《激光与光电子学进展》于2023年第8期（4月）推出“三维成像技术及应用”专题，本封面为北京理工大学黄玲玲教授团队的特邀综述“基于超构表面的三维成像技术”。
论文综述了基于超表面的三维成像技术进展，首先对超表面的物理机制和在应用中的基本优势进行讨论，然后介绍了基于超表面的三维成像技术，包括结构光技术、飞行时间（TOF）法、光场成像和点扩散函数（PSF）工程。最后，对超表面在三维成像技术中面临的挑战和未来发展方向进行了展望。
本封面形象展示了一种基于超表面的三维成像技术的原理：利用超表面的亚波长尺寸和高空间带宽积，赋予三维空间的编码能力，结合计算机视觉相关算法设计，实现亚毫米甚至亚微米级别的高精度三维重建，可广泛应用在自动驾驶、机器视觉等虚拟现实技术中，发挥超表面体积小和信息量大的优势，为未来物联网片上集成光电子设备提供可靠的技术基础。
文章链接：景晓丽, 王涌天, 黄玲玲. 基于超构表面的三维成像技术[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(8): 0811003.
以光信号为载体的光学三维成像技术具有非接触、高精度、效率高等优点，已成为光学计量和智能工业4.0最重要的研究领域和方向之一。近年来，结构光三维成像技术得益于Face ID人脸识别模块而受到广泛关注，开启二维人脸识别向三维人脸识别的转变，但该技术仍存在低分辨、安全性低、模组组装复杂等问题。基于微透镜阵列的光场相机受限于微透镜性能缺陷、空间分辨率和深度分辨率的折中等问题，渐渐退出消费电子市场。基于标准点扩散函数PSF的离焦成像法因为效率低、模组复杂、集成度低、可靠性差等原因未得到广泛应用。
超表面通常由特征尺寸接近或小于波长的亚波长纳米天线阵列组成，具有在亚波长尺度上调制入射电磁波的相位、振幅、偏振、角动量的能力，受到研究人员的广泛关注。近年来，苹果、谷歌 、三星、Meta、华为、索尼和意法半导体等大型企业已经探索了平面光学应用，目前，强大的行业驱动力决定了该领域的进展。
目前已报道的超表面大致基于三类设计思想：共振相位超表面、传播相位超表面、几何相位超表面。共振相位超表面利用局部表面等离激元谐振响应调控天线辐射场的相位，在亚波长尺度实现对光场的调控，一般采用金属共振超表面，其效率和工作波段非常局限；传播相位超表面的厚度远远小于工作波长，具有较高的工作效率和较低的损耗；几何相位超表面的相位调制仅由入射光的偏振状态和微结构的旋转角度决定，因此具有宽带效应。
超表面利用亚波长尺度下光与物质相互作用的物理机制，通过合理选择和优化纳米结构的形状、大小和工程排布等方法，提供了丰富的设计自由度实现光场调控。总体而言，在基于超表面的应用技术中，超表面具有系统紧凑、多物理量调控、大视场高效率等显著特点，有望成为下一代被广泛应用的新型光学器件。
三维成像技术通过设计主动（如结构光照明、飞行时间法等）或被动（如双目视觉、光场技术、点扩散函数工程）的编码方式，使得位于不同深度的物体具有不同的强度响应，从而实现深度信息的获取。本文回顾了基于超表面的结构光技术 、TOF技术 、光场技术和PSF技术。
基于超表面的结构光三维成像技术目前多数采用超表面作为点云投射器，亚波长单元尺寸的衍射效应使投影视场可达到整个空间，这是传统光学元件无法比拟的优势。同时超表面投射的点云数量依赖于微结构的个数，相比于传统衍射光学元件，超表面在相同尺寸下具有更大的点云密度，这为高空间分辨率的结构光三维成像提供了基础支持。
除此之外，超表面作为纳米光子平面器件，其高度集成性打破了传统点云投射装置的结构复杂性，使整个投影模组达到芯片级，具有更好的结构稳定性，降低对准误差等精密工艺引入的制造成本。由于结构光三维成像技术属于面投射技术，投射点云数量的增多同时会带来单个点云能量的降低，因此基于超表面的三维成像技术适用于较短工作距离（300 mm）成像例如人脸识别等。相较于传统三维成像技术，基于超表面的三维成像技术具有不虚焦的特点，增加光源能量可以扩展工作距离，这为结构光技术在工作距离方面提供了应用拓展，未来可以应用在飞行器测绘等领域。
其中，北京理工大学黄玲玲课题组利用超表面的大空间带宽积实现高密度伪随机点云投影，结合相似度匹配算法设计，实现稠密的手势三维点云，如图2所示（Jing, X., Huang, L. et al. Nature Communications,13, 7842, 2022）。此外，为了解决三维重建中的计算速度等问题，该课题组在前述工作的基础上设计超表面条纹编码方案，实现快速三维人脸识别，如图3所示（Jing, X., Huang, L. et al. Nanophotonics, https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0112, 2023），计算速度约为0.05s。
基于超表面的TOF技术主要采用光束扫描的主动超表面器件，通常将超表面与活性介质结合，如透明导电氧化物（TCO）材料、多量子阱（MQW）、微机电系统（MEMS）、液晶或相变材料。主动可调超表面设备有望替代点扫描或线扫描激光雷达组件，解决传统机械组件中的机械损耗大、振动敏感等问题。
TCO 适用于近红外和中红外波段，调制速度达到几十 MHz，但相较于结构光技术，其点云密度较少，但计算速度快。MQW 适用于可见光和近红外波段，调制速度比 TCO 更高，最快能够达到几千 MHz，并且和光源直接集成有望实现平面化高集成度光电器件，但 MQW 目前效率较低，且基于可调光栅结构导致扫描角度有限。基于透镜相位组合的 MEMS 超表面器件相较于传统 MEMS 器件在成像视场和空间分辨率上有极大的优势，但是离散元件结构同样会面临机械结构惯性引入的技术问题。基于液晶的主动可调超表面可以在太赫兹到可见光的宽波段内工作，切换时间为 ms 级，速度较慢，相变材料 GST通过改变温度刻在非晶相和晶相之间实现 ns 级切换，其高折射率可应用于红外波段，且在实际工程应用中快速温控调节会使整机体积变大，离真正的集成器件仍有一定的距离。
基于超表面的光场技术本质是利用尺寸小无球差可复用的超透镜阵列替代传统微透镜阵列实现更高分辨率更大工作范围的三维成像技术，因此可根据不同距离处不同视场大小的测量场景选择主镜配合超透镜阵列实现三维成像，在显微成像、自动驾驶、人脸识别等领域均具有广阔的应用前景。在空间分辨率和深度分辨率方面，超透镜阵列可通过设计实现对应测量场景的折中，随着未来探测器的像素尺寸越来越小，像素数越来越大，超透镜阵列会发挥不可替代的光场成像技术方案，致力于新一代光场成像应用。
由于超表面的多物理量调控特性，基于超表面的PSF工程技术拓宽了传统 PSF工程技术的成像维度。超表面打破了原有相位调控的单一维度，利用偏振、光谱等维度实现多功能选通、调控物理量获取等功能。该技术在不配合主镜的情况下受限于超透镜的设计瓶颈，只能在较小范围内（实验中大致为 mm）实现三维成像，配合主镜，可实现成像范围自由配置，能够实现对传统相位元件的完全替代和超越，用于具有丰富纹理的测量场景中。
三维成像技术中超表面存在一些共性限制。实验室用于超表面制造的部分材料与半导体制造代工厂的行业标准不完全兼容。因此，将技术转化为可扩展的制造和行业标准通常具有挑战性。例如，金和银等普通等离子体金属与 CMOS制造不兼容。介电超表面（通常由硅制成）弥补了这一差距，然而，尽管传统的 CMOS 芯片制造使用绝缘体上的硅晶圆，但光学超表面需要透明衬底上的硅。最近，Metalenz与意法半导体合作使用极紫外光刻技术。然而，这种制造技术在 a- Si 层沉积的可重复性，对环境变化的鲁棒性，以及使用玻璃晶圆时的工艺方面仍然存在挑战。另外在可见光和紫外光谱范围内实现其他材料的操作将进一步挑战制造工艺。
此外，在基于超表面的结构光三维成像技术中，受限于超表面的微纳加工工艺，现有基于超表面的投影器件具有很大的零级效应，造成能量损耗，不利于人眼安全，为了超表面投影器件能够快速走向实际应用，这是迫切需要解决的问题。TOF 技术中，基于 TCO 的三维成像技术瓶颈在于角度扫描个数较低，需要设计自由度更高的超表面实现更多的相位模式调制；基于 MQW 的三维成像技术走向应用需要解决大阵列单独电控元件的加工问题；基于 MEMS 超表面的三维成像技术需要解决MEMS 和超表面元件分离带来的机械惯性问题，需从加工方面解决集成问题；基于液晶和相变材料的三维成像技术需要解决帧速的问题。光场技术中，超表面作为超透镜阵列展现出优于微透镜阵列的良好性能，但在大视场消色差方面仍表现不足。PSF 工程技术中，超表面仍然面临着口径小导致的工作距离短等问题，在大的成像范围内需解决超表面口径的加工和设计问题。
综上，设计层面来讲，超表面需解决大视场消色差的基础问题，同时大口径精细微纳加工属于上述讨论的共性限制。通过解决上述挑战，超表面三维光场成像技术将充分发挥其相对于其他传统元件的核心竞争优势例如大数值孔径、大视场、大空间带宽积、超紧致、多功能等，从器件、模组到系统彻底打破传统成像范式，助力于元宇宙、工业4.0等未来高新技术发展领域。
黄玲玲，北京理工大学教授，博士生导师。入选教育部高层次人才青年项目、北京市卓越青年科学家等人才计划。长期从事微纳光学功能器件及物理机制研究。研究成果在 Nat. Comm., Sci. Adv., Adv. Mat., Light: Sci. & Appl.等国际期刊发表 SCI 论文100余 篇，9篇论文入选 ESI 高被引论文。授权中国专利 30 项，出版专著 1 本。连续三年入选爱思唯尔(Elsevier)中国高被引学者。主持科技部、国家自然基金委、省部级项目等。获德国洪堡贝塞尔研究奖，教育部青年科学家，教育部霍英东基金，茅以升北京青年科技奖等奖励。
景晓丽，北京理工大学博士后，助理研究员。长期从事基于超表面的先进成像技术、机器视觉与光学精密测量方面的研究，以第一/通讯作者身份在Nat.Comm., Nanophotonics, Opt Express等国际期刊上发表论文8篇,主持国家自然科学基金青年基金1项，博士后面上资助1项，深圳市创客专项资金1项，参与国家级、省部级项目6项，实现技术成果转化1项。
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