編輯推薦：研究者開發了一種通用固態3D成像架構，具有滿足幾乎所有3D成像應用需求的潛力，從機器人和自主導航到增強現實耳機等消費產品。該研究結果表明，用於3D成像的等效CMOS影象感測器即將出現，這將帶來前所未有的廣泛應用。

精確的三維(3D)成像，對於機器對映物理世界，並與之互動至關重要。儘管有許多3D成像技術存在，每一種應用都有不同程度的成功，但沒有一種能達到數字影象感測器在二維成像世界中所具有的廣泛適用性和影響。光探測和測距系統的大規模二維相干探測器畫素陣列，可以作為通用的三維成像平臺。這種系統，將提供高深度精度和免受陽光干擾，以及直接測量移動物體速度的能力。由於難以為每個畫素提供電子和光子連線，以前的系統被限制在20個畫素以下。

近日，來自美國加州點雲公司的Remus Nicolaescu等研究者報道了在三維成像系統中，由512個畫素組成的大規模相干探測器陣列的操作。相關論文以題為“A universal 3D imaging sensor on a silicon photonics platform”發表在Nature上。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03259-y

數字互補金氧半導體(CMOS)影象感測器革新了2D成像，它借鑑了矽微電子的技術，可產生靈活和可伸縮的相機感測器。數字影象感測器，是一種焦平面陣列(FPA)，利用透鏡將光線聚焦在探測器上形成影象。該方案的一個關鍵優點是視場和光采集效率不是由影象感測器決定的，而是由鏡頭的選擇決定的。此外，CMOS影象感測器可以最佳化為高效能或低成本。這種安排的靈活性使數字CMOS感測器，成為大多數2D成像的首選感測器。

相比之下，3D成像的特點是各種競爭技術，每個都解決了一個狹窄的利基。遠端和高精度應用，如自動駕駛汽車和建築工地繪圖，主要由昂貴而脆弱的機械引導的光探測和測距(LiDAR)系統主導。在移動裝置和增強現實系統中，當必須以犧牲效能為代價實現可負擔性、緊湊性和可靠性時，就會使用結構光和飛行時間陣列等固態解決方案。光學相控陣是一種很有前途的固態方法，但開發遠端2D掃描系統極具挑戰性，目前的演示限制在20米以內。目前沒有任何技術，能夠滿足所有這些不同用途的需求。

在此，研究者展示了一個全固態，整合光子鐳射雷達基於相同的FPA概念的CMOS影象感測器。透過有效利用光線，研究者的系統實現了自動駕駛汽車和無人機或陸基3D繪圖等苛刻應用所需的範圍、深度精度和視場。利用光子和電子電路的單片整合的最新進展，光學外差探測器的密集陣列與整合的電子讀出架構相結合，可以直接擴充套件到任意大的陣列。兩軸固態光束轉向，消除了視野和距離之間的任何權衡。在量子噪聲限制下，該系統在75米的距離達到3.1毫米的精度，僅使用4毫瓦的光，比現有的固態系統，在相同的範圍內的精度高了一個數量級。未來使用最先進的元件減少畫素大小，可以為消費者相機感測器大小的陣列，帶來超過2000萬畫素的解析度。（文：水生）

圖1 固態三維成像架構。

圖2 接收機FPA的設計。

圖3接收機光電效能。

圖4 三維成像系統的表徵。