아이폰 12 라이다 (Lidar) 스캐너의 원리

지난 13일에 발표된 아이폰 12 시리즈는 모두 4개 모델입니다.

아이폰 12 Mini, 아이폰 12, 아이폰 12 Pro, 아이폰 12 Pro Max,,, 이 중에서 이름에서도 알 수 있는 것처럼 아이폰 12 Pro와 아이폰 12 Pro Max는 프리미엄 모델입니다.

이 두 모델은 성능적인 면에서 몇 가지 차별성을 갖는데, 그중에서 대표적인 것이 3차원 깊이 정보를 측정할 수 있는 라라이다 (Lidar) 스캐너가 후방 카메라들과 함께 장착되어 있다는 것입니다.

프리미엄 모델의 최종 병기 활인 셈입니다.ㅎ

아이폰 11까지는 3차원 정보를 측정할 수 있는 센서가 "True Depth"라는 이름을 갖고 셀카를 찍을 수 있는 전면 카메라부에 있었다면, 이 센서의 기능이 대폭 강화되면서 후방부로 옮겨 간 것이 가장 큰 차이가 되겠습니다.

이렇게 됨으로써 그동안 우리가 들어왔던 AR (증강 현실) 기능을 구현하거나, 피사체들을 3차원으로 직접 스캐닝하는 기능을 구현하는 것이 가능하게 되었습니다.

하드웨어적으로 3D 센서 (Lidar 스캐너)가 장착되고, 여기서 만들어지는 방대한 데이터를 처리할 AP도 애플 아이폰 중에서 가장 강력한 A14 바이오닉 칩이 적용된 만큼 하드웨어적으로 준비가 되었다고 본다면, 이를 다양한 용도로 구현할 킬러 앱(Killer App)의 개발이 "최종 병기 "활의 성공 여부를 결정할 관건이 될 것으로 보입니다.

지금까지 아이폰 12 라이다 (Lidar) 스캐너의 센서 관련해서 얻을 수 있는 단편적인 정보들은,

1) 피사체 거리 5m까지 측정이 가능하다는 것과,

(그런데 이런 스펙은 분해력과 Trade-off되는 관계를 가지므로 사실 면밀하게 살펴봐야 하는 부분임)

2) 3월에 발매된 아이패드 프로에 적용된 것과 동일한 센서이고,

3) 이 센서는 소니에서 제작했다는 정보 정도입니다.

이들 정보를 근거로 이번에 아이폰 12 Pro와 Pro Max에 적용된 Lidar 스캐너의 센서에 대해서 조사/정리해 봅니다.

목 차 (Table of Contents)

1. 센서의 부착 위치

아래 사진에서 우측 하단이 Lidar 스캐너 센서가 내장된 위치입니다.

까만 작은 점처럼 보이는 부분이 발광부이고 검은색 창이 덮여 있는 분이 수광부인 것으로 추정이 됩니다.

2. 라이다 (Lidar) 스캐너 센서의 구체적인 모양

아이패드 프로와 동일한 것이 적용되었다고 하므로 센서의 모양은 아래와 같을 것으로 예상이 됩니다.

물론 전체 카메라 모듈의 배치가 다르므로 내부 모양을 다르겠지만 Lidar 스캐너 센서의 모양을 이와 같은 모양일 것입니다.

3. 아이폰 12 라이다 (Lidar) 스캐너의 원리

아래 유튜브 영상의 1분43초 영역에 적외선 카메라를 이용하여 실제 센서에서 나오는 적외선 빛들의 Grid를 측정한 영상을 보실 수 있습니다.
이 빛들이 피사체 (고양이)에 닿아서 반사되어 오는 시간을 측정/연산하여 전체적인 3차원 형상을 스캐닝할 수 있게 되는 것입니다. 시간을 측정하기 때문에 전문적인 용어로 ToF (Time of Flight) 센서라고 이야기합니다.

원리적으로 보면 빛 (적외선 레이저 광)이 날아가서 대상에 반사되어 되돌아오는 시간을 측정을 하면, 우리가 빛의 속도를 알고 있으므로 거리를 산출할 수 있게 되는 것입니다.

그런 빛(레이저광)이 한 개가 아니고 수천, 수만 개가 날아가도록 만든 것이 Lidar 모듈이고 아이폰 12 Lidar 스캐너의 원리입니다.

4. 3D 라이다 (Lidar) 스캐너 센서의 종류

3D Lidar 스캐너 센서는 그 구현 방식에 따라서 몇 가지 종류가 있습니다.

대표적인 형태가 구조광 (Structured Light) 방식으로 아이폰X의 전면부 장착된 TrueDepth 센서입니다.

Dot Projector에서 3만 개의 패턴화 된 적외선 빛이 쏘아지고 물체에 반사되어 나온 반사광이 패턴의 변형량을 감지하여 3차원 형상을 감지하는 방식입니다.

구조광(Structured light) 방식 3D Lidar 스캐너의 가장 대표적인 제품이 2010년 마이크로소프트에서 발매한 키넥트 (Kinect) 첫 모델입니다. XBox의 액세서리로 발매되어 당시 엄청난 반향을 일으켰었죠.

앞서 애플 아이패드 프로에는 ToF 방식의 센서가 적용되었다고 했는데, 자율 주행 자동차에 적용되고 있는 Lidar 센서들이 대부분 ToF 방식을 취하고 있습니다.

Lidar 스케너 모듈 전체를 360도 회전을 시키면서 자동차 주변의 모든 Geometry를 스캐닝하는 것이죠.

Apple의 iPad Pro와 아이폰 12는 소비자용 제품으로서는 ToF 기술이 본격적으로 적용된 첫 케이스의 제품들입니다.

구조광 방식은 깊이 정보를 측정할 때 패턴의 변위량을 계산해야 해서 복잡하고 많은 연산 처리를 해야 하는 단점이 있는 반면에 ToF방식은 후처리(Post Processing)가 용이하다 장점이 있습니다. 다. 즉 연산처리는 훨씬 간결하다는 이야기입니다.

그러나 ToF 방식에서는 충분한 광검출력을 확보하기 위한 수광 센서부 (Photo detector)를 제작하기 어려운 것으로 알려져 있습니다. 즉, 연산 처리는 간결한 대신에 수광 센서부를 만드는 더 정밀한 반도체 기술이 필요하다는 이야기입니다.

알려진 바로는 적외선 레이저 발광소자로는 Lumentum사의 VSEL이 적용되었고 수광 센서는 Sony의 CMOS가 적용되었습니다. 얼마나 정밀한지는 아래 사진을 참조하세요.