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Nikkei Robotics_2019.9 Cool Topic (p22-24)

자율주행용 Mechaless LiDAR
599달러의 저가 ‘Mecha’형도 등장, 분산광학소자나 광도파로로

2019년 6월에 미국 산호세에서 개최된 ‘Sensors Expo & Conference’에서는 스타트업 기업에 의해, 운전지원 기능이나 자율주행 기능을 위한 LiDAR(Light Detection and Ranging)의 제안이 이어졌다. 한번 채용되면 큰 수량을 전망할 수 있는 만큼 많은 기업이 차량탑재 용도에 초점을 맞추고 있으며, 로봇이나 드론, 전동항공기 등 다양한 기기에 대한 전개도 목표하고 있다. 출전한 스타트업 기업 중에서 설립한 지 3년 이내의 젊은 기업, Baraja(호주)와 OURS Technology(미국)가 많은 관심을 받았다.

2016년에 설립된 Baraja는 원래 통신업계에서 경험을 쌓은 기술자가 설립한 기업으로 시드니에 본사를 두고 있다. 광원의 레이저 주사(Scanning)에 기구 부품을 이용하지 않는, 이른바 ‘Mechaless’형 LiDAR를 전개하고 있다. Mechaless화를 통해 적어도 1,000달러 이하로 가능할 것으로 본다.

Baraja는 18년 7월에 시리즈 A라운드로 3,200만 달러의 자금을 조달했다고 밝혔다. 글로벌 기업정보업체 크런치베이스에 따르면 총액에서 이미 3,360만 달러를 모았다.

통신업계 출신답게 Baraja의 LiDAR가 이용하는 광원의 레이저 파장은 광통신과 같은 1550nm대다. 기존의 LiDAR의 대부분은 905nm와 같은 900nm대를 이용한다. 900nm대와 비교하면 측거 시의 잡음이 되는 태양광의 영향을 쉽게 받지 않고, 사람 눈의 망막에 잘 흡수되지 않고 출력 밀도를 높이기 쉽다는 이점이 있다. 즉, S/N을 높이기 쉽다.

레이저광의 주사에는 빛의 파장 분산을 이용한다. 빛의 경우는 파장에 의해 모체의 굴절률이 다른 ‘분산’이라는 현상이 있어, 이를 이용하고 있다. 적외광의 대역 내에서 레이저광의 파장을 바꾸고 나서, 프리즘이나 회절격자와 같은 분산광학소자를 통과시키면 광로(光路)가 변한다. 색에 따라서 굴절률이 바뀌는 것이다. 이 시스템을 이용해 레이저광을 수직방향과 수평방향으로 주사한다. 거리계측 방법에 대해서는 Baraja는 상세 사항을 공개하고 있지 않지만 LiDAR에서 일반적인 ToF(Time of Flight)방식이 아니라 유사 랜덤 신호를 이용한 RMCW(Random Modulated Continuous Wave) 방식을 이용하는 것으로 보인다.

이미 LIDAR 모듈을 개발했고, 측정 거리는 감지 대상의 반사율이 10%인 경우에 최대 240m다. 약 0.5m미만이면 측거가 어렵다고 한다. 동작 온도 범위는 -40~+125도로, 100G의 충격에도 견딜 수 있기 때문에 차량탑재에 적합하다고 한다. 그러나 그 외의 사양에 대해서는 현시점에서 상세 사항을 밝히지 않고 있다.

-- 광도파로형의 광위상배열 --
Baraja와 마찬가지로 1550nm대의 레이저를 이용하는 Mechaless LiDAR를 시작한 업체는 2017년에 설립된 OURS Technology(본사는 산타클라라)다. 전시장에서는 떨어진 2곳에 부스를 만들어 한쪽에 시작(試作) LiDAR를 탑재한 자동차를, 다른 한쪽에 시작품 데모를 전시했다.

레이저광의 주사 방법에 대해 상세 사항을 밝히지 않았지만 “Si포토닉스 기술로 만든 광도파로를 이용한다”(설명원). 즉, 광도파로형의 광위상배열(Optical Phased Array, OPA) 방식으로 보인다. 일반적으로 OPA방식에서는 광도파로 내의 전파로(Propagation Path) 도중에 위상을 지연시키는 이상기(移相器)를 설치해 각 Array끼리 빛을 상호 간섭시킴으로써 레이저광의 방향을 바꾼다. 측거 방법으로서는 FMCW를 이용한다.

데모에 이용했던 시작품은 1초당 100만개의 점군 데이터를 얻을 수 있다. 분해능은 0.1도로, 200m 앞의 대상물의 거리를 측정할 수 있다고 한다. “Mechaless형으로서 크기가 다소 컸지만 범용 전자 부품을 이용했기 때문에 커진 것이다. 제품화할 때는 ASIC를 만들기 때문에 소형화할 수 있다”(설명원).

-- 600달러의 ‘Mecha’ LiDAR --
레이저광의 주사에 기구부를 이용하면서 1,000달러 이하의 저가격 제품을 출전한 업체는 중국 Livox Technology다. 중국의 드론업체 DJI가 출자했으며 판매도 DJI가 담당한다. 실제 부스에는 Livox 외에도 DJI의 사원도 있었다.

Livox가 19년 6월에 발표한 제품이 LIDAR ‘Mid-40’과 ‘Mid-100’이다. Mid-100의 가격은 1,499달러지만 Mid-40은 599달러로 싸다. 부스에서는 이들 제품을 전시해, LIDAR를 탑재한 소형 차량을 작동시키고 있었다.

Livox의 LIDAR는 광원에 발진파장 905nm의 레이저를 채용해 프리즘을 회전시켜 빛을 주사한다. 측정 거리는 감지 대상의 반사율이 80%에서는 260m지만, 10%에서는 90m에 그친다. FOV(시야각)는 수평, 수직 모두 38.4도다. 1초당 10만개의 점군 데이터를 얻을 수 있다.

Mid-100은 Mid-40을 바탕으로 한 것으로, Mid-40을 3개 연결시킨 모양으로 수평 방향의 FOV가 넓다. 구체적으로는 수평 98.4도, 수직 38.4도다. 1초당 30만개의 점군 데이터를 얻을 수 있다.

이 외에도 Mid-40과 비교해 수평 방향의 측정 범위를 넓힌 ‘Horizon’이나 측정 거리를 늘린 ‘Tele-15’도 개발 중이다. Horizon의 FOV는 수평 81.7도, 수직 25.1도다. Tele-15의 측정 거리는 감지 대상의 반사율이 80%에서는 500m고, 10%에서는 180m다.

 -- 끝 --