Bajo la dirección de Susumu Noda de la Universidad de Kyoto en Japón, un conjunto de investigadores ha presentado en óptica su revolucionario sistema lidar 3D sin componentes mecánicos. Este sistema de avanzada es capaz de caber en la palma de la mano y posee la habilidad para medir la distancia de objetos con baja reflectividad y seguir automáticamente el movimiento de dichos objetos.
«Con la implementación de nuestro sistema lidar, robots y vehículos tendrán la capacidad de navegar de manera segura y eficiente en ambientes dinámicos, sin perder de vista objetos de baja reflectividad como son los coches metálicos de color negro», asegura Noda. «Incorporar esta tecnología en vehículos, por ejemplo, aportaría un nivel de seguridad adicional a la conducción autónoma».
Fue gracias al desarrollo de un innovador láser de cristal fotónico de doble modulación (DM-PCSEL), una fuente de luz original basada en un chip, que este nuevo sistema se hizo posible. Este notable avance podría conducir al diseño de un sistema lidar 3D de estado sólido completamente integrado en un solo chip.
«El DM-PCSEL combina un escaneo de haz controlado electrónicamente y no mecánico con iluminación de flash utilizada en el lidar flash para capturar una imagen 3D completa con sólo un destello de luz», explica Noda. «Esta fuente única nos permite conseguir iluminación de flash y de escaneo sin componentes
móviles ni elementos ópticos externos de gran tamaño, como lentes y elementos ópticos difractivos».
Fusión de escaneo con iluminación flash
Los sistemas lidar emplean rayos láser para iluminar objetos y calcular su distancia midiendo el tiempo que toma para que los rayos viajen, se reflejen y retornen (ToF). No obstante, la mayoría de los sistemas lidar en uso o en proceso de desarrollo, requieren piezas móviles tales como motores para el escaneo del rayo láser, lo que los hace más grandes, costosos y menos confiables.
El lidar Flash es una metodología no mecánica que usa un solo haz de luz amplio y difuso, para iluminar y calcular las distancias de todos los objetos en su campo de visión. Sin embargo, los sistemas flash lidar tienen dificultades para medir las distancias de objetos con baja reflectividad, como los automóviles metálicos de color negro, debido a su baja reflectancia. Además, requieren lentes externas y elementos ópticos para crear el haz de flash, lo que incrementa su tamaño.
El equipo de investigadores desarrolló la fuente de luz DM-PCSEL para superar estas barreras. Dicha fuente de luz incluye una fuente de flash capaz de iluminar un campo de visión amplio de 30°×30°, y una fuente de escaneo de haces que permite iluminar puntualmente con 100 rayos láser estrechos.
Integrando el DM-PCSEL en el sistema lidar 3D, los investigadores consiguieron medir las distancias de múltiples objetos a la vez mediante la amplia iluminación de flash, a la vez que iluminaban selectivamente objetos de baja reflectividad con un haz de luz más concentrado. Para poder realizar mediciones de distancia y seguimiento automático de objetos con poca reflectividad, los investigadores equiparon el sistema con una cámara ToF y desarrollaron un sofisticado software que utiliza la iluminación de escaneo de haces.
Medición precisa de objetos con baja reflectividad
«Nuestro sistema lidar 3D, basado en DM-PCSEL nos permite medir de forma simultánea objetos con alta y baja reflectividad», destaca Noda. «Los láseres, la cámara ToF y todos los componentes asociados necesarios para operar el sistema, se montaron de forma compacta, resultando en un sistema que ocupa un espacio menor al de una tarjeta comercial».
Los investigadores probaron la eficacia del nuevo sistema utilizándolo para calcular las distancias de objetos de baja reflectividad dispuestos en una mesa de laboratorio. Asimismo, demostraron que el sistema era capaz de reconocer automáticamente objetos con baja reflectancia y seguir su movimiento mediante un enfoque de iluminación selectiva.
El equipo de investigación se propone ahora demostrar su aplicación práctica en situaciones reales de movimiento autónomo de robots y vehículos.
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