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近日，清華大學(xué)精密儀器系尤政院士課題組提出了一種基于混合級聯(lián)平動超表面的雙模式激光雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用幾何相位與傳播相位超表面級聯(lián)調(diào)控，通過調(diào)制光的偏振狀態(tài)，在高精度波束掃描模式與高效閃光照明模式之間靈活切換，適應(yīng)不同場景下的三維感知需求。結(jié)合自適應(yīng)三維探測能方案，可動態(tài)調(diào)整探測模式與分辨率，成功彌合了傳統(tǒng)單一掃描式與閃光式激光雷達的技術(shù)局限，為高效、緊湊且具備更強環(huán)境適應(yīng)性的三維感知提供了新途徑。相關(guān)研究成果以“A dual-mode LiDAR system enabled by mechanically tunable hybrid cascaded metasurfaces”為題，發(fā)表在期刊《Light: Science & Applications》上。

研究背景與成果

在主動三維成像技術(shù)中，激光雷達因其具備直接測距、高空間分辨率和強環(huán)境適應(yīng)性的優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于自動駕駛、機器人感知和高精度測繪等領(lǐng)域。根據(jù)光束覆蓋方式的不同，現(xiàn)有激光雷達系統(tǒng)主要分為掃描式和閃光式兩類。掃描式激光雷達主要借助機械部件逐點掃描目標(biāo)，具有精度高、探測距離遠(yuǎn)的特點，但探測速率受限；閃光式激光雷達則采用一次性照明的探測方式，具備高探測效率的優(yōu)勢，但在成像精度和探測距離上存在不足。如何實現(xiàn)兼顧高精度、遠(yuǎn)距離和高效率等指標(biāo)需求的激光雷達，促使研究者不斷探索新型光束調(diào)控方法。近年來，隨著納米光子學(xué)的發(fā)展，超表面技術(shù)因具備高精度、多通道光束調(diào)控能力和輕薄易于集成的特性，為激光雷達系統(tǒng)的多功能化、小型化提供了全新解決方案。

成果優(yōu)勢

為突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，清華大學(xué)精密儀器系尤政院士課題組研發(fā)出一種雙模式光束調(diào)控器件，將可調(diào)諧混合級聯(lián)超表面與形狀記憶合金微致動器相結(jié)合，融合了點陣掃描與閃光成像的優(yōu)勢，可根據(jù)探測需求在高分辨率點陣掃描模式與單次均勻照明模式之間靈活切換。相比現(xiàn)有方案，該技術(shù)能有效兼顧探測分辨率、視場范圍與探測效率等關(guān)鍵指標(biāo)，能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的高精度三維探測與快速全局感知需求，為新一代激光雷達系統(tǒng)、自主導(dǎo)航以及先進三維成像技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。

圖1.基于混合級聯(lián)平動超表面實現(xiàn)的雙模式三維探測原理圖

通過控制入射光的偏振態(tài)，即可實現(xiàn)兩種光束覆蓋模式間的靈活切換：左旋圓偏振光對應(yīng)點陣掃描模式，級聯(lián)超表面間±100 μm微小相對面內(nèi)平移可實現(xiàn)±35°二維視場的高準(zhǔn)直點陣光束掃描，改變位移步長可動態(tài)調(diào)整分辨率，適用于高精度、遠(yuǎn)距離的三維掃描任務(wù)；右旋圓偏振光對應(yīng)閃光模式，通過一次性照亮整個視場，可實現(xiàn)瞬時三維成像。

圖2.基于集成級聯(lián)超表面-致動器平臺的光束調(diào)控器件

混合級聯(lián)超表面作為器件的核心，第一層為偏振敏感的幾何相位超表面并采用陣列化設(shè)計，第二層為非偏振敏感的傳輸相位超表面。級聯(lián)超表面針對1064 nm波長設(shè)計，分別采用標(biāo)準(zhǔn)微納加工工藝制備，包括等離子增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）、電子束曝光（EBL）與感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（ICP）等步驟加工。光束調(diào)控器件集成形狀記憶合金微致動器實現(xiàn)兩層超表面之間的高精度面內(nèi)位移驅(qū)動，具備微型化、響應(yīng)快和易集成等優(yōu)勢。

圖3.基于雙模式激光雷達系統(tǒng)的三維探測流程示意圖

此外，研究團隊基于光束調(diào)控器件構(gòu)建了一套雙模式激光雷達系統(tǒng)與自適應(yīng)三維重建方案。系統(tǒng)首先工作在閃光模式下，快速完成整場景的快照式三維探測，獲取目標(biāo)邊界形貌與復(fù)雜度信息。該初步數(shù)據(jù)為后續(xù)掃描模式中的步進策略提供依據(jù)，使系統(tǒng)能夠根據(jù)實際目標(biāo)特征智能選擇掃描分辨率。在波束掃描階段，系統(tǒng)可靈活執(zhí)行粗略或精細(xì)的定向掃描任務(wù)，兼顧整體效率與局部細(xì)節(jié)。該系統(tǒng)通過偏振態(tài)驅(qū)動實現(xiàn)兩種模式間的靈活切換，在保證全局快速探測的同時精確捕捉目標(biāo)關(guān)鍵特征，突破了傳統(tǒng)單一激光雷達在效率與精度之間互相矛盾的性能瓶頸。

總結(jié)與展望

基于混合級聯(lián)超表面多通道、高自由度光束整形能力，雙模式激光雷達系統(tǒng)在融合掃描式激光雷達高精度與flash激光雷達高效率優(yōu)勢時，顯著提升了在復(fù)雜環(huán)境與多樣探測任務(wù)下的適應(yīng)性與靈活性。此外，借助超表面器件的超薄、超輕與可集成優(yōu)勢，課題組研發(fā)出一套輕量化、精度可調(diào)的光束調(diào)控平臺，可與飛行時間法、雙目視覺等多種三維成像機制兼容，具備良好的系統(tǒng)集成與功能擴展能力。課題組表示，該工作不僅構(gòu)建了可適配多任務(wù)需求的高性能三維感知平臺，也為推動激光雷達系統(tǒng)的小型化、智能化與多模式探測發(fā)展提供了新思路。

本研究由清華大學(xué)精密儀器系、精密測試技術(shù)與儀器國家重點實驗室、北京市集成電路高精尖創(chuàng)新中心、北京信息科技大學(xué)智能微系統(tǒng)實驗室，以及華中科技大學(xué)智能制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室共同完成。清華大學(xué)精密儀器系2019級博士研究生張凌云和2022級博士研究生張馳為共同第一作者。清華大學(xué)邢飛教授、趙曉光副教授與北京信息科技大學(xué)景曉麗教授為共同通訊作者。本工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、北京市杰出青年科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41377-025-01999-4