激光雷達(dá)越來(lái)越多地為自動(dòng)駕駛汽車、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人以及智能手機(jī)提供更多 3D 讀取功能，但它一般來(lái)說(shuō)采用移動(dòng)部件來(lái)管制它能增大的程度。一項(xiàng)捷伊研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在科學(xué)家們已研發(fā)出一類指尖大小的固態(tài)激光雷達(dá)芯片，有朝一日可能會(huì)讓3-D 傳感器變得無(wú)處不在。

激光雷達(dá)傳感器采用光的方式與雷達(dá)采用無(wú)線電波的方式很相近——它將激光照射某個(gè)邊線并分析反射脈沖返回所需的時(shí)間，以計(jì)算距離并生成該邊線的 3D 地圖。為了捕獲這種飛行時(shí)間數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)傳感器必須引導(dǎo)激光束穿過(guò)讀取區(qū)域，一般來(lái)說(shuō)采用的機(jī)械部件會(huì)使設(shè)備速度慢、體積大、不穩(wěn)定且價(jià)格昂貴。

不過(guò)，最近，科學(xué)家們已開始探索固態(tài)激光雷達(dá)傳感器，其中的一類策略牽涉光學(xué)相控陣，它通過(guò)改變?cè)鲆鎭?lái)掌控模組中天線升空的光波——即波彼此間同步的程度。但是，那些設(shè)備一般來(lái)說(shuō)需要大型天線才能獲得高性能；它的功耗能證明很高；當(dāng)大量元素緊密堆積在一起時(shí)，掌控大量元素的增益可能具有挑戰(zhàn)性，這可能會(huì)管制那些設(shè)備的分辨率和視野。

固態(tài)激光雷達(dá)的另一類策略牽涉所謂的焦平面掌控器模組。那些牽涉將芯片劃分為像素，每一像素都有一類天線，專門用作傳感器視野中的一塊空間。芯片中的光掌控器將光沿著一系列通道傳送到每一天線，那些天線升空和發(fā)送激光脈沖。該天線模組放置在鏡頭后面，用作聚焦進(jìn)出設(shè)備的光線。

“我的激光雷達(dá)與數(shù)碼照相機(jī)很相近，”該研究的資深作者、加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程師Ming Wu說(shuō)。“我只需用我的光學(xué)掌控器模組替換 CMOS 圖像傳感器。我的激光雷達(dá)的每一像素都能升空激光并發(fā)送來(lái)自目標(biāo)的反射光，而不是僅僅捕捉進(jìn)入照相機(jī)的自然光。這使我能測(cè)量目標(biāo)“一類像素一類像素的距離，將 2D 圖像擴(kuò)展到 3D。這種相近性意味著我能讓激光雷達(dá)像今天的智能手機(jī)照相機(jī)一樣緊湊。”

然而，到目前為止，掌控器的尺寸和它所需的高功率將此類激光雷達(dá)傳感器管制在 512 像素或更少?，F(xiàn)在，Wu 和他的同事們已研發(fā)出一類 16384 像素的焦平面掌控器模組激光雷達(dá)，這是迄今為止固態(tài)激光雷達(dá)的最高分辨率，它集成在一類 110 平方英寸的硅光子芯片上。

啟用新設(shè)備的一類關(guān)鍵不斷進(jìn)步是采用基于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 的掌控器。那些提供更多小尺寸、低功耗和快速切換時(shí)間。

128 x 128 天線模組能將激光束瞄準(zhǔn) 16,384 個(gè)不同方向，覆蓋 70 度的寬視場(chǎng)。相比之下，人類雙眼視覺(jué)的水平視野范圍約為 120 到 140 度。“六十度很接近智能手機(jī)照相機(jī)的視角，”吳說(shuō)。

在實(shí)驗(yàn)中，該設(shè)備在約 10 米范圍內(nèi)的分辨率為 1.7 公分。該設(shè)備能以 100 千赫茲的速度運(yùn)行，研究人員指該速度適用作激光雷達(dá)讀取儀。

新傳感器的橫向分辨率相對(duì)較高，僅為 0.13 度，清華大學(xué)的 Hongyan Fu 和北京大學(xué)的李倩在對(duì)這項(xiàng)新研究的評(píng)論中表示。自己說(shuō)，這將管制其對(duì)長(zhǎng)距離探測(cè)的適用性，這是許多焦平面掌控器模組激光雷達(dá)系統(tǒng)的一類缺點(diǎn)。自己補(bǔ)充說(shuō)，減少芯片尺寸或增大每一像素的轉(zhuǎn)義面積能提升分辨率，可能是通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化 MEMS 掌控器。

科學(xué)家們?cè)O(shè)想將每一 55×55 nm像素的當(dāng)前尺寸增大到 10×10 nm，并將芯片尺寸減少到 1×1 公分，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)一百萬(wàn)像素固態(tài)激光雷達(dá)。自己表示，魚眼鏡頭能同時(shí)實(shí)現(xiàn) 180 度或更大的視野。

“我的激光雷達(dá)的像素大小為 50 nm，與 30 年前發(fā)明的第一類 CMOS 圖像傳感器大致相同，”吳說(shuō)。“我預(yù)計(jì)我的激光雷達(dá)的分辨率會(huì)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步而提升，就像 CMOS 圖像傳感器一樣。希望在不到 30 年的時(shí)間將其擴(kuò)展到一百萬(wàn)像素分辨率。”

研究人員表示，自己的設(shè)備能在商業(yè) CMOS 代工廠中采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)。“CMOS 照相機(jī)無(wú)處不在，因?yàn)樗w積小且價(jià)格便宜。智能手機(jī)照相機(jī)大小的固態(tài)激光雷達(dá)將支持許多新應(yīng)用領(lǐng)域，”Wu 說(shuō)。“它將使機(jī)器人能更精確地與人類交流，并與彼此間交流。”

除了自動(dòng)駕駛汽車和駕駛輔助，那些激光雷達(dá)傳感器“還可用作自動(dòng)導(dǎo)航無(wú)人機(jī)——家庭安全無(wú)人機(jī)將是一類有趣的應(yīng)用領(lǐng)域，”吳說(shuō)。“一些掃地機(jī)器人已擁有一些基本的激光雷達(dá)；高分辨率激光雷達(dá)將為您的房屋提供更多更高精度的 3D 地圖。其他應(yīng)用領(lǐng)域包括移動(dòng) 3D 傳感，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。”