在自動駕駛、機器人感知與智能交互飛速發展的今天，三維動態環境的精準測繪已成為機器認知世界的核心剛需。傳統激光雷達長期受限于體積龐大、成本高昂、集成度不足等瓶頸，而調頻連續波（FMCW）相干激光雷達憑借抗干擾、可直接測速的優勢，成為實現真 4D 成像的理想方案，卻始終難以實現大規模單片集成與商業化落地。

2026年3月，瑞士Pointcloud GmbH團隊在國際頂級期刊Nature發表題為A large-scale coherent 4D imaging sensor的突破性成果，依托45 nm硅光集成工藝，攻克大規模光電集成、片上光路由、低功耗探測等多重難題，研發出全球首款超大規模純固態相干4D成像激光雷達芯片，為機器打造出可量產、微型化、低成本的 “4D 慧眼”，被 Nature 主編評價為 “令人印象深刻的光電工程成就”。

1 攻堅之路：破解4D成像芯片的三大行業頑疾

研究團隊深耕硅光子與激光雷達集成領域多年，直面 FMCW 激光雷達芯片化的核心痛點，歷經反復設計、仿真與測試，逐一突破技術壁壘。

雙站架構瓶頸：硅光工藝難以集成緊湊光環形器，傳統方案采用收發分離的雙站架構，不僅占用雙倍芯片面積，還存在光路對準難、距離盲區、光串擾等問題，嚴重限制陣列規模擴展。

大規模光調度難題：像素陣列擴容至數萬級后，傳統波導布線損耗劇增、芯片面積失控，如何實現低損耗、高精度的片上光尋址，成為超大規模焦平面陣列（FPA）實用化的核心障礙。

功耗與探測距離矛盾：傳統 ToF 激光雷達遠距離探測需微焦級脈沖能量，逼近人眼安全極限，難以兼顧高分辨率、低功耗與長探測距離。

團隊依托GlobalFoundries 45SPCLO 300-mm硅光工藝平臺，結合ANSYS Lumerical光子仿真與Cadence Virtuoso電子設計流程，完成超60萬個光子器件與配套電路的單片集成設計，歷經多輪流片與測試驗證，最終實現性能與集成度的雙重突破。

2 顛覆性創新：四大核心突破重塑激光雷達技術格局

2.1 單站像素架構：收發一體，從根源消除對準難題

摒棄傳統雙站設計，創新采用單站式（monostatic）像素架構，每個像素內集成兩組光柵耦合器，同一光柵同時承擔激光發射與回波接收，配合定向耦合器、平衡鍺光電探測器與片上跨阻放大器（TIA），實現平衡相干探測，徹底杜絕像素間光串擾，無需光路對準，大幅壓縮芯片面積，為大規模陣列集成奠定基礎。

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

2.2 兩級熱光開關樹：芯片級 “光立交橋”，高效低耗調度

研究團隊打造了兩級級聯熱光開關網絡，第一級置于陣列外，將光導向512個像素區塊；第二級嵌入區塊內，精準尋址像素行列，每級開關末端集成監測光電二極管，實現自動相位校準。

通過16個光纖輸入通道，將開關總損耗控制在4 dB，單次可并行點亮128個像素，支撐3–15 fps高幀率成像，完美解決6萬級像素的光調度難題。

2.3 片上微透鏡：秒變“可換鏡頭單反”，靈活適配場景

在芯片表面為每個像素定制沉積凹面微透鏡，校正光柵面外發射角，擴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，即可自由切換視場角（FOV）與角分辨率，實現從近距離室內精細成像到遠距離戶外測繪的靈活適配，打破傳統激光雷達光學系統固定化的局限。

示例點云與實景圖：（a）單次采集的辦公室場景點云；（b）多次相干平均的遠距離建筑點云；（c）附帶速度標注的旋轉圓盤點云；（d-f）對應的場景照片。（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10183-6/figures/3 ）

2.4 超低功耗相干探測：46 nJ /點，兼顧安全與性能

采用FMCW相干混頻探測體制，利用相干選擇性抑制環境雜散光，無需高功率脈沖抗干擾；結合4次低功耗相干平均（單次僅11 nJ），將單點探測能耗降至46 nJ，較此前最優水平降低一個數量級，遠低于人眼安全閾值。

同時實現65m探測距離、0.06°角分辨率、3.9mm測距精度、3.0mm/s測速精度，25mm距離分辨率下性能全面達標商業應用標準。

3 硬核性能：創紀錄規模，定義 4D 成像新標桿

團隊研發的FMCW 激光雷達FPA芯片，核心參數刷新行業紀錄：

陣列規模：352×176 像素，超60萬個光子器件單片集成，像素數量為此前最先進水平的5倍，達近QVGA分辨率；

成像能力：4–65 m全域探測，支持3–15 fps實時4D點云輸出，可同步獲取三維空間信息與徑向速度；

集成度：全球首個光子器件+ CMOS控制電路+驅動電路全單片集成的大規模相干FPA，無需外接復雜電子系統；

擴展性：優化本振功率與波導架構后，SNR可提升5.6 dB，采用Si–SiN混合架構可將探測距離拓展至200 m以上。

4 產業價值：開啟4D成像普及時代，賦能千行百業

這款純固態相干4D成像傳感器的問世，標志著FMCW激光雷達正式邁入芯片化、低成本、可量產的硅光時代，徹底打破傳統激光雷達的應用壁壘，核心應用價值覆蓋三大領域：

自動駕駛：為自動駕駛汽車提供全天候、抗干擾的4D感知，精準識別動態障礙物、測算車速，提升行車安全，替代傳統機械式與半固態激光雷達，降低車載感知系統成本與體積；

服務與工業機器人：賦予機器人精準空間感知與動態目標追蹤能力，實現復雜環境避障、精細抓取，適配物流、家政、工業自動化等場景；

消費電子與AR/VR：微型化芯片設計可集成至手機、VR設備，實現空間建模、手勢識別、三維交互，推動消費電子從2D成像邁向4D感知升級。

研究團隊表示，下一代產品將進一步優化像素排布、提升片上光功率、集成片上光源，最終實現單芯片全集成4D成像系統，體積比肩CMOS圖像傳感器，成本降至消費級水平。

從實驗室突破到產業落地，這款大規模相干4D成像傳感器，不僅是激光雷達技術的里程碑，更將重塑機器視覺生態，讓4D感知走進自動駕駛、機器人、消費電子等每一個場景，為智能世界打造一雙雙精準、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