加州大學研究人員采用微型開關 顯著提高固態(tài)激光雷達分辨率

自動駕駛應用中，激光雷達（LiDAR）成本一直非常高昂，但這一狀況可能將發(fā)生改變。據外媒報道，加州大學伯克利分校（University of California, Berkeley）電氣工程和計算機科學教授、伯克利傳感器和執(zhí)行器中心聯合主任Ming Wu開發(fā)出一種新型高分辨率激光雷達芯片。

（圖片來源：加州大學伯克利分校）

該激光雷達基于焦平面開關陣列（FPSA）打造，其中FPSA陣列是一種基于半導體的天線矩陣，可以像數碼相機中的傳感器一樣收集光線。Wu表示該激光雷達的分辨率為16,384像素，雖與智能手機攝像頭的數百萬像素相比微不足道，但也是目前FPSA（最高像素為512）上的最高像素了。

Wu還稱該設計使用與生產計算機處理器相同的互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術，可擴展到百萬像素尺寸，因此或可用于自動駕駛汽車、無人機、機器人甚至智能手機，實現新一代功能強大、成本低廉的3-D傳感器。

激光雷達的工作原理是捕捉激光器發(fā)出的光的反射。通過測量光返回所需的時間或光束頻率的變化，激光雷達可以繪制環(huán)境圖并記錄周圍物體移動的速度。

機械激光雷達系統(tǒng)具有強大的激光，即使在黑暗中也能可視化數百碼外的物體。 這些系統(tǒng)還可生成分辨率足夠高的3-D地圖，使車輛的人工智能能夠識別車輛、自行車、行人和其他危險。

然而十多年來，研究人員一直無法在芯片上實現這些功能，其中最大的障礙是激光。Wu表示：“我們試圖擴大照明區(qū)域，但如果這么做，光線就會變弱，以致縮短距離。因此，為了保證光的強度，我們減少了激光照亮區(qū)域?！?/p>

而此時就需要用到FPSA。該陣列由一個微型光發(fā)射器或天線矩陣以及快速打開和關閉它們的開關組成，可以一次通過單個天線引導所有可用的激光功率。

然而切換也會帶來問題。幾乎所有基于硅的LiDAR系統(tǒng)都使用熱光開關，依賴溫度的巨大變化來產生折射率的微小變化，并將激光從一個波導彎曲和重定向到另一個。

但熱光開關體型較大且耗電，在芯片上集成過多會產生過多熱量而使得芯片無法正常運行。因此現有的FPSA被限制在512像素或更低。

Wu的解決方案使用微機電系統(tǒng)（MEMS）開關代替熱光開關，從而可將波導從一個位置物理移動到另一個位置。Wu表示：“其結構與高速公路交換非常相似。想象你是一束從東到西的光束。我們可以機械地降低一個坡道，讓你突然轉90度，讓你從北轉向南?！?/p>

MEMS交換機是一種用于路由通信網絡中的光的常用技術。但這是該技術首次被應用于LIDAR。與熱視光開關相比，MEMS交換機體積較小、功耗低、開關快，且光損失非常低。

因此Wu可以在1平方厘米的芯片上嵌入16,384個像素。當開關打開像素時，它會發(fā)射激光束并捕獲反射光。每個像素相當于陣列70度視野的0.6度。通過在陣列中快速循環(huán)，Wu的FPSA構建了周圍世界的3D圖片。將其中的幾個安裝成圓形配置將產生圍繞車輛的360度視圖。