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일본 교토대, 컴팩트한 비기계적 3D 라이다 시스템 개발전문 저널 '옵티카'에 연구 논문 발표
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승인 2023.02.22  17:24:50
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일본 교토대 연구팀이 손바닥 크기의 비기계적(nonmechanical) 3D 라이다 시스템을 개발했다고 밝혔다.

전통적인 빔 스캐닝 라이다 시스템의 기능을 플래시 라이다의 3D 접근 방식과 결합한 최초의 제품이라는 게 연구팀의 설명이다.

교토대 연구팀은 이번에 개발한 비기계식 3D 라이다 시스템에 대한 연구 논문을 전문 저널인 ‘옵티카(OPtica)’에 발표했다. 이 라이다 시스템은 반사율이 낮은 물체의 거리를 측정하고, 이러한 물체의 움직임을 자동으로 추적할 수 있다.

연구팀은 "이번에 개발된 라이다 시스템을 채택한 로봇과 차량은 검은색 금속성 자동차처럼 반사율이 낮은 물체를 놓치지 않고 인식함으로써 역동적인 환경에서도 안전하게 이동할 수 있다"고 말했다. 예를 들어 자율주행 자동차에 이 기술을 적용하면 보다 안전한 주행이 가능하다는 것이다.

이 새로운 라이다 시스템은 ‘듀얼 변조 광결정 레이저’(DM-PCSEL, dually modulated photonic-crystal laser)라고 불리는 독특한 광원을 채택하고 있다. 이 광원은 칩 기반으로 만들어졌기 때문에 온칩 전고체(on-chip all-solid-state) 3D 라이다 시스템의 개발을 가능하게 해준다.

연구팀은 "DM-PCSEL은 비기계식 전자 제어 빔 스캐닝과 플래시 라이다에 사용되는 플래시 광원을 통합해 단일 플래시로도 완전한 3D 이미지를 획득할수 있다"고 말했다. 특히 움직이는 부품이나 부피가 큰 외부 광학소자(렌즈, 회절 광학 소자) 없이도 플래시와 스캐닝 조사(illumination)를 모두 구현할 수 있다는 설명이다.

일반적으로 라이다 시스템은 레이저 광선으로 물체를 비추고, 반사된 빛이 되돌아오는 데 걸리는 비행시간(ToF)을 측정해 물체와의 거리를 계산하고, 매핑한다. 라이다 시스템은 레이저 빔을 스캔하기 위해 모터와 같은 움직이는 부품에 의존하므로 부피가 크고 비용이 많이 든다.

비기계적 접근법을 채택하고 있는 플래시 라이다는 단일의 넓고 분산된 빔으로 물체를 조사하고, 모든 물체의 거리를 평가한다. 그러나 플래시 라이다 시스템은 검은 금속 자동차와 같은 반사율이 낮은 물체의 거리를 측정하는 데 사용될 수 없다. 게다가 플래시 빔을 생성하는 데 필요한 외부 렌즈와 광학 부품의 크기는 전반적으로 크다.

이러한 한계점을 해결하기 위해 교토대 연구팀은 DM-PCSEL 광원을 개발했다. 이 기술은 와이드 30°×30° 시야를 비추는 플래시 소스와 100개의 좁은 레이저 빔으로 스폿 조사를 제공하는 빔 스캐닝 소스를 모두 갖추고 있다.

연구팀은 DM-PCSEL을 3D라이다 시스템에 통합해 와이드 플래시 조사 방법을 사용해 많은 물체의 거리를 측정하면서, 동시에 반사율이 낮은 물체를 집중된 광선으로 선택적으로 조사할 수 있도록 했다. 연구진은 거리 측정을 위해 ToF 카메라를 설치하고, 빔 스캐닝 조사 기술을 이용해 반사율이 떨어지는 물체의 움직임을 자동으로 추적할 수 있는 소프트웨어도 개발했다.

연구팀은 이 기술을 로봇이나 차량의 자율 이동과 같은 실용적인 애플리케이션에 적용한다는 계획이다.

장길수  ksjang@irobotnews.com
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