Maličké polovodičové LiDAR zariadenie 3D mapuje až 180 stupňové zorné pole

Autonómne autá a roboty musia byť schopné vnímať svet okolo seba neuveriteľne presne, ak majú byť bezpečné a užitočné v reálnych podmienkach. U ľudí a iných autonómnych biologických entít si to vyžaduje celý rad rôznych zmyslov a celkom výnimočné spracovanie údajov v reálnom čase a to isté bude pravdepodobne platiť aj pre našich technologických potomkov.

Technológia LiDAR (skratka pre Light Detection and Ranging) existuje od 60. rokov 20. storočia a v súčasnosti je to osvedčená technológia určovania vzdialenosti, ktorá je obzvlášť užitočná pri vytváraní 3D reprezentácií mračna bodov daného priestoru. Funguje trochu ako sonar, ale namiesto zvukových impulzov vysielajú zariadenia LiDAR krátke impulzy laserového svetla a potom merajú svetlo, ktoré sa odrazí alebo spätne rozptýli, keď tieto impulzy dopadnú na objekt.

Čas medzi počiatočným svetelným impulzom a spätným impulzom vynásobený rýchlosťou svetla a vydelený dvomi udáva vzdialenosť medzi jednotkou LiDAR a daným bodom v priestore. Ak opakovane meriate niekoľko bodov v priebehu času, získate 3D model tohto priestoru s informáciami o vzdialenosti, tvare a relatívnej rýchlosti, ktorý možno použiť spolu s dátovými tokmi z viacbodových kamier, ultrazvukových senzorov a iných systémov na doplnenie poznatkov autonómneho systému o jeho prostredí.

Podľa výskumníkov z Pohangskej univerzity vedy a techniky (POSTECH) v Južnej Kórei je jedným z kľúčových problémov existujúcej technológie LiDAR jej zorné pole. Ak chcete zobraziť širokú oblasť z jedného bodu, jediným spôsobom, ako to urobiť, je mechanicky otáčať zariadenie LiDAR alebo otáčať zrkadlo na nasmerovanie lúča. Tento druh zariadenia môže byť objemný, náročný na energiu a krehký. Má tendenciu sa pomerne rýchlo opotrebovať a rýchlosť otáčania obmedzuje, ako často môžete merať každý bod, čím sa znižuje snímková frekvencia vašich 3D údajov.

Na druhej strane polovodičové systémy LiDAR nepoužívajú žiadne fyzické pohyblivé časti. Niektoré z nich podľa výskumníkov premietajú sústavu bodov dohromady a hľadajú skreslenie bodov a vzorov, aby rozoznali informácie o tvare a vzdialenosti. Zorné pole a rozlíšenie sú však obmedzené a podľa tímu ide stále o pomerne veľké zariadenia.

Tím sa preto rozhodol usilovať o čo najmenší systém na snímanie hĺbky s čo najširším zorným poľom, pričom využil mimoriadne schopnosti metapovrchov ohýbať svetlo. Tieto dvojrozmerné nanoštruktúry, ktorých šírka je jedna tisícina ľudského vlasu, sa dajú efektívne považovať za ultraploché šošovky, zostavené zo sústav drobných a presne tvarovaných jednotlivých nanopilierov. Prichádzajúce svetlo sa pri pohybe cez metapovrch rozdeľuje do viacerých smerov a pri správnom návrhu sústavy nanopilierov sa časť tohto svetla môže rozptýliť pod uhlom takmer 90 stupňov.

Výskumníci navrhli a zostrojili zariadenie, ktoré vystreľuje laserové svetlo cez metapovrchovú šošovku s nanopiliermi vyladenými tak, aby ho rozdelili na približne 10 000 bodov, ktoré pokrývajú extrémne 180-stupňové zorné pole. Zariadenie potom interpretuje odrazené alebo spätne rozptýlené svetlo prostredníctvom kamery a poskytuje meranie vzdialenosti.

"Dokázali sme, že môžeme kontrolovať šírenie svetla vo všetkých uhloch tým, že sme vyvinuli technológiu pokročilejšiu ako bežné metapovrchové zariadenia,“ povedal profesor Junsuk Rho, spoluautor novej štúdie. „Pôjde o originálnu technológiu, ktorá umožní vytvoriť ultramalú a celopriestorovú platformu 3D zobrazovacieho senzora“.

Intenzita svetla síce klesá, keď sa difrakčné uhly stávajú extrémnejšími. Bod ohnutý pod uhlom 10 stupňov dosiahol svoj cieľ so štvornásobným až sedemnásobným výkonom v porovnaní s bodom ohnutým bližšie k 90 stupňom. Výskumníci zistili, že so zariadením v ich laboratórnej zostave dosiahli najlepšie výsledky v rámci maximálneho uhla pohľadu 60 stupňov (čo predstavuje 120-stupňové zorné pole) a vzdialenosti menšej ako 1 m medzi senzorom a objektom. Tvrdia, že výkonnejšie lasery a presnejšie vyladené metaplochy zvýšia schopnosť týchto senzorov, ale vysoké rozlíšenie na väčšie vzdialenosti bude pri takýchto ultraširokouhlých objektívoch vždy výzvou.

Ďalším potenciálnym obmedzením je spracovanie obrazu. Algoritmus „koherentného posunu bodov“, ktorý sa používa na dekódovanie údajov zo senzora do 3D mračna bodov, je veľmi zložitý a čas spracovania rastie s počtom bodov. Plnoformátové zábery s vysokým rozlíšením, ktoré dekódujú 10 000 alebo viac bodov, budú teda predstavovať pre procesory dosť veľkú záťaž a dosiahnuť, aby takýto systém pracoval rýchlosťou 30 snímok za sekundu, bude veľkou výzvou.

Na druhej strane sú tieto veci neuveriteľne malé a metaplochy sa dajú ľahko a lacno vyrábať v obrovskom meradle. Tím vytlačil jednu z nich na zakrivený povrch súpravy ochranných okuliarov. Je taká malá, že by ste ju sotva rozoznali od smietky prachu. A práve v tom je potenciál technológie. Zariadenia na mapovanie hĺbky na báze metapovrchov môžu byť neuveriteľne malé a ľahko sa dajú integrovať do konštrukcie rôznych objektov, pričom ich zorné pole sa nastaví na uhol, ktorý má pre danú aplikáciu zmysel.

Tím vidí v týchto zariadeniach obrovský potenciál, napríklad v mobilných zariadeniach, robotike, autonómnych autách a okuliaroch pre virtuálnu a rozšírenú realitu.

Výskum je voľne prístupný v magazíne Nature Communications.