MEMS-Chip-Durchbruch liefert Rekord-LiDAR-Auflösung, senkt Kosten für autonome Fahrzeuge

Hochauflösendes Solid-State-LiDAR mit einem Array aus MEMS-Schaltern wird die Kosten auf das Niveau günstiger, chipbasierter Kameras und Radarsysteme senken – und damit eine große Hürde für die LiDAR-Einführung in autonomen Fahrzeugen beseitigen.

Ausgangslage: Mechanische LiDAR-Systeme teuer und unhandlich

Zwar haben günstige, chipbasierte Kameras und Radarsysteme für Kollisionsvermeidung und autonomes Autobahnfahren den Mainstream erreicht, doch LiDAR-Navigationssysteme bleiben unhandliche mechanische Geräte, die Tausende Dollar kosten.

Das könnte sich ändern, dank eines neuen Typs hochauflösender LiDAR-Chips, entwickelt von Ming Wu, Professor für Elektrotechnik und Informatik und Co-Direktor des Berkeley Sensor and Actuator Center an der UC Berkeley.

Focal Plane Switch Array (FPSA) mit 16.384 Pixeln

Wus LiDAR basiert auf einem Focal Plane Switch Array (FPSA), einer halbleiterbasierten Matrix aus Mikrometer-Antennen, die Licht wie Sensoren in Digitalkameras sammelt. Die Auflösung von 16.384 Pixeln mag im Vergleich zu Millionen Pixeln bei Smartphone-Kameras nicht beeindruckend klingen, übertrifft aber die 512 Pixel oder weniger bei bisherigen FPSAs bei weitem, so Wu.

Das Design ist auf Megapixel-Größen skalierbar, wobei dieselbe CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) genutzt wird, die auch Computerprozessoren produziert. Dies könnte eine neue Generation leistungsstarker, kostengünstiger 3D-Sensoren nicht nur für autonome Autos, sondern auch für Drohnen, Roboter und Smartphones ermöglichen.

Funktionsweise: MEMS-Schalter statt thermo-optischer Schalter

Mechanische LiDAR-Systeme nutzen Laser, um Objekte hunderte Yards entfernt zu visualisieren, sogar im Dunkeln. Sie erzeugen 3D-Karten mit ausreichender Auflösung, damit die Fahrzeug-KI zwischen Fahrzeugen, Fahrrädern, Fußgängern und anderen Hindernissen unterscheiden kann.

Doch die Integration dieser Fähigkeiten auf einen Chip hat Forscher über ein Jahrzehnt blockiert.

„Wir wollen einen sehr großen Bereich beleuchten“, sagte Wu. „Aber wenn wir das versuchen, wird das Licht zu schwach, um eine ausreichende Distanz zu erreichen. Als Design-Kompromiss zur Erhaltung der Lichtintensität reduzieren wir den Bereich, den wir mit unserem Laserlicht beleuchten.“

Dieses LiDAR besteht aus einer FPSA-Matrix winziger optischer Sender und MEMS-Schaltern, die schnell ein- und ausschalten, um Wellenleiter physisch von einer Position zur anderen zu bewegen und die gesamte verfügbare Laserleistung durch eine einzelne Antenne zu kanalisieren.

MEMS-Schalter sind eine bekannte Technologie zur Lichtführung in Kommunikationsnetzen. Dies ist das erste Mal, dass sie auf LiDAR angewendet werden. Im Vergleich zu thermo-optischen Schaltern sind sie viel kleiner, verbrauchen weit weniger Energie, schalten schneller und haben sehr geringe Lichtverluste.

Sie sind der Grund, warum Wu 16.384 Pixel auf einen 1-cm²-Chip packen kann. Wenn der Switch ein Pixel aktiviert, sendet es einen Laserstrahl aus und fängt das reflektierte Licht ein. Jedes Pixel entspricht 0,6 Grad des 70-Grad-Sichtfelds des Arrays. Durch schnelles Zyklieren durch das Array baut Wus FPSA ein 3D-Bild der Umgebung auf. Mehrere davon in kreisförmiger Konfiguration montiert, erzeugen einen 360-Grad-Rundumblick um ein Fahrzeug.

Nächste Schritte: Höhere Auflösung und Reichweite

Wu muss FPSA-Auflösung und Reichweite steigern, bevor sein System kommerziell reif ist. „Während die optischen Antennen schwer kleiner zu machen sind, sind die Switches noch die größten Komponenten, und wir denken, wir können sie deutlich kleiner machen“, sagte er.

Auch die Reichweite des Systems muss erhöht werden, die derzeit nur 10 Meter beträgt. „Wir sind sicher, dass wir 100 Meter erreichen und glauben, mit kontinuierlicher Verbesserung 300 Meter schaffen zu können“, sagte Wu.

Wenn ihm das gelingt, verspricht konventionelle CMOS-Produktionstechnologie, kostengünstige chipgroße LiDAR-Systeme Teil unserer Zukunft zu machen.

„Schauen Sie nur, wie wir Kameras nutzen“, sagte Wu. „Sie sind in Fahrzeugen, Robotern, Staubsaugern, Überwachungsgeräten, Biometrie und Türen eingebettet. Es wird so viele weitere potenzielle Anwendungen geben, sobald wir LiDAR auf die Größe einer Smartphone-Kamera geschrumpft haben.“