Nanophotonics | 基于生物启发的平面光学用于3D光检测和测距

逍遥设计自动化 · 发表于 2024-11-6 08:00:00

引言
自然界长期以来一直是技术创新的灵感来源。特别引人入胜的例子是蜜蜂和蜻蜓等节肢动物的复眼。这些由定向微透镜阵列组成的复杂3D视觉系统经过进化，为这些生物提供了对生存非常重要的全景视觉。现在，研究人员从这些生物奇迹中汲取灵感，开发了一种用于3D成像和光检测与测距（LiDAR）技术的新方法。

传统模仿节肢动物眼睛的尝试面临着与光学像差和制造复杂性相关的挑战。然而，发表在npj Nanophotonics上的新研究提出了创新解决方案，使用超表面——可以克服曲面光学限制的平面纳米结构光学表面。通过在平面探测器阵列顶部集成定向超透镜阵列，研究人员创造了一个强大的生物启发LiDAR系统，能够在没有任何移动部件的情况下实现宽视场3D成像[1]。

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图1：生物启发3D LiDAR概念概览，展示了（a）蜻蜓，（b）集成在微芯片上的超透镜阵列的3D表示，（c）蜻蜓复眼的示意图，（d）模仿复眼的超透镜阵列探测器的示意图，以及（e-g）超透镜设计和LiDAR扫描设置的细节。

该工作的关键创新在于设计和制造了一种超透镜阵列（Metalens Array， MLA），在平面表面上模仿曲面复眼的功能。阵列中的每个超透镜都经过特殊设计，可以将来自特定方向的光聚焦到相应的探测器上。这使系统能够同时捕捉来自多个角度的光，提供宽视场3D成像能力。

研究人员设计了由323个六边形超透镜组成的MLA，排列在17x19的网格中。每个超透镜都有独特的相位轮廓，优化用于收集120°×120°视场内特定方向的光。当与探测器阵列集成时，该系统可以确定入射光脉冲的方向和飞行时间，从而实现3D成像。

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图2：为不同观察角度设计的单个超透镜的理论响应，展示了（a）相位轮廓的演变，（b）焦点效率，（c）透射率，以及（d）不同照明角度的电场强度图。

超透镜是使用蓝宝石衬底上的氮化镓（GaN）纳米柱制造的。每个纳米柱都经过精心设计以实现所需的相移，允许精确控制通过超表面的光的波前。这使得能够创建平面光学元件，可以执行通常需要笨重曲面光学元件才能完成的复杂光操作。

为了表征制造的MLA的性能，研究人员设置了光学台实验。他们使用旋转激光源从不同角度照射MLA，并使用显微物镜和CCD相机成像焦平面。这允许测量各种照明角度下每个超透镜的焦点效率和透射率。

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图3：超透镜阵列的实验表征，显示了（a）光学设置，（b）焦平面的强度分布，（c）中央超透镜的放大图，（d）测量的焦点效率，（e）投射在屏幕上的照明模式，（f）测量的强度分布，以及（g）k矢量球上的角度检测结果。

实验结果表明，制造的MLA按设计性能工作，每个超透镜将来自预期方向的光聚焦到相应的探测器区域。研究人员能够成像投射到屏幕上的各种照明模式，准确恢复入射光的角度来源。

为了展示系统的3D成像能力，研究人员将MLA集成到LiDAR设置中。他们使用脉冲激光源和2D声光偏转器扫描由不同距离和角度的反射物体组成的场景。通过测量反射激光脉冲的飞行时间和MLA中激活的探测器，他们能够重建场景的3D结构。

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图4：LiDAR实验设置和结果，显示了（a）带有反射物体的场景，（b）照明系统，（c）检测系统，（d）来自不同探测器的信号的时间演变，（e）不同照明方向的测量信号，以及（f）所有探测器的集成信号。

LiDAR实验成功展示了系统恢复场景中物体的角度位置和深度的能力。通过分析哪些探测器被激活以及返回信号的时间，研究人员可以准确确定反射目标的3D位置。

这种生物启发的3D成像和LiDAR方法相比传统系统有几个优势：

宽视场：超透镜阵列提供120°×120°的视场，可与节肢动物的全景视觉相媲美。

无移动部件：与传统扫描LiDAR系统不同，这种设计不需要机械扫描，可能提高可靠性并减少磨损。

紧凑设计：平面超表面光学元件使系统比传统曲面光学更紧凑和轻便。

同时多方向检测：定向超透镜阵列能够并行检测来自多个角度的光，可能提高3D图像采集速度。
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当前原型使用CCD相机成像MLA的焦平面，但未来的实现可能直接将超表面与单光子雪崩二极管（SPAD）探测器阵列集成。这将实现一个完全集成的、紧凑的具有高时间分辨率的3D成像系统。

研究人员提出了生物启发LiDAR系统的几个潜在应用和改进：

自动驾驶车辆：宽视场和3D成像能力对自动驾驶汽车的障碍物检测和导航可能很有价值。

机器人技术：紧凑、可靠的3D视觉系统对先进机器人系统的开发非常重要。

Flash LiDAR：通过设计MLA以匹配特定照明模式，该系统可能提高Flash LiDAR系统的性能，Flash LiDAR系统用单个激光脉冲照亮整个场景。

无线光通信：定向检测能力可用于实现角度保护的通信通道，实现安全数据传输。
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这种受节肢动物复眼启发的创新3D成像方法展示了生物启发设计在推进光学技术方面的潜力。通过将超表面原理与自然进化创新中学到的经验教训相结合，研究人员创造了一种克服传统光学限制的系统，同时为紧凑、高性能3D传感设备开辟了新的可能性。

随着这项技术的不断发展，可能会看到新一代的LiDAR和3D成像系统，其性能可与昆虫的复杂视觉能力相媲美，从自主导航到增强现实等领域都将发生革命性变化。

参考文献
[1] C. Majorel et al., "Bio-inspired flat optics for directional 3D light detection and ranging," npj Nanophotonics, vol. 1, no. 1, p. 18, 2024.

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