斯坦福团队研发出低成本新型激光雷达系统，商用潜力巨大

如今标准的图像传感器已经可以轻松捕捉光线强度和颜色。而依赖常见的、现成的传感器技术（CMOS），普通相机体积变得越来越小、功能越来越强大、成本越来越低，并且已经可以提供数千万像素的分辨率。

近期，斯坦福大学的工程师团队通过简单的设计和巧妙的工程设计，设计出了一种高频、低功耗、紧凑的光学装置（激光雷达系统原型），并将其与商用数码相机的CMOS图像传感器集成，成功捕获了百万像素分辨率的深度3D地图。在测试中，他们研发出的光声调制器成功与一个400万像素分辨率的标准CMOS数码相机实现了配对。这一突破近期议论文形式发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上。

据悉，研究人员发明了一种新方法，使标准图像传感器能够“看见”3D光线。也就是说，这些普通的相机很快就可以用来测量物体的距离了。这一突破带来的工程上的可能性是巨大的。光测量物体之间的距离目前只有通过专门的、昂贵的激光雷达系统才能实现——当你看到一辆自动驾驶汽车在附近行驶时，可以通过安装在车顶的技术一眼认出它。这种装置主要就是汽车的激光雷达防撞系统，它使用激光来确定物体之间的距离。

激光雷达就像雷达一样，但用的是光而不是无线电波。通过向物体发射激光并测量反射回来的光，它能告诉你一个物体的距离有多远，移动的速度有多快，移动的距离是近还是远，最重要的是，它能计算出两个移动物体的路径是否会在未来的某一点相交。

“现有的激光雷达系统又大又笨重，但有一天，如果你想让数以百万计的自动驾驶无人机或轻型机器人车辆具备激光雷达功能，你就需要它们非常小、非常节能，并提供足够强大的性能。”斯坦福大学电气工程博士候选人、论文第一作者Okan Atalar解释称。

对于工程师而言，这一进步带来了两个方面的突破：首先，它可以使百万像素分辨率的激光雷达成为可能，而更高的分辨率将允许激光雷达在更大的范围内识别目标。其次，如今任何可用的图像传感器，包括现在数十亿的智能手机，未来都可以在最少的硬件增加的情况下捕捉丰富的3D图像。

向标准传感器添加3D成像的一种方法是通过添加光源(很容易做到)和调制器(不那么容易做到)来实现，它们可以非常快地打开和关闭光，每秒数百万次。在测量光线变化时，工程师可以计算距离。现有的调制器也可以做到这一点，但它们需要相对较大的功率。事实上，它们太大了，以至于完全不适合日常使用。

斯坦福大学的这个团队由集成纳米量子系统实验室(LINQS)和阿拉伯实验室合作，他们提出的解决方案依赖于一种被称为声共振（acoustic resonance）的现象。研究小组用一层薄膜铌酸锂晶片包覆了两个透明电极，从而构建了一个简单的声学调制器。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。

这种方案关键的一点是，铌酸锂是压电式的（指某些材料变形产生电力的过程）。也就是说，当电流通过电极时，位于原子结构中心的晶格会改变形状。它的振动频率非常高，非常可预测和可控。而且，当它振动时，铌酸锂可以强调制光——通过添加一对偏振器，这种新的调制器可以有效地在每秒几百万次的时间内打开和关闭光。

更重要的是，晶圆片和电极的几何形状定义了光调制的频率，所以研究人员基于此进行频率微调。这种声学方法非常节能，而且调制器的设计很简单，它可以集成到一个拟议的系统中，使用现成的相机，比如日常手机和数码单反相机。

斯坦福大学的研究团队对将新技术应用于激光雷达平台尤其感兴趣，这是一条在汽车上实现更经济、更方便的激光雷达系统的途径。CMOS相机每年生产数十亿美元，通常每个只需要几美元，而专业激光雷达的价格则高达数千(或数万)美元。Arbabian认为，即使增加一个光调制器使CMOS相机的价格翻倍，它仍然可以为深度传感系统打开新的市场。

目前，斯坦福大学团队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，该技术距离用于商业开发还有1-2年的时间。