MEMS-kytkimillä LiDAR:lle ennätystarkkuus

Puolijohteinen MEMS-LiDAR-siru, joka lähettää laservaloa pieneen kytkimeen yhdistetystä optisesta antennista. Heijastunut valo vangitaan samalla antennilla ja 3D-kuvat saadaan kytkemällä matriisin kytkimet päälle peräkkäin.

Suurempi kuva

(18.3.2022) Nykyiset LiDAR-navigointijärjestelmät ovat edelleen raskaita mekaanisia laitteita, jotka maksavat tuhansia dollareita.

Se saattaa muuttua uudentyyppisen korkearesoluutioisen LiDAR-sirun ansiosta, jonka on kehittänyt Ming Wu, professori ja Berkeley Sensor and Actuator Centerin johtaja Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä.

Wun LiDAR perustuu FPSA-tekniikkaan (focal plane switch array), puolijohdepohjaiseen mikrometrimittakaavaisten antennien matriisiin, joka kerää valoa digitaalikameroiden antureiden tapaan.

Nykyisten LiDAR:en näiden ominaisuuksien saaminen sirulle on ollut vaikeaa tutkijoille jo vuosikymmenen ajan. Vaikuttavin este on laser. Sen tehon suhteen joudutaan valitsemaan etäisyyden ja katettavan alueen välillä.

Tässä FPSA tulee avuksi. Se koostuu pienten optisten lähettimien tai antennien matriisista sekä kytkimistä, jotka kanavoivat kaiken saatavilla olevan lasertehon yhteen antenniin kerrallaan. Vaihtaminen aiheuttaa kuitenkin ongelmia. Melkein kaikki piipohjaiset LiDAR-järjestelmät käyttävät termo-optisia kytkimiä, jotka tukeutuvat muutoksiin materiaa taitekertoimessa ohjatakseen laservaloa aaltoputkesta toiseen.

Wun ratkaisu on korvata ne mikroelektromekaanisilla (MEMS) kytkimillä, jotka siirtävät aaltoputkia fyysisesti paikasta toiseen.

MEMS-kytkimiä käytetään jo valon reitittämiseen tietoliikenneverkoissa. Tämä on ensimmäinen kerta, kun niitä on käytetty LiDARissa. Verrattuna lämpöoptisiin kytkimiin, ne ovat paljon pienempiä, kuluttavat paljon vähemmän virtaa, kytkeytyvät nopeammin ja niillä on erittäin pieni valohäviö.

Wu kokosi 16 384 pikselisen yhden neliösenttimetrisen sirun. Kun pikseli kytketään päälle, se lähettää lasersäteen ja vangitsee heijastuneen valon. Jokainen pikseli vastaa 0,6 astetta matriisin 70 asteen näkökentästä. Ajamalla matriisin läpi Wun FPSA rakentaa 3D-kuvan ympäröivästä maailmasta. Useiden sellaisten asentaminen ympyrämuotoon tuottaisi 360 asteen näkymän.

Wun on vielä lisättävä FPSA-resoluutiota ja kantamaa ennen kuin hänen järjestelmänsä on valmis kaupallistamiseen. "Vaikka optisia antenneja on vaikea tehdä pienempiä, kytkimet ovat silti suurimpia komponentteja ja uskomme, että voimme tehdä niistä paljon pienempiä", hän visioi. On myös lisättävä järjestelmän kantamaa, joka on vain 10 metriä. "Olemme varmoja, että pääsemme 100 metriin ja uskomme, että pääsemme 300 metriin jatkuvalla parannuksella", hän jatkaa.

Jos hän pystyy, perinteinen CMOS-tuotantotekniikka lupaa tehdä edullisesta sirun kokoisesta LiDAR:sta osan tulevaisuuttamme.

"Katsokaa vain, kuinka käytämme kameroita nykyään", Wu toteaa. ”Niitä on upotettu ajoneuvoihin, robotteihin, pölynimureihin, valvontalaitteisiin, biometristiikkaan ja oviin. Potentiaalisia sovelluksia on paljon enemmän, kun pienennämme LiDARin älypuhelimen kameran kokoiseksi.

Aiheesta aiemmin:

Mikroskannerin peilit korvaavat ihmisen näön

Fotoninen MEMS-kytkin kaupallistuu

Fotonikytkin CMOS-piireille