KR20240015657A - 마이크로렌즈 어레이 및 일체형 포토닉 스위치 어레이를 갖는 라이다 - Google Patents
마이크로렌즈 어레이 및 일체형 포토닉 스위치 어레이를 갖는 라이다 Download PDFInfo
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Abstract
본 개시는 광학 도파관에 의해 공급받는 광학 안테나를 갖는 이미징 라이다에 관한 것이다. 광학 안테나는 수신기로의 레이저 소스에 광학 안테나를 연결하는 광학 스위치 네트워크를 통하여 활성화될 수 있다. 라이다 시스템의 렌즈와 광학 안테나 사이에 마이크로렌즈 어레이가 위치되고, 마이크로렌즈 어레이는 대응하는 광학 안테나로부터의 방출 각도를 렌즈의 주광선 각도와 매칭되도록 변형하도록 위치된다. 사용 방법 및 제조 방법이 또한 제공된다.
Description
우선권 주장
이 특허 출원은 "마이크로렌즈 어레이 및 일체형 포토닉 스위치 어레이를 갖는 라이다(LiDAR WITH MICROLENS ARRAY AND INTEGRATED PHOTONIC SWITCH ARRAY)”라는 발명의 명칭으로 2021년 5월 19일에 출원된 미국 가특허 출원 제63/190,672호에 대하여 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 여기에 참조로 포함되어 있다.
참조로 포함
본 명세서에서 언급되는 모든 공보 및 특허 출원은, 각각의 개별 공보 또는 특허 출원이 참조로 포함되도록 구체적이고 개별적으로 표시된 것과 동일한 정도로 본원에 참조로 포함된다.
본 개시는 신규한 라이다 시스템 및 방법을 상세히 기술한다. 보다 구체적으로, 이 개시는 광학 안테나의 방출 각도 및 이미징 렌즈의 수신 각도를 매칭시키기 위한 마이크로렌즈 어레이를 갖는 이미징 라이다에 관한 것이다.
라이다(light detection and ranging, LiDAR)는 자율주행 차량 그리고 스마트폰 및 태블릿과 같은 휴대용 장치에 널리 사용되고 있다. 솔리드 스테이트(solid state) 라이다는 소형화 및 대량 생산에 유리하기 때문에 특히 매력적이다. 미국 특허 출원 제2021/0116778호는 이미징 렌즈의 초점 평면에 위치된 수직 커플러(vertical coupler)(광학 안테나라고도 함)의 프로그래밍 가능한 어레이로 이루어진 빔 스티어링 시스템(beamsteering system)을 교시한다. 광학 신호는 미세-전자-기계 시스템(micro-electro-mechanical system, MEMS)-가동식 도파관 스위치로 이루어진 프로그래밍 가능한 광학 네트워크를 통해 임의의 선택된 광학 안테나로 전달될 수 있다. 종래의 열-광학 또는 전기-광학 스위치와 비교하여, MEMS 스위치는 더 낮은 삽입 손실, 더 낮은 혼선, 광대역 작동, 디지털 가동 및 더 낮은 전력 소비를 제공한다. 프로그래밍 가능한 광학 안테나의 고밀도 어레이는, 그의 작은 공간 점유 덕분에, 고해상도 이미징 라이다를 위해 단일 칩 상에 일체화될 수 있다.
이전의 개시는 이미징 렌즈의 수용 각도에 매칭되도록 개별 광학 안테나의 방출 각도를 맞추었다. 일부 실시예에서 광학 안테나의 방출 각도는 제조 프로세스에 민감하다. 이는 또한 검출기로 되돌아오는 반사에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 바람직하지 않다. 본 개시는 안테나의 방출 각도 및 이미징 렌즈의 수용 각도를 매칭시키기 위한 마이크로렌즈 어레이의 사용을 설명한다.
이미징 라이다 시스템이 제공되며, 이는 렌즈, 적어도 하나의 발광기, 적어도 하나의 광 검출기, 복수의 광학 안테나를 포함하는 안테나 어레이, 적어도 하나의 발광기로부터 선택된 송신 광학 안테나로의 그리고 선택된 수신 안테나로부터 적어도 하나의 검출기로의 광학 경로를 제공하도록 구성된 프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크, 및 안테나 어레이의 복수의 광학 안테나에 대응하는 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이 - 마이크로렌즈 어레이는 복수의 광학 안테나와 렌즈 사이에 배치되고, 마이크로렌즈 어레이는 렌즈의 초점 평면에 대략적으로 위치되고 안테나 어레이는 마이크로렌즈 어레이의 초점 평면에 대략적으로 위치됨 - 를 포함하고, 마이크로렌즈 어레이의 각각의 마이크로렌즈는 대응하는 광학 안테나로부터의 방출 각도를 렌즈의 주광선 각도(chief ray angle)와 매칭되도록 변형하도록 위치된다.
일부 실시예에서, 마이크로렌즈 어레이는 규소, 유리, 질화규소, 중합체, 포토레지스트, 플라스틱, 세라믹, 유전체 및 다른 반도체 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일 실시예에서, 각각의 마이크로렌즈는 프레넬 렌즈(Fresnel lens), 메타 렌즈(meta lens), 메타표면 렌즈(metasurface lens) 및 임의의 다른 인공적으로 합성된 렌즈로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시예에서, 마이크로렌즈 어레이는 하나 이상의 표면 상에 반사 방지 코팅을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 렌즈는 단일 렌즈, 복합 렌즈, 다중 요소 렌즈, 스마트폰 렌즈 및 망원 렌즈로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
다른 예에서, 시스템은 안테나 어레이의 적어도 하나의 에지를 따라 배치되는 스페이서(spacer)를 더 포함하며, 이 스페이서는 마이크로렌즈 어레이가 렌즈의 초점 평면에 대략적으로 위치되고 안테나 어레이가 마이크로렌즈 어레이의 초점 평면에 대략적으로 위치되는 최적의 간격을 유지하도록 구성된다.
일 실시예에서, 스페이서 및 마이크로렌즈 어레이는 밀봉된 공동을 형성한다.
다른 실시예에서, 밀봉된 공동은 밀폐형(hermetic)이다.
일부 실시예에서, 복수의 광학 안테나는 별개의 송신 및 수신 광학 안테나 그리고 이 별개의 송신 및 수신 광학 안테나에 연결되는 별개의 광학 경로를 포함한다.
일 예에서, 마이크로렌즈 어레이는 단일면(single-sided) 디자인을 포함한다. 다른 예에서, 마이크로렌즈 어레이는 양면(doucle-sided) 디자인을 포함한다.
일부 예에서, 마이크로렌즈 어레이는 주기적이고 안테나 어레이는 주기적이다. 다른 예에서, 마이크로렌즈 어레이는 주기적이지 않고 안테나 어레이는 주기적이거나, 또는 그 반대도 가능하다.
일부 예에서, 마이크로렌즈 어레이 및 안테나 어레이 둘 모두는 정렬 및 영구 부착을 허용하도록 구성된 기준 마커(fiducial marker)를 갖는다.
다른 실시예에서, 복수의 광학 안테나는 8°의 방출 각도 및 30°의 빔 발산 각도를 갖는다. 하나의 구체적인 예에서, 마이크로렌즈 어레이는 빔 발산 각도를 22°로 그리고 방출 주광선 각도(CRA)를 0° 내지 37° 범위의 값으로 변환하도록 구성된다.
이미징 라이다 시스템을 위한 프로그램 가능한 집적 회로(programmable integrated circuit, PIC)가 제공되며, 이는 복수의 광학 안테나를 포함하는 안테나 어레이, 선택된 송신 광학 안테나로의 그리고 선택된 수신 안테나로부터의 광학 경로를 제공하도록 구성된 프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크, 및 안테나 어레이의 복수의 광학 안테나에 대응하는 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이 - 안테나 어레이는 마이크로렌즈 어레이의 초점 평면에 대략적으로 위치됨- 를 포함하고, 마이크로렌즈 어레이의 각각의 마이크로렌즈는 대응하는 광학 안테나로부터의 방출 각도를 이미징 라이다 시스템의 렌즈의 주광선 각도와 매칭되도록 변형하도록 위치된다.
일부 실시예에서, 마이크로렌즈 어레이는 규소, 유리, 질화규소, 중합체, 포토레지스트, 플라스틱, 세라믹, 유전체 및 다른 반도체 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
다른 실시예에서, 각각의 마이크로렌즈는 프레넬 렌즈, 메타 렌즈, 메타표면 렌즈 및 임의의 다른 인공적으로 합성된 렌즈로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
일 예에서, 마이크로렌즈 어레이는 하나 이상의 표면 상에 반사 방지 코팅을 더 포함한다.
다른 실시예에서, PIC는 안테나 어레이의 적어도 하나의 에지를 따라 배치되는 스페이서를 더 포함하며, 이 스페이서는 안테나 어레이가 마이크로렌즈 어레이의 초점 평면에 대략적으로 위치되는 최적의 간격을 유지하도록 구성된다.
일부 예에서, 스페이서 및 마이크로렌즈 어레이는 밀봉된 공동을 형성한다. 일 실시예에서, 밀봉된 공동은 밀폐형이다.
일부 예에서, 복수의 광학 안테나는 별개의 송신 및 수신 광학 안테나 그리고 이 별개의 송신 및 수신 광학 안테나에 접속하는 별개의 광학 경로를 포함한다.
일 예에서, 마이크로렌즈 어레이는 단일면 디자인을 포함한다. 다른 예에서, 마이크로렌즈 어레이는 양면 디자인을 포함한다.
일부 예에서, 마이크로렌즈 어레이는 주기적이고 안테나 어레이는 주기적이다. 다른 예에서, 마이크로렌즈 어레이는 주기적이지 않고 안테나 어레이는 주기적이거나, 또는 그 반대도 가능하다.
일부 실시예에서, 마이크로렌즈 어레이 및 안테나 어레이 둘 모두는 정렬 및 영구 부착을 허용하도록 구성된 기준 마커를 갖는다.
일 예에서, 복수의 광학 안테나는 8°의 방출 각도 및 30°의 빔 발산 각도를 갖는다. 하나의 구체적인 예에서, 마이크로렌즈 어레이는 빔 발산 각도를 22°로 그리고 방출 주광선 각도(CRA)를 0° 내지 37° 범위의 값으로 변환하도록 구성된다.
라이다 이미징을 수행하는 방법이 제공되며, 이는 적어도 하나의 발광기로부터 광학 네트워크의 안테나 어레이의 선택된 송신 광학 안테나로의 제1 광 경로를 제공하도록 프로그램 가능한 광학 네트워크를 제어하는 단계, 마이크로렌즈 어레이가 렌즈의 초점 평면에 대략적으로 위치되고 안테나 어레이가 마이크로렌즈 어레이의 초점 평면에 대략적으로 위치되도록 마이크로렌즈 어레이를 위치시키는 단계 - 마이크로렌즈 어레이는 안테나 어레이에 대응하는 복수의 마이크로렌즈를 포함함 -, 및 선택된 송신 광학 안테나의 방출 각도를 렌즈의 주광선 각도와 매칭되도록 변형하는 단계를 포함한다.
이미징 라이다 시스템을 위한 프로그램 가능한 집적 회로(PIC)를 제조하는 방법이 제공되며, 이는 포토리소그래피(photolithography) 프로세스에 의해 광학 안테나 어레이를 형성하는 단계 - 광학 안테나 어레이는 복수의 광학 안테나를 포함함 -, 포토리소그래피 프로세스에 의해 프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크를 형성하는 단계 - 프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크는 선택된 송신 광학 안테나로의 그리고 선택된 수신 안테나로부터의 광학 경로를 제공하도록 구성됨 -; 및
포토리소그래피 프로세스에 의해 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 단계 - 마이크로렌즈 어레이는 안테나 어레이의 복수의 광학 안테나에 대응하는 복수의 마이크로렌즈를 포함하고, 안테나 어레이는 마이크로렌즈 어레이의 초점 평면에 대략적으로 위치됨 - 를 포함하고, 마이크로렌즈 어레이의 각각의 마이크로렌즈는 대응하는 광학 안테나로부터의 방출 각도를 이미징 라이다 시스템의 렌즈의 주광선 각도와 매칭되도록 변형하도록 위치된다.
일부 예에서, 광학 안테나 어레이, 프로그래밍 가능한 광학 스위치 네트워크 및 마이크로렌즈 어레이는 규소, 유리, 질화규소, 중합체, 포토레지스트, 플라스틱, 세라믹, 유전체 및 다른 반도체 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 형성된다.
일부 예에서, 방법은 포토리소그래피 프로세스에 의해 스페이서를 형성하는 단계를 더 포함하고, 스페이서는 안테나 어레이가 마이크로렌즈 어레이의 초점 평면에 대략적으로 위치되는 최적의 간격을 유지하도록 구성된다.
일 예에서, 스페이서 및 마이크로렌즈 어레이는 밀봉된 공동을 형성한다.
다른 예에서, 밀봉된 공동은 밀폐형이다.
본 발명의 신규한 특징은 특히 이후의 청구 범위에 상세하게 기술되어 있다. 본 발명의 특징 및 이점에 대한 더 나은 이해는 본 발명의 원리가 이용되는 예시적인 실시예를 기술하는 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조함으로써 얻어질 것이다.
도 1a는 이미징-기반 라이다의 하나의 예이다.
도 1b는 선택된 Tx 안테나를 레이저에 그리고 동일한 쌍의 Rx 안테나를 수신기에 연결할 수 있는 프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크를 도시한다.
도 2는 이상적인 렌즈를 갖는 이미징-기반 라이다의 단면도이다. 광학 안테나는 무제한적인 수용 각도를 갖는 이상적인 렌즈를 향해 임의의 방향으로 광을 방출할 수 있다.
도 3a는 초점 평면 상의 다양한 위치에 대한 이미징 렌즈의 주광선 각도(CRA)를 예시한다. 일부 렌즈에서, CRA 라인들의 연장부들은 이미지 측 상의 출사 동공(exit pupil)의 중심에서 수렴한다.
도 3b는 일반적인 렌즈의 CRA를 예시한다. 일부 렌즈, 특히 다수의 요소를 갖는 렌즈에서, CRA 라인들의 연장부들은 반드시 동일한 지점에서 교차하지는 않는다.
도 4는 안테나 방출 각도와 렌즈의 CRA를 매칭시키기 위해 렌즈와 초점 평면 광학 안테나 어레이 사이에 마이크로렌즈 어레이를 사용하는 것을 예시한다. 마이크로렌즈 어레이는 반사를 최소화하도록 반사 방지 코팅된다.
도 5는 마이크로렌즈 어레이가 방출 각도가 90도가 (또는 초점 평면에 수직이) 아닌 경우라도 렌즈의 CRA와 방출 각도를 매칭시킬 수 있다는 것을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 광학 안테나 및 마이크로렌즈 어레이의 하나의 예시적인 레이아웃(layout)을 도시한다. 둘 모두가 일정한 피치(pitch)를 갖는 2차원 어레이이지만, 마이크로렌즈 어레이의 피치는 안테나 어레이의 피치와 상이하다.
도 7은 광학 안테나 어레이 및 마이크로렌즈 어레이의 오버레이(overlay)를 도시한다. 마이크로렌즈와 안테나 사이의 오프셋(offset)은 렌즈의 CRA에 매칭시키기 위해 광학 안테나로부터의 광학 빔을 구부리도록 디자인된다. 마이크로렌즈 어레이는 또한 수신된 광학 빔에 대해 상호적인 방식으로 작동한다.
도 8a 및 도 8b는 광학 안테나 어레이, 마이크로렌즈 어레이, 또는 둘 모두가 비주기적(aperiodic)인 하나의 예시적인 레이아웃을 도시한다. 마이크로렌즈와 안테나 사이의 오프셋은 안테나의 방출 각도와 렌즈의 CRA를 매칭시키기 위해 각각의 안테나(픽셀)에서 커스터마이징된다(customized).
도 9는 광학 안테나 어레이와 비주기적 마이크로렌즈 어레이의 오버레이를 도시한다.
도 10은 마이크로렌즈 어레이가 스페이서에 의해 규정된 갭 간격을 갖는 초점 평면 광학 안테나 어레이의 캡슐화의 일부인 하나의 예이다.
도 11은 송신 및 수신 기능을 위해 별개의 광학 안테나를 갖는 이미징-기반 모조-모노스태틱(pseudo-monostatic) 라이다에서의 마이크로렌즈 어레이의 사용을 예시한다.
도 12는 마이크로렌즈 어레이와 관련하여 사용되는 광학 안테나의 광학 안테나 어레이의 구체적인 예이다.
도 13은 마이크로렌즈가 (예를 들어, 도 12의 어레이로부터) 어떻게 빔 발산 각도를 변환하는지를 분석하는 개략도이다.
도 14는 몇몇 상이한 공극(g)에서 마이크로렌즈 곡률 반경(R)의 함수로서 마이크로렌즈 이후의 계산된 빔 발산 각도(θ 1)를 도시한다.
도 15a는 마이크로렌즈가 단일면 마이크로렌즈를 포함하는 시뮬레이션된 모델이다.
도 15b는 마이크로렌즈가 양면 마이크로렌즈를 포함하는 시뮬레이션된 모델이다.
도 1a는 이미징-기반 라이다의 하나의 예이다.
도 1b는 선택된 Tx 안테나를 레이저에 그리고 동일한 쌍의 Rx 안테나를 수신기에 연결할 수 있는 프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크를 도시한다.
도 2는 이상적인 렌즈를 갖는 이미징-기반 라이다의 단면도이다. 광학 안테나는 무제한적인 수용 각도를 갖는 이상적인 렌즈를 향해 임의의 방향으로 광을 방출할 수 있다.
도 3a는 초점 평면 상의 다양한 위치에 대한 이미징 렌즈의 주광선 각도(CRA)를 예시한다. 일부 렌즈에서, CRA 라인들의 연장부들은 이미지 측 상의 출사 동공(exit pupil)의 중심에서 수렴한다.
도 3b는 일반적인 렌즈의 CRA를 예시한다. 일부 렌즈, 특히 다수의 요소를 갖는 렌즈에서, CRA 라인들의 연장부들은 반드시 동일한 지점에서 교차하지는 않는다.
도 4는 안테나 방출 각도와 렌즈의 CRA를 매칭시키기 위해 렌즈와 초점 평면 광학 안테나 어레이 사이에 마이크로렌즈 어레이를 사용하는 것을 예시한다. 마이크로렌즈 어레이는 반사를 최소화하도록 반사 방지 코팅된다.
도 5는 마이크로렌즈 어레이가 방출 각도가 90도가 (또는 초점 평면에 수직이) 아닌 경우라도 렌즈의 CRA와 방출 각도를 매칭시킬 수 있다는 것을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 광학 안테나 및 마이크로렌즈 어레이의 하나의 예시적인 레이아웃(layout)을 도시한다. 둘 모두가 일정한 피치(pitch)를 갖는 2차원 어레이이지만, 마이크로렌즈 어레이의 피치는 안테나 어레이의 피치와 상이하다.
도 7은 광학 안테나 어레이 및 마이크로렌즈 어레이의 오버레이(overlay)를 도시한다. 마이크로렌즈와 안테나 사이의 오프셋(offset)은 렌즈의 CRA에 매칭시키기 위해 광학 안테나로부터의 광학 빔을 구부리도록 디자인된다. 마이크로렌즈 어레이는 또한 수신된 광학 빔에 대해 상호적인 방식으로 작동한다.
도 8a 및 도 8b는 광학 안테나 어레이, 마이크로렌즈 어레이, 또는 둘 모두가 비주기적(aperiodic)인 하나의 예시적인 레이아웃을 도시한다. 마이크로렌즈와 안테나 사이의 오프셋은 안테나의 방출 각도와 렌즈의 CRA를 매칭시키기 위해 각각의 안테나(픽셀)에서 커스터마이징된다(customized).
도 9는 광학 안테나 어레이와 비주기적 마이크로렌즈 어레이의 오버레이를 도시한다.
도 10은 마이크로렌즈 어레이가 스페이서에 의해 규정된 갭 간격을 갖는 초점 평면 광학 안테나 어레이의 캡슐화의 일부인 하나의 예이다.
도 11은 송신 및 수신 기능을 위해 별개의 광학 안테나를 갖는 이미징-기반 모조-모노스태틱(pseudo-monostatic) 라이다에서의 마이크로렌즈 어레이의 사용을 예시한다.
도 12는 마이크로렌즈 어레이와 관련하여 사용되는 광학 안테나의 광학 안테나 어레이의 구체적인 예이다.
도 13은 마이크로렌즈가 (예를 들어, 도 12의 어레이로부터) 어떻게 빔 발산 각도를 변환하는지를 분석하는 개략도이다.
도 14는 몇몇 상이한 공극(g)에서 마이크로렌즈 곡률 반경(R)의 함수로서 마이크로렌즈 이후의 계산된 빔 발산 각도(θ 1)를 도시한다.
도 15a는 마이크로렌즈가 단일면 마이크로렌즈를 포함하는 시뮬레이션된 모델이다.
도 15b는 마이크로렌즈가 양면 마이크로렌즈를 포함하는 시뮬레이션된 모델이다.
본 개시는 안테나로부터의 방출 각도와 이미징 렌즈의 수용 각도를 매칭시키기 위해 이미징 렌즈와 초점 평면 광학 안테나 어레이 사이에 마이크로렌즈 어레이를 갖는 이미징 라이다에 관한 것이다.
모노스태틱 이미징 라이다(100)의 하나의 예시적인 개략도가 도 1a에 도시된다. 광학 안테나의 2차원(2D) 어레이(103)를 갖는 포토닉 집적 회로(PIC)(101)는 이미징 렌즈(102)의 초점 평면에 배치된다. PIC의 광학 스위치 네트워크는 한 번에 하나 이상의 광학 안테나(104)를 선택적으로 활성화시킨다. 각각의 활성화된 광학 안테나는 특정 방향(Tx)으로 광을 송신하고 동일한 안테나가 타겟(Rx)으로부터 반사된 광을 수신한다. 이는, 타겟 1 및 타겟 2를 가리키는 두 개의 별개의 광학 안테나로부터의 광학 빔 경로로 예시된 바와 같이, 광학 안테나의 측면 위치와 파-필드(far-field) 각도 사이의 일대일 맵핑(mapping)을 생성한다. 이는 본 명세서에서 모노스태틱 라이다로 지칭되고, 여기서 송신기 및 수신기는 동일한 광학 안테나를 공유한다. Tx 및 Rx 파-필드 각도는 자동으로 정렬되지만, 라이다 수신기는 공유된 광학 경로 및 안테나에서의 잔여 반사에 민감하다. 잔여 반사는 광원(레이저)으로부터 타겟으로의 광학 경로 내의 일부 요소에 의해 야기되는 원하지 않는 반사를 포함할 수 있다. 이러한 잔여 반사는 또한 수신기에 전달될 수 있고, 이는 (특히 더 긴 거리에서의 약한 타겟 신호에 대해) 실제 타겟 신호의 검출을 잠재적으로 방해할 수 있다.
격자 커플러는 광학 안테나로서 종종 사용된다. 프리즘, 45-도(또는 다른 각도) 미러, 또는 엔드-파이어링 굽은 도파관(end-firing bent waveguide)과 같은 다른 구조가 또한 사용될 수 있다.
프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크는 선택된 Tx 안테나를 레이저에, 그리고 동일한 쌍의 Rx 안테나를 수신기에 연결할 수 있다. 모노스태틱 안테나 어레이를 연결하기 위한 적절한 프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크는 미국 공보 제2021/0116778호에 의해 설명되고, 이는 본원에 참조로 포함된다. 도 1b는 활성 행(row)을 선택하기 위해 1xM 스위치(행 선택 스위치(18))를 사용하고 광학 안테나(104)를 선택하기 위해 1xN 스위치(열 선택 스위치(10))를 사용하는 PIC(101) 상의 프로그램 가능한 광학 네트워크를 예시한다(도 1b는 광학 안테나(104)의 MxN 어레이를 도시한다). 프로그램 가능한 광학 네트워크는, 도시된 바와 같이, 수신기 및 레이저에 커플링될 수 있다. 레이저 광은 직접적으로 또는 변조기를 통하여 변조되어 인테로게이팅 광(interrogating light)을 생성한다. 펄스 비행 시간 시스템(pulsed time of flight system)에서, 레이저는 짧은( ~ 나노초) 광학 펄스를 발생하도록 변조되고, 수신기는 애벌란시 포토다이오드(avalanche photodiode, APD) 또는 단일 광자 애벌란시 다이오드(single photon avalanche diode, SPAD)로 제조된다. 주파수 변조 연속파(frequency-modulated continuous-wave, FMCW) 시스템에서, 레이저 주파수가 시간에 따라 선형적으로 증가 또는 감소한다. 코히어런트(coherent) 수신기는 비트 주파수를 추출하기 위해, 수신된 광 신호를 p-i-n 포토다이오드 또는 APD에서 레이저 광(국부 발진기 또는 Lo(local oscillator)라고 함)의 일부와 혼합한다. p-i-n 포토다이오드 또는 APD는 상이한 신호를 추출하기 위해 균형 잡힌(balanced) 구성으로 종종 배열된다. 이 시스템을 FMCW 라이다 또는 코히런트 라이다라고 한다. 이 예에서, 1xM 스위치는 M개의 1x2 스위치를 포함하고, 1xN 스위치는 N개의 1x2 스위치를 포함한다. 다른 가능한 배열은 미국 공보 제US2021/0116778호에서 논의된다. 앞서 언급한 바와 같이, 이 실시예의 Tx 및 Rx는 광학 안테나뿐만 아니라 도파관, 광학 스위치, 및 입력/출력 커플러(12)를 포함하는 공통 광학 경로를 공유한다.
도 2는 또한 이미징 렌즈(102)의 초점 평면에 배치된 광학 안테나(104)의 2차원(2D) 어레이(103)를 갖는 PIC(101)를 도시한다. PIC의 광학 스위치 네트워크는 한 번에 하나 이상의 광학 안테나(104)를 선택적으로 활성화시킨다. 최대 광학 효율을 달성하기 위해, 광학 안테나의 방출 각도는 렌즈의 수용 각도와 매칭되어야 한다. 렌즈가 무한 수용 각도를 갖는 경우, 광학 안테나는 렌즈를 향해 임의의 각도로 방출될 수 있고, 광은 도 2에서 방출된 빔(a 내지 e)으로 예시된 바와 같이 타겟을 향해 지향될 것이다.
하지만, 도 3a를 참조하면, 실제 이미징 렌즈, 특히 다수의 요소를 갖는 이미징 렌즈는 초점 평면에서 각각의 픽셀에 대해 유한 수용 각도를 갖는다. 도 3a의 렌즈(102)에 대한 수용 각도는 픽셀(예를 들어, 당해 광학 안테나)의 위치에 의존한다. 이 예에서, 수용 각도는, 각각의 픽셀/광학 안테나를 렌즈 어퍼쳐(또한 이미지 측 상의 출사 동공임)의 중심(108)에 연결하는 방출된 빔(예를 들어, a, b, c, d, e, f, g 등)과 초점 평면에 대한 법선(111) 사이의 각도로서 규정되는, 각각의 광학 안테나(104)에 대한 주광선 각도(CRA) 주위의 광 콘(light cone)(106)을 포함한다.
일부 렌즈, 예를 들어, 다중 요소 렌즈의 경우, CRA들의 연장부들은 단일 중앙 지점에서 교차하지 않을 수 있다. 대신에, 도 3b에 예시된 바와 같이, CRA들의 연장부들은, 포인트들(109a 내지 109d)에 의해 예시된 바와 같이, 다중 요소 렌즈의 중심(108)에 있지 않을 수 있는 다중 요소 렌즈(102) 내의 두 개 이상의 포인트를 통과할 수 있다.
원칙적으로, 각각의 픽셀에서의 광학 안테나는 CRA와 대략 동일한 각도로 방출하도록 최적화되거나 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학 안테나는 미국 특허 공보 제US2021/0116778호에서 교시된 바와 같이, 격자 커플러의 피치 및 배향을 제어할 수 있다. 유사하게, 미러 또는 프리즘-기반 광학 안테나에 대해, 미러/프리즘의 각도 및 배향이 조정될 수 있다. 하지만, 각각의 픽셀에 대한 각도를 커스터마이징하는 것은 미러 및 프리즘의 제조에 대한 과제를 제기한다. 상이한 피치를 갖는 격자 커플러는 포토리소그래피에 의해 패터닝될 수 있지만, 방출 각도는 제조 편차에 민감하다. 격자 회절 효율성 및 역반사(back-reflection)는 또한 격자 피치에 의존한다.
본 개시는 이미징 렌즈의 CRA와 매칭하기 위해 하나 이상의 광학 안테나로부터의 방출 각도를 변형하도록 구성된 신규한 마이크로렌즈 어레이를 제공한다. 실시예의 일 예가 도 4에 도시된다. 이 예에서, 복수의 마이크로렌즈(112)를 포함하는 마이크로렌즈 어레이(110)가 이미징 렌즈(102)와 광학 안테나 어레이(103) 사이에 배치된다. 하나의 예에서, 마이크로렌즈 어레이는 포토리소그래피 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 이 예에서 마이크로렌즈 어레이는 단일면 디자인으로서 도시되지만, 이 실시예, 또는 본 명세서에 설명된 임의의 다른 마이크로렌즈 실시예는 또한 양면 디자인으로서 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 일부 실시예에서, 마이크로렌즈 어레이는 어레이의 하나 이상의 측 상에 배치된 하나 이상의 반사 방지 코팅(들)(114)을 포함할 수 있다. 렌즈(102)와 마이크로렌즈 어레이(110) 사이의 거리는 대략 렌즈의 초점 거리일 수 있고, 마이크로렌즈 어레이(110)와 광학 안테나 어레이(103) 사이의 거리는 대략 마이크로렌즈의 초점 거리일 수 있다. 마이크로렌즈(112)는 각각의 광학 안테나의 정상부에 위치될 수 있지만, 각각의 마이크로렌즈의 중심은 광학 빔을 구부리기 위해 그의 대응하는 광학 안테나(104)에 대해 측방으로 오프셋된다. 각각의 마이크로렌즈를 통과한 후의 빔 각도는 tan -1 (δr/ ml )과 동일하며, 여기서 δr은 x-y 평면에서(좌표들의 정의는 도 4 참조) 각각의 마이크로렌즈와 그의 대응하는 광학 안테나의 중심 사이의 측방 오프셋이고, ml 은 마이크로렌즈의 초점 거리이다. 마이크로렌즈는 포토리소그래피에 의해 제조되기 때문에, 각각의 마이크로렌즈 위치는 각각의 대응하는 개별 픽셀 또는 광학 안테나의 CRA와 출력 각도를 매칭시키도록 정밀하게 규정될 수 있다.
빔이 마이크로렌즈를 통과한 후의 빔 각도는 마이크로렌즈와 광학 안테나 사이의 오프셋에만 의존한다는 것에 주의해야 한다. 대부분은, 광학 빔이 마이크로렌즈와 중첩되면, 이는 광학 안테나로부터의 방출 각도와는 독립적이다. 이는 도 5에 예시되며, 여기서 마이크로렌즈 어레이는, 광학 안테나로부터의 방출 각도가 90도가 (또는 초점 평면에 수직이) 아닌 경우라도, 렌즈의 CRA와 방출 각도를 매칭시키도록 구성될 수 있다는 것이 도시된다. 이는 광학 안테나가 방출 각도의 제약 없이 고효율에 최적화되는 것을 허용한다. 이는 또한 광학 안테나의 제조 편차에 대해 큰 공차를 갖는다. 하나 이상의 광학 안테나로부터의 방출 각도가 디자인된 각도와 상이하더라도, 마이크로렌즈 어레이는 여전히 렌즈의 CRA와 매칭된 출력 각도를 발생할 수 있다.
본 명세서에 설명된 예가 굴절 마이크로렌즈 어레이를 사용하지만, 프레넬 렌즈, 메타 렌즈, 메타표면 렌즈 또는 다른 인공적으로 합성된 렌즈와 같은 다른 마이크로렌즈가 사용될 수 있다. 마이크로렌즈는 규소, 이산화규소, 질화규소, 중합체, 플라스틱, 포토레지스트 또는 세라믹, 유전체, 반도체 재료 또는 복합 재료로 제조될 수 있다. 마이크로렌즈는 하향식(top-down) 제조, 사출 성형, 리플로우(reflow) 또는 다른 방법에 의해 제조될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 광학 안테나 어레이 및 마이크로렌즈 어레이의 예시적인 레이아웃을 도시한다. 도 6a는 광학 안테나 어레이(103)를 예시하며, 여기서 각각의 광학 안테나(104)는 점(dot)으로 표현된다. 도 6b는 마이크로렌즈 어레이(110)를 예시하며, 각각의 마이크로렌즈(112)는 원으로 표현된다. 이 실시예에서, 광학 안테나 및 마이크로렌즈 둘 모두는 규칙적이지만 상이한 피치를 갖는 2차원(2D) 어레이이다. 예를 들어, 광학 안테나 피치(116)는 마이크로렌즈 피치(118)와 상이하다. 일부 실시예에서, 피치 차이는 수십 나노미터 내지 수십 마이크로미터 정도일 수 있다. 피치 차이는 안테나 어레이 디자인 및 렌즈 파라미터의 함수이다. 광학 안테나 그리드(grid) 패턴(117)은 인접한 광학 안테나 사이의 피치를 나타내고, 마이크로렌즈 그리드 패턴(119)은 인접한 마이크로렌즈 사이의 피치를 나타낸다.
도 7은 도 6a 및 도 6b로부터의 광학 안테나 및 마이크로렌즈 어레이의 오버레이를 도시한다. 9x9 그리드의 광학 안테나 및 마이크로렌즈에서, 이 예는 총 81개의 광학 안테나 및 81개의 대응하는 마이크로렌즈를 제공한다. 오버레이의 중심(120)에서, 중앙 광학 안테나와 마이크로렌즈의 중심은 정확하게 정렬된다. 이것은 수직 출력 빔으로 이어진다. 어레이의 중심으로부터 멀리 있는 픽셀 또는 광학 안테나의 경우, 마이크로렌즈 위치는 어레이의 중심을 향해 오프셋되고, 광학 안테나는 각각의 대응하는 마이크로렌즈의 중심으로부터 외측으로 오프셋된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 광학 안테나 그리드 패턴(117)과 마이크로렌즈 그리드 패턴(119) 사이의 차이(disparity)를 명확하게 볼 수 있다. 각각의 개개의 마이크로렌즈와 광학 안테나 쌍 사이의 오프셋의 양은 어레이의 중심까지의 거리에 따라 증가하는데, 이는 CRA가 보통 이미징 평면의 중심으로부터 에지를 향해 증가하기 때문이다.
마이크로렌즈 어레이는 주기적(예를 들어, 인접한 마이크로렌즈 사이의 균일한 거리)일 필요가 없다. 일부 예에서, 어레이 내의 각각의 마이크로렌즈의 위치는, 도 8a 및 도 8b에 예시된 바와 같이, 렌즈의 CRA와 매칭되도록 각각의 광학 안테나에 대해 최적화될 수 있다. 따라서, 도 8a의 예에서, 광학 안테나 피치(116)는 균일하거나 주기적일 수 있지만, 도 8b에서, 다양한 마이크로렌즈들 사이의 마이크로렌즈 피치(118)는 주기적이거나 균일하지 않지만, 대신 렌즈의 CRA와 매칭되도록 최적화된다. 다른 실시예에서, 광학 안테나 어레이는 주기적일 필요도 없다. 마이크로렌즈 위치는 여전히 비주기적 광학 안테나 어레이에 대해 최적화될 수 있다.
도 9는, 마이크로렌즈 어레이가 주기적이지 않을 때, 광학 안테나 그리드 패턴(117)과 마이크로렌즈 그리드 패턴(119) 사이의 차이를 도시한다. 광학 안테나 그리드 패턴(117)과 마이크로렌즈 그리드 패턴(119) 사이의 오버레이는 도 7의 실시예에 도시된 바와 동일하지만, 마이크로렌즈 어레이가 비주기적인 것으로 인해 각각의 마이크로렌즈와 광학 안테나 쌍 각각의 사이의 오프셋의 양은 도 7의 실시예에서보다 적다. 구체적으로, 도 7의 실시예에서, 특히 어레이의 주변을 향해, 광학 안테나는 그의 대응하는 마이크로렌즈의 에지에 더 가깝게 위치된다. 하지만, 도 9의 이 실시예에서, 마이크로렌즈는 어레이의 주변에서 더 이격되어, 광학 안테나가 그들 개개의 마이크로렌즈의 각각의 내에서 더 중심에 위치되는 것을 허용한다.
도 10은 웨이퍼 또는 칩 스케일(chip scale)에서 광학 안테나(104)의 광학 안테나 어레이(103)와 조립될 수 있는 마이크로렌즈(112)의 마이크로렌즈 어레이(110)를 도시한다. 일부 실시예에서, 기준 마커는 마이크로렌즈 어레이 및 광학 안테나 어레이 둘 모두에 배치될 수 있다. 이들은 플립칩(flip-chip) 결합 또는 웨이퍼 결합 장비를 사용하여 정렬되고 영구적으로 부착될 수 있다. 마이크로렌즈의 초점 길이와 대략 동일한 높이를 갖는 스페이서(122)가 마이크로렌즈 어레이 또는 광학 안테나 어레이 중 어느 하나 상에 제조될 수 있다. 그 후, 스페이서는 마이크로렌즈와 광학 안테나 어레이(103) 사이의 간격을 정밀하게 규정하도록 구성될 수 있다. 에워싸인 스페이서는 광학 안테나에 밀폐형 밀봉을 추가로 제공할 수 있으며, 이는 MEMS 액추에이터가 광학 스위치 네트워크에서 사용되는 경우에 유익할 수 있다. 일부 실시예에서, 스페이서는 마이크로렌즈와 동일한 재료(예를 들어, 규소, 이산화규소, 질화규소, 중합체, 플라스틱, 포토레지스트 또는 세라믹, 유전체, 반도체 재료, 복합 재료 또는 금과 같은 금속)로부터 제조될 수 있다.
본 명세서에 개시된 광학 방식은 픽셀 당 하나의 광학 안테나로 제한되지 않는다. 도 11은 픽셀당 다중 광학 안테나를 갖는 이미징 라이다에 대한 실시예를 도시한다. 예를 들어, 모조-모노스태틱 이미징 라이다는 혼선 및 잔여 반사를 감소시키기 위해 별개의 송신 광학 안테나(104a) 및 수신 광학 안테나(104b)를 사용한다. 대안적으로, 각각의 픽셀에서 편파-다이버시티(polarization-diversity) 수신기를 구현하기 위해 직교 편파를 갖는 수신 안테나가 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 광학 안테나는, 마이크로렌즈 이후의 대응하는 빔 각도가 픽셀의 CRA에 충분히 근접하도록, 매우 근접하게 (예를 들어, 수백 나노미터 내지 수 마이크로미터 정도로) 배치될 수 있다.
예:
도 12는 전술한 바와 같은 마이크로렌즈 어레이(110)와 관련하여 사용되는 광학 안테나(104)의 광학 안테나 어레이(103)의 구체적인 예이다. 이 예에서, 어레이는 80 ㎛의 피치를 갖고, 광학(격자) 안테나는 8°의 방출 각도 및 30°의 발산 각도를 갖는다. 이 실시예에서, 마이크로렌즈 어레이(110)는 광학 안테나 위치에 따라서 빔 발산을 22°로, 방출 주광선 각도(CRA)를 0° 내지 37° 범위의 값으로 변환하도록 구성된다. 이 예는 또한 마이크로렌즈 어레이가 규소(굴절 지수 n = 3.48)로 만들어지고 250 ㎛의 두께를 갖는 것으로 가정한다.
도 13은 마이크로렌즈(112)가 (도 12의 어레이로부터) 어떻게 빔 발산 각도를 변환하는지를 분석하는 개략도이다. 이 예에서, 방출된 빔은 발산 θ 0 = 30°이고 1,550 nm의 파장을 갖는 가우시안(Gaussian) 빔으로서 격자 안테나로부터 모델링된다. 분석을 단순화하기 위해, 가우시안 빔은 마이크로렌즈의 광축을 따라 전파하는 것으로 가정한다. 정상면 곡률 반경(R), 두께 t = 250 ㎛, 굴절 지수 n = 3.48을 갖는 평면-볼록 형상 마이크로렌즈는 공극(g)을 갖고 광학 안테나(104) 위에 배치된다.
마이크로렌즈 이후의 가우시안 빔 파라미터는 ABCD 매트릭스(matrix) 방법을 사용하여 대략적으로 계산될 수 있다. 시스템의 ABCD 매트릭스는 공극의 전파 ABCD 매트릭스:
수학식 1: 과,
두꺼운 렌즈 ABCD 매트릭스:
수학식 2: 를 곱함으로써 계산될 수 있다.
도 14는 몇몇 상이한 공극(g)에서 마이크로렌즈 곡률 반경(R)의 함수로서 마이크로렌즈 이후의 계산된 빔 발산 각도(θ 1)를 도시한다. 디자인 목표(θ 1 = 22°)가 점선으로 표시되어 있다. 분석적 계산은 마이크로렌즈 파라미터, 예를 들어, 115 ㎛의 곡률 반경 및 10 ㎛의 공극을 선택하기 위한 가이드라인을 제공한다.
이전 섹션의 모델은 단일면 (평면-볼록) 마이크로렌즈를 포함하며 여기서 격자 안테나와 마주하는 렌즈 표면은 평평하다. R = 115 ㎛ 및 g = 10 ㎛를 갖는 예시적인 디자인이 도 15a에 도시된다 (FRED 소프트웨어에 의해 시뮬레이션됨). 도 15b의 예에서, 마이크로렌즈는 또한 양면일 수 있으며 여기서 양쪽 표면은 만곡되어 있다. 도 15a 및 도 15b 둘 모두의 시뮬레이션에서, 격자 안테나의 방출 각도는 8°로 설정된다.
도 15a에 도시된 단일면 디자인에서, 광선의 일부가 마이크로렌즈의 측벽에 의해 클리핑되어(clipped), 광 효율의 손실을 초래하는 것이 관찰될 수 있다. 이에 반하여, 도 15b의 양면 디자인에서, 제1 렌즈 표면은 마이크로렌즈 내측에서 전파되는 광을 시준하고, 따라서 어떠한 광선 클리핑 손실도 없다. 하지만, 이러한 시준은 높은 제조 및 패키징 정확성을 요구하는 마이크로렌즈와 격자 안테나 사이의 정밀한 갭(gap)에 의존한다.
전술한 CRA 디자인 목표를 달성하기 위해, 즉, 마이크로렌즈 이후의 빔의 CRA를 변경하기 위해, 각각의 광학 안테나는 마이크로렌즈의 광축으로부터 오프셋될 필요가 있다. 마이크로렌즈 이후의 CRA 및 광선 클리핑 손실은 도 15a에 도시된 단일면 마이크로렌즈 디자인에 기초하여 FRED 소프트웨어에서 시뮬레이션되었고, 시뮬레이션 결과는 표 1에 나열된다. 시뮬레이션 결과는 마이크로렌즈 이후의 빔 CRA가 마이크로렌즈 광축으로부터 격자 안테나를 오프셋함으로써 제어될 수 있음을 확인한다.
| 오프셋 (㎛) | 광선 클리핑 손실로 인한 효율 | 마이크로렌즈 이후의 CRA (°) |
| -20 | 51.5% | -24.3 |
| -15 | 71.1% | -20.0 |
| -10 | 83.1% | -13.6 |
| -5 | 87.1% | -9.8 |
| 0 | 90.9% | -4.4 |
| 5 | 92.0% | 0.78 |
| 10 | 92.4% | 6.1 |
| 15 | 91.7% | 11.0 |
| 20 | 89.8% | 17.1 |
| 25 | 83.7% | 23.0 |
| 30 | 71.8% | 25.3 |
격자 안테나 오프셋에 대한 효율 및 마이크로렌즈 이후의 CRA의 시뮬레이션 결과.
본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은, 예를 들어, 다수의 방향으로의 범위(거리) 측정을 수행하는 데 사용될 수 있다. 부가적으로, 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 3D 포인트 클라우드의 측정을 수행하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 3D 포인트 클라우드 측정의 프레임 레이트 또는 속도는 동시에 다수의 픽셀을 동시에 턴 온함으로써 증가될 수 있다. 일부 예에서, 이 다수의 픽셀은 광학 스플리터(splitter)를 통해 동일한 레이저에 의해 전력이 공급될 수 있다. 다른 실시예에서, 다수의 픽셀은 별개의 레이저에 의해 전력이 공급될 수 있다.
본 발명과 관련된 부가적인 세부사항에 대하여, 재료 및 제조 기술은 관련 기술분야의 숙련자의 수준 내에서 채용될 수 있다. 동일한 것이 일반적으로 또는 논리적으로 채용된 부가적인 행위의 관점에서 본 발명의 방법-기반 양태에 관하여 참일 수 있다. 또한, 설명된 본 발명의 변형의 임의의 선택적인 특징은 독립적으로 또는 본 명세서에 설명된 임의의 하나 이상의 특징과 조합하여 기술되고 청구될 수 있다는 것이 고려된다. 마찬가지로, 단수형 항목에 대한 참조는, 존재하는 동일한 아이템이 복수일 가능성을 포함한다. 보다 구체적으로, 본 명세서에서 그리고 첨부된 청구항에서 사용된 바와 같이, 단수 형태("a," "and," "said," 및 "the")는 문맥이 달리 명확하게 지시하지 않는 한 복수의 참조를 포함한다. 청구항이 임의의 선택적인 요소를 배제하기 위해 고안될 수 있다는 것에 또한 주의한다. 이와 같이 이 진술은 청구 요소의 인용과 관련하여 "단독으로", "단지" 등과 같은 배타적 용어의 사용 또는 "부정적" 한정의 사용에 대한 선행적 근거를 제공하려는 의도이다. 본 명세서에서 달리 규정되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 발명의 폭은 대상 명세서에 의해 제한되지 않으며, 단지 채용된 청구항의 명료한 의미에 의해서만 제한된다.
Claims (43)
- 이미징 라이다 시스템으로서,
렌즈;
적어도 하나의 발광기;
적어도 하나의 광 검출기;
복수의 광학 안테나를 포함하는 안테나 어레이;
상기 적어도 하나의 발광기로부터 선택된 송신 광학 안테나로의 그리고 선택된 수신 안테나로부터 상기 적어도 하나의 검출기로의 광학 경로를 제공하도록 구성된 프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크; 및
상기 안테나 어레이의 상기 복수의 광학 안테나에 대응하는 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이 - 상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 복수의 광학 안테나와 상기 렌즈 사이에 배치되고, 상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 렌즈의 초점 평면에 대략적으로 위치되고 상기 안테나 어레이는 상기 마이크로렌즈 어레이의 초점 평면에 대략적으로 위치됨 - 를 포함하고,
상기 마이크로렌즈 어레이의 각각의 마이크로렌즈는 대응하는 광학 안테나로부터의 방출 각도를 상기 렌즈의 주광선 각도(chief ray angle)와 매칭되도록 변형하도록 위치되는, 이미징 라이다 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 규소, 유리, 질화규소, 중합체, 포토레지스트, 플라스틱, 세라믹, 유전체 및 다른 반도체 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 이미징 라이다 시스템.
- 제1항에 있어서, 각각의 마이크로렌즈는 프레넬 렌즈(Fresnel lens), 메타 렌즈(meta lens), 메타표면 렌즈(metasurface lens) 및 임의의 다른 인공적으로 합성된 렌즈로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 이미징 라이다 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 하나 이상의 표면 상에 반사 방지 코팅을 더 포함하는, 이미징 라이다 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 렌즈는 단일 렌즈, 복합 렌즈, 다중 요소 렌즈, 스마트폰 렌즈 및 망원 렌즈로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 이미징 라이다 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 안테나 어레이의 적어도 하나의 에지를 따라 배치되는 스페이서(spacer)를 더 포함하며, 상기 스페이서는 상기 마이크로렌즈 어레이가 상기 렌즈의 상기 초점 평면에 대략적으로 위치되고 상기 안테나 어레이가 상기 마이크로렌즈 어레이의 상기 초점 평면에 대략적으로 위치되는 최적의 간격을 유지하도록 구성되는, 이미징 라이다 시스템. - 제6항에 있어서, 상기 스페이서와 상기 마이크로렌즈 어레이는 밀봉된 공동(sealed cavity)을 형성하는, 이미징 라이다 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 밀봉된 공동은 밀폐형(hermetic)인, 이미징 라이다 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 광학 안테나는 별개의 송신 및 수신 광학 안테나 그리고 이 별개의 송신 및 수신 광학 안테나에 연결되는 별개의 광학 경로를 포함하는, 이미징 라이다 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 단일면 디자인을 포함하는, 이미징 라이다 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 양면 디자인을 포함하는, 이미징 라이다 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 주기적인, 이미징 라이다 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 주기적인, 이미징 라이다 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 주기적인, 이미징 라이다 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 주기적이지 않은, 이미징 라이다 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 주기적이지 않은, 이미징 라이다 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이 및 상기 안테나 어레이 둘 모두는 정렬 및 영구 부착을 허용하도록 구성된 기준 마커(fiducial marker)를 갖는, 이미징 라이다 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 광학 안테나는 8°의 방출 각도 및 30°의 빔 발산 각도를 갖는, 이미징 라이다 시스템.
- 제18항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 빔 발산 각도를 22°로 그리고 방출 주광선 각도(CRA)를 0° 내지 37° 범위의 값으로 변환하도록 구성되는, 이미징 라이다 시스템.
- 이미징 라이다 시스템을 위한 프로그램 가능한 집적 회로(programmable integrated circuit, PIC)로서,
복수의 광학 안테나를 포함하는 안테나 어레이;
선택된 송신 광학 안테나로의 그리고 선택된 수신 안테나로부터의 광학 경로를 제공하도록 구성된 프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크; 및
상기 안테나 어레이의 상기 복수의 광학 안테나에 대응하는 복수의 마이크로렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이 - 상기 안테나 어레이는 상기 마이크로렌즈 어레이의 초점 평면에 대략적으로 위치됨- 를 포함하고,
상기 마이크로렌즈 어레이의 각각의 마이크로렌즈는 대응하는 광학 안테나로부터의 방출 각도를 상기 이미징 라이다 시스템의 렌즈의 주광선 각도와 매칭되도록 변형하도록 위치되는, 프로그램 가능한 집적 회로. - 제20항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 규소, 유리, 질화규소, 중합체, 포토레지스트, 플라스틱, 세라믹, 유전체 및 다른 반도체 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제20항에 있어서, 각각의 마이크로렌즈는 프레넬 렌즈, 메타 렌즈, 메타표면 렌즈 및 임의의 다른 인공적으로 합성된 렌즈로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제20항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 하나 이상의 표면 상에 반사 방지 코팅을 더 포함하는, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제20항에 있어서,
상기 안테나 어레이의 적어도 하나의 에지를 따라 배치되는 스페이서를 더 포함하며, 상기 스페이서는 상기 안테나 어레이가 상기 마이크로렌즈 어레이의 상기 초점 평면에 대략적으로 위치되는 최적의 간격을 유지하도록 구성되는, 프로그램 가능한 집적 회로. - 제24항에 있어서, 상기 스페이서와 상기 마이크로렌즈 어레이는 밀봉된 공동을 형성하는, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제25항에 있어서, 상기 밀봉된 공동은 밀폐형인, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제20항에 있어서, 상기 복수의 광학 안테나는 별개의 송신 및 수신 광학 안테나 그리고 이 별개의 송신 및 수신 광학 안테나에 연결되는 별개의 광학 경로를 포함하는, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제20항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 단일면 디자인을 포함하는, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제20항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 양면 디자인을 포함하는, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제20항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 주기적인, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제20항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 주기적인, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제31항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 주기적인, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제31항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 주기적이지 않은, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제32항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 주기적이지 않은, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제20항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이 및 상기 안테나 어레이 둘 모두는 정렬 및 영구 부착을 허용하도록 구성된 기준 마커를 갖는, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제20항에 있어서, 상기 복수의 광학 안테나는 8°의 방출 각도 및 30°의 빔 발산 각도를 갖는, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 제36항에 있어서, 상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 빔 발산 각도를 22°로 그리고 방출 주광선 각도(CRA)를 0° 내지 37° 범위의 값으로 변환하도록 구성되는, 프로그램 가능한 집적 회로.
- 라이다 이미징을 수행하는 방법으로서,
적어도 하나의 발광기로부터 프로그램 가능한 광학 네트워크의 안테나 어레이의 선택된 송신 광학 안테나로의 제1 광 경로를 제공하도록 상기 광학 네트워크를 제어하는 단계;
마이크로렌즈 어레이가 렌즈의 초점 평면에 대략적으로 위치되고 상기 안테나 어레이가 상기 마이크로렌즈 어레이의 초점 평면에 대략적으로 위치되도록 상기 마이크로렌즈 어레이를 위치시키는 단계 - 상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 안테나 어레이에 대응하는 복수의 마이크로렌즈를 포함함 -; 및
상기 선택된 송신 광학 안테나의 방출 각도를 상기 렌즈의 주광선 각도와 매칭되도록 변형하는 단계를 포함하는, 라이다 이미징을 수행하는 방법. - 이미징 라이다 시스템을 위한 프로그램 가능한 집적 회로(PIC)를 제조하는 방법으로서,
포토리소그래피(photolithography) 프로세스에 의해 광학 안테나 어레이를 형성하는 단계 - 상기 광학 안테나 어레이는 복수의 광학 안테나를 포함함 -;
상기 포토리소그래피 프로세스에 의해 프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크를 형성하는 단계 - 상기 프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크는 선택된 송신 광학 안테나로의 그리고 선택된 수신 안테나로부터의 광학 경로를 제공하도록 구성됨 -; 및
포토리소그래피 프로세스에 의해 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 단계 - 상기 마이크로렌즈 어레이는 상기 안테나 어레이의 상기 복수의 광학 안테나에 대응하는 복수의 마이크로렌즈를 포함하고, 상기 안테나 어레이는 상기 마이크로렌즈 어레이의 초점 평면에 대략적으로 위치됨 - 를 포함하고,
상기 마이크로렌즈 어레이의 각각의 마이크로렌즈는 대응하는 광학 안테나로부터의 방출 각도를 상기 이미징 라이다 시스템의 렌즈의 주광선 각도와 매칭되도록 변형하도록 위치되는, 프로그램 가능한 집적 회로를 제조하는 방법. - 제39항에 있어서, 상기 광학 안테나 어레이, 상기 프로그램 가능한 광학 스위치 네트워크 및 상기 마이크로렌즈 어레이는 규소, 유리, 질화규소, 중합체, 포토레지스트, 플라스틱, 세라믹, 유전체 및 다른 반도체 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되는, 프로그램 가능한 집적 회로를 제조하는 방법.
- 제39항에 있어서, 포토리소그래피 프로세스에 의해 스페이서를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 스페이서는 상기 안테나 어레이가 상기 마이크로렌즈 어레이의 상기 초점 평면에 대략적으로 위치되는 최적의 간격을 유지하도록 구성되는, 프로그램 가능한 집적 회로를 제조하는 방법.
- 제41항에 있어서, 상기 스페이서와 상기 마이크로렌즈 어레이는 밀봉된 공동을 형성하는, 프로그램 가능한 집적 회로를 제조하는 방법.
- 제42항에 있어서, 상기 밀봉된 공동은 밀폐형인, 프로그램 가능한 집적 회로를 제조하는 방법.
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