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微型固態(tài)激光雷達(dá)異軍突起

2022-03-11
來源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察

  激光雷達(dá)越來越多地為自動駕駛汽車,、無人機(jī)和機(jī)器人以及智能手機(jī)提供 3D 掃描功能,,但它通常使用移動部件來限制它可以縮小的程度,。一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn),,現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種指尖大小的固態(tài)激光雷達(dá)芯片,,有朝一日可能會讓3-D 傳感器變得無處不在,。

  激光雷達(dá)傳感器使用光的方式與雷達(dá)使用無線電波的方式非常相似——它將激光照射到某個位置并分析反射脈沖返回所需的時間,,以計算距離并生成該位置的 3D 地圖,。為了捕獲這種飛行時間數(shù)據(jù),,激光雷達(dá)傳感器必須引導(dǎo)激光束穿過掃描區(qū)域,,通常使用的機(jī)械部件會使設(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(dá)傳感器,,其中的一種策略涉及光學(xué)相控陣,,它通過改變相位來控制陣列中天線發(fā)射的光波——即波彼此同步的程度。但是,,這些設(shè)備通常需要大型天線才能獲得高性能,;它們的功耗可以證明很高;當(dāng)大量元素緊密堆積在一起時,,控制大量元素的相位可能具有挑戰(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(dá)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(jìn)出設(shè)備的光線,。

  “我們的激光雷達(dá)與數(shù)碼相機(jī)非常相似,”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,。“我們只需用我們的光學(xué)開關(guān)陣列替換 CMOS 圖像傳感器,。我們的激光雷達(dá)的每個像素都可以發(fā)射激光并接收來自目標(biāo)的反射光,,而不是僅僅捕捉進(jìn)入相機(jī)的自然光。這使我們能夠測量目標(biāo)”一個像素一個像素的距離,,將 2D 圖像擴(kuò)展到 3D,。這種相似性意味著我們可以讓激光雷達(dá)像今天的智能手機(jī)相機(jī)一樣緊湊?!?/p>

  然而,,到目前為止,開關(guān)的尺寸和它們所需的高功率將此類激光雷達(dá)傳感器限制在 512 像素或更少?,F(xiàn)在,,Wu 和他的同事們已經(jīng)開發(fā)出一種 16384 像素的焦平面開關(guān)陣列激光雷達(dá),這是迄今為止固態(tài)激光雷達(dá)的最高分辨率,,它集成在一個 110 平方毫米的硅光子芯片上,。

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  啟用新設(shè)備的一個關(guān)鍵進(jìn)步是使用基于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 的開關(guān),。這些提供小尺寸,、低功耗和快速切換時間。

  128 x 128 天線陣列可以將激光束瞄準(zhǔn) 16,384 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?!逼呤确浅=咏悄苁謾C(jī)相機(jī)的視角,,“吳說。

  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 厘米,。該設(shè)備可以以 100 千赫茲的速度運(yùn)行,研究人員稱該速度適用于激光雷達(dá)掃描儀,。

  新傳感器的橫向分辨率相對較低,,僅為 0.13 度,清華大學(xué)的 Hongyan Fu 和北京大學(xué)的李倩在對這項(xiàng)新研究的評論中指出,。他們說,,這將限制其對長距離探測的適用性,這是許多焦平面開關(guān)陣列激光雷達(dá)系統(tǒng)的一個缺點(diǎn),。他們補(bǔ)充說,,增加芯片尺寸或縮小每個像素的占位面積可以提高分辨率,可能是通過進(jìn)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)前尺寸縮小到 10×10 微米,,并將芯片尺寸增加到 1×1 厘米,以實(shí)現(xiàn)百萬像素固態(tài)激光雷達(dá),。他們指出,,魚眼鏡頭可以實(shí)現(xiàn) 180 度或更大的視野。

  ”我們的激光雷達(dá)的像素大小為 50 微米,,與 30 年前發(fā)明的第一個 CMOS 圖像傳感器大致相同,,“吳說?!蔽覀冾A(yù)計我們的激光雷達(dá)的分辨率會隨著技術(shù)的進(jìn)步而提高,,就像 CMOS 圖像傳感器一樣。希望在不到 30 年的時間將其擴(kuò)展到百萬像素分辨率,?!?/p>

  研究人員指出,他們的設(shè)備可以在商業(yè) CMOS 代工廠中使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝進(jìn)行批量生產(chǎn),?!盋MOS 相機(jī)無處不在,因?yàn)樗鼈凅w積小且價格便宜,。智能手機(jī)相機(jī)大小的固態(tài)激光雷達(dá)將支持許多新應(yīng)用,,“Wu 說,。”它們將使機(jī)器人能夠更精確地與人類互動,,并與彼此互動,。“

  除了自動駕駛汽車和駕駛輔助,,這些激光雷達(dá)傳感器”還可用于自動導(dǎo)航無人機(jī)——家庭安全無人機(jī)將是一個有趣的應(yīng)用,,“吳說?!币恍叩貦C(jī)器人已經(jīng)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高精度的 3D 地圖。其他應(yīng)用包括移動 3D 傳感,,包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí),。“




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