一种批量测试DOE衍射效率和均匀性的方法及装置

摘要

本发明公开一种批量测试DOE衍射效率和均匀性的方法及装置，包括：拍摄测量光经DOE产生的衍射光斑图；计算所述衍射光斑图内每个光斑的灰度值G；测试所述衍射光斑图内各光斑的衍射功率P和入射测量光的总功率P0；更换不同的DOE，根据各DOE中某一光斑对应的灰度值G和衍射功率P，计算确定该该光斑的最佳功率校正系数α；后续其他DOE的批量测试，则直接根据机器视觉拍摄得到衍射光斑图来计算得到每个光斑的灰度值G，再乘以各自的最佳功率校正系数α，得到每个衍射光斑的功率值，根据这些功率值可以直接计算得出所测试DOE的衍射效率和均匀性。

说明书

技术领域

本发明涉及衍射光学器件领域，尤其是涉及一种批量测试DOE衍射效率和均匀性的方法及装置。

背景技术

微型摄像头和投影器广泛应用于生活中常见的智能手机、平板、电脑等数码产品。随着3D成像技术的发展，3D摄像头也被集成到数码产品中中，用于人脸识别、虚拟现实等领域。而构成3D摄像头之一的衍射光学器件(DOE)相比同类产品具有成本低、体积小、投影效果好等优点，开始得到微型摄像头的广泛应用。

在选用DOE的时候，通常会关注它的2个指标：衍射效率和均匀性。DOE的衍射效率指的是光源入射在DOE上面形成的衍射光斑的总功率与入射光功率的比值，均匀性指的是衍射光斑各点的功率大小的差异，相当于衍射光斑各点的衍射效率的差异。

如图1所示，是传统测试DOE衍射效率和均匀性的装置示意图，包括：激光器1，激光器控制模块6，DOE(衍射光学器件)2，接收屏3、功率测试装置探头4和表头5。激光器1和激光器控制模块6用于提供测量光源，这是因为激光单色性好，不会有其他杂光干扰，而且激光的发散角小，直线度好，能够垂直入射在DOE表面，此外，激光的高度相干性，能够得到稳定的光强分布和图案分布；DOE(衍射光学器件)2用于产生衍射图案；接收屏3使DOE衍射图案在其上成像；功率测试装置探头4和表头5，用以测试衍射点的光功率大小。传统测试DOE衍射光斑的衍射效率采用的方法是让一束光源垂直照射DOE，在投影面形成衍射光斑图案，使用功率测试装置如积分球分别对每个光斑的功率p进行测试，可以得到光斑之间的均匀性指标。再用测得的每个衍射光斑的功率之和P除以入射光功率P₀得到DOE的衍射效率η，即：

由于每测试一个光斑就需要机械移动功率测试装置探头4到对应的位置，每颗DOE元件通常会有50-150个衍射光斑，测试一颗DOE会花费长达数分钟的时间，因此传统的测试装置和方法效率低下，无法满足批量DOE的测试需求。

发明内容

为了克服目前DOE衍射效率和均匀性的测试效率低下问题，本发明提供一种批量测试DOE衍射效率和均匀性的方法及装置，结合图像处理的技术，使用机器视觉获取图像并结合一系列算法处理得到相应数据，不仅大大提高了DOE测试的效率，还能保证测试的准确性，使DOE量产测试得以实现。

本发明采用的具体方案如下：

一种批量测试DOE衍射效率和均匀性的方法，包括：

步骤1：拍摄测量光经DOE产生的衍射光斑图，含n个衍射光斑；

步骤2：计算所述衍射光斑图内每个光斑的灰度值G；

步骤3：测试所述衍射光斑图内各光斑的实际衍射功率P；

步骤4：更换不同的DOE m次，重复步骤1～3，根据m个DOE中每一个光斑对应的灰度值G和衍射功率P来建立评价函数，计算确定每一个光斑最佳的功率矫正系数α，；

步骤5：测试光源的实际出射光总功率P0，完成校正过程；

步骤6：后续批量测试其他DOE衍射效率和均匀性时，直接根据拍摄得到的光斑图，利用图像处理算法，计算得到每个衍射光斑的灰度值{g1，g2，g3……gn}，再分别乘以各自的功率校正系数，得到每个衍射光斑的功率值{g1*α1，g2*α2，g3*α3……gn*αn}。

步骤7：则所测试的DOE衍射效率和均匀性为

max＝max{g1*α1，g2*α2......gn*αn}

min＝min{g1*α1，g2*α2......gn*αn}。

作为优选的，以激光器作为发出所述测量光的光源，产生的衍射光斑图成像在接收屏上，利用放置在接收屏背面的图像采集装置拍摄所述的衍射光斑图。

作为优选的，在步骤2中，整个衍射光斑的灰度值G用光斑覆盖的区域的每个像素的灰度值相加求和表示。

作为优选的，在步骤3中，利用功率测试装置直接测试衍射光斑图中各光斑的实际衍射功率P。

作为优选的，在步骤4中，求解每个光斑的最佳功率校正系数α的具体过程为：

用Δ表示某个光斑的灰度值G乘以所述最佳功率校正系数α与所述实际衍射功率P的差值；

其中，m表示DOE的序号，即对于该光斑有m个样本差值；

构建评价函数σ(Δ)，

其中i＝1,2,……,m。

求解使该函数取得最小值的α，即为该光斑的最佳功率校正系数α。

本发明中，在更换m个DOE后，得到m幅衍射光斑图，根据每个衍射光斑的位置分为n组，计算每组内的m个衍射光斑对应的最佳功率校正系数α；对于每幅衍射光斑图内的n个衍射光斑重复该求解步骤，则会得到n个光斑各自的最佳功率校正系数{α1，α2，α3……αn}。另外，本发明中，对于评价函数的构建，不限于提到的均方差方法，还有最小二乘法等等。

作为优选的，在求解所述的最佳功率校正系数α时，应剔除明显偏离平均水平的灰度值G，剔除标准为：

其中，mean(G₁,G₂...G_m)表示平均灰度值。

本发明还提供一种批量测试DOE衍射效率和均匀性的装置，基于上述的批量测试DOE衍射效率和均匀性的方法，包括：

光源，用于发出所述的测量光，待测的DOE放置在光源的下方；

接收屏，用于成像所述DOE产生的衍射图案；

图像采集装置，用于拍摄所述的衍射光斑图；

和计算机，根据待测DOE内各衍射光斑的灰度值G和实际衍射功率P，确定各衍射光斑最佳的功率矫正系数α；并在批量测量时，利用所述的功率矫正系数α计算各DOE的衍射效率和均匀性。

本发明搭建的测试系统包括光源如激光器、DOE、接收屏、图像采集装置如CCD、图像处理装置如电脑、功率测试装置如积分球等；调整好各部分的位置后，固定装置不动，分别采集背景图像和衍射光斑图像，作为图像处理使用。

为了增加测试系统的准确性和可靠性，求解最佳功率校正系数的时候应选取尽可能多的数据样本，比如使用100个DOE进行优化等。而对于得到的这些优化结果，总可以找得到这样一组最佳功率校正系数，使得用图像处理计算得到的衍射效率和均匀性接近实际的衍射效率和均匀性，那么这组最佳功率校正系数就是适合这个系统的最佳校正参数。

系统参数校正完之后，在进行实际测试时注意保持装置其他条件不动，只更换DOE，每更换一个DOE，拍摄灰度图片进行图像算法处理计算，就可以得到该DOE的衍射效率和均匀性，大大节省了时间。

附图说明

图1为传统测试DOE时的装置示意图；

图2为本发明测试DOE时的装置示意图；

图3为激光器关闭后的背景环境图；

图4为拍摄的衍射光斑图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

实施例1

本实施例详细说明一种批量测试DOE衍射效率和均匀性的装置。

如图2所示的测试装置图，包括为激光器1和激光器控制模块6，DOE(衍射光学器件)2，接收屏3，激光器1发出测量光经过DOE 2后在接收屏3上形成衍射光斑图案，图像采集装置7(如CCD相机)用于拍摄获取衍射光斑图案，最后计算机8用计算处理并输出结果。

激光器1和激光器控制模块6共同组成光源，用于发射测量光，待测的DOE放置在光源出光孔的正下方。接收屏3用于接收DOE产生的衍射光斑图案。图像采集装置7拍摄的衍射光斑图案会输入计算机8，进行图像处理、算法优化(寻找最佳功率校正系数)、计算输出衍射效率和均匀性。

实施例2

本实施例详细说明批量测试DOE衍射效率和均匀性的方法，包括如下步骤：

步骤1：拍摄测量光经DOE产生的衍射光斑图，含n个衍射光斑

根据实施例1中的测试装置图，激光器1的出光方向、DOE 2、接收屏3以及图像采集装置7，四者的中心需在同一直线上。开启激光器1，将图像采集装置7连接计算机8获取图像，上下移动接收屏，调节相机焦距和曝光值，获得合适的DOE衍射图像后，固定所有装置。使用图像采集装置7拍摄两张图片，第一张是将激光器关闭后的背景环境图，用以去除背景噪声，如图3所示。第二张是激光器开启直至稳定下来后的衍射光斑图，如图4所示，以衍射光斑总数量49为例。

步骤2：计算所述衍射光斑图内每个光斑的灰度值G。

通过图像采集装置7得到的衍射光斑图以灰度数字图像存储，即每个像素只有一个采样颜色的图像。灰度是使用黑色表示物体的一种方法，是以黑色为基准色，不同饱和度的黑色来显示图像，在计算机中每个采样像素通常以8bits的非线性尺度来存储，灰度值范围为0-255，表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色为从黑到白。用图像采集装置7得到的衍射光斑图中，每个光斑会覆盖一定的像素区域，一般来说光斑中心的灰度值最大，从光斑中心到光斑边缘灰度值逐渐减小。整个光斑的灰度值用光斑覆盖区域的每个像素的灰度值累加求和来表示。通过计算机8的图像算法计算，得到衍射光斑图案中的每个光斑总灰度值G，如表1所示。

G_(3，-3)G_(3，-2)G_(3，-1)G_(3，0)G_(3，1)G_(3，2)G_(3，3)G_(2，-3)G_(2，-2)G_(2，-1)G_(2，0)G_(2，1)G_(2，2)G_(2，3)G_(1，-3)G_(1，-2)G_(1，-1)G_(1，0)G_(1，1)G_(1，2)G_(1，3)G_(0，-3)G_(0，-2)G_(0，-1)G_(0，0)G_(0，1)G_(0，2)G_(0，3)G_(-1，-3)G_(-1，-2)G_(-1，-1)G_(-1，0)G_(-1，1)G_(-1，2)G_(-1，3)G_(-2，-3)G_(-2，-2)G_(-2，-1)G_(-2，0)G_(-2，1)G_(-2，2)G_(-2，3)G_(-3，-3)G_(-3，-2)G_(-3，-1)G_(-3，0)G_(-3，1)G_(-3，2)G_(-3，3)

表1

步骤3：测试所述衍射光斑图内各光斑的实际衍射功率P。

保持装置固定不动，取一功率测试装置4如积分球，分别移动至接收屏3上的每一个光斑位置处，依次测试并记录各点功率，得到一张实际衍射功率表，如表2所示。

表2

步骤4：更换不同的DOE，重复步骤1～3获得m组样本，根据m个DOE中每一个光斑对应的灰度值G和衍射功率P来建立评价函数，计算确定每一个光斑最佳的功率矫正系数α；

校正过程：对于激光照射第1个样本DOE形成的衍射光斑图上的某一个光斑，设机器视觉计算得出的灰度值为G₁，用功率测试装置4测试得到的实际功率值为P₁，假设该光斑的最佳功率校正系数为α，用Δ₁表示机器视觉计算得出的灰度值乘以该系数后与实际功率值P₁之间的差值，即

Δ₁＝G₁*α-P₁

保持其他条件不变，更换DOE会得到新的灰度值G₂和新的实际功率值P₂，用G₂乘于同一个校正系数α，计算其与实际功率值的差：

Δ₂＝G₂*α-P₂

依次类推，更换第m个DOE时，会得到第m个Δ，

Δ_m＝G_m*α-P_m

因为不同的DOE，在同个装置系统里通过机器视觉计算得到的灰度值G和用同个测试装置得到的实际功率也会不同，所以即使乘上同一个校正系数α，计算得到的差也会不同，即Δ₁、Δ₂、Δ₃······Δ_m都不相同。测试过程中如果个别灰度值G明显偏离平均水平，则予以剔除，去掉对应的Δ，得到一组相差不大的{Δ₁、Δ₂、Δ₃······Δ_N}。剔除标准为：

构建评价函数：

求解使该函数取得最小值的α，即是最佳功率矫正系数α。

重复上述的矫正过程，得到每幅衍射光斑图内n个光斑对应的最佳功率校正系数{α1，α2，α3……αn}。

步骤5：测试光源的实际出射光总功率P0，完成校正过程；

步骤6：后续批量测试其他DOE衍射效率和均匀性时，直接根据拍摄得到的光斑图，计算机8利用图像处理算法，计算得到每个衍射光斑的灰度值{g1，g2，g3……gn}，再分别乘以各自的最佳功率校正系数，得到每个衍射光斑的功率值{g1*α₁，g2*α₂，g3*α₃……gn*α_n}。

则所测试的DOE衍射效率和均匀性为

max＝max{g1*α1，g2*α2......gn*αn}

min＝min{g1*α1，g2*α2......gn*αn}。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。