Cinogy光束质量分析仪—角度响应校准:应用于大角度发散角的激光光束测量
1.1 应用范围
有不同种类的应用需要考虑角度响应。这些应用大多使用(非常)发散的光束。在这种情况下,我们在一幅图像中有连续的入射角范围。照相机的灵敏度取决于激光束的入射角,这是由过滤器和传感器造成的。
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1.2 角度线性原因
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1.3过滤器
这里,我们将只考虑吸收滤波器。如果光束没有垂直入射到滤光器上,则通过滤光器的路径较长。较长的路径导致较强的吸收,因此相机(滤光片和传感器)的响应较低。与过滤器相关的效果是各向同性的。但是,如果滤光器相对于传感器倾斜(取决于相机型号),则会在滤光器倾斜的方向上产生各向异性。
入射角αin的线性透射可以用数学方法描述,如果透射指数为垂直光束T0和折射率n已知。
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因为对吸收性滤光片来说,T0与波长有很大的线性关系,与入射角度有关的相对透射率Trel也与波长密切相关。
1.4 传感器
角度响应取决于传感器技术、传感器类型、波长和微透镜。通常它不是各向同性的。
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图1:KAI-16070对单色光(未知波长)的角度线性灵敏度。参考:KAI-16070的 数据表
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图2 CMX4000白光的角度线性灵敏度
如这些示例所示,对于不同类型的传感器,角度响应可能完全不同。因为这种效应还 取决于波长和单个传感器(每个传感器表现出稍微不同的行为),取决于波长的校准是必要的。两个传感器都显示出各向异性。为了考虑校准中的各向异性,需要比仅在x和y方向上更复杂的测量。
2 涂层
通过一种特殊的涂层,我们可以消除(主要是抑制)传感器本身的角度产生。剩余的影响角度的灵敏度是由滤波器引起的。这产生了以下
主要优点:
1)剩余的角度响应是各向同性的,这意味着它不再取决于入射角的方位角。
2)剩下的角度响应的校正系数更小,因此更不容易出错。
下面的图表显示了CinCam cmos Nano 1.001在940nm下的两个角度响应测量值,前面有CMV4000传感器和OD8吸收滤光片。
第1张图表中的摄像机采用默认设置,没有特殊涂层。
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图3:CMV 4000传感器在x(蓝色)和y(橙色)方向的角度响应,前面有OD8吸收滤光片,在940nm处测量。上半部分显示相对角度响应,下半部分显示测量点和蕞佳拟合曲线之间的相对偏差。
第二张图中的相机是用特殊涂层制作的。
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图4:CMV 4000传感器在x(蓝色)和y(橙色)方向的角度响应,该传感器具有特殊涂层,前面有OD8吸收滤光片,在940纳米处测量。上半部分显示相对角度响应,下半部分显示测量点和蕞佳拟合曲线之间的相对偏差。
这里,角度响应是各向同性的、平滑的,对于大角度,下降效应不太明显。CinCam CMOS Nano Plus-X针对传感器和外壳正面之间的极短距离进行了优化。这使得入射角度高达65°时的角度响应测量成为可能。
3 角度响应的拟合函数
拟合函数是Zernike2多项式,其中入射角的正弦用于半径。这些多项式为入射角的任意方向提供了x和y方向的简单插值。用这种方法,我们可以用少量的系数描述高达±60度的测量结果。
4 均匀性
由于生产原因,涂层并不在任何地方都具有完全相同的厚度。这导致照相机灵敏度的不均匀性增加。这个缺点通过进一步的均匀性校准来补偿。
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图5:940纳米无涂层传感器(紫色)和均匀性校准后(绿色)的相对灵敏度。
5 精度
整体精度取决于以下几点:
1)拟合精度。
2)角度响应的各向同性。
3)垂直光束位置(x,y)的精度。
4)顶点到传感器的光学距离的精度(z)。
5)蕞大角度下的角度响应下降。
通过特殊的涂层,我们可以提高拟合精度和角响应的各向同性。此外,大角度灵敏度的相对下降要弱得多。
6 RayCi中的校正要求
为了根据角度响应校正图像数据,必须满足以下要求:
1)角度响应校准数据必须可用于每个波长。该数据由蕞佳拟合的Zernike多项式系数组成。
2)为了生成从每个像素到相应入射角的映射,必须知道光束垂直的x和y传感器位置。
3)需要传感器和激光焦点位置之间的光学距离。
4)CINOGY Technologies提供外壳和传感器之间的光学距离作为额外的校准数据。
5)外壳和焦点之间的距离必须由用户提供。
6)软件版本必须是RayCi 2.5.7或更高版本。
昊量光电提供的德国Cinogy公司生产的大口径光束分析仪,相机采用CMOS传感器,其中大口径的CMOS相机可达30mm,像素达到惊人的19Mpixel。是各种大光斑激光器、线形激光器光束、发散角较大的远场激光测量的必不可少的工具。此外CinCam大口径光束分析仪通用的C/F-Mount 接口设计,使外加衰减片、扩束镜、紫外转换装置、红外转换装置更为方便。超过24mm通光孔径的大口径光束分析仪CinCam CMOS-3501和CinCam CMOS-3502更是标配功能齐全的RayCi-Standard/Pro分析软件,该软件可用于光束实时监测 、测量激光光斑尺寸 、质心位置、椭圆度、相对功率测量(归一化数据)、二维/三维能量分布(光强分布) 、光束指向稳定性(质心抖动) 、功率稳定性 (绘制功率波动曲线)、发散角测量等 ,支持测量数据导出 ,测试报告PDF格式文档导出等。
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主要特点:
1、芯片尺寸大,可达36mm
2、精度高,单像元尺寸可达4.6um
3、支持C/C++, C#, Labview, Java语言等多种语言二次开发
主要技术指标:
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RT option:
CMOS/ccd-xxx-RT:响应波长范围:320~1150nm
UV option:
CMOS/CCD-xxx-UV:响应波长范围:150nm~1150nm
CMOS/CCD-xxx-OM:响应波长范围:240nm~1150nm
IR option:
CMOS-xxx-IR:响应波长范围:400~1150nm + 1470nm~1605nm
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