Các phương tiện tự lái thường được trang bị hệ thống Lidar, sử dụng chùm xung laser lập bản đồ các vật thể và quang cảnh, cho phép robot, phương tiện tự hành và máy bay không người lái (UAV) điều hướng trong môi trường xung quanh.

 Hệ thống Lidar được sử dụng để phương tiện tự hành điều hướng trong môi trường xung quanh. Ảnh minh họa Optica.

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Kyoto, Nhật Bản đã phát triển một hệ thống Lidar 3D phi cơ học, nhỏ gọn trong lòng bàn tay, có thể được sử dụng để đo khoảng cách của những vật thể phản chiếu kém và tự động theo dõi chuyển động của các vật thể này.

Trưởng nhóm nghiên cứu Susumu Noda cho biết: “Với hệ thống Lidar của chúng tôi, robot và phương tiện tự hành sẽ có thể điều hướng với độ tin cậy và an toàn trong những môi trường năng động, không làm mất dấu những vật thể phản chiếu kém như ô tô kim loại màu đen. Việc kết hợp công nghệ này vào các phương tiện thông minh sẽ giúp hoạt động lái xe tự hành của thiết bị an toàn hơn trong môi trường phức tạp.”

Hệ thống mới có thể thực hiện được những chức năng kỹ thuật trên do sử dụng một nguồn sáng độc đáo mà các nhà khoa học đã phát triển, được gọi là laser tinh thể quang tử điều biến kép (DM-PCSEL). Do nguồn sáng này phát triển trên nền tảng chip nên cuối cùng cho phép phát triển hệ thống Lidar 3D trạng thái rắn hoàn toàn trên chip.

Ông Noda cho biết: “DM-PCSEL tích hợp chức năng quét chùm tia điều khiển điện tử, phi cơ học với đèn flash chiếu sáng được sử dụng trong flash lidar để thu được hình ảnh 3D đầy đủ chỉ với một tia sáng duy nhất.”

 “ Giải pháp nguồn sáng độc đáo này cho phép chúng tôi đạt được cả chiếu sáng flash và quét mà không cần bất kỳ bộ phận chuyển động nào hoặc các thành phần quang học bên ngoài cồng kềnh như thấu kính và những thành phần quang học nhiễu xạ.”

 Hệ thống Lidar 3D phi cơ học mới do các nhà khoa học Đại học Kyoto, Nhật Bản phát triển. Ảnh Susumu Noda, Đại học Kyoto.

Các hệ thống Lidar lập bản đồ những vật thể trong tầm nhìn, sử dụng phương pháp chiếu sáng những vật thể đó bằng chùm tia lasser, tính toán khoảng cách đến những vật thể đó bằng phương thức đo thời gian bay và phản hồi của chùm tia (ToF) — thời gian cần thiết để ánh sáng truyền tới vật thể, phản xạ và quay trở lại hệ thống.

Hầu hết các hệ thống Lidar đang được phát triển và sử dụng đều thiết kế với các bộ phận chuyển động cơ học như động cơ quét chùm tia laser, khiến các hệ thống này cồng kềnh, đắt tiền và không có độ tin cậy cao.

Phương pháp phi cơ học, được gọi là flash Lidar, đồng thời chiếu sáng và đánh giá khoảng cách của tất cả những vật thể trong trường nhìn bằng một chùm ánh sáng khuếch tán rộng duy nhất.

Nhưng không thể sử dụng hệ thống flash lidar để đo khoảng cách của các vật thể phản xạ kém như ô tô kim loại màu đen do lượng ánh sáng phản xạ từ những vật thể này rất nhỏ. Các hệ thống này cũng có xu hướng  có kích thước to hơn do sử dụng các thấu kính bên ngoài và những thành phần quang học cần thiết để tạo ra chùm sáng flash.

Nguồn sáng DM-PCSEL được sử dụng nguồn đèn nháy có thể chiếu sáng trường nhìn rộng 30°×30° và nguồn quét chùm tia, cung cấp nguồn chiếu sáng điểm với 100 chùm tia laser hẹp trên cơ sở chip.

Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã kết hợp DM-PCSEL vào hệ thống Lidar 3D, cho phép đo khoảng cách của nhiều vật thể đồng thời bằng phương pháp sử dụng đèn flash chiếu sáng rộng và chiếu sáng có chọn lọc những vật thể phản xạ kém bằng chùm sáng laser tập trung hơn. Nhóm nghiên cứu cài đặt một camera ToF để thực hiện những phép đo khoảng cách và phát triển phần mềm cho phép tự động theo dõi chuyển động của các vật thể phản chiếu kém bằng giải pháp sử dụng chiếu sáng quét chùm tia.

Nhà khoa học Noda cho biết: “Hệ thống Lidar 3D trên công nghệ cơ bản DM-PCSEL của chúng tôi cho phép xác định đồng thời các vật thể phản xạ cao và phản xạ kém. Các tia laser, camera ToF và tất cả những thành phần liên quan cần thiết để vận hành hệ thống được lắp ráp trong một thể tích nhỏ gọn, tổng diện tích hệ thống nhỏ hơn một tấm danh thiếp.”

Các nhà nghiên cứu đã trình diễn hệ thống Lidar mới bằng cách thử nghiệm sử dụng kỹ thuật này để đo khoảng cách của những vật phản xạ kém đặt trên bàn trong phòng thí nghiệm. Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh được, hệ thống có thể tự động nhận ra các vật thể phản chiếu kém và theo dõi chuyển động của vật thể bằng phương pháp chiếu sáng chọn lọc.

Các nhà nghiên cứu hiện đang làm việc để chứng minh hệ thống này trong các ứng dụng thực tế như chuyển động của robot và xe cộ. Nhóm cũng đang nghiên cứu thay thế camera ToF bằng một dãy đi-ốt quang mảng đơn photon, nhạy cảm quang học hơn có cho phép đo được các vật thể ở khoảng cách xa hơn hay không.