Nieuw 3D-lidarsysteem voor verbeterde objectvolging en afstandsmeting

Onderzoekers onder leiding van Susumu Noda van de Kyoto University in Japan hebben een studie gepubliceerd over hun nieuw niet-mechanisch 3D-lidarsysteem. Het systeem past in de palm van de hand en is in staat om de afstand van slecht reflecterende objecten te meten en hun beweging automatisch te volgen.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Optica.

Samenvoegen van scannen en flitsverlichting

Volgens Noda “kan ons lidarsysteem robots en voertuigen betrouwbaar en veilig laten navigeren in dynamische omgevingen zonder het zicht op slecht reflecterende objecten zoals zwarte metalen auto’s te verliezen”. Hij voegde eraan toe dat het incorporeren van deze technologie in auto’s het autonome rijden veiliger zou maken.

Het nieuwe systeem is mogelijk gemaakt door een unieke lichtbron genaamd een dubbel gemodificeerde fotonische-kristallaser (DM-PCSEL). De DM-PCSEL integreert niet-mechanisch, elektronisch gestuurd bundelscannen met flitsverlichting die wordt gebruikt in flitslidar om een volledig 3D-beeld te verkrijgen met één flits licht. Deze lichtbron is gebaseerd op een chip en kan uiteindelijk de ontwikkeling van een volledig vaststaand 3D-lidarsysteem op een chip mogelijk maken.

Lidarsystemen maken kaarten van objecten door ze te verlichten met laserstralen en de afstand van deze objecten te berekenen door de tijd van vlucht (ToF) van de stralen te meten. De meeste bestaande en in ontwikkeling zijnde lidarsystemen vertrouwen op bewegende delen, waardoor ze omvangrijk, duur en onbetrouwbaar zijn. Flitslidarsystemen gebruiken daarentegen één brede en diffuse lichtstraal om alle objecten in zicht tegelijk te verlichten en te evalueren. Echter, flitslidarsystemen kunnen de afstand van slecht reflecterende objecten niet meten en hebben de neiging groot te zijn vanwege de externe lenzen en optische elementen die nodig zijn om de flitsstraal te creëren.

Ontwikkeling van de nieuwe lichtbron

Om deze beperkingen te overwinnen, ontwikkelden de onderzoekers de DM-PCSEL-lichtbron, die zowel flitsverlichting als bundelscanningsmogelijkheden heeft. De onderzoekers integreerden deze lichtbron in een 3D-lidarsysteem, waardoor het mogelijk werd om veel objecten tegelijk te meten met brede flitsverlichting en slecht reflecterende objecten te verlichten met een meer geconcentreerde lichtstraal. Ze installeerden ook een ToF-camera en ontwikkelden software voor automatische volging van de beweging van slecht reflecterende objecten met behulp van bundelscanningsverlichting.

“Ons DM-PCSEL-gebaseerde 3D-lidarsysteem laat ons toe om zowel sterk reflecterende als slecht reflecterende objecten tegelijk te meten”, zei Noda. “De lasers, ToF-camera en alle benodigde componenten om het systeem te bedienen werden op een compacte manier geassembleerd, waardoor het totale systeem een voetafdruk heeft die kleiner is dan een visitekaartje.”

De onderzoekers demonstreerden het systeem door het te gebruiken om de afstand van slecht reflecterende objecten te meten die op een tafel in een lab waren geplaatst. Ze toonden ook aan dat het systeem in staat is om de beweging van deze objecten te herkennen en te volgen. De onderzoekers zijn nu de mogelijkheden van het systeem aan het onderzoeken in praktische toepassingen, zoals het autonome bewegen van robots en voertuigen, en onderzoeken de mogelijkheid om de ToF-camera te vervangen door een meer optisch gevoelige enkele-foton-avalanche-photodiode-array voor metingen over langere afstanden.