微型固態(tài)激光雷達(dá)異軍突起

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

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

不過，最近，科學(xué)家們已經(jīng)開始探索固態(tài)激光雷達(dá)傳感器，其中的一種策略涉及光學(xué)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(shè)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(dāng)大量元素緊密堆積在一起時(shí)，控制大量元素的相位可能具有挑戰(zhàn)性，這可能會(huì)限制這些設(shè)備的分辨率和視野。

固態(tài)激光雷達(dá)的另一種策略涉及所謂的焦平面開關(guān)陣列。這些涉及將芯片劃分為像素，每個(gè)像素都有一個(gè)天線，專門用于傳感器視野中的一塊空間。芯片中的光開關(guān)將光沿著一系列通道傳送到每個(gè)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(jìn)出設(shè)備的光線。

“我們的激光雷達(dá)與數(shù)碼相機(jī)非常相似，”該研究的資深作者、加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程師Ming Wu說。“我們只需用我們的光學(xué)開關(guān)陣列替換 CMOS 圖像傳感器。我們的激光雷達(dá)的每個(gè)像素都可以發(fā)射激光并接收來自目標(biāo)的反射光，而不是僅僅捕捉進(jìn)入相機(jī)的自然光。這使我們能夠測(cè)量目標(biāo)“一個(gè)像素一個(gè)像素的距離，將 2D 圖像擴(kuò)展到 3D。這種相似性意味著我們可以讓激光雷達(dá)像今天的智能手機(jī)相機(jī)一樣緊湊?！?/p>

然而，到目前為止，開關(guān)的尺寸和它們所需的高功率將此類激光雷達(dá)傳感器限制在 512 像素或更少。現(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(guān)陣列激光雷達(dá)，這是迄今為止固態(tài)激光雷達(dá)的最高分辨率，它集成在一個(gè) 110 平方毫米的硅光子芯片上。

啟用新設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)步是使用基于微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 的開關(guān)。這些提供小尺寸、低功耗和快速切換時(shí)間。

128 x 128 天線陣列可以將激光束瞄準(zhǔn) 16，384 個(gè)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。“七十度非常接近智能手機(jī)相機(jī)的視角，”吳說。

在實(shí)驗(yàn)中，該設(shè)備在約 10 米范圍內(nèi)的分辨率為 1.7 厘米。該設(shè)備可以以 100 千赫茲的速度運(yùn)行，研究人員稱該速度適用于激光雷達(dá)掃描儀。

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

科學(xué)家們?cè)O(shè)想將每個(gè) 55×55 微米像素的當(dāng)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(shí)現(xiàn)百萬像素固態(tài)激光雷達(dá)。他們指出，魚眼鏡頭可以實(shí)現(xiàn) 180 度或更大的視野。

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

研究人員指出，他們的設(shè)備可以在商業(yè) CMOS 代工廠中使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)?！癈MOS 相機(jī)無處不在，因?yàn)樗鼈凅w積小且價(jià)格便宜。智能手機(jī)相機(jī)大小的固態(tài)激光雷達(dá)將支持許多新應(yīng)用，”Wu 說?！八鼈儗⑹箼C(jī)器人能夠更精確地與人類互動(dòng)，并與彼此互動(dòng)?！?/p>

除了自動(dòng)駕駛汽車和駕駛輔助，這些激光雷達(dá)傳感器“還可用于自動(dòng)導(dǎo)航無人機(jī)——家庭安全無人機(jī)將是一個(gè)有趣的應(yīng)用，”吳說?！耙恍叩貦C(jī)器人已經(jīng)擁有一些基本的激光雷達(dá)；高分辨率激光雷達(dá)將為您的房屋提供更高精度的 3D 地圖。其他應(yīng)用包括移動(dòng) 3D 傳感，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)?！?/p>

審核編輯 ：李倩