KR20230101632A - 3차원 거리 정보 획득 장치 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

3차원 거리 정보 획득 장치 및 이를 포함하는 전자 장치 Download PDF

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KR20230101632A
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박정현
김선일
이민경
정병길
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삼성전자주식회사
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Abstract

3차원 거리 정보 획득 장치 및 이를 포함하는 전자 장치가 개시된다.
3차원 거리 정보 획득 장치는, 펄스 광을 출사하는 광원 및, 광원으로부터 입사되는 광을 스티어링하여 시간 분할 방식으로 광원에서 출사되는 광이 스캔 지점별로 조사되도록 하는 공간 광 변조기를 포함하는 송신부, 스캔 지점에서 반사된 광을 감지하는 광검출기를 포함하는 수신부, 및 송신부 및 수신부를 제어하여 3차원 거리 정보를 획득하는 제어부를 포함한다.

Description

3차원 거리 정보 획득 장치 및 이를 포함하는 전자 장치{3D distance information acquisition system and electronic apparatus including the same}
3차원 거리 정보 획득 장치 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
3차원 이미지 획득을 위해, 송신부의 광원에서 출광되어 진행하는 광을 여러 방향으로 복사하여 생성(pattern replica)하는 회절 광학소자(DOE: diffractive optical element)를 사용한다. 광원을 수 ns 시간 정도로 짧은 시간 동안만 켰다가 끄는 방식으로 펄스 광을 형성하고, 대상체에서 반사되어 되돌아오는 펄스 광은 수신부에서 전기신호로 전환되며, 전기신호의 피크치를 추출한 후 송신부와의 시간 차이를 이용하여 거리를 측정한다.
이와 같이, 광원에서 출사되는 펄스 광을 회절 광학소자로 복수개로 나누어 사용하면 광 파워가 낮다. 이러한 낮은 광 파워에 의해 탐지 가능한 거리가 제한된다. 이를 극복하기 위해 멀티 펄스(를 이용할 수 있다. 즉, 같은 거리 측정을 여러 번 반복함으로써 노이즈를 감소시키는 효과를 가져올 수 있으며, 그 결과 동일 피크 파워를 가지고도 탐지 거리를 늘릴 수 있다. 그러나 이러한 방법은 여러 번 반복하여 측정하는 과정에서 한 점에서 측정 가능한 시간(dwell time) 증가가 수반된다.
3차원 거리 정보 획득시, 충분한 탐지 거리를 확보할 수 있는 3차원 거리 정보 획득 장치를 제공한다.
모바일 기기에 적용 가능하면서 충분한 탐지 거리 확보가 가능한 3차원 거리 정보 획득 장치를 제공한다.
3차원 거리 정보 획득 장치를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 유형에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치는, 펄스 광을 출사하는 광원 및, 상기 광원으로부터 입사되는 광을 스티어링하여 시간 분할 방식으로 상기 광원에서 출사되는 광이 스캔 지점별로 조사되도록 하는 공간 광 변조기를 포함하는 송신부; 상기 스캔 지점에서 반사된 광을 감지하는 광검출기를 포함하는 수신부; 및 상기 송신부 및 수신부를 제어하여 3차원 거리 정보를 획득하는 제어부를 포함한다.
상기 공간 광 변조기는, 제1물질층; 상기 제1반도체층 상에 배치된 공동층(cavity); 및 상기 공동층 상에 격자 구조물을 포함하는 제2물질층;을 포함할 수 있다.
상기 공간 광 변조기는, 위상 변조에 의해 입사광을 스티어링하기 위한 복수의 픽셀을 포함하며, 각 픽셀은 상기 제1물질층, 공동층, 격자 구조물을 포함하는 제2물질층의 적층 구조를 포함할 수 있다.
상기 격자 구조물은, PIN 구조, NIN 구조 및 PIP 구조 중 어느 하나일 수 있다.
상기 공동층은 SiO2를 포함하며, 상기 격자 구조물은 Si을 포함하는 PIN 구조로 이루어질 수 있다.
상기 격자 구조물의 피치는, 상기 공간 광 변조기에 의해 변조되는 광의 파장보다 작을 수 있다.
상기 제1물질층은 분산 브래그 반사기일 수 있다.
상기 제1물질층은 Si층과 SiO2층의 반복 적층을 포함할 수 있다.
상기 공간 광 변조기는, 외부 전기 자극에 의해, 상기 격자 구조물의 굴절율이 변화하여 공진 조건이 제어되어 위상이 변조되도록 마련될 수 있다.
상기 공간 광 변조기는, 투과형 또는 반사형일 수 있다.
상기 광원은, 에지 발광 레이저, 수직 공동 표면발광 레이저, 광결정 표면발광 레이저 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 송신부는, 상기 광원에서 출사된 광을 콜리메이팅하는 콜리메이팅 렌즈;를 더 포함할 수 있다.
상기 송신부는, 출광 광학계;를 더 포함하며, 상기 출광 광학계는, 상기 공간 광 변조기에 의한 빔 스티어링 범위를 확장하는 발산 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 발산 렌즈는, 적어도 일 렌즈면이 오목한 오목 렌즈나 실린더 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 광검출기는, SiPM, APD, SPAD 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광원에서 출사된 광이 상기 공간 광 변조기로 향하는 방향을 제1진행 방향, 상기 공간 광 변조기에 의해 스티어링되는 광의 진행 방향을 제2진행 방향이라 할 때, 상기 공간 광 변조기는 상기 제1진행 방향 및 제2진행 방향이 이루는 평면에 대해 경사지게 배치될 수 있다.
상기 광원에서 출사된 광이 상기 공간 광 변조기로 향하는 방향을 제1진행 방향, 상기 공간 광 변조기에 의해 스티어링되는 광의 진행 방향을 제2진행 방향이라 할 때, 상기 공간 광 변조기는 상기 제1진행 방향 및 제2진행 방향이 이루는 평면에 수직을 이루도록 배치되며, 상기 공간 광 변조기에 의해 스티어링되는 광을 상기 평면을 벗어나는 방향으로 반사시키는 경사진 미러부재;를 더 구비할 수 있다.
일 유형에 따른 전자 장치는, 거리 센서, 3차원 센서, 라이다 센서 중 적어도 하나의 센서를 구비하며, 상기 센서로 상기한 3차원 거리 정보 획득 장치를 구비할 수 있다.
상기 센서는 모바일용 라이다 센서일 수 있다.
상기 전자 장치는, 모바일용 뎁스 카메라일 수 있다.
실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치에 따르면, 위상 변조 배열에 기반한 빔 스티어링 소자로서 역할을 하는 공간 광 변조기를 구비하므로, 광원에서 출사되는 광의 파워를 한번에 모아서 한 방향으로만 탐지하므로, 충분한 광 파워를 확보할 수 있으며, 이에 따라 3차원 거리 정보 획득시, 충분한 탐지 거리를 확보할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치에 따르면, 모바일 기기의 폼 팩터를 충족할 수 있으므로, 모바일용 라이다 센서, 거리 센서, 3차원 센서 등으로 적용될 수 있으며, 이에 따라 모바일용 뎁스 카메라 등을 탑재한 모바일 기기를 구현할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치를 개략적으로 보여준다.
도 2는 다른 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치를 개략적으로 보여준다.
도 3a는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치에 적용될 수 있는 공간 광 변조기의 일 예를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 공간 광 변조기의 일 픽셀(PX1, PX2)의 평면도이다.
도 4a는 도 3a의 픽셀(PX1, PX2)에 포함된 격자 구조물(GS)의 단면도이고, 도 4b는 격자 구조물(GS)을 다른 방향(Y 방향) 단면도이다.
도 5는 실시예에 따른 공간 광 변조기에 인가되는 위상 프로파일의 예를 도시한 도면이다.
도 6a는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치에 적용되는 송신부의 광학적 구성의 일 예를 예시적으로 보여준다.
도 6b는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치에 적용되는 송신부의 광학적 구성의 다른 예를 예시적으로 보여준다.
도 7은 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치의 송신부에서의 빔 스티어링을 예시적으로 보여준다.
도 8a 및 도 8b는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치의 출광 광학계에 실린더 렌즈 형태의 발산 렌즈를 구비하는 예들을 보여준다.
도 9a는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치의 송신부에서의 시간 순차적 빔 스티어링을 예시적으로 보여준다.
도 9b는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치의 송신부에서의 시간 순차적으로 출사되는 광의 단위 방향별 펄스 파워를 예시적으로 보여준다.
도 10는 다양한 측정 반복에 대해 random white noise의 영향을 시뮬레이션 계산한 결과를 보여준다.
도 11은 도 10의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 SNR 값을 반복 횟수에 따라 정량적으로 도시하고, 추세선을 추가하여 비교한 결과를 보여준다.
도 12은 공간 광 변조기의 동작 속도(변조 속도)를 예시적으로 나타낸다.
도 13는 공간 광 변조기의 동작을 시간에 따라 도시한 timing diagram 이다.
도 14a는 공간 광 변조기의 반사율 스펙트럼을 격자 구조물의 굴절율 변화(△nSi,i)값에 따라 보여준다.
도 14b는 공간 광 변조기의 위상 스펙트럼을 보여준다.
도 14c 기준 상태(△nSi,i=0) 와 비교했을 때의 공간 광 변조기의 위상 변화를 보여준다.
도 15는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치를 모바일 기기에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다.
도 16는 도 15의 모바일 기기 내부에 3차원 거리 정보 획득 장치의 송신부를 배치한 예를 보여준다.
도 17a 및 도 17b는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 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 위, 아래, 좌, 우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위, 아래, 좌, 우에 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, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
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.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치는, 빔 스티어링 소자로 위상 변조 배열을 형성하는 공간 광 변조기를 적용하여, 시간 분할 방식으로 3차원 거리 정보를 획득하도록 마련된다. 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치는, 거리 정보나 3차원 이미지 획득을 위해 거리 센서, 3차원 센서, 라이다 센서 등으로 적용될 수 있다.
거리 정보나 3차원 이미지 획득을 위해, 모바일 기기에 기계식 회전에 기반한 빔 스티어링 방식을 적용하는 것은 두께가 예를 들어, 수 mm 이하가 되어야 하는 폼 팩터(form factor) 한계 때문에 어려움이 있다. 또한, MEMS (micro electro-mechanical system) 기반의 빔 스티어링 방식은 외부 충격이나 진동에 취약하므로, 모바일 기기에 적용이 어렵다.
실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치는, 비기계식 빔 스티어링 방식으로, 고체 상 빔 스티어링 기술을 적용하여, 광원에서 출사되는 광의 파워를 한번에 모아서 한 방향으로만 탐지하므로, 충분한 광 파워를 확보할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치는, 모바일 기기의 폼 팩터를 충족하면서, 충분한 탐지 거리를 확보할 수 있어, 예를 들어, 모바일용 라이다 센서, 거리 센서, 3차원 센서 등으로 적용될 수 있으며, 이에 따라 모바일용 뎁스 카메라 등을 탑재한 모바일 기기를 구현할 수 있다. 이외에도, 라이다 센서, 거리 센서, 3차원 센서 등을 요구하는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)를 개략적으로 보여준다. 도 2는 다른 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)를 개략적으로 보여준다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는, 광원(21) 및 공간 광 변조기(30)를 포함하는 송신부(20), 광검출기(51)를 포함하는 수신부(50), 송신부(20) 및 수신부(50)를 제어하여 3차원 거리 정보를 획득하기 위한 제어부(70)를 포함한다. 송신부(20)는 도 2에 예시적으로 보인 바와 같이, 광원 광학계(23) 및 출광 광학계(25) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 수신부(50)는 도 2에 예시적으로 보인 바와 같이, 수신 광학계(55)를 더 포함할 수 있다. 도 2에서는 광원 광학계(23), 출광 광학계(25), 수신 광학계(55)를 구비하는 예를 보여주는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는, 광원 광학계(23), 출광 광학계(25), 수신 광학계(55) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
광원(21)은 예를 들어, 가시광선 또는 약 800 nm 내지 약 1700 nm 대역의 근적외선을 방출하도록 마련될 수 있다. 광원(21)은 펄스 광원으로 동작하도록 마련될 수 있다. 광원(21)은 예컨대, 펄스 광을 출력하도록 구동되는 레이저 광원을 포함할 수 있다. 광원(21)은 원하는 파워의 펄스 광을 출력하도록 적어도 하나의 반도체 레이저 예컨대, 복수의 반도체 레이저 어레이를 구비할 수 있다. 복수의 반도체 레이저 어레이 전체 또는 일부를 온/오프시켜 원하는 파워의 펄스 광을 출력할 수 있다. 광원(21)으로 적용되는 반도체 레이저는 예를 들어, 에지 발광 레이저(EEL: edge emitting laser), 수직 공동 표면발광 레이저 (VCSEL: vertical cavity surface emitting laser), 광결정 표면발광 레이저 (PCSEL: photonic crystal surface emitting laser) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
이와 같이, 광원(21)은 적어도 하나의 반도체 레이저를 포함하며, 펄스 광을 출력하는 플래시(flash) 반도체 광원으로 사용하도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 광원(21)은 복수의 VCSEL 어레이를 구비하며, 복수의 VCSEL 어레이를 펄스 광을 출력하도록 Flash VCSEL 광원으로 사용할 수 있다.
공간 광 변조기(30)는, 입사된 광의 위상을 변조하여 광의 진행 방향을 원하는 방향으로 조절하도록 마련될 수 있다. 공간 광 변조기(30)는 위상 변조에 의해 입사광을 스티어링하기 위해 복수 개의 픽셀을 포함할 수 있다. 여기서, 픽셀은 공간 광 변조기(30)에서 독립적으로 구동되는 가장 작은 단위 또는 광의 위상을 독립적으로 변조할 수 있는 기본 단위를 나타낼 수 있다. 공간 광 변조기(30)는 픽셀들이 1차원 또는 2차원적으로 배열된 구조를 가질 수 있으며, 각 픽셀은 격자 구조물(GS)을 하나 또는 복수 개 포함할 수 있다. 격자 구조물(GS)간의 피치는 변조하는 광의 파장보다 작을 수 있다. 또한, 공간 광 변조기(30)는, 외부 전기 자극에 의해 격자 구조물의 굴절율이 변화하여 공진 조건이 제어되며, 이에 따라 위상이 변조되도록 마련될 수 있다. 인접한 픽셀에서 출사하는 광의 위상 관계에 의해 공간 광 변조기(30)에서 출사되는 광의 진행 방향이 결정될 수 있다.
공간 광 변조기(30)는 광을 다양한 방향으로 스티어링하도록 제어부(70)에서 제공된 위상 프로파일에 따라 구동될 수 있다. 위상 프로파일은 예를 들어, 공간 광 변조기(30)의 픽셀별로 온 신호 또는 오프 신호가 인가되는 바이너리 전기적 신호일 수 있다.
송신부(20)는 광원 광학계(23) 및 출광 광학계(25) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 광원 광학계(23)는 예를 들어, 후술하는 도 6a 및 도 6b에서와 같이 광원(21)에서 출사된 광을 콜리메이팅하는 콜리메이팅 렌즈(23a)를 포함할 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(23a)는 광원(21)과 공간 광 변조기(30) 사이에 위치할 수 있다. 광원(21)이 콜리메이팅된 광을 출사하거나, 빔의 단면이 대략적으로 원형인 광을 출사하도록 마련된 경우, 콜리메이팅 렌즈(23a)는 생략될 수도 있다. 출광 광학계(25)는, 예를 들어, 후술하는 도 6a 및 도 6b, 도 8a 및 도 8b에서와 같이 공간 광 변조기(30)에 의해 스티어링되는 광의 빔 스티어링 범위를 확장하는 발산 렌즈(25a,25b)를 포함할 수 있다. 발산 렌즈(25a,25b)는 예를 들어, 공간 광 변조기(30)에 의해 위상 변조되어 스티어링되는 광의 경로 상에 위치할 수 있다. 도 6a 및 도 6b에서와 같이, 발산 렌즈(25a)로 일 렌즈면 또는 양 렌즈면이 오목한 오목 렌즈를 구비할 수 있다. 도 8a 및 도 8b에서와 같이, 발산 렌즈(25b)로 일 렌즈면 또는 양 렌즈면이 오목한 실린더 렌즈를 구비할 수 있다.
광검출기(51)는, 송신부(20)에서 출사되고 스캔 지점에 위치한 물체에서 반사되어 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)로 되돌아오는 펄스 광을 감지한다. 광검출기(51)는, 예를 들어, silicon photomultiplier (SiPM), avalanche photo diode (APD), single photon avalanche diode (SPAD) 등을 포함할 수 있으며, SiPM array, APD array, SPAD array 가 사용될 수도 있다.
이때, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)에 따르면, 광원(21)에서 출사된 광을 한데 모아 개별 스캔 지점 스캔에 이용하고, 빔 스티어링 소자로 공간 광 변조기(30)를 적용하여, 시간 분할 방식으로 공간 광 변조기(30)에 의해 펄스 광을 다양한 방향으로 스티어링하여 3차원 거리 정보를 획득하므로, 픽셀 개별 검출이 불필요하다. 따라서, 픽셀 개별 검출이 필요한 광검출기 배열이 불필요하므로, 광검출기(51) 가격이 저감될 수 있다. 또한, 광검출기(51)로 SiPM array, APD array, SPAD array 등을 사용하는 경우에도, 상대적으로 저해상도로 광검출기 배열을 구성하거나, 회로 구성을 단순화할 수 있으므로, 광검출기(51) 가격이 저감될 수 있다.
한편, 수신부(50)는, 스캔 지점에서 반사된 광을 집광할 수 있는 렌즈, 외부의 조명과 태양광 등 주변광(ambient light)을 차단하기 위한 밴드 패스 필터 등을 더 포함할 수 있다. 밴드 패스 필터는 광검출기(51) 이전에 배치될 수 있으며, 송신부(20)의 출광 펄스와 유사한 파장을 갖는 광은 통과시키고, 그외 파장의 광은 차단함으로써 외광에 의한 노이즈를 최소화하도록 마련될 수 있다. 밴드 패스 필터는 입사 각도에 따라 통과되는 광의 파장이 시프트될 수 있는데, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)의 빔 스티어링 범위 내의 물체에서 반사되어 되돌아오는 펄스 광이 입사각을 가질 때, 시프트되는 파장의 범위를 최소로 하도록 마련될 수 있다. 이 경우, 외광에 의한 노이즈를 최소화한 상태로, 물체에서 반사된 3차원 거리 정보 획득을 위한 펄스 광이 주로 밴드 패스 필터를 통과하여 광검출기(51)로 수신될 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2를 참조하면, 펄스 광이 가까운 물체 예컨대, 물체1에서 반사되어 광검출기(51)에 되돌아오기 까지의 지연 시간(△τ1)은 짧고, 먼 물체 예컨대, 물체2에서 반사되어 광검출기(51)에 되돌아오기 까지의 지연 시간(△τ2)은 길게 된다.
송신부(20)에서 가까운 물체 예컨대, 물체1에 도달하는 펄스 광이 방출되는 시간을 t1, 먼 물체 예컨대, 물체2에 도달하는 펄스 광이 방출되는 시간을 t2라 할 때, 송신부(20)에서 t1 시간에 출사된 펄스 광이 가까운 물체1에서 반사되어 수신부(50)의 광검출기(51)에서 감지되는 시간은 t1+△τ1, 송신부(20)에서 t2 시간에 출사된 펄스 광이 먼 물체2에서 반사되어 광검출기(51)에서 감지되는 시간은 t2+△τ2가 된다. 따라서, 펄스 광을 방출한 시간과 되돌아온 시간 사이의 지연 시간을 이용하여 공간 광 변조기(30)에 의해 스티어링되는 각도별로 물체까지의 거리 정보를 알 수 있다.
이와 같이, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는, 시간 분할 방식으로 광원(21)에서 출사된 광을 한데 모아 개별 스캔 지점 스캔에 이용한다. 즉, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는, 도 1 및 도 2에 예시적으로 나타낸 바와 같이, 각 스캔 지점에 도달하는 펄스 광을 방출하는 시간(t1, t2 등)을 달리하며, 공간 광 변조기(30)에 의해 펄스 광을 다양한 방향으로 스티어링하여 3차원 거리 정보를 획득한다. 따라서, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는, 개별 조절이 필요한 addressable 광원이 불필요하며, 또한 픽셀 개별 검출이 필요한 광검출기 배열이 불필요하므로, 가격이 저감될 수 있다.
도 3a는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)에 적용될 수 있는 공간 광 변조기(30)의 일 예를 개념적으로 도시한 단면도이다. 도 3b는 도 3a의 공간 광 변조기(30)의 일 픽셀(PX1, PX2)의 평면도이다. 도 3a에서는 제1 픽셀(PX1)과 제2 픽셀(PX2)을 예시적으로 도시한다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 공간 광 변조기(30)는 제1 물질층(100), 제1 물질층(100)상에 배치되는 공동층(cavity, 200) 및 공동층(200)상에 배치되는 제2 물질층(300)을 포함할 수 있다.
공간 광 변조기(30)는 입사광(Li)의 위상을 변조하여 출력할 수 있다. 공간 광 변조기(30)는 위상 변조에 의해 입사광을 스티어링하기 위해 복수 개의 픽셀을 포함할 수 있다. 복수 개의 픽셀은 예를 들어, 제1 픽셀(PX1)과 제2 픽셀(PX2)을 포함할 수 있다. 픽셀은 공간 광 변조기(30)에서 독립적으로 구동되는 가장 작은 단위 또는 광의 위상을 독립적으로 변조할 수 있는 기본 단위를 나타낼 수 있다. 각 픽셀은 제2 물질층(300)을 형성하는 격자 구조물(GS)을 하나 또는 복수 개 포함할 수 있다. 도 3a는 2개의 픽셀(PX1,PX2)을 포함하는 구조를 예시적으로 보여준다. 공간 광 변조기(30)는 픽셀들이 1차원 또는 2차원적으로 배열된 구조를 가질 수 있다. 한편, 도 3a에서는 각 픽셀(PX1, PX2)이 7개의 격자 구조물(GS)를 포함하는 것을 보여주는데, 이는 예시적으로 보인 것일 뿐, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 격자 구조물(GS)간의 피치는 변조하는 광의 파장보다 작을 수 있다. 제1 및 제2 픽셀(PX1, PX2)의 한 변의 길이는 예를 들면 3 ㎛ 내지 300 ㎛ 일 수 있다.
이와 같이, 공간 광 변조기(30)는 위상 변조에 의해 입사광을 스티어링하기 위해 복수의 픽셀의 1차원적 또는 2차원적 배열을 가지며, 각 픽셀은 제1 물질층(310), 공동층(320), 제2 물질층(330)의 적층 구조를 포함할 수 있다.
한편, 공간 광 변조기(30)는 제1 물질층(100)을 지지하는 기판(400)을 더 포함할 수 있다. 기판(400)은 절연 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(400)은 광을 투과시키는 투명 기판(예를 들면 유리 기판) 또는 반도체 기판(예를 들면, 실리콘 기판)일 수 있다. 이외에도 기판(400)으로 다양한 물질 종류의 기판이 적용될 수 있다.
제1 물질층(100)은 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)일 수 있다. 예를 들어, 제1 물질층(100)은 서로 다른 굴절율을 가지는 제1 층(110)과 제2 층(120)을 포함할 수 있다. 제1 층(110)과 제2 층(120)은 교번하여 반복 적층될 수 있다. 제1 층(110)과 제2 층(120)의 굴절율 차이로 인해 각 층의 계면에서 광이 반사되고 반사된 광들이 간섭(Interference)을 일으킬 수 있다. 제1 층(110) 또는 제2 층(120)은 실리콘(Si), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘 산화물(SiO2), 티타늄 산화물(TiO2) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 층(110)은 실리콘(Si)으로 형성되고, 제2 층(120)층은 실리콘 산화물(SiO2 )로 형성될 수 있다. 제1 층(110) 및 제2 층(120)의 두께 및/또는 적층 횟수를 조절하여 제1 물질층(100)의 광 반사율을 설계할 수 있다.
제1 물질층(100)은 분산 브래그 반사기 외에 다른 구조일 수 있으며, 예를 들면, 일면이 금속인 금속 물질층을 포함할 수 있다.
공동층(200)은 입사한 광이 공진하는 영역으로 제1 물질층(100)과 제2 물질층(300) 사이에 배치될 수 있다.
공동층(200)은 예를 들어, 실리콘 산화물(SiO2)을 포함할 수 있다. 공동층(200)의 두께에 따라 공진 파장이 결정될 수 있다. 공동층(200)의 두께가 두꺼울수록 광의 공진 파장이 길고, 공동층(200)의 두께가 얇을수록 광의 공진 파장이 짧을 수 있다.
제2 물질층(300)은 특정 파장 광을 반사시키는 반사 기능과 출사하는 광의 위상을 변조하는 위상 변조 기능을 적절히 수행하도록 설계될 수 있다.
제2 물질층(300)은 소정 간격으로 이격 배열된 복수의 격자 구조물(GS)을 포함할 수 있다. 격자 구조물(GS)의 두께, 폭, 피치는 공간 광 변조기(30)에 의해 변조되는 광의 파장보다 작을 수 있다. 격자 구조물(GS)의 두께, 폭, 피치 등을 조절하여 변조되는 광의 반사율을 높일 수 있다. 제2 물질층(300)의 반사율은 제1 물질층(100)의 반사율과 다를 수 있고, 제2 물질층(300)의 반사율이 제1 물질층(100)의 반사율보다 작을 수 있다.
공간 광 변조기(30)는 반사형 또는 투과형 공간 광 변조기일 수 있다. 도 3a에서는 공간 광 변조기(30)가 반사형인 경우를 예시적으로 보여준다. 이하에서는, 공간 광 변조기(30)가 반사형인 경우를 예시적으로 설명한다. 공간 광 변조기(30)는 투과형으로 마련될 수도 있다.
공간 광 변조기(30)로 입사하는 광(Li)은 제2 물질층(300)을 투과하여 공동층(200)에 전파된 후 제1 물질층(100) 즉, 분산 브래그 반사기에 의해 반사되고, 제1 물질층(100)과 제2 물질층(300)에 의해 공동층(200)에 갇혀 공진한 후 제2 물질층(300)을 통해 출사될 수 있다. 제1 픽셀(PX1)과 제2 픽셀(PX2)에서 출사하는 광(Lo1, Lo2)은 특정 위상을 가질 수 있으며, 출사광(Lo1, Lo2)의 위상은 제2 물질층(300)의 굴절율에 의해 제어될 수 있다. 인접한 픽셀에서 출사하는 광의 위상 관계에 의해 광의 진행 방향이 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 픽셀(PX1)의 출사광(Lo1)과 제2 픽셀(PX2)의 출사광(Lo2)의 위상이 상이할 때, 출사광들(Lo1, Lo2) 상호 작용에 의해서 빛의 진행 방향이 결정될 수 있다.
도 4a는 도 3a의 픽셀(PX1, PX2)에 포함된 격자 구조물(GS)의 단면도이고, 도 4b는 격자 구조물(GS)을 다른 방향(Y 방향) 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 격자 구조물(GS)은 제1 도핑된 반도체층(310), 진성 반도체층(320) 및 제2 도핑된 반도체층(330)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 도핑된 반도체층(310)은 n형 반도체층일 수 있고, 제2 도핑된 반도체층(330)은 p형 반도체층일 수 있으며, 격자 구조물(GS)은 PIN 다이오드일 수 있다.
제1 도핑된 반도체층(310)은 5족 원소, 예를 들면, 인(P), 또는 비소(As)를 불순물로 포함하는 실리콘(Si) 층일 수 있다. 제1 도핑된 반도체층(310)에 포함된 불순물의 농도는 1015 내지 1021 cm-3 일 수 있다. 진성 반도체층(320)은 불순물을 포함하지 않는 실리콘(Si) 층일 수 있다. 제2 도핑된 반도체층(330)은 3족 원소, 예를 들면, 붕소(B)를 불순물로 포함하는 실리콘(Si) 층일 수 있다. 제2 도핑된 반도체층(330)에 포함된 불순물의 농도는 1015 내지 1021 cm-3 일 수 있다.
제1 도핑된 반도체층(310)과 제2 도핑된 반도체층(330) 사이에 전압을 인가하면, 제1 도핑된 반도체층(310)에서 제2 도핑된 반도체층(330) 방향으로 전류가 흐르게 되고, 전류에 의해 격자 구조물(GS)에서 열이 발생하며, 상기한 열에 의해 격자 구조물(GS)의 굴절율이 변경될 수 있다. 격자 구조물(GS)의 굴절율이 변경되면 픽셀(PX1, PX2)에서 출사되는 광의 위상이 변경될 수 있으므로, 픽셀(PX1, PX2) 마다 인가하는 전압(V)의 크기를 조절하여 공간 광 변조기(30)에서 출사하는 광의 진행 방향을 제어할 수 있다.
도 4b는 격자 구조물(GS)의 다른 방향(Y방향) 단면을 보이는 도면이다. 도 4b를 참조하면, 공간 광 변조기(30)는 격자 구조물(GS)에 전압을 인가하기 위한 제1 및 제2 전극(340, 350)을 포함할 수 있다. 제1 전극(340)은 제1 도핑된 반도체층(310)의 일단에 접촉될 수 있고, 제2 전극(350)은 제2 도핑된 반도체층(330)의 일단에 접촉될 수 있다. 제2 전극(350)은 제1 전극(340)이 접촉한 단부와 Y 방향으로 반대쪽에 배치된 단부에 접촉될 수 있다. 제1 전극(340)은 공동층(200) 상부에 배치될 수 있고, 공간 광 변조기(30)에 포함된 모든 픽셀에 공통 전압을 인가하는 공통 전극일 수 있다. 제2 전극(350)은 픽셀마다 서로 다른 전압을 인가할 수 있도록 설계된 픽셀 전극일 수 있다.
도 4a 및 도 4b에서는 PIN 구조의 격자 구조물(GS)을 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 격자 구조물(GS)은 NIN 구조 또는 PIP 구조일 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 도핑된 반도체층(310, 330)은 n형 반도체층이거나 p형 반도체층 일 수도 있다.
일 실시예에 따른 공간 광 변조기(30)의 격자 구조물(GS)은 실리콘에 기반할 수 있다. 실리콘의 굴절율은 온도에 비례한다. 실리콘의 온도 변화가 클수록 실리콘의 굴절율 변화도 커진다. 실리콘의 굴절율 변화는 실리콘의 온도 변화에 정비례하므로, 온도 변화의 조절로 굴절율 변화의 조절이 용이할 수 있다. 따라서, 실리콘에 인가되는 전기적 신호를 제어함으로써 격자 구조물(GS)의 굴절율을 용이하게 조절할 수 있다.
일 실시예에 따른 공간 광 변조기(30)는 외부 전기 자극에 의해, 격자 구조물(GS)의 굴절율이 변화하여 공진 조건이 제어되어 위상이 변조되도록 마련되며, 광을 다양한 방향으로 스티어링하기 위해 제어부(70)에서 제공된 위상 프로파일에 따라 구동될 수 있다. 상기한 위상 프로파일은 예를 들어, 픽셀별로 온신호 또는 오프 신호가 인가되는 바이너리 전기적 신호일 수 있다.
도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b를 참조로 설명한 공간 광 변조기(30)와 같이, 광파를 저장할 수 있는 공진 구조에 광파가 입사하게 되면, 공진에 의해 반사 또는 투과되는 위상이 급격하게 변화한다. 공진 구조에 전압을 인가하게 되면, 공진기를 구성하는 물질의 굴절율이 변화하며, 그 결과 정해진 파장의 광파에 대해서 반사 또는 투과되는 위상이 변하게 된다.
이러한 위상 변조 요소를 1차원 또는 2차원 배열로 만들고, 각 배열을 구성하는 단위 픽셀마다 서로 다른 전압을 인가하여 서로 다른 위상을 갖게 하는 경우, 외부에서 입사된 광파는 입력된 전압 분포에 따라 반사 또는 투과되는 각도가 특정한 방향으로 변화할 수 있으며, 빔 스티어링이 이루어질 수 있다. 이러한 빔 스티어링 방식은 기계적인 방식으로 회전하는 거울이나 멤스(MEMS) 등을 사용하는 것과 달리 기계적인 움직임이 없으며, 고체 상(solid-state) 구동이 가능하기 때문에, 외부의 충격이나 진동에 강하다.
실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)에 따르면, 고체 상 구동이 가능한 공간 광 변조기(30)에 의해 비기계적인 방식으로 빔 스티어링이 이루어지므로, 외부의 충격이나 진동에 강하다.
도 5는 일 실시예에 따른 공간 광 변조기(30)에 인가되는 위상 프로파일의 예를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 50개의 픽셀로 구성된 공간 광 변조기(30)에 스티어링되는 각도가 커질수록 위상 프로파일의 듀티 사이클이 작아질 수 있다. 제어부(70)는 스티어링 각도에 대응하는 위상 프로파일에 따라 온 신호 또는 오프 신호를 각 픽셀에 제공할 수 있다.
한편, 공간 광 변조기(30)의 이웃하는 픽셀들 중 어느 하나는 온 신호가 인가되고 나머지 하나는 오프 신호가 인가될 수 있다.
도 6a는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)에 적용되는 송신부(20)의 광학적 구성의 일 예를 예시적으로 보여주며, 도 6b는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)에 적용되는 송신부(20)의 광학적 구성의 다른 예를 예시적으로 보여준다. 도 6a 및 도 6b에서는 송신부(20)가 공간 광 변조기(30)로 반사형 공간 광 변조기를 구비하는 예를 보여주는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 6a 및 도 6b에서는 공간 광 변조기(30)의 일 픽셀 구조만을 예시적으로 보여주는데, 공간 광 변조기(30)는 복수의 픽셀의 일차원 또는 이차원 배열을 가질 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 송신부(20)는 광원(21), 공간 광 변조기(30)를 포함할 수 있다. 송신부(20)는 광원 광학계(23)로 예를 들어, 광원(21)으로부터 출사된 광을 콜리메팅하는 콜리메이팅 렌즈(23a)를 포함할 수 있다. 또한, 송신부(20)는 출광 광학계(25)로 공간 광 변조기(30)에 의한 빔 스티어링 범위를 확장하는 발산 렌즈(25a)를 포함할 수 있다.
광원(21)은 예를 들어, 중심 파장이 가시광선 또는 근적외선 영역인 광을 방출하도록 마련되며, 펄스 광을 출력하도록 구동될 수 있다. 광원(21)은 원하는 파워의 펄스 광을 출력하도록 적어도 하나의 반도체 레이저 예컨대, 복수의 반도체 레이저 어레이를 구비할 수 있다. 복수의 반도체 레이저 어레이 전체 또는 일부를 온/오프시켜 원하는 파워의 펄스 광을 출력할 수 있다. 광원(21)으로 적용되는 반도체 레이저는 예를 들어, 에지 발광 레이저(EEL), 수직 공동 표면발광 레이저(VCSEL), 광결정 표면발광 레이저 (PCSEL) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
이와 같이, 광원(21)은 적어도 하나의 반도체 레이저를 포함하며, 원하는 파워의 펄스 광을 출력하도록 플래시 반도체 광원으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 광원(21)은 복수의 VCSEL 어레이를 구비하며, 원하는 파워의 펄스 광을 출력하도록 플래시 VCSEL 광원으로 사용할 수 있다.
광원(21)을 구성하는 반도체 레이저는 외부의 전기 신호가 펄스로 입력됨에 따라 예컨대, 수 ~ 수십 ns 의 펄스폭을 갖는 펄스 빔을 생성할 수 있으며, 상승 시간(rise time)이 수십 ps ~ 수 ns 수준이 가능하다.
광원(21)에서 출사된 펄스 광은 콜리메이션 렌즈에 의해 콜리메이팅되어 공간 광 변조기(30)로 입사된다.
한편, 송신부(20)는 공간 광 변조기(30)로 예를 들어, 반사형 공간 광 변조기를 구비하며, 광원(21)에서 출사된 광이 공간 광 변조기(30)로 향하는 방향을 제1진행 방향, 공간 광 변조기(30)에 의해 스티어링되는 광의 진행 방향을 제2진행 방향이라 할 때, 제1진행 방향과 제2진행 방향이 서로 다르도록 하는 광학적 구성을 가질 수 있다.
공간 광 변조기(30)는 도 6a에서와 같이 제1진행 방향 및 제2진행 방향이 이루는 평면에 대해 경사지게 배치될 수 있다. 예를 들어, 공간 광 변조기(30)를 약 45도 또는 이외의 경사 각도로 배치할 수 있다.
또한, 공간 광 변조기(30)는 도 6b에서와 같이, 제1진행 방향 및 제2진행 방향이 이루는 평면에 수직을 이루도록 배치되며, 송신부(20)는 공간 광 변조기(30)에 의해 스티어링되는 광을 제1진행 방향 및 제2진행 방향이 이루는 평면을 벗어나는 방향으로 반사시키는 경사진 미러부재(27)를 더 구비할 수 있다. 예를 들어, 공간 광 변조기(30)를 약 90도로 설치하고, 약 45도 또는 이 외의 경사로 반사시켜 줄 수 있는 미러부재(27)를 이용할 수 있다.
공간 광 변조기(30)의 위상 변조 배열에 의한 빔 스티어링의 경우 최대로 꺾을 수 있는 각도의 범위는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00001
여기서
Figure pat00002
는 진공에서의 광파의 파장을 나타내며, P 는 공간 광 변조기(30)의 위상 변조 배열의 픽셀 주기를 나타내며,
Figure pat00003
는 입사각을 나타낸다. 예를 들어, 파장이 약 940 nm 이고, 주기가 약 5 μm 이며 수평 방향으로 약 45도로 입사하는 경우, 수평(horizontal) 방향 각도 범위는
Figure pat00004
수준, 수직(vertical) 방향으로는
Figure pat00005
으로, 빔 스티어링 범위가 제약될 수 있다.
이러한 빔 스티어링 범위는 출광 광학계(25)에 도 6a 및 도 6b에서와 같이 오목 렌즈와 같은 발산 렌즈(25a)를 이용하여 확장할 수 있다. 예를 들어, 발산 렌즈(25a)로 수평, 수직 Х4배로 발산할 수 있는 렌즈를 사용할 경우 수평 방향으로는 약 ±30.6° (전각 약 61.2°)범위, 수직 방향으로는 약 ±21.6° (전각 약 43.2°) 범위를 스캔할 수 있다.
도 6a 및 도 6b에서와 같이, 반사형 위상 변조 배열에 기반한 빔 스티어링 소자로서 역할을 하는 공간 광 변조기(30)를 적용하는 경우, 폴디드 광학계 (folded optic) 구조로 빔 스티어링을 구현할 수 있다. 이때, 공간 광 변조기(30)는 도 6a에서와 같이, 기기 바닥과 약 45도를 이룰 수 있으며, 이 외의 경사 각도도 가능하다. 또한, 공간 광 변조기(30)는 도 6b에서와 같이, 기기 바닥에 대해 약 90도를 이루도록 설치할 수 있으며, 미러부재(27)는 기기 바닥과 약 45도 또는 이 외의 경사 각도를 이룰 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)의 송신부(20)에서의 빔 스티어링을 예시적으로 보여준다. 도 7에서는 공간 광 변조기(30)가 복수의 픽셀의 이차원 배열을 가지는 예를 보여주며, 발산 렌즈(25a)가 오목 렌즈로 이루어진 예를 보여주는데, 이 대신에 도 8a 및 도 8b에서와 같이 빔 스티어링 범위 확대를 위해 오목한 실린더 렌즈로 된 발산 렌즈(25b)를 적용할 수도 있다.
도 7을 참조하면, 광원(21)에서 출사된 펄스 광은 콜리메이팅 렌즈(23a)에 의해 콜리메이팅 되고, 공간 광 변조기(30)로 입사된다. 공간 광 변조기(30)에 입사된 펄스 광은 공간 광 변조기(30)에 의해 스티어링된다. 도 7에서, SBa, SBb, SBc, SBd는 공간 광 변조기(30)에 의해 스티어링되는 빔을 예시적으로 나타낸다.
광원(21)에서 출사되는 광이 펄스 광이며, 공간 광 변조기(30)는 입사되는 펄스 광의 위상을 변조하여 광의 진행 방향을 원하는 방향으로 조절하므로, 공간 광 변조기(30)에 의해 스티어링되는 빔(SBa, SBb, SBc, SBd)은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 시간 순차적으로 생성될 수 있다. 즉, 빔(SBa, SBb, SBc, SBd)의 출광 시간(ta, tb, tc, td)은 서로 다를 수 있다. 또한, 도 7에서와 같이, 공간 광 변조기(30)에 의해 스티어링되는 빔(SBa, SBb, SBc, SBd)의 스티어링 범위는 발산 렌즈(25a)에 의해 확대될 수 있다.
이와 같은 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는 광원(21)에서 출사된 광을 1차원 또는 2차원적으로 스티어링하여, 3차원 거리 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 공간 광 변조기(30)의 위상 변조 요소를 1차원 또는 2차원 배열로 만들도록, 공간 광 변조기(30)의 각 배열을 구성하는 단위 픽셀마다 서로 다른 전압을 인가하여 서로 다른 위상을 갖게 함으로써, 광원(21)에서 출사된 광을 1차원적으로 스티어링할 수 있다. 또한, 예를 들어, 공간 광 변조기(30)의 위상 변조 요소를 2차원 배열로 만들도록, 공간 광 변조기(30)의 각 배열을 구성하는 단위 픽셀마다 서로 다른 전압을 인가하여 서로 다른 위상을 갖게 함으로써, 광원(21)에서 출사된 광을 2차원적으로 스티어링할 수 있다.
한편, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는 광원(21)에서 출사된 광을 1차원적으로 스티어링하도록 구현되는 경우, 출광 광학계(25)에 도 8a 및 도 8b에 예시적으로 보인 바와 같이, 실린더 렌즈 형태의 발산 렌즈(25b)를 적용할 수도 있다.
도 8a 및 도 8b는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)의 출광 광학계(25)에 실린더 렌즈 형태의 발산 렌즈(25b)를 구비하는 예들을 보인 것으로, 각각 도 6a 및 도 6b에 대응하는 광학적 구성을 가지며, 빔 스티어링 범위를 확장하기 위한 발산 렌즈(25b)로 실린더 렌즈를 구비하는 점에 차이가 있다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 발산 렌즈(25b)로 일 렌즈면 또는 양 렌즈면이 오목한 실린더 렌즈를 구비할 수 있다. 도 8a 및 도 8b에서는 발산 렌즈(25b)로 양 렌즈면이 오목한 실린더 렌즈를 구비하는 예를 보여준다.
도 9a는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)의 송신부(20)에서의 시간 순차적 빔 스티어링을 예시적으로 보여주며, 도 9b는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)의 송신부(20)에서의 시간 순차적으로 출사되는 광의 단위 방향별 펄스 파워를 예시적으로 보여준다.
도 9a 및 도 9b에서 SLM은 실시예에 따른 위상 변조 배열 기판의 빔 스티어링 역할을 하는 실시예에 따른 공간 광 변조기(30)에 대응할 수 있다. 도 9a 및 도 9b에서 SLM은 투과형인 것으로 도시되어 있으나, 이는 편의적으로 도시한 것일 뿐, 투과형 SLM를 한정하는 것은 아니다. SLM은 반사형일 수 있다. 또한, 도 9a 및 도 9b의 송신부(20)는 콜리메이팅 렌즈(23a) 및 발산 렌즈(25a) 중 어느 하나를 더 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 또한, 도 9a 및 도 9b에서는 광원(21)으로 Flash VCSEL를 적용하는 예를 보여주는데, 펄스 광(플래시 광)을 출사는 다른 종류의 광원이 적용될 수도 있다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 광원(21)으로 예를 들어, Flash VCSEL을 적용하여, 펄스 광을 출력할 수 있다. Flash VCSEL은 복수의 VCSEL을 포함하며, 모든 VCSEL을 동시에 온/오프시켜, 플래시 광 즉, 펄스 광을 출력하도록 된 것을 나타낼 수 있다. Flash VCSEL은 개별 VCSEL을 온/오프 시킬 수 없는 반면, VCSEL 제작 측면에서 개구율(fill factor)이 높고, 전체 광원에 대한 양품 요구 수준이 낮아 수율이 높기 때문에 적용되는 광원 가격이 저렴할 수 있다.
실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)에 따르면, 공간 광 변조기(SLM)를 적용하여 빔 스티어링을 시간 분할 방식으로 수행하므로, 광원(21)이 복수의 VCSEL을 포함하는 경우에도, 개별 VCSEL을 온/오프 시키지 않고, 전체 VCSEL을 온/오프 시키는 방식을 적용할 수 있으므로, Flash VCSEL을 광원(21)으로 적용할 수 있다.
예를 들어, Flash VCSEL에서 하나의 콜리메팅된 펜슬 빔이 출광될 수 있다. 이후 공간 광 변조기(SLM)에서 펄스 빔의 방향을 스티어링하게 된다. 도 9a 및 도 9b에 예시적으로 보인 바와 같이, 여덟 개의 단위 시간 동안 Flash VCSEL은 전 영역이 온 되므로 높은 피크 파워를 얻을 수 있다.
도 9a를 참조하면, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)에 따르면, 공간 광 변조기(SLM)을 이용해서 빔 스티어링을 하기 때문에 addressable VCSEL이 필요하지 않으며 VCSEL을 구성하는 전체 광원이 함께 동작하는 Flash VCSEL이 사용될 수 있다. 따라서 광원(21)을 온/오프 하는 그룹을 나눌 필요가 없이, 단위 시간 동안 Flash VCSEL은 전 영역이 온 되므로 높은 피크 파워를 얻을 수 있다. 한편, 공간 광 변조기(SLM)의 투과 또는 반사율은 100%에 미치지 못하며, 공간 광 변조기(SLM)에 입사한 광의 세기에 대해 스티어링 된 광의 세기의 비율을 η라 할 때, 한 스캔 지점으로 출사되는 피크 파워는 아래와 같이 기술할 수 있다.
Figure pat00006
광원(21) 예컨대, Flash VCSEL의 출력 파워가 Pout = 128 mW이고, 공간 광 변조기(30)의 투과 또는 반사율이 η = 30% 라고 한다면, P'out,point 는 38.4 mW 로 주어질 수 있다.
하나의 화면을 구성하는 한 프레임에 대한 시간 tframe 은 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00007
여기서, L은 1초 동안 프레임(화면)의 수이다.
한 지점에서 반복할 수 있는 다중 펄스(multiple pulse) 개수 R과 피크 파워는 탐지 가능 거리에 영향을 미친다.
직접 비행 시간(direct time-of-flight) 방식의 라이다(LiDAR)에서 탐지 가능한 거리는 송신부(20)에서 방출된 펄스 광이 목표물에 맞고 되돌아와 광검출기(51)에서 피크라고 인식할 수 있는 범위의 거리를 의미할 수 있다.
피크라고 인식하기 위해서는 신호의 세기가 크거나 잡음의 크기가 작아야 한다. 송신부(20)에서 방출된 광 펄스는 R 만큼의 거리에 떨어진 목표물까지 직진하며 목표물에 맞고 Lambertian 산란을 겪으며, π 스테라디안 (steradian, sr)의 공간으로 퍼지게 된다. 송신부(20)와 같은 위치에 존재하는 수신부(50)에서는 목표물에서 π sr 공간으로 균일하게 산란되는 빛 중에서 일부분만을 받아들이게 된다. 목표물까지의 거리를 R, 광검출기(51)의 면적을 A rec 라 할 때, 수신부(50) 내부의 광검출기(51)에 들어오는 파워는 A rec /(πR2)에 비례할 수 있다. 따라서 수신부(50)에 들어오는 파워는 아래와 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00008
여기서 P R 는 광검출기(51)에 들어오는 파워, P T 는 송신부(20)에서 방출된 파워, σ 는 cross-section, A illum 는 목표물에서 노출된 면적, η atm 는 대기(atmosphere) 투과율, 그리고 η sys 는 시스템 광효율을 의미한다. 여기서 C1는 상수이다. 탐지 가능한 수신부(50) 파워를 PR,th 라고 한다면 동일한 잡음이 있는 상황에서는, 탐지 가능한 거리는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00009
즉, 탐지 가능한 거리는 송신부(20)에서 방출되는 펄스의 파워의 1/2승에 비례할 수 있다. 한편, 신호 대 잡음비 (signal-to-noise ratio, SNR) 은 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00010
노이즈가 작아질수록 SNR이 증가한다. 즉, 노이즈가 A 배 작아지면, SNR은 A배 커지며, 펄스로 인지할 수 있는 최소 SNR비가 일정하다면 신호의 세기는 A 배 작아져도 된다. 잡음을 random white noise 라고 가정하자. 이에 대한 확률 변수를 X라고 하고, 반복 횟수를 B라고 하면, 반복한 것에 대한 확률 변수는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00011
이 확률 변수의 평균 E 및 분산 Var는 아래와 같이 주어진다.
Figure pat00012
Figure pat00013
따라서 표준편차
Figure pat00014
는 다음과 같이 random noise의 세기가 B의 1/2 승만큼 감소하는 효과가 생긴다. 이를 accumulative noise reduction 이라고 한다.
Figure pat00015
탐지 가능한 최소 SNR을 SNRth 라고 하자. 이를 만족하는 신호와 잡음은 아래와 같다.
Figure pat00016
이제 B번 반복하여 잡음이 B(-1/2) 배로 작아진 경우의 R 증가분을 계산해보자. 이 경우의 신호 및 잡음을 prime (') 을 붙여서 표기하면 다음과 같다.
Figure pat00017
수학식 11을 수학식 12로 나누면 다음이 얻어질 수 있다.
Figure pat00018
Figure pat00019
따라서, B번 반복되는 경우 탐지 거리는 아래와 같이 B(1/4) 배만큼 증가하게 된다.
도 10는 다양한 측정 반복에 대해 random white noise의 영향을 시뮬레이션 계산한 결과를 보여준다. 반복 횟수가 늘어감에 따라 잡음의 세기(magenta)가 줄어듬을 확인할 수 있다.
도 11은 도 10의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 SNR 값을 반복 횟수에 따라 정량적으로 도시하고, 추세선을 추가하여 비교한 결과를 보여준다. SNR은 반복 횟수의 1/2승에 비례하는 것을 알 수 있다.
수학식 5와 수학식 14로부터 탐지 가능 거리가 스캔 지점 당 peak power (Pout,point) 의 1/2승에 비례하고, multiple pulse (측정 반복 횟수, B)의 1/4승에 비례한다는 것을 알 수 있다. 즉,
Figure pat00020
여기서 C는 비례상수이다.
위의 수학식 2를 수학식 15에 대입하여 본 실시예에서의 탐지 가능 거리를 계산하면 다음과 같을 수 있다.
Figure pat00021
여기서, L은 1초 동안 프레임의 수, M×N×K은 하나의 프레임을 이루는 점의 개수, c0는 광의 속도로 약 299,792,458 m/s이고, d는 각도별로 물체까지의 거리이다. Pout=128 mW, η=30%, L=20, M=4, N=2, K=1, d=10m 일 때, C×108.4322 이 된다.
여기서, M×N×K은 비교예와 대비하기 위해 나타낸 것으로, 하나의 펄스를 회절소자(DOE)로 M개로 나누고, N개의 그룹으로 되어 있고, 각 그룹마다 K개의 광원(21)이 있는 형태의 addressable VCSEL을 사용하는 경우에 대응된다.
비교예에서, VCSEL 전체가 온 되었을 때, 방출하는 광의 피크 파워 Pout에 대해, 하나의 광원(21)에서 나오는 피크 파워, Pout,source 는 아래와 같이 주어진다.
Figure pat00022
한편, 하나의 펄스가 회절소자(DOE)에 의해 M개로 균등 분할 되므로, 한 지점으로 향하는 펄스 빔의 peak power, Pout,point 는 아래와 같이 주어진다.
Figure pat00023
예를 들어, Pout이 128 mW 이고, M=4, N=2, K=1 인 경우는 Pout,point = 128/(4×2×1)=16 mW 가량이 된다. 이는 각 스캔 포인트에 도달하는 피크 파워가 실시예에 비해 낮아짐을 의미한다.
전술한 바와 같이, 한 지점에서 반복할 수 있는 다중 펄스(multiple pulse) 개수와 피크 파워는 탐지 가능 거리에 영향을 미치는데, 비교예의 경우, 다중 펄스 개수 (G)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00024
전술한 바와 같이, 탐지 가능 거리가 스캔 지점 당 peak power (Pout,point) 의 1/2승에 비례하고, multiple pulse (측정 반복 횟수)의 1/4승에 비례하므로, 비교예의 탐지 가능 거리를 계산해보면 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00025
Pout=128 mW, L=20, M=4, N=2, K=1, d=10m 인 경우, C×98.9846이 된다.
실시예와 비교예를 Pout=128 mW, L=20, M=4, N=2, K=1, d=10m 인 동일 조건하에서 비교해보면, 실시예의 탐지 가능 거리는 C×108.4322 인데 반해, 비교예의 탐지 가능 거리는 C×98.9846로, 실시예의 탐지 가능 거리가 더 증가할 수 있음을 알 수 있다.
실시예의 탐지 가능 거리의 비교예의 탐지 가능 거리에 대한 증가율(I)은 예를 들어, η=0.3 (30%)인 일 때, N=2, M=4, K=1 인 경우, I=1.0954 수준이며, M=9, N=4, K=16 인 경우 I=3.7947 로서, 탐지 거리가 약 3.8배 늘어날 수 있다.
이상의 실시예에서와 같이, 탐지 가능 거리는 광원(21)의 출력 광 파워에는 1/2승 비례하고, 측정 횟수에는 1/4승 비례하므로, M,N,K배 만큼의 분할을 공간 분할하는 대신, 공간 광 변조기(30)을 이용한 빔 스티어링으로 시간 분할로 할 경우, 한 스캔 지점 당 도달하는 광 파워가 증가하여 탐지 거리가 증가할 수 있다.
이러한, 탐지 거리 증가를 위해서는, 공간 광 변조기(30)는 다음의 조건을 충족해야 한다. 즉, 공간 광 변조기(30)의 스위칭(전환)이 빨리 이루어질 수 있어야 하며, 공간 광 변조기(30)의 효율 η가 예를 들어, 약 30% 수준으로 높게 나올 수 있어야 한다.
도 12은 공간 광 변조기(30)의 동작 속도(변조 속도)를 예시적으로 나타낸다. 가로축은 주파수(frequency)를 log scale로 나타낸 것이다. 세로축은 입력 신호 진폭 대비 출력 신호 진폭의 비율을 의미한다. 공간 광 변조기(30)의 동작 주파수가 높아질수록 이 비율이 감소하게 되며, -3 dB가 되는 순간의 주파수는 cutoff frequency에 해당할 수 있다. -3dB가 되는 순간의 cutoff frequency는 약 50 kHz 가 되며, 이는 공간 광 변조기(30)의 스위칭 상태가 약 10%에서 약 90%으로 변화하는 T10-90 시간이 약 8.5 μs 가 될 수 있음을 의미한다.
도 13는 공간 광 변조기(30)의 동작을 시간에 따라 도시한 timing diagram 이다.
도 13를 참조하면, 초당 30 프레임의 속도로, 가로 24개, 세로 24개의 점을 스캔 하기 위해서는 한 스캔 지점에 허용되는 시간(dwell time)이 약 ①57.9 μs 가 된다. 여기서 도 12에서 언급한 T10-90 시간인 ②8.5 μs 를 빼면 ③49.4 μs 가 된다. d=20m 인 경우, 공간 광 변조기(SLM)에 전압을 인가하면 tscan 이 ④133 ns 가 된다. 따라서, ③에서 ④ 를 나누면 다중 펄스(multi pulse) 가능한 횟수는 ⑤370 회가 나온다. 이와 같이 구동함으로써 30 프레임, 24×24 해상도에 대해 높은 탐지 거리 확보가 가능하다.
도 14a는 도 3a의 공간 광 변조기(30) 구조에서, Si으로 이루어진 격자 구조물(HCG:high contrast grating) 두께 500 nm, 격자 구조물 주기 580 nm, 격자 구조물폭 370 nm, SiO2 로 이루어진 공동층(cavity) 두께 720 nm, Si/SiO2 6개의 층으로 이루어진 분산 브래그 반사기(DBR: distributed Bragg reflector)이 있을 때의 반사율 스펙트럼을 격자 구조물의 굴절율 변화(△nSi,i)값에 따라 보여준다. 약 965 nm 에서 반사율 80% 수준임을 알 수 있다. 도 14b는 위상 스펙트럼을 보여주는데, 위상 스펙트럼이 over-coupling 영역에 있음을 알 수 있다. 도 14c 기준 상태(△nSi,i=0) 와 비교했을 때의 위상 변화를 보여주며, 약 230° 정도의 위상 변화가 가능함을 알 수 있다. 이를 바탕으로 0° 과 180° 의 위상을 번갈아 가며 binary phased grating(BPG)을 할 경우 BPG 효율인 0.4 를 곱하여 80% × 0.4 = 32% 로서, η = 30% 를 확보할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 비교예의 회절소자(DOE) 및 addressable VCSEL을 이용하는 구조의 경우에는, 같은 시간에 M×K개의 복수 개의 지점들을 스캔하기 때문에, 광검출기가 최소 M×K개의 해상도를 갖는, 즉 각 픽셀 신호를 분리해서 검출할 수 있는 2차원 배열 형태여야 한다. 거리 센서로 사용하기 위해서는 광검출기의 각 픽셀이 매우 민감하게 동작하도록 높은 전압을 인가하여 작동시키는데, 높은 전압이 걸린 픽셀을 각 픽셀 신호를 분리하여 검출할 수 있는 2차원 배열로 높은 해상도를 갖게끔 만들기 위해서는 복잡한 설계와 공정이 뒤따라야 하며, 이렇게 생산된 APD array 또는 SPAD array 의 가격이 비싸다.
반면, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)에 따르면, 같은 시간에 1개의 지점을 스캔하기 때문에, 측정 시 되돌아온 광파를 검출하는 것은 해당 방향에서의 신호라는 것을 시스템에서 인지하고 있으므로, 각 픽셀 신호를 분리해서 검출할 필요가 없어, SiPM 과 같은 형태로도 제작이 가능하여 저렴한 가격의 광검출기를 적용할 수 있다. 또한 실시예에 따르면, 일 방향으로 1차원 라인이나 1차원 배열 형태의 펄스 빔 스티어링을 하는 경우, 광검출기(51)는 일 방향에 수직한 다른 방향으로의 배열에 대해서만 픽셀 신호를 분리해서 검출하는 기능이 필요하기 때문에, readout integrated circuit (ROIC) 구성이 간단해 질 수 있다.
한편, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)에서와 같이, 공간 광 변조기(30)를 이용한 위상 변조 배열에 의해 빔 스티어링을 하는 경우, 개별 광원(21)을 온/오프 시킬 필요가 없이, 공간 광 변조기(30)에서 빔 스티어링을 통해 시간에 따라 펄스 광의 출사 각도를 조절하는 시간-멀티플렉싱(time-multiplexing) 기법을 이용할 수 있다. 또한, 공간 광 변조기(30)의 빔 스티어링 각도 범위가 제한적인 경우, 적어도 하나의 오목한 렌즈면을 가지는 발산 렌즈(25a)를 이용하여, 각도 범위를 증가시킬 수 있다. 이때, 빔 발산(beam divergence)도 함께 증가하지만, 수용 가능한 범위(acceptable range)에 들어 오도록 설계할 수 있다.
예를 들어, 전술한 바와 같이, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)에 x4배로 발산할 수 있는 발산 렌즈를 사용하는 경우, 수평 방향 및 수직 방향으로, 빔 스티어링 범위가 4배 확대되어, 예를 들어, 수평 방향으로는 약 ±30.6° (전각 약 61.2°)범위, 수직 방향으로는 약 ±21.6° (전각 약 43.2°) 범위를 스캔할 수 있다. 이때, 확장되는 빔 발산은 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00026
수평 방향 빔 발산값은 45도 경사 입사의 경우 약 0.068°으로 주어지며, ×4 배의 발산 렌즈를 적용했을 경우 약 0.27°의 빔 발산이 초래될 수 있다. 또한, 수직 방향 빔 발산값은 0.048°으로 주어지며, ×4배의 발산 렌즈를 적용했을 경우, 약 0.19°의 빔 발산이 초래될 수 있다. 이와 같이 일정 비율로 빔 스티어링 범위를 확장시키는 발산 렌즈(25a)를 사용하는 경우에도 빔 확산은 0.19°~ 0.27° 수준으로서 활용에 큰 제약이 없는 수준으로 설계할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는, 복수 개의 지점에 대해 TOF (time-of-flight) 방식으로 거리를 측정하여 3차원 뎁스 지도(depth map)을 형성함에 있어서, 위상 변조 배열에 기반한 빔 스티어링 소자로서 역할을 하는 공간 광 변조기(30)를 이용하여, 시간 분할 방식으로 각 광원(21)의 출사광을 한 데 모아 개별 스캔 지점에 이용하므로, 피크 파워가 높다. 탐지 가능 거리는 피크 파워의 1/2승 및 측정 횟수의 1/4승에 비례하는데, 피크 파워의 증가의 이점이 측정 횟수 감소의 영향보다 크기 때문에, 결과적으로 탐지 가능 거리가 늘어날 수 있다. 또한, 개별 조절이 필요한 addressable 광원 및 픽셀 개별 검출 필요한 광검출기 배열이 요구되지 않으므로, 광원(21) 및 광검출기(51)의 가격을 저감시킬 수 있다.
또한, 이러한 비기계식 빔 스티어링 방식인 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)를 모바일 환경에 적용함에 있어서 속도와 효율 측면에서 실현 가능하며, 모바일 환경을 고려하여 약 4 mm 두께 이하로 구성될 수 있도록 폴디스 광학계(folded optic) 형태의 광경로 설계가 가능하다.
즉, 이상에서 설명한 바와 같은 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는, 위상 변조 배열에 기반한 빔 스티어링 소자로서 역할을 하는 공간 광 변조기(30)를 구비하므로, 광원(21)에서 출사되는 광의 파워를 한번에 모아서 한 방향으로만 탐지하므로, 충분한 광 파워를 확보할 수 있으며, 모바일 기기의 폼 팩터를 충족하면서, 충분한 탐지 거리를 확보할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는, 예를 들어, 모바일용 라이다 센서, 거리 센서, 3차원 센서 등으로 적용될 수 있으며, 이에 따라 모바일용 뎁스 카메라 등을 탑재한 모바일 기기를 구현할 수 있다.
이외에도, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는, 라이다 센서, 거리 센서, 3차원 센서 등을 요구하는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)를 적용한 라이다 센서는, 자율 주행 자동차, 드론(drone) 등의 이동 물체, 모바일(mobile) 기기, 소형 보행 수단(예컨대, 자전거, 오토바이, 유모차, 보드 등), 로봇류, 사람/동물의 보조 수단(예컨대, 지팡이, 헬멧, 장신구, 의류, 시계, 가방 등), IoT(Internet of Things) 장치/시스템, 보안 장치/시스템 등에 적용될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는 라이다 센서 이외에 다양한 시스템에 적용될 수 있다. 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)는 공간 및 피사체의 3차원적인 정보를 획득할 수 있기 때문에, 3차원 이미지 획득 장치나 3차원 카메라 등에 적용될 수 있다.
도 15는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)를 모바일 기기(1000)에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다. 도 15는 모바일 기기(1000)의 후면에 복수의 카메라(1200) 및 3차원 거리 정보 획득 장치(1100)를 적용한 예를 보여준다. 3차원 거리 정보 획득 장치(1100)는 모바일 기기(1000)에 탑재되어 모바일용 라이다 센서로 구현될 수 있다. 또한, 3차원 거리 정보 획득 장치(1100)는 복수의 카메라(1200)와의 조합에 의해 3차원 이미지를 획득하는 모바일용 초소형 뎁스 카메라로 구현될 수 있다. 3차원 거리 정보 획득 장치(1100)로 전술한 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)를 적용할 수 있다. 3차원 거리 정보 획득 장치(1100)로 카메라(1200)로 촬영하고자 하는 피사체의 거리 정보를 획득하고, 이를 카메라의 포커스 조정에 적용하거나 촬영 영상 또는 이미지에 적용함으로써 피사체의 3차원적인 정보를 획득할 수 있다.
도 16는 도 15의 모바일 기기(1000) 내부에 3차원 거리 정보 획득 장치(1100)의 송신부(20)를 배치한 예를 보여준다. 도 16에서는 도 6a의 송신부(20)가 폴디드 광학계로 적용된 예를 보여주는데, 도 6b의 송신부(20)가 폴디드 광학계로 적용될 수도 있다.
도 16에서와 같이, 3차원 거리 정보 획득 장치(1100)에 반사형 위상 변조 배열에 기반한 빔 스티어링 소자로서 역할을 하는 공간 광 변조기(30)를 적용하는 경우, 폴디드 광학계 (folded optic) 구조로 빔 스티어링을 구현할 수 있다. 이때, 공간 광 변조기(30)를 모바일 기기(1000)의 내부 바닥과 약 45도를 이루거나 다른 경사 각도를 이루도록 배치할 수 있다. 도 16에서와 같이, 3차원 거리 정보 획득 장치(1100)에 반사형 위상 변조 배열에 기반한 빔 스티어링 소자로서 역할을 하는 공간 광 변조기(30)를 적용하여, 폴디드 광학계를 구성하는 경우, 광학계의 높이(h)는 충분히 작게 예를 들어, 약 4mm 이하로 할 수 있다.
도 17a 및 도 17b는 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)를 차량(2000)에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다. 도 17a은 측방에서 바라본 도면이고, 도 17b는 위에서 바라본 도면이다.
도 17a을 참조하면, 실시예에 따른 3차원 거리 정보 획득 장치(10)를 라이다 장치(2100)로 구현하여 차량(2000)에 적용할 수 있으며, 이를 이용해서 피사체(2200)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 차량(2000)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다 장치(2100)를 이용해서, 차량(2000)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(2200)를 탐지할 수 있다. 또한, 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(2200)까지의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 도 17b에 도시된 바와 같이, 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(2200)와 멀리 있는 피사체(2300)에 대한 정보를 획득할 수 있다.
앞선 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
10: 3차원 거리 정보 획득 장치 20: 송신부
21: 광원 30: 공간 광 변조기 50: 수신부
51: 광검출기 70: 제어부 100: 제1물질층
200: 공동층 300: 제2물질층 GS: 격자 구조물

Claims (20)

  1. 펄스 광을 출사하는 광원 및, 상기 광원으로부터 입사되는 광을 스티어링하여 시간 분할 방식으로 상기 광원에서 출사되는 광이 스캔 지점별로 조사되도록 하는 공간 광 변조기를 포함하는 송신부;
    상기 스캔 지점에서 반사된 광을 감지하는 광검출기를 포함하는 수신부; 및
    상기 송신부 및 수신부를 제어하여 3차원 거리 정보를 획득하는 제어부를 포함하는 3차원 거리 정보 획득 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공간 광 변조기는,
    제1물질층;
    상기 제1반도체층 상에 배치된 공동층(cavity); 및
    상기 공동층 상에 격자 구조물을 포함하는 제2물질층;을 포함하는 3차원 거리 정보 획득 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 공간 광 변조기는, 위상 변조에 의해 입사광을 스티어링하기 위한 복수의 픽셀을 포함하며,
    각 픽셀은 상기 제1물질층, 공동층, 격자 구조물을 포함하는 제2물질층의 적층 구조를 포함하는 3차원 거리 정보 획득 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 격자 구조물은,
    PIN 구조, NIN 구조 및 PIP 구조 중 어느 하나인 3차원 거리 정보 획득 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 공동층은 SiO2를 포함하며,
    상기 격자 구조물은 Si을 포함하는 PIN 구조로 이루어진 3차원 거리 정보 획득 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 격자 구조물의 피치는,
    상기 공간 광 변조기에 의해 변조되는 광의 파장보다 작은 3차원 거리 정보 획득 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제1물질층은 분산 브래그 반사기인 3차원 거리 정보 획득 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1물질층은 Si층과 SiO2층의 반복 적층을 포함하는 3차원 거리 정보 획득 장치.
  9. 제2항에 있어서, 상기 공간 광 변조기는, 외부 전기 자극에 의해, 상기 격자 구조물의 굴절율이 변화하여 공진 조건이 제어되어 위상이 변조되도록 마련된 3차원 거리 정보 획득 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 공간 광 변조기는, 투과형 또는 반사형인 3차원 거리 정보 획득 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 광원은,
    에지 발광 레이저, 수직 공동 표면발광 레이저, 광결정 표면발광 레이저 중 어느 하나를 포함하는 3차원 거리 정보 획득 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 송신부는,
    상기 광원에서 출사된 광을 콜리메이팅하는 콜리메이팅 렌즈;를 더 포함하는 3차원 거리 정보 획득 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 송신부는,
    출광 광학계;를 더 포함하며,
    상기 출광 광학계는, 상기 공간 광 변조기에 의한 빔 스티어링 범위를 확장하는 발산 렌즈를 포함하는 3차원 거리 정보 획득 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 발산 렌즈는, 적어도 일 렌즈면이 오목한 오목 렌즈나 실린더 렌즈를 포함하는 3차원 거리 정보 획득 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 광검출기는, SiPM, APD, SPAD 중 어느 하나를 포함하는 3차원 거리 정보 획득 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 광원에서 출사된 광이 상기 공간 광 변조기로 향하는 방향을 제1진행 방향, 상기 공간 광 변조기에 의해 스티어링되는 광의 진행 방향을 제2진행 방향이라 할 때,
    상기 공간 광 변조기는 상기 제1진행 방향 및 제2진행 방향이 이루는 평면에 대해 경사지게 배치된 3차원 거리 정보 획득 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 광원에서 출사된 광이 상기 공간 광 변조기로 향하는 방향을 제1진행 방향, 상기 공간 광 변조기에 의해 스티어링되는 광의 진행 방향을 제2진행 방향이라 할 때,
    상기 공간 광 변조기는 상기 제1진행 방향 및 제2진행 방향이 이루는 평면에 수직을 이루도록 배치되며,
    상기 공간 광 변조기에 의해 스티어링되는 광을 상기 평면을 벗어나는 방향으로 반사시키는 경사진 미러부재;를 더 구비하는 3차원 거리 정보 획득 장치.
  18. 거리 센서, 3차원 센서, 라이다 센서 중 적어도 하나의 센서를 구비하며,
    상기 센서로 청구항 1항 내지 16항 중 어느 한 항의 3차원 거리 정보 획득 장치를 구비하는 전자 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 센서는 모바일용 라이다 센서인 전자 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 전자 장치는, 모바일용 뎁스 카메라인 전자 장치.
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