微型固态激光雷达加入百万像素竞赛

XIAOSHENG ZHANG

激光雷达正越来越多地为自动驾驶汽车、无人机、机器人以及智能手机提供3D扫描功能，但其通常使用的移动部件限制了可以收缩的程度。一项新的研究发现，现在科学家已经开发出一种指尖大小的固态激光雷达芯片，有朝一日可能会产生无处不在的3D传感器。

激光雷达传感器使用光就像雷达使用无线电波一样——它将激光照射到一个位置，并分析反射脉冲返回所需的时间，以便计算距离并生成一个地方的三维地图。为了捕获飞行时间数据，激光雷达传感器必须引导激光束穿过扫描区域，通常使用机械部件，这会使设备速度慢、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。其策略涉及光学相控阵，它通过改变阵列中天线发射的光波的相位来控制光波，也就是说，光波之间的同步程度。然而，这些设备通常需要大型天线来实现高性能，它们的功耗可能会很高，并且当它们紧密封装在一起时，控制大量元件的相位可能会很有挑战性，这可能会限制这些设备的分辨率和视野。

固态激光雷达的另一种策略涉及所谓的焦平面开关阵列。这些涉及将芯片划分为像素，每个像素都有一个天线，专门用于传感器视野中的一块空间。芯片中的光开关将光沿着一系列通道传送到每个天线，这些天线发射和接收激光脉冲。该天线阵列放置在镜头后面，用于聚焦进出设备的光线。

“我们只是用光开关阵列取代CMOS图像传感器。我们的激光雷达的每个像素都可以发射激光并接收目标的反射光，而不是仅仅捕获进入相机的自然光。这使我们能够逐像素测量目标距离，将2D图像扩展到3D。相似性意味着我们有可能使激光雷达像今天的智能手机摄像头一样紧凑。”

然而，到目前为止，开关的尺寸和所需的高功率将此类激光雷达传感器限制在512像素或更小。现在，Wu和他的同事已经开发了一种16384像素的焦平面开关阵列激光雷达，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。

KYUNGMOK KWON

实现这种新设备的一个关键进步是基于微机电系统（MEMS）的开关的使用。这些产品占地面积小，功耗低，切换时间快。

128 x 128天线阵列可以将激光束瞄准16384个不同方向，覆盖70度的宽视场。相比之下，人类双眼视觉的水平视野范围约为120到140度。“七十度非常接近智能手机相机的视角，”Wu说。

在实验中，该设备在大约10米的范围内分辨率为1.7厘米。该设备可以在100千赫的速度下工作，研究人员说这适合激光雷达扫描仪。

清华大学的Hongyan Fu和北京大学的Qian Li在对这项新研究的评论中指出，新传感器的横向分辨率确实相对较低，只有0.13度。他们说，这将限制其在远距离探测中的适用性，这是许多焦平面开关阵列激光雷达系统的一个缺点。他们补充说，增加芯片尺寸或缩小每个像素的占地面积可以提高分辨率，可能是通过进一步优化MEMS开关。

科学家们设想将每个55×55微米像素的当前足迹缩小到10×10微米，并将百万像素固态激光雷达的芯片尺寸增加到1×1厘米。他们指出，鱼眼镜头可以提供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图像传感器差不多，”Wu说，“我们预计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。希望用不到30年的时间将其扩展到百万像素分辨率。”

研究人员指出，他们的设备可以在商业CMOS铸造厂使用标准半导体工艺大规模生产。“CMOS摄像头无处不在，因为它们体积小、价格便宜。智能手机摄像头大小的固态激光雷达将支持许多新的应用，”Wu说，“它们将使机器人能够更精确地与人类以及彼此进行互动。”

除了自动驾驶汽车和辅助驾驶，这些激光雷达传感器“可以用于自动导航无人机，家庭安全无人机将是一个有趣的应用，”Wu说，“一些扫地机器人已经有了一些基础的激光雷达；高分辨率激光雷达将以更高的精度提供家庭的三维地图。其他应用包括移动三维传感，以及增强现实等。”

科学家们在近日的《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。