固態激光雷達異軍突起

激光雷達越來越多地為自動駕駛汽車、無人機和機器人以及智能手機提供更多 3D 讀取功能，但它一般來說采用移動部件來管制它能增大的程度。一項捷伊研究發現，現在科學家們已研發出一類指尖大小的固態激光雷達芯片，有朝一日可能會讓3-D 傳感器變得無處不在。

激光雷達傳感器采用光的方式與雷達采用無線電波的方式很相近——它將激光照射某個邊線并分析反射脈沖返回所需的時間，以計算距離并生成該邊線的 3D 地圖。為了捕獲這種飛行時間數據，激光雷達傳感器必須引導激光束穿過讀取區域，一般來說采用的機械部件會使設備速度慢、體積大、不穩定且價格昂貴。

不過，最近，科學家們已開始探索固態激光雷達傳感器，其中的一類策略牽涉光學相控陣，它通過改變增益來掌控模組中天線升空的光波——即波彼此間同步的程度。但是，那些設備一般來說需要大型天線才能獲得高性能；它的功耗能證明很高；當大量元素緊密堆積在一起時，掌控大量元素的增益可能具有挑戰性，這可能會管制那些設備的分辨率和視野。

固態激光雷達的另一類策略牽涉所謂的焦平面掌控器模組。那些牽涉將芯片劃分為像素，每一像素都有一類天線，專門用作傳感器視野中的一塊空間。芯片中的光掌控器將光沿著一系列通道傳送到每一天線，那些天線升空和發送激光脈沖。該天線模組放置在鏡頭后面，用作聚焦進出設備的光線。

“我的激光雷達與數碼照相機很相近，”該研究的資深作者、加州大學伯克利分校的電氣工程師Ming Wu說。“我只需用我的光學掌控器模組替換 CMOS 圖像傳感器。我的激光雷達的每一像素都能升空激光并發送來自目標的反射光，而不是僅僅捕捉進入照相機的自然光。這使我能測量目標“一類像素一類像素的距離，將 2D 圖像擴展到 3D。這種相近性意味著我能讓激光雷達像今天的智能手機照相機一樣緊湊。”

然而，到目前為止，掌控器的尺寸和它所需的高功率將此類激光雷達傳感器管制在 512 像素或更少?，F在，Wu 和他的同事們已研發出一類 16384 像素的焦平面掌控器模組激光雷達，這是迄今為止固態激光雷達的最高分辨率，它集成在一類 110 平方英寸的硅光子芯片上。

啟用新設備的一類關鍵不斷進步是采用基于微機電系統 (MEMS) 的掌控器。那些提供更多小尺寸、低功耗和快速切換時間。

128 x 128 天線模組能將激光束瞄準 16,384 個不同方向，覆蓋 70 度的寬視場。相比之下，人類雙眼視覺的水平視野范圍約為 120 到 140 度。“六十度很接近智能手機照相機的視角，”吳說。

在實驗中，該設備在約 10 米范圍內的分辨率為 1.7 公分。該設備能以 100 千赫茲的速度運行，研究人員指該速度適用作激光雷達讀取儀。

新傳感器的橫向分辨率相對較高，僅為 0.13 度，清華大學的 Hongyan Fu 和北京大學的李倩在對這項新研究的評論中表示。自己說，這將管制其對長距離探測的適用性，這是許多焦平面掌控器模組激光雷達系統的一類缺點。自己補充說，減少芯片尺寸或增大每一像素的轉義面積能提升分辨率，可能是通過進一步優化 MEMS 掌控器。

科學家們設想將每一 55×55 nm像素的當前尺寸增大到 10×10 nm，并將芯片尺寸減少到 1×1 公分，以同時實現一百萬像素固態激光雷達。自己表示，魚眼鏡頭能同時實現 180 度或更大的視野。

“我的激光雷達的像素大小為 50 nm，與 30 年前發明的第一類 CMOS 圖像傳感器大致相同，”吳說。“我預計我的激光雷達的分辨率會隨著技術的不斷進步而提升，就像 CMOS 圖像傳感器一樣。希望在不到 30 年的時間將其擴展到一百萬像素分辨率。”

研究人員表示，自己的設備能在商業 CMOS 代工廠中采用標準半導體工藝進行批量生產。“CMOS 照相機無處不在，因為它體積小且價格便宜。智能手機照相機大小的固態激光雷達將支持許多新應用領域，”Wu 說。“它將使機器人能更精確地與人類交流，并與彼此間交流。”

除了自動駕駛汽車和駕駛輔助，那些激光雷達傳感器“還可用作自動導航無人機——家庭安全無人機將是一類有趣的應用領域，”吳說。“一些掃地機器人已擁有一些基本的激光雷達；高分辨率激光雷達將為您的房屋提供更多更高精度的 3D 地圖。其他應用領域包括移動 3D 傳感，包括增強現實。”