如何利用量子效應(yīng)開發(fā)更小更經(jīng)濟(jì)的片上激光雷達(dá)？

在現(xiàn)實世界中移動運行設(shè)備，需要利用傳感器來感知周圍的環(huán)境。激光雷達(dá)（LiDAR）便是熱門的傳感器之一，它有很多潛在應(yīng)用，但往往由于其尺寸太大或成本太高而無法成為可行的選擇。

3D激光雷達(dá)是一種已經(jīng)存在半個多世紀(jì)的激光成像技術(shù)。與雷達(dá)（RADAR）一樣（一種類似的基于無線電波的傳感方式），激光雷達(dá)可以掃描整個區(qū)域，然后接收并解析反射信號。

一直以來，這些基于激光的傳感系統(tǒng)通常需要用到運動部件，這會增加系統(tǒng)的重量、復(fù)雜性、耐久性以及成本。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國華盛頓大學(xué)（University of Washington）電氣和計算機(jī)工程系的一支研究團(tuán)隊開發(fā)了一種尺寸更小、成本更低且沒有運動部件的激光雷達(dá)，這一突破性技術(shù)有望很快為很多應(yīng)用領(lǐng)域帶來變革。該研究成果已經(jīng)以“Frequency–angular resolving LiDAR using chip-scale acousto-optic beam steering”為題發(fā)表于Nature期刊。在這項研究中，研究人員利用量子效應(yīng)在芯片上構(gòu)建了激光雷達(dá)，這是一種不需要運動部件的輕量化方案。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的華盛頓大學(xué)物理學(xué)教授Mo Li說：“我們發(fā)明了一種全新類型的激光束操縱器件，它采用芯片集成方案，且不需要任何運動部件來執(zhí)行掃描。這項新技術(shù)利用芯片表面?zhèn)鬏數(shù)穆曇魜硪龑?dǎo)掃描激光進(jìn)入自由空間，它可以探測100米外的三維物體并對其進(jìn)行成像。”

Mo Li教授是電氣和計算機(jī)工程系研究部副主任，也是該論文的通訊作者。本研究的大部分實驗工作由共同第一作者、博士后學(xué)者Bingzhao Li和研究生Qixuan Lin合作完成。兩人都是Mo Li教授領(lǐng)導(dǎo)的華盛頓大學(xué)光子系統(tǒng)實驗室的成員。

Mo Li教授把激光雷達(dá)形象地比作在某個區(qū)域來回照明的探照燈。他們開發(fā)的片上激光雷達(dá)的最大區(qū)別在于，其發(fā)射的激光束可以通過量子效應(yīng)進(jìn)行操縱。

聲光光束操縱（AOBS）運行原理

聲光光束操縱器件結(jié)構(gòu)

激光束僅略高于芯片表面上方通過，對眼睛來說是安全的。同時，該技術(shù)利用叉指換能器（IDT）在芯片上激發(fā)聲波。所產(chǎn)生的振動根據(jù)其頻率來回“操縱”激光束，其運動可以連續(xù)或步進(jìn)式進(jìn)行。

隨后，激光束從環(huán)境中的物體反射回到激光雷達(dá)，并由探測器接收。然后通過軟件解析反射光的信息，從而構(gòu)建反射物體的3D圖像。

華盛頓大學(xué)研究人員開發(fā)的新型片上激光雷達(dá)，利用表面?zhèn)鞑サ穆暡▉聿倏v激光束，就像在某個區(qū)域來回照射的探照燈。由此，自動駕駛汽車就可以“看”到遠(yuǎn)處的行人、車輛等物體。

該芯片采用一種被研究小組稱為“聲光光束操縱（AOBS）”的技術(shù)，其芯片可以產(chǎn)生幾個GHz的高頻聲音脈沖（遠(yuǎn)超人類可以聽得見的范圍）。這些振動會產(chǎn)生一種被稱為聲子的量子準(zhǔn)粒子。這種聲子可以改變組成光束的光子的偏轉(zhuǎn)，使光束像通過棱鏡一樣發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

聲光光束操縱（AOBS）和多光束生成的表征

光的散射大部分保留在芯片二維波導(dǎo)的平面內(nèi)。因此，激光可以穿過由振動產(chǎn)生的量子級介質(zhì)。聲子能夠根據(jù)頻率改變光束的方向，從而使其掃過一定角度，形成大約20度的視場。

本質(zhì)上說，這種振動產(chǎn)生了相當(dāng)于衍射光柵的效果，聲子改變了激光相干光的角度和波長。

這是該系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵特征，因為波長的變化也對應(yīng)于頻率的變化。該現(xiàn)象源于一種眾所周知的“布里淵散射”效應(yīng)。正因為如此，光束角度的每一個微小差異實際上都會被有效“標(biāo)記”，因為它具有不同頻率的光子。

這使得可以利用單像素相機(jī)檢測返回的光子。然后，通過軟件處理這些信息，以快速構(gòu)建包括掃描場景的圖像。

“我們可以通過反射激光的‘顏色’來判斷其方向，我們將這種方法命名為‘頻率-角度解析’?！盦ixuan Lin說，“我們的接收器只需要單個成像像素，而非完整的相機(jī)，就可以對遠(yuǎn)距離的物體進(jìn)行成像。因此，它能夠比當(dāng)前常見的激光雷達(dá)接收器更小、更經(jīng)濟(jì)。”

測量實驗設(shè)置。a. 由位于k空間平面右側(cè)CCD相機(jī)捕獲的轉(zhuǎn)向光束；b. 相對于聲波頻率的轉(zhuǎn)向光束角。

該系統(tǒng)目前的探測距離約為110米。然而，在高速公路上正常行駛的自動駕駛汽車通常需要大約三倍的探測距離才能確保安全。目前的探測距離限制，主要源于該系統(tǒng)目前僅有約5%的效率。Mo Li教授認(rèn)為，他們還需要經(jīng)過一年的開發(fā)，才能達(dá)到300米探測所需要的50%效率。這種探測距離就可以使高速上行駛的車輛有足夠的時間對其路徑上的物體和情況做出恰當(dāng)響應(yīng)。

自動駕駛汽車是下一代激光雷達(dá)重要的商業(yè)應(yīng)用之一。盡管特斯拉首席執(zhí)行官Elon Musk至今還不這么認(rèn)為，但是，成本足夠低的激光雷達(dá)或許會令他改變想法。

此外，這種新方案還使系統(tǒng)的重量顯著減輕，使其在無人機(jī)領(lǐng)域也有了廣闊的應(yīng)用前景。對于機(jī)器人領(lǐng)域，還可以在從倉儲自動化到軍用機(jī)器人等用例中應(yīng)用這一新系統(tǒng)。更小的尺寸加上沒有運動部件，也為醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用提供了獨特機(jī)遇。

Mo Li教授和Bingzhao Li計劃成立一家創(chuàng)業(yè)公司，在兩三年內(nèi)將他們的這項技術(shù)商業(yè)化。并且，他們已經(jīng)從華盛頓大學(xué)創(chuàng)業(yè)孵化器CoMotion和華盛頓研究基金會獲得了種子資金。

Mo Li教授說：“兩名研究生僅花了大約九個月的時間就開發(fā)出了這項技術(shù)，側(cè)面反映了這項技術(shù)比較容易實踐。從本質(zhì)上講，這款器件并不復(fù)雜。它是一個好創(chuàng)意的直接實現(xiàn)，而且很有效?！?/p>

審核編輯：劉清