Vers le développement d’un lidar Cmos standard

Une équipe de chercheurs de l’Université Stanford ont conçu un modulateur d’intensité de la lumière capable de transformer un capteur d’image en un imageur à temps de vol.

A regarder les études de marché mondial sur le sujet－on parle de taux de croissance annuel pondéré (CAGR) de l’ordre de 20 % entre 2020 et 2025－, les capteurs à temps de vol (Time-of-Flight ou ToF) devraient continuer à se déployer dans les applications de lidar, de détection, d’imagerie 3D, etc.

« Les systèmes lidar existants, par exemple, sont gros et encombrants. Si l’on veut des capacités lidar dans des millions de drones autonomes ou dans des véhicules robotiques légers, il faudra bien réduire leur taille, leur consommation énergétique et accroître leurs performances », affirme Okan Atalar, assistant de recherche à l’Université Stanford et premier auteur de l’article, repris par notre confrère Optics.org.

Des chercheurs de l’université américaine ont mis au point un modulateur d’intensité de la lumière capable de transformer un capteur d’image en un imageur à temps de vol. Les auteurs de l’article publié dans la revue Nature Communications affirment que ce dispositif pourrait ainsi créer des lidars dotés d’une résolution au mégapixel à faible coût.

Comme le rappelle l’équipe de l’Université Stanford, « l’ajout d’images 3D à des capteurs standard peut en théorie nécessiter simplement l’ajout d’une source lumineuse et d’un modulateur très rapide. De tels modulateurs existent, mais ils nécessitent des quantités de puissance relativement importantes ; si grandes, en fait, que cela les rend totalement incompatibles avec une utilisation quotidienne ».

La technique retenue pour le projet américain exploite le phénomène de résonance acoustique, en utilisant une fine plaquette de niobate de lithium recouverte de deux électrodes transparentes comme simple modulateur acoustique. En tant que matériau piézoélectrique, le niobate de lithium peut être amené à vibrer à des fréquences élevées et contrôlables, créant ainsi une onde acoustique à travers le cristal faisant tourner la polarisation de la lumière.

Un filtre polarisant placé après le modulateur convertit ensuite cette rotation en modulation d’intensité, allumant et éteignant efficacement la lumière des millions de fois par seconde, comme le rapporte notre confrère Imaging & Machine Vision Europe. Cette approche acoustique s’avère plus économe en énergie que d’autres moyens de modulation conventionnelles, et permet de moduler la lumière du visible au proche infrarouge.

Lors d’essais de preuve de concept mettant en œuvre une caméra standard et une source de longueur d’onde de 635 nm, le dispositif de l’équipe de l’Université Stanford s’est avéré capable de générer des données à temps de vol pour des cibles métalliques situées à environ 1 et 2 m, avec des « distances cibles reconstruites avec une précision centimétrique », rapportent les chercheurs.

Enfin, le modulateur présente un comportement à large bande, permettant potentiellement la modulation de plusieurs longueurs d’onde différentes, limitées uniquement par la fenêtre de transparence du niobate de lithium. Depuis la soumission de l’article, les chercheurs ont encore réduit la consommation énergétique du système d’un facteur 10, permettant d’atteindre un « lidar Cmos standard ».