既存のシステムより1,000倍高速、MITは3Dスキャンを再定義する

3D レーザースキャナーは、レーザーの高速伝播速度と優れた直線性を利用してレーザー光を放射し、返された情報を受信して、測定対象の物体の表面形態を記述します。測定対象物の反射率が異なるため、受信される戻り情報の強度も異なります。いわゆる 3 次元とは、スキャナーの水平回転を使用して領域全体をカバーすることを意味します。このプロセスは、一般的な 360 度パノラマ写真撮影と非常によく似ています。違いは、得られる「フィルム」は画像ではなく、測定用語ではポイントクラウドと呼ばれる、数千のポイントで構成された表面形態であるということです。スキャン結果は画像のように見えますが、実際には無数のレーザードットで構成されています。異なる色は、レーザー反射の異なる反射率の現れです。

3D スキャン技術は、ロボット工学や GPS 地理位置情報技術にも広く使用されています。しかし、MIT の研究者がわずか 10 ドルで 300mm ウェハー上に LiDAR チップを製造しているため、現在の 3D スキャンの世界はひっくり返されようとしています。最も重要なのは、このデバイスの非機械的なビームステアリングが、現在機械的なライダーシステムで達成されているものよりも 1,000 倍高速であることです。

より軽く、より小さく、より良く、より安く

この画期的な技術は、博士課程の学生であるクリストファー・V・ポールトン氏と彼の指導教官であるマイケル・R・ワッツ教授によって IEEE のリリースで説明されました。ワッツ教授も DARPA (国防高等研究計画局) の支援を受けてフォトニックイノベーションを研究しています。彼らは、新しいライダーチップがロボットから車両、ウェアラブルセンサーまで幅広い用途で現在の3Dスキャン市場に革命を起こすだろうと確信している。

現在市場に出回っているほとんどの LiDAR システム（自動運転車に搭載されているものも含む）は、レーザー、レンズ、外部受信機などの個別の自由空間光学系を使用しています。これらのハードウェアの組み合わせでは、レーザーは振動しながら回転するため、スキャン範囲と複雑さが制限されます。費用は1,000ドルから70,000ドルの範囲です。

△自動運転車に搭載されたVelodyne HDL-64 LIDARは機械的に回転し、周囲の状況を観測します。
MIT のライダーチップは、可動部品がないため、より小型、軽量、安価で、潜在的に強力です。現在のライダーシステムより 1,000 倍高速で、高速で移動する車両を追跡するのに使用できます。
△MIT LiDARプロトタイプ、出典：IEEE Spectrum
MIT の LiDAR チップの動作原理は、シリコンフォトニクス技術と密接に関係しています。シリコン導波路の波長は光ファイバーの波長よりもはるかに小さいため、非常に小さなチップ上のフォトニック回路は光ファイバーと同様の特性を持ちます。この技術は商業化コストも低く、CMOS ファウンドリで大量生産でき、導波路損失や光絶縁などの問題を解決します。

DARPA (国防高等研究計画局) は MIT の研究成果に非常に興味を持っています。これらのライダーチップは、制御可能な送信および受信マトリックスとゲルマニウム検出器を備えた、サイズが 0.5 mm x 6 mm のシリコンフォトニックチップです。レーザーはまだ統合されていませんが、それが可能であることが実証されています。

△MITのライダーの内部構造、出典：IEEE Spectrum
現在、この低コストのLIDARスキャナーは5センチメートルから2メートルの範囲内の物体を検出できるが、MITの目標は1年以内にこれを10メートルの範囲に拡大することだ。研究者たちは、100メートル、あるいはそれ以上の距離まで到達できる可能性があると予想している。現時点で唯一の問題は、ステアリング範囲が 51 度に制限されていることです。このステアリング範囲の制限を克服するのは困難ですが、研究者は 100 度の角度は達成できるはずだと考えています。つまり、複数のセンサーを通じて 360 度の完全な画像を簡単に取得できるということです。

光学顕微鏡写真には、MIT のソリッドステートライダー (誘導送受信フェーズドアレイアンテナとオンチップゲルマニウム検出器を備えた 0.5 mm x 6 mm のシリコンフォトニックチップ) が示されています。

では次は何でしょうか?明らかに、まだ多くの作業が必要であり、いくつかの材料革新により、検出範囲の拡大と横方向の解像度の向上が実現する可能性があります。研究者らは、シリコン導波路を均一かつ正確に制御する方法を研究する予定であり、この技術は感光技術の進歩とともにさらに進歩していくだろう。 DARPA（国防高等研究計画局）は、このシリコンフォトニックLIDARの研究を支援するプログラムを立ち上げました。成功すれば、これらのチップは自動運転車やロボットが直面している現在の障壁を打ち破ることができるかもしれない。もちろん、3D プリンティングに注目している業界にとって、この技術が 3D スキャンを変えることは間違いありません。それは時間の問題です。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
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