Линейка из света
Как измерить расстояние, ни к чему не прикасаясь? Лидар (LiDAR) делает это светом: посылает короткую вспышку, та летит до препятствия, отражается и возвращается. Прибор засекает время полёта — а скорость света известна (300 000 км/с). Половина пути туда-обратно, помноженная на это время, и есть расстояние.
Время крошечное: до стены в трёх метрах свет слетает туда-обратно за 20 наносекунд. Поэтому непрерывным лучом «секундомер» не поставить — нужна именно короткая вспышка (см. импульсный лазер), а детектор должен ловить отдельные фотоны.
Как это устроено в железе
В смартфоне и беспилотнике стоит крошечная связка:
- VCSEL — миниатюрный лазер (обычно 940 нм, невидимый), выдающий вспышки;
- SPAD — детектор, чувствительный к одному фотону;
- счётчик времени, измеряющий задержку до пикосекунд.
Такой способ — прямое измерение времени — называют dToF (direct Time-of-Flight); именно он стоит в LiDAR-сканере у Apple. Есть и обходной путь, iToF: свет мигает, и расстояние вычисляют по сдвигу фазы отражённого мигания.
Важно не путать с Face ID: там не лидар, а структурированный свет — проектор рассыпает по лицу 30 000 невидимых точек и строит глубину по тому, как узор искажается на рельефе. Другой приём для той же задачи — 3D-карты.
Облако точек
В беспилотном автомобиле лидар вращается и «простреливает» всё вокруг тысячами вспышек в секунду. Из вернувшихся откликов складывается облако точек — объёмная карта на 100–200 метров, где машина отличает пешехода от столба, автомобиль от дерева, да ещё и считает их скорость.
Получается, та же идея — «время полёта», — что у эхолокации летучих мышей, только мышь слушает звук, а лидар — свет. Природа измеряла мир отражённым сигналом задолго до того, как это освоила техника.
Читать дальше
→ Импульсный лазер: почему для лидара нужна именно короткая вспышка → Эхолокация летучих мышей: тот же принцип «времени полёта», но звуком → Как работает лазер: что выдаёт эти вспышки