Integrated coherent LiDAR with broadband low-noise-laser-driven, multidimensionally multiplexed passive beam steering
Questo articolo presenta un sistema LiDAR coerente integrato ibrido che supera i colli di bottiglia della scalabilità combinando un laser a cavità esterna con auto-iniezione di fase a un array ottico passivo dispersivo a multiplexing multidimensionale per ottenere un ampio campo visivo, una larghezza di riga ultra-stretta e un teledistanziamento ad alta precisione attraverso la co-ottimizzazione della coerenza della sorgente e del multiplexing spaziale passivo.
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Immaginate un mondo in cui un'auto, un drone o un robot possano "vedere" l'ambiente circostante in tre dimensioni, non solo scattando foto, ma misurando la distanza esatta da ogni oggetto che incontrano. Questa è la promessa di una tecnologia chiamata LiDAR, che sta per Light Detection and Ranging (rilevamento e determinazione della distanza tramite luce). Invece di utilizzare una fotocamera che si affida all'intensità della luce riflessa, i sistemi LiDAR emettono impulsi laser e misurano quanto tempo impiega la luce a rimbalzare indietro. Per far sì che questo funzioni per la navigazione, il sistema deve essere in grado di scansionare quel raggio laser su un'ampia area, guardando a sinistra, a destra, in alto e in basso, calcolando simultaneamente le distanze con estrema precisione. Per anni, gli ingegneri hanno lottato per costruire questi sistemi abbastanza piccoli da poter essere montati su un veicolo o un drone. I metodi tradizionali richiedono enormi array di interruttori elettronici per indirizzare il raggio, che sono ingombranti, energivori e soggetti al surriscaldamento. La sfida è stata trovare un modo per far muovere il raggio laser senza utilizzare un braccio meccanico pesante e complesso o una foresta caotica di controlli elettronici.
Un team di ricercatori della Shanghai Jiao Tong University ha ora dimostrato un nuovo approccio che risolve questo problema cambiando il modo in cui il raggio laser viene indirizzato. Invece di usare migliaia di interruttori elettronici per spingere il raggio, hanno costruito un sistema in cui il raggio si muove semplicemente cambiando il colore, o la lunghezza d'onda, della luce laser. Questo sembra semplice, ma richiede un tipo di laser molto speciale. Il laser deve essere in grado di scansionare un ampio intervallo di colori rapidamente, pur rimanendo incredibilmente stabile e silenzioso nella sua frequenza, perché qualsiasi oscillazione o rumore nella luce rovinerebbe le misurazioni della distanza. I ricercatori hanno creato un laser ibrido che combina due diverse tecniche per raggiungere questo obiettivo. Una parte del dispositivo seleziona l'ampio intervallo di colori necessari per scansionare un'ampia area, mentre una seconda parte blocca la luce in un tono singolo e ultra-puro per garantire che le misurazioni siano precise. Questa combinazione permette al laser di scansionare un intervallo di 66 nanometri in lunghezza d'onda mantenendo una larghezza di riga (linewidth) stretta quanto 50 hertz, un livello di stabilità che è raro per un intervallo di sintonizzazione così ampio.
La seconda metà della loro invenzione è il dispositivo che effettivamente invia la luce nel mondo. Nella maggior parte dei sistemi avanzati, questa parte è un array attivo di minuscoli specchi o interruttori che richiedono complessi cablaggi elettrici per muovere il raggio. I ricercatori hanno sostituito questo elemento con un dispositivo puramente passivo, il che significa che non ha parti mobili né controlli elettronici sulla superficie che emette la luce. Invece, hanno progettato un chip con reticoli inclinati, ovvero modelli microscopici incisi sulla superficie. Quando la luce laser colpisce questi modelli, si diffrange, o si piega, in una direzione specifica. Utilizzando un astuto trucco chiamato multiplexing multidimensionale, il team ha reso il sistema molto più efficiente. Hanno disposto il dispositivo in modo che lo stesso colore di luce potesse essere inviato in direzioni diverse a seconda di quale porta di ingresso utilizzasse, in quale direzione stesse viaggiando e della sua polarizzazione. Ciò ha permesso loro di riutilizzare lo stesso intervallo di colori sedici volte, moltiplicando efficacemente il numero di direzioni distinte in cui il sistema poteva guardare senza necessitare di un laser più ampio o di un chip più grande.
Quando i ricercatori hanno testato questo sistema combinato in un ambiente reale, i risultati sono stati sorprendenti. Hanno allestito un bersaglio con gradini a diverse distanze e altezze e hanno usato il loro laser per scansionarlo. In una modalità standard senza la loro speciale tecnica di blocco, il sistema faticava a individuare con precisione la distanza, con misurazioni che variavano fino a 8,39 centimetri. Tuttavia, quando hanno attivato il loro metodo di auto-iniezione per stabilizzare il laser, la precisione è migliorata drasticamente. La variazione nelle misurazioni è scesa a soli 0,97 centimetri, un miglioramento di oltre otto volte. Questo livello di accuratezza è rimasto costante anche quando hanno spostato il bersaglio molto più lontano, fino a 23,7 metri. A quella distanza, il sistema ha mantenuto una precisione di 29 centimetri, che è sei volte migliore rispetto alla versione non stabilizzata. Il team ha anche misurato quanto velocemente il sistema potesse cambiare la propria visuale da un punto all'altro. Poiché l'indirizzamento del raggio si basa sul cambiamento di colore del laser piuttosto che sul movimento di interruttori elettronici, il sistema poteva reindirizzare il proprio sguardo in circa 28 microsecondi, una velocità limitata solo dalla rapidità con cui i componenti interni del laser si riscaldano e si raffreddano.
La portata di questo lavoro risiede nel modo in cui semplifica l'intera architettura di un sensore 3D. Spostando il compito complesso dell'indirizzamento del raggio da un enorme array di controlli elettronici a un singolo laser intelligente, il sistema diventa molto più piccolo, leggero ed efficiente dal punto di vista energetico. La natura passiva dell'emettitore significa che non genera il calore che tipicamente affligge gli array elettronici attivi, rendendolo adatto ad ambienti in cui l'energia è scarsa o il raffreddamento è difficile. I ricercatori hanno dimostrato un campo visivo che spazia su 110 gradi orizzontali e 90 gradi verticali testandolo con una sorgente luminosa esterna più ampia, suggerendo che il design fisico del chip è capace di vedere un'area molto vasta. Sebbene gli esperimenti attuali abbiano utilizzato un intervallo laser specifico, i principi di progettazione sottostanti permettono un'ulteriore espansione. Questo approccio offre una via chiara verso la costruzione di sistemi LiDAR a stato solido, abbastanza compatti da poter essere integrati nei parabrezza delle auto o nei corpi di piccoli droni, portando la sensoristica 3D ad alta fedeltà a una gamma più ampia di applicazioni senza la mole e le richieste di potenza delle generazioni precedenti.
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