斯坦福大学开发新方法 使简单摄像头能够捕捉3D物体

标准图像传感器可以捕捉光强度和颜色。基于常见的现有的传感器技术（CMOS），摄像头的体积变得越来越小，且更强大，可提供数十万像素的分辨率。但截至目前，这些传感器仍然只能从两个维度查看，捕捉平面图像，如一幅画。

据外媒报道，斯坦福大学（Stanford University）的研究人员发明了一种新方法，允许标准图像传感器在三个维度看到光。也就是说，这些常见的摄像头很快就可以用来测量到物体的距离。

图片来源：斯坦福大学

该项目极具潜力。目前，只有使用专门且昂贵的激光雷达（lidar）才能用光测量物体间的距离。如果用户发现有自动驾驶汽车在附近行驶，则可以通过安装在车顶的“技术帽子”立即发现该车辆。而这些技术主要为汽车的激光雷达防撞系统，通过使用激光来确定物体之间的距离。

激光雷达和雷达类似，但它使用的是光而非无线电波。通过向物体发射激光并测量反射回来的光，激光雷达可以判断一个物体有多远、行进速度有多快，以及是靠近还是远离。最关键的是，激光雷达可以计算出两个移动物体的路径是否会在未来的某个时刻相交。

斯坦福大学电气工程专业的博士生Okan Atalar表示：“现有的激光雷达系统又大又笨重。但若想在数百万架自动驾驶无人机或轻型机器人车辆中使用，激光雷达需要非常小、非常节能并提供高性能。”

对于工程师来说，此次新发现可在两个方面取得成果。首先，它可以启用百万像素分辨率的激光雷达，而该分辨率是今天不可能达到的阈值。更高的分辨率将使激光雷达能够识别更远的物体。例如，一辆自动驾驶汽车或许能够从更远的地方（或更快）区分骑自行车的人和行人，从而使汽车更容易避免事故。其次，目前可用的图像传感器，包括智能手机，都可以通过添加最少硬件来捕捉丰富的3D图像。

改变机器的观察方式

将3D成像添加到标准传感器的一种方法是通过添加光源（很容易做到）和调制器（不太容易做到）来非常快速地打开和关闭灯，每秒数百万次。在测量光线的变化时，工程师可以计算距离。现有调制器也可以做到这一点，但它们需要相对较大的功率，以至于完全不适合日常使用。

该斯坦福研究团队由集成纳米量子系统实验室（LINQS）和ArbabianLab的成员组成，其发明的新解决方案基于声共振现象创建。该团队使用薄薄的铌酸锂晶片（一种电学、声学和光学特性都非常理想的透明晶体）构建了一个简单的声调制器，并涂有两个透明电极。

至关重要的是，铌酸锂是压电的。也就是说，当通过电极引入电流时，位于其原子结构核心的晶格会改变形状，会以非常高、可预测和可控的频率振动。而且，当它振动时，铌酸锂会强烈调制光；通过添加几个偏振器，这种新的调制器每秒可有效地打开和关闭数百万次灯。

Atalar还表示：“更重要的是，晶片和电极的几何形状定义了光调制的频率，因此我们可以微调频率。改变几何形状，你就改变了调制频率。”

用技术术语来说，压电效应是通过晶体产生声波，以理想、可调谐和可用的方式旋转光的偏振。正是这种关键的技术偏离使团队取得了成功。随后，技术人员在调制器后面小心放置一个偏振滤光片，将这种旋转转换为强度调制（使光线更亮和更暗），因此每秒可以有效地打开和关闭灯数百万次。

Atalar称：“虽然还有其他方法可以打开和关闭灯，但这种声学方法更可取，因为它非常节能。”

实际成果

最重要的是，调制器的设计很简单，并且可以集成到使用现成摄像头的提议系统中，就像日常手机和数码单反相机中的摄像头一样。Atalar和电气工程副教授、顾问以及该项目的资深作者Amin Arbabian认为该调制器可能成为一种新型紧凑、低成本、节能激光雷达的基础，即“标准CMOS激光雷达”。未来，这些激光雷达将可用于无人机、地外漫游车和其他应用程序。

提议的调制器可能会带来巨大影响，有可能为所有图像传感器添加缺失的3D维度。为了证明该可能，该团队在实验室工作台上构建了一个原型激光雷达系统，并使用现有数码相机作为接收器。实验发现原型激光雷达系统捕获了百万像素分辨率的深度图，同时仅需少量功率来操作光学调制器。

Atalar表示通过额外改进，该团队已经将能耗降低了至少10倍，因此他们相信数百倍的能耗减少是可以实现的，那么未来带有标准图像传感器小型激光雷达和3D智能手机摄像头均有可能实现。