加州大学伯克利分校的工程师使用微机电系统(MEMS)开关大幅提高了基于芯片的激光雷达传感器的分辨率。在这个激光雷达芯片的示意图中，激光从连接到一个微小开关的光学天线发射。反射光被同一个天线捕获。通过顺序接通阵列中的开关来获得3D图像。来源:加州大学伯克利分校张晓升分校当谷歌在2010年展示其第一辆自动驾驶汽车时，安装在车顶的旋转圆柱体非常引人注目。这是车辆的光探测和测距(激光雷达)系统，其工作原理类似于光基雷达。与摄像头和雷达一起，激光雷达绘制了环境地图，以帮助这些汽车避开障碍物并安全驾驶。从那时起，廉价的基于芯片的摄像头和雷达系统已经成为防撞和自动公路驾驶的主流。然而，激光雷达导航系统仍然是造价数千美元的笨重机械设备。
这可能要改变了，这要归功于吴明开发的一种新型高分辨率激光雷达芯片，他是加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学教授，也是伯克利传感器和执行器中心的联合主任。这项新设计发表在3月9日星期三的《自然》杂志上。
吴的激光雷达基于焦平面开关阵列(FPSA)，这是一种基于半导体的天线矩阵，像数码相机中的传感器一样收集光线。吴说，与智能手机摄像头的数百万像素相比，它16，384像素的分辨率可能听起来不太令人印象深刻，但它使FPSAs上迄今为止的512像素或更低的像素相形见绌。
同样重要的是，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，该设计可扩展到百万像素大小，吴说。这可能会导致新一代强大、低成本的三维传感器用于自动驾驶汽车、无人机、机器人甚至智能手机。
激光雷达障碍
激光雷达通过捕捉其激光器发出的光的反射来工作。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地图，并记录周围物体的移动速度。
机械激光雷达系统拥有强大的激光，即使在黑暗中也能看到数百码外的物体。它们还可以生成分辨率足够高的三维地图，让车辆的人工智能能够区分车辆、自行车、行人和其他危险。
然而，将这些功能放在芯片上已经困扰了研究人员十多年。最大的障碍是激光。
“我们想照亮一个非常大的区域，”吴说。“但如果我们试图这样做，光线就会变得太弱，无法到达足够的距离。因此，作为保持光强度的设计权衡，我们减少了激光照射的区域。”
这就是FPSA发挥作用的地方。它由一系列微小的光学发射器或天线以及快速开关组成。这样，它可以一次通过一个天线传输所有可用的激光能量。
显示光栅天线的激光雷达芯片的扫描电子显微照片。鸣谢:Kyungmok Kwon，加州大学伯克利分校MEMS开关
然而，转换带来了问题。几乎所有的硅基激光雷达系统都使用热光开关，这种开关依靠温度的大变化来产生折射率的小变化，并将激光从一个波导弯曲和重定向到另一个波导。
然而，热光开关既大又耗电。在一个芯片上塞太多，它们会产生太多的热量而无法正常工作。这就是现有FPSAs被限制在512像素或更少的原因。
吴的解决方案用微机电系统(MEMS)开关取代了它们，MEMS开关将波导从一个位置物理地移动到另一个位置。
“这种结构非常类似于高速公路交易所，”他说。“所以，想象你是一束从东到西的光。我们可以机械地放下一个斜坡，让你突然转向90度，这样你就从北向南走了。”
MEMS开关是一种用于在通信网络中路由光的已知技术。这是它们首次应用于激光雷达。与热光开关相比，它们体积更小，功耗更低，开关速度更快，光损耗非常低。
这就是吴灿在1平方厘米的芯片上存储16384像素的原因。当开关打开一个像素时，它会发射激光束并捕捉反射光。每个像素相当于阵列70度视野的0.6度。通过在阵列中循环说唱，吴的建立了一个周围世界的三维图像。将它们中的几个安装在一个圆形结构中，可以产生围绕车辆的360度视角。
比如智能手机摄像头
吴需要在他的系统为商业化做好准备之前增加FPSA分辨率和范围。“虽然光学天线很难做得更小，但开关仍然是最大的组件，我们认为我们可以让它们小得多，”他说。
吴还需要增加系统的射程，目前只有10米。“我们确信我们可以达到100米，并相信通过不断的改进，我们可以达到300米，”他说。
如果他能做到，传统的CMOS生产技术有望使廉价的芯片大小的激光雷达成为我们未来的一部分。
“只要看看我们如何使用相机，”吴说。“它们嵌入在车辆、机器人、吸尘器、监控设备、生物识别和门上。一旦我们将激光雷达缩小到智能手机摄像头的大小，将会有更多潜在的应用。”
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