KR20240015629A - 불균일한 광 확대 및 펄스 에너지 변화를 갖는 주사 레이저 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본원에 설명된 실시예는 주사 레이저 장치(100)의 성능을 개선할 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다. 구체적으로, 시스템 및 방법은 레이저 광 펄스의 에너지 레벨의 변화와 결합된 광 확대의 불균일한 변화를 활용하여 주사 영역에 걸쳐 개선된 유효 범위를 제공한다. 일반적으로, 개선된 유효 범위는 스캔 필드(114)에 따라 달라지며, 스캔 필드의 일부 영역에서는 유효 범위가 상대적으로 길고, 스캔 필드의 다른 영역에서는 유효 범위가 상대적으로 짧다. 스캔 필드에 걸쳐 이러한 다양한 범위는 스캔 필드의 제1 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스에 대한 광 확대의 불균일한 변화를 제공하는 확대 광학부(108) 및 스캔 필드의 제1 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키는 광원 컨트롤러에 의해 촉진된다.

Description

불균일한 광 확대 및 펄스 에너지 변화를 갖는 주사 레이저 장치 및 방법

주사 레이저 장치는 물체 감지를 포함한 다양한 용도로 개발 및 구현되었다. 예를 들어, 표면의 3D 맵을 생성하기 위해 광 검출 및 거리 측정(LiDAR ; light detection and ranging) 시스템이 개발되었으며, 3D 맵은 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 문제는 유효 범위와 전력 소비의 균형을 맞출 필요가 있다는 것이다. 예를 들어, 일부 LiDAR 시스템은 상대적으로 긴 유효 범위가 필요하지만 전체 전력 소비를 줄여야 할 필요도 있다. 또한, 일부 LiDAR 시스템에서는 전체 전력 소비를 줄이면서 영역별로 다른 유효 범위가 필요하다. 따라서, LiDAR 시스템 및 기타 주사 레이저 장치에서 감지 시스템과 방법을 개선해야 할 필요성이 남아 있다.

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 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광 확대, 스캔 궤적 및 레이저 광 펄스 에너지 레벨 조정의 그래프를 도시한 도면이고;
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 LiDAR 시스템 및 레이저 광 펄스 에너지 레벨 조정의 개략도를 도시한 도면이고;
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 LiDAR 시스템 및 그에 따른 스캔 필드를 포함하는 이동 플랫폼의 평면도 및 측면도를 도시한 도면이고;
도 5c 및 도 5d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 에너지 레벨 조정 계수의 표를 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 물체 미감지 확률 그래프를 도시한 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 감소된 전력 소비로 개선된 유효 범위를 촉진할 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다. 구체적으로, 시스템 및 방법은 레이저 광 펄스의 에너지 레벨의 변화와 결합된 광 확대의 불균일한 변화를 활용하여 주사 영역에 걸쳐 개선된 유효 범위를 제공하면서 전체 전력 소비를 감소시킨다.

일반적으로, 개선된 유효 범위는 스캔 필드의 일부 영역에서 상대적으로 긴 유효 범위와 스캔 필드의 다른 영역에서 상대적으로 짧은 유효 범위로, 스캔 필드에 따라 달라진다. 스캔 필드에서 이러한 다양한 범위는 스캔 필드의 제1 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스에 대한 광 확대의 불균일한 변화를 제공하는 확대 광학부와, 스캔 필드의 제1 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변경하는 광원 컨트롤러에 의해 촉진된다. 확대 광학부와 광원 컨트롤러는 함께 전체 전력 소비를 줄이면서 향상된 유효 범위를 제공한다. 하나의 특정 실시예에서, 이러한 개선된 유효 범위는 스캔 필드의 중앙 영역에서 더 긴 유효 범위와 스캔 필드의 하나 이상의 측면 영역에서 더 짧은 유효 범위를 갖는 스캔 필드에 걸쳐 변화하는 범위를 포함한다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 이러한 가변 범위는 일부 주사 레이저 장치 애플리케이션에서 향상된 기능을 제공할 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 맵 생성에 사용되는 광 검출 및 거리 측정(LiDAR) 시스템이다. 주사 레이저 장치(100)는 광원 컨트롤러(101), 레이저 광원(102), 광 어셈블리(104) 및 검출기(106)를 포함한다. 광 어셈블리(104)는 확대 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 라인 패턴(112)으로 광 어셈블리(104)에 의해 스캔되는 레이저 광의 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 점군을 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 라인들이 사용되어 생성될 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.

본 명세서에 설명된 실시예들에 따라, 확대 광학부(108)는 스캔 필드(114)의 제1 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스에 대한 광 확대의 불균일한 변화를 제공하도록 구성된다. 광원 컨트롤러(101)는 스캔 필드(114)의 제1 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 구성된다.

일반적으로, 광원 컨트롤러(101)에 의해 제공되는 레이저 광 펄스의 에너지 레벨의 변화와 결합된 확대 광학부(108)에 의해 제공되는 광 확대의 불균일한 변화는, 전체 전력 소비를 감소시키면서 주사 영역에 걸쳐 개선된 유효 범위를 제공한다. 구체적으로, 일 실시예에서, 확대 광학부(108) 및 광원 컨트롤러(101)는 스캔 필드(114)에 걸쳐 변화하는 개선된 유효 범위를 제공하며, 스캔 필드(114)의 중심 영역에서 더 긴 유효 범위와 스캔 필드(114)의 가장자리 영역에서 더 짧은 유효 범위를 제공한다.

아래에서 더 상세히 설명하겠지만, 확대 광학부(108)는 불균일한 광 확대를 구현한다. 일반적으로, 이러한 불균일한 광 확대는 확대 광학부(108)로부터의 출구 포인팅 각도의 불균일한 변화를 포함한다. 또한, 이러한 불균일한 광 확대는 확대 광학부(108)를 빠져나가는 레이저 광 펄스의 빔 폭 및 빔 발산의 불균일한 변화를 포함할 수 있다. 이러한 광 확대의 상세한 예와 이를 구현하는 데 사용되는 확대 광학부는 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.

불균일한 광 확대의 한 가지 문제는 주사 레이저 장치(100)의 범위에 대한 광 확대의 효과이다. 예를 들어, 광 확대의 증가는 일반적으로 출구 포인팅 각도의 변화를 증가시키고, 빔 폭을 감소시키며, 빔 발산을 증가시킬 것이다. 따라서, 불균일한 광 확대는 빔 폭의 불균일한 감소와 빔 발산의 불균일한 증가를 초래할 것이다. 이러한 빔 폭의 감소는 검출기(106)의 수신 개구부의 유효 크기를 감소시킴으로써, 주사 레이저 장치(100)의 유효 범위를 감소시킬 수 있다. 마찬가지로, 빔 발산의 증가는 검출기(106)에서 수신되는 노이즈의 상대적 양을 증가시킴으로써, 주사 레이저 장치의 유효 범위를 감소시킬 수 있다. 따라서, 각각의 경우에 광 확대의 불균일한 변화는 주사 레이저 장치(100)의 유효 범위에 불균일한 변화를 일으킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 광원 컨트롤러(101)는 스캔 필드(114)의 제1 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 구성된다. 레이저 광 펄스의 에너지 레벨의 변화는 센서의 원하는 유효 범위를 제공하면서 확대 광학부에 의해 제공되는 불균일한 광 확대의 효과를 적어도 부분적으로 보정하면서 수행된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 광원 컨트롤러(101)는 광 확대의 불균일한 변화에 비례하는 방식으로 에너지를 변화시키도록 구성된다. 따라서, 더 큰 광 확대를 받는 레이저 광 펄스는 더 큰 에너지 레벨로 생성된다. 아래에서 자세히 설명하겠지만, 이러한 에너지 레벨의 증가는 광 확대의 증가로 인해 발생할 수 있는 유효 범위의 감소를 보상한다. 또한, 이러한 방식으로 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시킴으로써, 주사 레이저 장치(100)의 전체 전력 소비를 감소시키면서 원하는 유효 범위를 제공할 수 있다.

일반적으로, 광원 컨트롤러(101)에 의해 제공되는 레이저 광 펄스의 에너지 레벨의 변화와 결합된 확대 광학부(108)에 의해 제공되는 광 확대의 불균일한 변화는, 전체 전력 소비를 감소시키면서 주사 영역에 걸쳐 개선된 유효 범위를 제공한다. 또한, 일부 실시예에서, 주사 레이저 장치(100)는 스캔 필드(114)에 걸쳐 변화하는 개선된 유효 범위를 제공하도록 구현된다. 따라서, 주사 레이저 장치(100)는 스캔 필드(114)의 상이한 영역에서 상이한 유효 범위를 갖도록 구현될 수 있다. 이러한 상이한 유효 범위는 원하는 유효 범위에 대한 에너지 레벨과 스캔 필드(114)의 해당 영역에서의 광 확대량을 모두 조정하는 방식으로 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시킴으로써 촉진된다.

하나의 구체적인 예로서, 확대 광학부(108) 및 광원 컨트롤러(101)는 스캔 필드(114)의 중심 영역에서 더 긴 유효 범위를 용이하게 하고, 스캔 필드(114)의 에지 영역에서 더 짧은 유효 범위를 용이하게 하도록 구현된다. 다시 말하지만, 이러한 상이한 유효 범위를 구현할 때, 레이저 광원 컨트롤러(101)는 이러한 상이한 범위를 제공하기 위해 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키면서 광 확대의 다양한 양으로 인해 발생할 수 있는 유효 범위의 감소를 보상할 수 있다. 이러한 실시예의 상세한 예는 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

레이저 광원 컨트롤러(101)는 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키기 위해 다양한 기술 및 장치를 사용할 수 있다. 예를 들어, 레이저 광 컨트롤러(101)는 레이저 광 펄스의 펄스 지속 시간을 동적으로 변경하도록 구현될 수 있다. 또 다른 예로서, 레이저 광 컨트롤러(101)는 레이저 광 펄스의 펄스 진폭을 동적으로 변경하도록 구현될 수 있다. 또 다른 예로서, 레이저 광 컨트롤러(101)는 레이저를 구동하는 데 사용되는 전류를 동적으로 변경하도록 구현될 수 있다. 또 다른 예로서, 레이저 광 컨트롤러(101)는 펄스를 생성하는 데 사용되는 레이저의 수를 동적으로 변경하도록 구현될 수 있다. 또 다른 예로서, 레이저 광 컨트롤러(101)는 각 스캔 포인트에서 펄스 수를 동적으로 변경하도록 구현될 수 있다. 그리고 이러한 기술들의 다양한 조합이 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 레이저 광원 컨트롤러(101)는 펄스 생성 회로의 일부로서 구현될 수 있다. 이러한 펄스 생성 회로의 상세한 예들은 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

일 실시예에서, 확대 광학부(108)에 의해 제공되는 광 확대의 불균일한 변화는 스캔 필드의 제1 축을 따라 위치별 광 확대의 비선형 비율을 포함한다. 예를 들어, 보다 구체적인 실시예에서, 광 확대의 불균일한 변화는 제1 축을 따라 제1 측면 영역에서 레이저 광 펄스의 위치별 더 큰 광 확대와, 제1 측면 영역과 제2 측면 영역 사이의 제1 축을 따라 중심 영역에서 레이저 광 펄스의 위치별 더 작은 광 확대를 포함한다. 불균일 및 비선형 광 확대률에 대한 상세한 예는 아래에서 자세히 설명한다.

전술한 바와 같이, 확대 광학부(108)는 스캔 필드(114) 내의 제1 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스에 대한 광 확대의 불균일한 변화를 제공하도록 구성될 수 있고, 광원 컨트롤러(101)는 이에 대응하여 스캔 필드(114)의 제1 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 스캔 필드(114)는 제1 축에 수직인 제2 축을 포함하고, 광원 컨트롤러(101)는 스캔 필드(114)에서 제2 축을 따라 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 더 구성된다. 다른 실시예에서, 광원 컨트롤러(101)는 로드 파라미터(road parameters)에 반응하는 제1 축 및 제2 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 더 변화시키도록 더 구성된다. 다른 실시예에서, 광원 컨트롤러(101)는 스캔 필드(114)의 높이를 제한하기 위해 제2 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 구성된다. 이러한 실시예에 대한 상세한 예는 아래에서 보다 상세하게 논의될 것이다.

일부 실시예에서 검출기(106) 이외에, 주사 레이저 장치(100)는 하나 이상의 추가 검출기를 포함하도록 구현된다. 예를 들어, 제2 검출기는 광 어셈블리(104)를 통해 스캔 필드 내에서 레이저 광 펄스의 IR 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)로 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 110도로 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 아래에서 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.

이제 도 3a를 참조하면, 스캔 필드에서의 광 확대의 표현이 그래프(300)에 도시되어 있다. 구체적으로, 그래프(300)는 출구 포인팅 각도 확장을 제1 축을 따라 스캔 각도의 함수로 나타낸 것으로, 여기서 제1 축은 또한 결과 스캔 필드의 제1 축에 대응한다. 이러한 출구 각도 확장은 주사 레이저 장치의 확대 광학부(예컨대, 도 1의 확대 광학부(108), 도 2의 확대 광학부(212))에 의해 제공될 수 있는 광 확대 유형의 예이다. 그래프(300)에 도시된 광 확대는 제1 축에 대해 불균일하며, 보다 구체적으로 스캔 필드의 축에 대해 비선형적인 광 확대를 초래한다. 이러한 불균일하고 비선형적인 광 확대는 중앙 영역의 낮은 광 확대 변화율에 비해 제1 축을 따라 스캔 필드의 측면 영역에서 더 높은 광 확대 변화율을 초래한다.

다른 방식으로, 그래프(300)는 제1 측면 영역 및 제2 측면 영역에서 제1 축을 따라 레이저 광 펄스의 위치별 광 확대의 변화가 더 큰 반면, 측면 영역 사이의 중심 영역에서의 광 확대의 변화는 더 작은 광 확대를 나타낸다. 이는 중심으로부터의 거리가 멀어짐에 따라 함수 곡선의 기울기가 점점 가파르게 나타나는 것을 통해 알 수 있다.

전형적인 실시예에서, 그래프(300)에 도시된 비선형 광 확대는 고차 수학적 함수(예컨대, 이차 및 고차 다항식 함수 등)로 표현될 수 있다. 이러한 함수는 주사 레이저 장치에 구현될 수 있고, 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 제1 축에서의 스캔 각도의 함수로 결정하는 데 사용될 수 있다. 도 3a의 광 확대를 나타내는 함수 곡선은 구현의 한 예일 뿐이며, 확대 광학부는 다른 유형의 비선형 및 불균일한 확장으로 구현할 수 있다.

이제 도 3b를 참조하면, 그래프(350)가 예시적인 스캔 궤적(352)을 예시한다. 스캔 궤적(352)은 제1 축에 대하여 불균일한 광 확대를 제공하는 확대 광학부(예컨대, 도 1의 확대 광학부(108), 도 2의 확대 광학부(212))를 포함하는 주사 레이저 장치로 생성될 수 있는 스캔 궤적의 유형의 예이다. 보다 구체적으로, 스캔 궤적(352)은 도 3a의 그래프(300)에 도시된 것과 같은 광 확대로 생성될 수 있는 궤적 유형의 예이다. 따라서, 이 스캔 궤적(352)은 제1 축을 따라 스캔 필드의 측면 영역에서 더 높은 출구 각도 확장 변화율이 생성되고, 중앙 영역에서 생성되는 더 낮은 출구 각도 확장 변화율과 비교되는 불균일하고 비선형적인 광 확대의 결과를 나타낸다.

스캔 궤적(352)은 하나 이상의 주사 미러(들)의 동작에 의해 생성되며, 미러(들)는 제1 축 및 제2 축을 따라 레이저 광 펄스의 편향을 제공하고, 하나 이상의 확대 광학부에 의해 불균일한 확장이 제공된다. 이 예시에서 제1 축의 주사 동작은 상대적으로 느린 동작이고, 제2 축의 주사 동작은 상대적으로 빠른 동작이다. 또한, 이 예에서 제1 축의 동작은 수평이고, 제2 축의 동작은 수직이다(주사 레이저 장치를 90도 회전하면, 수평 및 수직 축이 전환되므로 "수직" 및 "수평"이라는 레이블은 다소 임의적이라는 점에 유의해야 한다).

마지막으로, 스캔 궤적(352)은 광 확대의 불균일한 변화로 인해 발생할 수 있는 하나의 예시적인 궤적일 뿐이며, 다른 많은 구현이 가능하다는 점에 유의해야 한다.

전술한 바와 같이, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같은 광 확대의 변화는 주사 레이저 검출기의 유효 범위의 변화를 초래할 수 있다. 구체적으로, 광 확대의 변화는 빔 폭 및 빔 발산의 변화를 초래할 것이고, 이는 다시 주사 레이저 장치의 유효 범위의 변화를 초래할 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기술된 실시예들에 따라, 광원 컨트롤러(예컨대, 광원 컨트롤러(101))는 확대 광학부에 의해 제공되는 불균일한 광 확대의 효과를 적어도 부분적으로 보상함으로써, 센서의 원하는 유효 범위를 제공하도록 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 구성된다.

이제 도 3c를 참조하면, 레이저 광 펄스 에너지 레벨 조정의 표현이 그래프(370)에 도시되어 있다. 구체적으로, 그래프(370)는 제1 축을 따라 스캔 각도의 함수로 에너지 레벨 조정을 나타내는 것으로, 여기서 제1 축은 또한 결과 스캔 필드의 제1 축에 대응한다. 특히, 이 예시된 에너지 레벨 조정은 저전력 상태에서 에너지 레벨의 증가된 비율 또는 고출력 상태에서 에너지 레벨의 감소된 비율로 간주될 수 있다.

다시 말하지만, 일 실시예에서, 광원 컨트롤러(예컨대, 광원 컨트롤러(101))는 광 확대의 불균일한 변화에 비례하는 방식으로 에너지를 변화시키도록 구성된다. 따라서, 더 큰 광 확대를 받는 레이저 광 펄스는 더 큰 에너지 레벨로 생성되며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이러한 에너지 레벨의 증가는 광 확대의 증가로 인해 발생할 수 있는 유효 범위의 감소를 보상한다. 특히, 그래프(370)에 예시된 에너지 레벨 조정은 제1 축에 대해 균일하지 않다. 구체적으로, 그래프(370)는 제1 측면 영역 및 제2 측면 영역에서 제1 축을 따라 레이저 광 펄스의 위치별 에너지 레벨의 변화가 더 큰 것에 비해, 측면 영역 사이의 중앙 영역에서 에너지 레벨의 변화가 더 작은 실시예를 나타낸다. 다시 말하지만, 이러한 레이저 광 펄스 에너지 레벨의 변화는 도 3a 및 도 3b에 예시된 광 확대의 효과를 보상하여 검출기 및 주사 레이저 장치의 원하는 유효 범위를 제공할 수 있다.

전술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 주사 레이저 장치(예컨대, 주사 레이저 장치(100))는 스캔 필드의 상이한 영역에서 상이한 유효 범위를 갖는, 스캔 필드에 걸쳐 변화하는 개선된 유효 범위를 제공하도록 구현된다. 이러한 실시예에서, 이러한 상이한 유효 범위는 스캔 필드의 영역에서 원하는 유효 범위에 대한 에너지 레벨 및 스캔 필드의 해당 영역에서의 광 확대량을 모두 조정하는 방식으로 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시킴으로써 촉진된다.

이제 도 4a를 참조하면, 주사 레이저 장치(400)의 개략도가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 4a는 3개의 상이한 예시적인 스캔 필드(402, 404 및 406)로 구현되는 주사 레이저 장치(400)를 도시하는데, 여기서 3개의 상이한 스캔 필드(402, 404 및 406)는 각각 상이한 유효 범위 및 상이한 각도 시야를 갖는다. 일례로서, 이러한 상이한 유효 범위는 주사 레이저 장치(400)가 작동 중 상이한 시간에 상이한 모드에서 작동하도록 구현함으로써 제공될 수 있으며, 상이한 모드들 각각은 상이한 범위 및/또는 상이한 각도 시야를 갖는다. 예를 들어, 주사 레이저 장치(400)는 다양한 요인에 대응하여 상이한 범위 모드들 사이에서 번갈아 또는 다른 방식으로 전환되도록 구현될 수 있다. 아래에서 더 상세하게 논의될 다른 실시예들에서, 주사 레이저 장치(400)는 동일한 스캔 궤적의 다른 부분 동안 이러한 상이한 범위를 제공하도록 구현될 수 있다.

도 4a의 예에서, 단거리 모드, 중거리 모드 및 장거리 모드의 3가지 범위 모드가 있다. 단거리 모드는 유효 범위가 60미터이고 각도 스캔 필드가 110도인 스캔 필드(406)를 제공한다. 중거리 모드는 유효 범위가 120미터이고 각도 스캔 필드가 50도인 스캔 필드(404)를 제공한다. 마지막으로, 장거리 모드는 유효 범위가 200미터이고 각도 스캔 시야가 25도인 스캔 필드(402)를 제공한다. 물론 이는 예시일 뿐이며 다른 구현도 가능한다.

주사 레이저 장치(400)에서 이러한 상이한 범위 모드를 구현하기 위해, 광원 컨트롤러(예컨대, 레이저 광 컨트롤러(101))는 확대 광학부(예컨대, 확대 광학부(108))의 광 확대를 보상하면서 원하는 범위를 달성하기 위해 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시킬 수 있다. 스캔 필드(402, 404 및 406)의 3가지 상이한 각도 범위는 미러 편향의 각도 범위를 동적으로 변경함으로써, 이 3가지 모드에 대해 달성될 수 있다. 다른 실시예에서, 미러 편향의 각도 범위는 일정하게 유지될 수 있고, 미러가 원하는 각도 스캔 필드에 대해 원하는 각도 범위를 벗어날 때 레이저 광 펄스를 선택적으로 전송하지 않음으로써 스캔 필드(402, 404 및 406)의 각도 범위가 변경될 수 있다. 어느 경우든, 주사 레이저 장치(400)는 각기 다른 작동 모드에 대해 원하는 유효 범위 및 스캔 필드의 원하는 각도 범위를 제공할 수 있다.

이제 도 4b를 참조하면, 레이저 광 펄스 에너지 레벨의 표현이 그래프(408)에 도시되어 있다. 그래프(408)는 3가지 범위 모드, 즉 장거리 모드, 중거리 모드 및 단거리 모드에 대한 레이저 광 펄스 에너지 레벨을 나타낸다. 이러한 모드는 도 4a에 예시된 예시적인 스캔 필드(402, 404 및 406)에 해당한다. 따라서, 장거리 모드에서 주사 레이저 장치(400)는 상대적으로 좁은 25도 시야로 200미터의 범위를 갖도록 작동된다. 중거리 모드에서 주사 레이저 장치(400)는 120미터의 범위와 50도의 시야를 갖도록 작동된다. 단거리 모드에서 주사 레이저 장치(400)는 60미터의 범위와 상대적으로 넓은 110도의 시야를 갖도록 작동된다. 따라서, 레이저 광 펄스의 에너지 레벨은 이러한 원하는 범위를 제공하도록 조정되는 동시에 확대 광학부에 의해 제공되는 불균일한 광 확대를 고려한다.

그래프(408)는 제1 축을 따라 스캔 각도의 함수로서 3가지 상이한 모드에 대한 에너지 레벨 조정을 나타낸 것으로, 여기서 제1 축은 또한 결과 스캔 필드의 제1 축에 대응한다. 이 경우, 광원 컨트롤러(예컨대, 광원 컨트롤러(101))는 상대적으로 좁은 시야가 이러한 펄스의 광 확대를 제한하기 때문에, 장거리 모드에 대해 상대적으로 일정한 높은 에너지 레벨을 제공하도록 구성된다. 이 예에서 레이저 광 펄스의 에너지 레벨은 전체 펄스 에너지의 100% 또는 이에 근접한다.

그러나, 중거리 및 단거리 모드의 경우, 광원 컨트롤러는 해당 모드가 커버하는 각도 범위에 걸쳐 광 확대의 불균일한 변화에 비례하는 방식으로 에너지를 변화시키도록 구성된다. 이를 통해, 불균일한 광 확대의 영향을 보정하면서 두 모드 모두에서 원하는 범위를 달성할 수 있다.

두 경우 모두 레이저 광 펄스의 에너지 레벨은 해당 모드의 스캔 필드 바깥쪽 가장자리에서 전체 펄스 에너지의 100% 또는 이에 가깝지만, 에너지 레벨은 스캔 필드 중앙으로 갈수록 급격히 감소한다. 구체적으로, 이 예의 중거리 모드에서는 스캔 필드 중앙에서 에너지 레벨이 전체 펄스 에너지의 약 65%까지 떨어지고, 단거리 모드에서는 에너지 레벨이 전체 펄스 에너지의 약 33%까지 떨어진다. 특히, 에너지 레벨 조정은 모드가 커버하는 각도 범위 내의 광 확대에 다시 비례한다. 따라서, 단거리 모드와 중거리 모드 모두에서 에너지 레벨은 광 확대가 중앙 영역에 비해 더 높은 변화율을 보이는 측면 영역에서 더 높은 변화율을 갖는다.

도 4a 및 도 4b의 예들은, 상이한 유효 범위 및 상이한 각도 스캔 필드(402, 404 및 406)를 갖는 별도의 모드가 있는 주사 레이저 장치(400)의 구현을 도시한 것이다. 다시 말하지만, 이러한 구현에서 주사 레이저 장치(400)는 다양한 패턴으로 및/또는 다양한 요인에 기초하여 모드 사이를 전환하도록 구현될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 각 모드는 각각의 스캔 필드에 걸쳐 비교적 일정한 범위를 갖는다. 그러나, 다른 실시예들에서, 주사 레이저 장치(400)는 대신 동일한 스캔 프레임의 다른 부분 동안 이러한 상이한 범위를 제공하도록 구현되어, 스캔 필드에 걸쳐 동적 범위 생성을 효과적으로 제공할 수 있다. 이를 용이하게 하기 위해, 주사 레이저 장치(400)는 각 스캔 궤적 또는 스캔 프레임 내의 다양한 지점에서 유효 범위를 변경하도록 구현될 수 있다. 따라서, 스캔 궤적 내의 이러한 지점에서 유효 범위를 증가시키거나 감소시켜 스캔 필드에 걸쳐 원하는 범위를 동적으로 달성할 수 있다.

이제 도 4c를 참조하면, 동적 범위 생성을 갖는 주사 레이저 장치(400)의 개략도가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 4c는 스캔 필드(410)의 상이한 각도 영역에 걸쳐 상이한 3개의 상이한 유효 범위를 갖는 스캔 필드(410)를 제공하도록 구현된 주사 레이저 장치(400)를 도시한 것이다. 다시 말하지만, 이러한 동적 범위 생성은 스캔 궤적 내의 다른 지점에서 펄스 에너지를 조정하도록 주사 레이저 장치(400)를 구현함으로써 달성될 수 있다.

구체적으로, 도 4c의 예에서, 스캔 필드(410)는 60미터의 범위를 가지며, 25 내지 55 및 -25 내지 -55도 사이의 확장 출력 각도에 대응하는 단거리 영역(412)을 갖는다. 스캔 필드(410)는 마찬가지로 120미터의 범위를 가지며 12.5 ~ 25도 및 -12.5 ~ -25도 사이의 확장 출력 각도에 대응하는 중거리 영역(414)을 갖는다. 마지막으로, 스캔 필드(410)는 200미터의 범위를 가지며 0 ~ 12.5도 및 0 ~ -12.5도 사이의 확장 각도에 대응하는 장거리 영역(416)을 갖는다. 따라서, 주사 레이저 장치(400)는 각 스캔 궤적 또는 스캔 프레임에 대해 3가지 다른 범위를 제공한다.

도 4c의 예는 도 4a에 도시된 3가지 범위 모드의 중첩으로 간주될 수 있음에 유의해야 한다. 구체적으로, 이 예는 또한 각 스캔 궤적에 대해 "장거리 영역"(예컨대, 200미터 범위의 중앙 영역), "중거리 영역"(예컨대, 120미터 범위의 중간 영역) 및 "단거리 영역"(예컨대, 60미터 범위의 외곽 영역)을 제공한다.

주사 레이저 장치(400)는 펄스 에너지를 변화시켜 25, 12.5, -12.5 및 -25도에서 유효 범위를 변경하는 동시에 확대 광학부에 의해 제공되는 불균일한 광 확대의 효과를 보상하기 위해 펄스 에너지를 변화시킴으로써 이러한 동적 범위 생성을 달성할 수 있다. 따라서, 이러한 상이한 범위를 갖도록 주사 레이저 장치(400)를 구현하기 위해 광원 컨트롤러(예컨대, 레이저 광 컨트롤러(101))는 확대 광학부(예컨대, 확대 광학부(108))의 광 확대 및 스캔 궤적의 다양한 지점에서 상이한 원하는 범위를 보상하기 위해 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시킬 수 있다. 이렇게 하면 최대 전력 펄스만 사용하는 주사 레이저 장치에 비해 사용되는 전력량을 크게 줄이면서 다양한 영역에서 원하는 범위를 달성할 수 있다.

이제 도 4d를 참조하면, 레이저 광 펄스 에너지 레벨의 표현이 그래프(418)에 도시되어 있다. 그래프(418)는 도 4c에 도시된 스캔 필드(410)의 3가지 상이한 범위를 달성하는 데 필요한 제1 축 스캔 각도의 함수로서 레이저 광 펄스 에너지 레벨을 나타낸 것으로, 여기서 제1 축은 또한 결과 스캔 필드에서 제1 축에 대응한다. 다시 말하지만, 이 예에서 스캔 필드(410)는 3가지 상이한 범위, 즉 장거리 영역, 중거리 영역 및 단거리 영역을 포함하는 영역을 포함한다. 따라서, 각 스캔 궤적에 걸쳐 레이저 광 에너지는 장거리 영역에서 200미터의 범위, 중거리 영역에서 120미터의 범위, 단거리 영역에서 60미터의 범위를 제공하도록 변화된다. 또한, 레이저 광 펄스의 에너지 레벨은 스캔 필드에 걸쳐 조정되어 주사 레이저 장치의 확대 광학부가 제공하는 불균일한 광 확대를 보정한다. 따라서, 광 확대가 더 큰 영역에서는 유효 범위에 대한 이러한 확대의 영향을 보상하기 위해 더 많은 에너지가 제공된다.

이 경우, 광원 컨트롤러(예컨대, 광원 컨트롤러(101))는 상대적으로 좁은 시야가 이러한 펄스의 광 확대를 제한하기 때문에 장거리 영역에 대해 상대적으로 일정한 높은 에너지 레벨을 제공하도록 구성된다. 따라서, 레이저 광 펄스 에너지 레벨은 전체 장거리 영역에 걸쳐 전체 펄스 에너지의 100% 또는 이에 근접한다.

그러나, 중거리 영역 및 단거리 영역의 경우, 광원 컨트롤러는 해당 영역에 대한 광 확대의 불균일한 변화에 비례하는 방식으로 에너지를 변화시키도록 구성된다. 이를 통해, 중거리 영역과 단거리 영역 모두에 대해 원하는 범위를 달성하는 동시에 해당 스캔 각도에 대한 확대 광학부로 인한 불균일한 광 확대를 보상할 수 있다.

특히, 레이저 광 펄스의 에너지 레벨은 중거리 및 단거리 영역 모두에서 영역의 바깥쪽 가장자리에서 전체 펄스 에너지의 100% 또는 이에 가깝지만, 에너지 레벨은 중앙 스캔 각도로 갈수록 급격히 감소한다. 따라서, 에너지 레벨 조정은 다시 중거리 및 단거리 영역 내의 광 확대에 비례한다. 다시 말해, 단거리 및 중거리 영역 모두에서 에너지 레벨은 광 확대가 중심 스캔 각도에 비해 더 높은 변화율을 보이는 외각에서 더 높은 변화율을 보인다.

그래프(418)는 장거리, 중거리 및 단거리 영역에 대해 원하는 범위를 제공하는 동시에 불균일한 광 확대의 효과를 보상하는 에너지 레벨 조정을 나타내지만, 이러한 접근법은 전체 스캔 필드에 걸쳐 단순히 전체 에너지 레벨 펄스를 사용하는 시스템에 비해 소비되는 전체 전력도 감소시킨다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 이 기술은 주사 레이저 장치에 상당한 전력 절감 효과를 제공할 수 있다.

도 4c에 도시된 주사 레이저 장치(400)는 3가지 상이한 유효 범위를 갖는 스캔 필드(410)를 제공하지만, 이는 단지 하나의 예시적인 구현일 뿐이며, 다른 구현도 가능하다. 이제 도 4e를 참조하면, 동적 범위 생성 기능을 갖는 주사 레이저 장치(400)의 또 다른 개략도가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 4e는 스캔 필드(420)의 상이한 각도 영역에 걸쳐 5개의 상이한 유효 범위를 갖는 스캔 필드(420)를 제공하도록 구현된 주사 레이저 장치(400)를 나타낸 것이다. 다시 말하지만, 이러한 동적 범위 생성은 원하는 범위를 제공하고 광 확대를 보상하는 방식으로 스캔 궤적 내의 다른 지점에서 펄스 에너지를 조정하도록 주사 레이저 장치(400)를 구현함으로써 달성될 수 있다.

이제 도 4f를 참조하면, 동적 범위 생성을 갖는 주사 레이저 장치(400)의 또 다른 개략도가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 4f는 스캔 필드(430)의 상이한 각도 영역에 걸쳐 10개의 상이한 유효 범위를 갖는 스캔 필드(430)를 제공하도록 구현된 주사 레이저 장치(400)를 나타낸 것이다. 다시 말하지만, 이러한 동적 범위 생성은 원하는 범위를 제공하고 광 확대를 보상하는 방식으로 스캔 궤적 내의 다른 지점에서 펄스 에너지를 조정하도록 주사 레이저 장치(400)를 구현함으로써 달성될 수 있다.

이제 도 4g를 참조하면, 동적 범위 생성을 갖는 주사 레이저 장치(400)의 또 다른 개략도가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 4g는 비대칭 스캔 필드(440)를 제공하도록 구현된 주사 레이저 장치(400)를 나타낸 것이다. 이 실시예에서, 스캔 필드(440)는 스캔 필드(440)의 각각에 대해 5개의 상이한 유효 범위를 갖는다. 특히, 각기 다른 영역의 각도 확장 및 범위는 서로 다를 수 있다. 다시 말하지만, 이러한 동적 범위 생성은 원하는 범위를 제공하고 광 확대를 보상하는 방식으로 스캔 궤적 내의 다른 지점에서 펄스 에너지를 조정하도록 주사 레이저 장치(400)를 구현함으로써 달성할 수 있다. 이제 도 4h를 참조하면, 동적 범위 생성 기능이 있는 주사 레이저 장치(400)의 또 다른 개략도가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 4f는 스캔 필드(450)의 한쪽 면에서만 유효 범위가 다른 상이한 영역을 갖는 비대칭 스캔 필드(450)를 제공하도록 구현된 주사 레이저 장치(400)를 나타낸 것이다. 이 실시예에서, 스캔 필드(440)는 스캔 필드(440)의 각각에 대해 5개의 상이한 유효 범위를 갖는다. 다시 말하지만, 이러한 동적 범위 생성은 원하는 범위를 제공하고 광 확대를 보상하는 방식으로 스캔 궤적 내의 다른 지점에서 펄스 에너지를 조정하도록 주사 레이저 장치(400)를 구현함으로써 달성될 수 있다.

다시 말하지만, 이러한 각 실시예에서 주사 레이저 장치(400)는 단순히 전체 스캔 필드에 걸쳐 전체 에너지 레벨 펄스를 사용하는 장치에 비해 상당한 전력 절감을 달성할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 이러한 다양한 실시예들은 또한 원하는 스캔 커버리지를 제공하면서 주사 레이저 장치에 상당한 전력 절감을 제공할 수 있다. 도 4c 및 도 4e 내지 도 4h에 예시된 동적 범위 생성의 다양한 예는 일부 예에 불과하며, 결과 스캔 필드가 다른 많은 다른 구현이 가능하다는 점에 유의해야 한다.

이제 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 주사 레이저 장치(예컨대, 주사 레이저 장치(100))의 일 실시예가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 5a 및 도 5b는 다양한 실시예에 따른 주사 LiDAR 시스템을 구비한 이동 플랫폼을 도시한 것이다. 자동차(502)는 LiDAR 시스템(504)이 장착되는 이동 가능한 플랫폼이다. LiDAR 시스템은 위에서 논의된 다양한 실시예(예컨대, 도 1의 주사 레이저 장치(100)) 또는 본원에 논의된 주사 레이저 장치 및 LiDAR 시스템 중 임의의 것을 사용하여 구현된다. 이와 같이, LiDAR 시스템(504)은 불균일한 광 확대를 제공하는 확대 광학부(예컨대, 확대 광학부(108)) 및 광 확대의 불균일한 변화에 비례하는 방식으로 에너지 레벨을 변화시키는 레이저 광 컨트롤러로 구현된다. 구체적으로, 이 예에서, LiDAR 시스템(504)은 수평 축에서는 이러한 불균일한 광 확대를 제공하지만 수직 축에서는 제공하지 않는 확대 광학부로 구현된다.

LiDAR 시스템(504)은 상이한 수평 영역들이 상이한 유효 범위를 갖는 예시적인 스캔 필드를 생성한다. 구체적으로, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, LiDAR 시스템(504)은 장거리 영역(506), 중거리 영역(510) 및 단거리 영역(510)을 선택적으로 촉진하도록 구현될 수 있으며, 이들 영역 각각은 상이한 각도 확장범위를 갖는다. 다시 말하지만, 이는 도 4a에 도시된 바와 같이, 3개의 상이한 범위 모드에서 LiDAR 시스템(504)을 작동시킴으로써 달성될 수 있으며, 여기서 3개의 상이한 범위 모드는 상이한 각도 시야를 갖는다. 또는, 도 4c 및 도 4e 내지 도 4h에 도시된 바와 같이, 서로 다른 유효 범위를 갖는 서로 다른 영역으로 동적 범위 생성을 제공하도록 LiDAR 시스템(504)을 작동시킴으로써 이를 달성할 수 있다.

LiDAR 시스템(504)에서 이러한 상이한 범위를 구현하기 위해, 광원 컨트롤러는 확대 광학부의 광 확대 및 상이한 원하는 범위를 보상하기 위해 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시킬 수 있다. 특히, 일부 실시예에서, 상당한 및/또는 불균일한 광 확대는 1개의 축에서만 제공되고, 다른 축은 상당한 광 확대를 받지 않는다. 이러한 실시예에서, 광 확대를 보상하기 위한 펄스 에너지의 변화는 상당한 광 확대를 갖는 1개의 축에서만 발생할 수 있다. 도 5a 및 도 5b의 예에서, 불균일한 광 확대는 수평 축에만 제공된다. 따라서, 수직 축에서는 원하는 범위를 달성하기 위해 필요한 만큼만 에너지 레벨이 달라진다.

이제 도 5c 및 도 5d로 돌아가서, 표(510, 512 및 514)는 동적 범위 생성을 사용하는 주사 레이저 장치에서 이러한 에너지 레벨의 변화가 어떻게 구현될 수 있는지를 설명한다. 구체적으로, 표(510)는 조정 계수(PV1, PV2 및 PV3)를 사용하여 수직 축을 따라 에너지 레벨을 변화시킬 수 있는 방법을 보여준다. 이러한 조정 계수는 해당 수직 영역에서 원하는 범위를 제공한다. 마찬가지로 표(512)는 조정 계수(PHI, PH2, PH3, PH4 및 PH5)를 사용하여 수평 축을 따라 에너지 레벨을 변경할 수 있는 방법을 보여준다. 이러한 조정 계수는 수평 축의 불균일한 확장을 보정하면서 해당 수평 영역에서 원하는 범위를 제공한다.

한 가지 구체적인 예로, 수직 조정은 다음과 같이 구현할 수 있다: PV1=1.0, PV2=.60, PV3=.30. 다시 말하지만, 이러한 조정 계수는 수직 축의 다이나믹 레인지 생성에 사용되므로 상당히 균일하며 불균일한 광 확대에 대한 조정을 제공하지 않는다. 수평 조정은 다음과 같이 구현할 수 있다: PH1=1.0, PH2=.75, PH3=.90, PH4=.55, PH5=.80. 이러한 조정 계수는 수평 축의 범위와 불균일한 광 확대에 대한 보상을 반영하여 불균일하다.

마지막으로, 표(514)는 결합된 조정 계수를 사용하여 전체 주사 영역에 걸쳐 에너지 레벨을 변화시킬 수 있는 방법을 보여준다. 구체적으로, 상응하는 수평 및 수직 조정 계수를 곱하면 해당 수평 및 수직 영역에 대한 에너지 레벨을 보정하는 데 사용할 수 있는 결합 조정 계수가 생성된다.

이는 펄스 에너지 레벨을 수정하기 위해 수평 및 수직 조정 인자를 함께 사용할 수 있는 방법의 한 예에 불과하다는 점에 다시 한 번 유의해야 한다. 예를 들어, 다른 실시예들에서, 수평 및 수직 조정 인자들은 다른 수학적 조합 기법(조정 인자의 가중 평균 사용)을 사용하여 결합될 수 있다. 그리고, 다른 실시예에서, 에너지 레벨은 수평 및 수직 조정 계수 중 더 높거나 낮은 것을 선택함으로써 변화될 수 있다.

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 맵 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 6에 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 동안, 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 IR 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.

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(예컨대, 패턴(112))으로 스캔되는 결과를 초래한다. 주사 레이저 장치를 90도 회전하면 수평 축과 수직 축이 효과적으로 전환되므로, 본 명세서에서 사용된 "수직" 및 "수평" 라벨은 다소 임의적이라는 점에 유의해야 한다.

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

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

전술한 바와 같이, 확대렌즈(620, 622, 624)는 불균일한 수평 확장을 제공하도록 구현될 수 있다. 일반적으로, 불균일한 확장은 확대 광학부가 스캔 필드에서 IR 레이저 광 펄스의 제1 축을 따라 위치별 광 확대의 불균일한 변동을 제공하는 것이다. 예를 들어, 확장량은 수평 축을 따라 불균일하게 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 광 확대의 불균일한 변화이다. 제2 프리즘(626)은 제3 확대렌즈(624)의 출력을 수신하여 빔을 제2 주사 미러(628)로 향하게 한다.

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 점군 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. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제2 IR 검출기(1842)는 중복 단거리 검출을 제공하도록 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 생성한다. 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(예컨대, 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 제1 축에서 주사하고, 제2 축에서 주사하는 2개의 개별 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 점군 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 점군 저장 장치에 3튜플(X, Y, Z)이 기록되고, 그 결과 본 문서에서 "점군"으로 지칭되는 일련의 3D 포인트가 생성된다. 시야의 모든 X, Y 측정 지점에 반드시 해당 Z 측정 값이 있는 것은 아니다. 따라서, 결과 점군은 희박하거나 밀도가 높을 수 있다. 3D 점군에 포함된 데이터의 양은 본 발명의 제한이 아니다.

3D 점군 저장 장치(846)는 임의의 적합한 회로 구조를 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 3D 점군 저장 장치(846)는 하나의 포트에 기록되고 제2 포트에서 판독될 수 있는 이중 포트 메모리 장치로 구현된다. 다른 실시예에서, 3D 점군 저장 장치(846)는 범용 메모리 장치 내의 데이터 구조로 구현된다. 또 다른 실시예에서, 3D 점군 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)에 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 광학 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 점군 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 점군을 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 점군 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 이상에서 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 점군에 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.

임의의 에너지 레벨에서 임의의 수의 펄스를 사용하여 여러 범위를 정의할 수 있다. 예를 들어, 단거리는 단일 단거리 펄스의 에너지에 의해 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 지점에서 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 지점"은 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 검출되는지 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 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.

또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 따라, 펄스 생성 회로(890)는 스캔 필드(828)의 제1 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 구성된 레이저 광 컨트롤러로 구현될 수 있다. 레이저 광 펄스의 에너지 레벨의 변화는 센서의 원하는 유효 범위를 제공하면서 확대 광학부에 의해 제공되는 불균일한 광 확대의 효과를 적어도 부분적으로 보상하면서 수행된다. 예를 들어, 일 실시예에서 광원 컨트롤러는 광 확대의 불균일한 변화에 비례하는 방식으로 에너지를 변화시키도록 구성된다. 따라서, 더 큰 광 확대를 받는 레이저 광 펄스는 더 큰 에너지 레벨로 생성된다. 또한, 레이저 광 컨트롤러는 스캔 필드(828)의 상이한 스캔 영역에서 상이한 유효 범위를 용이하게 하기 위해 에너지를 변화시키도록 구성될 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, 또는 다른 순서로 수행될 수도 있다. 또한, 일부 실시예에서, 도 4에 기재된 일부 동작은 방법(1000)에서 생략된다.

방법(1000)은 단거리 펄스 에너지 레벨이 설정되고 단거리 펄스가 방출되는 블록(1010)으로 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 점군 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 점군 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 점군 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 도시한다. 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 방출 레벨에 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(예컨대, 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 점군 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.

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 펄스 모두로부터의 반사를 감지하도록 구현된 제1 IR 검출기를 포함하고, 송신 모듈(1310)은 저전력 단거리 펄스로부터의 반사를 중복 감지하여 향상된 눈의 안전성을 제공하는 제2 IR 검출기를 포함한다.

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 및 1350)들은 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 광 확대의 불균일한 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 불균일하게 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 광 확대의 상응하는 불균일한 감소를 제공하기 위해 수신 모듈(1330)에 구현될 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 전송 모듈(1310)은 스캔 필드(1328)의 제1 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 구성된 레이저 광 컨트롤러를 포함하는 펄스 생성 회로(1390)로 구현될 수 있다. 레이저 광 펄스의 에너지 레벨의 변화는 센서의 원하는 유효 범위를 제공하면서 확대 광학부에 의해 제공되는 불균일한 광 확대의 효과를 적어도 부분적으로 보상하면서 수행된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 광원 컨트롤러는 광 확대의 불균일한 변화에 비례하는 방식으로 에너지를 변화시키도록 구성된다. 따라서, 더 큰 광 확대를 받는 레이저 광 펄스는 더 큰 에너지 레벨로 생성된다. 또한, 레이저 광 컨트롤러는 스캔 필드(1328)의 상이한 스캔 영역에서 상이한 유효 범위를 용이하게 하기 위해 에너지를 변화시키도록 구성될 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 형성 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, 저에너지 단거리 펄스의 신뢰성 있는 검출을 용이하게 하기 위해, 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 복수의 센서는 광 어셈블리 내에서 역반사의 효과를 적어도 부분적으로 상쇄하도록 구성된다. 광 어셈블리 내에서 역반사의 영향을 제거하면, 특히 스캔 필드 내에서 레이저 펄스의 저에너지 단거리 반사를 감지할 때 감지기의 감도가 향상될 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 송신 모듈(1400)은 스캔 필드의 제1 축을 따라 위치별 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 구성된 레이저 광 컨트롤러로 구현될 수 있다. 레이저 광 펄스의 에너지 레벨의 변화는 센서의 원하는 유효 범위를 제공하면서 확대 광학부에 의해 제공되는 불균일한 광 확대의 효과를 적어도 부분적으로 보상하면서 수행된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 광원 컨트롤러는 광 확대의 불균일한 변화에 비례하는 방식으로 에너지를 변화시키도록 구성된다. 따라서, 더 큰 광 확대를 받는 레이저 광 펄스는 더 큰 에너지 레벨로 생성된다. 또한, 레이저 광 컨트롤러는 스캔 필드의 다른 스캔 영역에서 다른 유효 범위를 용이하게 하기 위해 에너지를 변화시키도록 구성할 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 시스템에서 사용될 수 있는 수신 모듈의 예이다(예컨대, 도 13의 수신 모듈(1330)). 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)와 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 도 15) 및 수신 모듈(16)(도 16 및 도 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 않는 범위 내에서 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 (14)

1. 레이저 광 펄스를 생성하도록 구성된 레이저 광원;
   상기 레이저 광 펄스를 스캔 필드로 스캔하기 위한 확대 광학부 및 빔 주사 광학부를 포함하는 광 어셈블리로서, 상기 확대 광학부가 상기 스캔 필드에서 제1 축을 따라 위치별 상기 레이저 광 펄스의 광 확대의 불균일한 변동을 제공하는 상기 광 어셈블리;
   상기 스캔 필드 내에서 상기 레이저 광 펄스의 반사를 감지하는 검출기; 및
   광원 컨트롤러로서, 상기 스캔 필드에서 상기 제1 축을 따라 위치별 광 확대의 불균일한 변화에 비례하는 방식으로 상기 제1 축을 따라 위치별 상기 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 상기 레이저 광원을 제어하도록 구성된 상기 광원 컨트롤러를 포함하는 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 스캔 필드에서 상기 제1 축을 따라 위치별 상기 광 확대의 불균일한 변화는, 상기 스캔 필드에서 상기 제1 축을 따라 위치별 비선형 팽창 속도를 포함하는 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 스캔 필드에서 상기 제1 축을 따라 위치별 상기 광 확대의 불균일한 변화는, 상기 제1 축을 따라 제1 측면 영역에서 상기 레이저 광 펄스의 위치별 광 확대가 상기 제1 측면 영역과 제2 측면 영역 사이의 상기 제1 축을 따라 중심 영역에서 상기 레이저 광 펄스의 위치별 광 확대가 적은 것과 비교하여 더 큰 광 확대를 포함하는 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 광 확대의 불균일한 변화는 출구 포인팅 각도의 불균일한 변화 및 빔 폭의 불균일한 변화를 포함하는 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 스캔 필드는 상기 제1 축에 수직인 제2 축을 포함하고, 상기 광원 컨트롤러는 상기 스캔 필드에서 상기 제2 축을 따라 상기 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 더 구성되는 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 광원 컨트롤러는 상기 스캔 필드의 상이한 영역에서 상이한 유효 범위를 제공하도록 반응하는 상기 제1 축 및 상기 제2 축을 따라 위치별 상기 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 더 변화시키도록 더 구성되는 장치.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 제2 축은 수직 축을 포함하고, 상기 광원 컨트롤러는 상이한 수직 영역에서 상이한 유효 범위를 제공하기 위해 상기 제2 축을 따라 위치별 상기 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 구성되는 장치.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 광원 컨트롤러는 상기 제1 축을 따라 상기 스캔 필드의 상이한 각도 영역이 상이한 유효 범위를 갖도록 유효 범위를 동적으로 생성하기 위해, 상기 제1 축을 따라 위치별 상기 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 더 변화시키도록 더 구성되는 장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 광원 컨트롤러는 상기 제2 축을 따라 상기 스캔 필드의 상이한 각도 영역이 상이한 유효 범위를 갖도록 유효 범위를 동적으로 생성하기 위해, 상기 제2 축을 따라 위치별 상기 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 더 변화시키도록 더 구성되는 장치.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원 컨트롤러는 각 스캔 궤적에 대해 상기 제1 축을 따라 위치별 상기 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 추가로 변화시켜 유효 범위를 동적으로 생성하여, 상기 스캔 필드의 중심에 적어도 상대적으로 장거리 영역, 상기 스캔 필드에서 중거리 영역 및 상기 스캔 필드에서 상대적으로 단거리 영역을 생성하도록 더 구성되는 장치.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 주사 광학부는 수평 주사 미러와 수직 주사 미러를 포함하고, 상기 확대 광학부는 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈 및 제3 렌즈는 상기 수평 주사 미러와 상기 수직 주사 미러 사이에 위치하는 장치.
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 장치는 이동 플랫폼에 장착되는 장치.
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 감지된 반사로부터 상기 스캔 필드에서 깊이 측정 지점까지의 거리를 결정하기 위해 상기 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 없다는 판단에 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 회로를 더 포함하는 장치.
14. 적외선(IR) 레이저 광 펄스를 생성하도록 구성된 레이저 광원;
    광 어셈블리로서, 상기 광 어셈블리가 빔 생성 광학부, 확대 광학부 및 IR 레이저 광 펄스를 스캔 필드로 스캔하기 위한 주사 광학부를 포함하며, 상기 스캔 필드가 중심 영역과 제1 측면 영역 및 상기 중심 영역의 반대쪽에 있는 제2 측면 영역을 포함하고, 상기 확대 광학부가 상기 스캔 필드에서 수평 축을 따라 수평 위치에 대한 상기 IR 레이저 광 펄스의 광 확대의 불균일한 변화를 제공하며, 상기 제1 측면 영역 및 상기 제2 측면 영역에서 상기 IR 레이저 광 펄스의 수평 위치에 대한 광 확대의 증가가 더 크고, 상기 중앙 영역에서 상기 IR 레이저 광 펄스의 수평 위치에 대한 광 확대의 증가가 더 적은 상기 광 어셈블리;
    상기 스캔 필드 내에서 상기 IR 레이저 광 펄스의 반사를 감지하는 제1 IR 검출기;
    상기 스캔 필드의 깊이 측정 지점에서 물체까지의 거리를 측정하는 상기 제1 IR 광 검출기에 반응하는 비행 시간(TOF) 회로; 및
    광원 컨트롤러로서, 상기 제1 측면 영역 및 상기 제2 측면 영역에서 상기 IR 레이저 광 펄스의 수평 위치에 대한 광 확대의 증가가 크고, 상기 중앙 영역에서 상기 IR 레이저 광 펄스의 수평 위치에 대한 광 확대의 증가가 작은 것에 비례하여 상기 수평 축을 따라 상기 IR 레이저 광 펄스의 에너지 레벨을 변화시키도록 상기 레이저 광원을 제어하도록 구성되는 광원 컨트롤러;를 포함하는 장치.

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