论文基本信息
标题：
Spectral-acoustic-coordinated astigmatic metalens for wide field-of-view and high spatiotemporal resolution 3D imaging
作者：
共同一作： Shujian Gong（中国科学院光电技术研究所光场调控科学与技术国家重点实验室）；
共同一作： Yinghui Guo（中国科学院光电技术研究所光场调控科学与技术国家重点实验室）；
共同一作： Xiaoyin Li（中国科学院光电技术研究所光场调控科学与技术国家重点实验室）；
通讯作者： Mingbo Pu（中国科学院光电技术研究所光场调控科学与技术国家重点实验室）；详细介绍可见：[超表面领域大牛-31] 中国科学院光电技术研究所-蒲明博-国家优青|光场调控科学技术全国重点实验室主任；
Peng Tian（中国科学院光电技术研究所光场调控科学与技术国家重点实验室）；
Qi Zhang（中国科学院光电技术研究所光场调控科学与技术国家重点实验室）；
Lianwei Chen（中国科学院光电技术研究所光场调控科学与技术国家重点实验室）；
Wenyi Ye（中国科学院光电技术研究所光场调控科学与技术国家重点实验室）；
Heping Liu（天府兴隆湖实验室）；
Fei Zhang（中国科学院光电技术研究所光场调控科学与技术国家重点实验室）；
Mingfeng Xu（中国科学院光电技术研究所光场调控科学与技术国家重点实验室）；
通讯作者： Xiangang Luo（中国科学院光电技术研究所光场调控科学与技术国家重点实验室）；详细介绍可见：[超表面领域大牛-4]中国科学院光电技术研究所-罗先刚-中国工程院院士
发表时间：
2026年1月23日（其中2025年06月24日投稿，2025年12月15日返修，2025年12月24日接收）
发表期刊：
Light: Science & Applications（JCR-Q1，IF=23.4）
论文重要图文
摘要：
基于超表面的LiDAR被寄予“高时空分辨三维成像”的厚望，但在实际双轴扫描体系中，点获取速率、视场与成像分辨率往往被一组相互牵制的瓶颈所卡住：快轴与慢轴扫描的速率不匹配会造成重复扫描，从而把有效帧内点获取速率（FPAR）压低；光谱扫描受限于可用光谱带宽与常规光栅色散能力，视场通常难以做大；而衍射光栅的各向异性又会引入光束像散，使得空间分辨率进一步恶化，尤其在级联双轴扫描时问题更加突出；针对这一研究空缺，【中国科学院光电技术研究所】团队提出了“光谱-声光协同扫描+像散超构透镜（AML）”的宽视场高时空分辨LiDAR架构：用光谱扫描作为快轴、声光偏转器作为慢轴，通过“跨轴速率匹配”把冗余扫描因子压到1，从而把FPAR推到与像素级点获取速率同量级，同时在后端引入专门设计的像散超构透镜，一方面扩展光谱扫描的输出视场，另一方面通过为切向与弧矢光线设置不同等效焦距来校正由光栅各向异性导致的像散，使得两正交方向的发散角趋于一致并抑制相邻谱通道的光斑扩展；可以把它类比为先把“快轴线扫描”和“慢轴点切换”在节拍上对齐，避免快轴在同一区域反复扫空，再用一片具像散补偿能力的平面透镜把被光栅“拉扁”的光束重新“揉圆”，从而在大视场下仍保住角分辨与有效可分辨点数；论文在摘要与结果中给出了可直接引用的系统指标，包括实现帧内点获取速率36.6 MHz（文中描述约较既有报告提升约5倍），同时实现102°宽视场，并在该宽视场下达到0.37°角分辨率；此外，还展示了每帧1800点条件下20.3 kfps的超高速三维成像演示，用于刻画快速转动物体的时间演化。该成果以 Spectral-acoustic-coordinated astigmatic metalens for wide field-of-view and high spatiotemporal resolution 3D imaging 为题，于2026年1月23日发表于《Light: Science & Applications》。
重要图片：
图1. 宽视场、高时空分辨LiDAR的概念
a 所提出的LiDAR架构集成超构透镜，用于在宽视场内捕获环境动态的细微变化。
b 高时间分辨率的实现：通过光谱-声光（spectral-AO）扫描实现跨轴速率匹配，使全视场的高速二维光束扫描成为可能。
c 高空间分辨率的获得：宽视场像散超构透镜（AML）同时解决光谱扫描视场窄与光束像散导致空间分辨率下降的问题——这些问题无法由不含像散补偿的普通超构透镜（NML）消除。插图给出了NML与AML的相位分布示意。
d 上：分辨率靶标的成像结果，展示系统优异的空间分辨率（6.46 mrad）。下：快速旋转风扇的时间切片演化，展示系统的高时间分辨率（FPAR约36.6 MHz）。
图2.宽视场高时空分辨LiDAR的实现
a 实验装置。宽带光源先经光谱-时间编码实现时-频复用；得到的离散啁啾子脉冲序列依次通过双轴声光偏转器与闪耀光栅（BG）以实现光谱-双声光的级联扫描；随后光束通过宽视场像散超构透镜（AML）以提升空间探测能力；回波由光电倍增管（PMT）收集并用于三维重建。COL：准直透镜；PH：针孔；HWP：半波片；M：反射镜；BPF：带通滤波片。
b 光谱-双声光级联扫描示意图。y向声光偏转器在每次光谱扫描后快速切换以保证速率匹配，x向声光偏转器以类似方式工作，形成三轴扫描配置。
c 速率不匹配对有效采样点数的影响。(i) 速率匹配（β=1）使FPAR=PPAR，最大化采集效率；(ii) 速率不匹配（β=2）因冗余光谱扫描使FPAR降低到PPAR的一半。
d 闪耀光栅引起的光束发散角扩展示意图。
e 闪耀光栅衍射后相邻三个光谱通道输出光束的演化示意：(i) 无超构透镜；(ii) 使用普通超构透镜（NML）；(iii) 使用像散超构透镜（AML）。AML在扩展光谱扫描视场的同时校正光束像散。
图3.宽视场像散超构透镜提升LiDAR空间探测能力
a 宽视场像散超构透镜增强空间探测机制示意图。相较未经调制的零级光束，AML既扩展视场又提升空间分辨率。左图：制备的AML照片。右图：构成AML的蓝宝石-硅（SOS）超原子晶胞结构示意。
b 宽视场AML的相位分布，伪彩表示相位，蓝色等值线表示相位梯度（rad/mm）。
c 在AML辅助下实现的光谱-声光级联扫描二维光束输出角分布Θx,y（以中心光束为0°），颜色表示不同光谱通道。
d–f 光栅色散后相邻三个通道光束的演化：(d) 无超构透镜；(e) 使用NML；(f) 使用AML。绿色虚线以中间通道的x位置作坐标参考。由于像散，光栅输出光束沿光轴由椭圆变圆再变椭圆；该像差可被AML有效校正。
g–i 对应在y=0平面内的强度剖面：(g) 无超构透镜；(h) 使用NML；(i) 使用AML。AML扩展视场、校正像散并提升空间分辨率，从而显著增强LiDAR空间探测能力。
图4. 高时间分辨三维成像
a 三维成像结果及其对应场景（插图），包含字母“F”“A”“S”“T”和一台快速旋转风扇。单帧结果包含20（x向声光偏转器）×83（y向声光偏转器）×30（光谱通道）个可寻址空间点。
b 测得的物体尺寸与空间位置（上）与重建的三维点云（下）对比。
c 点云在距离轴上的概率密度分布，展示约3 cm的测距精度（标准差σ的均值）。
d 在不同FPAR条件下风扇旋转的时间演化（β1=1时最大FPAR=36.56 MHz）。橙色圆柱与蓝/绿螺旋表示时间分辨的风扇状态；通过螺距分析得到旋转周期24.94 ms（拟合）与25.10 ms（真实值）。
e 在20.3 kfps帧率下的超高速动态三维成像结果（每帧1×60×30个可寻址点）。结果显示约6~7帧后，槽C旋转到槽B的初始位置，这与3 kHz斩波器单槽周期约333.3 μs一致。
图5. 借助亚像素重建的高空间分辨三维成像
a 四个目标的直接点云成像结果（i）及对应的真实场景（ii）。对一个分辨率靶标的局部点云重建（iii）与实际物体（iv）对比。
b 通过亚像素重建恢复的分层深度强度切片，其中(i)–(iv)分别对应四个不同距离处的强度分布。距离用颜色编码，强度用饱和度与灰度表示。Θx=−50°平面处的紫色曲线表示沿距离方向的总强度分布I(D)。Θy=0°切片表示二维强度分布I(Θx,0°,D)。
c 提取的四个深度切片内的强度分布，对应(b)中I(D)的极值位置。
d 在某一特定Θx处的强度剖面，顶部与底部分别对应(c)(ii)与(c)(iii)。此前在原始点云a(iii)中不清晰的1 cm线宽特征在重建后清晰可分辨，体现出6.46 mrad的空间分辨率。
参考文献
Gong, S., Guo, Y., Li, X. et al. Spectral-acoustic-coordinated astigmatic metalens for wide field-of-view and high spatiotemporal resolution 3D imaging. Light Sci Appl 15, 85 (2026).
https://doi.org/10.1038/s41377-025-02180-7
