由于一种全新的系统克服了激光雷达的一些局限性，我们的道路可能有一天会更安全。激光雷达利用脉冲激光绘制物体和场景，帮助自动驾驶机器人、车辆和无人机在环境中导航。这一新系统代表着传统光束扫描激光雷达系统的能力首次与被称为闪光激光雷达的新型3D方法的能力相结合。

由日本京都大学的野田淳领导的研究人员描述了他们新的非机械3D激光雷达系统，该系统可以放在手掌中。他们还表明，它可以用来测量反射性差的物体的距离，并自动跟踪这些物体的运动。

图 研究人员开发了一种新型的非机械 3D 激光雷达系统，该系统大小如名片（左），采用双调制表面发射光子晶体激光器（DM-PCSELs）作为闪光和光束扫描源

“有了我们的激光雷达系统，机器人和车辆将能够可靠、安全地在动态环境中导航，而不会失去对黑色金属汽车等反射性差的物体的视线，”野田说。“例如，将这一技术融入汽车，将使自动驾驶更加安全。”

由于研究人员开发了一种称为双调制光子晶体激光器（DM-PCSEL）的独特光源，新系统成为可能。由于这种光源是基于芯片的，它最终可能使芯片上的全固态3D激光雷达系统的发展成为可能。

“DM-PCSEL集成了非机械、电子控制光束扫描与闪光激光雷达中使用的闪光照明，以获得一个完整的3D图像，”野田说。“这种独特的光源使我们能够实现闪光和扫描照明，而无需任何移动部件或笨重的外部光学元件，如透镜和衍射光学元件。”

结合扫描和闪光照明

激光雷达系统通过用激光束照射这些对象，然后通过测量光束的飞行时间（ToF）来计算这些对象的距离——光到达对象、被反射然后返回系统所需的时间。大多数正在使用和开发中的激光雷达系统依赖于运动部件，如电机来扫描激光束，使这些系统体积庞大，价格昂贵，不可靠。

一种非机械的方法，被称为闪光激光雷达，同时用一束宽的漫射光束照射和评估视野中所有物体的距离。然而，闪光激光雷达系统无法测量像黑色金属汽车这样的低反射物体的距离，因为这些物体反射的光非常少。由于产生闪光灯所需的外部透镜和光学元件，这些系统也往往很大。

为了解决这些关键的限制，研究人员开发了DM-PCSEL光源。它既有一个闪光源，可以照亮30°×30°宽的视场，又有一个光束扫描源，可以提供100个窄激光束的点照明。

他们将DM-PCSEL集成到一个3D激光雷达系统中，使他们能够同时使用宽闪光照明测量许多物体的距离，同时还可以使用更集中的光束选择性地照亮反射性差的物体。研究人员还安装了一个ToF摄像头来进行距离测量，并开发了一种软件，可以使用光束扫描照明自动跟踪反射性差的物体的运动。

图 （a）照相机图像显示一个反射率高的白色物体和两个反射率低的黑色物体用于距离测量。(b): 新的激光雷达系统仅使用闪光激光源获得的距离测量表明，黑色物体的距离无法测量。(c): 新的激光雷达系统使用闪光灯和光束扫描激光源获得的测量结果能够同时推断出黑色和白色物体的距离

测量具有不同反射率的物体

“我们基于DM-PC SEL的3D激光雷达系统使我们能够同时对高反射和低反射物体进行测距，”野田说。“激光器、ToF相机和操作系统所需的所有相关组件都以紧凑的方式组装，导致系统总占地面积比名片还小。”

研究人员演示了新的激光雷达系统，用它来测量放置在实验室桌子上的反射性差的物体的距离。他们还表明，该系统可以自动识别反射较差的物体，并使用选择性照明跟踪它们的运动。

研究人员目前正致力于在实际应用中展示该系统，例如机器人和车辆的自主运动。他们还想知道，如果用光学灵敏度更高的单光子雪崩光电二极管阵列取代ToF相机，是否可以测量更长距离的物体。

图 研究人员展示了新的激光雷达系统，该系统可以自动识别反射率低的物体，并利用选择性照明跟踪它们的运动

(文章来源于Optica出版集团)