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如今標準的圖像傳感器已經可以輕松捕捉光線強度和顏色。而依賴常見的、現(xiàn)成的傳感器技術(CMOS)，普通相機體積變得越來越小、功能越來越強大、成本越來越低，并且已經可以提供數(shù)千萬像素的分辨率。
近期，斯坦福大學的工程師團隊通過簡單的設計和巧妙的工程設計，設計出了一種高頻、低功耗、緊湊的光學裝置(激光雷達系統(tǒng)原型)，并將其與商用數(shù)碼相機的CMOS圖像傳感器集成，成功捕獲了百萬像素分辨率的深度3D地圖。在測試中，他們研發(fā)出的光聲調制器成功與一個400萬像素分辨率的標準CMOS數(shù)碼相機實現(xiàn)了配對。這一突破近期議論文形式發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)雜志上。
據(jù)悉，研究人員發(fā)明了一種新方法，使標準圖像傳感器能夠“看見”3D光線。也就是說，這些普通的相機很快就可以用來測量物體的距離了。這一突破帶來的工程上的可能性是巨大的。光測量物體之間的距離目前只有通過專門的、昂貴的激光雷達系統(tǒng)才能實現(xiàn)——當你看到一輛自動駕駛汽車在附近行駛時，可以通過安裝在車頂?shù)募夹g一眼認出它。這種裝置主要就是汽車的激光雷達防撞系統(tǒng)，它使用激光來確定物體之間的距離。
激光雷達就像雷達一樣，但用的是光而不是無線電波。通過向物體發(fā)射激光并測量反射回來的光，它能告訴你一個物體的距離有多遠，移動的速度有多快，移動的距離是近還是遠，最重要的是，它能計算出兩個移動物體的路徑是否會在未來的某一點相交。
“現(xiàn)有的激光雷達系統(tǒng)又大又笨重，但有一天，如果你想讓數(shù)以百萬計的自動駕駛無人機或輕型機器人車輛具備激光雷達功能，你就需要它們非常小、非常節(jié)能，并提供足夠強大的性能。”斯坦福大學電氣工程博士候選人、論文第一作者Okan Atalar解釋稱。
對于工程師而言，這一進步帶來了兩個方面的突破：首先，它可以使百萬像素分辨率的激光雷達成為可能，而更高的分辨率將允許激光雷達在更大的范圍內識別目標。其次，如今任何可用的圖像傳感器，包括現(xiàn)在數(shù)十億的智能手機，未來都可以在最少的硬件增加的情況下捕捉豐富的3D圖像。
向標準傳感器添加3D成像的一種方法是通過添加光源(很容易做到)和調制器(不那么容易做到)來實現(xiàn)，它們可以非?？斓卮蜷_和關閉光，每秒數(shù)百萬次。在測量光線變化時，工程師可以計算距離?，F(xiàn)有的調制器也可以做到這一點，但它們需要相對較大的功率。事實上，它們太大了，以至于完全不適合日常使用。
斯坦福大學的這個團隊由集成納米量子系統(tǒng)實驗室(LINQS)和阿拉伯實驗室合作，他們提出的解決方案依賴于一種被稱為聲共振(acoustic resonance)的現(xiàn)象。研究小組用一層薄膜鈮酸鋰晶片包覆了兩個透明電極，從而構建了一個簡單的聲學調制器。這使他們能夠執(zhí)行調制飛行時間 (MToF) 計算，捕捉到場景中物體的距離信息。
這種方案關鍵的一點是，鈮酸鋰是壓電式的(指某些材料變形產生電力的過程)。也就是說，當電流通過電極時，位于原子結構中心的晶格會改變形狀。它的振動頻率非常高，非?？深A測和可控。而且，當它振動時，鈮酸鋰可以強調制光——通過添加一對偏振器，這種新的調制器可以有效地在每秒幾百萬次的時間內打開和關閉光。
更重要的是，晶圓片和電極的幾何形狀定義了光調制的頻率，所以研究人員基于此進行頻率微調。這種聲學方法非常節(jié)能，而且調制器的設計很簡單，它可以集成到一個擬議的系統(tǒng)中，使用現(xiàn)成的相機，比如日常手機和數(shù)碼單反相機。
斯坦福大學的研究團隊對將新技術應用于激光雷達平臺尤其感興趣，這是一條在汽車上實現(xiàn)更經濟、更方便的激光雷達系統(tǒng)的途徑。CMOS相機每年生產數(shù)十億美元，通常每個只需要幾美元，而專業(yè)激光雷達的價格則高達數(shù)千(或數(shù)萬)美元。Arbabian認為，即使增加一個光調制器使CMOS相機的價格翻倍，它仍然可以為深度傳感系統(tǒng)打開新的市場。
目前，斯坦福大學團隊正在建立其概念驗證演示，旨在增加系統(tǒng)運行的頻率并改進調制以提高其準確性。Atalar 估計，該技術距離用于商業(yè)開發(fā)還有1-2年的時間。
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