隨著高速計算平臺的發(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/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）,、自動駕駛、機器人視覺和移動端的人臉識別等,。這種基于激光的3D成像方案通過發(fā)射器利用受控激光束照射目標，并在接收端監(jiān)測目標返回的散射光來估算三維物體的深度信息,。

　　根據(jù)探測器的深度計算方法,，3D成像系統(tǒng)主要可分為飛行時間（ToF）和結(jié)構(gòu)光（SL）兩種類型。ToF方案通過脈沖激光照射目標物體或場景,，測量照明脈沖光和返回散射信號之間的時間延遲提取深度信息,。

　　為了獲得寬視場（FoV），需要利用激光器旋轉(zhuǎn)并掃描時逐點依次進行ToF測量,。激光掃描系統(tǒng)可通過機械旋轉(zhuǎn)鏡或MEMS微鏡實現(xiàn),。然而，前者由于笨重組件的慣性,，反射鏡的機械旋轉(zhuǎn)需要高功率,，從而降低了目標捕獲的幀速率。利用MEMS微鏡可以降低功耗,，但基于振蕩（oscillaTIng）的模式將場景掃描限制為一維（1D）,，并且容易受到振動和沖擊的影響。最近,，有研究提出采用透明導電氧化物（TCO）和液晶（LC）進行光束轉(zhuǎn)向,，這符合固態(tài)光學相控陣天線的物理機制，但是仍然存在FoV小的問題,。

　　相比之下,，基于結(jié)構(gòu)光的3D成像系統(tǒng)采用專門設(shè)計的2D圖案光來投射物體,，有效地擴大了FoV，并且無需激光掃描,。當物體的表面為非平面時,，它會扭曲投射的結(jié)構(gòu)光圖案，從而可以利用多種算法從扭曲的結(jié)構(gòu)光圖案來計算物體的表面形貌,。這種成像模式可以通過多個物體的同時成像,，以相對較低的計算負荷提高物體捕捉的幀速率。

　　目前通常利用衍射光學元件（DOE）或空間光調(diào)制器（SLM）生成2D圖案光,。傳統(tǒng)的微尺寸DOE需要蝕刻多個深度,，以通過多個步驟調(diào)制相位，從而為產(chǎn)品制造帶來挑戰(zhàn),。此外,，DOE和SLM都具有微米級的大像素尺寸，導致衍射光束陣列的效率和均勻性低,，尤其是在大角度時,。

　　SLM衍射光束的均勻性可以通過使用矢量德拜近似計算SLM的相位分布來解決。然而,，對于結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)的小型化來說,，對大尺寸物鏡的要求仍然存在挑戰(zhàn)。

　　因此,，在學術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域,，對下一代、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,，納米光子學成為克服當前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)計的亞波長厚度的單層結(jié)構(gòu)，能夠靈活的控制光的振幅,、相位和偏振,。相對常規(guī)光學器件，超構(gòu)表面展示了強大的光場調(diào)控能力,、可批量制造性及超薄平面結(jié)構(gòu)特性,。隨著對亞波長尺度結(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)表面的亞波長間距像素可以通過以亞波長分辨率調(diào)制相位來提高FoV和衍射效率,。此外，這種基于超構(gòu)表面的大視場結(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)麥姆斯咨詢報道，韓國浦項科技大學（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,，可向整個場景中投射約10?K高密度光點或約100條平行光線,，實現(xiàn)180°的極限視場。其超構(gòu)表面由周期性超晶胞組成,，用于衍射入射激光,，使其具有均勻強度的高密度衍射級。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

　　通過卷積定理,，將單個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,。通過了解衍射和干涉效應(yīng)的總光學響應(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點陣、1D點陣和2D平行光線陣列）在180°視場范圍內(nèi)進行了數(shù)值和實驗演示,。

　　作為概念驗證,，研究人員將面罩放置在1米的范圍內(nèi)？,，相對于光軸具有高達60°的寬視角,，并投射由超構(gòu)表面生成的高密度點陣。然后,，利用兩個攝像頭通過立體匹配算法提取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成像平臺能夠以符合人體工程學和商業(yè)可行性的尺寸和外形,，利用高密度點陣對整個視場進行3D物體成像。

　　全空間衍射超構(gòu)表面的設(shè)計原理和實驗驗證

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