Salto adelante en la tecnología lidar

Ya sea en la parte superior de un coche autoconducido o integrado en el interior del último aparato electrónico, los sistemas lidar (de las siglas en inglés de Light Detection and Ranging) probablemente desempeñarán un papel importante en nuestro futuro tecnológico, permitiendo a los vehículos 'ver' en tiempo real, a los teléfonos trazar imágenes tridimensionales y mejorar la realidad aumentada en los videojuegos.

El desafío es que estos sistemas de imágenes en 3D pueden ser voluminosos, caros y difíciles de reducir al tamaño necesario para estas aplicaciones que van al alza. Afortunadamente, los investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder están acercándose a una solución.

En un nuevo artículo, publicado en la revista Optica, describen un nuevo chip de silicio -sin piezas móviles o electrónicas- que mejora la resolución y la velocidad de escaneo necesarias para un sistema lidar.

"Estamos buscando reemplazar los sistemas lidar grandes, voluminosos y pesados con este chip pequeño y plano ", dijo Nathan Dostart, autor principal del estudio, quien recientemente completó su doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computacional.

Los actuales sistemas lidar comerciales utilizan grandes espejos giratorios para dirigir un rayo láser y así crear una imagen en 3-D. Durante los últimos tres años, Dostart y sus colegas han estado trabajando en una nueva forma de dirigir los rayos láser llamada dirección por longitud de onda, donde cada longitud de onda, o "color" del láser es apuntado hacia un ángulo concreto.

(Foto: Bohan Zhang y Nathan Dostart)

No solo han desarrollado una forma de hacer una versión de esto en dos dimensiones simultáneamente, en lugar de solo una, sino que lo han hecho en color, usando un patrón de "arco iris" para tomar imágenes en 3-D. Dado que los rayos son fácilmente controlados por un simple cambio de colores, múltiples conjuntos de fases pueden ser controlados simultáneamente para crear una imagen de mayor resolución y apertura.

"Hemos descubierto cómo poner este arco iris bidimensional en un pequeño chip", dijo Kelvin Wagner, co-autor del nuevo estudio y profesor de ingeniería eléctrica y computacional.

Los vehículos autónomos son actualmente una industria de 50.000 millones de dólares, que se prevé que tenga un valor de más de 500.000 millones de dólares para 2026. Si bien muchos automóviles que circulan hoy en día ya cuentan con algunos elementos de asistencia autónoma, como el control de crucero mejorado y el centrado automático en el carril, la verdadera carrera es crear un automóvil que se conduzca a sí mismo sin el aporte o la responsabilidad de un conductor humano. En los últimos 15 años más o menos, los expertos innovadores se han dado cuenta de que para hacer esto los coches necesitarán algo más que cámaras y radares: necesitarán un lidar.

El lidar es un método de teledetección que utiliza rayos láser, pulsos de luz invisible, para medir distancias. Estos rayos de luz rebotan en todo lo que encuentra a su paso, y un sensor recoge estos reflejos para crear una imagen tridimensional precisa del entorno en tiempo real.

El lidar es como la ecolocalización pero con luz: puede decirte cuán lejos está cada píxel de una imagen. Se ha utilizado durante al menos 50 años en satélites y aviones, para llevar a cabo teledetección atmosférica y para medir la profundidad de las masas de agua y las alturas del terreno.

Aunque se han hecho grandes progresos en el tamaño de los sistemas lidar, siguen siendo con diferencia la parte más cara de los coches autoconducidos, hasta 70.000 dólares cada uno.

Para poder trabajar algún día ampliamente en el mercado de consumo, el lidar debe ser mucho más barato, más pequeño y menos complejo. Algunas compañías están tratando de lograr esta hazaña utilizando fotónica de silicio: un área emergente de la ingeniería eléctrica que utiliza chips de silicio que pueden procesar la luz.

El nuevo resultado del equipo de investigación es un importante avance en la tecnología de chips de silicio para su uso en sistemas lidar.

"Las comunicaciones eléctricas están en su límite absoluto. La óptica tiene que entrar en juego y es por eso que todos estos grandes jugadores están comprometidos en hacer industrialmente viable la tecnología fotónica de silicio", dijo Miloš Popović, co-autor y profesor asociado de ingeniería en la Universidad de Boston.

Cuanto más simples y pequeños puedan hacerse estos chips de silicio, manteniendo una alta resolución y precisión en sus imágenes, a más tecnologías se los podrá aplicar, incluyendo coches autoconducidos y teléfonos inteligentes.

Se rumorea que el próximo iPhone 12 incorporará una cámara lidar, como la que se encuentra actualmente en el iPad Pro. Esta tecnología podría no solo mejorar su seguridad de reconocimiento facial, sino que un día ayudará a crear mapas de rutas de escalada, medir distancias e incluso identificar rastros de animales o plantas.

"Proponemos un enfoque escalable del lidar utilizando la tecnología de chips. Y este es el primer paso, el primer bloque de construcción de ese método", dijo Dostart, quien continuará su trabajo en el Centro de Investigación Langley de la NASA en Virginia. "Todavía queda un largo camino por recorrer". (Fuente: NCYT Amazings)