CN109814256A - 一种单片式强度修正型点阵结构光doe器件及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单片式强度修正型点阵结构光DOE器件及设计方法，采用单片式DOE实现大角度、高均匀性、高分辨率、位置误差小的点阵分布。设计流程如下：一种单片式强度修正型点阵结构光器件：其设计流程为(1)根据点阵要求生成目标图，确定点阵数量及分布位置。(2)基于瑞利—索墨菲积分对点阵目标图进行各点光强与坐标调整。坐标调整公式如下：x2＝ax1,y2＝ay1(z为衍射器件与输出面距离，)，强度调整公式如下：u(x2,y2)＝u(x1,y1)k，k为强度调整因子。(3)将调整后的目标图迭代设计得到衍射元件相位分布。(4)完成器件加工，将器件置于系统中实际测试后再根据测试数据优化调整光强及位置，达理想结果。
Description
技术领域
本发明涉及衍射元件设计领域，具体涉及一种单片式强度修正型点阵结构光DOE器件及设计方法。
背景技术
体感技术作为一种新型的人机交互技术，被认为是二十一世纪最激动人心的科技成果之一。人脸识别技术与此类似，其原理是通过向场景中投射特殊编码的红外结构光，再利用传感器收集反射回来的变形结构光，然后对图像进行解码，从而识别动作或判断对象。如何产生高精度结构光是关键核心技术，要求获得的点阵图像随机、均匀、位置准确。
基于挡光片的结构光产生方法，光能利用率低，系统功耗大；基于点阵脉冲光源的时间飞行法，成本较高，分辨率有限。相比于以上两种技术，衍射光学元件(DiffractiveOptical Elements,DOE)，被认为是产生结构光的最佳选择。理论上，针对特定的输入光场，DOE可以产生任意复杂的具有极高衍射效率的输出光场。现有的DOE设计方法中，衍射的数值计算大都是基于菲涅耳衍射积分或者夫琅禾费衍射积分。而这两种积分都是标量衍射理论框架内严格的基尔霍夫衍射公式的傍轴近似解。当衍射角大傍轴近似不再成立时，输出的结构光将出现严重的枕形畸变。为了解决这个问题，微软公司的kinect及苹果X系统中均采用了双片式DOE来生成大角度的结构光。一片DOE为光学分束器，另一片DOE为小角度随机点阵生成器。根据傅里叶光学的原理可知，空域的乘积等价于频域的卷积，将大衍射角设计问题变换为两片小衍射角的DOE设计问题。该方案降低了设计难度和加工难度，但降低了光能利用率，提高了装配对准难度。另外，结构光器件仅为含有特定编码的激光发射系统，而如果要提高整套系统的精度，必须充分考虑到接收系统的限制，如如何克服接收端相机中心和边缘响应的不一致性等。如果能在结构光产生器的设计中充分考虑了这些问题，将大大提高系统的精度。
本发明提出采用预修正的方法，引入坐标调整因子a，(其中z为衍射器件与输出面距离，)，对点阵目标图坐标进行修正，消除结构光场畸变问题。再根据预测系统参数，引入强度修正因子K，带入到DOE的设计中，解决结构光点阵均匀性问题。采用单片式DOE实现大角度、高均匀性、高分辨率随机点阵。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：提供一种单片式强度修正型随机点阵结构光DOE器件，可以补充要解决的技术问题。
本发明采用的技术方案为：一种单片式强度修正型随机点阵结构光DOE器件的设计方法，包括：(1)根据点阵要求生成目标图，确定点阵数量及分布位置。(2)基于瑞利—索墨菲积分对点阵目标图进行各点光强与坐标调整。坐标调整公式如下：x2＝ax1,y2＝ay1 (z为衍射器件与输出面距离，)，强度调整公式如下： u(x2,y2)＝u(x1,y1)k，k为强度调整因子。(3)将调整后的目标图迭代设计得到衍射元件相位分布。
所述结构光器件的使用波长从紫外、可见光到近红外，可根据不同的测量要求选择不同的波长，如450nm、532nm、633nm、808nm、830nm、940nm、1064nm等，激光器为LD 或Vcsel等。
所述随机点阵数量从数百点到数万点，点阵数量与测量系统精度相关，点阵数量越密集，测量精度越高。
所述结构光器件产生的散斑可以为规则排布(M×N)的点阵也可以为空间随机分布的点阵。
所述衍射元件为两台阶结构，点阵分布为关于中心零点对称，也可以为多台阶结构，目标图完全随机。
所述衍射元件最大衍射角αmax、βmax满足0°≤αmax≤100°及0°≤βmax≤100°，在α≥100°、β≥100°情况下，需另行修正。α和β分别代表x、y方向的衍射角，衍射角越大代表结构光系统视场角越大，α和β可以相同也可以不同。
K≥1，其值可以为随位置变化的而连续变化的值，如其值可以为随位置变化而阶段变化，如其值也可根据探测系统情况按需求逐点赋值。
本发明提出的这种单片式强度修正型随机点阵结构光器件所产生的结构光点阵位置精度高、点阵间光强均匀，最大程度上提高了系统的测试精度、同时结构简单、实用。另外，还可通过测试结果的反馈优化结构，充分考虑到接收系统的限制，如何克服接收端相机中心和边缘响应的不一致性等问题，从系统全局层面充分发挥了结构光的优势和作用。
附图说明
图1为单片式大角度随机点阵衍射元件的工作原理图；
图2为单片式大角度随机点阵衍射元件的随机点阵坐标、强度预修正前后目标图。
具体实施方式
下面通过实施范例，并结合附图对本发明进一步具体说明。
实施例1：系统采用波长为650nm的LD激光器为光源，要求获得发散角为35°×35°，点数为900点，呈30×30规则排布的结构光，使用距离为1m。首先绘制点阵目标图，每点等强度分布。基于瑞利—索墨菲积分对点阵目标图进行各点光强与坐标调整。坐标调整公式如下：x2＝ax1,y2＝ay1(z为1m，)，强度调整公式如下： u(x2,y2)＝u(x1,y1)k，随位置变化而连续变化值。得到坐标、强度修正后的目标图并通过迭代设计得到衍射元件相位分布。完成器件加工，将器件置于系统中实际测试后再根据测试数据优化调整光强及位置，达理想结果。
实施例2：系统采用波长为830nm的LD激光器为光源，要求获得发散角为60°×40°，点数为35000点，呈完全随机排布的结构光，使用距离为5m。首先绘制点阵目标图，每点等强度分布，如图2(a)所示。基于瑞利—索墨菲积分对点阵目标图进行各点光强与坐标调整。坐标调整公式如下x2＝ax1,y2＝ay1(z为5m，)，强度调整公式如下：u(x2,y2)＝u(x1,y1)k，k随位置变化而阶段变化： 进而得到坐标、强度修正后的目标图，如图2(b)所示。通过迭代设计得到衍射元件相位分布。完成器件加工，将器件置于系统中实际测试后再根据测试数据优化调整光强及位置，达理想结果。
实施例3：系统采用波长为940nm的Vcsel激光器为光源，要求获得发散角为60°×60°，点数为8500点，呈完全随机排布的结构光，使用距离2m。首先绘制点阵目标图，每点等强度分布。基于瑞利—索墨菲积分对点阵目标图进行各点坐标进行调整，公式如下 x2＝ax1,y2＝ay1(z为2m，)，强度先不做调整。通过迭代设计得到衍射元件相位分布。加工出器件置于系统中实际测试，后再根据测试数据调整光强和位置参数，进而优化结构，通过3～5次优化、反馈，克服接收端相机中心和边缘响应的不一致性，获得点阵高均匀性、位置偏移小的结构光点阵图，提高了系统的测试精度。
Claims (8)
1.一种单片式强度修正型点阵结构光DOE器件的设计方法，其特征在于：包括：
(1)根据点阵要求生成目标图，确定点阵数量及分布位置；
(2)基于瑞利—索墨菲积分对点阵目标图进行各点光强与坐标调整，坐标调整公式如下：x2＝ax1,y2＝ay1，z为衍射器件与输出面距离，强度调整公式如下：u(x2,y2)＝u(x1,y1)k，k为强度调整因子；
(3)将调整后的目标图迭代设计得到衍射元件相位分布；
(4)完成器件加工，将器件置于系统中实际测试后再根据测试数据优化调整光强及位置，达理想结果。
2.根据权利要求1所述单片式强度修正型点阵结构光DOE器件的设计方法，其特征在于：所述结构光器件的使用波长从紫外、可见光到近红外，可根据不同的测量要求选择不同的波长，如450nm、532nm、633nm、808你们、830nm、940nm、1064nm等，激光器为LD或Vcsel。
3.根据权利要求1所述单片式强度修正型点阵结构光DOE器件的设计方法，其特征在于：所述点阵数量从数百点到数万点，点阵数量与测量系统精度相关，点阵数量越密集，测量精度越高。
4.根据权利要求1所述单片式强度修正型点阵结构光DOE器件的设计方法，其特征在于：所述结构光器件产生的散斑可以为规则排布(M×N)的点阵也可以为空间随机分布的点阵。
5.根据权利要求1所述单片式强度修正型点阵结构光DOE器件的设计方法，其特征在于：所述衍射元件为两台阶结构，点阵分布为关于中心零点对称，也可以为多台阶结构，目标图完全随机。
6.根据权利要求1所述单片式强度修正型点阵结构光DOE器件的设计方法，其特征在于：所述衍射元件最大衍射角αmax、βmax满足0°≤αmax≤100°及0°≤βmax≤100°，在α≥100°、β≥100°情况下，需另行修正。α和β分别代表x、y方向的衍射角，衍射角越大代表结构光系统视场角越大，α和β可以相同也可以不同。
7.根据权利要求1所述单片式强度修正型点阵结构光DOE器件的设计方法，其特征在于：所述系统强度调整因子k，K≥1，其值可以为随位置变化的而连续变化的值，如：其值可以为随位置变化而阶段变化，如： 其值也可根据探测系统情况按需求逐点赋值。
8.一种单片式强度修正型点阵结构光DOE器件，其特征在于：该单片式强度修正型点阵结构光DOE器件是利用单片式强度修正型点阵结构光DOE器件的设计方法得到的。
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