Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) продемонстрировали новую лазерную систему формирования изображения. 3D LADAR создает высокоточные карты поверхностей и трёхмерные модели объектов, удалённых от сканера на расстояние до десяти с половиной метров. Система высокоточной трёхмерной визуализации была разработана по заказу Агентства передовых оборонных исследовательских проектов МО США (DARPA).

Разработка базируется на технологии светового детектирования и измерения дальности по характеру распространения лазерного луча (LIDAR). Разница между частотой сгенерированного и отражённого сигнала возрастает по мере удаления объекта. Отражённый свет регистрируется датчиком и преобразуется в электрический сигнал, пригодный для цифровой обработки.

В традиционных сканирующих лидарах (иногда называемых «ладары») используется один ИК-лазер. Это удобно для определения расстояния, но не подходит для точного сканирования. Фиксированная длина волны даёт очень узкий спектр, а поверхности обладают разным альбедо. Поэтому такой лидар способен определить лишь примерные размеры объекта и его скорость. Такие системы используются в авиационной и космической геодезии, измерении глубин, дистанционных обмерах зданий и определении скорости транспортных средств. Словом, во всех сферах, где не требуется точное моделирование и детализация структуры объекта.

3D-модель Манхэттена. Создана по данным лидара, установленного на вертолёте (изображение: neonnotes.org).
3D-модель Манхэттена. Создана по данным лидара, установленного на вертолёте (изображение: neonnotes.org).

Усовершенствованный лидар работает быстрее и регистрирует даже очень слабое отражение света, благодаря частотным гребёнкам. Это позволяет выполнять сканирование поверхности с высоким разрешением и приблизить его к системам реального времени в некоторых областях.

Оптические частотные гребёнки представляют собой последовательность затухающих реплик световых импульсов, ослабляющихся после каждого цикла в резонаторе. Их использование позволяет получить широкий спектр от одного монохроматического источника. Он позволяет отказаться от массива из десятков лазеров, настроенных каждый на свою длину волны.

Исследованием частотных гребёнок занимался Теодор Хенш (Theodor Wolfgang Hänsch) – директор Института квантовой оптики общества Макса Планка. Работа выполнялась совместно с Джоном Льюисом Холлом (John Lewis «Jan» Hall) – сотрудником NIST, и Роем Глаубером (Roy Jay Glauber) – участником манхэттенского проекта и профессором физики в Гарварде. В 2005 году они получили за эту работу Нобелевскую премию.

Оптическая частотная гребёнка (изображение: astronomy.swin.edu.au).
Оптическая частотная гребёнка (изображение: astronomy.swin.edu.au).

Созданная в NIST система лазерного картографирования синтезирует оптические гребёнки при помощи импульсного лазера фемтосекундного класса и резонатора. Определение расстояний стало возможным после добавления в схему двухлучевого интерферометра. Дистанция до каждой точки объекта вычисляется по анализу картины интерференции между опорным и измерительным лучом.

Активная оптическая система использует инфракрасный лазер мощностью девять милливатт, что делает её применение максимально безопасным. Она обладает широким динамическим диапазоном и способна моделировать трёхмерное изображение удалённых объектов с поверхностями различного типа. В первых экспериментах установка успешно сканировала следы на земле, создавала точные 3D-модели кактуса (с детальной прорисовкой каждой иголки) и считывала серийные номера на загрязнённых деталях сложной формы.

Фотография и скан отпечатка подошвы лидаром (изображение: opticsinfobase.org).
Фотография и скан отпечатка подошвы лидаром (изображение: opticsinfobase.org).

По своим возможностям система NIST 3D-mapping близка к оптической когерентной томографии, но способна работать на большем удалении от объекта исследования и не требует предварительной калибровки перед каждым измерением.

Трёхмерная модель следа, сделанная при помощи лидара высокой точности в NIST (изображение:  nist.gov).
Трёхмерная модель следа, сделанная при помощи лидара высокой точности в NIST (изображение: nist.gov).

Скорость отрисовки изображения составляет около двух тысяч пикселей в секунду, а погрешность не превышает десять микрометров. Это первая система, способная выполнять высокоточное дистанционное сканирование. Ей уже прочат большое будущее в медицине, криминалистике, дефектоскопии, системах машинного зрения, разведке и множестве других областей.

Разработчики считают, что первой практической сферой применения их оптической системы станет криминалистика. Традиционная техника создания слепков для снятия отпечатков следов требует больших усилий и сопряжена с риском разрушения улики. Дистанционное сканирование, выполняемое с точностью до десятка микрометров, оставляет следы нетронутыми и обеспечивает более надёжный сбор улик. Ряд производителей уже выразил готовность заключить контракты с NIST и начать серийное производство новых систем трёхмерного картографирования.

Реклама на Компьютерре