KR102434702B1 - 라이다 시스템 및 이의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

라이다 시스템은 입사광의 위상을 변조하여, 복수 방향으로 광을 출사하는 빔 스티어링 소자; 상기 빔 스티어링 소자로부터 상기 복수 방향으로 피사체를 향해 출사되고 상기 피사체로부터 반사되는 광을 수신하는 복수의 광검출요소를 구비하는 수신기; 및 상기 수신기에 수신되는 광의 위치별 분포 및/또는 시간별 분포를 분석하여 상기 복수 방향으로 상기 피사체에 조사된 광을 구분하여 처리하는 프로세서;를 포함한다. 이에 따라 피사체에 대한 정보를 분석하는 효율이 향상된다.

Description

라이다 시스템 및 이의 구동 방법{LiDAR system and method of driving the same}
본 개시는 라이다 시스템 및 이의 구동 방법에 대한 것이다.
최근, LiDAR(LiDAR; Light Detection and Ranging) 시스템은 스마트카, 로봇 등 다양한 자율 구동 기기 분야에서 장애물을 감지하기 위한 센서 또는 스캐너로써 이용되고 있다.
LiDAR 시스템은 일반적으로 레이저 광을 목표 지점으로 조사하기 위한 빔 조향용 장치를 구비할 수 있다. 빔 조향용 장치로, 인접한 채널 사이에 일정한 위상 차이(phase difference)를 인가하여 각각의 채널에서 나오는 빛들의 간섭에 의해 출사되는 빔을 일정한 각도로 스티어링하는 OPA(optical phased array)가 사용될 수 있다.
OPA는 그 구동 원리에 의해, 의도한 방향으로의 출사되는 광(main lobe) 외, 고차항의 회절광에 의해 다른 방향을 향하는 광(side lobe)이 발생한다. 이러한 광(side lobe)은 노이즈로 작용하며, 신호대 잡음비(SNR; Signal to Noise ratio)를 낮춰 시스템 전체의 효율 저하를 가져올 수 있다.
본 개시는 효율이 향상된 라이다 시스템 및 이의 구동방법을 제공한다.
일 유형에 따르면, 광원; 상기 광원으로부터의 광의 위상을 변조하여, 복수 방향으로 동시에 광을 출사하는 빔 스티어링 소자; 상기 빔 스티어링 소자로부터 상기 복수 방향으로 피사체를 향해 출사되고 상기 피사체로부터 반사되는 광을 수신하는 복수의 광검출요소를 구비하는 수신기; 및 상기 수신기에 수신되는 광의 위치별 분포 및/또는 시간별 분포를 분석하여 상기 복수 방향으로 상기 피사체에 조사된 광을 구분하여 처리하는 프로세서;를 포함하는 라이다 시스템이 제공된다.
상기 프로세서는 상기 복수 방향이 각각 조절되어 상기 피사체를 복수의 스캔 방향을 따라 동시에 스캔하도록 상기 빔 스티어링 소자를 제어할 수 있다.
상기 빔 스티어링 소자는 입사광의 위상을 각각 변조하는 복수의 채널을 포함하는 광학 위상 어레이(optical phased array); 및 상기 복수의 채널 각각에 변조 신호를 인가하는 신호 입력부;를 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 복수 방향을 형성하기 위해, 상기 광학 위상 어레이가 구현할 위상 프로파일을 설정하고 상기 위상 프로파일에 따라 상기 신호 입력부를 제어하는 위상 설정부;를 더 포함할 수 있다.
상기 복수 방향은 상기 광학 위상 어레이에서 출사되는 0차광, ±1차광, ±2차광, ..., ±n차광 (n은 자연수)의 방향 중에서 정해질 수 있다.
상기 프로세서는 상기 복수 방향의 광 중 상대적으로 세기가 약한 광에 의해 상기 수신기에 수신되는 광의 광량을 보정하여 처리할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 복수 방향의 광 중 상대적으로 고차항의 광에 의해 상기 수신기에 수신되는 광의 광량을 보정하여 처리할 수 있다.
상기 광학 위상 어레이는 전기적 신호에 따라 광학적 성질이 변하는 활성층과, 상기 활성층에 인접 배치된 서브 파장의 나노구조물을 구비하는 복수의 메타 소자들을 포함할 수 있다.
상기 광학 위상 어레이는 입력된 광을 복수개의 경로로 분기하여 복수의 출력단으로 출력하는 광도파로와, 상기 복수개의 경로 각각에서의 위상 지연을 조절하는 위상지연자를 포함할 수 있다.
상기 위상 설정부는 상기 복수 방향이 상기 광학 위상 어레이에서 출사되는 +1차광과 -1차광이 각각 향하는 두 방향이 되게 하는 바이너리 위상 프로파일을 설정할 수 있다.
상기 위상 설정부는 상기 빔 스티어링 소자의 복수의 채널에서 구현되는 위상값이 제1 위상값(φ1)과 제2 위상값(φ2) 중 어느 하나가 되는 바이너리 위상 프로파일을 설정할 수 있다.
상기 위상 설정부는 상기 제1 위상값(φ1)과 상기 제2 위상값(φ2)을 상기 복수의 채널의 개수만큼 준 주기적(quasi-periodic)으로 배열하고, 상기 복수의 채널이 배열된 순서대로 할당하여 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정할 수 있다.
상기 위상 설정부는, 상기 복수의 채널 중 인접 배치된 하나 이상의 채널에 대해 상기 제1 위상값(φ1)을 설정하고, 다음 인접 배치된 하나 이상의 채널에 대해 상기 제2 위상값(φ2)를 설정하는 과정을 반복하되, 상기 제1 위상값(φ1,) 및 제2 위상값(φ2)의 배열 패턴이 반복되는 주기들의 평균값이 소정 값을 만족하도록, 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정할 수 있다.
상기 위상 설정부는, 다음 식에 의해 정해지는 각도 θ 및 - θ에 의해 상기 두 방향이 정해지도록 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정할 수 있다. 하
Figure 112017071065247-pat00001
여기서, λ는 입사광의 파장이고, Tk는 상기 제1 위상값(φ1), 제2 위상값(φ2)의 배열 패턴이 반복되는 k번째 주기이며, <Tk>는 주기들의 평균값이다.
상기 위상 설정부는, 상기 +1차광의 방향이 소정의 원하는 방향이 되도록 0에서 2π까지의 위상값 범위를 전체적으로 사용하는 풀 위상 프로파일(full phase profile)을 설정하고, 상기 풀 위상 프로파일을 구성하는 위상값들 각각을 상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2) 중 어느 하나의 값으로 수정하여, 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정할 수 있다.
상기 위상 설정부는, 상기 풀 위상 프로파일을 구성하는 위상값들 중 설정 범위 내에 있는 위상값들은 제1 위상값(φ1)으로 수정하고, 상기 설정 범위 밖에 있는 위상값들은 제2 위상값(φ2)로 수정하여, 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정할 수 있다.
상기 제1 위상값(φ1)과 상기 제2 위상값(φ2)의 차이는 π일 수 있다.
일 유형에 따르면, 광이 복수의 스캔 방향을 따라 피사체를 동시에 스캔하도록 빔 스티어링 소자를 제어하는 단계; 상기 피사체로부터 반사된 광을 수신하는 단계; 및 상기 복수의 스캔 방향의 광에 의해 수신되는 신호를 구분하여 처리하는 단계;를 포함하는, 라이다 시스템 구동 방법이 제공된다.
상기 빔 스티어링 소자를 제어하는 단계는 입사광의 위상을 각각 다르게 변조하는 복수의 채널을 포함하는 광학 위상 어레이(optical phased array)를 사용하며, 상기 광학 위상 어레이에서 출사되는 0차광, ±1차광, ±2차광, ..., ±n차광 (n은 자연수) 중에서 선택된 복수의 광이 상기 피사체를 스캔하도록 할 수 있다.
상기 빔 스티어링 소자를 제어하는 단계는 상기 광학 위상 어레이에서 출사되는 +1차광과 -1차광이 상기 피사체를 스캔하도록 할 수 있다.
상술한 라이다 시스템 및 이의 구동 방법에 따르면, 빔 스티어링 소자가 피사체를 향해 복수 방향으로 광을 출사하고, 수신기가 이를 구분하여 피사체로부터의 반사광을 검출하므로, 피사체에 대한 분석을 보다 빠르게 수행할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 시스템 구동방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 2는 실시예에 따른 라이다 시스템의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 3은 도 2의 라이다 시스템에 구비되는 수신기의 개략적인 회로 구성을 보이는 블록도이다.
도 4는 도 2의 라이다 시스템에 채용되는 광학 위상 어레이가 입사광을 변조하는 것을 설명하는 개념도이다.
도 5는 도 2의 라이다 시스템에 채용될 수 있는 광학 위상 어레이의 예시적인 세부 구성을 보인 단면도이다.
도 6은 도 2의 라이다 시스템에 채용될 수 있는 광학 위상 어레이의 다른 예시적인 세부 구성을 보인 단면도이다.
도 7은 도 2의 라이다 시스템에 채용될 수 있는 광학 위상 어레이의 다른 예시적인 세부 구성을 보인 사시도이다.
도 8은 도 2의 라이다 시스템의 광학 위상 어레이에 인가될 수 있는 위상 프로파일을 보인다.
도 9는 도 8의 위상 프로파일에 의해 형성되는 출사광의 예시적인 각 분포를 보이는 그래프이다.
도 10은 도 8의 위상 프로파일에 의해 형성되는 출사광의 다른 예시적인 각 분포를 보이는 그래프이다.
도 11은 도 2의 라이다 시스템에 채용되는 수신기가 복수의 광검출요소들의 어레이로 이루어진 것을 보이는 평면도이다.
도 12는 도 10과 같은 형태의 출사광이 피사체에 조사되고 피사체로부터 반사되어 수신기에 검출된 광 분포를 보이는 그래프이다.
도 13은 도 2의 라이다 시스템에 채용되는 광학 위상 어레이에 인가될 수 있는 바이너리 위상 프로파일을 예시적으로 보인다.
도 14는 도 2의 라이다 시스템이 도 13과 같은 바이너리 위상 프로파일을 설정하고 빔 스티어링 소자를 구동하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 15는 도 14의 흐름도에서 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 단계를 세부적으로 예시한 흐름도이다.
도 16은 도 15의 흐름도에 따라 풀 위상 프로파일로부터 바이너리 위상 프로파일을 설정한 예를 보인다.
도 17은 도 13의 바이너리 위상 프로파일에 따라 형성된 출사광의 각 분포를 보인 그래프이다.
도 18은 도 17과 같은 형태의 출사광이 피사체에 조사된 후 피사체로부터 반사되어 수신기에 검출된 광 분포를 보이는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 한정되는 것은 아니다. 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 시스템 구동 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
실시예에 따른 라이다 시스템 구동 방법은 피사체에 대한 정보를 빠르게 획득할 수 있도록, 피사체를 복수의 스캔 방향으로 동시에 스캔하고 수신기에서 이를 구분하여 처리한다.
이를 위하여, 먼저, 광이 복수의 스캔 방향을 따라 피사체를 동시에 스캔하도록 빔 스티어링 소자를 제어한다(S10).
빔 스티어링 소자는 광원으로부터의 광이 피사체를 향하도록 조준하고 스캔하는 것으로 방향 조절이 가능한 소자이다. 실시예의 라이다 시스템 구동방법에서는 빔 스티어링 소자로부터의 조준각이 동시에 복수개가 되도록 하고, 복수의 조준각을 각각 조절하여 피사체에 복수의 스캔 라인을 형성한다. 복수의 조준각은 통상의 빔 스티어링 소자의 설계시 의도한 각도의 광(main lobe)과 이 외에 다른 각도로 발생하는 광(side lobe)의 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 빔 스티어링 소자는 입사광의 위상을 각각 다르게 변조하는 복수의 채널을 포함하는 광학 위상 어레이(optical phased array)로 구현될 수 있는데, 광학 위상 어레이에서 출사되는 0차광, ±1차광, ±2차광, ..., ±n차광 (n은 자연수) 중에서 선택된 복수의 광이 피사체를 스캔하도록 할 수 있다. 또는, 광학 위상 어레이에서 출사되는 +1차광과 -1차광이 피사체를 스캔하도록 할 수 있다.
빔 스티어링 소자로부터의 광이 피사체에 조사된 후 피사체로부터의 반사광을 수신기에서 수신할 수 있다(S20).
수신기는 광을 센싱하는 복수의 광검출요소들의 어레이로 이루어질 수 있다. 피사체를 향해 동시에 두 방향으로 광이 조사되므로, 피사체에서 반사된 광이 수신기에 검출될 때, 수신기에 소정 공간 분포를 형성할 수 있다. 또는, 피사체의 형상에 따라 시간차를 두고 수신기에 검출될 수 있다.
수신기에서의 검출광은 복수의 스캔 방향의 광에 의해 수신되는 신호를 구분하여 처리한다(S30). 이러한 구분을 위해, 수신기에 검출되는 광의 위치별 분포 또는 시간별 분포를 고려할 수 있다.
설명한 과정을 실행하는 라이다 시스템의 예시적인 구성을 살펴보기로 한다.
도 2는 실시예에 따른 라이다 시스템(1000)의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이고, 도 3은 도 2의 라이다 시스템(1000)에 구비된 수신기(1500)의 개략적인 회로 구성을 보이는 블록도이며, 도 4는 도 2의 라이다 시스템(1000)에 채용되는 광학 위상 어레이가 입사광을 변조하는 것을 설명하는 개념도이다.
라이다(LiDAR; Light Detection and Ranging) 시스템(1000)은 광원(1100), 광원(1100)으로부터의 광의 위상을 변조하여, 피사체(OBJ)를 향해 복수 방향으로 광을 출사하는 빔 스티어링 소자(1200), 피사체(OBJ)로부터 반사되는 광을 수신하는 수신기(1500) 및 수신기(1500)에 수신되는 광의 위치별 분포 및/또는 시간별 분포를 분석하여 상기 복수 방향으로 피사체(OBJ)에 조사된 광을 구분하여 처리하는 프로세서(1700)를 포함한다.
광원(1100)은 피사체(OBJ)의 위치, 형상의 분석에 사용할 광을 조사한다. 광원(1100)은 소장 파장의 광을 생성, 조사하며, 예를 들어, 피사체(OBJ)의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광, 예를 들어, 적외선 대역 파장의 광을 생성 조사하는 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 광원(1100)은 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 광원(1100)은 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
빔 스티어링 소자(1200)는 입사광의 위상을 변조하는 복수의 채널을 포함하는 광학 위상 어레이(optical phased array)(1210)와 상기 복수의 채널 각각에 변조 신호를 인가하는 신호 입력부(1230)를 포함한다.
도 4를 참조하면, 광학 위상 어레이(1210)는 복수의 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_N-1, CH_N)을 포함한다. 복수의 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_N-1, CH_N)은 각각 독립적으로 입사광(Li)의 위상을 변조하도록 제어되며, 복수의 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_N-1, CH_N)에 의한 위상 프로파일이 소정 변조광 조건을 만족하도록, 신호 입력부(1230)로부터 복수의 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_N-1, CH_N) 각각에 신호가 인가될 수 있다. 소정 변조광 조건은 입사광(Li)을 피사체(OBJ)를 향하여 조준하기 위한 소정 각도가 될 수 있으며, 실시예에서, 광학 위상 어레이(1210)는 각기 서로 다른 각으로 피사체(OBJ)를 조준하는 복수의 출사광(L1, L2, L3)을 출사하도록 복수의 채널(CH_1, CH_2, ..., CH_N-1, CH_N) 각각에의 인가 신호가 제어될 수 있다. 복수의 출사광(L1, L2, L3)은 세 개로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이고 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 복수 방향은 광학 위상 어레이(1210)에서 출사되는 0차광, ±1차광, ±2차광, ..., ±n차광 (n은 자연수)의 방향 중에서 선택될 수 있다. 또는, 상기 복수 방향은 광학 위상 어레이(1210)에서 출사되는 +1차광과 -1차광이 각각 향하는 두 방향이 될 수도 있다.
빔 스티어링 소자(1200)는 프로세서(1700)에 의해 제어되며, 복수 방향을 향한 광(L1, L2, L3)이 각각 조절됨으로써, 피사체(OBJ)를 복수의 스캔 방향(SL1, SL2, SL3)을 따라 동시에 스캔할 수 있다. 이에 따라 피사체(OBJ)를 스캔하는 속도가 빨라진다.
수신기(1500)는 피사체(OBJ)로부터의 반사광(Lr)을 센싱하는 복수의 광검출요소들의 어레이를 포함할 수 있다.
프로세서(1700)는 라이다 시스템(1000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
프로세서(1700)는 수신기(1500)에 수신되는 광의 위치별 분포 및/또는 시간별 분포를 분석하여 빔 스티어링 소자(1200)로부터 복수 방향으로 피사체(OBJ)에 조사된 광을 구분하여 처리하는 분석부(1710)를 포함할 수 있다.
프로세서(1700)는 또한, 빔 스티어링 소자(1200)로부터 출사광의 복수 방향을 형성하기 위해, 광학 위상 어레이(1210)가 구현할 위상 프로파일을 설정하고 상기 위상 프로파일에 따라 신호 입력부(1230)를 제어하는 위상 설정부(1730)를 포함할 수 있다.
프로세서(1700)는 이외에도, 광원(1100), 수신기(1500)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1700)는 광원(1100)에 대해 전원 공급 제어, 온/오프 제어, 펄스파(PW)나 연속파(CW) 발생 제어 등을 수행할 수 있다. 또한, 프로세서(1700)는 수신기(1500)의 광검출요소들 각각에 대한 제어 신호를 인가할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 출사광(L1, L2, L3)에 의한 피사체(OBJ)로부터의 반사광(L1r, L2r, L3r)은 수광 렌즈(RL)를 통과한 후 디텍터 어레이(detector array)의 서로 다른 위치의 광검출요소(1510)에서 검출된다. 각 신호는 광검출요소(1510) 각각에 연결된 증폭기(AMP, amplifier)를 통과하며 증폭될 수 있고, TDC(time to digital converter)를 통해 거리 정보로 변환된다. 일 예로, 복수의 TDC 각각이 증폭기와 개별적으로 연결될 수도 있고, 전체 증폭기에 대해 적어도 하나의 TDC가 연결될 수도 있다.
프로세서(1700) 에서 피사체(OBJ)를 스캐닝하고자 하는 각도가 결정되면, 이 방향으로 빛이 스티어링(steering) 되도록 위상설정부(1730) 에서 위상을 설정한 후 신호 입력부(1230)을 거쳐 광학 위상 어레이(1210) 제어한다. 이 때, 0차빔(beam) 출광 각도에 따른 +1차빔, -1차빔의 출광 각도가 정해지거나, +1차빔의 출광 각도에 따른 -1차빔의 출광 각도가 정해지고, 이 정보는 분석부(1710)에 전달되어 분석에 사용될 수 있다.
빔 스티어링 소자(1200)에 의해 동시 발광되고 피사체()에서 반사된 광, L1r, L2r, L3r은 수광 렌즈(RL)를 통과한 후 디텍터 어레이(detector Array)의 서로 다른 위치의 광검출요소(1510)에서 검출된다. 각 신호는 각각의 증폭기(AMP)를 통과하여 증폭된 후, TDC를 통해 거리 정보로 변환된다.
분석부(1710)에서는 출광시의 출광 각도 정보에 따라, 그 각도에 해당하는 디텍터 어레이(detector array)의 복수의 광검출요소(1510)를 결정하고, 해당 광검출요소(1510)들과 연결된 TDC의 거리 정보를 분석함으로써 해당 각도에 따른 위치에 따른 거리 정보를 매핑(mapping)할 수 있다.
분석부(1710)는 또한, 피사체(OBJ)에 대한 상기 복수 방향의 광 중 상대적으로 세기가 약한 광에 의해 수신기(1500)에 수신되는 광의 광량을 보정하여 처리할 수 있다. 즉, 상기 복수 방향의 광 중 상대적으로 세기가 약한 광이 피사체(OBJ)를 거쳐 수신기(1500)에 수신되는 광량을 증폭할 수 있다. 분석부(1710)는 상기 복수 방향의 광 중 상대적으로 고차항의 광에 의해 수신기(1500)에 수신되는 광의 광량을 보정하여 처리할 수 있다.
분석부(1710)는 수신된 광 신호를 분석하여 피사체(OBJ)의 존재 여부, 위치, 형상, 물성 등의 분석을 수행할 수 있다. 분석부(1710)는 예를 들어, 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산과 이로부터 피사체(OBJ)의 3차원 형상 판별을 수행하거나, 라만 분석법을 이용한 물성 분석을 수행할 수 있다.
분석부(1710)에서는 다양한 연산 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 직접 시간 측정 방법은 피사체(OBJ)에 펄스광을 투사하고 피사체에 반사되어 광이 돌아오는 시간을 타이머로 측정하여 거리를 구한다. 상관법(correlation)은 펄스광을 피사체(OBJ)에 투사하고 피사체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 밝기로부터 거리를 측정한다. 위상지연 측정 방법은 사인파와 같은 연속파(continuous wave) 광을 피사체(OBJ)에 투사하고 피사체(OBJ)에 반사되어 돌아오는 반사광의 위상차를 감지하여 거리로 환산하는 방법이다.
분석부(1710)는 또한, 피사체(OBJ)에 의한 파장 변이를 검출하는 라만 분석법에 의해 피사체(OBJ)의 종류, 성분, 농도, 물성 분석을 수행할 수도 있다.
분석부(1710)는 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치, 물성에 대한 정보를 다른 유닛으로 전송할 수 있다. 예를 들어, 피사체(OBJ)의 3차원 형상이나 동작, 위치에 대한 정보가 필요한 자율 구동 기기에 상기한 정보가 전송될 수 있다. 또는, 대상체(OBJ)의 물성 정보, 예를 들어, 생체 정보를 활용하는 의료 기기에 상기한 정보가 전송될 수 있다. 또는, 결과가 전송되는 다른 유닛은 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 스마트폰, 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
라이다 시스템(1000)는 프로세서(1700)에서 수행하는 동작을 위한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장되는 메모리를 포함할 수 있다.
라이다 시스템(1000)은 전방 물체에 대한 3차원 정보를 실시간으로 획득하는 센서로 활용될 수 있어 자율 구동 기기, 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등에 적용될 수 있다. 라이다 시스템(1000)은 복수의 스캔 라인을 따라 동시에 피사체(OBJ)를 스캔할 수 있으므로, 빠른 속도로 피사체(OBJ)에 대한 분석이 가능하다.
라이다 시스템(1000)에 구비되는 광학 위상 어레이(1210)는 전기적 신호에 따라 광학적 성질이 변하는 활성층과, 활성층에 인접 배치된 서브 파장의 나노구조물을 구비하는 복수의 메타 소자들을 포함하여 이루어질 수 있으며, 이러한 예시적인 구성을 도 5 및 도 6을 참조하여 살펴보기로 한다.
도 5는 도 2의 라이다 시스템(1000)에 채용될 수 있는 광학 위상 어레이(1211)의 예시적인 세부 구성을 보인 단면도이고, 도 6은 도 2의 라이다 시스템(1000)에 채용될 수 있는 광학 위상 어레이(1211)의 다른 예시적인 세부 구성을 보인 단면도이다.
도 5를 참조하면, 광학 위상 어레이(1211)는 활성층(20)과 전도성 나노 구조물(52)이 어레이된 나노 어레이층(50), 활성층(20)에 신호 인가를 위한 전극층(10), 전극층(10)과 전도성 나노 구조물(52)사이에 전압을 인가하는 전원부(70)를 포함한다. 활성층(20)은 신호 인가에 따라 광학적 성질이 변하는 물질로 이루어질 수 있다. 활성층(20)은 예를 들어, 전기장에 의해 유전율이 변하는 물질로 이루어질 수 있다. 나노 어레이층(50)은 복수의 나노 구조물(52)을 포함하며, 도면에서는 하나의 채널을 형성하는 하나의 나노 구조물(52)만 예시적으로 도시하고 있으며, 채널 개수는 원하는 위상 프로파일 형성에 필요한 개수로 정해질 수 있다. 나노 어레이층(50)과 활성층(20) 사이에는 절연층(30)이 더 배치될 수 있다.
나노 구조물(52)은 서브 파장(sub-wavelength)의 형상 치수를 가질 수 있다. 여기서, 서브 파장(sub-wavelength)은 위상 변조부(100)의 동작 파장, 즉, 변조하고자 하는 입사광(Li)의 보다 작은 치수를 의미한다. 나노 구조물(52)의 형상을 이루는 어느 한 치수, 예를 들어, 두께, 가로, 세로, 중 적어도 어느 하나가 서브 파장의 치수를 가질 수 있다.
나노 구조물(52)에 채용되는 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다.
활성층(20)은 외부 신호에 따라 광학적 특성이 변하는 물질로 이루어질 수도 있다. 외부 신호는 전기 신호일 수 있다. 활성층(20)은 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO)로 이루어질 수 있다. 또한, TiN, ZrN, HfN, TaN과 같은 전이 금속 질화물(transition metal nitrice)도 사용 가능하다. 이외에도, 전기 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하는 전기 광학(electro-optic 물질), 즉, LiNbO3, LiTaO3 KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate)이 사용될 수 있고, 또한, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer) 물질이 사용될 수 있다.
전극층(10)은 전도성이 있는 다양한 재질로 형성할 수 있다. 전극층(10)은 금속 물질, 예를 들어, Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 전극층(10)이 금속 물질로 이루어진 경우, 전극층(10)은 전압 인가의 역할 뿐 아니라 광을 반사시키는 반사층의 기능을 겸할 수도 있다. 전극층(10)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO)로 이루어질 수도 있다.
나노 구조물(52)은 금속물질과 유전체 물질의 경계에서 일어나는 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)에 의해 특정 파장의 광의 위상을 변조할 수 있으며, 출력하는 위상값은 나노 구조물(52)의 세부적인 형상과 관계된다. 또한, 나노 구조물(52)과 전극층(10) 사이에 인가되는 전압에 의한 활성층(20)의 광학적 성질 변화에 의해 출력 위상값이 조절될 수 있다.
도 6을 참조하면, 광학 위상 어레이(1212)는 활성층(22)과 유전체 나노 구조물(62)이 어레이된 나노 어레이층(60), 활성층(22)에 신호 인가를 위한 전극층(10), 나노 어레이층(60)과 활성층(22) 사이에는 배치된 전도층(40), 전극층(10)과 전도층(40) 사이에 전압을 인가하는 전원부(70)를 포함한다.
활성층(22)은 신호 인가에 따라 광학적 성질이 변하는 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, 전기장에 의해 유전율이 변하는 물질로 이루어질 수 있다. 나노 어레이층(60)은 복수의 나노 구조물(62)을 포함하며, 도면에서는 하나의 채널을 형성하는 나노 구조물(62) 하나만 예시적으로 도시하고 있다.
활성층(22)은 전기 신호가 가해지면 유효 유전율이 변하여 굴절률이 변하는 전기 광학(electro-optic 물질)로 이루어질 수 있다. 이러한 물질로, LiNbO3, LiTaO3 KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate) 등이 사용될 수 있고, 또한, 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer) 물질이 사용될 수 있다.
나노 구조물(62)은 서브 파장(sub-wavelength)의 형상 치수를 가질 수 있다. 나노 구조물(62)은 유전체 물질로 이루어져, 변위 전류(displacement current)에 의한 Mie resonance를 이용하여 특정 파장의 광의 위상을 변조할 수 있다. 이를 위하여, 나노 구조물(62)은 활성층(22)보다 큰 굴절률을 가지는 유전체 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, 전압 인가에 의해 활성층(22)의 굴절률이 변화하는 범위의 가장 큰 값보다 큰 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 나노 구조물(62)이 출력하는 위상값은 나노 구조물(62)의 세부적인 형상과 관계된다. 또한, 전도층(40)과 전극층(10) 사이에 인가되는 전압에 의한 활성층(22)의 광학적 성질 변화에 의해 나노 구조물(62)에서의 출력 위상값이 조절될 수 있다.
도 5 및 도 6은 각각 광학 위상 어레이(1211)(1212)가 서브 파장의 나노 구조물을 포함하는 메타 소자로 이루어진 예시적인 구성을 설명한 것이며, 도 2의 라이다 시스템(1000)에 채용될 수 있는 광학 위상 어레이(1210)은 도 5 및 도 6에 예시된 구성에 한정되지 않는다. 도 5 및 도 6으로부터 변형된 구성이 광학 위상 어레이(1210)에 채용될 수 있다.
도 7은 도 2의 라이다 시스템(1000)에 채용될 수 있는 광학 위상 어레이(1213)의 다른 예시적인 세부 구성을 보인 사시도이다.
도 7을 참조하면, 광학 위상 어레이(1213)는 입력된 광을 복수개의 경로로 분기하여 복수의 출력단(OP)으로 출력하는 광도파로(120)와, 상기 복수개의 경로 각각에서의 위상 지연을 조절하는 위상지연자(PS)를 포함한다.
이러한 광학 위상 어레이(1213)는 실리콘 포토닉스(silicon photonics) 기술을 이용하여 실리콘 기판(110)에 제작될 수 있다. 광도파로(120)의 경로가 분기되는 분기점들에는 빔 스플리터(BS)가 마련되며, 이에 따라 입력단(IN)으로 입사된 광은 복수의 출력단(OP)으로 출사된다.
복수의 출력단(OP)을 향하는 경로 각각에는 위상 지연자(PS)가 마련된다. 위상 지연자(PS)에 인가되는 신호를 조절함으로써 각 경로에서의 위상 지연 정도가 조절된다. 위상 지연자(PS)는 입력 신호에 따라 이에 인접한 광도파로(120) 영역 일부의 굴절률을 변화시켜 굴절률이 변화된 광도파로(120) 영역을 지나는 광의 위상을 지연시킬 수 있다. 위상 지연자(PS)는 광도파로(120) 상부에 마련되어 전기적으로 히팅되며 광도파로(120) 영역 일부를 가열하는 히터(heater)일 수 있다.
위상 지연자(PS)는 이러한 구성에 한정되지 않으며, 인가 신호에 따라 광도파로(120) 영역 일부의 광학적 성질이 변하는 정도를 조절하여 위상 지연 정도를 조절할 수 있는 다양한 구조가 채용될 수 있다.
도면에서는 입력단(IN)으로 입사된 광이 분기되어 8개의 출력단(OP)으로 출사되는 8개의 채널 구조를 예시하였으나, 이에 한정되지 않으며 출력단(OP)의 개수는 원하는 위상 프로파일 형성에 필요한 개수로 정해질 수 있다.
도 8은 도 2의 라이다 시스템(1000)의 광학 위상 어레이(1210)에 인가될 수 있는 위상 프로파일을 보인다. 도 9 및 도 10은 도 8의 위상 프로파일에 의해 형성되는 출사광의 각 분포를 보이는 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 각 채널에 인가되는 위상값은 0에서 2π까지의 복수의 위상값이 계단형으로 반복되고 있다. 빔 스티어링(beam steering) 각도 구현은 인접한 복수의 채널들이 선형으로 증가하는 위상을 나타낼 때 가능하다.
이러한 위상 프로파일에 의해 구현되는 스티어링 각도(θT)는 다음 식(1)과 같이 정해진다.
Figure 112017071065247-pat00002
(1)
여기서, Δφ는 인접한 채널의 위상차, λ는 입사광의 파장, d는 채널 폭이다.
도 9를 참조하면, 도 8의 위상 프로파일에 따라, 출사광의 각 분포는 목표한 스티어링 각도 θT에서 피크값을 가지는 세기(intensity) 분포를 나타낸다. 식(1)에 따라 θT의 값을 조절하여, 표시된 A 방향을 따라 피사체를 스캔할 수 있다.
도 9와 같이, 하나의 메인 피크(main peak)를 나타내는 출사광 파형은 광학 위상 어레이에 서브 파장(sub-wavelength) 치수가 적용된 경우이다. 예를 들어, 광학 위상 어레이에 구비되는 나노구조물들의 간격이나 형상 치수가 입사광의 파장보다 작은 치수로 형성될 때, 도 9와 같은 출사광 파형이 형성된다.
입사광의 파장보다 큰 치수가 적용되는 광학 위상 어레이에 의한 출사광 분포는 도 10과 같은 형태가 될 수 있다.
도 10을 참조하면, 출사광의 각 분포는 θ1, θ2, θ3 에서 피크값을 갖는 형태가 될 수 있다. 광 세기의 각 분포는 L2에 의한 메인 로브(main lobe)와, L1, L3에 의한 사이드 로브(side lobe)를 포함한다. θ2는 의도한 목표 스티어링 각도, θT이다. L2에 의한 메인 로브(main lobe)는 광학 위상 어레이에서 출사되는 0차광이라 칭할 수 있고, L1, L3에 의한 사이드 로브(side lobe)는 ±1차광으로 칭할 수 있다. θ1, θ2, θ3에서 피크값을 갖는 광 분포는 신호 입력부에 인가되는 신호가 조절됨에 따라 이동되며, SL1, SL2, SL3로 표시된 화살표 방향의 스캔 라인을 피사체에 형성할 수 있다.
도 10에서, 사이드 로브는 두 개를 도시하였으나 이는 예시적인 것이고, 피크값이 점점 작아지는 순서대로, ±2차광, ±3차광..., ±n차광에 해당하는 사이드 로브들이 더 포함될 수 있으며, 이를 스캔광으로 활용하는 것도 가능하다.
실시예의 라이다 시스템(1000)은 사이드 로브에 해당하는 출사광도 피사체를 분석하는 광으로 사용하고 있어 피사체를 빠른 속도로 스캔하고 분석할 수 있다.
도 11은 도 2의 라이다 시스템에 채용되는 수신기가 복수의 광검출요소들의 어레이로 이루어진 것을 보이는 평면도이고, 도 12는 도 10과 같은 형태의 출사광이 피사체에 조사되고 피사체로부터 반사되어 수신기에 검출된 광 분포를 보이는 그래프이다.
수신기(1500)는 복수의 광검출요소(1510)들의 어레이를 포함할 수 있다. 복수의 광검출요소(1510)는 각각에 입사된 광을 개별적으로 센싱하는 구조를 가지므로, 수신기(1500)에 검출되는 신호의 위치 분포로부터 피사체에 조사된 복수의 광 중 어느 광에 의한 반사광인지를 구별할 수 있다.
도 12를 참조하면, 세기가 가장 큰 것으로 나타나는 중앙 부분의 수신기(1500) 영역에 검출되는 광이 0차광에 의한 것이고, 양측에서 검출되는 광이 각각 -1차광, +1차광에 의한 것이다.
도 12는 수신기(1500)에서 검출되는 광의 위치 분포로부터 0차광, ±1차광이 구분될 수 있음을 보이고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 수신기(1500)에 광이 검출되는 시간차를 분석하는 방법이 사용될 수도 있다. 또는, 검출광의 위치 분포 분석과 시간차 분석이 함께 사용될 수도 있다. 예를 들어, 피사체를 향해 복수의 방향으로 광이 조사될 때, 피사체의 형상에 따라 복수의 광이 피사체까지 진행된 거리는 서로 다를 수 있고, 따라서, 반사광이 수신기(1500)에 도달하는 시간도 다를 수 있다. 이러한 시간차를 분석하여 피사체의 어느 위치로부터의 광인지 등을 판단할 수 있다.
도 8 내지 도 10에서의 설명은 광학 위상 어레이를 구성하는 채널들이 0부터 2π까지의 위상값을 원하는 대로 구현할 수 있는 것을 전제로 하고 있다. 그러나, 광학 위상 어레이를 도 5 및 도 6과 같은 메타 소자로 구현할 때, 2π에 이르는 위상값이 구현되기 어렵고, 도 7과 같이 광도파로 형태를 채용하는 경우도 2π에 이르는 위상값을 구현하기 위해서는 전체 구조가 지나치게 벌키(bulky)해질 수 있다.
2π에 이르는 위상값이 구현되지 않고 2π 보다 작은 위상 한계값을 나타내는 경우, 출사광의 각 분포는 의도한 각도에서 나타나는 피크(peak)값 외에, 의도하지 않은 각도에서 나타나는 다수의 피크값들을 가질 수 있다. 이러한 의도하지 않은 각도에서의 피크값들은 노이즈가 될 수 있으므로 이를 줄이기 위한 방안으로 바이너리 위상 프로파일이 사용될 수 있다.
도 13은 도 2의 라이다 시스템(1000)에 채용되는 광학 위상 어레이에 인가될 수 있는 바이너리 위상 프로파일을 예시적으로 보인다.
바이너리 위상 프로파일은 광학 위상 어레이에서 구현할 위상 프로파일을 두 가지 위상값, φ1, φ2 만을 사용하여 설정한 것을 지칭한다.
두 가지 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 주기들(Tk)(k=1, 2, ...)을 설정한다. 이러한 주기들의 평균값 <Tk>에 의해 원하는 광학 성능이 조절될 수 있다.
두 가지 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 주기들(Tk) 각각의 수치는 채널의 크기(d)의 정수배와 같은 이산적인(discrete) 값이 되는 반면, 주기들의 평균값 <Tk>은 보다 다양한 연속적인 값을 가질 수 있다. 따라서, 주기들(Tk)를 모두 같은 값으로 설정하는 것보다 이들 값을 각 주기 순서마다 다르게 조절하는 배열을 통해, 즉, 평균값 <Tk>를 조절하는 방식을 사용함으로써, 원하는 광학 성능의 조절이 보다 용이할 수 있다.
바이너리 위상 프로파일을 사용하는 경우, 전술한 식(1)은 두 가지 위상값의 차(|φ1-φ2|)를 π로 할 때, 2d는 두 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴에서의 반복 주기들의 평균값, <Tk>로 변형되어 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017071065247-pat00003
(2)
식 (2)에 따라 스티어링 각도 θT를 조절할 때, 두 가지 위상값(φ1, φ2)만을 사용하면서도, 연속적인 값을 가질 수 있는 <Tk>를 조절하는 방식을 사용하므로, 다양한 θT를 표현할 수 있다. 이러한 방법에 따라, 원하는 각도 범위의 스캔 등을 용이하게 실현할 수 있다.
도 14는 도 2의 라이다 시스템(1000)이 도 13과 같은 바이너리 위상 프로파일을 설정하고 빔 스티어링 소자(1200를 구동하는 방법을 설명하는 흐름도이며, 도 15는 도 14의 흐름도에서 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 단계를 세부적으로 예시한 흐름도이다. 도 16은 도 15의 흐름도에 따라 풀 위상 프로파일로부터 바이너리 위상 프로파일을 설정한 예를 보인다.
도 14를 참조하면, 먼저, 광학 위상 어레이(1210)에 구비되는 복수의 채널에서의 위상값으로 사용될, 두 가지 위상값(φ1, φ2)을 선택한다(S100). 두 위상값(φ1, φ2)은 위상 변조 능동소자에 구비된 각 채널에서 구현할 수 있는 위상값으로, 0에서 2π 사이의 값이 사용될 수 있다. 위상 한계가 존재할 수 있음을 고려할 때, 두 위상값(φ1, φ2)은 각 채널이 가질 수 있는 한계값보다는 작은 수치로 선택될 수 있다. 두 가지 위상값의 차(|φ1-φ2|)는 π일 수 있다. 예를 들어, φ1, φ1+π가 두 위상값으로 선택될 수 있다. 두 위상값은 0, π 일 수 있다.
바이너리 위상 프로파일(binary phase profile)의 설정을 위해, 선택된 두 가지 위상값(φ1, φ2)을 광학 위상 어레이(1210)의 채널 개수만큼 준 주기적(quasi-periodic)으로 배열하고, 복수의 채널이 배열된 순서대로 할당할 수 있다(S200). 여기서, 준주기적(quasi-periodic) 배열은 두 위상값(φ1, φ2)이 반복되는 주기들이 모두 동일하지는 않음을 의미한다.
도 13에서 예시한 바이너리 위상 프로파일과 같이, 광학 위상 어레이(1210)에 구비되는 복수의 채널 중 인접 배치된 하나 이상의 채널에 대해 위상값(φ1)을 설정하고, 다음 인접 배치된 하나 이상의 채널에 대해 위상값(φ2)를 설정하는 과정을 반복하여, 두 가지 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 주기들(Tk)(k=1, 2, ...)을 설정할 수 있다. 이에 의해, 주기들의 평균값, <Tk>가 원하는 값이 되도록 할 수 있다.
다음, 설정된 위상 프로파일이 광학 위상 어레이(1210)에서 구현되도록, 신호 입력부(1230)에 신호를 인가한다(S300)
도 15를 참조하면, 바이너리 위상 프로파일 설정을 위해, 먼저, 풀 위상 프로파일(full phase profile)을 설정할 수 있다(S220). 풀 위상 프로파일(full phase profile)은 목표하는 광학 성능의 구현을 위해 0에서 2π까지의 위상값 범위를 전체적으로 사용하는 위상 프로파일이다.
다음, 풀 위상 프로파일에 포함된 위상값들을 정해진 두 가지 위상값(φ1, φ2) 중 어느 하나로 수정한다(S250). 예를 들어, 풀 위상 프로파일에 나타나는 위상값(φ)이 A≤φ≤B와 같이 연속된 제1범위를 만족하는 경우, 위상값 φ1으로, 나머지 경우는 위상값, φ2로 수정될 수 있다.
도 16은 풀 위상 프로파일이 바이너리 위상 프로파일로 수정된 예를 보인다. 그래프에서, 바이너리 위상 프로파일로의 수정은 A는 π/2, B는 3π/2, φ1은 0, φ2는 π의 규칙이 적용되었다. 즉, 풀 위상 프로파일에 포함된 위상값이 π/2≤φ≤3π/2 인 경우, 위상값 π 로 수정되고, 나머지 위상값은 0으로 수정된다.
상기 규칙은 예시적인 것이며, 주기들의 평균값 <Tk>를 조절하기 위해, 다른 변형된 규칙이 적용될 수 있다.
도 17은 도 13의 바이너리 위상 프로파일에 따라 형성된 출사광의 각 분포를 보인 그래프이고, 도 18은 도 17과 같은 형태의 출사광이 피사체에 조사된 후 피사체로부터 반사되어 수신기에 검출된 광 분포를 보이는 그래프이다.
도 17을 참조하면, 바이너리 위상 프로파일에 의해 광학 위상 어레이(1210)로부터의 출사광의 각도 분포는 θ, -θ의 위치에서 피크를 나타내는 형태이다. θ는 식 (2)에 의해 정해진 θT에 해당한다. 이와 같이 두 가지의 광, ±1차광이 θT와 -θT에서 피크를 나타낸다. 두 그래프는 각각 1차광, -1차광의 각도 분포에 해당하며, 두 피크의 크기는 실질적으로 동일하다. 바이너리 위상 프로파일에서 이러한 같은 크기의 피크값을 가지는 두 가지 광이 구현되는 것은 바이너리 위상 프로파일의 대칭성에 의한 것이다. 또한, 두 위상값의 차이, |φ1-φ2|를 π로 함으로써, 0차광은 실질적으로 거의 발생하지 않게 된다. -θT, θT, 에서 피크값을 갖는 광 분포는 신호 입력부에 인가되는 신호가 조절됨에 따라 이동되며, SL1, SL2로 표시된 화살표 방향의 스캔 라인을 피사체에 형성할 수 있다.
도 18을 참조하면, 수신기(1500)의 양측에 검출되는 광은 각각 +1차광, -1차광에 의한 것일 수 있으며, 이러한 위치 분포로부터 피사체에 조사된 복수의 광 중 어느 광에 의한 반사광인지를 구별할 수 있다.
또한, 위치 분포를 분석하는 것에 한정되지 않으며, 수신기(1500)에 광이 검출되는 시간차를 분석하는 방법이 사용될 수도 있다. 또는, 검출광의 위치 분포 분석과 시간차 분석이 함께 사용될 수도 있다. 예를 들어, 피사체를 향해 복수의 방향으로 광이 조사될 때, 피사체의 형상에 따라 복수의 광이 피사체까지 진행된 거리는 서로 다를 수 있고, 따라서, 반사광이 수신기(1500)에 도달하는 시간도 다를 수 있다. 이러한 시간차를 분석하여 피사체의 어느 위치로부터의 광인지 등을 판단할 수 있다.
이와 같이 피크값의 크기가 유사하고 방향이 서로 다른 두 가지 광을 사용하여 피사체를 스캔하고 이로부터의 광을 검출하는 경우, 보다 편리하고 빠르게, 피사체에 대한 정보를 분석할 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
1000.. 라이다 시스템
1210, 1211, 1212, 1213.. 광학 위상 어레이
110.. 실리콘 기판
120.. 광도파로
10.. 전극층
20, 22.. 활성층
30.. 유전체층
40..전도층
50, 60.. 나노어레이층
52, 62..나노 구조물
BS.. 빔 스플리터
PS.. 위상 지연자
IN.. 입력단
OP.. 출력단

Claims (20)

  1. 광원;
    상기 광원으로부터의 광의 위상을 바이너리 위상 프로파일에 따라 변조하여, 복수 방향으로 동시에 광을 출사하는 것으로,
    입사광의 위상을 각각 변조하는 복수의 채널을 포함하는 광학 위상 어레이(optical phased array)와 상기 복수의 채널 각각에 변조 신호를 인가하는 신호 입력부를 포함하는, 빔 스티어링 소자;
    상기 빔 스티어링 소자로부터 상기 복수 방향으로 피사체를 향해 출사되고 상기 피사체로부터 반사되는 광을 수신하는 복수의 광검출요소를 구비하는 수신기;
    상기 수신기에 수신되는 광의 위치별 분포 및/또는 시간별 분포를 분석하여 상기 복수 방향으로 상기 피사체에 조사된 광을 구분하여 처리하는 프로세서; 및
    상기 광학 위상 어레이에서 출사되는 +1차광과 -1차광이 각각 향하는 두 방향이 상기 복수 방향이 되도록, 상기 광학 위상 어레이의 복수의 채널에서 구현되는 위상값이 제1 위상값(φ1)과 제2 위상값(φ2) 중 어느 하나가 되는 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하고, 상기 바이너리 위상 프로파일에 따라 상기 신호 입력부를 제어하는 위상 설정부;를 포함하는, 라이다 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 복수 방향이 각각 조절되어 상기 피사체를 복수의 스캔 방향을 따라 동시에 스캔하도록 상기 빔 스티어링 소자를 제어하는, 라이다 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 복수 방향의 광 중 상대적으로 세기가 약한 광에 의해 상기 수신기에 수신되는 광의 광량을 보정하여 처리하는, 라이다 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 복수 방향의 광 중 상대적으로 고차항의 광에 의해 상기 수신기에 수신되는 광의 광량을 보정하여 처리하는, 라이다 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이는
    전기적 신호에 따라 광학적 성질이 변하는 활성층과, 상기 활성층에 인접 배치된 서브 파장의 나노구조물을 구비하는 복수의 메타 소자들을 포함하는, 라이다 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이는
    입력된 광을 복수개의 경로로 분기하여 복수의 출력단으로 출력하는 광도파로와, 상기 복수개의 경로 각각에서의 위상 지연을 조절하는 위상지연자를 포함하는, 라이다 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 위상 설정부는
    상기 제1 위상값(φ1)과 상기 제2 위상값(φ2)을 상기 복수의 채널의 개수만큼 준 주기적(quasi-periodic)으로 배열하고, 상기 복수의 채널이 배열된 순서대로 할당하여 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는, 라이다 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 위상 설정부는,
    상기 복수의 채널 중 인접 배치된 하나 이상의 채널에 대해 상기 제1 위상값(φ1)을 설정하고, 다음 인접 배치된 하나 이상의 채널에 대해 상기 제2 위상값(φ2)를 설정하는 과정을 반복하되, 상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 주기들의 평균값이 소정 값을 만족하도록, 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는, 라이다 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 위상 설정부는,
    다음 식에 의해 정해지는 각도 θ 및 - θ에 의해 상기 두 방향이 정해지도록 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는, 라이다 시스템.
    Figure 112017071065247-pat00004

    여기서, λ는 입사광의 파장이고, Tk는 상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 k번째 주기이며, <Tk>는 주기들의 평균값이다.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 위상 설정부는,
    상기 +1차광의 방향이 소정의 원하는 방향이 되도록 0에서 2π까지의 위상값 범위를 전체적으로 사용하는 풀 위상 프로파일(full phase profile)을 설정하고, 상기 풀 위상 프로파일을 구성하는 위상값들 각각을 상기 제1 위상값(φ1) 및 제2 위상값(φ2) 중 어느 하나의 값으로 수정하여, 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 라이다 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 위상 설정부는,
    상기 풀 위상 프로파일을 구성하는 위상값들 중 설정 범위 내에 있는 위상값들은 제1 위상값(φ1)으로 수정하고, 상기 설정 범위 밖에 있는 위상값들은 제2 위상값(φ2)로 수정하여, 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는, 라이다 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 위상값(φ1)과 상기 제2 위상값(φ2)의 차이는 π인, 라이다 시스템.
  18. 광학 위상 어레이의 복수의 채널에서 구현되는 위상값이 제1 위상값(φ1)과 제2 위상값(φ2) 중 어느 하나가 되게 하는 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 단계;
    상기 바이너리 위상 프로파일에 따라 광을 변조하여, 상기 광학 위상 어레이(optical phased array)에서 출사되는 +1차광, -1차광이 향하는 두 스캔 방향을 따라 피사체를 동시에 스캔하도록, 상기 광학 위상 어레이를 포함하는 빔 스티어링 소자를 제어하는 단계;
    상기 피사체로부터 반사된 광을 수신하는 단계; 및
    상기 복수의 스캔 방향의 광에 의해 수신되는 신호를 구분하여 처리하는 단계;를 포함하는, 라이다 시스템 구동 방법.
  19. 삭제
  20. 삭제
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