Малко твърдотелно LiDAR устройство може да 3D-картографира пълно зрително поле от 180 градуса

Сподели

Изследователи от Южна Корея са разработили ултрамалко, ултратънко устройство LiDAR, което разделя един лазерен лъч на 10 000 точки, покриващи безпрецедентно зрително поле от 180 градуса. Той е способен да картографира 3D дълбочина на цяло полукълбо на зрението с един кадър.

Автономните автомобили и роботи трябва да могат да възприемат света около тях невероятно точно, ако искат да бъдат безопасни и полезни в реални условия. При хората и други автономни биологични единици това изисква набор от различни сетива и доста необикновена обработка на данни в реално време и същото вероятно ще важи и за нашето технологично потомство.

LiDAR – съкращение от Light Detection and Ranging – съществува от 60-те години на миналия век и сега е добре утвърдена технология за определяне на разстояние, която е особено полезна при разработването на 3D представяния на облак от точки на дадено пространство. Работи малко като сонар, но вместо звукови импулси, LiDAR устройствата изпращат кратки импулси лазерна светлина и след това измерват светлината, която е отразена или обратно разпръсната, когато тези импулси ударят обект.

Времето между първоначалния светлинен импулс и върнатия импулс, умножено по скоростта на светлината и разделено на две, ви казва разстоянието между LiDAR модула и дадена точка в пространството. Ако измервате няколко точки многократно във времето, вие получавате 3D модел на това пространство с информация за разстояние, форма и относителна скорост, която може да се използва заедно с потоци от данни от многоточкови камери, ултразвукови сензори и други системи да конкретизира разбирането на автономната система за нейната среда.

Според изследователи от Университета за наука и технологии в Поханг (POSTECH) в Южна Корея, един от ключовите проблеми на съществуващата технология LiDAR е нейното зрително поле. Ако искате да изобразите широка област от една точка, единственият начин да го направите е да завъртите механично вашето LiDAR устройство или да завъртите огледало, за да насочите лъча. Този вид съоръжения могат да бъдат обемисти, жадни за енергия и крехки. Той има тенденция да се износва доста бързо и скоростта на въртене ограничава колко често можете да измервате всяка точка, намалявайки честотата на кадрите на вашите 3D данни.

Системите LiDAR в твърдо състояние, от друга страна, не използват физически движещи се части. Някои от тях, според изследователите – като сензорите за дълбочина, които Apple използва, за да се увери, че не заблуждавате системата за отключване с разпознаване на лице на iPhone, като вдигнете плоска снимка на лицето на собственика – прожектират набор от точки заедно и погледнете за изкривяване на точките и шарките за разпознаване на информация за форма и разстояние. Но зрителното поле и разделителната способност са ограничени и екипът казва, че все още са сравнително големи устройства.

Екипът на Pohang реши да стреля за възможно най-малката система за отчитане на дълбочина с възможно най-широкото зрително поле, използвайки невероятните способности за огъване на светлината на метаповърхностите. Тези 2-D наноструктури, една хилядна от ширината на човешки косъм, могат ефективно да се разглеждат като ултра-плоски лещи, изградени от масиви от малки и прецизно оформени отделни нанопиларни елементи. Входящата светлина се разделя на няколко посоки, докато се движи през метаповърхност, и с правилния дизайн на нанопиларна матрица, части от тази светлина могат да бъдат дифрактирани до ъгъл от почти 90 градуса. Напълно плоско ултра-рибешко око, ако желаете.

Отляво: изгледи отпред и отстрани на дифракционния модел на лъча, показващ както загубата на интензитет при по-високи ъгли на огъване, така и загубата на разделителна способност на точката с увеличаване на разстоянието. Вдясно: прецизно оформеният нанопиларен масив върху самата метаповърхност, който може да огъва светлината на почти 90 градуса

POSTECH

Изследователите проектираха и построиха устройство, което изстрелва лазерна светлина през метаповърхностна леща с наноколони, настроени да я разделят на около 10 000 точки, покриващи изключително зрително поле от 180 градуса. След това устройството интерпретира отразената или обратно разсеяната светлина чрез камера, за да осигури измервания на разстоянието.

„Доказахме, че можем да контролираме разпространението на светлината във всички ъгли, като разработим технология, по-напреднала от конвенционалните метаповърхностни устройства“, каза професор Джунсук Ро, съавтор на ново проучване, публикувано в Nature Communications. „Това ще бъде оригинална технология, която ще даде възможност за ултра-малка и пълна платформа за сензори за 3D изображения.“

Интензитетът на светлината намалява, тъй като ъглите на дифракция стават по-екстремни; точка, огъната под ъгъл от 10 градуса, достигна целта си с четири до седем пъти по-голяма мощност от точка, огъната по-близо до 90 градуса. С оборудването в лабораторната си настройка изследователите установиха, че са получили най-добри резултати при максимален зрителен ъгъл от 60° (представляващ 120° зрително поле) и разстояние по-малко от 1 m (3,3 фута) между сензора и обекта. Казват, че по-мощните лазери и по-прецизно настроените метаповърхности ще увеличат чувствителността на тези сензори, но високата разделителна способност на по-големи разстояния винаги ще бъде предизвикателство с ултрашироки лещи като тези.

Това малко петънце от метаповърхност е всичко, от което се нуждаете, за да разделите един лазер достатъчно широко, за да картографирате всичко пред вас
Това малко петънце от метаповърхност е всичко, от което се нуждаете, за да разделите един лазер достатъчно широко, за да картографирате всичко пред вас

POSTECH

Друго потенциално ограничение тук е обработката на изображения. Алгоритъмът за „кохерентен дрейф на точки“, използван за декодиране на данните от сензора в 3D облак от точки, е много сложен и времето за обработка нараства с броя на точките. Така че заснемането на пълен кадър с висока разделителна способност, декодиращо 10 000 точки или повече, ще постави доста голямо натоварване върху процесорите и да накарате такава система да работи с над 30 кадъра в секунда ще бъде голямо предизвикателство.

От друга страна, тези неща са невероятно малки и метаповърхностите могат да бъдат лесно и евтино произведени в огромен мащаб. Екипът отпечата едно върху извитата повърхност на комплект предпазни очила. Толкова е малко, че едва ще го различите от прашинка. И това е потенциалът тук; Базираните на metasurface устройства за картографиране на дълбочина могат да бъдат невероятно малки и лесно интегрирани в дизайна на набор от обекти, като тяхното зрително поле е настроено под ъгъл, който има смисъл за приложението.

Екипът вижда тези устройства като притежаващи огромен потенциал в неща като мобилни устройства, роботика, автономни автомобили и неща като VR/AR очила. Много спретнато нещо!

Изследването е със свободен достъп в списанието Nature Communications.

източник: POSTECH



Публикациите се превеждат автоматично с google translate


Сподели