【科技前沿】基于硅光子学平台的通用3D成像传感器

精确的三维（3D）成像对于机器映射现实环境，并与之进行人机交互至关重要。尽管存在众多3D成像技术，同时每种技术都在不同程度上成功解决了细分市场的应用问题，但没有一种技术能达到数字图像传感器在二维成像世界中所具有的广泛应用和影响。用作光探测和测距系统的大规模二维相干检测器像素阵列，可以作为通用3D成像平台。这样的系统将提供高深度精度，并不受阳光的干扰，以及具备可直接测量运动物体速度的能力。由于在向每个像素提供电和光子耦合上存在困难，所以之前的系统已被限制在20个像素以下。

近日，Christopher Rogers等研究者报道了在3D成像系统中，由512个像素组成的大规模相干探测器阵列的操作。相关论文以题为“A universal 3D imaging sensor on a silicon photonics platform”发表在Nature上。利用光子和电子电路单片集成的最新进展，密集的光学外差检测器阵列与集成的电子读出架构相结合，可直接扩展到任意大阵列。两轴固态光束转向解决了视场和范围之间的矛盾问题。当仅使用4毫瓦的光时，系统在量子噪声极限上运行，在75米的距离处可达到3.1毫米的精度，在这种范围内，其精度比现有固态系统高出一个数量级。未来使用最先进的组件减小像素尺寸可能会产生超过20兆像素的分辨率，以用于消费类相机传感器尺寸的阵列。

此发明为低成本、紧凑型和高性能的3D成像相机的开发和普及铺平了道路，这种相机可适用于从机器人技术和自主导航到增强现实和医疗保健的应用。

图1 3D成像传感器原理图

如图1a所示，体系结构由两个FPA组成：一个发射器FPA，它顺序照亮场景（这里是猫），一个接收器FPA，它检测场景中的散射光。调频连续波方案用于测距。可以使用可选的微透镜阵列来对照明图案进行整形，以更紧密地匹配接收器阵列，从而提高系统效率。MZM为马赫曾德尔调制器。IQ为同相/正交调制器。如图1b所示，由发射器和接收器芯片上的热光开关树提供片上光的转向。如图1c所示，演示器芯片的光学显微照片，显示了用于发射和接收功能的开关树和FPA。