基于超构器件的可调点云投影高分辨率三维成像技术及其在生物医学中的应用

　　本综述创新性地提出了一种基于超构器件（meta-device）的可调点云投影系统，通过集成超构透镜阵列（meta-lens array）与可调液体透镜（tunable liquid lens），实现了空间采样率可动态调节的高分辨率三维成像。该系统突破传统结构光（structured light）投影在采样率固定、景深（depth of field）有限等方面的限制，在保持系统小型化的同时，将空间分辨率提升至原有的17倍，重建精度达0.035 mm，为机器视觉、医学整形（medical plastic surgery）、人脸识别和人机交互等领域提供了全新的高精度三维感知方案。

　　

设计原理与系统构成

本研究提出的可调点云投影超构器件系统由两大核心部分组成：超构透镜阵列和基于液体透镜的可调焦物镜系统。超构透镜阵列由60×60个纳米结构单元组成，可在其焦平面生成约3600个高密度点云，构成原始投影图案。这些点云作为结构光特征点，用于对目标物体的空间信息进行初步采样。每个点源于子超构透镜的焦点，其尺寸由点扩散函数（PSF）决定。为进一步提升系统对不同波长光的适应性，研究团队设计了消色差超构透镜阵列，可支持宽波段入射光，避免因物体表面对特定波长吸收率差异导致的重建误差。

可调焦物镜系统由50倍显微物镜（M Plan Apo 50×）和置于其出瞳处的可调液体透镜组成。液体透镜通过电流驱动改变其焦距（focal power），实现投影点云图案的缩放和位移。随着焦距功率（单位：D，屈光度）的降低，投影点云沿光轴中心向外扩展，从而改变对物体空间信息的采样率。值得注意的是，由于超构器件的无散焦特性，液体透镜的变焦过程不会引起投影点云的模糊，系统在整个变焦范围内保持高清晰度和大景深特性。

实验系统与三维重建算法

为验证该超构器件在三维感知中的性能，研究团队搭建了双目立体成像系统。系统使用两个MER-502-79U3相机（配16 mm镜头）和520 nm激光光源。在测量前，通过棋盘格标定法获取系统的内外参数，建立从世界坐标系到像素坐标的映射关系。

三维深度估计基于三角测量原理实现。具体流程包括三个核心步骤：首先，从左右相机图像中提取投影点云的二维中心坐标。图像经高斯平滑和二值化处理后，采用霍夫变换（Hough transform）检测圆形点中心及半径。其次，利用极线约束对左右相机图像中的点进行匹配，避免误匹配。最后，根据匹配点对的视差（disparity），结合相机焦距（f）和基线距离（B），计算各点的深度信息（Z）。计算公式为：$\frac{x_L?x_R}{f}=\frac{B}{Z}$fxL?xR=ZB。

通过改变液体透镜的焦距功率（实验中以0.25 D为间隔，从7D调整至3D），系统可获取多组不同空间采样率的点云数据。每组点云包含3600个特征点，通过数据融合，最终可实现3600×N（N为焦距调整次数）的高密度点云重建。实验表明，每0.25 D的焦距变化可引起投影点云6.44像素的位移，对应三维位置更新0.26 mm。

精度评估与性能验证

为评估系统的深度精度，研究团队对标准陶瓷平面（具有极高平坦度）进行了三维重建测试。将平板沿投影光轴的径向移动至四个不同位置，分别计算其重建误差。结果表明，四个位置的均方根误差（RMSE）分别为0.0365 mm、0.0320 mm、0.0353 mm和0.0356 mm，平均精度达0.035 mm。这种高精度得益于系统较大的基线长度（128.8 mm）和亚像素级点中心提取算法。误差在不同径向位置的一致性也验证了液体透镜缩放机制的稳定性。

应用场景与重建效果

研究团队进一步通过多种复杂物体（如人头雕像和狐狸面具）验证了系统在高分辨率三维重建中的性能。在人头雕像实验中，通过融合三个不同焦距功率（7D、6.5D、6D）下的点云数据，重建结果从仅能捕捉大致轮廓提升到可清晰呈现面部细节特征。单一点云重建的三角网格仅能显示粗糙轮廓，而融合点云重建的网格则能高度还原真实物体的表面形态。

在狐狸面具实验中，焦距功率从7D以0.5 D间隔调整至3.5D，分别获得二倍（7D–6.5D）、四倍（7D–5.5D）、六倍（7D–4.5D）和八倍（7D–3.5D）分辨率的点云数据。局部放大视图显示，随着点云密度的增加，面具表面的细微结构（如纹理和曲面变化）被逐渐清晰还原。十倍数点云的三角网格重建结果呈现出高度细腻的三维模型，充分证明了系统在捕捉复杂几何特征方面的优势。

技术优势与讨论

与传统三维成像技术相比，本系统具有多项显著优势：首先，通过超构透镜阵列和液体透镜的协同设计，实现了无机械运动、连续变焦的点云投影，兼具大景深、宽波段和小型化特性。其次，动态可调的空间采样率突破了传统超构器件采样率固定的限制，使分辨率提升至原有的17倍成为可能。第三，系统在全程变焦过程中保持投影点云清晰，避免了传统投影仪因散焦导致的图像模糊问题。

研究也指出了一些值得注意的方面：当前系统的点云缩放沿径向进行，导致径向采样密度较高而环向存在采样间隙。未来可通过径向旋转扫描进一步增加点云密度。此外，当前投影图案为规则点阵，未来可改为随机点云以适应不同算法需求。

结论与展望

本研究成功开发了一种基于超构器件的可调点云投影系统，通过超构透镜阵列和液体透镜的联合优化设计，实现了小型化、大景深、高分辨率的三维成像。系统在实验中展现了0.035 mm的精度和17倍的空间分辨率提升，为工业检测、医学整形、人脸识别和人机交互等领域提供了创新的三维感知解决方案。未来通过进一步集成VCSEL光源和优化光学设计，系统可进一步小型化，应用于增强现实（AR）/虚拟现实（VR）眼镜等穿戴设备，实现手势识别等高级人机交互功能。