新的激光雷达系统为相机、汽车和机器人提供 3D 视觉

研究团队构建的基于实验室的原型激光雷达系统使用商用数码相机成功捕获了百万像素分辨率的深度图。

如果机器人要带我们穿越拥挤的城市，它们将需要一个精确的周围世界的三维模型。标志性的旋转激光雷达——使用激光脉冲收集深度信息——装饰着早期的自动出租车，正在慢慢让位于更小、更便宜的固态设备。但是，除了高端应用之外，激光雷达仍然笨重、耗电且过于昂贵。

现在，斯坦福大学的研究人员已经开发出一种创新系统，该系统可以与几乎所有量产的 CMOS 图像传感器集成，以可能以当今激光雷达的一小部分价格捕获 3D 数据。它依赖于压电效应，即一些材料变形产生电能的过程，反之亦然。

斯坦福电气工程系的Okan Atalar和Amin Arbabian从薄膜铌酸锂开始，这种材料通常用于手机和通信系统中的波导和光开关。用透明电极涂覆薄膜使它们能够激发晶体，建立一个声学驻波，调节通过它的光的强度。

这使他们能够执行调制飞行时间 (MToF) 计算，捕捉到场景中物体的距离信息。飞行时间的工作方式如您所料：测量从发射光脉冲到它返回的时间，并由此计算到它反弹的物体的距离。普通飞行时间的问题在于，即使是最短暂的激光脉冲（几纳秒）也有几十厘米长，这限制了系统的准确性。

在 MToF 中，激光信号被调制，检测器对该调制进行解码，测量返回信号的相移以确定距离。Atalar 的光声调制器需要不到一瓦的功率，这比传统的电光设备要低几个数量级。

在Nature Communications最近的一篇论文中描述的测试中，调制器与具有 4 百万像素分辨率的标准 CMOS 数码相机配对。它构建了几个金属目标的相对高分辨率的深度图，将它们定位在几厘米以内。“它的增量成本非常低，因为您只需在 CMOS 传感器顶部添加一层和一些电子设备，它仍然可以获得您今天获得的彩色图像和宽动态范围，”Arbabian 说。“但是然后你打开另一种模式，你可以使用相同的电子设备进行飞行时间。”

与标价数千（或数万）美元的专业激光雷达相比，CMOS 相机每年的制造量高达数十亿美元，通常每个成本仅为几美元。Arbabian 认为，即使添加光学调制器会使 CMOS 相机的价格翻倍，它仍然可以为深度传感系统开辟新市场。“想想安全摄像头或虚拟和增强现实耳机的应用，”他说。“3D 感知可以为智能手机增加手势检测。”

斯坦福团队现在正在建立其概念验证演示，旨在增加系统运行的频率并改进调制以提高其准确性。Atalar 估计，该技术距离被剥离用于商业开发还有一两年的时间。

当它最终到达那里时，它可能会发现激光雷达市场有点不同。去年，索尼宣布正在将飞行时间激光雷达系统的光学开关直接构建到单个成像芯片上。单光子雪崩二极管 (SPAD) 像素堆叠在距离测量处理电路上方，提供 0.1MP 的有效分辨率。

这不是很详细，但预计该芯片的成本仅为 120 美元左右，并且可能会受益于摩尔定律的价格和性能路径。“硅相对便宜，” SLiC业务发展和营销副总裁 Ralf Muenster 说，这是一家构建自己的紧凑型低功率激光雷达的初创公司。“所以现在把东西放在硅上很有吸引力，尤其是成像仪。制造斯坦福的调制器不会像硅那么简单。”

SLiC 正在寻求使用调频连续波 ( FMCW ) 激光雷达的完全集成的视觉芯片。这种高度准确的深度感应技术还具有捕获场景中每个物体速度的优势，这可以使其在自动驾驶等安全关键应用中的使用更加顺畅。

随着激光雷达的缩小和放大，纯二维图像传感的日子似乎屈指可数。您可能在所谓的自动驾驶汽车上看到了您的第一个激光雷达系统。您可能会在手机上看到下一个。

本文仅做学术分享，如有侵权，请联系删文。