Nanophotonics | 基于生物啟發(fā)的平面光學(xué)用于3D光檢測和測距

逍遙設(shè)計自動化

引言
自然界長期以來一直是技術(shù)創(chuàng)新的靈感來源。特別引人入勝的例子是蜜蜂和蜻蜓等節(jié)肢動物的復(fù)眼。這些由定向微透鏡陣列組成的復(fù)雜3D視覺系統(tǒng)經(jīng)過進(jìn)化，為這些生物提供了對生存非常重要的全景視覺�，F(xiàn)在，研究人員從這些生物奇跡中汲取靈感，開發(fā)了一種用于3D成像和光檢測與測距（LiDAR）技術(shù)的新方法。
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9 F/ L2 M0 `7 R! |6 k, D9 A' e傳統(tǒng)模仿節(jié)肢動物眼睛的嘗試面臨著與光學(xué)像差和制造復(fù)雜性相關(guān)的挑戰(zhàn)。然而，發(fā)表在npj Nanophotonics上的新研究提出了創(chuàng)新解決方案，使用超表面——可以克服曲面光學(xué)限制的平面納米結(jié)構(gòu)光學(xué)表面。通過在平面探測器陣列頂部集成定向超透鏡陣列，研究人員創(chuàng)造了一個強(qiáng)大的生物啟發(fā)LiDAR系統(tǒng)，能夠在沒有任何移動部件的情況下實現(xiàn)寬視場3D成像[1]。

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圖1：生物啟發(fā)3D LiDAR概念概覽，展示了（a）蜻蜓，（b）集成在微芯片上的超透鏡陣列的3D表示，（c）蜻蜓復(fù)眼的示意圖，（d）模仿復(fù)眼的超透鏡陣列探測器的示意圖，以及（e-g） 超透鏡設(shè)計和LiDAR掃描設(shè)置的細(xì)節(jié)。
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該工作的關(guān)鍵創(chuàng)新在于設(shè)計和制造了一種超透鏡陣列（Metalens Array， MLA），在平面表面上模仿曲面復(fù)眼的功能。陣列中的每個超透鏡都經(jīng)過特殊設(shè)計，可以將來自特定方向的光聚焦到相應(yīng)的探測器上。這使系統(tǒng)能夠同時捕捉來自多個角度的光，提供寬視場3D成像能力。

( ^5 H" P: K" {  m5 [; s研究人員設(shè)計了由323個六邊形超透鏡組成的MLA，排列在17x19的網(wǎng)格中。每個超透鏡都有獨特的相位輪廓，優(yōu)化用于收集120°×120°視場內(nèi)特定方向的光。當(dāng)與探測器陣列集成時，該系統(tǒng)可以確定入射光脈沖的方向和飛行時間，從而實現(xiàn)3D成像。
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圖2：為不同觀察角度設(shè)計的單個超透鏡的理論響應(yīng)，展示了（a）相位輪廓的演變，（b）焦點效率，（c）透射率，以及（d）不同照明角度的電場強(qiáng)度圖。
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超透鏡是使用藍(lán)寶石襯底上的氮化鎵（GaN）納米柱制造的。每個納米柱都經(jīng)過精心設(shè)計以實現(xiàn)所需的相移，允許精確控制通過超表面的光的波前。這使得能夠創(chuàng)建平面光學(xué)元件，可以執(zhí)行通常需要笨重曲面光學(xué)元件才能完成的復(fù)雜光操作。

, q1 C( ^# j6 z( Y5 o! t: Z  N為了表征制造的MLA的性能，研究人員設(shè)置了光學(xué)臺實驗。他們使用旋轉(zhuǎn)激光源從不同角度照射MLA，并使用顯微物鏡和CCD相機(jī)成像焦平面。這允許測量各種照明角度下每個超透鏡的焦點效率和透射率。

圖3：超透鏡陣列的實驗表征，顯示了（a）光學(xué)設(shè)置，（b）焦平面的強(qiáng)度分布，（c）中央超透鏡的放大圖，（d）測量的焦點效率，（e）投射在屏幕上的照明模式，（f）測量的強(qiáng)度分布，以及（g）k矢量球上的角度檢測結(jié)果。

實驗結(jié)果表明，制造的MLA按設(shè)計性能工作，每個超透鏡將來自預(yù)期方向的光聚焦到相應(yīng)的探測器區(qū)域。研究人員能夠成像投射到屏幕上的各種照明模式，準(zhǔn)確恢復(fù)入射光的角度來源。

為了展示系統(tǒng)的3D成像能力，研究人員將MLA集成到LiDAR設(shè)置中。他們使用脈沖激光源和2D聲光偏轉(zhuǎn)器掃描由不同距離和角度的反射物體組成的場景。通過測量反射激光脈沖的飛行時間和MLA中激活的探測器，他們能夠重建場景的3D結(jié)構(gòu)。

圖4：LiDAR實驗設(shè)置和結(jié)果，顯示了（a）帶有反射物體的場景，（b）照明系統(tǒng)，（c）檢測系統(tǒng)，（d）來自不同探測器的信號的時間演變，（e）不同照明方向的測量信號，以及（f）所有探測器的集成信號。
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LiDAR實驗成功展示了系統(tǒng)恢復(fù)場景中物體的角度位置和深度的能力。通過分析哪些探測器被激活以及返回信號的時間，研究人員可以準(zhǔn)確確定反射目標(biāo)的3D位置。

這種生物啟發(fā)的3D成像和LiDAR方法相比傳統(tǒng)系統(tǒng)有幾個優(yōu)勢：

寬視場：超透鏡陣列提供120°×120°的視場，可與節(jié)肢動物的全景視覺相媲美。

無移動部件：與傳統(tǒng)掃描LiDAR系統(tǒng)不同，這種設(shè)計不需要機(jī)械掃描，可能提高可靠性并減少磨損。

緊湊設(shè)計：平面超表面光學(xué)元件使系統(tǒng)比傳統(tǒng)曲面光學(xué)更緊湊和輕便。

同時多方向檢測：定向超透鏡陣列能夠并行檢測來自多個角度的光，可能提高3D圖像采集速度。
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當(dāng)前原型使用CCD相機(jī)成像MLA的焦平面，但未來的實現(xiàn)可能直接將超表面與單光子雪崩二極管（SPAD）探測器陣列集成。這將實現(xiàn)一個完全集成的、緊湊的具有高時間分辨率的3D成像系統(tǒng)。
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/ S1 N9 s) R2 H2 K' V研究人員提出了生物啟發(fā)LiDAR系統(tǒng)的幾個潛在應(yīng)用和改進(jìn)：

自動駕駛車輛：寬視場和3D成像能力對自動駕駛汽車的障礙物檢測和導(dǎo)航可能很有價值。

機(jī)器人技術(shù)：緊湊、可靠的3D視覺系統(tǒng)對先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)非常重要。

Flash LiDAR：通過設(shè)計MLA以匹配特定照明模式，該系統(tǒng)可能提高Flash LiDAR系統(tǒng)的性能，F(xiàn)lash LiDAR系統(tǒng)用單個激光脈沖照亮整個場景。

無線光通信：定向檢測能力可用于實現(xiàn)角度保護(hù)的通信通道，實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)傳輸。
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這種受節(jié)肢動物復(fù)眼啟發(fā)的創(chuàng)新3D成像方法展示了生物啟發(fā)設(shè)計在推進(jìn)光學(xué)技術(shù)方面的潛力。通過將超表面原理與自然進(jìn)化創(chuàng)新中學(xué)到的經(jīng)驗教訓(xùn)相結(jié)合，研究人員創(chuàng)造了一種克服傳統(tǒng)光學(xué)限制的系統(tǒng)，同時為緊湊、高性能3D傳感設(shè)備開辟了新的可能性。
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8 F/ [5 P7 Y4 V) P" i$ E. X1 `隨著這項技術(shù)的不斷發(fā)展，可能會看到新一代的LiDAR和3D成像系統(tǒng)，其性能可與昆蟲的復(fù)雜視覺能力相媲美，從自主導(dǎo)航到增強(qiáng)現(xiàn)實等領(lǐng)域都將發(fā)生革命性變化。

參考文獻(xiàn)
9 z* @% q' r% G  _; L  \[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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