KR20220119049A - 솔리드 스테이트 빔 조향을 포함하는 고해상도 주파수 변조 연속파 라이다 - Google Patents

솔리드 스테이트 빔 조향을 포함하는 고해상도 주파수 변조 연속파 라이다 Download PDF

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아미르 호세이니
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아워스 테크놀로지, 엘엘씨.
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Abstract

솔리드 스테이트 주파수 변조 연속파 (FMCW) 광 검출 및 거리 측정 (LiDAR) 시스템의 초점 평면 어레이(FPA: focal plane array) 시스템이 개시된다. FPA 시스템은 스위처블 코히런트 픽셀 어레이(SCPA; Switchable Coherent Pixel Array) 및 렌즈 시스템을 포함한다. SCPA는 LiDAR 칩 상에 위치하며 코히런트 픽셀(CP)들을 포함한다. 각각의 CP들은 코히런트 광을 방출하도록 구성된다. 렌즈 시스템은 SCPA로부터 방출되는 코히런트 광을 하나 이상의 광빔들으로서 환경 내로 지향시키도록 위치된다. 그리고 하나 이상의 광 빔들은 각각 특정 각도로 방출되며 상기 특정 각도는 부분적으로 상기 하나 이상의 광 빔들을 형성하는 상기 코히런트 광을 생성한 상기 LiDAR 칩 상의 상기 코히런트 픽셀들의 위치에 부분적으로 기초한다.

Description

솔리드 스테이트 빔 조향을 포함하는 고해상도 주파수 변조 연속파 라이다
관련 출원(들)에 대한 상호 참조
본 출원은, 모두 참조에 의해 전체 내용이 포함되는, 2020년 1월 3일자로 출원된 미국 가출원 제62/957,050호 및 2020년 1월 13일자로 출원된 미국 가출원 제62/960,686호에 대한 35 U.S.C. §119(e) 하의 우선권을 주장한다.
기술분야
본 개시 내용은 일반적으로 주파수 변조 연속파(FMCW: frequency modulated continuous wave) 광 검출 및 거리 측정(LiDAR: light detection and ranging)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템에 관한 것이다.
기존의 LiDAR 시스템들은 레이저 빔을 조향하기 위해 기계적 이동 부품들 및 벌크 광학 렌즈 요소들(즉, 굴절 렌즈 시스템)을 사용한다. 그리고, 다수의 응용들(예를 들어, 자동차)의 경우, 너무 부피가 크고 비용이 많이 들고 신뢰할 수 없다.
솔리드 스테이트 주파수 변조 연속파(FMCW; Frequency Modulated Continuous Wave) 광 검출 및 광 검출 및 거리 측정(LiDAR) 시스템은 환경 내의 하나 이상의 물체의 깊이 정보를 결정하도록 구성된다. 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 초점 평면 어레이(FPA; focal plane array) 시스템 및 하나 이상의 레이저 소스를 포함한다. 하나 이상의 레이저 소스(예를 들어, 튜너블 레이저 어레이)는, FPA 시스템이 하나 이상의 빔을 생성하여 환경 내에 걸쳐 상기 하나 이상의 빔을 스캔(예를 들어, 2차원으로)하도록, FPA 시스템으로 광을 제공한다. FPA 시스템은 스위칭 가능한 코히런트 픽셀 어레이 (SCPA; Switchable Coherent Pixel Array) 및 렌즈 시스템을 포함한다. SCPA는 LiDAR 칩 상에 위치하며 코히런트 픽셀(CP)들을 포함한다. 각각의 CP는 코히런트 광을 방출하도록 구성된다. 렌즈 시스템은 SCPA로부터 방출되는 코히런트 광을 하나 이상의 광 빔들으로서 환경 내로 지향시키도록 위치 설정된다. 그리고 하나 이상의 광 빔들은 각각 특정 각도로 방출되며 상기 특정 각도는 부분적으로 상기 하나 이상의 광 빔들을 형성하는 코히런트 광을 생성한 LiDAR 칩 상의 CP들의 위치에 부분적으로 기초한다.
본 개시 내용의 실시예들의 다른 이점들 및 특징들은 첨부 도면들의 예들과 연계되는 아래의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위로부터 더 확실히 명확하게 될 것이다.
도 1은 하나 이상의 실시예들에 따른 광집적 LiDAR 칩(integrated photonic LiDAR chip) 상의 스위칭 가능한 코히런트 픽셀 어레이의 구현을 나타낸다.
도 2a 내지 2d는 하나 이상의 실시예들에 따른 4가지 버전의 코히런트 픽셀(CP)들을 예시한다.
도 3은 하나 이상의 실시예들에 따른 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템에서의 광빔 조향 구조를 도시한다.
도 4a는 하나 이상의 실시예들에 따른, 투과형 회절 격자를 포함하는 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템을 위한 광학 빔 조향 구조를 도시한다.
도 4b는 하나 이상의 실시예들에 따른, 반사형 회절 격자를 포함하는 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템을 위한 광학 빔 조향 구조를 도시한다.
도 5는 도 4a 및 4b의 솔리드 스테이트 LiDAR 시스템에 의해 생성된 스캐닝 및 획득 패턴의 예를 도시한다.
도 6은 하나 이상의 실시예에 따른, 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템의 CP와 레이저 소스 사이의 두 가지 동기화 방법을 도시한다.
도 7은 하나 이상의 실시예에 따른 FPA 시스템을 포함하는 솔리드 스테이트 LiDAR 시스템을 도시한다.
LiDAR 시스템은 시스템의 시야에 대한 깊이 정보(예를 들어, 하나 이상의 물체에 대한 거리, 속도, 가속도)를 결정한다. LiDAR 시스템은 주파수 변조 연속파 (FMCW) LiDAR이다. FMCW LiDAR는 주파수 변조된, 콜리메이트 광빔을 타겟으로 지향함으로써 물체의 거리와 속도를 직접 측정한다. 물체로부터 반사된 광인 신호(Signal)는 국부 발진기(LO)로 불리는 상기 빔의 탭 버전(tapped version)와 믹싱된다. 그 결과로 생성되는 무선 주파수 (RF) 비트 신호의 주파수는, 추가 측정이 요구되는 도플러 시프트에 의해 보정되면, LiDAR 시스템에서 물체까지의 거리에 비례한다. 동시 수행되거나 그렇지 않을 수 있는 두 개의 측정은, 타겟의 거리와 속도 정보를 제공한다.
솔리드 스테이트(solid state) FMCW LiDAR 시스템이 여기에서 설명된다. 솔리드 스테이트 LiDAR 시스템은 초점 평면 어레이 (FPA; Focal Plane Array) 시스템 및 레이저 소스를 포함한다. 레이저 소스는 FPA 시스템에 코히런트(coherent) 광을 제공한다. FPA 시스템은 상호형 시스템일 수 있다. FPA 시스템은 렌즈 시스템, LiDAR 칩, 그리고 추가적으로 회절 격자를 포함할 수 있다. LiDAR 칩은 광학 렌즈로부터 초점 거리에 배치된 솔리드 스테이트 2차원 SCPA(Switchable Coherent Pixels Array)를 포함한다. SCPA는 복수의 CP(Coherent Pixel)들을 포함한다. FPA 시스템은 CP를 선택적으로 활성화하여 (레이저 소스에서 수신된) 빛을 방출할 수 있다. 각 CP는 광학 안테나와 코히런트 광 수신기를 포함한다. 광학 렌즈는 입사되는 빔의 방향을 초점 평면(focal plane)의 초점(focused spot) 위치에 매핑하고, CP에서 방출되는 빛을 칩 상에서 CP의 위치에 따라 환경(예: 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템의 주변 영역)에서 서로 다른 각도로 매핑한다. 온 칩 스위치는 광을 선택된 CP로 라우팅하고, 광학 렌즈를 통해, 빔들을 개별 각도 위치로 조향한다. 출사광의 수직 및 수평 각도는 광학 렌즈의 주축(principal axis)에 대한 칩의 광학 안테나 위치에 의해 결정된다. 다중 채널 개별 빔 조향은 다수의 스위치 네트워크로 다수의 광학 안테나를 동시에 스위칭함으로써 달성된다.
일부 실시예들에서, 회절 격자(투과형 또는 반사형)가 정밀 스캔 성능을 제공하기 위해 사용된다. 회절 격자는 렌즈 시스템에서 환경으로 방출되는 하나 이상의 빔들을 회절하도록 배치된다. 회절 격자는 광을 여러 방향 또는 회절 차수로 분할, 굴절 또는 반사하는 주기적 구조이다. 출사광의 각도는 격자의 주기, 광학 빔의 파장 및 입사각에 따라 달라진다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 회절 격자 및 입사각을 설계하여 광이 주로 한 방향(예를 들어, 블레이즈드 격자), 즉 일반적으로 1차(first order)로만 지향되도록 할 수 있다. 일부 실시예에서, 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 FPA 시스템이 파장 범위에 걸쳐 광빔을 출력할 수 있도록 조정 가능한 광원인 레이저 소스를 포함한다. 따라서, 광원의 파장을 변화시킴으로써, 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 SCPA에 의해 설정된 두 개의 개별 조향 위치 사이에서 출사되는 광을 조향할 수 있다. 이에 따라, 상이한 CP들을 선택적으로 활성화하는 것과 연관된 스캐닝 해상도보다 더 미세한 스캐닝 해상도를 제공할 수 있다.
광섬유 및 개별 광학 부품, 예컨대 광 간섭계, 광학 딜레이 라인, 광학 순환기 등을 이용한 기존의 FMCW LiDAR 시스템은 자동차 및 로봇 공학과 같은 많은 응용 분야에서 사용되기에는 부피가 크고, 비용이 많이 들고 신뢰도가 떨어진다. 대조적으로, 위에서 설명한 솔리드 스테이트 LiDAR 시스템은 하나의 반도체 칩에 광다이오드 및 광 위상 시프터와 같은 광전자 부품뿐만 아니라 전술한 광학 부품을 통합함으로써 이러한 문제를 극복한다. 또한 솔리드 스테이트 LiDAR 시스템은 칩 상에서 빔 조향(beam steering) 기능을 실현하고 시스템에서 기계적으로 움직이는 부품을 제거함으로써 비용과 폼 팩터를 더욱 줄이고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 하나 이상의 실시예들에 따른 광집적 LiDAR 칩(111) 상의 스위칭 가능한 코히런트 픽셀 어레이(SCPA: switchable coherent pixel array)의 구현을 나타낸다. LiDAR 칩은 광집적 회로(photonic integrated circuit)이다. 칩은 복수의 기본 기능 서브어레이(100)를 포함할 수 있다. 각각의 서브어레이(100)는 광 입/출력(I/O) 포트(102), 선택적인 1-to-K 광 스플리터(103) 및 하나 이상의 SCPA(101)들을 포함하고, 여기서 K는 정수이다. 1-to-K 광 스플리터(103)는 수동형 또는 능동형일 수 있다. 각각의 광 I/O는 오프-칩(off-chip) 또는 온-칩(on-chip) 레이저(예를 들어, 레이저 소스)에 의해 제공되는 주파수 변조 광원에 의해 공급된다. 광 I/O의 수를 줄이기 위해 선택적인 1-to-K 광 스플리터를 통해 광 파워가 온-칩으로 분배될 수 있다. 도시된 실시예에서, 1- to-K 광 스플리터(103)의 각각의 출력들은 대응하는 SPCA(101)에 공급된다. 도시된 실시예들에서, 각각의 SCPA(101)는 M개의 코히런트 픽셀(105)들 및 광 스위치 네트워크(104)들을 포함하고, 여기서 M은 정수이다. 일부 경우에, 하나 이상의 광 스위치 네트워크(104), 선택적인 1-to-K 광 스플리터(103) 또는 이들의 일부 조합은 단순히 광 스위치라고 지칭될 수 있다는 것에 유의하라. 광 스위치는 입력 포트(102)를 코히런트 픽셀들 내의 광 안테나들에 스위칭 가능하게 결합하도록 구성되어, 이에 의해 입력 포트와 광 안테나들 사이에 광 경로들을 형성한다. 광 스위치는 복수의 능동 광 스플리터들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 스위치는 FMCW 트랜시버의 스캐닝 기간 동안 주파수 변조된 레이저 신호를 한 번에 하나씩 광 안테나 각각에 광학적으로 결합한다.
광 스위치 네트워크(104)는 거리 측정 및 검출을 위해 주파수 변조된 광(FM light)을 전송 및 수신하도록 M개의 코히런트 픽셀들 중 하나 이상을 선택한다. 코히런트 픽셀들은 칩 상에 물리적으로 1차원 어레이(예, 선형 어레이) 또는 2차원 어레이(예를 들어, 직사각형 또는 규칙성 어레이(예를 들어, 그리드와 같은 비-랜덤형 배열))로 배열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 선택된 코히런트 픽셀은 광을 자유 공간으로 전송하고, 복귀되는 광 신호들을 수신하고, 코히런트 검출을 수행하고, 광 신호들을 디지털 신호 처리를 위하여 전기 신호들로 직접 변환할 수 있다. 수신된 광 신호들은 검출될 수 있도록 스위치 네트워크를 통해 다시 전파되지 않고, 대신에 (예시된 실시예에 도시되지 않지만) 출력들이 개별적으로 라우팅되고, 이는 손실을 줄이고 그에 따라 신호 품질을 개선한다는 것에 유의하라.
도 2a 내지 2d는 하나 이상의 실시예들에 따른 4가지 버전의 코히런트 픽셀(CP)들을 예시한다. 도 2a 및 도 2b에서, 광 스위치 네트워크로부터의 광이 CP의 광 입력 포트(203)에 제공된다. 광 스플리터(212)는 광을 TX 신호(205) 및 국부 발진기(LO: local oscillator, 214)로 지칭되는 2개의 출력 포트들로 분할한다. TX 신호(215)는 하나의 편광(예를 들어, TM)을 갖는 편광 분할 광 안테나(210)를 사용하여 칩으로부터 환경으로 직접 전송된다. 편광 분할 광 안테나(210)는 측정 대상 물체로부터 반사된 빔을 수집하고, 직교 편광(예를 들어, TE)을 도파관(213)에 결합하고 이를 광 믹서(201)로 직접 전송한다. 이 경우, 편광 분할 광 안테나(210)에 의해 수신된 광 신호는 추가의 스플리터 또는 "의사 서큘레이터"에 의해 더 이상 분할되지 않는다. 포트(213)와 LO(214)로부터 수신된 신호는 광 믹서(201)에 의한 코히런트 검출을 위해 믹스되며, 이때 광 믹서(201)는 도 2a에서와 같은 평형 2x2 광 결합기(balanced 2x2 optical combiner, 201) 또는 도 2b에서와 같은 광학 하이브리드(209)일 수 있다. 마지막으로, 도 2a에서의 한 쌍의 포토 다이오드(PD, 207)와 도 2b에서의 4개의 PD가 비트 톤 검출을 위해 광 신호들을 전기 신호들로 변환한다. 이 설계는 모든 단일 코히런트 픽셀에 대해 매우 효율적인 통합 서큘레이터를 구현하고, 초고감도의 온-칩 모노스태틱 FMCW LiDAR를 가능하게 한다. 도 2c 및 2d에 도시된 것과 같이, TX 신호(215) 및 LO(214)는 추가적인 유연성을 제공하기 위해 개별적으로 CP로 공급될 수도 있다. 예를 들어, TX 신호 또는 국부 발진기는 두 개의 개별적인 스위치 네트워크를 통해 CP로 라우팅될 수 있다.
도 3은 하나 이상의 실시예들에 따른 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템에서의 광빔 조향 구조를 도시한다. 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 LiDAR 칩(111) 및 렌즈 시스템(300)을 포함한다. 도시된 실시예에서, LiDAR 칩(111) 상의 SCPA의 CP(105)들은 렌즈 시스템(300)의 초점 거리에 위치한다. 렌즈 시스템(300)은 각각의 CP(105)의 물리적 위치를 고유한 방향으로 매핑하는 하나 이상의 광학 요소(예를 들어, 포지티브 렌즈, 자유형 렌즈, 프레넬 렌즈 등)를 포함한다. 렌즈 시스템(300)은 복수의 안테나의 각각의 안테나로부터 방출된 송신 신호를 시야의 대응하는 부분(예를 들어, 환경의 영역)으로 투영하고, 상기 송신 신호의 반사를 안테나에 제공하도록 구성된다. 각각의 광학 안테나는 서로 다른 각도에서 광을 송신 및 수신한다. 따라서 상이한 안테나로의 전환을 통해, 이산 광빔 스캐닝(discrete optical beam scanning)이 달성된다. 레이저 빔(301)의 수평각(θh) 및 수직각(θv)은 렌즈 시스템(300)의 주축(principal axis)에 대한 광 안테나를 포함하는 CP의 위치에 의해 설정된다. SCPA는 다른 방향으로 스캔할 때 동일하거나 상이한 단계 크기(step size)를 가질 수 있다. 예를 들어, LiDAR 칩(111)의 총 CP 수에 의해 제한되는 SCPA 지원 이산 빔 스캐닝(SCPA-enabled discrete beam scanning)은 한 차원에서 조밀한 각도 단계 크기를 갖고 다른 차원에서 거친 각도 단계 크기를 가질 수 있다.
도 4a는 하나 이상의 실시예들에 따른, 투과형 회절 격자(400)를 포함하는 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템을 위한 광학 빔 조향 구조를 도시한다. 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 LiDAR 칩(111), 렌즈 시스템(300), 및 투과형 회절 격자(400)를 포함한다. LiDAR 칩(111) 및 렌즈 시스템(300)은 환경으로 출사되는 빔(400, 401)을 생성하기 위해 도 3을 참조하여 기술한 것과 같이 동작한다. 투과형 회절 격자(400)는 렌즈 시스템(300)에서 출사되는 빔(400, 401)의 방향을 변경한다. 회절 각도는 LiDAR 칩(111)에 대한 입력 광원의 광학 파장을 조정하여 변경됨으로써, 렌즈 시스템(300)으로부터의 출력의 (예를 들어, CP 방출 광의 위치에 기초한) 거친 이산 조향 위치 사이에서 연속적인 조향을 허용한다. 예를 들어, λ1, λ2 및 λ3은 3개의 서로 다른 광학 파장을 나타내며, 도시된 바와 같이 투과형 회절 격자는 서로 다른 파장의 빛을 서로 다른 위치로 회절시킨다. 따라서, 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 환경의 특정 영역에 빔을 배치하기 위해 상이한 CP들에서 광을 방출하고(즉, 거친 광학 조향), 빔의 더 미세한 광학 조향을 위해 방출된 빔의 파장을 조정(예를 들어, λmin에서 λmax로)할 수 있다. 격자는 1D 격자 또는 2D 격자일 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자는 대부분의 전력을 단일 순서로 집중시키도록 설계된 블레이즈드 격자(blazed grating)이다. 일부 실시예들에서, 격자는 예를 들어 원치 않는 고차(higher order)로 누출된 에너지를 억제하도록 설계된 맞춤형 2D 격자이며, 1D 격자 또는 이들의 일부 조합에 대해 발생할 수 있는 크로마틱 선형 스캐닝(chromatic linear scanning)의 각도 왜곡을 보상한다.
도 4b는 하나 이상의 실시예들에 따른, 반사형 회절 격자(410)를 포함하는 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템을 위한 광학 빔 조향 구조를 도시한다. 도 4b의 솔리드 FMCW LiDAR 시스템은 도 4a의 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템과 실질적으로 동일한 방식으로 작동한다.
따라서, 도 4a 및 도 4b의 격자는 렌즈 시스템(300)으로부터 방출된 하나 이상의 빔을 환경으로 회절시키도록 위치되고, 회절의 양은 하나 이상의 빔의 파장에 부분적으로 기초한다. 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 파장 범위에 걸쳐 하나 이상의 빔의 파장을 조정함으로써 (즉, SCPA의 서로 다른 CP의 선택적 활성화에 부분적으로 기반하여), 회절량이 제1 스캐닝 해상도보다 더 조밀한 제2 스캐닝 해상도(즉, 격자의 해상도)를 제공하도록 변경될 수 있다.
도 5는 도 4a 및 4b의 솔리드 스테이트 LiDAR 시스템에 의해 생성된 스캐닝 및 획득 패턴의 예를 도시한다. λmin에서 λmax까지의 크로마틱 스캐닝을 통해, 각 코히런트 픽셀은 자유 공간 내에서 연속적인 라인의 섹션(이하에서 스캔 라인으로 칭함)을 생성할 수 있으며, 환경에 투영된 서로 다른 스캔 라인에 매핑되는 서로 다른 코히런트 픽셀(예: CPI, CP2)들을 생성할 수 있다.
FMCW LiDAR는 각 스캔 라인에 대한 연속 신호를 수신하며, 이는 일반적으로 완전한 거리 및 속도 측정을 수행하고 개별적인 LiDAR 포인트를 생성하는 데 필요한 타임 윈도우(예를 들어, 수 밀리초)보다 훨씬 더(예를 들어, 10-100배) 길다. FMCW LiDAR의 거리 및 속도 측정은 대부분 고속 푸리에 변환(FFT) 형태의 푸리에 변환에서 추출된 정보에 기반한다. 각 스캔 라인에 대해, 연속적인 타임-도메인 신호의 연속적이고 비중첩적인 분할에 대해 FFT가 수행될 수 있다. 예를 들어, 필요한 타임 윈도우가 10μs이고 스캔 라인이 1ms인 경우, 일반적으로 100회의 FFT가 수행되어 ~100개의 LiDAR 포인트를 생성한다. 슬라이딩 이산 푸리에 변환(SDFT; Sliding Discrete Fourier Transform)은 각 픽셀 그룹 내에서 연속 스캔의 각도 위치를 보간함으로써, 일반적인 고속 푸리에 변환(FFT)와 비교하여 훨씬 높은 해상도를 달성할 수 있다. SDFT는 이용하면 측정 간격(각도 단계 크기)을 필요한 타임 윈도우의 일 부분으로 설정할 수 있다. 예를 들어, 타임 윈도우가 10μs이고 스캔 라인이 1ms인 경우, 만약 측정 간격이 5μs로 설정되면, 200회의 SDFT 수행을 통해 ~200개의 LiDAR 포인트를 생성할 수 있다. LiDAR 포인트의 수는 비중첩 FFT의 경우에 비해 2배가 된다. 측정 간격이 작을수록 고정 스캔 라인에 대한 포인트의 개수는 증가될 수 있다. 인접한 두 서브프레임의 스캔 라인 사이의 선택적 공간 중첩은 SDFT 윈도우가 슬라이드하기에 충분한 헤드룸을 보장한다. 이와 같이, 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 하나 이상의 빔을 환경에 투사할 수 있다. 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 복수의 CP 그룹을 포함하는 SCPA를 포함한다. 각 CP 그룹은 환경의 다른 영역에 대응된다. 하나 이상의 빔의 일부는 환경 내의 물체에 반사되어 최소 두 그룹의 CP에 의해 감지된다. 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 SDFT를 사용하여 하나 이상의 빔의 검출된 부분으로부터 물체의 각도 위치를 보간할 수 있다.
FMCW 레이저 소스는 시간 도메인에서 LiDAR 픽셀에 동기화되는 주파수 처프를 생성한다. 각 픽셀에 대해, FMCW LiDAR의 주파수 응답의 하나의 상향 램프와 하나의 하향 램프를 사용하여 도플러 효과를 기반으로 속도와 거리를 동시에 계산할 수 있다.
도 6은 하나 이상의 실시예에 따른, 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템의 CP와 레이저 소스 사이의 두 가지 동기화 방법을 도시한다. 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 여기에 설명된 실시예 중 어느 하나일 수 있다. 도 6은 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템의 레이저 소스를 처핑하는 두 가지 방법(A 및 B)을 나타낸다. 가로축은 시간이고 세로축은 주파수이다. 방법 A에서, 광은 주파수 응답이 SDFT의 픽셀 시간과 동일한 주기를 갖는 삼각 파형이 되도록 처프된다. 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 빔을 환경으로 스캔하고, 스캔하는 동안 환경 내의 물체에서 반사된 빛의 주파수를 측정한다. 각 측정에는 유한한 시간이 소요된다. 두 개의 측정 - 하나는 레이저 주파수가 선형적으로 증가하는 동안(상향 램프), 다른 하나는 레이저 주파수가 선형적으로 감소하는 동안(하향 램프) - 이 단일 포인트 측정에 사용된다. 픽셀 시간은 상향 램프 및 하향 램프의 연속된 쌍을 나타낸다.
방법 B에서, 레이저 소스(또는 소스들)는 2개의 상보적인(complementary) 삼각형 처프 신호(처프1 및 처프2로 표기됨)가 존재하도록 처프된다. 이러한 상보적인 처프 신호는 동일한 광빔에 적용되거나 두 개의 개별 빔에 적용될 수 있다. 예를 들어, 2개의 빔의 경우, 제1 레이저 광원은 처프1 주파수 응답을 갖도록 처프되고, 제2 레이저 광원은 동시에 처프2 주파수 응답을 갖도록 처프된다. 따라서, 레이저 광원들은 상보적인 방식으로 동시에 처프되고(즉, 동일한 패턴을 갖지만 위상이 180도 상이함), 단일 픽셀 시간에 걸쳐 상향 램프 및 하향 램프 측정을 동시에 제공한다. 단일 레이저 소스를 사용하는 실시예에서, 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 레이저 소스를 처프(예를 들어, 처프1)하고 스캐닝하는 동안 물체에 대한 상향 램프 측정을 수행한다. 다음으로 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은 상보적인 방식으로 빔을 처프(예를 들어, 처프2)하고 (물체의 동일한 위치에 대해) 하향 램프 측정을 수행한다. 이 경우, 두 처프 신호의 주기가 단일 푸리에 변환을 수행하는 데 필요한 타임 윈도우와 동일할 필요는 없다. 이는 FMCW 소스에 대한 처핑 대역폭 요구 사항을 완화한다. 두 방법 모두 각 SDFT 윈도우에서 주파수 상향 램프 및 하향 램프에 대해 항상 동일한 지속 시간을 확인하도록 보장한다. 복잡한 신호(예컨대 광 하이브리드의 I/Q와 같은)를 생성하는 CP를 사용함으로써, FMCW 측정(속도 및 거리 계산)을 모호성 없이 수행할 수 있다. 로컬 주파수 변조가 크로마틱 스캐닝에 사용될 수 있는 느리게 변화하는 파장 스윕(wavelength sweep) 위에 추가될 수 있음에 유의하라.
도 7은 하나 이상의 실시예에 따른 FPA 시스템을 포함하는 솔리드 스테이트 LiDAR 시스템을 도시한다. FPA 시스템은 상호형 시스템일 수 있다. FPA 시스템은 광학 회절 격자(705), 렌즈 시스템(300), 및 LiDAR 칩(111)을 포함한다. 회절 격자는 앞서 도 4a 및 4b에서 논의한 바와 같이 투과형(transmissive) 회절 격자 또는 반사형(reflective) 회절 격자일 수 있다. LiDAR 칩(111) 내의 CP들은 FPA 드라이버(710)에 의해 제어되는 하나 이상의 SPCA(101)들의 일부이다. LiDAR 칩(111)의 하나 이상의 개별 CP들은 광을 방출 및 수신하도록 활성화될 수 있다. LiDAR 칩(111)에 의해 방출된 광은 Q-채널 레이저 어레이(715)에 의해 생성된다. Q-채널 레이저 어레이(715)는 Q개의 병렬 채널들을 갖는 레이저 어레이이고, 여기서 Q는 정수이다. Q-채널 레이저 어레이(715)는 LiDAR 칩(111)과 직접 통합될 수 있거나 LiDAR 칩(111)과 함께 패키징된 별도의 모듈일 수 있다. Q-채널 레이저 어레이(715)는 레이저 컨트롤러(720)에 의해 제어된다. 몇몇 실시예들에서, Q-채널 레이저 어레이(715)는 일정 파장 범위에 걸쳐 조정(tunable)될 수 있다.
레이저 컨트롤러(720)는, 디지털-아날로그 컨버터(730)를 통해, LiDAR 처리 엔진(725)으로부터 제어 신호를 수신한다. 또한, 처리는 FPA 드라이버(710)를 제어하고 LiDAR 칩(111)으로부터 데이터를 송신 및 수신한다.
LiDAR 처리 엔진(725)은 마이크로컴퓨터(735)를 포함한다. 마이크로컴퓨터(735)는 FPA 시스템으로부터 오는 데이터를 처리하고 FPA 드라이버(710) 및 레이저 컨트롤러(720)를 통해 FPA 시스템으로 제어 신호들을 송신한다. LiDAR 처리 엔진(725)은 또한 N 채널 수신기(740)를 포함한다. 신호는 N 채널 수신기(740)에 의해 수신되고, 상기 신호는 M 채널 아날로그-디지털 컨버터(ADC, 745)들의 세트를 이용하여 디지털화된다.
추가 구성 정보
도면들 및 이전의 설명은 단지 예시로서 바람직한 실시예들에 관한 것이다. 전술한 바와 같이 본원에 개시된 구조들 및 방법들의 대안적인 실시예들은 청구항의 원리로부터 벗어나지 않으면서 채용될 수 있는 실행 가능한 대안들로서 용이하게 인식될 것이라는 것에 유의한다.
상세한 설명은 다수의 세부 사항을 포함하지만, 이들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며 단지 상이한 예를 예시하는 것으로 해석되어야 한다. 본 개시 내용의 범위는 위에서 상세히 논하지 않은 다른 실시예를 포함한다는 것을 이해해야 한다. 본원에 개시된 방법 및 장치의 배열, 동작 및 세부 사항에 대해, 첨부된 청구범위에 정의된 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 통상의 기술을 가진 자에게 자명할 다양한 다른 변형들, 변화들 및 변경들이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이의 법적 균등물에 의해 결정되어야 한다.
대안적인 실시예들은 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 및/또는 이들의 조합으로 구현된다. 구현예들은 프로그래머블 프로세서에 의한 실행을 위해 기계 판독 가능한 저장 장치에 실재적으로 구체화된 컴퓨터 프로그램 제품으로 구현될 수 있으며; 방법 단계들은 입력 데이터에 대해 동작하고 출력을 생성하는 것에 의해 기능들을 수행하기 위해 명령어 프로그램을 실행하는 프로그래머블 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 실시예들은, 유리하게는, 데이터 저장 시스템, 적어도 하나의 입력 장치 및 적어도 하나의 출력 장치로부터 데이터 및 명령어들을 수신하고 이로부터 데이터 및 명령어를 송신하도록 결합된 적어도 하나의 프로그래머블 프로세서를 포함하는 프로그래머블 시스템에서 실행 가능한 하나 이상의 컴퓨터 프로그램에서 구현될 수 있다. 각각의 컴퓨터 프로그램은 고급의 절차적 또는 객체 지향적 프로그래밍 언어 또는 원하는 경우 어셈블리 또는 기계어로 구현될 수 있으며; 임의의 경에, 언어는 컴파일되거나 인터프리트된 언어일 수 있다. 적절한 프로세서들은, 예로서, 범용 및 특수 목적 마이크로프로세서들을 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 리드 온리 메모리(ROM) 및/또는 랜덤 액세스 메모리(RAM)로부터 명령어 및 데이터를 수신한다. 일반적으로, 컴퓨터는 데이터 파일을 저장하기 위한 하나 이상의 대용량 저장 장치를 포함할 것이며; 이러한 장치는 내부 하드 디스크 및 이동식 디스크와 같은 자기 디스크; 광자기 디스크; 및 광 디스크를 포함한다. 컴퓨터 프로그램 명령어들 및 데이터를 실재적으로 구현하기에 적절한 저장 장치들은, 예로서, EPROM, EEPROM 및 플래시 메모리 장치와 같은 반도체 메모리 장치; 내부 하드 디스크 및 이동식 디스크와 같은 자기 디스크; 광자기 디스크; 및 CD-ROM 디스크를 포함하는 모든 형태의 비휘발성 메모리를 포함한다. 전술된 모든 것은 주문형 집적 회로(ASIC: application-specific integrated circuit) 및 다른 형태의 하드웨어에 의해 보완되거나 그에 통합될 수 있다.

Claims (20)

  1. 솔리드 스테이트 주파수 변조 연속파 (FMCW) 광 검출 및 거리 측정 (LiDAR) 시스템의 초점 평면 어레이 (FPA) 시스템으로서:
    LiDAR 칩 상의 스위처블 코히런트 픽셀 어레이 (SCPA; Switchable Coherent Pixel Array) - 상기 SCPA는 코히런트 픽셀(CP)들을 포함하며, 각각의 상기 코히런트 픽셀들은 코히런트 광을 방출하도록 구성됨 -; 및
    상기 SCPA로부터 방출되는 코히런트 광을 하나 이상의 광 빔들으로서 환경 내로 지향시키도록 위치되는 렌즈 시스템 - 상기 하나 이상의 광 빔들은 각각 특정 각도로 방출되며 상기 특정 각도는 부분적으로 상기 하나 이상의 광 빔들을 형성하는 상기 코히런트 광을 생성한 상기 LiDAR 칩 상의 상기 CP들의 위치에 부분적으로 기초함 -
    을 포함하는, 초점 평면 어레이 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 초점 평면 어레이 시스템은,
    상기 SCPA의 서로 다른 CP들의 선택적인 활성화에 부분적으로 기초하여, 상기 환경 내에서 2차원으로 상기 하나 이상의 광 빔들을 제1 스캐닝 해상도로 스캔하도록 구성되는, 초점 평면 어레이 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 초점 평면 어레이 시스템은,
    상기 렌즈 시스템으로부터 방출되는 하나 이상의 빔들을 상기 환경 내로 회절시키도록 위치되되, 회절량은 상기 하나 이상의 빔들의 파장에 부분적으로 기초하는 회절 격자를 더 포함하며,
    상기 하나 이상의 빔들의 파장은 일정 파장 범위에 걸쳐 조정됨으로써, 상기 격자의 회절량이 상기 제1 스캐닝 해상도보다 조밀한 제2 스캐닝 해상도를 제공하도록 변경되는, 초점 평면 어레이 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 회절 격자는 제1 회절 차수의 광을 주로 방출하는 블레이즈드 격자(blazed grating)인, 초점 평면 어레이 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 회절 격자는 반사형 회절 격자인, 초점 평면 어레이 시스템.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 회절 격자는 투과형 회절 격자인, 초점 평면 어레이 시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 SCPA의 제1 세트의 CP들은, 상기 제1 세트의 각 CP로부터 방출된 빛이 상기 환경 내의 제1 연속선의 각각의 섹션에 맵핑되고,
    상기 SCPA의 제2 세트의 CP들은, 상기 제2 세트의 각 CP로부터 방출된 빛이 상기 환경 내의 상기 제1 연속선과 상이한 제2 연속선의 각각의 섹션에 맵핑되는, 초점 평면 어레이 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 빔의 일부는 환경 내의 물체에 반사되어 상기 SCPA의 적어도 2개의 CP들의 그룹에 의해 검출되고,
    각각의 CP들의 그룹은 상기 환경의 상이한 영역에 대응되고,
    슬라이딩 이산 푸리에 변환(SDFT; Sliding Discrete Fourier Transform)이 상기 하나 이상의 빔의 검출된 부분으로부터 상기 물체의 각도 위치(angular position)을 보간하기 위해 사용되는, 초점 평면 어레이 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    제8항에 있어서, 코히런트 광을 상기 초점 평면 어레이 시스템에 제공하는 FMCW 소스에 의해 방출되는 상기 광의 주파수 응답은, 삼각 파형이고 SDFT에 대한 픽셀 시간과 동일한 주기를 갖는, 초점 평면 어레이 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    제1 FMCW 소스 및 제2 FMCW 소스는 코히런트 광을 상기 초점 평면 어레이 시스템에 제공하도록 구성되고,
    제1 FMCW 소스는 제1 위상에서 삼각 파형인 제1 주파수 응답을 갖는 광을 방출하도록 구성되고,
    제2 FMCW 소스는 제2 위상에서 삼각 파형인 제2 주파수 응답을 갖는 광을 방출하도록 구성되며,
    상기 제2 위상은 상기 제1 위상과 180도 상이한, 초점 평면 어레이 시스템.
  11. 솔리드 스테이트 주파수 변조 연속파 (FMCW) 광 검출 및 거리 측정 (LiDAR) 시스템으로서:
    광을 방출하는 레이저 소스;
    LiDAR 칩 상의 스위처블 코히런트 픽셀 어레이 (SCPA; Switchable Coherent Pixel Array) - 상기 SCPA는 적어도 상기 레이저 소스로부터의 상기 광을 이용하여 하나 이상의 코히런트 픽셀(CP)들을 통해 상기 광을 선택적으로 방출하도록 구성됨 -; 및
    상기 SCPA로부터 방출되는 광을 하나 이상의 광 빔들으로서 환경 내로 지향시키도록 위치되는 렌즈 시스템 - 상기 하나 이상의 광 빔들은 각각 특정 각도로 방출되며 상기 특정 각도는 부분적으로 상기 하나 이상의 광 빔들을 형성하는 상기 코히런트 광을 생성한 상기 LiDAR 칩 상의 상기 CP들의 위치에 부분적으로 기초함 -
    을 포함하는, LiDAR 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 LiDAR 시스템은,
    상기 SCPA의 서로 다른 CP들의 선택적인 활성화에 부분적으로 기초하여, 상기 환경 내에서 2차원으로 상기 하나 이상의 광 빔들을 제1 스캐닝 해상도로 스캔하도록 상기 LiDAR 칩에게 지시하도록 구성되는 컨트롤러를 더 포함하는, LiDAR 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 솔리드 스테이트 FMCW LiDAR 시스템은:
    상기 렌즈 시스템으로부터 방출되는 하나 이상의 빔들을 상기 환경 내로 회절시키도록 위치되되, 회절량은 상기 하나 이상의 빔들의 파장에 부분적으로 기초하는 회절 격자를 더 포함하며,
    상기 하나 이상의 빔들의 파장은 일정 파장 범위에 걸쳐 조정됨으로써, 상기 격자의 회절량이 상기 제1 스캐닝 해상도보다 조밀한 제2 스캐닝 해상도를 제공하도록 변경되는, LiDAR 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 회절 격자는 제1 회절 차수의 광을 주로 방출하는 블레이즈드 격자(blazed grating)인, LiDAR 시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 회절 격자는 반사형 회절 격자인, LiDAR 시스템.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 회절 격자는 투과형 회절 격자인, LiDAR 시스템.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 SCPA의 제1 세트의 CP들은, 상기 제1 세트의 각 CP로부터 방출된 빛이 상기 환경 내의 제1 연속선의 각각의 섹션에 맵핑되고,
    상기 SCPA의 제2 세트의 CP들은, 상기 제2 세트의 각 CP로부터 방출된 빛이 상기 환경 내의 상기 제1 연속선과 상이한 제2 연속선의 각각의 섹션에 맵핑되는, LiDAR 시스템.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 하나 이상의 빔의 일부는 환경 내의 물체에 반사되어 상기 SCPA의 적어도 2개의 CP들의 그룹에 의해 검출되고,
    각각의 CP들의 그룹은 상기 환경의 상이한 영역에 대응되고,
    슬라이딩 이산 푸리에 변환(SDFT; Sliding Discrete Fourier Transform)이 상기 하나 이상의 빔의 검출된 부분으로부터 상기 물체의 각도 위치(angular position)을 보간하기 위해 사용되는, LiDAR 시스템.
  19. 청구항 18에 있어서,
    제8항에 있어서, 상기 코히런트 광의 주파수 응답은, 삼각 파형이고 SDFT에 대한 픽셀 시간과 동일한 주기를 갖는, LiDAR 시스템.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 레이저 소스로부터 방출되는 상기 광은 제1 위상에서 삼각 파형인 주파수 응답을 가지고, 상기 FMCW LiDAR 시스템은:
    제2 위상에서 삼각 파형인 제2 주파수 응답을 가지는 광을 방출하도록 구성되며, 상기 제2 위상은 상기 제1 위상과 180도 상이한, 제2 레이저 소스를 더 포함하며,
    상기 SCPA로부터 방출되는 상기 광은 상기 레이저 소스 및 상기 제2 레이저 소스에서 방출되는 광을 모두 포함하는, LiDAR 시스템.
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