Neues 3D-Lidar-System für verbesserte Objekterkennung und Distanzmessung

Forscher unter der Leitung von Susumu Noda von der Kyoto University in Japan haben eine Studie über ihr neues nicht-mechanisches 3D-Lidar-System veröffentlicht. Das System passt in die Handfläche und ist in der Lage, die Distanz von schlecht reflektierenden Objekten zu messen und ihre Bewegung automatisch zu verfolgen.

Die Forschung wurde in Optica veröffentlicht.

Kombination von Scanning und Flash-Beleuchtung

Laut Noda “könnten mit unserem Lidar-System Roboter und Fahrzeuge dynamische Umgebungen zuverlässig und sicher navigieren, ohne schlecht reflektierende Objekte wie schwarze Metallfahrzeuge aus den Augen zu verlieren.” Er fügte hinzu, dass die Integration dieser Technologie in Fahrzeuge das autonome Fahren sicherer machen würde.

Das neue System wird durch eine einzigartige Lichtquelle ermöglicht, die als dually modulierter photonischer Kristall-Laser (DM-PCSEL) bezeichnet wird. Der DM-PCSEL integriert nicht-mechanisches, elektronisch gesteuertes Strahlscanning mit Flash-Beleuchtung, die in Flash-Lidar verwendet wird, um ein vollständiges 3D-Bild mit einem einzigen Lichtblitz zu erhalten. Diese Lichtquelle ist chip-basiert und könnte letztendlich die Entwicklung eines auf einem Chip basierenden, vollständig festen 3D-Lidar-Systems ermöglichen.

Lidar-Systeme kartieren Objekte, indem sie sie mit Laserstrahlen beleuchten und die Distanz dieser Objekte durch Messung der Flugzeit (ToF) der Strahlen berechnen. Die meisten vorhandenen und in Entwicklung befindlichen Lidar-Systeme basieren auf beweglichen Teilen, was sie sperrig, teuer und unzuverlässig macht. Flash-Lidar-Systeme verwenden hingegen einen einzelnen breiten und diffusen Lichtstrahl, um gleichzeitig alle Objekte im Blickfeld zu beleuchten und ihre Distanzen zu bewerten. Allerdings können Flash-Lidar-Systeme die Distanzen von schlecht reflektierenden Objekten nicht messen und neigen dazu, aufgrund der externen Linsen und optischen Elemente, die erforderlich sind, um den Flash-Strahl zu erzeugen, groß zu sein.

Entwicklung der neuen Lichtquelle

Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelten die Forscher die DM-PCSEL-Lichtquelle, die sowohl Flash-Beleuchtung als auch Strahlscanning-Fähigkeiten besitzt. Die Forscher integrierten diese Lichtquelle in ein 3D-Lidar-System, das es ermöglicht, viele Objekte gleichzeitig mit breiter Flash-Beleuchtung und selektiver Beleuchtung von schlecht reflektierenden Objekten mit einem konzentrierteren Lichtstrahl zu messen. Sie installierten auch eine ToF-Kamera und entwickelten Software für die automatische Verfolgung der Bewegung von schlecht reflektierenden Objekten mit Strahlscanning-Beleuchtung.

“Unser DM-PCSEL-basiertes 3D-Lidar-System ermöglicht es uns, hoch reflektierende und schlecht reflektierende Objekte gleichzeitig zu messen”, sagte Noda. “Die Laser, die ToF-Kamera und alle erforderlichen Komponenten, um das System zu betreiben, wurden auf kompakte Weise zusammengebaut, was zu einem Gesamtsystem-Fußabdruck führte, der kleiner ist als eine Visitenkarte.”

Die Forscher demonstrierten das System, indem sie es verwendeten, um die Distanzen von schlecht reflektierenden Objekten zu messen, die auf einem Tisch in einem Labor platziert wurden. Sie zeigten auch, dass das System in der Lage ist, die Bewegung dieser Objekte zu erkennen und zu verfolgen. Die Forscher erforschen nun das Potenzial des Systems in praktischen Anwendungen, wie der autonomen Bewegung von Robotern und Fahrzeugen, und untersuchen die Möglichkeit, die ToF-Kamera durch ein optisch empfindlicheres Single-Photon-Avalanche-Photodioden-Array für längere Distanzmessungen zu ersetzen.