全集成超构表面光学系统，实现高效、精确3D传感
2025-07-13 10:49:08 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文展示了一种单层、一体化的超构表面光学系统，能够对精细结构特征进行3D检测。该系统将发射和接收功能集成于紧凑的超构表面架构中。
结构光和光场技术等非干涉测量方法，通过对光学元件和重建算法进行系统级优化，以减少对传统光学硬件的依赖，提供更大的灵活性。然而，这种集成度的提高，往往需要更复杂的光学设计和更高的计算负担。因此，在简化系统设计并提高测量效率的同时实现高精度，仍然是光学3D传感领域的核心挑战。
超构表面（Metasurfaces）在任意波前控制、平面结构以及易集成方面具有独特优势，近年来在开发紧凑、多功能、高性能3D光学系统领域备受关注。然而，当前纳米结构的设计和制造精度限制，仍阻碍着超构表面的效率和成像质量。此外，在测量高折射率表面时，强反射和多重散射对主动成像方法提出了重大挑战，使其在复杂环境中实现高精度测量变得困难。现有研究主要集中于展示超构表面的功能性，而不是开发集成检测器件。因此，利用超构表面的灵活设计能力来增强其在复杂成像场景中的适应性和鲁棒性，同时实现紧凑、集成的检测系统，仍然是超构表面赋能3D传感的重要研究方向。
据麦姆斯咨询介绍，北京理工大学和北京信息科技大学开展的合作研究，展示了一种单层、一体化的超构表面光学系统，能够对精细结构特征进行3D检测。该系统将发射和接收功能集成于紧凑的超构表面架构中。发射超构表面利用离轴纵向色散特性，将宽带照明聚焦成一系列离散焦点。对称排列的接收超构表面，可以选择性地收集聚焦区域的反射光，同时有效抑制非聚焦噪声信号。
为实现高效深度提取，联合研究团队开发了一种基于单调连续光谱-深度（spectral-to-depth）映射策略的快速轻量级重建算法，能够精确获取3D结构信息。该系统能够准确重建20微米级别的深度变化，同时保持横向分辨率误差在10微米以下。这项技术在工业检测、半导体制造和生物医学工程等领域具有巨大应用前景。相关研究成果已经以“Three-dimensional measurement enabled by single-layer all-in-one transmitting-receipting optical metasystem”为题发表于Opto-Electronic Advances期刊。
该研究所提出3D测量系统的示意图（上图）显示，当宽带光源照射到超构表面1（MS1）时，其离轴色散超构透镜特性使不同波长的光聚焦在不同的深度。在照射具有3D形貌的目标时，反射光被对称位置的超构表面2（MS2）捕获，并通过其输出端口射出。数据采集后，利用轻量级逐点重建算法分析光谱数据，以获取每个空间点的精确深度信息，最终重建目标物体的完整3D轮廓。由于其紧凑的光源和探测器集成，以及快速的计算能力，该全集成超构表面光学系统在各种检测场景和测量环境中表现出优异的适应性。
遵循整体测量流程，研究团队在各种材料和物体上进行了3D传感和重建实验。在测量前，研究人员进行了光谱-深度的校准，以建立反射光谱信号与深度位置之间的对应矩阵。这通过沿光轴移动参考镜并记录不同深度的反射光谱来实现。完成校准过程后，研究团队从目标物体获取了反射光谱。然后利用重建算法处理光谱数据，生成物体的3D轮廓。
研究人员通过重建金属样品和硅晶圆的3D结构，成功验证了系统的适应性。此外，研究团队将系统应用于扫描和重建半导体晶圆上制造的尺寸各异的结构形状。结果证实，该系统能够实现±20微米的深度分辨率和±10微米的横向精度，展示了其在不同类型材料上进行精确表面形貌测量的有效性。
这项合作研究由北京理工大学纳米光子学与新型显示实验室和北京信息科技大学智能微系统实验室共同开展。研究团队专注于广泛的研究领域，包括新型微/纳米光学器件的物理机制和功能应用、光场调控、衍射光学、全息术、信息光学、新兴显示原理与器件，以及纳米光电功能材料与器件。
论文信息：DOI: 10.29026/oea.2025.240299
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