本文由半导体产业纵横编译自IEEE
激光雷达越来越多地为自动驾驶汽车、无人机和机器人以及智能手机提供3D扫描功能，但它的一些部件限制了它可以缩小的程度。一项新的研究发现，现在科学家们已经开发出一种指尖大小的固态激光雷达芯片，未来，3D传感器将无处不在。
激光雷达传感器使用光的方式与雷达使用无线电波的方式非常相似——它将激光照射到某个位置并分析反射脉冲返回所需的时间，以计算距离并生成该位置的3D地图。为了捕获这种飞行时间数据，激光雷达传感器必须引导激光束穿过扫描区域，通常使用的机械部件会使设备速度慢、体积大、不稳定且价格昂贵。
不过，最近科学家们已经开始探索固态激光雷达传感器。它通过移动阵列中天线发射的光波的相位(即光波相互同步的程度)来引导光波。但是，这些设备通常需要大型天线才能获得高性能；它们的电力消耗可能会很高；当大量元素紧密堆积在一起时，控制这些元素的相位可能具有挑战性，这会限制这些设备的分辨率和视野。
固态激光雷达还涉及焦平面开关阵列。这包括一个分成像素的芯片，每个像素都有一个天线，用于传感器的视场的一块空间。芯片中的光开关将光通过一系列通道照射到每个天线，这些天线发射和接收激光脉冲。这个天线阵列被放置在一个透镜后面，透镜可以聚焦进出设备的光线。
“我们的激光雷达与数码相机非常相似，”吴明说，“我们只需用我们的光学开关阵列替换CMOS图像传感器。我们的激光雷达不仅仅捕捉进入相机的自然光，每个像素都可以发射激光并接收来自目标的反射光，这使我们能够对目标进行测量。这使我们能够逐个像素地测量目标距离，将2D图像扩展到3D图像。这种相似性意味着我们有可能制造出像今天的智能手机摄像头一样小巧的激光雷达。”
然而，到目前为止，开关的尺寸和所需的高功率将这种激光雷达传感器限制在512像素及以下。现在，吴明和他的同事们已经开发了一种焦平面开关阵列激光雷达，具有16384像素，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。
这张扫描电子显微镜图片显示了新型“焦平面开关”激光雷达阵列的一部分。
实现这种新设备的一个关键进步是使用了基于微机电系统(MEMS)的开关。这些器件占地面积小，功耗低，开关时间快。
128*128的天线阵列可以将激光束瞄准16384个不同的方向，覆盖70度的宽视场。相比之下，人类双目视觉的水平视野范围约为120 - 140度。70度非常接近智能手机摄像头的视角。
“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。”吴明说。
在实验中，固态激光雷达在约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。
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，用于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，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。我们希望将其扩展到百万像素分辨率需要不到30年的时间。”吴明说。
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，这将是一个有趣的应用，”吴明说，“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能提供更高精度的3D地图。其他应用包括移动3D传感器等。”
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