MEMSチップブレークスルーでLiDAR解像度記録更新、自動運転車のコスト削減へ

MEMSスイッチのアレイを用いた高解像度ソリッドステートLiDARにより、そのコストが安価なチップベースのカメラやレーダーシステムと同等になり、自動運転車へのLiDAR採用の主要な障壁が取り除かれます。

カメラ・レーダーは普及したがLiDARは高コストのまま

安価なチップベースのカメラとレーダーシステムは、衝突回避と自動高速道路走行で主流になりましたが、LiDARナビゲーションシステムは依然として数千ドルもする大型の機械式デバイスのままです。

これが変わろうとしています。カリフォルニア大学バークレー校の電気工学・コンピュータサイエンス教授で、バークレーセンサー・アクチュエーターセンター共同所長のMing Wu氏によって、新タイプの高解像度LiDARチップが開発されました。

焦点面スイッチアレイ（FPSA）で16,384ピクセルを実現

Wu氏のLiDARは、焦点面スイッチアレイ（FPSA）に基づいています。これはデジタルカメラのセンサーのように光を集める、ミクロン級アンテナの半導体ベースのマトリックスです。16,384ピクセルの解像度は、スマートフォンカメラの数百万ピクセルと比較すれば大したことないように聞こえますが、これまでのFPSAの512ピクセル以下を大きく上回るとWu氏は言います。

CMOS技術でメガピクセルへの拡張が可能

この設計は、コンピュータープロセッサーの製造に使用される同じ相補型金属酸化膜半導体（CMOS）技術を用いて、メガピクセルサイズへの拡張が可能だとWu氏は述べています。これにより、自動運転車だけでなく、ドローン、ロボット、スマートフォン向けの、強力で低コストな3Dセンサーの新世代が実現する可能性があります。

MEMSスイッチが鍵：小型・低消費電力・高速・低損失

機械式LiDARシステムはレーザーを用いて数百ヤード先の物体を可視化し、暗闇でも動作します。また、車両のAIが車両、自転車、歩行者、その他の障害物を区別できる十分な解像度の3Dマップを生成します。

しかし、これらの機能をチップ上に実現することは、10年以上研究者たちを悩ませてきました。

「非常に広い領域を照らしたい」とWu氏は言います。「しかしそれをしようとすると、光が弱くなり十分な距離に届かなくなります。したがって、レーザー光で照らす領域を減らすという設計トレードオフで光強度を維持しています。」

このLiDARは、微小な光送信機とMEMSスイッチのFPSAマトリックスで構成され、MEMSスイッチが急速にオン・オフして波導を物理的に移動させ、すべての利用可能なレーザー出力を一度に1つのアンテナに集中させます。

MEMSスイッチは通信ネットワークでの光ルーティングに使用される既知技術ですが、LiDARへの適用はこれが初めてです。サーモオプティックスイッチと比較して、はるかに小型、消費電力が大幅に少ない、スイッチングが高速、光損失が非常に低いという特徴があります。

これがWu氏が1平方センチメートルのチップに16,384ピクセルを詰め込めた理由です。スイッチがピクセルをオンにすると、レーザービームを放出し反射光を取得します。各ピクセルはアレイの70度視野の0.6度に相当します。アレイを高速で巡回することで、Wu氏のFPSAは周囲の3D画像を構築します。複数個を円形配置すれば、車両周囲の360度ビューが得られます。

解像度と距離のさらなる向上が必要

Wu氏は、システムの商用化に向けてFPSAの解像度と距離を向上させる必要があります。「光学アンテナをさらに小さくするのは難しいですが、スイッチは依然として最大のコンポーネントであり、これらを大幅に小さくできると考えています」と述べています。

また、システムの距離を延ばす必要があります。現在はわずか10メートルです。「100メートルには確実に到達でき、継続的な改良で300メートルまで到達可能だと信じています」とWu氏は語ります。

これが実現すれば、従来のCMOS製造技術により、安価なチップサイズのLiDARが私たちの未来の一部となるでしょう。

「カメラの使われ方を見てください」とWu氏は言います。「車両、ロボット、掃除機、監視機器、生体認証、ドアに組み込まれています。LiDARがスマートフォンカメラのサイズに縮小されれば、さらに多くの潜在的応用が生まれるでしょう。」