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廣皓天
如今標(biāo)準(zhǔn)的圖像傳感器已經(jīng)可以輕松捕捉光線強(qiáng)度和顏色。而依賴常見的、現(xiàn)成的傳感器技術(shù)(CMOS)，普通相機(jī)體積變得越來越小、功能越來越強(qiáng)大、成本越來越低，并且已經(jīng)可以提供數(shù)千萬像素的分辨率。
近期，斯坦福大學(xué)的工程師團(tuán)隊通過簡單的設(shè)計和巧妙的工程設(shè)計，設(shè)計出了一種高頻、低功耗、緊湊的光學(xué)裝置(激光雷達(dá)系統(tǒng)原型)，并將其與商用數(shù)碼相機(jī)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(diào)制器成功與一個400萬像素分辨率的標(biāo)準(zhǔn)CMOS數(shù)碼相機(jī)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)圖像傳感器能夠“看見”3D光線。也就是說，這些普通的相機(jī)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(dá)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)——當(dāng)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(shù)一眼認(rèn)出它。這種裝置主要就是汽車的激光雷達(dá)防撞系統(tǒng)，它使用激光來確定物體之間的距離。
激光雷達(dá)就像雷達(dá)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(yuǎn)，移動的速度有多快，移動的距離是近還是遠(yuǎn)，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(diǎn)相交。
“現(xiàn)有的激光雷達(dá)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(jī)或輕型機(jī)器人車輛具備激光雷達(dá)功能，你就需要它們非常小、非常節(jié)能，并提供足夠強(qiáng)大的性能。”斯坦福大學(xué)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(jìn)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(dá)成為可能，而更高的分辨率將允許激光雷達(dá)在更大的范圍內(nèi)識別目標(biāo)。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(jī)，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(biāo)準(zhǔn)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(diào)制器(不那么容易做到)來實(shí)現(xiàn)，它們可以非常快地打開和關(guān)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。現(xiàn)有的調(diào)制器也可以做到這一點(diǎn)，但它們需要相對較大的功率。事實(shí)上，它們太大了，以至于完全不適合日常使用。
斯坦福大學(xué)的這個團(tuán)隊由集成納米量子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(LINQS)和阿拉伯實(shí)驗(yàn)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(gòu)建了一個簡單的聲學(xué)調(diào)制器。這使他們能夠執(zhí)行調(diào)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(guān)鍵的一點(diǎn)是，鈮酸鋰是壓電式的(指某些材料變形產(chǎn)生電力的過程)。也就是說，當(dāng)電流通過電極時，位于原子結(jié)構(gòu)中心的晶格會改變形狀。它的振動頻率非常高，非常可預(yù)測和可控。而且，當(dāng)它振動時，鈮酸鋰可以強(qiáng)調(diào)制光——通過添加一對偏振器，這種新的調(diào)制器可以有效地在每秒幾百萬次的時間內(nèi)打開和關(guān)閉光。
更重要的是，晶圓片和電極的幾何形狀定義了光調(diào)制的頻率，所以研究人員基于此進(jìn)行頻率微調(diào)。這種聲學(xué)方法非常節(jié)能，而且調(diào)制器的設(shè)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(jī)，比如日常手機(jī)和數(shù)碼單反相機(jī)。
斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊對將新技術(shù)應(yīng)用于激光雷達(dá)平臺尤其感興趣，這是一條在汽車上實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、更方便的激光雷達(dá)系統(tǒng)的途徑。CMOS相機(jī)每年生產(chǎn)數(shù)十億美元，通常每個只需要幾美元，而專業(yè)激光雷達(dá)的價格則高達(dá)數(shù)千(或數(shù)萬)美元。Arbabian認(rèn)為，即使增加一個光調(diào)制器使CMOS相機(jī)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(xué)團(tuán)隊正在建立其概念驗(yàn)證演示，旨在增加系統(tǒng)運(yùn)行的頻率并改進(jìn)調(diào)制以提高其準(zhǔn)確性。Atalar 估計，該技術(shù)距離用于商業(yè)開發(fā)還有1-2年的時間。
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