用于分束的衍射光学元件及其设计方法、结构光投射器技术

本发明专利技术提供一种用于分束的衍射光学元件的设计方法，包括：S11确定衍射光学元件的输入光场分布及目标输出光场分布，目标输出光场为均匀分光的或者能量分布从中心到边缘按照规律分布的散斑点阵；S12构建衍射光学元件的分光点阵，分光点阵用于对光源进行阵列复制来实现特定视场范围的散斑点阵，其排布方式为规则排布或者纵向和/或横向周期性错位排布；S13将分光点阵进行扰动，以降低实际输出光场和目标输出光场的偏差，对扰动量加以限制来保证散斑点阵中相邻区块间不会出现明显的重叠或缝隙；S14按照扰动后的分光点阵设计衍射光学元件；扰动包括将分光点阵中的至少部分点进行移动。本发明专利技术的设计方法设计的衍射光学元件，可有效降低输出光场的非均匀性。降低输出光场的非均匀性。降低输出光场的非均匀性。

【技术实现步骤摘要】
用于分束的衍射光学元件及其设计方法、结构光投射器


[0001]本公开涉及衍射光学
，尤其涉及一种用于分束的衍射光学元件的设计方法、一种根据该设计方法设计的用于分束的衍射光学元件以及一种结构光投射器。

技术介绍

[0002]对于双目视觉或者3D结构光应用而言，其识别算法要求投射器投出的散斑点阵具有较高的随机性。不管是有准直还是无准直的投射器方案，模组投射出的散斑点阵均是由多点vcsel(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)光源经过DOE(Diffractive Optical Element，衍射光学元件)分光点阵器件复制后得到。多点vcsel光源的发光点排布本身具有随机性，要使经DOE复制后的散斑也具有随机性，对DOE分光点阵的排列方式则提出了特殊要求。
[0003]此外，在3D识别系统如双目视觉、结构光、ToF(Time of Flight，飞行时间)中，深度识别算法对投射出的散斑点阵具有较高的非均匀性要求，而散斑点阵的非均匀性主要取决于分束器件的分束非均匀性。因此，在分束器件的设计过程中，需要尽可能的让各分束点的能量相近，即点阵能量的非均匀性尽可能低，这对分束点阵的设计方法提出了较高的要求。通过标量GS算法(Gerchberg
‑
Saxton algorithm，盖尔﹒沙普利算法)可以设计出具有较低非均匀性的点阵，但是在大视场角情况下，微结构的特征尺寸已经达到波长量级，此时由于矢量效应的存在，会使得点阵非均匀性变差，所以基于标量的点阵设计方法需要进一步改进。
[0004]
技术介绍
部分的内容仅仅是公开专利技术人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

技术实现思路

[0005]有鉴于现有的一个或多个缺陷，本专利技术涉及一种用于分束的衍射光学元件的设计方法，包括：
[0006]S11：确定所述衍射光学元件的输入光场分布以及目标输出光场分布，所述输入光场分布包括光源的参数以及排布方式，所述目标输出光场为均匀分光的或者能量分布从中心到边缘按照规律分布的散斑点阵；
[0007]S12：构建所述衍射光学元件的分光点阵，所述分光点阵用于对光源进行阵列复制来实现特定视场范围的散斑点阵，所述分光点阵的排布方式为规则排布或者纵向和/或横向周期性错位排布；
[0008]S13：将所述分光点阵进行扰动，以降低实际输出光场和目标输出光场的偏差，对所述扰动方式的扰动量加以限制来保证所述散斑点阵中相邻区块间不会出现明显的重叠或缝隙；
[0009]S14：按照所述扰动后的分光点阵，采用标量GS算法设计所述衍射光学元件；
[0010]其中，所述扰动包括将所述分光点阵中的至少部分点进行移动。
[0011]根据本专利技术的一个方面，其中所述步骤S13包括：将所述分光点阵进行横向扰动，以降低实际输出光场的非均匀性。
[0012]根据本专利技术的一个方面，其中对于所述分光点阵中的至少一列点的横向扰动的量大致围绕该列的中心对称。
[0013]根据本专利技术的一个方面，其中所述步骤S13包括：将所述分光点阵进行纵向扰动，以降低实际输出光场的非均匀性。
[0014]根据本专利技术的一个方面，其中对于所述分光点阵中的至少一行点的纵向扰动的量大致围绕该行的中心对称。
[0015]根据本专利技术的一个方面，其中所述步骤S13包括：将所述分光点阵横向扰动和纵向扰动，以降低实际输出光场的非均匀性。
[0016]根据本专利技术的一个方面，其中所述分光点阵中各点的扰动量大致围绕该点阵的中心对称。
[0017]根据本专利技术的一个方面，其中所述步骤S13包括：对至少部分点进行横向和/或纵向的随机扰动，以降低实际输出光场的非均匀性。
[0018]根据本专利技术的一个方面，其中所述衍射光学元件为2级台阶量化时，其中所述步骤S13还包括：保持所述分光点阵的中心点不移动。
[0019]根据本专利技术的一个方面，其中所述衍射光学元件为2
n
级台阶量化时，n为大于1的正整数，所述分光点阵的扰动量非中心对称。
[0020]根据本专利技术的一个方面，其中所述目标输出光场为1：1/(cos(θ
i
))
P
分布的散斑点阵，其中θ
i
为第i个分光点与光轴的夹角。
[0021]根据本专利技术的一个方面，其中所述步骤S12包括：构建所述衍射光学元件的分光点阵，所述分光点阵用于对单点或多点vcsel光源进行阵列复制来实现特定视场范围的散斑点阵，所述分光点阵的排布方式为规则排布或者纵向1/M和/或横向1/N错位排布，其中M和N均为大于2的正整数。
[0022]根据本专利技术的一个方面，所述输入光场为随机排列的多点VCSEL光源形成的光场。
[0023]根据本专利技术的一个方面，其中所述步骤S14还包括：当输入光场为发散光时，在所述衍射光学元件中叠加准直镜功能。
[0024]本专利技术还涉及一种根据上述的设计方法设计的用于分束的衍射光学元件。
[0025]办专利技术还涉及一种结构光投射器，包括：
[0026]VCSEL光源，用于产生激光；和
[0027]根据上述的设计方法设计的衍射光学元件，用于对所述激光进行分束。
[0028]本专利技术的设计方法通过对每个目标级次按照预设条件进行扰动后再进行标量设计，构建衍射光学元件的分光点阵，可以实现基于标量设计方法下的较低非均匀性的分光点阵的设计，从而采用本专利技术设计的衍射光学元件可有效降低输出光场的非均匀性。
附图说明
[0029]构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
[0030]图1示出了本专利技术一个实施例的用于分束的衍射光学元件的设计方法流程图；
[0031]图2示出了本专利技术一个实施例的单点VCSEL光源通过衍射光学元件后形成的输出光场分布示意图；
[0032]图3示出了本专利技术一个实施例的多点VCSEL光源通过衍射光学元件后形成的输出光场分布示意图；
[0033]图4示出了本专利技术一个实施例的输入光场和输出光场分布示意图；
[0034]图5a示出了本专利技术一个实施例的规则排布的分光点阵示意图；
[0035]图5b示出了本专利技术一个实施例的周期性错位排布的分光点阵示意图；
[0036]图6示出了本专利技术一个实施例的将分光点阵进行横向扰动的示意图；
[0037]图7示出了本专利技术一个实施例的将分光点阵进行纵向扰动的示意图；
[0038]图8示出了本专利技术一个实施例的无S扰动和有S扰动的输出光场分布对比图；
[0039]图9示出了本专利技术一个实施例的无S扰动的输出光场非均匀性示意图；
[0040]图10示出了本专利技术多个实施例的有S扰动的输出光场非均匀性示意图。
具体实施方式
[0041]在下文中，仅简本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于分束的衍射光学元件的设计方法，包括：S11：确定所述衍射光学元件的输入光场分布以及目标输出光场分布，所述输入光场分布包括光源的参数以及排布方式，所述目标输出光场为均匀分光的或者能量分布从中心到边缘按照规律分布的散斑点阵；S12：构建所述衍射光学元件的分光点阵，所述分光点阵用于对光源进行阵列复制来实现特定视场范围的散斑点阵，所述分光点阵的排布方式为规则排布或者纵向和/或横向周期性错位排布；S13：将所述分光点阵进行扰动，以降低实际输出光场和目标输出光场的偏差，对所述扰动方式的扰动量加以限制来保证所述散斑点阵中相邻区块间不会出现明显的重叠或缝隙；S14：按照所述扰动后的分光点阵，采用标量GS算法设计所述衍射光学元件；其中，所述扰动包括将所述分光点阵中的至少部分点进行移动。2.根据权利要求1所述的设计方法，其中所述步骤S13包括：将所述分光点阵进行横向扰动，以降低实际输出光场的非均匀性。3.根据权利要求2所述的设计方法，其中对于所述分光点阵中的至少一列点的横向扰动的量大致围绕该列的中心对称。4.根据权利要求1所述的设计方法，其中所述步骤S13包括：将所述分光点阵进行纵向扰动，以降低实际输出光场的非均匀性。5.根据权利要求4所述的设计方法，其中对于所述分光点阵中的至少一行点的纵向扰动的量大致围绕该行的中心对称。6.根据权利要求1所述的设计方法，其中所述步骤S13包括：将所述分光点阵横向扰动和纵向扰动，以降低实际输出光场的非均匀性。7.根据权利要求6所述的设计方法，其中所述分光点阵中各点的扰动量大致围绕该点阵的中心对称。8.根据权利要求1所述的设计方法，其中所述步骤S13包括：对至少部分点进行横向和/或纵向的随机扰动，以降低实际输出光场的非均匀性。9.根据权利要求1

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏，范真涛，王牧云，魏丽欣，隋磊，
申请(专利权)人：嘉兴驭光光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：