CN115220222A - 像差矫正方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种像差矫正方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品。方法包括：获取预设的完备正交基、以及预设的完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息；按照基向量在预设的完备正交基的排列顺序，依次将各初始调制分布信息加载在调制器上；调制器用于根据初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成各初始调制分布信息对应的测量光；获取初始输出光对应的初始输出光向量，并基于各初始输出光对应的初始输出光向量，构建初始输出光矩阵；根据预设的完备正交基、以及初始输出光矩阵，确定传输矩阵，并根据传输矩阵，确定补偿相位分布信息。采用本方法能够基于传输矩阵对结构光的像差进行矫正，得到高精度的结构光。
Description
技术领域
本申请涉及光电技术领域，特别是涉及一种像差矫正方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
随着光电技术的发展，出现了结构光。通过对于光的振幅和相位进行自定义，可以得到各种特殊的光，这种特殊的光是结构光。结构光在如粒子操控、光通讯、量子信息处理等领域取得了广泛的应用。
结构光一般需要通过调制器件进行调制得到，而调制器件的调制面由于加工技术的限制，调制面本身会携带一个额外相位畸变量。因此，经过调制器调制得到的结构光会产生像差。那么，在生成结构光之前就需要先对结构光的像差进行矫正，于是出现了结构光的像差矫正技术，这个技术可以实现结构光像差的矫正，从而生成理想的结构光。
目前的像差矫正技术一般是以盖师贝格-撒克斯通算法(Gerchberg-Saxton，GS)为主的像差矫正技术。基于盖师贝格-撒克斯通算法的像差矫正技术，采用盖师贝格-撒克斯通算法来计算得到补偿相位分布，并根据补偿相位分布来矫正结构光的像差。
然而，目前的基于盖师贝格-撒克斯通算法的像差矫正技术用的算法是迭代算法，迭代算法都需要一个迭代开始的起点，应用在像差矫正技术时，这个迭代开始的起点就是预设的补偿相位分布。由于这个起点的选择具有随机性并且不能保证这个起点是否是恰当的，所以导致像差矫正精度有限。又因为迭代次数的有限性，无法保证迭代后的补偿相位分布的准确性。因此，根据该补偿相位分布来矫正像差，会使矫正精度降低。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够基于传输矩阵计算得到补偿相位分布，进而通过补偿相位分布来矫正结构光像差的像差矫正方法、装置、计算机设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
第一方面，本申请提供了一种像差矫正方法。所述方法包括：
获取预设的完备正交基、以及所述预设的完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息；
按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在调制器上；所述调制器用于根据所述初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的测量光；所述测量光用于确定初始输出光；
获取所述初始输出光对应的初始输出光向量，并基于各所述初始输出光对应的初始输出光向量，构建初始输出光矩阵；
根据所述预设的完备正交基、以及所述初始输出光矩阵，确定传输矩阵，并根据所述传输矩阵，确定补偿相位分布信息。
在其中一个实施例中，所述根据所述传输矩阵，确定补偿相位分布信息包括：
对所述传输矩阵进行时间反演，得到时间反演后的传输矩阵；
根据所述时间反演后的传输矩阵、以及预设的目标聚焦光场向量，确定补偿向量；所述补偿向量包括补偿振幅分布信息、以及所述补偿相位分布信息；
根据所述补偿向量，确定所述补偿相位分布信息。
在其中一个实施例中，所述按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在调制器上；所述调制器用于根据所述初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的初始输出光包括：
根据入射光在调制器的调制面的覆盖面积，对所述调制面进行分区，得到覆盖面、以及非覆盖面；
根据预设的分区数，对所述覆盖面进行分区，得到目标调制面；
按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在所述调制器的目标调制面上；所述目标调制面用于根据所述初始调制分布信息对所述入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的初始输出光。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
根据所述补偿相位分布信息、以及目标结构光场相位分布信息，确定矫正相位分布信息；
根据所述矫正相位分布信息、以及目标结构光场振幅分布信息，确定目标调制分布信息，并将所述目标调制分布信息加载在所述调制器上。
在其中一个实施例中，所述根据所述补偿相位分布信息、以及目标结构光场相位分布信息，确定矫正相位分布信息包括：
根据所述目标结构光，确定所述目标结构光场相位分布信息、以及所述目标结构光场振幅分布信息；
对所述补偿相位分布信息、以及所述目标结构光场相位分布信息进行叠加处理，得到所述矫正相位分布信息。
第二方面，本申请还提供了一种像差矫正装置。所述装置包括：
获取模块，用于获取预设的完备正交基、以及所述完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息；
加载模块，用于按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在调制器上；所述调制器用于根据所述初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的测量光；所述测量光用于确定初始输出光；
采集模块，用于采集所述初始输出光，并确定所述初始输出光对应的初始输出光向量，并基于各所述初始输出光对应的初始输出光向量，构建初始输出光矩阵；
第一确定模块，用于根据所述预设的完备正交基、以及所述初始输出光矩阵，确定传输矩阵，并根据所述传输矩阵，确定补偿相位分布信息。
在其中一个实施例中，所述第一确定模块具体用于：
对所述传输矩阵进行时间反演，得到时间反演后的传输矩阵；根据所述时间反演后的传输矩阵、以及预设的目标聚焦光场向量，确定补偿向量；所述补偿向量包括补偿振幅分布信息、以及所述补偿相位分布信息；根据所述补偿向量，确定所述补偿相位分布信息。
在其中一个实施例中，所述加载模块具体用于：
根据入射光在调制器的调制面的覆盖面积，对所述调制面进行分区，得到覆盖面、以及非覆盖面；根据预设的分区数，对所述覆盖面进行分区，得到目标调制面；按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在所述调制器的目标调制面上；所述目标调制面用于根据所述初始调制分布信息对所述入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的初始输出光。
在其中一个实施例中，所述装置还包括：
第二确定模块，用于根据所述补偿相位分布信息、以及目标结构光场相位分布信息，确定矫正相位分布信息；
第三确定模块，用于根据所述矫正相位分布信息、以及目标结构光场振幅分布信息，确定目标调制分布信息，并将所述目标调制分布信息加载在所述调制器上。
在其中一个实施例中，所述第二确定模块具体用于：
根据所述目标结构光，确定所述目标结构光场相位分布信息、以及所述目标结构光场振幅分布信息；对所述补偿相位分布信息、以及所述目标结构光场相位分布信息进行叠加处理，得到所述矫正相位分布信息。
第三方面，本申请还提供了一种像差矫正***。所述像差矫正***包括处理器、以及调制器，所述处理器与调制器电连接；其中：
所述处理器，用于获取预设的完备正交基、以及所述完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息；
所述处理器，还用于按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在调制器上；
所述调制器，用于根据所述初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的测量光；所述测量光用于确定初始输出光；
所述处理器，还用于获取所述初始输出光对应的初始输出光向量，并基于各所述初始输出光对应的初始输出光向量，构建初始输出光矩阵；
所述处理器，还用于根据所述预设的完备正交基、以及所述初始输出光矩阵，确定传输矩阵，并根据所述传输矩阵，确定补偿相位分布信息。
在其中一个实施例中，所述处理器具体用于：
对所述传输矩阵进行时间反演，得到时间反演后的传输矩阵；根据所述时间反演后的传输矩阵、以及预设的目标聚焦光场向量，确定补偿向量；所述补偿向量包括补偿振幅分布信息、以及所述补偿相位分布信息；根据所述补偿向量，确定所述补偿相位分布信息。
在其中一个实施例中，所述***包括：
所述处理器，具体用于根据入射光在调制器的调制面的覆盖面积，对所述调制面进行分区，得到覆盖面、以及非覆盖面；根据预设的分区数，对所述覆盖面进行分区，得到目标调制面；按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在所述调制器的目标调制面上；
所述调制器，具体用于根据所述初始调制分布信息对所述入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的初始输出光。
在其中一个实施例中，所述处理器还用于：
根据所述补偿相位分布信息、以及目标结构光场相位分布信息，确定矫正相位分布信息；根据所述矫正相位分布信息、以及目标结构光场振幅分布信息，确定目标调制分布信息，并将所述目标调制分布信息加载在所述调制器上。
在其中一个实施例中，所述处理器具体用于：
根据所述目标结构光，确定所述目标结构光场相位分布信息、以及所述目标结构光场振幅分布信息；对所述补偿相位分布信息、以及所述目标结构光场相位分布信息进行叠加处理，得到所述矫正相位分布信息。
第四方面，本申请还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以第一方面所述的步骤。
第五方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以第一方面所述的步骤。
第六方面，本申请还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以第一方面所述的步骤。
上述像差矫正方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，通过获取预设的完备正交基、以及完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息；按照基向量在预设的完备正交基的排列顺序，依次将各初始调制分布信息加载在调制器上；调制器用于根据初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成初始调制分布信息对应的测量光；测量光用于确定初始输出光；采集初始输出光，并确定初始输出光对应的初始输出光向量，并基于各初始输出光对应的初始输出光向量，构建初始输出光矩阵；根据预设的完备正交基、以及初始输出光矩阵，确定传输矩阵，并根据传输矩阵，确定补偿相位分布信息。通过上述方案，利用预设的完备正交基确定传输矩阵，并根据传输矩阵确定补偿相位分布。预设的完备正交基中的基向量与传输矩阵中的元素具有确定的对应关系，所以根据预设的完备正交基得到的传输矩阵是真实值。而传输矩阵与补偿相位分布也具有确定的对应关系，所以根据传输矩阵得到的补偿相位分布也是真实值。也就是说，不需要预设补偿相位分布、也不需要根据预设的补偿相位分布去进行迭代。因此，根据由传输矩阵计算得到的补偿相位分布来矫正像差，可以提高矫正精度。
附图说明
图1为一个实施例中像差矫正方法的应用环境图；
图2为一个实施例中补偿相位分布信息的确定方法的流程示意图；
图3为一个实施例中目标调制面的结构示意图；
图4为另一个实施例中像差矫正方法的流程示意图；
图5为另一个实施例中像差矫正***的结构图；
图6a为一个实施例中未矫正的平面波的光场图像；
图6b为一个实施例中矫正后的平面波的光场图像；
图6c为一个实施例中半径-归一化光强图；
图7为一个实施例中不同阶次的拉盖尔-高斯光束的光场图像；
图8为一个实施例中像差矫正装置的结构图；
图9为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例提供的像差矫正方法，可以应用于终端中，该终端可以是具有对结构光的像差进行矫正功能的终端，如像差矫正***。结构光在如粒子操控、光通讯、量子信息处理等领域取得了广泛的应用。如图1所示，为本申请实施例提供的一种像差矫正***的应用环境图。其中，该像差矫正***包括处理器102、调制器104、探测器106。处理器102与调制器104、探测器106分别是电连接，调制器104与探测器106之间有结构光光路。调制器104可以是液晶空间光调制器。
处理器102获取一组预设的完备正交基、以及该预设的完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息。其中，预设的完备正交基中有N个基向量。初始调制分布信息包括初始调制相位分布信息、以及初始调制振幅分布信息。处理器102按照基向量在预设的完备正交基的排列顺序，依次将各初始调制分布信息转换成初始调制全息图，并把依次将各初始调制全息图发送给调制器104。其中，初始调制全息图包含每个分区的初始调制信息。初始调制信息包括初始调制振幅量、以及初始调制相位量。可选的，初始调制振幅量可以为零。初始调制全息图可以采用不同的灰度值表示每个分区的初始调制相位量。可以理解，每次处理器102只给调制器104发送一张初始调制全息图，下面以像差矫正***对初始调制全息图的一次处理过程为例进行说明，多次处理的情况与之类似，不再赘述。
调制器104将初始调制全息图加载在调制器104的调制面上，并根据该初始调制全息图对入射光进行调制，反射得到测量光。探测器106采集根据测量光确定的初始输出光，得到初始输出光对应的初始输出光图像。探测器106将初始输出光图像发送给处理器102。处理器102对初始输出光图像进行处理，计算得到初始输出光图像对应的初始输出光向量。其中，初始输出光向量包含初始输出光的振幅分布信息、以及初始输出光的相位分布信息。
可以理解，经过N次相同的处理后，处理器102计算得到N个初始输出光向量。处理器102基于这N个初始输出光向量，构建初始输出光矩阵。处理器102基于预设的完备正交基，构建预设的完备正交基对应的正交基矩阵。处理器102计算正交基矩阵的逆矩阵与初始输出光矩阵的乘积，得到传输矩阵。处理器102获取预设的目标聚焦光场向量，并根据预设的目标聚焦光场向量、以及传输矩阵，计算得到补偿相位向量。处理器102对补偿相位向量进行相位提取，得到补偿相位分布。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种像差矫正方法，以该方法应用于图1中的像差矫正***为例进行说明，包括以下步骤：
步骤202，获取预设的完备正交基、以及预设的完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息。
本申请实施例中，处理器102获取一组预设的完备正交基、以及预设的完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息。其中，一组预设的完备正交基包括N个基向量，一个基向量包括N个元素。可选的，完备正交基可以是哈达玛基，一个哈达玛基包括N个哈达玛向量。一个基向量对应的初始调制分布信息包含该基向量中N个元素对应的初始调制量。一个元素包含一个区域的初始调制量。初始调制量包括初始调制振幅值、以及初始调制相位值。可选的，初始调制振幅值为1。区域是对调制器104的调制面进行分区得到的单元。
步骤204，按照基向量在预设的完备正交基的排列顺序，依次将各初始调制分布信息加载在调制器上。
其中，调制器用于根据初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成初始调制分布信息对应的测量光。测量光用于确定初始输出光。
本申请实施例中，处理器102按照基向量在预设的完备正交基的排列顺序，依次将各基向量对应的初始调制分布信息转换成初始全息图。其中，初始全息图包含了调制器104的调制面上每个区域的初始调制量。处理器102将各基向量对应的初始全息图发送给调制器104，调制器104将各初始全息图加载在调制器104的调制面上。入射光入射到调制器104的调制面上。调制器104根据调制面上各个区域的初始调制量，对入射光进行分区调制，并反射得到测量光。可选的，针对每一个基向量，可以通过四步相移方法对应生成一组初始全息图。调制器104依次加载这组初始全息图，对应得到一组初始输出光图像。其中，一组初始全息图中包括4张初始全息图。可以理解，由于基向量有N个，那么基向量对应的初始全息图也有N组。步骤206，获取初始输出光对应的初始输出光向量，并基于各初始输出光对应的初始输出光向量，构建初始输出光矩阵。
本申请实施例中，探测器106探测有测量光确定的初始输出光，得到初始输出光对应的初始输出光图像，并将初始输出光图像发送给处理器102。可以理解，由于初始输出光图像有N组，对应得到的初始输出光图像也有N组。处理器102根据初始输出光图像中的灰度值，计算得到对应的初始输出光向量。其中，初始输出光向量包括初始输出光的振幅分布信息、以及初始输出光的相位分布信息。可以理解，由于一组初始输出光图像对应得到一个初始输出光向量，而初始输出光图像有N组，那么对应得到的初始输出光向量也有N个。处理器102基于N个初始输出光向量，构建得到初始输出光矩阵。
步骤208，根据预设的完备正交基、以及初始输出光矩阵，确定传输矩阵，并根据传输矩阵，确定补偿相位分布信息。
本申请实施例中，处理器102将预设的完备正交基转换成矩阵的形式，得到正交基矩阵。处理器102计算正交基矩阵的逆矩阵、以及初始输出光矩阵的乘积，得到传输矩阵。具体的，处理器102将正交基矩阵、以及初始输出光输入至公式(1)，计算得到传输矩阵。公式(1)如下所示。
其中，T是传输矩阵，
是初始输出光矩阵，
是第N个初始输出光向量，
是正交基矩阵，
是正交基的逆矩阵，
是第N个基向量，N是大于零的偶数且N还是整数。
可选的，预设的完备正交基可以是预设的哈达玛基。公式(1)可整理为如下公式(2)所示。
其中，T是传输矩阵，
是初始输出光矩阵，
是第N个初始输出光向量，H是正交基矩阵，H-1是正交基的逆矩阵，N是大于零的偶数且N还是整数。
处理器102计算传输矩阵的共轭转置矩阵、以及预设的目标聚焦光场向量乘积，得到的补偿向量。其中，补偿向量包含多个补偿元素。每个补偿元素都是一个复数，该复数的模值表示补偿振幅量，该复数的角度值表示补偿相位量。具体的，处理器102将传输矩阵、以及预设的目标聚焦光场向量输入至公式(3)，计算得到补偿向量。公式(3)如下所示。
其中，εmask是补偿向量，T是传输矩阵，
是剑号，
是传输矩阵的共轭转置矩阵，εtar是预设的目标聚焦光场向量。可选的，预设的目标聚焦光场向量可以是如下公式(4)所示的形式。
其中，εtar是预设的目标聚焦光场向量，N是大于零的偶数且N还是整数。
处理器102对补偿向量进行相位提取，得到补偿相位向量。其中，补偿相位向量包含补偿相位分布信息。
上述方法中，利用预设的完备正交基确定传输矩阵，并根据传输矩阵确定补偿相位分布。预设的完备正交基中的基向量与传输矩阵中的元素具有确定的对应关系，所以根据预设的完备正交基得到的传输矩阵是真实值。而传输矩阵与补偿相位分布也具有确定的对应关系，所以根据传输矩阵得到的补偿相位分布也是真实值。也就是说，不需要预设补偿相位分布、也不需要根据预设的补偿相位分布去进行迭代。因此，根据由传输矩阵计算得到的补偿相位分布来矫正像差，可以提高矫正精度。
在一个实施例中，根据传输矩阵，确定补偿相位分布信息包括：
对传输矩阵进行时间反演，得到时间反演后的传输矩阵；根据时间反演后的传输矩阵、以及预设的目标聚焦光场向量，确定补偿向量；根据补偿向量，确定补偿相位分布信息。
本申请实施例中，处理器102对传输矩阵进行时间反演，计算得到时间反演后的传输矩阵。具体的，处理器102计算传输矩阵的共轭转置矩阵，计算得到的共轭转置矩阵为时间反演后的传输矩阵。处理器102计算时间反演后的传输矩阵、以及预设的目标聚焦光场向量的乘积，得到补偿向量。具体计算公式如公式(3)所示。其中，补偿向量包含补偿振幅分布信息、以及补充相位分布信息。补偿向量包含多个补偿元素。每个补偿元素都是一个复数，该复数的模值表示补偿振幅量，该复数的角度值表示补偿相位量。所有补偿元素的振幅量构成补偿振幅向量，所有补偿元素的相位量构成补偿相位向量。补偿振幅量包含补偿振幅分布信息，补偿相位向量包含补偿相位分布信息。处理器102对补偿向量中每个元素的该复数的角度值进行提取，得到补偿相位向量。
本实施例中，***通过对传输矩阵进行时间反演，并基于时间反演后的传输矩阵计算得到补偿向量。对传输矩阵进行时间反演，并没有存在猜测的过程，计算得到的时间反演的传输矩阵是一个确定的真实值。而补偿向量是基于这样一个高准确度的时间反演的传输矩阵计算得到的，相应地提高了补偿向量的准确性。
在一个实施例中，步骤204包括：
根据入射光在调制器的调制面的覆盖面积，对调制面进行分区，得到覆盖面、以及非覆盖面；根据预设的分区数，对覆盖面进行分区，得到目标调制面；按照基向量在预设的完备正交基的排列顺序，依次将各初始调制分布信息加载在调制器的目标调制面上。
其中，目标调制面用于根据初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成初始调制分布信息对应的测量光。测量光用于确定初始输出光。
本申请实施例中，处理器102根据入射光在调制器104的调制面的覆盖面积，对调制面进行分区，得到覆盖面、以及非覆盖面。其中，覆盖面是入射光在调制面上的覆盖区域；非覆盖面是入射光在调制面上的非覆盖区域。处理器102获取预设的分区数，根据预设的分区数，对覆盖面进行分区，得到目标调制面。其中，覆盖面的分区形状不做限制。可选的，可以采用如图3所示的分区形状。图3中圆形区域表示分区后的覆盖面(即目标调制面)，不同的灰度值表示不同的相位量，rad表示弧度。处理器102以圆形区域的圆心为圆心，画出预设数目个同心圆，并根据同心圆的数目以及预设的分区数，计算出半径的条数M。处理器102画M条覆盖面的半径，得到分区后的覆盖面。
本实施例中，***对调制面进行圆形分区，并通过基于预设的分区数，得到目标调制面。对调制面进行圆形分区可以保证补偿相位分布信息只落入在覆盖面上，可以为后续高效准确地对调制面进行相位补偿。
在一个实施例中，如图4所示，方法还包括：
步骤402，根据补偿相位分布信息、以及目标结构光场相位分布信息，确定矫正相位分布信息。
本申请实施例中，处理器102获取目标结构光场对应的目标相位向量。其中，目标相位向量包含目标结构光场相位分布信息。处理器102计算补偿相位向量与目标相位向量的和，得到矫正相位向量。其中，矫正相位向量包含矫正相位分布信息。
步骤404，根据矫正相位分布信息、以及目标结构光场振幅分布信息，确定目标调制分布信息，并将目标调制分布信息加载在调制器上。
本申请实施例中，处理器102获取目标结构光场对应的目标振幅向量。其中，目标振幅向量包含目标结构光场振幅分布信息。处理器102基于目标振幅向量、以及矫正相位向量，构建目标调制向量。其中，目标振幅向量包括多个目标振幅量。矫正相位向量包括多个矫正相位量。目标调制向量包括多个目标调制量。可选的，每个目标调制量可以是一个复数，该复数的模值表示目标振幅量，该复数的角度值表示矫正相位量。具体的，处理器102按照向量的对位顺序，将目标振幅量作为目标调制量的模值，将矫正相位量作为目标调制量的角度值，得到目标调制向量。例如，假设目标振幅向量为[x1,x2]，其中
矫正相位向量为[y1,y2]，其中
那么目标调制向量为[(a1+b1j),(a2+b2j)]。处理器102根据目标调制量在目标调制向量中的顺序，匹配到目标调制面的对应的分区，得到目标调制分布信息，并将该目标调制分布信息转换成全息图。处理器102将全息图加载在调制器104上。
本实施例中，***通过将补偿相位量叠加在目标结构光场相位量上，来矫正像差，提高像差矫正精度。
在一个实施例中，步骤402包括：
根据目标结构光，确定目标结构光场相位分布信息、以及目标结构光场振幅分布信息；对补偿相位分布信息、以及目标结构光场相位分布信息进行叠加处理，得到矫正相位分布信息。
本申请实施例中，处理器102获取目标结构光的分布信息，并对目标结构光进行信息提取，得到目标结构光场相位分布信息、以及目标结构光场振幅分布信息。处理器102根据目标调制面的分区数，将目标结构光场振幅分布信息转换成各个分区的目标振幅量，得到目标振幅向量。处理器102根据目标调制面的分区数，将目标结构光场相位分布信息转换成各个分区的目标相位量，得到目标相位向量。处理器102计算目标相位向量、以及补偿相位向量的和，得到矫正相位向量。其中，目标相位向量包含目标结构光场相位分布信息，补偿相位向量包含补偿相位分布信息，矫正相位向量包含矫正相位分布信息。
本实施例中，***通过分解目标结构光场，得到目标结构光场相位分布信息，并将补偿相位分布信息叠加在目标结构光场相位分布信息上，得到矫正相位分布信息。因此，后续调制器104可以根据矫正相位分布信息，对入射光进行像差矫正，得到精度较高的结构光。
在一个实施例中，本申请实施例提供了一种结构光的像差矫正方法示例，具体内容如下：基于本申请实施例，搭建一套如图5所示的像差矫正***的结构图。该像差矫正***包括：处理器102、光束产生器502、透镜组504、探测组506。处理器102与光束产生器502、探测组506分别电连接。可选的，像差矫正***还可以包括分束器。其中，光束产生器502包括激光器、扩束器、半波片、偏振片1、以及调制器104。透镜组504包括透镜1、小孔、透镜2、以及物镜1。探测组506包括物镜2、透镜3、偏振片2、以及探测器106。可选的，调制器104可以是液晶空间光调制器，探测器106可以是面阵探测器。
处理器102获取一组预设的完备正交基、以及预设的完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息。其中，一组预设的完备正交基包括N个基向量，一个基向量包括N个元素。可选的，完备正交基可以是哈达玛基，一个哈达玛基包括N个哈达玛向量。一个基向量对应的初始调制分布信息包含该基向量中N个元素对应的初始调制量。一个元素包含一个区域的初始调制量。初始调制量包括初始调制振幅值、以及初始调制相位值。可选的，初始调制振幅值为0。区域是对调制器104的调制面进行分区得到的单元。处理器102按照基向量在预设的完备正交基的排列顺序，依次将各基向量对应的初始调制分布信息转换成初始全息图。其中，初始全息图包含了调制器104的调制面上每个区域的初始调制量。处理器102将各基向量对应的初始全息图发送给调制器104，调制器104将各初始全息图加载在调制器104的调制面上。可选的，针对每一个基向量，可以通过四步相移方法对应生成一组初始全息图。调制器104依次加载这组初始全息图，对应得到一组初始输出光图像。其中，一组初始全息图中包括4张初始全息图。可以理解，由于基向量有N个，那么基向量对应的初始全息图也有N组。下面以***加载一张初始全息图，对应产生一束初始输出光的执行过程为示例，多次加载初始全息图的执行过程与之类似，不再赘述。
处理器102按照基向量在预设的完备正交基的排列顺序，将一张初始全息图加载在调制器104的调制面上。
激光器产生激光，该激光入射至扩束器，扩束器对激光的口径进行扩大，得到扩束后的激光。其中，激光可以是基模高斯光束、也可以是平面波。扩束后的激光入射至半波片，半波片对扩束后的激光的光强进行调节，调节后的激光入射至偏振片1。偏振片1对调节后的激光的偏振方向进行调整，调整后的激光入射至调制器104。调制器104根据调制面上各个区域的初始调制量，对调整后的激光进行分区调制，并反射得到测量光。测量光入射至分束器，分束器将测量光出射至透镜组504。
透镜组504将测量光转化成初始输出光的远场分布，探测组506采集初始输出光的远场分布图像，并将图像发送给处理器102。
可以理解，上述过程执行N次后，处理器102获取了N组初始输出光的远场分布图像。针对每组初始输出光的远场分布图像，处理器102根据初始输出光的远场分布图像中的灰度值，计算得到对应的初始输出光向量。可以理解，由于由于一组初始输出光的远场分布图像对应得到一个初始输出光向量，而初始输出光的远场分布图像有N组，那么对应得到的初始输出光向量也有N个。处理器102基于N个初始输出光向量，构建得到初始输出光矩阵。处理器102将预设的完备正交基转换成矩阵的形式，得到正交基矩阵。处理器102计算正交基矩阵的逆矩阵、以及初始输出光矩阵的乘积，得到传输矩阵。处理器102计算传输矩阵的共轭转置矩阵、以及预设的目标聚焦光场向量乘积，得到的补偿向量。处理器102对补偿向量进行相位提取，得到补偿相位向量。其中，补偿相位向量包含补偿相位分布信息。
处理器102获取目标结构光场对应的目标相位向量。处理器102计算补偿相位向量与目标相位向量的和，得到矫正相位向量。处理器102获取目标结构光场对应的目标振幅向量。处理器102基于目标振幅向量、以及矫正相位向量，构建目标调制向量。处理器102根据目标调制量在目标调制向量中的顺序，匹配到目标调制面的对应的分区，得到目标调制分布信息，并将该目标调制分布信息转换成全息图。处理器102将全息图加载在调制器104上。激光器产生激光，该激光入射至扩束器，扩束器对激光的口径进行扩大，得到扩束后的激光。其中，激光可以是基模高斯光束。扩束后的激光入射至半波片，半波片对扩束后的激光的光强进行调节，调节后的激光入射至偏振片1。偏振片1对调节后的激光的偏振方向进行调整，调整后的激光入射至调制器104。调制器104根据调制面的全息图，对调整后的激光进行分区调制，并反射得到目标结构光。
可选的，目标结构光场可以是平面波对应的光场。图6a是未矫正的平面波的光场图像，如图6a所示，不同的灰度值表示光强的不同，1微米表示图中的线段长度为1微米。图6b是采用上述方案对平面波进行像差矫正后的光场图像，不同的灰度值表示光强的不同，1微米表示图中的线段长度为1微米。对比图6a与图6b，可以发现，未矫正的平面波的光场图像有明显的像散，而矫正后的光场图像则不存在像散。图6c是基于未矫正的光场、以及矫正后的光场得到的半径-归一化光强图。虚线表示矫正后的光场，实线表示未矫正的光场。对比可知，未矫正的光场只能大致看出满足高斯分布，而矫正后的光场是满足理想的高斯分布。也就是说，本方案对结构光的像差矫正精度高。本实施例中，通过对一组完备正交基的响应进行测量，并基于该响应计算得到传输矩阵，再根据传输矩阵计算得到补偿相位分布，最后基于补偿相位分布对目标结构光进行像差补偿，得到理想目标结构光。这样，可以实现结构光的像差矫正。
可选的，目标结构光场还可以是不同阶次的拉盖尔-高斯光束(Laguerre-Gaussian，LG)对应的光场，如图7所示，其中LG的下标表示阶次。图7的第一列(I列)是理想的不同阶次的拉盖尔-高斯光束对应的光强(振幅)分布，不同灰度表示不同光强。图7的第二列(II列)是理想的不同阶次的拉盖尔-高斯光束对应的相位分布，不同灰度表示不同相位。图7的第三列(III列)是目标调制分布，不同灰度表示不同光强。可以理解，III列的目标调制分布是在II列的基础上叠加上补偿相位分布得到的。图7的第四列(IV列)是未矫正的拉盖尔-高斯光束对应的光强分布，不同灰度表示不同光强，左上角的数字表示精度。图7中第五列(V列)是采用本方案得到的矫正后的拉盖尔-高斯光束对应的光强分布，不同灰度表示不同光强，左上角的数字表示精度。对比I列与IV列，可知未矫正的拉盖尔-高斯光束对应的光场在越高阶次的情况下，畸变越严重，得到的拉盖尔-高斯光束的精度较低。对比I列与V列，可知矫正后的拉盖尔-高斯光束对应的光场即使在高阶次的情况下，仍然保持精度在0.9以上。也就是说，经过本方案对结构光进行像差矫正，可以得到高精度的结构光。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的像差矫正方法的像差矫正装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个像差矫正装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于像差矫正方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，如图8所示，提供了一种像差矫正装置，包括：
获取模块802，用于获取预设的完备正交基、以及所述完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息；
加载模块804，用于按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在调制器上；所述调制器用于根据所述初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的测量光；所述测量光用于确定初始输出光；
采集模块806，用于采集所述初始输出光，并确定所述初始输出光对应的初始输出光向量，并基于各所述初始输出光对应的初始输出光向量，构建初始输出光矩阵；
第一确定模块808，用于根据所述预设的完备正交基、以及所述初始输出光矩阵，确定传输矩阵，并根据所述传输矩阵，确定补偿相位分布信息。
在一个实施例中，所述第一确定模块808具体用于：
对所述传输矩阵进行时间反演，得到时间反演后的传输矩阵；根据所述时间反演后的传输矩阵、以及预设的目标聚焦光场向量，确定补偿向量；所述补偿向量包括补偿振幅分布信息、以及所述补偿相位分布信息；根据所述补偿向量，确定所述补偿相位分布信息。
在一个实施例中，所述加载模块804具体用于：
根据入射光在调制器的调制面的覆盖面积，对所述调制面进行分区，得到覆盖面、以及非覆盖面；根据预设的分区数，对所述覆盖面进行分区，得到目标调制面；按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在所述调制器的目标调制面上；所述目标调制面用于根据所述初始调制分布信息对所述入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的初始输出光。
在其中一个实施例中，所述装置还包括：
第二确定模块，用于根据所述补偿相位分布信息、以及目标结构光场相位分布信息，确定矫正相位分布信息；
第三确定模块，用于根据所述矫正相位分布信息、以及目标结构光场振幅分布信息，确定目标调制分布信息，并将所述目标调制分布信息加载在所述调制器上。
在一个实施例中，所述第二确定模块具体用于：
根据所述目标结构光，确定所述目标结构光场相位分布信息、以及所述目标结构光场振幅分布信息；对所述补偿相位分布信息、以及所述目标结构光场相位分布信息进行叠加处理，得到所述矫正相位分布信息。
第三方面，本申请还提供了一种像差矫正***。所述像差矫正***包括处理器102、以及调制器104，所述处理器102与调制器104电连接；其中：
所述处理器102，用于获取预设的完备正交基、以及所述完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息；
所述处理器102，还用于按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在调制器104上；
所述调制器104，用于根据所述初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的测量光；所述测量光用于确定初始输出光；
所述处理器102，还用于获取所述初始输出光对应的初始输出光向量，并基于各所述初始输出光对应的初始输出光向量，构建初始输出光矩阵；
所述处理器102，还用于根据所述预设的完备正交基、以及所述初始输出光矩阵，确定传输矩阵，并根据所述传输矩阵，确定补偿相位分布信息。
在其中一个实施例中，所述处理器102具体用于：
对所述传输矩阵进行时间反演，得到时间反演后的传输矩阵；根据所述时间反演后的传输矩阵、以及预设的目标聚焦光场向量，确定补偿向量；所述补偿向量包括补偿振幅分布信息、以及所述补偿相位分布信息；根据所述补偿向量，确定所述补偿相位分布信息。
在其中一个实施例中，所述***包括：
所述处理器102，具体用于根据入射光在调制器104的调制面的覆盖面积，对所述调制面进行分区，得到覆盖面、以及非覆盖面；根据预设的分区数，对所述覆盖面进行分区，得到目标调制面；按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在所述调制器104的目标调制面上；
所述调制器104，具体用于根据所述初始调制分布信息对所述入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的初始输出光。
在其中一个实施例中，所述处理器102还用于：
根据所述补偿相位分布信息、以及目标结构光场相位分布信息，确定矫正相位分布信息；根据所述矫正相位分布信息、以及目标结构光场振幅分布信息，确定目标调制分布信息，并将所述目标调制分布信息加载在所述调制器104上。
在其中一个实施例中，所述处理器102具体用于：
根据所述目标结构光，确定所述目标结构光场相位分布信息、以及所述目标结构光场振幅分布信息；对所述补偿相位分布信息、以及所述目标结构光场相位分布信息进行叠加处理，得到所述矫正相位分布信息。
上述像差矫正装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器102中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器102调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过***总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作***和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作***和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、移动蜂窝网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种像差矫正方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
需要说明的是，本申请所涉及的用户信息(包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等)和数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)，均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种像差矫正方法，其特征在于，所述方法包括：
获取预设的完备正交基、以及所述预设的完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息；
按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在调制器上；所述调制器用于根据所述初始调制分布信息，对入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的测量光；所述测量光用于确定初始输出光；
获取所述初始输出光对应的初始输出光向量，并基于各所述初始输出光对应的初始输出光向量，构建初始输出光矩阵；
根据所述预设的完备正交基、以及所述初始输出光矩阵，确定传输矩阵，并根据所述传输矩阵，确定补偿相位分布信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述传输矩阵，确定补偿相位分布信息包括：
对所述传输矩阵进行时间反演，得到时间反演后的传输矩阵；
根据所述时间反演后的传输矩阵、以及预设的目标聚焦光场向量，确定补偿向量；所述补偿向量包括补偿振幅分布信息、以及所述补偿相位分布信息；
根据所述补偿向量，确定所述补偿相位分布信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在调制器上；所述调制器用于根据所述初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的初始输出光包括：
根据入射光在调制器的调制面的覆盖面积，对所述调制面进行分区，得到覆盖面、以及非覆盖面；
根据预设的分区数，对所述覆盖面进行分区，得到目标调制面；
按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在所述调制器的目标调制面上；所述目标调制面用于根据所述初始调制分布信息对所述入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的初始输出光。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述补偿相位分布信息、以及目标结构光场相位分布信息，确定矫正相位分布信息；
根据所述矫正相位分布信息、以及目标结构光场振幅分布信息，确定目标调制分布信息，并将所述目标调制分布信息加载在所述调制器上。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述补偿相位分布信息、以及目标结构光场相位分布信息，确定矫正相位分布信息包括：
根据所述目标结构光，确定所述目标结构光场相位分布信息、以及所述目标结构光场振幅分布信息；
对所述补偿相位分布信息、以及所述目标结构光场相位分布信息进行叠加处理，得到所述矫正相位分布信息。
6.一种像差矫正装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取预设的完备正交基、以及所述完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息；
加载模块，用于按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在调制器上；所述调制器用于根据所述初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的测量光；所述测量光用于确定初始输出光；
采集模块，用于采集所述初始输出光，并确定所述初始输出光对应的初始输出光向量，并基于各所述初始输出光对应的初始输出光向量，构建初始输出光矩阵；
第一确定模块，用于根据所述预设的完备正交基、以及所述初始输出光矩阵，确定传输矩阵，并根据所述传输矩阵，确定补偿相位分布信息。
7.一种像差矫正***，其特征在于，所述***包括处理器、以及调制器，所述处理器与调制器电连接；其中：
所述处理器，用于获取预设的完备正交基、以及所述完备正交基中每个基向量对应的初始调制分布信息；
所述处理器，还用于按照所述基向量在所述预设的完备正交基的排列顺序，依次将各所述初始调制分布信息加载在调制器上；
所述调制器，用于根据所述初始调制分布信息对入射光进行调制处理，生成所述初始调制分布信息对应的测量光；所述测量光用于确定初始输出光；
所述处理器，还用于获取所述初始输出光对应的初始输出光向量，并基于各所述初始输出光对应的初始输出光向量，构建初始输出光矩阵；
所述处理器，还用于根据所述预设的完备正交基、以及所述初始输出光矩阵，确定传输矩阵，并根据所述传输矩阵，确定补偿相位分布信息。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
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-
2022
- 2022-07-04 CN CN202210779205.9A patent/CN115220222B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115220222B (zh) | 2024-04-19 |
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