EO

Lidar-on-a-chip

15 maart 2022 om 16:17 uur

Schematische weergave van een solid-state Lidar-chip die laserlicht uitzendt van een optische antenne die is aangesloten op een kleine schakelaar. Gereflecteerd licht wordt opgevangen door dezelfde antenne. 3D-beelden worden verkregen door achtereenvolgens de schakelaars in de serie aan te zetten. Beeld: Xiaosheng Zhang, UC Berkeley

Toen Google in 2010 zijn eerste autonome auto's onthulde, viel de draaiende cilinder op de daken echt op. Het was het Lidar-systeem (light detection and ranging), dat samen met camera's en radar de omgeving in kaart bracht. Sindsdien zijn kleine, goedkope, op chips gebaseerde camera's en radarsystemen mainstream geworden. Lidar-navigatiesystemen blijven echter logge mechanische apparaten die duizenden dollars kosten.


Daar komt misschien verandering in dankzij een nieuw type lidar-chip met hoge resolutie, ontwikkeld door Ming Wu, hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen aan de University of California (VS).

 

Zijn ontwerp verscheen in het tijdschrift Nature.

 

Wu's Lidar is gebaseerd op een focal plane switch array (FPSA), een op halfgeleiders gebaseerde matrix van antennes op micrometerschaal die licht verzamelen zoals de sensoren in digitale camera's. "De resolutie van 16.384 pixels klinkt misschien niet indrukwekkend in vergelijking met de miljoenen pixels die te vinden zijn op smartphonecamera's, maar het is aanzienlijk meer dan de 512 pixels of minder die tot nu toe op FPSA's werden gevonden", aldus Wu.

 

Even belangrijk is dat het ontwerp schaalbaar is tot megapixelgroottes met dezelfde complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie (CMOS) die wordt gebruikt om computerprocessors te produceren. Dit zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie krachtige, goedkope 3D-sensoren voor autonome auto's, maar ook voor drones, robots en smartphones.

 

Lidar-barrières

Lidar werkt door reflecties op te vangen van licht dat door zijn laser wordt uitgezonden. Door de tijd te meten die het licht nodig heeft om terug te keren, of veranderingen in de straalfrequentie, kan Lidar de omgeving in kaart brengen en de snelheid van objecten die eromheen bewegen klokken.

 

Mechanische Lidar-systemen hebben krachtige lasers die objecten op honderden meters afstand visualiseren, zelfs in het donker. Ze genereren ook 3D-kaarten met een resolutie die hoog genoeg is voor de kunstmatige intelligentie van een voertuig om onderscheid te maken tussen voertuigen, fietsen, voetgangers en andere gevaren.

 

Maar het op een chip zetten van deze mogelijkheden heeft onderzoekers al meer dan een decennium belemmerd. De meest indrukwekkende barrière betreft de laser.

 

"We willen een heel groot gebied verlichten", zei Wu. "Maar als we dat proberen, wordt het licht te zwak om voldoende afstand te kunnen bereiken. Dus, als een ontwerpcompromis om de lichtintensiteit te behouden, verminderen we de gebieden die we verlichten met ons laserlicht."

 

Dat is waar de FPSA om de hoek komt kijken. Het bestaat uit een matrix van kleine optische zenders, of antennes, en schakelaars die ze snel aan en uit zetten. Op deze manier kan het al het beschikbare laservermogen via één antenne tegelijk kanaliseren.

 

MEMS-schakelaars

Schakelen levert echter problemen op. Bijna alle op silicium gebaseerde lidarsystemen maken gebruik van thermo-optische schakelaars, die afhankelijk zijn van grote temperatuurveranderingen om kleine veranderingen in de brekingsindex te produceren en laserlicht van de ene golfgeleider naar de andere te buigen en om te leiden.

 

Thermo-optische schakelaars zijn echter zowel groot als energieverslindend. Als je te veel op een chip zet, zullen ze te veel warmte genereren om goed te kunnen werken. Daarom zijn bestaande FPSA's beperkt tot 512 pixels of minder.

 

De oplossing van Wu vervangt ze door micro-elektromechanische systeem (MEMS) schakelaars die de golfgeleiders fysiek van de ene positie naar de andere verplaatsen.

 

"De constructie lijkt erg op een snelweguitwisseling", zei hij in een merkwaardige analogie: "Stel je voor dat je een lichtstraal bent die van oost naar west gaat. We kunnen mechanisch een helling laten zakken die je ineens 90 graden draait, zodat je van noord naar zuid gaat."

 

Dit is de eerste keer dat MEMS-switches zijn toegepast op Lidar. In vergelijking met thermo-optische schakelaars zijn ze veel kleiner, verbruiken ze veel minder stroom, schakelen ze sneller en hebben ze zeer lage lichtverliezen.

 

Ze zijn de reden dat Wu 16.384 pixels op een chip van 1 centimeter vierkant kan proppen. Wanneer de schakelaar een pixel inschakelt, zendt deze een laserstraal uit en vangt het gereflecteerde licht op. Elke pixel komt overeen met 0,6 graden van het gezichtsveld van 70 graden van het apparaat. Door snel te bewegen, bouwt Wu's FPSA een 3D-beeld op van de wereld eromheen. Door er meerdere in een cirkelvormige configuratie te monteren, zou een 360-graden zicht rond een voertuig ontstaan.

 

Als smartphonecamera's

Wu moet de FPSA-resolutie en het bereik vergroten voordat zijn systeem klaar is voor commercialisering. "Hoewel optische antennes moeilijk kleiner te maken zijn, zijn de schakelaars nog steeds de grootste componenten, zodat we denken toch denken dat we ze een stuk kleiner kunnen maken", aldus Wu.

Hij moet ook het bereik van het systeem vergroten, dat slechts 10 meter is. "We zijn er zeker van dat we de 100 meter kunnen halen en geloven dat we de 300 meter kunnen halen als we continu verbeteren", zei hij.

 

Als dit lukt, belooft de conventionele CMOS-productietechnologie om goedkope lidar ter grootte van een chip een deel van onze toekomst te maken.

 

"Kijk maar eens hoe we camera's gebruiken. Ze zijn ingebed in voertuigen, robots, stofzuigers, bewakingsapparatuur, biometrie en deuren. Er zullen zoveel meer potentiële toepassingen zijn als we Lidar verkleinen tot het formaat van een smartphonecamera."

 

Gerelateerd nieuws

Nederlandse ‘European Digital Innovation Hubs’ een feit

Nederlandse ‘European Digital Innovation Hubs’ een feit

De Nederlandse European Digital Innovation Hubs zijn een feit. Op het Smart Industry Jaarevent tekent minister van Economische Zaken Micky Adriaansens vandaag een samenwerkingsovereenkomst met vijf ‘hubs’. Met de…

7 miljoen euro om levensechte 3D-ervaringen naar de metaverse te brengen

7 miljoen euro om levensechte 3D-ervaringen naar de metaverse te brengen

Swave Photonics, een spin-off van imec en VUB, heeft een eerste kapitaalronde van 7 miljoen euro afgerond. De investering zal worden gebruikt om immersieve 3D HXR-technologie op de markt te brengen.

3D-printmethode produceert in één stap werkende robots

3D-printmethode produceert in één stap werkende robots (video)

Een team van UCLA (VS) kan alle mechanische en elektronische systemen die nodig zijn om een ​​robot te bedienen in één keer vervaardigen door een nieuw type 3D-printproces voor gemanipuleerde actieve (meta…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Güdel Benelux
Güdel Benelux

Lineaire aandrijf componenten en oplossingen

Orfa Visser BV
Orfa Visser BV

Gespecialiseerd in Forceren, Dieptrekken, Flenswalsen, Lassen en Apparatenbouw.

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Tevema
Tevema

Leverancier van technische standaardveren en normdelen, leverbaar uit voorraad.

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

30 augustus 2022, Utrecht

Technishow + Esef

TechniShow is ingedeeld in verschillende sectoren waar productietechnieken, fases en toebehoren van het...

21 september 2022

Design to Manufacturing (voorheen Prototyping MNE)

Netwerkbeurs en competentieplatform voor wie betrokken is in slimme maak- en ontwerprocessen.

27 september 2022, Utrecht

WoTS

World of Technology & Science bedient bezoekers uit industrie, laboratoria, zorg en wetenschap.

Meer agendapunten »