隨著高速計算平臺的發展，基于激光的三維（3D）表面成像技術在各種傳感器應用中展示了巨大的潛力，包括增強/虛擬現實（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成像方案通過發射器利用受控激光束照射目標，并在接收端監測目標返回的散射光來估算三維物體的深度信息。

根據探測器的深度計算方法，3D成像系統主要可分為飛行時間（ToF）和結構光（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并掃描時逐點依次進行ToF測量。激光掃描系統可通過機械旋轉鏡或MEMS微鏡實現。然而，前者由于笨重組件的慣性，反射鏡的機械旋轉需要高功率，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）進行光束轉向，這符合固態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，基于結構光的3D成像系統采用專門設計的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，它會扭曲投射的結構光圖案，從而可以利用多種算法從扭曲的結構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）或空間光調制器（SLM）生成2D圖案光。傳統的微尺寸DOE需要蝕刻多個深度，以通過多個步驟調制相位，從而為產品制造帶來挑戰。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，對于結構光照明系統的小型化來說，對大尺寸物鏡的要求仍然存在挑戰。

因此，在學術和工業領域，對下一代、緊湊且輕量化結構光3D成像系統照明方法的需求不斷提高，納米光子學成為克服當前3D成像系統挑戰的極具前景的候選技術。

超構表面（Metasurfaces）是人工設計的亞波長厚度的單層結構，能夠靈活的控制光的振幅、相位和偏振。相對常規光學器件，超構表面展示了強大的光場調控能力、可批量制造性及超薄平面結構特性。隨著對亞波長尺度結構中光與物質相互作用的深入研究，超構表面已在多種應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成像系統應用，與傳統的DOE和SLM相比，超構表面的亞波長間距像素可以通過以亞波長分辨率調制相位來提高FoV和衍射效率。此外，這種基于超構表面的大視場結構光成像系統可以與片上光源集成（例如垂直腔面發射激光器（VCSEL）），充分發揮超構表面的平面結構特性。

據麥姆斯咨詢報道，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表面的結構光投射器件，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180°的極限視場。其超構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，將超晶胞以不同的周期沿x和y軸方向周期性排列。

基于超構表面的結構光3D成像投射技術，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，分析了最終衍射圖案。通過了解衍射和干涉效應的總光學響應，基于超構表面的結構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°視場范圍內進行了數值和實驗演示。

作為概念驗證，研究人員將面罩放置在1米的范圍內?，相對于光軸具有高達60°的寬視角，并投射由超構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，有助于將超構表面直接打印到AR眼鏡的曲面上。

這種基于超構表面的結構光3D成像平臺能夠以符合人體工程學和商業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。

全空間衍射超構表面的設計原理和實驗驗證

編輯：黃飛