CN106970049B - 透射率分布测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种透射率分布测量系统及方法，属于光电子技术领域。该系统包括出光装置、平移台、成像装置以及控制装置，平移台用于放置待测样品，平移台位于出光装置与成像装置之间，成像装置与控制装置耦合。当待测样品置于样品台上时，探测光产生装置发出的探测光束入射到待测样品的待测区域，透过待测样品的探测光束入射到成像装置，在成像装置中所成的像被转换为电信号发送给控制装置。控制装置处理该电信号得到该待测区域的透射图像，并根据该透射图像及基准图像得到该待测区域的透射率分布数据。这样能够有效地提高系统的采样率，减少检测时间，提高测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体而言，涉及一种透射率分布测量系统及方法。
背景技术
对于高功率激光驱动系统的镀膜元件来说，要求膜层透射率不均匀性＜0.1％(峰谷值)。膜层透射率不均匀性会严重影响激光器出光光束质量，以及元件本身的使用寿命。现有的检测膜层透射率不均匀性的方法为逐点扫描法，这种方式分辨率(有效采样点数)低，耗费时间长，不能满足高功率激光驱动系统的大口径镀膜元件(通光口径大于400mm)的检测需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种透射率分布测量系统及方法，能够有效地改善上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种透射率分布测量系统，包括出光装置、平移台、成像装置以及控制装置。所述平移台用于放置待测样品，所述平移台位于所述出光装置与所述成像装置之间，所述成像装置与所述控制装置耦合。当待测样品置于所述平移台上时，所述出光装置发出的探测光束入射到所述待测样品的待测区域，透过所述待测样品的探测光束入射到所述成像装置，在所述成像装置中所成的像被转换为电信号发送给所述控制装置。所述控制装置用于根据所述电信号得到所述待测区域的透射图像，根据所述透射图像及基准图像得到所述待测样品的待测区域的透射率分布数据，其中，所述基准图像为所述成像装置采集的所述出光装置发出的探测光束的图像。
进一步的，上述出光装置包括光源和光束调整模块。所述光源发出的初始光束经所述光束调整模块调整为满足预设条件的所述探测光束后入射到所述待测样品的待测区域。
进一步的，上述光源为激光器，所述光束调整模块包括匀光片。所述激光器发出的激光光束入射到所述匀光片，经所述匀光片处理为预设尺寸的均匀光束作为所述探测光束入射到所述待测样品。
进一步的，上述光束调整模块还包括分光器和稳功仪，所述稳功仪与所述激光器耦合，所述分光器设置于所述激光器与所述匀光片之间。所述激光器发出的激光光束入射到所述分光器，经所述分光器分出的一部分所述激光光束入射到所述匀光片，另一部分所述激光光束入射到所述稳功仪。所述稳功仪用于根据接收到的激光光束控制所述激光器的输出功率。
进一步的，上述光源还可以为面阵LED。
进一步的，上述光束调整模块包括滤光片。所述光源发出的光束经过所述滤光片后形成的所述探测光束入射到所述待测样品的待测区域。
进一步的，上述光束调整模块包括光阑。所述光源发出的光束入射到所述光阑，通过所述光阑的通光孔的光束作为所述探测光束入射到所述待测样品。
进一步的，上述成像装置为CCD图像传感器阵列。
第二方面，本发明实施例还提供了一种透射率分布测量方法，应用于上述的透射率分布测量系统，所述方法包括：控制平移台移动以使得所述出光装置发出的探测光束对放置于所述平移台上的待测样品的各待测区域进行扫描；根据基准图像以及成像装置接收到所述待测样品每个所述待测区域透射的探测光束后发送的该待测区域的透射图像得到所述待测样品的透射率分布数据，其中，所述基准图像为所述成像装置采集的所述出光装置发出的探测光束的图像。
进一步的，所述控制平移台移动以使得所述出光装置发出的探测光束对放置于所述平移台上的待测样品的各待测区域进行扫描，包括：获取所述待测样品的形状及尺寸数据；根据所述出光装置发出的探测光束的形状及尺寸数据以及所述待测样品的形状及尺寸数据得到扫描路径；驱动所述平移台控制所述待测样品以所述扫描路径移动，以使得所述出光装置发出的探测光束依次入射到所述待测样品的各待测区域。
相比于现有技术，本发明实施例提供的透射率分布测量系统及方法，通过成像装置对所述待测样品的待测区域透射的探测光束进行成像，并将所成的像转换为电信号发送给控制装置。然后通过控制装置处理该电信号得到该待测区域的透射图像，并进一步根据该透射图像及基准图像得到待测样品的待测区域的透射率分布数据。这样能够有效地提高系统的采样率，减少检测时间，提高测量效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施例提供的一种透射率分布测量系统的结构示意图；
图2示出了本发明另一实施例提供的一种透射率分布测量系统的结构示意图；
图3示出了图2所示的透射率分布测量系统未放置待测样品时的状态示意图；
图4示出了本发明实施例提供的一种透射率分布测量方法的流程图；
图5示出了图4中步骤S110的流程图。
图中：10-透射率分布测量系统；110-出光装置；101-光源；111-光束调整模块；102-分光器；103-稳功仪；104-滤光片；105-匀光片；106-光阑；1061-通光孔；120-平移台；130-成像装置；140-控制装置；200-待测样品。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“耦合”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1示出了本实施例提供的透射率分布测量系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的透射率分布测量系统10，包括出光装置110、平移台120、成像装置130以及控制装置140。其中，平移台120位于出光装置110与成像装置130之间，成像装置130与控制装置140耦合。
平移台120用于放置待测样品200。当待测样品200置于样品台120上时，出光装置110发出的探测光束入射到待测样品200的待测区域，由待测样品200透射的探测光束入射到成像装置130、在成像装置130中成像。成像装置130将上述待测样品200的透射光所成的像转换为电信号发送给控制装置140。
本实施例中，上述待测样品200可以为镀膜光学元件，旨在测量膜层的透射率分布，例如，可以是高功率激光驱动系统中的镀膜光学元件。
例如，当待测样品200为镀膜的片状光学元件时，需要测量膜层的透过率时，可以将该片状光学元件直接粘贴于平移台120上，且片状光学元件的膜层朝向出光装置110。或者，可以通过特殊设计的夹具，将片状光学元件装夹在平移台120上，尽可能使得该光学元件的镀膜表面与出光装置110出射的探测光束的光轴垂直。
本实施例中，平移台120可以为三维手动平移台或三维电动平移台，可以带动待测样品200沿平移台120的长度方向、宽度方向和高度方向平移。当平移台120为电动平移台时，可以将电动平移台的控制端与控制装置140耦合，此时可以通过控制装置140控制电动平移台带动待测样品移动。
具体的，当上述平移台120为三维电动平移台时，控制装置140还用于发出控制信号至三维电动平移台调节置于三维电动平移台上的待测样品200的位置。假设以任意点为原点O建立三维直角坐标系，且将探测光束的入射方向定义为X轴方向，三维电动平移台的高度方向定义为Y轴方向(图中未示出Z轴)。三维电动平移台可以带动待测样品200沿X轴方向、Y轴方向及Z轴方向移动，使得探测光束对待测样品200的各待测区域进行扫描，控制成像装置130采集待测样品200的各待测区域的透射图像。
需要说明的是，为了提高测量结果的准确性，并减少对待测样品200进行透射率测量的扫描次数，提高测量效率。不同于传统的逐点扫描的测量方式，本发明实施例中，入射到待测样品200的探测光束优选为平行光束，且光斑的能量分布均匀，面积较大。例如，入射到待测样品200的探测光束的光斑面积可以达到100mm×100mm，具体形状和尺寸可以根据待测样品200的形状及尺寸调整。优选的，探测光束的光斑为方形光斑，相应地，上述待测区域则为方形区域，以便于设计扫描路径对整个待测样品200进行扫描，从而测得整个待测样品200的透射率分布。
在本实施例的一种实施方式中，出光装置110可以为面光源，例如，可以为面阵发光二级管(Light Emitting Diode，LED)。当出光装置110为面阵LED时，面阵LED发出的近似于平行的均匀光束即为探测光束。可以根据所需的光斑形状及尺寸设置面阵LED的个数及排布方式。本实施例中，面阵LED的发光波段可以是紫外至近红外的任意波段，具体可以根据需要选择。
在本实施例的另一种实施方式中，出光装置110可以包括光源101和光束调整模块111，如图2所示。光源101发出的初始光束经光束调整模块111调整为满足预设条件的探测光束后入射到待测样品200的待测区域。其中，预设条件可以根据具体光源101以及所需的光斑形状和尺寸设置。例如，预设条件可以是波长条件，也可以是光斑形状和尺寸条件，或者是包括波长条件和光斑形状及尺寸条件。
具体的，上述光源101可以为激光器或激光二极管。或者，光源101也可以为面光源，例如可以为面阵LED。当光源101为激光器时，为了得到能量分布均匀的大光斑光束，光束调整模块111可以包括匀光片105。匀光片105可以用于将小光斑的高斯光束匀成预设尺寸的均匀光束，其使用方便，且有利于简化系统的结构。此时激光器发出的激光光束入射到匀光片105，经匀光片105处理为预设尺寸的均匀光束作为探测光束。当然，除了匀光片105以外，也可以采用其他能够将小光斑的高斯光束匀成预设尺寸的均匀光束的光学结构。
为了避免激光器输出的激光光束的稳定性影响测量结果的准确性，本实施例中，光束调整模块111还可以包括分光器102和稳功仪103，分光器102设置于激光器与匀光片105之间，稳功仪103与激光器耦合。稳功仪103用于根据输入激光光束的不稳定性输出控制信号，控制激光器的输出功率，使激光器输出光束更加稳定。此时，激光器发出的激光光束入射到分光器102，经分光器102分出的一部分激光光束入射到匀光片105，另一部分激光光束入射到稳功仪103，稳功仪103根据接收到的激光光束反馈控制信号至激光器，控制激光器的输出功率。本实施例中，分光器102可以采用分光镜。
当需要测量待测样品200对于特定波段的探测光束的透射率分布情况时，光束调整模块111可以包括滤光片104，用于滤除上述特定波段以外的其它波长的光。光源101发出的初始光束经过滤光片104后形成的探测光束入射到待测样品200的待测区域。本实施例中，滤光片104可以为带通滤光片，例如可以根据需要采用窄带滤光片。如图2所示，光束调整模块111包括匀光片105时，滤光片104优选设置于光源101与匀光片105之间。当然，在其他实施例中，滤光片104也可以设置于匀光片105与待测样品200之间。例如，当需要测量待测样品200在1053nm下的透射率分布及透射率不均匀性(峰谷值)时，光源101可以采用1053nm的面阵LED或者是1053nm的激光器，光束调整模块111可以包括中心波长为1053nm的窄带滤光片。
此外，为了方便去除杂散光并得到特定形状及尺寸的探测光束，光束调整模块111可以包括光阑106，光阑106包括通光孔1061。如图2所示，光源101发出的初始光束入射到光阑106，通过光阑106的通光孔1061的初始光束作为探测光束入射到待测样品200，从而使得探测光束的光斑形状及尺寸均满足用户需求。例如，当上述通光孔1061为矩形时，入射到待测样品200的探测光束的光斑为矩形光斑。如图2所示，当光源101为激光器，光束调整模块111包括匀光片105和滤光片104时，光阑106可以设置于匀光片105与待测样品200之间，此时，激光器发出的光束依次经过滤光片104、匀光片105、光阑106后形成探测光束入射到待测样品200上。
可以理解的是，在本发明的较佳实施例中，当光源101为激光器时，光束调整模块111可以包括上述的分光器102、稳功仪103、滤光片104、匀光片105及光阑106，如图2所示，以得到稳定、均匀、特定波段、特定光斑形状及尺寸的探测光束。此外，在本发明的另一较佳实施例中，当光源101为面阵LED时，光束调整模块111可以包括上述滤光片104和光阑106，以得到稳定、均匀、特定波段、特定光斑形状及尺寸的探测光束。
本实施例中，成像装置130用于在控制装置140的控制下将透过待测样品200的探测光束所成的光学图像转换为电信号发送给控制装置140。需要说明的是，成像装置130的工作波长应该对应于探测光束的波长。具体的，成像装置130优选采用CCD(Charge-coupledDevice)图像传感器，具体可以为配置有物镜的CCD图像传感器阵列。本实施例中，上述物镜优选为微距物镜。为保证检测精度，可以选择位数大于16位的高灵敏度CCD。探测光束入射到待测样品200后，透过待测样品200的探测光束通过物镜后成像到CCD的像元，控制装置140控制CCD将光学图像转换为电信号发送给控制装置140，以便于进一步分析。通过CCD采集待测样品的各待测区域的透射图像，以进一步得到待测样品的透射率分布，能够有效地增加采样点数，提高系统的分辨率。
当然，除了上述实施方式外，在本发明的其他实施例中，成像装置130也可以采用CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)图像传感器。
控制装置140用于根据成像装置130发送的电信号得到待测样品200的待测区域的透射图像，根据透射图像及基准图像得到待测样品200待测区域的透射率分布数据。其中，透射图像即为该待测区域透射的探测光束所成的图像，基准图像为成像装置130采集的出光装置110发出的探测光束的图像。
本实施例中，基准图像可以是预先通过成像装置130采集的出光装置110发出的探测光束的图像，存储在控制装置140内。或者，基准图像也可以是每一次测量过程中，通过成像装置130实时采集的出光装置110发出的探测光束的图像。当然，为了提高测量结果的准确性，基准图像优选为实时采集的。基准图像的采集方式为：将待测样品从平移台120上取下，出光装置110发出的探测光束直接入射到成像装置130中，如图3所示，此时成像装置130采集到的图像即为基准图像。
例如，假设CCD的分辨率为N，图像每个像素的灰度值变化即反应了进入CCD的入射光束的N个点的光强变化。因此，将透射图像中每个像素点的灰度值除以基准图像中对应像素点的灰度值即可以得到该像素点对应的待测样品200上N个点的透射率。设透射图像为R，基准图像为S，R(u，v)表示透射图像中像素点(u，v)的灰度值，S(u，v)表示基准图像中像素点(u，v)的灰度值。像素点(u，v)对应的待测样品200上的N个点的透射率T(u，v)＝R(u，v)/S(u，v)。假设待测样品200包括n个待测区域，通过本系统对各待测区域进行扫描得到各待测区域的透射图像后，可以计算出，待测样品200的N×n个点的透射率，从而得到待测样品200的透射率分布。比较这些透射率，获取透射率最大值和透射率最小值，即可得到该待测样品200的透射率不均匀性。例如，透射率不均匀性可以是峰谷值，即通过透射率最大值减去透射率最小值得到。
本实施例中，控制装置140可以优选为计算机。当然，控制装置140也可以为单片机、DSP、ARM或FPGA等具有数据处理功能的芯片。
需要说明的是，本系统中，为了减小光束的漫反射对测量结果的影响，光阑106上可以涂覆黑色涂层。另外，当本系统设置有封装壳体时，封装壳体的内壁也可以涂覆黑色涂层。
相比于现有技术，本发明实施例提供的透射率分布测量系统10，通过成像装置130接收由待测样品200待测区域透射的探测光束进行成像，并将所成的像转换为电信号发送给控制装置140。然后通过控制装置140处理该电信号得到该待测区域的透射图像，并进一步根据该透射图像及基准图像得到待测样品200待测区域的透射率分布数据。这样能够有效地提高系统的采样率，减少检测时间，提高测量效率。
另外，本发明实施例还提供了一种透射率分布测量方法，应用于上述的透射率分布测量系统10。图4示出了本发明实施例提供的透射率分布测量方法的流程图。如图4所示，该方法包括：
步骤S110，控制平移台移动以使得所述出光装置发出的探测光束对放置于所述平移台上的待测样品的各待测区域进行扫描；
通过控制平移台120带动待测样品200移动，能够实现探测光束对待测样品200的各待测区域的扫描。具体的，可以根据光斑形状、尺寸以及待测样品200的形状、尺寸设计扫描路径。
当平移台120为电动平移台时，如图5所示，步骤S110可以具体包括：
步骤S111，获取所述待测样品的形状及尺寸数据；
本实施例中，可以通过输入装置输入当前待测样品200的形状和尺寸数据。例如，控制装置140为计算机时，输入装置可以是键盘或鼠标，也可以是触摸屏。例如，当待测样品200为长方形样品时，尺寸数据可以包括长、宽和面积。
步骤S112，根据所述出光装置发出的探测光束的形状及尺寸数据以及所述待测样品的形状及尺寸数据得到扫描路径；
出光装置110发出的探测光束的光斑形状及尺寸数据可以是预先存储在控制装置140中的。或者，也可以通过成像装置130实时采集探测光束的基准图像，然后通过控制装置140对该基准图像进行图像处理得到探测光束的光斑形状及尺寸数据。又或者，还可以通过输入装置实时输入探测光束的光斑形状及尺寸数据。其中，扫描路径可以包括扫描的方向，以及每个方向上扫描的次数即移动次数，尽量能够覆盖整个待测样品200。
步骤S113，驱动所述平移台控制所述待测样品以所述扫描路径移动，以使得所述出光装置发出的探测光束依次入射到所述待测样品的各待测区域；
步骤S120，根据基准图像以及成像装置接收到所述待测样品每个所述待测区域透射的探测光束后发送的该待测区域的透射图像得到所述待测样品的透射率分布数据。
其中，基准图像为成像装置130采集的出光装置110发出的探测光束的图像。基准图像可以是预先采集后存储在控制装置140中的，也可以是实时采集的。当基准图像为实时采集的时，通过成像装置130采集基准图像的步骤可以发生在采集待测样品200的各待测区域的透射图像之前，也可以发生在采集完待测样品200的各待测区域的透射图像之后。由于采集待测样品200的各待测区域的透射图像时，调节待测样品200的位置需要花费一定的时间，考虑到光源101和成像装置130的稳定性，优选可以先不放置待测样品200，通过成像装置130采集基准图像，然后再在平移台120上放置待测样品200，控制平移台120带动待测样品200移动，通过该成像装置130采集待测样品200的各待测区域的透射图像，这样有利于提高测量结果的准确性。
控制装置140获取到成像装置130采集的基准图像以及某待测样品200的各待测区域的透射图像后，分别根据基准图像以及每个待测区域的透射图像得到待测样品200的每个待测区域的透射率分布，从而可以得到待测样品200的透射率分布数据。进一步，比较这些透射率，获取透射率最大值和透射率最小值，即可得到该待测样品200的透射率不均匀性。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述系统、装置和单元实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种透射率分布测量系统，其特征在于，包括出光装置、平移台、成像装置以及控制装置，所述平移台用于放置待测样品，所述平移台位于所述出光装置与所述成像装置之间，所述成像装置与所述控制装置耦合；
当待测样品置于所述平移台上时，所述出光装置发出的探测光束入射到所述待测样品的待测区域，透过所述待测样品的探测光束入射到所述成像装置，在所述成像装置中所成的像被转换为电信号发送给所述控制装置；
所述控制装置用于根据所述电信号得到所述待测区域的透射图像，根据所述透射图像及基准图像得到所述待测样品的待测区域的透射率分布数据，其中，所述基准图像为所述成像装置采集的所述出光装置发出的探测光束的图像；所述基准图像的采集方式为将所述待测样品从所述平移台上取下，所述出光装置发出的探测光束直接入射到所述成像装置中，此时所述成像装置采集到的图像即为所述基准图像；
所述出光装置包括光源和光束调整模块，所述光源发出的初始光束经所述光束调整模块调整为满足预设条件的所述探测光束后入射到所述待测样品的待测区域；
所述光源为激光器，所述光束调整模块包括匀光片，所述激光器发出的激光光束入射到所述匀光片，经所述匀光片处理为预设尺寸的均匀光束作为所述探测光束入射到所述待测样品；
所述光束调整模块还包括分光器和稳功仪，所述稳功仪与所述激光器耦合，所述分光器设置于所述激光器与所述匀光片之间，所述激光器发出的激光光束入射到所述分光器，经所述分光器分出的一部分所述激光光束入射到所述匀光片，另一部分所述激光光束入射到所述稳功仪，所述稳功仪用于根据接收到的激光光束控制所述激光器的输出功率。
2.根据权利要求1所述的透射率分布测量系统，其特征在于，所述光束调整模块包括滤光片，所述光源发出的光束经过所述滤光片后形成的所述探测光束入射到所述待测样品的待测区域。
3.根据权利要求1所述的透射率分布测量系统，其特征在于，所述光束调整模块包括光阑，所述光源发出的光束入射到所述光阑，通过所述光阑的通光孔的光束作为所述探测光束入射到所述待测样品。
4.根据权利要求1所述的透射率分布测量系统，其特征在于，所述成像装置为CCD图像传感器阵列。
5.一种透射率分布测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-4中任一项所述的透射率分布测量系统，所述方法包括：
控制平移台移动以使得所述出光装置发出的探测光束对放置于所述平移台上的待测样品的各待测区域进行扫描；
根据基准图像以及成像装置接收到所述待测样品每个所述待测区域透射的探测光束后发送的该待测区域的透射图像得到所述待测样品的透射率分布数据，其中，所述基准图像为所述成像装置采集的所述出光装置发出的探测光束的图像。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制平移台移动以使得所述出光装置发出的探测光束对放置于所述平移台上的待测样品的各待测区域进行扫描，包括：
获取所述待测样品的形状及尺寸数据；
根据所述出光装置发出的探测光束的形状及尺寸数据以及所述待测样品的形状及尺寸数据得到扫描路径；
驱动所述平移台控制所述待测样品以所述扫描路径移动，以使得所述出光装置发出的探测光束依次入射到所述待测样品的各待测区域。
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