KR20230003103A - 광 검출 및 거리 측정을 위한 lidar 센서, lidar 모듈, lidar 인에이블된 디바이스와 광 검출 및 거리 측정을 위한 lidar 센서를 작동시키는 방법 - Google Patents

Abstract

광 검출 및 거리 측정을 위한 LiDAR 센서는 광원(LS), 드라이버 회로(DC), 검출기(DT) 및 처리 유닛(PU)을 포함한다. 광원(LS)은 광 방출기들(LE)의 어레이를 포함하며, 여기서 광 방출기들(LE)은 그룹들로서 전기적으로 상호연결되고, 여기서 광 방출기들은 LiDAR 센서로부터 멀어지게 광을 방출하도록 작동 가능하다. 광 방출기(LE) 그룹들 중 적어도 2 개는 서로 상이한 기하학적 형태들과 유사한 광원(LS)의 구역들을 형성한다. 드라이버 회로(DC)는, 동일한 그룹으로부터의 광 방출기들(LE)이 동일한 발광 특성을 갖는 광을 방출하도록, 광 방출기(LE) 그룹들을 개별적으로 어드레싱하도록 작동 가능하다. 검출기(DT)는 광 검출기들(PD)의 어레이를 포함하며, 여기서 각각의 광 검출기(PD)는 광원(LS)에 의해 방출되고 LiDAR 센서 외부의 물체에 의해 반사되는 광을 검출하고 검출된 광의 함수로서 검출기 신호를 생성하도록 작동 가능하다. 처리 유닛(PU)은 각자의 광 방출기(LE) 그룹과 연관된 검출기 신호들에 기초하여 물체까지의 거리를 나타내는 출력을 제공하도록 작동 가능하다.

Description

광 검출 및 거리 측정을 위한 LIDAR 센서, LIDAR 모듈, LIDAR 인에이블된 디바이스와 광 검출 및 거리 측정을 위한 LIDAR 센서를 작동시키는 방법

본 발명은 광 검출 및 거리 측정(ranging)을 위한 LiDAR 센서, LiDAR 모듈, LiDAR 인에이블된 디바이스와 광 검출 및 거리 측정을 위한 LiDAR 센서를 작동시키는 방법에 관한 것이다.

이 특허 출원은 유럽 특허 출원 20173458.9의 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 이로써 참조에 의해 포함된다.

광 검출 및 거리 측정(light detection and ranging), 줄여서 LiDAR는 광원 및 수신기를 사용하여 원격 물체 검출 및 거리 측정을 위한 감지 기술이다. 통상적인 구현들에서, 방출된 광 펄스들은 물체들에 부딪히고, 반사되어, LiDAR 시스템으로 복귀할 수 있으며 여기서 수신기는 복귀하는 광 펄스를 검출한다. 광 펄스를 송신하는 것과 수신하는 것 사이의 시간은 LiDAR 시스템과 물체 사이의 거리에 의존한다. 이동 시간(time of travel)을 알면 거리를 계산할 수 있다. 이 개념의 하나의 가능한 구현은 직접 비행 시간(Direct Time of Flight), 줄여서 D-ToF이다. 이 시스템은, 예를 들면, 근적외선 광의 짧은 펄스들을 방출한다. 그 에너지의 일부는 복귀되어 거리 정보로, 선택적으로 강도와 방향으로, 그리고 궁극적으로, 다수의 연속적인 측정들로부터, 속도로 변환된다. LiDAR 센서는, 예를 들면 자율 주행 차량, 로봇 또는 첨단 운전자 보조 시스템(Advanced Driver Assistance System), 줄여서 ADAS에서, 이미징 시스템으로서 다양한 응용들을 발견한다. LiDAR 센서들은 단거리(최대 15 내지 20m), 중거리(10 내지 80m) 및 장거리(75m 초과)에 이용 가능하다.

LiDAR 시스템은 전체 시야를 한 번에 관찰할 수 있어, 플래시(Flash) 시스템이라고 불릴 수 있다. 플래시는 전형적으로 단거리 내지 중거리(0 내지 100m)에 대해 잘 작동하며, 전체 장면을 한 번에 캡처하는 것에 의해 또한 높은 상대 속도들을 갖는 물체들이 적절하게 검출될 수 있다. 다른 구현은 FOV의 서브세트에 초점을 맞추고, 결과적으로 전체 FOV가 커버될 때까지 서브세트들을 한꺼번에 관찰하는 것이며, 스캐닝 LiDAR라고 불린다. 스캐닝은 전체 FOV 대신 서브세트에 광을 집중시킬 수 있으며, 따라서 플래시에 비해 더 먼 거리에서의 물체 검출을 수행할 수 있다. 스캐너가 FOV의 하나의 서브세트만을 측정하므로, 이는 광 빔을 서브세트로부터 서브세트로 이동시키기 위해 약간의 스티어링을 필요로 한다. 현재 시스템들은 전형적으로, 전체 센서 헤드를 회전시키는 것, 소위 스피닝 LiDAR(spinning LiDAR)에 의해, 또는 센서 내부의 기계 컴포넌트들, 예를 들면, 폴리곤 미러들 또는 MEMS 미러들을 사용하는 것에 의해, 기계적 빔 스티어링을 사용한다. 그렇지만, 기계 컴포넌트들을 사용하는 것은 이러한 부품들이 고장날 위험이 있다.

LiDAR 시스템에서의 주요 성능 파라미터들은 시야, 각도 분해능, 범위(range), 및 프레임 레이트이다. 이들에 영향을 미치는 주된 파라미터들은, 평균화 또는 히스토그램화(histogramming)와 같은 신호 처리와 결합되어, 확률적 잡음을 감소시키는 데 도움이 되는 방출기 및 수신기 픽셀들의 개구수, 방출기 전력 및 수신기 감도이다. 전통적으로, LiDAR 성능은 FoV, 방출 전력, 픽셀 크기 및 평균화 양의 섬세한 균형이다. 종종, 특히 장거리 LiDAR의 경우, 보다 나은 범위 성능을 달성하기 위해 프레임 레이트와 FoV가 희생된다. 동시에 LiDAR 시스템들은 충분한 범위 성능을 갖는 실현 가능하고 콤팩트하며 비용 효율적인 해결책을 제시해야 하는 지속적인 도전에 직면해 있다.

어떠한 움직이는 부품들도 없는 빔 스티어링 또는 진정한 솔리드 스테이트(solid state)를 목표로 하는 기술 분야에서의 최초의 시도들이 있었다. 스캐닝 LiDAR 및 플래시 LiDAR 둘 모두의 현재 시스템들은 전체 시야의 동일한 조명에 의존한다. 도 6은 단일 행 스캐닝 조명 개념을 사용한 종래 기술의 수직 공동 표면 방출 레이저, 또는 VCSEL의 예를 도시한다. 이것이 일반적으로 적용 가능한 접근법이지만, 시야 내의 특정 관심 영역(ROI)들을 어드레싱할 방법이 없으며, 이는 이러한 시스템들을 유연성이 없고 전력 비효율적으로 만든다.

통상적인 스캐닝 LiDAR의 단점들을 극복하는 광 검출 및 거리 측정을 위한 LiDAR 센서, LiDAR 모듈, LiDAR 인에이블된 디바이스와 광 검출 및 거리 측정을 위한 LiDAR 센서를 작동시키는 방법을 제공하는 것이 목적이다.

이러한 목적들은 독립 청구항들의 주제에 의해 달성된다. 추가의 발전들 및 실시예들은 종속 청구항들에 설명되어 있다.

임의의 하나의 실시예와 관련하여 설명되는 임의의 특징이 단독으로, 또는 본 명세서에서 설명되는 다른 특징들과 조합하여 사용될 수 있고, 또한 실시예들 중 임의의 다른 실시예의 하나 이상의 특징, 또는 대안으로서 설명되지 않는 한 실시예들 중 임의의 다른 실시예의 임의의 조합과 조합하여 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 게다가, 첨부된 청구항들에서 규정되는 광 검출 및 거리 측정을 위한 LiDAR 센서, LiDAR 모듈, LiDAR 인에이블된 디바이스와 광 검출 및 거리 측정을 위한 LiDAR 센서를 작동시키는 방법의 범위를 벗어나지 않고 아래에서 설명되지 않은 균등물들 및 수정 사항들이 또한 이용될 수 있다.

이하는 광 검출 및 거리 측정 또는 LiDAR 시스템들의 분야에서의 개선된 개념에 관한 것이다. 일 양상은 LiDAR 센서의 분할(segmentation)에 관한 것이다. 예를 들어, LiDAR 센서는 광 방출기들의 어레이를 갖는 광원을 포함한다. 광원을 행들 및/또는 열들로 그룹화하는 대신에, 개선된 개념은 전체 행 또는 열과 반드시 유사하지는 않는 광 방출기 그룹들을 제안한다. 그 대신에, 그룹들은 임의의 형상 및 형태를 가질 수 있는 광원의 구역들과 유사할 수 있다. 유사하게, LiDAR 센서는 검출기를 형성하는 광 검출기들의 어레이를 포함한다. 예를 들어, 그룹들이, LiDAR 이미지와 같은, LiDAR 출력에서의 관심 영역들과 연관될 수 있도록 그리고/또는 광 검출기들도 그룹들로 고정 배선하는 것에 의해 그룹화가 검출기로 확장될 수 있다. 이러한 그룹들 또는 관심 영역들은 임의의 형상 및 형태도 가질 수 있는 검출기의 구역들과 유사할 수 있다. 따라서, 관심 영역(field of interest) 또는 시야의 구역들에서 방출 및 검출 양쪽에 그룹화가 도입될 수 있다.

적어도 하나의 실시예에서, 광 검출 및 거리 측정을 위한 LiDAR 센서는 광원, 드라이버 회로, 검출기 및 처리 유닛을 포함한다.

광원은 그룹들로서 전기적으로 상호연결되는 광 방출기들의 어레이를 포함한다. 광 방출기들은 LiDAR 센서로부터 멀어지게 광을 방출하도록 작동 가능하다. 광 방출기 그룹들 중 적어도 2 개는 서로 상이한 기하학적 형태들과 유사한 광원의 구역들을 형성한다. 이것은, 하나의 그룹이 광원의 전체 프로파일, 예를 들면, 광원의 전체 행 또는 열과 일치하는 구역과 유사한 경우에, 상이한 형상 또는 기하학적 형태를 갖는 구역을 커버하는 적어도 하나의 그룹이 있다는 것을 말해준다. 행들 및 열들로서 배열되지 않은 광 방출기 어레이들, 예를 들면, 육각형 배열에 대해서도 마찬가지이다. 사실, 그룹들은 가능한 모든 형상 또는 기하학적 형태(자유 형태)를 가질 수 있다. 따라서, 그룹들이 광원을 배열하는 데 이용되는 구조와 무관한 것으로 간주될 수 있다. 그 대신에, 그들의 형상 및 면적은 대체로 드라이버 회로에 의한 전기적 상호연결들 및 어드레싱에 의해 결정된다.

광 방출기들은 광원의 픽셀들 또는 요소들로 간주될 수 있으며, 예를 들어, 발광 다이오드들 또는 반도체 레이저 다이오드들을 포함할 수 있다. 광 방출기들 모두 또는 적어도 주어진 그룹 내의 광 방출기들은 동일한 유형일 수 있다. 그렇지만, 광원은 상이한 유형들의 광 방출기들도 가질 수 있다. 광원 또는 광 방출기들은 하나 이상의 특성 방출 파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 광 방출기의 방출 파장은 근적외선(NIR)에 있다. 다른 파장들은, 예를 들어, 가시광 또는 자외선, 적외선(IR) 또는 원적외선(FIR)을 포함할 수 있다.

드라이버 회로는 광 방출기 그룹을 개별적으로 어드레싱하도록 작동 가능하다. 어드레싱은 동일한 그룹으로부터의 광 방출기들이 동일한 방출 특성을 갖는 광을 방출하도록 한다. 예를 들어, 드라이버 회로는 레이저 드라이버를 포함하며 하나 이상의 채널을 가질 수 있다. 어드레싱은, 예를 들어, 하나 이상의 채널을 통해 설정된다.

검출기는 광 검출기들의 어레이를 포함한다. 각각의 광 검출기는 광원에 의해 방출되고 LiDAR 센서 외부의 물체에 의해 반사되는 광을 검출하도록 작동 가능하다. 게다가, 광 검출기들은 검출된 광의 함수로서 검출기 신호를 생성하도록 작동 가능하다. 예를 들어, 광 검출기들은, 예컨대, 어레이를 형성하도록 배열되거나 통합되는 솔리드 스테이트 또는 반도체 광 검출기들로서 구현될 수 있다. 예들은 CCD 또는 CMOS 이미지 센서들, 단일 광자 애벌랜치 다이오드들(SPAD들)의 어레이 또는 다른 유형의 애벌랜치 다이오드들(APD들)의 어레이를 포함한다. 이러한 유형들의 광 검출기들은, NIR, VIS, 및 UV와 같은, 광에 민감할 수 있으며, 광 방출기에 의한 방출에서 좁은 펄스 폭들을 사용하는 것을 용이하게 할 수 있다.

마지막으로, 처리 유닛은 각자의 광 방출기 그룹과 연관된 검출기 신호들에 기초하여 물체까지의 거리를 나타내는 출력을 제공하도록 작동 가능하다. 예를 들어, 처리 유닛은, 예를 들면, LiDAR 센서의 작동을 제어하기 위한, 프로세서 또는 마이크로프로세서를 포함한다. 전체 LiDAR 처리는 처리 유닛에 의해 수행될 수 있다. 그렇지만, LiDAR 처리는 "오프 칩"으로 수행될 수 있으며, 처리 유닛은 거리 정보를 출력으로서 제공하기 위해 전처리만을 실행할 수 있다.

작동 동안, 광원은 "그룹별"로 광을 방출한다. 이것은 주어진 그룹의 광 방출기들이 동일한 방출 특성으로 함께 광을 방출한다는 것을 의미한다. 동시에, 다른 광 방출기 그룹들은 광을 전혀 방출하지 않거나 상이한 방출 특성, 예를 들면, 상이한 강도를 갖는 광을 방출할 수 있다. 결국 광 방출기 그룹에 의해 방출되는 광은 장면의 하나 이상의 외부 물체에 부딪히고 반사되어 LiDAR 센서로 복귀하며 여기서 광 검출기들 중 하나 이상은 복귀 광을 수신하고 검출된 광의 함수로서 검출기 신호들을 생성한다. 광을 송신하는 것과 수신하는 것 사이의 시간은 LiDAR 센서와 장면의 주어진 물체 사이의 거리에 의존한다. 예를 들면, 비행 시간의 개념에 기초하여, 시간을 알면 거리를 계산할 수 있다. 전형적으로, LiDAR 센서는 시작 시간 및 종료 시간을 측정하는 수단, 예를 들면, 시간-디지털 변환기들을 포함한다. 비행 시간은, 예를 들어, 측정된 시작 시간 및 종료 시간에 기초하여 처리 유닛에 의해 도출될 수 있다. 방출은 펄스형일 수 있으며, 예를 들면, 광원은, 근적외선 광과 같은, 짧은 광 펄스들을 방출한다. 그 에너지의 일부는 복귀되어 거리로, 선택적으로 강도로 그리고 궁극적으로 속도로 변환된다.

개선된 개념은 통상적인 LiDAR 센서들의 다수의 한계들을 극복한다. 예를 들어, 전기적 상호연결들에 의해 광 방출기들을 그룹화하는 것은 동일한 조명을 사용한 전통적인 행/열 분할에서 벗어나게 할 수 있다. 그 대신에, 전기적 상호연결들은 자유 형태 분할 방식을 가능하게 한다. 특정 그룹들을 개별적으로 어드레싱하는 것에 의해, 이것은 전력 최적화된 조명의 가능성을 제공한다. 이것은 시야에서의 장면의 목표 유형들에 대한 선험적 지식에 기초할 수 있다. 예를 들어, 방출기 측, 드라이버 회로 및 수신기 측에서, 이용 가능한 자원들이 보다 많은 범위를 요구하는 구역들에 보다 많이 투입될 수 있다. 수신기 체인은, 예를 들면, 처리 유닛의 제어 하에서, 잡음을 감소시키고 검출 가능한 범위를 개선시키기 위해 보다 많은 통계 처리를 포함할 수 있다.

개선된 개념은 선행 기술 해결책들에서 절박한 여러 문제들 및 문제들의 조합들을 해결하는 데 도움이 된다. 예를 들어, 드라이버 회로는 구동 채널 수를 감소시키고, 덜 중요한 구역들에 대한 전력 요구사항들을 감소시키며, 중요한 구역들에 대한 전력 처리를 최적화할 수 있다. 광원을 그룹화하거나 분할하는 것은, VCSEL들의 어레이와 같은, 1D 어드레싱 가능 어레이를 사용하여 보다 적은 수의 채널들 및 관심 영역들에 대한 전력 집중으로 보다 용이한 전력 라우팅, 전체 시야 조명을 가능하게 한다. 2D 어드레싱 가능성이 필요하지는 않지만 적응적 형태 ROI들의 가능성을 열 수 있다. 검출기 또는 수신기 측에서, 방출기 그룹들을 관심 영역들에 매칭시키는 것은 디지털 처리 채널들(TDC들, ADC들)의 수를 감소시키고 이용 가능한 자원들을 보다 효과적으로 사용하는 데 도움이 될 수 있다. 차례로, 이것은 처리 유닛의 성능에 대한 요구사항들, 예를 들면, 요구된 이미지 프로세서 칩 크기를 증가시킬 수 있다.

적어도 하나의 실시예에서, 광 방출기 그룹들은, 전기적 상호연결들을 통해, 광 방출기들(LE)의 어레이의 연속적인 구역들을 형성한다. 이것은 이웃하는 광 방출기들이 그룹들을 형성한다는 것을 말한다. 광원에 대해 상이한 위치를 갖는 광 방출기들은 상이한 그룹의 구성원들일 수 있다. 그렇지만, 상이한 그룹들이 드라이버 회로에 의해 동시에 어드레싱될 수 있다, 즉, 사용되는 방출 특성에 따라 병렬로 작동하고, 이에 의해 광을 방출할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 그룹들에 의해 형성되는 연속적인 구역들은 중첩되지 않는다. 적어도 하나의 실시예에서, 그룹들에 의해 형성되는 연속적인 구역들이 광원의 전체 발광 구역을 커버한다.

추가적으로 또는 대안적으로, 광 검출기 그룹들은, 전기적 상호연결들을 통해, 검출기의 연속적인 구역들을 형성한다. 이것은 이웃하는 광검출기들이 관심 영역들을 형성할 수 있는 연속적인 구역들을 형성한다는 것을 말한다. 광원에 대해 상이한 위치를 갖는 광 검출기들은 상이한 구역의 구성원들일 수 있다. 이어서, 검출은, 제각기, 검출기의 레벨에서 관심 영역들 또는 구역들에 입사하는 광과 연관될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 그룹들에 의해 형성되는 연속적인 구역들은 중첩되지 않는다. 이러한 방식으로, 관심 영역들 또는 구역들이 검출기 측에서도 고정 배선될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 광 검출기들에 의해 형성되는 연속적인 구역들은 검출기의 전체 감광 구역을 커버한다.

적어도 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 광 방출기 및/또는 광 검출기 그룹에 의해 형성되는 구역은 비직사각형 기하학적 형태와 유사하다. 주어진 그룹의 형상 및 기하학적 형태는 광원의 구조로 제한되지 않는다. 예를 들어, 주어진 그룹의 형상 및 기하학적 형태는 광원의 행 또는 열의 형상 및 기하학적 형태와 반드시 유사하지는 않을 수 있다. 비직사각형 기하학적 형태는 직사각형 이외의 임의의 형상, 예를 들어, 삼각형, 오각형, 육각형, 또는 임의의 다각형을 포함할 수 있다. 그렇지만, 비직사각형 기하학적 형태는 반드시 규칙적이지는 않을 수 있다. 그렇지만, 비직사각형 기하학적 형태는, 마름모, 연(kite), 평행사변형, 이등변 사다리꼴 또는 4 개의 코너 점을 갖는 불규칙 기하 도형과 같이, 4 개의 코너를 갖는 기하 도형과 여전히 유사할 수 있다. 직사각형 기하학적 형태는 인접한 변들의 각각의 쌍이 수직인 임의의 기하 도형으로 간주된다.

적어도 하나의 실시예에서, 처리 유닛은 LiDAR 이미지를 출력으로서 제공하도록 작동 가능하다. 광 방출기 그룹들은 LiDAR 이미지의 관심 영역들에 따라 배열된다. 광 방출기들의 그룹화는 LiDAR 센서의 방출 측에 영향을 미친다. 그렇지만, 수신 측은 반사 또는 산란을 통해 LiDAR 센서로 다시 반사되는 광을 포함한다. 이러한 방식으로, 광 방출기들의 그룹화는 LiDAR 센서의 수신 측에도 영향을 미친다. LiDAR 이미징의 경우에, 즉, LiDAR 센서의 출력이 이미지일 때, 주어진 광 방출기 그룹은, 이후부터 관심 영역 또는 ROI로 표시되는, LiDAR 이미지에서의 대응하는 상대물을 가질 수 있다.

위에서 논의된 바와 같이, 처리 유닛은 각자의 광 방출기 그룹과 연관된 검출기 신호들에 기초하여 물체까지의 거리를 나타내는 출력을 제공하도록 작동 가능하다. LiDAR 이미징의 경우에, LiDAR 이미지의 섹션들은 광 방출기 그룹들에 의해 정의될 수 있다, 즉, 방출된 광의 반사로 인해 주어진 그룹의 위치는 물론 형상이 LiDAR 이미지에서 보일 수 있다. 따라서, 관심 영역들은 광원의 분할 또는 그룹화에 의해 정의될 수 있다. 차례로, 예를 들면, 장면에 대한 선험적 지식 또는 LiDAR 이미지가 어떻게 보일지의 예측들 또는 가정들에 기초하여, LiDAR 이미지에서 관심 영역들이 정의될 수 있다. 그렇지만, 관심 영역들이 또한 광 검출기들의 전기적 상호연결들에 의해 정의될 수 있다. 예를 들어, 정의가 제조업체에 의해, 예를 들면, 광 방출기 그룹들로서, LiDAR 이미지에 대해 정의되는 관심 영역들과 유사한 광 방출기들의 전기적 상호연결들의 레이아웃을 선택하는 것에 의해, 설정될 수 있다. 이는, 예를 들면, 시야(FoV)에서의 특정 또는 예측 가능한 구역들에 대해, 증가된 적응성을 창출하고 LiDAR 센서를 최적화하는 것을 가능하게 한다. 그룹들 및/또는 관심 영역들의 형태가 상당한 정도까지 자유롭게 선택될 수 있으므로, 통상적인 LiDAR 시스템들에 비해 훨씬 더 높은 설계 자유도가 있다.

적어도 하나의 실시예에서, 그룹들로서 광 방출기들을 어드레싱하는 것은 고정 배선 연결에 의해 설정된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 어드레싱은 프로그래밍 가능한 스위치 및/또는 주어진 광 방출기 그룹과 드라이버 회로 사이의 전용 전력/제어 라우팅에 의해 설정된다.

광 방출기들의 그룹화를 결정하는 전기적 상호연결은 생산 단계에서 설정된다는 점에서 고정된다. 그렇지만, 드라이버 회로에 의한 어드레싱이 LiDAR 센서의 작동 동안 변경될 수 있다. 상시 어드레싱되는, 예를 들면, 상시 턴온되거나 상시 턴오프되는 하나 이상의 그룹이 있을 수 있다. 이것은 드라이버 회로와 주어진 그룹의 광 방출기들 사이의 고정 배선 연결에 의해 구현될 수 있다. 하나 이상의 다른 그룹은 특정 시간들에서만 어드레싱될 수 있으며, 예를 들면, 특정 시점들에서 또는 특정 시간 기간 동안 턴온되거나 턴오프될 수 있다. 이것은 프로그래밍 가능한 스위치 및/또는 전용 전원/제어 라우팅에 의해 구현될 수 있다.

적어도 하나의 실시예에서, 드라이버 회로는 스캐닝 프로세스에 따라 광 방출기 그룹들을 어드레싱하도록 작동 가능하다. 스캐닝 프로세스 동안, 하나 이상의 광 방출기 그룹이 스캐닝 프로세스 동안 지속적으로 광을 방출한다. 그렇지만, 동일한 또는 다른 하나 이상의 광 방출기 그룹이 미리 결정된 시간 기간 동안 광을 방출한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 광 방출기 그룹이 시간 순서로 순차적으로 광을 방출한다.

스캐닝 프로세스에 따라, 드라이버 회로는 광 방출기 그룹들의 하나의 서브세트만을 어드레싱할 수 있다. 결과적으로, FOV의 특정 관심 영역들에만 대응하는 서브세트만이 조명된다. 기본적으로, 이것은 FOV의 하나의 서브세트로부터 다른 서브세트로 광 빔을 기계적으로 스티어링할 필요 없이 스피닝 LiDAR를 구현한다. 이것은 가동 부품들이 필요하지 않기 때문에 기계 부품들이 고장날 위험을 효과적으로 제거하며, 따라서 진정한 솔리드 스테이트 해결책을 창출할 수 있게 한다.

게다가, 이용 가능한 자원들이 보다 많은 범위를 요구하는 구역들에 보다 많이 투입될 수 있도록 스캐닝 프로세스가, 예를 들면, 처리 유닛을 통해, 상당한 정도까지 프로그래밍 가능할 수 있다. 스캐닝은 그렇지 않았으면 전체 이미터와 센서가 보다 강력하게 되는 것을 요구하는 구역에 이용 가능한 광학 에너지를 더 많이 투입하는 것을 가능하게 한다. 그와 같이, 이는 전통적인 균일한 조명 접근법들보다 더 전력 효율적인 해결책을 제공한다. 예를 들어, 특정 관심 영역들이 다른 관심 영역들보다 더 자주 또는 상이한 방출 특성으로 조명될 수 있거나 다른 구역들보다 더 많은 횟수로 측정되거나 관찰될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 잡음을 감소시키고 검출 가능한 범위를 개선시키기 위해 처리 유닛이 보다 많은 통계 처리를 적용할 수 있게 한다.

적어도 하나의 실시예에서, 처리 유닛은 주어진 광 방출기 그룹이 언제 그리고 어느 방출 특성을 사용하여 드라이버 회로에 의해 어드레싱되어야 하는지에 관한 시간 순서를 설정하는 것에 의해 스캐닝 프로세스를 정의하도록 작동 가능하다.

시간 순서는 MEMS 미러 또는 스티어링 디바이스와 같은 기계 컴포넌트를 필요로 하지 않으면서 통상적인 LiDAR 시스템들의 스캐닝을 효과적으로 모방한다. 스캐닝은 고도의 유연성을 갖는 시간 의존적 프로세스이다. 상이한 스캐닝 패턴들이 시간 순서를 변경하는 것에 의해 설정될 수 있다. 예를 들어, "원형" 스캐닝 패턴은 시계 방향 또는 반시계 방향 방식으로 광 방출기 그룹들을 어드레싱하는 것에 의해 구현될 수 있다. "전향(forward facing)" 스캐닝 패턴은 LiDAR 이미지에서의 라인, 예를 들면, 수평 라인을 따라 있는 관심 영역들에 유리할 수 있으며, 장거리 LiDAR에 사용될 수 있다. 처리 유닛은 사용자의 맞춤형 스캐닝 패턴들을 수신하도록 배열될 수 있거나 현재 스캐닝 프로세스에 대한 시간 순서를 설정하도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 패턴은 코너(중거리)/측면(side facing)(단거리) LiDAR, 산업 및 감시 장면들에서의 특정 구성 가능한 장면들, 자율 로봇들 등에 대한 최적화일 수 있다.

적어도 하나의 실시예에서, 광 방출기의 방출 특성은 광 강도 및/또는 광 파장을 포함한다. 방출 특성은 다음 중 하나에 의해 정의된다. 주어진 광 방출기 또는 광 방출기 그룹은, 사용되는 방출 특성에 따라, 특정 강도 및/또는 특정 파장의 광을 방출한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 주어진 광 방출기 또는 광 방출기 그룹은, 사용되는 방출 특성에 따라, 광을 방출하지 않는다.

스캐닝 프로세스와 시간 순서는 드라이버 회로에 의해 어드레싱될 때 주어진 광 방출기 그룹이 언제 그리고 어느 방출 특성을 사용하여 방출되는지를 정의한다. 이 시간 의존적 스캐닝 프로세스는 스캐닝 패턴과 유사하다. 광 강도 및/또는 광 파장은 스캐닝 패턴을 주어진 응용에 맞추기 위해 추가적인 자유도를 제공한다. 예를 들어, 스캐닝 프로세스 동안, 특정 그룹이 제1 방출 특성에 따라, 예를 들면, 제1 강도 및/또는 파장으로, 광을 방출하기 위해 제1 시간 인스턴스에서 어드레싱된다. 제2 시간 인스턴스에서, 동일한 그룹이 또다시 제1 방출 특성에 따라 또는 제2 방출 특성에 따라, 예를 들면, 제2 강도 및/또는 파장으로, 광을 방출하기 위해 어드레싱될 수 있다. 이 개념은 모든 광 방출기 그룹들에 적용될 수 있다.

적어도 하나의 실시예에서, 드라이버 회로는 복수의 드라이버 채널들을 포함한다. 각각의 드라이버 채널은 광원의 섹션과 연관된다. 게다가, 드라이버 채널들은 광 방출기 그룹들의 어드레싱과 관련하여 동기화된다. 드라이버 회로는 드라이버 채널들을 통해 광 방출기 그룹들을 어드레싱하도록 작동 가능하다.

예를 들어, 드라이버 회로는 단일 유닛으로서 구현되고 광원 부근에 위치할 수 있다. 그러면 드라이버 채널들은 단일 회로로부터 광원의 대응하는 섹션들로의, 예를 들면, 상기 섹션과 연관된 하나 이상의 광 방출기 그룹으로의 전기적 연결들을 설정한다. 다른 구현에 따르면, 드라이버 회로는 함께 드라이버 회로를 형성하는 다수의 보다 작은 드라이버 유닛들을 포함한다. 이러한 드라이버 유닛들은 광원 주위에 및 드라이버 유닛들이 어드레싱하도록 되어 있는 섹션들 부근에 배열된다. 보다 작은 유닛들은, 제각기, 전용 드라이버 채널들을 통해 섹션들에 연결된다.

따라서, 드라이버 회로가 당면한 응용에 따라 유연하게 구현될 수 있다. 이는 전통적인 접근법들로는 쉽지 않을 수 있는 광원 주위에 사방으로 드라이버 유닛들을 배치하는 것을 가능하게 한다. 이것은 전력 라우팅과 전류 밀도 분포를 훨씬 더 간단하게 만든다. 예를 들어, 광원으로서의 VCSEL 레이저는 종종 VCSEL의 4 개의 측면 중 2 개의 측면에만 드라이버를 배치할 수 있다. 이것은 드라이버들을 VCSEL에 직접 본딩하는 것에 의해 회피될 수 있지만, 이로 인해 드라이버들로부터의 너무 많은 열이 VCSEL에 전달되는 것을 결과한다. 제안된 분할 및 드라이버 유닛들의 사용은 보다 간단한 해결책을 가능하게 한다.

적어도 하나의 실시예에서, 처리 유닛은 LiDAR 이미지에서의 관심 영역들을 광 방출기 그룹들에 할당하도록 작동 가능하다. 게다가, 스캐닝 프로세스는 스캐닝 프로세스 동안 관심 영역들의 상대 조명(relative illumination)을 추가로 정의한다.

예를 들어, 시야의 중심 주위에 그룹화된 관심 영역들은 FOV의 가장자리들보다 더 많이 조명될 수 있다. 다른 예에서, 보다 멀리 떨어진 물체들이 위치하는 관심 영역들은 보다 가까운 물체들을 갖는 관심 영역들과 상이한 조명, 예를 들면, 더 많은 조명을 필요로 할 수 있다. 실제로, LiDAR 센서는 학습 모드에서 작동 가능할 수 있다. 학습 모드 동안, 예를 들면, 처리 유닛에 의해, 관심 영역들까지의 거리들의 분포 및/또는 활동이 기록되고 참조된다. 이러한 방식으로, 스캐닝 프로세스는 측정될 실제 장면을 고려하기 위해 작동 동안 조정될 수 있다. 학습 모드가 LiDAR 센서의 작동 동안 반복될 수 있다.

적어도 하나의 실시예에서, 적어도 검출기, 적어도 하나의 드라이버 회로 및 처리 유닛이 공통 집적 회로에 통합된다. 예를 들어, 광원 및 공통 집적 회로는 공유 캐리어 또는 기판 상에 배열되고 공유 캐리어 또는 기판을 통해 서로 전기적으로 접촉된다. 그렇지만, 다른 구현들에서, 광원이 또한 공통 집적 회로에 통합될 수 있다. 통합은 콤팩트한 설계를 가능하게 하여, 보드 공간 요구사항들을 감소시키고 제한된 공간 설계들에서 로우 프로파일(low-profile) 시스템 설계들을 가능하게 한다. 추가적으로, 방출 및 검출을 위한 빔 경로들의 복잡성이 감소될 수 있다.

적어도 하나의 실시예에서, 광원은 광 방출기들의 어레이를 포함하는 수직 공동 표면 방출 레이저, 줄여서 VCSEL을 포함한다. 검출기는 단일 광자 애벌랜치 다이오드들(SPAD들)의 어레이를 포함한다.

반도체 레이저 다이오드의 한 유형은 수직 공동 표면 방출 레이저 또는 VCSEL와 같은 표면 방출 레이저들, 또는 에지 방출기 레이저(edge emitter laser)들을 포함한다. VCSEL들은 표면 방출과 같은 속성들과 어드레싱 가능한 어레이들에서의 설계 유연성, 레이저 파장의 낮은 온도 의존성, 개선된 신뢰성 및 웨이퍼 레벨 제조 프로세스의 사용 가능성을 겸비한다. 예를 들어, VCSEL은 어레이로서 구현될 수 있으며 전형적으로 50 내지 10k 개의 개별 광 방출기로 구성된다. 이것은 단일 방출기 고장의 영향을 제한한다. 많은 수의 광 방출기들은 그룹들 및/또는 관심 영역들의 형상 및 기하학적 형태를 미세 조정할 수 있다.

게다가, VCSEL들은 (특히 온도에 걸쳐) 좁은 파장 대역폭을 제공하며, 이는 수신기 측, 예를 들면, 검출기 어레이에서 보다 효과적인 필터링을 가능하게 하여, 개선된 신호 대 잡음 비를 결과한다. VCSEL은 수직 원통형 빔을 방출할 수 있으며, 이는 이미징 시스템에의 통합을 보다 간단하도록 만든다. 단일 광자 애벌랜치 다이오드들, 줄여서 SPAD들의 어레이는 매우 민감한 검출을 제공하며, 빠르고 콤팩트한 시간-디지털 변환기들과 결합하여, 매우 정확한 거리 측정을 제공한다.

적어도 하나의 실시예에서, LiDAR 모듈은 위에서 논의된 개념에 따른 적어도 하나의 LiDAR 센서를 포함한다. 패키지는 검출기로부터 광원을 광학적으로 차폐하는 광 배리어(light barrier)로 LiDAR 센서를 둘러싼다. 광 방출기들은 LiDAR 모듈로부터 멀어지게 광을 방출하도록 작동 가능하다. 광 검출기들은 LiDAR 모듈 외부의 물체에 의해 반사되는 방출 광을 검출하도록 작동 가능하다.

LiDAR 모듈로서 구현하는 것은 동일한 센서 패키지에 LiDAR 센서의 컴포넌트들을 내장하는 것을 가능하게 한다. 이것은 스캐닝 프로세스에 따라 스캐닝하는 것에 의해 전체 시야를 관찰할 수 있는 이미징 시스템을 가능하게 한다. 그러한 이미징 시스템은, 예컨대, 적외선에서, 광 펄스들을 방출할 수 있다. 그 에너지의 일부는 복귀되어, 예를 들어, 거리로 그리고 선택적으로 속도로 변환된다.

적어도 하나의 실시예에서, LiDAR 인에이블된 디바이스는 호스트 시스템에 내장되는 제안된 개념에 따른 적어도 하나의 LiDAR 모듈을 포함한다. 호스트 시스템은, 운전 제어, 비행 제어, 교통 제어와 같은 거리 제어를 위한 보조 시스템, 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS), 감시 시스템, 물류 시스템과 같은 산업용 시스템, 모바일 디바이스, 내비게이션 시스템 및/또는 카메라 중 하나를 포함한다.

적어도 하나의 실시예에서, 광 검출 및 거리 측정을 위한 LiDAR 센서를 작동시키는 방법은 LiDAR 센서를 포함한다. LiDAR 센서는 광 방출기들의 어레이를 더 포함하는 광원을 포함하며, 여기서 광 방출기들은 그룹들로서 전기적으로 상호연결되고, 여기서 광 방출기들은 LiDAR 센서로부터 멀어지게 광을 방출하도록 작동 가능하다. 광 방출기(LE) 그룹들 중 적어도 2 개는 서로 상이한 기하학적 형태들과 유사한 광원(LS)의 구역들을 형성한다. 게다가, LiDAR 센서는 드라이버 회로, 광 검출기들의 어레이를 포함하는 검출기 및 처리 유닛을 포함한다.

이 방법은 동일한 그룹으로부터의 광 방출기들이 동일한 발광 특성을 갖는 광을 방출하도록, 드라이버 회로를 사용하여, 광 방출기 그룹들을 개별적으로 어드레싱하는 단계를 포함한다. 광 검출기들을 사용하여, 광원에 의해 방출되고 LiDAR 센서 외부의 물체에 의해 반사되는 광이 검출되고 검출기 신호들이 검출된 광의 함수로서 생성된다. 마지막으로, 처리 유닛을 사용하여, 각자의 광 방출기 그룹과 연관된 검출기 신호들에 기초하여 물체까지의 거리를 나타내는 출력이 제공된다.

광 검출 및 거리 측정을 위한 LiDAR 센서를 작동시키는 방법의 추가의 구현들은 광 검출 및 거리 측정을 위한 LiDAR 센서, LiDAR 모듈 및 LiDAR 인에이블된 디바이스의 다양한 구현들 및 실시예들로부터 쉽게 도출되며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

이하에서, 위에서 제시된 개념은 실시예들의 예들이 제시되는 도면과 관련하여 더욱 상세하게 설명된다. 이후에 제시되는 실시예들 및 도면들에서, 유사하거나 동일한 요소들 각각은 동일한 참조 번호들을 제공받을 수 있다. 그렇지만, 도면에 예시된 요소들 및 이들의 서로 간의 크기 관계들은 축척에 충실한 것으로 간주되어서는 안 되며, 오히려 계층들, 컴포넌트들, 및 영역들과 같은 개별 요소들은 보다 나은 예시 또는 보다 나은 이해를 가능하게 하기 위해 과장될 수 있다.
도 1은 LiDAR 센서의 예를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 광원의 예들을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 스캐닝 프로세스의 예들을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 드라이버 회로의 예들을 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 LiDAR 이미지에서의 관심 영역들의 예들을 도시한다.
도 6은 단일 행 스캐닝 조명 개념을 사용한 종래 기술의 VCSEL의 예를 도시한다.

도 1은 LiDAR 센서의 예를 도시한다. LiDAR 센서는 광원(LS), 검출기(DT), 드라이버 회로(DC) 및 처리 유닛(PU)을 포함하며, 이들은 캐리어(CA)와 인접하게 배열되고 캐리어(CA)에 전기적으로 결합된다. 예를 들어, 캐리어는 전기적 연결 및 기계적 지지를 제공하는 기판을 포함한다. 검출기(DT), 드라이버 회로(DC) 및 처리 유닛(PU)은 공통 집적 회로(IC)를 구성하는 동일한 칩(CH)에 통합된다. 전형적으로, 광원 및 공통 집적 회로는 캐리어 상에 배열되고 캐리어를 통해 서로 전기적으로 접촉된다. 이미징 시스템의 컴포넌트들은 센서 패키지(도시되지 않음)에 내장되며, 이에 의해 LiDAR 모듈을 형성한다. 검출 방법을 실행하는 처리 유닛, 예를 들면, 프로세서 또는 마이크로프로세서 및 ADC들, TDC들 등과 같은 추가의 컴포넌트들이 또한 센서 패키지에 배열되며 동일한 집적 회로에 통합될 수 있다. 패키지에서, 광 배리어(LB)는 검출기(DT)로부터 광원(LS)을 광학적으로 차폐시킨다.

광원(LS)은 광 방출기들(LE)의 어레이를 포함한다. 이 실시예에서, 광 방출기들은 표면 방출 레이저들, 예를 들면, 수직 공동 표면 방출 레이저 또는 VCSEL이다. 광 방출기들은 하나 이상의 특성 방출 파장을 갖는다. 예를 들어, 광 방출기의 방출 파장은 근적외선(NIR)에 있으며, 예를 들면, 800 nm보다 크고 10.000 nm보다 작다. LIDAR 응용들은 강력한 방출 및 검출을 결과하는 840 nm 내지 1610 nm인 광 방출기의 방출 파장 범위에 의존할 수 있다. 이 범위는 VCSEL에 의해 제공될 수 있다. 검출기 어레이(DA)는 하나 이상의 광 검출기 또는 픽셀을 포함한다. 픽셀들의 어레이는 이미지 센서를 형성한다. 이 실시예에서는 SPAD들이지만 또한 포토다이오드들, 예를 들면, 고정된 포토다이오드(pinned photodiode), 핀 포토다이오드 또는 다른 유형의 포토다이오드일 수 있다. 처리 유닛(PU)은, 예를 들면, LiDAR 센서의 작동을 제어하기 위한, 프로세서 또는 마이크로프로세서를 포함한다. 전체 LiDAR 처리는 처리 유닛에 의해 수행될 수 있다. 그렇지만, LiDAR 처리는 "오프 칩"으로 수행될 수 있으며, 처리 유닛은 거리 정보를 출력으로서 제공하기 위해 전처리만을 실행할 수 있다.

도 2a는 LiDAR 센서의 광원의 예를 도시한다. 광원(LS)은 개별 광 방출기들(LE)의 2차원 어레이이다. 광원(LS)의 발광 구역은 외부 프레임(OF)에 의해 제한된다. 광 방출기들(LE)은 도면에서 도트들로서 표시되어 있다. 이 실시예에서, 광 방출기들(LE)은 수직 공동 표면 방출 레이저들(VCSEL)로서 구현된다. 예를 들어, 어레이는 50 내지 10k 개의 개별 광 방출기를 포함한다.

광 방출기들(LE)은 광 방출기 그룹들(GR)로서 전기적으로 상호연결된다. 도면은 상이한 형상 또는 기하학적 형태에 대한 그룹들(GR)을 도시한다. 내부 그룹들은 중앙 프레임(CF) 내부에 배열된다. 내부 그룹들은 삼각형 형상이며 각각의 삼각형 그룹의 하나의 코너 점(CP)은 중앙 프레임(CF) 또는 광원(LS)의 중심(CT)에 고정된다. 중앙 프레임(CF)의 외부에서 추가의 그룹들이 중심(CT) 주위에 배열된다. 외부 그룹들은 비삼각형 또는 사각형 형상을 가진다, 즉, 4 개의 임의의 코너 각도의 총합이 360도이다. 내부 그룹들과 외부 그룹들은 함께 외부 프레임(OF)의 전체 구역, 즉, 광원(LS)의 전체 발광 표면을 커버한다. 이 예에서, 광원(LS)은 40 개의 광 방출기 그룹으로 분할된다.

도 2b는 LiDAR 센서의 광원의 다른 예를 도시한다. 그룹들로 분할하는 것은 비슷하지만 보다 적은 광 방출기 그룹들, 예를 들면, 28 개의 그룹이 있다. LiDAR 센서의 의도된 응용을 고려하여 최적의 구성이 결정될 수 있다.

일반적으로, 그룹의 형상 또는 기하학적 형태는 개별 광 방출기들(LE) 사이의 전기적 상호연결에 의해 결정된다. 광 방출기들(LE)은, 예를 들면, 드라이버 회로(DC)(도시되지 않음)의 채널(CH)을 통해 함께 그룹으로서 어드레싱될 수 있도록, 전기적으로 상호연결된다. 이러한 방식으로, 광 방출기 그룹들은 임의의 형태 또는 형상을 가질 수 있으며 드라이버 회로에 대한 전기적 상호연결들의 구현에 의해서만 제한된다. 그렇지만, 그룹들로의 광 방출기들의 전기적 상호연결들이 하드웨어에 의해, 예를 들면, 생산 라인의 레벨에서 설정된다는 점에 유의해야 한다. 그렇지만, LiDAR 센서의 작동 동안 광 방출기 그룹이 활성화되는지 여부 또는 심지어 언제 활성화되는지는 대체로 스캐닝 프로세스 동안 제어될 수 있다. 이것은 아래에서 보다 상세히 논의될 것이다.

광 방출기 그룹들은 개별적으로, 즉 "그룹별"로 어드레싱될 수 있다. 어드레싱되는 경우, 동일한 그룹으로부터의 광 방출기들(LE)은 동일한 방출 특성을 갖는 광을 방출한다. 동시에, 다른 광 방출기 그룹들은 광을 전혀 방출하지 않거나 상이한 방출 특성을 갖는 광을 방출할 수 있다. 방출 특성은, 예를 들어, 강도 및/또는 파장을 포함한다. 그룹들의 어드레싱은 드라이버 회로(DC)에 의해, 예를 들면, 전용 드라이버 채널들을 통해 제어될 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 스캐닝 프로세스의 예들을 도시한다. 드라이버 회로(DC)에 의한 어드레싱이 LiDAR 센서의 작동 동안 변경될 수 있다. 드라이버 회로(DC)는 스캐닝 프로세스에 따라 광 방출기(LE) 그룹들을 어드레싱한다. 스캐닝 프로세스는 주어진 광 방출기 그룹이 언제 그리고 어느 방출 특성을 사용하여 어드레싱되어야 하는지에 대한 순서 또는 시간 순서를 정의한다. 예를 들어, 스캐닝 프로세스 동안 하나 이상의 광 방출기 그룹이 지속적으로 또는 미리 결정된 시간 기간 동안 광을 방출한다. 다른 광 방출기 그룹들은 순차적으로 연달아 광을 방출할 수 있다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c의 도면들은 예시적인 스캐닝 프로세스로부터의 3 개의 연속적인 단계를 도시한다. 이는 이후부터 "원형 스캐닝 패턴"으로 간주될 것이다. 광원은 도 2b의 실시예에서 소개된 바와 같이 분할된다. 제1 단계(도 3a 참조)에서, 외부 그룹들 중의 2 개의 그룹(G1 및 G2)이 활성화된다, 즉, (사용되는 방출 특성에 따라) 특정 강도로 방출하도록 어드레싱된다. 그룹들(G1 및 G2)은 중심점(CF)을 기준으로 반대쪽에 위치한다. 동시에, 내부 그룹들 중의, 즉, 중앙 프레임(CF) 내의 2 개의 그룹(G3 및 G4)은 (사용되는 방출 특성에 따라) 특정 강도로 방출하도록 어드레싱된다. 그룹들(G3 및 G4)은 중심점(CP)을 기준으로 반대쪽에 위치한다.

제2 단계(도 3b 참조)에서, 외부 그룹들 중의 2 개의 그룹(G1 및 G2)이 비활성화된다. 그렇지만, 외부 그룹들 중의 2 개의 추가 그룹(G5 및 G6)이 그 대신에 활성화된다, 즉, (사용되는 방출 특성에 따라) 특정 강도로 방출하도록 어드레싱된다. 그렇지만 그룹들(G1 및 G2)은 이전과 같이 활성화된 상태로 유지된다. 추가 그룹들(G5 및 G6)은 중심점(CF)을 기준으로 반대쪽에 위치한다. 제3 단계(도 3c 참조)에서, 외부 그룹들 중의 2 개의 그룹(G5 및 G6)이 비활성화된다. 그렇지만, 외부 그룹들 중의 2 개의 추가 그룹(G7 및 G8)이 그 대신에 활성화된다, 즉, (사용되는 방출 특성에 따라) 특정 강도로 방출하도록 어드레싱된다. 다시 말하지만 그룹들(G1 및 G2)은 이전과 같이 활성화된 상태로 유지된다. 추가 그룹들(G7 및 G8)은 중심점(CT)을 기준으로 반대쪽에 위치한다.

추가 단계마다 이웃하는 추가 그룹 쌍이 활성화되고 이전 단계에서 활성화된 쌍이 비활성화된다. 반복되는 단계들은 위에서 소개된 스캐닝 프로세스를 정의하는 스캐닝을 모방한다. 스캐닝 프로세스의 한 번의 회전이 완료될 때까지, 내부 그룹들 중의 2 개의 그룹(G3 및 G4)이 활성화된 상태로 유지된다. 다음 회전에서, 내부 그룹 쌍(G3, G4)이 비활성화되고 이웃하는 내부 그룹 쌍으로 진행될 수 있다. 예를 들어, 매 N 개의 외부 그룹 쌍에 대해, 즉, 한 바퀴 회전에 대해, 하나의 내부 그룹 쌍이 "기동"되고, 즉 활성화되고, 다음 회전에서, 이웃하는 내부 그룹 쌍이 매 N 개의 외부 그룹 쌍에 대해 N 번 "기동"되며, 이하 마찬가지이다.

이 예시적인 스캐닝 프로세스는 상이한 스캔 패턴들을 실현하도록 조정될 수 있다. 따라서, 그룹들이 설계에 의해 고정 배선되어 있더라도, 드라이버 회로를 통한 스캐닝 프로세스 제어에 의해 유연성이 제공된다. 스캐닝 프로세스와 시간 순서는 MEMS 미러 또는 스티어링 디바이스와 같은 기계 컴포넌트를 필요로 하지 않으면서 통상적인 LiDAR 시스템들의 스캐닝을 효과적으로 모방한다. 스캐닝은 고도의 유연성을 갖는 시간 의존적 프로세스이다. 상이한 스캐닝 패턴들이 시간 순서를 변경하는 것에 의해 설정될 수 있다. 예를 들어, "원형" 스캐닝 패턴은 시계 방향 또는 반시계 방향 방식으로 광 방출기 그룹들을 어드레싱하는 것에 의해 구현될 수 있다. "전향" 스캐닝 패턴은 LiDAR 이미지에서의 라인, 예를 들면, 수평 라인을 따라 있는 관심 영역들에 유리할 수 있으며, 장거리 LiDAR에 사용될 수 있다. 처리 유닛은 사용자의 맞춤형 스캐닝 패턴들을 수신하도록 배열될 수 있거나 현재 스캐닝 프로세스에 대한 시간 순서를 설정하도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 패턴은 코너(중거리)/측면(단거리) LiDAR, 산업 및 감시 장면들에서의 특정 구성 가능한 장면들, 자율 로봇들 등에 대한 최적화일 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 드라이버 회로의 예들을 도시한다. 드라이버 회로는 함께 드라이버 회로(DC)를 형성하는 4 개의 드라이버 유닛(DU1, ..., DU4)을 포함한다. 각각의 드라이버 유닛은 각자의 광 방출기 그룹들에 전기적으로 연결되는 여러 드라이버 채널들(CH1, ..., CH6)을 포함한다. 드라이버 채널은 광 방출기 그룹들에 대한 고정 배선 회로 연결을 설정한다. 광 방출기 그룹들을 포함하는 광원의 확대된 섹션을 보여주는 도 4b에 도시된 바와 같이 연결은 전용 전력/제어 라우팅으로서 또는 프로그래밍 가능한 스위치들(PS)을 통해 구현될 수 있다. 따라서, 이 실시예에서, 드라이버 유닛들은 VCSEL 주위에 사방으로 배치될 수 있다 - 이는 전통적인 접근법들로는 쉽지 않다 -. 이것은 VCSEL의 4 개의 측면 중 2 개의 측면에만 드라이버들을 배치할 수 있는 전통적인 접근법보다 전력 라우팅 및 전류 밀도 분포를 훨씬 더 간단하게 만든다.

도 5a 내지 도 5c는 LiDAR 이미지에서의 관심 영역들의 예들을 도시한다. LiDAR 센서는 상이한 스캐닝 패턴들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 검출기의 픽셀들은 이미지 센서를 형성한다. 처리 유닛은 LiDAR 이미지를 출력으로서 제공하도록 작동 가능하다. LiDAR 이미지에서, 관심 영역들이 정의될 수 있고, 예를 들면, 처리 유닛(PU)을 통해, 광 방출기 그룹들에 할당될 수 있다.

스캐닝 프로세스는 스캐닝 동안 어느 관심 영역들이 조명을 받는지를 정의하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 시야의 중심 주위에 그룹화된 관심 영역들은 FOV의 가장자리들보다 더 많이 조명될 수 있다. 다른 예에서, 보다 멀리 떨어진 물체들이 위치하는 관심 영역들은 보다 가까운 물체들을 갖는 관심 영역들과 상이한 조명, 예를 들면, 더 많은 조명을 필요로 할 수 있다.

LiDAR 센서가 무엇을 볼 것인지에 대한 선험적 지식 또는 가정들을 고려하여 광 방출기들의 그룹화 및 관심 영역들 양쪽 모두가 선택될 수 있다. 예를 들어, 이것은 자동차 응용들에 대해 어느 정도 예측될 수 있다.

도 5a는 자동차 응용에 대해 다양한 장면들에서 촬영된 이미지들의 중첩을 도시한다. 중첩은 이미지에서 반복되는 분포들 또는 활동들을 식별하는 것을 가능하게 한다. 하나의 그러한 반복되는 동기는 전형적으로 이미지의 중심점(CP)을 향해 수렴하는 것처럼 보이는 도로이다. 다른 반복되는 동기는 이미지의 수평 축을 따라 이미지의 중심에 있는 구역에 걸쳐 있는 수평선일 수 있다. 광 방출기 그룹들의 레이아웃이 이러한 발견을 모방하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 이미지는 중앙에 위치하고 이미지의 중심점(CP)을 향해 수렴하는 삼각형 그룹들을 보여준다. 이러한 그룹들은, 예를 들어, 도로를 모방한다. 이것은, 예를 들면, LiDAR 센서의 제조 동안, 광원의 레벨에서의 전기적 상호연결들을 정의할 수 있다.

도 5b는 다양한 장면들에서 촬영된 이미지들의 동일한 중첩을 도시한다. 그렇지만, 상대 강도들이 특정 관심 영역들에서 그레이스케일로 표시된다. 이러한 영역들은 이미지 분석에 의해 식별될 수 있다. 이미지에서, 보다 어두운 스케일을 갖는 일부 영역들은 보다 많은 조명을 필요로 하고 대응하는 그룹들은 보다 자주 방출하도록 어드레싱되거나, 보다 밝은 스케일의 구역들보다 검출기에 의해 더 많은 횟수로 관찰된다. 이것은 잡음을 감소시키고 검출 가능한 범위를 개선시키기 위해 수신기 체인이 보다 많은 통계 처리를 적용할 수 있게 한다. 도 5c는 분석으로부터 결과되는 결과적인 스캐닝 패턴을 도시한다.

LiDAR 센서는 학습 모드에서 작동 가능할 수 있다. 학습 모드 동안, 예를 들면, 처리 유닛에 의해, 관심 영역들까지의 거리들의 분포 및/또는 활동이 기록되고 참조된다. 이러한 방식으로, 스캐닝 프로세스는 측정될 실제 장면을 고려하기 위해 작동 동안 조정될 수 있다. 학습 모드가 LiDAR 센서의 작동 동안 반복될 수 있다.

제안된 개념은 동일한 조명을 사용하는 전통적인 행/열 분할에서 벗어나 있다. 그 대신에, 시야에서의 목표 유형들의 장면에 대한 선험적 지식에 기초하여 최적화되는 조명 전력으로 자유 형태 분할 방식이 구현된다. 광 방출기들의 그룹화는 분할, 비균일 조명 방식으로 자유 형태 접근법을 가능하게 하며, 원형 패턴의 경우에, 전통적인 수평/수직 기동 방식들 대신에 원형 기동 방식이 사용될 수 있다. 이 접근법은 그렇지 않았으면 전체 이미터와 센서가 보다 강력하게 되는 것을 요구하는 구역에 이용 가능한 광학 에너지를 더 많이 투입하는 것을 가능하게 한다는 점에서 더 낫다. 그와 같이, 이는 전통적인 균일한 조명 접근법들보다 더 전력 효율적인 해결책을 제공한다.

CA 캐리어
CF 중앙 프레임
CH1 내지 CH6 드라이버 채널들
CP 코너 점
CT 중심
DC 드라이버 회로
DU1 내지 DU4 드라이버 유닛
DT 검출기
GR 광 방출기 그룹
G1 내지 G8 광 방출기 그룹들
LB 광 배리어
LE 광 방출기
LS 광원
OF 외부 프레임
PD 광 검출기
PS 프로그래밍 가능한 스위치
PU 처리 유닛
ROI 관심 영역

Claims (15)

1. 광 검출 및 거리 측정(ranging)을 위한 LiDAR 센서로서,
   - 광 방출기들(light emitter; LE)의 어레이를 포함하는 광원(LS) - 상기 광 방출기들(LE)은 그룹들로서 전기적으로 상호연결되고, 상기 광 방출기들은 상기 LiDAR 센서로부터 멀어지게 광을 방출하도록 작동 가능하며, 상기 광 방출기(LE) 그룹들 중 적어도 2 개는 서로 상이한 기하학적 형태들과 유사한 상기 광원(LS)의 구역들을 형성함 -,
   - 동일한 그룹으로부터의 상기 광 방출기들(LE)이 동일한 발광 특성을 갖는 광을 방출하도록, 상기 광 방출기(LE) 그룹들을 개별적으로 어드레싱하도록 작동 가능한 드라이버 회로(DC),
   - 광 검출기들(PD)의 어레이를 포함하는 검출기(DT) - 각각의 광 검출기(PD)는, 상기 광원(LS)에 의해 방출되고 상기 LiDAR 센서 외부의 물체에 의해 반사되는 광을 검출하고, 상기 검출된 광의 함수로서 검출기 신호를 생성하도록 작동 가능함 -, 및
   - 각자의 광 방출기(LE) 그룹과 연관된 상기 검출기 신호들에 기초하여 상기 물체까지의 거리를 나타내는 출력을 제공하도록 작동 가능한 처리 유닛(PU)
   을 포함하는, LiDAR 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 광 방출기(LE) 그룹들 및/또는 광 검출기 그룹들은, 그들의 전기적 상호연결들을 통해, 상기 광 방출기들(LE)의 어레이 또는 상기 검출기(DT)의 연속적인 구역들을 형성하는, LiDAR 센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 광 방출기들 및/또는 광 검출기들 그룹에 의해 형성되는 상기 구역은 비직사각형 기하학적 형태와 유사한, LiDAR 센서.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   - 상기 처리 유닛(PU)은 LiDAR 이미지를 출력으로서 제공하도록 작동 가능하고,
   - 상기 광 방출기(LE) 그룹들은 상기 LiDAR 이미지의 관심 영역들에 따라 배열되는, LiDAR 센서.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 광 방출기들(LE)을 그룹들로서 어드레싱하는 것은, 고정 배선(hardwired) 연결, 프로그래밍 가능한 스위치, 및 주어진 광 방출기(LE) 그룹과 상기 드라이버 회로(DC) 사이의 전용 전력/제어 라우팅 중 적어도 하나에 의해 확립되는, LiDAR 센서.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   - 상기 드라이버 회로(DC)는 스캐닝 프로세스에 따라 상기 광 방출기(LE) 그룹들을 어드레싱하도록 작동 가능하고;
   상기 스캐닝 프로세스 동안:
   - 하나 이상의 광 방출기(LE) 그룹은 상기 스캐닝 프로세스 동안 지속적으로 광을 방출하고,
   - 하나 이상의 광 방출기(LE) 그룹은 미리 결정된 시간 기간 동안 광을 방출하며,
   - 하나 이상의 광 방출기(LE) 그룹은 시간 순서로 순차적으로 광을 방출하는, LiDAR 센서.
7. 제6항에 있어서, 상기 처리 유닛(PU)은, 주어진 광 방출기(LE) 그룹이 언제 그리고 어느 방출 특성을 사용하여 상기 드라이버 회로(DC)에 의해 어드레싱되어야 하는지에 관한 상기 시간 순서를 설정하는 것에 의해 상기 스캐닝 프로세스를 정의하도록 작동 가능한, LiDAR 센서.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 광 방출기(LE)의 방출 특성은,
   - 주어진 광 방출기(LE) 또는 광 방출기(LE) 그룹이, 사용되는 상기 방출 특성에 따라, 특정 강도 및/또는 특정 파장의 광을 방출하는 것, 및/또는
   - 주어진 광 방출기(LE) 또는 광 방출기(LE) 그룹이, 사용되는 상기 방출 특성에 따라, 광을 방출하지 않는 것
   중 하나에 따라, 광 강도 및/또는 광 파장을 포함하는, LiDAR 센서.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 드라이버 회로는 복수의 드라이버 채널들(CH)을 포함하며,
   - 각각의 드라이버 채널(CH)은 상기 광원(LS)의 섹션과 연관되고,
   - 상기 드라이버 채널들(CH)은 상기 광 방출기(LE) 그룹들의 어드레싱과 관련하여 동기화되는, LiDAR 센서.
10. 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 처리 유닛(PU)은 상기 LiDAR 이미지에서의 상기 관심 영역들(ROI)을 상기 광 방출기(LE) 그룹들에 할당하도록 작동 가능하고,
    - 상기 스캐닝 프로세스는 상기 스캐닝 프로세스 동안 상기 관심 영역들(ROI)의 상대 조명을 추가로 정의하는, LiDAR 센서.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 검출기(DT), 상기 적어도 하나의 드라이버 회로(DC), 및 상기 처리 유닛(PU)은, 공통 집적 회로(IC)에 통합되는, LiDAR 센서.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 광원은 VCSEL 레이저들의 어레이를 포함하며,
    - 상기 검출기는 단일 광자 애벌랜치 다이오드들(single-photon avalanche diodes; SPAD들)의 어레이를 포함하는, LiDAR 센서.
13. LiDAR 모듈로서,
    - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 LiDAR 센서, 및
    - 상기 광 방출기들(LE)이 상기 LiDAR 모듈로부터 멀어지게 광을 방출하도록 작동 가능하고, 상기 광 검출기들이 상기 LiDAR 모듈 외부의 물체에 의해 반사되는 방출 광을 검출하도록 작동 가능하도록, 상기 검출기(DT)로부터 상기 광원(LS)을 광학적으로 차폐하는 광 배리어(LB)로 상기 LiDAR 센서를 둘러싸는 패키지
    를 포함하는, LiDAR 모듈.
14. LiDAR 인에이블된 디바이스로서, 호스트 시스템에 내장된 제13항에 따른 적어도 하나의 LiDAR 모듈을 포함하며, 상기 호스트 시스템은:
    - 운전 제어, 비행 제어, 교통 제어와 같은 거리 제어를 위한 보조 시스템,
    - 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS),
    - 감시 시스템,
    - 물류 시스템과 같은 산업용 시스템,
    - 모바일 디바이스,
    - 내비게이션 시스템, 및/또는
    - 카메라
    중 하나를 포함하는, LiDAR 인에이블된 디바이스.
15. 광 검출 및 거리 측정을 위한 LiDAR 센서를 작동시키는 방법으로서, 상기 LiDAR 센서는:
    - 광 방출기들(LE)의 어레이를 더 포함하는 광원(LS) - 상기 광 방출기들(LE)은 그룹들로서 전기적으로 상호연결되고, 상기 광 방출기들은 상기 LiDAR 센서로부터 멀어지게 광을 방출하도록 작동 가능함 -,
    - 드라이버 회로(DC),
    - 광 검출기들(PD)의 어레이를 포함하는 검출기(DT), 및
    - 처리 유닛
    을 포함하며;
    상기 방법은:
    - 동일한 그룹으로부터의 상기 광 방출기들(LE)이 동일한 발광 특성을 갖는 광을 방출하도록, 상기 드라이버 회로(DC)를 사용하여, 상기 광 방출기(LE) 그룹들을 개별적으로 어드레싱하는 단계,
    - 상기 광 검출기들(PD)을 사용하여, 상기 광원(LS)에 의해 방출되고 상기 LiDAR 센서 외부의 물체에 의해 반사되는 광을 검출하고, 상기 검출된 광의 함수로서 검출기 신호들을 생성하는 단계, 및
    - 상기 처리 유닛(PU)을 사용하여, 각자의 광 방출기(LE) 그룹과 연관된 상기 검출기 신호들에 기초하여 상기 물체까지의 거리를 나타내는 출력을 제공하는 단계
    를 포함하는, 방법.

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