據(jù)麥姆斯咨詢介紹，從醫(yī)療診斷到自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人，光子學(xué)正在改變我們感知世界以及與世界互動(dòng)的方式，使光學(xué)相機(jī)能夠捕捉到前所未有的細(xì)節(jié)水平的圖像。這些先進(jìn)的光學(xué)相機(jī)利用壓縮感知和計(jì)算成像算法等原理，從不同角度捕獲多張低分辨率圖像，并將它們組合成一張高分辨率圖像。由此產(chǎn)生的圖像展示了光子學(xué)如何增強(qiáng)分辨率能力，超越傳統(tǒng)相機(jī)的分辨率。

麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員已經(jīng)證明了光子學(xué)在改善醫(yī)學(xué)成像方面的作用，他們采用激光誘導(dǎo)超聲技術(shù)在無需侵入性操作或電離輻射暴露的情況下創(chuàng)建生物組織的細(xì)致圖像。該技術(shù)使用激光脈沖照射生物組織，通過光吸收產(chǎn)生聲脈沖（可被傳感器檢測），在組織內(nèi)誘導(dǎo)熱彈性應(yīng)力和弛豫。通過調(diào)節(jié)光學(xué)波長，可以對(duì)生物組織有選擇性的成像。像這樣的光子學(xué)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)在早期疾病檢測、更準(zhǔn)確地指導(dǎo)手術(shù)干預(yù)和監(jiān)測治療效果方面具有巨大潛力。

麻省理工學(xué)院的激光超聲系統(tǒng)及成像效果

與此同時(shí)，汽車和機(jī)器人領(lǐng)域的新興解決方案包括TriEye的CMOS短波紅外（SWIR）圖像傳感器和Coherent的固態(tài)激光二極管。這兩家公司最近聯(lián)手展示了基于激光照明的短波紅外成像系統(tǒng)，適用于汽車前置攝像頭和后置攝像頭，以及工業(yè)和自主機(jī)器人中的視覺系統(tǒng)等。

基于光子學(xué)的短波紅外圖像傳感器

TriEye正在通過Raven（一種高清短波紅外圖像傳感器）和UltraBlaze（一種對(duì)人眼安全的短波紅外脈沖激光照明源）將短波紅外成像帶入量產(chǎn)應(yīng)用。TriEye聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官（CEO）Avi Bakal表示：“Raven經(jīng)過近十年的納米光子學(xué)研究而開發(fā)，利用現(xiàn)有的大批量制造設(shè)備來構(gòu)建可擴(kuò)展且具有成本效益的CMOS高分辨率紅外圖像傳感器?！?/p>

與此同時(shí)，據(jù)TriEye稱，UltraBlaze可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離夜視和深度測量，同時(shí)保持對(duì)人眼的安全，其每脈沖光功率可比傳統(tǒng)的可見光或近紅外（NIR）照明源高得多。

TriEye的SEDAR（頻譜增強(qiáng)探測和測距）平臺(tái)將短波紅外光源和成像傳感器集成于一體，能夠?qū)囕v環(huán)境進(jìn)行成像和3D傳感，作為目前自主控制系統(tǒng)或高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)所采用的激光雷達(dá)（LiDAR）的替代方案。

TriEye聲稱SEDAR平臺(tái)可在所有天氣和照明條件下提供高清成像和確定性3D信息。SEDAR平臺(tái)與傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的不同之處在于，其顯著更高的分辨率使得能夠在更遠(yuǎn)的距離處檢測和分類物體。在短波紅外光譜中工作使SEDAR平臺(tái)能夠穿透霧、霾和雨，同時(shí)保持對(duì)環(huán)境噪聲的適應(yīng)能力。此外，該公司表示，SEDAR平臺(tái)的每像素深度計(jì)算方法增強(qiáng)了感知系統(tǒng)準(zhǔn)確評(píng)估相對(duì)距離的能力，并且無需任何移動(dòng)部件。

“SEDAR平臺(tái)使大眾消費(fèi)市場能夠利用短波紅外傳感的優(yōu)勢，獲得以前由于成本高昂而無法獲得的先進(jìn)功能?！盇vi Bakal說道，“SEDAR平臺(tái)是高度可定制的，可以量身定制來解決汽車、工業(yè)、機(jī)器人等領(lǐng)域的傳感挑戰(zhàn)。”

汽車和機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是功效。TriEye表示其已經(jīng)解決了這一問題，確保短波紅外圖像傳感器能夠在極低的功耗水平下運(yùn)行，可與其它商用CMOS圖像傳感器相媲美。該公司表示，這可以確保最佳性能，而不會(huì)顯著影響移動(dòng)系統(tǒng)的電池壽命。

在談到TriEye與Coherent的合作時(shí)，Avi Bakal表示：“短波紅外傳感可以提供定位、測繪、識(shí)別、防撞等功能，使我們能夠以更加智能的方式與環(huán)境進(jìn)行交互?！?/p>

基于激光照明的短波紅外成像

在光通信領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光二極管在數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)中占有一席之地。光子學(xué)和化合物半導(dǎo)體解決方案提供商Coherent與TriEye合作，提供專為SEDAR平臺(tái)定制的半導(dǎo)體激光二極管。短波紅外激光照明模塊解決了當(dāng)前基于LED的照明模塊的局限性，擴(kuò)展了短波紅外成像解決方案的功能。

Coherent使用砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和銻化鎵（GaSb）材料制造半導(dǎo)體激光二極管，其波長范圍涵蓋750 nm至3 μm的近紅外、短波紅外和中紅外（MIR）光譜。Coherent提供一系列激光二極管架構(gòu)，包括邊緣發(fā)射激光器（EEL）和垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）。

“我們認(rèn)識(shí)到短波紅外傳感技術(shù)帶來了許多好處。”Coherent消費(fèi)電子產(chǎn)品營銷高級(jí)總監(jiān)Gerald Dahlmann表示，“例如，SEDAR平臺(tái)在1300 nm至1400 nm的短波紅外波長范圍內(nèi)工作，與傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)相比，具有的優(yōu)勢包括改善戶外環(huán)境中的信噪比、提高眼睛安全性、增強(qiáng)透過霧氣或灰塵的可見度等。”

“與近紅外光相比，短波紅外光與物質(zhì)的相互作用不同?！盙erald Dahlmann繼續(xù)說道，“這種獨(dú)特的特性可以增強(qiáng)透過薄霧或灰塵的可見度，使在近紅外光譜范圍內(nèi)原本看不見的物體變得可見。”

傳統(tǒng)短波紅外系列LED效率低且光輸出功率低。Coherent聲稱，其激光照明模塊可提供緊湊、可靠且高效的光源，可提供2 W的光學(xué)輸出，從而有助于擴(kuò)展短波紅外生態(tài)系統(tǒng)。

Coherent和TriEye相信他們的合作將為短波紅外成像開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。在機(jī)器人應(yīng)用中，短波紅外成像在定位、測繪、避免碰撞和整體安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其實(shí)，各行業(yè)都可以受益于短波紅外成像，包括優(yōu)化農(nóng)業(yè)和工程機(jī)械的性能和效率，以及安全系統(tǒng)可以提高準(zhǔn)確性和可靠性。

在汽車和機(jī)器人等電源限制性應(yīng)用中，效率是一個(gè)關(guān)鍵因素。短波紅外激光器目前的效率為20%至30%。Coherent表示，其首要任務(wù)是最大限度地提高激光器的效率，隨著技術(shù)的進(jìn)步以及與近紅外激光器的差距不斷縮小，短波紅外激光器性能正在不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣闊。

審核編輯：劉清