【技术创新】自扫式激光器能很大程度精缩三维绘图系统
来源: http://www.rdmag.com/news/2015/09/self-sweeping-laser-could-shrink-3-d-mapping-systems
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2016-01-07

2015年9月4日

此自扫式激光器连接到一个与高对比度光栅(HCG)镜面机械运动的光场中。HCG镜面由连接到半导体材料层面板的机械弹簧支持。红色层代表激光增加(对于光线放大率而言),蓝色层形成此系统的第二个镜像。光束力量导致顶层镜面高速振动。在扫描中,此振动使得激光自动改变颜色。

图片提供:Weijian Yang。

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利用光束移动镜面的新途径可能引领新一代激光技术的广泛应用,包括遥感、无人驾驶汽车导航和三维生物医学成像领域。

由电子工程和计算机科学教授Connie.Chang-Hasnain牵头的加州伯克利大学工程师团队使用一个新奇的概念即在扫描周边地形的时候,自动操作光源改变波长的方法。他们的研究成果于9月3日(周四)在《科学报告》期刊上发表。

新进展可能对使用激光雷达(LIDAR)成像技术,或称光束探测、测距修正和光学相干断层扫描技术(OCT)产生影响。

加州伯克利大学纳米级科学和工程研究生小组主任Chang-Hasnain指出,他们的论文描述了一个能大幅度减少当今市场上LIDAR和OCT设备电力消耗、体积、重量和成本的快速自扫式激光器。此研究进展可以把目前占用一个鞋盒空间大小的空间的仪器精缩到,其重量减轻至适用于智能手机或小型无人驾驶机(UAV)。

LIDAR的原理是用一束光来照射目标,需要测量反弹的时间量。由于光速是恒定的,所以这个系统也能够用来计算距离。无人驾驶汽车和遥感技术使用LIDAR进行导航和三维制图。

OCT运用同一测量原理适应于毫米级医学成像。此技术被用于制作视网膜横断面图像,对视网膜疾病早期监测提供帮助,包括与年龄相关的斑点恶化症状。

光移动镜面

激光在这两个应用中移动,它必须不断变化频率,使其能够计算入射光、反射光和出射光线之间的差异值。为了改变此频率,激光腔两个镜面中的至少一个必须精准地移动。

加州伯克利大学电子工程和计算机科学专业的博士研究生、参与本项工作以及此研究论文的主要作者Weijian.Yang提到,控制镜面需要的机理是造成现有LIDAR和OCT系统笨重、耗电高、运行慢和复杂问题一部分原因。例如,无人驾驶汽车必须避免碰撞——系统必须尽快反应——这就需要更多的电力消耗。

此设计的新颖之处在于对半导体激光与镜面进行集成。每束光可以小到几百微米见方,它很容易由一节AA电池供电。

具有超薄、高对比度光栅(HCG)镜面的耦合激光使得研究人员利用光物理力移动镜面。Chang-Hasnain.实验室开发的HCG镜面由成排的小脊组成并在近期用于制作人造、变色龙式皮肤。平均几纳米牛顿的力,大约一只蚂蚁千分之一的重量,此光产生足够能量致使镜面振动。

“像小孩荡秋千一样”

目前在哥伦比亚大学做生物科学博士后的Yang指出,光就像一个孩子在荡秋千而这镜面本身就像秋千。如果孩子在摇摆路径上正确移动他的身体,他能够享受这种没有外力的“自由”摆动。这是自扫式激光器上所发生的事情。

在他们的实验中,研究人员发现激光与镜面间光力学相互作用能够在不需要外部控制下对超过23纳米波长范围的红外光谱范围进行扫描。

Chang-Hasnain.研究小组此论文联合作者博士生Adair.Gerke指出,这一波长范围足够使系统可以解决50测微计表面轮廓特征,即使目标在几十米之外。

此外,扫描循环周期可以短至数百纳秒,能够实现每秒几百万次扫描。此扫描速率使得三维图像捕捉实时视频和深度变化的可视化图像。

此研究作者阐明,研究的下一阶段将在现有LIDAR或OCT系统中整合这一新激光器设计并展示其在三维视频成像中的应用。

原文题目:Self-sweeping.laser.could.dramatically.shrink.3-D.mapping.systems

资料来源:http://www.rdmag.com/news/2015/09/self-sweeping-laser-could-shrink-3-d-mapping-systems

 

(王化编译,殷永元审核)