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当谷歌在2010年推出其首款自动驾驶汽车时，车顶旋转气缸确实引人注目。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类似。激光雷达与摄像机和雷达一起绘制环境地图，帮助汽车避开障碍物并安全驾驶。
从那时起，基于芯片的廉价摄像机和雷达系统已成为避碰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体积庞大的机械设备，花费数千美元。
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。在这个激光雷达芯片示意图中，激光从连接到微型开关的光学天线发射。反射光由同一天线捕获。通过依次打开阵列中的开关来获得3D图像。信贷：张晓生，加州大学伯克利分校。
Wu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。Wu说，与智能手机摄像头上的数百万像素相比，它的16384像素分辨率听起来可能并不令人印象深刻，但它比目前FPSA上的512像素或更少的像素相形见绌。
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。这可能导致新一代强大、低成本的3-D传感器，用于自动驾驶汽车、无人机、机器人甚至智能手机。
激光雷达的工作原理是捕捉激光的反射光。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周围物体的移动速度。
机械激光雷达系统有强大的激光，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AI能够区分车辆、自行车、行人和其他危险。
然而，将这些功能放在芯片上已经困扰了研究人员十多年。最强大的障碍是激光。
“我们想照亮一个非常大的区域，”吴说。“但如果我们尝试这样做，光线将太弱，无法到达足够远的地方。因此，作为保持光强的设计权衡，我们减少了激光照明的面积。”
这就是FPSA的用武之地。它由微型光发射器或天线矩阵和开关组成，可以快速打开和关闭它们。这样，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，显示光栅天线。图片来源：Kyungmok Kwon，加州大学伯克利分校。
但是，切换可能会导致问题。几乎所有基于硅的激光雷达系统都使用热光开关，这种开关依赖于温度的巨大变化来产生折射率的微小变化，并将激光从一个波导弯曲并重定向到另一个波导。
然而，热光开关既大又耗电。在芯片上放太多东西，它们会产生太多热量，无法正常工作。这就是为什么现有FPSA限制为512像素或更少。
Wu的解决方案将其替换为微机电系统（MEMS）开关，该开关将波导从一个位置物理移动到另一个位置。
“这座建筑非常类似于高速公路交易所，”他说。“假设你是一束从东到西的光束。我们可以机械地降低一个斜坡，让你突然转向90度，然后从北到南。”
MEMS开关是用于在通信网络中路由光的已知技术。这是它们第一次用于激光雷达。与热光开关相比，它们更小、功耗更低、切换更快，并且光损耗非常低。
这就是为什么吴能够将16384像素塞进1厘米见方的芯片中。当开关打开像素时，它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。通过快速循环阵列，吴的FPSA构建了周围世界的3D图片。将其中几个安装在圆形配置中将产生围绕车辆的360度视图。
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。虽然光学天线很难制造得更小，但开关仍然是最大的部件，研究人员认为它们可以制造得更小。
如果可以的话，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。”
