上海光机所将新型衍射元件皮米梳运用于三维测量研究

中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室研究团队近期成功制备出具有特殊结构的衍射光学元件皮米梳，其衍射场具有长景深、低发散角、高对比度的特征。实验中将该衍射场作为三维测量系统的投影结构光，成功重建出若干物体的外形轮廓信息。该方法为远距离三维测量提供了一种有效的解决方案，相关成果已经发表在[Applied Optics Vol. 59 Issue 17, 5234-5239]上。 

基于结构光投影的三维测量，尤其在远距离、长景深的测量场景，一个常见的问题便是数字投影设备镜头有限的焦深带来的投影结构光图案模糊，进而严重影响三维重建的精度甚至无法重建。

研究团队提出采用皮米梳的衍射光作为投影结构光构建三维测量系统（如图1所示）。皮米梳(Picometer Comb)的概念最初由上海光机所周常河研究员提出，指的是一种由周期皮米量级差值可控的全息干涉场两次曝光产生的衍射光学元件，其核心技术为干涉光场周期皮米量级的精确测量。基于该技术，研究人员通过调整干涉场的光束夹角对生成皮米梳的两次全息干涉场的周期差进行皮米量级的调控。然后用此曝光场对涂有光刻胶的基片进行曝光，历经显影、定影、烘干等操作后制得皮米梳。观测发现，皮米梳的叠加曝光场为大小包络嵌套的情形，且大包络的周期值(皮米梳的周期)远大于单个小包络的尺寸（如图2所示）。当一束平面光以一定的角度入射到皮米梳上时，其-1级衍射光实质为两个全息像之间以极小的角度干涉产生，具有长景深、低发散角、高对比度的特征。利用干涉场皮米周期测量技术，保证了两次曝光干涉场周期的差值为200皮米，由此做出了世界上第一块皮米光梳，并将其应用于三维测量中。

图1.运用皮米梳的双目三维测量系统

图2.皮米梳上不同位置处的SEM扫描图

研究团队将这种特殊的元件用于三维测量中结构光的产生，并进行了多个三维物体的重建实验。结果证明，相对于数字投影设备，皮米梳在远距离、长景深的三维测量场景中更为适用。皮米梳尺寸小且易于集成，适合大规模的工业生产，有望广泛运用于三维测量设备中。同时，皮米梳可以用于开展皮米光学实验，这个工作打开了皮米光学的大门，有望在皮米光学领域取得很多实际应用。（信息光学与光电技术实验室供稿）

原文链接：https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-59-17-5234