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I minuscoli interruttori offrono una risoluzione di registrazione LiDAR a stato solido

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Gli ingegneri dell’Università della California, a Berkeley, hanno utilizzato interruttori del sistema microelettromeccanico (MEMS) per aumentare notevolmente la risoluzione dei sensori LiDAR basati su chip. In questo schema di un chip LiDAR, la luce laser viene emessa da un’antenna ottica collegata a un minuscolo interruttore. La luce riflessa viene catturata dalla stessa antenna. Le immagini 3D sono ottenute attivando in sequenza gli interruttori nell’array. Credito: Xiaosheng Zhang, UC Berkeley

Quando Google ha presentato le sue prime auto a guida autonoma nel 2010, il cilindro rotante montato sui tetti si è davvero distinto. Era il sistema di rilevamento e rilevamento della luce (LiDAR) del veicolo, che funzionava come un radar basato sulla luce. Insieme a telecamere e radar, LiDAR mappa l’ambiente per aiutare queste auto a evitare gli ostacoli e guidare in sicurezza.

Da allora, telecamere e sistemi radar economici basati su chip sono diventati il ​​mainstream per la prevenzione delle collisioni e la guida autonoma in autostrada. Tuttavia, i sistemi di navigazione LiDAR rimangono dispositivi meccanici ingombranti che costano migliaia di dollari.

Le cose potrebbero cambiare, grazie a un nuovo tipo di chip LiDAR ad alta risoluzione sviluppato da Ming Wu, professore di ingegneria elettrica e informatica e co-direttore del Berkeley Sensor and Actuator Center presso l’Università della California, a Berkeley. Il nuovo design appare mercoledì 9 marzo nel diario Natura.

Il LiDAR di Wu si basa su un focal plane switch array (FPSA), una matrice di antenne basata su semiconduttori che raccoglie la luce come i sensori presenti nelle fotocamere digitali. La sua risoluzione di 16.384 pixel potrebbe non sembrare impressionante rispetto ai milioni di pixel trovati sulle fotocamere degli smartphone, ma fa impallidire i 512 pixel o meno trovati finora sugli FPSA, ha detto Wu.

Altrettanto significativo, il design è scalabile a dimensioni di megapixel utilizzando la stessa tecnologia complementare a semiconduttore di ossido di metallo (CMOS) utilizzata per produrre processori per computer, ha affermato Wu. Ciò potrebbe portare a una nuova generazione di sensori 3D potenti ed economici per auto a guida autonoma, nonché per droni, robot e persino smartphone.

Barriere LiDAR

LiDAR funziona catturando i riflessi della luce emessa dal suo laser. Misurando il tempo impiegato per il ritorno della luce o i cambiamenti nella frequenza del raggio, LiDAR può mappare l’ambiente e misurare la velocità degli oggetti che si muovono intorno ad esso.

I sistemi meccanici LiDAR sono dotati di potenti laser che visualizzano oggetti a centinaia di metri di distanza, anche al buio. Generano inoltre mappe 3D con una risoluzione sufficientemente alta da consentire all’intelligenza artificiale di un veicolo di distinguere tra veicoli, biciclette, pedoni e altri pericoli.

Eppure, mettere queste capacità su un chip ha ostacolato i ricercatori per più di un decennio. La barriera più imponente riguarda il laser.

“Vogliamo illuminare un’area molto ampia”, ha detto Wu. “Ma se proviamo a farlo, la luce diventa troppo debole per raggiungere una distanza sufficiente. Quindi, come compromesso di progettazione per mantenere l’intensità della luce, riduciamo le aree che illuminiamo con la nostra luce laser”.

È qui che entra in gioco l’FPSA. È costituito da una matrice di minuscoli trasmettitori ottici, o antenne, e interruttori che li accendono e si spengono rapidamente. In questo modo, può incanalare tutta la potenza laser disponibile attraverso una singola antenna alla volta.

I minuscoli interruttori offrono una risoluzione di registrazione LiDAR a stato solido

Micrografia elettronica a scansione del chip LiDAR che mostra le antenne reticolari. Credito: Kyungmok Kwon, UC Berkeley

Interruttori MEMS

Il passaggio, tuttavia, pone problemi. Quasi tutti i sistemi LiDAR a base di silicio utilizzano interruttori termo-ottici, che si basano su grandi variazioni di temperatura per produrre piccole variazioni nell’indice di rifrazione e piegare e reindirizzare la luce laser da una guida d’onda all’altra.

Gli interruttori termo-ottici, tuttavia, sono sia grandi che assetati di energia. Inceppare troppi su un chip e genereranno troppo calore per funzionare correttamente. Questo è il motivo per cui gli FPSA esistenti sono stati limitati a 512 pixel o meno.

La soluzione di Wu li sostituisce con interruttori del sistema microelettromeccanico (MEMS) che spostano fisicamente le guide d’onda da una posizione all’altra.

“La costruzione è molto simile a uno scambio autostradale”, ha detto. “Quindi, immagina di essere un raggio di luce che va da est a ovest. Possiamo abbassare meccanicamente una rampa che ti farà girare improvvisamente di 90 gradi, in modo da andare da nord a sud”.

Gli interruttori MEMS sono una tecnologia nota utilizzata per instradare la luce nelle reti di comunicazione. Questa è la prima volta che vengono applicati a LiDAR. Rispetto agli interruttori termo-ottici, sono molto più piccoli, consumano molta meno energia, commutano più velocemente e hanno perdite di luce molto basse.

Sono il motivo per cui Wu può stipare 16.384 pixel su un chip da 1 centimetro quadrato. Quando l’interruttore accende un pixel, emette un raggio laser e cattura la luce riflessa. Ogni pixel equivale a 0,6 gradi del campo visivo di 70 gradi dell’array. Scorrendo rapidamente l’array, l’FPSA di Wu crea un’immagine 3-D del mondo circostante. Il montaggio di molti di essi in una configurazione circolare produrrebbe una vista a 360 gradi attorno a un veicolo.

Come le fotocamere degli smartphone

Wu deve aumentare la risoluzione e la portata dell’FPSA prima che il suo sistema sia pronto per la commercializzazione. “Sebbene le antenne ottiche siano difficili da rimpicciolire, gli interruttori sono ancora i componenti più grandi e pensiamo di poterli rendere molto più piccoli”, ha affermato.

Wu ha anche bisogno di aumentare la portata del sistema, che è di soli 10 metri. “Siamo certi di poter arrivare a 100 metri e crediamo che potremmo arrivare a 300 metri con un miglioramento continuo”, ha detto.

Se può, la tecnologia di produzione CMOS convenzionale promette di rendere il LiDAR economico delle dimensioni di un chip parte del nostro futuro.

“Basta guardare come usiamo le fotocamere”, ha detto Wu. “Sono incorporati in veicoli, robot, aspirapolvere, apparecchiature di sorveglianza, dati biometrici e porte. Ci saranno così tante altre potenziali applicazioni una volta che ridurremo LiDAR alle dimensioni di una fotocamera per smartphone”.


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