Лазерный мир

Когда в 2010 году начали появляться первые самоуправляемые автомобили-роботы, большинство из них было оборудовано механическими лазерными сканнерами LiDAR, устанавливаемыми на крыше.

Сканер LiDAR представляет собой оптический аналог радара и они, вместе с обычными камерами и радарами, используются для составления трехмерной карты окружающего пространства, которая позволяет автомобилям безопасно двигаться и избегать препятствий.

С момента начала развития области автомобилей-роботов прошло уже немало времени. Появились новые специализированные камеры, миниатюрные твердотельные радарные системы, но вот со сканерами LiDAR дело обстоит не так радужно. Те сканеры, которые имеют приемлемые для практического использования параметры, так и остаются громоздкими и дорогостоящими механическими устройствами, а появляющиеся первые опытные образцы твердотельных LiDAR-ов имеют очень слабые показатели, в частности, разрешающую способность.

Однако эта ситуация уже начала меняться в лучшую сторону с появлением нового твердотельного сканера LiDAR, разработанного учеными из Калифорнийского университета в Беркли. Основой этого устройства является FPSA-матрица (focal plane switch array), которая представляет собой матрицу крошечных MEMS-устройств (MicroElectroMechanical System), выступающих в роли своего рода антенн, передающих и принимающих оптические сигналы. Разрешающая способность новой FPSA-матрицы составляет 16 384 пикселей, это кажется малым по сравнению с миллионами пикселей матриц цифровых фотокамер, но это существенный рывок вперед, если учесть, что разрешающая способность других FPSA-матриц, построенных на базе термооптических переключателей, не превышала 512 пикселей до последнего времени.

Помимо функции приема оптических сигналов, MEMS-устройства выполняют также функцию оптических переключателей, способных направить весь свет лазера в определенном направлении через одну единственную излучающую антенну. При этом, быстродействие этих крошечных устройств достаточно велико и оно обеспечивает столь высокую скорость сканирования окружающего пространства, которая находится далеко за пределами возможностей механических сканеров LiDAR.

Размер стороны квадратной пластины новой FPSA-матрицы составляет один сантиметр, на ее поверхности расположены, как уже упоминалось выше, 16 384 MEMS-пикселей. Каждый из этих пикселей является одновременно излучателем и приемником оптических сигналов, его эффективный угол обзора составляет 0.6 углового градуса. А угол обзора всей матрицы составляет 70 градусов. При этом, с помощью такого устройства можно достаточно просто обеспечить автономному транспортному средству круговой обзор на все 360 градусов, для этого необходимо установить по кругу несколько идентичных матриц.

Однако, прежде чем данная технология сможет стать на коммерческие рельсы, ученым предстоит проделать еще массу работы. Одним направлением является дальнейшее уменьшение размера одного MEMS-элемента матрицы с последующим увеличением разрешающей способности. А другим направлением является увеличение дальности работы сканера.

«Нам еще предстоит поломать голову по поводу увеличения дальности работы сканера, которая сейчас составляет всего 10 метров» — пишут ученые, — «Но мы уверены, что в самом скором времени мы увеличим дальность до 100 метров, а позже доберемся и до 300-метровой отметки».

Если ученым удастся реализовать все задуманное, то в недалеком будущем можно ожидать появления высококачественных твердотельных сканеров LiDAR, которые можно будет использовать в автономных транспортных средствах, беспилотных летательных аппаратах, роботах и даже встраивать в смартфоны и портативные компьютеры.

Источник: https://www.atomic-energy.ru/news/2022/03/14/122738