加州大學(xué)研究人員采用微型開(kāi)關(guān) 顯著提高固態(tài)激光雷達(dá)分辨率

自動(dòng)駕駛應(yīng)用中，激光雷達(dá)（LiDAR）成本一直非常高昂，但這一狀況可能將發(fā)生改變。據(jù)外媒報(bào)道，加州大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkeley）電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授、伯克利傳感器和執(zhí)行器中心聯(lián)合主任Ming Wu開(kāi)發(fā)出一種新型高分辨率激光雷達(dá)芯片。

（圖片來(lái)源：加州大學(xué)伯克利分校）

該激光雷達(dá)基于焦平面開(kāi)關(guān)陣列（FPSA）打造，其中FPSA陣列是一種基于半導(dǎo)體的天線矩陣，可以像數(shù)碼相機(jī)中的傳感器一樣收集光線。Wu表示該激光雷達(dá)的分辨率為16,384像素，雖與智能手機(jī)攝像頭的數(shù)百萬(wàn)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(chēng)該設(shè)計(jì)使用與生產(chǎn)計(jì)算機(jī)處理器相同的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)，可擴(kuò)展到百萬(wàn)像素尺寸，因此或可用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人甚至智能手機(jī)，實(shí)現(xiàn)新一代功能強(qiáng)大、成本低廉的3-D傳感器。

激光雷達(dá)的工作原理是捕捉激光器發(fā)出的光的反射。通過(guò)測(cè)量光返回所需的時(shí)間或光束頻率的變化，激光雷達(dá)可以繪制環(huán)境圖并記錄周?chē)矬w移動(dòng)的速度。

機(jī)械激光雷達(dá)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的激光，即使在黑暗中也能可視化數(shù)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(chē)輛的人工智能能夠識(shí)別車(chē)輛、自行車(chē)、行人和其他危險(xiǎn)。

然而十多年來(lái)，研究人員一直無(wú)法在芯片上實(shí)現(xiàn)這些功能，其中最大的障礙是激光。Wu表示：“我們?cè)噲D擴(kuò)大照明區(qū)域，但如果這么做，光線就會(huì)變?nèi)?，以致縮短距離。因此，為了保證光的強(qiáng)度，我們減少了激光照亮區(qū)域?！?/p>

而此時(shí)就需要用到FPSA。該陣列由一個(gè)微型光發(fā)射器或天線矩陣以及快速打開(kāi)和關(guān)閉它們的開(kāi)關(guān)組成，可以一次通過(guò)單個(gè)天線引導(dǎo)所有可用的激光功率。

然而切換也會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。幾乎所有基于硅的LiDAR系統(tǒng)都使用熱光開(kāi)關(guān)，依賴(lài)溫度的巨大變化來(lái)產(chǎn)生折射率的微小變化，并將激光從一個(gè)波導(dǎo)彎曲和重定向到另一個(gè)。

但熱光開(kāi)關(guān)體型較大且耗電，在芯片上集成過(guò)多會(huì)產(chǎn)生過(guò)多熱量而使得芯片無(wú)法正常運(yùn)行。因此現(xiàn)有的FPSA被限制在512像素或更低。

Wu的解決方案使用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）開(kāi)關(guān)代替熱光開(kāi)關(guān)，從而可將波導(dǎo)從一個(gè)位置物理移動(dòng)到另一個(gè)位置。Wu表示：“其結(jié)構(gòu)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(jī)械地降低一個(gè)坡道，讓你突然轉(zhuǎn)90度，讓你從北轉(zhuǎn)向南?！?/p>

MEMS交換機(jī)是一種用于路由通信網(wǎng)絡(luò)中的光的常用技術(shù)。但這是該技術(shù)首次被應(yīng)用于LIDAR。與熱視光開(kāi)關(guān)相比，MEMS交換機(jī)體積較小、功耗低、開(kāi)關(guān)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(gè)像素。當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)像素時(shí)，它會(huì)發(fā)射激光束并捕獲反射光。每個(gè)像素相當(dāng)于陣列70度視野的0.6度。通過(guò)在陣列中快速循環(huán)，Wu的FPSA構(gòu)建了周?chē)澜绲?D圖片。將其中的幾個(gè)安裝成圓形配置將產(chǎn)生圍繞車(chē)輛的360度視圖。