Er is een nieuwe benadering die typische camera's 3D-mogelijkheden geeft

Een team van onderzoekers van Stanford University heeft, in samenwerking met het Laboratory for Integrated Nano-Quantum Systems (LINQS) en ArbabianLab, een manier bedacht om het mogelijk te maken camera's in de toekomst te laten zien in 3D (met name om het licht te zien) in drie dimensies). Het project begon met het team dat erop wees dat lichtdetectie- en bereiksystemen (LiDAR of lidar) tegenwoordig onhandig zijn vanwege hun grootte.

"Bestaande lidar-systemen zijn groot en omvangrijk, maar als je op een dag lidar-mogelijkheden wilt in miljoenen autonome drones of in lichtgewicht robotvoertuigen, dan wil je dat ze heel klein zijn, zeer energiezuinig en hoge prestaties bieden," zei Okan Atalar, de eerste auteur van de nieuw papier in het tijdschrift Nature Communications en een promovendus in elektrotechniek aan de Stanford.

Het team creëerde vervolgens een compact apparaat, waardoor het energiezuiniger is (omdat lidar te veel stroom kan verbruiken vanwege de grootte en het aantal componenten dat het gebruikt) en dat het goed geschikt is voor integratie in camera's van alledaagse mobiele telefoons en digitale spiegelreflexcamera's. Het onderzoek is in wezen gebaseerd op het fenomeen akoestische resonantie. Het introduceert het gebruik van een dunne plak lithiumniobaat, waarvan wordt gezegd dat het het perfecte materiaal is vanwege zijn elektrische, akoestische en optische eigenschappen.

Het lithiumniobaat is gecoat met twee transparante elektroden als een eenvoudige akoestische modulator. Technisch gezien, wanneer elektriciteit wordt gebruikt via de elektroden van de genoemde akoestische modulator, zullen trillingen efficiënt optreden bij zeer voorspelbare en controleerbare frequenties. Het lithiumniobaat zal dan het licht moduleren, terwijl een paar toegevoegde polarisatoren het licht enkele miljoenen keren per seconde aan- en uitzetten.

Dit proces is essentieel en een van de bekende benaderingen voor het toevoegen van 3D-beeldvorming aan standaardsensoren. Net als bij lidar helpt het proces effectief om de variaties in het licht te meten en de afstand te berekenen. En zoals gezegd, bestaande modulatoren die in andere systemen worden gevonden, kunnen een hoog energieverbruik hebben, wat onpraktisch is. Maar met de door de onderzoekers getoonde aanpak is er een mogelijkheid om 3D-beeldvorming te introduceren in kleine camera's zoals die op telefoons en drones. Volgens de onderzoekers kan het in de toekomst de basis worden van de "standaard CMOS-lidar". (CMOS-beeldsensoren worden bijna universeel gebruikt in smartphones).

"Bovendien bepaalt de geometrie van de wafels en de elektroden de frequentie van lichtmodulatie, zodat we de frequentie kunnen verfijnen", voegde Atalar eraan toe. "Verander de geometrie en je verandert de modulatiefrequentie... Hoewel er andere manieren zijn om het licht aan en uit te zetten", zegt Atalar, "heeft deze akoestische benadering de voorkeur omdat deze extreem energiezuinig is."

De onderzoekers probeerden de technologie uit door een prototype lidar-systeem op een laboratoriumbank te bouwen met behulp van een in de handel verkrijgbare digitale camera als receptor. Volgens de rapporten van het team was het nieuwe systeem in staat dieptekaarten met een resolutie van megapixels te produceren. Bovendien zeiden ze dat de optische modulator die door het team is gemaakt ongelooflijk slechts een kleine hoeveelheid stroom verbruikte en dat deze zelfs 10 keer lager was dan wat in de krant werd gepresenteerd. 

Daarmee, als de technologie de ondersteuning krijgt die het nodig heeft, kan dit nieuwe mogelijkheden openen voor de smartphone markt en nog veel meer. Het kan ook een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we alle apparaten met camera's gebruiken, inclusief standaard professionele camera's, drones, tablets, laptops, en meer. Het kan voor hen extra functies en mogelijkheden betekenen die ons op verschillende manieren kunnen helpen, zoals het verkrijgen van meer details in vastgelegde afbeeldingen. Door lidar met megapixelresolutie zeggen de onderzoekers ook dat het voor het systeem gemakkelijker zal zijn om doelen efficiënt te identificeren op een beter bereik. Bij gebruik voor zelfrijdende auto's kan het verbeterde lidar-systeem bijvoorbeeld voetgangers van fietsers op aanzienlijke afstanden onderscheiden, wat resulteert in een beter systeem om ongevallen te voorkomen.