美國(guó)舊金山初創(chuàng)公司Pointcould與IC設(shè)計(jì)咨詢公司Opris Consulting、英國(guó)南安普頓大學(xué)（University of Southampton）的研究者共同開發(fā)了硅光子平臺(tái)上的通用型3D成像傳感器，并將研究成果發(fā)表于Applied Physics，論文地址為：https://arxiv.org/abs/2008.02411。

用于激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)的相干探測(cè)器像素大尺寸二維陣列，可以成為一種通用型3D成像平臺(tái)。該系統(tǒng)將提供高水平的深度精確度、不受陽光的干擾，并且具有直接測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體速度的能力。然而，由于難以為每個(gè)像素提供電子和光子連接，以前的系統(tǒng)基本被限制在20像素以下。本研究展示了首款由512（32 x 16）像素組成的大尺寸相干探測(cè)器陣列，以及該陣列在3D成像系統(tǒng)中的運(yùn)行情況。

圖1 固態(tài)3D成像架構(gòu)

圖1為該研究所用的固態(tài)3D成像架構(gòu)，該芯片架構(gòu)由兩個(gè)焦平面陣列（FPA）構(gòu)成：一個(gè)是按順序照亮局部場(chǎng)景的發(fā)射FPA，另一個(gè)則是探測(cè)來自場(chǎng)景的散射光的接收FPA；測(cè)距采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）方案。片上光操縱由發(fā)射芯片和接收芯片的熱光“開關(guān)樹（switching trees）”完成?？蛇x的微透鏡陣列可用于調(diào)整照明模式，使之與接收陣列更匹配，從而提升系統(tǒng)效率。圖1(c)為該芯片的光學(xué)顯微圖，顯示了發(fā)射和接收功能的“開關(guān)樹（switching trees）”和焦平面陣列。

利用光子電路和電子電路在單片集成方面的最新進(jìn)展，將密集的光學(xué)外差探測(cè)器陣列與集成的電子讀出結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以直接縮放到任意尺寸的陣列。同時(shí)，雙軸固態(tài)光束控制無需在視場(chǎng)與距離之間做取舍。

圖2 接收FPA設(shè)計(jì)

圖2(a)為接收FPA中的接收單元示意圖。在接收單元內(nèi)，本振（LO）光通過硅波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)分布到外差探測(cè)器像素的密集陣列。同時(shí)，每個(gè)像素使用光柵耦合器從場(chǎng)景中收集散射光，該耦合器與平衡探測(cè)器上的LO光結(jié)合，產(chǎn)生可探測(cè)的光電流。光電流分為兩個(gè)階段進(jìn)行放大：第一階段通過像素內(nèi)的跨阻放大器（TIA）進(jìn)行放大，第二階段通過每行末端的放大器進(jìn)行放大。圖2(b)為外差探測(cè)器像素的電氣原理圖。圖2(c)為接收FPA的部分光學(xué)顯微圖。

在量子噪聲限度下運(yùn)行，該3D成像系統(tǒng)僅使用4 mW的光，就能在75米的距離達(dá)到3.1 mm的精度，比現(xiàn)有固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)在該距離的精度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。未來使用最先進(jìn)的組件縮小像素尺寸，對(duì)于消費(fèi)級(jí)相機(jī)傳感器尺寸的陣列，分辨率就可能超過2000萬像素。該研究成果為開發(fā)低成本、高性能的3D成像相機(jī)鋪平了道路，也使機(jī)器人、自動(dòng)導(dǎo)航等新應(yīng)用成為可能。

此外，該3D成像系統(tǒng)的性能水平滿足了以往固態(tài)3D成像系統(tǒng)無法滿足的各類苛刻應(yīng)用需求。例如，自動(dòng)駕駛汽車需要的激光雷達(dá)，既需要使用低能量激光來保證人眼安全，也需要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離和高精度探測(cè)；另外，使用無人機(jī)和固定掃描儀對(duì)建筑物和建筑工地進(jìn)行3D測(cè)繪，需要在數(shù)十米距離處達(dá)到毫米級(jí)精度。本研究的3D成像系統(tǒng)很容易滿足這些應(yīng)用需求。

總體來說，本研究開發(fā)了一種通用型固態(tài)3D成像架構(gòu)，它有潛力滿足從機(jī)器人、自主導(dǎo)航到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)耳機(jī)等消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的幾乎所有3D成像應(yīng)用需求。研究結(jié)果表明，與CMOS圖像傳感器類似的3D成像技術(shù)迫在眉睫，這將帶來一系列以前看來是不切實(shí)際或難以想象的應(yīng)用。

關(guān)于Pointcould

Pointcould旨在“幫助機(jī)器看清世界”，開發(fā)了能夠捕捉速度和三維信息的技術(shù)。由軟件、硬件、信號(hào)、處理和光電子等多種學(xué)科的工程師組成的團(tuán)隊(duì)，致力于解決跨領(lǐng)域且具有廣泛影響的機(jī)器視覺相關(guān)問題。

關(guān)于Opris Consulting

Opris Consulting是一家IC設(shè)計(jì)咨詢公司，成立于1996年，總部位于加利福尼亞州圣何塞。Opris Consulting專注于高性能A/D和D/A電路以及其他模擬和混合模式組件，例如PLL、濾波器、可編程增益放大器以及MEMS和醫(yī)療應(yīng)用的電子產(chǎn)品。Opris Consulting已成功完成了150多個(gè)項(xiàng)目，并為美國(guó)和海外的90多家客戶提供服務(wù)，并生產(chǎn)了100多個(gè)采用CMOS技術(shù)（0.5微米至65納米）IP芯片。