Unsere Straßen könnten eines Tages dank eines völlig neuartigen Systems sicherer sein, das einige der Einschränkungen von Lidar überwindet. Lidar, das gepulste Laser zur Kartierung von Objekten und Szenen verwendet, hilft autonomen Robotern, Fahrzeugen und Drohnen bei der Navigation in ihrer Umgebung. Das neue System stellt das erste Mal dar, dass die Fähigkeiten herkömmlicher Beam-Scanning-Lidar-Systeme mit denen eines neueren 3D-Ansatzes, der als Flash-Lidar bekannt ist, kombiniert wurden.
In Optik, der Zeitschrift der Optica Publishing Group für hochwirksame Forschung, beschreiben Forscher unter der Leitung von Susumu Noda von der Universität Kyoto in Japan ihr neues nichtmechanisches 3D-Lidar-System, das in die Handfläche passt. Sie zeigen auch, dass damit die Entfernung von schlecht reflektierenden Objekten gemessen und die Bewegung dieser Objekte automatisch verfolgt werden kann.
„Mit unserem Lidar-System werden Roboter und Fahrzeuge in der Lage sein, zuverlässig und sicher durch dynamische Umgebungen zu navigieren, ohne schlecht reflektierende Objekte wie schwarzmetallische Autos aus den Augen zu verlieren“, sagte Noda. „Diese Technologie beispielsweise in Autos einzubauen, würde das autonome Fahren sicherer machen.“
Das neue System ist möglich dank einer einzigartigen Lichtquelle, die die Forscher entwickelt haben und die als dual modulierter photonischer Kristalllaser (DM-PCSEL) bezeichnet wird. Da diese Lichtquelle chipbasiert ist, könnte sie schließlich die Entwicklung eines All-Solid-State-3D-Lidar-Systems auf dem Chip ermöglichen.
„Das DM-PCSEL integriert nicht-mechanische, elektronisch gesteuerte Strahlabtastung mit Blitzbeleuchtung, die in Flash-Lidar verwendet wird, um ein vollständiges 3D-Bild mit einem einzigen Lichtblitz zu erfassen“, sagte Noda. „Diese einzigartige Quelle ermöglicht es uns, sowohl Blitz- als auch Abtastbeleuchtung ohne bewegliche Teile oder sperrige externe optische Elemente wie Linsen und diffraktive optische Elemente zu erzielen.“
Kombination von Scannen und Blitzbeleuchtung
Lidar-Systeme bilden sichtbare Objekte ab, indem sie diese Objekte mit Laserstrahlen beleuchten und dann die Entfernung dieser Objekte berechnen, indem sie die Flugzeit (ToF) der Strahlen messen – die Zeit, die das Licht benötigt, um zu Objekten zu gelangen, reflektiert zu werden und dann Rückkehr zum System. Die meisten verwendeten und in der Entwicklung befindlichen Lidar-Systeme sind auf bewegliche Teile wie Motoren angewiesen, um den Laserstrahl zu scannen, was diese Systeme sperrig, teuer und unzuverlässig macht.
Ein nicht-mechanischer Ansatz, bekannt als Flash-Lidar, beleuchtet und bewertet gleichzeitig die Entfernungen aller Objekte im Sichtfeld mit einem einzigen breiten, diffusen Lichtstrahl. Flash-Lidar-Systeme können jedoch nicht verwendet werden, um die Entfernungen von schlecht reflektierenden Objekten wie schwarzmetallischen Autos zu messen, da von diesen Objekten nur sehr wenig Licht reflektiert wird. Diese Systeme neigen auch dazu, wegen der externen Linsen und optischen Elemente, die zum Erzeugen des Blitzstrahls benötigt werden, groß zu sein.
Um diese kritischen Einschränkungen anzugehen, entwickelten die Forscher die DM-PCSEL-Lichtquelle. Es verfügt sowohl über eine Blitzquelle, die ein breites Sichtfeld von 30°×30° beleuchten kann, als auch über eine Strahlabtastquelle, die eine Punktbeleuchtung mit 100 schmalen Laserstrahlen liefert.
Sie bauten das DM-PCSEL in ein 3D-Lidar-System ein, das es ihnen ermöglichte, die Entfernungen vieler Objekte gleichzeitig mit breiter Blitzbeleuchtung zu messen und gleichzeitig schlecht reflektierende Objekte selektiv mit einem konzentrierteren Lichtstrahl zu beleuchten. Die Forscher installierten auch eine ToF-Kamera, um Entfernungsmessungen durchzuführen, und entwickelten eine Software, die eine automatische Verfolgung der Bewegung von schlecht reflektierenden Objekten mithilfe von Beam-Scanning-Beleuchtung ermöglicht.
Messen von Objekten mit unterschiedlicher Reflektivität
„Mit unserem DM-PCSEL-basierten 3D-Lidar-System können wir stark reflektierende und schlecht reflektierende Objekte gleichzeitig erfassen“, sagte Noda. „Die Laser, die ToF-Kamera und alle zugehörigen Komponenten, die zum Betrieb des Systems erforderlich sind, wurden kompakt zusammengebaut, was zu einer Gesamtsystemfläche führt, die kleiner ist als eine Visitenkarte.“
Die Forscher demonstrierten das neue Lidar-System, indem sie damit die Entfernungen von schlecht reflektierenden Objekten messen, die auf einem Tisch in einem Labor platziert sind. Sie zeigten auch, dass das System schlecht reflektierende Objekte automatisch erkennen und ihre Bewegung durch selektive Beleuchtung verfolgen kann.
Die Forscher arbeiten nun daran, das System in praktischen Anwendungen wie der autonomen Bewegung von Robotern und Fahrzeugen zu demonstrieren. Sie wollen auch sehen, ob der Austausch der ToF-Kamera durch ein optisch empfindlicheres Einzelphotonen-Avalanche-Fotodiodenarray die Messung von Objekten über noch größere Entfernungen ermöglichen würde.