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(shí)世界中移動(dòng)運(yùn)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(gè)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(gè)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(yùn)動(dòng)部件，這會(huì)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(bào)道，美國華盛頓大學(xué)（University of Washington）電氣和計(jì)算機(jī)工程系的一支研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種尺寸更小、成本更低且沒有運(yùn)動(dòng)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(xiàng)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(yùn)動(dòng)部件的輕量化方案。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)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(yùn)動(dòng)部件來執(zhí)行掃描。這項(xiàng)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?！?/p>

Mo Li教授是電氣和計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的成員。

Mo Li教授把激光雷達(dá)形象地比作在某個(gè)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(yùn)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(shí)，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(dòng)根據(jù)其頻率來回“操縱”激光束，其運(yùn)動(dòng)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(gè)區(qū)域來回照射的探照燈。由此，自動(dòng)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(gè)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(dòng)會(huì)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(dòng)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(dòng)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(gè)關(guān)鍵特征，因?yàn)椴ㄩL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?yàn)槿绱?，光束角度的每一個(gè)微小差異實(shí)際上都會(huì)被有效“標(biāo)記”，因?yàn)樗哂胁煌l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(gè)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)?！?/p>

測量實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)間對其路徑上的物體和情況做出恰當(dāng)響應(yīng)。

自動(dòng)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(huì)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(dòng)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(yùn)動(dòng)部件，也為醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用提供了獨(dú)特機(jī)遇。

Mo Li教授和Bingzhao Li計(jì)劃成立一家創(chuàng)業(yè)公司，在兩三年內(nèi)將他們的這項(xiàng)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(huì)獲得了種子資金。

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

審核編輯：劉清