KR20210022401A - 라이다 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

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이지산
김정우
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삼성전자주식회사
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Abstract

라이다 장치 및 그 동작 방법을 개시한다. 본 라이다 장치는, 입사광의 위상을 변조하여 특정 방향으로 광을 방출하는 위상 배열 소자, 광 위상 배열 소자에서 방출된 상기 광 자체를 기준광으로 검출하며, 광 위상 배열 소자에서 방출된 광 중 대상체에 대한 정보를 포함하는 타겟광을 검출하는 광 검출기 및 기준광에 대응하는 기준 신호와 상기 타겟광에 대응하는 타겟 신호의 상관관계(correlation)를 이용하여 상기 라이다 장치와 대상체간의 거리를 결정하는 프로세서를 포함한다.

Description

라이다 장치 및 그 동작 방법{LiDAR device and operating method of the same}
개시된 실시예들은 라이다 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
라이다(Light Detection And Ranging: LiDAR) 장치는 다양한 분야, 예를 들어, 우주항공, 지질학, 3차원 지도, 자동차, 로봇, 드론 등에 응용되고 있다. 라이다 장치는 광의 왕복 비행시간 측정법(Time of Flight, 이하 ToF라 한다)을 기본 동작 원리로 이용한다. 예를 들어, 라이다 장치는 대상체를 향해 광을 송신하고 센서를 통해 이를 다시 수신하며, 고속 전기회로를 이용하여 비행시간을 계측할 수 있다. 또한, 라이다 장치는 비행시간으로부터 대상체까지의 거리를 연산하고, 대상체의 각 위치 별로 연산된 거리를 이용하여 대상체에 대한 깊이 영상을 생성할 수 있다.
한편, 노이즈가 존재하는 환경 또는 타겟 신호가 소신호(small signal)인 환경에서도 라이다 장치가 깊이 영상을 정확하게 처리하기 위해서는 광의 비행시간을 정확하게 계측하는 기술이 요구될 수 있다.
광 위상 배열 소자에서 방출된 광을 기준광으로 이용하는 라이다 장치 및 그 동작 방법을 제공한다.
일 측면(aspect)에 따른 라이다(Light Detection And Ranging: LiDAR) 장치는, 입사광의 위상을 변조하여 특정 방향으로 광을 방출하는 광 위상 배열 소자; 상기 광 위상 배열 소자에서 방출된 상기 광 자체를 기준광으로 검출하는 제1 광 광출기; 상기 광 위상 배열 소자에서 방출된 광 중 대상체에 대한 정보를 포함하는 타겟광을 검출하는 제2 광 검출기; 및 제1 광 검출기에서 출력된 상기 기준광에 대응하는 기준 신호와 상기 제2 광 검출기에서 출력된 상기 타겟광에 대응하는 타겟 신호의 상관관계(correlation)를 이용하여 상기 라이다 장치와 대상체간의 거리를 결정한다.
그리고, 상기 위상 배열 소자의 적어도 일부가 배치된 기판;을 더 포함하고, 상기 제1 광 검출기는 상기 기판상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 위상 배열 소자와 상기 제1 광 검출기는 상기 기판의 동일 표면상에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 위상 배열 소자로부터 상기 기준광을 수신하여 상기 제1 광 검출기로 출력시키는 도파로;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 도파로는, 상기 위상 배열 소자에서 상기 제1 광 검출기로 갈수록 폭이 좁아지는 영역을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 도파로는, 상기 위상 배열 소자에서 수신된 상기 기준광을 상기 도파로로 입사시키는 입력 커플러; 및 상기 도파로를 진행한 상기 기준광을 상기 제1 광 검출기로 출력시키는 출력 커플러;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 입력 커플러는, 상기 위상 배열 소자의 안테나 각각에 대응하여 배치된 복수 개의 서브 입력 커플러;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 도파로는, 상기 위상 배열 소자 중 적어도 일부가 배치된 기판상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 도파로는, 광 파이버를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 광 파이버는, 상기 위상 배열 소자 중 적어도 일부가 배치된 기판상에 본딩될 수 있다.
또한, 상기 광 위상 배열 소자는 상기 입사된 광을 복수 개의 서브 광으로 분배시키는 광분배기;분배된 상기 복수 개의 서브 광 각각의 위상을 변조시키는 위상 변조 어레이; 및 상기 위상 변조된 복수 개의 서브 광을 방출시킴으써 상기 특정 방향으로 상기 광을 방출시키는 안테나 어레이;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 광 위상 배열 소자는 전극층; 상기 전극층 상에 배치된 활성층; 상기 활성층 상에 배치된 절연층; 및 상기 절연층 상에 배치된 안테나층;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 기준 신호가 검출된 시점과 상기 기준 신호와 상기 타겟 신호간의 상호 상관 함수 값 중 기준값 이상인 시점까지의 시간을 이용하여 상기 라이다 장치와 상기 대상체간의 거리를 결정할 수 있다.
그리고, 상기 기준값은, 상기 상호 상관 함수값 중 최대값일 수 있다.
또한, 상기 타겟 신호가
Figure pat00001
이고, 상기 기준 신호가
Figure pat00002
일 때, 상기 상호 상관 함수는 다음과 같은 수학식
Figure pat00003
에 의해 결정될 수 있다.
그리고, 상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 각각을 양자화하는 아날로그디지털 컨버터(Analog-digital converter: ADC);를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 중 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 단극 신호로 변환할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 라이다(Light Detection And Ranging: LiDAR) 장치의 동작 방법은, 광 위상 배열 소자에 의해 입사된 광의 위상을 변조하여 특정 방향으로 광을 방출하는 단계; 광 검출기에 의해 상기 광 위상 배열 소자에서 방출된 상기 광 자체를 기준광으로 검출하는 단계; 상기 광 검출기에 의해 광 위상 배열 소자에서 방출된 광 중 대상체에 대한 정보를 포함하는 타겟광을 검출하는 단계; 및 프로세서에 의해 상기 기준광에 대응하는 기준 신호와 상기 타겟광에 대응하는 타겟 신호의 상관관계(correlation)를 이용하여 상기 광 위상 배열 소자와 상기 대상체간의 거리를 결정하는 단계;를 포함한다.
그리고, 도파로에 의해 상기 기준광을 상기 광 검출기로 전달하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 거리를 결정하는 단계는, 상기 기준 신호가 검출된 시점과 상기 기준 신호와 상기 타겟 신호간의 상호 상관 함수 값 중 기준값 이상인 시점까지의 시간을 이용하여 상기 라이다 장치와 상기 대상체간의 거리를 결정할 수 있다.
그리고, 상기 기준값은, 상기 상호 상관 함수 값 중 최대값일 수 있다.
또한, 상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 각각을 양자화하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 중 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 단극 신호로 변환하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
광 송신부에서 방출된 광을 기준광으로 이용하기 때문에 작은 크기의 광으로도 대상체까지의 거리를 측정할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광 위상 배열 소자를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 기준 신호와 타겟 신호의 상호 상관도와 비행 시간과의 관계를 나타내는 참조도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 라이다 장치를 나타내는 블록도이다.
도 5a는 일 실시예에 다른 아날로그디지털변환기에서 출력되는 기준 신호와 타겟 신호의 결과를 시뮬레이션한 결과이다.
도 5b는 도 5a에서 출력된 신호들에 상호 상관 함수가 적용된 결과이다.
도 6는 ADC와 TDC(Time Digital Counter)를 이용한 광의 비행 시간을 산출한 결과를 시뮬레이션한 결과이다.
도 7은 일 실시예에 따른 기준광을 이용한 라이다 장치의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 8은 일부 실시예에 따른 라이다 장치의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 제1 광 검출기와 광 위상 배열 소자간의 배열 관계를 도시한 도면이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 제1 광 검출기와 광 위상 배열 소자의 관계를 도시한 도면이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 제1 광 검출기와 광 위상 배열 소자의 관계를 도시한 도면이다.
도 12은 일 실시예에 따른 광 파이버를 이용하여 제1 광 검출기와 광 위상 배열 소자를 연결하는 방법을 설명하는 참조도면이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 광 위상 배열 소자를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14는 도 13의 광 위상 배열 소자의 안테나 공진기를 도시한 도면이다.
본 실시예들에서 사용되는 용어는 본 실시예들에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 임의로 선정된 용어도 있으며, 이 경우 해당 실시예의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 실시예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시예들의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
실시예들에 대한 설명들에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 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.
본 실시예들에서 사용되는 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
하기 실시예들에 대한 설명은 권리범위를 제한하는 것으로 해석되지 말아야 하며, 해당 기술분야의 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 것은 실시예들의 권리범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 이하 첨부된 도면들을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 장치(10)의 구성을 개략적으로 보이는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 라이다(LiDAR; Light Detection and Ranging) 장치(10)는 광의 위상을 변조하여, 대상체(OBJ)를 향하는 방향으로 광(Lm)을 출사하는 광 송신부(110), 광 송신부(110)에서 방출된 광(Lm)의 일부를 기준광(Lmr)으로 수신하고, 대상체(OBJ)로부터 반사된 광 즉, 대상체(OBJ)에 대한 정보를 포함하는 광을 타겟광(Lmo)으로 수신하는 광 수신부(130) 및 기준광(Lmr)에 대응하는 전기적 신호(이하 '기준 신호'라고 한다)와 타겟광(Lmo)에 대응하는 전기적 신호(이하 '타겟 신호'라고 한다)를 이용하여 광 송신부(110)와 대상체(OBJ)까지의 거리를 결정하는 프로세서(150)를 포함할 수 있다.
광 송신부(110)는 광을 제공하는 광원(112), 광원(112)으로부터 입사된 광의 위상을 변조하여 광을 방출하는 광 위상 배열 소자(114) 및 광원(112)과 광 위상 배열 소자(114)를 제어하는 광 제어기(116)를 포함할 수 있다.
광원(112)은 적외선 영역의 광을 조사하는 장치일 수 있다. 적외선 영역의 광을 이용할 경우 태양광을 포함하는 가시광선 영역의 자연광과 혼합되는 것이 방지될 수 있다. 다만, 이에 반드시 제한되는 것은 아니며, 광 송신부(110)는 다양한 파장 대역의 광을 조사하는 광원을 포함할 수 있고, 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 조사할 수도 있다. 또한, 광 송신부(110)는 펄스광 또는 연속광을 조사할 수 있다.
광원(112)은 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. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
광 위상 배열 소자(114)는 입사광의 위상을 변조하여 특정 방향으로 변조된 광을 방출할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 광 위상 배열 소자(114)를 개념적으로 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광 위상 배열 소자(114)는 입사된 광을 복수 개의 서브 광으로 분배시키는 광분배기(210), 분배된 상기 복수 개의 서브 광 각각의 위상을 변조시키는 광 위상 변조 어레이(220) 및 위상 변조된 복수 개의 서브 광을 변조된 광으로 방출시키는 안테나 어레이(230)를 포함할 수 있다. 광분배기(210), 광 위상 변조 어레이(220) 및 안테나 어레이(230)는 도파로(240)로 상호 연결되어 있다.
상기와 같이 광 위상 배열 소자(114)는 기계적인 움직임 없이 광의 방향을 조절할 수 있기 때문에 정교하고 빠른 제어가 가능한 장점이 있다. 그러나, 광 위상 배열 소자(114)는 입사된 광이 광 위상 배열 소자(114)를 통과하면서 손실이 발생하게 된다. 구체적으로 입사된 광은 광분배기(210), 광 위상 변조 어레이(220), 안테나 어레이(230) 및 도파로(240)를 진행하면서 광손실이 발행하게 된다. 일반적으로 광 위상 배열 소자(114)는 입력광 대비 출력광이 10db 이상의 손실을 가지게 된다. 광 위상 배열 소자(114)에서 출력된 광의 약한 파워는 광 수신부(130)에서 측정할 수 있는 거리의 범위 및 측정 거리의 정확도를 감소시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 라이다 장치(10)의 광 수신부(130)는 광 송신부(110), 예를 들어, 광 위상 배열 소자(114)에서 출력된 광 자체를 기준광(Lmr)으로 검출하는 제1 광 검출기(132)와 대상체(OBJ)에서 반사된 광 즉 대상체(OBJ)에 대한 정보를 포함하는 타겟광(Lmo)을 검출하는 제2 광 검출기(134)를 포함할 수 있다. 제1 광 검출기(132)는 기준광(Lmr)에 대응하는 전기적 신호, 즉 기준 신호를 출력하고, 제2 광 검출기(134)는 타겟광(Lmo)에 대응하는 전기적 신호, 즉 타겟 신호를 출력할 수 있다.
제1 및 제2 광 검출기(132, 134)는 광을 전기적 신호로 변환시키는 수광 소자일 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 광 검출기(132, 134)는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo-diode: APD) 및 싱글 포토 애벌런치 다이오드(SPAD) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
프로세서(150)는 기준광(Lmr)에 대응하는 기준 신호와 타겟광(Lmo)에 대응하는 타겟 신호간의 상관관계(correlation)를 이용하여 라이다 장치(10)와 대상체(OBJ)간의 거리를 결정할 수 있다.
기준 신호는 광 위상 변조 어레이(114)에서 출력된 광을 검출하는 결과이고, 타겟 신호는 위상 변조 어레이에서 출력된 광 중 대상체(OBJ)에서 반사된 광을 검출한 결과인 바, 기준 신호와 타겟 신호는 특성이 동일 또는 극히 유사할 수 있다. 따라서, 타겟 신호 및 기준 신호 간에 상관관계가 높아지는 시점을 검출하면, 광 송신부(110)로부터 출력된 광이 광 수신부(130)에 의해 수신되는 시간을 결정할 수 있다.
예를 들어, 프로세서(150)는 타겟 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관 함수를 적용할 수 있다. 상호 상관 함수는 두 함수들 간의 상관 정도를 나타내는 함수이므로, 타겟 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관 함수는 두 신호 간의 상관관계에 비례하는 값을 출력할 수 있다. 예를 들어, 타겟 신호를 y(t), 기준 신호를 x(t)라고 할 때, 타겟 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관 함수(Rxy(t))는 다음과 같은 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
Figure pat00004
상호 상관 함수는 타겟 신호와 기준 신호의 유사성을 정량적으로 계산한 결과이기 때문에, 기준 신호는 광의 비행 시간(TOF)만큼의 시간 지연을 가질 때 타겟 신호와 가장 유사한 모양을 가질 수 있다.
프로세서(150)는 기준 신호가 검출된 시점에서 기준 신호와 타겟 신호간의 상호 상관 함수의 값이 기준값 이상인 시점까지의 시간을 광의 비행 시간으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 기준값은 기설정된 값이거나 상호 상관 함수의 최대값일 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 기준 신호와 타겟 신호의 상호 상관도와 비행 시간과의 관계를 나타내는 참조도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광 검출기는 제1 시간에 기준광(Lmr)을 검출하여 도 3의 (i)에 도시된 바와 같은 기준 신호를 출력할 수 있다. 그리고, 제2 광 검출기(134)는 제2 시간에 타겟광(Lmo)을 검출하여 도 3의 (ii)에 도시된 바와 같은 타겟 신호를 출력할 수 있다. 프로세서(150)는 기준 신호와 타겟 신호에 상호 상관 함수를 적용하면, 도 3의 (iii)에 도시된 바와 같이 상호 상관 함수 값을 결정할 수 있다. 타겟 신호 또는 기준 신호가 소신호(small-signal)인 경우에도 상기한 상호 상관 함수 값은 타겟 신호보다 진폭이 크다. 그리하여, 프로세서(150)는 상호 상관 함수 값이 기준값 이상인 시점을 용이하게 결정할 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 라이다 장치(10a)를 나타내는 블록도이다. 도 1과 도 4를 참조하면, 도 4의 라이다 장치(10a)는 제1 및 제2 광 검출기(132, 134)에서 출력된 기준 신호 타겟 신호 각각을 양자화하는 아날로그디지털변환기 (Analog-digital converter: ADC)(136)를 더 포함할 수 있다. 또는 라이다 장치(10)는 기준 신호 및 타겟 신호로부터 오프셋을 제거하는 고역 필터(high-pass filter) 및 기준 신호 및 타겟 신호의 크기를 증폭시키는 증폭기(AMP, amplifier) 등을 더 포함할 수도 있다.
광 수신부(130)에 아날로그디지털변환기(136)가 포함되어 있는 경우, 프로세서(150)는 아날로그디지털변환기(136)로부터 양자화된 타겟 신호(xk)와 기준 신호(yi+k) 를 수신받고, 하기와 같은 수학식 2로 타겟 신호와 기준 신호간의 상호 상관 함수(Rxyi)를 적용할 수 있다.
Figure pat00005
구체적으로, 프로세서(150)는 광의 비행 시간을 아날로그디지털변환기(136)의 샘플링율(S)와 상관 함수의 계산 결과가 최대가 되는 시간 인덱스(imax)을 이용하여 광의 비행 시간을 산출할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 2imax/S를 광의 비행 시간으로 결정하고, 광 위상 배열 소자(114)와 대상체(OBJ)까지의 거리는 2cimax/S(여기서, c는 광의 속도)로 결정할 수 있다.
또는, 타겟 신호와 기준 신호간의 상호 상관 함수를 고속 푸리에 변환 (Fast Fourier Transform) 을 통해 산출할 수도 있다. 고속 푸리에 변환은 신호처리에 걸리는 계산 횟수를 크게 줄일 수 있다.
도 5a는 일 실시예에 다른 아날로그디지털변환기(136)에서 출력되는 기준 신호와 타겟 신호의 결과를 시뮬레이션한 결과이고, 도 5b는 도 5a에서 출력된 신호들에 상호 상관 함수가 적용된 결과이다. 시뮬레이션을 위해 변조 주파수는 100kHz 이고, 50%의 듀티비를 갖는 펄스 광을 이용하였다. 대역폭이 1.5GHz이고 샘플링율이 1.25GHz인 아날로그디지털변환기(136)를 이용하였다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 아날로그디지털변환기(136)에서 출력된 타겟 신호는 기준 신호에 비해 약간의 시간 지연을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 기준 신호 및 타겟 신호의 피크 범위는 크게 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 그리하여, 두 신호간의 시간 지연을 결정함에 있어서 부정확할 수 있음을 예상할 수 있다. 한편, 타겟 신호와 기준 신호에 상호 상관 함수를 적용한 결과, 도 5b에 도시된 바와 같이, 신호의 피크가 샤프함을 확인할 수 있다. 이는 두 신호간의 시간 지연의 정확도가 높아질 것을 예상할 수 있다.
도 6는 ADC와 TDC(Time Digital Counter)를 이용한 광의 비행 시간을 산출한 결과를 시뮬레이션한 결과이다. ADC 및 상호 상관 함수를 이용하여 대상체(OBJ)까지의 거리를 측정한 결과, 150cm 이상에 있는 대상체(OBJ)에 대한 거리도 측정할 수 있음을 확인할 수 있다. 반면 TDC를 이용하여 대상체(OBJ)까지의 거리를 측정한 결과, 150cm 이상에 있는 대상체(OBJ)에 대한 거리는 거리의 측정 평균값이 왜곡되어 있을 뿐 아니라 오차 범위도 커서 측정이 어려움을 확인할 수 있다.
기준 신호는 송신부에서 출력된 광 자체를 기초로 하는 바, 광이 광원(112) 및 광 위상 배열 소자(114)를 진행하면서 소요되는 시간을 고려할 필요가 없다. 광 제어기의 변조 신호를 기준 신호로 이용하면, 변조 신호로 광원을 변조할 때 발생할 수 있는 시간축 노이즈, 예를 들어, 지터가 상호 상관 함수에 포함될 수 있다. 그러나, 일 실시예에 따른 기준 신호는 광 송신부에서 출력되는 광 자체를 이용하기 때문에, 시간축 노이즈(temporal noise) 또는 지터(jitter)가 제거된다. 그리하여, 광의 비행 시간 측정의 정확도를 더 높일 수 있다.
또한, 비록 광 송신부(110)에서 출력되는 광의 세기 및 광 수신부(130)에서 검출하는 광의 세기가 약하다 할지라도 기준광(Lmr) 및 타겟광(Lmo)의 특성이 유사하기 때문에 상호 상관 함수를 적용하면 거리 측정의 정확도를 높일 수 있다.
한편, 노이즈 또는 오실레이션 등에 의해 타겟 신호 또는 기준 신호를 나타내는 신호 값들에 음의 값들이 포함되는 경우 상호 상관 함수 계산에 의한 증폭 효과가 감소될 수 있다. 프로세서(150)는 노이즈 또는 오실레이션 등에 의해 상호 상관함수 계산에 의한 증폭 효과가 감소되는 것을 방지하기 위해 타겟 신호 및 기준 신호 각각을 단극(unipolar) 신호로 변환할 수 있다. 단극 신호는 양극(bipolar) 신호의 반대 개념으로서, 음 또는 양 중 어느 하나의 극성의 신호 값들만을 갖는 신호를 의미할 수 있다.
프로세서(150)는 기준 신호 및 타겟 신호들 중 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 타겟 신호를 단극의 기준 신호 및 단극의 타겟 신호로 변환할 수 있다. 또는 프로세서(150)는 절대값을 취하는 방식 외의 다른 방식을 이용하여 타겟 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환할 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 타겟 신호 또는 기준 신호를 나타내는 신호 값들 중 특정한 값(0 이상의 값)보다 작은 값을 갖는 신호 값들을 모두 특정한 값으로 대체하는 방식을 이용하여 타겟 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환할 수 있으며, 타겟 신호 또는 기준 신호를 나타내는 신호값들에 제곱을 취하는 방식을 이용하여 타겟 신호 및 기준 신호를 단극 신호로 변환할 수도 있다.
프로세서(150)는 단극 신호로 변환된 타겟 신호 및 기준 신호 간의 상호 상관함수를 계산하고, 계산된 상호 상관함수의 값이 기준값 이상인 시점, 예를 들어, 상호 상관 함수의 값이 최대인 시점을 결정하며, 기준 신호가 검출된 시점에서부터 상호 상관 함수의 값이 최대가 되는 시점까지의 시간을 광의 비행시간으로 결정할 수 있다. 상기한 비행 시간과 광의 속도를 이용하여 송신부에 대상체(OBJ)까지의 거리를 결정할 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따르면, 프로세서(150)는 계산된 상호 상관함수의 값이 기 설정된 임계값을 초과하는 시점이 존재하지 않는 경우 광 송신부(110)가 대상체(OBJ)를 향해 레이저 펄스를 복수 번 조사하도록 제어하고, 대상체(OBJ)로부터 반사된 레이저 펄스들로부터 복수의 타겟 신호들을 획득하며, 획득된 복수의 타겟 신호들을 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출할 수도 있다. 프로세서(150)는 복수 번의 측정을 통해 타겟 신호들을 포함하는 모집단의 수를 증가시킬 수 있고, 에버리징(averaging) 등의 기법을 이용함으로써 노이즈 제거(noise cancellation)를 수행할 수 있다. 이에 따라, 노이즈가 많은 환경에서도 반사된 레이저 펄스의 수신 시점이 정확하게 검출될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 기준광(Lmr)을 이용한 라이다 장치(10)의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
광 송신부(110)는 광을 방출할 수 있다. 광 제어기(116)의 제어하에 광원(112)은 특정 주파주의 광을 광 위상 배열 소자(114)에 제공하고, 광 위상 배열 소자(114)는 광 제어기(116)의 제어하에 입사된 광의 위상을 변조하여 특정 방향으로 광을 방출시킬 수 있다. 광원(112)은 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. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
광 위상 배열 소자(114)는 입사된 광을 복수 개의 서브 광으로 분배시키는 광분배기(210), 분배된 상기 복수 개의 서브 광 각각의 위상을 변조시키는 위상 변조 어레이 및 위상 변조된 복수 개의 서브 광을 방출함으로써 광이 특정 방향으로 방출되는 안테나 어레이(230)를 포함할 수 있다. 광 위상 배열 소자(114)는 나노 구조물을 포함할 수도 있다.
한편, 광 수신부(130)는 광 위상 배열 소자(114)에서 출력된 광 자체를 기준광(Lmr)으로 검출하고, 광 위상 배열 소자(114)에서 출력된 광 중 대상체(OBJ)에 의해 반사된 광인 타겟광(Lmo)을 검출할 수 있다(S320). 예를 들어, 제1 광 검출기(132)는 광 위상 배열 소자(114)에서 출력된 광 자체를 기준광(Lmr)으로 검출하고, 제2 광 검출기(134)는 대상체(OBJ)에서 반사된 광 즉 대상체(OBJ)에 대한 정보를 포함하는 타겟광(Lmo)을 검출할 수 있다. 제1 광 검출기(132)와 제2 광 검출기(134)는 서로 다른 센서일 수도 있고 하나의 센서일 수도 있다. 제1 및 제2 광 검출기(132, 134)는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photo-diode: APD) 및 싱글 포토 애벌런치 다이오드(SPAD) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
프로세서(150)는 기준 신호와 타겟광(Lmo)에 대응하는 타겟 신호간의 상관관계(correlation)를 이용하여 위상 배열 소자와 상기 대상체(OBJ)간의 거리를 결정할 수 있다(S330). 프로세서(150)는 기준 신호가 검출된 시점에서 기준 신호와 타겟 신호간의 상호 상관 함수의 값이 기준값 이상인 시점까지의 시간을 광의 비행 시간으로 결정할 수 있다. 그리고, 프로세서(150)는 광의 속도와 광의 비행 시간을 이용하여 라이다 장치(10)와 대상체(OBJ)까지의 거리를 결정할 수 있다.
기준 신호는 위상 변조 어레이에서 출력된 광을 검출하는 결과이고, 타겟 신호는 위상 변조 어레이에서 출력된 광 중 대상체(OBJ)에서 반사된 광을 검출한 결과인 바, 기준 신호와 타겟 신호는 특성이 동일 또는 극히 유사할 수 있다. 그리하여, 타겟 신호 또는 기준 신호가 소신호(small-signal)인 경우에도 프로세서(150)는 기준 신호와 타겟 신호에 상호 상관 함수를 적용하면 진폭이 큰 상호 상관 함수 값을 획득할 수 있는 바, 기준값 이상의 상호 상관 함수 값의 시점을 광의 비행 시간에 결정에 이용할 수 있다. 광수신부는 아날로그디지털 변환기를 이용할 수도 있다.
또한 프로세서(150)는, 노이즈 또는 오실레이션 등에 의해 상호 상관함수 계산에 의한 증폭 효과가 감소되는 것을 방지하기 위해 타겟 신호 및 기준 신호 각각을 단극(unipolar) 신호로 변환할 수 있으며, 단극의 기준 신호 및 단극의 타겟 신호에 상호 상관 함수를 적용하여 광의 비행시간으로 결정하고, 광의 비행 시간 및 광의 속도를 이용하여 라이다 장치(10)와 대상체(OBJ)까지의 거리를 결정할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 프로세서(150)는 계산된 상호 상관함수의 값이 기준값 이상인 시점이 존재하지 않는 경우 광 송신부(110)가 대상체(OBJ)를 향해 레이저 펄스를 복수 번 조사하도록 제어하고, 대상체(OBJ)로부터 반사된 레이저 펄스들로부터 복수의 타겟 신호들을 획득하며, 획득된 복수의 타겟 신호들을 이용하여 레이저 펄스의 비행시간을 검출할 수도 있다. 프로세서(150)는 복수 번의 측정을 통해 타겟 신호들을 포함하는 모집단의 수를 증가시킬 수 있고, 에버리징(averaging) 등의 기법을 이용함으로써 노이즈 제거(noise cancellation)를 수행할 수 있다. 이에 따라, 노이즈가 많은 환경에서도 반사된 레이저 펄스의 수신 시점이 정확하게 검출될 수 있다.
한편, 전술한 라이다 장치(10)의 동작 방법은 그 방법을 실행하는 명령어들을 포함하는 하나 이상의 프로그램이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
도 8은 일부 실시예에 따른 라이다 장치(10b)의 다른 예를 나타내는 도면이다.
일 예에서, 라이다 장치(10b)는 자율 주행 자동차 또는 ADAS(Advanced Driver Assistance Systems)를 채용하는 자동차에 배치되는 라이다 시스템일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 라이다 장치(10b)는 우주항공, 지질학, 3차원 지도, 로봇, 드론 등과 같은 다양한 분야에 응용될 수 있음을 해당 기술분야의 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 것이다. 라이다 장치(10b)는 레이저 빔을 이용하여 노출된 주변의 장면 또는 풍경에 대한 정보를 획득하고, 획득된 정보에 기초하여 노출된 주변의 장면 또는 풍경에 대한 3차원 포인트 클라우드(point cloud)를 구성할 수 있다.
도 8을 참조하면, 라이다 장치(10b)는 광원(410), 광 스캐너(light scanner) 또는 광 디퓨저(light diffuser)(420), 제1 광학 렌즈(430), 제2 광학 렌즈(440), 광 검출기(450), 신호 처리기(460) 및 연산기(470)를 포함할 수 있다. 도 8의 광원(410), 광 스캐너 또는 광 디퓨저(420) 및 제1 광학 렌즈(430)는 도 1의 광 송신부(110)에 대응되고, 도 8의 제2 광학 렌즈(440) 및 광 검출기(450)는 도 1의 광 수신부(130)에 대응되며, 도 8의 신호 처리기(460) 및 연산기(470)는 도 1의 프로세서(150)에 대응될 수 있는바, 중복적인 설명은 생략한다.
광원(410)는 복수의 광원(112)들로 구성될 수 있으며, 대상체(OBJ)의 위치 또는 형상의 분석에 사용할 광을 조사할 수 있다. 광원(410)는 소장 파장의 광을 생성, 조사하며, 예를 들어, 대상체(OBJ)의 위치 또는 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광을 방출할 수 있다. 광원(410)는 복수의 서로 다른 파장 대역의 광을 생성 조사할 수도 있다. 또한, 광원(410)는 펄스광 또는 연속광을 생성 조사할 수 있다.
광원(410)는 프로세서(150)의 제어하에, 대상체(OBJ)를 향해 광을 조사할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 각 광원(112)에서의 광의 조사 방향 또는 조사 각도를 설정할 수 있고, 복수의 광원(112)들이 각 설정된 조사 각도 또는 방향에 따라 광을 조사하도록 광원(410)를 제어할 수 있다. 프로세서(150)는 라이다 장치(10b)의 전반적인 동작을 제어하는 구성으로서, 도 1의 프로세서(150)에 대응될 수 있다.
광 스캐너 또는 광 디퓨저(420)는 광원(410)로부터의 광을 대상체(OBJ)를 향해 조준하며 조준방향을 시순차적으로 조절함으로써 광원(410)에서 나오는 점광(point light)이 대상체(OBJ) 전체를 스캔하도록 한다. 광 스캐너 또는 광 디퓨저(420)로는 스캐닝 미러 또는 위상 배열 소자(optical phased array)가 사용될 수 있다. 광 스캐너 또는 광 디퓨저(420)로부터 조준된 광은 제1 광학 렌즈(430)를 통해 대상체(OBJ)로 조사될 수 있다. 한편, 대상체(OBJ)로부터 반사된 반사광은 제2 광학 렌즈(440)를 통해 광 검출기(450)에 수신될 수 있다.
제1 광 검출기(132)는 광 스캐너 또는 광 디퓨저로부터 조준된 광 자체를 기준광(Lmr)으로 검출할 수 있다. 제2 광 검출기(134)는 대상체(OBJ)로부터의 반사광을 위치에 따라 구분하여 검출할 수 있는 픽셀화된 복수의 영역들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 광 검출기(134)는 복수의 픽셀들로 구획된 디텍터 어레이를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들 각각에는 광 검출요소가 배치될 수 있다. 광 검출요소는 광을 센싱할 수 있는 센서로서, 예를 들어, 광 에너지에 의해 전기 신호를 발생시키는 수광 소자일 수 있다. 광 검출요소들은 디텍터 어레이 내에서의 위치에 따라 구분되는 픽셀들을 이루며, 각 픽셀들은 대상체(OBJ)로부터의 반사광을 광원(410)에서 조사되는 광의 조사 각도에 따라 구분하여 검출할 수 있다.
신호 처리기(460) 및 연산기(470)는 광 검출기(450)로부터 검출된 반사광으로부터 광의 비행시간을 계산할 수 있다. 신호 처리기(460) 및 연산기(470)가 광의 비행시간을 계산하는 구체적인 방법은 도 1를 참조하여 전술하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다. 신호 처리기(460) 및 연산기(470)는 비행시간으로부터 대상체(OBJ)까지의 거리를 연산하고, 대상체(OBJ)의 각 위치 별로 연산된 거리를 이용하여 대상체(OBJ)에 대한 깊이 영상 또는 3차원 포인트 클라우드를 생성할 수 있다.
한편, 제1 광 검출기(132)는 송신부에서 출력된 광 자체를 검출하는 바, 제1 광 검출기(132)는 송신부와 근접한 거리에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 광 검출기(132)는 광 위상 배열 소자(114)가 배열된 기판(510)상에 배치될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 제1 광 검출기(132)와 광 위상 배열 소자(114)간의 배열 관계를 도시한 도면이다. 광 위상 배열 소자(114)는 기판(510) 상에 입력 커플러(250), 하나 이상의 광분배기(210) 및 복수 개의 위상 변조기(222) 및 복수 개의 안테나(232)가 배치될 수 있다. 도 9의 복수 개의 위상 변조기(222)는 도 2의 광 위상 변조 어레이(220)에 대응하고, 도 9의 복수 개의 안테나(232)는 도 2의 안테나 어레이(230)에 대응한다. 기판(510) 상에 선택적으로 절연층(미도시)이 구비될 수 있고, 절연층(미도시) 상에 입력 커플러(250), 광분배기(210), 위상 변조기(222) 및 안테나(232)가 구비될 수 있다. 또한, 인접한 두 개의 요소 사이, 즉, 입력 커플러(250)와 광분배기(210) 사이, 광분배기(210)와 위상 변조기(222) 사이, 위상 변조기(222)와 안테나(232) 사이에는 도파로(들)(240)이 구비될 수 있다.
광분배기(210)는, 예컨대, MMI(multimode interference) 구조를 갖거나, 그 밖에 다양한 구조를 가질 수 있다. 위상 변조기(222)는 전기적 방식으로 광변조를 수행하는 구조를 갖거나, 그 밖에 다른 구조, 예컨대, 자기적 방식, 열적 방식, 기계적 방식 등으로 광변조를 수행하는 구조를 가질 수도 있다. 또한, 위상 변조기(222)는 위상 변조나 진폭 변조 등 다양한 변조 방식을 취할 수 있다. 위상 변조기(222)는 복수의 도파로(240)를 포함할 수 있고, 상기 복수의 도파로(240)를 지나는 광들에 대하여 광변조를 수행할 수 있다. 안테나(232)는, 예컨대, 복수의 도파로(240)를 포함할 수 있고, 상기 복수의 도파로(240) 각각에 형성된 격자(grating) 구조를 더 포함할 수 있다. 입력 커플러(250), 광분배기(210), 위상 변조기(222) 및 안테나(232)의 구체적인 구조는 전술한 바에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다.
입력 커플러(250), 광분배기(210), 위상 변조기(222) 및 안테나(232) 중 적어도 하나는 Ⅳ족 물질(ex, Si, Ge 등), Ⅳ족 물질을 포함하는 화합물(ex, SiGe 등), Ⅲ-Ⅴ족 화합물, 산화물(oxide), 질화물(nitride) 및 폴리머(polymer) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 경우에 따라, 입력 커플러(250), 광분배기(210), 위상 변조기(222) 및 안테나(232) 중 적어도 두 개의 요소는 서로 다른 물질을 포함할 수도 있다. 기판(510)이 실리콘(Si)을 포함하거나, 입력 커플러(250), 광분배기(210), 위상 변조기(222) 및 안테나(232) 중 적어도 하나가 Si을 포함하는 경우, 본 실시예에 따른 광 위상 배열 소자(114)는 "실리콘 포토닉스(silicon photonics)" 분야의 기술을 이용해서 구현/제조할 수 있다. 실리콘 포토닉스(silicon photonics) 기술은 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 공정과 함께 사용될 수 있는(즉, compatible한) 기술이기 때문에, 공정의 용이성 측면에서 유리할 수 있다.
도면에는 광 위상 배열 소자(114) 모두가 하나의 기판(510)상에 배치되어 있는 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되지 않는다. 광 위상 배열 소자(114) 중 일부가 기판(510)상에 배치될 수 있다.
한편, 기준광을 검출하는 제1 광 검출기(132)도 광 위상 배열 소자(114)가 배치된 기판(510)상에 배치될 수 있다. 제1 광 검출기(132)는 기판(510) 중 광 위상 배열 소자(114)가 배치된 표면과 동일한 표면상에 배치될 수 있다.
도 10은 다른 실시예에 따른 제1 광 검출기(132)와 광 위상 배열 소자(114)의 관계를 도시한 도면이다. 기판(510)상에는 안테나 어레이(230)에서 방출된 광의 일부인 기준광을 수신하여 제1 광 검출기(132)로 출력하는 도파로(610)가 더 배치될 수 있다. 상기한 도파로(610)상에는 안테나 어레이(230)에서 수신된 기준광을 상기한 도파로(610)로 입사시키는 입력 커플러(612) 및 도파로(610)를 진행한 기준광을 상기한 제1 광 검출기(132)로 출력시키는 출력 커플러(614)가 배치될 수 있다. 그리고, 제1 광 검출기(132)는 안테나 어레이(230)에 대향하게 기판(510)상에 배치될 수 있다. 도파로(610)의 단면은 입력 커플러(612)에서 출력 커플러(614)로 갈수록 폭이 좁아지는 형상일 수 있다. 그리하여, 제1 광 검출기(132)에 입사되는 기준광의 광 밀도를 높일 수 있다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 제1 광 검출기(132)와 광 위상 배열 소자(114)의 관계를 도시한 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 기판(510)상에는 안테나 어레이(230)의 각 안테나(232)에서 출력되는 서브 광을 수신하는 복수 개의 서브 도파로(620), 복수 개의 서브 광을 결합시키는 광결합기(630) 및 결합된 광을 제1 광 검출기(132)로 전달하는 도파로(640)가 배치될 수도 있다. 서브 도파로(620) 각각은 안테나(232)에서 출력되는 서브 광 각각을 수신하는 서브 입력 커플러(622)를 포함할 수 있다. 광결합기(630)에서 결합된 복수 개의 서브 광이 기준광이 될 수 있다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 기준광을 제1 광 검출기(132)에 전달하는 도파로(610, 620, 640)가 기판(510)상에 배치되기 때문에 제1 광 검출기(132)가 배치되는 위치는 보다 자유로울 수 있다. 예를 들어, 제1 광 검출기(132)는 기판(510) 중 광 위상 배열 소자(114)가 배열된 표면이 아닌 표면, 예를 들어, 광 위상 배열 소자(114)가 배열된 표면과 대향하는 표면상에 제1 광 검출기(132)가 배치될 수도 있다.
도 10 및 도 11에 도시된 도파로(610, 640) 및/또는 서브 도파로(620)는 기판(510)상에 복수 개의 층이 적층되어 모노리틱하게 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 도파로(610, 640)는 광 파이버를 포함할 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 광 파이버(650)를 이용하여 제1 광 검출기(132)와 광 위상 배열 소자(114)를 연결하는 방법을 설명하는 참조도면이다. 광 파이버(650)의 일단은 광 위상 배열 소자(114)가 배열된 기판(510)상에 본딩될 수 있고, 타단은 제1 광 검출기(132)에 대향하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 광 파이버(650)의 일단은 도파로(640)의 출력 커플러에 대향하게 배치될 수 있다. 상기와 같이 광 파이버(650)를 이용함으로써 제1 광 검출기(132)는 광 위상 배열 소자(114)가 배치된 기판(510)과 다른 기판(510)에 배치될 수도 있다.
도 9 내지 12에서 광 위상 배열 소자(114)는 광분배기(210), 광 위상 변조 어레이(220) 및 안테나 어레이(230)는 분리된 구조로 설명되었으나, 이에 한정되지 않는다. 광 위상 변조 어레이(220)와 안테나 어레이(230)는 일체형일 수도 있고, 광분배기(210)를 구비하지 않을 수도 있다.
도 13은 다른 실시예에 따른 광 위상 배열 소자를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 13을 참조하면, 위상 배열 소자(114a)는 독립적으로 구동되는 복수 개의 안테나 공진기(700)를 포함할 수 있다. 각각의 안테나 공진기(700)는 제 1 방향으로 길게 연장된 안테나층(740)을 포함할 수 있다. 그리고, 복수 개의 안테나층(740)들이 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 일정한 간격으로 배열될 수 있다. 이러한 구성에서, 복수 개의 안테나 공진기(700)에 인가되는 전압의 조합들에 따라 입사광(Li)이 반사되어 특정 방향의 광(Lm)으로 출력된다. 복수 개의 안테나 공진기는 나노 구조물일 수 있다.
도 14는 도 13의 광 위상 배열 소자(114a)의 안테나 공진기를 도시한 도면이다. 도 14를 참조하면, 각각의 안테나 공진기(700)는 전극층(710), 전극층(710) 위에 배치된 활성층(720), 활성층(720) 위에 배치된 절연층(730), 및 절연층(730) 위에 배치된 나노 규모의 안테나층(740)을 포함할 수 있다. 도 14에는 편의상 단지 하나의 안테나층(740)만이 도시되었으나, 복수 개의 안테나 공진기(700)를 포함하는 위상 배열 소자(110)는 절연층(730) 상에 일정한 간격으로 이격되어 배열된 복수 개의 안테나(740)을 포함할 수 있다.
전극층(710)은 공통 전극의 역할을 하며 도전성을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 전극층(710)은 광원(112)에서 방출된 광에 대해 반사성을 갖는 재료로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 전극층(710)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(710)은 금속 이외에도 탄소나노 구조체, 전도성 고분자 재료로 이루어질 수도 있다.
안테나층(740)는 광에 대해 안테나의 역할을 하는 것으로, 특정 파장의 광에 대해 국소 표면 플라즈몬 공진(localized surface plasmon resonance)을 일으켜 그 에너지를 포획하여 방출할 수 있다. 표면 플라즈몬 공진은 금속에 광이 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(740)은, 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 등과 같은 우수한 도전성을 갖는 금속 재료로 이루어질 수 있다. 안테나층(740)의 크기와 형상은 입사광의 파장에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 안테나층(740)의 크기는 광원(112)으로부터 방출된 광의 파장보다 작을 수 있다. 예를 들어, 동작 파장이 가시광 또는 근적외선광인 경우에, 안테나층(740)의 폭 또는 길이는 약 400 nm 또는 그 이하일 수 있다. 또한, 안테나층(740)은 단순한 막대 형태를 가질 수도 있지만, 원형, 타원형, 십자형 등 다양한 형태의 패턴을 가질 수도 있다.
절연층(730)은 안테나층(740)를 활성층(720) 및 전극층(710)으로부터 전기적으로 절연시키는 역할을 한다. 예를 들어, 절연층(730)은 HfO2, SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO 등과 같은 산화막 또는 SiNx 와 같은 질화막으로 이루어질 수 있다.
활성층(720)은 전기적 신호, 예를 들어, 전극층(710)과 안테나층(740) 사이에 형성되는 전기장에 의해 활성층(720) 내부의 전하 밀도가 변하면서 안테나층(740)에서의 공진 특성을 변화시키는 역할을 한다. 다시 말해, 전극층(710)과 안테나층(740) 사이에 형성되는 전기장에 의해 활성층(720) 내에 전하 축적층 또는 공핍층이 생성되어 공진 조건이 변화하여 반사광의 위상이 변화할 수 있다. 이러한 활성층(720)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 광 위상 배열 소자(114)에서, 활성층(720) 내부의 전하 밀도는 전극층(710)과 안테나층(740) 사이의 전기장의 세기에 따라 달라지게 된다. 전극층(710)에는 공통 전압이 인가되므로, 특히 복수 개의 안테나층(740)에 인가되는 전압의 분포에 따라 활성층(720) 내부의 전하 밀도 분포가 변화할 수 있다. 활성층(720) 내부의 전하 밀도 변화는 안테나층(740)에서의 공진 특성을 변화시키고, 변화된 공진 특성은 안테나층(740)에서 반사되는 광의 위상 변이를 발생시켜, 반사되는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 따라서, 인접하여 배열된 복수 개의 안테나층(740)에 인가되는 전압의 분포에 따라 반사되는 광의 위상 변이 분포가 결정되므로, 복수 개의 안테나층(740)에 인가되는 전압을 조절함으로써 반사되는 광의 진행 방향을 제어할 수 있다. 광 위상 배열 소자(114a)는 이와 같은 방식으로 입사광을 반사하여 원하는 방향으로 광을 스티어링할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 앞서 설명한 라이다 장치 및 그 동작 방법은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
10, 10a : 라이다 장치
110: 광 송신부
112: 광원
114, 114a: 광 위상 배열 소자
130: 광 수신부
132: 제1 광 검출기
134: 제2 광 검출기
136: 아날로그디지털변환기
150: 프로세서
240, 610, 620, 640: 도파로

Claims (23)

  1. 라이다(Light Detection And Ranging: LiDAR) 장치에 있어서,
    입사광의 위상을 변조하여 특정 방향으로 광을 방출하는 광 위상 배열 소자;
    상기 광 위상 배열 소자에서 방출된 상기 광 자체를 기준광으로 검출하는 제1 광 광출기;
    상기 광 위상 배열 소자에서 방출된 광 중 대상체에 대한 정보를 포함하는 타겟광을 검출하는 제2 광 검출기; 및
    제1 광 검출기에서 출력된 상기 기준광에 대응하는 기준 신호와 상기 제2 광 검출기에서 출력된 상기 타겟광에 대응하는 타겟 신호의 상관관계(correlation)를 이용하여 상기 라이다 장치와 대상체간의 거리를 결정하는 프로세서;를 포함하는 라이다 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 위상 배열 소자의 적어도 일부가 배치된 기판;을 더 포함하고,
    상기 제1 광 검출기는 상기 기판상에 배치되는 라이다 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 위상 배열 소자와 상기 제1 광 검출기는 상기 기판의 동일 표면상에 배치되는 라이다 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 위상 배열 소자로부터 상기 기준광을 수신하여 상기 제1 광 검출기로 출력시키는 도파로;를 더 포함하는 라이다 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 도파로는,
    상기 위상 배열 소자에서 상기 제1 광 검출기로 갈수록 폭이 좁아지는 영역을 포함하는 라이다 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 도파로는,
    상기 위상 배열 소자에서 수신된 상기 기준광을 상기 도파로로 입사시키는 입력 커플러; 및
    상기 도파로를 진행한 상기 기준광을 상기 제1 광 검출기로 출력시키는 출력 커플러;를 포함하는 라이다 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 입력 커플러는,
    상기 위상 배열 소자의 안테나 각각에 대응하여 배치된 복수 개의 서브 입력 커플러;를 포함하는 라이다 장치.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 도파로는,
    상기 위상 배열 소자 중 적어도 일부가 배치된 기판상에 배치되는 라이다 장치.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 도파로는,
    광 파이버를 포함하는 라이다 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 광 파이버는,
    상기 위상 배열 소자 중 적어도 일부가 배치된 기판상에 본딩된 라이다 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 광 위상 배열 소자는
    상기 입사된 광을 복수 개의 서브 광으로 분배시키는 광분배기;
    분배된 상기 복수 개의 서브 광 각각의 위상을 변조시키는 위상 변조 어레이; 및
    상기 위상 변조된 복수 개의 서브 광을 방출시킴으써 상기 특정 방향으로 상기 광을 방출시키는 안테나 어레이;를 포함하는 라이다 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 광 위상 배열 소자는
    전극층;
    상기 전극층 상에 배치된 활성층;
    상기 활성층 상에 배치된 절연층; 및
    상기 절연층 상에 배치된 안테나층;을 포함하는 라이다 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 기준 신호가 검출된 시점과 상기 기준 신호와 상기 타겟 신호간의 상호 상관 함수 값 중 기준값 이상인 시점까지의 시간을 이용하여 상기 라이다 장치와 상기 대상체간의 거리를 결정하는 라이다 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 기준값은,
    상기 상호 상관 함수값 중 최대값인 라이다 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 타겟 신호가
    Figure pat00006
    이고, 상기 기준 신호가
    Figure pat00007
    일 때, 상기 상호 상관 함수는 다음과 같은 수학식
    Figure pat00008
    에 의해 결정되는 라이다 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 각각을 양자화하는 아날로그디지털 컨버터(Analog-digital converter: ADC);를 더 포함하는 라이다 장치.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 중 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 단극 신호로 변환하는, 라이다 장치.
  18. 라이다(Light Detection And Ranging: LiDAR) 장치의 동작 방법에 있어서,
    광 위상 배열 소자에 의해 입사된 광의 위상을 변조하여 특정 방향으로 광을 방출하는 단계;
    광 검출기에 의해 상기 광 위상 배열 소자에서 방출된 상기 광 자체를 기준광으로 검출하는 단계;
    상기 광 검출기에 의해 광 위상 배열 소자에서 방출된 광 중 대상체에 대한 정보를 포함하는 타겟광을 검출하는 단계; 및
    프로세서에 의해 상기 기준광에 대응하는 기준 신호와 상기 타겟광에 대응하는 타겟 신호의 상관관계(correlation)를 이용하여 상기 광 위상 배열 소자와 상기 대상체간의 거리를 결정하는 단계;를 포함하는 라이다 장치의 동작 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    도파로에 의해 상기 기준광을 상기 광 검출기로 전달하는 단계;를 더 포함하는 라이다 장치의 동작 방법.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 거리를 결정하는 단계는,
    상기 기준 신호가 검출된 시점과 상기 기준 신호와 상기 타겟 신호간의 상호 상관 함수 값 중 기준값 이상인 시점까지의 시간을 이용하여 상기 라이다 장치와 상기 대상체간의 거리를 결정하는 라이다 장치의 동작 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 기준값은,
    상기 상호 상관 함수 값 중 최대값인 라이다 장치의 동작 방법.
  22. 제 18항에 있어서,
    상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 각각을 양자화하는 단계;를 더 포함하는 라이다 장치의 동작 방법.
  23. 제 18항에 있어서,
    상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 중 적어도 일부에 절대값을 취함으로써 상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 단극 신호로 변환하는 단계;를 더 포함하는 라이다 장치의 동작 방법.
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