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原文標題：“Super-Large Field-of-View, High-Accurate and Real-Time 3D Scene Reconstruction Based on Metasurface-Enabled Structured Light”

第一作者：Zhengren Zhan

通訊作者：Zhengren Zhan

三維場景重建主流技術對比分析

光學技術在傳感探測領域中具有核心地位，而三維場景重建（即構建真實空間數字模型）的實現主要依賴三類技術，各技術的原理與局限如下：

1.純視覺技術：通過攝像機采集目標場景的多視角圖像，利用圖像與現實空間的幾何關系提取深度值，再經特征匹配與點云拼接獲取全場景三維信息。但其短板在于攝像機對光照條件敏感，易導致深度信息精度不足。

2.激光雷達（LIDAR）技術：通過測量激光脈沖的發射 - 接收時間間隔，計算目標的距離、角度等參數。該技術需依賴復雜的系統結構，此前文獻中已提及超表面在激光雷達系統中的應用可實現體積縮減。

3.結構光技術：伴隨衍射光學的發展，該技術可無需機械掃描直接在空間生成隨機點陣，有效彌補純視覺與激光雷達的技術短板。但當前結構光技術仍面臨系統厚度大、視場角小的關鍵問題。

使用超表面投影隨機點陣列重建的3D場景（來自原文）

超表面 - 結構光融合的三維重建方案設計

為突破結構光技術的現有瓶頸，作者團隊提出超表面與結構光的融合方案，具體實現流程如下：

1.超表面投影設計：設計專用超表面，可將約 20000 個隨機點投影至 4π 全空間范圍；

2.深度信息計算：結合雙目視覺技術與立體匹配算法，實時計算動態圖像的深度信息，生成三維點云；

3.場景重建執行：通過連續幀的點云拼接完成增量點云重建，兩臺相機同步掃描捕獲空間場景，再利用實時映射算法構建對應的三維點云與表面模型。

超表面結構（來自原文）

超表面核心參數與設計優化

選用基于幾何相位的非晶硅納米塊作為超表面單元，通過調整單元轉角實現相位調制。單元具體尺寸參數為：長度 250nm、寬度 120nm、高度 280nm，單元中心間距 300nm。

1.視場角（FOV）：亮點的最大衍射角 θ 可達 85.3°，對應單次透射 / 反射空間的 FOV 為 170.6°，整體衍射點可覆蓋 4π 全空間；

2.亮點比例設計：目標投影圖案需 10000 個亮點，通過優化設計使亮點占所有可控點的比例約為 25%；

3.散斑抑制：超表面單個周期包含 200×200 個單元（間距 300nm），共設計 5×5 個周期以減少激光散斑。

衍射圖案與相位算法

目標衍射圖案的設計直接影響重建效果：若重建場景中存在規則形狀物體，均勻光點陣列可能避開物體邊緣導致輪廓信息丟失，而隨機點陣列可在保證點數充足的前提下，使部分光點覆蓋物體邊緣，保留邊緣細節。該隨機點陣列對應的相位分布通過 Gerchberg-Saxton（GS）算法求解獲得。

技術優勢與前沿應用展望

與傳統激光點云三維重建技術相比，基于超表面的結構光技術具有兩大核心優勢：一是顯著提升視場角覆蓋范圍，二是在系統集成性上表現出突出優勢。該技術為實時虛擬現實（VR）、全息通信、數字城市建設等前沿領域的發展奠定基礎，未來有望在上述領域拓展更廣泛的應用場景，具備廣闊的技術應用潛力。

OAS 光學軟件的超表面設計功能非常便捷，該功能將構建更為高效、精準的超表面設計流程，進一步推動光學領域的發展。OAS 光學軟件已在超表面設計中展現卓越效能，為科研人員和工程師提供技術保障。