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LiDAR 스캐닝 솔루션
폴리곤 미러&폴리곤 스캐너 특집 Vol.1

LiDAR 스캐닝 솔루션
폴리곤 미러&폴리곤 스캐너  Vol.1

제 2 장

LiDAR의 각종 스캔 방식을 고찰

폴리곤 레이저 스캐너 vs. 갈바노미터

이하, LiDAR 스캐닝 솔루션으로 폴리곤 레이저 스캐너와 검류계(갈바노미터)를 비교해보겠습니다.

1. 광학 시야 범위

폴리곤 스캐너검류계
4면 미러를 사용하는 경우, 레이저 빔을 스캔하는 광학범위는 120°까지 이릅니다. 3면 미러를 사용하면 더 넓은 시야가 가능하며 한번에 여러면을 조사하면 360°의 주위 전부를 커버 할수 있습니다. 이것은 검류계로는 도저히 불가능한 영역입니다.

일반적으로 검류계 스캐닝 범위는 기계적으로
± 20°, 광학적 조치를 실시해도 80°가 한계입니다. 따라서 검류계단체는 폴리곤에 비해 좁은 광학범위사용에 제한됩니다.

Good Bad
 
폴리곤 스캐너 Good
4면 미러를 사용하는 경우, 레이저 빔을 스캔하는 광학범위는 120°까지 이릅니다. 3면 미러를 사용하면 더 넓은 시야가 가능하며 한번에 여러면을 조사하면 360°의 주위 전부를 커버 할수 있습니다. 이것은 검류계로는 도저히 불가능한 영역입니다.
검류계 Bad
일반적으로 검류계 스캐닝 범위는 기계적으로 ± 20°, 광학적 조치를 실시해도 80°가 한계입니다. 따라서 검류계 단체는 폴리곤에 비해 좁은 광학범위사용에 제한됩니다.

2. 스캔 속도의 안정성

폴리곤 스캐너검류계
폴리곤 스캐너는 수백 ~ 50,000RPM의 광범위한 회전속도의 설정이 가능하며, 또한 회전 운동에 의한 일정한 주사 속도를 유지합니다. 따라서 폴리곤을 갖춘 LiDAR는 단거리 / 장거리 측정에 상관없이 고해상도 이미지를 선형적으로 안정하게 캡처할수 있습니다. 검류계는 위 그림과 같이 왕복복동 운동에 따라 레이저를 주사하는 장치이므로, 왕복 운동이 바뀌기 전과 직후에 반드시 최고 속도보다 약간의 감속이 발생됍니다. 따라서 검류계 스캐닝 속도는 엄격하게 말하면 일정하지 않습니다.
Good Bad
 
폴리곤 스캐너 Good
폴리곤 스캐너는 수백 ~ 50,000RPM의 광범위한 회전속도의 설정이 가능하며, 또한 회전 운동에 의한 일정한 주사 속도를 유지합니다. 따라서 폴리곤을 갖춘 LiDAR는 단거리 / 장거리 측정에 상관없이 고해상도 이미지를 선형적으로 안정하게 캡처할수 있습니다.
검류계 Bad
검류계는 위 그림과 같이 왕복복동 운동에 따라 레이저를 주사하는 장치이므로, 왕복 운동이 바뀌기 전과 직후에 반드시 최고 속도보다 약간의 감속이 발생됍니다. 따라서 검류계 스캐닝 속도는 엄격하게 말하면 일정하지 않습니다.

3. 스캔 정밀도, 전력소비

폴리곤 스캐너검류계
LiDAR는 목표물대상에서 반사받은 레이저가 얼마나 광범위하게 많은 정확한 정보를 수집하는가에 따라 그 정밀도가 결정됍니다.상술한 바와 같이, 폴리곤 스캐너는 고속 및 광각으로 레이저를 스캔할수 있습니다. 또한 왕복 운동의 검류계와 달리 회전운동에 의해 항상 일정한 속도로 선형 고해상도 스캔 작업을 수행합니다. 그 결과, 매우 정밀한 측량 및 고해상도 이미지를 가져다줍니다.
속도는 검류계의 10배를 훌쩍 제공하지만,소비 전력은 상대적으로 낮습니다.
검류계는 왕복 복동의 지점인 미러의 중앙부에서 가장 빠르고 종단부에서 가장 느립니다.이것은 레이저 주사 위치가 미러 종단에 가까울수록 분해능이 높아지고 중앙부부근일수록 분해능이 낮아지는것을 의미합니다. 또한,상술한 바와 같이,스캔 속도는 엄밀하게 일정하지 않기 때문에 분해능은 직선형이 아니며, 폴리곤처럼 광각 범위도 커버할수 없습니다.
또한 소비 전력도 매우 높은 경향이 있습니다.(수백 와트에 이를 가능성도 있습니다.)
그러나,수직주사 (Y축)는 비교적 저속으로 통과시키기 때문에 적은 전력으로 가능하며 검류계가 적당합니다.
Good Bad
 
폴리곤 스캐너 Good
LiDAR는 목표물대상에서 반사받은 레이저가 얼마나 광범위하게 많은 정확한 정보를 수집하는가에 따라 그 정밀도가 결정됍니다.상술한 바와 같이, 폴리곤 스캐너는 고속 및 광각으로 레이저를 스캔할수 있습니다. 또한 왕복 운동의 검류계와 달리 회전운동에 의해 항상 일정한 속도로 선형 고해상도 스캔 작업을 수행합니다. 그 결과, 매우 정밀한 측량 및 고해상도 이미지를 가져다줍니다. 속도는 검류계의 10배를 훌쩍 제공하지만,소비 전력은 상대적으로 낮습니다.
검류계 Bad
검류계는 왕복 복동의 지점인 미러의 중앙부에서 가장 빠르고 종단부에서 가장 느립니다.이것은 레이저 주사 위치가 미러 종단에 가까울수록 분해능이 높아지고 중앙부부근일수록 분해능이 낮아지는것을 의미합니다. 또한,상술한 바와 같이,스캔 속도는 엄밀하게 일정하지 않기 때문에 분해능은 직선형이 아니며, 폴리곤처럼 광각 범위도 커버할수 없습니다. 또한 소비 전력도 매우 높은 경향이 있습니다.(수백 와트에 이를 가능성도 있습니다.) 그러나,수직주사 (Y축)는 비교적 저속으로 통과시키기 때문에 적은 전력으로 가능하며 검류계가 적당합니다.

4. 가격

폴리곤 스캐너검류계
사용 목적이나 사용 환경에 의하지만,일반적으로 LiDAR에 있어서는 어느 정도의 정밀도는 확보하고 싶은것입니다. 고정밀도·고신뢰성을 요구한다면, 비용은 폴리곤 스캐너가 갈바노보다 경제적입니다. 정밀도 및 신뢰도를 요구하지 않는다면 갈바노는 1,000엔정도로 구입할 수 있습니다. 하지만 고정밀도·고신뢰성 유형일 경우, 갈바노는 수만엔의 비용을 각오해야 합니다.
Better Good
 
폴리곤 스캐너 Better
사용 목적이나 사용 환경에 의하지만,일반적으로 LiDAR에 있어서는 어느 정도의 정밀도는 확보하고 싶은것입니다. 고정밀도·고신뢰성을 요구한다면, 비용은 폴리곤 스캐너가 갈바노보다 경제적입니다..
검류계 Good
정밀도 및 신뢰도를 요구하지 않는다면 갈바노는 1,000엔정도로 구입할 수 있습니다. 하지만 고정밀도·고신뢰성 유형일 경우, 갈바노는 수만엔의 비용을 각오해야 합니다.

5. 내열성 / 수명

폴리곤 스캐너검류계
폴리곤 스캐너는 내열성이 뛰어나며 고수명입니다. 고온 환경에서나 저온 환경에서나 문제없이 작동합니다. 방열판과 능동적인 냉각도 기본 필요하지 않습니다 방열판이 필요하고,또한 냉각도 필요로 합니다. 검류계의 컨트롤러는 소비 전력의 관점에서도 매우 고가격입니다.또한 냉각에 큰 방열판을 필요로 하기 때문에 예를 들어, 여름의 무더위같은 환경 등에서 사용할 경우, 냉각 부속품을 필요로 하는것은 항상 전도성을 요구하는 소형 LIDAR스캐너 디자인에 걸림돌이 되여버립니다.
Good Bad
 
폴리곤 스캐너 Good
폴리곤 스캐너는 내열성이 뛰어나며 고수명입니다. 고온 환경에서나 저온 환경에서나 문제없이 작동합니다. 방열판과 능동적인 냉각도 기본 필요하지 않습니다.
검류계 Bad
방열판이 필요하고,또한 냉각도 필요로 합니다. 검류계의 컨트롤러는 소비 전력의 관점에서도 매우 고가격입니다.또한 냉각에 큰 방열판을 필요로 하기 때문에 예를 들어, 여름의 무더위같은 환경 등에서 사용할 경우, 냉각 부속품을 필요로 하는것은 항상 전도성을 요구하는 소형 LIDAR스캐너 디자인에 걸림돌이 되여버립니다.
 

검류계는 LiDAR 업계에서 비교적 잘 알려진 기술이며 구현이 용이하기 때문에 아무런 의심없이 검류계를 사용하여 개발을 진행해온 LiDAR메이커도 많은 것으로 추측합니다. 한편, 폴리곤 레이저 스캐너는 레이저 프린터 시장 이외에 스캐닝 장치로 많이 알려져 있지 않았습니다. 검류계를 계속 사용해온 LiDAR메이커에 있어서 요구 사항과의 괴리와 시간·비용면 등에서 지금까지의 제품 개발에 큰 장애가 되였을것입니다.

이상의 비교 검증·고찰에서 폴리곤 레이저 스캐너는 광각 범위를 커버하는 매우 정밀한 레이저 스캐닝을 실현하며 또한 수명이 길고 가격 경쟁력도 우수하기 때문에, 검류계을 능가한 최선의 스캐닝 솔루션이라고 할 수 있습니다. 꼭 이 기회에 폴리곤 미러 레이저 스캐너의 채용 검토를 부탁드립니다.

MEMS 방식은 LiDAR의 메인 스트림이 될 수 있을까?

몇 년 전까지 만해도 MEMS 스캐너 방식은 폴리곤 레이저 스캐너와 갈바노 스캐너을 대체하는 대신 저비용 제품으로 주목 받고 있었습니다. 따라서솔리드 스테이트로서 MEMS 방식은 LiDAR 스캐닝 장치로서 주류가 될 수 있다고 생각했지만, 실은 그렇지 않습니다.

MEMS는 온도에 따라 스캔 속도의 영향을 받습니다. 또한 MEMS미러는 반사 부분에 따라 스캔이 정확하지 않은 곳이 있습니다. 다시 설명하자면 MEMS 스캐너는 공진 디바이스이므로 미러의 중심부가 가장 빨리 종단부가 제일 늦게 스캔하므로, 즉 속도에 차이가 있다는 것을 의미합니다. 이것은 스캔의 중심부가 종단부에 비해 분해능이 낮음을 의미하며 정밀도가 요구되는 LiDAR에 있어서분해능의 편차는 치명적인가 될수도 있습니다.

그 다음 폴리곤 미러의 평면도는 일반적으로 λ/4@633nm까지 매우 평평하게 되어 있으므로, 수백 미터까지 고해상도 스캔이 가능하지만, 반면에MEMS 미러에서 평면도를 구하는것은 어렵습니다. 따라서 MEMS의 사용은 단거리의 주사 범위의 사용에 제한됩니다.

또한 MEMS는 소형에다, MEMS 미러의 강도는 "포테이토 칩"으로 비유 될 정도로 얇고 깨지기 쉬운 것입니다. 따라서 차량의 움직임에 의해서도 손상될 수 있습니다. MEMS 미러는 매우 미세한 토션 바 사이에 현가 된 구조때문에, 그 수명의 끝에 갑자기 물리적 손상을 초래합니다.

이상로부터 솔리드 스테이트 식의 대표격인 MEMS 방식이 LiDAR에 있어서 항상 최적이라는 주장은 잘못된 것입니다.

폴리곤 방식은 높은 정확성과 재현성의 실력로으부터 가장 신뢰할 수있는 LiDAR 스캐닝 기술이라고 할 수 있습니다. 지상 환경 또는 공중 환경 여부에 관계없이 상용 및 군용 LiDAR으로 점차 모바일 용으로도 사용되어 오고 있습니다.
폴리곤 레이저 스캐너는 모바일 LiDAR 어플리케이션으로 작동하는것도 입증됀 또한 장거리+넓은 스캔 각도에 우위성를 가지고 있으며 비용 경쟁력도 탁월하기에 향후 새로운 가능성을 크게 내포하고 있습니다.

 

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