激光雷达的飞跃可以提高新技术的安全性

一种硅芯片与平铺阵列的蛇形光学相控阵(SOPA)瓦。在8×4的阵列中，32个瓷砖有略微不同的光栅设计，这里显示了在这个观察角度下两对匹配的瓷砖“发光”。所绘制的叠加是来自两个匹配瓷砖的光束和远场光束干涉图，显示了瓷砖光束的形成。

无论它是安装在自动驾驶汽车上还是嵌入到最新的设备中，光探测和测距(激光雷达)系统都将在我们的技术未来中发挥重要作用，使车辆能够实时“看到”，手机能够绘制三维图像，并在视频游戏中增强现实。

目前的挑战是:这些3d成像系统体积庞大，价格昂贵，而且很难缩小到这些崭露头角的应用所需的尺寸。但科罗拉多大学博尔德分校的研究人员向解决方案迈进了一大步。

在发表在Optica上的一篇新论文中，他们描述了一种新的硅芯片——没有运动部件或电子元件——可以提高激光雷达系统所需的分辨率和扫描速度。

该研究的第一作者内森·多斯特(Nathan Dostart)最近刚在电气与计算机工程系完成了博士学位，他说:“我们希望用这种扁平的小芯片取代又大又笨重的激光雷达系统。”

目前的商用激光雷达系统使用大型的旋转镜来控制激光束，从而产生三维图像。在过去的三年里，Dostart和他的同事们一直在研究一种新的引导激光束的方法，这种方法被称为波长导向——即激光的每个波长，或“颜色”都指向一个独特的角度。

他们不仅开发出了一种方法，可以同时沿着两个维度(而不是只有一个维度)制作这种图像，他们还使用了颜色，使用“彩虹”图案来拍摄3d图像。由于光束很容易通过改变颜色来控制，因此可以同时控制多个相控阵以产生更大的孔径和更高分辨率的图像。

“我们已经想出了如何将这种二维彩虹放入一个极小的芯片中，”开尔文·瓦格纳说，他是这项新研究的合著者，同时也是电子和计算机工程教授。

电子通信的终结

自动驾驶汽车目前是一个价值500亿美元的产业，预计到2026年其价值将超过5000亿美元。虽然现在市面上的许多汽车已经具备了一些自动辅助的元素，比如增强的巡航控制和自动车道定心，但真正的挑战是创造一辆无需人工输入或驾驶员负责的自动驾驶汽车。在过去15年左右的时间里，创新者们已经意识到，要做到这一点，汽车需要的不仅仅是相机和雷达——他们还需要激光雷达。

波长控制的硅光子光学相控阵处理光栅扫描图形。这种模式的弯曲是片上波导系统色散的一个指标。

激光雷达是一种利用不可见光脉冲激光束来测量距离的遥感方法。这些光束会从其路径上的所有物体反射回来，一个传感器会收集这些反射来实时创建一个精确的周围环境的三维图像。

激光雷达就像利用光的回声定位:它可以告诉你图像中每个像素的距离。它已经在卫星和飞机上使用了至少50年，用于进行大气传感和测量水体的深度和地形的高度。

尽管激光雷达系统在尺寸上已经取得了很大的进步，但它们仍然是自动驾驶汽车中最昂贵的部分——每台高达7万美元。

为了将来在消费市场上广泛应用，激光雷达必须变得更便宜、更小、更简单。一些公司正试图利用硅光子学来完成这一壮举:这是电子工程中一个使用硅芯片来处理光的新兴领域。

研究小组的新发现是用于激光雷达系统的硅芯片技术的一个重要进展。

“电子通信处于绝对极限。光学发挥作用,这就是为什么这些大公司都致力于使硅光子学技术工业上可行,“说MilošPopović,合著者和波士顿大学的工程学副教授。

这些硅芯片制造得越简单、越小，同时还能保持图像的高分辨率和精度，就能应用到越多的技术上，包括自动驾驶汽车和智能手机。

有传言称，即将上市的iPhone 12将配备激光雷达摄像头，就像目前的iPad Pro一样。这项技术不仅能提高面部识别的安全性，而且有朝一日还能帮助绘制登山路线图、测量距离，甚至识别动物足迹或植物。

“我们提出了一种利用芯片技术实现激光雷达的可扩展方法。这是第一步，是这一方法的第一块基石。”他将继续在位于弗吉尼亚州的NASA兰利研究中心工作。“还有很长的路要走。”