KR20190000188A - 빔 스티어링 장치 및 그 구동방법과, 빔 스티어링 장치를 포함하는 라이다 시스템 - Google Patents

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Abstract

빔 스티어링 장치 및 그 구동방법과, 빔 스티어링 장치를 포함하는 라이다 시스템이 개시된다. 개시된 빔 스티어링 장치는, 입사광의 위상을 변조시켜 복수의 출사광을 방출하는 위상 변조 소자와, 상기 복수의 출사광 중 적어도 하나를 피사체를 향하여 반사시키는 광반사 소자를 포함한다. 여기서, 상기 위상 변조 소자는 상기 입사광의 위상을 독립적으로 변조하는 복수의 채널을 포함하고, 상기 복수의 채널 각각에는 2가지의 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2) 중 어느 하나가 인가되어 바이너리 위상 프로파일을 형성한다.

Description

빔 스티어링 장치 및 그 구동방법과, 빔 스티어링 장치를 포함하는 라이다 시스템{Beam steering apparatus and method of driving the beam steering apparatus, and LiDAR system including the beam steering apparatus}
빔 스티어링 장치 및 그 구동방법과, 이 빔 스티어링 장치를 포함하는 라이다 시스템에 관한 것이다.
레이저 빔을 스캔하여 주변 상황을 형상화하는 라이다(LiDAR; Light Detection and Ranging) 시스템에 사용될 수 있는 광변조 방식 중의 하나로 OPA(Optical Phased Array) 방식을 들 수 있다. 이 OPA 방식은 인접한 채널 사이에 일정한 위상 차이(phase difference)를 인가하여 각각의 채널에서 나오는 빛들의 간섭에 의해 출사되는 빔을 일정한 각도로 스티어링할 수 있다.
효과적인 OPA 구동을 위해서 각각의 채널은 0 ~ 2π(rad)까지의 위상 변조 능력을 가져야 한다. 그렇지 않은 경우에는 빔 스티어링의 효율 저하가 발생하게 되며. 신호대 잡음비(SNR; Signal to Noise ratio)가 떨어짐으로써 라이다 시스템 전체의 효율 저하를 가져올 수 있다.
예시적인 실시예는 빔 스티어링 장치 및 그 구동방법과, 이 빔 스티어링 장치를 포함하는 라이다 시스템을 제공한다.
일 측면에 있어서,
입사광의 위상을 변조시켜 복수의 출사광을 방출하는 위상 변조 소자(phase modulation device); 및
상기 복수의 출사광 중 적어도 하나를 피사체(object)를 향하여 반사시키는 광반사 소자(beam reflection device);를 포함하고,
상기 위상 변조 소자는 상기 입사광의 위상을 독립적으로 변조하는 복수의 채널을 포함하고, 상기 복수의 채널 각각에는 2가지의 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2) 중 어느 하나가 인가되어 바이너리 위상 프로파일(binary phase profile)을 형성하는 빔 스티어링 장치가 제공된다.
상기 위상 변조 소자는 상기 바이너리 위상 프로파일에 따라 조향 각도(steering angle)를 조절함으로써 상기 복수의 출사광이 상기 피사체에 스캔될 수 있다.
상기 복수의 출사광은 상기 위상 변조 소자로부터 방출되어 상기 피사체를 향하여 진행하는 제1 출사광과 상기 위상 변조 소자로부터 방출되고 상기 광반사 소자에서 반사되어 상기 피사체를 향하여 진행하는 제2 출사광을 포함할 수 있다.
상기 광반사 소자는 상기 제2 출사광의 반사 각도를 조절하여 상기 제1 출사광의 스캔 영역과 상기 제2 출사광의 스캔 영역을 서로 동일하게 배치하거나 또는 서로 인접하게 배치할 수 있다.
상기 위상 변조 소자는, 상기 복수의 채널을 포함하는 위상 변조부; 상기 복수의 채널 각각에 위상 변조를 위한 입력 신호를 인가하는 신호 입력부; 상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)을 상기 복수의 채널의 개수만큼 준 주기적(quasi-periodic)으로 배열하고, 상기 복수의 채널이 배열된 순서대로 할당하여 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 바이너리 설정부; 및 상기 바이너리 위상 프로파일에 따라 상기 신호 입력부를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 바이너리 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 평균값에 따라 상기 위상 변조 소자의 광학 성능이 조절될 수 있다.
상기 바이너리 설정부는, 다음 식에 의해 상기 위상 변조부가 입사광을 θ 각도만큼 스티어링 할 수 잇다.
Figure pat00001
(여기서, λ는 입사광의 파장이고, Tk는 상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 k번째 주기이며, <Tk>는 주기들의 평균값)
상기 바이너리 설정부는, 상기 위상 변조 소자가 목표하는 광학 성능의 구현을 위한 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 수정할 수 있다.
상기 바이너리 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 수정할 수 있다. 여기서, 상기 제1 위상값(φ1)과 상기 제2 위상값(φ2)의 차이는 π이고, 상기 설정 범위의 폭은 π이 될 수 있다.
다른 측면에 있어서,
입사광의 위상을 변조시켜 복수의 출사광을 방출하는 위상 변조 소자 및 상기 복수의 출사광 중 적어도 하나를 피사체를 향하여 반사시키는 광반사 소자를 포함하는 빔 스티어링 장치의 구동방법에 있어서,
상기 복수의 채널에 위상값으로 사용될 두 가지의 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)을 선택하는 단계;
상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)을 상기 복수의 채널의 개수만큼 준 주기적(quasi-periodic)으로 배열하고, 상기 복수의 채널이 배열된 순서대로 할당하여, 바이너리 위상 프로파일(binary phase profile)을 설정하는 단계;
설정된 상기 바이너리 위상 프로파일에 의해 상기 위상 변조 소자를 구동하여 상기 복수의 출사광을 방출하는 단계; 및
상기 복수의 출사광 중 적어도 하나를 피사체(object)를 향하여 반사시키는 단계;를 포함하는 빔 스티어링 장치의 구동방법이 제공된다.
상기 위상 변조 소자는 상기 바이너리 위상 프로파일에 따라 조향 각도(steering angle)를 조절함으로써 상기 복수의 출사광을 상기 피사체에 스캔할 수 있다.
상기 복수의 출사광은 상기 위상 변조 소자로부터 방출되어 상기 피사체를 향하여 진행하는 제1 출사광과 상기 위상 변조 소자로부터 방출되어 상기 광반사 소자에서 반사되어 상기 피사체를 향하여 진행하는 제2 출사광을 포함할 수 있다.
상기 광반사 소자는 상기 제2 출사광의 반사 각도를 조절하여 상기 제1 출사광의 스캔 영역과 상기 제2 출사광의 스캔 영역을 서로 동일하게 배치할 수 있다. 상기 제1 및 제2 출사광이 중복되어 상기 피사체에 스캔될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 출사광이 교대로 상기 피사체에 스캔될 수 있다.
상기 광반사 소자는 상기 제2 출사광의 반사 각도를 조절하여 상기 제1 출사광의 스캔 영역과 상기 제2 출사광의 스캔 영역을 서로 인접하게 배치할 수 있다.
상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 단계는, 상기 복수의 채널 중 인접 배치된 하나 이상의 채널에 대해 제1 위상값(φ1)을 설정하고, 다음 인접 배치된 하나 이상의 채널에 대해 제2 위상값(φ2)를 설정하는 과정을 반복하되, 상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 주기들의 평균값에 따라 상기 위상 변조 소자의 광학 성능이 조절될 수 있다.
상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 단계는, 다음 식에 따라, 위상 변조부가 입사광을 θ 각도만큼 스티어링할 수 있다.
Figure pat00002
(여기서, λ는 입사광의 파장이고, Tk는 두 가지 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 k번째 주기이며, <Tk>는 주기들의 평균값)
상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 단계는, 상기 위상 변조 소자가 목표하는 광학 성능의 구현을 위한 0에서 2π까지의 위상값 범위를 전체적으로 사용하는 풀 위상 프로파일(full phase profile)을 설정하는 단계; 및 상기 풀 위상 프로파일에 포함된 위상값들 각각을 상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2) 중 어느 하나의 값으로 수정하는 단계;를 포함할 수 있다.
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 수정할 수 있다. 여기서, 상기 제1 위상값(φ1)과 상기 제2 위상값(φ2)의 차이는 π이고, 상기 설정 범위의 폭은 π이 될 수 있다.
또 다른 측면에 있어서,
광원;
상기 광원으로부터의 광이 피사체를 향하도록 스티어링(steering) 하는 것으로, 입사광의 위상을 변조시켜 복수의 출사광을 방출하는 위상 변조 소자와, 상기 복수의 출사광 중 적어도 하나를 상기 피사체를 향하여 반사시키는 광반사 소자를 포함하는 빔 스티어링 장치; 및
상기 피사체에서 반사되는 광을 수신하는 센서부;를 포함하고,
상기 위상 변조 소자는 상기 입사광의 위상을 독립적으로 변조하는 복수의 채널을 포함하고, 상기 복수의 채널 각각에는 2가지의 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2) 중 어느 하나가 인가되어 바이너리 위상 프로파일(binary phase profile)을 형성하는 라이다 시스템이 제공된다.
상기 복수의 출사광은 상기 위상 변조 소자로부터 방출되어 상기 피사체를 향하여 진행하는 제1 출사광과 상기 위상 변조 소자로부터 방출되고 상기 광반사 소자에서 반사되어 상기 피사체를 향하여 진행하는 제2 출사광을 포함할 수 있다.
상기 광반사 소자는 상기 제2 출사광의 반사 각도를 조절하여 상기 제1 출사광의 스캔 영역과 상기 제2 출사광의 스캔 영역을 서로 동일하게 배치하거나 또는 서로 인접하게 배치할 수 있다.
예시적인 실시예에 의하면, 두 가지의 위상값만을 사용하는 바이너리 위상 프로파일을 설정하고 이러한 바이너리 위상 프로파일에 따라 위상 변조 소자를 구동함으로써 보다 용이하게 빔 스티어링을 수행할 수 있으며, 큰 위상 변화를 만들기 위한 소자 면적의 증가나 높은 정밀도의 구동신호가 요구되지 않으며, 위상 한계를 간소한 시스템으로 극복할 수 있다. 또한, 광반소자를 이용하여 위상 변조 소자로부터 방출되는 복수의 출사광을 모두 피사체에 스캔함으로써 스캔 속도를 향상시키거나 또는 스캔 범위를 넓혀서 넒은 영상(wide image)를 얻을 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 위상 변조 소자를 확대하여 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 위상 변조 소자에 적용될 수 있는 위상 변조부의 예시적인 구성을 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 위상 변조 소자에 적용될 수 있는 위상 변조부의 다른예시적인 구성을 도시한 단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 위상 변조 소자에 적용될 수 있는 위상 변조부의 또 다른 예시적인 구성을 도시한 사시도이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 위상 변조 소자의 구동방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 7a는 기존 OPA 구동방식에서의 풀 위상 프로파일을 예시적으로 도시한 것이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 풀 위상 프로파일에 따라 스티어링되는 출사광을 도시한 것이다.
도 8a는 예시적인 실시예에 따른 위상 변조 소자의 구동방법에서의 바이너리 위상 프로파일을 예시적으로 도시한 것이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 바이너리 위상 프로파일에 따라 스티어링되는 제1 및 제2 출사광을 도시한 것이다.
도 9는 도 6에서 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 단계의 구체적인 예를 설명하는 흐름도이다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 위상 변조 소자의 구동방법에 따라, 풀 위상 프로파일로부터 바이너리 위상 프로파일로 수정하는 예를 보인 그래프이다.
도 11은 기존 OPA 구동방식에 따라 발생되는 출사광이 스티어링되면서 피사체를 스캔하는 모습을 도시한 것이다.
도 12a 내지 도 12c는 도 1에 도시된 빔 스티어링 장치를 이용하여 제1 및 제2 출사광이 스티어링되면서 피사체를 스캔하는 모습을 도시한 것이다.
도 13은 다른 예시적인 실시예에 따른 라이다 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
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 예시적인 실시예에 따른 빔 스티어링 장치(1000)를 개략적으로 도시한 것이다. 도 2는 도 1에 도시된 위상 변조 소자(500)를 확대하여 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 빔 스티어링 장치(1000)는 위상 변조 소자(500) 및 광반사 소자(700)를 포함할 수 있다. 여기서, 위상 변조 소자(500)는 광원(600)으로부터 조사되는 입사광(L)의 위상을 변화시켜 복수의 출사광(L1,L2)을 스티어링할 수 있다. 여기서, 출사광들(L1,L2) 중 일부(L1)는 피사체(OBJ)를 향하여 직접 조사될 수 있으며, 다른 일부(L2)는 광반사 소자(600)에 의해 반사된 후 피사체(OBJ)를 향하여 조사될 수 있다.
광원(600)은 피사체(OBJ)의 위치 및 형상의 분석에 적합한 파장 대역의 광을 방출할 수 있다. 이러한 광원(600)은 예를 들면, 적외선 대역 파장의 광을 방출하는 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode) 등을 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 광원(600)은 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 방출할 수도 있다. 또한, 광원(600)은 펄스광 또는 연속광을 방출할 수도 있다.
위상 변조 소자(500)는 광원(600)으로부터 조사된 입사광(L)의 위상을 변조하여 복수의 출사광(L1, L2)을 스티어링한다. 여기서, 위상 변조 소자(500)는 인접한 채널 사이에 일정한 위상 차이를 인가하여 각각의 채널에서 나오는 빛들의 간섭에 의해 출사되는 빔을 일정한 각도로 스티어링하는 OPA(Optical Phased Array) 방식이 아닌 후술하는 바와 같은 BPA(Binary Phased Array) 방식에 의해 구동되어 복수의 출사광(L1, L2)을 스티어링할 수 있다.
도 2를 참조하면, 위상 변조 소자(500)는 입사광(L)의 위상을 변조하는 복수의 채널(C1~CN)을 구비하는 위상 변조부(100)와, 복수의 채널(C1~CN) 각각에 위상 변조를 위한 입력 신호를 인가하는 신호 입력부(200)와, 두 가지 위상값을 사용하여 이루어진 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 바이너리 설정부(400)와, 바이너리 위상 프로파일에 따라 신호 입력부(200)를 제어하는 제어부(300)를 포함할 수 있다.
위상 변조부(100)는 입사광(Li)의 위상을 독립적으로 변조하는 복수의 채널(C1~CN)을 포함한다. 위상 변조부(100)는 예를 들어, 인가된 신호에 따라 광학적 성질이 변하는 활성층과, 활성층에 인접하게 배치된 다수의 나노 구조물들을 포함할 수 있고, 다수의 나노 구조물이 복수의 채널(C1~CN)을 형성할 수 있다. 여기서, 채널(C1~CN) 각각이 하나 이상의 나노 구조물에 대응될 수 있다. 또한, 위상 변조부(100)는 인가된 신호에 따라 광학적 성질이 변하는 다수의 도파관(waveguide)을 포함할 수 있고, 이러한 다수의 도파관이 복수의 채널(C1~CN)을 형성할 수 있다. 여기서, 채널(C1~CN) 각각이 하나 이상의 도파관에 대응될 수 있다. 이러한 위상 변조부(100)의 보다 상세한 예시적인 구조는 도 2 내지 도 4를 참조하여 후술할 것이다.
복수의 채널(C1~CN)은 신호 입력부(200)에서 각각에 인가되는 신호에 따라 입사광(L)의 위상을 각각 변조한다. 신호 입력부(200)로부터의 입력 신호는 위상 변조부(100)의 구체적인 구성, 예를 들어, 위상 변조부(100)에 채용된 활성층, 나노 구조물의 재질에 따라 정해진다. 위상 변조부(100)가 전기 신호에 따라 광학적 성질이 바뀌는 물질을 채용하는 경우, 신호 입력부(200)는 위상 변조부(100)에 전기 신호, 예를 들어, 전압을 인가하는 구성을 가질 수 있다.
바이너리 설정부(400)는 위상 변조부(100)의 목표한 성능 구현을 위해 각 채널(C1~CN)에서 변조할 위상을 설정한다. 이 때, 두 가지 위상값(φ1, φ2)을 사용하여 이들 값들이 각 채널(C1~CN)에 할당되는 규칙을 조절함으로써 목표하는 광학 성능이 구현되도록 바이너리 위상 프로파일을 설정한다. 예를 들어, 두 가지 위상값(φ1, φ2)을 복수의 채널(C1~CN) 개수만큼 준주기적으로 배열하고, 복수의 채널(C1~CN)이 배열된 순서대로 할당하는 방법을 사용할 수 있다. 여기서 준주기적 (quasi-periodic) 배열이라 함은, 두 가지 위상값(φ1, φ2)이 소정 주기로 반복될 때, 첫번째 주기, 두번째 주기, ..., k번째 주기들이 모두 같은 경우 뿐 아니라, 일부는 동일하지만 다른 일부는 동일하지 않은 경우 및 모두 서로 다른 경우의 배열까지를 포함하고 있다.
본 실시예에서는, 두 가지 위상값(φ1, φ2)만을 사용하는 바이너리 위상 프로파일에 따른 구동을 사용하여, 위상 변조부(100), 신호 입력부(200)의 구성을 보다 간소하게 할 수 있다. 두 가지 위상값(φ1, φ2)은 각 채널(C1~CN)에서 구현하기 용이한 수치로 정할 수 있고, 예를 들어, 위상 한계값보다 작은 수치로 정할 수 있다.
한편, 이와 같이 두 가지 위상값(φ1, φ2)만을 사용하는 경우, 위상 변조부(100)의 각 채널이 구현하는 위상값을 0에서 360˚까지를 커버하는 다양한 수치로 설정하는 것에 비해, 원하는 광학 성능을 나타내는 강도(intensity)는 낮아질 수 있다. 그러나, 실제적인 채널 구동에 있어 위상 한계에 의해, 입력 신호를 증가시켜도 위상 변조값이 더 이상 증가하지 않을 수 있어, 해당 채널의 목표 위상을 수정하는 과정이 수반될 수 있다. 본 실시예에서는 각 채널(C1~CN)이 나타낼 수 있는 가능한 위상값 중 두 가지 위상값을 사용하고, 이들의 배열 규칙으로 광학 성능을 조절할 수 있어, 별도의 위상 수정이 필요하지 않은 간결한 구동이 가능하다. 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 보다 구체적인 방법은 도 6 내지 도 10을 참조하여 후술할 것이다.
제어부(300)는 바이너리 설정부(400)에서 설정한 바이너리 위상 프로파일에 따라, 각 채널(C1~CN)이 독립적으로 제어되도록 신호 입력부(200)를 제어할 수 있다.
도 3 및 도 4는 위상 변조 소자(500)에 채용될 수 있는 위상 변조부(101,102)의 예시적인 구성들을 도시한 것이다. 도 3 및 도 4에는 위상 변조부(101,102)가 메타 표면(meta surface)을 가지는 나노 구조물들을 포함하는 경우가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 위상 변조부(101)는 활성층(20)과 전도성 나노 구조물(52)이 어레이된 나노 어레이층(50), 활성층(20)에 신호 인가를 위한 전극층(10)을 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 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 4를 참조하면, 위상 변조부(102)는 활성층(22)과 유전체 나노 구조물(62)이 어레이된 나노 어레이층(60), 활성층(22)에 신호 인가를 위한 전극층(10)을 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. 나노 어레이층(60)과 활성층(22) 사이에는 전도층(40)이 더 배치될 수 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.
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(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(10)의 광학적 성질 변화에 의해 나노 구조물(62)에서의 출력 위상값이 조절될 수 있다.
한편, 위상 변조 소자(500)에는 도 5에 도시된 바와 같이 실리콘 포토닉스(silicon photonics) 기술을 이용하여 제작된 위상 변조부(110)가 채용될 수도 있다.
도 5를 참조하면, 위상 변조부(110)는 기판(111)에 마련되는 복수의 도파관(121), 복수의 빔 분리기(beam splitter,130) 및 복수의 변조 유닛(modulation unit,120)을 포함할 수 있다. 내부에 광이 진행하는 도파관(121)은 빔 분리기들(130)에 의해 복수개의 도파관(121)으로 분리될 수 있다. 도 5에는 외부의 광이 입사되는 하나의 도파관(121)이 7개의 빔 분리기들(130)에 의해 8개의 도파관(121)으로 분리되는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 빔 분리기들(130)에 의해 분리된 도파관들(121)에는 변조 유닛들(120)이 마련되어 있으며, 이러한 변조 유닛들(120)은 각각 전기 신호가 인가됨에 따라 도파관(121)을 지나가는 레이저빔의 위상(phase)을 독립적으로 변화시킬 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 위상 변조 소자(500)의 구동방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 먼저, 위상 변조부(100)에 구비되는 복수의 채널(C1~CN)에 위상값으로 사용될, 두 가지 위상값(φ1, φ2)을 선택한다(S100). 여기서, 두 위상값(φ1, φ2)은 위상 변조부(100)에 구비된 각 채널(C1~CN)에서 구현할 수 있는 위상값으로, 0에서 2π 사이의 값이 사용될 수 있다. 위상 한계가 존재할 수 있음을 고려할 때, 두 위상값(φ1, φ2)은 각 채널(C1~CN)이 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. 구체적인 예로서, 두 위상값은 0, π 일 수 있다.
다음으로, 바이너리 위상 프로파일(binary phase profile)의 설정을 위해, 선택된 두 가지 위상값(φ1, φ2)을 위상 변조부(100)의 채널(C1~CN) 개수만큼 준 주기적(quasi-periodic)으로 배열하고, 복수의 채널(C1~CN)이 배열된 순서대로 할당할 수 있다(S200). 여기서, 준주기적(quasi-periodic) 배열은 두 위상값(φ1, φ2)이 반복되는 주기들이 모두 동일하지는 않음을 의미한다. 이어서, 설정된 바이너리 위상 프로파일에 따라 위상 변조부(100)를 구동한다(S300).
도 7a는 기존 OPA 구동방식에서의 풀 위상 프로파일을 예시적으로 도시한 것이다. 도 7b는 도 7a에 도시된 풀 위상 프로파일에 따라 스티어링는 출사광(L')을 도시한 것이다.
도 7a를 참조하면, OPA 구동방식에서는 위상 변조부의 인접한 채널 사이에 일정한 위상 차이를 인가하여 소정의 풀 위상 프로파일을 형성한다. 이러한 풀 위상 프로파일에 의해 위상 변조부로부터 출사되는 광(L')은 도 7b에 도시된 바와 같이 일정한 각도(θ)로 스티어링되게 된다.
이 경우, 스티어링 각도(θ)는 다음과 같은 식(1)에 의해 정의될 수 있다.
Figure pat00003
------- (1)
(여기서, Δφ는 인접한 채널의 위상차, λ는 입사광의 파장, d는 채널 폭,)
도 8a는 예시적인 실시예에 따른 위상 변조 소자(500)의 구동방법에서의 바이너리 위상 프로파일을 예시적으로 도시한 것이다. 도 8b는 도 8a에 도시된 바이너리 위상 프로파일에 따라 스티어링되는 제1 및 제2 출사광(L1,L2)을 도시한 것이다.
도 8a를 참조하면, 위상 변조부(100)에 구비되는 복수의 채널(C1~CN) 중 인접 배치된 하나 이상의 채널(C1~CN)에 대해 위상값(φ1)을 설정하고, 다음 인접 배치된 하나 이상의 채널(C1~CN)에 대해 위상값(φ2)를 설정하는 과정을 반복하여, 두 가지 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 주기들(Tk)(k=1, 2, ...)을 설정함으로써 바이너리 위상 프로파일을 형성한다. 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.
위상 변조부(100)에 구비되는 복수의 채널(C1~CN)에 전술한 바와 같은 바이너리 위상 프로파일을 적용하게 되면 도 8b에 도시된 바와 같이 2개의 제1 및 제2 출사광(L1, L2)이 두 위치, 즉 +θ 및 -θ에서 나타날 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 출사광(L1, L2)의 세기 피크값은 도 7b에 도시된 출사광(L')의 세기 피크값 보다 작을 수 있다.
바이너리 위상 프로파일을 사용하는 BPA 구동 방식에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 입사광(L)이 위상 변조 소자(500)에 입사되는 각도와 동일한 각도로 출사되는 0차 빔(0tjh order beam, L0) 이외에 +θ 각도로 스티어링되는 양(+)의 1차 빔(+1st order beam, 즉, 제1 출사광(L1))과 -θ 각도로 스티어링되는 음(-)의 1차 빔(-1st order beam, 즉, 제2 출사광(L2)))이 존재할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 출사광(L1, L2)은 0차 빔(L0)을 중심으로 θ 각도를 가지고 대칭으로 형성될 수 있다. 한편, 두 가지 위상값(φ1, φ2)의 차이를 π로 하게 되면 0차 빔(L0)의 발생을 억제할 수 있다.
바이너리 위상 프로파일을 사용하는 경우 스티어링 각도(θ)는 다음과 같은 식(2)에 의해 정의될 수 있다.
Figure pat00004
------- (2)
(여기서, λ는 입사광의 파장이고, Tk는 상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 k번째 주기이며, <Tk>는 주기들의 평균값)
식(2)에 따라 스티어링 각도 θ를 조절하게 되면, 두 가지 위상값(φ1, φ2)만을 사용하면서도, 연속적인 값을 가질 수 있는 <Tk>를 조절하는 방식을 사용하므로, 다양한 스티어링 각도(θ)를 구현현할 수 있다. 따라서, 원하는 각도 범위의 스캔 등을 보다 용이하게 실현할 수 있다. 또한, 바이너리 위상 프로파일을 사용하는 경우에는 0~2π의 범위의 위상 변화를 구현할 수 있도록 각 채널(C1~CN)을 형성하는 것에 비해 채널(C1~CN)의 크기를 작게 할 수 있으며, 구동 방식도 간단하다.
도 9는 도 6에서 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 단계의 구체적인 예를 설명하는 흐름도이다. 도 10은 예시적인 실시예에 따른 위상 변조 소자(500)의 구동방법에 따라, 풀 위상 프로파일로부터 바이너리 위상 프로파일로 수정하는 예를 보인 그래프이다.
도 9를 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 프로파일이 될 수 있다.
다음으로, 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 10은 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 π로 수정되고, 나머지 위상값은 0으로 수정되었다. 한편, 이상에서 설명된 규칙은 예시적인 것이며, 주기들의 평균값 <Tk>를 조절하기 위해, 다른 변형된 규칙이 적용될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 전술한 바와 같이, 위상 변조 소자는 바이너리 위상 프로파일을 사용하는 BPA 구동 방식에 의해 입사광(L)의 위상을 변조시켜 복수의 출사광(L1, L2)으로 방출할 수 있다. 여기서, 복수의 출사광(L1, L2)은 0차 빔(0tjh order beam, L0)으로부터 각각 +θ 각도 및 -θ 각도로 스티어링되는 제1 및 제2 출사광(L1, L2)을 포함할 수 있다.
위상 변조 소자(500)로부터 방출되는 제1 및 제2 출사광(L1, L2) 중 제1 출사광(L1)은 피사체(OBJ)에 직접 조사될 수 있다. 그리고, 제2 출사광(L2)은 광반사 소자(700)에 의해 반사된 다음, 피사체(OBJ)에 조사될 수 있다. 이에 따라, 위상 변조 소자(500)로부터 방출되는 제1 및 제2 출사광(L1, L2) 모두가 피사체(OBJ)에 조사되어 스캔 작업을 수행할 수 있다. 이 경우, 광반사 소자(700)를 통해 제2 출사광(L2)의 반사각을 조절하게 되면 후술하는 바와 같이, 제1 출사광(L1)의 스캔 영역과 제2 출사광(L2)의 스캔 영역을 동일하게 하거나 또는 서로 다르게 할 수 있다. 그리고, 제1 출사광(L1)의 스캔 영역과 제2 출사광(L2)의 스캔 영역을 서로 인접하게 배치할 수 있다.
도 11은 기존 OPA 구동방식에 따라 발생되는 출사광(L')이 스티어링되면서 피사체를 스캔하는 모습을 도시한 것이다. 도 11을 참조하면, 출사광(L')이 소정의 스캔 범위(scan range)를 가지고 피사체를 스캔하는 모습이 도시되어 있다.
도 12a 내지 도 12c는 도 1에 도시된 빔 스티어링 장치(1000)를 이용하여 제1 및 제2 출사광(L1, L2)이 스티어링되면서 피사체를 스캔하는 모습을 도시한 것이다.
도 12a는 제1 및 제2 출사광(L1, L2)을 피사체에 교대로 스캔하는 모습을 도시한 것이다. 도 12a를 참조하면, 광반사 소자(700)를 통해 제2 출사광(L2)의 반사각을 조절함으로써 제1 출사광(L1)의 스캔 영역과 제2 출사광(L2)의 스캔 영역을 동일하게 하면서 제1 및 제2 출사광(L1, L2)을 소정 간격을 가지고 피사체에 교대로 스캔할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 출사광(L1, L2)의 스캔 범위가 도 11에 도시된 스캔 범위와 동일한 경우에는 각도 분해능(angular resolution)은 그대로 유지하면서 스캔 속도를 도 11에 도시된 경우에 비해 2배 정도 향상시킬 수 있다.
도 12b는 제1 및 제2 출사광(L1, L2)을 피사체에 중첩시켜 스캔하는 모습을 도시한 것이다. 도 12b를 참조하면, 광반사 소자(700)를 통해 제2 출사광(L2)의 반사각을 조절함으로써 제1 출사광(L1)의 스캔 영역과 제2 출사광(L2)의 스캔 영역을 동일하게 하면서 제1 및 제2 출사광(L1, L2)을 중첩시켜 피사체에 스캔할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 출사광(L1, L2)의 스캔 범위가 도 12a에 도시된 스캔 범위와 동일한 경우에는 도 12a에 도시된 경우에 비해 더 큰 파워(power)를 가지는 광을 사용하여 피사체를 스캔할 수 있다.
도 12c는 제1 및 제2 출사광(L1, L2)을 피사체의 서로 다른 스캔 영역에 스캔하는 모습을 도시한 것이다. 도 12c를 참조하면, 광반사 소자(700)를 통해 제2 출사광(L2)의 반사각을 조절함으로써 제1 출사광(L1)의 스캔 영역과 제2 출사광(L2)의 스캔 영역을 서로 인접하게 배치할 수 있다. 이에 따라, 제1 출사광(L1)의 제1 스캔범위와 제2 출사광(L2)의 제2 스캔 범위가 합쳐진 스캔 범위는 도 12a 및 도 12b에 도시된 스캔 범위 보다 2배 정도 커지므로 보다 넓은 영상을 얻을 수 있다.
도 13은 다른 예시적인 실시예에 따른 라이다 시스템(2000)을 개략적으로 도시한 것이다.
도 13을 참조하면, 라이다 시스템(2000)은 광을 방출하는 광원(1600)과, 이 광원(1600)으로부터의 광(L)이 피사체(OBJ)를 향하도록 스티어링하는 빔 스티어링 장치와, 피사체(OBJ)에서 반사되는 광을 수신하는 센서부(1800)를 포함할 수 있다.
광원(1600)은 피사체(OBJ)의 위치 및 형상의 분석에 적합한 파장 대역의 광을 방출할 수 있다. 이러한 광원(1600)은 예를 들면, 적외선 대역 파장의 광을 방출하는 LD, LED, SLD 등을 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 광원(1600)은 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 방출할 수도 있다. 또한, 광원(1600)은 펄스광 또는 연속광을 방출할 수도 있다.
빔 스티어링 장치는 입사광(L)의 위상을 변조시켜 복수의 출사광(L1, L2)을 방출하는 위상 변조 소자(1500)와, 상기 복수의 출사광(L1, L2) 중 적어도 하나(L2)를 피사체(OBJ)를 향하여 반사시키는 광반사 소자(1700)를 포함할 수 있다. 위상 변조 소자(1500)는 광원(1600)으로부터 조사된 입사광(L)의 위상을 변조하여 복수의 출사광, 즉 제1 및 제2 출사광(L1, L2)을 스티어링한다. 여기서, 위상 변조 소자(1500)는 전술한 바와 같이 BPA 방식에 의해 구동되어 복수의 출사광(L1, L2)을 스티어링하는 것으로, 입사광(L)의 위상을 변조하는 복수의 채널을 구비하는 위상 변조부와, 복수의 채널 각각에 위상 변조를 위한 입력 신호를 인가하는 신호 입력부와, 두 가지 위상값을 사용하여 이루어진 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 바이너리 설정부와, 바이너리 위상 프로파일에 따라 신호 입력부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 이러한 위상 변조 소자 및 그 구동방법에 대해서는 전술한 실시예에서 상세하게 설명되었다.
위상 변조 소자(1500)로부터 방출되는 제1 및 제2 출사광(L1, L2) 중 제1 출사광(L1)은 피사체(OBJ)에 직접 조사될 수 있다. 그리고, 제2 출사광(L2)은 광반사 소자(1700)에 의해 반사된 다음, 피사체(OBJ)에 조사될 수 있다. 이에 따라, 위상 변조 소자(1500)로부터 방출되는 제1 및 제2 출사광(L1, L2) 모두가 피사체(OBJ)에 조사되어 스캔 작업을 수행할 수 있다. 이 경우, 광반사 소자(1700)를 통해 제2 출사광(L2)의 반사각을 조절하게 되면 제1 출사광(L1)의 스캔 영역과 제2 출사광(L2)의 스캔 영역을 동일하게 하거나 또는 서로 인접하게 할 수 있다.
빔 스티어링 장치가 피사체(OBJ)를 스캔하는 동안 센서부(1800)에서 센싱되는 광신호는 피사체(OBJ)의 존재 여부, 위치, 형상 등의 분석에 사용될 수 있다. 센서부(1800)는 피사체(OBJ)로부터 반사되는 광을 센싱하는 광검출을 위한 복수의 센서들의 어레이를 포함할 수 있다. 센서부(1800)는 복수의 서로 다른 파장의 광을 센싱할 수 있는 센서들의 어레이들을 포함할 수 있다.
라이다 시스템(2000)은 신호처리부(1900)를 더 포함할 수 있다. 신호처리부(1900)는 센서부(1800)로부터 검출된 광신호로부터 소정 연산, 예를 들어, 광 비행 시간(Time of Flight) 측정을 위한 연산과 이로부터 피사체(OBJ)의 3차원 형상 판별을 수행할 수 있다. 신호처리부(1900)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. 신호처리부(1900)는 상기 연산에 필요한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장되는 메모리를 포함할 수 있다.
신호처리부(1900)는 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치에 대한 정보를 다른 유닛으로 전송할 수 있다. 예를 들어, 라이다 시스템(2000)이 채용된 자율 구동 기기의 구동 제어부, 또는 경고 시스템 등에 상기한 정보가 전송될 수 있다.
라이다 시스템은 전방 물체에 대한 3차원 정보를 실시간으로 획득하는 센서로 활용될 수 있어 자율 구동 기기, 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등에 적용될 수 있다. 또한, 라이다 시스템은 자율 구동 기기뿐 아니라, 블랙박스 등에 적용되어, 이미지 센서만으로 물체 식별이 어려운 야간에 전, 후방의 장애물 판단을 위해 적용될 수도 있다.
이상의 예시적인 실시예들에 따르면, 두 가지의 위상값만을 사용하는 바이너리 위상 프로파일을 설정하고 이러한 바이너리 위상 프로파일에 따라 위상 변조 소자를 구동함으로써 보다 용이하게 빔 스티어링을 수행할 수 있으며, 큰 위상 변화를 만들기 위한 소자 면적의 증가나 높은 정밀도의 구동신호가 요구되지 않으며, 위상 한계를 간소한 시스템으로 극복할 수 있다. 또한, 광반소자를 이용하여 위상 변조 소자로부터 방출되는 복수의 출사광을 모두 피사체에 스캔함으로써 스캔 속도를 향상시키거나 또는 스캔 범위를 넓혀서 넒은 영상(wide image)를 얻을 수 있다.
10.. 전극층
20, 22.. 활성층
30.. 유전체층
40..전도층
50, 60.. 나노어레이층
52, 62..나노 구조물
100, 101, 102, 110.. 위상 변조부
111.. 기판
120.. 변조유닛
121.. 도파관
130.. 빔 분리기
200.. 신호 입력부
300.. 제어부
400.. 바이너리 설정부
500.. 위상 변조 소자
600.. 광원
700.. 광반사 소자
1000.. 빔 스티어링 장치

Claims (25)

  1. 입사광의 위상을 변조시켜 복수의 출사광을 방출하는 위상 변조 소자(phase modulation device); 및
    상기 복수의 출사광 중 적어도 하나를 피사체(object)를 향하여 반사시키는 광반사 소자(beam reflection device);를 포함하고,
    상기 위상 변조 소자는 상기 입사광의 위상을 독립적으로 변조하는 복수의 채널을 포함하고, 상기 복수의 채널 각각에는 2가지의 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2) 중 어느 하나가 인가되어 바이너리 위상 프로파일(binary phase profile)을 형성하는 빔 스티어링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변조 소자는 상기 바이너리 위상 프로파일에 따라 조향 각도(steering angle)를 조절함으로써 상기 복수의 출사광이 상기 피사체에 스캔되는 빔 스티어링 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 출사광은 상기 위상 변조 소자로부터 방출되어 상기 피사체를 향하여 진행하는 제1 출사광과 상기 위상 변조 소자로부터 방출되고 상기 광반사 소자에서 반사되어 상기 피사체를 향하여 진행하는 제2 출사광을 포함하는 빔 스티어링 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광반사 소자는 상기 제2 출사광의 반사 각도를 조절하여 상기 제1 출사광의 스캔 영역과 상기 제2 출사광의 스캔 영역을 서로 동일하게 배치하거나 또는 서로 인접하게 배치하는 빔 스티어링 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 변조 소자는,
    상기 복수의 채널을 포함하는 위상 변조부;
    상기 복수의 채널 각각에 위상 변조를 위한 입력 신호를 인가하는 신호 입력부;
    상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)을 상기 복수의 채널의 개수만큼 준 주기적(quasi-periodic)으로 배열하고, 상기 복수의 채널이 배열된 순서대로 할당하여 상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 바이너리 설정부; 및
    상기 바이너리 위상 프로파일에 따라 상기 신호 입력부를 제어하는 제어부;를 포함하는 빔 스티어링 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 바이너리 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 평균값에 따라 상기 위상 변조 소자의 광학 성능이 조절되는 빔 스티어링 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이너리 설정부는, 다음 식에 의해 상기 위상 변조부가 입사광을 θ 각도만큼 스티어링 하도록 하는 빔 스티어링 장치.
    Figure pat00005

    (여기서, λ는 입사광의 파장이고, Tk는 상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 k번째 주기이며, <Tk>는 주기들의 평균값)
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 바이너리 설정부는, 상기 위상 변조 소자가 목표하는 광학 성능의 구현을 위한 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 수정하는 빔 스티어링 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 바이너리 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 수정하는 빔 스티어링 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 위상값(φ1)과 상기 제2 위상값(φ2)의 차이는 π이고, 상기 설정 범위의 폭은 π인 빔 스티어링 장치.
  11. 입사광의 위상을 변조시켜 복수의 출사광을 방출하는 위상 변조 소자 및 상기 복수의 출사광 중 적어도 하나를 피사체를 향하여 반사시키는 광반사 소자를 포함하는 빔 스티어링 장치의 구동방법에 있어서,
    상기 복수의 채널에 위상값으로 사용될 두 가지의 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)을 선택하는 단계;
    상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)을 상기 복수의 채널의 개수만큼 준 주기적(quasi-periodic)으로 배열하고, 상기 복수의 채널이 배열된 순서대로 할당하여, 바이너리 위상 프로파일(binary phase profile)을 설정하는 단계;
    설정된 상기 바이너리 위상 프로파일에 의해 상기 위상 변조 소자를 구동하여 상기 복수의 출사광을 방출하는 단계; 및
    상기 복수의 출사광 중 적어도 하나를 피사체(object)를 향하여 반사시키는 단계;를 포함하는 빔 스티어링 장치의 구동방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 위상 변조 소자는 상기 바이너리 위상 프로파일에 따라 조향 각도(steering angle)를 조절함으로써 상기 복수의 출사광을 상기 피사체에 스캔하는 빔 스티어링 장치의 구동방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 출사광은 상기 위상 변조 소자로부터 방출되어 상기 피사체를 향하여 진행하는 제1 출사광과 상기 위상 변조 소자로부터 방출되어 상기 광반사 소자에서 반사되어 상기 피사체를 향하여 진행하는 제2 출사광을 포함하는 빔 스티어링 장치의 구동방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광반사 소자는 상기 제2 출사광의 반사 각도를 조절하여 상기 제1 출사광의 스캔 영역과 상기 제2 출사광의 스캔 영역을 서로 동일하게 배치하는 빔 스티어링 장치의 구동방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 출사광이 중복되어 상기 피사체에 스캔되는 빔 스티어링 장치의 구동방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 출사광이 교대로 상기 피사체에 스캔되는 빔 스티어링 장치의 구동방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 광반사 소자는 상기 제2 출사광의 반사 각도를 조절하여 상기 제1 출사광의 스캔 영역과 상기 제2 출사광의 스캔 영역을 서로 인접하게 배치하는 빔 스티어링 장치의 구동방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 단계는,
    상기 복수의 채널 중 인접 배치된 하나 이상의 채널에 대해 제1 위상값(φ1)을 설정하고, 다음 인접 배치된 하나 이상의 채널에 대해 제2 위상값(φ2)를 설정하는 과정을 반복하되, 상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 주기들의 평균값에 따라 상기 위상 변조 소자의 광학 성능이 조절되는 빔 스티어링 장치의 구동방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 단계는, 다음 식에 따라, 위상 변조부가 입사광을 θ 각도만큼 스티어링 하도록 하는 빔 스티어링 장치의 구동방법.
    Figure pat00006

    (여기서, λ는 입사광의 파장이고, Tk는 두 가지 위상값(φ1, φ2)의 배열 패턴이 반복되는 k번째 주기이며, <Tk>는 주기들의 평균값)
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 바이너리 위상 프로파일을 설정하는 단계는,
    상기 위상 변조 소자가 목표하는 광학 성능의 구현을 위한 0에서 2π까지의 위상값 범위를 전체적으로 사용하는 풀 위상 프로파일(full phase profile)을 설정하는 단계; 및
    상기 풀 위상 프로파일에 포함된 위상값들 각각을 상기 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2) 중 어느 하나의 값으로 수정하는 단계;를 포함하는 빔 스티어링 장치의 구동방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    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 수정하는 빔 스티어링 장치의 구동방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1 위상값(φ1)과 상기 제2 위상값(φ2)의 차이는 π이고, 상기 설정 범위의 폭은 π인 빔 스티어링 장치의 구동방법.
  23. 광원;
    상기 광원으로부터의 광이 피사체를 향하도록 스티어링(steering) 하는 것으로, 입사광의 위상을 변조시켜 복수의 출사광을 방출하는 위상 변조 소자와, 상기 복수의 출사광 중 적어도 하나를 상기 피사체를 향하여 반사시키는 광반사 소자를 포함하는 빔 스티어링 장치; 및
    상기 피사체에서 반사되는 광을 수신하는 센서부;를 포함하고,
    상기 위상 변조 소자는 상기 입사광의 위상을 독립적으로 변조하는 복수의 채널을 포함하고, 상기 복수의 채널 각각에는 2가지의 제1 및 제2 위상값(φ1, φ2) 중 어느 하나가 인가되어 바이너리 위상 프로파일(binary phase profile)을 형성하는 라이다 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 복수의 출사광은 상기 위상 변조 소자로부터 방출되어 상기 피사체를 향하여 진행하는 제1 출사광과 상기 위상 변조 소자로부터 방출되고 상기 광반사 소자에서 반사되어 상기 피사체를 향하여 진행하는 제2 출사광을 포함하는 라이다 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 광반사 소자는 상기 제2 출사광의 반사 각도를 조절하여 상기 제1 출사광의 스캔 영역과 상기 제2 출사광의 스캔 영역을 서로 동일하게 배치하거나 또는 서로 인접하게 배치하는 라이다 시스템.
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