衍射器件及其设计方法、光学系统与流程

本发明涉及光学，尤其涉及一种衍射器件及其设计方法、光学系统。

背景技术：

1、用于三维深度感知的光学系统通常包括发射模组和接收模组。发射模组利用激光器、准直光学元件以及衍射器件，将入射光调制为点阵、散斑或其他空间编码图案并投射到待测目标表面。接收模组采集待测目标中待测物体表面上的投影图案，并通过三角测量、相关匹配、编码识别或联合解算方法恢复待测物体的深度信息。

2、现有光学系统设计通常以整体均匀、中心对称为主要目标，即尽量使各衍射级在目标视场内规则排布，且各衍射级对应的能量接近一致。该类设计便于器件实现和标准化应用，然而在实际系统中，对于目标区域优先感知场景，待测目标各区域的信息价值不同，视场内不同区域对于深度恢复和识别决策的重要性和识别难度存在明显差异，现有的均匀能量设计方案无法针对实际场景的感知需求调整能量分布，会导致高信息价值区域信噪比不足，低信息价值区域存在能量浪费，反而降低了整体深度感知的精度，同时也增加了不必要的能耗。

3、同时接收端镜头畸变、相对照度衰减、离轴像差、局部遮挡和表面反射差异也会导致不同区域的可检测性不一致。因此，仅追求全局均匀和对称的光场分布，并非对应系统级最优结果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种衍射器件及其设计方法、光学系统，以解决现有衍射器件设计采用全局均匀能量方案，无法适配实际场景不同区域信息价值差异，导致高价值区域信噪比不足、能量分配不合理的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种衍射器件的设计方法，包括以下步骤：获取待测目标的任务区域匹配信息和输出面的成像响应信息；根据所述任务区域匹配信息和成像响应信息，在输出面上构建目标光场分布的联合约束模型；基于所述联合约束模型，通过迭代优化算法求解输入面的相位分布；将所述相位分布映射为衍射器件的微结构参数。

3、根据本发明的一个实施方式，所述任务区域匹配信息包括待测目标不同区域的优先级信息和/或局部难度匹配信息。

4、根据本发明的一个实施方式，所述“构建目标光场分布的联合约束模型”，具体包括：根据所述任务区域匹配信息和成像响应信息确定目标衍射级位置集合和目标能量权重集合；所述目标衍射级位置集合用于限定输出面上各衍射级的位置，所述目标能量权重集合用于限定各衍射级对应的能量权重；基于所述目标衍射级位置集合与目标能量权重集合在输出面上建立目标点集；以所述目标点集为约束，构造目标输出面复振幅。

5、根据本发明的一个实施方式，所述成像响应信息包括所述输出面的不同空间区域对应的接收镜头的畸变、相对照度衰减、离轴像差、相对孔径差异以及表面反射率分布信息中的至少一种；

6、所述目标能量权重集合根据所述成像响应信息在所述输出面的不同空间区域被设定为不同值，其中能量权重较高的空间区域对应于所述成像响应信息中成像质量较差的区域。

7、根据本发明的一个实施方式，所述任务区域匹配信息包括待测目标在预设方向上的多个层级区域及每个层级区域对应的优先级信息；

8、所述目标能量权重集合根据所述任务区域匹配信息在不同层级区域被设定为不同值，其中优先级较高的层级区域被分配较大的能量权重。

9、根据本发明的一个实施方式，所述迭代优化算法为加权gerchberg-saxton算法、加权迭代傅里叶变换算法、梯度优化算法或深度学习辅助相位求解算法。

10、根据本发明的一个实施方式，所述迭代优化算法采用加权gerchberg-saxton算法，包括如下步骤：s1：基于入射振幅在输入面设定第一输入面复振幅，将第一输入面复振幅正向衍射至输出面，得到第一输出面复振幅；s2：提取所述第一输出面复振幅光场的第一输出面相位，并结合所述目标输出面复振幅的目标振幅，构造第二输出面复振幅；s3：将第二输出面复振幅反向衍射回输入面，得到第二输入面复振幅；提取第二输入面复振幅的输入面相位，并结合所述入射振幅更新第一输入面复振幅；s4：重复步骤s1至s3，直至第一输出面复振幅满足预设要求，将第二输入面复振幅的输入面相位作为所述衍射器件的相位分布。

11、根据本发明的一个实施方式，所述“直至第一输出面复振幅满足预设要求”，具体包括步骤：根据评价函数计算第一输出面复振幅与目标输出面复振幅之间的优化误差，当计算得到的优化误差收敛于预设阈值时，判定满足预设要求，否则判定不满足预设要求。

12、根据本发明的一个实施方式，所述评价函数至少包括位置误差项和能量误差项。

13、根据本发明的一个实施方式，所述评价函数还包括零级抑制项和/或旁瓣泄漏抑制项；所述优化误差表达式如下：j=α·j_pos+β·j_energy+γ·j_zero+δ·j_leak，其中j为优化误差，j_pos为所述位置误差项，j_energy为所述能量误差项，j_zero为零级抑制项；j_leak为旁瓣泄漏抑制项，α、β、γ、δ为均权重系数，所述权重系数在迭代过程中固定或动态调整。

14、根据本发明的一个实施方式，所述设计方法还包括：将求解得到的相位分布与预设的准直相位、聚焦相位、离焦扩展相位、场曲补偿相位或畸变补偿相位中的至少一种进行叠加，获得一体化投影相位；根据所述一体化投影相位映射得到衍射器件的微结构参数。

15、本发明还提供一种衍射器件，包括基底以及设置于基底上的微结构，所述微结构的微结构参数由所述衍射器件所在的入射面处的相位分布映射得到；所述相位分布根据在所述衍射器件的输出面上的目标光场分布的联合约束模型求解；所述联合约束模型基于待测目标的任务区域匹配信息和所述输出面的成像响应信息在所述输出面上构建；所述微结构用于将入射光调制为在所述输出面上与所述联合约束模型匹配的光场分布。

16、根据本发明的一个实施方式，所述任务区域匹配信息包括待测目标不同区域的优先级信息和/或局部难度匹配信息；所述联合约束模型包括根据所述任务区域匹配信息和成像响应信息确定的目标衍射级位置集合和目标能量权重集合。

17、根据本发明的一个实施方式，所述成像响应信息包括所述输出面的不同空间区域对应的接收镜头的畸变、相对照度衰减、离轴像差、相对孔径差异以及表面反射率分布信息中的至少一种；

18、所述目标能量权重集合根据所述成像响应信息在所述输出面的不同空间区域被设定为不同值，其中能量权重较高的空间区域对应于所述成像响应信息中成像质量较差的区域。

19、根据本发明的一个实施方式，所述任务区域匹配信息包括待测目标在预设方向上的多个层级区域及每个层级区域对应的优先级信息；

20、所述目标能量权重集合根据所述任务区域匹配信息在不同层级区域被设定为不同值，其中优先级较高的层级区域被分配较大的能量权重。

21、根据本发明的一个实施方式，所述衍射器件为衍射光学元件或超表面光学元件。

22、根据本发明的一个实施方式，所述衍射器件为超表面光学元件，所述微结构的几何参数根据求解得到的相位分布与映射关系确定，其中，所述映射关系包括几何参数与相位分布之间的对应关系。

23、根据本发明的一个实施方式，所述微结构为圆柱、方柱、椭圆柱或各向异性柱，所述几何参数为柱体的直径、边长、高度或旋转角度。

24、本发明还提供一种光学系统，包括：至少一个光源，用于发射入射光；上述实施方式的衍射器件，设置于所述光源的出射光路上，用于将所述入射光调制为满足预设要求的输出面光场分布；探测模组，用于探测所述输出面光场分布。

25、根据本发明的一个实施方式，所述探测模组为图像采集模组，所述图像采集模组用于采集所述输出面光场分布；所述系统还包括深度解算模组，用于根据采集到的输出面光场分布进行深度恢复。

26、本发明的有益效果是：根据本发明提供的衍射器件及其设计方法、光学系统，将待测目标的任务区域匹配信息和输出面的成像响应信息作为设计输入，在输出面上构建目标光场分布的联合约束模型，通过迭代优化算法逆向求解衍射器件的相位分布，使得最终制备的衍射器件能够产生具有符合实际需求的输出光场，保证高信息价值区域的投影光强，提升该区域的深度感知信噪比，又避免了低信息价值区域的能量浪费，在总发射功率固定的前提下，能够有效提升整体深度感知精度，同时降低系统整体能耗，适配不同实际应用场景，从而在系统层级实现最优的深度感知性能。