UC Berkeley､微小スイッチで記録的な分解能の固体LiDARチップ

March, 30, 2022, Berkeley--UC Berkeley､バークリーセンサ&アクチュエータセンタの電気工学&コンピュータサイエンス教授､Ming Wuは､新しいタイプの高分解能LiDARチップを開発した｡研究成果は､Natureに発表されている｡

新開発のLiDARは､焦点面スイッチアレイ(FPSA)をベースにしている｡これは､半導体ベースのマトリクス状のマイクロメートルスケールのアンテナで､デジタルカメラのセンサのように光を収集する｡その分解能､16,384 ピクセルは､スマートフォンカメラの数100万ピクセルと比べると､優れているようには聞こえないが､今のところ､Wuによると､それはFPSAsの512ピクセルを小さく見せている｡

同様に重要なことは､コンピュータプロセッサの製造に使われる同じCMOS技術を使うことで､その設計がメガピクセルサイズに拡張可能であることだ｡これは､新しい世代の強力なローコスト3Dセンサになる｡用途は､自律走行車､ドローン､ロボット､スマートフォンなど｡

LiDARの問題点
LiDARは､レーザ照射の反射光を捉えることで機能する｡光が戻るまでの時間､ビーム周波数の変化を計測することでLiDARは環境マップを作り､物体が動き回るスピードの時間を記録する｡

機械的LiDARシステムは､数100ヤード離れた物体を暗闇でも可視化する強力なレーザを備えている｡また､自動車のAIが､車輌､自転車､歩行者､他の危険物を区別するだけの高い分解能で3Dマップを生成する｡

しかし､これらの機能を1つのチップに載せることで10年以上､研究者が窮地に立たされてきた｡最も際立つ障害はレーザに関わる｡

｢非常に広い範囲を照射したい｡しかし､そうしようとすると光は､弱くなりすぎて十分な距離に届かない｡したがって､光強度を維持する設計トレードオフとして､レーザ光で照射する範囲を減らす｣(Wu)｡

そこが､FPSAが登場してきたところである｡FPSAの構成は､マトリクス状の微小な光トランスミッタ､つまりアンテナと素早く光をON/OFFするスイッチ｡こうして､FPSAは､単一のアンテナを通して全ての利用可能なレーザパワーを一度に流すことができる｡

MEMSスイッチ
しかし､スイッチングは問題である｡ほとんど全てのシリコンベースLiDARシステムは､熱光学スイッチを利用する｡これは､大きな温度変化を利用して､屈折率の小さな変化を生み出し､1つの導波路から別の導波路へレーザ光を曲げ､方向を変えさせる｡

しかし､熱光学スイッチは大きくて､消費電力が高い｡1つのチップに多くを詰め込むと､熱の発生が多すぎて適切に動作しない｡既存のFPSAsが､512ピクセル以下に制限されている理由は､これである｡

Woのソリューションは､それらをMEMSスイッチで置き換える｡これにより､導波路の位置を物理的に次々に動かす｡

Wuによると､｢構成は､フリーウエイのインターチェンジと非常によく似ている｣｡

MEMSスイッチは､通信ネットワークで光のルーティングに使用されている既知の技術｡それらがLiDARに適用されたのは､これが初めてである｡熱光学スイッチと比べて､MEMSスイッチは､遙かに小さく､省エネであり､高速で､光損失も非常に少ない｡

1cm²チップに16,384ピクセルを詰め込むことができる理由はそこにある｡スイッチがピクセルをONにすると､それは光ビームを放射し､反射光を捉える｡各ピクセルが､アレイの70°視界の0.6°に相当する｡アレイを素早く循環させることでFPSAは､周囲世界の3D画像を構築する｡複数のFPSAsを円形構成に実装すると､車輌の周囲360°視界が生成される｡

スマートフォンカメラのように
このシステムの商用化準備前に､FPSAの分解能と距離を伸ばす必要がある｡｢光アンテナを小さくするのは難しいが､スイッチは､まだ最大のコンポーネントであり､それらを大幅に小さくできるとわれわれは考えている｣(Wu)｡

同システムの距離はわずか10mなので､それをもっと伸ばす必要がある｡｢100m到達は確実に可能である｡継続的な改善で300mに達すると考えている｣(Wu)｡

実現すると､従来のCMOS製造技術で未来の安価なチップサイズLiDAR部品製造が約束される｡

(詳細は、https://engineering.berkeley.edu)