CN109270806A - 一种自由结构光点阵产生装置、方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由结构光点阵产生装置、方法及系统，该装置由光源、阵列单元以及目标图案成像单元组成，不仅可产生自由分布的照明模式，而且还结构紧凑，体积小，重量轻。该方法包括首先建立虚拟的自由结构光点阵产生装置，导入需要的目标面光场图案，并设置光源参数；其次初始化阵列单元并运行，得到目标面光场分布；然后计算目标面光场分布与目标面光场图案的误差，并判断误差是否小于预设的期望误差，若是则根据获取目标面光场分布时对应的参数设置自由结构光点阵产生装置，获取所需要的目标面光场图案，若否则调整阵列单元的周期和倾斜角，并再次运行调整参数后的虚拟装置，直至满足条件结束，解决了装置设计过程较为繁琐的问题。
Description
技术领域
本发明涉及结构光深度提取领域以及光刻机自由照明领域，特别涉及一种自由结构光点阵产生装置、方法及系统。
背景技术
传统的自由照明模式产生方法往往会用到复杂的折反射透镜，该方法的器件不仅体积大，重量大，而且只能产生简单的图案，对于使用了自由曲面的器件加工复杂，工艺要求高。例如在结构光深度提取领域，先专利：Projectors of structured light.UnitedStates patentUS US20130038881A1.2013Feb 14。它使用了两片衍射光学元件(DOE)，其中一片为8台阶DOE加工较为困难，成本较高，封装工艺也较为复杂。一种可实现像素化光瞳的极紫外光刻自由曲面照明系统(105892234A)。所述的一种反射式用于光刻自由照明领域的照明系统，该方法使用了三个反射器件，需要较大体积，使用了两个复眼自由曲面反射镜，其加工极为复杂。其目标像素的光从一个反射器件到另一个反射器件是最终到目标像素位置，都是一一对应的关系，复眼反射镜个数与目标像素个数相同，因此像素个数不高，产生的图案自由度不高。一种基于微反射镜阵列实现可变自由照明光瞳的方法(104111592B)，使用了DMD反射器件，但是其设计方法使用了蚁群搜索，速度较慢，而且在设计前，需要测量DMD上每个微反射镜对应的光斑的位置，设计过程较为繁琐。
发明内容
基于背景技术所提出的缺陷，本发明的目的是提供一种自由结构光点阵产生装置、方法及系统，不仅可产生自由分布的照明模式，结构紧凑，体积小，重量轻，还解决了装置设计过程较为繁琐的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种自由结构光点阵产生装置，所述自由结构光点阵产生装置包括光源、阵列单元以及目标图案成像单元；所述阵列单元包括透射式元件单元和反射式元件单元；
当所述阵列单元为所述透射式元件单元时，所述光源发出的光透过所述透射式元件单元后在所述目标图案成像单元上成像；
当所述阵列单元为所述反射式元件单元时，所述光源发出的光经过所述反射式元件单元反射后在所述目标图案成像单元上成像。
可选的，所述光源为VCSEL、LD或者LED。
可选的，所述光源的波段为紫外光波段、可见光波段或者红外光波段。
可选的，所述阵列单元的厚度为0.5-2mm。
可选的，所述光源到所述阵列单元的距离为1-5mm。
可选的，所述透射式元件单元由棱镜或者透射光栅组成；所述反射式元件单元由微反射镜或者反射式光栅组成。
一种自由结构光点阵产生方法，所述自由结构光点阵产生方法包括：
建立虚拟的自由结构光点阵产生装置；所述虚拟的自由结构光点阵产生装置包括光源、阵列单元以及目标图案成像单元；
导入需要的目标面光场图案，并设置光源参数；所述光源参数包括波段、发散角、以及光源到阵列单元的距离；
初始化所述阵列单元；
运行初始化后的所述虚拟的自由结构光点阵产生装置，得到目标面光场分布，并且计算所述目标面光场分布与所述目标面光场图案的误差；
判断所述误差是否小于预设的期望误差，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示所述误差小于所述期望误差，则获取所述目标面光场分布时对应的阵列单元参数和光源参数，构造自由结构光点阵产生装置，获取所需要的所述目标面光场图案；
若所述第一判断结果表示所述误差大于或者等于所述期望误差，则调整所述阵列单元的周期和倾斜角，并返回运行初始化后的所述虚拟的自由结构光点阵产生装置步骤。
可选的，所述初始化所述阵列单元，具体包括：
若所述阵列单元为透射式元件单元且所述透射式元件单元为光栅阵列时，将每个所述光栅阵列的光栅周期、光栅方向作随机初始化处理；
若所述阵列单元为反射式元件单元时，将每个所述反射式元件单元中的反射镜的法线方向作随机初始化处理。
可选的，调整所述阵列单元的周期和倾斜角的算法为模拟退火算法、遗传算法、神经网络算法或者深度学习优化算法。
一种自由结构光点阵产生系统，所述自由结构光点阵产生系统包括：
虚拟装置建立模块，用于建立虚拟的自由结构光点阵产生装置；所述虚拟的自由结构光点阵产生装置包括光源、阵列单元以及目标图案成像单元；
参数导入模块，用于导入需要的目标面光场图案，并设置光源参数；所述光源参数包括波段、发散角、以及光源到阵列单元的距离；
阵列单元初始化模块，用于初始化所述阵列单元；
误差计算模块，用于运行初始化后的所述虚拟的自由结构光点阵产生装置，得到目标面光场分布，并且计算所述目标面光场分布与所述目标面光场图案的误差；
判断模块，用于判断所述误差是否小于预设的期望误差，得到第一判断结果；
自由结构光点阵产生装置参数确定模块，用于当所述第一判断结果表示所述误差小于所述期望误差时，获取所述目标面光场分布时对应的阵列单元参数和光源参数，构造自由结构光点阵产生装置，获取所需要的所述目标面光场图案；
阵列单元参数调整模块，用于当所述第一判断结果表示所述误差大于或者等于所述期望误差时，调整所述阵列单元的周期和倾斜角，并返回误差计算模块
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种自由结构光点阵产生装置、方法及系统，该装置包括光源、阵列单元以及目标图案成像单元，该装置不仅可产生自由分布的照明模式，还具有结构紧凑，体积小，重量轻等优点；该方法包括首先建立虚拟的自由结构光点阵产生装置，该虚拟的自由结构光点阵产生装置包括光源、阵列单元以及目标图案成像单元；其次导入需要的目标面光场图案，并设置光源参数；该光源参数包括波段、发散角、以及光源到阵列单元的距离；然后初始化所述阵列单元，并运行初始化后的所述虚拟的自由结构光点阵产生装置，得到目标面光场分布；最后计算所述目标面光场分布与所述目标面光场图案的误差，并判断所述误差是否小于预设的期望误差，若是则获取所述目标面光场分布时对应的阵列单元参数和光源参数，构造自由结构光点阵产生装置，获取所需要的所述目标面光场图案，若否调整所述阵列单元的周期和倾斜角，并返回运行初始化后的所述虚拟的自由结构光点阵产生装置步骤。该方法解决了装置设计过程较为繁琐的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例阵列单元为透射式元件单元的自由结构光点阵产生装置的结构示意图；
图2为本发明实施例阵列单元为反射式元件单元的自由结构光点阵产生装置的结构示意图；
图3为本发明实施例经过单个透射式元件单元的光线示意图；
图4为本发明实施例经过单个反射式元件单元的光线示意图；
图5为本发明实施例在目标面上成定分布图像示意图；
图6为本发明自由结构光点阵产生方法的流程示意图；
图7为本发明自由结构光点阵产生系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种自由结构光点阵产生装置、方法及系统，不仅可产生自由分布的照明模式，结构紧凑，体积小，重量轻，还解决了装置设计过程较为繁琐的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
本发明实施例提供一种自由结构光点阵产生装置，包括光源、阵列单元以及目标图案成像单元；所述阵列单元包括透射式元件单元和反射式元件单元。
当所述阵列单元为所述透射式元件单元时，所述光源发出的光透过所述透射式元件单元后在所述目标图案成像单元上成像；当所述阵列单元为所述反射式元件单元时，所述光源发出的光经过所述反射式元件单元反射后在所述目标图案成像单元上成像。
在本发明中光源可以是多种光源，比如VCSEL，LD，LED，其中光源的波段可以是紫外光，可见光，红外光波段；阵列单元的厚度为0.5-2mm；光源到阵列单元的距离为1-5mm。
所述透射式元件单元可由多种透射器件组成，例如棱镜，光栅，如图1所示。所述反射式元件单元可由多种反射器件组成，例如微反射镜，反射式光栅，如图2所示。经过单个透射式元件单元的光线示意图如图3所示，经过单个反射式元件单元的光线示意图如图4所示。光源通过光学器件在目标图案成像单元的目标面上成只定分布的像，如图5所示，可用于结构光照明，可用于3D成像领域。
本发明提供的自由结构光点阵产生装置，不仅可产生自由分布的照明模式，而且光从光源到目标图案成像单元，只需要经过一个厚度较小的阵列单元，具有结构紧凑，体积小，重量轻等优点，此外，该装置采用的单元器件均为使用常见或者已经成熟的光学元件，显然，还具有加工成本低优点。
实施例二
基于实施例一提供的自由结构光点阵产生装置，本发明实施例提供的一种自由结构光点阵产生方法如图6所示，具体包括如下步骤：
步骤101：建立虚拟的自由结构光点阵产生装置；所述虚拟的自由结构光点阵产生装置包括光源、阵列单元以及目标图案成像单元。
步骤102：导入需要的目标面光场图案，并设置光源参数；所述光源参数包括波段、发散角、以及光源到阵列单元的距离。发散角是指光源自身的发散角度，是光源自身的一个参数。
步骤103：初始化所述阵列单元。
步骤104：运行初始化后的所述虚拟的自由结构光点阵产生装置，得到目标面光场分布，并且计算所述目标面光场分布与所述目标面光场图案的误差。
步骤105：判断所述误差是否小于预设的期望误差，得到第一判断结果。若所述第一判断结果表示所述误差小于所述期望误差，则执行步骤106；若所述第一判断结果表示所述误差大于或者等于所述期望误差，则执行步骤107；
步骤106：根据获取所述目标面光场分布时对应的阵列单元参数和光源参数，构造自由结构光点阵产生装置，获取所需要的所述目标面光场图案，结束迭代过程。
步骤107：调整所述阵列单元的周期和倾斜角，并返回步骤104。其中调整的方法包括模拟退火算法，遗传算法，神经网络算法，深度学习优化等等，该处的优化算法，不应该被限制。倾斜角是指阵列单元相对整个装置宏观平面的倾斜夹角。
步骤103具体包括：
若所述阵列单元为透射式元件单元且所述透射式元件单元为光栅阵列时，将每个所述光栅阵列的光栅周期、光栅方向作随机初始化处理。
若所述阵列单元为反射式元件单元时，将每个所述反射式元件单元中的反射镜的法线方向作随机初始化处理理。
实施例三
基于实施例一提供的自由结构光点阵产生装置，本发明实施例提供的一种自由结构光点阵产生系统如图7所示，具体包括：
虚拟装置建立模块100，用于建立虚拟的自由结构光点阵产生装置；所述虚拟的自由结构光点阵产生装置包括光源、阵列单元以及目标图案成像单元。
参数导入模块200，用于导入需要的目标面光场图案，并设置光源参数。所述光源参数包括波段、发散角、以及光源到阵列单元的距离；
阵列单元初始化模块300，用于初始化所述阵列单元。
误差计算模块400，用于运行初始化后的所述虚拟的自由结构光点阵产生装置，得到目标面光场分布，并且计算所述目标面光场分布与所述目标面光场图案的误差。
判断模块500，用于判断所述误差是否小于预设的期望误差，得到第一判断结果。
自由结构光点阵产生装置参数确定模块600，用于当所述第一判断结果表示所述误差小于所述期望误差时，获取所述目标面光场分布时对应的阵列单元参数和光源参数，构造自由结构光点阵产生装置，获取所需要的所述目标面光场图案。
阵列单元参数调整模块700，用于当所述第一判断结果表示所述误差大于或者等于所述期望误差时，调整所述阵列单元的周期和倾斜角，并返回误差计算模块。
在传统自由照明的各种方式中，主要是利用反射器件实现。在实现过程中，反射镜偏角比较敏感，因此公差也较为灵敏，且还存在体积较大，反射杂散光较多等缺点，另外，设计过程还较为繁杂，计算缓慢。
本发明克服了以上缺陷，通过计算机模拟迭代，在设计基础单元器件后可快速得到阵列单元的设计参数，设计简单，解决了设计过程繁琐，计算缓慢等问题，且目标区域自由度高，可实现像素化，满足任意灰度等级的照明需求。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种自由结构光点阵产生装置，其特征在于，所述自由结构光点阵产生装置包括光源、阵列单元以及目标图案成像单元；所述阵列单元包括透射式元件单元和反射式元件单元；
当所述阵列单元为所述透射式元件单元时，所述光源发出的光透过所述透射式元件单元后在所述目标图案成像单元上成像；
当所述阵列单元为所述反射式元件单元时，所述光源发出的光经过所述反射式元件单元反射后在所述目标图案成像单元上成像。
2.根据权利要求1所述的自由结构光点阵产生装置，其特征在于，所述光源为VCSEL、LD或者LED。
3.根据权利要求1所述的自由结构光点阵产生装置，其特征在于，所述光源的波段为紫外光波段、可见光波段或者红外光波段。
4.根据权利要求1所述的自由结构光点阵产生装置，其特征在于，所述阵列单元的厚度为0.5-2mm。
5.根据权利要求1所述的自由结构光点阵产生装置，其特征在于，所述光源到所述阵列单元的距离为1-5mm。
6.根据权利要求1所述的自由结构光点阵产生装置，其特征在于，所述透射式元件单元由棱镜或者透射光栅组成；所述反射式元件单元由微反射镜或者反射式光栅组成。
7.一种自由结构光点阵产生方法，其特征在于，所述自由结构光点阵产生方法包括：
建立虚拟的自由结构光点阵产生装置；所述虚拟的自由结构光点阵产生装置包括光源、阵列单元以及目标图案成像单元；
导入需要的目标面光场图案，并设置光源参数；所述光源参数包括波段、发散角、以及光源到阵列单元的距离；
初始化所述阵列单元；
运行初始化后的所述虚拟的自由结构光点阵产生装置，得到目标面光场分布，并且计算所述目标面光场分布与所述目标面光场图案的误差；
判断所述误差是否小于预设的期望误差，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示所述误差小于所述期望误差，则根据获取所述目标面光场分布时对应的阵列单元参数和光源参数，构造自由结构光点阵产生装置，获取所需要的所述目标面光场图案；
若所述第一判断结果表示所述误差大于或者等于所述期望误差，则调整所述阵列单元的周期和倾斜角，并返回运行初始化后的所述虚拟的自由结构光点阵产生装置步骤。
8.根据权利要求7所述的自由结构光点阵产生方法，其特征在于，所述初始化所述阵列单元，具体包括：
若所述阵列单元为透射式元件单元且所述透射式元件单元为光栅阵列时，将每个所述光栅阵列的光栅周期、光栅方向作随机初始化处理；
若所述阵列单元为反射式元件单元时，将每个所述反射式元件单元中的反射镜的法线方向作随机初始化处理。
9.根据权利要求7所述的自由结构光点阵产生方法，其特征在于，调整所述阵列单元的周期和倾斜角的算法为模拟退火算法、遗传算法、神经网络算法或者深度学习优化算法。
10.一种自由结构光点阵产生系统，其特征在于，所述自由结构光点阵产生系统包括：
虚拟装置建立模块，用于建立虚拟的自由结构光点阵产生装置；所述虚拟的自由结构光点阵产生装置包括光源、阵列单元以及目标图案成像单元；
参数导入模块，用于导入需要的目标面光场图案，并设置光源参数；所述光源参数包括波段、发散角、以及光源到阵列单元的距离；
阵列单元初始化模块，用于初始化所述阵列单元；
误差计算模块，用于运行初始化后的所述虚拟的自由结构光点阵产生装置，得到目标面光场分布，并且计算所述目标面光场分布与所述目标面光场图案的误差；
判断模块，用于判断所述误差是否小于预设的期望误差，得到第一判断结果；
自由结构光点阵产生装置参数确定模块，用于当所述第一判断结果表示所述误差小于所述期望误差时，获取所述目标面光场分布时对应的阵列单元参数和光源参数，构造自由结构光点阵产生装置，获取所需要的所述目标面光场图案；
阵列单元参数调整模块，用于当所述第一判断结果表示所述误差大于或者等于所述期望误差时，调整所述阵列单元的周期和倾斜角，并返回误差计算模块。
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