Um chip de silício com uma matriz de ladrilhos de ladrilhos ópticos em fase de serpentina (SOPA). Os 32 ladrilhos na matriz 8 por 4 têm designs de grade ligeiramente diferentes, mostrando aqui dois pares de peças "iluminando" neste ângulo de visão. Sobrepostos desenhados estão os feixes de dois ladrilhos correspondentes e o padrão de interferência do feixe de campo distante demonstrando a formação do feixe do ladrilho. Crédito:Bohan Zhang e Nathan Dostart
Seja no topo de um carro autônomo ou embutido no mais recente gadget, Os sistemas de detecção e alcance de luz (lidar) provavelmente desempenharão um papel importante em nosso futuro tecnológico, permitindo que os veículos "vejam" em tempo real, telefones para mapear imagens tridimensionais e melhorar a realidade aumentada em videogames.
O desafio:esses sistemas de imagem 3-D podem ser volumosos, caro e difícil de reduzir ao tamanho necessário para esses aplicativos emergentes. Mas os pesquisadores da Universidade do Colorado em Boulder estão um grande passo mais perto de uma solução.
Em um novo jornal, publicado em Optica , eles descrevem um novo chip de silício - sem partes móveis ou eletrônicos - que melhora a resolução e a velocidade de digitalização necessárias para um sistema lidar.
"Estamos procurando substituir idealmente os grandes, volumoso, sistemas lidar pesados com apenas este plano, pequeno chip, "disse Nathan Dostart, autor principal do estudo, que recentemente concluiu o doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação.
Os sistemas LIDAR comerciais atuais usam grandes, espelhos giratórios para direcionar o feixe de laser e, assim, criar uma imagem 3-D. Nos últimos três anos, Dostart e seus colegas têm trabalhado em uma nova maneira de direcionar os feixes de laser, chamada de direção de comprimento de onda - onde cada comprimento de onda, ou "cor, "do laser é apontado para um ângulo único.
Eles não apenas desenvolveram uma maneira de fazer uma versão disso ao longo de duas dimensões simultaneamente, em vez de apenas um, eles fizeram isso com cores, usando um padrão de "arco-íris" para tirar imagens 3-D. Uma vez que os feixes são facilmente controlados simplesmente mudando as cores, matrizes de várias fases podem ser controladas simultaneamente para criar uma abertura maior e uma imagem de resolução mais alta.
"Nós descobrimos como colocar este arco-íris bidimensional em um pequeno chip, "disse Kelvin Wagner, co-autor do novo estudo e professor de engenharia elétrica e da computação.
O fim da comunicação elétrica
Veículos autônomos são atualmente uma indústria de $ 50 bilhões de dólares, projetado para valer mais de US $ 500 bilhões até 2026. Embora muitos carros nas estradas hoje já tenham alguns elementos de assistência autônoma, como controle de cruzeiro aprimorado e centralização automática da faixa, a verdadeira corrida é criar um carro que se dirija sozinho sem nenhuma contribuição ou responsabilidade de um motorista humano. Nos últimos 15 anos ou mais, os inovadores perceberam que, para fazer isso, os carros precisarão de mais do que apenas câmeras e radar - eles precisarão lidar.
Um padrão de varredura raster endereçado por uma matriz de fase óptica fotônica direcionada por comprimento de onda. A curva desse padrão é um indicador da dispersão no sistema de guia de ondas no chip. Crédito:Nathan Dostart
Lidar é um método de sensoriamento remoto que usa feixes de laser, pulsos de luz invisível, para medir distâncias. Esses feixes de luz refletem em tudo em seu caminho, e um sensor coleta esses reflexos para criar uma imagem tridimensional do ambiente circundante em tempo real.
Lidar é como a ecolocalização com luz:pode dizer a que distância está cada pixel de uma imagem. É usado há pelo menos 50 anos em satélites e aviões, para realizar a detecção atmosférica e medir a profundidade de corpos d'água e alturas de terreno.
Embora grandes avanços tenham sido feitos no tamanho dos sistemas lidar, eles continuam sendo a parte mais cara dos carros autônomos, de longe - até US $ 70, 000 cada.
Para trabalhar amplamente no mercado consumidor um dia, lidar deve se tornar ainda mais barato, menor e menos complexo. Algumas empresas estão tentando realizar esse feito usando fotônica de silício:uma área emergente na engenharia elétrica que usa chips de silício, que pode processar luz.
A nova descoberta da equipe de pesquisa é um avanço importante na tecnologia de chip de silício para uso em sistemas lidar.
"A comunicação elétrica está em seu limite absoluto. A óptica tem que entrar em ação e é por isso que todos esses grandes jogadores estão comprometidos em tornar a tecnologia fotônica de silício industrialmente viável, "disse Miloš Popović, co-autor e professor associado de engenharia da Boston University.
Quanto mais simples e menores esses chips de silício podem ser feitos - enquanto retêm alta resolução e precisão em suas imagens - mais tecnologias eles podem ser aplicados, incluindo carros autônomos e smartphones.
Rumores dizem que o próximo iPhone 12 irá incorporar uma câmera lidar, assim atualmente no iPad Pro. Essa tecnologia não só pode melhorar a segurança do reconhecimento facial, mas um dia ajudarei na criação de mapas de rotas de escalada, medindo distâncias e até mesmo identificando rastros de animais ou plantas.
"Estamos propondo uma abordagem escalonável para lidar com tecnologia de chip. E este é o primeiro passo, o primeiro bloco de construção dessa abordagem, "disse Dostart, que continuará seu trabalho no NASA Langley Research Center na Virgínia. "Ainda há um longo caminho a percorrer."
