超表面赋能结构光三维重建 | 实现超大视场高精度实时重建

原文信息

原文标题：“Super-Large Field-of-View, High-Accurate and Real-Time 3D Scene Reconstruction Based on Metasurface-Enabled Structured Light”

第一作者：Zhengren Zhan

通讯作者：Zhengren Zhan

三维场景重建主流技术对比分析

光学技术在传感探测领域中具有核心地位，而三维场景重建（即构建真实空间数字模型）的实现主要依赖三类技术，各技术的原理与局限如下：

1.纯视觉技术：通过摄像机采集目标场景的多视角图像，利用图像与现实空间的几何关系提取深度值，再经特征匹配与点云拼接获取全场景三维信息。但其短板在于摄像机对光照条件敏感，易导致深度信息精度不足。

2.激光雷达（LIDAR）技术：通过测量激光脉冲的发射 - 接收时间间隔，计算目标的距离、角度等参数。该技术需依赖复杂的系统结构，此前文献中已提及超表面在激光雷达系统中的应用可实现体积缩减。

3.结构光技术：伴随衍射光学的发展，该技术可无需机械扫描直接在空间生成随机点阵，有效弥补纯视觉与激光雷达的技术短板。但当前结构光技术仍面临系统厚度大、视场角小的关键问题。

使用超表面投影随机点阵列重建的3D场景（来自原文）

超表面 - 结构光融合的三维重建方案设计

为突破结构光技术的现有瓶颈，作者团队提出超表面与结构光的融合方案，具体实现流程如下：

1.超表面投影设计：设计专用超表面，可将约 20000 个随机点投影至 4π 全空间范围；

2.深度信息计算：结合双目视觉技术与立体匹配算法，实时计算动态图像的深度信息，生成三维点云；

3.场景重建执行：通过连续帧的点云拼接完成增量点云重建，两台相机同步扫描捕获空间场景，再利用实时映射算法构建对应的三维点云与表面模型。

超表面结构（来自原文）

超表面核心参数与设计优化

选用基于几何相位的非晶硅纳米块作为超表面单元，通过调整单元转角实现相位调制。单元具体尺寸参数为：长度 250nm、宽度 120nm、高度 280nm，单元中心间距 300nm。

1.视场角（FOV）：亮点的最大衍射角 θ 可达 85.3°，对应单次透射 / 反射空间的 FOV 为 170.6°，整体衍射点可覆盖 4π 全空间；

2.亮点比例设计：目标投影图案需 10000 个亮点，通过优化设计使亮点占所有可控点的比例约为 25%；

3.散斑抑制：超表面单个周期包含 200×200 个单元（间距 300nm），共设计 5×5 个周期以减少激光散斑。

衍射图案与相位算法

目标衍射图案的设计直接影响重建效果：若重建场景中存在规则形状物体，均匀光点阵列可能避开物体边缘导致轮廓信息丢失，而随机点阵列可在保证点数充足的前提下，使部分光点覆盖物体边缘，保留边缘细节。该随机点阵列对应的相位分布通过 Gerchberg-Saxton（GS）算法求解获得。

技术优势与前沿应用展望

与传统激光点云三维重建技术相比，基于超表面的结构光技术具有两大核心优势：一是显著提升视场角覆盖范围，二是在系统集成性上表现出突出优势。该技术为实时虚拟现实（VR）、全息通信、数字城市建设等前沿领域的发展奠定基础，未来有望在上述领域拓展更广泛的应用场景，具备广阔的技术应用潜力。

OAS 光学软件的超表面设计功能非常便捷，该功能将构建更为高效、精准的超表面设计流程，进一步推动光学领域的发展。OAS 光学软件已在超表面设计中展现卓越效能，为科研人员和工程师提供技术保障。