Ny 3D Lidar-system for bedre objektfølgning og avstandsmåling

Forskere ledet av Susumu Noda fra Kyoto University i Japan har publisert en studie om deres nye ikke-mekaniske 3D lidar-system. Systemet passer i håndflaten og er i stand til å måle avstanden til dårlig reflekterende objekter og automatisk følge deres bevegelse.

Forskningen ble publisert i Optica.

Kombinering av scanning og flashbelysning

Ifølge Noda “Med vårt lidar-system vil roboter og kjøretøy kunne navigere trygt og pålitelig i dynamiske miljøer uten å miste synet på dårlig reflekterende objekter som svarte metallbiler.” Han la til at inkorporering av teknologien i biler ville gjøre selvkjørende kjøring tryggere.

Det nye systemet er mulig takket være en unik lyskilde kalt en dobbelt modulert fotonisk-krystal laser (DM-PCSEL). DM-PCSEL integrerer ikke-mekanisk, elektronisk kontrollert strålescanning med flashbelysning brukt i flash lidar for å få en full 3D-bilde med ett enkelt lysglimt. Denne lyskilden er basert på en chip og kunne muligens ermöglice utviklingen av et på-chip all-solid-state 3D lidar-system.

Lidar-systemer kartlegger objekter ved å belyse dem med laserstråler og beregne avstanden til disse objektene ved å måle flytiden (ToF) til strålene. De fleste eksisterende og under utvikling lidar-systemer avhenger av bevegelige deler, noe som gjør dem bulke, dyre og upålitelige. Flash lidar-systemer, på den andre siden, bruker en enkelt bred og diffus stråle av lys for å samtidig belyse og evaluere avstandene til alle objekter i syne. Imidlertid kan flash lidar-systemer ikke måle avstanden til dårlig reflekterende objekter og har en tendens til å være store på grunn av de eksterne linser og optiske elementer som kreves for å skape flash-strålen.

Utvikling av den nye lyskilden

For å overvinne disse begrensningene, utviklet forskerne DM-PCSEL-lyskilden, som har både flashbelysning og strålescanningsevner. Forskerne inkorporerte denne lyskilden i et 3D lidar-system, som muliggjør samtidig måling av mange objekter med bred flashbelysning og selektiv belysning av dårlig reflekterende objekter med en mer konsentrert stråle av lys. De installerte også en ToF-kamera og utviklet programvare for automatisk sporings av bevegelsen til dårlig reflekterende objekter med strålescanningbelysning.

“Vårt DM-PCSEL-baserte 3D lidar-system lar oss måle høyt reflekterende og dårlig reflekterende objekter samtidig,” sa Noda. “Lasere, ToF-kamera og alle komponenter som kreves for å operere systemet, ble montert på en kompakt måte, noe som resulterte i et totalsystem som er mindre enn en forretningskort.”

Forskerne demonstrerte systemet ved å bruke det til å måle avstanden til dårlig reflekterende objekter plassert på et bord i et laboratorium. De viste også at systemet kan gjenkjenne og spore bevegelsen til disse objektene. Forskerne er nå i ferd med å utforske potensialet til systemet i praktiske anvendelser, som selvbevegelse av roboter og kjøretøy, og undersøker muligheten for å erstatte ToF-kameraet med en mer optisk sensitiv enkelt-foton-avalanche-photodiode-array for lengre avstandsmålinger.