KR20220118398A

KR20220118398A - 다중 리턴 기능을 가진 픽셀을 구비한 가이거 모드 애벌랜치 포토다이어드 기반의 수신기를 포함하는 lidar 시스템

Info

Publication number: KR20220118398A
Application number: KR1020227016192A
Authority: KR
Inventors: 마크 디 엔트휘슬
Original assignee: 아르고 에이아이 엘엘시
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2022-08-25
Also published as: US20210116550A1; CN114729998A; EP4045939A1; EP4045939A4; WO2021077096A1; US11573302B2

Abstract

가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드 기반의 LiDAR 시스템 및 다수의 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드 기반 픽셀을 포함하는 수신기를 통해 반사가 검출되는 주기적인 일련의 광 펄스로 검출 영역을 조사하는 방법이 개시된다. 수신기의 픽셀은 반사의 흡수 후에 비동기적으로 정비해제 및 재정비되도록 구성된다. 그 결과, 각 픽셀은 일련의 광 펄스의 주기에 의해 지속시간이 규정되는 단일 검출 프레임 동안에 동일한 광 펄스의 다중 반사를 검출할 수 있다. 게다가, 각 픽셀은 검출 프레임 동안에 검출된 다중 반사 각각에 대한 전파시간 데이터를 저장할 수 있다. 따라서, 수신기의 각 개별 픽셀은 제1 반사를 검출하여도 검출 프레임의 나머지 부분에서 블라인드 상태가 아니며 비작동 상태가 아니다.

Description

다중 리턴 기능을 가진 픽셀을 구비한 가이거 모드 애벌랜치 포토다이어드 기반의 수신기를 포함하는 LIDAR 시스템

본 개시내용은 개괄적으로 스캐닝 광학 거리측정 검출 시스템 및 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드를 채택한 전파시간(time-of-flight, TOF) LiDAR(Light Detection And Ranging) 시스템 및 방법에 관한 것이다.

LiDAR(Light Detection And Ranging, 광 검출 거리측정) 시스템은 환경 내의 하나 이상의 대상체에 대해 이들 대상체에 물리적으로 닿지 않고서 이들의 거리 측정을 가능하게 한다. 전파시간(TOF) LiDAR는, 제1 시간에 대상체를 향해 광학 펄스(통상 레이저 펄스)를 송신하고, 제2 시간에 대상체로부터 광학 펄스의 반사를 검출하며, 제1 시간과 제2 시간 사이의 시차 ― 광이 대상체에 대해 오고가는데 걸린 시간(즉, 광학 펄스의 전파시간)을 나타낸다 ― 를 결정함으로써, 소스와 대상체 사이의 거리를 추정한다. TOF LiDAR 시스템은 무인 자동차, 농기구 등과 같은 수많은 용도에서 사용하기에 매력적이다.

다중 픽셀 검출기의 각각의 픽셀로 하여금 이미지 프레임의 각 검출 프레임 동안 다중 반사를 검출할 수 있게 하는 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드 기반의(Geiger-mode avalanche-photodiode-based) LiDAR 시스템 및 방법에 관한 본 개시내용의 양태에 따라 해당 분야의 기술의 진보가 이루어진다.

종래기술의 시스템 및 방법과 마찬가지로, 본 개시내용에 따른 실시형태들은 각각의 픽셀이 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드를 포함하는 픽셀 어레이를 포함한 수신기 및 펄스 레이저를 사용하여 검출 영역을 조사한다. 펄스 레이저는 주기적인 일련의 광 펄스를 검출 영역에 지향시키고 수신기는 일련의 검출 프레임의 각 검출 프레임 동안 검출 영역 내의 대상체로부터의 광학 펄스의 반사를 검출하는데, 각 검출 프레임의 시작은 상이한 광학 펄스의 송신에 기초한다. 광 펄스의 적어도 일부가 검출 영역 내의 대상체로부터 다시 검출기의 픽셀로 반사될 때에, 해당 픽셀의 애벌랜치 포토다이오드에서 애벌랜치 검출 이벤트가 트리거되고 해당 광 펄스의 송신과 애벌랜치 검출 이벤트가 발생하는 시간 사이의 시간(즉, 반사에 포함된 광자 또는 광자들의 전파시간)에 기초하여 대상체에 대한 거리(range)가 추정된다. 유감스럽게도 종래기술의 TOF LiDAR 시스템에서는 검출 프레임 동안 애벌랜치 검출 이벤트가 트리거되면, 해당 픽셀은 다음 검출 프레임의 시작에서 리셋될 때까지 사용 불가능하게 된다. 그 결과, 검출기의 각 픽셀은 검출 프레임마다 하나의 반사만 검출할 수 있고 반사를 검출한 임의의 검출 프레임의 나머지 부분에 대해서는 블라인드 상태가 된다.

종래 기술과 뚜렷하게 대조되는 본 개시내용에 따른 LiDAR 시스템은 각 픽셀이 단일 검출 프레임 동안 복수의 반사를 검출할 수 있게 하는 ― "다중 리턴 기능"이라고 함 ― 회로부를 포함하는 픽셀을 구비한 수신기를 포함한다. 그래서 픽셀은 하나의 반사를 검출한 후에 검출 프레임의 나머지 부분에서 블라인드 상태가 아니다. 각 픽셀에 포함되는 회로부는 각 애벌랜치 검출 이벤트 이후에 해당 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드의 비동기적 자동 리셋을 가능하게 하여 애벌랜치 이벤트를 정지하도록 신속하게 정비해제(disarm)된 다음 다른 반사를 검출할 수 있도록 재정비(rearm)될 수 있다. 또한 각각의 픽셀은 단일 검출 프레임 내에서 발생하는 각각의 애벌랜치 검출 이벤트와 연관된 타임 스탬프를 유지하기 위한 복수의 레지스터를 포함하는데, 여기서 각각의 타임 스탬프는 LiDAR 시스템과 반사가 수신된 대상체 사이에서 광 펄스의 왕복 전파시간을 나타낸다.

본 개시내용에 따른 예시적인 실시형태는, 검출 필드를 향해 주기적인 일련의 광 펄스를 송신하기 위한 소스, 검출 영역으로부터 반사를 검출하기 위한 수신기, 및 프로세서를 포함하는 TOF LiDAR 시스템이며, 프로세서는 소스 및 수신기에 게이팅 및 제어 신호를 제공하고 수신기로부터 수신된 TOF 데이터에 기초하여 검출 영역에서 하나 이상의 대상체에 대한 거리(range)를 추정한다.

수신기는 픽셀 어레이 ― 각각의 픽셀은 검출 영역으로부터 반사를 검출하기 위한 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드(GmAPD)를 포함함 ― 와, 반사의 흡수에 응답하여 애벌랜치 검출 이벤트 이후에 GmAPD를 자동으로 정비해제하고 후속 반사의 검출을 가능하게 하도록 GmAPD를 재정비하기 위한 게이팅 신호 컨트롤러와, 단일 검출 프레임 동안 GmAPD에 의해 검출된 복수의 반사에 연관된 TOF 데이터를 저장하기 위한 TOF 레지스터 모듈을 포함한다.

일부 실시형태에서, 게이팅 신호 컨트롤러는 보류 타이머(hold-off timer) 및 ARM 타이머를 포함한다. 보류 타이머는 애벌랜치 검출 이벤트의 검출시에 GmAPD의 자동의 비동기적 정비해제 및 ??칭을 개시한다. ARM 타이머는 보류 타이머로부터의 신호에 응답하여 GmAPD의 비동기적 재정비 또는 프로세서로부터의 글로벌 ARM 신호에 응답하여 GmAPD의 동기적 정비를 개시한다.

일부 실시형태에서, TOF 레지스터 모듈은 2개의 레지스터 뱅크 및 컨트롤러를 포함한다. 하나의 레지스터 뱅크는 활성 검출 프레임 동안에 검출된 반사에 대한 전파시간 정보를 저장하기 위한 다수의 TOF 레지스터를 포함하고, 제2 뱅크는 이전 검출 프레임 동안에 검출된 반사에 대한 전파시간 정보를 판독하기 위한 TOF 레지스터를 포함한다.

본 개시내용에 따른 일 실시형태는 광 검출 거리측정(LiDAR) 시스템을 포함하고, LiDAR 시스템은: 검출 영역을 향해 일련의 광 펄스를 송신하기 위한 광원 ― 일련의 광 펄스는 주기적이고 주기(T1)에 의해 분리됨 ―; 및 복수의 검출 프레임의 각 검출 프레임 동안 광 펄스의 반사를 검출하기 위한 복수의 픽셀을 포함하는 수신기를 포함하고, 각 검출 프레임은 T1에 기초한 지속시간(duration)을 갖고 일련의 광 펄스 중의 상이한 광 펄스의 송신에 기초한 시작 시간을 가지며, 각 픽셀은: (i) 검출 영역으로부터 광 펄스의 반사를 검출하기 위한 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드(GmAPD); (ii) 가이거 모드에 GmAPD를 두기 위해 GmAPD를 정비하고 가이거 모드에서 GmAPD를 빼기 위해 GmAPD를 정비해제하기 위한 게이팅 신호 컨트롤러; (iii) 일련의 광 펄스 중의 한 광 펄스의 송신과 일련의 광 펄스 중의 그 광 펄스의 하나 이상의 반사의 검출 사이의 전파시간(TOF)을 추적하기 위한 카운터; 및 (iv) 일련의 광 펄스 중의 그 광 펄스의 하나 이상의 반사와 연관된 TOF 데이터를 저장하기 위한 TOF 레지스터 모듈을 포함하고, LiDAR 시스템은, 수신기의 각 픽셀이, 복수의 검출 프레임의 각 검출 프레임 동안 일련의 광 펄스의 각 광 펄스의 복수의 반사를 검출하기 위해 동작하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 개시내용에 따른 다른 실시형태는 검출 영역에서 적어도 하나의 대상체에 대한 거리를 추정하기 위한 방법이며, 이 방법은: 검출 영역을 향해 일련의 광 펄스를 송신하는 단계 ― 일련의 광 펄스는 주기적이고 주기(T1)에 의해 분리됨 ―; 지속시간(T1)을 갖는 복수의 검출 프레임을 규정하는 단계 ― 각 검출 프레임은 일련의 광 펄스 중의 상이한 광 펄스의 송신에 기초한 시작 시간을 가짐 ―; 복수의 검출 프레임 중의 제1 검출 프레임 동안 수신기의 제1 픽셀에서 일련의 광 펄스 중의 제1 광 펄스의 제1 반사를 수신하는 단계 ― 제1 픽셀은 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드(GmAPD)를 포함하고, 제1 반사의 수신이 제1 애벌랜치 검출 이벤트를 트리거함 ―; 제1 애벌랜치 검출 이벤트를 ??칭하기 위해 제1 GmAPD를 비동기적으로 정비해제하는 단계; 및 제1 검출 프레임 동안 일련의 광 펄스 중의 제1 광 펄스의 제2 반사의 수신에 응답하여 제2 애벌랜치 검출 이벤트를 활성화하기 위해 제1 GmAPD를 비동기적으로 정비하는 단계를 포함한다.

도 1a와 도 1b는 종래기술에 따른 TOF LiDAR 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1a와 도 1b에서 도시하고 전술한 것과 같은 TOF LiDAR 시스템의 수신기의 하나의 픽셀에 대한 대표적인 이미지 프레임의 복수의 파형을 포함하는 예시적인 타이밍도를 도시한다.
도 3은 본 개시내용에 따른 LiDAR 시스템의 예시적인 실시형태의 개략도를 도시한다.
도 4는 예시적인 실시형태에 따른 검출기의 개략도를 도시한다.
도 5는 예시적인 실시형태에 따른 검출기 픽셀의 기능 블록도를 도시한다.
도 6은 본 개시내용에 따라 검출 영역을 조사하기 위한 방법의 단계들을 나타낸다.
도 7은 본 개시내용에 따라 단일 검출 프레임 동안 픽셀로 하여금 복수의 반사를 검출할 수 있게 하기에 적합한 예시적인 부속 방법(sub-method)의 하위 단계들을 나타낸다.
도 8은 부속 방법(700)에 따른 하나의 픽셀(404)에 대한 대표적인 검출 프레임의 타이밍도를 도시한다.
도 9는 본 개시내용에 따른 게이팅 신호 컨트롤러에 대한 예시적인 회로 구성을 도시한다.
도 10은 예시적인 실시형태에 따른 TOF 레지스터 모듈의 기능 블록도를 도시한다.

다음은 본 개시내용의 원리를 예시할 뿐이다. 따라서 당업자는 본 명세서에 명시적으로 기술되거나 도시되지는 않았지만 본 개시내용의 원리를 구현하고 그 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 구성들을 고안할 수 있는 것을 이해할 것이다. 보다 구체적으로, 다수의 특정 상세가 제시되지만, 본 개시내용의 실시형태는 이들 특정 상세 없이도 실시될 수 있고 다른 경우에 본 개시내용의 이해를 방해하지 않기 위해 잘 알려진 회로, 구조 및 기술은 설명하지 않는 것이 이해될 것이다.

또한, 여기에서 언급하는 모든 예 및 조건부 언어는, 원칙적으로 독자가 본 개시내용의 원리와 발명자들에 의해 기술 발전에 기여한 개념을 이해하는 데 도움을 주기 위해 교육적인 목적으로만 의도된 것이고, 이러한 구체적으로 언급한 예 및 조건에 제한되지 않는 것으로서 해석되어야 한다.

더욱이, 본 개시내용의 원리, 양태, 및 실시형태를 언급하는 여기에서의 모든 진술과, 그 특정 예는 구조적 및 기능적 등가물을 모두 포함하는 것이 의도된다. 또한, 그러한 등가물은 현재 알려진 등가물 및 미래에 개발될 등가물 모두, 즉 구조에 관계없이 동일한 기능을 수행하는 임의의 개발된 엘리먼트를 포함하는 것이 의도된다.

따라서, 예를 들어, 본 명세서의 다이어그램이 본 개시내용의 원리를 구현하는 예시적인 구조의 개념적 뷰를 나타내는 것을 당업자라면 알 것이다.

또한, 임의의 흐름표, 흐름도, 상태 전이도, 의사코드 등이, 컴퓨터 판독 가능 매체에서 실질적으로 표현되어 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 실행될 수 있는 다양한 프로세스를 나타내는 것을, 그러한 컴퓨터 또는 프로세서가 명시적으로 표시되는지와 관계 없이, 당업자라면 알 것이다.

본 명세서의 청구범위에서 지정된 기능을 수행하기 위한 수단으로서 표현되는 임의의 엘리먼트는, 예를 들어 a) 해당 기능을 수행하는 회로 엘리먼트들의 조합 또는 b) 따라서 기능을 수행하기 위해 해당 소프트웨어를 실행하기 위한 적절한 회로부와 결합되는 펌웨어, 마이크로코드 등을 포함하는 임의의 형태의 소프트웨어를 포함하는 해당 기능을 수행하는 임의의 방식을 망라하는 것이 의도된다. 이러한 청구범위에서 규정되는 본 발명은 언급하는 다양한 수단에 의해 제공되는 기능성이 청구범위가 요구하는 방식으로 결합되고 함께 제공된다는 사실에 입각한 것이다. 따라서 출원인은 이들 기능성을 여기에 나타내는 것들과 동등하게 제공할 수 있는 모든 수단을 고려한다. 마지막으로, 여기에 달리 명시하지 않으면 도면은 축척에 따라 작성되지 않았다.

첨부하는 청구범위를 포함해 본 명세서에서 사용하는 용어들을 다음과 같이 정의한다.

ㆍ 시야라고도 하는 검출 영역은 이미지 프레임 동안 이미징되는 관심 영역으로 정의된다.

ㆍ 프레임 통합 기간(지속시간)이라고도 하고 데이터 통합 기간(지속시간)이라고도 하는 이미지 프레임은 검출 영역이 이미징되는 시간 주기로 정의된다. 이미지 프레임은 일반적으로 복수의 검출 프레임을 포함한다;

ㆍ 레이저 펄스 주기 또는 광 펄스 주기라고도 하는 검출 프레임은 송신기로부터의 광 펄스의 송신 사이의 시간 주기로 정의된다; GmAPD 정비 펄스 사이의 시간을 의미하며 사용될 때에는 프레임 주기가 자주 사용된다;

ㆍ 비동기적 정비(asynchronous arming)는 다중 픽셀 수신기의 다른 픽셀의 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드의 정비와는 독립적으로 픽셀의 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드를 정비하는 것으로 정의된다;

ㆍ 비동기적 정비해제(asynchronous disarming)는 다중 픽셀 수신기의 다른 픽셀의 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드의 정비해제와는 독립적으로 픽셀의 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드를 정비해제하는 것으로 정의된다;

ㆍ 다중 리턴 기능(multiple-return capability)은 단일 검출 프레임 동안 개별 픽셀에서 동일한 광 펄스의 복수의 반사를 검출할 수 있는 기능으로 정의된다.

몇몇 추가 배경을 통해 본 발명자들은 LiDAR 시스템 및 방법의 발전으로 실무자가 넓은 영역을 스캔하면서 각각 로컬(상대) 좌표계 내에서 정확한 위도, 경도 및 고도 (x, y, z) 값을 가진 수십억 개의 데이터 포인트를 수집할 수 있다는 점에 주목함으로써 시작하였다. 수십억 개의 데이터 포인트의 이러한 집계를 포인트 클라우드 데이터 세트라고 한다. 그러므로 실무자는 포인트 클라우드 데이터 세트로부터 대상체 위치를 추출하고 후속 의사 결정을 위해 해당 위치 정보를 사용한다.

도 1a와 도 1b는 종래기술에 따른 TOF LiDAR 시스템의 개략도를 도시한다. 시스템(100)은 둘러싸고 있는 검출 영역의 상태를 결정하기 위해 하나 이상의 포인트 클라우드 데이터 세트를 수집하도록 동작하는 GmAPD 기반 LiDAR 시스템이다. 도 1b에 도시하는 바와 같이, 시스템(100)은 일반적으로 송신기(102), 수신기(104), 및 프로세서(106)를 포함한다.

송신기(102)는 출력 신호(108)를 제공하고 광원(118)과, 검출 영역(114)을 향해 출력 신호(108)를 지향시키기 위한 송신 옵틱스(120)를 포함한다. 동작시, 송신기(102)는 광 펄스(110) 열을 포함하는 질의 신호(interrogating signal)를 검출 영역(또는 시야)(114)으로 주기적으로 송신한다. 도시하는 예에서, 광원(118)은 프로세서(106)로부터의 드라이브 신호에 응답하여 주기(T1)를 나타내는 광 펄스(110) 열을 방출하는 다이오드 레이저이다. 광 펄스(110)는 검출 영역을 조사하기에 적절한 파장 및 강도를 갖는다. 통상적으로 광 펄스(110)는 대략 900 nm 내지 대략 2000 nm의 범위의 파장을 갖지만 다른 사용 가능한 파장도 업계에 공지되어 있다.

각각의 광 펄스(110)가 검출 영역(114)을 통해 전파함에 따라, 대상체(116)는 광 펄스의 광 에너지의 일부를 반사광(112)으로서 수신기(104)를 향해 다시 반사할 수 있다.

수신기(104)는 검출기 어레이(122)와, 반사(112)를 검출기 어레이(122)의 엘리먼트로 지향시키기 위한 수신 옵틱스(124)를 포함한다. 검출기 어레이(122)의 각 픽셀은 항복 전압 이상의 바이어스 전압이 제공될 때(즉, "정비"되는 경우) 단일 광자의 검출에도 응답하여 전기 신호를 신속하게 생성할 수 있는 ― nsec 미만의 정밀도로 광자 전파시간을 측정할 수 있는 ― 가이거 모드 애벌랜치 광다이오드(GmAPD, Geiger-mode avalanche photodiod)를 포함한다. 픽셀은, 정비시, 광 펄스(110)의 저 강도 반사(112)를 검출하고, 검출되고 나서 프로세싱 시스템에 의해 사용되는 전기 신호를 출력할 수 있다.

프로세서(106)는 제어, 게이팅 및 타이밍 신호를 송신기(102) 및 수신기(104)에 제공할 뿐만 아니라 수신기(104)로부터 전기 신호를 수신하고 전기 신호에 기초하여 검출 영역(114)의 맵을 전개(develope)하도록 구성되는 프로세싱 시스템 및 컨트롤러이다. 통상, 프로세서(106)는 본 개시내용에 따른 명령을 실행하기 위한 컴퓨터 시스템과, 메모리(예컨대, 휘발성 또는 비휘발성 메모리 등과 같은 컴퓨터 판독 가능 매체)와, 하나 이상의 저장 디바이스(예를 들어, 플래시 메모리, 디스크 드라이브, 광학 디스크 디바이스, 자기, 광학 또는 기타 기록 기술을 사용하는 테이프 디바이스 등)와, 하나 이상의 송신기, 수신기 및 광학 제어장치, 발광기, 수광기, 타이밍 및 제어 기능, 필터 등을 포함할 수 있는 입출력 구조를 포함한다. 프로세서(106)는 하나 이상의 버스를 통해 시스템(100)의 다른 컴포넌트와 접속되는 단일 또는 다중 코어 프로세서일 수 있다.

도 1a에 도시하는 바와 같이, 시스템(100)은 자동차와 같은 이동식 플랫폼에 장착될 수 있다. 도 1a에는 구체적으로 도시하지 않았지만, 이러한 LiDAR 시스템은 육상, 해상, 항공 및/또는 우주선을 포함하는 고정식 또는 기타 이동식 플랫폼에 장착될 수 있다. 또한, 이러한 플랫폼들은 완전 360도 환경 뷰(environmental view)가 가능할 수 있도록 큰 볼륨에 걸쳐 스위프 또는 스캔하도록 구성되거나 개별적으로 결합될 수 있다.

도 2는 이전의 도 1a와 도 1b에서 도시하고 전술한 것과 같은 종래의 TOF LiDAR 시스템의 수신기의 모든 픽셀에 대한 대표적인 이미지 프레임의 복수의 파형을 포함하는 예시적인 타이밍도를 도시한다. 타이밍도(200)에서 볼 수 있지만, 이미지 프레임(202)은 수개의 실질적으로 동일한 검출 프레임(204(1) 내지 204(n))을 포함하고, 이들 각각은 동일한 지속시간을 나타낸다. 이 도시하는 예에서, 각 검출 프레임의 지속시간은 출력 신호(108)의 광 펄스 열의 주기(T1)의 지속시간과 동일하다.

주어진 이미지 프레임에 대해, 각각의 개별 검출 프레임((204(1), 204(2), … 204(n))(합쳐서 검출 프레임(204)이라고 함)은 질의 신호의 각각의 광 펄스의 송신과 동기화되는 시작 시간(t0)를 갖는다. 예를 들어, 광 펄스(110(1))는 검출 프레임(204(1))의 시간 t0에서 송신되고, 광 펄스(110(2))는 검출 프레임(204(2))의 시간 t0에서 송신되고, 광 펄스(110(n))는 검출 프레임(204(n))의 시간 t0에서 송신된다. 일부 실시형태에서는, 각 검출 프레임의 시작 시간이 각각의 광 펄스의 송신 시간과 상이할 수도 있고 검출 프레임 및 광 펄스의 특정 수가 이 예시적인 예에 나타낸 수와 상이할 수도 있음을 알아야 한다.

정비 시간(ta)에서, 프로세서(106)는 게이팅 신호를 수신기(104)의 모든 GmAPD 기반 픽셀에 제공하는데, 게이팅 신호는 각 GmAPD가 바이어싱되는 전압을 제어한다. 도시하는 예에서, 게이팅 신호는 정비 시간(ta)에서 GmAPD 기반 픽셀의 바이어스 전압을 V1에서 V2로 상승시키는데, V1은 각 GmAPD의 임계(즉, 항복) 전압보다 낮은 전압이고, V2는 임계 전압(Vt)보다 높은 전압이다. 따라서, 바이어스 전압을 V2로 상승시키면 픽셀은 가이거 모드로 투입되고 각 픽셀이 단일 광자의 수신을 검출할 수 있도록 정비된다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 정비 시간(ta)은 지연 기간의 종결시에 발생할 수 있다. 도시하는 예에 있어서, 각 검출 프레임에서, 이 지연 기간은 정비 시간(ta)이 시간 t0에서 각각의 광 펄스(110)의 송신으로부터 약간만 지연되도록 매우 짧다. 일부 경우에, 시스템(100)으로부터 더 먼 거리에 위치한 검출 영역(114)의 일부를 검출기가 선택적으로 조사할 수 있도록 검출 프레임에서 더 긴 지연 기간이 사용된다.

동작 동안, 게이팅 신호는 게이팅 기간(206) 전체에 걸쳐 하이로(즉, V2에서) 유지되어, 픽셀이 게이팅 기간 동안 언제든지 광자의 도달을 검출할 수 있게 한다. 게이팅 기간(206)은 정비해제 시간(td)에서는 수신기(104)의 모든 픽셀에 대해 종료되고, 이 시간에서 게이팅 신호는 임계 전압(Vt)보다 낮은 전압(V1)으로 감소하여 수신기(104)의 GmAPD를 정비해제한다. 당업자라면 이해하고 알고 있겠지만, ta와 td 사이의 시간(즉, 게이팅 기간의 지속시간)은 일반적으로 각 검출 프레임 동안 스캔되는 검출 영역(114)의 범위(거리)를 정의한다. 임계 전압 미만으로 게이팅 신호가 감소하면, GmAPD에서 발생하는 애벌랜치 이벤트가 정지되고(즉, 애벌랜치 전류가 퀀칭됨), 이에 의해 GmAPD가 다음 검출 프레임의 게이팅 기간(206)의 시작시에 재정비될 수 있다.

당업자에게는 명백하겠지만, 일반적으로 수신기의 GmAPD 기반 픽셀은 (도 2에 도시한 바와 같이) 각 검출 프레임이 종결되기보다 더 전에 정비해제되어, GmAPD가 가이거 모드에 있지 않은 동안 GmAPD에 트랩된 전하를 해방시켜 재결합하게 한다. 당업자라면 알고 있겠지만, 이러한 보류 시간은 애프터펄싱으로 인한 다크 카운트와 같은 허위 애벌랜치 이벤트를 효과적으로 방지한다.

전술한 바와 같이, 픽셀은 게이팅 기간(206) 동안 언제라도 도달하는 반사(112)를 검출할 수 있다. 예를 들어, 검출 프레임(204(1), 204(2) 및 204(3))에서, 반사(112)는 각각 시간 tr1, tr2 및 trn서 수신되어, 픽셀의 GmAPD에서 출력 신호를 하이로 구동하는 애벌랜치 감출 이벤트를 트리거링한다.

수신기(104)의 픽셀들은 동기적으로 동작한다는 점에 유의해야 한다. 다시 말해, 픽셀들은 각 검출 프레임 동안 모두 동시에 정비 및 정비해제된다.

GmAPD 검출기의 작동 물리학이 알려져 있고 이해하고 있겠지만, GmAPD 검출기의 사용은 일반적으로 증배 노이즈와 관련된다기보다는 검출 확률, 즉 입사 광자가 검출 이벤트를 생성할 확률과 관련이 있는 것을 알아야 한다. 이러한 확률은, 광자가 디바이스의 활성 영역에서 흡수될 확률인 양자 효율과, 광전자(또는 정공)가 조기 종료되지 않는 애벌랜치를 개시할 확률인 애벌랜치 확률을 곱한 것이다.

또한 가이거 모드 검출 이벤트는 강도 정보를 제공하지 않는 것도 알아야 한다. 광자의 흡수에서 기인한 자유-자유 캐리어 쌍의 재결합에 의해 생성된 전기 펄스는, 트랩된 전하의 해방, 동시에 이루어지는 다수의 광자의 흡수, 또는 이어서 흡수된 광자에서 기인한 자유-자유 캐리어 쌍의 재결합에 의해 생성된 전기 펄스와 구별할 수 없다. 결과적으로 도 2에 나타낸 바와 같이, 검출 프레임 동안 흡수된 제1 광자에 의해 애벌랜치 검출 이벤트가 트리거되면 픽셀의 출력 신호는, 이후 추가 광자가 수신되는지와 관계없이, GmAPD가 정비해제 시간(td)에서 ??칭될 때까지 하이로 유지된다. 따라서, 검출기 어레이(122)의 각 픽셀은 검출 프레임당 하나의 반사만을 검출할 수 있고 해당 검출 프레임의 나머지 부분에서는 추가 반사의 도달에 대해 블라인드 상태(blind)이다. 그 결과, 시스템(100)에 가까운 대상체가 멀리 떨어진 대상체를 가리거나 완전히 숨길 수 있다. 본 개시내용에 따른 방법, 시스템 및 기술이 이 문제를 효과적으로 완화한다.

도 3은 본 개시내용에 따른 LiDAR 시스템의 예시적인 실시형태의 개략도를 도시한다. 시스템(300)은 전술한 시스템(100)과 유사하지만, 시스템(300)은 다중 리턴 기능을 갖는 수신기를 포함하며, 이 수신기는 임의의 단일 검출 프레임 동안 검출 영역(114)으로부터 다중 반사를 검출할 수 있도록 구성된다. 그 결과, 시스템(300)은 검출 영역(114)에서의 대상체의 막힘 및/또는 가림을 완화한다. 시스템(300)은 일반적으로 송신기(302), 수신기(304), 및 프로세싱 시스템/컨트롤러(306)를 포함한다.

송신기(302)는 전술한 송신기(102)와 유사하고 일련의 광 펄스(110)를 검출 영역(114)에 송신한다.

수신기(304)는 검출기(308)와, 검출기(308)의 픽셀에 반사(112)를 지향시키기 위한 수신 옵틱스(124)를 포함한다.

프로세싱 시스템/컨트롤러(306)(이하, 프로세서(306)라고 함)는 전술한 프로세서(106)와 유사하지만, 프로세서(306)는 또한 각 검출 프레임 내에서 다중 반사에 대한 TOF 데이터의 수신을 가능하게 하고 TOF 데이터에 기초하여 검출 영역(114)의 맵을 전개하도록 구성된다.

도 4는 예시적인 실시형태에 따른 검출기의 개략도를 도시한다. 검출기(308)는 전체적으로 검출기 어레이(122) 및 판독 집적 회로(ROIC)(310)에 의해 규정되고 픽셀 어레이(402) 및 복수의 직렬 데이터 판독부(406)를 포함한다. 도시하는 예에서, 픽셀 어레이(402)는 GmAPD(502) 및 연관된 ROIC 회로부를 포함하는 실질적으로 동일한 픽셀(404)의 2차원 어레이이며, 여기서 픽셀들은 1 x 512 컬럼 구성으로 배열되어 출력 채널당 64 픽셀과, 별도의 직렬 데이터 출력(406)을 통해 출력 데이터(424)가 판독되어 출력되는 8 출력 채널을 실현한다.

아래에서 더 자세히 논의하겠지만, 픽셀(404) 각각은, 광학 펄스(110)의 하나 이상의 반사(112)를 검출하고, 개별 검출 프레임 동에안 수신된 다중 반사와 연관된 TOF(time-of-flight) 정보를 저장하고, TOF 정보를 프로세서(306)에 제공할 수 있도록 구성될 수 있다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 픽셀 어레이(402)는 프로세서(306)로부터 여러 글로벌 신호를 수신하는데, 그 각각은 모든 픽셀(404)에 제공된다. 구체적으로, 도시하는 예에서, 픽셀 어레이(402)는 트리거 신호(408), 글로벌 ARM(410), 글로벌 DISARM(412), 마스터 클록(414), 마스터 클록 인에이블(416), 개별 직렬 데이터 클록(418), 글로벌 보류 시간(420), 및 글로벌 ARM 시간(422)을 포함한 글로벌 신호들을 수신한다. 일부 실시형태에서, 글로벌 신호(408 내지 422) 중 적어도 하나는 ROIC(310)에 포함된 하나 이상의 컨트롤러 회로, 프로세서(306) 및 픽셀 어레이(402) 각각과 동작 가능하게 결합되는 전용 컨트롤러 등과 같은, 프로세서(306) 이외의 회로 엘리먼트에 의해 픽셀 어레이(402)에 제공된다.

도 5는 예시적인 실시형태에 따른 다중 리턴 기능을 가진 검출기 픽셀의 기능 블록도를 도시한다. 픽셀(404)은 GmAPD(502), 게이팅 신호 컨트롤러(504), TOF 카운터(506), 및 TOF 레지스터 모듈(508)을 포함한다.

게이팅 신호 컨트롤러(504)는 GmAPD(502)가 가이거 모드에 있는지 여부를 제어하도록 동작하는 전자 회로 모듈이다. 게이팅 신호 컨트롤러(504)는 APD 신호(510)뿐만 아니라 프로세서(306)로부터 수신된 한 쌍의 글로벌 신호, 즉 글로벌 보류 시간(420) 및 글로벌 ARM 시간(422)에 기초하여, GmAPD(502)의 상태를 제어한다. 게이팅 신호 컨트롤러(504)는 GmAPD(502)에서 애벌랜치 검출 이벤트를 검출하고, 애벌랜치를 신속하게 ??칭하고, GmAPD를 재정비할 수 있도록 구성된다. 결과적으로 게이팅 신호 컨트롤러를 내장함으로써 동일한 검출 프레임 동안 단일 픽셀에 의한 다중 반사 검출이 가능한다.

TOF 카운터(506)는 마스터 클록(414)에서 클록 사이클의 실행 카운트를 유지하도록 동작한다. TOF 카운터(506)는 마스터 클록 인에이블(416)을 통해 각각의 검출 프레임의 시작시에 리셋된다.

TOF 레지스터 모듈(508)은 검출 프레임 내에서 GmAPD(502)가 반사(112)를 검출할 때마다 상이한 TOF 레지스터에 TOF 카운터(506)의 카운트를 저장하기 위해 복수의 TOF 레지스터 및 제어 회로부를 포함하고, 이에 의해 단일 검출 프레임 동안 GmAPD(502)에서 수신된 복수의 반사(112) 각각에 대한 전파시간(time-of-flight) 정보를 등록할 수 있다. TOF 레지스터 모듈(508)은 단일 검출 동안에 검출된 각각의 반사(112)에 대한 저장된 TOF 데이터를 데이터 출력 신호(516)를 통해 프로세서(306)에 제공한다.

단일 검출 프레임 동안 한 픽셀에서 수신된 다중 반사를 검출하고 각 반사에 대한 TOF 정보를 저장할 수 있는 능력에 의해, 본 개시내용에 따른 실시형태는 종래기술의 TOF LiDAR 시스템에 비해 상당한 이점을 제공한다. 이들 이점의 일부를 설명하기 위해 픽셀(404)에서 하나 이상의 반사를 검출하기 위한 예시적인 방법을 여기에 제시한다. 여기에 설명하는 실시형태 및 방법은 본 개시내용의 범위 내에서 일부 접근법만을 설명할 뿐이며 무수한 대안적 시스템 및 방법이 이 범위 내에 있음을 주목해야 한다.

도 6은 본 개시내용에 따라 검출 영역을 조사하기 위한 방법의 단계들을 나타낸다. 방법(600)은 단계 601에서 시작하며, 여기서는 송신기(102)가 검출 영역(114)을 향해 출력 신호(108)를 송신한다. 전술한 시스템(100)에서와 같이, 도시하는 예에서, 출력 신호(108)는 주기(T1)를 나타내는 n개의 광 펄스(즉, 광 펄스(110-1 내지 110-n))의 주기적 열을 포함한다. 계속하여 도 3 내지 도 5를 참조할뿐만 아니라 도 7 내지 도 10을 참조하면서 방법(600)을 설명한다.

단계 602에서, 각각의 검출 프레임(802(i))에서, 여기서 i=1 내지 n이고, 각각의 픽셀(404)은 각각의 검출 프레임(802(i)) 동안 검출 영역(114)으로부터 하나 이상의 반사(112)를 검출하도록 활성화된다. 검출 프레임(802(1) 내지 802(n))은 이미지 프레임(202)과 유사한 이미지 프레임을 집합적으로 정의한다는 점에 유의해야 한다.

도 7은 본 개시내용에 따라 단일 검출 프레임 동안 픽셀로 하여금 복수의 반사를 검출할 수 있게 하기에 적합한 예시적인 부속 방법(sub-method)의 하위 단계들을 나타낸다.

도 8은 부속 방법(700)에 따른 하나의 픽셀(404)에 대한 대표적인 검출 프레임의 타이밍도를 도시한다.

하위 단계 701에서, 프로세서(306)는 픽셀(404)에 포착 트리거 신호(408)를 제공한다. 타이밍도(800)에 도시하는 바와 같이, 포착 트리거 신호(408)는 검출 프레임(802(i))에 대해, 시작 시간 t0에 제공된다. 도시하는 예에서, 포착 트리거 신호(408)는 검출 영역(114)으로의 광 펄스(110)의 송신과 동기화되지만, 그러한 동기화가 필수적이지는 않다. 트리거 신호(408)는 검출기(308)의 모든 픽셀(404)에 제공되는 글로벌 신호인 것을 주목해야 한다.

하위 동작 702에서, 시간 t1에, 프로세서(306)는 글로벌 ARM(410) 상의 전기 펄스를 게이팅 신호 컨트롤러(504)에 제공한다. 이에 응답하여, 게이팅 신호 컨트롤러는 게이팅 신호(512)에 전기 펄스를 제공하여, GmAPD(502)를 가이거 모드에 투입하도록 정비한다. 도시하는 예에서, 시간 t1은 전술한 정비 시간(ta)과 유사하고, 따라서, GmAPD(502)는 각각의 광 펄스(110)가 송신되는 시간과 실질적으로 동시에 정비된다. 그러나 이들 액션이 상이한 시간에 수행될 수도 있다. 글로벌 ARM(410)도 검출기(308)의 모든 픽셀(404)에 제공되는 글로벌 신호라는 것을 주목해야 한다.

글로벌 ARM(410) 상에서의 전기 펄스의 생성은 레인지 게이트(804)의 개시를 정의하며, 그 동안 GmAPD(502)는 반사(112)를 검출하도록 동작할 수 있다.

하위 단계 703에서, 도 8에 도시하는 바와 같이, 제1 반사(112-1)가 시간 tr-1에 GmAPD(502)에서 수신된다. 반사(112-1)의 수신은 APD 신호(510)에 전기 펄스를 생성하는 애벌랜치 검출 이벤트를 발생시킨다. 당업자는 반사가 검출 프레임(802(i)) 내의 임의의 시간에서 GmAPD(502)에 수신될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

APD 신호(510)는 게이팅 신호 컨트롤러(504), TOF 카운터(506), 및 TOF 레지스터 모듈(508)로 지향된다.

하위 단계 704에서, APD 신호(510) 상의 전기 펄스에 응답하여, 시간 tr-1에서 TOF 카운터(506)의 값이 포착되고 TOF 데이터(514-1)로서 TOF 레지스터 모듈(508) 내의 제1 TOF 레지스터에 저장된다. TOF 데이터(514-1)는 반사(112-1)에 대한 TOF 타임스탬프로서 기능한다.

하위 단계 705에서, APD 신호(510) 상의 전기 펄스에 응답하여, 게이팅 신호 컨트롤러(504)는 게이트 신호(512)를 임계 전압(Vt) 미만으로 감소시킴으로써 시간 t2에서 GmAPD(502)를 정비해제한다. 도시하는 예에서, 게이팅 신호 컨트롤러(504)는 보류 시간(806) 동안 GmAPD(502)를 정비해제 상태로 유지하는데, 이 지속시간은 글로벌 보류 시간(420) 및 글로벌 ARM 시간(422)에 의해 정의된다. ARM 기간 동안에는 애벌랜치에서 기인한 누화를 최소화하기 위해 글로벌 ARM 시간을 가능한 한 짧게 유지하는 것이 바람직한 것을 알아야 한다. 또한 시간 tr-1과 t2 사이의 지연은 일반적으로 매우 짧은 반면, 보류 시간(806)의 지속시간은, 시스템(100)와 관련하여 전술한 보류 시간(208)과 유사한 방식으로, GmAPD(502)의 애프터펄싱으로 인한 잘못된 카운트를 완화하도록 선택된다.

하위 단계 706에서, 게이팅 신호 컨트롤러(504)는 GmAPD의 임계 전압(Vt)보다 높게 게이팅 신호(512)의 레벨을 상승시킴으로써 보류 시간(806)의 종결시에(즉, 시간 t3에서) GmAPD(502)를 재정비한다.

그런 다음, 후속 반사(112-2 내지 112-m)의 검출을 위해 하위 단계 703 내지 706의 기능적 시퀀스가 반복되는데, 여기서 m은 게이팅 기간(804) 동안 GmAPD(502)에 입사하는 반사(112)의 총 수이다.

예를 들어, 도 8에 도시하는 바와 같이, 제2 반사(112-2)는 GmAPD(502)에 임의의 시간 tr-2에서 수신되어, APD 신호(510)에 제2 전기 펄스를 생성하는 제2 애벌랜치 검출 이벤트를 발생시킨다. 시간 tr-2에서의 TOF 카운터(506)의 값은 TOF 데이터(514-2)로서 포착되고 반사(112-2)에 대한 TOF 타임스탬프로서 TOF 레지스터 모듈(510)의 다른 TOF 레지스터에 저장된다. 그런 다음, GmAPD(502)는 시간 t4에서 다시 ??칭되고 보류 시간(806) 이후 시간 t5에서 재정비된다.

도시하는 예에서는, 검출 프레임(802(i)) 동안 픽셀(404)에서 2개의 반사(112)만이 검출된다(즉, m=2). 그러나, m은 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 0 내지 n의 임의의 값을 가질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 실제로 m의 값은, TOF 레지스터 모듈(508)에 포함된 TOF 레지스터의 수, 레인지 게이트(804)의 지속시간, 및 GmAPD(502)의 애프터펄싱으로 인한 잘못된 카운트를 완화하는 데 필요한 보류 시간(806)의 길이에 의해서만 제한된다. 도시하는 예에서는, n=3이고, 레인지 게이트(804)는 대략 2 마이크로초이며, 보류 시간(806)은 대략 0.5 마이크로초이다.

하위 단계 707에서, 프로세서(306)는 레인지 게이트(804)의 종결을 정의하는 시간 t6에서 글로벌 DISARM(412)을 게이팅 신호 컨트롤러(504)에 제공한다. 이에 따라, 게이팅 신호 컨트롤러는 게이팅 신호(512)를 임계 전압(Vt) 미만으로 감소시킴으로써 GmAPD(502)를 정비해제한다. 통상, 시간 t6은 검출 프레임(802(i))의 종결보다 약간 이전이므로, 픽셀 어레이의 모든 픽셀(404)에 대한 보류 시간(808)을 설정한다. 전술한 보류 시간(208)과 마찬가지로, 보류 시간(808)은 GmAPD 내의 트랩 전하가 다음 검출 프레임의 시작 전에 해방 및 재결합하도록 하여, 애프터펄싱으로 인한 다크 카운트와 같은 허위 애벌랜치 이벤트를 효과적으로 피할 수 있다

글로벌 DISARM(412)의 표명(assertion) 시에, 진행 중인 임의의 보류 시간(806)이 종료된다.

전술한 수신기(104)의 픽셀과 마찬가지로 수신기(308)의 모든 픽셀(404)은 글로벌 ARM(410) 및 글로벌 DISARM(412)을 통해 각각, 각각의 레인지 게이트(804)의 시작시에 동기적으로 정비되고 각각의 레인지 게이트(804)의 종결시에 동기적으로 정비해제되는 것을 유의해야 한다. 그러나, 각 픽셀에 게이팅 신호 컨트롤러(504)를 내장함으로써, 수신기(308) 내의 임의의 다른 픽셀(404)의 동작과 독립적으로 각 픽셀은 레인지 게이트(804) 내에서 여러번 정비해제, ??칭, 및 재정비될 수 있다. 다시 말해, 픽셀(404)은 각 검출 프레임(802)의 레인지 게이트 동안 비동기적으로 정비해제되고 비동기적으로 재정비될 수 있도록 구성된다.

이제 방법(600)으로 돌아가면, 단계 603에서, TOF 데이터(514-1 내지 514-m)가 데이터 출력(516)으로서 프로세서(306)에 판독된다. 일반적으로 TOF 데이터는 시간 t6에서 글로벌 DISARM(412)의 표명에 응답하여 판독된다.

단계 604에서, 프로세서(306)는 검출 영역(114)에서 식별된 임의의 대상체(116)에 대한 거리를 산출하는데, 여기서 그러한 대상체에 대한 거리는 각 픽셀(404)로부터 수신된 데이터 출력 신호(516)에 기초하여 추정된다.

도 9는 본 개시내용에 따른 게이팅 신호 컨트롤러에 대한 예시적인 회로 구성을 도시한다. 게이팅 신호 컨트롤러(504)는 보류 타이머(902), ARM 타이머(904), 바이어스 컨트롤러(906), 및 종래의 합산 노드(908-1 및 908-2)를 포함한다.

보류 타이머(902)는 마스터 클록(414)에서 클록 사이클을 추적하는 기존의 프로그래밍 가능 디지털 카운터이다. APD 신호(510)에서의 전기 펄스의 수신에 응답하여, 보류 타이머(902)는 글로벌 보류 시간(420)에 기초한 보류 기간 동안 보류 신호(910)를 로우로 유지한다. 글로벌 보류 시간(420)은 일반적으로 프로세서(306)로부터 수신되거나 ROIC(310)에 포함된 구성 레지스터에 저장된다. 보류 타이머(902)는 픽셀(404)에 포함되어 애벌랜치 검출 이벤트 이후 일정 기간 동안 GmAPD(502)를 정비해제 상태로 유지하여, GmAPD의 재정비 이전에 활성 영역 내의 트랩 전하들을 재결합하게 한다. 따라서, 보류 타이머(902)를 내장함으로써 하나 이상의 픽셀(404)에서 애프터펄싱으로 인해 생성되는 시스템(300)의 잘못된 경보를 완화한다.

ARM 타이머(904)는 컨트롤러(906)를 바이어스하기 위해 ARM 신호(912)를 제공하도록 구성된 종래의 프로그래밍 가능 디지털 카운터이다. ARM 타이머(904)는, 보류 타이머(902)에서의 보류 기간의 만료 또는 글로벌 ARM(410)의 표명 시에 ― 이들의 조합은 합산 노드(908-1)로부터 수신된다 ― ARM 신호(912)를 표명한다. ARM 타이머(904)에 대한 ARM 기간은, 일반적으로 프로세서(306)에 의해 제공되거나 ROIC(310)에 포함된 구성 레지스터에 저장된 글로벌 ARM 시간(422)에 기초한다.

바이어스 컨트롤러(906)는 게이팅 신호(512)를 통해 GmAPD(502)에 인가되는 바이어스 전압을 제어하도록 구성된 전기 회로이다. 바이어스 컨트롤러(906)는 ARM 타이머(904)로부터 ARM 신호(912)를 그리고 합산 노드(908-2)로부터 DISARM 신호(914)를 수신한다. DISARM 신호(914)는 APD 신호(510)와 글로벌 DISARM(412)의 조합인데, 이들 신호 중 하나나 둘 다의 표명으로 DISARM 신호(914)가 표명된다.

바이어스 컨트롤러(906)는 ARM 신호(912)의 표명에 응답하여 GmAPD(502)를 정비하고 DISARM 신호(914)의 표명에 응답하여 GmAPD를 정비해제한다.

게이팅 신호 컨트롤러(504)는, (1) 글로벌 DISARM(412)의 표명 또는 (2) APD 신호(510)에 전기 펄스를 생성하는 GmAPD(502)에서의 반사(112)의 검출에 응답하여 GmAPD(502)를 정비해제하도록 구성된다. 반사의 검출에 응답하여, 보류 타이머(902)는, 반사의 흡수에 의해 개시되는 애벌랜치 검출 이벤트가 완전히 ??칭되는 것과, 실질적으로 모든 트랩 전하가 GmAPD를 재정비하기 전에 해방되게 하기 위해 보류 시간(806)을 개시한다. 대안적으로, 글로벌 DISARM(412)에 응답하여, 보류 타이머가 보류 시간을 시작하지 않고, 글로벌 DISARM 신호의 지속시간 동안 GmAPD에 직접 ??칭이 적용된다. 이것은 일반적으로 픽셀 어레이(402)의 모든 GmAPD를 검출 프레임(802)의 종결시에 정비해제 상태로 만들기 위해 레인지 게이트 시퀀스의 종결시에 적용된다.

게이팅 신호 컨트롤러(504)는 또한, (1) 글로벌 ARM(410)의 표명에 응답하여 또는 (2) 보류 타이머(902)의 보류 기간 만료 시에 자동으로 GmAPD(502)를 가이거 모드에 투입하도록 구성된다.

도 9에 도시하는 바와 같이 게이팅 신호 컨트롤러(504)는 단지 본 개시내용의 범위 내에서 적절한 구성의 일례에 불과할 뿐임을 알아야 한다.

도 10은 예시적인 실시형태에 따른 TOF 레지스터 모듈의 기능 블록도를 도시한다. TOF 레지스터 모듈(508)은 TOF 레지스터 뱅크(1002A 및 1002B), 컨트롤러(1004), 및 직렬 출력 멀티플렉서(1006)를 포함한다.

각각의 TOF 레지스터 뱅크(1002A 및 1002B)(이하, 뱅크(1002A 및 1002B)라고 함)는 실질적으로 동일한 TOF 레지스터(1008-1 내지 1008-n)(합쳐서 TOF 레지스터(1008)라고 함)를 포함한다.

뱅크(1002A 및 1002B)는 현재 검출 프레임에 대한 TOF 데이터가 뱅크(1002A 및 1002B) 중 하나에 판독될 수 있으면서 다른 뱅크는 이전 검출 프레임으로부터의 TOF 데이터를 보유할 수 있도록 컨트롤러(1004)와 동작 가능하게 결합된다.

뱅크(1002A 및 1002B)는 또한 직렬 출력 멀티플렉서(1006)와 동작 가능하게 결합되어, 레지스터에 저장된 TOF 데이터가 데이터 출력(516)으로서 프로세서(306)에 직렬로 판독되게 할 수 있다.

컨트롤러(1004)는, TOF 카운터(506)로부터 TOF 데이터(514)를 수신하고 TOF 레지스터 뱅크(1002A 및 1002B) 중 하나에 TOF 데이터를 저장하기 위한 회로 컨트롤러이다. 컨트롤러(1004)는 뱅크(1002A 및 1002B)의 기능을, 포착와 판독 사이에서 스와핑하도록 구성되어, "판독중의 통합(integrate-while-read)" 기능을 가능하게 한다. 다시 말해서, TOF 레지스터 모듈(508)은 현재 검출 프레임의 TOF 데이터가 저장되게 하면서 동시에 이전 검출 프레임으로부터 TOF 데이터를 판독할 수 있다. 뱅크(1002A 및 1002B)의 포착 및 판독 기능은 뱅크 선택 신호(1010)에 의해 제어된다.

직렬 출력 멀티플렉서(1006)는 컨트롤러(1004)로부터의 뱅크 선택 신호(1010)에 의해 결정되는, 뱅크(1002A 및 1002B) 중 하나의 TOF 레지스터(1008)에 저장된 TOF 데이터를 직렬로 판독하도록 동작하는 종래의 직렬 주변기기 인터페이스(SPI, serial peripheral interface)이다.

도 10에 도시하는 바와 같이 TOF 레지스터 모듈(508)은 단지 본 개시내용의 범위 내에서 TOF 레지스터 모듈에 적절한 구성의 일례에 불과할 뿐임을 알아야 한다. 예를 들어, 일부 실시형태에서는 하나의 TOF 레지스터 뱅크만이 TOF 레지스터 모듈(508)에 포함된다. 일부 실시형태에서는, 2개보다 많은 TOF 레지스터 뱅크가 TOF 레지스터 모듈(508)에 포함된다.

본 개시내용이 본 발명의 실시양태의 일부 예만을 교시할 뿐이고, 본 개시내용을 읽은 후에 본 발명의 많은 변형이 당업자에 의해 용이하게 고안될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음의 청구범위에 의해 결정되어야 하는 것을 알아야 한다.　

Claims

LiDAR(Light Detection And Ranging, 광 검출 거리측정) 시스템에 있어서,
검출 영역을 향해 일련의 광 펄스를 송신하기 위한 광원 ― 상기 일련의 광 펄스는 주기적이고 주기(T1)에 의해 분리됨 ―; 및
복수의 검출 프레임의 각 검출 프레임 동안 상기 광 펄스의 반사를 검출하기 위한 복수의 픽셀을 포함하는 수신기
를 포함하고, 각 검출 프레임은 T1에 기초한 지속시간(duration)을 갖고 상기 일련의 광 펄스 중의 상이한 광 펄스의 송신에 기초한 시작 시간을 가지며,
각 픽셀은 다중 리턴 기능(multiple-return capability)을 갖고,
(i) 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드(GmAPD);
(ii) 상기 GmAPD를 비동기적으로 정비(arming)하고 비동기적으로 정비해제(disarming)하도록 동작하는 게이팅 신호 컨트롤러 ― 상기 게이팅 신호 컨트롤러는 상기 GmAPD에 게이팅 신호를 제공하고, 상기 GmAPD는, 상기 게이팅 신호가 표명 상태(asserted state)인 경우 정비되고 가이거 모드이며, 상기 게이팅 신호가 비표명 상태(non-asserted state)인 경우 정비해제되고 가이거 모드에서 나옴 ―;
(iii) 상기 일련의 광 펄스 중의 한 광 펄스의 송신과 상기 일련의 광 펄스 중의 상기 광 펄스의 하나 이상의 반사의 검출 사이의 시간을 추적하기 위한 전파시간(TOF, time-of-flight) 카운터; 및
(iv) 상기 일련의 광 펄스 중의 상기 광 펄스의 하나 이상의 반사와 연관된 TOF 데이터를 저장하기 위한 TOF 레지스터 모듈을 포함하고,
상기 LiDAR 시스템은, 상기 수신기의 각 픽셀이, 상기 복수의 검출 프레임의 각 검출 프레임 동안 상기 일련의 광 펄스의 각 광 펄스의 복수의 반사를 검출하기 위해 동작하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, LiDAR 시스템.
제1항에 있어서, 상기 복수의 픽셀 중 적어도 하나의 픽셀의 TOF 레지스터 모듈에 저장된 TOF 데이터에 기초하여 상기 검출 영역의 맵을 전개하도록 구성되는 프로세서를 더 포함하는, LiDAR 시스템.
제2항에 있어서, 상기 프로세서는 또한 상기 복수의 픽셀의 모든 픽셀에 적어도 하나의 글로벌 신호를 제공하도록 구성되고, 상기 글로벌 신호는 글로벌 정비(arm) 신호, 글로벌 정비해제(disarm) 신호, 및 마스터 클록으로 이루어진 그룹에서 선택되는, LiDAR 시스템.
제1항에 있어서, 상기 게이팅 신호 컨트롤러는, (1) 각각의 GmAPD에 의한 반사의 검출 및 (2) 상기 복수의 픽셀의 각 픽셀에서 수신된 글로벌 정비해제 신호에 응답하여, 각각의 GmAPD를 정비해제하도록 동작하는, LiDAR 시스템.
제4항에 있어서, 상기 게이팅 신호 컨트롤러는:
상기 GmAPD로부터의 APD 신호의 표명에 응답하여 보류(hold-off) 신호를 생성하도록 구성된 보류 타이머;
상기 보류 신호 및 글로벌 정비 신호 중 적어도 하나의 표명에 응답하여 정비 신호를 표명하는 정비 타이머 ― 상기 글로벌 정비 신호는 상기 복수의 픽셀의 모든 픽셀에서 수신됨 ―;
상기 APD 신호 및 글로벌 정비해제 신호를 정비해제 신호로서 결합하는 합산 노드 ― 상기 글로벌 정비해제 신호는 상기 복수의 픽셀의 모든 픽셀에서 수신됨 ―; 및
상기 게이팅 신호를 제공하도록 동작하는 바이어스 컨트롤러를 포함하고, 상기 바이어스 컨트롤러는 상기 정비 신호의 표명에 응답하여 상기 게이팅 신호를 표명 상태로 제공하고, 상기 정비해제 신호의 표명에 응답하여 상기 게이팅 신호를 비표명 상태로 제공하는, LiDAR 시스템.
제1항에 있어서, 상기 TOF 레지스터 모듈은:
제1 복수의 TOF 레지스터를 포함하는 제1 TOF 레지스터 뱅크;
제2 복수의 TOF 레지스터를 포함하는 제2 TOF 레지스터 뱅크; 및
상기 제1 및 제2 레지스터 뱅크 중 하나에 TOF 데이터의 저장을 가능하게 하면서 상기 제1 및 제2 레지스터 뱅크 중 다른 하나로부터 TOF 데이터의 판독을 가능하게 하도록 구성되는 컨트롤러를 포함하는, LiDAR 시스템.
검출 영역에서 적어도 하나의 대상체에 대한 거리(range)를 추정하기 위한 방법에 있어서,
상기 검출 영역을 향해 일련의 광 펄스를 송신하는 단계 ― 상기 일련의 광 펄스는 주기적이고 주기(T1)에 의해 분리됨 ―;
지속시간(T1)을 갖는 복수의 검출 프레임을 규정하는 단계 ― 각 검출 프레임은 상기 일련의 광 펄스 중의 상이한 광 펄스의 송신에 기초한 시작 시간을 가짐 ―;
상기 복수의 검출 프레임 중의 제1 검출 프레임 동안 수신기의 제1 픽셀에서 상기 일련의 광 펄스 중의 제1 광 펄스의 제1 반사를 수신하는 단계 ― 상기 제1 픽셀은 제1 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드(GmAPD)를 포함하고, 상기 제1 반사의 수신이 제1 애벌랜치 검출 이벤트를 트리거함 ―;
상기 제1 애벌랜치 검출 이벤트를 ??칭하기 위해 상기 제1 GmAPD를 비동기적으로 정비해제하는 단계; 및
상기 제1 검출 프레임 동안 상기 일련의 광 펄스 중의 상기 제1 광 펄스의 제2 반사의 수신에 응답하여 제2 애벌랜치 검출 이벤트를 활성화하기 위해 상기 제1 GmAPD를 비동기적으로 정비하는 단계
를 포함하는, 방법.
제7항에 있어서, 상기 GmAPD와 상기 수신기의 제2 픽셀에 포함된 제2 GmAPD를 정비해제하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 GmAPD와 상기 제2 GmAPD는 상기 복수의 검출 프레임 중의 제2 검출 프레임의 시작 시간에 기초한 제1 시간에 동기적으로 정비해제되는, 방법.
제8항에 있어서, 상기 제2 검출 프레임의 시작 시간에 기초한 제2 시간에 상기 제1 GmAPD와 상기 제2 GmAPD를 동기적으로 정비하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제7항에 있어서, 상기 제1 광 펄스의 송신과 상기 제1 반사의 수신 사이의 시간에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 검출 영역에서 제1 대상체의 거리(range)를 추정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제7항에 있어서,
제1 TOF 레지스터에 제1 전파시간(TOF) 값을 저장하는 단계 ― 상기 제1 TOF 값은 상기 제1 광 펄스의 송신과 상기 제1 GmAPD에서의 제1 반사의 수신 사이의 제1 지연에 기초함 ―; 및
제2 TOF 레지스터에 제2 TOF 값을 저장하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 TOF 값은 상기 제1 광 펄스의 송신과 상기 제1 검출 프레임 동안 상기 제1 GmAPD에서의 제2 반사의 수신 사이의 제2 지연에 기초하는, 방법.
제11항에 있어서,
제3 TOF 레지스터에 제3 TOF 값을 저장하는 단계 ― 상기 제3 TOF 값은 상기 일련의 광 펄스 중의 제2 광 펄스의 송신과 상기 복수의 검출 프레임 중의 제2 검출 프레임 동안 상기 제1 GmAPD에서의 제3 반사의 수신 사이의 제3 지연에 기초함 ―;
제4 TOF 레지스터에 제4 TOF 값을 저장하는 단계 ― 상기 제4 TOF 값은 상기 제2 광 펄스의 송신과 상기 제2 검출 프레임 동안 상기 제1 GmAPD에서의 제4 반사의 수신 사이의 제4 지연에 기초함 ―; 및
상기 제3 및 제4 TOF 값이 저장되는 동안 상기 제1 및 제2 TOF 값을 프로세서에 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
LiDAR(Light Detection And Ranging, 광 검출 거리측정) 시스템에 있어서,
검출 영역을 향해 일련의 광 펄스를 송신하기 위한 광원 ― 상기 일련의 광 펄스는 주기적이고 주기(T1)에 의해 분리됨 ―; 및
복수의 검출 프레임의 각 검출 프레임 동안 상기 광 펄스의 반사를 검출하기 위한 복수의 픽셀을 포함하는 수신기
를 포함하고, 각 검출 프레임은 T1에 기초한 지속시간을 갖고 상기 일련의 광 펄스 중의 상이한 광 펄스의 송신에 기초한 시작 시간을 가지며,
각 픽셀은 다중 리턴 기능을 갖고,
(i) 가이거 모드 애벌랜치 포토다이오드(GmAPD);
(ii) 상기 GmAPD를 비동기적으로 정비하고 비동기적으로 정비해제하도록 동작하는 게이팅 신호 컨트롤러;
(iii) 상기 일련의 광 펄스의 각각의 광 펄스의 송신과 상기 픽셀에서의 해당 광 펄스의 복수의 반사 각각의 수신 사이의 지연을 결정하기 위한 카운터; 및
(iv) 상기 복수의 반사의 각 반사에 대응하는 전파시간(TOF) 데이터를 저장하기 위한 복수의 TOF 레지스터를 포함하는, LiDAR 시스템.
제13항에 있어서, 상기 복수의 픽셀 중 적어도 하나의 픽셀의 TOF 레지스터 모듈에 저장된 TOF 데이터에 기초하여 상기 검출 영역의 맵을 전개하도록 동작하는 프로세서를 더 포함하는, LiDAR 시스템.
제13항에 있어서, 상기 수신기는 상기 복수의 검출 프레임의 각 검출 프레임의 시작에 기초한 제1 시간에서의 복수의 GmAPD의 동기적 정비 및 상기 복수의 광 펄스의 다음 광 펄스의 송신에 기초한 제2 시간에서의 상기 복수의 GmAPD의 동기적 정비해제를 가능하게 하도록 구성되는, LiDAR 시스템.