新的激光雷达系统可为相机、汽车和机器人提供3D视觉

ANDREW BRODHEAD

如果机器人要开车载我们穿越拥挤的城市，那么，他们需要一个准确的三维模型来描述周围的世界。标志性的旋转激光雷达使用激光脉冲收集深度信息，早期的机器人出租车正慢慢被更小、更便宜的固态设备取代。但激光雷达仍然体积庞大、耗电量大，除了高端应用之外，其他应用都过于昂贵。

现在，斯坦福大学的研究人员开发了一种创新系统，可以与几乎任何大规模生产的CMOS图像传感器集成，以捕获3D数据，价格可能只有当今激光雷达的一小部分。它依赖于压电效应，即某些材料变形产生电能的过程，反之亦然。

斯坦福大学电气工程系的Okan Atalar和Amin Arbabian从薄膜铌酸锂开始着手，这种材料通常用于手机和通信系统中的波导和光开关。在薄膜上涂上透明电极可以激发晶体，形成一个声波驻波来调节通过它的光的强度。

这允许他们执行调制飞行时间（MToF）计算，以捕获到场景中对象的距离。飞行时间的工作原理与您预期的一样：测量光脉冲从发射到返回的时间，并由此计算出它反弹到物体的距离。普通飞行时间的问题是，即使是最短的激光脉冲（几纳秒）也有几十厘米长，这限制了系统的精度。

在MToF中，激光信号被调制，探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，这比传统的电光器件少几个数量级。

在最近发表在《自然通讯》上的一篇论文中描述的测试中，调制器与400万像素分辨率的标准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，因为你只需在CMOS传感器上添加一层和一些电子元件，它仍能获得今天的彩色图像和宽动态范围，”Arbabian说，“但当你打开另一种模式时，你可以用同样的电子设备来计算飞行时间。”

CMOS相机每年的产量高达数十亿美元，与标价数千美元（或数万美元）的专用激光雷达相比，每台通常只需几美元。Arbabian认为，即使增加一个光学调制器使CMOS相机的价格翻了一番，它仍然可以为深度传感系统开辟新的市场。“想想安全摄像头或虚拟现实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功能。”

斯坦福大学的团队目前正在进行概念验证演示，旨在提高系统的运行频率，并改进调制以提高其精度。Atalar估计，这项技术距离商业化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，它正在将飞行时间激光雷达系统的光开关直接安装在一个成像芯片上。SPAD像素堆叠在测距处理电路上方，有效分辨率为0.1megapixel。

这并不是非常详细，但该芯片预计只需120美元左右，而且很可能受益于摩尔定律的价格和性能途径。“硅相对便宜，”SiLC Technologies的业务开发和营销副总裁Ralf Muenster说，这是一家正在建造自己的紧凑型低功耗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，尤其是在成像仪上。制造斯坦福的调制器不会像硅那么简单。”

SiLC正在研发一款使用调频连续波（FMCW）激光雷达的全集成视觉芯片。这种高度精确的深度传感技术的优点是还可以捕捉场景中每个物体的速度，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。