MEMS-chip doorbraak levert record lidar-resolutie, verlaagt kosten voor autonomous voertuigen

Hoogresolutie solid-state lidar met een array van MEMS-schakelaars zal de kosten verlagen tot die van goedkope, chip-gebaseerde camera's en radarsystemen – een grote barrière voor de adoptie van lidar voor autonome voertuigen wegnemend.

Hoewel goedkope, chip-gebaseerde camera's en radarsystemen de mainstream bereikt hebben voor botsingsvermijding en autonome snelwegsrijden, blijven lidar-navigatiesystemen onhandige mechanische apparaten die duizenden dollars kosten.

Dat is misschien op het punt te veranderen, dankzij een nieuw type hoogresolutie lidar-chip ontwikkeld door Ming Wu, professor elektrische engineering en computerwetenschappen en mededirector van het Berkeley Sensor and Actuator Center aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

Focal Plane Switch Array (FPSA)

Wu's lidar is gebaseerd op een focal plane switch array (FPSA), een semiconductor-gebaseerde matrix van micron-schaal antennes die licht verzamelt zoals de sensoren in digitale camera's. De resolutie van 16.384 pixels klinkt misschien niet indrukwekkend vergeleken met de miljoenen pixels op smartphone-camera's, maar het overstijgt ver de 512 pixels of minder die op FPSA's tot nu toe gevonden werden, zei Wu.

Het ontwerp is schaalbaar tot megapixel-grootte met behulp van dezelfde complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technologie die gebruikt wordt om computerprocessoren te produceren, zei Wu. Dit kan leiden tot een nieuwe generatie krachtige, goedkope 3D-sensoren niet alleen voor autonome auto's, maar ook voor drones, robots en smartphones.

Vergelijking met mechanische lidar

Mechanische lidar-systemen gebruiken lasers om objecten honderden yards ver te visualiseren, zelfs in het donker. Ze genereren ook 3D-kaarten met een resolutie die hoog genoeg is voor een voertuig's kunstmatige intelligentie om te onderscheiden tussen voertuigen, fietsers, voetgangers en andere obstakels.

Toch heeft het plaatsen van deze mogelijkheden op een chip onderzoekers al meer dan een decennium in de war gebracht.

„We willen een heel groot gebied verlicht,” zei Wu. „Maar als we dat proberen, wordt het licht te zwak om een voldoende afstand te bereiken. Dus, als ontwerpafweging om de lichtintensiteit te behouden, verminderen we het gebied dat we verlichten met ons laserlicht.”

MEMS-schakelaars als sleutel

Deze lidar bestaat uit een FPSA-matrix van kleine optische zenders en MEMS-schakelaars die snel aan en uit gaan om de golgleiders fysiek van de ene positie naar de andere te verplaatsen, alle beschikbare laserenergie door één enkele antenne tegelijk te kanaliseren.

MEMS-schakelaars zijn een bekende technologie gebruikt om licht in communicatienetwerken te routeren. Dit is de eerste keer dat ze toegepast worden op lidar. Vergeleken met thermo-optische schakelaars, zijn ze veel kleiner, gebruiken veel minder energie, schakelen sneller en hebben zeer lage lichtverliezen.

Zij zijn de reden dat Wu 16.384 pixels op een 1-centimeter-kwadraat chip kan stoppen. Wanneer de schakelaar een pixel aanzet, emiteert het een laserstraal en vangt het gereflecteerde licht. Elke pixel is equivalent aan 0,6 graden van de array's 70-graden zichtveld. Door snel door de array te cyclen, bouwt Wu's FPSA een 3D-beeld van de omgeving op. Het monteren van er meerdere in een circulaire configuratie zou een 360-graden zicht rondom een voertuig produceren.

Uitdagingen voor commercialisatie

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

Hij moet ook het bereik van het systeem vergroten, dat nu slechts 10 meter is. „We zijn zeker dat we 100 meter kunnen halen en geloven dat we 300 meter kunnen bereiken met continue verbetering,” zei Wu.

Als hij dat kan, belooft conventionele CMOS-productietechnologie om goedkope chip-grote lidar onderdeel van onze toekomst te maken.

„Kijk maar hoe we camera's gebruiken,” zei Wu. „Ze zitten in voertuigen, robots, stofzuigers, bewakingsapparatuur, biometrie en deuren. Er zullen zoveel meer potentiële toepassingen zijn zodra we lidar krimpen tot de grootte van een smartphone-camera.”