紧凑型可扩展的激光雷达设计可应用于机器人和医疗保健

南安普敦大学（University of Southampton）的研究人员与总部位于旧金山的纳米技术公司 PointCloud Inc. 的一个团队合作开发了一种可扩展的3D激光雷达成像系统，研究人员称这个系统可以达到甚至超过目前使用的大多数机械系统的性能和精度。这种经济高效的器件可提供一种途径大批量生产紧凑型、廉价和高性能 3D成像照相机，它可以用于机器人、自主导航系统、建筑工地地图等以提高安全性和医疗保健。这个集成系统由该大学的光电研究中心（ORC）和PointCloud共同开发，在同一个微芯片中使用硅光子元件和CMOS电子电路。

32-×16-像素的传感器 (传感器大小为2-×2.5-mm)拍摄的四十米外的旋转椅照片。PointCloud供图。

据PointCloud首席执行官Remus Nicolaescu说，目前量产系统的所有光学成像，无论是2D还是3D成像都基于FPA（焦平面阵列）成像配置。所有基于 FPAs 的 3D成像系统都与振幅调制的范围相匹配。Nicolaescu告诉Photonics Media，该系统结合了FPA成像架构和阵列上的频率调制/相干检测。因此，它基本上利用了两个世界上最好的，FPAs的可扩展性和简易性以及相干测距的性能。研究小组报告说，它展示了512（32×16）像素的范围，可以在集成的硅光子平台上进行扩展。ORC硅光子学教授Graham Reed说，“研究小组借鉴通信技术，确保杂散光（如阳光）不会干扰拍摄图像的光。使用这种方法，我们有一个概念上简易的探测器布局，可以扩展到更密集的探测器阵列或更大的阵列以产生更高分辨率的图像，也可以捕捉远距离的图像。" Reed告诉Photonics Media。

在可扩展性方面，该设计的主要优点之一是使用硅材料。"我们报道的器件是全硅基系统，但是激光器除外; 如果所有的调制、光束转向和检测都集成在硅芯片上，硅芯片便可以在商业化的代工厂制造，" Nicolaescu 说。"这种硅芯片的成本可以比现有系统低得多，尤其是在大批量生产中。"另一方面，Nicolaescu说，“具有类似性能的现有系统通常需要将许多离散组件集成到一个笨重的封装中。”这包括激光器、调制器、光电探测器和用于引导光的机械运动部件。所有这些组件都需要精确对齐以产生光信号。Reed说这些类型的设计并没有从硅光子的经济性中获益，硅光子已经制造出高质量和可以大批量生产的硅芯片。

研究人员合作开发的器件能够与现有激光雷达系统在同一级别上运行，但封装要小得多。对器件原型的测试表明，在75米的距离上其精度可以达到3.1毫米。Nicolaescu说，“这个团队的系统与现有系统在性能上的细微差异将取决于他们与哪个系统进行比较。”与许多现有机械系统相比，单片集成能力为研究人员的开发的器件提供了紧凑的配置。Nicolaescu说研究人员现在的目标是尽量减少整个系统的光学损耗并提高检测精度。

这项研究成果发表在《Nature》上。(www.nature.com/articles/s41586-021-03259-y).