基于平移与轴向可调级联超表面的自适应主动照明

《Advanced Science》：Adaptive Active Illumination Via Translationally and Axially Tunable Cascaded Metasurfaces

　　

主动三维传感需要精确的光输送和足够的返回信号强度，而复杂场景则需要在局部功率集中与照明覆盖之间实现可调平衡。准直光束照明通过集中光功率支持更长的最大可探测距离，而扩展光束照明通过增加每次投影的覆盖范围来提高角度采样效率。现有的主动照明方法通常采用固定照明模式或预定义扫描轨迹，难以在用于最大可探测距离的局部功率集中与用于采样效率的照明覆盖之间取得平衡。本文提出了一种基于平移与轴向可调级联超表面（translationally and axially tunable cascaded metasurfaces, TATCMs）的自适应主动照明方法。TATCMs通过横向平移控制视场（field of view, FoV）内的光束输出角，并通过轴向间距调谐来调节照明覆盖范围。在905 nm工作波长下，所实现的TATCMs在±300 μm横向行程内展示了约70°×70° FoV上的连续光束输出角控制，同时将层间间距增加2.64 mm可将实测发散角为0.06°的准直光束照明扩展为跨越FoV的连续覆盖。自适应三维重建进一步展示了TATCMs作为一种紧凑平面照明平台，在自动驾驶车辆、无人机和工业机器人中进行场景自适应三维传感的潜力。

主动三维传感系统通过投射受控照明并分析返回光信号来获取深度信息，其照明光学直接决定了空间采样、返回信号强度和深度重建质量。随着移动平台、无人机和具身智能系统的发展，对紧凑高效主动照明光学的需求日益增长。然而，主动照明存在最大可探测距离与角度采样效率之间的固有矛盾：准直光束照明可集中光功率以探测远距离或低反射率目标，但覆盖范围有限；扩展光束照明能增加单次投影覆盖以提高采样效率，却会稀释局部光功率。现有方法多采用固定照明模式或预设扫描轨迹，难以在局部功率集中与照明覆盖之间动态平衡。常规折射透镜、反射镜和衍射光学元件的光学响应固定，空间光调制器则受限于像素尺寸导致大角度效率损失，而材料调谐方案在调制范围和驱动复杂度上存在折衷。为此，研究人员提出了基于平移与轴向可调级联超表面（TATCMs）的自适应主动照明方法，该成果发表在《Advanced Science》。

研究人员设计了由第一超表面（MS I）和第二超表面（MS II）级联构成的TATCMs。通过横向平移MS II控制光束输出角，通过轴向移动MS I改变层间间距以调节照明覆盖。在905 nm工作波长下，实现了约70°×70°视场（FoV）内连续光束输出角控制，并可将近乎准直的照明（实测发散角0.06°）扩展为覆盖整个FoV的连续照明。自适应三维重建演示进一步验证了其可根据场景需求选择照明状态的能力，为紧凑型主动照明提供了新平台。

在技术方法方面，研究人员将MS I划分为37个方形子孔径，呈截断的7×7阵列分布，每个子孔径对应一个局部FoV子区域；MS II采用二次相位分布，横向半行程为±300 μm。通过反向光线追踪方法，从MS II平面所需的等效相位反向构造MS I的物理相位分布。器件基于熔融石英衬底上的非晶硅纳米柱，通过全波电磁仿真优化纳米柱宽度，在905 nm处实现高于90%的透射振幅和完整0–2π相位覆盖，并采用电子束光刻和等离子体刻蚀完成制备。实验表征使用905 nm光纤耦合激光器、红外相机和光束分析仪；三维演示采用基于单光子雪崩二极管（SPAD）阵列的商用直接飞行时间（dToF）模块。

研究结果部分，首先，在TATCMs设计方面，研究人员从级联相位关系推导了光束输出角与横向平移及轴向间距的解析关系。实验测得±300 μm横向行程可实现约70°×70° FoV内连续无角度间隙扫描；轴向间距增加2.64 mm时，相邻照明覆盖区域边界相接，形成覆盖整个设计FoV的连续照明。器件光学效率为64.8%。

其次，在自适应主动照明表征方面，实验记录了层间间距D从1 mm增至3.64 mm时输出照明从准直光束向扩展光束的演变。中心照明区域的角度覆盖跨度单调增加，在ΔD=2.64 mm时达到约9.3°，整体覆盖达到约70°，与理论计算一致。光束轮廓测量表明扩展光束保持较均匀的强度分布。功率计测量显示，当D超过约1.4 mm后，扩展光束超出探头接收面积，接收功率下降。基于此，研究人员量化了角度采样效率与最大可探测距离的权衡：角度采样效率约与ΔD²成正比，而最大可探测距离约与ΔD^?1/2成反比。

最后，在自适应三维传感演示方面，研究人员搭建了dToF系统，场景包含近处和中间距离的两个白色玩具以及远处一个低反射率黑色立方体。在D=3.64 mm扩展光束照明下，可重建近处和中间距离的玩具，但立方体因返回信号过弱而缺失。随后将D减小至1.60 mm以集中光功率，依据测量覆盖关系选择25个扫描位置，沿蛇形轨迹重新扫描后获得立方体的清晰点云，融合后得到完整重建，四个可见立方体顶点的平均相对深度误差为2.17%。该结果验证了轴向间距调谐可根据目标距离和反射率调整照明覆盖与功率浓度。

论文在结论部分指出，TATCMs通过横向平移与轴向间距调谐的协同控制，实现了每次投影中照明覆盖的调节，从而在最大可探测距离和角度采样效率之间提供了可调谐的平衡。在905 nm波长下实现的连续角度控制和光束扩展能力，展示了其作为紧凑平面照明平台的潜力。论文也指出，完全自主的场景自适应需依赖测量反馈、决策和闭环控制，而TATCMs为这一目标提供了关键的照明硬件基础。该技术有望应用于自动驾驶车辆、无人机和工业机器人等需应对不同距离和反射率目标的场景。