Nuestras carreteras algún día podrían ser más seguras gracias a un tipo de sistema completamente nuevo que supera algunas de las limitaciones de lidar. Lidar, que utiliza láseres pulsados para mapear objetos y escenas, ayuda a los robots, vehículos y drones autónomos a navegar por su entorno. El nuevo sistema representa la primera vez que las capacidades de los sistemas lidar de escaneo de haz convencionales se combinan con las de un enfoque 3D más nuevo conocido como flash lidar.
En Óptica, la revista de investigación de alto impacto de Optica Publishing Group, los investigadores dirigidos por Susumu Noda de la Universidad de Kyoto en Japón describen su nuevo sistema lidar 3D no mecánico, que cabe en la palma de la mano. También muestran que se puede usar para medir la distancia de objetos poco reflectantes y rastrear automáticamente el movimiento de estos objetos.
«Con nuestro sistema lidar, los robots y los vehículos podrán navegar de manera confiable y segura en entornos dinámicos sin perder de vista los objetos poco reflectantes, como los automóviles negros metálicos», dijo Noda. «Incorporar esta tecnología en los automóviles, por ejemplo, haría que la conducción autónoma fuera más segura».
El nuevo sistema es posible gracias a una fuente de luz única que los investigadores desarrollaron llamada láser de cristal fotónico de doble modulación (DM-PPCSEL). Debido a que esta fuente de luz está basada en un chip, eventualmente podría permitir el desarrollo de un sistema lidar 3D de estado sólido en el chip.
«El DM-PCSEL integra un escaneo de haz controlado electrónicamente y no mecánico con iluminación de flash utilizada en el lidar de flash para adquirir una imagen 3D completa con un solo destello de luz», dijo Noda. «Esta fuente única nos permite lograr tanto la iluminación de flash como la de exploración sin piezas móviles ni elementos ópticos externos voluminosos, como lentes y elementos ópticos de difracción».
Combinación de escaneo e iluminación de flash
Los sistemas Lidar mapean objetos a la vista iluminándolos con rayos láser y luego calculando la distancia de esos objetos midiendo el tiempo de vuelo (ToF) de los rayos, el tiempo que tarda la luz en viajar a los objetos, reflejarse y luego volver al sistema. La mayoría de los sistemas lidar en uso y en desarrollo dependen de partes móviles como motores para escanear el rayo láser, lo que hace que estos sistemas sean voluminosos, costosos y poco confiables.
Un enfoque no mecánico, conocido como flash lidar, ilumina y evalúa simultáneamente las distancias de todos los objetos en el campo de visión con un solo haz de luz amplio y difuso. Sin embargo, los sistemas de flash lidar no se pueden usar para medir las distancias de objetos poco reflectantes, como automóviles negros metálicos, debido a la cantidad muy pequeña de luz reflejada por estos objetos. Estos sistemas también tienden a ser grandes debido a las lentes externas y los elementos ópticos necesarios para crear el haz de luz.
Para abordar estas limitaciones críticas, los investigadores desarrollaron la fuente de luz DM-PCSEL. Tiene una fuente de flash que puede iluminar un amplio campo de visión de 30°×30° y una fuente de escaneo de haz que proporciona iluminación puntual con 100 haces de láser angostos.
Incorporaron el DM-PCSEL en un sistema lidar 3D, lo que les permitió medir las distancias de muchos objetos simultáneamente usando una amplia iluminación de flash mientras también iluminaban selectivamente objetos poco reflectantes con un haz de luz más concentrado. Los investigadores también instalaron una cámara ToF para realizar mediciones de distancia y desarrollaron un software que permite el seguimiento automático del movimiento de objetos poco reflectantes utilizando iluminación de escaneo de haz.
Medición de objetos con reflectividad variable
«Nuestro sistema lidar 3D basado en DM-PCSEL nos permite medir simultáneamente objetos altamente reflectantes y poco reflectantes», dijo Noda. «Los láseres, la cámara ToF y todos los componentes asociados necesarios para operar el sistema se ensamblaron de manera compacta, lo que resultó en una huella total del sistema que es más pequeña que una tarjeta de presentación».
Los investigadores demostraron el nuevo sistema lidar usándolo para medir las distancias de objetos poco reflectantes colocados sobre una mesa en un laboratorio. También demostraron que el sistema puede reconocer automáticamente objetos poco reflectantes y rastrear su movimiento utilizando iluminación selectiva.
Los investigadores ahora están trabajando para demostrar el sistema en aplicaciones prácticas, como el movimiento autónomo de robots y vehículos. También quieren ver si reemplazar la cámara ToF con una matriz de fotodiodos de avalancha de fotón único más sensible ópticamente permitiría la medición de objetos a distancias aún más largas.
