Nature Communications：基于声光调制器的激光雷达系统实现普通相机的三维成像

      近日，斯坦福大学的研究团队已经开发出一种声光调制器，能够使激光雷达功能（以下简称lidar）与传统CMOS图像传感器结合起来，基于此，集成设备突破二维空间的限制而捕获三维图像。该团队期望这项技术未来能够应用于自动驾驶汽车、无人机以及航空等领域。

       目前，大量实验证明了lidar测量物体间距的可行性，它能够测量发射激光束与反射光之间的时间差从而得到间距、移动速度和移动轨迹等。“现有的激光雷达系统又大又重，但是如果期望将它大量应用于智能无人机和轻型自动驾驶汽车等，那么就要求lidar兼具体积小、耗能低以及性能良好。”该论文第一作者、斯坦福大学电气工程系的在读博士生Okan Atalar说。

图1 斯坦福大学团队在实验室开发的激光雷达系统模型示意图。该lidar能够通过普通数码相机捕获数百万像素分辨率的照片。（图片来源：Andrew Brodhead）

       论文介绍到，通过集成光源和调制器，标准传感器可进行3D成像，该调制器能够一秒钟内开关光源数百万次。通过测量光线变化，工程师可以计算出物体距离。然而，传统调制器实现这种开关频率需要极大的功率，这限制了集成方法的日常使用。

       为了解决以上难题，该团队利用简单的声光调制器替代传统调制器，该声光调制器由涂有透明电极的铌酸锂薄膜晶体组成。铌酸锂是一种压电材料，即挡在电介质的极化方向上施加电场后，该晶体发生机械变形。此外，铌酸锂具有振动频率高、可控、可预测等优点，而且铌酸锂的振动能够对光线进行强调节。利用该偏振膜器件，这种新型调制器的有效开关频率达到每秒数百万次。

       “更重要的是，光开关频率由晶圆和晶格几何结构决定，因此，频率可以很好地控制”Atalar说，“改变晶体结构从而改变频率。”

       压电效应产生的机械振动（声波）穿透晶体表面，旋转偏振光从而实现可调并应用它。然后，在调制器后精确放置偏振镜，调节强度——光线的明暗——每秒有效开关光线数百万次。

       “虽然其它方法也能够开关光源，”Atalar说，“但这种节能型声学方法保证了低功率。”

       以上技术可以应用到lidar中，并且集成现代商用照相机，例如手机或单反相机中的照相系统。

       Atalar和该论文通讯作者、电气工程学副教授Amin Arbabian认为，该lidar实现了小型、低成本、高能效等——他们称之为“CMOS激光雷达”——可应用于极多的领域。为了证明其广泛的兼容性，该团队在实验台搭建了激光雷达系统模型，该系统使用普通数码相机作为接收器（如图1）。

       此外，该团队称，该模型捕捉画面的分辨率高达数百万像素，并且声光调制器的工作仅需少量电能。Atalar说，通过不断地改进，他们能将额定功率减少至少10倍，这已经是相关报道的最低值。研究人员认为，未来可将能量减少数百倍。

       以上研究工作发表在期刊《Nature Communications》上（原文链接：www.doi.org/10.1038/s41467-022-29204-9）。