加州大學(xué)開發(fā)出新型高分辨率激光雷達芯片

  自動駕駛應(yīng)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(jù)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(zhí)行器中心聯(lián)合主任Ming Wu開發(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關(guān)陣列(FPSA)打造，其中FPSA陣列是一種基于半導(dǎo)體的天線矩陣，可以像數(shù)碼相機中的傳感器一樣收集光線。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(shù)百萬像素相比微不足道，但也是目前FPSA(最高像素為512)上的最高像素了。

  Wu還稱該設(shè)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(dǎo)體(CMOS)技術(shù)，可擴展到百萬像素尺寸，因此或可用于自動駕駛汽車、無人機、機器人甚至智能手機，實現(xiàn)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。通過測量光返回所需的時間或光束頻率的變化，激光雷達可以繪制環(huán)境圖并記錄周圍物體移動的速度。

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

  然而十多年來，研究人員一直無法在芯片上實現(xiàn)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(qū)域，但如果這么做，光線就會變?nèi)?，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(qū)域。”

  而此時就需要用到FPSA。該陣列由一個微型光發(fā)射器或天線矩陣以及快速打開和關(guān)閉它們的開關(guān)組成，可以一次通過單個天線引導(dǎo)所有可用的激光功率。

  然而切換也會帶來問題。幾乎所有基于硅的LiDAR系統(tǒng)都使用熱光開關(guān)，依賴溫度的巨大變化來產(chǎn)生折射率的微小變化，并將激光從一個波導(dǎo)彎曲和重定向到另一個。

  但熱光開關(guān)體型較大且耗電，在芯片上集成過多會產(chǎn)生過多熱量而使得芯片無法正常運行。因此現(xiàn)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(tǒng)(MEMS)開關(guān)代替熱光開關(guān)，從而可將波導(dǎo)從一個位置物理移動到另一個位置。Wu表示：“其結(jié)構(gòu)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坡道，讓你突然轉(zhuǎn)90度，讓你從北轉(zhuǎn)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(yīng)用于LIDAR。與熱視光開關(guān)相比，MEMS交換機體積較小、功耗低、開關(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個像素。當(dāng)開關(guān)打開像素時，它會發(fā)射激光束并捕獲反射光。每個像素相當(dāng)于陣列70度視野的0.6度。通過在陣列中快速循環(huán)，Wu的FPSA構(gòu)建了周圍世界的3D圖片。將其中的幾個安裝成圓形配置可產(chǎn)生圍繞車輛的360度視圖。