KR20240004554A - 광탐지 장치 및 탐지 방법 - Google Patents

광탐지 장치 및 탐지 방법 Download PDF

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KR20240004554A
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쉐조우 주
진 양
자오밍 정
준 타오
샤오칭 시앙
카이 선
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헤사이 테크놀로지 씨오., 엘티디.
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Abstract

광방출기 어레이(111), 광탐지기 어레이(121) 및 제어 모듈을 포함하는 광탐지 장치 및 탐지 방법. 광방출기 어레이(111)는 방출 신호를 출력하도록 구성되는 복수의 광방출기(1111)를 포함하고, 광탐지기 어레이(121)는 방출 신호가 장애물을 만난 후 반사된 에코 신호를 탐지하도록 구성되는 복수의 광탐지기(1211)를 포함하며, 여기서 광방출기 어레이(111) 및 광탐지기 어레이(121)는 복수의 탐지 채널을 구성하고, 각 탐지 채널은 적어도 하나의 광방출기(1111) 및 적어도 하나의 광탐지기(1211)를 포함한다. 방출 신호의 방출부터 해당 에코 신호의 탐지까지의 한 번의 신호 전송 과정에서, 제어 모듈은 기 설정된 복수의 광방출기(1111)를 선택하여 동시에 광을 방출하고, 동시에 광을 방출하는 복수의 광방출기(1111)의 시야가 탐지 거리 내에서 중첩되지 않도록 하여, 탐지 채널 간의 크로스 토크를 효과적으로 감소시킨다.

Description

광탐지 장치 및 탐지 방법
본 특허 출원은 2021년 4월 30일에 제출되고 출원 번호 202110489107.7이고 발명의 명칭이 "광탐지 장치 및 탐지 방법"인 중국 특허 출원에 대해 우선권을 주장하고, 동시에, 2021년 5월 31일에 제출되고 출원 번호 202110606696.2이고 발명의 명칭이 "광탐지 장치 및 탐지 방법"인 중국 특허 출원에 대해 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전체 사항은 본 출원에 참조로 삽입된다.
본 출원은 광학 거리 측정 기술분야에 관한 것으로, 특히 광탐지 장치 및 탐지 방법에 관한 것이다.
라이더(LiDAR)는 레이저 광을 출사하고 레이저 광이 대상물 표면에 도달한 후 돌아오는 에코 신호를 수신함으로써 외부를 탐지하는 장치이다. 따라서, 라이더는 광방출 모듈과 광탐지 모듈을 포함할 것이다.
현재, 라이더의 광방출 모듈은 복수의 레이저를 포함하는 레이저 어레이를 포함할 것이고, 이에 상응하여 광탐지 모듈은 복수의 광탐지기를 포함하는 광탐지기 어레이를 포함할 것이다. 적어도 하나의 레이저와 적어도 하나의 광탐지기 사이에는 탐지 채널이 형성되며, 각 탐지 채널은 각각 하나의 시야각이라고도 하는 시야(Field Of View, FOV)에 대응한다. 일반적으로 소위 다중 빔 라이더의 빔의 수는 바로 탐지 채널의 수에 대응한다.
그러나, 시스템 소형화 요구에 기반하여, 레이저 어레이와 광탐지기 어레이의 레이아웃 공간은 매우 제한되므로, 레이저의 레이아웃과 광탐지기의 레이아웃이 콤팩트하게 한다. 라이더가 스캔할 때, 각 레이저의 작동이 병행하면, 각 광탐지기의 작동도 병행하므로, 이와 같이 탐지 채널 간의 크로스 토크가 쉽게 발생할 것이다. 예를 들어, 어떤 탐지 채널 A는 탐지 채널 B의 시야에서 얻은 어떤 탐지 지점 C의 에코 신호를 수신하고, 이 탐지 지점 C는 탐지 채널 A의 시야 밖에 있을 수 있으므로, 이와 같이 탐지 결과(예: 포인트 클라우드 이미지)에서 C가 없었던 위치에 C가 나타나며, 이는 "고스팅" 현상이라고 한다.
일부 시분할 광방출 및 탐지를 통해 제어하더라도, 자율 주행과 같은 라이더의 적용 시나리오에서는 고주파수 및 고속으로 탐지해야 하기 때문에 크로스 토크의 영향을 효과적으로 감소시키는 것은 여전히 어렵다.
특히, 32빔 이상(예: 32빔, 64빔,128빔, 256빔 또는 더 이상 빔)의 라이더와 같은 빔의 수가 많은 라이더가 업계 주류 제품이라고 하는 발전 추세에서, 크로스 토크 문제는 제품 개발에 큰 장애물이 될 것이다.
상술한 기존 기술의 단점을 감안하여, 본 출원은 상기 기존 기술의 문제를 해결하는 광탐지 장치 및 탐지 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적 및 기타 관련 목적을 달성하기 위해, 본 출원의 제1 측면은, 방출 신호를 출력하도록 구성되는 복수의 광방출기를 포함하는 광방출기 어레이; 상기 방출 신호가 장애물을 만난 후 반사된 에코 신호를 탐지하도록 구성되는 복수의 광탐지기를 포함하는 광탐지기 어레이-여기서, 상기 광방출기 어레이 및 광탐지기 어레이는 복수의 탐지 채널을 구성하고, 각 탐지 채널은 적어도 하나의 광방출기 및 적어도 하나의 광탐지기를 포함함-; 및 방출 신호의 방출부터 해당 에코 신호의 탐지까지의 한 번의 신호 전송 과정에서 기 설정된 복수의 광방출기를 선택하여 동시에 광을 방출하고, 상기 동시에 광을 방출하는 복수의 광방출기의 시야가 탐지 거리 내에서 중첩되지 않도록 하는 제어 모듈;을 포함하는, 광탐지 장치를 제공한다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 상기 광방출기 어레이는 1차원 어레이 또는 2차원 어레이이며, 광방출기 어레이가 2차원 어레이일 때, 그의 2개 차원 방향으로의 크기 간의 비율은 3보다 크고 또는 5보다 크다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 상기 광방출기 어레이에서 활성화된 복수의 광방출기와 상기 광탐지기 어레이에서 활성화된 복수의 광탐지기의 사이에는 작동 상태에 있는 복수의 탐지 채널이 각각 형성되며, 상기 광방출기 어레이는 복수의 광방출기 뱅크를 포함하고, 및/또는 광탐지기 어레이는 복수의 광탐지기 뱅크를 포함하며, 상기 활성화된 복수의 광방출기는 각각 상이한 광방출기 뱅크에 속하고 및/또는 상기 활성화된 복수의 광탐지기는 각각 상이한 광탐지기 뱅크에 속한다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 각 광방출기 뱅크 중 각 광방출기 및/또는 각 광탐지기 뱅크 중 각 광탐지기는 여러 번의 신호 전송 과정에서 번갈아 활성화된다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 동일 광방출기 뱅크의 2개의 광방출기 사이에는 제1 격리 범위가 있고, 및/또는, 동일 신호 전송 과정에서 인접된 2개의 광탐지기 뱅크에서 활성화된 광탐지기 사이에는 제2 격리 범위가 형성된다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 각 광방출기 뱅크는 기 설정된 수의 광방출기를 포함하고, 상기 광방출기 뱅크의 복수의 광방출기는 적어도 하나의 칩에 통합된다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 상기 광방출기 뱅크의 복수의 광방출기는 적어도 하나의 선택부에 결합되고, 상기 선택부는 외부 신호에 따라 광방출기를 선택한다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 상기 광방출기 어레이는 서로 엇갈린 N열의 광방출기를 포함하고, 각 광방출기의 열은 제1 방향을 따라 연장되고, N＞1이며, 및/또는, 상기 광탐지기 어레이는 서로 엇갈린 M열의 광탐지기를 포함하고, 각 광탐지기의 열은 상기 제1 방향을 따라 연장되고, M＞1이다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 동일 신호 전송 과정에서, 각 탐지 채널에서 전송되는 광신호 간의 신호 특징은 완전히 동일하는 것이 아니다
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 상기 광탐지 장치는, 광탐지기에 의해 탐지된 에코 신호의 신호 특징이 해당 탐지 채널의 광방출기의 방출 신호의 신호 특징과 매칭되는지 여부를 판단하고, 매칭되는 경우 이 에코 신호를 해당 탐지 채널에 사용하여 대상물까지의 거리를 계산하는데 사용된다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 상기 광방출기에서 방출된 방출 신호는 하나 또는 복수의 펄스 신호를 포함하고, 상기 신호 특징의 차원은 파장, 펄스 폭, 펄스 수, 펄스 피크 및 펄스 간의 시간 간격 중 하나 또는 복수의 조합을 포함한다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 펄스 폭 차원 방향으로의 신호 특징은 복수의 펄스 간의 펄스 폭 비율을 기반으로 에코 신호의 신호 특징이 방출 신호의 신호 특징과 매칭되는지 여부를 판단하는 것을 포함한다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 신호 강도 차원 방향으로의 신호 특징은 복수의 펄스 간의 강도 비율을 기반으로 에코 신호의 신호 특징이 방출 신호의 신호 특징과 매칭되는지 여부를 판단하는 것을 포함한다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 동일 신호 전송 과정에서 작동하는 상이한 탐지 채널의 광방출기의 방출 신호 사이는 파장이 상이하고, 각 상기 작동하는 상이한 탐지 채널의 광탐지기의 앞 부분에는 필터부가 설치되고, 상기 필터부는 본 탐지 채널에 대응하는 파장의 에코 신호만을 통과시킨다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 제어 모듈은, 광방출기 어레이와 광수신기 어레이가 한 번의 신호 전송 과정에서 하나의 탐지 채널에 대해 연속적으로 여러 번 탐지하여 비행 시간 값을 획득하고, 여러 번 탐지된 비행 시간 값에 따라 비교하여 일치하면 상기 채널의 탐지 결과가 유효한 것으로 결정하고, 그렇지 않으면 탐지 결과를 폐기하도록 제어한다.
제1 측면에 따른 일부 실시예에서, 상기 광탐지 장치는 라이더를 포함한다.
상기 목적 및 기타 관련 목적을 달성하기 위해, 본 출원의 제2 측면은, 제1 측면 중 어느 한 항에 따른 광탐지 장치가 광탐지를 수행하는 방법에 있어서, 상기 광방출기 어레이에서 복수의 광방출기를 활성화시켜 방출 신호를 방출하는 단계; 및 상기 광탐지기 어레이에서 복수의 광탐지기를 활성화시키는 단계;를 포함하며, 상기 활성화된 복수의 광방출기와 활성화된 복수의 광탐지기 사이에는 작동 상태에 있는 복수의 탐지 채널이 각각 형성되며, 상기 활성화된 복수의 광방출기는 각각 상이한 광방출기 뱅크에 속하고 및/또는 상기 활성화된 복수의 광탐지기는 각각 상이한 광탐지기 뱅크에 속하는, 탐지 방법을 제공한다.
정리하면, 본 출원에 따른 광탐지 장치 및 탐지 방법에서, 상기 광탐지 장치의 광방출기 어레이와 광탐지기 어레이 사이에 복수의 탐지 채널이 구성되고, 각 탐지 채널은 적어도 하나의 광방출기 및 적어도 하나의 광탐지기를 포함하며, 일 실시예에서 하나의 탐지 채널은 하나의 광방출기와 하나의 광탐지기로 구성될 수 있고, 다른 실시예에서 하나의 탐지 채널은 하나의 광방출기와 복수의 광탐지기로 구성될 수 있으며, 또한, 다양한 탐지 채널의 구성은 동일 실시예에서도 사용될 수 있다. 방출 신호의 방출부터 해당 에코 신호의 탐지까지의 한 번의 신호 전송 과정에서 기 설정된 복수의 광방출기를 선택하여 동시에 광을 방출하고, 상기 동시에 광을 방출하는 복수의 광방출기의 시야가 탐지 거리 내에서 중첩되지 않도록 함으로써, 동시에 작동하는 탐지 채널 사이에는 충분한 공간이 있어 크로스 토크를 효과적으로 감소시킨다.
도 1 내지 도 3은 본 출원의 다양한 실시예에 따른 광탐지 장치에 의해 구현될 수 있는 라이더의 구조 개략도를 도시한다.
도 4A는 본 출원의 일 실시예에 따른 광방출기 어레이의 배열 구조를 정면에서 본 개략도를 도시한다.
도 4B는 도 4A의 좌측면의 부분 구조 개략도를 도시한다.
도 4C는 도 4A의 예시적인 구조에 따라 광방출기 뱅크를 나누는 구조 개략도를 도시한다.
도 4D는 도 4C의 나눔에 따른 각 광방출기 뱅크가 복수 탐지 채널에 의한 광 방출을 1회로 수행하는 개략도를 도시한다.
도 5A는 본 출원의 일 실시예에 따른 파장을 신호 특징으로 하는 탐지 원리의 개략도를 도시한다.
도 5B는 본 출원의 일 실시예에 따른 펄스 폭을 신호 특징으로 하는 파형 개략도를 도시한다.
도 5C는 본 출원의 일 실시예에 따른 펄스 간의 시간 간격을 신호 특징으로 하는 파형 개략도를 도시한다.
도 6은 본 출원의 일 실시예에 따른 광방출기 어레이의 구동 회로의 회로 구조 개략도를 도시한다.
도 7은 본 출원의 일 실시예에 따른 펄스 신호 수를 신호 특징으로 하는 구동 회로의 트리거 신호의 파형 개략도를 도시한다.
도 8A 내지 도 8D는 본 출원의 일 실시예에 따른 펄스 시간 간격을 신호 특징으로 하는 상이한 광방출기 뱅크의 트리거 신호의 파형 개략도를 도시한다.
도 9는 본 출원의 일 실시예에 따른 펄스 폭을 신호 특징으로 하는 하나의 탐지 채널의 트리거 신호의 파형 개략도를 도시한다.
이하에서는, 본 출원의 실시형태를 특정한 구체적인 예를 통해 설명하고, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자는 본 명세서에 개시된 내용으로부터 본 출원의 다른 장점 및 효과를 용이하게 이해할 수 있다. 본 출원은 또한 다른 구체적인 실시형태로 구현되거나 시스템에 적용될 수 있으며, 본 출원의 정신을 벗어나지 않는 범위에서 사이한 관점과 적용 시스템을 기반으로 본 명세서의 세부사항에 대한 다양한 수정 또는 변경이 이루어질 수 있다. 충돌이 없는 한 본 출원의 실시예 및 실시예에서의 특징은 서로 조합될 수 있음에 유의해야 한다.
이하에서는, 첨부한 도면을 참고하여 본 출원의 실시예에 대하여 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 출원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기서 설명된 실시예에 한정되지 않는다.
본 출원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여한다.
명세서 전체에 걸쳐, 어떤 부재가 다른 부재와 "연결"되어 있다고 설명할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부재가 어떤 구성요소를 "포함"한다고 설명할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어떤 부재가 다른 부재 "위에" 있다고 설명할 때, 이는 다른 부재 바로 위에 있을 수도 있고 그 사이에 다른 부재가 있을 수도 있다. 대조적으로 어떤 부재가 다른 부재 "바로 위에" 있다고 설명할 때, 그 사이에 다른 부재가 개입되지 않는다.
일부 실시예에서는 제1, 제2 등의 용어가 본 문서에서 다양한 소자를 설명하기 위해 사용되지만, 이러한 소자는 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안 된다. 이러한 용어는 한 소자를 다른 소자와 구별하는데만 사용된다. 예를 들어, 제1 인터페이스 및 제2 인터페이스와 같이 설명된다. 또한, 본 문서에서 사용된 단수형 "일", "하나" 및 "이"는 문맥상 달리 나타내지 않는 한 복수형도 포함하자는 것이다. "포함", "함유"이라는 용어는 설명된 특징, 단계, 동작, 소자, 구성요소, 항목, 종류 및/또는 뱅크의 존재를 의미하고, 그러나 하나 또는 복수의 다른 특징, 단계, 동작, 소자, 구성요소, 항목, 종류 및/또는 뱅크의 존재, 발생 또는 추가를 배제하지 않는 것을 추가로 이해해야 한다. 여기서 사용된 "또는" 및 "및/또는"이라는 용어는 포괄적인 것으로 해석되거나, 하나 또는 임의의 조합을 의미한다. 따라서 "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C"는 "A; B; C; A와 B; A와 C; B와 C; A, B와 C" 중 어느 하나를 의미한다. 이 정의에 대한 예외는 소자, 기능, 단계 또는 동작의 조합이 어떤 방식으로 본질적으로 상호 배타적인 경우에만 발생한다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이고, 본 출원을 한정하려는 의도가 아니다. 여기서 사용되는 단수 형태는 문맥상 이와 반대의 의미를 명백히 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 작업, 요소 및/또는 성분을 구체화하는 것이며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 작업, 요소 및/또는 성분의 존재나 추가를 제외하는 것이 아니다.
'아래', '위' 등 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에 도시된 하나의 부재가 다른 부재에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어는 도면에 나타낸 의미뿐만 아니라 사용 중인 장치의 다른 의미나 작업도 포함한다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집히면, 다른 부재 "아래"에 있었다고 설명된 어떤 부재는 다른 부재 "위"에 있다고 설명된다. 따라서, '아래'이라는 예시적인 용어는 위와 아래를 모두 다 포함한다. 장치는 90° 또는 다른 각도로 회전될 수 있으며, 상대적인 공간을 나타내는 용어는 이에 따라 해석되어야 한다.
다르게 정의하지 않았지만, 여기서 사용된 기술 용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술 문헌 및 현재 개시 내용과 일치한 의미를 갖는 것으로 추라로 해석되며, 정의하지 않는 한, 이상적이거나 아주 형식적인 의미로 과도하게 해석되어서는 안 된다.
상기와 같이, 광방출기 어레이와 광탐지기 어레이를 기반으로 하는 미세 통합화 수준의 지속적인 증가에 따라, 이를 탐지 작업에 사용하는 다중 빔 라이더가 탐지를 수행할 때 탐지 채널 간의 크로스 토크가 쉽게 발생할 수 있다. 시분할 활성화를 통해 크로스 토크를 감소시킬 수 있지만 빔의 수(32개보다 큰 빔수 )가 많은 라이더 수요에 기반하여 탐지 채널 간을 전환하여 작동하는 시간이 너무 짧아 크로스 토크를 효과적으로 감소시키기 어렵다.
이를 감안하여, 본 출원은, 광방출기 어레이 및 광수신기 어레이를 포함하는 광탐지 장치를 제공할 수 있으며, 어레이 내에서 멀리 떨어져 있는 광방출기 및/또는 광탐지기를 선택하고 동시에 활성화시킬 수 있어, 탐지 채널 간의 크로스 토크를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 탐지 채널을 순차적으로 직접 폴링할 수도 있다.
상기 광탐지 장치는 라이더로 구현될 수 있다. 더 선택적으로, 상기 라이더는 예를 들어, 회전 기구를 갖는 기계식 라이더일 수 있다. 또는, 회전 기구를 포함하지 않는 라이더일 수도 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 출원의 다양한 실시예에서 광탐지 장치에 의해 구현될 수 있는 라이더의 구조 개략도를 나열한다.
도 1은 일 실시예에서 라이더(10)의 구조 개략도를 도시한다.
본 예에서, 라이더(10)는 광방출 모듈(11) 및 광탐지 모듈(12)을 포함한다. 여기서, 광방출 모듈(11)은 광방출기 어레이(111)를 포함하고, 상기 광방출기 어레이(111)는 복수의 광방출기(1111)를 포함한다. 상기 광탐지 모듈(12)은 광탐지기 어레이(121)를 포함하고, 상기 광탐지기 어레이(121)는 복수의 광탐지기(1211)를 포함한다. 구체적인 예에서, 상기 광방출 모듈(11)은 광방출기 어레이(111)를 위한 구동 회로를 더 포함할 수 있고, 상기 광탐지 모듈(12)은 에코 신호를 처리하는 회로(예: 아날로그-디지털 변환기 등)를 더 포함될 수 있으며, 여기서는 방출 신호와 에코 신호의 신호 전송 과정만을 나타내야 하므로, 도면에는 도시 및 설명을 생략하기로 한다.
도 1에서, 각 광방출기(1111)는 방출 신호를 출력하고, 방출 렌즈(112)를 통과(예: 성형/시준 등)한 후 라이더(10)로부터 출사하며, 장애물(A)을 만난 후 반사되어 에코 신호를 형성하고, 에코 신호는 라이더(10)로 입사되어 수신 렌즈(122)를 통과(예: 성형/수렴)한 후 광탐지기 어레이(121)의 각 광탐지기(1211)에 의해 탐지된다. 도면에서 하나의 광방출기(1111)와 하나의 광탐지기(1211)가 하나의 탐지 채널을 형성하는 것을 개략적으로 도시한 것으로, 즉 하나의 광방출기의 방출 신호가 반사되어 형성된 에코 신호는 하나의 광탐지기(1211)에 의해 탐지되며, N쌍의 광방출기(1111)와 광탐지기(1211)가 있으면, N개의 탐지 채널이 대응하여 형성될 수 있고, 각 탐지 채널은 상이한 시야에 대응할 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 선택적으로, 탐지 채널 간의 시야는 중첩되거나 중첩되지 않을 수 있다.
물론, 이는 예시일 뿐이며, 다른 실시예에서는 탐지 채널을 형성하는 광방출기(1111)와 광탐지기(1211)의 수는 고정되지 않고, 적어도 하나의 광방출기(1111)와 적어도 하나의 광탐지기(1211) 사이에 탐지 채널이 형성될 수 있다. 하나의 탐지 채널에 속하는 광방출기(1111)와 광탐지기가 각각 활성화되어 작동할 때, 이 탐지 채널은 작동 상태가 되어 장애물(A)에 대한 탐지를 수행할 수 있다.
일부 실시예에서, 각 광방출기(1111)는 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, VCSEL) 또는 에지 광방출 레이저(Edge Emitting Laser, EEL)와 같은 레이저일 수 있다. 이에 대응하여, 각 광탐지기(1211)는 예를 들어, 어밸런치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode, APD) 또는 실리콘 광전자 증배관(Silicon PhotoMultiplier, SiPM) 등으로 구현될 수 있다. 여기서, 레이저에 구동 전류를 인가함으로써 레이저를 구동하여 광을 방출할 수 있으며, 어밸런치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode, APD) 또는 실리콘 광전자 증배관으로 구현된 광탐지기(1211)에 바이어스 전압(Vbias)을 인가함으로써 광탐지기(1211)를 활성화시켜 광 신호를 탐지할 수 있다.
도 1에 도시된 광경로는 단지 개략적인 표현일 뿐이며, 실제로 광탐지 장치 내부에서 신호를 방출하는 광경로와 에코 신호를 전송하는 광경로의 구조를 제한하지 않음에 유의해야 한다.
도 2는 본 출원의 다른 실시예에 따른 라이더의 구조 개략도를 도시한다.
도 2에는 라이더 내부 구조의 일부를 위에서 본 횡단면을 도시한다. 명확성을 위해, 도면에는 광탐지 장치의 하우징을 도시하지 않는다. 상기 횡단면은 광탐지 장치의 높이 방향에 수직인 평면일 수 있으며, 예를 들어 수평면 또는 기타 평면일 수 있다.
상기 라이더는 창(21), 광 방출측(22), 광 탐지측(23), 회전 부재(24), 방향 전환 부재(25), 방출 렌즈(26), 수신 렌즈(27) 등을 포함한다. 상기 라이더는 예를 들어, 도면에 개략적으로 도시된 바와 같이 설정된 전방을 향한 라이더일 수 있으며, 창(21)은 탐지를 수행하도록 전방을 향한다.
상기 광 방출측(22)은 광방출기 어레이(221)를 포함하고, 그 중의 광방출기는 방출 신호를 출력하는데 사용되며, 상기 광 수신측은 광탐지기 어레이(231)를 포함하고, 그 중의 광탐지기는 방출 신호의 에코 신호를 탐지하는데 사용된다.
광 방출측(22)으로부터의 방출 신호의 방출 및 에코 신호의 수신은 모두 창(21)를 통과할 것이다. 예시적으로, 상기 창(21)에는 평면 창(21)이 설치될 수 있다. 다른 실시예에서, 이 창(21)은 곡면 구조일 수도 있다.
상기 방출 렌즈(26)는 광 방출측(22) 앞에 배치될 수 있어 광 방출측(22)의 방출 신호를 시준하여 전송한다. 예시적으로, 상기 방출 렌즈(26)는 렌즈군일 수 있고, 또는 렌즈군의 광학적 효과와 동등한 평면 볼록렌즈일 수 있으며, 그의 볼록면은 광 방출측(22)을 향한다. 수신 렌즈(27)는 광 탐지측(23) 앞에 배치될 수 있어, 통과하는 에코 신호를 광 탐지측(23)으로 수렴시킨다. 예시적으로, 상기 수신 렌즈(27)는 렌즈군일 수 있고, 또는 렌즈군의 광학적 효과와 동등한 평면 볼록렌즈일 수 있으며, 그의 평면은 광 탐지측(23)을 향한다.
상기 회전 부재(24)는 제어에 의해 연속적으로 회전하며, 도 2에 도시된 예에서는 가로 평면에서의 1차원 회전(도면의 화살표로 개략적으로 표시된 반시계 방향)을 도시하며, 이로써 수평 시야(수직 시야 방향에 대해)에 대한 스캐닝을 수행할 수 있다. 상술한 예에서 광탐지 장치의 높이 방향과 일치한 수직 시야에 대한 스캐닝은 열로 배치된 광방출기에 의해 구현되고, 수평 시야에 대한 스캐닝은 회전 부재(24)의 세로 방향 1차원 회전에 의해 구현되는 것으로 도시되지만, 이에 한정되지는 않다는 것을 이해할 수 있다. 다른 구체적인 예에서, 광탐지 장치의 배치 각도를 변경할 수도 있으며, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이, 90도만큼 회전하여 회전 부재(24)의 1차원 회전에 의해 수직 시야를 스캐닝하는 것에 비해, "열"에서 "행"으로 변경된 광방출기가 수평 시야를 스캐낭하게 된다.
예시적으로, 상기 회전 부재(24)는 모터의 회전축 외측에 끼워 설치될 수 있어, 그의 회전축이 모터에 의해 구동되어 회전할 때 이에 따라 회전한다. 상기 회전 부재(24)는 방출 신호의 광경로와 에코 신호의 광경로에 사용되는 적어도 하나의 반사면을 포함한다. 상기 반사면이 하나만 있을 때, 방출 신호의 광경로와 에코 신호의 광경로는 이 반사 표면을 공유할 수 있으며, 반사면이 여러 개가 있을 때, 방출 신호의 광경로와 에코 신호의 광경로는 회전 부재(24)의 동일 반사면을 공유할 수도 있고, 또는 방출 광경로와 수신 광경로는 회전 부재(24)의 상이한 반사면을 사용할 수 있다. 도 2의 예에서, 상기 회전 부재(24)는 직육면체로 예시적으로 도시되며, 그 2개의 대향 수직 측면(241, 242)은 반사면일 수 있다. 회전 부재(24)가 도면에 도시된 위치와 같이 기 설정된 위치로 회전하면, 하나의 반사면(241)은 방출 신호를 편향시켜 창(21)을 만나고, 나아가 방출 신호는 창(21)을 통과하여 광탐지 장치의 외부로 방출하여 탐지를 수행하며, 방출된 신호가 장애물을 만나 에코 신호가 형성되면, 에코 신호는 창(21)을 통과하여 반사면(241)에 도달하고 반사면(241)에 의해 편향된 후 에코 신호의 광경로를 따라 광탐지기에 도달하게 된다.
상기 방향 전환 부재(25)는 방출 신호의 광경로와 에코 신호의 광경로에 위치하며, 방출 신호를 회전 부재(24)로 출력하도록 구성되고, 에코 신호가 통과하는 통과부가 형성되어 있다. 상기 방향 전환이란, 광학적 반사, 굴절, 통과 등 광신호에 대한 처리 방법을 통해 입력된 광신호의 방향을 변경하여 출력된 광신호의 전송 방향을 다시 결정할 수 있는 것을 의미한다. 도 2의 예에서, 상기 방향 전환 부재(25)는 하나의 반사면(251)을 가질 수 있는 거울로 구현될 수 있다. 방출 신호의 광경로에서, 상기 반사면(251)은 광 방출측(22)에서 방출된 방출 신호를 회전 부재(24)로 반사시키는데 사용되며, 회전 부재(24)가 도 2에 도시된 위치에 위치할 때, 그의 반사면(251)은 이 방출 신호를 수신하여 창(21)으로 편향시키고 나아가 외부로 방출할 수 있다.
도 2에서, 상기 통과부는 방향 전환 부재(25)의 양쪽에 위치한 공극(28)에 위치한 것으로 도시되고, 상기 공극(28)은 방향 전환 부재(25)와 광탐지 장치의 하우징 내벽 사이 또는 하우징 내부에 설치된 다른 부품(예: 브라켓 등) 사이에 형성될 수 있다. 도 2에 도시된 구조에서는, 에코 신호의 광경로에서 에코 신호는 회전 부재(24)의 일 반사면(1)에 의해 반사되어 상기 방향 전환 부재(25)로 전송되고, 방향 전환 부재(25) 양쪽에 위치한 공극(28)을 통과하여 광 탐지측(23)에 의해 수신된다.
도 2에서는 방출 신호와 에코 신호가 모두 창(21)과 회전 부재(24) 사이의 광경로 구간을 통과할 수 있으며, 다시 말하면, 방출 신호의 광경로와 에코 신호의 광경로는 상기 창(21)과 회전 부재(24) 사이에 중첩된다. 상기 중첩이란, 광경로가 동축이고, 즉 도면에서 M으로 도시된 바와 같이 2개의 광경로 구간이 일치한 광축을 갖는 것을 의미할 수 있다. 방출 신호와 에코 신호는 모두 광탐지 장치 내의 중첩된 광경로 구간을 통과하게 되며, 이러한 동축 광경로 구조는 근축 광경로(방출 신호의 광경로와 에코 신호의 광경로가 전혀 겹치지 않음) 구조로 인한 근거리 사각지대 문제를 피할 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 더욱이, 방향 전환 부재(25)의 반사면(251)의 반사 작용에 의해, 광축이 N인 광경로 구간에서도 방출 신호의 광경로와 에코 신호의 광경로는 중첩(동축)된다.
구체적으로, 상기 회전 부재(24)는 연속적으로 회전하여 상이한 시간에 방출 신호의 방출, 에코 신호의 수신을 수행할 수 있고, 또한 왕복 회전하여 상이한 시간에 방출 신호의 방출, 에코 신호의 수신을 수행할 수도 있다. 상기 회전 부재(24)의 회전 속도, 반사면의 수, 인접된 광방출기의 광방출 스위칭 속도가 라이더의 포인트 클라우드 탐지의 프레임 레이트에 영향을 미칠 수 있으므로, 다양한 요소를 조합해야 기 설정된 프레임 레이트의 탐지를 구현한다는 것을 이해할 수 있다. 탐지 프레임 레이트가 고정될 때, 반사면의 수가 많을수록 필요한 회전 속도가 작아질 수 있다. 이로부터 알 수 있듯이, 상기 회전 부재(24)의 회전 속도와 반사면의 수가 실제 탐지 요구에 따라 설정될 수 있다. 반사면의 수는 또한 회전 부재(24)의 구조에 관련되며, 적어도 2개일 수 있고, 예를 들어, 2개, 3개, 4개 또는 더 이상일 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 회전 부재(24)는 프리즘일 수 있다. 회전 부재(24)의 횡단면은 축대칭 또는 중심대칭일 수 있어, 균일한 시간의 광신호 송수신을 구현한다. 예를 들어, 도 2의 회전 부재(24)가 직사각형 횡단면을 갖는 프리즘인 경우를 예로 들면, 그 대향하는 2개의 표면은 반사면일 수 있다. 또는, 회전 부재(24)는 정사각형 횡단면을 갖는 프리즘이고, 그 4개의 측면은 모두 반사면일 수 있다.
도 3은 도 2의 회전 부재의 형상 변화에 대한 구조적 개략도를 도시한다. 도 3에 도시된 회전 부재(34)는 단면이 정삼각형인 프리즘으로서 그의 3개의 측면은 모두 반사면일 수 있으며, 회전 과정에서 3개의 반사면은 번갈아 지속적으로 광신호의 전달을 위해 사용될 수 있고, 광신호 전송에 사용되지 않는 면이 없다. 다른 예에서, 회전 부재는 위의 예에 제한되지 않고, 변이 더 많은 다각형인 횡단면을 갖는 프리즘으로 구현될 수도 있음에 유의해야 한다.
이상의 도 1 내지 도3은 독자가 본 출원의 방안이 적용 가능한 적용 시나리오를 이해할 수 있도록 하기 위해, 일부 라이더의 구조를 개략적으로 도시한 것일 뿐이며, 위에서 나열한 라이더에만 적용되는 것에 제한되지 않는다는 것을 이해할 수 있다. 이하에서는, 본 출원에 따른 탐지 채널 사이의 크로스 토크를 감소시키는 방안에 관련하여 상세히 설명하기로 한다.
광방출기의 열 사이가 엇갈린 구조를 명확하게 설명하기 위해, 도 4A 및 도 4B를 함께 참조한다.
도 4A는 본 출원의 실시예에 따른 광방출기 어레이의 배열 구조를 정면에서 본 개략도를 도시한다.
광방출기 어레이(41)는 회로 기판(PCB)(42) 상에 배치된다. 상기 광방출기 어레이(41)는 서로 엇갈린 N열의 광방출기를 포함할 수 있고, 각 광방출기의 열은 제1 방향을 따라 연장되어 제1 방향으로 시야에 대한 스캐닝을 이루며, N＞1이다. 예시적으로, 제1 방향으로의 시야는 광탐지 장치의 수직 시야일 수 있다. 선택적으로, 1열에서 연속적으로 인접된 광방출기의 시야 사이는 서로 중첩되지 않을 수 있다. 구체적으로, 광방출기의 한 열에서, 각 광방출기는 하나의 수직 시야에 대응하므로, 한 열에 있는 각 광방출기의 수직 시야의 조합은 이 광방출기 열의 수직 시야에 대응하고(광방출기 열의 시야는 같은 방식으로 얻음), 각 광방출기 열의 수직 시야의 조합은 광탐지 장치의 수직 시야에 대응한다. 광방출기의 수는 광탐지기의 수직 시야와 각 광방출기의 수직 시야에 의해 결정된다.
도 4B는 도 4A의 좌측면의 부분 구조 개략도를 도시한다. 좌측의 광방출기 열과 오른쪽의 인접된 광방출기 열 사이는 열 방향으로 정렬되지 않고 상기와 같이 엇갈리게 형성된다. 보다 구체적으로, 우측의 광방출기 열의 첫번째 광방출기(b1)는 a1보다 약간 낮지만, 왼쪽의 두번째 광방출기(a2)보다 약간 높다. 여기서, a1에 대응하는 수직 시야각의 절대값은 광방출기 b1에 대응하는 수직 시야각의 절대값보다 크고 a2에 대응하는 수직 시야각의 절대값보다 크다. 예를 들어, 라이더의 수직 시야는 +30°~-30°(수평 방향이 0, 위쪽 기울기가 양수 값, 아래쪽 기울기가 음수 값으로 함)이며 라이더의 수직 각도 해상도가 0.2°라고 가정하면, a1에서 방출된 광은 렌즈(군)에 의해 조정된 후 -30°로 방출하고, 즉, a1은 -30°의 수직 시야에 대응하고, b1은 -29.8°의 수직 시야에 대응하고, a2는 -29.6°의 수직 시야에 대응한다. a1, b1, a2의 수직 시야각의 절대값은 각각 30°>29.8°>29.6°이다. 소위 엇갈리게 하는 것은, 제1 방향(예: 수직 방향)에서 각 레이저의 시야의 적어도 일부가 중첩되지 않는 것으로 이해될 수도 있다.
도 4b로부터 볼 수 있듯이, 측면에서 볼 때, b1이 열 방향으로 a1과 a2 사이의 공극을 채워줌으로써 열 방향의 광방출기 분포가 더 조밀해져서 광탐지 장치의 수직 해상도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 도 4A의 광방출기 어레이에서는 열 방향(수직 시야에 대응함)의 모든 광방출기의 수직 시야는 거의 겹치지 않고, 그리고 접합 후 광탐지 장치의 수직 시야를 구성하며, 이러한 배열은 수직 방향의 1차원 배열(1D solid-state)로 간주될 수 있다. 마찬가지로, 다른 실시예에서, 인접된 광방출기의 행은 또한 행 방향으로 엇갈리게 배열될 수도 있으며, 여기서 더 이상 설명하지 않을 것이다.
한편으로, 도 4A에 도시된 선형 어레이로 배열된 광방출기 어레이(41)는 예를 들어, 정사각형 어레이에 비해 광방출기의 수를 줄이고 비용을 절감한다. 다른 한편으로, 선형 어레이에서 인접된 광방출기의 열 사이가 엇갈린 구조는 정렬된 다열의 레이저에 비해 크기가 작지만 구현된 해상도가 높다.
전술한 실시예에서 설명된 바와 같이, 광방출기 어레이(41)와 광탐지기 어레이 사이에는 복수의 탐지 채널이 형성되며, 한 번의 광신호 방출 및 수신 과정에서, 광방출기 어레이(41)에 포함된 복수의 광방출기는 활성화되어 광을 방출하고, 광탐지기 어레이에서 복수의 광탐지기는 활성화되어 탐지를 수행하며, 이들은 복수의 탐지 채널을 구성한다. 이 과정에서, 함께 작동하는 탐지 채널 사이에서 크로스 토크가 형성할 수 있다.
탐지 채널 사이의 크로스 토크를 감소시키기 위해, 일부 실시예에서, 각 광방출기의 행 또는 열을 복수의 광방출기 뱅크(Bank)로 나눌 수 있고, 각 광방출기 뱅크는 복수의 광방출기를 포함하고, 각각 복수의 탐지 채널에 대응한다. 한 번의 신호 전송 과정에서, 광방출기 어레이(41)가 작동할 때, 각 광방출기 뱅크에서 광방출기를 각각 선택하여 광을 방출하고, 이로써 동일 뱅크의 여러 광방출기가 동시에 작동하는 상황을 피한다. 이와 같이, 동일 신호 전송 과정에서 활성화된 상이한 탐지 채널의 광방출기 사이에 충분한 격리 공간이 있도록 확보할 수 있고, 즉 활성화된 2개의 광방출기 사이에 있는 비활성화된 광방출기가 차지하는 공간을 확보하여 크로스 토크를 감소시킨다. 마찬가지로, 광탐지기 어레이의 경우도 복수의 광탐지기 뱅크로 나눌 수 있으며, 한 번의 신호 전송 과정에서 상이한 광탐지기 뱅크에서 광탐지기를 각각 선택하여 활성화시키면, 동일 신호 전송 과정에서 활성화되어 작동하는 상이한 탐지 채널의 광탐지기 사이에 간격 공극이 형성될 수도 있어, 크로스 토크를 감소시킨다.
선택적으로, 상기와 같이 광방출기 어레이(41)를 뱅크화하고 그리고 동일 신호 전송 과정에서 활성화될 광방출기를 각각 선택하는 것, 및 광탐지기 어레이를 뱅크화하고 그리고 동일 신호 전송 과정에서 활성화될 광방출기를 각각 선택하는 것은 하나를 선택하거나 또는 양자 다 수행할 수 있다. 양자 다 수행될 때, 한 번의 신호 전송 과정에서 함께 작동하는 복수의 탐지 채널(특히 인접된 탐지 채널) 간의 크로스 토크를 보다 효과적으로 감소시킬 수 있다.
광탐지 장치에는 제어 모듈(예: FPGA, SoC 또는 기타 ASIC 구현)이 포함되고, 이는 광방출기 어레이의 각 광방출기의 광방출을 제어하는데 사용될 수 있다. 상기와 같이 상기 광방출기 어레이(41)를 뱅크화하는 방식은 실제로 제어 모듈을 통해 동시에(본문에서는 "함께"라고도 함) 광을 방출하도록 기 설정된 복수의 광방출기를 선택하여 제어하고, 동시에 광을 방출하는 상기 소정의 복수 광방출기의 시야 사이의 중첩을 제거하며, 이로써 광탐지 장치의 탐지 거리 내에서 동시에 광을 방출하는 상기 소정의 복수의 광방출기의 시야 사이가 중첩되지 않도록 구현할 수 있다는 것은, 본 출원이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다.
일부 실시예에서, 상기 광방출기 뱅크의 복수의 광방출기는 반도체 공정을 통해 적어도 하나의 칩에 통합될 수 있다. 예를 들어, 상기 광방출기가 레이저이면, 상기 칩은 레이저 칩이다. 하나의 칩에 복수의 광방출기를 통합함으로써 단일 광방출기의 별도 패키징으로 인해 발생한 광방출기 사이의 큰 간격 문제를 피할 수 있으므로, 고도로 통합된 광방출기 어레이 및 해당 광방출기 뱅크를 구현할 수 있으며, 이로써 광탐지 장치의 부피를 줄이고 라이더의 빔 밀도를 향상시키는데 유리하다.
다른 일부 실시예에서, 광방출기 전체는 반도체 공정을 통해 하나의 칩에 통합될 수 있고, 회로 연결을 통해 광방출기를 뱅크화하고 그리고 광 방출 순서를 제어함으로써 비용을 더욱 절감하고 처리 효율을 향상시킬 수 있다.
설명을 단순화하기 위해, 이하에서는 도면을 참조하여 광방출기 어레이(41)를 광방출기 뱅크로 나누는 경우만에 대해 예를 들어 설명하기로 한다. 도 4C에 도시된 바와 같이, 도 4A의 예시적인 구조에 따라 광방출기 뱅크로 나누는 구조 개략도를 도시한다. 본 예시에서는, 열 방향으로 연속적으로 배열된 8개의 광방출기를 하나의 단위로 하고, 한 열의 2개 단위, 즉 16개의 광방출기가 하나의 광방출기 뱅크가 되어 총 8개의 광방출기 뱅크, 즉 Bank0~Bank7을 형성한다. 도 4D에 도시된 바와 같이, 한 번의 광신호 방출 및 수신 과정에서, 각 Bank에서 하나의 광방출기를 선택하여 활성화시킬 수 있으며, 그러면, 한 번의 신호 전송 과정에서 8개의 광방출기가 동시에 광을 방출하고, 이는 도면에서 다른 사각형과 상이한 검은 색 사각형으로 표시되어 있다.
광방출기를 뱅크화하고 각각 광방출기를 선택하여 광을 방출한다는 것을 알 수 있다. 각 광방출기 뱅크에 포함된 광방출기의 수가 많을수록 활성화된 광방출기 사이의 격리 공간은 커진다.
도 4C에서 광방출기 뱅크를 나누는 방법은 단지 예시일 뿐이고 유일한 것이 아님에 유의해야 한다. 예를 들어, 도면에서 열 방향으로 연속적으로 배열된 8개의 광방출기 중 한 단위를 한 Bank로 하거나, 또는 한 열의 3개 이상 단위를 한 Bank로 하거나, 또는 상이한 행, 상이한 위치에 이산적으로 배열된 수가 미확정된 광방출기를 한 Bank로 할 수 있으며, 예시에 의해 제한되는 것이 아니다.
예시적으로, 인접된 광방출기의 행 사이 또는 광방출기 열의 광방출기 뱅크 사이는 연장 방향으로 엇갈리게 배열될 수도 있다. 예를 들어, 도면에서 한 단위를 한 Bank로 하는 경우, 인접된 열의 Bank가 열 방향으로 간격을 두고 엇갈리게 배열되어 있다는 것을 알 수 있다. 분해도를 높이는 목적에 있어서, 이 예는 인접된 광방출기의 열이나 행에 있는 광방출기 사이가 엇갈리게 배열되는 상술한 예와 유사하다.
일부 예에서, 각 광방출기 뱅크 중 각 광방출기 및/또는 각 광탐지기 뱅크 중 각 광탐지기가 활성화된 신호 전송 과정은 상이하며, 다시 말하면, 한 번의 신호 전송 과정에서 각 광방출기 뱅크 중 하나의 광방출기만이 활성화되고, 및/또는 한 번의 신호 전송 과정에서 각 광탐지기 뱅크 중 하나의 광탐지기만이 활성화된다. 구체적인 예를 들어, 한 번의 신호 전송 과정에서는, Bank0 중 a1이 활성화되고, Bank1 중 b1이 활성화되고, 다른 Bank에서 하나의 광방출기를 각각 선택하여 활성화시키며, 다음 신호 전송 과정에서는, Bank0 중 a2가 활성화되고, Bank1 중 b3이 활성화되고, 다른 Bank에서다른 하나의 광방출기를 각각 선택하여 활성화시키는 것이다. 이러한 방식으로 유추하면, 각 Bank 중 광방출기가 모두 활성화된 적이 있을 때까지 수행한 후, 다시 한번 번갈아 활성화시킨다. 이와 같이, a1과 a2는 한 번의 신호 전송 과정에서 함께 광을 방출하지 않게 되며, b1과 b3도 마찬가지다.
마찬가지로, 각 광탐지기 뱅크의 각 광탐지기는 또한 상이한 신호 전송 과정에서 번갈아 활성화될 수도 있다. 예를 들어, 광탐지기 뱅크 Bank9 중 광탐지기 i2와 a1 사이는 대응하여 하나의 탐지 채널을 구성하고, i1과 a2는 하나의 탐지 채널을 구성하며, Bank10 중 j1과 b1은 하나의 탐지 채널을 구성하고, j2와 b2는 하나의 탐지 채널을 구성한다. 한 번의 신호 전송 과정에서, a1과 b1이 활성화되면, i2와 j1도 활성화되는 식으로 유추하면 된다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 8개의 Bank가 도시되며, 각 Bank에는 16개의 광방출기가 있고 총 128개의 광방출기가 있다. 하나의 광방출기와 하나의 광탐지기가 하나의 탐지 채널을 구성하면, 총 128개의 탐지 채널이 있고, 즉 "128 라인"이 된다. 각 신호 전송 과정에서, 128개의 탐지 채널 중 8개가 함께 작동하며, 모든 탐지 채널은 16회의 신호 전송 과정을 거쳐 모두 순회된다. 각 광방출기는 예를 들어 VCSEL 레이저를 사용할 수 있으며, 이는 라이더의 수직 시야가 25°에 도달하는 경우, 약 0.2°의 매우 높은 수직 해상도를 구현할 수 있다.
도 4A, 도 4B 및 도 4C에 도시된 광방출기 어레이는 선형 어레이 형태이다. 열 방향, 행 방향의 광방출기의 수는 열 방향, 행 방향으로의 크기에 대응하며, 도면에는 광방출기 어레이의 열 방향으로의 크기가 행 방향으로의 크기보다 현저히 큰 것, 즉 열 방향으로의 크기와 행 방향으로의 크기의 비율은 3배 또는 5배 이상인 것을 예시적으로 도시한다. 마찬가지로, 다른 예에서 행 방향의 광방출기 어레이는 행 방향으로의 크기가 열 방향으로의 크기보다 훨씬 클 수도 있다는 것을 본 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자가 잘 이해할 수 있다. 다시 말하면, 광방출기 어레이가 2차원 어레이일 때, 그의 2개 차원 방향으로의 크기는 현저히 상이하고, 2개 차원에서의 크기 간의 비율은 3보다 크고 또는 5보다 크다. 상기 차원 방향으로의 크기의 길음은 광방출기 수의 다소에 대응하고, 또한 해당 차원 방향으로의 시야각 크기 및 해상도와 관련이 있으며, 시야각 및 해상도 수요에 따라 상이한 차원 방향으로의 크기를 선택할 수 있다. 위에서 설정된 크기 비율은 2차원 광방출기 어레이뿐만 아니라 1차원 광방출기 어레이에도 적용될 수 있고, 차이점은 2차원 광방출기 어레이의 크기 비율이 N:M일 수 있고 1차원 광방출기 어레이의 크기 비율이 N:1이다는 것을 이해할 수 있다.
구체적인 적용 시나리오에서, 광탐지 장치는 주행 캐리어(예: 차량)에 적용되는 라이더로 구현될 수 있다. 일반적으로, 라이더 분야에서는 한 번의 탐지마다 하나의 탐지 결과(예: 하나의 포인트 클라우드 이미지)가 얻어지며, 이 포인트 클라우드 이미지는 수평 및 수직 시야 전체를 포괄한다.
예를 들어, 도로 주행 시나리오에서, 장애물은 도로 위의 사람이나 차량일 수 있으며, 이들은 무인 운전에 매우 중요한 것이다. 라이더의 각 탐지 채널에서, 중간의 탐지 채널의 시야는 도로 위의 사람이나 차량을 더 많이 커버할 것이고, 탐지 채널이 가장자리에 가까울수록 상기 도로의 장애물로부터 멀어진다. 광방출기 어레이의 중간 영역에 있는 광방출기는 상기 중간 탐지 채널에 속하고, 광방출기 어레이의 가장자리 영역에 있는 광방출기는 가장자리 탐지 채널에 속한다는 것을 이해할 수 있다.
근거리 장애물에 대한 탐지 효과를 높이기 위해, 라이더는 한 번의 탐지(예: 수평 시야각에 대응하는 탐지)에서 원거리(예: 150m) 측정 외에도 근거지(예: 3m) 측정을 위한 광을 추가로 방출할 수도 있고, 원거리 측정 및 근거리 측정의 결과를 병합하여 탐지 결과를 얻는다. 구체적인 예에서, 근거리 측정 동작과 원거리 측정 동작은 각각 상이한 비행 시간 창을 통해 구현될 수 있으며, 비행 시간 창은 하나의 비행 시간 범위를 의미하고, 그의 계산 방법은 t=2×d/c와 같은데, 여기서 t는 광방출기가 방출 신호를 방출할 때부터 에코 신호를 수신할 때까지의 비행 시간이고, d는 장애물까지의 거리이고, c는 광속이며, 2배의 d는 방출 신호와 에코 신호의 왕복 거리를 나타낸다. 예를 들어, 150m 거리에 있는 물체를 탐지하려면, 150m 거리에서 가능한 기 설정된 비행 시간 범위 내에서 얻은 에코 신호만 수신하도록 제한하고, 상기 기 설정된 시간보다 높거나 낮은 에코 신호는 제외된다.
일 실시예에서, 원거리 측정 및 근거리 측정의 거리는 상보적이고, 예를 들어, 원거리 측정의 거리는 3m 이외로 설정하고, 근거리 측정의 거리는 3m 이내로 설정한다. 다른 실시예에서, 원거리 측정과 근거리 측정의 거리는 작은 부분의 중첩을 가질 수 있고, 예를 들어, 원거리 측정은 3m 이외로, 근거리 측정은 5m 이내로 설계되고, 원거리 측정과 근거리 측정 사이는 2m로 중첩된 탐지 거리가 있다.
가능한 예에서, 원거리 측정 동작에 대응하는 거리는 100m~150m, 또는 150m~200m, 또는 200m~250m일 수 있고, 근거리 측정 동작에 대응하는 거리는 3m~5m, 5m~10m 등일 수 있다. 상이한 광방출기에서 방출된 레이저 광은 상이한 각도로 방출되기 때문에, 원거리의 경우, 상이한 방출 레이저 빔 사이의 거리가 더 커지므로 원거리 측정 동작 시 포인트 클라우드의 밀도를 보장하려면 밀도가 더 높은 광방출기를 사용해야 한다. 근거리 측정 시, 광방출기의 밀도와 수를 대응하게 감소시킬 수 있다.
가능한 예에서, 근거리 측정 동작과 원거리 측정 동작 사이에 부분적으로 또는 완전히 중복되는 탐지 채널이 사용될 수 있고, 예를 들어, 광방출기 어레이에서 제1 방향으로 중간 영역에 있는 광방출기는 250m의 원거리 측정 및 3m의 근거리 측정에 사용한다. 원거리 측정을 기본으로 하고 근거리 측정을 보조로 하는 경우, 매번의 탐지에서 동작 빈도, 탐지 채널의 자원을 원거리 측정 동작에 더 많이 투입할 수 있고, 예를 들어, 원거리 측정 동작 4번마다 한 번의 근거리 동작이 수행된다.
가능한 예에서, 근거리 측정의 경우, 사용된 광방출기의 수가 적고, 해당 탐지 채널의 수도 대응하여 감소된다. 예를 들어, 근거리 측정을 위해서는 8 Bank 중 중앙 영역에 가까운 채널만 선택하도록 제한되는 경우, 128보다 작은 부분, 예를 들어 40개의 광방출기를 선택할 수 있으며, 각 광방출기가 하나의 탐지 채널에 대응하면, 40개의 탐지 채널을 구성하고, 40개의 탐지 채널은 차례로 폴링되어 근거리 측정을 수행한다. 선택적으로, 근거리 측정 동작과 원거리 측정 동작은 채널에 대한 폴링 방식에도 차이가 있다. 예를 들어, 각 원거리 측정 동작의 한 번의 신호 전송 과정에서, 중간 영역의 복수 Bank(예: 도 4D의 Bank2, 3, 4 및 5) 중 하나의 채널의 광방출기를 선택하여 함께 작동시키며, 각 근거리 측정 동작의 한 번의 신호 전송 과정에서, 중앙 영역의 여러 Bank에서 하나의 Bank의 한 채널만 선택하여 작동시킨다.
가능한 예에서, 상기 원거리 측정 동작에 대응하는 탐지 거리는 150m, 250m 등 다양한 거리가 있다. 활성화된 광방출기의 위치가 광방출기 어레이의 중심에 가까울수록 해당 예상 탐지 거리가 길어지고, 즉, 예상된 탐지 시간 창은 더 커진다. 예를 들어, 도 4C에서, 수직 방향으로 중앙 영역에서 중앙에 가까운 광방출기는 250m의 거리 측정 시간 창(창 t=2×d/c)을 제공하고, 최대 250m까지 탐지할 것으로 예상되며, 반대쪽 가장자리에 있는 광방출기는 150m의 거리 측정 시간 창을 제공하고 최대 150m까지 탐지할 것으로 예상된다.
상술한 광방출기에 대한 활성화 방식은 단지 일부 예일 뿐이고 구현 가능성을 제한하지 않는다. 예를 들어, 다른 예에서, 하나의 수직 시야에 대응하는 복수의 광방출기(예를 들어, 동일 행에 있음)가 배치될 수 있고, 그러나 상기 복수의 광방출기 유닛은 동시에 광을 방출하지 않고(예를 들어, 폴링에 의한 광 방출), 이로써 각각의 수명과 신뢰성을 높일 수 있다.
일부 실시예에서, 광방출기 어레이 및 해당 구동 회로의 구동 방식을 구성함으로써, 그 중에서 각각의 광방출기를 개별적으로 제어하도록 할 수 있으며, 이로써 각 광방출기가 폴링되어 광을 방출하거나, 함께 광을 방출하거나, 임의의 다른 조합으로 광을 방출하도록 선택할 수 있다. 예를 들어, 광방출기 어레이 중 각 광방출기는 임의의 순서, 간격, 신호 특징(예: 파장, 펄스 폭, 펄스 수, 펄스 피크 및 펄스 사이의 시간 간격 중 하나 또는 복수의 조합)에 따라 폴링될 수 있어 유연한 전자 스캐닝(e-scanning)을 구현할 수 있다.
일부 실시예에서, 탐지 채널 간의 크로스 토크를 감소시키기 위해, 동일 신호 전송 과정에서 작동되는 각 탐지 채널에서 전송되는 광신호 간의 신호 특징은 완전히 동일하는 것이 아나다. 여기서, 각 탐지 채널에서 전송되는 광신호는 방출 신호 및 해당 에코 신호를 포함한다. 광탐지 장치에는 제어 모듈(예: FPGA, SoC 또는 기타 ASIC 구현)을 더 포함할 수 있고, 이는 신호 특징에 따라 신호가 속하는 탐지 채널을 판단하는데 사용될 수 있다.
구체적으로, 광탐지기는 수신된 광 신호를 전기 신호로 변환하고, 일정한 신호 처리(예: 필터링, 아날로그-디지털 변환 등)를 거쳐 제어 모듈로 전달할 수 있으며, 제어 모듈은 에코 신호의 신호 특징이 해당 탐지 채널의 광방출기의 방출 신호의 신호 특징과 매칭되는지 여부를 판단할 수 있고, 그리고 매칭될 때 이 에코 신호를 해당 탐지 채널에 사용하여 대상물까지의 거리 등과 같은 탐지 결과를 계산할 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 제어 모듈은, 예를 들어, MCU(Micro Control Unit), FPGA(Programmable Gate Array), 또는 SoC(System on a Chip) 등을 통해 구현될 수 있다.
일부 예에서, 각 광방출기는 구동 회로로부터의 구동 신호에 의해 활성화되고, 상기 구동 신호는 광방출기의 구동 회로에 의해 생성될 수 있다. 선택적으로, 상기 구동 신호는 하나 또는 복수의 펄스 전기 신호(예: 주기적인 펄스 신호)를 포함할 수 있고, 그러면, 상기 광방출기의 방출 신호도 이에 대응하여 하나 또는 복수의 펄스 광 신호를 포함한다. 해당 예에서, 상기 신호 특징의 차원은 파장, 펄스 폭, 펄스 수, 펄스 피크 및 펄스 간의 시간 간격 중 하나 또는 복수의 조합을 포함할 수 있다.
선택적으로, 동일 Bank 내의 광방출기가 동일 신호 전송 과정에서 광을 방출하지 않을 수 있다는 예를 기반으로, 계산을 단순화하기 위해, 동일 Bank 내의 광방출기의 신호 특징을 동일하게 설정할 수 있으며, 이로써 각 Bank가 고유하고 상이한 신호 특징을 갖고 있다.
다양한 차원의 신호 특징의 원리를, 예를 통해 설명하기로 한다.
파장을 신호 특성으로 사용하는 예에서, 각 광방출기 뱅크에서 방출된 신호의 파장은 완전히 동일하는 것이 아니며, 더욱이, 동일 신호 전송 과정에서 작동하는 광방출기에서 방출된 신호의 광파장은 상이하다. 예로는, Bank0, Bank1, Bank2, Bank3은 동일 신호 전송 과정에서 각각 신호를 방출하기 위한 광방출기 하나가 있으며, Bank0은 파장 λ0의 광 신호를 방출하는 광방출기로 설정하고, Bank1~Bank3은 각각 파장 λ1 ~ λ3의 광 신호를 방출하는 광방출기로 대응하게 설정하며, λ0≠λ1≠λ2≠λ3이다. 이를 통해, 각 신호 전송 과정에서는 4개의 Bank에서 각각 하나의 광방출기를 선택하여 광 신호를 방출하며, 어느 하나의 신호 전송 과정에서 함께 신호를 방출하는 4개의 광방출기가 방출하는 신호는 파장이 모두 상이하다.
더욱이, 광탐지기 어레이에는 광방출기 뱅크에 대응하는 광탐지기 뱅크가 제공되고, 각 광탐지기 뱅크의 각 광탐지기의 광경로 상류에는 필터부가 설치될 수 있으며, 각 상기 필터부는 본 탐지 채널에 대응하는 파장의 에코 신호만 통과하도록 구성될 수 있고, 이로써 다른 탐지 채널의 에코 신호 및 주변광 간섭을 필터링한다.
다른 예로서, 도 5A에 도시된 바와 같이, 광방출기 어레이가 n개의 광방출기 뱅크로 나누어져 있다고 가정한다. 각 광방출기 뱅크에서 전송된 신호의 광파장은 상이하며, 각각 λ1~λn이다. 이를 통해, 광방출기 어레이는 최대 n개의 방출 신호를 함께 방출하는데 적합한다. n개의 광방출기 뱅크 중 임의 복수의 광방출기 뱅크에서 광방출기를 선택하여 활성화시킬 때, 함께 방출하는 복수의 광방출기는 상이한 파장의 신호광 빔을 방출할 수 있다. n개의 광방출기 뱅크를 선택하여 함께 활성화시킬 때, 한 번의 광신호 방출 및 수신 과정에서, 각 광방출기 뱅크는 각각 하나의 광방출기를 선택하여 신호를 방출하고 탐지하며, 방출된 신호의 빔은 방출 렌즈를 통과하여 방출되고, 대상물의 반사에 의해 에코 신호가 형성된다. 각 에코 신호의 파장도 λ1~λn이고 해당 입사된 방출 신호와 동일하며, n개의 에코 신호는 창을 통과하여 광탐지 장치로 되돌아가고, 수신 렌즈를 통과하여 광탐지기 어레이로 전송된다. 광탐지기 어레이에서, n개의 광방출기 뱅크에 대응하여 n개의 광탐지기 뱅크가 제공될 수 있고, 각 광탐지기 뱅크의 각 광탐지기의 앞에는 필터부가 설치될 수 있으며, 각 상기 필터부는 본 탐지 채널에 대응하는 파장의 에코 신호만 통과시키도록 구성될 수 있으며, 한 번의 광신호 전송 과정에서, 하나의 광탐지기 뱅크에서 하나의 광탐지기를 선택하여 활성화시킴으로써, n개의 에코 신호가 n개의 광탐지기에 의해 각각 탐지되고 다른 파장의 에코 신호가 탐지되지 않도록 하여 간섭을 감소시킨다.
펄스 폭을 신호 특징으로 사용하는 예에서, 각 방출 신호는 복수의 펄스를 포함할 수 있으며, 이러한 펄스 폭의 비율은 다음과 같이 2:3:1:...과 같이 상이하게 구성될 수 있고, 이를 방출 신호의 신호 특징(인코딩하여 신호 특징 코드를 얻을 수 있음)으로 한다. 동일 신호 전송 과정에서 함께 작동하는 상이한 탐지 채널의 방출 신호는 펄스 폭의 비율이 상이하다. 예로는, 상이한 Bank의 펄스 폭 비율을 통해 구현할 수 있고, 예를 들어, 도 5b에 도시된 바와 같이, Bank0의 각 광방출기의 방출 신호에 포함된 복수의 연속 펄스는 1:2:1:...의 펄스 폭 비율을 사용하고, Bank1의 각 광방출기의 방출 신호에 포함된 복수의 펄스는 1:2:3:...의 펄스 폭 비율을 사용하며, 다른 각 Bank의 펄스 폭 비율도 모두 상이하다. 그러면, 동일 신호 전송 과정에서, 상이한 Bank에서 선택된 광방출기로부터의 방출 신호의 펄스 폭 비율은 서로 상이하므로, 이들에 의해 각각 생성된 에코 신호의 펄스 폭 비율도 상이하다. 에코 신호의 펄스 폭 비율이 본 탐지 채널의 방출 신호의 펄스 폭 비율과 동일한지 여부를 판단함으로써, 이 에코 신호가 탐지 채널의 에코에 속하는지 여부를 판단할 수 있다. 에코 신호의 펄스 폭 비율이 본 탐지 채널에서 전송된 신호의 펄스 폭 비율과 상이할 때, 이를 간섭 신호로서 필터링한다. 이로써, 상이한 펄스 폭을 신호 특징으로 함으로써 상이한 탐지 채널의 에코 신호의 소속을 구별한다.
펄스 간의 시간 간격을 신호 특징으로 사용하는 예에서, 동일 신호 전송 과정에서 함께 작동하는 상이한 탐지 채널의 방출 신호는 펄스 간의 시간 간격이 상이하다. 예로는, 상이한 Bank의 방출 신호의 펄스 간의 시간 간격의 비율을 상이하게 함으로써 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 5c에 도시된 바와 같이, Bank0의 광방출기의 방출 신호에 포함된 복수의 연속 펄스의 펄스 시간 간격 비율은 2:3:1:...이고, Bank1의 광방출기의 방출 신호에 포함된 복수의 연속 펄스의 펄스 시간 간격 비율은 2:2:3이다. 이로써, 각각 생성된 에코 신호의 펄스 시간 간격 비율도 상이하고, 에코 신호의 펄스 간의 시간 간격의 비율이 본 탐지 채널의 방출 신호의 펄스 간의 시간 간격의 비율과 일치하는지 여부를 판단함으로써 상이한 탐지 채널의 에코 신호의 소속을 구별한다.
펄스 수를 신호 특징으로 사용하는 예에서, 동일 신호 전송 과정에서 함께 작동하는 상이한 탐지 채널의 방출 신호에 포함된 펄스 수는 상이하다. 예로는, 상이한 Bank의 광방출기의 방출 신호에 포함된 펄스 수가 상이하므로, 각각 생성된 에코 신호의 펄스 수도 상이하고, 에코 신호의 펄스 수가 본 탐지 채널의 방출 신호의 펄스 수와 일치하는지 여부를 판단함으로써 상이한 탐지 채널의 에코 신호의 소속을 구별한다.
펄스 피크(광 세기 피크에 대응하거나 전기 신호의 피크로 전화함)를 신호 특징으로 사용하는 예에서, 동일 신호 전송 과정에서 함께 작동하는 상이한 탐지 채널의 방출 신호에 포함된 복수의 펄스는 피크 세기 비율이 상이하다. 예로는, 상이한 Bank의 광방출기의 방출 신호에 포함된 복수의 펄스의 펄스 피크 세기 비율을 다르게 함으로써 구현한다. 예를 들어, Bank0의 광방출기의 방출 신호에 포함된 복수의 펄스의 펄스 피크 비율은 X:Y:Z:...이고, Bank1의 광방출기의 방출 신호에 포함된 하나 또는 복수의 펄스의 펄스 피크는 모두 W:X:Y....이다. 이로써, 각각 생성된 에코 신호의 펄스 피크 비율도 상이하고, 에코 신호의 펄스 피크 세기의 비율이 본 탐지 채널의 방출 신호의 펄스 피크 세기의 비율과 일치하는지 여부를 판단함으로써 상이한 탐지 채널의 에코 신호의 소속을 구별한다.
또한, 상술한 신호 특징을 조합하여 서로 상이한 탐지 채널의 광 신호의 신호 특징을 생성할 수도 있다.
펄스 폭 비율, 펄스 간의 시간 간격 비율, 펄스 피크 세기 비율과 같은 상술한 비율은, 정수 비율이 단지 설명을 위한 것이고, 실제 사용에서 상술한 비율이 임의 수치일 수 있음에 유의해야 한다.
신호 특징을 통해 속하는 탐지 채널을 구별하는 다양한 실시예 중 하나 또는 복수의 실시예에서, 광탐지 장치는 라이더일 수 있고, 어느 하나의 레이저 또는 임의의 레이저 조합(레이저를 어드레싱함으로써 얻을 수 있음)을 폴링하거나 자유롭게 선택하여 자유도가 높은 탐지 스캐닝을 구현함으로써 적어도 다양한 목적을 달성할 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
한편으로는, 탐지 대상과 영역을 자유롭게 선택할 수 있다. 구체적으로, 상기 광탐지 장치가 라이더일 때, 예를 들어 주행 캐리어(예: 스마트 주행 차량 등)에 탑재되고 그에 따라 이동하여 어떤 스캐닝의 포인트 클라우드 데이터에 따라 특정 대상물이나 관심 영역이 식별되면, 그 다음에 다시 스캔해야 할 때, 자유 어드레싱을 통해 이 특정 대상물 또는 관심 영역만 턴온/스캔하도록 선택할 수 있으며, 이는 특정 대상물이나 관심 영역에 대한 암호화된 스캐닝과 같은 실시에 적용될 수 있다.
다른 한편으로는, 탐지 채널의 크로스 토크를 감소시킬 수 있다. 구체적인 광방출 또는 스캔 영역을 자유롭게 선택할 수 있기 때문에, 탐지 시 도 4D의 실시예에 도시된 바와 같이, 가능한 한 물리적 거리가 큰 레이저를 선택하여 동일 신호 전송 과정에서 광을 방출할 수 있으며, 이로써 탐지 채널의 크로스 토크를 크게 감소시키고, 현재 라이더 제품과 비교하면, 더 나은 신호 대 잡음비 및 탐지 효과를 얻을 수 있다.
또 다른 한편으로는, 포인트 클라우드 데이터 수집에 필요한 탐지 횟수를 줄일 수 있어, 광탐지 장치의 전체 전력 소모를 줄일 수 있다. 빔 수가 증가하는 기술 추세에 따라, 빔 수가 클수록 해당 에너지 소비가 많아져서, 추가적 방열 및 신뢰성 문제가 발생할 것이기 때문이다.
상술한 예에서, 광방출기 어레이의 각 광방출기는 구동 회로의 구동 제어 신호에 의해 활성화될 수 있다. 예시적으로, 각 광방출기의 방출 신호의 신호 특징은 구동 제어 신호의 신호 특성에 의해 결정될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 출원의 실시예에서 광방출기 어레이의 구동 회로의 회로 구조 개략도를 도시한다.
상기 구동 회로는,
각 탐지 채널에 속하는 광방출기에 각각 대응하는 구동 모듈; 및
입력 단자와 복수의 출력 단자를 포함하는 것으로, 입력 단자는 구동 모듈을 제어하여 광방출기를 활성화시키는 구동 신호(Trigger)를 입력하는데 사용되며, 복수의 출력 단자는 각 구동 모듈에 일대일로 연결되고, 입력 단자와 연통하도록 선택되어 상기 구동 신호를 출력하도록 구성되는 멀티플렉서(MUX);를 포함한다.
도면에서는 탐지 채널 0~15에 대응하여 구동 모듈의 개수는 16개로 예시되며, 구동 모듈 0~15로 표시된다. 도면에서 구동 모듈(0)의 구조를 예시적으로 도시하고, 다른 구동 모듈은 동일한 구조를 가질 수 있다. 16개 탐지 채널의 광방출기는 LD0~LD15로 표시된다.
구동 모듈은 NMOS 트랜지스터(M1), PMOS 트랜지스터(M2), 저항(R1), 고전압 다이오드(D1), 전압 조정기 다이오드(D2) 및 에너지 저장 커패시터(C)를 포함한다.
전원 전압(HVDD)을 인가하는 전원 공급 회로를 제공하며, 전원 공급 회로에는 회로 제어 유닛(K)(스위치로 구현될 수 있음)이 직렬로 연결되고, 회로 제어 유닛의 입력 단자에는 HVDD가 인가되고, 그의 출력 단자는 HVDD1을 출력하며, 회로 제어 유닛(K)의 출력 단자는 각각 R1, D1의 양극, D2의 음극 및 M2의 소스 극에 연결되며, 저항(R1)의 타단은 M1의 드레인에 연결되고, M1의 게이트는 멀티플렉서(MUX)의 하나의 출력 단자에 연결되어, Trigger의 제어에 따라 턴온 또는 턴오프되며, D1, D2 및 R1은 병렬로 연결되고, D1의 음극과 D2의 양극은 M1의 드레인 및 M2의 게이트에 연결되며, M2의 드레인은 광방출기의 일단에 연결되고, 광방출기의 타단은 접지된다. 커패시터(C)의 일단은 전원 공급 회로에 연결되고, 타단은 접지된다.
선택적으로, M1의 소스는 8비트 디지털 신호 등과 같은 제어 신호가 입력되는데 사용될 수 있고, M1의 소스는 IDAC(임시 디지털-아날로그 변환기)의 출력 단자에 연결될 수 있으며, 제어 신호는 IDAC의 입력 단자에 입력되고 아날로그 전압으로 변환되어 M1의 소스에 인가된다. 이 제어 신호를 통해 아날로그 전압의 레벨에 대응하여 Vgs를 제어하고, 나아가 M1, M2의 스위치 상태를 제어한다. 또는, M1의 소스는 접지와 같은 낮은 전위에 직접 연결될 수도 있다.
비작동 상태에서는 회로 제어 유닛(K)이 턴온되어 HVDD1=HVDD가 되도록 하고, M1은 턴오프되어 M2의 게이트에 HVDD가 작용하게 되고, M2도 턴오프되어 광방출기(LD0)는 광방출하지 않게 된다.
작동 상태에서, Trigger는 멀티플렉서를 통해 탐지 채널(0)을 선택하고, 즉 구동 모듈(0)을 선택하여 턴온시키도록 한다. Trigger가 고전위일 때, 해당 회로 제어 유닛(K)은 HVDD의 전원을 차단하고, M1의 소스가 저전위이면, Trigger는 M1이 턴온되도록 제어하여 M2의 게이트 전압을 강하시켜 M2가 턴온되도록 한다. C는 방전을 시작하여 HVDD1을 유지하고, 이에 상응하여 M2의 드레인에 구동 전류가 발생하고 광방출기(LD0)에 흐르게 하여 광방출하도록 구동한다.
작동 상태에서 비작동 상태로 다시 전환되는 경우 C는 계속 충전되고 M1과 M2는 턴오프되며 광방출기(LD0)는 광을 방출하지 않는다.
일부 예에서, 커패시터의 충전 속도는 광방출기의 작동 상태 전환에 비해 상대적으로 느리다. 광방출기의 멀티 펄스 광방출(멀티 펄스 신호인 Trigger에 의해 구동됨)을 지원하기 위해, 큰 용량의 커패시터(C)를 사용할 수 있고, 이로써 광이 방출될 때마다 커패시터는 저장된 전기 중 작은 부분만 방출하여 광방출기가 광 방출하도록 구동하면 된다. 이와 같이, 커패시터가 두 번의 광 방출의 간격 시간 Δt 내에 소모된 전력을 충전될 수 없더라도, 여전히 남은 전력으로 레이저가 다시 광방출하도록 다시 구동할 수 있다. 전력이 감소됨에 따라 커패시터의 방전 전류가 감소하기 때문에, 다시 광을 방출할 때 커패시터의 남은 전력이 작아서 방전 전류(레이저 구동 전류)가 너무 낮아지는 것을 피하기 위한 것이다. 선택적으로, 커패시터(C)의 용량은 기 설정된 방전 횟수를 충족할 수 있는 방전을 얻도록 설정될 수 있고, 예를 들어, 한 번의 광방출을 구동하는데 필요한 방전 량은 커패시터(C)의 전체 저장 용량의 10% 이내를 차지한다.
이로부터 알 수 있듯이, 구동 신호(Trigger)의 멀티 펄스 신호를 통해 광방출기의 방출 신호가 해당 멀티 펄스 신호의 형태로 제어할 수 있고, 즉, Trigger의 신호 특징은 방출 신호의 신호 특징과 관련이 있고, 예를 들어 일치하다. 더욱이, 상이한 탐지 채널의 Trigger의 신호 특징을 다르게 설정함으로써 상이한 탐지 채널의 방출 신호가 상이하도록 달성할 수 있고, 방출 신호와 에코 신호가 일치한 신호 특징을 가지게 함으로써 상이한 탐지 채널의 광 신호의 신호 특징이 상이하도록 구현하며, 이로써, 신호 특징에 따라 에코 신호가 속하는 탐지 채널을 식별하고, 탐지 채널 간의 크로스 토크를 감소시킬 수 있다.
상술한 예에서 펄스 수를 신호 특징으로 사용하는 경우에 대응하여, 도 7에 도시된 이중 펄스의 예를 들 수 있다. 먼저, Trigger1에 의해 광방출기가 펄스 신호(pulse1)를 생성하도록 구동하고, 시간 간격(Δt) 경과 후, 다시 Trigger2에 의해 레이저가 펄스 신호(pulse2)를 방출하도록 다시 구동한다. 함께 광을 방출하는 복수 채널의 펄스 수는 상이할 수 있고, 즉, 상이한 채널의 광방출기는 상이한 수의 Trigger 신호에 의해 구동되어 각각 상이한 펄스 수의 광 방출 신호를 방출하게 된다.
상술한 예에서 펄스 시간 간격을 신호 특징으로 사용하는 경우에 대응하여, 도 7, 도 8A 내지 도 8D를 참조할 수 있다.
광방출기의 신호에 포함된 복수의 펄스 신호 간의 펄스 시간 간격은 Trigger 신호의 시간 간격에 따라 결정된다. 따라서, 함께 광을 방출하는 복수의 광방출기에 대응하는 Trigger 신호는 상이한 타이밍 코드가 사용될 수 있다. 도 7 및 도 8A 내지 도 8D에서는 인접된 Trigger 펄스의 상승 에지 사이의 시간 간격에 따라 광 펄스 시간 간격을 예시적으로 얻고, 해당 시간 축(미도시)은 오른쪽에서 왼쪽으로, 과거부터 현재까지의 시간을 나타낸다.
상이한 탐지 채널에 속하는 광방출기가 모두 도 7에 도시된 바와 같은 이중 펄스 방출 신호를 발출하는 경우를 예로 들지만, 상이한 탐지 채널의 방출 신호의 Δt가 서로 다르게 하여 그들의 에코 신호를 구별한다.
또는, 도 8A 내지 도 8D에 도시된 바와 같이, 상이한 탐지 채널에 각각 대응하는 Bank1 ~ Bank4의 구동 신호(Trigger)의 가능한 펄스 코딩 형태가 도시된다. 도면에서는 각 탐지 채널의 Trigger가 3개의 펄스를 포함하는 것을 예시적으로 도시한다.
구체적으로, 도 8A에서 Bank1의 Trigger는 Trigger3 0, Trigger2 0, 및 Trigger1 0의 3개의 펄스 신호를 포함하며, Trigger3 0과 Trigger2 0의 펄스 시간 간격은 Δt2 0이고, Trigger2 0과 Trigger1 0의 펄스 시간 간격은 Δt1 0이다.
도 8B에서 Bankd2의 Trigger는 Trigger3 1, Trigger2 1, 및 Trigger1 1의 3개의 펄스 신호를 포함하며, Trigger3 1과 Trigger2 1의 펄스 시간 간격은 Δt2 1＝Δt2 0이고, Trigger2 0과 Trigger1 0의 펄스 시간 간격은 Δt1 1≠Δt1 0이다.
도 8C에서 Bank3의 Trigger는 Trigger3 2, Trigger2 2, 및 Trigger1 2의 3개의 펄스 신호를 포함하며, Trigger3 2와 Trigger2 2의 펄스 시간 간격은 Δt2 1≠Δt2 0이고, Trigger2 2와 Trigger1 2의 펄스 시간 간격은 Δt1 1＝Δt1 0이다.
도 8D에서 Bank4의 Trigger는 Trigger3 3, Trigger2 3, 및 Trigger1 3의 3개의 펄스 신호를 포함하며, Trigger3 3과 Trigger2 3의 펄스 시간 간격은 Δt2 3≠Δt2 0이고, Trigger2 2와 Trigger1 2의 펄스 시간 간격은 Δt1 3≠Δt1 0이다.
이로부터 알 수 있듯이, 각각의 다중 펄스로 인코딩된 4개의 탐지 채널의 광방출 신호의 펄스 시간 간격 비율이 모두 와전히 동일하는 것이 아니고, Δt1이 상이할 수 있고, Δt2가 상이할 수 있고, Δt1과 Δt2 중 하나가 상이할 수 있고, 또는 Δt1과 Δt2가 모두 상이할 수 있다.
상술한 예에서 펄스 폭을 신호 특징으로 사용하는 경우에 대응하여, 상이한 탐지 채널의 Trigger에 있는 복수의 펄스 신호의 펄스 폭 비율은 상이할 수 있다. 방출 신호에 포함된 펄스 신호의 펄스 폭은 Trigger 신호의 펄스 폭에 따라 달라지며, Trigger 신호의 펄스 폭은 방출 신호의 펄스 폭과 정의 상관관계를 가질 수 있다. 따라서, Trigger 신호의 펄스 폭을 변경함으로써 레이저에서 방출된 다중 펄스가 도 9와 같이 펄스 폭 코딩을 가지도록 할 수 있다. 도 9는 탐지 채널의 Trigger의 파형도를 개략적으로 도시한 것으로, 그 안에 포함된 3개의 펄스 신호 Trigger1, Trigger2, 및 Trigger3 간의 펄스 폭 비율을 설정할 수 있다.
에코 신호는 펄스 확장과 같은 변화를 가질 수 있지만, 동일 대상물에 의해 반사된 에코 신호에서는 다중 펄스 신호의 펄스 폭이 동일한 비율로 변경되어야 하므로, 에코 신호의 다중 펄스 신호 간의 펄스 폭 비율에 따라 에코 신호가 유효한 에코인지 여부를 판단할 수 있음에 유의해야 한다.
상술한 예에서 세기에 의한 코딩을 신호 특징으로 사용하는 경우에 대응하여, 그 원리는 펄스 폭에 의한 코딩과 유사하며, 광방출기는 일정한 세기 비율에 의한 복수의 펄스의 방출 신호를 방출하고, 함께 광을 방출하는 복수의 레이저에서 방출된 복수의 펄스는 신호 세기 비율이 상이하므로, 에코의 다중 펄스의 세기 비율을 판단함으로써 그가 유효한 에코인지 여부를 판단한다.
또한, 상기 상이한 차원의 신호 특징을 조합하는 경우에 대응할 수 있어, 예를 들어, 일부 탐지 채널은 이중 펄스를 방출하고, 일부 채널은 삼중 펄스를 방출하며, 이중 펄스를 방출하는 여러 탐지 채널은 이중 펄스 사이에서 타이밍에 의한 코딩, 펄스 폭에 의한 코딩 및 세기에 의한 코딩을 수행하고, 삼중 펄스를 방출하는 여러 탐지 채널도 삼중 펄스 사이에서 타이밍에 의한 코딩, 펄스 폭에 의한 코딩 및 세기에 의한 코딩을 수행하므로, 함께 작동하는 복수의 채널에 대응하는 조합 신호 특징은 서로 상이하게 한다.
또한, 크로스 토크를 더욱 방지하기 위해, 일부 실시예에서, 광탐지 장치의 제어 모듈은 또한,
동일 탐지 채널에 대해 "방출신호의 방출-에코 신호의 수신"의 신호 전송 과정을 2회 이상으로 연속적으로 수행하고, 여러 번(예: 두 번)으로 측정하여 산출된 비행 시간(Time Of Flying, TOF)을 비교하며, 여러 번의 측정을 통해 얻은 비행 시간이 일치(동일할 수도 있고 오차가 기 설정된 임계값보다 낮을 수도 있음)할 때, 이 탐지 채널의 탐지 결과가 유효한 것으로 판단하고, 그렇지 않으면 이 탐지 채널이 크로스 토크를 겪고 있다고 판단하여 탐지 결과를 폐기한다.
상술한 실시예들은 본 출원의 원리 및 효과를 예시적으로 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 출원을 제한하려는 의도가 아니다. 해당 기술에 익숙한 사람이면 누구나 본 출원의 정신과 범위를 벗어나지 않고 상술한 실시예를 수정하거나 변경할 수 있다. 따라서, 본 출원에 개시된 정신 및 기술적 사상을 벗어나지 않고 본 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에 의해 가하는 모든 등가의 수정 또는 변경은 여전히 본 출원의 청구범위에 포함되어야 한다.

Claims (17)

  1. 방출 신호를 출력하도록 구성되는 복수의 광방출기를 포함하는 광방출기 어레이;
    상기 방출 신호가 장애물을 만난 후 반사된 에코 신호를 탐지하도록 구성되는 복수의 광탐지기를 포함하는 광탐지기 어레이-여기서 상기 광방출기 어레이 및 광탐지기 어레이는 복수의 탐지 채널을 구성하고, 각 탐지 채널은 적어도 하나의 광방출기 및 적어도 하나의 광탐지기를 포함함-; 및
    방출 신호의 방출부터 해당 에코 신호의 탐지까지의 한 번의 신호 전송 과정에서 기 설정된 복수의 광방출기를 선택하여 동시에 광을 방출하고, 상기 동시에 광을 방출하는 복수의 광방출기의 시야가 탐지 거리 내에서 중첩되지 않도록 하는 제어 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광탐지 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광방출기 어레이는 1차원 어레이 또는 2차원 어레이이며, 광방출기 어레이가 2차원 어레이일 때, 그의 2개 차원 방향으로의 크기 간의 비율이 3보다 크고 또는 5보다 큰 것을 특징으로 하는, 광탐지 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광방출기 어레이에서 활성화된 복수의 광방출기와 상기 광탐지기 어레이에서 활성화된 복수의 광탐지기의 사이에는 작동 상태에 있는 복수의 탐지 채널이 각각 형성되며, 상기 광방출기 어레이는 복수의 광방출기 뱅크를 포함하고, 및/또는 광탐지기 어레이는 복수의 광탐지기 뱅크를 포함하며, 상기 활성화된 복수의 광방출기는 각각 상이한 광방출기 뱅크에 속하고 및/또는 상기 활성화된 복수의 광탐지기는 각각 상이한 광탐지기 뱅크에 속하는 것을 특징으로 하는, 광탐지 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    각 광방출기 뱅크 중 각 광방출기 및/또는 각 광탐지기 뱅크 중 각 광탐지기는 여러 번의 신호 전송 과정에서 번갈아 활성화되는 것을 특징으로 하는, 광탐지 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    동일 광방출기 뱅크의 2개의 광방출기 사이에는 제1 격리 범위가 있고, 및/또는, 동일 신호 전송 과정에서 인접된 2개의 광탐지기 뱅크에서 활성화된 광탐지기 사이에는 제2 격리 범위가 형성되는 것을 특징으로 하는, 광탐지 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    각 광방출기 뱅크는 기 설정된 수의 광방출기를 포함하고, 상기 광방출기 뱅크의 복수의 광방출기는 적어도 하나의 칩에 통합되는 것을 특징으로 하는, 광탐지 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 광방출기 뱅크의 복수의 광방출기는 적어도 하나의 선택부에 결합되고, 상기 선택부는 외부 신호에 따라 광방출기를 선택하는 것을 특징으로 하는, 광탐지 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 광방출기 어레이는 서로 엇갈린 N열의 광방출기를 포함하고, 각 광방출기의 열은 제1 방향을 따라 연장되고, N＞1이며, 및/또는, 상기 광탐지기 어레이는 서로 엇갈린 M열의 광탐지기를 포함하고, 각 광탐지기의 열은 상기 제1 방향을 따라 연장되고, M＞ 1인 것을 특징으로 하는, 광탐지 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    동일 신호 전송 과정에서, 각 탐지 채널에서 전송되는 광신호 간의 신호 특징이 완전히 동일하는 것이 아닌 것을 특징으로 하는, 광탐지 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제어 모듈은, 광탐지기에 의해 탐지된 에코 신호의 신호 특징이 해당 탐지 채널의 광방출기의 방출 신호의 신호 특징과 매칭되는지 여부를 판단하고, 매칭되는 경우 이 에코 신호를 해당 탐지 채널에 사용하여 대상물까지의 거리를 계산하는데 적합하는 것을 특징으로 하는, 광탐지 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 광방출기에서 방출된 방출 신호는 하나 또는 복수의 펄스 신호를 포함하고, 상기 신호 특징의 차원은 파장, 펄스 폭, 펄스 수, 펄스 피크 및 펄스 간의 시간 간격 중 하나 또는 복수의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광탐지 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    펄스 폭 차원 방향으로의 신호 특징은 복수의 펄스 간의 펄스 폭 비율을 기반으로 에코 신호의 신호 특징이 방출 신호의 신호 특징과 매칭되는지 여부를 판단하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광탐지 장치.
  13. 제9 항에 있어서,
    신호 강도 차원 방향으로의 신호 특징은 복수의 펄스 간의 강도 비율을 기반으로 에코 신호의 신호 특징이 방출 신호의 신호 특징과 매칭되는지 여부를 판단하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광탐지 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    동일 신호 전송 과정에서 작동하는 상이한 탐지 채널의 광방출기의 방출 신호 사이는 파장이 상이하고, 각 상기 작동하는 상이한 탐지 채널의 광탐지기의 앞 부분에 필터부가 설치되고, 상기 필터부는 본 탐지 채널에 대응하는 파장의 에코 신호만을 통과시키는 것을 특징으로 하는 광탐지 장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    광방출기 어레이와 광수신기 어레이가 한 번의 신호 전송 과정에서 하나의 탐지 채널에 대해 연속적으로 여러 번 탐지하여 비행 시간 값을 획득하고, 여러 번 탐지된 비행 시간 값에 따라 비교하여 일치하면 상기 채널의 탐지 결과가 유효한 것으로 결정하고, 그렇지 않으면 탐지 결과를 폐기하도록 제어하는 제어 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광탐지 장치.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 광탐지 장치는 라이더를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광탐지 장치.
  17. 제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 따른 광탐지 장치가 광 탐지를 수행하는 방법에 있어서,
    상기 광방출기 어레이에서 복수의 광방출기를 활성화시켜 방출 신호를 방출하는 단계; 및
    상기 광탐지기 어레이에서 복수의 광탐지기를 활성화시키는 단계;를 포함하며,
    상기 활성화된 복수의 광방출기와 활성화된 복수의 광탐지기 사이에는 작동 상태에 있는 복수의 탐지 채널이 각각 형성되며, 상기 활성화된 복수의 광방출기는 각각 상이한 광방출기 뱅크에 속하고 및/또는 상기 활성화된 복수의 광탐지기는 각각 상이한 광탐지기 뱅크에 속하는 것을 특징으로 하는, 탐지 방법.
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