超構(gòu)表面增強視場激光雷達(dá)概念設(shè)計

自動駕駛汽車和倉儲機器人等自主運行系統(tǒng)包含了多種傳感器，以獲取關(guān)于周圍環(huán)境的信息，用于實時確定其位置、速度和加速度。其中，測距傳感器，尤其是光學(xué)測距傳感器，為機器人系統(tǒng)提供了視覺能力，成為工業(yè)過程自動化的核心，即所謂的“4.0工業(yè)”革命。目前，已有多種光學(xué)成像技術(shù)集成進(jìn)入工業(yè)機器人用于3D圖像信息采集，例如多目立體視覺相機、雷達(dá)、結(jié)構(gòu)光相機以及激光雷達(dá)（LiDAR）等。激光雷達(dá)這一技術(shù)概念起源于上個世紀(jì)60年代初，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家報道了向月球表面發(fā)送光輻射并檢測回波信號以進(jìn)行測距的方法。

基于麻省理工學(xué)院的開創(chuàng)性工作，激光雷達(dá)的研究一直利用激光源照射目標(biāo)物體或場景，然后收集回波信號，從而重建高分辨率三維（3D）圖像。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)利用了飛行時間（ToF）測量原理，即向遠(yuǎn)處反射物體發(fā)射激光脈沖，然后測量從激光傳輸?shù)綊呙鑸鼍安⒎祷氐綑z測模塊的往返時間。激光雷達(dá)所有組件必須同步工作，以標(biāo)記返回脈沖，用于測距成像重建。

要實現(xiàn)大范圍空間感知，激光雷達(dá)光源必須能夠?qū)Υ笠晥觯‵oV）進(jìn)行掃描。然后，通過測量每個方向的飛行時間，逐點檢測場景中的對象，以構(gòu)建光學(xué)回波圖。調(diào)幅連續(xù)波（AMCW）、調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）或步進(jìn)頻率連續(xù)波（SFCW）等其他測量原理采用恒定或時間調(diào)制頻率的連續(xù)波來測量調(diào)制光信息的往返時間。

激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)h(yuǎn)、中、近距離的物體或場景進(jìn)行實時3D測量，在機器人視覺以外還有很多應(yīng)用，例如地理測繪、大氣顆粒物探測、風(fēng)速測量、靜態(tài)和/或移動物體跟蹤以及增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）等。通常，根據(jù)光源是同時照射場景還是掃描場景，激光雷達(dá)可以分為非掃描式（例如Flash激光雷達(dá)）或掃描式系統(tǒng)。

掃描式激光雷達(dá)系統(tǒng)通常包含三個關(guān)鍵組件：（i）光源，（ii）光束操縱掃描模塊，以及（iii）探測系統(tǒng)，以高速重建從場景中接收到的光學(xué)信息。過去幾十年來，基于納米光子學(xué)的激光雷達(dá)系統(tǒng)蓬勃發(fā)展，提出了更先進(jìn)的掃描和探測技術(shù)。預(yù)計激光雷達(dá)將在汽車行業(yè)大規(guī)模用于高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），以及全自動駕駛，這為其光速操縱掃描系統(tǒng)提出了新挑戰(zhàn)，包括低制造復(fù)雜性、規(guī)模制造、成本、重量、耐振動等。

目前，工業(yè)應(yīng)用的激光雷達(dá)主要采用宏觀機械系統(tǒng)掃描整個360°視場。除了視場大以外，這類體積龐大的系統(tǒng)成像速度有限，只有幾十赫茲。對于宏觀機械式光束掃描，MEMS光束操縱方案是有前景的發(fā)展方向，它可以將掃描頻率提升至kHz范圍。然而，MEMS光束操縱方案的一個主要缺點是視場小，通常水平掃描不超過25°，垂直掃描不超過15°。

而在研究層面，采用光學(xué)相控陣（OPA）方案的光束操縱可以提供卓越的掃描速度，以及60°左右的視場。不過，由于其制造方面的挑戰(zhàn)，OPA方案在不遠(yuǎn)的將來還不太可能在工業(yè)級系統(tǒng)中大規(guī)模部署。工業(yè)上成熟的液晶調(diào)制器也不足以作為激光雷達(dá)掃描儀，因為其視場角較差，通常低于20°，具體取決于波長及其調(diào)制頻率。此外，聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）能夠?qū)崿F(xiàn)超快掃描（MHz），但在激光雷達(dá)領(lǐng)域從未被考慮過，因為其視場角太窄，最大只有2°，必須要在高速成像和大視場之間權(quán)衡。

過去十年來，超構(gòu)表面（Metasurface）憑借任意調(diào)控光特性（即振幅、相位、頻率和/或偏振）的潛力，吸引了全球光子學(xué)界的高度關(guān)注。超構(gòu)表面是由亞波長大小和周期性散射物體（超構(gòu)原子）排列而成的平面光學(xué)元件。目前，有四種光調(diào)制機制用于構(gòu)建超構(gòu)表面：諧振納米顆粒的光散射、極化轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的幾何相位（Pancharatnam-Berry相位超構(gòu)表面）、具有可控有效折射率（ERI）柱中的累積傳播相位以及奇點附近的拓?fù)湎辔弧?/p>

通常，超構(gòu)表面包含固有無源元件，旨在制造后執(zhí)行固定光學(xué)功能。例如，通過正確選擇超構(gòu)原子的大小和間距，超構(gòu)表面能夠以廣義斯奈爾定律規(guī)定的任意但固定的角度重新定向激光束。顯然，僅無源超構(gòu)表面無法用于需要實時光束操縱的激光雷達(dá)。因此，具有外部激發(fā)可調(diào)諧光學(xué)特性的材料設(shè)計或與之結(jié)合的動態(tài)超構(gòu)表面，有望成為實時光束操縱的理想替代方案。

美國初創(chuàng)公司LUMOTIVE推出了基于其液晶超構(gòu)表面專利的革命性光束操縱技術(shù)，提供了前所未有的探測范圍、分辨率及幀速率的高性能組合。該方案證明可以構(gòu)建小型化、可擴展的激光雷達(dá)，但它涉及復(fù)雜的電子架構(gòu)，并且對于金屬超構(gòu)表面構(gòu)建模塊，可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的光學(xué)損耗。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，法國蔚藍(lán)海岸大學(xué)（Université Cote d’Azur）的一支研究團(tuán)隊提出了一種替代的高頻光束操縱方案，利用無源超構(gòu)表面的光偏轉(zhuǎn)能力，將激光雷達(dá)視場擴展到150° ×?150°，并能同時實現(xiàn)低分辨率和高分辨率多區(qū)域成像。研究人員采用與商用AOD級聯(lián)的ERI多光束偏轉(zhuǎn)超構(gòu)表面。該系統(tǒng)在光束掃描性能、工作波長和材料方面具有很大的靈活性。

角分辨率是指系統(tǒng)區(qū)分相鄰目標(biāo)及檢索形狀的能力，對于需要同時進(jìn)行遠(yuǎn)距離和近距離探測的應(yīng)用非常重要。研究人員開發(fā)的多區(qū)域激光雷達(dá)成像系統(tǒng)可以通過高幀速率同時采集具有不同空間分辨率的高場和低場區(qū)域來模擬人類視覺。超構(gòu)表面極高的設(shè)計靈活性為激光雷達(dá)系統(tǒng)提供了極具前景的成像能力，有望開辟新的工業(yè)應(yīng)用。

超構(gòu)表面增強視場激光雷達(dá)概念設(shè)計

3D成像及廣角掃描性能

模擬人類視覺的多區(qū)域成像

該方案還提供了隨機訪問光束控制功能。超構(gòu)表面在波前工程中的多功能性可以提高同時定位和測繪算法的能力。將該系統(tǒng)集成到ADAS中，可以為中/遠(yuǎn)距離感知提供顛覆性解決方案，其中，中央視圖探測前方行車場景，而周邊視圖可以為行人安全提供額外的感知。

研究人員最后演示了實時成像的時間事件序列（>1k?fps，1D掃描幀速率高達(dá)MHz）。該系統(tǒng)展示了優(yōu)于現(xiàn)有激光雷達(dá)技術(shù)的性能，能夠大幅減少機器人和ADAS系統(tǒng)的決策延時，面向未來應(yīng)用極具前景。

審核編輯：郭婷