只需與指甲不相上下的體積，便有與32線Lidar旗鼓相當的感知效果。

作者 | 科斯加

編輯 | 文 靚

你能想象嗎？

笨重的車載鐳射雷達，已經被科學家壓縮到了 1 平方釐米。

在人們的常規認知中，對於鐳射雷達的形容往往是成本高、體積大，尤其是機械式鐳射雷達，由於內部運動部件較多，可靠性難以滿足車規級的要求。

儘管這些問題近年得到了一定緩解，更輕便的固態鐳射雷達也已經成為許多量產車的標配。但科學家還是希望它們能夠再小一點、再薄一點。

最近，加州大學伯克利分校（University of California， Berkeley）的科學家們在 Nature 上發表新研究：

他們開發出一種只有1 平方釐米的矽光子晶片的固態鐳射雷達，體積甚至可以忽略。

圖注：蔚來ET7車頂的「瞭望塔式」鐳射雷達

放眼現有的量產車，鐳射雷達有的以「瞭望塔」的形式置於車頂，也有的集成於前保險槓兩側。。。。總的來說，由於體積過大，目前市面上鐳射雷達還是讓人難以忽視它的存在。。。。

如果這個僅 1 平方釐米的新研究可以實現量產，將推動智慧汽車和自動駕駛行業向前邁進一大步——鐳射雷達擺脫鑲嵌、直接隱藏車身的夢想將不再遙遠。

在體積極大限度縮小的同時，新款鐳射雷達的效能並未打折扣。據介紹，與傳統鐳射雷達相比，它在能耗、效率、整合度等多個維度上的提升將達到 3-4倍。

壓縮體積、不壓縮效能

鐳射雷達的工作原理並不複雜，就是捕捉鐳射器發出的光反射，即便是在黑暗的場景下也能感知到幾百米外的物體。透過測量光返回的時間或光束頻率的變化，從而計算距離並生成相應的 3D 點雲圖，以確保車輛的安全行駛。

但需要注意的是，鐳射雷達通常線數越高，效能也就越高。而效能、體積、可靠性之間往往很難找到平衡。十多年來，研究人員一直設法突破瓶頸。

就在前些年，科學家們開始探索固態鐳射雷達感測器，運用光學相控陣，改變相位從而控制陣列中天線發射的光波，也可以理解為波彼此同步的程度。

圖注：矽光子晶片

這裡需要引入一個概念，就是矽光子晶片。

矽光晶片製造技術基於矽和矽基襯底材料，利用互補金氧半導體（CMOS）工藝進行光器件開發和整合的技術。

它結合了積體電路技術超大規模、超高精度製造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢。

而本文開篇提到的這項新研究的基礎邏輯，就是在鐳射上應用了光子開關。

新型鐳射雷達基於焦平面開關陣列（FPSA）打造。它的效能與32線鐳射雷達相當，能耗卻降低一萬倍。

據介紹，FPSA陣列是由一個微型光發射器或天線矩陣以及一個反應迅速的開關組成。可以一次透過單個天線引導所有鐳射功率。

光透過輸入埠之一耦合到 FPSA 晶片上。晶片被劃分為無數個畫素，每個向度都有用於感測器視野的專屬天線。

晶片中的光沿著通道傳遞到天線，天線再發射和接收鐳射脈衝。天線列陣的位置一般在鏡頭後方，用以聚焦“往返”裝置中的光線。

該研究的通訊作者、加州大學伯克利分校的電氣工程師 Ming Wu 表示，

它收集光線的原理與數碼相機的感測器十分相似。

以上便是製造的 FPSA 裝置的顯微影象。

我們可以看到，a-c，是顯示 FPSA 晶片 （a）、帶有列選擇開關 （b） 和行選擇開關 （c） 的光柵天線的顯微影象。

d-f，是FPSA 晶片 （d）、列選擇開關 （e） 和光柵天線 （f） 的掃描電子顯微照片。

它們的比例尺是：a，2 毫米；b和c，40微米；d，100微米；e、20微米；f，4微米。

FPSA 光束掃描器的運作過程，也是十分高效有趣。

首先，投影在紙螢幕上的光束轉向圖案，顯示 70° × 70° FoV。

然後，掃描的“Cal”標誌圖案，具有 475 個不同的輸出光束方向，投影在紙螢幕上。

接下來，傅立葉透鏡的焦平面上捕獲的放大光束轉向圖案，並在距 FPSA 光束掃描器 0。71 m 處測量的光束輪廓。

最後的e和f是行選擇開關。

值得注意的是，e 和列選擇開關的動態響應 f 在 FPSA 中。

其中，紅色曲線顯示施加的電壓波形，藍色曲線顯示測量的光功率。行選擇開關的開和關響應時間分別為 1。1 μs 和 0。6 μs。

由於微機電系統（MEMS） 致動器的設計更緊湊，列選擇開關的響應時間稍長（開關分別為 2。7 μs 和 2。0 μs）。

實驗印證，

新裝置可以在亞 MHz 頻率下工作，用於光束轉向，適用於掃描鐳射雷達。

簡約，但不簡單

除外，研究人員還表示，他們用自研的光子開關陣列替換了 CMOS 影象感測器，從而測量目標每個畫素的距離，並將 2D 影象拓展到 3D。

這種相似可以讓鐳射雷達像今天的智慧手機一樣，內部部件排列更緊湊。

這些畫素被鑲嵌在 1 平方釐米的晶片上，雖然它的解析度只有16384畫素，與我們的動輒數百萬畫素的手機攝像頭相比微不足道，但這已是 FPSA 上的最高畫素了，此前已知最高畫素為512。

該新研究的關鍵進步是使用基於微機電系統 （MEMS） 的開關。

128 x 128 的矽光子天線陣列可以將鐳射束瞄準 16384 個不同方向，覆蓋 70 度的視場角。

相比之下，人類雙眼視覺的水平範圍約為 120 到 140 度。不過，70 度已非常接近智慧手機相機的視角。

研究人員還在距離該鐳射雷達的0。8米處，擺放了用交通標誌材料製作的3D實驗目標，反饋的雷達點雲圖中如同照鏡子一般，清晰地復刻了原標影象。

即使將距離拉遠到5。2米和10米，該新鐳射雷達也能準確無誤地檢測到目標。

在上述實驗中，裝置在約 10 米範圍內的解析度為 1。7 釐米。並且，它能以 100 千赫茲的速度執行，這一點也十分適用鐳射雷達掃描器。

未來可期

新感測器並非所向披靡，它的橫向解析度相對較低，僅為 0.13度。

業內人士對這項新研究的評價是，它在長距離探測時的適用性可能會受限，同時，這也是焦平面開關陣列鐳射雷達系統的普遍缺點。

圖注：製造的 FPSA 裝置的共焦顯微影象。a圖顯示共焦顯微影象，顯示帶有列選擇開關的光柵天線。b圖顯示行選擇開關的共焦顯微影象。

“增加晶片尺寸或縮小每個畫素的佔位面積，透過進一步最佳化 MEMS 開關，或許可以提高解析度。”

科學家們設想將每個 55×55 微米畫素的縮小到 10×10 微米，以實現百萬畫素固態鐳射雷達。他們認為，魚眼鏡頭可以實現 180 度或更大的視野。

“ 新鐳射雷達的畫素大小為 50 微米，與 30 年前發明的第一個 CMOS 影象感測器大致相同。”

因此，這款新型鐳射雷達，不需要全新的建量產裝置，在商業 CMOS 代工廠中使用標準半導體工藝就能大規模生產。

“CMOS 相機無處不在，它們體積小、價格便宜。智慧手機相機大小的固態鐳射雷達未來大有作為，它們可以隱藏在車體的四處，全方位更精準地掃描周圍物體，為自動駕駛的安全性保駕護航。”

連結：

https：//spectrum。ieee。org/solid-state-lidar