מדידת לייזר מהירה צפויה לבצע מהפיכה בעולם ה-LiDAR

7 מרץ, 2018

חוקרים גרמניים וצרפתיים מדדו את המרחק של קליע באמצעות לייזר פולסים וטכניקת מסרק תדרים, ברמת דיוק של אלפית המילימטר. כעת הם מתמקדים בהפיכת הטכנולוגיה למסחרית במטרה לייצר סוג חדש של מכשירי מדידת מרחק

מדגים טכנולוגי שנבנה על-ידי המכון הטכנולוגי של קרלסרואה (KIT) בגרמניה והמכון הפוליטכני של לוזאן (EPFL) בצרפת עשוי לייצר מהפיכה טכנולוגית בפיתוח מערכות מדידת מרחקים מסוג LiDAR, המשמשות היום בהרבה מאוד יישומי חישה ומצלמות תלת-מימד, כולל במערכות בטיחות לרכב וברכב אוטונומי. החוקרים יצרו מערכת מדידת מרחקים מבוססת לייזר אשר הצליחה למדוד את המרחק של קליע אשר נורה במהירות של 150 מטר בשנייה. המערכת כל-כך יעילה, שהיא ביצעה 100 מיליון מדידות בשנייה ברמת דיוק של מיליונית המטר (micrometer), כלומר אלפית המילימטר.

המערכת מבוססת על שימוש בטכניקת מדידה חדשה הנקראת מסרק תדרים אופטי (Optical frequency comb) אשר פיתוחה הביא פרס נובל בשנת 2005 לפרופ' ג'ון הול מאוניברסיטת קולורדו, ארה"ב, ולפרופ' תיאודור האנש ממכון מקס פלאנק בגרמניה. הטכניקה הזאת מאפשרת למדוד בדייקנות של עד הסיפרה ה-15 את כל התדרים המרכיבים פולס לייזר מהיר. היא מציגה אותם בתצורה של מסרק: כלומר כל תדר נמדד מוצג כפולס יחיד בעוצמה הנמדדת שלו.

המדידה המהירה ביותר בעולם

מכשיר המדידה שפיתחו חוקרי KIT ו-EPFL, מבוסס על לייזר פולסים מהיר (soliton) ועל מהודים זעירים (microresonators) שיוצרו מסיליקון ניטריד (silicon nitride), המאפשרים לקבל מדידות מסרק מדוייקות של האות המשודר והאות החוזר מהאובייקט הנמדד. כאשר מציבים את גרף המסרק של האות המשודר ממכשיר הלייזר פולסים, על גרף המסרק של האות החוזר, המרחק ביניהם מייצג את המרחק של האובייקט הנמדד.

ככל שפולס הלייזר רחב יותר וכולל יותר תדרים, המדידה מדוייקת יותר. הטכנולוגיה פותחה במקור עבור מחקרים בתחום הפיסיקה הקוונטית. בין השאר היא נחשבת כטכנולוגיה שתוכל לייצר שעון אטומי אופטי מדוייק בהרבה מהשעונים האטומיים הנמצאים היום בשימוש, ואשר אחראים לרמת הדיוק של ניווט לווייני (GPS). החוקרים הגרמנים והצרפתים התחילו לחקור אותה עבור יישומי תקשורת, וזו ההדגמה הראשונה שלהם ביישומי מדידת מרחקים. להערכתם, זהו מכשיר המדידה המהיר ביותר הקיים היום.

השלב הבא: מיזעור ומיסחור

כעת החוקרים מתכננים להתמקד בהפיכת שיטת המדידה לטכנולוגיה תעשייתית יעילה, הן בעלות והן בביצועים. כך למשל, כיום מרחק המדידה היעיל מוגבל למרחקים קצרים מ-1, והמעבדים המצויים בשוק המסחרי מתקשים להתמודד עם כמויות המידע הגדולות שטכניקת מסרק התדרים מייצרת. מטרת שני מכוני המחקר היא למזער את הטכנולוגיה כדי לפתח מכשיר מדידה זול בגודל של קופסת גפרורים. היישומים הפוטנציאליים של שיטת המדידה החדשה כוללים סוג חדש של חיישני LiDAR, מערכות מדידה מדוייקות של חלקים מכניים המיוצרים במפעלים דיגיטליים, יישומי מטרולוגיה בתחום תעשיית השבבים, ועוד.