1.1 應(yīng)用范圍

有不同種類的應(yīng)用需要考慮角度響應(yīng)。這些應(yīng)用大多使用(非常)發(fā)散的光束。在這種情況下，我們?cè)谝环鶊D像中有連續(xù)的入射角范圍。照相機(jī)的靈敏度取決于激光束的入射角，這是由過濾器和傳感器造成的。

1.2 角度線性原因

1.3 過濾器

這里，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，則通過濾光器的路徑較長(zhǎng)。較長(zhǎng)的路徑導(dǎo)致較強(qiáng)的吸收，因此相機(jī)(濾光片和傳感器)的響應(yīng)較低。與過濾器相關(guān)的效果是各向同性的。但是，如果濾光器相對(duì)于傳感器傾斜(取決于相機(jī)型號(hào))，則會(huì)在濾光器傾斜的方向上產(chǎn)生各向異性。

入射角αin的線性透射可以用數(shù)學(xué)方法描述，如果透射指數(shù)為垂直光束T0和折射率n已知。

因?yàn)閷?duì)吸收性濾光片來說，T0與波長(zhǎng)有很大的線性關(guān)系，與入射角度有關(guān)的相對(duì)透射率Trel也與波長(zhǎng)密切相關(guān)。

1.4 傳感器

角度響應(yīng)取決于傳感器技術(shù)、傳感器類型、波長(zhǎng)和微透鏡。通常它不是各向同性的。

圖1:KAI-16070對(duì)單色光(未知波長(zhǎng))的角度線性靈敏度。參考:KAI-16070的數(shù)據(jù)表

圖2 CMX4000白光的角度線性靈敏度

如這些示例所示，對(duì)于不同類型的傳感器，角度響應(yīng)可能完全不同。因?yàn)檫@種效應(yīng)還 取決于波長(zhǎng)和單個(gè)傳感器(每個(gè)傳感器表現(xiàn)出稍微不同的行為)，取決于波長(zhǎng)的校準(zhǔn)是必要的。兩個(gè)傳感器都顯示出各向異性。為了考慮校準(zhǔn)中的各向異性，需要比僅在x和y方向上更復(fù)雜的測(cè)量。

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2 涂層

通過一種特殊的涂層，我們可以消除(主要是抑制)傳感器本身的角度產(chǎn)生。剩余的影響角度的靈敏度是由濾波器引起的。這產(chǎn)生了以下主要優(yōu)點(diǎn):

1）剩余的角度響應(yīng)是各向同性的，這意味著它不再取決于入射角的方位角。

2）剩下的角度響應(yīng)的校正系數(shù)更小，因此更不容易出錯(cuò)。

下面的圖表顯示了CinCam CMOS Nano 1.001在940nm下的兩個(gè)角度響應(yīng)測(cè)量值，前面有CMV4000傳感器和OD8吸收濾光片。

第一張圖表中的攝像機(jī)采用默認(rèn)設(shè)置，沒有特殊涂層。

圖3:CMV 4000傳感器在x(藍(lán)色)和y(橙色)方向的角度響應(yīng)，前面有OD8吸收濾光片，在940nm處測(cè)量。上半部分顯示相對(duì)角度響應(yīng)，下半部分顯示測(cè)量點(diǎn)和最佳擬合曲線之間的相對(duì)偏差。

第二張圖中的相機(jī)是用特殊涂層制作的。

圖4:CMV 4000傳感器在x(藍(lán)色)和y(橙色)方向的角度響應(yīng)，該傳感器具有特殊涂層，前面有OD8吸收濾光片，在940納米處測(cè)量。上半部分顯示相對(duì)角度響應(yīng)，下半部分顯示測(cè)量點(diǎn)和最佳擬合曲線之間的相對(duì)偏差。

這里，角度響應(yīng)是各向同性的、平滑的，對(duì)于大角度，下降效應(yīng)不太明顯。CinCam CMOS Nano Plus-X針對(duì)傳感器和外殼正面之間的極短距離進(jìn)行了優(yōu)化。這使得入射角度高達(dá)65°時(shí)的角度響應(yīng)測(cè)量成為可能。

3 角度響應(yīng)的擬合函數(shù)

擬合函數(shù)是Zernike2多項(xiàng)式，其中入射角的正弦用于半徑。這些多項(xiàng)式為入射角的任意方向提供了x和y方向的簡(jiǎn)單插值。用這種方法，我們可以用少量的系數(shù)描述高達(dá)±60度的測(cè)量結(jié)果。

4 均勻性

由于生產(chǎn)原因，涂層并不在任何地方都具有完全相同的厚度。這導(dǎo)致照相機(jī)靈敏度的不均勻性增加。這個(gè)缺點(diǎn)通過進(jìn)一步的均勻性校準(zhǔn)來補(bǔ)償。

圖5:940納米無涂層傳感器(紫色)和均勻性校準(zhǔn)后(綠色)的相對(duì)靈敏度。

5 精度

整體精度取決于以下幾點(diǎn):

1）擬合精度。

2）角度響應(yīng)的各向同性。

3）垂直光束位置(x，y)的精度。

4）頂點(diǎn)到傳感器的光學(xué)距離的精度(z)。

5）最大角度下的角度響應(yīng)下降。

通過特殊的涂層，我們可以提高擬合精度和角響應(yīng)的各向同性。此外，大角度靈敏度的相對(duì)下降要弱得多。

6 RayCi中的校正要求

為了根據(jù)角度響應(yīng)校正圖像數(shù)據(jù)，必須滿足以下要求：

1）角度響應(yīng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)必須可用于每個(gè)波長(zhǎng)。該數(shù)據(jù)由最佳擬合的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)組成。

2）為了生成從每個(gè)像素到相應(yīng)入射角的映射，必須知道光束垂直的x和y傳感器位置。

3）需要傳感器和激光焦點(diǎn)位置之間的光學(xué)距離。

4）CINOGY Technologies提供外殼和傳感器之間的光學(xué)距離作為額外的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

5）外殼和焦點(diǎn)之間的距離必須由用戶提供。

6）軟件版本必須是RayCi 2.5.7或更高版本。

昊量光電提供的德國(guó)Cinogy公司生產(chǎn)的大口徑光束分析儀，相機(jī)采用CMOS傳感器，其中大口徑的CMOS相機(jī)可達(dá)30mm，像素達(dá)到驚人的19Mpixel。是各種大光斑激光器、線形激光器光束、發(fā)散角較大的遠(yuǎn)場(chǎng)激光測(cè)量的必不可少的工具。此外CinCam大口徑光束分析儀通用的C/F-Mount 接口設(shè)計(jì)，使外加衰減片、擴(kuò)束鏡、紫外轉(zhuǎn)換裝置、紅外轉(zhuǎn)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(biāo)配功能齊全的RayCi-Standard/Pro分析軟件，該軟件可用于光束實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 、測(cè)量激光光斑尺寸 、質(zhì)心位置、橢圓度、相對(duì)功率測(cè)量（歸一化數(shù)據(jù)）、二維/三維能量分布（光強(qiáng)分布） 、光束指向穩(wěn)定性（質(zhì)心抖動(dòng)） 、功率穩(wěn)定性 （繪制功率波動(dòng)曲線）、發(fā)散角測(cè)量等 ，支持測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出 ，測(cè)試報(bào)告PDF格式文檔導(dǎo)出等。

主要特點(diǎn)：

1、芯片尺寸大，可達(dá)36mm

2、精度高，單像元尺寸可達(dá)4.6um

3、支持C/C++, C#, Labview, Java語言等多種語言二次開發(fā)

主要技術(shù)指標(biāo)：

RT option:

CMOS/CCD-xxx-RT：響應(yīng)波長(zhǎng)范圍：320~1150nm

UV option:

CMOS/CCD-xxx-UV：響應(yīng)波長(zhǎng)范圍：150nm~1150nm

CMOS/CCD-xxx-OM：響應(yīng)波長(zhǎng)范圍：240nm~1150nm

IR option:

CMOS-xxx-IR：響應(yīng)波長(zhǎng)范圍：400~1150nm + 1470nm~1605nm

關(guān)于德國(guó)Cinogy公司

德國(guó)Cinogy公司是世界著名的光束質(zhì)量分析儀生產(chǎn)廠家，Cinogy提供各種高質(zhì)量，高性價(jià)比的光束質(zhì)量分析儀。值得一提的是Cinogy公司為大功率二氧化碳激光器專門設(shè)計(jì)的高分辨率二氧化碳激光器光束質(zhì)量分析儀（CO2 laser beam profiler），得益于其極高的分辨率（可達(dá)百萬像素）及其優(yōu)秀的實(shí)時(shí)顯示功能，LaserDec已成為二氧化碳激光器（連續(xù)型或脈沖型）光束分析的必備工具。