Forskere ved MIT utvikler en lidar på en brikke. Halvlederen på bildet kan manipulere lys, og fungerer som sender og mottaker, uten noen bevegelige deler. Ferdig utviklet, vil den monteres på en brikke sammen med en laser. (Foto: Christopher V. Poulton)

LIDAR-ON-A-CHIP

Denne bittelille sensoren kan gi biler og roboter bedre «syn»

Lidar på en brikke.

Lidarer, en radar-lignende sensor basert på laserlys, blir billigere og mindre i høyt tempo.

Nå har forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) og det amerikanske forsvarets forskningsinstitutt DARPA utviklet en "lidar-on-a-chip".

Altså nesten hele sensoren på én enkelt brikke.

Det kan bli viktig for utviklingen av en rekke nyvinninger, blant annet innen autonome biler og robotteknologi.

Høy oppløsning

En lidar kan gi et bilde med langt høyere oppløsning enn en radar, ettersom lidar bruker lys, mens radar bruker radiobølger.

Roboter som skal håndtere komplekse og gjerne små objekter, ville derfor hatt problemer om den brukte radar, ettersom oppløsningen ikke er høy nok.

Det samme kan sies om biler, hvor en radar kan gjenkjenne store objekter, men gjerne ikke like effektiv gjenkjenne mindre objekter.

Det kan ha en del å si for hvordan programvaren i en selvkjørende bil håndterer objekter i veibanen, for eksempel ved å bremse opp for ting som ikke er hindringer.

«Lysradar»

Rent praktisk sender en lidar ut lys, og tar tiden på refleksjonene. Jo kortere tid det tar før lyset fanges opp av sensoren, jo nærmere er objektet. 

Dopplerforskyvning på de returnerte lysbølgene kan også brukes til å avgjøre om objektet er i bevegelse, og hvilken vei de beveger seg, som i en radar. 

Det finnes dog en rekke forskjellige lidar-systemer til forskjellig bruk, som bruker lys med ulik bølgelengde, og alle fungerer ikke likt.

Fjerner mekanikken

Lidar-systemer flest består av en optisk og en mekanisk del. Et system av linser håndterer lyset, mens selve sensoren roteres og vibreres for å dekke et område rundt bilen. 

På prototyper av selvkjørende biler er gjerne en slik enhet montert på taket. Det er ikke ønskelig i en produksjonsbil. Ikke bare fordi det ser snodig ut, men også fordi det er en komplisert og dyr innretning.

MITs Photonic Microsystems Group jobber med å krympe slike systemer ned til en enkel enhet som kan integreres i en mikrobrikke for masseproduksjon, skriver professor Michael R. Watts og PhD-student Christopher V. Poulton i en artikkel i IEEE Spectrum.

Metoden benytter silisiumfotonikk, som vil si at det lages miniatyrkretser som leder og styrer lys.

Mikroskopbilde av lidaren, som måler 0,5 x 6 millimeter. Den har styrbare sender og mottakere, og fotodetektorer av germanium.
Mikroskopbilde av lidaren, som måler 0,5 x 6 millimeter. Den har styrbare sender og mottakere, og fotodetektorer av germanium. Foto: Christopher V. Poulton

Svært billig å produsere

De skriver at sensoren de har utviklet kan produseres til en pris på rundt 10 dollar stykket. Det er et godt steg ned fra tidligere varianter som kunne koste opp mot 70.000 dollar stykket.

Siden de ikke har bevegelige deler, kan de potensielt være langt mer robuste. De skal også kunne styre lyset 1000 ganger raskere enn eksisterende mekaniske systemer.

3 kvadratmillimeter

Enheten måler 0,5 ganger 6 millimeter, og kan både styre lys og detektere refleksjon.

Dette gjøres ved å manipulere bølgeledere av silisum med varme. 

– Termiske faseskiftere varmer opp bølgelederne som leder lyset. Stort sett er det bare bølgelederne som endrer temperatur, ikke hele brikken, sier Poulton til Teknisk Ukeblad.

Lyset sendes til en antenne, i praksis et hakk i bølgelederen. Denne sender lys med et bestemt mønster ut i friluft.

Der hvor lys fra antennene overlapper, dannes en fokusert lysstråle. Dermed trengs ikke linser. 

Det er mulig å manipulere bølgelederne på andre måter enn med varme. En annen metode er å injisere eller fjerne ladningsbærere i silisiumet, forteller Poulton.

Elektronmikroskopi av lidaren. Enheten benytter termiske faseskiftere til å varme opp bølgeledere.
Elektronmikroskopi av lidaren. Enheten benytter termiske faseskiftere til å varme opp bølgeledere. Foto: Christopher V. Poulton

Bedre i motlys

Lidaren benytter koherent deteksjon, som enkelt sagt vil si at den bare reagerer på lyset den selv har sendt ut. Det skal gjøre den langt mindre følsom for støy i form av motlys. 

Laseren, som brukes som lyskilde, er imidlertid ikke plassert på enheten. 

Dermed er ikke oppfinnelsen en komplett lidar. Flere har imidlertid demonstrert laser-on-a-chip-konsepter tidligere, som kan tenkes å utnyttes i denne sammenhengen.

– Inkludert fotavtrykket til en laser på en brikke, bør en enkeltbrikke-lidar være rundt to ganger to centimeter, og muligens mindre, sier Poulton til Teknisk Ukeblad.

Laserlys som passerer gjennom brikken kan styres 51 grader. Altså er det ikke nok med én slik sensor på en bil som skal kunne se 360 grader. Det må dermed plasseres flere sensorer rundt kjøretøyet.

Lav pris kan gi mange bruksområder

Dersom prisen holdes lav vil dette trolig spille liten rolle. Den potensielle prisen på 10 dollar, eller omtrent 85 kroner, åpner for at svært mange kan plasseres rundt en bil.

Lav pris og beskjeden størrelse åpner også for en rekke andre bruksområder, som for eksempel i droner. 

I øyeblikket fungerer denne lidaren på avstander mellom 5 centimeter og 2 meter, men forskerne skriver at de håper på å utvide rekkevidden til 10 meter i løpet av et år, og at de har en utviklingsplan som skal resultere i lidarbrikker med en rekkevidde på 100 meter, eller kanskje mer.

På sikt ser forskerne også for seg å kunne øke effekten ved å ta i bruk andre materialer, og flere antenner, som vil sørge for at lyset i mindre grad spres utover.

De skriver at utfordringen er presisjon i produksjonen av bølgelederne i silisium. Likevel regner de med at teknologien kan kommersialiseres om noen få år.

En artikkel er publisert i journalen OSA.

Kommentarer (6)

Kommentarer (6)