基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法

本发明涉及微纳光学与结构光成像领域，尤其涉及一种基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法。

背景技术：

1、光学成像作为人类视觉的延伸，在日常生活中得到广泛的应用，使我们能够感知、记录和分析物理世界。虽然传统的二维平面成像已经发挥了很强的作用，但各种复杂的任务往往需要更多的成像维度，如深度成像、光谱成像和偏振成像等。这些额外的维度为进一步地感知和分析世界提供不可或缺的数据维度，并在不同领域中被广泛应用。然而，对于成像系统来说，同时获取多维光学信息是困难的，并且会导致系统复杂性、尺寸、重量和功耗等参数大幅增加。集成更多的光学维度必然导致系统复杂性远远超过传统的二维成像系统，不利于多维成像系统的广泛应用。因此，开发一种高效、紧凑的成像系统以同时捕获多维度的光学信息是迫切需要，但也是具有挑战性的。

2、超构表面是一种新型亚波长衍射光学元件，其强大的光学操作能力和超薄易集成性为全息显示、光谱调制、光束整形和光计算等应用提供了良好的平台。在多维成像领域中，超构表面可以取代笨重的传统光学元件以实现紧凑和高效的成像器件。此外，超构表面的偏振和光谱操作能力也可用于设计紧凑的偏振成像和光谱成像器件。更进一步，目前最先进的超构表面成像方法利用精心设计的超构透镜实现了三维偏振成像及三维光谱成像两种四维成像。然而，以超紧凑集成的系统和简单的处理方法来同时获取五维光学信息(波长信息、偏振信息及三维空间信息)尚未实现。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法，该方法实现多波长偏振光照射到精心设计的偏振复用超构表面时，可以基于所设计的矢量点阵全息及其固有色散产生具有不同波长和偏振的五维结构光。利用相机拍摄被该结构光照射到的物体后，可以根据三角测量原理从结构光点在拍摄图片中的位置还原出物体的三维信息。因为结构光中的每一个点都有其特定的波长及偏振，根据结构光点在拍摄图片中的强度可以反应物体的波长和偏振信息。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一种基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法，包括以下步骤：

4、设计目标的矢量点阵全息图像；

5、基于矢量点阵全息图像，利用超构表面设计原理及超构表面阵列优化方法完成超构表面阵列排布设计；

6、采用多个波长的线偏振的单色光照射所设计的超构表面以产生具有不同波长和偏振的五维结构光；

7、将五维结构光投射到目标物上，用双目相机拍摄被五维结构光照射的目标物获得双目图像，并利用图像处理方法获取拍摄图像中点的位置及强度，以在五维结构光照明下同时获取物体的一维偏振信息，一维波长信息及三维空间信息；

8、结合三维重建方法根据位置还原三维空间信息，结合提取的强度和每个点的波长及偏振态还原一维偏振及一维波长信息。

9、进一步，所述矢量点阵全息图像的特征为在传统点阵图像的基础上，图像中每一个点都被编码了特定的光学偏振态，且不同的偏振态相互交错。

10、更进一步，所述设计目标的矢量点阵全息图像的方法为：设计一个传统的点阵型结构光目标图像，并赋予结构光中的每一个点一种线或圆偏振态，且赋予偏振态时尽量使相邻点的偏振态不重复。

11、进一步，所述超构表面设计原理包括传输相位、几何相位、迂回相位、多原子干涉的超表面单元结构设计原理，其目标在于设计在特定偏振光入射条件下对一组正交偏振出射光的相位或振幅或复振幅独立操控的超构表面单元结构。

12、进一步，超构表面阵列优化方法为包括gerchberg-saxton算法、退火算法、梯度下降算法在内的全息优化算法，其目标为在迭代过程中优化正交出射偏振的相位分布，使其对应的远场光学全息在复振幅叠加后获得的矢量结构光与目标矢量点阵全息图像一致。

13、更进一步，利用超构表面设计原理及超构表面阵列优化方法完成超构表面阵列排布设计的方法，包括以下步骤：

14、(1)设计由多个单元结构周期性阵列形成的超表面；所述单元结构包括纳米砖和其下方的基底；

15、(2)利用超构表面设计原理结合电磁仿真的方法，获取纳米砖单元结构在不同周期、长、宽、高、旋转角、中心位移下的宽波段琼斯矩阵光学响应参数；

16、(3)将点阵目标全息图像分解为对应不同琼斯矩阵参数下的多组图像，利用模拟退火、梯度下降、gerchberg-saxton算法对每个图像进行优化获得超构表面琼斯矩阵光学响应排布；

17、(4)选取琼斯矩阵光学响应与优化所得目标光学响应最接近的单元结构组合形成最终的超构表面纳米砖阵列排布。

18、更进一步，所述超构表面阵列排布设计方法步骤(1)中，所述电磁仿真的方法包括时域有限差分法、有限元法或模式匹配法。

19、进一步，所述图像处理方法包括：对双目图像进行高斯滤波，二值化及霍夫变换以提取出图像内结构光光点的位置；采用相关点漂移算法匹配双目图像两个视角内的同一结构光光点；利用三角测量原理，根据双目相机标定的内参外参及同一结构光光点在两个视角内的位置计算出光点相对于相机的相对位置；取光点在两个视角内固定范围内灰度的平均值以获取该点的强度，并根据其颜色信息判断该点的波长，根据其在结构光中的相对位置获取其偏振。

20、进一步，所述三维重建方法为包括三角测量原理、相机标定方法在内的利用光点在相机像面的位置计算还原出其在真实三维空间中相对位置的方法。

21、本发明提供的一种基于偏振复用超构表面的结构光五维成像的方法，利用超构表面的偏振复用能力与全息的固有色散来产生带有不同偏振及波长的五维结构光；通过相机拍摄被五维结构光照射到的目标物体后，可根据结构光点在像面的位置还原出物体的三维空间信息，根据结构光点的强度及其偏振与波长还原出物体的波长信息及偏振信息。

22、相对于现有的实现主动调控全息的方法以及元件，本申请具有如下的有益效果：

23、(1)所述的结构光五维成像方法利用五维主动照明来实现多维成像，相比在接收端解耦不同光参量的多维成像方法更能适应低亮度环境。

24、(2)所述的结构光五维成像方法利用超薄易集成的超构表面来实现五维结构光，相比传统的多维成像方案器件体形小，具有更高的集成度。

25、(3)所述的结构光五维成像方法相比其它超表面多维成像方法成像维度更多，能同时获取更丰富的光学信息。

26、(4)本发明利用全息的固有色散和超构表面的偏振复用能力，为传统的结构光进一步编码波长信息及偏振信息，进而可以在超薄易集成的超构表面平台上实现轻量便捷的五维结构光照明及成像功能，可广泛应用于多维成像、物体识别、先进传感等领域。

技术特征：

1.一种基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法，其特征在于，所述矢量点阵全息图像的特征为在传统点阵图像的基础上，图像中每一个点都被编码了特定的光学偏振态，且不同的偏振态相互交错。

3.根据权利要求2所述的基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法，其特征在于，所述设计目标的矢量点阵全息图像的方法为：设计一个传统的点阵型结构光目标图像，并赋予结构光中的每一个点一种线或圆偏振态，且赋予偏振态时尽量使相邻点的偏振态不重复。

4.根据权利要求1所述的基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法，其特征在于，所述超构表面设计原理包括传输相位、几何相位、迂回相位、多原子干涉的超表面单元结构设计原理，其目标在于设计在特定偏振光入射条件下对一组正交偏振出射光的相位或振幅或复振幅独立操控的超构表面单元结构。

5.根据权利要求1所述的基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法，其特征在于，超构表面阵列优化方法为包括gerchberg-saxton算法、退火算法、梯度下降算法在内的全息优化算法，其目标为在迭代过程中优化正交出射偏振的相位分布，使其对应的远场光学全息在复振幅叠加后获得的矢量结构光与目标矢量点阵全息图像一致。

6.根据权利要求4或5所述的基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法，其特征在于，利用超构表面设计原理及超构表面阵列优化方法完成超构表面阵列排布设计的方法，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法，其特征在于，所述超构表面阵列排布设计方法步骤(1)中，所述电磁仿真的方法包括时域有限差分法、有限元法或模式匹配法。

8.根据权利要求1所述的基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法，其特征在于，所述图像处理方法包括：对双目图像进行高斯滤波，二值化及霍夫变换以提取出图像内结构光光点的位置；采用相关点漂移算法匹配双目图像两个视角内的同一结构光光点；利用三角测量原理，根据双目相机标定的内参外参及同一结构光光点在两个视角内的位置计算出光点相对于相机的相对位置；取光点在两个视角内固定范围内灰度的平均值以获取该点的强度，并根据其颜色信息判断该点的波长，根据其在结构光中的相对位置获取其偏振。

9.根据权利要求1所述的基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法，其特征在于，所述三维重建方法为包括三角测量原理、相机标定方法在内的利用光点在相机像面的位置计算还原出其在真实三维空间中相对位置的方法。

技术总结
本发明公开基于偏振复用超构表面的结构光五维成像方法。该方法包括：设计中心对称且不重叠的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光点阵目标全息图像；利用优化算法解算超构表面相位分布使在线偏振入射下能产生目标的矢量全息图像；利用所生成的五维结构光进行五维成像的方法为：用相机拍摄被五维结构光照射的目标物，并利用图像处理方法获取拍摄图像中点的位置及强度；结合三维重建方法，根据点的位置还原三维空间信息；结合点的波长及偏振态，根据点的强度和还原一维偏振及一维波长信息。本发明可以在超薄易集成的超构表面平台上实现轻量便捷的五维结构光照明及成像功能，可广泛应用于多维成像，物体识别，先进传感等领域。

技术研发人员：王泽静,李仲阳,姚剑,李礼,时阳阳,陈记文
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11