KR20230158032A - 다수의 광학 구성요소 어레이들을 결합하기 위한 시스템들, 방법들, 및 디바이스들 - Google Patents

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KR20230158032A
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optical array
prism
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다니엘 엠. 브라운
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뉴럴 프로펄전 시스템즈, 인크.
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Abstract

광 검출 및 범위측량(라이다) 시스템에 관한 기법들이 본원에서 개시되며, 이 시스템은, 제1 활성 영역을 포함하는 제1 광학 어레이, 제2 활성 영역을 포함하는 제2 광학 어레이 ― 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역은 일정 거리만큼 분리됨 ―; 및 제1 광학 어레이 또는 제2 광학 어레이 중 적어도 하나에 대응하는 가상 이미지를 측방향으로 편이시킴으로써 라이다 시스템의 시야(FOV) 내의 갭을 감소시키도록 구성되는 적어도 하나의 광학 구성요소를 포함한다. 적어도 하나의 광학 구성요소는, 반사성, 굴절성, 회절성, 또는 반사성, 굴절성, 및/또는 회절성의 조합일 수 있다. 적어도 하나의 광학 구성요소는 하나 이상의 프리즘 및/또는 하나 이상의 미러를 포함할 수 있다. 광학 어레이들은 방출기 어레이들(예컨대, 레이저들) 또는 검출기 어레이들(예컨대, 광다이오드들)일 수 있다. 본원에서 설명된 기법들은 2개 초과의 광학 어레이를 결합하는 데 사용될 수 있다.

Description

다수의 광학 구성요소 어레이들을 결합하기 위한 시스템들, 방법들, 및 디바이스들
관련 출원들에 대한 상호-참조
본 출원은, "Systems, Methods, and Devices for Combining Multiple Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser(VCSEL) Arrays"라는 명칭으로 2021년 3월 17일자로 출원된 미국 가출원 제63/162,362호(대리인 문서번호 제NPS009P호)를 우선권으로 주장하며, 이로써, 그 전체를 인용에 의해 포함한다.
다양한 응용들에 대한 3차원(3D) 객체 추적 및 객체 스캐닝에 대한 요구가 계속되고 있으며, 이들 중 하나는 자율 주행이다. 광 검출 및 범위측량(light detection and ranging)(라이다(LiDAR)) 시스템들은 다른 유형들의 시스템들(예컨대, 레이더)보다 더 정밀한 분해능을 제공할 수 있는 광학 파장들을 사용하고, 그에 의해, 양호한 범위, 정확도, 및 분해능을 제공한다. 일반적으로, 라이다 시스템들은, 펄스형 레이저 광으로 타겟 영역 또는 장면을 조명하고, 반사된 펄스들이 수신기로 반환되는 데 얼마나 오래 걸리는지를 측정한다.
특정 종래의 라이다 시스템들에 공통인 일 양상은, 상이한 레이저들에 의해 방출된 광 빔들이 매우 좁고, 특정 알려져 있는 방향들로 방출되며, 이에 따라, 동일한 시간 또는 거의 동일한 시간에 상이한 레이저들에 의해 방출된 펄스들이 서로에 대해 간섭하지 않는다는 것이다. 각각의 레이저는, 레이저에 의해 방출된 펄스들의 반사들을 검출하기 위해 매우 근접하게 위치된 검출기를 갖는다. 검출기가 자신의 연관된 레이저에 의해 방출된 펄스들의 반사들만을 감지하는 것으로 추정되기 때문에, 그 방출된 광을 반사하는 타겟들의 위치들은 명료하게 결정될 수 있다. 레이저가 광 펄스를 방출한 때와 검출기가 반사를 검출한 때 사이의 시간은 타겟까지의 왕복(round-trip) 시간을 제공하고, 방출기 및 검출기가 배향되는 방향은 타겟의 포지션이 높은 정밀도로 결정될 수 있게 한다. 반사가 검출되지 않은 경우, 어떠한 타겟도 존재하지 않는다고 가정된다.
장면의 충분한 스캐닝을 제공하는 데 요구되는 레이저들 및 검출기들의 수를 감소시키기 위해, 일부 라이다 시스템들은, 환경을 기계적으로 스캐닝하는 일부 방법과 함께 비교적 적은 수의 레이저들 및 검출기들을 사용한다. 예컨대, 라이다 시스템은, 360 도 수평 시야를 제공하기 위해, 스피닝 모터 상에 위치된 송신 및 수신 광학계들을 포함할 수 있다. 작은 증분들(예컨대, 0.1 도)로 회전시킴으로써, 이러한 시스템들은 높은 분해능을 제공할 수 있다. 그러나, 기계적 스캐닝에 의존하는 라이다 시스템들은 수신기 및 송신기 광학계들에 대한 제약들에 종속된다. 이러한 제약들은, 라이다 시스템의 전반적인 크기 및 치수들과 개별 구성요소들의 크기들 및 위치들뿐만 아니라 측정 범위 및 신호 대 잡음 비(SNR)를 제한할 수 있다. 더욱이, 움직이는 구성요소들은 고장들을 겪고, 일부 응용들(예컨대, 자율 주행)에 대해 바람직하지 않을 수 있다.
다른 유형의 라이다 시스템은 플래시 라이다 시스템이다. 플래시 라이다 시스템들은 펄스형 광 빔들을 시야 내의 타겟 객체를 향해 지향시키고, 광 검출기들의 어레이는 타겟 객체로부터 반사된 광을 수신한다. 타겟 객체를 향해 지향되는 각각의 펄스화된 광 빔에 대해, 광 검출기 어레이는 데이터 프레임에 대응하는 반사된 광을 수신할 수 있다. 하나 이상의 데이터 프레임을 사용함으로써, 타겟 객체까지의 범위 또는 거리는, 조명 소스에 의한 펄스형 광 빔의 송신과 광 검출기 어레이에서의 반사된 광의 수신 사이의 경과 시간을 결정함으로써 획득될 수 있다. 플래시 라이다 시스템들은 움직이는 구성요소들을 회피하지만, 반사들의 각도들을 명료하게 검출하기 위해, 광 검출기는, 각각이 특정 방향(예컨대, 앙각 및 방위각)에 대응하는 많은 수의 광학 검출기들을 사용하여 큰 장면을 스캐닝한다. 자율 주행과 같은 일부 응용들에 대해, 그러한 시스템의 비용, 크기, 및/또는 전력 소비는 엄청날 수 있다.
2021년 6월 29일자로 허여된 "DISTRIBUTED APERTURE OPTICAL RANGING SYSTEM"이라는 명칭의 미국 특허 제11,047,982호에서 종래의 라이다 시스템들과 상이한 방식으로 타겟 식별에 접근하는 라이다 시스템이 개시되며, 상기 특허는 모든 목적들을 위해 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다. 종래의 라이다 시스템들과 비교하여, 다중 입력 다중 출력(MIMO) 라이다로 지칭되는 새로운 시스템의 조명기들(예컨대, 레이저들) 및 검출기들(예컨대, 광다이오드들) 둘 모두는 더 넓고 중첩되는 시야들을 가지며, 그에 따라, 단일 조명기가 자신의 시야 내의 다수의 타겟들을 조명하고 단일 검출기가 자신의 시야 내의 다수의 타겟들로부터의 반사들(상이한 조명기들로부터의 방출들에 기인할 수 있음)을 검출할 잠재성을 가져온다. 공간 볼륨 내의 다수의 타겟들의 포지션(좌표로 또한 지칭됨)들이 정해질 수 있게 하기 위해, 개시된 MIMO 라이다 시스템들은, 복수의 조명기들 및/또는 검출기들을, 이들이 비-공선으로(non-collinear) 있도록 위치된 채로(이들 모두가 단일 직선 상에 위치되지는 않는다는 것을 의미함) 사용한다. MIMO 라이다 시스템이 상이한 조명기들의 방출된 광학 신호들의 반사들을 구별할 수 있게 하기 위해, 공간 볼륨 내에서 동시에 신호들을 방출하는 조명기들은 특정 특성들을 갖는 펄스 시퀀스들을 사용할 수 있다(예컨대, 펄스 시퀀스들은 실질적으로 백색이고, 동일한 시야에서 동시에 방출하는 다른 조명기들에 의해 사용되는 펄스 시퀀스들과 낮은 상호-상관을 갖는다).
미국 특허 공보 번호 US 2021/0041562에서 설명된 시스템은 움직이는 기계적 부분들을 갖지 않고, 수평 방향으로 360 도로 그리고 수직 방향으로 수십 도로 광을 확산시키도록 다수의 렌즈들을 사용할 수 있다.
본 개요는 본 개시내용의 비-제한적인 실시예들을 표현한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 광 검출 및 범위측량(라이다) 시스템에 관한 것으로, 이 시스템은, 제1 활성 영역을 포함하는 제1 광학 어레이; 제2 활성 영역을 포함하는 제2 광학 어레이 ― 제1 활성 영역 및 제2 활성 영역은 일정 거리만큼 분리됨 ―; 및 제1 광학 어레이 또는 제2 광학 어레이 중 적어도 하나에 대응하는 가상 이미지를 측방향으로 편이시킴으로써 라이다 시스템의 시야 내의 갭을 감소시키도록 구성되는 적어도 하나의 광학 구성요소를 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 제1 광학 어레이는 제1 다이에 위치되고, 제2 광학 어레이는 제2 다이에 위치되고, 제1 다이는 제2 다이와 접촉한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 이미징 렌즈를 더 포함하는 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 적어도 하나의 광학 구성요소는 제1 및 제2 광학 어레이들과 이미징 렌즈 사이에 위치된다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 제1 광학 어레이는 제1 복수의 방출기들을 포함하고, 제2 광학 어레이는 제2 복수의 방출기들을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 제1 복수의 방출기들 및 제2 복수의 방출기들은 복수의 레이저들을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 레이저들 중 적어도 하나는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser)(VCSEL)를 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 제1 광학 어레이는 제1 복수의 검출기들을 포함하고, 제2 광학 어레이는 제2 복수의 검출기들을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 제1 복수의 검출기들 및 제2 복수의 검출기들은 복수의 광다이오드들을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 광다이오드들 중 적어도 하나는 애벌란시 광다이오드(avalanche photodiode)(APD)를 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 적어도 하나의 광학 구성요소는 프리즘 또는 미러 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 적어도 하나의 광학 구성요소는, 제1 광학 어레이 및 제2 광학 어레이 위에 위치된 네거티브 루프탑 유리 프리즘(negative rooftop glass prism)을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 적어도 하나의 광학 구성요소는 회절성 표면을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 적어도 하나의 광학 구성요소는 제1 및 제2 미러들을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 제1 및 제2 미러들은 제1 광학 어레이와 제2 광학 어레이 사이에 위치되는 45 도 미러들이고, 제1 광학 어레이 및 제2 광학 어레이는 상이한 평면들에 위치된다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 제1 활성 영역은 제2 활성 영역을 대면한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 적어도 하나의 광학 구성요소는, 45 도 구성의 제1 및 제2 미러들; 및 제1 및 제2 미러들 사이에 위치되는 제1 및 제2 프리즘들을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 이 시스템은, 제3 활성 영역을 포함하는 제3 광학 어레이; 및 제4 활성 영역을 포함하는 제4 광학 어레이를 더 포함하고, 여기서, 제1 광학 어레이는 제1 인쇄 회로 보드(PCB) 상에 위치되고, 제2 광학 어레이는 제2 PCB 상에 위치되고, 제2 PCB는 제1 PCB에 실질적으로 수직이고, 제3 광학 어레이는 제3 PCB 상에 위치되고, 제3 PCB는 제1 PCB에 실질적으로 평행하고 제2 PCB에 실질적으로 수직이고, 제4 광학 어레이는 제4 PCB 상에 위치되고, 제4 PCB는 제2 PCB에 실질적으로 평행하고 제1 PCB 및 제3 PCB에 실질적으로 수직이며, 적어도 하나의 광학 구성요소는, 제1 활성 영역 위에 위치되는 제1 프리즘, 제2 활성 영역 위에 위치되는 제2 프리즘, 제3 활성 영역 위에 위치되는 제3 프리즘, 및 제4 활성 영역 위에 위치되는 제4 프리즘을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 제1 프리즘, 제2 프리즘, 제3 프리즘, 및 제4 프리즘은 접촉한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 제1 활성 영역은 제3 활성 영역을 대면하고, 제2 활성 영역은 제4 활성 영역을 대면한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 제1 광학 어레이는 제1 복수의 방출기들을 포함하고, 제2 광학 어레이는 제2 복수의 방출기들을 포함하고, 제3 광학 어레이는 제3 복수의 방출기들을 포함하며, 제4 광학 어레이는 제4 복수의 방출기들을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 제1 복수의 방출기들, 제2 복수의 방출기들, 제3 복수의 방출기들, 및 제4 복수의 방출기들은 복수의 레이저들을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 레이저들 중 적어도 하나는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)를 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 제1 광학 어레이는 제1 복수의 검출기들을 포함하고, 제2 광학 어레이는 제2 복수의 검출기들을 포함하고, 제3 광학 어레이는 제3 복수의 검출기들을 포함하며, 제4 광학 어레이는 제4 복수의 검출기들을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 제1 복수의 검출기들, 제2 복수의 검출기들, 제3 복수의 검출기들, 및 제4 복수의 검출기들은 복수의 광다이오드들을 포함한다.
일부 양상들에서, 본원에서 설명된 기법들은 라이다 시스템에 관한 것이며, 여기서, 광다이오드들 중 적어도 하나는 애벌란시 광다이오드(APD)를 포함한다.
본 개시내용의 목적들, 특징들, 및 장점들은, 첨부된 도면들과 연계하여 해석되는 특정 실시예들에 대한 다음의 설명으로부터 용이하게 명백할 것이다.
도 1a는 일부 실시예들에 따라 사용될 수 있는 광학 어레이의 예이다.
도 1b는 본원에서 설명된 기법들을 사용함이 없이 획득되는 원거리 필드 이미지이다.
도 2는 일부 실시예들에 따른, 2개의 광학 어레이 및 적어도 하나의 광학 구성요소를 갖는 예시적인 구성을 예시한다.
도 3은 도 2에 도시된 예시적인 실시예들의 이점을 예시하는 원거리 필드 이미지이다.
도 4는 일부 실시예들에 따른, 2개의 광학 어레이 및 2개의 미러를 갖는 예시적인 구성을 예시한다.
도 5는 도 4에 도시된 예시적인 실시예의 이점을 예시하는 원거리 필드 이미지이다.
도 6은 일부 실시예들에 따른, 2개의 광학 어레이, 2개의 프리즘, 및 2개의 미러를 갖는 예시적인 구성을 예시한다.
도 7은 도 6에 도시된 예시적인 실시예의 이점을 예시하는 원거리 필드 이미지이다.
도 8은 도 6에 도시된 예시적인 실시예의 수정의 이점을 예시하는 원거리 필드 이미지이다.
도 9는 일부 실시예들에 따른 예시적인 시스템의 종단면도(end-on view)이다.
도 10은 일부 실시예들에 따른 예시적인 라이다 시스템의 특정 구성요소들을 예시한다.
이해를 용이하게 하기 위해서, 도면들에 공통된 동일한 요소들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 실시예에 개시된 요소들은, 특정 언급 없이 다른 실시예들에서 유익하게 활용될 수 있는 것으로 고려된다. 더욱이, 하나의 도면의 맥락에서의 한 요소의 설명은 그 요소를 예시하는 다른 도면들에 적용가능하다.
라이다 시스템들은, 개별 광학 구성요소들의 하나 이상의 큰, 어드레싱가능 어레이를 사용할 수 있다. 이러한 개별 광학 구성요소들은 방출기들(예컨대, 레이저들) 및/또는 검출기들(예컨대, 광다이오드들)을 포함할 수 있다.
예컨대, 라이다 시스템은, 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)들의 어레이를 방출기들로서 사용할 수 있다. VCSEL은, 측부로부터 광을 방출하는 에지-방출(edge-emitting) 반도체 레이저들과 대조적으로, 칩의 최상부 표면으로부터 수직으로 광학 빔을 방출하는 반도체 기반 레이저 다이오드의 유형이다. 에지-방출 레이저들과 비교하여, VCSEL들은 더 좁은 파장 대역폭을 가져서, 수신기에서 더 효과적인 필터링을 허용하며, 이는 더 높은 SNR을 가져올 수 있다. VCSEL들은 또한 원통형 빔을 방출하며, 이는 시스템으로의 통합을 단순화할 수 있다. VCSEL들은 신뢰가능하고, 광범위하게 다양한 온도들(예를 들어, 최대로는 예컨대 150 ℃) 하에서 일관된 레이징 파장을 제공한다. VCSEL들은 라이다 시스템에 대한 방출기들로서 매력적인 선택일 수 있다.
방출기 어레이들, 이를테면 VCSEL 어레이들은, 그들을 구동하는 데 사용되는 높은 전류들로 인해 실제적 크기 제한들을 가질 수 있다. 전자기기 제약들 및 열 소산 제약들은, 라이다 시스템에 요망되는 특성들(예컨대, FOV, 정확도 등)을 제공하기 위해, 다수의 방출기 어레이들이 다수의 인쇄 회로 보드(PCB)들 상에 배치되는 것을 초래할 수 있다. 광학 이미징 작업을 효율적으로 수행하기 위해, 종래의 기법들을 사용하여 실제적으로 허용되는 것보다 더 큰 방출기 어레이를 갖는 것이 바람직할 것이다.
방출기들에 의해 방출된 광의 반사들을 검출하기 위해, 라이다 시스템은, 예컨대, 애벌란시 광다이오드(APD)들의 어레이를 사용할 수 있다. APD들은 높은 역-바이어스 조건 하에서 동작하며, 이는, 광자 충격에 의해 생성되는 정공들 및 전자들의 애벌란시 증배를 초래한다. 광자가 광다이오드의 공핍 영역(depletion region)에 들어가 전자-정공 쌍을 생성하는 경우, 생성된 전하 캐리어들은 전기장에 의해 서로 떨어지게 당겨진다. 전하 캐리어들의 속도가 증가하고, 그들이 격자와 충돌할 때, 그 전하 캐리어들은 부가적인 전자-정공 쌍들을 생성하며, 이 부가적인 전자-정공 쌍들은 이어서 서로 떨어지게 당겨지고, 격자와 충돌하여, 다시 더 많은 전자-정공 쌍들을 생성하는 등 그러한 식으로 이루어진다. 애벌란시 프로세스는 다이오드의 이득을 증가시키며, 이는, 통상의 다이오드보다 높은 민감도 레벨을 제공한다. 라이다 시스템들에서, 3차원(3D) 이미지 분해능을 개선하기 위해 많은 수의 검출기들(픽셀들)를 사용하는 것이 바람직하다.
방출기 어레이들에 관하여, 실제로, 요망되는 크기의 검출기 어레이들을 제공하는 것은 어렵거나 불가능할 수 있다. 예컨대, 라이다 시스템들에서 사용되는 일부 유형들의 민감하고 빠른 검출기들(예컨대, APD들)은, 그들이 다른 응용들(예컨대, 셀 폰들 및 디지털 카메라들에서 사용되는 전형적인 실리콘(silicon) 카메라 어레이들)에 대해 패킹될 수 있는 것처럼 조밀한 어레이들로 패킹될 수 없다. 라이다 사용에 대해, APD 어레이 내의 각각의 픽셀로부터의 와이어들은, 신호들이 어레이의 주변부 주위에 배치된 온-칩 증폭기로 바로 가도록 짧다. 이러한 제한들 때문에, 검출기 어레이는, 합리적인 충전율(fill factor)을 갖기 위해 그리고 픽셀들 사이에 커넥터 와이어들을 제공해야 하는 것 및 사공간(dead space)을 생성하는 것을 회피하기 위해, 단지 몇몇 열들 또는 행들만으로 제한된다.
일부 응용들에 대해, 라이다 시스템이 큰 시야(FOV)를 커버하는 것이 바람직하다. 예컨대, 안전이 가장 중요한 자율 주행 응용들에 대해, 라이다 시스템은, 차량에 가깝고, 차량으로부터 멀고, 차량 주위의 다양한 방향들에 있는 타겟들의 존재 및 포지션들을 정확하게 검출할 수 있는 것이 바람직하다.
큰 FOV를 커버하기 위해, 하나 이상의 이미징 렌즈가 방출기 어레이들 및/또는 검출기 어레이들과 함께 사용될 수 있다. 이미징 렌즈는, FOV 내의 먼 지점에서 또는 아득히 먼 곳(시준된 포지션)에서 검출기 또는 방출기의 이미지를 생성한다. 그러나, 하나의 문제는, 요망되는 FOV를 커버하는 데 필요할 수 있는 이미징 렌즈들의 수이다. 가장 큰 이용가능한 광학 구성요소 어레이들을 사용하더라도, 큰 FOV를 커버하는 데 필요할 수 있는 이미징 렌즈들의 수는 부피가 크고 비용이 많이 드는 완성된 시스템을 초래할 수 있다.
따라서, 개선들에 대한 필요성이 존재한다.
방출기들 및/또는 검출기들의 어레이들을 광학적으로 결합하기 위한 시스템들, 디바이스들, 및 방법들이 본원에서 개시된다. 개시된 기법들은, 라이다 시스템들에서 사용되는 검출기 어레이들 및 방출기 어레이들의 실제적 제한들 중 적어도 일부의 영향들을 완화하는 데 사용될 수 있다. 본원에서 개시된 기법들은, 복수의 더 작은 어레이들을 효과적으로 더 큰 어레이로 광학적으로 결합하는 데 사용될 수 있다. 광은 가역적이고, 이미징 작업은 방출기로부터 또는 검출기까지 이루어질 수 있다는 것이 인식될 것이다. 이미징 작업은 단순히 하나의 (검출기 또는 객체에서의) 이미지 평면을 (객체 또는 검출에서의) 다른 이미지 평면으로 변환한다. 예컨대, 복수의 개별 방출기 어레이들로부터의 방출들은, 그 방출들이, 갭들이 더 작게 또는 갭들이 없이 장면의 더 완전한 조명을 제공하도록 광학적으로 결합될 수 있다. 반대로, 다른 방향에서는, 본원에서 개시된 기법들은, 장면의 단일 이미지를 별개의 개별 검출기 어레이들로 지향되는 더 작은 서브-이미지들로 광학적으로 분할하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다수의 물리적 어레이들(방출기들 및/또는 검출기들)은 다수의 인쇄 회로 보드들 상에 위치될 수 있고, 그들이 단일 가상 어레이인 것으로 보이도록 광학적으로 결합될 수 있다.
본원에서 설명된 기법들을 사용하여, 광학 구성요소 어레이의 유효 크기가 증가될 수 있고, 그에 의해, 어레이가 더 큰 FOV를 커버하고/거나 이미징 분해능을 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 다수의 물리적 광학 구성요소 어레이들을 광학적으로 결합하여, 그들이, 활성 영역들 사이에 어떠한 상당한 갭들도 없는 더 큰 단일체 단일 어레이인 것으로 보이게 함으로써, 이미징 렌즈들의 수가 적어도 절반으로 감소될 수 있다. 적게는 2개의 물리적 어레이가 결합될 수 있지만, 본 기법들은 또한 더 많은 수의 광학 구성요소 어레이(예컨대, 3개, 4개 등)를 결합하는 데 사용될 수 있다.
본원에서 설명된 기법들이 라이다 응용들(예컨대, 3D 라이다)에 특히 유용할 수 있고, 예들 중 일부가 라이다 시스템들의 맥락에서의 예이지만, 개시된 기법들은 다른 응용들에서 또한 사용될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 일반적으로 말하면, 본원에서의 개시내용들은, 방출기들 및/또는 검출기들의 다수의 개별 어레이들을 사용하지만 그들을 더 크고, 결합되고, 연속적인 어레이로서 기능하게 하는(또는 그러한 것으로 보이게 하는) 것이 바람직하거나 필요한 임의의 응용에서 적용될 수 있다.
아래의 예들에서, 어레이들은 VCSEL 어레이들과 같은 방출기 어레이들인 것으로 가정된다. 본 개시내용들은 VCSEL 어레이들로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 위에서 설명된 바와 같이, 기법들은 일반적으로, 방출기들 및/또는 검출기들의 어레이들을 결합하는 데 사용될 수 있다.
도 1a는 일부 실시예들에 따라 사용될 수 있는 어레이(100)의 예이다. 어레이(100)는, 예컨대, 방출기 어레이(예컨대, 다수의 VCSEL들, 레이저들 등을 가짐) 또는 검출기 어레이(예컨대, 다수의 APD들, 광다이오드들 등을 가짐)일 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 어레이(100)는 폭(102) 및 길이(104)를 가지며, 복수의 광학 구성요소들(101)을 포함한다. 도 1a에 도시된 예시적인 어레이(100)는 많은 개별 광학 구성요소들(101)을 포함하지만, 도면을 불명료하게 하는 것을 회피하기 위해, 도 1a는 광학 구성요소(101A) 및 광학 구성요소(101B)만을 라벨링한다. 개별 광학 구성요소들(101)은 함께, 폭(106) 및 길이(108)를 갖는 활성 어레이 영역을 형성한다.
(예컨대, 미국 특허 공보 번호 US 2021/0041562에서 설명된 것과 같은 시스템들에서) 본원에서 개시된 실시예들과 관련하여 사용될 수 있는 어레이(100)의 특정 예는, 부품 번호 22101077을 갖는 루멘텀(Lumentum) VCSEL 어레이이며, 이는, 0.358 mm의 폭(106) 및 1.547 mm의 길이(108)를 갖는 활성 방출기 영역을 갖는 방출기 어레이이고, 0.649 mm의 폭(102) 및 1.66 mm의 길이(104)를 갖는 비-방출 세라믹 다이 상에 장착된다. 활성 영역의 폭(106)을 넘어서는 다이의 폭(102)의 부분은 전자 단자들 및 구성요소들에 방출기들을 와이어 본딩하기 위해 사용된다.
위에서 설명된 루멘텀 VCSEL 어레이의 치수들 및 특성들은 본 개시내용에서 예로서 사용되지만, 본원에서 개시된 기법들은 광학 구성요소들(101)의 다른 어레이들(100)과 함께 사용될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 예컨대, 위에서 설명된 바와 같이, 상이한 유형들의 어레이들(방출기 또는 검출기)이 광학적으로 결합될 수 있다. 유사하게, 다른 유형들의 방출기 어레이들(반드시 VCSEL 어레이들일 필요는 없고, 반드시 루멘텀으로부터의 것일 필요가 없음)이 사용될 수 있다. 어레이(100)가 VCSEL 어레이인 경우에, 그의 특성들은 부품 번호 22101077을 갖는 예시적인 루멘텀 VCSEL 어레이의 특성들과 (예컨대, 전력, 파장, 크기 등이) 상이할 수 있다. 특정 예로서, 부품 번호 22101080을 갖는 루멘텀 VCSEL 어레이는 위에서 설명된 예시적인 어레이(100)와 유사하지만, 그것은 상이한 파장을 사용한다. 부품 번호 22101080 어레이를 갖는 루멘텀 VCSEL 어레이가 또한 적합할 것이다.
도 1a로부터 알 수 있는 바와 같이, 어레이(100)의 2개의 인스턴스가 나란히 그리고 접촉하여 위치되는 경우, 2개의 어레이(100)의 2개의 활성 영역 사이에 비활성 갭(사공간으로 또한 지칭될 수 있음)이 존재할 것이다. 다시 말해서, 서로 접촉하여 위치된 2개의 어레이(100)의 활성 영역들은 그들 사이에 일정 거리를 가질 것이다. 예컨대, 예시적인 루멘텀 VCSEL 어레이의 경우에, 그 거리 및 사공간은 대략적으로 0.291 mm이다.
일부 응용들에 대해, 동일한 시스템(예컨대, 라이다 시스템)의 인접한 어레이들의 활성 영역들 사이의 이러한 거리는 수용불가능하다. 예컨대, 어레이(100)가 방출기 어레이(예컨대, 루멘텀 VCSEL 어레이)일 때, 원거리 필드 내로 투사된 FOV 내에 비-조명된 또는 비-검출된 갭이 존재한다. 필요한 것은, 2개의 활성 방출기 영역이 단일의 연속적인 활성 방출기 영역인 것으로 보이도록 원거리 필드 이미지에서 이러한 갭을 광학적으로 제거하는 방식이다. 예컨대, 예시적인 루멘텀 VCSEL 어레이들 중 2개가 0.716 mm(폭(106)) x 1.547 mm(길이(108))의 치수들을 갖는 단일의 균일한 활성 방출기 영역을 갖는 것으로 보이는 것이 바람직할 것이다. 마찬가지로, 어레이들(100)이 검출기 어레이들일 때, 인접한 어레이들(100)의 활성 영역들 사이의 거리로 인한 검출된 FOV 내의 갭을 광학적으로 제거하는 것이 바람직할 것이다.
일부 실시예들에 따르면, N개의 별개의 어레이들(100)이, 구성 어레이들(100)의 활성 영역들 사이에 어떠한 상당한 겉보기 거리들도 없는, 단일 어레이(100)의 활성 영역의 N 배인 활성 영역을 갖는 단일의 단일체 어레이인 것으로 이미징 렌즈에 보이도록, N개의 별개의 어레이들(100)의 가상 이미지들이 광학적으로 결합된다. 다시 말해서, 구성 어레이들(100)의 활성 영역들 사이의 물리적 거리들은, 다수의 어레이들(100)의 결합이 (예컨대, 방출기들 및/또는 검출기들의) 연속적인 활성 영역을 갖는 하나의 더 큰 어레이인 것으로 보이도록 광학적으로 제거된다.
아래에서 추가로 설명되는 바와 같이, 다수의 어레이들(100)이 그들의 활성 영역들 사이의 사공간들이 제거되도록 광학적으로 결합될 수 있는 여러 방식들이 존재한다. 예컨대, 일부 실시예들은, 광학 프리즘들 또는 네거티브 루프탑(또는 지붕(roof)) 프리즘을 사용하는 순수 굴절성 접근법을 사용한다. (관련 기술분야에서, "루프탑"이라는 용어는 지붕의 2개의 경사진 절반의 교차점에서 융기부(ridge) 라인 또는 피크를 갖는 단순한 지붕과 유사한 프리즘의 형상을 지칭한다는 것이 이해되어야 한다. 프리즘의 면들은 90 도 각도 또는 일부 다른 각도로 만날 수 있다. 네거티브 루프탑 프리즘은 지붕을 잡아 그를 뒤집는다.) (예컨대, 루프탑 프리즘들 이외의) 다른 프리즘들 및/또는 광학 구성요소들이 또한 적합하다. 일부 실시예들은, 회절성 광학 요소를 사용하는 순수 회절성 접근법을 사용한다. 일부 실시예들은, 45 도 미러들을 사용하는 순수 반사성 접근법을 사용한다. 일부 실시예들은, 굴절 및 반사 둘 모두를 결합하는 하이브리드 굴절성-반사성 접근법을 사용한다. 일부 실시예들은, 굴절성, 회절성, 반사성, 및/또는 하이브리드 굴절성-반사성 접근법들을 결합한다. 이러한 실시예들 각각은, 활성 영역들 사이의 실제 물리적 갭을 효과적으로 제거하기(또는 적어도 감소시키기) 위해 마이크로 광학 요소들을 사용한다. 결과적으로, 이미징 렌즈에는, 이미징 렌즈에 의해 갭이 관측되지 않도록 이웃하는 어레이(100)를 향해 측방향으로 편이되는 적어도 하나의 어레이(100)의 가상 이미지가 제시될 수 있다.
개시된 기법들에 의해 해결되는 문제점을 예시하기 위해, 도 1b는 본원에서 설명된 기법들을 사용함이 없이 획득되는 원거리 필드 이미지이다. 도 1b는 광학 구성요소들의 2개의 예시적인 어레이(100)의 (광학 설계 소프트웨어를 사용한) 시뮬레이션의 결과를 도시하며, 2개의 VCSEL 어레이는 서로 가능한 한 가깝게(예컨대, 서로 접촉하여) 나란히 위치되어 장착된다. 도 1b는 이미징 렌즈가 무엇을 보고 원거리 필드에 투사하는지를 도시한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 원거리 필드 이미지는 단순히 그들의 실제 포지션들에서의 VCSEL 어레이들의 복제이다. 구역(115A) 및 구역(115B)은 FOV 내의 조명된 구역들을 표현하고, 조명된 구역(115A) 및 조명된 구역(115B) 밖에 있는 구역(117)은 비-조명된 영역들을 표현한다. 구역(115A)과 구역(115B) 사이의 큰 갭(113)은 거의 VCSEL 어레이들 각각의 폭(102)만큼 크다. 많은 응용들에 대해, 이러한 큰 갭(113)은 문제가 된다. 라이다 응용들에 대해, 예컨대, 큰 갭(113)은, 그 큰 갭이 라이다 디바이스가 큰 갭(113)에서 타겟들을 검출할 수 없을 것임을 의미하기 때문에 수용불가능하다.
도 2는 일부 실시예들에 따른, 2개의 광학 어레이 및 적어도 하나의 광학 구성요소를 갖는 예시적인 구성을 예시한다. 도 2는 도 1b의 문제점의 예시적인 솔루션을 도시한다. 도 2는 광학 구성요소들의 2개의 예시적인 어레이(100), 즉, VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)의 (광학 설계 소프트웨어를 사용한) 시뮬레이션의 결과들을 도시한다. 도시된 바와 같이, VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)는 서로 가능한 한 가깝게(예컨대, 서로 접촉함) 나란히 위치되어 장착된다. 도 2의 시뮬레이션 결과에서, VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B) 각각의 긴 치수는 페이퍼 내에 있다. VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B) 각각은, 예컨대, 400 W 피크 전력 및 905 nm의 파장을 갖는 루멘텀 VCSEL 어레이(부품 번호 22101077)일 수 있다. 다른 어레이들(100)(예컨대, 방출기들 및/또는 검출기들)이 사용될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)에 대한 예로서의 이러한 특정한 VCSEL 어레이의 사용은 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)의 활성 영역들 사이에는, 도 1a의 맥락에서 위에 설명된 물리적 제한들에 기인하는 갭(103)이 존재한다.
도 2에 예시된 실시예는 또한, VCSEL 어레이(100A) 위에(또는 그 전방에) 위치된 프리즘(110A), 및 VCSEL 어레이(100B) 위에(또는 그 전방에) 위치된 프리즘(110B)을 포함한다. 프리즘(110A) 및 프리즘(110B) 각각은, 예컨대, 네거티브 루프탑 프리즘의 일부분일 수 있다. 다시 말해서, 프리즘(110A) 및 프리즘(110B)은 단일 프리즘(예컨대, 루프탑 프리즘)에 포함될 수 있으며, 이는 편리한 구현 선택일 수 있다. 도 2의 실시예에서, 프리즘(110A) 및 프리즘(110B)은 굴절력(optical power)를 갖지 않고, 경사만을 갖는다. 그에 따라, 프리즘(110A)은 VCSEL 어레이(100A)의 이미지를 측방향으로 병진이동시키고, 프리즘(110B)은 VCSEL 어레이(100B)의 이미지를 측방향으로 병진이동시킨다. 이미지들 둘 모두는 왜곡 없이 병진이동된다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, VCSEL 어레이(100A)로부터의 광선들은 상향으로 휘어져, VCSEL 어레이(100A)가 하향으로 이동되는 것으로 보이게 한다. 반대로, VCSEL 어레이(100B)로부터의 광선들은 하향으로 휘어져, VCSEL 어레이(100B)가 상향으로 이동되는 것으로 보이게 한다. 결과적으로, 이미징 렌즈(도 2에서 도시되지 않음)는 VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)의 가상 이미지들을 그들 사이의 갭(103) 없이(또는 적어도 갭(103)이 감소된 채로) 본다.
도 3은 도 2에 도시된 예시적인 실시예의 이점을 예시하는 원거리 필드 이미지이다. 도 3은 일부 실시예들에 따른 VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)와 함께 (위에서 논의된 바와 같이, 별개의 구성요소들 또는 단일 루프탑 프리즘일 수 있는) 프리즘(110A) 및 프리즘(110B)을 사용하는 이점을 예시한다. 도 3은 도 2에 도시된 구성(즉, 적소에 굴절성 루프탑 프리즘들이 있음)에 대한 원거리 필드 이미지를 도시한다. 프리즘(110A) 및 프리즘(110B)의 효과는 VCSEL 어레이(100A)와 VCSEL 어레이(100B) 사이의 큰 갭(113)을 효과적으로 제거하여, 그들이 단일의 더 큰 광학 어레이(100)로서 이미징 렌즈에 보이게 하는 것이다.
일부 실시예들에서, 회절성 광학 요소들의 제조자에 의해 특정된 광선 휘어짐의 양 및 최소 피쳐 크기에 따라, 회절성 표면이 굴절성 표면을 대체할 수 있다. 예컨대, 도 2의 프리즘(110A) 및 프리즘(110B)의 각진 표면들을 회절성 표면들로 대체하는 것은, 마이크로 광학계가 평평한 표면 상에 제조될 수 있게 할 것이다.
일부 실시예들에서, 미러들은, 상이한 평면들에 위치되고 그에 따라서 서로 분리되는 광학 어레이들과 함께 사용될 수 있다. 도 4는 일부 실시예들에 따른, 2개의 광학 어레이 및 2개의 미러를 갖는 예시적인 구성을 예시한다. 다시 한번, 이 예는 VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)를 도시하지만, 기법들은 다른 유형들의 광학적 어레이들과 함께 사용하기에 적합하다는 것이 인식되어야 한다. 예시된 바와 같이, VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)는 상이한 평면들에서 위치되고, 그들은 서로 대면한다. 구체적으로, VCSEL 어레이(100A)는 상부 평면에 위치되고, VCSEL 어레이(100B)는 하부 평면에 있다. VCSEL 어레이(100A)의 개별 광학 구성요소들(101) 및 VCSEL 어레이(100B)의 개별 광학 구성요소들(101)은 서로 대면한다. 2개의 45 도 미러, 즉, 미러(120A) 및 미러(120B)는 VCSEL 어레이(100A)와 VCSEL 어레이(100B) 사이에 위치된다. 도 4에 예시된 구성은, VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)가 서로 더 멀리 이격될 수 있게 한다(그에 의해, VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)에 대한 전기적 연결들이 용이해짐). 그에 따라, 도 4의 예시적인 구성은, VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)(예컨대, 그들이 높은 와트 수(wattage)의 어레이들(100)인 경우)에 대한 열 소산을 개선할 수 있다.
도 4에 도시된 예시적인 실시예에서, VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)는 약 30 도의 발산을 갖고, 광선들 중 일부는 그들 개개의 미러를 놓칠 수 있고(예컨대, VCSEL 어레이(100A)로부터의 광선들이 미러(120A)를 놓칠 수 있고/거나 VCSEL 어레이(100B)로부터의 광선들이 미러(120B)를 놓칠 수 있음), 반사되지 않는다. 도 4는, 미러(120B)를 거의 놓치는 VCSEL 어레이(100B)로부터의 광선(140)을 도시하지만, 그 광선은 미러(120A)와 미러(120B) 사이의 정점 근처에서 미러(120B)에 부딪히고 반사된다.
도 5는 도 4에 도시된 예시적인 실시예의 이점을 예시하는 원거리 필드 이미지이다. 도 5는 도 4에 도시된 바와 같은 미러(120A) 및 미러(120B)와 함께 위치될 때의 VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)의 예시적인 원거리 필드 이미지를 도시한다. 일반적으로 말해서, 도 5에 도시된 이미지는, 도 4의 구성의 광선들이 미러(120A) 또는 미러(120B)에 부딪히고 이미징 렌즈(도시되지 않음)를 향해 반사되기 전에 공기 중에서 전파되는 것으로 인해, (도 2에 도시된 프리즘(110A) 및 프리즘(110B)을 이용한) 도 3에 도시된 이미지보다 더 흐릿하다. 도 4의 광선(140)과 같은 "표유(stray)" 광선들은 도 5의 예시적인 이미지의 흐릿함의 원인이다.
일부 실시예들에서, (예컨대, 도 2에 도시된 바와 같은) 굴절성 요소의 장점들은, 광을 반사하기 위한 2개의 프리즘 및 2개의 미러를 사용하여 (예컨대, 도 4에 도시된 바와 같은) 45 도 미러 구성과 결합된다. 도 6은 일부 실시예들에 따른, 2개의 광학 어레이, 2개의 프리즘, 및 2개의 미러를 갖는 예시적인 구성을 예시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 프리즘(110A) 및 미러(120A)는 VCSEL 어레이(100A) 전방에 위치되고, 프리즘(110B) 및 미러(120B)는 VCSEL 어레이(100B) 전방에 위치된다. 프리즘(110A) 및 미러(120A)는 별개의 물리적 구성요소들일 수 있거나, 또는 그들은 통합된 구성요소의 일부일 수 있다(예컨대, 그들은 분리불가능할 수 있음). 유사하게, 프리즘(110B) 및 미러(120B)는 별개의 또는 통합된 물리적 구성요소들일 수 있다. 마찬가지로, 프리즘(110A), 미러(120A), 프리즘(110B), 및/또는 미러(120B) 중 일부 또는 그 전부가 단일의 물리적 구성요소로 통합될 수 있다.
도 6이 예시하는 바와 같이, VCSEL 어레이(100A)로부터의 광선들 및 VCSEL 어레이(100B)로부터의 광선들이 반사성 표면(예컨대, 미러(120A) 또는 미러(120B))에 부딪히기 전에 (공기가 아니라) 실질적으로 유리에서 이동하기 때문에, 광선 다발들은 더 밀집되게 유지되고, 광선들은 선택된 거리에서, 도 4에서 광선들이 그 동일한 선택된 거리에서 발산한 것만큼 많이 발산하지 않는다. 또한, 도 6의 미러(120B)로부터의 광선(150)에 의해 알 수 있는 바와 같이, 프리즘(110B)의 전면으로부터의(또는 VCSEL 어레이(100A), 프리즘(110A)으로부터의 광선들에 대한) 내부 전반사는 이러한 표유 광선들을 그들 개개의 미러를 향해 다시 재지향시킨다(즉, 광선(150)은 미러(120B)를 향해 다시 재지향됨). 미러(120A) 또는 미러(120B)에 의한 반사 이후에, 광선들은 그들 개개의 프리즘(미러(120A)로부터의 광선들에 대한 프리즘(110A) 및 미러(120B)로부터의 광선들에 대한 프리즘(110B))의 전면을 통해 이미징 렌즈(도시되지 않음)를 향해 빠져나간다. 결과적으로, 더 높은 총 전력이 반사된다.
도 7은 도 6에 도시된 예시적인 실시예의 이점을 예시하는 원거리 필드 이미지이다. 도 7은 도 6에 도시된 바와 같은 프리즘(110A), 미러(120A), 프리즘(110B), 및 미러(120B)와 함께 위치될 때의 VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)의 예시적인 원거리 필드 이미지를 도시한다. 도 7은 VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)의 전력의 거의 100 %가 원거리 필드 이미지에 투입되는 것을 도시한다.
VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)에 의해 방출된 광선들이 프리즘(110A) 또는 프리즘(110B)을 빠져나가기 전에 대부분 유리를 통해 이동하기 때문에, VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)는, 상당한 전력 손실 없이, 각각 프리즘(110A) 및 프리즘(110B)의 전면들에 매우 가깝게 이동될 수 있다. 도 8은 도 6에 도시된 예시적인 실시예의 그러한 수정의 이점을 예시하는 원거리 필드 이미지이다. 도 8은 도 7을 생성하는 데 사용된 구성에서보다 VCSEL 어레이(100A)가 프리즘(110A)에 더 가깝게 위치되고 VCSEL 어레이(100B)가 프리즘(110B)에 더 가깝게 위치될 때의 VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)의 예시적인 원거리 필드 이미지를 도시한다. VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B)를 그들 개개의 프리즘들에 더 가깝게 이동시키는 것은, 도 8에 도시된 바와 같이 원거리 필드 이미지의 균일성을 개선한다. 구역(115A) 및 구역(115B)은 단일 구역(115)으로 병합된다. 이러한 접근법에 대해 (예컨대, 일부 예시적인 실시예들에서는 대략적으로 8 %의) 약간 더 많은 에너지 손실이 존재할 수 있지만, 프리즘(110A) 및 프리즘(110B)의 사용은 이러한 유연성을 허용한다.
위에서 설명된 예시적인 구성들은 2개의 광학 어레이를 포함하지만, 2개 초과의 어레이가 본원에서 설명된 기법들을 사용하여 광학적으로 결합될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 도 9는 일부 실시예들에 따른 예시적인 시스템(200)의 종단면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 시스템(200)은 시준기 렌즈에 의해 관측되는 가상 어레이 이미지(170)를 생성한다. 예시적인 시스템(200)은, 개개의 4개의 프리즘, 즉, 프리즘(110A), 프리즘(110B), 프리즘(110C), 및 프리즘(110D)과 함께 위치되는 4개의 어레이(예컨대, VCSEL 어레이들, 검출기 어레이들 등)를 포함한다. 프리즘(110A), 프리즘(110B), 프리즘(110C), 및 프리즘(110D)은, 예컨대, 도 2의 논의에서 위에 설명된 바와 같을 수 있다. 도 9의 구성에서, 프리즘(110A), 프리즘(110B), 프리즘(110C), 및 프리즘(110D)의 45 도 경사진 면들은, 각각이 개개의 PCB 상에 위치된 개개의 광학 어레이로 또는 그로부터 가상 이미지를 반사하도록 4개의 상이한 방향으로 있다. 도 9의 예에서, 제1 광학 어레이는 PCB(160A) 상에 위치되고, 제2 광학 어레이는 PCB(160B) 상에 위치되고, 제3 광학 어레이는 PCB(160C) 상에 위치되며, 제4 광학 어레이는 PCB(160D) 상에 위치된다. (도면은 PCB들의 에지들을 도시한다.) 도 9의 광학 어레이들은, 예시된 도면에서 그 광학 어레이들이 프리즘(110A), 프리즘(110B), 프리즘(110C), 및 프리즘(110D)에 의해 차단되기 때문에 가시적이지 않다. PCB(160A) 및 PCB(160C)는 서로 실질적으로 평행하고 PCB(160B) 및 PCB(160D)에 실질적으로 수직이다. 화살표들은, 어느 광학 어레이/프리즘 결합이 가상 어레이 이미지(170)의 각각의 사분면을 생성하는지를 표시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 4개의 광학 어레이에 대응하는 4개의 이미지의 결합인 가상 어레이 이미지(170)에는 어떠한 갭도 존재하지 않는다.
도 9에 도시된 프리즘(110A), 프리즘(110B), 프리즘(110C), 및 프리즘(110D)은 임의의 적합한 광학 구성요소들일 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예컨대, 도 2 내지 도 8의 논의들에서 위에 설명된 바와 같이, 가상 이미지들은, 굴절성, 반사성, 또는 회절성 구성요소들을 사용하여, 또는 굴절성, 반사성, 및/또는 회절성 광학 요소들의 조합을 사용하여 결합될 수 있다.
개시된 디바이스들, 시스템들, 및 방법들을 구현하기에 적합한 구성요소들의 특정 예들이 본원에서 제공되지만, 다른 구성요소들이 또한 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 특정 예로서, 루프탑 프리즘의 면들은 90 도로 만나도록 요구되지 않고, 일반적으로, 순수 굴절성 솔루션에 대해 90 도로 만나지 않는다. 예컨대, 반사성 프리즘들을 이용한 도 6의 예시적인 실시예에서, 구조는 많은 방식들에서 네거티브 루프탑 프리즘처럼 보이지만, 면들은, 도 2에 예시된 실시예에서와 같이 굴절성이 아니라 반사성이다. 프리즘들 또는 프리즘형 면들의 조합은 다른 유형들의 프리즘들을 사용하여 달성될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 본원에서의 개시내용들을 고려하여 이해될 바와 같이, 그 목적은, 렌즈가, 그것이 상이한 위치에 있는 것으로 보인다는 것을 제외하고는 광학 어레이의 왜곡되지 않은 가상 이미지를 "관측"하도록, 렌즈 상에서와 같은 만곡된 면들이 아니라 다수의 경사진 평평한 면들을 사용하는 것이다. 본원에서의 개시내용들을 숙지하여, 관련 기술분야의 통상의 기술자들은 설명된 이점들을 달성하기 위해 적합한 구성요소들을 선택할 수 있을 것이다.
또한, 네거티브 원통형 렌즈를 사용하여 직사각형 어레이(100)(예컨대, VCSEL 어레이)를 정사각형 형상으로 왜곡시킬 수 있지만, 이러한 접근법은 전체 빔의 강도를 감소시킬 것이며, 이는 바람직하지 않을 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 대조적으로, 어레이들(100)을 광학적으로 결합하는 본원에서 개시된 기법들은 높은 빔 강도를 유지하면서 단일 렌즈 하에서의 와트 수의 양이 두 배가 될 수 있게 한다. 일부 실시예들에서, 일반적으로, 결합될 어레이들(100)의 수와 동일한 수의 투과성(굴절성) 면들 또는 그러한 수의 프리즘들을 사용하는 것은, 다수의 어레이들(100)이 하나의 더 큰 단일체 어레이(100)인 것으로 보이도록 이미지들이 편이될 수 있게 한다.
본원에서 제공된 예들의 대부분이 2개의 어레이(100)(VCSEL 어레이(100A) 및 VCSEL 어레이(100B))를 나타내지만, 위의 도 9의 논의에서 설명된 바와 같이, 기법들은 2개 초과의 어레이(100), 및 상이한 유형들의 어레이(100)(예컨대, 검출기 어레이들 등)를 결합하는 데 사용될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 예컨대, 도 9의 맥락에서 나타내고 설명된 바와 같이, 4개의 어레이(100)가 동일한 기법들을 사용하여 결합될 수 있다. 4개 초과의 어레이(100)가 또한 잠재적으로는, 예를 들어, 예컨대 이색성 미러들을 사용하는 파장별 다중화(multiplexing by wavelength)와 같은 부가적인 기법들과 결합될 수 있다.
또한, 위에서 설명된 바와 같이, VCSEL 어레이들을 예들로서 사용하는 것이 본 개시내용들을 VCSEL 어레이들로 제한하는 것으로서 해석되지 않아야 한다는 것이 인식되어야 한다. 위에서 언급된 바와 같이, 동일한 원리들이 다른 유형들의 방출기들, 및 검출기 어레이들에 적용될 수 있다.
도 10은 일부 실시예들에 따른 예시적인 라이다 시스템(300)의 특정 구성요소들을 예시한다. 라이다 시스템(300)은, 적어도 하나의 프로세서(340)에 결합되는 광학 구성요소들의 어레이(310)를 포함한다. 광학 구성요소들의 어레이(310)는 적어도 하나의 프로세서(340)와 동일한 물리적 하우징(또는 인클로저)에 있을 수 있거나, 또는 물리적으로 별개일 수 있다.
광학 구성요소들의 어레이(310)는 복수의 조명기들(예컨대, 레이저들, VCSEL들 등) 및 복수의 검출기들(예컨대, 광다이오드들, APD들 등)을 포함하며, 이들 중 일부 또는 그 전부는 별개의 물리적 어레이들(예컨대, 위에서 설명된 바와 같은 방출기 및/또는 검출기 어레이들(100))에 포함될 수 있다. 광학 구성요소들의 어레이(310)는, FOV로부터 갭들 또는 사공간들을 제거할 수 있는 본원에서 설명된 실시예들 중 임의의 실시예(예컨대, 프리즘(110A), 프리즘(110B), 미러(120A), 미러(120B) 등 중 하나 이상과 연계된 개별 어레이들(100))를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 프로세서(340)는, 예컨대, 디지털 신호 프로세서, 마이크로프로세서, 제어기, 주문형 집적 회로, 또는 (아날로그 및/또는 디지털 신호들을 처리하기에 적합할 수 있는) 임의의 다른 적합한 하드웨어 구성요소일 수 있다. 적어도 하나의 프로세서(340)는 제어 신호들(342)을 광학 구성요소들의 어레이(310)에 제공할 수 있다. 제어 신호들(342)은, 예컨대, 광학 구성요소들의 어레이(310) 내의 하나 이상의 방출기로 하여금 광학 신호들(예컨대, 광)을 순차적으로 또는 동시에 방출하게 할 수 있다.
라이다 시스템(300)은 또한 임의적으로, 광학 구성요소들의 어레이(310)와 적어도 하나의 프로세서(340) 사이에 배치되는 하나 이상의 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter)(ADC)(315)를 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 하나 이상의 ADC(315)는, 광학 구성요소들의 어레이(310) 내의 검출기들에 의해 제공되는 아날로그 신호들을 적어도 하나의 프로세서(340)에 의한 처리를 위해 디지털 포맷으로 변환한다. 검출기들 각각에 의해 제공되는 아날로그 신호는 그 검출기에 의해 검출된 반사된 광학 신호들의 중첩일 수 있으며, 적어도 하나의 프로세서(340)는 이어서, 반사된 광학 신호들에 대응하는(반사된 광학 신호들을 야기하는) 타겟들의 포지션들을 결정하기 위해 이를 처리할 수 있다.
전술한 설명 및 첨부된 도면들에서, 개시된 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 용어가 기재되었다. 일부 예시들에서, 용어 또는 도면들은 본 발명을 실시하는 데 요구되지 않는 특정 세부사항들을 암시할 수 있다.
본 개시내용을 불필요하게 불명료하게 하는 것을 회피하기 위해, 잘 알려져 있는 구성요소들은 블록도 형태로 도시되고/거나 상세히 논의되지 않거나, 또는 일부 경우들에서는 전혀 논의되지 않는다.
본원에서 달리 구체적으로 정의되지 않는 한, 모든 용어들에는, 본 명세서 및 도면들로부터 암시되는 의미들 및 관련 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 이해되고/거나 사전들, 논문들 등에서 정의되는 바와 같은 의미들을 포함하는 그들의 가장 넓은 가능한 해석이 주어진다. 본원에서 명시적으로 기재되는 경우, 일부 용어들은 그들의 통상적이거나 관례적인 의미들을 따르지 않을 수도 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들은 달리 특정되지 않는 한 복수의 지시대상을 배제하지 않는다. "또는"이라는 단어는 달리 특정되지 않는 한 포괄적인 것으로서 해석되어야 한다. 그에 따라, "A 또는 B"라는 문구는, 다음의 것들, 즉, "A 및 B 둘 모두", "A이지만 B는 아님", 및 "B이지만 A는 아님" 모두를 의미하는 것으로서 해석되어야 한다. 본원에서 "및/또는" 및 "그리고/또는" 및 "~고/거나"의 임의의 사용은, "또는"이라는 단어 단독으로 배타성을 함축한다는 것을 의미하지 않는다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "A, B, 및 C 중 적어도 하나", "A, B, 또는 C 중 적어도 하나", "A, B, 또는 C 중 하나 이상", 및 "A, B, 및 C 중 하나 이상"의 형태의 문구들은 상호교환가능하고, 각각은 다음의 의미들, 즉, "A 단독", "B 단독", "C 단독", "A 및 B이지만 C는 아님", "A 및 C이지만 B는 아님", "B 및 C이지만 A는 아님", 및 "A, B, 및 C 모두" 모두를 포괄한다.
"포함(include(s))", "갖는(having)", "갖는다(has)", "가진(with)" 및 이들의 변형들이 본원에서 사용되는 정도까지, 그러한 용어들은 "포함(comprising)"이라는 용어와 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도되는데, 즉, "포함하지만 그에 제한되지 않음"을 의미한다.
"예시적" 및 "실시예"라는 용어들은 선호도들 또는 요건들이 아니라 예들을 표현하기 위해 사용된다.
"결합"이라는 용어는, 본원에서 직접 연결/부착뿐만 아니라 하나 이상의 개재 요소 또는 구조를 통한 연결/부착을 표현하기 위해 사용된다.
"복수"라는 용어는 본원에서 "2개 이상"을 의미하도록 사용된다.
"위", "아래", "사이" 및 "상(on)"이라는 용어들은 본원에서 다른 피쳐들에 대한 하나의 피쳐의 상대적 포지션을 지칭하기 위해 사용된다. 예컨대, 다른 피쳐 "위" 또는 "아래"에 배치된 하나의 피쳐는 다른 피쳐와 직접 접촉할 수 있거나, 또는 개재 물질을 가질 수 있다. 더욱이, 2개의 피쳐 "사이"에 배치된 하나의 피쳐는 2개의 피쳐와 직접 접촉할 수 있거나, 또는 하나 이상의 개재 피쳐 또는 물질을 가질 수 있다. 대조적으로, 제2 피쳐 "상"의 제1 피쳐는 그 제2 피쳐와 접촉한다.
"실질적으로"라는 용어는, 대체로 또는 거의 언급된 바와 같은 구조, 구성, 치수 등을 설명하기 위해 사용되지만, 제조 공차들 등으로 인해, 실제로는, 구조, 구성, 치수 등이 항상 또는 반드시 정확하게 언급된 바와 같지는 않은 상황을 초래할 수 있다. 예컨대, 2개의 길이를 "실질적으로 동일"한 것으로 설명하는 것은, 2개의 길이가 모든 실제적인 목적들에 대해 동일하지만, 그들이 충분히 작은 스케일들에서 정확히 동일하지는 않을 수 있다는 것(그러할 필요는 없다는 것)을 의미한다. 다른 예로서, 제2 구조에 "실질적으로 수직"인 제1 구조는, 2개의 구조 사이의 각도가 정확하게 90 도가 아닌 경우에도 모든 실제적 목적들을 위해 수직인 것으로 간주될 것이다.
도면들이 반드시 실척인 것은 아니며, 피쳐들의 치수들, 형상들, 및 크기들은 그들이 도면들에 도시되어 있는 방식과 실질적으로 상이할 수 있다.
특정 실시예들이 개시되었지만, 본 개시내용의 더 넓은 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 수정들 및 변경들이 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 예컨대, 실시예들 중 임의의 실시예의 특징들 또는 양상들은, 적어도 실행가능한 경우, 실시예들 중 임의의 다른 실시예와 조합하여 또는 그의 상응하는 특징들 또는 양상들 대신에 적용될 수 있다. 그에 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미보다는 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims (29)

  1. 광 검출 및 범위측량(light detection and ranging)(라이다(LIDAR)) 시스템으로서,
    제1 활성 영역을 포함하는 제1 광학 어레이;
    제2 활성 영역을 포함하는 제2 광학 어레이 ― 상기 제1 활성 영역 및 상기 제2 활성 영역은 일정 거리만큼 분리됨 ―; 및
    상기 제1 광학 어레이 또는 상기 제2 광학 어레이 중 적어도 하나에 대응하는 가상 이미지를 측방향으로 편이시킴으로써 상기 라이다 시스템의 시야 내의 갭을 감소시키도록 구성되는 적어도 하나의 광학 구성요소
    를 포함하는, 라이다 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광학 어레이는 제1 다이에 위치되고, 상기 제2 광학 어레이는 제2 다이에 위치되며, 상기 제1 다이는 상기 제2 다이와 접촉하는, 라이다 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    이미징 렌즈를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 광학 구성요소는 상기 제1 및 제2 광학 어레이들과 상기 이미징 렌즈 사이에 위치되는, 라이다 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광학 어레이는 제1 복수의 방출기들을 포함하고, 상기 제2 광학 어레이는 제2 복수의 방출기들을 포함하는, 라이다 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 복수의 방출기들 및 상기 제2 복수의 방출기들은 복수의 레이저들을 포함하는, 라이다 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 레이저들 중 적어도 하나는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser)(VCSEL)를 포함하는, 라이다 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 레이저들 각각은 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)를 포함하는, 라이다 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광학 어레이는 제1 복수의 검출기들을 포함하고, 상기 제2 광학 어레이는 제2 복수의 검출기들을 포함하는, 라이다 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 복수의 검출기들 및 상기 제2 복수의 검출기들은 복수의 광다이오드들을 포함하는, 라이다 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 광다이오드들 중 적어도 하나는 애벌란시 광다이오드(avalanche photodiode)(APD)를 포함하는, 라이다 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 광다이오드들 각각은 애벌란시 광다이오드(APD)를 포함하는, 라이다 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 구성요소는 프리즘 또는 미러 중 적어도 하나를 포함하는, 라이다 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 구성요소는, 상기 제1 광학 어레이 및 상기 제2 광학 어레이 위에 위치된 네거티브 루프탑 유리 프리즘(negative rooftop glass prism)을 포함하는, 라이다 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 구성요소는 회절성 표면을 포함하는, 라이다 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 구성요소는 제1 및 제2 미러들을 포함하는, 라이다 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 미러들은 상기 제1 광학 어레이와 상기 제2 광학 어레이 사이에 위치되는 45 도 미러들이고, 상기 제1 광학 어레이 및 상기 제2 광학 어레이는 상이한 평면들에 위치되는, 라이다 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 활성 영역은 상기 제2 활성 영역을 대면하는, 라이다 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 구성요소는,
    45 도 구성의 제1 및 제2 미러들; 및
    상기 제1 및 제2 미러들 사이에 위치되는 제1 및 제2 프리즘들
    을 포함하는, 라이다 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    제3 활성 영역을 포함하는 제3 광학 어레이; 및
    제4 활성 영역을 포함하는 제4 광학 어레이
    를 더 포함하며,
    상기 제1 광학 어레이는 제1 인쇄 회로 보드(PCB) 상에 위치되고,
    상기 제2 광학 어레이는 제2 PCB 상에 위치되고, 상기 제2 PCB는 상기 제1 PCB에 실질적으로 수직이고,
    상기 제3 광학 어레이는 제3 PCB 상에 위치되고, 상기 제3 PCB는 상기 제1 PCB에 실질적으로 평행하고 상기 제2 PCB에 실질적으로 수직이고,
    상기 제4 광학 어레이는 제4 PCB 상에 위치되고, 상기 제4 PCB는 상기 제2 PCB에 실질적으로 평행하고 상기 제1 PCB 및 상기 제3 PCB에 실질적으로 수직이며,
    상기 적어도 하나의 광학 구성요소는, 상기 제1 활성 영역 위에 위치되는 제1 프리즘, 상기 제2 활성 영역 위에 위치되는 제2 프리즘, 상기 제3 활성 영역 위에 위치되는 제3 프리즘, 및 상기 제4 활성 영역 위에 위치되는 제4 프리즘을 포함하는, 라이다 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 프리즘, 상기 제2 프리즘, 상기 제3 프리즘, 및 상기 제4 프리즘은 접촉하는, 라이다 시스템.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제1 활성 영역은 상기 제3 활성 영역을 대면하고, 상기 제2 활성 영역은 상기 제4 활성 영역을 대면하는, 라이다 시스템.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 제1 광학 어레이는 제1 복수의 방출기들을 포함하고, 상기 제2 광학 어레이는 제2 복수의 방출기들을 포함하고, 상기 제3 광학 어레이는 제3 복수의 방출기들을 포함하며, 상기 제4 광학 어레이는 제4 복수의 방출기들을 포함하는, 라이다 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제1 복수의 방출기들, 상기 제2 복수의 방출기들, 상기 제3 복수의 방출기들, 및 상기 제4 복수의 방출기들은 복수의 레이저들을 포함하는, 라이다 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 레이저들 중 적어도 하나는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)를 포함하는, 라이다 시스템.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 복수의 레이저들 각각은 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL)를 포함하는, 라이다 시스템.
  26. 제19항에 있어서,
    상기 제1 광학 어레이는 제1 복수의 검출기들을 포함하고, 상기 제2 광학 어레이는 제2 복수의 검출기들을 포함하고, 상기 제3 광학 어레이는 제3 복수의 검출기들을 포함하며, 상기 제4 광학 어레이는 제4 복수의 검출기들을 포함하는, 라이다 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제1 복수의 검출기들, 상기 제2 복수의 검출기들, 상기 제3 복수의 검출기들, 및 상기 제4 복수의 검출기들은 복수의 광다이오드들을 포함하는, 라이다 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 복수의 광다이오드들 중 적어도 하나는 애벌란시 광다이오드(APD)를 포함하는, 라이다 시스템.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 복수의 광다이오드들 각각은 애벌란시 광다이오드(APD)를 포함하는, 라이다 시스템.
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