Nature | 鐳射雷達綜述

江蘇鐳射聯盟導讀：

由韓國浦項科技大學和法國蔚藍海岸大學組成的國際研究團隊開發的基於納米光子學的LiDAR技術作為特邀論文2021年5月6日在nature nanotechnology上發表。

光檢測和測距（LiDAR）是繼無線電檢測和測距（雷達）的發展之後出現的一種測量方法。傳統的LiDAR方法利用脈衝光源來照亮目標物體。通過測量反射光脈衝的返回時間（稱為飛行時間 (time of flight, TOF) ），可以計算物距。LiDAR技術，傳統上分為地面、機載和航天LiDAR，在1960年代鐳射器發明後開始認真發展。機載LiDAR通常安裝在飛機和衛星上，主要用於測量大氣條件和環境觀測。星載LiDAR已在航天器中用於空間站對接距離測量，或用於空間探索的探測機器人中。

最初用於簡單測量（主要是距離和車速）的基於地面的LiDAR，如今已被認為是諸如自動駕駛汽車、人工智慧機器人和無人飛行器偵察等各種應用中的關鍵元件。消費類電子裝置包括Apple公司的iPhone和iPad，微軟公司的Kinect室內運動捕捉感測器等，包括用於增強或虛擬現實顯示器的LiDAR感測器。面向行業的應用包括用於自動駕駛汽車的LiDAR感測器或製造工廠中的機器人視覺。最後，航空應用在無人機監視中利用LiDAR感測器進行地形測繪，在航天器中利用行星探測器。

幾個鐳射雷達系統已經過優化，以滿足考慮中的應用的各種要求。例如，對於消費類電子產品而言，裝置成本和佔地面積很重要，但是測量精度、可測量距離和系統耐用性對於精密裝置至關重要。考慮到LiDAR在現實世界中的使用及其潛在的經濟影響，即使是在短期內，隨著許多新創公司的出現，硬體和軟體領域的研究與開發也已大量增加。

作為一個特定但極為相關的示例，自動駕駛汽車的LiDAR系統決策時間必須足夠快，以使其在發生危險時安全地完全停止。與人類安全有關的某些要求尚未同時滿足：測量範圍≥150μm（或TOF約1μs），能夠分辨10μcm大小的物體，360°實時操作範圍以及 一種光學系統，可以克服惡劣的天氣條件，並且對不同的太陽光照條件具有魯棒性。除了這些要求之外，預計LiDAR系統將被製造為緊湊且價格合理的晶片級感測器。但是，到目前為止，還沒有商用的LiDAR感測器能夠滿足所有這些要求。大多數市售的LiDAR系統都是基於大型機械掃描器和微機電系統（MEMS），這些系統體積龐大且容易受到外部衝擊。

當前，自動駕駛汽車車頂上的高階機械LiDAR系統的大小大約是兩個成年人拳頭堆疊在一起的大小，需要花費數萬美元。此外，還有許多挑戰需要克服，例如消耗大量電力和熱量管理的充電過程。作為對此的解決方案，研究團隊提出了一種基於納米光子學的超緊湊LiDAR技術。研究人員解釋了這種納米光子技術如何在各個方面創新LiDAR感測器系統，從LiDAR的基本測量原理到最新的超快速和超精確的納米光子測量方法，以及納米光子裝置（例如超表面，孤子微梳和光波導）。

納米光子技術的最新進展最近被認為是傳統LiDAR系統的支援甚至替代技術（圖1）。特別是，一些小型化的光束控制平臺，例如晶片級光學相控陣和基於超表面的平面光學裝置，可以切實縮小裝置的佔地面積。納米光子LiDAR平臺還可以在掃描速度和影象資訊內容方面提供改進的成像功能。

圖1. 納米光子LiDAR系統的概念示意圖

▲圖解：LiDAR的一項有前途的應用是在自動駕駛汽車中，其中LiDAR可以檢測道路上的周圍物體。自動駕駛車輛中使用的傳統LiDAR技術包括上述的大型機械掃描器或微機電系統，它們體積龐大且容易受到外部撞擊。新提出的納米光子LiDAR系統不僅可以縮小裝置的外形尺寸，而且可以顯著提高裝置的功能。利用可擴展的晶片規模製造，進一步改善FOV並實現更快掃描的下一個突破可能並不遙遠。

圖2. 鐳射雷達成像基礎

圖解：脈衝鐳射用作光源，來自物體（汽車）的延時後向散射訊號由光電二極體檢測。往返時間（或時間延遲）直接給出TOF，而先進的測量技術（如FMCW）可以同時測量運動物體的速度。Nlaser，透射光子數；β，角散射概率；A / R2，表示收集概率的立體角；T，在給定介質中的光透射率。通過適當的影象處理和渲染，可以重建測量的3D物件。

鐳射雷達的照明方法

LiDAR系統的檢測效能取決於掃描和檢測方法以及可用於處理TOF資訊的各種方法（圖3a）。因此，在實施基於納米光子的方法時必須考慮這些差異。

圖3. 傳統的宏掃描器和MEMS型LiDAR系統的示意圖

▲圖解：a, LiDAR掃描和3D深度識別的原理。b, 宏掃描器型LiDAR裝置的硬體元件。光源由數十個發射器產生，並且使用電動機旋轉裝置。需要額外的光源以增加垂直解析度。c, MEMS型LiDAR裝置的硬體元件。二極體鐳射器發出的光通過MEMS反射鏡快速掃描，並且漫射器可以改善水平或垂直方向的FOV。IC，整合晶片。

圖4. 光子整合LiDAR方法

▲圖解：a, 片上設計整合LiDAR系統。分散式反饋鐳射器用於驅動系統。使用發射器（TX）和接收器（RX）的兩個通道過程，可以使用快速傅立葉測量60m的速度（左下方）和距離（右下方），而僅發射5 mW的鐳射功率變換光譜以增加範圍。FM DFB，調頻分散式反饋鐳射器；BPD，平衡光電二極體；DLI，延遲線干涉儀；iPH，移相器通道；E，發射場；R，反射場；BPD，平衡光電二極體；FC，光纖迴圈器；LO，本地振盪器。b，基於微梳的LiDAR。上圖：建立雙梳實驗的實驗方案。底部：以150m s-1（參考10）的速度運動的子彈的測量輪廓，虛線表示測量極限。DKS，耗散克爾孤子態；OCT，光學相干斷層掃描用於比較結果。

c，使用孤子微梳的大規模平行相干鐳射測距。單梳子光子標記和應用的頻率調製功能。下：設定（左）和測距實驗（右）。E（t）和E（ω）分別對應於時域和頻域中的電場。trep，調製週期；ωp，中心頻率；μ，光譜極限；AFG，任意函數發生器；EOM，電光調製器；DEMUX，解複用器；CIRC，光學迴圈器。d，在絕緣體上矽上反向設計的洛倫茲諧振器，以實現不可逆傳輸。左：執行實驗的光路示意圖。右：諧振器的設計。EDFA，摻fiber光纖放大器；PD，光電二極體。該圖改編自ref。

與液晶、LED和VCSEL結合的超表面可以大大減少LiDAR器件的佔地面積，將發射、掃描和接收元件整合到一個單元中。本綜述中討論的納米光子解決方案的設計者能力在光束整形、偏振和工作波長方面，將在不久的將來實現真實、快速、超薄、輕巧和高階的LiDAR系統。目前，最先進的LiDAR通常使用VCSEL陣列型直接TOF感測器。照明元件由10,000–20,000 VCSEL陣列組成（但為了提高信噪比，單次照明約5,000個點光源），以控制來自每個鐳射單元的光束路徑，微透鏡陣列是需要，並且根據期望的目的，需要附加的外部鏡頭，從而使整個系統變得笨重。超緊湊型納米光子LiDAR不僅應具有與商用同行相當的效能，而且還應為新興應用（例如具有完整4π球形空間測量的室內機器人或無人機、全向相機、智慧手機和閉路電視）提供更好的解決方案。對於那些應用，應開發球形探測器陣列或納米光子增強的角度敏感納米線光電探測器。

除了提高效能之外，替代當前的LiDAR技術還需要價格低廉的新型、廉價解決方案，從構思到交付，其成熟速度都將推向市場。對於專注於利用納米光子元件進行主動光束控制的新創業公司和公司而言，這無疑是一個挑戰。

本文來源：nki Kim et al, Nanophotonics for light detection and ranging technology, Nature Nanotechnology (2021).