CN110068446B - 基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法 - Google Patents
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Abstract
一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，包括以下步骤：获取所述衍射光学元件的一输出能量，其中所述输出能量被实施为所述衍射光场的总能量；设置至少一阻挡元件于所述衍射光学元件并获取一有效能量，其中所述衍射光学元件的一输出效率被实施为所述有效能量与所述输出能量的比值；获取该衍射光学元件的至少一衍射图像，分析所述衍射图像，获取至少一第一灰度和；设置一阈值，根据所述阈值区隔所述衍射次级，获取至少一第二灰度和，其中所述第二灰度和与所述第一灰度和的比值被实施为一有效效率，所述衍射效率被实施为所述有效效率与所述输出效率的比值。
Description
技术领域
本发明涉及一光学测试领域，特别涉及一基于图像的测试衍射光学元件的衍射效率测试方法。
背景技术
散斑结构光方案是3D成像领域中测试精度高，可用于3D建模、体感交互的一种关键解决方案。其主要有激励源(LD/Vcsel)、准直镜片及衍射光学元件(DOE)组成，而其中衍射光学元件(DOE)为其关键部件。
衍射光学元件，是一种基于光的衍射原理，利用测试机辅助设计，并通过微电子加工技术在光学材料表面刻蚀产生两个或多个台阶深度的深雕结构。通过光学衍射制备而成的衍射光学元件具有诸多特点，如体积小，轻便易携等，同时拥有传统光学元件无法媲美的特殊功能，所以使得衍射光学元件在多领域都有着广泛的应用，比如说在一散斑结构光方案中。在衍射光学元件的众多光学参数中，衍射效率是衍射光学元件在设计和应用中需要重点考虑的因素，因为通过所述衍射光学元件的光线不仅需要改变其传播路径，同时需要达到一定的光强才可被利用，故衍射光学元件的衍射效率就显得尤为重要。值得一提的是，衍射光学元件的衍射效率，指的是在某一个衍射方向上的光强与入射光强的比值，一般而言，在其他光学性能都相同的情况下，衍射光学元件的衍射效率与光学性能呈正比关系变化。
关于衍射光学元件的衍射效率的测试，现有技术主要是通过光功率计或者积分球等硬件来完成。以利用积分球测试衍射效率为例进行说明，经过衍射光学元件的光线抵达一积分球，该积分球逐个计算每一个衍射次级的能量，并求出每一个衍射次级的能量与输出总能量的比值，进而得到该衍射次级的衍射效率。光功率计的测试方法和积分球雷同，在此不赘述说明。然而利用光功率计或积分球测试衍射效率的方式，只能适用于有限的衍射次级的情况，并且以这种方式测试得到的衍射效率并不准确。
换言之，经过衍射光学元件的光线以衍射次级的形式被显示，光功率计或积分球获取这些有限的衍射次级的能量，并将这些有限衍射次级的能量与衍射光学元件的输出总能量进行比对计算后，获得该衍射次级的衍射效率。然而由于积分球或光功率计是逐个计算衍射次级的能量的，当衍射次级超过一定的数量级时，就不能再适用这种方式来测试衍射次级的衍射效率。或者说这样的测试方法最大的缺陷是，只能被适用于测试有限的衍射次级的衍射效率，当衍射次级达到一定的数量级后，就很难继续用硬件测试方式来测试衍射效率。
另外，衍射次级之间可能会存在不被需要的次级衍射能量，这些次级衍射能量被显示为鬼点，这些鬼点在实际衍射效率的测试过程中是需要被剔除的，然而通过光功率计或积分球测试某一衍射次级的衍射能量时，可能会由于积分球或者光功率计探测位置方式不正确，而导致这些鬼点的次级衍射能量会对所述该衍射次级的衍射能量测试的干扰，从而导致测得的衍射效率与实际的衍射效率存在一定的偏差。
再者，由于光功率计或积分球是通过逐一计算每一衍射次级的能量的方式来获取衍射效率的，这样也在一定程度上导致了衍射效率的测试效率低下。综上所述，通过光功率计或积分球测试衍射效率的方式，存在以下缺陷：测试适用范围小，测试效率低下以及测试精度误差大等问题。
然而衍射光学元件被适用于越来越多的应用场景，这对衍射光学元件的性能提出了更高的要求，衍射光学元件的衍射次级数量可以达到几十甚至几百，现有技术的衍射效率测试方法已经不再适用于这些衍射光学元件的衍射效率的测试。综上所述，衍射光学元件的衍射次级达到了一定的数量级，而现有技术并没有一种合适地高效地计算这类衍射光学元件的衍射效率的测试方法。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中，所述衍射效率测试方法通过分析图像的方式来测试衍射光学元件的衍射效率。
本发明的一个目的在于提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中，所述衍射效率测试方法的应用范围广，换言之，所述衍射效率测试方法可被适用于测试具有大数量衍射次级的衍射光学元件的衍射效率。
本发明的一个目的在于提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中，所述衍射效率测试方法被适用于测试衍射次级多，有效衍射次级之间夹角较小的衍射情况。
本发明的一个目的在于提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中，所述衍射效率测试方法通过设定阈值的方式，来剔除至少一误差衍射能量，从而提高衍射效率的测试准确度。
本发明的一个目的在于提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中，所述阈值的设置可保证有效衍射次级的完整性，以及误差衍射能量的完全滤除。
本发明的一个目的在于提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中，所述衍射效率测试方法结合软件硬件测试的方式，以提高所述衍射效率的测试准确度以及测试效率。
本发明的一个目的在于提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中，所述衍射效率测试方法通过测试图像的灰度信息，以计算得到所述衍射光学元件的衍射效率，大大地提高了衍射效率的测试效率以及测试准确度。
本发明的一个目的在于提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中，所述衍射效率测试方法只需要获取一张图像就可完成对衍射效率的测试，大大地提高了衍射效率测试的测试效率以及测试准确度。
本发明的一个目的在于提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中，所述衍射光学元件的衍射效率的测试可针对某一特定目标窗口进行测试，换言之，所述衍射效率测试方法可根据需要被设置，以测试不同情况下的衍射光学元件的衍射效率。
本发明的一个目的在于提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中，所述衍射测试方法简单易操作，适用范围广，且可保证衍射效率的测试效率和准确度。
为了实现以上至少一发明目的，本发明提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中一系列光束被至少一衍射光学元件作用后以一衍射光场，其中所述衍射光场包括至少一目标区衍射次级以及至少一无效衍射次级，所述衍射效率测试方法包括以下步骤：
A.获取所述衍射光学元件的一输出能量，其中所述输出能量被实施为所述衍射光场的总能量；
B.设置至少一阻挡元件于所述衍射光学元件以阻挡所述无效衍射次级，并获取一有效能量，其中所述有效能量被实施为所述目标区衍射次级的能量，其中所述衍射光学元件的一输出效率被实施为所述有效能量与所述输出能量的比值；
C.一摄像设备获取该衍射光学元件的至少一衍射图像，其中所述目标区衍射次级显示为所述衍射图像；
D.一分析软件分析所述衍射图像，获取至少一第一灰度和，其中所述第一灰度和被实施为所述目标区衍射次级对应的灰度值；
E.所述分析软件设置一阈值，根据所述阈值区隔所述目标区衍射次级，获取至少一第二灰度和，其中所述第二灰度和与所述第一灰度和的比值被实施为一有效效率；以及
F.计算所述衍射光学元件的所述衍射效率，其中所述衍射效率被实施为所述有效效率与所述输出效率的乘积。
在一些实施例中，所述步骤F进一步包括以下步骤：
F1.比对所述目标区衍射次级中每一衍射次级的灰度值以及所述阈值，其中当一衍射次级的灰度值小于所述阈值，该衍射次级的灰度值设置为0，其中当一衍射次级的灰度值不小于所述阈值，保留该衍射次级的灰度值；以及
F2.统计衍射次级的灰度值，得到所述第二灰度值。
在一些实施例中，其中，小于所述阈值的所述目标区衍射次级被实施为至少一误差衍射次级，不小于所述阈值的所述目标区衍射次级被实施为至少一有效衍射次级。
在一些实施例中，其中，所述误差衍射次级对应的灰度值小于所述有效衍射次级对应的灰度值。
在一些实施例中，其中，所述阈值在所述衍射效率测试方法中被微调，其中所述阈值的设置完全过滤所述误差衍射次级，以及保留所述有效衍射次级。
在一些实施例中，其中，所述步骤D进一步包括以下步骤:所述分析软件获取所述目标区衍射次级的每一衍射次级的灰度值；以及统计所述灰度值，并获取所述第一灰度值S1。
在一些实施例中，其中，所述步骤A进一步包括以下步骤：通过一能量测试设备测试所述衍射光场，以得到所述衍射光场的一特性参数；以及转化所述特性参数为所述输出能量。
在一些实施例中，其中，所述步骤B进一步包括以下步骤：设置所述阻挡元件于所述衍射光学元件的光线出射方向；通过所述能量测试设备测试所述目标区衍射次级，以得到所述目标区衍射次级的一特性参数；以及转化所述特性参数为所述有效能量。
在一些实施例中，其中至少一吸光物质设置于所述阻挡元件内部，定义一吸光区域以及一透光区域，其中所述无效衍射次级抵达所述吸光区域被阻挡，所述目标区衍射次级从所述透光区域被射出。
在一些实施例中，其中，所述阻挡元件适配于所述衍射光学元件，所述阻挡元件的大小相关于所述衍射光学元件的一有效衍射角度以及所述衍射光学元件的相对位置。
在一些实施例中，其中，所述阻挡元件在X轴方向的长度被实施为LX＝h*tan(ωX)*2；所述阻挡元件在Y轴方向的长度被实施为LY＝h*tan(ωY)*2，其中h被实施为所述衍射光学元件的有效光学表面到所述能量测试设备方向的距离，其中ωX，ωY被实施为所述衍射光学元件在X/Y方向有效衍射角度。
在一些实施例中，其中，所述吸光物质被实施为一黑色材料。
在一些实施例中，其中所述能量测试设备被实施为一积分球。
在一些实施例中，其中，所述衍射光学元件被应用于一散斑结构光投射器中，其中所述散斑结构光投射器包括至少一激励源，至少一准直镜片以及所述衍射光学元件。
在一些实施例中，其中，所述摄像设备被实施为一短焦段相机，其中所述摄像设备获取所述目标区衍射次级对应的所述衍射图像。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现，本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例的衍射光学元件的衍射示意图。
图2是根据本发明的上述实施例的所述衍射光学元件的一衍射光场的示意图，其中所述衍射光学元件形成至少一有效衍射次级，至少一误差衍射次级以及至少一无效衍射次级。
图3是根据本发明的上述实施例的所述衍射光学元件的输出能量的测试示意图，其中，所述衍射光学元件的所述输出能量被一能量测试设备测试。
图4是根据本发明的上述实施例的衍射光学元件的有效能量的测试示意图，其中所述衍射光学元件前设置至少一阻挡元件。
图5是根据本发明的上述实施例的阻挡元件的详细示意图。
图6是基于图4的根据本发明的上述实施例的衍射光学元件的一目标区衍射次级的衍射情况示意图。
图7是根据本发明的上述实施例的衍射光学元件的衍射图像获取过程示意图。
图8是根据本发明的上述实施例的一图像设备的示意图。
图9是根据本发明的上述实施例的衍射光学元件的衍射图像的分析过程示意图。
图10是根据本发明的上述实施例的衍射光学元件的衍射效率的计算公式。
图11到图15是根据本发明的上述实施例的基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法的方法流程示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
衍射光学元件的衍射效率是至关重要的一光学参数。熟悉该项技术的人可以明白，通过所述衍射光学元件的光线不仅需要改变其传播路径，同时需要达到一定的光强才可被利用，并且衍射光学元件的衍射效率可表示该衍射光学元件对能量的利用率，故衍射光学元件的衍射效率就显得尤为重要，所以在实际应用中需要测试衍射光学元件的衍射效率。
对于一衍射光学元件来说，衍射效率指的是有效衍射次级与衍射光学元件输出总能量的比例，现有技术中通过光功率计或积分球等硬件测试衍射光学元件的衍射效率。然而，现有技术的衍射效率测试方法存在测试适用范围小，测试效率低下以及测试准确度低下等问题。随着衍射光学元件被适用于越来越多的应用场景，比如说衍射光学元件被适用于一散斑结构光方案中，衍射光学元件的性能也被提出了更高的要求，衍射光学元件的衍射次级数量可以达到几十甚至几百，现有技术的衍射效率测试方法已经不再适用于这类衍射光学元件的衍射效率的测试。
为了解决以上问题，本发明提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中，根据本发明的实施例的衍射效率测试方法可被适用于测试具有大数量衍射次级的衍射光学元件的衍射效率，并且通过所述衍射效率测试方法测得的衍射效率有测试准确度高，测试效率高等优势。
如图1到图9所示，根据本发明的一实施例的衍射光学元件的衍射效率测试过程被展示，在一衍射光学元件30的实际应用过程中，一系列的衍射光经过衍射光学元件30的衍射作用后向外发射，并形成一衍射光场20。值得注意的是，所述衍射光场20由一系列的衍射次级组成，或者可以说，所述衍射光从所述衍射光学元件30向外发散，以一系列的衍射次级形式被显示，一系列的所述衍射次级组成所述衍射光场20。
在本发明的实施例中，所述衍射光场20包括至少一有效衍射次级21，至少一误差衍射次级22，以及至少一无效衍射次级23，但值得注意的是，所述有效衍射次级21，所述误差衍射次级22，以及所述无效衍射次级23均被实施为所述衍射次级，唯一不同的是，所述有效衍射次级21被实施为一有效区域内的衍射次级，所述无效衍射次级23被实施为一无效区域内的衍射次级，所述误差衍射次级22被实施为需要被剔除测试的衍射次级。熟悉该项技术的人应该明白，所述有效衍射次级21和所述无效衍射次级23并无严格的区别标准，换言之，所述有效衍射次级21和所述无效衍射次级23根据实际需求被设定。另外，所述误差衍射次级22被实施为一类特殊的有效衍射次级21，具体而言，所述误差衍射次级22的能量远低于标准的所述有效衍射次级21的能量。
在本发明的实施例中，经过所述衍射光学元件30的衍射光被显示为所述衍射光场20，所述衍射光场20的覆盖面积定义一衍射区域10。或者说，所述衍射光作用在所述衍射区域10上，形成所述衍射光场20。值得一提的是，从所述衍射光学元件30射出的所述衍射光并不是全部都被需要，或者说，在实际应用中，只需要选择部分从所述衍射光学元件30射出的所述衍射光即可，这部分被需要的衍射光被显示为所述有效衍射次级21。
具体而言，所述衍射区域10包括一有效衍射区域11，以及一无效衍射区域12，其中所述有效衍射次级21以及所述误差有效衍射次级22被显示于所述有效衍射区域11，所述无效衍射次级23被显示于所述无效衍射区域12。或者说，所述有效衍射次级21以及所述误差有效衍射次级22在所述衍射区域10内定义所述有效衍射区域11，所述无效衍射次级23在所述衍射区域11内定义所述无效衍射区域12。但值得一提的是，所述有效衍射区域11和所述无效衍射区域12根据实际情况被确定，所述有效衍射区域11被实施为所述衍射光学元件30的目标区域，所述无效衍射区域12被实施为所述衍射光学元件30的非目标区域。
根据本发明的实施例，本发明提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中所述衍射效率测试方法可通过分析图像的方式来测试所述衍射光学元件30的一衍射效率N。根据本发明的实施例，所述衍射效率N被实施为所述有效衍射次级21的能量与所述衍射光学元件30输出总能量的比值，本发明通过软件硬件的方式共同获取所述衍射光学元件30的各类参数。
具体如图1和2所示，所述衍射光学元件30向外发射所述衍射光，所述衍射光被显示为所述衍射光场20，其中所述衍射光场20包括所述有效衍射次级21，所述误差衍射次场22以及所述无效衍射次场23。所述衍射光场20的能量被实施为所述衍射光学元件30的一输出能量W1，经过所述衍射光学元件30的所述衍射光被显示为所述衍射光场20，故所述衍射光场20的能量被实施为所述输出能量W1。
如图3所示，所述输出能量W1通过一能量测试设备50被测试，所述能量测试设备50可被实施为任意可获取能量的设备，比如能量计，光功率计或积分球等，所述能量测试设备50测试所述衍射光场20的能量。在本发明的实施例中，所述能量测试设备50被实施为一积分球，所述积分球测试所述衍射光场20的能量，并得到所述输出能量W1。
当所述能量测试仪器50被实施为所述积分球时，所述衍射光场20被集中于所述积分球，所述积分球获取当前所述衍射光场20的特性参数，并将所述特性参数转化为所述衍射光场20的能量，此时所述衍射光场20包括所述有效衍射次级21，所述误差衍射次级22以及所述无效衍射次级23，所述能量测试仪器50获取所述输出能量W1。
具体而言，所述能量测试仪器50形成一测试口51，在本发明的实施例中，所述衍射光学元件30被适用于一散斑结构光模组，则一激励源向着所述衍射光学元件30的方向发射一系列光束，所述光束经过所述衍射光学元件20的作用后形成一系列的衍射光，所述衍射光所述测试口51进入所述能量测试仪器50并形成所述衍射光场20，所述能量测试仪器50测试所述衍射光场20的能量。
然而，在实际应用中，从所述衍射光学元件30向外发散的所述衍射光并不是全部都被需要。或者说，根据实际需要，所述衍射光场20内的衍射次级被划分为一目标区衍射次级24以及所述无效衍射次级23，其中所述目标区衍射次级24包括所述有效衍射次级21以及所述误差衍射次级22。所述目标区衍射次级24被显示于所述有效衍射区域11，所述无效衍射次级23被显示于所述无效衍射区域12，熟悉该项技术的人应该明白，所述目标区衍射次级24以及所述无效衍射区域12并无严格的界限。其中
为了可获取目标区衍射次级24的能量，所述目标区域衍射次级24被显示于所述有效衍射区域11，值得一提的是，所述误差衍射次级22被实施为一特殊类型的有效衍射次级21。在所述衍射光学元件30的光线出射方向上设置一阻挡元件40，如图4所示，所述阻挡元件40阻挡所述衍射无效衍射次级23的出射光线，从而使得被所述阻挡元件40后只剩下所述目标区衍射次级24。
具体而言，所述阻挡元件40设置于所述衍射光学元件30的光线出射方向，从所述衍射光元件20出射的衍射光包括所述目标区衍射次级24以及所述无效衍射次级23，部分衍射光被所述阻挡元件40阻挡，从而使得从所述阻挡元件40出射的衍射光只包括所述目标区衍射次级24。
由于所述目标区衍射次级24被实施为显示于所述有效衍射区域11的衍射光，所述无效衍射次级23被实施为显示于所述无效衍射区域22的衍射光，所述阻挡元件40吸收会抵达所述无效衍射区域22的衍射光，从而只留下所述目标区衍射次级24。
值得一提的是，所述阻挡元件40的形状适配所述衍射光学元件30的输出衍射角度，即从所述衍射光学元件30出射的所述衍射光以一定的衍射角度散发，所述阻挡元件40被设计为适配该衍射角度的形状，从而使得从所述衍射光学元件30出射的所述衍射光全部抵达所述阻挡元件40。
具体而言，所述阻挡元件40被设置于所述衍射光学元件30与所述能量测试设备50之间，所述阻挡元件40的大小根据所述衍射光学元件30在X/Y方向有效衍射角度ωX,ωY(半角)及所述衍射光学元件30的有效光学表面到所述测试口方向距离h计算窗口大小：
LX＝h*tan(ωX)*2；LY＝h*tan(ωY)*2。
或者说，所述阻挡元件40的大小相关于所述衍射光学元件30的所述有效衍射角度以及所述衍射光学元件30的位置。从所述衍射光学元件30向外发散的所述衍射光经过所述阻挡元件40向外发散。
另外，所述阻挡元件40的周边设置至少一吸光物质41，其中所述吸光物质41可吸收所述衍射光，从而使得所述阻挡元件40可阻挡部分从所述衍射光学元件30出射的所述衍射光。值得一提的是，所述吸光物质41在所述阻挡元件40上定义一吸光区域401以及一透光区域402，其中所述无效衍射次级23抵达所述吸光区域401被吸收，所述目标衍射次级24通过所述透光区域402被射出。所述透光区域402适配于所述有效衍射区域11设置，所述吸光区域401适配于所述无效衍射区域12设置。
值得一提的是，在本发明的实施例中，所述吸光物质41被实施为一黑色物质，众所周知，光线抵达黑色表面时，光线会被黑色表面吸收，所述吸光物质41基于这原理吸收所述无效衍射次级23。当然，所述吸光物质41可被实施为其他阻挡光线的物质，以使得所述阻挡元件40阻挡所述无效衍射次级23，所述阻挡元件40只允许所述目标区衍射次级24通过。
如图6所示，从所述衍射光学元件30出射的部分所述衍射光场20被所述阻挡元件40阻挡，以使得从所述阻挡元件40出射的所述衍射光场20只剩下所述目标区衍射次级24，所述目标区衍射次级24组成一有效能量W2，所述有效能量W2被测试。
所述有效能量W2的测试方法与所述输出能量W1的测试方法雷同，所述有效能量W2通过所述能量测试设备50被测试，所述能量测试设备50可被实施为任意可获取能量的设备，比如能量计，光功率计或积分球等，所述能量测试设备50测试所述目标区衍射次级24的能量。在本发明的实施例中，所述能量测试设备50被实施为积分球，所述积分球测试所述目标区衍射次级24的能量，并得到所述输出能量W1。
当所述能量测试仪器50被实施为所述积分球时，所述衍射光场20被集中于所述积分球，所述积分球获取当前所述目标区衍射次级24的特性参数，并将所述特性参数转化为所述目标区衍射次级24的能量，所述能量测试仪器50获取所述有效能量W2。
所述有效能量W2被实施为落入所述有效衍射区域11内的能量，所述输出能量W1被实施为落入所述衍射区域10的全部能量，所述衍射光学元件30的一输出效率N2被实施为所述有效能量W2与所述输出能量W1的比值。值得一提的是，所述输出效率N2根据所述有效衍射区域11的面积变化而变化，所述输出效率N2被实施为从所述衍射光学元件30出射的衍射光落入所述有效衍射区域11的效率。
然而值得一提的是，所述目标区衍射次级24包括所述有效衍射次级21以及所述误差衍射次级22，其中所述误差衍射次级22并不能做为被应用的衍射次级，故在所述衍射效率N的测试中，所述误差衍射次级22的能量需要被剔除。但现有技术应用硬件测试的方法，并不能剔除所述误差衍射次级22，从而影响实际的衍射效率的测试准确度。另外，现有技术的硬件测试方法只适用于有限衍射次级的情况，当所述衍射光学元件30形成大数量的衍射次级时，现有技术将不再被适用。
本发明通过获取所述衍射光学元件30的一衍射图像T，并分析所述衍射图像T的特性以获取准确的所述衍射效率N，具体而言，衍射图像T被实施为所述目标区衍射次级24的一外在显示方式，故所述衍射图像T可表示所述目标区衍射次级24。在本发明的实施例中，将所述目标区衍射次级24的能量被转化为所述衍射图像T的灰度值进行分析处理，熟悉该项技术的人应该明白，也可分析所述衍射图像T的其他特性参数，本发明在这方面不做限制。
值得一提的是，每一衍射次级的能量显示在所述衍射图像T的灰度情况，具体而言，当所述衍射次级具有越高能量时，所述衍射图像T上对应该衍射次级的亮度越强。所述误差衍射次级22被实施为所述有效衍射次级21之间的鬼点，其中所述误差衍射次级22的能量远低于所述有效衍射次级21的能量，反映在所述衍射图像T上的情况，就是对应所述误差衍射次级22的灰度值较低。
在本发明的实施例中，所述有效衍射区域11的衍射光场被获取形成所述衍射图像T。所述衍射图像T通过一图像设备60被获取分析，在本发明的实施例中，所述图像设备60包括一摄像设备61以及一分析软件62，所述摄像设备61获取所述衍射图像T，所述分析软件62分析所述衍射图像T。
在本发明的实施例中，所述摄像设备61被实施为一工业相机，所述工业相机被实施为一红外相机，即所述工业相机通过红外线获取所述衍射图像T，以提高所述衍射图像T的获取质量。并且所述工业相机被实施为一短焦段相机，从而使得所述工业相机可获取所述有限衍射区域11的图像。
所述衍射光学元件30可被应用于多类型的摄像模组中，在本发明的一实施例中，所述衍射光学元件30被应用于一散斑结构光投射器，所述散斑结构光投射器主要由激励源(LD/Vcsel)、准直镜片及所述衍射光学元件(DOE)组成，其中所述准直镜片和所述衍射光学元件30依次位于所述激励源的发射路径上，所述激励源用于发射出光线，所述准直镜片用于校准所述光线，以使所述光线校准成近似平行光，所述衍射光学元件30用于对所述平行光进行调制，以生成具有特殊结构的光线。故在所述衍射光学元件30的测试过程中，所述激励源的光心对准所述衍射光学元件30的光心，所述工业相机在一定距离范围内获取所述衍射光学元件30的落入所述有效衍射区域11内的所述衍射图像T。当然，熟悉该项技术的人应该明白，所述衍射光学元件30可被应用于其他模组中，本发明在这仅作为举例，而不作限制。
如图9所示，在本发明的一实施例中，所述衍射光学元件30的所述衍射效率N通过一测试仪器被测试。当所述测试仪器被适用于测试所述衍射光学元件30的所述衍射效率N时，在测试过程中先搭建按一个测试暗环境，所述激励源以及所述衍射光学元件30被设置于所述测试仪器。通过微调所述测试仪器使得所述激励源和所述衍射光学元件30的光心对准，继而调节位于所述测试仪器上的所述摄像设备61，使得所述摄像设备61的光轴与所述衍射光学元件30的光轴平行，再调节所述摄像设备61的焦段，以采取所述有效衍射区域11的所述衍射图像T。
如图10所示，当所述摄像设备61，在本实施例中被实施为所述工业相机，获取所述衍射图像T，所述衍射图像T被实施为所述有效衍射区域11的图像。所述摄像设备61通信地连接于所述分析软件62，所述分析软件62分析所述衍射图像T，并得到此时所述衍射图像T的一第一灰度值S1。特别值得一提的是，此时所述第一灰度值S1表示所述目标区衍射次级24的所述有效能量W2，其中所述目标区衍射次级24包括所述有效衍射次级21以及所述误差衍射次级22。
为了剔除所述误差衍射次级22，所述分析软件62被设置一阈值Y，所述分析软件62根据所述阈值Y剔除所述误差衍射次级22的能量，并保留所述有效衍射次级21的能量。当所述衍射次级的能量通过灰度值被显示时，所述分析软件62根据所述阈值Y剔除所述误差衍射次级22对应的灰度值，并保留所述有效衍射次级21对应的灰度值，以获取一第二灰度值S2，其中所述第二灰度值S2表示所述有效衍射次级21的能量。所述第一灰度值S1与所述第二灰度值S2的比值被实施为一有效效率N2，所述有效效率N2被实施为所述有效衍射次级21在所述目标区衍射次级24中的比例。
值得一提的是，所述衍射光学元件30的所述衍射效率N被实施为所述有效效率N2与所述输出效率N1的乘积，从而使得所衍射光学元件30的所述衍射效率N被获取。
另外，所述分析软件62根据所述阈值Y分析所述衍射图像T，以获取所述有效效率N2。由于所述误差衍射次级22的能量区别于所述有效衍射次级21的能量，相对应地，所述误差衍射次级22对应的灰度值区别于所述有效衍射次级21对应的灰度值。举例而言，当所述有效衍射次级21对应的灰度值被实施为10时，所述误差衍射次级22对应的灰度值可能只被实施为5，此时，可设置所述阈值Y为6，则所述分析软件62根据所述阈值Y即可判断所述有效衍射次级21以及所述误差衍射次级22，并剔除所述误差衍射次级22。
在本发明的实施例中，所述分析软件62先根据一预先设定的阈值Y判断所述误差衍射次级22，随后可微调所述阈值Y以确保所述误差衍射次级22完全被剔除，并保留完整的所述有效衍射次级21。换言之，所述分析软件62根据所述阈值Y进行微调，以确保所述误差衍射次级22被滤除，所述有效衍射次级21被完整保留，从而获取准确的所述第二灰度值S2。
具体而言，所述分析软件62设置所述阈值Y，并且所述分析软件62根据所述阈值Y滤除所述误差衍射次级22以及保留所述有效衍射次级21。所述分析软件62根据所述阈值Y分析所述衍射图像T，当所述分析软件62分析所述衍射次级的灰度值小于所述阈值Y，则该衍射次级对应的灰度值Y被重置为0，其中该衍射次级对应所述误差衍射次级22。当所述分析软件62分析所述衍射次级的灰度值不小于所述阈值Y，则保留该衍射次级对应的灰度值Y。以此方式可滤除所述误差衍射次级22以及完整保留所述有效衍射次级21。另外，所述软件62的所述阈值Y可在测试过程中进行微调。
综上所述，所述摄像设备61获取所述衍射图像T，并且所述分析软件62分析所述衍射图像T以获取所述第一灰度值S1，以及所述第二灰度值S2。其中所述第一灰度值S1被实施为所述目标区衍射次级24对应的灰度和，所述第二灰度值S2被实施为所述有效衍射次级21对应的灰度和，所述误差衍射次级21的灰度通过所述阈值Y被剔除。具体而言，所述分析软件62根据所述阈值Y归零所述误差衍射次级21对应的灰度值，并保留所述有效衍射次级22对应的灰度值。所述第二灰度值S2与所述第一灰度值S1的比例被实施为所述有效效率N2。
所述衍射光学元件30的所述衍射效率N被实施为所述有效效率N2与所述输出效率N1的乘积，所述输出效率N1被实施为所述有效能量W2与所述输出能量W1的比值，所述有效效率N2被实施为所述第二灰度和S2与所述第一灰度和S2的比值，故所述衍射光学元件30的所述衍射效率N的计算公式如下：
N＝(N2*N1)＝(S2/S1)*(W2/W1)
其中N2被实施所述有效效率，所述N1被实施为所述输出效率，所述S2被实施为所述第二灰度和，所述S1被实施为所述第一灰度和，所述W2被实施为所述有效能量，所述W1被实施为所述输出能量。
值得一提的是，本发明根据分析所述衍射图像T以获取并计算所述衍射效率N，此时，所述衍射光学元件30可被实施为具有大数量衍射次级的情况，并且所述衍射效率N的测试效率高，测试准确度高。
根据本发明的另一方面，本发明提供一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中所述衍射测试方法用于测试一衍射光学元件30的一衍射效率N，其中一系列光束被所述衍射光学元件30作用后以一衍射光场20，其中所述衍射光场20包括至少一目标区衍射次级24以及至少一无效衍射次级23，其中所述衍射效率测试方法包括以下步骤：
A.获取至少一衍射光学元件30的一输出能量W1，其中所述输出能量W1被实施为所述衍射光场20的总能量；
B.设置至少一阻挡元件40于所述衍射光学元件20以阻挡所述无效衍射次级23，并获取一有效能量W2，其中所述有效能量W2被实施为所述目标区衍射次级24的能量，其中所述衍射光学元件30的一输出效率N1被实施为所述有效能量W2与所述输出能量W1的比值；
C.一摄像设备61获取该衍射光学元件30的一衍射图像T，其中所述目标区衍射次级24显示为所述衍射图像T；
D.一分析软件62分析所述衍射图像T，获取至少一第一灰度和S1，其中所述第一灰度和S1被实施为所述目标区衍射次级24对应的灰度值；
E.所述分析软件62设置一阈值Y；
F.根据所述阈值Y区隔所述所述目标区衍射次级24，获取至少一第二灰度和S2，其中所述第二灰度和S2与所述第一灰度和S1的比值被实施为一有效效率N2；以及
G.计算所述衍射光学元件30的所述衍射效率N，其中所述衍射效率N被实施为所述有效效率N2与所述输出效率N1的乘积。
在本发明的衍射效率测试方法中，经过所述衍射光学元件30的衍射光被显示为所述衍射光场20，所述衍射光场20的覆盖面积定义一衍射区域10，其中所述衍射区域10包括一有效衍射区域11，以及一无效衍射区域12，其中所述目标区衍射次级24包括至少一有效衍射次级21以及至少一误差有效衍射次级22被显示于所述有效衍射区域11，所述无效衍射次级23被显示于所述无效衍射区域12，所述摄像设备61获取所述有效衍射区域11的所述衍射图像T。
所述衍射图像T通过一图像设备60被获取分析，在本发明的实施例中，所述图像设备60包括所述摄像设备61以及所述分析软件62，所述摄像设备61获取所述衍射图像T，所述分析软件62分析所述衍射图像T。
在本发明的实施例中，所述摄像设备61被实施为一工业相机，所述工业相机被实施为一红外相机，即所述工业相机通过红外线获取所述衍射图像T，以提高所述衍射图像T的获取质量。并且所述工业相机被实施为一短焦段相机，从而使得所述工业相机可获取所述有限衍射区域11的图像。
所述摄像设备61获取所述衍射图像T，并且所述衍射图像T被传送给所述分析软件62，其中所述分析软件62设置所述阈值Y，并且所述分析软件62根据所述阈值Y滤除所述误差衍射次级22以及保留所述有效衍射次级21。所述分析软件62根据所述阈值Y分析所述衍射图像T，当所述分析软件62分析所述衍射次级的灰度值小于所述阈值Y，则该衍射次级对应的灰度值Y被重置为0，其中该衍射次级对应所述误差衍射次级22。当所述分析软件62分析所述衍射次级的灰度值不小于所述阈值Y，则保留该衍射次级对应的灰度值Y。以此方式可滤除所述误差衍射次级22以及完整保留所述有效衍射次级21。
换言之，所述步骤F进一步包括以下步骤：
F1.比对所述目标区衍射次级24中每一衍射次级的灰度值以及所述阈值Y，其中当一衍射次级的灰度值小于所述阈值Y，该衍射次级的灰度值设置为0，其中当一衍射次级的灰度值不小于所述阈值Y，保留该衍射次级的灰度值；以及
F2.统计衍射次级的灰度值，得到所述第二灰度值S2。
其中所述误差衍射次级22的灰度值小于所述阈值Y，所述有效衍射次级21的灰度值不小于所述阈值Y，所述分析软件62通过设置所述阈值Y的方式，滤除所述误差衍射次级22以及保留完整的所述有效衍射次级22。
所述步骤D进一步包括以下步骤：
D1.所述分析软件62获取所述目标区衍射次级24的每一衍射次级的灰度值；
以及
D2.统计所述灰度值，并获取所述第一灰度值S1。
另外，在本发明的实施例中，所述分析软件62先根据所述阈值Y判断所述误差衍射次级22，随后可微调所述阈值Y以确保所述误差衍射次级22完全被剔除，并保留完整的所述有效衍射次级21。换言之，所述分析软件62根据所述阈值Y进行微调，以确保所述误差衍射次级22被完全滤除，所述有效衍射次级21被完整保留，从而获取准确的所述第二灰度值S2。
则所述衍射效率测试方法在所述步骤E之后进一步包括以下步骤；
H.微调所述阈值Y，以确保所述阈值Y可完全过滤所述误差衍射次级22以及保留完整的所述有效衍射次级21。
另外，所述输出能量W1通过一能量测试设备50被测试，所述能量测试设备50可被实施为任意可获取能量的设备，比如能量计，光功率计或积分球等，所述能量测试设备50测试所述衍射光场20的能量。在本发明的实施例中，所述能量测试设备50被实施为一积分球，所述积分球测试所述衍射光场20的能量，并得到所述输出能量W1。
当所述能量测试仪器50被实施为所述积分球时，所述衍射光场20被集中于所述积分球，所述积分球获取当前所述衍射光场20的特性参数，并将所述特性参数转化为所述衍射光场20的能量，此时所述衍射光场20包括所述有效衍射次级21，所述误差衍射次级22以及所述无效衍射次级23，所述能量测试仪器50获取所述输出能量W1。
具体而言，所述步骤A进一步包括以下步骤：
A1.通过一能量测试设备50测试所述衍射光场20，以得到所述衍射光场20的一特性参数；以及
A2.转化所述特性参数为所述输出能量W1。
另外，值得一提的是，所述阻挡元件40的形状适配所述衍射光学元件30的输出衍射角度，即从所述衍射光学元件30出射的所述衍射光以一定的衍射角度散发，所述阻挡元件40被设计为适配该衍射角度的形状，从而使得从所述衍射光学元件30出射的所述衍射光全部抵达所述阻挡元件40。
另外，所述阻挡元件40的周边设置至少一吸光物质41，其中所述吸光物质41可吸收所述衍射光，从而使得所述阻挡元件40可阻挡部分从所述衍射光学元件30出射的所述衍射光。值得一提的是，所述吸光物质41在所述阻挡元件40上定义一吸光区域401以及一透光区域402，其中所述无效衍射次级23抵达所述吸光区域401被吸收，所述目标衍射次级24通过所述透光区域402被射出。所述透光区域402适配于所述有效衍射区域11设置，所述吸光区域401适配于所述无效衍射区域12设置。
所述有效能量W2的测试方法与所述输出能量W1的测试方法雷同，所述有效能量W2通过所述能量测试设备50被测试，所述能量测试设备50可被实施为任意可获取能量的设备，比如能量计，光功率计或积分球等，所述能量测试设备50测试所述目标区衍射次级24的能量。在本发明的实施例中，所述能量测试设备50被实施为积分球，所述积分球测试所述目标区衍射次级24的能量，并得到所述输出能量W1。
当所述能量测试仪器50被实施为所述积分球时，所述衍射光场20被集中于所述积分球，所述积分球获取当前所述目标区衍射次级24的特性参数，并将所述特性参数转化为所述目标区衍射次级24的能量，所述能量测试仪器50获取所述有效能量W2。
具体而言，所述步骤B进一步包括以下步骤：
B1.设置所述阻挡元件40于所述衍射光学元件30的光线出射方向；
B2.通过所述能量测试设备50测试所述目标区衍射次级24，以得到所述目标区衍射次级24的一特性参数；以及
B3.转化所述特性参数为所述有效能量W2。
所述衍射光学元件30的所述衍射效率N被实施为所述有效效率N2与所述输出效率N1的乘积，所述输出效率N1被实施为所述有效能量W2与所述输出能量W1的比值，所述有效效率N2被实施为所述第二灰度和S2与所述第一灰度和S2的比值，故所述衍射光学元件30的所述衍射效率N的计算公式如下：N＝(N2*N1)＝(S2/S1)*(W2/W1)
其中N2被实施所述有效效率，所述N1被实施为所述输出效率，所述S2被实施为所述第二灰度和，所述S1被实施为所述第一灰度和，所述W2被实施为所述有效能量，所述W1被实施为所述输出能量。
另外，本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (17)
1.一基于图像的衍射光学元件的衍射效率测试方法，其中一系列光束被至少一衍射光学元件作用后以形成一衍射光场，其中所述衍射光场包括至少一目标区衍射次级以及至少一无效衍射次级，其特征在于，所述衍射效率测试方法包括以下步骤：
A.获取所述衍射光学元件的一输出能量，其中所述输出能量被实施为所述衍射光场的总能量；
B.设置至少一阻挡元件于所述衍射光学元件以阻挡所述无效衍射次级，并获取一有效能量，其中所述有效能量被实施为所述目标区衍射次级的能量，其中所述衍射光学元件的一输出效率被实施为所述有效能量与所述输出能量的比值；
C.获取该衍射光学元件的至少一衍射图像，其中所述目标区衍射次级显示为所述衍射图像；
D.分析所述衍射图像，获取至少一第一灰度和，其中所述第一灰度和被实施为所述目标区衍射次级对应的灰度值；
E.根据一阈值区隔所述目标区衍射次级，获取至少一第二灰度和，其中所述第二灰度和与所述第一灰度和的比值被实施为一有效效率；以及
F.计算所述衍射光学元件的所述衍射效率，其中所述衍射效率被实施为所述有效效率与所述输出效率的乘积。
2.根据权利要求1所述的衍射效率测试方法，其中，所述步骤F进一步包括以下步骤：
F1.比对所述目标区衍射次级中每一衍射次级的灰度值以及所述阈值，其中当一衍射次级的灰度值小于所述阈值，该衍射次级的灰度值设置为0，其中当一衍射次级的灰度值不小于所述阈值，保留该衍射次级的灰度值；以及
F2.统计衍射次级的灰度值，得到所述第二灰度和。
3.根据权利要求2所述的衍射效率测试方法，其中，小于所述阈值的所述目标区衍射次级被实施为至少一误差衍射次级，不小于所述阈值的所述目标区衍射次级被实施为至少一有效衍射次级。
4.根据权利要求3所述的衍射效率测试方法，其中，所述误差衍射次级对应的灰度值小于所述有效衍射次级对应的灰度值。
5.根据权利要求4所述的衍射效率测试方法，其中，所述阈值在所述衍射效率测试方法中被微调，其中所述阈值的设置完全过滤所述误差衍射次级，以及保留所述有效衍射次级。
6.根据权利要求2或5任一所述的衍射效率测试方法，其中，所述步骤D进一步包括以下步骤:获取所述目标区衍射次级的每一衍射次级的灰度值；以及统计所述灰度值，并获取所述第一灰度和。
7.根据权利要求2或5任一所述的衍射效率测试方法，其中，所述步骤A进一步包括以下步骤：通过一能量测试设备测试所述衍射光场，以得到所述衍射光场的一特性参数；以及转化所述特性参数为所述输出能量。
8.根据权利要求6所述的衍射效率测试方法，其中，所述步骤A进一步包括以下步骤：通过一能量测试设备测试所述衍射光场，以得到所述衍射光场的一特性参数；以及转化所述特性参数为所述输出能量。
9.根据权利要求7所述的衍射效率测试方法，其中，所述步骤B进一步包括以下步骤：设置所述阻挡元件于所述衍射光学元件的光线出射方向；通过所述能量测试设备测试所述目标区衍射次级，以得到所述目标区衍射次级的一特性参数；以及转化所述特性参数为所述有效能量。
10.根据权利要求8所述的衍射效率测试方法，其中，所述步骤B进一步包括以下步骤：设置所述阻挡元件于所述衍射光学元件的光线出射方向；通过所述能量测试设备测试所述目标区衍射次级，以得到所述目标区衍射次级的一特性参数；以及转化所述特性参数为所述有效能量。
11.根据权利要求9所述的衍射效率测试方法，其中至少一吸光物质设置于所述阻挡元件内部，定义一吸光区域以及一透光区域，其中所述无效衍射次级抵达所述吸光区域被阻挡，所述目标区衍射次级从所述透光区域被射出。
12.根据权利要求11所述的衍射效率测试方法，其中，所述阻挡元件适配于所述衍射光学元件，所述阻挡元件的大小相关于所述衍射光学元件的一有效衍射角度以及所述衍射光学元件的相对位置。
13.根据权利要求12所述的衍射效率测试方法，其中，所述阻挡元件在X轴方向的长度被实施为LX＝h*tan(ωX)*2；所述阻挡元件在Y轴方向的长度被实施为LY＝h*tan(ωY)*2，其中h被实施为所述衍射光学元件的有效光学表面到所述能量测试设备方向的距离，其中ωX，ωY被实施为所述衍射光学元件在X/Y方向有效衍射角度。
14.根据权利要求11所述的衍射效率测试方法，其中，所述吸光物质被实施为一黑色材料。
15.根据权利要求10所述的衍射效率测试方法，其中至少一吸光物质设置于所述阻挡元件内部，定义一吸光区域以及一透光区域，其中所述无效衍射次级抵达所述吸光区域被阻挡，所述目标区衍射次级从所述透光区域被射出，其中所述吸光物质被实施为一黑色材料。
16.根据权利要求7所述的衍射效率测试方法，其中所述能量测试设备被实施为一积分球。
17.根据权利要求8到16任一所述的衍射效率测试方法，其中，所述衍射光学元件被应用于一散斑结构光投射器中，其中所述散斑结构光投射器包括至少一激励源，至少一准直镜片以及所述衍射光学元件。
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| Title |
|---|
| 一种点阵全息图衍射效率的测量设备;李舸等;《中国新技术新产品》;20161231(第7期);第112-113页 * |
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