三維（3D）成像是一種用于光檢測、自動駕駛汽車、手勢識別、機器視覺和其他應用的關鍵信息獲取技術。超構表面（Metasurface）作為一種亞波長尺度的二維陣列，具有豐富的設計自由度，可以靈活控制光學波前。超構表面具有較大的視場（FOV）和強大的功能，在光學器件方面具有廣闊的應用前景。

據麥姆斯咨詢報道，近日，北京理工大學和中國科學院物理研究所的研究人員組成的團隊在Nature Communications期刊上發表了題為“Single-shot 3D imaging with point cloud projection based on metadevice”的論文，提出了一種基于單層超構表面的平面光學器件，以在傅里葉空間中投影編碼點云，并探索了一種復雜的匹配算法來實現3D重建，為單次曝光（Single-shot）3D成像提供了完整的技術路線圖。

本文提出的方法降低了當前光學成像解決方案的對準復雜性、振動敏感性和制造復雜性。

圖1 基于超構表面投影的單次曝光3D成像示意圖

3D成像可以感知真實世界的3D物體，并重建空間信息的詳細特征。由于3D成像的數字化描述能力，其在人工智能（AI）、虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、機器人導航、文物保護以及工業設計和檢測等眾多應用中發揮著關鍵作用。近年來，結構光技術在科學界和工業界得到了迅速發展，在表面測量、快速中短距離測量和高精度方面具有出色的表現。

然而，由于折射透鏡的存在，傳統投影設備的尺寸受到限制，更多的組件給精確的3D成像系統構建帶來了更多困難，這導致了實現緊湊型設備的技術和制造挑戰。由于其像素尺寸比光波長大，因此衍射光學元件（DOE）只能在相對較小的視場內生成點云。同時，不同平臺的3D重建算法需要根據精度、速度和數據容量的要求，并結合相應的硬件進行嚴格設計。因此，對于單次曝光3D成像技術來說，簡單的設備和相應的重建算法都是必不可少的。

超構表面被認為是3D超構材料的2D等效物，是一種能夠靈活調制光場的振幅、相位和偏振的人造光學表面。超構表面為全息顯示、保形光學和光束整形等眾多應用提供了新穎的平臺，具有微型化尺寸、大數值孔徑、全空間控制和多功能的特點，加快了其在3D成像技術中的應用。特別是，超構透鏡陣列和雙焦點超構透鏡已被用于無源3D定位和成像技術，顯示出毫米級、低功耗平臺的巨大潛力。然而，上述基于超構透鏡成像的技術仍存在一些困難，包括有限的視場、景深和圖像分辨率。

研究人員已經提出了一些基于與主動3D成像技術相關的超構表面的器件，并且與受益于亞波長尺寸的DOE相比，它們都具有相對較大的視場。通過優化所選衍射級的強度均勻性，一種用于在大角度空間中生成點云的周期性超構表面已被研究人員證實，表明其具有偏振復用優勢的潛在空間編碼能力。同時，一種基于超構表面的大視場Dammann光柵已被證實可以取代DOE，但它只能提供有限的衍射階數來擴大來自垂直腔面發射激光器（VCSEL）陣列的準直激光圖像。因此，將超構表面與激光源集成可以大大提高緊湊性和可擴展性，為多功能片上光電器件的設計奠定基礎。

圖2 超構表面的設計、制造和檢測

在這項研究工作中，作者們提出了一種基于單層超構表面的平面光學器件，以在傅里葉空間中投影編碼點云，并探索了一種復雜的匹配算法來實現3D重建，為單次曝光3D成像提供了完整的技術路線圖。超構表面被用于在傅里葉空間中投影精心設計的編碼點云，并且他們提出了基于三角測量原理的3D重建操作。

他們討論了用于高性能成像的視場設計和投影點數量。他們還提出并分析了一個完整的算法架構，該架構可以有效地實現精確的單次曝光3D重建。通過實驗，他們驗證了本文提出的方法對不同場景的深度精度和3D重建效果，表明了亞毫米測量平臺的可行性。本文提出的方法對于未來消費電子和工業視覺市場中的平面光學器件來說是一種有前景的方法；該方法降低了當前光學成像解決方案的對準復雜性、振動敏感性和制造復雜性。

圖3 基于圖像特征的搜索算法與策略

圖4 硬紙板在三種變形狀態下的3D成像

圖5 用于手勢采集的3D成像

綜上所述，研究團隊提出并演示了使用精心設計的超構表面作為結構光照明模塊，以減輕裝配困難并實現視場和投影點密度的靈活設計。他們提出了相應的重建策略和算法，并展示了其優越的靈活性、魯棒性和通用性。隨著消費電子產品對3D成像技術的需求日益增長，設備小型化的需求日益突出，這一進展具有重要意義；這項研究的結果可能會加速計算機視覺、個人認證、光檢測和人工智能等各個領域的應用的發展。

審核編輯：劉清