CN109269777B - 同时获取光响应图像和反射率图像的方法、装置、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时获取光响应图像和反射率图像的方法、装置、系统及存储介质。其包括，生成一系列哈达玛基底图案，将哈达玛基底图案转化为结构光场，结构光场被投影至待测光电器件，待测光电器件表面的反射光被传送至光电探测器，信号采集器同时采集待测光电器件及光电探测器的电信号，根据结构光场与电信号的关联性计算重建待测光电器件的光响应图像及反射率图像。本发明的方法、装置及系统能够同时采集光响应图像及反射率图像，并且两种图像的视场相同，便于图像融合，实现对光电器件的快速质量筛查和缺陷检测，并且装置简单、易实现。

Description

同时获取光响应图像和反射率图像的方法、装置、系统及存储 介质

技术领域

本发明涉及光电器件功能成像和结构成像技术领域，特别涉及同时获取光响应图像和反射率图像的方法、装置、系统及存储介质。

背景技术

光电器件的光响应图像可用于对光电器件的性能进行评价，而光电器件的反射率结构图像可反映光电器件的外观结构。两者的结合能更好地检测、评价光电器件的品质。传统检测光电器件光电响应函数的方法主要为激光点扫描技术。为了获取光电器件整个光敏面的光电响应函数，需要进行二维遍历扫描整个光电器件光敏面。但是这种激光点扫描方式存在以下几个方面的缺点，(1)一般采用机械移动进行扫描，因此会带来一定的机械移动误差；(2)高精度扫描需要很小的扫描光点，在低功率光点扫描情况下，信噪比较差，而提高扫描光点功率，可能对探测对象产生影响；(3)每次扫描只能获取一个空间点的信息，不利于采用稀疏采样降低测量时间。例如，为了实现测量光电器件的光电响应函数，现有的，利用聚焦的激光光点在CCD表面上进行空间点扫描，从而获取CCD各点(亚像素级)光响应值的方法。然而，这种方法需要耗费大量时间，并且系统复杂。现有的，使用亚像素的掩膜矩阵，测量像素响应函数的方法，该方法是利用掩膜来获取像素中不同空间点的响应，从而实现一次测量曝光就能完成像素响应函数的测量。然而，这种方法是假设相邻像素的响应函数具有高度的相似性。在高精密度的测量中，这种像素与像素之间的响应差别是不可忽略的，因此该方法不适合精密度较高的测量。例如现有的，一种基于小孔投影的原理的空间点扫描测量系统，该系统能产生亚像素大小的激光光点。然而，这种方法的测量结果信噪比低，并且像素之间存在串扰。并且，以上方法都没有同时获取光电器件的外观结构图像。因此，如何实现高效、简单地获取光电器件的光响应图像仍然是一项亟待解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术中的缺点与不足，本发明主要目的在于提供一种同时获取光响应图像和反射率图像的方法、装置、系统及存储介质，针对上述目的，本发明至少提供如下技术方案：

同时获取光响应图像和反射率图像的方法，包括以下步骤：

S1、产生一系列不同频率的哈达玛基底图案对，将该哈达玛基底图案转化为结构光场；

S2、将结构光场投影至待测光电器件，并将所述待测光电器件的反射光传送至光电探测器件，分别采集并记录待测光电器件以及光电探测器在所述结构光场照明下产生的电信号；

S3、根据所述结构光场与相应所述电信号的关联性，计算重建所述待测光电器件的光响应图像以及反射率图像。

所述S1中，利用公式(1)和公式(2)生成一系列不同频率的哈达玛基底图案对，

其中P₊₁和P_-1表示一对互补的哈达玛基底图案，H^-1表示哈达玛反变换，(x,y)表示哈达玛基底图案的像素坐标，(f_x,f_y)表示频率，δ_H(f_x,f_y)表示冲击函数。

所述S2包括：从所述待测光电器件采集到的电信号强度表示为公式(3)和公式(4)，

D₊₁＝∫∫I_func(x,y)·[P₊₁(f_x,f_y,x,y)+P₀]dxdy+ε 公式(3)，

D_-1＝∫∫I_func(x,y)·[P_-1(f_x,f_y,x,y)+P₀]dxdy+ε 公式(4)，

其中D₊₁、D_-1分别表示P₊₁、P_-1哈达玛结构光场照明时的电信号强度，I_func(x,y)表示待测光电器件的光响应图像，P₀是环境光强，ε是噪声；

从所述光电探测器采集到的电信号强度表示为公式(5)和公式(6)，

D′₊₁＝∫∫I_struc(x,y)·[P₊₁(f_x,f_y,x,y)+P₀′]dxdy+ε′ 公式(5)，

D′_-1＝∫∫I_struc(x,y)·[P_-1(f_x,f_y,x,y)+P₀′]dxdy+ε′ 公式(6)，

其中D′₊₁、D′_-1分别表示P₊₁、P_-1哈达玛结构光场照明时的电信号强度，I_struc(x,y)表示待测光电器件的反射率图像，P′₀是环境光强，ε′是噪声。

所述S3包括以下步骤：

S31、依据公式(7)及公式(8)计算对于频率为(f_x,f_y)的哈达玛谱系数，

其中，

和

分别为待测光电器件的光响应图像和反射率图像的哈达玛谱系数；

S32、依据公式(7)及公式(8)分别计算其它频率对应的哈达玛谱系数，分别获得待测光电器件的光响应图像以及反射率图像的哈达玛谱；

S33、对步骤S32得到的两个哈达玛谱分别求哈达玛反变换，然后对变换后的结果取模并进行归一化，即可得到待测光电器件的光响应图像以及与光响应图像视场相同的反射率图像。

同时获取光响应图像和反射率图像的装置，其包括，

控制设备、结构光场发生单元、分光单元、待测光电器件、光电探测器以及信号采集器，其中所述控制设备分别与所述结构光场发生单元及信号采集器连接，所述信号采集器分别与所述待测光电器件及所述光电探测器连接，所述控制设备产生一系列的哈达玛基底图案，所述结构光场发生单元将所述哈达玛基底图案生成结构光场并投影至所述待测光电器件，所述分光单元将所述待测光电器件的反射光反射至所述光电探测器。

所述结构光场发生单元包括结构光发生器及投影透镜，所述结构光发生器生成的所述结构光场经所述投影透镜投影至所述待测光电器件。

所述分光单元包括分光镜及聚光透镜，所述待测光电器件的反射光经所述分光镜反射后，再经所述聚光透镜会聚。

所述结构光发生器是液晶显示器、LED阵列面板或配有光源的数字微镜装置；所述待测光电器件至少是一个光电器件，所述待测光电器件至少为两个光电器件时，所述光电器件并联连接。

同时获取光响应图像和反射率图像的系统，其包括，

哈达玛基底结构光场生成模块，用于生成哈达玛基底图案，并控制所述哈达玛基底图案生成结构光场；

采集模块，用于将所述结构光场投影至待测光电器件，将所述待测光电器件的反射光传送至光电探测器，并采集、记录以及存储待测光电器件以及光电探测器的电信号；

数据处理模块，用于将所述电信号重建为所述光响应图像及所述反射率图像，并将所述光响应图像及所述反射率图像生成为融合图像。

存储介质，存储有程序，其特征在于，执行所述程序时，能够实现上述方法。

本发明相对于现有技术至少具有如下有益效果：

(1)本发明的装置利用哈达玛结构光场，能够同时获取光电器件的光响应图像和反射率图像，并且两种图像的视场相同，便于图像融合，其结构简单。

(2)本发明的方法不需要进行逐点扫描，能够同时对光敏面每个空间点进行测量，因此无需机械装置的参与，没有机械运动所带来的时间损耗，因此相对已有的方式所需的时间大幅度减少，节约了时间成本；同时没有机械运动的参与，就不存在由于机械回程带来的误差。

(3)本发明的方法，其扫描光场功率较低但具有较高信噪比，能够在较低的采样率下发现光电器件的缺陷。

(4)本发明的装置及其方法能够实现同时获取多个光电器件的光响应图像及反射率图像。

附图说明

图1为本发明同时获取光响应图像和反射率图像装置的示意图。

图2为本发明同时获取光响应图像和反射率图像方法流程图。

图3为本发明使用的频率为f_x＝5、f_y＝8的哈达玛基底图案对P₊₁和P_-1示意图。

图4为本发明将一个完好的光电池作为测试对象的测试图。

图5是本发明分别将同一型号的两个光电池作为测试对象的测试图。

图6是本发明将同一型号的四个光电池并联后作为测试对象的测试图。

附图标记：1、控制设备；2、结构光发生器；3、投影透镜；4、分光镜；5、待测光电器件；6、聚光透镜；7、光电探测器；8、信号采集器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示了本发明同时获取光响应图像和反射率图像的装置，该装置包括控制设备、结构光场发生单元、分光单元、待测光电器件、光电探测器以及信号采集器。

其中，控制设备可以是计算机、单片机等，在该实施例中，控制设备为计算机，控制设备分别与结构光场发生单元以及信号采集器连接，控制设备产生一系列的哈达玛基底图案。结构光场发生单元将其哈达玛基底图案转化为结构光场，并投影至待测光电器件5，该实施例中，结构光场发生单元包括结构光发生器2及投影透镜3，结构光发生器2可以是液晶显示器、LED阵列面板或配有光源的数字微镜装置(DMD)。控制设备与结构光发生器2连接，并控制结构光发生器2将哈达玛基底图案转化为相应的结构光场。投影透镜3将其结构光场投影至待测光电器件的光敏表面，当待测光电器件只有一个时，将其输出的正负极连接至信号采集器8的相应输入端，待测光电器件的数量大于等于2时，其光电器件以并联的方式连接，然后将并联后的正负极连接至信号采集设备的相应输入端。结构光场在待测光电器件的光敏表面被反射，反射光经分光单元传输至光电探测器7，在该实施例中，分光单元包括分光镜4以及聚光透镜6，被待测光电器件光敏表面反射的反射光先经分光镜4反射之后，再经聚光透镜6聚光后传送至光电探测器7，信号采集器8分别与待测光电器件以及光电探测器连接，控制设备控制信号采集器8同时采集待测光电器件及光电探测器的光电响应信号，并进行存储，然后对采集的光电响应信号进行计算，计算重建待测光电器件5的光响应图像及反射率图像。

相应的，图2所示了对应于上述装置的同时获取光响应图像和反射率图像的方法，其包括如下步骤：

S1、产生一系列不同频率的哈达玛基底图案对，将该哈达玛基底图案转化为结构光场；

由于需要一对哈达玛基底图案计算出一个哈达玛谱的系数，因此，利用公式(1)和公式(2)生成一系列不同频率的哈达玛基底图案对，

其中P₊₁和P_-1表示一对互补的哈达玛基底图案，H^-1表示哈达玛反变换，(x,y)表示哈达玛基底图案的像素坐标，(f_x,f_y)表示频率，δ_H(f_x,f_y)表示冲击函数。

S2、将结构光场投影至待测光电器件，并将所述待测光电器件的反射光传送至光电探测器件，分别采集并记录待测光电器件以及光电探测器在所述结构光场照明下产生的电信号；

具体的，步骤S2可包括以下步骤：

S21、通过结构光发生器将一系列的哈达玛基底图案依次投射到待测光电器件表面，同时采集待测光电器件5及光电探测器7产生的电信号，并通过数据采集卡存储于计算机内；

S22、信号采集器8采集到待测光电器件产生的光响应电信号强度可表示为：

D₊₁＝∫∫I_func(x,y)·[P₊₁(f_x,f_y,x,y)+P₀]dxdy+ε 公式(3)，

D_-1＝∫∫I_func(x,y)·[P_-1(f_x,f_y,x,y)+P₀]dxdy+ε 公式(4)，

其中D₊₁、D_-1分别表示P₊₁、P_-1哈达玛结构光场照明时的电信号强度，I_func(x,y)表示待测光电器件的光响应图像，P₀是环境光强，ε是噪声；信号采集器8采集到的光电探测器产生的电信号强度可表示为公式(5)和公式(6)，

D′₊₁＝∫∫I_struc(x,y)·[P₊₁(f_x,f_y,x,y)+P₀′]dxdy+ε′ 公式(5)，

D′_-1＝∫∫I_struc(x,y)·[P_-1(f_x,f_y,x,y)+P₀′]dxdy+ε′ 公式(6)，

其中D′₊₁、D′_-1分别表示P₊₁、P_-1哈达玛结构光场照明时的电信号强度，I_struc(x,y)表示待测光电器件的反射率图像，P₀′是环境光强，ε′是噪声。

S3、根据所述结构光场与相应所述电信号的关联性，计算重建所述待测光电器件的光响应图像以及反射率图像；

具体的步骤S3包括以下步骤：

S31、依据公式(7)以及公式(8)计算对于频率为(f_x,f_y)的哈达玛谱系数，

其中，

和

分别为待测光电器件的光响应图像和反射率图像的哈达玛谱系数；

S32、以公式(7)及公式(8)分别计算其它频率对应的哈达玛谱系数，分别获得待测光电器件的光响应图像以及反射率图像的哈达玛谱；

S33、对所获得的光响应图像以及反射率图像的哈达玛谱分别求哈达玛反变换，然后对变换后的结果取模并进行归一化，即可得到待测光电器件的光响应图像以及与光响应图像视场相同的反射率图像。

本领域普通技术人员可以理解实现上述方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM、RAM、磁盘或光盘等介质。

相应的，针对上述装置及上述方法，本发明还公开了一种同时获取光响应图像和反射率图像的系统，其包括，哈达玛基底结构光场生成模块、采集模块以及数据处理模块，其中，哈达玛基底结构光场生成模块用于生成哈达玛基底图案，并控制所述哈达玛基底图案生成结构光场；采集模块，用于将所述结构光场投影至待测光电器件，将所述待测光电器件的反射光传送至光电探测器，并采集、记录以及存储待测光电器件以及光电探测器的电信号；数据处理模块，用于将所述电信号重建为所述光响应图像及所述反射率图像，并将所述光响应图像及所述反射率图像生成为融合图像。

在此需要说明的是，上述系统仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

本发明还公开了一种存储介质，该存储介质存储有程序，在执行其程序时，能够实现本发明的上述同时获取光响应图像和反射率图像的方法。

本发明还公开了一种计算设备，该计算设备包括处理器和存储器，存储器存储有一个或多个程序，处理器执行存储器存储的程序时，能够实现上述同时获取光响应图像和反射率图像的方法，在此不再赘述。

上述计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑或其他具有显示功能的终端设备。

图3为本发明使用的一系列哈达玛基底图案对P₊₁和P_-1中，频率为f_x＝5、f_y＝8的哈达玛基底图案对示意图。

图4为本发明将一个完好的光电池作为测试对象的测试结果图。图4中的(a)图和(c)图为采用全采样方式，获得待测光电池的光响应图像及反射率图像的完整哈达玛谱分布图。图4中的(b)和(d)为分别利用上述(a)图和(c)图中的哈达玛谱，重建的待测光电池的光响应图像和反射率图像，两种图像的视场相同。

图5是本发明分别将同一型号的两个光电池作为测试对象的测试图。其中，(a1)和(b1)为两个光电池的反射率图像，(a2)和(b2)为两个光电池的光响应图像。从上述测试结果可以看出，光响应图像能够发现光电池的缺陷。

图6是将同一型号的四个光电池并联后作为测试对象的测试图。其中，(a)、(b)及(c)中分别对应了四个光电池在不同采样率条件下的光响应图像和反射率图像。(a)组为满采样的结果；(b)组为采样率为0.31％的结果，此时已可以发现右上角的光电池完全损坏，没有光电响应；(c)组为采样率为10％的结果，此时可以发现左下角的光电池中间存在缺陷。

由此可见，本发明的装置利用哈达玛结构光场，能够同时获取光电器件的光响应图像和反射率图像，并且两种图像的视场相同，便于图像融合，其结构简单；并且，本发明的方法不需要进行逐点扫描，能够同时对光敏面每个空间点进行测量，因此无需机械装置的参与，没有机械运动所带来的时间损耗，因此相对已有的方式所需的时间大幅度减少，节约了时间成本；同时没有机械运动的参与，就不存在由于机械回程带来的误差。

以上所述实施例仅为本发明专利较佳的实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.同时获取光响应图像和反射率图像的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、产生一系列不同频率的哈达玛基底图案对，将该哈达玛基底图案转化为结构光场；

S2、将结构光场投影至待测光电器件，并将所述待测光电器件的反射光传送至光电探测器件，同时采集并记录待测光电器件以及光电探测器在所述结构光场照明下产生的电信号；

S3、根据所述结构光场与相应所述电信号的关联性，计算重建所述待测光电器件的光响应图像以及与光响应图像视场相同的反射率图像。

2.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，所述S1中，

利用公式(1)和公式(2)生成一系列不同频率的哈达玛基底图案对，

其中P₊₁和P_-1表示一对互补的哈达玛基底图案，H^-1表示哈达玛反变换，(x,y)表示哈达玛基底图案的像素坐标，(f_x,f_y)表示频率，δ_H(f_x,f_y)表示冲击函数。

3.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，

所述S2包括：从所述待测光电器件采集到的电信号强度表示为公式(3)和公式(4)，

D₊₁＝∫∫I_func(x,y)·[P₊₁(f_x,f_y,x,y)+P₀]dxdy+ε 公式(3)，

D_-1＝∫∫I_func(x,y)·[P_-1(f_x,f_y,x,y)+P₀]dxdy+ε 公式(4)，

其中D₊₁、D_-1分别表示P₊₁、P_-1哈达玛结构光场照明时从所述待测光电器件采集到的电信号强度，I_func(x,y)表示待测光电器件的光响应图像，P₀是环境光强，ε是噪声；

从所述光电探测器采集到的电信号强度表示为公式(5)和公式(6)，

D′₊₁＝∫∫I_struc(x,y)·[P₊₁(f_x,f_y,x,y)+P₀′]dxdy+ε′ 公式(5)，

D′_-1＝∫∫I_struc(x,y)·[P_-1(f_x,f_y,x,y)+P₀′]dxdy+ε′ 公式(6)，

其中D′₊₁、D′_-1分别表示P₊₁、P_-1哈达玛结构光场照明时从所述光电探测器采集到的电信号强度，I_struc(x,y)表示待测光电器件的反射率图像，P₀′是环境光强，ε′是噪声。

4.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，S3包括以下步骤：

S31、依据公式(7)以及公式(8)计算对于频率为(f_x,f_y)的哈达玛谱系数，

其中，

和

分别为待测光电器件的光响应图像和反射率图像的哈达玛谱系数，D₊₁、D_-1分别表示P₊₁、P_-1哈达玛结构光场照明时从所述待测光电器件采集到的电信号强度，D′₊₁、D′_-1分别表示P₊₁、P_-1哈达玛结构光场照明时从所述光电探测器采集到的电信号强度；

S32、以公式(7)和公式(8)分别计算其它频率对应的哈达玛谱系数，分别获得待测光电器件的光响应图像以及反射率图像的哈达玛谱；

S33、对所获得的光响应图像以及反射率图像的哈达玛谱分别求哈达玛反变换，然后对变换后的结果取模并进行归一化，即可得到待测光电器件的光响应图像以及与光响应图像视场相同的反射率图像。

5.同时获取光响应图像和反射率图像的装置，其包括，

控制设备、结构光场发生单元、分光单元、待测光电器件、光电探测器以及信号采集器，其中所述控制设备分别与所述结构光场发生单元及信号采集器连接，所述信号采集器分别与所述待测光电器件及所述光电探测器连接，所述控制设备产生一系列的哈达玛基底图案，所述结构光场发生单元将所述哈达玛基底图案生成结构光场并投影至所述待测光电器件，所述分光单元将所述待测光电器件的反射光反射至所述光电探测器，控制设备控制信号采集器同时采集待测光电器件及光电探测器的光电响应信号，并进行存储，然后对采集的光电响应信号进行计算，计算重建待测光电器件的光响应图像及与光响应图像视场相同的反射率图像。

6.根据权利要求5的所述装置，其特征在于，所述结构光场发生单元包括结构光发生器及投影透镜，所述结构光发生器生成的所述结构光场经所述投影透镜投影至所述待测光电器件。

7.根据权利要求5或6的所述装置，其特征在于，所述分光单元包括分光镜及聚光透镜，所述待测光电器件的反射光经所述分光镜反射后，再经所述聚光透镜会聚。

8.根据权利要求6的所述装置，其特征在于，所述结构光发生器是液晶显示器、LED阵列面板或配有光源的数字微镜装置；所述待测光电器件至少是一个光电器件，所述待测光电器件至少为两个光电器件时，所述光电器件并联连接。

9.同时获取光响应图像和反射率图像的系统，其特征在于，其包括，

哈达玛基底结构光场生成模块，用于生成哈达玛基底图案，并控制所述哈达玛基底图案生成结构光场；

采集模块，用于将所述结构光场投影至待测光电器件，将所述待测光电器件的反射光传送至光电探测器，同时采集待测光电器件以及光电探测器的电信号，并记录以及存储；

数据处理模块，用于将所述电信号重建为所述光响应图像及与光响应图像视场相同的所述反射率图像，并将所述光响应图像及所述反射率图像生成为融合图像。

10.存储介质，存储有程序，其特征在于，执行所述程序时，能够实现权利要求1-4任一项的所述方法。

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