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KR102673811B1 - 광 스캐닝 장치 및 광 스캐닝 장치를 포함하는 라이다 시스템 - Google Patents

광 스캐닝 장치 및 광 스캐닝 장치를 포함하는 라이다 시스템 Download PDF

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KR102673811B1
KR102673811B1 KR1020160111685A KR20160111685A KR102673811B1 KR 102673811 B1 KR102673811 B1 KR 102673811B1 KR 1020160111685 A KR1020160111685 A KR 1020160111685A KR 20160111685 A KR20160111685 A KR 20160111685A KR 102673811 B1 KR102673811 B1 KR 102673811B1
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light
modulator
nanoantennas
polarization
beam splitter
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장재덕
이두현
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삼성전자주식회사
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Abstract

광 스캐닝 장치 및 광 스캐닝 장치를 포함하는 라이다 시스템이 개시된다. 광 스캐닝 장치는 제1 파장 영역 성분을 포함하는 제1 광을 제1 변조기로 입사시키고, 제2 파장 영역 성분을 포함하는 제2 광을 제2 변조기로 입사시킨다. 제1 및 제2 변조기에 의해 제1 광의 조사 방향과 제2 광의 조사 방향이 독립적으로 조절된다.

Description

광 스캐닝 장치 및 광 스캐닝 장치를 포함하는 라이다 시스템{Optical scanning device and LIDAR system including the optical scanning device}
본 개시는 광 스캐닝 장치 및 광 스캐닝 장치를 포함하는 라이다 시스템에 관한 것이다.
광을 이용한 객체 감지 시스템으로 라이다(LIDAR) 시스템이 있다. 라이다 시스템은 light detection and ranging system의 준말로 광을 대기중 또는 표적 물체에 발사하여 반사광을 측정함으로써 객체의 위치, 속도 등을 알아내거나 대기현상을 측정할 수 있다.
최근, 지능형 자동차 및 스마트카 분야에서는 돌발상황에 대한 차량의 능동적 대처기능을 요구하고 있다. 즉, 보행자의 급작스런 출현을 인지하거나, 어두운 야간에 조명의 범위를 벗어난 곳에 대한 장애물을 사전에 감지하거나, 우천시 전조등 조명의 약화로 인한 장애물을 감지하거나, 또는 도로 파손을 사전에 감지하는 등, 운전자와 보행자의 안전을 위협하는 상황을 사전에 확인할 필요가 있다. 이러한 지능형 자동차에서 라이다 장치는 객체 감지 장치로 사용될 수 있다.
라이다 시스템은 광의 조사 방향을 변경함으로써, 여러 방향의 객체를 탐지할 수 있다. 라이다 시스템의 구현하기 위해 광의 조사 방향을 조절하는 광 스캐닝 기술이 요구된다.
적어도 둘 이상의 파장 영역의 광의 조사 방향을 조절하는 광 스캐닝 장치 및 라이다 시스템을 제공한다.
일 측면에 있어서,
제1 파장 영역 성분 및 제2 파장 영역 성분을 포함하는 광을 조사하는 광원;
상기 광이 입사되는 것으로, 상기 광에서 제1 파장 영역의 성분을 포함하는 제1 광은 제1 방향으로 진행시키고, 상기 광에서 제2 파장 영역의 성분을 포함하는 제2 광은 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 진행시키는 빔 분할부;
상기 제1 광이 입사되는 것으로, 상기 제1 광의 위상을 변조함으로써 상기 제1 광의 진행 방향을 변경하는 제1 변조기; 및
상기 제2 광이 입사되는 것으로, 상기 제2 광의 위상을 변조함으로써 상기 제2 광의 진행 방향을 변경하는 제2 변조기;을 포함하는 광 스캐닝 장치가 제공된다.
상기 제1 변조기로부터 출사된 상기 제1 광은 상기 제2 변조기에서 반사되며, 상기 제2 변조기에서 출사된 상기 제2 광은 상기 제1 변조기에서 반사되도록 구성될 수 있다.
상기 빔 분할부는 상기 제1 광은 통과시키고 상기 제2 광은 반사시키는 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 포함할 수 있다.
상기 제1 광은 제1 편광을 가지고, 상기 제2 광은 제2 편광을 가지도록 구성되며,
상기 빔 분할부는 상기 제1 편광을 가지는 상기 제1 광은 투과시키고, 상기 제2 편광을 가지는 상기 제2 광은 반사하는 편광 빔 스플리터(Polarization beam splitter; PBS)를 포함할 수 있다.
상기 제1 변조기는 복수의 제1 나노 안테나를 포함하며, 상기 복수의 제1 나노 안테나는 상기 제1 편광을 가지는 광을 변조하도록 구성되고,
상기 제2 변조기는 복수의 제2 나노 안테나를 포함하며, 상기 복수의 제2 나노 안테나는 상기 제2 편광을 가지는 광을 변조하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 변조기는 제1 기판 및 상기 제1 기판에 배열된 복수의 제1 나노 안테나를 포함하고,
상기 제2 변조기는 제2 기판 및 상기 제2 기판에 배열된 복수의 제2 나노 안테나를 포함할 수 있다.
상기 광 스캐닝 장치는, 상기 복수의 제1 나노 안테나에 전위를 인가하는 제1 구동 유닛; 및 상기 복수의 제2 나노 안테나에 전위를 인가하는 제2 구동 유닛;을 더 포함하며,
상기 제1 변조기에서 변경되는 상기 제1 광의 진행 방향은 상기 제1 구동 유닛이 인가하는 전위에 의해 결정되며,
상기 제2 변조기에서 변경되는 상기 제2 광의 진행 방향은 상기 제2 구동 유닛이 인가하는 전위에 의해 결정될 수 있다.
상기 복수의 제1 나노 안테나 각각은 채널 전극 및 상기 채널 전극에 수직한 방향으로 형성된 복수의 서브 채널 전극을 포함할 수 있다.
상기 광 스캐닝 장치는, 상기 광원과 상기 빔 분할부 사이에 마련되는 것으로, 상기 광원으로부터 출사된 광의 단면(Cross section) 크기를 조절하는 광학계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 파장 영역은 850nm 내지 950nm의 파장 영역을 포함하고,
상기 제2 파장 영역은 1300nm 내지 1550nm의 파장 영역을 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
제1 파장 영역을 포함하는 제1 광 및 제2 파장 영역을 포함하는 제2 광을 조사하되, 상기 제1 광의 조사 방향 및 상기 제2 광의 조사 방향을 독립적으로 조절하는 광 스캐닝 장치;
상기 제1 광이 객체에서 반사된 광 및 상기 제2 광이 객체에서 반사된 광을 측정하는 광 측정 장치;
상기 광 측정 장치의 측정 결과로부터 상기 객체의 위치 및 속도 중 적어도 하나에 대한 정보를 추출하는 프로세서;를 포함하는 라이다 시스템(LIDAR system)이 제공된다.
상기 광 스캐닝 장치는,
제1 파장 영역 성분 및 제2 파장 영역 성분을 포함하는 광을 조사하는 광원;
상기 광이 입사되는 것으로, 상기 광에서 제1 파장 영역의 성분을 포함하는 제1 광은 제1 방향으로 진행시키고, 상기 광에서 제2 파장 영역의 성분을 포함하는 제2 광은 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 진행시키는 빔 분할부;
상기 제1 광이 입사되는 것으로, 상기 제1 광의 위상을 변조함으로써 상기 제1 광의 진행 방향을 변경하는 제1 변조기; 및
상기 제2 광이 입사되는 것으로, 상기 제2 광의 위상을 변조함으로써 상기 제2 광의 진행 방향을 변경하는 제2 변조기;을 포함할 수 있다.
상기 제1 변조기로부터 출사된 상기 제1 광은 상기 제2 변조기에서 반사되며, 상기 제2 변조기에서 출사된 상기 제2 광은 상기 제1 변조기에서 반사되도록 구성될 수 있다.
상기 빔 분할부는 상기 제1 광은 통과시키고 상기 제2 광은 반사시키는 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 포함할 수 있다.
상기 제1 광은 제1 편광을 가지고, 상기 제2 광은 제2 편광을 가지도록 구성되며,
상기 빔 분할부는 상기 제1 편광을 가지는 상기 제1 광은 투과시키고, 상기 제2 편광을 가지는 상기 제2 광은 반사하는 편광 빔 스플리터(Polarization beam splitter; PBS)를 포함할 수 있다.
상기 제1 변조기는 복수의 제1 나노 안테나를 포함하며, 상기 복수의 제1 나노 안테나는 상기 제1 편광을 가지는 광을 변조하도록 구성되고,
상기 제2 변조기는 복수의 제2 나노 안테나를 포함하며, 상기 복수의 제2 나노 안테나는 상기 제2 편광을 가지는 광을 변조하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 변조기는 제1 기판 및 상기 제1 기판에 배열된 복수의 제1 나노 안테나를 포함하고,
상기 제2 변조기는 제2 기판 및 상기 제2 기판에 배열된 복수의 제2 나노 안테나를 포함할 수 있다.
상기 광 스캐닝 장치는, 상기 복수의 제1 나노 안테나에 전위를 인가하는 제1 구동 유닛; 및 상기 복수의 제2 나노 안테나에 전위를 인가하는 제2 구동 유닛;을 더 포함하며,
상기 제1 변조기에서 변경되는 상기 제1 광의 진행 방향은 상기 제1 구동 유닛이 인가하는 전위에 의해 결정되며,
상기 제2 변조기에서 변경되는 상기 제2 광의 진행 방향은 상기 제2 구동 유닛이 인가하는 전위에 의해 결정될 수 있다.
상기 복수의 제1 나노 안테나 각각은 채널 전극 및 상기 채널 전극에 수직한 방향으로 형성된 복수의 서브 채널 전극을 포함할 수 있다.
상기 제1 파장 영역은 850nm 내지 950nm의 파장 영역을 포함하고,
상기 제2 파장 영역은 1300nm 내지 1550nm의 파장 영역을 포함할 수 있다.
상술한 실시예들에 따르면, 파장이 서로 다른 제1 광과 제2 광의 진행방향을 독립적으로 조절할 수 있는 광 스캐닝 장치가 제공된다. 또한, 광 스캐닝 장치의 부피를 줄일 수 있다. 광 스캐닝 장치가 제1 광과 제2 광의 진행방향을 독립적으로 조절함에 따라 라이다 시스템의 측정 자유도 및 측정 정확도가 높아질 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광 스캐닝 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 나타낸 제1 변조기의 표면을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에서 나타낸 제1 변조기의 표면을 나타낸 도면이다.
도 4는 제1 변조기가 제1 광의 진행방향을 변경하는 것을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 제1 및 제2 구동 유닛이 제1 및 제2 나노 안테나들에 인가하는 전위가 변경됨에 따라 제1 및 제2 광의 조사 방향이 변경된 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 빔 분할부가 편광 빔 스플리터를 포함하는 경우를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1에서 나타낸 광원과 빔 분할부 사이에 추가적으로 마련될 수 있는 광학계를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에서 나타낸 광학계의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 광 스캐닝 장치를 포함하는 라이다 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 라이다 장치 및 거리 측정 방법에 대해 상세하게 설명한다.
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. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 실시예들에 기재된 “...부”, “...모듈”의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 실시예들에서 사용되는 “구성된다” 또는 “포함한다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 도는 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.
또한, 본 실시예들에서 사용되는 “제 1” 또는 “제 2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 대상들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 상기 대상들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 대상을 다른 대상과 구별하는 목적으로만 사용된다.
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 예시적인 실시예에 따른 광 스캐닝 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 광 스캐닝 장치는, 광을 조사하는 광원(S1), 상기 광이 입사되는 것으로, 상기 광에서 제1 파장 영역의 성분을 포함하는 제1 광(L1)은 제1 방향(y축 방향)으로 진행시키고, 상기 광에서 제2 파장 영역의 성분을 포함하는 제2 광(L2)은 상기 제1 방향(y축 방향)과 다른 제2 방향(z축 방향)으로 진행시키는 빔 분할부(BD)를 포함할 수 있다.
또한, 광 스캐닝 장치는 빔 분할부(BD)로부터 출사된 제1 광(L1)이 입사되는 것으로, 제1 광(L1)의 위상을 변조함으로써 제1 광(L1)의 진행 방향을 변경하는 제1 변조기(OPA1) 및 빔 분할부(BD)로부터 출사된 제 2 광(L2)이 입사되는 것으로, 제2 광(L2)의 위상을 변조함으로써 제2 광(L2)의 진행 방향을 변경하는 제2 변조기(OPA2)을 포함할 수 있다.
광원(LS)은 복수 파장 영역을 포함하는 광을 조사할 수 있다. 광원(LS)이 조사하는 광은 제1 파장 영역 성분을 가지는 제1 광(L1) 및 제2 파장 영역 성분을 가지는 제2 광(L2)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광(L1, L2)은 각각 단색 광일 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 제한되지 않는다. 제1 및 제2 광(L1, L2)은 각각 서로 다른 파장 스펙트럼을 가질 수 있다. 이 경우, 제1 광(L1)의 스펙트럼 피크가 형성되는 파장과 제2 광(L2)의 스펙트럼 피크가 형성되는 파장이 서로 다를 수 있다. 또한, 광원(LS)은 셋 이상의 파장 영역 성분을 포함하는 광을 조사할 수도 있다.
도 1에서는 광원(LS)을 하나로 표현했지만, 광원(LS)은 둘 이상으로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 광원(LS)은 제1 광(L1)을 조사하는 제1 광원 및 제2 광(L2)을 조사하는 제2 광원을 포함할 수 있다.
광원(LS)으로부터 조사된 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)은 빔 분할부(BD)에 입사될 수 있다. 빔 분할부(BD) 제1 광(L1)과 제2 광(L2)이 서로 다른 방향으로 진행하도록 할 수 있다. 즉, 빔 분할부(BD)는 광원(LS)으로부터 조사된 광을 분할할 수 있다. 빔 분할부(BD)는 광원(LS)으로부터 조사된 광 가운데 제1 광(L1)은 제1 방향(y축 방향)으로 진행하도록 하고, 제2 광(L2)은 제2 방향(z축 방향)으로 진행하도록 할 수 있다. 하지만, 상기 제1 및 제2 방향은 예시적인 것에 불과하며 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 및 제2 방향 사이의 각도는 도 1에서 나타낸 바와 같이 90도 가 아닐 수도 있다.
예시적으로, 빔 분할부(BD)는 다이크로익 미러(Dichroic mirror)를 포함할 수 있다. 다이크로익 미러는 소정의 파장 영역의 광을 선택적으로 반사시킬 수 있다. 따라서, 빔 분할부(BD)는 광원(LS)으로부터 조사된 광을 파장에 따라 분리할 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 영역 성분을 가진 제1 광(L1)은 상기 다이크로익 미러를 통과하고, 제2 파장 영역 성분을 가진 제2 광(L2)은 상기 다이크로익 미러에서 반사될 수 있다. 빔 분할부(BD)에 포함된 다이크로익 미러의 배치 각도에 따라 제1 광(L1)이 진행하는 제1 방향과 제2 광(L2)이 진행하는 제2 방향 사이의 각도가 달라질 수 있다.
다른 예로, 빔 분할부(BD)는 편광 빔 스플리터(Polarization beam splitter; PBS)를 포함할 수도 있다. 편광 빔 스플리터(PBS)는 소정의 편광 성분의 광을 선택적으로 반사시킬 수 있다. 따라서, 빔 분할부(BD)는 광원(LS)으로부터 조사된 광을 편광 성분에 따라 분리할 수 있다. 예를 들어, 광원(LS)은 제1 광(L1)이 제1 편광을 가지게 하고, 제2 광(L2)은 제2 편광을 가지도록 할 수 있다. 제1 및 제2 편광은 서로 다른 방향의 편광일 수 있다. 빔 분할부(BD)는 제1 편광을 가진 제1 광(L1)은 투과시키고, 제2 편광을 가진 제2 광(L2)은 반사시킬 수 있다. 결과적으로, 빔 분할부(BD)는 제1 파장 영역 성분을 가진 제1 광(L1)과 제2 파장 성분을 가진 제2 광(L2)이 서로 다른 방향으로 진행하도록 할 수 있다. 빔 분할부(BD)에 포함된 편광 빔 스플리터의 배치 각도에 따라 제1 광(L1)이 진행하는 제1 방향과 제2 광(L2)이 진행하는 제2 방향 사이의 각도가 달라질 수 있다.
빔 분할부(BD)로부터 출사된 제1 광(L1)은 제1 변조기(OPA1)에 입사될 수 있다. 제1 변조기(OPA1)는 제1 광(L1)의 위상을 변조함으로써 제1 광(L1)의 진행방향을 변경할 수 있다. 빔 분할부(BD)로부터 출사된 제2 광(L2)은 제2 변조기(OPA12)에 입사될 수 있다. 제2 변조기(OP2)는 제2 광(L2)의 위상을 변조함으로써 제2 광(L2)의 진행방향을 변경할 수 있다.
제1 변조기(OPA1)는 복수의 제1 나노 안테나(NA1)를 포함할 수 있다. 또한, 제2 변조기(OPA2)는 복수의 제2 나노 안테나(NA2)를 포함할 수 있다. 제1 나노 안테나(NA1)는 제1 파장 성분의 광과 공진 현상을 일으킴으로써 제1 파장 성분의 광의 위상을 변조할 수 있다. 따라서, 제1 변조기(OPA1)는 제1 파장 성분 영역을 포함하는 제1 광(L1)의 위상을 선택적으로 변조할 수 있다. 마찬가지로, 제2 나노 안테나(NA2)는 제2 파장 성분의 광과 공진 현상을 일으킴으로써 제2 파장 성분의 광의 위상을 변조할 수 있다. 따라서, 제2 변조기(OPA2)는 제2 파장 성분 영역을 포함하는 제2 광(L2)의 위상을 선택적으로 변조할 수 있다.
도 2는 도 1에서 나타낸 제1 변조기(OPA1)의 표면을 나타낸 도면이다. 도 1에서 나타낸 제1 광 변조기(OPA1)의 실시예는 제2 변조기(OPA2)에도 적용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 변조기(OPA1)는 기판(SUB)과 기판(SUB)에 배열된 복수의 제1 나노 안테나(NA1)를 포함할 수 있다. 제1 광(L1)은 제1 변조기(OPA1)의 표면에서 반사될 때, 복수의 제1 나노 안테나(NA1)와의 상호작용으로 인해 위상이 변조될 수 있다. 제1 광(L1)의 위상이 변경됨에 따라 제1 광(L1)의 파면 모양이 변경되고, 제1 광(L1)의 파면 모양이 변경됨에 따라 제1 광(L1)이 진행하는 방향이 달라질 수 있다.
복수의 제1 나노 안테나(NA1) 각각은 하나의 채널을 형성할 수 있다. 복수의 제1 나노 안테나(NA1) 각각은 하나의 채널 전극(CHE) 및 채널 전극(CHE)에 수직한 방향으로 형성된 복수의 서브 채널 전극(SUCHE)를 포함할 수 있다. 채널 전극(CHE)에 수직한 복수의 서브 채널 전극(SUCHE)이 나란하게 배열됨으로써 제1 나노 안테나(NA1)는 척추와 비슷한 모양을 가질 수 있다.
채널 전극(CHE) 및 서브 채널 전극(SUCHE)은 금(Au) 또는 구리(Cu)와 같은 금속을 포함할 수 있다. 또한, 채널 전극(CHE)과 서브 채널 전극(SUCHE) 사이에는 알루미늄층, 산화 알루미늄 층, 투명 금속(ITO) 층 등이 추가로 더 마련될 수 있다. 제1 나노 안테나(NA1)는 제1 파장 성분의 광의 위상을 선택적으로 변조하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 파장 성분의 파장 값에 따라 제1 나노 안테나(NA1)의 폭(W1)과 제1 나노 안테나(NA1)에 축적되는 전하 운반체(Charge Carrier)의 농도가 다르게 설정될 수 있다. 마찬가지로, 제2 파장 성분의 파장 값에 따라 제2 나노 안테나(NA1)의 폭과 제2 나노 안테나(NA2)에 축적되는 전하 운반체의 농도가 다르게 설정될 수 있다.
도 2에서 나타낸 제1 나노 안테나(NA1)는 입사광 가운데 소정의 편광을 가지는 광의 위상을 선택적으로 변조할 수 있다. 예를 들어, 제1 나노 안테나(NA1)는 채널 전극(CHE)과 수직한 방향, 즉 서브 채널 전극(SUCHE)과 나란한 방향의 편광 성분을 가지는 광의 위상을 선택적으로 변조할 수 있다. 이 경우, 제1 변조기(OPA1)는 입사광 가운데 서브 채널 전극(SUCHE)과 나란한 방향의 편광 성분을 가지는 광은 공진 현상에 의해 위상을 변조하고, 채널 전극(CHE)과 나란한 방향의 편광 성분을 가지는 광은 단순 반사시킬 수 있다.
도 3은 도 1에서 나타낸 제1 변조기(OPA1)의 표면을 나타낸 도면이다. 도 3에서 나타낸 제1 광 변조기(OPA1)의 실시예는 제2 변조기(OPA2)에도 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 변조기(OPA1)는 기판(SUB)과 기판(SUB)에 배열된 복수의 제1 나노 안테나(NA1)를 포함할 수 있다. 도 3의 나노 안테나(NA1)는 도 2에서 나타낸 서브 채널 전극(SUCHE)를 포함하지 않을 수 있다. 제1 나노 안테나(NA1)는 제1 파장 성분의 광의 위상을 선택적으로 변조하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 파장 성분의 파장 값에 따라 제1 나노 안테나(NA1)의 폭(W2)과 제1 나노 안테나(NA1)에 축적되는 전하 운반체(Charge Carrier)의 농도가 다르게 설정될 수 있다. 마찬가지로 제2 파장 성분의 파장 값에 따라 제2 나노 안테나(NA1)의 폭과 제2 나노 안테나(NA2)에 축적되는 전하 운반체의 농도가 다르게 설정될 수 있다.
이상에서 도 2 및 도 3을 참조하여 제1 및 제2 변조기(OPA1, OPA2)에 관하여 설명하였다. 하지만, 실시예가 전술한 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 및 제2 나노 안테나(NA1, NA2)는 도 2 및 도 3에서 나타낸 것과 다른 모양을 가질 수 있다. 또한, 제1 및 제2 변조기(OPA1, OPA2)는 광의 위상을 변조할 수 있는 메타 표면 광학 장치 등을 포함할 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제1 변조기(OPA1)에서 위상이 변조됨으로써 진행방향이 변경된 제1 광(L1)은 제2 변조기(OPA2)에 입사될 수 있다. 제2 변조기(OPA2)의 제2 나노 안테나(NA2)는 제2 파장 성분의 광의 위상을 선택적으로 변조하므로, 제2 변조기(OPA2)에서 제1 광(L1)은 단순 반사될 수 있다. 즉, 제2 변조기(OPA2)에서 제1 광(L1)은 반사 외에 다른 위상 변화가 거의 없을 수 있다. 제2 변조기(OPA2)에서 반사된 제1 광(L1)은 빔 분할부(BD)를 투과하여 광 스캐닝 장치 외부로 조사될 수 있다. 제1 광(L1)은 제2 변조기(OPA2)에서는 단순 반사되기 때문에, 제1 광(L1)이 광 스캐닝 장치 외부로 조사되는 방향은 제1 변조기(OPA1)가 제1 광(L1)의 위상을 어떻게 변조하느냐에 의존할 수 있다.
제2 변조기(OPA2)에서 위상이 변조됨으로써 진행방향이 변경된 제2 광(L2)은 제1 변조기(OPA1)에 입사될 수 있다. 제1 변조기(OPA1)의 제1 나노 안테나(NA1)는 제1 파장 성분의 광의 위상을 선택적으로 변조하므로, 제1 변조기(OPA1)에서 제2 광(L2)은 단순 반사될 수 있다. 즉, 제1 변조기(OPA1)에서 제2 광(L2)은 반사 외에 다른 위상 변화가 거의 없을 수 있다. 제1 변조기(OPA1)에서 반사된 제2 광(L2)은 빔 분할부(BD)에서 다시 반사되어 광 스캐닝 장치 외부로 조사될 수 있다. 제2 광(L2)은 제1 변조기(OPA1)에서는 단순 반사되기 때문에, 제2 광(L2)이 광 스캐닝 장치 외부로 조사되는 방향은 제2 변조기(OPA2)가 제2 광(L2)의 위상을 어떻게 변조하느냐에 의존할 수 있다.
도 4는 제1 변조기(OPA1)가 제1 광(L1)의 진행방향을 변경하는 것을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1 변조기(OPA1)는 제1 변조기(OPA1)에 포함된 복수의 제1 나노 안테나(NA1)에 전위를 인가하는 제1 구동 유닛(DU1)을 포함할 수 있다. 제1 구동 유닛(DU1)은 복수의 제1 나노 안테나(NA1)에 같은 크기의 전위를 인가할 수 있다. 다른 예로, 제1 구동 유닛(DU1)은 복수의 제1 나노 안테나(NA1) 각각에 서로 다른 크기의 전위를 인가할 수도 있다. 제1 구동 유닛(DU1)이 복수의 제1 나노 안테나(NA1)에 인가하는 전위의 크기에 의존하여, 복수의 제1 나노 안테나(NA1)에 저장된 전하 운반체의 농도가 달라질 수 있다. 복수의 제1 나노 안테나(NA1)에 저장된 전하 운반체의 농도에 따라, 복수의 제1 나노 안테나(NA1)가 제1 광(L1)의 위상을 다르게 변화시킬 수 있다. 따라서, 제1 변조기(OPA1)로부터 출사되는 제1 광(L1)의 진행 방향은 제1 구동 유닛(DU1)이 복수의 제1 나노 안테나(NA1)에 인가하는 전위에 의존할 수 있다. 마찬가지로, 제2 변조기(OPA2)로부터 출사되는 제2 광(L2)의 진행 방향은 제2 구동 유닛이 복수의 제2 나노 안테나(NA2)에 인가하는 전위에 의존할 수 있다.
도 5는 제1 및 제2 구동 유닛(DU1, DU2)이 제1 및 제2 나노 안테나들(NA1, NA2)에 인가하는 전위가 변경됨에 따라 제1 및 제2 광(L1, L2)의 조사 방향이 변경된 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 광 스캐닝 장치는 복수의 제1 나노 안테나(NA1)에 전위를 인가하는 제1 구동 유닛(DU1) 및 복수의 제2 나노 안테나(NA2)에 전위를 인가하는 제2 구동 유닛(DU2)을 포함할 수 있다. 제1 구동 유닛(DU1)이 복수의 제1 나노 안테나(NA1)에 인가하는 전위를 변경함으로써 제1 광(L1)이 광 스캐닝 장치로부터 조사되는 방향이 변경될 수 있다. 제2 구동 유닛(DU2)이 복수의 제2 나노 안테나(NA2)에 인가하는 전위를 변경함으로써 제2 광(L2)이 광 스캐닝 장치로부터 조사되는 방향이 변경될 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 광 스캐닝 장치는 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)의 조사 방향을 변경하기 위해 제1 및 제2 변조기(OPA1, OPA2)를 움직일 필요가 없다. 따라서, 일반적인 반사부재를 이용하는 경우에 비해 부재들의 움직임에 필요한 공간이 절약되면서 광 스캐닝 장치를 소형화 할 수 있다. 또한, 제1 구동 유닛(DU1)이 인가하는 전위와 제2 구동 유닛(DU2)이 인가하는 전위를 조절함으로써, 제1 광(L1)의 진행방향과 제2 광(L2)의 진행 방향을 독립적으로 조절할 수 있다.
도 6은 빔 분할부(BD)가 편광 빔 스플리터를 포함하는 경우를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 광원(LS)으로부터 출사되는 광 가운데 제1 광(L1)은 x방향 편광(Px)을 가지고, 제2 광(L2)은 z방향 편광(Pz)을 가질 수 있다. 빔 분할부(BD)에 포함된 편광 빔 스플리터는 x방향 편광(Px)을 가지는 제1 광(L1)은 투과시키고, z방향 편광(Pz)을 가지는 제2 광(L2)은 반사시킬 수 있다.
제1 변조기(OPA1)는 제1 광(L1)의 위상을 선택적으로 변조시키도록 구성될 수 있다. 제1 변조기(OPA1)는 x방향 편광(Px)을 가지는 광의 위상을 선택적으로 변조시키도록 구성될 수 있다. 예시적으로, 제1 변조기(OPA1)의 제1 나노 안테나(NA1)에 포함된 서브 채널 전극의 형성 방향은 x축 방향과 평행한 성분을 포함할 수 있다. 반면, 제1 나노 안테나(NA1)에 포함된 채널 전극의 형성 방향은 z축 방향과 실질적으로 평행할 수 있다. 따라서, 제1 변조기(OPA1)는 제2 광(L2)은 다른 위상 변조 없이 단순 반사 시킬 수 있다.
제2 변조기(OPA2)는 제2 광(L2)의 위상을 선택적으로 변조시키도록 구성될 수 있다. 제2 변조기(OPA2)는 x방향 편광(Py)을 가지는 광의 위상을 선택적으로 변조시키도록 구성될 수 있다. 예시적으로, 제2 변조기(OPA2)의 제2 나노 안테나(NA2)에 포함된 서브 채널 전극의 형성 방향은 y축 방향과 평행한 성분을 포함할 수 있다.
도 7은 도 1에서 나타낸 광원(LS)과 빔 분할부(BD) 사이에 추가적으로 마련될 수 있는 광학계(OS)를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 광 스캐닝 장치는 광원(LS)과 빔 분할부(BD) 사이에 마련되어 광원(LS)으로부터 출사된 광의 단면(Cross section) 크기를 조절하는 광학계(OS)를 더 포함할 수 있다. 광학계(OS)는 복수의 렌즈(LE1, LE2)를 포함할 수 있다. 도 7에서는 광원(LS)으로부터 오목 렌즈(LE1)와 볼록 렌즈(LE2)가 순차적으로 마련되는 경우를 도시했다. 이 경우, 광의 단면이 확대될 수 있다.
도 8은 도 7에서 나타낸 광학계(OS)의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 광원(LS)으로부터 볼록 렌즈(LE2)와 오목 렌즈(LE1)가 순차적으로 마련될 수 있다. 이 경우, 광의 단면이 축소될 수 있다.
도 7 및 도 8에서 나타낸 광학계(OS)는 예시적인 것에 불과하며, 광학계(OS)에 포함될 수 있는 렌즈의 개수 및 종류는 이에 제한되지 않는다. 또한, 광학계(OS)는 광학 렌즈가 아닌 메타 표면을 이용한 박형 렌즈를 포함할 수도 있다. 광학계(OS)는 광원(LS)과 빔 분할부(BD) 사이 뿐만 아니라 빔 분할부(BD)와 제1 변조기(OBA1) 사이, 빔 분할부(BD)와 제2 변조기(OBA2) 사이, 제1 변조기(OBA1)와 제2 변조기(OBA2) 사이에도 마련될 수 있다.
이상에서 도 1 내지 도 8을 참조하여 예시적인 실시예에 따른 광 스캐닝 장치에 관하여 설명하였다. 상술한 실시예들에 따르면, 서로 다른 파장 영역 성분을 가지는 제1 및 제2 광(L1, L2)의 조사 방향을 독립적으로 제어할 수 있는 광 스캐닝 장치가 제공된다. 또한, 광 스캐닝 장치의 부피를 줄일 수 있다.
도 9는 광 스캐닝 장치(100)를 포함하는 라이다(LIDAR) 시스템(1000)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 실시예에 따른 라이다 시스템(1000)은 광 스캐닝 장치(100)와, 광 스캐닝 장치(100)로부터 조사된 제1 광(L1)이 객체(OB)에서 반사된 광 및 제2 광(L2)이 객체(OB)에서 반사된 광을 측정하는 광 측정 장치(200) 및 광 측정 장치의 측정 결과로부터 객체(OB)의 위치 및 속도 중 적어도 하나에 대한 정보를 추출하는 프로세서(300)를 포함할 수 있다.
광 스캐닝 장치(100)는 제1 광(L1)의 조사 방향과 제2 광(L2)의 주사방향을 독립적으로 조절할 수 있다. 제1 광(L1)은 제1 파장 영역 성분을 포함하고, 제2 광(L2)은 제2 파장 영역 성분을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 파장 영역은 850nm 내지 950nm 의 파장 영역을 포함할 수 있다. 상술한 제1 파장 영역은 라이다 시스템(1000)의 측정 해상도 면에서는 유리하지만, 대기 중 물 입자에 의한 흡수율이 상대적으로 높고, 눈(snow)에 의한 산란 효과가 상대적으로 잘 일어날 수 있다. 따라서, 제1 광(L1)은 가까운 거리에 있는 객체를 정교하게 분석하기에 적합할 수 있다.
제2 파장 영역은 1300nm 내지 1550nm 의 파장 영역을 포함할 수 있다. 상술한 제2 파장 영역은 라이다 시스템(1000)의 상대적으로 낮은 해상도를 제공하지만, 대기 중 물 입자에 의한 흡수율이 상대적으로 낮고, 눈(snow)에 의한 산란 효과가 상대적으로 적게 일어날 수 있다. 따라서, 제2 광(L2)은 먼 거리에 있는 객체를 분석하기에 적합할 수 있다.
광 스캐닝 장치(100)는 제1 구동 유닛(DU1)이 제1 변조기(OPA1)의 제1 나노 안테나(NA1)에 인가하는 전위와 제2 구동 유닛(DU2)이 제2 변조기(OPA2)의 제2 나노 안테나(NA2)에 인가하는 전위를 적절히 조절함으로써, 제1 광(L1)의 진행방향과 제2 광(L2)의 진행방향을 독립적으로 조절할 수 있다. 광 스캐닝 장치(100)가 제1 광(L1)의 진행방향과 제2 광(L2)의 진행방향을 독립적으로 조절함에 따라 라이다 시스템의 측정 자유도가 높아질 수 있다.
광 측정 장치(200)는 광을 수광하여 전기 신호를 내보내는 수광소자일 수 있다. 예를 들어, 광 측정 장치(200)는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode;APD) 또는 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(Single Photon Avalanche Diode;SPAD)를 포함할 수 있다. 광 측정 장치(200)는 APD 또는 SPAD중 어떤 수광소자를 포함하는지에 따라 AFE(Analog Front End), TDC(Time Digital Counter) 등의 구체적 회로 구성을 다르게 가질 수 있다. 상술한 예들은 예시적인 것에 불과할 뿐, 광 측정 장치(200)는 수광한 광을 전기적 신호로 변경하는 다른 소자를 포함할 수도 있다.
프로세서(300)는 광 측정 장치(200)의 측정 결과로부터 객체(OB)의 위치 및 속도 중 적어도 하나에 대한 정보를 추출할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(300)는 TOF(Time of flight) 방식에 의해 객체(OB)와 라이다 시스템(1000) 사이의 거리에 대한 정보를 추출할 수 있다. 프로세서(300)는 도플러 효과에 의한 반사광의 진동수 변이(shift)를 계산함으로써, 객체(OB)의 속도에 대한 정보를 추출할 수도 있다.
이상에서 도 1 내지 도 9를 참조하여 예시적인 실시예에 따른 광 스캐닝 장치 및 광 스캐닝 장치를 포함하는 라이다 시스템에 관하여 설명하였다. 상술한 실시예들에 따르면, 파장이 서로 다른 제1 광과 제2 광의 진행방향을 독립적으로 조절할 수 있는 광 스캐닝 장치가 제공된다. 또한, 광 스캐닝 장치의 부피를 줄일 수 있다. 광 스캐닝 장치가 제1 광과 제2 광의 진행방향을 독립적으로 조절함에 따라 라이다 시스템의 측정 자유도 및 측정 정확도가 높아질 수 있다.
상술한 지문 센서 및 지문 센서의 구동 방법은 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. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
LS : 광원
BD : 빔 분할부
OPA1, OPA2 : 제1, 제2 변조기
NA1, NA2 : 제1, 제2 나노 안테나
100 : 광 스캐닝 장치
200 : 광 측정 장치
300 : 프로세서
1000 : 라이다 시스템

Claims (20)

  1. 제1 파장 영역 성분 및 제2 파장 영역 성분을 포함하는 광을 조사하는 광원;
    상기 광이 입사되는 것으로, 상기 광에서 제1 파장 영역의 성분을 포함하는 제1 광은 제1 방향으로 진행시키고, 상기 광에서 제2 파장 영역의 성분을 포함하는 제2 광은 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 진행시키는 빔 분할부;
    상기 제1 광이 입사되는 것으로, 상기 제1 광의 위상을 변조함으로써 상기 제1 광의 진행 방향을 변경하는 제1 변조기; 및
    상기 제2 광이 입사되는 것으로, 상기 제2 광의 위상을 변조함으로써 상기 제2 광의 진행 방향을 변경하는 제2 변조기;을 포함하고,
    상기 제1 변조기로부터 출사된 상기 제1 광은 상기 제2 변조기에서 반사되며, 상기 제2 변조기에서 출사된 상기 제2 광은 상기 제1 변조기에서 반사되도록 구성되는 광 스캐닝 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 분할부는 상기 제1 광은 통과시키고 상기 제2 광은 반사시키는 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 포함하는 광 스캐닝 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광은 제1 편광을 가지고, 상기 제2 광은 제2 편광을 가지도록 구성되며,
    상기 빔 분할부는 상기 제1 편광을 가지는 상기 제1 광은 투과시키고, 상기 제2 편광을 가지는 상기 제2 광은 반사하는 편광 빔 스플리터(Polarization beam splitter; PBS)를 포함하는 광 스캐닝 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 변조기는 복수의 제1 나노 안테나를 포함하며, 상기 복수의 제1 나노 안테나는 상기 제1 편광을 가지는 광을 변조하도록 구성되고,
    상기 제2 변조기는 복수의 제2 나노 안테나를 포함하며, 상기 복수의 제2 나노 안테나는 상기 제2 편광을 가지는 광을 변조하도록 구성되는 광 스캐닝 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 변조기는 제1 기판 및 상기 제1 기판에 배열된 복수의 제1 나노 안테나를 포함하고,
    상기 제2 변조기는 제2 기판 및 상기 제2 기판에 배열된 복수의 제2 나노 안테나를 포함하는 광 스캐닝 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노 안테나에 전위를 인가하는 제1 구동 유닛; 및 상기 복수의 제2 나노 안테나에 전위를 인가하는 제2 구동 유닛;을 더 포함하며,
    상기 제1 변조기에서 변경되는 상기 제1 광의 진행 방향은 상기 제1 구동 유닛이 인가하는 전위에 의해 결정되며,
    상기 제2 변조기에서 변경되는 상기 제2 광의 진행 방향은 상기 제2 구동 유닛이 인가하는 전위에 의해 결정되는 광 스캐닝 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노 안테나 각각은 채널 전극 및 상기 채널 전극에 수직한 방향으로 형성된 복수의 서브 채널 전극을 포함하는 광 스캐닝 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 빔 분할부 사이에 마련되는 것으로,
    상기 광원으로부터 출사된 광의 단면(Cross section) 크기를 조절하는 광학계;를 더 포함하는 광 스캐닝 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 파장 영역은 850nm 내지 950nm의 파장 영역을 포함하고,
    상기 제2 파장 영역은 1300nm 내지 1550nm의 파장 영역을 포함하는 광 스캐닝 장치.
  11. 제1 파장 영역을 포함하는 제1 광 및 제2 파장 영역을 포함하는 제2 광을 조사하되, 상기 제1 광의 조사 방향 및 상기 제2 광의 조사 방향을 독립적으로 조절하는 광 스캐닝 장치;
    상기 제1 광이 객체에서 반사된 광 및 상기 제2 광이 객체에서 반사된 광을 측정하는 광 측정 장치;
    상기 광 측정 장치의 측정 결과로부터 상기 객체의 위치 및 속도 중 적어도 하나에 대한 정보를 추출하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 광 스캐닝 장치는,
    제1 파장 영역 성분 및 제2 파장 영역 성분을 포함하는 광을 조사하는 광원;
    상기 광이 입사되는 것으로, 상기 광에서 제1 파장 영역의 성분을 포함하는 제1 광은 제1 방향으로 진행시키고, 상기 광에서 제2 파장 영역의 성분을 포함하는 제2 광은 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 진행시키는 빔 분할부;
    상기 제1 광이 입사되는 것으로, 상기 제1 광의 위상을 변조함으로써 상기 제1 광의 진행 방향을 변경하는 제1 변조기; 및
    상기 제2 광이 입사되는 것으로, 상기 제2 광의 위상을 변조함으로써 상기 제2 광의 진행 방향을 변경하는 제2 변조기;을 포함하고,
    상기 제1 변조기로부터 출사된 상기 제1 광은 상기 제2 변조기에서 반사되며, 상기 제2 변조기에서 출사된 상기 제2 광은 상기 제1 변조기에서 반사되도록 구성되는 라이다 시스템(LIDAR system).
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 빔 분할부는 상기 제1 광은 통과시키고 상기 제2 광은 반사시키는 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 포함하는 라이다 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 광은 제1 편광을 가지고, 상기 제2 광은 제2 편광을 가지도록 구성되며,
    상기 빔 분할부는 상기 제1 편광을 가지는 상기 제1 광은 투과시키고, 상기 제2 편광을 가지는 상기 제2 광은 반사하는 편광 빔 스플리터(Polarization beam splitter; PBS)를 포함하는 라이다 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 변조기는 복수의 제1 나노 안테나를 포함하며, 상기 복수의 제1 나노 안테나는 상기 제1 편광을 가지는 광을 변조하도록 구성되고,
    상기 제2 변조기는 복수의 제2 나노 안테나를 포함하며, 상기 복수의 제2 나노 안테나는 상기 제2 편광을 가지는 광을 변조하도록 구성되는 라이다 시스템.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 변조기는 제1 기판 및 상기 제1 기판에 배열된 복수의 제1 나노 안테나를 포함하고,
    상기 제2 변조기는 제2 기판 및 상기 제2 기판에 배열된 복수의 제2 나노 안테나를 포함하는 라이다 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 광 스캐닝 장치는, 상기 복수의 제1 나노 안테나에 전위를 인가하는 제1 구동 유닛; 및 상기 복수의 제2 나노 안테나에 전위를 인가하는 제2 구동 유닛;을 더 포함하며,
    상기 제1 변조기에서 변경되는 상기 제1 광의 진행 방향은 상기 제1 구동 유닛이 인가하는 전위에 의해 결정되며,
    상기 제2 변조기에서 변경되는 상기 제2 광의 진행 방향은 상기 제2 구동 유닛이 인가하는 전위에 의해 결정되는 라이다 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노 안테나 각각은 채널 전극 및 상기 채널 전극에 수직한 방향으로 형성된 복수의 서브 채널 전극을 포함하는 라이다 시스템.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 파장 영역은 850nm 내지 950nm의 파장 영역을 포함하고,
    상기 제2 파장 영역은 1300nm 내지 1550nm의 파장 영역을 포함하는 라이다 시스템.
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