Lidar-technologie - MEMS-chip geeft recordresolutie

Solid-state lidar met hoge resolutie die gebruikmaakt van een reeks MEMS-switches, zal de kosten verlagen om die van goedkope, op chips gebaseerde camera's en radarsystemen te evenaren, waardoor een grote barrière wordt weggenomen voor het gebruik van lidar voor autonome voertuigen.

Hoewel goedkope, op chips gebaseerde camera's en radarsystemen gemeengoed zijn geworden voor het vermijden van botsingen en autonoom rijden op de snelweg, blijven lidar-navigatiesystemen logge mechanische apparaten die duizenden dollars kosten.

Daar komt misschien verandering in dankzij een nieuw type lidar-chip met hoge resolutie, ontwikkeld door Ming Wu, hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen en mededirecteur van het Berkeley Sensor and Actuator Center aan de University of California, Berkeley.

Wu's lidar is gebaseerd op een focal plane switch array (FPSA), een op halfgeleiders gebaseerde matrix van antennes op micronschaal die licht verzamelt zoals de sensoren in digitale camera's. De resolutie van 16.384 pixels klinkt misschien niet indrukwekkend in vergelijking met de miljoenen pixels die op smartphonecamera's worden gevonden, maar het verkleint de 512 pixels of minder die tot nu toe op FPSA's werden gevonden, zei Wu.

Het ontwerp is schaalbaar tot megapixelgroottes met behulp van dezelfde complementaire metaaloxide-halfgeleider (CMOS) -technologie die wordt gebruikt om computerprocessors te produceren, zei Wu. Dit zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie krachtige, goedkope 3D-sensoren, niet alleen voor autonome auto's, maar ook voor drones, robots en smartphones.

Mechanische lidarsystemen gebruiken lasers om objecten op honderden meters afstand te visualiseren, zelfs in het donker. Ze genereren ook 3D-kaarten met een resolutie die hoog genoeg is voor de kunstmatige intelligentie van een voertuig om onderscheid te maken tussen voertuigen, fietsen, voetgangers en andere obstakels.

Het op een chip zetten van deze mogelijkheden heeft onderzoekers echter al meer dan tien jaar belemmerd.

"We willen een heel groot gebied verlichten", zei Wu. “Maar als we dat proberen, wordt het licht te zwak om voldoende afstand te kunnen bereiken. Dus, als een compromis in het ontwerp om de lichtintensiteit te behouden, verkleinen we het gebied dat we verlichten met ons laserlicht.”

Deze lidar bestaat uit een FPSA-matrix van kleine optische zenders en MEMS-schakelaars die snel aan en uit gaan om de golfgeleiders fysiek van de ene naar de andere positie te verplaatsen, waarbij alle beschikbare laservermogen via één enkele antenne tegelijk wordt gekanaliseerd.

MEMS-switches zijn een bekende technologie die wordt gebruikt om licht in communicatienetwerken te routeren. Dit is echter de eerste keer dat ze zijn toegepast op lidar. Vergeleken met thermo-optische schakelaars zijn ze veel kleiner, verbruiken ze veel minder stroom, schakelen ze sneller en hebben ze zeer weinig lichtverliezen.

Ze zijn de reden dat Wu 16.384 pixels op een chip van 1 centimeter vierkant kan proppen. Wanneer de schakelaar een pixel inschakelt, zendt deze een laserstraal uit en vangt het gereflecteerde licht op. Elke pixel komt overeen met 0,6 graden van het gezichtsveld van 70 graden van de array. Door snel door de array te fietsen, bouwt Wu's FPSA een 3D-beeld op van de wereld eromheen. Door er meerdere in een cirkelvormige configuratie te monteren, zou een 360-graden zicht rond een voertuig ontstaan.

Wu moet de FPSA-resolutie en het bereik vergroten voordat zijn systeem klaar is voor commercialisering. "Hoewel de optische antennes moeilijk kleiner te maken zijn, zijn de schakelaars nog steeds de grootste componenten, en we denken dat we ze een stuk kleiner kunnen maken", zei hij.

Hij moet ook het bereik van het systeem vergroten, dat slechts 10 meter is. "We zijn er zeker van dat we de 100 meter kunnen halen en geloven dat we de 300 meter kunnen halen met voortdurende verbetering," zei Wu.

Als hij kan, belooft de conventionele CMOS-productietechnologie om goedkope lidar ter grootte van een chip een deel van onze toekomst te maken.

"Kijk maar eens hoe we camera's gebruiken", zei Wu. “Ze zijn ingebouwd in voertuigen, robots, stofzuigers, bewakingsapparatuur, biometrie en deuren. Er zullen zoveel meer potentiële toepassingen zijn als we lidar verkleinen tot het formaat van een smartphonecamera.”