近日，瑞士科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表重磅研究成果，成功研發(fā)出全 球首 款單芯片集成大規(guī)模相干焦平面陣列4D成像傳感器。該設(shè)備突破傳統(tǒng)3D傳感技術(shù)長(zhǎng)期存在的瓶頸，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)算與速度追蹤的實(shí)時(shí)同步，憑借超高集成度與低成本優(yōu)勢(shì)，為儀器設(shè)備領(lǐng)域多維感知技術(shù)的迭代升級(jí)開辟了新路徑，或?qū)⑼苿?dòng)機(jī)器人、自動(dòng)駕駛、精密檢測(cè)等下游應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)革新。

作為儀器設(shè)備領(lǐng)域的核心感知部件，3D傳感器長(zhǎng)期以來(lái)都是機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等設(shè)備的“視覺核心”，但行業(yè)痛點(diǎn)始終未能有效解決。傳統(tǒng)3D傳感器多采用分立元件設(shè)計(jì)，不僅體積笨重、成本居高不下，難以適配小型化、低成本的量產(chǎn)需求，更關(guān)鍵的是無(wú)法實(shí)時(shí)捕捉目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的感知延遲問(wèn)題，嚴(yán)重制約了其在高端工業(yè)檢測(cè)、自動(dòng)駕駛等對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高領(lǐng)域的應(yīng)用——這一短板，也成為近年來(lái)儀器感知技術(shù)升級(jí)的核心攻堅(jiān)方向。

此次瑞士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的4D成像傳感器，核心突破集中在“單芯片集成”與“收發(fā)一體”兩大創(chuàng)新點(diǎn)，這既是其區(qū)別于傳統(tǒng)傳感技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)，也是儀器設(shè)備領(lǐng)域集成化發(fā)展的重要體現(xiàn)。該傳感器的核心是一塊蝕刻而成的焦平面陣列，集成了352×176像素的物理網(wǎng)格，總計(jì)61952個(gè)固定像素，每個(gè)像素均實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射與反射信號(hào)接收的一體化設(shè)計(jì)，無(wú)需額外配備分立收發(fā)元件，使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)異常緊湊，體積可與普通CMOS相機(jī)芯片比肩，從根本上解決了傳統(tǒng)傳感器笨重的行業(yè)痛點(diǎn)。更為關(guān)鍵的是，該芯片集成了超過(guò)60萬(wàn)個(gè)光子學(xué)組件及相應(yīng)電子元件，像素?cái)?shù)量較此前同類技術(shù)提升五倍，是目前首 個(gè)將所有關(guān)鍵電子元件集成于單芯片的大規(guī)模相干焦平面陣列，標(biāo)志著相干成像傳感技術(shù)正式邁入單芯片量產(chǎn)階段。

從技術(shù)原理來(lái)看，該傳感器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)精準(zhǔn)瞄準(zhǔn)行業(yè)痛點(diǎn)：摒棄傳統(tǒng)3D傳感器常用的短脈沖光，轉(zhuǎn)而采用連續(xù)激光束，借助多普勒效應(yīng)捕捉光波頻率的細(xì)微變化，從而實(shí)現(xiàn)距離與速度的同步實(shí)時(shí)測(cè)算——這一設(shè)計(jì)，相當(dāng)于為儀器設(shè)備配備了一套“動(dòng)態(tài)感知標(biāo)尺”，徹底解決了傳統(tǒng)傳感器“能測(cè)距、不能測(cè)速”的核心短板。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該傳感器性能表現(xiàn)突出，可精準(zhǔn)還原6米至65米范圍內(nèi)的3D場(chǎng)景細(xì)節(jié)，既能滿足室內(nèi)建模需求，也能適配戶外遠(yuǎn)距離探測(cè)；同時(shí)可即時(shí)捕捉旋轉(zhuǎn)圓盤等動(dòng)態(tài)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速率，最高可實(shí)現(xiàn)每秒15幀的4D點(diǎn)云采集，無(wú)延遲、無(wú)模糊，完全能夠滿足高端儀器設(shè)備對(duì)動(dòng)態(tài)感知的嚴(yán)苛要求。

從行業(yè)價(jià)值來(lái)看，該技術(shù)突破不僅填補(bǔ)了單芯片4D成像傳感領(lǐng)域的技術(shù)空白，更契合當(dāng)前儀器設(shè)備領(lǐng)域“小型化、低成本、高集成”的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人的精準(zhǔn)操作、無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)避障、自動(dòng)駕駛的環(huán)境感知等場(chǎng)景，都對(duì)傳感設(shè)備的集成度、實(shí)時(shí)性和成本控制提出了更高要求，這款單芯片4D成像傳感器恰好提供了最優(yōu)解決方案。研究團(tuán)隊(duì)表示，目前該傳感器在分辨率、探測(cè)范圍上仍有提升空間，未來(lái)通過(guò)優(yōu)化像素設(shè)計(jì)，探測(cè)距離有望突破200米，但其產(chǎn)業(yè)化潛力已十分明確——低成本、高集成的優(yōu)勢(shì)，能夠打破傳統(tǒng)高端傳感設(shè)備的價(jià)格壁壘，推動(dòng)4D成像技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化應(yīng)用。

該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景遠(yuǎn)不止于機(jī)器人、無(wú)人機(jī)。結(jié)合當(dāng)前光電融合、集成化傳感的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，其未來(lái)可廣泛賦能自動(dòng)駕駛、工業(yè)精密檢測(cè)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、手機(jī)及數(shù)碼相機(jī)成像等多個(gè)領(lǐng)域，甚至有望與毫米波雷達(dá)、光學(xué)堆疊芯片等技術(shù)形成協(xié)同效應(yīng)，重構(gòu)儀器感知的技術(shù)范式。這一技術(shù)突破或?qū)⑼苿?dòng)機(jī)器感知技術(shù)進(jìn)入“四維時(shí)代”，為儀器設(shè)備領(lǐng)域的技術(shù)升級(jí)注入新動(dòng)能，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的研發(fā)工作提供了重要參考方向。