ワシントン大学の研究者らが、より小型で安価なLiDAR技術を開発

物理空間内を移動・動作するデバイスには、周囲の環境を読み取るためのセンサーが必要です。そのようなセンシング技術の一つであるLiDARは、多くの用途を秘めていますが、大きすぎたり高価すぎたりするため、現実的な選択肢とはなりにくい場合が多いです。

現在、ワシントン大学の研究チームは、可動部品のない、はるかに小型で低コストのLiDARを開発しました。これは、多くの技術にとって真の変革をもたらす可能性のある画期的な技術です。 

LiDAR（Light Detection and Ranging、光検出と測距）は、半世紀以上前から存在する3Dレーザーイメージング技術です。電波を利用した類似の検知手段であるレーダーと同様に、LiDARはエリア全体をスキャンし、反射信号を受信して​​解釈します。

これまで、これらのレーザーベースのシステムには可動部品が必要であり、重量、複雑さ、耐久性、および費用が増大する要因となっていました。

今回、ネイチャー誌に最近掲載された研究調査で、ウィスコンシン大学ECE（電気・コンピュータ工学）の研究チームは、量子効果を利用してチップ上にLiDARを作成する方法を開発した。これは可動部品を必要としない軽量なアプローチである。

「私たちは、走査型LiDARシステム向けに、可動部品を一切使用しない全く新しいタイプのレーザービームステアリング装置を発明し、それをコンピューターチップに統合しました」と、研究チームを率いるワシントン大学電気電子工学科および物理学科の教授、モー・リー氏は述べています。「この新技術は、チップ表面を伝わる音波を利用して、走査型レーザーを自由空間に誘導します。100メートル以上離れた場所から物体を3次元的に検知し、画像化することができます。」

Li氏はECE部門の研究担当副委員長であり、Nature誌掲載論文の筆頭著者です。本研究の実験作業の大部分は、共同筆頭著者であるポスドク研究員のBingzhao Li氏と、ワシントン大学ECE大学院生のQixuan Lin氏によって実施されました。両名はLi氏が率いるワシントン大学フォトニックシステム研究所のメンバーです。

Li氏はLiDARを、あるエリアを前後に移動するサーチライトに例えています。このチップ搭載型LiDARの大きな違いは、量子効果を利用してレーザービームを曲げることができる点です。

目に安全なビームは、チップ表面のすぐ上を通過します。同時に、インターデジタルトランスデューサ（IDT）を用いてチップ上に音波を励起します。生成された振動は、ビームを周波数に応じて前後に「操縦」し、その動きは連続的または段階的に発生します。

その後、ビームは環境内の物体に反射してLiDARに戻り、検出器がビームを受信します。ソフトウェアがその情報を解釈し、反射物体の画像を構築します。

研究チームが「音響光学ビームステアリング」と呼ぶ技術を用いて、このチップは可聴域をはるかに超える数ギガヘルツの高周波音波パルスを生成する。この振動は、量子準粒子であるフォノンと呼ばれる創発現象を生み出す。フォノンは光ビームを構成する光子の偏向を変化させ、プリズムのようにビームを曲げる。 

光の散乱は主にチップの二次元導波路面内で起こります。そのため、光は振動によって形成された量子スケールの媒質中を移動します。フォノンは周波数に応じてビームの進路を変化させ、ビームは角度を変えて掃引され、約20度の視野が得られます。

本質的には、振動によって回折格子と同等のものが生成され、フォノンによってレーザーのコヒーレント光の角度と波長が変わります。

これはこのシステムのもう一つの重要な特徴です。波長の変化は周波数の変化にも対応するからです。これは「ブリルアン散乱」として知られるよく知られた効果によって起こります。そのため、ビーム角度のわずかな違いは、異なる周波数の光子を持つことになり、事実上「ラベル付け」されます。

これにより、単一ピクセルカメラを用いて戻ってくる光子を検出することが可能になります。この情報はソフトウェアで処理され、スキャンされた風景写真などの画像を迅速に構築できます。

「反射レーザーの方向は『色』から判断できます。この手法を『周波数角度分解』と名付けました」とQixuan Lin氏は述べた。「私たちの受信機は、遠くにある物体を撮影するのに、カメラ全体ではなく、たった1つの撮像ピクセルしか必要としません。そのため、現在一般的に使用されているLiDAR受信機よりもはるかに小型で安価です。」

このシステムの航続距離は現在約110メートルです。しかし、通常の高速道路速度で走行する場合、自動運転車は通常、その約3倍の航続距離が必要です。現在の航続距離の制限は、システムの現在の効率が約5%であることに起因しています。Li氏は、300メートルの航続距離を達成するために必要な50%の効率に到達するには、さらに1年かかると考えています。これは、時速60マイル（約96km/h）以上で走行する車両が、進路上の物体や状況に対応するのに十分な時間を確保できる航続距離です。 

この次世代LiDARの商用アプリケーションには、自動運転車が含まれます。テスラのCEOであるイーロン・マスク氏は、自動運転車にはLiDARは必要ないと主張したことで有名ですが、低価格版が登場すれば、その主張は覆されるでしょう。

システムの大幅な軽量化により、ドローンへの応用も大幅に容易になります。ロボット工学分野では、倉庫の自動化から軍事用ロボットまで、この新システムを様々な分野で活用できる可能性があります。また、小型化と可動部品の減少は、医療用画像撮影にも新たな可能性をもたらします。

Mo Li氏とBingzhao Li氏は、2～3年以内にスタートアップ企業を設立し、自社の技術を商業化する計画です。この目的のため、彼らはすでにワシントン大学のスタートアップインキュベーターであるCoMotionとワシントン研究財団からシード資金を受け取っています。

「たった2人の学生が約9ヶ月でこれを実現させたという事実は、この技術の美しさとシンプルさを物語っています」とリー氏は述べた。「このデバイスの本質は、それほど複雑ではありません。優れたアイデアをシンプルに実現したものであり、実際に機能するのです。」

論文「チップスケール音響光学ビームステアリングを用いた周波数角度分解LiDAR」は、6月28日にネイチャー誌に掲載されました。この研究は、全米科学財団のコンバージェンス・アクセラレータ・プログラムと国防高等研究計画局（DARPA）のマイクロシステム技術局によって支援されています。