固态激光雷达异军突起

来源:www.sdkeli.com 日期:2022-10-20 作者:admin   

激光雷达越来越多地为自动驾驶汽车、无人机和机器人以及智能手机提供更多 3D 读取功能,但它一般来说采用移动部件来管制它能增大的程度。一项捷伊研究发现,现在科学家们已研发出一类指尖大小的固态激光雷达芯片,有朝一日可能会让3-D 传感器变得无处不在。

激光雷达传感器采用光的方式与雷达采用无线电波的方式很相近——它将激光照射某个边线并分析反射脉冲返回所需的时间,以计算距离并生成该边线的 3D 地图。为了捕获这种飞行时间数据,激光雷达传感器必须引导激光束穿过读取区域,一般来说采用的机械部件会使设备速度慢、体积大、不稳定且价格昂贵。

不过,最近,科学家们已开始探索固态激光雷达传感器,其中的一类策略牵涉光学相控阵,它通过改变增益来掌控模组中天线升空的光波——即波彼此间同步的程度。但是,那些设备一般来说需要大型天线才能获得高性能;它的功耗能证明很高;当大量元素紧密堆积在一起时,掌控大量元素的增益可能具有挑战性,这可能会管制那些设备的分辨率和视野。

固态激光雷达的另一类策略牵涉所谓的焦平面掌控器模组。那些牵涉将芯片划分为像素,每一像素都有一类天线,专门用作传感器视野中的一块空间。芯片中的光掌控器将光沿着一系列通道传送到每一天线,那些天线升空和发送激光脉冲。该天线模组放置在镜头后面,用作聚焦进出设备的光线。

“我的激光雷达与数码照相机很相近,”该研究的资深作者、加州大学伯克利分校的电气工程师Ming Wu说。“我只需用我的光学掌控器模组替换 CMOS 图像传感器。我的激光雷达的每一像素都能升空激光并发送来自目标的反射光,而不是仅仅捕捉进入照相机的自然光。这使我能测量目标“一类像素一类像素的距离,将 2D 图像扩展到 3D。这种相近性意味着我能让激光雷达像今天的智能手机照相机一样紧凑。”

然而,到目前为止,掌控器的尺寸和它所需的高功率将此类激光雷达传感器管制在 512 像素或更少。现在,Wu 和他的同事们已研发出一类 16384 像素的焦平面掌控器模组激光雷达,这是迄今为止固态激光雷达的最高分辨率,它集成在一类 110 平方英寸的硅光子芯片上。

 

启用新设备的一类关键不断进步是采用基于微机电系统 (MEMS) 的掌控器。那些提供更多小尺寸、低功耗和快速切换时间。

128 x 128 天线模组能将激光束瞄准 16,384 个不同方向,覆盖 70 度的宽视场。相比之下,人类双眼视觉的水平视野范围约为 120 到 140 度。“六十度很接近智能手机照相机的视角,”吴说。

在实验中,该设备在约 10 米范围内的分辨率为 1.7 公分。该设备能以 100 千赫兹的速度运行,研究人员指该速度适用作激光雷达读取仪。

新传感器的横向分辨率相对较高,仅为 0.13 度,清华大学的 Hongyan Fu 和北京大学的李倩在对这项新研究的评论中表示。自己说,这将管制其对长距离探测的适用性,这是许多焦平面掌控器模组激光雷达系统的一类缺点。自己补充说,减少芯片尺寸或增大每一像素的转义面积能提升分辨率,可能是通过进一步优化 MEMS 掌控器。

科学家们设想将每一 55×55 nm像素的当前尺寸增大到 10×10 nm,并将芯片尺寸减少到 1×1 公分,以同时实现一百万像素固态激光雷达。自己表示,鱼眼镜头能同时实现 180 度或更大的视野。

“我的激光雷达的像素大小为 50 nm,与 30 年前发明的第一类 CMOS 图像传感器大致相同,”吴说。“我预计我的激光雷达的分辨率会随着技术的不断进步而提升,就像 CMOS 图像传感器一样。希望在不到 30 年的时间将其扩展到一百万像素分辨率。”

研究人员表示,自己的设备能在商业 CMOS 代工厂中采用标准半导体工艺进行批量生产。“CMOS 照相机无处不在,因为它体积小且价格便宜。智能手机照相机大小的固态激光雷达将支持许多新应用领域,”Wu 说。“它将使机器人能更精确地与人类交流,并与彼此间交流。”

除了自动驾驶汽车和驾驶辅助,那些激光雷达传感器“还可用作自动导航无人机——家庭安全无人机将是一类有趣的应用领域,”吴说。“一些扫地机器人已拥有一些基本的激光雷达;高分辨率激光雷达将为您的房屋提供更多更高精度的 3D 地图。其他应用领域包括移动 3D 传感,包括增强现实。”