KR102642209B1 - 검출될 대상물에 대한 검출 신호를 제공하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 검출될 대상물(70)에 대한 검출 신호를 제공하기 위한 방법에 관한 것이며, 이때, - 제1 광학적 비선형 3파 프로세스(30, 30a)에 의해, 출력 주파수(flaser)를 갖는 광원(10)의 광선으로부터, 상이한 주파수(fobj, fref)를 갖는 하나 이상의 제1 광선 및 제2 광선이 생성되고, - 기준 주파수(fref)를 갖는 제1 광선이 검출되고, - 대상물 주파수(fobj)를 갖는 제2 광선이 방출되어, 대상물(70)에 반사된 후에 수신되며, - 출력 주파수(flaser)를 갖는 광선 및 대상물 주파수(fobj)를 갖는 제2 광선이 중첩되고, - 제2 광학적 비선형 3파 프로세스(30, 30b)에 의해, 출력 주파수(flaser) 및 대상물 주파수(fobj)를 갖는 중첩된 2개의 광선들로부터, 기준 주파수(fref)를 갖는 기준 빔이 생성되며, - 기준 주파수(fref)를 갖는 제1 광선의 검출과, 상술한 중첩에 기초한 기준 주파수(fref)를 갖는 기준 빔 변화의 검출 간의 시간 차에 의하여 대상물(70)의 거리(d)가 결정 가능한 방식으로, 검출 신호가 생성된다.
Description
본 발명은 검출될 대상물에 대한 검출 신호를 제공하기 위한 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 검출될 대상물에 대한 검출 신호를 제공하기 위한 센서 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 LiDAR 스캐너, 특히 마이크로 스캐너에 관한 것이다.
본 발명은 임의의 센서 장치들에 적용 가능하지만, LiDAR 매크로 스캐너와 관련하여 설명된다.
공지된 LiDAR 매크로 스캐너들은 예를 들어 광원 및 검출기와 같은 광학 요소들이 배열되는 회전자를 포함한다. 다른 공지된 스캐너들은 회전 요소로서 빔 편향용 미러만을 구비한다. 공지된 방식으로, 예를 들어 레이저 형태의 펄스형 광원에 의해 광선이 방출되고, 반사된 광에 의하여 대상물의 거리를 결정하기 위해 대상물에서의 광선의 반사가 검출된다. 이를 위해, 매크로 스캐너는 송신 및 수신 경로의, 소위 동축 배열을 가질 수 있으며, 이러한 배열에서는 반사된 광이, 방출을 실행하는 광학 수단의 광 경로를 통해 안내된다. 이후, 수신기에서 충분한 광을 검출할 수 있도록, 광학 구성 요소들, 특히 수신 경로의 미러는 상응하는 크기로 선택된다. 2축 배열의 사용 시에는, 렌즈 크기 및 이미지 척도로 인하여, 예를 들어 일광 또는 다른 외부 광원들을 통한 광학적 노이즈 출력을 감소시키기 위한 큰 검출기 어레이가 사용된다. 정적 수신 채널들을 갖는 2축 배열은 일반적으로 큰 각도 범위로 조명되어, 낮은 신호 대 잡음비 및 짧은 도달 거리를 갖는다.
소비자 제품 및 자동차 제품을 위한 LiDAR 센서 장치의 설계 시에는 안구 안전성도 중요할 수 있다.
DE 20 2009 015 194 U1호로부터는 광 송신기, 광을 스캔 평면으로 편향시키기 위한 광 편향 유닛, 스캐너의 시야 범위에 위치하는 대상물에서 재방사되는 광에 따라 수신 신호들을 제공하기 위한 수신기, 그리고 수신 신호들의 평가 및 안전 신호의 제공을 위한 평가 유닛을 구비한, 스캔 평면을 스캔 평면 내로의 대상물의 진입에 대하여 모니터링하기 위한 안전 스캐너가 공지되어 있으며, 이때 광 송신기는 1200nm 내지 1700nm의 파장을 갖는 광을 방출한다.
DE 10 2007 032 997 A1호로부터는 도로 특성을 결정하기 위한 레이저 스캐너가 공지되어 있고, 이러한 레이저 스캐너는 상이한 반사들을 인식할 수 있도록 2가지 파장들, 즉 900nm 및 1550nm을 사용한다.
또한, US 2015/0177128 A1호로부터는 상이한 2가지 파장들을 갖는 양자 역학적 상태들의 광자들에 의해 이미지를 제공하기 위한 방법이 공지되어 있다. 이 경우, 제1 파장의 광자들은 샘플 재료의 조명을 위해 사용되고, 제2 파장의 광자들은 검출기에 공급되며, 이때 광자들은 방출되지 않고 이에 따라 광 경로로부터 분리된다.
일 실시예에서, 본 발명은 검출될 대상물에 대한 검출 신호를 제공하기 위한 방법을 제공하며, 이때
- 제1 광학적 비선형 3파 프로세스에 의해, 출력 주파수를 갖는 광원의 광선으로부터, 상이한 주파수를 갖는 하나 이상의 제1 광선 및 제2 광선이 생성되고,
- 기준 주파수를 갖는 제1 광선이 검출되고,
- 대상물 주파수를 갖는 제2 광선이 방출되어, 대상물에 반사된 후에 수신되며,
- 출력 주파수를 갖는 광선 및 대상물 주파수를 갖는 제2 광선이 중첩되고,
- 제2 광학적 비선형 3파 프로세스에 의해, 출력 주파수 및 대상물 주파수를 갖는 중첩된 2개의 광선들로부터, 기준 주파수를 갖는 기준 빔이 생성되며,
- 기준 주파수를 갖는 제1 광선의 검출과, 상술한 중첩에 기초한 기준 주파수를 갖는 기준 빔 변화의 검출 간의 시간 차에 의하여 대상물의 거리가 결정 가능한 방식으로, 검출 신호가 생성된다.
추가의 일 실시예에서, 본 발명은, 하나 이상의 출력 주파수를 갖는 출력 빔을 생성하기 위한 광원과; 제1 광학적 비선형 3파 프로세스에 의해, 출력 빔으로부터, 상이한 주파수의 하나 이상의 제1 광선 및 제2 광선을 생성하기 위한 제1 빔 생성 장치와; 제2 광학적 비선형 3파 프로세스에 의해, 방출되어 대상물에 반사된 후에 수신되는 제2 광선과 출력 주파수를 갖는 광선의 중첩으로부터, 기준 주파수를 갖는 기준 빔을 생성하기 위한 제2 빔 생성 장치와; 기준 주파수를 갖는 제1 광선의 검출과, 상술한 중첩에 기초한 기준 주파수를 갖는 기준 빔 변화의 검출 간의 시간 차에 의하여 대상물의 거리가 결정 가능한 방식으로, 검출 신호를 생성하도록 구성된 광의 검출을 위한 검출 장치;를 포함하는, 검출될 대상물에 대한 검출 신호를 제공하기 위한 센서 장치를 제공한다.
추가의 일 실시예에서, 본 발명은, 청구항 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 센서 장치를 갖는 LiDAR 스캐너, 특히 마이크로 스캐너를 제공하며, 이때 LIDAR 스캐너는 제1 빔 생성 장치의 빔을 편향시키기 위한 미소기계식 미러를 갖는다.
바꿔 말해, 본 발명의 실시예들 중 하나 이상의 실시예는 광원의 광에 의해 제1 광학적 비선형 3파 프로세스를 통하여 상이한 주파수들을 갖는 2개의 추가 광선들, 즉 대상물 빔 및 기준 빔이 생성되는 센서 장치를 제공한다. 기준 빔은 대상물 빔이 스캐닝할 대상물 상에 송신되거나 상응하는 구역/영역 내로 송신되는 동안 바로 측정된다. 대상물 빔이 대상물에 충돌하면, 이러한 대상물 빔은 적어도 부분적으로 반사되고, 대상물 빔의 이와 같이 반사된 광은 검출된다. 대상물 빔의 반사된 광은 광원의 광선과 함께 중첩된다. 이후, 제2 광학적 비선형 3파 프로세스에 의해서는, 검출될 광선 내 변화가 생성될 수 있다. 이 경우, 기준 빔의 첫번째 측정과, 수용된 대상물 빔과 기준 빔의 중첩에 기초한 기준 주파수를 갖는 기준 빔의 성분 변화 검출 간의 시간은 대상물 거리를 결정하기 위해 사용 가능하다.
달성된 장점들 중 하나는, 특히 송신 출력이 검출기의 구성과는 무관하게 상승될 수 있음으로써, 안구 안전성이 향상될 수 있다는 것이다. 완전히 다른 노이즈 출력 경로가 사용되므로, 높은 감도가 추가의 장점이다. 예를 들어 평면 검출기도 2축 배열에서 사용될 수 있으므로, 유연성의 향상이 추가의 장점이다. 더 작은 검출기들 또는 검출 장치들이 동일한 신호 대 잡음비로 사용될 수 있으므로, 구조 공간이 감소될 수 있다는 것이 추가의 장점이다. 마찬가지로, 제조가 복잡한, 대역이 좁고 각도와 무관한 파장 필터가 생략될 수 있으므로, 더욱 간단한 파장 필터가 사용될 수 있다.
"블랙 실리콘(Black Silicon)"이라는 용어는 흑색 실리콘을 의미한다.
"비선형 3파 프로세스"라는 용어는 가장 광의의 것을 의미하고, 특히 상세한 설명, 바람직하게는 청구 범위들에서는, 입력 주파수를 갖는 하나의 전자기파로부터 상이한 출력 주파수들을 갖는 2개의 전자기파들을 생성하거나, 상이한 입력 주파수들을 갖는 2개의 전자기파들로부터 출력 주파수를 갖는 하나의 전자기파를 생성하기 위해 비선형 광학 효과가 사용되는 프로세스와 관련된다. 비선형 광학 효과의 예시들은 주파수 배가(frequency doubling) 또는 커효과(Kerr effect)이다.
본 발명의 추가의 특징들, 장점들 및 추가 실시예들이 하기에 설명되거나 이로 인해 공지 가능해질 것이다.
바람직한 일 개선예에 따르면, 상술한 중첩에 기초하여, 기준 주파수를 갖는 기준 빔의 강도는 변화하고, 특히 상승한다. 이는 중첩 시점의 간단하고 신뢰 가능한 검출을 가능하게 한다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 제1 빔 생성 장치 및/또는 제2 빔 생성 장치는 비선형 광학 결정을 포함한다. 이로 인해 달성되는 장점들 중 하나는, 간단한 동시에 신뢰 가능한 방식으로 매개변수적 광학 프로세스 및/또는 비선형 광학 효과가 제공될 수 있다는 것이다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 비선형 광학 결정은 특히 주기적으로 분극 반전된 칼륨 티타닐 포스페이트, 리튬 니오베이트 및/또는 화학량론적 리튬 탄탈레이트 및/또는 바륨 보레이트, 리튬 트리보레이트, 비스무트 보레이트 및/또는 칼륨 디하이드로겐 포스페이트로 제조된다. 이러한 방식으로, 유연한 방식으로써 비선형 광학 결정이 제조될 수 있다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 제1 빔 생성 장치는 자발적 매개 형광 발광(spontaneous parametric fluorescence)을 이용한 제1 광학적 비선형 3파 프로세스를 제공하도록 구성된다. 이로 인해 달성되는 장점들 중 하나는, 간단한 동시에 신뢰 가능한 방식으로 "매개변수적 하향변환(parametric down-conversion)"이라는 용어로 알려지기도 한, 매개 형광 발광을 이용하여 2개의 광선들이 생성될 수 있다는 것이다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 제2 빔 생성 장치는 차 주파수 생성에 의한 제2 광학적 비선형 3파 프로세스를 제공하도록 구성된다. 이로 인해 달성되는 장점들 중 하나는, 간단한 동시에 신뢰 가능한 방식으로 "difference frequency generation"이라는 용어로 알려지기도 한, 차 주파수 생성에 의해 2개의 광선들이 생성될 수 있다는 것이다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 광원은 펄스형 광의 생성을 위해 구성된다. 광 펄스들에 의해서는 간단한 시간 분해 측정(time-resolved measurement)들이 가능하다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 광원은 펄스 형태로 변조된 전류원에 의해 제어 가능하다. 이에 따라, 광원은 간단한 방식으로 제어될 수 있다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 검출 장치는 광 다이오드, 특히 애벌란시 광 다이오드(avalanche photodiode) 및/또는 SPAD 다이오드를 포함한다. 이에 따라, 간단한 동시에 신뢰 가능한 검출 장치가 제공될 수 있다. SPAD 다이오드가 사용되는 경우, 개별 광자들이 검출될 수 있다. 이는 저광도에서도 신뢰 가능한 검출을 가능하게 한다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 적어도 제2 빔 생성 장치로부터의 광선을 위한 흡수기가 배열된다. 달성된 장점들 중 하나는, 이로 인해 간단하며 신뢰 가능한 방식으로 제2 빔 생성 장치로부터의 광선이 차폐될 수 있다는 것이다. 마찬가지로, 레이저의 불필요한 광을 위한 흡수기도 배열될 수 있다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 흡수기는 블랙 실리콘으로 제조된다. 이에 따라, 광이 효과적으로 흡수될 수 있다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 대상물로부터 반사되는 광선들의 수신을 위한 수신 장치가 배열되며, 이러한 수신 장치는 제1 광선의 억제 및 제2 광선의 투과를 위해 구성된 주파수 필터, 특히 대역 통과 필터를 포함한다. 가능한 하나의 장점은 외부 광이 신뢰 가능하게 차폐될 수 있다는 것이다. 이 경우, 대역 통과 필터는 λ1+/-10nm, 특히 λ1+/-5nm, 바람직하게는 λ1+/-2.5nm, 특히 λ1+/-1.5nm 및/또는 바람직하게는 λ1+/-5%, 특히 λ1+/-2%, 바람직하게는 λ1+/-1%의 제2 광선의 파장의 광 투과를 위해 구성될 수 있다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 광 펄스의 생성 시점과 반사된 광의 검출 시점이 시간 차를 형성하는 방식으로, 특히 고주파수를 갖는 클럭 소스(clock source)에 의해 제어되는 디지털 카운터들 및/또는 복수의 디지털 게이트들의 직렬 접속을 포함하는 시간 차 측정 장치가 배열된다. 이에 따라, 펄스의 방출과, 대상물로부터 반사된 광 펄스의 도달 사이의 기간의 특히 신뢰 가능한 측정이 가능하다. 이 경우, 고주파수란 GHz 범위, 바람직하게는 1 내지 300GHz, 특히 5 내지 100GHz의 주파수를 의미한다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 검출 장치는 비선형 검출 특성을 갖는다. 이에 따라, 검출 장치의 과잉 제어가 방지될 수 있다.
추가의 바람직한 일 개선예에 따르면, 시간 차 측정 장치를 통해 산출된 시간 차에 의해 대상물의 거리를 결정하기 위한 거리 결정 장치가 배열된다. 이에 따라, 산출된 거리는 검출 신호 내에 바로 코딩될 수 있다.
본 발명의 추가의 중요한 특징들 및 장점들은 종속항들로부터, 도면들로부터, 그리고 도면들을 참조한 관련 도면 설명부로부터 얻어진다.
상기에 언급되고 이하에서 더 설명될 특징들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서, 각각 기술된 조합뿐 아니라 다른 조합으로도 적용 가능하고, 개별적으로도 적용 가능하다는 사실이 자명하다.
본 발명의 바람직한 구성들 및 실시예들은 도면들에 도시되고, 하기 상세한 설명에 더 상세히 설명되며, 동일한 도면 부호들은 동일하거나 유사하거나 기능적으로 동일한 부품들 또는 요소들과 관련된다.
이 경우, 도면들은 개략적인 형태이며,
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 검출기 장치의 측정 신호를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 센서 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 검출기 장치의 기준 신호를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 방법의 단계들을 도시한 도면이다.
이 경우, 도면들은 개략적인 형태이며,
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 검출기 장치의 측정 신호를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 센서 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 검출기 장치의 기준 신호를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 방법의 단계들을 도시한 도면이다.
도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서 장치가 도시되어 있다.
도 1에는 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예가 도시되어 있다.
우선, 레이저(10)에 의해, 예를 들어 531nm의 파장(λ0) 또는 주파수(flaser)를 갖는 레이저 빔(2)이 생성된다. 레이저(10)의 출력은 연속 레벨(I1) 및 펄스 레벨(I2)을 갖는, 펄스 형태로 변조된 전류원에 의해 제어된다. 이에 상응하게, 레이저(10)는 예를 들어 1mW의 연속 출력(P1) 및 예를 들어 50W의 펄스 출력(P2)을 방사한다. 펄스 길이는 예를 들어 1ns 내지 10ns, 바람직하게는 2ns 내지 8ns, 특히 4ns 내지 6ns이다.
레이저 빔(2)은 비선형 결정(30)에 공급된다. 이러한 비선형 결정은 (주기적으로 분극 반전된) 칼륨 티타닐 포스페이트, (주기적으로 분극 반전된) 리튬 니오베이트, (주기적으로 분극 반전된) 화학량론적 리튬 탄탈레이트, 바륨 보레이트, 리튬 트리보레이트, 비스무트 보레이트 및/또는 칼륨 디하이드로겐 포스페이트로 제조될 수 있다. 그곳에서, 제1 단계에서, 매개변수적 하향변환이라고도 불리는 매개 형광 발광에 의해서는 대상물의 검출을 위한 주파수(fobj) 또는 파장(λ1)을 갖는 대상물 빔(3)과, 주파수(fref) 또는 파장(λ2)을 갖는 기준 빔(4)이 생성되거나(예를 들어 λ1=1550nm 그리고 λ2=810nm), 700nm 내지 1600nm의 각각의 임의 파장도 생성되고, 이때 공명 조건 "fobj + fref = flaser"가 충족된다. 이러한 제1 단계에서의 대상물 빔 및 기준 빔(3, 4)은 도 1에 실선으로 표시되어 있다.
제2 단계에서, 대상물 빔과 기준 빔(3, 4)은 예를 들어 다이크로익 미러(dichroic mirror) 형태의 파장 선택식 빔 스플리터(60)에 의해 공간적으로 분리된다.
기준 빔(4)은 검출기(100)에 공급되어, 전기 신호로 변환된다. 검출기(100)는 광자 흐름(Photon Flux)의 강도를 검출하는 광 다이오드 및/또는 개별 광자들에 반응하는 SPAD 다이오드를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 애벌란시 광 다이오드도 사용될 수 있다.
대상물 빔(3)은 송신 장치(68) 및/또는 편향 장치에 의해 측정 대상물(70)에 공급된다. 대상물 빔(3)의 광은 측정 대상물(70)로부터 (이 경우 산란성으로) 반사되고, 비례적으로 수신 광학 수단(67)에 의해 수용된다. 수신 광학 수단(67)은 파장 필터(66)를 포함한다. 파장 필터 또는 주파수 필터는 바람직하게는 λ1-1.5nm 내지 λ1+1.5nm에서 높은 투과율과 λ2에서 낮은 투과율을 갖는 대역 통과 필터이다. 이 경우, 대역 통과 필터는 λ1+/-10nm, 특히 λ1+/-5nm, 바람직하게는 λ1+/-2.5nm, 특히 λ1+/-1.5nm 및/또는 바람직하게는 λ1+/-5%, 특히 λ1+/-2%, 바람직하게는 λ1+/-1%의 대상물 빔(3)의 파장의 광 투과를 위해 그리고 바람직하게는 λ2+/-10nm, 특히 λ2+/-5nm, 바람직하게는 λ2+/-2.5nm 또는 λ2+/-1.5nm의 범위 및/또는 바람직하게는 λ2+/-5%, 특히 λ2+/-2%의 범위의 λ2에서의 낮은 투과율을 위해 구성될 수 있다.
제3 단계에서, 수신 광학 수단(67)에 의해 수용된 광(5)은 편향 미러(55, 56 및 57)를 통해 재차 비선형 결정(30)에 공급된다. 그곳에서는, 제1 단계에서 생성된 매개 형광 발광과 더불어, 파장 "λ1"의 광선(5)의 추가 공급을 통해, 차 주파수 생성의 효과를 통한 파장 "λ2"의 광선(6)이 재차 생성된다. 이후, 이러한 광선(6)은 추가 진행 과정에서 빔 스플리터(60)에 충돌한다. 파장 "λ2"의 광선(6)의 성분은 검출기(100)에 공급되고, 이로 인해 측정 신호가 생성된다.
도 1에서, 차 주파수 생성 이후의 생성 광선들(6, 7)은 점선으로 도시되어 있다. 한편으로 매개 형광 발광에 의해 생성되거나 다른 한편으로 차 주파수 생성에 의해 생성된 광선들(3, 4, 6, 7)은 그들의 주파수 또는 파장에 있어서 구별될 수 없다. "위상 정합(phase matching)"으로도 불리는 광선들의 위상 조정을 위한 선택된 기술에 따라, 광선들(3, 4, 6, 7)은 예를 들어 그들의 분극에 있어서 구별될 수 있다. 이는 광선들(3, 4, 6, 7)의 분리를 가능하게 하고, 파장 "λ1"을 갖는, 차 주파수 생성으로부터의 불필요한 광선(7)은 흡수기(96)에 공급될 수 있다. 마찬가지로, 레이저(11)의 다른 광자들은 흡수기에 공급될 수 있다.
도 1에 설명된 장치(1)는 도 2에 도시된 검출 신호를 제공하는 LiDAR 시스템의 일 실시예이다. 레이저의 기본 레벨(P1)은 검출 신호 레벨 "S1"을 유도한다. 펄스 생성 시점 "t0"에서 검출 신호는 레벨 "S2"로 급격히 상승할 것이다. 비선형 검출기 특성을 통해 과잉 제어를 방지하는 것이 가능하다. 광 펄스의 방출(t0)과, 대상물로부터 반사된 광의 도달(tTOF) 사이의 기간에서, 검출기(100)에서는 기준 빔(4)의 강도만을 볼 수 있다. 비선형 결정(30)에서의 차 주파수 생성을 통한 파장 "λ2"의 광선(4)의 생성 시점(t1 tTOF)에서, 도 2에 도시된 바와 같이 검출 신호(λ2)의 변화를 예상할 수 있다.
광 펄스(3)의 생성과 대상물(70)의 검출 사이의 기간은 시간 차 측정 장치(110)에 의해 측정될 수 있고, 평가 장치(120)에 의해, 구하는 대상물 거리(d)로 변환될 수 있다.
d = 1/2 tTOF * c0, 이때 c0 = 진공 내 광속도
기간 "tTOF"는 공지된 전기적 시간 측정의 방법에 의해 결정될 수 있다. 고주파수 클럭 소스에 의해 증가되는 디지털 카운터들, 또는 디지털 게이트들의 직렬 접속이 특히 적절하고, 신호 "t0"은 측정을 트리거링하며, "t1"에서의 검출이 측정을 종료한다.
도 3에는 하기에 설명되는 본 발명의 제2 실시예가 도시되어 있다.
우선, 레이저(10)에 의해, 예를 들어 531nm의 파장(λ0) 또는 주파수(flaser)를 갖는 레이저 빔(2)이 생성된다. 레이저(10)의 출력은 연속 레벨(I1) 및 펄스 레벨(I2)을 갖는, 펄스 형태로 변조된 전류원에 의해 제어된다. 이에 상응하게, 레이저(10)는 예를 들어 1mW의 연속 출력(P1) 및 예를 들어 50W의 펄스 출력(P2)을 방사한다. 펄스 길이는 전형적으로 1ns 내지 10ns, 바람직하게는 2ns 내지 8ns, 특히 4ns 내지 6ns이다.
제2 단계에서, 레이저 빔(2)은 빔 스플리터(20) 내에서 분리된다.
광 경로 "A" 상의 레이저 빔(2)은 비선형 결정(30a)에 공급된다. 이러한 비선형 결정은 (주기적으로 분극 반전된) 칼륨 티타닐 포스페이트, (주기적으로 분극 반전된) 리튬 니오베이트, (주기적으로 분극 반전된) 화학량론적 리튬 탄탈레이트, 바륨 보레이트, 리튬 트리보레이트, 비스무트 보레이트 및 칼륨 디하이드로겐 포스페이트로 제조될 수 있다. 그곳에서, 제1 단계에서, 매개 형광 발광에 의해서는 주파수(fobj) 또는 파장(λ1)을 갖는 대상물 빔(3)과, 주파수(fref) 또는 파장(λ2)을 갖는 기준 빔(4)이 생성되거나(예를 들어 λ1=1550nm 그리고 λ2=810nm), 700nm 내지 1600nm의 각각의 임의 파장도 생성되고, 이때 공명 조건 "fobj + fref = flaser"가 충족된다.
제3 단계에서 제1 광 경로(A) 상에서는, 대상물 빔과 기준 빔(3, 4)이 파장 선택식 빔 스플리터(60), 예를 들어 다이크로익 미러 등에 의해 공간적으로 분리된다.
기준 빔(4)은 검출기(101)에 공급되어, 이후 전기 기준 신호로 변환될 수 있다. 검출기(101)는 광자 흐름의 강도를 검출하는 광 다이오드 또는 개별 광자들에 반응하는 SPAD 다이오드를 포함할 수 있다. 후자는 저광도에서도 신뢰 가능한 검출을 가능하게 한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 애벌란시 광 다이오드도 사용될 수 있다. 검출기(101)에서 측정된 기준 신호는 도 4에 도시되어 있다.
대상물 빔(3)은 측정 대상물(70)에 공급된다. 대상물 빔(3)의 광은 측정 대상물(70)로부터 산란 반사되고, 비례적으로 수신 광학 수단(67)에 의해 수용된다. 수신 광학 수단(67)은 파장 필터(66)를 포함한다. 파장 필터 또는 주파수 필터(66)는 바람직하게는 λ1-1.5nm 내지 λ1+1.5nm에서 높은 투과율과 λ2에서 낮은 투과율을 갖는 대역 통과 필터이다. 이 경우, 대역 통과 필터는 λ1+/-10nm, 특히 λ1+/-5nm, 바람직하게는 λ1+/-2.5nm, 특히 λ1+/-1.5nm 및/또는 바람직하게는 λ1+/-5%, 특히 λ1+/-2%, 바람직하게는 λ1+/-1%의 대상물 빔(3)의 파장의 광 투과를 위해 그리고 바람직하게는 λ2+/-10nm, 특히 λ2+/-5nm, 바람직하게는 λ2+/-2.5nm 또는 λ2+/-1.5nm의 범위 및/또는 바람직하게는 λ2+/-5%, 특히 λ2+/-2%의 범위의 λ2에서의 낮은 투과율을 위해 구성될 수 있다.
제4 단계에서, 수신 광학 수단(67)에 의해 수용된 광은 빔 통합기(80)에 의해, 광 경로 "B"를 통해 진행하는 레이저 빔(8)과 통합되고, 재차 비선형 결정(30b)에 공급된다. 그곳에서는, 광 경로 "A"에서 진행하는 레이저 빔(5)을 통해 생성된 매개 형광 발광과 더불어, 파장 "λ1"의 빔의 추가 공급을 통해, 차 주파수 생성에 기초하는 파장 "λ2"의 레이저 빔(6)의 강도 상승이 발생한다. 파장 "λ2"의 레이저 빔(6)의 성분은 검출기(100)에 공급되고, 이로 인해 도 2에 도시된 바와 같이, 측정 신호가 생성된다. 파장 "λ1"의 레이저 빔(7)의 성분은 더 이상 필요하지 않으며, 흡수기(96)에 공급될 수 있다.
도 5에는 본 발명의 제5 실시예에 따른 방법의 단계들이 도시되어 있다.
제1 단계(S1)에서는, 레이저 원(10)의 광이 비선형 결정 내로 송신된다.
그곳에서, 제2 단계(S2)에서, 매개변수적 하향변환이라고도 불리는 매개 형광 발광에 의해서는 주파수(fobj)를 갖는 대상물 빔과, "fref"를 갖는 기준 빔이 생성되고, 이때 공명 조건 "fobj + fref = flaser"가 충족된다. 바람직하게, 대상물 빔의 파장은 1550nm의 범위에 있고 기준 빔의 파장은 810nm의 범위에 있다.
기준 빔의 강도는 제3 단계(S3)에서 검출기(100), 예를 들어 광 다이오드에 의해 연속적으로 측정된다.
제4 단계(S4)에서, 검출된 광 신호는 전기 신호로 변환된다.
이에 반해, 대상물 빔은 적절한 송신 장치, 예를 들어 렌즈 광학 수단 또는 미러 광학 수단에 의해 그리고 선택적으로는 편향 장치, 예를 들어 마이크로 미러 또는 회전 미러 등에 의해 제5 단계(S5)에서 측정 대상물(70)에 공급된다.
제6 단계(S6)에서 대상물 빔의 광은 측정 대상물(70)로부터 산란 반사되고, 비례적으로 수신 광학 수단(67)에 의해 수용된다.
제7 단계(S7)에서, 주파수(fobj)의 수신된 대상물 빔은 주파수(flaser)에서의 레이저 빔과 함께 재차 비선형 결정(30)에 공급된다.
그곳에서, 제8 단계(S8)에서는 "difference frequency generation"으로도 불리는 차 주파수 생성의 효과를 통해 주파수(fref)를 갖는 빔이 생성된다.
이러한 빔은 제9 단계(S9)에서 기준 빔과 중첩되고, 제3 단계(S3)에서 설명된 검출기(100)에 의해 측정된다. 이는 측정 신호 강도의 초과 상승을 야기한다. 기준 빔의 첫번째 측정과 강도 상승된 측정 사이의 시간 차는 대상물 거리의 결정을 위한 측정 신호로서 사용된다.
요약하면, 본 발명을 통해 그리고 특히 상술한 실시예들 중 하나 이상의 실시예에 의해, 높은 감도 및 높은 안구 안전성을 갖는, 콤팩트하고 저렴하며 신뢰 가능한 LiDAR 센서 시스템이 제공된다. 상세하게는, 이 경우 대상물의 조명 및 검출을 위한 파장의 분리를 통해, 예를 들어 안구 안전성의 최적화 및/또는 신뢰 가능한 송신 출력의 최대화가, 적절한 검출기의 구현과는 무관하게 가능하다. 또한, 검출 경로에 배열된 스펙트럼 필터의 대역폭이 더 이상 노이즈 출력을 결정하지 않고, 특히 이에 따라 일광과는 무관하다. 따라서, 예를 들어 2축 검출 경로에서 평면 검출기가 사용될 수 있거나, 통합형 포토닉스(photonics)에서의 적절한 구조에 의하여, 수신 광학 수단에 의해 수집된 전체 광이 개별 검출기에 공급될 수 있고, 이에 따라 수신 어레이가 회피될 수 있다. 이와 동시에, 대역이 좁고 각도와 무관하지만 복잡한 파장 필터가 생략될 수 있다.
또한, 완전히 다른 노이즈 출력 경로가 사용되므로, 높은 감도가 가능한데, 이는 더 작은 렌즈와, 경우에 따라서는 마이크로 미러 편향 장치를 갖는 콤팩트한 LiDAR 시스템을 가능하게 한다. 마찬가지로, LiDAR 시스템은 광학적 위상 어레이와도 조합될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예들에 의해 설명되었으나, 이들로 제한되지 않고 다양한 방식으로 변형될 수 있다.
Claims (11)
- 검출될 대상물(70)에 대한 검출 신호를 제공하기 위한 방법이며,
- 제1 광학적 비선형 3파 프로세스(30, 30a)에 의해, 출력 주파수(flaser)를 갖는 광원(10)의 광선으로부터, 상이한 주파수(fobj, fref)를 갖는 하나 이상의 제1 광선 및 제2 광선이 생성되고,
- 기준 주파수(fref)를 갖는 제1 광선이 검출되고,
- 대상물 주파수(fobj)를 갖는 제2 광선이 방출되어, 대상물(70)에 반사된 후에 수신되며,
- 출력 주파수(flaser)를 갖는 광선 및 대상물 주파수(fobj)를 갖는 제2 광선이 중첩되고,
- 제2 광학적 비선형 3파 프로세스(30, 30b)에 의해, 출력 주파수(flaser) 및 대상물 주파수(fobj)를 갖는 중첩된 2개의 광선들로부터, 기준 주파수(fref)를 갖는 기준 빔이 생성되며,
- 기준 주파수(fref)를 갖는 제1 광선의 검출과, 상술한 중첩에 기초한 기준 주파수(fref)를 갖는 기준 빔 변화의 검출 간의 시간 차에 의하여 대상물(70)의 거리(d)가 결정 가능한 방식으로, 검출 신호가 생성되는, 검출될 대상물에 대한 검출 신호 제공 방법. - 제1항에 있어서, 상기 중첩에 기초하여, 기준 주파수(fref)를 갖는 기준 빔의 강도는 변화하는, 검출될 대상물에 대한 검출 신호 제공 방법.
- 검출될 대상물(70)에 대한 검출 신호를 제공하기 위한 센서 장치(1)이며,
상기 센서 장치는 하나 이상의 출력 주파수(flaser)를 갖는 출력 빔을 생성하기 위한 광원(10)과;
제1 광학적 비선형 3파 프로세스에 의해, 출력 빔(flaser)으로부터, 상이한 주파수(fobj, fref)의 하나 이상의 제1 광선 및 제2 광선을 생성하기 위한 제1 빔 생성 장치(30, 30a)와;
제2 광학적 비선형 3파 프로세스에 의해, 방출되어 대상물(70)에 반사된 후에 수신되는 제2 광선(fobj)과 출력 주파수(flaser)를 갖는 광선의 중첩으로부터, 기준 주파수(fref)를 갖는 기준 빔을 생성하기 위한 제2 빔 생성 장치(30, 30b)와;
광의 검출을 위한 검출 장치(100)로서, 기준 주파수(fref)를 갖는 제1 광선의 검출과, 상기 중첩에 기초한 기준 주파수(fref)를 갖는 기준 빔 변화의 검출 간의 시간 차에 의하여 대상물(70)의 거리(d)가 결정 가능한 방식으로, 검출 신호를 생성하도록 구성된 검출 장치;를 포함하는, 검출될 대상물에 대한 검출 신호 제공을 위한 센서 장치. - 제3항에 있어서, 제1 빔 생성 장치 및/또는 제2 빔 생성 장치(30a, 30b)는 비선형 광학 결정을 포함하며, 비선형 광학 결정(30)은 칼륨 티타닐 포스페이트, 리튬 니오베이트 및/또는 화학량론적 리튬 탄탈레이트 및/또는 바륨 보레이트, 리튬 트리보레이트, 비스무트 보레이트 및/또는 칼륨 디하이드로겐 포스페이트로 제조될 수 있는, 검출될 대상물에 대한 검출 신호 제공을 위한 센서 장치.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 제1 빔 생성 장치(30, 30a)는 자발적 매개 형광 발광을 이용한 제1 광학적 비선형 3파 프로세스를 제공하도록 구성되는, 검출될 대상물에 대한 검출 신호 제공을 위한 센서 장치.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 제2 빔 생성 장치(30, 30b)는 차 주파수 생성에 의한 제2 광학적 비선형 3파 프로세스를 제공하도록 구성되는, 검출될 대상물에 대한 검출 신호 제공을 위한 센서 장치.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 적어도 제2 빔 생성 장치(30b)로부터의 광선을 위한 흡수기(96)가 배열되며, 상기 흡수기는 블랙 실리콘으로 제조될 수 있는, 검출될 대상물에 대한 검출 신호 제공을 위한 센서 장치.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 대상물로부터 반사되는 광선들의 수신을 위한 수신 장치(67)가 배열되며, 상기 수신 장치는 제1 광선(fref)의 억제 및 제2 광선(fobj)의 투과를 위해 구성된 주파수 필터(66)를 포함하는, 검출될 대상물에 대한 검출 신호 제공을 위한 센서 장치.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 광 펄스의 생성 시점(t0)과 반사된 광의 검출 시점(t1)이 시간 차를 형성하는 방식으로 디지털 카운터들 및/또는 복수의 디지털 게이트들의 직렬 접속을 포함하는 시간 차 측정 장치(110)가 배열되는, 검출될 대상물에 대한 검출 신호 제공을 위한 센서 장치.
- 제3항 또는 제4항에 있어서, 검출 장치(100)는 비선형 검출 특성을 갖는, 검출될 대상물에 대한 검출 신호 제공을 위한 센서 장치.
- 제3항 또는 제4항에 따른 하나 이상의 센서 장치를 갖는 LiDAR 스캐너이며,
LIDAR 스캐너는 제1 빔 생성 장치(30, 30a)의 빔을 편향시키기 위한 미소기계식 미러를 갖는, LiDAR 스캐너.
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