基于机械可调谐混合级联超表面的双模式LiDAR系统研究

为解决光束扫描LiDAR检测效率低与闪光LiDAR精度不足的矛盾，研究人员开发了基于Pancharatnam-Berry相位与传播相位超表面级联的双模式可重构光束形成器件。通过偏振调控实现±35°视场的扫描阵列模式与闪光照明模式切换，结合自适应3D重建方案，在David石膏像实验中实现0.3°角分辨率与<1.02%深度误差，为无人机导航、自动驾驶等场景提供紧凑高效的3D感知新方案。

在自动驾驶、智能机器人等前沿领域，三维感知技术正成为智能系统的"眼睛"。其中，激光雷达（LiDAR）因其能够直接获取深度信息且抗环境干扰能力强，成为主动三维成像的核心技术。然而，传统LiDAR系统面临着一个两难选择：光束扫描LiDAR虽能实现高精度和长检测距离，但其逐点扫描方式导致检测效率低下；闪光LiDAR虽可通过快照方式实现高效检测，但有限的激光功率分散到大视场后，又会导致检测精度和距离的显著下降。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，严重制约了LiDAR在动态场景中的适应性。

正是在这样的背景下，张凌云等研究人员在《Light: Science & Applications》上发表了突破性研究。他们巧妙地将两种截然不同的检测方式相融合，开发出一种基于机械可调谐混合级联超表面（THCMs）的双模式LiDAR系统。这项研究的创新之处在于，它不再纠结于选择哪种技术路线，而是通过纳米光子技术的精巧设计，让一套系统同时具备两种模式的优势。

研究的核心技术在于超表面的级联架构设计。超表面作为一种新兴的光学元件，通过亚波长单元结构的精确设计，能够实现对光波振幅、相位和偏振的 unprecedented 控制。研究人员创造性地将Pancharatnam-Berry（PB）相位超表面（对偏振敏感）与传播相位超表面（对偏振不敏感）进行级联，形成了一个混合架构。这种设计使得系统能够通过简单地调制入射光的偏振状态，就在两种工作模式间灵活切换：当入射光为左旋圆偏振（LCP）时，系统工作在光束阵列扫描模式；而当切换为右旋圆偏振（RCP）时，系统则转换为闪光照明模式。

在光束阵列扫描模式下，研究人员通过形状记忆合金（SMA）微执行器精确控制输出超表面（MS II）的横向平移，实现了±100μm位移范围内对±35°视场的全覆盖扫描。更令人惊叹的是，通过调整平移步长，系统能够线性控制扫描角度步长，从而实现角分辨率的连续可调。这种"可变焦"的特性，使得系统能够根据检测目标的复杂程度自适应调整检测精度，大大提升了环境适应性。

而在闪光照明模式下，通过MS I的阵列相位设计，研究人员成功解决了传统闪光LiDAR照明均匀性差的问题。每个阵列单元产生的光束在经过MS II后发生重叠，有效改善了输出光束的不均匀性，为后续检测和处理算法提供了便利。

关键技术创新主要体现在三个方面：首先是双模式切换机制，通过偏振调控实现工作模式的灵活转换；其次是机械调谐设计，利用微执行器实现超表面的精确位移控制；最后是自适应检测方案，将两种模式的优势有机结合。

光束形成器件的表征

实验结果显示，在波长为1064 nm的工作条件下，光束阵列扫描模式下的输出光束保持了高度的准直性，发散角小于0.15°。通过测量10 cm和20 cm距离处的光斑半高全宽（FWHM），验证了光束质量的优越性。当MS II在x-y平面内平移±100 μm时，输出光束的视场能够动态覆盖二维±35°的角范围。

在传输效率方面，光束阵列扫描模式下的整体传输效率约为20%，而闪光照明模式达到43.9%。这种差异主要源于制作缺陷和玻璃基板造成的反射损耗，这些因素可以通过工艺优化进一步改善。

双模式LiDAR系统的3D感知

为验证该系统的实际性能，研究人员构建了基于双目视觉原理的双模式LiDAR实验平台。他们提出了一个自适应的检测方案：首先使用闪光照明模式进行快照式3D检测，获取目标的边缘形态信息；然后根据目标的复杂程度决定扫描精度，切换到光束阵列扫描模式进行精细或粗略扫描。

在David石膏像的检测实验中，当平移步长设置为10 μm时，系统实现了约0.3°的角分辨率，深度误差小于1.02%。而对于较为简单的矩形石膏物体，则可以采用50 μm的步长进行快速扫描。这种"先粗后精"的检测策略，既保证了检测效率，又确保了关键区域的检测精度。

研究的成功得益于多项先进技术的综合运用：电子束光刻（EBL）和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺确保了超表面纳米结构的精确制备；基于形状记忆合金的微执行器提供了精确的位移控制；双目立体视觉技术实现了高精度的三维重建。

这项研究的重大意义在于，它首次实现了在单一紧凑器件中融合两种LiDAR工作模式，并通过自适应检测方案充分发挥了各自优势。系统不仅具备了光束扫描LiDAR的高精度和闪光LiDAR的高效率，还通过可调谐的角分辨率实现了对环境的高度适应性。这种设计思路为下一代智能感知系统的发展指明了方向——不再是通过单一技术的极致优化，而是通过多种技术的有机融合，实现系统性能的全面提升。

展望未来，研究人员指出可以进一步集成紧凑激光源（如垂直腔面发射激光器阵列），并结合元透镜阵列实现多功能集成，为微型化、高性能LiDAR系统的发展开辟新的道路。这项技术不仅在自动驾驶、无人机导航等领域具有广泛应用前景，还将推动增强现实、虚拟现实等新兴技术的发展，为智能社会的构建提供重要的技术支撑。