加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授、伯克利传感器和执行器中心联合主任吴明开发的一种新型高分辨率激光雷达芯片。新设计于 3 月 9 日星期三发表在《 Nature》杂志上。
Wu 的激光雷达基于焦平面开关阵列 (FPSA)，这是一种基于半导体的天线矩阵，可以像数码相机中的传感器一样收集光线。
图：加州大学伯克利分校的工程师使用微机电系统 (MEMS) 开关显着提高了基于芯片的 LIDAR 传感器的分辨率。在这个 LIDAR 芯片示意图中，激光从连接到微型开关的光学天线发出。反射光被同一天线捕获。通过依次打开阵列中的开关获得 3D 图像。
“我们的激光雷达与数码相机非常相似，” 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。”
Wu说，与智能手机摄像头上的数百万像素相比，其 16,384 像素的分辨率听起来可能并不令人印象深刻，但它使迄今为止在 FPSA 上发现的 512 像素或更少像素相形见绌。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。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，”Wu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，”Wu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，”Wu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。”
Wu 需要在他的系统准备好商业化之前提高 FPSA 分辨率和范围。“虽然光学天线很难做得更小，但开关仍然是最大的组件，我们认为我们可以将它们做得更小，”他说。
Wu还需要增加系统的范围，因为现在只能发射10米距离。“我们确信我们可以达到 100 米，并相信通过不断改进我们可以达到 300 米，”他说。
如果可以的话，传统的 CMOS 生产技术有望让廉价的芯片级激光雷达成为我们未来的一部分。
“看看我们如何使用相机，”吴说。“它们嵌入在车辆、机器人、吸尘器、监控设备、生物识别和门中。一旦我们将激光雷达缩小到智能手机相机的大小，将会有更多的潜在应用。”
参考来源：Nature, eurekalert, IEEE Spectrum
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