【Nature】自动驾驶的“眼睛”升级了:0.06°角分辨率+65米探测距离,4D成像时代来了

当你的智能手机还在用多摄像头猜测景深，当自动驾驶汽车仍在机械式激光雷达的旋转中权衡性能与寿命，一场颠覆性的成像革命已悄然完成——60万个光子组件被压缩到指甲盖大小的芯片上，让机器首次拥有真正意义上的4D“超视觉”。

在科幻电影中，智能机器能瞬间扫描整个场景，精准识别每个物体的距离和运动轨迹。如今，这一场景正成为现实。Pointcloud公司研究团队在《自然》杂志上发表的一项研究，展示了一款集成超过60万个光子组件的相干4D成像传感器，将三维成像技术推向前所未有的高度

精准的三维环境感知，对机器与世界的交互至关重要。无论是自动驾驶汽车规避行人，还是工业机器人抓取零件，都依赖于高精度、高可靠性的成像系统。

过去二十年，科研人员一直试图为“3D世界”创造一种类似CMOS图像传感器的解决方案——既具备可扩展性，又拥有高性能。CMOS图像传感器成就了数码摄影的革命，将成像功能集成到每一部智能手机中。然而，为三维世界寻找这样的“芯片级”解决方案，却远比预期复杂

传统飞行时间（ToF）激光雷达虽已在消费电子中得到应用，但要实现长距离探测，需要微焦耳级的能量每像素，且常常在空间分辨率上做出妥协。机械式激光雷达能实现360度视场角和数百米探测距离，却以体积庞大、功耗高、机械稳定性差为代价

光学相控阵（OPA）技术作为固态光束扫描的替代方案，同样面临挑战。实现宽视场角、高分辨率与低能耗的完美平衡，一直是难以逾越的技术瓶颈

Pointcloud团队此次展示的FMCW LiDAR焦平面阵列（FPA），以352×176像素的二维阵列，集成了超过60万个光子组件，像素数量是此前展示的五倍

这不仅仅是数量的堆砌，更是架构的革新。

每个像素都采用了“单站式”架构——同一个光栅耦合器既负责发射调制光，又负责收集目标的散射光。这种设计不仅避免了像素间的光学串扰，还简化了光学系统，只需一个成像透镜即可工作

更令人惊叹的是其片上集成的电子系统。16个光纤输入通道支持多通道操作，通过两级热光开关网络（第一级1:32，第二级1:16），可将光引导至7744个8像素行。整个开关树的校准由集成的监控光电二极管自动完成。每个像素内的平衡光电二极管对抑制共模噪声，配合集成的跨阻放大器（TIA），实现了高质量的信号读出

图1：4D成像传感器架构与芯片。

a，成像芯片同时充当发射器和接收器的系统架构；b，芯片显微图像，显示有源光学区域；c，成像芯片上的光路选择过程示意图。（图片来源：Nature论文）

FMCW技术的独特优势在于，通过上下啁啾（chirp）的配合，不仅能测量目标距离，还能同步获取径向速度信息，真正实现4D成像

研究团队使用1310nm波长的二极管激光器，通过硅光子学IQ马赫-曾德尔调制器产生线性调频光信号。目标后向散射光与本振光混合产生的拍频频率与距离成正比，而上下啁啾的拍频差异则揭示速度信息。

这种相干检测方式还赋予系统抗干扰能力——只有与本振光相干且以匹配光学模式传播的散射光才能被检测到，大大降低了光学功率需求

性能测试结果令人印象深刻。在办公室场景中，系统使用35mm焦距透镜，实现了32.6°×19.3°的视场角和0.06°的角分辨率。更令人惊叹的是，对65米外建筑物的成像显示，窗户和外墙细节依然清晰可辨——这仅使用46 nJ每像素的能量，每个像素平均输出功率仅178 μW

图3：示例点云。

a，使用35mm焦距透镜单次采集的办公室场景（6-11米）点云；b，使用50mm焦距透镜对20-65米外的两栋建筑进行四次采集相干平均获得的点云；c，绕垂直轴旋转圆盘的带速度注释点云；d-f，对应场景的照片。（图片来源：Nature论文）*

在对旋转圆盘的4D成像中，系统清晰捕捉到每个点的速度信息，彩色编码直观展示了不同区域的运动状态。即使在5%反射率目标上，距离测量精度仍达到3.9mm，速度精度3.0mm/s，满足大多数应用需求

信噪比（SNR）是衡量成像质量的关键指标。研究团队对阵列中每个像素的噪声特性进行了详细分析。测量显示，平均每个像素接收到的光功率为426.7μW，经系统损耗后，平均输出功率为178μW，本振功率为10.1μW

图4：4D成像LiDAR系统的精度与噪声性能。

a，每个像素接收光功率分布；b，测量得到的散粒噪声与放大器噪声比值κ分布；c，SNR损失与散粒噪声-放大器噪声比的关系；f,g，距离（f）和速度（g）测量误差分布。（图片来源：Nature论文）

阵列中κ（散粒噪声与放大器噪声之比）的平均值为0.62，相比纯散粒噪声受限系统，这导致约5.6dB的SNR损失。研究人员指出，通过增加本振光功率或TIA增益，使散粒噪声-放大器噪声比超过2，即可实现散粒噪声极限

这项研究的突破性不仅在于当前性能，更在于其清晰的演进路径。

下一代FPA设计中，通过简单修改像素设计增加本振功率，即可实现约5.6dB的SNR提升。结合新型Si-SiN混合架构，可克服硅中非线性吸收对光学功率的限制，使单个像素传输功率提高十倍。这有望将探测距离扩展至200米以上

开关网络的优化也将消除远场中的间隙，实现均匀的像素排布。就像CMOS相机一样，这一4D成像系统的视场角和探测距离仅由所选光学镜头系统决定，为用户提供了极大的灵活性

在人类视觉之外，机器正在获得属于自己的“凝视”能力。Pointcloud团队的这项研究，就像当年CMOS传感器为数码摄影铺平道路一样，为4D成像的世界打开了全新可能。当60万个光子组件在指甲盖大小的芯片上协同工作，当距离与速度成为每个像素的固有属性，机器与世界的交互方式将再次被重新定义。

从自动驾驶到增强现实，从工业自动化到智能安防，这项技术或许很快就会像今天的摄像头一样，无处不在。而我们，正站在这一变革的门槛上。

参考文献：

Settembrini, F.F., Gungor, A.C., Forrer, A. et al. A large-scale coherent 4D imaging sensor. Nature651, 364–370 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10183-6