如何用CMOS圖像傳感器測(cè)量光束輪廓？如何選擇CMOS傳感器和像素大��？以及如何設(shè)置光束分析儀？

圖1：光學(xué)元件上的灰塵會(huì)破壞光束的強(qiáng)度分布。如圖，光學(xué)系統(tǒng)中透鏡上的灰塵顆粒，導(dǎo)致工作面上的光束輪廓出現(xiàn)了明顯的條紋結(jié)構(gòu)。

激光光束的形狀、大小和特性，是決定激光能量能否被有效吸收的重要影響因素。激光光束尺寸的微小變化，會(huì)大大影響其功率密度。光學(xué)元件上的污染會(huì)使光束產(chǎn)生畸變。裝配過程中的過失或光學(xué)系統(tǒng)隨著時(shí)間的變化，也會(huì)影響光束質(zhì)量。激光光束分析儀能夠驗(yàn)證光學(xué)系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)是否正常運(yùn)作。

用CMOS傳感器測(cè)量光束輪廓

根據(jù)激光應(yīng)用場(chǎng)景的不同，有時(shí)需要沒有像散的光束，但有時(shí)也會(huì)需要有較大像散的光束。有些場(chǎng)景還需要高斯型光束、平頂光束，或者更復(fù)雜的光束。此外，在工作時(shí)，激光的焦點(diǎn)可能會(huì)隨著時(shí)間和環(huán)境的變化而移動(dòng)。

基于CMOS相機(jī)的激光光束分析儀，以一種低成本、簡單的方式來測(cè)量光束質(zhì)量。將相機(jī)放在光路中，光束中每個(gè)位置的相對(duì)強(qiáng)度被數(shù)字化記錄下來。然后使用相機(jī)PC軟件來顯示和分析激光束在該位置的光束質(zhì)量（見圖1）。

CMOS相機(jī)中的傳感器由數(shù)百萬個(gè)獨(dú)立元件組成，一起捕捉整個(gè)激光束，產(chǎn)生光束輪廓圖像。激光光束分析儀中的CMOS傳感器，與智能手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)中的傳感器非常相似，只不過它是專門為測(cè)量激光光束輪廓而制造的。CMOS輪光束廓分析儀能夠測(cè)量的激光波長范圍為350~1150nm；該測(cè)量波長也可以通過適配器做進(jìn)一步的擴(kuò)展。

選擇傳感器和像素大小

CMOS傳感器的特性決定了能夠測(cè)量的激光束的最大和最小尺寸。能夠測(cè)量的最小光束尺寸，由像素間距或者傳感器中每個(gè)單獨(dú)元件之間的距離決定。一般而言，激光束最少要輻照10個(gè)像素。所以，當(dāng)相機(jī)的像素間距為5.5μm時(shí)，可以測(cè)量的激光束的最小直徑應(yīng)為55μm。

能夠測(cè)量的最大光束尺寸，由傳感器的面積決定。有些傳感器尺寸非常小，只有幾毫米寬；也有一些傳感器不是方形而是長方形的，這不僅會(huì)限制能夠測(cè)量的最大光束尺寸，也會(huì)使激光的準(zhǔn)直變得相當(dāng)困難。

激光光束分析儀的設(shè)置

為了獲得高質(zhì)量的激光光束輪廓，可以調(diào)整相機(jī)設(shè)置，如曝光時(shí)間（快門時(shí)間）和增益。通常，如果設(shè)置了背景減法，軟件會(huì)自動(dòng)調(diào)整這些參數(shù)。設(shè)置背景減法可以讓相機(jī)識(shí)別環(huán)境光，這樣就可以忽略環(huán)境光的影響，只顯示激光光束輪廓。這個(gè)過程包括遮擋激光、拍攝圖像，然后解除遮擋（見圖2）。

圖2：同一氦氖激光光束的兩種測(cè)量輪廓圖。左圖沒有做背景減法，測(cè)量的直徑偏大，為2.77mm。右圖做了背景減法，測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，測(cè)量值為1.80mm。

光束輪廓的測(cè)量

相機(jī)安裝好后對(duì)準(zhǔn)激光，就可以拍攝光束輪廓的圖像。該圖像被傳輸?shù)絇C軟件中進(jìn)行分析（見圖3）。在Gentec-EO軟件中，圖像能夠以2D或3D方式查看，每個(gè)像素的相對(duì)強(qiáng)度以垂直軸上的高度顯示。該軟件還將顯示傳感器上光束中心的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)以及光束直徑。

如果有像散，則會(huì)分別顯示X軸和Y軸直徑；此外，該軟件還會(huì)支持其他更高階的測(cè)量。由于計(jì)算光束直徑有不同的方法，因此該軟件也提供了相應(yīng)的不同選項(xiàng)。

圖3：光束直徑的測(cè)量值與怎么定義直徑有關(guān)。例如，對(duì)于高斯光束，“1/e²光束直徑”是“半高全寬（FWHM）直徑”的1.7倍。

將光束分析儀用于生產(chǎn)中

當(dāng)光束輪廓分析儀從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)車間時(shí)，確保組裝過程中多個(gè)點(diǎn)的光束質(zhì)量，可以節(jié)省時(shí)間并減少麻煩。將光束輪廓分析儀集成到生產(chǎn)過程中，可以及早發(fā)現(xiàn)問題，將大問題轉(zhuǎn)化為小問題。此外，光束輪廓分析儀還可以與自動(dòng)化軟件連接。

在現(xiàn)代生產(chǎn)環(huán)境中，能夠驗(yàn)證激光光束的質(zhì)量、并將光束質(zhì)量記錄在案，可以助力高技術(shù)的裝配工藝、售后及保障服務(wù)。準(zhǔn)確了解激光光束在實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中的不同位置的光束質(zhì)量，可以幫助用戶得到一致、可靠的結(jié)果。

文/Nicholas Prefontaine