새로운 3차원 레이저 감지기술

주파수 연속파 LIDAR로 가상공간 확대

새로운 방식의 3차원 영상 기술로 운전자가 반 블록 떨어진 거리에 있는 아이를 감지하거나 손의 파동을 이용해 다른 방에 있는 스마트폰에 응답하거나 심지어 길거리에서 ‘가상 테니스’를 하는 것과 같은 일이 가능해질지도 모르겠다. 버클리 캘리포니아 주립대학의 연구진이 개발한 새로운 시스템은 원격으로 30피트까지 떨어진 먼 거리의 개체를 감지할 수 있다.

현재 일반적으로 쓰이는 저전력 레이저 시스템과 비교해 볼 때 이보다 10배 정도 늘어난 거리이다. 이 기술은 자동차, 스마트폰, 마이크로소프트의 키넥트와 같은 쌍방향 비디오 게임 등에 응용될 수 있으며 이는 저렴한 3차원 영상 시스템을 만드는 열쇠가 될 것이다.

현재 LIDAR 시스템의 한계
새로운 레이저 시스템은 빛을 사용하는 3차원 영상 기술인 LIDAR(광선 레이더)를 사용한다. LIDAR 시스템은 레이저 광을 방출하고 물체에 반사돼 돌아오는 빛 주파수 내의 변화를 측정해서 개체와의 이격 거리를 판단한다. 이 기술이 자동차에 도입되면 자가 운전자가 멀리 떨어진 장애물을 인식할 수 있으며 비디오 게임에 도입되면 3차원으로 가상공간을 만들어낼 수 있는 것이다.

하지만 현재 LIDAR 시스템은 부피가 크고 전력 소모가 상당하며 가격 또한 만만치 않다. 이를 무인 자동차에 적용한다면 지붕에 커다란 3차원 카메라를 지고 가는 셈이라 부피와 전력 소모, 작동 거리 등은 보완해야 할 과제로 남아 있었다.

전력 소모, 부피는 줄이고 작동 거리는 넓혀
버클리 연구진은 성능은 저하되지 않으면서도 전력 소모와 부피를 줄이기 위해 새로운 관점에서 접근을 시도했다. 연구진은 거리 관점에서 주파수 변조 연속파(Frequency-Modulated Continuous-Wave, FMCW) LIDAR라고 불리는 유형의 파장을 사용한 것이다. 이 LIDAR는 낮은 전력 소모는 물론 고해상도의 영상을 제공할 수 있다. 주파수-처프(Frequency-Chirped) 레이저 광을 방출해 개체에 반사돼 돌아오는 광 주파수 내의 변화를 측정한다.

또한 크기, 전력, 비용의 문제점을 보완하기 위해 MEMS 튜너블 VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) 수직 공진 표면 발광 레이저라고 불리는 유형의 레이저를 활용했다. MEMS 부품은 매우 작은 규모의 장치이고 VCSELs의 전력 소모는 적은 가적분 반도체로 이는 처핑을 위한 레이저 광의 주파수를 변환시키는데 도움을 줘 문제점을 해결할 수 있었다.

공진(진동에 따른 자연적 주파수)에 MEMS 장비를 사용해 큰 전력 소모 없이도 시스템을 증폭할 수 있었고 일반적으로 신호 증폭이 증가하면 전력 소모도 증가하지만 VCSELs의 장점으로 인해 낮은 전력 소모를 유지할 수 있었다.
이 연구는 6월 8일~13까지 캘리포니아 산호세에서 열렸던 레이저와 전기광학 컨퍼런스 CLEO에서 발표됐다. 연구진은 이후에 VCSELs와 포토닉스, 전자를 칩 규모의 패키지에 통합하는 개발을 진행 중에 있다.

출처 | PHYS.ORG(phys.org)