清華新聞網(wǎng)3月14日電 三維傳感器能像人眼一樣感知周?chē)h(huán)境并從中獲取三維信息。激光雷達(dá)(LiDAR)作為一種新型技術(shù)，利用激光物理特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行長(zhǎng)距離高精度的實(shí)時(shí)測(cè)量，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、無(wú)人機(jī)、地圖測(cè)繪、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。激光雷達(dá)三維傳感器的集成化和小型化是其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。如何研制與開(kāi)發(fā)出高度小型集成化的激光雷達(dá)系統(tǒng)，同時(shí)兼顧作為三維傳感器的優(yōu)異效果，始終是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，特別是如何在片上實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高分辨率的激光雷達(dá)目前還鮮有方案分析與報(bào)導(dǎo)。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院、清華-伯克利深圳學(xué)院付紅巖副教授受《自然》（Nature）邀請(qǐng)，針對(duì)片上激光雷達(dá)成像系統(tǒng)發(fā)表了重要分析與評(píng)述。該文章總結(jié)、討論了目前用于片上激光雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括課題組近期提出的高速色散掃描方案，并特別針對(duì)片上集成的焦平面開(kāi)關(guān)陣列技術(shù)，結(jié)合未來(lái)消費(fèi)電子、智能城市對(duì)于激光雷達(dá)系統(tǒng)性能的重要需求，全方面分析討論了系統(tǒng)的性能與表現(xiàn)，并提出了該技術(shù)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向。
該文章主要對(duì)比分析了目前兩種用于片上激光雷達(dá)的集成波束調(diào)控器件，光學(xué)相控陣和焦平面開(kāi)關(guān)陣列。文章分析了光學(xué)相控陣列的工作機(jī)理，并指出了導(dǎo)致其難以大規(guī)模密集集成在單顆芯片上的原因。相比之下，焦平面開(kāi)關(guān)陣列使用一個(gè)類(lèi)似相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)，將目標(biāo)物所在視場(chǎng)內(nèi)的每個(gè)角度映射到成像透鏡后焦平面的每像素上?；诮蛊矫骈_(kāi)關(guān)陣列無(wú)需單獨(dú)控制每個(gè)像素的相位，而是使用開(kāi)關(guān)來(lái)控制每個(gè)像素的開(kāi)合這一特性，文章提出該方案可在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)集成大陣列天線(xiàn)的可能性。文章進(jìn)一步評(píng)論了美國(guó)加州伯克利大學(xué)Ming C. Wu課題組發(fā)表于同期《自然》（Nature）的基于MEMS的大規(guī)模焦平面開(kāi)關(guān)陣列激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作，對(duì)其進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)價(jià)。文章積極肯定了128*128像素的天線(xiàn)陣列安裝在一個(gè)只有指尖大小的芯片上這一重大成果，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了該激光雷達(dá)系統(tǒng)的70°×70°的大視場(chǎng)角和16,384的高成像像素的優(yōu)異性能。除此之外，文章提出受益于MEMS硅光開(kāi)關(guān)控制天線(xiàn)的快速響應(yīng)時(shí)間與微小尺寸，該系統(tǒng)可具有0.6°的雙向?qū)ぶ贩直媛省?.05°的光束發(fā)散角和亞兆赫茲的操作速度的隨機(jī)尋址光束轉(zhuǎn)向等出眾性能。系統(tǒng)結(jié)合了調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距方法，可以實(shí)現(xiàn)距離分辨率為1.7cm的3D成像。文章還結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景提出了焦平面開(kāi)關(guān)陣列集成激光雷達(dá)系統(tǒng)橫向分辨率不足的問(wèn)題，并給出了通過(guò)縮小光學(xué)開(kāi)關(guān)尺寸來(lái)提升性能的解決方案。最后，文章評(píng)價(jià)焦平面開(kāi)關(guān)陣列可以在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)代工廠(chǎng)大規(guī)模生產(chǎn)，具有很大潛力，尤其在百萬(wàn)像素三維激光雷達(dá)和光通信等應(yīng)用前景廣闊。
圖1.焦平面開(kāi)關(guān)陣列的架構(gòu)和工作原理
該評(píng)述文章近日以“在指尖大小芯片上進(jìn)行的光陣列測(cè)量”（Light arrays measure up on a chip the size of a fingertip）為題發(fā)表于3月10日《自然》（Nature）期刊上的研究專(zhuān)欄，論文作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院、清華-伯克利深圳學(xué)院付紅巖副教授與北京大學(xué)深圳研究生院信息工程學(xué)院李倩副教授。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/d41586-022-00642-1
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：呂婷 李含
