L’équipe d’ingénierie développe une approche pour permettre aux caméras simples de voir en 3D

Les ingénieurs de Stanford permettent à de simples caméras de voir en 3D

Le prototype de système lidar en laboratoire que l’équipe de recherche a construit, qui a capturé avec succès des cartes de profondeur à résolution mégapixel à l’aide d’un appareil photo numérique disponible dans le commerce. Crédit : Andrew Brodhead

Les capteurs d’image standard, comme le milliard environ déjà installés dans pratiquement tous les smartphones utilisés aujourd’hui, capturent l’intensité et la couleur de la lumière. S’appuyant sur une technologie de capteur standard, connue sous le nom de CMOS, ces caméras sont devenues plus petites et plus puissantes d’année en année et offrent désormais une résolution de dizaines de mégapixels. Mais ils n’ont encore vu qu’en deux dimensions, capturant des images plates, comme un dessin, jusqu’à présent.

Des chercheurs de l’Université de Stanford ont créé une nouvelle approche qui permet aux capteurs d’image standard de voir la lumière en trois dimensions. Autrement dit, ces caméras courantes pourraient bientôt être utilisées pour mesurer la distance aux objets.

Les possibilités d’ingénierie sont spectaculaires. La mesure de la distance entre les objets avec de la lumière n’est actuellement possible qu’avec des systèmes lidar spécialisés et coûteux – abréviation de “détection et télémétrie de la lumière”. Si vous avez vu une voiture autonome se déplacer, vous pouvez la repérer tout de suite par le bossu de la technologie montée sur le toit. La majeure partie de cet équipement est le système d’évitement des collisions lidar de la voiture, qui utilise des lasers pour déterminer les distances entre les objets.

Le lidar est comme un radar, mais avec de la lumière au lieu d’ondes radio. En faisant rayonner un laser sur des objets et en mesurant la lumière qui rebondit, il peut dire à quelle distance se trouve un objet, à quelle vitesse il se déplace, s’il se rapproche ou s’éloigne, et surtout, il peut calculer si les chemins de deux se déplaçant les objets se croiseront à un moment donné dans le futur.

“Les systèmes lidar existants sont gros et encombrants, mais un jour, si vous voulez des capacités lidar dans des millions de drones autonomes ou dans des véhicules robotiques légers, vous voudrez qu’ils soient très petits, très économes en énergie et offrant de hautes performances”, explique Okan Atalar, doctorant en génie électrique à Stanford et premier auteur du nouvel article dans la revue Communication Nature qui présente cet appareil compact et économe en énergie, qui peut être utilisé pour le lidar.

Pour les ingénieurs, l’avance offre deux opportunités intrigantes. Premièrement, il pourrait activer le lidar à résolution mégapixel, un seuil impossible aujourd’hui. Une résolution plus élevée permettrait au lidar d’identifier des cibles à une plus grande distance. Une voiture autonome, par exemple, pourrait être en mesure de distinguer un cycliste d’un piéton de plus loin, c’est-à-dire plus tôt, et permettre à la voiture d’éviter plus facilement un accident. Deuxièmement, n’importe quel capteur d’image disponible aujourd’hui, y compris les milliards de smartphones actuellement, pourrait capturer des images 3D riches avec des ajouts matériels minimes.

Changer la façon dont les machines voient

Une approche pour ajouter l’imagerie 3D aux capteurs standard consiste à ajouter une source de lumière (facile à faire) et un modulateur (pas si facile à faire) qui allume et éteint la lumière très rapidement, des millions de fois par seconde. En mesurant les variations de la lumière, les ingénieurs peuvent calculer la distance. Les modulateurs existants peuvent également le faire, mais ils nécessitent une puissance relativement importante. Si grand, en fait, qu’il les rend totalement impraticables pour un usage quotidien.

La solution créée par l’équipe de Stanford – une collaboration entre le Laboratoire pour les systèmes nano-quantiques intégrés (LINQS) et ArbabianLab – repose sur un phénomène connu sous le nom de résonance acoustique. L’équipe a construit un modulateur acoustique simple à l’aide d’une fine plaquette de niobate de lithium, un cristal transparent très recherché pour ses propriétés électriques, acoustiques et optiques, recouvert de deux électrodes transparentes.

De manière critique, le niobate de lithium est piézoélectrique. Autrement dit, lorsque l’électricité est introduite à travers les électrodes, le réseau cristallin au cœur de sa structure atomique change de forme. Il vibre à des fréquences très élevées, très prévisibles et très contrôlables. Et, lorsqu’il vibre, le niobate de lithium module fortement la lumière ; avec l’ajout de quelques polariseurs, ce nouveau modulateur allume et éteint efficacement la lumière plusieurs millions de fois par seconde.

“De plus, la géométrie des plaquettes et des électrodes définit la fréquence de modulation de la lumière, nous pouvons donc affiner la fréquence”, explique Atalar. “Changez la géométrie et vous changez la fréquence de modulation.”

En termes techniques, l’effet piézoélectrique crée une onde acoustique à travers le cristal qui fait tourner la polarisation de la lumière de manière souhaitable, réglable et utilisable. C’est ce départ technique clé qui a permis le succès de l’équipe. Ensuite, un filtre polarisant est soigneusement placé après le modulateur pour convertir cette rotation en modulation d’intensité – rendant la lumière plus lumineuse et plus sombre – allumant et éteignant efficacement la lumière des millions de fois par seconde.

“Bien qu’il existe d’autres façons d’allumer et d’éteindre la lumière”, déclare Atalar, “cette approche acoustique est préférable car elle est extrêmement économe en énergie.”

Résultats pratiques

Mieux encore, la conception du modulateur est simple et s’intègre dans un système proposé qui utilise des caméras standard, comme celles que l’on trouve dans les téléphones portables et les reflex numériques de tous les jours. Atalar et le conseiller Amin Arbabian, professeur agrégé de génie électrique et auteur principal du projet, pensent qu’il pourrait devenir la base d’un nouveau type de lidar compact, peu coûteux et économe en énergie – “lidar CMOS standard”, comme ils l’appellent – qui pourrait se retrouver dans les drones, les rovers extraterrestres et d’autres applications.

L’impact pour le modulateur proposé est énorme ; il a le potentiel d’ajouter la dimension 3D manquante à n’importe quel capteur d’image, disent-ils. Pour le prouver, l’équipe a construit un prototype de système lidar sur une paillasse de laboratoire qui utilisait un appareil photo numérique disponible dans le commerce comme récepteur. Les auteurs rapportent que leur prototype a capturé des cartes de profondeur à résolution mégapixel, tout en nécessitant de petites quantités d’énergie pour faire fonctionner le modulateur optique.

Mieux encore, avec des améliorations supplémentaires, Atalar affirme que l’équipe a depuis encore réduit la consommation d’énergie d’au moins 10 fois le seuil déjà bas indiqué dans l’article, et ils pensent qu’une réduction d’énergie plusieurs centaines de fois supérieure est à portée de main. Si cela se produit, un avenir de lidar à petite échelle avec des capteurs d’image standard et des caméras 3D pour smartphone pourrait devenir une réalité.


De minuscules commutateurs donnent une résolution d’enregistrement LiDAR à semi-conducteurs


Plus d’information:
Okan Atalar et al, Modulateur photoélastique résonnant piézoélectrique longitudinal pour une modulation d’intensité efficace à des fréquences mégahertz, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-29204-9

Fourni par l’Université de Stanford

Citation: L’équipe d’ingénierie développe une approche pour permettre aux caméras simples de voir en 3D (2022, 28 mars) récupéré le 28 mars 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-03-team-approach-enable-simple-cameras.html

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