基于單層超構(gòu)表面的單次曝光三維（3D）成像

三維（3D）成像是一種用于光檢測(cè)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)、手勢(shì)識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)和其他應(yīng)用的關(guān)鍵信息獲取技術(shù)。超構(gòu)表面（Metasurface）作為一種亞波長(zhǎng)尺度的二維陣列，具有豐富的設(shè)計(jì)自由度，可以靈活控制光學(xué)波前。超構(gòu)表面具有較大的視場(chǎng)（FOV）和強(qiáng)大的功能，在光學(xué)器件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，北京理工大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊上發(fā)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(gòu)表面的平面光學(xué)器件，以在傅里葉空間中投影編碼點(diǎn)云，并探索了一種復(fù)雜的匹配算法來(lái)實(shí)現(xiàn)3D重建，為單次曝光（Single-shot）3D成像提供了完整的技術(shù)路線圖。

本文提出的方法降低了當(dāng)前光學(xué)成像解決方案的對(duì)準(zhǔn)復(fù)雜性、振動(dòng)敏感性和制造復(fù)雜性。

圖1 基于超構(gòu)表面投影的單次曝光3D成像示意圖

3D成像可以感知真實(shí)世界的3D物體，并重建空間信息的詳細(xì)特征。由于3D成像的數(shù)字化描述能力，其在人工智能（AI）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、機(jī)器人導(dǎo)航、文物保護(hù)以及工業(yè)設(shè)計(jì)和檢測(cè)等眾多應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。近年來(lái)，結(jié)構(gòu)光技術(shù)在科學(xué)界和工業(yè)界得到了迅速發(fā)展，在表面測(cè)量、快速中短距離測(cè)量和高精度方面具有出色的表現(xiàn)。

然而，由于折射透鏡的存在，傳統(tǒng)投影設(shè)備的尺寸受到限制，更多的組件給精確的3D成像系統(tǒng)構(gòu)建帶來(lái)了更多困難，這導(dǎo)致了實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)備的技術(shù)和制造挑戰(zhàn)。由于其像素尺寸比光波長(zhǎng)大，因此衍射光學(xué)元件（DOE）只能在相對(duì)較小的視場(chǎng)內(nèi)生成點(diǎn)云。同時(shí)，不同平臺(tái)的3D重建算法需要根據(jù)精度、速度和數(shù)據(jù)容量的要求，并結(jié)合相應(yīng)的硬件進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)。因此，對(duì)于單次曝光3D成像技術(shù)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的設(shè)備和相應(yīng)的重建算法都是必不可少的。

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

研究人員已經(jīng)提出了一些基于與主動(dòng)3D成像技術(shù)相關(guān)的超構(gòu)表面的器件，并且與受益于亞波長(zhǎng)尺寸的DOE相比，它們都具有相對(duì)較大的視場(chǎng)。通過(guò)優(yōu)化所選衍射級(jí)的強(qiáng)度均勻性，一種用于在大角度空間中生成點(diǎn)云的周期性超構(gòu)表面已被研究人員證實(shí)，表明其具有偏振復(fù)用優(yōu)勢(shì)的潛在空間編碼能力。同時(shí)，一種基于超構(gòu)表面的大視場(chǎng)Dammann光柵已被證實(shí)可以取代DOE，但它只能提供有限的衍射階數(shù)來(lái)擴(kuò)大來(lái)自垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列的準(zhǔn)直激光圖像。因此，將超構(gòu)表面與激光源集成可以大大提高緊湊性和可擴(kuò)展性，為多功能片上光電器件的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

圖2 超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)

在這項(xiàng)研究工作中，作者們提出了一種基于單層超構(gòu)表面的平面光學(xué)器件，以在傅里葉空間中投影編碼點(diǎn)云，并探索了一種復(fù)雜的匹配算法來(lái)實(shí)現(xiàn)3D重建，為單次曝光3D成像提供了完整的技術(shù)路線圖。超構(gòu)表面被用于在傅里葉空間中投影精心設(shè)計(jì)的編碼點(diǎn)云，并且他們提出了基于三角測(cè)量原理的3D重建操作。

他們討論了用于高性能成像的視場(chǎng)設(shè)計(jì)和投影點(diǎn)數(shù)量。他們還提出并分析了一個(gè)完整的算法架構(gòu)，該架構(gòu)可以有效地實(shí)現(xiàn)精確的單次曝光3D重建。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，他們驗(yàn)證了本文提出的方法對(duì)不同場(chǎng)景的深度精度和3D重建效果，表明了亞毫米測(cè)量平臺(tái)的可行性。本文提出的方法對(duì)于未來(lái)消費(fèi)電子和工業(yè)視覺(jué)市場(chǎng)中的平面光學(xué)器件來(lái)說(shuō)是一種有前景的方法；該方法降低了當(dāng)前光學(xué)成像解決方案的對(duì)準(zhǔn)復(fù)雜性、振動(dòng)敏感性和制造復(fù)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(tài)下的3D成像

圖5 用于手勢(shì)采集的3D成像

綜上所述，研究團(tuán)隊(duì)提出并演示了使用精心設(shè)計(jì)的超構(gòu)表面作為結(jié)構(gòu)光照明模塊，以減輕裝配困難并實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)和投影點(diǎn)密度的靈活設(shè)計(jì)。他們提出了相應(yīng)的重建策略和算法，并展示了其優(yōu)越的靈活性、魯棒性和通用性。隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì)3D成像技術(shù)的需求日益增長(zhǎng)，設(shè)備小型化的需求日益突出，這一進(jìn)展具有重要意義；這項(xiàng)研究的結(jié)果可能會(huì)加速計(jì)算機(jī)視覺(jué)、個(gè)人認(rèn)證、光檢測(cè)和人工智能等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用的發(fā)展。

審核編輯：劉清