Nhận ra tiềm năng của xe tự lái phụ thuộc vào công nghệ có thể nhanh chóng cảm nhận và phản ứng với chướng ngại vật và các phương tiện khác trong thời gian thực. Các kỹ sư từ Đại học Texas ở Austin và Đại học Virginia đã tạo ra một thiết bị phát hiện ánh sáng đầu tiên có thể khuếch đại chính xác hơn các tín hiệu yếu phát ra từ các vật thể ở xa so với mức công nghệ hiện tại cho phép, mang lại cho các phương tiện tự động một bức tranh đầy đủ hơn về chuyện gì đang xảy ra trên đường.
Thiết bị mới này nhạy hơn các thiết bị phát hiện ánh sáng khác ở chỗ nó cũng loại bỏ sự không nhất quán, hoặc tiếng ồn, liên quan đến quá trình phát hiện. Những tiếng ồn như vậy có thể khiến hệ thống bỏ lỡ tín hiệu và khiến hành khách trên xe tự hành gặp rủi ro.
“Các phương tiện tự lái phát ra tín hiệu laser dội lại từ các vật thể để cho bạn biết bạn đang ở khoảng cách bao xa. Không có nhiều ánh sáng quay trở lại, vì vậy nếu máy dò của bạn phát ra nhiều tiếng ồn hơn so với tín hiệu đến, bạn sẽ không nhận được gì.
Các nhà nghiên cứu trên toàn cầu đang làm việc trên các thiết bị, được gọi là điốt quang tuyết lở, để đáp ứng những nhu cầu này. Nhưng điều làm cho thiết bị mới này nổi bật là sự liên kết giống như cầu thang của nó. Nó bao gồm các bước vật lý trong năng lượng mà các electron lăn xuống, nhân lên trên đường đi và tạo ra một dòng điện mạnh hơn để phát hiện ánh sáng khi chúng di chuyển.
Seth Bank, giáo sư Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính của Trường Cockrell, người đã dẫn đầu cuộc nghiên cứu cùng với Campbell, một cựu giáo sư tại Trường Cockrell từ năm 1989 đến 2006 và UT cho biết: “Electron giống như một viên bi lăn xuống cầu thang. Cựu sinh viên Austin (BS, Vật lý, 1969). “Mỗi lần viên bi lăn khỏi một bậc thang, nó sẽ rơi xuống và đâm vào tấm tiếp theo. Trong trường hợp của chúng ta, electron cũng làm điều tương tự, nhưng mỗi va chạm sẽ giải phóng đủ năng lượng để thực sự giải phóng một electron khác. Chúng ta có thể bắt đầu với một electron, nhưng việc rơi ra mỗi bước sẽ làm tăng gấp đôi số electron: 1, 2, 4, 8, v.v. ”
Thiết bị có kích thước pixel mới này lý tưởng cho các bộ thu Phát hiện và Rạng sáng (lidar), đòi hỏi cảm biến có độ phân giải cao để phát hiện tín hiệu quang học phản xạ từ các vật thể ở xa. Lidar là một phần quan trọng của công nghệ xe hơi tự lái và nó cũng có các ứng dụng trong chế tạo robot, giám sát và lập bản đồ địa hình.
Thêm các bước làm tăng độ nhạy và tính nhất quán của thiết bị. Và sự nhân lên nhất quán của các electron với mỗi bước làm cho tín hiệu điện từ máy dò trở nên đáng tin cậy hơn, ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu.
Bank cho biết: “Phép nhân càng ít ngẫu nhiên thì các tín hiệu bạn có thể nhận ra từ nền càng yếu. “Ví dụ, điều đó có thể cho phép bạn nhìn ra những khoảng cách xa hơn với hệ thống radar laser dành cho xe tự hành”.
Loại khả năng cảm biến này đã tồn tại trong nhiều thập kỷ, nhưng các rào cản công nghệ đã kìm hãm sự phát triển của nó. Ngân hàng cho biết, các ống nhân quang từ lâu đã đại diện cho “chén thánh” của dạng cảm biến này, nhưng công nghệ đó đã tồn tại hơn 50 năm và sử dụng các thành phần chiếu sáng và ống chân không đã lỗi thời. Vào những năm 1980, nhà phát minh Federico Capasso lần đầu tiên hình thành công nghệ điốt quang tuyết lở mà các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu. Nhưng các công cụ và kỹ thuật để biến nó thành hiện thực vẫn chưa đủ xa.
Ngân hàng cho biết, khoa học đằng sau bước đột phá này là một phương pháp mới để trồng vật liệu. Thay vì phát triển các vật liệu với các nguyên tử phân bố ngẫu nhiên, họ tạo ra các hợp kim nhiều lớp bao gồm các hợp chất nhị phân - những hợp chất được tạo thành từ hai nguyên tố - xếp chồng lên nhau.
"Điều này cho phép là thay đổi cảnh quan năng lượng của electron theo một cách rất đơn giản để tạo ra cấu trúc mà Capasso đã hình dung vào đầu những năm 80, nhưng tiếc là không có khả năng tổng hợp các tinh thể có tất cả các đặc tính cần thiết", Bank nói .
Một phần quan trọng khác của thiết bị này là nó có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng. Ngày nay, các thiết bị phát hiện ánh sáng nhạy cảm nhất cần được giữ ở nhiệt độ hàng trăm độ dưới XNUMX, khiến chúng trở nên quá đắt và không thực tế đối với các ứng dụng như lidar.
Nghiên cứu được tài trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ (ARO) và Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA). Các nhà nghiên cứu đã tài trợ thông qua ARO và DARPA để tiếp tục tinh chỉnh quy trình của họ để thêm nhiều bước hơn nữa cho các thiết bị. Và họ đang làm việc với Semiconductor công ty để thương mại hóa công nghệ.
Các kỹ sư cũng có kế hoạch kết hợp thiết bị cầu thang nhiều bậc của họ với một diode quang tuyết lở mà họ đã chế tạo vào năm ngoái nhạy cảm với ánh sáng cận hồng ngoại, mở ra các ứng dụng mới như cáp quang thông tin liên lạc và ảnh nhiệt.
Bank cho biết: “Điều này sẽ mang lại cho chúng ta những điều tốt nhất của cả hai thế giới: phản ứng với dải màu rộng hơn và độ nhạy cao hơn đối với tín hiệu yếu vì độ khuếch đại tiếng ồn thấp hơn tự nhiên đến từ kiến trúc cầu thang,” Bank nói.