CN110780452A

CN110780452A - 衍射光斑图案可调的衍射光学组件、投影装置、衍射方法

Info

Publication number: CN110780452A
Application number: CN201911128259.3A
Authority: CN
Inventors: 周飞亚; 李骊
Original assignee: Beijing HJIMI Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing HJIMI Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2020-02-11
Anticipated expiration: 2039-11-18
Also published as: CN110780452B

Abstract

本发明公开了衍射光斑图案可调的衍射光学组件、投影装置、衍射方法。设置第一衍射光学元件、第二衍射光学元件和可旋转光学支架；可旋转光学支架设有旋转机构，用于旋转第一衍射光学元件和/或第二衍射光学元件，以调节第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的光栅周期夹角。本发明在无需重新设计制备改变衍射光学元件的前提下，通过改变现有衍射光学元件的光栅周期夹角，可调整结构光深度相机的衍射图案形貌，具体包括衍射视场角、光点密度等，适应多种工作场景，节约器件开发成本，增强了结构光投影模组的灵活性。

Description

衍射光斑图案可调的衍射光学组件、投影装置、衍射方法

技术领域

本发明涉及结构光深度相机成像领域，尤其是一种衍射光斑图案可调的衍射光学组件、投影装置、衍射方法。

背景技术

基于结构光的深度相机精度适中且产品构件产业链成熟，该技术为当前深度测量领域所广泛使用的3D数据采集方案，其采用编码后的伪随机斑点光线簇作为光学探针，投射至空间物体，通过比对特征区域的漂移差得到具体的深度值。

投影模组是生成伪随机散斑点的关键器件，通常由光源、准直镜、衍射光学元件(Diffractive Optical Element,DOE)等构成。其中，DOE是基于衍射原理，在元件表面制备一系列具有一定周期、深度的光栅结构，控制入射到其上的光束的衍射方向、衍射强度，实现特定的衍射图案形貌。不同的使用场景对衍射形貌的需求(如视场角、散斑点密度等)不同，在光源、准直镜保持不变的前提下，衍射形貌与DOE的光栅结构一一对应，这意味着若想改变结构光的衍射图案，需要重新设计制备DOE，这将导致时间、成本的增加。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供衍射光斑图案可调的衍射光学组件、投影装置、衍射方法。

技术方案：一种衍射光斑图案可调的衍射光学组件，包括：第一衍射光学元件、第二衍射光学元件和可旋转光学支架；所述可旋转光学支架设有旋转机构，用于旋转第一衍射光学元件和/或第二衍射光学元件，以调节第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的光栅周期夹角。

进一步的，还包括夹角确定模块，用于根据工作场景确定第一衍射光学元件与第二衍射光学元件光栅周期夹角；所述可旋转光学支架根据夹角确定模块所确定的夹角调节旋转第一衍射光学元件和/或第二衍射光学元件。

进一步的，所述夹角确定模块包括：

特性参数选取模块，用于选取评价衍射效果的特性参数；

期望值/权重确定模块，用于根据工作场景确定特性参数的期望值和各特性参数的权重；

评价函数模块，用于根据特性参数的期望值和权重构造匹配度评价函数；

夹角遍历模块，用于由0到π按照预设步长逐渐增加第一衍射光学元件与第二衍射光学元件光栅周期夹角，获取不同光栅周期夹角下的特性参数实际值；

匹配度评价模块，用于计算各光栅周期夹角相应的匹配度评价函数值；

输出夹角模块：用于选取匹配度评价函数值最优时的光栅周期夹角，作为该工作场景下确定的衍射光学元件组合的光栅周期夹角输出。

优选的，所述第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的光栅周期长度相等、衍射级次相同、共光轴、且表面平行；可旋转光学支架的形状为方形。

或者，所述第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的光栅周期长度不相等、衍射级次不相同、不共光轴、表面不平行；可旋转光学支架的形状为圆形。

一种使用上述的衍射光斑图案可调的衍射光学组件的投影装置，包括光源和设置在光源出射光路上的衍射光斑图案可调的衍射光学组件。

进一步的，所述光源为垂直腔面发射激光器、激光二极管或发光二极管。

进一步的，所述光源与衍射光学元件组合中间设有准直透镜，用于对光源发出的光进行空间准直滤波，形成平行光束。

一种衍射光斑图案可调的衍射光学组件的衍射方法，包括如下步骤：

S1：根据工作场景确定第一衍射光学元件与第二衍射光学元件光栅周期夹角；

S2：调节第一衍射光学元件与第二衍射光学元件光栅周期夹角至步骤S1确定的夹角值。

进一步的，步骤S1中所述确定第一衍射光学元件与第二衍射光学元件光栅周期夹角具体采用如下方法：

S1.1：选取用于评价衍射效果的特性参数；

S1.2：根据工作场景确定特性参数的期望值和各特性参数的权重；

S1.3：根据特性参数的期望值和权重构造匹配度评价函数；

S1.4：由0到π按照预设步长逐渐增加第一衍射光学元件与第二衍射光学元件光栅周期夹角，获取不同光栅周期夹角下的特性参数实际值，计算各光栅周期夹角相应的匹配度评价函数值；

S1.5：选取匹配度评价函数值最优时的光栅周期夹角，作为该工作场景下确定的衍射光学元件组合的光栅周期夹角。

优选的，步骤S1.1中所述用于评价衍射效果的特性参数为：视场角和衍射光斑密度。

或者，步骤S1.1中所述用于评价衍射效果的特性参数为：衍射图案的有效点数和非相关系数。

有益效果：本发明在无需重新设计制备改变衍射光学元件的前提下，通过改变现有衍射光学元件的光栅周期夹角，可调整结构光深度相机的衍射图案形貌，具体包括衍射视场角、光点密度等，适应多种工作场景，节约器件开发成本，增强了结构光投影模组的灵活性。

附图说明

图1为实施例1投影装置的结构示意图；

图2为第一衍射光学元件对入射光束的衍射示意图；

图3为第一、第二衍射光学元件的光栅周期方向垂直时输出的衍射光斑示意图；

图4(a)为光源的输出衍射光斑示意图；

图4(b)、4(c)、4(d)为第一、第二衍射光学元件的光栅周期夹角为30°、60°、90°时的输出衍射光斑示意图；

图5为第一、第二衍射光学元件的光栅周期夹角确定方法流程图。

具体实施方式

下面通过结合实施例对本技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种衍射光斑图案可调的衍射光学组件和使用该组件的投影装置，投影装置包括光源101和设置在光源出射光路上的衍射光斑图案可调的衍射光学组件。

光源用于发出具有某一波长或某一波段波长的光，在此不作限定，光源发出光的波长可位于可见光波段或近红外波段，光源可以为垂直腔面发射激光器VCSEL、激光二极管LD或发光二极管LED，可以为面发射型或边发射型。

衍射光斑图案可调的衍射光学组件包括：第一衍射光学元件102、第二衍射光学元件103和可旋转光学支架104、105；第一衍射光学元件、第二衍射光学元件均为一维的衍射光学元件，沿某一方向具有周期性光栅结构；可旋转光学支架设有旋转机构，用于旋转第一衍射光学元件和/或第二衍射光学元件，结合附图可知，旋转的方向为绕光学元件光轴在图中水平面内旋转，以调节第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的光栅周期夹角。可旋转光学支架顺时针旋转或逆时针旋转均可，根据实际需要选取；可以仅旋转第一衍射光学元件或第二衍射光学元件，也可以同时旋转，只要改变二者相对的光栅周期夹角即可，因此，可旋转光学支架可以安装在第一衍射光学元件或第二衍射光学元件周围，也可以二者均安装，即图中104、105，可旋转光学支架能够带动第一、第二衍射光学元件在图中的水平面内旋转。具体的旋转机构内部结构可根据现有技术设置，例如使用齿轮传动或传送带等。

还包括夹角确定模块，用于根据工作场景确定第一衍射光学元件与第二衍射光学元件光栅周期夹角；可旋转光学支架根据夹角确定模块所确定的夹角调节旋转第一衍射光学元件和/或第二衍射光学元件。

夹角确定模块包括：

特性参数选取模块，用于选取评价衍射效果的特性参数；

投影装置的原理简述如下：两片衍射光学元件依次对光源光束进行衍射分束，在不改变两片衍射光学元件各自光栅微结构的前提下，调整两片衍射光学元件的光栅周期夹角，控制衍射光线的出射方向，可获得具有不同视场角、衍射光斑密度的衍射图案，适应不同的工作场景。

本实施例中第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的光栅周期长度相等、衍射级次相同、共光轴、且表面平行；可旋转光学支架的形状与第一衍射光学元件、第二衍射光学元件的形状均为方形，实际实施时可旋转光学支架的形状与第一衍射光学元件、第二衍射光学元件的形状可以不同，三者均可采用各种形状，方形、五边形等均可，根据需要进行常规设置。

使用上述衍射光斑图案可调的衍射光学组件的衍射方法，包括如下步骤：

S1：根据工作场景确定第一衍射光学元件与第二衍射光学元件光栅周期夹角；具体采用如下方法：

S1.1：选取用于评价衍射效果的特性参数；本实施例中选取的特性参数为：视场角和衍射光斑密度；

S1.2：根据工作场景确定特性参数的期望值和各特性参数的权重；该期望值即为该工作场景下的指标需求；此处的权重是结合工作场景和已知的产品功能等因素确定。例如，相比于近距离场景，应用于远距离时的光点分布更稀疏，需相应增加光斑密度这一参数的赋值权重。又比如，相同距离下进行轨迹追踪、骨架识别时，骨架识别对深度数据的需求量更大，增加光斑密度权重利于提升产品性能；而大视场角有助于在更大范围内对探测目标的运动轨迹进行检测，可增加视场角这一指标参数的权重。以上确定各特性参数权重的过程是本领域技术人员根据技术常识作出的。

S1.3：根据特性参数的期望值和权重构造匹配度评价函数；

S1.4：由0到π按照预设步长逐渐增加第一衍射光学元件与第二衍射光学元件光栅周期夹角，获取不同光栅周期夹角下的特性参数实际值，计算各光栅周期夹角相应的匹配度评价函数值；本实施例中的视场角和衍射光斑密度均由实验获取，即遍历各光栅周期夹角，观测实际投影出的光斑图，根据图像计算视场角和衍射光斑密度。

S2：调节第一衍射光学元件与第二衍射光学元件光栅周期夹角至步骤S1确定的夹角值，即使用本实施例衍射光斑图案可调的衍射光学组件进行调节，调节后则使用衍射光斑图案可调的衍射光学组件的投影装置可投影出符合工作场景的光斑图案。

如图2所示，本技术方案的实施原理如下，入射到第一衍射光学元件上的光发生第一次衍射，被衍射为m级光束。以第一衍射光学元件的中心为原点O₁，光栅周期方向为X₁轴，光栅栅条方向为Y₁轴，第一衍射光学元件的法线方向为Z₁轴建立坐标系，则坐标系X₁Y₁Z₁中，各级衍射光的衍射方向由如下光栅方程决定：

sinθ_msinφ_m＝sinθsinφ (2)

上式中，θ为入射光的入射极角，φ为入射光的入射方位角，θ_m为第m级衍射光束的衍射极角(即衍射光束矢量与Z₁轴之间的夹角)，φ_m为第m级光束的衍射方位角(即衍射光束矢量在X₁Y₁Z₁平面上的投影矢量与X₁轴之间的夹角)，λ为入射光波长，d₁为光栅周期长度。

θ_m、φ_m的计算公式如下

如图3所示，由第一衍射光学元件出射的衍射光束入射到第二衍射光学元件上发生第二次衍射，第一次衍射的m级光束中的每一级又被衍射为n级，各衍射级方向均同样由光栅方程决定。建立以第二衍射光学元件的中心为原点O₂，光栅周期方向为X₂轴，光栅栅条方向为Y₂，第二衍射光学元件的法线方向为Z₂轴的坐标系X₂Y₂Z₂，则n级衍射光的衍射方向由如下光栅方程决定：

sinθ_nsinφ_n＝sinθ′sinφ′ (6)

上式中，θ′为第二衍射光学元件上各入射光的入射极角，φ′为入射光的入射方位角，θ_n为第n级衍射光束的衍射极角，φ_n为第n级光束的衍射方位角，λ为入射光波长，d₂为光栅周期长度。

θ_n、φ_n的计算公式如下

第二衍射光学元件的入射极角、入射方位角与第一衍射光学元件的衍射极角、衍射方位角满足如下关系：

θ′＝θ_m (9)

上式中，

为X₁轴、X₂轴的夹角，即两衍射光学元件的光栅周期夹角。

由公式(1)-(10)可知，经过两片衍射光学元件的共同作用，一共可形成m×n级衍射光束，且这m×n级衍射光的衍射方向由第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的光栅周期夹角决定。

以发光点随机排布的VCSEL激光器作为光源，第一、第二衍射光学元件保持平行，第一、第二衍射光学元件光栅周期夹角

衍射级次m＝3、n＝3为例，说明本发明提出的结构光光斑投影装置在改变衍射图案方面的作用。

如图4(a)所示，光源为发光点随机排布的VCSEL激光器，图4(b)、4(c)、4(d)分别为第一、第二衍射光学元件光栅周期夹角为30°、60°、90°时的投影装置输出衍射光斑。可以看出，随着光栅周期夹角不同，衍射光斑形貌随之发生改变，具体表现在视场角、散斑点密度的改变。

衍射图案的视场宽度W、高度H如图4(b)、4(c)、4(d)中所示，水平视场角HFOV、垂直视场角VFOV定义如下：

上式中，d为衍射面与第二衍射光学元件的距离。

视场内的散斑点密度定义如下：

上式中，Dot Number为视场内的散斑点数量，S为视场面积。

衍射光学元件组合的光栅周期夹角确定方法如图5所示。

步骤501执行需求定位步骤：根据工作场景确定视场角、衍射光斑密度两个指标的目标值，分别用FOV_ideal、Density_ideal表示。但在设计DOE时，很难使得实际获得的视场角、光斑密度完全匹配场景需求，需要优化设计以使得性能指标尽可能与目标值接近，步骤502～505为本方法的优化过程。

步骤502执行评价函数构造步骤：分别对视场角、光斑密度两个指标的权重进行赋值，用k₁、k₂表示，并构造如下评价函数

上式中，k₁+k₂＝1，FOV_i、Density_i分别表示光栅周期夹角为时的视场角与衍射光斑密度，优化方向倾向于权重值更高的指标。

步骤503执行夹角遍历步骤：由0到π按照一定步长逐渐增加光栅周期夹角的值，并计算不同取值下的视场角FOV_i与衍射光斑密度Density_i。

的增加步长越小，计算精度越高，但会导致遍历时间延长，计算量增大，故步长的取值需对计算效率与性能指标进行统筹考虑。

步骤504执行匹配度计算步骤：将步骤503得到的FOV_i、Density_i代入公式(8)，计算相应评价函数值。

步骤505执行选择输出步骤：筛选出步骤504中匹配度最高，即Merit Function_i值最小时对应的光栅周期夹角

将其作为衍射光学元件组合的光栅周期夹角输出。

实施例2

本实施例与实施例1的方案基本相同，不同之处在于，本实施例中光源与衍射光学元件组合中间设有准直透镜，用于对光源发出的光进行空间准直滤波，形成平行光束。

实施例3

本实施例与实施例1的方案基本相同，不同之处在于，本实施例中第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的光栅周期长度不相等。

实施例4

本实施例与实施例1的方案基本相同，不同之处在于，本实施例中第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的衍射级次不相同。

实施例5

本实施例与实施例1的方案基本相同，不同之处在于，本实施例中第一衍射光学元件与第二衍射光学元件不共光轴。

实施例6

本实施例与实施例1的方案基本相同，不同之处在于，本实施例中第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的表面不平行。

实施例7

本实施例与实施例1的方案基本相同，不同之处在于，本实施例中可旋转光学支架的形状为圆形。

实施例8

本实施例与实施例1的方案基本相同，不同之处在于，本实施例的方法步骤S1.1中用于评价衍射效果的特性参数为：衍射图案的有效点数和非相关系数。

以上仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种衍射光斑图案可调的衍射光学组件，其特征在于，包括：第一衍射光学元件、第二衍射光学元件和可旋转光学支架；所述可旋转光学支架设有旋转机构，用于旋转第一衍射光学元件和/或第二衍射光学元件，以调节第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的光栅周期夹角。

2.根据权利要求1所述的衍射光斑图案可调的衍射光学组件，其特征在于，还包括夹角确定模块，用于根据工作场景确定第一衍射光学元件与第二衍射光学元件光栅周期夹角；所述可旋转光学支架根据夹角确定模块所确定的夹角调节旋转第一衍射光学元件和/或第二衍射光学元件。

3.根据权利要求2所述的衍射光斑图案可调的衍射光学组件，其特征在于，所述夹角确定模块包括：

特性参数选取模块，用于选取评价衍射效果的特性参数；

4.根据权利要求1所述的衍射光斑图案可调的衍射光学组件，其特征在于，所述第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的光栅周期长度相等、衍射级次相同、共光轴、且表面平行；可旋转光学支架的形状为方形。

5.根据权利要求1所述的衍射光斑图案可调的衍射光学组件，其特征在于，所述第一衍射光学元件与第二衍射光学元件的光栅周期长度不相等、衍射级次不相同、不共光轴、表面不平行；可旋转光学支架的形状为圆形。

6.一种使用如权利要求1-5中任一项所述的衍射光斑图案可调的衍射光学组件的投影装置，其特征在于，包括光源和设置在光源出射光路上的衍射光斑图案可调的衍射光学组件。

7.一种衍射光斑图案可调的衍射光学组件的衍射方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的衍射光斑图案可调的衍射光学组件的衍射方法，其特征在于，步骤S1中所述确定第一衍射光学元件与第二衍射光学元件光栅周期夹角具体采用如下方法：

S1.1：选取用于评价衍射效果的特性参数；

S1.3：根据特性参数的期望值和权重构造匹配度评价函数；

9.根据权利要求8所述的衍射光斑图案可调的衍射光学组件的衍射方法，其特征在于，步骤S1.1中所述用于评价衍射效果的特性参数为：视场角和衍射光斑密度。

10.根据权利要求8所述的衍射光斑图案可调的衍射光学组件的衍射方法，其特征在于，步骤S1.1中所述用于评价衍射效果的特性参数为：衍射图案的有效点数和非相关系数。