I ricercatori dell'Università di Washington sviluppano una forma più piccola ed economica di tecnologia LiDAR

I dispositivi che si muovono e operano nello spazio fisico hanno bisogno di sensori per leggere il loro ambiente.
Una di queste tecnologie di rilevamento, LiDAR, ha molte potenziali applicazioni, ma spesso è troppo grande o troppo costosa per essere una scelta praticabile.
Ora, un team di ricercatori dell'Università di Washington ha sviluppato una forma molto più piccola e meno costosa di LiDAR che non ha parti mobili, una svolta che potrebbe presto essere un vero punto di svolta per molte tecnologie.
LiDAR, che sta per Light Detection and Ranging, è una tecnologia di imaging laser 3D che esiste da oltre mezzo secolo.
Come il radar, che è un analogo mezzo di rilevamento basato sul suono, LiDAR esegue la scansione di un'area e il segnale riflesso viene quindi ricevuto e interpretato.
In passato, questi sistemi basati su laser richiedevano parti mobili, un fattore che aggiungeva peso, complessità, durata e costi.
Ora, in uno studio di ricerca recentemente pubblicato sulla rivista Nature, un team di ricerca UW ECE (Electrical and Computer Engineering) ha sviluppato un modo per utilizzare gli effetti quantistici per creare LiDAR su un chip, un approccio leggero che non necessita di parti mobili.
"Abbiamo inventato un tipo completamente nuovo di dispositivo di orientamento del raggio laser senza parti mobili per la scansione dei sistemi LiDAR e lo abbiamo integrato in un chip per computer", ha affermato Mo Li, professore di fisica e UW ECE che guida il gruppo di ricerca.
“Questa nuova tecnologia utilizza il suono che scorre sulla superficie del chip per dirigere un laser di scansione nello spazio libero.
Può rilevare e visualizzare oggetti in tre dimensioni da oltre 100 metri di distanza.
Li è presidente associato del dipartimento ECE per la ricerca e autore senior del documento Nature.
La maggior parte del lavoro sperimentale per questo studio è stato condotto dagli autori co-conduttori Bingzhao Li, uno studioso post-dottorato, e Qixuan Lin, uno studente laureato UW ECE.
Entrambi sono membri dell'UW Laboratory of Photonic Systems guidato da Li.
Li confronta il LiDAR con un proiettore che si muove avanti e indietro in un'area.
L'enorme differenza con questo LiDAR su un chip è che il raggio laser che emette può essere piegato usando effetti quantistici.
Sicuro per gli occhi, il raggio passa appena sopra la superficie del chip.
Allo stesso tempo, un trasduttore interdigitale (IDT) viene utilizzato per eccitare le onde acustiche sul chip.
Le vibrazioni generate "dirigono" il raggio avanti e indietro, secondo le loro frequenze, con il movimento che avviene in modo continuo oa passi.
Il raggio successivamente si riflette sugli oggetti nell'ambiente, ritornando al LiDAR dove un rilevatore riceve il raggio.
Il software quindi interpreta le informazioni, costruendo un'immagine dell'oggetto riflesso.
Usando una tecnica che il team di ricerca chiama "beam steering acusto-ottico", il chip genera impulsi sonori ad alta frequenza di pochi gigahertz, ben oltre la gamma udibile.
Queste vibrazioni generano un fenomeno emergente chiamato fononi, una quasi-particella quantistica.
I fononi alterano la deflessione dei fotoni che compongono il raggio di luce, piegandolo come farebbe un prisma.
La diffusione della luce rimane principalmente nel piano della guida d'onda bidimensionale del chip.
Per questo motivo, la luce si muove attraverso un mezzo su scala quantistica creato dalle vibrazioni.
I fononi alterano il corso del raggio in base alla loro frequenza, in modo che percorra un angolo risultante in un campo visivo di circa 20 gradi.
Essenzialmente, le vibrazioni creano l'equivalente di un reticolo di diffrazione, con i fononi che alterano l'angolo e la lunghezza d'onda della luce coerente del laser.
Questa è l'altra caratteristica cruciale di questo sistema perché a quel cambiamento di lunghezza d'onda corrisponde anche un cambiamento di frequenza.
Ciò si verifica a causa di un noto effetto noto come "Brillouin scattering".
Per questo motivo, ogni piccola differenza nell'angolo del fascio viene effettivamente "etichettata" perché ha fotoni di frequenza diversa.
Ciò consente di rilevare i fotoni di ritorno utilizzando una fotocamera a pixel singolo.
Queste informazioni possono quindi essere elaborate dal software per creare rapidamente immagini, inclusa un'immagine di un paesaggio scansionato.
"Possiamo distinguere la direzione del laser riflesso dal suo 'colore', un metodo che abbiamo chiamato 'risoluzione frequenza-angolare'", ha detto Qixuan Lin.
“Il nostro ricevitore ha bisogno solo di un singolo pixel di imaging, piuttosto che di una telecamera completa, per riprendere oggetti lontani.
Pertanto, è molto più piccolo ed economico dei ricevitori LiDAR comunemente usati oggi”.
Questo sistema ha attualmente una portata di circa 110 metri.
Tuttavia, viaggiando alle normali velocità autostradali, un veicolo autonomo in genere necessita di un'autonomia circa il triplo.
L'attuale limite di portata deriva dall'attuale efficienza del sistema di circa il cinque percento.
Li pensa che avranno bisogno di un altro anno per raggiungere il 50% di efficienza che sarà necessario per raggiungere i 300 metri.
Questo è un intervallo che darebbe a un veicolo che viaggia a una velocità superiore a 60 MPH abbastanza tempo per rispondere a oggetti e situazioni sul suo percorso.
Le applicazioni commerciali per questo LiDAR di nuova generazione includono veicoli autonomi.
Sebbene il CEO di Tesla Elon Musk abbia notoriamente affermato che le auto a guida autonoma non hanno bisogno di LiDAR, una versione a basso costo probabilmente negherebbe tale argomento.
Il peso notevolmente ridotto del sistema lo renderebbe anche molto più utile e praticabile nei droni.
Anche la robotica potrebbe utilizzare questo nuovo sistema in molte aree diverse, dall'automazione dei magazzini ai robot militari.
La scala ridotta e la mancanza di parti mobili offrono anche opportunità uniche per l'imaging medico.
Mo Li e Bingzhao Li hanno in programma di formare una startup per commercializzare la loro tecnologia entro due o tre anni.
Hanno già ricevuto borse di studio per questo scopo da CoMotion, l'incubatore di startup di UW e dalla Washington Research Foundation.
"Il fatto che ci siano voluti solo due studenti per realizzarlo in un periodo di circa nove mesi parla della bellezza e della semplicità della tecnologia", ha detto Li.
“In sostanza, questo dispositivo non è troppo complicato.
È un'implementazione semplice di una buona idea e funziona.
L'articolo, "LiDAR a risoluzione angolare in frequenza che utilizza un raggio acusto-ottico su scala di chip", è stato pubblicato sulla rivista Nature il 28 giugno.
La ricerca è supportata dal Convergence Accelerator Program della National Science Foundation e dal Microsystems Technology Office di DARPA.