KR20230126704A - 전송 광학 전력 모니터를 사용하는 LiDAR 시스템 - Google Patents
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Abstract
광학 전력 모니터링을 사용하는 LiDAR 전송기는 광학 경로를 따라 전파되는 광학 빔을 생성하는 제1 평면에 포지셔닝된 레이저 어레이를 포함한다. 광학 경로에 포지셔닝된 제1 투과형 광학 요소는 공통 포인트에서 중첩되도록 복수의 광학 빔을 투영한다. 제2 투과형 광학 요소는 제1 투과형 광학 요소로부터의 빛을 투과 방향으로 투영한다. 복수의 빔의 광학 경로에서 공통 포인트에 포지셔닝된 지향성 광학 요소는 제2 평면에서 복수의 빔 각각으로부터의 빛으로 조명 영역을 생성한다. 모니터는 수집된 빛에 응답하여 검출된 신호를 생성한다. 제어기는 LiDAR 시스템 전송기의 원하는 동작을 달성하기 위해 레이저를 제어하는 검출 신호에 응답하여 전기 신호를 생성한다.
Description
본 명세서에서 사용된 섹션 제목은 구성 목적으로만 사용되며, 어떤 식으로든 본 출원에 기술된 주제를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 11월 12일에 "LiDAR System with Transmit Optical Power Monitor"라는 제목으로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제63/112,735호의 정규 출원이다. 미국 가특허 출원 번호 제63/112,735호의 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다.
자율(autonomous), 자율주행(self-driving) 및 반자율(semi-autonomous) 자동차는 다양한 센서와 레이더, 이미지 인식 카메라 및 소나(Sonar)와 같은 기술의 조합을 사용하여 주변 객체를 검출하고 위치를 파악한다. 이들 센서는 충돌 경고, 자동 비상 제동, 차선 이탈 경고, 차선 유지 지원, 적응형 순항 제어(adaptive cruise control) 및 유인 주행(piloted driving)을 포함하여 운전자의 안전을 크게 향상시킬 수 있다. 이들 센서 기술 중에서, LiDAR(Light Detection and Ranging) 시스템은 주변 환경의 실시간 고해상도 3D 매핑을 가능하게 하는 중요한 역할을 수행한다.
오늘날 자율 차량에 사용되는 대부분의 최신 LiDAR 시스템은 환경을 기계적으로 스캐닝하는 일부 방법과 조합된 소수의 레이저를 활용한다. 일부 최신 LiDAR 시스템은 2차원 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) 어레이를 조명원으로 사용하고 수신기에서 다양한 유형의 고체 상태 검출기 어레이를 사용한다. 미래의 자율 주행차는 높은 신뢰성과 넓은 환경 작동 범위를 갖는 고체 상태의 반도체 기반 LiDAR 시스템을 활용하는 것이 매우 바람직하다. 이들 고체 상태 LiDAR 시스템은 이동하는 부분이 없는 고체 상태 기술을 사용하기 때문에 유리하다. 그러나, 현재의 최신 LiDAR 시스템은 많은 실질적인 한계가 있으며, 성능을 향상시키기 위해서는 새로운 시스템과 방법이 필요하다.
바람직하고 예시적 실시예에 따른 본 교시는, 이의 추가적인 장점과 함께, 첨부 도면과 함께 취해진 이하의 상세한 설명에서 더욱 구체적으로 기술된다. 당업자는 이하에 설명된 도면이 단지 예시 목적을 위한 것임을 이해할 것이다. 도면은 반드시 축척대로 이루어질 필요는 없으며, 그 대신 일반적으로 교시의 원리를 예시하는 데 중점을 둔다. 도면은 어떤 식으로든 출원인의 교시 범주를 한정하려고 의도된 것은 아니다.
도 1은 본 교시의 LiDAR 시스템을 위한 반사 지향성 요소를 포함하는 모니터형 전송기의 실시예를 도시한다.
도 2a는 도 1의 LiDAR 시스템에 대한 모니터형 전송기(monitored transmitter)의 일부에 대한 추가 상세를 포함하는 확대도를 도시한다.
도 2b는 도 2a에 도시된 광선 궤적의 단면도를 도시한다.
도 3a는 본 교시의 LiDAR 시스템을 위한 광 도파관(lightpipe)을 갖는 모니터를 포함하는 모니터형 전송기의 실시예의 일부분을 도시한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 광선 궤적의 단면도를 도시한다.
도 4a는 본 교시의 LiDAR 시스템을 위한 전송 지향성 요소를 포함하는 모니터형 전송기의 실시예의 일부분을 도시한다.
도 4b는 도 4a에 도시된 광선 궤적의 단면도를 예시한다.
도 5는 본 교시의 일 실시예에 따른 모니터형 전송기를 포함하는 LiDAR 시스템의 블록도를 도시한다.
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도 3a는 본 교시의 LiDAR 시스템을 위한 광 도파관(lightpipe)을 갖는 모니터를 포함하는 모니터형 전송기의 실시예의 일부분을 도시한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 광선 궤적의 단면도를 도시한다.
도 4a는 본 교시의 LiDAR 시스템을 위한 전송 지향성 요소를 포함하는 모니터형 전송기의 실시예의 일부분을 도시한다.
도 4b는 도 4a에 도시된 광선 궤적의 단면도를 예시한다.
도 5는 본 교시의 일 실시예에 따른 모니터형 전송기를 포함하는 LiDAR 시스템의 블록도를 도시한다.
본 교시는 이제 첨부 도면에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 기술될 것이다. 본 교시가 다양한 실시예 및 예시와 관련하여 기술되지만, 본 교시가 이와 같은 실시예로 한정되는 것으로 의도되는 것은 아니다. 반대로, 본 교시는, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 다양한 대안, 수정 및 등가물을 포함한다. 본 명세서의 교시에 접근할 수 있는 당업자는, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 본 발명의 범주 내에 있는 다른 사용 분야뿐만 아니라 추가적인 구현예, 수정예 및 실시예를 인식할 것이다.
본 명세서에서 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은, 실시예와 관련하여 기술된 특정한 피처, 구조, 또는 특성이 교시의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서의 다양한 곳에서의 "일 실시예에서"라는 문구의 등장은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.
본 교시의 방법의 개별 단계는 교시가 작동 가능한 한 임의의 순서 및/또는 동시에 수행될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 교시의 장치 및 방법은 교시가 작동 가능한 한 임의의 수 또는 모든 기술된 실시예를 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
본 교시는 일반적으로 객체까지의 거리(범위)를 측정하기 위해 레이저 광을 사용하는 원격 감지 방법인 LiDAR(Light Detection and Ranging)에 관한 것이다. LiDAR 시스템은 일반적으로 빛을 반사 및/또는 산란시키는 다양한 객체 또는 타겟까지의 거리를 측정한다. 자율 주행 차량은 LiDAR 시스템을 사용하여 정밀한 해상도로 주변 환경에 대한 매우 정확한 3D 맵을 생성한다. 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 높은 수준의 신뢰성을 갖는 고체 상태의 펄스화된 TOF(time-of-flight) LiDAR 시스템을 제공하는 동시에 낮은 비용뿐만 아니라, 긴 측정 범위를 유지하는 것을 목표로 한다.
본 교시에 따른 LiDAR 시스템의 일부 실시예는 레이저 어레이를 포함하는 레이저 전송기를 사용한다. 일부 특정 실시예에서, 레이저 어레이는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 디바이스를 포함한다. 이들은 상부 방출 VCSEL, 하부 방출 VCSEL 및 다양한 유형의 고전력 VCSEL을 포함할 수 있다. VCSEL 어레이는 모놀리식(monolithic)일 수 있다. 레이저 이미터는 모두 반도체 기판 또는 세라믹 기판을 포함하는 공통 기판을 공유할 수 있다.
다양한 실시예에서, 하나 이상의 전송기 어레이를 사용하는 개별 레이저 및/또는 레이저 그룹은 개별적으로 제어될 수 있다. 전송기 어레이 내의 각각의 개별 이미터는 독립적으로 발사(fire)될 수 있다. 각각의 레이저 이미터에서 방출되는 광학 빔은 전체 시스템 시야의 일부에만 해당하는 3D 프로젝션 각도에 대응한다. 이와 같은 LiDAR 시스템의 일 예는 미국 특허 공개 번호 제2017/0307736A1호에 기술되어 있다. 미국 특허 공개 번호 제2017/0307736A1호는 본 양수인에게 양도되었으며, 본 명세서에 참조로 포함된다. 또한, 개별 레이저 또는 레이저 그룹에 의해 발사되는 펄스 수는 LiDAR 시스템의 원하는 성능 목적에 따라 제어될 수 있다. 본 시퀀스의 지속 기간과 타이밍을 제어하여 다양한 성능 목표를 달성할 수도 있다.
본 교시에 따른 LiDAR 시스템의 일부 실시예는 개별적으로 제어될 수도 있는 검출기 어레이 내의 검출기 및/또는 검출기 그룹을 사용한다. 예를 들어, "Eye-Safe Long-Range Solid-State LiDAR System"이라는 제목의 미국 가특허 출원 번호 제62/859,349호를 참조한다. 미국 가특허 출원 번호 제62/859,349호는 본 양수인에게 양도되었으며, 본 명세서에 참조로 포함된다. 전송기 어레이 내의 개별 레이저 및/또는 레이저 그룹 및/또는 검출기 어레이 내의 검출기 및/또는 검출기 그룹 전체에 걸친 이러한 독립적인 제어는 시스템 시야의 제어, 광학 전력 레벨 및 스캐닝 패턴을 포함하는 다양한 바람직한 작동 피처를 제공한다.
LiDAR 시스템 전송기에 의해 방출되는 광학 전력 레벨(들)은 LiDAR 시스템의 수많은 성능 메트릭을 고려하는 중요한 파라미터이다. 이것에는, 예를 들어, 거리, 시야, 해상도, 속도와 프레임 속도 및 눈의 안전 등과 같은 다른 성능 메트릭이 포함된다. 이와 같이, LiDAR 시스템에 대한 전송 전력을 모니터링하는 시스템 및 방법이 바람직하다. 모니터 시스템은 소형이고, 저비용이며, 모니터링되는 파라미터의 원하는 정밀도와 정확도를 생성하는 것이 바람직하다.
본 교시의 LiDAR 시스템의 하나의 피처는 LiDAR 전송 모듈에 직접 광학 성능 모니터링을 포함한다는 점이다. LiDAR 모듈 내에서의 광학 성능 모니터링은 여러 가지 이유로 중요할 수 있다. 예를 들어, 조명기 어셈블리 내부에 광학 전력 모니터링을 통합하면, 교정, 성능 및 안정성 모니터링을 향상시킬 수 있다. 레이저는 수명에 따라 저하되므로, 프로젝터 어셈블리 자체 내에서 레이저 출력 전력을 모니터링하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어, 빛이 외부 객체로부터 반사된 후에 단지 수신된 광학 신호에 의존하는 것이 아니라, 프로젝터에서 나오는 빛을 모니터링함으로써, 보다 정확하고 신속하게 생성된 전력을 모니터링할 수 있다. 또한, VCSEL 레이저에 근접한 온도를 모니터링할 수 있다. 이와 같은 기능은 안정성과 성능을 향상시키는 데 유용하다. 온도와 출력 모두에 대한 선택적 모니터링은 진단뿐만 아니라, 시스템의 성능 및/또는 수명을 향상시키기 위해, 동작 동안, 레이저를 제어하는 데에도 사용될 수 있다.
본 교시의 또 다른 피처는 전력 모니터링 요소가 다른 기능을 제공하는 LiDAR 전송기 내의 다양한 광학 디바이스에서 반사되거나 이로부터 지향되는 광을 모니터링하도록 구성된다는 것이다. 전송기 내에서 검출된 반사광 또는 지향광은 수동 모니터링 목적뿐만 아니라, 전송기의 레이저 및 검출기의 추가 능동 제어를 제공하는 데에도 사용될 수 있다.
본 교시의 LiDAR 시스템 전송기용 성능 모니터의 일부 실시예는 LiDAR 시스템 전송기 자체에 의해 생성된 광의 하나 이상의 파라미터를 모니터링한다. 예를 들어, 전송기에 의해 생성된 빛은 레이저 파장, 광학 전력, 펄스 타이밍 및 펄스 주파수에 대해 모니터링될 수 있다. 생성된 빛의 파장은 단순히 포토다이오드가 아닌 수신기를 포함하는 전력 모니터를 사용하여 검출될 수 있지만, 대신 광학 전력뿐만 아니라 파장의 검출을 허용하는 더욱 복잡한 광학 세트를 포함한다.
다중 파장이 사용되는 LiDAR 설계에서, 특히, 파장이 절대값에 가깝다면, 시스템 파라미터가 의도한 대로 되도록 보장하기 위해 이들의 절대값 또는 상대값을 모니터링하는 것이 바람직할 수 있다. 레이저에 의해 생성된 빛의 절대 파장 또는 상이한 파장의 레이저에 의해 생성된 빛 사이의 상대적인 오프셋을 모니터링하는 다양한 알려진 방법이 있다. 예를 들어, 에탈론 기반 디바이스(etalon-based device)는 파장 모니터로 사용될 수 있다.
다중 파장 전력 모니터링을 사용하는 본 교시의 시스템 및 방법의 실시예는 또한 결함이 레이저 열화나 광학 성능 메트릭의 시프트에 의해 야기되는지 여부를 검출하기 위해 시스템 견고성을 향상시킬 수 있다. 다중 파장 전력 모니터링은, 전송기에서 한 세트의 파장이 실패할 경우, 리던던시(redundancy)를 제공할 수도 있다. 각 파장에 대한 광학 모니터링이 독립적인 경우, 전송기에서 한 세트의 파장의 동작에서 부분적 또는 전체적 오류가 발생하더라도 전송기의 다른 세트의 파장을 사용하여 시스템을 부분적으로 동작시킬 수 있다.
본 교시의 방법 및 시스템의 또 다른 피처는 다중 요소, 다중 파장 광학 전력 모니터링이 실현될 수 있다는 것이다. 하나 이상의 지향성 요소는 하나 이상의 파장에서 하나 이상의 레이저 요소로부터의 집합적 및 개별적인 전력이 모니터링될 수 있도록 하나 이상의 모니터로 빛을 지향하도록 포지셔닝될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 다중 반사 요소는 부분 거울일 수 있다. 다른 실시예에서, 다중 반사 요소는 빔을 투영하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 모니터는 오직 하나의 특정 파장 대역의 빛에만 민감한 광검출기를 각각 포함한다. 이 구성을 사용하면, 하나 이상의 파장의 광학 전력을 독립적으로 모니터링할 수 있으므로, 시스템 능력을 향상시킨다. 본 교시에 따른 다중 파장 전력 모니터링은 절대 파장 및/또는 상대 파장을 포함하는 레이저 파장, 광학 전력, 펄스 타이밍 및 펄스 주파수와 같은 다수의 파라미터를 모니터링하도록 구성될 수 있다.
본 교시에 따른 다중 파장 전력 모니터링은 또한 결함이 레이저 열화나 광학 성능에서의 시프트에 의해 야기되는지 여부를 검출하기 위한 LiDAR 시스템의 견고성을 향상시킨다. 다중 파장 전력 모니터링은, 예를 들어, 전송기에서 생성된 한 세트의 파장이 실패할 경우, 리던던시를 제공하는 데 유용하다. 시스템이 각각의 파장 대역에 대한 광학 모니터링이 독립적이도록 구성된 경우, 전송기의 한 세트의 파장 생성에서 부분적 또는 전체적인 오류가 발생하더라도 다른 파장 세트를 사용하여 LiDAR 시스템의 부분적 동작 능력이 여전히 가능해진다.
광학 전송기의 레이저 출력 전력을 모니터링하고 나서 측정된 광학 전력을 예상 기준값과 비교함으로써, 광학 전송기의 성능 저하를 판단할 수 있는 것으로 알려져 있다. 광학 전송기의 성능 저하는 레이저 자체 또는 광 기계 어셈블리의 다양한 양태 중 하나 또는 양쪽 모두에 의해 발생될 수 있다. 그런 다음, 광학 전송기의 성능 저하를 분석할 수 있다. 예를 들어, "클라우드 LiDAR 시스템에서 광학 서브시스템 성능을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법"이라는 제목의 미국 특허 출원 공개 번호 제US2016/0025842A1호는 클라우드 측정을 위해 설계된 LiDAR 시스템을 위한 레이저 출력 전력 모니터링의 장점을 기술한다.
LiDAR 전송기에 의해 생성된 광학 신호의 측정은 수동 모니터링 시스템에서도 사용될 수 있다. 또한, LiDAR 전송기로부터의 광학 신호는 반도체 레이저를 구동하는 레이저 바이어스 전류의 능동 제어에 사용될 수 있다. 레이저 다이오드는 바이어스 전류 작동 범위에서 작동된다. 많은 유형의 반도체 레이저 다이오드 시스템은 모니터 포토다이오드로부터 수신된 포토다이오드 전류가 바이어스 제어 피드백 루프에 대해 입력으로 사용되는 폐쇄 루프 방식으로 작동된다. 모니터 포토다이오드 전류를, 입사 전력이 대부분 선형 함수인 일정한 값으로 모니터링하고 유지함으로써, 반도체 레이저의 출력 전력을 거의 일정한 값으로 유지시킬 수 있다. 이러한 조건은, 시스템으로 하여금, 온도 및 기계적 움직임과 같은 환경 변화에 반응하여 향상된 출력 전력 안정성을 달성할 수 있게 한다. 또한, 광학 출력을 모니터링하고 모니터링된 광학 출력에 응답하여 레이저 바이어스를 제어하는 것은, 시스템 수준에서 광학 출력의 손실없이 이것의 수명에 걸친 레이저 효율의 저하를 수용하기 위해 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 전송기 광학 신호는, 예를 들어, 다른 파라미터 중에서 레이저 파장, 광학 전력, 펄스 타이밍, 펄스 주파수 및 펄스 지속 시간을 포함하는 많은 파라미터에 대해 모니터링될 수 있다. 레이저 파장은 전력 모니터를 사용하여 검출할 수 있는데, 이는 단순히 포토다이오드나 다른 광학 검출기가 아니라, 대신 파장뿐만 아니라 광학 전력도 검출할 수 있는 광학 시스템이다. 다중 파장이 사용되는 LiDAR 시스템 설계에서, 특히, 파장이 절대값에 가까운 경우, 시스템 파라미터가 의도한 대로 되도록 보장하기 위해 이들의 절대값 또는 상대값을 모니터링하는 것이 바람직할 수 있다. 다른 파장의 레이저 사이의 상대적 오프셋 또는 절대 파장을 모니터링하는 다양한 방법이 당업계에 알려져 있다. 예를 들어, 에탈론 기반 디바이스(etalon-based device)는 파장 모니터로 사용될 수 있다.
일부 LiDAR 시스템은 수명 시작(BOL) 시에 교정을 수행하여, 시스템의 수명 작동 동안에 참조를 제공하는 것이 바람직하다. 교정이란, 디바이스의 초기 레이저 바이어스, 온도 및 출력 전력의 특성화하고, 그런 다음, 온도의 함수로서 레이저 바이어스 및 출력 전력의 후속 조정하여 BOL에서 적절한 마진으로 필요한 성능 사양을 충족시킨다는 것을 의미한다. 종종 이 프로세스는 LiDAR 시스템에 대한 제조 프로세스의 일부로 수행된다. 교정 프로세스 동안 얻어진 레이저 바이어스 및 측정된 광학 출력과 같은 성능 파라미터는 종종 LiDAR 시스템에서의 메모리의 온도 함수로 다양한 동작에 사용되는 참조로서 저장된다. 본 교시의 다양한 모니터는 이들 교정 프로세스 중 일부에 대해 측정된 광학 전력을 제공할 수 있다.
LiDAR 시스템의 동작 동안, 실제 온도는 모니터링될 수 있고, 광학 레이저 바이어스 설정 포인트를 결정하기 위해 룩업 테이블의 일부 형태로 메모리에 저장된 기준값과 함께 사용될 수 있다. 대안적으로, 동작 동안 출력 전력, 레이저 바이어스 및 온도의 실제값은, 광학 전력 모니터와 조합하여, 잠재적인 신뢰성 문제를 나타낼 수 있는 시스템 내의 임의의 상당한 변화나 성능 저하를 식별하기 위해 룩업 테이블 내의 기준값과 비교될 수 있다. 그런 다음, 실제 시스템의 다양한 구현예에서, 이와 같은 변화를 검출하는 LiDAR 시스템은 잠재적인 서비스 또는 수리의 필요성을 확인하기 위해 다른 자동차 차량의 전체 모니터링 시스템과 통신할 수 있다.
도 1은 본 교시의 LiDAR 시스템을 위한 반사 지향성 요소(110)를 포함하는 모니터형 전송기(100)의 실시예를 도시한다. 모니터형 전송기(100)는 전송 방향(104)을 따라 레이저 빔을 투영하기 위한 일련의 광학 장치와 조합된 레이저 소스용 2D VCSEL 어레이(102)를 사용한다. VCSEL 어레이(102)와 동일 기판(108) 상에 장착된 모니터 포토다이오드(MPD: monitor photodiode)(106)가 도시되어 있다. 모니터 포토다이오드(106) 또는 VCSEL(102)은 별도의 캐리어 위나 별도의 패키지 내에 장착될 수도 있다. 일부 실시예에서, 모니터 포토다이오드(106) 및 VCSEL 어레이(102)는 명목상 동일 평면에 포지셔닝된다. 일부 실시예에서, 모니터 포토다이오드(106) 및 VCSEL 어레이(102)는 동일한 방위를 갖는 그들 개개의 표면에 대한 정상 프로젝션을 갖는다. 일부 실시예에서, 이러한 방위는 전송 방향(104)과 동일한 방위이다. 제1 렌즈(112)와 제2 렌즈(114) 사이에 위치한 지향성 요소(110)는 VCSEL 어레이(102)에 의해 생성된 광학 빔의 일부를 다시 모니터 포토다이오드(106)로 지향시킨다. 일부 실시예에서, 지향성 요소(110)는 VCSEL 어레이(102)에 의해 생성된 광학 빔의 일부를 모니터 포토다이오드(106)로 다시 반사시키는 제1 렌즈(112)와 제2 렌즈(114) 사이에 위치된 부분 거울을 포함한다. 제1 렌즈(112), 제2 렌즈(114) 및 지향성 요소(110)는 기판(108)에 고정된 공통 하우징(116) 내부나 위에 장착될 수 있다. 일부 실시예에서의 투과 방향은 제1 렌즈(112) 및/또는 제2 렌즈(114)의 광축을 따른다.
모니터형 전송기(100)가 렌즈(112, 114)를 사용하여 VCSEL 어레이(102)에 의해 생성된 광학 빔에 빛을 투영하는 것이 기술된다. 그러나, 당업자는 다수의 다른 투과형 광학 요소가 사용될 수도 있음을 이해할 것이다. 투영 요소의 다수의 공지된 구현예가 본 교시의 모니터형 전송기(100)에서 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 이들 투영 요소는, 예를 들어, 원하는 시야, 타겟 범위, 해상도 등을 달성하기 위해 타겟을 향해 광학 빔을 형상화하고 투영하는 역할을 한다. 이들 투영 요소는 광학 빔의 각각으로부터의 빛이 모니터링될 수 있도록 지향성 요소가 모니터 평면에서 조명 영역을 생성하도록 허용하는 전송기 풋프린트 내의 광학 빔에 대해 공통 포인트를 생성하도록 구성될 수 있다.
본 교시의 일부 실시예가 VCSEL 어레이(102)로부터 생성된 모든 광학 빔이 조명 영역 내에 나타나도록 요구하지 않는다는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 대신, 일부 실시예에서, 광학 빔에 대한 공통 포인트를 공유하는 광학 빔의 서브세트만이 조명 영역에 제공되고 모니터에 의해 샘플링된다. 투영 요소, VCSEL 어레이(102) 및 지향성 요소의 상대적인 포지션은 공통 포인트를 공유하고, 그에 따라 조명 영역에 제공되는 광학 빔의 원하는 서브셋을 결정하는 역할을 한다.
도 1의 모니터형 전송기(100) 실시예의 지향성 요소(110)는 모니터 포토다이오드(106)를 향해 경사지는 것으로 예시된다. 다른 실시예에서, 반사 거울은 포토다이오드를 향해 경사지지 않는다. 그 대신, 지향성 요소(110) 방위는 회전 대칭을 유지하기 위해 지향성 요소(110)의 표면에 대한 법선이 렌즈 시스템의 광축에 평행하게 될 수 있다. 이 방위는 경우에 따라 조립/제조의 용이성을 위해 유리할 수 있다. 또한, 지향성 요소(110)는, 별도의 광학 요소로서, 도 1에 도시되어 있지만, 일부 실시예에서, 2개의 렌즈(112, 114) 또는 전송기 경로 내의 일부 다른 광학 요소 중 하나 이상에 대해 하나 이상의 표면이 필요한 반사나 방향을 제공하도록 기능할 수 있음을 이해해야 한다.
일부 실시예에서, 제1 렌즈(112), 제2 렌즈(114) 및 지향성 요소(110) 중 하나 이상을 포함하는 광학 컴포넌트는 반사율을 제어하도록 설계된 표면상에 광학 코팅을 갖는다. 모니터링이 필요하지 않은 실시예에서, 광 반사율은 종종 전송 방향(104)에서 전송기(100)로부터의 출력 전력을 최대화하기 위해 가능한 한 낮게 설정된다. 일부 실시예에서, 지향성 요소(110) 상의 광학 코팅은 최대 5%의 반사율을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 지향성 요소(110)는 별개의 개별 요소가 아니라, 광학 코팅 또는 하나 이상의 광학 렌즈 표면상의 코팅 세트이며, 여기서, 코팅의 반사율은 측정된 광학 신호를 최적화하도록 선택되었다.
본 교시의 피처는 지향성 요소(110)가 공통 포인트에서 레이저에 의해 생성되는 광학 빔의 경로 내에 배치될 수 있어서, 전송기 어레이 내의 모든 레이저가 반사될 수 있는 빛의 일부를 가질 수 있다는 것이다. 예를 들어, 전송된 광학 빔의 작은 각도 발산을 달성하기 위해 다중 렌즈를 포함하는 LiDAR 전송기를 기술하는 미국 특허 번호 제10,514,444호를 참조한다. 미국 특허 번호 제10,514,444호는 본 양수인에게 양도되었으며, 본 명세서에 참조로 포함된다.
일부 실시예에서, 지향성 요소(110)는 회절 광학 요소이다. 다른 실시예에서, 지향성 요소(110)는 가시 스펙트럼의 일부를 차단하는 부분 반사 거울 및 광학 필터이다. 하나의 특정 실시예에서, 지향성 요소는 프리즘이다. 일부 실시예에서, 지향성 요소는 홀로그램 요소이다. 다수의 공지된 렌즈 구성은 제1 렌즈(112) 및 제2 렌즈(114) 및 레이저 어레이(102)의 원하는 렌즈 파워, 크기 및 상대적인 포지션을 달성하기 위해 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 모니터 포토다이오드(106)는 VCSEL 어레이(102)와 함께 모놀리식으로 제조된다. 모니터 포토다이오드(106)는 다양한 구성으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 모니터 포토다이오드(106)는 2D 어레이 내의 모든 개별 레이저로부터 빛을 수신하는 단일 포토다이오드이다. 다른 실시예에서, 신호 체인의 일부 포인트에서 공통 신호 출력을 제공하기 위해 다수의 포토다이오드의 출력이 일부 방식으로 조합되는 경우에 둘 이상의 포토다이오드가 사용된다.
일부 실시예에서, 모니터 포토다이오드(106)는 입력이 모니터 포토다이오드(106)로부터 전파되는 빛을 수신하도록 포지셔닝된 광학 요소를 포함한다. 예를 들어, 모니터 포토다이오드(106)는 빛을 수신하도록 포지셔닝되고 수집된 빛을 포토다이오드로 지향시키도록 구성된 광 가이드나 프리즘을 포함할 수 있다. 광학 요소는 모니터링 개구의 모든 빛을 취하거나, 모니터링 개구의 다른 공간 영역에서 빛의 일부만 취한 다음 해당 빛을 하나 이상의 포토다이오드로 지향시킬 수 있다. 예를 들어, 광학 요소는 본 명세서에 기술된 광 도파관일 수 있다.
도 2a는 도 1의 LiDAR 시스템에 대한 모니터형 전송기(100)의 일부에 대한 추가 상세를 포함하는 확대도(200)를 도시한다. 도 2a는 렌즈(1112)를 통과한 다음 부분 반사 거울(110)에서 다시 모니터 포토다이오드(106) 및 VCSEL 어레이(102)를 향해 반사하는 VCSEL 어레이(102)로부터 방출된 빛을 예시하는 광선 궤적 다이어그램(202)을 도시한다. 모니터 포토다이오드(106)는 VCSEL 어레이(102)와 동일 평면(204)에 포지셔닝된 포토다이오드로 도시되어 있다. 광선 궤적 다이어그램(202)에 예시된 광학 빔은 지향성 요소(110)를 통과할 때 도시되며, 여기서, 광선은 재지향되어 제2 렌즈(도시하지 않음)로 전파된 다음 전송 방향(104)으로 LiDAR 전송기(100) 밖으로 나온다.
도 2b는 도 2a에 도시된 광선 궤적(202)의 단면도(250)를 예시한다. 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 단면도(250)는 VCSEL 어레이(102) 내의 상이한 레이저로부터의 지향성 요소(110)의 반사를 둘러싸는 조명 영역(256)을 도시한다. 각각의 빔의 조명 영역(256)은 모니터 포토다이오드(106)의 영역(252)과 VCELS 어레이(102)의 영역(254)에 걸쳐 매핑되는 것으로 도시되어 있다. 이는 지향성 요소(110)가 VCSEL에 의해 생성된 광학 빔의 공통 포인트로부터 빛을 투영하여 조명 영역(256)이 모든 빔으로부터 적어도 일부의 빛을 포함하기 때문이다. 즉, VCSEL 어레이(102) 내의 특정 VCSEL 요소의 위치에 관계없이 반사 영역이 모두 모니터 포토다이오드(106) 부근에서 중첩되도록, 지향성 요소(110)의 위치 및 거울의 경사각이 선택된다. 이는 VCSEL 어레이(102) 내의 모든 레이저로부터 방출된 전력이 모니터링될 수 있도록 보장한다. 모니터 포토다이오드(106) 위치는 종종 LiDAR 시스템 내의 다른 전자 컴포넌트에 의해 제한된다.
일부 구성예에서, 모니터 포토다이오드(106)를 VCSEL 어레이(102)에 바로 인접하게 배치하는 것은 불가능하다. 그 대신, 더욱 용이한 제조를 위해 모니터 포토다이오드(106)는 VCSEL 어레이(102)로부터 어느 정도 거리를 둘 필요가 있을 수 있지만, 여전히 반사된 광학 빔의 조명 영역 내에 들어갈 만큼 충분히 가깝다. 따라서, 지향성 요소(110)의 경사와 포지션은 어레이(102)의 다수의 요소로부터의 빛이 모니터 포토다이오드(106)에서 중첩되도록 적절하게 선택되어야 한다.
도 3a는 본 교시의 LiDAR 시스템을 위한 광 도파관(304)을 갖는 모니터를 포함하는 모니터형 전송기의 실시예의 일부분(300)을 도시한다. 도 2a 및 도 3a에 도시된 실시예는 많은 피처를 공유한다. VCSEL 어레이(302) 및 모니터 포토다이오드(304)는 동일한 평면(306)에 포지셔닝된다. 제1 렌즈(308)는 광 빔을 어레이(302)로부터 부분 반사 거울일 수 있는 지향성 요소(310)를 향해 그리고 제2 렌즈(미도시)로 지향시킨 다음, 전송 방향(312)을 따라 전송기 밖으로 지향시킨다. 도 3a는 렌즈(1308)를 통과한 다음 부분 반사 거울(310)에서 다시 광 도파관(304) 및 VCSEL 어레이(302)를 향해 반사하는 VCSEL 어레이(302)로부터 방출된 빛을 예시하는 광선 궤적 다이어그램(305)을 도시한다.
도 3b는 도 3a에 도시된 광선 궤적(202)의 단면도(350)를 예시한다. 도 1, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 단면도(350)는 VCSEL 어레이(302) 내의 상이한 레이저로부터의 지향성 요소(310)의 반사를 둘러싸는 조명 영역(352)을 도시한다. 각각의 빔의 조명 영역(352)은 VCELS 어레이 풋프린트의 영역(356) 및 광 도파관(358)의 수집 영역을 포함하는 모니터 영역의 영역(354) 위에 매핑되는 것으로 도시되어 있다. 이 광 도파관(358)은 멀리 배치된 모니터 포토다이오드(360)에 연결된 것으로 도시되어 있다. 조명 영역(352)은 VCSEL 어레이(302)에 의해 생성된 광학 빔 각각으로부터의 빛을 포함하는데, 이는 지향성 요소(310)가 VCSEL 어레이(302)에 의해 생성된 광학 빔의 공통 포인트로부터 모니터 평면에 위치된 모니터(304)로 빛을 지향시키기 때문이다.
또한, 일 실시예에서, 모니터(304)는 광 도파관(358)을 포함한다. 광 도파관은 빛이 광 도파관의 길이 방향을 따라 전파됨에 따라 내부 전반사를 통해 내부에 빛을 유지하는 도파관으로서의 역할을 하는 디바이스이다. 광 도파관(358)은 유리 또는 플라스틱으로 만들어질 수 있거나, 내부에 거울 표면을 갖는 중공 도파관일 수 있다. 전형적으로, 전파의 축에 수직인 광 도파관(358)의 단면 치수는 전파 거리보다 훨씬 작다. 광 도파관(358)은 굽힘 반경이 내부 전반사를 유지하기에 충분히 큰 경우에, 원하는 대로 빛을 지향시키기 위해 고정 또는 가요성 굽힘으로 구성될 수 있다. 광 도파관의 일반적인 예는 광섬유 케이블이다.
광 도파관 구성에서, 도 2의 실시예에서와 같이 조명 영역 내에 위치된 포토다이오드에 의해 반사광이 직접 측정되는 대신, 광 도파관(358)은 빛을 포착하고 수집된 빛을 포토다이오드에 제공하는 데 사용된다(도시되지 않음). 따라서, 광 도파관(358)은 조명 영역으로부터 빛의 일부를 포착하고, 그것을 VCSEL 어레이(302)로부터 물리적으로 거리를 두고 또한 조명 영역 외부에 있는 모니터 포토다이오드(도시하지 않음)로 재지향시킨다.
광 도파관을 사용하는 모니터형 전송기의 실시예는 비용을 증가시킬 수 있는 추가 컴포넌트를 갖는다. 예를 들어, 광 도파관에는 렌즈를 포함하는 다양한 광학 요소와 거울이 통합될 수 있다. 그러나, 광 도파관 실시예는 광 도파관을 사용하지 않는 다른 실시예에 비해 몇 가지 잠재적 장점을 갖는다. 광 도파관의 장점 중 하나는 활성 영역에 대한 모니터 포토다이오드의 크기가 종종 물리적 크기로 제한되어, 생성될 수 있는 광학 신호를 제한한다는 것이다. 특히, 지속 시간이 나노초인 실제 펄스 형상을 종종 측정해야 하는 경우, 포토다이오드 활성 영역이 작아야 좋은 동적 응답을 얻을 수 있다. 이 경우, 광 도파관은 측정된 빛이 더 작은 포토다이오드 활성 영역에 집중/포커싱되도록 하는 더 큰 수집 영역으로 설계되어 SNR을 향상시킬 수 있다. 광 도파관은 순수하게 수동 광학 컴포넌트이기 때문에, 전기 구동 컴포넌트와 같이 VCSEL 어레이(302)에 물리적으로 근접할 수 있는 요소의 상부에 포지셔닝될 수 있다. 광 도파관을 VCSEL에 더 가깝게 배치하면, 모니터링 기능의 광학 효율성도 향상시킬 수 있다.
광 도파관을 사용하는 또 다른 잠재적 장점은 VCSEL 어레이 및 VCSEL 구동 회로로부터 상대적으로 멀리 모니터 포토다이오드를 위치시킬 수 있는 능력이다. 이러한 피처는, 모니터 다이오드가 해당 컴포넌트에 물리적으로 근접하여 배치될 때, VCSEL을 작동하는 데 사용되는 구동 전류/전압이 전기적으로 커플링될 수 있고, 광학 모니터 회로 내에서 잡음의 원인이 될 수 있기 때문에 중요하다. 높은 SNR 및 임의의 잘못된 판독값을 제공하기 위해 광학 모니터 회로에서 잡음 수준을 가능한 한 낮게 유지하는 것이 매우 바람직하다.
도 4a는 본 교시의 LiDAR 시스템을 위한 전송 지향성 요소(410)를 포함하는 모니터형 전송기의 실시예의 일부분(400)을 도시한다. VCSEL 어레이(402)는 제1 및 제2 렌즈(404, 406)로 지향되는 복수의 광학 빔을 생성한다. 본 실시예에서, 빛은 VCSEL 어레이(402)를 향해 다시 반사되지 않는다. 빛은 지향성 요소(410)에 충돌하는데, 이는 본 실시예에서 장착 플레이트인 투과 요소이다. 이러한 구성에서, 지향성 요소(410)는 모니터(408)를 향한 광학 빔의 공통 통과 포인트에서 빛을 전송하거나 통과시킨다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 모니터(408)는 마이크로프리즘이다. 지향성 요소(410)는 각각의 레이저로부터의 빛을 포함하는 조명 영역을 정의하는 레이저 어레이에 의해 생성된 광학 빔의 공통 통과 포인트를 가진 포지션에 상주한다. 이와 같이, 지향성 요소(410)는 VCSEL 어레이(402) 내의 모든 레이저가 조명 영역에 제공되는 빛의 일부를 갖도록 레이저에 의해 생성되는 각각의 광학 빔으로부터의 빛을 통과시켜, 빛이 조명 영역 내에 배치된 모니터(408)에 의해 샘플링될 수 있다. 조명 영역에서 투과된 빛의 작은 부분은 회절 광학 요소일 수 있는 작은 마이크로 프리즘을 사용하여 전송기의 광학 축에 대체로 수직인 방향으로 모니터(408)에 의해 반사된다.
모니터(408)의 마이크로-프리즘은 지향성 요소(410)에 부착된 것으로 도시되며, 이는 일부 실시예에서는 투명한 광학 윈도우이고 다른 실시예에서는 광학 필터인 장착 플레이트이다. 일부 구성예에서, 지향성 요소(410)는 모니터(408)없이 요구될 수도 있는 LiDAR 전송기 내의 광학 요소이다. 따라서, 지향성 요소(410)는 2개의 기능을 제공하는데, 그 중 하나는 모니터(408)의 마이크로프리즘을 고정하는 것이고, 다른 하나는 본질적으로 광학적이라는 것이다. 일부 구성예에서, 지향성 요소(410)는 LiDAR 시스템을 외부 환경으로부터 보호한다. 모니터(410) 내의 마이크로 프리즘은 필요한 광학 신호 수준을 유지하기에 충분히 큰 코어를 갖는 광섬유(412)에 빛을 커플링하는 것으로 도시되어 있다. 그런 다음, 광섬유(412)는 빛을 모니터 포토다이오드(도면에 도시되지 않음)로 지향시킨다.
도 4b는 도 4a에 도시된 광선 궤적의 단면도(450)를 예시한다. 단면도(450)는 지향성 요소(410)의 평면에서 VCSEL 어레이(402) 내의 모든 상이한 레이저로부터의 조명을 둘러싸는 조명 영역(452)을 도시한다. 각각의 빔으로부터의 빛을 포함하는 조명 영역(452)은 샘플 프리즘 영역의 수집 영역(454)에 걸쳐 매핑된 것으로 예시되어 있다. 지향성 요소(410)는 전송기 어레이 내의 모든 레이저가 마이크로프리즘을 포함하는 모니터(408)에 의해 샘플링될 수 있는 빛의 일부를 갖도록 공통 포인트에서 레이저에 의해 생성되는 광학 빔의 경로 내에 배치된다.
도 4a에 도시된 샘플링 프리즘을 갖는 모니터형 전송기의 실시예는 몇몇 장점을 갖는다. 본 실시예의 하나의 피처는 렌즈 시스템 내에서 반사판을 제거함으로써 해당 렌즈 시스템의 제조 및 조립이 단순화되고 렌즈 시스템의 회전 대칭이 유지된다는 점이다.
도 4a에 도시된 광섬유(412)를 갖는 모니터형 전송기의 실시예는 또한 몇몇 장점을 갖는다. 본 실시예의 하나의 피처는 섬유(412)가, 모니터 포토다이오드로 하여금, VCSEL 어레이(402) 및 VCSEL 구동 회로로부터 물리적으로 거리를 두고 배치되게 한다는 것이다. 일부 실시예에서, 모니터 포토다이오드는 VCSEL 어레이(402) 구동 회로와 동일한 회로 보드 상에 있지 않다. 이러한 구성은 VCSEL 어레이(402) 구동 회로의 가능성을 대부분 제거하여 임의의 원하지 않는 노이즈 또는 스퓨리어스 신호(spurious signal)가 광학 모니터 신호에 존재하게 한다. VCSEL 어레이(402)를 갖는 공통 회로 보드 상에 있는 모니터 포토다이오드와 연관된 물리적 제약을 제거하는 것은 또한 광학 모니터의 크기 및 유형을 매우 유연하게 할 수 있으며, 이는 전송기 또는 제조 공정의 크기 및/또는 복잡성 감소를 포함하는 많은 이유로 유리할 수 있다.
본 교시의 모니터형 전송기의 또 다른 피처는 조명 영역으로부터 빛이 지향되는 공통 포인트가 광학 전송기의 다양한 포인트에 포지셔닝될 수 있다는 것이다. 공통 포인트는 투영 요소와 레이저 디바이스의 포지션에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 공통 포인트는 전송기 광학 시스템에서의 최종 광학 렌즈 표면 앞에 포지셔닝될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 공통 포인트는 전송기 광학 시스템에서의 최종 광학 렌즈 표면 뒤에 포지셔닝될 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 모니터는 전송기 경로에서의 최종 광학 요소이고 외부 환경으로부터 LiDAR 시스템을 보호하는 광학 윈도우에 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 광학 모니터는 광학 렌즈 표면 중 하나에 부착될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 광학 모니터는 가시 스펙트럼의 일부를 차단하는 광학 필터 요소에 부착될 수 있다.
본 교시의 모니터형 전송기는 특정 구성과 관련하여 기술되었음을 이해해야 한다. 이들 실시예는 예시일 뿐이고, 본 교시의 범주를 한정하려고 의도된 것은 아니다. 본 교시의 방법 및 시스템의 장점을 달성하기 위해, 상이한 실시예의 다양한 양태가 상이한 조합으로 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
도 5는 본 교시에 따른 모니터형 전송기를 포함하는 LiDAR 시스템(500)의 실시예의 블록도를 예시한다. LiDAR 시스템(500)은 6개의 주요 컴포넌트를 갖는다. (1) 제어기 및 인터페이스 전자기기(502); (2) 레이저 드라이버(504)를 포함하는 전송 전자기기; (3) 레이저 어레이(506); (4) 수신 및 TOF(time-of-flight) 계산 전자기기(508); (5) 검출기 어레이(510); 및 (6) 모니터(512). 제어기 및 인터페이스 전자기기(502)는 LiDAR 시스템(500)의 전체 기능을 제어하고, 호스트 시스템 프로세서(514)에 디지털 통신을 제공한다. 전송 전자기기(504)는 레이저 어레이(506)의 동작을 제어하고, 일부 실시예에서, 어레이(506)의 개별 요소의 레이저 발사의 패턴 및/또는 파워를 설정한다. 수신 및 TOF 계산 전자기기(508)는 검출기 어레이(510)로부터 전기 검출 신호를 수신한 다음 이들 전기 검출 신호를 처리하여 TOF 계산을 통해 범위 거리를 계산한다.
모니터(512)는 제어기와 인터페이스 전자기기(502) 중 하나 또는 양쪽 모두 및 레이저 드라이버(504)를 포함하는 전송 전자기기에 연결된다. 모니터(512)는 검출된 신호 전력에 대한 정보를 제공하고, 제어기 및 인터페이스 전자기기(502) 중 하나 또는 양쪽 모두 및 레이저 드라이버(504)를 포함하는 전송 전자기기에서의 처리와 결합하여, 다른 파라미터 중에서 레이저 파장, 광학 전력, 펄스 타이밍, 펄스 주파수 및/또는 펄스 지속 시간에 대한 정보를 제공한다. 일부 실시예에서, 제어기 및 인터페이스 전자기기(502)는 모니터(512)로부터 정보를 직접 제어하고 획득한다. 도 5의 실시예는 빛을 모니터(512)로 지향시키는 부분 거울(516)을 도시한다. 그러나, 당업자에게 명백한 바와 같이, LiDAR 시스템(500)은 본 명세서에 기술된 모니터(512)의 임의의 구성 및 이들 구성의 알려진 변형으로 동작시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 어레이(506) 내의 레이저는 제어기 및 인터페이스 전자기기(502) 중 하나 또는 양쪽 모두, 및 바이어스 제어 루프에 대해 입력으로서의 역할을 하는 모니터 포토다이오드로부터 수신된 포토다이오드 전류에 응답하는 레이저 드라이버(504)를 포함하는 전송 전자기기를 사용하여 폐루프 구성으로 작동된다. 이러한 구성은 레이저 어레이(506)에 의해 생성된 광학 빔의 일부 또는 전부로부터의 전력을 포함하는 전송기 광학 전력이 거의 일정한 값으로 유지되도록 할 수 있다. 이것은 시스템이 온도 및/또는 기계적 시프트에 대해 더욱 안정적일 수 있게 한다. 또한, 제어기 및 인터페이스 전자기기(502) 중 하나 또는 양쪽 모두 및 광학 출력의 모니터링 및 레이저 바이어스의 제어를 포함하는 레이저 드라이버(504)를 포함하는 전송 전자기기를 통한 제어 루프를 사용하면, LiDAR 시스템(500)의 출력에서 광학 전력의 손실 없이 레이저 효율의 수명에 걸친 어느 정도의 저하를 수용할 수 있다.
일부 실시예에서, 제어기 및 인터페이스 전자기기(502)는 모니터(512)에 의해 생성된 광학 전력 판독값을 사용하여 객체 반사율을 계산한다. 모니터링된 광학 출력이 참조로 사용될 수 있으며, 그런 다음, 실제 광자 계수(counting)/강도 및 사전 교정에 기초하여 개선된 반사율 데이터가 얻어질 수 있다. 이러한 향상된 반사율 데이터는 인식과 관련된 다양한 알려진 LiDAR 애플리케이션에 사용되는 시스템에서 활용될 수 있다.
본 교시의 방법 및 장치의 또 다른 피처는 이들 모니터 포토다이오드 구현예가 LiDAR 시스템 자체의 기능적 안전성을 해결할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 제어기 및 인터페이스 전자기기(502) 및/또는 전력 모니터(512)를 포함하는 레이저 드라이버(504)를 포함하는 전송 전자기기를 통한 제어 루프는, 예를 들어, 측정된 광학 전력이 특정 임계값 미만이거나 초과하는 경우, LiDAR 전송기에 결함이 있음을 표시하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제어기 및 인터페이스 전자기기(502) 중 하나 또는 둘 모두 및 레이저 드라이버(504)를 포함하고 전력 모니터(512)를 포함하는 전송 전자기기를 사용하는 제어 루프는, 광학 전력이 특정 임계값 초과인 경우, LiDAR 전송기가 눈 안전 임계값을 넘어 작동하고 있음을 나타내는 데 사용될 수 있다.
본 교시의 LiDAR 시스템용 모니터형 전송기는 단일 VCSEL 어레이를 사용하는 다양한 실시예와 관련하여 기술되었다. 본 교시는 둘 이상의 VCSEL 어레이를 포함하는 LiDAR 전송기로 확장될 수 있음을 이해해야 한다. 둘 이상의 VCSEL 어레이를 포함하는 이들 실시예에서, VCSEL 어레이는 모니터를 커버하는 조명 영역이 각각의 VCSEL 어레이에 대해 별개의 영역을 갖도록 포지셔닝된다. 이들 실시예에서, 모니터 포토다이오드는 둘 이상의 포토다이오드를 포함하도록 구성될 수 있고, 별도의 모니터 포토다이오드는 별도의 조명 영역 각각에 대해 사용될 수 있다.
등가물
출원인의 교시가 다양한 실시예와 함께 기술되지만, 출원인의 교시가 이와 같은 실시예로 제한되는 것으로 의도되는 것은 아니다. 반대로, 출원인의 교시는 다양한 대안, 수정 및 등가물을 포함하여, 당업자에 의해 인식될 것이며, 이는 교시의 정신 및 범주를 벗어나지 않고 그 안에서 만들어질 수 있다.
Claims (32)
- 광학 전력 모니터링을 사용하는 LiDAR(light detection and ranging) 전송기로서,
a) 제1 평면에 포지셔닝된 레이저 어레이 - 상기 레이저 어레이는, 입력에서 제공된 전기 신호에 응답하여 광학 경로를 따라 전파하는 복수의 광학 빔을 생성함 - 와,
b) 상기 복수의 광학 빔이 공통 포인트에서 적어도 부분적으로 중첩하도록 상기 복수의 광학 빔을 투영하는 상기 광학 경로에 포지셔닝된 제1 투과형 광학 요소와,
c) 상기 제1 투과형 광학 요소 이후에 상기 복수의 광학 빔의 상기 광학 경로에 포지셔닝되고, 상기 제1 투과형 광학 요소로부터 빛을 투과 방향으로 투영하는 제2 투과형 광학 요소와,
d) 상기 복수의 빔의 상기 광학 경로의 상기 공통 포인트에 포지셔닝된 지향성 광학 요소 - 상기 지향성 광학 요소는, 제 2 평면에서 상기 복수의 빔 각각으로부터의 적어도 일부 빛을 포함하는 조명 영역을 생성함 - 와,
e) 상기 복수의 빔 각각으로부터 적어도 일부의 빛을 수집하는, 상기 제2 평면 내의 상기 조명 영역 내에 포지셔닝된 모니터 - 상기 모니터는, 상기 수집된 빛에 응답하여 검출된 신호를 출력에서 생성하는 포토다이오드를 포함함 - , 및
f) 상기 모니터의 출력에 연결된 입력과 상기 레이저 어레이의 입력에 연결된 출력을 가진 제어기 - 상기 제어기는, 상기 LiDAR 시스템 전송기의 원하는 동작을 달성하기 위해 상기 레이저를 제어하는 상기 검출된 신호에 응답하여 상기 전기 신호를 생성함 -
을 포함하는 LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 레이저 어레이는, VCSEL 어레이를 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 레이저 어레이는, 2차원 어레이를 포함하고, 상기 어레이 내의 적어도 2개의 레이저는, 독립적으로 작동될 수 있는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 평면은, 동일 평면인 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 평면은, 상이한 평면에 포지셔닝되는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 지향성 광학 요소 및 상기 제2 투영 광학 요소는, 동일한 광학 요소인 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 지향성 광학 요소는, 부분 반사 요소를 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 지향성 광학 요소는, 회절 요소를 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 지향성 광학 요소는, 프리즘을 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 지향성 광학 요소는, 홀로그래픽 요소를 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 지향성 광학 요소는, 부분 반사 거울 및 광학 필터 양쪽 모두인 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 지향성 광학 요소는, 편평한 광학 요소를 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 지향성 광학 요소는, 투과성 요소인 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 지향성 광학 요소는, 상기 제2 투과형 광학 요소 상의 광학 코팅을 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 LiDAR 시스템 전송기의 상기 원하는 동작을 달성하는 것은, 사전 결정된 성능 메트릭을 달성하는 것을 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 LiDAR 시스템 전송기의 상기 원하는 동작을 달성하는 것은, 눈의 안전을 달성하는 것을 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 LiDAR 시스템 전송기의 상기 원하는 동작을 달성하는 것은, 기능적 안전을 달성하는 것을 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 모니터는, 포토다이오드를 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 모니터는, 샘플링 프리즘을 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 모니터는, 포토다이오드에 광학적으로 커플링된 광 도파관을 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 제20항에 있어서,
상기 광 도파관은, 상기 레이저 어레이와 동일한 기판상에 포지셔닝되는 것인, LiDAR 전송기. - 제1항에 있어서,
상기 모니터는, 상기 수집된 빛에 대해 파장 정보를 제공하는 다중 파장 모니터를 포함하는 것인, LiDAR 전송기. - 광학 전력 모니터링을 사용하는 LiDAR(Light Detection and Ranging) 방법으로서,
a) 광학 경로를 따라 전파하는 제1 평면에서 복수의 광학 빔을 생성하는 단계와,
b) 공통 포인트에서 상기 복수의 광학 빔이 적어도 부분적으로 중첩되도록 상기 복수의 광학 빔을 투영하는 단계와,
c) 상기 공통 포인트로부터의 빛을 지향시켜, 제2 평면에서 상기 복수의 빔 각각으로부터의 적어도 일부의 빛을 포함하는 조명 영역을 생성하는 단계와,
d) 상기 복수의 빔 각각으로부터 상기 제2 평면에서 적어도 일부의 빛을 수집하고, 상기 수집된 빛에 응답하여 검출된 신호를 생성하는 단계, 및
e) 상기 LiDAR 시스템 전송기의 원하는 동작을 달성하기 위해 상기 복수의 광학 빔의 생성을 제어하는 상기 검출된 신호에 응답하여 전기 신호를 생성하는 단계
를 포함하는 방법. - 제23항에 있어서,
상기 제1 및 제2 평면은, 동일 평면인 것인, 방법. - 제23항에 있어서,
상기 제1 및 제2 평면은, 상이한 평면에 포지셔닝되는 것인, 방법. - 제23항에 있어서,
상기 공통 포인트로부터 빛을 지향시키는 상기 단계는, 상기 빛을 회절시키는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제23항에 있어서,
상기 공통 포인트로부터 빛을 지향시키는 상기 단계는, 상기 빛을 반사 및 필터링하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제23항에 있어서,
상기 공통 포인트로부터 빛을 지향시키는 상기 단계는, 상기 빛을 전달하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제23항에 있어서,
상기 LiDAR 시스템 전송기의 원하는 동작을 달성하는 상기 단계는, 사전 결정된 성능 메트릭을 달성하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제23항에 있어서,
상기 LiDAR 시스템 전송기의 원하는 동작을 달성하는 상기 단계는, 눈 안전 동작 조건을 달성하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제23항에 있어서,
상기 LiDAR 시스템 전송기의 원하는 동작을 달성하는 상기 단계는, 기능적 안전을 달성하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제23항에 있어서,
상기 검출된 신호에 응답하여 상기 전기 신호를 생성하는 상기 단계는, 상기 수집된 빛에 대한 다중 파장 정보를 생성하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
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