Opracowany przez nich chip pozwala skanować otoczenie w znacznie szerszym zakresie niż dotychczasowe rozwiązania, jednocześnie eliminując jeden z największych problemów nowoczesnych lidarów: zakłócenia pogarszające jakość pomiarów. Takie podejście może przyczynić się do powstania mniejszych, tańszych i bardziej wytrzymałych czujników, które znajdą zastosowanie zarówno w pojazdach autonomicznych, jak i dronach, robotach przemysłowych czy systemach monitorowania infrastruktury.
LiDAR jest obecnie jednym z kluczowych elementów wyposażenia autonomicznych pojazdów. Technologia ta wykorzystuje impulsy światła podczerwonego do bardzo dokładnego pomiaru odległości od otaczających obiektów. Na podstawie czasu, jaki światło potrzebuje na dotarcie do przeszkody i powrót do czujnika, system tworzy trójwymiarową mapę otoczenia. Dzięki temu samochód może rozpoznawać inne pojazdy, pieszych, znaki drogowe czy przeszkody i odpowiednio reagować w czasie rzeczywistym.
Pomimo ogromnych możliwości obecne systemy LiDAR mają jednak istotne ograniczenia. Wiele z nich wykorzystuje obracające się elementy mechaniczne odpowiedzialne za kierowanie wiązką lasera. Takie konstrukcje są stosunkowo duże, kosztowne i podatne na zużycie. Ruchome części zwiększają również ryzyko awarii podczas długotrwałej eksploatacji, co utrudnia masowe wdrażanie technologii w samochodach produkowanych na dużą skalę.
Czytaj też: Kamień z Chile podważa prawa fizyki. Natura tworzy układy, o jakich fizycy nawet nie śnili
Alternatywę stanowią lidary wykorzystujące układy fotoniki krzemowej. Zamiast mechanicznego obracania lasera kierują one wiązką światła elektronicznie za pomocą specjalnych struktur umieszczonych bezpośrednio na półprzewodnikowym chipie. Rozwiązanie to pozwala znacząco zmniejszyć rozmiary urządzeń oraz zwiększyć ich trwałość. Dotychczas tego typu systemy cierpiały jednak na ograniczone pole widzenia, przez co nie były w stanie skutecznie obserwować obiektów znajdujących się na obrzeżach skanowanego obszaru.
Zespół badawczy z MIT postanowił rozwiązać ten problem, opracowując nową konstrukcję zintegrowanej matrycy anten optycznych. W tradycyjnych układach anteny znajdują się bardzo blisko siebie, przez co wzajemnie na siebie oddziałują. Zjawisko to, znane jako przesłuch, powoduje zakłócenia sygnału i obniża dokładność pomiarów.
Dotychczas inżynierowie próbowali ograniczać ten efekt poprzez zwiększanie odległości między antenami. Takie podejście prowadziło jednak do powstawania niepożądanych kopii głównej wiązki światła, zwanych listkami siatkowymi. Fałszywe wiązki mogły generować błędne interpretacje jako rzeczywiste obiekty, a dodatkowo ograniczały zakres skutecznego skanowania otoczenia.
Przedstawiciele MIT zaproponowali zupełnie inną strategię. Zamiast stosować identyczne anteny, opracowali zestaw trzech różnych konstrukcji, które powtarzają się w całym układzie. Każda antena otrzymała nieco inny kształt, szerokość oraz odmiennie rozmieszczone mikroskopijne rowki odpowiedzialne za emisję światła. Dzięki temu sąsiednie anteny praktycznie przestały na siebie oddziaływać, mimo że umieszczono je znacznie bliżej niż w klasycznych rozwiązaniach.
Czytaj też: Najmocniejsze materiały zwykle pękają. Ten złamał starą zasadę
Największym wyzwaniem okazało się zachowanie identycznych parametrów pracy wszystkich anten. Choć różniły się budową, każda z nich musiała emitować taką samą ilość światła pod identycznym kątem oraz reagować w ten sam sposób podczas elektronicznego sterowania wiązką. Osiągnięcie takiego efektu wymagało opracowania nowego modelu teoretycznego opisującego propagację fal elektromagnetycznych oraz przeprowadzenia zaawansowanych symulacji komputerowych.
Po zakończeniu projektowania badacze wyprodukowali prototyp układu i poddali go serii eksperymentów. Wyniki okazały się znacznie lepsze od oczekiwań. W warunkach testowych klasyczne układy osiągały poziom wzajemnych zakłóceń sięgający około 100 procent. Nowa konstrukcja MIT ograniczyła ten efekt do zaledwie około 1 procenta, zachowując jednocześnie pojedynczą, czystą i bardzo precyzyjną wiązkę światła. Tak znacząca redukcja zakłóceń pozwoliła na skuteczne kierowanie wiązką w szerokim zakresie bez powstawania fałszywych sygnałów.
Źródło: Nature Communications
