激光雷達正越來越多地為自動駕駛汽車、無人機、機器人以及智能手機提供3D掃描功能，但其通常使用的移動部件限制了可以收縮的程度。一項新的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種指尖大小的固態(tài)激光雷達芯片，有朝一日可能會產(chǎn)生無處不在的3D傳感器。

XIAOSHENG ZHANG

激光雷達傳感器使用光就像雷達使用無線電波一樣——它將激光照射到一個位置，并分析反射脈沖返回所需的時間，以便計算距離并生成一個地方的三維地圖。為了捕獲飛行時間數(shù)據(jù)，激光雷達傳感器必須引導(dǎo)激光束穿過掃描區(qū)域，通常使用機械部件，這會使設(shè)備速度慢、體積大、不穩(wěn)定，且價格昂貴。

不過最近，科學(xué)家們已經(jīng)開始探索固態(tài)激光雷達傳感器。其策略涉及光學(xué)相控陣，它通過改變陣列中天線發(fā)射的光波的相位來控制光波，也就是說，光波之間的同步程度。然而，這些設(shè)備通常需要大型天線來實現(xiàn)高性能，它們的功耗可能會很高，并且當(dāng)它們緊密封裝在一起時，控制大量元件的相位可能會很有挑戰(zhàn)性，這可能會限制這些設(shè)備的分辨率和視野。

固態(tài)激光雷達的另一種策略涉及所謂的焦平面開關(guān)陣列。這些涉及將芯片劃分為像素，每個像素都有一個天線，專門用于傳感器視野中的一塊空間。芯片中的光開關(guān)將光沿著一系列通道傳送到每個天線，這些天線發(fā)射和接收激光脈沖。該天線陣列放置在鏡頭后面，用于聚焦進出設(shè)備的光線。

“我們只是用光開關(guān)陣列取代CMOS圖像傳感器。我們的激光雷達的每個像素都可以發(fā)射激光并接收目標(biāo)的反射光，而不是僅僅捕獲進入相機的自然光。這使我們能夠逐像素測量目標(biāo)距離，將2D圖像擴展到3D。相似性意味著我們有可能使激光雷達像今天的智能手機攝像頭一樣緊湊。”

然而，到目前為止，開關(guān)的尺寸和所需的高功率將此類激光雷達傳感器限制在512像素或更小�，F(xiàn)在，Wu和他的同事已經(jīng)開發(fā)了一種16384像素的焦平面開關(guān)陣列激光雷達，這是迄今為止固態(tài)激光雷達的最高分辨率，它集成在一個110平方毫米的硅光子芯片上。

KYUNGMOK KWON

實現(xiàn)這種新設(shè)備的一個關(guān)鍵進步是基于微機電系統(tǒng)（MEMS）的開關(guān)的使用。這些產(chǎn)品占地面積小，功耗低，切換時間快。

128 x 128天線陣列可以將激光束瞄準(zhǔn)16384個不同方向，覆蓋70度的寬視場。相比之下，人類雙眼視覺的水平視野范圍約為120到140度。“七十度非常接近智能手機相機的視角，”Wu說。

在實驗中，該設(shè)備在大約10米的范圍內(nèi)分辨率為1.7厘米。該設(shè)備可以在100千赫的速度下工作，研究人員說這適合激光雷達掃描儀。

清華大學(xué)的Hongyan Fu和北京大學(xué)的Qian Li在對這項新研究的評論中指出，新傳感器的橫向分辨率確實相對較低，只有0.13度。他們說，這將限制其在遠距離探測中的適用性，這是許多焦平面開關(guān)陣列激光雷達系統(tǒng)的一個缺點。他們補充說，增加芯片尺寸或縮小每個像素的占地面積可以提高分辨率，可能是通過進一步優(yōu)化MEMS開關(guān)。

科學(xué)家們設(shè)想將每個55×55微米像素的當(dāng)前足跡縮小到10×10微米，并將百萬像素固態(tài)激光雷達的芯片尺寸增加到1×1厘米。他們指出，魚眼鏡頭可以提供180度或更大的視野。

“我們的激光雷達的像素大小為50微米，與30年前發(fā)明的第一個CMOS圖像傳感器差不多，”Wu說，“我們預(yù)計激光雷達的分辨率會隨著技術(shù)的進步而提高，就像CMOS圖像傳感器一樣。希望用不到30年的時間將其擴展到百萬像素分辨率。”

研究人員指出，他們的設(shè)備可以在商業(yè)CMOS鑄造廠使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝大規(guī)模生產(chǎn)。“CMOS攝像頭無處不在，因為它們體積小、價格便宜。智能手機攝像頭大小的固態(tài)激光雷達將支持許多新的應(yīng)用，”Wu說，“它們將使機器人能夠更精確地與人類以及彼此進行互動。”

除了自動駕駛汽車和輔助駕駛，這些激光雷達傳感器“可以用于自動導(dǎo)航無人機，家庭安全無人機將是一個有趣的應(yīng)用，”Wu說，“一些掃地機器人已經(jīng)有了一些基礎(chǔ)的激光雷達；高分辨率激光雷達將以更高的精度提供家庭的三維地圖。其他應(yīng)用包括移動三維傳感，以及增強現(xiàn)實等。”

科學(xué)家們在近日的《自然》雜志上詳細介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

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