标准图像传感器，例如已经安装在当今使用的几乎每部智能手机中的十亿左右，可以捕捉光强度和颜色。依靠常见的、现成的传感器技术(称为CMOS)，这些相机逐年变得更小、更强大，现在可提供数十万像素的分辨率。但直到现在，他们仍然只看到二维，捕捉平面图像，就像一幅画。

斯坦福大学的研究人员创造了一种新方法，允许标准图像传感器在三个维度上看到光。也就是说，这些常见的相机很快就可以用来测量到物体的距离。

工程的可能性是巨大的。目前只有使用专门且昂贵的激光雷达(“光检测和测距”的缩写)系统才能用光测量物体之间的距离。如果您看到一辆自动驾驶汽车在附近行驶，您可以通过安装在车顶上的驼背技术立即发现它。大部分装备是汽车的激光雷达防撞系统，它使用激光来确定物体之间的距离。

激光雷达就像雷达，但用光而不是无线电波。通过向物体发射激光并测量反射回来的光，它可以判断一个物体有多远，它的行进速度有多快，它是靠近还是远离，最关键的是，它可以计算出两个移动的路径是否物体将在未来的某个时刻相交。

“现有的激光雷达系统又大又笨重，但有一天，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激光雷达功能，你会希望它们非常小、非常节能并提供高性能。”OkanAtalar解释说，他是斯坦福大学电气工程专业的博士生，也是《自然通讯》杂志新论文的第一作者，该论文介绍了这种紧凑、节能的设备，可用于激光雷达。

对于工程师来说，这一进步提供了两个有趣的机会。首先，它可以启用百万像素分辨率的激光雷达——这是今天不可能达到的阈值。更高的分辨率将使激光雷达能够识别更大范围内的目标。例如，一辆自动驾驶汽车可能能够从更远的地方(也就是更快)区分骑自行车的人和行人，并让汽车更容易避免事故。其次，当今可用的任何图像传感器，包括现在数十亿的智能手机，都可以通过最少的硬件添加来捕捉丰富的3D图像。

改变机器的观察方式

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)和调制器(不太容易做到)来非常快速地打开和关闭灯，每秒数百万次。在测量光线的变化时，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。事实上，如此之大，以至于它们完全不适合日常使用。

斯坦福团队(集成纳米量子系统实验室(LINQS)和ArbabianLab之间的合作)创建的解决方案依赖于一种称为声共振的现象。该团队使用薄薄的铌酸锂晶片构建了一个简单的声调制器，铌酸锂是一种透明晶体，因其电学、声学和光学特性而非常受欢迎，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，当通过电极引入电流时，位于其原子结构核心的晶格会改变形状。它以非常高、非常可预测和非常可控的频率振动。而且，当它振动时，铌酸锂会强烈调制光;通过添加几个偏振器，这种新的调制器每秒有效地打开和关闭数百万次光。

“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，”Atalar说。“改变几何形状，你就改变了调制频率。”

用技术术语来说，压电效应是通过晶体产生声波，以理想、可调谐和可用的方式旋转光的偏振。正是这种关键的技术偏离使团队取得了成功。然后在调制器后面小心放置一个偏振滤光片，将这种旋转转换为强度调制——使光线更亮和更暗——每秒有效地打开和关闭灯数百万次。

“虽然还有其他方法可以打开和关闭灯，”Atalar说，“但这种声学方法更可取，因为它非常节能。”

实际成果

最重要的是，调制器的设计很简单，并且可以集成到使用现成相机的提议系统中，就像日常手机和数码单反相机中的相机一样。Atalar和顾问AminArbabian、电气工程副教授和该项目的资深作者认为，它可能成为一种新型紧凑、低成本、节能激光雷达的基础——他们称之为“标准CMOS激光雷达”——这可能会进入无人机、地外漫游车和其他应用程序。

对所提议的调制器的影响是巨大的;他们说，它有可能为任何图像传感器添加缺失的3D维度。为了证明这一点，该团队在实验室工作台上构建了一个原型激光雷达系统，该系统使用市售的数码相机作为接收器。作者报告说，他们的原型捕获了百万像素分辨率的深度图，同时需要少量功率来操作光学调制器。

更好的是，通过额外的改进，Atalar表示，该团队已经将能源消耗进一步降低了至少10倍于论文中报告的已经很低的阈值，他们相信数百倍的能源减少是可以实现的。如果发生这种情况，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的未来可能会成为现实。