KR102433895B1 - Lidar 수신 유닛 - Google Patents

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랄프 베셀
마이클 키엔
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이베오 오토모티브 시스템즈 게엠베하
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Abstract

초점 평면 어레이 어셈블리에서의 LIDAR 수신 유닛(12)으로서, 매크로 셀(44)에 배치된 복수의 센서 소자(26)와 복수의 판독 소자(28)를 포함하고, 하나의 매크로 셀(44)에 적어도 2개의 센서 소자(26)가 할당되며, 각각의 센서 소자(26)는 개별적으로 활성화 및 비활성화될 수 있거나 센서 소자(26)의 그룹으로 활성화 및 비활성화될 수 있다.
또한, LIDAR 수신 유닛의 2개의 추가 실시예가 설명된다.

Description

LIDAR 수신 유닛
본 발명은 LIDAR 수신 유닛에 관한 것이다.
LIDAR 측정 시스템이 WO 2017/081294로부터 공지되어 있다. 이 LIDAR 측정 시스템은 송신 유닛, 송신 렌즈, 수신 렌즈 및 수신 유닛을 포함한다. 송신 유닛의 하나 이상의 이미터 소자는 레이저 광을 방출하며, 이 레이저 광은 송신 렌즈를 통해 상이한 공간 방향으로 산란된다. 그 다음, 레이저 광은 물체에서 반사되어 수신 렌즈를 통해 수신 유닛으로 향한다. 입사 반사 레이저 광은 센서 소자에 의해 검출된다. 이 시스템의 이점은 컴팩트한 방식으로 구축될 수 있고, 고정적이라는 점, 즉 이미터 소자 또는 센서 소자에 이동 가능한 조정 소자가 필요하지 않다는 점이다.
송신 유닛이 레이저 광을 방출하는 송신 공간은 송신 렌즈에 의해 정의된다. 또한, 이 송신 렌즈는 수신 렌즈와 기본적으로 동일하다. 이미터 소자 및 센서 소자는 동일한 공간 구조에서 각각의 유닛의 평면 상에 배치된다. 하나의 센서 소자가 하나의 이미터 소자에 할당되어, 그 결과의 쌍이 각 렌즈를 통해 동일한 공간 각도를 확인한다. 이미터 소자 및 센서 소자의 분포는, 예를 들어, 행과 열의 형태일 수 있다. 최적의 경우, 이미터 소자에 의해 방출되고 물체에서 반사되는 레이저 광은 대응 센서 소자에 정확하게 충돌한다. 그러나, 예를 들어 사용된 렌즈의 이미징 오류로 인해, 레이저 광이 굴절될 수 있고, 센서 소자 표면의 일부만이 조사된다.
따라서, 본 발명의 목적은 입사 레이저 광의 개선된 검출을 가능하게 하는 수신 유닛을 제공하는 것에 있다.
이 목적은 청구항 1에 따른 LIDAR 수신 유닛에 의해 달성된다. 종속항은 본 발명의 유리한 설계 변형을 나타낸다.
LIDAR 측정 시스템의 LIDAR 수신 유닛이 제안된다. LIDAR 수신 유닛을 갖는 LIDAR 측정 시스템도 상기 목적을 달성한다. 특히, LIDAR는 고정적으로, 즉 차량에 부동 배치로 설계된다. LIDAR 수신 유닛의 기본 구성은 종래 기술에 따라 설계된다. LIDAR 수신 유닛은 매크로 셀(macro cell)에 배치된 복수의 센서 소자를 포함한다. 이에 따라, 더 이상, 종래 기술에서와 같이 하나의 이미터 소자를 하나의 센서 소자에 할당하는 것이 아니라, 하나의 이미터 소자를 하나의 매크로 셀, 즉 복수의 센서 소자에 할당한다. 따라서, 수신 유닛 상의 매크로 셀은 임의로 정의될 수 없고, 기본적으로 정의된 공간 각도에 할당된다.
LIDAR 수신 유닛은 유리하게는 초점 평면 어레이 구조로 구현된다. 수신 유닛의 센서 소자는 기본적으로 동일한 평면 상에, 유리하게는 칩 상에 배치된다. 또한, 수신 유닛은 LIDAR 측정 시스템 상에서 수신 렌즈의 초점에 배치된다. 특히, LIDAR 수신 유닛의 센서 소자는 수신 렌즈의 초점에 배치된다.
예를 들어, 센서 소자는 단일 광자 애벌런치 다이오드(single-photon avalanche diode)(이하, SPAD라 함)로 형성될 수 있다. 이러한 SPAD는 단일 광자의 도달로 애벌런치 효과(avalanche effect)를 유발하여 광자를 검출할 수 있게 하는 애벌런치 다이오드(avalanche diode) 유형이다. 이러한 SPAD는 바이어스 전압을 인가함으로써 활성화될 수 있다. 전압을 낮추면 SPAD가 비활성화된다. 대안적인 센서 소자로서, 예를 들어 SiPM으로도 알려진 실리콘 광전자 증배기(silicon photomultiplier)가 사용될 수 있다.
매크로 셀 내의 배치는 센서 소자의 더 큰 복합체로의 조합을 의미한다. 이 복합체 또는 매크로 셀은 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현될 수 있으며, 전자는 바람직하게는 전기 회로의 고정 피스 형태이다. 예를 들어, 이 회로는 센서 소자가 배치된 칩 상에서 구현될 수 있다.
또한, LIDAR 수신 유닛은 복수의 판독 소자를 갖는다. 판독 소자는 시간-디지털 변환기(time-to-digital converter; TDC)로서 유리하게 설계된다. 이 판독 소자는 센서 소자 또는 SPAD의 트리거링을 검출하고, 이 검출을 저장 소자로 전달한다. 저장 소자는, 바람직하게는, 시간의 함수로서 센서 소자의 트리거링을 저장하는 히스토그램을 나타낸다. 시간은 이미터 소자에 의한 레이저 광의 방출로 시작하여 측정 사이클이 완료되면 종료된다. 이는 레이저 광의 비행 시간(time-of-flight)과 이에 따른 물체까지의 거리가 결정될 수 있게 한다. 판독 소자 및 저장 소자의 특정 기술 설계는 본 발명과 관련하여 무시될 수 있다. 궁극적으로 중요한 것은, 센서 소자가 히스토그램 내에 디지털 값으로 저장되는 광자를 검출하는 것이며, 중요한 인자는 LIDAR 측정 시스템의 관련 이미터 소자에 의해 레이저 광이 방출된 이후의 경과 시간이다.
LIDAR 측정 시스템에서, 시간 대응 단일 광자 계수(Time Corresponding Single Photon Counting; TCSPC) 방법을 사용하는 것이 특히 유리하다. 물체를 감지하고 그 거리를 결정하기 위해, 복수의 이러한 측정 사이클을 포함하는 측정 프로세스가 수행된다. 각 측정 사이클이 히스토그램을 채우고, 마지막 측정 후에 물체와 그 거리를 결정하기 위해 히스토그램이 평가된다.
매크로 셀에는 적어도 2개의 센서 소자가 할당된다. 매크로 셀의 센서 소자의 수는 유리하게는 2개보다 많으며, 특히 매크로 셀 당 2개와 40개 사이의 센서 소자가 있다.
센서 소자는 개별적으로 또는 그룹으로 활성화 및 비활성화될 수 있다. 예를 들어, 제어 전자 장치에 연결되는 하드웨어에서 SPAD의 상호 연결에 의해 개별적으로 또는 그룹으로 수행될 수 있다. 매크로 셀의 각 센서 소자가 개별적으로 활성화될 수 있는 제1 변형예가 바람직하다. 그룹별 활성화는 매크로 셀의 센서 소자의 서브 세트 또는 전체 수로 간편하게 제한되며, 이는 동시에 활성화 및 비활성화될 수 있다. 매크로 셀은 1개, 2개, 3개, 4개 또는 그보다 많은 센서 소자의 서브 세트를 가질 수 있다.
개별 센서 소자 또는 센서 소자 그룹을 활성화 또는 비활성화하는 기능은 방해 인자를 보상할 수 있도록 한다. 이는 상기 언급된 LIDAR 측정 장치의 광학 시스템의 이미징 오류일 수 있다. 이에 따라, 조사가 저조하거나 조사되지 않은 센서 소자는 비활성화된다. 제대로 조사되거나 완전히 조사된 센서 소자가 그에 따라 활성화된다. 이는 센서 소자 그룹에도 동일하게 적용된다. 필요한 경우, 초기 작동 또는 특정 시간 간격에 최적의 센서 소자를 선택하여 관련 정적 오류 원인을 보상할 수 있는 구조가 수행되어야 한다.
특히, 매크로 셀의 센서 소자의 측정된 값은 동일한 공간 각도를 평가하는 데 사용된다. 이는, 동일한 공간 각도와 관련하여 평가에 측정 데이터가 함께 사용되는 경우, 매크로 셀에 단일의 평가 소자가 할당되는지 또는 둘 이상이 할당되는지 여부와는 궁극적으로 독립적이다. 예를 들어, 상이한 판독 소자가, 특히 히스토그램을 나타내는, 동일한 저장 소자에 연결될 수 있다.
추가적인 이점은 signal-to-noise-ratio 또는 SNR이라고도 하는 신호 대 잡음비가 감소한다는 것이다. 특히, 레이저 광에 의해 조사되지 않은 센서 소자를 비활성화함으로써 주변 복사(ambient radiation)의 유입으로 인한 배경 잡음을 감소시킨다.
특히, 이것은 관련 송신 유닛의 아키텍처(architecture)와 관련하여 유리하다. 이는 복수의 이미터 소자를 포함하며, 이미터 소자는 칩에서 비교적 먼 거리에 있다. 종래 기술에 따른 관련 수신 유닛은 동일한 공간 배치에서 센서 소자를 가지며, 각 센서 소자는 대응 요소로서 동일하게 공간적으로 배치된 이미터 소자를 갖는다. 종래 기술에서는, 입사 레이저 광이 검출될 수 없는 센서 소자 사이에 공간이 남아있다. 일반적으로, 예를 들어, 수직 공동 표면-발광 레이저(vertical cavity surface-emitting laser; VCSEL)로 설계된 이미터 소자는 센서 소자, 예컨대 SPAD,보다 큰 직경을 갖는다. 이에 따라, 레이저 직경은 SPAD의 표면적보다 클 수 있다. 따라서, 수신 유닛 상에 복수의 SPAD를 구현하여 둘 이상의 인접한 SPAD가 동시에 조사되는 것이 실용적이다. 이에 따라, 이미터 소자 당 다수의 센서 소자가 수신 유닛 상에 유리하게 형성되며, 이는 이전 및 이후의 실시예에 따라 상호 작용하여 매크로 셀을 형성한다.
이하에서, 본 발명의 유리한 변형예가 더욱 상세하게 설명된다.
하나의 센서 소자가 오직 하나의 판독 소자에만 연결되는 것이 제안된다. 한편, 판독 소자는 둘 이상의 센서 소자, 특히 동일한 매크로 셀 및/또는 상이한 매크로 셀의 둘 이상의 센서 소자에 연결될 수도 있다.
센서 소자에 의해 검출되는, 입사하는 광자는 따라서 히스토그램에 오직 한 번만 저장된다. 또한, 판독 소자는 여러 센서 소자에 의해 작동할 수 있어서 비용적으로 효과적이며 공간적으로 최적화된 아키텍처를 제공한다. 판독 소자는 오직 하나의 활성 센서 소자만 판독할 수 있으므로, 동일한 판독 소자에 연결된 비활성화된 센서 소자는 측정에 영향을 주지 않는다. 결국, 동일한 판독 유닛에 연결된 모든 센서 소자가 동시에 판독되지만 오직 하나의 활성 센서 소자만 광자를 검출할 수 있다.
유리하게는, 제1 매크로 셀의 센서 소자는 적어도 하나의 제1 판독 소자에 연결되고, 제2 매크로 셀의 센서 소자는 제2 판독 소자에 연결된다.
이는 입사하는 레이저 펄스와 관련하여 개별 공간 각도의 분리 평가를 가능하게 한다. 상기 언급된 이점은, 조사된 센서 소자를 활성화시키고 조사되지 않은 센서 소자를 비활성화함으로써 달성될 수도 있다. 이미징 오류의 보상 이외에, 다른 유리한 효과를 제공하는 다른 방법도 적용될 수 있다. 그러나 이는 본 명세서에서 설명되지 않는다.
매크로 셀의 각 센서 소자는 동일한 판독 소자에 연결될 수 있다. 그러나 매크로 셀의 각 센서 소자는 별도의 판독 소자에 연결될 수도 있다. 또는, 매크로 셀의 센서 소자의 둘 이상의 서브 세트가 각각 동일한 판독 소자에 연결될 수 있다. 따라서, 각 서브 세트는 상이한 판독 소자에 연결된다. 첫 번째 경우, 매크로 셀에는 하나의 판독 소자가 할당되고, 두 번째 및 세 번째 경우에는 매크로 셀에 복수의 판독 소자가 할당된다. 그러나 이들 세 가지 설계 변형예는 제3 매크로 셀과 같은 다른 매크로 셀로부터의 추가 센서 소자가, 이미 제1 매크로 셀의 하나 이상의 센서 소자에 연결된 판독 소자에 연결될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다. 이 섹션에서 언급된 세 가지 변형예 각각은 다음 단락의 서술과 양립할 수 있다.
매크로 셀은 매크로 셀의 적어도 하나의 센서 소자가 활성화될 때 활성화된다. LIDAR 측정 시스템은 일반적으로 그 주변 환경을 스캔하므로, 수신 유닛의 모든 매크로 셀이 동시에 활성화되지는 않는다. 대신, 매크로 셀, 특히 매크로 셀 그룹이 차례로 활성화 및 비활성화된다. 간단한 예로, 센서 소자 및 이미터 소자의 직사각형 어레이 패턴에서 수평 스캔은 이미터 소자와 센서 소자를 하나씩 스캔함으로써, 즉 활성화 및 비활성화함으로써 수행된다. 이것을 스캐닝 방식이라고도 한다. 특히, 조사되어야 하는 공간 각도의 매크로 셀 또는 센서 소자만 활성화되기 때문에 방향 분해능의 개선이 가능하게 된다.
이미터 소자는 측정 사이클의 시작 시점에서 레이저 광을 방출하며, 관련 센서 소자가 측정 사이클 동안 활성화된다. 따라서, 판독 소자는 그것이 연결된 상이한 매크로 셀의 센서 소자를 판독할 수 있다. 이 판독 소자는 바람직하게는 매크로 셀의 센서 소자에만 연결되며, 매크로 셀은 스캐닝 프로세스 동안 동시에 활성화되지 않는다. 예를 들어, 이 간단한 예에서, 동일한 행에 위치한 센서 소자는 이 행에 대한 동일한 판독 소자에 연결될 수 있다. 결국, 스캐닝 프로세스의 순서는 센서 소자 및 판독 소자의 아키텍처에 의해 이미 부분적으로 결정되거나, 또는 수신 유닛의 아키텍처를 설계할 때 스캐닝 유형을 반드시 확인해야 한다.
활성 매크로 셀의 센서 소자와 동시에 활성화된 다른 매크로 셀의 센서 소자는 상이한 판독 소자에 연결되거나 또는 동일한 판독 소자에 연결되지 않는다. 다시 말해서, 제1 활성 매크로 셀의 센서 소자는 적어도 하나의 제1 판독 소자에 연결되고, 동시에 활성화된 제2 측정 셀의 센서 소자는 적어도 하나의 제2 판독 소자에 연결되며, 추가 활성 측정 셀에 대해서도 이와 같다. 이 경우, 동일한 시간은 동일한 측정 사이클 내를 의미한다. 판독 소자를 공유하기 위해서, 활성 매크로 셀의 센서 소자와 동시에 활성화되지 않은 매크로 셀의 센서 소자가 동일한 판독 소자에 연결될 수 있다. 이는 동일한 판독 소자를 연속적으로 활성화되는 매크로 셀에 사용할 수 있게 한다. 매크로 셀에서 판독 소자를 각 센서 소자에 할당할 수 있고, 판독 소자를 매크로 셀의 센서 소자의 서브 그룹 또는 매크로 셀의 모든 센서 소자에 할당할 수 있기 때문에, 이 섹션의 서술은 물론 이전의 서술과 관련하여 이해하여야 한다.
판독 소자가 상이한 매크로 셀의 복수의 센서 소자에 연결되는 것이 제안되며, 여기서 상이한 매크로 셀은 서로 다른 측정 사이클 동안 활성화되거나 또는 매크로 셀 중 2개가 동시에 활성화되지 않는다. 동시는 동일한 측정 사이클 동안을 의미한다.
특히 유리한 구조에서, 하나의 판독 소자는 단일 활성 매크로 셀의 오직 하나의 센서 소자, 복수의 센서 소자 또는 모든 센서 소자에 연결된다.
그러나 이전의 서술에 따라, 판독 소자가 비활성 매크로 셀의 다른 센서 소자에 연결될 가능성을 배제하지는 않는다.
수신 유닛 상의 센서 소자의 공간 배치는 보통 송신 유닛 상의 이미터 소자의 공간 배치에 기초한다. 종래 기술에서, 공간 배치는 기본적으로 동일하며, 각각의 경우에 하나의 이미터 소자와 하나의 센서 소자가 서로 할당된다. 종래 기술과 관련하여, 개선된 수신 유닛 상의 센서 소자는 기본적으로 2가지 유형의 센서 소자로 분류될 수 있다. 이에 따라, 종래 기술에 따른 센서 소자의 구조에 대응하는, 제1 센서 소자가 수신 유닛 상에 형성된다. 예를 들어, 이것은 이미터 소자의 공간적 위치에 대응하는 하나 또는 다수의 센서 소자일 수 있다. 다른 센서 소자는 제1 센서 소자 사이의 공간에 배치된 제2 센서 소자이다. 유리하게는, 이들은 센서 소자의 선택적 활성화 및 비활성화를 통해 레이저 광의 임의의 굴절을 보상하기 위하여 제1 센서 소자 주위에 배치된다. 센서 소자는 일반적으로 칩에 의해 제공되는 평면 상에 배치된다. 그러나 센서 소자는 오직 칩 표면의 일부만을 커버한다. 특히, 기능상의 이유 및 생산상의 이유로 인접 센서 소자 사이의 거리가 유지되어야 한다. 또한, 회로나 다른 부품, 예컨대 판독 소자,를 위해 칩 상에 공간이 확보되어야 한다. 일반적으로 원형 또는 타원형인 레이저 광은 보통 칩 상에서 센서 소자, 특히 SPAD보다 더 큰 면적을 커버하므로, 보통 입사 레이저 광에 의해 여러 센서 소자가 조사된다. 또한, 이미터 소자로서의 VSCEL은 이미 SPAD보다 더 큰 표면적을 갖는다. 따라서, 이러한 배치를 통해 검출 및 주변 복사의 추가적인 감소에 대한 입사 레이저 광의 활용도가 크게 향상된다.
이미 언급된 바와 같이, 유리하게는 조사된 센서 소자만이 활성화되는데, 이는 레이저 광에 의해 조사되는 센서 소자만이 의미 있는 측정 데이터에 기여할 수 있기 때문이다. 이미터 소자의 입사 레이저 광에 의해 조사되지 않은 센서 소자는 주변 복사만을 측정하여 신호 대 잡음비를 저하시킨다. 유리하게는, 조사된 센서 소자는 적어도 50%의 조사 면적을 갖는다. 레이저 광은 유리하게는 센서 소자의 표면적의 적어도 50%를 커버한다. 충분히 조사된 센서 소자의 독점적인 활성화는 신호 대 잡음비를 향상시킨다.
센서 소자 및/또는 매크로 셀이 정사각형, 직사각형, 대각선 또는 육각형 패턴으로 배치되는 것이 추가로 제안된다.
다음의 서술은 센서 소자와 매크로 셀 모두에 동일하게 적용된다. 직사각형 패턴은 기본적으로 센서 소자의 열과 행에 따른 배치에 대응하며, 정사각형 패턴의 배치는 직사각형 패턴의 특별한 경우이다. 다른 배치 변형예는 육각형 패턴이며, 이는 실질적으로 원형 레이저 스폿에 대해 센서 소자의 최대 밀도를 제공한다. 직사각형 또는 정사각형 패턴의 이점은 많은 수의 센서 소자가 입사 레이저 광에 부딪히거나 조사된다는 것이다. 그러나 직사각형 또는 정사각형 패턴은 일반적으로 큰 레이저 광 직경을 필요로 한다. 육각형 패턴이 사용될 때 조사되는 센서 소자의 수가 적어지며, 예를 들어 조사되는 센서 소자가 4개에서 3개로 감소한다. 그러나 3개의 센서 소자의 조사는 레이저 광의 감소된 직경으로도 달성된다. 또한, 육각형 패턴의 경우, 일정한 레이저 광 직경에 대해 타격되는 센서 소자의 평균 조사 면적이 정사각형 또는 직사각형 패턴보다 크다. 이는 직사각형 또는 정사각형 패턴에 비해 센서 표면에서 육각형 패턴 고유의 충진율(filling factor)이 높기 때문이다. 대각선 패턴은 직사각형 패턴의 특정 형상에 해당한다. 대각선 패턴은 선이 기울어지는 각도를 자유롭게 선택할 수 있다. 또한, 인접한 행은 동일하게 계속되거나 행마다 변하는 선 형상 오프셋을 가질 수 있다.
입사 레이저 광의 직경이 2개의 센서 소자, 특히 SPAD 사이의 거리의 편의상 2배 이상인 것이 특히 유리하다. 거리는 센서 소자의 중심점 사이의 거리로 정의된다.
추가적인 유리한 설계 변형예에서, 인접한 센서 소자는 5 내지 15미크론, 특히 10미크론의 간격을 갖는다.
예를 들어, 송신 유닛에서 이미터 소자 사이의 일반적인 거리는 40μm이다. 따라서, 제1 센서 소자 사이에는 추가의 제2 센서 소자를 위한 공간이 있다. 이에 따라, 대략 10μm의 거리에서, 대략 3개의 추가 센서 소자가, 예를 들어 행의 형태로 추가될 수 있다. 이 경우, 매크로 셀에는 4행의 센서 소자가 포함된다.
역시 상술한 목적을 달성하는, 청구항 6에 따른 LIDAR 측정 시스템의 추가 LIDAR 수신 유닛도 제안된다. 이전 단락의 서술은 아래에 더 상세히 설명되는 LIDAR 수신기 유닛에도 대응하여 적용된다. 마찬가지로, 다음의 서술도 전술한 실시예로 한정되지 않는다. 따라서, 전술한 수신기 유닛에도 다음의 서술이 적용될 수 있다.
LIDAR 측정 시스템의 LIDAR 송신 유닛은 레이저 형태의 복수의 이미터 소자를 갖는다. 이미터 소자의 방출된 레이저 광은 물체에 의해 반사되고 LIDAR 측정 시스템의 LIDAR 수신 유닛에 의해 검출된다. 수신 유닛은 복수의 센서 소자를 포함한다. 이 센서 소자는 이전 실시예에 따라 설계될 수 있다. 그러나 이전 실시예들에 의해 한정되지 않는 것으로 의도된다.
수신 유닛의 센서 소자의 수는 송신 유닛의 이미터 소자의 수보다 많다. 이는 제1 및 제2 센서 소자를 사용하여 이미 위에서 설명되었다. 그 결과, 사용된 송신 및 수신 렌즈의 이미징 오류를 보상할 가능성과 같은, 이미 기술된 이점이 생긴다.
수신 유닛은 초점 평면 어레이 배치로 유리하게 구현된다. 이에 따라, 센서 소자는 평면에 배치된다. 측정 시스템은 유리하게는 수신 렌즈 및 송신 렌즈를 갖는다. 수신 렌즈 및 송신 렌즈는 각각의 이미터 소자 및 센서 소자에 각각의 공간 각도를 할당한다. 센서 소자는 이미 기술한 직사각형, 정사각형, 대각선 또는 육각형 패턴의 형태로 수신 유닛 상에 배치될 수 있다. 이전 실시예들에 따른 매크로 셀에서의 센서 소자의 배치도 여기에 적용 가능하다.
특히, 수신 유닛 상의 적어도 2개의 센서 소자가 하나의 매크로 셀에 할당되고, 2개의 매크로 셀, 특히 2개의 동시 활성 매크로 셀의 센서 소자는 상이한 판독 소자에 연결된다.
원칙적으로, LIDAR 측정 시스템도 전자 장치 유닛으로 설계되어, 예를 들어 이미터 소자의 제어와 센서 소자의 제어를 수행하고, 제어, 판독, 메모리 및 평가 소자를 포함할 수도 있다. 특히, 전자 장치는 소자의 정확한 동기화를 제어하고, 측정 시스템의 정확한 측정 작동을 보장한다. 전자 장치는 유리하게는 확인된 데이터를 전송하기 위해 차량의 다른 부품에 대한 추가 연결을 설정하여, 이들이 더 처리될 수 있도록 한다. 특히, 이 LIDAR 수신 유닛과 이 LIDAR 측정 시스템은 차량에 사용하도록 최적화된다.
각 센서 유닛이 개별적으로 활성화될 수 있는 것이 추가로 제안된다. 또한, 센서 소자가 상기 실시예들 중 적어도 하나에 따라 매크로 셀에서 구현되는 것이 제안된다.
유용성은 이미 위에서 자세히 설명되었다.
또한, 센서 소자의 수는 유리하게는 이미터 소자의 수의 정수배이다.
이미터 소자와 관련하여 복수의 센서 소자의 사용은 더 크고 또한 가변적으로 선택 가능한 검출 면적을 제공하여, 선택적으로 활성화 및 비활성화함으로써 검출 면적이 입사 레이저 광에 적응될 수 있다. 따라서, 활성 센서 소자가 정확하게 선택될 때 입사 레이저 광이 항상 최적으로 검출된다.
특히 유리하게는, 센서 소자는 제1 센서 소자 및 제2 센서 소자로 구성되며, 여기서 제1 센서 소자는 기본적으로 송신 유닛의 이미터 소자의 공간 배치에 대응하고, 제2 센서 소자는 제1 센서 소자 주위에 분포한다. 특히, 제2 센서 소자는 제1 센서 소자 사이에 배치된다. 특히, 제2 센서 소자는 제1 센서 소자 주위에 원형 패턴으로 배치된다. 예를 들어, 원형 배치는 육각형, 직사각형 또는 정사각형 패턴으로 형성될 수 있다. 청구항 1과 관련된 위의 서술도 상응하게 적용 가능하다.
매크로 셀의 센서 소자에 의해 커버되는 검출기 표면적이 기본적으로 입사 레이저 광의 면적 또는 송신 유닛의 이미터 소자의 면적의 2배, 3배 또는 4배에 해당하는 것이 추가로 제안된다.
입사 레이저 광의 면적은 보통, 예를 들어 광학 효과로 인해 이미터 소자의 면적과 동일하거나 이보다 크며, 센서 소자의 면적은 보통 입사 레이저 광의 면적보다 작고 또한 이미터 소자의 면적보다도 더 작다. 또한, 기능상의 이유 및 생산상의 이유로 인해 인접한 센서 소자들 사이에 중간 공간(intermediate space)이라고도 알려진 공간이 형성된다. 정상적인 경우, 수신 유닛에 입사되는 레이저 광은 중간 공간을 포함하여 복수의 센서 소자를 커버한다. 따라서, 센서 소자는 중간 공간을 포함하여 입사 레이저 광의 면적 다수를 커버하는 방식으로 선택된다. 중간 소자가 있는 센서 소자에 의해 커버되는 면적은 뒤에서 검출기 표면으로도 알려져 있다. 특히 유리하게는, 검출기 표면은 수신 소자 상으로 투영되는 입사 레이저의 면적의 적어도 4배, 특히 5배 이상이다. 비율 4는 기본적으로 제1 센서 소자에 대한 입사 레이저 광의 예상 편차에 대응한다. 검출기 표면은 유리하게는 입사 레이저 광의 면적의 2배 내지 5배이다. 검출기 표면은 유리하게는 단일 매크로 셀의 센서 소자에 의해 형성된다.
유리한 방식에서, 매크로 셀의 센서 소자의 검출기 표면의 직경은 레이저 광의 직경 또는 이미터 소자의 직경의 적어도 2배에 해당한다.
예를 들어, 레이저 광은 타원형 단면도 가질 수 있다. 또한, 이미터 소자는 직사각형 형상도 가질 수 있다. 이들의 경우, 직경은 중심을 통과하는 가장 긴 직선 경로 또는 대각선으로 정의된다.
검출기 표면과 입사 레이저 광의 면적 또는 이미터 소자의 면적 사이의 표면적의 비에 대한 서술이 여기에도 적용되며, 필요한 부분만 약간 수정하여 포함되어야 한다.
역시 상술한 목적을 달성하는 청구항 9에 따른 LIDAR 측정 시스템의 LIDAR 수신 유닛도 제안된다.
LIDAR 수신 유닛 및 LIDAR 측정 시스템과 관련하여 이전 단락에서의 서술은 아래에 더 상세히 설명되는 LIDAR 수신 유닛에도 적용된다. 마찬가지로, 다음의 서술도 전술한 실시예로 한정되지 않는다.
궁극적으로, 상이한 이들 LIDAR 수신 유닛 모두는 동일한 아이디어의 다른 측면을 나타낸다. LIDAR 수신 유닛은 복수의 센서 소자를 포함한다. 이들은 위 설명에 따라 설계될 수 있다. 센서 소자는 제1 센서 소자와 제2 센서 소자로 세분화된다. 제1 센서 소자는 수신 유닛의 평면에, 기본적으로 송신 유닛의 이미터 소자와 동일한 공간 구조로 배치된다.
제1 및 제2 센서 소자의 배치는 이제 쉽게 이해할 수 있는 방식으로 다시 설명될 것이다. 이미터 소자를 구비하는 송신 유닛의 컨셉을 따라하여 수신 유닛을 형성한다. 이에 따라, 이미터 소자는 센서 소자로 대체된다. 이는 제1 센서 소자이다. 제1 센서 소자의 공간 구조는 이미터 소자의 공간 구조와 유사하지만, 반드시 동일할 필요는 없다. 특히, 작은 오프셋 또는 변위가 발생할 수 있다. 이는, 예를 들어 수신 유닛의 육각형 패턴 배치와 다수의 센서 소자가 송신 유닛의 정사각형 또는 직사각형 패턴에 대향하는 점에 기인할 수 있다. 따라서, 제1 센서 소자의 수는 이미터 소자의 수와 동일하다. 제2 센서 소자로 나타내는 추가 센서 소자는 제1 센서 소자 사이 또는 제1 센서 소자 주위의 자유 공간에 배치된다. 이는 센서 소자에 의해 검출될 수 있는 표면적을 증가시키며, 렌즈에 의해 야기되는 이미징 오류 또는 다른 영향을 보상할 수 있다.
LIDAR 측정 시스템의 LIDAR 송신 유닛은 레이저 형태의 복수의 이미터 소자를 갖는다. 이미터 소자의 방출된 레이저 광은 물체에 의해 반사되고 LIDAR 측정 시스템의 LIDAR 수신 유닛에 의해 검출된다. 수신 유닛은 복수의 센서 소자를 포함한다. 이 센서 소자는 이전 실시예에 따라 설계될 수 있다. 그러나 이전 실시예들에 의해 한정되지 않는 것으로 의도된다.
제1 및 제2 센서 소자 형태의 수신 유닛의 센서 소자의 수는 송신 유닛의 이미터 소자의 수보다 많다.
수신 유닛은 초점 평면 어레이 배치로 유리하게 구현된다. 따라서, 센서 소자는 평면에 배치된다. 측정 시스템은 유리하게는 수신 렌즈 및 송신 렌즈를 갖는다. 수신 렌즈 및 송신 렌즈는 각각의 이미터 소자 및 센서 소자에 각각의 공간 각도를 할당한다. 센서 소자는 이미 설명한 직사각형 또는 정사각형, 육각형 패턴의 형태로 수신 유닛 상에 배치될 수 있다. 이전 실시예들에 따른 매크로 셀에서의 센서 소자 배치도 여기에 적용 가능하다.
특히, 수신 유닛 상의 적어도 2개의 센서 소자가 하나의 매크로 셀에 할당되고, 2개의 매크로 셀, 특히 2개의 동시 활성화 매크로 셀의 센서 소자는 상이한 판독 소자에 연결된다.
원칙적으로, LIDAR 측정 시스템도 전자 장치 유닛으로 설계되며, 예를 들어 이미터 소자의 제어와 센서 소자의 제어를 수행하고 제어, 판독, 메모리 및 평가 소자를 포함할 수도 있다. 특히, 전자 장치는 소자의 정확한 동기화를 제어하고 측정 시스템의 정확한 측정 작동을 보장한다. 전자 장치는 유리하게는 확인된 데이터를 전송하기 위해 차량의 다른 부품에 대한 추가 연결을 설정하여, 이들이 더 처리될 수 있도록 한다. 특히, 이 LIDAR 수신 유닛 및 이 LIDAR 측정 시스템은 차량에 사용하도록 최적화된다.
각각의 센서 소자는 유리하게는 개별적으로 활성화될 수 있다. 이에 따라, 개별적 또는 그룹별 활성화 및 비활성화에 대한 상기 서술이 적용 가능하다. 또한, 상기 실시예들 중 적어도 하나에 따른 매크로 셀에서의 배치가 특히 유리하다.
매크로 셀의 센서 소자에 의해 커버되는 검출기 면적이 기본적으로 입사 레이저 광의 면적 또는 송신 유닛의 이미터 소자의 면적의 2배, 3배 또는 4배에 해당하는 것이 추가로 제안된다.
입사 레이저 광의 면적은 보통 이미터 소자의 면적과 같거나 이보다 작으며, 센서 소자의 면적은 다시 보통 입사 레이저 광의 면적보다 작고 이미터 소자의 면적보다 작다. 또한, 기능상의 이유 및 생산상의 이유로 인해 인접한 센서 소자 사이에 중간 공간이라고도 알려진 갭이 형성된다. 정상적인 경우에, 수신 유닛 상에 입사되는 레이저 광은 중간 공간을 포함하여 복수의 센서 소자를 커버한다. 따라서, 센서 소자는 중간 공간을 포함하여 입사 레이저 광의 면적 다수를 커버하는 방식으로 선택된다. 중간 소자가 있는 센서 소자에 의해 커버되는 면적은 뒤에서 검출기 표면으로도 알려져 있다. 특히 유리하게는, 검출기 표면은 수신 소자 상에 투영되는 입사 레이저의 면적의 적어도 4배, 특히 5 배 이상이다. 비율 4는 기본적으로 제1 센서 소자에 대한 입사 레이저 광의 예상 편차에 대응한다. 검출기 표면은 유리하게는 입사 레이저 광의 면적의 2배 내지 5배이다. 검출기 표면은 유리하게는 단일 매크로 셀의 센서 소자에 의해 형성된다.
유리한 방식에서, 매크로 셀의 센서 소자의 검출기 표면의 직경은 레이저 광의 직경 또는 이미터 소자의 직경의 적어도 2배에 해당한다.
예를 들어, 레이저 광은 타원형 단면도 가질 수 있다. 또한, 이미터 소자는 직사각형 형상도 가질 수 있다. 이들 경우, 직경은 중심을 통과하는 가장 긴 직선 경로 또는 대각선으로 정의된다.
검출기 표면과 입사 레이저 광의 면적 또는 이미터 소자의 면적 사이의 표면적의 비에 대한 서술이 여기에도 적용되며, 필요한 부분만 약간 수정하여 포함되어야 한다.
매크로 셀의 제1 센서 소자 및 제2 센서 소자는 유리하게는 송신 유닛의 대응하는 이미터 소자의 입사 레이저 광의 면적의 적어도 2배, 3배 또는 4배인 검출기 표면적을 갖는다.
유리하게는, 매크로 셀의 제1 센서 소자 및 제2 센서 소자의 검출기 표면의 직경은 송신 유닛의 대응하는 이미터 소자의 면적 또는 입사 레이저 광의 직경의 적어도 2배에 해당한다.
특히, 수신 유닛 상의 적어도 2개의 센서 소자는 매크로 셀에 할당되고, 2개의 매크로 셀, 특히 2개의 동시 활성 매크로 셀의 센서 소자는 상이한 판독 소자에 연결된다.
매크로 셀이 행과 열로 배치되는 것이 추가로 제안된다. 또한, 여기에서 정사각형, 직사각형, 대각선 또는 육각형 배치가 가능하다.
매크로 셀은 인접한 매크로 셀과 이격되거나 공간없이 인접한 매크로 셀 옆에 배치될 수 있다. 매크로 셀은 하나의 이웃과 이격되고 동시에 하나의 이웃과 바로 인접할 수 있다. 특히, 매크로 셀의 모든 이웃은 이격되거나 갭 없이 바로 인접할 수 있다.
유리하게는, 인접한 행의 매크로 셀 사이에 갭이 형성되고, 인접한 열의 이웃은 갭 없이 배치된다. 예를 들어, 매크로 셀 그룹은, 그룹들은 서로 이격되지만 그룹 내의 매크로 셀들은 인접한 매크로 셀과 이격되지 않도록 형성될 수도 있다. 일례에서, 2개의 매크로 셀의 그룹이 각각 센서 유닛 상에 형성될 수 있고, 여기서 행과 열을 따라 서로 인접한 그룹은 매크로 셀 사이에 공간을 갖는다.
이 중간 공간에는, 예를 들어 TDC와 같은 전자 부품이 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예는 다음 도면에서 나타내는 다수의 설계 변형을 사용하여 한 번 더 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 LIDAR 수신 유닛 및 LIDAR 송신 유닛의 개략도이다.
도 2는 LIDAR 측정 시스템의 개략적인 설계를 나타낸다.
도 3은 수신 유닛의 센서 소자 상에서 이미터 소자의 레이저 광의 중첩의 다른 변형을 나타낸다.
도 4a 및 b는 정사각형 패턴의 센서 소자 배치의 개략도이다.
도 5a, b 및 c는 육각형 패턴의 센서 소자 배치의 개략도이다.
도 6은 육각형 패턴의 센서 소자 배치의 추가 개략도이다.
도 7은 육각형 패턴에서 칩 상에 센서 소자의 배치를 나타낸다.
도 8은 육각형 배치에서 칩 상에 센서 소자들의 추가 배치를 나타낸다.
도 1은 LIDAR 측정 시스템(10)의 LIDAR 수신 유닛(12) 및 LIDAR 송신 유닛(14)을 나타낸다. 도 2는 LIDAR 측정 시스템(10) 내에서의 이러한 수신 유닛(12) 및 송신 유닛(14)을 다시 나타낸다. LIDAR 측정 시스템은 수신 렌즈(16) 및 송신 렌즈(18)도 포함한다. 이 LIDAR 측정 시스템(10)은 주변 환경을 모니터링하고 물체(20)로부터 차량까지의 거리를 결정하기 위해 차량에 고정적으로 장착되도록 설계된다. 이러한 측정 시스템은 예를 들어 자율 주행에 사용될 수 있다. 작동 원리는 다음과 같다.
LIDAR 송신 유닛(14)은 광 펄스를 방출하는 이미터 소자(22)를 갖는다. 예를 들어, 이 이미터 소자(22)는 VCSEL로 약칭되는, 하나 이상의 수직 공동 표면-발광 레이저에 의해 형성될 수 있다. 이미터 소자(22)에 의해 방출된 펄스(24)는 송신 렌즈(18)를 통과하고, 물체(20)에서 반사되어, 수신 렌즈(16)를 통해 복수의 센서 소자(26) 중 하나로 향한다. 이러한 센서 소자는 예를 들어 SPAD라고도 알려진 단일 광자 애벌런치 다이오드로 형성될 수 있다.
도 2에서는 도면을 단순화하기 위해 펄스(24)의 경로를 보여주기 위한 단 하나의 빔(25)만이 도시된다. 렌즈(16, 18), 복수의 이미터 소자(22) 및 센서 소자(26)의 도움으로, 측정 시스템(10)은 물체의 공간을 스캔하는데 사용될 수 있다. 대응하는 렌즈들(16, 18)에 의해서, 궁극적으로는 특정 공간 각도가 각각의 이미터 소자(22) 및 센서 소자(26)에 할당된다. 센서 소자(26)에 의해 감지된 광 펄스(24)는 판독 소자(28)에 의해 판독되고 다른 부품 중 저장 소자를 갖는 평가 유닛(30)으로 전달된다. TOF라고도 일컬어지는 비행 시간 원리(time of flight principle)가 차량으로부터 물체(20)의 거리를 결정하는데 사용된다. 전송된 펄스는 수신 유닛(12)에 도달할 때까지 경과한 시간에 링크되며, 그로부터 광 펄스(24)가 이동한 거리가 결정될 수 있다. 프로세스 진행의 대응 조정이 제어 유닛(32)에 의해 수행된다. 이 설계 변형에서 판독 소자는 시간-디지털 변환기(TDC)에 의해 형성되며, 히스토그램을 나타내는 저장 소자를 채운다. 그러나 이러한 서술은 매우 기본적인 것이며 오직 일반 원칙을 설명하기 위한 것이다. 이 설계 변형예는 측정 시스템의 전자 설계를 한정하지 않는다. 이 텍스트의 범위를 넘어서지 않기 위해, 이 전자 부품들과 그 특정 구조 사이의 모든 상호 작용이 보여질 수 없다. LIDAR 측정 시스템은 해당 데이터가 전송될 수 있는 연결부(34)를 통해 차량의 다른 부품에 연결된다.
도 1은 송신 유닛(14)과 수신 유닛의 구조를 다시 더욱 구체적인 개략도로 나타낸다. 이 경우, 송신 유닛은 복수의 이미터 소자(22)를 가지며, 이 소자는 여기서 VCSEL로 구현된다. 4개의 이미터 소자(22)만이 도시되어 있으나 칩은 다수의 이미터 소자를 더 수용할 수 있다. 이미터 소자는 송신 유닛(14)의 평면 상에 직사각형 패턴으로 배치된다. 이러한 열과 행의 배치는 예시로서 선택된다. 예를 들어, 배치는 평면 상에서 육각형 패턴 또는 어떠한 다른 형태로도 구현될 수도 있다. 송신 유닛은 초점 평면 어레이로서 구현된다. 이에 따라, 이미터 소자(22)는 평면(36) 상에 배치되고, 이 경우 평면(36)을 형성하는 칩(42) 상에 배치된다. LIDAR 측정 시스템(10)의 평면(36)은 송신 렌즈(18)의 초점에 배치된다. 특히, 이미터 소자(22)는 송신 렌즈(18)의 초점 평면에 배치된다.
수신 유닛(12)은 복수의 센서 소자(26)를 가지며, 명확성을 위해 도면에서 일부 센서 소자(26)만이 참조 부호가 표기된다. 이 송신 소자, 이 경우 SPAD(26)는 칩(40)에 의해 제공되는 평면(38)에 배치된다. 또한, 이 평면(38), 특히 센서 소자(26)는 수신 렌즈(16)의 초점 평면에 초점 평면 어레이로서 LIDAR 측정 시스템(10) 상에 배치된다. 센서 소자(26)의 수는 이미터 소자(22)의 수보다 실질적으로 많다. 이 설계 변형에서, 하나의 이미터 소자(22)는 16개의 센서 소자(26)를 갖는다. 제1 센서 소자(26a)는 각 경우에 송신 유닛(14)의 이미터 소자(22)의 공간 구조에 할당된다. 다시 말해, 수신 유닛(12)은 송신 유닛의 복제이며, 이미터 소자(22)는 제1 센서 소자(26a)로 대체된다. 이미터 소자와 센서 소자를 비교하면 VCSEL의 직경이 SPAD보다 크다는 점이 명백하다. 이미터 소자(22)는 직경 De를 가지며 센서 소자(26)는 직경 Ds를 갖는다. 그럼에도 불구하고, 송신 유닛 상에는 인접한 이미터 소자(22) 사이에 갭이 존재한다.
이 갭은 수신 유닛(12)에서 이하에서 제2 센서 소자(26b)로 표시되는 추가 센서 소자(26)로 채워진다. 참조 부호 26b는 명확성을 위해, 센서 소자(26)의 도면 내에서 단순히 "b"로 표시되며, 최상단 행에만 나타낸다. 이에 따라, 첫 번째 행의 참조 부호는 다른 행과 열도 나타낸다. 이 제2 센서 소자(26b)는 제1 센서 소자(26a) 사이의 공간에 배치된다. 제2 센서 소자(26b)는 기본적으로 제1 센서 소자(26a) 주위에 배치된다.
이미터 소자(22)의 수보다 많은 수의 센서 소자(26)를 사용함으로써, 렌즈(16, 18)의 이미징 오류 또는 기타 영향이 보상될 수 있다. 이미터 소자(22)는 센서 소자(26)보다 더 큰 표면적을 갖는다. 이는 수신 유닛(12) 상의 일부 센서 소자(26)는 입사 레이저 광에 완전히 부딪히고, 다른 소자들은 부분적으로 부딪히거나 또는 전혀 부딪히지 않는 것을 의미한다. 단일 센서 소자에 대한 예는 도 3에 도시된다. 왼쪽 도면은 레이저 광(24)이 센서 소자(26)와 완전히 오버랩되는 것을 나타내며, 중간 도면은 부분 오버랩을 나타내고, 오른쪽 도면은 약간의 오버랩을 나타낸다. 센서 소자(26)의 면적에 대한 레이저 광(24)의 직경(Dl)은 개략적으로만 도시된다. 일반적으로, 레이저 광(24)의 직경(Dl)은 매우 커서 다수의 센서 소자(26)가 입사광으로 커버될 수 있다.
센서 소자(26)는 매크로 셀(44)에 배치된다. 수신 유닛(12) 상의 각각의 매크로 셀은 공간적으로 인접한 매크로 셀(44)로부터의 경계가 점선으로 표시된다. 각각의 이미터 소자(22)는 이러한 매크로 셀(44)에 할당된다. 예를 들어, 대응하는 구획이 송신 유닛(14) 상에서도 점선으로 표시된다. 매크로 셀은 로마 숫자 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ 등에 의해 열로 나뉘며, 아라비아 숫자 1, 2, 3, 4, 5 등에 의해 행으로 나뉜다. 송신 유닛(14) 및 수신 유닛(12)은 200개 이상의 행과 열을 가질 수 있다.
각각의 매크로 셀은 적어도 하나의 제1 센서 소자(26a) 및 적어도 하나의 제2 센서 소자(26b)를 갖는다. 매크로 셀에서 함께 그룹화된 센서 소자(26)는 판독 소자(28)에 연결된다. 판독 소자는 센서 소자(26)에 입사하는 광자를 검출하고 이를 평가 유닛, 특히 저장 유닛으로 전달한다. 검출된 광자의 처리에서 남은 순서는 여기서 설명하지 않는다.
판독 소자가 매크로 셀(44)의 모든 센서 소자(26)에 연결된다는 것은 명백하다. 센서 소자는 모두 개별적으로 활성화될 수 있다. 이는 SPAD에 인가될 수 있는 바이어스 전압에 의해 영향을 받는다. 바이어스 전압이 특정 값을 초과하면 SPAD가 활성화된다. 이 값 아래로 해당 값을 낮추면 SPAD가 비활성화된다. 전압은 각 SPAD에 연결된 제어 유닛에 의해 지정된다. 상호 연결은 예로서 도체(23)로 도시된다. 명확성을 위해, 이는 수신 유닛의 2행에서만 구현된다. 이에 따라, 일부 참조 부호(23)만이 도 1에 도시된다. 각각의 센서 소자(26)는 다른 센서 소자(26)와 독립적으로 활성화 및 비활성화될 수 있다.
따라서, 레이저 광(24)에 의해 조사되는 센서 소자(26)만이 활성화된다. 이는 레이저 광(24)에 의해 조사된 센서 소자만이 의미 있는 측정을 제공할 수 있기 때문에, 주위 복사에 의해 야기되는 배경 잡음을 감소시킨다. 또한, 활성 센서 소자(26)의 타겟 선택에 의해, 렌즈의 이미징 오류를 교정할 수 있다. 또한, 제1 센서 소자(26a)에 대한 레이저 빔(24)의 변위를 야기하는 다른 영향들도 보상될 수 있다.
센서 소자(26)는 활성화 및 비활성화를 위해 그룹으로 결합될 수도 있고, 따라서 이 그룹은 동시에 활성화 및 비활성화될 수 있다. 이는 예를 들어 매크로 셀(44)의 센서 소자(26)의 서브 세트 또는 매크로 셀(44)의 모든 센서 소자(26)일 수 있다.
도 1에서 수신 유닛(12) 상의 판독 소자(28)는 매크로 셀(44)의 각 라인에 형성되고, 이 특정 라인의 모든 센서 소자(26)와 연결된다. 그러나 이 배열은 하나의 예시일 뿐이다. 원칙적으로, 각 센서 소자는 자체 판독 소자를 가질 수 있다. 센서 소자의 각 라인이 하나의 판독 소자를 갖는 것이 특히 유리하다. 예를 들어, 2개의 인접한 행은 공통의 판독 소자(28)를 가질 수 있고, 행의 각 센서 소자(26)는 이 판독 소자(28)에 연결된다. 또한, 센서 소자(28)는 하나의 행의 상이한 매크로 셀(44)의 복수의 센서 소자들(26)에 연결된다.
일례로, 수신 유닛의 이러한 설계에서, 수평 스캐닝 프로세스가 수행된다. 대안적으로, 수직 또는 대각선 스캐닝 프로세스나 그 밖에 회전 또는 심지어 랜덤 스캐닝 프로세스와 같은 다른 시퀀스도 가능하다. 먼저, Ⅰ열의 이미터 소자가 레이저 광(24)을 방출하고 Ⅰ열의 원하는 센서 소자(26)가 동시에 활성화된다. 판독 소자(28)는 입사 레이저 광(24)을 처리할 수 있다. 측정 사이클이 완료되면, Ⅰ열의 센서 소자는 비활성화되고 Ⅱ열 등에서 동일한 작동이 시작된다. 판독 유닛(28)은 오직 활성화된 센서 소자(26) 또는 활성 매크로 셀(44)로부터의 측정 데이터만을 판독할 수 있기 때문에, 복수의 연속적인 활성 매크로 셀(44) 또는 센서 소자(26)에 대해 단일의 판독 유닛(28)을 사용할 수 있다. 그러나 이러한 배치 및 프로세스의 설명은 단지 예시적인 것이며, 수신 유닛에 대한 광범위한 배치 옵션 및 스캐닝 변형이 가능하다.
Ⅰ열에 대한 제1 측정 사이클에서 동시에 활성화된 매크로 셀의 센서 소자들은 하나의 매크로 셀마다 상이한 판독 소자(28)에 따로따로 연결된다. 그럼에도 불구하고, 하나의 판독 소자(28)로의 센서 소자(26)의 동시 연결은 동시에 활성화되지 않는, 즉 인접한 라인에 있는 매크로 셀(44)에 존재한다.
도 1에서, 수직 방향으로 인접한 2개의 매크로 셀(44)의 센서 소자(26) 사이에 공간이 형성되지 않는 반면에, 수평 방향으로 인접한 2개의 매크로 셀(44) 사이에는 공간이 형성되는 것이 명백하다. 이 간격은 추가 전자 부품의 배치를 위한 어셈블리 공간을 제공한다. Ⅰ열 및 Ⅱ열의 센서 소자 사이에 공간이 형성된다. 1행과 2행의 센서 소자 사이에는 공간이 형성되지 않는다. 매크로 셀의 간격은 이 매크로 셀의 센서 소자의 간격으로부터 도출된다.
도 4는 일례로서 센서 소자(26)의 정사각형 배치를 나타낸다. 여기서, 도 4a에 참조 부호 24로 원으로 도시된 레이저 광은 매크로 셀(44)의 중심에 부딪친다. 원형 패턴으로 입사된 레이저 광은 직경 Dl을 가지므로, 이 경우에는 4개의 원형 센서 소자(26)가 레이저 광에 의해 커버된다. 이는 광이 무한 지점의 물체에 반사되는 경우, 수신 유닛(12)에서 레이저 광의 이론적 입사 지점을 나타낸다. 어둡게 해칭된 또는 채워진 4개의 센서 소자(26x)는 활성화되고, 채워지지 않은 원(26y)으로 도시된 센서 소자(26)는 비활성화된다. 비활성화된 센서 소자(26y)와 달리, 활성화된 센서 소자(26x)는 레이저 광으로 거의 완전히 커버되어, 최적의 신호 대 잡음비가 달성된다. 가사, 비활성화된 센서 소자(26y)도 활성화된다면, 신호 대 잡음비만 악화될 것이다.
도 4b는 도 4a와 동일한 구조를 나타낸다. 수신 렌즈의 예시적인 이미징 오류로 인해, 레이저 광은 수신 유닛에 오프셋되어 충돌한다. 입사 레이저 광(24)은 따라서 도 4a에 비해 변위된다. 4개의 조사된 센서 소자(26) 대신에, 이제 오직 2개의 센서 소자(26x)만이 완전히 조사되고, 세 번째 센서 소자(26x)는 적어도 상당 부분 조사된다. 이전 활성 센서 소자(26) 중 하나는 최적의 신호 대 잡음비를 유지하기 위해 비활성화되었다. 렌즈의 어떠한 이미징 오류도 매크로 셀마다 다를 수 있으며, 정확한 센서 소자(26)를 활성화함으로써 보상될 수 있다.
도 5에서 나타내는 다른 변형예에서, 센서 소자(26)에 육각형 패턴이 사용된다. 센서 소자(26)의 육각형 패턴 또는 육각형 배치는 더 높은 충진 밀도를 달성하지만, 반면에 활성 센서 소자(26x)의 수는 3개로 감소한다. 그러나 레이저 빔의 직경(Dl)은 도 4의 실시예보다 작다. 도 5a는 3개의 센서 소자의 이론적으로 완벽한 최적의 조사를 나타내고, 도 5b는 하나의 센서 소자는 완전히 조사되고 다른 두 개의 활성 센서 소자는 적어도 상당 부분 조사되는, 이미지 오류에 기인한 작은 변위를 나타낸다. 도 5c는 2개의 활성 센서 소자(26x)가 레이저 광(24)에 의해 완전히 조사되고 2개의 비활성화된 센서 소자는 대략 절반만 조사되는, 이 시스템 변형예에서의 저조한 조사를 나타낸다.
또한, 도 6은 육각형 패턴을 갖는 다른 변형예를 나타내는 것으로, 여기서 레이저 광 직경(Dl)의 레이저는 도 4 및 5의 실시예와 비교하여 다시 감소된다. 그 결과, 센서 소자(26x) 중 하나 또는 두 개가 항상 충분히 조사되어 활성화된다.
도 7은 기본적으로 육각형 패턴으로 배치된 육각형 형상의 센서 소자(26)를 갖는, 개략적으로 나타낸 다른 실현예를 나타낸다. 이 경우, 칩(40)은 센서 소자(26) 및 입사 레이저 광과 함께 나타낸다. 입사 레이저 광(24)의 최적 위치에서, 2개의 센서 소자(26x)가 활성화되고 유리하게는 거의 완전히 조사된다. 레이저 광의 가정된 최대 예상 편차는 참조 부호 24a를 갖는 원으로 표시되며, 그 안에서 레이저 광이 매크로 셀(44)에 충돌할 수 있다. 활성화된 센서 소자(26x) 주위에 비활성화된 센서 소자(26y)가 배치되고, 이 경우 활성화된 센서 소자(26x)는 제1 센서 소자(26a)이고 비활성화된 센서 소자(26y)는 제2 센서 소자(26b)인 것이 명확하다. 센서 소자(26) 및 그 중간 공간은 검출기 표면을 형성함으로써, 간섭 효과로 인한 가능한 굴절을 포함하는 레이저 광의 면적을 기본적으로 커버한다. 이 예에서, 검출기 표면의 직경(Dd)은 기본적으로 레이저 광(24)의 직경(D1)의 2배에 대응하고, 검출기 표면은 레이저 광의 최적 입사 지점에 대한 중앙 또는 제1 센서 소자(26a) 주위의 중앙에 배치된다. 실질적으로 검출기 표면에도 대응하는 원(24a)의 면적은 레이저 광(24)의 면적의 약 4배이다. 검출기 표면은 일반적으로 레이저 광의 직경(Dl)의 적어도 1.2배, 1.4배, 1.6배, 1.8배 또는 2배의 직경(Dd)을 갖는다. 이에 따라, 검출기 표면은 기본적으로 입사 레이저 광의 면적의 적어도 1.5배, 2배, 3배 또는 4배의 면적을 갖는다.
면적 및 직경의 상응하는 비율은 이전의 실시예, 특히 도 4 내지 6에도 대응하여 적용된다.
도 8은 도 7에 비해 훨씬 작은 레이저 빔이 사용되고 센서 소자의 배치가 육각형 형상을 갖는 다른 변형예를 다시 도시한다. 이 경우에도, 칩(40)상의 2개의 매크로 셀(44)의 센서 소자(26) 사이에 수평 및 수직 갭이 있다. 이는 추가 전자 장치를 위한 추가 공간을 생성한다. 설계의 나머지 부분은 기본적으로 도면의 설명에서의 상기 서술에 대응한다.
10: LIDAR 측정 시스템
12: LIDAR 수신 유닛
14: LIDAR 송신 유닛
16: 수신 렌즈
18: 송신 렌즈
20: 물체
22: 이미터 소자, VCSEL
23: 케이블
24: 레이저 광, 펄스
24a: 원, 레이저 광의 가정된 변형
25: 빔
26: 센서 소자, SPAD
26a: 제1 센서 소자
26b: 제2 센서 소자
26x: 활성 센서 소자
26y: 비활성화된 센서 소자
28: 판독 소자
30: 평가 유닛
32: 제어 유닛
34: 연결부
36: 송신 유닛 평면
38: 수신 유닛 평면
40: 수신 유닛 칩
42: 송신 유닛 칩
44: 매크로 셀
Dl: 레이저 광의 직경
Dd: 검출기 표면의 직경
De: 이미터 소자의 직경
Ds: 센서 소자의 직경

Claims (10)

  1. 초점 평면 어레이 어셈블리에서의 LIDAR 수신 유닛(12)으로서,
    매크로 셀(44)에 배치된 복수의 센서 소자(26) 및 복수의 판독 소자(28)를 포함하며, 상기 판독 소자는 시간-디지털 변환기로 구성되고,
    적어도 2개의 센서 소자(26)가 하나의 매크로 셀에 할당되며,
    각각의 센서 소자(26)는 개별적으로 활성화 및 비활성화될 수 있거나, 센서 소자(26)의 그룹으로 활성화 및 비활성화될 수 있고,
    제1 매크로 셀(44)의 상기 센서 소자(26)는 적어도 하나의 제1 판독 소자(28)에 연결되고, 제2 매크로 셀(44)의 상기 센서 소자(26)는 적어도 하나의 제2 판독 소자(28)에 연결되는,
    LIDAR 수신 유닛(12).
  2. 제1항에 있어서,
    하나의 센서 소자(26)는 오직 하나의 판독 소자(28)에만 연결되는 것을 특징으로 하는, LIDAR 수신 유닛(12).
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    하나의 매크로 셀(44)의 모든 센서 소자(26)는 동일한 판독 소자(28)에 연결되는 것을 특징으로 하는, LIDAR 수신 유닛(12).
  5. 제1항에 있어서,
    하나의 판독 소자(28)는 상이한 매크로 셀(44)의 복수의 센서 소자(26)에 연결되고, 상기 상이한 매크로 셀(44)은 서로 다른 측정 사이클 동안 활성화되거나 또는 상기 매크로 셀(44) 중 2개가 동시에 활성화되지 않는 것을 특징으로 하는, LIDAR 수신 유닛(12).
  6. 제1항, 제2항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 형태의 복수의 이미터 소자(22)를 갖는 LIDAR 송신 유닛(14)에 의해 방출되고 물체(20)에서 반사되는 레이저 광(24)을 검출하고,
    상기 수신 유닛(12)의 센서 소자(26)의 수가 상기 송신 유닛(14)의 이미터 소자(22)의 수보다 많은, LIDAR 수신 유닛(12).
  7. 제6항에 있어서,
    매크로 셀(44)의 상기 센서 소자(26)에 의해 커버되는 검출기 표면은 기본적으로 상기 입사 레이저 광(24)의 표면적 또는 이미터 소자(22)의 표면적의 2배, 3배 또는 4배에 대응하는 것을 특징으로 하는, LIDAR 수신 유닛(12).
  8. 제6항에 있어서,
    상기 매크로 셀(44)의 검출기 표면의 직경(Dd)은 레이저 광 직경(Dl) 또는 이미터 소자(22)의 직경(De)의 적어도 2배인 것을 특징으로 하는, LIDAR 수신 유닛(12).
  9. 제6항에 있어서,
    제1 센서 소자(26a)는 상기 수신 유닛(12)의 평면(38)에서 상기 송신 유닛(14)의 이미터 소자(22)와 실질적으로 동일한 공간 구조를 가지며,
    제2 센서 소자(26b)는 상기 제1 센서 소자(26) 사이의 중간 공간에 배치되거나, 그리고/또는 상기 제1 센서 소자(26) 주위에 배치되는, LIDAR 수신 유닛(12).
  10. 제9항에 있어서,
    매크로 셀(44)의 상기 제1 센서 소자(26a) 및 상기 제2 센서 소자(26b)의 검출기 표면의 직경(Dd)은 상기 입사 레이저 광(24)의 직경(Dl) 또는 상기 송신 유닛(14)의 상기 관련 이미터 소자(22)의 면적(De)의 적어도 2배인 것을 특징으로 하는, LIDAR 수신 유닛 (12).
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