CN109342028A - 衍射光学元件检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种衍射光学元件检测系统及方法，包括：光源，用于发射光束；透镜，用于汇聚所述光源发射的光束并投射平行光束，在标定时直接投射到检测器上，在测定时投射到DOE上；DOE，接收、分束所述平行光束，并投射衍射光束；检测器，在标定时接收所述透镜投射的平行光束；在测定时，接收所述DOE投射的衍射光束；控制处理器，与光源及检测器连接，用于控制光源发射光束以及检测器采集光束，同时接收来自检测器采集的光束图像并对光束图像进行处理以检测DOE的性能。通过该系统和方法，可以对DOE进行性能检测，对批量DOE进行分类，从而提升光学模组的质量与产品的一致性，避免不良产品可能造成的后期危害。

Description

衍射光学元件检测方法与系统

技术领域

本发明涉及光学技术及计算机技术领域，尤其涉及一种衍射光学元件检测方法与系统。

背景技术

衍射光学元件(DOE)由于其高衍射效率以及突出的相位调制性能被广泛应用在光学器件中。对于结构光深度相机中的核心部件——结构光投影模组而言，DOE的性能直接影响投影图案质量，进一步影响深度相机的深度成像效果。DOE由于其内部结构尺寸高达微米甚至纳米级别，制造过程中的误差或者运输等过程中的破坏均会直接影响DOE的性能，组装后会导致投影模组的一致性较差，在一些情况下还会导致衍射零级过强产生激光危害。而现有技术中，缺乏对DOE进行性能检测的方案，从而影响基于DOE光学模组的一致性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种衍射光学元件检测方法与系统，其可以对DOE进行性能检测，对批量DOE进行分类，从而提升光学模组的质量与产品的一致性，避免不良产品可能造成的后期危害。

本发明提供一种衍射光学元件检测系统，包括：光源，用于发射光束；透镜，用于汇聚所述光源发射的光束并投射平行光束，在标定时直接投射到检测器上，在测定时投射到DOE上；DOE，接收、分束所述平行光束，并投射衍射光束；检测器，在标定时接收所述透镜投射的平行光束；在测定时，接收所述DOE投射的衍射光束；控制处理器，与光源及检测器连接，用于控制光源发射光束以及检测器采集光束，同时接收来自检测器采集的光束图像并对光束图像进行处理以检测DOE的性能。

在一些实施例中，所述检测器包括透射屏和相机，所述透射屏设置于所述DOE与所述相机之间，所述光源、透镜、DOE与所述相机在同一轴线上。在另一些实施例中，所述检测器包括反射屏和相机，所述光源、透镜、DOE在同一轴线上，并与所述相机设置在所述反射屏的同侧。再又一些实施例中，所述检测器为图像传感器，所述光源、透镜、DOE与所述图像传感器在同一轴线上。

在一些实施例中，测定时所述检测器采集所述DOE投射的全场衍射光束图像和/或局部衍射光束图像；所述控制处理器根据所述全场衍射光束图像进行斑点数量、衍射效率、对比度、FOV旋转值、光强分布的检测，根据所述局部衍射光束图像进行零级光斑功率、各个衍射级的光强分布的检测。

对于衍射效率的检测，所述控制处理器分别对标定时获取的平行光束图像以及测定时获取的全场衍射光束图像进行像素值的提取，并将全场衍射光束图像的像素值与平行光束图像的像素值的比值作为衍射效率。

对于零级光斑功率的检测，所述控制处理器对标定时获取的平行光束图像进行像素值的提取，并将平行光束的光功率值与像素值的比值作为标定比值；另对测定时获取的零级衍射光束图像进行识别以及像素值的提取；最后将零级衍射光束图像的像素值与标定比值的乘积作为零级光斑的功率。

本发明还提供一种衍射光学元件检测方法，包括：标定阶段：光源发射光束经由透镜汇聚并投射平行光束至检测器，控制处理器接收来自检测器采集的平行光束图像；测定阶段：光源发射光束经由透镜汇聚并投射平行光束至DOE，DOE接收、分束所述平行光束并投射衍射光束至检测器，控制处理器接收来自检测器采集的衍射光束图像；性能检测阶段：控制处理器接收来自检测器采集的平行光束图像和衍射光束图像并进行处理以检测DOE的性能。

在一些实施例中，所述检测器包括透射屏和相机，所述透射屏设置于所述DOE与所述相机之间，所述光源、透镜、DOE与所述相机在同一轴线上；在另一些实施例中，所述检测器包括反射屏和相机，所述光源、透镜、DOE在同一轴线上，并与所述相机设置在所述反射屏的同侧。再又一些实施例中，所述检测器为图像传感器，所述光源、透镜、DOE与所述图像传感器在同一轴线上。

在一些实施例中，测定阶段检测器采集所述DOE投射的全场衍射光束图像和/或局部衍射光束图像；控制处理器根据所述全场衍射光束图像进行斑点数量、衍射效率、对比度、FOV旋转值、光强分布的检测，根据所述局部衍射光束图像进行零级光斑功率、各个衍射级的光强分布的检测。

对于衍射效率的检测，所述控制处理器分别对标定时获取的平行光束图像以及测定时获取的全场衍射光束图像进行像素值的提取，并将全场衍射光束图像的像素值与平行光束图像的像素值的比值作为衍射效率。

对于零级光斑功率的检测，所述控制处理器对标定时获取的平行光束图像进行像素值的提取，并将平行光束的光功率值与像素值的比值作为标定比值；另对测定时获取的零级衍射光束图像进行识别以及像素值的提取；最后将零级衍射光束图像的像素值与标定比值的乘积作为零级光斑的功率。

本发明的有益效果：通过检测器分别接收在标定时透镜投射的平行光束和在测定时DOE投射的衍射光束，然后控制处理器根据检测器所采集的光束图像进行处理即可检测DOE的性能，进而可以对批量DOE进行分类，从而提升光学模组的质量与产品的一致性，避免不良产品可能造成的后期危害。

附图说明

图1为本发明一个实施例中衍射光学元件检测系统结构示意图。

图2为本发明另一个实施例中衍射光学元件检测系统结构示意图。

图3为本发明又一个实施例中衍射光学元件检测系统结构示意图。

图4为本发明一个实施例中衍射光学元件检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1所示的是根据本发明一个实施例的衍射光学元件检测系统结构示意图。系统包括从下往上依次排列，处在同一轴线上的:光源101、透镜(包括单个透镜和透镜组)102、光阑103、待测的衍射光学元件104、透射屏105、相机106，透射屏105和相机106一起组成检测器。除了这些之外，还包括一些固定与支撑装置，用于支撑上述各个组件。另外，还包括一个控制处理器(图中未示出)，比如计算机，与光源、相机连接，可以控制光源发射光束以及相机进行采集光束图像，同时接收来自相机的光束图像并对光束图像进行处理，以判断DOE的性能。

光源101一般为单点激光器，比如边发射激光器或者垂直腔面发射激光器，光源发射出具有一定发散角的光束，透镜102对该光源进行准直或聚焦后入射到DOE上，DOE将入射光束进行衍射形成衍射光束向外发射。由于激光发射出的光束截面往往为椭圆，因此在透镜以及DOE之间设置一个光阑用于对入射到DOE上的入射光束进行整形，比如形成具有一定直径的圆形入射光束，光阑的好处一方面可以准确地将入射光束引导至DOE有效作用区上，另一方面可以对入射光束进行整形，便于简化后期的图像处理算法。

透射屏105用于接收DOE出射的衍射光束并在其表面形成衍射光束图案，透射屏同时具有一定的透射率，使得设置与光源相对侧的相机采集到该图案。透射屏可以由普通白纸、相纸或其他一些具备一定透射率的材料组成。在一个实施例中，为了保证透射屏的平整度，在透射屏一侧或两侧添加平整度高且刚性好的透明材料，比如透明玻璃，由此可以保证透射屏不会轻易弯曲。在一个实施例中，从上至下依次设置PC压板、纸张、玻璃板作为透射屏，且PC压板、纸张及玻璃板的透射率不小于90％。PC压板用于将纸张压平在玻璃板上，其厚度为1mm-3mm时，既可以有效减少纸面不平问题，简单实用，又便于相机清晰的捕获纸张上的图案。本实施例所采用的透射式设计，其相机的光轴可以与DOE的光轴相重合，更有利于采集得到高质量的投影图案。

相机106设置在透射屏相对于光源一侧，且相距一定的距离，距离的设定与相机焦距、FOV、透射屏衍射光束图案大小以及具体的应用有关。比如，利用同一个相机分别进行全场与局部性能测试时，对于需要拍摄全场衍射光束图案的全场测试而言，距离相对较远；对于需要拍摄局部衍射光束图案的局部测试而言，距离相对较近。或者，可以在同一个距离处同时设置焦距、FOV均不同的两个相机，分别用于采集全场、局部衍射光束图案。在一个实施例中，相机为Basler相机，当拍摄局部散斑小视场时，选择75mm长焦镜头；当拍摄全场散斑大视场时，选择5mm短焦镜头。

图2是根据本发明另一实施例的衍射光学元件检测系统结构示意图。系统包括从下往上依次排列，处在同一轴线上的：光源201，透镜202、光阑203、待测的衍射光学元件204、反射屏205，与图1所示的透射式相比，其硬件组成类似，不同的是相机206放置在与光源201同侧的位置。反射屏205主要需要有较高的漫反射率，不要求有较高的透射率。相机206同样可以设置成单个可移动，也可以设置成多个，分别用于全场及局部测量。

另外，由于反射式是相机直接对反射屏上的衍射光束图案进行成像，因此成像质量高，有益于后续的DOE性能测试算法计算。

图3是根据本发明又一个实施例的衍射光学元件检测系统结构示意图。与图1所示的透射式和图2所示的反射式相比，其硬件组成类似，也包括光源301，透镜302、光阑303、待测的衍射光学元件304，其区别在于，一是取消了透射屏或反射屏；二是取消了相机，直接采用图像传感器305(比如大面阵的CCD)。

要想对DOE性能进行准确的衡量，准确获取DOE的衍射光束图案至关重要，前面两种方案中通过相机进行采集，相机的透镜成像原理或多或少会产生一些图像畸变，从而在一定程度上影响到DOE性能的测试。

本实施例中，将图像传感器305设置在离DOE出射较近的位置处(越远要求CCD的区域越大，成本越高)，以准确采集直接从DOE出射的衍射光束图案。CCD感光区域大小取决于DOE的衍射角度以及二者之间的距离。在一个实施例中，透镜将光源发射出的光束进行聚焦，CCD设置在光束束腰位置上，由此可以提升CCD获取的图案的对比度。

根据如上的3种衍射光学元件检测系统，提供一种衍射光学元件检测方法，如图4所示，包括：

S100.标定阶段：光源发射光束经由透镜汇聚并投射平行光束至检测器，控制处理器接收来自检测器采集的平行光束图像；

S200.测定阶段：光源发射光束经由透镜汇聚并投射平行光束至DOE，DOE接收、分束所述平行光束并投射衍射光束至检测器，控制处理器接收来自检测器采集的衍射光束图像；

S300.性能检测阶段：控制处理器接收来自检测器采集的平行光束图像和衍射光束图像并进行处理以检测DOE的性能。

基于相机或图像传感器获取的全场衍射光束图像的DOE性能检测项包括：斑点数量、衍射效率、对比度、FOV旋转值、光强分布；基于相机或图像传感器获取的局部衍射光束图像的DOE性能检测项包括：零级光斑功率、各个衍射级的光强分布。

1、斑点数量

对于应用在斑点图案投影仪中的DOE，其主要功能是对入射的光束进行分束，最终形成由多个斑点组成的衍射光束图像。DOE设计的好坏将直接影响分束的数量以及抑制级数的衍射效果(抑制的不好会产生噪声)。

先采集全场斑点图案，其次对斑点图案进行斑点提取并统计斑点数量，以斑点数量作为结果输出。斑点提取可以利用边缘提取、图案分割等算法进行。若斑点数量与预先设计的斑点数量不匹配，则其DOE未达到其相关指标。

2、衍射效率

衍射效率是指由DOE出射后的衍射光束总强度与入射到DOE上的入射光束强度的比值，反应的是DOE的衍射效果，衍射效率越高，生成相同强度的衍射光束图案对光源的功耗要求将越低。

由于DOE的衍射效果，通常难以直接对衍射光束总强度进行定量的测量，因此本实施例中通过先标定后测定的方式。标定步骤中，通过人为或机械臂等控制方式去除DOE，光源发射光束经由透镜直接出射，相机或图像传感器采集光束，并提取该光束图像的像素值(对光束所在的像素区域内所有的像素值进行积分求和)；测定步骤中，即对DOE衍射效率进行测量时，增加DOE，光源发射光束强度、相机等的位置、属性保持与标定步骤中相同，相机或图像传感器采集由DOE衍射出的衍射光束图案，并计算图案中所有光束的像素值求和值；最后将衍射前后两次测得的像素求和值进行比对即获取了DOE的衍射效率。

本实施例中将衍射前后的像素值的比值可以等效于衍射前后的光束强度的比值，这是因为像素值与光束强度之间有相应的比例关系，通过标定步骤与测定步骤，将其他各项因素(光源发射光束强度、相机等的位置、属性)的条件都保持一致，排出其他各项因素的干扰，进而进行等效检测。

3、对比度

对采集到的全场衍射光束图像进行亮度极大值与极小值的识别与提取，二者的差值可以作为衡量对比度的数值并输出。

4、FOV旋转值以及倾斜度

对采集到的全场衍射光束图案进行边缘提取，或者对称中心线提取，将边缘或者对称中心线与水平或垂直方向的夹角作为FOV旋转值。

或者对全场衍射光束图案进行左右密度检测，当左右区域密度有明显不同时，认为DOE相对与入射光束不垂直，即产生倾斜。倾斜的角度可以通过密度的差异来衡量，也可以通过提取左右图案边缘、对称中心线等来衡量。

5、光强分布

对于全场或局部衍射光束图像的光强分布检测，对获取的图像进行强度统计，在一个实施例中，将整幅图像进行分块，对每块中的像素值进行积分，将积分值作为强度分布统计值。可以将图像平均分成4块，也可以分成更多块，甚至可以对每个斑点作为一个块，由此可以更加准确地获取各个衍射级的强度分布。

6、零级光斑的功率

这里同样首先需要功率标定，标定分两步，首先对去除DOE时的光源光束进行光功率值测量，这里用到光功率计；其次用相机或图像传感器采集去除DOE时的光源光束以获取像素值；光功率值与像素值的比值作为标定结果输出。在零级光斑功率测量时，在添加DOE的基础上由相机或图像传感器采集斑点图像，其次对图像中的零级斑点进行识别以及像素值积分，最后将零级衍射光束图像的像素值与标定结果的乘积作为零级光斑的真实功率。

以上内容是结合具体/优选的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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种衍射光学元件检测系统，其特征在于，包括：

光源，用于发射光束；

透镜，用于汇聚所述光源发射的光束并投射平行光束，在标定时直接投射到检测器上，在测定时投射到DOE上；

DOE，接收、分束所述平行光束，并投射衍射光束；

检测器，在标定时接收所述透镜投射的平行光束；在测定时，接收所述DOE投射的衍射光束；

控制处理器，与光源及检测器连接，用于控制光源发射光束以及检测器采集光束，同时接收来自检测器采集的光束图像并对光束图像进行处理以检测DOE的性能。

2.如权利要求1所述的衍射光学元件检测系统，其特征在于，

所述检测器包括透射屏和相机，所述透射屏设置于所述DOE与所述相机之间，所述光源、透镜、DOE与所述相机在同一轴线上；

或

所述检测器包括反射屏和相机，所述光源、透镜、DOE在同一轴线上，并与所述相机设置在所述反射屏的同侧。

3.如权利要求1所述的衍射光学元件检测系统，其特征在于，所述检测器为图像传感器，所述光源、透镜、DOE与所述图像传感器在同一轴线上。

4.如权利要求1所述的衍射光学元件检测系统，其特征在于，测定时所述检测器采集所述DOE投射的全场衍射光束图像和/或局部衍射光束图像；所述控制处理器根据所述全场衍射光束图像进行斑点数量、衍射效率、对比度、FOV旋转值、光强分布的检测，根据所述局部衍射光束图像进行零级光斑功率、各个衍射级的光强分布的检测。

5.如权利要求4所述的衍射光学元件检测系统，其特征在于，

所述控制处理器分别对标定时获取的平行光束图像以及测定时获取的全场衍射光束图像进行像素值的提取，并将全场衍射光束图像的像素值与平行光束图像的像素值的比值作为衍射效率。

6.如权利要求4所述的衍射光学元件检测系统，其特征在于，所述控制处理器对标定时获取的平行光束图像进行像素值的提取，并将平行光束的光功率值与像素值的比值作为标定比值；另对测定时获取的零级衍射光束图像进行识别以及像素值的提取；最后将零级衍射光束图像的像素值与标定比值的乘积作为零级光斑的功率。

7.一种衍射光学元件检测方法，其特征在于，包括：

标定阶段：光源发射光束经由透镜汇聚并投射平行光束至检测器，控制处理器接收来自检测器采集的平行光束图像；

测定阶段：光源发射光束经由透镜汇聚并投射平行光束至DOE，DOE接收、分束所述平行光束并投射衍射光束至检测器，控制处理器接收来自检测器采集的衍射光束图像；

性能检测阶段：控制处理器接收来自检测器采集的平行光束图像和衍射光束图像并进行处理以检测DOE的性能。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述检测器为图像传感器，所述光源、透镜、DOE与所述图像传感器在同一轴线上。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，测定阶段检测器采集所述DOE投射的全场衍射光束图像和/或局部衍射光束图像；控制处理器根据所述全场衍射光束图像进行斑点数量、衍射效率、对比度、FOV旋转值、光强分布的检测，根据所述局部衍射光束图像进行零级光斑功率、各个衍射级的光强分布的检测。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，

控制处理器分别对标定时获取的平行光束图像以及测定时获取的全场衍射光束图像进行像素值的提取，并将全场衍射光束图像的像素值与平行光束图像的像素值的比值作为衍射效率；

控制处理器对标定时获取的平行光束图像进行像素值的提取，并将平行光束的光功率值与像素值的比值作为标定比值；另对测定时获取的零级衍射光束图像进行识别以及像素值的提取；最后将零级衍射光束图像的像素值与标定比值的乘积作为零级光斑的功率。