CN110208958A - 一种3d结构光产生元件 - Google Patents
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Abstract
本发明一种3D结构光产生元件属于光学元件、结构光技术领域；该3D结构光产生元件包含一个衬底结构和由衬底结构支撑的多个子结构，所述子结构在衬底表面成矩阵排列，在矩阵的行方向和列方向上，相邻两个子结构在衬底上坐标的距离为定值，所述子结构的尺寸相同，转角不同，子结构的转角和相位之间具有确定关系；本发明利用尺寸相同转角不同的子结构来代替传统衍射光学元件中具有不同高度的台阶结构，由于高度相同，因此只需要一次加工即可完成，这样能够提高加工精度；由于转角能够随相位连续变化，因此忽略光在材料中的损耗，该3D结构光产生元件的衍射效率不受理论限制；即本发明能够同时提高衍射效率和加工精度。
Description
技术领域
本发明一种3D结构光产生元件属于光学元件、结构光技术领域。
背景技术
近年来，基于点阵投影的3D结构光测量方案被提出，其原理为通过衍射光学元件产生3D结构光点阵，投影在被测物表面，通过测量返回的结构光点阵图，得到被测物的三维轮廓。
文章《Design and verification of diffractive optical elements forspeckle generation of 3-D range sensors》和文章《Diffractive ElementDesign forGeneratingMulti-Channel StructuredLight Field》等都涉及了一种用于产生3D结构光点阵的衍射光学元件，这种衍射光学元件的特点是具有不同高度的台阶结构，同时每一个高度对应的相位为0-2π范围内的一个特定值；
这种结构虽然能够产生3D结构光点阵，但是这种具有不同高度的台阶结构却有如下问题：
第一、由于高度为离散值，故这种衍射光学元件的衍射效率受到理论限制，忽略光在材料中的损耗，两台阶衍射光学元件的最高衍射效率不超过40.5％，四台阶衍射光学元件的最高衍射效率不超过81％。
第二、虽然通过台阶数量的增加能够在一定程度上提高衍射效率，但是根据台阶数量为2n的衍射光学元件需要的套刻次数为n次，可见，台阶数量增加，套刻次数也随之增加，加工误差容易累计，这就给提高加工精度带来困难。
可见，提高衍射效率和提高加工精度是难以兼顾的一对矛盾问题。
发明内容
针对传统衍射光学元件无法同时提高衍射效率和提高加工精度的问题，本发明提供了一种3D结构光产生元件，该元件中采用了尺寸相同，转角不同的子结构来代替传统衍射光学元件中不同高度的台阶结构，不仅能够提高衍射效率，而且能够提高加工精度。
本发明的目的是这样实现的：
一种3D结构光产生元件，通过单次投影曝光、原子层沉积和刻蚀工艺加工而成，包含一个衬底结构和由衬底结构支撑的多个子结构，所述子结构在衬底表面成矩阵排列，在矩阵的行方向和列方向上，相邻两个子结构在衬底上坐标的距离为定值，所述子结构的尺寸相同，转角不同，子结构在绕衬底坐标(x,y)法线的转角θ和子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)之间满足如下关系：
其中，m为任意整数，φθ＝0为θ＝0时子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位。
上述的一种3D结构光产生元件，有如下定义：
入射光在衬底坐标(x,y)处的复振幅分布g0(x,y)为：
其中，A0(x,y)为入射光在衬底坐标(x,y)处的振幅，φ0(x,y)为入射光在衬底坐标(x,y)处的相位，i为虚数单位；
子结构的复振幅透过率t(x,y)为：
t(x,y)＝eiφ(x,y)
其中，φ(x,y)为待求相位分布；
入射光通过子结构后的复振幅分布g(x,y)为：
输出平面的复振幅分布u(x1,y1,z)为：
其中，(x1,y1)为输出平面的坐标，z为输出平面与衬底所在平面的距离，λ是自由空间波长，r是输出平面上坐标为(x1,y1)的点到衬底中心的距离；
输出平面的光强分布I(x1,y1,z)为：
I(x1,y1,z)＝|u(x1,y1,z)|2
计算子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)的方法，包括以下步骤：
步骤a、令φinit(x,y)＝φ0(x,y)+φ(x,y)并，对φinit(x,y)赋值，将赋值后的φinit(x,y)作为初始相位分布，组成入射光通过元件后的初始复振幅分布
步骤b、根据复振幅分布得到u(x1,y1,z)；
步骤c、目标3D结构光点阵的光强分布Igoal(x1,y1,z)为：
Igoal(x1,y1,z)＝|ugoal(x1,y1,z)|2＝|Bgoal(x1,y1,z)|2，
其中，ugoal(x1,y1,z)为目标3D结构光点阵的复振幅分布，Bgoal(x1,y1,z)为目标3D结构光点阵的实振幅分布；
步骤d、用Bgoal(x1,y1,z)替代u(x1,y1,z)中的实振幅，组成新的输出平面复振幅分布为：
步骤e、利用步骤d得到的新的输出平面复振幅分布根据如下公式：
得到新的入射光通过元件后的复振幅分布g(x,y)；
步骤f、步骤e中g(x,y)的实振幅用入射光实振幅A0(x,y)代替，相位部分保持不变，组成新的入射光通过元件后的复振幅分布为：
步骤g、计算入射光实振幅误差δg和输出平面实振幅误差δu分别为：
步骤h、判断入射光实振幅误差δg和输出平面实振幅误差δu是否均小于各自阈值，如果：
是，将复振幅分布写成返回步骤b；
否，迭代结束，按照以下公式：
计算得到子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)。
以上一种3D结构光产生元件，如果：
入射光为可见光，所述子结构的材料为二氧化钛或氮化镓，所述衬底的材料为二氧化硅；
入射光为红外光，所述子结构和所述衬底的组成材料均为硅。
一种确定3D结构光产生元件输出平面光强分布的方法，包括以下步骤：
步骤a、确定入射光在衬底坐标(x,y)处的复振幅分布g0(x,y)
入射光在衬底坐标(x,y)处的复振幅分布g0(x,y)为：
其中，A0(x,y)为入射光在衬底坐标(x,y)处的振幅，φ0(x,y)为入射光在衬底坐标(x,y)处的相位，i为虚数单位；
步骤b、确定子结构的复振幅透过率t(x,y)
子结构的复振幅透过率t(x,y)为：
t(x,y)＝eiφ(x,y)
其中，φ(x,y)为待求相位分布；
步骤c、确定入射光通过子结构后的复振幅分布g(x,y)
入射光通过子结构后的复振幅分布g(x,y)为：
步骤d、确定输出平面的复振幅分布u(x1,y1,z)
输出平面的复振幅分布u(x1,y1,z)为：
其中，(x1,y1)为输出平面的坐标，z为输出平面与衬底所在平面的距离，λ是自由空间波长，r是输出平面上坐标为(x1,y1)的点到衬底中心的距离；
步骤e、确定输出平面的光强分布I(x1,y1,z)
输出平面的光强分布I(x1,y1,z)为：
I(x1,y1,z)＝|u(x1,y1,z)|2
步骤完毕。
一种3D结构光产生元件中子结构相位的计算方法，包括以下步骤：
步骤a、令φinit(x,y)＝φ0(x,y)+φ(x,y)并，对φinit(x,y)赋值，将赋值后的φinit(x,y)作为初始相位分布，组成入射光通过元件后的初始复振幅分布
步骤b、根据复振幅分布得到u(x1,y1,z)；
步骤c、目标3D结构光点阵的光强分布Igoal(x1,y1,z)为：
Igoal(x1,y1,z)＝|ugoal(x1,y1,z)|2＝|Bgoal(x1,y1,z)|2，
其中，ugoal(x1,y1,z)为目标3D结构光点阵的复振幅分布，Bgoal(x1,y1,z)为目标3D结构光点阵的实振幅分布；
步骤d、用Bgoal(x1,y1,z)替代u(x1,y1,z)中的实振幅，组成新的输出平面复振幅分布为：
步骤e、利用步骤d得到的新的输出平面复振幅分布根据如下公式：
得到新的入射光通过元件后的复振幅分布g(x,y)；
步骤f、步骤e中g(x,y)的实振幅用入射光实振幅A0(x,y)代替，相位部分保持不变，组成新的入射光通过元件后的复振幅分布为：
步骤g、计算入射光实振幅误差δg和输出平面实振幅误差δu分别为：
步骤h、判断入射光实振幅误差δg和输出平面实振幅误差δu是否均小于各自阈值，如果：
是，将复振幅分布写成返回步骤b；
否，迭代结束，按照以下公式：
计算得到子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)。
有益效果：
第一、本发明公开了一种3D结构光产生元件，该3D结构光产生元件包含一个衬底结构和由衬底结构支撑的多个子结构，子结构的尺寸相同，转角不同，即利用尺寸相同转角不同的子结构来代替传统衍射光学元件中具有不同高度的台阶结构；在这种结构中，转角θ和子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)之间满足如下关系：由于高度相同，因此只需要一次加工即可完成，这样能够提高加工精度；由于转角能够随相位连续变化，因此忽略光在材料中的损耗，该3D结构光产生元件的衍射效率不受理论限制；可见，这种结构能够同时提高衍射效率和加工精度。
第二、在本发明中，提供了一种确定3D结构光产生元件输出平面光强分布的方法，并提供了一种3D结构光产生元件中子结构相位的计算方法，实现了如何根据输出平面光强分布来计算相位，进而根据得到连续变化的转角，使得本发明不仅仅停留在设想阶段，而是切实提供了一种计算转角的方法，确保本领域技术人员能够实现。
说明书附图
图1是本发明一种3D结构光产生元件的结构示意图。
图2是本发明一种3D结构光产生元件的子结构示意图。
具体实施例
下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述：
具体实施例一
本实施例是一种3D结构光产生元件的实施例。
本实施例的一种3D结构光产生元件，通过单次投影曝光、原子层沉积和刻蚀工艺加工而成，结构示意图如图1所示。该3D结构光产生元件包含一个衬底结构和由衬底结构支撑的多个子结构，所述子结构在衬底表面成矩阵排列，在矩阵的行方向和列方向上，相邻两个子结构在衬底上坐标的距离为定值，所述子结构的尺寸相同，转角不同，子结构在绕衬底坐标(x,y)法线的转角θ和子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)之间满足如下关系：
其中，m为任意整数，φθ＝0为θ＝0时子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位。
具体实施例二
本实施例是一种3D结构光产生元件的实施例。
本实施例的的一种3D结构光产生元件，在具体实施例一的基础上，进一步限定有如下定义：
入射光在衬底坐标(x,y)处的复振幅分布g0(x,y)为：
其中，A0(x,y)为入射光在衬底坐标(x,y)处的振幅，φ0(x,y)为入射光在衬底坐标(x,y)处的相位，i为虚数单位；
子结构的复振幅透过率t(x,y)为：
t(x,y)＝eiφ(x,y)
其中，φ(x,y)为待求相位分布；
入射光通过子结构后的复振幅分布g(x,y)为：
输出平面的复振幅分布u(x1,y1,z)为：
其中，(x1,y1)为输出平面的坐标，z为输出平面与衬底所在平面的距离，λ是自由空间波长，r是输出平面上坐标为(x1,y1)的点到衬底中心的距离；
输出平面的光强分布I(x1,y1,z)为：
I(x1,y1,z)＝|u(x1,y1,z)|2
计算子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)的方法，包括以下步骤：
步骤a、令φinit(x,y)＝φ0(x,y)+φ(x,y)并，对φinit(x,y)赋值，将赋值后的φinit(x,y)作为初始相位分布，组成入射光通过元件后的初始复振幅分布
步骤b、根据复振幅分布得到u(x1,y1,z)；
步骤c、目标3D结构光点阵的光强分布Igoal(x1,y1,z)为：
Igoal(x1,y1,z)＝|ugoal(x1,y1,z)|2＝|Bgoal(x1,y1,z)|2，
其中，ugoal(x1,y1,z)为目标3D结构光点阵的复振幅分布，Bgoal(x1,y1,z)为目标3D结构光点阵的实振幅分布；
步骤d、用Bgoal(x1,y1,z)替代u(x1,y1,z)中的实振幅，组成新的输出平面复振幅分布为：
步骤e、利用步骤d得到的新的输出平面复振幅分布根据如下公式：
得到新的入射光通过元件后的复振幅分布g(x,y)；
步骤f、步骤e中g(x,y)的实振幅用入射光实振幅A0(x,y)代替，相位部分保持不变，组成新的入射光通过元件后的复振幅分布为：
步骤g、计算入射光实振幅误差δg和输出平面实振幅误差δu分别为：
步骤h、判断入射光实振幅误差δg和输出平面实振幅误差δu是否均小于各自阈值，如果：
是，将复振幅分布写成返回步骤b；
否，迭代结束，按照以下公式：
计算得到子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)。
具体实施例三
本实施例是一种3D结构光产生元件的实施例。
本实施例的的一种3D结构光产生元件，在具体实施例一或具体实施例二的基础上，进一步限定如果：
入射光为可见光，所述子结构的材料为二氧化钛或氮化镓，所述衬底的材料为二氧化硅；
入射光为红外光，所述子结构和所述衬底的组成材料均为硅。
具体实施例四
本实施例是一种确定3D结构光产生元件输出平面光强分布的方法的实施例。
本实施例的一种确定3D结构光产生元件输出平面光强分布的方法，包括以下步骤：
步骤a、确定入射光在衬底坐标(x,y)处的复振幅分布g0(x,y)
入射光在衬底坐标(x,y)处的复振幅分布g0(x,y)为：
其中，A0(x,y)为入射光在衬底坐标(x,y)处的振幅，φ0(x,y)为入射光在衬底坐标(x,y)处的相位，i为虚数单位；
步骤b、确定子结构的复振幅透过率t(x,y)
子结构的复振幅透过率t(x,y)为：
t(x,y)＝eiφ(x,y)
其中，φ(x,y)为待求相位分布；
步骤c、确定入射光通过子结构后的复振幅分布g(x,y)
入射光通过子结构后的复振幅分布g(x,y)为：
步骤d、确定输出平面的复振幅分布u(x1,y1,z)
输出平面的复振幅分布u(x1,y1,z)为：
其中，(x1,y1)为输出平面的坐标，z为输出平面与衬底所在平面的距离，λ是自由空间波长，r是输出平面上坐标为(x1,y1)的点到衬底中心的距离；
步骤e、确定输出平面的光强分布I(x1,y1,z)
输出平面的光强分布I(x1,y1,z)为：
I(x1,y1,z)＝|u(x1,y1,z)|2
步骤完毕。
具体实施例五
本实施例是一种3D结构光产生元件中子结构相位的计算方法的实施例。
本实施例的一种3D结构光产生元件中子结构相位的计算方法，包括以下步骤：
步骤a、令φinit(x,y)＝φ0(x,y)+φ(x,y)并，对φinit(x,y)赋值，将赋值后的φinit(x,y)作为初始相位分布，组成入射光通过元件后的初始复振幅分布
步骤b、根据复振幅分布得到u(x1,y1,z)；
步骤c、目标3D结构光点阵的光强分布Igoal(x1,y1,z)为：
Igoal(x1,y1,z)＝|ugoal(x1,y1,z)|2＝|Bgoal(x1,y1,z)|2，
其中，ugoal(x1,y1,z)为目标3D结构光点阵的复振幅分布，Bgoal(x1,y1,z)为目标3D结构光点阵的实振幅分布；
步骤d、用Bgoal(x1,y1,z)替代u(x1,y1,z)中的实振幅，组成新的输出平面复振幅分布为：
步骤e、利用步骤d得到的新的输出平面复振幅分布根据如下公式：
得到新的入射光通过元件后的复振幅分布g(x,y)；
步骤f、步骤e中g(x,y)的实振幅用入射光实振幅A0(x,y)代替，相位部分保持不变，组成新的入射光通过元件后的复振幅分布为：
步骤g、计算入射光实振幅误差δg和输出平面实振幅误差δu分别为：
步骤h、判断入射光实振幅误差δg和输出平面实振幅误差δu是否均小于各自阈值，如果：
是，将复振幅分布写成返回步骤b；
否，迭代结束，按照以下公式：
计算得到子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)。
Claims (5)
1.一种3D结构光产生元件，通过单次投影曝光、原子层沉积和刻蚀工艺加工而成，其特征在于，包含一个衬底结构和由衬底结构支撑的多个子结构，所述子结构在衬底表面成矩阵排列，在矩阵的行方向和列方向上，相邻两个子结构在衬底上坐标的距离为定值，所述子结构的尺寸相同，转角不同，子结构在绕衬底坐标(x,y)法线的转角θ和子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)之间满足如下关系：
其中，m为任意整数，φθ＝0为θ＝0时子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位。
2.根据权利要求1所述的一种3D结构光产生元件，有如下定义：
入射光在衬底坐标(x,y)处的复振幅分布g0(x,y)为：
其中，A0(x,y)为入射光在衬底坐标(x,y)处的振幅，φ0(x,y)为入射光在衬底坐标(x,y)处的相位，i为虚数单位；
子结构的复振幅透过率t(x,y)为：
t(x,y)＝eiφ(x,y)
其中，φ(x,y)为待求相位分布；
入射光通过子结构后的复振幅分布g(x,y)为：
输出平面的复振幅分布u(x1,y1,z)为：
其中，(x1,y1)为输出平面的坐标，z为输出平面与衬底所在平面的距离，λ是自由空间波长，r是输出平面上坐标为(x1,y1)的点到衬底中心的距离；
输出平面的光强分布I(x1,y1,z)为：
I(x1,y1,z)＝|u(x1,y1,z)|2
其特征在于，计算子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)的方法，包括以下步骤：
步骤a、令φinit(x,y)＝φ0(x,y)+φ(x,y)并，对φinit(x,y)赋值，将赋值后的φinit(x,y)作为初始相位分布，组成入射光通过元件后的初始复振幅分布
步骤b、根据复振幅分布得到u(x1,y1,z)；
步骤c、目标3D结构光点阵的光强分布Igoal(x1,y1,z)为：
Igoal(x1,y1,z)＝|ugoal(x1,y1,z)|2＝|Bgoal(x1,y1,z)|2，
其中，ugoal(x1,y1,z)为目标3D结构光点阵的复振幅分布，Bgoal(x1,y1,z)为目标3D结构光点阵的实振幅分布；
步骤d、用Bgoal(x1,y1,z)替代u(x1,y1,z)中的实振幅，组成新的输出平面复振幅分布为：
步骤e、利用步骤d得到的新的输出平面复振幅分布根据如下公式：
得到新的入射光通过元件后的复振幅分布g(x,y)；
步骤f、步骤e中g(x,y)的实振幅用入射光实振幅A0(x,y)代替，相位部分保持不变，组成新的入射光通过元件后的复振幅分布为：
步骤g、计算入射光实振幅误差δg和输出平面实振幅误差δu分别为：
步骤h、判断入射光实振幅误差δg和输出平面实振幅误差δu是否均小于各自阈值，如果：
是，将复振幅分布写成返回步骤b；
否，迭代结束，按照以下公式：
计算得到子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)。
3.根据权利要求1或2所述的一种3D结构光产生元件，其特征在于，如果：
入射光为可见光，所述子结构的材料为二氧化钛或氮化镓，所述衬底的材料为二氧化硅；
入射光为红外光，所述子结构和所述衬底的组成材料均为硅。
4.一种确定3D结构光产生元件输出平面光强分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、确定入射光在衬底坐标(x,y)处的复振幅分布g0(x,y)
入射光在衬底坐标(x,y)处的复振幅分布g0(x,y)为：
其中，A0(x,y)为入射光在衬底坐标(x,y)处的振幅，φ0(x,y)为入射光在衬底坐标(x,y)处的相位，i为虚数单位；
步骤b、确定子结构的复振幅透过率t(x,y)
子结构的复振幅透过率t(x,y)为：
t(x,y)＝eiφ(x,y)
其中，φ(x,y)为待求相位分布；
步骤c、确定入射光通过子结构后的复振幅分布g(x,y)
入射光通过子结构后的复振幅分布g(x,y)为：
步骤d、确定输出平面的复振幅分布u(x1,y1,z)
输出平面的复振幅分布u(x1,y1,z)为：
其中，(x1,y1)为输出平面的坐标，z为输出平面与衬底所在平面的距离，λ是自由空间波长，r是输出平面上坐标为(x1,y1)的点到衬底中心的距离；
步骤e、确定输出平面的光强分布I(x1,y1,z)
输出平面的光强分布I(x1,y1,z)为：
I(x1,y1,z)＝|u(x1,y1,z)|2
步骤完毕。
5.一种3D结构光产生元件中子结构相位的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、令φinit(x,y)＝φ0(x,y)+φ(x,y)并，对φinit(x,y)赋值，将赋值后的φinit(x,y)作为初始相位分布，组成入射光通过元件后的初始复振幅分布
步骤b、根据复振幅分布得到u(x1,y1,z)；
步骤c、目标3D结构光点阵的光强分布Igoal(x1,y1,z)为：
Igoal(x1,y1,z)＝|ugoal(x1,y1,z)|2＝|Bgoal(x1,y1,z)|2，
其中，ugoal(x1,y1,z)为目标3D结构光点阵的复振幅分布，Bgoal(x1,y1,z)为目标3D结构光点阵的实振幅分布；
步骤d、用Bgoal(x1,y1,z)替代u(x1,y1,z)中的实振幅，组成新的输出平面复振幅分布为：
步骤e、利用步骤d得到的新的输出平面复振幅分布根据如下公式：
得到新的入射光通过元件后的复振幅分布g(x,y)；
步骤f、步骤e中g(x,y)的实振幅用入射光实振幅A0(x,y)代替，相位部分保持不变，组成新的入射光通过元件后的复振幅分布为：
步骤g、计算入射光实振幅误差δg和输出平面实振幅误差δu分别为：
步骤h、判断入射光实振幅误差δg和输出平面实振幅误差δu是否均小于各自阈值，如果：
是，将复振幅分布写成返回步骤b；
否，迭代结束，按照以下公式：
计算得到子结构在衬底坐标(x,y)处对应的相位φ(x,y)。
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-
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