超構(gòu)表面增強(qiáng)視場(chǎng)激光雷達(dá)概念設(shè)計(jì)

自動(dòng)駕駛汽車和倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人等自主運(yùn)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(shí)時(shí)確定其位置、速度和加速度。其中，測(cè)距傳感器，尤其是光學(xué)測(cè)距傳感器，為機(jī)器人系統(tǒng)提供了視覺能力，成為工業(yè)過程自動(dòng)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(jī)器人用于3D圖像信息采集，例如多目立體視覺相機(jī)、雷達(dá)、結(jié)構(gòu)光相機(jī)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(gè)世紀(jì)60年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家報(bào)道了向月球表面發(fā)送光輻射并檢測(cè)回波信號(hào)以進(jìn)行測(cè)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(chǎng)景，然后收集回波信號(hào)，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(shí)間（ToF）測(cè)量原理，即向遠(yuǎn)處反射物體發(fā)射激光脈沖，然后測(cè)量從激光傳輸?shù)綊呙鑸?chǎng)景并返回到檢測(cè)模塊的往返時(shí)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(cè)距成像重建。

要實(shí)現(xiàn)大范圍空間感知，激光雷達(dá)光源必須能夠?qū)Υ笠晥?chǎng)（FoV）進(jìn)行掃描。然后，通過測(cè)量每個(gè)方向的飛行時(shí)間，逐點(diǎn)檢測(cè)場(chǎng)景中的對(duì)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(cè)量原理采用恒定或時(shí)間調(diào)制頻率的連續(xù)波來測(cè)量調(diào)制光信息的往返時(shí)間。

激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)h(yuǎn)、中、近距離的物體或場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)3D測(cè)量，在機(jī)器人視覺以外還有很多應(yīng)用，例如地理測(cè)繪、大氣顆粒物探測(cè)、風(fēng)速測(cè)量、靜態(tài)和/或移動(dòng)物體跟蹤以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）等。通常，根據(jù)光源是同時(shí)照射場(chǎng)景還是掃描場(chǎng)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(gè)關(guān)鍵組件：（i）光源，（ii）光束操縱掃描模塊，以及（iii）探測(cè)系統(tǒng)，以高速重建從場(chǎng)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(cè)技術(shù)。預(yù)計(jì)激光雷達(dá)將在汽車行業(yè)大規(guī)模用于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），以及全自動(dòng)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(dòng)等。

目前，工業(yè)應(yīng)用的激光雷達(dá)主要采用宏觀機(jī)械系統(tǒng)掃描整個(gè)360°視場(chǎng)。除了視場(chǎng)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(duì)于宏觀機(jī)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(gè)主要缺點(diǎn)是視場(chǎng)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(chǎng)。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(jí)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?yàn)槠湟晥?chǎng)角較差，通常低于20°，具體取決于波長(zhǎng)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?yàn)槠湟晥?chǎng)角太窄，最大只有2°，必須要在高速成像和大視場(chǎng)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(zhǎng)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(jī)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(diǎn)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(shí)時(shí)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(jì)或與之結(jié)合的動(dòng)態(tài)超構(gòu)表面，有望成為實(shí)時(shí)光束操縱的理想替代方案。

美國(guó)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(cè)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(kuò)展的激光雷達(dá)，但它涉及復(fù)雜的電子架構(gòu)，并且對(duì)于金屬超構(gòu)表面構(gòu)建模塊，可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的光學(xué)損耗。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，法國(guó)蔚藍(lán)海岸大學(xué)（Université Cote d’Azur）的一支研究團(tuán)隊(duì)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(chǎng)擴(kuò)展到150° ×?150°，并能同時(shí)實(shí)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(jí)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(zhǎng)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(duì)于需要同時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)距離和近距離探測(cè)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(shí)采集具有不同空間分辨率的高場(chǎng)和低場(chǎng)區(qū)域來模擬人類視覺。超構(gòu)表面極高的設(shè)計(jì)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(qiáng)視場(chǎng)激光雷達(dá)概念設(shè)計(jì)

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(jī)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(shí)定位和測(cè)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(cè)前方行車場(chǎng)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(shí)時(shí)成像的時(shí)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(jī)器人和ADAS系統(tǒng)的決策延時(shí)，面向未來應(yīng)用極具前景。

審核編輯：郭婷