Comutatoarele minuscule ar putea aduce rezoluții record pentru sistemele LiDAR

Atunci când Google a dezvăluit primele sale mașini autonome în 2010, cilindrul rotativ montat pe acoperiș cu siguranță ieșea în evidență. Acela era sistemul de detectare și măsurare a luminii (LiDAR) al vehiculului, care funcționa ca un radar bazat pe lumină. Împreună cu camerele și radarul, LiDAR cartografia mediul pentru a ajuta mașinile să evite obstacole și să se deplaseze în siguranță. Iar comutatoarele minuscule vor îmbunătăți aceste sisteme.

De atunci, camerele și sistemele radar ieftine, bazate pe cipuri, au început să fie folosite în mod curent pentru evitarea coliziunilor și conducerea autonomă pe autostradă. Cu toate acestea, sistemele de navigație LiDAR rămân dispozitive mecanice complicate, care costă mii de dolari.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

Însă acest lucru ar putea fi pe cale să se schimbe, datorită unui nou tip de cip LiDAR de înaltă rezoluție dezvoltat de Ming Wu, profesor de inginerie electrică și științe informatice și codirector al Berkeley Sensor and Actuator Center de la University of California, Berkeley. Noul design a fost publicat pe 9 martie în revista Nature.

Comutatoarele minuscule și sistemul LiDAR

LiDAR-ul lui Wu se bazează pe o matrice de comutare în plan focal (FPSA), o matrice de antene bazată pe semiconductori care adună lumina precum senzorii găsiți în camerele digitale. Rezoluția sa de 16.384 de pixeli poate să nu sune impresionant în comparație cu milioanele de pixeli găsiți pe camerele smartphone-urilor, dar este mai mică decât cei 512 pixeli sau mai puțin găsiți până acum pe FPSA, a spus Wu.

La fel de important, designul este scalabil la dimensiuni de megapixeli folosind aceeași tehnologie complementară de metal-oxid-semiconductor (CMOS) folosită pentru a produce procesoare de computer, a spus Wu. Acest lucru ar putea duce la o nouă generație de senzori 3D puternici și ieftini pentru mașini autonome, precum și pentru drone, roboți și chiar smartphone-uri.

Cum funcționează LiDAR

LiDAR funcționează prin captarea reflexiilor luminii emise de laserul său. Măsurând timpul necesar pentru revenirea luminii sau modificările frecvenței fasciculului, LiDAR poate cartografia mediul și poate cronometra viteza obiectelor care se mișcă în jurul acestuia.

Sistemele LiDAR mecanice au lasere puternice care vizualizează obiecte aflate la sute de metri distanță, chiar și în întuneric. De asemenea, generează hărți 3D cu o rezoluție suficient de mare pentru ca inteligența artificială a unui vehicul să facă distincția între vehicule, biciclete, pietoni și alte pericole.

Cu toate acestea, așezarea acestor capacități pe un cip le-a pus probleme cercetătorilor timp de mai bine de un deceniu. Cea mai impunătoare barieră o implică laserul.

„Vrem să iluminăm o zonă foarte mare. Dar dacă încercăm să facem asta, lumina devine prea slabă pentru a ajunge la o distanță suficient de mare. Deci, ca un compromis de design pentru a menține intensitatea luminii, reducem zonele pe care le luminăm cu lumina noastră laser”, a spus Wu.

Aici intervine FPSA. Aceasta constă într-o matrice de emițătoare optice minuscule, sau antene, și comutatoarele minuscule care le pornesc și le opresc rapid. În acest fel, sistemul poate canaliza toată puterea laser disponibilă printr-o singură antenă.

Comutatoarele MEMS

Comutarea pune însă probleme. Aproape toate sistemele LiDAR pe bază de siliciu folosesc comutatoare termo-optice, care se bazează pe schimbări mari de temperatură pentru a produce mici modificări ale indicelui de refracție și pentru a redirecționa lumina laser.

Comutatoarele termo-optice, totuși, sunt atât mari ca dimensiune, cât și mari consumatoare de energie. Dacă sunt prea multe pe un cip, vor genera prea multă căldură pentru a funcționa corect. Acesta este motivul pentru care FPSA-urile existente au fost limitate la 512 pixeli sau mai puțin.

Soluția lui Wu le înlocuiește cu un sistem de comutatoare microelectromecanice (MEMS) care comută fizic undele dintr-o poziție în alta.

„Construcția este foarte asemănătoare cu o autostradă. Imaginează-ți că ești un fascicul de lumină care merge de la est la vest. Putem coborî mecanic o rampă care te va întoarce brusc la 90 de grade, astfel încât să mergi de la nord la sud”, explică Wu.

Comutatoarele minuscule

Comutatoarele MEMS sunt o tehnologie cunoscută folosită pentru a direcționa lumina în rețelele de comunicații. Este prima dată când sunt aplicate la LiDAR. În comparație cu comutatoarele termo-optice, acestea sunt mult mai mici, folosesc mult mai puțină energie, comută mai repede și au pierderi de lumină foarte mici.

Ele sunt motivul pentru care Wu poate înghesui 16.384 de pixeli pe un cip de 1 centimetru pătrat. Când comutatorul pornește un pixel, acesta emite un fascicul laser și captează lumina reflectată. Fiecare pixel este echivalent cu 0,6 grade din câmpul vizual de 70 de grade al matricei, scrie Tech Xplore.

Prin parcurgerea rapidă a matricei, FPSA-ul lui Wu construiește o imagine 3D a lumii din jurul său. Montarea mai multor astfel de sisteme într-o configurație circulară ar produce o vedere de 360 de grade în jurul unui vehicul.

Camerele foto de pe telefoane

Wu trebuie să mărească rezoluția și intervalul FPSA înainte ca sistemul său să fie gata pentru comercializare. „În timp ce antenele optice sunt greu de micșorat, comutatoarele minuscule sunt de fapt cele mai mari componente și credem că le putem face mult mai mici”, a spus el.

Wu trebuie, de asemenea, să mărească raza de acțiune a sistemului, care este de numai 10 metri. „Suntem siguri că putem ajunge la 100 de metri și credem că am putea ajunge la 300 de metri cu o îmbunătățire continuă”, a spus Ming Wu.

Dacă va reuși, tehnologia convențională de producție CMOS promite să facă LiDAR-ul ieftin de dimensiunea unui cip o parte a viitorului nostru.

„Uită-te la modul în care folosim camerele. Sunt încorporate în vehicule, roboți, aspiratoare, echipamente de supraveghere, biometrie și uși. Vor exista atât de multe aplicații potențiale odată ce vom micșora LiDAR la dimensiunea unei camere de smartphone”, a spus Wu.

Vă recomandăm să citiți și:

Un reputat astronom de la Harvard susține că o navă extraterestră ar fi însămânțat Pământul cu senzori

Cercetătorii au creat pielea artificială care se învinețește atunci când este lovită. Cum ar putea fi folosită?

Iată cum ar arăta apusurile de soare văzute de pe alte planete. Animația inedită creată de NASA

Cum arată cea mai nouă hartă a universului. FOTO