只需与指甲不相上下的体积，便有与32线Lidar旗鼓相当的感知效果。
作者 | 科斯加
编辑 | 文 靓
你能想象吗？
笨重的车载激光雷达，已经被科学家压缩到了 1 平方厘米。
在人们的常规认知中，对于激光雷达的形容往往是成本高、体积大，尤其是机械式激光雷达，由于内部运动部件较多，可靠性难以满足车规级的要求。
尽管这些问题近年得到了一定缓解，更轻便的固态激光雷达也已经成为许多量产车的标配。但科学家还是希望它们能够再小一点、再薄一点。
最近，加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的科学家们在 Nature 上发表新研究：
他们开发出一种只有1 平方厘米的硅光子芯片的固态激光雷达，体积甚至可以忽略。
图注：蔚来ET7车顶的「瞭望塔式」激光雷达
放眼现有的量产车，激光雷达有的以「瞭望塔」的形式置于车顶，也有的集成于前保险杠两侧....总的来说，由于体积过大，目前市面上激光雷达还是让人难以忽视它的存在....
如果这个仅 1 平方厘米的新研究可以实现量产，将推动智能汽车和自动驾驶行业向前迈进一大步——激光雷达摆脱镶嵌、直接隐藏车身的梦想将不再遥远。
在体积极大限度缩小的同时，新款激光雷达的性能并未打折扣。据介绍，与传统激光雷达相比，它在能耗、效率、集成度等多个维度上的提升将达到 3-4倍。
压缩体积、不压缩性能激光雷达的工作原理并不复杂，就是捕捉激光器发出的光反射，即便是在黑暗的场景下也能感知到几百米外的物体。通过测量光返回的时间或光束频率的变化，从而计算距离并生成相应的 3D 点云图，以确保车辆的安全行驶。
但需要注意的是，激光雷达通常线数越高，性能也就越高。而性能、体积、可靠性之间往往很难找到平衡。十多年来，研究人员一直设法突破瓶颈。
就在前些年，科学家们开始探索固态激光雷达传感器，运用光学相控阵，改变相位从而控制阵列中天线发射的光波，也可以理解为波彼此同步的程度。
图注：硅光子芯片
这里需要引入一个概念，就是硅光子芯片。
硅光芯片制造技术基于硅和硅基衬底材料，利用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺进行光器件开发和集成的技术。
它结合了集成电路技术超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。
而本文开篇提到的这项新研究的基础逻辑，就是在激光上应用了光子开关。
新型激光雷达基于焦平面开关阵列（FPSA）打造。它的性能与32线激光雷达相当，能耗却降低一万倍。
据介绍，FPSA阵列是由一个微型光发射器或天线矩阵以及一个反应迅速的开关组成。可以一次通过单个天线引导所有激光功率。
光通过输入端口之一耦合到 FPSA 芯片上。芯片被划分为无数个像素，每个向度都有用于传感器视野的专属天线。
芯片中的光沿着通道传递到天线，天线再发射和接收激光脉冲。天线列阵的位置一般在镜头后方，用以聚焦“往返”设备中的光线。
该研究的通讯作者、加州大学伯克利分校的电气工程师 Ming Wu 表示，它收集光线的原理与数码相机的传感器十分相似。
以上便是制造的 FPSA 装置的显微图像。
我们可以看到，a-c，是显示 FPSA 芯片 (a)、带有列选择开关 (b) 和行选择开关 (c) 的光栅天线的显微图像。
d-f，是FPSA 芯片 (d)、列选择开关 (e) 和光栅天线 (f) 的扫描电子显微照片。
它们的比例尺是：a，2 毫米；b和c，40微米；d，100微米；e、20微米；f，4微米。
FPSA 光束扫描仪的运作过程，也是十分高效有趣。
首先，投影在纸屏幕上的光束转向图案，显示 70° × 70° FoV。
然后，扫描的“Cal”标志图案，具有 475 个不同的输出光束方向，投影在纸屏幕上。
接下来，傅里叶透镜的焦平面上捕获的放大光束转向图案，并在距 FPSA 光束扫描仪 0.71 m 处测量的光束轮廓。
最后的e和f是行选择开关。值得注意的是，e 和列选择开关的动态响应 f 在 FPSA 中。
其中，红色曲线显示施加的电压波形，蓝色曲线显示测量的光功率。行选择开关的开和关响应时间分别为 1.1 μs 和 0.6 μs。
由于微机电系统（MEMS） 致动器的设计更紧凑，列选择开关的响应时间稍长（开关分别为 2.7 μs 和 2.0 μs）。
实验印证，新设备可以在亚 MHz 频率下工作，用于光束转向，适用于扫描激光雷达。
简约，但不简单除外，研究人员还表示，他们用自研的光子开关阵列替换了 CMOS 图像传感器，从而测量目标每个像素的距离，并将 2D 图像拓展到 3D。
这种相似可以让激光雷达像今天的智能手机一样，内部部件排列更紧凑。
这些像素被镶嵌在 1 平方厘米的芯片上，虽然它的分辨率只有16384像素，与我们的动辄数百万像素的手机摄像头相比微不足道，但这已是 FPSA 上的最高像素了，此前已知最高像素为512。
该新研究的关键进步是使用基于微机电系统 （MEMS） 的开关。
128 x 128 的硅光子天线阵列可以将激光束瞄准 16384 个不同方向，覆盖 70 度的视场角。
相比之下，人类双眼视觉的水平范围约为 120 到 140 度。不过，70 度已非常接近智能手机相机的视角。
研究人员还在距离该激光雷达的0.8米处，摆放了用交通标志材料制作的3D实验目标，反馈的雷达点云图中如同照镜子一般，清晰地复刻了原标图像。
即使将距离拉远到5.2米和10米，该新激光雷达也能准确无误地检测到目标。
在上述实验中，设备在约 10 米范围内的分辨率为 1.7 厘米。并且，它能以 100 千赫兹的速度运行，这一点也十分适用激光雷达扫描仪。
未来可期新传感器并非所向披靡，它的横向分辨率相对较低，仅为 0.13度。
业内人士对这项新研究的评价是，它在长距离探测时的适用性可能会受限，同时，这也是焦平面开关阵列激光雷达系统的普遍缺点。
图注：制造的 FPSA 装置的共焦显微图像。a图显示共焦显微图像，显示带有列选择开关的光栅天线。b图显示行选择开关的共焦显微图像。
“增加芯片尺寸或缩小每个像素的占位面积，通过进一步优化 MEMS 开关，或许可以提高分辨率。”
科学家们设想将每个 55×55 微米像素的缩小到 10×10 微米，以实现百万像素固态激光雷达。他们认为，鱼眼镜头可以实现 180 度或更大的视野。
“ 新激光雷达的像素大小为 50 微米，与 30 年前发明的第一个 CMOS 图像传感器大致相同。”
因此，这款新型激光雷达，不需要全新的建量产设备，在商业 CMOS 代工厂中使用标准半导体工艺就能大规模生产。
“CMOS 相机无处不在，它们体积小、价格便宜。智能手机相机大小的固态激光雷达未来大有作为，它们可以隐藏在车体的四处，全方位更精准地扫描周围物体，为自动驾驶的安全性保驾护航。”
链接：
https://spectrum.ieee.org/solid-state-lidar