KR20230067621A - 가변 분해능 멀티-빔 스캐닝 기능이 있는 lidar 시스템 - Google Patents

가변 분해능 멀티-빔 스캐닝 기능이 있는 lidar 시스템 Download PDF

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야이르 알펜
이타이 테호리
이단 배키시
하렐 요세프 슈파람
데이비드 에루즈
로넨 에셀
오머 킬라프
리오르 아티아스
니르 고렌
유발 이파트
로이 마우트너
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이노비즈 테크놀로지스 엘티디
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Abstract

LIDAR 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 방출 유닛을 포함할 수 있다. LIDAR 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 레이저 방출 유닛으로부터 공통 스캐닝 유닛으로 전송시키도록 구성된 광학 시스템을 더 포함할 수 있다. 공통 스캐닝 유닛은 복수 개의 레이저 빔을 LIDAR 시스템의 시야를 향하여 투영시킴으로써, 시야를 가로지르는 복수 개의 스캔 라인을 따라서 시야를 동시에 스캔하도록 구성될 수 있다.

Description

가변 분해능 멀티-빔 스캐닝 기능이 있는 LIDAR 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 9월 14일 월요일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 63/077,933, 2020 년 9 월 21 일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 63/081,024, 2020 년 9 월 22 일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 63/081,646, 및 2021 년 4 월 11 일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 63/173,426에 대한 우선권을 주장하는데, 이들 모두는 그의 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다. 또한, 본 출원은 2021년 8월 24일에 출원된 국제 출원 번호 제 PCT/US2021/047289에 대한 우선권을 주장하며, 이것은 그의 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다. 국제 출원 번호 제 PCT/US2021/047289는 2020 년 8 월 24 일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 63/069,403, 및 2020 년 9 월 14 일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 63/077,933에 대한 우선권을 주장하는데, 이들은 그의 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
본 발명은 일반적으로 주변 환경을 스캔하기 위한 기술에 관한 것으로, 예를 들어 LIDAR 기술을 사용하여 주변 환경의 대상물을 검출하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
운전자 보조 시스템 및 자율 주행 차량의 출현으로 자동차는 차량의 운행에 영향을 줄 수 있는 장애물, 위험 요소, 대상물, 및 다른 물리적 파라미터를 식별하는 것을 포함하여 안정적으로 주변을 감지하고 해석할 수 있는 시스템을 구비해야 한다. 이를 위해 레이더, LIDAR, 카메라 기반 시스템을 단독 또는 중복 방식으로 운영하는 등 다수의 상이한 기술이 제안되었다.
운전자 보조 시스템 및 자율 주행 차량에 대한 하나의 고려 사항은 비, 안개, 어둠, 밝은 광, 및 눈을 포함하는 여러 조건에서 시스템이 주변을 결정하는 능력이다. 광 검출 및 거리 측정 시스템(LIDAR, 이는 LADAR라고도 알려짐)은 여러 조건에서 잘 작동할 수 있는 기술의 일 예로서, 광으로 대상물을 비추고 센서를 사용하여 반사된 펄스를 측정함으로써 대상물까지의 거리를 측정한다. 레이저는 LIDAR 시스템에서 사용될 수 있는 광원의 일 예이다. LIDAR 시스템과 같은 전계-광학 시스템은 광원에 의해 방출된 광을 전계-광학 시스템의 환경 내로 투영시키기 위한 광 편향기를 포함할 수 있다. 광 편향기는 광을 전계-광학 시스템의 시야 내의 소망되는 위치로 투영하기 위해서 적어도 하나의 축 중심으로 피벗하도록 제어될 수 있다. 광 편향기의 이동을 정밀하게 제어 및/또는 모니터링하기 위하여 광 편향기의 위치 및/또는 배향을 결정하기 위한 개선된 시스템 및 방법을 설계하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 시스템 및 방법은 전계-광학 시스템 내에서 사용되는 광 편향기의 위치 및/또는 배향을 모니터링하는 성능을 개선하는 것에 직결된다.
일 양태에서, LIDAR 시스템이 개시된다. LIDAR 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 방출 유닛; 및 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 레이저 방출 유닛으로부터 공통 스캐닝 유닛으로 전송시키도록 구성된 광학 시스템을 포함할 수 있다. 공통 스캐닝 유닛은 복수 개의 레이저 빔을 LIDAR 시스템의 시야를 향하여 투영시킴으로써, 시야를 가로지르는 복수 개의 스캔 라인을 따라서 시야를 동시에 스캔하도록 구성될 수 있다.
일 양태에서, LIDAR 시스템이 개시된다. LIDAR 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 방출 유닛; 및 복수 개의 레이저 빔을 수신하도록 구성된 스캐닝 유닛을 포함할 수 있다. 공통 스캐닝 유닛은 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 LIDAR 시스템의 시야를 향하여 투영시키도록 구성될 수 있다. LIDAR 시스템은 적어도 하나의 프로세서를 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는, 상기 스캐닝 유닛이 복수 개의 빔을 상기 FOV를 가로지르는 제 1 복수 개의 스캔 라인을 따라서 지향시킴으로써 상기 LIDAR 시스템의 시야를 스캔하게 하고, 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키며, 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인을 따라서 지향시키도록 프로그래밍될 수 있다.
또 다른 양태에서, LIDAR 시스템이 개시된다. LIDAR 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 생성하도록 구성된 복수 개의 레이저 방출기를 포함하는 모놀리식 레이저 어레이; 및 복수 개의 레이저 빔을 수신하도록 구성된 2축성 스캐닝 미러를 포함할 수 있다. 2축성 스캐닝 미러는 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 LIDAR 시스템의 시야를 향하여 투영시키도록 구성될 수 있다. LIDAR 시스템은 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는, 상기 복수 개의 레이저 방출기 중에서 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트를 활성화시키고, 상기 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트에 의해 생성되는 레이저 빔을 상기 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 제 1 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 스캔하며, 상기 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트를 비활성화하고, 상기 복수 개의 레이저 방출기 중에서 레이저 방출기들의 제 2 서브-세트를 활성화시키며, 상기 레이저 방출기들의 제 2 서브-세트에 의해 생성되는 레이저 빔을 상기 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 제 2 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 스캔하고, 상기 레이저 방출기들의 제 2 서브-세트를 비활성화하며, 상기 2축성 스캐닝 미러를 상기 모놀리식 레이저 어레이의 각도 길이 이상의 회전각만큼 틸트시키고, 상기 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트를 활성화하며, 상기 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트에 의해 생성된 레이저 빔을 상기 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 제 3 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 스캔하도록 프로그래밍될 수 있다.
앞선 일반적 설명 및 후속하는 상세한 설명 모두가 예시적이고 오직 설명만을 위한 것이며, 청구항을 한정하는 것이 아니다.
본 발명에 통합되고 그 일부를 이루는 첨부 도면들이 개시된 다양한 실시형태들을 예시한다. 도면에서:
도 1a는 개시된 실시형태와 일치하는 예시적인 LIDAR 시스템을 도시하는 다이어그램이다.
도 1b는 개시된 실시형태와 일치하는, 차량에 장착된 LIDAR 시스템의 단일 스캐닝 사이클의 예시적인 출력을 도시하는 이미지이다.
도 1c는 개시된 실시형태와 일치하는 LIDAR 시스템의 출력으로부터 결정된 포인트 클라우드 모델(point cloud model)의 표현을 보여주는 다른 이미지이다.
도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 2d, 도 2e, 도 2f 및 도 2g는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 투영 유닛의 상이한 구성을 예시하는 다이어그램이다.
도 3a, 도 3b, 도 3c, 및 도 3d는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 스캐닝 유닛의 상이한 구성을 나타내는 다이어그램이다.
도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d 및 도 4e는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 감지 유닛의 상이한 구성을 나타내는 다이어그램이다.
도 5a는 시야(field of view)의 단일 부분에 대한 단일 프레임-시간에서의 방출 패턴(emission pattern)을 예시하는 4 개의 예시적인 다이어그램을 포함한다.
도 5b는 전체 시야에 대한 단일 프레임-시간에서의 방출 스킴(emission scheme)을 예시하는 3 개의 예시적인 다이어그램을 포함한다.
도 5c는 전체 시야에 대하여 단일 프레임-시간 동안에 투영된 실제 광 방출 및 수신된 반사를 나타내는 도면이다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는 제 1 예시적인 구현형태를 예시하는 다이어그램이다.
도 6d는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는 제 2 예시적인 구현형태를 예시하는 다이어그램이다.
도 7a은 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는, 개시된 예시적인 LIDAR 시스템의 개략적인 구조를 예시하는 다이어그램이다.
도 6d는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는 시야의 수직 스캐닝을 예시하는 다이어그램이다.
도 7c는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는, 비활성 영역에 의해서 분리된 활성 영역을 가지는 검출기의 일 예를 예시하는 다이어그램이다.
도 8은 본 명세서의 일부 실시형태와 일치하는 예시적인 LIDAR 시스템에 대한 예시적인 아키텍쳐의 고수준 블록도이다.
도 9a는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는 모노리식 레이저 어레이의 일 예를 예시하는 다이어그램이다.
도 9b는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는 모노리식 레이저 어레이의 다른 예를 예시하는 다이어그램이다.
도 10a 내지 도 10g는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는 모놀리식 레이저 어레이의 예들을 예시하는 다이어그램이다.
도 10h는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는 레이저 빔에 의해 생성된 스폿의 예시적인 확대된 이미지를 예시하는 다이어그램이다.
도 11a 및 도 11b는 본 명세서의 일부 실시형태와 일치하는 빔 스플리터를 포함하는 예시적인 LIDAR 시스템을 예시하는 다이어그램이다.
도 12a는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는 2D 스캐닝 미러를 사용하여 획득된 예시적인 스캔 패턴을 예시하는 다이어그램이다.
도 12b는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는 복수 개의 레이저 빔을 사용하여 획득된 스캔 패턴을 예시하는 다이어그램이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는, 비활성 영역에 의해 분리된 활성 영역을 가지는 모놀리식 검출기의 예들을 예시하는 다이어그램이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는 예시적인 빔 스플리터를 예시하는 다이어그램이다.
도 14c는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는, 레이저 빔의 파워를 모니터링하기 위하여 사용되는 예시적인 빔 스플리터의 포트를 예시하는 다이어그램이다.
도 15는 본 명세서의 일부 실시형태와 일치하는 예시적인 LIDAR 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 16은 본 명세서의 일부 실시형태와 일치하는 예시적인 LIDAR 시스템을 사용하여 획득된 예시적인 스캔 패턴을 예시하는 다이어그램이다.
도 17a 내지 도 17c는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는, 다수의 빔 구성을 사용한 중첩 스캐닝(overlapping scanning)의 예들을 예시하는 다이어그램이다.
도 17d는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는, 도 17a의 일부의 클로즈업 뷰를 예시하는 다이어그램이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는, LIDAR 시야의 하위-구역 상에 포커싱된 다단계 스캔의 예들을 예시하는 다이어그램이다.
도 19는 본 발명의 일부 실시형태와 일치하는, LIDAR 시야의 하위-구역 상에 포커싱된 다단계 스캔의 다른 예들을 예시하는 다이어그램이다.
도 20은 본 명세서의 일부 실시형태와 일치하는 예시적인 LIDAR 시스템을 사용하여 획득된 예시적인 스캔 패턴을 예시하는 다이어그램이다.
도 21은 LIDAR 시야의 네 개의 순차적인 스캔 도중의 레이저 어레이에 의해 방출된 레이저 빔의 이동을 예시하는 다이어그램이다.
후속하는 상세한 설명은 첨부 도면들을 참조한다. 가능한 곳이라면 어디서든, 동일한 참조 번호들이 도면과 후속하는 상세한 설명에서 동일하거나 유사한 부분들을 참조하는데 사용될 것이다. 몇몇 예시적인 실시형태가 본 명세서에 설명되지만, 수정, 개조, 및 다른 구현형태도 가능하다. 예를 들어, 도면에 도시된 구성 요소에 대한 대체, 추가 또는 수정이 이루어질 수 있으며, 본 명세서에 설명된 예시적인 방법은 개시된 방법에 단계를 대체, 재정렬, 제거 또는 추가함으로써 수정될 수 있다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 개시된 실시형태 및 예로 제한되지 않는다. 그 대신에, 적합한 범위는 첨부된 청구항에 의해 규정된다.
용어의 정의
개시된 실시형태는 광학 시스템을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때 "광학 시스템"은 광의 발생, 검출, 및/또는 조작에 사용되는 임의의 시스템을 광범위하게 포함한다. 단지 예로서, 광학 시스템은 광을 생성, 검출, 및/또는 조작하기 위한 하나 이상의 광학식 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원, 렌즈, 미러, 프리즘, 빔 스플리터, 시준기, 편광 광학기, 광 변조기, 광 스위치, 광 증폭기, 광학 검출기, 광학 센서, 광섬유, 반도체 광학식 구성 요소는 각각이 필수적으로 요구되는 것은 아니지만, 이들은 각각 광학 시스템의 일부일 수 있다. 하나 이상의 광학식 구성 요소 이외에, 광학 시스템은 전기적 구성 요소, 기계적 구성 요소, 화학 반응 구성 요소, 및 반도체 구성 요소와 같은 다른 비광학식 구성 요소를 더 포함할 수 있다. 비광학식 구성 요소는 광학 시스템의 광학식 구성 요소와 협력할 수 있다. 예를 들어, 광학 시스템은 검출된 광을 분석하기 위한 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
본 발명에 따라 광학 시스템은 LIDAR 시스템일 수 있다. 본 명세서에 사용될 때 "LIDAR 시스템"이라는 용어는 반사된 광에 기초하여 한 쌍의 유형적인 대상물 사이의 거리를 나타내는 파라미터 값을 결정할 수 있는 임의의 시스템을 광범위하게 포함한다. 일 실시형태에서, LIDAR 시스템은 LIDAR 시스템에 의해 방출된 광의 반사에 기초하여 한 쌍의 유형적인 대상물 사이의 거리를 결정할 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때 "거리를 결정한다"라는 용어는 한 쌍의 유형적인 대상물 사이의 거리를 나타내는 출력을 생성하는 것을 광범위하게 포함한다. 결정된 거리는 한 쌍의 유형적인 대상물 사이의 물리적 치수를 나타낼 수 있다. 단지 예로서, 결정된 거리는 LIDAR 시스템의 시야 내의 다른 유형적인 대상물과 LIDAR 시스템 사이의 비행 거리의 라인을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, LIDAR 시스템은 LIDAR 시스템에 의해 방출된 광의 반사에 기초하여 한 쌍의 유형적인 대상물 간의 상대 속도를 결정할 수 있다. 한 쌍의 유형적인 대상물 사이의 거리를 나타내는 출력의 예로는 유형적인 대상물 간의 표준 길이 단위의 수(예를 들어, 미터 수, 인치 수, 킬로미터 수, 밀리미터 수), 임의의 길이 단위의 수(예를 들어, LIDAR 시스템 길이의 수), 다른 길이와 거리 간의 비(예를 들어, LIDAR 시스템의 시야에서 검출된 대상물의 길이에 대한 비율), 시간의 양(예를 들어, 표준 단위 임의의 단위, 또는 비율로 주어진 양, 예를 들어 광이 유형적인 대상물 사이를 이동하는 데 걸리는 시간), 하나 이상의 장소(예를 들어, 합의된 좌표계를 사용하여 지정된 곳, 알려진 장소에 대하여 지정된 곳 등)를 포함할 수 있다.
LIDAR 시스템은 반사된 광에 기초하여 한 쌍의 유형적인 대상물 사이의 거리를 결정할 수 있다. 일 실시형태에서, LIDAR 시스템은, 광 신호의 방출과 센서에 의한 광의 검출 시간 사이의 시간 기간을 나타내는 시간 정보를 생성하는 센서의 검출 결과를 처리할 수 있다. 시간 기간은 때로는 광 신호의 "비행 시간(time of flight)"이라고도 한다. 일 예에서, 광 신호는 짧은 펄스일 수 있고, 펄스의 상승 및/또는 하강 시간은 수신 시 검출될 수 있다. 관련 매질(보통 공기)에서 광의 속도에 관한 알려진 정보를 사용하여 광 신호의 비행 시간에 관한 정보를 처리하면 광 신호가 방출과 검출 사이에 이동한 거리를 제공할 수 있다. 다른 실시형태에서, LIDAR 시스템은 주파수 위상 천이(또는 다수의 주파수 위상 천이)에 기초하여 거리를 결정할 수 있다. 구체적으로, LIDAR 시스템은(예를 들어, 최종 측정값을 제공하기 위해 일부 연립 방정식을 푸는 것에 의해) 광 신호의 하나 이상의 변조 위상 천이를 나타내는 정보를 처리할 수 있다. 예를 들어, 방출된 광 신호는 하나 이상의 일정한 주파수로 변조될 수 있다. 방출된 신호와 검출된 반사 사이의 변조의 적어도 하나의 위상 천이는 광이 방출과 검출 사이에 이동한 거리를 나타낼 수 있다. 변조는 연속파 광 신호, 준 연속파 광 신호, 또는 다른 유형의 방출된 광 신호에 적용될 수 있다. 추가 정보는 투영 장소 간의 거리, 예를 들어 장소 정보(예를 들어, 상대 위치), 신호의 검출 장소(특히, 서로 떨어져 있는 경우 등)를 결정하기 위해 LIDAR 시스템에 의해 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, LIDAR 시스템은 LIDAR 시스템의 환경에서 복수의 대상물을 검출하는 데 사용될 수 있다. "LIDAR 시스템의 환경에서 대상물을 검출하는"이란 용어는 광을 LIDAR 시스템과 연관된 검출기를 향하여 반사한 대상물을 나타내는 정보를 생성하는 것을 광범위하게 포함한다. 두 개 이상의 대상물이 LIDAR 시스템에 의해 검출되면, 서로 다른 대상물과 관련된 생성된 정보, 예를 들어 도로에서 주행하는 자동차, 나무에 앉아 있는 새, 자전거를 타는 인간, 빌딩을 향하여 이동하는 밴이 상호 연결될 수 있다. LIDAR 시스템이 대상물을 검출하는 환경의 차원은 구현형태에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, LIDAR 시스템은 LIDAR 시스템이 설치된 차량의 환경에서 100m(또는 200m, 300m 등)의 수평 거리, 10m(또는 25m, 50m 등)의 수직 거리까지의 복수의 대상물을 검출하는 데 사용될 수 있다. 다른 예에서, LIDAR 시스템은 차량의 환경에서 또는 미리 정해진 수평 범위(예를 들어, 25°, 50°, 100°, 180° 등)와 미리 정해진 수직 고도(예를 들어, ±10°, ±20°, +40°-20°, ±90°, 또는 0°-90°) 내에서 복수의 대상물을 검출하는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 "대상물을 검출하는"이라는 용어는 대상물의 존재(예를 들어, 대상물이 LIDAR 시스템 및/또는 다른 기준 장소에 대해 특정 방향으로 존재할 수 있고, 또는 대상물이 특정 공간 볼륨 내에 존재할 수 있음)를 결정하는 것을 광범위하게 지칭할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, "대상물을 검출하는"이라는 용어는 대상물과 이와 다른 장소(예를 들어, LIDAR 시스템의 장소, 지구 상의 장소 또는 다른 대상물의 장소) 사이의 거리를 결정하는 것을 지칭할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, "대상물을 검출하는"이라는 용어는 대상물을 식별하는 것(예를 들어, 자동차, 식물, 나무, 도로와 같은 대상물의 유형을 분류하는 것), 특정 대상물(예를 들어, 워싱턴 기념비)를 인식하는 것, 번호판 번호를 결정하는 것, 대상물의 조성(예를 들어, 고체, 액체, 투명, 반투명)을 결정하는 것, 대상물의 운동 파라미터(예를 들어, 대상물이 이동하고 있는지, 속도, 이동 방향, 대상물의 팽창)를 결정하는 것을 지칭할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, "대상물을 검출하는"이라는 용어는 포인트 클라우드 맵(point cloud map)의 하나 이상의 포인트의 모든 포인트가 대상물의 장소 또는 그 면(face)의 장소에 대응하는 포인트 클라우드 맵을 생성하는 것을 지칭할 수 있다. 일 실시형태에서, 시야의 포인트 클라우드 맵 표현과 연관된 데이터 분해능은 시야의 0.1°×0.1° 또는 0.3°×0.3°와 연관될 수 있다.
본 발명에 따르면, "대상물"라는 용어는 적어도 일부분으로부터 광을 반사할 수 있는 유한한 조성물을 광범위하게 포함한다. 예를 들어, 대상물은 적어도 부분적으로 고체(예를 들어, 자동차, 나무); 적어도 부분적으로 액체(예를 들어, 도로 상의 웅덩이, 비); 적어도 부분적으로 가스(예를 들어, 연기, 구름); 수많은 별개의 입자(예를 들어, 모래 폭풍우, 안개, 스프레이)로 만들어진 것; 및 약 1 밀리미터(mm), 약 5 mm, 약 10 mm, 약 50 mm, 약 100 mm, 약 500 mm, 약 1 미터 (m), 약 5m, 약 10m, 약 50m, 약 100m 등과 같은 크기의 하나 이상의 크기 스케일일 수 있다. 이러한 예시적인 크기 사이의 임의의 크기뿐만 아니라 더 작거나 더 큰 대상물도 검출될 수 있다. 다양한 이유로, LIDAR 시스템은 대상물의 일부분만을 검출할 수 있다는 것을 유의해야 한다. 예를 들어, 일부 경우에 광은 대상물의 일부 측면(예를 들어, LIDAR 시스템과 대향하는 측면)으로부터만 반사될 수 있고, 다른 경우에 광은 대상물의 일부분으로만 투영될 수 있고(예를 들어, 도로 또는 건물에 투영된 레이저 빔), 다른 경우에 대상물은 LIDAR 시스템과 검출된 대상물 사이의 다른 대상물에 의해 부분적으로 차단될 수 있으며, 또 다른 경우에 LIDAR의 센서는 예를 들어 주변 광 또는 다른 간섭이 대상물의 일부분의 검출을 방해하기 때문에 대상물의 일부로부터 반사된 광만을 검출할 수 있다.
본 발명에 따르면, LIDAR 시스템은 LIDAR 시스템의 환경을 스캔함으로써 대상물을 검출하도록 구성될 수 있다. "LIDAR 시스템의 환경을 스캔하는"이라는 용어는 LIDAR 시스템의 시야 또는 시야의 일부를 조명하는 것을 광범위하게 포함한다. 일 예에서, LIDAR 시스템의 환경을 스캔하는 것은 광 편향기를 이동시키거나 피벗시켜 시야의 상이한 부분을 향해 상이한 방향으로 광을 편향시킴으로써 달성될 수 있다. 다른 예에서, LIDAR 시스템의 환경을 스캔하는 것은 시야에 대해 센서의 위치(즉, 장소 및/또는 배향)를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 다른 예에서, LIDAR 시스템의 환경을 스캔하는 것은 시야에 대해 광원의 위치(즉, 장소 및/또는 배향)를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 또 다른 예에서, LIDAR 시스템의 환경을 스캔하는 것은 적어도 하나의 광원 및 적어도 하나의 센서의 위치를 시야에 대해 고정되게 이동되도록 변화시킴으로써 달성될 수 있다(즉, 적어도 하나의 센서와 적어도 하나의 광원의 상대적 거리 및 배향은 유지된다).
본 명세서에 사용될 때 "LIDAR 시스템의 시야"라는 용어는 대상물이 검출될 수 있는 LIDAR 시스템의 관찰 가능한 환경의 범위를 광범위하게 포함할 수 있다. LIDAR 시스템의 시야(FOV)는 LIDAR 시스템의 배향(예를 들어, LIDAR 시스템의 광축 방향), 환경에 대한 LIDAR 시스템의 위치(예를 들어, 지면 위의 거리 및 인접한 지형과 장애물), LIDAR 시스템의 동작 파라미터(예를 들어, 방출 파워, 계산 설정, 정해진 동작 각도 등)를 포함하지만 이로 제한되지 않는 다양한 조건에 의해 영향을 받을 수 있다는 점을 유의해야 한다. LIDAR 시스템의 시야는 예를 들어 입체각(예를 들어, φ 와 θ 각을 사용하여 정해지고, 여기서 φ와 θ는 수직 평면, 예를 들어 LIDAR 시스템 및/또는 그 FOV의 대칭 축에 대해 정해진 각도)으로 정해질 수 있다. 일 예에서, 시야는 또한 특정 범위(예를 들어, 최대 200m) 내로 규정될 수 있다.
유사하게, "순간 시야(instant field of view)"라는 용어는 임의의 주어진 순간에 대상물이 LIDAR 시스템에 의해 검출될 수 있는 관찰 가능한 환경의 범위를 광범위하게 포함할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 LIDAR 시스템의 경우 순간 시야가 LIDAR 시스템의 전체 FOV보다 좁으며, 순간 시야는 LIDAR 시스템의 FOV의 다른 부분을 검출할 수 있도록 LIDAR 시스템의 FOV 내에서 이동될 수 있다. LIDAR 시스템의 FOV 내의 순간 시야의 이동은 LIDAR 시스템의(또는 LIDAR 시스템의 외부) 광 편향기를 이동시켜 LIDAR 시스템으로 및/또는 LIDAR 시스템으로부터 상이한 방향으로 광 빔을 편향시킴으로써 달성될 수 있다. 일 실시형태에서, LIDAR 시스템은 LIDAR 시스템이 동작하는 환경에서 장면을 스캔하도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때 "장면(scene)"이라는 용어는 LIDAR 시스템의 동작 지속 시간 내에서 LIDAR 시스템의 시야 내에서 그 상대 위치와 그 현재 상태의 대상물의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 장면은 지상 요소(예를 들어, 땅, 도로, 잔디, 보도, 도로 표면 표시), 하늘, 인공물(예를 들어, 차량, 건물, 간판), 식물, 인간, 동물, 광 투영 요소(예를 들어, 손전등, 태양, 다른 LIDAR 시스템 등)를 포함할 수 있다.
개시된 실시형태는 복원된 3차원 모델을 생성하는 데 사용하기 위한 정보를 얻는 것을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 복원된 3차원 모델의 유형의 예는 포인트 클라우드 모델 및 다각형 메쉬(예를 들어, 삼각형 메쉬)를 포함한다. "포인트 클라우드" 및 "포인트 클라우드 모델"이라는 용어는 이러한 기술 분야에 널리 알려져 있으며, 일부 좌표계에서 공간적으로 위치된 데이터 포인트의 세트(즉, 각각의 좌표계에 의해 설명된 공간에서 식별 가능한 장소를 갖는 것)를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "포인트 클라우드 포인트"라는 용어는 공간 내 포인트(무차원 또는 소형 셀형 공간, 예를 들어 1 cm3일 수 있음)를 나타내고, 그 장소는 좌표들의 세트(예를 들어, (X, Y, Z), (r, φ, θ))를 사용하여 포인트 클라우드 모델에 의해 표시될 수 있다. 단지 예로서, 포인트 클라우드 모델은 포인트의 일부 또는 전부에 대한 추가 정보(예를 들어, 카메라 이미지로부터 생성된 포인트에 대한 색상 정보)를 저장할 수 있다. 마찬가지로, 복원된 3차원 모델의 임의의 다른 유형은 대상물의 일부 또는 전부에 대한 추가 정보를 저장할 수 있다. 유사하게, "다각형 메쉬" 및 "삼각형 메쉬"라는 용어는 이러한 기술 분야에 널리 알려져 있으며, 특히 하나 이상의 3D 대상물(예를 들어, 다면체)의 형상을 한정하는 꼭지점(vertex), 에지(edge), 면의 세트를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 상기 면은 삼각형(삼각형 메쉬), 사변형, 또는 다른 간단한 볼록 다각형 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 이는 렌더링을 단순하게 할 수 있기 때문이다. 상기 면은 보다 일반적인 오목 다각형 또는 구멍을 가지는 다각형을 포함할 수도 있다. 다각형 메쉬는 꼭지점-꼭지점 메쉬, 면-꼭지점 메쉬, 날개형 에지 메쉬, 및 렌더 동적 메쉬와 같은 상이한 기술을 사용하여 표현될 수 있다. 다각형 메쉬의 다른 부분(예를 들어, 꼭지점, 면, 에지)은 직접 및/또는 서로에 대해 일부 좌표계에서 공간적으로 위치된다(즉, 각 좌표계에 의해 표시된 공간에서 식별 가능한 장소를 가짐). 복원된 3차원 모델의 생성은 임의의 표준, 전용 및/또는 신규한 사진 측량 기술을 사용하여 구현될 수 있으며, 이러한 기술 중 다수는 이러한 기술 분야에 알려져 있다. 환경의 다른 유형의 모델은 LIDAR 시스템에 의해 생성될 수 있다는 것을 유의해야 한다.
개시된 실시형태에 따르면, LIDAR 시스템은 광을 투영하도록 구성된 광원을 갖는 적어도 하나의 투영 유닛을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때 "광원"이라는 용어는 광을 방출하도록 구성된 임의의 디바이스를 광범위하게 지칭한다. 일 실시형태에서, 광원은 레이저, 예를 들어 고체 레이저, 레이저 다이오드, 고파워 레이저, 또는 대안적인 광원, 예를 들어 발광 다이오드(LED) 기반 광원일 수 있다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 도시된 바와 같은 광원(112)은 광 펄스, 연속파(continuous wave: CW), 준-CW 등과 같은 상이한 형식의 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 사용될 수 있는 광원의 하나의 유형은 수직 공동 면발광 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser: VCSEL)이다. 사용될 수 있는 또 다른 유형의 광원은 외부 공동 다이오드 레이저(external cavity diode laser: ECDL)이다. 일부 예에서, 광원은 약 650 nm 내지 1150 nm의 파장의 광을 방출하도록 구성된 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 대안적으로, 광원은 약 800 nm 내지 약 1000 nm, 약 850 nm 내지 약 950 nm, 또는 약 1300 nm 내지 약 1600 nm의 파장의 광을 방출하도록 구성된 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 달리 명시되지 않는 한, 숫자 값에 대한 "약"이라는 용어는 명시된 값에 대해 최대 5%까지의 변동을 포함하는 것으로 정의된다. 투영 유닛 및 적어도 하나의 광원에 대한 추가적인 세부 사항은 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 이하에서 설명된다.
개시된 실시형태에 따르면, LIDAR 시스템은 시야를 스캔하기 위해 광원으로부터 광을 편향시키도록 구성된 적어도 하나의 광 편향기를 가진 적어도 하나의 스캐닝 유닛을 포함할 수 있다. "광 편향기(light deflector)"라는 용어는 광을 원래의 경로로부터 벗어나게 하도록 구성된 임의의 메커니즘 또는 모듈을 광범위하게 포함하며, 예를 들어 미러, 프리즘, 제어 가능한 렌즈, 기계적 미러, 기계적 스캔 다각형, 능동 회절(예를 들어, 제어 가능한 LCD), 리슬리 프리즘(Risley prism, Vscent에 의해 만들어진 것과 같음) 비 기계식 전기 광학 빔 조향, (볼더(Boulder) 비선형 시스템에 의해 제공된 것과 같은) 편광 격자, 광학 위상 어레이(optical phased array: OPA) 등을 포함한다. 일 실시형태에서, 광 편향기는 적어도 하나의 반사 요소(예를 들어, 미러), 적어도 하나의 굴절 요소(예를 들어, 프리즘, 렌즈 등)와 같은 복수의 광학식 구성 요소를 포함할 수 있다. 일 예에서, 광 편향기는 광을(예를 들어, 이산 각도로 또는 연속적인 각도 범위에서) 다른 각도로 벗어나게 하도록 이동 가능할 수 있다. 광 편향기는 선택적으로 상이한 방식(예를 들어, 각도(α)로 편향시킴, 편향각을 Δα만큼 변화시킴, M 밀리미터만큼 광 편향기의 구성 요소를 이동시킴, 편향각이 변하는 속도를 변화시킴)으로 제어 가능할 수 있다. 또한, 광 편향기는 선택적으로 단일 평면(예를 들어, θ 좌표) 내에서 편향각을 변화시키도록 동작될 수 있다. 광 편향기는 선택적으로 두 개의 비-평행 평면(예를 들어, θ 및 φ 좌표) 내에서 편향각을 변화시키도록 동작 가능할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 광 편향기는(예를 들어, 미리 정해진 스캐닝 경로를 따라) 미리 정해진 설정 또는 그 밖의 다른 것 사이에서 편향각을 변화시키도록 선택적으로 동작 가능할 수 있다. LIDAR 시스템에 광 편향기의 사용과 관련하여, 광 편향기는 광원으로부터 광을 시야의 적어도 일부분으로 편향시키기 위해 진출 방향(송신 방향 또는 TX라고도 함)으로 사용될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 그러나, 광 편향기는 또한 시야의 적어도 일부로부터의 광을 하나 이상의 광 센서로 편향시키기 위해 진입 방향(수신 방향 또는 RX라고도 함)으로도 사용될 수 있다. 스캐닝 유닛과 적어도 하나의 광 편향기에 대한 추가적인 세부 사항은 도 3a 내지 3c를 참조하여 이하에서 설명된다.
개시된 실시형태는 시야를 스캔하기 위해 광 편향기를 피벗시키는 것을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때 "피벗(pivoting)"라는 용어는 실질적으로 회전 중심을 고정시켜 유지하면서 하나 이상의 회전축을 중심으로 대상물(특히 고체 대상물)를 회전시키는 것을 광범위하게 포함한다. 일 실시형태에서, 광 편향기의 피벗은 고정된 축(예를 들어, 샤프트)을 중심으로한 광 편향기의 회전을 포함할 수 있지만, 반드시 그래야만 하는 것은 아니다. 예를 들어, 일부 MEMS 미러 구현형태에서, MEMS 미러는 미러에 연결된 복수의 굴곡기의 작동에 의해 움직일 수 있으며, 미러는 회전 이외에도 일부 공간적 병진 이동을 경험할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 미러는 실질적으로 고정된 축을 중심으로 회전하도록 설계될 수 있으며, 따라서 본 명세서에 따라 이는 피벗되는 것으로 고려된다. 다른 실시형태에서, 일부 유형의 광 편향기(예를 들어, 비 기계식 전기 광학 빔 조향, OPA)는 편향된 광의 편향각을 변화시키기 위해 임의의 이동 구성 요소 또는 내부 이동을 필요로 하지 않는다. 광 편향기의 이동 또는 피벗시키는 것과 관련된 임의의 논의는 또한 광 편향기의 편향 가동을 변화시키기 위해 광 편향기를 제어하는 데 필요한 부분만 약간 수정하여 적용 가능하다. 예를 들어, 광 편향기를 제어하는 것은 적어도 하나의 방향으로부터 도달하는 광 빔의 편향각의 변화를 유발할 수 있다.
개시된 실시형태는 광 편향기의 단일 순간 위치에 대응하는 시야의 일부와 연관된 반사를 수신하는 것을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용될 때 "광 편향기의 순간 위치(instantaneous position of the light deflector)"("광 편향기의 상태(state of the light deflector)"라고도 함)라는 용어는 광 편향기의 적어도 하나의 제어된 구성 요소가 순간 시점에 또는 짧은 시간 범위에 걸쳐 위치하는 공간 내의 장소 또는 위치를 광범위하게 지칭한다. 일 실시형태에서, 광 편향기의 순간 위치는 레퍼런스 프레임에 대해 측정될 수 있다. 레퍼런스 프레임은 LIDAR 시스템에서 적어도 하나의 고정된 포인트와 관련될 수 있다. 또는, 예를 들어 레퍼런스 프레임은 장면의 적어도 하나의 고정된 포인트와 관련될 수 있다. 일부 실시형태에서, 광 편향기의 순간 위치는 일반적으로 시야를 스캔하는 동안 광 편향기의 하나 이상의 구성 요소(예를 들어, 미러, 프리즘)를 최대 변화 각도에 대하여 제한된 각도로 일부 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, LIDAR 시스템의 전체 시야의 스캐닝은 30°의 범위에 걸쳐 광의 편향을 변화시키는 것을 포함할 수 있고, 적어도 하나의 광 편향기의 순간 위치는 0.05° 내에서 광 편향기의 각도 이동을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, "광 편향기의 순간 위치(instantaneous position of the light deflector)"라는 용어는, LIDAR 시스템에 의해 생성된 포인트 클라우드(또는 다른 유형의 3D 모델)의 단일 포인트에 대한 데이터를 제공하도록 처리되는, 광을 획득하는 동안의 광 편향기의 위치를 의미할 수 있다. 일부 실시형태에서, 광 편향기의 순간 위치는 LIDAR 시야의 특정 하위 구역을 조명하는 동안 편향기가 짧은 시간 잠시 멈추는 고정된 위치 또는 배향에 대응할 수 있다. 다른 경우에, 광 편향기의 순간 위치는 광 편향기가 LIDAR 시야의 연속 또는 반-연속 스캔의 일부로서 통과하는 광 편향기의 위치/배향의 스캔된 범위를 따라 특정 위치/배향에 대응할 수 있다. 일부 실시형태에서, 광 편향기는 LIDAR FOV의 스캐닝 사이클 동안 광 편향기가 복수의 상이한 순간 위치에 위치하도록 이동될 수 있다. 즉, 스캐닝 사이클이 발생하는 시간 기간 동안, 편향기는 일련의 상이한 순간 위치/배향을 통해 이동될 수 있고, 편향기는 각각 스캐닝 사이클 동안 상이한 시간에 상이한 순간 위치/배향에 도달할 수 있다.
개시된 실시형태에 따르면, LIDAR 시스템은 시야 내의 대상물로부터의 반사를 검출하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 갖는 적어도 하나의 감지 유닛을 포함할 수 있다. "센서"라는 용어는 전자기파의 특성(예를 들어, 파워, 주파수, 위상, 펄스 타이밍, 펄스 지속 시간)을 측정하고 측정된 특성과 관련된 출력을 생성할 수 있는 임의의 디바이스, 요소, 또는 시스템을 광범위하게 포함한다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 센서는 복수의 검출 요소로 구성된 복수의 검출기를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 센서는 하나 이상의 유형의 광 센서를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 센서는 다른 특성(예를 들어, 감도, 크기)이 상이할 수도 있는 동일한 유형의 다중 센서를 포함할 수 있다는 것을 유의해야 한다. 다른 유형의 센서도 사용될 수 있다. 여러 유형의 센서의 조합이 여러 이유로 예를 들어 거리 범위(특히 근거리)에서 검출의 개선, 센서의 동적 범위의 개선; 센서의 시간 응답의 개선; 다양한 환경 상태(예를 들어, 대기 온도, 비 등)에서 검출의 개선을 이유로 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 적어도 하나의 센서는 애벌런치 광다이오드(avalanche photodiode: APD)와 단일 광자 애벌런치 다이오드(single photon avalanche diode: SPAD)의 어레이로부터 만들어진 솔리드-스테이트 단일 광자 민감 디바이스인 실리콘 광전자증배기(Silicon photomultiplier: SiPM)을 포함하며, 이는 공통 실리콘 기판에서 검출 요소로서 작용한다. 일 예에서, SPAD들 사이의 전형적인 거리는 약 10 μm 내지 약 50 μm일 수 있으며, 여기서 각 SPAD는 약 20 ns 내지 약 100 ns의 회복 시간을 가질 수 있다. 다른 비-실리콘 재료와 유사한 광전자증배기(photomultiplier)가 사용될 수도 있다. SiPM 디바이스는 디지털/스위칭 모드로 작동하지만 SiPM은 모든 마이크로 셀을 병렬로 읽을 수 있기 때문에 아날로그 디바이스이며, 상이한 SPAD에 의해 검출된 단일 광자로부터 수백 개, 수천 개의 광자에 이르는 동적 범위 내에서 신호를 생성하는 것이 가능하다. 서로 다른 유형의 센서(예를 들어, SPAD, APD, SiPM, PIN 다이오드, 광검출기)로부터의 출력은 LIDAR 시스템의 프로세서에 의해 처리될 수 있는 단일 출력으로 함께 결합될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 감지 유닛 및 적어도 하나의 센서에 대한 추가의 세부 사항은 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 아래에서 설명된다.
개시된 실시형태와 일치하는, LIDAR 시스템은 상이한 기능을 실행하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있거나 적어도 하나의 프로세서와 통신할 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 입력 또는 입력들에 논리 연산을 수행하는 전기 회로를 가지는 임의의 물리적 디바이스를 구성할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 프로세서는, 주문형 집적 회로(Application-specific integrated circuit: ASIC)를 포함하는 하나 이상의 집적 회로(IC), 마이크로칩, 마이크로 제어기, 마이크로 프로세서, 중앙 처리 유닛(CPU)의 전부 또는 일부, 그래픽 처리 유닛(GPU), 디지털 신호 프로세서(DSP), 전계-프로그래밍 가능한 게이트 어레이(FPGA), 또는 명령어를 실행하거나 논리 연산을 수행하기에 적합한 다른 회로를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 명령어는, 예를 들어 제어기에 통합 또는 내장된 메모리에 미리 로딩되거나 별도의 메모리에 저장될 수 있다. 메모리는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 하드 디스크, 광학적 디스크, 자기적 매체, 플래시 메모리, 다른 영구적인 고정형 또는 휘발성 메모리, 또는 명령을 저장할 수 있는 임의의 다른 메커니즘을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 메모리는 LIDAR 시스템의 환경에서 대상물에 대한 데이터를 나타내는 정보를 저장하도록 구성된다. 일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는 두 개 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 각각의 프로세서는 유사한 구조를 가질 수 있고, 또는 프로세서는 전기적으로 서로 연결되거나 분리되는 상이한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 별개의 회로이거나 단일 회로 내에 통합될 수 있다. 두 개 이상의 프로세서가 사용되는 경우, 프로세서는 독립적으로 또는 협동하여 동작하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 전기적으로, 자기적으로, 광학적으로, 음향학적으로, 기계적으로, 또는 이들이 상호작용하게 하는 다른 수단에 의해 커플링될 수 있다. 처리 유닛 및 적어도 하나의 프로세서에 관한 추가적인 세부 사항은 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 이하에서 설명된다.
시스템 개관
도 1a는 투영 유닛(102), 스캐닝 유닛(104), 감지 유닛(106), 및 처리 유닛(108)을 포함하는 LIDAR 시스템(100)을 도시한다. LIDAR 시스템(100)은 차량(110) 상에 장착될 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 투영 유닛(102)은 적어도 하나의 광원(112)을 포함할 수 있고, 스캐닝 유닛(104)은 적어도 하나의 광 편향기(114)를 포함할 수 있으며, 감지 유닛(106)은 적어도 하나의 센서(116)를 포함할 수 있고, 처리 유닛(108)은 적어도 하나의 프로세서(118)를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 적어도 하나의 프로세서(118)는 시야(120)를 스캔하기 위해 적어도 하나의 광 편향기(114)의 이동과 적어도 하나의 광원(112)의 동작을 조정하도록 구성될 수 있다. 스캐닝 사이클 동안, 적어도 하나의 광 편향기(114)의 각각의 순간 위치는 시야(120)의 특정 부분(122)과 연관될 수 있다. 또한, LIDAR 시스템(100)은 시야(120)를 향하여 투영된 광을 지향하고 및/또는 시야(120) 내의 대상물로부터 반사된 광을 수신하기 위해 적어도 하나의 선택적 광학 윈도우(124)를 포함할 수 있다. 선택적 광학 윈도우(124)는 투영된 광의 시준 및 반사된 광의 집광과 같은 상이한 목적을 제공할 수 있다. 일 실시형태에서, 선택적인 광학 윈도우(124)는 개구, 평평한 윈도우, 렌즈, 또는 임의의 다른 유형의 광학 윈도우일 수 있다.
본 발명에 따르면, LIDAR 시스템(100)은 자율 또는 반자율 주행 차량(예를 들어, 자동차, 버스, 밴, 트럭, 및 임의의 다른 지상 차량)에 사용될 수 있다. LIDAR 시스템(100)을 갖춘 자율 주행 차량은 인간의 입력이 없어도 환경을 스캔하고 목적지로 주행할 수 있다. 유사하게, LIDAR 시스템(100)은 자율/반자율 항공기(예를 들어, UAV, 드론, 쿼드콥터, 및 임의의 다른 항공기 또는 디바이스); 또는 자율 또는 반자율 수상 배(water vessel)(예를 들어, 보트, 선박, 잠수함, 또는 임의의 다른 선박)에서도 사용될 수 있다. LIDAR 시스템(100)을 갖는 자율 항공기 및 선박은 환경을 스캔하여 목적지까지 자율적으로 또는 원거리의 인간 조작자를 이용하여 운행할 수 있다. 일 실시형태에 따르면, 차량(110)(도로 차량, 항공기, 또는 선박)은 차량(110)이 동작하고 있는 환경을 검출하고 스캔하는 데 도움을 주기 위해 LIDAR 시스템(100)을 사용할 수 있다.
LIDAR 시스템(100) 또는 그 구성 요소 중 임의의 것이 본 명세서에 개시된 임의의 예시적인 실시형태 및 방법과 함께 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 또한, LIDAR 시스템(100)의 일부 양태는 예시적인 차량 기반 LIDAR 플랫폼과 관련하여 설명되지만, LIDAR 시스템(100), 그 구성 요소 중 임의의 것, 또는 본 명세서에 설명된 임의의 프로세스는 다른 플랫폼 유형의 LIDAR 시스템에 적용될 수 있다.
일부 실시형태에서, LIDAR 시스템(100)은 차량(110) 주변의 환경을 스캔하기 위해 하나 이상의 스캐닝 유닛(104)을 포함할 수 있다. LIDAR 시스템(100)은 차량(110)의 임의의 부분에 부착되거나 장착될 수 있다. 감지 유닛(106)은 차량(110) 주변으로부터의 반사를 수신하고, 시야(120) 내의 대상물로부터 반사된 광을 나타내는 반사 신호를 처리 유닛(108)으로 전달할 수 있다. 본 발명에 따라, 스캐닝 유닛(104)은 범퍼, 펜더, 사이드 패널, 스포일러, 루프, 전조등 어셈블리, 후미등 어셈블리, 후사경 미러 어셈블리, 후드, 트렁크, 또는 LIDAR 시스템의 적어도 일부분을 수용할 수 있는 차량(110)의 임의의 다른 적절한 부분에 통합되거나 장착될 수 있다. 일부 경우에, LIDAR 시스템(100)은 차량(110)의 환경에 대한 완벽한 주변 경관을 캡처할 수 있다. 따라서, LIDAR 시스템(100)은 360도의 수평 시야를 가질 수 있다. 일 예에서, 도 1a에 도시된 바와 같이, LIDAR 시스템(100)은 차량(110)의 루프 상에 장착된 단일 스캐닝 유닛(104)을 포함할 수 있다. 대안적으로, LIDAR 시스템(100)은 전체 수평 시야가 차량(110) 주변의 360도 스캔에 의해 덮이도록, 시야를 각각 갖는 다수의 스캐닝 유닛(예를 들어, 두 개, 세 개, 네 개, 또는 더 많은 스캐닝 유닛(104)을 포함할 수 있다. 이러한 기술 분야에 통상의 기술자라면 LIDAR 시스템(100)이 임의의 방식으로 배열된 임의의 개수의 스캐닝 유닛(104)을 포함할 수 있으며, 각각의 스캐닝 유닛은 사용된 유닛의 개수에 따라 각각 80° 내지 120°의 시야 또는 그 이하의 시야를 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 단일 스캐닝 유닛(104)을 각각 갖는 다중 LIDAR 시스템(100)을 차량(110) 상에 장착함으로써 360도 수평 시야를 얻을 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 하나 이상의 LIDAR 시스템(100)이 전체 360° 시야를 제공할 필요는 없으며, 더 좁은 시야가 일부 상황에서는 유용할 수 있다는 것을 유의해야 한다. 예를 들어, 차량(110)은 차량의 전방을 바라보는 75°의 시야를 갖는 제 1 LIDAR 시스템(100), 및 가능하게는 후방을 바라보는(선택적으로 더 낮은 검출 범위를 갖는) 유사한 FOV를 갖는 제 2 LIDAR 시스템(100)을 요구할 수 있다. 또한, 상이한 수직 시야 각도가 구현될 수도 있음을 유의해야 한다.
도 1b는 개시된 실시형태와 일치하는, 차량(110) 상에 장착된 LIDAR 시스템(100)의 단일 스캐닝 사이클로부터의 예시적인 출력을 도시하는 이미지이다. 이러한 예에서, 스캐닝 유닛(104)은 차량(110)의 우측 전조등 어셈블리에 통합된다. 이미지의 모든 회색 점(gray dot)은 감지 유닛(106)에 의해 검출된 반사로부터 결정된 차량(110) 주변의 환경의 장소에 대응한다. 각 회색 점은 장소에 더하여 세기(예를 들어, 이 장소에서 되돌아오는 광의 양), 반사도(reflectivity), 다른 점과의 근접성 등과 같은 여러 유형의 정보와 연관될 수도 있다. 일 실시형태에서, 예를 들어 차량(110) 주변의 환경의 포인트 클라우드 모델을 결정할 수 있도록, LIDAR 시스템(100)은 시야의 다수의 스캐닝 사이클의 검출된 반사로부터 복수의 포인트 클라우드 데이터 엔트리를 생성할 수 있다.
도 1c는 LIDAR 시스템(100)의 출력으로부터 결정된 포인트 클라우드 모델의 표현을 도시하는 이미지이다. 개시된 실시형태에 따라, 차량(110) 주변의 환경의 생성된 포인트-클라우드 데이터 엔트리를 처리함으로써, 주변 경관 이미지가 포인트 클라우드 모델로부터 생성될 수 있다. 일 실시형태에서, 포인트 클라우드 모델은 복수의 피쳐를 식별하기 위해 포인트 클라우드 정보를 처리하는 피쳐 추출 모듈에 제공될 수 있다. 각각의 피쳐는 차량(110) 주변의 환경(예를 들어, 자동차, 나무, 인간, 및 도로)의 대상물 및/또는 포인트 클라우드의 다양한 양태에 대한 데이터를 포함할 수 있다. 피쳐들은 동일한 분해능의(즉, 선택적으로 유사한 크기의 2D 어레이로 배열된 동일한 개수의 데이터 포인트를 갖는) 포인트 클라우드 모델을 가질 수 있고, 또는 다른 분해능을 가질 수도 있다. 특징은 임의의 종류의 데이터 구조(예를 들어, 래스터, 벡터, 2D 어레이, 1D 어레이)에 저장될 수 있다. 또한, (예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이) 이미지에서 차량(110), 대상물 또는 구역을 분리하는 경계선 또는 바운딩 박스를 나타내는 것과 같은 가상 피쳐, 및 하나 이상의 식별된 대상물을 나타내는 아이콘은 최종 주변 경관 이미지를 형성하기 위한 포인트 클라우드 모델의 표현에 중첩될 수 있다. 예를 들어, 차량(110)의 심볼은 주변-경관 이미지의 중심에 중첩될 수 있다.
투영 유닛
도 2a 내지 도 2g는 투영 유닛(102)의 다양한 구성과 LIDAR 시스템(100)에서의 그 역할을 도시한다. 구체적으로, 도 2a는 단일 광원을 갖는 투영 유닛(102)을 도시하는 도면이고; 도 2b는 공통의 광 편향기(114)를 향하는 복수의 광원을 갖는 복수의 투영 유닛(102)을 도시하는 도면이며; 도 2c는 일차 및 이차 광원(112)을 갖는 투영 유닛(102)을 도시하는 도면이고; 도 2d는 투영 유닛(102)의 일부 구성에 사용되는 비대칭적인 편향기를 도시하는 도면이고; 도 2e는 비-스캐닝 LIDAR 시스템의 제 1 구성을 예시하는 도면이고; 도 2f는 비-스캐닝 LIDAR 시스템의 제 2 구성을 예시하는 도면이고; 도 2g는 진출 방향으로 스캔하고 진입 방향으로 스캔하지 않는 LIDAR 시스템을 예시하는 다이어그램이다. 이러한 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 투영 유닛(102)의 묘사된 구성은 다수의 변형 및 수정을 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 2a는 투영 유닛(102)이 단일 광원(112)을 포함하는 LIDAR 시스템(100)의 바이-스태틱(bi-static) 구성의 일 예를 도시한다. "바이-스태틱 구성"이라는 용어는 LIDAR 시스템에서부터 나가는 투영된 광과 LIDAR 시스템으로 들어가는 반사된 광이 실질적으로 상이한 광학 경로를 통과하는 LIDAR 시스템 구성을 광범위하게 지칭한다. 일부 실시형태에서, LIDAR 시스템(100)의 바이-스태틱 구성은 완전히 다른 광학식 구성 요소를 사용하거나, 평행하지만 완전히 분리되지 않은 광학식 구성 요소를 사용하거나, 또는 광학 경로의 일부에만 동일한 광학식 구성 요소(광학식 구성 요소는 예를 들어 윈도우, 렌즈, 미러, 빔 스플리터 등을 포함할 수 있음)를 사용하는 것에 의해 광학 경로를 분리하는 것을 포함할 수 있다. 도 2a에 도시된 예에서, 바이-스태틱 구성은, 진출 광과 진입 광이 단일 광학 윈도우(124)를 통과하지만 스캐닝 유닛(104)이 두 개의 광 편향기, 즉 진출 광을 위한 제 1 광 편향기(114A) 및 진입 광을 위한 제 2 광 편향기(114B)를 포함하는 구성을 포함한다(LIDAR 시스템의 진입 광은 장면 내 대상물로부터 반사된 방출된 광을 포함하고 다른 소스에서 들어오는 주변 광을 더 포함할 수 있다). 도 2e 및 도 2g에서 도시된 예에서, 바이-스태틱 구성은 진출 광이 제 1 광학 윈도우(124A)를 통과하고 진입 광이 제 2 광학 윈도우(124B)를 통과하는 구성을 포함한다. 위의 모든 예시적인 구성에서 진입 및 진출 광학 경로는 서로 다르다.
이러한 실시형태에서, LIDAR 시스템(100)의 모든 구성 요소는 단일 하우징(200) 내에 포함되거나 복수의 하우징으로 분할될 수 있다. 도시된 바와 같이, 투영 유닛(102)은 광(투영 광(204)을 방출하도록 구성된 레이저 다이오드(202A)(또는 함께 결합된 하나 이상의 레이저 다이오드)를 포함하는 단일 광원(112)과 연관된다. 하나의 비-제한적인 예에서, 광원(112)에 의해 투영된 광은 약 800 nm 내지 950 nm의 파장일 수 있고, 약 50mW 내지 약 500mW의 평균 파워를 가질 수 있으며, 약 50W 내지 약 200W의 피크 파워와, 약 2 ns 내지 약 100 ns의 펄스 폭을 가질 수 있다. 또한, 광원(112)은 선택적으로 레이저 다이오드(202A)에 의해 방출된 광을 조작하기 위해(예를 들어, 시준, 집광 등을 위해) 사용되는 광학 어셈블리(202B)와 연관될 수 있다. 다른 유형의 광원(112)이 사용될 수 있으며, 본 발명은 레이저 다이오드로 제한되지 않는다는 것을 유의해야 한다. 또한, 광원(112)은 광 펄스, 주파수 변조, 연속파(CW), 준-CW, 또는 사용된 특정 광원에 대응하는 임의의 다른 형태와 같은 상이한 형식의 광을 방출할 수 있다. 투영 형식 및 다른 파라미터는 처리 유닛(108)으로부터의 명령어와 같은 상이한 인자에 기초하여 때때로 광원에 의해 변경될 수 있다. 투영된 광은 투영된 광을 시야(120)로 지향시키기 위한 조향 요소로 기능하는 진출 편향기(114A)를 향하여 투영된다. 이러한 예에서, 스캐닝 유닛(104)은 시야(120) 내의 대상물(208)로부터 다시 반사된 광자(반사된 광(206))를 센서(116)를 향하여 지향시키는 피벗가능한 귀환 편향기(return deflector; 114B)를 더 포함한다. 반사된 광은 센서(116)에 의해 검출되고, 대상물에 관한 정보(예를 들어, 대상물(212)까지의 거리)는 처리 유닛(108)에 의해 결정된다.
이 도면에서, LIDAR 시스템(100)은 호스트(210)에 연결된다. 본 발명에 따르면, "호스트"라는 용어는 LIDAR 시스템(100)과 인터페이스할 수 있는 임의의 컴퓨팅 환경을 지칭하며, 이는 차량 시스템(예를 들어, 차량(110)의 일부), 테스트 시스템, 보안 시스템, 감시 시스템, 교통 제어 시스템, 도시 모델링 시스템, 또는 그 주변을 모니터링하는 임의의 시스템일 수 있다. 이러한 컴퓨팅 환경은 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있고, 및/또는 클라우드를 통해 LIDAR 시스템(100)에 연결될 수 있다. 일부 실시형태에서, 호스트(210)는 또한 호스트(210)의 상이한 특성(예를 들어, 가속, 핸들 편향 조향, 후진 등)을 측정하도록 구성된 센서 및 카메라와 같은 외부 디바이스에 대한 인터페이스를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, LIDAR 시스템(100)은 호스트(210)와 연관된 고정된 대상물(예를 들어, 건물, 삼각대) 또는 호스트(210)와 연관된 휴대용 시스템(예를 들어, 휴대용 컴퓨터, 영화 카메라)에 고정될 수 있다. 본 발명에 따르면, LIDAR 시스템(100)은 LIDAR 시스템(100)의 출력(예를 들어, 3D 모델, 반사도 이미지)을 호스트(210)에 제공하기 위해 호스트(210)에 연결될 수 있다. 구체적으로, 호스트(210)는 호스트(210)의 환경 또는 임의의 다른 환경을 검출 및 스캔하는 데 도움을 주기 위해 LIDAR 시스템(100)을 사용할 수 있다. 또한, 호스트(210)는 LIDAR 시스템(100)의 출력을 다른 감지 시스템(예를 들어, 카메라, 마이크로폰, 레이더 시스템)의 출력과 통합하거나, 동기화하거나, 또는 함께 사용할 수 있다. 일 예에서, LIDAR 시스템(100)은 보안 시스템에 의해 사용될 수 있다. 이러한 방법의 일 예가 이제 도 6d를 참조하여 설명될 것이다.
LIDAR 시스템(100)은 LIDAR 시스템(100) 내에서 정보를 전달하기 위한 서브 시스템 및 구성 요소를 상호 연결하는 버스(212)(또는 다른 통신 메커니즘)를 또한 포함할 수 있다. 선택적으로, 버스(212)(또는 다른 통신 메커니즘)는 LIDAR 시스템(100)을 호스트(210)와 상호 연결하는 데 사용될 수 있다. 도 2a의 예에서, 처리 유닛(108)은 LIDAR 시스템(100)의 내부 피드백으로부터 수신된 정보에 적어도 부분적으로 기초하여 조정된 방식으로 투영 유닛(102), 스캐닝 유닛(104), 및 감지 유닛(106)의 동작을 조절하는 두 개의 프로세서(118)를 포함한다. 다시 말하면, 처리 유닛(108)은 폐루프에서 LIDAR 시스템(100)을 동적으로 동작시키도록 구성될 수 있다. 폐루프 시스템은 적어도 하나의 요소로부터 피드백을 가지고 수신된 피드백에 기초하여 하나 이상의 파라미터를 업데이트하는 것을 특징으로 한다. 더욱이, 폐루프 시스템은 피드백을 수신하고 적어도 부분적으로 이러한 피드백에 기초하여 자신의 동작을 업데이트할 수 있다. 동적 시스템 또는 요소는 동작 동안 업데이트될 수 있는 것이다.
일부 실시형태에 따르면, LIDAR 시스템(100) 주변의 환경을 스캔하는 것은 광 펄스로 시야(120)를 조명하는 것을 포함할 수 있다. 광 펄스는 펄스 지속 시간, 펄스 각도 분산, 파장, 순시 파워, 광원(112)으로부터의 상이한 거리에서의 광자 밀도, 평균 파워, 펄스 파워 세기, 펄스 폭, 펄스 반복률, 펄스 시퀀스, 펄스 듀티 사이클, 파장, 위상, 편광 등과 같은 파라미터를 가질 수 있다. LIDAR 시스템(100) 주변의 환경을 스캔하는 것은 또한 반사된 광의 다양한 양태를 검출하고 특성화하는 것을 포함할 수도 있다. 반사광의 특성은, 예를 들어 비행 시간(즉, 방출부터 검출까지의 시간), 순시 파워(예를 들어, 파워 시그니처), 복귀 펄스 전반에 걸친 평균 파워, 및 복귀 펄스 기간에 걸친 광자 분포/신호를 포함할 수 있다. 광 펄스의 특성을 대응하는 반사의 특성과 비교함으로써, 거리 및 가능하다면 대상물(212)의 반사 세기와 같은 물리적 특성이 추정될 수 있다. 미리 규정된 패턴(예를 들어, 래스터(raster), 리사주(Lissajous), 또는 다른 패턴)으로 다수의 인접 부분(122)에 걸쳐 이러한 프로세스를 반복함으로써 시야(120)의 전체 스캔이 달성될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 일부 상황에서, LIDAR 시스템(100)은 매 스캐닝 사이클마다 시야(120) 내의 일부분(122)으로만 광을 지향시킬 수 있다. 이들 부분은 서로 인접할 수 있지만 반드시 그런 것은 아니다.
다른 실시형태에서, LIDAR 시스템(100)은 호스트(210)(예를 들어, 차량 제어기)와 통신하기 위한 네트워크 인터페이스(214)를 포함할 수 있다. LIDAR 시스템(100)과 호스트(210) 사이의 통신은 파선 화살표로 표시된다. 일 실시형태에서, 네트워크 인터페이스(214)는 통합 서비스 디지털 네트워크(Integrated Services Digital Network: ISDN) 카드, 케이블 모뎀, 위성 모뎀, 또는 대응하는 유형의 전화선에 데이터 통신 연결을 제공하는 모뎀을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 네트워크 인터페이스(214)는 호환 가능한 LAN에 데이터 통신 연결을 제공하기 위해 근거리 통신망(LAN) 카드를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 네트워크 인터페이스(214)는 무선 주파수 수신기 및 송신기 및/또는 광학(예를 들어, 적외선) 수신기 및 송신기에 연결된 이더넷 포트를 포함할 수 있다. 네트워크 인터페이스(214)의 특정 디자인 및 구현형태는 LIDAR 시스템(100) 및 호스트(210)가 동작하도록 의도된 통신 네트워크(들)에 의존한다. 예를 들어, 네트워크 인터페이스(214)는, 예를 들어 3D 모델, LIDAR 시스템(100)의 동작 파라미터 등과 같은 외부 시스템에 LIDAR 시스템(100)의 출력을 제공하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 통신 유닛은 예를 들어, 외부 시스템으로부터 명령어를 수신하거나, 조사하는 환경에 관한 정보를 수신하거나, 다른 센서로부터 정보를 수신하는 등에 사용될 수 있다.
도 2b는 복수의 투영 유닛(102)을 포함하는 LIDAR 시스템(100)의 모노스태틱 구성(monostatic configuration)의 일 예를 도시한다. "모노스태틱 구성"이라는 용어는 LIDAR 시스템으로부터 나가는 투영된 광과 LIDAR 시스템으로 들어가는 반사된 광이 실질적으로 유사한 광학 경로를 통과하는 LIDAR 시스템 구성을 광범위하게 지칭한다. 일 예에서, 진출 광 빔 및 진입 광 빔은 진출 및 진입 광 빔이 통과하는 적어도 하나의 광학 어셈블리를 공유할 수 있다. 다른 예에서, 진출 광은 (도시되지 않은) 광학 윈도우를 통과할 수 있고, 진입 광 복사선은 동일한 광학 윈도우를 통과할 수 있다. 모노스태틱 구성은 스캐닝 유닛(104)이 투영된 광을 시야(120)를 향해 지향시키고, 반사된 광을 센서(116)를 향해 지향시키는 단일의 광 편향기(114)를 포함하는 구성을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 투영된 광(204)과 반사된 광(206)은 모두 비대칭 편향기(216)에 도달한다. "비대칭 편향기(asymmetrical deflector)"라는 용어는 일 면으로부터 도달하는 광 빔을 편향시키는 방향과는 다른 방향으로 제 2 면으로부터 도달하는 광 빔을 편향시킬 수 있는, 두 개의 면을 갖는 임의의 광학 디바이스를 지칭한다. 일 예에서, 비대칭 편향기는 투영된 광(204)을 편향시키지 않고 반사된 광(206)을 센서(116)를 향하여 편향시킨다. 비대칭 편향기의 일 예는 편광 빔 스플리터를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 비대칭 편향기(216)는 단 하나의 방향으로만 광을 통과시키는 광학 격리체(optical isolator)를 포함할 수 있다. 비대칭 편향기(216)의 개략도는 도 2d에 도시되어 있다. 본 발명에 따르면, LIDAR 시스템(100)의 모노스태틱 구성은, 반사된 광이 광원(112)에 부딪히지 않도록 방지하고, 모든 반사된 광을 센서(116)를 향해 지향시키는 비대칭 편향기를 포함하여, 검출 감도를 증가시킬 수 있다.
도 2b의 실시형태에서, LIDAR 시스템(100)은 공통 광 편향기(114)를 향하는 단일 광원(112)을 각각 갖는 세 개의 투영 유닛(102)을 포함한다. 일 실시형태에서,(두 개 이상의 광원을 포함하는) 복수의 광원(112)은 실질적으로 동일한 파장을 갖는 광을 투영할 수 있고, 각각의 광원(112)은 일반적으로 상이한 시야 영역(이 도면에 120A, 120B, 및 120C로서 표시됨)과 연관된다. 이는 광원(112)으로 달성될 수 있는 것보다 더 넓은 시야를 스캐닝할 수 있게 한다. 다른 실시형태에서, 복수의 광원(102)은 상이한 파장을 갖는 광을 투영할 수 있고, 모든 광원(112)은 동일한 시야(120) 부분(또는 중첩하는 부분)으로 지향될 수 있다.
도 2c는 투영 유닛(102)이 일차 광원(112A) 및 이차 광원(112B)을 포함하는 LIDAR 시스템(100)의 일 예를 도시한다. 일차 광원(112A)은 SNR 및 검출 범위를 최적화하기 위해 인간의 눈에 민감한 것보다 긴 파장을 갖는 광을 투영할 수 있다. 예를 들어, 일차 광원(112A)은 약 750 nm 내지 1100 nm의 파장을 갖는 광을 투영할 수 있다. 이와 달리, 이차 광원(112B)은 인간의 눈에 보이는 파장의 광을 투영할 수 있다. 예를 들어, 이차 광원(112B)은 약 400 nm 내지 100 nm의 파장을 갖는 광을 투영할 수 있다. 일 실시형태에서, 이차 광원(112B)은 일차 광원(112A)에 의해 투영된 광과 실질적으로 동일한 광학 경로를 따라 광을 투영할 수 있다. 두 광원은 시간 동기화될 수 있으며, 광 방출을 함께 또는 인터리브된 패턴으로 투영할 수 있다. 인터리브 패턴은 광원이 동시에 활성화되지 않아 상호 간섭을 완화할 수 있음을 의미한다. 이러한 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 파장 범위 및 활성화 스케줄의 다른 조합이 또한 구현될 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다.
일부 실시형태에 따르면, 이차 광원(112B)이 LIDAR 광학 출력 포트에 너무 가까운 경우에 인간 눈을 깜박이게 할 수 있다. 이는 근적외선 스펙트럼을 이용하는 전형적인 레이저 소스에서는 실현 불가능한 안구 안전 메커니즘을 보장할 수 있다. 다른 실시형태에서, 이차 광원(112B)은 차량(110)에 대해 지면으로부터 특정 높이에 특수한 반사기/패턴을 갖는 전조등을 교정하는 것과 다소 유사한 방식으로 서비스 지점에서 교정하는 것과 신뢰성을 위해 사용될 수 있다. 서비스 지점에서 조작자는 LIDAR 시스템(100)으로부터 지정된 거리에 있는 테스트 패턴 보드와 같은 특징으로 된 타겟을 통해 스캔된 패턴을 간단히 시각적으로 조사하는 것에 의해 LIDAR를 교정한 것을 검사할 수 있다. 또한, 이차 광원(112B)은 LIDAR가 최종 사용자를 위해 작동하고 있다는 동작 신뢰성을 제공하기 위한 수단을 제공할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 인간이 그 동작을 테스트하기 위해 광 편향기(114) 앞에 손을 위치시키도록 구성될 수 있다.
이차 광원(112B)은 일차 광원(112A)이 고장 나는 경우에 백업 시스템으로서 중복 역할을 할 수 있는 비-가시적인 요소를 더 가질 수 있다. 이러한 피쳐는 상승된 기능 안전 등급을 갖는 무오류 디바이스(fail-safe device)를 위해 유용할 수 있다. 이차 광원(112B)이 가시적일 수도 있다는 것과 또한 비용과 복잡성 이유를 고려하면, 이차 광원(112B)은 일차 광원(112A)에 비해 더 적은 파워와 연관될 수 있다. 따라서, 일차 광원(112A)이 고장 난 경우, 시스템 기능은 이차 광원(112B)의 기능 및 성능의 세트로 되돌아갈 것이다. 이차 광원(112B)의 성능은 일차 광원(112A)의 성능보다 열등할 수는 있지만, LIDAR 시스템(100) 시스템은 차량(110)이 그 목적지에 안전하게 도착할 수 있도록 하는 방식으로 설계될 수 있다.
도 2d는 LIDAR 시스템(100)의 일부일 수 있는 비대칭 편향기(216)를 도시한다. 도시된 예에서, 비대칭 편향기(216)는(미러와 같은) 반사면(218) 및 일방향 편향기(220)를 포함한다. 반드시 그런 것은 아니지만, 비대칭 편향기(216)는 선택적으로 정적 편향기일 수 있다. 비대칭 편향기(216)는, 예를 들어 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 편향기(114)를 통한 광의 송신 및 수신을 위한 공통 광학 경로를 허용하기 위해 LIDAR 시스템(100)의 모노스태틱 구성에 사용될 수 있다. 그러나, 빔 스플리터와 같은 전형적인 비대칭 편향기는, 에너지 손실, 특히 수신 경로에서의 에너지 손실을 특징으로 하며, 수신 경로는 송신 경로보다 더 파워 손실에 민감할 수 있다.
도 2d에 도시된 바와 같이, LIDAR 시스템(100)은 송신되고 수신된 광 신호를 분리하기 위한 일방향 편향기(220)를 포함하는 송신 경로에 위치된 비대칭 편향기(216)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 일방향 편향기(220)는 송신 광에 대해 실질적으로 투명하고, 수신된 광에 대해 실질적으로 반사적일 수 있다. 송신된 광은 투영 유닛(102)에 의해 발생되고 일방향 편향기(220)를 통해 스캐닝 유닛(104)으로 이동할 수 있고, 스캐닝 유닛은 광을 광학 출구를 향해 편향시킬 수 있다. 수신된 광은 광학 입구를 통해 적어도 하나의 편향 요소(114)에 도달하고, 적어도 하나의 편향 요소는 반사 신호를 광원으로부터 멀어지고 감지 유닛(106)을 향하는 별개의 경로로 편향시킨다. 선택적으로, 비대칭 편향기(216)는 일방향 편향기(220)와 동일한 편광 축으로 선형 편광된 편광 광원(112)과 결합될 수 있다. 특히, 진출 광 빔의 횡단면은 반사 신호의 횡단면보다 훨씬 작다. 따라서, LIDAR 시스템(100)은 방출된 편광된 광 빔을 비대칭 편향기(216)의 치수(dimension)로 집광하거나 조작하기 위한 하나 이상의 광학식 구성 요소(예를 들어, 렌즈, 시준기)를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 일방향 편향기(220)는 편광된 광 빔에 사실상 투명한 편광 빔 스플리터일 수 있다.
일부 실시형태에 따르면, LIDAR 시스템(100)은 방출된 광의 편광을 수정하기 위한 광학기(222)(예를 들어, 사분파-플레이트 지연기)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학기(222)는 방출된 광 빔의 선형 편광을 원형 편광으로 수정할 수 있다. 시야로부터 시스템(100)으로 다시 반사된 광은 편향기(114)를 통해, 송신된 광에 대해 역전된 원형 편광을 지닌 광학기(222)로 다시 도달한다. 그런 다음, 광학기(222)는 수신된 역전된 편광 광을, 편광된 빔 스플리터(216)의 것과 동일한 축에 없는 선형 편광으로 변환한다. 전술한 바와 같이, 수신된 광 패치는 타겟까지의 거리를 통해 횡단하는 빔의 광학 분산으로 인해, 송신된 광 패치보다 크다.
수신된 광의 일부는 일부 파워 손실과 함께 센서(106)를 향하여 광을 반사시키는 일방향 편향기(220) 상에 충돌할 것이다. 그러나, 수신된 광 패치의 다른 부분은 일방향 편향기(220)(예를 들어, 편광 빔 스플리터 슬릿)를 둘러싸는 반사면(218) 상에 떨어질 것이다. 반사면(218)은 실질적으로 제로 파워 손실을 갖는 감지 유닛(106)을 향하여 광을 반사시킬 것이다. 일방향 편향기(220)는 최종적으로 검출기에 도달할 다양한 편광 축 및 방향으로 구성된 광을 반사할 것이다. 선택적으로, 감지 유닛(106)은 레이저 편광에 상관 없는 센서(116)를 포함할 수 있고, 이는 특정 파장 범위에서 충돌하는 광자의 양에 주로 민감하다.
제안된 비대칭 편향기(216)는 내부에 통로 구멍을 갖는 단순한 미러에 비해 훨씬 우수한 성능을 제공한다는 것을 유의해야 한다. 구멍을 갖는 미러에서는 구멍에 도달하는 반사된 모든 광이 검출기로 손실된다. 그러나, 편향기(216)에서, 일방향 편향기(220)는 이러한 광의 상당한 부분(예를 들어, 약 50%)을 각각의 센서(116)를 향하여 편향시킨다. LIDAR 시스템에서, 원격 거리에서부터 LIDAR에 도달하는 광자의 개수는 매우 제한되어 있으므로 광자 캡처 속도의 향상이 중요하다.
일부 실시형태에 따르면, 빔 분할 및 조향을 위한 디바이스가 설명된다. 편광된 빔은 제 1 편광을 갖는 광원으로부터 방출될 수 있다. 방출된 빔은 편광된 빔 스플리터 어셈블리를 통해 통과하도록 지향될 수 있다. 편광된 빔 스플리터 어셈블리는 제 1 면에 일방향 슬릿을 포함하고 반대 면에 미러를 포함한다. 일방향 슬릿은 편광된 방출된 빔이 사분파-플레이트(quarter-wave-plate)/파-지연기(wave-retarder)를 향해 이동하도록 하고, 이러한 사분파-플레이트/파-지연기는 방출된 신호를 편광된 신호에서부터 선형 신호로 변환시켜서(또는 그 반대로 변화시켜서), 후속하여 반사된 빔이 일방향 슬릿을 통과할 수 없도록 한다.
도 2e는 스캐닝 유닛(104)이 없는 LIDAR 시스템(100)의 바이-스태틱 구성의 일 예를 도시한다. 편향기(114)가 없이 전체 시야(또는 실질적으로 전체 시야)를 조명하기 위해, 투영 유닛(102)은 선택적으로 광원들(예를 들어, 112A-112F)의 어레이를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 광원들의 어레이는 프로세서(118)에 의해 제어되는 광원의 선형 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(118)는 광원의 선형 어레이가 시준된 레이저 빔을 제 1 선택적 광학 윈도우(124A)를 향해 순차적으로 투영하게 할 수 있다. 제 1 선택적 광학 윈도우(124A)는 투영된 광을 확산시키고 순차적으로 넓은 수평 및 좁은 수직 빔을 형성하기 위한 확산기 렌즈를 포함할 수 있다. 선택적으로, 시스템(100)의 적어도 하나의 광원(112)의 일부 또는 전부는 동시에 광을 투영할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(118)는 광원 어레이가 복수의 인접하지 않은 광원(112)으로부터의 광 빔을 동시에 투영하도록 할 수 있다. 도시된 예에서, 광원(112A), 광원(112D) 및 광원(112F)은 레이저 빔을 제 1 선택적 광학 윈도우(124A)를 향해 동시에 투영하여 세 개의 좁은 수직 빔으로 시야를 조명한다. 제 4 광원(112D)으로부터 광 빔은 시야 내 대상물에 도달할 수 있다. 대상물로부터 반사된 광은 제 2 광학 윈도우(124B)에 의해 캡처될 수 있고 센서(116)로 재지향될 수 있다. 투영된 광과 반사된 광의 광학 경로가 상당히 다르기 때문에 도 2e에 도시된 구성은 바이-스태틱 구성으로 간주된다. 투영 유닛(102)은 이차원 어레이와 같은 비선형 구성으로, 육각형 타일링으로 또는 임의의 다른 방식으로 배열된 복수의 광원(112)을 더 포함할 수 있다는 점에 유의한다.
도 2f는 스캐닝 유닛(104)이 없는 LIDAR 시스템(100)의 모노스태틱 구성의 일 예를 도시한다. 도 2e에 나타낸 예시적인 실시형태와 유사하게, 편향기(114)가 없이 전체 시야를 조명하기 위해, 투영 유닛(102)은 광원들(예를 들어, 112A-112F)의 어레이를 포함할 수 있다. 그러나, 도 2e와 달리, LIDAR 시스템(100)의 이러한 구성은 투영된 광 및 반사된 광 모두를 위한 단일 광학 윈도우(124)를 포함할 수 있다. 비대칭 편향기(216)를 사용하면, 반사된 광은 센서(116)로 재지향될 수 있다. 도 2e에 도시된 구성은 투영된 광과 반사된 광의 광학 경로들이 실질적으로 서로 유사하기 때문에 모노스태틱 구성으로 간주된다. 투영된 광과 반사된 광의 광학 경로와 관련하여 "실질적으로 유사한"이라는 용어는 두 광학 경로 간의 중첩이 80% 초과, 85% 초과, 90% 초과 또는 95% 초과일 수 있음을 의미한다.
도 2g는 LIDAR 시스템(100)의 바이-스태틱 구성의 일 예를 도시한다. 이 도면에서 LIDAR 시스템(100)의 구성은 도 2a에 도시된 구성과 유사하다. 예를 들어, 양자 모두의 구성은 투영된 광을 시야를 향해 진출 방향으로 지향시키기 위한 스캐닝 유닛(104)을 포함한다. 그러나, 도 2a의 실시형태와 반대로, 이러한 구성에서, 스캐닝 유닛(104)은 반사된 광을 진입 방향으로 재지향시키지 않는다. 대신에, 반사된 광은 제 2 광학 윈도우(124B)를 통과하여 센서(116)로 들어간다. 도 2g에 도시된 구성은 투영된 광과 반사된 광의 광학 경로들이 실질적으로 서로 다르기 때문에 바이-스태틱 구성으로 간주된다. 투영된 광과 반사된 광의 광학 경로와 관련하여 "실질적으로 다른"이라는 용어는 두 광학 경로 간의 중첩이 10% 미만, 5% 미만, 1% 미만 또는 0.25% 미만일 수 있음을 의미한다.
스캐닝 유닛
도 3a 내지 도 3d는 스캐닝 유닛(104)의 다양한 구성 및 LIDAR 시스템(100)에서 이의 역할을 도시한다. 구체적으로, 도 3a는 MEMS 미러(예를 들어, 정사각형)를 갖는 스캐닝 유닛(104)을 도시하는 다이어그램이고, 도 3b는 MEMS 미러(예를 들어, 둥근 형태)를 갖는 다른 스캐닝 유닛(104)을 도시하는 다이어그램이며, 도 3c는 모노스태틱 스캐닝 LIDAR 시스템에 사용되는 반사기의 어레이를 갖는 스캐닝 유닛(104)을 도시하는 다이어그램이고, 도 3d는 LIDAR 시스템(100) 주변의 환경을 기계적으로 스캔하는 예시적인 LIDAR 시스템(100)을 도시하는 다이어그램이다. 이러한 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 스캐닝 유닛(104)의 도시된 구성은 단지 예시적인 것일 뿐, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 수정을 가질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 3a는 단축(single axis) 정사각형 MEMS 미러(300)를 갖는 예시적인 스캐닝 유닛(104)을 도시한다. 이러한 예에서, MEMS 미러(300)는 적어도 하나의 편향기(114)로서 기능한다. 도시된 바와 같이, 스캐닝 유닛(104)은 하나 이상의 액추에이터(302)(구체적으로, 302A 및 302B)를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 액추에이터(302)는 반도체(예를 들어, 실리콘)로 제조될 수 있고, 작동 제어기, 반 전도성(semi conductive) 층, 및 베이스 층에 의해 인가된 전기 신호에 응답하여 그 치수를 변화시키는 압전 층(예를 들어, PZT, 납 지르코네이트 티타네이트, 질화 알루미늄)을 포함한다. 일 실시형태에서, 액추에이터(302)의 물리적 특성은 전류가 액추에이터를 통과할 때 액추에이터(302)가 겪는 기계적 응력을 결정할 수 있다. 압전 재료가 활성화되면, 압전 재료는 액추에이터(302)에 힘을 가하고 액추에이터를 굴곡시킨다. 일 실시형태에서, 하나 이상의 액추에이터(302)의 저항률은 미러(300)가 특정 각도 위치로 편향될 때 휴지 상태(Rrest)에서 저항률에 비해 활성 상태(Ractive)에서 측정될 수 있다. R활성을 포함하는 피드백은 예상된 각도에 비해 실제 미러 편향각을 결정하기 위한 정보를 제공할 수 있으며, 만약 필요하다면 미러(300) 편향이 보정될 수 있다. R휴지와 R활성 사이의 차이는 루프를 닫는 역할을 할 수 있는 각도 편향 값으로 미러를 구동하는 것에 의해 상관될 수 있다. 이러한 실시형태는 실제 미러 위치를 동적으로 트래킹하기 위해 사용될 수 있고, 선형 모드 및 공진 모드 MEMS 미러 방식 모두에 대해 응답, 진폭, 편향 효율, 및 주파수를 최적화할 수 있다. 이러한 실시형태는 도 32 내지 도 34를 참조하여 이하에서 보다 상세하게 설명된다.
스캐닝 동안, (이 도면에서 파선으로 표시된) 전류는 접촉부(304A)로부터(액추에이터(302A), 스프링(306A), 미러(300), 스프링(306B), 및 액추에이터(302B)를 통해) 접촉부(304B)로 흐를 수 있다. 격리 갭(310)과 같은 반도체 프레임(308)의 격리 갭은 액추에이터(302A, 302B)가 스프링(306) 및 프레임(308)을 통해 전기적으로 연결된 두 개의 분리된 섬이 되도록 할 수 있다. 전류 흐름 또는 임의의 연관된 전기적 파라미터(전압, 현재 주파수, 커패시턴스, 비유전 상수(relative dielectric constant) 등)는 연관된 위치 피드백에 의해 모니터링될 수 있다. 기계적인 고장의 경우 - 구성 요소 중 하나가 손상된 경우 - 구조체를 통과하는 전류 흐름이 변경되어 기능적으로 교정된 값으로부터 변한다. 극단적인 상황(예를 들어, 스프링이 파손된 경우)에서는, 결함 요소로 인한 전기적 체인의 회로 차단으로 인해 전류가 완전히 중단된다.
도 3b는 이축(dual axis) 원형 MEMS 미러(300)를 갖는 다른 예시적인 스캐닝 유닛(104)을 도시한다. 이러한 예에서, MEMS 미러(300)는 적어도 하나의 편향기(114)로서 기능한다. 일 실시형태에서, MEMS 미러(300)는 약 1 mm 내지 약 5 mm의 직경을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 스캐닝 유닛(104)은 각각 상이한 길이일 수 있는 네 개의 액추에이터(302 302A, 302B, 302C, 및 302D)를 포함할 수 있다. 도시된 예에서, (이 도면에서 파선으로 나타낸) 전류는 접촉부(304A)로부터 접촉부(304D)로 흐르지만, 다른 경우에는 전류는 접촉부(304A)로부터 접촉부(304B)로, 접촉부(304A)로부터 접촉부(304C)로, 접촉부(304B)로부터 접촉부(304C)로, 접촉부(304B)로부터 접촉부(304D)로, 또는 접촉부(304C)로부터 접촉부(304D)로 흐를 수 있다. 일부 실시형태에 따르면, 이축 MEMS 미러는 광을 수평 방향 및 수직 방향으로 편향시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이축 MEMS 미러의 편향 각은 수직 방향으로 약 0° 내지 30°, 수평 방향으로 약 0° 내지 50°일 수 있다. 이러한 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 미러(300)의 도시된 구성이 많은 변형 및 수정을 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 일 예에서, 적어도 편향기(114)는 이축 정사각형 미러 또는 단축 원형 미러를 가질 수 있다. 원형 및 정사각형 미러의 예는 도 3a 및 도 3b에 단지 예로서 도시되어 있다. 시스템 사양에 따라 임의의 형상이 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 액추에이터(302)는 적어도 편향기(114)의 내장 부분(integral part)으로서 통합될 수 있어서 MEMS 미러(300)를 이동시키기 위한 파워가 미러에 직접 인가되도록 할 수 있다. 또한, MEMS 미러(300)는 하나 이상의 강성 지지 요소에 의해 프레임(308)에 연결될 수 있다. 다른 실시형태에서, 적어도 편향기(114)는 정전기 또는 전자기 MEMS 미러를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 모노스태틱 스캐닝 LIDAR 시스템은 투영된 광(204)을 방출하고 반사된 광(206)을 수신하기 위해 동일한 광학 경로의 적어도 일부분을 이용한다. 진출 경로의 광 빔은 시준되고 좁은 빔으로 집광되는 반면, 복귀 경로 내의 반사는 분산으로 인해 광의 더 큰 패치로 확산된다. 일 실시형태에서, 스캐닝 유닛(104)은 복귀 경로에서 큰 반사 영역을 가질 수 있고, 반사(즉, 반사된 광(206))를 센서(116)로 방향 전환시키는 비대칭 편향기(216)를 가질 수 있다. 일 실시형태에서, 스캐닝 유닛(104)은 시야와 프레임 속도 성능에 무시 가능한 영향을 미치고 큰 반사 영역을 갖는 MEMS 미러를 포함할 수 있다. 비대칭 편향기(216)에 대한 추가적인 세부 사항은 도 2d를 참조하여 이하에서 제공된다.
일부 실시형태에서(예를 들어, 도 3c에 예시된 바와 같이), 스캐닝 유닛(104)은 작은 광 편향기(예를 들어, 미러)를 갖는 편향기 어레이(예를 들어, 반사기 어레이)를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 동기화되어 동작하는 더 작은 개별 광 편향기의 그룹으로서 광 편향기(114)를 구현하는 것은 광 편향기(114)를 더 큰 편향각을 갖는 높은 스캔 속도로 수행할 수 있게 한다. 편향기 어레이는 본질적으로 유효 영역 면에서 큰 광 편향기(예를 들어, 큰 미러)로 작용할 수 있다. 편향기 어레이는 광원(112)에 의해 동시에 조명되는 실질적으로 동일한 시야(120) 부분으로부터 반사된 광자를 센서(116)가 수집할 수 있게 하는 공유된 조향 어셈블리 구성을 사용하여 동작될 수 있다. "동시에"라는 용어는, 일치하는 시간 기간 동안 또는 중첩하는 시간 기간 동안, 예를 들어 하나의 시간 기간이 다른 시간 기간의 지속 시간 동안 시작하고 끝나는 경우 또는 나중 시간 기간이 다른 시간 기간의 완료에 시작되는 경우 동안 두 개의 선택된 기능이 발생하는 것을 의미한다.
도 3c는 작은 미러를 갖는 반사기 어레이(312)를 갖는 스캐닝 유닛(104)의 일 예를 도시한다. 이러한 실시형태에서, 반사기 어레이(312)는 적어도 하나의 편향기(114)로서 기능한다. 반사기 어레이(312)는 시야(120)를 향해 광 펄스를(개별적으로 또는 함께) 피벗시키고 조향하도록 구성된 복수의 반사기 유닛(314)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사기 어레이(312)는 광원(112)으로부터 투영된 광의 진출 경로의 일부일 수 있다. 구체적으로, 반사기 어레이(312)는 투영된 광(204)을 시야(120)의 일부를 향해 지향시킬 수 있다. 반사기 어레이(312)는 또한 시야(120)의 조명된 부분 내에 위치된 대상물의 표면으로부터 반사된 광에 대한 복귀 경로의 일부일 수 있다. 구체적으로, 반사기 어레이(312)는 반사된 광(206)을 센서(116)를 향하여 또는 비대칭 편향기(216)를 향하여 지향시킬 수 있다. 일 예에서, 반사기 어레이(312)의 면적은 약 75 mm2 내지 약 150 mm2일 수 있고, 각 반사기 유닛(314)은 약 10 μm의 폭을 가질 수 있고, 지지 구조체는 100 μm보다 낮을 수 있다.
일부 실시형태에 따르면, 반사기 어레이(312)는 조향 가능한 편향기의 하나 이상의 서브 그룹을 포함할 수 있다. 전기적으로 조향가능한 편향기의 각 서브 그룹은 반사기 유닛(314)과 같은 하나 이상의 편향기 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 조향가능한 편향기 유닛(314)은 MEMS 미러, 반사면 어셈블리, 및 전기 기계의 액추에이터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 각각의 반사기 유닛(314)은(도시되지 않은) 개별 프로세서에 의해 개별적으로 제어되어 하나 또는 두 개의 개별 축 각각을 따라 특정 각도로 기울어질 수 있다. 대안적으로, 반사기 어레이(312)는 반사기 유닛(314)의 이동을 동기적으로 관리하여 이들 중 적어도 일부를 동시에 피벗시키고 거의 동일한 방향을 향하게 할 수 있도록 구성된 공통 제어기(예를 들어, 프로세서(118)와 연관될 수 있다.
또한, 적어도 하나의 프로세서(118)는 진출 경로에 대한 적어도 하나의 반사기 유닛(314)(이하, "TX 미러"로 지칭됨) 및 복귀 경로에 대한 반사기 유닛(314)의 그룹(이하, "RX 미러"로 지칭됨)을 선택할 수 있다. 본 발명에 따르면, TX 미러의 개수를 증가시키는 것은 반사된 광자 빔 확산을 증가시킬 수 있다. 추가적으로, RX 미러의 개수를 줄이는 것은 수신 필드를 좁히고 주변 광의 상태(예를 들어, 구름, 비, 안개, 극한의 열, 및 기타 환경 상태)를 보상하여 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 방출된 광 빔은 전형적으로 반사된 광의 패치보다 좁기 때문에, 편향 어레이의 작은 부분에 의해 완전히 편향될 수 있다. 또한, 투과에 사용되는 편향 어레이(예를 들어, TX 미러)의 부분으로부터 반사된 광이 센서(116)에 도달하는 것을 차단하는 것이 가능하므로, 시스템 동작에 미치는 LIDAR 시스템(100)의 내부 반사 효과를 감소시킬 수 있다. 또한, 적어도 하나의 프로세서(118)는 예를 들어 열 및 이득 효과에 기인한 기계적 장애 및 표류를 극복하기 위해 하나 이상의 반사기 유닛(314)을 피벗시킬 수 있다. 일 예에서, 하나 이상의 반사기 유닛(314)은 의도된 것(주파수, 비율, 속도 등)과 다르게 움직일 수 있고, 그 움직임은 편향기를 전기적으로 적절하게 제어함으로써 보상될 수 있다.
도 3d는 LIDAR 시스템(100)의 환경을 기계적으로 스캔하는 예시적인 LIDAR 시스템(100)을 도시한다. 이러한 예에서, LIDAR 시스템(100)은 LIDAR 시스템(100)의 축을 중심으로 하우징(200)을 회전시키는 모터 또는 다른 메커니즘을 포함할 수 있다. 대안적으로, 모터(또는 다른 메커니즘)는 하나 이상의 광원(112) 및 하나 이상의 센서(116)가 설치된 LIDAR 시스템(100)의 강성 구조체를 기계적으로 회전시킴으로써 환경을 스캐닝할 수 있다. 전술한 바와 같이, 투영 유닛(102)은 광 방출을 투영하도록 구성된 적어도 하나의 광원(112)을 포함할 수 있다. 투영된 광 방출은 시야(120)를 향하는 진출 경로를 따라 이동할 수 있다. 구체적으로, 투영된 광(204)이 선택적인 광학 윈도우(124)를 향해 이동할 때 투영된 광 방출은 편향기(114A)에 의해 출사 애퍼쳐(314)를 통해 반사될 수 있다. 반사된 광 방출은 대상물(208)로부터 감지 유닛(106)을 향해 복귀 경로를 따라 이동할 수 있다. 예를 들어, 반사된 광(206)이 감지 유닛(106)을 향해 이동할 때 반사된 광(206)은 편향기(114B)에 의해 반사될 수 있다. 이러한 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 하나 이상의 광원 또는 하나 이상의 센서를 동기식으로 회전시키기 위한 회전 메커니즘을 갖는 LIDAR 시스템은 내부 광 편향기를 조향하는 대신에(또는 조향하는 것에 더하여) 이러한 동기화된 회전을 사용할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
시야(120)의 스캐닝이 기계적인 방식인 실시형태에서, 투영된 광 방출은 LIDAR 시스템(100)의 다른 부분으로부터 투영 유닛(102)을 분리하는 벽(316)의 일부인 출사 애퍼쳐(314)로 지향될 수 있다. 일부 예에서, 벽(316)은 편향기(114B)를 형성하기 위해 반사 재료로 코팅된 투명 재료(예를 들어, 유리)로 형성될 수 있다. 이러한 예에서, 출사 애퍼쳐(314)는 반사 재료에 의해 코팅되지 않은 벽(316)의 일부에 대응할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 출사 애퍼쳐(314)는 벽(316)에서 잘라낸 것 또는 구멍을 포함할 수 있다. 반사된 광(206)은 편향기(114B)에 의해 반사되고 감지 유닛(106)의 입사 애퍼쳐(318)를 향하여 지향될 수 있다. 일부 예에서, 입사 애퍼쳐(318)는 특정 파장 범위의 파장이 감지 유닛(106)으로 들어가고 다른 파장을 감쇠시키도록 구성된 필터링 윈도우를 포함할 수 있다. 시야(120)로부터의 대상물(208)의 반사는 편향기(114B)에 의해 반사되고 센서(116)에 도달될 수 있다. 반사된 광(206)의 일부 특성을 투영된 광(204)과 비교함으로써, 대상물(208)의 적어도 하나의 양태가 결정될 수 있다. 예를 들어, 투영된 광(204)이 광원(112)에 의해 방출된 시간과 센서(116)가 반사된 광(206)을 수신한 시간을 비교함으로써, 대상물(208)와 LIDAR 시스템(100) 사이의 거리가 결정될 수 있다. 일부 예에서, 형상, 색상, 재료 등과 같은 대상물(208)의 다른 양태도 결정될 수 있다.
일부 예에서, LIDAR 시스템(100)(또는 적어도 하나의 광원(112) 및 적어도 하나의 센서(116)를 포함하는 일부분)은 LIDAR 시스템(100) 주변의 3차원 맵을 결정하기 위해 적어도 하나의 축을 중심으로 회전될 수 있다. 예를 들어, LIDAR 시스템(100)은 시야(120)를 스캔하기 위해 화살표(320)로 도시된 바와 같이 실질적으로 수직인 축을 중심으로 회전될 수 있다. 도 3d는 LIDAR 시스템(100)이 화살표(320)로 도시된 바와 같이 축을 중심으로 시야 방향으로 회전되는 것을 도시하지만, 추가적으로 또는 대안적으로, LIDAR 시스템(100)은 반시야 방향으로 회전될 수 있다. 일부 예에서, LIDAR 시스템(100)은 수직축을 중심으로 360도 회전될 수 있다. 다른 예에서, LIDAR 시스템(100)은 LIDAR 시스템(100)의 360도보다 작은 섹터를 따라 전후로 회전될 수 있다. 예를 들어, LIDAR 시스템(100)은 완전히 회전하지 않고 축을 중심으로 전후로 흔들리는 플랫폼 상에 장착될 수 있다.
감지 유닛
도 4a 내지 도 4e는 감지 유닛(106)의 다양한 구성 및 LIDAR 시스템(100)에서 이의 역할을 나타낸다. 구체적으로, 도 4a는 검출기 어레이를 갖는 예시적인 감지 유닛(106)을 도시하는 다이어그램이고, 도 4b는 이차원 센서를 사용하는 모노스태틱 스캐닝을 도시하는 다이어그램이며, 도 4c는 이차원 센서(116)의 일 예를 도시하는 다이어그램이고, 도 4d는 센서(116)와 연관된 렌즈 어레이를 도시하는 다이어그램이며, 도 4e는 렌즈 구조체를 도시하는 세 개의 다이어그램을 포함한다. 이러한 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 감지 유닛(106)의 도시된 구성은 단지 예시적인 것일 뿐, 본 발명의 원리에 따라 수많은 대안적인 변형 및 수정을 가질 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
도 4a는 검출기 어레이(400)를 갖는 감지 유닛(106)의 일 예를 도시한다. 이러한 예에서, 적어도 하나의 센서(116)는 검출기 어레이(400)를 포함한다. LIDAR 시스템(100)은 LIDAR 시스템(100)으로부터 상이한 거리(미터 또는 다른 단위일 수 있음)에 위치된 시야(120)에서 대상물(예를 들어, 자전거(208A) 및 구름(208B))을 검출하도록 구성된다. 대상물(208)는 고체 대상물(예를 들어, 도로, 나무, 차, 인간), 유체 대상물(예를 들어, 안개, 물, 대기 입자), 또는 다른 유형의 대상물(예를 들어, 먼지 또는 분말 같은 조명된 대상물)일 수 있다. 광원(112)으로부터 방출된 광자가 대상물(208)를 때리면, 광자는 반사되거나 굴절되거나 흡수된다. 전형적으로, 이 도면에 도시된 바와 같이, 대상물(208A)로부터 반사된 광자의 일부만이 선택적인 광학 윈도우(124)에 들어간다. 거리가 각각 약 15 cm만큼 변할 때, (광자가 광속으로 물체(208)로 또는 물체로부터 이동하기 때문에) 1 ns의 이동 시간 차이가 생기고, 상이한 물체를 때리는 서로 다른 광자의 이동 시간 사이의 시간차는 비행 시간 센서에 의해 충분히 빠른 응답으로 검출 가능하다.
센서(116)는 시야(120)로부터 다시 반사된 광자 펄스의 광자를 검출하기 위한 복수의 검출 요소(402)를 포함한다. 검출 요소는 직사각형 배열(도시된 바와 같음) 또는 임의의 다른 배열을 가질 수 있는 검출기 어레이(400)에 모두 포함될 수 있다. 검출 요소(402)는 서로 동시에 또는 부분적으로 동시에 동작할 수 있다. 구체적으로, 각각의 검출 요소(402)는 매 샘플링 지속 시간마다(예를 들어, 1 나노초마다) 검출 정보를 발행할 수 있다. 일 예에서, 검출기 어레이(400)는 공통 실리콘 기판 상에 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD, 이는 검출 요소(402)로서 기능함)의 어레이로부터 구축된 솔리드-스테이트 단일 광자 민감 디바이스인 SiPM(Silicon photomultiplier, 실리콘 광전자증배기)일 수 있다. 다른 비-실리콘 재료와 유사한 광전자증배기가 사용될 수도 있다. SiPM 디바이스는 디지털/스위칭 모드에서 작동하지만 SiPM은 모든 마이크로 셀을 병렬로 읽을 수 있기 때문에 아날로그 디바이스이며, 상이한 SPAD에 의해 검출된 단일 광자에서부터 수백, 수천 개의 광자에 이르는 동적 범위 내에서 신호를 생성하는 것이 가능하다. 전술한 바와 같이, 두 개 이상의 유형의 센서(예를 들어, SiPM 및 APD)가 구현될 수 있다. 가능하게는, 감지 유닛(106)은 별도의 또는 공통의 실리콘 기판 상의 SiPM 옆에 위치된 적어도 하나의 APD 검출기 및/또는 SiPM 어레이에 통합된 적어도 하나의 APD를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 검출 요소(402)는 복수의 구역(404)으로 그룹화될 수 있다. 이들 구역은 센서(116) 내의(예를 들어, 검출기 어레이(400) 내의) 기하학적 장소 또는 환경이며, 상이한 형태(예를 들어, 도시한 바와 같은 직사각형, 정사각형, 링 등 또는 임의의 다른 형태)로 형성될 수 있다. 구역(404)의 기하 영역 내에 포함되는 모든 개별 검출기가 반드시 이러한 구역에 속해야 하는 것은 아니지만, 구역들 사이의 이음부에서 약간의 중첩이 요구되지 않는 한, 대부분의 경우에 센서(310)의 다른 영역을 커버하는 다른 구역(404)에 속하지 않을 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 이 구역은 비-중첩 구역(404)일 수 있지만, 대안적으로 중첩될 수 있다. 모든 구역은 이 구역과 연관된 구역 출력 회로부(406)와 연관될 수 있다. 구역 출력 회로부(406)는 대응하는 검출 요소(402)의 그룹의 구역 출력 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 구역 출력 회로부(406)는 합산 회로일 수 있지만, 개별 검출기가(스칼라, 벡터 또는 임의의 다른 형식에 상관 없이) 단일 출력으로 결합된 출력의 다른 형태도 사용될 수 있다. 선택적으로, 각각의 구역(404)은 단일 SiPM이지만, 반드시 그런 것은 아니며, 구역은 단일 SiPM의 서브 부분, 일부 SiPM의 그룹, 또는 상이한 유형의 검출기의 조합일 수도 있다.
도시된 예에서, 처리 유닛(108)은 호스트(210)의 내부 또는 외부의(예를 들어, 차량(110) 내부의) 분리된 하우징(200B)에 위치되고, 감지 유닛(106)은 반사된 광을 분석하기 위한 전용 프로세서(408)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 처리 유닛(108)은 반사된 광(206)을 분석하는 데 사용될 수 있다. LIDAR 시스템(100)은 도시된 예시 이외의 다른 방식으로 다수의 하우징으로 구현될 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 광 편향기(114)는 투영 유닛(102) 및/또는 감지 모듈(106)과는 다른 하우징에 위치될 수 있다. 일 실시형태에서, LIDAR 시스템(100)은 전선 연결, 무선 연결(예를 들어, RF 연결), 광섬유 케이블, 및 이들의 임의의 조합과 같은 서로 다른 방식으로 서로 연결된 다수의 하우징을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 반사된 광(206)을 분석하는 것은 상이한 구역의 개별 검출기의 출력에 기초하여 반사된 광(206)에 대한 비행 시간을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 선택적으로, 프로세서(408)는 출력 신호의 복수의 구역에 기초하여 반사된 광(206)에 대한 비행 시간을 결정하도록 구성될 수 있다. 비행 시간 이외에, 처리 유닛(108)은 반사된 광(206)을 분석하여 복귀 펄스 전체에 걸쳐 평균 파워를 결정할 수 있고, 광자 분포/신호는 복귀 펄스 기간("펄스 형상")에 걸쳐 결정될 수 있다. 도시된 예에서, 임의의 검출 요소(402)의 출력은 프로세서(408)로 직접 송신되지는 않을 수 있고, 그 대신에 프로세서(408)로 전달되기 전에 구역(404)의 다른 검출기의 신호와 결합(예를 들어, 합산)될 수 있다. 그러나 이는 단지 예시일 뿐, 센서(116)의 회로부는(구역 출력 회로부(406)를 통하지 않고) 다른 루트를 통해 검출 요소(402)로부터 프로세서(408)로 정보를 송신할 수 있다.
도 4b는 이차원 센서(116)를 사용하여 LIDAR 시스템(100)의 환경을 스캔하도록 구성된 LIDAR 시스템(100)을 도시하는 다이어그램이다. 도 4b의 예에서, 센서(116)는 4×6 검출기(410)("픽셀"이라고도 함)의 행렬이다. 일 실시형태에서, 픽셀 크기는 약 1×1 mm일 수 있다. 센서(116)는 두 개의 평행하지 않은 축(예를 들어, 도시된 예에서 예시된 바와 같은 직교 축)에서 두 개 이상의 검출기(410) 세트(예를 들어, 행, 열)를 갖는다는 의미에서 이차원이다. 센서(116)에서 검출기(410)의 개수는 예를 들어, 원하는 분해능, 신호 대 잡음비(SNR), 원하는 검출 거리 등에 따라 상이한 구현형태마다 변할 수 있다. 예를 들어, 센서(116)는 5 내지 5,000 픽셀 중 어느 것이라도 가질 수 있다. (도면에 도시되지 않은) 또 다른 예에서, 센서(116)는 일차원 행렬(예를 들어, 1×8 픽셀)일 수 있다.
각각의 검출기(410)는 애벌런치 광 다이오드(APD), 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD), 및 애벌런치 광 다이오드(APD)와 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)의 조합과 같은 복수의 검출 요소(402), 또는 레이저 펄스 송신 이벤트로부터 수신 이벤트까지의 비행 시간과 수신된 광자의 세기를 모두 측정하는 검출 요소를 포함할 수 있다는 것을 유의해야 한다. 예를 들어, 각각의 검출기(410)는 20 내지 5,000 SPAD 중 어느 것이라도 포함할 수 있다. 각각의 검출기(410)에서 검출 요소(402)의 출력은 단일화된 픽셀 출력을 제공하기 위해 합산되거나, 평균화되거나, 달리 결합될 수 있다.
도시된 예에서, 감지 유닛(106)은 LIDAR 시스템(100)의 시야(120)보다 시야가 좁은 이차원 센서(116)(또는 복수의 이차원 센서(116)를 포함할 수 있다. 이러한 논의에서, 시야(120)(임의의 방향으로 이동, 회전, 또는 롤링하지 않고 LIDAR 시스템(100)에 의해 스캔될 수 있는 전체 시야)는 "제 1 FOV(412)"로 표시되고, 센서(116)의 보다 작은 FOV는 "제 2 FOV(412)"(상호 교환 가능하게는 "순간 FOV")로 표시된다. 제 1 FOV(412)에 대한 제 2 FOV(414)의 커버 영역은 LIDAR 시스템(100)의 특정 용도에 따라 다를 수 있고, 예를 들어 0.5% 내지 50%일 수 있다. 일 예에서, 제 2 FOV(412)는 수직 차원으로 연장된 약 0.05° 내지 1°일 수 있다. LIDAR 시스템(100)이 두 개 이상의 이차원 센서(116)를 포함하더라도, 센서 어레이의 조합된 시야는 여전히 제 1 FOV(412)보다 더 작을 수 있고, 예를 들어 적어도 5 배만큼, 적어도 10 배만큼, 적어도 20 배만큼, 또는 적어도 50 배만큼 작을 수 있다.
제 1 FOV(412)를 커버하기 위해, 스캐닝 유닛(106)은 상이한 시간에 환경의 상이한 부분으로부터 도달하는 광자를 센서(116)로 지향시킬 수 있다. 도시된 모노스태틱 구성에서, 투영된 광(204)을 시야(120)로 향하게 하는 것과 함께 적어도 하나의 광 편향기(114)가 순간 위치에 위치된 경우, 스캐닝 유닛(106)은 또한 반사된 광(206)을 센서(116)로 지향하게 할 수 있다. 전형적으로, 제 1 FOV(412)를 스캔하는 동안 매 순간에, LIDAR 시스템(100)에 의해 방출된 광 빔은(각도 개구에서) 제 2 FOV(414)보다 넓은 환경의 일부를 커버하고, 스캐닝 유닛(104) 및 센서(116)에 의해 수집되는 광을 보내는 환경 부분을 포함한다.
도 4c는 이차원 센서(116)의 일 예를 도시하는 다이어그램이다. 이러한 실시형태에서, 센서(116)는 8×5 검출기(410)의 행렬이고, 각각의 검출기(410)는 복수의 검출 요소(402)를 포함한다. 일 예에서, 검출기(410A)는 4×3 검출 요소(402)의 행렬을 포함하는 센서(116)의 제 2 열("R2"로 표시됨) 및 제 3 행("C3"로 표시됨)에 위치된다. 다른 예에서, 센서(116)의 제 4 열("R4"로 표시됨) 및 제 6 행("C6"로 표시됨)에 위치된 검출기(410B)는 3×3 검출 요소(402)의 행렬을 포함한다. 따라서, 각각의 검출기(410)에서 검출 요소(402)의 개수는 일정하거나 변할 수 있으며, 공통 어레이에서 상이한 검출기(410)는 상이한 개수의 검출 요소(402)를 가질 수 있다. 각각의 검출기(410)에서 모든 검출 요소(402)의 출력은 단일 픽셀-출력 값을 제공하기 위해 합산되거나, 평균화되거나, 결합될 수 있다. 도 4c의 예에서 검출기(410)는 직사각형 행렬(직선 열 및 직선 행)로 배열되지만, 다른 배열, 예를 들어 원형 배열 또는 벌집 배열이 사용될 수도 있음에 유의해야 한다.
일부 실시형태에 따르면, 각각의 검출기(410)로부터의 측정은 광 펄스 방출 이벤트로부터 수신 이벤트까지의 비행 시간과 수신된 광자의 세기를 결정할 수 있게 한다. 수신 이벤트는 광 펄스가 대상물(208)로부터 반사된 결과일 수 있다. 비행 시간은 반사 대상물부터 선택적인 광학 윈도우(124)까지의 거리를 나타내는 시간스탬프 값일 수 있다. 비행 시간 값은, 시간 상관 단일 광자 계수법(Time Correlated Single Photon Counter: TCSPC)과 같은 광자 검출 및 계수 방법, (아날로그-디지털 변환기 또는 일반 비교기를 통한) 신호 통합 및 한정과 같은 광자 검출을 위한 아날로그 방법, 또는 기타 방법에 의해 실현될 수 있다.
일부 실시형태에서 도 4b를 참조하면, 스캐닝 사이클 동안, 적어도 하나의 광 편향기(114)의 각 순간 위치는 시야(120)의 특정 부분(122)과 연관될 수 있다. 센서(116)의 디자인은 시야(120)의 단일 부분으로부터 반사된 광과 다수의 검출기(410) 사이의 연관을 가능하게 한다. 따라서, LIDAR 시스템의 스캐닝 분해능은 (스캐닝 사이클별) 순간 위치의 개수에 센서(116)의 검출기(410)의 개수를 곱한 수에 의해 표현될 수 있다. 각각의 검출기(410)(즉, 각각의 픽셀)로부터의 정보는 3차원 공간에서 캡처된 시야가 구축되는 기본 데이터 요소를 나타낸다. 이것은, 예를 들어 공간 위치 및 연관된 반사 세기 값과 함께 포인트 클라우드 표현의 기본 요소를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 다수의 검출기(410)에 의해 검출되는 시야(120)의 단일 부분으로부터의 반사는 시야(120)의 단일 부분에 위치된 상이한 대상물로부터 귀환하고 있을 수 있다. 예를 들어, 시야(120)의 단일 부분은 원거리에서 50×50 cm보다 클 수 있으며, 이는 서로 부분적으로 커버된 두 개, 세 개, 또는 이를 초과하는 개수의 대상물을 쉽게 포함할 수 있다.
도 4d는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따른 센서(116)의 일부 단면도이다. 센서(116)의 도시된 부분은 네 개의 검출 요소(402)(예를 들어, 네 개의 SPAD, 네 개의 APD)를 포함하는 검출기 어레이(400)의 일부를 포함한다. 검출기 어레이(400)는 상보형 금속 산화물 반도체(complementary metal-oxide-semiconductor: CMOS)로 구현되는 광검출기 센서일 수 있다. 각각의 검출 요소(402)는 기판 주변 내에 위치되는 감광 영역을 갖는다. 반드시 그런 것은 아니지만, 센서(116)는(예를 들어, 스캐닝 유닛(104)이 상이한 시간에 상이한 시야 부분을 스캔하기 때문에) 좁은 시야를 갖는 모노스태틱 LIDAR 시스템에 사용될 수 있다. 입사하는 광 빔에 대해 좁은 시야는 - 만약 구현된 경우 - 초점이 맞지 않는 이미징의 문제를 제거한다. 도 4d에 예시된 바와 같이, 센서(116)는 복수의 렌즈(422)(예를 들어, 마이크로렌즈)를 포함할 수 있고, 각 렌즈(422)는 상이한 검출 요소(402)를 향해(예를 들어, 검출 요소(402)의 활성 영역을 향하여) 입사광을 지향시킬 수 있고, 이는 초점이 맞지 않는 이미징이 문제 시 되지 않을 경우에 사용 가능할 수 있다. 센서(116)에 도달하는 대부분의 광이 검출 요소(402)의 활성 영역을 향해 편향될 수 있기 때문에, 렌즈(422)는 검출기 어레이(400)의 감도 및 광학 충진 인자(optical fill factor)를 증가시키는 데 사용될 수 있다.
도 4d에 예시된 바와 같은 검출기 어레이(400)는, 금속층 및 격리 요소(예를 들어, 얕은 트렌치 주입부(shallow trench implant: STI), 가드 링, 광학 트렌치 등)와 접촉하는 요소인 감광 영역을 초래하는 다양한 방법(예를 들어, 주입)에 의해 실리콘 기판에 내장된 몇 개의 층을 포함할 수 있다. 감광 영역은 적절한 전압 바이어스가 디바이스에 인가되면 입사하는 광자를 전류 흐름으로 광전 변환할 수 있는 CMOS 검출기의 볼륨 요소일 수 있다. APD/SPAD의 경우, 감광 영역은 전기장과 조합된 것일 수 있고, 전기장은 광자 흡수에 의해 생성된 전자를 증배 영역을 향하여 끌어당겨 증배 영역에서 광자로 유도된 전자를 증폭하여 증식된 전자의 항복 애벌런치를 생성할 수 있다.
전방측 조명된 검출기(예를 들어, 도 4d에 도시된 바와 같음)는 반도체(실리콘)의 상부에 존재하는 금속층과 동일한 측에 입력 광학 포트를 갖는다. 금속층은 바이어스 전압, 퀀칭/밸러스트 요소, 및 공통 어레이의 다른 광검출기와 같은 다양한 요소와 각 개별 광검출기 요소(예를 들어, 애노드와 캐소드)의 전기적 연결을 실현하는 데 필요하다. 전자를 통과시켜 검출기 감광 영역에 충돌하게 하는 광학 포트는 금속층을 통한 통로로 구성된다. 이러한 통로를 통해 일부 방향으로부터 광이 통과하는 것은 하나 이상의 금속층(예를 들어, 도 4d의 가장 왼쪽의 검출기 요소(402)에 대해 도시된 금속층(ML6)에 의해 차단될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 이러한 차단은 검출기의 전체 광학적 광 흡수 효율을 감소시킨다.
도 4e는 본 명세서에 개시된 주제의 예에 따라 연관된 렌즈(422)를 각각 갖는 세 개의 검출 요소(402)를 도시한다. 도 4e의 세 개의 검출 요소(402(1), 402(2), 및 402(3)으로 표시됨) 각각은 센서(116)의 하나 이상의 검출 요소(402)와 연관하여 구현될 수 있는 렌즈 구성을 도시한다. 이러한 렌즈 구성들의 조합도 구현될 수 있다는 것을 주목해야 한다.
검출 요소(402(1))와 관련하여 도시된 렌즈 구성에서, 연관된 렌즈(422)의 초점은 반도체 표면 위에 위치될 수 있다. 선택적으로, 검출 요소의 상이한 금속층의 개구는 연관된 렌즈(422)에 의해 생성된 광을 집광시키는 원추부와 정렬된 상이한 크기를 가질 수 있다. 이러한 구조체는 전체 디바이스로서 어레이(400)의 분해능 및 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 큰 금속층은 파워를 전달하는 것과 접지 차폐를 위하여 중요할 수 있다. 이러한 접근 방식은, 예를 들어 입사하는 광 빔이 평행 광선으로 구성되어 있고 이미징 초점이 검출된 신호에 아무런 영향도 미치지 않는 좁은 시야를 갖는 모노스태틱 LIDAR 설계에서 유용할 수 있다.
검출 요소(402(2))와 관련하여 도시된 렌즈 구성에서, 검출 요소(402)에 의한 광자 검출의 효율은 스윗 스폿(sweet spot)을 식별함으로써 개선될 수 있다. 구체적으로, CMOS로 구현된 광검출기는 애벌런치 효과를 생성하는 광자의 확률이 가장 높은 감광성 볼륨 영역에 스윗 스폿을 가질 수 있다. 따라서, 렌즈(422)의 초점은 검출 요소(402(2)에 의해 실증된, 스윗 스폿 장소에 있는 감광성 볼륨 영역 내에 위치될 수 있다. 렌즈 형상과 초점으로부터의 거리는 레이저 빔이 렌즈로부터 반도체 재료 내에 매장된 감광성 스윗 스폿 장소로 가는 길을 따라서 통과하는 모든 요소의 굴절률을 고려할 수 있다.
도 4e의 우측에 있는 검출 요소와 관련하여 도시된 렌즈 구성에서, 반도체 재료에서 광자 흡수의 효율은 확산기 및 반사 요소를 사용하여 개선될 수 있다. 구체적으로, 근 IR 파장은 통과하는 광자의 흡수 가능성을 높이기 위해 상당히 긴 실리콘 재료 경로를 요구한다. 전형적인 렌즈 구성에서, 광자는 감광 영역을 횡단할 수 있으며, 검출 가능한 전자 내로 흡수되지 않을 수 있다. 광자가 전자를 생성하는 가능성을 향상시키는 긴 흡수 경로는 감광 영역의 크기를 전형적인 파운드리 공정으로 제조된 CMOS 디바이스에 대해 덜 실용적인 치수(예를 들어, 수십 μm)가 되도록 만든다. 도 4e의 가장 오른쪽의 검출기 요소는 입사하는 광자를 처리하는 기술을 보여준다. 연관된 렌즈(422)는 입사하는 광을 확산기 요소(424)로 집광시킨다. 일 실시형태에서, 광 센서(116)는 검출기의 적어도 일부의 외면으로부터 떨어진 갭에 위치된 확산기를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 확산기(424)는 감광 영역 및 반사 광학 트렌치(426)를 향해 광 빔을 옆 방향으로(예를 들어, 가능하게는 수직으로) 조향할 수 있다. 확산기는 초점, 초점 위, 또는 초점 아래에 위치된다. 이러한 실시형태에서, 입사하는 광은 확산기 요소가 위치된 특정 장소에 집광될 수 있다. 선택적으로, 검출기 요소(422)는 광자 유도된 전자가 손실되고 유효 검출 효율을 감소시킬 수 있는 비활성 영역을 광학적으로 회피하도록 설계된다. 반사 광학 트렌치(426)(또는 다른 형태의 광학적 반사 구조)는 광자가 감광 영역을 가로질러 앞뒤로 되튀게 함으로써 검출 가능성을 증가시킨다. 이상적으로는, 광자가 흡수되고 전자/홀 쌍을 생성할 때까지 광자는 감광 영역과 반사 트렌치로 구성된 공동에 무기한 갇히는 것이다.
본 발명에 따르면, 충돌하는 광자가 흡수되고 더 높은 검출 확률에 기여할 수 있도록 긴 경로가 생성된다. 다른 검출기로 누설되고 잘못된 검출 이벤트를 유발할 수 있는 애벌런치 동안 생성된 기생 광자의 크로스토크 효과(cross talk effect)를 감소시키기 위해서 검출 요소(422)에는 광학 트렌치가 또한 구현될 수 있다. 일부 실시형태에 따르면, 광검출기 어레이는 수신된 신호의 더 높은 수율을 이용하기 위해, 즉 수신된 신호의 많은 부분을 수신하고 신호의 내부 열화로 손실되는 신호를 적게 하기 위해 최적화될 수 있다. 광검출기 어레이는: (a) 선택적으로 기판 위에 금속층을 적절히 설계함으로써, 반도체 표면 위의 장소로 초점을 이동시키고; (b) 초점을 기판의 가장 높은 반응성/감광 영역(또는 "스윗 스폿")으로 조향하고, (c) 신호를 "스윗 스폿"을 향하여 조향하기 위해 기판 위에 확산기를 추가하고 및/또는 트렌치에 반사 물질을 추가하여 편향된 신호를 다시 "스윗 스폿"으로 반사시키는 것에 의해 향상될 수 있다.
일부 렌즈 구성에서, 렌즈(422)는 그 초점이 대응하는 검출 요소(402)의 중심 위에 있도록 위치될 수 있지만, 반드시 그래야 하는 것은 아니라는 것을 유의해야 한다. 다른 렌즈 구성에서는, 대응하는 검출 요소(402)의 중심에 대한 렌즈(422)의 초점 위치가 검출 어레이(400)의 중심으로부터의 각 검출 요소(402)의 거리에 기초하여 이동된다. 이는 중심으로부터 더 멀리 떨어진 검출기 요소는 점점 더 축을 벗어난 각도로 광을 수신하는 상대적으로 더 큰 검출 어레이들(400)에서 유용할 수 있다. 초점의 위치를 이동시키면(예를 들어, 검출 어레이(400)의 중심을 향하여) 입사각을 보정할 수 있다. 구체적으로, 초점의 위치를 이동시키면(예를 들어, 검출 어레이(400)의 중심을 향하여) 검출기의 표면에 대하여 동일한 각도로 위치된 모든 검출 요소에 대해 실질적으로 동일한 렌즈(422)를 사용하면서 입사각을 보정할 수 있다.
검출 요소(402)의 어레이에 렌즈(422)의 어레이를 추가하는 것은 시야의 작은 부분만을 커버하는 상대적으로 작은 센서(116)를 사용할 때 유용할 수 있는데, 왜냐하면 이러한 경우에는 장면으로부터의 반사 신호가 실질적으로 동일한 각도로부터 검출기 어레이(400)에 도달하여 모든 광을 개별적인 검출기에 집광시키는 것이 용이하기 때문이다. 일 실시형태에서, 렌즈(422)는 공간적 구별성을 희생시키면서 전체 어레이(400)의 전체 검출 확률을 증가시키는 것을 돕기 위해(검출기/서브 검출기 사이의 사각 지대에서 광자가 "낭비"되는 것을 방지하기 위해) LIDAR 시스템(100)에서 사용될 수 있다는 것이 또한 유의해야 한다. 이러한 실시형태는 공간적 구별성(즉, 검출 요소(A)의 방향으로 전파되는 광이 렌즈에 의해 검출 요소(B)를 향해 지향되는 것, 즉, 어레이의 다른 검출 요소로 "번지는(bleed)" 것을 허용하지 않음)을 우선시 하는 CMOS RGB 카메라와 같은 종래의 구현형태와는 대조적인 것이다. 선택적으로, 센서(116)는 대응하는 검출 요소(402)와 각각 상관된 렌즈(422)의 어레이를 포함하는 한편, 적어도 하나의 렌즈(422)는 제 1 검출 요소(402)로 전파되는 광을 제 2 검출 요소(402)를 향하여 편향시킨다(이에 의해 전체 어레이의 전체 검출 확률을 증가시킬 수 있다).
구체적으로, 본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 광 센서(116)는 광 검출기의 어레이(예를 들어, 검출기 어레이(400))를 포함할 수 있고, 각각의 광 검출기(예를 들어, 검출기(410))는 광이 각각의 검출기의 외면을 통해 통과할 때 전기적 전류가 흐르도록 구성된다. 또한, 광 센서(116)는 광 검출기의 어레이를 향하여 광을 지향시키도록 구성된 적어도 하나의 마이크로 렌즈, 즉 초점을 갖는 적어도 하나의 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다. 광 센서(116)는, 적어도 하나의 마이크로 렌즈와 광 검출기 어레이 사이에 개재되고, 그 안에 광이 적어도 하나의 마이크로 렌즈로부터 어레이로 통과하도록 하는 갭을 갖는 전도성 재료의 적어도 하나의 층을 더 포함할 수 있으며, 이러한 적어도 하나의 층은 적어도 하나의 마이크로 렌즈와 어레이 사이의 공간을 유지하여 초점(예를 들어, 초점은 평면일 수 있음)이 이러한 갭 내에, 광 검출기의 어레이의 검출 표면으로부터 이격된 장소에 위치되게 하는 크기를 갖는다.
관련된 실시형태에서, 각각의 검출기는 복수의 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD) 또는 복수의 애벌런치 광 다이오드(APD)를 포함할 수 있다. 전도성 재료는 다층 금속 수축부일 수 있고, 전도성 재료의 적어도 하나의 층은 어레이 내 검출기에 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예에서, 전도성 물질의 적어도 하나의 층은 복수의 층을 포함한다. 또한, 갭은 적어도 하나의 마이크로 렌즈로부터 초점을 향하여 수렴하고, 초점의 구역으로부터 어레이를 향해 발산하도록 형성될 수 있다. 다른 실시형태에서, 광 센서(116)는 각 광검출기에 인접한 적어도 하나의 반사기를 더 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 복수의 마이크로 렌즈는 렌즈 어레이에 배열될 수 있고, 복수의 검출기는 검출기 어레이에 배열될 수 있다. 다른 실시형태에서, 복수의 마이크로 렌즈는 광을 어레이의 복수의 검출기에 투영하도록 구성된 단일 렌즈를 포함할 수 있다.
비한정적인 예로서 도 2e, 도 2f 및 도 2g를 참조하면, 시스템(100)의 하나 이상의 센서(116)는 스캐닝 편향기(114)로부터 또는 스캐닝 없이 직접 FOV로부터 광을 수신할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 전체 FOV로부터의 광이 적어도 하나의 센서(116)에 동시에 도달하더라도, 일부 구현형태에서 하나 이상의 센서(116)는 임의의 주어진 시간에 검출 출력을 위해 FOV의 일부만을 샘플링할 수 있다. 예를 들어, 투영 유닛(102)의 조명이(편향기(114)를 사용하든지 및/또는 다른 시간에 다른 광원(112)을 활성화하는 것에 의하든지 상관 없이) 다른 시간에 FOV의 다른 부분을 조명하는 경우, 광은 감지 유닛(106)의 모든 픽셀 또는 센서(116)에 도달할 수 있고, LIDAR 조명을 감지할 것으로 예상되는 픽셀/센서만이 검출 출력을 위한 데이터를 능동적으로 수집할 수 있다. 이러한 방식으로 나머지 픽셀/센서는 주변 소음을 불필요하게 수집하지 않는다. 스캐닝과 관련하여 - 진출 또는 진입 방향으로 - 실질적으로 다른 스캔 스케일을 구현할 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 일부 구현형태에서 스캔 영역은 FOV의 1‰ 또는 0.1‰을 커버할 수 있는 반면, 다른 구현형태에서 스캔 영역은 FOV의 10% 또는 25%를 커버할 수 있다. 물론 FOV 값의 다른 모든 상대 부분도 구현될 수 있다.
처리 유닛
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 처리 유닛(108)의 상이한 기능을 도시한다. 구체적으로, 도 5a는 시야의 단일 부분에 대한 단일 프레임-시간에서의 방출 패턴을 도시하는 다이어그램이고, 도 5b는 전체 시야에 대한 단일 프레임-시간에서의 방출 스킴을 도시하는 다이어그램이며, 도 5c는 단일 스캐닝 사이클 동안 시야를 향해 투영된 실제 광 방출을 도시하는 다이어그램이다.
도 5a는 적어도 하나의 광 편향기(114)의 순간 위치와 연관된 시야(120)의 단일 부분(122)에 대한 단일 프레임-시간에서의 방출 패턴의 네 개의 예를 도시한다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 처리 유닛(108)은 시야(120)의 스캔에 걸쳐 광속(light flux)이 변할 수 있는 방식으로 적어도 하나의 광원(112) 및 광 편향기(114)를 제어(또는, 적어도 하나의 광원(112) 및 적어도 하나의 광 편향기(114)의 동작을 조정)할 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 처리 유닛(108)은 적어도 하나의 광원(112)만을 제어할 수 있고, 광 편향기(114)는 고정된 미리 정해진 패턴으로 이동되거나 피벗될 수 있다.
도 5a에서 다이어그램(A 내지 D)은 시간 경과에 따라 시야(120)의 단일 부분(122)을 향해 방출되는 광의 파워를 도시한다. 다이어그램 A에서, 프로세서(118)는 시야(120)의 스캐닝 동안 초기 광 방출이 시야(120)의 부분(122)을 향해 투영되는 방식으로 광원(112)의 동작을 제어할 수 있다. 투영 유닛(102)이 펄스광 광원을 포함하는 경우, 초기 광 방출은 하나 이상의 초기 펄스("파일럿 펄스"라고도 함)를 포함할 수 있다. 처리 유닛(108)은 센서(116)로부터 초기 광 방출과 연관된 반사에 대한 파일럿 정보를 수신할 수 있다. 일 실시형태에서, 파일럿 정보는 하나 이상의 검출기(예를 들어, 하나 이상의 SPAD, 하나 이상의 APD, 하나 이상의 SiPM 등)의 출력에 기초한 단일 신호로서 표현되거나, 또는 다수 검출기의 출력에 기초한 복수의 신호로서 표현될 수 있다. 일 예에서, 파일럿 정보는 아날로그 및/또는 디지털 정보를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 파일럿 정보는 단일 값 및/또는 복수의 값(예를 들어, 세그먼트의 상이한 시간 및/또는 부분)을 포함할 수 있다.
초기 광 방출과 연관된 반사에 대한 정보에 기초하여, 처리 유닛(108)은 시야(120)의 부분(122)을 향하여 투영되는 후속 광 방출의 유형을 결정하도록 구성될 수 있다. 시야(120)의 특정 부분에 대해 결정된 후속 광 방출은 동일한 스캐닝 사이클(즉, 동일한 프레임) 또는 후속 스캐닝 사이클(즉, 후속 프레임) 동안 만들어질 수 있다.
다이어그램 B에서, 프로세서(118)는 시야(120)의 스캐닝 동안 상이한 세기의 광 펄스가 시야(120)의 단일 부분(122)을 향해 투영되는 방식으로 광원(112)의 동작을 제어할 수 있다. 일 실시형태에서, LIDAR 시스템(100)은, 다음 유형, 즉 포인트 클라우드 모델, 다각형 메쉬, (이미지 또는 2D 어레이의 각각의 픽셀에 대한 깊이 이미지 정보를 유지하는) 깊이 이미지, 또는 장면의 3D 모델의 임의의 다른 유형 중 임의의 하나 이상의 유형과 같은 하나 이상의 상이한 유형의 깊이 맵을 생성하도록 동작 가능할 수 있다. 깊이 맵의 시퀀스는 상이한 시간에 상이한 깊이 맵을 생성하는 시간 시퀀스일 수 있다. 스캐닝 사이클(상호 교환 가능하게는 "프레임")과 연관된 시퀀스의 각각의 깊이 맵은 대응하는 후속 프레임-시간의 지속 시간 내에 생성될 수 있다. 일 예에서, 전형적인 프레임-시간은 1초 미만으로 지속될 수 있다. 일부 실시형태에서, LIDAR 시스템(100)은 고정된 프레임 속도(예를 들어, 초당 10 프레임, 초당 25 프레임, 초당 50 프레임)를 가질 수 있거나 동적인 프레임 속도를 가질 수 있다. 다른 실시형태에서, 상이한 프레임의 프레임-시간은 시퀀스에 걸쳐 동일하지 않을 수 있다. 예를 들어, LIDAR 시스템(100)은 100 밀리초(평균)에 제 1 깊이 맵, 92 밀리초에 제 2 프레임, 142 밀리초에 제 3 프레임 등을 생성하는 것을 포함하는 10 프레임/초 속도를 구현할 수 있다.
다이어그램 C에서, 프로세서(118)는 시야(120)의 스캐닝 동안 상이한 지속 시간과 연관된 광 펄스가 시야(120)의 단일 부분(122)을 향해 투영되는 방식으로 광원(112)의 동작을 제어할 수 있다. 일 실시형태에서, LIDAR 시스템(100)은 각 프레임에서 상이한 개수의 펄스를 생성하도록 동작 가능할 수 있다. 펄스의 개수는 0 내지 32 펄스에서 변할 수 있으며(예를 들어, 1 개, 5 개, 12 개, 28 개 또는 그 이상의 펄스), 이전의 방출로부터 도출된 정보에 기초할 수 있다. 광 펄스 간의 시간은 원하는 검출 범위에 의존할 수 있으며, 500 ns 내지 5000 ns일 수 있다. 일 예에서, 처리 유닛(108)은 각각의 광 펄스와 연관된 반사에 대한 정보를 센서(116)로부터 수신할 수 있다. 정보(또는 정보의 부족)에 기초하여, 처리 유닛(108)은 추가적인 광 펄스가 필요한지 여부를 결정할 수 있다. 다이어그램(A 내지 D)에서 처리 시간 및 방출 시간의 지속 시간은 축척에 맞지 않은 것임을 유의해야 한다. 구체적으로, 처리 시간은 방출 시간보다 실질적으로 더 길 수 있다. 다이어그램 D에서, 투영 유닛(102)은 연속파 광원을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 초기 광 방출은 광이 방출되는 시간 기간을 포함할 수 있고, 후속 방출은 초기 방출의 연속일 수 있고 또는 불연속일 수 있다. 일 실시형태에서, 연속적인 방출의 세기는 시간에 따라 변할 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 방출 패턴은 시야(120)의 각 부분마다 결정될 수 있다. 다시 말하면, 프로세서(118)는 광의 방출을 제어하여 시야(120)의 상이한 부분의 조명을 구별할 수 있게 한다. 일 예에서, 프로세서(118)는 동일한 스캐닝 사이클(예를 들어, 초기 방출)로부터 반사된 광을 검출한 것에 기초하여 시야(120)의 단일 부분(122)에 대한 방출 패턴을 결정할 수 있는데, 이는 LIDAR 시스템(100)을 매우 동적으로 만든다. 다른 예에서, 프로세서(118)는 이전 스캐닝 사이클로부터 반사된 광을 검출한 것에 기초하여 시야(120)의 단일 부분(122)에 대한 방출 패턴을 결정할 수 있다. 후속 방출 패턴의 차이는, 예를 들어:
a. 후속 방출의 전체 에너지.
b. 후속 방출의 에너지 프로필.
c. 프레임당 광 펄스 반복의 수.
d. 지속 시간, 속도, 피크, 평균 전력, 및 펄스 형상과 같은 광 변조 특성.
e. 편광, 파장 등과 같은 후속 방출의 파 속성
중 임의의 것과 같이 후속 방출에 대한 광원 파라미터의 다른 값을 결정하는 것으로부터 발생할 수 있다.
본 발명에 따르면, 후속 방출의 구별은 다른 용도로 사용될 수 있다. 일 예에서, 안전성을 고려하여 시야(120)의 일부분에서 방출되는 파워 레벨을 제한하면서, 시야(120)의 다른 부분에 대해 더 높은 파워 레벨을 방출하는(따라서 신호 대 잡음비 및 검출 범위를 향상시키는) 것이 가능하다. 이는 안구 안전과 관련되지만, 피부 안전, 광학 시스템의 안전성, 민감한 재료의 안전성 등에도 또한 관련될 수 있다. 다른 예에서, 동일한 프레임 또는 이전 프레임으로부터의 검출 결과에 기초하여 시야(120)의 다른 부분에 조명 에너지를 제한하면서, 시야(120)의 부분(예를 들어, 관심 구역, 멀리 떨어져 있는 타겟, 낮은 반사 타겟 등)을 향하여 더 많은 에너지를 지향시켜 더 많은 에너지를 사용하는 것이 가능하다. 처리 유닛(108)은 단일 스캐닝 프레임-시간 내에서 단일 순간 시야로부터의 검출된 신호를 여러 번 처리할 수 있다는 것을 유의해야 하며, 예를 들어 후속 방출은 모든 펄스가 방출된 이후에 또는 다수의 펄스가 방출된 후에 결정될 수 있다.
도 5b는 시야(120)에 대한 단일 프레임-시간에서 방출 스킴의 세 개의 예를 도시한다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 적어도 하나의 처리 유닛(108)은 획득된 정보를 사용하여 LIDAR 시스템(100)의 동작 모드를 동적으로 조정하고 및/또는 LIDAR 시스템(100)의 특정 구성 요소의 파라미터의 값을 결정할 수 있다. 획득된 정보는 시야(120)에서 캡처되거나 호스트(210)로부터(직접 또는 간접) 수신된 처리 데이터로부터 결정될 수 있다. 처리 유닛(108)은 획득된 정보를 사용하여 시야(120)의 상이한 부분을 스캔하기 위한 스캐닝 방식을 결정할 수 있다. 획득된 정보는 현재의 광 조건, 현재의 기상 조건, 호스트 차량의 현재 주행 환경, 호스트 차량의 현재 장소, 호스트 차량의 현재 궤적, 호스트 차량을 둘러싼 도로의 현재 지형, 또는 광 반사를 통해 검출 가능한 임의의 다른 상태 또는 대상물을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 결정된 스캐닝 스킴은 (a) 스캐닝 사이클의 일부로서 능동적으로 스캔될 시야(120) 내의 부분의 지정; (b) 시야(120)의 상이한 부분에서 광 방출 프로필을 한정하는 투영 유닛(102)에 대한 투영 계획; (c) 예를 들어, 편향 방향, 주파수, 및 반사기 어레이 내의 휴면 요소(idle element)의 지정을 한정하는 스캐닝 유닛(104)에 대한 편향 계획; 및 (d) 검출기 감도 또는 반응 패턴을 한정하는 감지 유닛(106)에 대한 검출 계획 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 처리 유닛(108)은 시야(120) 내의 관심 구역 중 적어도 하나의 구역 및 시야(120) 내의 비관심 영역 중 적어도 하나의 구역을 적어도 부분적으로 식별함으로써 스캐닝 방식을 결정할 수 있다. 일부 실시형태에서, 처리 유닛(108)은 시야(120) 내 적어도 하나의 고관심 구역(region of high interest) 및 시야(120) 내 적어도 하나의 저관심 구역(region of low interest)을 적어도 부분적으로 식별함으로써 스캐닝 방식을 결정할 수 있다. 시야(120) 내의 적어도 하나의 관심 구역의 식별은, 예를 들어 다른 센서(예를 들어 카메라, GPS)의 데이터에 기초하여 시야(120)에서 캡처된 데이터를 처리하는 것으로부터 결정되거나, 호스트(210)로부터 수신되거나(직접 또는 간접적으로) 또는 이들의 임의의 조합으로부터 결정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 적어도 하나의 관심 구역의 식별은 시야(120) 내의 모니터링하기에 중요한 부분, 영역, 구획, 픽셀, 또는 대상물의 식별을 포함할 수 있다. 관심 구역으로 식별될 수 있는 영역의 예로는, 횡단 보도, 이동 대상물, 인간, 인근 차량, 또는 차량 운행에 도움이 될 수 있는 임의의 다른 환경 조건 또는 대상물을 포함할 수 있다. 비관심(또는 저관심) 구역으로 식별될 수 있는 영역의 예로는 정적인(움직이지 않는) 먼 건물, 스카이라인, 수평선 위의 영역, 및 시야 내 대상물일 수 있다. 시야(120) 내에서 적어도 하나의 관심 구역을 식별하면, 처리 유닛(108)은 스캐닝 방식을 결정하거나 기존 스캐닝 방식을 변경할 수 있다. 광원 파라미터를 결정하거나 또는 변경하는 것(전술한 바와 같음) 이외에도, 처리 유닛(108)은 적어도 하나의 관심 구역을 식별한 것에 기초하여 검출기 자원을 할당할 수 있다. 일 예에서, 잡음을 줄이기 위해, 처리 유닛(108)은 관심 구역이 예상되는 검출기(410)를 활성화하고, 비관심 구역이 예상되는 검출기(410)를 비활성화할 수 있다. 다른 예에서, 처리 유닛(108)은 검출기 감도를 변경할 수 있고, 예를 들어 반사된 파워가 낮은 긴 범위 검출에 대해서는 센서 감도를 증가시킬 수 있다.
도 5b의 다이어그램 A 내지 C는 시야(120)를 스캔하는 상이한 스캐닝 방식의 예를 도시한다. 시야(120) 내의 각 정사각형은 적어도 하나의 광 편향기(114)의 순간 위치와 연관된 상이한 부분(122)을 나타낸다. 범례(500)는 사각형의 충전 패턴에 의해 표현되는 광속의 레벨을 자세히 설명한다. 다이어그램 A는 모든 부분이 동일한 중요도/우선 순위를 가지며 디폴트 광속이 이러한 부분에 할당된 제 1 스캐닝 방식을 도시한다. 제 1 스캐닝 방식은 시동 단계에서 활용되거나 예상치 못한/새로운 대상물에 대한 전체 시야를 모니터링하기 위해 다른 스캐닝 방식과 주기적으로 인터리브될 수 있다. 일 예에서, 제 1 스캐닝 방식에서 광원 파라미터는 일정한 진폭으로 광 펄스를 생성하도록 구성될 수 있다. 다이어그램 B는 시야(120)의 일부에는 높은 광속이 할당하고 시야(120)의 나머지 부분에는 디폴트 광속과 낮은 광속이 할당하는 제 2 스캐닝 방식을 도시한다. 시야(120)에서 가장 낮은 관심인 부분에는 낮은 광속이 할당될 수 있다. 다이어그램 C는 시야(120)에서 소형 차량 및 버스(실루엣 참조)를 식별하는 제 3 스캐닝 방식을 도시한다. 이러한 스캐닝 방식에서, 차량과 버스의 에지는 높은 파워로 추적될 수 있고, 차량과 버스의 중심 질량에는 적은 광속이(또는 광속 없이) 할당될 수 있다. 이러한 방식으로 광속을 할당하면 식별된 대상물의 에지에 광학 예산을 더 집중시킬 수 있게 하며, 중요도가 낮은 중심에는 덜 집중시킬 수 있게 한다.
도 5c는 단일 스캐닝 사이클 동안 시야(120)를 향하는 광의 방출을 도시한다. 도시된 예에서, 시야(120)는 8×9 행렬에 의해 표현되고, 여기서 72 개의 셀 각각은 적어도 하나의 광 편향기(114)의 상이한 순간 위치와 연관된 별도의 부분(122)에 대응한다. 이러한 예시적인 스캐닝 사이클에서, 각 부분은 이러한 부분을 향하여 투영된 광 펄스의 개수를 나타내는 하나 이상의 백색 점을 포함하고, 일 부분은 센서(116)에 의해 검출된 부분으로부터 반사된 광을 나타내는 검은 점을 포함한다. 도시된 바와 같이, 시야(120)는 세 개의 섹터, 즉 시야(120)의 우측 상의 섹터 I, 시야(120)의 중앙의 섹터 II, 및 시야(120)의 좌측 상의 섹터 III로 분할된다. 이러한 예시적인 스캐닝 사이클에서, 섹터 I에는 초기에 부분당 단일 광 펄스가 할당되고, 이전에 관심 구역으로 식별된 섹터 II에는 초기에 부분당 세 개의 광 펄스가 할당되며, 섹터 III에는 초기에 부분당 두 개의 광 펄스가 할당된다. 또한 도시된 바와 같이, 시야(120)의 스캐닝은 네 개의 대상물(208), 즉 근거리장(예를 들어, 5 미터 내지 50 미터) 내의 두 개의 자유 형태의 대상물, 중거리장의 둥근 사각형 대상물(예를 들어, 50 미터 내지 150 미터), 원거리장의 삼각형 대상물(예를 들어, 150 미터 내지 500 미터)를 드러낸다. 도 5c의 논의는 광속을 할당하는 일 예로서 펄스의 개수를 사용하지만, 시야의 다른 부분에 광속을 할당하는 것은 펄스 지속 시간, 펄스 각도 분산, 파장, 순시 파워, 광원(112)으로부터의 상이한 거리에서의 광자 밀도, 평균 파워, 펄스 파워 세기, 펄스 폭, 펄스 반복률, 펄스 시퀀스, 펄스 듀티 사이클, 파장, 위상, 편광 등과 같은 다른 방식으로도 구현될 수 있음을 유의해야 한다. 도 5c에서 단일 스캐닝 사이클로서 광 방출을 도시한 것은 LIDAR 시스템(100)의 상이한 성능을 보여준다. 제 1 실시형태에서, 프로세서(118)는 두 개의 광 펄스를 사용하여 제 1 대상물(예를 들어, 둥근 사각형 대상물)를 제 1 거리에서 검출하고, 세 개의 광 펄스를 사용하여 제 2 대상물(예를 들어, 삼각형 대상물)를 제 1 거리보다 먼 제 2 거리에서 검출하도록 구성된다. 제 2 실시형태에서, 프로세서(118)는 관심 구역이 식별되는 시야의 부분에 더 많은 광을 할당하도록 구성된다. 구체적으로, 본 예에서, 섹터 II는 관심 구역으로 식별되어서, 이에 따라 섹터 II에는 세 개의 광 펄스가 할당되는 반면, 시야(120)의 나머지에는 두 개 이하의 광 펄스가 할당된다. 제 3 실시형태에서, 프로세서(118)는, 단지 단일 광 펄스만이 도 5c의 부분(B1, B2, 및 C1)을 향하여 투영되는 방식으로 광원(112)을 제어하도록 구성되지만, 이들 부분은 초기에 부분당 두 개의 광 펄스가 할당된 섹터 III의 일부이다. 이는 처리 유닛(108)이 제 1 광 펄스에 기초하여 근거리장 내의 대상물을 검출했기 때문에 발생한다. 펄스의 최대량보다 적은 양을 할당하는 것은 다른 고려 사항의 결과일 수도 있다. 예를 들어, 적어도 일부 구역에서, 제 1 거리(예를 들어, 근거리장)에서 대상물을 검출하면 시야(120)의 이러한 부분으로 방출되는 전체 광량을 감소시킬 수 있다.
LIDAR 시스템(100)의 상이한 구성 요소와 이들의 연관된 기능에 대한 추가적인 세부 사항 및 예는 2016년 12월 28일자로 출원된 출원인의 미국 특허 출원 번호 제 15/391,916; 2016년 12월 29일자로 출원된 출원인의 미국 특허 출원 번호 제 15/393,749; 2016년 12월 29일자로 출원된 출원인의 미국 특허 출원 번호 제 15/393,285; 및 2016년 12월 29일자로 출원된 출원인의 미국 특허 출원 번호 제 15/393,593에 포함되어 있으며, 이들 선출원 문헌은 그 전체 내용이 본 명세서에 병합된다.
예시적인 구현형태: 차량
도 6a 내지 6c는 차량(예를 들어, 차량(110)) 내의 LIDAR 시스템(100)의 구현형태를 도시한다. 전술된 또는 이하에 설명된 LIDAR 시스템(100)의 임의의 양태는 거리 감지 차량을 제공하기 위해 차량(110)에 포함될 수 있다. 구체적으로, 이러한 예에서, LIDAR 시스템(100)은 다수의 스캐닝 유닛(104) 및 잠재적으로 다수의 투영 유닛(102)을 단일 차량에 통합한다. 일 실시형태에서, 차량은 이러한 LIDAR 시스템을 이용하여 중첩되는 구역(zone)과 이러한 구역을 넘어 파워, 거리 및 정확도를 향상시킬 뿐만 아니라 FOV의 민감한 부분(예를 들어, 차량의 전진 방향)에서 중복을 제공할 수 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 차량(110)은 시야(120A)의 스캐닝을 제어하기 위한 제 1 프로세서(118A), 시야(120B)의 스캐닝을 제어하기 위한 제 2 프로세서(118B), 및 두 시야의 스캐닝의 동기화를 제어하기 위한 제 3 프로세서(118C)를 포함할 수 있다. 일 예에서, 프로세서(118C)는 차량 제어기일 수 있고, 제 1 프로세서(118A)와 제 2 프로세서(118B) 사이의 공유 인터페이스를 가질 수 있다. 공유 인터페이스는 시간적 및/또는 공간적 공간에서 중첩을 형성하기 위해 중간 처리 레벨에서 데이터의 교환 및 결합된 시야의 스캐닝의 동기화를 할 수 있게 한다. 일 실시형태에서, 공유 인터페이스를 사용하여 교환되는 데이터는: (a) 중첩된 시야 및/또는 그 부근의 픽셀과 연관된 수신된 신호의 비행 시간; (b) 레이저 조향 위치 상태; (c) 시야 내의 대상물의 검출 상태일 수 있다.
도 6b는 시야(120A)와 시야(120B) 사이의 중첩 구역(600)을 도시한다. 도시된 예에서, 중첩 구역은 시야(120A)로부터의 24 개의 부분(122) 및 시야(120B)로부터의 24 개의 부분(122)과 연관된다. 중첩 구역이 프로세서(118A, 118B)에 의해 정해지고 알려지면, 각각의 프로세서는 다수의 소스 광에 걸친 안구 안전 한계(eye safety limit)를 따르거나 광학 예산(optical budget)을 유지하는 등과 같은 다른 이유를 위해 중첩 구역(600)에서 방출되는 광량을 제한하도록 설계될 수 있다. 또한, 프로세서(118A, 118B)는 스캐닝 유닛(104A)과 스캐닝 유닛(104B) 사이의 느슨한 동기화에 의해 및/또는 레이저 송신 타이밍 및/또는 검출 회로를 인에이블하는 타이밍을 제어하는 것에 의해 두 개의 광원에 의해 방출된 광 사이의 간섭을 회피할 수 있다.
도 6c는 시야(120A)와 시야(120B) 사이의 중첩 구역(600)이 차량(110)의 검출 거리를 증가시키는 데 사용될 수 있는 방식을 도시한다. 본 발명에 따르면, 광원의 공칭 광 방출을 중첩 구역으로 투영하는 두 개 이상의 광원(112)을 활용하여 유효 검출 범위를 증가시킬 수 있다. "검출 범위(detecting range)"라는 용어는 LIDAR 시스템(100)이 대상물을 명확하게 검출할 수 있는, 차량(110)으로부터의 대략적인 거리를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, LIDAR 시스템(100)의 최대 검출 범위는 약 300 미터, 약 400 미터, 또는 약 500 미터이다. 예를 들어, 200 미터의 검출 범위에 대해, LIDAR 시스템(100)은 95% 초과, 99% 초과, 99.5%를 초과하는 비율로 차량(110)으로부터 200 미터(또는 그 미만)에 위치된 대상물을 검출할 수 있다. 대상물의 반사도가 50% 미만(예를 들어, 20% 미만, 10% 미만, 또는 5% 미만)일 때에도 검출할 수 있다. 또한, LIDAR 시스템(100)은 1% 미만의 오경보율을 가질 수 있다. 일 실시형태에서, 시간적 및 공간적 공간에 나란히 놓인 두 개의 광원으로부터 투영된 광은 SNR을 향상시키기 위해 이용될 수 있고, 따라서 중첩 구역에 위치된 대상물에 대한 범위 및/또는 서비스 품질을 증가시킬 수 있다. 프로세서(118C)는 시야(120A, 120B)에서 반사된 광으로부터 고수준 정보를 추출할 수 있다. "정보를 추출(extracting information)"이라는 용어는, 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 임의의 수단에 의해 캡처된 이미지 데이터 내에서 대상물, 개인, 장소, 이벤트 등과 연관된 정보를 식별하는 임의의 프로세스를 포함할 수 있다. 또한, 프로세서(118A, 118B)는 대상물(도로 구분자, 배경, 보행자, 차량 등) 및 모션 벡터와 같은 고수준 정보를 공유하여 각 프로세서가 관심 구역이 될 주변 구역을 경보하도록 할 수 있다. 예를 들어, 시야(120A) 내의 이동 대상물은 곧 시야(120B)로 들어갈 것으로 결정될 수 있다.
예시적인 구현형태: 감시 시스템
도 6d는 감시 시스템에서 LIDAR 시스템(100)의 구현형태를 도시한다. 전술한 바와 같이, LIDAR 시스템(100)은 더 넓은 시야를 획득하기 위해 LIDAR 시스템(100)의 하우징을 회전시키기 위한 모터 또는 다른 메커니즘을 포함할 수 있는 정지된 대상물(650)에 고정될 수 있다. 대안적으로, 감시 시스템은 복수의 LIDAR 유닛을 포함할 수 있다. 도 6d에 도시된 예에서, 감시 시스템은 단일의 회전 가능한 LIDAR 시스템(100)을 사용하여, 시야(120)를 나타내는 3D 데이터를 획득하고, 3D 데이터를 처리하여 인간(652), 차량(654), 환경의 변화, 또는 임의의 다른 형태의 보안-중요 데이터를 검출할 수 있다.
본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 3D 데이터는 소매업 프로세스를 모니터링하기 위해 분석될 수 있다. 일 실시형태에서, 3D 데이터는 물리적 보안(예를 들어, 소매 시설 내에서의 무단 침입의 검출, 소매 시설 내에서 또는 그 주변에서의 공공 기물 파손 행위의 검출, 보안 영역에 대한 무단 액세스의 검출, 및 주차장의 자동차 주변의 의심스러운 행동의 검출)을 포함하는 소매업 프로세스에서 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 3D 데이터는 공공 안전(예를 들어, 인간이 매장 부지에 미끄러지거나 넘어지는 것의 검출, 매장 바닥에 위험한 액체의 유출이나 장애물의 검출, 매장 주차장에서의 폭행 또는 납치의 검출, 비상구의 장애물의 검출, 및 매장 영역이나 매장 외부에서 군중 밀집의 검출)에 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 3D 데이터는 비즈니스 지능 데이터 수집하는 데(예를 들어, 통과하는 인간의 수, 인간이 머무르는 위치, 인간이 머무르는 기간, 구매 습관에 비교되는 쇼핑 습관을 결정하기 위해 매장 영역을 통과하는 인간을 추적하는 데) 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 3D 데이터는 교통 단속을 위해 분석되고 사용될 수 있다. 구체적으로, 3D 데이터는 법적 속도 제한을 초과하거나 일부 다른 도로 관련 법적 요구 사항을 어겨 달리는 차량을 식별하는 데 사용될 수 있다. 일 예에서, LIDAR 시스템(100)은 적색 신호등이 표시되는 동안 정지 라인 또는 지정된 정지 장소를 가로지르는 차량을 검출하는 데 사용될 수 있다. 다른 예에서, LIDAR 시스템(100)은 대중 교통을 위해 예비된 차선을 주행하는 차량을 식별하는 데 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, LIDAR 시스템(100)은 특정 회전이 적색에서 금지되는 교차로에서 회전하는 차량을 식별하는 데 사용될 수 있다.
다양한 개시된 실시형태의 예들이 편향기의 스캐닝을 제어하는 제어 유닛에 대하여 전술되고 후술되지만, 개시된 실시형태의 다양한 특징들은 이러한 시스템으로 한정되지 않는다는 것에 주의해야 한다. 오히려, 광을 LIDAR FOV의 다양한 부분에 할당하기 위한 기법들은, 상이한 양의 광을 시야의 상이한 부분들로 지향시키는 것이 바람직하거나 그럴 필요가 있을 수 있는 광-기반 감지 시스템(LIDAR 또는 다른 것)의 타입에 적용가능할 수 있다. 일부 경우에, 이러한 광 할당 기법은 본 명세서에서 설명된 바와 같이 검출 능력에 긍정적으로 영향을 줄 수 있지만, 다른 장점들도 역시 얻어질 수 있다.
또한, 명세서 및 청구 범위의 다양한 섹션들이 다양한 컴포넌트 또는 컴포넌트의 부분(예를 들어, 광원, 센서, 센서 픽셀, 시야 부분(field of view portion), 시야 픽셀 등)을 "제 1", "제 2", "제 3" 등과 같은 이러한 용어를 사용하여 참조할 수 있다는 것에도 주의해야 한다. 이러한 용어는 개시된 다양한 실시형태를 쉽게 설명하기 위해서 사용될 뿐이고, 한정하거나 다른 실시형태에 있는 유사하게 명명된 요소 또는 컴포넌트와의 임의의 필요한 상관을 표시하려는 것이 아니다. 예를 들어, 명세서의 하나의 섹션에서 설명된 하나의 실시형태 내의 "제 1 센서"와 연관되는 것으로 설명되는 특징들은 명세서의 상이한 섹션 내에 설명된 상이한 실시형태의 "제 1 센서"와 연관될 수도, 연관되지 않을 수도 있다.
LIDAR 시스템(100), 또는 그 구성 요소 중 임의의 것이 후술되는 임의의 특정 실시형태 및 방법과 함께 사용될 수 있다는 점에 주의한다. 그럼에도 불구하고, 지금부터 개시되는 특정 실시형태 및 방법은 반드시 LIDAR 시스템(100)으로 한정되는 것이 아니고, 가능하게는 다른 시스템(적용가능한 다른 LIDAR 시스템, 다른 전자광학 시스템, 다른 광학 시스템 등) 내에 또는 이것에 의하여 구현될 수도 있다. 또한, 시스템(100)이 예시적인 차량 기반 LIDAR 플랫폼과 관련하여 설명되지만, 시스템(100), 그 구성 요소 중 임의의 것, 또는 본 명세서에 설명된 임의의 프로세스는 다른 플랫폼 타입 상에 배치된 LIDAR 시스템에 적용될 수도 있다. 이와 유사하게, 지금부터 개시되는 실시형태 및 프로세스는 차량 이외의 플랫폼 상에 배치되거나, 심지어 임의의 특정한 플랫폼과 무관한 시스템 상에 설치된 LIDAR 시스템(또는 다른 전계-광학 시스템과 같은 다른 시스템 등)에 구현되거나 이것에 의하여 구현될 수도 있다.
예시적인 구현형태: 가변 분해능 멀티-빔 스캐닝 기능이 있는 LIDAR 시스템
하나 이상의 레이저 광원 및 스캐닝 미러를 채용하는 LIDAR 시스템 및 다른 광학 시스템에서, 시스템의 복잡도는 높을 수 있다. 더욱이, 안구 안전 요구 사항은 넓은 시야를 사용하는 것을 수반할 수 있다. 따라서, LIDAR 시스템은, 시스템의 높은 신뢰성을 제공하면서, 넓은 FOV에 걸쳐 데이터를 획득 및 수집하기 위한 많은 수의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 현존 시스템은 통상적으로 레이저 방출기, 스캐닝 미러, 및 레이저로부터 방출된 각각의 빔에 대한 검출기(레이저 거리 측정기[LRF]라고 불림)를 포함한다. 그러나, 현존 시스템은 높은 복잡성, 많은 수의 컴포넌트(예를 들어, 요구 다수의 LRF들)를 가질 수 있고, 비쌀 수 있다. 따라서, 소망되는 레벨의 검출 범위 및 감도를 제공할 수 있는 LIDAR 및 다른 광학 시스템을 제공하면서 시스템 복잡성, 부품의 개수, 및 비용을 줄이기 위한 필요성이 존재한다. 현재 개시된 실시형태는 이러한 필요성을 해결하는 것을 목적으로 한다.
도 7a는 스캐닝 미러에 의해 조향되고 단일 검출기 상에서 감지되는 방출된 광의 다수의 빔을 생성하도록 구성되고, 모두 광학 부품들의 단일 세트를 가지고 모두 동일한 광로 상에 있는 +/-50 도(수평)의 시야의 스캐닝을 가능하게 하는 예시적인 개시된 LIDAR 시스템(100)의 개략적인 구성을 예시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저 광 빔(714)은 쿼드 레이저 어레이(712)로부터 방출될 수 있다. 레이저 광 빔(714)은 다수의 레이저 방출기, 레이저 바 / 어레이에 의하여, 또는 다수의 빔으로 분할된 단일 레이저 빔에 의해서 생성될 수 있다. 레이저 빔(714)은 렌즈(716) 및 폴딩 미러(718)의 시스템(예를 들어, 광학 시스템(710)에 의해서 스캐닝 미러(720)(예를 들어, MEMS 스캐너)로 지향될 수 있다. 레이저 빔(714)은 스캐닝 미러(720)를 이용하여 조향될 수 있다. 반사된 광(716)은 LIDAR 시스템(100)에 진입할 수 있고, 이색성 미러(편광 분할기)(740)로 지향된 후 렌즈(760)를 이용하여 단일 검출기(750) 상에 포커싱될 수 있다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 빔(742) 각각은 공유된 광학 부품(예를 들어, 716, 718, 720, 740 등)을 통해서 지향될 수 있고, 컴포넌트의 개수, 및 따라서 LIDAR 시스템(100)에 대한 비용을 절감한다.
도 7b는 FOV(100 도 x 15 도)(770)를 예시하는데, 이것은 수직으로 스캐닝될 수 있다. 스캐닝 미러(720)는 레이저 빔(714)을 스캔 라인(772)을 따라서 지향시킬 수 있다. 스캔 라인(772)을 따른 위치들로부터의 반사된 레이저 빔(714)이 검출기(750)를 향해 지향될 수 있다. 도 7c는 비활성 영역(754)에 의하여 분리된 활성 영역(752)을 가지는 검출기(750)의 일 예를 예시한다. 도 7c에 도시된 바와 같이, 검출기(750)는 반사된 레이저 빔(716)의 스폿(예를 들어, A, B, C, D)을 검출할 수 있다. 도 7c에 또한 도시된 바와 같이, 각각의 활성 영역(752)은 복수 개의 픽셀 또는 채널(예를 들어, 도 6에 도시되는 6 개의 채널)을 가질 수 있다. 비록 도 7b에서는 수직 스캔 라인이 예시되었지만, LIDAR 시스템은 추가적으로 또는 대안적으로 FOV(770)를 수평 스캔 라인을 따라서 스캔하도록 구성될 수도 있다. 더욱이, 위에서 논의된 개수 또는 스폿 및/또는 픽셀은 예시적인 것이고 비한정적이며, 각각의 활성 영역(752)은 임의의 개수의 채널을 가질 수 있고, 검출기(750)는 반사된 레이저 빔(716)의 임의의 개수의 스폿을 검출하도록 구성될 수 있다. 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 개시된 모노스태틱 구성은 복수 개의 빔을 동일한 광로 상에서 100 x 15 도의 FOV로 송신 및 수신할 수 있어서, 많은 광학 컴포넌트 및 다수의 MEMS 모듈을 절약한다.
위의 피쳐들 중 일부를 포함하는 LIDAR 시스템이 개시된다. 예를 들어, 도 1a, 도 2a 내지 도 2g, 도 3c, 도 3d, 도 4a, 도 4b, 및 도 7a가 본 발명과 일치하는 예시적인 LIDAR 시스템(100)을 예시한다. 일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 방출 유닛을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 레이저 방출 유닛으로부터 공통 스캐닝 유닛으로 전송시키도록 구성된 광학 시스템을 포함할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, LIDAR 시스템(100)은 레이저 방출 유닛(102)(예를 들어, 투영 유닛)을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 레이저 방출 유닛은 레이저 광원일 수 있는 하나 이상의 광원을 포함할 수 있다. 앞서 역시 논의된 바와 같이, 레이저 광원 중 하나 이상은, 예를 들어 레이저 광(204)의 하나 이상의 빔을 방출하도록 구성될 수 있는 하나 이상의 레이저 다이오드(202A)를 포함할 수 있다. 개시된 LIDAR 시스템(100)이 레이저 광의 두 개 이상의 빔을 방출하도록 구성된 레이저 방출 유닛(102)을 포함할 수 있다는 것이 고찰된다(예를 들어, 도 2b, 2C, 2E, 2F 등 참조). 일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템(100)은 레이저 어레이의 형태인 레이저 광원을 포함할 수 있고, 레이저 어레이는 두 개 이상의 레이저 방출기를 포함할 수 있다는 것이 고찰된다. 다양한 레이저 소스들이 채용될 수 있다. 예를 들어, 레이저 어레이와 연관된 레이저 소스는 860 nm - 950 nm의 파장을 가지는 펄스형 레이저를 포함할 수 있다. 다수의 레이저 소스가 레이저 어레이 내에 포함될 수 있고, 어레이는 1-D 패턴 또는 2-D 패턴으로 배치될 수 있다. 1-D 구성으로 배치된 레이저 소스는 다수의(예를 들어, 두 개 이상의) 레이저 소스를 포함하는 레이저 바 어레이를 포함할 수 있다.
도 8은 LIDAR 시스템(100)에 대한 예시적인 아키텍처의 고수준 블록도를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, LIDAR 시스템(100)은 파워 서플라이(810), 제어기(820), 광학 모듈(830), 레이저 어레이(840), 센서 어레이(850), 및 스캐너(860)를 포함할 수 있다. 도 8에 또한 도시된 바와 같이, 레이저 어레이(840)로부터의 광 빔(842)은 광을 FOV(870)로 지향시킬 수 있는 2-D 스캐너(860) 상에 입사할 수 있다. FOV(870)로부터 귀환하는 반사된 광 빔(844)은 2-D 스캐너(860)에서 수신될 수 있고, 이것은 반사된 광 빔(844)을 센서 어레이(850)로 지향시킬 수 있으며, 이것은 반사된 광 빔(844)을 검출하도록 구성될 수 있다. 제어기(820)는 비행 시간 계산을 수행하여 FOV(870) 내에 있는 다양한 대상물까지의 거리를 결정할 수 있고, 거리 값들의 포인트 클라우드가 FOV(870)의 각각의 스캔에 대해서 생성될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 공통 광학 컴포넌트(880)는 레이저 어레이(840)로부터 방출된 레이저 광(842)을 2-D 스캐너(860)로 그리고 FOV(870)를 향하여 송신하는 것과(870)로부터 2-D 스캐너(860)에서 수신된 반사된 광(842)을 센서 어레이(850)로 지향시키는 것 양자 모두를 하기 위해서 사용될 수 있다. 이러한 구성은 감소된 복잡성, 더 낮은 비용, 신뢰성, 및 성능의 관점에서 큰 장점을 제공할 수 있다. 추가적으로, 이러한 구성은 연속 검출기 어레이 및 레이저 어레이 스킴과 비교할 때 블루밍 아티팩트(blooming artifact)를 감소시킬 수 있는데, 그 이유는 레이저 빔들이 광학적으로 분리된되고, 검출기 상의 활성 영역들이 분리되기 때문이다.
일부 실시형태들에서, 레이저 방출 유닛은 복수 개의 레이저 방출기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2b, 도 2c, 및 도 2e에 도시된 바와 같이, 레이저 방출 유닛(102)은 레이저 광의 두 개 이상의 빔을 투영하도록 구성될 수 있는 복수 개의 레이저 방출기(112A-112F)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 레이저 방출 유닛은 복수 개의 레이저 방출기를 포함하는 단일 모놀리식 레이저 어레이를 포함할 수 있다. 일 예로서, 레이저 방출 유닛(102)은 단일 실리콘 웨이퍼 상에 제작된 복수 개의 레이저 방출기(예를 들어, 112A-112F)를 포함할 수 있다. 따라서, 레이저 방출 유닛은 모놀리식 레이저 어레이의 형태일 수 있다. 모놀리식 레이저 어레이라는 용어는 단일(예를 들어, 모놀리식) 실리콘 웨이퍼 상에 제작된 레이저 광원의 어레이를 가리킨다. 레이저 광원이 단일 실리콘 웨이퍼 상에 제작되기 때문에, 모놀리식 레이저 어레이 상의 레이저 광원들이 서로 양호하게 정렬될 수 있다. 도 9a는 복수 개의 레이저 방출기(예를 들어, 912, 914, 916 등)를 가지는 모놀리식 레이저 어레이(900)의 일 예를 예시한다. 일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이는 1-차원 레이저 어레이를 포함한다. 일 예로서, 도 9a에 도시된 바와 같이, 레이저 어레이(900)는 단일 열 내에 배치된 활성 구역(912, 914, 916 등)을 포함하는 1-차원 레이저 어레이(예를 들어, 레이저 방출기)일 수 있다. 그러나, 일부 실시형태들에서는, 레이저 어레이(900)가 서로 분리되고 2-차원 매트릭스로 배열된 활성 구역을 포함하는 2-차원 레이저 어레이일 수도 있다는 것이 고찰된다. 일부 실시형태들에서, 복수 개의 레이저 방출기는 에지 방출기일 수 있다. 예를 들어, 레이저 어레이(900) 내의 레이저 방출기(912, 914, 916 등) 중 하나 이상은 에지 방출기 레이저를 포함할 수 있다. 그러나, 레이저 방출기(912, 914, 916 등) 중 하나 이상은 다른 타입의 레이저 방출기(예를 들어, 수직-캐비티 면발광 레이저(VCSEL)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 복수 개의 레이저 빔 각각은 860 nm 내지 950 nm의 파장을 가지는 펄스형 레이저 빔일 수 있다. 예를 들어, 위에서 논의된 바와 같이, 레이저 방출기(912, 914, 916 등) 중 하나 이상은 860 nm - 950 nm의 파장을 가지는 펄스형 레이저를 방출하도록 구성된 펄스형 레이저 방출기일 수 있다. 또한, 일부 실시형태들에서, 하나 이상의 레이저 방출기(912, 914, 916 등)는 1300 nm - 1600 nm의 파장을 가지는 레이저 광을 방출하도록 구성될 수 있다는 것이 고찰된다.
일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이는 복수 개의 레이저 방출기에 대응하는 복수 개의 활성 구역 및 복수 개의 비활성 구역을 포함할 수 있고, 복수 개의 레이저 방출기는 복수 개의 비활성 구역 중 하나 이상에 의하여 서로 이격된다. 모놀리식 레이저 어레이는 비활성 구역(예를 들어, 비-레이저 방출 비활성 구역)에 의하여 서로 분리된 복수 개의 활성 구역(예를 들어, 레이저 발광 구역 또는 레이저 방출기)을 포함할 수 있다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 예를 들어 레이저 어레이(900)는 복수 개(예를 들어, 8 개)의 레이저 발광 구역 또는 레이저 방출기(912, 914, 916, 918, 920, 922, 924, 및 926)를 포함할 수 있다. 레이저 어레이(900)는 복수 개의 비활성 구역(예를 들어, 비-레이저 방출 구역)(901-909)을 더 포함할 수 있다. 인접한 활성 구역들이 하나 이상의 비활성 구역에 의하여 분리될 수 있다는 것이 고찰된다. 예를 들어, 도 9a에 도시된 바와 같이, 활성 구역(914 및 916)은 비활성 구역(902)에 의하여 분리될 수 있다. 이와 유사하게, 활성 구역(920 및 922)은 비활성 구역(905)에 의하여 분리될 수 있다. 두 개 이상의 비활성 구역이 활성 구역들 사이에 배치될 수 있다는 것이 고찰된다. 예를 들어, 도 9a에 도시된 바와 같이, 활성 구역(922 및 924)은 비활성 구역(906, 907)에 의하여 분리될 수 있다. 각각의 활성 구역은 하나의 채널에 대응할 수 있다. 따라서, 예를 들어 도 9a는 8 개의 채널을 가지는 레이저 어레이(900)를 도시한다. 레이저 어레이(900)가 임의의 개수의 채널을 가질 수 있다는 것이 고찰된다.
일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이는 4 개의 활성 레이저 채널을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이는 8 개의 활성 레이저 채널을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이는 16 개의 활성 레이저 채널을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이는 32 개의 활성 레이저 채널을 포함할 수 있다. 예를 들어, 레이저 어레이는 1-D 어레이로 배열된 16 개의 레이저 소스를 포함할 수 있고, 각각의 레이저 소스는 약 905 nm의 파장을 가진다. 레이저 소스로부터 방출된 광은 광로와 연관된, 예를 들어 렌즈, 시준기 등을 포함하는 다양한 광학 컴포넌트를 통해서 이동할 수 있다. 도 9b는 16 개 또는 32 개의 활성 구역(956)을 포함할 수 있는 예시적인 모놀리식 레이저 어레이(950)를 도시한다. 예를 들어, 도 9b에 도시된 바와 같이, 모놀리식 레이저 어레이(950)는 활성 레이저 방출 구역(956)(예를 들어, n1-n32)을, 하나 이상의 비-레이저 방출 비활성 구역(958)(예를 들어, m1-m31)에 의해 분리된 활성 레이저 방출 구역(956)의 인접한 쌍과 함께 포함할 수 있다. 도 9b의 예는 16 개의 레이저 채널(또는 해당 어레이 내의 16 개의 레이저 광원)을 포함한다. 다른 개수의 레이저 소스가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시형태는 4 개, 8 개, 32 개, 64 개의 레이저 소스, 또는 임의의 다른 소망되는 개수의 레이저 소스를 포함할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 복수 개의 레이저 방출기는 다수의 모놀리식 레이저 어레이를 포함할 수 있다. 일 예로서, 32 개의 활성 구역을 가지는 단일 레이저 어레이를 제작하는 대신에, 각각의 16 개의 활성 구역을 가지는 두 개의 모놀리식 레이저 어레이를 제작하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 도 9b에 도시된 바와 같이, 레이저 어레이(950)는 모놀리식 레이저 어레이(960 및 962)를 포함할 수 있다. 레이저 어레이(960)는 비활성 구역(958)(예를 들어, m1-m15)에 의해 분리된 활성 구역(예를 들어, 레이저 방출기)(956)(예를 들어, n1-n16)을 포함할 수 있다. 유사하게, 레이저 어레이(962)는 비활성 구역(958)(예를 들어, m16-m31)에 의해 분리된 활성 구역(예를 들어, 레이저 방출기)(956)(예를 들어, n17-n32)을 포함할 수 있다. 도 9b에 또한 도시된 바와 같이, 모놀리식 레이저 어레이(960 및 962) 양자 모두는 동일한 웨이퍼 상에 제작될 수 있다. 대안적으로, 모놀리식 레이저 어레이(960 및 962)는 상이한 웨이퍼 상에 또는 동일한 웨이퍼의 상이한 부분 상에 제작될 수 있다. 레이저 어레이(960 및 962)는 웨이퍼로부터 다이싱된 후에 서로 인접하게 조립되어 단일 1D 레이저 어레이(950)를 형성할 수 있다. 레이저 어레이(960 및 962)는 적절한 제작 또는 어셈블리 프로세스(예를 들어, 결합)를 통하여 조립되어 레이저 어레이(960 및 962)를 정밀하게 정렬시킬 수 있다.
또한, 레이저 광원은 1-D 어레이 내에 다양한 구성으로 배치될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이 내에서의 활성 구역-비활성 구역 비는 1:1일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태들에서, 1-D 레이저 어레이는 레이저 채널들 사이의 활성 레이저 채널-비활성 틈새 공간의 1:1 비로 동작하도록 구성될 수 있다. 이것은 여러 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 인접한 레이저 소스들의 각각의 쌍이 각각의 레이저 소스와 같은 크기의 틈새 비활성 공간에 의해서 분리될 수 있도록, 16 개의 레이저 채널이 1-D 어레이(1000) 내에 배치될 수 있다. 결과적으로, 도 10a에 도시된 바와 같이, 1-D 어레이는 어레이 내의 하나의 틈새 비활성 공간(1020)에 인접한 하나의 레이저 소스(1010)의 교번하고 반복되는 시퀀스를 포함할 수 있다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 레이저 소스(1010) 및 틈새 비활성 구역(1012)은 유사하게 크기가 결정될 수 있다(예를 들어, 약 0.01 mm x 0.1 mm, 또는 0.001 mm x 0.1 mm). 레이저 빔이 방출된 후에, 각각의 빔은 하나 이상의 시준기(1112)에 의해서 시준될 수 있다. 빔이 시준되면, 원거리장 내에서의 그것의 스폿 크기가 각도 크기로서 표현될 수 있다. 따라서, 예를 들어 도 10a에 도시된 바와 같이, 도 10a의 레이저 어레이(1000)로부터 방출된 빔은 시준된 이후에 0.1° 의 각도 폭을 가질 수 있고, 인접한 시준된 빔들 사이의 간극은 0.2°일 수 있다. 각도 빔 스폿 크기의 비한정적인 예는, 예를 들어 0.07 도 x 0.11 도, 0.1 x 0.05, 또는 0.1 x 0.1 도, 또는 0.1 x 0.2 도, 또는 0.1 x 0.4 도이다. 비록 레이저 어레이(1000)가 16 개의 이러한 유닛을 포함하지만, 다른 1:1 비율 어레이 구성도 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 10b에 도시된 바와 같이, 여덟 개의 활성 레이저 채널(1020)이 여덟 개의 유사하게 또는 상이하게 크기가 결정된 비활성 공간(1022)에 의해서 인터리빙될 수 있다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 레이저 소스(1020) 및 틈새 비활성 구역(1022)은 유사하게 크기가 결정될 수 있다(예를 들어, 0.01 mm x 0.2 mm). 도 10c에 도시된 바와 같이, 다른 예를 이용하면 네 개의 활성 레이저 채널(1030)이 네 개의 유사하게 또는 상이하게 크기가 결정된 비활성 공간(1032)에 의해서 인터리빙될 수 있다. 도 10c에 도시된 바와 같이, 레이저 소스(1030) 및 틈새 비활성 구역(1032)은 유사하게 크기가 결정될 수 있다(예를 들어, 0.01 mm x 0.4 mm). 각각의 경우에, 레이저 소스의 파워는 소망되는 총 파워를 제공하도록 선택될 수 있다. 일 예에서, 16-채널 어레이는 16 개의 30W 레이저 소스를 포함할 수 있고, 8-채널 어레이는 여덟 개의 60W 레이저 소스를 포함할 수 있으며, 4-레이저 소스 어레이는 네 개의 120W 레이저 소스를 포함할 수 있고, 이들 모두는 480W의 총 최대 파워를 제공한다. 방출기는 임의의 적절한 파워 레벨(예를 들어, 20 W 내지 200 W)을 가질 수 있다.
일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이 내의 활성 구역 폭-비활성 구역 폭 비는 1:2일 수 있다. 도 10a 내지 도 10c에 표현된 바와 같이, 1:1 어레이에 추가하여 1:2 비율 어레이도 역시 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 10d 내지 도 10f에 표현된 바와 같이, 전술된 예시적인 어레이 각각은 각각의 레이저 소스의 폭의 두 배인 틈새 비활성 공간을 포함할 수 있다. 따라서, 16-채널, 8-채널, 및 4-채널 어레이 예들 각각에서, 레이저 소스의 각각의 쌍은 레이저 소스 중 하나의 폭의 두 배인 비활성 공간에 의해서 분리될 수 있다. 따라서, 예를 들어 도 10d에 도시된 바와 같이, 각각의 레이저 소스(1040)는 0.05 mm의 폭을 가질 수 있는 반면에, 각각의 비활성 공간(1042)은 약 0.1 mm(예를 들어 110 마이크론)의 폭을 가질 수 있다. 다른 예로서, 도 10e에 도시된 바와 같이, 각각의 레이저 소스(1050)는 0.1 mm의 폭을 가질 수 있는 반면에, 각각의 비활성 공간(1052)은 약 0.2 mm의 폭을 가질 수 있다. 이와 유사하게, 도 10f에 도시된 바와 같이, 각각의 레이저 소스(1060)는 0.2 mm의 폭을 가질 수 있는 반면에, 각각의 비활성 공간(1062)은 약 0.4 mm의 폭을 가질 수 있다. 레이저 소스 및 비활성 공간의 다른 비율들도 역시 고찰된다. 일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이 내에서의 활성 구역-비활성 구역 비는 1:3일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이 내에서의 활성 구역-비활성 구역 비는 1:5일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이 내에서의 활성 구역-비활성 구역 비는 1:1 내지 1:10의 범위 내에 있을 수 있다. 도 10g는 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비가 1:5인 일 예를 예시한다. 이러한 예에서, 각각의 활성 레이저 소스는 레이저 소스 중 하나의 폭의 다섯 배와 같은 폭을 가지는 비활성 공간에 의하여 분리된다. 예를 들어, 도 10g에 도시된 바와 같이, 각각의 레이저 소스(1070)는 약 0.1 mm의 폭을 가질 수 있는 반면에, 각각의 비활성 공간(1072)은 약 0.5 mm의 폭을 가질 수 있다.
일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이 내의 비활성 구역 중 두 개 이상은 서로 다른 치수를 가질 수 있다. 비록 레이저 어레이의 비활성 및 활성 구역 양자 모두가 동일한 크기를 가지는 것으로 전술되었지만, 레이저 어레이 내의 상이한 활성 구역들이 상이한 크기일 수 있다고 고찰된다. 따라서, 예를 들어 도 9b에 도시된 바와 같이, 레이저 어레이(950)의 비활성 구역 m1은 레이저 어레이(950)의 비활성 구역 m2의 폭 w2와 다를 수 있는 폭 w1을 가질 수 있다. 다른 예로서, 도 9b에 도시된 바와 같이, 레이저 어레이(950)의 활성 구역 n16은 레이저 어레이(950)의 활성 구역 n31의 폭 w4와 다를 수 있는 폭 w3를 가질 수 있다.
일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이의 전체 길이(L1)는 0.5 mm 내지 20 mm일 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에서, 모놀리식 레이저 어레이(900)의 전체 길이는 1 mm 내지 6 mm의 범위를 가질 수 있지만, 다른 길이도 역시 고찰된다.
일 예로서, 도 9a에 도시된 바와 같이, 모놀리식 레이저 어레이(900)의 전체 길이는 L1일 수 있다. 모놀리식 레이저 어레이의 전체 길이는, 예를 들어 실리콘 웨이퍼의 크기, 모놀리식 레이저 어레이로부터 소망되는 레이저 광의 빔의 개수, 및/또는 레이저 광 투영 시스템의 크기와 같은 다른 크기 고려 사항에 기반하여 결정될 수 있다. 모놀리식 레이저 어레이의 전체 길이(L1)가 수 십 mm 내지 수 백 mm의 범위를 가질 수 있다는 것이 고찰된다. 예시적인 일 실시형태에서, 모놀리식 레이저 어레이(900)의 전체 길이는 0.5 mm 내지 20 mm의 범위를 가질 수 있다.
레이저 어레이 내의 활성 레이저 소스-비활성 틈새 공간의 비는 임의의 적절한 방법으로 획득될 수 있다. 일부 경우에, 각각의 레이저 소스는 비활성 재료(예를 들어, 임의의 비-레이저 방출 재료)에 의해서 이격될 수 있다. 그러나, 다른 예에서는 비율이 소망되는 간극 비율을 제공하도록 하는 방식으로 전자적으로 제어되는(예를 들어, 특정 애플리케이션, 특정 감지 상황, 안구 안전성 요구 사항 등을 만족시키기 위하여) 근접하게 패킹된 레이저 소스의 어레이를 사용함으로써 획득될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 레이저 방출기는 복수 개의 레이저 방출기 각각에 공급된 공통 트리거 신호에 의해 활성화되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 레이저 어레이(900)의 각각의 활성 구역은 트리거 신호에 노출되면 레이저 광을 방출하게 될 수 있다. 단일 트리거 신호가 각각의 활성 구역(예를 들어, 912-926, 956, 1020, 1030, 1040, 1050 등)에 공급되어 활성 구역 각각이 레이저 광을 동시에 방출하게 할 수 있다는 것이 고찰된다. 예를 들어, 단일 전압 펄스가 레이저 어레이(900 또는 1000)의 복수 개의 활성 구역에 공급될 수 있다는 것이 고찰된다. 전압 펄스를 수신한 이후에, 전압 펄스를 수신하는 각각의 활성 구역(예를 들어, 912-926, 956, 1020, 1030, 1040, 1050 등)이 레이저 광의 펄스를 동시에 방출할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 레이저 방출 유닛은 복수 개의 레이저 방출기를 포함할 수 있고, 복수 개의 레이저 방출기들 각각은 개별적으로 그리고 별개로 활성화될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 레이저 방출 유닛(102)은 하나 이상의 레이저 방출기(112A-112F)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 레이저 방출 유닛(102)은 복수 개의 활성 구역 또는 레이저 방출기(예를 들어, 912-926, 956, 1020, 1030, 1040, 1050 등)를 각각 포함할 수 있는 레이저 어레이(900 및/또는 1000) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 앞서 역시 논의된 바와 같이, 활성 구역 각각은 트리거 신호, 예를 들어 전압 펄스를 수신하면 레이저 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 따라서, 레이저 방출 활성 구역(예를 들어, 912-926, 956, 1020, 1030, 1040, 1050 등) 각각은 전압 펄스를 활성 구역(예를 들어, 912-926, 956, 1020, 1030, 1040, 1050 등) 각각에 개별적으로 또는 별개로 공급함으로써 개별적으로 및/또는 별개로 활성화될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 레이저 방출 유닛은 복수 개의 레이저 방출기를 포함할 수 있고, 복수 개의 레이저 방출기 중 하나 이상의 레이저 방출기들의 서브-그룹은, 복수 개의 레이저 방출기의 나머지를 활성화시키지 않고 활성화될 수 있다. 예를 들어, 레이저 어레이는, 예를 들어 다양한 비율 모드에서 작동될 수 있는 32 개의 활성 레이저 채널을 포함할 수 있다. 따라서, 모든 다른 채널(16 개의 채널)을 함께 활성화하면서 16 개의 레이저 소스를 비활성 상태로 인터리빙함으로써, 32 채널 레이저 어레이가 1:1 활성-비활성 공간 구성에서 작동될 수 있다. 하나의 동작 모드에서, 전압 펄스는 16 개의 채널 중 오직 하나의 세트에만 제공될 수 있는 반면에, 남은 16 개의 채널에는 전압 펄스가 제공되지 않을 수 있다. 이러한 경우에, 전압 펄스를 수신하는 16 개의 레이저 소스의 제 1 세트는 레이저 광을 방출할 수 있는 반면에, 전압 펄스를 수신하지 않는 16 개의 레이저 소스의 제 2 세트는 비활성 상태로 유지될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 복수 개의 레이저 방출기는 랜덤 방출 타이밍 프로토콜에 따라서 활성화될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 하나 이상의 레이저 방출기(예를 들어, 912-926, 956, 1020, 1030, 1040, 1050 등)는 전압 펄스와 같은 트리거 신호를 수신한 이후에 레이저 광 펄스를 방출하도록 구성될 수 있다. 전압 펄스가 레이저 방출기(예를 들어, 912-926, 956, 1020, 1030, 1040, 1050 등) 중 하나 이상에 전달되는 시간을 제어함으로써, 레이저 펄스가 하나 이상의 레이저 방출기(예를 들어, 912-926, 956, 1020, 1030, 1040, 1050 등)로부터 방출되는 시간을 제어하는 것도 역시 가능할 수 있다. 따라서, 예를 들어 다른 모드에서는, 32 채널 레이저 어레이 내의 16 개의 인터리빙 채널의 두 개의 그룹이 1:1 비율 구성으로 교번하여 활성화될 수 있다. 예를 들어, 16 개의 채널의 제 1 세트가 시간 t1에서 활성화될 수 있다. 소정 시간 기간 이후에, 16 개의 채널의 제 2 세트가 시간 t2에서 활성화될 수 있다. 교번은 레이저 소스의 펄스 주파수에서 또는 펄스 주파수의 임의의 배수에서(또는 임의의 다른 타이밍 패턴에 따라서) 일어날 수 있다.
일부 실시형태들에서, 복수 개의 레이저 방출기는 시야에 대한 상기 어레이의 위치에 따라 선택적으로 활성화될 수 있다. 예를 들어, 만일 스캐너의 특정한 배향에서 복수 개의 레이저 방출기의 제 1 서브세트가 FOV 밖으로 지향되는 반면에, 복수 개의 레이저 방출기의 제 2 서브세트가 FOV 안에 들어간다면, 제 1 서브세트는 방출을 중단하도록 제어될 수 있는 반면에 제 2 서브세트는 계속해서 활성화될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 복수 개의 레이저 방출기는 복수 개의 레이저 방출기 중 두 개 이상이 서로 다른 펄스 레이트를 가지도록 활성화될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 전압 펄스가 레이저 방출기(예를 들어, 912-926, 956, 1020, 1030, 1040, 1050 등) 중 하나 이상에 전달되는 타이밍을 제어함으로써, 레이저 펄스가 하나 이상의 레이저 방출기(예를 들어, 912-926)로부터 방출되는 타이밍을 제어하는 것도 가능할 수 있다. 따라서, 예를 들어 전압 펄스를 상이한 펄스 레이트에서 레이저 방출기(예를 들어, 912-926, 956, 1020, 1030, 1040, 1050 등) 중 선택된 것으로 전달함으로써, 레이저 광이 선택된 방출기로부터 방출되는 레이트도 역시 달라질 수 있다.
일부 실시형태들에서, 복수 개의 레이저 방출기는 복수 개의 레이저 방출기 중 두 개 이상이 서로 다른 세기 레벨을 가지도록 활성화될 수 있다. 레이저 방출기(예를 들어, 912-926, 956, 1020, 1030, 1040, 1050 등) 각각으로부터 방출된 레이저 광의 세기는 레이저 방출기(예를 들어, 912-926, 956, 1020, 1030, 1040, 1050 등) 각각에 전달된 트리거 신호 또는 전압 펄스의 전압 레벨에 의존할 수 있다. 따라서, 예를 들어 상이한 전압 레벨을 가지는 트리거 신호 또는 전압 펄스를 상이한 레이저 방출기(예를 들어, 912-926)에 제공함으로써, 상이한 레이저 방출기가 상이한 세기의 레이저 광 펄스를 방출하도록 활성화될 수 있다.
1:1이 아닌 비활성에 대한 활성의 비를 획득하기 위해서 유사한 동작이 채택될 수 있다. 예를 들어, 1:2 비율을 제공하기 위하여, 8 개의 활성 레이저 소스의 세트 각각은 2 개의 비활성 레이저 소스에 의해서 서로 이격될 수 있다. 하나의 동작 모드에서, 비활성 레이저 소스는 비활성 상태를 유지될 수 있는 반면에, 레이저 광 펄스는 여덟 개의 활성 소스로부터 방출된다. 다른 경우에는, 임의의 바람직한 타이밍 패턴(예를 들어, 교번하는 펄스, 다수의 펄스 등) 상의 여덟 개의(또는 다른 개수의) 활성 레이저의 세트가 24 개의 총 레이저 소스의 세트 사이에서 변경될 수 있다(활성 레이저들 사이에 두 개의 비활성 레이저가 있는 간극을 유지하면서). 유사한 동작 스킴이 1:5 비율 어레이 내에 또는 임의의 다른 소망되는 비율로 동작되는 어레이들과 함께 채택될 수 있다.
또한, 특정 레이저 어레이가 상이한 시간에 상이한 비활성에 대한 활성의 비로 작동될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 예를 들어, FOV 또는 FOV의 하위-구역의 하나의 스캔 도중에, 어레이는 1:1 비율로 작동될 수 있다. FOV 또는 FOV의 다른 하위-구역의 다른 스캔 도중에, 상이한 비율(예를 들어, 1:2; 1:4; 1:5 등)이 사용될 수 있다. 더 나아가, 특정 클록 사이클 도중에 활성화되도록 선택된 레이저 소스는 소망되는 비활성에 대한 활성의 비를 유지하면서 미리 결정될 수 있거나 무작위화될 수 있다.
사용되는 비활성에 대한 활성의 비를 결정하기 위하여 다양한 조건이 사용될 수 있다. 일부 경우에, 이러한 비는 고정되도록 유지될 수 있다. 그러나, 다른 경우에는 선택된 비율이 검출 이벤트에 기반하여 트리거링될 수 있다. 예를 들어, 보행자의 검출은 활성 공간에 대한 비활성 공간의 더 높은 비가 선택되는 것을 보장하여, 예를 들어 안구 안전성의 마진을 증가시킬 수 있다. 소망되는 간극 비율을 선택하기 위해서 다양한 다른 이벤트 트리거가 사용될 수도 있다.
언급된 바와 같이, 많은 상이한 레이저 어레이 구성이 특정 애플리케이션의 요구 사항에 따라서 사용될 수 있다. 다시 도 10d 내지 도 10f를 참조하면, 특정 레이저 소스 어레이는 채널들의 많은 다른 가능한 개수 중에서 16 개, 8 개, 또는 4 개의 채널을 포함할 수 있다. 이러한 채널은 고정된 레이저 어레이의 일부로서 구성될 수 있고, 여기에서 각각의 레이저 소스(예를 들어, 1040, 1050, 1060)는 소정 각도 거리만큼 이격된 빔들을 생성하기 위해서 자신의 이웃하는 레이저 소스로부터 소망되는 거리에 위치될 수 있다. 안구 안전 구성을 위하여, 예를 들어 이러한 각도 거리는 적어도 약 5.2 mrad일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 레이저 소스(예를 들어, 예를 들어 1040, 1050, 1060, 각각) 사이의 비활성 공간(예를 들어, 1042, 1052, 1062)은 임의의 비-발광 재료를 포함할 수 있다. 그러나, 다른 경우에는, 레이저 어레이(1000)는 레이저 어레이 내의 각각의 레이저 소스 사이에 비-발광 재료가 거의 없거나 전혀 없이 근접하게 이격된 레이저 소스로 구성될 수 있다. 이러한 실시형태는 상당한 유연성 레벨을 제공할 수 있는데, 그 이유는 레이저 어레이의 소스가 특정 애플리케이션의 요구 사항에 따라서 선택적으로 동작될 수 있기 때문이다.
일부 실시형태들에서, 예를 들어 도 10d 내지 도 10f에서는, 특정 레이저 어레이가 48 개의 근접하게 이격된 레이저 소스(또는 임의의 개수의 레이저 소스)를 포함할 수 있다. 도시된 특정 예에서, 각각의 레이저 소스는 시준된 이후에 0.1 도 x 0.05 도의 각도 치수를 가지는 빔을 생성할 수 있다. 일부 경우에, 모든 레이저 소스는 동시에 활성화될 수 있다. 다른 경우에는, 모든 다른 레이저 소스는 조명 이벤트(예를 들어, 어레이들 중에서 선택된 레이저 소스들로부터의 단일 클록-타이밍(clock-timed) 펄스) 도중에 작동될 수 있다. 근접하게 이격된 레이저 어레이 내의 모든 다른 레이저 소스의 동작은 비활성에 대한 활성 공간의 1:1 비를 제공할 것이다. 유사하게, 모든 제 3 레이저 소스는 비활성에 대한 활성 공간의 1:3 비를 제공하기 위해서(도 10g의 가장 왼쪽에 표시된 예에 도시된 바와 같음), 조명 이벤트 도중에 작동될 수 있다. 각각의 근접하게 이격된 레이저 소스가 0.1 도 x 0.05 도의 각도 치수를 가지는 빔 스폿을 생성할 수 있는 이러한 특정 예에서, 세 번째 레이저 소스들을 작동시키면 활성 레이저 소스들 사이에 약 0.15 도(또는 약 2.6 mrad)의 간극이 초래할 수 있다.
다른 예에서, 도 10e에 도시된 바와 같이, 레이저 어레이(1000)는 전술된 바와 같은 동일한 레이저 소스 어레이(즉, 0.1 도 x 0.05 도의 각도 치수를 각각 가지는 48 개의 근접하게 이격된 레이저의 어레이)를 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 여섯 개의 각각의 그룹 내의 처음 두 개의 레이저(예를 들어, 레이저 1, 2, 7, 8, 13, 14 등)를 함께 조명하고 잔여 레이저를 비활성 상태로 남김으로써 비활성 공간에 대한 활성 공간의 1:2 비가 달성될 수 있다. 이러한 경우에, 두 개의 조명된 레이저의 각각의 그룹은 0.1 도 x 0.1 도의 총 각도 치수를 가질 수 있고, 및 활성 레이저 그룹들 사이의 간극은 0.3 도이거나 약 5.23 mrad일 수 있다(이것은 방출 레벨을 감소시키거나 안구 안전성에 대한 특정 표준을 만족시킬 수 있음).
도 10f에서, 12 개의 각각의 그룹 내의 처음 네 개의 레이저(예를 들어, 레이저 1, 2, 3, 4, 13, 14, 15, 16 등)를 함께 조명하고 잔여 레이저를 비활성 상태로 남김으로써 비활성에 대한 활성 공간의 1:2 비가 달성될 수 있다. 이러한 경우에, 네 개의 조명된 레이저의 각각의 그룹은 0.1 도 x 0.2 도의 총 각도 치수를 가질 수 있고, 활성 레이저 그룹들 사이의 간극은 0.4 도이거나 약 7 mrad일 수 있다(이것은 안구 안전성에 대한 특정 표준을 만족시킬 수 있음).
복수 개의 레이저 빔 각각은, 0.002 도 내지 0.2 도의 각도 폭을 가지고 0.02 도 내지 0.2 도의 각도 길이를 가지는 기다란 스폿을 생성한다. 예를 들어, 레이저 어레이로부터 방출된 레이저 빔이 시야 내의 대상물 상에 입사하면, 빔은 레이저 광의 스폿을 대상물 상에 생성할 수 있다. 방출된 빔(스폿)의 형상은 대칭적이거나 하나의 축으로 길쭉할 수 있다. 길쭉하면 일부 경우에 안구 안전성을 향상시킬 수 있다. 도 10h는, 예를 들어 레이저 어레이(900)로부터 방출된 레이저 빔에 의해 생성된 스폿의 예시적인 확대된 이미지를 도시한다. 도 10h에 도시된 바와 같이, 스폿은 0.04 도 내지 0.08 도의 각도 폭 및 0.09 도 내지 0.15 도의 각도 길이를 가질 수 있다. 안구 안전성을 더 촉진하기 위하여, 레이저 어레이(예를 들어, 950, 1000) 내의 활성-비활성 간극의 비는 활성 레이저 빔들 사이의 최소 각도 간극을 보존하도록 선택될 수 있다. 최소 간극은, 예를 들어 정부 또는 안전성 표준 조직에 의해서 결정될 수 있다. 일부 경우에, 빔들 사이의 최소 각도 간극은 5 mrad이거나 약 0.29 도일 수 있다.
일부 실시형태들에서, 레이저 방출 유닛은, 일차 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 방출기; 및 일차 레이저 빔을 복수 개의 레이저 빔을 제공하는 복수 개의 서브-빔으로 분할하도록 구성된 빔 스플리터를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 광학 시스템은 빔 스플리터를 포함할 수 있다. 비록 다수의 레이저 빔을 생성할 수 있는 레이저 어레이가 전술되었지만, 일부 실시형태들에서는 LIDAR 시스템(100)의 레이저 방출 유닛(102)이 일차 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 방출기(112), 및 일차 레이저 빔을 소망되는 복수 개의 레이저 빔을 제공할 수 있는 두 개 이상의 서브-빔으로 분할하도록 구성된 빔 스플리터를 포함할 수 있다는 것도 역시 고찰된다. 빔 스플리터가 하나 이상의 프리즘, 부분적으로 은면처리된(silvered) 미러, 이색성 광학 코팅 등을 포함할 수 있다는 것이 고찰된다.
도 14a는 초기 레이저 빔에 대해서 45 도 각도로 배치된 복수 개의 적층되고 코팅된 유리 플레이트를 포함할 수 있는 예시적인 빔 스플리터(1440)를 도시한다. 절삭, 코팅, 및 그 후의 접착(gluing)으로 이루어지는 통상적인 제작 기법이 아니라, 도 14a의 빔 스플리터(1440)는 개별적인 유리 플레이트(1410)를 코팅하여 소망되는 반사도를 제공함으로써 제작될 수 있다. 코팅된 플레이트(1420)는 적층되고 결합되어 결합된 플레이트들의 스택(1430)이 될 수 있다. 그러면, 스택(1430)이 절삭되어 개별적인 빔 스플리터(1440) 내로 들어갈 수 있다. N-분할기를 생성하기 위한 단계는: 1) N - 1 개의 평평한 유리 플레이트(1410)를 가지고 시작하는 것; 2) 코팅된 플레이트를 제조하기 위하여 소망되는 반사도를 위해서 각각의 플레이트의 일측(1420)을 코팅하는 것; 3) 마지막 플레이트의 후면을 약 100%의 반사성 코팅으로 코팅하는 것; 4) 모든 플레이트를 서로 적층하여 스택(1430)을 만들고 이들을 비-굴절성 접착제로 접착하는 것; 및 5) 플레이트들을 세 개의 차원(도 14a에 도시된 바와 같은 쇄선)에서 절삭하여 개별적인 빔 스플리터(1440)를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
현재 개시된 실시형태들과 함께 사용될 수 있는 다른 타입의 빔 스플리터는 도 14b에 도시된 바와 같이 유전체-코팅 부분 반사성 틸트 미러가 있는 몰딩된 배럴(barrel)을 포함한다. 이러한 실시형태에서, 레이저 빔은 부분 반사성 미러를 통해서 투과될 때에 분할될 수 있고, 이러한 미러들이 나란히 배열된다면, 입사 레이저 빔은 여러 번 분할될 수 있다. 파워 비는 각각의 미러의 부분 반사도 인자에 의해서 결정될 수 있고, 적응된 AR 코팅을 사용하여 제어될 수 있다. 이러한 구성은 틸트된 미러를 위한 소켓이 있는 반-개방 몰딩된 배럴을 포함할 수 있다. 각각의 미러는 윈도우형일 수 있고, 이것은 더 큰 코팅된 유리 플레이트로부터 절단될 수 있다. 이러한 빔 스플리터를 제작하기 위한 생산 단계들은: 1) N 개의 박형 유리 플레이트(1440)를 가지고 시작하는 것; 2) 소망되는 반사도를 위해서 각각의 플레이트의 일측을 유전체-코팅하고, 및 AR의 타측을 약 0.5% 반사성 코팅으로 코팅하는 것; 3) 미러들을 각각의 플레이트로부터의 작은 윈도우형 조각(1450)으로서 절단하는 것; 4) 배럴(1460)을 몰딩하는 것; 및 5) 미러(1450)를 몰딩된 배럴(1460)에 결합하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시형태들에서는, 파워 미터가 설명된 멀티-빔 스플리터 내에 통합될 수 있다. 예를 들어, 분할기의 하나의 포트는 레이저의 파워를 모니터링하기 위하여 사용될 수 있다. 입사 레이저 빔을 N 개의 서브-빔으로 분할하도록 구성된 멀티-포트 분할기에서 분할기는 N+1 개의 포트를 포함할 수 있는데, 하나의 포트는 레이저의 파워를 모니터링하고, 임의의 이상(irregularity)을 검출하는 등을 수행하기 위해서 사용될 수 있다. 도 14c에 도시된 바와 같이, 파워를 모니터링하기 위한 검출기(1470)(PD)는 레이저 방출기와 함께 축 상에 위치될 수 있거나(투과된 광을 검출하기 위하여), 또는 대안적으로 빔 스플리터로부터 반사된 광을 검출하기 위해서 상이한 각도로 배향될 수 있다.
일 실시형태에서, 입사 레이저 빔은 네 개의 동일한 서브-빔으로 분할될 수 있고, 제 5 포트는 레이저 파워를 모니터링하기 위해 사용될 수 있는 등이 성립한다. 그러나, 파워를 모니터링하기 위하여 필요한 빔은 분할된 서브-빔들과 유사한 세기를 가질 필요가 없다. 예를 들어, 일 실시형태에서는, 분할 이후의 잔차 빔이 입사 레이저 빔 파워/세기의 약 2% 를 나타낼 수 있고, 잔차 빔은 레이저 모니터링을 위해서 사용될 수 있다. 이러한 예는 다음 표 1에 표시된 바와 같이 네 개의 인터페이스에서의 반사 및 투과 비율을 가지는 코팅을 사용하여 제공될 수 있다.
반사 투과
0.245 0.755
0.3245 0.6755
0.4804 0.5196
0.9245 0.0755
일부 실시형태들에서, 빔 스플리터는 복수 개의 레이저 빔 각각을 투과시키고, LIDAR 시스템의 시야로부터 수신된 복수 개의 반사된 빔을 재지향시키도록 구성될 수 있다. 도 11a는 빔 스플리터(1110)를 포함하는 예시적인 LIDAR 시스템(100)을 도시한다. 도 11a에 도시된 바와 같이, LIDAR 시스템(100)은 레이저 광의 하나 이상의 빔(예를 들어, 1102, 1104, 1106, 1108)을 방출하도록 구성된 모놀리식 레이저 어레이(950)를 포함할 수 있다. 레이저 광의 하나 이상의 빔은 빔(1102, 1104, 1106 및/또는 1108)이 빔 스플리터(1110) 상에 입사하기 이전에 하나 이상의 시준기(1112)에 의해서 시준될 수 있다. 빔 스플리터(1110)는 레이저 광 빔(1102, 1104, 1106 및/또는 1108)이 통과하고 편향기(1121, 1123) 상에 입사하도록 허용할 수 있는데, 편향기는 레이저 광 빔(1102, 1104, 1106 및/또는 1108)을 FOV(1170)를 향해서 지향시키도록 구성될 수 있다. 비록 두 개의 편향기(1121, 1123)만이 도 11a에 예시되었지만, LIDAR 시스템(100)이 광 빔(1102, 1104, 1106 및/또는 1108) 중 하나 이상을 FOV(1170)를 향해서 지향시키도록 구성된 세 개 이상의 편향기(1121, 1123)를 포함할 수 있다는 것이 고찰된다. FOV(170) 내의 하나 이상의 대상물은 광 빔(1102, 1104, 1106 및/또는 1108) 중 하나 이상을 반사할 수 있다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 반사된 광 빔은 레이저 광 빔(1152, 1154, 1156 및/또는 1158)이라고 표현될 수 있다. 비록 반사된 레이저 광 빔(1152, 1154, 1156 및/또는 1158)이 도 11a에서 빔 스플리터(1110) 상에 직접 입사하는 것으로 예시되지만, 광 빔(1152, 1154, 1156 및/또는 1158) 중 일부 또는 전부가 편향기(1121, 1123) 및/또는 다른 편향기에 의해서 빔 스플리터(1110)를 향해서 지향될 수 있다는 것이 고찰된다. 광 빔(1152, 1154, 1156 및/또는 1158)이 분할기(1110)에 도달하면, 분할기(1110)는 FOV(1170)로부터 수신된 반사된 광 빔(1152, 1154, 1156 및/또는 1158)을 렌즈(1122)를 통하여 검출기(1130)를 향해 지향시키도록 구성될 수 있다. 비록 도 11a는 네 개의 광 빔이 모놀리식 레이저 어레이(950)에 의해 방출되는 것으로 예시하지만, 모놀리식 레이저 어레이(950)는 임의의 개수(예를 들어, 세 개 이하 또는 다섯 개 이상)의 광 빔을 방출할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 빔 스플리터는 복수 개의 레이저 빔 각각을 재지향시키고, LIDAR 시스템의 시야로부터 수신된 복수 개의 반사된 빔을 전송시키도록 구성된다. 일 예로서, 도 11b는 모놀리식 레이저 어레이(950), 시준기(1112), 빔 스플리터(1110), 편향기(1121, 1123), 렌즈 및 /또는 광학 필터(1122) 및 검출기(1130)를 포함할 수 있는 예시적인 LIDAR 시스템(100)을 도시한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 모놀리식 레이저 어레이(950)는 하나 이상의 시준기(1112)에 의해 시준될 수 있는 하나 이상의 레이저 광 빔(1102, 1104, 1106 및/또는 1108)을 빔 스플리터(1110) 상에 입사하기 이전에 방출할 수 있다. 빔 스플리터(1110)는 레이저 광 빔(1102, 1104, 1106 및/또는 1108) 중 하나 이상을 편향기(1121, 1123)를 향해서 지향시키도록 구성될 수 있고, 편향기는 이제 하나 이상의 레이저 광 빔(1102, 1104, 1106 및/또는 1108)을 FOV(1170)를 향하여 지향시키도록 구성될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, FOV(1170) 내의 하나 이상의 대상물은 레이저 광 빔(1102, 1104, 1106 및/또는 1108) 중 하나 이상을 반사할 수 있다. 반사된 레이저 광 빔(1152, 1154, 1156 및/또는 1158)은 빔 스플리터(1110) 상에 입사하도록 편향기(1121, 1123)에 의해 지향될 수 있다. 또한, 반사된 레이저 광 빔(1152, 1154, 1156 및/또는 1158) 중 일부 또는 전부가 편향기(1121, 1123)에 의해서 빔 스플리터(1110)를 향해 지향되지 않고서 빔 스플리터(1110)에 도달할 수 있다는 것이 고찰된다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 빔 스플리터(1110)는 반사된 레이저 광 빔(1152, 1154, 1156 및/또는 1158)이 검출기(1130)를 향해서 빔 스플리터(1110)를 통과하게 하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 렌즈 및/또는 광학 필터(1122)는 반사된 레이저 광 빔(1152, 1154, 1156 및/또는 1158)을 수신하고, 이러한 광 빔을 검출기(1130)를 향해서 지향시킬 수 있다. 비록 도 11b가 네 개의 광 빔이 모놀리식 레이저 어레이(950)에 의해 수락되는 것으로 예시하지만, 모놀리식 레이저 어레이(950)는 임의의 개수(예를 들어, 세 개 이하 또는 다섯 개 이상)의 광 빔을 방출할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 광학 시스템은 복수 개의 레이저 빔이 그 위에 입사하게 되는 적어도 하나의 폴딩 미러를 포함할 수 있다. 일 예로서, 도 7a에 도시된 바와 같이, LIDAR 시스템(100)은 폴딩 미러(718)를 포함할 수 있는 광학 시스템(701)을 포함할 수 있다. 폴딩 미러(718)는 하나 이상의 레이저 빔(714)을 쿼드 레이저 어레이(712)로부터 수신하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 광학 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 시준하도록 구성된 적어도 하나의 시준 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이, 광학 시스템(701)은 레이저 빔(714)을 폴딩 미러(718)를 향해서 지향시키도록 구성된 시준기(716)를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, LIDAR 시스템(100)은 하나 이상의 레이저 빔(예를 들어, 1102, 1104, 1106, 1108)을 레이저 어레이(950)로부터 수신하고 수신된 레이저 빔을 빔 스플리터(1110)를 향해서 지향시키도록 구성된 시준기(1112)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 광학 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 수신하도록 구성된 수신 렌즈 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시준기(716 또는 1112) 중 하나 이상은 레이저 어레이(712 또는 950) 각각에 의해 방출된 레이저 빔 중 하나 이상을 수신하도록 구성된 수신 렌즈 시스템을 포함할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 공통 스캐닝 유닛은 복수 개의 레이저 빔을 LIDAR 시스템의 시야를 향하여 투영시킴으로써, 시야를 가로지르는 복수 개의 스캔 라인을 따라서 시야를 동시에 스캔하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 수신하도록 구성된 스캐닝 유닛을 포함할 수 있는데, 공통 스캐닝 유닛은 복수 개의 레이저 빔을 LIDAR 시스템의 시야를 향하여 투영시키도록 구성된다. 도 7a 및 도 8을 참조하여 위에서 논의된 바와 같이, LIDAR 시스템(100)은 스캐닝 유닛(예를 들어, 720, 860)을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 공통 스캐닝 유닛은 투광성 스캐닝 프리즘을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 공통 스캐닝 유닛은 회절 기반 스캐너를 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 공통 스캐닝 유닛은 실리콘 상 액정(LCoS) 스캐너를 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 공통 스캐닝 유닛은 복수 개의 레이저 빔이 그 위에 입사하게 되는 단일 2축성 스캐닝 미러를 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 공통 스캐닝 유닛은 단일-축 스캐닝 미러들의 쌍을 포함한다. 스캐닝 유닛(720, 860)은 레이저 광을 시야를 향하여 지향시키도록 구성된 다양한 광학 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 유닛(720, 860)은 하나 이상의 투광성 스캐닝 프리즘, 회절 요소, 액정 편향기, MEMS 미러 등을 포함할 수 있다. 앞서 역시 논의된 바와 같이, 빔 스플리터(예를 들어, 220 또는 1110) 또는 레이저 어레이(900, 950 등)으로부터 결과적으로 얻어지는 두 개 이상의 빔은 스캐닝 미러 디바이스(예를 들어, 720, 860) 상에 입사하게 될 수 있다. 스캐닝 미러 디바이스는 하나의 기계적으로 작동된 bi-축상 스캐닝 미러를 포함할 수 있다. 대안적으로, 스캐닝 미러 디바이스는 두 개 이상의 미러, 또는 투명 스캐너를 포함할 수 있다. 이러한 구성은 전통적인 LIDAR 시스템에 비하여 다음 두 가지의 중요한 이점을 제공할 수 있다: 1) 빔들 각각은 이격될 수 있고, 세기가 안구 안전성 임계 아래가 되도록 하고 LIDAR 시스템(100)이 임의의 범위에서 안구에 대하여 안전하게 하는 세기를 가질 수 있다; 및 2) 스캐닝 미러로부터 FOV로 투영되는 빔들이 서로에 대하여 수직으로 또는 수평으로 배치되도록 빔을 단일 스캐닝 미러(예를 들어, 720, 860)에 제공하면, FOV 내에서의 수직 스폿 배향이 없는, 하나의 스캐닝 미러 상에 입사하는 단일 빔 또는 미러 시스템마다의 멀티-빔과 비교할 때 연장된 수직 FOV가 제공될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 2축성 스캐닝 미러는 틸트 축 및 스캐닝 축을 포함하는 두 축으로 회전가능하다. 예를 들어, 스캐닝 유닛(720, 860)은 앞선 섹션에서 설명된 스캐너 중 임의의 것을 포함하는 임의의 타입의 스캐닝 미러 구성을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 스캐닝 유닛(720, 860)은 MEMS 미러 또는 MEMS 미러들의 어레이를 포함할 수 있다. MEMS 미러는 직교할 수 있는 두 개의 축들 중심으로 회전가능할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 유닛(720, 860)은 두 개의 개략적으로 직교하는 회전축들을 가지는, 도 3b의 MEMS 미러와 유사한 MEMS 미러를 포함할 수 있다. 두 개의 축들 중 하나는 스캐닝 유닛(720, 860)이 틸트되도록 할 수 있고(예를 들어, 레이저 빔을 FOV의 상/하 방향으로 지향시키기 위함), 다른 축은 스캐닝 유닛(720, 860)이 스캔하도록 할 수 있다(예를 들어, 레이저 빔을 FOV의 좌/우 방향으로 지향시키기 위함)는 것이 고찰된다. 2축성 2-D 스캐닝의 미러는 기계적 장치(예를 들어, 모터-구동 작동, 자기적 작동 등)를 사용하여 작동될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 2축성 스캐닝 미러의 스캐닝 축 중심의 회전은, 복수 개의 레이저 빔의 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 복수 개의 스캔 라인을 따른 이동을 초래한다. 예를 들어, 일부 LIDAR 시스템(100)에서는, 단일 레이저 소스가 전술된 바와 같이 스캐너, 예컨대 2-D 스캐너(예를 들어, 스캐닝 유닛(720, 860))를 사용하여 LIDAR FOV에 걸쳐서 스캐닝될 수 있다. 도 12a는 레이저 광 빔을 예시된 스캔 패턴에 걸쳐 단일 레이저 소스로부터 지향시킬 수 있는 2-D 스캐닝 미러(예를 들어, 도 3b의 MEMS 미러(들), 또는 2축성의 기계적으로 회전되는 미러 등)을 사용하여 획득된 예시적인 스캔 패턴(1200)을 도시한다. 명확화를 위하여, 축들의 값은 최대 진폭이 1이 되도록 스캔의 최대 진폭에 대해 정규화된다는 것에 주의해야 한다. 예를 들어, 스캐닝 유닛(720, 860)을 스캔 축 중심으로 순차적으로 회전시킴으로써, 레이저 광 빔은 복수 개의 포인트를 따라서 스캔 라인(1201)에 의해 표현되는 바와 같은 좌-우 방향으로 지향될 수 있다. 더 나아가, 스캐닝 유닛(720, 860)을 틸트 축 중심으로 순차적으로 회전시킴으로써, 레이저 광 빔은 복수 개의 포인트를 따라서 상-하 방향으로 지향될 수 있다. 스캐닝 유닛(720, 860)의 결합된 2D 이동은, 스캔 라인(1201, 1203, 1205 등)을 포함하는 도 12a의 스캐닝 패턴을 생성할 수 있다.
도 12a에 도시된 바와 같이, 수평 스캔 라인(1201, 1203, 1205)은 균일하게 이격될 필요가 없다. 예를 들어, LIDAR FOV의 어떤 구역, 예컨대 수평선 구역 위/아래의 영역을 스캔하기 위하여, 이용가능한 최소 틸트 증분보다 큰, 2-D 스캐닝 미러에 대한 수직 틸트 증분이 선택될 수 있다. 도시된 예에서, 스캔의 중심의 위와 아래의 구역은 스캔의 중심의 증분과 다른 수직 틸트 증분을 가지고 스캐닝될 수 있다. 스캔의 중심은, 예를 들어 수평선에서 지향될 수 있다. 예를 들어, 스캔의 중심의 위와 아래의 구역은 0.6°의 수직 틸트 증분을 사용하여 스캐닝될 수 있는데, 이것은, 예를 들어 전체 레이저 어레이 각도 크기에 대응할 수 있어서, 어레이 내의 레이저 피치와 같은 개략적 샘플링 분해능을 생성한다. 레이저 피치는 레이저 어레이의 활성 레이저 발광 구역들 사이의 중심-중심 거리를 가리킨다. 그러나, 스캔의 중심을 포함하는 구역 내에서는, 해당 구역 내에 더 근접하게 이격된 스캔 라인을 제공하고, 차례대로 해당 구역 내에 더 높은 샘플링 / 포인트 클라우드 분해능을 제공하기 위해서 최소 수직 틸트 각도가 사용될 수 있다. 레이저 비활성 영역에 대한 활성 영역의 비가 1: N-1이라고 가정하면, 라인 간극이 최대 N 배 더 많은 패킹될 수 있다. 이러한 예에서, 포인트 클라우드 수직 분해능은 라인 간극에 의존할 수 있는 반면에, 수평 분해능은 2-D 스캐닝 미러가 각각의 수평 스캔 라인을 따라서 스캔할 때에 단일 레이저 소스가 펄싱되는 주파수에 의존할 수 있다. 펄스 주파수가 높아질수록, LIDAR 시스템으로부터 생성된 포인트 클라우드의 잠재적인 수평 분해능이 더 높아진다.
일부 실시형태들에서, 2축성 스캐닝 미러의 틸트 축 중심의 회전은, 복수 개의 레이저 빔의 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로의 변위를 초래할 수 있다. LIDAR 시스템(100)의 일부 실시형태들에서, 단일 레이저 광원에 의존하는 것이 아니라 다수의 레이저 광원이 사용될 수 있다는 것이 고찰된다. 또한, 하나 이상의 레이저 소스로부터의 광 빔이 분할되어 스캐닝을 위해서 이용가능한 다수의 레이저 빔을 제공할 수 있다는 것이 고찰된다. 앞서 역시 논의된 바와 같이, 레이저 어레이(예를 들어, 앞선 섹션에서의 예들에서 설명된 바와 같은 1-D 레이저 어레이)가 LIDAR FOV를 스캔하기 위한 다수의 레이저 빔을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 레이저 어레이(예를 들어, 950) 또는 빔 스플리터(예를 들어, 220, 1110) 중 하나로부터의 복수 개의 레이저 광 빔이 스캐닝 유닛(예를 들어, 720, 860)으로 지향되면, 스캔 축 중심의 스캐닝 유닛(720, 860)의 회전이 위치들의 제 1 세트를 가로지르는 복수 개의 수평 스캔 라인을 생성할 수 있다. 더 나아가, 틸트 축 중심의 스캐닝 유닛(720, 860)의 회전은 복수 개의 수평 스캔 라인을 수직으로 천이시킬 수 있고, 이를 통하여 위치들의 제 1 세트로부터 수직으로 이격된 위치들의 제 2 세트를 가로지르는 스캔 라인의 제 2 세트를 생성한다. 일부 실시형태들에서, 스캔 축 중심의 회전 속도는 틸트 축 중심의 회전 속도보다 더 빠를 수 있다. 도 12b는 복수 개의 레이저 빔을 사용하여 획득된 스캔 패턴(1220)을 예시한다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 복수 개의 레이저 빔은 수평 스캔 라인(1221, 1223, 1225 등)이 생성되게 할 수 있다. 스캐닝 유닛(720, 860)이 틸트 축 중심으로 회전하면, 수평 스캔 라인(예를 들어, 1221, 1223, 1224, 1225 등)은 틸트 축 중심의 스캐닝 유닛(예를 들어, 720, 860)의 회전에 대응하는 거리 DH만큼 수직 방향으로 변위될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 공통 스캐닝 유닛은 제 1 단축 스캐닝 미러 및 제 2 단축 스캐닝 미러를 포함하고, 복수 개의 레이저 빔은 제 2 단축 스캐닝 미러로 진행하기 이전에 제 1 단축 스캐닝 미러 상에 입사하게 된다. 비록 두 개의 회전축들 중심으로 회전할 수 있는 스캐닝 유닛(720, 860)이 위에서 논의되지만, 일부 실시형태들에서는 스캐닝 유닛(720, 860)이 하나의 회전축 중심으로만 회전할 수 있는 미러 또는 편향기를 포함할 수 있다. 일 예로서, 스캐닝 유닛(720, 860)은 도 3a의 미러와 유사한 미러 또는 편향기를 포함할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 제 1 단축 스캐닝 미러는 레이저 광 빔을 레이저 방출 유닛(102)으로부터 수신하고, 레이저 광 빔을 제 2 단축 스캐닝 미러 상으로 지향시킬 수 있고, 이것은 이제 레이저 광 빔을 시야를 향해서 지향시킬 수 있다.
일부 실시형태들에서, 제 1 단축 스캐닝 미러는 스캐닝 축 중심으로 회전하여, 복수 개의 레이저 빔의 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 복수 개의 스캔 라인을 따른 이동을 초래하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 제 1 단축 스캐닝 미러는 틸트 축 중심으로 회전하여, 복수 개의 레이저 빔의 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로의 변위를 초래하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 두 개 이상의 1-D 스캐너의 조합을 사용함으로써, 예를 들어 제 1 및 제 2 단축 스캐닝 미러를 두 개의 상이한 회전축들 중심으로 회전시킴으로써, 스캔 패턴(1200 또는 1220)과 유사한 2D 스캔이 생성될 수 있다. 일 예로서, 도 11a 및 도 11b는 편향기(1121, 1123)의 쌍을 예시하는데, 이들 중 하나는 스캔 축 중심으로 회전가능할 수 있고, 이들 중 다른 것은 틸트 축 중심으로 회전가능할 수 있다. 예를 들어, 도 11b에 도시된 바와 같이, 제 1 단축 스캐닝 미러(1121)는 제 1 축(예를 들어, 수직 축, 또는 스캐닝 축) 주위에서 좌-우 방향으로 회전가능할 수 있어서, 레이저 빔(1102, 1104, 1106, 1108 등)이 도 12b에 예시된 라인(1201, 1203, 1205 등)과 유사한 수평 스캔 라인을 생성하게 한다. 더욱이, 제 2 단축 스캐닝 미러(1123)를 제 2 축(예를 들어, 제 1 축에 수직인 축, 또는 틸트 축) 중심으로 회전시키면 스캔 라인(1201, 1203, 1205 등)이 도 12b에 도시된 바와 같이 거리 DH만큼 천이될 수 있다.
일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템의 시야는 6 도 내지 90 도의 수직 각도 치수를 가질 수 있고, LIDAR 시스템의 시야는 20 도 내지 140 도의 수평 각도 치수를 가질 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 스캐닝 유닛(720, 860)은 스캔 축 및/또는 틸트 축 중심으로 회전하여 레이저 광을 소망되는 시야에 걸쳐서 투영할 수 있다. 시야로부터의 반사된 레이저 광 빔은 검출되어 시야 내의 하나 이상의 대상물의 존재를 검출할 수 있다. 시야의 범위는 유닛(720, 860)의 그들의 각각의 스캔 및 틸트 축들 중심의 최대 회전 범위, 레이저 빔의 발산 각도, 및 스캐닝 유닛(720, 860)으로부터 투영된 복수 개의 레이저 빔들 사이의 각도를 포함하는 많은 인자에 의존할 수 있다. 예시적인 일부 실시형태들에서, 시야는 20 도 내지 140 도의 범위를 가지는 스캐닝 각도 및 6 도 내지 90 도의 범위를 가지는 틸트 각도에 걸쳐서 연장될 수 있다는 것이 고찰된다. FOV의 치수가 실세계 좌표에 관하여 기술된다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 스캐닝 유닛(720, 860)은 140 도 x 44 도의 FOV를 제공할 수 있는 20x20 mm 2축성 회전 미러를 포함할 수 있다.
일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템의 시야의 스캐닝은 5 Hz 내지 40 Hz의 프레임 레이트에서 일어날 수 있다. 따라서, 예를 들어 시야의 스캐닝은, 시야 내의 하나 이상의 대상물의 임의의 변하는 위치를 연속적으로 검출하도록, 초당 또는 분당 여러 번 반복될 수 있다. 일 실시형태에서, 스캐닝 유닛(720, 860)은 시야를 20 Hz(예를 들어, 초당 20 회)의 프레임 스캔 레이트에서 스캐닝할 수 있다. 스캐닝 유닛(720, 860)은 특정 애플리케이션의 요구 사항에 의존하여 최대 5-50 Hz의 특정한 스캔 레이트 또는 스캔 레이트 범위를 지원하도록 구성될 수 있다. 예시적인 일 실시형태에서, 16 개의 방출된 펄스형 광 빔이 스캐닝 유닛(720, 860)으로부터 FOV를 향해 투영될 수 있다. 반사된 레이저 광 빔에 의해 형성된 스폿은 0.07 도 X 0.10 또는 0.11 도의 크기를 가질 수 있다. 스폿의 수직 구성은 레이저 소스 어레이 상의 레이저 소스의 구성에 의존할 수 있다. 예를 들어, 각각의 레이저 소스 사이의 공간의 양이 복귀된 스폿들 사이에 대응하는 공간을 초래할 수 있다.
예시적인 일 실시형태에서, 레이저 빔 스폿은 0.1 도의 수직 각도 치수를 가질 수 있고, 약 0.2 도(또는 레이저 방출기에 대한 개방 공간의 약 2:1의 비)만큼 이격될 수 있다. 16 개의 채널이 있으면, FOV를 향해 투영된 광 빔의 전체 수직 패턴(또는 "빗살(comb)")은 약 4.6 도의 각도 높이를 점유할 수 있다. 이러한 빗살은 2-D 스캐너(예를 들어, 스캐닝 유닛(720, 860))에 의하여 FOV의 폭에 걸쳐서 수직으로 배향될 수 있고, 수평 분해능은 스캐닝 속도 및 레이저 소스의 펄스 레이트에 의해서 결정될 수 있다. 2-D 스캐너가 자신의 수평 한계에 도달하면, 2-D 스캐너가 수직으로 증분되어(예를 들어, 틸트 축 중심으로 회전됨) 수평 스캔 라인의 새로운 세트에서 FOV의 수평 스캐닝을 계속할 수 있다. 물론, 다른 예들에서는 다른 펄스 레이트, 스캔 레이트, 레이저 크기, 레이저 간극 등이 사용될 수 있다. 추가적으로, 개시된 예가 FOV에 걸쳐서 수평으로 스캐닝된 수직 빗살 패턴에 관하여 설명되지만, 일부 실시형태는 투과된 레이저 광 스폿의 수평으로 배향된 1-D 어레이가 FOV에 걸쳐서 수직으로 스캐닝되는 수평으로 배향된 광원 어레이를 채택할 수 있다. 더 나아가, 레이저 소스의 2-D 어레이도 채택될 수 있다. 레이저는 정사각형 또는 직사각형 패턴 또는 임의의 다른 타입의 패턴(예를 들어, 육각형으로 패킹된 패턴 등)으로 배치될 수 있다. 개시된 수치값들이 예시적인 것이고 한정적이지 않다는 것이 이해되어야 한다.
일부 실시형태들에서, 복수 개의 레이저 빔은 단일 2축성 스캐닝 미러의 공통 위치 상에 입사하게 된다. 일 예로서, 도 7a에 도시된 바와 같이, 복수 개의 레이저 광 빔(714)은 MEMS 미러(720) 상의 공통 위치(722)로 지향될 수 있다. 그러나, 다른 실시형태들에서는 복수 개의 레이저 광 빔(714)이 MEMS 미러(720)의 상이한 부분으로 지향될 수 있다는 것이 고찰된다. MEMS 미러(720)의 회전은 레이저 광 빔(714)을 시야를 향해서 지향시키도록 조절될 수 있다. MEMS 미러(720)에 의해서 시야를 향해 지향되는 복수 개의 레이저 광 빔은 동일하거나 동일하지 않은 각도만큼 서로 분리될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 복수 개의 레이저 빔은 단일 2축성 스캐닝 미러로부터 인접한 빔들 사이의 적어도 2.5 mrad의 각도 간극으로 투영될 수 있다는 것이 고찰된다. 또한, 일부 실시형태들에서 각도 간극은 2.5 mrad 내지 15 mrad 범위를 가질 수 있다는 것이 고찰된다.
일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템은 공통 스캐닝 유닛의 하나 이상의 컴포넌트의 배향을 제어하여, 복수 개의 레이저 빔을 사용한, 일련의 스캔 라인을 따른 LIDAR 시스템의 시야의 스캐닝을 초래하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다른 곳에서 논의된 바와 같이, 스캐닝 유닛(720, 860)은, 스캐닝 유닛(720, 860)이 하나 또는 두 개의 별개의 축들의 각각을 따라서 특정 각도를 향해 회전할 수 있도록, 프로세서(예를 들어, 118)에 의해서 개별적으로 제어될 수 있다. 스캐닝 유닛(720, 860)을 제어함으로써, 프로세서(118)는 레이저 광 빔 중 하나 이상을 상이한 시야 중 일부를 향해 지향시킬 수 있고, 이를 통하여 LIDAR 시스템(100)이 위에서 논의된 바와 같은 하나 이상의 레이저 광 빔을 사용하여 시야를 스캔하게 한다.
일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템은, LIDAR 시스템의 시야로부터 수신된 반사된 빔에 응답하여 전기 신호를 방출하도록 구성된 검출기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 위에서 논의된 바와 같이, LIDAR 시스템(100)은 시야 내의 하나 이상의 대상물을 검출하도록 구성된 하나 이상의 검출기(예를 들어, 감지 유닛(116))을 포함할 수 있다. 센서(116)는 시야(120)로부터 다시 반사된 광자 펄스의 광자를 검출하기 위한 복수의 검출 요소(402)를 포함할 수 있다. 검출기는 앞선 섹션에서 논의된 검출기 중 임의의 것과 유사하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태들에서, 검출기는 센서들의 어레이(예를 들어, 멀티-채널 SiPM 센서 어레이 또는 SPAD 어레이 또는 APD 어레이)를 포함할 수 있다. 검출기는 검출기 채널, SPAD들, SIPM들, APD들 등의 어레이를 포함할 수 있다.
일부 경우에, 검출기는 1-D 구성으로 배치될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 검출기는 감광성 활성 구역의 단일 모놀리식 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 검출기(116)는 단일 실리콘 웨이퍼 상에 제작될 수 있는 모놀리식 검출기일 수 있다. 도 11a 및 도 11b는 예시적인 모놀리식 검출기(1130)를 도시한다. 일부 실시형태들에서, 감광성 활성 구역은 하나 이상의 비활성 구역에 의해서 서로 분리될 수 있다. 예를 들어, 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 모놀리식 검출기(1130)는 비활성 구역(1134)에 의해서 분리된 복수 개의 감광성 활성 구역(1132)을 포함할 수 있다. 활성 구역들(1132 및 1134)의 크기는 같을 수도 있고 같지 않을 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 검출기 내의 감광성 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:1이다. 예를 들어, 일부 실시형태들에서, 1-D 검출기(1130)는 비활성에 대한 활성 구역의 1:1 비를 가지고 동작하도록 구성될 수 있다. 이것은 여러 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 13a에 도시된 바와 같이, 검출기(1130)는 n 개의 활성 구역(n1 내지 nN) 및 N-1 개의 비활성 구역(m1 내지 mN-1)을 포함할 수 있고, 활성 구역들의 각각의 쌍은 비활성 구역에 의해서 분리될 수 있다. 도 13a에 도시된 바와 같이, 1-D 검출기는 동일한 크기의 어레이 내에서 하나의 비활성 구역(1312)에 인접한 활성 구역(1310)의 교번하고 반복하는 시퀀스를 포함할 수 있다. 따라서, 비활성에 대한 활성 구역의 비는 1:1일 수 있다.
일부 실시형태들에서, 검출기 내의 감광성 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:2이다. 전술된 도 13a에 의해 표현된 바와 같은 1:1 어레이에 추가하여, 1:2 비율 어레이도 역시 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 13b에 표현된 바와 같이, 검출기(1130)는 그 대신에 비활성 구역(1322)에 인접한 활성 구역(1310)의 교번하고 반복하는 시퀀스를 포함할 수 있고, 여기에서 비활성 구역(1322)은 각각의 활성 구역(1310)의 폭의 두 배의 폭을 가질 수 있다. 레이저 소스 및 비활성 공간의 다른 비율들도 역시 고찰된다. 일부 실시형태들에서, 검출기 내의 감광성 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:3이다. 일부 실시형태들에서, 검출기 내의 감광성 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:5이다. 일부 실시형태들에서, 검출기 내의 감광성 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:1 내지 1:10 이다. 도 13c는 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비가 1:5인 일 예를 예시한다. 이러한 예에서, 각각의 활성 구역(1310)은 활성 구역(1310)의 폭의 다섯 배와 같은 폭을 가지는 비활성 구역(1324)에 의해서 분리된다.
임의의 개수의 활성 및 비활성 구역이 모놀리식 검출기(1130) 상에 존재할 수 있다. 예를 들어, 도 13a 내지 도 13c에서의 검출기 어레이(1310)에 대한 개수 N은 1 내지 임의의 소망되는 개수의 범위를 가질 수 있다. 따라서, N은, 예를 들어 4, 8, 16, 32, 64 등일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 검출기는 4 개의 감광성 활성 구역을 포함할 수 있다(예를 들어, N=4). 일부 실시형태들에서, 검출기는 8 개의 감광성 활성 구역을 포함할 수 있다(예를 들어, N=8). 일부 실시형태들에서, 검출기는 16 개의 감광성 활성 구역을 포함할 수 있다(예를 들어, N=16). 일부 실시형태들에서, 검출기는 32 개의 감광성 활성 구역을 포함할 수 있다(예를 들어, N=32).
일부 실시형태들에서, 수 개의 레이저 빔 중 두 개 이상은 서로 다른 발산(divergence)을 가질 수 있다. 비록 레이저 빔(예를 들어, 714, 1102, 1104, 1106, 1108 등) 각각이 도 7a, 도 11a, 도 11b 등에서 단일 라인으로 예시되었지만, 각각의 레이저 빔은 레이저 조명 시스템(102)으로부터 대두될 때마다 발산하도록 기대된다. 따라서, 각각의 레이저 빔(714, 1102, 1104, 1106, 1108)은 시야까지의 증가하는 거리를 가지고 서로 발산하는 복수 개의 광선에 의해서 표현될 수 있다. 또한, 상이한 레이저 빔(예를 들어, 714, 1102, 1104, 1106, 1108 등)의 발산의 양 또는 각도는 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 일부 실시형태들에서, 반사된 빔 각각은 감광성 활성 구역 중 두 개 이상 상에 입사하는 빔 스폿을 생성할 수 있다. 각각의 레이저 빔을 표현하는 복수 개의 광선이 시야로부터 반사될 수 있다. 복수 개의 반사된 광선은 검출기(예를 들어, 1130) 상에 스폿을 형성할 수 있다. 일부 실시형태들에서 반사된 레이저 광 빔 광선의 스폿이, 예를 들어 검출기(1130)의 오직 하나의 활성 구역(1310) 상에 또는 검출기(1130)의 두 개 이상의 활성 구역 상에 입사할 수 있다는 것이 고찰된다. 도 13a는 검출기(1130)의 두 개 이상의 활성 구역(1310)(예를 들어, n2, n3) 상에 입사할 수 있는 예시적인 스폿(1350)을 도시한다. 스폿(1350)이 두 개 이상의 활성 구역(1310) 상에 입사하도록 보장함으로써, 두 개 이상의 활성 구역이 그로부터 레이저 빔이 반사되었던 검출된 대상물에 대응하는 신호를 생성하는 것을 보장하는 것이 가능할 수 있다. 검출된 대상물 상의 한 구역에 대응하는 별개의 신호들은 해당 구역에 대한 분해능이 증가될 수 있게 하고, 즉 각각의 활성 구역은 검출된 대상물 상의 구역 내의 하위구역의 별개의 픽셀이다.
일부 실시형태들에서, 활성 구역들 사이의 거리와 검출기 상에 입사하는 빔 스폿들 사이의 거리의 비는 미리 결정된 값이다. 일 예로서, 레이저 어레이로부터 방출된 레이저 빔에 의해서 생성된 빔 스폿들 사이의 거리는 검출기(1130)의 활성 구역들(예를 들어, 1132) 사이의 거리의 미리 결정된 배수일 수 있다. 따라서, 예를 들어 빔 스폿들 사이의 간극은 검출기(1130)의 활성 구역들(1132) 사이의 간극의 0.5 배, 1.0 배, 또는 1.5 배일 수 있다. 각각의 빔 스폿의 크기도 활성 구역(1132)의 크기의 배수일 수 있다. 일 예로서, 각각의 빔 스폿은 활성 구역(1132)의 크기의 0.5 배, 1.0 배, 또는 1.5 배일 수 있다. 0.5, 1.0, 1.5 등의 스케일링 인자는 예시적이고 비한정적인 것이고 다른 스케일링 인자도 고찰된다는 것이 이해되어야 한다.
일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템은, 반사된 빔을 검출기의 각각의 감광성 활성 구역으로 지향시키도록 구성된 마이크로렌즈의 어레이 및/또는 확산기를 포함할 수 있다. 다수의 빔을 사용할 때에, 검출기(1130)는 각각의 빔이 검출기(1130)의 하나 이상의 활성 구역 상에 도착하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 검출기(1130)의 피치(예를 들어, 활성 구역들 사이의 중심-중심 거리)가 레이저 어레이(900, 950 등) 상의 활성 레이저 방출 구역들 사이의 피치에 대응할 필요가 있을 수 있다. 검출기(1130)의 활성 구역들 사이의 공간은 실리콘 상의 "죽은(dead)" 공간일 수 있고, 이러한 죽은 공간을 최소화하는 것이 이로울 것이다. 방출기 구성(예를 들어, 피치, 방출기들 사이의 공간 등)이 변할 때마다, 검출기 구성도 그에 따라서 수정될 필요가 있을 수 있다.
이러한 이슈를 해결하기 위하여, 빔을 검출기 요소 상의 특정 영역으로 연장시키거나 투영하기 위해서 빔을 위한 "어댑터(adaptor)"가 제공될 수 있다. 이렇게 하면, 반사된 레이저 광 빔이 검출기(1130)의 평면 대신에 어댑터 평면 상에 이미지를 생성하게 될 수 있다. 어댑터는 빔을 정확한 검출 요소로 연장시키거나 확산(발산)시키기 위한 마스크 및 요소를 포함할 수 있다. 이러한 요소는 확산기일 수 있고, 또는 하나 이상의 마이크로렌즈를 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어 어댑터에 의해 수신된 광을 검출기(1130)의 적절한 활성 구역으로 지향시키기 위하여 마이크로렌즈의 어레이가 사용될 수 있다. 이러한 어댑터를 사용하면 검출기(1130)가 더 큰 크기로 확장되게 할 수 있고(죽은 공간이 더 적음), 반사된 레이저 광 빔이 이러한 크기에 걸쳐서 확산될 수 있다. 이러한 어댑터의 추가적인 장점은 이것이 방출기 구성에 대한 검출기의 의존성을 디커플링할 수 있다는 점일 수 있다. 예를 들어, 레이저 어레이(900 또는 950) 상의 레이저 방출 활성 구역들 사이의 피치가 변하면, 완전히 새로운 실리콘-제조 검출기를 제조해야 하는 대신에, 반사된 레이저 광 빔을 검출기(1130)의 활성 구역으로 지향시키기 위해서 적절한 어댑터 요소가 사용될 수 있다.
예시적인 구현형태: 편향기 틸트 증분을 변경함으로써 가변 분해능 멀티-빔 스캐닝 기능을 가지는 LIDAR 시스템
LIDAR 시스템은 두 개 이상의 빔을 방출하는 방출 시스템을 사용할 수 있다. 일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템은 빔 스플리터를 사용하여 단일 광원으로부터 유래하는 레이저 빔을 두 개 이상의 빔으로 분할할 수 있다. 대안적으로, 방출 시스템은 레이저 어레이를 포함할 수 있고, 레이저 어레이는 레이저 광의 두 개 이상의 빔을 생성할 수 있는 두 개 이상의 레이저 방출기를 포함할 수 있다. 두 개 이상의 빔(빔 스플리터 또는 레이저 어레이로부터 초래됨)은 스캐닝 디바이스(예를 들어, 스캐닝 미러, 프리즘, 또는 다른 타입의 스캐닝 디바이스) 상에 입사하게 될 수 있다. 일부 경우에, 스캐닝 디바이스는 단일 2-축 스캐닝 미러를 포함할 수 있다. 대안적으로, 스캐닝 디바이스는 두 개 이상의 미러, 또는 투명 스캐너를 포함할 수 있다. 이러한 구성은 전통적인 LIDAR 시스템에 비하여 다음과 같은 특정한 이점을 제공할 수 있다: 1) LIDAR 시스템이 임의의 범위에서 개선된 안구 안전성을 가지도록 빔들 각각이 이격될 수 있다; 및 3) 함께 생성될 수 있는 복수 개의 정렬된 빔을 포함하는 멀티-빔 시스템이 시야에 비하여 또는 시야 중 일부에 비하여 스캐닝 분해능을 선택적으로 제어할 수 있는 능력을 제공할 수 있다.
예를 들어, 시스템은, 시스템이 시야를 스캔하기 위해서 수평으로 배향되거나 수직으로 배향된 스캔 라인을 채택하는지 여부에 의존하여, 시스템은 수직 또는 수평 방향으로 가변 분해능을 제공하도록 선택적으로 작동되거나 구성될 수 있다. 일 실시형태에서, 분할된 레이저 빔으로부터 초래된 스폿들은 서로 등거리일 수 있고, 스캐닝 미러는 최소 수직 틸트 증분(예를 들어, 최대 분해능과 연관된 0.2 도)과 연관될 수 있다. 일부 경우에, 스캐닝 미러는 FOV의 선택된 구역에 걸쳐서 가변 수직 간극의 스캔 라인을 생성하기 위하여, 최소 수직 틸트 증분보다 큰 것을 사용하여 작동될 수 있다. 다른 경우에, 빔들은 결과적으로 얻어지는 스폿들이 등거리가 아니도록 분할될 수 있지만, 오히려, 수평선과 중첩하는 구역 내에서 수직 방향을 따라서 더 가깝게 이격될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 미러 틸트 각도 및 스폿 간극의 조합은, 두 개 이상의 상이한 스폿으로부터의 중첩 또는 인터리빙 스캔 라인들이, 미러의 최소 수직 틸트 증분에 의해 제공된 최대 분해능보다 높은 스캐닝 분해능이 잠재적으로 가능해지게 만들도록 할 수 있다.
이러한 가변 분해능은 FOV의 각각의 스캔과 연관된 처리 오버헤드를 줄이기 위한 기회를 제공할 수 있다. 예를 들어, 수평선 근처의 구역과 연관될 수 있고, 더 멀리 떨어진 대상물 또는 관심 대상물의 더 높은 밀도를 통상적으로 포함할 수 있는 FOV의 중간 구역(예를 들어, 관심 구역 또는 관심 영역)은, 상대적으로 높은 분해능으로(예를 들어, 더 근접하게 이격된 수직으로 배향된 레이저 스폿 및/또는 더 근접하게 이격된 레이저 스캔 라인과 연관된 스캔을 사용하여) 스캐닝될 수 있다. 이에 반해, LIDAR에 비하여 더 근접하게 위치된 대상물을 포함할 수 있는, 수평선으로부터 더 멀리 있는 FOV의 구역은 더 낮은 분해능으로 스캐닝될 수 있다(예를 들어, 더 멀리 이격된 스폿 및/또는 스캔 라인을 사용함). 추가적으로, LIDAR 시스템은 하나 이상의 광원을 포함할 수 있고, 광원들 각각으로부터의 빔들은 두 개 이상의 분할 빔으로 분할된다.
일부 실시형태들에서, 개시된 LIDAR 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 방출 유닛; 복수 개의 레이저 빔을 수신하도록 구성된 스캐닝 유닛 - 공통 스캐닝 유닛은 복수 개의 레이저 빔을 LIDAR 시스템의 시야를 향하여 투영시키도록 구성됨 -; 및 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 개시된 LIDAR 시스템은 개시된 다른 LIDAR 시스템, 예컨대 도 7a, 도 8, 도 11a, 도 11b 등의 시스템과 같은 시스템에 대하여 전술된 것과 유사한 피쳐를 포함할 수 있다. 2-D 스캐너(예를 들어, 720, 860)는 전술된 구성 중 임의의 것을 포함하는 임의의 타입의 스캐닝 디바이스 구성을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 2-D 스캐너는 MEMS 미러 또는 MEMS 미러의 어레이를 포함할 수 있다. 다른 경우에는, 상대적으로 큰 단일 미러(예를 들어, 약 20 mm x 20 mm, 또는 30mm x 18mm의 미러)가 사용될 수 있다. 일부 경우에, 2축성, 2-D 스캐너의 미러는 기계적 장치(예를 들어, 모터-구동 작동, 자기적 작동 등)를 사용하여 작동될 수 있다. 일부 경우에, 두 개 이상의 1D 스캐너 및/또는 회전하는 다각형의 조합이 2-D 스캔을 생성하기 위하여 사용될 수 있다.
일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 수신하도록 구성된 2축 스캐닝 미러를 포함할 수 있는데, 2축 스캐닝 미러는 복수 개의 레이저 빔을 LIDAR 시스템의 시야를 향하여 투영시키도록 구성된다. 일부 실시형태들에서, 공통 스캐닝 유닛은 복수 개의 레이저 빔이 그 위에 입사하게 되는 단일 2축성 스캐닝 미러를 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 2축성 스캐닝 미러는 틸트 축 및 스캐닝 축을 포함하는 두 축으로 회전가능하다. 위에서 논의된 바와 같이, 스캐닝 유닛(720, 860)은 앞선 섹션에서 설명된 구성 중 임의의 것을 포함하는 임의의 타입의 스캐닝 미러 구성을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 스캐닝 유닛(720, 860)은 MEMS 미러 또는 MEMS 미러들의 어레이를 포함할 수 있다. MEMS 미러는 직교할 수 있는 두 개의 축들 중심으로 회전가능할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 유닛(720, 860)은 두 개의 개략적으로 직교하는 회전축들을 가지는, 도 3b의 MEMS 미러와 유사한 MEMS 미러를 포함할 수 있다. 두 개의 축들 중 하나는 스캐닝 유닛(720, 860)이 틸트되도록 할 수 있고(예를 들어, 레이저 빔을 FOV의 상/하 방향으로 지향시키기 위함), 다른 축은 스캐닝 유닛(720, 860)이 스캔하도록 할 수 있다(예를 들어, 레이저 빔을 FOV의 좌/우 방향으로 지향시키기 위함)는 것이 고찰된다. 더 나아가, 일부 실시형태들에서, 스캔 축 중심의 회전 속도는 틸트 축 중심의 회전 속도보다 더 빠를 수 있다. 따라서, 스캔 축은 고속 축이라고 명명될 수 있는 반면에, 틸트 축은 저속 축이라고 명명될 수 있다. 전술된 모든 레이저 방출 유닛 및 스캐닝 구성이 LIDAR 시스템(100)의 이러한 개시된 실시형태에 구현될 수 있다는 것에 주의하여야 한다.
일부 실시형태들에서, 공통 스캐닝 유닛은 제 1 단축 스캐닝 미러 및 제 2 단축 스캐닝 미러를 포함할 수 있고, 복수 개의 레이저 빔은 제 1 단축 스캐닝 미러 상에 입사하게 되고, 후속하여 제 2 단축 스캐닝 미러 상에 입사하게 된다. 위에서 논의된 바와 같이, 스캐닝 유닛(720, 860)은 하나의 회전축 중심으로만 회전할 수 있는 미러 또는 편향기를 포함할 수 있다. 일 예로서, 스캐닝 유닛(720, 860)은 도 3a의 미러와 유사한 미러 또는 편향기를 포함할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 제 1 단축 스캐닝 미러는 레이저 광 빔을 레이저 방출 유닛(102)으로부터 수신하고, 레이저 광 빔을 제 2 단축 스캐닝 미러 상으로 지향시킬 수 있고, 이것은 이제 레이저 광 빔을 시야를 향해서 지향시킬 수 있다.
일부 실시형태들에서, 복수 개의 레이저 빔은, 복수 개의 레이저 빔이 서로 등각이 될 수 있도록 공통 스캐닝 유닛으로부터 투영될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 복수 개의 레이저 빔은 단일 2축성 스캐닝 미러로부터 인접한 빔들 사이의 적어도 2.5 mrad 내지 6 mrad의 각도 간극으로 투영된다. 예를 들어 도 7a의 예시적인 스캐닝 유닛(720)에 대해서 위에서 논의된 바와 같이, 스캐닝 미러 구성에 의해서 시야를 향하여 지향되는 복수 개의 레이저 광 빔은 동일하거나 동일하지 않은 각도만큼 서로 분리될 수 있다. 일부 실시형태들에서 각도 간극은 2.5 mrad 내지 6 mrad 범위를 가질 수 있다는 것이 고찰된다. 일부 실시형태들에서, 복수의 레이저 빔으로부터 결과적으로 얻어진 LIDAR 시스템의 시야 내의 빔 스폿들은 서로 등거리일 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, FOV를 향해서 지향된 복수 개의 레이저 빔 각각은 FOV 내에 빔 스폿을 생성할 수 있다. 앞서 역시 논의된 바와 같이, 복수 개의 빔은 동일하거나 동일하지 않은 각도만큼 서로 분리될 수 있다. 결과적으로, 복수 개의 레이저 빔에 의해 형성된 FOV 내의 빔 스폿은 빔들이 동일한 각도만큼 분리될 경우 등거리일 수 있다.
일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템은 레이저 어레이의 형태인 레이저 소스를 포함할 수 있다. 레이저 어레이로부터의 광은 2-D 스캐너 상에 입사하고 LIDAR 시야(FOV)로 투영되게 될 수 있다. FOV로부터 귀환하는 광 반사는 2-D 스캐너에서 수신될 수 있고, 이것은 반사된 광을 반사된 광을 검출하는 센서 어레이로 지향시킨다. FOV 내의 다양한 대상물까지의 거리를 결정하기 위하여 비행 시간 계산이 수행될 수 있고, 거리 값의 포인트 클라우드가 FOV의 각각의 스캔에 대해서 생성될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 레이저 어레이로부터 방출된 레이저 광을 2-D 스캐너로 그리고 FOV를 향하여 투과시키는 것과 FOV로부터 2-D 스캐너에서 수신된 반사된 광을 센서 어레이로 지향시키는 것 양자 모두를 수행하기 위해서 공통 광로가 사용될 수 있다. 이러한 구성은 감소된 복잡성, 더 낮은 비용, 신뢰성, 및 성능의 관점에서 큰 장점을 제공할 수 있다.
다양한 레이저 소스들이 채용될 수 있다. 일부 경우에, 레이저 어레이와 연관된 레이저 소스는 860 nm - 950 nm의 파장을 가지는 펄스형 레이저를 포함한다. 일부 경우에, 레이저 소스는 약 905 nm의 파장을 가질 수 있다. 또한, 다수의 레이저 소스가 레이저 어레이 내에 포함될 수 있고, 이것은 2-D 패턴 또는 1-D 패턴으로 배치될 수 있다는 것이 고찰된다. 일부 경우에, 레이저 소스는 1-D 구성으로 배치되어 다수의(예를 들어, 두 개 이상의) 레이저 소스를 포함하는 레이저 바 어레이를 제공할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 레이저 방출 유닛은, 일차 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 방출기, 및 일차 레이저 빔을 복수 개의 레이저 빔을 제공하는 복수 개의 서브-빔으로 분할하도록 구성된 빔 스플리터를 포함할 수 있다. 다양한 타입의 빔 스플리터가 단일 입사 레이저 빔으로부터 두 개 이상의 서브-빔을 생성하기 위해서 개시된 실시형태에서 사용될 수 있다. 일부 경우에, 개시된 실시형태는 단일 레이저 소스로부터 멀티채널(multichannel) 광학 시스템을 생성하기 위한 증배된(multiplied) 레이저 빔 스플리터(멀티-분할기)를 포함할 수 있다. 전통적인 빔 스플리터의 확장 형태(expansion)로서, 멀티-분할기는 레이저 빔을 소망되는 파워 비율을 가지는 소망되는 개수의 빔으로 분할할 수 있다. 단일 레이저 소스를 사용하면, 채널 동기화 및 상관을 향상시키면서도 시스템의 크기, 파워 소모, 및 광학 컴포넌트가 크게 절감될 수 있다.
멀티-분할기는 LIDAR 시스템에 의해 채용된 905 nm,1550 nm 등을 포함하는 다양한 파장의 레이저와 함께 사용될 수 있다. 멀티-분할기는 VIS-NIR에 대한 유리, IR에 대한 GaAs, 실리콘 및 다양한 폴리머 등과 같은 산업용 유전체 재료로 제작될 수 있다. 추가적으로, AOI 범위, 투과, 온도 및 편광 불변량(invariance), 비용 등과 같은 특정한 수요에 의존하여, 유전체 코팅 또는 박막 금속 증착 중 하나가 사용될 수 있다. 멀티-분할기는 자유 공간 빔 스플리터, 또는 도파로(예를 들어 섬유) 분할기일 수 있고, 이것은 통상적으로 단일 모드1550 nm 레이저에 대해서 선택될 수 있다. 레이저로부터의 광은 통상적으로 편광되고, 설명된 빔 스플리터는 편광에 대한 감응성을 가지게 될 수 있다.
도 15는 개시된 LIDAR 시스템(100)의 광학적 구성에 관한 추가적 세부사항을 제공한다. 이러한 예에서, 레이저 소스(1502)는 1-D 어레이로 배치된 16 개의 레이저 방출기를 포함할 수 있고, 각각은 약 905 nm의 파장을 가진다. 16 개의 레이저 방출기로부터 방출된 광은 광로와 연관된, 예를 들어 렌즈, 시준기 등을 포함하는 다양한 광학 컴포넌트를 통해서 이동할 수 있다. 도 15의 2-D 스캐너(1510)는 20 Hz의 프레임 스캔 레이트에서 스캐닝된 140 도 x 44 도 FOV를 제공할 수 있는 20x20 mm 미러를 포함할 수 있다. 스캐너는 특정 애플리케이션의 요구 사항에 의존하여 최대 5-50 Hz의 특정한 스캔 레이트 또는 스캔 레이트 범위를 지원하도록 구성될 수 있다. 방출된 16 개의 펄스형 레이저 광 빔은 2-D 스캐너(1510)로부터 FOV를 향하여 투영될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, FOV를 향해서 투영된 빔들 중 일부 또는 전부는 FOV 내의 하나 이상의 대상물에 의해서 반사될 수 있다. 반사된 레이저 빔은 LIDAR 시스템(100)과 연관된 검출기(예를 들어, 1520) 상에 레이저 광의 스폿을 형성할 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, FOV로부터 귀환된 반사된 레이저 광의 스폿은 약 0.07 도 X 0.10 또는 0.11 도의 크기를 각각 가질 수 있다. 반사된 레이저 광 스폿은 검출기(1520)에 의하여 수신될 수 있다. 반사된 레이저 광 스폿의 수직 구성은 레이저 소스 어레이 상의 레이저 소스(또는 방출기)의 구성에도 의존할 수 있다. 예를 들어, 레이저 소스들의 인접한 쌍들 사이의 공간의 양이 FOV로부터 반사된 레이저 광의 스폿들의 대응하는 쌍들 사이에 대응하는 공간을 초래할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 스캐닝 유닛이 복수 개의 빔을 FOV를 가로지르는 제 1 복수 개의 스캔 라인을 따라서 지향시킴으로써 LIDAR 시스템의 시야를 스캔하게 하도록 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 2축성 스캐닝 미러의 상기 스캐닝 축 중심의 회전은, 복수 개의 레이저 빔의 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 제 1 복수 개의 스캔 라인을 따른 그리고 제 2 복수 개의 스캔 라인을 따른 이동을 초래한다. 위에서 논의된 바와 같이, 스캐닝 유닛(예를 들어, 720, 860)은 단일 레이저 빔 또는 복수 개의 레이저 빔을 수신하고, 이러한 빔 또는 빔들을 FOV로 지향시키도록 구성될 수 있다. 앞서 역시 논의된 바와 같이, 프로세서(118)는 스캐닝 유닛(720, 860)이 스캔 축 중심으로 회전하여 레이저 빔을 하나 이상의 스캔 라인(예를 들어, 1201, 1203, 1205 등)의 형태인 FOV의 부분에 걸쳐서 좌-우 방향으로 지향시키게 하도록 구성될 수 있다. 앞서 역시 논의된 바와 같이, 스캐닝 유닛(720, 860)이 복수 개의 레이저 빔을 수신하면, 스캐닝 유닛(720, 860)은 스캔 축 중심으로 회전하여 레이저 빔을 빗살의 형태인 하나 이상의 스캔 라인(예를 들어, 1221, 1223, 1225 등)의 형태인 FOV의 부분에 걸쳐서 좌-우 방향으로 지향시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는 복수 개의 레이저 빔을 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키도록; 그리고 복수 개의 레이저 빔을 제 2 복수 개의 스캔 라인을 따라서 지향시키도록 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 2축성 스캐닝 미러의 틸트 축 중심의 회전은, 복수 개의 레이저 빔의 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로의 변위를 초래한다. 앞서 더욱 논의된 바와 같이, 프로세서(118)는 스캐닝 유닛(720, 860)의 틸트 축 중심의 회전을 초래할 수 있고, 복수 개의 수평 스캔 라인(예를 들어, 1221, 1223, 1225 등)을 수직으로 천이시키며, 이를 통하여 위치들의 제 1 세트로부터 수직으로 이격된 위치들의 제 2 세트를 가로지르는 스캔 라인의 제 2 세트를 생성한다. 도 12b는 복수 개의 레이저 빔을 사용하여 획득된 스캔 패턴(1220)을 예시한다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 복수 개의 레이저 빔은 수평 스캔 라인(1221, 1223, 1224 등)이 생성되게 할 수 있다. 스캐닝 유닛(720, 860)이 틸트 축 중심으로 회전하면, 수평 스캔 라인(예를 들어, 1221, 1223, 1224 등)은 틸트 축 중심의 스캐닝 유닛(예를 들어, 720, 860)의 회전에 대응하는 거리 DH만큼 수직 방향으로 변위될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 제 1 복수 개의 스캔 라인 및 제 2 복수 개의 스캔 라인은 LIDAR 시스템의 시야에 대해 수평으로 배향될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 레이저 소스는 0.1 도의 수직 각도 치수를 가질 수 있고, 약 0.2 도(또는 레이저 방출기에 대한 개방 공간의 약 2:1의 비)만큼 이격될 수 있다. 16 개의 채널이 있으면, FOV를 향해서 투영되는 복수 개의 광 빔의 전체 수직 패턴(또는 복수 개의 광 빔에 의해 형성된 "빗살")이 약 4.6 도의 각도 높이를 점유할 수 있다. 레이저 광 빔의 이러한 빗살은 2-D 스캐너(1510)를 스캔 축 중심으로 회전시킴으로써 FOV의 폭에 걸쳐서 수평으로 조향될 수 있고, 수평 분해능은 스캐닝 속도 및 레이저 소스의 펄스 레이트에 의해서 결정될 수 있다. 일 예에서, 2-D 스캐너(1510)가 자신의 수평 한계에 도달하면, 2-D 스캐너(1510)는 틸트 축 중심으로 수직으로 증분하여 회전되어, 수평 스캔 라인의 새로운 세트를 통하여 FOV의 수평 스캐닝을 계속할 수 있다. 물론, 다양한 펄스 레이트, 스캔 레이트, 레이저 크기, 레이저 간극 등이 사용될 수 있다.
비록 1-D 레이저 어레이가 위에서 논의되었지만, 레이저 소스의 2-D 어레이도 역시 채택될 수 있다. 레이저는 정사각형 또는 직사각형 패턴 또는 임의의 다른 타입의 패턴(예를 들어, 육각형으로 패킹된 패턴 등)으로 배치될 수 있다. 또한, 스캐너(1510)가 위에서 논의된 하나 이상의 스캐너(예를 들어, 스캐닝 유닛(720 또는 860))과 유사할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
위에서 논의된 예는 16 개의 레이저 채널(또는 어레이 내의 16 개의 레이저 광원)을 포함한다. 다른 개수의 레이저 소스가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시형태는 4 개, 8 개, 32 개, 64 개의 레이저 소스, 또는 임의의 다른 소망되는 개수의 레이저 소스를 포함할 수 있다. 또한, 레이저 광원은 1-D 어레이 내에 다양한 구성으로 배치될 수 있다. 위에서 논의된 도 10a 내지 도 10g는 1-D 어레이 내에 배치된 레이저 광원의 여러 예시적인 구성을 나타낸다.
LIDAR 시스템의 이용가능한 분해능은 많은 인자에 의존할 수 있다. 일부 경우에(예를 들어, 단일 레이저 소스 시스템), 분해능은 스캔 라인들 사이에서 사용되는 미러 틸트 증분 및 스캔 라인들에 걸쳐서 스캔하는 동안에 사용되는 레이저 펄스 주파수를 포함하는 인자에 의존할 수 있다. 멀티-레이저 시스템과 같은 다른 경우에, 이용가능한 분해능은 미러 틸트 증분 및 스캐닝 도중의 레이저 펄스 주파수에 추가하여, 레이저 어레이(예를 들어, 950) 내의 레이저 소스들 사이의 간극에 의존할 수 있다.
예를 들어, 일부 LIDAR 시스템에서는, 단일 레이저 소스가 전술된 바와 같이 스캐너, 예컨대 2-D 스캐너를 사용하여 LIDAR FOV에 걸쳐서 스캐닝될 수 있다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 2-D 스캐닝 미러(예를 들어, MEMS 미러(들), 2축성 기계식으로 회전된 미러 등)가 FOV에 걸쳐서 단일 레이저 소스로부터의 광을 스캔하기 위해서 사용될 수 있다. 수평 스캔 라인(1201, 1203, 1205 등)은 균일하게 이격되지 않을 수도 있다. 예를 들어, LIDAR FOV의 어떤 구역, 예컨대 수평선 구역 위/아래의 영역을 스캔하기 위하여, 이용가능한 최소 틸트 증분보다 큰, 2-D 스캐닝 미러에 대한 수직 틸트 증분이 선택될 수 있다. 도 12a에 예시된 예에서, 수평선 위와 아래의 구역은, 예를 들어 어레이 내의 레이저 피치에 대응할 수 있는 0.6 도의 수직 틸트 증분을 사용하여 스캐닝될 수 있고, 어레이 내의 레이저 피치와 같은 개략적인 샘플링 분해능을 생성한다. 그러나, 수평선을 포함하는 구역 내에서는, 해당 구역 내에 더 근접하게 이격된 스캔 라인을 제공하고, 차례대로 해당 구역 내에 더 높은 포인트 클라우드 분해능을 제공하기 위해서 최소 수직 틸트 각도가 사용될 수 있다.
도 12a의 예시된 예에서, 포인트 클라우드 수직 분해능은 라인 간극에 의존할 수 있는 반면에, 수평 분해능은 2-D 스캐닝 미러가 각각의 수평 스캔 라인을 따라서 스캔할 때에 단일 레이저 소스가 펄싱되는 주파수에 의존할 수 있다. 펄스 주파수가 높아질수록, LIDAR 시스템으로부터 생성된 포인트 클라우드의 잠재적인 분해능이 더 높아진다.
일부 LIDAR 시스템에서는, 단일 광원에 의존하는 것이 아니라, 다수의 광원이 사용될 수 있다. 일부 경우에, 하나 이상의 레이저 소스로부터의 광 빔이 분할되어 스캐닝을 위해서 이용가능한 다수의 레이저 빔을 제공할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 레이저 어레이(예를 들어, 앞선 섹션에서의 예들에서 설명된 바와 같은 1-D 레이저 어레이)가 LIDAR FOV를 스캔하기 위한 다수의 레이저 빔을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
2-D 스캐닝 미러를 포함하는 멀티-빔 시스템에서는, 잠재적인 포인트 클라우드 분해능이 계속하여 레이저가 구동되는 틸트 증분(예를 들어, 수직 틸트 증분)에 의존할 수 있고, 분해능도 레이저 소스가 구동되는 펄스 주파수에 의존할 수 있다. 그러나, 멀티-빔 시스템에서는, 이용가능한 잠재적인 포인트 클라우드 분해능은 레이저 소스 또는 생성된 레이저 빔의 간극에도 의존할 수 있다. 후술되는 바와 같이, 일부 멀티-빔 시스템은 상대적으로 큰 관심 대상일 수 있는 FOV의 구역 내에는 더 높은 분해능을 가능하게 하고, 상대적으로 낮은 관심 대상일 수 있는 FOV의 구역 내에는 더 낮은 분해능을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 각각이 검출기로써 N2 픽셀에 의해 분할되는 N1 개의 레이저 스폿을 가지는 레이저 소스(예를 들어, N1 레이저 빔) 및 [1: N3-1]의 레이저 [활성: 비활성] 비의 경우, 최고 분해능은 다음과 같이 결정될 수 있다: Res=라인 간극 /(N1*N2*N3).
설명된 레이저 소스 어레이는 그들의 실효 각도 치수(예를 들어, 어레이로부터의 광이 거쳐서 FOV를 향해 투영되는 입체각의 일부)에 의해서 특징지어질 수 있다. 도 10d 내지 도 10f에 예시된 예에서, 예시된 레이저 어레이(1000) 각각은 2.4 도의 각도 치수를 가질 수 있다. 그러므로, LIDAR FOV의 스캔 도중에, 스캐닝 미러가 각각의 스캔 패턴 라인들 사이에서 자신의 틸트 축 중심으로 2.4 도만큼 회전된다면, FOV는 각각의 어레이 내의 레이저 소스 간극에 의해 표현되는 각도 치수만큼 이격된 수평 스캔 라인들로써 스캐닝될 것이다. 예를 들어, 2.4 도 수직 증분에서 스캐닝된 4-채널 어레이는 0.6 도만큼 분리된 수평 스캔 라인을 초래할 것이다. 8-채널 어레이는 0.3 도만큼 분리된 수평 스캔 라인을 제공할 것이고, 16-채널 어레이는 0.15 도만큼 분리된 수평 스캔 라인을 제공할 것이다.
설명된 레이저 어레이(예를 들어, 16 개의 레이저 소스 어레이)가 임의의 개수의 활성 채널을 가지고 선택적으로 동작될 수 있고, 활성 채널(예를 들어, 활성 레이저 방출 소스)의 개수가 LIDAR FOV의 단일 프레임 스캔 도중에, 스캔 패턴의 단일 스캔 라인에 따른 스캐닝 도중에, 또는 LIDAR FOV 스캔에 대한 임의의 시간 간격 또는 공간적 구역에 걸쳐서 변경될 수 있다는 것에 주의해야 한다.
설명된 레이저 어레이 및 스캐닝 시스템은 레이저 어레이 내의 활성 레이저 방출기(또는 레이저 방출 구역) 사이의 간극보다 훨씬 근접한 수평 스캔 라인 간극을 획득하는 가능성을 허용한다. 예를 들어, 일부 실시형태들에서, 스캐닝 미러는, 그 수직 틸트 축 중심으로 레이저 어레이의 각도 치수보다 작은(예를 들어, 도 10d 내지 도 10f의 레이저 어레이에 대하여 2.4 도보다 작은) 각도 증분만큼 회전하도록 제어될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 미러의 제어된 회전은 레이저 어레이 내의 레이저 소스들 사이의 간극과 거의 동일한 수평 라인 간극을 가지는 스캔 패턴을 제공할 수 있다. 일부 경우에, 스캔 라인들 사이의 간극은 어레이 내의 단일 레이저 소스의 각도 치수(예를 들어, 16-채널 예에서는 0.05 도, 8-채널 예에서는 0.1 도, 및 4-채널 예에서는 0.2 도)에 대응할 수 있다.
복수 개의 레이저 빔 중 하나 이상과 연관된 레이저 펄스 레이트는 적어도 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 일정할 수 있다. 복수 개의 레이저 빔 중 하나 이상과 연관된 레이저 펄스 레이트는 적어도 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 변할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 각각의 스캔 도중에 획득된 수평 분해능은 스캐닝 속도(예를 들어, 스캐닝 미러가 스캐닝 축 중심으로 회전되는 레이트) 및 레이저 소스의 펄스 레이트(예를 들어, 레이저 광 펄스가 레이저 어레이의 각각의 레이저 방출 구역으로부터 방출되는 레이트)에 의해서 결정될 수 있다. 스캔 패턴(예를 들어, 제 1 복수 개의 스캔 라인)을 생성하도록 사용된 복수 개의 빔 중 하나 이상과 연관된 펄스 레이트가 FOV의 단일 스캔 도중에 일정하게 유지되거나 변할 수 있다는 것이 고찰된다. 예를 들어, 일부 레이저 빔에 대하여 또는 FOV의 소정 부분에 걸쳐서 더 높은 펄스 레이트가, FOV의 해당 부분에 걸쳐서 더 양호한 분해능을 얻기 위해서 사용될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는 복수 개의 레이저 방출기 중에서 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트를 활성화시키고; 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트에 의해서 생성된 레이저 빔을 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 제 1 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 스캔하도록 프로그래밍될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 개시된 LIDAR 시스템에서는, 레이저 어레이(예를 들어, 950)의 활성 구역(또는 방출기) 중 일부만을 활성화시키면서 잔여 활성 구역(또는 방출기)을 비활성 상태로 남겨둠으로써, 복수 개의 레이저 빔이 생성될 수 있다. 따라서, 일 실시형태에서, 프로세서(118)는 복수 개의 광 빔을 생성하기 위하여, 예를 들어 레이저 어레이(950)의 활성 구역(예를 들어, 956) 중 일부만을 활성화시키도록 프로그래밍될 수 있다. 그리고 위에서 논의된 바와 같이, 프로세서(118)는 생성된 광 빔을 FOV를 가로지르는 제 1 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐 지향시키기 위하여 스캐닝 미러를 회전시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는 복수 개의 레이저 방출기 중에서 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트를 비활성화시키고; 레이저 방출기들의 제 2 서브-세트를 활성화시키며; LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 제 2 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 레이저 방출기들의 제 2 서브-세트에 의해 생성된 레이저 빔을 스캔하도록 프로그래밍될 수 있다. 전술된 바와 같이, 프로세서(118)는 레이저 어레이(950) 내의 레이저 방출기 중 일부 또는 전부를 활성화 또는 비활성화시킬 수 있다. 레이저 어레이(예를 들어, 950)의 레이저 발광 활성 구역의 제 1 서브-세트로부터의 레이저 빔을 사용하여 제 1 스캔을 수행한 이후에, 프로세서(118)는 제 1 서브-세트를 비활성화시키고, 그 대신에 레이저 어레이의 활성 구역의 제 2 서브-세트를 활성화시킬 수 있다. 더 나아가, 제 1 스캔과 유사하게, 프로세서(118)는 스캐닝 미러의 회전을 제어하여 FOV에 걸친 제 2 복수 개의 스캔 라인을 따라서 제 2 스캔을 수행할 수 있다. 프로세서(118)가 스캐닝 미러의 스캐닝 축 중심의 회전을 미러를 틸트 축 중심으로 회전시키지 않으면서 제어할 수 있고, 이를 통하여 FOV의 동일한 부분에 걸쳐서 제 2 스캔을 생성한다는 것이 고찰된다. 그러나, 후술되는 바와 같이 하나의 대체예로서, 프로세서(118)는 제 2 스캔 및/또는 임의의 후속 스캔을 수행하기 이전에 스캐닝 미러가 틸트 축 중심으로 회전하게 할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 제 2 복수 개의 스캔 라인 중 어느 것도 제 1 복수 개의 스캔 라인의 스캔 라인들 사이에 공간적으로 위치되지 않을 수 있다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 일부 실시형태들에서, 틸트 축 중심의 스캐닝 유닛(720, 860)의 회전은 제 1 스캔 도중에 생성된 각각의 수평 스캔 라인(예를 들어, 1221, 1223, 1225 등)을, 예를 들어 도 10d 내지 도 10f의 레이저 어레이의, 예를 들어 각도 치수(예를 들어, 2.4 도)에 대응하는 거리 DH만큼 변위시킬 수 있다. 따라서, 예를 들어 스캔 라인(1221, 1223, 1225 등)이 제 1 스캔 패턴에 대응할 수 있다. 스캐닝 미러를 레이저 어레이의 각도 치수 이상의 각도(예를 들어, ≥ 2.4 도)만큼 회전시킨 이후에, 수평 스캔 라인(1231, 1233, 1235 등)이 제 2 스캔 도중에 생성될 수 있다. 스캐닝 미러가 레이저 어레이의 각도 치수 이상의 각도만큼 회전되었기 때문에, 예를 들어 스캔 라인(1231, 1233, 1235) 각각은 수평 스캔 라인(1221, 1223, 1225) 각각으로부터 거리 DH만큼 변위될 수 있다. 따라서, 일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 스캐닝 유닛이 틸트 축 중심으로 제 1 복수 개의 스캔 라인의 각도 폭 이상의 회전각만큼 회전하게 함으로써, 스캐닝 유닛이 복수 개의 레이저 빔을 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키게 할 수 있다. 예를 들어, 전술된 바와 같이, 프로세서(118)가 스캐닝 미러로 하여금 레이저 어레이의 각도 치수 이상의 각도(예를 들어, ≥ 2.4 도)만큼 회전하게 하면, 제 2 스캔 패턴(스캔 라인의 제 2 세트를 포함함)도 제 1 스캔 패턴(스캔 라인의 제 1 세트를 포함함)에 대하여 동일한 회전각만큼 변위된다.
프로세서(118)는 앞서 식별된 프로세스들을 여러 번 반복할 수 있다. 따라서, 예를 들어 일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 레이저 방출기들의 제 2 서브-세트를 비활성화시키고; 2축성 스캐닝 미러를 모놀리식 레이저 어레이의 각도 길이 이상의 회전각만큼 틸트시키며; 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트를 활성화시키고; 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트에 의해 생성된 레이저 빔을 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 제 3 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 스캔하도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 전술된 바와 같이, 프로세서(118)는, 레이저 어레이(예를 들어, 950)의 활성 구역의 제 2 서브-세트를 비활성화시키고 레이저 어레이의 활성 구역의 제 1 서브-세트를 재활성화시켜서 FOV에 걸친 제 3 스캔을 수행함으로써, 스캐닝 프로세스를 반복할 수 있다. 더욱이, 제 3 스캔을 수행하기 이전에, 프로세서(118)는 스캐닝 미러가 틸트 축 중심으로 레이저 어레이의 각도 길이 이상일 수 있는 각도만큼 회전하게 할 수 있다. 이렇게 하면, 제 3 복수 개의 스캔 라인이 제 2 복수 개의 스캔 라인과 중첩하지 않는 것이 보장될 것이다. 그러나, 프로세서(118)가 스캐닝 미러로 하여금 틸트 축 중심으로 레이저 어레이의 각도 길이보다 작은 각도만큼 회전하게 할 수도 있다는 것이 고찰된다. 그러한 경우에, 제 3 복수 개의 스캔 라인 중 적어도 일부는 제 2 복수 개의 스캔 라인 중 적어도 일부와 중첩할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 스캐닝 유닛이 틸트 축 중심으로 제 1 복수 개의 스캔 라인의 각도 폭 미만의 회전각만큼 회전하게 함으로써, 스캐닝 유닛이 복수 개의 레이저 빔을 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키게 할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(118)는 스캐닝 미러로 하여금 레이저 어레이의 각도 치수 미만의 각도(예를 들어, <2.4 도)만큼 회전되도록 할 수 있다. 이러한 경우에, 예를 들어 스캔 라인(1231, 1233, 1235) 각각은 수평 스캔 라인(1221, 1223, 1225) 각각으로부터 DH 거리보다 작은 거리만큼 변위될 수 있다. 결과적으로, 스캔 라인(1231, 1233 및/또는 1235) 중 적어도 일부는 스캔 라인(1231, 1233 및/또는 1235) 사이에 위치될 수 있다. 따라서, 일부 실시형태들에서는, 제 2 복수 개의 스캔 라인 중 적어도 하나의 스캔 라인은, 제 1 복수 개의 스캔 라인에 포함된 두 개의 스캔 라인들 사이에 공간적으로 위치될 수 있다.
일부 실시형태들에서는, 제 2 복수 개의 스캔 라인 중 어느 것도 제 1 복수 개의 스캔 라인의 스캔 라인들 사이에 공간적으로 위치되지 않을 수 있고, 적어도 하나의 프로세서는, 스캐닝 유닛이 복수 개의 빔을 FOV를 가로지르는 제 3 복수 개의 스캔 라인을 따라서 지향시키게 하도록 더 프로그래밍되며, 제 3 복수 개의 스캔 라인 중 적어도 하나의 스캔 라인은 제 2 복수 개의 스캔 라인에 포함된 두 개의 스캔 라인들 사이에 공간적으로 위치된다. 스캐닝 미러를 레이저 어레이의 각도 치수 이상의 각도(예를 들어, ≥ 2.4 도)만큼 회전시키거나 스캐닝 미러를 레이저 어레이의 각도 치수 미만의 각도(예를 들어, <2.4 도)만큼 회전시키는 전술된 피쳐들은 많은 상이한 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 제 1 스캔이 수행될 수 있고, 그 후에 제 2 스캔을 수행하기 이전에 스캐닝 미러가 레이저 어레이의 각도 치수 이상의 각도(예를 들어, ≥ 2.4 도)만큼 회전될 수 있다. 결과적으로, 전술된 바와 같이, 제 2 스캔의 스캔 라인 중 어느 것도 제 1 스캔의 스캔 라인들 사이에 위치될 수 없다. 후속하여, 스캐닝 미러는 제 3 스캔을 수행하기 이전에 레이저 어레이의 각도 치수 미만의 각도(예를 들어, <2.4 도)만큼 회전될 수 있다. 결과적으로, 전술된 바와 같이, 제 3 스캔의 스캔 라인 중 적어도 일부는 제 2 스캔의 스캔 라인 중 적어도 일부 사이에 공간적으로 위치될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 스캐닝 유닛이 복수 개의 빔을 FOV를 가로지르는 제 4 복수 개의 스캔 라인을 따라서 지향시키게 하도록 더 프로그래밍될 수 있고, 제 4 복수 개의 스캔 라인 중 적어도 하나의 스캔 라인은, 제 2 복수 개의 스캔 라인에 포함된 두 개의 스캔 라인들 사이에, 그리고 또한 제 3 복수 개의 스캔 라인에 포함된 두 개의 스캔 라인들 사이에 공간적으로 위치된다. 스캐닝 미러를 상이한 각도만큼 회전시키는 전술된 프로세스는 반복될 수 있다. 예를 들어, 제 3 스캔을 수행한 이후에, 스캐닝 미러는 레이저 어레이의 활성 레이저 방출 구역들 사이의 각도 간극 미만의 각도(예를 들어, 도 10e의 레이저 어레이에 대하여 0.2 도 미만 또는 도 10f의 레이저 어레이에 대하여 0.4 도 미만)만큼 제 4 스캔을 수행하기 이전에 회전될 수 있다. 스캐닝 미러를 작은 각도만큼 회전시킴으로써, 제 4 스캔의 스캔 라인이 인접한 스캔 라인들 사이의 거리보다 적게 변위될 수 있다. 결과적으로, 제 4 스캔에서의 내의 스캔 라인은 제 2 및 제 3 스캔 패턴과 연관된 스캔 라인과 중첩할 수 있다. 즉, 제 4 패턴 내의 적어도 일부 스캔 라인은 제 2 패턴의 스캔 라인들 사이에 있을 수 있고, 제 4 패턴 내의 적어도 일부의 다른 스캔 라인은 제 3 패턴의 스캔 라인들 사이에 있을 수 있다.
일부 경우에, 스캐닝 미러의 수직 회전은 제어되어 가변 분해능 스캔을 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 12b에 도시되는 스캔에서는, 스캔의 상단 및 하단 각각 근처의 구역(1280 및 1282)에 대하여, 스캐닝 미러는 자신의 수직 틸트 축 중심으로 적어도 레이저 어레이의 각도 치수의 크기인 각도 증분만큼 회전될 수 있다. 그러나, 수평선을 포함하는 구역(1284)(예를 들어, +/- 5 도 사이)에서는, 스캐닝 미러가 자신의 수직 틸트 축 중심으로 레이저 어레이의 각도 치수 미만의 각도 증분만큼 회전될 수 있다.
도 12b의 스캔 예에서, 도 15에 표현된 바와 같이 16 개의 레이저 소스의 어레이가 사용되고 비활성 영역에 대한 활성 소스의 1:2 비로 작동될 수 있다. 도 12b의 예에서, 두 개의 인접한 레이저 소스들의 그룹에 의해서 각각 방출된 16 개의 레이저 빔이 존재할 수 있다. 16 개의 레이저 빔 각각이 0.1 도의 총 수직 치수를 가지는 2-레이저 빔 그룹으로부터 방출될 수 있도록, 각각의 빔은 0.05 도의 수직 각도 치수를 가질 수 있다. 활성 레이저 그룹은 0.2 도의 총 수직 각도 치수를 가지는 비활성 공간에 의해서 이격될 수 있다. 이것은 어레이 내에 비활성에 대한 활성 공간의 1:2의 비를 제공할 수 있다. 따라서, 16-소스 레이저 어레이에 의해 스캐닝된 라인들의 수평 간극은 0.3 도일 수 있다. 레이저 어레이(0.2 도 각도 치수를 각각 가지는 15 개의 틈새 비활성 공간에 의해서 분리된, 0.1 도 각도 치수를 가지는 16 개의 소스)의 총 수직 각도 치수응 약 4.6 도일 수 있다.
도 16은 개시된 LIDAR 시스템(100)을 사용하여 획득될 수 있는 예시적인 스캔 패턴을 도시한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 약 -6 도 내지 약 +6 도의 구역(1610)(수평선을 포함할 수 있음)은 더 높은 분해능이 소망될 수 있는 더 높은 관심 구역에 대응할 수 있다. 이러한 더 높은 분해능은, 예를 들어 스캐닝 미러의 그 수직 스캐닝 축 중심의 틸트를 레이저 어레이의 총 각도 치수 미만의 양만큼 증분시킴으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 약 -6 도 내지 약 +6 도의 구역 내에서는, 여섯 번의 수평 스캔이 수행될 수 있다. 레이저 어레이의 수평 스캔이 서로 더 근접한 간극을 가지면, 수직 방향으로 더 높은 분해능(예를 들어, 구역(1620) 내에서는 0.1 도)이 제공될 수 있다. 이러한 구역 내에서 레이저 펄스 주파수를 증가시키면 수평 방향으로의 분해능(예를 들어, 구역(1620) 내에서는 0.1 도)도 역시 증가될 수 있다.
분해능은 더욱 증가될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 레이저 소스 중 오직 하나로부터 16 개의 레이저 빔들 각각을 생성함으로써, 생성된 빔 각각은 0.5 도의 수직 각도 치수를 가지는 소스로부터 방출될 수 있다. 후속 수평 스캔들을 중첩시키고, 레이저 펄스 주파수를 추가적으로 조절함으로써, 0.05 도 x 0.05 도(예를 들어)의 분해능이 제공될 수 있다. 이러한 기법은, 예를 들어 특정 관심 구역(ROI), 예를 들어 구역(1630)을 스캔하기 위해서 사용될 수 있다. 이러한 ROI는 FOV 내에서 미리 결정될 수 있거나, 트리거링 이벤트, 예컨대 특정 대상물 또는 대상물 타입의 검출, 부분적인 대상물 검출, 특정 거리 범위 내에서의 대상물의 검출, 중첩 대상물의 검출 등에 기반하여 식별될 수 있다.
수평선을 포함하는 구역 내에 및/또는 관심 구역 내에 향상된 분해능을 포함하는 스캔의 다른 예는 구역(1610)에 의해 표현된다. 이러한 구역 내에서, 각각의 스캔 라인 사이의 거리(또는 수직 각도 변위)는 레이저 어레이 내의 다수의 빔 스폿들의 총 길이보다 작다. 이러한 방식으로, 더 많은 픽셀이 중첩 부분 내에서 샘플링될 수 있도록, 스캐닝된 영역 중 일부는 이전의 스캔 라인과 "중첩한다".
더 높은 분해능은, 이전에 스캐닝된 구역 중 일부와 후속 스캔 사이에 중첩이 존재하도록, 멀티빔 스캐닝을 사용하고 스캔의 수직 오프셋을 제어함으로써 획득될 수 있다. 예를 들어, FOV 내의 구역(1610)의 전개도가 도 16에 도시된다. 5-15 도의 분해능이 0.15x0.3인 반면에, ROI 구역의 중심에서는 분해능이 0.05x0.05로 증가한다는 것을 알 수 있다. 이러한 구역들 사이에서, 낮은 분해능과 높은 분해능 사이인 천이 분해능이 존재할 수 있다.
다수의 빔 구성을 사용하는 중첩 스캐닝의 여러 예들이 도 17a, 도 17b, 및 도 17c에 도시되어 있다(예를 들어, 16 개, 8 개, 또는 4 개의 빔을 사용함). 예를 들어, 도 17a는 16 개의 빔을 사용한 스캔을 도시하는데, 스캔(1702-1708)은 스캐닝 미러의 레이저 어레이의 각도 길이의 약 1/3만큼의 회전이 틸트 축 중심으로 각각 이루어진 스캔들이다. 결과적으로 얻어지는 결합된 스캔이 1722로 표현된다. 결합된 스캔(1722)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 분해능은 스캔의 중심을 향해 갈 수록 점진적으로 증가한다. 유사하게, 도 17b는 8 개의 빔을 사용한 스캔을 도시하는데, 스캔(1732-1739)은 스캐닝 미러의 레이저 어레이의 각도 길이의 약 1/3만큼의 회전이 틸트 축 중심으로 각각 이루어진 스캔들이다. 결과적으로 얻어지는 결합된 스캔이 1740으로 표현된다. 유사하게, 도 17c는 4 개의 빔을 사용한 스캔을 도시하는데, 스캔들(1752-1758)은 스캐닝 미러의 레이저 어레이의 각도 길이의 약 1/3만큼의 회전이 틸트 축 중심으로 각각 이루어진 스캔들이다. 이러한 예들에서, 스캔 라인들 사이의 거리(즉, 그 수직 스캐닝 축 중심으로의 스캐닝 미러의 각도 변위에 대응함)는 레이저 어레이의 각도 길이의 1/3과 같고, 분해능은 멀티빔 분해능의 3배까지 증가될 수 있다. 다르게 말하면, 수동에 대한 활성 공간의 1:2 비를 가지는 레이저 어레이를 포함하는 일 예에서, 레이저 어레이로부터의 광을 후속 수평 스캔에서의 어레이의 각도 길이의 1/3만큼 수직으로 천이시키면, 종래의 스캔 도중에 레이저 어레이의 수동 영역에 의해서만 중첩된 구역(예를 들어, 1724, 1742, 1762 등)을 스캐닝할 수 있게 된다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 스캐닝 유닛이 틸트 축 중심으로 제 1 복수 개의 스캔 라인 중의 스캔 라인들의 하나 이상의 인접한 쌍들 사이의 각도 간극 미만의 회전각만큼 회전하게 함으로써, 스캐닝 유닛이 복수 개의 레이저 빔을 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키게 할 수 있다. 도 17d는 멀티-빔 광원의 중첩하는 스캔들을 통해서 달성가능한 증가된 분해능을 추가적으로 예시하기 위해서, 도 17a 중 일부의 클로즈업 도면들을 도시한다. 도 17d에 도시된 바와 같이, 스캔 A 도중에, LIDAR FOV의 수평 라인은 0.3 도(어레이 내의 활성 레이저 소스들 사이의 간극)의 수직 분해능에서 스캐닝될 것이다(16-채널 예 중에서 여섯 개의 채널만이 도시됨). 후속 수평 스캔인 스캔 B 도중에, 프로세서(118)는 스캐닝 미러가 0.3 도의 수직 각도 분해능의 1/3 만큼만 각도 변위되게 할 수 있다. 결과적으로, 스캔 B는 스캔 A와 부분적으로 중첩한다. 도 17d에 도시된 바와 같이, 스캔에서의 이러한 중첩은 스캔 A의 비활성 구역 중 1/2이 스캔 B 도중에 스캐닝되는 결과를 초래한다. 유사하게, 미러가 다시 0.3 도의 수직 각도 분해능의 1/3만큼만 틸트되는 후속 스캔 C에서, 스캔 A의 비활성 구역의 다른 절반은 스캔 C에 의해서 커버된다. 결과적으로, 이러한 중첩 구역 내에서 달성가능한 수직 분해능은 스캔 A만을 사용하는 0.3 도로부터 스캔 A, B, 및 C의 중첩을 사용하는 0.1 도로 증가될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 중첩하는 스캔들은 두 가지 단계에서 수행될 수 있다. 제 1 단계에서, 후속 스캔은 스캐닝 미러가 틸트 축 중심으로 레이저 어레이의 활성 구역에 의해서 방출된 시준된 빔의 각도 폭에 대응하는 각도만큼 회전된 이후에 수행될 수 있다. 이러한 프로세스는 n 번 계속될 수 있는데, 여기에서 n =(인접한 시준된 빔들 사이의 각도 간극 / 스캐닝 미러가 회전되는 각도)이다. n 회의 스캔이 완료된 이후에, 제 2 단계에서는 스캐닝 미러를 틸트 축 중심으로 인접한 시준된 빔들 사이의 각도 간극에 대응하는 각도만큼 회전시킨 이후에 추가적 스캔이 수행될 수 있다. 예를 들어, 레이저 어레이의 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비가 1:2인 상황을 고려하면, 각각의 시준된 빔의 각도 크기는 약 0.1°이고 인접한 시준된 빔들 사이의 각도 폭은 약 0.2°이다. 이러한 경우에, 제 1 단계에서는, 스캐닝 미러를 틸트 축 중심으로 각각의 스캔 이후에 약 0.1°만큼 회전시킴으로써 세 번의 스캔이 수행될 수 있다. 제 2 단계에서는, 스캐닝 미러를 대략적으로 레이저 어레이에 의해서 방출된 복수 개의 레이저 빔의 총 각도 폭의 각도만큼 회전시킨 이후에 제 4 스캔이 수행될 수 있다(예를 들어 비활성 구역에 대한 활성 구역의 1:2의 비를 가지는 16 개의 빔의 경우, 레이저 어레이에 의해서 방출된 복수 개의 레이저 빔의 총 각도 폭은 약 4.6°-5°임). 이러한 경우에 틸트 축 중심의 각도 변위는 0.1°, 0.1°, 4.6°, 0.1°, 0.1°, 4.6° 등일 것이다. 이러한 다단계 스캐닝 스킴은 전체 FOV에 걸쳐서 일반적으로 균일한 샘플링 분해능을 제공할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 스캐닝 유닛이 틸트 축 중심으로 모놀리식 레이저 어레이에 의해 생성된 빔들의 각도 폭의 사분의 일 내지 절반의 회전각만큼 회전하게 함으로써, 스캐닝 유닛이 복수 개의 레이저 빔을 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키게 한다. 비록 0.3 도의 수직 각도 분해능의 1/3인 틸트 각도가 위에서 논의되었지만, 스캐닝 미러가 임의의 양만큼 회전될 수 있는 것이 고찰된다. 예를 들어, 일부 실시형태들에서, 프로세서(118)는 스캐닝 미러로 하여금 레이저 어레이에 의해 생성된 빔의 수직 각도 분해능 또는 각도 폭의 1/4 내지 1/2만큼 회전되게 할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 스캐닝 유닛이 틸트 축 중심으로 0.05 도 내지 5 도의 회전각만큼 회전하게 함으로써, 스캐닝 유닛이 복수 개의 레이저 빔을 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키게 할 수 있다. 도 15의 예로 돌아가면, 0.1 도의 활성 구역 폭과 0.2 도의 활성 구역 간극을 가정할 때, 레이저 어레이의 각도 폭의 1/3만큼의 틸트 축 중심의 회전은 약 16 x 0.1 = 1.6 도만큼의 회전을 의미할 것이다. 반면에 활성 구역의 개수가 32개 였다면, 회전의 양은 3.2 도가 될 것이다. 따라서, 1/3 천이에 대응하는 회전의 양은 레이저 어레이의 크기에 의존할 수 있다. 스캐닝 미러의 틸트 축 중심의 회전의 양이 약 0.05 도 내지 5 도의 범위를 가질 수 있다는 것이 고찰되지만, 틸트 축 범위는 변할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 스캐닝 유닛이 틸트 축 중심으로 0.05 도 내지 0.5 도의 회전각만큼 회전하게 함으로써, 스캐닝 유닛이 복수 개의 레이저 빔을 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키게 할 수 있다.
전술된 기법을 사용하면, 레이저 피치에 비교되는 분해능이 획득될 수 있다. 레이저 스폿이 수신기를 사용하여 분할되는 경우에는, 레이저 스폿의 각도 크기의 약 절반(예를 들어, 0.05 도)의 수직 분해능이 이제 획득될 수 있다. 틸트 축 중심의 회전을 조절함으로써 다수의 다른 구성이 획득될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에는 하나 이상의 중첩하는 스캔들이 선택된 ROI에 대해서 수행되어 그러한 구역 내에 더 높은 분해능을 제공할 수 있다. 그러나, 하나 이상의 후속하는 중첩 스캔은 전체 LIDAR FOV의 수평 스캔을 포함할 필요가 없다. 오히려, 후속 스캔은 전체 FOV 이하의 폭을 가지는 LIDAR FOV의 하나 이상의 하위-구역 중 임의의 것에 포커싱될 수 있다.
LIDAR FOV의 하위-구역 상에 포커싱된 다단계 스캔의 추가적인 예들이 도 18a 및 도 18b에 도시되어 있다. 다단계 스캔은 제 1 시간 기간 동안에 제 1 구역을 연속 방식으로 스캔하는 것, 및 제 2 시간 기간 동안에 제 2 구역(예를 들어, LIDAR FOV의 하위구역)을 후속하여 스캔하는 것을 수반한다. 예를 들어, 도 18a에 도시된 바와 같이, 제 1 스캔(스캔 라인(1810, 1812, 1814 등)에 의해 표현됨)은 제 1 시간 기간 동안에 수행될 수 있고, 제 2 스캔(스캔 라인(1820, 1822, 1824 등)에 의해 표현됨)은 제 2 시간 기간 동안에 수행될 수 있다. 도 18b에 또한 도시된 바와 같이, 제 2 스캔은 제 1 구역(1830)보다 작을 수 있는 제 2 구역(1840)에 걸쳐서 수행될 수 있다. 일부 경우에는 관심 하위-구역이 전체 FOV에 걸쳐서 연장될 수 있고, 다른 경우에는 관심 하위-구역이 FOV보다 작은 폭을 가질 수 있다.
도 19는 낮은 분해능으로 전체 FOV를 스캔(1910)하는 것, 및 높은 분해능으로 FOV의 하위섹션(1920)을 후속하여 스캔하는 것(예를 들어, 더 느린 레이트 및 더 높은 펄스 레이트에서 스캐닝함)을 포함하는 다단계 스캔을 도시한다. 하위섹션은 전체 수평 범위에 대한 것이거나(이러한 솔루션은 공진 수평 스캔에 대해서 구현될 수 있음), 또는 HFOV 및 VFOV의 하위섹션에 대한 것일 수 있다. 적어도 하나의 축(예를 들어, 수평축)에서 FOV의 전체 범위를 가지는 하위구역을 후속 스캔하는 것을 포함하는 다단계 스캔은, 수평 방향으로 공진 발진에서 스캔하는 스캐너를 사용하여 구현되는 것이 바람직할 수 있다. 수평 범위 및 수직 범위의 하위섹션의 후속 스캔을 포함하는 다단계 스캔은 양자 모두의 방향에서의 스캐닝 레이트의 준-정적 제어(quasi-static control)를 사용하여, 또는 스캐너의 공진을 튜닝함으로써 달성될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 스캐닝 유닛이, 복수 개의 빔을 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트를 따라서 지향시킴으로써 LIDAR 시스템의 시야의 제 1 구역을 스캔하게 하고, 복수 개의 빔을 제 2 복수 개의 스캔 라인 세트를 따라서 지향시킴으로써 시야의 제 2 구역을 스캔하게 하도록 더 프로그래밍될 수 있고, 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트 중 어느 것도 서로 중첩하지 않으며, 제 2 복수 개의 스캔 라인 중 적어도 일부는 서로 중첩한다. 위에서 논의된 바와 같이, 프로세서(118)는, 예를 들어 스캐닝 미러(예를 들어, 스캐닝 유닛(720, 860))을 틸트 축 중심으로 레이저 어레이의 각도 폭 이상의 각도만큼 회전시키도록 구성될 수 있다. 이렇게 하면, 서로 중첩하지 않는 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트가 생성될 수 있다. 프로세서(118)는 FOV의 제 1 구역을 스캔하는 동안에 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트를 획득할 수 있다. 앞서 역시 논의된 바와 같이, 프로세서(118)는 FOV의 제 2 관심 구역을 스캔하는 동안에 스캐닝 미러(예를 들어, 스캐닝 유닛(720, 860))을 틸트 축 중심으로 레이저 어레이의 각도 폭보다 작은 각도만큼 회전시키도록 구성될 수 있다. 이렇게 하면, 적어도 일부가 서로 중첩할 수 있고, 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트 중 일부와도 중첩할 수 있는 제 2 복수 개의 스캔 라인 세트가 생성될 수 있다. 예를 들어, 도 19에 도시된 바와 같이, 스캔 라인 세트(1910)는 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트들 내의 세트들 중 하나를 구성할 수 있는 반면에, 스캔 라인 세트(1920)는 제 2 복수 개의 스캔 라인 세트 내의 세트들 중 하나를 구성할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 스캐닝 유닛이, 복수 개의 빔을 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트를 따라서 지향시킴으로써 LIDAR 시스템의 시야의 제 1 구역을 스캔하게 하고, 복수 개의 빔을 제 2 복수 개의 스캔 라인 세트를 따라서 지향시킴으로써 시야의 제 2 구역을 스캔하게 하도록 더 프로그래밍될 수 있고, 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트들 사이의 중첩 정도는 제 2 복수 개의 스캔 라인 세트들 사이의 중첩 정도보다 작다. 제 1 복수 개의 비-중첩 스캔 라인 세트들을 획득하는 대신에, 일부 실시형태들에서 프로세서(118)는 FOV의 제 1 구역을 스캔하는 동안에 스캐닝 미러를 레이저 어레이의 각도 폭보다 작은 각도만큼 역시 회전시킴으로써 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트를 획득하도록 구성될 수 있다. 그러나, 프로세서(118)는 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트를 획득하는 동안에 스캐닝 미러를, 제 2 복수 개의 스캔 라인 세트를 획득하는 동안에 스캐닝 미러가 회전되는 각도보다 큰 각도만큼 회전시킬 수 있다. 이렇게 하면, FOV의 제 2 구역 내에 훨씬 더 큰 분해능을 역시 제공하면서 FOV의 제 1 구역에 큰 분해능을 허용할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 시야의 제 2 구역은 관심 구역일 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, FOV의 제 2 구역 내에는 스캔 라인 세트들 사이에 실질적으로 더 많은 중첩이 존재할 수 있다. 실질적인 중첩은 관심 대상일 수 있는 FOV의 특정 부분을 포함할 수 있는 제 2 관심 구역 내의 분해능을 개선하는 것을 도울 수 있다. 일부 실시형태들에서, 관심 구역은 수평선을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 관심 구역은 검출된 대상물을 포함할 수 있다. 예를 들어, LIDAR 시스템이 대상물의 존재를 검출했을 수 있기 때문에, FOV의 특정 부분은 관심 대상일 수 있다. 일부 실시예들에서, 대상물은 보행자일 수 있다. 일부 실시예들에서, 대상물은 차량일 수 있다. 예를 들어, 차량(예를 들어, 자율주행 차량)에 구현된 LIDAR 시스템에서는, 자율주행 차량이 검출된 대상물과의 충돌 우도를 최소화하기 위하여 회피 동작을 잠재적으로 취하게 하기 위해서, 시야 내의 검출된 대상물이, 예를 들어 보행자 또는 다른 차량인지 여부를 결정하는 것이 바람직할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 시야의 제 2 구역 내에서 검출된 대상물의 타입에 기반하여 관심 구역을 식별하도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(118)는 FOV의 제 1 구역에 대응하는 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트를 획득할 수 있다. 프로세서(118)는 FOV의 스캐닝된 제 1 구역 내에 포함될 수 있는, FOV의 제 2 구역 내의 대상물의 존재를 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트에 기반하여 결정할 수 있다. 프로세서(118)는 검출된 대상물의 타입(예를 들어, 보행자, 차량, 정지된 대상물, 이동하는 대상물 등)을 더 결정할 수 있다. 제 2 구역 내의 대상물의 타입의 결정에 기반하여, 프로세서(118)는 제 2 구역을 관심 구역으로 식별할 수 있다. 예를 들어, 차량-기반 LIDAR 시스템 구현형태에서는, 프로세서(118)가 제 2 구역 내의 대상물이 정지된 대상물이라고 결정하면, 프로세서(118)는 제 2 구역을 관심 구역으로 식별할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 대상물은 시야의 이전의 풀 프레임 스캔으로부터 수신된 반사 신호(reflections signal)에 기반하여 검출될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 대상물은 시야의 스캔 프레임 스캔과 연관된 하나 이상의 이전 스캔 라인으로부터 수신된 반사 신호에 기반하여 검출될 수 있다. FOV의 제 2 구역 내의 대상물이 FOV의 큰 부분의 이전의 스캔 도중에 획득된 스캔 라인 세트에 기반하여 검출될 수 있다는 것이 고찰된다. 추가적으로 또는 대안적으로, FOV의 제 2 구역 내의 대상물은 FOV의 현재 스캔으로부터 획득된 스캔 라인 세트에 기반하여 검출될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 적어도 하나의 프로세서는, 스캐닝 유닛이 LIDAR 시스템의 시야 중 일부를 스캔하여 시야의 부분 프레임 스캔을 제공하게 하도록 더 프로그래밍되고, 시야 중 일부의 스캔은 복수 개의 중첩하는 스캔 라인 세트를 사용하여 수행된다. 위에서 논의된 바와 같이, 프로세서(118)는 스캐닝 미러(예를 들어, 스캐닝 유닛(720 또는 860))로 하여금 전체 FOV 또는 FOV 중 일부만을 스캔하게 할 수 있다. 따라서, 일부 실시형태들에서, 프로세서(118)는 스캐닝 미러를 제어하여 FOV의 일부의 스캔(예를 들어, 부분 프레임 스캔)을 획득할 수 있다. 부분 프레임 스캔을 획득하면서, 스캔 도중에 획득된 스캔 라인 세트들이 중첩하도록, 프로세서(118)는 스캐닝 미러로 하여금 틸트 축 중심으로 각도(예를 들어, 레이저 어레이의 각도 폭보다 작은 각도)만큼 회전하게 하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 시야 중 일부는 시야 중 일부 내에서 검출된 대상물에 기반하여 식별된 관심 구역일 수 있다. 일부 실시형태들에서, 대상물은 보행자 또는 차량일 수 있다. 일부 실시예들에서, 대상물은 이동하는 대상물일 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 프로세서(118)는 스캔 라인 세트에 기반하여 결정된 대상물에 기반하여 관심 구역을 식별할 수 있다. 프로세서(118)가 FOV 중 일부에 걸쳐 획득된 스캔 라인 세트를 사용하여 대상물을 검출하도록 프로그래밍될 수 있다는 것이 고찰된다. 앞서 역시 논의된 바와 같이, 프로세서(118)는 대상물을 보행자, 차량, 정지된 대상물 또는 이동하는 대상물 등으로 식별하도록 프로그래밍될 수 있다. 또한, 일부 실시형태들에서는 FOV 중 일부를 스캐닝함으로써 획득된 스캔 라인 세트를 사용하는 대신에, 대상물은 시야의 이전의 풀 프레임 스캔로부터 수신된 반사 신호에 기반하여 검출될 수 있다. 따라서, 예를 들어 프로세서(118)는 대상물을 이전의 시간 기간 동안에 FOV를 스캐닝함으로써, 획득된 스캔 라인 세트를 검출할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 레이저 방출 유닛은 복수 개의 레이저 방출기를 포함하는 모놀리식 레이저 어레이이다. 일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이는 1-차원 어레이이다. 일부 실시형태들에서, LIDAR 시스템은 복수 개의 레이저 빔을 생성하도록 구성된 모놀리식 레이저 어레이를 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이는 복수 개의 레이저 방출기에 대응하는 복수 개의 활성 구역 및 복수 개의 비활성 구역을 포함할 수 있고, 복수 개의 레이저 방출기는 복수 개의 비활성 구역 중 하나 이상에 의하여 서로 이격된다. 일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이는 4 개 내지 64 개의 레이저 방출기를 포함한다. 일부 실시형태들에서, 모놀리식 레이저 어레이의 길이는 0.5 mm 내지 20 mm이다. 도 9a 및 도 9b에 관하여 위에서 논의된 바와 같이, LIDAR 시스템(100)의 방출 유닛(102)은 비활성 비-레이저 발광 구역에 의해서 분리된 복수 개의 활성 레이저 발광 구역을 포함할 수 있는 레이저 어레이(예를 들어, 900, 950)를 포함할 수 있다. 앞서 역시 논의된 바와 같이, 레이저 광 어레이(900, 950) 내의 활성 구역의 개수는 1 개 내지 임의의 소망되는 개수까지의 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 레이저 어레이(900 또는 950)는 4 개, 8 개, 32 개, 64 개 등의 활성 구역, 또는 임의의 다른 소망되는 개수의 활성 구역을 포함할 수 있다. 앞서 역시 논의된 바와 같이, 레이저 어레이(900 또는 950)의 길이는 0.5 mm 내지 20 mm의 범위를 가질 수 있다. 위에서 논의된 하나 이상의 레이저 어레이의 특징이 개시된 LIDAR 시스템에서 사용되는 레이저 어레이 중 임의의 것에도 적용된다는 것이 이해되어야 한다.
일부 실시형태들에서, 제 1 복수 개의 스캔 라인 및 제 2 복수 개의 스캔 라인은 LIDAR 시스템의 시야에 대해 수직으로 배향될 수 있다. 비록 앞선 설명이 FOV에 걸쳐서 수평으로 스캐닝된 수직 빗살 패턴을 개시하지만, 일부 실시형태는 투과된 레이저 광 스폿의 수평으로 배향된 1-D 어레이가 FOV에 걸쳐서 수직으로 스캐닝되는 수평으로 배향된 광원 어레이를 채택할 수 있다. 위에서 논의된 원리, 구성, 및 실시형태 모두는, 스캐닝 미러를 그 수직 스캐닝 축 중심으로 회전시킴으로써 달성되는 LIDAR FOV의 각각의 수직 스캔 이후에 스캐닝 미러가 자신의 수평 스캐닝 축 중심으로 각도 증분되는 수직 스캐닝 시스템에도 역시 적용된다. 이러한 기법은, 예를 들어 도 20에 의해 표현된 스캔 패턴을 제공할 수 있다. 도 20은 스캐닝 미러가 좌-우 방향으로 회전되기 이전에 복수 개의 레이저 빔이 상-하 방향으로 스캐닝되는 것에 대응하는 복수 개의 스캔 라인 세트(2010)를 포함하는 예시적인 스캔 패턴을 도시한다. 각각의 스캔 라인 세트는 수직 스캔 라인(2012, 2014, 2016 등)을 포함할 수 있다. 도 20에 또한 도시된 바와 같이, 구역(2020)은 서로 더 근접할 수 있고 스캐닝 미러를 좌-우 방향으로 레이저 어레이(예를 들어, 900, 950 등)의 각도 폭보다 작은 각도만큼 회전시킴으로써 획득되었을 수 있는 스캔 라인을 포함할 수 있다. 이러한 시스템에서, 레이저 어레이(도 9a 및 도 9b의 900, 950 등)가 상-하 방향 대신에 좌-우 방향을 따라서 수평으로 배향될 수 있다는 것이 고찰된다.
전술된 바와 같이, 일부 경우에는 레이저 어레이가 비활성인 비-발광 재료에 의해서 각각 이격된 고정된 개수의 레이저 채널을 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 전술된 부분 중첩 기법을 사용하면 수직(또는 수평) 방향을 따라서 특정 ROI 내에서 더 높은 분해능이 획득될 수 있다. 도 21에 도시된 바와 같은 다른 경우에는, 레이저 어레이가 다양한 조명 타이밍 스킴에 따라서 작동될 수 있는 근접하게 이격된 레이저들의 어레이를 포함할 수 있다. 이러한 전자적 제어는 레이저 어레이를 따라서 비활성에 대한 활성 공간의 가변적이고 선택가능한 비가 가능해지게 할 수 있고, 레이저 소스 조명의 전자적 제어를 통하여 고분해능 스캐닝이 가능해지게 할 수 있다. 예를 들어, 도 21은 0.05 도의 수직 각도 치수를 가지는 16 개의 근접하게 이격된 레이저 소스를 포함하는 레이저 어레이를 나타낸다. FOV 내의 관심 구역(예를 들어)의 제 1 스캔(스캔 A) 도중에, 레이저 소스들 사이에 0.15 도의 비활성 공간이 존재하고, 각각의 활성 소스가 0.2 도만큼 이격되도록, 모든 네 번째 레이저 소스가 활성화된다. 스캔 A 동안에, 레이저 1, 5, 9, 및 13이 활성 상태이다. 이러한 예는 1:3의 비활성에 대한 활성 공간 비를 초래한다.
후속 스캔 B 동안에는, 수평 스캔 라인의 다음 세트를 수행하기 위해서 스캐닝 미러를 새로운 수직 배향으로 각도 변위하는 것이 아니라, 미러는 스캔 A에 대해서 사용되었던 동일한 수직 배향을 유지될 수 있다(그것이 고정된 배향이거나 키스톤 효과를 정정하기 위한 특정한 미리 결정된 회전 경로인지 여부). 그리고 미러를 스캔 A 도중의 어레이와 연관된 비활성 공간 내에 이전에 포함된 스캔 라인에 맞춰서 수직으로 회전시키는 대신에, 레이저의 상이한 세트가 수평 스캔 B 동안에 조명될 수 있다. 도시된 예에서는, 레이저 2, 6, 10, 및 14가 조명된다. 유사하게, 스캔 C에서, 미러는 다시 스캔 A 및 B에서 사용된 것과 동일한 수직 배향으로 유지될 수 있다. 스캔 C에서는, 레이저 3, 7, 11, 및 15가 활성화될 수 있다. 그리고 스캔 D에서는, 레이저 4, 8, 12, 및 16이 활성화될 수 있다. 이러한 방식으로, 네 번의 순차적인 수평 스캔이 수직 스캔 배향/패턴을 변경하지 않고서 FOV의 소정 구역에 대해서 이루어질 수 있다. 그러나, 이러한 구역에서, 획득된 실효 분해능은 스캔 A, B, C, 또는 D 중 임의의 하나로부터 이용가능한 분해능보다 크다. 스캔 A가 0.2 도의 수직 분해능을 제안할 수 있는 경우, 스캔 A, B, C, 및 D의 종합으로써 달성가능한 잠재적인 수직 분해능은 0.05 도이다.
앞선 설명은 예를 들기 위해서 제공된 것이다. 이것은 망라적인 것이 아니고 개시된 구체적인 형태 또는 실시형태로 한정되지 않는다. 개시된 실시형태들의 상세한 설명과 실시를 고려하면, 변경예와 적응예들이 당업자에게 명백하게 떠오를 것이다. 또한, 비록 개시된 실시예의 양태들이 메모리에 저장되는 것으로 기술되지만, 당업자는 이러한 양태들이 다른 타입의 컴퓨터-판독가능 매체, 예컨대 이차 저장 디바이스, 예를 들어 하드 디스크 또는 CD ROM, 또는 다른 형태의 RAM 또는 ROM, USB 매체, DVD, 블루-레이, 또는 다른 광학적 드라이브 매체에도 저장될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
상세한 설명과 개시된 방법에 기초한 컴퓨터 프로그램은 숙련된 개발자들의 기술에 속한다. 다양한 프로그램 또는 프로그램 모듈이 당업자에게 알려져 있는 기법 중 임의의 것을 사용하여 생성될 수 있고, 또는 현존 소프트웨어와 연계하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 프로그램 섹션 또는 프로그램 모듈은 .Net 프레임워크, .Net 콤팩트 프레임워크(및 관련된 언어, 예컨대 비쥬얼 베이직, C 등, 자바, C++, 객체지향-C, HTML, HTML/AJAX 조합, XML, 또는 포함된 자바 애플릿이 있는 HTML에서, 또는 이를 이용하여 설계될 수 있다.
더욱이, 예시적인 실시형태들이 본 명세서에서 설명되었지만, 균등물 요소, 수정, 생략, 조합(예를 들어, 다양한 실시형태들에 걸친 양태의 조합), 적응 및/또는 개조를 가지는 임의의 그리고 모든 실시형태들의 범위가 본 발명에 기초하여 당업자들에게 이해될 것이다. 청구항의 한정은 청구항에서 채용된 언어에 기초하여 넓게 해석되어야 하고, 본 명세서에 또는 본 출원의 심사 중에 기술되는 예들로 한정되어서는 안 된다. 예들은 배타적이지 않은 것으로 해석되어야 한다. 더욱이, 개시된 방법의 단계들은, 단계들의 순서를 바꾸는 것 및/또는 단계를 삽입 또는 삭제하는 것을 포함하여 임의의 방식으로 변경될 수 있다. 그러므로, 명세서와 예들은 오직 예시인 것으로 여겨져야 하고, 참 범위 및 기술적 사상은 후속하는 청구항 및 그들의 균등물들의 전체 범위에 의해서 표시될 것이 의도된다.

Claims (113)

  1. LIDAR 시스템으로서,
    복수 개의 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 방출 유닛; 및
    상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 레이저 방출 유닛으로부터 공통 스캐닝 유닛으로 전송시키도록 구성된 광학 시스템을 포함하고,
    상기 공통 스캐닝 유닛은 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 LIDAR 시스템의 시야(field of view)를 향하여 투영시켜서, 상기 시야를 가로지르는 복수 개의 스캔 라인을 따라서 상기 시야를 동시에 스캔하도록 구성된, LIDAR 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 스캐닝 유닛은 투광성 스캐닝 프리즘을 포함하는, LIDAR 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 스캐닝 유닛은 회절기반 스캐너를 포함하는, LIDAR 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 스캐닝 유닛은 실리콘 상 액정(liquid crystal on silicon) 스캐너를 포함하는, LIDAR 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 스캐닝 유닛은 단축 스캐닝 미러들의 쌍을 포함하는, LIDAR 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 스캐닝 유닛은, 상기 복수 개의 레이저 빔이 그 위에 입사하게 되는 단일 2축성 스캐닝 미러를 포함하는, LIDAR 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 2축성 스캐닝 미러는 틸트 축 및 스캐닝 축을 포함하는 두 축으로 회전가능한, LIDAR 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 2축성 스캐닝 미러의 상기 스캐닝 축 중심의 회전은, 상기 복수 개의 레이저 빔의 상기 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 복수 개의 스캔 라인을 따른 이동을 초래하는, LIDAR 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 2축성 스캐닝 미러의 상기 틸트 축 중심의 회전은, 상기 복수 개의 레이저 빔의 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로의 변위를 초래하는, LIDAR 시스템.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 빔은 상기 단일 2축성 스캐닝 미러의 공통 위치 상에 입사하게 되는, LIDAR 시스템.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 빔은 상기 단일 2축성 스캐닝 미러로부터 인접한 빔들 사이의 적어도 2.5 mrad의 각도 간극으로 투영된, LIDAR 시스템.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 빔은 상기 단일 2축성 스캐닝 미러로부터 인접한 빔들 사이의 2.5 mrad 내지 15 mrad의 각도 간극으로 투영된, LIDAR 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 스캐닝 유닛은 제 1 단축 스캐닝 미러 및 제 2 단축 스캐닝 미러를 포함하고,
    상기 복수 개의 레이저 빔은 상기 제 2 단축 스캐닝 미러로 진행하기 이전에 상기 제 1 단축 스캐닝 미러 상에 입사하게 되는, LIDAR 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 단축 스캐닝 미러는 스캐닝 축 중심으로 회전하여, 상기 복수 개의 레이저 빔의 상기 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 복수 개의 스캔 라인을 따른 이동을 초래하도록 구성된, LIDAR 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 단축 스캐닝 미러는 틸트 축 중심으로 회전하여, 상기 복수 개의 레이저 빔의 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로의 변위를 초래하도록 구성된, LIDAR 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 빔은 동시에 생성된, LIDAR 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 방출 유닛은, 복수 개의 레이저 방출기 각각에 공급된 공통 트리거 신호에 의해 활성화되도록 구성된, 상기 복수 개의 레이저 방출기를 포함하는, LIDAR 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 방출 유닛은 복수 개의 레이저 방출기를 포함하고,
    상기 복수 개의 레이저 방출기 중 하나 이상의 레이저 방출기들의 서브-그룹은, 상기 복수 개의 레이저 방출기의 나머지를 활성화시키지 않고 활성화될 수 있는, LIDAR 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 방출 유닛은 복수 개의 레이저 방출기를 포함하고,
    상기 복수 개의 레이저 방출기들 각각은 개별적으로 그리고 별개로 활성화될 수 있는, LIDAR 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 방출기는 랜덤 방출 타이밍 프로토콜에 따라서 활성화될 수 있는, LIDAR 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 방출기는 상기 시야에 대한 어레이의 위치에 따라 선택적으로 활성화될 수 있는, LIDAR 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 방출기는, 상기 복수 개의 레이저 방출기 중 두 개 이상의 레이저 방출기가 서로 다른 펄스 레이트를 가지도록 활성화될 수 있는, LIDAR 시스템.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 방출기는, 상기 복수 개의 레이저 방출기 중 두 개 이상의 레이저 방출기가 서로 다른 세기 레벨을 가지도록 활성화될 수 있는, LIDAR 시스템.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 방출 유닛은,
    일차 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 방출기; 및
    상기 일차 레이저 빔을 상기 복수 개의 레이저 빔을 제공하는 복수 개의 서브-빔으로 분할하도록 구성된 빔 스플리터
    를 포함하는, LIDAR 시스템.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 방출 유닛은 복수 개의 레이저 방출기를 포함하는 단일 모놀리식 레이저 어레이를 포함하는, LIDAR 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이는 1-차원 레이저 어레이를 포함하는, LIDAR 시스템.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 방출기는 에지 방출기(edge emitter)인, LIDAR 시스템.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 방출기는 다수의 모놀리식 레이저 어레이를 포함하는, LIDAR 시스템.
  29. 제 25 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이는 상기 복수 개의 레이저 방출기에 대응하는 복수 개의 활성 구역 및 복수 개의 비활성 구역을 포함하고,
    상기 복수 개의 레이저 방출기는 상기 복수 개의 비활성 구역 중 하나 이상에 의하여 서로 이격된, LIDAR 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이 내에서의 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:1인, LIDAR 시스템.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이 내에서의 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:2인, LIDAR 시스템.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이 내에서의 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:3인, LIDAR 시스템.
  33. 제 29 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이 내에서의 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:5인, LIDAR 시스템.
  34. 제 29 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이 내에서의 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:1 내지 1:10의 범위에 속하는, LIDAR 시스템.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이 내의 상기 비활성 구역 중 두 개 이상은 서로 다른 치수를 가지는, LIDAR 시스템.
  36. 제 29 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이는 4 개의 활성 레이저 채널을 포함하는, LIDAR 시스템.
  37. 제 29 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이는 8 개의 활성 레이저 채널을 포함하는, LIDAR 시스템.
  38. 제 29 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이는 16 개의 활성 레이저 채널을 포함하는, LIDAR 시스템.
  39. 제 29 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이는 32 개의 활성 레이저 채널을 포함하는, LIDAR 시스템.
  40. 제 29 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이의 길이는 0.5 mm 내지 20 mm인, LIDAR 시스템.
  41. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 빔 각각은, 0.002 도 내지 0.2 도의 각도 폭을 가지고 0.02 도 내지 0.2 도의 각도 길이를 가지는 기다란 스폿을 생성하는, LIDAR 시스템.
  42. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 빔 각각은 860 nm 내지 950 nm의 파장을 가지는 펄스형 레이저 빔인, LIDAR 시스템.
  43. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 빔 중 두 개 이상은 서로 다른 발산(divergence)을 가지는, LIDAR 시스템.
  44. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 빔 스플리터를 포함하는, LIDAR 시스템.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 빔 스플리터는 상기 복수 개의 레이저 빔 각각을 통과시키고, 상기 LIDAR 시스템의 시야로부터 수신된 복수 개의 반사된 빔을 재지향시키도록 구성된, LIDAR 시스템.
  46. 제 44 항에 있어서,
    상기 빔 스플리터는 상기 복수 개의 레이저 빔 각각을 재지향시키고, 상기 LIDAR 시스템의 시야로부터 수신된 복수 개의 반사된 빔을 전송시키도록 구성된, LIDAR 시스템.
  47. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 상기 복수 개의 레이저 빔이 그 위에 입사하게 되는 적어도 하나의 폴딩 미러를 포함하는, LIDAR 시스템.
  48. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 상기 복수 개의 레이저 빔을 시준하도록 구성된 적어도 하나의 시준 렌즈를 포함하는, LIDAR 시스템.
  49. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 상기 복수 개의 레이저 빔을 수신하도록 구성된 수신 렌즈 시스템을 포함하는, LIDAR 시스템.
  50. 제 1 항에 있어서,
    상기 LIDAR 시스템은, 상기 LIDAR 시스템의 시야로부터 수신된 반사된 빔에 응답하여 전기 신호를 방출하도록 구성된 검출기를 더 포함하는, LIDAR 시스템.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 검출기는 감광성 활성 구역의 단일 모놀리식 어레이를 포함하는, LIDAR 시스템.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 감광성 활성 구역들은 하나 이상의 비활성 구역에 의하여 서로 분리된, LIDAR 시스템.
  53. 제 52 항에 있어서,
    상기 검출기 내에서의 감광성 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:1인, LIDAR 시스템.
  54. 제 52 항에 있어서,
    상기 검출기 내에서의 감광성 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:2인, LIDAR 시스템.
  55. 제 52 항에 있어서,
    상기 검출기 내에서의 감광성 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:3인, LIDAR 시스템.
  56. 제 52 항에 있어서,
    상기 검출기 내에서의 감광성 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:5인, LIDAR 시스템.
  57. 제 52 항에 있어서,
    상기 검출기 내에서의 감광성 비활성 구역에 대한 활성 구역의 비는 1:1 내지 1:10인, LIDAR 시스템.
  58. 제 52 항에 있어서,
    상기 활성 구역들 사이의 거리와 상기 검출기 상에 입사하는 빔 스폿들 사이의 거리의 비는 미리 결정된 값인, LIDAR 시스템.
  59. 제 51 항에 있어서,
    상기 검출기는 4 개의 감광성 활성 구역을 포함하는, LIDAR 시스템.
  60. 제 49 항에 있어서,
    검출기는 8 개의 감광성 활성 구역을 포함하는, LIDAR 시스템.
  61. 제 51 항에 있어서,
    상기 검출기는 16 개의 감광성 활성 구역을 포함하는, LIDAR 시스템.
  62. 제 51 항에 있어서,
    상기 검출기는 32 개의 감광성 활성 구역을 포함하는, LIDAR 시스템.
  63. 제 51 항에 있어서,
    상기 반사된 빔 각각은 상기 감광성 활성 구역 중 두 개 이상 상에 입사하는 빔 스폿을 생성하는, LIDAR 시스템.
  64. 제 51 항에 있어서,
    상기 LIDAR 시스템은, 반사된 빔을 상기 검출기의 각각의 감광성 활성 구역으로 지향시키도록 구성된 마이크로렌즈의 어레이 및/또는 확산기를 포함하는, LIDAR 시스템.
  65. 제 1 항에 있어서,
    상기 LIDAR 시스템의 시야는 6 도 내지 90 도의 수직 각도 치수를 가지고,
    상기 LIDAR 시스템의 시야는 20 도 내지 140 도의 수평 각도 치수를 가지는, LIDAR 시스템.
  66. 제 1 항에 있어서,
    상기 LIDAR 시스템은,
    상기 공통 스캐닝 유닛의 하나 이상의 컴포넌트의 배향을 제어하여, 일련의 스캔 라인을 따른 상기 복수 개의 레이저 빔을 사용하는 상기 LIDAR 시스템의 시야의 스캐닝을 초래하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 더 포함하는, LIDAR 시스템.
  67. 제 66 항에 있어서,
    상기 LIDAR 시스템의 시야의 스캐닝은 5 Hz 내지 40 Hz의 프레임 레이트에서 일어나는, LIDAR 시스템.
  68. LIDAR 시스템으로서,
    복수 개의 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 방출 유닛;
    복수 개의 레이저 빔을 수신하도록 구성된 스캐닝 유닛 - 공통 스캐닝 유닛은 복수 개의 레이저 빔을 상기 LIDAR 시스템의 시야(field of view; FOV)를 향하여 투영시키도록 구성됨 -; 및
    적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스캐닝 유닛이 복수 개의 빔을 상기 FOV를 가로지르는 제 1 복수 개의 스캔 라인을 따라서 지향시킴으로써 상기 LIDAR 시스템의 시야를 스캔하게 하고,
    상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키며,
    상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인을 따라서 지향시키도록
    프로그래밍된, LIDAR 시스템.
  69. 제 68 항에 있어서,
    상기 제 2 복수 개의 스캔 라인 중 적어도 하나의 스캔 라인은, 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인에 포함된 두 개의 스캔 라인들 사이에 공간적으로 위치된, LIDAR 시스템.
  70. 제 68 항에 있어서,
    상기 제 2 복수 개의 스캔 라인 중 어느 것도 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인의 스캔 라인들 사이에 공간적으로 위치되지 않은, LIDAR 시스템.
  71. 제 68 항에 있어서,
    상기 제 2 복수 개의 스캔 라인 중 어느 것도 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인의 스캔 라인들 사이에 공간적으로 위치되지 않고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스캐닝 유닛이 상기 복수 개의 빔을 상기 FOV를 가로지르는 제 3 복수 개의 스캔 라인을 따라서 지향시키게 하도록
    더 프로그래밍되며,
    상기 제 3 복수 개의 스캔 라인 중 적어도 하나의 스캔 라인은 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인에 포함된 두 개의 스캔 라인들 사이에 공간적으로 위치된, LIDAR 시스템.
  72. 제 68 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스캐닝 유닛이 상기 복수 개의 빔을 상기 FOV를 가로지르는 제 4 복수 개의 스캔 라인을 따라서 지향시키게 하도록
    더 프로그래밍되고,
    상기 제 4 복수 개의 스캔 라인 중 적어도 하나의 스캔 라인은, 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인에 포함된 두 개의 스캔 라인들 사이에, 그리고 또한 상기 제 3 복수 개의 스캔 라인에 포함된 두 개의 스캔 라인들 사이에 공간적으로 위치된, LIDAR 시스템.
  73. 제 68 항에 있어서,
    상기 제 1 복수 개의 스캔 라인 및 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인은 상기 LIDAR 시스템의 시야에 대해 수평으로 배향된, LIDAR 시스템.
  74. 제 68 항에 있어서,
    상기 제 1 복수 개의 스캔 라인 및 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인은 상기 LIDAR 시스템의 시야에 대해 수직으로 배향된, LIDAR 시스템.
  75. 제 68 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스캐닝 유닛이, 상기 복수 개의 빔을 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트를 따라서 지향시킴으로써 상기 LIDAR 시스템의 시야의 제 1 구역을 스캔하게 하고, 상기 복수 개의 빔을 제 2 복수 개의 스캔 라인 세트를 따라서 지향시킴으로써 상기 시야의 제 2 구역을 스캔하게 하도록
    더 프로그래밍되고,
    상기 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트 중 어느 것도 서로 중첩하지 않으며,
    상기 제 2 복수 개의 스캔 라인 중 적어도 일부는 서로 중첩하는, LIDAR 시스템.
  76. 제 68 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스캐닝 유닛이, 상기 복수 개의 빔을 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트를 따라서 지향시킴으로써 상기 LIDAR 시스템의 시야의 제 1 구역을 스캔하게 하고, 상기 복수 개의 빔을 제 2 복수 개의 스캔 라인 세트를 따라서 지향시킴으로써 상기 시야의 제 2 구역을 스캔하게 하도록
    더 프로그래밍되고,
    상기 제 1 복수 개의 스캔 라인 세트들 사이의 중첩 정도는 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인 세트들 사이의 중첩 정도보다 작은, LIDAR 시스템.
  77. 제 76 항에 있어서,
    상기 시야의 제 2 구역은 관심 구역을 포함하는, LIDAR 시스템.
  78. 제 77 항에 있어서,
    상기 관심 구역은 수평선을 포함하는, LIDAR 시스템.
  79. 제 77 항에 있어서,
    상기 관심 구역은 검출된 대상물을 포함하는, LIDAR 시스템.
  80. 제 77 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 시야의 제 2 구역 내에서 검출된 대상물의 타입에 기반하여 상기 관심 구역을 식별하도록 프로그래밍된, LIDAR 시스템.
  81. 제 80 항에 있어서,
    상기 대상물은, 상기 시야의 이전의 풀 프레임 스캔으로부터 수신된 반사 신호(reflections signal)에 기반하여 검출되는, LIDAR 시스템.
  82. 제 80 항에 있어서,
    상기 대상물은, 상기 시야의 현재 프레임 스캔과 연관된 하나 이상의 이전의 스캔 라인으로부터 수신된 반사 신호에 기반하여 검출되는, LIDAR 시스템.
  83. 제 80 항에 있어서,
    상기 대상물은 보행자인, LIDAR 시스템.
  84. 제 80 항에 있어서,
    상기 대상물은 차량인, LIDAR 시스템.
  85. 제 68 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스캐닝 유닛이 상기 LIDAR 시스템의 시야 중 일부를 스캔하여 상기 시야의 부분 프레임 스캔을 제공하게 하도록
    더 프로그래밍되고,
    상기 시야 중 일부의 스캔은 복수 개의 중첩하는 스캔 라인 세트를 사용하여 수행되는, LIDAR 시스템.
  86. 제 85 항에 있어서,
    상기 시야 중 일부는 상기 시야 중 일부 내에서 검출된 대상물에 기반하여 식별된 관심 구역인, LIDAR 시스템.
  87. 제 86 항에 있어서,
    상기 대상물은 보행자 또는 차량인, LIDAR 시스템.
  88. 제 86 항에 있어서,
    상기 대상물은 이동하는 대상물인 것으로 결정되는, LIDAR 시스템.
  89. 제 86 항에 있어서,
    상기 대상물은, 상기 시야의 이전의 풀 프레임 스캔으로부터 수신된 반사 신호(reflections signal)에 기반하여 검출되는, LIDAR 시스템.
  90. 제 68 항에 있어서,
    상기 레이저 방출 유닛은 복수 개의 레이저 방출기를 포함하는 모놀리식 레이저 어레이인, LIDAR 시스템.
  91. 제 90 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이는 1-차원 어레이인, LIDAR 시스템.
  92. 제 90 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이는 상기 복수 개의 레이저 방출기에 대응하는 복수 개의 활성 구역 및 복수 개의 비활성 구역을 포함하고,
    상기 복수 개의 레이저 방출기는 상기 복수 개의 비활성 구역 중 하나 이상에 의하여 서로 이격된, LIDAR 시스템.
  93. 제 90 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이는 4 개 내지 64 개의 레이저 방출기를 포함하는, LIDAR 시스템.
  94. 제 90 항에 있어서,
    상기 모놀리식 레이저 어레이의 길이는 0.5 mm 내지 20 mm인, LIDAR 시스템.
  95. 제 90 항에 있어서,
    상기 레이저 어레이에 의하여 방출된 복수 개의 레이저 빔의 총 각도 폭은 0.4 도 내지 5 도인, LIDAR 시스템.
  96. 제 68 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스캐닝 유닛이 틸트 축 중심으로 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인의 각도 폭 이상의 회전각만큼 회전하게 함으로써, 상기 스캐닝 유닛이 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키게 하는, LIDAR 시스템.
  97. 제 68 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스캐닝 유닛이 틸트 축 중심으로 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인의 각도 폭 미만의 회전각만큼 회전하게 함으로써, 상기 스캐닝 유닛이 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키게 하는, LIDAR 시스템.
  98. 제 68 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스캐닝 유닛이 틸트 축 중심으로 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인의 스캔 라인들의 하나 이상의 인접한 쌍들 사이의 각도 간극과 동일한 회전각만큼 회전하게 함으로써, 상기 스캐닝 유닛이 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키게 하는, LIDAR 시스템.
  99. 제 68 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스캐닝 유닛이 틸트 축 중심으로 모놀리식 레이저 어레이에 의해 생성된 빔들의 각도 폭의 사분의 일 내지 절반의 회전각만큼 회전하게 함으로써, 상기 스캐닝 유닛이 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키게 하는, LIDAR 시스템.
  100. 제 68 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스캐닝 유닛이 틸트 축 중심으로 0.05 도 내지 5 도의 회전각만큼 회전하게 함으로써, 상기 스캐닝 유닛이 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키게 하는, LIDAR 시스템.
  101. 제 68 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 스캐닝 유닛이 틸트 축 중심으로 0.05 도 내지 0.5 도의 회전각만큼 회전하게 함으로써, 상기 스캐닝 유닛이 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로 변위시키게 하는, LIDAR 시스템.
  102. 제 68 항에 있어서,
    상기 공통 스캐닝 유닛은, 상기 복수 개의 레이저 빔이 그 위에 입사하게 되는 단일 2축성 스캐닝 미러를 포함하는, LIDAR 시스템.
  103. 제 102 항에 있어서,
    상기 2축성 스캐닝 미러는 틸트 축 및 스캐닝 축을 포함하는 두 축으로 회전가능한, LIDAR 시스템.
  104. 제 103 항에 있어서,
    상기 2축성 스캐닝 미러의 상기 스캐닝 축 중심의 회전은, 상기 복수 개의 레이저 빔의 상기 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 제 1 복수 개의 스캔 라인을 따른 그리고 제 2 복수 개의 스캔 라인을 따른 이동을 초래하는, LIDAR 시스템.
  105. 제 103 항에 있어서,
    상기 2축성 스캐닝 미러의 상기 틸트 축 중심의 회전은, 상기 복수 개의 레이저 빔의 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 1 세트로부터 상기 제 2 복수 개의 스캔 라인과 연관된 위치들의 제 2 세트로의 변위를 초래하는, LIDAR 시스템.
  106. 제 68 항에 있어서,
    상기 공통 스캐닝 유닛은 제 1 단축 스캐닝 미러 및 제 2 단축 스캐닝 미러를 포함하고,
    상기 복수 개의 레이저 빔은 상기 제 1 단축 스캐닝 미러 상에 입사하게 되고, 그 후에 상기 제 2 단축 스캐닝 미러 상에 입사하게 되는, LIDAR 시스템.
  107. 제 68 항에 있어서,
    상기 레이저 방출 유닛은,
    일차 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 방출기; 및
    상기 일차 레이저 빔을 상기 복수 개의 레이저 빔을 제공하는 복수 개의 서브-빔으로 분할하도록 구성된 빔 스플리터
    를 포함하는, LIDAR 시스템.
  108. 제 68 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 빔 중 하나 이상과 연관된 레이저 펄스 레이트는 적어도 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 일정한, LIDAR 시스템.
  109. 제 68 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 빔 중 하나 이상과 연관된 레이저 펄스 레이트는 적어도 상기 제 1 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 변하는, LIDAR 시스템.
  110. 제 68 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 빔은, 상기 복수 개의 레이저 빔이 서로 등각이 되도록 상기 공통 스캐닝 유닛으로부터 투영된, LIDAR 시스템.
  111. 제 68 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 빔은 상기 공통 스캐닝 유닛으로부터 인접한 빔들 사이의 적어도 2.5 mrad 내지 6 mrad의 각도 간극으로 투영된, LIDAR 시스템.
  112. 제 68 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 빔으로부터 초래되는 상기 LIDAR 시스템의 시야 내의 빔 스폿들은 서로 등거리인, LIDAR 시스템.
  113. LIDAR 시스템으로서,
    복수 개의 레이저 빔을 생성하도록 구성된 복수 개의 레이저 방출기를 포함하는 모놀리식 레이저 어레이;
    복수 개의 레이저 빔을 수신하도록 구성된 2축성 스캐닝 미러 - 상기 2축성 스캐닝 미러는 상기 복수 개의 레이저 빔을 상기 LIDAR 시스템의 시야를 향하여 투영시키도록 구성됨 -; 및
    적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 복수 개의 레이저 방출기 중에서 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트를 활성화시키고,
    상기 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트에 의해 생성되는 레이저 빔을 상기 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 제 1 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 스캔하며,
    상기 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트를 비활성화하고,
    상기 복수 개의 레이저 방출기 중에서 레이저 방출기들의 제 2 서브-세트를 활성화시키며,
    상기 레이저 방출기들의 제 2 서브-세트에 의해 생성되는 레이저 빔을 상기 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 제 2 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 스캔하고,
    상기 레이저 방출기들의 제 2 서브-세트를 비활성화하며,
    상기 2축성 스캐닝 미러를 상기 모놀리식 레이저 어레이의 각도 길이 이상의 회전각만큼 틸트시키고;
    상기 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트를 활성화하며,
    상기 레이저 방출기들의 제 1 서브-세트에 의해 생성된 레이저 빔을 상기 LIDAR 시스템의 시야를 가로지르는 제 3 복수 개의 스캔 라인에 걸쳐서 스캔하도록
    프로그래밍된, LIDAR 시스템.
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