KR20070065439A - Ｖｃｓｅｌ 다이오드 어레이를 갖는 물체 검출 시스템 - Google Patents

Ｖｃｓｅｌ 다이오드 어레이를 갖는 물체 검출 시스템 Download PDF

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KR20070065439A
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버논 디. 프라이스
준 지앙
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트리코 프로덕츠 코포레이션 오브 테네시
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Abstract

차량-장착용 물체 검출 시스템(200)은 모니터링되는 구역(104 및 106)에서 다른 이동하는 차량의 존재를 자동차 운전자에게 알리기 위한 이미터 소스로서 레이저 다이오드들을 활용한다. 물체 검출 시스템(200)은 광학 트랜스미터(204) 및 광학 리시버(212)를 포함한다.

Description

ＶＣＳＥＬ 다이오드 어레이를 갖는 물체 검출 시스템{OBJECT DETECTION SYSTEM WITH A VCSEL DIODE ARRAY}
본 발명은, 일반적으로 물체 검출 시스템들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 이미터 소스(emitter source)로서 레이저 다이오드들을 활용하는 차량-장착용 물체 검출 시스템들에 관한 것이다.
물체 검출 시스템들은 측방향에 장착된 차량용 거울 뒤에서 연장되는 모니터링 구역(monitored zone)에서 또 다른 이동하는 차량의 존재를 자동차 운전자들에게 알리기 위해 개발되어 왔다. 해당 모니터링 구역은, 통상적으로 "블라인드 스폿(blind spot)"이라 지칭된다. 종래의 측방향 물체 검출(side object detection:SOD) 시스템들은 트랜스미터 렌즈를 통해 모니터링 구역으로 검출 빔들을 전달하기 위한 광학 트랜스미터, 상기 모니터링 구역의 물체로부터 반사된 후 리시버 렌즈를 통과하는 검출 빔들을 수용하기 위한 리시버, 및 수신된 신호들을 처리하는 단계를 포함하여 일반적으로 상기 시스템을 제어하는 전자 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 시스템 보드를 사용한다. 상기 시스템 보드는 차량 전기 버스(vehicle electrical bus)에 전기적으로 커플링된다.
여러 SOD 시스템들에서, 다중 검출 또는 감지 빔들은 다중 에지 방출 레이저 다이오드들을 사용하는 광 소스로부터 모니터링된 검출 구역으로 전달된다. 1 이상의 포토디텍터들은 그들이 모니터링된 구역 내의 물체로부터 검출 빔들의 어떠한 반사도 수용하도록 상기 모니터링된 구역으로 조준된다. 통상적으로, 이러한 시스템들은 모니터링된 구역 내의 물체들로부터 반사된 광과 모니터링된 구역의 경계들을 넘어선 곳으로부터 방출되는 광을 구별하기 위하여, 수용되는 반사들에서 삼각망(triangulation) 또는 위상 시프트들을 사용한다. 이러한 시스템들의 예시들은 인용 참조되고 있는 미국특허 제 5,463,384 호 및 제 6,377,167 호에 개시되어 있다.
많은 SOD 시스템들, 특히 에지 방출 레이저 다이오드들에 대해 레이저 적외선 광 소스들이 바람직하다. 하지만, 이들 에지 방출 레이저 다이오드들은 그 반사들을 검출 및 분석하기 매우 어려운 확산성의 타원형 빔을 생성한다. 따라서, 물체 검출 구역들을 정확하게 정의하는 것이 어려우며, 이에 의해 에지 방출 레이저 다이오드들을 사용하는 SOD 시스템들에서의 잘못된 검출들을 저감시키기 어렵다. 또한, 에지 방출 레이저 다이오드들은 그 자체가 비교적 고가이며 상대적으로 느린 반응 시간들을 갖는다. 방출된 빔의 방위로 인하여, 에지 방출 레이저 다이오드들은 표준 표면 장착 패키지들에 장착될 수 없고, 나아가 SOD 시스템들에서의 그들의 사용 비용이 더욱 부가된다. 에지 방출 레이저 다이오드들의 높은 비용 및 낮은 성능은 그들의 SOD 시스템 마켓에서의 보급도를 크게 제한한 종래 기술의 SOD 시스템들에 대해 보다 높은 전체적인 비용 및 저하된 기능을 초래한다.
이 때, 필요한 것은 더 저렴하고 높아진 정확도를 제공하며, 표면 장착 전자 구성요소들의 조립이 종래 방법들을 이용하여 제조될 수 있는 레이저 광 소스를 갖는 차량 장착용 물체 검출 시스템이다.
본 발명은 광학 트랜스미터 및 광학 리시버를 포함하는 물체 검출 시스템에 관한 것이다. 시스템 보드는 광학 트랜스미터 및 리시버에 전기적으로 커플링된다. 시스템 보드는 트랜스미터가 광학 신호들을 발생시키도록 하고, 검출되는 물체로부터 반사될 경우 광학 신호들을 리시버가 수신하도록 하며, 수신된 광학 신호들을 처리하기 위한 논리 함수(logic functional)를 포함한다. 광학 트랜스미터는 복수의 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser:VCSEL) 칩들을 포함하는 방출 모듈을 갖는 트랜스미터 회로 보드를 포함한다. 선택적으로, 광학 트랜스미터는 광학 신호들을 트랜스미터 렌즈를 향해 지향시키기 위하여 광 파이프가 트랜스미터 회로 보드로부터 멀리 연장되도록 방출 모듈에 걸쳐 위치되는 1 이상의 광 파이프를 포함한다.
복수의 VCSEL 칩들은 사전-정의된 2차원 VCSEL 칩 어레이 내의 트랜스미터 회로 보드 상에 위치된다. 각각의 VCSEL 칩은 표면 장착 패키지의 기판 상에 장착되고 사전-정의된 2차원 VCSEL 다이오드 어레이의 기판들 상에 위치되는 복수의 VCSEL 다이오드들을 갖는다. VCSEL 칩 어레이는 트랜스미터 보드를 180°회전시킴으로써 트랜스미터 보드가 우측 또는 좌측의 차량 위치에 사용될 수 있도록 하는 양방향성 기하학적 구조(reciprocal geometry)를 갖는 것이 바람직하다. 표면 장착 패키지는 통합 세라믹 열 소산 요소(integral ceramic heat dissipating element)를 포함한다. VCSEL 다이오드들은 표면 장착 패키지의 보다 낮은 열 소산 능력들을 수용하기 위하여 1.5% 보다 적은 듀티 사이클(duty cycle)로 전기적으로 펄싱된다.
도 1은 여러-차선의 고속도로 상에 위치된 차량의 평면도로서, 본 발명에 따른 SOD 시스템에 의하여 모니터링되는 차량 측면 거울들로부터 연장되는 구역들을 추가 예시하고 있는 도;
도 2는 본 발명에 따른 SOD 시스템의 바람직한 실시예의 시스템 블록도;
도 3(a)-(c)는 각각 본 발명에 따른 표면 장착 패키지들에 패키징되는 VCSEL 칩들의 3 가지 상이한 실시예들의 측면, 에지 및 평면도;
도 4(a)-(e)는 본 발명에 따른 VCSEL 다이오드 어레이들의 상이한 실시예들의 평면도;
도 5는 본 발명에 따른 모니터링되는 구역을 정의하기 위하여 SOD 시스템의 트랜스미터로부터 방출되는 다중 검출 빔들을 나타내는 사시도;
도 6(a)는 도 5에 나타낸 바와 같이 다중 검출 빔들을 발생시키기 위한 양방향성 기하학적 구조 및 기능으로 배치되는 VCSEL의 어레이를 포함하는 SOD 방출 모듈의 평면도;
도 6(b)는 모니터링되는 구역의 물체로부터 반사되는 검출 빔들을 수용하기 위한 양방향성 기하학적 구조 및 기능으로 배치되는 포토디텍터들의 어레이를 포함하는 SOD 시스템 리시버의 평면도;
도 7(a)-(e)는 각각 본 발명의 이미터 및 리시버 보드들을 위한 광섬유 인터 페이스의 일 실시예의 평면, 경사, 정면, 측면 및 저면도이다.
본 발명은 자동차용 물체 검출 시스템에 관한 것이다. 본 명세서에 기술된 실시예는 측방향 물체 검출기(SOD)에 대한 것이다.
도 1에는 SOD의 기본 개념이 예시되어 있다. SOD 시스템은 SOD 시스템들 또는 유닛들(108 및 110)에 의하여 모니터링되는 인접한 검출 구역들(104 및 106)(흔히 모니터링되는 구역들이라 지칭됨) 내의 1 이상의 차량들의 존재와 관련하여 호스트 차량(104 및 106)의 운전자에게 정보를 제공하는 역할을 한다. 검출 구역들(104 및 106)은 경계들[104(a-d) 및 106(a-d)]에 의하여 정의된다. 모니터링되는 구역들(104 및 106)은 차량(102)의 운전자가 직접적으로 또는 내측 및 외측의 백미러들을 통해 볼 수 없는 소위 "사각지대들(blind spots)" 또는 영역들을 포괄하는 것이 바람직하다. 본 SOD 시스템의 이러한 사각지대의 적용에 있어, 대략 4 내지 25 ft의 모니터링되는 구역(104 및 106)은 측면의 백미러들로부터 측정되는 운전자-측면 및 승객-측면의 사각지대들을 적절히 커버하도록 이루어지는 것이 바람직하다.
SOD 시스템들(108 및 110)의 이미터 및 검출 유닛들은 차량 외측의 백미러들 또는 그 상에 장착되는 것이 바람직하다. 모니터링되는 구역들(104 및 106) 내의 물체를 검출하기 위하여, SOD 시스템들(108 및 110)로부터 구역들(104 및 106)로 다중 광학 빔들(흔히 검출 빔들이라 지칭됨)의 3차원 어레이가 전달된다. 보다 상세히 후술되겠지만, 검출 빔들은 다중 VCSEL 칩들의 어레이에 배치되는 다수의 수 직방향 캐비치 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser:VCSEL)에 의하여 생성되는 것이 바람직하다. 반사되는 검출 빔들은 SOD 시스템들(108 및 110)의 리시버를 이용하여 수용된다. 반사되는 검출 빔들에 대응되는 복귀(return) 신호들은 모니터링되는 구역의 경계 영역 내에서부터 나오는 복귀된 신호와 위상이 90°다르도록(out of) 설정되는 동일 주파수의 위상 제어된 기준 신호와 혼합된다. 이는, 이러한 상황에서 신호들은 위상 쿼드러쳐(phase quadrature) 내에 있기 때문에 구역 경계의 믹서로부터 출력되는 제로(zero)를 생성한다. 따라서, (영역의 경계보다 가까운) 모니터링되는 구역 내의 물체로부터의 복귀된 신호는 믹서로부터 양 부호의 신호를 생성하는 한편, (영역의 경계를 넘어선) 모니터링된 구역을 벗어난 물체로부터 검출된 빔이 있다면 음 부호의 신호가 생성된다. 복귀된 신호의 위상 시프트의 크기가 검출된 물체까지의 거리를 결정하는데 사용되기는 하나, 차량의 사각지대 내의 SOD의 목적을 위해 이러한 계산이 반드시 필요한 것은 아니다. 광의 속도는 실질적으로 일정하기 때문에, 복귀된 광 신호는 검출된 물체에 대한 모든 풋(foot)에 대해 1.97 ns 만큼 시프팅된 위상일 것이다. 따라서, 검출 구역의 크기는 반사된 신호들에서의 위상 시프트들의 특정 크기들을 찾음으로써 간단하게 변경될 수 있다.
또한, 구역들(104 및 106) 내에서 물체가 검출되는 경우 믹서의 출력이 선택적으로 양 또는 음이 되도록 전달(transmission)을 위해 상이한 주파수들이 선택될 수 있다. 따라서, 전달을 위해 특정한 가변적 주파수들을 선택하여, 구역 내의 물체가 믹서로부터의 양의 출력의 존재 또는 부재를 검출함으로써 간단하게 검출되도 록 물체에 대한 정밀한 범위를 결정해야 할 필요성이 회피될 수 있다. 이러한 검출 방법 및 시스템은 미국특허 제 6,377,167 호에 개시되어 있다.
VCSEL 다이오드는 비교적 새로운 타입의 레이저 다이오드이다. VCSEL 다이오드(흔히 "VCSEL"이라 간단히 지칭됨)는 실질적으로 코히런트 광의 전방으로 지향되는 빔을 생성한다. 다시 말해, 에지 방출 레이저 다이오드들(edge emitting laser diode)과 비교하여, VCSEL 다이오드로부터의 빔은 다이오드 장착 표면으로부터 먼, 다이오드의 최상부 표면으로부터 지향된다. 전형적으로, 단일의 VCSEL 다이오드는 기판 상에 장착된다. 통상적으로, 단일의 VCSEL은 연속적인 모드로 또는 가시적 조명을 생성하기 위해 높은 듀티 사이클로 작동되는 매우 낮은 파워의 디바이스이다. VCSEL의 이용가능한 파워 출력은 열을 소산시키기 위한 VCSEL 패키지(및 그와 연관된 열 싱킹)의 능력 및 과열로 인한 손상에 대한 그것의 취약성의 함수이다. 따라서, 종래의 응용례에 있어서의 대부분의 VCSEL 다이오드들은 개선된 열 소산을 위해 금속 캔들 내에 패키징되어 있다. 일반적으로, 종래의 패키징의 VCSEL은 SOD 시스템에서 사용하기에는 적합하지 않다. 에지 방출 레이저 다이오드들과 비교하여, VCSEL은 보다 빠른 응답 시간을 갖는 보다 낮은 파워의 디바이스이다.
전자 구성요소들에 대한 표면 장착 패키지들은 그들의 낮은 프로파일, 낮은 비용 및 자동화도가 높은 제조 공정들에서의 사용에 대한 적합도로 인하여 여러 응용례들에서 바람직하게 이용된다. 본 발명인들은 작은 듀티 사이클로 VCSEL 다이오드를 펄싱하고, 단일 기판 상에 다수의 VCSEL 다이오드들의 어레이들을 제조함으로써, 패키지의 열 소산 능력을 초과하지 않고 표면 장착 패키지의 VCSEL 다이오드 어레이로 비교적 높은 세기의 적외선 레이저 빔이 생성될 수 있다는 것을 발견하였다. 보다 중요한 것으로, 본 발명인들은 이러한 표면 장착 VCSEL 어레이가 도 1과 관련하여 상술된 것과 같은 차량 물체 검출 시스템에 매우 적합한 강한 세기, 낮은 듀티 사이클의 레이저 빔을 생성하는데 사용될 수 있다는 것을 발견하였다.
이하 도 2를 참조하면, 차량용 물체 검출 시스템의 일 실시예의 도가 도시되어 있다. 시스템(200)은 차량 인터페이스(203)를 통해 차량과 통신하는 마이크로콘트롤러(202)에 의하여 관리된다. 마이크로콘트롤러(202)는 클록(205)에 의하여 구동된다. 이미터 및 그와 연관된 드라이버들의 세트를 갖는 트랜스미터 모듈(204)은 렌즈(206)를 통해 반사 물체(208)를 검출하는 것이 바람직한 영역을 향하여 포커싱되는 적외선 광학 검출 빔들을 생성하는데 사용된다. 본 명세서에서 보다 상세히 논의되겠지만, 트랜스미터(204)는 VCSEL 칩들의 어레이를 포함하는 것이 바람직하며, 각각의 VCSEL은 VCSEL 다이오드들의 어레이를 채용한다. 물체(208)로부터 반사된 검출 빔들은 포토디텍터들 및 그와 연관된 증폭기들의 세트를 갖는 리시버 모듈(212)에 반사된 빔들을 지향시키는 수용 렌즈(210)를 통과한다. 이미터 모듈(204)을 제어하고 리시버 모듈(212)로부터의 신호들을 처리하기 위한 회로가 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)(214) 내에 포함된다. 게이트 어레이(214)에는 기준 클록(207)이 제공된다. 게이트 어레이(214)는 또한 트랜스미터(이미터) 모듈(204) 및 리시버 모듈(212)과 마이크로프로세서(202) 사이의 인터페이스를 제공하는 역할을 한다. 나아가 게이트 어레이(214)는 중간 주파수(intermediate frequency:IF) 신호를 생성시키기 위하여 아날로그 믹서(216)의 리시버(212) 신호들과 조합되는 로컬 발진기(local oscillator:LO)를 생성시키는 역할을 한다. 저 패스 필터(218) 및 고 게인 증폭기/리미터(limiter)(220)는 상기 증폭기/리미터(220)의 출력이 마이크로콘트롤러(202)에 의하여 처리될 수 있는 검출/비 검출 데이터 신호를 제공하도록 IF 신호를 더 콘디셔닝하는데 사용된다. 주변 콘디션들 및 렌즈 선명도가 모니터링되고 평가될 수 있도록 렌즈 테스트 이미터(222) 및 렌즈 테스트 리시버(224)가 제공될 수도 있다.
이하 도 3(a)-(c)를 참조하면, 물체 검출 시스템의 이미터 모듈(204)에서 사용하기 위한 바람직한 VCSEL 표면 장착 패키지들(302, 304 및 306)의 기계적 도면들이 도시되어 있다. 도 3(a)에 도시된 A1 표면 장착 패키지(302)는 직사각형 베이스(238) 및 실질적으로 원형의 돔(310)을 갖는다. VCSEL 요소(312)는 베이스(308) 위 및 돔(310) 내로 연장된다. VCSEL 요소(312)를 위한 전기 콘택트(314)는 돔(310) 내의 VCSEL(312)의 최상부에 연결된다. 도 3(b)에 도시된 A2 표면 장착 패키지(304)는 직사각형 베이스(316) 및 돔(320) 내로 연장되는 VCSEL 요소(318)를 갖는다는 점에서 A1 패키지(302)와 유사하다. 하지만, 돔(320)은 보다 평행한(collimated), 코히런트 레이저 빔의 생성을 돕는 실질적으로 편평한 상부 표면(322)을 갖는다. 또한, 도 3(c)에 도시된 A3 표면 장착 패키지(306)는 평탄화된 돔(326)과 직사각형 베이스(324)를 갖는다. 하지만, A3 패키지(306)는 직사각형 베이스(324) 내에 제공되는 전기 커넥션들을 갖는 VCSEL 요소(328)를 사용한다. 패키지들(302, 304 및 306) 모두는 열 소산 특징들을 개선시키기 위한 통합 세라믹 열 싱크들을 가지고 제조될 수 있다.
각각의 패키지들(302, 304, 306)에서, VCSEL 요소(312, 318 또는 328)는 도 4(a)-4(d)에 도시된 바와 같이 단일 VCSEL 또는 단일 기판 상의 VCSEL 다이오드들의 어레이일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 각각의 VCSEL 요소를 위한 표면 장착 패키지(302, 304 또는 306)는 통합 열 싱킹을 제공하기 위한 세라믹 기판을 갖는 표준 LED 표면 장착 패키지이다. 이러한 패키지의 일 예로는 ULM Photonics GMBH로부터의 ULM850-7T-TN-HSMDCA가 있다.
패키지의 열 소산 능력들을 초과하지 않고 표면 장착 패키지의 VCSEL 다이오드들의 어레이를 사용하여 큰 세기의 검출 빔들을 생성하기 위하여, 본 발명인들은 단일 기판 상에서 이격된 VCSEL 다이오드들의 어레이를 사용하고 상기 다이오드들을 저 듀티 사이클로 펄싱하는 것이 바람직하다는 것을 발견하였다. 저 듀티 사이클은 생성되는 검출 빔의 이용가능한 세기를 떨어뜨리지 않고 각 VCSEL 다이오드에 의하여 소산되는 평균 파워를 저감시킨다. 상이한 VCSEL 어레이들(402, 404, 406, 408 및 409)이 도 4(a)-(e)에 도시되어 있다. 각각의 VCSEL 어레이들(402, 404, 406, 408 및 409)은 칩 식별 부(chip identifier portion;410) 및 칩에 전기적 콘택트들을 제공하기 위한 본딩 영역(bonding areas;412)을 갖는다. 어레이(402)는 각 측 상에서 대략 420 ㎛를 측정하는 2X2+1 어레이를 형성하기 위하여 표준 다이 상에 5 개의 도트들과 같이 배치되는 5 개의 VCSEL 다이오드들(414)을 갖는다. VCSEL 어퍼처들(414)은 대략 50 ㎛의 직경을 갖는다. 어레이(402) 상에서 수행되는 테스트들은 150 mW 이상의 파워 레벨을 가지고 일정한 웨이브 방식으로, 또는 어떠한 손상도 지탱하지(sustain) 않고 1.5 %가 안되는 듀티 사이클을 가지고 500 mW로 펄싱되는 방식으로 작동될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 따라서, 저 듀티 사이클로 VCSEL 다이오드 어레이를 펄싱함으로써, VCSEL의 손상 없이 보다 강한 세기의 빔이 얻어질 수 있다.
어레이(404)는 대략 516 ㎛ × 516 ㎛ 크기의 어레이를 형성하기 위하여 7번째 중앙의 VCSEL 다이오드(414) 주위에 둘러져 배치되는 VCSEL 다이오드들(414)을 사용한다. 또한, 제 3 어레이(406)는 7번째 중앙의 VCSEL 다이오드(414) 주위에 배치되는 6 개의 VCSEL 다이오드들(414)을 사용한다. 하지만, 제 3 어레이(406)는 어레이(406)의 열 소산 능력이 증대되도록 대략 670 ㎛ × 670 ㎛의 보다 큰 기판 상에 제조된다. 제 3 어레이(406)의 파워 소산 능력들은 기판의 증가된 영역으로 인해 제 2 어레이(404)에 비해 증가되지만, 당업자들은 증가된 크기는 또한 비용의 증가를 초래한다는 점을 쉽게 이해할 것이다. 제 4 어레이(408)는 제 2 어레이(404)와 대략 같은 크기의 기판 상에 3×3 어레이로 배치되는 9 개의 VCSEL 다이오드들(414)을 사용한다. 어레이들(404, 406 및 408)은 1.5 % 보다 작은 듀티 사이클을 가지고 펄싱된 모드로 작동될 경우 700 mW 이상의 모니터링된 구역에서 광학적 파워를 제공할 수 있다. 어레이(409)는 670 ㎛ × 170 ㎛ 기판 상의 일 행에(in a row) 3 개의 VCSEL 다이오드로 이루어지며 손상을 지탱하지 않고 300 mW의 제한된 듀레이션 펄스들을 생성시킬 수 있다. 도 4(a)-(e)의 VCSEL 다이오드 어레이들(402, 404, 406, 408 및 409)이 여기에 예시되어 있으나, 어레이가 채용될 특정 시스템의 필요조건들에 따라 상이한 어레이의 기하학적 구조의 폭넓은 변형례들이 채택될 수 있다.
이하, 도 5를 참조하면, 7 개의 방출된 검출 빔들을 활용하는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모니터링되는 검출 구역 정의의 도가 도시되어 있다. 검출 구역(502)은 차량의 좌측(502) 및 우측(504) 둘 모두에 대해 조성될 수 있다. 각각의 구역 502 및 504 내에는, 검출 구역들(502 및 504)의 적절한 커버리지를 보장하기 위하여, 7 개의 빔들(506-518 및 520-532)이 개별적으로 조준된다. 각각의 구역(502 및 504)은 한 쌍의 바퀴들 사이에서 지지되는 트럭 베드의 저부와 같이, 도로 표면 위의 특정 높이에 걸쳐 있는 물체들이 검출될 수 있도록 하기 위해 빔들(506-516 및 520-530) 위에 수직방향으로 조준되는 1 이상의 하이-빔(hi-beam;518 및 532)을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 하이-빔들(518-532)은 검출 구역들 중앙의 물체들이 검출될 수 있도록 하기 위해 검출 구역들(502 및 504)의 가장 먼 포인트를 향하여 조준되는 것이 바람직하다.
이하 도 6(a) 및 (c)를 참조하면, 도 5의 검출 빔 패턴들을 생성 및 수용하기 위한 이미터(트랜스미터) 모듈 보드(602) 및 리시버 모듈 보드(604)를 위한 바람직한 어레이의 기하학적 구조들이 도시되어 있다. 단일 VCSEL 다이오드들 또는 VCSEL 다이오드들의 어레이를 갖는 VCSEL 칩들이 바람직한 검출 구역의 적절한 커버리지를 확보하기 위하여 평행하지 않은 업/다운의 관계(staggered up/down relationship)로 배치된다. 하이-빔은 다른 요소들(606)로부터 하나의 방출 요소(608)를 오프셋함으로써 제공된다. 이미터 모듈의 기하학적 구조(602)와 동일한 리시버 모듈 보드(604)의 기하학적 구조는 방출 요소들(606)의 패턴에 대응되는 패턴으로 배치되는 포토디텍터들(610)을 사용한다. 또한, 하이-빔 이미터 요소(608)에 대응되는 오프셋 포토디텍터(612)가 제공된다. 일 실시예에서, 이미터 및 리시버 보드들(602 및 604)은 만곡된 장착 표면 상에 보드들을 장착함으로써 빔들이 지향될 수 있도록 구부러지는 유연한 보드들일 수 있다. 또 다른 실시예에서, VCSEL 칩들은 검출 빔들을 원하는 방위로 제공하기 위하여 광 파이프들 또는 다른 광학기들(도 7 참조)을 갖는 평면의 인쇄회로기판 상에 직접적으로 장착되는 표면일 수 있다. 캘리브레이션의 목적들을 위해 기준 이미터(614) 및 리시버(616)가 제공된다.
본 발명에 따른 차량 SOD 시스템에서, 검출 빔들은 850nm의 공칭(nominal) 파장을 가지며 700 mW의 검출 구역에서 최소의 광학 파워를 제공한다. 이를 제공하기 위하여, VCSEL 칩들은 270 ns의 공칭 펄스 듀레이션을 갖는 1.2 %의 듀티 사이클에서 1 내지 1.2 amps의 전류 펄스들로 구동된다. SOD 시스템의 일 실시예에서, 이미터 및 리시버 모듈 보드와 그에 대응되는 시준 렌즈 사이에는 1.59 인치의 초점 길이가 존재한다. 1.5 % 보다 적은 듀티 사이클이 바람직하나, 듀티 사이클은 특정 응용례들을 위해 필요에 따라 증가될 수 있다. 이러한 작업에 적합한 VCSEL 다이오드는 ULM Photonics GMBH로부터 이용가능하다. 대응되는 포토디텍터들은 또한 ULM Photonics GMBH로부터의 SD150-14-002 VCSEL 모니터 포토디텍터들일 수 있다.
광학 및 전자 구성요소들의 기계적 및 전기적 구성은 트랜스미터와 리시버 사이에 적어도 120 - 150 db의 광학적 및 전기적 고립을 제공하는 것이 바람직하다.
이하 도 7(a)-(e)를 참조하면, 도 6(a) 및 (b)의 이미터 및 리시버 보드를 위한 바람직한 광섬유 인터페이스(702)의 사시도들이 도시되어 있다. 광섬유 인터페이스(702)는 도 6(a) 및 6(e)에 도시된 이미터 및 디텍터 어레이들의 기하학적 구조에 대응되는 패턴으로 배치되는 다수의 광 파이프(704)를 포함한다. 이는, 보다 저렴한 평형 보드 상에 이미터들 및 디텍터들을 장착될 수 있도록 한다.
트랜스미터 모듈 보드(602) 상에 형성되는 VCSEL 칩 어레이는 보드의 방위를 180°회전시킴으로써 우측 또는 좌측의 SOD 시스템들에 대해 단일의 보드(602)가 사용될 수 있도록, 트랜스미터 모듈 보드(602) 상에 형성되는 VCSEL 칩 어레이는 도 6(a)에 도시된 바와 같은 양방향성 기하학적 구조를 갖는 것이 바람직하다.
따라서, 신규하며 유용한 "VCSEL 다이오드 어레이를 갖는 물체 검출 시스템"의 본 발명의 바람직한 특정 실시예들이 기술되었으나, 이러한 기준들은 후속 청구항에 나열된 것을 제외하고 본 발명의 범위에 관한 제한으로서 해석되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다.

Claims (15)

  1. 물체 검출 시스템에 있어서,
    a. 광학 트랜스미터;
    b. 광학 리시버;
    c. 상기 광학 트랜스미터와 리시버에 전기적으로 커플링되는 시스템 보드를 포함하고, 상기 시스템 보드는 상기 트랜스미터가 광학 신호들을 발생시키도록 하고, 검출된 물체로부터 반사될 경우의 상기 광학 신호들을 상기 리시버가 수용하도록 하며, 상기 수용된 광학 신호들을 처리하는 논리 함수(logic functional)를 포함하고,
    d. 상기 광학 트랜스미터는 1 이상의 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser:VCSEL)을 포함하는 이미터 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 검출 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    a. 상기 광학 트랜스미터는 트랜스미터 회로 보드를 더 포함하고;
    b. 상기 이미터 모듈은 상기 트랜스미터 회로 보드 상에 장착되는 1 이상의 VCSEL 칩을 포함하고, 각각의 VCSEL 칩은 표면 장착 패키지 내의 기판 상에 장착되는 복수의 VCSEL 다이오드들을 포함하고, 상기 표면 장착 패키지는 통합 열 소산 요소(integral heat dissipating element)를 갖는 것을 특징으로 하는 물체 검출 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이미터 모듈은 상기 트랜스미터 회로 보드 상에 장착되는 복수의 VCSEL 칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 검출 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    a. 상기 복수의 VCSEL 칩은 사전-정의된 2차원 VCSEL 칩 어레이 내의 상기 트랜스미터 회로 보드 상에 위치되고;
    b. 상기 VCSEL 칩들 각각 내의 상기 복수의 VCSEL 다이오드들은 사전-정의된 2차원 VCSEL 다이오드 어레이 내의 기판 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 물체 검출 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판들 각각은 세라믹 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 검출 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    트랜스미터 렌즈를 더 포함하고, 상기 광학 트랜스미터는 상기 이미터 모듈에 걸쳐 위치되는 1 이상의 광 파이프를 포함하고, 상기 광 파이프는 상기 트랜스 미터 렌즈를 통해 광학 신호들을 지향시키기 위하여 상기 트랜스미터 회로 보드로부터 먼 쪽으로 연장되는 것을 특징으로 하는 물체 검출 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 VCSEL 다이오드들은 1.3 %보다 적은 듀티 사이클에서 전기적으로 펄싱되는 것을 특징으로 하는 물체 검출 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 VCSEL 칩 어레이는 상기 트랜스미터 보드를 180°회전시킴으로써 상기 트랜스미터 보드가 우측 또는 좌측 시스템의 양 위치에서 사용될 수 있도록 하기 위한 양방향성(reciprocal) 기하학적 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 검출 시스템.
  9. 사전결정된 펄스 듀레이션 동안 지속되는 비교적 큰 세기의 포워드 포커스 레이저 빔(high intensity forward focused laser beam)을 생성하기 위한 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL) 칩에 있어서,
    표면 장착 통합 회로 패키지;
    상기 큰 세기의 레이저 빔을 생성하기 위한 상기 표면 장착 통합 회로 패키지 상에 위치되는 VCSEL 다이오드들의 어레이;
    상기 큰 세기의 레이저 빔을 전방으로 포커싱하는 상기 각각의 VCSEL 다이오 드들에 걸쳐 위치되는 실질적으로 편평한 이미터 돔; 및
    상기 VCSEL 다이오드들에 의하여 발생되는 열을 소산시키기 위하여 상기 표면 장착 통합 회로 패키지와 열 접촉하여 위치되는 열 소산 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저 칩.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 펄스 듀레이션은 사전결정된 간격 동안 상기 VCSEL 다이오드들에 의하여 생성되는 열의 양이 상기 간격 동안 상기 열 소산 수단에 의하여 소산될 수 있는 열의 양보다 적도록 선택되는 것을 특징으로 하는 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저 칩.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열 소산 수단은 연관된 장착 보드로 50 mW 이상의 파워를 소산시키는 것을 특징으로 하는 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저 칩.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 VCSEL 다이오드들은 대략 1.5 % 보다 적은 듀티 사이클에서 펄싱되는 것을 특징으로 하는 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저 칩.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저들은 원형 어퍼처들을 갖는 것을 특징으로 하는 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저 칩.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 칩은 차량 감지 시스템 내에 채용되는 것을 특징으로 하는 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저 칩.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 어레이는 중앙의 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저 주위에 배치되는 6 개의 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직방향 캐비티 표면 방출 레이저 칩.
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