KR20200093603A - 라이다 시스템들의 개선된 분해능을 위한 광학 설계들 및 검출기 설계들 - Google Patents

라이다 시스템들의 개선된 분해능을 위한 광학 설계들 및 검출기 설계들 Download PDF

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Abstract

광학 시스템은 제1 방향의 제1 폭 및 제1 방향에 직교하는 제2 방향의 제1 높이를 갖는 방출 영역을 갖는 레이저 소스를 포함하고, 제1 폭은 제1 높이보다 더 크다. 광학 시스템은, 음의 도수를 갖고 레이저 소스의 앞에 위치된 원통형 렌즈를 더 포함한다. 원통형 렌즈는, 원통형 렌즈의 도수 축이 제1 방향을 따르도록 배향된다. 원통형 렌즈는 레이저 소스에 의해 방출된 레이저 빔의 방출 영역을 가상 폭 및 가상 높이를 갖는 가상 방출 영역으로 변환하도록 구성되고, 여기서 가상 폭은 제1 폭 미만이다. 광학 시스템은, 원통형 렌즈로부터 다운스트림에 위치되고 레이저 빔을 원거리장을 향해 시준 및 지향시키도록 구성된 회전 대칭 렌즈를 더 포함한다.

Description

라이다 시스템들의 개선된 분해능을 위한 광학 설계들 및 검출기 설계들
[0001] 본 PCT 출원은 2017년 11월 30일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/593,105호의 이점, 및 2018년 11월 28일에 출원되고 명칭이 "OPTICAL DESIGNS USING CYLINDRICAL LENSES FOR IMPROVED RESOLUTION IN LIDAR SYSTEMS"인 미국 특허 출원 제16/203,422호, 및 2018년 11월 28일에 출원되고 명칭이 "DETECTOR DESIGNS FOR IMPROVED RESOLUTION IN LIDAR SYSTEMS"인 미국 특허 출원 제16/203,430호를 우선권으로 주장하고, 이로써 상기 출원들의 전체 내용들은 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0002] 3-차원 센서들은 자율 주행 차량들, 드론들, 로봇 공학, 보안 애플리케이션들 등에 적용될 수 있다. 스캐닝 라이다 센서들(Scanning lidar sensors)은 알맞은 비용으로 이러한 애플리케이션들에 대해 적절한 양호한 각도 분해능을 달성할 수 있다. 그러나, 훨씬 더 양호한 분해능들을 갖는 라이다 시스템들 및 방법들이 필요로 된다.
[0003] 일부 실시예들에 따라, 광학 시스템은, 제1 방향의 제1 폭 및 제1 방향에 직교하는 제2 방향의 제1 높이를 갖는 방출 영역을 갖는 레이저 소스를 포함한다. 제1 폭은 제1 높이보다 더 크다. 광학 시스템은, 음의 도수(negative power)를 갖고 레이저 소스의 앞에 위치된 원통형 렌즈를 더 포함한다. 원통형 렌즈는, 원통형 렌즈의 도수 축(power axis)이 실질적으로 제1 방향을 따르도록 배향된다. 원통형 렌즈는 레이저 소스에 의해 방출된 레이저 빔의 방출 영역을 가상 폭 및 가상 높이를 갖는 가상 방출 영역으로 변환하도록 구성되고, 여기서 가상 폭은 레이저 소스의 방출 영역의 제1 폭 미만이다. 광학 시스템은 원통형 렌즈로부터 다운스트림에 위치된 회전 대칭 렌즈(rotationally symmetric lens)를 더 포함한다. 회전 대칭 렌즈는 레이저 빔을 원거리장(far-field)을 향해 시준 및 지향시키도록 구성된다.
[0004] 일부 실시예들에 따라, 라이다 시스템은 복수의 레이저 펄스들을 방출하도록 구성된 레이저 소스를 포함한다. 레이저 소스는 제1 방향의 제1 폭 및 제1 방향에 직교하는 제2 방향의 제1 높이를 갖는 방출 영역을 갖는다. 제1 폭은 제1 높이보다 더 크다. 라이다 시스템은, 음의 도수를 갖고 레이저 소스의 앞에 위치된 원통형 렌즈를 더 포함한다. 원통형 렌즈는, 원통형 렌즈의 도수 축이 실질적으로 제1 방향을 따르도록 배향된다. 원통형 렌즈는 방출 영역을 가상 폭 및 가상 높이를 갖는 가상 방출 영역으로 변환하도록 구성되고, 여기서 가상 폭은 제1 폭 미만이다. 라이다 시스템은 원통형 렌즈로부터 다운스트림에 위치된 방출 렌즈를 더 포함한다. 방출 렌즈는 회전적으로 대칭적이고 복수의 레이저 펄스들을 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시키도록 구성된다. 하나 이상의 객체들은 복수의 리턴 레이저 펄스들을 생성하기 위해 복수의 레이저 펄스들을 반사시킬 수 있다. 라이다 시스템은 수용 렌즈를 더 포함한다. 수용 렌즈는 회전적으로 대칭적이고, 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각을 수신하고, 수용 렌즈의 초점 평면에서의 리턴 빔 스폿으로 포커싱하도록 구성된다. 라이다 시스템은 검출기를 더 포함한다. 검출기는 수용 렌즈의 초점 평면에 위치된 검출 표면을 갖고, 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각을 수신하여 검출하도록 구성된다. 라이다 시스템은 레이저 소스 및 검출기에 커플링된 프로세서를 더 포함한다. 프로세서를 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각에 대한 비행 시간을 결정하고, 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각에 대한 결정된 비행 시간에 기반하여 하나 이상의 객체들의 3-차원 이미지를 구성하도록 구성된다.
[0005] 일부 실시예들에 따라, 3-차원 이미징 방법은 레이저 소스 및 원통형 렌즈를 일제히(in unison) 병진운동시키는 단계를 포함한다. 레이저 소스는 방출 평면의 복수의 방출 위치들 각각으로 병진운동된다. 레이저 소스는 제1 높이 및 제1 높이보다 더 큰 제1 폭을 갖는 방출 영역을 갖는다. 원통형 렌즈는 음의 도수를 갖고 레이저 소스의 앞에 위치된다. 원통형 렌즈는, 원통형 렌즈의 도수 축이 실질적으로 폭 방향이 되도록 배향된다. 방법은, 레이저 소스를 사용하여, 복수의 레이저 펄스들을 방출하는 단계를 더 포함한다. 복수의 레이저 펄스들 각각은 복수의 방출 위치들 중 개개의 방출 위치에서 방출된다. 방법은, 방출 렌즈를 사용하여, 복수의 레이저 펄스들을 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시키는 단계를 더 포함한다. 하나 이상의 객체들은 복수의 리턴 레이저 펄스들을 생성하기 위해 복수의 레이저 펄스들 각각을 반사시킬 수 있다. 방법은, 수용 렌즈를 사용하여, 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각을 수신하여, 검출 평면의 복수의 대응하는 검출 위치들에 포커싱하는 단계를 더 포함한다. 각각의 대응하는 검출 위치는 개개의 방출 위치와 결합(conjugate)한다. 방법은, 검출기를 검출 평면의 복수의 대응하는 검출 위치들 각각으로 병진운동시키는 단계, 및 검출기를 사용하여, 복수의 검출 위치들의 각각의 개개의 검출 위치에서 복수의 리턴 레이저 펄스들의 각각의 개개의 리턴 레이저 펄스를 검출하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 프로세서를 사용하여, 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각에 대한 비행 시간을 결정하는 단계, 및 프로세서를 사용하여, 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각에 대한 비행 시간에 기반하여 하나 이상의 객체들의 3-차원 이미지를 구성하는 단계를 더 포함한다.
[0006] 일부 실시예들에 따라, 라이다 시스템은 전자기 신호를 반송(carry)하는 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 소스, 및 레이저 빔을 레이저 빔의 시야 내의 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시키도록 구성된 방출 렌즈를 포함한다. 하나 이상의 객체들은 리턴 레이저 빔을 생성하기 위해 레이저 빔을 반사시킬 수 있다. 라이다 시스템은 리턴 레이저 빔을 수신하고, 수용 렌즈의 초점 평면에서의 리턴 빔 스폿으로 포커싱하도록 구성된 수용 렌즈, 및 검출기를 더 포함한다. 검출기는 수용 렌즈의 초점 평면에서 어레이로서 배열된 복수의 광 센서들을 포함한다. 각각의 개개의 광 센서는 개개의 감지 영역을 갖고, 레이저 빔의 시야의 개개의 섹션에 대응하는 리턴 레이저 빔의 개개의 부분을 수신하고 검출하도록 구성된다. 라이다 시스템은 레이저 소스 및 검출기에 커플링된 프로세서를 더 포함한다. 프로세서는, 검출기의 개개의 광 센서에서 검출된 리턴 레이저 빔의 각각의 개개의 부분에 대한 개개의 비행 시간을 결정하고, 그리고 리턴 레이저 빔의 각각의 개개의 부분에 대한 개개의 비행 시간에 기반하여 하나 이상의 객체들의 3-차원 이미지를 구성하도록 구성된다.
[0007] 일부 실시예들에 따라, 3-차원 이미징 방법은, 레이저 소스를 사용하여, 레이저펄스를 방출하는 단계, 및 방출 렌즈를 사용하여 레이저 펄스를 레이저 펄스의 시야 내의 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시키는 단계를 포함한다. 하나 이상의 객체들은 리턴 레이저 펄스를 생성하기 위해 레이저 펄스를 반사시킬 수 있다. 방법은, 수용 렌즈를 사용하여, 리턴 레이저 펄스를 수신하고, 수용 렌즈의 초점 평면에서의 리턴 빔 스폿으로 포커싱하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 수용 렌즈의 초점 평면에서 어레이로서 배열된 복수의 광 센서들을 포함하는 검출기를 사용하여, 각각의 개개의 광 센서에서 수신된 리턴 레이저 펄스의 개개의 부분을 검출하는 단계를 더 포함한다. 리턴 레이저 펄스의 개개의 부분은 레이저 펄스의 시야의 개개의 섹션에 대응한다. 방법은, 레이저 소스 및 검출기에 커플링된 프로세서를 사용하여, 리턴 레이저 펄스의 각각의 개개의 부분에 대한 비행 시간을 결정하는 단계, 및 리턴 레이저 펄스의 각각의 개개의 부분에 대한 비행 시간에 기반하여 하나 이상의 객체들의 3-차원 이미지를 구성하는 단계를 더 포함한다.
[0008] 일부 실시예들에 따라, 라이다 시스템은 전자기 신호를 반송하는 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 소스, 및 레이저 빔을 레이저 빔의 시야 내의 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시키도록 구성된 렌즈를 포함한다. 하나 이상의 객체들은 리턴 레이저 빔을 생성하기 위해 레이저 빔을 반사시킬 수 있다. 렌즈는 리턴 레이저 빔을 수신하고, 렌즈의 초점 평면에서의 리턴 빔 스폿으로 포커싱하도록 추가로 구성된다. 라이다 시스템은 검출기를 더 포함한다. 검출기는 렌즈의 초점 평면에서 어레이로서 배열된 복수의 광 센서들을 포함한다. 각각의 개개의 광 센서는 개개의 감지 영역을 갖고, 레이저 빔의 시야의 개개의 섹션에 대응하는 리턴 레이저 빔의 개개의 부분을 수신하고 검출하도록 구성된다. 라이다 시스템은 레이저 소스 및 검출기에 커플링된 프로세서를 더 포함한다. 프로세서는, 검출기의 개개의 광 센서에서 검출된 리턴 레이저 빔의 각각의 개개의 부분에 대한 개개의 비행 시간을 결정하고, 그리고 리턴 레이저 빔의 각각의 개개의 부분에 대한 개개의 비행 시간에 기반하여 하나 이상의 객체들의 3-차원 이미지를 구성하도록 구성된다.
[0009] 도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 3-차원 이미징을 위한 라이다 센서를 개략적으로 예시한다.
[0010] 도 2는, 세장형 방출 영역 및 수평 및 수직 방향들의 상이한 발산 각도들을 갖는 레이저 소스를 개략적으로 예시한다.
[0011] 도 3a 및 3b는 라이다 시스템에서 레이저 빔을 시준하기 위한 광학 시스템을 개략적으로 예시한다.
[0012] 도 4a-4b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 라이다 시스템에서 레이저 빔을 시준하기 위한 광학 시스템을 개략적으로 예시한다.
[0013] 도 5a-5d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 원거리장 빔 스폿 형상(far-field beam spot shape)에 대한 원통형 렌즈의 효과를 개략적으로 예시한다.
[0014] 도 6a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 라이다 시스템에 사용될 수 있는 레이저 소스 및 원통형 렌즈의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다.
[0015] 도 6b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 레이저 소스 및 원통형 렌즈의 다른 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다.
[0016] 도 7a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 라이다 시스템에서 레이저 빔을 시준하기 위한 광학 시스템의 단면도를 예시한다.
[0017] 도 7b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 2개의 레이저 소스들을 포함하는 라이다 시스템에서 레이저 빔들을 시준하기 위한 광학 시스템의 단면도를 예시한다.
[0018] 도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 라이다 시스템을 사용한 3-차원 이미징의 방법을 예시하는 간략화된 흐름도를 도시한다.
[0019] 도 9는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 라이다 시스템을 개략적으로 예시한다.
[0020] 도 10a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 검출기 구성을 예시한다.
[0021] 도 10b는 단일 광 센서를 포함하는 검출기를 예시한다.
[0022] 도 11a-11c는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 9 및 10에 예시된 예에 대한 레이저 펄스들의 타이밍도들을 개략적으로 예시한다.
[0023] 도 12a는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 검출기의 개략적인 평면도를 도시한다.
[0024] 도 12b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 검출기의 개략적인 평면도를 도시한다.
[0025] 도 13은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 라이다 시스템을 개략적으로 예시한다.
[0026] 도 14는 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 라이다 시스템을 사용한 3-차원 이미징의 방법을 예시하는 간략화된 흐름도를 도시한다.
[0027] 본 발명은 일반적으로 3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 라이다 시스템들에서 개선된 분해능들을 위한 광학 및 검출기 설계들 및 방법들에 관한 것이다. 단지 예로서, 본 발명의 실시예들은, 비대칭 방출 영역 및 비대칭 발산 각도들을 갖는 레이저 소스에 의해 방출된 레이저 빔을 투사하기 위한 광학 시스템을 제공한다. 광학 시스템은, 레이저 소스의 앞에 배치된 음의 도수(예컨대, 평면-오목 원통형 렌즈(plano-concave cylindrical lens))를 갖는 원통형 렌즈를 포함할 수 있다. 원통형 렌즈는, 레이저 소스의 방출 영역을 실질적으로 대칭적이고 물리적 방출 영역보다 더 작은 가상 방출 영역으로 변환하도록 구성될 수 있다. 회전 대칭 투사 렌즈(예컨대, 구면 렌즈)와 결합하여, 원통형 렌즈 없이 달성될 것보다 더 작은 대칭적 원거리장 빔 스폿(또는 리턴 빔 스폿)이 달성될 수 있다. 라이다 시스템의 분해능이 원거리장 빔 스폿 크기에 의존할 수 있기 때문에, 이러한 광학 시스템은 라이다 시스템의 분해능을 개선할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 또한 광 센서들의 어레이를 포함하는 검출기를 제공한다. 어레이 내의 각각의 광 센서는 리턴 레이저 빔 중 일부를 수신하고 검출하도록 구성될 수 있다. 이러한 검출기를 갖는 라이다 시스템은 단일 광 센서를 갖는 검출기와 비교하여 향상된 분해능들을 제공(afford)할 수 있다.
[0028] 도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 3-차원 이미징을 위한 라이다 센서(100)를 개략적으로 예시한다. 라이다 센서(100)는 방출 렌즈(130) 및 수용 렌즈(140)를 포함한다. 라이다 센서(100)는 실질적으로 방출 렌즈(130)의 후방 초점 평면에 배치된 레이저 소스(110a)를 포함한다. 레이저 소스(110a)는 방출 렌즈(130)의 후방 초점 평면의 개개의 방출 위치로부터 레이저 펄스(120)를 방출하도록 동작한다. 방출 렌즈(130)는 라이다 센서(100)의 앞에 위치된 객체(150)를 향해 레이저 펄스(120)를 시준 및 지향시키도록 구성된다. 레이저 소스(110a)의 주어진 방출 위치에 대해, 시준된 레이저 펄스(120')는 객체(150)를 향해 대응하는 각도로 지향된다.
[0029] 레이저 펄스(120)는 객체(150)로부터 반사될 수 있고, 이로써 수용 렌즈(140)를 향해 지향된 리턴 레이저 펄스(122)를 생성한다. 수용 렌즈(140)는 리턴 레이저 펄스(122)를 수용 렌즈(140)의 초점 평면의 대응하는 검출 위치에 포커싱하도록 구성된다. 라이다 센서(100)는 실질적으로 수용 렌즈(140)의 초점 평면에 배치된 검출기(160a)를 더 포함한다. 검출기(160a)는 대응하는 검출 위치에서 리턴 레이저 펄스(122)를 수신 및 검출하도록 구성된다. 검출기(160a)의 대응하는 검출 위치는 레이저 소스(110a)의 개개의 방출 위치와 결합(conjugate)된다.
[0030] 레이저 펄스(120)는 짧은 지속기간, 예컨대 100ns 펄스 폭일 수 있다. 라이다 센서(100)는 레이저 소스(110a) 및 검출기(160a)에 커플링된 프로세서(190)를 더 포함한다. 프로세서(190)는 리턴 레이저 펄스(122)의 TOF(time of flight)를 결정하도록 구성된다. 리턴 레이저 펄스(122)가 광속으로 이동하기 때문에, 라이다 센서(100)와 객체(150) 사이의 거리는 결정된 비행 시간에 기반하여 결정될 수 있다.
[0031] 일부 실시예들에 따라, 방출 렌즈(130) 및 수용 렌즈(140)가 고정될 수 있다. 레이저 소스(110a)는 방출 렌즈(130)의 후방 초점 평면의 복수의 방출 위치들로 래스터 스캐닝될 수 있고, 복수의 방출 위치들에서 복수의 레이저 펄스들을 방출하도록 구성된다. 개개의 방출 위치에서 방출된 각각의 레이저 펄스는 방출 렌즈(130)에 의해 시준되고 객체(150)를 향하여 개개의 각도로 지향되고, 객체(150)의 표면 상의 대응하는 지점에 입사한다. 따라서, 레이저 소스(110a)가 방출 렌즈(130)의 후방 초점 평면의 특정 영역 내에서 래스터 스캐닝될 때, 객체(150) 상의 대응하는 객체 영역이 스캐닝된다. 검출기(160a)는 수용 렌즈(140)의 초점 평면의 복수의 대응하는 검출 위치로 래스터 스캐닝된다. 검출기(160a)의 스캐닝은 레이저 소스(110a)의 스캐닝과 동기적으로 수행되어서, 검출기(160a) 및 레이저 소스(110a)는 임의의 주어진 시간에 항상 서로 결합된다.
[0032] 개개의 방출 위치에서 방출된 각각의 레이저 펄스에 대한 비행 시간을 결정함으로써, 라이다 센서(100)로부터 객체(150)의 표면 상의 각각의 대응하는 지점까지의 거리가 결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세서(190)는 각각의 방출 위치에서 레이저 소스(110a)의 위치를 검출하는 포지션 인코더에 커플링된다. 방출 위치에 기반하여, 시준된 레이저 펄스(120')의 각도가 결정될 수 있다. 객체(150)의 표면 상의 대응하는 지점의 X-Y 좌표는 라이다 센서(100)에 대한 각도 및 거리에 기반하여 결정될 수 있다. 따라서, 객체(150)의 3-차원 이미지는 라이다 센서(100)로부터 객체(150)의 표면 상의 다양한 지점들까지의 측정된 거리들에 기반하여 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 3-차원 이미지는 지점 클라우드, 즉, 객체(150)의 표면 상의 지점들의 X, Y 및 Z 좌표들의 세트로서 표현될 수 있다.
[0033] 대안적인 실시예들에서, 레이저 소스(110a) 및 검출기(160a)는 고정될 수 있다. 방출 렌즈(130)는 레이저 소스(110a)에 대해 스캐닝될 수 있고, 수용 렌즈(140)는 방출 렌즈(130)의 스캐닝과 동기적으로 검출기(160a)에 대하여 스캐닝될 수 있다. 일부 추가의 실시예들에서, 레이저 소스(110a) 및 검출기(160a)는 적어도 제1 방향으로 스캐닝될 수 있는 한편, 방출 렌즈(130) 및 수용 렌즈(140)는 적어도 제2 방향으로 스캐닝된다. 예컨대, 레이저 소스(110a) 및 검출기(160a)는 수평 방향으로 스캐닝될 수 있는 반면에, 방출 렌즈(130) 및 수용 렌즈(140)는 수직 방향으로 스캐닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 소스(110a) 및 검출기(160a)는 2개의 방향들로 스캐닝되는 반면에, 방출 렌즈(130) 및 수용 렌즈(140)는 또한 2개의 방향들로 스캐닝된다. 일부 실시예들에서, 레이저 소스(110a) 및 검출기(160a)는 리사주 패턴으로 2개의 방향들로 스캐닝될 수 있다. 방출 렌즈(130) 및 수용 렌즈(140)는 또한 리사주 패턴으로 2개의 방향들로 스캐닝될 수 있다.
[0034] 일부 실시예들에서, 레이저 소스(110a)는 FMCW(frequency-modulated continuous-wave) 레이저 빔을 방출하도록 구성될 수 있고, 프로세서(190)는 리턴 레이저 빔을 복조함으로써 객체(150)와 라이다 센서(100) 사이의 거리를 결정하도록 구성될 수 있다.
[0035] 일부 실시예들에서, 방출 렌즈(130) 및 수용 렌즈(140)는 동일한 렌즈를 포함할 수 있고; 즉, 단일 렌즈는 레이저 소스(110a)에 의해 방출된 레이저 펄스(120)를 시준하여 객체(150)를 향해 지향시킬 뿐만 아니라, 리턴 레이저 펄스(122)를 검출기(160a)에 포커싱하도록 구성될 수 있다.
[0036] 일부 실시예들에서, 검출기의 포화를 방지하거나, 눈-안전성을 개선하거나, 전체 전력 소비를 감소시키기 위해, 리턴 레이저 펄스의 강도가 측정되고 동일한 방출 지점으로부터 후속 레이저 펄스들의 파워를 조정하는 데 사용된다. 레이저 펄스의 파워는 레이저 펄스의 지속기간, 레이저에 인가된 전압 또는 전류, 또는 레이저에 전력을 공급하는 데 사용되는 커패시터에 저장된 전하를 변동시킴으로써 변동될 수 있다. 후자의 경우, 커패시터에 저장된 전하는 커패시터에 대한 충전 시간, 충전 전압 또는 충전 전류를 변동시킴으로써 변동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 강도는 또한 이미지에 다른 차원을 추가하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 이미지는 반사도(또는 밝기)뿐만 아니라 X, Y 및 Z 좌표들을 포함할 수 있다.
[0037] 라이다 센서(100)의 AFOV(angular field of view)는 레이저 소스(110a)의 스캐닝 범위 및 방출 렌즈(130)의 초점 길이에 기반하여 다음과 같이 추정될 수 있고:
Figure pct00001
여기서 h는 특정 방향을 따른 레이저 소스(110a)의 스캔 범위이고, f는 방출 렌즈(130)의 초점 길이이다. 주어진 스캔 범위(h)에 대해, 더 짧은 초점 길이들은 더 넓은 AFOV들을 생성할 것이다. 주어진 초점 길이(f)에 대해, 더 큰 스캔 범위들은 더 넓은 AFOV들을 생성할 것이다.
[0038] 일부 실시예들에서, 라이다 센서(100)는 방출 렌즈(130)의 후방 초점 평면에 어레이로서 배치된 다수의 레이저 소스들을 포함할 수 있어서, 각각의 개별 레이저 소스의 스캔 범위를 비교적 작게 유지하면서 더 큰 총 AFOV가 달성될 수 있다. 따라서, 라이다 센서(100)는 수용 렌즈(140)의 초점 평면에 어레이로서 배치된 다수의 검출기들을 포함할 수 있으며, 각각의 검출기는 개개의 레이저 소스와 결합된다. 예컨대, 라이다 센서(100)는 도 1에 예시된 바와 같이 제2 레이저 소스(110b) 및 제2 검출기(160b)를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 라이다 센서(100)는 4개의 레이저 소스들 및 4개의 검출기들, 또는 8개의 레이저 소스들 및 8개의 검출기들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 라이다 센서(100)는 4×2 어레이로서 배열된 8개의 레이저 소스들 및 4×2 어레이로서 배열된 8개의 검출기들을 포함할 수 있어서, 라이다 센서(100)는 수직 방향에서 그의 AFOV보다 수평 방향에서 더 넓은 AFOV를 가질 수 있다. 다양한 실시예들에 따라, 라이다 센서(100)의 총 AFOV는 방출 렌즈의 초점 길이, 각각의 레이저 소스의 스캔 범위 및 레이저 소스들의 수에 의존하여 약 5도 내지 약 15도, 또는 약 15도 내지 약 45도, 또는 약 45도 내지 약 90 도의 범위에 있을 수 있다.
[0039] 레이저 소스(110a)는 자외선, 가시 또는 근적외선 파장 범위들의 레이저 펄스들을 방출하도록 구성될 수 있다. 각각의 레이저 펄스의 에너지는 대략 마이크로줄(microjoule) 정도일 수 있으며, 이는 일반적으로 KHz 범위의 반복 레이트들에 대해 눈에 안전한 것으로 간주된다. 약 1500nm보다 큰 파장들에서 동작하는 레이저 소스들에 대해, 에너지 레벨들은, 눈이 그러한 파장에 포커싱하지 않기 때문에 더 높아질 수 있다. 검출기(160a)는 실리콘 애벌랜치 광 센서(silicon avalanche photo sensor), 광전자 증배기, PIN 다이오드, 또는 다른 반도체 센서들을 포함할 수 있다.
[0040] 일부 레이저 소스들, 예컨대, 고체 상태 레이저들은 근거리장뿐만 아니라 원거리장에서도 비대칭 방출 영역 및 비대칭 빔 프로파일을 가질 수 있다. 도 2는 세장형 방출 영역(220)을 갖는 레이저 소스(210), 예컨대, 반도체 레이저 소스를 개략적으로 예시한다. 방출 영역(220)은 수직 방향의 높이(h), 및 높이(h)보다 더 큰 수평 방향의 폭(w)을 가질 수 있다. 예컨대, 라이다 시스템에 사용되는 고체 상태 레이저에 대해, 높이(h)는 약 10㎛일 수 있고, 폭(w)은 약 200㎛일 수 있다. 방출 영역(220)이 도 2에서 직사각형 형상을 갖는 것으로 예시되지만, 방출 영역(220)은 둥근 코너들을 갖는 직사각형 형상 또는 타원 형상을 가질 수 있다.
[0041] 이러한 레이저 소스들에 의해 방출된 레이저 빔은 또한 수평 및 수직 방향들에서 상이한 발산 각도들을 가질 수 있다. 도 2에 예시된 바와 같이, (예컨대, 접선 평면(tangential plane)에서) 수평 방출 팬(240)은 각도(φ1)(이는 본원에서 각도 발산으로 지칭될 수 있음)를 마주 대하고(subtend), (예컨대, 시상면(sagittal plane)에서) 수직 방출 팬(230)은 φ1보다 큰 각도(φ2)를 마주 대할 수 있다. 예컨대, 수평 방출 팬(240)의 각도 발산(φ1)은 약 10도이고, 수직 방출 팬(230)의 각도 발산(φ2)은 약 25 도일 수 있다. 다시 말해서, 광 빔은 수평 방향에서 더 큰 소스 치수 및 더 작은 발산을 가지며, 수직 방향에서 더 작은 소스 치수 및 더 큰 발산을 갖는다. 레이저 빔이 수직 방향으로 더 빨리 발산하기 때문에, 수직 방향은 고속 축으로 지칭될 수 있고, 수평 방향은 저속 축으로 지칭될 수 있다.
[0042] 위에 설명된 바와 같은 레이저 빔의 비대칭 방출 영역 및 비대칭 각도 발산은, 구면 렌즈들 또는 비구면 렌즈들과 같은 회전 대칭 렌즈들을 사용하여 수평 및 수직 방향들 둘 모두로 레이저 빔을 시준하는 것을 더 어렵게 만들 수 있다. 도 3a 및 3b는 라이다 시스템에서 레이저 빔을 시준하기 위한 광학 시스템을 개략적으로 예시한다. 광학 시스템은 레이저 소스(210)의 앞에 위치된 구면 렌즈(310)를 포함한다(구면 렌즈(310)는, 예컨대, 도 1에 예시된 방출 렌즈(130)일 수 있다). 도 3a는 수평 방출 팬에 대한 광 경로들을 예시하고, 도 3b는 수직 방출 팬에 대한 광 경로들을 예시한다.
[0043] 도 3b에 예시된 바와 같이, 레이저 소스(210)의 방출 표면이 렌즈(310)의 대략 후방 초점 평면에 위치되면, 수직 방출 팬의 광선들은 렌즈(310)에 의해 실질적으로 시준될 수 있고; 즉, 광학 경로를 따라 렌즈(310) 뒤의 광선들은 서로 거의 평행할 수 있다. 반면에, 도 3a에 예시된 바와 같이, 렌즈(310)의 도수가 수평 방출 팬을 시준하기에는 너무 클 수 있기 때문에, 수평 방출 팬의 광선들은 광학 경로를 따라 렌즈(310) 뒤에 수렴될 수 있고, 수평 방출 팬은 수직 방출 팬의 발산 각도(φ2)보다 더 작은 발산 각도(φ1)를 갖는다. 다시 말해서, 수평 방출 팬을 시준하기 위해, 렌즈(310)의 도수보다 더 작은 도수(따라서 더 긴 초점 길이)를 갖는 렌즈가 요구될 수 있다.
[0044] 위에 설명된 바와 같은 레이저 소스의 비대칭 방출 영역 및 비대칭 발산 각도들로 인해, 라이다 시스템에서 검출기 상에 이미징된 리턴 빔 스폿은 또한 비대칭적일 수 있다. 예컨대, 도 1에 예시된 라이다 시스템(100)에서, 구면 방출 렌즈(130)에 의해, 객체(150)에서의 원거리장 빔 스폿은 비대칭적일 수 있고; 결과적으로, 구면 수용 렌즈(140)에 의해 검출기(160a) 상에 이미징된 리턴 빔 스폿은 또한 비대칭적일 수 있다. 라이다 시스템의 각도 분해능이 리턴 빔 스폿 크기에 의존할 수 있기 때문에, 비대칭 리턴 빔 스폿은 라이다 시스템의 분해능을 제한할 수 있다.
I. 개선된 분해능을 위한 광학 설계들
[0045] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 음의 도수를 갖는 원통형 렌즈는, 수평 및 수직 방향들에서 비교적 균일한 각도 분해능을 달성하기 위해, 회전 대칭 방출 렌즈와 결합하여, 사용될 수 있다. 도 4a-4b는 일부 실시예들에 따른 라이다 시스템에서 레이저 빔을 투사하기 위한 광학 시스템을 개략적으로 예시한다. 광학 시스템은 레이저 소스(210)의 앞에 위치된 평면-오목 원통형 렌즈(410)를 포함한다. 원통형 렌즈(410)의 도수 축은 실질적으로 수평 방향을 따를 수 있다. 즉, 원통형 렌즈(410)는, 도 4a에 예시된 바와 같이, 수평 방향으로 0이 아닌 도수를 가질 수 있고, 도 4b에 예시된 바와 같이, 수직 방향으로 거의 도수가 없다.
[0046] 도 4a에 예시된 바와 같이, 원통형 렌즈(410)는 수평 방출 팬의 각도 발산을 φ1로부터 φ1'로 확장시키도록 구성될 수 있다. 확장된 수평 방출 팬은, 실제 폭(w) 미만인 가상 폭(w')을 갖는 가상 방출 영역으로부터 방출되는 것처럼 보일 수 있다. 일부 실시예들에서, 원통형 렌즈(410)는, 가상 폭(w')이 수직 방출 팬의 높이(h)와 실질적으로 동일하도록 구성될 수 있다.
[0047] 도 4b에 예시된 바와 같이, 원통형 렌즈(410)가 수직 방향에서 어떠한 광학 도수도 갖지 않기 때문에, 수직 방출 팬의 각도 발산(φ2)은 원통형 렌즈(410)에 의해 영향을 받지 않는다. 일부 실시예들에서, 수평 방출 팬의 확장된 각도 발산(φ1')은 수직 방출 팬의 각도 발산(φ2)과 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 수평 방출 팬 및 수직 방출 팬 둘 모두는, 도 4a-4b에 예시된 바와 같이, 렌즈(310)에 의해 시준될 수 있다.
[0048] 비록 도 4a-4b가 원통형 렌즈(410)가 평면-오목 형상을 갖는 예시적인 실시예를 도시하지만, 일부 실시예들에 따라, 다른 타입들의 원통형 렌즈(예컨대, 이중 오목 원통형 렌즈 또는 메니스커스(meniscus) 원통형 렌즈)가 사용될 수 있다.
[0049] 도 5a-5d는, 원통형 렌즈(410)가 원거리장 빔 스폿 형상에 가질 수 있는 효과를 개략적으로 예시한다. 도 5a 및 5c에 예시된 바와 같이, 원통형 렌즈(410) 없이, 원거리장 빔 스폿(510)은 비대칭 방출 영역 및 비대칭 발산 각도들로 인해 수평 방향으로 연장될 수 있다. 도 5b에 예시된 바와 같이, 레이저 소스(210)와 방출 렌즈(310) 사이에 원통형 렌즈(410)를 삽입함으로써, 수평 방출 팬의 광선들뿐만 아니라 수직 방출 팬(도시되지 않음)의 광선들이 시준될 수 있다. 결과적으로, 원거리장 빔 스폿(520)은, 도 5d에 예시된 바와 같이, 수평 및 수직 방향들로 실질적으로 대칭적일 수 있다.
[0050] 통상적으로, 양의 도수를 갖는 원통형 렌즈(예컨대, 평면-볼록 원통형 렌즈)는, 레이저 빔을 원형화(circularize)하기 위해 레이저와 구면 시준 렌즈 사이에 배치된다. 예컨대, 양의 도수를 갖는 원통형 렌즈는, 수직 방출 팬의 발산 각도를 감소시키기 위해 도수 축이 수직 방향으로 정렬되도록 배향될 수 있다. 결과적으로, 레이저 빔을 시준하기 위해, 도 4a 및 4b에 예시된 구성과 비교하여, 초점 길이가 증가된 시준 렌즈가 요구될 수 있다. 시준 렌즈의 더 긴 초점 길이는 라이다 시스템의 더 큰 물리적 크기로 이어질 수 있고, 따라서 라이다 시스템의 제조 비용이 증가시킬 수 있다.
[0051] 음의 도수를 갖는 원통형 렌즈를 사용하는 것이 스캐닝 라이다 시스템에서 특히 유리할 수 있다. 예컨대, 도 1에 예시된 스캐닝 라이다 시스템에서, 방출 렌즈(130) 및 수용 렌즈(140)는 고정되는 반면에, 레이저 소스들(110a 및 110b) 및 검출기들(160a 및 160b)은 방출 렌즈(130) 및 수용 렌즈(140)의 초점 평면들에서 각각 스캐닝된다. 스캐닝 거리는 주어진 각도 FOV(field of view)를 달성하기 위해 방출 렌즈(130)의 초점 길이에 비례할 수 있다. 따라서, 초점 길이가 더 짧은 방출 렌즈(130)를 사용함으로써, 동일한 FOV를 유지하면서 스캐닝 거리가 단축될 수 있다.
[0052] 도 6a는, 라이다 시스템에 사용될 수 있는 레이저 소스(610) 및 원통형 렌즈(640)의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다. 레이저 소스(610)는 투명 커버(630)에 의해 캡슐화된 레이저 다이(620)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따라, 원통형 렌즈(640)의 초점 길이는 약 -0.2 mm 내지 약 -5 mm의 범위일 수 있다. 평면-오목 형상을 갖는 원통형 렌즈(640)에 대해, 도 6a에 예시된 바와 같이, 오목한 표면의 곡률의 반경은 약 -0.1 mm 내지 약 -2 mm의 범위(예컨대, 약 -0.5 mm)일 수 있다. 원통형 렌즈(640)는, 레이저 다이(620)의 방출 표면으로부터 약 0.2mm 내지 약 5mm 범위(예컨대, 약 1mm)의 거리(d)에 배치될 수 있다. 원통형 렌즈의 특정 바람직하지 않은 광학 효과들(예컨대, 수평 및 수직 방향들에서 약간 상이한 최상의 초점 평면들, 이는 난시(astigmatism)로 지칭될 수 있음)을 최소화하기 위해, 원통형 렌즈(640)를 레이저 다이(620)의 방출 표면에 매우 근접하게 배치하는 것이 유리할 수 있다. 원통형 렌즈(640)와 레이저 다이(620)의 방출 표면 사이의 거리(d)는 원통형 렌즈(640)의 초점 길이와 유사하지만 동일하지 않을 수 있으며, 원통형 렌즈(640)의 두께 및 원통형 렌즈(640)의 형상(예컨대, 원통형 렌즈(640)가 평면 오목형인지 또는 이중 오목형인지)에 의존할 수 있다.
[0053] 도 6b는 일부 실시예들에 따른, 레이저 소스(650) 및 원통형 렌즈(670)의 다른 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다. 여기서, 원통형 렌즈(670)는 레이저 다이(660)를 캡슐화하는 커버 내에서 직접 몰딩된다. 일부 실시예들에서, 원통형 렌즈(670)의 초점 길이는 약 -0.1 mm 내지 약 -2 mm의 범위일 수 있다. 오목한 표면의 정점(apex)과 레이저 다이(660)의 방출 표면 사이의 거리(d')는 약 0.1 mm 내지 약 2 mm의 범위일 수 있다. 거리(d')는 원통형 렌즈(670)의 초점 길이와 유사하지만 동일하지 않을 수 있다.
[0054] 도 7a는 일부 실시예들에 따른 라이다 시스템에서 레이저 빔을 투사하기 위한 광학 시스템의 단면도를 예시한다. 원통형 렌즈(720)는 레이저 소스(710)(예컨대, 레이저 다이오드)의 앞에 배치된다. 구면 방출 렌즈(730)는 원통형 렌즈(720)의 앞에 위치된다. 방출 렌즈(730)는 몇몇의 렌즈 컴포넌트들을 포함하는 복합 렌즈일 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출 렌즈(730)는 약 5 mm 내지 약 50 mm의 범위(예컨대, 약 16 mm)의 초점 길이를 가질 수 있다. 방출 렌즈(730)의 직경(예컨대, 개구)은 약 5 mm 내지 약 100 mm의 범위(예컨대, 40 mm)일 수 있다.
[0055] 일부 실시예들에서, 라이다 시스템은, 어레이로 배열된 단일 구면 방출 렌즈에 의해 투사되는 다수의 레이저 소스들을 포함할 수 있다. 이러한 경우들에서, 각각의 레이저 소스는 그 자신의 원통형 렌즈와 페어링될 수 있다. 도 7b는, 라이다 시스템이 2개의 레이저 소스들(710a 및 710b)을 포함하는 예시적인 실시예를 예시한다. 제1 원통형 렌즈(720a)는 제1 레이저 소스(710a)와 페어링되고, 제2 원통형 렌즈(720b)는 제2 레이저 소스(710b)와 페어링된다. 2개의 레이저 소스들(710a 및 710b)은 동일한 구면 방출 렌즈(730)를 공유한다.
[0056] 도 8은 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 라이다 시스템을 이용한 3-차원 이미징의 방법(800)을 예시하는 간략화된 흐름도를 도시한다.
[0057] 방법(800)은, 802에서, 레이저 소스 및 원통형 렌즈를 일제히 병진운동시키는 단계를 포함할 수 있다. 레이저 소스는 방출 평면의 복수의 방출 위치들 각각으로 병진운동된다. 레이저 소스는 제1 높이 및 제1 높이보다 더 큰 제1 폭을 갖는 방출 영역을 갖는다. 원통형 렌즈는 음의 도수를 갖고 레이저 소스의 앞에 위치된다. 원통형 렌즈는, 원통형 렌즈의 도수 축이 실질적으로 폭 방향이 되도록 배향된다. 원통형 렌즈는 레이저 소스의 방출 영역을 가상 폭 및 가상 높이를 갖는 가상 방출 영역으로 변환하도록 구성될 수 있고, 여기서 가상 폭은 방출 영역의 제1 폭 미만이다. 원통형 렌즈는 평면-오목 원통형 렌즈 또는 이중-오목 원통형 렌즈일 수 있다. 일부 실시예들에서, 원통형 렌즈는 레이저 소스와 단일 패키지로 통합될 수 있다.
[0058] 방법(800)은, 804에서, 레이저 소스를 사용하여, 복수의 레이저 펄스들을 방출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 복수의 레이저 펄스들 각각은 복수의 방출 위치들 중 개개의 방출 위치에서 방출된다. 방법(800)은, 806에서, 방출 렌즈를 사용하여, 복수의 레이저 펄스들을 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 하나 이상의 객체들은 복수의 리턴 레이저 펄스들을 생성하기 위해 복수의 레이저 펄스들 각각을 반사시킬 수 있다.
[0059] 방법(800)은, 808에서, 수용 렌즈를 사용하여, 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각을 수신하여, 검출 평면의 복수의 대응하는 검출 위치들에 포커싱하는 단계를 더 포함할 수 있다. 각각의 대응하는 검출 위치는 개개의 방출 위치와 결합(conjugate)한다. 일부 실시예들에서, 수용 렌즈 및 송신 렌즈는 동일한 렌즈, 즉, 복수의 레이저 펄스들을 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시킬 뿐만 아니라, 복수의 리턴 레이저 펄스들을 포커싱하도록 구성된 동일한 렌즈일 수 있다.
[0060] 방법(800)은, 810에서, 검출기를 검출 평면의 복수의 대응하는 검출 위치들 각각으로 병진운동시키는 단계; 및 812에서, 검출기를 사용하여, 복수의 검출 위치들의 각각의 개개의 검출 위치에서 복수의 리턴 레이저 펄스들의 각각의 개개의 리턴 레이저 펄스를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0061] 방법(800)은, 814에서, 프로세서를 사용하여, 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각에 대한 비행 시간을 결정하는 단계, 및 816에서, 프로세서를 사용하여, 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각에 대한 비행 시간에 기반하여 하나 이상의 객체들의 3-차원 이미지를 구성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0062] 일부 실시예들에서, 레이저 소스 및 검출기 각각은 하나의 차원에서 또는 2개의 차원들에서 병진운동된다. 일부 실시예들에서, 레이저 소스 및 검출기는 리사주 패턴(Lissajous pattern)으로 2개의 방향들로 스캐닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출 렌즈 및 수용 렌즈는 고정되는 반면에, 레이저 소스 및 검출기는 병진운동된다.
[0063] 일부 다른 실시예들에서, 방법(800)은 방출 렌즈의 광학 축에 실질적으로 직교하는 평면에서 레이저 소스에 대해 방출 렌즈를 병진운동시키는 단계; 및 방출 렌즈의 병진운동과 동기적으로 평면에서 검출기에 대해 수용 렌즈를 병진운동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출 렌즈 및 수용 렌즈 각각은 하나의 차원에서 또는 2개의 차원들에서 병진운동된다. 일부 실시예들에서, 방출 렌즈 및 수신 렌즈는 리사주 패턴으로 2개의 방향들로 스캐닝될 수 있다.
[0064] 도 8에 예시된 특정 단계들은 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 라이다 시스템을 사용하여 3차원 이미징을 수행하는 특정한 방법을 제공한다는 것이 인식되어야 한다. 또한, 단계들의 다른 시퀀스들이 대안적 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적인 실시예들은, 위에서 약술된 단계들을 상이한 순서로 수행할 수 있다. 더욱이, 도 8에 예시된 개별 단계들은, 개별 단계에 적절한 바와 같은 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 또한, 특정한 애플리케이션들에 의존하여 부가적인 단계들이 부가될 수 있고 일부 단계들이 제거될 수 있다. 당업자는, 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
II. 개선된 분해능을 위한 검출기 설계들
[0065] 일부 실시예들에 따라, 라이다 시스템의 분해능을 개선하기 위한 다른 접근법이 검출기 측에서 구현될 수 있다. 도 5a 및 5c에 예시된 바와 같이, 원통형 렌즈를 사용하지 않고서, 원거리장 빔 스폿(510)은 수평 방향으로 연장될 수 있다. 결과적으로, 검출기(예컨대, 도 1에 예시된 검출기(160a 또는 160b)) 상의 수용 렌즈(예컨대, 도 1에 예시된 수용 렌즈(140))에 의해 형성된 원거리장 빔 스폿(510)의 이미지는 또한 수평 방향으로 연장될 수 있다.
[0066] 도 9는 일부 실시예들에 따른 라이다 시스템(900)을 개략적으로 예시한다. 도 1에 예시된 라이다 시스템(100)과 유사하게, 라이다 시스템(900)은 레이저 소스(910) 및 레이저 소스(910)에 의해 방출된 레이저 빔을 시준하기 위한 방출 렌즈(930)를 포함할 수 있다. 시준된 레이저 빔은 하나 이상의 객체들(950a 및 950b)로부터 반사될 수 있다. 라이다 시스템(900)은 리턴 레이저 빔을 포커싱하기 위한 수용 렌즈(940), 및 포커싱된 리턴 레이저 빔을 검출하기 위해 수용 렌즈(940)의 초점 평면에 위치된 검출기(920)를 더 포함할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 방출된 레이저 빔의 비대칭 프로파일로 인해, 검출기(920)에서 리턴 레이저 빔의 포커싱된 스폿이 연장될 수 있다. 도 10은, 수평 방향으로 연장된 수용 렌즈(940)의 초점 평면에서 이미징된 리턴 빔 스폿(1010)을 개략적으로 예시한다.
[0067] 일부 실시예들에 따라, 검출기(920)는 광 센서들의 어레이를 포함할 수 있다. 예컨대, 검출기(920)는, 수평 방향으로 1-차원 어레이로서 나란히 배열된 2개의 광 센서들(922a 및 922b)을 포함할 수 있다. 도 9 및 10에 예시된 바와 같이, 각각의 광 센서(922a 또는 922b)는 리턴 빔 스폿(1010)의 일부를 커버하는 감지 영역을 갖는다. 따라서, 제1 광 센서(922a)는 리턴 레이저 빔의 좌측 절반을 검출할 수 있고, 제2 광 센서(922b)는 리턴 레이저 빔의 우측 절반을 검출할 수 있다.
[0068] 예시적인 예로서, 도 9는, 레이저 빔이 원거리장에서 레이저 빔의 FOV(960) 내에 위치된 2개의 객체들(950a 및 950b)(예컨대, 2명의 사람들) 상에 투사될 수 있음을 도시한다. 원거리장에서의 레이저 스폿 크기는, 레이저 소스의 방출 영역의 치수와 레이저 소스로부터 객체까지의 거리를 곱하고 방출 렌즈(930)의 초점 길이로 나눠진 크기와 대략 동일할 수 있다. 제1 객체(950a)로부터 반사된 리턴 레이저 빔의 제1 부분(실선들로 예시된 광선들로 표현됨)은 리턴 빔 스폿(1010)의 좌측 절반에 이미징될 수 있고; 제2 객체(950b)로부터 반사된 리턴 레이저 빔의 제2 부분(점선들로 예시된 광선들로 표현됨)은 리턴 빔 스폿(1010)의 우측 절반에 이미징될 수 있다. 도 9 및 10a에 예시된 바와 같이, 제1 광 센서(922a)는 제1 객체(950a)로부터 반사된 리턴 레이저 빔의 제1 부분을 검출할 수 있고, 제2 광 센서(922b)는 제2 객체(950b)로부터 반사된 리턴 레이저 빔의 제2 부분을 검출할 수 있다. 따라서, 라이다 시스템(900)은 2개의 객체들(950a 및 950b)을 분석할 수 있다. "수직" 및 "수평" 배향들이 도면들 및 설명의 맥락에서 스위칭될 수 있거나, 배향이 당업자에게 명백한 바와 같이 임의로 회전될 수 있음이 이해되어야 한다.
[0069] 비교를 위해, 도 10b는, 전체 리턴 빔 스폿(1010)을 포함하는 감지 영역을 갖는 단일 광 센서(1030)를 포함하는 검출기(1020)를 예시한다. 이 구성에서, 단일 리턴 레이저 펄스가 검출기(1020)에 의해 검출될 수 있기 때문에, 라이다 시스템(900)은 2개의 객체들(950a 및 950b)을 분석할 수 없을 수 있다. 따라서, 도 9 및 10a에 예시된 바와 같이 수평 방향으로 어레이로서 배열된 2개의 광 센서들(922a 및 922b)을 가짐으로써, 수평 방향의 라이다 시스템(900)의 분해능은 단일 광 센서(1030)를 갖는 검출기(1020)과 비교하여 대략 2 배가 될 수 있다.
[0070] 일부 실시예들에 따라, 검출기(920)는 개별 광 센서들에 대한 별개의 출력들을 가질 수 있어서, 각각의 광 센서에 의해 검출된 리턴 레이저 펄스의 각각의 부분에 대한 비행 시간이 독립적으로 결정될 수 있다. 도 11a-11c는 도 9 및 10에 예시된 예에 대한 레이저 펄스들의 타이밍도들을 개략적으로 예시한다. 도 11a에 예시된 바와 같이, 레이저 펄스(1110)는 제1 시간 인스턴스(t1)에서 레이저 소스(910)에 의해 방출될 수 있다. 레이저 펄스(1110)는 제1 객체(950a) 및 제2 객체(950b)로부터 반사될 수 있다. 도 11b에 예시된 바와 같이, 제1 객체(950a)로부터 반사된 리턴 레이저 펄스의 제1 부분은 제2 시간 인스턴스(t2)에서 제1 광 센서(922a)에 의해 검출될 수 있다. t1과 t2 사이의 경과된 시간은 Δt1로 결정될 수 있다. 라이다 시스템(900)과 제1 객체(950a) 사이의 거리(L1)는 Δt1에 기반하여 결정될 수 있다. 유사하게, 도 11c에 예시된 바와 같이, 제2 객체(950b)로부터 반사된 리턴 레이저 펄스의 제2 부분은 제3 시간 인스턴스(t3)에서 제2 광 센서(922b)에 의해 검출될 수 있다. t1과 t3 사이의 경과된 시간은 Δt2로 결정될 수 있다. 라이다 시스템(900)과 제2 객체(950b) 사이의 거리(L2)는 Δt2에 기반하여 결정될 수 있다. 따라서, 별개의 출력들을 갖는 검출기(920)에서 2개의 광 센서들(922a 및 922b)을 가짐으로써, 라이다 시스템(900)은 2개의 객체들(950a 및 950b)의 상이한 거리들(L1 및 L2)을 분석할 수 있다.
[0071] 도 12a는 일부 실시예들에 따른 검출기(1210)의 개략적인 평면도를 도시한다. 검출기(1210)는 광 센서들(1212a 및 1212b)을 포함하는 1×2 어레이와 같은 광 센서들의 1 차원 어레이를 포함할 수 있다. 광 센서들의 1×2 어레이가 도 12a에 예시되지만, 검출기(1210)는 광 센서들의 1×3 어레이, 광 센서들의 1×4 어레이 등을 포함할 수 있다. 예컨대, 1×3 어레이를 사용함으로써, 어레이 방향의 분해능의 대략 3 배의 개선이 달성될 수 있다.
[0072] 도 12b는 일부 실시예들에 따른 검출기(1220)의 개략적인 평면도를 도시한다. 검출기(1220)는 광 센서들(1222a-1222f)을 포함하는 2×3 어레이와 같은 2-차원 어레이를 포함할 수 있다. 따라서, 일 방향의 분해능의 대략 2 배의 개선, 및 직교 방향의 분해능의 대략 3 배의 개선이 달성될 수 있다. 비록 광 센서들의 2×3 어레이가 도 12b에 예시되지만, 검출기(1220)는 다양한 실시예들에 따라 광 센서들의 2×4 어레이, 광 센서들의 2×5 어레이, 또는 다른 구성들을 포함할 수 있다.
[0073] 일부 실시예들에서, 광 센서들의 어레이는, 어레이의 총 표면적이 수용 렌즈(940)에 의해 형성된 리턴 레이저 빔의 이미지 스폿의 표면적과 대략 일치하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 이미지 스폿이 1×2 종횡비를 갖는 경우, 검출기는 광 센서들의 1×2 어레이 또는 광 센서들의 2×4 어레이를 포함할 수 있다(각각의 광 센서의 표면 영역이 정사각형이라고 가정함). 광 센서들 사이의 소용없는 공간(dead space)은 검출 효율의 손실을 피하기 위해 유리하게 감소되거나 최소화될 수 있다.
[0074] 다양한 실시예들에 따라, 광 센서들은 포토다이오드들, 포토트랜지스터들, 포토레지스터들, 광전자 증배관들(photomultiplier tubes), 마이크로채널 플레이트 검출기들, CCD(charge-coupled device)들 등을 포함할 수 있다.
[0075] 일부 다른 실시예들에 따라, 바이-셀 또는 쿼드-셀 검출기가 사용될 수 있다. 이러한 경우들에서, 검출기는, 광이 검출기에 입사되는 위치들에 대응하는 다수의 출력들을 갖도록 설계된 단일 검출기를 포함한다.
[0076] 위에 설명된 어레이 검출기 개념은, 다수의 레이저 소스들 및 다수의 검출기들을 포함하는 라이다 시스템들로 확장될 수 있다. 이러한 경우들에서, 각각의 레이저 소스는 그 자신의 어레이 검출기와 페어링될 수 있다. 예컨대, 도 1을 참조하면, 제1 레이저 소스(110a)는 제1 검출기(160a)와 페어링될 수 있고, 제2 레이저 소스(110b)는 제2 검출기(160b)와 페어링될 수 있고, 여기서 제1 검출기(160a) 및 제2 검출기(160b) 각각은 광 센서 어레이를 포함한다.
[0077] 일부 실시예들에 따라, 어레이 검출기는, 추가의 분해능 개선을 위해, (예컨대, 도 4a-4b, 6a-6b 및 7을 참조하여 위에 논의된 바와 같이) 원통형 렌즈를 포함하는 시준 광학 시스템과 결합하여 라이다 시스템에서 사용될 수 있다.
[0078] 도 13은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 라이다 시스템(1300)을 개략적으로 예시한다. 라이다 시스템(1300)은 레이저 소스(1310) 및 검출기(1320)를 포함한다. 도 1 및 9에 예시된 바와 같이 별개의 방출 렌즈 및 수용 렌즈를 갖는 것 대신에, 라이다 시스템(1300)은, 레이저 소스(1310)에 의해 방출된 레이저 빔을 시준할 뿐만 아니라, 하나 이상의 객체들로부터 반사된 리턴 레이저 빔을 포커싱하기 위한 단일 렌즈(1330)를 포함한다. 라이다 시스템(1300)은 레이저 소스(1310)와 렌즈(1310) 사이에 위치된 빔 스플리터(1350)를 포함할 수 있다. 빔 스플리터(1350)는 레이저 소스(1310)에 의해 방출된 레이저 빔을 부분적으로 투과시키고, 리턴 레이저 빔을 검출기(1320)를 향해 부분적으로 반사시키도록 구성될 수 있다.
[0079] 일부 실시예들에서, 라이다 시스템(1300)은 레이저 소스(1310)의 앞에 위치된 선택적 원통형 렌즈(1340)를 더 포함할 수 있다. 원통형 렌즈(1340)는 도 4a 및 4b에 예시된 원통형 렌즈(410)와 유사한 음의 도수를 갖는다. 도 4a 및 4b와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 원통형 렌즈(1340)는, 도 5d에 예시된 바와 같이, 비교적 대칭적인 원거리장 빔 스폿을 발생시킬 수 있다.
[0080] 일부 실시예들에서, 검출기(1320)는 도 9, 10a 및 12a-12b에 예시된 검출기(920)와 유사하게, 어레이로서 배열된 복수의 광 센서들(1322 및 1324)을 포함할 수 있다. 도 9와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 각각의 광 센서(1322 또는 1324)는 리턴 레이저 빔의 개개의 부분을 검출하도록 구성될 수 있다. 원통형 렌즈(1340) 및 어레이 검출기(1320) 둘 모두를 가짐으로써, 라이다 시스템(1300)은 원통형 렌즈만을 포함하는 라이다 시스템 또는 어레이 검출기만을 포함하는 라이다 시스템보다 훨씬 더 양호한 분해능을 달성할 수 있다.
[0081] 도 14는 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 라이다 시스템을 이용한 3-차원 이미징의 방법(1400)을 예시하는 간략화된 흐름도를 도시한다.
[0082] 방법(1400)은, 1402에서, 레이저 소스를 사용하여, 레이저 펄스를 방출하는 단계; 및 1404에서, 방출 렌즈를 사용하여 레이저 펄스를 레이저 펄스의 시야 내의 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 하나 이상의 객체들은 리턴 레이저 펄스를 생성하기 위해 레이저 펄스를 반사시킬 수 있다.
[0083] 방법(1400)은, 1406에서, 수용 렌즈를 사용하여, 리턴 레이저 펄스를 수신하고, 수용 렌즈의 초점 평면에서의 리턴 빔 스폿으로 포커싱하는 단계; 및 1408에서, 수용 렌즈의 초점 평면에서 어레이로서 배열된 복수의 광 센서들을 포함하는 검출기를 사용하여, 각각의 개개의 광 센서에서 수신된 리턴 레이저 펄스의 개개의 부분을 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 리턴 레이저 펄스의 개개의 부분은 레이저 펄스의 시야의 개개의 섹션에 대응한다.
[0084] 방법(1400)은, 1410에서, 레이저 소스 및 검출기에 커플링된 프로세서를 사용하여, 리턴 레이저 펄스의 각각의 개개의 부분에 대한 비행 시간을 결정하는 단계; 및 1412에서, 프로세서를 사용하여, 리턴 레이저 펄스의 각각의 개개의 부분에 대한 비행 시간에 기반하여 하나 이상의 객체들의 3-차원 이미지를 구성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
[0085] 일부 실시예들에서, 검출기의 각각의 개개의 광 센서는 리턴 레이저 펄스의 개개의 부분을 수신하기 위한 개개의 감지 영역을 갖는다. 복수의 광 센서들은, 복수의 광 센서들의 총 감지 영역이 리턴 빔 스폿과 실질적으로 매칭하도록 배열된다.
[0086] 일부 실시예들에서, 방법(1400)은 방출 렌즈의 광학 축에 실질적으로 직교하는 방출 평면의 복수의 방출 위치들을 통해 레이저 소스를 병진운동시키는 단계, 및 수용 렌즈의 초점 평면의 복수의 검출 위치들을 통해 검출기를 병진운동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 복수의 검출 위치들의 각각의 개개의 검출 위치는 복수의 방출 위치들의 개개의 방출 위치에 대응한다. 일부 실시예들에서, 레이저 소스 및 검출기 각각은 하나의 차원에서 또는 2개의 차원들에서 병진운동된다. 일부 실시예들에서, 레이저 소스 및 검출기는 리사주 패턴으로 2개의 방향들로 스캐닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출 렌즈 및 수용 렌즈는 고정되는 반면에, 레이저 소스 및 검출기는 병진운동된다.
[0087] 일부 다른 실시예들에서, 방법(1400)은, 방출 렌즈의 광학 축에 실질적으로 직교하는 평면에서 레이저 소스에 대해 방출 렌즈를 병진운동시키는 단계; 및 방출 렌즈의 병진운동과 동기적으로 평면에서 검출기에 대해 수용 렌즈를 병진운동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 방출 렌즈 및 수용 렌즈 각각은 하나의 차원에서 또는 2개의 차원들에서 병진운동된다. 일부 실시예들에서, 방출 렌즈 및 수신 렌즈는 리사주 패턴으로 2개의 방향들로 스캐닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 소스 및 검출기는 또한, 방출 렌즈 및 수용 렌즈가 병진운동되는 동안에, 서로에 관련하여 동기적으로 병진운동된다.
[0088] 일부 추가의 실시예들에서, 방법(1400)은, 방출 렌즈의 광학 축에 실질적으로 직교하는 제1 방향으로 레이저 소스 및 검출기를 동기적으로 병진운동시키는 단계; 및 제1 방향에 직교하고 방출 렌즈의 광학 축에 실질적으로 직교하는 제2 방향으로 방출 렌즈 및 수용 렌즈를 동기적으로 병진운동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 당업자는, 다수의 변동들, 대안들, 및 수정들을 인식할 것이다.
[0089] 도 14에 예시된 특정 단계들은 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 라이다 시스템을 사용하여 3차원 이미징을 수행하는 특정한 방법을 제공한다는 것이 인지되어야 한다. 또한, 단계들의 다른 시퀀스들이 대안적 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 대안적인 실시예들은, 위에서 약술된 단계들을 상이한 순서로 수행할 수 있다. 더욱이, 도 14에 예시된 개별 단계들은, 개별 단계에 적절한 바와 같은 다양한 시퀀스들로 수행될 수 있는 다수의 서브-단계들을 포함할 수 있다. 또한, 특정한 애플리케이션들에 의존하여 부가적인 단계들이 부가될 수 있고 일부 단계들이 제거될 수 있다. 당업자는, 다수의 변동들, 수정들, 및 대안들을 인식할 것이다.
[0090] 특정 실시예들의 특정 세부사항들은, 본 발명의 실시예들의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서, 임의의 적합한 방식으로 결합될 수 있다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예들은 각각의 개별 양상, 또는 이들 개별 양상들의 특정 조합들에 관련된 특정 실시예들에 관한 것일 수 있다.
[0091] 단수 형태의 언급은, 달리 구체적으로 명시되지 않는 한, "하나 이상"을 의미하는 것으로 의도된다.
[0092] 범위들은 본원에서 "약" 하나의 특정 값으로부터 그리고/또는 "약" 다른 특정 값으로 표현될 수 있다. "약"이라는 용어는 본원에서 대략, 부근에서(in the region of), 거의(roughly) 또는 쯤(around)을 의미하는 것으로 사용된다. "약"이라는 용어는 수치 범위에 관련하여 사용될 때, 이것은 제시된 수치 값들의 위 및 아래로 경계를 확장시킴으로써 그 범위를 수정한다. 일반적으로, "약"이라는 용어는 본원에서 언급된 값의 위 및 아래의 수치 값을 10 %의 변동만큼 수정하는 데 사용된다. 이러한 범위가 표현될 때, 다른 실시예는 하나의 특정 값으로부터 그리고/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, "약"을 선행하여 사용함으로써 값들이 근사치들로 표현될 때, 특정된 값이 다른 실시예를 형성하는 것으로 이해될 것이다. 범위들 각각의 종료점들이 범위에 포함된다는 것이 추가로 이해될 것이다.
[0093] 본 발명의 예시적인 실시예들의 위의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제시되었다. 본 발명을 설명된 바로 그 형태로 제한하거나 완전한 것으로 의도되지 않고, 위의 교시를 고려하여 많은 수정들 및 변형들이 가능하다. 실시예들은 본 발명의 원리들 및 그의 실제 적용들을 설명하기 위해 선택되고 설명되었고, 이로써 당업자들이 본 발명을 다양한 실시예들에서 그리고 고려되는 특정 용도에 적합한 다양한 수정들로 활용할 수 있게 한다.

Claims (45)

  1. 제1 방향의 제1 폭 및 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향의 제1 높이를 갖는 방출 영역을 갖는 레이저 소스 ― 상기 제1 폭은 상기 제1 높이보다 더 큼 ― ;
    음의 도수(negative power)를 갖고 상기 레이저 소스의 앞에 위치된 원통형 렌즈 ― 상기 원통형 렌즈는, 상기 원통형 렌즈의 도수 축(power axis)이 실질적으로 상기 제1 방향을 따르도록 배향되고, 상기 원통형 렌즈는 상기 레이저 소스에 의해 방출된 레이저 빔의 상기 방출 영역을 가상 폭 및 가상 높이를 갖는 가상 방출 영역으로 변환하도록 구성되고, 상기 가상 폭은 상기 제1 폭 미만임 ― ; 및
    상기 원통형 렌즈로부터 다운스트림에 위치된 회전 대칭 렌즈(rotationally symmetric lens)를 포함하고,
    상기 회전 대칭 렌즈는 상기 레이저 빔을 원거리장(far-field)을 향해 시준 및 지향시키도록 구성되는,
    광학 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 소스는 고체 상태 레이저 소스를 포함하는,
    광학 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 원통형 렌즈는 상기 레이저 소스와 단일 패키지로 통합되는,
    광학 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 소스, 상기 원통형 렌즈 및 상기 회전 대칭 렌즈는 라이다 시스템(lidar system)에서 사용되는,
    광학 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 레이저 소스 및 상기 원통형 렌즈는, 상기 레이저 빔을 스캐닝하기 위해 상기 회전 대칭 렌즈의 초점 평면에서 일제히(in unison) 병진운동되도록 구성되는,
    광학 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 레이저 소스 옆에 배열된 제2 레이저 소스 ― 이로써 상기 레이저 소스 및 상기 제2 레이저 소스는 레이저 어레이를 형성함 ― ; 및
    상기 제2 레이저 소스의 앞에 위치되고, 상기 제2 레이저 소스에 의해 방출된 제2 레이저 빔의 제2 방출 영역을 제2 가상 방출 영역으로 변환하도록 구성된 제2 원통형 렌즈를 더 포함하고,
    상기 회전 대칭 렌즈는 상기 제2 레이저 빔을 상기 원거리장을 향해 시준 및 지향시키도록 추가로 구성되는,
    광학 시스템.
  7. 복수의 레이저 펄스들을 방출하도록 구성된 레이저 소스 ― 상기 레이저 소스는 제1 방향의 제1 폭 및 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향의 제1 높이를 갖는 방출 영역을 갖고, 상기 제1 폭은 상기 제1 높이보다 더 큼 ― ;
    음의 도수를 갖고 상기 레이저 소스의 앞에 위치된 원통형 렌즈 ― 상기 원통형 렌즈는, 상기 원통형 렌즈의 도수 축이 실질적으로 상기 제1 방향을 따르도록 배향되고, 상기 원통형 렌즈는 상기 방출 영역을 가상 폭 및 가상 높이를 갖는 가상 방출 영역으로 변환하도록 구성되고, 상기 가상 폭은 상기 제1 폭 미만임 ― ;
    상기 원통형 렌즈로부터 다운스트림에 위치된 방출 렌즈 ― 상기 방출 렌즈는 회전적으로 대칭적이고 상기 복수의 레이저 펄스들을 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시키도록 구성되고, 상기 하나 이상의 객체들은 복수의 리턴 레이저 펄스들을 생성하기 위해 상기 복수의 레이저 펄스들을 반사시킴 ― ;
    회전 대칭적인 수용 렌즈 ― 상기 수용 렌즈는 상기 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각을 수신하고, 상기 수용 렌즈의 초점 평면에서의 리턴 빔 스폿으로 포커싱하도록 구성됨 ― ;
    상기 수용 렌즈의 상기 초점 평면에 위치된 검출 표면을 갖고, 상기 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각을 수신 및 검출하도록 구성된 검출기; 및
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기에 커플링된 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는:
    상기 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각에 대한 비행 시간(time of flight)을 결정하고; 그리고
    상기 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각에 대한 상기 결정된 비행 시간에 기반하여 상기 하나 이상의 객체들의 3-차원 이미지를 구성하도록 구성되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 원통형 렌즈는 상기 레이저 소스와 단일 패키지로 통합되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 레이저 소스는, 상기 원통형 렌즈와 함께, 복수의 방출 위치들을 통해 상기 라이다 시스템의 광학 축에 실질적으로 직교하는 적어도 하나의 방향으로 병진운동되도록 구성되고, 상기 복수의 레이저 펄스들 각각은 상기 복수의 방출 위치들 중 개개의 방출 위치에서 방출되고,
    상기 검출기는 상기 수용 렌즈의 초점 평면의 복수의 검출 위치들을 통해 상기 적어도 하나의 방향으로 병진운동되도록 구성되고,
    상기 복수의 검출 위치들의 각각의 개개의 검출 위치는 상기 복수의 방출 위치들의 개개의 방출 위치에 대응하고,
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기는 서로에 관련하여 동기적으로 병진운동되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기 각각은 2개의 방향들로 병진운동되도록 구성되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기 각각은 리사주 패턴(Lissajous pattern)으로 병진운동되도록 구성되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 방출 렌즈는, 상기 방출 렌즈의 광학 축에 실질적으로 직교하는 적어도 하나의 방향으로 상기 레이저 소스에 대해 병진운동되도록 구성되고, 그리고
    상기 수용 렌즈는 상기 적어도 하나의 방향으로 상기 검출기에 대해 병진운동되도록 구성되고,
    상기 방출 렌즈 및 상기 수용 렌즈는 서로에 관련하여 동기적으로 병진운동되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 방출 렌즈 및 상기 수용 렌즈 각각은 2개의 방향들로 병진운동되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 방출 렌즈 및 상기 수용 렌즈 각각은 리사주 패턴으로 병진운동되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  15. 제7 항에 있어서,
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기는, 상기 라이다 시스템의 광학 축에 실질적으로 직교하는 적어도 제1 방향으로 동기적으로 병진운동되도록 구성되고, 그리고
    상기 방출 렌즈 및 상기 수용 렌즈는, 상기 라이다 시스템의 광학 축에 실질적으로 직교하는 적어도 제2 방향으로 동기적으로 병진운동되도록 구성되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  16. 레이저 소스 및 원통형 렌즈를 일제히 병진운동시키는 단계 ― 상기 레이저 소스는 제1 높이 및 상기 제1 높이보다 더 큰 제1 폭을 갖는 방출 영역을 갖고, 상기 원통형 렌즈는 음의 도수를 갖고 상기 레이저 소스의 앞에 위치되고, 상기 원통형 렌즈는, 상기 원통형 렌즈의 도수 축이 실질적으로 폭 방향이 되도록 배향되고, 상기 레이저 소스는 방출 평면의 복수의 방출 위치들 각각으로 병진운동됨 ― ;
    상기 레이저 소스를 사용하여 복수의 레이저 펄스들을 방출하는 단계 ― 상기 복수의 레이저 펄스들 각각은 상기 복수의 방출 위치들의 개개의 방출 위치에서 방출됨 ― ;
    방출 렌즈를 사용하여, 상기 복수의 레이저 펄스들을 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시키는 단계 ― 상기 하나 이상의 객체들은 복수의 리턴 레이저 펄스들을 생성하기 위해 상기 복수의 레이저 펄스들 각각을 반사시킴 ― ;
    수용 렌즈를 사용하여, 상기 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각을 수신하고, 검출 평면의 복수의 대응하는 검출 위치들에 포커싱하는 단계 ― 각각의 대응하는 검출 위치는 개개의 방출 위치와 결합(conjugate)함 ― ;
    검출기를 상기 검출 평면의 상기 복수의 대응하는 검출 위치들 각각으로 병진운동시키는 단계;
    상기 검출기를 사용하여, 상기 복수의 검출 위치들의 각각의 개개의 검출 위치에서 상기 복수의 리턴 레이저 펄스들의 각각의 개개의 리턴 레이저 펄스를 검출하는 단계;
    프로세서를 사용하여, 상기 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각에 대한 비행 시간(time of flight)을 결정하는 단계; 및
    상기 프로세서를 사용하여, 상기 복수의 리턴 레이저 펄스들 각각에 대한 비행 시간에 기반하여 상기 하나 이상의 객체들의 3-차원 이미지를 구성하는 단계를 포함하는,
    3-차원 이미징 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 수용 렌즈 및 상기 방출 렌즈는 동일한 렌즈를 포함하는,
    3-차원 이미징 방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 원통형 렌즈는 상기 레이저 소스의 상기 방출 영역을 가상 폭 및 가상 높이를 갖는 가상 방출 영역으로 변환하도록 구성되고,
    상기 가상 폭은 상기 방출 영역의 제1 폭 미만인,
    3-차원 이미징 방법.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기는 상기 방출 렌즈의 광학 축에 실질적으로 직교하는 적어도 제1 방향으로 병진운동되는,
    3-차원 이미징 방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 방출 렌즈의 광학 축에 실질적으로 직교하는 적어도 제2 방향으로 상기 방출 렌즈 및 상기 수용 렌즈를 동기적으로 병진운동시키는 단계를 더 포함하는,
    3-차원 이미징 방법.
  21. 제16 항에 있어서,
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기 각각은 2개의 차원들에서 병진운동되는,
    3-차원 이미징 방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기 각각은 리사주 패턴으로 병진운동되도록 구성되는,
    3-차원 이미징 방법.
  23. 제16 항에 있어서,
    상기 원통형 렌즈는 상기 레이저 소스와 단일 패키지로 통합되는,
    3-차원 이미징 방법.
  24. 전자기 신호를 반송(carry)하는 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 소스;
    상기 레이저 빔을 상기 레이저 빔의 시야 내의 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시키도록 구성된 방출 렌즈 ― 상기 하나 이상의 객체들은 리턴 레이저 빔을 생성하기 위해 상기 레이저 빔을 반사시킴 ― ;
    상기 리턴 레이저 빔을 수신하고, 상기 수용 렌즈의 초점 평면에서의 리턴 빔 스폿으로 포커싱하도록 구성된 수용 렌즈;
    상기 수용 렌즈의 초점 평면에서 어레이로서 배열된 복수의 광 센서들(photo sensors)을 포함하는 검출기 ― 각각의 개개의 광 센서는 개개의 감지 영역을 갖고, 상기 레이저 빔의 시야의 개개의 섹션에 대응하는 상기 리턴 레이저 빔의 개개의 부분을 수신하고 검출하도록 구성됨 ― ; 및
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기에 커플링된 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는:
    상기 검출기의 상기 개개의 광 센서에서 검출된 상기 리턴 레이저 빔의 각각의 개개의 부분에 대한 개개의 비행 시간을 결정하고; 그리고
    상기 리턴 레이저 빔의 각각의 개개의 부분에 대한 상기 개개의 비행 시간에 기반하여 상기 하나 이상의 객체들의 3-차원 이미지를 구성하도록 구성되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  25. 제24 항에 있어서,
    상기 복수의 광 센서들은, 상기 복수의 광 센서들의 총 감지 영역이 상기 리턴 빔 스폿과 실질적으로 매칭하도록 배열되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  26. 제24 항에 있어서,
    상기 복수의 광 센서들은 1-차원 또는 2-차원인 상기 어레이로서 배열되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  27. 제26 항에 있어서,
    상기 복수의 광 센서들은 2개의 광 센서들을 포함하는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  28. 제24 항에 있어서,
    상기 방출 렌즈 및 상기 수용 렌즈는 동일한 렌즈를 포함하는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  29. 제24 항에 있어서,
    제2 시야를 커버하기 위해 상기 레이저 소스에 의해 방출된 상기 레이저 빔을 스캐닝하기 위한 스캐닝 메커니즘을 더 포함하는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  30. 제29 항에 있어서,
    상기 스캐닝 메커니즘은 회전 프레임을 포함하고, 상기 레이저 소스, 상기 방출 렌즈, 상기 수용 렌즈 및 상기 검출기는 상기 회전 프레임 상에 장착되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  31. 제29 항에 있어서,
    상기 스캐닝 메커니즘은 상기 레이저 빔을 반사시키도록 구성된 회전 미러 또는 MEMS(micro-electro-mechanical systems) 미러를 포함하는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  32. 제29 항에 있어서,
    상기 스캐닝 메커니즘은 상기 라이다 시스템의 광학 축에 실질적으로 직교하는 평면에서 상기 방출 렌즈 및 상기 수용 렌즈를 동기적으로 병진운동시키도록 구성되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  33. 제29 항에 있어서,
    상기 스캐닝 메커니즘은:
    상기 라이다 시스템의 광학 축에 실질적으로 직교하는 평면에서 상기 방출 렌즈에 대해 상기 레이저 소스를 병진운동시키고; 그리고
    상기 레이저 소스의 병진운동과 동기적으로 상기 평면에서 상기 수용 렌즈에 대해 상기 검출기를 병진운동시키도록 구성되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  34. 제29 항에 있어서,
    상기 스캐닝 메커니즘은:
    상기 라이다 시스템의 광학 축에 실질적으로 직교하는 평면에서 적어도 제1 방향으로 상기 레이저 소스 및 상기 검출기를 동기적으로 병진운동시키고; 그리고
    상기 평면에서 적어도 제2 방향으로 상기 방출 렌즈 및 상기 수용 렌즈를 동기적으로 병진운동시키도록 구성되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  35. 제24 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 레이저 펄스 또는 FMCW(frequency-modulated continuous wave)를 포함하는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
  36. 레이저 소스를 사용하여 레이저 펄스를 방출하는 단계;
    방출 렌즈를 사용하여 상기 레이저 펄스를 상기 레이저 펄스의 시야 내의 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시키는 단계 ― 상기 하나 이상의 객체들은 리턴 레이저 펄스를 생성하기 위해 상기 레이저 펄스를 반사시킴 ― ;
    수용 렌즈를 사용하여, 상기 리턴 레이저 펄스를 수신하고, 상기 수용 렌즈의 초점 평면에서의 리턴 빔 스폿으로 포커싱하는 단계;
    상기 수용 렌즈의 초점 평면에서 어레이로서 배열된 복수의 광 센서들을 포함하는 검출기를 사용하여, 각각의 개개의 광 센서에서 수신된 상기 리턴 레이저 펄스의 개개의 부분을 검출하는 단계 ― 상기 리턴 레이저 펄스의 개개의 부분은 상기 레이저 펄스의 시야의 개개의 섹션에 대응함 ― ;
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기에 커플링된 프로세서를 사용하여, 상기 리턴 레이저 펄스의 각각의 개개의 부분에 대한 비행 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 프로세서를 사용하여, 상기 리턴 레이저 펄스의 각각의 개개의 부분에 대한 상기 비행 시간에 기반하여 상기 하나 이상의 객체들의 3-차원 이미지를 구성하는 단계를 포함하는,
    3-차원 이미징 방법.
  37. 제36 항에 있어서,
    각각의 개개의 광 센서는 상기 리턴 레이저 펄스의 개개의 부분을 수신하기 위한 개개의 감지 영역을 갖고, 그리고
    상기 복수의 광 센서들은, 상기 복수의 광 센서들의 총 감지 영역이 상기 리턴 빔 스폿과 실질적으로 매칭하도록 배열되는,
    3-차원 이미징 방법.
  38. 제37 항에 있어서,
    상기 리턴 빔 스폿은 제1 검출기 방향의 폭 및 상기 제1 검출기 방향에 직교하는 제2 검출기 방향의 높이를 갖고,
    상기 높이는 상기 폭과 상이한,
    3-차원 이미징 방법.
  39. 제36 항에 있어서,
    상기 복수의 광 센서들은 1-차원 또는 2-차원인 상기 어레이로서 배열되는,
    3-차원 이미징 방법.
  40. 제36 항에 있어서,
    상기 방출 렌즈의 광학 축에 실질적으로 직교하는 적어도 제1 방향을 따라 복수의 방출 위치들을 통해 상기 레이저 소스를 병진운동시키는 단계; 및
    적어도 상기 제1 방향을 따라 복수의 검출 위치들을 통해 상기 검출기를 병진운동시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 복수의 검출 위치들의 각각의 개개의 검출 위치는 상기 복수의 방출 위치들의 개개의 방출 위치에 대응하고,
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기는 서로에 관련하여 동기적으로 병진운동되는,
    3-차원 이미징 방법.
  41. 제36 항에 있어서,
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기 각각은 2개의 방향들을 따라 병진운동되는,
    3-차원 이미징 방법.
  42. 제36 항에 있어서,
    상기 방출 렌즈의 광학 축에 실질적으로 직교하는 적어도 제1 방향을 따라 상기 레이저 소스에 대해 상기 방출 렌즈를 병진운동시키는 단계; 및
    적어도 상기 제1 방향을 따라 상기 검출기에 대해 상기 수용 렌즈를 병진운동시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 방출 렌즈 및 상기 수용 렌즈는 서로에 관련하여 동기적으로 병진운동되는,
    3-차원 이미징 방법.
  43. 제42 항에 있어서,
    상기 방출 렌즈 및 상기 수용 렌즈 각각은 2개의 방향들을 따라 병진운동되는,
    3-차원 이미징 방법.
  44. 제36 항에 있어서,
    상기 방출 렌즈의 광학 축에 실질적으로 직교하는 적어도 제1 방향으로 상기 레이저 소스 및 상기 검출기를 동기적으로 병진운동시키는 단계; 및
    상기 방출 렌즈의 광학 축에 실질적으로 직교하는 적어도 제2 방향으로 상기 방출 렌즈 및 상기 수용 렌즈를 동기적으로 병진운동시키는 단계를 더 포함하는,
    3-차원 이미징 방법.
  45. 전자기 신호를 반송하는 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 소스;
    상기 레이저 빔을 상기 레이저 빔의 시야 내의 하나 이상의 객체들을 향해 시준 및 지향시키도록 구성된 렌즈 ― 상기 하나 이상의 객체들은 리턴 레이저 빔을 생성하기 위해 상기 레이저 빔을 반사시키고, 상기 렌즈는 상기 리턴 레이저 빔을 수신하고 상기 렌즈의 초점 평면에서의 리턴 빔 스폿으로 포커싱하도록 추가로 구성됨 ― ;
    상기 렌즈의 초점 평면에서 어레이로서 배열된 복수의 광 센서들을 포함하는 검출기 ― 각각의 개개의 광 센서는 개개의 감지 영역을 갖고, 상기 레이저 빔의 시야의 개개의 섹션에 대응하는 상기 리턴 레이저 빔의 개개의 부분을 수신하고 검출하도록 구성됨 ― ; 및
    상기 레이저 소스 및 상기 검출기에 커플링된 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는:
    상기 검출기의 상기 개개의 광 센서에서 검출된 상기 리턴 레이저 빔의 각각의 개개의 부분에 대한 개개의 비행 시간을 결정하고; 그리고
    상기 리턴 레이저 빔의 각각의 개개의 부분에 대한 상기 개개의 비행 시간에 기반하여 상기 하나 이상의 객체들의 3-차원 이미지를 구성하도록 구성되는,
    3-차원 이미징을 위한 라이다 시스템.
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