Un chip di silicio con una matrice piastrellata di piastrelle a matrice di fase ottica a serpentina (SOPA). Le 32 tessere nell'array 8 per 4 hanno un design della griglia leggermente diverso, che mostra qui due coppie di tessere corrispondenti che "si illuminano" a questo angolo di visione. Disegnati sovrapposti sono i fasci di due tessere corrispondenti e il modello di interferenza del raggio di campo lontano che dimostra la formazione del raggio piastrellato. Credito:Bohan Zhang e Nathan Dostart
Che sia sopra un'auto a guida autonoma o integrato all'interno dell'ultimo gadget, I sistemi Lidar (Light Detection and Ranging) giocheranno probabilmente un ruolo importante nel nostro futuro tecnologico, consentendo ai veicoli di "vedere" in tempo reale, telefoni per mappare immagini tridimensionali e migliorare la realtà aumentata nei videogiochi.
La sfida:questi sistemi di imaging 3D possono essere ingombranti, costoso e difficile da ridurre alle dimensioni necessarie per queste applicazioni emergenti. Ma i ricercatori dell'Università del Colorado Boulder sono un grande passo avanti verso una soluzione.
In un nuovo documento, pubblicato in ottica , descrivono un nuovo chip di silicio, senza parti mobili o elettronica, che migliora la risoluzione e la velocità di scansione necessarie per un sistema lidar.
"Stiamo cercando di sostituire idealmente grandi, ingombrante, sistemi lidar pesanti con solo questo piatto, piccolo chip, " ha detto Nathan Dostart, autore principale dello studio, che ha recentemente conseguito il dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica.
Gli attuali sistemi lidar commerciali utilizzano grandi, specchi rotanti per guidare il raggio laser e creare così un'immagine 3D. Negli ultimi tre anni, Dostart e i suoi colleghi hanno lavorato su un nuovo modo di guidare i raggi laser chiamato orientamento della lunghezza d'onda, in cui ogni lunghezza d'onda, o "colore, " del laser è puntato su un angolo unico.
Non solo hanno sviluppato un modo per fare una versione di questo lungo due dimensioni contemporaneamente, invece di uno solo, l'hanno fatto con il colore, utilizzando un modello "arcobaleno" per scattare immagini 3D. Poiché i raggi sono facilmente controllabili semplicemente cambiando i colori, più phased array possono essere controllati contemporaneamente per creare un'apertura più grande e un'immagine a risoluzione più elevata.
"Abbiamo capito come mettere questo arcobaleno bidimensionale in un piccolo chip, " disse Kelvin Wagner, co-autore del nuovo studio e professore di ingegneria elettrica e informatica.
La fine della comunicazione elettrica
I veicoli autonomi sono attualmente un'industria da 50 miliardi di dollari, dovrebbe valere più di 500 miliardi di dollari entro il 2026. Mentre molte auto in circolazione oggi dispongono già di alcuni elementi di assistenza autonoma, come il cruise control avanzato e il centraggio automatico della corsia, la vera gara è creare un'auto che si guidi da sola senza alcun input o responsabilità da parte di un guidatore umano. Negli ultimi 15 anni circa, gli innovatori si sono resi conto che per fare questo le auto avranno bisogno di più di semplici telecamere e radar:avranno bisogno di lidar.
Un pattern di scansione raster indirizzato da un phased array ottico fotonico al silicio guidato dalla lunghezza d'onda. La curvatura di questo modello è un indicatore della dispersione nel sistema di guida d'onda su chip. Credito:Nathan Dostart
Lidar è un metodo di telerilevamento che utilizza raggi laser, impulsi di luce invisibile, per misurare le distanze. Questi raggi di luce rimbalzano su tutto ciò che incontrano, e un sensore raccoglie queste riflessioni per creare un preciso, immagine tridimensionale dell'ambiente circostante in tempo reale.
Lidar è come l'ecolocalizzazione con la luce:può dirti quanto è lontano ogni pixel in un'immagine. È stato utilizzato per almeno 50 anni nei satelliti e negli aeroplani, per condurre il rilevamento atmosferico e misurare la profondità dei corpi idrici e le altezze del terreno.
Sebbene siano stati fatti grandi passi avanti nelle dimensioni dei sistemi lidar, rimangono di gran lunga la parte più costosa delle auto a guida autonoma, fino a $ 70, 000 ciascuno.
Per poter lavorare ampiamente nel mercato dei consumatori un giorno, il lidar deve diventare ancora più economico, più piccoli e meno complessi. Alcune aziende stanno cercando di realizzare questa impresa utilizzando la fotonica al silicio:un'area emergente nell'ingegneria elettrica che utilizza chip di silicio, che può elaborare la luce.
La nuova scoperta del team di ricerca è un importante progresso nella tecnologia dei chip di silicio da utilizzare nei sistemi lidar.
"La comunicazione elettrica è al suo limite assoluto. L'ottica deve entrare in gioco ed è per questo che tutti questi grandi attori si sono impegnati a rendere la tecnologia fotonica al silicio fattibile a livello industriale, " ha detto Miloš Popović, co-autore e professore associato di ingegneria alla Boston University.
Più semplici e piccoli possono essere realizzati questi chip di silicio, pur mantenendo alta risoluzione e accuratezza nella loro immagine, più tecnologie possono essere applicate, comprese auto a guida autonoma e smartphone.
Si dice che il prossimo iPhone 12 incorporerà una fotocamera lidar, come quello attualmente nell'iPad Pro. Questa tecnologia potrebbe non solo migliorare la sicurezza del riconoscimento facciale, ma un giorno assisterò nella creazione di mappe delle vie di arrampicata, misurare le distanze e persino identificare tracce di animali o piante.
"Stiamo proponendo un approccio scalabile al lidar utilizzando la tecnologia dei chip. E questo è il primo passo, il primo elemento costitutivo di tale approccio, " disse Dostart, che continuerà il suo lavoro al NASA Langley Research Center in Virginia. "C'è ancora molta strada da fare".
