比現(xiàn)有系統(tǒng)快1000倍,，麻省理工學(xué)院將重新定義三維掃描

三維激光掃描儀是利用激光的傳播速度快,，直線型好的特點將激光發(fā)射出去，并接收返回的信息來描述被測量物理的表面形態(tài)的。由于被測物體的反射率不同接收到的返回信息也有強弱之分。所謂的三維既是利用掃描儀的水平轉(zhuǎn)動來覆蓋一整片區(qū)域,。這個過程很類似民間的360度全景攝影。區(qū)別就是我們得到的“底片”不是圖像而是成千上萬個點組成的表面形態(tài),，在測量術(shù)語中叫做點云,。掃描的結(jié)果看似是一副圖片，其實是由無數(shù)個激光點組成的,。不同的顏色就是激光返回不同的反射率的表現(xiàn)。

三維掃描技術(shù)被廣泛應(yīng)用于機器人技術(shù),，甚至是GPS地理定位技術(shù),。但目前的三維掃描世界即將被顛覆，因為麻省理工學(xué)院的研究人員正在制作在300毫米晶圓上的激光雷達芯片,，并且成本低到10美元,。最重要的是，在這個設(shè)備中的非機械光束轉(zhuǎn)向比目前所實現(xiàn)的機械激光雷達系統(tǒng)的速度快1000倍,。

更輕,、更小、更好,、更便宜

這種突破性的技術(shù),，由博士生Christopher V. Poulton 與其導(dǎo)師Michael R. Watts教授在IEEE對外公布的信息中所闡述，Michael R. Watts教授還正在與DARPA（美國國防高級研究計劃局）的支持下研究光子的創(chuàng)新,。他們認為,，新的激光雷達芯片將顛覆當(dāng)前的3D掃描市場，應(yīng)用范圍從機器人到車輛,，再到可穿戴式傳感器領(lǐng)域,。

當(dāng)前市場上大多數(shù)激光雷達系統(tǒng)（包括那些在自動駕駛汽車上所安裝的雷達系統(tǒng)）使用的是離散自由空間光學(xué)元件，包括激光器,、鏡頭和外部接收器,。在這些硬件組合中，激光在震蕩的同時旋轉(zhuǎn),，這使得其掃描范圍和復(fù)雜程度受到限制,。并且成本從1000美元到70000美元不等。

△裝載自動駕駛車上的Velodyne HDL-64 lidar激光雷達由機械裝置旋轉(zhuǎn)觀測周圍情況 ,

麻省理工學(xué)院的激光雷達芯片更小,、更輕,、更便宜，也有可能是更強大的,，因為芯片中沒有移動部件,，速度是目前的激光雷達系統(tǒng)的1000倍，可以用來跟蹤高速移動的車輛。

△麻省理工激光雷達的原型, 來源IEEE Spectrum

麻省理工學(xué)院的激光雷達芯片工作原理與硅光子技術(shù)密切相關(guān),，硅波導(dǎo)幾的波長遠小于光纖,，這使得非常小的芯片上的光子電路具有類似于光學(xué)纖維的屬性。該技術(shù)的商業(yè)化也并不昂貴,，可以在大量的CMOS晶圓代工廠生產(chǎn),，并解決如波導(dǎo)損耗和光隔離的問題。

DARPA（美國國防高級研究計劃局）對麻省理工的研究成果十分有興趣,，這些激光雷達芯片是尺寸為 0.5 mm x 6 mm的硅光子芯片,，具有可控的發(fā)射和接收矩陣， 以及鍺探測器,。雖然激光還沒有被集成,，但已經(jīng)被證明是可能的。

△麻省理工激光雷達的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 來源IEEE Spectrum

現(xiàn)在,，這種低成本的激光雷達掃描儀可以探測到5厘米到2米之間范圍內(nèi)的對象,，3D科學(xué)谷了解到麻省理工的目標是在一年內(nèi)擴大到10米范圍內(nèi)。研究人員期望可以達到100米,，甚至更遠的可能性,。目前唯一的問題有限的轉(zhuǎn)向范圍為51度，克服這個有限的轉(zhuǎn)向范圍是具有挑戰(zhàn)性的,，但是研究人員認為100度的角度應(yīng)該是可以實現(xiàn)的,，這意味著通過多個傳感器可以很容易獲得一個完整的360度的圖像。

光學(xué)顯微照片顯示麻省理工學(xué)院的固體激光雷達,，0.5毫米×6毫米的硅光子芯片與導(dǎo)向傳輸和接收相控陣天線和芯片上的鍺探測器,。


那么下一步是什么？很明顯,，大量的工作仍然需要做的,，一些材料的創(chuàng)新可以帶來更長的探測范圍和更高的橫向分辨率。研究人員將探索如何均勻和精確的控制硅波導(dǎo),，這種技術(shù)隨著光敏技術(shù)的提高將不斷提升,。DARPA（美國國防高級研究計劃局）已經(jīng)啟動了一項計劃，旨在支持這項硅光子激光雷達工作,。如果成功的話,，這些芯片可以突破目前自動駕駛汽車和機器人面臨的障礙。當(dāng)然,，對于關(guān)注3D打印的業(yè)界來說,，毫無疑問這項技術(shù)將改變?nèi)�維掃描，只是時間早晚的問題,。

來源：3d科學(xué)谷
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