广角容差光学滤波器设计及其在青椒分割中的应用
作者： Jun Yu, Shu Zhan, Toru Kurihara
机构：
- School of Information, Kochi University of Technology, Japan
- School of Computer Science and Information, Hefei University of Technology, China
原文来源： Sensors 2023, 23, 2981
DOI： https://doi.org/10.3390/s23062981
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摘要
光学滤光片在需要宽角度成像感知的应用中至关重要。然而，典型光学滤光片的透射曲线会因入射光光程的变化而在斜入射角下发生变化。本研究提出了一种基于传输矩阵法和自动微分的高角度容差光学滤光片设计方法。提出了一种新颖的光学优值函数，用于在正常入射和斜入射下同时优化。仿真结果表明，这种宽角度容差设计可以在斜入射角下实现与正入射角相似的透射曲线。此外，宽角度光学滤光片设计对斜入射图像分割的改善程度尚不明确。因此，我们评估了几种透射曲线与U-Net结构在青椒分割中的性能。尽管我们提出的方法并不完全等于目标设计，但在20°斜入射角下，与原始设计相比，平均绝对误差（MAE）降低了50%。此外，青椒分割结果表明，宽角度容差光学滤光片设计在20°斜入射角下，与之前的设计相比，近色物体的分割提高了约0.3%。
关键词： 宽角度；光学滤光片；传输矩阵法；自动微分；分割
1.引言
区分近色物体——绿色水果和绿叶、相似颜色的粉末等——在农业、养殖应用和科学研究中具有重要意义。捕获场景的辐射率极大地影响成像系统和分析系统如何成像和分析物体表面。尽管它们在特定光源下取得了令人信服的结果，但在受控环境下受到限制，在强烈的户外阳光下容易受到影响。Yu等人提出了基于光学滤光片区分近色物体的方法，例如绿叶和辣椒。将可微分光学滤光片层与分割网络相结合，可以实现从光学滤光片到网络权重的端到端联合优化。这种优势允许对不同光学设计进行端到端联合优化，例如相位掩模设计[6]和超表面设计[7]。
光学滤光片是成像系统的关键组件，具有多种应用，包括深度相机[9]、化学分析[10]、彩色成像[11]、医学成像[12]等。不幸的是，光学滤光片中的波长透射率，特别是带通滤光片，不能始终保证在宽角度下保持稳定性能。由于光学滤光片的重要性，近年来许多研究专注于设计宽角度光学滤光片以消除光光谱透射的失真。带通光学滤光片是成像和机器视觉系统中最广泛使用的光学滤光片类型之一。从原理上讲，带通光学滤光片由法布里-佩罗干涉仪构建[18]。
传统上，光学滤光片设计基于技能、物理直觉和试错。本研究旨在开发一种宽角度容差光学滤光片设计方法。为了实现这一目标，我们利用机器学习中自动微分的最新进展，创建了自动化宽角度容差光学滤光片设计方法。在我们的系统中，每一层薄膜被建模为设计空间中的可微分参数。结合传输矩阵法[20,21]和提出的光学优值函数，我们可以优化光学滤光片的光谱特性相对于每一层薄膜的厚度。此外，我们还关注宽角度容差光学滤光片设计在计算机视觉问题中的性能。具体来说，我们在青椒超光谱数据集上评估了宽角度容差设计透射曲线。
2. 方法论
2.1 传输矩阵法
光学中的传输矩阵法（TMM）是获得薄膜堆栈透射和反射特性的有效且方便的数学方法。我们假设在薄膜中既没有散射也没有吸收发生。此外，通过最近计算资源的开发，我们提出的基于自动微分的框架可以适应于在更大的设计空间中进行优化。
2.2 宽角度容差设计
为了同时优化正常入射和斜入射下的透射曲线，我们提出了一种新颖的光学优值函数。该优值函数考虑了目标波长范围内的平均透射误差和边缘斜率。通过最小化该优值函数，我们可以获得在宽角度范围内具有一致性能的光学滤光片设计。
2.3 自动微分优化
在我们的框架中，我们利用自动微分技术来优化薄膜各层的厚度。这种方法允许我们精确计算优值函数相对于设计参数的梯度，从而实现高效优化。
3. 实验结果
3.1 仿真结果
我们进行了仿真以验证所提出的宽角度容差光学滤光片设计方法。结果表明，在20°斜入射角下，我们提出的方法可以实现与正入射角相似的透射曲线。与原始设计相比，平均绝对误差（MAE）降低了约50%。
3.2 青椒分割应用
我们在青椒分割任务中评估了宽角度容差光学滤光片设计。结果表明，宽角度容差光学滤光片设计在20°斜入射角下，与之前的设计相比，近色物体的分割精度提高了约0.3%。
4. 结论
本研究提出了一种基于传输矩阵法和自动微分的宽角度容差光学滤光片设计方法。通过实验验证了该方法可以有效减小斜入射角下的透射曲线失真。该方法在农业机器视觉和自动驾驶等领域具有广阔的应用前景。我们相信，我们提出的宽角度容差光学滤光片设计方法将有助于结合宽角度成像系统和深度神经网络的其它任务。未来，我们将继续改进光学滤光片的宽角度容差设计。
参考文献
1-21. 相关参考文献列表