Новое устройство управления лучом на основе чипа закладывает основу для меньшего и более дешевого лидара

Исследователи разработали новую технологию управления лучом на основе а, которая обеспечивает многообещающий путь к небольшим, экономичным и высокопроизводительным лидарным системам (или системам обнаружения и определения дальности света). Лидар, который использует лазерные импульсы для получения трехмерной информации о сцене или объекте, используется в широком спектре приложений, таких как автономное вождение, оптическая связь в свободном пространстве, трехмерная голография, биомедицинское зондирование и виртуальная реальность.


«Оптическое управление лучом является ключевой технологией для лидарных систем, но обычные механические системы управления лучом громоздки, дороги, чувствительны к вибрации и ограничены в скорости», — сказал руководитель исследовательской группы Хао Ху из Технического университета Дании. «Хотя устройства, известные как оптические фазированные решетки (OPA) на основе чипов, могут быстро и точно направлять свет немеханическим способом, до сих пор эти устройства имели плохое качество луча и поле зрения, как правило, менее 100 градусов».

В Оптика, журнал Optica Publishing Group для высокоэффективных исследований, Ху и соавтор Йонг Лю описывают свой новый OPA на основе чипа, который решает многие проблемы, с которыми сталкиваются OPA. Они показывают, что устройство может устранять ключевой оптический артефакт, известный как наложение спектров, обеспечивая управление лучом в большом поле зрения при сохранении высокого качества луча — сочетание, которое может значительно улучшить лидарные системы.

«Мы считаем, что наши результаты являются новаторскими в области управления оптическим лучом», — сказал Ху. «Эта разработка закладывает основу для лидара на основе OPA, который является недорогим и компактным, что позволит широко использовать лидар для различных приложений, таких как передовые системы помощи водителю высокого уровня, которые могут помочь в вождении и парковке и увеличить безопасность.”

Новый дизайн OPA

OPA выполняют управление лучом, электронно управляя фазовым профилем света, чтобы сформировать определенные световые узоры. В большинстве OPA используется массив волноводов для излучения множества лучей света, а затем в дальнем поле (вдали от излучателя) применяется интерференция для формирования диаграммы направленности. Однако тот факт, что эти волноводные излучатели обычно расположены далеко друг от друга и генерируют несколько лучей в дальней зоне, создает оптический артефакт, известный как наложение спектров. Чтобы избежать ошибки наложения спектров и получить поле обзора 180°, излучатели должны располагаться близко друг к другу, но это вызывает сильные перекрестные помехи между соседними излучателями и ухудшает качество луча. Таким образом, до сих пор существовал компромисс между полем зрения OPA и качеством луча.

Чтобы преодолеть этот компромисс, исследователи разработали новый тип OPA, который заменяет несколько излучателей традиционных OPA пластинчатой ​​решеткой для создания одного излучателя. Эта настройка устраняет ошибку наложения, потому что соседние каналы в решетке плиты могут быть очень близко друг к другу. Связь между соседними каналами не является вредной для пластинчатой ​​решетки, поскольку она обеспечивает интерференцию и формирование пучка в ближней зоне (вблизи одиночного излучателя). Затем свет может излучаться в дальнее поле под желаемым углом. Исследователи также применили дополнительные оптические методы для снижения фонового шума и уменьшения других оптических артефактов, таких как боковые лепестки.

Высокое качество и широкое поле зрения

Чтобы протестировать свое новое устройство, исследователи построили специальную систему визуализации для измерения средней оптической мощности в дальней зоне вдоль горизонтального направления в поле зрения 180°. Они продемонстрировали управление лучом в этом направлении без наложения спектров, включая управление за пределами ±70°, хотя наблюдалось некоторое ухудшение луча.