当谷歌在2010年推出其首款自动驾驶汽车时，车顶旋转气缸确实脱颖而出。这是车辆的光探测和测距（LiDAR）系统，其工作方式与基于光的雷达相似。激光雷达与摄像头和雷达协同工作，绘制环境地图，帮助汽车避开障碍物并安全驾驶。

从那时起，廉价的基于芯片的摄像头和雷达系统已成为防撞和高速公路自动驾驶的主流。然而，激光雷达导航系统仍然是笨重的机械设备，成本高达数千美元。由于加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授、伯克利传感器和执行器中心联合主任吴明开发了一种新的高分辨率激光雷达芯片，这种情况可能即将改变。新设计于3月9日星期三发表在《自然》杂志上。

加州大学伯克利分校的工程师们已经使用微机电系统（MEMS）开关显著提高了基于芯片的激光雷达传感器的分辨率。在激光雷达芯片的示意图中，激光从连接到微型开关的光学天线发射。反射光被同一天线捕获。通过逐一打开阵列中的开关来获得3D图像。图片来源：张晓生，加州大学伯克利分校。

吴的激光雷达基于焦平面开关阵列（FPSA），这是一种基于半导体的天线矩阵，可以像数码相机中的传感器一样收集光线。吴说，与智能手机摄像头上的数百万像素相比，其16384像素的分辨率可能听起来并不令人印象深刻，但与FPsas上目前可用的512像素或更低的像素相比，它相形见绌。

同样重要的是，该设计使用了与生产计算机处理器相同的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，可扩展到百万像素大小。这可能会为自动驾驶汽车、无人机、机器人甚至智能手机带来新一代功能强大、成本低廉的3D传感器。

激光雷达屏障

激光雷达通过捕获激光的反射光来工作。通过测量光返回所需的时间或光束频率的变化，激光雷达可以绘制环境地图，并记录物体在周围移动的速度。

机械激光雷达系统具有强大的激光，即使在黑暗中也能看到数百码外的物体。它们还生成具有足够分辨率的3D地图，使车辆的人工智能能够区分车辆、自行车、行人和其他危险。

然而，十多年来，将这些功能放在芯片上一直困扰着研究人员。最强大的障碍是激光。

吴说：“我们想照亮一大片地区。”。“但如果我们试图这样做，光线将太弱而无法到达足够远的地方。因此，作为保持光强度的设计权衡，我们减少了激光照明的面积。”

这就是FPSA发挥作用的地方。它由一系列微型光发射器或天线以及快速打开和关闭它们的开关组成。通过这种方式，它可以通过单个天线同时传输所有可用的激光功率。

激光雷达芯片的扫描电子显微照片，显示了光栅天线。图片来源：Kyungmok Kwon，加州大学伯克利分校。

MEMS开关

然而，切换可能会导致问题。几乎所有的硅基激光雷达系统都使用热光开关，它依赖于温度的大幅变化来产生折射率的小幅变化，并将激光从一个波导弯曲和重定向到另一个波导。

然而，热光开关体积大，耗电量大。在芯片上放太多东西，它们会产生太多的热量，无法正常工作。这就是为什么现有的FPsas仅限于512像素或更低。

吴的解决方案用微机电系统（MEMS）开关取代了它，该开关将波导从一个位置物理移动到另一个位置。

他说：“这座建筑与高速公路交易所非常相似。”。“假设你是一束从东到西的光。我们可以机械地降低一个坡度，这样你突然转90度，从北到南。”

MEMS开关是用于在通信网络中路由光的已知技术。这是它们首次用于激光雷达。与热光开关相比，它们更小，功耗更低，切换速度更快，光损耗非常低。

这就是吴如何将16384像素装入1厘米乘1厘米的芯片中。当开关打开像素时，它会发射激光束并捕获反射光。每个像素对应于阵列70度视场的0.6度。吴的FPSA使用快速循环阵列构建了周围世界的3D图像。以圆形配置安装其中几个阵列将产生车辆周围的360度视图。

智能手机尺寸

在他的系统准备商业化之前，我们需要提高FPSA的分辨率和范围。虽然光学天线很难做得更小，但开关仍然是最大的组件，研究人员认为它们可以做得更小。

如果是这样，传统的CMOS生产技术有望使廉价的芯片级激光雷达成为我们未来的一部分。

“看看我们是如何使用相机的，”吴说。“它们被嵌入到车辆、机器人、吸尘器、监控设备、生物识别技术和门中。一旦我们将激光雷达缩小到智能手机摄像头的大小，就会有更多的潜在应用。”