斯坦福大学开发新方法 使简单摄像头能够捕捉3D物体

盖世汽车新闻标准图像传感器可以捕捉光线强度和颜色。基于常见的现有传感器技术(CMOS)，相机变得更小，功能更强，可以提供数十万像素的分辨率。但到目前为止，这些传感器只能从二维角度观察并捕捉平面图像，如一幅画。

据国外媒体报道，斯坦福大学的研究人员发明了一种新方法，可以让标准图像传感器在三维空间中看到光。换句话说，这些普通相机很快就可以用来测量物体的距离。

图片来源:斯坦福大学

这个项目很有潜力。目前，只有特殊且昂贵的激光雷达可用于通过光测量物体之间的距离。如果用户发现附近有自动驾驶汽车行驶，可以通过安装在车顶的“技术帽”立即找到汽车。这些技术主要是汽车的激光雷达防撞系统，利用激光来确定物体之间的距离。

激光雷达类似于雷达，但它使用光而不是无线电波。通过向物体发射激光并测量反射光，激光雷达可以判断物体有多远，移动速度有多快，是近还是远。至关重要的是，激光雷达可以计算两个移动物体的路径是否会在未来的某个时间相交。

斯坦福大学电子工程专业的博士生奥莰·阿塔拉说:“现有的激光雷达系统又大又笨重。但如果你想在数百万架自主无人机或轻型机器人车辆中使用它，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，这个新发现可以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，这是今天无法达到的阈值。更高的分辨率将使激光雷达能够识别更远的物体。例如，自动驾驶汽车可能能够从更远的地方(或更快的地方)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，可以通过添加最少的硬件来捕捉丰富的3D图像。

改变机器的外观。

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

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，他们发明的新解决方案基于声学共振。研究小组使用薄铌酸锂晶片(一种具有理想电学、声学和光学特性的透明晶体)构建了一个简单的声学调制器，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，当电流通过电极引入时，其原子结构核心的晶格将改变形状，并以非常高的、可预测的和可控的频率振动。而且当它振动时，铌酸锂会强烈调制光线；通过添加几个偏振器，这种新的调制器可以每秒钟有效地打开和关闭灯光数百万次。

阿塔拉还说:“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。”

在技术上，压电效应是通过晶体产生声波，以理想、可调和可用的方式旋转光的偏振。正是这个关键的技术偏差让团队取得了成功。随后，技术人员小心翼翼地在调制器后面放置了一个偏振滤光器，将这种旋转转换为强度调制(使光线变亮变暗)，因此灯每秒钟可以有效地打开和关闭几百万次。

阿塔拉说:“虽然有其他方法来打开和关闭灯光，但这种声学方法更可取，因为它非常节能。”

实际结果

最重要的是，调制器的设计很简单，可以使用现成的相机集成到拟议的系统中，就像日常手机和数码单反相机中的相机一样。阿塔拉和电气工程副教授兼顾问、该项目高级作者阿明·阿巴比安(Amin Arbabian)认为，该调制器可能成为一种新型紧凑型、低成本、节能激光雷达的基础，即“标准CMOS激光雷达”。在未来，这些激光雷达系统将用于无人驾驶飞行器、地外漫游车和其他应用。

所提出的调制器可能会产生巨大的影响，并且有可能为所有图像传感器添加缺失的3D维度。为了证明这种可能性，该团队在实验室工作台上建立了一个原型激光雷达系统，并使用现有的数码相机作为接收器。实验表明，原型激光雷达系统可以捕获分辨率为一百万像素的深度图，并且只需要少量的功率来操作光调制器。

阿塔拉表示，通过额外的改进，该团队已经将能耗降低了至少10倍，因此他们相信可以实现数百倍的能耗降低，因此未来有可能实现带有标准图像传感器和3D智能手机摄像头的小型激光雷达。盖世汽车新闻标准图像传感器可以捕捉光线强度和颜色。基于常见的现有传感器技术(CMOS)，相机变得更小，功能更强，可以提供数十万像素的分辨率。但到目前为止，这些传感器只能从二维角度观察并捕捉平面图像，如一幅画。

据国外媒体报道，斯坦福大学的研究人员发明了一种新方法，可以让标准图像传感器在三维空间中看到光。换句话说，这些普通相机很快就可以用来测量物体的距离。

图片来源:斯坦福大学

这个项目很有潜力。目前，只有特殊且昂贵的激光雷达可用于通过光测量物体之间的距离。如果用户发现附近有自动驾驶汽车行驶，可以通过安装在车顶的“技术帽”立即找到汽车。这些技术主要是汽车的激光雷达防撞系统，利用激光来确定物体之间的距离。

激光雷达类似于雷达，但它使用光而不是无线电波。通过向物体发射激光并测量反射光，激光雷达可以判断物体有多远，移动速度有多快，是近还是远。至关重要的是，激光雷达可以计算两个移动物体的路径是否会在未来的某个时间相交。

斯坦福大学电子工程专业的博士生奥莰·阿塔拉说:“现有的激光雷达系统又大又笨重。但如果你想在数百万架自主无人机或轻型机器人车辆中使用它，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，这个新发现可以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，这是今天无法达到的阈值。更高的分辨率将使激光雷达能够识别更远的物体。例如，自动驾驶汽车可能能够从更远的地方(或更快的地方)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，可以通过添加最少的硬件来捕捉丰富的3D图像。

改变机器的外观。

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……以每秒数百万次的速度快速开关灯变音器(不好做)。当测量光的变化时，工程师可以计算距离。现有的调制器也可以做到这一点，但它们需要相对较大的功率，因此它们完全不适合日常使用。

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，他们发明的新解决方案基于声学共振。研究小组使用薄铌酸锂晶片(一种具有理想电学、声学和光学特性的透明晶体)构建了一个简单的声学调制器，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，当电流通过电极引入时，其原子结构核心的晶格将改变形状，并以非常高的、可预测的和可控的频率振动。而且当它振动时，铌酸锂会强烈调制光线；通过添加几个偏振器，这种新的调制器可以每秒钟有效地打开和关闭灯光数百万次。

阿塔拉还说:“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。”

在技术上，压电效应是通过晶体产生声波，以理想、可调和可用的方式旋转光的偏振。正是这个关键的技术偏差让团队取得了成功。随后，技术人员小心翼翼地在调制器后面放置了一个偏振滤光器，将这种旋转转换为强度调制(使光线变亮变暗)，因此灯每秒钟可以有效地打开和关闭几百万次。

阿塔拉说:“虽然有其他方法来打开和关闭灯光，但这种声学方法更可取，因为它非常节能。”

实际结果

最重要的是，调制器的设计很简单，可以使用现成的相机集成到拟议的系统中，就像日常手机和数码单反相机中的相机一样。阿塔拉和电气工程副教授兼顾问、该项目高级作者阿明·阿巴比安(Amin Arbabian)认为，该调制器可能成为一种新型紧凑型、低成本、节能激光雷达的基础，即“标准CMOS激光雷达”。在未来，这些激光雷达系统将用于无人驾驶飞行器、地外漫游车和其他应用。

所提出的调制器可能会产生巨大的影响，并且有可能为所有图像传感器添加缺失的3D维度。为了证明这种可能性，该团队在实验室工作台上建立了一个原型激光雷达系统，并使用现有的数码相机作为接收器。实验表明，原型激光雷达系统可以捕获分辨率为一百万像素的深度图，并且只需要少量的功率来操作光调制器。

阿塔拉表示，通过额外的改进，该团队已经将能耗降低了至少10倍，因此他们相信可以实现数百倍的能耗降低，因此未来有可能实现带有标准图像传感器和3D智能手机摄像头的小型激光雷达。

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