을 갖는 광 도파관 - 2개의 주된 외부 표면 중 제1 표면은 광경(scene)과 대향하는 관계로 배치됨 -, 광경을 향해 광 도파관의 외부로 광 도파관에 의해 가이드된 광의 일정 비율의 부분을 커플링(coupling)하도록 구성된 광 도파관과 연관된 광학 커플링-아웃(coupling-out) 구성, 광 도파관에서 커플링되기 전에 시준되는 광 도파관 안으로 커플링되도록 하기 위한 광의 코히렌트 빔(coherent beam)을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 빔 소스, 및 광학 커플링-아웃 구성에 의해 광 도파관의 외부로 커플링된 광으로 광경을 스캐닝하도록 배치된 스캐닝 배열체를 포함하는, 전송기; 수광기로서, 광학 커플링-아웃 구성에 의해 광 도파관 외부로 커플링된 광에 의한 물체의 조명에 응답하여 광경 내에 위치된 물체로부터 반사된 광을 감지하기 위한 검출기를 포함하는, 수광기; 및 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 처리 서브시스템으로서, 검출기와 전기적으로 연관되고, 물체의 3차원 표현을 구성하기 위해 검출기로부터의 신호를 처리하도록 구성된, 처리 서브시스템을 포함한다.
선택적으로, 처리 서브시스템은 조명 배열체와 전기적으로 연관되며, 조명 배열체의 조명 타이밍을 제어하도록 하는 것도 더 구성된다.
선택적으로, 전송기는 광학 커플링-아웃 구성에 의해 적어도 일부가 획정된 출력 애퍼처를 갖고, 수광기는 집속 광학기기에 의해 적어도 일부가 획정된 입력 애퍼처를 갖고, 입력 애퍼처는 출력 애퍼처와 적어도 부분적으로 중첩된다.
선택적으로, 전송기는 광학 커플링-아웃 구성에 의해 적어도 일부가 획정된 출력 애퍼처를 갖고, 수광기는 집속 광학기기에 의해 적어도 일부가 획정된 입력 애퍼처를 갖고, 입력 애퍼처와 출력 애퍼처는 중첩되지 않는다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어 "광 도파관"은 투명 재료로 형성된 임의의 투광성 바디, 바람직하게는 투광성 고체 바디를 지칭하며, 본원에서 "투광성 기판", "광-가이드" 또는 "광-가이드 광학 요소"로 상호교환 가능하게 지칭된다.
본원에서 달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 기술적 및/또는 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 본원에서 설명된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료는 본 발명의 실시형태의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 예시적인 방법 및/또는 재료는 아래에서 설명된다. 상충되는 경우, 정의들을 포함하는 특허 명세서가 우선할 것이다. 또한, 재료, 방법 및 실시예는 단지 예시일 뿐이고, 반드시 제한하려는 것이 아니다.
본 발명의 일부 실시형태는 본원에서, 단지 예로서, 첨부 도면을 참조하여 설명된다. 구체적으로 도면을 상세히 참조하면, 도시된 세부 사항이 예로서 본 발명의 실시형태에 대한 예시적인 논의를 위한 것이라는 점이 강조된다. 이와 관련하여, 도면과 함께 이해된 설명은 본 발명의 실시형태가 실시될 수 있는 방법을 당업자에게 명백하게 한다.
이제 유사한 참조 부호 또는 문자가 대응되는 또는 유사한 구성요소를 나타내는 도면을 주목한다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 비제한적인 실시형태에 따라 광경 내에 위치된 물체를 조명하기 위해 비이클에 배치된, 전송기, 수광기 및 처리 시스템을 갖는 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로, 전송기가, 애퍼처 확장을 수행하기 위해 도파관 내에 배치된 한 세트의 부분 반사 표면들을 갖는 광 도파관을 구비하며, 전송기와 수광기가 하나의 공통 애퍼처 구성으로 배치된, 도 1의 LIDAR 시스템의 아키텍처의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 것으로, 도 2와 유사하지만 전송기와 수광기가 비중첩 애퍼처 구성으로 배치된 것의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른, 도 2와 유사하나, 광 도파관의 출력부에 배치된 회절 광학 요소를 더 포함하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 애퍼처 확장을 수행하기 위한 매립된 한 세트의 부분 반사 표면들을 갖는 전송기의 광 도파관의 개략도를 예시하는 정면도이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 일 실시형태에 따른 것으로, 2차원 애퍼처 확장을 수행하기 위한 매립된 한 세트의 부분 반사 표면들을 갖는 전송기의 광 도파관의 개략도를 예시하는 측면도 및 저면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 것으로, 제1 광 도파관이, 2차원 애퍼처 확장을 수행하기 위한 제1 세트의 부분 반사 표면들을 가지며, 제2 광 도파관이, 1차원 애퍼처 확장을 수행하기 위한 제2 세트의 부분 반사 표면들을 갖는, 전송기의 두 개의 광 도파관의 개략도를 예시하는 정면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 것으로, 애퍼처 확장을 제1 차원으로 수행하기 위한 제1 세트의 부분 반사 표면들 및 애퍼처 확장을 제2 차원으로 수행하기 위한 제2 세트의 부분 반사 표면들을 갖는 전송기의 광 도파관의 개략도를 예시하는 정면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 것으로, 도 2와 유사하지만 광 도파관의 출력부에 배치된 스캐닝 배열체를 갖는 것의 개략도이다.
도 10은 광경 내에 위치된 물체와 연관된 정보를 도출하기 위해 수광기의 검출기로부터의 신호를 처리하도록 구성된 LIDAR 시스템의 처리 서브시스템의 블록도이다.
본 발명은 광 도파관을 채용한 검출 및 거리 측정 시스템이다.
본 발명에 따른 시스템의 원리들 및 동작은 설명에 수반된 도면들을 참조하면 더 잘 이해될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시형태를 상세히 설명하기 전에, 본 발명이 이의 적용에 있어서 다음 설명에 제시되고/되거나, 도면 및/또는 실시예에서 예시된 구성요소 및/또는 방법의 구성 및 배열의 세부사항에 반드시 한정될 필요가 없다는 점이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시형태가 가능하거나, 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 비제한적인 실시형태에 따른, 전체적으로 10으로 표시된 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템("시스템"으로 상호교환 가능하게 지칭됨)을 예시한다. 예시된 실시형태에서, 시스템(10)은, 자율주행 비이클(즉, "자율주행차"), 운전자 작동 비이클 또는 컴퓨터 지원 운전자 작동 비이클(즉, "반자율주행 비이클")일 수 있는 지상 기반 모터 비이클(자동차)(12)에 배치된다. 비이클(12)은 자동차로서 개략적으로 도시되어 있지만, 비이클(12)은, 군용 지상 기반 비이클(예: 병력 수송 장갑차, 트럭, 장갑 전투 비이클 등)뿐만 아니라 모터사이클, 모터바이크, 전기 바이크, 전기 스쿠터 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는, LIDAR 시스템이 배치될 수 있는 임의의 유형의 비이클로서 구현될 수 있다. 더욱이, 특정 실시형태에서, 본 발명의 시스템(10)의 구성요소들 전부 또는 일부는, 예를 들어, 헬멧 또는 다른 헤드 마운트 기어의 일부로 비이클과 별도로 배치될 수 있으며, 이는 시스템(10)이, 비이클, 예를 들어, 모터사이클 등을 작동하는 동안 운전자/조작자가 헬멧 또는 헤드 마운트 기어를 착용하는 비이클과 함께 사용되기 위해 배치될 때 특히 유용할 수 있다.
일반적으로 말해서, 시스템(10)은, 조명의 빔(14)에 의해 여기서 개략적으로 표현되는 시준된 광을 생성하고 광경(scene)(30)("관심 영역", "관심 필드", 또는 "관심 관측 시야"라고도 함)을 향해 지향시키기 위한 광 전송기 서브시스템(100)(본원에서 "전송기 서브시스템" 또는 "전송기"로 상호교환 가능하게 지칭됨), 전송기(100)로부터의 조명에 응답하여 광경(30)의 물체(18)로부터 반사되거나 후방 산란된 광을 수신하기 위한 수광기 서브시스템(200)(본원에서 "수광기 서브시스템" 또는 "수광기"로 상호교환 가능하게 지칭됨), 및 전송기 서브시스템(100)의 구성요소들 중 일부를 제어하기 위한, 그리고 물체(18)와 연관된 정보를 도출하도록 수광기 서브시스템(200)으로부터의 신호를 처리하기 위한 전송기 서브시스템(100) 및 수광기 서브시스템(200)과 연관된 처리 서브시스템(300)을 포함한다.
광경은 일반적으로 전송기(100)에 의해 조명될 수 있는 전송기(100)의 전방에 있는 모든 배경(scenery)인 것으로 간주된다. 시스템(10)이 비이클과 함께 사용되기 위해 배치될 때, 광경(30)은 일반적으로 전송기(100)에 의해 조명될 수 있는 비이클의 전방에 있는 모든 배경인 것으로 간주된다. 차량 배치의 맥락에서, 시스템(100)에 의해 검출되고 이미지화될 수 있는 광경 내의 물체는, 예를 들어, 다른 비이클, 보행자, 사이클리스트, 나무, 바위, 거리 표지판, 가로등, 또는 비이클의 경로 내에 있는 기타 고체 바디 또는 장애물을 포함한다.
빔(14)은 전송기 서브시스템(100)의 스캐닝 배열체에 의해 관심 필드를 가로질러 수직으로 그리고 수평으로(측 방향으로) 스캐닝된다. 스캐닝되는 빔(14)은 도 1에서 16으로 라벨링된 양방향 화살표로 표시된다. 측 방향 스캐닝이 종이의 평면의 안팎으로 이루어지므로, 측 방향 스캐닝이 도 1에서 식별될 수 없다는 점을 유의한다. 빔(14)은 물체(18)에 충돌될 때 반사광으로서 물체(18)에 의해 반사되거나 후방 산란되며, 여기서 다수의 광선(20)으로 개략적으로 표현된다. 여기서 광선(22)에 의해서 개략적으로 표현된 반사 광(20)의 일부는 수광기 서브시스템(200)(특히, 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이 광검출기)에 의해 검출되도록 수광기 서브시스템(200)에 도달된다. 처리 서브시스템(300)은 물체(18)와 연관된 정보, 예를 들어 비행시간(TOF: Time-of-Flight) 정보, 범위(즉, 거리) 정보(TOF 기반), 및 도착 정보의 방향을 도출하기 위해 수광기 서브시스템(200)으로부터의 신호를 처리한다. 특정 실시형태에서, 이 정보는 물체(18)의 3차원(3D) 표현(즉, 포인트 클라우드)을 구성하기 위해 처리 서브시스템(300)에 의해 사용될 수 있고, 이는 다음으로 물체(18)의 3D 이미지를 렌더링하기 위해서 사용될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 비제한적인 실시형태에 따른 시스템(10)의 개략도가 도시된다. 전송기(100)는 조명 및 빔 결합 유닛(102), 광 도파관(120), 및 조명 및 빔 결합 유닛(102)으로부터의 광을 광 도파관(120) 안으로 커플링하기 위한 광학 커플링-인(optical coupling-in) 구성(118)을 포함한다. 광 도파관(120)은, 내부 반사에 의해 광을 가이드하기 위한 적어도 한 쌍의 바람직하게 평행한 면(본원에서 "주된 외부 표면"이라고도 함)(122, 124)을 포함하는 복수의 면을 갖는 투명 재료(예: 유리)로 형성된 투광성 기판이다. 광 도파관(120)은, 면들 중 하나의 면(122)이 도 1에 예시된 물체(18)를 포함하는 광경(30)과 같은 광경과 대향하는 관계로 배치된다. 수광기(200)는 바람직하게는, 광경의 물체(예: 물체(18))로부터 반사된 광(22)을 수신하고 수신된 광을 캡처된 광의 수렴 빔으로 변환하기 위한 집속 광학기기(202), 및 캡처된 광을 감지하고 캡처된 광의 적어도 하나의 파라미터(강도)를 나타내는 신호를 생성하기 위한 광검출기("검출기" 또는 "광학 센서"로 상호교환 가능하게 지칭됨)(204)를 포함한다.
조명 및 빔 결합 유닛(102)은 광 도파관(120) 안으로 커플링되도록 하기 위한 광의 빔을 방출하도록 배치된 조명 배열체(104)를 포함한다. 조명 배열체(104)는 적어도 하나의 빔 소스, 바람직하게는, 적어도 2개의 빔 소스, 보다 바람직하게는, 적어도 3개의 빔 소스를 포함한다. 빔 소스(본원에서 "광원", "조명 소스" 또는 "광원"으로 상호교환 가능하게 지칭됨)는 바람직하게는, 예를 들어, 레이저 다이오드, 파이버 레이저, 또는 마이크로칩 레이저와 같은, 한 세트(예를 들어, 복수)의 레이저 소스들로서 구현되며, 각각은 레이저 조명의 대응되는 코히렌트 빔을 생성(즉, 생산)하도록 구성된다. 특정의 비제한적인 구현예에서, 레이저 소스들은, 결합된 빔을 형성하는 레이저 광의 개별 빔들을 공통 방향으로 방출하도록 나란히 배치된다. 다른 비제한적인 구현예에서, 조명 배열체(104)는 빔 결합기(미도시)를 더 포함하고, 레이저 소스들은, 개별 빔 소스들로부터의 빔들을 결합된 빔으로서 결합하도록 빔 결합기에 대해 다양한 위치들에 배치된다. 빔 결합기는 당업계에 잘 알려져 있고, 예를 들어, 빔 스플리터 배열체, 다이크로익 미러(dichroic mirror), 프리즘 등을 사용하여 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
특정의 비제한적인 실시형태에서, 빔 소스 중 하나는 전자기 스펙트럼의 가시 영역에서 레이저 광을 생성하도록 구성된 가시 광선 레이저 소스로서 구현되고, 나머지 빔 소스는 전자기 스펙트럼의 NIR 영역에서 서로 다른 각각의 파장으로 레이저 광을 생성하도록 구성된 NIR 레이저 소스로서 구현된다. 한 세트의 바람직하고 비제한적인 구현예에서, 빔 소스는, 나란히 배치되거나 빔 결합기를 통해 결합된 가시광선 레이저 소스 및 2개 또는 3개의 변조된 NIR 레이저 소스의 세트로서 구현된다. 가시광선 레이저 소스는 범위 검출을 위해 변조되거나, NIR 레이저 전송 중에 동시에 전송되지 않도록 변조될 수 있다. 대안적으로, 가시 광선 레이저는 연속파(CW) 모드에서 작동되도록 구성될 수 있다. 가시광선 레이저 소스는 바람직하게는, 인간의 눈으로 쉽게 식별할 수 있는 색상에 대응되는 파장, 예를 들어 420 내지 680 nm 범위의 파장을 갖는 광을 생성하도록 구성된다. NIR 레이저 소스가 서로 다른 각각의 파장으로 광을 생성하는 실시형태에서, 가시 광선 레이저 소스와 결합하여 약 940 nm(예: 각각 935 nm, 940 nm 및 935 nm)에서 광을 방출하는 3개의 NIR 레이저 소스는 LIDAR 응용 분야에 특히 적합한 것으로 밝혀졌다. 940 nm 부근의 파장에서 상당히 높은 비율의 태양 복사 강도가 일반적으로 대기에 흡수되고, 따라서 940 nm 부근의 태양광 조명이 광학 센서 상에 충돌하지 않거나, 광학 센서에 의해 검출되는 광의 강도에 비해 상대적으로 낮은 강도로 광학 센서에 충돌하는 경향이 있다는 점이 주의된다. 모든 빔 소스가 동일한 파장(예를 들어, 모두 940 nm)에서 빔을 방출할 수 있다는 점이 주의된다. 또한, 눈의 안전을 위해 가시광선 레이저가 NIR 레이저와 결합되어 사용될 수 있지만, NIR 및 가시 영역 외부에 있는 눈에 안전한 레이저를 활용하는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, 단파장 적외선(SWIR) 영역의 하단, 특히 약 1550 nm의 레이저는 NIR 영역의 레이저보다 눈에 더 안전하다.
상이한 각각의 파장에서 광을 방출하는 빔 소스의 사용은, 특정 유형의 재료가 다른 파장보다 특정 파장에 대해 더 큰 스펙트럼 응답을 가질 수 있기 때문에 수광기(200)로 하여금 매우 다양한 재료를 검출할 수 있게 한다. 예를 들어, 식물은 일반적으로 약 700 nm의 파장에서 더 높은 반사율을 보인다. 스펙트럼 응답의 변화는 또한, 검출기(204)에 의해 생성된 신호 강도의 파장 의존적 변화를 식별함으로써, 처리 서브시스템(300)에 의한 광경의 매핑을 가능하게 할 수 있다.
조명 배열체(104)는, 빔 소스 및 특정 예에서 빔 결합기를 갖는 것 외에도, 빔 소스에 의해 생성된 빔의 빔 파라미터를 수정하기 위해서 사용될 수 있는 다양한 구성요소를 또한 포함할 수 있다. 이러한 구성요소는 빔 강도 및/또는 위상 및/또는 주파수를 변조하기 위한 변조기, 및 생성된 빔의 강도 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 특정의 비제한적인 구현예에서, 각각의 빔 소스는 변조기 및 증폭기와 연관된다. 다른 구현예에서, 빔 소스의 일부만이 변조기 및/또는 증폭기와 연관된다.
빔 소스의 전송 타이밍, 및 빔 소스에 의해 생성된 빔의 변조 및/또는 증폭은 바람직하게는 처리 서브시스템(300)에 의해 제어된다. 특정 실시형태에서, 빔 소스에 의해 생성된 빔은 가간섭성으로 결합되고, 각각의 빔 소스는 빔의 위상 코히어런스(phase coherence)를 유지하기 위해 빔들 사이의 상대 위상 오프셋의 조정을 허용하는 연관된 위상 변조기를 갖는다. 이러한 실시형태에서, 처리 서브시스템(300)은 빔들 사이의 상대적 위상 오프셋을 측정하고, 위상 오프셋을 조정하기 위해 위상 변조기를 작동시킨다.
조명 배열체(104)에 의해 방출된 광은 편광되지 않거나 편광될 수 있다. 편광된 광을 생성하기 위해, 조명 배열체(104)는, 결합된 빔이 선형 편광기를 통과하도록 빔 소스의 출력부 또는 빔 결합기의 출력부에 배치된 선형 편광기를 포함할 수 있다. 빔 소스 자체가 편광 소스인 경우, 이러한 선형 편광기는 필요하지 않다.
굵은 화살표로 개략적으로 표시되고 전체적으로 108로 표시된 빔 소스로부터의 결합된 빔은 스캐닝 배열체(106)에 의해 스캐닝된다. 스캐닝 배열체(106)는 바람직하게는 입사 빔을 전환(즉, 편향)시키는 광학 구성요소 뿐만 아니라, 원하는 방향으로 빔의 발산을 달성하기 위해 광학 구성요소의 위치 및/또는 배향을 조정하기 위한 전자-기계 구성요소(예: 전자기계식 액추에이터)를 포함한다. 스캐닝 배열체(106)는, 예를 들어, 스캐닝을 2개의 직교 차원(예: 수직 및 수평/측 방향)에서 수행하는 단일 스캐닝 또는 틸팅 미러, 한 쌍의 직교 단일 축선 스캐닝 또는 틸팅 미러, 및 하나 이상의 프리즘이 하나 이상의 회전/틸팅 축선을 중심으로 회전/틸팅 가능한 한 세트의 프리즘들을 포함하는, 적절한 빔 발산 또는 빔 조향 메커니즘으로서 구현될 수 있다. 바람직하게는, 스캐닝 배열체(106)는, 스캐닝 배열체(106)의 스캐닝 동작을 제어하는 처리 서브시스템(300)과 전기적으로 연관된다.
시준 광학기기(110)는 스캐닝 배열체(106)와 광 도파관(120) 사이의 광 경로에 배치된다. 시준 광학기기(110)는, 스캐닝된 빔(108)을 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 출력 애퍼처(즉, 사출 동공) 상으로 시준하는 적어도 하나의 광학 구성요소를 포함한다. 예시된 실시형태에서, 시준 광학기기(110)는, 렌즈들(112, 114) 사이에 중간 이미지 평면(116)을 형성하는 렌즈(112, 114)로서 개략적으로 표시된 한 쌍의 시준 광학 요소를 포함한다. 특정의 비제한적인 구현예에서, 마이크로 렌즈 어레이(MLA) 또는 확산기는 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 사출 동공을 광 도파관(120)의 입사 동공(즉, 입력 애퍼처)에 피팅하도록 이미지 평면(116)에 배치된다. MLA 또는 디퓨저에 의한 이러한 애퍼처 피팅은 광 도파관(120)의 입력 애퍼처를 가로질러 빔(108)의 강도를 확산시키고, 이에 의해 광 도파관(120) 안으로 커플링될 빔(108)의 전체 강도를 감소시킨다. 빔(108)의 감소된 강도는 눈의 안전을 더욱 증가시키고, 따라서 바람직한 구현은 애퍼처 피팅을 위해 MLA 또는 확산기를 채용한다. 시준 광학기기(110)는 또한, 스캐닝된 모든 빔이 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 사출 동공을 통해 전송되어 광 도파관(120)으로 들어가도록, 스캐닝 배열체(106)의 평면과 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 사출 동공 평면(광학 커플링-인 구성(118)에 인접) 사이에 동공 이미징을 생성한다. 조명 배열체(104) 그 자체가 작은 사출 동공을 가질 수 있고, 따라서 균일한 출력 빔이 필요하지 않는 한 MLA를 사용하는 것이 필요하지 않을 수 있다는 점이 주의된다. 특정 실시형태에서, 조명 배열체(104)는 빔 소스로부터의 결합된 빔(108)이 시준된 빔이 되도록, 시준 광학기기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 특정 빔 결합기는, 개별 빔이 빔 결합기에 의해 결합될 뿐만 아니라 빔 결합기에 의해 시준되도록 내장형 시준 광학기기를 채용한다. 이러한 실시형태에서, 시준 광학기기(110)는 필요하지 않을 수 있거나, 빔이 스캐닝 배열체(106)에 의한 스캐닝으로 인해 시준 해제(de-collimated)되는 경우, 빔(108)을 재시준하기 위해 사용될 수 있다.
조명 및 빔 결합 유닛(102)으로부터의 스캐닝되고 시준된 빔은, 적절하게 각진 커플링 프리즘으로서 여기에 개략적으로 표시된 광학 커플링-인 구성(118)에 의해 광 도파관(120) 안으로 커플링된다. 커플링-인 반사기 또는 회절 광학 요소를 사용하는 것과 같은, 광 도파관(120) 안으로 조명을 커플링하기 위한 다른 적절한 광학 커플링-인 구성은 당업계에 잘 알려져 있다. 커플링된 빔은 면(122, 124)에서 반복되는 내부 반사에 의해 광 도파관(120)을 통해 전파(즉, 가이드)된다. 전파되는 빔은 굵은 화살표로 개략적으로 표시되고, 전체적으로 128로 표시된다. 특정의 바람직하고 비제한적인 구현예에서, 내부 반사에 의한 광 도파관(120)을 통한 전파는 내부 전반사(TIR: total internal reflection)의 형태이고, 이에 의해 임계각보다 더 큰 각도에서의 면(122, 124)에서 조명(빔(128))의 입사는 면(122, 124)에서 조명의 반사를 유발한다. 공지된 바와 같이, 임계각은 광 도파관(120)을 구성하는 재료의 굴절률과 광 도파관(120)이 배치되는 매질(예: 공기)의 굴절률로 정의된다. 다른 비제한적인 구현예에서, 내부 반사에 의한 광 도파관(120)을 통한 전파는 면(122, 124)에 도포된 반사 코팅물(예를 들어, 각도적으로 선택적인 반사 코팅물)에 의해 달성된다.
빔(128)은 광 도파관(120) 내에서 전파되고, 광 도파관(120)과 연관된 광학 커플링-아웃 구성에 충돌하며, 이는, 예시된 실시형태에서, 광 도파관(120) 내에 면(122, 124)에 대해 비스듬한 각도로 배치된 일련의 평행한 부분 반사 표면들(126)로서 구현되며, 여기서 빔(128)의 강도의 일부는 광경(예를 들어, 도 1의 광경(30))을 향해 광 도파관(120) 밖으로 커플링되도록 반사된다. 부분 반사 표면들(126)은 광 도파관(120)의 연장 방향(도 1에서 수직 방향)을 따라 균일하게 이격되거나 불균일하게 이격될 수 있다. 부분 반사 표면(126)은 일반적으로 원하는 반사 패턴을 제공하는 적절한 코팅물로 코팅된 얇은 투명 플레이트로 형성된다. 특정의 비제한적인 실시형태에서, 코팅물은 유전체 코팅물인 반면, 다른 실시형태에서 코팅물은 투명 플레이트 상에 규정된 패턴으로 배치된 금속 재료(예: 은)의 부분을 포함한다. 금속 재료의 부분은, 예를 들어 원형 점, 직사각형 점, 및 선을 포함하는, 원하는 반사 패턴에 따라 다양한 형상을 취할 수 있다.
부분 반사 표면(126)이 광 도파관(120)과 함께 사용되기에 적합한 하나의 비제한적인 광학 커플링-아웃 구성을 단지 예시하고, 다른 광학 커플링 구성이 광 도파관(120) 외부로 조명을 커플링하기 위해 사용될 수 있다는 점이 주의된다. 광학 커플링-아웃 구성은, 조명의 편향된 부분이 광 도파관(120)을 빠져나가도록 하는 각도로, 내부 반사에 의해 광 도파관(120) 내에서 전파되는 조명의 일부를 편향시키는 임의의 광학 커플링 배열체일 수 있다. 이러한 적합한 광학 커플링 배열체의 다른 예는 면(122, 124) 중 어느 하나에 배치된 하나 이상의 회절 광학 소자를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
도 2에 예시된 비제한적인 구현예에서, 부분 반사 표면(126) 각각은 광경을 향해 광 도파관(120) 외부로 가이드된 빔(128)의 일정 비율의 부분을 반사(커플링-아웃)하며, 여기서, 반사된 빔은 빔(130A, 130B, 130C)(도 1의 광경(30)을 향해 지향되는 스캐닝된 빔(14)에 대응됨)에 의해 개략적으로 표현된다. 특정의 비제한적인 구현예에서, 부분 반사 표면의 반사율은 광학 커플링-인 구성(118)에 인접한, 광 도파관(120)의 근위 단부로부터 근위 단부와 대체로 반대되는 원위 단부까지 광 도파관(120)의 연장 방향을 따라 증가한다. 특히 바람직하고 비제한적인 구현에서, 마지막 부분 반사 표면(예를 들어, 커플링-아웃 빔(130C)을 생성하기 위해 조명(128)을 반사하는 부분 반사 표면)은 완전 반사(즉, 100% 반사도)이다.
조명 및 빔 결합 유닛(102)으로부터의 빔(108)에 대한 광 도파관(120) 및 광학 커플링-아웃 구성의 효과는, 빔(128)이 광 도파관(120) 내에서 전파되고 광 도파관(120) 외부로 커플링될 때, 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 출력 애퍼처(사출 동공)가 증배되는(즉, 확장되는) 것이다. 이 애퍼처 확장(애퍼처 증배(aperture multiplication))은 1차원일 수 있거나(예컨대, 도 2의 광 도파관(120)의 비제한적인 구현예의 경우), 또는 2차원일 수 있다.
관찰자의 눈에 대한 커플링-아웃을 위한 작은 출력 애퍼처를 갖는 이미지 프로젝터에 의해 생성된 이미지 조명의 1차원 애퍼처 확장을 수행하는 근안 디스플레이에서 사용되는 광 도파관의 세부사항은, 미국 특허 제6,829,095호, 미국 특허 제7,577,326호, 미국 특허 제7,724,444호, 미국 특허 제7,751,122호, 미국 특허 제9,551,880호 및 미국 특허 제9,025,253호를 포함하여, 다양한 공동 소유의 발행된 특허에서 찾을 수 있으며, 이 특허는 본원에 그 전체가 인용되어 포함된다. 관찰자의 눈에 대한 커플링-아웃을 위한 작은 출력 애퍼처를 갖는 이미지 프로젝터에 의해 생성된 이미지 조명의 2차원 애퍼처 확장을 수행하는 근안 디스플레이에서 사용되는 광 도파관의 세부사항은, 미국 특허 제10,133,070호 및 미국 특허 제10,551,544호를 포함하여, 다양한 공동 소유의 발행된 특허에서 찾을 수 있으며, 이 특허는 본원에 그 전체가 인용되어 포함된다.
면들(122, 124)은 바람직하게는 서로 평행하지만, 평행도에 대한 요건은, 원하는 각도 범위를 커버하는 레이저 조명으로 광경을 조명하기 위해 광 도파관이 사용되는 본 실시형태의 광 도파관(120)과 같은, 비-디스플레이 응용분야에 사용되는 광 도파관에 대해 덜 엄격하다는 점이 주의된다. 이것은 위에서 언급된 공동 소유 특허의 광 도파관과 대조되며, 여기서 주된 외부 표면 쌍 사이의 평행도 편차는 도파관을 통해 전파되는 이미지 조명이 비공액 이미지 세트를 형성하도록 하며, 결과적으로 광 도파관으로부터 관찰자의 눈에 커플링되는 이미지의 품질이 저하된다.
"공통 애퍼처" 구성이라고 불리는 많은 LIDAR 시스템 구성에서, 수광기 유닛이 이미터 유닛과 동일한 애퍼처에 위치된다는 점이 주의된다. 공통 애퍼처 구성을 사용하는 시스템의 이점은 LIDAR 시스템을 교란시키는 시차 효과의 결여 및 보다 컴팩트한 시스템을 포함한다. 도 2에 예시된 시스템(10)의 비제한적인 실시형태는 공통 애퍼처 구성을 활용한다. 여기서, 수광기(200)는 광 도파관(120)의 후방에 위치되도록 광 도파관(120)의 면(124)과 연관된다. 수광기(200)의 입력 애퍼처이고 전반적으로 집속 광학기기(202)에 의해 정의되는 시스템(10)의 입력 애퍼처는 시스템(10)의 출력 애퍼처 내에 포함(즉, 이와 완전히 중첩)되며, 이 출력 애퍼처는 전송기(100)의 출력 애퍼처이고, 전반적으로 광 도파관(120)과 광학 커플링-아웃 구성(예를 들어, 광 도파관(120) 내의 부분 반사 표면의 분포)의 조합에 의해 획정된다. 여기서 광선(22A, 22B, 22C)으로 표시된 광경으로부터의 반사광(22)(즉, 광경 내의 물체에 의해 반사된 광)은, 면(124)과 연관된 집속 광학기기(202)에 의해 수신되도록 광 도파관(120)을 통과한다. 특히, 광(22)은 면(122)을 투과하고, 부분 반사 표면(126)을 통과하고, 집속 광학기기(202)로 면(124)을 투과한다. 부분 반사 표면(126)이 중첩되지 않고 불연속적이도록(즉, 부분 반사 표면이 끝나는 지점과 다음 부분 반사 표면이 시작되는 지점 사이에 공간이 있음) 이격된 관계로 배치되는 구성에서, 광(22A, 22B, 22C)의 일부 또는 전부는 인접한 부분 반사 표면 쌍 사이의 빈 공간을 통과함으로써 광 도파관(120)을 직접적으로 통과할 수 있다. 다른 구성에서, 광(22A, 22B, 22C)의 강도의 소정 비율은, 부분 반사 표면을 통해 집속 광학기기(202)로 전달되도록 부분 반사 표면(126)을 투과할 수 있다.
렌즈(그러나 한 세트의 렌즈들을 포함할 수 있음)로 개략적으로 표시된 집속 광학기기(202)는, 광경과 광검출기(204) 사이의 광학 경로에 배치된다. 집속 광학기기(202)는 광경으로부터 광(22A, 22B, 22C)을 수신하고(즉, 광경 내의 조명된 물체에 의해 반사됨), 수신된 광(22A, 22B, 22C)을 검출기(204)에 충돌하는 광의 수렴 빔(광선(23A, 23B, 23C)으로서 개략적으로 표시됨)으로 변환한다. 특정 구현예에서, 집속 광학기기(202)는 검출기(204) 상에 물체의 이미지를 형성한다. 집속 광학기기(202)는 바람직하게는, 조명된 광경 내의 물체로부터 반사된 광의 캡처를 가능하게 하도록 전송기(100)에 의해 조명되는 광경의 영역 또는 부분에 대응되는 시야를 정의하도록 배치된다. 특정 실시형태에서, 통과대역 스펙트럼 필터는, 조명 배열체(104)로부터의 조명이 검출기(204)에 도달되는 것으로부터 생성되는 주어진 파장 범위 밖의 파장의 광을 차단하기 위해 광경으로부터 검출기(204)까지의 광학 경로에 배치될 수 있다. 스펙트럼 필터는 이상적으로는 집속 광학기기(202)와 검출기(204) 사이에 위치될 수 있지만, 대안적으로 면(124)과 집속 광학기기(202) 사이에 배치될 수 있다.
광 도파관(120)의 외부 표면(즉, 면(122, 124))은 바람직하게는, 광 도파관(124)이 전송기(100)에 의해 방출된 광을 수광기(200)로 산란시키는 것을 방지하기 위해 반사 방지 코팅물로 코팅된다.
조명 배열체(104)가 편광된 광을 방출하는 실시예에서, 부분 반사 표면은 바람직하게는 편광에 민감하고, 부분 반사 표면에 의해 반사되는 편광된 광의 강도의 소정 비율은 전파되는 빔의 편광 방향에 따라 달라진다. 전송된 빔(130A, 130B, 130C)이 편광되는 실시형태에서, 편광기(미도시)는 수광기(200)의 포화를 실질적으로 억제하기 위해 바람직하게는 수광기(200)와 광 도파관(120) 사이의 광 경로(예를 들어, 면(124)과 연관하여)에 배치된다. 이러한 억제는 광경으로부터의 광(22)의 50% 투과율을 희생시키면서 이루어질 수 있다.
계속해서 도 1 및 도 2를 참조하면서, 이제, 일반적으로 도 2를 참조하여 설명된 실시형태와 유사하지만, "비중첩 애퍼처" 구성을 갖는, 본 발명의 다른 비제한적인 실시형태에 따른 시스템(10)의 개략도를 도시하는 도 3을 참조한다. 여기서, 수광기(200)는, 시스템의 입력 애퍼처(즉, 수광기(200)의 입력 애퍼처)가 시스템의 출력 애퍼처(즉, 전송기(100)의 출력 애퍼처)와 분리되도록 전송기(100)에 인접하게 위치된다. 이러한 구성은 덜 컴팩트한 시스템으로 귀결되지만, 이러한 구성은, 조명 및 빔 결합 유닛(102)으로부터의 잔류 반사가 수광기(200)를 포화시킬 것으로 예상되는 상황에서, 특히 가치가 있을 수 있다.
중첩되지 않는 애퍼처들을 갖는 것 외에도, 도 3에 예시된 실시형태는 단순화된 조명 및 빔 결합 유닛(102)을 갖는다. 여기서, 시준 광학기기는 중간 이미지 평면이 없도록 단일 시준 광학 요소(112)만을 갖는다. 결과적으로, 시준 광학기기에 의해 동공 이미징이 수행되지 않고, 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 사출 동공이 광 도파관(120)의 입사 동공과 중첩되지 않는다. 예시된 실시형태에서의 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 단순화된 구조는, 특히 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 사출 동공이 광 도파관(120)에 대한 입사 동공보다 훨씬 작아, 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 출력부에서의 빔(108)이 입사 동공을 가로질러 광 도파관(120)으로 이동하나, 최소한의 에너지가 손실되도록 광 도파관(120) 내에 머무는 경우에, 사용될 수 있다. 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 사출 동공과 광 도파관(120)의 입사 동공 사이의 필수 사이즈 차이는, 예를 들어, 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 사출 동공의 사이즈를 감소시키도록 좁은 빔(108)을 생성하고/하거나, 광 도파관(120)의 입사 동공의 사이즈를 증가시키도록 광 도파관(120)의 두께(즉, 면들(122, 124) 사이의 거리)를 증가시킴으로써 달성될 수 있다.
집속 광학기기(202)의 일부가 면(124)과 연관되고(즉, 집속 광학기기(202)의 일부가 광 도파관(120) 뒤에 위치됨) 집속 과학기기(202)의 나머지 부분이 광 도파관(120)에 인접하게 위치되도록 수광기(200)가 전송기(100)에 대해 배치될 수 있다는 점이 주의된다. 이러한 배치에서, 집속 광학기기(202)에 의해 정의되는 수광기(200)의 입력 애퍼처는 전송기(100)의 출력 애퍼처와 부분적으로 중첩된다.
도 2 및 도 3에 예시된 비제한적인 실시형태에서, 스캐닝 배열체(106)는 조명 배열체(104)로부터의 광을 편향시킴으로써 투과된 필드를 스캐닝하여, 조명 배열체(104)로부터의 조명이 커플링-인 각도의 대응되는 범위에서 광 도파관(120) 안으로 커플링되도록 스캐닝되는 빔(108)이 다양한 입사각으로 광학 커플링-인 구성(118)에 충돌된다. 광학 커플링-인 구성(118)에서 빔(108)의 각도 스캐닝 확산은 전파 빔(128)의 대응되는 각도 확산으로 귀결되어, 출력 빔(130A, 130B, 130C)이 조명으로 광경을 스캐닝하기 위해서 대응되는 각도의 범위에서 광 도파관(120) 외부로 커플링된다.
출력 빔의 각도 범위를 증가시키는 하나의 방법이 도 4에 예시되어 있으며, 이는 본 발명의 또 다른 비제한적인 실시형태에 따른 시스템(10)의 개략도를 도시한다. 도 4에 예시된 실시형태는, 하나 이상의 회절 격자와 같은 회절 광학 요소(140)가 전송기(100)의 출력 애퍼처의 전방(즉, 면(122)과 관련하여, 그리고 면(122)과 광경 사이)에 배치된다는 점을 제외하고는 전반적으로 도 2에 도시된 실시형태와 유사하다. 특정의 비제한적인 구현예에서, 회절 광학 요소(140)는 면(122)과 연관되도록 면(122)에 인접하게 기계적으로 위치되고, 면(122)의 전체 커플링-아웃 영역에 걸쳐 있으며, 이 영역은 면(122)의 평면에 평행한 투사 평면에서 부분 반사 표면(126)의 투사에 의해 걸쳐 있는 면(122)의 부분으로서 정의된다. 바람직하게는, 회절 광학 요소(140)는 면(122)의 길이(도 4에서 세로 방향으로의 길이)의 적어도 80%, 보다 바람직하게는, 면(122)의 길이의 적어도 90%를 덮도록 면(122)의 길이의 대부분에 걸쳐 있다.
예시된 실시형태에서, 빔 소스들은 서로 다른 각각의 파장에서 작동되고(즉, 각각의 빔 소스에 의해서 방출되는 광은 각각 다른 파장을 가짐), 결합된 빔(128)은 광 도파관(120)을 통해 전파할 때 분산되지 않는다. 커플링-아웃된 빔(130A, 130B, 130C)이 회절 광학 요소(140)를 통과할 때, 빔(130A, 130B, 130C)은, 두꺼운 파선 화살표로 개략적으로 표시되고 전체적으로 136A, 136B, 136C로 표시되는 대응되는 분산된 빔을 생성하도록, 회절 광학 요소(140)에 의해 분산되며, 이로써 빔(130A, 130B, 130C, 136A, 136B, 136C)에 의해 커버되는 각도 범위를 증가시킨다. 공통 애퍼처 구성을 사용할 때, 도 4에 예시된 바와 같이, 회절 광학 요소(140)는 또한, 여기서 광선(32A, 32B, 32C)으로 표시된, 광경으로부터의 추가 반사 광을 검출기(204)에 의해 캡처되도록 수광기(200)를 향해서 전환시킨다. 도 4가 공통 애퍼처 구성을 예시하지만, 회절 광학 요소(140)가 수광기(200)의 전방에 배치되지 않도록 회절 광학 요소(140)가 도 3에 예시된 것과 유사한, 비중첩 애퍼처 구성으로 사용될 수 있다는 점이 주의된다. 이러한 실시형태에서, 회절 광학 요소(140)는 (대응되는 빔(136A, 136B, 136C)을 생성하기 위해) 출력 빔(130A, 130B, 130C)만을 전환시키고, 광경으로부터 수광기(200)를 향해 들어오는 광을 전환시키지 않는다.
상술된 바와 같이, 광 도파관(120)는 입력 애퍼처를 1차원 또는 2차원으로 확장할 수 있도록 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 다음 단락은 커플링-아웃 빔에 의한 광경의 애퍼처 확장 및 스캐닝을 가능하게 하도록 광 도파관(120)의 다양한 구현 옵션을 설명한다.
계속해서 도 2 내지 도 4를 참조하면서, 본 발명의 비제한적인 실시형태에 따른 광 도파관(120)의 정면도를 도시하는 도 5도 참조한다. 광 도파관(120)은 제1 평면(도 2 내지 도 4의 종이 평면)에서 직사각형 단면(면들(122, 124) 사이의 평행도를 가정함)을 갖지만, 면(122) 자체는 사다리꼴 모양이어서, 광 도파관(120)이 커플링-아웃 평면(제1 평면에 직교)에서 사다리꼴 단면을 갖는다. 여기서, 상부 평행면 및 하부 평행면(132, 134)은, 좌측 측부 면 및 우측 측부 면(142, 144)이 내측으로 테이퍼지도록 상이한 길이를 갖는다. 커플링-인 빔(128)은 면(122)과 면(124) 사이의 내부 반사에 의해 전파되지만, 도 5의 빔(128)의 측 방향 스캐닝(도 2 내지 도 4의 페이지 안팎)에 대응되는 도 2의 수직 방향의 각도 범위에서 커플링-인되며, 여기서 빔(128)의 측 방향 스캐닝은 도 5에서 150으로 라벨링된 양방향 화살표로 표시된다. 커플링-아웃 빔(도 5의 페이지에서 나오는)은 130A, 130B, 130C로 표시된 검정색 채워진 원으로 표현된다. 빔의 수직 스캐닝이 또한 존재하며, 위에서 논의된 바와 같이, 광학 커플링-인 구성(118)에서 빔(108)의 각도 스캐닝 확산에 의해 실행되지만, 도 5에 도시된 정면도에서는 식별 가능하지 않다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 비제한적인 실시형태에 따른 광 도파관(120)의 구현예의 개략적인 측면도 및 저면도를 각각 도시한다. 여기서, 광 도파관(120)은 수직 방향에 대응되는 것으로서 임의로 예시된 신장 방향을 갖고, 직사각형 단면을 형성하는 두 쌍의 평행면(122, 124, 142, 144)을 포함한다. 부분 반사 표면(126)은 신장 방향에 대해 비스듬한 각도로 광 도파관(120)을 적어도 부분적으로 횡단한다. 광학 커플링-인 구성(여기에 미도시), 및 조명 및 빔 결합 유닛(102)은, 초기 전파 방향이 평행한 면(122, 124, 142, 144)의 제1 쌍과 제2 쌍 모두에 대해 비스듬한 커플링 각도인 상태로, 입력 빔(예를 들어, 도 2 내지 도 4의 빔(108))을 광 도파관(120) 안으로 커플링하도록 광 도파관(120)에 대해 배치되고, 빔(128)은, 광경을 향해 광 도파관(120) 밖으로 커플링되도록 부분 반사 표면(126)에서 반사된 빔(128)의 강도의 소정 비율로 광 도파관(120)을 따라 4중 내부 반사(즉, 2차원으로 전파되도록 나선 방식으로)에 의해 진행된다. 커플링 아웃 빔(130A, 130B, 130C)(전체적으로 도 6b에서 130으로 표시됨)에 대한 빔(128)의 나선형 전파의 효과는, 커플링-아웃된 빔이 수직 방향으로(도 6a에서 양방향 화살표로 표시된 바와 같이), 그리고 측 방향으로(도 6b에서 양방향 화살표로 표시된 바와 같이) 광경을 효과적으로 스캐닝한다는 점이다.
도 7은 수직 방향 및 측 방향 스캐닝을 수행하기 위해서 한 쌍의 광 도파관(220, 320)이 사용되는 본 발명의 다른 비제한적인 실시형태에 따른 구성을 도시한다. 여기서, 제1 광 도파관(220)은 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명된 광 도파관과 유사하고, 제2 광 도파관(320)은 도 5를 참조하여 설명된 광 도파관과 유사하다. 제1 광 도파관(220)는 수평 방향에 대응되는 것으로서 임의로 예시된 연장 방향을 가지며, 두 개의 쌍의 평행한 면이 직사각형 단면을 형성한다. 한 쌍의 평행한 면(222, 224)만이 도 7에 도시되어 있지만, 도 6b의 면(142, 144)과 유사한 제2 쌍의 평행한 면이 또한 존재한다. 복수의 부분 반사 표면(226)은 신장 방향에 대해 비스듬한 각도로 제1 광 도파관(220)을 적어도 부분적으로 횡단한다. 제2 광 도파관(320)은 제1 광 도파관(220)에 광학적으로 결합되고, 한 쌍의 평행한 면들(면들 중 하나(332)만 도 7에 도시됨)을 갖고, 조명될 광경과 면(332)이 대향하는 관계로 배치된다. 제2 광 도파관(320)은 상부 및 하부 평행면(332, 334) 뿐만 아니라 좌측 및 우측 측부 면(342, 344)을 더 포함한다. 도 5에서와 유사하게, 면(332, 334)은 측부 면(342, 344)이 안쪽으로 테이퍼지도록 상이한 길이를 갖는다. 여기에서, 또한 복수의 부분 반사 표면(326)이 면(332)에 대해 비스듬한 각도로 제2 광 도파관(320)을 적어도 부분적으로 횡단한다. 부분 반사 표면(226, 326)은 부분 반사 표면(226)이 제1 세트의 상호 평행한 평면에 배치되고, 부분 반사 표면(326)이 제1 세트의 평면에 비스듬한 제2 세트의 상호 평행한 평면에 놓이도록 배치된다.
광 도파관(220, 320) 사이의 광학 커플링, 부분 반사 표면(226, 326)의 배치 및 구성, 및 커플링-인 구성(여기에 미도시) 및 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 배치는, 조명 및 빔 결합 유닛(102)으로부터의 출력 빔(예를 들어, 도 2 내지 도 4의 빔(108))이 제1 광 도파관(220)의 두 쌍의 평행한 면에 대해 비스듬한 커플링 각도의 초기 전파 방향으로 제1 광 도파관(220) 안으로 커플링될 때, 커플링-인 빔(228)이, 조명(빔(230A, 230B, 320C)으로 개략적으로 표시됨)으로서 제2 광 도파관(320) 안으로 커플링되도록, 부분 반사 표면(226)에서 반사된 빔(228)의 강도의 소정 비율로 광 도파관(220)을 따라 4중 내부 반사에 의해 전파되며, 다음으로, 광경을 향해 (면(332)을 통해) 제2 광 도파관(320) 밖으로 커플링되도록, 부분 반사 표면(326)에서 반사된 조명(230A, 230B, 320C)의 강도의 소정 비율로 제2 광 도파관(320) 내(즉, 면(332)와 면(332)에 평행한 다른 면 사이)에서 2중 내부 반사에 의해 전파되게끔 한다. 부분 반사 표면(326)에 의해 제2 광 도파관(320) 외부로 커플링되는 빔(도 7의 페이지 외부로 나옴)은 330A-1, 330A-2, 330A-3, 330B-1, 330B-2, 330B-3, 330C-1, 330C-2, 330C-3으로 표시된 검정색 채워진 원에 의해서 표현된다. 여기서, 제1 광 도파관(220)에 의해 실시된 스캐닝은 제2 광 도파관(320)에 의해 부여된 측 방향에 의해 강화된다(도 7에서 양방향 화살표로 표시된 측 방향 스캐닝).
명백한 바와 같이, 도 6a 내지 도 7을 참조하여 설명된 광 도파관에 의해 수행된 2차원 애퍼처 확장은 1차원 애퍼처 확장을 수행하는 광 도파관에 비해 더 많은 수의 동공 이미지를 생성하고 조명 강도의 집중을 감소시킨다.
도 6a 내지 도 7을 참조하여 설명된 광 도파관과 구조가 유사한 광 도파관의 구조 및 작동에 대한 추가 세부사항은 위에서 언급된 미국 특허 제10,133,070호에서 찾아질 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 비제한적인 실시형태에 따른 광 도파관(420)의 개략적인 정면도를 도시한다. 여기서, 광 도파관(420)은 2개의 기판 서브섹션, 즉 제1 도파관 섹션(421) 및 제2 도파관 섹션(423)으로 구성된다. 파선은 두 섹션(421, 423)을 분리하는 평면(425)을 나타낸다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 두 섹션(421, 423)은 광 도파관(420)의 커플링-아웃 평면에서 사다리꼴 모양을 가지며, 여기서 커플링 아웃 평면은 평면(432)에 의해서 표현된다.
부분 반사 표면(426a)의 제1 세트는 평평한 면(424) 및 평면(425)에 대해 비스듬하게 광 도파관(420)의 제1 섹션(421)에 배치되고, 부분 반사 표면(426b)의 제2 세트는 면(432)에 대해 비스듬하게 광 도파관(420)의 제2 섹션(423)에 배치된다. 또한, 부분 반사 표면(426a)을 수용하는 평면은 부분 반사 표면(426b)을 수용하는 평면에 대해 비스듬하거나 수직이다.
부분 반사 표면(426a, 426b)의 배치 및 구성, 커플링-인 구성(여기에 미도시) 및 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 배치는, 조명 및 빔 결합 유닛(102)으로부터의 출력 빔(예를 들어, 도 2 내지 도 4의 빔(108))이 광 도파관(420)의 제1 섹션(421) 안으로 커플링될 때, 커플링-인 빔(428)이, 조명(빔(430A, 430B, 420C)으로 개략적으로 표시됨)으로서 광 도파관(420)의 제2 섹션(423) 안으로 커플링되도록, 부분 반사 표면(426a)에서 반사된 빔(428)의 강도의 소정 비율로 제1 가이드된 방향으로 평면(424, 425) 사이의 제1 섹션(421) 내에서 2중 내부 반사를 통해 진행되며, 다음으로, 광경을 향해 (면(432)을 통해) 광 도파관(420)의 제2 섹션(423) 밖으로 커플링되도록, 부분 반사 표면(426b)에서 반사된 조명(430A, 430B, 430C)의 강도의 소정 비율로 제2 가이드된 방향으로(제1 가이드된 방향에 대해 비스듬하게) 면(432)과 면(432)에 평행한 다른 면(도 8에서 식별 가능하지 않음) 사이의 광 도파관(420)의 제2 섹션(423) 내의 2중 내부 반사를 통해서 전파되게끔 한다. 부분 반사 표면(426b)에 의해 광 도파관(420)의 제2 섹션(423) 외부로 커플링되는 빔(도 8의 페이지 외부로 나옴)은 530A-1, 530A-2, 530A-3, 530B-1, 530B-2, 530B-3, 530C-1, 530C-2, 530C-3으로 표시된 검정색 채워진 원으로 표현된다. 예시된 구성에서, 제1 섹션(421) 및 제1 세트의 부분 반사 표면(426a)은 제1 차원 애퍼처 확장, 즉 측 방향 애퍼처 확장 및 빔 스캐닝(제 1 섹션(421)에서 양방향 화살표로 표현됨)을 실행하고, 제2 섹션(423) 및 제2 세트의 부분 반사 표면(426b)은 제2 차원(제1 차원에 직교) 애퍼처 확장, 즉 수직 애퍼처 확장 및 빔 스캐닝(제2 섹션(423)에서 양방향 화살표의 세트로 표현됨)을 실행한다.
한 가이드된 방향으로부터 다른 가이드된 방향으로 전파되는 조명을 재지향시키고 광 도파관의 외부로 조명을 커플링하기 위해 다르게 배향된 부분 반사 표면의 세트를 채용하는 광 도파관의 구조 및 작동에 대한 추가 세부 사항은 위에서 언급된 미국 특허 제10,551,544호에서 찾아질 수 있다.
지금까지 설명된 LIDAR 시스템의 실시형태는 조명 및 빔 결합 유닛의 일부로서 스캐닝 배열체를 채용하는 전송기 서브시스템에 속했지만, 외부 스캐닝 배열체가 광 도파관의 출력부에 배치되는 다른 실시형태가 가능하다. 이제 도 9를 참조하면, 전반적으로 도 2를 참조하여 설명된 실시형태와 유사하지만, 면(122)과 연관되고 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 일부로서 배치된 스캐닝 배열체(106) 대신에 광 도파관(120)의 출력부에 배치된 외부 스캐닝 배열체(160)를 갖는 본 발명의 비제한적인 실시형태에 따른 시스템의 개략도가 도시된다.
특정 실시형태에서, 스캐닝 배열체(160)는 2차원 스캐닝을 수행하도록 구성되는 반면, 다른 실시형태에서, 스캐닝 배열체(160)는 1차원 스캐닝을 수행하도록 구성된다. 스캐닝 배열체(160)가 2차원 스캐닝을 수행하는 실시형태에서, 시준 광학기기(110)는 조명 배열체(104)에 의해 송신된 빔(108)을 시준하고(선택적으로, 이미지 평면(116)으로 나타낸 바와 같이, 동공 이미징으로), 시준된 빔(108)은 내부 반사에 의한 전파 및 부분 반사 표면(126)에 의한 커플링-아웃을 통한 애퍼처 증배를 위해 광 도파관(120) 안으로 커플링된다. 여기서, 커플링-아웃된 빔(130A, 130B, 130C)은 단일 방향을 조명하고, 스캐닝 배열체(160)는, 수직 및 측 방향 스캐닝을 수행함으로써 전체 관심 필드를 2차원으로 스캐닝하도록 빔(130A, 130B, 130C)을 수직 방향과 측 방향으로 편향시킨다. 빔(130A, 130B, 130C)으로부터 스캐닝 배열체(160)에 의해 생성된 편향된 빔은 도 9에 빔(136A, 136B, 136C)으로 개략적으로 표시된다. 측 방향 스캐닝이 종이의 평면 안팎에 있으므로, 편향된 빔(136A, 136B, 136C)에 의해 달성된 측 방향 스캐닝은 도 9에서 식별 가능하지 않다는 점을 유의한다.
스캐닝 배열체(160)가 1차원 스캐닝, 예를 들어, 수직 스캐닝을 수행하는 실시형태에서, 조명 및 빔 결합 유닛(102)은, 시준 광학기기(110)로부터 상류에 그리고 조명 배열체(104)의 출력부에 배치된 광학 구성요소(170)를 더 포함하며, 이는 원거리 필드로 그리고 이미지 평면(116) 상에 조명 라인을 생성하도록 1차원 빔 확장기로서 구성된다. 이러한 실시형태에 따른 하나의 비제한적인 구현예에서, 광학 부품(170)은 1차원 스캐닝 배열체(도 2의 106과 유사)로서 구현되며, 검출기(204)에 의해 이미징될 때 광경의 고해상도를 생성함으로써 고속으로 조명 라인을 생성한다. 다른 비제한적인 구현예에서, 광학 구성요소(170)는 확산기(즉, 광 산란 광학 요소) 또는 원통형 렌즈로서 구현된다.
다른 실시형태에 따른 비제한적인 구현예에 따르면, 광학 구성요소(170)는 직사각형 필드를 조명하는 2차원 빔 확장기로서 구현된다. 이러한 2차원 빔 확장기의 일례는 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명된 매립된 부분 반사 표면을 구비하는 광 도파관이다. 이러한 실시형태에서, 검출기(204)는 바람직하게는, 관심 필드 내의 조명된 포인트의 어레이로부터 동시 범위 검출을 가능하게 하도록 직사각형 픽셀 어레이로서 구현된다. 이러한 실시형태는 외부 스캐닝 배열체(160)를 반드시 필요로 하지 않을 수 있지만, 스캐닝 배열체(160)는 수직 방향 차원 및/또는 측 방향 차원으로 스캐닝된 필드의 사이즈를 추가로 확장시키기 위해 포함될 수 있다.
스캐닝 배열체(160)는, 스캐닝을 2개의 직교 차원에서 수행하는 단일 스캐닝 또는 틸팅 미러, 한 쌍의 직교 단일 축선 스캐닝 또는 틸팅 미러, 및 하나 이상의 프리즘이 하나 이상의 회전/틸팅 축선을 중심으로 회전/틸팅 가능한 한 세트의 프리즘들을 이에 제한 없이 포함하는, 임의의 적절한 빔 발산 또는 빔 조향 메커니즘으로서 구현될 수 있다. 바람직하게는, 스캐닝 배열체(160)는, 스캐닝 배열체(160)의 스캐닝 동작을 제어하는 처리 서브시스템(300)과 전기적으로 연관된다.
다음 단락은 처리 서브시스템(300), 및 특히 처리 서브시스템(300)에 의해 제공되는 처리 및 제어 기능뿐만 아니라 처리 서브시스템(300)의 구성요소를 설명한다. 일반적으로 말하면, 처리 서브시스템(300)은 LIDAR 시스템(10)의 서브시스템에 처리 및 제어 기능 모두를 제공하도록 전송기(100) 및 수광기(200)의 구성요소와 전기적으로 연관된다. 특히, 처리 서브시스템(300)은 검출기(204)와 전기적으로 연관되고, 광경 내의 조명된 물체(예를 들어, 도 1의 물체(18))와 연관된 정보를 도출하도록 검출기(204)로부터의 신호를 처리하도록 구성된다. 특정 실시형태에서, 도출된 정보는 검출기(204)에 의해 생성된 신호의 파장 의존적 변화의 식별에 기반한 광경의 매핑 및/또는 물체(18)의 3D 표현을 구성하기 위해 처리 서브시스템(300)에 의해 사용될 수 있다. 처리 서브시스템(300)은 또한, 조명 배열체(104)와 전기적으로 연관되고, 빔 소스의 조명 타이밍(예: 전송 시작 및 중지 시간 및 레이저 소스의 펄스 지속 시간), 빔 소스에서 생성된 빔의 변조, 및 빔 소스의 출력 파워(증폭기 제어를 통해)를, 한정됨 없이, 포함하여, 조명 배열체(104)의 다양한 조명 파라미터를 제어하도록 구성된다. 개별 빔 소스의 출력 파워는 애플리케이션 특이적일 수 있다.
처리 서브시스템(300)은 바람직하게는, 조명 배열체(104)에 의한 조명 기간에 대응되는 통합 기간 동안 광을 통합하기 위해 검출기(204)를 빔 소스의 조명 타이밍과 동기화하도록 하는 것도 더 구성된다. 또한, 처리 서브시스템(300)은, 스캐닝 배열체의 스캐닝 동작을 제어하기 위해, 스캐닝 배열체로서 구현될 때, 다양한 실시형태의 스캐닝 배열체, 예를 들어, 스캐닝 배열체(106)(도 2 내지 도 4), 및 외부 스캐닝 배열체(160)(도 9) 및/또는 광학 구성요소(170)(도 9)와 전기적으로 연관된다.
처리 시스템(300)은, 임의의 적절한 운영 체제 하에서 작동되고 적절한 소프트웨어 및/또는 펌웨어 모듈을 구현하는 다양한 전용 컴퓨터화 프로세서들의 임의의 조합을, 한정됨 없이, 포함하여, 당업계에 알려진 바와 같이 임의의 적합한 유형의 처리 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있다. 처리 시스템(300)은 정보의 양방향 전송을 위해 LAN 및/또는 WAN 디바이스와의 유선 또는 무선 통신을 허용하기 위한 다양한 통신 구성요소를 더 포함할 수 있다. 비제한적인 예시적인 구현예에 따른 처리 서브시스템(300)의 단순화된 블록도가 도 10에 예시된다. 여기서, 처리 서브시스템(300)은 기억 매체(304)에 결합된 적어도 하나의 컴퓨터화된 프로세서(302)를 포함한다. 기억 매체(304)는 휘발성 데이터 스토리지와 같은 하나 이상의 컴퓨터화된 메모리 디바이스일 수 있다. 프로세서(302)(하나 이상의 프로세서일 수 있음)는, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 주문형 집적회로(ASIC), 디지털 신호 프로세서(DSP), 이미지 프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA: field-programmable gate array), 필드 프로그래머블 로직 어레이(FPLA: field-programmable logic array) 등을, 한정됨 없이, 포함하여, 임의의 수의 컴퓨터화된 프로세서로서 구현될 수 있다. 이러한 컴퓨터화된 프로세서는, 컴퓨터화된 프로세서에 의해 실행될 때, 컴퓨터화된 프로세서로 하여금 동작을 수행하게 하는 프로그램 코드 또는 명령 세트를 저장하는 컴퓨터 판독 가능 매체와 전자적으로 통신할 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 유형은, 전자, 광학, 자기, 또는 컴퓨터 판독 가능 명령어를 컴퓨터화된 프로세서에 제공할 수 있는 기타 저장 또는 전송 디바이스를, 한정됨 없이, 포함한다.
프로세서(302) 및 기억 매체(304)에 추가하여, 처리 서브시스템(300)은, 예를 들어, 복조 회로, 주파수 합성기, 주파수 믹서, 대역 통과 필터, 저역 통과 필터, 증폭기(예: 저잡음 증폭기), 아날로그-디지털 변환기(예: 샘플링 및 양자화 회로의 형태), 디지털-아날로그 변환기, 국부 발진기 등을 포함하여, 아날로그 및/또는 디지털 신호를 수신하고/하거나 처리하기 위한 추가 전자 회로를 포함할 수 있다는 점이 주의된다. 특정 실시형태에서, 처리 서브시스템(300) 자체는 수광기(200)의 일부로서 통합될 수 있다는 점이 또한 주의된다. 다른 실시형태에서, 처리 서브시스템(300)의 서브컴포넌트들은 수광기(200)의 일부로서 통합될 수 있는 반면, 처리 서브시스템(300)의 다른 컴포넌트들은 수광기(200)로부터 분리된 독립형 컴포넌트일 수 있다.
도 2 내지 도 9를 참조하여 위에서 설명된 LIDAR 시스템의 실시형태의 광 도파관 구성 및 스캐닝 배열체는 관심 시야(즉, 관심 광경)를 스캐닝하기 위한 다양한 솔루션을 제공하며, 이로써, LIDAR 시스템으로부터의 출력 빔은 시야에 있는 물체를 조명하도록 관심 시야의 광범위한 수의 각도 위치를 스윕(sweep)한다. 논의된 바와 같이, 관심 시야의 조명된 물체는 다양한 대응되는 도달 방향으로 LIDAR 시스템으로부터 LIDAR 시스템의 수광기를 향해서 다시 조명의 일부를 반사하거나 후방 산란시킨다. LIDAR 시스템의 수광기의 검출기(204)는 반사된 조명의 캡처를 가능하게 하고 처리 서브시스템(300)에 의한 광 반사 물체와 연관된 정보의 도출을 가능하게 하는 광자 감지 기능을 제공한다. 논의된 바와 같이, 도출된 정보는 바람직하게는 시야 내의 조명된 물체의 3D 표현을 생성하기 위해서 사용된다.
당업자에게 잘 알려진 바와 같이, LIDAR 시스템에서 물체의 3D 표현을 생성하기 위해서 사용되는 측정 원리는 비행 시간(TOF: Time-of-Flight)이며, 여기서 LIDAR 시스템의 전송기에 의해 생성된 빔(예: 전송기(100))는 광경 내의 물체에 (빔 스캐닝을 통해) 투사되고, 반사된 조명은, 3D 포인트 클라우드의 생성을 허용하는 물체까지의 거리(즉, 범위)를 결정하기 위해서 (예를 들어, 검출기(204)에 의해) 검출되고 (예를 들어, 처리 서브시스템(300)에 의해) 처리된다. 객체까지의 거리, 일반적으로 물체로부터 검출기(204)까지의 거리는 물체로 이동하는 광파의 왕복 지연에 기반하여 측정된다. 거리 측정은, 전송된 레이저 조명의 강도, 위상 및/또는 주파수를 변조하고 변조 패턴이 수광기에 나타나기 위해서 필요한 시간을 측정함으로써 달성될 수 있다.
TOF 측정에 대한 한 가지 접근 방식은 레이저 조명의 짧은 펄스의 강도 변조에 기반한다. 여기서, 짧은 펄스의 레이저 조명이 광경을 향하게 지향되고, 광경 내의 물체까지의 거리는 빛의 속도에 펄스가 물체까지 거리를 이동하는 데 걸리는 시간을 곱함으로써 결정된다. 언급된 바와 같이, 처리 서브시스템(300)은 바람직하게는, 조명 배열체(104)와 검출기(204) 사이의 동기화를 제공하고, 이로써 빔 소스의 펄스 타이밍과 검출기(204)의 통합 기간 사이의 동기화를 제공한다. TOF 측정을 위해, 처리 서브시스템(300)은, 각각의 레이저 펄스의 전송 시 타이머를 초기화하도록 타이머 회로(타이머 회로는 처리 서브시스템(300)의 일부일 수 있음)를 작동시키고, 검출기(204)로부터 출력 신호의 수신 시 타이머를 종료하도록 타이머 회로를 작동시킨다. 검출기(204)는 물체로부터 반사된 조명을 캡처하는 것에 응답하여 출력 신호를 생성하며, 여기서 출력 신호는 검출기(204)에 의해 캡처된 광의 강도를 나타낸다. TOF는 타이머 초기화와 타이머 종료 사이의 경과 시간으로서 측정된다. TOF는 명확히 물체까지의 거리의 두 배를 나타내므로(즉, 전송기로부터 물체까지의 거리 + 물체로부터 검출기까지의 거리), 물체까지의 실제 범위를 제공하기 위해서 TOF는 반으로 줄여야 한다. 따라서, 단순 강도 변조 접근 방식을 사용하여, 물체까지의 거리 D는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00001
여기서 c는 빛의 속도이다(3 x 108 m/s으로서 근사화됨).
TOF 측정에 대한 다른 접근 방식은 연속파의 진폭 변조(AMCW라고 함)를 기반으로 하며, 이를 통해 전송된 조명의 위상이 검출된 반사 조명의 위상과 비교된다. 여기에서, 전송된 CW 레이저 신호의 광 파워는, 전송된 빔의 강도 신호가 주파수 f M 의 사인파 또는 구형파이도록 일정한 주파수 f M , 일반적으로 수백 KHz로 변조된다. 검출기(204)는 물체로부터 반사된 조명을 캡처하고, 캡처된 조명의 강도를 나타내는 출력 신호를 생성한다. 거리 측정값 D는 변조 주파수 f M 뿐만 아니라 전송된 강도 신호와 반사된 강도 신호 사이에서 발생되는 위상 편이 ΔΦ를 기반으로 도출되며, 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00002
여기서 다시 c는 빛의 속도이다.
생성된 강도 신호를 복조하고 위상 정보를 추출하기 위한 기술은 당업계에 잘 알려져 있지만, 본원에서는 몇 가지 간단한 예가 제공된다. 하나의 비제한적인 실시예에서, 위상 측정값은, 믹서 및 저역 통과 필터의 배열체를 사용하거나, 또는 생성된 강도 신호를 샘플링하고 샘플링된 신호를 고정된 위상 오프셋 수만큼 시프된 전송된 위상 신호와 상호 상관(cross-correlate)시킴으로써 획득될 수 있다. 또 다른 접근 방식은 생성된 강도 신호를 샘플링하는 단계 및 이것을 고정된 위상 오프셋의 수만큼 시프된 전송된 위상 신호와 혼합하는 단계, 및 다음으로 결과적인 위상 수에서 혼합된 신호를 샘플링하는 단계를 포함한다. 여기에 언급된 다양한 기술은, 예를 들어, 믹서, 필터, 국부 발진기, 아날로그-디지털 변환기, 디지털-아날로그 변환기 등을 포함하여, 다양한 전자 구성요소를 활용하고, 수광기(200)의 전체 부분일 수 있거나, 처리 서브시스템(300)의 전체 부분일 수 있거나, 또는 처리 서브시스템(300)과 수광기(200) 사이에서 공유될 수 있는 전자 회로로서 구현될 수 있다.
TOF 측정에 대한 또 다른 접근 방식은 연속파의 주파수 변조(FMCW라고 함)를 기반으로 하며, 전송된 강도 신호의 순간 광학 주파수는 일반적으로 빔 소스의 출력 파워를 변경함으로써 주기적으로 시프트된다. AMCW 접근 방식에서와 같이, 검출기(204)는 물체로부터 반사된 조명을 캡처하고, 캡처된 조명의 강도를 나타내는 출력 신호를 생성한다. 그러나, 여기서 검출기(204)에 의해 생성된 신호는, 물체 거리를 측정하기 위해서 사용될 수 있는 비트 주파수를 생성하도록, 전송된 소스 신호와 혼합된다. 정적 물체의 경우, 레이저 조명의 전송과 검출기(204)에 의한 조명의 수집 사이의 시간 지연은 신호의 혼합으로부터 일정한 주파수 차이(즉, 비트 주파수) f B 를 유발한다. 기간 T에 걸쳐 전송된 레이저 조명의 순간적인 광학 주파수를 선형적으로 변화시킴으로써, 비트 주파수 f B 는 TOF에 정비례하여 변화되고, 따라서 동등성에 의해 물체까지의 거리 D에 비례한다. f B 와 TOF 사이의 비례 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pct00003
따라서 D는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pct00004
여기서 B는 주파수 스위프(sweep)의 대역폭이다.
송신 신호와 수신 신호 사이의 주파수 차이는 주기적인 위상차로 나타나며, 이것은 비트 주파수 f B 에서 교번하는 보강 및 상쇄 간섭 패턴을 유발하며, 이로써 주파수 f B 에서 비트 신호를 생성한다. 비트 주파수 f B 의 피크는, 푸리에 분석을 통해 주파수 영역에서 비트 신호를 분석함으로써 거리로 쉽게 변환될 수 있다. 주파수 영역 분석을 수행하기 위한 특히 선호되는 기술 중 하나는 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)에 의한 것이다. FFT 알고리즘은 당업계에 잘 알려져 있고, 처리 서브시스템(300)을 사용하여 구현될 수 있다.
상술된 실시예에서, 순간 주파수는, 램프 변조 주파수를 생성하도록 선형적으로 변화되고 단조 증가(monotonically increase)된다. 그러나 FMCW의 많은 실제 응용분야에서, 램프 대신 삼각 변조 주파수가 사용된다. 여기서, 주파수 변화율은 2f M B로서 표현되며, 여기서 f M 은 변조 주파수이다. 따라서 비트 주파수 f B 는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pct00005
여기서, 또한 비트 주파수 f B 의 피크를 거리로 변환시키기 위해서 비트 신호는 FFT 알고리즘을 적용함으로써 분석될 수 있다. 이 삼각 변조는 움직이는 물체를 검출하기 위해서 사용될 때, 특히 유용하며, 물체의 속도(즉, 속력 및 방향)는 도플러 주파수를 계산함으로써 결정될 수 있다.
객체까지의 TOF 및 거리를 결정하기 위한 위의 모든 기술이 점별 측정의 맥락에서 설명되었으며, 이 점별 측정에서 레이저 조명의 단일 펄스 또는 단일 변조된 빔이 광경 내의 물체의 한 지점을 조명하도록 전송기(100)에 의해 전송되고, 이에 의해 수광기(200)(특히 검출기(204))는 상술된 조명에 응답하여 물체로부터 반사된 광을 캡처하고, 처리 서브시스템(300)은 캡처링 광에 응답하여 검출기(204)에 의해 생성된 신호에 기반하여 TOF 및 거리 정보를 도출한다. 그러나, 당업계에 잘 알려진 바와 같이, LIDAR 시스템에 의해 생성된 주요 출력 중 하나는 조명된 물체의 3D 표현이며, 이는 일반적으로 3D 포인트 클라우드 또는 이로부터 렌더링된 3D 이미지의 형태이다. 이러한 포인트 클라우드는 일반적으로, 물체의 많은 포인트를 조명하기 위해 시야를 스캐닝하고 응답적으로 각각의 조명된 포인트에 대해 캡처된 후방 산란(반사) 광으로부터 TOF 및 거리를 계산함으로써 생성된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 처리 서브시스템(300)은, 광경 내의 물체 상의 복수의 지점들을 광의 빔으로 조명하기 위해, 시야를 스캐닝함으로써(도 2 내지 도 9를 참조하여 설명된 광 도파관 및 스캐닝 배열체 구성에 의해 가능해진 기술을 사용함) 포인트 클라우드와 같은 이러한 3D 표현을 생성하도록 구성된다. 어퍼처가 증배된 전송된 빔은 상술된 전송기(100) 구성을 통해 상술된 스캐닝 배열체를 통해 반복적으로 재배치되고(또는 광경의 큰 구획이 한번에 조명됨), 물체로부터의 대응되는 반사 광은 대응되는 신호를 생성하기 위해서 검출기(204)에 의해 캡처되고, 이 대응되는 신호는 포인트 클라우드를 구축하기 위해 상술된 TOF 및 거리를 결정하기 위한 다양한 기술에 따라 처리 서브시스템(300)에 의해 처리된다. 바람직하게는, 처리 서브시스템(300)은, 전체 관심 필드의 스캐닝된 조명을 가능하게 하기 위해 조명 배열체(104)와 다양한 스캐닝 배열체(예를 들어, 특정 비제한적인 구현예에서 스캐닝 배열체(106, 160)와 광학 구성요소(170)) 사이의 동기화를 제공한다.
일반적으로 말하면, 포인트 클라우드의 밀도는 스캐닝 속도(즉, 광경 내의 다른 영역이 얼마나 빨리 조명되는지)와 검출기(204)의 캡처 속도에 의해 제한된다. 검출기(204)가 센서 매트릭스 또는 직사각형 픽셀 어레이로서 구현될 때, 검출기(204)는 다수의 영역으로부터 반사된 광을 동시에 캡처할 수 있고, 이로써 더 높은 전체 캡처 속도를 제공할 수 있다. 바람직하게는, 전송기(100) 및 수광기(200)는 처리 서브시스템(300)이 3D 이미지와 유사한 "고밀도" 포인트 클라우드를 생성하게 할 수 있도록 구성된다. 처리 서브시스템(300)은 또한, 당업계에 잘 알려진 기술을 사용하여 3D 포인트 클라우드를 2차원(2D) 깊이 이미지로 변환하도록 구성될 수 있다.
지금까지 설명된 본 발명의 실시형태는 전자기 스펙트럼의 NIR 영역 및/또는 전자기 스펙트럼의 가시 영역의 파장을 갖는 광을 생성하도록 구성된 빔 소스를 갖는 조명 배열체를 사용하는 것에 관한 것이지만, 조명 배열체가, 예를 들어, 전자기 스펙트럼의 자외선 영역 내의 광을 생성하도록 구성된 빔 소스를 포함하여, 가시 영역 및 NIR 외부의 광을 생성하도록 구성된 하나 이상의 빔 소스를 포함하는 다른 실시형태가 가능하다.
본원에 설명된 실시형태에 따른 시스템에 의해 달성 가능한 작동 범위는 일반적으로, 예를 들어, 빔 파장, 빔 강도, 펄스 지속 시간 및 빔 발산을 포함하여, 여러 파라미터의 함수이다. 이러한 파라미터 중 일부는 처리 서브시스템(300)으로부터 조명 배열체(104)로의 제어된 입력에 의해 조정될 수 있는 한편, 다른 파라미터는 조명 및 빔 결합 유닛(102)의 다양한 광학 및 스캐닝 구성요소를 수정함으로써 조정될 수 있는 한편, 또 다른 파라미터는 조명 배열체(104)에 배치된 빔 소스(들)의 유형을 변경함으로써 조정될 수 있다. 당업자는 원하는 작동 범위를 달성하기 위해 다양한 파라미터를 튜닝하는 방법을 이해할 것이다. 이러한 파라미터들 중 일부를 조정함으로써, 본원에 설명된 실시형태에 따른 시스템은 기존의 LIDAR 시스템보다 우수한 작동 범위를 달성할 수 있다. 대기 감쇠, 빔 발산 또는 기타 저하 요인을 무시하고, 약 900 nm에서 작동되는 NIR 레이저를 채용하는 기존 LIDAR 시스템은 최대 작동 범위가 약 100미터이다. 비제한적인 실시예에서, 광 도파관(120)의 입력 애퍼처에서 미리 정의된 강도(눈 안전을 위해)를 가정하고, 광 도파관(120)이 애퍼처의 3배 확장(2차원으로)을 제공한다고 가정하면, 전송기(100)의 출력 애퍼처에서의 총 출력 파워는 9배만큼 증가되고, 따라서 시스템(10)의 작동 범위는 기존의 LIDAR 시스템과 비교하여 (역제곱 법칙에 따라) 3배만큼 증가된다. 따라서, 본 발명의 LIDAR 시스템에 의해 달성 가능한 작동 범위는 적어도 300미터가 될 것으로 예상될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 LIDAR 시스템이 운전자 조작 지상 기반 비이클에 배치되거나 운전자 조작 지상 기반 비이클과 함께 사용되기 위해 배치되는 경우, 개시된 실시형태의 광 도파관은 유리하게는 비이클의 운전자의 전방에 설치될 수 있으며, 예를 들어, 비이클의 대시보드 또는 전방 윈드실드에 통합될 수 있다는 점이 주의된다. LIDAR 시스템이 헬멧의 일부로서 전개될 때, 개시된 실시형태의 광 도파관은 유리하게 헬멧의 전방 영역에서 헬멧의 일부로서 설치될 수 있다.
지금까지 개시된 LIDAR 시스템의 실시형태가 자율주행 또는 반자율주행 비이클과 같은 지상 기반 비이클과 함께 사용되도록 하기 위한 LIDAR 응용분야의 맥락에서 설명되었지만, 본 발명의 실시형태는 또한, 정지된 지상 LIDAR 응용분야 및 원격 감지 응용분야와 같은 공중 LIDAR 응용분야에서 유리하게 사용될 수 있다. 지상 응용분야의 경우, 광경 내의 물체와 연관된 데이터를 수집하기 위해 시스템이 마운트 또는 타워와 같은 고정 플랫폼 상에 배치되는 실시형태가 본원에서 고려된다. 공중 응용분야의 경우, 시스템이 유인(즉, 사람이 조종하는) 항공기(예: 비행기, 헬리콥터 등) 또는 무인 항공기(예: 무인항공기(UAV), 드론 등)와 같은 항공기에 배치되거나 장착되는 실시형태가 고려된다. 이러한 실시형태에서, 시스템은 바람직하게는 항공기의 밑면 또는 배에 배치되며, 이로써 시스템이 항공기(일반적으로 10 내지 100 미터의 범위 내 또는 소형 UAV 또는 드론에 배치된 고강도 레이저 소스를 사용할 경우 최대 1 km의 고도에서 이동함)에 의해 모니터링되는 지상의 원격 광경 내의 물체와 연관된 데이터를 수집할 수 있게 한다.
지금까지 개시된 실시형태들의 전송기 및 수광기가 LIDAR 응용분야, 특히 지상 기반 또는 공중 비이클과 함께 사용되기 위해 배치된 LIDAR 시스템에서의 사용의 특정 컨텍스트 내에서 설명되었지만, 상술된 실시형태에 기반된 전송기 및 수광기 구성은 레이저 거리측정기 응용분야와 같이 광경 스캐닝이 필요하지 않은 비-LIDAR 응용분야에서 사용되기에 적합할 수 있다는 점이 주의된다. 예를 들어, 상술된 실시형태의 스캐닝 배열체가 없는 전송기 구성은 지상 장착 또는 핸드헬드 레이저 거리 측정기 시스템의 일부로서 유리하도록 사용될 수 있으며, 광경의 단일 포인트 또는 포인트들의 작은 클러스터는 포인트 또는 포인트-클러스터까지의 거리를 측정하기 위해 스캐닝 없이 광경이 조명된다.
본 개시내용의 다양한 실시형태에 대한 설명이 예시를 위해 제공되었지만, 총망라된 것으로 또는 개시된 실시형태에 한정되는 것으로 의도되지 않는다. 많은 수정예 및 변형예는 설명된 실시형태의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않으면서 당업자에게 명백할 것이다. 본원에서 사용된 용어는, 시장에서 발견되는 기술에 대한 실시형태의 원리, 실제 응용분야 또는 기술적 개선을 최적으로 설명하도록, 또는 당업자가 본원에 개시된 실시형태를 이해할 수 있도록 선택되었다.
본원에서 사용된 바와 같이, 단수형("일", "한", "하나")은 문맥상 명확히 달리 지시되지 않는 한 복수 대상을 포함할 수 있다.
"예시적인"이란 단어는 "예, 사례 또는 예시로서의 역할을"을 의미하도록 본원에서 사용된다. "예시적인" 것으로서 설명된 임의의 실시형태는 반드시 다른 실시형태에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석되고/되거나 다른 실시형태로부터의 특징의 통합을 배제하는 것으로 해석될 필요는 없다.
명확성을 위해 별도의 실시형태의 맥락에서 설명된 본 발명의 특정 특징들이 또한 단일 실시형태에서 조합되어 제공될 수 있다는 점이 이해된다. 반대로, 간결성을 위해 단일 실시형태의 맥락에서 설명된 본 발명의 다양한 특징들이 또한, 본 발명의 임의의 다른 설명된 실시형태에서 별도로 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 또는 적합한 것으로서 제공될 수 있다. 다양한 실시형태의 맥락에서 설명된 특정 특징은 실시형태가 이러한 요소 없이 작동되지 않는 한 이러한 실시형태의 필수 특징으로 간주되지 않는다.
첨부된 청구범위가 다중 종속성 없이 작성된 경우에, 이는 이러한 다중 종속성을 허용하지 않는 관할 구역의 방식 요건을 수용하기 위해서만 수행되었다. 청구범위를 다중 종속적으로 만드는 것으로 암시되는 모든 가능한 특징의 조합이 명시적으로 예상되고 본 발명의 일부로 간주되어야 한다는 점이 유의되어야 한다.
본 발명은 이의 구체적인 실시형태와 관련하여 설명되었지만, 많은 대안예, 수정예 및 변형예가 당업자에게 명백할 것이라는 점이 분명하다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 청구범위의 사상 및 넓은 범위 내에 속하는 모든 이러한 대안예, 수정예 및 변형예를 포괄하도록 의도된다.

Claims (40)

  1. 시스템에 있어서,
    내부 반사에 의해 광을 가이드하기 위한 적어도 2개의 주된 외부 표면을 갖는 광 도파관 - 상기 2개의 주된 외부 표면 중 제1 표면은 광경(scene)과 대향하는 관계로 배치됨 -;
    상기 광경을 향해 상기 광 도파관의 외부로 상기 광 도파관에 의해 가이드된 광의 일정 비율의 부분을 커플링(coupling)하도록 구성된, 상기 광 도파관과 연관된 광학 커플링-아웃(coupling-out) 구성;
    상기 광 도파관에 커플링되기 전에 시준되는 상기 광 도파관 안으로 커플링하기 위한 광을 방출하도록 배치된 조명 배열체;
    상기 광학 커플링-아웃 구성에 의해 상기 광 도파관 외부로 커플링된 광에 의한 물체의 조명에 응답하여 상기 광경 내에 위치된 상기 물체로부터 반사된 광을 감지하기 위한 검출기; 및
    적어도 하나의 프로세서를 포함하며, 상기 검출기와 전기적으로 연관되며, 상기 물체와 연관된 정보를 도출하기 위해 상기 검출기로부터의 신호를 처리하도록 구성된 처리 서브시스템을 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사 광을 상기 검출기에 집속하기 위한 집속 광학기기를 더 포함하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 집속 광학기기는 상기 2개의 주된 외부 표면 중 제2 표면과 연관된, 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 반사 광은 상기 집속 광학기기에 의해 수신되기 전에 상기 2개의 주된 외부 표면을 투과하는, 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 시스템의 출력 애퍼처는 상기 커플링-아웃 구성에 의해 적어도 일부가 획정되고, 시스템의 입력 애퍼처는 상기 집속 광학기기에 의해 적어도 일부가 획정된, 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 입력 애퍼처는 상기 출력 애퍼처와 적어도 부분적으로 중첩되는, 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 입력 애퍼처와 상기 출력 애퍼처는 중첩되지 않는, 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 2개의 주된 외부 표면 중 상기 제1 표면과 연관된 회절 광학 요소를 더 포함하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광학 커플링-아웃 구성에 의해 상기 광 도파관의 외부로 커플링된 광으로 상기 광경을 스캐닝하도록 배치된 스캐닝 배열체를 더 포함하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 스캐닝 배열체는 상기 조명 배열체와 상기 광 도파관 사이에 배치되고, 상기 스캐닝 배열체는 상기 조명 배열체에 의해 방출된 광을 소정의 각도 범위를 커버하게끔 편향시키도록 구성되어, 상기 광 도파관 외부로 커플링된 광이 대응되는 각도 범위를 커버하는, 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 스캐닝 배열체는 상기 2개의 주된 외부 표면 중 상기 제1 표면과 연관된, 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 광 도파관 안으로 커플링되기 전에 상기 조명 배열체에 의해 방출된 광을 시준하기 위해 상기 조명 배열체와 상기 광 도파관 사이의 광학 경로에 배치된 시준 광학기기를 더 포함하는 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 조명 배열체와 상기 광 도파관 사이의 광학 경로에 배치되고, 상기 조명 배열체에 의해 방출된 광의 애퍼처 확장을 적어도 제1 차원으로 수행하도록 구성된 광학 구성요소를 더 포함하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 2개의 주된 외부 표면 중 상기 제1 표면과 연관되고, 상기 제1 차원에 직교하는 제2 차원을 스캐닝하도록 구성된 스캐닝 배열체를 더 포함하는 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 광학 구성요소는 상기 조명 배열체에 의해 방출된 광의 확장을 상기 제1 차원 및 상기 제1 차원에 직교하는 제2 차원으로 수행하도록 구성된, 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 상기 광학 구성요소는, 내부 반사에 의해 상기 조명 배열체에 의해 방출된 광을 가이드하기 위한 투광성 기판, 및 상기 기판에 의해 가이드된 광의 일정 비율의 부분을 상기 기판 외부로 상기 광 도파관을 향해 커플링하기 위해 상기 기판과 연관된 제2 광학 커플링-아웃 구성을 포함하는, 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 광학 커플링-아웃 구성은 상기 2개의 주된 외부 표면에 대해 비스듬하게 상기 광 도파관 내에 배치된 복수의 부분 반사 표면을 포함하는, 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 상기 광학 커플링-아웃 구성은 상기 2개의 주된 외부 표면 중 적어도 하나의 표면과 연관된 회절 광학 요소를 포함하는, 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 광 도파관과 연관된 것으로서, 내부 반사에 의해 상기 광 도파관 내에서 전파되도록 광을 상기 광 도파관 안으로 커플링하도록 구성된, 광학 커플링-인(coupling-in) 구성을 더 포함하는 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 조명 배열체는 복수의 빔 소스를 포함하고, 상기 빔 소스들은 서로 다른 각각의 파장에서 광을 생성하도록 구성된, 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 조명 배열체는 상기 빔 소스들에 의해 생성된 광을 결합된 광 빔으로 결합하기 위한 빔 결합기를 더 포함하는, 시스템.
  22. 제20항에 있어서, 상기 파장은 전자기 스펙트럼의 근적외선 영역에 있는, 시스템.
  23. 제20항에 있어서, 상기 빔 소스는 레이저 소스로서 구현된, 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 레이저 소스는 펄스 레이저 소스이고, 상기 처리 서브시스템은 상기 조명 배열체와 전기적으로 연관되며, 상기 레이저 소스의 펄스 타이밍을 제어하도록 하는 것도 더 구성된, 시스템.
  25. 제20항에 있어서, 상기 빔 소스 중 하나의 빔 소스는 전자기 스펙트럼의 가시 영역의 광을 생성하도록 구성되고, 나머지 빔 소스들은 전자기 스펙트럼의 근적외선 영역의 서로 다른 각각의 파장에서 광을 생성하도록 구성된, 시스템.
  26. 제1항에 있어서, 상기 처리 서브시스템은 상기 조명 배열체와 전기적으로 연관되며, 상기 조명 배열체의 조명 타이밍을 제어하도록 하는 것도 더 구성된, 시스템.
  27. 제1항에 있어서, 상기 처리 서브시스템에 의해 도출된 상기 물체와 연관된 상기 정보는 비행 시간(time of flight) 정보를 포함하는, 시스템.
  28. 제1항에 있어서, 상기 처리 서브시스템에 의해 도출된 상기 물체와 연관된 상기 정보는 상기 검출기로부터 상기 물체까지의 거리를 포함하는, 시스템.
  29. 제1항에 있어서, 상기 처리 서브시스템은 상기 물체와 연관된 상기 정보에 기반하여 상기 물체의 3차원 표현을 구성(construct)하도록 하는 것도 더 구성된, 시스템.
  30. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 지상 기반 비이클(ground-based vehicle)에 배치된, 시스템.
  31. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 항공기에 장착된, 시스템.
  32. 제1항에 있어서, 상기 광 도파관은 상기 광 도파관 외부로 커플링된 광으로 상기 광경의 측 방향 스캐닝을 달성하도록 단면 평면이 사다리꼴 모양인, 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 시스템은, 직사각형 단면을 형성하는 2개의 쌍의 평행한 주된 외부 표면을 갖는 투광성 기판; 및
    상기 기판과 연관된 광학 커플링 구성을 더 포함하고, 상기 기판 안으로 커플링된 광은 상기 기판을 통해 4중(four-fold) 내부 반사에 의해 진행되고, 상기 기판을 통해 진행되는 상기 광의 강도의 소정 비율은 상기 광학 커플링 구성에 의해 상기 기판 외부로 그리고 상기 광 도파관 안으로 커플링되는, 시스템.
  34. 제1항에 있어서, 상기 광 도파관은 직사각형 단면을 형성하는 2개의 쌍의 평행한 주된 외부 표면을 포함하고, 상기 광 도파관 안으로 커플링된 광은 상기 광 도파관을 통한 4중 내부 반사에 의해 진행되는, 시스템.
  35. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 광학 커플링 구성을 더 포함하고, 상기 광 도파관은 상기 광학 커플링 구성과 연관된 제1 도파관 섹션 및 상기 광학 커플링-아웃 구성과 연관된 제2 광 도파관 섹션을 포함하고, 상기 광 도파관 안으로 커플링된 광은 내부 반사에 의해 상기 제1 도파관 섹션을 통해 진행되고, 상기 제1 도파관 섹션을 통해 진행되는 광의 강도의 소정 비율은 상기 제1 도파관 섹션 외부로 커플링되도록, 그리고 내부 반사에 의해 상기 제2 도파관 섹션을 통해 진행되도록 상기 제2 도파관 섹션 안으로 상기 광학 커플링 구성에 의해 제1 방향으로 편향되고, 상기 제2 도파관 섹션을 통해 진행되는 광은 상기 광경을 향해 상기 광 도파관 외부로 커플링되도록 상기 광학 커플링-아웃 구성에 의해 제2 방향으로 편향되는, 시스템.
  36. 제35항에 있어서, 상기 광학 커플링 구성은 광의 스캐닝을 제1 차원으로 실시하고, 상기 광학 커플링-아웃 구성은 광의 스캐닝을 상기 제1 차원에 실질적으로 직교하는 제2 차원으로 실시하는, 시스템.
  37. 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 시스템에 있어서,
    전송기로서,
    내부 반사에 의해 광을 가이드하기 위한 적어도 2개의 주된 외부 표면을 갖는 광 도파관 - 상기 2개의 주된 외부 표면 중 제1 표면은 광경(scene)과 대향하는 관계로 배치됨 -,
    상기 광경을 향해 상기 광 도파관의 외부로 상기 광 도파관에 의해 가이드된 광의 일정 비율의 부분을 커플링(coupling)하도록 구성된 상기 광 도파관과 연관된 광학 커플링-아웃(coupling-out) 구성,
    상기 광 도파관에서 커플링되기 전에 시준되는 상기 광 도파관 안으로 커플링되도록 하기 위한 광의 코히렌트 빔(coherent beam)을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 빔 소스, 및
    상기 광학 커플링-아웃 구성에 의해 상기 광 도파관의 외부로 커플링된 광으로 상기 광경을 스캐닝하도록 배치된 스캐닝 배열체를 포함하는, 전송기;
    수광기로서,
    상기 광학 커플링-아웃 구성에 의해 상기 광 도파관 외부로 커플링된 광에 의한 물체의 조명에 응답하여 상기 광경 내에 위치된 상기 물체로부터 반사된 광을 감지하기 위한 검출기를 포함하는, 수광기; 및
    적어도 하나의 프로세서를 포함하는 처리 서브시스템으로서, 상기 검출기와 전기적으로 연관되고, 상기 물체의 3차원 표현을 구성하기 위해 상기 검출기로부터의 신호를 처리하도록 구성된, 처리 서브시스템을 포함하는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  38. 제37항에 있어서, 상기 처리 서브시스템은 상기 조명 배열체와 전기적으로 연관되며, 상기 조명 배열체의 조명 타이밍을 제어하도록 하는 것도 더 구성된, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  39. 제37항에 있어서, 상기 전송기는 상기 광학 커플링-아웃 구성에 의해 적어도 일부가 획정된 출력 애퍼처를 갖고, 상기 수광기는 상기 집속 광학기기에 의해 적어도 일부가 획정된 입력 애퍼처를 갖고, 상기 입력 애퍼처는 상기 출력 애퍼처와 적어도 부분적으로 중첩되는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
  40. 제37항에 있어서, 상기 전송기는 상기 광학 커플링-아웃 구성에 의해 적어도 일부가 획정된 출력 애퍼처를 갖고, 상기 수광기는 상기 집속 광학기기에 의해 적어도 일부가 획정된 입력 애퍼처를 갖고, 상기 입력 애퍼처와 상기 출력 애퍼처는 중첩되지 않는, 광 검출 및 거리 측정 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11592676B2 (en) 2020-04-20 2023-02-28 Lumus Ltd. Near-eye display with enhanced laser efficiency and eye safety
TWI822302B (zh) * 2022-09-05 2023-11-11 財團法人工業技術研究院 光學雷達及其光訊號拾取方法
CN116593996B (zh) * 2023-07-17 2023-11-07 深圳市速腾聚创科技有限公司 激光雷达及可移动设备

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE473464T1 (de) * 2000-06-05 2010-07-15 Lumus Ltd Optischer strahlaufweiter mit substratlichtwellenleitung
US6542227B2 (en) * 2001-09-04 2003-04-01 Rosemount Aerospace, Inc. System and method of measuring flow velocity in three axes
IL155859A0 (en) * 2003-05-12 2004-08-31 Elop Electrooptics Ind Ltd Optical unit and system for steering a light beam
US9297889B2 (en) * 2012-08-14 2016-03-29 Microsoft Technology Licensing, Llc Illumination light projection for a depth camera
CN108882845B (zh) 2016-12-31 2022-05-03 鲁姆斯有限公司 基于经由光导光学元件的视网膜成像的眼动追踪器
DE102017206912A1 (de) * 2017-04-25 2018-10-25 Robert Bosch Gmbh Laserscanner beispielsweise für ein LIDAR-System eines Fahrerassistenzsystems
CA3082067C (en) * 2017-11-21 2023-08-01 Lumus Ltd. Optical aperture expansion arrangement for near-eye displays

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