CN217467226U - 一种超表面结构及点云发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超表面结构及点云发生器，其中，该超表面结构包括：基底和多个第一纳米结构，多个所述第一纳米结构周期性排列设置在所述基底的一侧；所述第一纳米结构被配置为对入射光进行补偿枕型失真且点云生成的相位调制，将所述入射光调制为畸变值小于预设阈值的点云。通过本实用新型实施例提供的超表面结构及点云发生器，将该超表面结构的第一纳米结构所调制的相位设计为能够补偿枕型失真，实现预补偿；利用该超表面结构生成点云时，第一纳米结构能够对枕型失真的点云进行补偿，从而能够消除枕型畸变，生成基本无失真的点云，能够提高使用精度。

Description

一种超表面结构及点云发生器

技术领域

本实用新型涉及点云生成技术领域，具体而言，涉及一种超表面结构及点云发生器。

背景技术

传统的点云发生器基于衍射光学元件(DOE)实现，在设计过程中一般使用G-S(Gerchberg-Saxton)算法或IFT(迭代傅里叶变换)算法等相位恢复算法，该类相位恢复算法的目标函数一般在k域(k-space)，但是实际使用中在空间域(x-y域)观察；由于空间域与k域为非线性关系，故k域的目标函数会在空间域导致枕型失真，根据此算法得到的点云产生器发出的点云均有“枕型”失真，特别是在较大角度(例如，10°以上)时，从而影响使用精度；例如影响距离传感精度、三维相机的精度等。

传统点云发生器在观察平面的(x-y域)的点云投影可参见图1A和图1B所示，在角度较大时存在明显枕型畸变。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种超表面结构及点云发生器。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种超表面结构，包括：基底和多个第一纳米结构，多个所述第一纳米结构周期性排列设置在所述基底的一侧；

所述第一纳米结构被配置为对入射光进行补偿枕型失真且点云产生的相位调制，将所述入射光调制为畸变值小于预设阈值的点云。

在一种可能的实现方式中，所述第一纳米结构对所述入射光所调制的相位为基于补偿后的k域坐标所恢复得到的相位；所述k域坐标为对无失真的空间域坐标进行桶形膨胀后所确定的坐标。

在一种可能的实现方式中，所述k域坐标满足：

其中，x,y,z表示所述空间域坐标，k_x,k_y表示所述k域坐标。

在一种可能的实现方式中，所述预设阈值小于或等于2％。

在一种可能的实现方式中，所述基底在工作波段透明。

在一种可能的实现方式中，所述第一纳米结构所用材料的折射率大于所述基底所用材料的折射率。

在一种可能的实现方式中，超表面结构还包括填充材料；

所述填充材料填充于所述第一纳米结构之间；

所述填充材料的折射率与所述第一纳米结构的折射率之间差值的绝对值大于或等于0.5。

在一种可能的实现方式中，所述第一纳米结构所用材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅中的至少一种；

所述基底所用材料包括石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃中的至少一种。

在一种可能的实现方式中，超表面结构还包括：多个第二纳米结构；

多个所述第二纳米结构周期性排列设置在所述基底的入光侧，多个所述第一纳米结构设置在所述基底的出光侧；

所述第二纳米结构被配置为对入射光进行准直。

在一种可能的实现方式中，所述第一纳米结构所调制的相位是：用于补偿枕型失真且点云产生的相位以及对入射光进行准直的相位的叠加。

在一种可能的实现方式中，所述点云为周期阵列排列的点阵；或者，

所述点云为随机阵列排列的点阵；或者，

所述点云为多个排列周期小于单个点阵尺寸的准泛光照明；或者，

所述点云为周期阵列排列、随机阵列排列和准泛光照明的组合。

在一种可能的实现方式中，所述第一纳米结构投影所述点云的最大半视场角大于或等于10°。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种点云发生器，包括：光源和如上所述的超表面结构；所述超表面结构位于所述光源的出光侧。

本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，利用纳米结构能够调制相位的特点，将该超表面结构的第一纳米结构所调制的相位设计为能够补偿枕型失真以及能够生成点云，实现预补偿；且利用该超表面结构生成点云时，第一纳米结构能够对枕型失真的点云进行补偿，从而能够消除枕型畸变，生成标准无失真(或失真较小)的点云，能够提高使用精度。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，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1A示出了传统点云发生器生成的阵列排列的点云图；

图1B示出了传统点云发生器生成的随机排列的点云图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的超表面结构的一种结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的超表面结构的一种应用场景示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的超表面结构的另一种结构示意图；

图5A示出了实施例1中超表面结构的相位分布图；

图5B示出了实施例1中点云发生器所生成的点云图；

图6A示出了实施例2中超表面结构的相位分布图；

图6B示出了实施例2中点云发生器所生成的点云图。

图标：

11-基底、12-第一纳米结构、13-第二纳米结构、14-填充材料、100-光源、200-点云。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供一种超表面结构，该超表面结构用于生成点云。参见图2所示，该超表面结构包括：基底11和多个第一纳米结构12，多个第一纳米结构12周期性排列设置在基底11的一侧。该第一纳米结构12被配置为对入射光进行补偿枕型失真且点云产生的相位调制，将入射光调制为畸变值小于预设阈值的点云。

本实用新型实施例中，该第一纳米结构12为柱形结构，设置在基底11的一侧。该第一纳米结构12为一种纳米天线，能够直接调控光的相位等，当光线入射至该超表面结构后，该第一纳米结构12能够对该入射的光线进行相位调制。其中，该第一纳米结构12所实现的相位调制功能能够补偿枕型失真外加生成点云，即该第一纳米结构12通过对入射光进行相位调制，达到补偿枕型失真的作用，以能够生成无畸变的点云。在未做补偿的情况下，所生成的点云存在枕型畸变(枕型失真)，在基于本实用新型实施例提供的超表面结构生成点云时，由于该第一纳米结构所调制的相位除能够生成点云外，还能够补偿枕型失真，其能够对枕型失真进行预补偿；用于生成点云的入射光入射至该超表面结构后，该第一纳米结构能够补偿枕型失真以及生成点云，可以对所生成的点云补偿枕型失真，从而生成基本上不存在失真问题的点云；例如，可以在观察面(空间域)生成不存在枕型失真的点云图案。

本实用新型实施例中，该超表面结构所形成点云的畸变值小于预设阈值。一般情况下，在畸变值小于4％时，人眼不易察觉到因畸变引起的图像变形，例如，该预设阈值可以为4％。可选地，由于纳米结构的设计自由度较高，通过合理的设计可以有效减小畸变，使得该畸变值能够更小。例如，该预设阈值小于或等于2％。例如，该预设阈值为1％、0.5％等；该超表面结构能够应用到对精度要求较高的场景。

例如，以该超表面结构为透射式超表面为例，参见图3所示，光源100用于向超表面结构出射用于生成点云的光线，该超表面结构通过对该光线进行相位调制，能够在远处的平面生成无失真的点云200，投影到平面上的点云200是无畸变的；图3以该点云200为方形为例示出。

本领域技术人员可以理解，图2、图3仅是示意性示出了该超表面结构的结构图，但并不用于限定该超表面结构中基底11、第一纳米结构12的形状、尺寸、周期性排列方式等；例如，该第一纳米结构12可以为图2所示的圆柱形结构，也可以为方柱结构、圆环柱结构等；多个第一纳米结构12可以按照正方形、正六边形等方式排列，第一纳米结构21可以位于该正方形、正六边形的顶点和中心位置，本实施例对此均不做限定。

本实用新型实施例提供的一种超表面结构，利用纳米结构能够调制相位的特点，将该超表面结构的第一纳米结构21所调制的相位设计为能够补偿枕型失真以及能够生成点云，实现预补偿；且利用该超表面结构生成点云时，第一纳米结构21能够对枕型失真的点云进行补偿，从而能够消除枕型畸变，生成标准无失真(或失真较小)的点云，能够提高使用精度。

可选地，该第一纳米结构12对入射光所调制的相位为基于补偿后的k域坐标所恢复得到的相位；k域坐标为对无失真的空间域坐标进行桶形膨胀后所确定的坐标。

本实用新型实施例中，采用传统的相位恢复算法来确定该第一纳米结构12所调制的相位，例如G-S算法、IFT算法等。具体地，可以先确定无畸变观察面上的坐标，该坐标为空间域中的坐标，即上述的“空间域坐标”；之后通过对该空间域坐标进行桶形膨胀，可以将该空间域坐标转换为k域坐标，且该k域坐标呈桶形，用于进行预补偿；并且可以计算出与补偿后在k域的目标函数T_k(k_x,k_y)，其中，k_x,k_y表示预补偿所确定的k域坐标。本实施例中，可以根据衍射角度来确定膨胀程度，以使得预补偿后的k域坐标能够正好补偿枕型失真，使得点云的畸变值小于预设阈值。在确定该k域的目标函数T_k(k_x,k_y)后，基于G-S算法、IFT算法等相位恢复算法即可恢复得到相应的相位，该相位即为第一纳米结构所要调制的相位；基于该相位找到对应的纳米结构作为相应位置处的第一纳米结构12，之后即可设计版图并加工，得到该超表面结构。

可选地，本实用新型实施例可以采用如下的公式(1)实现桶形膨胀，其所确定的k域坐标k_x,k_y满足：

其中，x,y,z表示空间域坐标，k_x,k_y表示k域坐标。

本实用新型实施例中，利用上式(1)可以将无失真的空间域观察面转换为预补偿的k域坐标，进而基于相位恢复算法可以确定不同位置处的第一纳米结构12的相位。此外，也可采用其他的方式实现桶形膨胀以确定k域坐标，只需要保证该k域坐标能够对枕型失真进行预补偿即可，本实施例对此不做限定。

在一些实施例中，该超表面结构为透射式的超表面，其基底11为透明的，例如，基底11在工作波段透明。其中，该工作波段为入射光所在波段，该超表面结构能够将该入射光转换为点云。例如，该工作波段可以包括可见光波段、红外波段、近红外波段等。本实施例中的“透明”指的是对入射光的透射率高于一定阈值，该阈值例如可以为90％、95％等。

可选地，该第一纳米结构12所用材料的折射率大于基底11所用材料的折射率。例如，该第一纳米结构12所用材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅中的至少一种；基底11所用材料包括石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃中的至少一种。

可选地，参见图4所示，该超表面结构还包括：多个第二纳米结构13；多个第二纳米结构13周期性排列设置在基底11的入光侧，多个第一纳米结构12设置在基底11的出光侧；第二纳米结构13被配置为对入射光进行准直。

本实用新型实施例中，该第一纳米结构12用于对准直的光线进行相位调制；其中，该超表面结构的另一侧设有用于实现光线准直的纳米结构，即第二纳米结构13。如图4所示，光源100位于该超表面结构的下方，则该超表面结构的下侧为入光侧、上侧为出光侧。该第二纳米结构13位于靠近光源100的一侧，该侧为入光侧；该第一纳米结构12位于远离光源100的另一侧，该侧为出光侧。光源100发出的光线先射向第二纳米结构13，该第二纳米结构13对光源100发出的光线进行准直，进而准直后的光线能够透过透明的基底11并射向第一纳米结构11，在第一纳米结构11的相位调制作用下生成无畸变的点云。

或者可选地，该第一纳米结构11本身集成了准直以及生成点云的功能。具体地，该第一纳米结构11所调制的相位是：用于补偿枕型失真且点云产生的相位以及对入射光进行准直的相位的叠加；即，第一纳米结构所调制的相位是两部分相位的叠加，其中一部分相位是“用于补偿枕型失真且点云产生的相位”，另一部分是“对入射光进行准直”，本实施例提供的第一纳米结构11集成了上述图4所示实施例中第一纳米结构11的功能(补偿枕型失真且点云产生)和第二纳米结构13的功能(对入射光进行准直)。

例如，第一纳米结构11所调制的相位可以设在0至2π之间，该第一纳米结构11所调制的相位可以满足：

其中，

表示该第一纳米结构11所调制的相位，

表示用于补偿枕型失真且点云产生的相位，

表示对入射光进行准直，mod()表示取余函数。例如，在上述图4所对应的实施例中，第一纳米结构11所调制的相位为

其可以实现补偿枕型失真+点云生成两种功能，第二纳米结构13所调制的相位为

其能实现准直的功能。本实用新型实施例中，该第一纳米结构13叠加了上述两种相位，其能够实现补偿枕型失真、点云生成、准直三种功能。本实用新型实施例所提供的超表面结构中，第一纳米结构11可以集成多种所需的功能，具有更高的集成度。

本领域技术人员可以理解，本实施例并不具体限定该超表面结构的哪一侧为入光侧、哪一侧为出光侧，只需将该第一纳米结构12和第二纳米结构12分别设置在基底11的两侧即可；在应用该超表面结构时，将第二纳米结构13所在一侧靠近光源100设置即可。

可选地，参见图4所示，该超表面结构还包括填充材料14；填充材料14填充于第一纳米结构12之间；该填充材料14的折射率与第一纳米结构12的折射率之间差值的绝对值大于或等于0.5。本实用新型实施例中，在第一纳米结构12之间填充有该填充材料14，可以起到保护第一纳米结构12的作用；并且，二者折射率之间差值的绝对值不小于0.5，可以有效保证第一纳米结构12的相位调制效果。此外可选地，该第二纳米结构13之间也可填充该填充材料14，图4中未示出。

可选地，该超表面结构所生成的点云可以是周期阵列排列的点阵；或者，该点云也可以为随机阵列排列的点阵；或者，该点云为多个排列周期小于单个点阵尺寸的准泛光照明；或者，该点云为周期阵列排列、随机阵列排列和准泛光照明的组合，具体可基于实际需求而定。其中，点云是多个点形成的点阵，单个点阵即对应其中的一个点；点云的排列周期可以为相邻的两个点之间的距离，例如相邻两个点的中心位置之间的距离。若点云的排列周期小于单个点阵的尺寸，即单个点阵的尺寸大于或等于点云的排列周期，则相邻的两点之间存在重叠，使得点云可以比较均匀地覆盖需要透射的目标区域，从而能够在目标区域形成准泛光照明，该准泛光照明也是无畸变的。

此外可选地，传统点云发生器在视场角较大时易产生枕型畸变，本实用新型实施例提供的超表面结构能够补偿该枕型畸变，从而能够投影出大视场角的点云。具体地，该第一纳米结构12投影点云的最大半视场角大于或等于10°；例如，该最大半视场角可以为15°、20°等。

本实用新型实施还提供一种点云发生器，如图3和图4所示，该点云发生器包括：光源100和如上任一实施例提供的超表面结构；该超表面结构位于光源100的出光侧，从而能够将光源100发出的光线转换为无畸变的点云。其中，该光源100可以包括VCSEL(垂直腔面激光器)或基于EEL(边发射激光器)的面阵光源等，也可采用其他激光光源，本实施例对此不做限定。利用该超表面结构代替传统点云发生器中的DOE(衍射光学元件)，可以对相位做预补偿，能够补偿枕型失真。

下面通过两个实施例详细介绍该点云发生器的功能。

实施例1

本实用新型实施例1提供了而一种预补偿枕型失真的ToF点云发生器，该点云发生器包含上述提供的超表面结构，用于生成阵列排列的点云。该点云发生器的具体参数可参见下表1所示：

表1

项目	数值
		第一纳米结构类型、周期	四边形纳米柱、550nm
第一纳米结构高度	600nm
		第一纳米结构材料	非晶硅
基底材料	熔凝石英
		超表面结构尺寸	2.15mm
点云排列方式、最大角度、点数	正四边形、40°、225

图5A示出了该点云发生器中超表面结构的相位图，图5B示出了此点云发生器在远场的点云图；由图5B可知，该点云生成器能够生成没有明显枕型失真的点云。

实施例2

本实用新型实施例2提供了而一种预补偿枕型失真的点云发生器，该点云发生器包含上述提供的超表面结构，用于生成随机排列的点云。该点云发生器的具体参数可参见下表2所示：

表2

项目	数值
		第一纳米结构类型、周期	四边形纳米柱、550nm
第一纳米结构高度	600nm
		第一纳米结构材料	非晶硅
基底材料	熔凝石英
		超表面结构尺寸	2.15mm
点云排列方式、最大角度	随机点阵、70°

图6A示出了该点云发生器中超表面结构的相位图，图6B示出了此点云发生器在远场的点云图；由图6B可知，该点云生成器能够生成没有明显枕型失真的点云。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种超表面结构，其特征在于，包括：基底(11)和多个第一纳米结构(12)，多个所述第一纳米结构(12)周期性排列设置在所述基底(11)的一侧；

所述第一纳米结构(12)被配置为对入射光进行补偿枕型失真且点云产生的相位调制，将所述入射光调制为畸变值小于预设阈值的点云。

2.根据权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，所述第一纳米结构(12)对所述入射光所调制的相位为基于补偿后的k域坐标所恢复得到的相位；所述k域坐标为对无失真的空间域坐标进行桶形膨胀后所确定的坐标。

3.根据权利要求2所述的超表面结构，其特征在于，所述k域坐标满足：

其中，x,y,z表示所述空间域坐标，k_x,k_y表示所述k域坐标。

4.根据权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，所述预设阈值小于或等于2％。

5.根据权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，所述基底(11)在工作波段透明。

6.根据权利要求5所述的超表面结构，其特征在于，所述第一纳米结构(12)所用材料的折射率大于所述基底(11)所用材料的折射率。

7.根据权利要求6所述的超表面结构，其特征在于，还包括填充材料(14)；

所述填充材料(14)填充于所述第一纳米结构(12)之间；

所述填充材料(14)的折射率与所述第一纳米结构(12)的折射率之间差值的绝对值大于或等于0.5。

8.根据权利要求6所述的超表面结构，其特征在于，所述第一纳米结构(12)所用材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅中的至少一种；

所述基底(11)所用材料包括石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃中的至少一种。

9.根据权利要求5所述的超表面结构，其特征在于，还包括：多个第二纳米结构(13)；

多个所述第二纳米结构(13)周期性排列设置在所述基底(11)的入光侧，多个所述第一纳米结构(12)设置在所述基底(11)的出光侧；

所述第二纳米结构(13)被配置为对入射光进行准直。

10.根据权利要求5所述的超表面结构，其特征在于，所述第一纳米结构(12)所调制的相位是：用于补偿枕型失真且点云产生的相位以及对入射光进行准直的相位的叠加。

11.根据权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，

所述点云为周期阵列排列的点阵；或者，

所述点云为随机阵列排列的点阵；或者，

所述点云为多个排列周期小于单个点阵尺寸的准泛光照明；或者，

所述点云为周期阵列排列、随机阵列排列和准泛光照明的组合。

12.根据权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，所述第一纳米结构(12)投影所述点云的最大半视场角大于或等于10°。

13.一种点云发生器，其特征在于，包括：光源(100)和如权利要求1-12任意一项所述的超表面结构；

所述超表面结构位于所述光源(100)的出光侧。

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