Oavsett om det är ovanpå en självkörande bil eller inbäddat i den senaste gadgeten, Ljusdetektering och avståndssystem (lidar) kommer sannolikt att spela en viktig roll i vår tekniska framtid, gör det möjligt för fordon att "se" i realtid, telefoner för att kartlägga tredimensionella bilder och förbättra förstärkt verklighet i videospel.

Utmaningen:Dessa 3D-bildsystem kan vara skrymmande, dyra och svåra att krympa ner till den storlek som behövs för dessa kommande applikationer. Men forskare från University of Colorado Boulder är ett stort steg närmare en lösning.

I ett nytt papper, publicerad i Optica , de beskriver ett nytt kiselchip – utan rörliga delar eller elektronik – som förbättrar upplösningen och skanningshastigheten som behövs för ett lidar-system.

"Vi vill helst ersätta stora, stor och tung, tunga lidarsystem med just denna platta, lite chip, sa Nathan Dostart, huvudförfattare på studien, som nyligen avlagt sin doktorsexamen vid institutionen för elektro- och datateknik.

Nuvarande kommersiella lidarsystem använder stora, roterande speglar för att styra laserstrålen och därigenom skapa en 3D-bild. De senaste tre åren, Dostart och hans kollegor har arbetat på ett nytt sätt att styra laserstrålar som kallas våglängdsstyrning – där varje våglängd, eller "färg, " av lasern pekar mot en unik vinkel.

De har inte bara utvecklat ett sätt att göra en version av detta längs två dimensioner samtidigt, istället för bara en, de har gjort det med färg, använda ett "regnbågsmönster" för att ta 3D-bilder. Eftersom strålarna är lätta att kontrollera genom att helt enkelt byta färger, flera fasade arrayer kan styras samtidigt för att skapa en större bländare och en bild med högre upplösning.

"Vi har kommit på hur vi ska placera den här tvådimensionella regnbågen i ett litet pyttelite chip, sa Kelvin Wagner, medförfattare till den nya studien och professor i el- och datateknik.

Slutet på elektrisk kommunikation

Autonoma fordon är för närvarande en industri på 50 miljarder dollar, beräknas vara värd mer än 500 miljarder dollar år 2026. Medan många bilar på vägen idag redan har vissa delar av autonom assistans, såsom förbättrad farthållare och automatisk körfältscentrering, det verkliga loppet är att skapa en bil som kör sig själv utan input eller ansvar från en mänsklig förare. Under de senaste 15 åren eller så, innovatörer har insett att för att göra detta kommer bilar att behöva mer än bara kameror och radar – de kommer att behöva lidar.

Lidar är en fjärravkänningsmetod som använder laserstrålar, pulser av osynligt ljus, att mäta avstånd. Dessa ljusstrålar studsar av allt i deras väg, och en sensor samlar in dessa reflektioner för att skapa en exakt, tredimensionell bild av den omgivande miljön i realtid.

Lidar är som ekolokalisering med ljus:Det kan berätta hur långt borta varje pixel i en bild är. Det har använts i minst 50 år i satelliter och flygplan, att utföra atmosfärisk avkänning och mäta djupet på vattendrag och terränghöjder.

Även om stora framsteg har gjorts i storleken på lidarsystem, de är fortfarande den dyraste delen av självkörande bilar – så mycket som $70, 000 styck.

För att en dag arbeta brett på konsumentmarknaden, lidar måste bli ännu billigare, mindre och mindre komplex. Vissa företag försöker åstadkomma denna bedrift med kiselfotonik:Ett framväxande område inom elektroteknik som använder kiselchips, som kan bearbeta ljus.

Forskargruppens nya upptäckt är ett viktigt framsteg inom kiselchipteknologi för användning i lidarsystem.

"Elektrisk kommunikation är vid sin absoluta gräns. Optik måste spela in och det är därför alla dessa stora aktörer är engagerade i att göra kiselfotonikteknologin industriellt gångbar, sa Miloš Popović, medförfattare och docent i teknik vid Boston University.

Ju enklare och mindre dessa kiselchips kan göras – samtidigt som de bibehåller hög upplösning och noggrannhet i deras bildåtergivning – desto fler tekniker kan de tillämpas på, inklusive självkörande bilar och smartphones.

Rykten säger att den kommande iPhone 12 kommer att ha en lidarkamera, som för närvarande i iPad Pro. Denna teknik kunde inte bara förbättra sin ansiktsigenkänningssäkerhet, men en dag hjälpa till med att skapa klättringsruttkartor, mäta avstånd och till och med identifiera djurspår eller växter.

"Vi föreslår ett skalbart tillvägagångssätt för lidar med hjälp av chipteknologi. Och detta är det första steget, den första byggstenen i det tillvägagångssättet, sa Dostart, som kommer att fortsätta sitt arbete vid NASA Langley Research Center i Virginia. "Det är fortfarande en lång väg kvar."