VCSEL, Apple iPhone에 LiDAR 접목: 무엇이 가능해 질까요?

광감지 및 거리 측정기(LiDAR) 기술의 경제적, 기술적 실행 가능성에 대해 많은 부정적인 의견이 제기되어 왔지만 LiDAR가 승리한 것으로 보입니다. General Motors는 내년부터 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)을 장착한 9종의 차량에 LiDAR가 탑재될 것임을 최근 발표했으며, Apple은 이미 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL) 기술을 사용하여 iPhone 12 Pro, iPhone 12 Pro Max, iPad Pro에 LiDAR를 탑재했습니다. 모바일 장치에 LiDAR를 탑재하는 것은 획기적인 발전이 될 것으로 예상됩니다. 아직 LiDAR의 사용을 살펴보지 않았다면 지금이 바로 그 때입니다.

iPhone LiDAR는 최대 5m 거리에 있는 물체의 깊이를 감지할 수 있고 카메라 및 동작 센서와 협력하여 증강현실(AR) 환경을 만들고 조작하도록 설계되었습니다(그림 1). 3D 모델링을 위해 새로운 8코어 A12Z Bionic 그래픽 처리 장치(GPU) 및 컴퓨터 비전 알고리즘이 설계되었으며 기존 ARKit AR 앱에는 LiDAR 데이터를 카메라 및 동작 센서 데이터와 통합하기 위해 Scene Geometry API가 추가되었습니다. 또한 LiDAR 데이터가 측정 앱에 통합되어 물체를 더욱 빠르고 세밀하게 측정할 수 있습니다.

그림 1: Apple iPhone의 LiDAR 센서는 두 개의 카메라(왼쪽)가 포함된 검은색 부분의 오른쪽 하단 모서리에 있는 작은 원입니다. (이미지 소스: Apple)

Apple Clips 3.1 앱의 AR Spaces 기능을 이용하여 동영상을 촬영하고 LiDAR 정보를 통합할 수 있으며 동적 조명, 흩날리는 개체, 기타 특수 효과로 몰입감 넘치는 AR 장면을 만들 수 있습니다(그림 2).

그림 2: Apple Clips 3.1 앱의 AR Spaces 기능을 이용하면 증강 현실 동영상 클립을 만들 수 있습니다. (이미지 소스: Apple)

VCSEL과 에지 광방출 레이저(EEL) LiDAR 기술을 간단히 비교한 후 LiDAR의 광비행 시간(ToF) 및 포인트 클라우드 개념에 대한 개요를 살펴보고 ams/OSRAM의 TMF8801 LiDAR 모듈, Arduino UNO 제어 기판 x1용 DFRobot의 SEN0245 VL53L0X Gravity LiDAR 거리 측정기를 살펴보겠습니다.

VCSEL과 EEL 비교

Apple에서 사용한 것과 같은 VCSEL은 자동차 및 산업용 LiDAR 시스템에서 일반적으로 사용되는 EEL과 다릅니다. VCSEL은 저전력, 단거리 응용 분야에 최적화되어 있으며 다음과 같은 장점이 있습니다.

• VCSEL 어레이가 50개에서 최대 10,000개의 개별 방출기로 구성되기 때문에 더 높은 신뢰성을 가지며 1개에서 4개의 방출기가 있는 EEL에 비해 단일 방출기 오류의 영향이 크게 줄어듭니다.
• 온도에 따라 파장 대역폭을 더 좁힐 수 있기 때문에 더욱 효과적인 필터링을 통해 수신기에서의 신호 대 잡음비(SNR)가 향상됩니다.
• VCSEL이 수직 원통형 광선을 방출하므로 시스템 통합이 더 간단합니다.

ToF와 포인트 클라우드

LiDAR는 ToF 측정을 기반으로 합니다. 일련의 레이저 펄스는 물체를 향하며 돌아오는 시간은 온보드 광센서에 의해 측정됩니다(그림 3). ToF는 레이저 펄스의 왕복 비행시간을 측정하므로 물체까지의 거리는 ToF의 절반에 빛의 속도(공기 중에서 약 30cm/ns)를 곱한 값입니다. iPhone에 사용한 것과 같은 VCSEL 시스템은 최대 수 미터까지의 거리를 높은 정확도로 측정할 수 있습니다.

그림 3: ToF 측정은 레이저 펄스가 대상에서 반사되어 LiDAR 센서로 돌아오는 데 걸리는 시간을 기반으로 합니다. (이미지 출처: DFRobot)

포인트 클라우드는 수천 또는 수백만 개의 ToF 측정으로 구성됩니다. LiDAR 시스템은 포인트 클라우드 및 관련 이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 주변 환경의 3차원(3D) 이미지를 30fps 이상의 속도로 생성할 수 있습니다.

휴대 전화 베젤용 VCSEL

휴대용 및 핸드헬드 장치 설계자는 ams/OSRAM의 TMF8801 LiDAR ToF 센서를 사용할 수 있습니다. 감지 범위는 2,500mm이며 2.2mm x 3.6mm x 1.0mm 크기의 패키지로 휴대 전화 베젤에 꼭 들어맞게 설계되었습니다(그림 4).

그림 4: TMF8801 ToF 센서는 2,500mm의 감지 범위를 가지며 휴대 전화 베젤에 적합합니다. (이미지 출처: ams/OSRAM)

TMF8801은 VCSEL 기술과 수십 피코초(ps)의 분해능으로 단일 광자 신호를 감지할 수 있는 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD) 센서를 결합했습니다. 통합 VCSEL 구동기 지속 시간이 500ps 미만인 940nm 파장의 레이저 펄스를 발생시키므로 TMF8801은 안구 보호를 위한 IEC 60825-1 클래스 1을 충족할 수 있습니다. 햇빛 제거 필터는 배경 잡음을 최소화하며 통합 Cortex M0 마이크로컨트롤러(MCU)에는 이미지 처리 알고리즘이 포함되어 있습니다. TMF8801은 1.8V I²C 고속 모드 인터페이스를 통해 시스템과 연결됩니다.

Arduino 기판용 VCSEL 모듈

DFRobot의 SEN0245 VL53L0X Gravity 거리 측정기는 VCSEL 기반 LiDAR의 쓰임새를 살펴볼 수 있는 또 다른 훌륭한 방법입니다(그림 5). Arduino UNO 제어 기판 x1과 함께 사용하도록 설계되었으며 최대 2m의 거리를 측정할 수 있습니다. 940nm 파장 VCSEL 방출기와 통합 SPAD 어레이는 30ms 미만의 응답 시간과 20mW의 전력 소비로 ±3%의 측정 정확도를 보여줍니다. VL53L0X에는 다양한 MCU와 함께 사용하도록 설계된 DFRobot의 Gravity-I2C 인터페이스가 포함되어 있으며 다양한 LiDAR 응용 분야를 지원할 수 있는 유연성을 갖추고 있습니다.

그림 5:SEN0245 VL53L0X ToF 레이저 거리 측정기는 Arduino UNO 제어 기판 x1과 함께 사용하여 최대 2m의 거리를 측정하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: DFRobot)

결론

LiDAR 기술은 이미 주류를 이루고 있기 때문에 실행 가능 여부는 더 이상 문제가 되지 않습니다. LiDAR는 자동차용 ADAS 시스템과 Apple의 최신 iPhone 모델에 탑재되고 있습니다. 특히, SPAD 센서 어레이와 결합된 저전력 VCSEL 방출기 기술은 휴대용 소비자 장치에서 LiDAR를 사용할 수 있도록 합니다.

빠르게 움직이는 데 필요한 모든 광학 장치, MCU 인터페이스, 기본 이미지 처리 소프트웨어와 함께 통합 준비가 완료된 모듈을 사용하여 자체 VCSEL 기반 LiDAR 설계를 시작할 수 있습니다.