CN108871563A - 光功率检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光功率检测系统及方法，光功率检测系统包括光学探头、光功率计、数据采集卡及计算设备；所述光学探头接收来自光源的光束并将所述光束的光信号转换成电信号；所述光功率计接收所述电信号，将所述电信号转换成数字信号并进一步转换成光功率数据后实时显示；或，将所述电信号直接输出；所述数据采集卡接收所述电信号后高频采集所述电信号并将所述电信号转换成数字信号；所述计算设备接收所述数字信号并对所述数字信号检测分析。系统包括高频采集的数据采集卡接收来自光功率计滤波后的电信号，并将电信号转换成数字信号，再将数字信号传输给计算设备，实现实时对光源进行光功率采集并显示。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量及制造领域，尤其涉及一种光功率检测系统及方法。
背景技术
光源或带有光源的模组被应用在众多领域中，比如照明、激光投影仪、3D成像等等。在研发过程中的器件选型(比如光源选型)、制造过程中模组的性能评价或者整机组装后的性能一致性检测等均需要对光源或光源模组进行功率检测。
已有技术中利用光功率计对光源或光源模组进行光功率检测，能够满足大部分常规的检测情形，但对于一些特殊的情形则难以达到较高的检测效果。比如，当对用于3D成像的结构光投影仪进行光功率检测时，由于结构光投影仪有一定的发散角导致对光功率计探头的大小有较高的要求，另外由于发出的是结构化光束导致检测精度较差；再比如，若被检测的光源或光源模组为高频脉冲发光，一般的光功率计则难以准确采集对应的光功率数据。
发明内容
本发明为了解决现有技术中光功率检测的问题，提供一种光功率检测系统及方法。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种光功率检测系统，包括光学探头、光功率计、数据采集卡及计算设备；所述光学探头接收来自光源的光束并将所述光束的光信号转换成电信号；所述光功率计接收所述电信号，将所述电信号转换成数字信号并进一步转换成光功率数据后实时显示；或，将所述电信号直接输出；所述数据采集卡接收所述电信号后高频采集所述电信号并将所述电信号转换成数字信号；所述计算设备接收所述数字信号并对所述数字信号检测分析。
在本发明的一种实施例中，所述电信号是电流信号、电压信号或电阻信号；所述检测分析包括：通过所述数字信号获取对应的光功率信息；所述计算设备与所述光功率计连接并基于所述光功率计的标定信息和所述数字信号获取所述光功率信息。
在本发明的又一种实施例中，还包括在所述光源和所述光学探头之间设置光束收集装置；所述光束收集装置是积分球。
本发明还提供一种光功率检测方法，包括如下步骤：S1：光学探头接收来自光源的光束并将所述光束的光信号转换成电信号；S2：光功率计接收所述电信号，将所述电信号转换成数字信号并进一步转换成光功率数据后实时显示；或，将所述电信号直接输出；S3：数据采集卡接收所述电信号后高频采集所述电信号并将所述电信号转换成数字信号；S4：所述计算设备接收所述数字信号并对所述数字信号检测分析。
在本发明的一种实施例中，还包括:对所述光功率计进行标定；所述标定包括如下步骤：T1：至少两个不同光功率的光源照射所述光学探头，通过所述光功率计读取所述至少两个不同光功率的光源的光功率信息；T2：利用所述计算设备获取所述至少两个不同光功率的光源对应的所述数字信号；T3：拟合所述光功率信息与所述数字信号以获取所述光功率计的标定信息。
在本发明的又一种实施例中，所述步骤S1中还包括：所述光源的光束通过光束收集装置收集后再通过光学探头将所述光束的光信号转换成电信号；所述光束收集装置是积分球，所述积分球的输入-输出标定方法包括如下步骤：P1：测得光学探头直接接收光源的光束时，至少两个光源的光功率；P2：测得所述光学探头通过所述积分球接收所述光源的光束时，所述至少两个光源的光功率；P3：拟合步骤P1和步骤P2所得的光功率，获取所述积分球的输入-输出标定信息。
在本发明的又一种实施例中，所述步骤S1中还包括通过光束收集装置对所述光源的光束进行收集后再通过所述光学探头将所述光束的光信号转换成电信号；所述光束收集装置是积分球，所述积分球的输入-输出标定方法包括如下步骤：P1：测得光学探头直接接收光源的光束时，至少两个光源的光功率；P2：测得所述光学探头通过所述积分球接收所述光源的光束时，所述至少两个光源的光功率；P3：拟合步骤P1和步骤P2所得的光功率，获取所述积分球的输入-输出标定信息。
本发明的有益效果为：提供一种光功率检测系统及方法，系统包括高频采集的数据采集卡接收来自光功率计滤波后的电信号，并将电信号转换成数字信号，再将数字信号传输给计算设备，实现实时对光源进行光功率采集并显示。
附图说明
图1是根据本发明实施例的光功率检测系统的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的数字信号-功率标定的方法示意图。
图3是根据本发明实施例的时间-光功率曲线示意图。
图4是根据本发明实施例的光功率检测方法的示意图。
图5是根据本发明实施例的又一个光功率检测系统的结构示意图。
图6是根据本发明实施例的积分球标定的方法示意图。
其中，1-光源，2-光学探头，3-光功率计，4-数据采集卡，5-计算设备，6-光束收集装置。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构思，附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
图1是根据本发明实施例的光功率检测系统示意图。系统包括光学探头2、光功率计3、数据采集卡4以及计算设备5。光学探头2用于接收来自光源1的光束，并将光束的光信号转换为电信号；光功率计3接收来自光学探头2的电信号后，一方面可以经AD转换器(模数转换器)后转换成数字信号并进一步转换成光功率数据后实时显示，另一方面也可以将电信号直接输出到数据采集卡4，比如经滤波后输出。数据采集卡4接收来自光功率计3的滤波后的电信号后以一定的采样频率进行采集并转换成数字信号以输出到计算设备5。计算设备5接收来自数据采集卡4的数字信号以及对该数字信号进行检测分析。通过增加数据采集卡4和计算设备5，解决光源或光源模组为高频脉冲发光时难以准确采集对应的光功率数据。
光源1可以是白炽灯、激光、LED等，也可以包括结合一定光学器件或其他器件的光学设备，比如投影仪、结构光投影模组等，在后面的描述中将统一表述成光源。
光学探头2比如光电二极管、光电三极管等，用于将光信号转换成电信号，一般为电流信号。在一个实施例中，光学探头2中还设置有电流-电压转换器用于将电流信号转换成电压信号，在后续的说明中以电压信号为例进行说明，其他比如电流信号、电阻信号等均适用于本发明的方案中。
在本发明的一种实施例中，光学探头2所输出的电信号为电压信号，电压信号为模拟信号，该模拟电压信号被光功率计接收后可以实现以下两个方面的功能：
(1)模拟电压信号经由光功率计3内的滤波器滤波后通过模拟信号接口输出；
(2)模拟电压信号经AD转换器转换成数字电压信号，该数字电压信号被光功率计3中的处理器处理，在一个实施例中，处理器将AD转换器获取的数字电压信号进行平均、将平均后的数字电压信号转换成光功率信息，并将该光功率信息通过显示屏显示。
理论上而言，光功率计3能够实时对光源1进行光功率采集并显示，然而对于一些脉冲光源，比如以30HZ的频率进行发光，单次脉冲发光的脉宽为3ms，若对这类光源进行光功率检测，不仅需要获取每次光脉冲的光功率，还需要对频率以及每次脉冲的脉宽进行检测。单次脉冲的光功率可以通过光功率计的显示屏进行读取，然而却无法获取频率以及脉宽信息。
本发明中将利用具备高频采集的数据采集卡4来解决上述问题。数据采集卡4连接于光功率计3的模拟信号接口，用于接收来自光功率计3的模拟电压信号，并以一定的采样频率对该模拟电压信号进行采样以及转换成数字电压信号，比如采集频率为150KS/s，即每秒钟采集15万个采样点，该15万个采样点通过数字接口输出至计算设备。
计算设备5接收到多个采样点的数字电压信号后可以基于这些数字电压信号进行分析以实现对光源1发光性能的评价。在一些实施例中，往往需要分析的是光功率信息，数据采集卡4所输出的是数字信号，所以计算设备5需要与光功率计3连接并基于光功率计3的标定信息和数字信号获取光功率信息。在一种具体的实施例中，数据采集卡所输出的是数字电压信号，因此需要进一步的电压-功率标定数据。不同的光功率计的电压-功率标定数据不同，在出厂时需要对其进行标定以生成该数据并保存到光功率计内部的存储器中。因此在一个实施方式中，计算设备5可以直接读取光功率计3内部的电压-功率标定数据(此时计算设备5需要通过数字接口与光功率计3进行连接)，随后基于该标定数据将数字电压信号转换成光功率信息。然而，并非任何光功率计3都被允许读取其内部的标定数据，因此在一个实施方式中，需要进一步进行电压-功率的标定获取光功率计3的标定信息。
图2是根据本发明一个实施例的数字信号-功率标定步骤示意图，包括如下步骤：
1、至少两个不同光功率的光源照射所述光学探头，通过所述光功率计读取所述至少两个不同光功率的光源的光功率信息；
2、利用所述计算设备获取所述至少两个不同光功率的光源对应的所述数字信号；
3、拟合所述光功率信息与所述数字信号以获取所述光功率计的标定信息。
可以理解的是，上述步骤中说的数字信号可以是电流信号、电压信号或电阻信号。
在上述标定步骤中，由于光功率计3往往具备多个不同的量程，因此需要对各个量程均进行标定。光源1在进行照射时，可以通过调节光源1的电流来调整光源1的光功率，为了更准确地获取电压与光功率之间的关系，最后在当前量程范围内进行均匀采样，即以几乎相等的间隔调整光源电流以获取该量程范围内均匀分布的多个光功率信息。在最后的拟合过程中，基于多个光功率信息以及多个数字电压信号拟合出能反映电压与光功率之间关系的拟合参数，比如在一个实施例中，采用线性拟合模型，可以获取斜率与截距作为拟合参数，该拟合模型以及拟合参数既是本标定步骤最终所获取的标定信息。
基于以上标定信息，当计算设备5通过数据采集卡4获取到多个采样点的数字电压信号后即可以根据标定信息直接计算出与该数字电压信号所对应的光功率信息。进一步地，计算设备5基于多个采样点的光功率信息来分析该光源1的发光性能。比如绘制出时间-光功率曲线，时间轴的分辨率点可以与数据采集卡的采样频率相同，比如1/15k，在一个实施例中，所绘制的曲线如图3所示。
基于图3可以获取包括但不限于以下几种信息：沿着时间轴出现的每个波峰即为一次脉冲发光，一般地，数据采集卡4的采样频率要足够高，以使得单个脉冲发光的脉宽内包含多个采样点(比如采样频率为150KS/s，理论脉宽为3ms，则理论上单个脉宽内拥有450个采样点)，单次脉冲发光的脉宽则等于波峰的起始时间与结束时间的差值；每次脉冲的光功率可以通过波峰内各个采样点的光功率得到，比如进行平均处理等；该光源的脉冲频率则为1秒时间内的波峰数量。
可以理解的是，图3所示的图形也可以不进行绘制，计算设备5通过对多个采样点的光功率信息直接计算也可以获取诸如脉宽、脉冲频率、光功率大小等信息。
如图4所示，本发明提供一种光功率检测方法，包括如下步骤：
1、光学探头接收来自光源的光束并将所述光束的光信号转换成电信号；
2、光功率计接收所述电信号，将所述电信号转换成数字信号并进一步转换成光功率数据后实时显示；或，将所述电信号直接输出；
3、数据采集卡接收所述电信号后高频采集所述电信号并将所述电信号转换成数字信号；
4、所述计算设备接收所述数字信号并对所述数字信号检测分析。
以上所描述的光功率检测系统对光源发光性能进行检测时，若光源1发出的光束入射到光学探头2上时，光束强度分布不均匀将会影响光学探头2的测量精度，另外，若光源1发出的光束发散角较大时，对光学探头2的接收面积也要求较高。比如若光源1是结构光投影仪时，以上所说的两种情形均会出现。
如图5所示，为了解决这一问题，在本发明中，在光源1和光学探头2之间还设置光束收集装置6。在一个实施例中，光束收集装置6是积分球，后面的说明中以积分球为例进行说明。光源1发射出光束由积分球的入口进入，通过积分球内部反射材料的反射后经由积分球的出口输出，将光学探头2放置在积分球的出口处以接收经反射的光束。可以理解的是，此时图4所示的步骤1中还包括光源1的光束通过光束收集装置6收集后再通过光学探头2将光束的光信号转换成电信号。
然而在实际使用中，由于光束收集装置6，比如积分球不可能使得输出的光束与输入的光束功率相同，因为反射或者折射等会损耗一定的光束能量，由此对于不同的光束收集装置6均会有一定的损耗率。
为了正确描述光源1所发射光束的光功率，本发明提供了一种积分球的输入-输出标定方法,如图6所示，标定方法包括以下步骤：
1、测得光学探头直接接收光源的光束时，至少两个光源光功率。即在无积分球情形下测量出至少两个光源光功率；
2、测得所述光学探头通过积分球接收所述光源的光束时，所述至少两个光源光功率。即在有积分球情形下测量出光源经由积分球到光学探头输出的至少两个光源光功率；
3、拟合步骤1和步骤2所得的光功率，获取所述积分球的输入-输出标定信息。拟合至少两个光源在没有积分球光和有积分球的情形下的光功率以获取输入-输出标定信息。
一般地，可以改变光源1的驱动电流，以分别获取不同驱动电流下的多个光源光功率以及积分球光功率，该光功率可以直接从光功率计的显示屏读取，也可以由前述方法中的由计算设备5经由数据采集卡4间接计算获取。由于积分球的损耗率参数较为稳定，因此同样可以采用线性拟合，可以直接输出光源光功率与积分球光功率之间的损耗率参数，将该损耗率参数作为获取的标定信息。可以理解的是，标定阶段可以使用任意光源，其波长与被测光源波长尽可能相同，但发散角、功率等可以不同。
在通过积分球的输入-输出标定之后，利用标定信息(比如损耗率参数)就可以将计算设备5或光功率计3所测量的积分球输出的光功率转换成实际光源1所发出的光功率。
可以理解的是，以上的说明中以光功率计3、数据采集卡4以及计算设备5等模块进行阐述，在一些实施例中，上述模块所实现的功能也可以由其他种类的模块来完成，另外不同模块可以是独立的电子器件，也可以整合成单一的电子器件。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光功率检测系统，其特征在于，包括光学探头、光功率计、数据采集卡及计算设备；
所述光学探头接收来自光源的光束并将所述光束的光信号转换成电信号；
所述光功率计接收所述电信号，将所述电信号转换成数字信号并进一步转换成光功率数据后实时显示；或，将所述电信号直接输出；
所述数据采集卡接收所述电信号后高频采集所述电信号并将所述电信号转换成数字信号；
所述计算设备接收所述数字信号并对所述数字信号检测分析。
2.如权利要求1所述的光功率检测系统，其特征在于，所述电信号是电流信号、电压信号或电阻信号。
3.如权利要求1所述的光功率检测系统，其特征在于，所述检测分析包括：通过所述数字信号获取对应的光功率信息。
4.如权利要求3所述的光功率检测系统，其特征在于，所述计算设备与所述光功率计连接并基于所述光功率计的标定信息和所述数字信号获取所述光功率信息。
5.如权利要求1所述的光功率检测系统，其特征在于，还包括在所述光源和所述光学探头之间设置光束收集装置。
6.如权利要求5所述的光功率检测系统，其特征在于，所述光束收集装置是积分球。
7.一种光功率检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：光学探头接收来自光源的光束并将所述光束的光信号转换成电信号；
S2：光功率计接收所述电信号，将所述电信号转换成数字信号并进一步转换成光功率数据后实时显示；或，将所述电信号直接输出；
S3：数据采集卡接收所述电信号后高频采集所述电信号并将所述电信号转换成数字信号；
S4：所述计算设备接收所述数字信号并对所述数字信号检测分析。
8.如权利要求7所述的光功率检测方法，其特征在于，还包括:对所述光功率计进行标定；所述标定包括如下步骤：
T1：至少两个不同光功率的光源照射所述光学探头，通过所述光功率计读取所述至少两个不同光功率的光源的光功率信息；
T2：利用所述计算设备获取所述至少两个不同光功率的光源对应的所述数字信号；
T3：拟合所述光功率信息与所述数字信号以获取所述光功率计的标定信息。
9.如权利要求7或8任一所述的光功率检测方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括：所述光源的光束通过光束收集装置收集后再通过所述光学探头将所述光束的光信号转换成电信号。
10.如权利要求9所述的光功率检测方法，其特征在于，所述光束收集装置是积分球，所述积分球的输入-输出标定方法包括如下步骤：
P1：测得光学探头直接接收光源的光束时，至少两个光源的光功率；
P2：测得所述光学探头通过所述积分球接收所述光源的光束时，所述至少两个光源的光功率；
P3：拟合步骤P1和步骤P2所得的光功率，获取所述积分球的输入-输出标定信息。
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