面向大视场三维感知应用的结构光投影超构表面

导读

 近日，来自清华大学精密仪器系的杨原牧副教授课题组与来自哈尔滨工业大学（深圳）的肖淑敏教授课题组合作，面向大视场三维感知应用需求，提出了一种基于超构表面的结构光投影衍射光学元件（diffractive optical element, DOE），实现了120°×120°大视场点阵投影。相关成果于近期以“metasurface for structured light projection over 120-degree field of view”为题目在线发表于《Nano Letters》上。该论文的共同第一作者为杨原牧课题组博士生倪一博和博士后陈赛，通信作者为杨原牧副教授和肖淑敏教授，论文的合作者还包括清华大学精密仪器系谭峭峰副教授和肖淑敏课题组博士生王雨杰。

研究背景

近年来，在手机、AR/VR、自动驾驶、无人机、机器人等领域，人们对三维感知的需求十分迫切。这要求照相设备在获取平面图像的基础上，还可以获得拍摄对象的深度/三维立体信息。目前，按技术分类，深度摄像头可分为以下三类主流技术：结构光、双目视觉和飞行时间法（TOF）。结构光投影是深度感知中最常用的方法之一，已被应用在人脸（Apple Iphone XI）和运动识别（Intel RealSense）等应用中。结构光投影是一种特别适合于中短距离深度感知的方法，相对于其他两种方式，其优点主要在于可以实现三个维度上的高空间分辨率以及无需环境光照明。

       典型结构光深度感知系统主要由结构光投影仪和红外摄像机组成，如图1所示。投影仪通常由垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列、准直器透镜和DOE组成。DOE用于将准直激光图案从VCSEL阵列扩展到大视场。当结构光图案投影到三维物体上时，会因为物体的立体构型产生形变，因此可以通过红外摄像芯片记录、分析获取到目标的深度信息。目前，结构光投影系统中使用的DOE一般为达曼光栅，它是一种具有特定传输函数的周期性二元相位光栅。通过将标量衍射理论与Gerchberg-Saxton（G-S）算法等迭代优化算法相结合，可以设计出DOE的传输函数。考察结构光投影DOE的主要指标包括衍射效率、光斑均匀性和视场等。高衍射效率有助于降低光源的功耗，这对于移动设备（手机和飞行器等）尤其重要。为了准确提取被测物体的深度图，需要每个投影点有足够的亮度和均一度。视场则决定了被测场景的范围。

图1. 典型的基于结构光深度感知系统示意图。红点和蓝点分别表示通过传统DOE和超构表面DOE投射出的结构光图案。

创新研究

传统二元DOE通过光栅高度不同，仅能实现0和π两个相位台阶。如果需要实现更加连续的相位变化，需要利用多个相位台阶。在加工上，多阶光栅需要复杂的套刻工艺，从而会对加工工艺带来较大挑战。此外，传统DOE实现点阵投影的视场角通常在60°×60°以内，若想获得更大的视场而不受非期望衍射阶次杂散光的影响，则需要减小DOE的周期至与入射波长相当。这会使传统设计DOE时应用的标量衍射理论不再适用。同时，在大视场条件下，一般DOE设计中需要用到的菲涅尔以及夫琅禾费衍射积分公式中的傍轴近似条件也不再能得到满足。

       针对传统DOE器件在大视场结构光投影中遇到的瓶颈，本文提出通过光学超构表面实现大视场点阵投影，用以替代传统的DOE元件。光学超构表面是具有空间变化的金属或介质超构功能单元组成的结构化超薄光学界面。通过设计超构表面单元，可以在亚波长尺度上实现对光的相位0-2π任意调控。相对于多层阶光栅，超构表面在加工上只需要一次刻蚀，易于制备。本文作者基于多晶硅的超构表面设计并实验验证了一款DOE光学元件，可以投射出一维或二维激光光斑阵列，且具有超过120°×120°的超大视场。通过将矢量电磁仿真与内点优化算法相结合，合理选择超构表面单元的尺寸和位置，作者设计了一维和二维结构光投影超构表面，设计衍射效率分别为96%和81%，均方根误差（RMSE）分别为5%和24%，如图2所示。超构表面样品由标准电子束光刻和反应离子刻蚀技术制作而成，通过自主搭建的实验光路表征，实验测得的一维和二维样品的衍射效率分别为55.6%和59.1%，RMSE分别为39.71%和38.68%。与设计结果相比，实验测得的相对较低的效率和较高的RMSE可能是由于当前设计对制造误差的容忍度相对较低。这个问题可以在后期的超构表面设计和优化中加入制造公差来进一步改进解决。
 

图2. (a-h)目标、设计和实验的一维和二维结构光衍射图案及样品的扫描电镜图；（i）实验表征光路示意图。

总 结

本文通过设计的硅基超构表面DOE器件，克服了传统二元相位达曼光栅的局限性，实现了视场超过120°×120°的结构光点阵投影，并且具有相对较高的效率和良好的光斑均匀性，对入射光偏振不敏感。该类超构表面的工作波长可以从近红外到远红外进行扩展。该硅基器件有望通过纳米压印或CMOS兼容的光刻工艺在晶圆规模上进行大规模制造。本文提出的超构表面DOE有望在消费电子、无人车等需要对大视场进行深度感知的领域得到应用。

      本研究得到了清华大学人才引进经费、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、清华大学水木学者计划的资助。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02586