KR20200066947A - 라이다 장치 및 이의 구동 방법 - Google Patents

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조용철
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Abstract

개시된 라이다 장치는 복수의 광원과 빔 스티어링 소자를 포함하며 상기 복수의 광원에서의 광이 서로 다른 조사 각도로 대상체를 스캐닝하는, 스캐닝 광학계; 상기 서로 다른 조사 각도로 상기 대상체에 조사된 광의 반사광을 구분하여 검출하는 복수의 픽셀 영역을 포함하는 광 검출부; 및 상기 스캐닝 광학계와 상기 광 검출부를 제어하며, 상기 광 검출부에서 검출된 광을 이용하여 상기 대상체에 대한 정보를 획득하는 프로세서;를 포함한다.

Description

라이다 장치 및 이의 구동 방법{LiDAR device and method of driving the same}
본 개시는 라이다 장치 및 이의 구동 방법에 대한 것이다.
라이다(LiDAR; Light Detection and Ranging) 시스템은 다양한 분야, 예를 들어, 우주항공, 지질학, 3차원 지도, 자동차, 로봇, 드론 등에 응용되고 있다.
라이다 시스템은 기본 동작 원리로 빛의 왕복 비행시간 측정법(Time Of Flight, 이하 TOF라 한다)을 이용한다. 즉, 대상체를 향해 빛을 송신하고 다시 센서에서 이를 수신하며, 고속 전기회로를 이용하여 비행 시간을 계측한다. 비행시간으로부터 대상체까지의 거리가 연산될 수 있다. 대상체의 각 위치 별로 연산된 거리로부터 대상체에 대한 깊이 영상이 프로세싱 될 수 있다.
이러한 방법에서, 빛의 속도 한계에 의해, 주어진 프레임 타임 내에 구현할 수 있는 영상 해상도 한계가 존재하게 된다.
본 개시는 영상 해상도가 개선될 수 있는 라이다 장치 및 이의 구동방법을 제공한다.
일 유형에 따르면, 복수의 광원과 빔 스티어링 소자를 포함하며, 상기 복수의 광원에서의 광이 서로 다른 조사 각도로 대상체를 스캐닝하는, 스캐닝 광학계; 상기 서로 다른 조사 각도로 상기 대상체에 조사된 광의 반사광을 구분하여 검출하는 복수의 픽셀 영역을 포함하는 광 검출부; 및 상기 스캐닝 광학계와 상기 광 검출부를 제어하며, 상기 광 검출부에서 검출된 광을 이용하여 상기 대상체에 대한 정보를 획득하는 프로세서;를 포함하는, 라이다 장치가 제공된다.
상기 복수의 광원에서의 광이 상기 대상체로 향하는 복수의 조사선 사이의 각도는 상기 광 검출부의 해상도 분해능 이상일 수 있다.
상기 광 검출부는 상기 서로 다른 조사 각도로 상기 대상체에 조사된 광이 상기 대상체에서 반사되어 상기 복수의 광 검출요소 중 서로 다른 광 검출 요소에 입사되도록, 상기 복수의 광 검출 요소가 배열될 수 있다.
상기 복수의 광원에서의 광이 상기 대상체로 향하는 복수의 조사선 사이의 각도는 1° 이상일 수 있다.
상기 복수의 광원은 상기 대상체를 향해 동시에 또는 소정 시간 이내에 광을 출사할 수 있다.
상기 소정 시간은 1㎲ 이하일 수 있다.
상기 프로세서는 상기 조사 각도 및 상기 대상체로부터 반사된 광의 비행 시간에 기초하여 상기 대상체까지의 거리를 결정하고, 상기 대상체의 위치, 형상 분석을 위한 데이터 처리를 수행할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 복수의 광원 개수와 동일한 개수로 상기 대상체의 영역을 나누어 스캔하도록 상기 스캐닝 광학계를 제어할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 복수의 광원 중 일부 광원만을 선택하여 상기 대상체를 스캐닝하도록 상기 스캐닝 광학계를 제어할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 대상체에 대한 한 프레임의 영상 처리에 요구되는 기준 시간 및 영상 해상도를 고려하여, 상기 일부 광원의 개수를 설정할 수 있다.
상기 복수의 픽셀 영역 각각에는 광 검출 요소가 배치될 수 있고, 상기 광 검출 요소는, 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode) 또는 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(Single Photon Avalenche Diode) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 광 검출부는, 상기 복수의 픽셀 영역; 및 상기 복수의 픽셀 영역 각각에서 검출된 광들의 비행 시간을 측정하는 타임 카운터들;을 포함할 수 있다.
상기 광 검출부는, 상기 복수의 픽셀 영역 각각에서 출력된 전류를 전압으로 변환하는 복수의 전류-전압 변환 회로; 상기 복수의 전류-전압 변환 회로 각각에서 변환된 전압을 증폭하는 복수의 증폭기; 및 상기 복수의 증폭기에서 증폭된 신호에서 피크를 검출하는 복수의 피크 검출부;를 더 포함할 수 있다.
상기 빔 스티어링 소자는 기계식 회전으로 광의 조준 방향을 조절하는 스캐닝 미러일 수 있다.
상기 빔 스티어링 소자는 위상 제어로 광의 조준 방향을 조절하는 광학 위상 어레이(optical phased array)일 수 있다.
일 유형에 따르면, 복수의 광원을 이용하여 대상체를 향해 서로 다른 조사 각도로 광을 조사하는 단계; 상기 서로 다른 조사 각도로 상기 대상체에 조사된 광의 반사광을 구분하여 검출하는 단계; 및 상기 검출된 광을 이용하여 상기 대상체의 위치와 형상에 대한 정보를 획득하는 단계;를 포함하는, 라이다 장치 구동 방법이 제공된다.
상기 광을 조사하는 단계는 상기 복수의 광원에서의 광이 상기 대상체로 향하는 복수의 조사선 사이의 각도를 광 검출부의 해상도 분해능 이상으로 할 수 있다.
상기 복수의 광원은 상기 대상체를 향해 동시에 또는 소정 시간 이내에 광을 출사할 수 있다.
상기 방법은 대상체를 향해 광을 조사할, 상기 복수의 광원 개수를 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 대상체에 대한 한 프레임의 영상 처리에 요구되는 기준 시간 및 영상 해상도를 고려하여, 상기 복수의 광원 개수를 설정할 수 있다.
상술한 라이다 장치 및 이의 구동 방법에 따르면, 사용하는 점광원의 개수에 비례하여 영상 해상도를 높일 수 있다.
상술한 라이다 장치 및 이의 구동 방법에 따르면, 주어진 프레임 타임에 대해 높은 영상 해상도 및/또는 넓은 시야각을 구현할 수 있고, 또는 주어진 영상 해상도 및 시야각 범위를 만족하며 프레임 타임을 단축시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 장치 구동방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 2는 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 3은 도 2의 라이다 장치의 스캐닝 광학계와 광검출부의 예시적인 배치와 동작을 보인다.
도 4a 및 도 4b는 도 2의 라이다 장치에 구비되는 빔 스티어링 소자의 예와 이에 의한 포인트 스캐닝의 원리를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 5는 도 2의 라이다 장치에 구비되는 프로세서의 예시적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 6은 도 5의 프로세서에 의해 대상 영역이 구획된 예를 보인다.
도 7은 도 2의 라이다 장치에 구비되는 광검출부의 예시적인 회로 구성을 보인다.
도 8은 다른 실시예에 따른 라이다 장치 구동방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 9는 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 10은 도 9의 라이다 장치에 구비되는 프로세서의 예시적인 구성을 보이는 블록도이다.
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.
명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 장치 구동방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
라이다 장치 구동방법은 복수의 광원을 이용하여 대상체를 향해 서로 다른 조사 각도로 광을 조사하는 단계(S100), 서로 다른 조사 각도로 상기 대상체에 조사된 광의 반사광을 구분하여 검출하는 단계(S200)를 포함한다. 또한, 검출된 광을 이용하여 대상체의 위치와 형상에 대한 정보를 획득하는 단계(S300)를 포함한다.
광을 조사하는 단계에서 복수의 광원에서의 광은 대상체를 향해 소정의 조사 각도 차이를 가지며 조사된다. 이는 대상체로부터의 광을 검출할 때 검출광을 광원별로 구분하기 위한 것이다. 이를 위하여, 복수의 광원에서의 광이 대상체로 향하는 조사 각도 차이는 광 검출부의 해상도 분해능 이상으로 할 수 있다. 조사 각도 차이는 예를 들어, 약 1˚ 이상일 수 있다. 복수의 광원에서 광이 동시에 조사되어야 하는 것은 아니며, 일정 시간차 이내에, 예를 들어 약 1㎲ 이내의 시간차를 두고 복수의 광원에서 대상체를 향해 광을 조사할 수 있다.
실시예에 따른 라이다 장치 구동방법은 주어진 프레임 타임 내에 대상체에 대한 정보를 소정 이상의 영상 해상도로 얻기 위해 제안되고 있으며, 이러한 방법을 실행할 수 있는 라이다 장치를 살펴보기로 한다.
도 2는 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이고, 도 3은 도 2의 라이다 장치의 스캐닝 광학계와 광검출부의 예시적인 배치와 동작을 보인다.
라이다 장치(1000)는 대상체(OBJ)에 광을 스캐닝하는 스캐닝 광학계(100), 스캐닝 광학계(100)에서 대상체(OBJ)에 조사된 광의 반사광을 검출하는 광 검출부(200), 스캐닝 광학계(100)와 광 검출부(200)를 제어하는 프로세서(300)를 포함한다.
스캐닝 광학계(100)는 복수의 광원을 포함하는 광원부(110)과 빔 스티어링 소자(180)를 포함하며, 광원부(110)와 빔 스티어링 소자(180))의 배치 및 구동은 복수의 광원 각각에서의 광이 빔 스티어링 소자(180)를 경유하여 서로 다른 조사 각도로 대상체(OBJ)를 스캐닝하도록 정해진다.
광원부(110)의 광원들은 대상체(OBJ)의 위치, 형상의 분석에 사용할 광을 조사한다. 광원부(110)는 소장 파장의 광을 생성, 조사하며, 예를 들어, 대상체(OBJ)의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광, 예를 들어, 적외선 대역 파장의 광을 방출할 수 있다. 적외선 대역의 광을 사용하면 태양광을 비롯한 가시광선 영역의 자연광과 혼합되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 반드시 적외선 대역에 한정되는 것은 아니며 다양한 파장 대역의 빛을 방출 할 수 있다. 광원부(110)는 LD(laser diode), 측면 발광 레이저 (Edge emitting laser), 수직 공진형 표면 발광 레이저 (Vertical-cavity surface emitting laser;VCSEL) 분포궤환형 레이저(Distributed feedback laser), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다. 광원부(110)은 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 광원부(110)는 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
광원부(110)의 광원들은 프로세서(300)의 제어하에, 대상체(OBJ)를 향해 광을 조사할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(140)는 각 광원에서의 광의 조사 방향 또는 조사 각도를 설정할 수 있고, 복수의 광원들이 각 설정된 조사 각도 또는 방향에 따라 광을 조사하도록 광원부(110)를 제어할 수 있다.
빔 스티어링 소자(180)는 광원부(110)에서의 광을 대상체(OBJ)를 향해 조준하며 조준방향이 시순차적으로 조절되어 광원부(110)에서 나오는 점광(point light)이 대상체(OBJ) 전체를 스캔하도록 한다. 빔 스티어링 소자(180)로는 스캐닝 미러 또는 광학 위상 어레이(optical phased array)가 사용될 수 있다.
광 검출부(200)는 대상체(OBJ)로부터의 반사광을 위치에 따라 구분하여 검출할 수 있는 픽셀화된 복수의 영역들을 포함할 수 있다. 광 검출부(200)는 도시된 바와 같이, 복수의 픽셀(PX1, PX2, ?)로 구획된 디텍터 어레이(220)를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX1, PX2, ?) 각각에는 광 검출요소(222)가 배치될 수 있다. 즉, 광 검출요소(222)들은 디텍터 어레이(220) 내에서의 위치에 따라 구분되는 픽셀(PX1, PX2, ?)을 이루며, 각 픽셀(PX1, PX2, ?)들은 대상체(OBJ)로부터의 반사광을 광원부(110)에서 조사되는 광의 조사 각도를 구분하여 검출할 수 있다.
디텍터 어레이(220)는 광 검출요소(222)들이 일차원 배열된 m개의 광 검출요소(222)들을 포함하는 것으로 도시되고 있으나 이는 예시적인 것이며, 이차원적으로 배열될 수도 있다.
광 검출부(200)의 픽셀들(PX1, PX2, ?)은 광원부(100)에서 서로 다른 조사 각도로 대상체(OBJ)에 조사된 광의 반사광을 구분하여 검출하는 기본 단위로 제시되고 있으며, 이들 각 영역이 개별적인 광 검출요소(222)로 이루어지는 것으로 기술되고 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 광 검출부(200)는 복수의 광 검출요소(222)들의 어레이가 아닌, 하나의 디텍터(detector)로 구현되고, 디텍터의 각 영역이 픽셀화되어 위치별로 검출광을 구분할 수 있도록 구성되는 것도 가능하다.
광 검출부(200)는 또한 복수의 광 검출요소(222) 각각에서 검출된 광들의 비행 시간을 측정하기 위한 회로부(240)를 포함할 수 있고, 그 외, 대상체(OBJ)로부터의 광을 소정 픽셀에 모으기 위한 광학 요소를 더 포함할 수 있다.
복수의 광 검출 요소(222)들은 광을 센싱할 수 있는 센서로서, 예를 들어, 광 에너지에 의해 전기 신호를 발생시키는 수광 소자일 수 있다. 수광 소자의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 실시예에 따른 라이다 장치(1000)는 전술한 바와 같이 포인트 스캐닝 방식을 사용하며, 따라서, 광 검출요소(222)에 수신되는 광의 세기는 다른 방식, 예를 들어, 플래쉬(falsh) 방식에 비해 낮을 수 있다. 따라서, 광 검출 요소(222)로는 센싱 감도가 높은 애벌런치 포토 다이오드(D)(Avalanche Photo Diode;APD) 또는 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(D)(Single Photon Avalanche Diode;SPAD)가 채용될 수 있다. 광 검출부(200)의 광 검출요소(222)들이 APD 또는 SPAD중 어떤 수광소자를 포함하는지에 따라 AFE(Analog Front End), TDC(Time to Digital Converter) 등의 구체적 회로 구성이 달라질 수 있다.
프로세서(300)는 광 검출부(200)에서 검출된 광을 이용하여 대상체(OBJ)에 대한 정보 획득을 위한 신호 처리를 수행할 수 있다. 프로세서(300)는 예를 들어, 광이 대상체(OBJ)에 조사된 각도 및 대상체(OBJ)로부터 반사된 광의 비행 시간에 기초하여 대상체(OBJ)의 각 위치까지의 거리를 결정하고, 대상체(OBJ)의 위치, 형상 분석을 위한 데이터 처리를 수행할 수 있다.
프로세서(300)에서 분석한 정보 즉, 대상체(OBJ)의 형상, 위치에 대한 정보는 다른 유닛으로 전송되어 활용될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치(1000)가 채용되는 무인 자동차, 드론 등과 같은 자율 구동 기기의 제어부에 이러한 정보가 전송될 수 있다. 이외에도, 스마트폰, 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 웨어러블(wearable) 기기 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치에서 이러한 정보가 활용될 수도 있다.
프로세서(300)는 또한, 스캐닝 광학계(100), 광 검출부(200)에 대한 제어를 포함하여, 라이다 장치(1000)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(300)는 광원부(110)에 구비된 광원 개수를 고려하여 대상체(OBJ)의 영역을 구획할 수 있고, 구획된 영역들 전체가 빔 스티어링 소자(180)에 의해 스캔되도록 빔 스티어링 소자(180)에 대한 제어 신호를 생성하고 이를 빔 스티어링 소자(180)에 인가할 수 있다.
프로세서(300)는 이외에도, 광원부(110), 광 검출부(200)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(300)는 광원부(110)에 대해 전원 공급 제어, 온/오프 제어, 펄스파(PW)나 연속파(CW) 발생 제어 등을 수행할 수 있다. 또한, 프로세서(300)는 광 검출부(200)의 광검출요소(220)들 각각에 대한 제어 신호를 인가할 수 있다.
라이다 장치(1000)는 또한, 프로세서(300)에서 수행하는 동작을 위한 프로그램 및 기타 데이터들이 저장되는 메모리를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 라이다 장치(1000)는 점광(point light)을 대상체(OBJ)에 스캐닝 하는 포인트 스캐닝 방식을 사용하는 스캐닝 광학계(100)를 채용하여, 복수의 광원을 사용하여 대상체(OBJ)의 전 영역을 스캔할 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이, 두 광원(laser #1, laser #2)은 빔 스티어링 소자(180)에 다른 각도로 광을 조사하며, 빔 스티어링 소자(180)에서 스티어링되는 두 조사선(L1, L2) 간에 θ의 각도를 갖게 된다. 각도 θ는 디텍터 어레이(229)에 구비된 서로 다른 픽셀에서 이들 광이 대상체(OBJ)에서의 반사광을 구분하여 검출할 수 있는 정도의 각도이면 충분하다. 이 각도는 광 검출부(200)를 이루는 디텍터 어레이(220)의 분해능, 이 외 광 검출부(200)에 구비되는 추가적인 광학 요소들의 성능에 따라 정해질 수 있다. 예를 들어, 이러한 각도 θ는 약 1˚ 이상일 수 있다.
두 광원(laser #1, laser #2)에서 광을 조사하는 시간은 동일할 수 있으며, 또는 이에 한정되지 않으며 T1, T2로 상이할 수 있다. T1, T2의 시간차는 예를 들어, 1㎲ 이내일 수 있다.
각 조사선(L1, L2)은 빔 스티어링 소자(180)의 구동에 따라 방향 조절되며 대상체를 포함하는 소정의 시야각(field of view, FOV) 범위 전체를 스캔한다. 대상체로부터의 광은 디텍터 어레이(220)의 서로 다른 픽셀을 향할 수 있고, 도시된 바와 같이 디텍터 어레이(220)의 픽셀로 광을 포커싱하는 렌즈(280)가 더 구비될 수도 있다. 디텍터 어레이(220)의 픽셀들은 각각 비행시간(Time of Flight, ToF) 연산을 위한 회로 요소와 연결되며 소정의 연산을 거쳐 ToF #1, ToF #1의 값들이 도출될 수 있다.
실시예에 따른 라이다 장치(1000)는 스캐닝 광학계(100)에 의해 점광을 대상체(OBJ)에 스캐닝 하는 포인트 스캐닝 방식을 사용하며, 빛의 속도 한계에 따른 해상도 한계를 가지게 된다. 예를 들어, 주어진 프레임 타임(frame time), 즉, 대상체에 대해 한 프레임의 영상을 형성하는데 주어진 기준 시간내에 대상체에 대해 획득할 수 있는 정보(point cloud)의 개수는 한정되며 이에 의해 해상도(resolution)의 한계가 정해진다.
다음 표는 프레임 레이트(frame rate)가 20Hz, 즉, 프레임 타임이 1/20초인 경우 대상체까지의 거리에 따른 왕복 시간, 해상도 한계 및 수평 해상도에 대한 개략적인 수치를 예시적으로 보인다. 수평해상도는 수직해상도가 각각 60, 30인 두 경우에 대해 나타내고 있다.
거리(meter) 왕복시간(sec) 해상도한계 수평해상도(V60) 수평해상도(V30)
10 6.69E-8 747500 12458 24917
30 2.01E-7 249167 4153 8306
50 3.34E-7 149500 2492 4983
100 6.69E-7 74750 1246 2492
150 1.00E-6 49833 831 1661
200 1.34E-6 37375 623 1246
300 2.01E-6 24917 415 831
표에 나타나는 바와 같이, 주어진 프레임 타임 및 시야각(field of view) 내에서 공간 해상도는 한계를 나타내며, 공간 해상도를 유지하며 시야각을 확대하려면 프레임 레이트가 저하된다. 즉, 프레임 타임은 길어지게 된다. 이러한 성능 저하는 대상체까지의 거리가 멀어질수록 크게 나타난다.
실시예에 따른 라이다 장치(1000)는 이러한 해상도 한계를 개선하기 위해 복수의 광원을 사용하며, 복수의 광원에서의 광이 구별되어 광 검출부(200)에서 검출되도록 조사 각도를 다르게 유지하고 있다. 이에 따라 구비된 복수 광원의 개수에 비례하여 해상도가 증가할 수 있다. 다시 말하면, 상기 표에 나타난 해상도 수치는 라이다 장치(1000)에 구비된 복수 광원의 개수를 곱한 값으로 증가하게 된다.
도 4a 및 도 4b는 도 2의 라이다 장치에 구비되는 빔 스티어링 소자의 예와 이에 의한 포인트 스캐닝의 원리를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 4a를 참조하면, 스캐닝 미러(SM)는 기계적으로(mechanically) 회전되며 반사면의 방향이 조절되어 입사광(Li)의 스티어링 방향을 조절한다. 회전 각도에 따라 입사광(Li)이 스티어링 되는 방향은 LS1, LS2 LS3 로 순차적으로 조절될 수 있다. 스캐닝 미러(SM) 회전은 일축 회전으로 도시되고 있으나 이에 한정되지 않는다. 이축 회전, 즉, 두 개의 회전축에 대해 회전 구동되는 것도 가능하다. 스캐닝 미러(SM)는 또한, 하나의 반사면을 갖는 것으로 도시되고 있으나 이는 예시적인 것이며, 복수의 미러 요소가 배열되고 이들 각각의 방향이 조절되어 입사광(Li)을 대상체(OBJ)를 향하는 방향으로 스티어링 하는 것도 가능하다.
도 4b를 참조하면, 광학 위상 어레이(OPA)는 복수의 채널(CH1, CH2, ?)을 포함할 수 있다. 복수의 채널(CH1, CH2, ?) 각각에서 입사광의 위상을 변경시키는 위상 변화 값이 설정될 수 있고, 이에 따라 입사광(Li)이 스티어링 되어 출사되는 방향이 조절될 수 있다.
광학 위상 어레이(OPA)의 복수의 채널(CH1, CH2, ?) 각각은 입사광에 대한 위상 변화 값이 전기적으로 조절될 수 있는 서브 파장의 형상 치수를 가지는 메타 소자를 포함할 수 있다.
또는, 광학 위상 어레이(OPA)는 입사광(Li)의 경로를 복수개의 경로로 분기하여 각각의 출력단(복수의 채널)을 향하게 하는 실리콘 포토닉스 기반의 광도파로일 수 있다. 이러한 광도파로는 분기된 복수개의 경로 각각에 구비되는 위상 지연자를 포함할 수 있고, 각 경로의 길이 및/또는 각 경로의 위상 지연자에서의 위상 지연 정도를 조절하여 입사광(Li)이 스티어링 되어 출사되는 방향이 조절될 수 있다.
광학 위상 어레이(OPA)는 입사광(Li)에 대해 각 채널에서 일어나는 위상 변화의 조합에 의해 정해지는 방향으로 광을 스티어링 한다. 위상 변화 값의 조합에 따라, 입사광(Li)이 스티어링 되어 출사되는 방향은 LS1, LS2 LS3 로 순차적으로 조절될 수 있다.
도 5는 도 2의 라이다 장치에 구비되는 프로세서의 예시적인 구성을 보이는 블록도이고, 도 6은 도 5의 프로세서에 의해 대상 영역이 구획된 예를 보인다.
프로세서(300)는 대상 영역 구획부(330)와 분석부(350)를 포함할 수 있다. 대상 영역 구획부(339)와 분석부(350)의 실행을 위한 코드는 라이다 장치(1000)에 구비된 메모리에 저장될 수 있고 프로세서(300)에 의해 이러한 코드가 실행될 수 있다.
대상 영역 구획부(330)는 대상체(OBJ)가 포함된 소정의 시야각(FOV) 범위를 라이다 장치(1000)에 구비된 복수의 광원 개수와 동일한 개수로 분할할 수 있다. 도 6은 복수의 광원 개수가 6개인 경우, 시야각 범위가 6개로 분할된 예를 보이고 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 분할 개수나 분할된 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
대상 영역 구획부(330)는 분할된 영역이 스캐닝 광학계(100)에 의해 스캔되도록 스캐닝 제어 신호를 생성하고 이를 스캐닝 광학계(100)에 인가할 수 있다. 스캐닝 제어 신호는 예를 들어, 빔 스티어링 소자(180)가 도 4a에 예시된 바와 같은 스캐닝 미러(SM)인 경우, 회전 방향 및 회전각을 제어하는 회전 구동 제어 신호일 수 있다. 스캐닝 제어 신호는 빔 스티어링 소자(180)가 도 4b에 예시된 바와 같은 광학 위상 어레이(OPA)인 경우, 각 채널에 인가할 위상 제어 신호일 수 있다. 위상 제어 신호는 각 채널을 구성하는 메타 소자에 인가할 전기 신호일 수 있고, 또는 각 채널에 구비된 위상 지연자에 대한 위상 지연 신호일 수 있다.
분석부(350)는 대상체에 조사된 광의 조사각도, 이를 고려하여 계산된 비행시간(TOF) 값들을 전체적으로 고려하여 대상체(OBJ)의 위치 및 형상을 분석할 수 잇다.
도 7은 도 2의 라이다 장치에 구비되는 광 검출부의 예시적인 회로 구성을 보인다.
광 검출부(120)는 복수의 광 검출 요소(222)와 복수의 광 검출요소(222) 각각에서 검출된 광들의 비행 시간을 측정하는 타임 카운터(247)들을 포함할 수 있다.
광 검출부(120)는 복수의 광 검출요소(222) 각각에서 출력된 전류를 전압으로 변환하는 복수의 전류-전압 변환 회로(241), 복수의 전류-전압 변환(241) 회로 각각에서 변환된 전압을 증폭하는 복수의 증폭기(243) 및 복수의 증폭기(243)에서 증폭된 신호에서 피크를 검출하는 복수의 피크 검출부(245)를 포함할 수 있다.
복수의 광 검출요소(222)는, 대상체로부터의 복수의 광(L1, L2, L3)들을 개별적으로 검출하여, 전류 신호를 출력할 수 있다.
복수의 전류-전압 변환 회로(241)는 복수의 광 검출요소(222) 각각에서 출력되는 전류 신호를 전압 신호로 변환할 수 있다.
복수의 증폭기(243)은 복수의 전류-전압 변한 회로(241) 각각에서 변환되는 전압 신호를 증폭할 수 있다.
복수의 피크 검출기(245)은 복수의 증폭기(243) 각각에서 증폭되는 전압 신호에서 피크를 검출할 수 있다. 예를 들어, 복수의 피크 검출기들245)은 전기 신호의 상승 에지 및 하강 에지를 검출함으로써 피크를 검출할 수 있다. 또한, 복수의 피크 검출기(245)는 CFD(Constant Fraction Discriminator) 방식을 이용하여 피크를 검출할 수 있다. 복수의 피크 검출기(245)는 비교기를 더 포함할 수 있고, 검출된 피크를 펄스 신호로 출력할 수 있다.
복수의 타임 카운터(247)는 복수의 광 검출요소(222) 각각에서 검출되는 광의 비행 시간을 측정할 수 있다. 복수의 타임 카운터(247) 각각은, 복수의 피크 검출기(245) 각각에서 출력되는 펄스 신호가 입력되는 경우, 광원에 의한 광 조사 시점으로부터 클락 신호(clock signal)가 몇 주기 생성되었는지를 계산하여, 광의 비행 시간을 측정할 수 있다. 또한, 복수의 타임 카운터(247) 각각은 측정된 광의 비행 시간들 각각에 대한 정보를 레지스터에 저장할 수 있다. 복수의 타임 카운터 (247) 각각은 TDC(Time to Digtal Converter)로 구현될 수 있다.
타임 카운터(247)에서의 측정 결과는 프로세서(300)로 전송되며, 프로세서(300)는 이를 이용하여, 대상체에 대한 정보, 예를 들어 대상체의 위치 형상등의 분석을 위한 데이터 처리를 수행할 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 라이다 장치 구동방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
본 실시예의 라이다 장치 구동방법은 구동할 광원 개수를 선정하고 이를 이용하여 대상체에 광을 조사하는 점에서, 도 1에서 설명한 라이다 장치 구동방법과 차이가 있다. 이러한 방법은 주어진 복수의 광원을 모두 사용하지 않아도 되는 경우에 선택적으로 사용될 수 있다.
먼저, 프레임 타임 및 영상 해상도를 고려하여 구동할 광원 개수를 선정한다(S101). 광원 개수는 하나 또는 복수일 수 있다.
다음, 선택된 복수의 광원을 이용하여 대상체에 서로 다른 조사 각도로 광을 조사한다(S103). 선택된 복수의 광원 개수에 따라 대상체를 포함하는 소정의 시야각 범위의 영역을 구획하고 구획된 영역 각각을 복수의 광원을 사용하여 스캔할 수 있다. 상기 서로 다른 조사 각도는 전술한 바와 같이, 이를 구분하여 검출할 수 있는 정도의 각도 차이일 수 있다.
서로 다른 조사 각도로 상기 대상체에 조사된 광의 반사광을 구분하여 검출하고(S200), 또한, 검출된 광을 이용하여 대상체의 위치와 형상에 대한 정보를 획득한다(S300).
본 실시예에 따른 라이다 장치 구동방법에 따르면, 주어진 프레임 타임 내에 대상체에 대한 정보를 소정 이상의 영상 해상도로 얻을 수 있고, 이 때, 대상체 분석을 위해 고려되어야 할 시야각 범위에 따라 구동 광원의 개수를 다르게 설정할 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이며, 도 10은 도 9의 라이다 장치에 구비되는 프로세서의 예시적인 구성을 보이는 블록도이다.
라이다 장치(1001)는 대상체(OBJ)에 광을 스캐닝하는 스캐닝 광학계(100), 스캐닝 광학계(100)에서 대상체(OBJ)에 조사된 광의 반사광을 검출하는 광 검출부(200), 스캐닝 광학계(100)와 광 검출부(200)를 제어하는 프로세서(301)를 포함한다.
스캐닝 광학계(100)는 복수의 광원을 포함하는 광원부(110)과 빔 스티어링 소자(180)를 포함하며, 광원부(110)와 빔 스티어링 소자(180)의 배치 및 구동은 복수의 광원 각각에서의 광이 빔 스티어링 소자(180)를 경유하여 서로 다른 조사 각도로 대상체(OBJ)를 스캐닝하도록 정해진다.
실시예에 따른 라이다 장치(1001)는 프로세서(301)가 광원부(110)에 구비된 복수의 광원 중 구동할 광원을 먼저 선정하고, 이에 따라 대상 영역의 분할 개수를 설정하여 스캐닝 광학계(100)를 구동하는 점에서, 도 2의 라이다 장치(1000)와 차이가 있다.
도 9에서는 두 개의 광원, 즉, 광원 1, 광원 N이 구동 광원으로 선택된 것을 예시하고 있으며, 이 경우, 광원 1, 광원 N으로부터 광이 조사되고 선택되지 않은 광원에서는 광이 조사되지 않도록 프로세서(301)에 의해 광원부(110)의 구동이 제어된다.
프로세서(301)는 광원 선택부(310), 대상 영역 구획부(330), 분석부(350)를 포함한다. 광원 선택부(310), 대상 영역 구획부(339), 분석부(350)의 실행을 위한 코드는 라이다 장치(1000)에 구비된 메모리에 저장될 수 있고 프로세서(301)에 의해 이러한 코드가 실행될 수 있다.
광원 선택부(310)는 주어진 프레임타임 및 영상 해상도를 고려하여, 구동할 광원의 개수를 설정한다. 설정된 광원 개수에 따라 스캐닝 광학계(100)에 구비된 복수의 광원 중 일부를 구동 광원으로 선택할 수 있다.
대상 영역 구획부(330)는 대상체(OBJ)가 포함된 소정의 시야각(FOV) 범위를 설정된 복수의 광원 개수와 동일한 개수로 분할할 수 있다. 대상 영역 구획부(330)는 분할된 영역이 스캐닝 광학계(100)에 의해 스캔되도록 스캐닝 제어 신호를 생성하고 이를 스캐닝 광학계(100)에 인가할 수 있다. 스캐닝 제어 신호는 전술한 바와 같이, 스캐닝 미러(SM)의 회전 방향 및 회전각을 제어할 회전 구동 제어 신호이거나 또는, 광학 위상 어레이(OPA)의 각 채널에 인가할 위상 제어 신호일 수 있다.
분석부(350)는 대상체에 조사된 광의 조사각도, 이를 고려하여 계산된 비행시간(TOF) 값들을 전체적으로 고려하여 대상체(OBJ)의 위치 및 형상을 분석할 수 있다.
실시예들에 따른 라이다 장치(1000)(1001), 이의 구동방법은 전방 객체에 대한 3차원 정보가 정밀하게 획득할 수 있으며 따라서 다양한 전자 기기에 채용될 수 있다. 이러한 전자기기는 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 이외에도, 이동 통신 기기 또는 사물 인터넷 기기일 수 있다.
실시예들에 따른 장치는 프로세서, 프로그램 데이터를 저장하고 실행하는 메모리, 디스크 드라이브와 같은 영구 저장부(permanent storage), 외부 장치와 통신하는 통신 포트, 터치 패널, 키(key), 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스 장치 등을 포함할 수 있다. 소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read-only memory), RAM(random-access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 메모리에 저장되고, 프로세서에서 실행될 수 있다.
실시예들은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시 예는 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩 업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다. 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 본 실시 예는 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 실시 예는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. "매커니즘", "요소", "수단", "구성"과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
실시예들에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 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, 1001.. 라이다 장치
100.. 스캐닝 광학계
110.. 광원부
180.. 빔 스티어링 소자
200.. 광 검출부
220.. 디텍터 어레이
222.. 광 검출요소
240.. 회로부
300, 301.. 프로세서

Claims (20)

  1. 복수의 광원과 빔 스티어링 소자를 포함하며, 상기 복수의 광원에서의 광이 서로 다른 조사 각도로 대상체를 스캐닝하는, 스캐닝 광학계;
    상기 서로 다른 조사 각도로 상기 대상체에 조사된 광의 반사광을 구분하여 검출하는 복수의 픽셀 영역을 포함하는 광 검출부; 및
    상기 스캐닝 광학계와 상기 광 검출부를 제어하며, 상기 광 검출부에서 검출된 광을 이용하여 상기 대상체에 대한 정보를 획득하는 프로세서;를 포함하는, 라이다 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광원에서의 광이 상기 대상체로 향하는 복수의 조사선 사이의 각도는 상기 광 검출부의 해상도 분해능 이상인, 라이다 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출부는
    상기 서로 다른 조사 각도로 상기 대상체에 조사된 광이 상기 대상체에서 반사되어 상기 복수의 광 검출요소 중 서로 다른 광 검출 요소에 입사되도록, 상기 복수의 광 검출 요소가 배열된 라이다 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광원에서의 광이 상기 대상체로 향하는 복수의 조사선 사이의 각도는 1° 이상인, 라이다 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광원은 상기 대상체를 향해 동시에 또는 소정 시간 이내에 광을 출사하는, 라이다 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 소정 시간은 1㎲ 이하인, 라이다 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 조사 각도 및 상기 대상체로부터 반사된 광의 비행 시간에 기초하여 상기 대상체까지의 거리를 결정하고, 상기 대상체의 위치, 형상 분석을 위한 데이터 처리를 수행하는, 라이다 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 복수의 광원 개수와 동일한 개수로 상기 대상체의 영역을 나누어 스캔하도록 상기 스캐닝 광학계를 제어하는, 라이다 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 복수의 광원 중 일부 광원만을 선택하여 상기 대상체를 스캐닝하도록 상기 스캐닝 광학계를 제어하는, 라이다 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 대상체에 대한 한 프레임의 영상 처리에 요구되는 기준 시간 및 영상 해상도를 고려하여, 상기 일부 광원의 개수를 설정하는, 라이다 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 픽셀 영역 각각에는 광 검출 요소가 배치되며,
    상기 광 검출 요소는,
    애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode) 또는 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(Single Photon Avalenche Diode) 중 적어도 하나를 포함하는, 라이다 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출부는,
    상기 복수의 픽셀 영역; 및
    상기 복수의 픽셀 영역 각각에서 검출된 광들의 비행 시간을 측정하는 타임 카운터들;을 포함하는, 라이다 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광 검출부는,
    상기 복수의 픽셀 영역 각각에서 출력된 전류를 전압으로 변환하는 복수의 전류-전압 변환 회로;
    상기 복수의 전류-전압 변환 회로 각각에서 변환된 전압을 증폭하는 복수의 증폭기; 및
    상기 복수의 증폭기에서 증폭된 신호에서 피크를 검출하는 복수의 피크 검출부;를 더 포함하는, 라이다 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 빔 스티어링 소자는 기계식 회전으로 광의 조준 방향을 조절하는 스캐닝 미러인, 라이다 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 빔 스티어링 소자는 위상 제어로 광의 조준 방향을 조절하는 광학 위상 어레이(optical phased array)인, 라이다 장치.
  16. 복수의 광원을 이용하여 대상체를 향해 서로 다른 조사 각도로 광을 조사하는 단계;
    상기 서로 다른 조사 각도로 상기 대상체에 조사된 광의 반사광을 구분하여 검출하는 단계;
    상기 검출된 광을 이용하여 상기 대상체의 위치와 형상에 대한 정보를 획득하는 단계;를 포함하는, 라이다 장치 구동 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 광을 조사하는 단계는
    상기 복수의 광원에서의 광이 상기 대상체로 향하는 복수의 조사선 사이의 각도를 광 검출부의 해상도 분해능 이상으로 하는, 라이다 장치 구동 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 광원은 상기 대상체를 향해 동시에 또는 소정 시간 이내에 광을 출사하는, 라이다 장치 구동 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 대상체를 향해 광을 조사할, 상기 복수의 광원 개수를 설정하는 단계;를 더 포함하는, 라이다 장치 구동 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 대상체에 대한 한 프레임의 영상 처리에 요구되는 기준 시간 및 영상 해상도를 고려하여, 상기 복수의 광원 개수를 설정하는, 라이다 장치 구동 방법.

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