當(dāng)谷歌在2010年推出其第一款自動駕駛汽車時，安裝在車頂上的旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)(又稱“瞭望塔”)一下子成為了焦點。與攝像機(jī)和雷達(dá)一起，激光雷達(dá)可以繪制周圍環(huán)境的3D地圖，以幫助這些汽車避開障礙和安全駕駛。

從那時起，廉價的芯片攝像頭和雷達(dá)系統(tǒng)就成為了防撞和高速公路自動駕駛的主流。不過，不少激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)仍然是笨重的機(jī)械設(shè)備，成本高達(dá)數(shù)千美元，不少在可靠性也難以滿足車規(guī)級的要求。

固態(tài)激光雷達(dá)還能不能再再小一點、再輕薄一點？近日，加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）的研究人員宣布開發(fā)出一種只有1平方厘米的基于硅光子芯片的固態(tài)激光雷達(dá)，他們的成果本周三發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上。

示意圖：固態(tài)激光雷達(dá)芯片發(fā)射激光從一個光學(xué)天線連接到一個小開關(guān)，反射光被同一天線捕獲，依次打開陣列中的開關(guān)即可獲得三維圖像。

（圖片來源：UC Berkeley）

該校電氣工程和計算機(jī)科學(xué)教授、這項研究的負(fù)責(zé)人Ming Wu表示，為了克服這些瓶頸，他們開發(fā)出了一種可以使激光雷達(dá)技術(shù)更便宜、更緊湊的方案，同時保持其高性能。

這項任務(wù)的主要挑戰(zhàn)之一是制造一個集成的光束掃描儀，它可以“控制”輸出的激光向不同的方向掃描整個場景。

研究人員們在10毫米×11毫米的硅光子芯片上制造了一個集成波束掃描器的激光雷達(dá)，他們稱之為焦平面開關(guān)陣列（focal plane switch array，F(xiàn)PSA）。這一陣列是一種基于半導(dǎo)體的微米級天線矩陣，可以像數(shù)碼相機(jī)中的傳感器一樣收集光，最終將激光雷達(dá)系統(tǒng)小型化并集成到單個芯片中，1厘米平方的芯片上就集成了16384個像素。

Ming Wu補(bǔ)充稱，單芯片使激光雷達(dá)類似于智能手機(jī)攝像頭。但是，LiDAR比智能手機(jī)相機(jī)更復(fù)雜，因為每個像素都需要接收光線，但也需要發(fā)射“從目標(biāo)反彈回來的激光”。

該小組的設(shè)計使用了微型微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)，而不是更常見的熱光開關(guān)。與熱光開關(guān)相比，它們更小，使用更少的功率，切換更快，且光損耗非常低。新型激光雷達(dá)的性能與32線激光雷達(dá)相當(dāng)，能耗卻降低10000倍。

該研究的兩位共同第一作者Xiaosheng Zhang和Kyungmok Kwon解釋稱，MEMS開關(guān)物理上移動波導(dǎo)(一種引導(dǎo)電磁波的管)，將光上下傳送到每個像素點，這將像素大小從幾百微米縮小到了50微米。隨后，該團(tuán)隊能夠?qū)?平方厘米芯片上的像素數(shù)從512增加到16384，同時能耗顯著降低。

通過使用類似的硅技術(shù)，他們打算將這項技術(shù)應(yīng)用在更高分辨率、更遠(yuǎn)測距的激光雷達(dá)系統(tǒng)中，并將其推向商用市場。Ming Wu認(rèn)為，蘇日安該系統(tǒng)的測距目前只有10米，但他們確信這一距離可以達(dá)到100米，甚至300米。

該設(shè)計采用了用于生產(chǎn)計算機(jī)處理器的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)，可擴(kuò)展到百萬像素大小。這可能會為自動駕駛汽車、無人機(jī)、機(jī)器人甚至智能手機(jī)帶來新一代功能強(qiáng)大、成本低廉的3D傳感器。

審核編輯 ：李倩