KR20240023695A - 연속파 광 검출 및 거리측정(lidar) 시스템 - Google Patents

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Abstract

온-칩 또는 통합된 연속파 광 검출 및 거리측정(LiDAR)에 대한 양태들이 본 명세서에서 설명된다. 양태들은, 하나 이상의 광 빔들을 발생시키도록 구성된 하나 이상의 레이저 광원들과, 그리고 광 빔들을 각각 수신하도록 구성된 다수의 광 엔진들을 포함할 수 있다. 광 주파수는 미리 정의된 패턴으로 변조된다. 각각의 광 엔진의 광 송신기는, 광 빔들 중 하나의 광 빔의 제1 부분을 수신하고 광 빔의 제1 부분을 미리 결정된 각도로 전송하도록 구성될 수 있다. 각각의 광 엔진의 광 수신기는, 객체로부터 반사된 광 빔의 제1 부분을 수신하고 광 빔의 반사된 제1 부분을 평형 검출기로 전송하도록 구성될 수 있다. 평형 검출기는 광 빔의 반사된 제1 부분과 광 빔의 제2 부분 간의 맥놀이를 검출하도록 구성될 수 있다.

Description

연속파 광 검출 및 거리측정(LIDAR) 시스템 {CONTINUOUS-WAVE LIGHT DETECTION AND RANGING (LIDAR) SYSTEM}
본 발명은 연속파 광 검출 및 거리측정(LIDAR) 시스템에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 본 구역에서 설명되는 자료는 본 출원에서의 청구항에 대한 종래 기술이 아니며, 아울러 본 구역에 포함됨으로써 종래 기술인 것으로 인정되지 않는다.
LiDAR(라이다) 디바이스는 현재 자율주행 차량을 포함하는 다양한 상황에서 널리 활용된다. LiDAR는 환경의 장면의 3-차원 형상을 표시하는 한 무리(cloud)의 지점 위치(point position)들을 발생시키기 위해 장면을 스캔(scanning)하면서 환경의 특징(environmental features)까지의 거리를 능동적으로 추정할 수 있다. 개별 지점들은, 레이저 펄스(laser pulse)를 발생시키고 환경의 객체(environmental object)의 표면으로부터 반사되는 되돌아오는 펄스를 검출하는 것, 및 방출된 펄스와 반사된 펄스의 수신 간의 시간 지연(time delay)에 따라 반사 객체(reflective object)까지의 거리를 계산하는 것에 의해 측정될 수 있고, 이것은 일반적으로 비행 시간(Time Of Flight, TOF)법으로 지칭될 수 있다. 레이저는 장면 내의 반사 객체까지의 거리에 관한 연속적인 실시간 정보를 제공하기 위해 장면에 걸쳐 빠르게 그리고 반복적으로 스캔될 수 있다. 하지만, 현재 LiDAR 시스템의 효율 및 스캔 속도는 여전히 향상될 수 있다.
본 출원은 2020년 6월 22일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제16/907,837호의 혜택 및 이에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본원에 인용되어 포함된다.
다음의 설명은 양태의 기본 적인 이해를 제공하기 위해 하나 이상의 양태의 간략화된 개요를 제공한다. 이러한 개요는 고려되는 모든 양태의 광범위한 개관이 아니며, 아울러 모든 양태의 핵심적인 또는 중요한 요소를 식별하도록 의도되지 않았고 임의의 또는 모든 양태의 범위를 규정하도록 의도되지도 않았다. 그 유일한 목적은 이후에 제시되는 보다 상세한 설명에 대한 서론으로서 하나 이상의 양태의 일부 개념을 간략화된 형태로 제시하려는 것이다.
본 개시내용의 하나의 예시적 양태는 예시적인 온-칩(on-chip) 또는 통합된 연속파 LiDAR 시스템(continuous-wave LiDAR system)을 제공한다. 예시적인 연속파 LiDAR 시스템은, 하나 이상의 광 빔(light beam)들을 발생시키도록 구성된 온-칩 또는 오프-칩(off-chip) 레이저 광원(laser light source)들과, 그리고 하나 이상의 광 빔들을 각각 수신하도록 구성된 하나 이상의 광 엔진(light engine)들을 포함할 수 있다. 광 주파수(light frequency)는 미리 정의된 패턴(predefined pattern)으로 변조(modulate)된다. 하나 이상의 광 엔진들 각각은, 광 송신기(light transmitter), 광 수신기(light receiver), 및 평형 검출기(balanced detector)를 포함할 수 있다. 광 송신기는, 광 빔들 중 하나의 광 빔의 제1 부분을 수신하고 미리 결정된 각도(predetermined angle)에서 광 빔의 제1 부분을 전송하도록 구성될 수 있다. 광 수신기는, 객체로부터 반사된 광 빔의 제1 부분을 수신하고 광 빔의 반사된 제1 부분을 평형 검출기로 전송하도록 구성될 수 있다. 평형 검출기는, 광 빔의 반사된 제1 부분과 광 빔의 제2 부분 간의 맥놀이(beat)를 검출하도록 구성될 수 있다.
전술한 그리고 관련된 목적의 달성을 위해, 하나 이상의 양태는 청구항에서 특정적으로 지적되고 이하에서 완전히 설명되는 특징을 포함한다. 다음의 설명 및 부가된 도면은 하나 이상의 양태의 특정적인 예시적 특징을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 특징은 다양한 양태의 원리가 이용될 수 있는 다양한 방식 중 단지 몇 가지만을 표시하고, 이러한 설명은 이러한 모든 양태 및 그 등가물을 포함하도록 의도되었다.
개시되는 양태가 첨부된 도면과 연계되어 이하에서 설명될 것인데, 이러한 도면은 개시되는 양태를 한정하기 위해서가 아니라 예시하기 위해 제공되며, 여기서 유사하게 지정된 것은 유사한 요소를 나타낸다:
도 1은 전송된 레이저 광 빔과 수신된 레이저 광 빔 간의 관계를 예시하는 도면이고;
도 2는 온-칩 연속파 LiDAR 시스템의 예에서 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이고;
도 2a는 광학 조준 시스템(optical collimating system)과 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이고;
도 2b는 광학 섬유(optical fiber)들을 통해 두 개의 광학 조준 시스템들과 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이고;
도 2c는 3-포트 순환기(3-port circulator)와 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이고;
도 2d는 OPA와 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이고;
도 3은 다른 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이고;
도 3a는 사분의 일파 판(quarter wave plate) 및 조준기(collimator)와 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이고;
도 3b는 광학 위상 어레이(Optical Phase Array)와 사분의 일파 판과 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이고;
도 4는 또 하나의 다른 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이고;
도 4a는 조준기와 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이고;
도 4b는 광학 위상 어레이와 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이고;
도 5는 다수의 광 엔진들을 포함하는 예시적 온-칩 연속파 LiDAR 시스템을 예시하는 블록도이고;
도 6은 평면 상에 정렬된 다수의 광 엔진들을 포함하는 예시적 온-칩 연속파 LiDAR 시스템을 예시하는 블록도이고; 그리고
도 7은 곡선형 에지(curved edge) 상에 정렬된 다수의 광 엔진들을 포함하는 예시적 온-칩 연속파 LiDAR 시스템을 예시하는 블록도이다.
다양한 양태가 이제 도면을 참조하여 설명된다. 다음의 설명에서는, 설명 목적으로, 하나 이상의 양태의 충분한 이해를 제공하기 위해 수많은 특정 세부사항이 제시된다. 하지만, 이러한 양태(들)가 이러한 특정 세부사항 없이도 실시될 수 있음은 명백할 수 있다.
본 개시내용에서, 용어 “포함한다” 및 “포함하고”, 뿐만 아니라 그 파생어는, 한정의 의미가 아닌 포함의 의미를 갖고 있으며, 포함의 의미를 또한 갖고 있는 용어 “또는”도 “및/또는”을 의미한다.
본 명세서에서, 본 개시내용의 원리를 예시하기 위해 사용되는 다음의 다양한 실시형태는 오로지 예시적 목적을 위한 것이며, 따라서 어떠한 수단에 의해서도 본 개시내용의 범위를 한정하는 것으로서 이해돼서는 안 된다. 수반되는 도면과 연계되어 취해지는 다음의 설명은 청구항 및 그 등가물에 의해 정의되는 본 개시내용의 예시적 실시형태의 충분한 이해를 용이하게 하기 위한 것이다. 이해를 용이하게 하기 위한 다음의 설명에는 특정 세부사항이 존재한다. 하지만, 이러한 세부사항은 오로지 예시적 목적을 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 기술분야에서 숙련된 사람은 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 본 설명에서 예시되는 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 행해질 수 있음을 이해해야 한다. 추가적으로, 명료한 그리고 간명한 목적을 위해, 일부 알려진 기능 및 구조는 설명되지 않는다. 게다가, 수반되는 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호는 동일한 기능 및 동작을 나타낸다.
도 1은 전송된 레이저 광 빔과 수신된 레이저 광 빔 간의 관계를 예시하는 도면이다.
도시된 바와 같이, 종래의 주파수-변조 연속파 LiDAR 시스템은 전형적으로 레이저 광원으로부터 광을 전송하도록 구성될 수 있다. 일부 예에서, 방출 광의 주파수는 시간 경과에 따라 변할 수 있고, 이에 따라 광 주파수는 도 1에서와 같이 시간-주파수 그래프에서 삼각형으로 제시될 수 있다. 주파수 변조 광(frequency modulated light)은, 광의 주파수가 시간 경과에 따라 증가하는 제1 반주기(half period)와, 그리고 광의 주파수가 시간 경과에 따라 감소하는 제2 반주기를 포함할 수 있다. 전송된 것은 두 개의 부분들로 분할될 것이다. 제1 부분이 방출되어 임의의 기간 이후에 객체의 표면으로부터 반사될 것이고, 그리고 LiDAR 시스템에 의해 수신될 것이다. 수신된 광 주파수 변화도 또한 시간-주파수 그래프에서 삼각형으로서 나타내어질 수 있는데, 왜냐하면 반사는 단지 시간에서의 지연만을 도입하고 전송된 광의 주파수를 변경시키지 않기 때문이다. 그 다음에, LiDAR 시스템은 전송된 광의 제2 부분과 수신된 광 간의 안정된 주파수 차이를 검출할 수 있다. LiDAR 시스템의 프로세서는 다음과 같은 공식에 따라 객체의 표면과 LiDAR 시스템 사이의 거리를 계산하도록 구성될 수 있다:
상기 식에서, d는 거리를 나타내고, Δf는 주파수 차이를 나타내고, c는 광의 속도를 나타내고, 그리고 α는 시간 경과에 따른 광 주파수 변화의 기울기(slope)를 나타낸다.
도 2는 예시적 연속파 LiDAR 시스템에서 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이다.
도시된 바와 같이, 예시적 연속파 LiDAR 시스템은, 하나 이상의 광 빔들을 발생시키고 수신하도록 구성된 하나 이상의 광 엔진들, 예를 들어, 광 엔진(200)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 광 엔진(200)은 예시적 연속파 LiDAR 시스템의 크기를 감소시키기 위해 반도체 칩(semiconductor chip) 상에 통합될 수 있다. 광 엔진(200)의 컴포넌트(component)들은 칩 상에서 반도체 모듈(semiconductor module)들의 형태로 구현될 수 있다. 광 엔진(200)은 레이저 광원(202)을 포함할 수 있고, 또는 외부 레이저 광원에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 레이저 광원(202)은 처핑 구동(chirped driving)에 의해 직접적으로 변조될 수 있다. 즉, 레이저 광원(202)의 출력되는 광 주파수는 시간-주파수 그래프에서 도 1에서의 광 펄스와 같이 성형되도록 레이저 광원(202)을 제어하는 구동 신호가 시간 경과에 따라 가변 강도로 레이저 광원(202)에 입력될 수 있다. 일부 다른 예들에서, 레이저 광원(202)은 또한 변조 신호를 수신하는 변조기(modulator)를 포함할 수 있다. 변조기는 주파수 변화에 따라 도 1에서와 같은 출력 광을 생성하기 위해 변조 신호에 근거하여 광 빔을 변조하도록 구성될 수 있다.
광 엔진(200)은 또한, 레이저 광원(202)로부터 출력되는 광 빔을 수신하고 광 빔을 제1 부분과 제2 부분으로 또한 분할하도록 구성된 분할기(splitter)(204)를 포함할 수 있다. 제1 부분은 광 송신기(206)로 전송될 수 있고, 제2 부분은 결합기(coupler)(208)로 전송될 수 있다. 제1 부분과 제2 부분은 임의의 시점에서 동일한 주파수를 갖는다. 따라서, 분할기(204)에서 제1 부분과 제2 부분은 시간-주파수 그래프에서 동일하다.
광 송신기(206)는 미리 결정된 각도로 광 빔의 제1 부분을 전송하도록 구성될 수 있다. 광 빔의 전송된 제1 부분이 객체의 표면으로부터 반사될 때, 광 빔의 반사된 제1 부분은 광 수신기(210)에 의해 수신될 수 있다. 반사된 제1 부분은 또한 결합기(208)로 전송될 수 있다. 광 빔의 제2 부분과 광 빔의 반사된 제1 부분은 결합기(208)에서 혼합될 수 있고, 그리고 평형 검출기(212)로 또한 전송될 수 있다.
도 2 내지 도 2d에서 보여지는 바와 같이, 광 송신기(206)와 광 수신기(210)는 광 엔진(200)의 두 개의 상이한 포트들에 연결될 수 있다. 다른 도면들에서 예시된 예들에서, 광 송신기(206)와 광 수신기(210)는 통합될 수 있고 동일한 포트를 공유할 수 있다. 반도체 칩 상의 포트들은, 칩 에지(chip edge)에서 종단되는 온-칩 도파관(on-chip waveguide)을 지칭할 수 있으며, 입력과 출력을 광 결합시키기 위한 패싯(facet) 또는 모드 확장 섹션(mode expansion section)을 노출시킬 수 있다.
되돌아오는 광 및 전송된 광의 제2 부분은 결합기(208)에서 혼합될 것이고, 혼합된 신호는 두 개의 분기(branch)들로 분할되어 평형 검출기(212)로 공급될 것이다.
평형 검출기(212)는 신호를 검출하고 두 개의 분기들로부터 공통 잡음 및 DC 신호들을 제거한다. 212에 의해 검출된 신호의 주파수는 반사된 광과 전송된 광 간의 주파수 차이이고, 이는 거리를 계산하는 데 사용될 것이다. 맥놀이 신호의 주파수의 결정에 근거하여, 프로세싱 유닛(processing unit)은 또한, 앞서 언급된 공식에 따라 객체의 표면과 광 엔진(200) 사이의 거리를 계산할 수 있다.
도 2a는 광학 조준 시스템과 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 광 엔진(200)은 광학 조준 시스템(224)에 결합될 수 있다. 광학 조준 시스템(224)은 볼록 렌즈(convex lens), 또는 하나 이상의 렌즈들을 포함하는 다중 렌즈 시스템을 포함할 수 있다. 광학 조준 시스템(224)은, 광 빔의 전송된 제1 부분을 조준하고 광 빔의 반사된 제1 부분을 수집하도록 구성될 수 있다.
도 2b는 광학 섬유들을 통해 두 개의 광학 조준 시스템들과 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이다. 보여지는 바와 같이, 광 엔진(200)은 광학 섬유들(230)을 통해 두 개의 광학 조준 시스템(226 및 228)에 결합될 수 있다. 광학 조준 시스템(228)은 광학 섬유들(230)을 통해 광 송신기(206)로부터 전송된 광 빔의 제1 부분을 조준하도록 구성될 수 있다. 광학 조준 시스템(226)은, 광 빔의 반사된 제1 부분을 수집하고 광을 광 수신기(210)에 결합시키도록 구성될 수 있다.
도 2c는 3-포트 순환기와 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 광 엔진(200)은 3-포트 순환기(234)에 결합될 수 있다. 3-포트 순환기(234)는 광을 수신하고 전송하기 위한 세 개의 포트들, 예를 들어, 각각 포트 1, 포트 2, 및 포트 3을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 포트 1에서 수신된 광은 포트 2로 전송될 수 있고, 그리고 유사하게, 포트 2로부터 수신된 광은 포트 3으로 전송될 수 있다. 포트 2로 전송된 광은 또한 광학 조준 시스템(232)으로 전송될 수 있다.
도 2d는 광학 위상 어레이(Optical Phase Array, OPA)와 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이다. 일부 예들에서, 광학 위상 어레이(OPA)(222)는 광 빔의 전송된 제1 부분을 제1 방향으로 조종하기 위해 제공될 수 있다. 적어도 일부 예들에서, OPA(222)는 광 엔진(200)과 함께 동일한 광자 칩(photonic chip) 상에 통합될 수 있다. 광학 위상 어레이(OPA)는 전파 위상 어레이(radio wave phased array)의 광학 아날로그(optical analog)를 지칭할 수 있다. 미시적 규모(microscopic scale)로 표면의 광학 속성들을 동적으로 제어함으로써, 광의 방향을 조종하는 것이 가능하다. 적어도 일부 예들에서, OPA(222)는 광 엔진(200)과 함께 동일한 동일한 광자 칩 상에 통합될 수 있다. 전송된 광 빔을 조종하는 OPA(222)와는 다른 대체 조종 디바이스(replacement steering device)들이 또한, 제1 방향에 직교하는 방향으로 광 빔의 전송된 제1 부분을 조종하도록 구성될 수 있다. 대체 조종 디바이스들은, 광학 격자(optical grating), 거울 검류계(mirror galvanometer), 다면 거울(polygon mirror), MEMS 거울, 또는 OPA와 상기 디바이스들의 조합일 수 있다.
도 3은 또 하나의 다른 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 광 엔진(200)은 광 송신기와 광 수신기를 통합한 편광 분할 디바이스(polarization splitting device)(302)를 포함할 수 있다. 편광 분할 디바이스(302)는 각각 광을 수신하고 전송하는 세 개의 포트들을 포함할 수 있다. 광 빔의 제1 부분이 그 편광에 상관없이 포트 1에서 편광 분할 디바이스(302)에 입력될 수 있고, 그리고 포트 2로부터 출력될 수 있다. 포트 2에서 수신된 광은 편광에 근거하여 분할될 수 있고, 포트 1 및 포트 3으로 각각 전송될 수 있다. 예를 들어, 포트 2에서 수신된 TE(Transverse Electric; 횡방향 전기적) 편광된 광은 포트 1로 전송될 수 있고, 그리고 포트 2에서 수신된 TM(Transverse Magnetic; 횡방향 자기적) 편광된 광은 포트 3으로, 그리고 결합기(208)로 전송될 수 있다.
도 3a는 사분의 일파 판에 결합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 광 엔진(200)은 사분의 일파 판(304) 및 조준기(306)와 통합될 수 있다. 일부 예들에서, 사분의 일파 판(304)은 조준기(306)와 광 엔진(200) 사이에 위치될 수 있다. 일부 다른 예들에서, 조준기(306)는 사분의 일파 판(304)과 광 엔진(200) 사이에 배치될 수 있다.
도 3b는 광학 위상 어레이와 통합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 광 엔진(200)은 광의 방향을 조종하도록 구성된 OPA(222)에 결합될 수 있다. 적어도 일부 예들에서, OPA(222)는 광 엔진(200)과 함께 동일한 광자 칩 상에 통합될 수 있다. 일부 예들에서, 사분의 일파 판(304)은 또한 OPA(222)에 결합될 수 있다. 전송된 광 빔을 조종하는 OPA(222)와는 다른 대체 조종 디바이스들이 또한, 제1 방향에 직교하는 방향으로 광 빔의 전송된 제1 부분을 조종하도록 구성될 수 있다. 대체 조종 디바이스들은, 광학 격자, 거울 검류계, 다면 거울, MEMS 거울, 또는 OPA와 상기 디바이스들의 조합일 수 있다.
도 4는 또 하나의 다른 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 광 엔진(200)은, 분할기(204)로부터 광 빔의 제1 부분을 수신하고 고 광 빔의 제1 부분을 출력하도록 구성된 1x2 결합기(402)를 포함할 수 있다. 1x2 결합기(402)는 또한, 광 빔의 반사된 제1 부분을 수신하고 광 빔의 반사된 제1 부분을 결합기(208)로 전송하도록 구성된다.
1x2 결합기(402)는 광 엔진(200)과 동일한 반도체 칩 상에 통합된 3-포트 광학 컴포넌트, 또는 광 엔진(200)의 외부에 있는 3-포트 광학 컴포넌트를 지칭할 수 있다. 일부 예들에서, 포트 1에 입력된 광은 50%의 광 손실로 포트 2로 전송될 수 있다. 유사하게, 포트 3으로 전송된 광은 50%의 광 손실로 포트 2로 전송될 수 있다. 포트 2에서 수신된 광은 포트 1과 포트 2로 균등하게 분할될 수 있다. 즉, 포트 2에서 수신된 광의 50%는 포트 1로 전송될 수 있고, 광의 다른 50%는 포트 3으로 전송될 수 있다.
도 4a는 조준기와 결합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 1x2 결합기(402)를 포함하는 광 엔진(200)은 조준기(404)에 결합될 수 있다. 조준기(404)는, 포트 2로부터 전송된 광을 조준하고 되돌아오는 광을 수집하도록 구성될 수 있다.
도 4b는 광학 위상 어레이와 결합된 예시적 광 엔진을 예시하는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 1x2 결합기(402)를 포함하는 광 엔진(200)은 포트 2로부터 방출된 광을 조종하도록 구성된 OPA(222)에 결합될 수 있다. 적어도 일부 예들에서, OPA(222)는 광 엔진(200)과 함께 동일한 광자 칩 상에 통합될 수 있다. 전송된 광 빔을 조종하는 OPA(222)와는 다른 대체 조종 디바이스들이 또한, 제1 방향에 직교하는 방향으로 광 빔의 전송된 제1 부분을 조종하도록 구성될 수 있다. 대체 조종 디바이스들은, 광학 격자, 거울 검류계, 다면 거울, MEMS 거울, 또는 OPA와 상기 디바이스들의 조합일 수 있다.
도 5는 다수의 광 엔진들을 포함하는 예시적 온-칩 연속파 LiDAR 시스템(500)을 예시하는 블록도이다.
도시된 바와 같이, 예시적인 연속파 LiDAR 시스템(500)은 다수의 광 엔진들, 예를 들어, 광 엔진들(501, 511, 521, 등)을 포함할 수 있다(그리고 이러한 광 엔진은 도 2 내지 도 4b에서 설명된 아키텍처(architecture)를 사용할 수 있음). 다시 말하면, 시스템(500)은 완전한 라이다 시스템(lidar system)을 형성하기 위해 OPA를 포함하는 다수의 다른 조종 시스템들과 결합될 수 있다. 예시적인 연속파 LiDAR 시스템은 또한, 비록 다수의 광 엔진들을 포함하지만, 전체 시스템의 크기가 최소화될 수 있도록 단일 반도체 칩 상에 통합될 수 있다. 비록 광 엔진(501)이 칩 상에서 상이한 포트들을 이용하는 광 송신기 및 광 수신기(510)를 포함하지만, 다른 광 엔진들은 동일한 포트에 통합된 광 수신기들 및 광 송신기를 포함할 수 있다는 점에 주목해야 한다.
도시되지 않는 일부 예들에서, 광 엔진들 각각은 레이저 광원을 포함할 수 있다. 일부 다른 예들에서, 외부 레이저 광원(502)이 다수의 광 빔들을 각각의 광 엔진에 각각 제공하도록 구성될 수 있다. 본원에서 예시된 광 엔진 각각은 광 엔진(200)에서의 컴포넌트들과 유사한 컴포넌트들을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 분할기(504), 광 송신기(506), 결합기(508), 광 수신기(510), 평형 검출기(512)를 포함할 수 있다.
각각의 광 엔진은 독립적으로 동작될 수 있다. 예를 들어, 각각의 광 엔진은 전체 시스템이 동일한 시간에 다수의 지점들과 시스템 간의 거리를 검출할 수 있도록 미리 결정된 각도로 광을 전송하도록 구성될 수 있고, 이에 따라 예시적인 연속파 LiDAR 시스템의 효율 및 성능(예컨대, 해상도(resolution), 등)을 전반적으로 증가시킬 수 있게 된다.
도 6은 평면 상에 정렬된 다수의 광 엔진들을 포함하는 예시적 온-칩 연속파 LiDAR 시스템(600)을 예시하는 블록도이다.
도시된 바와 같이, 예시적인 연속파 LiDAR 시스템(600)은 다수의 광 엔진들(601, 611, 621, 등)을 포함할 수 있다. 다수의 광 엔진들 각각은 광 엔진들(200, 501, 511, 521, 등)과 유사한 동작들을 수행하도록 구성될 수 있고, 그리고 유사한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 유사하게, 다수의 광 엔진들(601, 611, 621, 등)은 또한 단일 반도체 칩 상에 통합될 수 있다. 일부 예들에서, 광 엔진들(601, 611, 621, 등)은 평면 칩 에지(plane chip edge)에 정렬될 수 있다. 광 엔진들로부터 출력되는 각각의 광 펄스들은 조준기를 통과할 수 있고 그리고 미리 설정된 각도를 향해 진행할 수 있다.
도시된 바와 같이, 두 개의 광 엔진들 사이의 거리는 d로 나타내어질 수 있으며, 공간에서의 각도 분리(angle separation)는 Δα로 나타내어지고 각각의 광 엔진의 미리 설정된 각도 간의 차이(예를 들어, α1 ~ α2)에 의해 결정될 수 있다. Δα의 목적은 각각의 광 엔진이 상이한 방향을 향해 슈팅(shooting)하고 상이한 방향을 검출하여 광 엔진 어레이가 전체적으로 공간 내의 모든 관심 방향(즉, 각도)을 포괄(cover)하도록 설정하는 것이다. 이것을 달성하기 위해, 칩 에지는, 조준기 렌즈로부터 특정 거리만큼 떨어져 있는, 조준기 렌즈의 초점면(focal plane)에 정확히 배치될 필요가 있다. 광 엔진들이 조준기(620)로부터 특정 거리에 정렬되고 서로로부터 특정 거리에 위치되는 예에서, 광 엔진들로부터의 방출 광은 관심 공간을 포괄하도록 조준기(620)에 의해 상이한 방향으로 지향될 수 있다.
도 7은 곡선형 표면 상에 정렬된 다수의 광 엔진들을 포함하는 예시적 온-칩 연속파 LiDAR 시스템(700)을 예시하는 블록도이다.
도시된 바와 같이, 예시적인 연속파 LiDAR 시스템(700)은 다수의 광 엔진들(701, 711, 721, 등)을 포함할 수 있다. 다수의 광 엔진들 각각은 광 엔진들(200, 501, 511, 521, 등)과 유사한 동작들을 수행하도록 구성될 수 있고, 그리고 유사한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 유사하게, 다수의 광 엔진들(701, 711, 721, 등)은 또한 단일 반도체 칩 상에 통합될 수 있다.
최상의 결합을 달성하기 위해 광 엔진들의 광 수신기들을 각각의 초점에 배치하는 것이 최적일 수 있기 때문에, 다수의 광 엔진들(701, 711, 721, 등)은 곡선형 칩 에지 상에 정렬될 수 있다. 곡선형 칩 에지의 곡률은 조준기(720)의 전방 곡률(front curvature), 조준기(720)의 후방 곡률(back curvature), 그리고 조준기(720)의 굴절률(refractive index)에 근거하여 결정될 수 있다. 하나 이상의 조준기들(또는 조준기 렌즈)이 통합되는 일부 비-한정적 예들에서, 곡률은 다음과 같은 공식에 근거하여 결정될 수 있다:
곡률 =
상기 식에서, ri는 하나 이상의 조준기들 중 하나의 조준기의 i-번째 표면의 반경을 나타내고, 그리고 ni+1 및 ni는 조준기(720)의 표면의 제1 측의 반사율(index of reflection) 및 제2 측의 반사율을 각각 나타내고, 그리고 i는 조준기들의 가장 바깥쪽 표면으로부터 시작한다.
상기 설명에서, 본 개시내용의 각각의 실시예는 특정 예시적 실시예를 참조하여 예시된다. 명백하게, 연계된 청구항에 의해 제시되는 본 개시내용의 폭넓은 사상 및 범위를 벗어남이 없이 각각의 실시예에 대한 다양한 수정이 행해질 수 있다. 이에 따라, 그 설명 및 수반되는 도면은 한정의 의미가 아니라 오로지 예시적인 것으로서 이해돼야 한다. 개시되는 프로세스에서의 단계들의 특정 순서 또는 계층은 예시적 접근의 예시임이 이해돼야 한다. 설계 선호도에 근거하여, 프로세스에서의 단계들의 특정 순서 또는 계층이 재정렬될 수 있음이 이해돼야 한다. 더욱이, 일부 단계들은 결합될 수 있거나 빠질 수 있다. 수반되는 방법 청구항은 샘플 주문에서 다양한 단계의 요소를 제시하고, 그리고 제시되는 특정 순서 또는 계층으로 한정되도록 의도된 것이 아니다.
이전의 설명은, 본 발명의 기술분야에서 숙련된 임의의 사람이 본 명세서에서 설명되는 다양한 양태를 실시할 수 있도록 하기 위해 제공된다. 이러한 양태에 대한 다양한 수정은 본 발명의 기술분야에서 숙련된 자들에게 쉽사리 명백해질 것이고, 그리고 본 명세서에서 정의되는 일반적인 원리는 다른 양태에 적용될 수 있다. 따라서, 청구항은 본 명세서에서 보여지는 양태에 한정되도록 의도된 것이 아니라, 언어적 청구항과 일치하는 전체 범위를 부여받도록 의도된 것이고, 여기서, 단수적 표현으로 요소를 언급하는 것은 “하나 및 오로지 하나”를 의미하도록 의도된 것이 아니라, 특정적으로 그렇게 기재되지 않는 한, 오히려 “하나 또는 그 이상”을 의미하도록 의도된 것이다. 달리 특정적으로 기재되지 않는 한, 용어 “일부”는 하나 또는 그 이상을 나타낸다. 본 발명의 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 알려지거나 이후에 알려지게 되는 본 명세서에서 설명되는 다양한 양태의 요소에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물은 본원에 분명하게 인용되어 포함되며, 아울러 청구항에 의해 포괄되도록 의도된다. 더욱이, 본 명세서에 개시되는 그 어떤 것도, 그러한 개시내용이 청구항에 명시적으로 기재되어 있는지 여부에 상관없이 일반 대중에게 헌정되도록 의도되지 않았다. 어떠한 청구항 요소도 해당 요소가 어구 “~을 위한 수단”을 사용하여 명시적으로 기재되지 않는 한 수단 및 기능(means plus function)으로서 해석돼서는 안 된다.
더욱이, 용어 “또는”는 배타적 의미의 “또는”이 아니라 포함적 의미의 “또는”을 의미하도록 의도된 것이다. 즉, 달리 특정되지 않는 한, 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 어구 “X가 A 또는 B를 이용한다”는 자연적 포함 순열(natural inclusive permutations) 중 임의의 것을 의미하도록 의도된 것이다. 다시 말해, 어구 “X가 A 또는 B를 이용한다”는, 다음의 경우: X가 A를 이용한다; X가 B를 이용한다; 또는 X가 A와 B를 모두 이용한다 중 임의의 것에 의해 충족된다. 추가적으로, 본 출원 및 첨부되는 청구항에서 사용되는 바와 같은 단수로 표현된 것은, 단수 형태에 관한 것임이 문맥으로부터 명백하지 않는 한 또는 달리 특정되지 않는 한, 일반적으로 “하나 또는 그 이상”을 의미하는 것으로 해석돼야 한다.

Claims (12)

  1. 연속파 광 검출 및 거리측정(Light Detection And Ranging, LiDAR) 시스템으로서, 상기 연속파 LiDAR 시스템은,
    하나 이상의 광 빔(light beam)들을 발생시키도록 구성된 하나 이상의 레이저 광원(laser light source)으로서, 상기 광 빔들의 광 주파수(light frequency)는 미리 정의된 패턴(predefined pattern)으로 변조(modulate)되는, 레이저 광원; 및
    상기 하나 이상의 광 빔들을 각각 수신하도록 구성된 하나 이상의 광 엔진(light engine)들을 포함하고,
    상기 하나 이상의 광 엔진들 각각은,
    광 송신기(light transmitter); 및
    광 수신기(light receiver)를 포함하고,
    상기 광 송신기는,
    상기 광 빔들 중 하나의 광 빔의 제1 부분을 수신하고 상기 광 빔의 상기 제1 부분을 미리 결정된 각도(predetermined angle)로 전송하도록 구성되고,
    상기 광 수신기는,
    객체(object)로부터 반사된 상기 광 빔의 상기 제1 부분을 수신하고;
    상기 광 빔의 상기 반사된 제1 부분을 평형 검출기(balanced detector)로 전송하도록 구성되고,
    상기 평형 검출기는 상기 광 빔의 상기 반사된 제1 부분과 상기 전송된 광 빔의 제2 부분 간의 맥놀이(beat)를 검출하도록 구성되는 연속파 LiDAR 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연속파 LiDAR 시스템은 또한, 상기 광 빔의 상기 반사된 제1 부분과 상기 전송된 광 빔의 상기 제2 부분 간의 주파수 차이에 근거하여 거리를 계산하도록 구성된 거리 프로세서(distance processor)를 포함하는, 연속파 LiDAR 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 송신기 및 상기 광 수신기는 두 개의 포트(port)들에 각각 연결되는, 연속파 LiDAR 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광 송신기 및 상기 광 수신기는 편광 분할 디바이스(polarization splitting device)와 함께 동일한 포트에 통합(integrate)되는, 연속파 LiDAR 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광 송신기 및 상기 광 수신기는 1x2 결합기(coupler)와 함께 동일한 포트에 통합되는, 연속파 LiDAR 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 광 엔진들의 상기 광 송신기들은 곡선형 칩 에지(curved chip edge) 상에 정렬(arrange)되는, 연속파 LiDAR 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 곡선형 칩 에지의 곡률(curvature)은, 조준기(collimator)의 전방 곡률(front curvature), 상기 조준기의 후방 곡률(back curvature), 그리고 상기 조준기의 굴절률(refractive index)에 근거하여 결정되는, 연속파 LiDAR 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 연속파 LiDAR 시스템은, 상기 전송된 광 빔의 상기 전송된 제1 부분을 원형 편광 광 빔(circular polarized light beam)으로 변환(convert)하고 되돌아오는 광을 역으로 상기 전송된 광에 직교하는 선형 편광(linear polarization)으로 변환하도록 구성되고 상기 편광 분할 디바이스에 결합되는 사분의 일파 판(quarter-wave plate)과 통합되는, 연속파 LiDAR 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연속파 LiDAR 시스템은, 상기 광 빔의 상기 전송된 제1 부분을 상이한 방향으로 조종하고 상기 반사된 광의 상기 제1 부분을 수신하도록 구성되는 빔 조종 디바이스(beam steering device)들과 통합되는, 연속파 LiDAR 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 빔 조종 디바이스들은, 광학 위상 어레이(optical phase array), 광학 격자(optical grating), 거울 검류계(mirror galvanometer), 다면 거울(polygon mirror), MEMS 거울로 이루어진 그룹(group)으로부터 선택된 디바이스를 포함하는, 빔 조종 디바이스들.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 연속파 LiDAR 시스템은 또한, 공간(space) 내의 상이한 방향으로 상기 광 빔의 상기 전송된 제1 부분을 조종하도록 구성된 보조 조종 디바이스(supplemental steering device)를 포함하는, 연속파 LiDAR 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 보조 조종 디바이스는, 광학 위상 어레이, 광학 격자, 거울 검류계, MEMS 거울, 다면 거울, 또는 이러한 디바이스들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 디바이스를 포함하는, 연속파 LiDAR 시스템.
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