加州大学伯克利分校的新研究利用激光雷达焦平面开关阵列 (FPSA) 中的微机电系统 (MEMS) 来实现“创纪录的分辨率”。他们克服了哪些挑战才能达到这一记录？

大多数追求自动驾驶汽车 (AV) 的公司目前都在一定程度上使用激光雷达。LiDAR 已成为一种至关重要的传感器，因为它具有远距离高分辨率的能力，并且不受光照或天气等环境条件的影响。

然而，LiDAR 远非完美，许多不同形式的 LiDAR 竞相成为该技术的未来。 

激光雷达技术和应用示例。图片由 Yole Développement提供

最近，加州大学伯克利分校的研究人员发表了一篇新的研究论文，描述了一种基于 MEMS 的新型 FPSA LiDAR 系统，该系统声称其性能指标令人印象深刻。

本文将讨论 FPSA 技术、它面临的挑战以及伯克利研究人员如何解决这些问题。

FPSA 激光雷达

追求固态激光雷达的主要技术之一是FPSA。

FPSA 是一种技术，它通过使每个 LiDAR 像素由单个光学天线、热光移相器或开关组成。这些像素以矩阵形式排列，一次驱动一个像素，其中像素的开关控制向每个天线的供电。 

就像相机的光学系统一样，FPSA 视场 (FOV) 内的每个角度都被映射回一个像素，收集光线并创建照明区域的 3D 地图。

焦平面开关阵列光束扫描仪。图片由张等人提供

FPSA 技术背后的理念是，通过一次驱动每个像素，每个像素都可以接收驱动激光器的所有可用功率，这意味着更远的范围和更高的分辨率。 

除了范围和分辨率，FPSA 可能是固态 LiDAR 的有希望的候选者，因为它们允许在没有机械移动部件的情况下进行电子扫描。 

此外，少量组件允许将这些像素中的许多像素集成到单个芯片中。

FPSA LiDAR 挑战

FPSA LiDAR 虽然提供了许多好处，但也有一个明显的缺点：它的规模有限。

实现大规模 FPSA LiDAR 的主要挑战是热光开关易受温度影响。 

开关通过将施加的电场转换为温度变化来工作，从而改变硅波导的折射率。有效折射率有助于控制入射光的方向并有效地将 FPSA 激光导航到所需的像素。  

然而，这种方法的缺点是开关非常耗电并且会产生大量热量。这个缺点限制了在单个 FPSA 中密集集成许多像素的能力，因为累积的热量最终会导致故障。 

到目前为止，FPSA 被限制为最大 512 像素。

伯克利的 MEMS FPSA LiDAR 方法

为了突破 FPSA LiDAR 的限制，伯克利的研究人员描述了一种新的 FPSA 方法，旨在解决上述挑战。

为了回避 FSPA LiDAR 中的热挑战，研究人员选择使用 MEMS 开关而不是热光开关。 

在该方案中，FSPA 阵列通过以正确方向物理移动波导来选择给定像素，将所有激光入射光引导至给定像素的天线。该芯片可以通过切换整个阵列对其环境进行 360 度扫描。

制造新的 FSPA 技术。图片由张等人提供

总而言之，研究人员声称这种新方法对 FPSA LiDAR 技术的好处是巨大的，因为 MEMS 开关比热光开关更轻、更小，而且功耗更低。 

由此产生的设备在 1 平方厘米的固态芯片上创建了 128x128 像素阵列。研究人员声称，该芯片上的 16,348 像素远远超过了之前达到的最大数量，使其成为市场上分辨率最高的固态 FPSA 芯片。

该阵列能够实现 70 度 FOV，每个像素占 0.6 度。

随着越来越多的研究涌入更新和更好的激光雷达系统和技术，看看什么被挑选或适应实际市场使用将会很有趣。