美國(guó)黑科技：比現(xiàn)有系統(tǒng)快1000倍的非機(jī)械光束三維掃描

寂靜天花板

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(diǎn)將激光發(fā)射出去，并接收返回的信息來(lái)描述被測(cè)量物理的表面形態(tài)的。由于被測(cè)物體的反射率不同接收到的返回信息也有強(qiáng)弱之分。所謂的三維既是利用掃描儀的水平轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)覆蓋一整片區(qū)域。這個(gè)過(guò)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(wàn)個(gè)點(diǎn)組成的表面形態(tài)，在測(cè)量術(shù)語(yǔ)中叫做點(diǎn)云。掃描的結(jié)果看似是一副圖片，其實(shí)是由無(wú)數(shù)個(gè)激光點(diǎn)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(jī)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?yàn)槁槭±砉W(xué)院的研究人員正在制作在300毫米晶圓上的激光雷達(dá)芯片，并且成本低到10美元。最重要的是，在這個(gè)設(shè)備中的非機(jī)械光束轉(zhuǎn)向比目前所實(shí)現(xiàn)的機(jī)械激光雷達(dá)系統(tǒng)的速度快1000倍。
2 p1 M' F. O% k% t; h  o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(duì)外公布的信息中所闡述，Michael R. Watts教授還正在與DARPA（美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局）的支持下研究光子的創(chuàng)新。他們認(rèn)為，新的激光雷達(dá)芯片將顛覆當(dāng)前的3D掃描市場(chǎng)，應(yīng)用范圍從機(jī)器人到車輛，再到可穿戴式傳感器領(lǐng)域。
& q  L7 J" ]+ k5 c3 q% G當(dāng)前市場(chǎng)上大多數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)（包括那些在自動(dòng)駕駛汽車上所安裝的雷達(dá)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(shí)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。
! Y' V; g( g6 }% N& I' @麻省理工學(xué)院的激光雷達(dá)芯片更小、更輕、更便宜，也有可能是更強(qiáng)大的，因?yàn)樾酒袥](méi)有移動(dòng)部件，速度是目前的激光雷達(dá)系統(tǒng)的1000倍，可以用來(lái)跟蹤高速移動(dòng)的車輛。
麻省理工學(xué)院的激光雷達(dá)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(zhǎng)遠(yuǎn)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(wèn)題。
1 V* U0 ^8 ^2 _1 `" SDARPA（美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局）對(duì)麻省理工的研究成果十分有興趣，這些激光雷達(dá)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(cè)器。雖然激光還沒(méi)有被集成，但已經(jīng)被證明是可能的。
  M6 R3 h  N* J0 o* x! r' d' f: D現(xiàn)在，這種低成本的激光雷達(dá)掃描儀可以探測(cè)到5厘米到2米之間范圍內(nèi)的對(duì)象，麻省理工的目標(biāo)是在一年內(nèi)擴(kuò)大到10米范圍內(nèi)。研究人員期望可以達(dá)到100米，甚至更遠(yuǎn)的可能性。目前唯一的問(wèn)題有限的轉(zhuǎn)向范圍為51度，克服這個(gè)有限的轉(zhuǎn)向范圍是具有挑戰(zhàn)性的，但是研究人員認(rèn)為100度的角度應(yīng)該是可以實(shí)現(xiàn)的，這意味著通過(guò)多個(gè)傳感器可以很容易獲得一個(gè)完整的360度的圖像。
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(lái)更長(zhǎng)的探測(cè)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局）已經(jīng)啟動(dòng)了一項(xiàng)計(jì)劃，旨在支持這項(xiàng)硅光子激光雷達(dá)工作。如果成功的話，這些芯片可以突破目前自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人面臨的障礙。當(dāng)然，對(duì)于關(guān)注3D打印的業(yè)界來(lái)說(shuō)，毫無(wú)疑問(wèn)這項(xiàng)技術(shù)將改變?nèi)S掃描，只是時(shí)間早晚的問(wèn)題。