KR20240027114A - 물체까지의 거리를 스캐닝 측정하기 위한 라이다 디바이스 - Google Patents

물체까지의 거리를 스캐닝 측정하기 위한 라이다 디바이스 Download PDF

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KR20240027114A
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마틴 페쉬카
홀거 문츠
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스캔티넬 포토닉스 게엠베하
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Abstract

물체(12)까지의 거리를 스캐닝 측정하기 위한 라이다 디바이스(14)는 복수의 광학 도파관(38) 및 복수의 커플러(40)를 갖는 광자 집적 회로(52)를 포함한다. 각각의 커플러(40)는 광학 도파관(38)에서 안내된 광을 자유 공간으로 방출하고 및/또는 자유 공간에서 전파하는 광을 광학 도파관(38)에 커플링한다. 시준 광학 시스템(44)은 커플러(40)에 의해 방출된 광 빔을 시준하고 및/또는 시준된 광 빔을 포커싱한다. 마이크로렌즈(54; 54a, 54b)는 연관된 커플러(40)의 실제 또는 가상 이미지를 형성하며, 상기 이미지는 시준 광학 시스템(44)의 물체 필드(56)에 배열된다. 시준 광학 시스템(44)은 커플러 개구 수의 각각보다 큰 시준기 개구수를 갖는다. 각각의 마이크로렌즈(54; 54a, 54b)는 커플러측 개구수보다 더 큰 시준기측 개구수를 갖는다. 이러한 방식으로 NA 불일치로 인한 삽입 손실이 줄어든다.

Description

물체까지의 거리를 스캐닝 측정하기 위한 라이다 디바이스
본 발명은 FMCW 라이다 기술을 기반으로 이동하거나 정지한 물체까지의 거리를 스캐닝 측정하기 위한 디바이스에 관한 것이다. 이러한 디바이스는 예를 들어 자율 주행 차량에 사용될 수 있으며 이동하는 컴포넌트가 없거나 매우 적은 광자 집적 회로(photonic integrated circuits)(PIC)로 실현될 수 있다.
거리와 속도를 광학적으로 측정하기 위해 FMCW 라이다로 알려진 측정 원리가 제안되었다. FMCW 라이다 디바이스에서는 시간에 따라 변하는 주파수(FMCW는 주파수 변조 연속 파동(Frequency Modulated Continuous Wave)을 의미함)를 갖는 광학 신호가 스캐너에 의해 측정될 물체에 여러 방향으로 전달된다. 물체에서 반사된 후 광학 신호는 낮은 강도로 스캐너로 되돌아오고 방출되지 않은 신호(일반적으로 국부 발진기 신호라고 지칭됨)와 중첩(superimpose)된다. 결과적인 비트 주파수(resulting beat frequency)는 검출기에 의해 검출되며 스캐너와 물체 사이의 거리가 계산될 수 있다. 도플러 편이(Doppler shift)가 고려되는 경우 스캐너와 물체 사이의 상대 방사 속도(relative radial velocity)도 계산될 수 있다.
이 측정 원리를 기반으로 하는 스캐너가 차량에 사용되려면 매우 견고하고 신뢰할 수 있어야 한다. 자율 주행의 안전은 환경의 3차원 이미지를 생성하는 데 사용되는 스캐너에 결정적으로 달려 있기 때문에 차량이 자율적으로 운전하는 경우 특히 그렇다.
광자 집적 회로로 구현된 스캐너는 회전하는 스캐닝 거울이나 기타 이동하는 컴포넌트가 필요하지 않으므로 특히 차량의 애플리케이션에 적합하다. 이러한 스캐너는 특히 US 2017/0371227 A1에 다른 것과 함께 더 상세히 설명되어 있다. 이 스캐너에서는 트리형 방식(tree-like manner)으로 배열된 여러 개의 광학 스위치로 구성된 분포 매트릭스가 사용되어 FMCW 신호를 서로 다른 도파관-자유 공간 커플러에 분포한다. 커플러가 배열된 초점 평면을 갖는 시준 광학장치(collimating optics)는 커플러에서 나오는 광학 신호를 시준하여 다른 방향으로 방사한다.
물체에서 반사된 후 스캐너로 되돌아오는 광학 신호의 강도는 매우 낮다. 이 신호를 검출할 때 높은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 얻으려면 신호를 검출기(들)로 이어지는 광학 도파관에 커플링할 때 추가 광 손실이 발생하지 않는 것이 중요하다.
높은 커플링 효율을 위한 전제 조건은 광학 신호를 도파관 안팎으로 커플링하는 데 사용되는 도파관-자유 공간 커플러가 시준 광학장치의 초점 평면에 최대한 정확하게 위치된다는 것이다. 광자적으로 통합된 도파관-자유 공간 커플러는 지금까지 기술적인 이유로 직선이나 평면을 따라 배열되었기 때문에 정확하게 평평한 물체 필드를 원거리 필드 또는 무한대까지 이미징할 수 있는 잘 교정된(well-corrected) 시준 광학 장치가 사용되어야 한다. 따라서 이 광학 장치의 물체 필드는 평면형이며 일반적으로 더 단순한 광학 시스템의 경우처럼 약간 구부러지지 않는다. 평면형 물체 필드를 통해서만 모든 도파관-자유 공간 커플러를 최적으로 위치시킬 수 있으므로 잘 시준된 광선을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 커플링 손실도 최소화할 수 있다.
그러나 정확히 평평한 물체 필드를 가진 시준 광학 장치는 크고 무겁고 비싸다는 단점이 있다.
이 문제를 해결하기 위해 WO 2021/029969 A1은 도파관-자유 공간 커플러와 시준 광학장치 사이에 마이크로렌즈의 어레이를 배열하는 것을 제안한다. 마이크로 렌즈는 평면에 배열된 도파관-자유 공간 커플러를 시준 광학장치의 곡선 물체 필드와 일치하는 곡선 필드로 이미징한다. 도파관-자유 공간 커플러는 평면으로 배열되지만, 렌즈 수가 적고, 크기가 작고, 무게가 가벼우며, 저렴한 비용으로 제작될 수 있는 간단한 구조의 시준 광학장치가 사용될 수 있다.
이 선행 기술 솔루션은 시준 광학장치의 크기, 무게 및 비용과 관련하여 상당한 이점을 갖고 있지만, 물체에서 반사되어 도파관에 커플링하는 광의 비율은 여전히 만족스럽지 못한 것으로 나타났다.
따라서 본 발명의 목적은 물체에서 반사된 광에 대한 커플링 효율이 향상된 라이다 디바이스를 제공하는 것이다.
이 목적은 본 발명에 따라 물체까지의 거리를 스캐닝 측정하기 위한 라이다 디바이스에 의해 해결된다. 이 디바이스는 복수의 광학 도파관과 복수의 커플러를 포함하는 광자 집적 회로를 포함한다. 각각의 커플러는 광학 도파관 중 하나와 연관되고, 광학 도파관 내에서 안내되는 광을 자유 공간으로 및/또는 자유 공간에서 전파하는 광을 광학 도파관 내로 커플링하도록 구성된다. 디바이스는 커플러에 의해 방출된 광 빔을 시준하고 및/또는 시준된 광 빔을 포커싱하도록 구성된 시준 광학 시스템, 및 복수의 마이크로렌즈를 더 포함한다. 각각의 마이크로렌즈는 커플러 중 하나와 연관되어 있으며 연관된 커플러의 실제 또는 가상 이미지를 형성한다. 커플러의 이미지는 시준 광학 시스템의 물체 필드에 배열된다. 각각의 커플러는 커플러 개구수(numerical aperture)를 갖고 시준 광학 시스템은 커플러 개구수의 각각보다 큰 시준기 개구수를 갖는다. 각각의 마이크로렌즈는 커플러를 향하는 측에 커플러측 개구수를 갖고, 시준 광학 시스템을 향하는 측에 커플러측 개구수보다 큰 시준기측 개구수를 갖는다.
본 발명은 커플러와 시준 광학 시스템 사이의 개구수(NA)의 불일치가 삽입 손실에 가장 두드러진 기여라는 발견에 기초한다. 격자 커플러와 같은 사용 가능한 커플러는 일반적으로 NA가 작은 반면, 시준 광학 시스템은 비교적 큰 NA를 가져야 한다. 이렇게 비교적 큰 NA가 있어야만 충분히 큰 직경의 광 빔을 확보할 수 있다. 방출된 레이저 빔의 웨이스트가 너무 작으면 원거리 필드에서 빔 직경이 수 미터까지 확장된다. 이러한 빔으로는 원하는 공간 분해능을 달성할 수 없다.
시준기측 NA보다 커플러측 NA가 작은 마이크로렌즈를 제공함으로써, 커플러와 시준 광학 시스템의 NA 사이의 불일치가 줄어들 수 있다. 이로 인해 커플링 효율이 향상된다. 따라서 물체에서 반사된 광의 더 높은 비율이 도파관에 커플링되어 국부 발진기 신호와의 중첩에 기여할 수 있어서, 이를 통해 신호 대 잡음비(SNR)가 향상되어 거리 측정의 정확도가 향상된다.
이상적으로, 각 커플러의 커플러 개구수는 관련 마이크로렌즈의 커플러측 개구수와 적어도 실질적으로 동일하며, 시준기 개구수는 마이크로렌즈의 시준기측 개구수와 적어도 실질적으로 동일하다. 완벽한 NA 일치의 경우 커플링 효율의 이점이 최대에 도달한다.
그러나 특정 NA 불일치가 허용되면 커플링 효율이 매우 크게 증가할 수도 있다. 다 구체적으로, 각 커플러의 커플러 개구수는 연관된 마이크로렌즈의 커플러측 개구수와 10% 미만으로 다를 수 있으며, 시준기 개구수는 마이크로렌즈의 시준기측 개구수와 10% 미만으로 다를 수 있다. 예를 들어, 각 커플러의 커플러 NA는 0.09이고, 연관된 마이크로렌즈의 커플러측 NA는 0.1일 수 있으며, 시준기 NA는 0.3, 마이크로렌즈의 시준기측 NA는 0.27일 수 있다. 작은 NA 불일치에도 불구하고 커플링 효율이 크게 향상된다.
더 작은 커플러 NA를 더 큰 시준기 NA로 변환하기 위해서는, 가장 쉬운 접근 방식은 굴절력이 다른 두 개의 곡선 표면으로 구성된 마이크로렌즈를 사용하는 것이다. 다른 실시예에서, 마이크로렌즈는 굴절 유형이 아니지만 원하는 광학 파면 변형을 생성하는 회절 광학 요소(DOE)에 의해 형성된다.
일반적으로, 디바이스에서 방출된 광은 제1 광학 도파관을 통해 안내될 수 있고, 물체에서 반사된 광은 제1 광학 도파관과 다른 제2 광학 도파관에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 2020년 4월 14일에 출원된 출원인의 DE 102020 110 142를 참조한다. 이러한 구성에는 제1 광학 도파관으로부터의 광을 자유 공간으로만 커플링하는 커플러와, 자유 공간으로부터의 광을 제2 광학 도파관으로 커플링하는 다른 커플러가 있다.
다른 실시예에서, 광학 도파관은 방출된 광과 수신된 광을 모두 안내하므로 커플러도 이중 기능을 갖는다.
일부 실시예에서, 커플러는 광자 집적 회로의 표면에 배열되고 국부 표면 법선과 각도를 형성하는 중심 광선을 각각 갖는 광 빔을 방출 및/또는 수신하도록 구성되고, 기서 각도는 5°와 70°사이이다. 마이크로렌즈의 광학 축 및 연관된 중심 광선의 방향은 시준 광학 시스템의 광학 축과 일치하고 평행한다.
이 배열의 근거는 대부분의 기존 격자 커플러와 에지 커플러가 커플러 표면에 수직이 아닌 비스듬하게 광을 방출하거나 수신한다는 것이다. 즉, 광 빔의 중심 광선은 국부 표면 법선과 평행하지 않고 각도를 형성한다. 그러면 일반적으로 마이크로렌즈의 광학 축과 연관된 중심 광선의 방향이 일치하는 것이 바람직하며, 이는 이것이 최적의 커플링 효율을 보장하기 때문이다. 광자 집적 회로의 상기 표면은 완전히 평면일 필요는 없지만, 계단식이거나 심지어 곡선일 수도 있다.
그러나 일반적으로 표면은 평면이다. 그러면 시준 광학 시스템의 광학 축에 대해 0이 아닌 각도를 형성하는 표면 법선을 갖는 표면을 갖는 것이 바람직하다. 결과적으로 광자 집적 회로와 시준 광학 시스템의 전체 배열은 평행하지 않게 된다.
일부 실시예에서 마이크로렌즈는 서로 다른 두께를 갖는다. 이는 마이크로렌즈가 개구수를 조정할 뿐만 아니라 필드를 수정하는 경우 특히 유용하며, 이는 위에서 언급한 WO 2021/029969 A1에 공지되어 있다. 예를 들어, 마이크로렌즈는 커플러가 배열된 평면을 시준 광학 시스템의 (구면 또는 비구면) 곡선 물체 평면으로 변환할 수 있다.
각각의 마이크로렌즈는 연관된 커플러에 의해 생성된 입력 각도 광 에너지 분포를 입력 각도 광 에너지 분포보다 더 평탄하고 및/또는 더 넓은 출력 각도 광 에너지 분포로 변환하도록 구성될 수 있다. 각도 광 에너지 분포의 이러한 변환은 커플링 효율을 더욱 향상시킨다. 이는 물체에서 반사된 광이 시준기에서 나가는 공간 강도 분포와 비교하여 시준기의 자유 개구에 대한 공간 강도 분포가 넓어진 다소 시준된 평면파로 디바이스로 돌아오기 때문이다. 복귀 광이 시준 광학 시스템에 의해 포커싱되면, 광 빔은 더 넓고 각진 빛 에너지 분포를 갖고 종종 직사각형 함수(햇형 분포라고도 함)로 (적어도 대략적으로) 설명될 수 있다. 그러나 커플러와 연관된 각도 광 에너지 분포는 기본적으로 가우시안 분포이므로 햇형 분포와는 상당히 다르다. 이러한 불일치가 제거되지 않으면 커플링 손실이 불가피하다.
마이크로렌즈의 도움으로 각도 광 에너지 분포를 변환함으로써 이러한 불일치가 제거되거나 적어도 실질적으로 감소될 수 있다. 시준 광학 시스템은 이 변환에 사용될 수 없으며, 이는 사인 조건을 위반하여 선명한 이미지를 생성할 수 없음을 의미하기 때문이다.
일반적으로 이러한 변환을 달성하려면 2개의 비구면 굴절 표면이면 충분하다. 그럼에도 불구하고, 일부 실시예에서는 2개 이상의 마이크로렌즈가 각 커플러와 연관되어 있다. 이는 설계의 자유도를 더욱 높여준다.
위에 설명된 기능 중 일부는 구형 굴절 표면을 갖는 마이크로렌즈로는 달성하기 어려울 수 있다. 따라서 많은 경우에 적어도 하나의 비구면 렌즈 표면을 갖는 적어도 일부 마이크로렌즈를 사용하는 것이 바람직할 것이다.
일부 실시예에서, 디바이스는 마이크로렌즈와 시준 광학 시스템 사이에 배열된 투명한 평행 평면 플레이트를 포함한다. 이러한 플레이트는 마이크로렌즈에 의해 발생하는 구면 수차를 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 플레이트는 두께를 가질 수 있고 마이크로렌즈와 플레이트로 구성된 서브시스템이 플레이트가 없는 마이크로렌즈보다 더 작은 구면 수차를 갖도록 선택된 재료로 구성될 수 있다.
각도 광 에너지 분포를 변환하는 개념은 개구수를 조정하지 않고도 유리하게 채용될 수 있다. 본 발명의 양태에 따르면, 물체까지의 거리를 스캐닝 측정하는 라이다 디바이스가 제공된다. 이 디바이스는 복수의 광학 도파관과 복수의 커플러를 포함하는 광자 집적 회로를 포함한다. 각각의 커플러는 광학 도파관 중 하나와 연관되고, 광학 도파관에서 안내된 광을 자유 공간으로 커플링하고 및/또는 자유 공간에서 전파하는 광을 광학 도파관 내로 커플링하도록 구성된다. 디바이스는 커플러에 의해 방출된 광 빔을 시준하고 및/또는 시준된 광 빔을 포커싱하도록 구성된 시준 광학 시스템, 및 복수의 마이크로렌즈를 더 포함한다.
각 마이크로렌즈는 커플러 중 하나와 연관되어 있으며 연관된 커플러의 실제 또는 가상 이미지를 형성한다. 커플러의 이미지는 시준 광학 시스템의 물체 필드에 배열된다. 각각의 마이크로렌즈는 연관된 커플러에 의해 생성된 입력 각도 광 에너지 분포를 입력 각도 광 에너지 분포보다 더 평평하고 및/또는 더 넓은 출력 각도 광 에너지 분포로 변환하도록 구성된다.
본 발명의 다양한 피쳐 및 장점은 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조하면 더욱 쉽게 이해될 수 있으며, 여기서:
도 1은 본 발명에 따른 스캐닝 디바이스에 의해 검출되는 물체에 접근하는 차량의 개략적인 측면도이다;
도 2는 도 1에 도시된 스캐닝 디바이스의 평면도이다;
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 스캐닝 디바이스의 기본 설계를 개략적으로 예시한다;
도 4는 도 3에 도시된 스캐닝 디바이스에 의해 방출된 광학 신호의 주파수의 시간 변화를 도시하는 그래프이다;
도 5는 스캐닝 디바이스에 포함된 편향 유닛(deflection unit)의 분포 매트릭스와 다른 중요한 컴포넌트를 개략적으로 도시한다;
도 6은 제1 실시예에 따른 광자 집적 회로의 단부 부분과 시준 광학 시스템 사이에 배열된 마이크로렌즈 어레이를 개략적으로 도시한다;
도 7은 도 6과 유사한 표현으로, 시준 광학 시스템이 곡면 물체 필드를 갖는 제2 실시예에 따른 시준 광학 시스템과 광자 집적 회로의 단부 부분 사이에 배열된 마이크로렌즈 어레이를 개략적으로 도시한다;
도 8은 도 6과 유사한 표현으로 광자 집적 회로의 표면 법선(surface normal)이 시준 광학 시스템의 광학 축에 대해 경사진 제3 실시예에 따른 시준 광학 시스템과 광자 집적 회로의 단부 사이에 배열된 마이크로렌즈 어레이를 개략적으로 도시한다;
도 9는 제4 실시예에 따른 각도 광 에너지 분배를 수정하는 한 쌍의 마이크로렌즈를 통한 자오선(meridional) 단면이다;
도 10a, 10b 및 10c는 각각 가우시안(Gaussian), 확장형(broadened) 및 탑햇형(top hat) 각도 광 분포를 예시하는 그래프이다;
도 11은 제5 실시예에 따른 도파관-자유 공간 커플러의 가상의 이미지를 형성하는 마이크로렌즈를 통한 자오선 단면이다;
도 12는 제6 실시예에 따른 시준 광학 시스템과 마이크로렌즈 사이에 배열된 마이크로렌즈와 평행 평면 플레이트를 통한 자오선 단면이다;
도 13 및 14는 도 6과 유사한 표현으로, 마이크로렌즈가 광자 집적 회로의 표면에 형성되는 제7 실시예에 따른 시준 광학 시스템과 광자 집적 회로의 단부 부분 사이에 배열된 마이크로렌즈 어레이의 두 가지 변형을 개략적으로 도시한다.
1. 예시적인 사용 시나리오
도 1은 나무로 표시된 물체(12)에 접근하는 차량(10)의 개략적인 측면도이다. 차량(10)은 차량(10) 전방의 환경을 스캐닝하기 위해 광 빔 L11, L21, L31 및 L41을 사용하는 적어도 하나의 스캐닝 디바이스(14)를 갖는다. 스캐닝 디바이스(14)에 의해 생성된 거리 정보로부터 환경의 3차원 이미지가 계산될 수 있다. 또한, 스캐닝 디바이스(14)는 물체(12)에 대한 상대 속도를 결정한다. 이 정보는 물체(12)가 역시 이동하고 있는 다른 차량, 동물 또는 보행자인 경우 특히 중요하다.
차량(10) 전방 환경에 관해 스캐닝 디바이스(14)에 의해 결정된 정보는 예를 들어 차량(10)의 운전자가 차량을 제어하는 데 도움을 주기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 차량(10)과 물체(12)의 충돌이 임박한 경우 경고 메시지가 생성될 수 있다. 차량(10)이 자율 주행 중인 경우, 차량(10)을 제어하는 제어 알고리즘에는 전방 환경에 대한 정보가 요구된다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 스캐닝 디바이스(14)는 환경을 수직 방향으로 스캐닝하기 위해 수직 평면(도 1에서는 종이 평면)에서 서로 다른 방향으로 광 빔 L11 내지 L41을 방출한다. 동시에 스캐닝 디바이스(14)의 평면도인 도 2에 도시된 바와 같이 스캐닝은 수평 방향으로도 발생한다. 수평 평면에서 서로 다른 방향으로 방출되는 4개의 광 빔 L11, L12, L13 및 L14이 도시되어 있다.
명확성을 위해, 도 1 및 2에서는 4개의 서로 다른 평면에서 단지 4개의 광 빔 Ln1 내지 Ln4, 즉 총 16개의 광 빔이 스캐닝 디바이스(14)에 의해 생성되는 것으로 가정된다. 그러나 실제로는 스캐닝 디바이스(14)는 훨씬 더 많은 광 빔을 방출한다. 예를 들어, 　개의 광 빔이 선호되며, 여기서 n은 7과 13 사이의 자연수이며 k개의 평면 중 하나에서 얼마나 많은 광선이 방출되는지를 나타내며, 여기서 k는 1과 16 사이의 자연수이다.
2. 스캐닝 디바이스
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스캐닝 디바이스(14)의 기본 설계를 개략적으로 도시한다. 스캐닝 디바이스(14)는 라이다 시스템으로 설계되고 스캐닝 디바이스(14)의 동작 중에 가변 주파수 f chirp 를 갖는 측정 광을 생성하는 FMCW 광원(16)을 포함한다. 도 4에 예시된 바와 같이, 주파수 f chirp 는 시간에 따라t 더 낮은 주파수 f i 와 더 높은 주파수 f h 사이에서 주기적으로 변화("처프")한다.
이 실시예에서 처프 지속시간 T를 갖는 각각의 측정 간격은 동일한 길이 T/2의 두 부분으로 나뉜다. 제1 간격 동안 주파수 f chirp 는 일정하고 양의 상향처프 레이트 r chirp 　= f chirp /dt를 사용하여 선형적으로 증가한다. 제2 간격 동안 주파수 f chirp 는 일정한 음의 하향처프 레이트 r chirp 를 사용하여 선형적으로 감소한다. 따라서 측정된 광의 주파수는 주기적인 삼각 함수로 설명될 수 있다. 그러나 다른 함수적 관계, 예를 들어 톱니바퀴 함수도 고려된다.
광원(16)은 측정 광을 참조 광(국부 발진기라고도 지칭됨)과 출력 광으로 분할하는 스플리터(splitter)(22)에 연결된다. 예시된 실시예에서, 출력 광은 광학 증폭기(amplifier)(24)에 의해 증폭된 후 증폭된 측정 광을 편향 유닛(28)으로 향하게 하는 광학 순환기(circulator)(26)로 전달된다. 광학 순환기는 A, B 및 C 세 개의 포트와 한 포트로 들어온 광이 다음 포트로 나가는 속성을 갖는다. 따라서, 포트 A로 들어온 광은 포트 B에서 나가고, 포트 B로 들어온 광은 포트 C에서 나가고, 포트 C로 들어온 광은 포트 A에서 나간다. 당업계에 그 자체로 공지된 바와 같이, 광학 순환기(26)는 다른 편광(polarization) 광학 요소와 상호 작용하는 편광-감지 빔 스플리터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 순환기 대신 2x2 커플러가 사용될 수도 있지만 이로 인해 광 손실이 더 커진다.
편향 유닛(28)은 도 1 및 도 2를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 출력 광을 다른 방향을 따라 이동하는 자동차에 의해 도 3에 표시된 물체(12)로 지향시킨다. 일반적으로, 편향 유닛(28)에 의해 방출된 광학 신호는 물체(12)에 의해 적어도 부분적으로 확산 반사된다. 반사된 신호의 작은 부분은 스캐닝 디바이스(14)로 되돌아오고, 여기서 편향 유닛(28)에 다시 커플링된다.
광학 순환기(26)는 이 반사된 광 부분을 조합기(combiner)(30)로 지향시키며, 여기서 이 광 부분은 스플리터(22)에 의해 측정 광으로부터 분리된 참조 광과 중첩된다. 중첩된 광 컴포넌트의 주파수는 다른 광학 경로 길이로 인해 약간 다르기 때문에 대칭형 광자검출기(photodetector) 또는 다른 유형의 검출기(32)에 의해 검출되는 비트 신호가 생성된다. 검출기(32)에 의해 생성된 전기 신호는 검출된 비트 주파수에 기초하여 물체까지의 거리 R 및 스캐닝 디바이스(14)와 물체(12) 사이의 상대 방사상 속도(radial velocity) v를 계산하는 계산 유닛(34)에 공급된다.
도 5는 편향 유닛(28)의 중요한 컴포넌트를 개략적으로 도시한다. 이는 여러 개의 광학 스위치 S11, S21 및 S22가 나무형 방식으로 배열되는 분포 매트릭스 M을 포함한다. 광학 분포 매트릭스 M의 도움으로, 분포 매트릭스 M의 입력(36)에 들어오는 광학 신호는 복수의 광학 도파관(38)에 연속적으로 분포될 수 있다. 명확성을 위해, 광학 분포 매트릭스 M은 도 5에서 단지 3개의 광학 스위치를 갖고, 광학 신호를 4개의 광학 도파관(38)으로 분포할 수 있다. 실제 스캐닝 디바이스(14)에서는, 예를 들어 256개의 광학 도파관(38)이 선택적으로 입력(36)에 연결될 수 있도록 8개 이상의 스위칭 레벨이 직렬로 배열될 수 있다.
다른 실시예에서, 분포 매트릭스 M은 증폭기(24)의 업스트림 또는 증폭기(24)와 순환기(26) 사이에 위치된다. 이는 다수의 분포 매트릭스에 병렬로 광학 신호를 공급하여 다수의 광학 신호가 동시에 방출되려는 경우 특히 유리하다. 스캐닝 디바이스(14)에 분포 매트릭스를 통합하기 위한 또 다른 가능한 설계는 둘 모두 출원인에게 양도되어 있는 유럽 특허 출원 EP 20176355.4 및 DE 102020 110 142 A1에서 얻을 수 있다.
각각의 광학 도파관(38)은 연관된 광학 도파관(38)에서 안내되는 광학 신호를 자유 공간에 연결하는 도파관-자유 공간 커플러(40)에서 종단된다.
이러한 도파관-자유 공간 커플러(40)는 선행 기술에 공지되어 있으며, 예를 들어 격자 구조(grating structure)에 뒤이어 넓어지는 도파관 영역을 갖는 격자 커플러로서 설계될 수 있다. 대안적으로, 도파관-자유 공간 커플러(40)는 일반적으로 격자 커플러보다 더 높은 커플링 효율을 갖는 에지(edge) 커플러일 수 있다.
도 5는 도파관-자유 공간 커플러(40)로부터 나오는 발산 광 빔이 시준 광학 시스템(44)에 의해 시준되고 다른 방향으로 방출되는 것을 추가로 예시한다. 도파관-자유 공간 커플러(40)가 시준 광학 시스템(44)의 광학 축(42)으로부터 더 멀리 배열될수록, 시준 광학 시스템(44)에 의해 시준된 광 빔이 방출되는 각도는 더 커진다.
예시된 실시예에서, 편향 유닛(28)은 또한 물체(12)로부터 반사된 광학 신호를 수신하고 이를 도파관-자유 공간 커플러(40)를 통해 광학 도파관(38)에 다시 커플링하는 역할을 한다. 다른 실시예에서, 반사된 신호는 별도의 독립적인 도파관-자유 공간 커플러(40)에 의해 수신되고 자체 도파관을 통해 검출기(32)에 공급된다.
스캐닝 디바이스(14)의 일부 컴포넌트는 광자 집적 회로(PIC)로 실현된다. PIC는 SiN 도파관이 형성되는 실리콘 기판을 포함할 수 있지만, 다른 재료 조합도 당업계에 알려져 있다. 이상적으로는 시준 광학 시스템(44)을 제외한 모든 컴포넌트가 PIC의 일부이다. 그러나 기술적 제약으로 인해 광원(16), 광학 순환기(26) 또는 검출기(32)와 같은 더 정교한 컴포넌트가 PIC 외부에 있을 수 있다.
3. 마이크로렌즈 어레이 - 제1 실시예
도 6은 PIC(52)의 단부 부분과 단순함을 위해 빈 상자로 표시되는 시준 광학 시스템(44) 사이에 배열된 마이크로렌즈 어레이(50)를 개략적으로 도시한다. 복수의 광학 도파관(38) 및 도파관-자유 공간 커플러(40)는 각각의 도파관-자유 공간 커플러(40)가 광학 도파관(38) 중 하나와 연관되도록 PIC(52) 상에 형성된다. 이 제1 실시예에서, 각각의 도파관-자유 공간 커플러(40)는 연관된 광학 도파관(38)에서 안내되는 광을 자유 공간으로 커플링하고, 또한 자유 공간에서 전파하는 광을 연관된 광학 도파관(38)으로 커플링하도록 구성된다.
마이크로렌즈 어레이(50)는 서로 옆에 직선을 따라 배열된 복수의 동일한 마이크로렌즈(54)를 포함한다. 각각의 마이크로렌즈(54)는 도파관-자유 공간 커플러(40) 중 하나와 연관되고 연관된 커플러(40)의 실제 이미지를 형성한다. 도파관-자유 공간 커플러(40)의 이미지는 시준 광학 시스템(44)의 물체 필드(56)에 위치된다. 도시된 실시예에서, 물체 필드(56)는 평면형이다. 아래에 더 설명되는 다른 실시예에서, 물체 필드(56)는 3차원적으로 곡선이다.
확대된 컷아웃(cutout)(57)에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 도파관-자유 공간 커플러(40)는 광이 최대 각도 로 방출되도록 커플러 개구수 NA1을 가지며, 여기서 이며, 주변 공기는 굴절률 n = 1을 갖는다고 가정한다. 이는 각도가 을 초과하는 경우 물체(12)로부터 되돌아오는 광이 도파관-자유 공간 커플러(40)에 들어갈 수 없음을 의미한다.
양면 텔레센트릭(double-sided telecentric)일 수 있는 시준 광학 시스템(44)은 시준기 개구수 NA2를 가지며, 여기서 이다. NA2는 NA1보다 크거나, 도파관-자유 공간 커플러(40)가 다른 개구수를 갖는 실시예에서 이 개구수 NA1 중 임의의 것 보다 크다. 시준기 개구수 NA2는 로 주어지며, 는 입사 동공(entrance pupil)의 직경이고 f는 시준 광학 시스템(44)의 초점 길이이다. 큰 입사 동공을 통해서만 충분히 작은 발산을 갖는 광 빔을 보장할 수 있기 때문에 개구수 NA2는 상대적으로 커야 한다.
이러한 조건 하에서 그리고 마이크로렌즈 어레이(50)가 없는 경우, 물체(12)로부터 반사되어 시준 광학 시스템(44)을 통과하는 광의 일부는 각도 로 도파관-자유 공간 커플러(40)에 입사될 것이다. 이 일부는 광학 도파관(38)에 커플링될 수 없으므로 참조 신호와의 중첩에 기여하지 않는다. 더욱이, 시준된 빔의 빔 발산은 너무 커서 디바이스(14)가 필요한 공간 분해능(spatial resolution)을 달성할 수 없다.
마이크로렌즈(54)는 NA 불일치로 인한 삽입 손실이 방지되도록 개구수를 조정한다. 이를 위해, 마이크로렌즈(54)는 도파관-자유 공간 커플러(40)를 향하는 측에 커플러측 개구수 NAm1를 갖고, 시준 광학 시스템(44)을 향하는 측에 커플러측 개구수 NAm1보다 큰 시준기측 개구수 NAm2를 갖는다. 이상적으로는 조건 NA1 = NAm1 및 NA2 = NAm2이 적어도 실질적으로 유지되어 완벽하거나 적어도 매우 우수한 NA 일치가 달성되도록 한다. 그러면 NA 불일치로 인해 삽입 손실이 발생하지 않아 스캐닝 디바이스(14)에 의해 더 많은 광이 수신되고 결과적으로 SNR이 더 높아지고 정확도가 향상된다.
커플러측과 시준기측에서 서로 다른 NA를 달성하기 위해 마이크로렌즈(54)는 서로 다른 굴절 곡률(curvatures)(58, 60)(즉, 굴절력이 다름)을 갖는 표면을 가지며, 표면(60)의 더 강한 곡률은 시준 광학 시스템(44)을 향한다. 일반적으로 구면 수차(spherical aberration)를 줄이기 위해 비구면(aspherical) 표면(58, 60)을 사용하는 것이 바람직하다. 광학 시스템(44)과 마이크로렌즈(54)의 구면 수차가 서로 보상는 경우 구면 표면이 충분할 수 있다.
마이크로렌즈(54)의 최대 직경은 주로 인접한 광학 도파관의 측방향 거리에 따라 달라진다. 예를 들어, 256개의 광학 도파관(38)이 있는 경우, 어레이의 길이가 12.8mm인 경우 마이크로렌즈(54)의 직경은 대략 약 50pm일 수 있다.
도 6에서 마이크로렌즈(54)가 직선을 따라 선형으로 배열되어 있는 것으로 가정된다. 이러한 편향 유닛(28)을 사용하면 단일 평면에서만, 예를 들어 수평으로만 스캐닝이 가능하다. 수직 스캐닝 방향으로 스캐닝을 달성하려면 다른 스캐닝 메커니즘, 예를 들어 회전하는 스캐닝 거울이 요구된다.
다른 실시예에서, 도파관-자유 공간 커플러(40)는 평면에서 2차원적으로 배열된다. 이를 위해 복잡한 3D PIC가 사용될 수도 있고, 복수의 2D PIC가 겹겹이 적층될 수도 있다. 그러면 또한 단일 도파관-자유 공간 커플러(40)와 각각 연관되는 마이크로렌즈(54)가 2차원 어레이로 배열될 것이다. 이러한 실시예에서, 양방향 스캐닝은 시준 광학 시스템(44)의 전체 물체 필드(및 라인(line)뿐만 아니라)를 커버하는 도파관-자유 공간 커플러(40)에 의해 달성되기 때문에 회전하는 스캐닝 거울과 같은 기계적 컴포넌트가 요구되지 않는다.
4. 마이크로렌즈 어레이 - 제2 실시예
도 7은 시준 광학 시스템(44)이 곡선 물체 필드(56)를 갖는 제2 실시예에 따른 마이크로렌즈 어레이(50)를 도 6과 유사한 표현으로 개략적으로 도시한다. 곡선 물체 필드(56)를 허용하면 최소한 하나의 비구면 표면을 가질 수 있는 두 개의 렌즈 L1 및 L2 만으로 도시된 실시예에서는 매우 적은 수의 시준 광학 시스템(44)을 설계하는 것이 가능해진다. 이는 시준 광학 시스템(44)의 크기, 무게 및 비용을 감소시킨다.
이 실시예의 마이크로렌즈(54)는 개구수 불일치를 감소 또는 제거할 뿐만 아니라 도파관-자유 공간 커플러(40)를 이미징하는데도 사용되며, 이는 다시 곡선 필드(56)의 평면, 곡선 필드 상에서 직선을 따라 또는 3차원적으로 배열된다. 이를 달성하는 한 가지 접근 방법은 도파관-자유 공간 커플러(40)가 마이크로렌즈(54)의 전방 표면(58)의 전방 초점 평면에 배열되는 배열이다. 그러면 도파관-자유 공간 커플러(40)의 이미지는 마이크로렌즈(54)의 두께를 변경함으로써, 즉 표면(58, 60) 사이의 다른 거리를 사용함으로써 축방향으로 위치될 수 있다. 어떤 경우에는 표면(58, 60)의 표면 형상도 조정해야 할 수도 있다.
5. 마이크로렌즈 어레이 - 제3 실시예
도 8은 도 6과 유사한 표현으로 제3 실시예에 따른 마이크로렌즈 어레이(50)를 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서, PIC(52)는 도파관-자유 공간 커플러(40)가 배열되는 표면(62)을 갖는다. 도시된 실시예에서, 표면(62)은 평면이고 시준 광학 시스템(44)의 광학 축(42)에 수직하지 않게 정렬된다. 다르게 말하면, 표면 법선(64)은 도 8에 예시된 바와 같이 광학 축(44)과 각도 을 형성한다.
이러한 경사진 배열은 대부분의 도파관-자유 공간 커플러(40)가 광 빔-더 정확하게는 광 빔의 중심 광선-을 평행하지 않고 국부 표면 법선과 각도로 방출하기 때문에 유리하다. 시준 광학 시스템(44)의 광학 축(42)과의 이 각도는 도 7에 도시된 바와 같이 종래의 배열로부터 각도 b 만큼 전체 PIC(52)를 기울임으로써 쉽게 보상될 수 있다. 특정 경사 각도에서, 광 빔의 중심 광선은 마이크로렌즈(54)의 광학 축과 일치하고 시준 광학 시스템(44)의 광학 축(42)과 평행한다. 이는 마이크로렌즈를 통과하는 사선(oblique) 광선으로 인한 비회전 대칭 수차를 교정할 필요를 없게 한다.
그러나 PIC(52)를 기울이면 시준 광학 시스템(44)의 물체 필드(56)에서 마이크로렌즈 어레이(50)에 의해 이미징되는 필드가 기울어지게 된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 다른 두께를 갖는 마이크로렌즈(54)를 축방향으로 위치 설정함으로써, 도파관-자유공간 커플러(40)가 배치된 경사진 필드를 곡면 물체(56) 필드에 이미징하는 것이 가능하다.
이 접근 방법은 PIC(52)의 표면(62)이 평면이 아니고 계단이거나 곡선인 경우에도 작동한다.
6. 마이크로렌즈 어레이 - 제4 실시예
전술한 실시예에서, 정확히 하나의 마이크로렌즈(54)가 각각의 도파관-자유 공간 커플러(40)와 연관되어 있다. 각각의 도파관-자유 공간 커플러(40)와 연관된 하나뿐 아니라 두 개 이상의 마이크로렌즈가 있는 경우, 더 많은 설계 옵션과 추가 함수가 사용 가능하다. 도 9는 단일 도파관-자유 공간 커플러(40)와 연관된 한 쌍의 마이크로렌즈(54a, 54b)를 예시한다.
예를 들어, 마이크로렌즈(54)는 연관된 도파관-자유 공간 커플러(40)에 의해 생성된 입력 각도 광 에너지 분포를 입력 각도 광 에너지 분포보다 더 평평하고 및/또는 더 넓은 출력 각도 광 에너지 분포로 변환하도록 구성될 수 있다.
각도 광 에너지 분포의 이러한 변형은 커플링 효율을 더욱 향상시킨다. 방출 각도 의 함수로서 강도 Iout를 도시하는 도 10a에 예시되어 있는 바와 같이, 도파관-자유 공간 커플러(40)와 연관된 각도 광 에너지 분포는 일반적으로 가우스 분포이다. 반면에, 물체(12)로부터 반사되어 스캐너 디바이스(14)로 되돌아오는 광은 실질적으로 시준되어, 즉 평면 파동으로서 도달한다. 각도 의 함수로서 강도 lin을 도시하는 도 10c에 예시된 바와 같이, 평면 파동이 시준 광학 시스템(44)에 의해 포커싱되는 경우, 시준 광학 시스템(44)에서 나오는 광 빔은 더 넓고 종종 (적어도 대략) 탑햇형 분포로 설명될 수 있는 각도 광 에너지 분포를 갖게 된다. 그러나, 도파관-자유 공간 커플러(40)는 가우스 각도 분포를 갖는 광을 방출하고 수신하도록 조정된다. 이 불일치가 제거되지 않으면 추가 삽입 손실이 불가피하다.
도 9에 도시된 한 쌍의 마이크로렌즈(54a, 54b)는 도파관-자유 공간 커플러(40)에 의해 생성되고 도 10a에 도시된 바와 같은 가우시안 각도 광 에너지 분포를 갖는 발산 빔을 가우시안 각도 광 에너지 분포보다 더 평평하고 더 넓은 광 에너지 분포(도 10b)로 변환한다. 이를 위해, 발산하는 가우시안 빔은 제1 표면(58a)에 의해 시준된다. 제2 표면(60a)과 제3 표면(58b)은 공간 광 분포를 재분포하고, 마지막 표면(60b)은 광을 다시 포커싱하여 재분포된 공간 광 분포를 원하는 개구 각도와 더 넓은 각도 분포를 갖는 출력 분포로 변환한다. 공간 광 분포를 재분포하기 위해, 제1 마이크로렌즈(54a)의 표면(60a)은 광학 축으로부터 멀리 광을 굴절시키는 오목한 중심 영역을 갖는다. 제2 마이크로렌즈(54b)의 표면(58b)은 광의 이 부분을 재시준한다.
단일 굴절 표면은 사인 조건(sine condition)을 충족할 수 없기 때문에 도 9에 도시된 실시예는 포커싱된 빔의 파면(wavefront)에 대한 매우 우수한 교정의 추가 요구 사항을 사용하여 도 10a에 도시된 가우스 각도 입력 분포를 더 넓고 도 10b에 예시된 바와 같이 중간과 가장자리에 편차가 있는 대략 직사각형 분포로만 변환할 수 있다.
도 10c에서와 같은 실질적으로 직사각형의 각도 분포와 포커싱된 빔의 매우 우수한 교정은 도 9에 도시된 실시예를 다음과 같은 방식으로 수정함으로써 달성될 수 있다. 이러한 수정된 실시예에서, 표면(58a, 60b)은 평면이고 두 개의 곡선 표면을 갖고 사인 조건을 충족하는 포지티브 렌즈가 표면(58a)의 전방에 배치된다. 이후 조건을 충족하는 또 다른 렌즈는 표면(60b) 뒤에 배치된다. 대안적으로, 각각 2개의 곡선 표면을 갖는 3개 이상의 마이크로렌즈가 사용될 수 있다. 그런 다음 시준기 자유 개구를 가로지르는 직사각형 공간 강도 분포를 갖는(제한적인 경우) 물체로부터 되돌아오는 평면 파동은 시준 광학 시스템(44)에 의해 포커싱될 수 있어 광 빔은 적어도 매우 좋은 근사치의 탑햇형 각도 광 에너지 분포를 갖도록 한다. 마이크로렌즈(54b)와 시준 광학 시스템(44) 사이의 추가 마이크로렌즈는 이 탑햇형 각도를 공간 탑햇형 분포로 변환한다. 마이크로렌즈(54a, 54b)의 곡선 표면(60a, 58b)은 각각 이 탑햇형 공간 광 에너지 분포를 가우스 공간 광 에너지 분포로 변환한다. 후자는 마이크로렌즈(54a)와 도파관-자유 공간 커플러(40) 사이에 배열된 추가 마이크로렌즈에 의해 도파관-자유 공간 커플러(40)에 의해 완벽하게 수신될 수 있는 가우스 각도 분포로 변환된다.
7. 마이크로렌즈 어레이 - 제5 실시예
두 개 이상의 렌즈를 제공하는 것이 많은 경우에 유용할 수 있지만, 각도 광 에너지 분포의 변환은 도파관-자유 공간 커플러(40)당 단 하나의 마이크로 렌즈로도 달성될 수 있다. 도 11은 2개의 비구면 표면(58, 60)을 갖고 도파관-자유 공간 커플러(40)의 가상 이미지(66)를 형성하는 마이크로렌즈(54)를 예시한다. 단일 마이크로렌즈(54)는 도파관-자유 공간 커플러(40)에 의해 생성된 가우시안 각도 광 에너지 분포를 탑햇형 각도 광 에너지 분포로 변환하고, 그 반대 방향의 경우도 마찬가지이다.
8. 마이크로렌즈 어레이 - 제6 실시예
도 12는 단일 마이크로렌즈(54)가 개구수 및 각도 광 에너지 분포를 조정하는 함수를 모두 충족하는 비구면 표면을 갖는 또 다른 실시예를 예시한다. 이 실시예에서, 마이크로렌즈(54)는 도파관-자유 공간 커플러(40)의 실제 이미지를 생산한다. 스캐너 디바이스(14)는 마이크로렌즈(54)와 시준 광학 시스템(44) 사이에 배열된 투명 평면 평행 플레이트(70)를 포함한다. 플레이트(70)가 포지티브 렌즈에 의해 생산된 포지티브 구면 수차를 적어도 부분적으로 보상할 수 있는 네거티브 구면 수차를 생산하기 때문에 이러한 플레이트(70)는 마이크로렌즈(54)에 대해 필요한 구면 수차 교정을 완화하는 데 도움이 될 수 있다. 이는 마이크로렌즈(54)에서 적어도 하나의 순수 구면 표면의 사용을 허용할 수 있다. 플레이트(70)에 의해 형성된 가상 이미지는 (66)으로 표시된다.
구면 수차의 보상이 필요하지 않은 경우, 도 12에 도시된 광학 설계는 플레이트(70) 없이도 유리하게 사용될 수 있다.
9. 마이크로렌즈 어레이 - 제7 실시예
도 13 및 14는 단 하나의 곡선 표면을 갖는 제1 마이크로렌즈(54a)가 PIC(52)의 표면(62)에 직접 부착되거나 그와 일체로 형성된 실시예를 도 6 내지 8과 유사한 표현으로 도시한다. 제1 마이크로렌즈(54a)는 도파관-자유 공간 커플러(40)로부터 방출된 광 빔을 시준한다.
제2 마이크로렌즈(54b)는 PIC(52)와 시준 광학장치(44) 사이의 공간에 배열된 투명 웨지(72)의 일 측에 일체로 형성된다. 제2 마이크로렌즈(54b)는 시준 광학 시스템(44)의 물체 필드(56)에서 도파관-자유 공간 커플러(40)의 이미지를 형성한다.
웨지(72)의 반대 측은 시준된 광 빔의 전파 방향에 대해 경사지게 배열된 평면 표면(74)에 의해 형성된다. 이러한 경사진 배열은 평면 표면(74)으로부터의 반사가 도파관-자유 공간 커플러(40)에 도달할 수 없도록 보장한다.
도 13에 도시된 실시예에서, 도파관-자유 공간 커플러(40)는 PIC(52)의 표면(62)에 수직인 방향으로 광 빔을 방출한다. 따라서 PIC(52)는 시준 광학 시스템(44)의 광학 축(42)에 대해 기울어진다.
도 14에 도시된 실시예에서, 도파관-자유 공간 커플러(40)는 PIC(52)의 표면(62)에 비스듬하게 광 빔을 방출한다. 웨지(72)의 웨지 각도는 평면 표면(74)에 의해 야기된 빔 경사가 도파관-자유 공간 커플러(40)에 의해 생성된 빔 경사를 보상하도록 선택된다. 따라서 PIC(54)의 표면(62)은 시준 광학 시스템(44)의 광학 축(42)에 수직으로 배열될 수 있다.

Claims (13)

  1. 물체(12)까지의 거리를 스캐닝 측정하기 위한 라이다(LiDAR) 디바이스(14)에 있어서, 상기 디바이스(14)는
    복수의 광학 도파관들(38)과 복수의 커플러들(40)을 포함하는 광자 집적 회로(52)-여기서, 각각의 커플러(40)는
    상기 광학 도파관들(38) 중 하나와 연관되고,
    상기 광학 도파관(38)에서 안내되는 광을 자유 공간으로 커플링하고 및/또는 자유 공간에서 전파하는 광을 상기 광학 도파관(38)으로 커플링하도록 구성됨-,
    상기 커플러들(40)에 의해 방출된 광 빔들을 시준하고 및/또는 시준된 광 빔들을 포커싱하도록 구성된 시준 광학 시스템(44), 및
    복수의 마이크로렌즈들(54; 54a, 54b)을 포함하고, 여기서
    각각의 마이크로렌즈(54; 54a, 54b)는 상기 커플러들(40) 중 하나와 연관되고,
    상기 연관된 커플러(40)의 실제 또는 가상 이미지를 형성하며, 상기 커플러들의 상기 이미지들은 상기 시준 광학 시스템(44)의 물체 필드(56)에 배열되고,
    여기서
    각각의 커플러(40)는 커플러 개구수를 갖고, 상기 시준 광학 시스템(44)은 커플러 개구수들의 각각보다 큰 시준기 개구수를 갖고,
    각각의 마이크로렌즈(54; 54a, 54b)는, 상기 커플러들(40)을 향하는 측에, 커플러측 개구수를 갖고, 시준 광학 시스템(44)을 향하는 측에, 상기 커플러측 개구수보다 큰 시준기측 개구수를 갖는, 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 커플러(40)의 상기 커플러 개구수는 상기 연관된 마이크로렌즈들(54; 54a, 54b)의 커플러측 개구수와 적어도 실질적으로 동일하고, 상기 시준기 개구수는 상기 마이크로렌즈들(54; 54a, 54b)의 상기 시준기측 개구수와 적어도 실질적으로 동일한, 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 각각의 커플러(40)의 상기 커플러 개구수는 상기 연관된 마이크로렌즈(54; 54a, 54b)의 상기 커플러측 개구수와 10% 미만으로 상이하며, 상기 시준기 개구수는 상기 마이크로렌즈들(54; 54a, 54b)의 상기 시준기측 개구수와 10% 미만으로 상이한, 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 마이크로렌즈(54; 54a, 54b)는 서로 다른 굴절력을 갖는 2개의 곡면 표면들(58, 60)을 포함하는, 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플러들(40)은 상기 광자 집적 회로(52)의 표면(62)에 배열되고,
    상기 커플러들(40)은 국부 표면 법선(64)과 각도를 형성하는 중심 광선을 각각 갖는 광 빔들을 방출 및/또는 수신하도록 구성되며, 상기 각도는 5° 내지 70°이고,
    상기 마이크로렌즈들의 광학 축들과 상기 연관된 중심 광선들의 방향들은 상기 시준 광학 시스템(44)의 광학 축(42)과 일치하고 평행한, 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 표면(62)은 평면이고, 상기 시준 광학 시스템(44)의 상기 광학 축(42)에 대해 0이 아닌 각도(b)를 형성하는 표면 법선(64)을 갖는, 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈들(54; 54a, 54b)는 서로 다른 두께를 갖는, 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 마이크로렌즈(54; 54a, 54b)는 상기 연관된 커플러(40)에 의해 생성된 입력 각도 광 에너지 분포를 상기 입력 각도 광 에너지 분포보다 더 평평하고 및/또는 더 넓은 출력 각도 광 에너지 분포로 변환하도록 구성되는, 디바이스.
  9. 제7항에 있어서, 상기 출력 각도 광 에너지 분포는 적어도 실질적으로 직사각형 분포인, 디바이스.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 2개 이상의 마이크로렌즈들(54a, 54b)이 각각의 커플러(40)와 연관되는, 디바이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 일부 마이크로렌즈들(54; 54a, 54b)은 적어도 하나의 비구면 렌즈 표면을 갖는, 디바이스.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로렌즈들(54)과 상기 시준 광학 시스템(44) 사이에 배열된 투명한 평행 평면 플레이트(70)를 포함하는, 디바이스.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시준 광학장치(44)의 물체 필드(56)는 곡면인, 디바이스.
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