加州大学研究人员采用微型开关 显著提高固态激光雷达分辨率

自动驾驶应用中，激光雷达（LiDAR）成本一直非常高昂，但这一状况可能将发生改变。据外媒报道，加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）电气工程和计算机科学教授、伯克利传感器和执行器中心联合主任Ming Wu开发出一种新型高分辨率激光雷达芯片。

（图片来源：加州大学伯克利分校）

该激光雷达基于焦平面开关阵列（FPSA）打造，其中FPSA阵列是一种基于半导体的天线矩阵，可以像数码相机中的传感器一样收集光线。Wu表示该激光雷达的分辨率为16,384像素，虽与智能手机摄像头的数百万像素相比微不足道，但也是目前FPSA（最高像素为512）上的最高像素了。
Wu还称该设计使用与生产计算机处理器相同的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，可扩展到百万像素尺寸，因此或可用于自动驾驶汽车、无人机、机器人甚至智能手机，实现新一代功能强大、成本低廉的3-D传感器。
激光雷达的工作原理是捕捉激光器发出的光的反射。通过测量光返回所需的时间或光束频率的变化，激光雷达可以绘制环境图并记录周围物体移动的速度。
机械激光雷达系统具有强大的激光，即使在黑暗中也能可视化数百码外的物体。 这些系统还可生成分辨率足够高的3-D地图，使车辆的人工智能能够识别车辆、自行车、行人和其他危险。
然而十多年来，研究人员一直无法在芯片上实现这些功能，其中最大的障碍是激光。Wu表示：“我们试图扩大照明区域，但如果这么做，光线就会变弱，以致缩短距离。因此，为了保证光的强度，我们减少了激光照亮区域。”
而此时就需要用到FPSA。该阵列由一个微型光发射器或天线矩阵以及快速打开和关闭它们的开关组成，可以一次通过单个天线引导所有可用的激光功率。
然而切换也会带来问题。几乎所有基于硅的LiDAR系统都使用热光开关，依赖温度的巨大变化来产生折射率的微小变化，并将激光从一个波导弯曲和重定向到另一个。
但热光开关体型较大且耗电，在芯片上集成过多会产生过多热量而使得芯片无法正常运行。因此现有的FPSA被限制在512像素或更低。
Wu的解决方案使用微机电系统（MEMS）开关代替热光开关，从而可将波导从一个位置物理移动到另一个位置。Wu表示：“其结构与高速公路交换非常相似。想象你是一束从东到西的光束。我们可以机械地降低一个坡道，让你突然转90度，让你从北转向南。”
MEMS交换机是一种用于路由通信网络中的光的常用技术。但这是该技术首次被应用于LIDAR。与热视光开关相比，MEMS交换机体积较小、功耗低、开关快，且光损失非常低。
因此Wu可以在1平方厘米的芯片上嵌入16,384个像素。当开关打开像素时，它会发射激光束并捕获反射光。每个像素相当于阵列70度视野的0.6度。通过在阵列中快速循环，Wu的FPSA构建了周围世界的3D图片。将其中的几个安装成圆形配置可产生围绕车辆的360度视图。