三维（3D）成像是一种用于光检测、自动驾驶汽车、手势识别、机器视觉和其他应用的关键信息获取技术。超构表面（Metasurface）作为一种亚波长尺度的二维阵列，具有丰富的设计自由度，可以灵活控制光学波前。超构表面具有较大的视场（FOV）和强大的功能，在光学器件方面具有广阔的应用前景。
据麦姆斯咨询报道，近日，北京理工大学和中国科学院物理研究所的研究人员组成的团队在Nature Communications期刊上发表了题为“Single-shot 3D imaging with point cloud projection based on metadevice”的论文，提出了一种基于单层超构表面的平面光学器件，以在傅里叶空间中投影编码点云，并探索了一种复杂的匹配算法来实现3D重建，为单次曝光（Single-shot）3D成像提供了完整的技术路线图。本文提出的方法降低了当前光学成像解决方案的对准复杂性、振动敏感性和制造复杂性。
图1 基于超构表面投影的单次曝光3D成像示意图
3D成像可以感知真实世界的3D物体，并重建空间信息的详细特征。由于3D成像的数字化描述能力，其在人工智能（AI）、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、机器人导航、文物保护以及工业设计和检测等众多应用中发挥着关键作用。近年来，结构光技术在科学界和工业界得到了迅速发展，在表面测量、快速中短距离测量和高精度方面具有出色的表现。
然而，由于折射透镜的存在，传统投影设备的尺寸受到限制，更多的组件给精确的3D成像系统构建带来了更多困难，这导致了实现紧凑型设备的技术和制造挑战。由于其像素尺寸比光波长大，因此衍射光学元件（DOE）只能在相对较小的视场内生成点云。同时，不同平台的3D重建算法需要根据精度、速度和数据容量的要求，并结合相应的硬件进行严格设计。因此，对于单次曝光3D成像技术来说，简单的设备和相应的重建算法都是必不可少的。
超构表面被认为是3D超构材料的2D等效物，是一种能够灵活调制光场的振幅、相位和偏振的人造光学表面。超构表面为全息显示、保形光学和光束整形等众多应用提供了新颖的平台，具有微型化尺寸、大数值孔径、全空间控制和多功能的特点，加快了其在3D成像技术中的应用。特别是，超构透镜阵列和双焦点超构透镜已被用于无源3D定位和成像技术，显示出毫米级、低功耗平台的巨大潜力。然而，上述基于超构透镜成像的技术仍存在一些困难，包括有限的视场、景深和图像分辨率。
研究人员已经提出了一些基于与主动3D成像技术相关的超构表面的器件，并且与受益于亚波长尺寸的DOE相比，它们都具有相对较大的视场。通过优化所选衍射级的强度均匀性，一种用于在大角度空间中生成点云的周期性超构表面已被研究人员证实，表明其具有偏振复用优势的潜在空间编码能力。同时，一种基于超构表面的大视场Dammann光栅已被证实可以取代DOE，但它只能提供有限的衍射阶数来扩大来自垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列的准直激光图像。因此，将超构表面与激光源集成可以大大提高紧凑性和可扩展性，为多功能片上光电器件的设计奠定基础。
图2 超构表面的设计、制造和检测
在这项研究工作中，作者们提出了一种基于单层超构表面的平面光学器件，以在傅里叶空间中投影编码点云，并探索了一种复杂的匹配算法来实现3D重建，为单次曝光3D成像提供了完整的技术路线图。超构表面被用于在傅里叶空间中投影精心设计的编码点云，并且他们提出了基于三角测量原理的3D重建操作。他们讨论了用于高性能成像的视场设计和投影点数量。他们还提出并分析了一个完整的算法架构，该架构可以有效地实现精确的单次曝光3D重建。通过实验，他们验证了本文提出的方法对不同场景的深度精度和3D重建效果，表明了亚毫米测量平台的可行性。本文提出的方法对于未来消费电子和工业视觉市场中的平面光学器件来说是一种有前景的方法；该方法降低了当前光学成像解决方案的对准复杂性、振动敏感性和制造复杂性。
图3 基于图像特征的搜索算法与策略
图4 硬纸板在三种变形状态下的3D成像
图5 用于手势采集的3D成像
综上所述，研究团队提出并演示了使用精心设计的超构表面作为结构光照明模块，以减轻装配困难并实现视场和投影点密度的灵活设计。他们提出了相应的重建策略和算法，并展示了其优越的灵活性、鲁棒性和通用性。随着消费电子产品对3D成像技术的需求日益增长，设备小型化的需求日益突出，这一进展具有重要意义；这项研究的结果可能会加速计算机视觉、个人认证、光检测和人工智能等各个领域的应用的发展。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-35483-z
延伸阅读：
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2022版》
《光学和射频应用的超构材料-2022版》
《新兴图像传感器技术及市场-2023版》
