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Photonics Research 2024年第6期Spotlight on Optics
三维深度感知技术因其在机器视觉和人工智能中的重要应用，在空间计算时代备受关注。目前，主流的非接触式光学三维深度测量方法主要包括结构光投影、飞行时间法和立体视觉等。其中，基于结构光的三维感知技术凭借其高空间分辨率、紧凑尺寸、大视场角和低功耗等优势，被广泛应用于机器视觉、面部识别、人机交互、体感游戏及仿生机器人等领域。
传统的结构光深度感知系统通常由约300个随机分布的垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列组成，光束通过产生固定重复图案的衍射光学元件（DOE）进行复制。然而，这种系统存在三点显著的局限性：一是散斑点之间的距离是固定且已知的，没有额外的刻度可用于校准或调整，这限制了系统的灵活性。二是深度感知精度通常受到限制，在60 cm的距离上只能达到1 mm的精度；此外，为了解决因温度漂移和距离变化引起的误差，系统需要复杂的内部校准程序。三是传统的散斑 VCSEL阵列很难有可选址的驱动，散斑图案是静态不可编码的，难以适应动态感知场景。.
为了应对这些挑战，深圳博升光电科技有限公司常瑞华院士、鹏城国家实验室余少华院士及其团队共同研发了一种可选址结构光（Addressable Structured Light，ASL）3D传感系统。该系统创新地集成了基于超表面的衍射光学元件（Metasurface-DOE，MDOE）和可独立选址的VCSEL阵列（Individually Addressable VCSEL，IA-VCSEL），实现了对结构光图案的先进控制。ASL-3D系统的一个显著特征是引入了“内置测量卡尺”（Built-in Caliper）机制，使结构光图案的动态校准和精确控制成为可能。该技术突破使深度感知精度达到了亚百微米水平，远超传统结构光系统的能力。相关研究成果以“Addressable structured light system using metasurface optics and an individually addressable VCSEL array”为题发表于Photonics Research 2024年第6期。
ASL-3D传感系统的核心组件是IA-VCSEL阵列，该阵列由一个8×8的VCSEL阵列组成，VCSEL间距均匀为100 μm。所有VCSEL共享一个阴极，而阳极可独立选址，这使得单个或多个VCSEL开关状态的实时动态控制成为可能，其响应时间达到微秒级别，如图1(a)所示。系统中的MDOE元件采用SOI（Silicon-On-Insulator）反射式超表面制造，它由具有单晶硅纳米棒结构的薄膜构成。通过精确设计硅纳米棒的尺寸和旋转角度，该超表面以预先设定但随机的图案实现激光分束，这是形成独特且结构光可调图案的关键。
ASL-3D传感系统的一个核心特征是其动态编码散斑图案的能力。与生成固定图案的传统结构光系统不同，ASL-3D系统在控制散斑密度和分布方面具有极高的灵活性。通过动态控制IA-VCSEL阵列中各个VCSEL的开关状态，系统可以实时生成散斑图案，适应不同的感知场景并提升感知精度。远场实验结果表明，系统生成的散斑图案与IA-VCSEL阵列的编码配置完全一致，充分验证了系统的准确性和灵活性，如图1(b)所示。
ASL-3D系统的另一项突破性特征是通过IA-VCSEL阵列的编码引入了多种可变的特定校准距离（Calibrated Unique Distance，CUD）。利用这些CUD，系统可以动态校准散斑图案，补偿温度漂移等环境因素。这种“内置测量卡尺”（Built-In Caliper）功能使ASL-3D系统能够实时调整和校正测量误差，减少误差累积，增强感知过程的稳定性。因此，在深度感知实验中，ASL-3D系统能够实现亚百微米级的深度测量精度，远超传统方法的毫米级精度。
该技术的影响远不止于基础的3D感知。ASL-3D传感系统为空间计算、面部识别、可穿戴设备和机器视觉等广泛应用提供了新的可能性。在AR/VR应用中，该系统可以增强深度感知能力，提升手势识别的准确性，并有望实现精确的眼球追踪机制。在工业和机器人领域，系统的适应性和高精度使其能够更准确地进行机械控制、目标识别和机器人操作。此外，将ASL-3D技术与人工智能算法结合，可以进一步增强其环境感知能力，为实时、自适应决策的智能自动化系统提供支持。
通讯作者常瑞华教授表示：“这项研究巧妙地结合了可选址VCSEL阵列和超表面技术，在三维深度感知领域取得了重要突破；通过创新性的‘内置测量卡尺’设计，显著提高了深度探测精度和系统灵活性。实验验证了系统在动态散斑控制和深度测量中的优越性能，为AR/VR设备、智能交互和消费电子等领域的应用提供了重要支持。”共同一作黄选纶博士表示：“该研究通过结合可独立选址VCSEL阵列和超表面技术，提出了一种新型可选址结构光系统，显著提升了三维深度感知的精度和适应性。‘内置测量卡尺’的设计为动态校准和高精度深度测量提供了全新思路，展现了在三维感知技术领域的潜在应用价值。”
常瑞华，博升光电董事长、香港中文大学（深圳）教授、加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系Whinnery荣休教授。她是中国工程院外籍院士、美国工程院院士、美国光学学会前主席，也是IEEE、Optica等学会Fellow。她曾任清华-伯克利深圳学院共同院长，伯克利加州大学工学院副院长、纳米科学与工程学研究组主任。常瑞华教授研究领域涉及垂直腔面发射激光器（VCSEL）及高折射率差光栅、纳米材料和纳米光电子器件，以及宽带光通信。常教授曾获得美国总统教授奖、2018年度大川奖、2022年度国际半导体化合物大会Welker奖、2024 IEEE Nick Holonyak Jr. Medal for Semiconductor Optoelectronic Technologies等多个奖项。
吴辰阳，鹏城国家实验室助理研究员，主要研究方向为光学超表面、微纳光电子器件。2024年7月于复旦大学信息科学与工程学院获得博士学位。在Photonics Research、Nature Communications、Applied Optics、SPIE Photonics West 等期刊和会议发表学术论文10篇。
黄选纶，深圳博升光电科技有限公司博士后研究员，主要研究方向为3D成像、超表面光器件、VCSEL光器件。2024年于复旦大学信息科学与工程学院获得博士学位。目前在深圳博升光电科技有限公司和清华大学进行博士后联合培养。在Nature Communications、Photonics Research、Science Bulletin、Science Advances、Optica、Optics Express 等期刊和会议发表学术论文10篇。