KR20190111710A - 빔 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 장치 - Google Patents

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Abstract

빔 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 장치가 개시된다. 개시된 빔 스캐닝 장치는, 광을 제공하는 광원; 및 상기 광원으로부터 오는 광을 반사하고 반사광의 반사 각도를 전기적으로 조절하는 반사형 위상 배열 소자;를 포함할 수 있다. 개시된 빔 스캐닝 장치에 따르면, 광원으로부터 반사형 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 진행 방향이 반사형 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대해 기울어지도록 광원과 반사형 위상 배열 소자가 배치된다.

Description

빔 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 장치 {Beam scanning apparatus and optical apparatus including the same}
개시된 실시예들은 빔 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반사형 위상 배열(reflective phased array)을 이용한 비기계식 빔 스캐닝 장치(non-mechanical beam scanning apparatus) 및 이를 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.
최근 다양한 기능의 운전자보조시스템(Advanced Driving Assistance System; ADAS)이 상용화되고 있다. 예를 들어, 다른 차량의 위치와 속도를 인식하여 충돌 위험이 있을 경우에는 속도를 줄이고 충돌 위험이 없을 경우에는 설정된 속도 범위 내에서 차량을 주행하는 자동감응식 순항제어(Adaptive Cruise Control; ACC)나 전방 차량을 인식하여 충돌 위험이 있지만 운전자가 이에 대한 대응을 하지 않거나 대응 방식이 적절하지 않는 경우에 자동으로 제동을 가하여 충돌을 방지하는 자율긴급제동시스템(Autonomous Emergency Braking System; AEB) 등과 같은 기능을 장착한 차량이 증가하고 있는 추세이다. 또한, 가까운 장래에 자율 주행(autonomous driving)이 가능한 자동차가 상용화될 것으로 기대되고 있다.
이에 따라, 차량 주변의 정보를 제공할 수 있는 광학 측정 장치에 대한 관심이 증가하고 있다. 예를 들어, 차량용 LiDAR(Light Detection and Ranging)는 차량 주변의 선택된 영역에 레이저를 조사하고, 반사된 레이저를 감지하여 차량 주변에 있는 물체와의 거리, 상대 속도 및 방위각 등에 관한 정보를 제공할 수 있다. 이를 위해 차량용 LiDAR는 원하는 영역에 빛을 스캐닝할 수 있는 빔 스캐닝 장치를 포함한다. 빔 스캐닝 장치는 또한 차량용 LiDAR이외에도, 로봇용 LiDAR, 드론용 LiDAR, 보안용 침입자 감지 시스템, 지하철 스크린 도어 장애물 감지 시스템, 깊이 센서, 모바일폰에서의 사용자 얼굴인식용 센서, 증강현실(Ar; augmented reality), TV 혹은 오락기기에서의 동작인식 및 물체 형태 검사(object profiling) 등에 활용할 수 있다.
빔 스캐닝 장치에는 크게 기계식 빔 스캐닝 장치와 비기계식 빔 스캐닝 장치가 있다. 예를 들어, 기계식 스캐닝 장치에는 광원 자체를 회전시키는 방식, 또는 빛을 반사하는 거울을 회전시키는 방식, 구면 렌즈를 광축에 수직한 방향으로 이동시키는 방식 등이 있다. 또한, 비기계식 스캐닝 장치에는 반도체 소자를 이용하는 방식과 반사형 위상 배열을 이용하여 반사광의 각도를 전기적으로 제어하는 방식이 있다.
반사형 위상 배열을 이용한 비기계식 빔 스캐닝 장치를 제공한다.
또한, 빔 스캐닝 장치를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치는, 광을 제공하는 광원; 및 상기 광원으로부터 오는 광을 반사하고 반사광의 반사 각도를 전기적으로 조절하는 반사형 위상 배열 소자;를 포함하며, 상기 광원으로부터 상기 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 진행 방향이 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대해 기울어지도록 상기 광원과 상기 위상 배열 소자가 배치될 수 있다.
상기 광원으로부터 상기 위상 배열 소자에 입사하는 입사광과 상기 위상 배열 소자에 의해 반사된 반사광이 서로 중첩되지 않도록 상기 광원과 상기 위상 배열 소자가 배치될 수 있다.
상기 위상 배열 소자는 독립적으로 구동되는 다수의 안테나 공진기를 포함할 수 있다.
예를 들어, 각각의 안테나 공진기는, 전극층; 상기 전극층 상에 배치된 활성층; 상기 활성층 상에 배치된 절연층; 및 상기 절연층 상에 배치된 안테나층;을 포함할 수 있다.
상기 전극층은 상기 광원에서 방출된 광에 대해 반사성을 갖는 도전성 금속을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 안테나층은, 제 1 방향으로 연장된 제 1 안테나부, 및 제 1 방향을 따라 배열되어 있으며 제 2 방향으로 연장된 다수의 제 2 안테나부를 포함하는 피쉬본(fish bone) 형태를 가질 수 있다.
상기 반사광은 상기 위상 배열 소자에서 직접 반사된 광 및 상기 위상 배열 소자의 각각의 안테나 공진기에서의 공진에 의한 공진 산란광을 포함하며, 각각의 제 2 안테나부의 제 1 방향 길이는 직접 반사광의 세기와 공진 산란광의 세기가 동일하도록 선택될 수 있다.
각각의 제 2 안테나부의 제 1 방향 길이는 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대한 입사광의 입사각을 기초로 결정될 수 있다.
상기 위상 배열 소자는 다수의 안테나층을 포함하고, 각각의 안테나층은 제 1 방향으로 연장되어 있으며, 상기 다수의 안테나층은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 일정한 간격으로 배열될 수 있다.
상기 반사광은 상기 위상 배열 소자에서 직접 반사된 광 및 상기 위상 배열 소자의 각각의 안테나 공진기에서의 공진에 의한 공진 산란광을 포함하며, 상기 다수의 안테나층 사이의 제 2 방향의 간격 또는 안테나 주기는 직접 반사광의 세기와 공진 산란광의 세기가 동일하도록 선택될 수 있다.
상기 다수의 안테나층 사이의 간격 또는 안테나 주기는 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대한 입사광의 입사각을 기초로 결정될 수 있다.
상기 다수의 안테나층 사이의 간격 또는 안테나 주기는 상기 위상 배열 소자에 빛이 수직으로 입사하는 경우에 대해 설계된 다수의 안테나층 사이의 간격 또는 안테나 주기보다 작을 수 있다.
상기 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 입사각이 커질수록 상기 다수의 안테나층 사이의 간격 또는 안테나 주기가 작도록 선택될 수 있다.
상기 위상 배열 소자에 인가되는 전압 및 상기 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 파장을 고려하여 직접 반사광의 세기와 공진 산란광의 세기가 동일하도록 상기 다수의 안테나층 사이의 제 2 방향의 간격 또는 안테나 주기가 선택될 수 있다.
상기 광원으로부터 상기 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 진행 방향이 상기 제 1 방향과 평행하도록 상기 광원과 상기 위상 배열 소자가 배치될 수 있다.
상기 광원은, 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대해 제 1 입사각으로 상기 위상 배열 소자에 입사하는 제 1 입사광을 제공하는 제 1 광원, 및 제 1 입사각과는 상이한 제 2 입사각으로 상기 위상 배열 소자에 입사하는 제 2 입사광을 제공하는 제 2 광원을 포함할 수 있다.
상기 제 1 입사광이 상기 위상 배열 소자에 의해 반사되어 발생한 제 1 반사광은 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대해 제 1 반사각으로 진행하고, 상기 제 2 입사광이 상기 위상 배열 소자에 의해 반사되어 발생한 제 2 반사광은 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대해 상기 제 1 반사각과 상이한 제 2 반사각으로 진행하며, 상기 빔 스캐닝 장치는 제 2 반사광의 진행 방향을 변경하도록 상기 제 2 반사광의 광경로 상에 배치된 광학 요소를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광원으로부터 상기 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 진행 방향이 상기 제 2 방향과 평행하도록 상기 광원과 상기 위상 배열 소자가 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 위상 배열 소자에 의해 상이한 각도로 반사되는 반사광들을 포함하는 스캐닝 평면이 제 1 방향에 수직하게 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대한 입사광의 입사각을 θi, 중심 반사광의 반사각을 θr라 할 때, 중심 반사광을 기준으로 한 상기 위상 배열 소자의 최대 조향각 θs가 -(θr -θs) < θi를 만족하도록 상기 위상 배열 소자가 구성될 수 있다.
또한, 상기 다수의 안테나층 사이의 제 2 방향의 간격 또는 안테나 주기를 p, 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대한 입사광의 입사각을 θi, 중심 반사광의 반사각을 θr라 할 때, 중심 반사광을 기준으로 한 상기 위상 배열 소자의 최대 조향각 θs가 θi > 0.5 θs = 0.5 sin-1(λ/2p)를 만족하도록 상기 위상 배열 소자가 구성될 수도 있다.
다른 실시예에서, 상기 위상 배열 소자는 다수의 안테나층을 포함하고, 상기 다수의 안테나층은 제 1 방향을 따라 제 1 간격으로 그리고 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 제 2 간격으로 2차원 배열될 수 있다.
상기 반사광은 상기 위상 배열 소자에서 직접 반사된 광 및 상기 위상 배열 소자의 각각의 안테나 공진기에서의 공진에 의한 공진 산란광을 포함하며, 상기 다수의 안테나층 사이의 제 1 간격 및 제 2 간격은 직접 반사광의 세기와 공진 산란광의 세기가 동일하도록 선택될 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 광학 장치는, 광을 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 오는 광을 반사하고 반사광의 반사 각도를 전기적으로 조절하는 반사형 위상 배열 소자; 및 상기 광원에서 방출되어 외부의 물체로부터 반사된 빛을 감지하는 광검출기;를 포함하며, 상기 광원으로부터 상기 반사형 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 진행 방향이 상기 반사형 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대해 기울어지도록 상기 광원과 상기 반사형 위상 배열 소자가 배치될 수 있다.
상기 광학 장치는 상기 광검출기의 측정 결과를 기초로 외부의 물체에 대한 위치 정보를 계산하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광학 장치는 거리 센서, 3차원 센서, 또는 차량용 레이더일 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 반사형 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 진행 방향이 반사형 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대해 기울어져 있다. 따라서, 입사광과 중심 반사광이 겹치지 않기 때문에 빔 스캐닝 장치에서 스캐닝할 수 있는 영역에 제한이 없다. 또한, 빔 스플리터를 사용할 필요가 없기 때문에, 빛의 손실 없이 빔을 스캐닝하거나 또는 반사광을 검출할 수 있다. 따라서, 광 이용 효율이 증가되어 탐지 거리를 증가시킬 수 있으며 빔 스캐닝 장치의 소비 전력을 저감할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치의 개략적인 구성 및 동작을 보이는 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 빔 스캐닝 장치의 위상 배열 소자의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 4a는 위상 배열 소자의 반사광의 반사 위상 변이가 충분히 큰 경우의 위상 변이 분포를 예시적으로 보이는 그래프이고, 도 4b는 이 경우에 반사광의 조향 각도 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5a는 위상 배열 소자의 반사광의 반사 위상 변이가 부족한 경우의 위상 변이 분포를 예시적으로 보이는 그래프이고, 도 5b는 이 경우에 반사광의 조향 각도 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 6은 위상 배열 소자의 안테나 주기와 입사광의 입사각에 따른 최소 반사도의 변화를 보이는 그래프이다.
도 7은 위상 배열 소자의 안테나 사이의 간격과 입사광의 입사각에 따른 임계 결합 조건의 변화를 보이는 그래프이다.
도 8은 위상 배열 소자의 안테나 주기와 안테나 사이의 간격을 보이는 예시적인 단면도이다.
도 9는 입사광의 입사각이 0도일 때 반사 계수를 복소 평면 상에 보이는 그래프이다.
도 10은 입사광의 입사각이 0도일 때 위상 배열 소자에서 반사광의 반사 위상을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 11은 안테나 보상 설계를 하지 않은 경우에 입사광의 입사각이 45도일 때 반사 계수를 복소 평면 상에 보이는 그래프이다.
도 12는 안테나 보상 설계를 하지 않은 경우에 입사광의 입사각이 45도일 때 위상 배열 소자에서 반사광의 반사 위상을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 13은 안테나 보상 설계를 한 경우에 입사광의 입사각이 45도일 때 반사 계수를 복소 평면 상에 보이는 그래프이다.
도 14는 안테나 보상 설계를 한 경우에 입사광의 입사각이 45도일 때 위상 배열 소자에서 반사광의 반사 위상을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 15는 안테나 보상 설계를 한 위상 배열 소자의 구성을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치의 개략적인 구성 및 동작을 보이는 사시도이다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치의 개략적인 구성 및 동작을 보이는 단면도이다.
도 18 및 도 19는 또 다른 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치의 개략적인 구성 및 동작을 보이는 사시도이다.
도 20 및 도 21은 또 다른 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치의 개략적인 구성 및 동작을 보이는 사시도이다.
도 22는 일 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 23은 일 실시예에 따른 광학 장치를 차량용 LiDAR로서 활용한 예를 개략적으로 보인다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 빔 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치(100)는 광을 제공하는 광원(120) 및 광원(120)으로부터 오는 광을 반사하고 반사광의 반사 각도를 전기적으로 조절하는 반사형 위상 배열 소자(110)를 포함할 수 있다. 여기서 광원(120)은, 예를 들어, 약 800 nm 내지 약 1500 nm 대역의 근적외선을 방출하는 레이저 다이오드(laser diode; LD) 또는 발광 다이오드(LED; light emitting diode)일 수 있다.
본 실시예에 따르면, 광원(120)으로부터 반사형 위상 배열 소자(110)에 입사하는 입사광의 진행 방향이 반사형 위상 배열 소자(110)의 반사면의 법선에 대해 기울어지도록 광원(120)과 반사형 위상 배열 소자(110)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(120)은 그의 광축이 위상 배열 소자(110)의 표면에 대해 경사지도록 배치될 수 있다.
또한, 도 2는 일 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치(100)의 개략적인 구성 및 동작을 보이는 사시도이다. 도 2를 참조하면, 위상 배열 소자(110)는 독립적으로 구동되는 다수의 안테나 공진기(101)를 포함할 수 있다. 각각의 안테나 공진기(101)는 제 1 방향으로 길게 연장된 안테나층(114)을 포함할 수 있다. 그리고, 다수의 안테나층(114)들이 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 일정한 간격으로 배열될 수 있다. 이러한 구성에서, 다수의 안테나 공진기(101)에 인가되는 전압의 조합들에 따라 입사광(L)이 반사되는 방향을 조절할 수 있다.
예컨대, 도 3은 도 1에 도시된 빔 스캐닝 장치(100)의 위상 배열 소자(110)의 하나의 안테나 공진기(101)의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 각각의 안테나 공진기(101)는 전극층(111), 전극층(111) 위에 배치된 활성층(112), 활성층(112) 위에 배치된 절연층(113), 및 절연층(130) 위에 배치된 나노 규모의 안테나층(114)을 포함할 수 있다. 도 3에는 편의상 단지 하나의 안테나층(114)만이 도시되었으나, 다수의 안테나 공진기(101)를 포함하는 위상 배열 소자(110)는 절연층(130) 상에 일정한 간격으로 이격되어 배열된 다수의 안테나층(140)을 포함할 수 있다.
전극층(111)은 공통 전극의 역할을 하며 도전성을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 전극층(111)은 광원(120)에서 방출된 광에 대해 반사성을 갖는 재료로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 전극층(111)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 루세늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 금(Au) 또는 이들의 합금, 금(Au), 은(Ag) 등의 금속 나노입자 분산 박막으로 이루어질 수 있다. 또한, 전극층(111)은 금속 이외에도 탄소나노 구조체, 전도성 고분자 재료로 이루어질 수도 있다.
안테나층(114)는 빛에 대해 안테나의 역할을 하는 것으로, 특정 파장의 빛에 대해 국소 표면 플라즈몬 공진(localized surface plasmon resonance)을 일으켜 그 에너지를 포획하여 방출할 수 있다. 표면 플라즈몬 공진은 금속에 빛이 입사될 경우 금속 내의 자유 전자가 집단적으로 진동하는 현상에 따라 금속 표면에서 국소적으로 매우 증가된 전기장이 발생하는 현상이다. 표면 플라즈몬 공진은 일반적으로 금속과 비금속의 계면에서 발생할 수 있다. 이를 위해 안테나층(114)은, 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 등과 같은 우수한 도전성을 갖는 금속 재료로 이루어질 수 있다. 안테나층(114)의 크기와 형상은 입사광의 파장에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 안테나층(114)의 크기는 광원(120)으로부터 방출된 빛의 파장보다 작을 수 있다. 예를 들어, 동작 파장이 가시광 또는 근적외선광인 경우에, 안테나층(114)의 폭 또는 길이는 약 400 nm 또는 그 이하일 수 있다. 또한, 안테나층(114)은 단순한 막대 형태를 가질 수도 있지만, 원형, 타원형, 십자형 등 다양한 형태의 패턴을 가질 수도 있다.
절연층(113)은 안테나층(114)를 활성층(112) 및 전극층(111)으로부터 전기적으로 절연시키는 역할을 한다. 예를 들어, 절연층(113)은 HfO2, SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO 등과 같은 산화막 또는 SiNx 와 같은 질화막으로 이루어질 수 있다.
활성층(112)은 전기적 신호, 예를 들어, 전극층(111)과 안테나층(114) 사이에 형성되는 전기장에 의해 활성층(112) 내부의 전하 밀도가 변하면서 나노 안테나(114)에서의 공진 특성을 변화시키는 역할을 한다. 다시 말해, 전극층(111)과 안테나층(114) 사이에 형성되는 전기장에 의해 활성층(112) 내에 전하 축적층 또는 공핍층(115)이 생성되어 공진 조건이 변화하여 반사광의 위상이 변화할 수 있다. 이러한 활성층(112)은, 예를 들어, KTN(potassium tantalate niobate), LiNbO3, PZT(lead zirconate titanate) 등의 결정질 재료, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide), GIZO(gallium indium zinc oxide) 등과 같은 ZnO 계열의 산화물, TiN, ZrN, HfN, TaN 등과 같은 전이 금속 질화물(transition metal nitrice), 또는 Si, a-Si, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 등과 같은 반도체 재료로 이루어질 수 있다.
이러한 구조를 갖는 빔 스캐닝 장치(100)에서, 활성층(112) 내부의 전하 밀도는 전극층(111)과 안테나층(114) 사이의 전기장의 세기에 따라 달라지게 된다. 전극층(111)에는 공통 전압이 인가되므로, 특히 다수의 안테나층(114)에 인가되는 전압의 분포에 따라 활성층(112) 내부의 전하 밀도 분포가 변화할 수 있다. 활성층(112) 내부의 전하 밀도 변화는 안테나층(114)에서의 공진 특성을 변화시키고, 변화된 공진 특성은 안테나층(114)에서 반사되는 광의 위상 변이를 발생시켜, 반사되는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 따라서, 인접하여 배열된 다수의 안테나층(114)에 인가되는 전압의 분포에 따라 반사되는 광의 위상 변이 분포가 결정되므로, 다수의 안테나(114)에 인가되는 전압을 조절함으로써 반사되는 광의 진행 방향을 제어할 수 있다. 빔 스캐닝 장치(100)는 이와 같은 방식으로 입사광을 반사하여 반사광을 원하는 방향으로 스캐닝할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 광원(120)으로부터 방출된 입사광(L)은 위상 배열 소자(110)의 표면 법선에 대해 기울어지게 입사한다. 예를 들어, 입사광(L)은 각각의 안테나층(114)이 연장된 제 1 방향에 평행한 방향을 따라 진행하면서 위상 배열 소자(110)의 표면에 기울어지게 입사할 수 있다. 그러면, 위상 배열 소자(110)에서 반사되는 반사광은 위상 배열 소자(110)의 표면 법선을 중심으로 입사광(L)의 입사각에 대칭인 반사각으로 반사될 수 있다.
만약, 위상 배열 소자(110)에 전압이 인가되지 않으면 입사광(L)의 진행 방향이 바뀌지 않아서 제 1 방향에 평행한 방향을 따라 진행하는 반사광(R0)이 발생한다. 이하, 이러한 반사광(R0)을 중심 반사광이라고 부른다. 반면, 위상 배열 소자(110)에 전압이 인가되면 입사광(L)의 진행 방향이 방위각 방향으로 변하면서, 제 1 방향에 대해 기울진 방향을 따라 진행하는 반사광(R1~R6)이 발생한다. 제 1 방향에 대해 기울어진 정도, 다시 말해 방위각 방향의 각도는 위상 배열 소자(110)의 다수의 안테나 공진기(101)에 인가되는 전압의 조합들에 따라 달라질 수 있다. 방위각 방향으로 입사광(L)의 진행 방향이 바뀌는 경우에도, 위상 배열 소자(110)의 표면 법선을 기준으로 한 반사각은 일정하게 유지된다. 따라서, 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서 빔 스캐닝 장치(100)는 방위각 방향으로 빔을 스캐닝한다.
이러한 본 실시예에 따르면, 광원(120)으로부터 위상 배열 소자(110)에 입사하는 입사광(L)과 위상 배열 소자(110)에 의해 반사된 반사광(R0~R6)이 서로 중첩되어 섞이지 않게 된다. 따라서, 빔 스캐닝 장치(100)에서 스캐닝할 수 있는 영역에 제한이 없다. 또한, 입사광(L)과 반사광(R0~R6)을 분리하기 위하여 별도의 빔 스플리터를 사용할 필요가 없기 때문에, 빛의 손실 없이 빔을 스캐닝하거나 또는 반사광(R0~R6)을 검출할 수 있다. 따라서, 광 이용 효율이 증가되어 탐지 거리를 증가시킬 수 있으며 빔 스캐닝 장치(100)의 소비 전력을 저감할 수 있다.
한편, 빔을 정확하게 스캐닝하기 위해서는 입사광(L)이 경사지게 입사하는 경우에도 위상 배열 소자(110)에 의한 반사광의 위상 변이폭이 클수록 유리하다. 다시 말해, 반사광의 위상 변이를 0도부터 최대 360도까지 표현하는 것이 유리하다. 예를 들어, 도 4a는 위상 배열 소자(110)의 반사광의 반사 위상 변이가 충분히 큰 경우(예컨대, 0도부터 360도까지 위상 변이가 가능한 경우)의 위상 변이 분포를 예시적으로 보이는 그래프이고, 도 4b는 이 경우에 반사광의 조향 각도 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 그리고, 도 5a는 위상 배열 소자(110)의 반사광의 반사 위상 변이가 부족한 경우(예컨대, 0도부터 180도까지만 위상 변이가 가능한 경우)의 위상 변이 분포를 예시적으로 보이는 그래프이고, 도 5b는 이 경우에 반사광의 조향 각도 분포를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 4b를 참조하면, 위상 배열 소자(110)가 반사광의 위상 변이를 0도부터 360도까지 표현하는 경우에는, 의도된 각도 범위 내에 대부분의 빔이 집중되므로 빔을 원하는 곳으로 정확하게 지향시킬 수 있다. 반면, 위상 배열 소자(110)가 반사광의 위상 변이를 0도부터 180도까지만 표현하면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 의도된 각도로 지향된 빔 외에 측광의 비율이 높아지게 되어 지향성이 감소하고 신호 대 잡음비가 떨어지는 성능 열화의 원인이 된다.
위상 배열 소자(110)가 반사광의 위상 변이를 0도부터 360도까지 표현하기 위해서는 입사광에 대해서 임계 결합 조건(critical coupling condition)을 만족하도록 위상 배열 소자(110)를 설계하는 것이 유리하다. 임계 결합 조건이란, 위상 배열 소자(110)로부터 방출되는 빛 중에서 위상 배열 소자(110)에서의 직접 반사 성분(direct reflection)과 공진 산란 성분(resonant scattering)의 비율이 같은 조건을 의미한다. 직접 반사 성분이 더 큰 경우에는 부족 결합(under-coupling)이 일어나며, 공진 산란 성분이 더 큰 경우에는 과 결합(over-coupling)이 발생하여 위상 배열 소자(110)의 위상 변조폭이 작아진다.
임계 결합 조건은 입사광의 입사각에 따라 달라지므로, 입사광의 입사각을 고려하여 위상 배열 소자(110)를 설계하는 것이 유리하다. 예를 들어, 도 6은 위상 배열 소자(110)의 안테나 주기와 입사광의 입사각에 따른 최소 반사도의 변화를 보이는 그래프이고, 도 7은 위상 배열 소자(110)의 안테나층(114) 사이의 간격과 입사광의 입사각에 따른 임계 결합 조건의 변화를 보이는 그래프이다. 또한, 도 8은 위상 배열 소자(110)의 안테나 주기와 안테나 사이의 간격을 보이는 예시적인 단면도이다. 위상 배열 소자(110)의 안테나 주기와 안테나층(114) 사이의 간격은 도 8을 통해 정의될 수 있다. 도 8을 참조하면, 위상 배열 소자(110)의 안테나 주기(p)는 안테나층(114)이 반복되는 길이이며, 안테나층(114) 사이의 간격(g)은 인접한 2개의 안테나층(114) 사이의 거리이다. 또한, 안테나층(114)의 폭(w)은 제 2 방향을 따른 하나의 안테나층(114)의 길이이다. 안테나 주기(p)는 안테나층(114)의 폭(w)과 안테나층(114) 사이의 간격(g)의 합과 같을 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 입사각이 0도인 경우, 다시 말해 입사광이 위상 배열 소자(110)의 반사면에 수직하게 입사하는 경우, 위상 배열 소자(110)의 안테나 주기(p)가 대략 780 nm일 때 공진이 일어나 반사도가 최소가 된다. 그리고, 입사각이 커질수록, 다시말해 입사광이 위상 배열 소자(110)의 반사면에 더욱 경사지게 입사할수록, 반사도가 최소가 되는 안테나 주기(p)가 작아진다. 예를 들어, 입사각이 45도인 경우에 위상 배열 소자(110)의 안테나 주기(p)가 대략 550 nm일 때 공진이 일어나 반사도가 최소가 된다. 또한, 도 7을 참조하면, 입사각이 증가함에 따라 임계 결합이 일어나는 위상 배열 소자(110)의 안테나층(114)들 사이의 간격(g)이 작아지게 된다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 입사각이 0도인 경우에는 안테나층(114)들 사이의 간격(g)이 약 600 nm 이상일 때 임계 결합이 발생하지만, 입사각이 45인 경우에는 안테나층(114)들 사이의 간격(g)이 약 400 nm 이하일 때 임계 결합이 발생한다.
따라서, 입사광이 위상 배열 소자(110)에 경사지게 입사하는 구성에서는, 입사광의 입사각을 고려하여 입사광이 위상 배열 소자(110)에 수직하게 입사하는 경우보다 안테나 주기(p)와 안테나층(114)들 사이의 간격(g)을 작게 보상 설계할 수 있다. 만약 이러한 보상 설계를 하지 않으면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 의도된 각도로 지향된 빔 외에 측광의 비율이 높아지게 되어 지향성이 감소하고 신호 대 잡음비가 떨어질 수 있다.
도 9는 입사광의 입사각이 0도일 때 반사 계수(reflection coefficient)를 복소 평면 상에 예시적으로 보이는 그래프이고, 도 10은 입사광의 입사각이 0도일 때 위상 배열 소자에서 반사광의 반사 위상을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 9 및 도 10에 도시된 그래프에서 안테나층(114) 사이의 간격(g)이 150 nm이고 안테나층(114)의 폭(w)이 160 nm인 것으로 가정하였다.
도 9에서 '-◆-'로 표시된 원은 안테나층(114)과 전극층(111)에 각각 +4 V, +4 V의 전압이 인가되었을 때, 입사광의 파장 변화에 따른 반사 계수의 자취이고, 도형 '◆'의 위치는 입사광의 파장이 1.4 ㎛인 경우의 반사 계수의 위치이다. 또한, '-■-'로 표시된 원은 안테나층(114)과 전극층(111)에 각각 -4 V, +4 V의 전압이 인가되었을 때, 입사광의 파장 변화에 따른 반사 계수의 자취이고, 도형 '■'의 위치는 입사광의 파장이 1.4 ㎛인 경우의 반사 계수의 위치이다. 또한, '-▲-'로 표시된 원은 안테나층(114)과 전극층(111)에 각각 0 V, 0 V의 전압이 인가되었을 때, 입사광의 파장 변화에 따른 반사 계수의 자취이고, 도형 '▲'의 위치는 입사광의 파장이 1.4 ㎛인 경우의 반사 계수의 위치이다. 마지막으로, '-●-'로 표시된 원은 안테나층(114)과 전극층(111)에 각각 -4 V, -4 V의 전압이 인가되었을 때, 입사광의 파장 변화에 따른 반사 계수의 자취이고, 도형 '●'의 위치는 입사광의 파장이 1.4 ㎛인 경우의 반사 계수의 위치이다.
도 10을 참조하면, 안테나층(114)과 전극층(111)에 각각 0 V, 0 V의 전압이 인가되었을 때 반사광의 반사 위상을 0도로 정의하고, 안테나층(114)과 전극층(111)에 각각 -4 V, -4 V의 전압이 인가되었을 때의 반사광의 반사 위상, 각각 -4 V, +4 V의 전압이 인가되었을 때의 반사광의 반사 위상, 및 각각 +4 V, +4 V의 전압이 인가되었을 때의 반사광의 반사 위상이 차례로 표시되어 있다. 예를 들어, 안테나층(114)과 전극층(111)에 각각 +4 V, +4 V의 전압이 인가되었을 때, 반사광의 반사 위상은 약 272도가 된다. 따라서, 안테나층(114) 사이의 간격(g)이 150 nm이고 안테나층(114)의 폭(w)이 160 nm인 위상 배열 소자에 1.4 ㎛의 파장을 갖는 입사광이 수직하게 입사하면, 위상 배열 소자는 반사광의 위상 변이를 0도부터 272도까지 표현할 수 있다.
도 11은 안테나 보상 설계를 하지 않은 경우에 입사광의 입사각이 45도일 때 반사 계수를 복소 평면 상에 보이는 그래프이고, 도 12는 안테나 보상 설계를 하지 않은 경우에 입사광의 입사각이 45도일 때 위상 배열 소자에서 반사광의 반사 위상을 예시적으로 보이는 그래프이다. 다시 말해, 도 11 및 도 12는 안테나층(114) 사이의 간격(g)과 안테나층(114)의 폭(w)을 각각 150 nm와 160 nm로 유지하고, 1.4 ㎛의 파장을 갖는 입사광을 위상 배열 소자에 45도로 입사시킨 결과이다. 도 12를 참조하면, 안테나층(114)과 전극층(111)에 각각 +4 V, +4 V의 전압이 인가되었을 때, 반사광의 반사 위상은 약 25도가 된다. 따라서, 안테나층(114) 사이의 간격(g)이 150 nm이고 안테나층(114)의 폭(w)이 160 nm인 위상 배열 소자에 1.4 ㎛의 파장을 갖는 입사광이 45도로 경사지게 입사하면, 위상 배열 소자는 반사광의 위상 변이를 0도부터 25도까지만 표현할 수 있다.
도 13은 안테나 보상 설계를 한 경우에 입사광의 입사각이 45도일 때 반사 계수를 복소 평면 상에 보이는 그래프이고, 도 14는 안테나 보상 설계를 한 경우에 입사광의 입사각이 45도일 때 위상 배열 소자에서 반사광의 반사 위상을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 13 및 도 14의 그래프에서, 안테나층(114) 사이의 간격(g)이 60 nm이고 안테나층(114)의 폭(w)이 152 nm인 것으로 가정하였다. 다시 말해, 도 13 및 도 14는 안테나층(114) 사이의 간격(g)과 안테나층(114)의 폭(w)을 각각 60 nm와 152 nm로 줄이고, 1.4 ㎛의 파장을 갖는 입사광을 위상 배열 소자에 45도로 입사시킨 결과이다. 도 14를 참조하면, 안테나층(114)과 전극층(111)에 각각 +4 V, +4 V의 전압이 인가되었을 때, 반사광의 반사 위상은 약 269도가 된다. 따라서, 안테나층(114) 사이의 간격(g)이 60 nm이고 안테나층(114)의 폭(w)이 152 nm인 위상 배열 소자에 1.4 ㎛의 파장을 갖는 입사광이 45도로 경사지게 입사하면, 위상 배열 소자는 반사광의 위상 변이를 0도부터 269도까지 표현할 수 있다. 따라서, 안테나 보상 설계를 함으로써, 안테나층(114) 사이의 간격(g)이 150 nm이고 안테나층(114)의 폭(w)이 160 nm인 위상 배열 소자에 1.4 ㎛의 파장을 갖는 입사광이 수직하게 입사하는 경우와 비슷한 성능을 유지할 수 있다.
한편, 임계 결합 조건은 입사광의 파장 및 위상 배열 소자(110)에 인가되는 전압의 크기에 의해서도 영향을 받을 수 있다. 상술한 예에서는 인가 전압이 -4 V 내지 + 4 V이고 입사광의 파장이 1.4 ㎛인 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 인가 전압과 입사광의 파장이 달라지면 이를 고려하여 임계 결합 조건을 만족하도록 안테나층(114) 사이의 간격(g) 및 안테나층(114)의 폭(w)을 선택할 수 있다.
지금까지는 단지 안테나층(114) 사이의 간격(g)과 안테나층(114)의 폭(w)을 조절하는 방식으로 안테나 보상 설계를 하는 것으로 설명하였으나, 안테나층(114)의 형태를 변경하는 방식으로 안테나 보상 설계를 할 수도 있다. 예를 들어, 도 15는 안테나 보상 설계를 한 위상 배열 소자(110)의 구성을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 15를 참조하면, 안테나층(114)은 제 1 방향으로 연장된 제 1 안테나부(114a) 및 제 1 방향을 따라 배열되어 있으며 제 2 방향으로 연장된 다수의 제 2 안테나부(114b)를 포함하는 피쉬본(fish bone) 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 제 1 안테나부(114a)의 폭, 안테나층(114) 사이의 간격, 또는 제 2 안테나부(114b)의 길이(l)를 조절하여 임계 결합 조건을 만족시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 방향을 따른 제 2 안테나부(114b)의 길이(l)는 위상 배열 소자(100)의 반사면의 표면 법선에 대한 입사광의 입사각에 대해 위상 배열 소자(110)에 의한 직접 반사광의 세기와 공진 산란광의 세기가 동일하도록 선택될 수 있다.
도 16은 다른 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치(200)의 개략적인 구성 및 동작을 보이는 사시도이다. 도 16에 도시된 빔 스캐닝 장치(200)는 광을 제공하는 다수의 광원(120a, 120b, 120c) 및 다수의 광원(120a, 120b, 120b)으로부터 오는 광을 반사하고 반사광의 반사 각도를 전기적으로 조절하는 반사형 위상 배열 소자(110)를 포함할 수 있다. 또한, 다수의 광원(120a, 120b, 120c)은 위상 배열 소자(110)의 반사면의 표면 법선에 대해 제 1 입사각(θ1)으로 위상 배열 소자(110)에 입사하는 광을 제공하는 제 1 광원(120a), 제 1 입사각과 상이한 제 2 입사각(θ2)으로 위상 배열 소자(110)에 입사하는 광을 제공하는 제 2 광원(120b), 및 제 1 및 제 2 입사각과 상이한 제 3 입사각(θ3)으로 위상 배열 소자(110)에 입사하는 광을 제공하는 제 3 광원(120c)을 포함할 수 있다.
제 1 내지 제 3 광원(120a, 120b, 120c)으로부터 방출된 광은 모두 위상 배열 소자(110)의 안테나층(114)이 연장된 제 1 방향에 평행한 방향을 따라 진행하면서 위상 배열 소자(110)의 표면에 기울어지게 입사하며, 단지 위상 배열 소자(110)에 입사하는 입사각만이 상이하다. 위상 배열 소자(110)에 입사하는 입사각이 상이하기 때문에, 제 1 내지 제 3 광원(120a, 120b, 120c)으로부터 방출된 광은 위상 배열 소자(110)에 의해 반사되는 반사각들이 서로 다르지만, 방위각 방향으로는 위상 배열 소자(110)에 의해 동일하게 스캐닝될 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 실시예에서는 방위각 방향으로의 1차원 빔 스캐닝만이 가능하지만, 도 16에 도시된 실시예에서는 제 1 내지 제 3 광원(120a, 120b, 120c)을 이용하여 방위각 방향과 고도각 방향으로 2차원 빔 스캐닝이 가능하다. 제 1 내지 제 3 광원(120a, 120b, 120c)은 모두 동시에 광을 방출할 수도 있고, 또는 순차적으로 광을 방출할 수도 있다.
도 17은 또 다른 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치(200a)의 개략적인 구성 및 동작을 보이는 단면도이다. 도 17을 참조하면, 빔 스캐닝 장치(200a)는 반사광의 진행 방향을 고도각 방향으로 더 굴절시키는 광학 요소(130a, 130b)를 포함할 수 있다. 빔 스캐닝 장치(200a)의 나머지 구성은 도 16에 도시된 빔 스캐닝 장치(200)의 구성과 동일할 수 있다. 예를 들어, 광학 요소(130a, 130b)는 제 2 광원(120b)으로부터 방출된 입사광(L')이 위상 배열 소자(110)에 의해 반사되어 발생한 반사광(R')의 고도각 방향을 감소시키도록 반사광(R')의 광경로에 배치된 제 1 광학 요소(130a), 및 제 3 광원(120c)으로부터 방출된 입사광(L")이 위상 배열 소자(110)에 의해 반사되어 발생한 반사광(R")의 고도각 방향을 증가시키도록 반사광(R")의 광경로에 배치된 제 2 광학 요소(130b)를 포함할 수 있다.
제 1 내지 제 3 광원(120a, 120b, 120c)으로부터 방출된 광이 모두 임계 결합 조건을 만족하는 좁은 입사각 범위 내에 있도록 제 1 내지 제 3 광원(120a, 120b, 120c)이 배치되는 경우에도, 제 1 및 제 2 광학 요소(130a, 130b)를 이용하여 반사광의 고도각 방향을 바꿈으로써 보다 넓은 고도각 범위에서 2차원 빔 스캐닝이 가능하다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 광학 요소(130a, 130b)는 프리즘, 실린더 렌즈, 웨지형 광학판, 회절 광학 소자 등을 포함할 수 있다.
도 18 및 도 19는 또 다른 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치(300)의 개략적인 구성 및 동작을 보이는 사시도이다. 도 18 및 도 19를 참조하면, 빔 스캐닝 장치(300)의 위상 배열 소자(110)는 2차원 배열된 다수의 안테나 공진기를 포함할 수 있다. 따라서, 위상 배열 소자(110)의 반사면에서 다수의 안테나층(114)이 2차원 배열될 수 있다. 예를 들어, 다수의 안테나층(114)은 제 1 방향을 따라 제 1 간격(g1)으로 그리고 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 제 2 간격(g2)으로 배열될 수 있다. 여기서 다수의 안테나층(114) 사이의 제 1 간격(g1) 및 제 2 간격(g2)은 각각 제 1 방향과 제 2 방향에 대해 임계 결합 조건을 만족하도록 선택될 수 있다. 다시 말해, 다수의 안테나층(114) 사이의 제 1 간격(g1) 및 제 2 간격(g2)은 위상 배열 소자(110)에 의한 직접 반사광의 세기와 공진 산란광의 세기가 동일하도록 선택될 수 있다. 이러한 빔 스캐닝 장치(300)는 2차원 배열된 다수의 안테나 공진기에 인가되는 전압들의 조합을 통해 경사지게 입사하는 하나의 입사광에 대해 2차원 빔 스캐닝이 가능하다.
도 20 및 도 21은 또 다른 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치(400)의 개략적인 구성 및 동작을 보이는 사시도이다. 도 20 및 도 21에 도시된 빔 스캐닝 장치(400)의 구성은 도 1에 도시된 빔 스캐닝 장치(100)의 구성과 거의 같지만, 빔 스캐닝 장치(400)의 광원(120)은 도 1에 도시된 빔 스캐닝 장치(100)의 광원(120)의 배치 방향에 수직하도록 배치된다. 따라서, 광원(120)으로부터 방출된 입사광은 각각의 안테나층(114)이 연장된 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 진행하면서 위상 배열 소자(110)의 표면에 기울어지게 입사할 수 있다. 다시 말해, 광원(120)으로부터 위상 배열 소자(110)에 입사하는 입사광의 진행 방향이 제 2 방향과 평행하도록 광원(120)과 위상 배열 소자(110)가 배치된다.
이 경우, 위상 배열 소자(110)의 표면에 수직한 평면 상에서 빔 스캐닝이 수행될 수 있다. 다시 말해, 반사광의 진행 방향이 고도각 방향으로 제어될 수 있다. 따라서, 위상 배열 소자(110)에 의해 상이한 각도들로 반사되는 반사광들을 포함하는 스캐닝 평면이 제 1 방향에 수직하게 형성된다. 본 실시예에 따르면, 빔 스캐닝 영역과 입사광이 하나의 평면 내에 놓이기 때문에 위상 배열 소자(110)의 집적이 용이할 수 있다.
한편, 반사광의 반사각이 지나치게 커져서 입사광과 중첩되어 섞이면 정확한 탐지가 어려울 수 있다. 따라서, 위상 배열 소자(110)에 의한 반사광의 반사각이 지나치게 커지지 않도록 조절할 수 있다. 예를 들어, 위상 배열 소자(110)의 반사면의 법선에 대한 입사광의 입사각을 θi라 하고, 위상 배열 소자(110)에 전압이 인가되지 않았을 때의 중심 반사광의 반사각을 θr라 할 때, 중심 반사광을 기준으로 한 위상 배열 소자(110)의 최대 조향각 θs가 θr - θs > -θi를 만족하도록 위상 배열 소자(110)를 구성하거나 제어할 수 있다.
여기서, 최대 조향각 θs는 위상 배열 소자(110)에서 배열된 다수의 안테나층(114)들에 의한 반사광의 위상 변이가 0도와 180도를 반복할 때 달성된다. 예를 들어, 첫 번째 안테나층에 의한 반사광의 위상 변이가 0도이고 두 번째 안테나층에 의한 반사광의 위상 변이가 180도이며, 다시 세 번째 안테나층에 의한 반사광의 위상 변이가 0도이고 네 번째 안테나층에 의한 반사광의 위상 변이가 180도가 되는 방식으로 위상 배열 소자(110)를 구동하면, 위상 배열 소자(110)에 의한 반사광의 반사각이 최대가 된다. 따라서, 위상 변이 패턴의 주기는 위상 배열 소자(110)의 안테나 주기(p)의 2배가 된다. 이 경우에, 위상 배열 소자(110)에 의한 1차 회절 각도, 즉 최대 조향각 θs는 θs = sin-1(λ/2p)로 표현될 수 있다. 또한, 중심 반사광의 반사각 θr은 입사광의 입사각 θi와 동일하므로(θr = θi), θi - θs > -θi가 되어 θi > 0.5 θs = 0.5 sin-1(λ/2p)가 성립할 수 있다.
상술한 빔 스캐닝 장치(100, 200, 300, 400)들은, 예를 들어, 차량용 LiDAR와 같은 3차원 센서 또는 3차원 카메라에서 사용되는 깊이 센서 등의 광학 장치에 채용되어, 광학 장치의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 도 22는 일 실시예에 따른 광학 장치(1000)의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 22를 참조하면, 일 실시예에 따른 광학 장치(1000)는 빛을 제공하는 광원(120), 광원(120)으로부터 오는 광을 반사하고 반사광의 반사 각도를 전기적으로 조절하는 반사형 위상 배열 소자(110), 광원(120)에서 방출되어 외부의 물체로부터 반사된 빛을 감지하는 광검출기(140), 및 광검출기(140)의 측정 결과를 기초로 외부 물체에 대한 정보를 계산하는 제어기(150)를 포함할 수 있다. 제어기(150)는 위상 배열 소자(110), 광원(120), 및 광검출기(140)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(150)는 광원(120) 및 광검출기(140)의 온/오프 동작, 위상 배열 소자(110)의 빔 스캐닝 동작을 제어할 수 있다. 이러한 광학 장치(1000)는 주변의 복수의 위치에 있는 물체들에 대한 정보를 얻기 위해 빔 스캐닝 장치(100, 200, 300, 400)를 이용하여 주변의 여러 영역에 대해 광을 주기적으로 조사할 수 있다. 본 실시예에 따른 빔 스캐닝 장치(100, 200, 300, 400)의 경우, 위상 배열 소자(110)에서 입사광과 반사광이 중첩하지 않기 때문에, 광학 장치(1000)는 외부 물체에 관하여 더욱 정확한 정보를 추출할 수 있다.
또한, 도 22에 도시된 광학 장치(1000)는 3차원 센서나 깊이 센서 외에도 로봇용 LiDAR, 드론용 LiDAR, 보안용 침입자 감지 시스템, 지하철 스크린 도어 장애물 감지 시스템, 얼굴인식용 센서, 동작인식 및 물체 형태 검사 장치 등에 사용될 수 있다.
예를 들어, 도 23은 일 실시예에 따른 광학 장치(1000)를 차량용 LiDAR로서 활용한 예를 개략적으로 보인다. 도 23을 참조하면, 광학 장치(1000)는 차량(V)에 탑재되어 차량(V)이 진행하는 전방에 대해 빔을 스캔하여 전방에 있는 다양한 물체(OBJ1, OBJ2)를 탐지할 수 있다. 광학 장치(1000)가 차량용 LiDAR인 경우, 제어기(150)는 차량의 전방 또는 후방에 있는 물체(OBJ1, OBJ2)와의 거리, 상대 속도, 방위각 위치 등에 대한 정보를 계산할 수 있다. 예컨대, 제어기(150)는 광원(120)에서 빛이 방출된 시간과 광검출기(140)에서 빛을 감지한 시간 사이의 차이를 이용하여 물체(OBJ1, OBJ2)의 거리를 알 수 있으며, 빔 스캐닝 장치(100, 200, 300, 400)에 의해 광이 조사된 위치를 기초로 물체(OBJ1, OBJ2)의 방위각 위치를 알 수 있다. 또한, 광원(120)에서 빛이 방출된 시간과 광검출기(140)에서 빛을 감지한 시간 사이의 차이의 변화를 통해 물체(OBJ1, OBJ2)와의 상대 속도를 알 수 있다. 또한, 광학 장치(1000)가 3차원 카메라의 거리 센서인 경우, 제어기(150)는 카메라의 시야 내에 있는 다양한 피사체들가지의 거리 정보를 계산할 수 있다.
상술한 빔 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 광학 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200, 300, 400.....빔 스캐닝 장치
101.....안테나 공진기 110.....위상 배열 소자
111.....전극층 112.....활성층
113.....절연층 114.....안테나층
115.....공핍층 120.....광원
130a, 130b.....광학 요소 140.....광검출기
150.....제어기 1000.....광학 장치

Claims (26)

  1. 광을 제공하는 광원; 및
    상기 광원으로부터 오는 광을 반사하고 반사광의 반사 각도를 전기적으로 조절하는 반사형 위상 배열 소자;를 포함하며,
    상기 광원으로부터 상기 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 진행 방향이 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대해 기울어지도록 상기 광원과 상기 위상 배열 소자가 배치되어 있는 빔 스캐닝 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 상기 위상 배열 소자에 입사하는 입사광과 상기 위상 배열 소자에 의해 반사된 반사광이 서로 중첩되지 않도록 상기 광원과 상기 위상 배열 소자가 배치되어 있는 빔 스캐닝 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 배열 소자는 독립적으로 구동되는 다수의 안테나 공진기를 포함하는 빔 스캐닝 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    각각의 안테나 공진기는:
    전극층;
    상기 전극층 상에 배치된 활성층;
    상기 활성층 상에 배치된 절연층; 및
    상기 절연층 상에 배치된 안테나층;을 포함하는 빔 스캐닝 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전극층은 상기 광원에서 방출된 광에 대해 반사성을 갖는 도전성 금속을 포함하는 빔 스캐닝 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 안테나층은, 제 1 방향으로 연장된 제 1 안테나부, 및 제 1 방향을 따라 배열되어 있으며 제 2 방향으로 연장된 다수의 제 2 안테나부를 포함하는 피쉬본(fish bone) 형태를 갖는 빔 스캐닝 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 반사광은 상기 위상 배열 소자에서 직접 반사된 광 및 상기 위상 배열 소자의 각각의 안테나 공진기에서의 공진에 의한 공진 산란광을 포함하며,
    각각의 제 2 안테나부의 제 1 방향 길이는 직접 반사광의 세기와 공진 산란광의 세기가 동일하도록 선택되는 빔 스캐닝 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    각각의 제 2 안테나부의 제 1 방향 길이는 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대한 입사광의 입사각을 기초로 결정되는 빔 스캐닝 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 위상 배열 소자는 다수의 안테나층을 포함하고,
    각각의 안테나층은 제 1 방향으로 연장되어 있으며, 상기 다수의 안테나층은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 일정한 간격으로 배열되어 있는 빔 스캐닝 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 반사광은 상기 위상 배열 소자에서 직접 반사된 광 및 상기 위상 배열 소자의 각각의 안테나 공진기에서의 공진에 의한 공진 산란광을 포함하며,
    상기 다수의 안테나층 사이의 제 2 방향의 간격 또는 안테나 주기는 직접 반사광의 세기와 공진 산란광의 세기가 동일하도록 선택되는 빔 스캐닝 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 다수의 안테나층 사이의 간격 또는 안테나 주기는 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대한 입사광의 입사각을 기초로 결정되는 빔 스캐닝 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 다수의 안테나층 사이의 간격 또는 안테나 주기는 상기 위상 배열 소자에 빛이 수직으로 입사하는 경우에 대해 설계된 다수의 안테나층 사이의 간격 또는 안테나 주기보다 작은 빔 스캐닝 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 입사각이 커질수록 상기 다수의 안테나층 사이의 간격 또는 안테나 주기가 작도록 선택되는 빔 스캐닝 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 위상 배열 소자에 인가되는 전압 및 상기 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 파장을 고려하여 직접 반사광의 세기와 공진 산란광의 세기가 동일하도록 상기 다수의 안테나층 사이의 제 2 방향의 간격 또는 안테나 주기가 선택되는 빔 스캐닝 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 상기 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 진행 방향이 상기 제 1 방향과 평행하도록 상기 광원과 상기 위상 배열 소자가 배치되어 있는 빔 스캐닝 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광원은, 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대해 제 1 입사각으로 상기 위상 배열 소자에 입사하는 제 1 입사광을 제공하는 제 1 광원, 및 제 1 입사각과는 상이한 제 2 입사각으로 상기 위상 배열 소자에 입사하는 제 2 입사광을 제공하는 제 2 광원을 포함하는 빔 스캐닝 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 입사광이 상기 위상 배열 소자에 의해 반사되어 발생한 제 1 반사광은 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대해 제 1 반사각으로 진행하고, 상기 제 2 입사광이 상기 위상 배열 소자에 의해 반사되어 발생한 제 2 반사광은 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대해 상기 제 1 반사각과 상이한 제 2 반사각으로 진행하며,
    상기 빔 스캐닝 장치는 제 2 반사광의 진행 방향을 변경하도록 상기 제 2 반사광의 광경로 상에 배치된 광학 요소를 더 포함하는 빔 스캐닝 장치.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 상기 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 진행 방향이 상기 제 2 방향과 평행하도록 상기 광원과 상기 위상 배열 소자가 배치되어 있는 빔 스캐닝 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 위상 배열 소자에 의해 상이한 각도로 반사되는 반사광들을 포함하는 스캐닝 평면이 제 1 방향에 수직하게 형성되는 빔 스캐닝 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대한 입사광의 입사각을 θi, 중심 반사광의 반사각을 θr라 할 때, 중심 반사광을 기준으로 한 상기 위상 배열 소자의 최대 조향각 θs가 θr - θs > -θi를 만족하도록 상기 위상 배열 소자가 구성되는 빔 스캐닝 장치.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 다수의 안테나층 사이의 제 2 방향의 간격 또는 안테나 주기를 p, 상기 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대한 입사광의 입사각을 θi, 중심 반사광의 반사각을 θr라 할 때, 중심 반사광을 기준으로 한 상기 위상 배열 소자의 최대 조향각 θs가 θi > 0.5 θs = 0.5 sin-1(λ/2p)를 만족하도록 상기 위상 배열 소자가 구성되는 빔 스캐닝 장치.
  22. 제 4 항에 있어서,
    상기 위상 배열 소자는 다수의 안테나층을 포함하고,
    상기 다수의 안테나층은 제 1 방향을 따라 제 1 간격으로 그리고 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 제 2 간격으로 2차원 배열되어 있는 빔 스캐닝 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 반사광은 상기 위상 배열 소자에서 직접 반사된 광 및 상기 위상 배열 소자의 각각의 안테나 공진기에서의 공진에 의한 공진 산란광을 포함하며,
    상기 다수의 안테나층 사이의 제 1 간격 및 제 2 간격은 직접 반사광의 세기와 공진 산란광의 세기가 동일하도록 선택되는 빔 스캐닝 장치.
  24. 광을 제공하는 광원;
    상기 광원으로부터 오는 광을 반사하고 반사광의 반사 각도를 전기적으로 조절하는 반사형 위상 배열 소자; 및
    상기 광원에서 방출되어 외부의 물체로부터 반사된 빛을 감지하는 광검출기;를 포함하며,
    상기 광원으로부터 상기 반사형 위상 배열 소자에 입사하는 입사광의 진행 방향이 상기 반사형 위상 배열 소자의 반사면의 법선에 대해 기울어지도록 상기 광원과 상기 반사형 위상 배열 소자가 배치되어 있는 광학 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 광검출기의 측정 결과를 기초로 외부의 물체에 대한 위치 정보를 계산하는 제어기를 더 포함하는 광학 장치.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 거리 센서, 3차원 센서, 또는 차량용 레이더인 광학 장치.
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