CN111397857B - 一种工程匀光片检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程匀光片检测装置和方法。装置包括光学平台、三个位移平台、两个支撑架、激光器、工程匀光片和相机；激光器发出激光光线透过工程匀光片整形后照射到第三位移平台上所安装的竖直面的平板上形成整形图像并被相机接收；相机沿移动区域的中心线移动，并以相等的移动间隔和在中心线上等间隔移动后接收采集光能量值，获得参考角度，绘制成光能量值随参考角度变化的二维曲线；根据曲线处理判断获得发散角度。本发明不仅采集数据点数量大，而且有数据分析处理，可快速处理收集到的数据，完全实现自动数据接收以及数据处理得到发散角度，比之前更精准快捷，增强了检测的一致性和准确性。

Description

一种工程匀光片检测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件检测领域的一种光学元件检测装置和方法，特别是涉及一种工程匀光片角度的检测装置。

背景技术

工程匀光片，英文名Engineered Diffusers。工程匀光片是先进的光束整形器，能够均衡输入光束，同时塑造输出强度分布和光在空间中的分布方式。它主要作用是把高斯光转化输出成能量分布高度均匀化的光斑，输出光斑的图形包括直线，正方形，圆形，长方形等，它也称为工程漫射体。工程匀光片可透射过光的波长范围从400-2000nm，透射效率可达90％甚至更高，可以整形的角度范围也非常大。

工程匀光片基于光波的衍射原理，具有色散特性独特、体积小和重量轻等优点，得到人们普遍重视，已被广泛应用于红外光学系统、光互连、全息显示、光学扫描、图像识别和图像处理、视觉模拟系统等许多领域。具体应用于3D传感器，目前TOF相机。

工程匀光片的角度是重要的光学指标。工程匀光片的角度变化范围非常大，它的角度范围直接影响光学系统的最终角度，工程匀光片常用的角度从5°到120°。透过效率是指出射光通量与入射光通量的比值，透过效率的高低直接影响观察者对远处物体的观察效果，透过率低的话，进入人眼的光通量就小，即使用光学系统时主观亮度会降低，同时降低分辨率和体视锐度，不利于人们对远处物体的观测。

然而目前还没有一种能便捷并且精准检测工程匀光片角度的检测装置，且在以往的检测中需要手动标定，并且手动检测数据点，因为条件限制，采集的数据点有限而且精确度不高。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种工程匀光片检测装置，能便捷并且精准检测工程匀光片角度，填补工程匀光片发散角度及透过效率检测的空白，为之后的工程匀光片检测系统方式提供更有价值的技术方向。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种工程匀光片角度的检测装置：

装置包括光学平台、第一位移平台、第二位移平台、第三位移平台、第一支撑架、第二支撑架、激光器、工程匀光片和相机；光学平台通过光学平台支撑杆置于水平面上，光学平台的中部安装有第一位移平台，第二位移平台通过第二支撑架安装在第一位移平台上，工程匀光片装在第二位移平台上，激光器通过第一支撑架固定安装于光学平台的一侧上，相机通过第三位移平台安装在光学平台的另一侧上；激光器、工程匀光片和相机布置在同一水平光轴上。

所述的第一位移平台带动第二位移平台和第二支撑架沿(z)方向水平移动，第二位移平台带动工程匀光片沿(x)方向水平和(y)方向竖直移动，第三位移平台带动相机沿(x)方向水平和(y)方向竖直移动。

所述第一位移平台上装有沿(z)方向的滑轨，工程匀光片沿滑轨在(z)方向移动，用来调整工程匀光片与相机之间的光轴轴向距离，同时调整工程匀光片与激光器之间的光轴轴向距离。

所述激光器作为光源，用来发射一束激光，激光透过工程匀光片用来扩散激光，所述相机接收经过工程匀光片扩散后的光斑能量值。

所述工程匀光片安装于所述第二位移平台上的工装夹具上，第二位移平台上的工装夹具能够更换。

二、一种工程匀光片角度检测方法：

S1，激光器发出激光光线透过工程匀光片整形后照射到第三位移平台上所安装的竖直面的平板上形成整形图像，通过第一位移平台调整工程匀光片沿光轴方向的位置；

S2，第三位移平台安装上相机，激光器发出激光光线透过工程匀光片整形后被相机接收，相机将采集到的光能量值发送到电脑；

S3，在相机所在竖直平面上，设置一个水平长度为2d和垂直长度2c的移动区域，移动区域的中心和整形图像的中心重合；

S4、通过第三位移平台调整相机的位置，使得相机沿移动区域的水平中心线移动，并在水平中心线上等间隔移动后接收采集光能量值，并根据以下公式计算获得工程匀光片的参考角度θ；

tanθ＝b/a

其中，a表示工程匀光片中心到相机光心之间沿光轴的距离，b表示相机当前位置相对于移动区域的中心在沿水平中心线方向坐标距离。

然后将相机采集到的各个位置下的光能量值发送到电脑，经电脑处理绘制成光能量值随参考角度变化的二维曲线；

S5、然后根据曲线进行以下处理判断：从曲线原点侧的一端开始遍历每连续相邻的四个点M、N、P、Q，即M、N、P、Q四点依次相邻，针对每个点计算斜率获得各自的斜率k1、k2、k3、k4；接着计算相邻斜率的三个差值i1＝k2-k1，i2＝k3-k2，i3＝k4-k3，如果第一斜率差值i1和第二斜率差值i2之差小于预设的斜率阈值Τ，第二斜率差值i2和第三斜率差值i3之差大于预设的斜率阈值Τ，则曲线发生剧烈变化，出现曲线拐点，以点Q为拐点，取点Q的参考角度作为工程匀光片沿水平方向的发散角度；

S6、通过第三位移平台调整相机的位置，使得相机沿移动区域的垂直方向中心线移动，并在垂直中心线上等间隔移动后接收采集光能量值，然后按照和S4和S5相同方式进行处理获得工程匀光片沿垂直方向的发散角度。

所述的相机沿水平方向中心线的移动间隔h小于相机的水平长度L1。

所述的相机沿垂直方向中心线的移动间隔h小于相机的垂直长度L1。

本发明的有益效果是：

本发明采用相机作为接收装置，相机可接收很多个点，并且采集点的间隔也可以根据需要自行设定，灵活应用。此检测装置不仅采集数据点数量大，而且有数据分析处理，可快速处理收集到的数据，完全实现自动数据接收以及数据处理得到发散角度。此检测装置相比之前更精准快捷，是工程匀光片检测装置的进一步提升。

本发明能自动计算出工程匀光片的发散角度，增强了检测的一致性和准确性。

附图说明

图1是本发明的检测装置示意图；

图2是方法处理流程图；

图4是光斑x方向采集示意图；

图5是光斑y方向采集示意图；

图3是实施例检测获得的曲线图。

图中主要元件符号说明：

光学平台 10

光学平台支撑杆 11

第一位移平台 20

第二位移平台 21

第三位移平台 22

第一支撑架 30

第二支撑架 31

激光器 40

工程匀光片 41

相机 42

整形图像 50。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易的了解本发明的优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是以下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想，遂图示中仅显示与本发明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形态、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。

如图1所示，具体实施包括光学平台10、第一位移平台20、第二位移平台21、第三位移平台22、第一支撑架30、第二支撑架31、激光器40、工程匀光片41和相机42；光学平台10通过光学平台支撑杆11置于水平面上，光学平台10的中部安装有第一位移平台20，第二位移平台21通过第二支撑架31安装在第一位移平台20上，工程匀光片41装在第二位移平台21上，激光器40通过第一支撑架30固定安装于光学平台10的一侧上，相机42通过第三位移平台22安装在光学平台10的另一侧上；激光器40、工程匀光片41和相机42布置在同一水平光轴上。激光器40发出光线透过工程匀光片41后被相机42接收。具体实施通过调整第二位移平台21、第三位移平台22使得激光器40、工程匀光片41和相机42布置在同一水平光轴上。

第一位移平台20带动第二位移平台21和第二支撑架31沿z方向水平移动，第二位移平台21带动工程匀光片41沿x方向水平和y方向竖直移动，第三位移平台22带动相机42沿x方向水平和y方向竖直移动，由xyz方向构成了相互垂直的三维坐标方向。

光学平台10为大理石，并且上边设置有一定间距大小的螺丝孔位，为了方便安装置于其上的检测装置。图1示意图中光学平台10为长宽2000*1500mm的大理石，并且上边设置有间距大小为80mm相间的螺丝孔位，为了方便安装置于其上的检测装置。应当理解的是，光学平台也可以是其他平面度好的材料。

第一位移平台20上装有沿z方向的滑轨，工程匀光片41沿滑轨在z方向移动，用来调整工程匀光片41与相机42之间的光轴轴向距离，同时调整工程匀光片41与激光器40之间的光轴轴向距离，三者间的相对距离可以调节。所述激光器40与所述相机42之间的调节范围3-1300mm。

第二位移平台21实现在x和y方向的二维移动，目的是实现工程匀光片任意位置的检测。第一支撑架用来固定激光器，第二支撑架用来固定第二位移平台，第二支撑架可以在第一位移平台上沿z方向滑动。第一位移平台20和第二位移平台21额调整精度为0.2mm。

激光器40为绿光激光器，用来发射一束激光，可选地，激光器波段可以任意选择。激光透过工程匀光片41用来扩散激光，相机42接收经过工程匀光片41扩散后的光斑能量值。

工程匀光片41安装于第二位移平台21上的工装夹具上，第二位移平台21上的工装夹具能够更换，以适配不同的工程匀光片尺寸。

第三位移平台实现相机42在x和y方向的二维移动，实现相机42全方位的接收数据。

具体实施中，第一位移平台，第二位移平台和第三位移平台都有其相对应的位移原点，以实现各个位移平台的精准移动。

如图2所示，具体实施的检测过程如下：

S1，激光器40发出激光光线透过工程匀光片41整形后照射到第三位移平台22上所安装的竖直面的平板上形成整形图像50，通过第一位移平台20调整工程匀光片41沿光轴方向的位置，使得整形图像50达到外接圆直径介于60-125mm之间；

S2，第三位移平台22安装上相机42，激光器40发出激光光线透过工程匀光片41整形后被相机42接收，相机42将采集到的光能量值发送到电脑；

光能量值为光强值。

S3，在相机42所在竖直平面上，设置一个水平长度为2d和垂直长度2c的移动区域，移动区域的中心和整形图像50的中心重合，设置移动区域水平方向的一侧方向为x正方向，移动区域垂直方向的上侧方向为y正方向；

S4、通过第三位移平台22调整相机42的位置，使得相机42沿移动区域的水平中心线移动，并在水平中心线上等间隔移动后接收采集光能量值，并根据以下公式计算获得工程匀光片的参考角度θ；

tanθ＝b/a

其中，a表示工程匀光片41中心到相机光心之间沿光轴的距离，b表示相机当前位置相对于移动区域的中心在沿水平中心线方向(x方向)坐标距离。

然后将相机42采集到的各个位置下的光能量值发送到电脑，经电脑处理绘制成光能量值随参考角度变化的二维曲线，如图5所示；

S5、然后根据曲线进行以下处理判断：

从曲线原点侧的一端开始遍历每连续相邻的四个点M、N、P、Q，即M、N、P、Q四点依次相邻，每个点代表了相机42的一个位置所采集的光能量值和参考角度；针对每个点计算斜率获得各自的斜率k1、k2、k3、k4；测试在暗室中进行，当光能量骤变时，即相机经过光斑与黑暗环境的交界处使，曲线的斜率k1、k2、k3、k4间差值也会骤变，从而进行筛选。

针对点M坐标(x1,y1)，计算斜率k1＝|(y1-y)/(x1-x)|；

针对点N坐标(x2,y2)，计算斜率k2＝|(y2-y)/(x2-x)|；

针对点P坐标(x3,y3)，计算斜率k3＝|(y3-y)/(x3-x)|；

针对点Q坐标(x4,y4)，计算斜率k4＝|(y4-y)/(x4-x)|；

其中，(x,y)表示二维曲线的原点坐标。

接着计算相邻斜率的三个差值i1＝k2-k1，i2＝k3-k2，i3＝k4-k3，如果第一斜率差值i1和第二斜率差值i2之差小于预设的斜率阈值，第二斜率差值i2和第三斜率差值i3之差大于预设的斜率阈值，则曲线发生剧烈变化，出现曲线拐点，以点Q为拐点，取点Q的参考角度作为工程匀光片41沿水平方向的发散角度；

S6、通过第三位移平台22调整相机42的位置，使得相机42沿移动区域的垂直方向中心线移动，并在垂直中心线上等间隔移动后接收采集光能量值，然后按照和S4和S5相同方式进行处理获得工程匀光片41沿垂直方向的发散角度。

具体实施中，相机在第三位移平台22驱动下沿x和y方向移动。

相机以线移动方式采集数据，在采集x方向上的数据时，相机在x方向沿某一条直线从正方向移动到负方向，之后在里设定x方向上的采集范围，从正方向的200mm到负方向的-200mm，即整个采集范围为400mm，之后设定相机的移动间隔h＝2mm，也就是每隔hmm相机采集一个数据并传输到电脑，相机根据预先设定从正方向给定位置按指定间隔移动到负方向指定位置，相机一共采集到200个数据值，并将数据值传输到电脑。y方向上移动也如此。

实施例中相机探测做了四相合一处理，并且相机探测器的探测区域是可设定的，本次探测器y方向L2＝50*5.86um＝0.29mm远小于相机移动间隔2mm，不会出现重叠采集。

同理在y方向绘制得到y方向上的曲线图。实施例中设定第三位移平台22带动相机42沿y方向移动，相机以线移动方式采集y方向中心线的数据，如图5所示。首先调整相机探测器在要采集图像的中心，之后相机从正方向150mm移动到负方向-150mm，总共y方向移动距离300mm，此次移动中相机移动间隔设定为2mm，也就是每隔2mm采集一个能量数据值，这样y方向得到150个能量值，并将150个值传输到电脑，将150个能量值逐个拟合成一条y方向的能量曲线如图3所示。

以实施例中y方向为例来具体说明曲线的拟合。工程匀光片41到相机42传感器的距离a为110mm,相机相对于自身给定的原点正方向移动的距离b1为150mm，相机相对于自身给定的原点负方向移动的距离-b1为-150mm,根据三角函数tanθ＝b/a，角度θ＝arctanb/a,从而得到一系列不同位置的角度值。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不局限于此。在本发明的构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变形，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明所保护范围。

Claims (3)

1.一种工程匀光片角度检测方法，其特征在于：

工程匀光片角度的检测装置包括光学平台(10)、第一位移平台(20)、第二位移平台(21)、第三位移平台(22)、第一支撑架(30)、第二支撑架(31)、激光器(40)、工程匀光片(41)和相机(42)；光学平台(10)通过光学平台支撑杆(11)置于水平面上，光学平台(10)的中部安装有第一位移平台(20)，第二位移平台(21)通过第二支撑架(31)安装在第一位移平台(20)上，工程匀光片(41)装在第二位移平台(21)上，激光器(40)通过第一支撑架(30)固定安装于光学平台(10)的一侧上，相机(42)通过第三位移平台(22)安装在光学平台(10)的另一侧上；激光器(40)、工程匀光片(41)和相机(42)布置在同一水平光轴上；

S1，激光器(40)发出激光光线透过工程匀光片(41)整形后照射到第三位移平台(22)上所安装的竖直面的平板上形成整形图像(50)，通过第一位移平台(20)调整工程匀光片(41)沿光轴方向的位置；

S2，第三位移平台(22)安装上相机(42)，激光器(40)发出激光光线透过工程匀光片(41)整形后被相机(42)接收，相机(42)将采集到的光能量值发送到电脑；

S3，在相机(42)所在竖直平面上，设置一个水平长度为2d和垂直长度2c的移动区域，移动区域的中心和整形图像(50)的中心重合；

S4、通过第三位移平台(22)调整相机(42)的位置，使得相机(42)沿移动区域的水平中心线移动，并在水平中心线上等间隔移动后接收采集光能量值，并根据以下公式计算获得工程匀光片的参考角度θ；

tanθ＝b/a

其中，a表示工程匀光片(41)中心到相机光心之间沿光轴的距离，b表示相机当前位置相对于移动区域的中心在沿水平中心线方向坐标距离；

然后将相机(42)采集到的各个位置下的光能量值发送到电脑，经电脑处理绘制成光能量值随参考角度变化的二维曲线；

S5、然后根据曲线进行以下处理判断：从曲线原点侧的一端开始遍历每连续相邻的四个点M、N、P、Q，即M、N、P、Q四点依次相邻，针对每个点计算斜率获得各自的斜率k1、k2、k3、k4；接着计算相邻斜率的三个差值i1＝k2-k1，i2＝k3-k2，i3＝k4-k3，如果第一斜率差值i1和第二斜率差值i2之差小于预设的斜率阈值Τ，第二斜率差值i2和第三斜率差值i3之差大于预设的斜率阈值Τ，则曲线发生剧烈变化，出现曲线拐点，以点Q为拐点，取点Q的参考角度作为工程匀光片(41)沿水平方向的发散角度；

针对点M坐标(x1,y1)，计算斜率k1＝|(y1-y)/(x1-x)|；

针对点N坐标(x2,y2)，计算斜率k2＝|(y2-y)/(x2-x)|；

针对点P坐标(x3,y3)，计算斜率k3＝|(y3-y)/(x3-x)|；

针对点Q坐标(x4,y4)，计算斜率k4＝|(y4-y)/(x4-x)|；

其中，(x,y)表示二维曲线的原点坐标；

S6、通过第三位移平台(22)调整相机(42)的位置，使得相机(42)沿移动区域的垂直方向中心线移动，并在垂直中心线上等间隔移动后接收采集光能量值，然后按照和S4和S5相同方式进行处理获得工程匀光片(41)沿垂直方向的发散角度。

2.根据权利要求1所述的一种工程匀光片角度检测方法，其特征在于：

所述的相机(42)沿水平方向中心线的移动间隔h小于相机的水平长度L1。

3.根据权利要求1所述的一种工程匀光片角度检测方法，其特征在于：

所述的相机(42)沿垂直方向中心线的移动间隔h小于相机的垂直长度L1。

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