CINOGY光束質量分析儀│·：應用於大角度發散角的鐳射光束測量

1.1 應用範圍

有不同種類的應用需要考慮角度響應↟╃╃☁✘。這些應用大多使用(非常)發散的光束↟╃╃☁✘。在這種情況下✘₪，我們在一幅影象中有連續的入射角範圍↟╃╃☁✘。照相機的靈敏度取決於鐳射束的入射角✘₪，這是由過濾器和感測器造成的↟╃╃☁✘。

1.2 角度線性原因

1.3過濾器

這裡✘₪，我們將只考慮吸收濾波器↟╃╃☁✘。如果光束沒有垂直入射到濾光器上✘₪，則透過濾光器的路徑較長↟╃╃☁✘。較長的路徑導致較強的吸收✘₪，因此相機(濾光片和感測器)的響應較低↟╃╃☁✘。與過濾器相關的效果是各向同性的↟╃╃☁✘。但是✘₪，如果濾光器相對於感測器傾斜(取決於相機型號)✘₪，則會在濾光器傾斜的方向上產生各向異性↟╃╃☁✘。

入射角αin的線性透射可以用數學方法描述✘₪，如果透射指數為垂直光束T0和折射率n已知↟╃╃☁✘。

因為對吸收性濾光片來說✘₪，T0與波長有很大的線性關係✘₪，與入射角度有關的相對透射率Trel也與波長密切相關↟╃╃☁✘。

1.4 感測器

角度響應取決於感測器技術▩▩₪··、感測器型別▩▩₪··、波長和微透鏡↟╃╃☁✘。通常它不是各向同性的↟╃╃☁✘。

圖1:KAI-16070對單色光(未知波長)的角度線性靈敏度↟╃╃☁✘。參考:KAI-16070的    資料表

圖2 CMX4000白光的角度線性靈敏度

如這些示例所示✘₪，對於不同型別的感測器✘₪，角度響應可能完全不同↟╃╃☁✘。因為這種效應還 取決於波長和單個感測器(每個感測器表現出稍微不同的行為)✘₪，取決於波長的校準是必要的↟╃╃☁✘。兩個感測器都顯示出各向異性↟╃╃☁✘。為了考慮校準中的各向異性✘₪，需要比僅在x和y方向上更復雜的測量↟╃╃☁✘。

2 塗層

透過一種特殊的塗層✘₪，我們可以消除(主要是抑制)感測器本身的角度產生↟╃╃☁✘。剩餘的影響角度的靈敏度是由濾波器引起的↟╃╃☁✘。這產生了以下

主要優點:

1）剩餘的角度響應是各向同性的✘₪，這意味著它不再取決於入射角的方位角↟╃╃☁✘。

2）剩下的角度響應的校正係數更小✘₪，因此更不容易出錯↟╃╃☁✘。

下面的圖表顯示了CinCam cmos Nano 1.001在940nm下的兩個角度響應測量值✘₪，前面有CMV4000感測器和OD8吸收濾光片↟╃╃☁✘。

第一張圖表中的攝像機採用預設設定✘₪，沒有特殊塗層↟╃╃☁✘。

圖3:CMV 4000感測器在x(藍色)和y(橙色)方向的角度響應✘₪，前面有OD8吸收濾光片✘₪，在940nm處測量↟╃╃☁✘。上半部分顯示相對角度響應✘₪，下半部分顯示測量點和最佳擬合曲線之間的相對偏差↟╃╃☁✘。

第二張圖中的相機是用特殊塗層製作的↟╃╃☁✘。

圖4:CMV 4000感測器在x(藍色)和y(橙色)方向的角度響應✘₪，該感測器具有特殊塗層✘₪，前面有OD8吸收濾光片✘₪，在940奈米處測量↟╃╃☁✘。上半部分顯示相對角度響應✘₪，下半部分顯示測量點和最佳擬合曲線之間的相對偏差↟╃╃☁✘。

這裡✘₪，角度響應是各向同性的▩▩₪··、平滑的✘₪，對於大角度✘₪，下降效應不太明顯↟╃╃☁✘。CinCam CMOS Nano Plus-X針對感測器和外殼正面之間的極短距離進行了最佳化↟╃╃☁✘。這使得入射角度高達65°時的角度響應測量成為可能↟╃╃☁✘。

3 角度響應的擬合函式

擬合函式是Zernike2多項式✘₪，其中入射角的正弦用於半徑↟╃╃☁✘。這些多項式為入射角的任意方向提供了x和y方向的簡單插值↟╃╃☁✘。用這種方法✘₪，我們可以用少量的係數描述高達±60度的測量結果↟╃╃☁✘。

4 均勻性

由於生產原因✘₪，塗層並不在任何地方都具有完全相同的厚度↟╃╃☁✘。這導致照相機靈敏度的不均勻性增加↟╃╃☁✘。這個缺點透過進一步的均勻性校準來補償↟╃╃☁✘。

圖5:940奈米無塗層感測器(紫色)和均勻性校準後(綠色)的相對靈敏度↟╃╃☁✘。

5 精度

整體精度取決於以下幾點:

1）擬合精度↟╃╃☁✘。

2）角度響應的各向同性↟╃╃☁✘。

3）垂直光束位置(x✘₪，y)的精度↟╃╃☁✘。

4）頂點到感測器的光學距離的精度(z)↟╃╃☁✘。

5）最大角度下的角度響應下降↟╃╃☁✘。

透過特殊的塗層✘₪，我們可以提高擬合精度和角響應的各向同性↟╃╃☁✘。此外✘₪，大角度靈敏度的相對下降要弱得多↟╃╃☁✘。

6 RayCi中的校正要求

為了根據角度響應校正影象資料✘₪，必須滿足以下要求│·：

1）角度響應校準資料必須可用於每個波長↟╃╃☁✘。該資料由最佳擬合的Zernike多項式係數組成↟╃╃☁✘。

2）為了生成從每個畫素到相應入射角的對映✘₪，必須知道光束垂直的x和y感測器位置↟╃╃☁✘。

3）需要感測器和鐳射焦點位置之間的光學距離↟╃╃☁✘。

4）CINOGY Technologies提供外殼和感測器之間的光學距離作為額外的校準資料↟╃╃☁✘。

5）外殼和焦點之間的距離必須由使用者提供↟╃╃☁✘。

6）軟體版本必須是RayCi 2.5.7或更高版本↟╃╃☁✘。

昊量光電提供的德國Cinogy公司生產的大口徑光束分析儀✘₪，相機採用CMOS感測器✘₪，其中大口徑的CMOS相機可達30mm✘₪，畫素達到驚人的19Mpixel↟╃╃☁✘。是各種大光斑鐳射器▩▩₪··、線形鐳射器光束▩▩₪··、發散角較大的遠場鐳射測量的工具↟╃╃☁✘。此外CinCam大口徑光束分析儀通用的C/F-Mount 介面設計✘₪，使外加衰減片▩▩₪··、擴束鏡▩▩₪··、紫外轉換裝置▩▩₪··、紅外轉換裝置更為方便↟╃╃☁✘。超過24mm通光孔徑的大口徑光束分析儀CinCam CMOS-3501和CinCam CMOS-3502更是標配功能齊全的RayCi-Standard/Pro分析軟體✘₪，該軟體可用於光束實時監測 ▩▩₪··、測量鐳射光斑尺寸 ▩▩₪··、質心位置▩▩₪··、橢圓度▩▩₪··、相對功率測量（歸一化資料）▩▩₪··、二維/三維能量分佈（光強分佈） ▩▩₪··、光束指向穩定性（質心抖動） ▩▩₪··、功率穩定性 （繪製功率波動曲線）▩▩₪··、發散角測量等 ✘₪，支援測量資料匯出 ✘₪，測試報告PDF格式文件匯出等↟╃╃☁✘。

主要特點│·：

 1▩▩₪··、晶片尺寸大✘₪，可達36mm

 2▩▩₪··、精度高✘₪，單像元尺寸可達4.6um

 3▩▩₪··、支援C/C++, C#, Labview, Java語言等多種語言二次開發

主要技術指標│·：

RT option: 

CMOS/ccd-xxx-RT│·：響應波長範圍│·：320~1150nm

UV option:

CMOS/CCD-xxx-UV│·：響應波長範圍│·：150nm~1150nm

CMOS/CCD-xxx-OM│·：響應波長範圍│·：240nm~1150nm

IR option:

CMOS-xxx-IR│·：響應波長範圍│·：400~1150nm + 1470nm~1605nm

關於昊量光電

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上海昊量光電裝置有限公司致力於引進創新性的光電技術與可靠產品·☁▩╃◕！與來自美國▩▩₪··、歐洲▩▩₪··、日本等眾多光電產品製造商建立了緊密的合作關係↟╃╃☁✘。代理品牌均處於相關領域的發展前沿✘₪，產品包括各類鐳射器▩▩₪··、光電調製器▩▩₪··、光學測量裝置▩▩₪··、精密光學元件等✘₪，所涉足的領域涵蓋了材料加工▩▩₪··、光通訊▩▩₪··、生物醫療▩▩₪··、科學研究▩▩₪··、國防及前沿的細分市場比如為量子光學▩▩₪··、生物顯微▩▩₪··、物聯感測▩▩₪··、精密加工▩▩₪··、先進鐳射製造等↟╃╃☁✘。

我們的技術支援團隊可以為國內前沿科研與工業領域提供完整的裝置安裝✘₪，培訓✘₪，硬體開發✘₪，軟體開發✘₪，系統整合等優質服務✘₪，助力中國智造與中國創造! 為客戶提供適合的產品和提供完善的服務是我們始終秉承的理念·☁▩╃◕！