Nowa jakość czujników 4D

Obecne systemy wizyjne robotów i dronów opierają się na czujnikach 3D, które, choć wydajne, nie zawsze nadążają za szybkim i nieprzewidywalnym ruchem w świecie rzeczywistym. Często mają trudności z natychmiastowym pomiarem prędkości lub są mało kompaktowe i zbyt drogie do codziennego użytku.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature naukowcy opisują, jak opracowali czujnik obrazowania 4D na chipie, który tworzy trójwymiarowe mapy otoczenia, jednocześnie śledząc prędkość poruszających się obiektów.

Badacze zbudowali matrycę płaszczyzny ogniskowej (FPA), fizyczną siatkę 61 952 nieruchomych pikseli wytrawionych na pojedynczym krzemowym chipie. Każdy z nich to miniaturowy sensor, który emituje światło laserowe w kierunku sceny i wykrywa odbity sygnał.

Aby zidentyfikować otoczenie, do układu doprowadzane jest światło laserowe z zewnętrznego źródła. Następnie jest ono przepuszczane przez chip za pomocą sieci przełączników optycznych, które sekwencyjnie kierują je do grup pikseli. Każdy z nich wykorzystuje następnie technikę zwaną FMCW LiDAR do pomiaru sygnału powrotnego, który jest następnie przetwarzany w celu określenia odległości i prędkości. W wielu systemach LiDAR jeden zestaw pikseli wysyła światło, a drugi je odbiera, ale w tym przypadku wszystkie piksele zarówno je wysyłają, jak i odbierają, co czyni system znacznie bardziej kompaktowym.

Co więcej, układ wykorzystuje ciągłą wiązkę laserową zamiast krótkich impulsów światła, jak w przypadku tradycyjnych czujników. Zaletą tego rozwiązania jest fakt, że pozwala ono czujnikowi wykrywać drobne zmiany częstotliwości fal świetlnych. Umożliwia to jednocześnie obliczanie odległości i prędkości obiektu.

Zespół przetestował swój czujnik na układzie scalonym w kilku środowiskach, aby sprawdzić, jak radzi sobie z różnymi odległościami pomiaru oraz ruchem obserwowanego obiektu. Skanował on sceny, a następnie rekonstruował je w formę trójwymiarowych map cyfrowych złożonych z tysięcy punktów danych. System z powodzeniem mapował pomieszczenia w odległości od 6 do 11 metrów.

Aby przetestować zasięg, naukowcy skierowali układ na budynek oddalony o 65 metrów. Sygnał był wystarczająco mocny, aby odwzorować szczegóły, takie jak okna czy balkony. Przetestowali również wynalazek na wirującym dysku, natychmiast mierząc jego prędkość.

Zespół wciąż ma do wykonania wytężoną pracę nad wynalazkiem, między innymi próbując zwiększyć poziom rozdzielczości i zasięg. Po opuszczeniu laboratorium układ może nie tylko pomóc robotom i dronom, ale również pozwolić na udoskonalenie aparatów cyfrowych.

(rr)