일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.10.3

도시바와 덴소, LiDAR로 공세
도태 물결에 독자적 기술로 도전하다

일본 기업들이 LiDAR(레이저 레이더) 분야에서 공세를 펴고 있다. 도시바는 도로 상황 등을 감시하는 인프라 용도용으로 높은 정밀도로 물체를 인식/추적할 수 있는 LiDAR을 개발했다.

덴소는 광 스캐닝부 등의 기구 부품이 필요 없도록 한 ‘메카리스(Mechaless)’ LiDAR를 차량탑재용으로 개발 중이다. 기업의 도태가 진행되는 LiDAR 업계에서 독자적 기술로 센싱 시장에 파고든다.

지금까지 도시바는 독자적인 A-D 컨버터(변환기)를 축으로 차량탑재용 LiDAR을 개발해 왔다. 하지만 LiDAR의 킬러 애플리케이션으로 꼽히는 자율주행 시장의 출범이 늦어지고 있어 차량용 LiDAR를 전개해 온 기업은 일부를 제외하고 상당수가 어려움을 겪고 있다.

이런 배경에서 도시바는 차량탑재용뿐만 아니라 도시와 도로 등 인프라 감시를 위한 용도로도 LiDAR을 개발하고 있다. 우선 2025년도에 인프라 감시용으로 실용화하는 것을 목표로 한다. 이후 차량탑재용으로 실용화하는 방안도 검토 중이다.

-- 독자적인 A-D변환기나 AI로 고정밀도 --
이번에 22년 3월에 발표한 LiDAR을 바탕으로 인프라 감시를 위한 기능 강화를 꾀했다. 크게 두 가지다. 하나는 물체의 추적이나 인식 정확도를 높인 것이다. 도시바에 따르면 물체를 추적하는 정확도는 99.9%, 물체를 인식하는 정확도는 98.9%라고 한다. 이는 2차원(2D) 이미지와 3D 정보(점군)를 동시에 화각의 어긋남 없이 취득할 수 있는 점이 기여했다.

물체를 인식하거나 추적할 경우, LiDAR에 의한 3D 정보와 카메라에 의한 2D 이미지를 이용한다. 이때 LiDAR와 카메라는 다른 위치에 있기 때문에 광축이 다르고 화각에 차이가 난다. 또한 프레임 속도 등을 동기화할 필요가 있다.

도시바의 LiDAR는 ‘다이렉트 ToF(Time of Flight)’ 방식에 의한 3D 정보와 ToF에서의 반사광 휘도(강도)를 A-D 변환해 얻은 2D 이미지를 동시에 취득할 수 있다. 즉, 2D 영상과 3D 영상의 화각이나 프레임 레이트에 차이가 없으므로 물체 인식의 정확도와 추적 정확도를 높이기 쉽다. 그리고 A-D 변환기에 의해 다(多)비트 계조(階調)의 2D 이미지를 얻을 수 있는 것도 인식이나 추적 정확도 향상에 기여했다.

AI(인공지능) 기술도 활용한다. LiDAR의 점군 데이터만으로는 물체를 인식하거나 추적할 수 없기 때문에 자동차나 사람의 판별, 위치의 특정 등에서 AI를 이용한다. 조명이 없는 야간에도 물체 인식이나 추적 정확도를 유지하는 경우에도 AI를 활용한다.

또 하나의 기능 강화가 비나 안개에서의 LiDAR의 인식 범위(탐지거리)를 가급적 길게 한 것이다. 기존에는 안개가 짙거나 비가 심하게 내리면 피사체에서 나오는 반사광과 비나 안개에서 비롯되는 반사광을 분리하기 어려워 탐지거리가 좁았었다.

이번에 비나 안개에서 나오는 반사광을 분리할 수 있는 알고리즘을 개발했다. A-D 변환기로 반사광의 진폭 정보를 세밀하게 취득할 수 있는 것이 알고리즘 실현에 기여했다.

그 결과 비나 안개가 심한 상황에서 기존 대비 탐지거리를 약 2배 늘릴 수 있었다. 예를 들면, 40m 앞까지만 육안으로 확인할 수 있는 짙은 안개의 경우, 알고리즘 도입 전의 탐지거리는 17m였지만 도입 후에는 35m가 되었다. 시간당 강우량이 80mm인 환경에서는 20m였지만 도입 후에는 40m까지 늘어났다.

개발한 LiDAR는 광원인 레이저와 레이저광을 스캐닝하는 기구 부품 등을 갖춘 투광기와, 수광소자 등을 갖춘 수광기로 구성된다. 용도나 장소 등의 요건에 따라 투광기나 수광기의 수 등의 구성을 바꿈으로써 화각과 탐지거리를 조정할 수 있는 점도 특징이다.

예를 들면, 넓은 화각이 필요한 경우 투광기 4개와 수광기 1개의 구성으로, 수평화각 60도, 수직화각 34도, 측정거리 120m가 가능하다. 장거리까지 계측하고 싶을 경우, 투광기 2개와 수광기 1개 구성으로 측정거리 350m, 수평화각 24도, 수직화각 12도를 달성할 수 있다고 한다.

부피가 작다는 점도 어필한다. 전자의 구성으로 1000cm3, 후자의 구성으로 550cm3. 소비전력은 각각 10~12W와 5~7W이다. 또한 화소수는 1200×84이다. A-D 변환기나 수광소자의 SiPM(Silicon Photo Multiplier)은 도시바 제품이다.

-- 메카리스 LiDAR을 개발 중 --
차량탑재용 LiDAR에서는 덴소가 정력적으로 개발을 추진한다. 23년 9월에 열린 반도체 관련 국제학회 ‘SSDM 2023(2023 International Conference on Solid State Devices and Materials)’의 램프 세션에서 덴소 연구개발센터의 마쓰가야 씨가 등단해 덴소나 도요타자동차와의 공동출자 회사인 MIRISE Technologies의 센서 개발 상황을 밝혔다.

덴소는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식의 메카리스 LiDAR 개발에 힘쓰고 있다. FMCW는 지금까지 주로 레이더에서 사용되던 측거 방식이다.

실리콘 포토닉스 기술을 이용해 레이저 소자나 빛을 스캐닝하는 ‘OPA(Optical Phased Array)’ 같은 주요 광학 부품을 하나의 칩에 싣는다. 부피 10cm3을 목표하고 있다. 덴소는 21년 1월에 FMCW 방식의 LiDAR을 전개하는 미국 Aeva Technologies와 기술 제휴를 발표하는 등 이 방식의 LiDAR에 강한 관심을 기울이고 있었다.

수광소자에 ‘SPAD(Single Photon Avalanche Diode, 단일광자검출소자)’를 이용한 ToF 방식의 LiDAR도 개발하고 있다. Sony Semiconductor Solutions(SSS)의 SPAD를 이용하고 있는 것 같다.

■ 키워드: LiDAR
레이저광을 이용해 측거하는 센서다. 레이저인 펄스광을 폴리곤 미러(Polygon mirror)로 스캐닝하여, 대상물에 반사되어 돌아올 때까지의 시간을 계측해 거리를 산출하는 ToF 방식을 채택하는 것이 일반적이다. 최근에는 스캐닝부에 기구 부품을 이용하지 않는 메카리스형 개발이 한창이다. 메카리스형에서는 아주 작은 미러를 2차원으로 배열한 'MEMS 미러'를 이용하는 것이 대표적이다.

측거 방식도 여러 가지다. 예를 들면, 주로 레이더에서 이용되어 온 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식이 있다. 주파수를 선형으로 변화시킨 빛을 출사해, 그 반사광과 출사광의 간섭으로 생길 수 있는 비트의 주파수를 계측하여 거리를 산출한다. 도플러 효과를 이용함으로써 상대속도도 측정할 수 있다. 광 스캐닝부에는 주로 OPA(Optical Phased Array)를 이용한다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.