使简单的相机可以看到3D

标准图像传感器捕捉光线强度和颜色，目前几乎所有智能手机都安装了大约10亿个图像传感器。

依靠常见的现成的传感器(CMOS)技术，这些相机变得越来越小，功能越来越强大，现在提供了数千万像素的分辨率。但到目前为止，他们仍然只能看到二维空间，捕捉平面图像，就像绘画一样。

斯坦福大学的研究人员发明了一种新方法，可以让标准图像传感器看到三维的光。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。

工程上的可能性是巨大的。用光测量物体之间的距离目前只能用专门的、昂贵的激光雷达系统来实现。如果你见过一辆自动驾驶汽车，你可以通过安装在车顶上的驼背技术一眼认出它。大部分设备是汽车的激光雷达防撞系统，该系统使用激光来确定物体之间的距离。

激光雷达就像雷达一样，但是用光代替无线电波。通过向物体发射激光并测量反射回来的光，它可以知道一个物体离我们有多远，它的运动速度有多快，它是靠近还是远离我们，最重要的是，它可以计算出两个运动物体的路径是否会在未来的某个时刻相交。

“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主无人机或轻型机器人车辆拥有激光雷达功能，你会希望它们非常小，非常节能，并提供高性能，”他说奥坎Atalar他是斯坦福大学电气工程博士研究生，也是该研究的第一作者新论文在杂志中自然通讯这介绍了这种紧凑、节能的设备，可用于激光雷达。

对于工程师来说，这一进步提供了两个有趣的机会。首先，它可以实现百万像素分辨率的激光雷达——这在今天是不可能实现的门槛。更高的分辨率将允许激光雷达在更大范围内识别目标。例如，一辆自动驾驶汽车可能能够从更远的地方——更快地——分辨出骑自行车的人和行人，并使汽车更容易避免事故。其次，当今可用的任何图像传感器，包括现在数十亿的智能手机，都可以通过最少的硬件增加来捕捉丰富的3D图像。

改变机器的视觉

将3D成像添加到标准传感器的一种方法是添加一个光源(很容易做到)和一个调制器(不那么容易做到)，可以非常快速地打开和关闭灯，每秒数百万次。在测量光的变化时，工程师可以计算出距离。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，它太大了，以至于在日常使用中完全不切实际。

斯坦福大学团队的解决方案是由集成纳米量子系统实验室(linq),ArbabianLab他的理论依赖于一种被称为声共振的现象。该团队用铌酸锂薄片(一种透明晶体，其电学、声学和光学特性非常理想)涂上两个透明电极构建了一个简单的声学调制器。

关键是，铌酸锂具有压电性。也就是说，当电流通过电极引入时，其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，也非常可控。而且，当它振动时，铌酸锂可以强烈地调节光线——通过添加一对偏振器，这种新的调制器可以有效地在一秒钟内打开和关闭光线数百万次。

“更重要的是，晶圆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。“改变几何形状就改变了调制频率。”

从技术上讲，压电效应是通过晶体产生声波，以理想的、可调的和可用的方式旋转光的偏振。正是这一关键的技术偏离使车队取得了成功。然后，在调制器之后小心地放置一个偏振滤光片，调制器将这种旋转转换为强度调制——使光线更亮或更暗——有效地将光线每秒打开和关闭数百万次。

阿塔拉说:“虽然有其他方法可以开关灯，但这种声学方法更可取，因为它非常节能。”

实际的结果

最重要的是，调制器的设计很简单，并集成到一个拟议的系统中，该系统使用现成的相机，就像日常手机和数码单反中发现的那样。阿塔拉和顾问阿明Arbabian他认为，这可能成为一种新型紧凑、低成本、节能激光雷达(他们称之为“标准CMOS激光雷达”)的基础，这种雷达可以应用于无人机、地外探测器和其他应用。

对提议的调制器的影响是巨大的;他们说，它有可能为任何图像传感器增加缺失的3D维度。为了证明这一点，该团队在实验室的工作台上建立了一个激光雷达系统的原型，使用一个市售的数码相机作为受体。作者报告说，他们的原型捕获了百万像素分辨率的深度地图，同时需要少量的功率来操作光学调制器。

阿塔拉说，通过进一步的改进，该团队已经将能耗进一步降低了至少10倍，这是论文中已经很低的阈值，他们相信，数百倍的能耗降低是可以实现的。如果这种情况发生，未来配备标准图像传感器和3D智能手机摄像头的小型激光雷达将成为现实。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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