新研发的微型固态LiDAR装置可绘制180度全视野的3D地图

自主汽车和机器人要想在现实世界中安全和有用，就必须能够非常准确地感知它们周围的世界。在人类和其他自主生物实体中，这需要一系列不同的感官和一些相当特别的实时数据处理，对于我们的技术后代也可能是如此。

LiDAR--光探测和测距的简称--自20世纪60年代以来一直存在，它现在是一种成熟的测距技术，在开发特定空间的3D点云表示方面特别有用。它的工作原理有点像声纳，但LiDAR设备发出的不是声音脉冲，而是激光的短脉冲，然后测量这些脉冲击中物体时的反射或反向散射的光。

最初的光脉冲和返回的脉冲之间的时间，乘以光速并除以2，就能告诉你LiDAR装置与空间中某一特定点之间的距离。如果你随着时间的推移反复测量一堆点，你就会得到一个该空间的三维模型，其中有关于距离、形状和相对速度的信息，这可以与来自多点摄像机、超声波传感器和其他系统的数据流一起使用，以充实一个自主系统对其环境的理解。

据韩国浦项科技大学（POSTECH）的研究人员称，现有LiDAR技术的一个关键问题是其视场。如果你想从一个点上对一个宽广的区域进行成像，唯一的办法就是机械地旋转你的LiDAR设备，或者旋转镜子来引导光束。这种设备可能是笨重的、耗电的和脆弱的。它往往磨损得相当快，而且旋转速度限制了你测量每个点的频率，降低了三维数据的帧率。

另一方面，固态LiDAR系统不使用物理移动部件。根据研究人员的说法，其中一些系统--比如苹果公司用来确保你不会通过举起主人的平面照片来愚弄iPhone的面部检测解锁系统的深度传感器--将一个点阵列投射在一起，并寻找点和图案的失真来辨别形状和距离信息。但视野和分辨率是有限的，而且该团队说它们还是比较大的设备。

浦项研究小组决定利用超表面的非凡光弯曲能力，开发出具有最宽视野的最微小深度感应系统。这些二维纳米结构的宽度只有人类头发的千分之一，可以有效地被看作是超平透镜，由微小且形状精确的单个纳米柱元素组成的阵列。入射光线在通过元表面时被分成几个方向，通过正确的纳米柱阵列设计，部分光线可以被衍射到近90度的角度，一个完全平坦的超鱼眼形态。

左图：光束衍射图案的正面和侧面图，显示了在较高的弯曲角度下的强度损失，以及随着距离的增加，点位分辨率的损失。右图：超表面上的精确形状的纳米柱阵列，它可以使光线弯曲近90度。

研究人员设计并建造了一个装置，通过一个元表面透镜发射激光，透镜上的纳米柱被调谐成大约10,000个点，覆盖一个极端的180度视场。然后该装置通过一个摄像头解释反射或背向散射的光，以提供距离测量。

"我们已经证明，我们可以通过开发一种比传统的元表面设备更先进的技术来控制所有角度的光线传播，"发表在《自然通讯》上的一项新研究的共同作者Junsuk Rho教授说。"这将是一项原创技术，能够实现超小型和全空间的三维成像传感器平台。"

光的强度确实随着衍射角变得更加极端而下降；一个弯曲到10度角的点到达其目标的功率是一个弯曲到接近90度的点的4到7倍。通过他们实验室设置的设备，研究人员发现他们在60°的最大视角（代表120°的视野）和传感器与物体之间小于1米（3.3英尺）的距离内得到了最佳结果。他们说，更高功率的激光器和更精确调谐的元表面将增加这些传感器的最佳点位，但在更远的距离上的高分辨率对于像这样的超宽镜头来说将始终是一个挑战。

那个微小的元表面的斑点就是你所需要的，把一个激光分割得足够宽，以映射你面前的一切。

这里的另一个潜在限制是图像处理。用于将传感器数据解码为三维点云的"相干点漂移"算法非常复杂，而且处理时间随着点数的增加而增加。因此，高分辨率全画幅捕捉解码10000个点或更多，将给处理器带来相当大的负荷，让这样一个系统每秒运行30帧以上将是一个巨大的挑战。

另一方面，这些东西是令人难以置信的微小，而且元表面可以很容易地、廉价地以巨大的规模制造。该团队在一套安全眼镜的弧形表面上打印了一个。它是如此之小，几乎无法从一粒灰尘中分辨出来。基于元表面的深度测绘设备可以非常微小，并且很容易集成到一系列物体的设计中，其视场可以调整到一个对应用有意义的角度。

该团队认为这些设备在移动设备、机器人、自动驾驶汽车和VR/AR眼镜等方面具有巨大潜力。