得益于一種全新的、克服了激光雷達（lidar）一些限制的系統(tǒng)，有一天我們的道路可能會變得更加安全。激光雷達使用脈沖激光繪制物體和場景，幫助自動駕駛機器人、車輛和無人機進行環(huán)境導航。新系統(tǒng)首次將傳統(tǒng)光束掃描激光雷達系統(tǒng)的功能與稱為閃光式激光雷達的新型3D方法相結(jié)合。

由日本京都大學Susumu Noda領導的研究人員描述了他們的新型非機械式3D激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以放在手掌上。他們還表示，它可以用來測量反射不良物體的距離，并自動跟蹤這些物體的運動。
Noda表示：“有了我們的激光雷達系統(tǒng)，機器人和車輛將能夠可靠、安全地在動態(tài)環(huán)境中導航，而不會看不到反射性較差的物體，如黑色金屬汽車。如果將這項技術應用到汽車中，將使自動駕駛更加安全。”

這一新系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)，主要得益于研究人員開發(fā)的一種稱為雙調(diào)制光子晶體激光器（DM-PCSEL）的獨特光源。因為這種光源是基于芯片的，它最終可以實現(xiàn)芯片上全固態(tài)3D激光雷達系統(tǒng)的開發(fā)。

Noda表示：“DM-PCSEL將非機械式、電子控制的光束掃描與閃光式激光雷達中使用的閃光照明相結(jié)合，通過一次閃光獲取完整的3D圖像。這種獨特的光源使我們能夠同時實現(xiàn)閃光和掃描照明，而無需任何移動零部件或大型外部光學元件，如透鏡和衍射光學元件。”

掃描和閃光照明結(jié)合

激光雷達系統(tǒng)通過用激光束照射這些物體，然后通過測量光束的飛行時間（ToF）來計算這些物體的距離，這是光線傳播到物體、被反射然后返回系統(tǒng)所需的時間。大多數(shù)正在使用和開發(fā)中的激光雷達系統(tǒng)都依賴于移動零部件（如電機）來掃描激光束，這使得這些系統(tǒng)體積龐大、價格昂貴且不可靠。

一種被稱為閃光式激光雷達的非機械方法，用一束寬的漫射光束同時照射和評估視野中所有物體的距離。然而，閃光式激光雷達系統(tǒng)無法用于測量反射性較差的物體（如黑色金屬汽車）的距離，因為這些物體反射的光線非常少。由于產(chǎn)生閃光光束所需的外部透鏡和光學元件，這些系統(tǒng)體積也往往較大。

為了解決這些關鍵的缺陷，研究人員開發(fā)了DM-PCSEL光源。它既有一個能照亮寬30°×30°視場的閃光光源，也有一個用100束窄激光束提供點照明的光束掃描光源。

他們將DM-PCSEL集成到一個3D激光雷達系統(tǒng)中，該系統(tǒng)讓他們能使用寬閃光照明同時測量許多物體的距離，同時也可以用更集中的光束選擇性地照亮反射性較差的物體。研究人員還安裝了一臺ToF相機來進行距離測量，并開發(fā)了能夠使用光束掃描照明自動跟蹤反射不良物體運動的軟件。
測量反射率變化的物體

Noda表示：“我們基于DM-PCSEL的3D激光雷達系統(tǒng)可以同時探測高反射和低反射物體。激光器、ToF相機以及操作系統(tǒng)所需的所有相關零部件都以緊湊的方式組裝，從而使整個系統(tǒng)的體積比一張名片還小。”

研究人員通過測量放置在實驗室桌子上反射不良物體的距離，展示了這一新的激光雷達系統(tǒng)。他們還表示，該系統(tǒng)可以自動識別反射不良物體，并使用選擇性照明跟蹤它們的移動。

研究人員目前正試圖在實際應用中演示該系統(tǒng)，例如機器人和車輛的自動移動。他們還想看看，用對光更敏感的單光子雪崩光電二極管陣列取代ToF相機是否可以測量更遠距離的物體。

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