文献解读 | 超表面增强型激光雷达：把 2° 声光扫描扩成 150°×150° 大视场（Nature Communications 2022）
论文简介
本期的解读对象是 Renato Juliano Martins 等发表于 Nature Communications 的论文《Metasurface-enhanced light detection and ranging technology》（2022 年，第 13 卷，文章号 5724，DOI: 10.1038/s41467-022-33450-2）。论文作者来自法国 Université Côte d’Azur/CNRS CRHEA、英国格拉斯哥大学与意大利圣安娜高等研究院等机构，期刊正式版、PMC 开放全文 与 arXiv 预印本 均可公开获取。
一句话贡献：把”超快但只有约 2° 视场”的声光偏转器（AOD，Acousto-Optic Deflector）与”无源大面积超表面”级联，用超表面把扫描视场扩展到 150°×150°，同时保持 kHz 级帧率，并利用多衍射级实现仿人眼（中央高分辨率 + 周边大视场）的多区成像。
为什么 LiDAR 扫描总在”快”和”宽”之间二选一
LiDAR（Light Detection and Ranging，激光雷达）通过发射激光脉冲并测量回波飞行时间（ToF，Time of Flight）来获取三维距离信息。要让一束细激光覆盖大范围场景，必须让光束快速扫过不同方向；扫描能力直接决定了 LiDAR 的视场（FoV，Field of View）与帧率这两个核心指标。
论文引言把现有扫描方案梳理成一条清晰的权衡链：
表 1：LiDAR 扫描方案的视场—速度权衡（数字来自论文引言引用的公开文献）
| 扫描方案 | 典型视场 | 典型速度 |
|---|---|---|
| 宏观机械转镜 | 可达 360° | 帧率较低 |
| MEMS 微镜 | 水平约 25°、垂直约 15° 以内 | kHz 级 |
| 光学相控阵（OPA） | 约 60° | 速度快 |
| 液晶调制器 | 通常低于 20° | kHz 级调制 |
| 声光偏转器（AOD） | 最大约 2° | 可达 MHz |
机械扫描能覆盖 360°，但转动部件慢且易磨损；MEMS 把扫描频率推到 kHz 级，视场却通常不超过水平 25°、垂直 15°；光学相控阵速度可观，视场约 60°；声光偏转器最快（MHz 级），但视场最大只有约 2°。换句话说，几乎所有方案都在”扫得宽”和”扫得快”之间被迫妥协。
人类视觉其实绕开了这个矛盾：视网膜中央凹（fovea）提供高分辨率小视场，周边视网膜提供低分辨率大视场，两者同时工作。论文的核心思路正是借鉴这一点：用一台 LiDAR 同时输出”中央高分辨率、周边大视场”两个区域，而不是让整台设备在所有方向上都做同样的事。
核心思路：把”快而窄”和”宽而静”两级级联起来
论文的方案不是发明一种新的偏转器，而是把两种互补的器件串起来：AOD 负责快速小角度偏转，无源超表面负责把角度”放大”。
AOD 的原理是声光效应：晶体中的超声波形成周期性的折射率光栅，入射激光被衍射，偏转方向随声波频率变化。它切换方向极快（MHz 级），但可偏转的角度范围很小——本实验中的商用 AOD（AA Opto-electronic DTSXY-400-633）只在约 49 mrad（约 2°）的小角度范围内工作。
超表面则是一个静态光学元件：表面上排列着亚波长尺寸的纳米柱，每个纳米柱的尺寸决定局部的等效折射率，从而积累不同的传播相位。把相位沿径向设计成特定分布后，入射光束打在超表面的不同位置，就会被偏转到不同的方向——入射位置和出射方向之间形成一一映射。论文设计的相位函数在约 ±40° 的小角度范围内保持近似线性，也就是说，AOD 扫到超表面上的每个位置，都对应一个确定的出射角度。
于是整个系统的逻辑变成：AOD 在小角度内快速摆动 → 扫描透镜把摆动角转换成超表面上的横向位置 → 超表面把位置映射成大的出射角。一级偏转后，2°×2° 的小视场被”摊开”成 150°×150° 的大视场，而且整个过程没有移动部件、没有逐单元有源控制，超表面只是被动地完成角度变换。
图 1：超表面增强视场 LiDAR 的概念与器件。(a) 系统示意：受触发激光源发射用于 ToF 检测的单脉冲，光束射向同步的 AOD，以约 2° 小视场超快扫描；偏转光束经扫描透镜打到超表面上的不同径向与方位位置，透射光按入射位置被偏转，覆盖 −75° 到 +75° 的扫描范围；场景散射光由快速探测器收集，处理后提取单回波 ToF 用于二维/三维成像。(b) AOD–超表面级联偏转系统细节。(c) 光路俯拍照片。(d) 下：超表面沿径向的相位分布示意；上：光束入射位置对应的偏转方向，插图公式为设计的相位函数。(e) 激光入射点轴向对称性示意。(f) 用纳米压印光刻制备的 1 厘米超表面照片。(g) 样品 SEM 图，展示通过横向等效折射率变化实现偏转的不同尺寸纳米柱单元。
器件与实验：1 厘米纳米压印超表面
超表面是这套系统里唯一的”定制件”，论文用纳米压印光刻（NIL，Nanoimprint Lithography）制备了 1 厘米直径的样品。图 1f 是样品照片，图 1g 的 SEM（Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜）图展示了排布在表面的纳米柱：柱子的尺寸逐点变化，横向等效折射率随之改变，从而让每个位置积累不同的传播相位。
实验中还制备了 1、2、3 mm 直径的小尺寸样品用于参数研究：聚焦光斑约 50 μm，3 mm 器件对应的光束发散角低于 1.5°，保证了点扫描的角分辨率。
几个值得注意的工程细节：
- 激光波长选在可见光 633 nm（TOPTICA i-beam smart），便于直接观察和监控偏转光束；激光源可产生任意速率、最高 250 MHz 的单脉冲序列；
- 1 厘米大视场偏转器实现约 40% 的一级衍射效率；
- 未被偏转的零级光没有被浪费：它正好指向视场中央，成为后文”多区成像”中高分辨率中央通道的光源。
这样，无源超表面用一次制造、零功耗运行，完成了传统上有源器件需要大量控制电路才能做到的事——这正是超表面”把复杂度写进结构里”的典型体现。
实验结果：150°×150° 视场与三维成像
系统搭建完成后，论文先验证了最基本的指标：视场到底扩到多大。图 3a 展示了实验室的线扫描结果——仰角（上方）和方位角（下方）两个方向的扫描线都覆盖了完整 150°，其中一张扫描轮廓直接从测试房间的地面扫到天花板，对应超过 150° 的角范围。
图 3：三维成像与大视场扫描能力。(a) 实验室 LiDAR 线扫描，展示仰角（上）与方位角（下）两个方向的大视场；上图为覆盖测试房间地面到天花板、超过 150° 的扫描线轮廓。(b) 三维测距演示（上）：场景（下）中穿反光服的演员位于 1.2–4.9 m 距离，颜色编码距离。(c) 利萨如扫描（θ = A sin αt + Ψ、θ = B sin βt）在快速大视场配置下的激光投影轨迹示例，Ψ = 0°、A = B = 30，任意参数可动态修改。
三维成像方面，论文在 1.2–4.9 m 距离上布置了穿反光服的演员场景，单次扫描重建出的点云按距离着色（图 3b），三个距离层次清晰可分。图 3c 的利萨如扫描则展示了光束轨迹的灵活可控性：两个正交方向的扫描函数可以独立设定参数，产生不同的覆盖图案——这为按场景定制扫描策略留出了空间。
成像帧率有一个简洁的物理上限。对单 ToF 系统，帧率 $f_{\text{rate}}$ 由光速 $c$、图像像素数 $n$ 和最大无模糊距离 $d_{\max}$ 决定：
$$f_{\text{rate}} = \frac{c}{2 n d_{\max}}$$
公式的含义很直观：光要在目标来回各走一次，像素越多、量程越长，每一帧需要的时间就越长。论文指出，LiDAR 厂商常用多激光源阵列分摊帧率压力，但成本随光源数量成倍上升；作者提出结合 CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）复用，理论上可在 200×200 像素分辨率下达到 125 帧/秒——把高速扫描的优势换算成实实在在的系统级收益。
仿人眼多区成像：中央高分辨率 + 周边大视场
论文最有辨识度的演示是”多区成像”：让同一台 LiDAR 同时输出两个区域——中央约 2° 的高分辨率通道，和覆盖整个 150° 视场的周边通道，对应人类视觉的中央凹与周边视野。
图 4：多区成像。(a) 拟用于 ADAS（Advanced Driver-Assistance Systems，高级驾驶辅助系统）的仿人眼多区观看示意：中央高分辨率、长距离，周边低分辨率、大视场。(b) 双区成像实验（插图：双探测方案）：中央 0 级衍射束以高分辨率扫描指向图像中心的小区域，1 级衍射束扫描整个视场。(c) 上：遮挡中央数值孔径后获得的大视场测距图；下：0 级衍射束捕获的约 2° 视场中央高分辨率测距图。
实现方式巧妙地利用了衍射级次：超表面的 0 级光不偏转，天然指向视场中央，作为高分辨率中央通道；1 级衍射光完成 150° 周边扫描，作为低分辨率大视场通道。两路信号用双探测方案并行采集（图 4b 插图），互不干扰。图 4c 展示了两条通道各自的结果：遮挡中央数值孔径后，系统输出完整的大视场测距图；打开中央通道，则得到约 2° 视场内细节丰富的中央图。
对自动驾驶和机器人来说，这种”一眼两用”的能力很有价值：高速行驶时需要看清正前方远处的小目标（高分辨率小视场），同时不能漏掉侧向接近的障碍（大视场），而传统 LiDAR 只能在这两者之间取一个折中。
高速时序测量：把”看”变成每秒上千帧
最后一个演示验证了速度：系统能否捕捉快速变化的事件？论文用一台标称 100 Hz 转速的机械斩波器（距离 70 cm）作为场景，叶片上贴反光胶带作为测距标记，用 741、1020、3401 fps 三组帧率分别采集时序测距数据。
图 5：快速实时事件测量。(a) 上：场景示意——标称 100 Hz 的机械斩波器，部分叶片贴反光胶带；下：三种帧率下测得的旋转速度。(b) 上：径向归一化强度图，展示转轮的动态；下：单帧强度数据展示不同角度位置。(c) 上：斩波器照片与反光胶带尺寸；下：t = 1.0 ms 时刻的测距图及由恢复数据测得的胶带尺寸。
实验从三组不同帧率的数据中一致地还原出约 100 Hz 的旋转速度，与斩波器标称值吻合；单帧数据（图 5b 下）能区分叶片的不同角位置，t = 1.0 ms 时刻的测距图还能量出反光胶带的尺寸约 4 cm（与实物相差约 1 cm，属测距/尺寸估计误差范围）。
速度的边界更值得一提：论文在单轴扫描中演示了最高约 6.25 MHz 的成像扫描频率；即使在超出 −3 dB 带宽的 40 MHz 高频下，1D 扫描仍能达到约 1 MHz 的帧率。也就是说，这套系统的时间分辨率来自 AOD（声光偏转器）本身，超表面没有引入任何减速环节。论文总结说，相对机械扫描器件，宽视场扫描速率提升了约五个数量级。
意义与展望
这篇论文的意义在于给出了一个”不做有源器件”也能同时获得大视场和高速扫描的路线：核心偏转功能由商用 AOD 承担，超表面只做一次性的被动角度变换，1 厘米级样品用纳米压印光刻即可批量制造。相比需要逐单元调相、逐单元驱动的有源超表面方案，这套架构把复杂度和功耗留在结构设计阶段，运行期间近乎零功耗。2023 年 Light: Science & Applications 的综述（见参考资料）也把超表面 LiDAR 列为从器件走向系统集成的代表性方向之一。
从原理验证走向实际应用仍有待推进的方向与边界，论文自己也给出了线索：
- 效率与光学损耗：约 40% 的一级衍射效率说明还有一半以上的能量进入其他级次，提升效率、抑制杂散级次是走向实用探测距离的前提；
- 波长适配：演示使用 633 nm 可见光便于观察，而车载 LiDAR 主流工作在 905 nm 或 1550 nm 等波段，把超表面设计迁移到近红外并保持制造精度是自然的下一步；
- 系统集成：当前光路由 AOD、扫描透镜、超表面和探测器分立搭成，把超表面与光源、探测器封装进同一模块，并配上 CDMA 复用等信号方案，才能兑现论文估算的 200×200 像素 @ 125 帧/秒系统级指标；
- 大尺寸制造一致性：1 厘米样品已由纳米压印制备，但更大口径、更均匀的相位分布对压印模板与工艺窗口提出更高要求。
总体来看，这篇论文把”人眼为什么同时看得清又看得宽”变成了一个可实现的工程架构，也为超表面在激光雷达中的角色提供了一个清晰的定位：不是替代偏转器，而是做偏转器做不到的”角度放大器”。
参考资料
- R. Juliano Martins et al., Metasurface-enhanced light detection and ranging technology, Nature Communications 13, 5724 (2022). 期刊正式版
- 同上论文开放全文（PMC9523074）：PMC 全文
- 同上论文预印本（arXiv:2204.04208）：arXiv 摘要页
- Y. Yang et al., Integrated metasurfaces for re-envisioning a near-future disruptive optical platform, Light: Science & Applications 12, 152 (2023). 综述全文
- EuropePMC 元数据记录（MED/36175421）：EuropePMC