中国科学家研发迄今像素最高的固态激光雷达，

作者：张馨予

提起激光雷达，人们很自然地将它与自动驾驶联系在一起。激光雷达作为三维测量的有效载体，在其发展过程中借鉴了很多传统的无线电雷达技术，并且，相比于无线电雷达，它可以实现更高的分辨率。

但是，与摄像头和无线电雷达传感器相比，目前激光雷达的尺寸、重量、成本、功耗等方面还有很大的优化空间，各技术路线也还处在同步探索的阶段。因此，是否可以不断地小型化并集成在单个芯片上成为激光雷达领域的关键性挑战。

图丨激光从连接到微机电系统（MEMS，Microelectromechanical Systems）开关的光栅天线发出，反射光被同一天线捕获，通过依次打开阵列中的开关获得 3D 图像（来源：加利福尼亚大学伯克利分校）

近日，美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）电气工程和计算机科学系吴明强（Ming C. Wu）教授团队设计了一个集成激光雷达（光探测和测距）系统，能以高分辨率测量距离，具有大视场角，同时还保持了小面积和低功耗。

他们将焦平面开关阵列（FPSA，Focal Plane Switch Array）集成到 1c㎡芯片中，实现了 16384（128 × 128）像素尺寸，这是迄今为止文献报道中最大规模的焦平面开关阵列 [ 1 ] 。

中国科学家研发迄今像素最高的固态激光雷达，

图丨相关论文（来源：Nature）

清华大学付红岩副教授、北京大学李倩副教授同期在 Nature 发表了评论文章。他们认为，该工作在集成激光雷达系统方面提供了突破。随着加工技术的成熟，进一步的小型化和性能的改进，将使焦平面开关阵列成为一种很有前途的技术，其应用领域包括百万像素 3D 激光雷达和光通信 [ 2 ] 。

研发迄今文献报道的最大焦平面开关阵列，速度可达微秒量级

自 2018 年，该团队经过四年的不懈努力，研制了这个 16384 像素的调频连续波（FMCW，Frequency-Modulated Continuous Wave）成像激光雷达，单片集成了 128 × 128 个硅光子 MEMS 焦平面开关和光栅天线（实验中引线键合并测试了其中一个 128 × 96 子阵列）。

他们采用 5mm 焦距复合透镜，该系统可以在 70 °× 70 ° 的角度范围中随机将激光束定向到 16384 个不同方向，具有 0.6 ° 角分辨率，0.05 ° 光束发散角和微秒量级切换时间。

此外，实验中研究人员还通过将焦平面开关阵列与 FMCW 测距结合，实现了三维成像，验证了 10 米的测距距离，距离分辨率达 1.7 厘米。

中国科学家研发迄今像素最高的固态激光雷达，

图丨 FPSA 的结构和工作原理（来源：Nature）

这不是偶然的收获，而是持续性探索的发现。吴明强教授团队在 10 年前就开始了 MEMS 光开关技术的研究，长期的尝试、技术经验及成果的积累为该研究奠定了良好的基础。

随着研究的深入，他们开始意识到，焦平面开关阵列在实现激光雷达光束扫描时具备独特的优势，而光开关则是其中至关重要的技术。

该团队的 MEMS 光开关技术，可以非常好地应用在焦平面开关阵列，结合该团队此前各方面的相关研究，他们开始便开始着手激光雷达和焦平面开关阵列的研究。

研究伊始，他们先设计加工了一个 20 × 20 的阵列，进行了原理和技术方面的验证。虽然当时成功地实现了预期的效果，但是，其阵列的每个像素单元的尺寸仍然较大。

随后，该团队开始尝试减小单元的尺寸，通过仿真和实验尝试对 MEMS 开关的设计和工艺进行不断探索与优化。最终，他们将该器件的像素面积缩小为原理验证阶段的六分之一。

中国科学家研发迄今像素最高的固态激光雷达，

图丨从左至右依次为：该论文通讯作者吴明强教授、该论文共同一作张晓声博士、该论文共同一作权暻睦博士（来源：张晓声）

该论文的共同第一作者张晓声见证了该器件 " 从 0 到 1" 的实现。" 从最初的设计到器件加工，再到实验室做测试，当我第一次看到器件通过光束扫描成功地探测出三维图像、看到自己设计的器件按照预期工作时，那种喜悦感瞬间油然而生。" 他说。

研究人员通过 MEMS 的光开关实现了激光雷达光束扫描，通过该系统实现了准确的三维成像。该研究的主要优势是具备较好的可扩展性以及较高的灵活性。