如何用CMOS圖像傳感器測量光束輪廓？如何選擇CMOS傳感器和像素大小？以及如何設置光束分析儀？

圖1：光學元件上的灰塵會破壞光束的強度分布。如圖，光學系統中透鏡上的灰塵顆粒，導致工作面上的光束輪廓出現了明顯的條紋結構。

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，會大大影響其功率密度。光學元件上的污染會使光束產生畸變。裝配過程中的過失或光學系統隨著時間的變化，也會影響光束質量。激光光束分析儀能夠驗證光學系統中的所有環(huán)節(jié)是否正常運作。

用CMOS傳感器測量光束輪廓

根據激光應用場景的不同，有時需要沒有像散的光束，但有時也會需要有較大像散的光束。有些場景還需要高斯型光束、平頂光束，或者更復雜的光束。此外，在工作時，激光的焦點可能會隨著時間和環(huán)境的變化而移動。

基于CMOS相機的激光光束分析儀，以一種低成本、簡單的方式來測量光束質量。將相機放在光路中，光束中每個位置的相對強度被數字化記錄下來。然后使用相機PC軟件來顯示和分析激光束在該位置的光束質量（見圖1）。

CMOS相機中的傳感器由數百萬個獨立元件組成，一起捕捉整個激光束，產生光束輪廓圖像。激光光束分析儀中的CMOS傳感器，與智能手機和數碼相機中的傳感器非常相似，只不過它是專門為測量激光光束輪廓而制造的。CMOS輪光束廓分析儀能夠測量的激光波長范圍為350~1150nm；該測量波長也可以通過適配器做進一步的擴展。

選擇傳感器和像素大小

CMOS傳感器的特性決定了能夠測量的激光束的最大和最小尺寸。能夠測量的最小光束尺寸，由像素間距或者傳感器中每個單獨元件之間的距離決定。一般而言，激光束最少要輻照10個像素。所以，當相機的像素間距為5.5μm時，可以測量的激光束的最小直徑應為55μm。

能夠測量的最大光束尺寸，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，這不僅會限制能夠測量的最大光束尺寸，也會使激光的準直變得相當困難。

激光光束分析儀的設置

為了獲得高質量的激光光束輪廓，可以調整相機設置，如曝光時間（快門時間）和增益。通常，如果設置了背景減法，軟件會自動調整這些參數。設置背景減法可以讓相機識別環(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量輪廓圖。左圖沒有做背景減法，測量的直徑偏大，為2.77mm。右圖做了背景減法，測量結果更準確，測量值為1.80mm。

光束輪廓的測量

相機安裝好后對準激光，就可以拍攝光束輪廓的圖像。該圖像被傳輸到PC軟件中進行分析（見圖3）。在Gentec-EO軟件中，圖像能夠以2D或3D方式查看，每個像素的相對強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坐標和Y坐標以及光束直徑。

如果有像散，則會分別顯示X軸和Y軸直徑；此外，該軟件還會支持其他更高階的測量。由于計算光束直徑有不同的方法，因此該軟件也提供了相應的不同選項。

圖3：光束直徑的測量值與怎么定義直徑有關。例如，對于高斯光束，“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中

當光束輪廓分析儀從實驗室走向生產車間時，確保組裝過程中多個點的光束質量，可以節(jié)省時間并減少麻煩。將光束輪廓分析儀集成到生產過程中，可以及早發(fā)現問題，將大問題轉化為小問題。此外，光束輪廓分析儀還可以與自動化軟件連接。

在現代生產環(huán)境中，能夠驗證激光光束的質量、并將光束質量記錄在案，可以助力高技術的裝配工藝、售后及保障服務。準確了解激光光束在實驗、設計和生產過程中的不同位置的光束質量，可以幫助用戶得到一致、可靠的結果。

文/Nicholas Prefontaine