加州大學(xué)開(kāi)發(fā)出新型高分辨率激光雷達芯片

  自動(dòng)駕駛應用中，激光雷達(LiDAR)成本一直非常高昂，但這一狀況可能將發(fā)生改變。據外媒報道，加州大學(xué)伯克利分校(University of California, Berkeley)電氣工程和計算機科學(xué)教授、伯克利傳感器和執行器中心聯(lián)合主任Ming Wu開(kāi)發(fā)出一種新型高分辨率激光雷達芯片。

  該激光雷達基于焦平面開(kāi)關(guān)陣列(FPSA)打造，其中FPSA陣列是一種基于半導體的天線(xiàn)矩陣，可以像數碼相機中的傳感器一樣收集光線(xiàn)。Wu表示該激光雷達的分辨率為16,384像素，雖與智能手機攝像頭的數百萬(wàn)像素相比微不足道，但也是目前FPSA(最高像素為512)上的最高像素了。

  Wu還稱(chēng)該設計使用與生產(chǎn)計算機處理器相同的互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術(shù)，可擴展到百萬(wàn)像素尺寸，因此或可用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)、無(wú)人機、機器人甚至智能手機，實(shí)現新一代功能強大、成本低廉的3-D傳感器。

  激光雷達的工作原理是捕捉激光器發(fā)出的光的反射。通過(guò)測量光返回所需的時(shí)間或光束頻率的變化，激光雷達可以繪制環(huán)境圖并記錄周?chē)矬w移動(dòng)的速度。

  機械激光雷達系統具有強大的激光，即使在黑暗中也能可視化數百碼外的物體。這些系統還可生成分辨率足夠高的3-D地圖，使車(chē)輛的人工智能能夠識別車(chē)輛、自行車(chē)、行人和其他危險。

  然而十多年來(lái)，研究人員一直無(wú)法在芯片上實(shí)現這些功能，其中最大的障礙是激光。Wu表示：“我們試圖擴大照明區域，但如果這么做，光線(xiàn)就會(huì )變弱，以致縮短距離。因此，為了保證光的強度，我們減少了激光照亮區域?！?

  而此時(shí)就需要用到FPSA。該陣列由一個(gè)微型光發(fā)射器或天線(xiàn)矩陣以及快速打開(kāi)和關(guān)閉它們的開(kāi)關(guān)組成，可以一次通過(guò)單個(gè)天線(xiàn)引導所有可用的激光功率。

  然而切換也會(huì )帶來(lái)問(wèn)題。幾乎所有基于硅的LiDAR系統都使用熱光開(kāi)關(guān)，依賴(lài)溫度的巨大變化來(lái)產(chǎn)生折射率的微小變化，并將激光從一個(gè)波導彎曲和重定向到另一個(gè)。

  但熱光開(kāi)關(guān)體型較大且耗電，在芯片上集成過(guò)多會(huì )產(chǎn)生過(guò)多熱量而使得芯片無(wú)法正常運行。因此現有的FPSA被限制在512像素或更低。

  Wu的解決方案使用微機電系統(MEMS)開(kāi)關(guān)代替熱光開(kāi)關(guān)，從而可將波導從一個(gè)位置物理移動(dòng)到另一個(gè)位置。Wu表示：“其結構與高速公路交換非常相似。想象你是一束從東到西的光束。我們可以機械地降低一個(gè)坡道，讓你突然轉90度，讓你從北轉向南?！?

  MEMS交換機是一種用于路由通信網(wǎng)絡(luò )中的光的常用技術(shù)。但這是該技術(shù)首次被應用于LIDAR。與熱視光開(kāi)關(guān)相比，MEMS交換機體積較小、功耗低、開(kāi)關(guān)快，且光損失非常低。

  因此Wu可以在1平方厘米的芯片上嵌入16,384個(gè)像素。當開(kāi)關(guān)打開(kāi)像素時(shí)，它會(huì )發(fā)射激光束并捕獲反射光。每個(gè)像素相當于陣列70度視野的0.6度。通過(guò)在陣列中快速循環(huán)，Wu的FPSA構建了周?chē)澜绲?D圖片。將其中的幾個(gè)安裝成圓形配置可產(chǎn)生圍繞車(chē)輛的360度視圖。