LiDAR — сокращение от Light Detection and Ranging — существует с 1960-х годов. Это хорошо зарекомендовавшая себя технология дальномера, которая особенно полезна для разработки трехмерных представлений заданного пространства в виде облака точек. Работа лидара немного похожа на сонар, но вместо звуковых импульсов используются короткие импульсы лазерного света, пишет New Atlas.
Время между запущенным и отраженным световыми импульсами, умноженное на скорость света и разделенное на два, скажет вам о расстоянии между устройством LiDAR и конкретной точкой в пространстве. Если вы многократно измеряете кучу точек с течением времени, вы получаете 3D-модель окружающих объектов с информацией об их форме. Правда, для более точного результата устройство с лидаром необходимо двигать или использовать зеркала для перенаправления лучей — и в этом проблема использования технологии.
Чтобы убрать ограничения, связанные с работой современных лидаров, ученые из Пхоханского университета науки и технологий создали самую маленькую систему измерения глубины с максимально широким полем зрения. Для этого они использовали экстраординарные способности метаповерхностей изгибать свет. Эти двумерные наноструктуры шириной в тысячную часть человеческого волоса можно рассматривать как ультраплоские линзы, построенные из массивов крошечных и точно сформированных отдельных элементов наностолбиков. Входящий свет разделяется на несколько направлений по мере прохождения через метаповерхность, и при правильной конструкции массива наностолбиков части этого света могут преломляться под углом почти 90 градусов. По сути, получается плоский ультра-рыбий глаз.
Исследователи создали устройство, которое пропускает лазерный свет через метаповерхностную линзу с наностолбиками. Те способны разделять луч примерно на 10 000 точек, покрывающих поле зрения в 180 градусов. После подачи светового импульса устройство интерпретирует отраженный или обратно рассеянный свет через камеру для измерения расстояния.
«Мы доказали, что можем контролировать распространение света под любым углом, разработав технологию, более продвинутую, чем обычные метаповерхностные устройства, — комментирует профессор Джунсук Ро, соавтор нового исследования. — Это будет оригинальная технология, которая позволит создать сверхмаленькую полноразмерную сенсорную платформу для 3D-изображений».
Интенсивность света падает по мере того, как углы дифракции становятся более экстремальными. Например, точка, изогнутая под углом 10 градусов, достигает своей цели в 4-7 раз точнее, чем точка, изогнутая ближе к 90 градусам. Наилучшие результаты в лаборатории были достигнуты при максимальном угле обзора 60 градусов и на расстоянии менее 1 м между датчиком и объектом. По словам ученых, более мощные лазеры и более точно настроенные метаповерхности увеличат зону восприятия этих датчиков, но высокое разрешение на больших расстояниях всегда будет проблемой для таких сверхширокоугольных объективов.
Еще одно потенциальное ограничение — обработка изображений. Алгоритм «когерентного дрейфа точек», используемый для декодирования данных датчика в трехмерное облако точек, очень сложен. Кроме того, время обработки увеличивается с увеличением количества точек. Таким образом, полнокадровые захваты с высоким разрешением, декодирующие 10 000 точек или более, создадут довольно большую нагрузку на процессоры. Заставить такую систему работать со скоростью более 30 кадров в секунду будет большой проблемой.
С другой стороны, датчики невероятно малы, а метаповерхности можно легко и дешево производить в огромных масштабах. Команда напечатала один на изогнутой поверхности комплекта защитных очков. Он настолько мал, что вы едва отличите его от пылинки. И в этом скрыт большой потенциал. Разработку можно использовать в мобильных устройствах, робототехнике, автономных автомобилях и таких вещах, как очки VR/AR.
