隨著高速計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展，基于激光的三維（3D）表面成像技術(shù)在各種傳感器應(yīng)用中展示了巨大的潛力，包括增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人視覺和移動(dòng)端的人臉識(shí)別等。這種基于激光的3D成像方案通過(guò)發(fā)射器利用受控激光束照射目標(biāo)，并在接收端監(jiān)測(cè)目標(biāo)返回的散射光來(lái)估算三維物體的深度信息。
根據(jù)探測(cè)器的深度計(jì)算方法，3D成像系統(tǒng)主要可分為飛行時(shí)間（ToF）和結(jié)構(gòu)光（SL）兩種類型。ToF方案通過(guò)脈沖激光照射目標(biāo)物體或場(chǎng)景，測(cè)量照明脈沖光和返回散射信號(hào)之間的時(shí)間延遲提取深度信息。
為了獲得寬視場(chǎng)（FoV），需要利用激光器旋轉(zhuǎn)并掃描時(shí)逐點(diǎn)依次進(jìn)行ToF測(cè)量。激光掃描系統(tǒng)可通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)鏡或MEMS微鏡實(shí)現(xiàn)。然而，前者由于笨重組件的慣性，反射鏡的機(jī)械旋轉(zhuǎn)需要高功率，從而降低了目標(biāo)捕獲的幀速率。利用MEMS微鏡可以降低功耗，但基于振蕩（oscillaTIng）的模式將場(chǎng)景掃描限制為一維（1D），并且容易受到振動(dòng)和沖擊的影響。最近，有研究提出采用透明導(dǎo)電氧化物（TCO）和液晶（LC）進(jìn)行光束轉(zhuǎn)向，這符合固態(tài)光學(xué)相控陣天線的物理機(jī)制，但是仍然存在FoV小的問(wèn)題。
相比之下，基于結(jié)構(gòu)光的3D成像系統(tǒng)采用專門設(shè)計(jì)的2D圖案光來(lái)投射物體，有效地?cái)U(kuò)大了FoV，并且無(wú)需激光掃描。當(dāng)物體的表面為非平面時(shí)，它會(huì)扭曲投射的結(jié)構(gòu)光圖案，從而可以利用多種算法從扭曲的結(jié)構(gòu)光圖案來(lái)計(jì)算物體的表面形貌。這種成像模式可以通過(guò)多個(gè)物體的同時(shí)成像，以相對(duì)較低的計(jì)算負(fù)荷提高物體捕捉的幀速率。
目前通常利用衍射光學(xué)元件（DOE）或空間光調(diào)制器（SLM）生成2D圖案光。傳統(tǒng)的微尺寸DOE需要蝕刻多個(gè)深度，以通過(guò)多個(gè)步驟調(diào)制相位，從而為產(chǎn)品制造帶來(lái)挑戰(zhàn)。此外，DOE和SLM都具有微米級(jí)的大像素尺寸，導(dǎo)致衍射光束陣列的效率和均勻性低，尤其是在大角度時(shí)。
SLM衍射光束的均勻性可以通過(guò)使用矢量德拜近似計(jì)算SLM的相位分布來(lái)解決。然而，對(duì)于結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)的小型化來(lái)說(shuō)，對(duì)大尺寸物鏡的要求仍然存在挑戰(zhàn)。
因此，在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)下一代、緊湊且輕量化結(jié)構(gòu)光3D成像系統(tǒng)照明方法的需求不斷提高，納米光子學(xué)成為克服當(dāng)前3D成像系統(tǒng)挑戰(zhàn)的極具前景的候選技術(shù)。
超構(gòu)表面（Metasurfaces）是人工設(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)厚度的單層結(jié)構(gòu)，能夠靈活的控制光的振幅、相位和偏振。相對(duì)常規(guī)光學(xué)器件，超構(gòu)表面展示了強(qiáng)大的光場(chǎng)調(diào)控能力、可批量制造性及超薄平面結(jié)構(gòu)特性。隨著對(duì)亞波長(zhǎng)尺度結(jié)構(gòu)中光與物質(zhì)相互作用的深入研究，超構(gòu)表面已在多種應(yīng)用中顯示出卓越的性能，例如成像、濾色、全息顯示、偏振元件和光束整形等。
對(duì)于3D成像系統(tǒng)應(yīng)用，與傳統(tǒng)的DOE和SLM相比，超構(gòu)表面的亞波長(zhǎng)間距像素可以通過(guò)以亞波長(zhǎng)分辨率調(diào)制相位來(lái)提高FoV和衍射效率。此外，這種基于超構(gòu)表面的大視場(chǎng)結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)可以與片上光源集成（例如垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）），充分發(fā)揮超構(gòu)表面的平面結(jié)構(gòu)特性。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)（Pohang University of Science and Technology）的研究人員提出了一種基于超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)光投射器件，可向整個(gè)場(chǎng)景中投射約10?K高密度光點(diǎn)或約100條平行光線，實(shí)現(xiàn)180°的極限視場(chǎng)。其超構(gòu)表面由周期性超晶胞組成，用于衍射入射激光，使其具有均勻強(qiáng)度的高密度衍射級(jí)。然后，考慮到超晶胞排列引起的干擾效應(yīng)，將超晶胞以不同的周期沿x和y軸方向周期性排列。
基于超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)光3D成像投射技術(shù)，可將高密度衍射光束散射到180°極限視場(chǎng)
通過(guò)卷積定理，將單個(gè)超晶胞的純相位分布作為卷積的核函數(shù)，分析了最終衍射圖案。通過(guò)了解衍射和干涉效應(yīng)的總光學(xué)響應(yīng)，基于超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)光投射器件的多種照明類型（2D點(diǎn)陣、1D點(diǎn)陣和2D平行光線陣列）在180°視場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)演示。
作為概念驗(yàn)證，研究人員將面罩放置在1米的范圍內(nèi)？，相對(duì)于光軸具有高達(dá)60°的寬視角，并投射由超構(gòu)表面生成的高密度點(diǎn)陣。然后，利用兩個(gè)攝像頭通過(guò)立體匹配算法提取3D面罩的深度信息。
3D物體的深度估算
此外，研究人員還展示了一種用于緊湊型、輕量化AR眼鏡的超構(gòu)表面深度傳感器原型，采用基于納米顆粒嵌入樹脂（nano-PER）的可擴(kuò)展壓印制造方法，有助于將超構(gòu)表面直接打印到AR眼鏡的曲面上。
這種基于超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)光3D成像平臺(tái)能夠以符合人體工程學(xué)和商業(yè)可行性的尺寸和外形，利用高密度點(diǎn)陣對(duì)整個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行3D物體成像。
全空間衍射超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)原理和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
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