Новое достижение в области лазерных технологий формирования трехмерных изображений может в недалеком будущем вашему автомобилю-роботу обнаружить выбежавшего на дорогу ребенка с расстояния в половину квартала. Эта же самая технология может позволить вашему смартфону или планшетному компьютеру следить за вашими движениями и жестами, находясь в другом конце комнаты. И это далеко не весь перечень возможностей, которые может предоставить новая малогабаритная лазерная система, разработанная исследователями из Калифорнийского университета в Беркли.

Новая система способна распознать и определить форму объектов, находящихся на удалении десяти метров, и это приблизительно в десять раз больше, чем могут сделать системы, оснащенные маломощными и малопотребляющими лазерами.

Дальнейшее совершенствование разработанных исследователями технологий позволит создавать малогабаритные и недорогие системы формирования трехмерных изображений, обладающие широкими возможностями, что позволит использовать их в автомобилях-роботах, в смартфонах и в игровых контроллерах наподобие Microsoft Kinect.

«Большинство существующих малогабаритных лазерных систем обладает дальностью действия на уровне одного метра. Этого вполне достаточно для использования их в ограниченном круге приложений. Но самый большой интерес для промышленной робототехники и потребительской электроники имеет дальность действия лазерного сканера на уровне 10 метров» – рассказывает Бенэм Бехрузпур (Behnam Behroozpour), исследователь из Калифорнийского университета, – «Озвученная выше дальность действия перекрывает размеры типичных жилых, офисных и производственных помещений, что позволит значительно расширить область применения лазерных систем. А крайне малая мощность лазерного излучения позволяет полностью избежать проблем, связанных с повреждением сетчатки глаза человека лазерным светом».

Новая лазерная система, как и большинство других, построена на принципах оптического сканера или радара (LIDAR, light radar). Источник света, лазер этой системы освещает окружающее пространство. Свет отражается от объектов и улавливается светочувствительными датчиками.

По изменениям фазы, задержки и частоты отраженного света можно вычислить расстояние до объекта, определить форму, направление и скорость его движения.

Но, большинство существующих систем LIDAR, обеспечивающих высокую разрешающую способность, используют достаточно мощные лазеры и сложные оптические системы. Из-за этого они имеют достаточно большие габариты, в чем можно убедиться, взглянув на любой снимок автомобиля-робота компании Google.

Рис. 1.

Для создания малогабаритной лазерной системы исследователи использовали технологию частотно-модулированной непрерывной волны (frequency-modulated continuous-wave, FMCW), что позволило получить одновременно достаточно высокую разрешающую способность и достаточно низкий уровень потребляемой энергии.

Лазер системы излучает непрерывный свет с «качающейся» в определенных пределах длиной волны, а необходимую системе информацию несет частота отраженного от объекта света.

Для уменьшения габаритов и снижения количества потребляемой энергии исследователи использовали перестраиваемый лазер класса VCSEL и управляющую MEMS-систему.

MEMS (micro-electrical-mechanical system) представляет собой крошечный механизм, который в данном случае служит для изменения частоты излучения лазера, обеспечивая «раскачку» частоты света лазера. А лазер VCSEL (vertical-cavity surface-emitting lasers) является недорогим интегрируемым в чип полупроводниковым лазером с крайне низким расходом энергии. Кроме этого MEMS-устройство работает на собственной резонансной частоте, что позволяет усилить оптический сигнал без значительных затрат дополнительной энергии.

Следующими шагами, которые намерены предпринять исследователи, станет объединение VCSEL-лазера, MEMS-компонентов и управляющей электроники в пределы кристалла единственного чипа.

«Появление миниатюрного и недорогого чипа интегрированного лазерного сканера позволит нам усовершенствовать уже имеющиеся технологии управления и разработать совершенно новые технологии, которые пока еще даже не придуманы» – рассказывает Бенэм Бехрузпур.