加州大學研究人員采用微型開關 顯著提高固態激光雷達分辨率

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、伯克利傳感器和執行器中心聯合主任Ming Wu開發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境圖并記錄周圍物體移動的速度。

機械激光雷達系統具有強大的激光，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域。”

而此時就需要用到FPSA。該陣列由一個微型光發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（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。”

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，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。