衍射光学元件的周期优化方法技术

本发明专利技术提供一种衍射光学元件的周期优化方法，包括：(1)根据目标点阵的各个目标点的坐标以及衍射光学元件和目标平面之间的距离，计算各个目标点的衍射角；(2)初步选定衍射光学元件的周期；(3)计算各个目标点的衍射级次；(4)将衍射级次取整得到取整后的衍射级次；(5)使用取整后的衍射级次计算出实际投射点的坐标；(6)根据各个目标点和实际投射点的坐标计算周期优化评价参数；(7)调整周期，重复上述步骤(3)‑(6)来计算调整周期下的周期优化评价参数；(8)根据评价参数确定衍射光学元件的最优周期。根据本发明专利技术的法能够在小量的计算下，使得实际分光点阵尽可能匹配目标分光点阵，提高衍射光学元件的设计质量和精度。

【技术实现步骤摘要】
衍射光学元件的周期优化方法
本专利技术涉及衍射光学领域，更具体地，涉及衍射光学元件的周期优化方法。
技术介绍
随着人脸3D解锁技术在手机上的应用，基于结构光的3D深度感知技术已经成为技术开发的热点方向。其中，激光散斑投射器是结构光深度感知技术的关键设备之一，所投射的编码图案将直接影响深度解码计算的复杂度、深度测量的精度和分辨率。激光散斑投射器在结构上主要包括光源和衍射光学元件，衍射光学元件可以是针对于准直光设计的，也可以是针对于发散光设计的，当衍射光学元件是针对于准直光设计时，激光散斑投射器还包括准直透镜，用于对光源发射出的光进行准直。其中光源优选使用垂直腔面发射激光器，相比发光二极管LED和激光二极管LD，其光学腔体取向和半导体晶圆垂直，可以从表面发光，具有体积小、能够输出圆形光斑、易集成为大面积点阵等优点。衍射光学元件作为光学调制器件，用于对入射光进行调制，在目标平面上形成预定的分光点阵，结合垂直腔面发射激光器本身的点阵分布图案，即垂直腔面发射激光器的点阵分布图案与衍射光学元件所形成的分光点阵进行卷积，从而在目标平面上形成铺满目标视场的激光散斑图案，即投射的编码图案。该编码图案将直接影响深度解码计算的复杂度、深度测量的精度和分辨率。为了配合深度提取算法以提高深度测量的精度和分辨率，就要求衍射光学元件在目标平面上形成的分光点阵的每个点都有精准的定位，然而由于衍射光学元件设计理论的限制，实际的分光点阵的空间位置很难与设计所要求的定位位置完美匹配。
技术实现思路
本专利技术的目的是，通过优化衍射光学元件的设计周期，实现实际的分光点阵的空间位置与设计所要求的定位位置尽可能完美匹配。本专利技术提出一种衍射光学元件的周期优化方法，用于点阵结构光投射，包括以下步骤：(1)根据目标点阵的各个目标点Ai在X方向和Y方向的坐标(xi，yi)，以及衍射光学元件和目标平面之间的距离a，计算所述目标点阵的各个目标点Ai在X方向和Y方向的衍射角(θxi，θyi)，其中，i为整数，(2)初步选定衍射光学元件的周期dj，其中，所述周期由像素尺寸和像素数的乘积确定，所述像素数为正整数；(3)计算各个目标点Ai在X方向和Y方向的衍射级次(mi，ni)，其中，mi＝sinθxi/sinΔθ，ni＝sinθyi/sinΔθ，sinΔθ＝λ/dj，λ为光源波长；(4)将衍射级次(mi，ni)取整得到取整后的衍射级次(mi’,ni’)；(5)使用取整后的衍射级次(mi’,ni’)计算出实际投射点Ai’在X方向和Y方向的坐标(xi’,yi’)；(6)根据各个目标点Ai和与其相对应的实际投射点Ai’的坐标计算周期优化评价参数；(7)将周期dj调整为dj+1，重复上述步骤(3)-(6)来计算周期dj+1下的周期优化评价参数；(8)根据所述周期优化评价参数确定所述衍射光学元件的最优周期。分光点阵可使用具有不同周期的衍射光学元件获得。根据本专利技术，能够通过比较实际投射点的坐标与各个目标点的坐标的差异，确定差异最小的情况下使用的周期为最优周期，可使得实际获得的分光点阵与目标分光点阵的定位位置接近完美匹配，由此优化衍射光学元件的设计周期。优选地，所述周期优化评价参数为以下其中任意一种，各个目标点Ai和与其相对应的实际投射点Ai’之间的距离平均值，或各个目标点Ai和与其相对应的实际投射点Ai’之间的距离中的最大值，或各个目标点Ai和与其相对应的实际投射点Ai’之间的距离之和，或各个目标点Ai和与其相对应的实际投射点Ai’之间的横坐标和/或纵坐标的绝对差值的最大值。周期优化评价参数不限于上面所列，能够根据本专利技术的方法确定最优周期的任何适当的周期优化评价参数都在本专利技术的保护范围内。优选地，所述距离平均值为算数平均值、几何平均值、调和平均值、加权平均值、均方根平均值中任一种。距离平均值是根据本专利技术的一种评价参数，距离平均值可以是任何适当的平均值。优选地，比较所获得的周期优化评价参数，得到周期优化评价参数的最小值，确定与所述最小值对应的周期为最优周期。通常通过比较周期优化评价参数的最小值，即可确定实际投射点与目标点之间的差异的最小值，从而确定于所述最小值对应的周期为最优周期，方法简单直观。优选地，使用遗传算法来得到所述最小值。获得最小值的其他算法或方法也在本专利技术的保护范围内。优选地，在所述步骤(7)中，通过固定所述像素尺寸，将所述像素数增大一像素数增量，来将周期dj调整为周期dj+1。优选地，在所述像素尺寸满足加工精度的前提下，通过将所述像素尺寸和像素数的乘积增大一乘积增量，来将周期dj调整为周期dj+1。优选地，在所述步骤(4)中，所述取整的方法为四舍五入法、舍掉小数、进位取整、奇数取整、或偶数取整中的任意一种。根据本专利技术的衍射光学元件周期优化方法中的取整方法不限于上面所列，能够将衍射级数取整的其他适当方法也在本专利技术的保护范围内。优选地，所述周期dj+1小于等于衍射光学元件的尺寸。根据本专利技术的衍射光学元件周期优化方法中，衍射光学元件所选择的周期不能无限扩大，在物理上受到衍射光学元件的实际尺寸的限制。根据本专利技术的衍射光学元件周期优化方法，能够在小量的计算下，使得衍射光学元件所投射的实际分光点阵尽可能的匹配目标分光点阵，提高衍射光学元件的设计质量和精度。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是根据本专利技术的衍射光学元件周期优化方法的流程图；图2是显示目标点阵及其坐标的图表；图3是根据本专利技术的衍射光学元件周期优化方法实现图2中所示的目标点阵的计算数据表；图4是根据图3的数据得出的显示坐标绝对差值的图表。具体实施方式下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关专利技术，而非对该专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与专利技术相关的部分。用于分光点阵投射的衍射光学元件一般使用周期密排的形式进行设计，衍射光学元件具有微结构面，微结构面上包括多个呈阵列状相邻排布的微结构图案单元，每个微结构图案单元的微结构图案(相位)相同，即每个微结构图案单元都能够对入射光进行相位调制，从而在目标平面上投射出分光点阵。微结构图案单元的大小称为衍射光学元件的周期，加工衍射光学元件时的加工精度决定了衍射光学元件的像素尺寸，衍射光学元件的周期大小和像素尺寸决定了单个微结构图案单元的像素数。衍射光学元件的周期决定了衍射光的角分辨率，sinΔθ＝λ/d，其中Δθ为角分辨率，λ为入射光波长，d为周期。周期d越大，角分辨率Δθ越小，角分辨率Δθ越小，则衍射光学元件能够对投射出的分光点阵的点的位置进行更精细的调制。本领域技术人员容易理解的是，用于分点阵投射的衍射光学元件也可以是针对发散光的单周期设计，此时衍射光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种衍射光学元件的周期优化方法，用于点阵结构光投射，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)根据目标点阵的各个目标点A

【技术特征摘要】
1.一种衍射光学元件的周期优化方法，用于点阵结构光投射，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据目标点阵的各个目标点Ai在X方向和Y方向的坐标(xi，yi)，以及衍射光学元件和目标平面之间的距离a，计算所述目标点阵的各个目标点Ai在X方向和Y方向的衍射角(θxi，θyi)，其中，i为整数，
(2)初步选定衍射光学元件的周期dj，其中，所述周期由像素尺寸和像素数的乘积确定，所述像素数为正整数；
(3)计算各个目标点Ai在X方向和Y方向的衍射级次(mi，ni)，其中，mi＝sinθxi/sinΔθ，ni＝sinθyi/sinΔθ，sinΔθ＝λ/dj，λ为光源波长；
(4)将衍射级次(mi，ni)取整得到取整后的衍射级次(mi’,ni’)；
(5)使用取整后的衍射级次(mi’,ni’)计算出实际投射点Ai’在X方向和Y方向的坐标(xi’,yi’)；
(6)根据各个目标点Ai和与其相对应的实际投射点Ai’的坐标计算周期优化评价参数；
(7)将周期dj调整为dj+1，重复上述步骤(3)-(6)来计算周期dj+1下的周期优化评价参数；
(8)根据所述周期优化评价参数确定所述衍射光学元件的最优周期。


2.根据权利要求1所述的衍射光学元件的周期优化方法，其中，所述周期优化评价参数为以下其中任意一种，各个目标点Ai和与其相对应的实际投射点Ai’之间的距离平均值，或各个目标点Ai和与其相对应的实际投射点Ai’之间的距离中的最大值，或...

【专利技术属性】
技术研发人员：王牧云，张东亮，
申请(专利权)人：杭州驭光光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33