比現(xiàn)有系統(tǒng)快1000倍，麻省理工學院將重新定義三維掃描

三維激光掃描儀是利用激光的傳播速度快，直線型好的特點將激光發(fā)射出去，并接收返回的信息來描述被測量物理的表面形態(tài)的。由于被測物體的反射率不同接收到的返回信息也有強弱之分。所謂的三維既是利用掃描儀的水平轉(zhuǎn)動來覆蓋一整片區(qū)域。這個過程很類似民間的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個點組成的表面形態(tài)，在測量術語中叫做點云。掃描的結(jié)果看似是一副圖片，其實是由無數(shù)個激光點組成的。不同的顏色就是激光返回不同的反射率的表現(xiàn)。

三維掃描技術被廣泛應用于機器人技術，甚至是GPS地理定位技術。但目前的三維掃描世界即將被顛覆，因為麻省理工學院的研究人員正在制作在300毫米晶圓上的激光雷達芯片，并且成本低到10美元。最重要的是，在這個設備中的非機械光束轉(zhuǎn)向比目前所實現(xiàn)的機械激光雷達系統(tǒng)的速度快1000倍。

更輕、更小、更好、更便宜

這種突破性的技術，由博士生Christopher V. Poulton 與其導師Michael R. Watts教授在IEEE對外公布的信息中所闡述，Michael R. Watts教授還正在與DARPA（美國國防高級研究計劃局）的支持下研究光子的創(chuàng)新。他們認為，新的激光雷達芯片將顛覆當前的3D掃描市場，應用范圍從機器人到車輛，再到可穿戴式傳感器領域。

當前市場上大多數(shù)激光雷達系統(tǒng)（包括那些在自動駕駛汽車上所安裝的雷達系統(tǒng)）使用的是離散自由空間光學元件，包括激光器、鏡頭和外部接收器。在這些硬件組合中，激光在震蕩的同時旋轉(zhuǎn)，這使得其掃描范圍和復雜程度受到限制。并且成本從1000美元到70000美元不等。

△裝載自動駕駛車上的Velodyne HDL-64 lidar激光雷達由機械裝置旋轉(zhuǎn)觀測周圍情況 ,

麻省理工學院的激光雷達芯片更小、更輕、更便宜，也有可能是更強大的，因為芯片中沒有移動部件，速度是目前的激光雷達系統(tǒng)的1000倍，可以用來跟蹤高速移動的車輛。

△麻省理工激光雷達的原型, 來源IEEE Spectrum

麻省理工學院的激光雷達芯片工作原理與硅光子技術密切相關，硅波導幾的波長遠小于光纖，這使得非常小的芯片上的光子電路具有類似于光學纖維的屬性。該技術的商業(yè)化也并不昂貴，可以在大量的CMOS晶圓代工廠生產(chǎn)，并解決如波導損耗和光隔離的問題。

DARPA（美國國防高級研究計劃局）對麻省理工的研究成果十分有興趣，這些激光雷達芯片是尺寸為 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， 以及鍺探測器。雖然激光還沒有被集成，但已經(jīng)被證明是可能的。

△麻省理工激光雷達的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 來源IEEE Spectrum

現(xiàn)在，這種低成本的激光雷達掃描儀可以探測到5厘米到2米之間范圍內(nèi)的對象，3D科學谷了解到麻省理工的目標是在一年內(nèi)擴大到10米范圍內(nèi)。研究人員期望可以達到100米，甚至更遠的可能性。目前唯一的問題有限的轉(zhuǎn)向范圍為51度，克服這個有限的轉(zhuǎn)向范圍是具有挑戰(zhàn)性的，但是研究人員認為100度的角度應該是可以實現(xiàn)的，這意味著通過多個傳感器可以很容易獲得一個完整的360度的圖像。

光學顯微照片顯示麻省理工學院的固體激光雷達，0.5毫米×6毫米的硅光子芯片與導向傳輸和接收相控陣天線和芯片上的鍺探測器。


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)新可以帶來更長的探測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，這種技術隨著光敏技術的提高將不斷提升。DARPA（美國國防高級研究計劃局）已經(jīng)啟動了一項計劃，旨在支持這項硅光子激光雷達工作。如果成功的話，這些芯片可以突破目前自動駕駛汽車和機器人面臨的障礙。當然，對于關注3D打印的業(yè)界來說，毫無疑問這項技術將改變?nèi)�維掃描，只是時間早晚的問題。

來源：3d科學谷
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