Of het nu bovenop een zelfrijdende auto is of ingebed in de nieuwste gadget, Lichtdetectie- en bereiksystemen (lidar) zullen waarschijnlijk een belangrijke rol spelen in onze technologische toekomst, waardoor voertuigen in realtime kunnen 'zien', telefoons om driedimensionale afbeeldingen in kaart te brengen en augmented reality in videogames te verbeteren.

De uitdaging:deze 3D-beeldvormingssystemen kunnen omvangrijk zijn, duur en moeilijk te verkleinen tot het formaat dat nodig is voor deze opkomende toepassingen. Maar onderzoekers van de University of Colorado Boulder zijn een grote stap dichter bij een oplossing.

In een nieuwe krant gepubliceerd in optiek , ze beschrijven een nieuwe siliciumchip - zonder bewegende delen of elektronica - die de resolutie en scansnelheid verbetert die nodig zijn voor een lidar-systeem.

"We willen idealiter grote, omvangrijk, zware lidar-systemen met net dit platte, kleine chip, " zei Nathan Dostart, hoofdauteur van het onderzoek, die onlangs is gepromoveerd bij de afdeling Electrical and Computer Engineering.

De huidige commerciële lidarsystemen gebruiken grote, roterende spiegels om de laserstraal te sturen en zo een 3D-beeld te creëren. De afgelopen drie jaar, Dostart en zijn collega's hebben gewerkt aan een nieuwe manier om laserstralen te sturen, genaamd golflengtesturing - waarbij elke golflengte, of "kleur, " van de laser wordt op een unieke hoek gericht.

Ze hebben niet alleen een manier ontwikkeld om dit in twee dimensies tegelijk te doen, in plaats van slechts één, ze hebben het gedaan met kleur, met behulp van een "regenboog" -patroon om 3D-afbeeldingen te maken. Omdat de stralen eenvoudig kunnen worden gecontroleerd door eenvoudig van kleur te veranderen, meerdere phased arrays kunnen tegelijkertijd worden bestuurd om een ​​groter diafragma en een afbeelding met een hogere resolutie te creëren.

"We hebben ontdekt hoe we deze tweedimensionale regenboog in een piepkleine chip kunnen plaatsen, " zei Kelvin Wagner, co-auteur van de nieuwe studie en hoogleraar elektrische en computertechniek.

Het einde van elektrische communicatie

Autonome voertuigen zijn momenteel een industrie van $ 50 miljard dollar, tegen 2026 naar verwachting meer dan $ 500 miljard waard zijn. zoals verbeterde cruisecontrol en automatische rijstrookcentrering, de echte race is om een ​​auto te maken die zichzelf bestuurt zonder input of verantwoordelijkheid van een menselijke bestuurder. In de afgelopen 15 jaar of zo, innovators hebben zich gerealiseerd dat auto's hiervoor meer nodig hebben dan alleen camera's en radar - ze hebben lidar nodig.

Lidar is een teledetectiemethode die gebruik maakt van laserstralen, pulsen van onzichtbaar licht, afstanden te meten. Deze lichtstralen weerkaatsen alles op hun pad, en een sensor verzamelt deze reflecties om een ​​nauwkeurige, driedimensionaal beeld van de omgeving in realtime.

Lidar is als echolocatie met licht:het kan je vertellen hoe ver elke pixel in een afbeelding is. Het wordt al minstens 50 jaar gebruikt in satellieten en vliegtuigen, om atmosferische detectie uit te voeren en de diepte van waterlichamen en hoogten van het terrein te meten.

Hoewel er grote vooruitgang is geboekt in de grootte van lidar-systemen, ze blijven verreweg het duurste onderdeel van zelfrijdende auto's - maar liefst $ 70, 000 elk.

Om ooit breed in de consumentenmarkt aan de slag te gaan, lidar moet nog goedkoper worden, kleiner en minder complex. Sommige bedrijven proberen deze prestatie te bereiken met behulp van siliciumfotonica:een opkomend gebied in de elektrotechniek dat siliciumchips gebruikt, die licht kan verwerken.

De nieuwe bevinding van het onderzoeksteam is een belangrijke vooruitgang in siliciumchiptechnologie voor gebruik in lidar-systemen.

"Elektrische communicatie heeft zijn absolute limiet. Optica moet een rol gaan spelen en daarom zetten al deze grote spelers zich in om de siliciumfotonica-technologie industrieel levensvatbaar te maken, " zei Miloš Popović, co-auteur en universitair hoofddocent engineering aan de Boston University.

Hoe eenvoudiger en kleiner deze siliciumchips kunnen worden gemaakt - met behoud van een hoge resolutie en nauwkeurigheid in hun beeldvorming - hoe meer technologieën ze kunnen worden toegepast, inclusief zelfrijdende auto's en smartphones.

Het gerucht gaat dat de komende iPhone 12 een lidar-camera zal bevatten, zoals dat momenteel in de iPad Pro. Deze technologie kan niet alleen de beveiliging van gezichtsherkenning verbeteren, maar op een dag assisteren bij het maken van klimroutekaarten, afstanden meten en zelfs dierensporen of planten identificeren.

"We stellen een schaalbare benadering van lidar voor met behulp van chiptechnologie. En dit is de eerste stap, de eerste bouwsteen van die aanpak, " zei Dostart, die zijn werk zal voortzetten bij NASA Langley Research Center in Virginia. "Er is nog een lange weg te gaan."