微型固態(tài)激光雷達異軍突起

激光雷達越來越多地為自動駕駛汽車、無人機和機器人以及智能手機提供 3D 掃描功能，但它通常使用移動部件來限制它可以縮小的程度。一項新的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在科學家們已經(jīng)開發(fā)出一種指尖大小的固態(tài)激光雷達芯片，有朝一日可能會讓3-D 傳感器變得無處不在。

激光雷達傳感器使用光的方式與雷達使用無線電波的方式非常相似——它將激光照射到某個位置并分析反射脈沖返回所需的時間，以計算距離并生成該位置的 3D 地圖。為了捕獲這種飛行時間數(shù)據(jù)，激光雷達傳感器必須引導激光束穿過掃描區(qū)域，通常使用的機械部件會使設備速度慢、體積大、不穩(wěn)定且價格昂貴。

不過，最近，科學家們已經(jīng)開始探索固態(tài)激光雷達傳感器，其中的一種策略涉及光學相控陣，它通過改變相位來控制陣列中天線發(fā)射的光波——即波彼此同步的程度。但是，這些設備通常需要大型天線才能獲得高性能；它們的功耗可以證明很高；當大量元素緊密堆積在一起時，控制大量元素的相位可能具有挑戰(zhàn)性，這可能會限制這些設備的分辨率和視野。

固態(tài)激光雷達的另一種策略涉及所謂的焦平面開關陣列。這些涉及將芯片劃分為像素，每個像素都有一個天線，專門用于傳感器視野中的一塊空間。芯片中的光開關將光沿著一系列通道傳送到每個天線，這些天線發(fā)射和接收激光脈沖。該天線陣列放置在鏡頭后面，用于聚焦進出設備的光線。

“我們的激光雷達與數(shù)碼相機非常相似，”該研究的資深作者、加州大學伯克利分校的電氣工程師Ming Wu說?！拔覀冎恍栌梦覀兊墓鈱W開關陣列替換 CMOS 圖像傳感器。我們的激光雷達的每個像素都可以發(fā)射激光并接收來自目標的反射光，而不是僅僅捕捉進入相機的自然光。這使我們能夠測量目標“一個像素一個像素的距離，將 2D 圖像擴展到 3D。這種相似性意味著我們可以讓激光雷達像今天的智能手機相機一樣緊湊?！?/p>

然而，到目前為止，開關的尺寸和它們所需的高功率將此類激光雷達傳感器限制在 512 像素或更少?，F(xiàn)在，Wu 和他的同事們已經(jīng)開發(fā)出一種 16384 像素的焦平面開關陣列激光雷達，這是迄今為止固態(tài)激光雷達的最高分辨率，它集成在一個 110 平方毫米的硅光子芯片上。

啟用新設備的一個關鍵進步是使用基于微機電系統(tǒng) （MEMS） 的開關。這些提供小尺寸、低功耗和快速切換時間。

128 x 128 天線陣列可以將激光束瞄準 16，384 個不同方向，覆蓋 70 度的寬視場。相比之下，人類雙眼視覺的水平視野范圍約為 120 到 140 度?！捌呤确浅＝咏悄苁謾C相機的視角，”吳說。

在實驗中，該設備在約 10 米范圍內(nèi)的分辨率為 1.7 厘米。該設備可以以 100 千赫茲的速度運行，研究人員稱該速度適用于激光雷達掃描儀。

新傳感器的橫向分辨率相對較低，僅為 0.13 度，清華大學的 Hongyan Fu 和北京大學的李倩在對這項新研究的評論中指出。他們說，這將限制其對長距離探測的適用性，這是許多焦平面開關陣列激光雷達系統(tǒng)的一個缺點。他們補充說，增加芯片尺寸或縮小每個像素的占位面積可以提高分辨率，可能是通過進一步優(yōu)化 MEMS 開關。

科學家們設想將每個 55×55 微米像素的當前尺寸縮小到 10×10 微米，并將芯片尺寸增加到 1×1 厘米，以實現(xiàn)百萬像素固態(tài)激光雷達。他們指出，魚眼鏡頭可以實現(xiàn) 180 度或更大的視野。

“我們的激光雷達的像素大小為 50 微米，與 30 年前發(fā)明的第一個 CMOS 圖像傳感器大致相同，”吳說?！拔覀冾A計我們的激光雷達的分辨率會隨著技術的進步而提高，就像 CMOS 圖像傳感器一樣。希望在不到 30 年的時間將其擴展到百萬像素分辨率?！?/p>

研究人員指出，他們的設備可以在商業(yè) CMOS 代工廠中使用標準半導體工藝進行批量生產(chǎn)。“CMOS 相機無處不在，因為它們體積小且價格便宜。智能手機相機大小的固態(tài)激光雷達將支持許多新應用，”Wu 說?！八鼈儗⑹箼C器人能夠更精確地與人類互動，并與彼此互動?！?/p>

除了自動駕駛汽車和駕駛輔助，這些激光雷達傳感器“還可用于自動導航無人機——家庭安全無人機將是一個有趣的應用，”吳說。“一些掃地機器人已經(jīng)擁有一些基本的激光雷達；高分辨率激光雷達將為您的房屋提供更高精度的 3D 地圖。其他應用包括移動 3D 傳感，包括增強現(xiàn)實?！?/p>

審核編輯 ：李倩