在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人感知與智能交互飛速發(fā)展的今天，三維動(dòng)態(tài)環(huán)境的精準(zhǔn)測(cè)繪已成為機(jī)器認(rèn)知世界的核心剛需。傳統(tǒng)激光雷達(dá)長(zhǎng)期受限于體積龐大、成本高昂、集成度不足等瓶頸，而調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）相干激光雷達(dá)憑借抗干擾、可直接測(cè)速的優(yōu)勢(shì)，成為實(shí)現(xiàn)真 4D 成像的理想方案，卻始終難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模單片集成與商業(yè)化落地。

2026年3月，瑞士Pointcloud GmbH團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature發(fā)表題為A large-scale coherent 4D imaging sensor的突破性成果，依托45 nm硅光集成工藝，攻克大規(guī)模光電集成、片上光路由、低功耗探測(cè)等多重難題，研發(fā)出全球首款超大規(guī)模純固態(tài)相干4D成像激光雷達(dá)芯片，為機(jī)器打造出可量產(chǎn)、微型化、低成本的 “4D 慧眼”，被 Nature 主編評(píng)價(jià)為 “令人印象深刻的光電工程成就”。

1 攻堅(jiān)之路：破解4D成像芯片的三大行業(yè)頑疾

研究團(tuán)隊(duì)深耕硅光子與激光雷達(dá)集成領(lǐng)域多年，直面 FMCW 激光雷達(dá)芯片化的核心痛點(diǎn)，歷經(jīng)反復(fù)設(shè)計(jì)、仿真與測(cè)試，逐一突破技術(shù)壁壘。

雙站架構(gòu)瓶頸：硅光工藝難以集成緊湊光環(huán)形器，傳統(tǒng)方案采用收發(fā)分離的雙站架構(gòu)，不僅占用雙倍芯片面積，還存在光路對(duì)準(zhǔn)難、距離盲區(qū)、光串?dāng)_等問(wèn)題，嚴(yán)重限制陣列規(guī)模擴(kuò)展。

大規(guī)模光調(diào)度難題：像素陣列擴(kuò)容至數(shù)萬(wàn)級(jí)后，傳統(tǒng)波導(dǎo)布線損耗劇增、芯片面積失控，如何實(shí)現(xiàn)低損耗、高精度的片上光尋址，成為超大規(guī)模焦平面陣列（FPA）實(shí)用化的核心障礙。

功耗與探測(cè)距離矛盾：傳統(tǒng) ToF 激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)需微焦級(jí)脈沖能量，逼近人眼安全極限，難以兼顧高分辨率、低功耗與長(zhǎng)探測(cè)距離。

團(tuán)隊(duì)依托GlobalFoundries 45SPCLO 300-mm硅光工藝平臺(tái)，結(jié)合ANSYS Lumerical光子仿真與Cadence Virtuoso電子設(shè)計(jì)流程，完成超60萬(wàn)個(gè)光子器件與配套電路的單片集成設(shè)計(jì)，歷經(jīng)多輪流片與測(cè)試驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)性能與集成度的雙重突破。

2 顛覆性創(chuàng)新：四大核心突破重塑激光雷達(dá)技術(shù)格局

2.1 單站像素架構(gòu)：收發(fā)一體，從根源消除對(duì)準(zhǔn)難題

摒棄傳統(tǒng)雙站設(shè)計(jì)，創(chuàng)新采用單站式（monostatic）像素架構(gòu)，每個(gè)像素內(nèi)集成兩組光柵耦合器，同一光柵同時(shí)承擔(dān)激光發(fā)射與回波接收，配合定向耦合器、平衡鍺光電探測(cè)器與片上跨阻放大器（TIA），實(shí)現(xiàn)平衡相干探測(cè)，徹底杜絕像素間光串?dāng)_，無(wú)需光路對(duì)準(zhǔn)，大幅壓縮芯片面積，為大規(guī)模陣列集成奠定基礎(chǔ)。

片上集成架構(gòu)示意：（a）單像素塊結(jié)構(gòu)總覽；（b）單像素中的單站光路；（c）沉積微透鏡結(jié)構(gòu)改善單像素出光收光。（來(lái)源：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10183-6/figures/2 ）

2.2 兩級(jí)熱光開(kāi)關(guān)樹(shù)：芯片級(jí) “光立交橋”，高效低耗調(diào)度

研究團(tuán)隊(duì)打造了兩級(jí)級(jí)聯(lián)熱光開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，第一級(jí)置于陣列外，將光導(dǎo)向512個(gè)像素區(qū)塊；第二級(jí)嵌入?yún)^(qū)塊內(nèi)，精準(zhǔn)尋址像素行列，每級(jí)開(kāi)關(guān)末端集成監(jiān)測(cè)光電二極管，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)相位校準(zhǔn)。

通過(guò)16個(gè)光纖輸入通道，將開(kāi)關(guān)總損耗控制在4 dB，單次可并行點(diǎn)亮128個(gè)像素，支撐3–15 fps高幀率成像，完美解決6萬(wàn)級(jí)像素的光調(diào)度難題。

2.3 片上微透鏡：秒變“可換鏡頭單反”，靈活適配場(chǎng)景

在芯片表面為每個(gè)像素定制沉積凹面微透鏡，校正光柵面外發(fā)射角，擴(kuò)束光束以充分匹配商用 SWIR 鏡頭孔徑，消除像差與邊緣暗角。僅需更換不同焦距鏡頭，即可自由切換視場(chǎng)角（FOV）與角分辨率，實(shí)現(xiàn)從近距離室內(nèi)精細(xì)成像到遠(yuǎn)距離戶外測(cè)繪的靈活適配，打破傳統(tǒng)激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)固定化的局限。

示例點(diǎn)云與實(shí)景圖：（a）單次采集的辦公室場(chǎng)景點(diǎn)云；（b）多次相干平均的遠(yuǎn)距離建筑點(diǎn)云；（c）附帶速度標(biāo)注的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)點(diǎn)云；（d-f）對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景照片。（來(lái)源：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10183-6/figures/3 ）

2.4 超低功耗相干探測(cè)：46 nJ /點(diǎn)，兼顧安全與性能

采用FMCW相干混頻探測(cè)體制，利用相干選擇性抑制環(huán)境雜散光，無(wú)需高功率脈沖抗干擾；結(jié)合4次低功耗相干平均（單次僅11 nJ），將單點(diǎn)探測(cè)能耗降至46 nJ，較此前最優(yōu)水平降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)低于人眼安全閾值。

同時(shí)實(shí)現(xiàn)65m探測(cè)距離、0.06°角分辨率、3.9mm測(cè)距精度、3.0mm/s測(cè)速精度，25mm距離分辨率下性能全面達(dá)標(biāo)商業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

3 硬核性能：創(chuàng)紀(jì)錄規(guī)模，定義 4D 成像新標(biāo)桿

團(tuán)隊(duì)研發(fā)的FMCW 激光雷達(dá)FPA芯片，核心參數(shù)刷新行業(yè)紀(jì)錄：

陣列規(guī)模：352×176 像素，超60萬(wàn)個(gè)光子器件單片集成，像素?cái)?shù)量為此前最先進(jìn)水平的5倍，達(dá)近QVGA分辨率；

成像能力：4–65 m全域探測(cè)，支持3–15 fps實(shí)時(shí)4D點(diǎn)云輸出，可同步獲取三維空間信息與徑向速度；

集成度：全球首個(gè)光子器件+ CMOS控制電路+驅(qū)動(dòng)電路全單片集成的大規(guī)模相干FPA，無(wú)需外接復(fù)雜電子系統(tǒng)；

擴(kuò)展性：優(yōu)化本振功率與波導(dǎo)架構(gòu)后，SNR可提升5.6 dB，采用Si–SiN混合架構(gòu)可將探測(cè)距離拓展至200 m以上。

4 產(chǎn)業(yè)價(jià)值：開(kāi)啟4D成像普及時(shí)代，賦能千行百業(yè)

這款純固態(tài)相干4D成像傳感器的問(wèn)世，標(biāo)志著FMCW激光雷達(dá)正式邁入芯片化、低成本、可量產(chǎn)的硅光時(shí)代，徹底打破傳統(tǒng)激光雷達(dá)的應(yīng)用壁壘，核心應(yīng)用價(jià)值覆蓋三大領(lǐng)域：

自動(dòng)駕駛：為自動(dòng)駕駛汽車提供全天候、抗干擾的4D感知，精準(zhǔn)識(shí)別動(dòng)態(tài)障礙物、測(cè)算車速，提升行車安全，替代傳統(tǒng)機(jī)械式與半固態(tài)激光雷達(dá)，降低車載感知系統(tǒng)成本與體積；

服務(wù)與工業(yè)機(jī)器人：賦予機(jī)器人精準(zhǔn)空間感知與動(dòng)態(tài)目標(biāo)追蹤能力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境避障、精細(xì)抓取，適配物流、家政、工業(yè)自動(dòng)化等場(chǎng)景；

消費(fèi)電子與AR/VR：微型化芯片設(shè)計(jì)可集成至手機(jī)、VR設(shè)備，實(shí)現(xiàn)空間建模、手勢(shì)識(shí)別、三維交互，推動(dòng)消費(fèi)電子從2D成像邁向4D感知升級(jí)。

研究團(tuán)隊(duì)表示，下一代產(chǎn)品將進(jìn)一步優(yōu)化像素排布、提升片上光功率、集成片上光源，最終實(shí)現(xiàn)單芯片全集成4D成像系統(tǒng)，體積比肩CMOS圖像傳感器，成本降至消費(fèi)級(jí)水平。

從實(shí)驗(yàn)室突破到產(chǎn)業(yè)落地，這款大規(guī)模相干4D成像傳感器，不僅是激光雷達(dá)技術(shù)的里程碑，更將重塑機(jī)器視覺(jué)生態(tài)，讓4D感知走進(jìn)自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、消費(fèi)電子等每一個(gè)場(chǎng)景，為智能世界打造一雙雙精準(zhǔn)、靈敏、低成本的“4D 慧眼”。

參考文章：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10183-6

https://mp.weixin.qq.com/s/eVz1Dd3scpLwIuBlbbjD3Q