激光雷达创新思路：机械扫描+Flash合二为一

电子发烧友网综合报道激光雷达作为获取三维空间信息的核心传感器，是自动驾驶、智能机器人和地理测绘等领域的关键技术。然而，传统方案始终面临一个根本性矛盾：机械扫描式LiDAR精度高、探测距离远，但效率低下；而闪光式（Flash）LiDAR能瞬间成像、效率极高，却因能量分散导致精度和距离大打折扣。

近日，由华中科技大学联合清华大学、北京信息科技大学共同研发的一种全新的“双模态”激光雷达系统成果发表于国际光学期刊《光：科学与应用》。这项研究通过创新的“可调谐混合级联超表面”（THCMs）技术，成功将这机械扫描和Flash模式合二为一，打造出一款微型化、高适应性的双模态激光雷达系统，为行业带来了革命性的解决方案。（论文链接https://www.nature.com/articles/s41377-025-01999-4）

该系统的核心在于一个精巧的光学器件——由两层不同功能的超表面级联而成，并集成在一个微型机械执行器上。超表面是一种由亚波长结构组成的平面光学元件，能够以前所未有的精度操控光的相位和偏振。研究人员巧妙地利用了这一点：第一层超表面（MS I）基于“潘查拉特南-贝里相位”（PB相位），对光的偏振态极为敏感；第二层超表面（MS II）则基于“传播相位”，对偏振不敏感。通过简单地切换入射激光的偏振态（左旋或右旋圆偏振光），即可在两种工作模式间无缝切换。

在闪光照明模式下，系统如同一个高效的“广角手电筒”。当右旋圆偏振光入射时，两层超表面协同作用，将激光束均匀地扩散至±35°的广阔视场内，实现对整个场景的瞬时、单帧捕捉。这种模式牺牲了部分精度，但换来了无与伦比的检测效率和速度，非常适合用于对环境进行快速的初步扫描，识别出大致的物体轮廓和场景复杂度。

而在光束阵列扫描模式下，系统则变身为一个精密的“扫描仪”。当左旋圆偏振光入射时，系统会投射出一个由多个高准直光束组成的阵列。此时，集成的微型形状记忆合金（SMA）执行器登场，它能精确地在平面内横向移动第二层超表面（MS II），移动范围仅为±100微米。这一微小的物理位移，却能驱动整个光束阵列在±35°的视场内进行连续、高精度的扫描。与传统的单点扫描相比，光束阵列扫描极大地提升了检测效率；同时，其角分辨率可动态调节，最低可达0.3°，深度误差小于1.02%，保证了卓越的探测精度。

这项技术的关键，在于其自适应的3D重建方案。系统并非简单地在两种模式间切换，而是让它们协同工作，形成一个智能的检测闭环。首先，系统会启动“Flash模式”，在毫秒级时间内完成对目标区域的粗略扫描，快速获取物体的边缘和大致形态。基于这个初步结果，系统会智能判断目标的复杂程度。对于简单的物体（如一个方块），系统会切换到“扫描模式”，并采用较大的步进（如50μm）进行低分辨率、高效率的扫描；而对于复杂的物体（如一尊大卫雕像），系统则会自动选择更精细的步进（如10μm），进行高分辨率、高精度的点云构建。完成精细扫描后，系统又可切换回“闪光模式”，准备进行下一帧的快速环境感知。这种“先粗后精、按需分配”的策略，完美地平衡了效率与精度这对矛盾。

该双模态激光雷达系统不仅在性能上实现了突破，其微型化和固态化的特性也极具应用前景。它摆脱了传统机械旋转部件，结构紧凑、抗冲击性强、寿命长。研究团队指出，未来通过集成垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列等紧凑光源，有望进一步实现高度定制化、高性能的微型激光雷达。这项技术将为无人机导航、自动驾驶、机器人灵巧操作、消费电子乃至元宇宙中的虚拟现实交互，提供更强大、更灵活的“视觉”支持，加速智能社会的到来。

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