KR20230002602A - Lidar 시스템 - Google Patents

Abstract

LIDAR 시스템은 제1 폴리곤 스캐너, 제2 폴리곤 스캐너, 및 광학 장치를 포함한다. 제1 폴리곤 스캐너는 회전축을 중심으로 복수의 제1 패싯들을 포함한다. 제2 폴리곤 스캐너는 회전축에 대해 복수의 제1 패싯들로부터 외측에 있는 복수의 제2 패싯들을 포함한다. 광학 장치는 회전축에 대해 제1 폴리곤 스캐너로부터 내측에 있다. 광학 장치는 제1 폴리곤 스캐너에 제1 빔을 출력하도록 구성된다. 제1 폴리곤 스캐너는 제1 빔을 굴절시켜 제2 빔을 제2 폴리곤 스캐너로 출력하도록 구성된다. 제2 폴리곤 스캐너는 제2 빔을 굴절시켜 제3 빔을 출력하도록 구성된다.

Description

LIDAR 시스템

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 출원은 전체 개시 내용이 본 명세서에 참조로서 포함되는 2020년 5월 15일자 출원된 미국 특허 출원 번호 제16/875,114호에 대한 우선권 및 그 이익을 주장한다.

광학 검출 및 거리 측정(Light detection and ranging)을 위한, 니모닉(mnemonic)인 LIDAR(라이다)로 불리고, 때때로 레이저 레이다 (laser RADAR(radio-wave detection and ranging))라고도 불리는 레이저를 이용한 거리의 광학 검출은 고도 측정으로부터, 이미징(imaging), 충돌 회피에 이르기까지 다양한 응용을 위해 사용된다. LIDAR는 RADAR와 같은 종래의 마이크로파 거리 측정 시스템(microwave ranging system)보다 작은 빔 크기로 더 미세한 스케일 범위(scale range)의 해상도를 제공한다.

적어도 하나의 양태는 LIDAR 시스템에 관한 것이다. LIDAR 시스템은 제1 폴리곤 스캐너, 제2 폴리곤 스캐너, 및 광학 장치를 포함한다. 제1 폴리곤 스캐너는 회전축을 중심으로 복수의 제1 패싯들(facets)을 포함한다. 제2 폴리곤 스캐너는 회전축에 대해 복수의 제1 패싯들로부터 외측에 있는 복수의 제2 패싯들을 포함한다. 광학 장치는 회전축에 대해 제1 폴리곤 스캐너로부터 내측에 있다. 광학 장치는 제1 폴리곤 스캐너에 제1 빔을 출력하도록 구성된다. 제1 폴리곤 스캐너는 제1 빔을 굴절시켜 제2 빔을 제2 폴리곤 스캐너로 출력하도록 구성된다. 제2 폴리곤 스캐너는 제2 빔을 굴절시켜 제3 빔을 출력하도록 구성된다.

적어도 하나의 양태는 자율 차량 제어 시스템에 관한 것이다. 자율 차량 제어 시스템은 제1 폴리곤 스캐너, 제2 폴리곤 스캐너, 검출기 어레이, 및 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. 제1 폴리곤 스캐너는 회전축을 중심으로 복수의 제1 패싯들을 포함한다. 제2 폴리곤 스캐너는 회전축에 대해 복수의 제1 패싯들로부터 외측에 있는 복수의 제2 패싯들을 포함한다. 하나 이상의 프로세서들은 제1 폴리곤 스캐너가 제1 회전 주파수로 회전되게 하고, 제2 폴리곤 스캐너가 제2 회전 주파수로 회전되게 하고, 레이저 소스가 제1 폴리곤의 내부의 제1 빔을 복수의 제1 패싯들 중 특정 제1 패싯으로 전송하도록 하여 해당 특정 제1 패싯이 제1 빔을 굴절시켜 복수의 제2 패싯들 중 특정 제2 패싯에 입사하는 제2 빔을 출력하고 해당 특정 제2 패싯이 제2 빔을 굴절시켜 제3 빔을 출력하도록 하고, 제3 빔에 응답하는 객체로부터 검출기 어레이에서 수신된 제4 빔을 기초로 검출기 어레이로부터 신호를 수신하고, 그리고 검출기 어레이로부터 수신된 신호를 이용하여 객체까지의 거리를 결정하도록 구성된다.

적어도 하나의 양태는 자율 차량에 관한 것이다. 자율 차량은 LIDAR 장치와 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. LIDAR 장치는 회전축을 중심으로 복수의 제1 패싯들을 포함하는 제1 폴리곤 스캐너를 포함한다. 복수의 제1 패싯들 중 특정 제1 패싯은 제1 빔을 굴절시켜 제2 빔을 출력하도록 구성된다. LIDAR 장치는 회전축에 대해 복수의 제1 패싯들로부터 외측에 있는 복수의 제2 패싯들을 포함하는 제2 폴리곤 스캐너를 포함한다. 복수의 제2 패싯 중 특정 제2 패싯은 제2 빔을 굴절시켜 제3 빔을 출력하도록 구성된다. 하나 이상의 프로세서들은 제3 빔에 응답하여 객체로부터 수신된 제4 빔을 이용하여 객체까지의 거리를 결정하고 객체까지의 거리를 이용하여 자율 차량의 동작을 제어하도록 구성된다.

당해 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명의 내용이 단지 예시적이고, 어떠한 방식으로도 한정하는 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 본 명세서에 설명된 임의의 특징은 임의의 다른 특징과 함께 사용될 수 있고, 이러한 특징들의 임의의 부분 집합은 다양한 실시예에 따라 조합하여 사용될 수 있다. 청구항에 의해서만 정의되는 본 명세서에 설명된 장치 및/또는 방법의 다른 양태, 발명적 특징 및 이점은 본 명세서에 설명되고 첨부된 도면과 함께 취해지는 상세한 설명에서 명백하게 될 것이다.

첨부 도면에서 실시예들은 제한적인 방식이 아니라 예시적인 방식으로 설명되며, 유사한 참조 번호의 경우 유사한 요소를 지칭한다.
도 1a는, 일 구현예에 따라, 일련의 이진수(binary digit)의 예시적인 송신된 신호를 거리의 측정을 위해 리턴된 광 신호들과 함께 도시하는 개략적인 그래프이고;
도 1b는, 일 구현예에 따라, 기준 신호의 예시적인 스펙트럼과 도플러 시프트된 리턴 신호(Doppler shifted return signal)의 예시적인 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프이고;
도 1c는, 일 구현예에 따라, 도플러 시프트된 리턴 신호의 위상 성분의 예시적인 교차-스펙트럼(cross-spectrum)을 도시하는 개략적인 그래프이고;
도 1d는, 일 구현예에 따라, 예시적인 광 처프(optical chirp) 거리 측정을 도시하는 일련의 그래프이고;
도 1e는 대칭 LO 신호를 사용하는 그래프로서, 일 구현예에 따라, 도플러 시프트가 없을 때 리턴 신호를 주파수-시간 플롯(frequency time plot)에서 점선으로 나타내고;
도 1f는 대칭 LO 신호를 사용하는 도 1e와 유사한 그래프로서, 일 구현예에 따라, 0이 아닌 도플러 시프트가 있을 때 리턴 신호를 주파수-시간 플롯에서 점선으로 나타내고;
도 2a는, 일 구현예에 따라, 고해상도(hi res) LIDAR 시스템의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이고;
도 2b는, 일부 구현예에서 사용되는, 고해상도 도플러 시스템을 위한 톱니형(saw tooth) 스캔 패턴을 도시하는 블록도이고;
도 2c는, 일 구현예에 따라, 고해상도 도플러 LIDAR 시스템에 의해 생성된 예시적인 속도 포인트 클라우드(speed point cloud)를 도시하는 이미지이고;
도 2d는, 일 구현예에 따라, 도 2a의 시스템의 스캐닝 광학 장치의 예시적인 컴포넌트를 도시하는 블록도이고;
도 2e는, 일 구현예에 따라, 차량에 장착된 적어도 하나의 고해상도 LIDAR 시스템을 포함하는 예시적인 시스템을 도시하는 블록도이고;
도 3은 시야(field of view)에 걸쳐 입사빔을 반사하도록 모터에 의해 회전되는 폴리곤 반사기(polygon reflector)를 포함하는 종래의 어셈블리를 도시하는 블록도이고;
도 4는, 일 구현예에 따라, 편향기의 내부로부터 입사되는 빔을 굴절시키도록 모터에 의해 회전되는 폴리곤 편향기(polygon deflector)를 포함하는 어셈블리를 도시하는 블록도이고;
도 5a는, 일 구현예에 따라, 편향기의 내부로부터 입사되는 빔을 굴절시키도록 모터에 의해 회전되는 폴리곤 편향기를 포함하는 어셈블리의 측면 단면도(cross-sectional side view)의 일 예를 도시하는 개략도이고;
도 5b는, 일 구현예에 따라, 도 5a의 폴리곤 편향기의 평면 단면도(cross-sectional top view)의 일 예를 도시하는 개략도이고;
도 5c는, 일 구현예에 따라, 도 5a의 어셈블리의 평면 섬유 어레이의 측면도의 일 예를 도시하는개략도이고;
도 5d는, 일 구현예에 따라, 도 5a의 어셈블리의 렌즈 어셈블리의 측면도의 일 예를 도시하는 개략도이고;
도 5e는, 일 구현예에 따라, 2개 위치에 있는 도 5a의 폴리곤 편향기의 일 예를 도시하는 개략도이고;
도 5f는, 일 구현예에 따라, 도 5a의 폴리곤 편향기의 부분 측면 단면도의 일 예를 도시하는 개략도이고;
도 5g는, 일 구현예에 따라, 도 5a의 어셈블리에 사용된 원환체 렌즈(toric lens)의 절개 단면도의 일 예를 도시하는 개략도이고;
도 6은, 일 구현예에 따라, 제1 평면 내에서 제1 각도와 제2 각도 사이의 빔의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이고;
도 7은 일 구현예에 따라, 2개의 폴리곤 스캐너를 포함하는 LIDAR 시스템을 도시하는 개략도이고;
도 8은 일 구현예에 따라, 2개의 폴리곤 스캐너의 예를 평면도를 도시하는 개략도이고;
도 9는 일 구현예에 따라, 2개의 폴리곤 스캐너의 예를 단면도를 도시하는 개략도이고;
도 10은 일 구현예에 따라, LIDAR 시스템을 사용하여 샘플링된 고도 및 방위각의 예를 도시하는 차트이고;
도 11은 일 구현예에 따라, LIDAR 시스템을 동작시키는 방법의 예를 도시하는 흐름도이고;
도 12는 일 구현예에 따른 컴퓨터 시스템을 도시하는 블록도이고;
도 13은 일 구현예에 따른 칩셋(chip set)을 도시한다.

LIDAR 시스템의 스캐닝을 위한 방법과 장치, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능 매체가 설명된다. 고해상도 LIDAR 시스템과 관련하여 일부 구현예가 아래에 설명된다. 구현예는 도플러(Doppler) 및 비-도플러 LIDAR 시스템을 모두 포함하는 LIDAR 시스템의 단방향 스캔 요소(unidirectional scan element)에 의한 빔 스캐닝의 최적화와 관련하여 설명된다. 구현예는 폴리곤 편향기(polygon deflector), 예컨대, 폴리곤 편향기의 내부로부터 폴리곤 편향기의 패싯(facet)에 입사하는 빔을 편향시키거나 굴절시키도록 구성된 폴리곤 편향기에 의한 빔 스캐닝의 최적화의 측면에서 설명된다. 폴리곤 편향기는 다각형(폴리곤) 구조에 기초한 다수의 패싯을 가진 다각형 형태의 요소일 수 있다. 각각의 패싯은 폴리곤 편향기가 축을 중심으로 회전할 때 시야(field of view)에 걸쳐 편향을 행하도록 (예를 들어, 패싯에 입사하는 광 빔을 반사하거나 다각형 형상의 요소의 내부로부터 입사 광 빔을 굴절하도록) 구성된다. 폴리곤 편향기는 폴리곤 편향기가 회전하는 동안 인접한 패싯 사이의 패싯 브레이크(facet break)을 통해 빔이 천이될 때 시야에 걸쳐 빔을 반복적으로 스캔한다. 일부 구현 예는 자가용 전면에 설치된 단일의 고해상도 도플러 LIDAR 시스템과 관련하여 설명되지만, 다양한 구현예는 이러한 측면에 제한되지 않는다. 일부 구현예는 빔의 레이저 에칭(laser etching), 표면 처리, 바코드 스캐닝 및 굴절 스캐닝과 관련하여 이용될 수 있다.

일부 스캐닝 시스템은 정적인 입사광 빔에 대해 회전하는 규칙적인 형상의 반사성 물체인 폴리곤 반사기를 활용한다. 반사성 패싯은 시야 상의 일 방향으로 광의 반복적인 반사를 야기한다. 이러한 폴리곤 반사기들에는 몇 가지 단점이 존재할 수 있다. 예를 들어, 반사성 패싯에 입사되는 입사광 빔은 시야가 반사성 패싯과 동일 평면에 있는 입사광 빔을 포함하는 각도를 가질 수 없기 때문에 본질적으로 시야를 제한한다. 시야가 입사광 빔을 포함하는 각도에 걸쳐 확장되어 시야가 본질적으로 입사 광 빔에 의해 제한되는 경우 유용한 리턴 빔 데이터를 얻을 수 없다. 이것은 본질적으로 빔이 시야에 걸쳐 스캔되는 듀티 사이클 또는 시간의 비율을 폴리곤 반사기들의 총 동작 시간으로 제한할 수도 있다. 본 개시 내용에 따른 다양한 시스템 및 방법은 시야에 걸쳐 입사광 빔을 반사하는 것보다 시야에 걸쳐 입사광 빔을 편향(예를 들어, 굴절)시키는 폴리곤 편향기를 활용하는 굴절성 빔-조향 어셈블리(refractive beam-steering assembly) 및 방법을 사용할 수 있다. 폴리곤 편향기는 입사광 빔이 편향기 내부에서부터 지향되므로 본질적으로 시야를 제한하지 않기 때문에 시야 및 듀티 사이클을 모두 향상시킬 수 있다.

LIDAR 장치는 빔을 제1 평면 내에서 제1 각도와 제2 각도 사이에서 스캔할 수 있다. 장치는 복수의 패싯을 포함하는 폴리곤 편향기 및 해당 폴리곤 편향기에 회전 가능하게 결합되고 폴리곤 편향기를 제1 평면에 직교하는 제1 축을 중심으로 회전시키도록 구성된 모터를 포함한다. 장치는 폴리곤 편향기의 내부로부터 패싯에 입사하는 빔을 콜리메이트(collimate)하기 위해 폴리곤 편향기의 내부에 위치된 광학 장치를 더 포함한다. 각각의 패싯은 폴리곤 편향기가 제1 축을 중심으로 회전함에 따라 빔을 제1 평면 내에서 제1 각도와 제2 각도 사이에서 굴절시키도록 구성된다. LIDAR 장치를 구현하는 시스템 및 방법이 제공될 수 있다.

1. 위상 인코딩된(phase-encoded) 검출 개요

거리 측정을 위한 광 위상 인코딩 신호를 이용하면, 송신된 신호는 송신된 신호의 일부에 대한 반송파(carrier)와 동 위상(in phase) (위상 = 0)이고, 그 다음, 짧은 시간 간격 동안 심벌 Δ

에 의해 표현되는 하나 이상의 위상 변화만큼 변동하고(따라서, 위상 = Δ

), 송신된 신호에 대하여 반복적으로 2 이상의 위상 값 사이에서 전후로 스위칭한다. 일정한 위상의 가장 짧은 간격은 펄스 지속 시간(τ)으로 불리는 인코딩의 파라미터이고, 통상적으로 대역에서 가장 낮은 주파수의 다수의 주기들의 지속 시간이다. 역(1/τ)은 보드 레이트(baud rate)이고, 각각의 보드는 심벌을 나타낸다. 송신된 신호의 시간 동안의 이러한 일정한 위상 펄스의 개수(N)는 심벌의 개수(N)이고 인코딩의 길이를 나타낸다. 이진(binary) 인코딩에서, 2개의 위상 값이 있고, 가장 짧은 간격의 위상이 하나의 값에 대하여 0으로 간주될 수 있고 다른 것에 대하여 1로 간주될 수 있으며, 따라서 심벌은 1 비트(bit)이고, 보드 레이트는 비트 레이트(bit rate)라고도 불린다. 다중(multiple) 위상 인코딩에서, 다수의 위상 값이 존재한다. 예를 들어, Δ

*{0, 1, 2 및 3}과 같은 4개의 위상 값은 Δ

= π/2(90도)에 대하여 {0, π/2, π 및 3π/2}와 각각 동일하고; 따라서 4개의 위상 값은 각각 0, 1, 2, 3을 나타낼 수 있다. 이 예에서, 각각의 심벌은 2 비트이고, 비트 레이트는 보드 레이트의 2배이다.

위상 시프트 변조(Phase-Shift Keying, PSK)는 기준 신호(반송파)의 위상을 변경(변조)시킴으로써 데이터를 전달하는 디지털 변조 방식을 의미한다. 변조는 정확한 시간에 사인 입력과 코사인 입력을 변화시킴으로써 각인된다. 무선 주파수(RF)에서, PSK는 무선 근거리 통신망(LAN), 무선 주파수 인식(RFID) 및 블루투스 통신을 위해 광범위하게 사용된다. 대안적으로, 일정한 기준파(reference wave)에 대해서 동작하는 대신에, 송신은 자기 자신에 대해서 동작할 수 있다. 단일의 송신된 파형의 위상 변화는 심벌로 간주될 수 있다. 이 시스템에서, 복조기는(기준파에 대한) 위상 그 자체가 아닌, 수신 신호의 위상 변화를 결정한다. 이 방식이 연속하는 위상들 사이의 차이에 의존하기 때문에, 이것은 차동 위상 시프트 변조(Differential Phase-Shift Keying, DPSK)라 칭해진다. 복조기가 수신 신호의 정확한 위상을 결정하기 위하여 기준 신호의 사본을 가질 필요가 없기 때문에, DPSK는 통신 애플리케이션에서 보통의 PSK보다 상당히 더 간단하게 구현될 수 있다(따라서, 그것은 논-코히런트(non-coherent), 즉 비동기 방식이다).

거리의 광학적 검출은, 광학 펄스의 객체까지의 왕복 이동 시간(round trip travel time)에 기초한 직접 거리 측정; 송신된 처프된(chirped) 광 신호와 객체로부터 산란된 리턴된 신호 간의 주파수 차이에 기초한 처프된 검출; 및 자연 신호로부터 구별될 수 있는 일련의 단일 주파수 위상 변화에 기초한 위상 인코딩된 검출을 포함하는, 여러 가지 다른 기술로 달성될 수 있다.

수용 가능한 거리 정확도 및 검출 민감도를 성취하기 위해, 직접 장거리(direct long range) LIDAR 시스템은 낮은 펄스 반복률 및 매우 높은 펄스 피크 파워를 갖는 짧은 펄스 레이저를 사용할 수 있다. 높은 펄스 파워는 광학 컴포넌트들의 급격한 성능 저하로 이어질 수 있다. 처프 및 위상 인코딩 LIDAR 시스템은 상대적으로 낮은 피크 광 파워를 갖는 긴 광 펄스를 사용할 수 있다. 이 구성에서, 거리 정확도는 펄스 지속 시간이 아니라 처프 대역폭 또는 길이와, 위상 코드의 대역폭에 따라 증가할 수 있으며, 따라서 우수한 거리 정확도가 여전히 획득될 수 있다.

광 반송파(optical carrier)를 변조하기 위하여 광대역 무선 주파수(RF) 전기 신호들을 이용하여 유용한 광 대역폭이 성취되었다. LIDAR에 관하여, 광학 검출기에서 리턴된 신호와 조합되는 기준 신호로서 동일한 변조된 광 반송파를 사용하면, 결과에 따른 전기 신호에서, 기준 광 신호와 리턴된 광 신호들 사이의 주파수 또는 위상 차이에 비례하는 RF 대역에서의 상대적으로 낮은 비트(beat) 주파수를 생성할 수 있다. 검출기에서의 주파수 차이에 대한 이러한 유형의 비트 주파수 검출은 헤테로다인 검출(heterodyne detection)이라고 한다. 이러한 검출은 즉시 그리고 저렴하게 사용할 수 있는 RF 컴포넌트들을 사용할 수 있다는 장점과 같은 여러 가지 장점을 가지는 것으로 당업계에 알려져 있다.

고해상도 거리-도플러 LIDAR 시스템은 리턴된 신호들에서 도플러 시프트(Doppler shift)를 검출하기 위한 광학 컴포넌트들의 배열 및 코히런트(coherent) 처리를 이용하여 LIDAR 시스템과 각각의 외부 객체 사이의 벡터에서 개선된 거리뿐만 아니라 상대적인 부호를 가진 속도(relative signed speed)를 제공할 수 있다.

몇몇 경우에, 이러한 개선은, 타겟 속도가 있거나 없어도, 적합한 주파수 또는 위상 콘텐츠를 갖는 연필처럼 가는 레이저 빔(pencil thin laser beam)에서 거리를 제공한다. 이러한 빔을 장면(scene)에 스윕(sweep)하면, 주위의 객체의 위치 및 속도에 관한 정보가 획득될 수 있다. 이 정보는 자율 주행 또는 운전자 보조 자동차와 같은 자율 주행 차량을 위한 제어 시스템에서 사용될 수 있다.

송신기 및 수신기가 동일한 장치 내에 있기 때문에, 광 거리 측정 응용에 코히런트 PSK가 사용될 수 있다. 반송파 주파수(carrier frequency)는 광 주파수(f_c)이고 RF 주파수(f₀)는 광 반송파(optical carrier)로 변조된다. 심벌의 개수(N)와 지속 시간(τ)은 요구되는 거리 정확도와 해상도를 성취하기 위하여 선택된다. 심벌들의 패턴은 노이즈와 코드화된 신호들의 다른 소스로부터 구별 가능하도록 선택된다. 따라서, 송신된 신호와 리턴된 신호 사이의 강한 상관 관계는 반사되거나 후방 산란된(backscattered) 신호의 강한 표시일 수 있다. 송신된 신호는 하나 이상의 심벌 블록으로 구성되고, 각각의 블록은 노이즈가 존재하는 경우에서도 반사되거나 후방 산란된 리턴과의 강한 상관 관계를 제공할 만큼 충분히 길다. 송신된 신호는 블록 당 N개 심볼의 M개 블록으로 구성될 수 있고, M과 N은 음이 아닌 정수이다.

도 1a는, 일 구현예에 따라, 일련의 이진수(binary digit)로서 예시적인 송신된 신호를 거리의 측정을 위하여 리턴된 광 신호들과 함께 도시하는 개략적인 그래프(120)이다. 수평 축(122)은 0(zero)에서의 시작 시간 후의 시간을 임의 단위(arbitrary unit)로 나타낸다. 수직 축(124a)은 주파수 f_c+f₀에서 광 송신 신호의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타낸다. 수직 축(124b)은 주파수 f_c+f₀에서 광 리턴 신호의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타내고; 트레이스를 분리하기 위하여 축(124a)으로부터 오프셋된다. 트레이스(125)는 00011010으로부터 시작하여 생략 부호로 표시된 바와 같이 계속하는 코드를 생성하기 위하여 도 1a에 도시된 바와 같은 위상 변화를 갖는 M*N 이진 심벌의 송신된 신호를 나타낸다. 트레이스(126)는 움직이고 있지 않는 객체로부터 산란된 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호를 나타낸다(따라서, 리턴은 도플러 시프트되지 않는다). 진폭은 감소되지만, 코드(00011010)는 인식 가능하다. 트레이스(127)는 움직이고 있는 객체로부터 산란되고, 따라서, 도플러 시프트된 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호를 나타낸다. 리턴은 적절한 광 주파수(f_c+f₀)에 있지 않고, 예상된 주파수 대역 내에서 잘 검출되지 않으며, 따라서 진폭이 줄어든다.

리턴의 관찰된 주파수(f')는 수학식 1에 의해 주어진 도플러 효과에 의한 리턴의 정확한 주파수(f = f_c+f₀)와 상이하다.

[수학식 1]

여기서, c는 매질 내의 빛의 속도이고, v₀는 관찰자의 속도이고, v_s는 소스와 수신기를 연결하는 벡터에 따른 소스의 속도이다. 관찰자와 소스가 둘 사이의 벡터 상에서 동일한 방향으로 동일한 속도로 움직이고 있으면, 2개의 주파수는 동일하다는 것에 주목하라. 2개의 주파수 사이의 차이(Δf = f'-f)는 거리 측정에 대하여 문제점을 야기하는 도플러 시프트(Δf_D)이고, 수학식 2에 의해 주어진다.

[수학식 2]

오차의 크기는 신호의 주파수(f)에 따라 증가한다는 것에 주목하라. 또한, 정지된 LIDAR 시스템(v₀ = 0)의 경우, 초당 10 미터(v_s = 10)로 이동하는 객체와 대략 500 THz의 주파수를 갖는 가시 광선에 대한 도플러 시프트의 크기는 대략 16 메가헤르츠(MHz, 1MHz = 106 헤르츠(Hz), 1 Hz = 초당 1 사이클)인 것에 주목하라. 아래에 설명되는 다양한 구현예에서, 거리 계산을 위한 데이터를 처리하기 위해 도플러 시프트 오차가 검출되어 사용된다.

위상 코드화된 거리 측정(phase coded ranging)에서, 위상 코드화된 리턴의 도달은, 송신된 신호 또는 다른 기준 신호를 리턴된 신호와 교차 상관(cross-correlations)시킴으로써 리턴에서 검출될 수 있고, 이는 RF 신호를 위한 코드를 헤테로다인(heterodyne) 검출을 이용하는 광 검출기(optical detector)로부터의 전기 신호와 교차 상관시키고, RF 대역으로 되돌리는 다운 믹싱(down-mixing)함으로써 실질적으로 구현될 수 있다. 임의의 하나의 래그(lag)를 위한 교차 상관은 2개의 트레이스를 컨벌루션 처리(convolving)함으로써, 예를 들어, 2개의 트레이스 내 대응하는 값들을 곱하고 트레이스 내의 모든 점(point)에 대하여 합산한 후, 각각의 타임 래그(time lag)에 대하여 반복함으로써 계산될 수 있다. 교차 상관은 2개의 트레이스 각각의 푸리에 변환을 곱한 후 역방향 푸리에 변환(inverse Fourier transform)함으로써 달성될 수 있다. 순방향 및 역방향 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform FFT)은 하드웨어 및 소프트웨어에서 효율적으로 구현될 수 있다.

교차 상관의 계산은 리턴의 진폭과 위상이 광 검출기에서 검출된 이후에 아날로그 또는 디지털 전기 신호들을 이용하여 수행될 수 있다는 것에 주목하라. 광 검출기에서의 신호를 용이하게 디지털화될 수 있는 RF 주파수 범위로 이동시키기 위하여, 광 리턴 신호는 검출기에 충돌하기 전에 기준 신호와 광학적으로 믹스(mix)된다. 위상 인코딩된 송신된 광 신호의 사본은 기준 신호로서 사용될 수 있지만, 레이저에 의해 출력되는 지속파 반송파 주파수 광 신호(continuous wave carrier frequency optical signal)를 기준 신호로서 사용하고 검출기에 의해 출력되는 전기 신호의 진폭과 위상 모두를 캡처하는 것 또한 가능하고, 종종 바람직하다.

움직이고 있지 않은 객체로부터 반사된 (따라서, 리턴이 도플러 시프트되지 않은) 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호에 대하여, 피크는 송신된 신호의 시작 후에 시간 Δt에서 발생한다. 이것은 리턴된 신호가 시간 Δt에서 시작하는 송신된 위상 코드의 버전을 포함한다는 것을 나타낸다. 반사하는(또는 후방 산란하는) 객체에 대한 거리(R)는, 수학식 3에 의해 주어지는 바와 같이, 매질 내 빛의 속도(c)에 기초한 왕복 주행 시간 지연(two way travel time delay)으로부터 계산된다.

[수학식 3]

움직이고 있는 객체로부터 산란된 (따라서, 리턴이 도플러 시프트된) 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호에 대하여, 리턴 신호는 적절한 주파수 빈(frequency bin) 내의 위상 인코딩을 포함하지 않고, 상관 관계는 모든 타임 래그(time lag)에 대해 낮게 유지되고, 피크는 용이하게 검출되지 않으며, 노이즈가 있는 경우에는 종종 검출 가능하지 않다. 따라서, Δt는 용이하게 결정되지 않고; 거리(R)는 용이하게 생성되지 않는다.

도플러 시프트는 리턴된 신호의 전기적 처리에서 결정될 수 있고, 도플러 시프트는 교차 상관 계산을 보정하기 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 피크는 더 용이하게 발견되고 거리는 더욱 용이하게 결정될 수 있다. 도 1b는, 일 구현예에 따라, 송신된 신호의 예시적 스펙트럼과 도플러 시프트된 복소수 리턴 신호의 예시적 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프(140)이다. 수평 축(142)은 광 반송파(f_c)로부터 오프셋된 RF 주파수를 임의 단위로 나타낸다. 수직 축(144a)은 스펙트럼 밀도(spectral density)로도 불리는 특정한 좁은 주파수 빈의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타낸다. 수직 축(144b)은 스펙트럼 밀도를 0에 상대적인 임의 단위로 나타내고; 트레이스들을 분리하기 위해 축(144a)으로부터 오프셋된다. 트레이스(145)는 송신된 신호를 나타내고; 피크는 적절한 RF(f₀)에서 발생한다. 트레이스(146)는 LIDAR 시스템을 향해 움직이고 있는 객체로부터 후방 산란되어 더 높은 주파수로 도플러 시프트(청색 편이로 불림)된 이상적인(노이즈가 없는) 복소수 리턴 신호를 나타낸다. 리턴은 적절한 RF(f₀)에서 피크를 가지지 않는다; 그러나, 대신에, 시프트된 주파수(fs)로 f_D만큼 청색 편이된다. 실제로, 리턴의 동 위상 및 직교 위상(in-phase and quadrature, I/Q) 성분을 모두 나타내는 복소수 리턴은 +Δf_D에서 피크를 결정하는데 사용되므로, 도플러 시프트의 방향과, 센서와 객체 사이의 벡터 상에서 타겟의 이동 방향이 단일 리턴으로부터 검출될 수 있다.

일부 도플러 보상 구현예(Doppler compensation)에서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 송신된 신호와 리턴된 신호 모두의 스펙트럼을 얻고 각각에서 피크를 찾은 다음 대응하는 피크의 주파수를 빼는 것에 의해 Δf_D를 찾는 대신에, RF 대역에서 다운 믹스된 리턴된 신호의 동 위상 및 직교 위상 성분의 교차 스펙트럼(cross spectrum)을 취하는 것이 더 효과적일 수 있다. 도 1c는, 일 구현예에 따라, 예시적인 교차 스펙트럼을 도시하는 개략적인 그래프(150)이다. 수평 축(152)은 기준 스펙트럼에 대한 주파수 시프트를 임의 단위로 나타내고; 수직 축(154)은 교차 스펙트럼의 진폭을 0에 상대적인 임의 단위로 나타낸다. 트레이스(155)는 LIDAR 시스템을 향해 움직이고 있는 제1 객체(Δf_D1의 청색 편이 = 도 1b의 Δf_D)와 LIDAR 시스템으로부터 멀어지고 있는 제2 객체(Δf_D2의 적색 편이(red shift))에 의해 생성된 이상적인(노이즈가 없는) 리턴 신호와의 교차 스펙트럼을 나타낸다. 하나의 피크(156a)는 성분 중 하나가 청색 편이(Δf_D1)될 때 발생하고; 다른 피크(156b)는 성분 중 하나가 적색 편이(Δf_D2)될 때 발생한다. 따라서, 도플러 시프트들이 결정된다. 이 시프트는, 예를 들어, 충돌 방지 애플리케이션을 위하여, LIDAR 부근에서 객체의 부호를 가진 접근 속도(signed velocity of approach)를 결정하는데 이용될 수 있다. 그러나, I/Q 처리가 완료되지 않은 경우, 피크는 +/-f_D1 및 +/-Δf_D2 모두에 나타나며, 따라서 도플러 시프트의 부호 및 이에 따른 이동 방향에서 모호성이 존재할 수 있다.

교차 스펙트럼에서 검출되는 도플러 시프트(들)는, 피크(135)가 래그 Δt에서 도플러 보상된 도플러 시프트된 리턴에서 명백해지고, 거리(R)가 결정될 수 있도록, 교차 상관을 보정하는데 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 동시 I/Q 처리가 수행될 수 있다. 일부 구현 예에서, 도플러 리턴의 부호(sign)를 결정하기 위하여 직렬 I/Q 처리가 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 도플러 시프트에 기인하는 오차는 용인되거나 무시될 수 있고; 어떠한 도플러 보정도 거리 측정에 적용되지 않는다.

2. 처프 검출 개요(Chirped Detection Overview)

도 1d는, 일 구현예에 따라, 예시적인 광 처프 거리 측정(optical chirp measurement of range)을 도시하는 일련의 그래프이다. 수평 축(102)은 4개의 그래프 모두에 대해 동일하며 대략 밀리 초(ms, 1ms = 10^-3 초)의 시간을 임의 단위로 나타낸다. 그래프(100)는 송신된 광 신호로서 사용되는 광의 빔의 파워를 나타낸다. 그래프(100)의 수직 축(104)은 송신된 신호의 파워를 임의 단위로 나타낸다. 트레이스(106)는 시간 0에서 시작하는 제한된 펄스 지속 시간(τ) 동안 파워가 온(on)인 것을 나타낸다. 그래프(110)는 송신된 신호의 주파수를 나타낸다. 수직 축(114)은 송신된 신호의 주파수를 임의 단위로 나타낸다. 트레이스(116)는 펄스의 지속 시간(τ) 동안 펄스의 주파수가 f₁로부터 f₂로 증가하고, 이에 따라 대역폭 B = f₂-f₁을 가진다는 것을 나타낸다. 주파수 변화율은 (f₂-f₁)/τ이다.

리턴된 신호는 그래프(110)에서와 같이 시간을 나타내는 수평 축(102)과 주파수를 나타내는 수직 축(114)을 갖는 그래프(160)로 도시된다. 또한, 그래프(110)의 처프(예를 들어, 트레이스(116))가 그래프(160) 상에 점선으로 도시된다. 제1 리턴된 신호는 강도(도시되지 않음)가 감소되고 Δt만큼 지연된 송신된 기준 신호를 나타낼 수 있는 트레이스(166a)로 주어진다. 리턴된 신호가 2R의 거리를 이동한 후 외부 객체로부터 수신될 때, 리턴된 신호는 위에서 설명된 수학식 3에 따라 2R/c로 주어질 수 있는 지연된 시간 Δt에서 시작하고, 여기서 R은 타겟까지의 거리이고, c는 매질 내 빛의 속도(약 3×10⁸m/s)이다. 이 시간 동안, 주파수 f_R은 거리에 기초한 양만큼 변경되고, 주파수 변화율에 지연 시간을 곱하여 주어진다. 이것은 수학식 4a에 의해 주어진다.

[수학식 4a]

f_R의 값은 디처핑(de-chirping)으로 지칭되는 시간 도메인 믹싱 동작에서 송신된 신호(116)와 리턴된 신호(166a) 사이의 주파수 차이에 의해 측정될 수 있다. 따라서 거리 R은 수학식 4b에 의해 주어진다.

[수학식 4b]

펄스가 완전히 송신된 후 리턴된 신호가 도착하면, 즉 2R/c가 τ보다 크면, 수학식 4a 및 4b는 유효하지 않다. 이 경우에, 기준 신호는 리턴된 신호가 기준 신호와 중첩하는 것을 보장하도록 알려진 양 또는 정해진 양만큼 지연될 수 있다. 기준 신호의 정해진 지연 시간 또는 알려진 지연 시간은 수학식 4b로부터 계산된 거리에 추가되는 추가 거리를 제공하기 위해 광의 속도(c)와 곱해질 수 있다. 매질에서 광의 속도의 불확실성으로 인하여 절대 거리는 부정확할 수 있지만, 이는 거의 일정한 오차(near-constant error)이며 주파수 차이를 기반으로 한 상대적 거리는 여전히 매우 정확하다.

일부 환경에서, 송신된 광 빔에 의해 조명된 지점(펜슬 빔 단면(pencil beam cross section))은 반투명 객체의 전방 및 후방, 또는 LIDAR로부터 다양한 거리에 있는 객체의 더 가까운 부분과 더 먼 부분, 또는 조명된 지점 내에서 두 개의 분리된 객체와 같이 상이한 거리에 있는 2개 이상의 상이한 산란체를 만난다. 이러한 환경에서, 그래프(160)에 트레이스(166b)로 표시된 것과 같이, 제2 감소된 강도 및 상이하게 지연된 신호가 또한 수신될 것이다. 이것은 수학식 4b를 사용하여 다른 거리를 제공하는 f_R의 다른 측정 값을 가질 것이다. 일부 환경에서는, 여러 개의 추가적인 리턴된 신호들이 수신된다.

그래프(170)는 제1 리턴된 신호(166a)와 기준 처프(116) 사이의 차이 주파수 fR을 도시한다. 수평 축(102)은 도 1d에서 정렬된 다른 모든 그래프와 같이 시간을 나타내고, 수직 축(164)은 더 확대된 스케일 상에서 주파수 차이를 나타낸다. 트레이스(176)는 송신된 처프에 응답하여 측정된 일정한 주파수 f_R을 나타내며, 수학식 4b에 의해 주어지는 특정 거리를 나타낸다. 제2 리턴된 신호(166b)는, 존재한다면, 디처핑 동안에 다른 더 큰 값의 f_R(도시되지 않음)을 발생시킬 것이고; 결과적으로 수학식 4b를 사용하여 더 큰 거리를 산출할 것이다.

처핑은 기준 광 신호와 리턴된 광 신호를 동일한 광 검출기로 지향시켜 수행될 수 있다. 검출기의 전기적 출력은 검출기로 수렴하는 2개의 신호의 주파수 차이와 같거나 아니면 이에 의존하는 비트 주파수(beat frequency)에 의해 좌우될 수 있다. 이러한 전기적 출력 신호의 푸리에 변환은 비트 주파수에서 피크를 산출할 것이다. 이러한 비트 주파수는 테라헤르츠(THz, 1 THz = 10¹² 헤르츠)의 광 주파수 범위가 아닌 메가헤르츠(MHz, 1MHz = 10⁶ Hz = 초당 10⁶ 사이클)의 무선 주파수(RF) 범위 내에 있다. 이러한 신호들은 마이크로프로세서 또는 특수 제작된 FFT(Fast Fourier Transform) 또는 기타 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing, DSP) 집적 회로에서 실행되는 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리즘과 같은 RF 컴포넌트들에 의해 처리될 수 있다. 리턴 신호는(국부 발진기(local oscillator)의 역할을 하는 처프와 비교하여) 국부 발진기의 역할을 하는 연속파(continuous wave, CW) 톤(tone)과 믹스될 수 있다. 이것은 그 자체가 처프인 (또는 어떤 파형이 송신되건 간에) 검출된 신호로 이어진다. 이 경우 검출된 신호는, 디지타이저(digitizer) 대역폭 요구 사항이 일반적으로 더 높을 수 있지만, 디지털 도메인에서 정합 필터링(matched filtering)될 수 있다. 그렇지 않은 경우 코히런트 검출의 긍정적인 면은 유지된다.

일부 구현예에서, LIDAR 시스템은 동시 업 및 다운 처프(simultaneous up and down chirps)를 생성하도록 변경된다. 이 접근 방식은, 다른 것들 중에서도, 객체 속도 차이, 실제로 거리를 변경하는 객체에 대한 LIDAR 위치 변경 또는 빔 내의 일시적인 산란체들(scatterers), 또는 이들의 조합에 의해 유발되는 변동성을 제거할 수 있다. 방식은 업 및 다운 처프에서 측정된 도플러 시프트 및 거리가 사실상 동일하고 가장 유용하게 결합될 수 있다는 것을 보장할 수 있다. 도플러 방식은 높은 확률의 정확한 보상을 위하여 주파수 공간에서 비대칭으로 시프트된 리턴 쌍들의 병렬 캡처(parallel capture)를 보장할 수 있다.

도 1e는, 일 구현예에 따라, 대칭 LO 신호를 사용하는 그래프이고; 도플러 시프트가 없을 때 리턴 신호를 주파수-시간 플롯(frequency time plot)에서 점선으로 도시한다. 수평 축은 시간을 10^-5 초(수십 마이크로초)의 예시적인 단위로 나타낸다. 수직 축은 반송파 주파수 f_c 또는 기준 신호에 대한 송신된 광 신호의 주파수를 기가헤르츠(GHz, 1 GHz = 10⁹ 헤르츠)의 예시적인 단위로 나타낸다. 펄스 지속 시간 동안, 2개의 광 주파수를 포함하는 광 빔이 언제든지 생성된다. 하나의 주파수가 f₁로부터 (예를 들어, 광 반송파보다 1 내지 2GHz 높은) f₂로 증가하고 동시에 다른 주파수가 f₄로부터 (예를 들어, 광 반송파보다 1 내지 2GHz 낮은) f₃으로 감소한다. 2개의 주파수 대역(예를 들어, f₁ 내지 f₂의 대역 1과, f₃ 내지 f₄의 대역 2)은 중첩되지 않아, 송신된 신호 및 리턴 신호가 통과 주파수 f_p에서 시작하는 통과 대역을 갖는 고역 통과 필터나 저역 통과 필터 또는 이들의 조합에 의해 광학적으로 분리될 수 있다. 예를 들어, f₁<f₂<f_p<f₃<f₄일 수 있다. 도시되는 바와 같이, 더 높은 주파수가 업 처프를 제공하고 더 낮은 주파수가 다운 처프를 제공할 수 있다. 일부 구현예에서, 더 높은 주파수가 다운 처프를 생성하고 더 낮은 주파수가 업 처프를 생성한다.

일부 구현예에서, 2개의 상이한 레이저 소스가 매시간마다 각각의 빔에서 2개의 상이한 광 주파수를 생성하는데 사용된다. 일부 구현예에서, 단일 광 반송파는 단일 RF 처프에 의해 변조되어 동시 업 및 다운 처프의 역할을 하는 대칭적인 측파대(symmetrical sideband)를 생성한다. 일부 구현예에서, 일반적으로, 반송파 주파수에 많은 에너지를 남기지 않을 수 있는 이중 측파대 마하-젠더 강도 변조기(double sideband Mach-Zehnder intensity modulator)가 사용되고; 대신에, 거의 모든 에너지가 측파대로 들어간다.

측파대 대칭(sideband symmetry)의 결과로서, 동일한 차수의 측파대가 사용되면 2개의 광 처프의 대역폭은 동일할 수 있다. 일부 구현예에서, 다른 측파대가 사용되며, 예를 들어, 2개의 2차 측파대가 사용되거나, 1차 측파대 및 중첩하지 않는 2차 측파대가 사용되거나, 일부 다른 조합이 사용된다.

송신(TX) 및 국부 발진기(LO) 처프 파형을 선택할 때, 시스템의 주파수 시프트된 대역(frequency shifted band)이 이용 가능한 디지타이저(digitizer) 대역폭을 최대한 활용하도록 하는 것이 유리할 수 있다. 일반적으로, 이것은 0에 가까운 거리 주파수 비트(range frequency beat)를 갖도록 업 처프 또는 다운 처프를 시프트하여 달성될 수 있다.

도 1f는 대칭 LO 신호를 사용하는 도 1e와 유사한 그래프이고, 0이 아닌 도플러 시프트가 있을 때 이 주파수-시간 플롯에서 리턴 신호를 점선으로 도시한다. 처프 파형의 경우, 시간 분리된 I/Q 처리(시간 도메인 멀티플렉싱(time domain multiplexing)이라고도 알려짐)가 다른 접근 방식의 하드웨어 요구 사항을 극복하기 위해 사용될 수 있다. 그 경우에, AOM이 실수 값(real valued) 신호들에 대한 거리-도플러 모호성을 타개하기 위하여 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 스코어링 시스템(scoring system)이 위에서 업 및 다운 처프 리턴들을 페어링하는데 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, I/Q 처리가 도플러 처프의 부호를 결정하는데 사용될 수 있다.

3. 광 검출 하드웨어 개요

도 2a는, 일 구현예에 따라, 고해상도 거리 LIDAR 시스템(200)의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이다. 광 신호들은 화살표로 표시된다. 전자적인(electronic) 유선 또는 무선 연결은 화살촉이 없는 선분으로 표시된다. 레이저 소스(212)는, 지속 시간 D를 갖는 위상 코드화되거나 처프된 광 신호(203)를 생성하기 위하여, 스플리터(216) 이전 또는 이후에, 변조기(282a)에서 위상 또는 주파수 변조된 빔(예를 들어, 반송파)(201)을 방출한다. 스플리터(216)는 기준 경로(220)에 사용하기 위한 변조된(또는, 도시된 바와 같이, 변조되지 않은) 광 신호를 분리한다. 빔(201)의 에너지의 대부분을 갖는, 본 명세서에서 송신된 신호(transmitted signal)라고도 불리는, 타겟 빔(205)이 생성될 수 있다. 또한, 적은 양이기는 하지만 객체(도시되지 않음)로부터 산란된 리턴된 광(291)과 잘 믹스되기에 충분한 양의 에너지를 가질 수 있는 변조되거나 변조되지 않은 기준 빔(207a)이 생성된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 기준 빔(207a)은 변조기(282b)에서 개별적으로 변조된다. 기준 빔(207a)은 기준 경로(220)를 통과하고, 기준 빔(207b)으로서 하나 이상의 검출기로 지향된다. 일부 실시예에서, 기준 경로(220)는 기준 빔(207a)이 관심 거리의 범위(spread of ranges of interest) 내에서 LIDAR 외부의 객체로부터 산란된 광과 함께 검출기 어레이(230)에 도달하기에 충분한 지연을 도입한다. 일부 구현예에서, 예를 들어, 기준 빔(207b)이 별개의 발진기로부터 국부적으로 생성되었다면, 기준 빔(207b)은 국부 발진기(Local Oscillator LO) 신호로 불린다. 다양한 구현예에서, 덜 유연한 접근 방식으로부터 더 유연한 접근 방식까지 망라하여, 기준 빔(207b)은 1) 경로 길이들이 잘 매칭되도록 검출기 어레이에서 송신된 빔의 일부를 다시 반사시키기 위해 장면(scene) 내에 거울을 배치하는 것; 2) 경로 길이를 가깝게 매칭시키고, 특정 거리에 대해 관찰되거나 예측된 위상 또는 주파수 차이를 보상하기 위한 경로 길이 조절을 이용하거나 이용하지 않으면서, 도 2a에서 제안된 바와 같이, 검출기 어레이 부근의 광학 장치를 이용하여 기준 빔을 브로드캐스트(broadcast)하기 위해 섬유 지연(fiber delay)을 이용하는 것; 또는 3) 경로 길이 불일치(path length mismatch)를 보상하기 위한 별개의 변조를 생성하기 위해 주파수 시프팅(frequency shifting) 디바이스(음향 광학 변조기(acousto-optic modulator, AOM) 또는 (예를 들면 변조기(282b) 내) 국부 발진기 파형 변조의 시간 지연을 이용하는 것; 또는 일부의 조합을 통해 산란되거나 반사된 필드(시야)를 갖고 도착하게 될 수 있다. 일부 구현예에서, 객체는 충분히 가깝고 송신된 지속 시간은 충분히 길어서 리턴이 지연 없이 기준 신호와 충분히 중첩한다.

송신된 신호는 예를 들어 하나 이상의 스캐닝 광학 장치(scanning optics)(218)를 통해 관심 영역을 조명하기 위해 송신된다. 검출기 어레이는 쌍을 이루거나 또는 쌍을 이루지 않은 단일의 검출기 또는 객체로부터 리턴된 빔(291)들에 대략 수직인 평면에 배열된 쌍을 이루거나 또는 쌍을 이루지 않은 검출기의 1차원(1D) 또는 2차원(2D) 어레이일 수 있다. 기준 빔(207b) 및 리턴된 빔(291)은 적절하게 검출될 광 특성 신호를 생성하기 위하여 0 또는 그 이상의 광 믹서(284)에서 결합될 수 있다. 간섭 패턴의 주파수, 위상 또는 진폭 또는 일부 조합은 획득 시스템(240)에 의해 각각의 검출기에 대해 신호 지속 시간(D) 동안 여러 번 기록될 수 있다. 신호 지속 시간 당 처리되는 시간적(temporal) 샘플의 개수 또는 누적 시간(integration time)은 다운-레인지 규모(down-range extent)에 영향을 미칠 수 있다. 개수 또는 누적 시간은 신호 당 심벌의 개수, 신호 반복률(signal repetition rate) 및 가용 카메라 프레임률(available camera frame rate)에 기초하여 선택되는 실질적인 고려 사항일 수 있다. 프레임률은 샘플링 대역폭이고, 흔히 "디지타이저 주파수(digitizer frequency)"로 불린다. 거리 규모(range extent)의 유일한 근본적인 한계는 레이저의 코히런스(coherence) 길이 및 (명확한 거리 측정을 위해) 그것이 반복하기 전의 처프 또는 고유 위상 코드의 길이다. 이는 리턴된 헤테로다인(heterodyne) 신호 또는 비트들(bits)의 디지털 레코드가 이전 송신 이력으로부터 송신된 비트들의 임의의 부분과 비교되거나 교차 상관될 수 있기 때문에 가능하게 된다.

획득된 데이터는 도 7을 참조하여 후술되는 컴퓨터 시스템 또는 도 8을 참조하여 후술되는 칩셋(chip set)과 같은 처리 시스템(250)에 이용 가능하게 이루어진다. 스캐너 제어 모듈(270)은 스캐닝 광학 장치(218)를 구동하기 위한 스캐닝 신호들을 제공한다. 스캐너 제어 모듈(270)은 도 6의 순서도에 관련된 방법(600)의 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 명령어를 포함할 수 있다. 처리 시스템(250)에서 부호를 가진 도플러 보상(signed Doppler compensation) 모듈(도시되지 않음)은 도플러 시프트의 부호와 크기를 결정할 수 있고, 임의의 다른 보정과 함께 그에 기초한 보정된 거리를 결정할 수 있다. 처리 시스템(250)은 변조기(282a, 282b)를 구동하는 하나 이상의 전기 신호를 전송하기 위한 변조 신호 모듈(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 처리 시스템은 시스템(200)이 설치되는 차량을 제어하기 위한 차량 제어 모듈(272)을 더 포함한다.

타겟 상의 초점 또는 투광 조명(flood) 또는 동공면(pupil plane)을 지나간 초점에 대한 광 커플링(optical coupling)은 도시되지 않는다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 광 커플러(optical coupler)는, 다른 것들 중에서도, 진공, 공기, 유리, 크리스탈, 거울, 렌즈, 광 서큘레이터(optical circulator), 빔 스플리터, 위상판(phase plate), 편광자(polarizer), 광 섬유(optical fiber), 광 믹서와 같은 다른 컴포넌트를, 단독으로 또는 일부 조합과 같이, 하나의 컴포넌트로부터 다른 컴포넌트로 광을 지향시키기 위하여 공간 좌표 내에서 광의 전파(propagation)에 영향을 미치는 임의의 컴포넌트이다.

또한, 도 2a는 일 구현예에 따른 동시 업 및 다운 처프 LIDAR 시스템을 위한 컴포넌트들의 예를 도시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 변조기(282a)는 송신된 빔(205)의 광 경로에 추가된 주파수 시프터일 수 있다. 일부 구현예에서, 주파수 시프터가 리턴된 빔(291)의 광 경로 또는 기준 경로(220)에 추가된다. 변조기(예를 들어, AOM(acousto-optic modulator))로서 사용되는 장치가 연관된 손실을 가지며, 손실이 많은 컴포넌트들을 수신 측에 배치하거나 광 증폭기 뒤에 배치하는 것은 불리할 수 있기 때문에, 주파수 시프터가 국부 발진기(Local Oscillator(LO), 기준 경로라고도 함) 측 또는 송신 측(광 증폭기 앞)에 변조기(282b)로서 추가될 수 있다. 광 시프터(optical shifter)는 광 검출기(230)에 의해 출력되는 전기 신호의 분석에 있어서, 예를 들어, 처리 시스템(250)에서 FFT 컴포넌트에 의해 픽업될 수 있는 상이한 주파수 대역에서 업 및 다운 처프의 비트(beat) 주파수가 발생하도록, 기준 신호의 주파수에 대하여 송신된 신호(또는 리턴 신호)의 주파수를 알려진 양(Δf_S)만큼 시프트할 수 있다. 예를 들어, 거리 효과를 발생시키는 청색 편이가 f_B면, 업 처프의 비트 주파수는 오프셋만큼 증가되어 f_B + Δf_S로 나타날 것이고, 다운 처프의 비트 주파수는 f_B - Δf_S로 오프셋만큼 감소될 것이다. 따라서, 업 처프는 다운 처퍼보다 더 높은 주파수 대역 내에 있을 것이고, 이에 의해 이들을 분리한다. Δf_S가 예상된 도플러 효과보다 더 크면, 업 처프 및 다운 처프와 연관된 거리에서의 모호성은 없을 것이다. 그 다음, 측정된 비트는 적합한 업 처프 및 다운 처프 거리를 얻기 위하여 알려진 Δf_S의 정확하게 부호가 부여된 값으로 보정될 수 있다. 일부 구현예에서, 평형 검출기(balanced detector)로부터 유래하는 RF 신호는 FFT를 통해 분리되는 대역과 함께 직접 디지털화된다. 일부 구현예에서, 평형 검출기로부터 유래하는 RF 신호는 직접 디지털화될 수 있는 저대역(업 처프 또는 다운 처프 중 하나에 대응)과 기저 대역에 전자적으로 다운 믹스된(down-mixed) 후 디지털화될 수 있는 고대역(반대하는 처프에 대응)으로 분리하기 위하여 아날로그 RF 전자 장치를 이용하여 전처리된다. 다양한 이러한 구현예들은 검출된 신호들의 대역들을 사용 가능한 디지타이저 자원(digitizer resource)에 일치시키는 경로를 제공한다. 일부 (예를 들어, 직접 거리 측정) 구현예에서, 변조기(282a)는 제외된다.

도 2b는 고해상도 도플러 시스템을 위한 톱니형(saw tooth) 스캔 패턴을 도시하는 블록도이다. 스캔은 (수평으로) 방위각(azimuth angle) 범위를 스윕(sweep)하고 경사각(inclination angle) 범위를 (0 경사에서 수평 방향(level direction)의 상하로 축(224)을 따라 수직으로) 스윕한다. 적응형(adapted) 스캐닝을 포함하는 다양한 스캔 패턴이 사용될 수 있다. 도 2c는 고해상도 도플러 LIDAR 시스템에 의해 생성된 예시적인 속도 포인트 클라우드를 도시하는 이미지이다.

도 2d는 도 2a의 시스템(200)의 스캐닝 광학 장치(218)의 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 블록도이다. 일 구현예에서, 스캐닝 광학 장치(218)는 하나의 축을 따른 (예를 들어, 도 2b의 축(222)을 따라 각도 -A와 +A 사이의) 빔(205)의 작동을 제어하는 진동 스캔 요소(oscillatory scan element)(226) 및 다른 축을 따라(예를 들어, 도 2b의 축(224)을 따라) 일방향으로 빔(205)의 작동을 제어하는 일방향 등속 스캔 요소(unidirectional constant speed scan element)(228)(예를 들어, 폴리곤 편향기)를 포함하는 2-요소 스캔 시스템이다. 스캐닝 광학 장치(218)는 도 2a의 시스템(200)에 사용될 수 있다. 스캐닝 광학 장치(218)는 빔의 레이저 에칭, 표면 처리, 바코드 스캐닝 및 굴절 스캐닝을 포함하는 시스템(200)과 같은 LIDAR 시스템 이외의 시스템에 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 진동 스캔 요소(226)는 일방향 스캔 요소(228)가 없이 제공되거나 다른 구현예에서, 일방향 스캔 요소(228)는 진동 스캔 요소(226)가 없이 제공된다. 일 구현예에서, 등속 스캔 요소(228)가 축(224)을 따라 하나의 방향으로 빔(205)을 동시에 작동시키는 동안 진동 스캔 요소(226)는 빔(205)을 축(222)을 따라 반대 방향(양방향)으로 각도 -A와 +A 사이에서 작동시킨다. 일 구현예에서, 진동 스캔 요소(226)의 작동 속도는 양방향이고 등속 스캔 요소(228)의 일방향 속도보다 더 크기 때문에, 빔(205)은 해당 빔이 축(222)을 따라 스캔될 때마다(예를 들어, D의 각도로부터 +D까지) 축(224)을 따라 전후로 (예를 들어, -A와 +A 사이에서) 스캔된다.

일부 구현예에서, 스캐너 제어 모듈(270)은 처리 시스템(250)으로부터 진동 스캔 요소(226) 및/또는 일방향 스캔 요소(228)에 기계적으로 결합된 모터(232)로 전송되는 신호들을 제공한다. 일 구현예에서, 2개의 모터들은 하나의 모터가 진동 스캔 요소(226)에 기계적으로 결합되고 다른 모터가 일방향 스캔 요소(228)에 기계적으로 결합되도록 2개의 모터가 제공된다. 일 구현예에서, 처리 시스템(250)으로부터 수신된 신호들을 기초로, 모터(232)는 신호 내의 파라미터(예를 들어, 각속도 등)의 값에 따라 진동 스캔 요소(226) 및/또는 일방향 스캔 요소(228)를 회전시킨다. 스캐너 제어 모듈(270)은 빔(205)이 진동 스캔 요소(226)에 의해 요구되는 스캔 패턴(예를 들어, 축(222)을 따라 각도 -A와 +A 사이)으로 및/또는 일방향 등속 스캔 요소(228)에 의해 요구되는 스캔 패턴(예를 들어, 축(224)을 따라 각도 D와 +D 사이)으로 스캔되도록 신호 내의 파라미터의 값을 결정할 수 있다.

4. 굴절 빔-조향을 위한 코히런트 LIDAR 시스템

도 3은 시야(310)에 걸쳐 입사 빔(311)을 반사하도록 (도 3의 평면 내에서 제1 각도와 제2 각도 사이에서) 모터(미도시)에 의해 회전되는 폴리곤 반사기(304)를 포함하는 어셈블리(300)를 도시하는 블록도이다. 폴리곤 반사기(304)는 복수의 반사성 패싯들(306)(예를 들어, 육각형 반사기 내의 6개의 패싯)을 포함한다. 각각의 패싯(306)은 반사기(304)가 회전축을 중심으로 회전함에 따라 입사 빔(311)을 시야(310)를 정의하는 반사된 빔(312)으로 반사한다. 시야(310)는 입사 빔(311)이 패싯(306) 내의 제1 및 제2 브레이크(break)를 만날 때 정의될 수 있다. 시야(310)가 입사 빔(311)과 일치하는 각도를 포함할 수 없기 때문에, 시야(310)는 패싯(306)과 동일 평면에 있는 입사 빔(311)의 위치에 의해 제한될 수 있다. 이러한 스캔 각도에 대해 유용한 리턴 빔 데이터가 수집될 수 없기 때문에 시야(310)는 입사 빔(311)을 포함할 수 없다. 따라서, 폴리곤 반사기(304)는 패싯(306)의 외부 표면과 동일 평면이고 이에 입사하는 입사 빔(311)의 특성으로 인해 제한된 시야(310)를 갖는다. 이 시야(310)는 폴리곤 반사기(304)의 듀티 사이클을 제한할 수 있으며, 이 듀티 사이클은 어셈블리(300)의 총 작동 시간에 대하여 패싯(306)이 시야(310)에 걸쳐 빔(312)을 반사하는 시간으로서 정의된다. 이 듀티 사이클은 종래의 폴리곤 반사기(304)의 약 50% 일 수 있다.

도 4는 모터(232)에 의해 회전되어 편향기(404)의 내부(432)로부터 입사되는 빔(411)을 편향(예를 들어, 굴절)시키는 폴리곤 편향기(404)를 포함하는 어셈블리(400)를 도시하는 블록도이다. 폴리곤 편향기(404)는 일방향 등속 스캔 요소(228)을 포함할 수 있으며, 이 스캔 요소는 도 2a의 시스템(200)에 사용되거나 사용되지 않을 수 있다. 입사 빔(411)은 폴리곤 편향기(404)의 내부(432) 안에 위치된 광학 장치(405)(예를 들어, 하나 이상의 렌즈 또는 거울)에 의해 성형(shaping)(예를 들어, 콜리메이트)될 수 있다. 입사 빔(411)은 내부(432)의 광학 장치(405)에 의해 성형되기 전에 폴리곤 편향기(404)의 외부로부터 내부(432)로 지향될 수 있다. 일부 구현예에서, 복수의 입사 빔들(411)은 패싯(406)으로 향하기 전에 광학 장치(405)에 의해 제공되어 성형된다. 패싯(406)은 패싯(406)의 굴절률 및 패싯(406)에 입사되는 빔(411)의 입사각에 따라 입사 빔(411)을 Snell의 법칙에 따라 굴절된 빔(412)으로 굴절시킬 수 있다. 일 구현예에서, 시야(410)는 제1 패싯(406)에 입사되는 입사 빔(411)의 패싯 브레이크들 사이의 굴절된 빔(412)에 의해 정의된다. 일 구현예에서, 시야(410)는 폴리곤 반사기(304)에서의 시야(310)보다 더 크다. 일 구현예에서, 약 90도 이하인 시야(310)와 비교하면, 시야(410)는 약 90도(예를 들어, 실리콘과 같은 고굴절률 물질로 제조된 폴리곤 편향기(404)) 또는 약 50도(예를 들어, 통상의(non-exotic) 물질로 제조된 폴리곤 편향기(404))이다. 일 구현예에서, (예를 들어, 대향하는 패싯들(406) 사이의 거리로 정의되는) 폴리곤 편향기(404)의 폭은 (예를 들어, 대향하는 패싯들(306) 사이의 거리로 정의되는) 폴리곤 반사기(304)의 폭과 대략 동일하며, 각각의 패싯(406)의 폭은 각각의 패싯(306)의 폭과 대략 동일하다. 따라서, 어셈블리(300)와 비교하여 어셈블리(400)의 공간 절약은 폴리곤 편향기(404)에 대해 어셈블리(300)의 외부 컴포넌트(예를 들어, 입사 빔(311)을 지향시키는 콜리메이터)를 필요로 하지 않는 어셈블리(400)에 기인할 수 있다. 일 구현예에서, 폴리곤 편향기(404)는 (예를 들어, 편향기(404) 양측의 패싯들(406) 사이에서 측정된) 약 70 mm의 폭 및 각 패싯(406)을 따른 약 44 mm의 길이를 가진다. 일 구현예에서, 폴리곤 반사기(304)는 폴리곤 편향기(404)와 유사한 치수들을 가지지만, (예를 들어, 입사 빔(311)를 지향하기 위해) 약 50 mm 치수로 폴리곤폴리곤 반사기(304)로부터 약 25 mm 이격된 추가의 콜리메이터를 가진다. 따라서, 폴리곤 편향기(404)의 전방 영역 길이는 약 140 mm인 폴리곤 반사기(304)에 비해 약 70 mm이다. 일 구현예에서, 폴리곤 편향기(404)가 모터(232)에 의해 회전됨에 따라 입사 빔(411)은 각각의 패싯(406)에 의해 시야(410)에 걸쳐 연속적으로 굴절된다. 일 구현예에서, 폴리곤 편향기(404)의 듀티 사이클은 50%보다 크고 및/또는 약 70% 및/또는 약 80%보다 크다. 듀티 사이클은 폴리곤 편향기(404)의 회전 및 입사 빔(411)의 성형에 기초한 제2 시간에 대한 입사 빔(411)의 굴절에 기초한 제1 시간의 비율에 기초할 수 있다.

도 5a는 모터(534)에 의해 회전되어 편향기(501)의 내부(532)로부터 입사되는 빔(580)을 굴절시키는 폴리곤 편향기(501)를 포함하는 어셈블리(500)의 측면 단면도의 일 예를 도시하는 개략도이다. 도 5b는 도 5a의 폴리곤 편향기(501)의 평면 횡단면도의 일례를 도시하는 개략도이다. 일 구현예에서, 폴리곤 편향기(501)는 복수의 패싯들(506)을 포함한다. 일 구현예에서, 폴리곤 편향기(501)는 빔(580)의 파장에서 높은 (예를 들어, 약 90%보다 높은) 전송 특성(transmission characteristics)을 가진 물질로 제조된다. 도 5a-5b는 육각형 편향기(예를 들어, 6개의 측면들)를 도시하고 있지만, 다양한 구현예는 육각형 편향기로 제한되지 않으며 임의의 수의 측면을 갖는 임의의 폴리곤 편향기를 포함할 수 있으며, 패싯들(506)이 동일한 각도들과 동일한 폭을 가지는 정다각형일 필요는 없지만, 예를 들어, 패싯들(506)이 동일하지 않은 각도들 또는 동일하지 않은 폭들을 가지는 불규칙 다각형일 수 있다.

폴리곤 편향기(501)는 모터(534)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 일 구현예에서, 모터(534)는 회전축(540)을 중심으로 폴리곤 편향기(501)를 회전시킨다. 일 구현예에서, 회전축(540)은 폴리곤 편향기(501)가 회전 속도(502)로 회전하는 제1 평면(541)(도 5b의 평면)에 직교한다. 도 5a-5b는 회전 속도(502)가 시계 방향임을 표현하고 있지만, 회전 속도(502)는 반시계 방향일 수 있다. 일 구현예에서, 회전 속도의 크기는 분당 회전수(rpm)가 약 100 rpm 내지 약 1000 rpm 및/또는 약 10 rpm 내지 약 10,000 rpm이다. 일부 구현예들에서, 회전 속도의 크기는 여기에 개시된 수치 범위보다 큰 크기일 수 있다. 일 구현예에서, 모터(534)는 내부(532)를 정의하는 폴리곤 편향기(501)의 내부 표면(536)에 회전 가능하게 결합된 복수의 베어링들(520a, 520b)을 포함하는 브러시리스 DC(BLDC) 모터이다. 모터(534)는 회전축(540)을 중심으로 폴리곤 편향기(501)를 회전시키기 위해 코일(524)에 의해 작동되는 회전자(522)를 포함할 수 있다. 모터(534)는 폴리곤 편향기(501)의 내부(532)에 부분적으로 위치되는 고정자(stator)(526)를 포함할 수 있고, 고정자(526)는 패싯(506)에 입사하는 입사 빔(580)을 조향하기 위해 광학 기기들이 위치된 공동(cavity)를 정의한다. 고정자는 코일(524)을 구동하여 회전자(522)를 작동시키기 위해 전자기장을 출력할 수 있다. 일 구현예에서, 모터(534)는 매사추세츠 브레인트리에 소재한 Nidec Corporation에 의해 제조된 BLDC 모터이다.

일 구현예에서, 패싯(506)에 입사하는 입사 빔(580)을 조향하기 위해, 하나 이상의 광학 장치가 폴리곤 편향기(501)의 내부(532)에 위치된다. 일 구현예에서, 광학 장치는 하나 이상의 렌즈 및/또는 한 쌍의 거울들(528a, 528b)을 포함하는 렌즈 어셈블리(505)를 포함한다. 일 구현 예에서, 렌즈 어셈블리(505)는 자유 형상 원환체 단일 렌즈(free form toric single lens)이다.

도 5g는 도 5a의 어셈블리(500)에 사용되는 단일 원환체 렌즈(505')의 절개 단면도를 도시하는 개략도이다. 일 구현예에서, 원환체 렌즈(505')는 렌즈 어셈블리(505) 대신에 사용된다. 일 구현예에서, 원환체 렌즈(505')는 원통형 렌즈의 일부 특성들 및 구면 렌즈의 다른 특성들을 특징으로 하고 및/또는 렌즈 어셈블리(505)의 제1 및 제2 렌즈의 광학적 조합인 도넛 형태의 하이브리드 렌즈이므로 선택된다. 일 구현예에서, 모듈(270)의 소프트웨어 명령어들은 렌즈 어셈블리(505)와 동등한 원환체 렌즈(505')의 하나 이상의 파라미터 값들을 결정하기 위한 하나 이상의 명령어들를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 빔들(580)이 렌즈 어셈블리(505)의 초점면(focal plane)(예를 들어, 도 5a의 평면(543))에 장착된 평면 섬유 어레이(planar fiber array)(529)를 갖는 내부(532)로 투과된다.

도 5c는 일 구현예에 따라 도 5a의 어셈블리(500)의 평면 섬유 어레이(529)의 측면도의 일 예를 도시하는 개략도이다. 일 구현예에서, 도 5c는 도 5a와 동일한 평면(543)(예를 들어, 렌즈 어셈블리(505)의 초점면)을 따라 취한 것이다. 일 구현예에서, 평면 섬유 어레이(529)는 개별 횡방향 간격(transverse spacing)(584a, 584b)만큼 이격된 복수의 섬유들(582a, 582b, 582c)을 포함한다. 도 5c의 평면 섬유 어레이(529)에 3개의 섬유(582)가 도시되어 있지만, 이것은 단지 하나의 예이며, 3개보다 많거나 적은 섬유(582)가 평면 섬유 어레이(529)에 제공될 수 있다. 일부 구현예에서, 횡방향 간격(584a, 584b)은 인접한 섬유 쌍들 사이에서 동일하다. 일부 구현예에서, 횡방향 간격(584a, 584b)은 인접한 섬유 쌍들 사이에서 동일하지 않다(예를 들어, 섬유(582a, 582b) 사이의 간격(584a)은 섬유(582b, 582c) 사이의 간격(584b)과 동일하지 않음). 일 구현예에서, 각각의 빔(580)은 각각의 섬유(582)의 팁으로부터 투과되고, 따라서 복수의 빔들(580)이 섬유들(582)의 팁들로부터 내부(532)(예를 들어, 고정자(526)의 공동(530)) 내로 투과된다. 하나의 예시적인 구현예에서, 평면 섬유 어레이(529)는 중국 광동성 중산에 소재한 Zhongshan Meisu Technology Company에 의해 제조된 고정 간격의 섬유 어레이(fixed spacing fiber array) 및 평면 광파 회로(planar lightwave circuit, PLC) 연결체이다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 평면 섬유 어레이(529)로부터 투과된 복수의 빔들(580)은 제1 거울(528a)에 의해 제2 거울(528b)로 반사될 수 있으며, 제2 거울은 다시 복수의 빔들(580)을 렌즈 어셈블리(505)로 반사한다. 일 구현예에서, 거울들(528a, 528b)은 거울(528b)에 의해 반사된 빔들(580)이 거울(528a)에 입사하는 빔들(580)의 방향으로부터 약 180도인 방향으로 지향되도록 서로 직교하도록 (예를 들어, 90도 또는 약 70도 내지 약 110도의 범위의) 각을 이룬다. 일 구현예에서, 빔들(580)은 제1 거울(528a)보다 제2 거울(528b)에서 더 넓은 각도 범위를 커버하기 때문에, 제2 거울(528b)은 제1 거울(528a)보다 더 긴 반사 표면을 가진다. 예시적인 구현예에서, 거울들(528)은 뉴저지 배링턴에 소재한 Edmunds　Optics에 의해 제조된다.

도 5d는 일 구현예에 따라 도 5a의 어셈블리(500)의 렌즈 어셈블리(505)의 측면도의 일 예를 도시하는 개략도이다. 일 구현예에서, 도 5d는 도 5b의 평면(541)(예를 들어, 도 5a의 평면(543)에 직교함)을 따라 취해진다. 일 구현예에서, 렌즈 어셈블리(505)는 제2 거울(528b)로부터 제1 렌즈(582)로 반사되는 발산 빔들(580)을 콜리메이트하는 제1 렌즈(582)를 포함한다. 일 구현예에서, 제1 렌즈(582)는 제2 거울(528b)로부터 발산 빔들(580)이 비구면 렌즈(aspheric lens)에 의해 콜리메이트되도록 선택되는 초점 거리(focal length)를 갖는 비구면 렌즈이다. 일 구현예에서, 비구면 렌즈의 초점 거리는 제2 거울(528b) 너머로 연장된다.

도 5d에 도시된 바와 같이, 제1 렌즈(582)로부터의 콜리메이트된 빔들(580')은 제2 렌즈(584)에 의해 전향될 수 있다. 일 구현예에서, 제2 렌즈(584)는 포지티브 원통형 렌즈(positive cylindrical lens)의 초점 거리에 기초하여 빔들을 수렴시키는 포지티브 원통형 렌즈이다. 일 구현 예에서, 제2 렌즈(584)로부터 수렴하는 빔들(580")은 빔들(580"')이 폴리곤 편향기(501) 내에서 콜리메이트되고 패싯(506)에 입사하도록 내부(532)를 정의하는 폴리곤 편향기(501)의 내부 표면(536)에 의해 굴절된다. 예시적인 구현예에서, 제1 렌즈(582)의 초점 거리는 약 40-50 mm 및/또는 약 20-60 mm이므로, 약 10 ㎛ 모드 필드 직경(mode field diameter, MFD) 및/또는 약 6-14 ㎛ MFD의 표준 광섬유를 사용하여 직경이 약 8-10 mm 및/또는 약 6-12 mm인 빔(580')을 생성한다. 일 구현예에서, 섬유 어레이(529) 내의 빔들의 간격(584a, 584b)은 약 127 ㎛의 증분들 또는 그 배수들일 것이므로, 약 1-4도의 총 원호각 범위(total subtended angular spread)(560)를 얻을 수 있다. 일 구현예에서, 포지티브 원통형 렌즈의 곡률은 내부 표면(536)의 곡률과 동일하고 및/또는 포지티브 원통형 렌즈로부터 공기로의 굴절률 천이는 내부 표면(536)과 교차하는 공기로부터 폴리곤 편향기(501)로의 굴절률 천이와 반대이다. 일 구현예에서, 제2 렌즈(584)의 굴절률은 약 1.7 또는 약 1.3 내지 약 1.8의 범위에 있고, 폴리곤 편향기(501)의 굴절률은 약 1.7 또는 약 1.3 내지 약 1.8의 범위에 있으며, 포지티브 원통형 렌즈 및 내부 표면(536)의 곡률은 약 25.4 mm 반경 및/또는 약 20 mm 내지 약 30 mm 범위 및/또는 범위 약 15 mm 내지 약 40 mm의 범위에 있다. 패싯(506a)에 입사하는 콜리메이트된 빔들(580"')이 도 5b에 도시되어 있는 데, 도 5b는 평면(541) 또는 도 5d의 평면 내의 빔들(580"')을 도시한다.

도 5e는 2개 회전 위치들(550a, 550b)에 있는 도 5b의 폴리곤 편향기(501)를 도시하는 개략도이다. 일 구현예에서, 내부(532)로부터 패싯(506a)에 입사하는 콜리메이트된 빔들(580"')은 Snell의 법칙에 따라 패싯(506a)에 의해 굴절된다.

[수학식 5]

여기서 n₁은 폴리곤 편향기(501)의 굴절률이고, θ₁은 패싯(506a)(의 내부)에서의 법선에 대한 빔들(580"')의 패싯(506a)에 대한 입사각이고, n₂는 빔(512)이 굴절되고 있는 폴리곤 편향기(501)를 둘러싸는 매질의 굴절률(예를 들어, 공기=1)이고, θ₂는 패싯(506a)(의 외부)에서의 법선에 대한 빔(512a)의 굴절 각도이다. 굴절 각도는 회전축(542)에 직교하는 축(544)에 대한 각도(552a)로서 측정될 수 있다. 도 5e에 도시된 바와 같이, 복수의 빔들(512a)은 (축(544)에 대해) 각도(552a)로 굴절된다. 폴리곤 편향기(501)가 축(542)을 중심으로 제1 회전 위치(550a)로부터 제2 회전 위치(550b)로 회전함에 따라, 입사 빔(580"')은 축(544)에 대해 패싯(506a)의 일측에 의해 굴절되는 빔들(예를 들어, 각도(552a)로 굴절된 빔들(512a))에서 패싯(506a)의 반대측에 의해 굴절되는 빔들(예를 들어, 각도(552b)로 굴절된 빔들(512b))이 되어 굴절된 빔들(512)의 시야(510)를 정의할 수 있다. 일 구현예에서, 시야(510)는 약 50도(예를 들어, 폴리곤 편향기(501)의 굴절률이 약 1.6인 경우) 및 약 90도(예를 들어, 실리콘과 같은 고굴절률의 굴절 물질에 대해 굴절률이 더 높은 경우)이다.

도 5f는 도 5a의 폴리곤 편향기(501)의 부분 측면 단면도의 일 예를 도시하는 개략도이다. 일 구현예에서, 도 5f는 도 5a의 평면(543) 내에 있다. 일 구현예에서, 입사 빔들(580"')이 평면(543)에 있는 것으로 도시되며, 입사 빔들(580"')의 각도 범위(560)가 도시된다. 일 구현예에서, 각도 범위(560)는 수학식 6에 의한 평면 섬유 어레이(529)의 섬유들(582)의 횡방향 간격(584)과 관련된다:

[수학식 6]

여기서 y는 렌즈 어셈블리(505)의 초점면 외부의 섬유들(582)의 거리, 예를 들어. 평면(543) 외부의 섬유들(582)의 거리이고, 초점 거리는 렌즈 어셈블리(505)의 렌즈(582)의 초점 거리이다. 일부 구현예에서, 패싯(506)은 폴리곤 편향기(501)의 상부 또는 하부와 비직교(non-orthogonal) 각도(574)를 형성한다. 일 구현예에서, 비직교 각도(574)는 90도 이외의 임의의 각도 및/또는 약 75도 내지 약 105도 범위의 각도 및/또는 약 60도 내지 약 120도 범위의 각도이다. 추가로, 도 5f의 비직교 각도(574)는 90도 미만이지만, 예를 들어 도 5a의 패싯(506b)에 대한 비직교 각도(574)와 같이 비직교 각도(574)는 90도보다 클 수 있다. 각도(574)는 패싯(506)의 일부 또는 전부에 대해 직교하고 및/또는 약 90도일 수 있다. 각도(574)는 각 패싯(506)에 대해 비 직교일 수 있으나, 하나 이상의 패싯들에 대해 변동될 수 있다(예를 들어 하나 이상의 패싯들(506)에 대해 약 90도 미만이지만 하나 이상의 패싯들(506)에 대해 약 90도보다 클 수 있다). 각도(574)가 90도 미만인 하나 이상의 패싯들(506) 및 각도(574)가 90도보다 큰 하나 이상의 패싯들(506)의 배열의 장점은 평면(543)(도 5f) 내의 굴절된 빔들(512)이 (각도(574)가 90도 미만인 패싯(506)에 대해) 수평축(544) 위와 (각도(574)가 90도보다 큰 패싯(506)에 대해) 수평축(544) 아래 사이를 오갈(alternate) 수 있다는 것이다. 이것은 (예를 들어, 여러 범위 내에서 물체로부터의 리턴 빔 데이터를 획득하기 위해) 빔들(512)이 평면(543) 내에서 여러 범위에 걸쳐 스캔되도록 허용할 수 있다.

일 구현예에서, 패싯(506)에 입사되는 입사 빔(580"')은 패싯(506)에 의한 굴절 후에 더 큰 각도 범위(562)로 넓어지는 각도 범위(560)를 가진다. 일 구현예에서, 각도 범위(562)는 폴리곤 편향기(501)를 둘러싸는 매질의 굴절률(예를 들어, 공기 = 1)에 대한 폴리곤 편향기(501)의 굴절률(예를 들어, n = 1.5)의 비율에 따라 넓어진다. 예시적인 구현예에서, 각 빔(580"')이 패싯(506)에 입사하는 약 1도의 각도 간격을 가지는 경우, 각각의 굴절된 빔(512)은 예컨대, 폴리곤 편향기 내의 빔들(580"')의 각도 간격과 굴절률 비율의 곱인 약 1.5도의 각도 간격을 가진다.

일 구현예에서, 각도 범위를 넓히는 것 외에도, 평면(543) 내의 빔들(512)의 순 방향(net direction)이 패싯(506)에서의 굴절에 의해 변경된다. 일 구현 예에서, 평면(543) 내에서 수학식 5의 Snell의 법칙에 기초하여, 패싯(506)에 입사하는 입사 빔(580"')의 중심선(570)은 굴절된 빔들(512)의 중심선(572)으로 패싯(506)에 의해 굴절된다. 따라서, 굴절된 빔들(512)의 각도 범위(562)의 증가 이외에, 패싯(506)은 입사 빔(580")의 중심선(570)에 대해, 굴절된 빔들(512)의 중심선(572)의 방향을 변경할 수 있다. 일 구현예에서, 각도 범위(560)의 변화는 예를 들어, 빔들(580) 사이가 약 1도인 각도 범위(560)으로부터 빔들(580) 사이가 약 1.5도인 각도 범위(562)까지 약 50% 정도 변화할 수 있다. 일 구현예에서, 중심선(572)은 중심선(570)에 대해 +5도, +10도, -5도, -10도 정도로 변화된다.

5. 차량 제어 개요

일부 구현예에서, 차량은 차량에 장착된 고해상도 도플러 LIDAR 시스템으로부터 수신된 데이터에 기초하여 적어도 부분적으로 제어된다.

도 2e는, 일 구현예에 따라, 차량(238)에 장착된 적어도 하나의 고해상도 도플러 LIDAR 시스템(236)을 포함하는 예시적인 시스템(234)을 도시하는 블록도이다. 일 구현예에서, LIDAR 시스템(236)은 LIDAR 시스템들(200) 중 하나와 유사하다. 차량은 별(242)로 표시된 질량 중심을 가지며 화살표(244)에 의해 주어진 전방 방향으로 이동한다. 일부 구현예에서, 차량(238)은 처리 시스템(250)의 차량 제어 모듈(272)과 같은 프로세서의 신호에 응답하여 동작되는, 조향 또는 제동 시스템(도시되지 않음)과 같은, 컴포넌트를 포함한다. 일부 구현예에서, 차량은 도 8에 도시된 칩셋과 같은 온-보드(on-board) 프로세서(246)를 가진다. 일부 구현예에서, 온-보드 프로세서(246)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 원격 프로세서와 유선 또는 무선 통신한다. 일 구현예에서, LIDAR 시스템의 처리 시스템(250)이 온-보드 프로세서(246)와 통신 가능하게 결합되거나, (예를 들어, LIDAR 시스템(236)으로부터 수신된 정보를 사용하여 검출되는 하나 이상의 물체에 대한 충돌 회피를 수행하기 위해) LIDAR의 처리 시스템(250)은 차량 제어 모듈(272)이 처리 시스템(250)으로 하여금 차량의 방향 및 속도를 제어하기 위해 차량의 조향 또는 제동 시스템에 하나 이상의 신호를 송신하게 하도록 온-보드 프로세서(246)의 동작을 수행하는데 사용된다. 차량 제어 모듈(272)은 LIDAR 시스템(236)을 사용하여 결정된 거리 데이터 또는 속도 데이터(방향 데이터 포함) 중 적어도 하나를 사용하여 처리 시스템(250)의 동작을 제어할 수 있다. 고해상도 도플러 LIDAR는 방위각 시야(254)뿐만 아니라 차량(238) 주변의 스폿들(spots)을 조명하는 수직 각도들을 통해서 일측으로부터 장래의(future) 빔(253)에 의해 표시되는 타측으로 스윕(sweep)하는 스캐닝 빔(252)을 사용한다. 일부 구현예에서, 시야는 360도의 방위각이다. 일부 구현예에서, 진동 스캔 요소(226) 및/또는 일방향 스캔 요소(228)를 포함하는 스캐닝 광학 장치(218)가 방위각 시야(254) 또는 수직 각도들을 통해 빔을 스캔하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 경사각 시야는 대략 +10도 내지 대략 -10도이거나 또는 이의 부분 집합이다. 일 구현예에서, 시야(254)에 걸친 최대 설계 거리(maximum design range)는 약 200 미터 또는 약 150 미터 내지 약 300 미터 범위이다.

부 구현예에서, 차량은, 무엇보다도 GPS 센서, 주행 기록계(odometer), 회전 속도계(tachometer), 온도 센서, 진공 센서, 전압 또는 전류 센서와 같은 보조적인 센서들(도시되지 않음)를 포함한다. 일부 구현예에서, 회전 정보를 제공하기 위하여 자이로스코프(256)가 포함된다.

6. 코히런트 LIDAR 시스템에서 스캔 패턴을 최적화하기 위한 방법

도 6은 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 예시적인 방법(600)을 도시하는 순서도이다. 일 구현예에서, 방법(600)은 선형 기울기를 갖는 요구되는 파형에 기초하여 제1 각도와 제2 각도 사이에서 제1 방향으로 빔의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 것이다. 일부 구현예에서, 방법(600)은 자율 주행 차량에 장착된 LIDAR 시스템의 스캔 패턴을 최적화하기 위한 것이다. 단계들이 도 6에서 예시적인 목적으로 특정 순서에 따른 통합 단계들로서 도시되지만, 하나 이상의 단계 또는 그 일부는 상이한 순서로 수행되거나, 직렬 또는 병렬로 시간적으로 중첩되어 수행되거나, 생략되거나 할 수 있고, 또는 하나 이상의 추가 단계가 추가되거나, 방법이 몇몇 조합 방식으로 변경된다.

단계 601에서, 폴리곤 편향기(404)는 모터를 이용하여 제1 축을 중심으로 회전된다. 일 구현예에서, 단계 601에서 폴리곤 편향기(501)는 축(540)을 중심으로 모터(534)를 이용하여 회전된다. 일 구현예에서, 단계 601에서 하나 이상의 신호들이 모터(232, 534)로 전송되어 폴리곤 편향기(404, 501)를 회전시키고, 여기서 신호는 회전 파라미터의 하나 이상의 값들(예를 들어, 회전 속도, 회전 속도 방향, 회전 지속 시간 등의 값)을 나타내는 데이터를 포함한다.

단계 603에서, 하나 이상의 빔들이 폴리곤 편향기(404)의 내부(432)로 투과된다. 일 구현예에서, 단계 603에서 복수의 빔들(580)이 폴리곤 편향기(501)의 내부(532)의 평면 섬유 어레이(529)로부터 투과된다. 일 구현예에서, 단계 603에서 광원(예를 들어, 레이저 광원)이 내부(532)에 위치되어 내부(532)로부터 빔을 전송한다.

단계 605에서, 하나 이상의 빔들은 내부(432)의 하나 이상의 광학 장치(405)에 의해 성형되어 빔들이 콜리메이트고 폴리곤 편향기(404)의 내부(432)로부터 패싯(406)에 입사된다. 일 구현예에서, 단계 605에서, 평면 섬유 어레이(529)로부터의 복수의 빔들(580)은 한 쌍의 거울들(528a, 528b)에 의해 내부(532)에 위치된 제1 렌즈(582)를 포함하는 렌즈 어셈블리(505)로 반사된다.

단계 607에서, 단계 605에서 거울들(528a, 528b)로부터의 복수의 빔들(580)은 제1 렌즈(582)에 의해 빔들(580')로 콜리메이트된다. 일 구현예에서, 제1 렌즈(582)는 비구면 렌즈이다.

단계 609에서, 단계 607에서 제1 렌즈(582)로부터의 복수의 빔들(580')은 제2 렌즈(584)에 의해 전향된다. 일 구현예에서, 제2 렌즈(584)는 포지티브 원통형 렌즈이고, 빔들(580')은 폴리곤 편향기(501)의 내부 표면(536)에 입사되는 수렴 빔들(580")로 수렴된다.

단계 611에서, 단계 609의 수렴 빔들(580")은 폴리곤 편향기(501)의 내부 표면(536)에 의해 콜레메이트되어, 콜리메이트된 빔들(580"')이 폴리곤 편향기(501)로 전송되고 패싯(506)에 입사한다.

단계 613에서, 패싯(506)에 입사하는 콜리메이트된 빔들(580"')은 패싯(506)에 의해 빔들(512)로서 회전축(542)에 직교하는 제1 평면(541)으로 제1 각도로부터 평면(541) 내의 시야(510)를 정의하는 제2 각도로 굴절된다. 일 구현예에서, 시야(510)는 패싯(506)의 일측으로부터 반대측으로 통과하는 콜리메이트된 빔들(580"')에 의해 정의되고, 콜리메이트된 빔들(580"')이 패싯(506) 내의 브레이크(break) 너머로 통과할 때 종료된다. 일 구현예에서, 콜리메이트된 빔들(580"')이 인접한 패싯(506)으로 통과하면, 굴절된 빔들(512)은 평면(541) 내에서 시야(510)를 통해 재-스캔된다. 다른 구현예에서, 단계 613에서 패싯(506)에 입사하는 콜리메이트된 빔들(580"')은 빔들(512)로서 제1 평면(541)에 직교하는 제2 평면(543)으로 굴절된다. 일 구현예에서, 제2 평면(543) 내에서의 빔들(580"')의 굴절은 빔들(512)의 각도 범위(562)의 증가 및/또는 폴리곤 편향기(501)의 회전에 기초한 평면(543) 내의 빔들(512)의 중심선의 굴절 및/또는 빔들(512)의 회전을 포함한다. 폴리곤 편향기(404)는 50%보다 큰 듀티 사이클을 가질 수 있으며, 여기서 듀티 사이클은 굴절 단계에 따른 제1 시간과 회전 및 성형 단계에 기초한 제1 시간의 비율에 기초한다. 듀티 사이클은 70%보다 클 수 있다.

7. 다중 스캐너를 사용하는 LIDAR 시스템

본 개시 내용에 따른 시스템 및 방법은 출력된 빔이 더 많은 앙각(elevation angle)으로 빔을 출력하는 것과 같이 더 많은 방향으로 조향될 수 있도록 다중 스캐너를 사용할 수 있다. 예를 들어, LIDAR 시스템은 다양한 경사각들의 패싯들을 갖는 2개의 동심(concentric) 폴리곤 스캐너를 포함할 수 있다. 광학 장치는 제1 폴리곤 스캐너가 굴절시키는 콜리메이트된 광의 빔을 제2 폴리곤 스캐너로 출력할 수 있고 제2 폴리곤 스캐너는 해당 빔을 굴절시켜 LIDAR 시스템으로부터 빔을 출력한다. 서로에 대해 그리고 광학 장치에 대해 회전될 수 있는 폴리곤 스캐너들의 다양한 경사각은 출력된 빔에 대해 다양한 앙각을 가능하게 할 수 있다. 이것은 예를 들어, 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 출력된 빔을 반사하거나 그렇지 않으면 산란시키는 객체로부터의 리턴 빔으로부터 결정될 수 있는 객체에 대한 거리 및 속도를 결정하기 위해 LIDAR 시스템을 위한 소형의 폼 팩터(form factor)를 유지하면서 주어진 시간에 출력된 빔을 기초로 수신될 수 있는 신호 정보의 양을 증가시킬 수 있다.

도 7은 LIDAR 시스템(700)의 개략도이다. LIDAR 시스템(700) 및 그 컴포넌트들은 LIDAR 시스템(200), 어셈블리(300, 400, 500) 및 폴리곤 편향기(404, 501)와 같은 본 명세서에 설명된 다양한 장치 및 시스템과 차량 제어 모듈(272)의 특징을 포함할 수 있다. 예를 들어, LIDAR 시스템(700)은 스캐닝 광학 장치(218) 또는 검출기 어레이(230)와 같은 LIDAR 시스템(200)의 컴포넌트들과 함께 작동하거나 이를 포함하여 거리 또는 속도 중 적어도 하나에 반응하는 차량의 작동을 제어할 뿐만 아니라 객체로부터 리턴되는 빔을 사용하여 객체의 거리 또는 속도 중 적어도 하나를 결정할 수 있다.

LIDAR 시스템(700)은 제1 폴리곤 스캐너(704)를 포함할 수 있다. 제1 폴리곤 스캐너(704)는 제1 회전축(702) 주위의 제1 패싯(708) 및 제1 회전축(702)에 대해 제1 패싯(708)으로부터 외측으로 제1 바디(706)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 폴리곤 스캐너(704)는 5개의 제1 패싯들(708a, 708b, 708c, 708d, 708e)을 포함할 수 있다. 제1 패싯들(708)은 제1 회전축(702) 주위에 다각형 형상을 형성할 수 있어서 각각의 제1 패싯(708)은 2개의 인접한 제1 패싯(708)과 연결된다. 제1 패싯들(708)은 수신된 광의 빔들을 굴절시켜 제1 패싯들(708)의 입구측의 공기-패싯 계면(air-to-facet interface)(예를 들어, 안쪽면)으로부터 출구측(예를 들어, 바깥쪽 측면)으로 광의 각을 변경할 수 있다.

제1 패싯들(708)의 수는 검출할 신호 라인들의 수, 제1 패싯들(708)의 시야, 제1 패싯들(708) 사이의 천이(transition) 횟수, 및 제1 폴리곤 스캐너(704)의 크기와 같은 인자에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 패싯들(708)의 수가 증가함에 따라, 더 많은 신호 라인들이 검출될 수 있고(예를 들어, 빔을 출력하기 위해 더 많은 수의 앙각이 사용될 수 있음), 제1 폴리곤 스캐너(704)의 크기가 증가할 수 있고, 제1 패싯들(708)의 시야가 감소할 수 있고(예를 들어, 제1 패싯들(708)은 360/패싯들의 수와 동일한 시야를 가질 수 있어서 도 8에 도시된 바와 같은 5개의 제1 패싯들(708)은 각각 72도의 시야를 가질 수 있는 한편, 3개의 패싯들을 갖는 폴리곤 스캐너의 패싯들은 각각 120도의 시야를 가질 수 있음), 천이(예를 들어, 인접한 제1 패싯들(708) 사이의 천이) 횟수가 증가할 수 있다. 천이들은 빔들을 출력하는 데 효과적으로 사용될 수 있는 제1 폴리곤 스캐너(704)의 표면적을 감소시킬 수 있다. 제1 패싯들(708)의 수는 3개 이상 10개 이하일 수 있다.

제1 폴리곤 스캐너(704)는 제1 폴리곤 스캐너의 최내측 부분(예를 들어, 제1 회전축(702)에 가장 가까운 부분)으로부터 최외측 부분(예를 들어, 제1 회전축(702)으로부터 가장 먼 부분)까지의 제1 최대 두께(712)를 정의할 수 있다. 제1 최대 두께(712)는 3 mm 이상 10 mm 이하일 수 있다.

도 7을 더 참조하면, LIDAR 시스템(700)은 제1 회전축(702)에 대해 제1 폴리곤 스캐너(704)로부터 외측에 배치 또는 위치될 수 있는 제2 폴리곤 스캐너(720)를 포함할 수 있다(즉, 제2 폴리곤 스캐너의 패싯들은 제1 폴리곤 스캐너의 패싯들의 외측에 위치됨). 제2 폴리곤 스캐너(720)는 제1 폴리곤 스캐너(704)의 특징을 포함할 수 있다. 제1 폴리곤 스캐너(704)가 제2 폴리곤 스캐너(720) 위에서 회전할 수 있도록 제1 풀리곤 스캐너(704)와 제2 폴리곤 스캐너(720) 사이에 베어링(716)이 위치될 수 있다. 베어링(716)은 굴절률 유동 베어링(refractive index fluid bearing)일 수 있다.

제2 폴리곤 스캐너(720)는 제2 회전축 주위에 제2 패싯들(724)을 포함할 수 있다. 제2 회전축은 제1 회전 축(702)과 동일(예를 들어, 일치)할 수 있거나, 제1 회전축(702)과 평행(예를 들어, 평행 상태로 이격됨)할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 폴리곤 스캐너(720)는 5개의 제2 패싯들(724a, 724b, 724c, 724d, 724e)을 포함할 수 있다. 제2 패싯들(724)은 제2 회전축 주위에 다각형 형상을 형성할 수 있어서 각각의 제2 패싯(724)은 2개의 인접한 제2 패싯들(724)과 연결된다. 제2 패싯들(724)은 수신된 광의 빔들을 굴절시켜 제2 패싯들(724)의 입구면(예를 들어, 안쪽면)으로부터 출구측의 패싯-공기 계면(예를 들어, 바깥쪽 측면)까지 광의 각을 변경할 수 있다.

제2 패싯들(724)의 수는 검출할 신호 라인들의 수, 제2 패싯들(724)의 시야, 제2 패싯들(724) 사이의 천이 횟수, 및 제2 폴리곤 스캐너(720)의 크기와 같은 인자에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제2 패싯들(724)의 수가 증가함에 따라, 더 많은 신호 라인들이 검출될 수 있고, 제2 폴리곤 스캐너(720)의 크기가 증가할 수 있고, 제2 패싯들(724)의 시야가 감소할 수 있고, 천이 횟수가 증가할 수 있다. 제2 패싯들(724)의 수는 3개 이상 10개 이하일 수 있다.

제1 패싯들(708) 및 제2 패싯들(724)은 각각의 제1 및 제2 회전축에 대해 다양한 각도(예를 들어, 경사각)를 가질 수 있으며, 이는 제2 페싯들(724)에 의해 출력되는 광의 앙각을 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 폴리곤 스캐너(704)의 특정 제1 패싯(708)은 제1 회전축(702)에 대해 내측 표면(908)에 대한 제1 각도(904)를 정의할 수 있고, 제2 폴리곤 스캐너(720)의 특정 제2 패싯(724)은 (도 9에 도시된 바와 같이, 제1 회전축(702)과 일치하는) 제2 회전축에 대해 외측 표면(916)에 대한 제2 각도(912)를 정의할 수 있다.

제1 패싯들(708) 중 적어도 2개의 제1 패싯들(708)은 서로 다른 제1 각도들(904)을 정의할 수 있다. 적어도 2개의 제2 패싯들(724)은 서로에 대해 상이한 제2 각도들(912)을 정의할 수 있다. (예를 들어, 어떤 패싯들(708, 724)이 특정 각도들(904, 912)을 정의하는지에 대한) 각도들(904, 912)의 순서는 예를 들어, 각각의 제1 및 제2 회전축에 대해 각각의 폴리곤 스캐너(704, 720)의 질량의 균형을 맞추도록 변경될 수 있다. 각도들(904, 912)은 -12도 이상 12도 이하일 수 있다. 각도들(904, 912)은 -8도 이상 8도 이하일 수 있다(도 9에 도시된 기준 프레임에서, 음의 각도는 특정 제1 패싯(708) 또는 특정 제2 패싯(724)의 하부 엣지가 특정 제1 패싯(708) 또는 특정 제2 패싯(724)의 상부 엣지로부터 외측에 있음을 나타낼 수 있다). 예를 들어, 도 9에 도시된 특정 제1 패싯(708) 및 특정 제2 패싯(724)의 경우, 제1 각도(904)는 -4도일 수 있고, 제2 각도(912)는 6도일 수 있다.

도 7을 추가로 참조하면, 제1 폴리곤 스캐너(704) 및 제2 폴리곤 스캐너(720)는 굴절률, (예를 들어, 약 1500 나노미터의 파장과 같이 폴리곤 스캐너(704, 720)가 광을 굴절 출력하는 파장에서의) 투명도 또는 광학 품질(예를 들어, 낮은 산란) 중 적어도 하나의 상대적으로 높은 파라미터를 갖는 재료로 제조될 수 있다. 폴리곤 스캐너들(704, 720)의 재료는 폴리곤 스캐너들(704, 720)이 동일한 굴절률을 갖도록 선택될 수 있다. 폴리곤 스캐너들(704, 720)의 투명도는 폴리곤 스캐너들(704, 720)이 투과형 폴리곤으로서 동작하는 것을 가능하게 할 수 있다. 폴리곤 스캐너들(704, 720)은 폴리머 재료들로 제조될 수 있다. 폴리곤 스캐너들(704, 720)은 폴리스티렌, C-Lec Plastics에 의해 제조된 REXOLITE, 또는 ZEON Corporation에 의해 제조된 ZEONEX와 같은 재료로 제조될 수 있다.

LIDAR 시스템(700)은 제1 빔(732)을 제1 폴리곤 스캐너(704)로 출력하는 광학 장치(728)(예를 들어, 광학 어셈블리)를 포함할 수 있다. 광학 장치(728)는 제1 빔(732)을 콜리메이트할 수 있다. 광학 장치(728)는 레이저를 사용하여 제1 빔(732)을 출력할 수 있다. 광학 장치(728)는 LIDAR 시스템(700)의 크기의 축소를 용이하게 하기 위해 소형 폼 팩터를 가질 수 있다. 광학 장치(728)는 제1 빔(732)을 성형하고 제1 빔의 방향을 조절할 수 있는 하나 이상의 렌즈들 또는 거울들을 포함할 수 있다. 광학 장치(728)의 적어도 일부는 레이저가 제1 폴리곤 스캐너(704)의 내부(710)에서 전송되도록 위치될 수 있다.

제1 폴리곤 스캐너(704)(예를 들어, 제1 폴리곤 스캐너(704)의 특정 제1 패싯(708))는 제1 빔(732)을 굴절시켜 제2 폴리곤 스캐너(720)의 특정 제2 패싯(724)에 입사하는 제2 빔(736)을 출력할 수 있다. 제2 폴리곤 스캐너(720)(예를 들어, 제2 폴리곤 스캐너(720)의 특정 제2 패싯(724))는 제2 빔(736)을 굴절시켜 제3 빔(740)을 출력할 수 있다.

광학 장치(728)는 적어도 하나의 거울(748)에 광을 출력하는 레이저와 같은 광원(744)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 거울(748)은 제1 거울(748) 및 제2 거울(748)을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 거울(748)은 제1 빔(732)을 출력할 수 있는 렌즈(752)로 광을 반사할 수 있다.

LIDAR 시스템(700)은 각각의 제1 및 제2 회전축에 대해 제1 폴리곤 스캐너(704) 및 제2 폴리곤 스캐너(720)를 회전시키는 적어도 하나의 모터(756)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 모터(756)는 모터(534)의 특징들을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 모터(756)는 제1 폴리곤 스캐너(704) 및 제2 폴리곤 스캐너(720)와 결합될 수 있다. 적어도 하나의 모터(756)는 제1 폴리곤 스캐너(704)와 결합된 제1 모터(756a) 및 제2 폴리곤 스캐너(720)와 결합된 제2 모터(756b)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 모터(756)는 제1 폴리곤 스캐너(704) 및 제2 폴리곤 스캐너(720) 각각과 연결된 단일 모터를 포함할 수 있으며, 이 단일 모터는 다양한 기어 또는 기계적 연결 장치(도시되지 않음)를 사용하여 폴리곤 스캐너들(704, 720)을 구동시킬 수 있다. 적어도 하나의 모터(756)는 각각의 제1 및 제2 회전축 주위에서 (제1 및 제2 회전축이 동일하거나 평행한 반대 방향을 포함하는) 동일한 방향 또는 상이한 방향으로 폴리곤 스캐너들(704, 720)을 회전시킬 수 있다.

적어도 하나의 모터(756)는 제1 폴리곤 스캐너(704)를 제1 회전 주파수(ω₁)로 회전시킬 수 있고, 제2 폴리곤 스캐너(720)를 제2 회전 주파수(ω₂)로 회전시킬 수 있다. 회전 주파수(ω₁, ω₂)는 어떤 제1 패싯(708)이 제1 빔(732)을 굴절시켜 제2 빔(736)을 출력하고 어떤 제2 패싯(724)이 제2 빔(736)을 굴절시켜 제3 빔(740)을 출력하는지를 제어하는 데 사용될 수 있다. 이로써, 회전 주파수(ω₁, ω₂)는 (빔(732, 736)이 각각의 제1 패싯(708) 및 제2 패싯(724)에 충돌하는 각도에 기초한) 방위각 및 (각도(904, 912)에 기초한) 제3 빔(740)의 앙각을 제어하는 데 사용될 수 있다. 회전 주파수(ω₁, ω₂)는 (예를 들어, 스캐너들(704, 720) 중 하나로 거친(coarse) 각도 제어를 수행하고 스캐너들(704, 720) 중 다른 스캐너로 미세한(fine) 각도 제어를 수행하도록) 제1 폴리곤 스캐너(704) 또는 제2 폴리곤 스캐너(720) 중 하나가 상대적으로 큰 각도에 걸쳐 조향되고, 제1 폴리곤 스캐너(704) 또는 제2 폴리곤 스캐너(720) 중 다른 하나가 상대적으로 작은 각도에 걸쳐 조향되도록 제어될 수 있다. 제2의 외측 폴리곤 스캐너(720)는 상대적으로 큰 각도에 걸쳐 조향되도록 제어될 수 있으며, 이는 제1의 내측 폴리곤 스캐너(704)가 상대적으로 더 작아지게 하고 제1 폴리곤 스캐너(704)를 위한 공간을 감소시킬 수 있다.

LIDAR 시스템(700)은 적어도 하나의 위치 센서(760)를 포함할 수 있다. 위치 센서(760)는 제1 폴리곤 스캐너(704) 또는 제2 폴리곤 스캐너(720) 중 적어도 하나의 위치(예를 들어, 각도 위치)를 감지할 수 있다. 예를 들어, 위치 센서(760)는 예를 들어, 제1 폴리곤 스캐너(704) 또는 제2 폴리곤 스캐너(720) 중 적어도 하나와 결합되는 적어도 하나의 모터(756)의 위치를 사용하여 제1 폴리곤 스캐너(704) 또는 제2 폴리곤 스캐너(720) 중 적어도 하나의 위치를 감지하기 위해 적어도 하나의 모터(756)와 결합되거나 적어도 하나의 모터(756)의 일부로서 제공될 수 있다. 위치 센서(760)는 제1 폴리곤 스캐너(704) 또는 제2 폴리곤 스캐너(720) 중 적어도 하나의 위치에 관한 적어도 하나의 위치 신호를 출력할 수 있으며, 해당 신호는 각각의 회전 주파수(ω₁, ω₂)를 제어하는 데 사용될 수 있다.

도 10은 도 7에 도시된 폴리곤 스캐너들(704, 720)의 제1 패싯들(708) 중 2개의 패싯(708a, 708b) 및 5개의 제2 패싯들(724)(724a, 724b, 724c, 724d, 724e)을 통한 제1 빔(732) 및 제2 빔(736)의 경로에 기초한 제3 빔(740)의 방위각(θ) 및 앙각(

)의 차트(1000)를 도시한다. 제1 폴리곤 스캐너(704) 및 제2 폴리곤 스캐너(720)의 회전은 제3 빔(740)을 출력하기 위해 광학 장치(728)에 의해 출력되는 광과 상호 작용하는 제1 패싯(708) 및 제2 패싯(724)의 다양한 조합들(1004)(예를 들어, 제1 빔(732)을 굴절시키는 특정 제1 패싯(708) 및 특정 제1 패싯(708)에 의해 굴절된 제1 빔(732)에 대응하는 제2 빔(736)을 굴절시키는 특정 제2 패싯(724)의 조합들)을 초래할 수 있다. 제1 패싯(708) 및 제2 패싯(724)의 조합들(1004)은 제3 빔(740)의 다양한 방위각(θ) 및 앙각(

)을 초래할 수 있다. 조합들(1004)은 이산 방위각 및 앙각들로 이루어질 수 있고 방위각의 범위가 변할 수 있다.

도 11은 LIDAR 시스템을 동작시키는 방법(1100)을 도시한다. 방법(1100)은 LIDAR 시스템(700)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 명세서에 설명된 다양한 장치 및 시스템을 사용하여 수행될 수 있다.

1105에서, 제1 폴리곤 스캐너가 제1 회전축을 중심으로 제1 회전 주파수로 회전된다. 제1 폴리곤 스캐너는 제1 회전축에 대해 다양한 경사각으로 배열될 수 있는 다수의 제1 패싯들을 포함할 수 있다. 제1 폴리곤 스캐너는 제1 폴리곤 스캐너와 결합된 적어도 하나의 모터에 의해 회전될 수 있다.

1110에서, 제2 폴리곤 스캐너는 제1 회전축과 정렬될 수 있는 제2 회전축을 중심으로 제2 회전 주파수로 회전된다. 제2 폴리곤 스캐너는 제1 폴리곤 스캐너의 외측에 있을 수 있다. 제2 폴리곤 스캐너는 제2 회전축에 대해 다양한 경사각으로 배열될 수 있는 다수의 제2 패싯들을 포함할 수 있다. 제2 폴리곤 스캐너는 제2 폴리곤 스캐너와 결합될 수 있는 적어도 하나의 모터에 의해 회전될 수 있다.

1115에서, 제1 빔은 제1 폴리곤 스캐너의 내부에서 복수의 제1 패싯들 중의 특정 제1 패싯으로 전송된다. 제1 빔은 해당 제1 빔을 콜리메이트된 광 빔으로 출력하는 광학 장치에 의해 전송될 수 있다. 예를 들어, 광학 장치는 레이저 소스를 포함할 수 있으며, 제1 빔을 특정 제1 패싯으로 유도하고 성형할 수 있는 다양한 거울들 및 렌즈들을 포함할 수 있다.

특정 제1 패싯은 제1 빔을 (예를 들어, 제1 폴리곤 스캐너의 내부의 공기에 대한 제1 폴리곤 스캐너의 굴절률에 따라) 굴절시켜 제2 빔을 제2 폴리곤 스캐너의 특정 제2 패싯으로 출력할 수 있다. 특정 제2 패싯은 (예를 들어, 제2 폴리곤 스캐너로부터 외측의 공기에 대한 제2 폴리곤 스캐너의 굴절률에 따라) 제2 빔을 굴절시켜 제3 빔을 출력할 수 있다. 제3 빔의 방위각은 제1 빔의 방향 및 회전축에 대한 폴리곤 스캐너들의 회전 위치들을 기초로 제어될 수 있다. 앙각의 제어에 특정 제1 패싯과 특정 제2 패싯의 경사각들을 사용할 수 있으므로, 제3 빔의 앙각은 제1 빔의 방향 및 회전축에 대한 폴리곤 스캐너들의 회전 위치들을 기초로 제어될 수 있다.

1120에서, 제4 빔이 수신된다. 제4 빔은 검출기 어레이에 의해 수신될 수 있다. 제4 빔은 객체에 의한 제3 빔의 반사 또는 기타 산란으로 인해 생성될 수 있다. 예를 들어, 객체는 제3 빔에 응답하여 제4 빔이 출력되게 하는 차량, 보행자 또는 자전거일 수 있다.

1125에서, 객체의 거리 또는 객체의 속도 중 적어도 하나는 제4 빔을 사용하여 결정된다. 예를 들어, 검출기 어레이는 거리 또는 속도 중 적어도 하나를 결정하도록 처리될 수 있는 제4 빔을 나타내는 신호를 생성할 수 있다.

1130에서, 차량(예를 들어, 완전히 또는 부분적으로 자율적 방식으로 (즉, 인간의 상호작용 없이) 동작할 수 있는 자율 차량)은 거리 또는 속도 중 적어도 하나에 응답하여 제어된다. 예를 들어, 차량의 조향 시스템 또는 제동 시스템은 차량의 방향 또는 속도 중 적어도 하나를 제어하도록(예를 들어, 객체에 대한 충돌 회피를 수행하도록) 제어될 수 있다.

8. 컴퓨터 하드웨어 개요

도 12는 컴퓨터 시스템(1200)을 도시하는 블록도이다. 컴퓨터 시스템(1200)은 컴퓨터 시스템(1200)의 다른 내부 및 외부 컴포넌트들 사이에 정보를 전달하기 위한 버스(1210)와 같은 통신 메커니즘을 포함한다. 정보는 전형적으로는 전압인 측정 가능한 현상의 물리적 신호들로 표현되지만, 다른 구현예에서는 자기 상호 작용, 전자기 상호 작용, 압력 상호 작용, 화학 상호 작용, 분자 원자 상호 작용 및 양자 상호 작용과 같은 현상을 포함한다. 예를 들어, N극 및 S극 자기장, 또는 0인 전압 및 0이 아닌 전압은, 2 진수(비트)의 두 가지 상태(0, 1)를 나타낸다. 다른 현상은 더 높은 베이스의 숫자를 나타낼 수 있다. 측정 전에 여러 개의 동시 양자 상태의 중첩은 양자 비트(큐비트)를 나타낸다. 하나 이상의 숫자들 시퀀스는 숫자 또는 문자에 대한 코드를 나타내는데 사용되는 디지털 데이터를 구성한다. 일부 구현예에서, 아날로그 데이터라 불리는 정보는 특정 범위 내의 측정 가능한 값의 근접 연속체(near continuum)로 표시된다. 컴퓨터 시스템(1200) 또는 그 일부는, 본 명세서에 설명된 하나 이상의 방법 중 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 수단을 구성한다.

이진수 시퀀스는 숫자 또는 문자에 대한 코드를 나타내는데 사용되는 디지털 데이터를 구성한다. 버스(1210)는 정보가 버스(1210)에 연결된 장치들 사이에 빠르게 송신될 수 있도록 많은 병렬 정보 컨덕터(parallel conductors of information)를 포함할 수 있다. 정보를 처리하기 위한 하나 이상의 프로세서(1202)가 버스(1210)와 결합된다. 프로세서(1202)는 정보에 대한 일련의 동작을 수행한다. 일련의 동작은 버스(1210)로부터 정보를 가져오는 것과 버스(1210) 상에 정보를 배치하는 것을 포함한다. 또한, 일련의 동작은 통상적으로 2개 이상의 정보 단위의 비교, 정보 단위의 위치 시프트, 덧셈 또는 곱셈과 같은 2개 이상의 정보 단위의 결합을 포함한다. 프로세서(1202)에 의해 실행되는 동작 시퀀스는 컴퓨터 명령어를 구성한다.

또한, 컴퓨터 시스템(1200)은 버스(1210)에 결합된 메모리(1204)를 포함한다. 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM)) 또는 다른 동적 저장 장치와 같은 메모리(1204)는 컴퓨터 명령어를 포함하는 정보를 저장한다. 동적 메모리는 그 안에 저장된 정보가 컴퓨터 시스템(1200)에 의해 변경되도록 한다. RAM은 메모리 어드레스로 불리는 위치에 저장된 정보 단위가 이웃하는 어드레스의 정보와 독립적으로 저장되고 검색되도록 한다. 또한, 메모리(1204)는 컴퓨터 명령어의 실행 동안 임시 값을 저장하기 위하여 프로세서(1202)에 의해 사용된다. 또한, 컴퓨터 시스템(1200)은 리드 온리 메모리(read only memory, ROM)(1206) 또는 컴퓨터 시스템(1200)에 의해 변경되지 않는 명령어를 포함하는 정적 정보를 저장하기 위해 버스(1210)에 결합된 다른 정적 저장 장치를 포함한다. 또한, 컴퓨터 시스템(1200)이 꺼지거나 아니면 전원이 손실될 때에도 지속되는 명령어를 포함하는 정보를 저장하기 위한, 자기 디스크 또는 광 디스크와 같은 비휘발성(영구) 저장 장치(1208)가 버스(1210)에 결합될 수 있다.

명령어를 포함하는 정보는, 인간 사용자에 의해 조작되는 문자-숫자 키를 포함하는 키보드와 같은 외부 입력 장치(1212) 또는 센서로부터 프로세서에 의한 사용을 위해 버스(1210)에 제공된다. 센서는 그 부근의 상태를 검출하고 이러한 검출들을 컴퓨터 시스템(1200)에서 정보를 나타내는데 사용되는 신호들과 호환 가능한 신호들로 변환한다. 주로 인간과 상호 작용하기 위해 사용되는 버스(1210)에 결합된 다른 외부 장치는, 이미지를 제공하기 위한 CRT(Cathode Ray Tube) 또는 액정 디스플레이(LCD)와 같은 디스플레이 장치(1214)를 포함하고, 디스플레이(1214)에 제공되는 작은 커서 이미지의 위치를 제어하고 디스플레이(1214) 상에 제공되는 그래픽 요소에 연관된 명령을 발행하기 위한, 마우스 또는 트랙볼 또는 커서 방향 키와 같은 포인팅 장치(1216)를 포함한다.

도시된 구현예에서, 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit, ASIC)(1220)와 같은 특수 목적 하드웨어가 버스(1210)에 결합된다. 특수 목적 하드웨어는 특별한 목적을 위해 프로세서(1202)에 의해 신속하게 수행되지 않는 동작을 충분히 빠르게 수행하도록 구성된다. ASIC의 예는, 디스플레이(1214)를 위한 이미지를 생성하기 위한 그래픽 가속기 카드, 네트워크를 통해 전송된 메시지를 암호화 및 복호화하기 위한 암호화 보드(cryptographic board), 음성 인식 및 하드웨어 내에서 보다 효율적으로 구현된 일부 복잡한 일련의 동작을 반복적으로 수행하는 로봇 암(robotic arm) 및 의료 스캐닝 장비와 같은 특별한 외부 장치들과의 인터페이스를 포함한다.

또한, 컴퓨터 시스템(1200)은 버스(1210)에 결합된 통신 인터페이스(1270)의 하나 이상의 예를 포함한다. 통신 인터페이스(1270)는 프린터, 스캐너 및 외부 디스크와 같은 자신의 프로세서로 동작하는 다양한 외부 장치에 대한 양방향 통신 커플링을 제공한다. 일반적으로, 커플링은 자신의 프로세서를 갖는 다양한 외부 장치가 접속되는 로컬 네트워크(1280)에 접속되는 네트워크 링크(1278)와 이루어진다. 예를 들어, 통신 인터페이스(1270)는 개인용 컴퓨터상의 병렬 포트 또는 직렬 포트 또는 USB(universal serial bus) 포트일 수 있다. 일부 구현예에서, 통신 인터페이스(1270)는 ISDN(Integrated Services Digital Network) 카드 또는 DSL(digital subscriber line) 카드 또는 대응하는 유형의 전화선으로의 정보 통신 연결을 제공하는 전화 모뎀이다. 일부 구현예에서, 통신 인터페이스(1270)는 버스(1210) 상의 신호들을 동축 케이블을 통한 통신 연결을 위한 신호들 또는 광섬유 케이블을 통한 통신 연결을 위한 광 신호들로 변환하는 케이블 모뎀이다. 다른 예로서, 통신 인터페이스(1270)는 이더넷(Ethernet)과 같은 호환 가능한 근거리 통신망(Local Area Network, LAN)으로의 데이터 통신 연결을 제공하는 LAN 카드일 수 있다. 또한, 무선 링크들이 구현될 수 있다. 전파(radio wave), 광파(optical wave) 및 적외선 파(infrared wave)를 포함하는, 음파 및 전자기파와 같은 반송파는 와이어 또는 케이블 없이 공간을 통과한다. 신호들은 진폭, 주파수, 위상, 편광 또는 반송파의 다른 물리적 특성들의 인공적인 변화를 포함한다. 무선 링크에 대하여, 통신 인터페이스(1270)는 디지털 데이터와 같은 정보 스트림을 운반하는 적외선 및 광 신호들 포함하는, 전기, 음향 또는 전자기 신호들을 송수신한다.

본 명세서에서 컴퓨터 판독 가능한 매체라는 용어는 실행을 위한 명령어를 포함하는 정보를 프로세서(1202)에 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭하는데 사용된다. 이러한 매체는 비휘발성 매체, 휘발성 매체 및 전송 매체를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 형태를 취할 수 있다. 비휘발성 매체는, 예를 들어 저장 장치(1208)와 같은, 광 또는 자기 디스크를 포함한다. 휘발성 매체는 예를 들어 동적 메모리(1204)를 포함한다. 전송 매체는 예를 들어 동축 케이블, 구리선, 광섬유 케이블 및 전파, 광파 및 적외선 파를 포함하는, 음파 및 전자기파와 같은, 유선 또는 케이블 없이 공간을 통과하는 파를 포함한다. 본 명세서에서 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체라는 용어는 프로세서(1202)에 정보를 제공하는데 참여하는 매체로서, 전송 매체를 제외한 임의의 매체를 지칭하기 위해 사용된다.

컴퓨터 판독 가능한 매체의 일반적인 형태는, 예를 들어, 플로피 디스크, 플렉시블(flexible) 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프 또는 임의의 다른 자기 매체, 콤팩트 디스크 ROM(CD-ROM), 디지털 비디오 디스크(DVD) 또는 다른 광 매체, 펀치 카드, 종이 테이프 또는 홀 패턴을 갖는 임의의 다른 물리적 매체, RAM, PROM(programmable PROM), EPROM(erasable EPROM), FLASH-EPROM 또는 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 반송파, 또는 컴퓨터 판독할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다. 본 명세서에서 컴퓨터 판독 가능한 비일시적인(non-transitory) 저장 매체라는 용어는 프로세서(1202)에 정보를 제공하는데 참여하는 매체로서, 반송파 및 다른 신호들을 제외한 임의의 매체를 지칭하기 위해 사용된다.

하나 이상의 유형의 매체(tangible media) 내에 인코딩된 로직은 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체 상의 프로세서 명령어 및 ASIC(1220)과 같은 특수 목적 하드웨어 중 하나 또는 둘 모두를 포함한다.

네트워크 링크(1278)는 통상적으로 정보를 사용하거나 처리하는 다른 장치로의 하나 이상의 네트워크를 통한 정보 통신을 제공한다. 예를 들어, 네트워크 링크(1278)는 로컬 네트워크(1280)를 통해 호스트 컴퓨터(1282) 또는 인터넷 서비스 제공자(ISP)에 의해 운영되는 장비(1284)에 접속을 제공할 수 있다. ISP 장비(1284)는 현재 일반적으로 인터넷(1290)으로 지칭되는 네트워크의 공개적이고 전세계적인 패킷 교환 통신 네트워크를 통해 데이터 통신 서비스를 제공한다. 인터넷에 접속된 서버(1192)로 불리는 컴퓨터는 인터넷을 통해 수신된 정보에 응답하여 서비스를 제공한다. 예를 들어, 서버(1292)는 디스플레이(1214)에서 프리젠테이션하기 위한 비디오 데이터를 나타내는 정보를 제공한다.

컴퓨터 시스템(1200)은 본 명세서에 설명된 다양한 기술을 구현하는 데 사용될 수 있다. 메모리(1204)에 포함된 하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를 실행하는 프로세서(1202)에 응답하여 컴퓨터 시스템(1200)에 의해 여러 기술을 수행할 수 있다. 소프트웨어 및 프로그램 코드라고도 불리는 이러한 명령어는 저장 장치(1208)와 같은 다른 컴퓨터 판독 가능한 매체로부터 메모리(1204)로 읽혀질 수 있다. 메모리(1204)에 포함된 명령어 시퀀스의 실행은 프로세서(1202)로 하여금 본 명세서에 설명된 방법의 단계들을 수행하게 한다. 대안적인 구현예에서, ASIC(1220)와 같은 하드웨어가 여기에 설명된 다양한 동작들을 구현하기 위해 소프트웨어 대신에 또는 소프트웨어와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 다양한 구현예들은 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 특정 조합으로 제한되지 않는다.

네트워크 링크(1278) 및 통신 인터페이스(1270)를 통한 다른 네트워크를 통해 송신된 신호들은 컴퓨터 시스템(1200)으로 그리고 그로부터 정보를 운반한다. 컴퓨터 시스템(1200)은, 다른 것들 중에서도, 네트워크(1280, 1290)를 통해, 네트워크 링크(1278) 및 통신 인터페이스(1270)를 통해, 프로그램 코드를 포함하는 정보를 송수신할 수 있다. 인터넷(1290)을 이용한 일례에서, 서버(1292)는, 인터넷(1290), ISP 장비(1284), 로컬 네트워크(1280) 및 통신 인터페이스(1270)를 통해, 컴퓨터(1100)로부터 전송된 메시지에 의해 요청된, 특정 애플리케이션을 위한 프로그램 코드를 송신한다. 수신된 코드는 수신될 때 프로세서(1202)에 의해 실행되거나, 나중에 실행하기 위해 저장 장치(1208) 또는 다른 비휘발성 저장 장치에 저장되거나, 이들 모두일 수 있다. 이러한 방식으로, 컴퓨터 시스템(1200)은 반송파 상의 신호의 형태로 애플리케이션 프로그램 코드를 얻을 수 있다.

다양한 형태의 컴퓨터 판독 가능한 매체는 실행을 위해 프로세서(1202)에 명령어 또는 데이터, 또는 이 모두의 하나 이상의 시퀀스를 운반하는데 관련될 수 있다. 예를 들어, 명령어 및 데이터는 초기에 호스트(1282)와 같은 원격 컴퓨터의 자기 디스크 상에 운반될 수 있다. 원격 컴퓨터는 명령어 및 데이터를 그의 동적 메모리에 로딩하고 모뎀을 사용하여 전화선을 통해 명령어 및 데이터를 전송한다. 컴퓨터 시스템(1200)에 국지적인 모뎀은 전화선 상에서 명령어 및 데이터를 수신하고 적외선 송신기를 사용하여 명령어 및 데이터를 네트워크 링크(1278)의 역할을 하는 적외선 반송파 상의 신호로 변환한다. 통신 인터페이스(1270)의 역할을 하는 적외선 검출기는 적외선 신호 내에 운반된 명령어 및 데이터를 수신하고, 명령어 및 데이터를 나타내는 정보를 버스(1210) 상에 위치시킨다. 버스(1210)는 정보를 메모리(1204)로 옮기고, 프로세서(1202)는 명령어와 함께 전송된 데이터의 일부를 이용하여 메모리(1204)로부터 명령어를 검색하고 실행한다. 메모리(1204)에서 수신된 명령어 및 데이터는 프로세서(1202)에 의한 실행 전 또는 후에 저장 장치(1208)에 선택적으로 저장될 수 있다.

도 13은 칩셋(1300)을 도시한다. 칩셋(1300)은 본 명세서에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하도록 프로그래밍되며, 예를 들어, 하나 이상의 물리적 패키지(예를 들어, 칩들)에 포함된 도 12와 관련하여 설명된 프로세서 및 메모리 컴포넌트들을 포함한다. 예로서, 물리적 패키지는, 물리적 강도, 크기 보존 및/또는 전기적 상호 작용의 제한과 같은 하나 이상의 특성을 제공하기 위해 구조적 어셈블리(예를 들어, 베이스 보드) 상의 하나 이상의 재료, 컴포넌트 및/또는 와이어의 배열을 포함한다. 소정의 구현예에서 칩셋은 단일 칩으로 구현될 수 있다는 것이 고려된다. 칩셋(1300) 또는 그 일부는, 본 명세서에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하기 위한 수단을 구성한다.

하나의 구현예에서, 칩셋(1300)은 칩셋(1300)의 컴포넌트들 사이에서 정보를 전달하기 위한 버스(1301)와 같은 통신 메커니즘을 포함한다. 프로세서(1303)는 명령어를 실행하고, 예를 들어, 메모리(1305)에 저장된 정보를 처리하기 위해 버스(1301)에 연결된다. 프로세서(1303)는 각각의 코어가 독립적으로 수행하도록 구성된 하나 이상의 프로세싱 코어를 포함할 수 있다. 멀티 코어 프로세서는 단일 물리적 패키지 내에서 다중 처리를 가능하게 한다. 멀티 코어 프로세서의 예는 2개, 4개, 8개 또는 그 이상의 프로세싱 코어를 포함한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 프로세서(1303)는 명령어, 파이프라이닝(pipelining) 및 멀티스레딩(multithreading)의 독립적인 실행을 가능하게 하기 위해 버스(801)를 통해 직렬로 구성된 하나 이상의 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다. 또한, 프로세서(1303)는 하나 이상의 디지털 신호 프로세서(digital signal processor, DSP) 또는 하나 이상의 ASIC(1309)와 같은 소정의 처리 기능 및 작업을 수행하기 위한 하나 이상의 특수 컴포넌트를 수반할 수 있다. DSP(1307)는 통상적으로 프로세서(1303)와 독립적으로 실세계 신호들(예를 들어, 사운드)을 실시간으로 처리하도록 구성된다. 유사하게, ASIC(1309)은 범용 프로세서에 의해 쉽게 수행되지 않는 특수 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에 설명된 발명적 기능을 수행하는데 도움이 되는 다른 특수 컴포넌트들은 하나 이상의 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA)(도시되지 않음), 하나 이상의 컨트롤러(도시되지 않음) 또는 하나 이상의 다른 특수 목적 컴퓨터 칩을 포함한다.

프로세서(1303) 및 수반하는 컴포넌트들은 버스(1301)를 통해 메모리(1305)에 연결된다. 메모리(1305)는 실행될 때 본 명세서에 설명된 방법의 하나 이상의 단계를 수행하도록 실행 가능한 명령어를 저장하기 위한 동적 메모리(예를 들어, RAM, 자기 디스크, 기록 가능한 광디스크 등) 및 정적 메모리(예를 들어, ROM, CD-ROM 등) 모두를 포함한다. 또한, 메모리(1305)는 본 명세서에 설명된 방법 중 하나 이상의 단계의 실행과 연관되거나 그에 의해 생성된 데이터를 저장한다.

이제 일부 예시적인 구현예들을 설명하였지만, 전술한 구현예들은 예시적이며 한정적인 것이 아니며, 예로서 제시된 것이 분명하다. 특히, 본 명세서에 제시된 많은 예가 방법 동작들 또는 시스템 요소들의 특정 조합을 포함하지만, 이러한 동작들과 이러한 요소들은 동일한 목적을 달성하기 위하여 다른 방식으로 조합될 수 있다. 하나의 구현예과 관련하여 논의된 동작들, 요소들 및 특징들은 다른 구현예들의 유사한 기능으로부터 배제되도록 의도된 것은 아니다.

본 명세서에서 사용된 어법 및 용어는 설명을 위한 것이며 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", "~을 특징으로 하는(characterized by)", "~ 인 것을 특징으로 하는(characterized in that)" 및 이들의 변형의 사용은 그 후에 열거되는 항목, 이의 균등물 및 추가 항목뿐만 아니라, 그 후에 열거되는 항목으로 이루어지는 대안적인 구현예를 배타적으로 포함하도록 의도된다. 하나의 구현예에서, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 설명된 요소들, 동작들 또는 컴포넌트들 중의 하나, 2 이상의 각각의 조합 또는 모두로 이루어진다.

본 명세서에서 단수 형태로 언급된 시스템들 및 방법들의 구현예들 또는 요소들 또는 동작들에 대한 임의의 언급은 복수의 이러한 요소들을 포함하는 구현예들 또한 포함할 수 있으며, 본 명세서에서 임의의 구현예들 또는 요소들 또는 동작들에 대한 복수 형태의 언급은 단일의 요소만을 포함하는 구현예 또한 포함할 수 있다. 단수 또는 복수 형태의 언급은 현재 개시된 시스템들 또는 방법들, 이들의 컴포넌트들, 동작들 또는 요소들을 단수 또는 복수 구성으로 한정하려는 의도는 아니다. 임의의 정보, 동작 또는 요소에 기초하는 임의의 동작 또는 요소에 대한 언급은 동작 또는 요소가 임의의 정보, 동작 또는 요소에 적어도 부분적으로 기초하는 구현예를 포함할 수 있다.

본 명세서에 개시된 임의의 구현예들은 임의의 다른 구현예 또는 실시예와 결합될 수 있으며, "일 구현예", "일부 구현예", "하나의 구현예" 등은 반드시 상호 배타적인 것이 아니며, 구현예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 구현예 또는 실시예에 포함될 수 있다는 것을 나타내려는 의도이다. 본 명세서에 사용된 이러한 용어는 반드시 모두 동일한 구현예를 나타내는 것은 아니다. 임의의 구현예는 본 명세서에 개시된 양태 및 구현예에 부합하는 임의의 방식으로 포괄적이거나 배타적으로 임의의 다른 구현예와 결합될 수 있다.

도면, 상세한 설명 또는 임의의 청구항의 기술적 특징들에 참조 기호들이 따라오는 경우, 참조 기호들은 도면, 상세한 설명 및 청구범위의 이해도를 높이기 위하여 포함되었다. 따라서, 참조 기호의 유무는 임의의 청구항 요소의 범위에 어떠한 한정적 효과도 가지지 않는다.

본 명세서에 설명된 시스템들 및 방법들은 그 특성으로부터 벗어나지 않고 다른 구체적인 형태들로 구체화될 수 있다. 추가의 상대적인 평행, 직각, 수직 또는 다른 위치 설정 또는 지향의 설명은 순수한 수직, 평행 또는 직각 위치 설정의 +/- 10% 또는 +/-10도 내의 변동을 포함한다. "대략", "약", "실질적으로" 또는 정도에 대한 다른 용어에 대한 언급은 명시적으로 다르게 나타내지 않는 한 주어진 측정값, 단위 또는 범위로부터 +/-10%의 변동을 포함한다. 결합된 요소들은 직접 또는 개재 요소를 이용하여 전기적으로, 기계적으로 또는 물리적으로 서로 결합될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 설명된 시스템들 및 방법들의 범위는 전술한 설명이 아니라 첨부된 청구 범위에 의해 표현되고, 청구 범위의 균등론의 의미 및 범위 내에 있는 변경들이 포함된다.

"결합되는"이라는 용어 및 이의 변형은 2개의 부재를 서로 직접적으로 또는 간접적으로 결합하는 것을 포함한다. 이러한 결합은 고정적인(예를 들어, 영구적인 또는 고정된) 또는 이동 가능한(예를 들어, 제거 가능한 또는 분리 가능한) 것일 수 있다. 이러한 결합은, 서로 직접 결합된 2개의 부재, 별도의 개재 부재 및 서로 결합된 임의의 추가 중간 부재를 이용하여 서로 결합된 2개의 부재, 또는 2개의 부재 중 하나와 단일의 통합체로서 일체로 형성된 개재 부재를 이용하여 서로 결합된 2개의 부재로 성취될 수 있다. "결합되는" 또는 이의 변형이 추가 용어에 의해 수식되는 경우(예를 들어, 직접 결합되는), 위에 제공된 "결합되는"의 일반적 정의는 추가 용어의 보통의 언어 의미에 의해 한정되어(예를 들어, "직접 결합되는"은 어떠한 별도의 개재 부재 없는 2개의 부재의 결합을 의미하여), 위에서 제공된 "결합되는"의 일반적 정의보다 더 좁은 정의가 된다. 이러한 결합은 기계적, 전기적 또는 유체적일 수 있다.

"또는"에 대한 언급은 "또는"을 이용하여 설명된 임의의 용어들은 설명된 용어들 중 하나, 2 이상 또는 전부를 포괄하는 것으로 해석될 수 있다. "'A' 또는 'B' 중 적어도 하나"에 대한 언급은 'A'만, 'B'만 및 'A'와 'B' 모두를 포함할 수 있다. "포함하는" 또는 다른 개방형 용어와 함께 사용되는 이러한 언급은 추가 항목을 포함할 수 있다.

다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 파라미터의 값, 장착 배열, 재료의 사용, 색상, 지향의 변화와 같은 설명된 요소들 및 동작들의 수정은 본 명세서에 개시된 내용의 교시(teaching) 및 이점으로부터 실질적으로 벗어나지 않고 발생할 수 있다. 예를 들어, 일체로 형성된 것으로 나타낸 요소들은 다수의 부분들 또는 요소들로 구성될 수 있고, 요소들의 위치는 반전되거나 아니면 변경될 수 있으며, 개별 요소 또는 위치의 특성 또는 개수는 변동되거나 변경될 수 있다. 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않으면서, 개시된 요소들 및 동작들의 설계, 동작 조건 및 배열에서 다른 대체, 수정, 변경 및 생략이 또한 이루어질 수 있다.

본 명세서에서 요소들의 위치(예를 들어, "상부", "하부", "위에", "아래에")에 대한 언급은 단지 도면에서 다양한 요소의 지향을 설명하기 위해서 사용된다. 다양한 요소의 지향은 다른 예시적인 실시예에 따라 상이할 수 있고, 이러한 변동은 본 개시 내용에 의해 포함된다는 것이 주목되어야 한다.

Claims (15)

1. 제1 회전축 주위에 배열된 복수의 제1 패싯들을 포함하는 제1 폴리곤 스캐너;
   제2 회전축 주위에 배열된 복수의 제2 패싯들을 포함하는 제2 폴리곤 스캐너 - 상기 복수의 제2 패싯들은 상기 제2 회전축에 대해 상기 복수의 제1 패싯들로부터 외측에 위치됨 -; 및
   상기 제1 회전축에 대해 상기 제1 폴리곤 스캐너로부터 내측에 위치된 광학 장치 - 상기 광학 장치는 제1 빔을 상기 제1 폴리곤 스캐너에 제공하도록 구성되고, 상기 제1 폴리곤 스캐너는 상기 제1 빔을 굴절시켜 제2 빔을 상기 제2 폴리곤 스캐너에 출력하도록 구성되고, 상기 제2 폴리곤 스캐너는 상기 제2 빔을 굴절시켜 제3 빔을 출력하도록 구성됨 -
   를 포함하는, LIDAR 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 폴리곤 스캐너를 상기 제1 회전축을 중심으로 제1 방향으로 회전시키고 상기 제2 폴리곤 스캐너를 상기 제2 회전축을 중심으로 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 회전시키도록 구성된 적어도 하나의 모터를 더 포함하는, LIDAR 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 빔을 상기 광학 장치에 제공하도록 구성된 레이저 소스를 더 포함하는, LIDAR 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 방향은 상기 제2 방향과 반대인, LIDAR 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 회전축은 상기 제2 회전축과 동일하거나 평행한, LIDAR 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 광학 장치는 상기 복수의 제1 패싯들 중의 특정 제1 패싯에 입사하도록 상기 제1 빔을 콜리메이트(collimate)하도록 구성되고, 상기 특정 제1 패싯은 상기 복수의 제2 패싯들 중의 특정 제2 패싯에 입사되는 상기 제2 빔을 출력하도록 제1 빔을 굴절시키도록 구성되고, 상기 복수의 제2 패싯들 중의 상기 특정 제2 패싯은 상기 제2 폴리곤 스캐너의 회전에 응답하여 상기 제3 빔을 스캔하도록 구성되는, LIDAR 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 제1 패싯들 중 적어도 2개의 제1 패싯들은 상기 제1 회전축에 대해 서로 상이한 각도들을 정의하는, LIDAR 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 제1 패싯들 중의 특정 제1 패싯은 상기 제1 회전축에 대한 제1 각도를 정의하고, 상기 복수의 제2 패싯들 중의 특정 제2 패싯은 상기 제2 회전축에 대한 제2 각도를 정의하고, 상기 제1 각도는 상기 제2 각도와 상이한, LIDAR 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제3 빔의 제3 각도는 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도에 기초하여 결정되는, LIDAR 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    상기 광학 장치는 상기 제1 빔을 콜리메이트된 광의 빔으로서 출력하도록 구성되는, LIDAR 시스템.
11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 폴리곤 스캐너의 제1 굴절률은 상기 제2 폴리곤 스캐너의 제2 굴절률과 동일한, LIDAR 시스템.
12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 패싯들은 3개 이상 10개 이하의 제1 패싯들을 포함하는, LIDAR 시스템.
13. 제1 회전축 주위에 배열된 복수의 제1 패싯들을 포함하는 제1 폴리곤 스캐너;
    제2 회전축 주위에 배열된 복수의 제2 패싯들을 포함하는 제2 폴리곤 스캐너 - 상기 복수의 제2 패싯들은 상기 제2 회전축에 대해 상기 복수의 제1 패싯들로부터 외측에 위치됨 -;
    검출기 어레이; 및
    하나 이상의 프로세서
    를 포함하고, 상기 하나 이상의 프로세서는
    상기 제1 폴리곤 스캐너가 제1 회전 주파수로 회전되게 하고,
    상기 제2 폴리곤 스캐너가 제2 회전 주파수로 회전되게 하고,
    레이저 소스가 상기 제1 폴리곤 스캐너의 내부에서 상기 제1 빔을 상기 복수의 제1 패싯들 중의 특정 제1 패싯으로 전송하여, 상기 특정 제1 패싯이 상기 제1 빔을 굴절시켜 상기 복수의 제2 패싯들 중의 특정 제2 패싯에 입사하는 제2 빔을 출력하도록 하고 상기 특정 제2 패싯이 상기 제2 빔을 굴절시켜 제3 빔을 출력하도록 하고,
    객체에 의한 상기 제3 빔의 반사 또는 산란 중 적어도 하나에 의해 상기 검출기 어레이에서 수신된 제4 빔을 기초로 상기 검출기 어레이로부터 신호를 수신하고, 그리고
    상기 검출기 어레이로부터 수신된 상기 신호를 사용하여 상기 객체까지의 거리를 결정하도록
    구성되는, 자율 차량 제어 시스템.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 폴리곤 스캐너는 상기 제2 회전 주파수로 회전하는 것에 의해 상기 제3 빔을 스캔하는, 자율 차량 제어 시스템.
15. 광 검출 및 거리 측정(LIDAR) 장치; 및
    하나 이상의 프로세서
    를 포함하는 자율 차량에 있어서,
    상기 LIDAR 장치는
    제1 회전축 주위에 배열된 복수의 제1 패싯들을 포함하는 제1 폴리곤 스캐너 - 상기 복수의 제1 패싯들 중 특정 제1 패싯은 제1 빔을 굴절시켜 제2 빔을 출력하도록 구성됨 -; 및
    제2 회전축 주위에 배열된 복수의 제2 패싯들을 포함하는 제2 폴리곤 스캐너 - 상기 복수의 제2 패싯들은 상기 제2 회전축에 대해 상기 복수의 제1 패싯들로부터 외측에 위치되고, 상기 복수의 제2 패싯들 중 특정 제2 패싯은 상기 제2 빔을 굴절시켜 제3 빔을 출력하도록 구성됨 -
    를 포함하고,
    상기 하나 이상의 프로세서는
    객체에 의한 상기 제3 빔의 반사 또는 산란 중 적어도 하나에 의해 수신된 제4 빔을 사용하여 해당 객체까지의 거리를 결정하고,
    상기 객체까지의 거리를 이용하여 상기 자율 주행 차량의 동작을 제어하도록
    구성되는, 자율 차량.

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