Системы лазерных сканеров LIDAR (LIght Identification Detection And Ranging) служат для получения высококачественных трехмерных изображений окружающей среды с высокой разрешающей способностью, и такие системы являются главным и обязательным «органом восприятия», при помощи которого самоуправляемые автомобили-роботы ориентируются во время движения. Но существует одна проблема, LIDAR-системы весьма сложны и, как следствие, имеют весьма и весьма высокую стоимость. К примеру, весь комплект оборудования на новый автомобиль-робот компании Google стоит порядка 150 тысяч долларов, из которых на долю 64-лучевой LIDAR-системы Velodyne приходится 70 тысяч, сумма, за которую можно приобрести отдельный и достаточно неплохой автомобиль.
Но в будущем вышеописанная проблема может быть решена за счет использования лазеров нового типа, конструкция которых была разработана учеными и инженерами из университета Беркли (University of Berkeley), возглавляемыми профессором Конни Чанг-Хэснэйном (Connie Chang-Hasnain). Эта группа нашла способ сделать основной компонент LIDAR-систем, лазер с изменяемой длиной волны, более легким, меньшим в размерах и менее дорогостоящим, нежели традиционные решения. Кроме этого, данное достижение может послужить толчком к дальнейшему развитию технологий оптической томографии (optical coherence tomography, OCT).
В LIDAR-системах лазерный луч освещает каждую точку окружающего пространства столько времени, сколько требуется, чтобы свет достиг цели, отразился от нее и возвратился назад к светочувствительному датчику. Измерение времени задержки отраженного сигнала позволяет с достаточно высокой точностью вычислить расстояние до цели. После этого лазерный луч изменяет угол, цикл измерения расстояния повторяется и лазерная система описывает полные круги, охватывая 360 градусов окружающего пространства. Для получения возможности различать излучаемый и отраженный свет лазер сканера должен постоянно изменять длину волны излучаемого света и это достигается путем перемещения специальных зеркал в резонансной полости лазера. Механизмы, управляющие этими перемещениями с высокой точностью, громоздки и на их долю приходится львиная доля стоимости всего устройства.
Для решения задачи изменения длины волны света исследователи объединили структуру полупроводникового лазера с зеркалом, что позволило сократить размеры перестраиваемого источника когерентного света до нескольких сотен квадратных микрометров. Кроме этого, такой подход позволил кардинально уменьшит количество потребляемой системой энергии, которую теперь можно привести в действие одной батареей типоразмера АА.
Тончайшее зеркало, на котором созданы оптические элементы, выпуклости и впадины определенной формы и определенных размеров, расположено поверх кристалла лазера, оно имеет слегка выпуклую форму и поэтому обладает некоторыми пружинными свойствами. Малая масса и толщина этого зеркала позволяют ему реагировать на силу физического давления света, и хотя величина этих сил составляет единицы нано-Ньютона, этого вполне достаточно для того, чтобы заставить зеркало вибрировать с определенной частотой и амплитудой. А вибрация зеркала позволяет изменить длину волны излучаемого инфракрасного света приблизительно на 23 нанометра.
Такого изменения длины волны уже достаточно для того, чтобы обеспечить высокую разрешающую способность, требующуюся для надежного детектирования препятствий, идентификации и распознавания объектов, находящихся неподалеку от автоматического транспортного средства. И самое главное, это то, что все это делается без помощи каких-либо внешних средств управления. А в ближайшем времени калифорнийские исследователи приступят к созданию лазеров с изменяемой длиной волны, которые по конструкции и параметрам будут подходить для их установки в большинство самых распространенных на сегодняшний день LIDAR-систем.
Источник:
