美國舊金山初創(chuàng)公司Pointcould與IC設計咨詢公司Opris Consulting、英國南安普頓大學（University of Southampton）的研究者共同開發(fā)了硅光子平臺上的通用型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（LiDAR）系統(tǒng)的相干探測器像素大尺寸二維陣列，可以成為一種通用型3D成像平臺。該系統(tǒng)將提供高水平的深度精確度、不受陽光的干擾，并且具有直接測量運動物體速度的能力。然而，由于難以為每個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器陣列，以及該陣列在3D成像系統(tǒng)中的運行情況。
圖1 固態(tài)3D成像架構
圖1為該研究所用的固態(tài)3D成像架構，該芯片架構由兩個焦平面陣列（FPA）構成：一個是按順序照亮局部場景的發(fā)射FPA，另一個則是探測來自場景的散射光的接收FPA；測距采用調頻連續(xù)波（FMCW）方案。片上光操縱由發(fā)射芯片和接收芯片的熱光“開關樹（switching trees）”完成。可選的微透鏡陣列可用于調整照明模式，使之與接收陣列更匹配，從而提升系統(tǒng)效率。圖1(c)為該芯片的光學顯微圖，顯示了發(fā)射和接收功能的“開關樹（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展，將密集的光學外差探測器陣列與集成的電子讀出結構相結合，可以直接縮放到任意尺寸的陣列。同時，雙軸固態(tài)光束控制無需在視場與距離之間做取舍。
圖2 接收FPA設計
圖2(a)為接收FPA中的接收單元示意圖。在接收單元內，本振（LO）光通過硅波導網絡分布到外差探測器像素的密集陣列。同時，每個像素使用光柵耦合器從場景中收集散射光，該耦合器與平衡探測器上的LO光結合，產生可探測的光電流。光電流分為兩個階段進行放大：第一階段通過像素內的跨阻放大器（TIA）進行放大，第二階段通過每行末端的放大器進行放大。圖2(b)為外差探測器像素的電氣原理圖。圖2(c)為接收FPA的部分光學顯微圖。
在量子噪聲限度下運行，該3D成像系統(tǒng)僅使用4 mW的光，就能在75米的距離達到3.1 mm的精度，比現(xiàn)有固態(tài)激光雷達系統(tǒng)在該距離的精度高出一個數(shù)量級。未來使用最先進的組件縮小像素尺寸，對于消費級相機傳感器尺寸的陣列，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成像相機鋪平了道路，也使機器人、自動導航等新應用成為可能。
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用需求。例如，自動駕駛汽車需要的激光雷達，既需要使用低能量激光來保證人眼安全，也需要實現(xiàn)長距離和高精度探測；另外，使用無人機和固定掃描儀對建筑物和建筑工地進行3D測繪，需要在數(shù)十米距離處達到毫米級精度。本研究的3D成像系統(tǒng)很容易滿足這些應用需求。
總體來說，本研究開發(fā)了一種通用型固態(tài)3D成像架構，它有潛力滿足從機器人、自主導航到增強現(xiàn)實耳機等消費級產品的幾乎所有3D成像應用需求。研究結果表明，與CMOS圖像傳感器類似的3D成像技術迫在眉睫，這將帶來一系列以前看來是不切實際或難以想象的應用。
關于Pointcould
Pointcould旨在“幫助機器看清世界”，開發(fā)了能夠捕捉速度和三維信息的技術。由軟件、硬件、信號、處理和光電子等多種學科的工程師組成的團隊，致力于解決跨領域且具有廣泛影響的機器視覺相關問題。
關于Opris Consulting
Opris Consulting是一家IC設計咨詢公司，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)療應用的電子產品。Opris Consulting已成功完成了150多個項目，并為美國和海外的90多家客戶提供服務，并生產了100多個采用CMOS技術（0.5微米至65納米）IP芯片。
