Znanstveniki odpravili glavno težavo tehnologije lidar za varnejša avtonomna vozila

Tehnologija lidar, ki deluje z oddajanjem hitrih impulzov infrardeče svetlobe in merjenjem njihovega odboja, je postala nepogrešljiva pri ustvarjanju natančnih tridimenzionalnih zemljevidov okolice v realnem času. Kljub njeni pomembnosti za avtonomno vožnjo, letenje in nadzor gradbišč, se današnji najzmogljivejši sistemi lidar soočajo z resnimi pomanjkljivostmi. Običajno se zanašajo na vrteče se enote, ki svetlobo usmerjajo v različne smeri, kar pomeni, da so naprave masivne, drage in podvržene mehanski obrabi.

Raziskovalci z inštituta MIT pa so nedavno v reviji Nature Communications objavili študijo, ki prinaša tehnološki preobrat. Razvili so trdni (solid-state) lidar na silicijevo-fotonskem čipu, ki za upravljanje svetlobe namesto elektrike uporablja polprevodniško tehnologijo. S tem so odprli vrata do manjših, cenejših in za množično proizvodnjo preprostejših senzorjev.

Glavni izziv tovrstnih čipov je bilo do sedaj omejeno vidno polje. Ko so inženirji poskušali razširiti kot skeniranja, so naleteli na popačenja signala. Silicijevo-fotonski sistemi namreč svetlobo usmerjajo elektronsko z integriranim optičnim faznim nizom. Ta niz vsebuje vrsto anten z drobnimi valoviti vzorci na površini, ki svetlobo usmerjajo navzven. Z ugašanjem in spreminjanjem faze svetlobe na vsaki anteni lahko usmerjajo svetlobni snop brez kakršnih koli premikajočih se delov.

Težava nastane, ko so antene preblizu skupaj, saj se med njimi pojavi šum, kar posledično popači svetlobo. Če pa so antene preveč narazen, sistem ustvari več kopij svetlobnega snopa pod različnimi koti, kar zmanjša vidno polje, zmede senzor, povzroči lažne zaznave in neportrebno troši energijo. Avtonomno vozilo bi v tem primeru videlo le ozek spekter dogajanja pred seboj.

Ekipa z MIT, pod vodstvom Jelene Notaros in glavnega avtorja Henryja Crawford-Enga, je to osnovno težavo odpravila z elegantno zasnovo treh različnih oblik anten z različnimi širinami in vzorci valovitosti. Zaradi teh geometrijskih razlik ima vsaka antena unikaten koeficient širjenja svetlobe. Ko so antene nameščene tesno skupaj, sosednja antena praktično ne zazna tiste poleg sebe, s čimer se medsebojne motnje drastično zmanjšajo.

Inženirski podvig je bil doseči, da te geometrijsko različne antene še vedno oddajajo svetlobo povsem usklajeno, kar pomeni z enako močjo, pod enakim kotom za določeno valovno dolžino in z enakomernim zamikom med usmerjanjem. Raziskovalci so najprej razvili elektromagnetno teorijo in nato na podlagi simulacij zgradili eksperimentalni optični fazni niz.

Rezultati testov so izjemni. Medtem ko bi pri klasičnih nizih v enakih pogojih medsebojni vpliv dosegel skoraj 100 odstotkov, je pri novem sistemu MIT padel na vsega okoli 1 odstotek. Čip je ustvaril en sam natančen snop in omogočil široko ter natančno usmerjanje svetlobe brez neželenih stranskih snopov. Znanstveniki zdaj načrtujejo tehnologijo še nadgraditi za dodatno razširitev vidnega polja, raziskava pa je prejela podporo več organizacij, vključno z National Science Foundation in Semiconductor Research Corporation.