新型调制器使普通相机拥有3D感知功能，奠定CMOS激光雷达基础
2022-03-30 21:39:43 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
美国斯坦福大学的研究人员发明了一种新的方法——可使标准CMOS图像传感器在三维空间中捕捉光，这意味着这些普通相机很快就可以用来测量到目标物体的距离。
通过简单而巧妙的工程设计，美国研究人员开发出了一种高频、低功耗且紧凑的调制器及光源，几乎可以使任何数码相机感知深度信息。
美国斯坦福大学构建的实验室原型3D感知系统——利用市售数码相机、调制器及光源，成功捕捉百万像素分辨率的深度图
标准的图像传感器，比如现在几乎所有智能手机中都搭载的CMOS图像传感器，可以捕捉光的强度和频率（颜色）。依靠通用的、现成的CMOS技术，这些图像传感器正变得越来越小，并且性能越来越强大，已经可以提供上亿像素的分辨率。不过，到目前为止，它们仍然只能看到二维图像——捕捉平面信息。
据麦姆斯咨询报道，美国斯坦福大学（Stanford University）的研究人员发明了一种新的方法——可使标准CMOS图像传感器在三维空间中捕捉光，这意味着这些普通相机很快就可以用来测量到目标物体的距离。该研究成果已发表于近期的Nature Communications期刊。
美国斯坦福大学开发的调制器实验表征
目前，自动驾驶汽车需要使用专门且昂贵的激光雷达（LiDAR）系统，才能利用光来测量物体之间的距离。现在，最新发布的多款新势力电动汽车都配备了激光雷达，通过车顶凸起的传感模块就可以发现它们。这些激光雷达系统利用激光来确定汽车和前方物体之间的距离。
激光雷达与雷达相似，但探测利用的是激光而不是无线电波。通过向物体发射激光并测量反射回来的光，可以计算并判断与物体之间的距离，物体移动的速度有多快，以及是靠近还是远离。重要的是，可以通过它计算两个物体的运动路径在接下来的某个时刻是否会相交。
斯坦福大学电气工程博士研究生、该论文第一作者Okan Atalar解释说：“现有的激光雷达系统体积还比较大，如果未来我们想让数以百万计的无人驾驶飞机或轻型自动驾驶车辆都配备激光雷达功能，需要它变得更小更节能，同时还能提供高性能。”
对于工程人员来说，这一研究进展提供了两个有吸引力的机遇。首先，它可以实现百万像素分辨率的激光雷达，这是目前无法达到的阈值。更高的分辨率将使激光雷达能够在更远的距离识别目标。例如，帮助自动驾驶汽车更早地从更远的距离区分骑车人和行人，避免可能发生的事故。另外，有望利用当前所有市售的CMOS图像传感器，包括数十亿的智能手机，通过添加最少的硬件来捕捉丰富的3D图像信息。
改变机器视觉机制
通过增加一个光源（容易实现）和一个非常快速地（每秒数百万次）开启和关闭光源的调制器（不那么容易实现），是为标准CMOS图像传感器添加3D感知功能的一种方法。通过测量光的变化，工程师可以计算出目标物体的距离。虽然现有的调制器可以做到这一点，但它们需要相对较大的功耗。事实上，功耗太大，以至于它们完全不适于日常使用。
从左到右：Amir Safavi Naeini、Okan Atalar和Amin Arbabian
由集成纳米量子系统实验室（LINQS）和ArbabianLab合作的斯坦福团队，提出了一种基于声共振原理的解决方案。该研究团队利用铌酸锂（一种电学、声学和光学性能非常理想的透明晶体）晶片制作了一种简单的调制器，并通过涂层设置了两个透明电极。
关键的是，铌酸锂具有压电特性。也就是说，当电流通过电极引入时，其原子结构核心的晶格会改变形状，以非常高、非常可预测且非常可控的频率振动。当其振动时，通过添加一对偏振片，铌酸锂晶片可以强烈地调制光，这种新型调制器可以每秒高效地开启和关闭光数百万次。
“更重要的是，晶片和电极的几何形状决定了光调制的频率，所以我们可以微调频率。” Atalar说，“改变其几何形状，即可改变调制频率。”
从技术角度来说，压电效应是通过晶体产生声波，以理想、可调谐且可用的方式旋转光的偏振。正是这一关键技术突破使团队得以成功。然后，在调制器后小心地放置一个偏振滤光片，将这种旋转转换为强度调制——使光线变亮或变暗——每秒数百万次高效地打开和关闭光。
Atalar说：“虽然还有其他方法可以实现光的打开和关闭，但这种声学方法更可行，因为它的能效非常高。”
美国斯坦福大学利用开发的调制器和标准相机进行的飞行时间（ToF）成像实验
最重要的是，这种调制器的设计很简单，可以集成到使用现成相机的系统中，例如我们日常使用的智能手机和数码相机中的摄像头。Atalar和该论文通讯作者、电气工程副教授兼顾问Amin Arbabian认为，它可能成为一种新型紧凑、低成本、节能的激光雷达基础，他们称之为“标准CMOS激光雷达”，有望应用于无人机、地外探测器和其他应用。
该研究提出的调制器具有巨大的潜在影响力。他们说，它有可能为任何CMOS图像传感器添加缺失的3D“拼图”。为了证明这一点，该团队在实验室工作台上使用市售的数码相机作为接收器，构建了一款原型激光雷达系统。据论文称，他们的原型系统捕捉到了百万像素分辨率的深度图，同时，运行这种光调制器的功耗很低。
更优的是，通过进一步的改进，Atalar称，相比论文报道的已经很低的能耗阈值，该团队已经将能耗进一步降低了至少10倍。他们相信，数百倍的能耗降低是有望实现的。如果做到这一点，那么采用标准图像传感器的小型化高分辨率激光雷达在未来有望成为现实。
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