Стандартные датчики изображения, миллиарды которых уже установлены практически в каждом используемом сегодня смартфоне, фиксируют яркость и цвет света. Опираясь на распространенную готовую сенсорную технологию, известную как CMOS, эти камеры с каждым годом становятся меньше и мощнее и теперь предлагают разрешение в десятки мегапикселей. Но до сих пор они видели только в двух измерениях, создавая плоские изображения, похожие на рисунки.

Исследователи из Стэнфордского университета разработали новый подход, который позволяет стандартным датчикам изображения видеть свет в трех измерениях. То есть эти обычные камеры вскоре можно было использовать для измерения расстояния до объектов.

Инженерные возможности впечатляют. Измерение расстояния между объектами с помощью света в настоящее время возможно только с помощью специализированных и дорогих лидаров — сокращенно от «обнаружения света и измерения дальности» — систем. Если вы видели, как беспилотный автомобиль ездит по округе, вы можете сразу заметить его по горбуну технологии, установленной на крыше. Большая часть этого оборудования — это автомобильная лидарная система предотвращения столкновений, которая использует лазеры для определения расстояния между объектами.

Лидар похож на радар, но со светом вместо радиоволн. Направляя луч лазера на объекты и измеряя отраженный свет, он может сказать, как далеко находится объект, как быстро он движется, приближается ли он или удаляется, и, что наиболее важно, он может рассчитать, совпадают ли пути двух движущихся объектов. объекты будут пересекаться в какой-то момент в будущем.

«Существующие лидарные системы большие и громоздкие, но когда-нибудь, если вам понадобятся лидарные возможности в миллионах автономных дронов или легких роботизированных транспортных средствах, вы захотите, чтобы они были очень маленькими, очень энергоэффективными и предлагали высокую производительность», объясняет Окан Аталар, кандидат электротехники в Стэнфорде и первый автор новой статьи в журнале Nature Communications , в которой рассказывается об этом компактном энергоэффективном устройстве, которое можно использовать для лидара.

Для инженеров продвижение предлагает две интригующие возможности. Во-первых, он может обеспечить лидар с мегапиксельным разрешением — порог, который сегодня невозможен. Более высокое разрешение позволит лидару идентифицировать цели на большем расстоянии. Беспилотный автомобиль, например, мог бы отличить велосипедиста от пешехода, если бы он находился дальше, то есть раньше, и позволить автомобилю легче избежать аварии. Во-вторых, любой датчик изображения, доступный сегодня, в том числе миллиарды в смартфонах, может захватывать насыщенные 3D-изображения с минимальными аппаратными дополнениями.

Изменение того, как машины видят

Один из подходов к добавлению 3D-изображения к стандартным датчикам достигается путем добавления источника света (что легко сделать) и модулятора (что не так просто сделать), который очень быстро включает и выключает свет, миллионы раз в секунду. Измеряя вариации света, инженеры могут рассчитать расстояние. Существующие модуляторы тоже могут это делать, но они требуют относительно большой мощности. Настолько большой, что делает их совершенно непрактичными для повседневного использования.

Решение, созданное командой из Стэнфорда в сотрудничестве с Лабораторией интегрированных нано-квантовых систем (LINQS) и ArbabianLab, основано на явлении, известном как акустический резонанс. Команда построила простой акустический модулятор, используя тонкую пластину из ниобата лития — прозрачного кристалла, очень желательного благодаря своим электрическим, акустическим и оптическим свойствам, — покрытого двумя прозрачными электродами.

Важно отметить, что ниобат лития является пьезоэлектрическим . То есть, когда через электроды вводится электричество, кристаллическая решетка в основе его атомной структуры меняет форму. Он вибрирует на очень высоких, очень предсказуемых и очень контролируемых частотах. И когда он вибрирует, ниобат лития сильно модулирует свет; с добавлением пары поляризаторов этот новый модулятор эффективно включает и выключает свет несколько миллионов раз в секунду.

«Более того, геометрия пластин и электродов определяет частоту модуляции света, поэтому мы можем точно настроить частоту», — говорит Аталар. «Измените геометрию, и вы измените частоту модуляции».

С технической точки зрения, пьезоэлектрический эффект создает акустическую волну через кристалл, которая изменяет поляризацию света желаемым, регулируемым и удобным способом. Именно это ключевое техническое отклонение обеспечило команде успех. Затем после модулятора осторожно помещается поляризационный фильтр, который преобразует это вращение в модуляцию интенсивности, делая свет ярче и темнее, эффективно включая и выключая свет миллионы раз в секунду.

«Хотя есть и другие способы включения и выключения света, — говорит Аталар, — этот акустический подход предпочтительнее, поскольку он чрезвычайно энергоэффективен».

Практические результаты

Лучше всего то, что конструкция модулятора проста и интегрируется в предлагаемую систему, в которой используются стандартные камеры, такие как те, что используются в повседневных мобильных телефонах и цифровых зеркальных фотокамерах. Аталар и советник Амин Арбабян, доцент кафедры электротехники и старший автор проекта, считают, что он может стать основой для нового типа компактного, недорогого и энергоэффективного лидара — «стандартного КМОП-лидара», как они его называют. которые могут найти применение в дронах, внеземных вездеходах и других приложениях.

Воздействие предлагаемого модулятора огромно; По их словам, у него есть потенциал добавить недостающее трехмерное измерение к любому датчику изображения. Чтобы доказать это, команда построила прототип лидарной системы на лабораторном столе, в котором в качестве приемника использовалась коммерчески доступная цифровая камера. Авторы сообщают, что их прототип захватывал карты глубины с мегапиксельным разрешением, при этом для работы оптического модулятора требовалось небольшое количество энергии.

Аталар говорит, что еще лучше, с дополнительными улучшениями, с тех пор команда еще больше снизила потребление энергии, по крайней мере, в 10 раз по сравнению с уже низким порогом, указанным в статье, и они считают, что снижение энергопотребления в несколько сотен раз находится в пределах досягаемости. Если это произойдет, будущее мелкомасштабных лидаров со стандартными датчиками изображения и 3D-камерами смартфонов может стать реальностью.