想象一下，你需要几乎精确地复制一件物品。再想象一下，你只需从口袋里掏出智能手机，用其集成的3D成像仪拍下快照，将图像发送到3D打印机，几分钟内就能得到一个复制品，其精度与原物相差不超过几微米。由于加州理工学院研发出一种全新、微型的高分辨率3D成像仪，这一壮举或许很快就能实现。
每当你想用3D打印机精确复制一件物品时，第一步都是用3D相机对物品进行高分辨率扫描，测量其高度、宽度和深度。这种3D成像技术已有数十年历史，但最灵敏的系统通常体积过大、价格过高，不适用于消费级应用。
一种名为纳米光子相干成像仪（NCI）的全新设备，价格低廉、体积小巧且精度很高，有望改变这一局面。NCI采用一块尺寸不到一平方毫米、价格低廉的硅芯片，其深度测量精度在同类纳米光子3D成像设备中最高。
这项研究在 Ali Hajimiri的实验室完成。Hajimiri是工程与应用科学部电气工程系Thomas G. Myers教授。研究成果发表于《Optics Express》2015年2月刊。
在普通相机中，每个像素表示从图像中特定位置接收到的光强，而该位置可能离相机远近不一——这意味着像素不提供物体与相机之间相对距离的信息。相比之下，加州理工学院团队利用NCI生成的图像中，每个像素同时提供距离和光强信息。Hajimiri说：“芯片上的每个像素都是一个独立的干涉仪——一种利用光波干涉进行精确测量的仪器——除了光强之外，它还能检测信号的相位和频率。”
使用纳米光子相干成像仪，在0.5米距离拍摄的美国一美分硬币表面起伏的三维图。
这款新芯片采用了一种成熟的探测与测距技术——激光雷达（LIDAR），即用扫描激光束照射目标物体。随后，根据所用激光的波长分析物体反射的光，激光雷达便可收集物体的尺寸及其与激光器之间距离的信息，从而生成周围环境的图像。Hajimiri说：“在我们的相干成像仪中部署一组微型激光雷达，就能同时对物体或场景的不同部分成像，而无需成像仪内部进行任何机械运动。”
NCI能够提供如此高分辨率的图像和信息，得益于一种称为相干性的光学概念。如果两束光波相干，它们的频率相同，波峰和波谷也完全对齐。在NCI中，物体由这种相干光照射。随后，芯片上的探测器会接收物体反射的光。这些探测器称为光栅耦合器，充当“像素”：每个耦合器探测到的光对应3D图像中的一个像素。在NCI芯片上，系统会检测物体不同位置反射光的相位、频率和光强，并据此确定目标位置的精确距离。
由于相干光的频率和波长恒定，它可作为参照，用来测量反射光的差异。这样，NCI就将相干光当作一把极其精确的尺子，测量物体的尺寸以及物体各点到相机的距离。随后，光被转换为电信号，其中包含每个像素的光强和距离信息——这些正是生成3D图像所需的全部信息。
引入相干光不仅使3D成像的深度测量精度达到硅光子学领域前所未有的水平，也使设备能够做得非常小。Hajimiri说：“通过在硅芯片上的细小通道中耦合、限制并处理反射光，我们将每个激光雷达元件缩小到仅几百微米，足以在300微米乘300微米的有源区域内，排列16个这样的相干探测器。”
NCI的首个概念验证原型只有16个相干像素，这意味着它在任何一个时刻生成的3D图像都只有16个像素。不过，研究人员还开发了一种对较大物体成像的方法：先拍摄一个4像素乘4像素的区域，再以每次移动4个像素的步幅移动物体，拍摄下一个区域。研究团队用这种方法，从半米外扫描并生成了一枚美国一美分硬币正面“起伏”的3D图像，分辨率达到微米级。
Hajimiri表示，未来目前由16个像素组成的阵列也可以轻松扩展至数十万个像素。将来，通过构建由这些微型激光雷达组成的超大阵列，这种成像仪可用于广泛领域：从精密的3D扫描与打印，到帮助无人驾驶汽车避免碰撞，再到提升超精细人机界面的运动感知能力；在这类界面中，患者眼睛最细微的移动以及心跳最微小的变化都能实时检测。
他说：“这款基于芯片的新型成像仪体积小、质量高，将大幅降低成本，使这类系统能够集成到智能手机等个人设备中，从而催生数千种新用途。”
本文由 加州理工学院合作发布。本文的发布并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Jessica Stoller-Conrad为加州理工学院撰稿。
图片：2014年台北国际电脑展期间，在台北世界贸易中心南港展览馆，Aurora的F1 3D打印机正在打印一个小雕像。路透社/Pichi Chuang
