يُظهر هذا الرسم التوضيحي مجموعة من الهوائيات المدمجة التي طورها باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (على اليمين) والتي تقلل من التداخل غير المرغوب فيه الذي يمكن أن يحدث في مجموعة هوائيات قياسية (يسار). يمكن لهذا الابتكار أن يمكّن شريحة الليدار من مسح مجال رؤية أوسع مع الحفاظ على التشغيل منخفض الضوضاء.
ائتمان: إيمي بان وسمبسون ويلكوكس

الجديد الذي صممه معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ليدار تستخدم الشريحة هوائيات مصممة خصيصًا لتقليل التداخل وتوسيع مجال رؤية المستشعر.

من السيارات ذاتية القيادة التي تتنقل في الشوارع المزدحمة إلى الطائرات بدون طيار التي تقوم بمسح مناطق الكوارث، أصبحت تقنية الليدار واحدة من أهم التقنيات لمساعدة الآلات على إدراك العالم بثلاثة أبعاد. من خلال إرسال نبضات سريعة من ضوء الأشعة تحت الحمراء وقياس انعكاساتها، يمكن لأنظمة الليدار بناء خرائط مفصلة للغاية لمحيطها في الوقت الفعلي.

لكن أقوى مستشعرات الليدار اليوم غالبًا ما تكون لها عيوب كبيرة: فهي ضخمة ومكلفة وتعتمد على مكونات ميكانيكية متحركة يمكن أن تتآكل بمرور الوقت.

الباحثون في مع لقد أثبتت الآن الحل المحتمل. لقد طوروا شريحة سيليكون ضوئية جديدة يمكنها تمكين أنظمة ليدار مدمجة ومتينة بدون أجزاء متحركة. تستخدم الضوئيات السيليكونية تكنولوجيا أشباه الموصلات لمعالجة الضوء بدلاً من الكهرباء، مما يفتح الباب أمام أجهزة استشعار ليدار الأصغر حجماً والأرخص والأسهل في التصنيع على نطاق واسع.

أحد أكبر العوائق التي تواجه ليدار السيليكون الضوئي هو مجال الرؤية المحدود. وتكافح الأنظمة الحالية القائمة على الرقائق لمسح زوايا واسعة، في حين أن طرق توسيع تغطيتها تؤدي عادةً إلى حدوث ضوضاء وتقليل القياس دقة.

للتغلب على هذا التحدي، صمم فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مجموعة من الهوائيات المدمجة التي تقلل بشكل كبير من التداخل غير المرغوب فيه، المعروف باسم الحديث المتبادل، بين الهوائيات المجاورة. يسمح نهجهم لشريحة ليدار بمسح منطقة أوسع بكثير مع الحفاظ على الأداء المنخفض الضوضاء وعالي الدقة اللازم للتطبيقات الصعبة مثل المركبات ذاتية القيادة ورسم الخرائط الجوية ومراقبة مواقع البناء.

يمكن لتقنية Lidar ذات الحالة الصلبة أن تُحدث تحولًا في الملاحة المستقلة

يمكن أن يدعم هذا الاختراق تطوير أجهزة استشعار ليدار متقدمة لتطبيقات مثل القيادة الذاتية، والمسح الجوي، ومراقبة مواقع البناء.

تقول يلينا نوتاروس، أستاذة مساعدة في التطوير الوظيفي لروبرت شيلمان في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر (EECS) في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وعضو في مختبر أبحاث الإلكترونيات، وكبيرة مؤلفي ورقة بحثية حول هذا الابتكار: “إن الوظيفة التي أظهرناها في هذا العمل تحل مشكلة أساسية لتكنولوجيا المصفوفة الضوئية المرحلية المتكاملة، مما يتيح لأجهزة استشعار ليدار المستقبلية التي يمكنها تحقيق أداء أعلى بكثير مما يمكن أن نثبته سابقًا”.

المؤلف الرئيسي لهذه الورقة هو طالب الدراسات العليا في EECS هنري كروفورد المهندس. ومن بين المؤلفين المشاركين الإضافيين طلاب الدراسات العليا في EECS أندريس جارسيا كوليتو، وبنجامين إم مازور، ودانييل إم ديسانتيس، وتال سنيه. ونشرت النتائج في اتصالات الطبيعة.

تعتمد أنظمة الليدار التقليدية عادةً على وحدة دوارة ترسل نبضات ضوئية في اتجاهات متعددة. يعود الضوء المنعكس إلى المستشعر، مما يسمح للنظام بإعادة بناء خريطة للبيئة.

كيف يوجه ليدار السيليكون الضوئي الضوء؟

بدلاً من ذلك، تعمل أنظمة الليدار السيليكونية الضوئية على توجيه الضوء إلكترونيًا باستخدام مصفوفة طورية بصرية متكاملة (OPA)، مما يلغي الحاجة إلى الأجزاء المتحركة.

يحتوي OPA على سلسلة من الهوائيات المدمجة مع تمويجات دورية صغيرة على طول أسطحها. تعمل هذه التموجات على تشتيت الضوء الوارد إلى الأعلى وإلى الخارج من الشريحة الضوئية.

ومن خلال تغيير مرحلة الضوء المرسلة إلى كل هوائي، يستطيع الباحثون التحكم في اتجاه الشعاع المنبعث وتوجيهه إلكترونيًا.

ومع ذلك، فإن وضع الهوائيات بالقرب من بعضها البعض يؤدي إلى حدوث تداخل بينها، مما يتسبب في تشويه الضوء المنبعث. ولتجنب ذلك، يقوم المهندسون عادةً بنشر الهوائيات بعيدًا عن بعضها البعض، لكن هذا يخلق مشكلة مختلفة.

فصوص صريف تقييد مجال الرؤية

عندما تكون الهوائيات متباعدة بشكل واسع جدًا، يقوم المصفوفة بإنشاء نسخ متعددة من شعاع الضوء بزوايا مختلفة. ونتيجة لذلك، لا يمكن توجيه الحزمة الأولية إلا ضمن نطاق محدود قبل أن يصبح من الصعب تمييزها عن الحزم المجاورة.

يوضح غارسيا كوليتو: “هذا يحد من مجال رؤيتنا، وبالتالي فإن السيارة ذاتية القيادة لا تعرف الآن إلا ما هو أمامها ضمن نطاق زاوي معين”.

يمكن لهذه الحزم المكررة، والتي تسمى الفصوص الشبكية، أن تربك المستشعر، وتخلق نتائج إيجابية كاذبة، وتضيع الطاقة.

ولحل هذه المشكلة، صمم باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هوائيات منخفضة التداخل يمكن وضعها بالقرب من بعضها البعض دون إحداث تداخل كبير.

ابتكار هوائي الحديث المتبادل من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

في OPAs التقليدية، يستخدم كل هوائي نفس الشكل الهندسي ونمط التمويج، مما يؤدي إلى اقتران قوي عندما تكون الهوائيات معبأة بإحكام.

وقد عالج فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هذه المشكلة من خلال إنشاء ثلاثة تصميمات مختلفة للهوائيات ذات عروض مختلفة وترتيبات تمويج مختلفة. تمنح هذه الاختلافات كل هوائي معامل انتشار فريدًا، مما يؤثر على كيفية انتقال الضوء عبره.

يقول جارسيا كوليتو: “نظرًا لأن معاملات الانتشار للهوائيات مختلفة تمامًا، فعندما نضعها بالقرب من بعضها البعض، فإن كل هوائي لا يرى الهوائي المجاور له. وبالتالي، لن يقترن مع جاره”.

وحتى مع اختلاف خصائص الانتشار، لا تزال هناك حاجة للهوائيات لبث الضوء بطريقة موحدة.

الهوائيات الهندسية لانبعاث الحزمة الموحدة

صمم الباحثون الهوائيات بعناية لتلبية ثلاثة متطلبات.

كان على كل هوائي أن ينبعث نفس كمية الضوء، ويوجه الشعاع في نفس الزاوية لطول موجي معين، ويغير زاوية الانبعاث بشكل ثابت أثناء توجيه الشعاع عبر المصفوفة.

“لدينا هذا التحدي حيث نطلب من الهوائيات أن يكون لها أشكال هندسية مختلفة لتقليل التداخل، ولكننا بحاجة إلى تصميم الهوائيات في وقت واحد بحيث يكون لها نفس خصائص الانبعاث. وعلى الرغم من أنه من الممكن هندسة ذلك، إلا أنه أمر صعب للغاية لأنه، عادةً، عندما يتم تصميم الهوائيات بأشكال هندسية مختلفة، فإنها تميل إلى التصرف بشكل مختلف،” كما يقول كروفورد إنج.

قام الفريق أولاً بتطوير النظرية الكهرومغناطيسية التي تصف كيفية تفاعل الأنماط الإشعاعية، ثم استخدم تلك النتائج لتصميم ومحاكاة الهوائيات.

توضح النتائج التجريبية مكاسب كبيرة في الأداء

وباستخدام هذا النهج، قام الباحثون ببناء OPA بهوائيات متباعدة بشكل أقرب بكثير من تلك الموجودة في الأنظمة التقليدية، ثم اختبروا الجهاز تجريبيًا.

في OPA التقليدي، قد يصل الاقتران في ظل ظروف مماثلة إلى 100 بالمائة تقريبًا. في نظام معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، انخفضت نسبة الاقتران إلى حوالي 1 بالمائة بينما لا تزال تنتج شعاعًا واحدًا دقيقًا. كما أتاح التصميم أيضًا توجيهًا دقيقًا للشعاع عبر مجال رؤية واسع دون إنشاء فصوص شبكية.

ويخطط الباحثون الآن لتحسين التكنولوجيا بشكل أكبر لتوسيع مجال الرؤية بشكل أكبر. إنهم يبحثون أيضًا في حل محتمل آخر لوظيفة الزاوية الواسعة التي ظهرت أثناء تطوير النظرية الأساسية.

يقول جويس بون، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة تورنتو ومدير معهد ماكس بلانك لفيزياء البنية الدقيقة، والذي كان لا تشارك في هذا العمل.

المرجع: “هوائيات تداخلية منخفضة للصفائف الطورية الضوئية المتكاملة الخالية من الفص وواسعة مجال الرؤية” بقلم هنري كروفورد-إنج، وأندريس جارسيا كوليتو، وبنجامين إم. مازور، ودانيال إم. ديسانتيس، وتال سنيه، ويلينا نوتاروس، 7 مايو 2026، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-026-71832-ذ

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل مؤسسة أبحاث أشباه الموصلات، والمؤسسة الوطنية للعلوم، وزمالة MIT MathWorks، ووزارة الحرب الأمريكية، وزمالة MIT Rolf G. Locher.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.

إقرأ المزيد