라이다 센서란?
라이다 센서는 레이저 빛을 조사하여 반사광과 산란광을 감지하여 대상물까지의 거리와 형상을 측정하는 장비의 총칭입니다.
라이다 센서 중 LiDAR (라이다)는 ‘Light Detection and Ranging’의 머리글자를 딴 명칭으로 ‘라이더’라고 읽습니다. 특히 빛 탐지에서 비행시간을 측정하는 경우가 많아 TOF(Time-of-flight) 센서라고도 합니다.
또한, 고도화된 측정에는 도플러 효과를 활용한 주파수 연속 변조 방식도 사용되는데, 이를 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식이라고 합니다. 이렇게 멀리 떨어진 곳에서 거리 등을 측정하는 기술을 원격센싱 기술이라고 합니다.
라이다 센서의 사용 용도
현재 라이다 센서의 대표적인 사용 용도는 자동차의 자율주행 기술, 스마트폰의 영상 감지 기술 등이지만, 원래는 항공기의 레이더나 기상관측에 오랫동안 사용되어 온 오래된 기술입니다.
최근에는 ADAS와 함께 자동차에서 장애물 및 주변 차량 감지 등 자율주행 기술을 구현하기 위한 필수 요소로 소형화, 저비용화 등 적극적인 개발이 이루어지고 있습니다.
또한, 공장에서는 영상처리 장치와 결합하여 스마트폰 카메라 등과 함께 사진 촬영 시 효과적으로 초점을 흐리게 하는 어시스트나 VR(가상현실)-AR(증강현실)을 위한 기술로도 활용되기 시작한 상황입니다. 또한, 애플의 아이폰12Pro와 아이폰12ProMax에 사용된 것은 라이다 센서의 인지도를 비약적으로 높인 사건이었습니다.
라이다 센서의 원리
라이다 센서의 원리는 광원인 레이저와 수광소자로 구성되며, 조사된 레이저 광을 어떤 물리적인 방법으로 수광하여 대상물까지의 거리를 측정하는 데 있습니다. 예를 들어, 현재 가장 널리 사용되고 있는 TOF 방식은 대상물에 레이저 빛을 조사하여 반사나 산란에 의해 되돌아오는 시간(비행시간: time-of-flight, TOF)을 측정하여 대상물까지의 거리를 구합니다.
레이저광을 조사하는 방법으로는 넓은 시야로 조사하는 방식과 특정 방향으로 조사하여 이를 스캔하는 스캔 방식이 있습니다.
1. 넓은 시야로 조사하는 방식
광시야로 조사하는 방식은 일반 카메라와 비슷하게 취급할 수 있어 TOF 카메라라고도 하는데, TOF 카메라는 한 번의 빛 조사로 전체 시야의 정보를 한 번에 취득할 수 있고 광학계도 매우 간단하여 장비로서는 비교적 저렴한 비용으로 사용할 수 있습니다.
다만, 센서 전체를 커버할 수 있도록 레이저 광을 넓혀야 하기 때문에 픽셀당 광자 밀도가 낮아지고, 환경광 등의 영향을 받기 쉬우며, 측정 거리가 짧다는 단점이 있습니다.
2. 스캔 방식
반면, 스캔 방식은 거울을 이용하여 레이저 빛을 스캔하는 방식입니다. 한 픽셀 단위로 스캔하는 포인트 스캔 방식과 한 줄 단위로 스캔하는 라인 스캔 방식이 있습니다. 전자는 정밀도가 높지만 측정 시간이 오래 걸리기 때문에 공간 해상도가 높을 필요가 없는 경우에는 반대 특성을 가진 라인 스캔 방식이 사용됩니다된다.
라이다 센서의 기타 정보
1. TOF 방식과 FMCW 방식의 차이점
라이다 센서의 검출 방식에는 TOF(비행시간) 방식과 FMCW(주파수 연속 변조) 방식 두 가지가 있는데, 가장 큰 차이점은 거리 검출 방식에 사용하는 물리량의 차이로 TOF 방식은 대상물에 펄스 조사된 레이저 빛이 반사되어 되돌아오는 시간량을 측정하여 거리 측정을 실시합니다. 하지만 FMCW 방식에서는 주파수를 변화시키면서 연속파를 조사했을 때, 대상물체에서 반사된 파동의 도플러 효과를 이용하여 길이를 측정할 수 있습니다.
TOF 방식이 원리적으로 더 간단하고, LiDAR 센서의 비용을 억제할 수 있습니다. 다만, 물체에 조사된 레이저 빛이 자신이 낸 것인지, 다른 사람이 낸 것인지 구분하기 어렵기 때문에 현재 자율주행 기술용 본보기가 되기 어렵고, 보다 고도화된 측정이 가능한 FMCW 방식이 유망한 것으로 평가받고 있습니다.
FMCW 방식도 측정 거리를 제한하는 코히어런스 문제, 비용 절감 등 자동운전을 위해 해결해야 할 과제가 있지만, 세계 연구기관을 중심으로 이러한 과제를 해결하기 위한 보다 고도화된 연구개발이 현재 활발히 진행되고 있는 상황입니다.
2. 라이다 센서의 카메라
라이다 센서와 카메라는 일반적으로 분리되어 있습니다. 하지만 라이다 센서와 카메라가 분리되어 있으면 라이다 센서와 카메라의 데이터를 합성할 때 미세한 시차가 발생하여 높은 정확도를 낼 수 없습니다. 그래서 카메라와 라이다 센서를 하나로 합친 타입의 센서가 등장했습니다.
이 유형의 센서는 카메라와 라이다 센서의 데이터를 결합하여 고해상도 3D 이미지 생성을 생성할 수 있습니다. 또한, 시차 및 왜곡 없이 고정밀 측정이 가능하기 때문에 차량용 센서로 활용될 것으로 기대되고 있습니다.
3. 라이다 센서 수요 예측
최근 도요타 자동차를 중심으로 자율주행 기술 연구개발이 활발해지면서 라이다 센서와 레이저 산업도 뜨겁게 달아오르고 있습니다.
시장조사기관인 야노경제연구소는 2030년까지 라이다 센서와 레이저의 시장 규모가 4,959억 엔까지 늘어날 것으로 예측하고 있습니다. 또 다른 시장조사업체 욜 개발은 2024년까지 LiDAR 센서의 시장 규모가 60억 달러까지 확대될 것이라는 예측(2019년 조사)을 발표하기도 했습니다.
선진국을 중심으로 라이다 센서에 대한 수요는 앞으로 더욱 증가할 것으로 보입니다.