新しい3D LiDARシステムによる物体追跡と距離測定の向上

京都大学の野田修さんをリーダーとする研究者たちは、新しい非機械的3D LiDARシステムに関する研究を発表しました。このシステムは手の平に収まるサイズで、反射率の低い物体の距離を測定し、自動でその動きを追跡することができます。

この研究は、Opticaに掲載されています。

スキャニングとフラッシュ照明の組み合わせ

野田氏によると、「私たちのLiDARシステムを使用すると、ロボットと車両は、反射率の低い物体を失うことなく、動的な環境を安全に航行することができます。」また、自動運転をより安全にするために、この技術を車両に搭載することができると述べました。

この新しいシステムは、デュアルモジュレートフォトニッククリスタルレーザー（DM-PCSEL）と呼ばれるユニークな光源によって実現されています。DM-PCSELは、非機械的、電子制御されたビームスキャニングとフラッシュLiDARで使用されるフラッシュ照明を統合し、単一のフラッシュで全3Dイメージを取得することができます。この光源はチップベースで、将来的にはオンチップの全固体3D LiDARシステムの開発が可能になるでしょう。

LiDARシステムは、レーザービームで物体を照らして、その距離を測定することで、物体をマッピングします。ほとんどの既存および開発中のLiDARシステムは、機械的部品に依存しているため、サイズが大きく、コストが高く、信頼性が低くなります。一方、フラッシュLiDARシステムは、広い範囲の物体を同時に照らして距離を測定しますが、反射率の低い物体の距離を測定することはできません。また、フラッシュビームを作成するために外部レンズと光学要素が必要となるため、サイズが大きくなります。

新しい光源の開発

これらの限界を克服するために、研究者たちはDM-PCSEL光源を開発しました。この光源には、フラッシュ照明とビームスキャニングの両方の機能があります。研究者たちは、この光源を3D LiDARシステムに組み込み、広い範囲の物体を同時に測定し、反射率の低い物体を選択的に照らすことができるようにしました。また、ToFカメラを設置し、ビームスキャニング照明を使用した反射率の低い物体の動きを自動で追跡するためのソフトウェアを開発しました。

「私たちのDM-PCSELベースの3D LiDARシステムでは、高反射率と低反射率の物体を同時に測定することができます。」野田氏は述べました。「レーザー、ToFカメラ、その他の必要なコンポーネントをコンパクトに組み立てた結果、システムの全体的なサイズはビジネスカードよりも小さくなりました。」

研究者たちは、実験室のテーブルに置かれた反射率の低い物体の距離を測定することでシステムを実証しました。また、システムがこれらの物体の動きを認識して追跡することも示しました。研究者たちは現在、ロボットと車両の自律移動などの実用的な応用でシステムの潜在能力を探っています。また、ToFカメラをより光に敏感なシングルフォトンアバランシェフォトダイオードアレイに置き換えることで、より長距離の測定が可能になる可能性を調査しています。