KR20230142451A

KR20230142451A - 저에너지 반사를 감지하기 위한 검출기를 갖는 주사 레이저 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20230142451A
Application number: KR1020237021267A
Authority: KR
Inventors: 제임스 딘; 크리스토퍼 캐논; 알가 노던 쓰리; 조엘 샌드가테
Original assignee: 마이크로비젼, 인코퍼레이티드
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2023-10-11
Also published as: WO2022212964A3; WO2022212964A2; CN116829977A; US20220244358A1; EP4288796A2; US11982765B2; JP2024505644A

Abstract

본 명세서에 설명된 실시예들은 주사 레이저 장치(100)에서 검출기 감도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다. 구체적으로, 시스템 및 방법은 스캔 필드(114) 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 수신하도록 구성된 다수의 센서를 갖는 검출기를 활용한다. 이러한 다수의 센서는 레이저 광 펄스를 스캔 필드로 스캔하는 데 사용되는 것과 동일한 광 어셈블리(104)를 통해 이러한 반사를 수신하도록 구성된다. 또한, 다수의 센서는 광 어셈블리 자체 내에서 역반사 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하도록 구성된다. 광 어셈블리 내에서 역반사 효과를 상쇄하면 특히 스캔 필드 내에서 레이저 펄스의 저에너지 반사를 감지할 때 검출기의 감도가 향상될 수 있다.

Description

저에너지 반사를 감지하기 위한 검출기를 갖는 주사 레이저 장치 및 방법

주사 레이저 장치는 물체 감지를 포함한 다양한 용도로 개발 및 구현되었다. 예를 들어, 표면의 3D 지도를 생성하기 위해 광 검출 및 거리 측정(LiDAR ; light detection and ranging) 시스템이 개발되었으며, 3D 지도는 표면의 깊이 변화를 설명한다. 이러한 물체 감지 및 깊이 매핑은 물체 및 동작 감지, 내비게이션 및 제어를 비롯한 다양한 애플리케이션에 사용되었다. 예를 들어, 이러한 LiDAR 장치는 운송 및 제조에 사용되는 자율 주행 장치를 포함하여 자율 주행 차량의 내비게이션 및 제어에 사용되고 있다.

일부 LiDAR 시스템의 한 가지 한계는 검출기 신뢰성과 감도가 부족하다는 점이다. 예를 들어, 일부 LiDAR 시스템에서는 노이즈가 저에너지 반사의 신뢰성 있는 감지를 방해하여 시스템 작동에 방해가 될 수 있다. 따라서, LiDAR 시스템 및 기타 주사 레이저 장치에서 감지를 위한 개선된 시스템과 방법이 여전히 필요하다.

도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 주사 레이저 장치의 개략도를 도시한 도면이고;
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광 어셈블리의 개략도를 도시한 도면이고;
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 검출기의 개략도를 도시한 도면이고;
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 검출기의 개략도를 도시한 도면이고;
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 감지 회로의 회로도를 도시한 도면이고;
도 6 및 도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 주사 레이저 장치의 측면도 및 평면도를 도시한 도면이고;
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 LiDAR 시스템의 개략도를 도시한 도면이고;
도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 단거리 및 장거리 펄스를 도시한 도면이고;
도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 방법의 흐름도를 도시한 도면이고;
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 거리 함수로서 물체를 감지하지 못할 확률을 그래프로 나타낸 도면이고;
도 12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 LiDAR 시스템을 구비한 이동 플랫폼을 도시한 도면이고;
도 13은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 LiDAR 시스템의 개략도를 도시한 도면이고;
도 14는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 송신 모듈의 측면도를 도시한 도면이고;
도 15는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 송신 모듈의 평면도를 도시한 도면이고;
도 16은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 수신 모듈의 측면도를 도시한 도면이고;
도 17은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 수신 모듈의 평면도를 도시한 도면이며;
도 18은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 통합 포토닉스 모듈의 사시도를 도시한 도면이다.

본 명세서에 설명된 실시예들은 주사 레이저 장치에서 검출기 감도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다. 구체적으로, 시스템 및 방법은 스캔 필드 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 수신하도록 구성된 다수의 센서를 갖는 검출기를 활용한다. 이러한 다수의 센서는 레이저 광 펄스를 스캔 필드로 스캔하는 데 사용되는 것과 동일한 광 어셈블리를 통해 이러한 반사를 수신하도록 구성된다. 구체적으로, 다수의 센서는 레이저 광 펄스를 스캔 필드로 스캔하는 데 사용되는 동일한 주사 미러, 빔 생성 광학부 및 기타 광학 소자 중 적어도 일부를 통해 반사를 수신하도록 구성된다. 여러 센서가 동일한 광 어셈블리를 사용하여 레이저 광 반사를 수신하기 때문에, 여러 센서가 반사를 수신하지 못하게 하는 손상이나 막힘이 발생하면 레이저 광 펄스가 스캔 필드로 스캔되는 것도 차단되었을 가능성이 높다. 따라서, 검출기는 스캔 필드에서 물체에 충돌하여 검출기를 향해 다시 반사되는 레이저 광을 보다 안정적으로 감지할 수 있으므로 레이저 안전성을 높일 수 있다.

또한, 다수의 센서는 검출기에서 노이즈의 영향을 감소시키도록 구성된다. 구체적으로, 다수의 센서는 광 어셈블리 자체 내에서 발생하는 역반사 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하도록 구성된다. 일반적으로, 역반사는 시스템 내 소자에서 레이저 광이 원치 않게 반사되어 검출기에서 다시 수신되는 것으로, 스캔 필드 내 물체의 반사를 감지하는 데 방해가 될 수 있다. 광 어셈블리 내에서 역반사의 영향을 상쇄하면, 특히 스캔 필드 내에서 레이저 펄스의 저에너지 반사를 감지할 때 검출기의 감도가 향상될 수 있다. 이렇게 감도가 향상되면 저에너지 광 펄스의 사용이 용이해져 신뢰할 수 있는 단거리 감지 모드를 구현할 수 있다.

다수의 센서를 사용하는 검출기를 조합하고, 다수의 센서가 레이저 광 펄스를 스캔하는 데 사용되는 동일한 광 어셈블리를 통해 반사를 수신하며, 다수의 센서를 사용하여 역반사의 영향을 적어도 부분적으로 상쇄하면, 주사 레이저 장치에서 레이저 광 검출의 감도와 신뢰성을 모두 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 기능의 조합을 통해 저에너지 광 펄스 및 단거리 감지 모드를 쉽게 사용할 수 있어 다양한 주사 레이저 장치 애플리케이션에서 레이저 안전성을 높일 수 있다.

이제 도 1을 참조하면, 주사 레이저 장치(100)의 개략도가 도시되어 있다. 일 실시예에서, 주사 레이저 장치(100)는 물체 감지 및/또는 3D 지도 생성에 사용되는 광 검출 및 거리 측정(LiDAR) 시스템이다. 주사 레이저 장치(100)는 레이저 광원(102), 광 어셈블리(104) 및 검출기(106)를 포함한다. 광 어셈블리(104)는 빔 생성 광학부(108) 및 주사 광학부(110)를 포함하여 레이저 주사를 위한 다양한 광학 소자를 포함한다. 작동 중에, 레이저 광원(102)은 스캔 필드(114) 내부의 스캔 라인의 패턴(112)에서 광 어셈블리(104)에 의해 스캔되는 레이저 광 펄스를 생성한다.

검출기(106)는 스캔 필드(114) 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 수신하도록 구성된다. 수신된 레이저 광 펄스의 반사는 스캔 필드(114) 내의 물체들을 검출하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 수신된 반사에 대한 비행 시간(TOF) 측정은 각 지점에서 표면의 깊이를 설명하는 3차원 포인트 클라우드를 생성하는 데 사용될 수 있으며, 따라서 물체 표면의 깊이 맵을 생성하는 데 사용될 수 있다.

도 1의 예에서, 스캔 필드(114) 내의 스캔 라인의 패턴(112)은 래스터 패턴을 포함한다. 그러나, 이것은 단지 하나의 예시일 뿐이며, 다른 실시예들에서는 다른 패턴의 스캔 라인이 사용되어 생성될 수 있다. 예를 들어, 나선형 패턴 및 리사주 패턴(Lissajous patterns)이 대신 사용될 수 있다. 패턴(112)의 생성을 용이하게 하기 위해, 주사 광학부(110)의 이동을 제어하기 위한 구동 회로가 구현될 수 있다. 이에 대한 예는 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

본원에 설명된 실시예들에 따라, 검출기(106)는 검출기 감도 및 신뢰성 증가를 용이하게 하기 위해 구현된다. 구체적으로, 검출기(106)는 스캔 필드(114) 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 수신하도록 구성되는 다수의 센서로 구현된다. 이러한 다수의 센서는 광 어셈블리(104)를 통해 이러한 반사를 수신하도록 구성되며, 특히 레이저 광 펄스가 스캔 필드(114)로 스캔되는 광 어셈블리(104)와 동일한 광 어셈블리(104)를 통해 이러한 반사를 수신하도록 구성된다. 따라서, 검출기(106)의 다수의 센서는 레이저 광 펄스를 스캔 필드(114)로 스캔하는 데 사용되는 동일한 주사 광학부(110) 및 빔 생성 광학부(108)를 통해 반사를 수신하도록 구성된다.

다수의 센서들이 레이저 광 반사를 수신하기 위해 동일한 광 어셈블리(104)를 사용하기 때문에, 다수의 센서들이 반사를 수신하는 것을 방해하는 어떠한 손상 또는 막힘도 스캔 필드(114)로의 레이저 광 펄스의 스캔을 차단했을 가능성이 있다. 예를 들어, 검출기(106)가 스캔 필드(114) 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 감지하는 것을 방해하는 장애물(예컨대, 출구 광학부 렌즈의 먼지)이 있는 경우, 레이저 광 펄스가 스캔 필드(114)로 스캔되는 것을 방해할 가능성이 있다. 따라서, 근처에 있는 물체가 레이저 광 펄스에 의해 스캔되었다가 검출기(106)에 의해 감지되지 않을 가능성은 상대적으로 낮다.

또한, 본 명세서에 기술된 실시예들에 따라, 검출기(106)의 다수의 센서는 광 어셈블리(104) 내에서 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하도록 구성된다. 일반적으로, 역반사는 검출기(106)에서 다시 수신되는 광 어셈블리(104) 내의 소자로부터의 레이저 광의 원치 않는 반사이며, 따라서 스캔 필드(114) 내의 물체로부터의 반사를 검출하는 것을 방해할 수 있다. 예를 들어, 역반사는 광 어셈블리(104) 내의 다양한 광학 소자(예: 빔 생성 광학부(108) 및 주사 광학부(110))의 정반사 및 산란된 역반사를 모두 포함할 수 있다. 이러한 역반사의 제어되지 않는 특성으로 인해 역반사의 적어도 일부 상당 부분이 다시 반사되어 검출기(106)의 감지 표면에 영향을 미칠 가능성이 있다.

일부 코팅 및 기타 소자를 사용하여 검출기(106)에서 다시 수신되는 정반사 및 산란된 역반사의 양을 줄일 수 있지만, 완전히 제거할 수는 없다. 검출기(106)에서 다시 수신될 때, 이러한 정반사 및 산란된 역반사는 스캔 필드(114) 내의 물체로부터의 저에너지 반사를 검출하는 데 방해가 될 수 있다. 따라서, 광 어셈블리(104) 내에서 역반사의 영향을 상쇄하면 검출기의 감도가 향상될 수 있으며, 특히 스캔 필드(114) 내에서 레이저 광 펄스의 저에너지 반사를 검출하는 데 있어 감도가 향상될 수 있다. 이러한 증가된 감도는 저에너지 광 펄스의 사용을 용이하게 할 수 있고, 따라서 눈에 안전한 단거리 감지 모드를 신뢰할 수 있게 할 수 있다.

다수의 센서를 사용하는 검출기(106)의 조합은, 다수의 센서가 레이저 광 펄스를 스캔하는 데 사용되는 동일한 광 어셈블리(104)를 통해 반사를 수신하고, 다수의 센서가 광 어셈블리(104) 내에서 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하는 데 사용되는, 주사 레이저 장치에서 레이저 광 검출의 감도 및 신뢰성을 모두 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 기능의 조합은 다양한 주사 레이저 장치 애플리케이션에서 향상된 레이저 안전성을 제공할 수 있는 저에너지 광 펄스 및 단거리 감지 모드의 사용을 용이하게 하는 데 사용될 수 있다.

그리고, 아래에서 더 자세히 설명하겠지만, 이러한 기능의 조합은 레이저 안전성을 개선하기 위해 구현될 수 있다. 예를 들어, 이러한 조합은 눈의 안전을 개선하기 위해 가상 보호 하우징을 사용하는 주사 레이저 장치에서 구현될 수 있다.

일 실시예에서, 검출기(106)의 다수의 센서는 제1 센서 및 제2 센서를 포함하며, 검출기(106)는 감지 회로를 더 포함한다. 이러한 실시예에서, 제1 센서는 광 어셈블리(104)를 통해 스캔 필드(114) 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 수신하고, 광 어셈블리(104) 내의 소자로부터 레이저 광 펄스의 역반사를 더 수신하도록 구성된다. 제2 센서는 스캔 필드(114) 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신하지 않으면서 광 어셈블리(104) 내에서 레이저 광 펄스의 역반사를 수신하도록 구성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제2 센서는 제1 센서에 의해 수신된 스캔 필드 내의 물체로부터 반사된 에너지와 비교하여 스캔 필드 내의 물체로부터 반사된 에너지의 10% 미만을 수신하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 제2 센서는 제1 센서에 비해 스캔 필드에 있는 물체로부터 반사된 에너지의 5% 미만을 수신하도록 구성된다. 따라서, 제1 센서와 제2 센서 모두 광 어셈블리(104) 내에서 역반사를 수신하도록 구성되는 반면, 제1 센서만 스캔 필드(114) 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신한다.

일 실시예에서, 제1 센서와 제2 센서는 광학적으로 정렬되지 않으며, 이러한 정렬 불일치로 인해 제1 센서와 제2 센서 모두 역반사를 수신하는 반면, 제1 센서만 스캔 필드(114) 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 센서는 스캔 필드로 스캔되는 레이저 광 펄스와 광학적으로 정렬된 제1 센서 시야를 갖는다. 따라서, 제1 센서는 광 어셈블리(104)를 통해 스캔 필드(114) 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 수신하고, 광 어셈블리(104) 내의 소자로부터 레이저 광 펄스의 역반사를 추가로 수신한다.

반대로, 제2 센서는 스캔 필드로 스캔된 레이저 광 펄스와 광학적으로 정렬되지 않은 제2 시야를 갖는다. 따라서, 제2 센서는 광 어셈블리(104) 내에서 레이저 광 펄스의 역반사를 수신하는 반면, 스캔 필드(114) 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신하지 않게 된다. 특정 구현에서, 제1 센서와 제2 센서는 1도 내지 3도 사이의 광학부 정렬 차이를 갖는다.

일 실시예에서, 제1 센서 및 제2 센서는 장치로부터 2 내지 6미터 사이의 초점에 초점을 맞출 수 있는 광학 장치로 구현된다. 이러한 실시예에서, 추가적인 단거리 센서가 검출기(106)에 구현될 수 있다. 이러한 구현에서, 단거리 센서는 장치로부터 2미터 미만의 초점에 초점을 맞추도록 광학 장치로 구성될 수 있다.

다양한 유형의 장치가 제1 센서 및 제2 센서로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 센서 및 제2 센서는 각각 실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM ; silicon photo multipliers)로 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 센서 및 제2 센서는 애벌랜치 포토다이오드 및 PIN 포토다이오드를 포함하는 포토다이오드로 이식될 수 있다.

감지 회로는 제1 센서 및 제2 센서에 결합되고, 스캔 필드에서 물체를 나타내는 출력 신호를 생성하기 위해 센서에서 수신된 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하도록 구성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 센서 및 제2 센서는 각각 출력을 생성하고, 감지 회로는 제1 센서의 출력에서 제2 센서의 출력을 차감하기 위한 차감 장치를 포함한다. 감지 회로는 또한 보정 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 감지 회로는 제1 센서의 출력에서 제2 센서의 출력의 차감을 보정하기 위한 제1 보정 회로를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 감지 회로는 스캔 필드에서 물체의 감지를 위한 임계값을 보정하기 위한 제2 보정 회로를 포함할 수 있다. 감지 회로의 상세한 예는 도 5를 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

일 실시예에서, 검출기(106)는 제3 센서를 더 포함한다. 이러한 실시예에서, 제3 센서는 제2 센서와 마찬가지로, 스캔 필드 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신하지 않으면서 광학부 미러 어셈블리 내에서 레이저 광 펄스의 역반사를 수신하도록 구성될 수 있다. 다시 말하지만, 이는 스캔 필드로 스캔된 레이저 광 펄스 사이에 광학적 오정렬을 제공함으로써 구현될 수 있다. 이러한 실시예에서 제3 센서는 감지 회로에 결합되는 출력을 생성한다.

일부 실시예에서 검출기(106) 이외에, 주사 레이저 장치(100)는 하나 이상의 추가 검출기를 포함하도록 구현된다. 예를 들어, 제2 검출기는 검출기(106)의 빔 생성 광학부 및 빔 주사 광학부와 분리되어 이들을 포함하지 않는 제2 광 어셈블리를 통해 스캔 필드 내에서 레이저 광 펄스의 적외선 레이저 광 펄스의 반사를 수신하도록 구현될 수 있다.

주사 레이저 장치(100)는 또한 다른 소자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주사 레이저 장치(100)는 또한 검출기(106)에 반응하여 스캔 필드의 깊이 측정 지점에서 물체까지의 거리를 측정하는 비행 시간(TOF) 회로를 포함할 수 있다.

또한, 다른 실시예에서, 주사 레이저 장치(100)는 복수의 깊이 측정 지점에 대해, 레이저 광원이 짧은 범위 내의 물체를 검출하기 위해 제1 펄스 에너지로 제1 IR 레이저 광 펄스를 방출하도록 하고, 짧은 범위 내에 물체가 없는 것으로 판단되는 것에 반응하여, 레이저 광원이 총 제2 에너지 레벨을 갖는 적어도 하나의 제2 IR 레이저 광 펄스를 방출하여 긴 범위 내의 물체를 검출하도록 하는, 제1 에너지 레벨이 총 제2 에너지 레벨보다 낮은 가상 보호 하우징 회로를 포함할 수도 있다. 이러한 가상 보호 하우징 회로의 상세한 예는 아래에 설명될 것이다.

이제 도 2를 참조하면, 광 어셈블리(204)의 보다 상세한 실시예가 도시되어 있다. 광 어셈블리(204)는 스캔 필드 상에서 레이저 빔 펄스를 주사하는 데 사용되는 광학 소자를 포함한다. 광 어셈블리(204)는 본원에 설명된 실시예에 따라 LiDAR 또는 다른 주사 레이저 장치(예컨대, 주사 레이저 장치(100))에서 사용될 수 있는 광 어셈블리 유형의 일례이다. 도 2에 도시된 광학 소자는 빔 생성 광학부(208), 제1 주사 미러(210), 확대 광학부(212) 및 제2 주사 미러(214)를 포함하지만, 이는 비제한적인 하나의 예에 불과하다. 다시 말하지만, 주사 레이저 장치의 작동 중에 레이저 광원은 광 어셈블리(204)에 의해 스캔 필드(예컨대, 스캔 필드(114)) 상에 스캔 궤적(예컨대, 패턴(112))으로 스캔되는 레이저 광 펄스를 생성한다.

예를 들어, 레이저 광원은 적외선 레이저 광 펄스를 생성하도록 구현된 하나 이상의 적외선(IR) 레이저를 포함할 수 있다. 하나의 특정 예에서, 다수의 IR 레이저 광원으로부터의 펄스는 빔 생성 광학부(208)에 의해 결합되고 형성된다. 빔 생성 광학부(208)는 레이저 광 펄스의 빔 모양을 변경하기 위한 임의의 광학부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 빔 생성 광학부(208)는 빔 형상을 변경하고, 빔 콜리메이션을 변경하고, 다수의 빔을 결합하고, 빔을 통과시키기 위한 광학 소자를 포함할 수 있다.

빔 생성 광학부(208)의 출력은 제1 주사 미러(210)로 전달된다. 일반적으로, 제1 주사 미러(210)는 하나의 운동 축(예컨대, 수평)을 제공하고, 제2 주사 미러(214)는 다른, 일반적으로 직교하는 운동 축(예컨대, 수직)을 제공한다. 따라서, 제1 주사 미러(210)는 레이저 빔 펄스를 한 방향(예컨대, 수평)을 가로질러 스캔하고, 제2 주사 미러(214)는 다른 방향(예컨대, 수직)을 가로질러 스캔한다. 또한, 이러한 실시예의 전형적인 구현에서, 제1 주사 미러(210)는 하나의 속도(예컨대, 상대적으로 느린 스캔 속도)로 주사 동작을 제공하도록 작동되고, 제2 주사 미러(214)는 다른 속도(예컨대, 상대적으로 빠른 스캔 속도)로 동작을 제공하도록 작동된다. 이와 함께, 레이저 광 펄스가 스캔 궤적 패턴(예컨대, 패턴(112))으로 스캔되는 결과를 초래한다. 또한, 주사 레이저 장치의 90도 회전은 수평 및 수직 축을 효과적으로 전환하기 때문에, 본 명세서에서 사용되는 "수직" 및 "수평" 라벨은 다소 임의적이라는 점에 유의해야 한다.

제1 주사 미러(210)의 출력은 확대 광학부(212)으로 전달된다. 일반적으로, 확대 광학부(212)는 하나 이상의 방향으로 스캔 필드의 확장을 제공하도록 구현된다. 예를 들어, 확대 광학부(212)는 제1 주사 미러(210)의 운동 축을 따라 각도 확장을 제공하도록 구현될 수 있다. 따라서, 제1 주사 미러(210)가 수평 축을 따라 상대적으로 느린 속도의 주사를 제공하는 일 실시예에서, 확대 광학부(212)는 수평 방향을 따라 주사 각도를 증가시키도록 구현될 수 있다. 하나의 구체적인 예로서, 제1 주사 미러(210)는 수평 방향으로 40도의 주사 각도를 제공하도록 구현될 수 있고, 확대 광학부(212)는 주사 각도를 110도까지 확장하여 결과적인 스캔 궤적 및 스캔 필드의 크기를 확장하도록 구현될 수 있다.

이러한 확장을 제공하기 위해, 확대 광학부(212)는 하나 이상의 렌즈로 구현될 수 있으며, 하나 이상의 렌즈는 함께 원하는 각도 확장을 제공하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 확대 광학부(212)는 3개의 개별 렌즈로 구현된다. 이러한 실시예에 대한 설명은 이하에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

확대 광학부(212)의 출력은 제2 주사 미러(214)로 전달된다. 다시 말하지만, 제1 주사 미러(210)는 하나의 운동 축(예컨대, 수평)을 제공하는 반면, 제2 주사 미러(214)는 다른, 일반적으로 직교하는 운동 축(예컨대, 수직)을 제공한다. 또한, 제1 주사 미러(210) 및 제2 주사 미러(214)는 상이한 스캔 속도로 동작한다. 일 실시예에서, 제2 주사 미러(214)는 수직 고속 주사를 제공하는 반면, 제1 주사 미러(210)는 수평 저속 주사를 제공한다.

따라서, 작동 중에, 광 어셈블리(204)는 레이저 광 펄스를 수신하고 이러한 레이저 광 펄스를 스캔 필드 내부의 스캔 궤적 패턴으로 스캔하기 위해 작동한다.

전술한 바와 같이, 주사 레이저 장치의 작동 중 한 가지 문제는 광 어셈블리(204) 내부의 다양한 소자들이 원치 않는 역반사를 발생시킬 수 있다는 것이다. 예를 들어, 레이저 빔 펄스가 빔 생성 광학부(208), 제1 주사 미러(210), 확대 광학부(212) 및 제2 주사 미러(214)에 충격을 가할 때 정반사 및 산란된 역반사의 형태로 역반사가 생성될 수 있다. 각각의 경우에, 원치 않는 역반사의 일부가 검출기로 다시 반사되어 스캔 필드 내의 물체로부터의 저에너지 반사의 검출을 방해할 수 있다.

이제 도 3을 참조하면, 검출기(306)의 보다 상세한 실시예가 도시되어 있다. 검출기(306)는 본원에 설명된 실시예들에 따라 LiDAR 또는 다른 주사 레이저 장치(예컨대, 주사 레이저 장치(100)의 검출기(106))에서 사용될 수 있는 검출기 유형의 보다 상세한 예이다. 도 3에 도시된 검출기(306)는 제1 센서(308), 제2 센서(310), 단거리 센서(312), 상쇄 회로 및 검출 회로를 포함한다.

일반적으로, 검출기(306)는 검출기 감도 및 신뢰성 증가를 용이하게 하기 위해 구현된다. 구체적으로, 검출기(306)는 스캔 필드 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 수신하도록 구성되는 제1 센서(308), 제2 센서(310) 및 단거리 센서(312)로 구현된다. 제1 센서(308), 제2 센서(310) 및 단거리 센서(312)는 주사 레이저 장치 내의 광 어셈블리를 통해 이러한 반사를 수신하도록 구성되며, 특히 레이저 광 펄스가 스캔 필드로 스캔되는 것과 동일한 광 어셈블리를 통해 수신되도록 구성된다.

제1 센서(308) 및 제2 센서(310)는 광 어셈블리 내에서 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄할 수 있도록 구성된다. 구체적으로, 제1 센서(308)는 스캔 필드 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 수신하고, 광 어셈블리 내의 소자로부터 레이저 광 펄스의 역반사를 추가로 수신하도록 구성된다. 제2 센서(310)는 스캔 필드 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신하지 않으면서 광 어셈블리 내에서 레이저 광 펄스의 역반사를 수신하도록 구성된다. 따라서, 제1 센서(308)와 제2 센서(310)는 모두 광 어셈블리 내에서 역반사를 수신하도록 구성되는 반면, 제1 센서(308)만 스캔 필드 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신한다.

제1 센서(308) 및 제2 센서(310)는 서로 다른 광학부 정렬로 구현됨으로써, 서로 다른 반사에 대해 상이한 반응을 제공하도록 구현될 수 있다. 구체적으로, 제1 센서(308)와 제2 센서(310)는 광학적으로 정렬되지 않도록 구현되고, 이러한 정렬 불일치로 인해 제1 센서(308)와 제2 센서(310)는 모두 역반사를 수신하는 반면, 제1 센서(308)만 스캔 필드 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신할 수 있다.

하나의 특정 구현에서, 제1 센서(308)는 스캔 필드로 스캔되는 레이저 광 펄스와 광학적으로 정렬되는 제1 시야를 갖는다. 따라서, 제1 센서(308)는 광 어셈블리를 통해 스캔 필드 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 수신하고, 광 어셈블리 내의 소자로부터 레이저 광 펄스의 역반사를 추가로 수신할 것이다.

반대로, 이 특정 구현에서, 제2 센서(310)는 스캔 필드로 스캔된 레이저 광 펄스와 광학적으로 정렬되지 않은 제2 시야를 갖는다. 따라서, 제2 센서(310)는 광 어셈블리(104) 내에서 레이저 광 펄스의 역반사를 수신하는 반면, 스캔 필드 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신하지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제2 센서(310)는 제1 센서(308)에 의해 수신된 스캔 필드 내의 물체로부터 반사된 에너지와 비교하여 스캔 필드 내의 물체로부터 반사된 에너지의 10% 미만을 수신하도록 광학적으로 정렬된다. 다른 실시예에서, 제2 센서(310)는 제1 센서(308)에 비해 스캔 필드 내의 물체로부터 반사된 에너지의 5% 미만을 수신하도록 광학적으로 정렬된다.

하나의 특정 구현에서, 제1 센서(308)는 레이저 펄스 축과 광학적으로 정렬되고, 제2 센서(310)는 레이저 펄스 축으로부터 1 내지 3도 사이의 광학부 정렬 차이를 갖는다.

일반적인 구현에서, 검출기(306)는 상대적으로 단거리 검출기로서 작동하도록 구성된다. 그리고, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 장거리 감지를 제공하기 위해 다른 검출기가 구현될 수 있다. 이를 용이하게 하기 위해, 제1 센서(308)는 상대적으로 짧은 범위에 초점을 맞추는 광학부로 구현된다. 예를 들어, 제1 센서(308)는 주사 레이저 장치의 출력 렌즈로부터 2 내지 6미터 사이의 초점에 초점을 맞추고 피사계 심도가 4미터가 되도록 구현될 수 있다. 하나의 구체적인 예로서, 센서(308)는 4미터의 초점면과 4미터의 피사계 심도를 가지며, 2~6미터의 초점 작동 거리를 제공할 수 있다.

검출기(306)는 제1 센서(308) 및 제2 센서(310)를 포함하지만, 일부 실시예에서 검출기는 추가 센서를 포함할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 또한, 제1 센서(308) 및 제2 센서(310)로서 다양한 다른 유형의 디바이스가 구현될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 제1 센서(308) 및 제2 센서(310)는 각각 실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM)로 구현될 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 센서(308) 및 제2 센서(310)는 애벌랜치 포토다이오드 및 PIN 포토다이오드를 포함하는 포토다이오드로 이식될 수 있다.

제1 센서(308) 및 제2 센서(310)는 상쇄 회로(314) 및 검출 회로(316)에 결합된다. 이 실시예에서, 상쇄 회로(314) 및 검출 회로(316)는 함께 스캔 필드에서 물체를 감지하기 위한 감지 회로를 제공한다.

구체적으로, 상쇄 회로(314)는 제1 센서(308) 및 제2 센서(310) 모두에 결합되고, 스캔 필드 내의 물체를 나타내는 출력 신호를 생성하기 위해 센서들에서 수신된 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하도록 구성된다. 구체적으로, 제1 센서(308) 및 제2 센서(310)는 각각 출력을 생성하고, 상쇄 회로는 제1 센서(308)의 출력에서 제2 센서(310)의 출력을 차감하도록 구성된 차감 장치를 포함한다. 그 결과, 역반사로 인한 효과가 감소된 신호가 생성된다. 이를 더욱 용이하게 하기 위해, 상쇄 회로(314)는 또한 제1 센서(308)의 출력으로부터 제2 센서(310)의 출력의 차감을 보정하기 위한 제1 보정 회로를 포함할 수 있다.

차감 장치의 출력은 검출 회로(316)에 결합된다. 일반적으로, 검출 회로(316)는 상쇄 회로(314)의 출력이 스캔 필드 내의 물체로부터 반사된 레이저 광 펄스의 검출을 나타내는 임계 레벨을 초과하는 시점을 결정한다. 일 실시예에서, 검출 회로(316)는 게인 스테이지 증폭기 및 비교기를 포함한다. 그리고, 일 실시예에서, 검출 회로(316)는 또한 스캔 필드에서 물체의 검출을 위한 임계값을 보정하기 위한 제2 보정 회로를 포함한다. 상쇄 회로 및 검출 회로의 상세한 예는 도 5를 참조하여 아래에서 보다 상세하게 논의될 것이다.

단거리 센서(312)는 추가적인 단거리 감지를 제공하기 위해 구현된다. 구체적으로, 단거리 센서(312)는 제1 센서(308) 및 제2 센서(310)에서 실용적인 것보다 더 짧은 범위에서 물체 감지를 제공한다. 예를 들어, 단거리 센서(312)는 장치로부터 2미터 미만의 초점에 초점을 맞추고 2미터의 피사계 심도를 갖는 광학부로 구성될 수 있다. 하나의 구체적인 예로서, 단거리 센서(312)는 0.1~2미터의 초점 작동 거리를 제공하기 위해 1.1미터의 초점면과 2미터의 피사계 심도를 가질 수 있다.

또한, 일부 실시예에서, 단거리 센서(312)는 매우 단거리 감지에 보다 효과적인 다른 유형의 센서로 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제1 센서(308) 및 제2 센서(310)는 매우 가까운 물체의 존재에 의해 생성되는 강한 반사에 의해 포화되어 일시적으로 블라인드될 수 있다. 이는 제1 센서(308) 및 제2 센서(310)가 상대적으로 민감한 SiPM 센서로 구현될 때 특히 그러하다. 이 문제를 해결하기 위해, 단거리 센서(312)는 스캔 필드에 매우 가까운 물체가 있어도 포화 상태가 되지 않는 포토다이오드 또는 다른 유형의 센서로 구현될 수 있다. 따라서, 단거리 센서(312)는 매우 가까운 물체(예컨대, 1미터 미만)에 대한 물체 감지의 신뢰성을 높일 수 있고, 제1 센서(308) 및 제2 센서(310)는 덜 가까운 범위(예컨대, 1미터에서 6미터 사이)에 있는 물체의 감지를 제공할 수 있다.

이제 도 4를 참조하여, 주사 레이저 장치(400)의 일부에 대한 보다 상세한 예가 도시된다. 도 4에 도시된 주사 레이저 장치(400)의 일부분은 검출기(406)를 포함한다. 도 4에 도시되지 않은 것은 레이저 광원 및 광 어셈블리(임의의 빔 생성 광학부, 주사 미러, 확대 광학부 또는 출력 광학부 포함)이다. 이전 예와 마찬가지로, 레이저 광원은 주사 미러 및 기타 광 어셈블리 소자에 의해 스캔 필드에 스캔되는 레이저 광 펄스를 생성한다. 검출기(406)는 스캔 필드 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 수신하도록 구성된다. 이러한 수신된 반사는 스캔 필드 내의 물체를 감지하는 데 사용되며, 일부 실시예에서 TOF 측정은 각 지점에서 표면의 깊이를 설명하는 3차원 포인트 클라우드를 생성하는 데 사용될 수 있으며, 따라서 물체 표면의 깊이 맵을 생성하는 데 사용될 수 있다.

도 4에 도시된 주사 레이저 장치(400)의 부분은 제1 빔 스플리터(410), 미러(412), 대역통과 필터(414), 초점 렌즈(416), 제2 빔 스플리터(418), 조리개(420A-C), 광 파이프(422A-C), 제1 센서(424A), 제2 센서(424B), 제3 센서(424C) 및 단거리 센서(426)를 포함한다.

일반적으로, 제1 빔 스플리터(410)는 스캔 필드에서 돌아오는 레이저 광 펄스의 반사를 지시하고, 이러한 반사를 검출기(406)로 향하게 하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 제1 빔 스플리터는 레이저 광 펄스를 검출기(406)로 반사하도록 코팅된 상부 및 하부 부분을 갖는 픽오프 미러(pick-off mirror)와 레이저 광원으로부터의 레이저 광이 광 어셈블리로 통과할 수 있도록 하는 중앙 부분을 포함한다. 다른 실시예에서, 제1 빔 스플리터(410)는 입사광의 일부를 투과하고 나머지는 반사하는 부분 반사기이다. 또 다른 실시예에서, 제1 빔 스플리터(410)는 펄스 레이저 빔을 (제1 편광으로) 전송하고, 다른 편광의 수신된 광을 픽업하는 편광 빔 스플리터를 포함할 수 있다.

제1 빔 스플리터(410)에 의해 선택된 스캔 필드로부터의 반사는 미러(412)로 향하고, 거기서 대역통과 필터(414) 및 초점 렌즈(416)로 반사된다. 일반적으로, 대역통과 필터(414)는 레이저가 아닌 광을 필터링하여 센서에 도달하는 것을 방지하도록 구성된다. 예를 들어, 대역통과 필터(414)는 적외선 대역의 광만 센서(424A-C)로 전달하도록 구현될 수 있다.

초점 렌즈(416)는 원하는 범위의 스캔 필드를 제1 센서(424A)에 이미징하는 역할을 한다. 구체적으로, 스캔 필드에서 해당 범위의 물체로부터의 반사는 제2 빔 스플리터(418)에서 반사되어 조리개(420A)에 초점이 맞춰진다. 특히, 광 어셈블리 내부로부터의 역반사는 조리개(420A)에 초점이 맞춰지지 않고, 따라서 3개의 조리개(420A-C) 모두에 퍼지게 된다.

일반적으로, 조리개(420A-C)는 렌즈(416)의 초점이 되도록 제공된다. 그런 다음, 조리개(420A-C)는 센서(424A-C)의 시야를 결정한다. 이러한 구현은 각 센서(424A-C)의 시야를 수직 및 수평으로 개별적으로 정의할 수 있게 한다.

일 실시예에서, 제1 조리개(420A)는 센서(424B-C)에 대한 산란의 더 나은 평균을 얻기 위해 다른 2개의 조리개(420B-C)보다 작다. 특히, 더 큰 조리개(420B-C)는 더 큰 시야를 제공하고, 따라서 역반사의 작은 변화에 덜 민감하다.

광 파이프(422A-C)는 수신된 광을 각각의 센서로 향하게 하면서 수신된 광이 센서(424A-C)의 감지 영역을 확장하고 채우도록 구현된다. 이는 센서(424A-C)의 유효 동적 범위를 증가시킬 수 있다. 일 예로서, 광 파이프(422A-C)는 임의의 적합한 광학부 플라스틱으로 구현될 수 있다.

하나의 특정 구현에서, 초점 렌즈(416)는 장치로부터 2~6미터의 작동 거리를 갖도록 구현된다. 따라서, 그 작동 거리 내의 물체로부터의 반사는 제2 빔 스플리터(418)로부터 반사되어 조리개(420A)에 초점이 맞춰진다. 조리개(420A)에서 수신된 집중된 반사는 확장되어 광 파이프(422A)를 통해 제1 센서(424A)의 감지 영역으로 안내된다. 따라서, 제1 센서(424A)는 초점 렌즈(416), 제2 빔 스플리터(418), 조리개(420A) 및 광 파이프(422A)의 배열을 통해 2~6미터 사이의 선택된 범위의 표면에서 반사되는 레이저 광 펄스와 광학적으로 정렬된다.

특히, 조리개(420B-C), 광 파이프(422B-C), 제2 센서(424B) 및 제3 센서(424C)는 해당 범위에서 레이저 광 펄스와 광학적으로 정렬되지 않으며, 따라서 스캔 필드에서 상당한 반사를 받지 않을 것이다. 예를 들어, 제2 센서(424B) 및 제3 센서(424C)는 제1 센서(424A)에 비해 광학부 정렬 차이를 가질 수 있어서, 제2 센서(424B) 및 제3 센서(424C)는 각각 제1 센서(424A)에 비해 스캔 필드 내의 물체로부터 반사된 에너지의 10% 미만을 수신할 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 센서(424B) 및 제3 센서(424C)는 제1 센서(424A)에 비해 광학부 정렬 차이를 가질 수 있어서, 제2 센서(424B) 및 제3 센서(424C)는 각각 제1 센서(424A)에 의해 수신된 스캔 필드 내의 물체로부터 반사된 에너지의 5% 미만을 수신한다. 일 실시예에서, 조리개(420B-C) 및 센서(424B-C)는 이러한 결과를 용이하게 하기 위해 조리개(420A) 및 센서(424A)와 비교하여 1 내지 3도 사이의 광학부 정렬 차이를 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 이러한 광학부 정렬 차이는 렌즈(416)의 렌즈 축에 대한 조리개(420B-C)의 상이한 위치에 의해 야기된다. 마찬가지로, 센서(424B-C)의 시야 크기는 조리개(420B-C)의 크기에 의해 결정된다.

그러나, 광 어셈블리 내부로부터의 역반사(빔 생성 광학부, 주사 미러, 확대 광학부, 또는 출력 광학부로부터의 반사를 포함)는 조리개(420A-C)에 초점을 맞추지 않으므로, 역반사는 3개의 조리개(420A-C) 모두에 분산된다. 따라서, 3개의 센서(422A-C) 모두는 반드시 동일한 양은 아니지만 역반사를 수신하게 된다. 다시 말해서, 역반사는 작동 거리 외부의 물체로부터 발생하므로, 조리개(420A-C)에서 초점이 맞지 않고 대신 모든 조리개(420A-C)에 걸쳐 흐릿하게 나타난다.

단거리 센서(426)는 센서(424A-C)보다 더 짧은 범위에서 센싱을 제공하도록 구현된다. 일례로서, 단거리 센서(426)는 0.1~2미터의 작동 거리를 갖도록 구현된다.

제2 빔 스플리터(418)는 매우 가까운 물체(예컨대, 2미터보다 가까운 물체)에서 반사되는 광은 제2 빔 스플리터(418)를 통과하여 단거리 센서(426)로 전달되는 반면, 더 먼 물체(예컨대, 2~6미터 사이의 물체)에서 반사되는 광은 조리개(420A-C)를 향해 반사되도록 근거리 빔 스플리터로 구현된다. 예를 들어, 제2 빔 스플리터(418)는 입사광의 90%를 반사하고 입사광의 10%를 투과하는 유전체 코팅으로 구현될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 센서(424A), 제2 센서(424B) 및 제3 센서(424C)는 고감도를 용이하게 하기 위해 SiPM으로 구현되고, 단거리 센서(426)는 매우 가까운 물체로 인한 과포화를 피하기 위해 포토다이오드로 구현된다.

이렇게 구성된 제1 센서(424A), 제2 센서(424B) 및 제3 센서(424C)는 광 어셈블리 내에서 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄할 수 있도록 구성된다. 구체적으로, 제1 센서(424A)는 스캔 필드 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 수신하고, 광 어셈블리 내의 소자로부터 레이저 광 펄스의 역반사를 추가로 수신하도록 구성된다. 제2 센서(424B) 및 제3 센서(424C)는 스캔 필드 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신하지 않으면서 광 어셈블리 내에서 레이저 광 펄스의 역반사를 수신하도록 구성된다. 따라서, 3개의 센서(424A-C) 모두는 광 어셈블리 내에서 역반사를 수신하도록 구성되는 반면, 제1 센서(424A)만이 스캔 필드 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신한다.

다양한 센서(424A-C 및 426)는 스캔 필드 내의 물체를 감지하기 위한 감지 회로에 결합된다. 감지 회로는 스캔 필드 내의 물체를 나타내는 출력 신호를 생성하기 위해 센서들에서 수신된 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하기 위한 상쇄 회로를 포함한다. 일 실시예에서, 상쇄 회로는 제1 센서(424A)의 출력으로부터 제2 및 제3 센서(424B-C)의 출력을 차감하도록 구성된 차감 장치를 포함하며, 이는 역반사에 의한 효과가 감소된 신호를 발생시킨다. 상쇄 회로의 출력은 감지 회로로 전달될 수 있다. 마찬가지로 단거리 센서(426)의 출력은 감지 회로로 전달된다. 그러면, 감지 회로는 상쇄 회로의 출력 또는 단거리 센서(426)의 출력이 스캔 필드에 있는 물체에서 반사된 레이저 광 펄스의 감지를 나타내는 시점을 결정할 수 있다.

이제 도 5를 참조하면, 예시적인 감지 회로(500)의 상세한 회로 다이어그램 뷰가 도시되어 있다. 일반적으로, 감지 회로(500)는 예시적인 주사 레이저 장치(예컨대, 주사 레이저 장치(100))에서 사용되는 상쇄 회로, 검출 회로 및 보정 회로를 제공한다. 도 5에 도시된 감지 회로(500)는 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)(510 및 512), 차감 장치(514), 게인 스테이지 증폭기(516), 비교기(518), 가변 임피던스(520), 임계값 조정기(522) 및 증폭기(524)를 포함한다. 트랜스 임피던스 증폭기(510 및 512)의 입력은 각각 제1 센서 및 제2 센서의 출력에 결합된다. 컨트롤러(526)는 가변 임피던스(520) 및 임계값 조정기(522)에 제어 신호를 제공한다. 비교기(518)의 출력은 감지 회로(500)의 출력을 제공하며, 비행 시간(TOF) 회로, 단거리 감지 회로, 가상 보호 하우징 회로 등을 포함하여 감지된 반사를 활용하는 임의의 장치와 결합될 수 있다.

감지 회로(500)는 제1 센서 및 제2 센서에 결합된다. 전술한 바와 같이, 제1 센서 및 제2 센서는 실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM), 포토 다이오드, 또는 임의의 다른 적합한 감지 장치로 구현될 수 있다. 이러한 센서는 일반적으로 특정 파장의 수신된 광에 대해 광자 에너지에 비례하는 전류로 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 이러한 센서는 적외선 광의 광 에너지에 비례하는 전류로 출력 신호를 생성하도록 구현할 수 있다. 이러한 센서는 센서의 작동을 제어하기 위해 적절한 바이어스 전압 회로로 구현할 수 있다.

전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 제1 센서는 스캔 필드로 스캔되는 레이저 광 펄스와 광학적으로 정렬되는 제1 센서 시야를 갖는다. 따라서, 제1 센서는 광 어셈블리를 통해 스캔 필드 내의 물체로부터 레이저 광 펄스의 반사를 수신하고, 광 어셈블리 내의 소자로부터 레이저 광 펄스의 역반사를 추가로 수신한다. 이에 대한 응답으로 제1 센서는 스캔 필드 내에서 수신된 반사의 반사 에너지에 수신된 역반사의 반사 에너지를 더한 값에 비례하는 제1 센서 출력 신호를 생성한다. 반대로, 제2 센서에는 스캔 필드로 스캔된 레이저 광 펄스와 광학적으로 정렬되지 않은 제2 시야가 있다. 따라서, 제2 센서는 광 어셈블리 내에서 레이저 광 펄스의 역반사를 수신하는 반면 스캔 필드 내의 물체로부터는 상당한 반사를 수신하지 않는다. 이에 대응하여, 제2 센서는 수신된 역반사에서 반사된 에너지에 비례하는 제2 센서 출력 신호를 생성한다.

감지 회로(500)의 동작 동안, 제1 센서 출력 신호는 제1 트랜스 임피던스 증폭기(510)에 결합되어 출력 신호를 전류 신호로부터 전압 신호로 변환한다. 마찬가지로, 제2 센서의 제2 센서 출력 신호는 제2 트랜스 임피던스 증폭기(512)에 결합되고, 이 트랜스 임피던스 증폭기는 출력 신호를 전류 신호에서 전압 신호로 다시 변환한다. 각각의 경우에 변환 이득은 부분적으로 트랜스 임피던스 증폭기의 관련 임피던스에 의해 결정된다. 따라서, 제2 트랜스 임피던스 증폭기(512)에 대한 변환 이득은 부분적으로 가변 임피던스(520)의 상태에 의해 결정된다.

트랜스 임피던스 증폭기(510 및 512)의 전압 신호 출력은 차감 장치(514)로 전달된다. 차감 장치(514)는 증폭기(510)의 출력 신호에서 증폭기(512)의 출력 신호를 차감하여 두 전압 신호를 결합한다. 전술한 바와 같이, 제1 센서 및 제2 센서의 구성으로 인해, 이러한 차감은 결과 신호에서 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하여 역반사의 효과가 감소된 결과 신호를 생성한다.

결과 신호는 증폭을 위해 게인 스테이지 증폭기(516)로 전달된다. 증폭된 신호는 비교기(518)로 전달되고, 비교기는 증폭된 신호를 임계값과 비교하여 증폭된 신호가 임계값을 초과할 때 어설트되고(asserted), 그렇지 않으면 어설트되지 않는 디지털 펄스 신호를 생성한다. 아래에서 더 상세히 설명하겠지만, 이 변환에 사용되는 임계값은 캘리브레이션 중에 결정될 수 있다.

전술한 바와 같이, 가변 임피던스(520)는 제2 센서 출력 신호의 변환 이득을 제어하고, 따라서 제1 센서의 센싱 출력으로부터의 역반사 효과의 상쇄를 보정하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이 보정은 공장에서 또는 초기 설정 중에 한 번 수행될 수 있다. 예를 들어, 이 보정은 감지 영역에 물체가 없으므로 두 센서에서 수신된 모든 광이 광 어셈블리 내에서 역반사된 결과라는 것이 알려진 경우 초기 보정 설정 중에 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서, 캘리브레이션은 원하는 대로 반복될 수 있다.

마찬가지로, 임계값 조정기(522) 및 증폭기(524)는 비교기(518)가 디지털 펄스 신호를 생성하기 위해 사용하는 임계값을 보정하는 데 사용된다. 다시 말하지만, 일부 실시예에서, 이 보정은 초기 셋업 중에 한 번 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 이 보정은 필요에 따라 반복될 수 있다. 예를 들어, 이 보정은 센서의 다양한 주변광 또는 먼지 수준에 대한 임계값을 조정하기 위해 반복될 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 초기 보정 동안, 제2 센서 출력 신호의 변환 이득은 제1 센서의 출력으로부터의 역반사 결과를 상쇄하기 위해 게인 스테이지(516) 및 비교기(518)로 들어가는 신호를 최소화하도록 설정된다. 이를 통해 비교기(518)의 임계값을 상대적으로 낮게 설정할 수 있으므로 높은 수준의 감도를 제공할 수 있다. 그런 다음, 사용 중에 주변 조명 및 기타 조건의 변화에 따라 임계값을 조정할 수 있다. 따라서, 두 캘리브레이션을 통해 높은 감도와 변화하는 조건을 함께 제공할 수 있다.

감지 회로(500)는 증폭기가 단지 2개의 센서에만 결합되는 것을 보여 주지만, 회로(500)는 추가 센서를 갖는 구현을 위해 확장될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 역반사를 감지하기 위해 제3 센서를 구현할 수도 있다(예컨대, 도 4의 제3 센서(424C)). 이러한 애플리케이션에서, 가변 임피던스를 갖는 제3 트랜스 임피던스 증폭기는 제3 센서의 출력을 변환하는 데 사용될 수 있고, 제3 센서의 변환된 출력은 또한 차감 장치(514) 또는 다른 차감 장치에서 제1 센서의 출력으로부터 차감될 수 있다.

또한, 감지 회로(500)는 별도의 채널에서 단거리 센서(예컨대, 도 4의 단거리 센서(426))로부터 출력 신호를 수신하도록 확장될 수 있다. 이 별도의 채널은 일반적으로 제1 센서의 출력에서 차감되는 신호를 생성하지 않을 것이다. 대신, 이 별도의 채널에는 일반적으로 독립적인 감지를 제공하기 위해 자체 증폭기, 게인 스테이지 및 비교기가 포함된다.

이제 도 6 및 도 7을 참조하면, 주사 레이저 장치(600)의 측면도 및 평면도가 도시되어 있다. 일 실시예에서, 주사 레이저 장치(600)는 물체 감지 및/또는 3D 지도 생성에 사용되는 광 LiDAR 시스템이다. 주사 레이저 장치(600)는 레이저 광원(602) 및 광 어셈블리(604)를 포함한다. 광 어셈블리(604)는 본원에 설명된 실시예에 따라 LiDAR 또는 다른 주사 레이저 장치(예컨대, 주사 레이저 장치(100))에 사용될 수 있는 광 어셈블리 유형의 일례이다. 이와 같이, 광 어셈블리(604)는 주사를 용이하게 하는 데 사용되는 다양한 광학 소자들을 포함한다. 도 6 및 도 7은 단순화된 예시이므로, 완전히 구현된 주사 레이저 장치 또는 광 어셈블리의 모든 소자 또는 특징을 나타내지는 않는다는 점에 유의해야 한다.

도 2에 도시된 광 어셈블리(604)는 빔 생성 광학부(614), 제1 프리즘(616), 제1 주사 미러 어셈블리(617), 제1 주사 미러(618), 3개의 확대렌즈(620, 622, 624)를 포함하는 확대 광학부, 제2 프리즘(626), 제2 주사 미러 어셈블리(627) 및 제2 주사 미러(628)를 포함한다.

주사 레이저 장치(600)의 동작 중에, 레이저 광원(602)은 광 어셈블리(604)에 의해 스캔 필드(예컨대, 스캔 필드(114)) 상에 스캔 궤적(예컨대, 패턴(112))으로 스캔되는 레이저 광 펄스를 생성한다. 예를 들어, 레이저 광원(602)은 적외선 레이저 광 펄스를 생성하기 위해 전계 효과 트랜지스터(FET)에 의해 구동되는 하나 이상의 적외선(IR) 레이저를 포함할 수 있다.

일반적으로, 다수의 IR 레이저 광원으로부터의 펄스는 먼저 빔 생성 광학부(614) 및 관련 광학 소자에 의해 결합되고 형성된다. 따라서, 빔 생성 광학부(614)는 레이저 광 펄스의 빔 모양을 변경하기 위한 임의의 광학부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 빔 생성 광학부(614)는 시준 렌즈, 편광 결합기, 발산을 개선하기 위한 아나모픽 프리즘 쌍 및 기타 그러한 소자를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 픽오프 빔 스플리터 또는 프리즘(603)은 빔 생성 광학부(614) 내에 구현되어 단거리 펄스 검출을 위해 구성된 검출기(도 5 및 도 6에 도시되지 않음)로 반사를 유도한다. 검출기는 전술한 실시예들 중 임의의 것으로 구현될 수 있다(예컨대, 검출기(106, 306, 406)). 하나의 특정 실시예에서, 픽오프 빔 스플리터 또는 프리즘(603)은 도 4에 도시된 제1 빔 스플리터(410)에 대응하고, 검출기는 검출기(406)에 대응한다.

빔 생성 광학부(614)의 출력은 제1 주사 미러(618)로 빔을 발산하는 제1 프리즘(616)으로 전달된다. 이 예시된 실시예에서, 제1 주사 미러(618)는 수평 주사 동작을 제공하고, 제2 주사 미러(628)는 수직 주사 동작을 제공한다. 또한, 이 실시예에서, 제1 주사 미러(618)는 상대적으로 느린 스캔 속도로 주사 동작을 제공하도록 구동되고, 제2 주사 미러(628)는 상대적으로 느린 스캔 속도로 동작을 제공하도록 구동된다. 그러나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 다른 구현이 가능하다. 이러한 주사 미러 모션과 함께, 레이저 광 펄스가 스캔 궤적 패턴(예: 패턴(112))으로 스캔되는 결과를 초래한다. 주사 레이저 장치를 90도 회전하면 수평 축 및 수직 축이 효과적으로 전환되므로, 본 명세서에서 사용된 "수직" 및 "수평" 라벨은 다소 임의적이라는 점에 다시 한 번 유의해야 한다.

제1 주사 미러(618)의 출력은 함께 확대 광학부를 제공하는 3개의 확대렌즈(620, 622, 624)로 전달된다. 일반적으로, 확대 광학부은 수평 방향으로 스캔 필드의 확장을 제공하기 위해 구현된다.

구체적으로, 이 예시된 실시예에서, 3개의 확대렌즈(620, 622, 624)는 수평 방향으로 비균일 확장을 제공하면서 제1 주사 미러(618)의 출력을 제2 주사 미러(628)에 이미징하도록 구현된다. 하나의 구체적인 예로서, 제1 주사 미러(618)는 수평 방향으로 40도의 주사 각도를 제공하도록 구현될 수 있고, 확대렌즈(620, 622, 624)는 주사 각도를 110도까지 확장하기 위해 비균일 확장을 제공하도록 구현될 수 있다.

전술한 바와 같이, 확대렌즈(620, 622, 624)는 비균일 수평 확장을 제공하도록 구현될 수 있다. 일반적으로, 비균일 확장은 확대 광학부가 스캔 필드에서 IR 레이저 광 펄스의 제1 축을 따라 위치에 대한 광학 확장의 비균일 변동을 제공하는 것이다. 예를 들어, 확장량은 수평 축을 따라 비균일하게 증가하거나 감소할 수 있다.

하나의 구체적인 예에서, 3개의 확대렌즈(620, 622, 624)는 제1 주사 미러(618)의 출력을 제2 주사 미러(628)에 이미징하는 4F 광학 시스템을 구현한다. 구체적으로, 3개의 확대렌즈(620, 622, 624)는 제1 주사 미러(618)로부터 오는 각도에 따라 배율이 변화하는 4F 광학 시스템을 제공한다. 이 3개의 확대렌즈(620, 622, 624)의 결과는 제1 주사 미러(618)에 의해 제공되는 출구 스캔 각도의 광학 확장의 비균일적인 변화이다. 제2 프리즘(626)은 제3 확대렌즈(624)의 출력을 수신하고 빔을 제2 주사 미러(628)로 향하게 한다.

전술한 바와 같이, 주사 레이저 장치의 작동 중 한 가지 문제는 광 어셈블리(604) 내부의 다양한 소자들이 원치 않는 역반사를 발생시킬 수 있다는 것이다. 예를 들어, 레이저 빔 펄스가 빔 생성 광학부(614), 제1 프리즘(616), 제1 주사 미러(618), 3개의 확대렌즈(620, 622, 624), 제2 프리즘(626) 및 제2 주사 미러(628)에 영향을 미칠 때 정반사 및 산란된 역반사 모두의 형태로 역반사가 생성될 수 있다. 각각의 경우에, 원치 않는 역반사의 일부가 검출기로 다시 반사되어 스캔 필드 내의 물체로부터의 저에너지 반사의 검출을 방해할 수 있다.

본원에 설명된 실시예들은 이러한 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하기 위해 다수의 센서를 사용하는 검출기(예컨대, 검출기(106, 306, 406))를 제공한다. 다수의 센서를 사용하는 검출기를 사용하고, 다수의 센서가 레이저 광 펄스를 스캔하는 데 사용되는 동일한 광 어셈블리(604)를 통해 반사를 수신하며, 다수의 센서가 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하는 데 사용되는 경우, 주사 레이저 장치에서 레이저 광 검출의 감도 및 신뢰성을 모두 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 기능의 조합을 통해 저에너지 광 펄스 및 단거리 감지 모드를 쉽게 사용할 수 있어 다양한 주사 레이저 장치 애플리케이션에서 레이저 안전성을 높일 수 있다.

이제 도 8을 참조하면, 다양한 실시예에 따른 주사 광 검출 및 거리측정(LiDAR) 시스템(800)이 도시되어 있다. LiDAR 시스템(800)은 본원에 설명된 실시예들에 따라 구현될 수 있는 주사 레이저 장치 유형의 또 다른 예이다. 시스템(800)은 펄스 생성 회로(890), 적외선(IR) 레이저 광원(830), 주사 미러(816)를 포함하는 주사 미러 어셈블리(814) 및 미러 구동 및 제어 회로(854)를 포함한다. 시스템(800)은 또한 제1 적외선(IR) 검출기(842), 제1 비행 시간(TOF) 측정 회로(844), 3D 포인트 클라우드 저장 회로(886), 제1 비교기(848) 및 가상 보호 하우징 회로(880)를 포함한다. 시스템(800)은 또한 제2 IR 검출기(1842), 제2 TOF 측정 회로(1844) 및 제2 비교기(1848)를 포함한다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제2 IR 검출기(1842)는 중복 단거리 감지를 제공하도록 구현될 수 있다. 그리고, 본원에 설명된 실시예들에 따라, 이 제2 IR 검출기(1842)는 주사 미러(816)를 포함하는 광 어셈블리로부터의 역반사 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하기 위해 다수의 센서로 구현될 수 있다.

레이저 광원(830)은 레이저 빔 펄스(862)를 방출할 수 있는 레이저 다이오드 등과 같은 레이저 광원일 수 있다. 빔 펄스(862)는 일부 실시예에서 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 기반 스캐너 등의 일부인 주사 미러 어셈블리(814)에 충돌하고, 주사 미러(816)로부터 반사되어 제어된 출력 빔 펄스(134)를 발생시킨다. 일부 실시예에서, 광학 소자는 레이저 광원(830)과 미러(816) 사이의 광 경로에 포함된다. 예를 들어, 시스템(800)은 콜리메이팅 렌즈, 이색 거울, 확대 광학부, 또는 임의의 다른 적합한 광학 소자를 포함할 수 있다. 그리고, 위에서 설명한 바와 같이, 주사 미러, 확대 광학부 및 기타 소자들은 시스템(800)의 작동 중에 제2 IR 검출기(1842)를 향한 레이저 광 펄스의 역반사를 야기할 수 있다.

주사 미러 구동 및 제어 회로(854)는 출력 빔 펄스(134)가 스캔 필드(828)에서 스캔 궤적(840)을 횡단하도록 주사 미러(816)의 각도 동작을 제어하기 위해 하나 이상의 구동 신호(들)(855)를 제공한다. 작동 시, 레이저 광원(830)은 비가시 스펙트럼에서 변조된 광 펄스를 생성하고, 주사 미러(816)는 빔(834)이 스캔 궤적(840)을 통과할 때 광 펄스를 반사한다.

일부 실시예에서, 스캔 궤적(840)은 수평 축의 톱니 성분과 수직 축의 정현파 성분을 결합하여 형성된다. 또 다른 실시예에서, 수평 스윕은 또한 정현파이다. 본 발명의 다양한 실시예는 수직 및 수평 스윕을 제어하는 데 사용되는 파형 또는 결과적인 스캔 궤적 패턴에 의해 제한되지 않는다. 한 축(예: 수평)은 느린 스캔 축이고, 다른 축은 빠른 스캔 축이다.

주사 미러(들)(816)는 두 축으로 주사하는 단일 미러로 도시되어 있지만, 이것이 본 발명의 제한은 아니다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 미러(들)(816)는 2개의 개별적인 주사 미러, 하나의 축에서 주사하는 하나 및 두 번째 축에서 주사하는 2개의 주사 미러로 구현된다.

일부 실시예에서, 주사 미러(들)(816)는 미러 편향의 각도 위치 또는 각도 범위(하나 또는 양쪽 치수)를 감지하기 위한 하나 이상의 센서를 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 주사 미러 어셈블리(814)는 고속 스캔 축에서 미러의 편향에 비례하는 전압을 전달하는 압전 저항 센서를 포함한다. 또한, 일부 실시예에서, 주사 미러 어셈블리(814)는 저속 스캔 축에서 미러의 편향에 비례하는 전압을 전달하는 추가 압전 저항 센서를 더 포함한다. 미러 위치 정보는 하나 이상의 동기화 신호(815)로서 미러 구동 및 제어 회로(854)에 다시 제공된다. 이러한 실시예에서, 미러 구동 및 제어 회로(854)는 미러의 측정된 각도 편향에 대응하여 구동 신호를 수정하기 위한 하나 이상의 피드백 루프를 포함한다. 또한, 일부 실시예에서, 미러 구동 및 제어 회로(854)는 SYNC 신호에 기초하여 주사 미러의 순간 각도 위치를 추정하는 하나 이상의 위상 잠금 루프 회로를 더 포함한다.

미러 구동 및 제어 회로(854)는 위상 잠금 루프(PLL), 필터, 가산기, 배율기, 레지스터, 프로세서, 메모리 등과 같은 기능 회로를 사용하여 구현될 수 있다. 따라서, 미러 구동 및 제어 회로(854)는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제어 회로(854)는 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC)로 구현된다. 또한, 일부 실시예에서, 일부 더 빠른 데이터 경로 제어는 ASIC에서 수행되고, 전체 제어는 소프트웨어 프로그래밍이 가능하다.

시스템(800)은 IR 레이저 펄스를 검출하기 위한 2개의 분리기 IR 검출기, TOF 측정 회로 및 비교기를 포함한다. 구체적으로, 시스템(800)은 제1 IR 검출기(842) 및 제2 IR 검출기(1842)를 포함한다. 일반적으로, 제1 IR 검출기(842)는 단거리 및 장거리 펄스 모두에서 반사를 검출하도록 구현되고, 제2 IR 검출기는 저전력 단거리 펄스에서의 반사를 중복적으로 검출하여 눈의 안전성을 향상시킨다.

제1 IR 검출기(842)는 IR 레이저 광 펄스의 반사를 검출할 수 있는 하나 이상의 감광성 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 제1 IR 검출기(842)는 하나 이상의 핀 포토다이오드, 실리콘 포토 멀티플라이어(SiPM), 애벌런치 포토다이오드(APD) 등을 포함할 수 있다. IR 레이저 광 펄스로 조명되는 시야의 각 지점(이하, "측정 지점"이라 함)은 입사광의 일정량을 제1 IR 검출기(842)로 다시 반사할 수도 있고 반사하지 않을 수도 있다. 제1 IR 검출기(842)가 반사를 감지하는 경우, IR 검출기(842)는 신호(843)를 제1 TOF 측정 회로(844)에 제공한다.

제1 TOF 측정 회로(844)는 시야 내에 있는 물체까지의 거리를 결정하기 위해 IR 레이저 광 펄스의 비행 시간(TOF)을 측정한다. 일부 실시예에서, 가상 보호 하우징 회로(880)는 특정 IR 레이저 광 펄스의 방출 시간에 대응하는 타이밍 신호(도시되지 않음)를 제1 TOF 측정 회로(844)에 제공하고, 제1 TOF 측정 회로(844)는 펄스의 방출과 동일한 펄스의 반사 수신 사이의 경과 시간을 결정하여 IR 레이저 광 펄스의 TOF를 측정한다.

제1 TOF 측정 회로(844)는 임의의 적합한 회로를 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제1 TOF 측정 회로(844)는 IR 펄스가 발사될 때 리셋되고, 반사 펄스가 수신될 때 정지되는 아날로그 적분기를 포함한다. 또한, 제1 TOF 측정 회로(844)는 아날로그 적분기 출력을 IR 레이저 펄스의 비행 시간(TOF)에 대응하는 디지털 값으로 변환하기 위한 아날로그-디지털 컨버터를 포함할 수 있으며, 이는 광 펄스가 반사된 시야에서 시스템(800)과 물체 사이의 거리에 대응한다.

3D 포인트 클라우드 저장 장치(846)는 미러 구동 및 제어 회로(854)로부터 X, Y 데이터를 수신하고, 제1 TOF 측정 회로(844)로부터 노드(845)의 거리(Z) 데이터를 수신한다. 감지된 각 반사에 대해 3D 포인트 클라우드 저장 장치에 3튜플(X, Y, Z)이 기록되고, 그 결과 본 문서에서 "포인트 클라우드"로 지칭되는 일련의 3D 포인트가 생성된다. 시야의 모든 X, Y 측정 지점에 반드시 해당 Z 측정 값이 있는 것은 아니다. 따라서, 결과 포인트 클라우드는 희박하거나 밀도가 높을 수 있다. 3D 포인트 클라우드에 포함된 데이터의 양은 본 발명의 제한이 아니다.

3D 포인트 클라우드 저장 장치(846)는 임의의 적합한 회로 구조를 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 3D 포인트 클라우드 저장 장치(846)는 하나의 포트에 기록되고 제2 포트에서 판독될 수 있는 이중 포트 메모리 장치로 구현된다. 다른 실시예에서, 3D 포인트 클라우드 저장 장치(846)는 범용 메모리 장치 내의 데이터 구조로 구현된다. 또 다른 실시예에서, 3D 포인트 클라우드 저장 장치(846)는 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC)로 구현된다.

제1 비교기(848)는 노드(845)의 거리 데이터(Z)를 임계값과 비교하고, 거리가 임계값보다 작으면, 제1 비교기(848)는 입력에 대한 단거리 물체 감지 신호를 OR 게이트(882)로 어서트한다. 단거리 물체 감지 신호는 OR 게이트(882)를 통해 VPH 회로(880)로 전달되어 "단거리" 내의 물체 감지를 나타내며, 여기서 "단거리"는 노드(847)의 임계값에 의해 결정된다. 예를 들어, 임계값이 5미터 거리에 해당하는 값으로 설정되어 있고 감지된 거리가 해당 임계값보다 낮으면 5미터보다 가까운 물체가 감지된 것이고, 노드(884)의 단거리 물체 감지 신호에 의해 VPH 회로(880)가 통지된다.

노드(847)의 임계값 및 대응하는 단거리 거리는 임의의 기준에 기초하여 VPH 회로(880)에 의해 수정될 수 있다. 예를 들어, 임계값은 IR 레이저 펄스 파워, 펄스 지속 시간, 펄스 밀도, 파장, 스캐너 속도, 원하는 레이저 안전 분류 등의 함수일 수 있다. 임계값이 결정되는 방식은 본 발명의 제한이 아니다.

제2 IR 검출기(1842), 제2 TOF 측정 회로(1844) 및 제2 비교기(1848)는 중복 단거리 물체 감지 기능을 제공하기 위해 작동한다. 중복 단거리 물체 감지는 추가적인 안전 수단을 제공한다. 예를 들어, IR 검출기, TOF 측정 회로 또는 비교기 중 하나에 장애가 발생하더라도 이중화를 통해 지속적으로 안전하게 작동할 수 있다.

특히, 제1 IR 검출기(842) 및 제2 IR 검출기(1842)는 상이한 광 경로를 통해 반사된 광 펄스를 수신한다. 구체적으로, 제1 IR 검출기(842)는 835로 도시된 별도의 경로를 따라 반사광을 수신하는 반면, 제2 IR 검출기(1842)는 방출된 광 펄스와 광 경로의 적어도 일부를 공유한다. 구체적으로, 스캔 필드로부터 반사된 광은 적어도 일부 미러(816), 확대 광학부 및 광 어셈블리의 다른 소자를 통해 다시 반사되어 경로(1835)를 따라 제2 IR 검출기(1842)에 도달한다.

제2 TOF 측정 회로(1844)는 제1 TOF 측정 회로(844)와 유사한 방식으로 시야 내에 있는 물체까지의 거리를 결정하기 위해 적외선 레이저 광 펄스의 비행 시간(TOF)을 측정한다. 따라서, 제2 TOF 측정 회로(1844)는 제1 TOF 측정 회로(844)와 마찬가지로 임의의 적합한 회로를 사용하여 구현될 수 있다.

마찬가지로, 제2 비교기(1848)는 노드(845)의 거리 데이터(Z)를 임계값과 비교하고, 거리가 임계값보다 작으면, 제2 비교기(1848)는 OR 게이트(882)로의 입력에 단거리 물체 감지 신호를 어서트한다. 다시 말하지만, 이 단거리 물체 감지 신호는 OR 게이트(882)를 통해 VPH 회로(880)로 전달되어 "단거리" 내의 물체 감지를 나타내며, 여기서 "단거리"는 노드(1847)의 임계값에 의해 결정된다. 예를 들어, 임계값이 5미터 거리에 해당하는 값으로 설정되어 있고 감지된 거리가 해당 임계값보다 낮으면 5미터보다 가까운 물체가 감지된 것이고, 노드(884)의 단거리 물체 감지 신호에 의해 VPH 회로(880)가 통지된다.

다시 말하지만, 노드(1847)의 임계값 및 대응하는 단거리 거리는 임의의 기준에 기초하여 VPH 회로(880)에 의해 수정될 수 있다. 예를 들어, 임계값은 IR 레이저 펄스 파워, 펄스 지속 시간, 펄스 밀도, 파장, 스캐너 속도, 원하는 레이저 안전 분류 등의 함수일 수 있다.

일부 실시예들에서, 검출 및 TOF 측정 회로들 모두 단거리 물체를 검출하기 위해 동작하고, 검출 및 TOF 측정 회로들 중 하나만 장거리 거리를 측정하거나 3D 클라우드 저장 장치에 기록하기 위해 동작한다. 예를 들어, 도 8에 도시된 실시예들에서, TOF 측정 회로(1844) 또는 TOF 측정 회로(1844) 중 하나에 의해 측정된 비행 시간은 단거리 물체를 감지하는 데 사용될 수 있지만, TOF 측정 회로(844)에 의해 측정된 비행 시간만이 3D 포인트 클라우드를 채우는 데 사용될 수 있다.

VPH 회로(880)는 전반적인 작동이 눈에 안전하도록 허용하는 방식으로 접근 가능한 방출 레벨을 관리하기 위해 작동한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, VPH 회로(880)는 노드(885)에서 펄스 에너지 값을 설정하여 "단거리 펄스" 또는 "장거리 펄스"가 생성되는지 여부를 제어한다. 방출된 펄스 에너지는 펄스 파워, 펄스 지속 시간 또는 펄스 카운트 중 하나 이상에 의해 제어될 수 있다.

VPH 회로(880)는 또한 노드(857)의 타이밍 신호를 통해 방출된 펄스의 타이밍을 제어할 수도 있다. 일부 실시예에서, 시야 내의 모든 측정 지점에 대해, VPH 회로(880)는 펄스 생성 회로(890)에 신호를 보내 가상 보호 하우징을 제공하기에 충분한 거리까지 매우 높은 수준의 신뢰도로 물체를 감지할 수 있는 단거리 펄스를 생성한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "단거리 펄스"라는 용어는 매우 짧은 거리에서 눈에 안전한 것으로 간주되는 펄스를 지칭한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 단거리 IR 레이저 광 펄스의 에너지 레벨은 IEC 60825.1 클래스 1 접근 가능한 방출 한계 이하로 유지될 수 있으며, 따라서 사람의 눈에 상해를 입힐 위험 없이 모든 측정 지점에서 단거리 IR 레이저 광 펄스가 방출될 수 있다.

단거리 거리 내에서 물체가 감지되면, 대응하는 3-튜플(X, Y, Z)이 3D 포인트 클라우드 저장 장치(846)에 기록될 수 있고, 시스템(800)은 해당 측정 지점에서 더 높은 에너지 펄스를 방출하지 않음으로써 가상 보호 하우징을 제공한다. 그러나, 단거리 물체가 감지되지 않는 경우, 시스템(800)은 단거리 거리 너머의 물체를 감지하기 위해 더 높은 총 에너지의 하나 이상의 "장거리 펄스"를 방출할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 시스템(800)은 밝은 햇빛에서 36미터(m) 거리에서 5% 반사 타겟을 감지할 확률이 50%인 100밀리미터(mm) 거리에서 눈에 안전한 것으로 간주되는 단거리 IR 레이저 광 펄스를 방출할 수 있다. 이 단거리 펄스는 12m 거리에서 10% 반사 표적을 감지하지 못할 확률이 10억 분의 1일 수 있다. 또한, 예를 들어, 시스템(800)은 4미터 거리 이상에서는 눈에 안전하면서 최대 200미터 거리의 물체를 감지할 수 있는 장거리 펄스를 방출할 수 있다. 이 예에서, 시스템(800)은 4미터 내의 물체를 감지할 확률이 매우 높은 단거리 펄스를 방출한 다음, 200미터의 물체를 감지할 수 있는 장거리 펄스를 방출할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "장거리 펄스"라는 용어는 단거리 펄스보다 더 높은 총 에너지를 갖는 하나 이상의 펄스를 지칭한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 단일 장거리 펄스가 방출될 수 있고, 단일 장거리 펄스는 단일 단거리 펄스보다 높은 에너지를 가질 수 있고, 다른 실시예에서, 복수의 장거리 펄스가 방출될 수 있고, 복수의 장거리 펄스의 총 에너지가 단일 단거리 펄스보다 높을 수 있다.

가상 보호 하우징 회로(880)는 임의의 적합한 회로 구조를 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, VPH 회로(880)는 단거리 물체 감지에 응답하기 위해 디지털 로직을 사용하여 구현된 하나 이상의 유한 상태 머신(finite state machines) 및 장거리 펄스를 방출하기 위한 조건부 신호 펄스 생성 회로(890)를 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, VPH 회로(880)는 단거리 펄스 에너지, 장거리 펄스 에너지, 임계값 등의 소프트웨어 프로그래밍 가능성을 제공하기 위한 프로세서 및 메모리를 포함할 수 있다. VPH 회로(880)가 구현되는 방식은 본 발명의 제한이 아니다.

이제 도 9를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 단거리 및 장거리 펄스가 도시되어 있다. 단거리 펄스(910) 및 장거리 펄스(930)는 각 측정 지점에서 LiDAR(시스템(800)) 또는 다른 주사 레이저 장치(예컨대, 주사 레이저 장치(100))에 의해 방출될 수 있는 IR 레이저 광 펄스의 예이다. 예를 들어, 시스템은 단거리 펄스(910)를 방출한 다음 단거리 물체가 감지되는지 여부에 따라 하나 이상의 장거리 펄스(930) 중 하나를 조건부로 방출할 수 있다. 펄스 진폭은 도 9의 플롯의 세로 축에 표시되고 시간은 가로 축에 표시된다. 단거리 펄스(910)는 처음에 방출되는 것으로 표시되고, 임계값은 두 번째를 나타내는 것으로 표시된다. 첫 번째와 두 번째 시간 사이의 차이는 단거리 거리를 나타낸다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 임계값은 실질적으로 5미터의 단거리 거리에 대응하는 약 33나노초(ns)로 설정된다. 일부 실시예에서, 단거리 펄스(910)는 매우 짧은 거리에서 눈에 안전한 것으로 간주되는 에너지 레벨을 갖는다. 예를 들어, 단거리 펄스(910)는 그것이 방출되는 시스템(800)으로부터 100mm 거리에서 눈에 안전할 수 있다.

일부 실시예에서, 단거리 물체가 감지되면, 시스템은 해당 측정 지점에 대한 장거리 펄스를 방출하지 않으며, 감지된 거리는 3D 포인트 클라우드에 기록된다. 반면에, 단거리 물체가 감지되지 않으면, 하나 이상의 장거리 펄스(930)가 눈에 안전한 수준에서 접근 가능한 방출을 유지하는 방식으로 방출된다. 예를 들어, 단거리 펄스(910)는 단거리 거리 내에서 물체를 감지할 확률이 매우 높은 에너지 레벨을 가질 수 있고, 장거리 펄스(920)는 단거리 거리 및 그 이상에서 눈에 안전한 총 에너지 레벨을 가질 수 있다. 단거리 물체가 감지되지 않으면 임계 시간 직후에 장거리 펄스가 뒤따를 수 있다. 예를 들어, 장거리 펄스(920)는 임계값 시간 100ns 이내 또는 133ns에 방출될 수 있다. 임계값 및 장거리 펄스의 방출에 대응하는 시간은 원하는 단거리 거리 및 처리 시간에 따라 다양한 실시예에서 상이할 수 있으며, 본 발명의 제한이 아니다.

일부 실시예에서, 단일 장거리 펄스(920)가 방출되고, 다른 실시예에서, 장거리 펄스(930)의 트레인이 각 측정 지점에 대해 방출된다. 단일 측정 지점에서 방출되는 장거리 펄스의 수는 본 발명의 제한이 아니다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 단일 장거리 펄스가 방출될 수 있으며, 여기서 단일 장거리 펄스는 단거리 펄스보다 더 높은 에너지를 갖는다. 또한, 예를 들어, 일부 실시예에서, 복수의 장거리 펄스가 방출될 수 있고, 각 장거리 펄스는 단거리 펄스와 동일한 에너지 레벨을 가질 수 있지만, 복수의 장거리 펄스의 총 에너지는 단거리 펄스의 에너지보다 더 클 수 있다.

모든 에너지 레벨의 펄스를 사용하여 여러 범위를 정의할 수 있다. 예를 들어, 단거리는 단일 단거리 펄스의 에너지로 정의될 수 있다. 또한, 예를 들어, 중거리는 단거리 펄스와 동일한 에너지를 갖는 다수의 펄스에 의해 정의될 수 있고, 장거리는 단거리 펄스와 동일하거나 더 큰 에너지를 갖는 하나 이상의 장거리 펄스에 의해 정의될 수 있다.

일부 실시예들에서, 단거리 펄스는 모든 측정 지점에서 방출되고, 다른 실시예들에서, 단거리 펄스는 모든 측정 지점에서 방출되지 않는다. 예를 들어, 단거리 펄스가 첫 번째 측정 지점에서 방출될 수 있고, 단거리 물체가 감지되지 않으면, 단거리 펄스를 먼저 방출하지 않고 하나 이상의 후속 측정 지점에서 장거리 펄스가 방출될 수 있다. 이는 부분적으로 일부 실시예에서 가능한데, 이는 단거리 물체가 측정 지점을 점유하지 않을 때, 단거리 물체가 일부 수의 후속 측정 지점을 점유하지 않는다는 유효한 가정을 가능하게 할 정도로 측정 지점이 서로 충분히 가깝게 정의될 수 있기 때문이다.

일반적으로, 측정 지점은 주사 레이저 장치가 거리를 측정하는 스캔 궤적 상의 지점이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, LiDAR 시스템은 각 측정 포인트에서 단거리 펄스를 방출하여 물체가 단거리 거리 내에 있는지 감지한 다음, 전술한 바와 같이 하나 이상의 장거리 펄스를 조건부로 방출한다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 "측정 지점"이라는 용어는 공간에서 무한히 작은 지점을 지칭하는 것이 아니라 스캔 궤적의 작고 유한한 연속 구간을 의미한다. 구체적으로, IR 레이저 광빔은 각 측정 지점에서 단거리 펄스 및 장거리 펄스의 왕복 통과 시간 동안 스캔 궤적의 유한한 구간을 통과한다. 측정 포인트 영역은 물체와 만나는 거리에서 레이저 스폿 크기(초기 크기 및 발산)의 함수이기도 한다. 따라서 "측정 포인트"는 매우 작더라도 영역을 포함하며, 영역의 크기와 위치는 여러 소자의 함수에 따라 달라질 수 있다.

본원에 설명된 실시예들은 이러한 단거리 펄스의 신뢰성 있는 검출을 용이하게 한다. 다시, 전술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 시스템은 단거리 펄스(910)를 방출한 다음, 단거리 물체가 감지되는지 여부에 기초하여 하나 이상의 장거리 펄스(930) 중 하나를 조건부로 방출할 수 있다. 이러한 시스템에서, 장거리 물체 감지를 제공하기 위해 장거리 펄스가 일관되게 방출될 수 있도록 단거리 펄스의 신뢰성 있는 감지를 용이하게 하는 것이 바람직하다. 이제 도 8로 돌아가서, 제2 IR 검출기(1842)는 이러한 저에너지 단거리 펄스의 신뢰성 있는 검출을 용이하게 하기 위해 전술한 실시예들(예컨대, 검출기(106, 306, 406)) 중 임의의 실시예에 따라 구현될 수 있다.

이와 같이, 제2 IR 검출기(1842)는 동일한 주사 미러 어셈블리(814), 빔 생성 광학부, 및 레이저 광 펄스를 스캔 필드로 스캔하는 데 사용되는 다른 광학 소자들 중 적어도 일부를 통해 반사를 수신하도록 구성된 다수의 센서로 구현될 수 있다. 동일한 광 어셈블리가 다수의 센서에 의해 레이저 광 반사를 수신하는 데 사용되기 때문에, 다수의 센서가 단거리 펄스의 반사를 수신하지 못하게 하는 손상 또는 막힘은 또한 레이저 광 펄스의 스캔 필드로의 스캔을 차단했을 가능성이 있다. 따라서, 제2 IR 검출기(1842)는 스캔 필드에서 물체에 충격을 가하고 검출기를 향해 다시 반사되는 단거리 펄스를 보다 확실하게 검출할 수 있고, 따라서 장거리 펄스가 안전하게 방출될 수 있는지 판단하는 데 사용될 수 있다. 또한, 제2 IR 검출기(1842)의 다수의 센서는 광 어셈블리 내에서 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하도록 구성된다. 광 어셈블리 내에서 역반사의 효과를 상쇄하면, 특히 스캔 필드(828) 내에서 레이저 펄스의 저에너지 단거리 반사를 검출할 때 검출기의 감도가 향상될 수 있다.

이제 도 10을 참조하면, 다양한 실시예에 따른 방법의 흐름도가 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 방법(1000) 또는 그 일부가 주사 레이저 장치(예컨대, 도 8의 LiDAR 시스템(800))에 의해 수행된다. 다른 실시예에서, 방법(1000)은 일련의 회로 또는 전자 시스템에 의해 수행된다. 방법(1000)은 방법을 수행하는 특정 유형의 장치에 의해 제한되지 않는다. 방법(1000)의 다양한 동작들은 제시된 순서대로 수행될 수도 있고, 다른 순서로 수행될 수도 있다. 또한, 일부 실시예에서, 도 4 에 기재된 일부 동작은 방법(1000)에서 생략된다.

방법(1000)은 단거리 펄스 에너지 레벨이 설정되고 단거리 펄스가 방출되는 블록(1010)부터 시작하여 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 이는 펄스 에너지 레벨을 LiDAR 시스템으로부터 특정 거리에서 눈에 안전한 작동을 초래하는 값으로 설정하는 것에 해당한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 단거리 펄스 에너지 레벨은 가상 보호 하우징 회로(예컨대, 도 8의 가상 보호 하우징 회로(880))에 의해 접근 가능한 방출이 100mm에서 눈에 안전한 작동을 초래하도록 설정될 수 있고, 다른 실시예에서, 펄스 에너지 레벨은 접근 가능한 방출이 100mm보다 큰 최소 거리에서 눈에 안전한 작동을 초래하도록 설정될 수 있다.

단거리 물체가 1020에서 감지되면, 3D 포인트(X, Y, Z)가 3D 저장 장치(846)와 같은 3D 포인트 클라우드 저장 장치에 기록될 수 있다(도 8). 단거리 물체가 감지되지 않으면, 하나 이상의 장거리 펄스가 1040에서 전송될 수 있다. 전술한 바와 같이, 단거리 물체 검출은 단거리 펄스의 반사를 검출하고, 검출된 반사의 비행 시간을 측정하고, 그 비행 시간을 임계값과 비교함으로써 수행될 수 있다. 단거리 거리에 대응하는 임계값은 임의의 적절한 값으로 설정할 수 있다.

1030에서, 하나 이상의 장거리 펄스가 방출된다. 440에서 물체가 감지되면, 3D 포인트 클라우드 저장 장치(예컨대, 도 8의 3D 저장 장치(846))에 3D 포인트(X, Y, Z)가 기록되고 다음 측정 지점(460)에서 처리가 계속될 수 있다. 물체가 감지되지 않으면 3D 포인트를 포인트 클라우드 저장 장치에 기록하지 않고 다음 측정 지점(1060)에서 처리를 계속한다.

이제 도 11을 참조하면, 그래프는 다양한 실시예에 따른 거리의 함수로서 물체를 감지하지 못할 확률을 나타낸다. 확률 곡선(1110)은 펄스 에너지 레벨, 물체의 반사율, 주변 광 등을 포함하는 많은 파라미터에 기초하여 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동할 수 있는 전형적인 곡선이다. 예를 들어, 매우 밝은 햇빛 아래에서 100mm에서 눈에 안전한 단거리 펄스는 20m에서 반사율이 20%인 물체를 감지하지 못할 확률이 10¹⁰ 일 수 있다. 따라서, 더 가까운 거리에서 물체를 감지하지 못할 확률은 더 낮아지므로, 같은 시나리오에서 5m에서 눈에 안전한 장거리 펄스는 매우 강력한 가상 보호 하우징을 제공한다.

일부 실시예에서, 단거리 거리에 대응하는 임계값 및 장거리 펄스의 에너지 레벨은, 단거리 거리 및 장거리 펄스의 최소 눈 안전 거리가 동일하게 되는 값으로 설정된다. 다른 실시예에서, 단거리 거리에 대응하는 임계값 및 장거리 펄스의 에너지 레벨은 단거리 거리가 장거리 펄스의 최소 눈 안전 거리보다 커지는 값으로 설정된다.

이제 도 12를 참조하면, 주사 레이저 장치(예컨대, 주사 레이저 장치(100))의 일 실시예가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 12는 다양한 실시예에 따라, 눈에 안전한 주사 LiDAR 시스템을 구비한 이동 플랫폼을 예시한다. 자동차(1210)는 눈에 안전한 LiDAR 시스템(1220)이 장착되는 이동 가능한 플랫폼이다. 일부 실시예에서, 눈에 안전한 LiDAR 시스템(1220)은 본원에 논의된 다양한 실시예(예컨대, 도 8의 LiDAR 시스템(800) 또는 도 13의 LiDAR 시스템(1300)) 또는 본원에 논의된 주사 레이저 장치 중 임의의 것을 사용하여 구현된다.

일부 실시예에서, 단거리 펄스의 에너지는 LiDAR 시스템이 장착된 플랫폼이 움직일 때 증가된다. 예를 들어, 자동차(1210)가 임계값 이상의 속도를 가질 때, 단거리 펄스의 에너지는 100mm 이상의 최소 거리에서 눈에 안전한 수준의 방출에 접근할 수 있는 레벨을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 접근 가능한 방출이 눈에 안전한 레벨을 초래하는 최소 거리는 1미터 이상일 수 있다. 또한, 예를 들어, 단거리 펄스의 에너지는 플랫폼 속도가 증가함에 따라 증가될 수 있다. 일부 실시예에서, 단거리 펄스의 에너지는 플랫폼이 초당 2.5미터(m/s) 내지 25미터(m/s) 사이에서 가속함에 따라 점진적으로 증가될 수 있다.

단거리 펄스의 에너지 레벨을 증가시키면, 단거리 내의 물체를 감지할 확률이 증가하거나 물체를 감지할 수 있는 단거리가 증가될 수 있다. 도 12는 단거리 펄스 에너지 증가로 인한 단거리 증가를 보여준다.

일부 실시예에서, 단거리 펄스 에너지 레벨은 접근 가능한 방출이 짧은 거리(예컨대, 100mm 이하)에서 눈에 안전하도록 설정되고, 시간 임계값은 물체를 감지하지 못할 확률이 매우 낮은 값으로 설정된다. 그런 다음, 움직이는 플랫폼(예: 자동차)의 속도가 임계값보다 빠르지 않으면 단거리 펄스가 방출된다. 대신 이동 플랫폼의 속도가 임계값보다 빠르면 단거리 펄스 에너지 레벨과 단거리 거리에 해당하는 시간 임계값이 증가될 수 있다. 일부 실시예에서, 단거리 펄스 에너지는 최소 1미터 거리에서 눈에 안전한 레벨을 초래하는 접근 가능한 방출을 초래하는 레벨로 증가된다. 다른 실시예에서, 단거리 펄스 에너지는 최소 1미터보다 크거나 작은 거리에서 눈에 안전한 레벨을 초래하는 접근 가능한 방출을 초래하는 레벨로 증가된다.

일부 실시예에서, 이동 플랫폼의 속도는 LiDAR 시스템의 속도 센서를 사용하여 결정될 수 있다. 다른 실시예들에서, 속도 정보는 이동 플랫폼 상의 센서(예컨대, 자동차 상의 센서)로부터 획득될 수 있다.

이제 도 13을 참조하면, 다양한 실시예에 따른 주사 광 검출 및 거리 측정(LiDAR) 시스템(1300)이 도시되어 있다. LiDAR 시스템(1300)은 본원에 설명된 실시예들에 따라 구현될 수 있는 주사 레이저 장치 유형의 또 다른 예이다. LiDAR 시스템(1300)은 VPH 회로(1384), 펄스 생성 회로(1390), 3D 포인트 클라우드 저장 장치(1346), OR 게이트(1380) 및 제어 회로(1354)를 포함한다. LiDAR 시스템(1300)은 또한 송신 모듈(1310), 수신 모듈(1330), TOF 및 단거리 감지 회로(1340) 및 TOF 및 단거리 감지 회로(1350)를 포함한다.

특히, LiDAR 시스템(1300)은 IR 레이저 펄스의 반사를 검출하기 위한 2개의 개별 IR 검출기와 TOF 및 단거리 검출 회로를 포함한다. 구체적으로, 수신 모듈(1330)은 단거리 및 장거리 펄스의 반사를 모두 감지하도록 구현된 제1 IR 검출기를 포함하고, 송신 모듈(1310)은 저전력 단거리 펄스의 반사를 중복 감지하여 향상된 눈의 안전성을 제공하는 제2 IR 검출기를 포함한다. 그리고, 아래에서 더 상세히 설명하겠지만, 제2 검출기는 송신 모듈(1310) 내에서 역반사의 영향을 적어도 부분적으로 상쇄하기 위해 다수의 센서로 구현될 수 있다.

송신 모듈(1310)은 펄스 레이저 빔을 생성하는 IR 레이저 광원, 시준 및 초점 광학부, 그리고 펄스 레이저 빔을 시야에서 2차원으로 스캔하기 위해 광 어셈블리에서 함께 구현된 하나 이상의 주사 미러 어셈블리를 포함한다. 송신 모듈(1310)은 또한 방출된 IR 레이저 광 펄스와 광 경로를 공유하는 IR 레이저 광 검출기를 포함한다. 전송 모듈의 예시적인 실시예는 이후 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명한다.

수신 모듈(1330)은 광학 장치 및 하나 이상의 주사 미러 어셈블리를 포함하여 2차원으로 스캔하여 시야에서 반사된 광을 포함된 적외선 광 검출기로 향하게 한다. 수신 모듈의 예시적인 실시예는 후술하는 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.

각각의 TOF 및 단거리 감지 회로(1340, 1350)는 TOF 측정 회로 및 비교기를 포함한다. 예를 들어, TOF 및 단거리 감지 회로(1340)는 TOF 회로(1844) 및 제2 비교기(1848)를 포함할 수 있고, TOF 및 단거리 감지 회로(1350)는 TOF 측정 회로(844) 및 비교기(848)를 포함할 수 있다(도 8).

제어 회로(1354)는 도 8을 참조하여 전술한 바와 같이 송신 모듈(1310) 내의 주사 미러의 이동을 제어한다. 제어 회로(1354)는 또한 수신 모듈(1330) 내의 주사 미러의 이동을 제어한다. 작동 시, 제어 회로(1354)는 송신 모듈(1310)로부터 미러 위치 피드백 정보(도시되지 않음)를 수신하고, 또한 수신 모듈(1330)로부터 미러 위치 피드백 정보(도시되지 않음)를 수신한다. 미러 위치 피드백 정보는 미러의 작동을 위상 고정하는 데 사용된다.

제어 회로(1354)는 구동 신호(1345)를 통해 송신 모듈(1310) 내의 주사 미러를 갖는 마이크로전자기계(MEMS) 어셈블리를 구동하고, 또한 스캔 궤적(1342) 및 스캔 필드(1328)의 크기 및 위치를 정의하는 미러 편향의 각도 범위를 통해 미러가 이동하도록 하는 구동 신호(1347)를 통해 수신 모듈(1330) 내의 주사 미러를 갖는 MEMS 어셈블리를 구동한다. 송신 및 수신 주사의 동기화를 통해 수신 조리개는 전송된 에너지가 전송된 시야 부분의 광자만 수용하도록 할 수 있다. 그 결과 주변 광 노이즈에 대한 내성이 크게 향상된다.

도 13에 도시된 바와 같이, 2차원 스캔은 1차원(수직, 빠른 스캔 방향) 및 2차원(수평, 느린 스캔 방향)에서 수행된다. 장치를 90도 회전하면 수평 축과 수직 축이 전환되기 때문에 "수직" 및 "수평"이라는 레이블은 다소 임의적이다.

또한, 특히 도 13의 예에서, 스캔 궤적(1342)은 광학 확장의 비균일한 변화와 함께 수평 축을 따라 확장된다. 이러한 확장은 전술한 바와 같이 확대 광학부를 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 6 및 도 7의 3개의 확대렌즈(620, 622 및 624)는 시스템(1300)에서 구현될 수 있다. 이러한 구현에서, 전송 모듈(1310)에 구현되는 확대 광학부는 레이저 광 펄스가 스캔 필드(1328)로 스캔될 때 수평 방향으로 비균일하게 확장되는 것을 제공한다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 이러한 3개의 확대렌즈는 제1 주사 미러(618)와 제2 주사 미러(628) 사이에 구현될 수 있다. 마찬가지로, 그러한 실시예에서, 상응하는 광학부(즉, 주사 미러 및 확대 광학부)는 스캔 필드(1328)로부터 레이저 광 펄스의 수신된 반사에 대한 광학 확장의 상응하는 비균일 감소를 제공하기 위해 수신 모듈(1330)에 구현될 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 송신 모듈(1310)은 본원에 설명된 실시예들 중 임의의 실시예에 따라 제2 IR 검출기(예컨대, 검출기(106, 306, 406))로 구현될 수 있다. 이와 같이, 제2 IR 검출기는 레이저 빔 펄스와 광 경로의 적어도 일부를 공유하도록 구현될 수 있다. 구체적으로, 제2 IR 검출기는 레이저 광 펄스를 스캔 필드로 스캔하는 데 사용되는 송신 모듈(1310) 내의 동일한 주사 미러, 빔 생성 광학부 및 기타 광학 소자 중 적어도 일부를 통해 반사를 수신하도록 구성된 다수의 센서로 구현될 수 있다. 따라서, 제2 IR 검출기는 스캔 필드에서 물체에 충격을 가하여 검출기를 향해 반사되는 레이저 광을 보다 안정적으로 검출할 수 있으므로, 레이저 안전성을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 또한, 제2 IR 검출기의 다수의 센서는 광 어셈블리 내에서 역반사의 영향을 적어도 부분적으로 상쇄하도록 구성할 수 있다. 광 어셈블리 내에서 역반사의 효과를 상쇄하면, 특히 스캔 필드(1328) 내에서 단거리 레이저 광 펄스의 저에너지 반사를 검출할 때 검출기의 감도가 향상될 수 있다.

이제 도 14 및 도 15를 참조하면, 도 14는 전송 모듈(1400)의 측면도를 도시하고, 도 15는 전송 모듈(1400)의 평면도를 도시한다. 송신 모듈(1400)은 LiDAR 시스템(예컨대, 도 10의 송신 모듈(1310))에서 사용될 수 있는 송신 모듈의 일례이다. 송신 모듈(1400)은 레이저 광원(1410), 빔 생성 광학 장치(1420), 수신 에너지 픽오프 장치(1460), 미러(1462), 빔 생성 장치(1464), IR 검출기(1466), 스캐너(1428) 및 출구 광학 장치(1450)를 포함한다.

일부 실시예에서, 레이저 광원(1410) 소스는 적외선(IR) 광과 같은 비가시광을 발생시킨다. 이러한 실시예들에서, IR 검출기(1466)는 수신 모듈(1600)의 IR 검출기와 마찬가지로 동일한 파장의 비가시광을 검출한다(도 16, 이하에서 논의). 예를 들어, 일부 실시예에서, 레이저 광원(1410)은 실질적으로 905나노미터(nm)의 파장을 갖는 적외선을 생성하는 레이저 다이오드를 포함할 수 있고, IR 검출기(1466)는 실질적으로 905nm의 파장을 갖는 반사된 광 펄스를 검출한다. 또한, 예를 들어, 일부 실시예에서, 레이저 광원(1410)은 실질적으로 940나노미터(nm)의 파장을 갖는 적외선을 생성하는 레이저 다이오드를 포함할 수 있고, IR 검출기(1466)는 실질적으로 940nm의 파장을 갖는 반사된 광 펄스를 검출한다. 광의 파장은 본 발명의 제한이 아니다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 가시 또는 비가시 파장을 사용할 수 있다.

레이저 광원(1410)은 펄스 레이저 빔을 생성하기에 적합한 임의의 수 또는 유형의 이미터(emitter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 레이저 광원(1410)은 도 15에 도시된 복수의 레이저 다이오드(1512, 1514, 1516 및 1518)를 포함한다. 레이저 광원(1410)에 의해 생성된 펄스 레이저 광은 빔 생성 광학 장치(1420)에 의해 결합, 콜리메이트 및 포커싱되어 펄스 레이저 빔을 생성한다. 예를 들어, 광학 장치(1522, 1524, 1526, 1528)는 빠른 축에서 레이저 빔을 시준하고, 편광 회전기(1523) 및 빔 결합기(1520)는 레이저 빔을 결합하고, 광학 장치(1522)는 펄스 레이저 빔을 느린 축의 팬으로 형성할 수 있다. 빔 크기 및 발산 값은 본 발명의 다양한 실시예에 걸쳐 반드시 균일할 필요는 없으며, 일부 실시예는 더 높은 값을 가지며, 일부 실시예는 더 낮은 값을 갖는다.

스캐너(1428)는 광학 장치(1420)로부터 펄스 레이저 빔을 수신하고, 펄스 빔을 2차원으로 스캔한다. 도 14 및 도 15에 도시된 실시예에서, 스캐너(1428)는 각각 주사 미러(1432, 1442)를 포함하는 2개의 개별 주사 미러 어셈블리(1430, 1440)를 포함하며, 여기서 각 주사 미러는 빔을 1차원으로 주사한다. 예를 들어, 주사 미러(1432)는 빠른 스캔 방향으로 펄스 빔을 스캔하고, 주사 미러(1442)는 느린 스캔 방향으로 펄스 빔을 스캔한다.

스캐너(1428)는 각각 별도의 차원에서 스캔하는 2개의 주사 미러 어셈블리를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 이것이 본 발명의 제한은 아니다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 스캐너(1428)는 2차원으로 스캔하는 단일 이축 주사 미러 어셈블리를 사용하여 구현된다. 일부 실시예에서, 주사 장치는 전자기 작동을 이용하며, 이는 MEMS 다이와 영구 자석 및 전기 인터페이스의 소형 서브 어셈블리를 포함하는 소형 어셈블리를 사용하여 달성되지만, 다양한 실시예가 이 점에서 제한되지는 않는다.

출구 광학 장치(1450)는 송신 모듈을 떠날 때 주사 펄스 레이저 빔에 대해 작동한다. 일부 실시예에서, 출구 광학 장치(1450)는 필드 확장을 수행한다. 예를 들어, 스캐너(1428)는 고속 스캔 축에서 20도의 최대 각도 범위를 통해 스캔하고, 저속 스캔 축에서 40도의 최대 각도 범위를 통해 스캔할 수 있으며, 출구 광학 장치(1450)는 시야를 고속 스캔 축에서 30도 및 저속 스캔 축에서 120도로 확장할 수 있다. 주사 미러의 스캔 각도와 출구 광학 장치(1450)에 의해 제공되는 필드 확장량 사이의 관계는 본 발명의 제한이 아니다.

수신 에너지 픽오프 장치(1460)는 송신 광 경로의 적어도 일부를 방출된 광 펄스(실선으로 표시됨)와 공유하는 수신 광(점선으로 표시됨)을 편향시킨다. 그런 다음, 편향된 수신 광은 미러(1462)에 의해 반사되고, 광학 장치(1064)에 의해 초점이 맞춰지고, IR 검출기(1466)에 의해 감지된다. 일부 실시예에서, 픽오프 장치(1460)는 IR 레이저 광원에 의해 생성된 펄스 빔을 전송하는 "창"과 수신된 에너지를 창 외부로 편향시키는 반사 외부 부분을 포함한다. 다른 실시예에서, 픽오프 장치(1460)는 입사광의 일부를 투과하고 나머지는 반사하는 부분 반사기이다. 예를 들어, 입사광의 90%를 투과하고 입사광의 10%를 반사하는 반사 장치는 시야 내에 있는 물체로부터 반사된 10%의 광을 IR 검출기(1466)에 제공한다. 다른 실시예에서, 픽오프 장치(1460)는 펄스 레이저 빔(제1 편광)을 전송하고, 다른 편광의 수신 광을 픽오프하는 편광 빔 스플리터를 포함할 수 있다. 이는 부분적으로 램버트 반사(Lambertian reflection)로 인해 반사가 무작위로 편광되기 때문에 효과적이다. 다른 실시예에서, 발신 레이저 빔 및 수신 에너지는 주사 미러의 다른 부분으로 향할 수 있고, 픽오프 장치(1460)는 하나는 반사하지만 다른 하나는 반사하지 않도록 배치된 오프셋 미러일 수 있다.

다시 말하지만, 본원에 설명된 실시예들은 저에너지 단거리 펄스의 신뢰성 있는 검출을 용이하게 한다. 이를 용이하게 하기 위해, IR 검출기(1466)는 전술한 실시예들 중 임의의 실시예(예컨대, 검출기(106, 306, 406))에 따라 구현되어 이러한 저에너지 단거리 펄스의 신뢰성 있는 검출을 용이하게 할 수 있다.

구체적으로, IR 검출기(1466)는 레이저 광 펄스를 스캔 필드로 전송하는 데 사용되는 동일한 광 어셈블리 중 적어도 일부를 통해 반사를 수신하도록 구성된 다수의 센서로 구현될 수 있다. 구체적으로, 적외선 검출기(1466)는 동일한 주사 미러(1432, 1142), 출구 광학 장치(1450) 및 레이저 광 펄스를 스캔 필드로 전송하는 데 사용되는 다른 광학 소자를 통해 레이저 광 펄스를 수신하도록 구성될 수 있다. 다수의 센서가 레이저 광 반사를 수신하기 위해 동일한 광 어셈블리를 사용하기 때문에, 다수의 센서가 단거리 펄스의 반사를 수신하지 못하게 하는 손상 또는 막힘은 또한 레이저 광 펄스의 스캔 필드로의 스캔을 차단했을 가능성이 있다. 따라서, IR 검출기(1466)는 스캔 필드에서 물체에 충격을 가하고 검출기를 향해 다시 반사된 단거리 펄스를 보다 확실하게 검출할 수 있고, 따라서 장거리 펄스가 안전하게 방출될 수 있는 시점을 확실하게 결정하는 데 사용될 수 있다. 또한, 적외선 검출기(1466)의 다수의 센서는 광 어셈블리 내에서 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하도록 구성된다. 광 어셈블리 내에서 역반사의 영향을 상쇄하면 특히 스캔 필드 내에서 레이저 펄스의 저에너지 단거리 반사를 감지할 때 검출기의 감도가 향상될 수 있다.

이제 도 16 및 도 17을 참조하면, 도 16은 수신 모듈(1600)의 측면도를 도시하고, 도 17은 수신 모듈(1600)의 평면도를 도시한다. 수신 모듈(1600)은 LiDAR 시스템(예컨대, 도 13의 수신 모듈(1330))에서 사용될 수 있는 수신 모듈의 일례이다. 수신 모듈(1600)은 IR 검출기(1610), 폴드 미러(1612), 이미징 광학 장치(1620), 대역통과 필터(1622), 스캐너(1628) 및 출구 광학 장치(1650)를 포함한다.

주사 미러 어셈블리(1630 및 1640)는 주사 미러 어셈블리(1430 및 1440)과 유사하거나 동일하며, 출구 광학 장치(1650)는 출구 광학 장치(1450)와 유사하거나 동일하다. 대역통과 필터(1422)는 레이저 광원(1410)에 의해 생성되는 광의 파장을 통과시키고, 다른 파장의 주변 광을 차단한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 레이저 광원은 905nm에서 광을 생성하고, 대역통과 필터(1622)는 905nm에서 광을 통과시킨다.

이미징 광학 장치(1620)는 폴드 미러(1612)에 의해 반사된 후 시야의 일부를 IR 검출기(1610)에 이미징한다. 스캐너(1628)는 스캐너(1428)와 동기적으로 스캔되기 때문에, 검출기(1610)는 항상 스캔된 펄스 빔에 의해 조명된 측정 지점으로부터 광을 수집한다.

도 18은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 통합 포토닉스 모듈의 사시도를 도시한다. 통합 포토닉스 모듈(1800)은 송신 모듈(1400)(도 14 및 15) 및 수신 모듈(16)(도 16 및 17)을 모두 포함한다. 통합 포토닉스 모듈(1800)은 송신 모듈(1400)과 수신 모듈(1600)이 나란히 배치된 직사각형 하우징을 갖는 것으로 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 송신 모듈(1400)과 수신 모듈(1600)은 서로 위에 하나씩 배치된다.

전술한 상세한 설명에서, 본 발명이 실시될 수 있는 구체적인 실시예를 예시적으로 보여주는 첨부된 도면을 참조하였다. 이러한 실시예들은 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되었다. 본 발명의 다양한 실시예들은 서로 다르지만, 반드시 상호 배타적인 것은 아니라는 점을 이해해야 한다. 예를 들어, 하나의 실시예와 관련하여 본 명세서에 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예 내에서 구현될 수 있다. 또한, 개시된 각 실시예 내에서 개별 소자의 위치 또는 배열은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변경될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 전술한 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안 되며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정의되고, 청구범위가 부여되는 전체 균등범위와 함께 적절하게 해석된다. 도면에서, 같은 숫자는 여러 도면에서 동일하거나 유사한 기능을 나타낸다.

본 발명은 특정 실시예와 함께 설명되었지만, 당업자가 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 수정 및 변형이 이루어질 수 있음을 당업자가 쉽게 이해할 수 있도록 이해되어야 한다. 이러한 수정 및 변형은 본 발명의 범위 및 첨부된 청구범위 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims

레이저 광 펄스를 생성하도록 구성된 레이저 광원;
광 어셈블리로서, 상기 레이저 광 펄스를 스캔 필드로 스캔하기 위한 광학 소자를 포함하는 상기 광 어셈블리; 및
제1 검출기를 포함하며,
상기 제1 검출기는,
상기 광 어셈블리를 통해 상기 스캔 필드 내의 물체로부터 레이저 상기 광 펄스의 반사를 수신하고, 상기 광 어셈블리 내의 상기 광학 소자로부터 상기 레이저 광 펄스의 역반사를 더 수신하도록 구성된 제1 센서;
상기 스캔 필드 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신하지 않으면서 상기 광 어셈블리 내에서 상기 레이저 광 펄스의 역반사를 수신하도록 구성된 제2 센서; 및
상기 제1 센서 및 상기 제2 센서에 결합된 감지 회로를 포함하고,
상기 감지 회로는 상기 스캔 필드 내의 물체로부터의 반사를 나타내는 출력 신호를 생성하기 위해 상기 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 센서는 제1 센서 시야를 가지며, 상기 제1 센서 시야는 상기 스캔 필드로 스캔된 상기 레이저 광 펄스와 광학적으로 정렬되고, 상기 제2 센서는 제2 센서 시야를 가지며, 상기 제2 센서 시야는 상기 스캔 필드로 스캔된 상기 레이저 광 펄스와 광학적으로 정렬되지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 센서의 상기 제1 센서 시야와 상기 제2 센서의 상기 제2 센서 시야는 1도 내지 3도 사이의 광학 정렬 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 센서는 상기 장치로부터 2 내지 6미터 사이의 작동 거리를 갖도록 광학부로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 광 어셈블리를 통해 상기 스캔 필드 내에서 상기 레이저 광 펄스의 반사를 수신하도록 구성된 단거리 센서를 더 포함하며, 광학부로 구성된 상기 단거리 센서는 상기 장치로부터 0.1 내지 2미터 사이의 작동 거리를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 제1 센서는 제1 실리콘 포토 멀티플라이어를 포함하고, 상기 제2 센서는 제2 실리콘 포토 멀티플라이어를 포함하며, 상기 단거리 센서는 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 센서는 제1 조리개 및 제1 광 파이프를 통해 상기 광 어셈블리에 광학적으로 결합되고, 상기 제2 센서는 제2 조리개 및 제2 광 파이프를 통해 상기 광 어셈블리에 광학적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 광 어셈블리의 상기 광학 소자는 적어도 하나의 주사 미러 및 적어도 하나의 확대렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 감지 회로는 상기 제1 센서의 출력을 상기 제2 센서의 출력으로부터 차감하기 위한 차감 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 감지 회로는 상기 제1 센서의 상기 출력으로부터 상기 제2 센서의 상기 출력의 상기 차감을 보정하기 위한 제1 보정 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 감지 회로는 상기 스캔 필드에서 물체의 검출을 위한 임계값을 보정하기 위한 제2 보정 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 검출기는 제3 센서를 더 포함하며, 상기 제3 센서는 상기 스캔 필드 내의 물체로부터 상당한 반사를 수신하지 않으면서 상기 광 어셈블리 내에서 상기 레이저 광 펄스의 역반사를 수신하도록 구성되고, 상기 감지 회로는 상기 제3 센서에 추가적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,
제2 검출기를 더 포함하며, 상기 제2 검출기는 상기 광 어셈블리의 상기 광학 소자와 분리되고 상기 광학 소자를 포함하지 않는 제2 광 어셈블리를 통해 상기 스캔 필드 내에서 상기 레이저 광 펄스의 상기 레이저 광 펄스의 반사를 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 스캔 필드의 깊이 측정 지점에서 물체까지의 거리를 측정하기 위해 상기 제1 검출기에 반응하는 비행 시간(TOF) 회로;
복수의 깊이 측정 지점에 대해, 상기 레이저 광원이 단거리 내의 물체를 감지하기 위해 제1 에너지 레벨에서 제1 레이저 광 펄스를 방출하도록 하고, 상기 단거리 내에 물체가 없다고 판단하는 것에 응답하여 상기 레이저 광원이 장거리 내의 물체를 감지하기 위해 총 제2 에너지 레벨을 갖는 적어도 하나의 제2 레이저 광 펄스를 방출하도록 하며, 상기 제1 에너지 레벨이 상기 총 제2 에너지 레벨보다 낮은 가상 보호 하우징 회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.