如何用CMOS图像传感器测量光束轮廓？如何选择CMOS传感器和像素大小？以及如何设置光束分析仪？

图1：光学元件上的灰尘会破坏光束的强度分布。如图，光学系统中透镜上的灰尘颗粒，导致工作面上的光束轮廓出现了明显的条纹结构。

激光光束的形状、大小和特性，是决定激光能量能否被有效吸收的重要影响因素。激光光束尺寸的微小变化，会大大影响其功率密度。光学元件上的污染会使光束产生畸变。装配过程中的过失或光学系统随着时间的变化，也会影响光束质量。激光光束分析仪能够验证光学系统中的所有环节是否正常运作。

用CMOS传感器测量光束轮廓

根据激光应用场景的不同，有时需要没有像散的光束，但有时也会需要有较大像散的光束。有些场景还需要高斯型光束、平顶光束，或者更复杂的光束。此外，在工作时，激光的焦点可能会随着时间和环境的变化而移动。

基于CMOS相机的激光光束分析仪，以一种低成本、简单的方式来测量光束质量。将相机放在光路中，光束中每个位置的相对强度被数字化记录下来。然后使用相机PC软件来显示和分析激光束在该位置的光束质量（见图1）。

CMOS相机中的传感器由数百万个独立元件组成，一起捕捉整个激光束，产生光束轮廓图像。激光光束分析仪中的CMOS传感器，与智能手机和数码相机中的传感器非常相似，只不过它是专门为测量激光光束轮廓而制造的。CMOS轮光束廓分析仪能够测量的激光波长范围为350~1150nm；该测量波长也可以通过适配器做进一步的扩展。

选择传感器和像素大小

CMOS传感器的特性决定了能够测量的激光束的最大和最小尺寸。能够测量的最小光束尺寸，由像素间距或者传感器中每个单独元件之间的距离决定。一般而言，激光束最少要辐照10个像素。所以，当相机的像素间距为5.5μm时，可以测量的激光束的最小直径应为55μm。

能够测量的最大光束尺寸，由传感器的面积决定。有些传感器尺寸非常小，只有几毫米宽；也有一些传感器不是方形而是长方形的，这不仅会限制能够测量的最大光束尺寸，也会使激光的准直变得相当困难。

激光光束分析仪的设置

为了获得高质量的激光光束轮廓，可以调整相机设置，如曝光时间（快门时间）和增益。通常，如果设置了背景减法，软件会自动调整这些参数。设置背景减法可以让相机识别环境光，这样就可以忽略环境光的影响，只显示激光光束轮廓。这个过程包括遮挡激光、拍摄图像，然后解除遮挡（见图2）。

图2：同一氦氖激光光束的两种测量轮廓图。左图没有做背景减法，测量的直径偏大，为2.77mm。右图做了背景减法，测量结果更准确，测量值为1.80mm。

光束轮廓的测量

相机安装好后对准激光，就可以拍摄光束轮廓的图像。该图像被传输到PC软件中进行分析（见图3）。在Gentec-EO软件中，图像能够以2D或3D方式查看，每个像素的相对强度以垂直轴上的高度显示。该软件还将显示传感器上光束中心的X坐标和Y坐标以及光束直径。

如果有像散，则会分别显示X轴和Y轴直径；此外，该软件还会支持其他更高阶的测量。由于计算光束直径有不同的方法，因此该软件也提供了相应的不同选项。

图3：光束直径的测量值与怎么定义直径有关。例如，对于高斯光束，“1/e²光束直径”是“半高全宽（FWHM）直径”的1.7倍。

将光束分析仪用于生产中

当光束轮廓分析仪从实验室走向生产车间时，确保组装过程中多个点的光束质量，可以节省时间并减少麻烦。将光束轮廓分析仪集成到生产过程中，可以及早发现问题，将大问题转化为小问题。此外，光束轮廓分析仪还可以与自动化软件连接。

在现代生产环境中，能够验证激光光束的质量、并将光束质量记录在案，可以助力高技术的装配工艺、售后及保障服务。准确了解激光光束在实验、设计和生产过程中的不同位置的光束质量，可以帮助用户得到一致、可靠的结果。

文/Nicholas Prefontaine