微型固态 LiDAR 设备可以3D映射完整的180度视野

纳米级超表面透镜将单个激光束分成 10,000 个点，覆盖整个 180 度视野，允许使用新型 LiDAR 设备对整个视觉半球进行深度映射

韩国的研究人员开发了一种超小型、超薄的激光雷达设备，可将单个激光束分成 10,000 个点，覆盖前所未有的 180 度视野。它能够在一次拍摄中对整个视觉半球进行 3D 深度映射。

自动驾驶汽车和机器人需要能够非常准确地感知周围的世界，如果它们要在现实世界条件下安全和有用的话。在人类和其他自主生物实体中，这需要一系列不同的感官和一些非常出色的实时数据处理，我们的技术后代可能也是如此。

LiDAR - Light Detection and Ranging 的缩写 - 自 1960 年代以来一直存在，现在它是一种成熟的测距技术，在开发给定空间的 3D 点云表示方面特别有用。它的工作原理有点像声纳，但不是声音脉冲，而是 LiDAR 设备发出短脉冲激光，然后测量这些脉冲撞击物体时反射或反向散射的光。

初始光脉冲和返回脉冲之间的时间，乘以光速再除以 2，就可以告诉您 LiDAR 单元与空间中给定点之间的距离。如果您随着时间的推移重复测量一堆点，您将获得该空间的 3D 模型，其中包含有关距离、形状和相对速度的信息，这些信息可以与来自多点相机、超声波传感器和其他系统的数据流一起使用充实自治系统对其环境的理解。

据韩国浦项科技大学 (POSTECH) 的研究人员称，现有 LiDAR 技术的关键问题之一是其视野。如果您想从一个点对大面积区域进行成像，唯一的方法是机械旋转您的 LiDAR 设备，或旋转镜子来引导光束。这种装备体积大、耗电大且易碎。它往往会很快磨损，并且旋转速度会限制您测量每个点的频率，从而降低 3D 数据的帧速率。

另一方面，固态激光雷达系统不使用物理移动部件。根据研究人员的说法，其中一些——比如苹果用来确保你没有通过举起主人面部的??平面照片来欺骗 iPhone 的面部检测解锁系统的深度传感器——将一系列点投射在一起，然后看用于点和图案的失真，以识别形状和距离信息。但视野和分辨率是有限的，团队表示它们仍然是相对较大的设备。

浦项团队决定利用超表面非凡的光弯曲能力，拍摄具有尽可能宽视野的最小深度传感系统。这些二维纳米结构是人类头发宽度的千分之一，可以有效地被视为超平面透镜，由微小且形状精确的单个纳米柱元件阵列构成。入射光在穿过超表面时被分成几个方向，并且通过正确的纳米柱阵列设计，部分光可以衍射到接近 90 度的角度。一个完全扁平的超鱼眼，如果你喜欢的话。


左：光束衍射图案的前视图和侧视图，显示了较高弯曲角处的强度损失和随着距离增加的点分辨率损失。右图：超表面本身上形状精确的纳米柱阵列，可以将光线弯曲近90度                     浦项科技

研究人员设计并制造了一种设备，该设备通过一个超表面透镜发射激光，该透镜具有调整为将其分成约 10,000 个点的纳米柱，覆盖一个极端的 180 度视野。然后，该设备通过相机解释反射或反向散射光以提供距离测量。

“我们已经证明，我们可以通过开发一种比传统超表面设备更先进的技术来控制光在各个角度的传播，”发表在《自然通讯》上的一项新研究的合著者 Junsuk Rho 教授说。“这将是一项能够实现超小型全空间 3D 成像传感器平台的原创技术。”

随着衍射角变得更加极端，光强度确实会下降；一个弯曲成 10 度角的圆点以 4 到 7 倍于弯曲接近 90 度的圆点的功率到达目标。使用实验室设置中的设备，研究人员发现他们在 60° 的最大视角（代表 120° 的视野）和传感器与物体之间的距离小于 1 m（3.3 ft）的范围内获得了最佳结果。他们说，更高功率的激光器和更精确调谐的超表面将增加这些传感器的最佳位置，但对于像这样的超广角镜头来说，更远距离的高分辨率将始终是一个挑战。


你只需要那个微小的超表面斑点就可以将单个激光分开足够宽以映射你面前的一切          浦项科技

这里的另一个潜在限制是图像处理。用于将传感器数据解码为 3D 点云的“相干点漂移”算法非常复杂，并且处理时间随着点数的增加而增加。因此，解码 10,000 或更多点的高分辨率全帧捕获将给处理器带来相当大的负载，让这样的系统以每秒 30 帧以上的速度运行将是一个巨大的挑战。
 
另一方面，这些东西非常小，超表面可以轻松且廉价地大规模制造。该团队将一个打印在一组安全眼镜的曲面上。它是如此之小，以至于你几乎无法将它与一粒灰尘区分开来。这就是这里的潜力；基于超表面的深度映射设备可以非常小，并且可以轻松集成到一系列对象的设计中，并将其视场调整到对应用有意义的角度。

该团队认为这些设备在移动设备、机器人、自动驾驶汽车和 VR/AR 眼镜等领域具有巨大潜力。非常整洁的东西！

该研究在《自然通讯》杂志上开放获取。

资料来源：POSTECH