通用汽車(chē)公司已經(jīng)收購(gòu)了Strobe，一家激光雷達(dá)初創(chuàng)公司，可以讓巨型汽車(chē)制造商在比賽中站起來(lái)，使自駕車(chē)成為主流技術(shù)。自主開(kāi)車(chē)的Cruise（去年通用汽車(chē)公司收購(gòu)）的創(chuàng)始人凱爾·沃格特（Kyle Vogt ）在星期一的博客文章中宣布收購(gòu)。

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輕型雷達(dá)的激光雷達(dá)被廣泛視為自駕車(chē)的關(guān)鍵傳感器技術(shù)。通過(guò)發(fā)出激光脈沖并測(cè)量它們反彈需要多長(zhǎng)時(shí)間，激光雷達(dá)建立了汽車(chē)周?chē)脑敿?xì)三維地圖。

汽車(chē)激光雷達(dá)的第一代坐在汽車(chē)的頂部，圍繞車(chē)輛的周?chē)h(huán)繞360度視野。這些機(jī)械系統(tǒng)對(duì)于建造自駕駕駛汽車(chē)原型工作已經(jīng)很好，但是它們的復(fù)雜性使得難以實(shí)現(xiàn)大眾市場(chǎng)所需的低成本和耐久性。

頻閃是許多初創(chuàng)公司主要技術(shù)之一，都一直在努力開(kāi)發(fā)重新設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)，其廉價(jià)和耐用的主流商業(yè)用途。頻閃沒(méi)有透露它的技術(shù)如何工作，但是我們可以通過(guò)觀察斯泰爾斯董事會(huì)成員約翰·鮑爾斯（John Bowers）的學(xué)術(shù)研究，進(jìn)行有根據(jù)的猜測(cè)。鮑爾斯是加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校電氣和計(jì)算機(jī)工程系的教授，他花了幾年時(shí)間研究如何將激光雷達(dá)傳感器的關(guān)鍵元件放在硅芯片上。

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激光雷達(dá)的自駕車(chē)可追溯到2005年，當(dāng)時(shí)一家音響設(shè)備公司Velodyne的創(chuàng)始人大衛(wèi)·霍爾（David Hall）決定參加DARPA的第二屆自駕車(chē)比賽。他的車(chē)沒(méi)有贏，但競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手注意到他為比賽打造的定制激光雷達(dá)。在DARPA 2007年第三場(chǎng)比賽之前，Velodyne的激光雷達(dá)安裝在成功完成挑戰(zhàn)的幾輛車(chē)上。Velodyne的激光雷達(dá)自那以來(lái)一直是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

霍爾的設(shè)計(jì)在概念上是簡(jiǎn)單的，但技術(shù)上卻很難制造。霍爾在旋轉(zhuǎn)萬(wàn)向節(jié)上安裝了一系列激光。每秒旋轉(zhuǎn)幾次，將通過(guò)車(chē)輛周?chē)奈矬w距離收集數(shù)據(jù)。

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360度的觀點(diǎn)是有非常正確的，在今天仍然廣泛使用 ，但是這種設(shè)計(jì)具有一些顯著的缺點(diǎn)。一方面早期Velodyne單位的精密機(jī)械部件和數(shù)十種激光器價(jià)格昂貴。在2010年初，用于原始自駕車(chē)的Velodyne激光雷達(dá)耗資約75000美元。此后，Velodyne已經(jīng)建造了更小，更簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)，每臺(tái)約8000美元，但對(duì)于大規(guī)模采購(gòu)來(lái)說(shuō)，仍然太貴了。

還不清楚這種機(jī)械激光雷達(dá)是否能夠承受日常使用的嚴(yán)酷程度。消費(fèi)者預(yù)計(jì)他們的汽車(chē)可以在各種氣候和道路條件下開(kāi)車(chē)數(shù)十萬(wàn)英里。

許多專(zhuān)家認(rèn)為，解決方案是建立“固態(tài)”激光雷達(dá)，無(wú)需物理旋轉(zhuǎn)激光。許多公司 包括Velodyne本身 - 一直在努力開(kāi)發(fā)售價(jià)低于1000美元的固態(tài)激光雷達(dá)。這些激光雷達(dá)固定在一個(gè)地方，通常具有更窄的視野，需要幾個(gè)激光雷達(dá)才能得到由屋頂裝置提供的相同的360度可見(jiàn)度。然而，這些設(shè)備造價(jià)便宜得多，所以應(yīng)該可以購(gòu)買(mǎi)幾個(gè)固態(tài)激光雷達(dá)，并且又節(jié)省了超過(guò)旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)的成本。

固態(tài)激光雷達(dá)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是找到一種在不同方向照射光線的方法，而不會(huì)在周?chē)l(fā)出激光。一些公司包括德國(guó)芯片制造商英飛凌，在微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）周?chē)⒘死走_(dá)。一個(gè)微小的鏡子沿兩個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)，在掃描場(chǎng)景時(shí)引導(dǎo)固定的激光束。

被稱(chēng)為閃光激光雷達(dá)的第二種方法完全不需要掃描。相反，它用單個(gè)閃光燈照亮整個(gè)場(chǎng)景，然后使用二維數(shù)組的微小傳感器來(lái)檢測(cè)來(lái)自不同方向的光線。這種方法的一個(gè)重大缺點(diǎn)：由于它更廣泛地分散光，可能難以檢測(cè)遠(yuǎn)處的物體或具有低反射率的物體。

Bowers在加利福尼亞大學(xué)圣芭芭拉分校實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的系統(tǒng)采用了第三種方法，可以實(shí)現(xiàn)MEMS類(lèi)掃描功能，而無(wú)需使用任何機(jī)械零件 ，即使是微小的掃描功能。他們的方法在2015年的論文“全集成混合硅二維光束掃描儀”中有所描述。

Bowers和他的UCSB同事使用一種技術(shù)將激光上下瞄準(zhǔn)，并采用不同的技術(shù)將激光指向一側(cè)。對(duì)于第一維度，UCSB團(tuán)隊(duì)使用了一種稱(chēng)為光相控陣列的技術(shù)。相控陣是一排發(fā)射器，通過(guò)調(diào)整從一個(gè)發(fā)射機(jī)到下一個(gè)發(fā)射機(jī)的信號(hào)的相對(duì)相位可以改變電磁波的方向。

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如果發(fā)射機(jī)全部同步發(fā)射電磁波，則波束將被直接發(fā)送出去，即垂直于陣列。為了將光束引導(dǎo)到左邊，發(fā)射器偏移每個(gè)天線發(fā)出的信號(hào)的相位，所以來(lái)自左側(cè)發(fā)射機(jī)的信號(hào)在右側(cè)的發(fā)射機(jī)的后面。為了將光束指向右側(cè)，陣列相反，將最左側(cè)元素的相位向前移動(dòng)到右側(cè)。維基百科有一個(gè)有用的例證說(shuō)明它是如何工作的。

這種技術(shù)已經(jīng)在雷達(dá)系統(tǒng)中使用了數(shù)十年，其中發(fā)射機(jī)是雷達(dá)天線。光學(xué)相控陣列對(duì)于激光采用相同的原理，將激光發(fā)射器陣列包裝到足夠小的空間以適合單個(gè)芯片。

在理論上，您可以構(gòu)建一個(gè)二維光學(xué)相控陣列來(lái)創(chuàng)建可以沿兩個(gè)不同軸線瞄準(zhǔn)的激光。但鮑爾斯和他的合著者認(rèn)為這不實(shí)際。如果一維相控陣列需要n個(gè)發(fā)送元件（32是典型數(shù)字），則二維相控陣列將需要n個(gè)平方元件（在本示例中為1,024）。這是硅的大量浪費(fèi)。

相反，鮑爾斯和他的同事們通過(guò)改變激光的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)的第二個(gè)維度，然后將光通過(guò)光柵陣列，就像老式的棱鏡一樣，將其在稍微不同的方向引導(dǎo)光。

因此，UCSB團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)可以在兩個(gè)維度上上下左右的激光，沒(méi)有任何機(jī)械部件。他們知道如何將這個(gè)整體設(shè)計(jì)嵌入到面積小于一平方厘米的單芯片上。

非機(jī)械激光轉(zhuǎn)向是負(fù)擔(dān)起堅(jiān)固的固態(tài)激光雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一，但建立實(shí)際系統(tǒng)需要更多的技術(shù)。2016年被稱(chēng)為“用于相干激光的光子集成電路”描述了改進(jìn)芯片制造技術(shù)如何使激光雷達(dá)系統(tǒng)的越來(lái)越多的部件被包裝在單個(gè)芯片上。

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光子集成電路（PICs）在組件功能，損耗減少和高級(jí)功能集成方面完成了革命?！斑@部分是由與傳統(tǒng)CMOS制造工藝兼容的器件設(shè)計(jì)的發(fā)展驅(qū)動(dòng)的。我們現(xiàn)在處于組件分集，低損耗和低成本制造的一個(gè)方面，使我們能夠考慮圍繞光子學(xué)的相干激光雷達(dá)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)集成電路技術(shù)“。

在非常巧合的情況下，用于生產(chǎn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片的數(shù)十億美元的CMOS代工廠投資 - ”使得相同的制造基礎(chǔ)設(shè)施能夠生產(chǎn)傳播光的器件，這些器件可以很好地適用于許多電光通信和傳感應(yīng)用“。

然而，雖然硅是一些“被動(dòng)”組件的良好材料，但它對(duì)激光和探測(cè)器等有源部件也不起作用。對(duì)于這些組件，更多異乎尋常的材料，如磷化銦，砷化鎵和鍺工作更好。

幸運(yùn)的是，異構(gòu)集成技術(shù)正在成熟。半導(dǎo)體工程師們將傳統(tǒng)的硅基組件與其他材料制成的光學(xué)組件結(jié)合得越來(lái)越好。