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加州大學伯克利分校的新研究利用激光雷達焦平面開關陣列 (FPSA) 中的微機電系統 (MEMS) 來實現“創紀錄的分辨率”。他們克服了哪些挑戰才能達到這一記錄？

大多數追求自動駕駛汽車 (AV) 的公司目前都在一定程度上使用激光雷達。LiDAR 已成為一種至關重要的傳感器，因為它具有遠距離高分辨率的能力，并且不受光照或天氣等環境條件的影響。

然而，LiDAR 遠非完美，許多不同形式的 LiDAR 競相成為該技術的未來。 

激光雷達技術和應用示例。圖片由 Yole Développement提供

最近，加州大學伯克利分校的研究人員發表了一篇新的研究論文，描述了一種基于 MEMS 的新型 FPSA LiDAR 系統，該系統聲稱其性能指標令人印象深刻。

本文將討論 FPSA 技術、它面臨的挑戰以及伯克利研究人員如何解決這些問題。

FPSA 激光雷達

追求固態激光雷達的主要技術之一是FPSA。

FPSA 是一種技術，它通過使每個 LiDAR 像素由單個光學天線、熱光移相器或開關組成。這些像素以矩陣形式排列，一次驅動一個像素，其中像素的開關控制向每個天線的供電。 

就像相機的光學系統一樣，FPSA 視場 (FOV) 內的每個角度都被映射回一個像素，收集光線并創建照明區域的 3D 地圖。

焦平面開關陣列光束掃描儀。圖片由張等人提供

FPSA 技術背后的理念是，通過一次驅動每個像素，每個像素都可以接收驅動激光器的所有可用功率，這意味著更遠的范圍和更高的分辨率。 

除了范圍和分辨率，FPSA 可能是固態 LiDAR 的有希望的候選者，因為它們允許在沒有機械移動部件的情況下進行電子掃描。 

此外，少量組件允許將這些像素中的許多像素集成到單個芯片中。

FPSA LiDAR 挑戰

FPSA LiDAR 雖然提供了許多好處，但也有一個明顯的缺點：它的規模有限。

實現大規模 FPSA LiDAR 的主要挑戰是熱光開關易受溫度影響。 

開關通過將施加的電場轉換為溫度變化來工作，從而改變硅波導的折射率。有效折射率有助于控制入射光的方向并有效地將 FPSA 激光導航到所需的像素。  

然而，這種方法的缺點是開關非常耗電并且會產生大量熱量。這個缺點限制了在單個 FPSA 中密集集成許多像素的能力，因為累積的熱量會導致故障。 

到目前為止，FPSA 被限制為 512 像素。

伯克利的 MEMS FPSA LiDAR 方法

為了突破 FPSA LiDAR 的限制，伯克利的研究人員描述了一種新的 FPSA 方法，旨在解決上述挑戰。

為了回避 FSPA LiDAR 中的熱挑戰，研究人員選擇使用 MEMS 開關而不是熱光開關。 

在該方案中，FSPA 陣列通過以正確方向物理移動波導來選擇給定像素，將所有激光入射光引導至給定像素的天線。該芯片可以通過切換整個陣列對其環境進行 360 度掃描。

制造新的 FSPA 技術。圖片由張等人提供

總而言之，研究人員聲稱這種新方法對 FPSA LiDAR 技術的好處是巨大的，因為 MEMS 開關比熱光開關更輕、更小，而且功耗更低。 

由此產生的設備在 1 平方厘米的固態芯片上創建了 128x128 像素陣列。研究人員聲稱，該芯片上的 16,348 像素遠遠超過了之前達到的數量，使其成為市場上分辨率的固態 FPSA 芯片。

該陣列能夠實現 70 度 FOV，每個像素占 0.6 度。

隨著越來越多的研究涌入更新和更好的激光雷達系統和技術，看看什么被挑選或適應實際市場使用將會很有趣。