結構光和光場技術等非干涉測量方法，通過對光學元件和重建算法進行系統級優化，以減少對傳統光學硬件的依賴，提供更大的靈活性。然而，這種集成度的提高，往往需要更復雜的光學設計和更高的計算負擔。因此，在簡化系統設計并提高測量效率的同時實現高精度，仍然是光學3D傳感領域的核心挑戰。
超構表面（Metasurfaces）在任意波前控制、平面結構以及易集成方面具有獨特優勢，近年來在開發緊湊、多功能、高性能3D光學系統領域備受關注。然而，當前納米結構的設計和制造精度限制，仍阻礙著超構表面的效率和成像質量。此外，在測量高折射率表面時，強反射和多重散射對主動成像方法提出了重大挑戰，使其在復雜環境中實現高精度測量變得困難。現有研究主要集中于展示超構表面的功能性，而不是開發集成檢測器件。因此，利用超構表面的靈活設計能力來增強其在復雜成像場景中的適應性和魯棒性，同時實現緊湊、集成的檢測系統，仍然是超構表面賦能3D傳感的重要研究方向。
據麥姆斯咨詢介紹，北京理工大學和北京信息科技大學開展的合作研究，展示了一種單層、一體化的超構表面光學系統，能夠對精細結構特征進行3D檢測。該系統將發射和接收功能集成于緊湊的超構表面架構中。發射超構表面利用離軸縱向色散特性，將寬帶照明聚焦成一系列離散焦點。對稱排列的接收超構表面，可以選擇性地收集聚焦區域的反射光，同時有效抑制非聚焦噪聲信號。
為實現高效深度提取，聯合研究團隊開發了一種基于單調連續光譜-深度（spectral-to-depth）映射策略的快速輕量級重建算法，能夠精確獲取3D結構信息。該系統能夠準確重建20微米級別的深度變化，同時保持橫向分辨率誤差在10微米以下。這項技術在工業檢測、半導體制造和生物醫學工程等領域具有巨大應用前景。相關研究成果已經以“Three-dimensional measurement enabled by single-layer all-in-one transmitting-receipting optical metasystem”為題發表于Opto-Electronic Advances期刊。
該研究所提出3D測量系統的示意圖（上圖）顯示，當寬帶光源照射到超構表面1（MS1）時，其離軸色散超構透鏡特性使不同波長的光聚焦在不同的深度。在照射具有3D形貌的目標時，反射光被對稱位置的超構表面2（MS2）捕獲，并通過其輸出端口射出。數據采集后，利用輕量級逐點重建算法分析光譜數據，以獲取每個空間點的精確深度信息，最終重建目標物體的完整3D輪廓。由于其緊湊的光源和探測器集成，以及快速的計算能力，該全集成超構表面光學系統在各種檢測場景和測量環境中表現出優異的適應性。
遵循整體測量流程，研究團隊在各種材料和物體上進行了3D傳感和重建實驗。在測量前，研究人員進行了光譜-深度的校準，以建立反射光譜信號與深度位置之間的對應矩陣。這通過沿光軸移動參考鏡并記錄不同深度的反射光譜來實現。完成校準過程后，研究團隊從目標物體獲取了反射光譜。然后利用重建算法處理光譜數據，生成物體的3D輪廓。
研究人員通過重建金屬樣品和硅晶圓的3D結構，成功驗證了系統的適應性。此外，研究團隊將系統應用于掃描和重建半導體晶圓上制造的尺寸各異的結構形狀。結果證實，該系統能夠實現±20微米的深度分辨率和±10微米的橫向精度，展示了其在不同類型材料上進行精確表面形貌測量的有效性。
這項合作研究由北京理工大學納米光子學與新型顯示實驗室和北京信息科技大學智能微系統實驗室共同開展。研究團隊專注于廣泛的研究領域，包括新型微/納米光學器件的物理機制和功能應用、光場調控、衍射光學、全息術、信息光學、新興顯示原理與器件，以及納米光電功能材料與器件。
論文信息：
DOI: 10.29026/oea.2025.240299
