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本文展示了一种大规模、高集成度的4D成像焦平面阵列（FPA）传感器。它集成了超过60万个光子学组件与相应电子元件于单芯片，实现了352×176像素的调频连续波（FMCW）激光雷达（LiDAR）成像，在65米测距范围内可实现高达15帧/秒的4D（距离+速度）点云采集，为机器人、自动驾驶等领域提供了高性能、可扩展的多维感知新方案。
引言：自动化时代的多维感知需求
对动态环境进行详尽而精确的三维测绘，对于机器与环境交互及人机交互至关重要，这广泛涉及空间测绘、建筑、自动驾驶、人脸识别以及虚拟/增强现实等领域。因此，开发一种能与CMOS图像传感器相媲美的、高性价比、高性能且可扩展的三维成像传感器成为研究重点。激光雷达（LiDAR）系统因其远距离、高精度和精细的空间分辨率成为三维重建的理想工具。然而，现有基于飞行时间（ToF）的单光子雪崩二极管阵列激光雷达，在实现长距离、宽视场和高分辨率方面面临能量需求、系统尺寸和机械稳定性等方面的挑战。相比之下，基于硅光子学的固态光束扫描平台，有望利用现有CMOS基础设施，将所有关键成像组件（从光源到控制电子器件）集成到紧凑、高效的三维成像方案中。其中，采用调频连续波（FMCW）探测的焦平面阵列（FPA）传感器，不仅能满足市场需求，还能通过同时测量距离和径向速度，实现对动态场景的实时四维（4D）成像。
主流激光雷达技术路径对比
现有的固态激光雷达技术主要沿着几个路径发展。基于光学相控阵（OPA）的系统依赖数百个发射器的精确相位调谐和宽带波长调谐进行二维光束控制，虽然演示了宽达140°×19.23°的视场（FOV）和100米的探测距离，但在可扩展性、降低单点能量以及实现无外部光学器件的宽视场波长扫描方面仍面临挑战。另一条路径是采用FMCW探测的FPA三维图像传感器。之前的演示，包括结合微机电系统（MEMS）开关架构的FMCW FPA，已展示了该平台的可扩展潜力。使用热光开关的相干FPA也证明了其远程探测能力。但如何实现同时满足大规模、高性能、高可靠性要求的集成解决方案，仍是未解的难题。
一种大规模相干4D成像传感器架构
本研究展示了一种由全面芯片级光电集成实现的大规模、相干激光雷达FPA。整个4D成像系统架构围绕该FPA构建。系统的核心是一个352 × 176像素的二维FMCW激光雷达FPA，包含超过60万个光子组件，所有组件及其相关电子器件均集成在芯片上。与之前最大的演示相比，像素数量增加了五倍。
该FPA采用单静态像素架构，出射和接收光路在像素内结合，并集成了相干探测器和电子器件。频率调制光通过平面内热光开关依次引导至像素组，这些开关集成了用于驱动和校准的电子器件。一个集成的串行数字接口同步控制光学开关和读出。像素架构结合了平衡锗PIN光电探测器和像素集成跨阻放大器（TIA），以抑制共模噪声并放大包含差频信号的电流。为了优化光耦合效率，每个像素的衍射光栅对进行了离面发射角和面内旋转的调整，并沉积了定制的凹面微透镜阵列。
系统性能评估与成像演示
该相干4D成像系统的性能通过静态和动态场景的点云进行了展示。使用非优化的商用短波红外镜头，系统实现了高达65米的径向测量范围。在办公室场景中，结合焦距f= 35 mm的镜头，系统获得了32.6° × 19.3°（水平×垂直）的视场，最小角分辨率为0.06°。通过对多个线性调频脉冲进行相干平均，可以权衡信噪比和帧率。例如，对四个线性调频脉冲进行相干平均，在估计反射率为30%的目标上，以每个点46 nJ的能量获得了超过65米距离的建筑物点云，建筑细节如窗户和立面特征仍清晰可辨。系统还能测量运动目标的径向速度，例如对一个旋转圆盘进行成像，其速度读数可在点云中可视化。
系统的噪声性能通过测量每个像素的散粒噪声与放大器噪声幅度比κ来评估，整个阵列的平均值为0.62。与纯散粒噪声限制的系统相比，这导致了约5.6分贝的信噪比损失。通过简单地修改像素设计，增加本地振荡器功率以达到散粒噪声限制状态，即可改善约5.6分贝的信噪比。在7.2米处对校准反射率目标进行的测量表明，对于5%反射率的目标，距离测量的标准偏差精度为σ= 3.9毫米，速度精度为σ= 3.0毫米每秒，满足大多数应用要求。
结论与展望：迈向多维成像的CMOS相机等价物
本研究展示了一种高度可扩展、完全集成的4D成像FPA传感器。其核心是包含352 × 176像素、超过60万个光子学组件的大规模相干FPA，在65米径向范围内实现了0.06°的角分辨率，每个点能耗低至46 nJ，每个像素平均目标上光功率为178 μW。这是迄今为止已知的最大规模相干FPA演示，并且是首个所有相关电子器件均集成在芯片上的大规模相干FPA演示，为广泛普及奠定了必要的成本结构。由于其低发射光功率、单静态像素设计和模块化结构，该FPA能够同时满足眼安全、性能、实际条件下的可靠性以及模块制造简易性等多市场领域的严格要求。类似于CMOS相机，该系统的测距范围、视场和角分辨率等特性由所选光学镜头决定，具有高度灵活性。
对于下一代FPA，通过简单的像素设计修改以提高本地振荡器功率，达到散粒噪声限制状态，可改善约5.6分贝的信噪比。此外，通过采用新型混合Si-SiN架构克服硅中非线性吸收效应对光学功率的限制，可将单个像素的发射功率提高十倍，结合本地振荡器优化带来的信噪比改善，可将探测距离扩展至200米以上。同时，目前阵列内嵌入的第二级开关将被重新安置到阵列外部，以实现均匀的像素排布并消除远场中的间隙。所展示的FMCW FPA激光雷达相机式系统，为世界的多维成像提供了一种紧凑、低成本、可扩展且适应性强的4D成像解决方案，有效地提出了CMOS相机的多维等价物。
