KR20240033054A - 물체까지의 거리를 스캔 측정하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

물체(12)까지의 거리를 스캔 측정하는 장치(14)에서 광원(16)은 가변 주파수를 갖는 광 신호를 생성한다. 상기 광 신호는 분배 매트릭스(M)에 의해 동시에 다수의 광 출력 도파로(38)로 분배되고, 자우 공간 커플러(40)에 의해 자유 공간에서 광 빔들(L11 내지 L14; R1 내지 R4)로 아웃커플링된다. 편향 광학 장치(44)는 상기 광 출력 도파로(38)에서 방출된 광 신호들을 편향시켜 이들은 동시에 서로 다른 방향으로 상기 장치(14)에 의해 방사된다. 검출기(32)는 상기 광원(16)에서 생성된 광 신호가 물체(12)로부터 반사된 광 신호와 중첩되는 것을 검출한다. 평가 유닛(34)은 상기 중첩으로부터 상기 물체(12)까지의 거리를 계산한다. 본 발명에 따라 상기 장치는 움직임을 생성하는 액추에이터(54; 62)를 갖는 빔 변위 유닛을 갖는다. 상기 액추에이터는 상기 자유 공간 커플러에서 방출된 광 빔들(R1 내지 R4)이 상기 편향 광학 장치(44)에 닿기 전에 이들을 때때로 상호 오프셋시킨다. 이로 인해 측정의 분해능이 높아진다.

Description

물체까지의 거리를 스캔 측정하는 장치 및 방법

본 발명은 FMCW-LiDAR 기술을 기반으로 이동한 또는 정지된 물체까지의 거리를 스캔 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 장치는 예시적으로 자율 주행 차량에 사용될 수 있고 가동 부재를 포함하지 않는 광자 집적 회로(PIC, photonic integrated circuit)를 포함한다.

광학 거리 측정을 위해, 측정 장치에 의해 시변 주파수를 갖는 광 신호(FMCW는 주파수 변조 연속파(frequency modulated continuous wave)를 뜻함)가 다양한 방향으로 측정할 물체로 조준되는, FMCW-LiDAR라고 하는 측정 원리가 공지되어 있다. 신호는 물체에서 반사된 후 다시 측정 장치로 되돌아와, 방출되지 않은 신호와 중첩되므로 국부 발진기(local oscillator)라고 한다. 이동한 광로로 인해 반사된 신호는 방출되지 않은 신호와 다소 다른 주파수를 갖는다. 두 신호가 중첩될 때, 측정 장치의 검출기에 의해 검출되는 비교적 낮은 주파수의 비트 주파수가 생성되어 측정 장치와 물체 간 거리를 계산하는 데 사용된다. 추가적으로 도플러 천이(doppler shift)를 고려하는 경우, 스캐너와 물체 간 상대 속도도 계산된다.

이 측정 원리를 기반으로 하는 측정 장치는 차량에 사용하려는 경우 매우 견고하고 안정적이어야 한다. 이는 특히 차량이 자율적으로 주행되는 경우 자율 주행 시 안전은 주변부의 삼차원 이미지가 충분한 해상도로 생성될 수 있느냐에 결정적으로 좌우되기 때문에 특히 중요하다.

따라서 적어도 수평면 스캔을 위해서는 회전하는 스캔 미러 또는 기타 가동 부재가 필요 없는 측정 장치가 선호된다. 예를 들어 미국 특허출원공개 US 2017/0371227 A1호 및 US 2019/0377135 A1호에 설명된 바와 같은 이러한 해법에서, 트리 구조로 배치된 다수의 능동 또는 수동 스플리터를 갖는 분배 매트릭스가 FMCW 신호를 서로 다른 자유 공간 커플러에 분배한다. 초점면에 자유 공간 커플러가 배치되는 편향 광학 장치는 자유 공간 커플러에서 방출되는 광 신호를 시준하여 이를 서로 다른 방향으로 방사한다.

공지된 이 해법에서는 수평으로 필요한 높은 공간 분해능을 달성하기 위해 매우 많은 자유 공간 커플러들이 협소한 공간에 배치되어야 한다. 그러나 이는 금세 기술적 한계에 부딪힌다. 분해능을 달성할 수 있는 경우에도, 극히 높은 집적 밀도는 리소그래피 제조 시 높은 불량으로 이어지고, 이는 단가에 바람직하지 않게 작용한다.

본 발명의 목적은 비용 효율적으로 높은 공간 분해능을 달성할 수 있는, 물체까지의 거리를 스캔 측정하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 광 신호를 가변 주파수로 생성하도록 구성된 광원을 갖는, 물체까지의 거리를 스캔 측정하는 장치에 의해 달성된다. 또한, 본원의 장치는 광 신호를 동시에 다수의 광 출력 도파로로 분배하도록 구성된 분배 매트릭스를 갖는다. 또한, 본원의 장치는 공통의 기판에 배치되고 출력 도파로로 안내되는 광 신호를 광 빔으로 자유 공간에서 아웃커플링하도록 구성된 다수의 자유 공간 커플러를 포함한다. 본원의 장치의 편향 광학 장치는 광 출력 도파로에서 방출된 광 신호를 본원의 장치에서 동시에 서로 다른 방향으로 방사되게 편향시키도록 구성된다. 검출기는 광원에서 생성된 광 신호가 물체로부터 반사된 광 신호와 중첩되는 것을 검출한다. 또한, 본원의 장치는 적어도 하나의 검출기에 의해 검출된 중첩으로부터 물체까지의 거리를 결정하도록 구성된 평가 유닛을 포함한다. 또한, 본 발명에 따르면, 본원의 장치는 움직임을 생성하는 액추에이터를 포함하고 자유 공간 커플러에서 방출된 광 빔이 편향 광학 장치에 도달하기 전에 이들을 일시적으로 상호 오프셋시키는, 즉, 바람직하게는 평행하게 오프셋시키는 빔 변위 유닛을 갖는다.

본 발명은 FMCW-LiDAR 원리에 기반한 측정 장치에서 삼차원 주변부 이미지는 즉각적으로 얻어지는 것이 아니라, 스캔 프로세스의 결과라는 고찰에 기반한다. 이에 따라 삼차원 이미지는 주어진 시점에 동시에 다수의 광 빔이 물체에 조준되는 경우에도 연속적으로 생성된다. 이러한 연속적인 이미지 구조는, 기계적 움직임을 스캔 프로세스에 중첩시키는 것을 가능하게 하고, 이는 바람직하게는 자유 공간 커플러에서 방사된 광 빔들의 평행 오프셋으로 이어진다. 움직임에 의해 지정된 정도만큼의 광 빔의 오프셋은 편향 광학 장치 뒤에서 다른 방사각으로 이어진다. 결과적으로 광 빔은 오프셋 전과 후에 물체의 서로 다른 지점에 닿는다. 이로 인해 빔 변위 유닛은, 빔 변위 유닛이 없는 측정 장치의 경우보다 두 배 높은 그리드 밀도로 물체의 지점들을 스캔하도록 제어될 수 있다. 다른 경우에는 분해능의 이러한 배가는 광자 집적 회로에서 집적 밀도를 상응하게 높이거나 또는 매우 큰 비용을 감수해야만 달성될 수 있었다.

일 실시예에서 액추에이터는 그 위에 배치된 자유 공간 커플러와 함께 기판을 움직이도록 구성된 병진 액추에이터이다. 기판의 움직임에 의해 편향 광학 장치에 대한 기판의 상대 위치가 변경되고, 이는 다른 방사각으로 이어진다. 이에 대해 대안적으로, 편향 광학 장치가 이동될 수 있다. 그러나 편향 광학 장치는 일반적으로 자유 공간 커플러를 갖는 광자 집적 회로보다 더 무거우므로, 편향 광학 장치가 이동되는 것은 기계적으로 더 복잡하다.

바람직하게는 기판은 광 빔의 방출 방향에 대해 수직으로 연장되는 병진 방향을 따라 병진 왕복 운동한다. 이로 인해 자유 공간 커플러는 편향 광학 장치의 초점면에서 측방향으로 오프셋되고, 이로 인해 방사된 광 빔의 각 스펙트럼이 상응하게 변경된다. 독일 특허공보 DE 102021111949 A1호에 개시된 바와 같이, 병진 운동은 광 빔의 방출 방향을 따라 구성 요소도 포함할 수 있다. 이에 따라 기판의 움직임을 위해 선형 궤적뿐만 아니라 원형 또는 타원형 궤적도 고려된다.

또한, 원칙적으로 기판이 회전되는 것을 생각할 수 있다. 그러나 이 경우 병진 운동에 비해 복잡한 그리고 경우에 따라 바람직하지 않은 각 변동이 편향 광학 장치 후방에서 생성된다.

기판의 움직임은 간헐적이거나 연속적일 수 있다. 간헐적 움직임은 두 개 이상의 목표 위치로 급하게 접근하고 기판이 각각의 목표 위치에서 잠시 정지하는 움직임을 의미한다.

이때 나타나는 높은 가속도를 피하기 위해 병진 액추에이터로 연속적인 움직임을 생성하는 것이 종종 더 적합하다. 특히 이 맥락에서 기판의 고유 주파수에 맞게 조정될 수 있는 조화 진동이 특히 적합하다. 특히, 병진 액추에이터는, 병진 방향을 따라 20 Hz 내지 100 Hz의 주파수로 기판을 진동 운동시키도록 구성될 수 있다. 이때 진동 주파수는, 광 빔이 물체를 스캔하는 스캔 주파수에 맞게 조정되어야 한다.

병진 액추에이터는 예를 들어 기판에 작용하는 보이스 코일 드라이브(voice coil drive)를 가질 수 있다. 대안적으로 압전 액추에이터를 사용하는 것도 가능하다.

다른 실시예에서 빔 변위 유닛은 광 빔에 대해 투명한 평판 플레이트를 갖는다. 액추에이터는, 광 빔의 방출 방향에 대해 각을 이루는 방식으로, 바람직하게는 90°로 연장되는 회전축을 기준으로 적어도 두 개의 각도 위치 사이에서 평판 플레이트를 이동시키도록 구성된 회전 액추에이터이다. 광 빔의 빔 경로에 경사지게 배치된 평판 플레이트는 경사각이 증가함에 따라 더 커지는 광 빔들의 평행 오프셋을 실현한다. 분해능을 높이기 위해 광 빔들은 소량만 측면으로 오프셋되면 되므로, 평판 플레이트는 얇을 수 있다. 이로 인해 이 실시예에서, 이동되어야 할 질량은 전체 광자 집적 회로가 움직이는 전술한 실시예의 경우보다 더 작을 수 있다.

바람직하게는, 분배 매트릭스는 다수의 광 스위치를 갖는 스위칭 매트릭스이고, 광 신호를 선택적으로 다수의 광 출력 도파로로 분배하도록 구성된다. 이런 방식으로 광원에 의해 생성된 광 출력은 동시에 활성화된 소수의 광 채널에 집중될 수 있다. 바람직하게는, 스위칭 매트릭스의 광 스위치가 빔 변위 유닛에 의해 실현된 광 빔의 오프셋과 동기화되도록 구성된 제어 장치가 제공된다. 제어 장치는 두 가지 가용 자유도, 즉 한 편으로 스위칭 매트릭스를 통해 활성화된 자유 공간 커플러의 선택을, 다른 한 편으로 평판 플레이트 경사각의 선택을 조정한다.

그러나 분배 매트릭스가 수동 빔 분배기만을 포함하여 광 신호가 동시에 모든 광 출력 도파로로 분배되는 것도 가능하다. 이 경우 각각의 출력 도파로에 개별적으로 조정 가능한 광 증폭기가 할당되는 것이 바람직하다. 이로 인해 수동 빔 분배기로도 개별 채널들이 표적화되어 제어될 수 있다.

바람직하게는, 각각의 자유 공간 커플러는, 자유 공간 커플러와 연결된 출력 도파로에 의해 자유 공간 커플러로 공급되고 자유 공간 커플러로부터 방출되는, 광원에 의해 생성된 광 신호가 물체에서 반사된 후 다시 광 측정 신호로서 동일한 출력 도파로로 커플링되도록 구성된다. 그러나 대안적으로, 반사된 광 신호의 수신을 위해 별도의 입력 도파로를 통해 수신된 광 신호가 검출기로 제공되는 자체 자유 공간 커플러가 제공되는 것도 고려된다. 바람직하게는, 자유 공간 커플러는 모두 공통의 면에 배치된다. 한 방향을 따라 스캔하는 경우, 자유 공간 커플러는 직선에 위치한다.

광원은 일반적으로 간섭광(coherent light)을 생성하는 레이저 광원으로 설계된다. 이로 인해 거친 표면을 갖는 물체에서 스페클 패턴(speckle pattern)이 형성되어, 상쇄 간섭으로 인해 표면 상의 일부 스캐닝 지점에서 광이 수신되지 않을 수 있다.

이러한 스페클 패턴을 피하기 위해, 빔 변위 유닛은 움직임에 더 작은 진폭을 갖는 추가의 움직임을 중첩시키도록 구성될 수 있다. 이러한 중첩된 움직임에 의해 광 빔이 물체에 닿을 때 경미하게 연속적으로 측면으로 이동된다. 분해능을 높이기 위해 광 빔들은 물체의 다른 지점에 조준되는 반면, 중첩된 움직임들은, 광 빔들이 본질적으로 동일한 물체 지점으로 조준되나 스캔 그리드에서 인접한 물체 지점에는 도달되지 않도록 물체 지점을 포괄하는 작은 진폭을 갖는다. 사전 지정된 기능을 따르거나 (준)무작위일 수 있는 이러한 작은 움직임들에 의해, 반사된 레이저 광이 장치에 의해 수신될 때 적어도 때때로 구조적으로 간섭되는 것이 달성된다.

본원의 방법의 측면에서 서두의 목표는 물체까지의 거리를 스캔 측정하는 방법에 의해 달성되고, 본원의 방법은 이하의 단계를 포함하고:

a) 가변 주파수를 갖는 광 신호를 생성하는 단계;

b) 광 신호를 다수의 광 출력 도파로로 분배하는 단계;

c) 출력 도파로로 안내된 광 신호를 공통의 기판에 배치된 자유 공간 커플러를 이용하여 자유 공간에서 광 빔으로 아웃커플링하는 단계;

d) 광 출력 도파로에서 방출된 광 신호를 동시에 서로 다른 방향으로 방사되도록 편향시키는 단계;

e) 단계 a)에서 생성된 광 신호와 단계 d)에서 방사되고 물체에 의해 반사된 광 신호의 중첩을 검출하는 단계;

f) 단계 e)에서 검출된 중첩에서 물체까지의 거리를 결정하는 단계;

이때 자유 공간 커플러에서 방출된 광 빔이 단계 d)에서 편향되기 전에 때때로 상호 오프셋된다.

본원의 장치와 관련하여 상기 설명된 이점 및 바람직한 실시예들은 본원의 방법에도 상응하게 적용된다.

예를 들어 일 실시예에서 기판은 그 위에 배치된 자유 공간 커플러와 함께 이동될 수 있다. 특히 기판은 광 빔의 방출 방향에 대해 수직으로 연장되는 병진 방향을 따라 병진 왕복 운동한다. 이 경우 기판은 병진 방향을 따라 20 Hz 내지 100 Hz의 주파수로 진동 운동을 할 수 있게 된다.

다른 실시예에서 광 빔은 회전축을 기준으로 적어도 두 개의 각도 위치 사이에서 움직이는 투명 평판 플레이트를 통과한다.

단계 b)에서 광 신호는 다수의 광 스위치를 갖는 스위칭 매트릭스에서 선택적으로 다수의 광 출력 도파로로 분배되고, 스위칭 매트릭스의 광 스위치는 광 빔의 오프셋과 동기화된다.

다른 실시예에서 스페클 패턴을 피하기 위해 더 작은 진폭의 다른 움직임이 움직임에 중첩된다.

이하에서 본 발명의 실시예들이 도면을 참조하여 더욱 자세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 측정 장치에 의해 감지된 물체로 접근하는 차량을 개략적으로 도시하는 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 측정 장치의 평면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 측정 장치의 구조를 도시하는 개략도이다.
도 4는 방출된 광 신호의 주파수가 시간에 따라 기록된 그래프이다.
도 5는 도 3에 도시된 측정 장치의 스위칭 매트릭스와 편향 광학 장치를 도시하는 평면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 자유 공간 커플러를 갖는 기판이 병진 운동되는 제1 실시예에 따른 서로 다른 작동 상태들에 있는, 도 3에 도시된 측정 장치의 한 구간을 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 평판 플레이트가 기울어지는 제2 실시예에 따른 서로 다른 작동 상태들에 있는, 도 3에 도시된 측정 장치의 한 구간을 도시한다.
도 8은 제2 실시예에 따른 측정 장치 일부를 도 5에 따라 도시하는 개략도이다.
도 9는 스페클 패턴을 피하기 위해 광 빔들이 작은 움직임들을 수행하는, 도 1에 도시된 측정 장치의 평면도이다.
도 10은 기판의 x 좌표를 시간에 따라 기록한 그래프이다.

1. 응용예

도 1은 도 1에서 나무인 물체(12)에 접근하는 차량(10)을 개략적인 측면도로 도시한다. 차량(10)은 광 빔들(L11, L21, L31 및 L41)을 이용하여 차량(10) 전방 환경을 스캔하여 거리값을 얻는 적어도 하나의 측정 장치(14)를 구비한다. 거리값으로부터 주변부의 삼차원 이미지가 재구성된다. 또한, 측정 장치(14)는 물체(12)에 대한 상대 속도를 결정한다. 이러한 정보는 무엇보다 물체(12)가 다른 차량이거나 동물이고 역시 움직이는 경우에 중요하다.

측정 장치(14)에 의해 결정된 차량(10)의 전방 환경에 대한 정보들은 예를 들어, 차량(10)이 물체(12)와 충돌할 위험이 있는 경우 경로 메시지를 생성하여 차량 제어 시 차량(10)의 운전자를 보조하여 지원하는 데 사용될 수 있다. 차량(10)이 자율 주행하는 경우, 전방 환경에 대한 정보들은 차량(10)을 제어하는 제어 알고리즘에 필요하다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 측정 장치(14)는 수직 면(도 1에서 수직 면은 종이 면)에서 서로 다른 방향으로 광 빔들(L11 내지 L41)을 방사하여, 주변부가 수직 방향으로 스캔된다. 동시에, 도 2에서 측정 장치(14)의 평면도로 도시되는 바와 같이 스캔은 수평 방향으로도 이루어진다. 여기서는 수평 면에서 서로 다른 방향으로 방사되는 네 개의 광 빔들(L11, L12, L13 및 L14)이 도시된다.

명확성을 위해, 도 1 및 도 2에서는 서로 다른 네 면에서 각각 단지 네 개의 광 빔들(Ln1 내지 Ln4)이, 즉 총 16개의 광 빔들이 스캔 장치(14)에 의해 생성된다고 가정한다. 바람직하게는 측정 장치(14)는 훨씬 더 많은 광 빔들을 방사한다. 바람직하게는, 예를 들어 k·2n개의 광 빔들이고, 이때 n은 7과 13 사이의 자연수로 k개의 면 중 하나에 몇 개의 빔들이 방사되는지 나타내며, k는 1과 16 사이의 자연수이다.

2. 측정 장치

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치(14)의 구조를 개략적으로 도시한다. 측정 장치(14)는 LiDAR 시스템으로 설계되고, 측정 장치(14)가 작동될 때 가변 주파수(fchirp)를 갖는 측정 광을 생성하는 FMCW 광원(16)을 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이 주파수(fchirp)는 시간(t)에 따라 보다 낮은 주파수(fl)와 보다 높은 주파수(fh) 사이에서 변화한다("chrips", 처프).

처프 지속 시간(T)을 갖는 각각의 측정 간격은 동일한 길이의 두 절반부(T/2)로 나뉜다. 제1 간격 동안에는 주파수(fchirp)가 선형으로 일정한 포지티브 업처프율(upchirt-rate)(rchirp), 즉 dfchirp/dt = rchirp.로 상승한다. 제2 간격 동안에는 주파수(fchirp)가 선형으로 일정한 네거티브 다운처프율(downchirp-rate)(rchirp), 즉 dfchirp/dt = -rchirp로 감소한다. 이에 따라 측정 광의 주파수는 주기적 삼각 함수로 설명될 수 있다. 그러나 다른 함수 상관 관계, 예를 들어 톱니 함수도 고려된다.

도 3에 드러나는 바와 같이, 광원(16)은 측정 광을 기준 광(국부 발진기)과 출력 광으로 분할하는 스플리터(22)와 연결된다. 도시된 실시예에서, 출력 광은 광 증폭기(24)에서 증폭된 후, 증폭된 측정 광을 편향 유닛(28)으로 안내하는 광 순환기(light circulator)(26)에 도달한다. 광 순환기(26)는 예를 들어 선행 기술에 공지된 바와 같이 추가적인 편광 광학 요소와 상호 작용하는 편광 감지 빔 분배기를 포함할 수 있다. 순환기 대신 예를 들어 2x2 커플러가 사용될 수도 있으나, 이는 더 높은 광 손실로 이어진다.

도 1 및 도 2를 참조하여 전술된 바와 같이, 편향 유닛(28)은 도 3에서 주행하는 차량으로 표현되는 물체(12)로 다양한 방향을 따라 출력 광을 시준한다. 일반적으로 편향 유닛(28)에서 방사된 광 신호는 적어도 부분적으로 분산되어 물체(12)에 의해 반사된다. 반사된 신호의 일부가 다시 측정 장치(14)로 돌아가, 그 곳에서 다시 편향 유닛(28)에 결합된다.

광 순환기(26)는 결합된 광을 조합기(combinator)(30)로 편향시키고, 광 조합기는 결합된 광을 스플리터(22)를 통과하여 측정 광에서 분리된 기준 광과 중첩시킨다. 중첩된 광 성분의 주파수들은 서로 간의 차이가 근소하므로, 바람직하게는 대칭 광 검출기로 설계되는 검출기(32)에 의해 검출된 비트 신호가 생성된다. 검출기(32)에 의해 생성된 전기 신호는 컴퓨팅(34)에 제공되고, 이는 비트 주파수 분석으로부터 물체까지의 거리(R) 및 스캔 장치(14)와 물체(12) 사이의 상대 속도(v)를 계산한다.

도 5는 편향 유닛(28)의 일부를 단순화된 개략도로 도시한다. 편향 유닛(28)은 내부에 다수의 광 스위치(S11, S21 및 S22)가 트리 구조로 배치된 스위칭 매트릭스(M)를 포함한다. 스위칭 매트릭스(M)의 입력(36)에 도달한 광 신호는 광 스위칭 매트릭스(M)에 의해 연속적으로 다수의 출력 도파로(38)에 분배될 수 있다. 명확성을 위해, 도시된 실시예에서 광 스위칭 매트릭스(M)는 세 개의 광 스위치만 가져서 총 네 개의 출력 도파로(38)가 제어될 수 있다. 실제 측정 장치(14)에는 여덟 개 이상의 스위칭 면이 나란히 배치될 수 있어서, 예를 들어 256개의 출력 도파로(38)가 선택적으로 입력(36)과 연결될 수 있다.

다른 실시예에서 스위칭 매트릭스(M)는 증폭기(24) 앞에 또는 증폭기(24)와 순환기(26) 사이에 위치한다. 스위칭 매트릭스들이 측정 장치(14)에 통합되는 대안적인 구성은 유럽 특허공보 EP 20176355.4호 및 독일 특허공보 DE 102020110 142 A1에서 참조할 수 있다.

출력 도파로(38)는 출력 도파로(38)로 안내된 광 신호를 자유 공간에서 아웃커플링하는 자유 공간 커플러(40)로 개방된다. 이러한 커플러는 선행 기술에 공지되어 있고, 예를 들어 격자 구조가 이어지는, 확장 도파로 영역을 갖는 격자 커플러로 설계될 수 있다. 대안적으로 자유 공간 커플러(40)는 격자 커플러보다 더 높은 결합 효율성을 갖는 엣지 커플러일 수 있다.

도 5에서 자유 공간 커플러(40)에서 분기되어 방출되는 광 다발이 편향 광학 장치(44)에 의해 시준되어 서로 다른 방향으로 방사되는 것을 알 수 있다. 자유 공간 커플러(40)가 편향 렌지의 광 축(42)으로부터 멀리 이격되어 배치될수록, 집속된 광 신호가 편향 광학 장치(44)에 의해 방사되는 각도가 커진다.

도시된 실시예에서 편향 유닛(28)은, 물체(12)에 반사된 광 신호를 수신하고 자유 공간 커플러(40)를 통해 다시 출력 도파로(38)로 결합시키는 데에도 이용된다. 다른 실시예에서, 반사된 신호는 자체 자유 공간 커플러(40)에 의해 수신된 후 자체 도파로를 통해 검출기(32)로 제공될 수 있다.

3. 기판 이동

도 6a는 편향 유닛(28)의 한 구간을 역시 개략도로 도시한다. 각각 자유 공간 커플러(40)로 개방되는 여덟 개의 출력 도파로(38)를 지지하는 기판(46)을 확인할 수 있다. 자유 공간 커플러는 라인을 따라 배치된다. 도시된 실시예에서 편향 유닛(44)은 두 개의 비구면 렌즈(L1 및 L2)를 포함한다.

예를 들어 보이스 코일 드라이브로 설계될 수 있는 병진 액추에이터(54)가 측면에서 기판(46)에 작용한다. 병진 액추에이터(54)는, 기판(46)의 맞은편에 배치되는 하나 이상의 가이드(56)와 상호 작용한다. 가이드(56)는 기판(46)이 측면으로만, 즉 광 축(42)에 대해 수직으로만 조준된 병진 운동을 수행할 수 있도록 보장한다. 병진 액추에이터(54)에 의해 실현된 왕복 운동은 도 6a에 양방향 화살표(58)로 표시된다.

도 6a에 도시된 스위칭 매트릭스(M)의 스위칭 상태에서 두 개의 자유 공간 커플러(40)에서 광이 방출되고, 이는 초기에 분기된 광 빔(R1, R2)으로 표시된다. 전술한 바와 같이, 편향 광학 장치(44)가 광 빔들(R1, R2)을 시준하여, 이들은 평행하게 그러나 광 축(42)을 기준으로 경사지게 편향 광학 장치(44)를 떠난다.

도 6b는 도 6a에 도시된 배치 구조를 동일한 스위치 상태에서, 그러나 기판(46)이 병진 액추에이터(54)에 의해 실현된 크기(Δx) 만큼 측면 오프셋된 이후를 도시한다. 오프셋(Δx)은 자유 공간 커플러들(40) 간의 거리의 절반(영어로 피치(pitch))에 해당한다. 이러한 운동에 의해 자유 공간 커플러에서 방출되는 광 빔들(R1', R2')이 평행하게 오프셋된다. 도 6a에서 측면 오프셋되기 전 자유 공간 커플러들에서 방출되는 광 빔들(R1, R2)은 점선으로 표시된다.

도 6b의 오른쪽에서 식별되는 바와 같이, 오프셋된 광 빔들은 편향 광학 장치(44)에서 다른 각도로 방출된다. 광빔(R1')의 경우 오프셋은 광축(42)에 더 가깝게 방출되어 편향 광학 장치(44)에서의 방출각이 더 작아지는 것을 의미한다. 광 빔(R2')의 경우 상황이 반대이며(도시되지 않음), 즉 방출각이 더 커진다. 기판(46)의 측면 오프셋에 의해, 스위칭 매트릭스(M)만을 이용해서는 얻을 수 없는 추가적인 두 개의 방출각이 생성된다.

도 6c는 도 6b에 도시된 배치 구조가 병진 액추에이터(54)에 의해 기판이 다시 도 6a에 도시된 자신의 출발 위치로 이동된 이후의 배치 구조를 도시한다. 이는 구간(-Δx) 만큼의 이동에 해당한다. 이제 스위칭 매트릭스(M)는 다음 스위칭 상태에 위치한다. 도 6a와 도 6c의 비교에서 드러나는 바와 같이, 도시된 실시예에서, 스위칭 매트릭스(M)는, 출력 도파로(38)가 연속적으로 일 측면에서 맞은편 측면으로 스위칭되고, 이때 항상 매 네 번째 출력 도파로(38)가 광을 안내하도록 제어된다. 이제 방출되는 광 빔들(R1" 및 R2")은 다시 광 빔들(R1, R2, R1' 및 R2')과는 다른 방출각을 갖는다.

도 6b에 도시된, 기판(46)의 움직임만으로 실현된 중간 위치에 의해, 도 6a와 도 6c에 도시된 자유 공간 커플러들(40) 사이에 배치된 자유 공간 커플러(40')에 의해 외견상 광 빔들(R1', R2')이 방사되는 가상의 추가적인 스위칭 상태가 생성된다. 즉, 기판(46)이 광 축(42)에 대해 수직 방향으로 이동하면서, 외견상 실제 존재하는 것보다 두 배 많은 자유 공간 커플러(자유 공간 커플러(40) 및 자유 공간 커플러(40'))가 사용되는 결과를 초래한다. 이런 방식으로 출력 도파로(38) 및 자유 공간 커플러(40)의 수를 늘릴 필요 없이, 측정 장치(14)의 분해능이 배가된다. 분해능의 배가는 구간(Δx)만큼의 근소한 오프셋만으로도 달성된다.

도시된 실시예에서, 기판(46)은 간헐적으로 왕복 운동하고, 매 두 번째 운동마다 스위칭 매트릭스(M)의 스위칭 상태가 변경된다. 그러나 일반적으로 어떤 순서로 광 빔들이 물체(12)로 조준되는지는 중요하지 않으므로 다른 방식도 생각할 수 있다. 스캔 사이클 내에서 스캔 그리드 내에 있는 물체(12) 상의 모든 지점들이 스캔되는지 여부만이 결정적이다.

따라서 예를 들어, 스위칭 매트릭스(M)에 의해 먼저 자유 공간 커플러(40)이 차례대로 스위칭되고 그런 다음 병진 액추에이터(54)에 의해 기판(46)이 오프셋되는 것도 가능하다. 이 오프셋 이후에 모든 자유 커플러들(40)이 다시 스위칭되나, 이 경우는 도 6b에 도시된 중간 위치들로 접근된다. 이러한 스위칭 방식은 기판(46)의 움직임을 크게 필요로 하지 않고 따라서 많은 경우에 바람직하다.

병진 액추에이터(54)는, 바람직한 방식으로(즉 선택된 스위칭 방식에 따라) 기판(46)을 스위칭 매트릭스(M)의 광 스위치와 동기화되게 조화 진동시킬 수도 있다. 이를 위해 병진 액추에이터(54)와 스위칭 매트릭스(M)는 바람직하게는 공통의 제어 장치(59)에 연결된다.

4. 기울어진 평판 플레이트

도 7a, 도 7b 및 도 7c는 도 6a 내지 도 6c를 기반으로, 자유 공간 커플러(40)에서 방출된 광 빔들(R1, R2)의 평행 오프셋이 기판(46)의 움직임에 의해서가 아니라, 기판(46)과 편향 광학 장치(44) 사이에 개재된, 광 빔들(R1, R2)에 대한 투명한 평판 플레이트(60)의 기울기에 의해 실현되는 제2 실시예를 도시한다. 편향 광학 장치(44)가 중간 이미지면을 구비한 경우, 평판 플레이트(60)는 그 곳에 배치될 수도 있다.

평판 플레이트(60)는 오로지 개략적으로만 도시된 회전 액추에이터(62)에 의해, 광 빔들(R1, R2)의 방출 방향과 90° 각도로 연장되고 이에 따라 광 축(42)과 평행하게 연장되는 회전축(63)을 중심으로 기울어질 수 있다.

도 7b는 평판 플레이트(60)가 작은 각도로 기울짐에 의해 빔들(R1', R2')이 어떻게 오프셋되고 이로 인해 다른 각도로 편향 광학 장치(44)에서 방출되는지 도시한다. 비교를 위해 도 7a에 따른 기울어지지 않은 상태의 빔들(R1, R2)의 빔 경로가 점선으로 도시된다. 쇄선 빔 경로로부터, 기울어진 평판 플레이트(60)에서 방출된 빔들(R1', R2')이 인접한 두 개의 자유 공간 커플러들(40) 사이에 위치하는 가상의 자유 공간 커플러(40')에 도달하는 것처럼 보이는 것이 분명해진다.

이에 따라 평판 플레이트(60)의 기울기에 의해 본질적으로 제1 실시예에서 기판(46)의 측면 오프셋에 의한 것과 동일한 효과가 달성된다. 이에 상응하여 이 경우에도 서로 다른 스위칭 방식이 가능하다. 도 7a 내지 도 7c에 따른 실시예에서 도 6a 내지 도 6c의 경우와 동일한 스위칭 방식이 기초가 되었다. 이에 따라 스위칭 매트릭스(M)의 스위칭 상태는 평판 플레이트(60)의 매 두 번째 기울어짐 운동 후에 변경된다.

개략적인 도 8에 스위칭 매트릭스(M)와 평판 플레이트(60)의 상호작용이 한 번 더 도시된다. 평판 플레이트(60)가 기울어지지 않은 경우 방출된 광 빔들(R1 내지 R4)의 가능한 광 경로는 실선으로 표시된다. 평판 플레이트(60)가 기울어진 경우, 방출된 광 빔들이 측면으로 오프셋된다. 도 8에 도시된 실시예에서, 평판 플레이트(60)의 경사각은, 오프셋이 광 빔들(R1 내지 R4)의 측면 거리의 절반이 되도록 선택된다. 이런 방식으로 편향 광학 장치(44) 뒤의 각도 분해능은 두 배가 되어 균일한 각도 스펙트럼이 달성된다.

5. 스페클 패턴 방지

FMCW 광원(16)의 가간섭성(coherency)에 의해 거친 표면을 갖는 물체에서 스페클 패턴이 형성될 수 있다. 상쇄 간섭으로 인해 물체의 일부 스캐닝 지점에서 광이 수신되지 않을 수 있다.

이러한 스페클 패턴은, 방출된 광 빔들이 측정 중에 원하는 스캐닝 지점에 고정적으로 조준되지 않고, 조금 움직여 조명된 광점이 표면의 각 스캐닝 지점 위로 이동하는 경우 피할 수 있다. 도 9는 도 2에 기반한 도면으로 이를 도시한다. 광 빔들(L11 내지 L14)은 고정적이지 않고, 파선으로 표시된 바와 같이 원하는 측정점 그리드의 측정 지점 위로 이동한다.

이러한 근소하게 움직이는 광 빔들(L11 내지 L14)은, 전술한 기판(46) 또는 평판 플레이트(60)의 움직임이 더 작은 진폭의 추가적인 움직임과 중첩되는 경우에 생성될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 이러한 중첩된 움직임에 의해 광 빔들(L11 내지 L14)이 물체(12)에 닿을 때 경미하게 연속적으로 측면으로 이동된다.

도 10의 그래프에는 예시적으로, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 실시예들에서 병진 액추에이터(54)에 의해 변경된 기판(46)의 x 좌표가 t 시간 함수로 표시된다. 값 x1과 x2사이에서 x 좌표가 간헐적으로 변경되는 것을 알 수 있고, 오프셋 Δx이 x2 - x1에 의해 제공된다. 이러한 운동은 훨씬 더 작은 최대 진폭(Δx')을 갖는 추가적인 운동과 중첩되고, 이는 스페클 패턴을 피하는 데 이용된다. 이러한 운동은 사전 지정된 함수를 따르거나 도 10에 도시된 바와 같이 (준)무작위일 수 있다. 바람직하게는 이러한 중첩 운동의 진폭(Δx')에 대해 관련성 |Δx'| ≤1/100|Δx|, 바람직하게는 |Δx'| ≤1/1000|Δx|이 적용된다.

Claims (14)

1. 물체(12)까지의 거리를 스캔 측정하는 장치(14)로서,
   광 신호를 가변적인 주파수로 생성하도록 구성된 광원(16),
   상기 광 신호를 동시에 다수의 광 출력 도파로(38)로 분배하도록 구성된 분배 매트릭스(M),
   공통의 기판(46)에 배치되고 상기 출력 도파로(38)로 안내된 광 신호를 광 빔들(L11 내지 L14; R1 내지 R4)로서 자유 공간에서 아웃커플링하도록 구성된 다수의 자유 공간 커플러(40),
   상기 광 출력 도파로(38)에서 방출된 광 신호들을 편향시켜 이들이 동시에 서로 다른 방향으로 상기 장치(14)에 의해 방사되도록 구성된 편향 광학 장치(44),
   상기 광원(16)에서 생성된 광 신호가 상기 물체(12)로부터 반사된 광 신호와 중첩되는 것을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 검출기(32),
   상기 적어도 하나의 검출기(32)에 의해 검출된 중첩으로부터 상기 물체(12)까지의 거리를 결정하도록 구성된 평가 유닛(34)을 포함하고,
   상기 장치는, 움직임을 생성하는 액추에이터(54; 62)를 갖고, 상기 자유 공간 커플러에서 방출된 상기 광 빔들(R1 내지 R4)이 상기 편향 광학 장치(44)에 닿기 전에 이들을 때때로 상호 오프셋시키도록 구성된 빔 변위 유닛을 갖는 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 액추에이터는 상기 기판(46)을 그 위에 배치된 상기 자유 공간 커플러(40)와 함께 이동시키도록 구성된 병진 액추에이터(54)인 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 병진 액추에이터(54)는 상기 광 빔들의 방출 방향(z)과 수직을 이루며 연장되는 병진 방향(x)을 따라 상기 기판(46)을 병진 왕복 운동시키도록 구성된 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 장치.
4. 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 병진 액추에이터(54)는 상기 병진 방향(x)을 따라 20 Hz 내지 100 Hz의 주파수로 상기 기판(46)을 진동 운동시키도록 구성된 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 병진 액추에이터(48)는 상기 기판(46)에 작용하는 보이스 코일 드라이브(520, 54)를 갖는 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 빔 변위 유닛은 상기 광 빔들에 대해 투명한 평판 플레이트(60)를 갖고, 상기 액추에이터는 상기 광 빔들(R1, R2)의 방출 방향(z)에 대해 각도를 이루어 연장되는 회전축(63)을 기준으로 적어도 두 개의 각도 위치 사이에서 상기 평판 플레이트(60)를 이동시키도록 구성된 회전 액추에이터(62)인 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 분배 매트릭스는 다수의 광 스위치(S11, S21, S22)를 갖고, 상기 광 신호를 선택적으로 상기 다수의 광 출력 도파로(38)로 분배하도록 구성된 스위칭 매트릭스(M)인 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 장치.
8. 제7항에 있어서,
   제어 장치(59)로서, 상기 스위칭 매트릭스(M)의 상기 광 스위치(S11, S21, S22)가 상기 빔 변위 유닛에 의해 실현된 상기 광 빔들(R1, R2)의 오프셋과 동기화되도록 구성된 제어 장치를 특징으로 하는, 스캔 측정하는 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자유 공간 커플러(40)는 하나의 면에 배치되는 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 장치.
10. 1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 변위 유닛은, 스페클 패턴을 피하도록 상기 움직임을 더 작은 진폭(Δx')을 갖는 추가적인 움직임과 중첩시키도록 구성된 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 장치.
11. 물체(12)까지의 거리를 스캔 측정하는 방법(14)으로서,
    a) 가변 주파수를 갖는 광 신호를 생성하는 단계;
    b) 상기 광 신호를 다수의 광 출력 도파로(38)로 분배하는 단계;
    c) 상기 출력 도파로(38)로 안내된 광 신호를 상기 자유 공간에서 공통의 기판(46)에 배치된 자유 공간 커플러(40)를 이용하여 광 빔들로 아웃커플링하는 단계;
    d) 상기 광 출력 도파로(38)에서 방출된 상기 광 신호를 동시에 서로 다른 방향으로 방사되도록 편향시키는 단계;
    e) 단계 a)에서 생성된 상기 광 신호와 단계 d)에서 방사되고 상기 물체(12)에 의해 반사된 상기 광 신호의 중첩을 검출하는 단계;
    f) 단계 e)에서 검출된 중첩에서 상기 물체(12)까지의 거리를 결정하는 단계;를 포함하고,
    상기 자유 공간 커플러에서 방출된 광 빔들이 단계 d)에서 편향되기 전에 때때로 상호 오프셋되는 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 기판(46)은 그 위에 배치된 상기 자유 공간 커플러(40)와 함께 이동되는 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 방법.
13. 제11항 또는 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 빔들은 상기 광 빔들(R1, R2)의 방출 방향과 각을 이루어 연장되는 회전축(59)을 기준으로 적어도 두 개의 각도 위치 사이에서 이동하는 투명한 평판 플레이트(60)를 통과하는 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 방법.
14. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동은 스페클 패턴을 방지하기 위해 더 작은 진폭(Δx')을 갖는 추가적인 이동과 중첩되는 것을 특징으로 하는, 스캔 측정하는 방법.