微型固态激光雷达异军突起

激光雷达越来越多地为自动驾驶汽车、无人机和机器人以及智能手机提供 3D 扫描功能，但它通常使用移动部件来限制它可以缩小的程度。一项新的研究发现，现在科学家们已经开发出一种指尖大小的固态激光雷达芯片，有朝一日可能会让3-D 传感器变得无处不在。

激光雷达传感器使用光的方式与雷达使用无线电波的方式非常相似——它将激光照射到某个位置并分析反射脉冲返回所需的时间，以计算距离并生成该位置的 3D 地图。为了捕获这种飞行时间数据，激光雷达传感器必须引导激光束穿过扫描区域，通常使用的机械部件会使设备速度慢、体积大、不稳定且价格昂贵。

不过，最近，科学家们已经开始探索固态激光雷达传感器，其中的一种策略涉及光学相控阵，它通过改变相位来控制阵列中天线发射的光波——即波彼此同步的程度。但是，这些设备通常需要大型天线才能获得高性能；它们的功耗可以证明很高；当大量元素紧密堆积在一起时，控制大量元素的相位可能具有挑战性，这可能会限制这些设备的分辨率和视野。

固态激光雷达的另一种策略涉及所谓的焦平面开关阵列。这些涉及将芯片划分为像素，每个像素都有一个天线，专门用于传感器视野中的一块空间。芯片中的光开关将光沿着一系列通道传送到每个天线，这些天线发射和接收激光脉冲。该天线阵列放置在镜头后面，用于聚焦进出设备的光线。

“我们的激光雷达与数码相机非常相似，”该研究的资深作者、加州大学伯克利分校的电气工程师Ming Wu说。“我们只需用我们的光学开关阵列替换 CMOS 图像传感器。我们的激光雷达的每个像素都可以发射激光并接收来自目标的反射光，而不是仅仅捕捉进入相机的自然光。这使我们能够测量目标“一个像素一个像素的距离，将 2D 图像扩展到 3D。这种相似性意味着我们可以让激光雷达像今天的智能手机相机一样紧凑。”

然而，到目前为止，开关的尺寸和它们所需的高功率将此类激光雷达传感器限制在 512 像素或更少。现在，Wu 和他的同事们已经开发出一种 16384 像素的焦平面开关阵列激光雷达，这是迄今为止固态激光雷达的最高分辨率，它集成在一个 110 平方毫米的硅光子芯片上。

图片

启用新设备的一个关键进步是使用基于微机电系统 (MEMS) 的开关。这些提供小尺寸、低功耗和快速切换时间。

128 x 128 天线阵列可以将激光束瞄准 16,384 个不同方向，覆盖 70 度的宽视场。相比之下，人类双眼视觉的水平视野范围约为 120 到 140 度。“七十度非常接近智能手机相机的视角，”吴说。

在实验中，该设备在约 10 米范围内的分辨率为 1.7 厘米。该设备可以以 100 千赫兹的速度运行，研究人员称该速度适用于激光雷达扫描仪。

新传感器的横向分辨率相对较低，仅为 0.13 度，清华大学的 Hongyan Fu 和北京大学的李倩在对这项新研究的评论中指出。他们说，这将限制其对长距离探测的适用性，这是许多焦平面开关阵列激光雷达系统的一个缺点。他们补充说，增加芯片尺寸或缩小每个像素的占位面积可以提高分辨率，可能是通过进一步优化 MEMS 开关。

科学家们设想将每个 55×55 微米像素的当前尺寸缩小到 10×10 微米，并将芯片尺寸增加到 1×1 厘米，以实现百万像素固态激光雷达。他们指出，鱼眼镜头可以实现 180 度或更大的视野。

“我们的激光雷达的像素大小为 50 微米，与 30 年前发明的第一个 CMOS 图像传感器大致相同，”吴说。“我们预计我们的激光雷达的分辨率会随着技术的进步而提高，就像 CMOS 图像传感器一样。希望在不到 30 年的时间将其扩展到百万像素分辨率。”

研究人员指出，他们的设备可以在商业 CMOS 代工厂中使用标准半导体工艺进行批量生产。“CMOS 相机无处不在，因为它们体积小且价格便宜。智能手机相机大小的固态激光雷达将支持许多新应用，”Wu 说。“它们将使机器人能够更精确地与人类互动，并与彼此互动。”

除了自动驾驶汽车和驾驶辅助，这些激光雷达传感器“还可用于自动导航无人机——家庭安全无人机将是一个有趣的应用，”吴说。“一些扫地机器人已经拥有一些基本的激光雷达；高分辨率激光雷达将为您的房屋提供更高精度的 3D 地图。其他应用包括移动 3D 传感，包括增强现实。”