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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
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