測量寬光束和發散光束的挑戰
測量寬光束和發散光束的挑戰
VCSEL、LED、邊射型和光纖雷射等光源需求快速增長，當中有許多是高敏度的應用。 為了保證生產品質，分析光束資料必不可少，但是要量測那些寬的，發散的光束對於量測系統便有特定的要求。
傳統光束分析儀的孔徑太小，一方面無法收集大型或者發散光源的整個光斑，另一方面，因為感測器的量子效率在很大程度上取決於入射角，所以發散光束不能用常規的感測器準確量測。
現在，隨著 Ophir - Wide Beam Imager (WB-I) 開發完成，已解決了這些限制，WB-I 是款搭配光束分析儀 (Beam Profiler) 的已校正光學配件具有 45mm 孔徑的擴散板和一個專為遠場測量而設計的成像鏡頭。
圖 1. Ophir 寬光束成像儀 (WB-I)
應用和限制
WB-I 可以測量多種類型的寬光源或發散光源，例如 LED 或光纖照明器，但其主要應用是 VCSEL 的遠場測量。 垂直面射型雷射 (VCSEL) 是一種雷射二極體。 與邊射型雷射二極體不同，VCSEL 向上發射，因此可以很容易地封裝數百個發射器陣列在單個晶片上。
低功率 VCSEL 用於高速數據通信、3D 傳感（如手勢和臉部識別）和近接感測器，而高功率 VCSEL 則被指定用於雷射雷達和其他遙感應用。 這些應用程序大多依賴電池工作，因此需要將功耗降至最低。為確保 VCSEL 設備正常運行，必須測量和分析 VCSEL 功率、光束輪廓和雜訊。雖然有許多方法可以測量 VCSEL 的輻射功率，但對其輸出光束進行剖析通常需要笨重的實驗室設備，這些設備不適合生產線，並且不方便進行 “現場量測"。
第二個挑戰與入射角有關：標準感測器（如silicon-based photodiodes or CCD sensors）的量子效率很大程度上取決於入射角 - 每15度衰減超過10%。因此，它們無法準確測量發散光束。WB-I 接收光束並將其功率分佈成像到相機上，精度優於5%。以下讓我們看看如何實現這種精度。
寬光束成像
WB-I 裝置在漫射屏幕上接收寬光束並重新成像，以產生完整且準確的光強度分佈圖。 其緊湊型光學設計與 CCD 式光束分析系統以及 Ophir BeamGage 軟體一起使用。 WB-I 是一種堅固、緊湊、防塵、“即用型”的配件，適用於生產線和客戶現場量測。 憑藉其 45 mm直徑的孔徑和 140 度的入射角，任何光束形狀（圓形、線形或方形）對於相機傳感器來說，即便過於發散和太大的光束都可以通過已定義的縮放比例進行成像（圖 2）。 測量本身是即時的，並且需要針對各種強度進行設置優化。 被測光源與 WB-I 漫射器之間的距離在mm到幾十mm之間變化，具體取決於測試類型和應用。
圖 2. Ophir WB-I 和 SP920s 相機搭配使用的示意圖
WB-I 的組成部分（圖 2）：
• 45mm CA 的不透明漫射表面 (1)
• 成像鏡頭 (2)
• 相機 (3), 例如 Ophir SP923U 或SP1203 ，帶有 BeamGage 軟體
• 兩片 ND 濾光片 (4)
讓我們仔細查看以及如何使用 WB-I。
VCSEL光束分析
如前所述，VCSEL 能量分佈直接取決於電流、脈衝寬度和重複率、溫度和元件壽命等參數。 因此，在製造過程的各個階段以及研發和現場測量 VCSEL 的角度分佈至關重要。 WB-I 配件可實現發散光束的靈活測量，並在不同場景中提供有價值的數據：
LIV 掃描測試中的 VCSEL 運轉狀態
當僅施加低電流時，VCSEL 處於所謂的 “LED 模式”。 一旦施加到 VCSEL 的電流上升，其光束輪廓就會變為“雷射模式”。 這種轉變發生得非常迅速，在此過程中檢測準確的電光數據非常重要。 這就是為什麼使用“光電流電壓掃描測試 (LIV) ”來代表工作中的雷射二極體的原因之一。在此類測試期間觀察光束輪廓變化可提供重要的附加信息。 由於 WB-I 配件與CCD相機和 BeamGage 軟體一起提供即時光束形狀分析顯示，因此可以輕鬆檢測不同電流引起的光束形狀變化。
無擴散板VCSEL
根據應用和生產階段，VCSEL 可以帶或不帶擴散板進行測量。 在這兩種情況下，都可以使用 WB-I 進行測量。 以下是帶有和不帶擴散板的 VCSEL 陣列的兩個示例。
圖 3. 一個不帶擴散板的 VCSEL 光源示例：光束形狀隨施加的電流而變化。
由於可以根據施加的電流跟蹤光束形狀的變化，因此可以輕鬆診斷產品的任何電子或光學偏差。
圖 4. 示例 VCSEL 光源的剖面圖（如圖 3 所示）
圖 4 是光束形狀變化與電流的關係圖。 其清楚地顯示，一旦電流從 0.74A 變為 0.92A，從高斯光束變為平頂再轉變為雙模。
帶擴散板的 VCSEL
下面是另一個帶有擴散板的 VCSEL 陣列樣品的光束剖面示例，圖中顯示不同的角能量分佈。
圖 5. 帶有擴散板的 VCSEL：光束形狀隨施加的電流而變化。
圖 6. 帶有擴散板的 VCSEL 樣品光束剖面橫截面。
帶有擴散版的 VCSEL 樣品的光束剖面圖（見圖 6）顯示光束形狀從高斯到方形的轉變。 平頂光型和總功率隨著施加的電流而增加。.
光束發散角量測
測量光束發散角對於判斷 VCSEL、LED 和光纖照明設備的品質很重要 - 準確測量角度照明是必不可少的。
基於功率計的使用，WB-I 中使用的不透明擴散片允許測量高達 140° AOI 的發散光束，比 knife edge 等其他量測技術要好得多。 圖 7 展示了光電二極體傳感器與帶攝像頭的 WB-I 測量值之間的差異。 隨著角度的增加，光電二極體的功率讀數不再可靠。
圖 7. 傾斜光束能量分佈的線性度，WB-I與光電二極體傳感器相比的測量結果
由於光在寬入射角下的均勻擴散，WB-I 允許測量非常發散的光束，最大 70 度 AOI（140 度開角）。
圖 8. 距離函數與光束直徑。
如圖 8 所示，將光束直徑作為光源和 WB-I 之間距離的進行分析，有額外的發現。 在我們的示例中，整個範圍內都呈現線性狀態。因此能夠準確測量光源的發散角。
為了計算發散角，必須在 BeamGage 軟體中輸入光源和 WB-I 成像器之間的距離。 基於輸入值和測量的光束寬度（或用戶預先選擇），計算值可以 mrad 或 deg° 單位顯示。
同樣，在測量 VCSEL 時可能會出現差異：對於不同的電流表現出不同的發散角度，例如從“LED 模式”轉變為“雷射模式”。,
圖 9. VCSEL 與WB-I 相距60mm，在0.4A電流下顯示472 mrad 的發散角，在0.8A電流下顯示 381 mrad 的發散角。
使用 WB-I 測量 LED 的發散角度
如前所述，WB-I 不僅可以測量 VCSEL，還可以測量 LED。 由於LED的發散角通常遠高於 VCSEL，因此已使用兩種不同的 LED 光源進行了測試。 結果見圖 10 和圖 11。
圖 10. 距離WB-I 8mm 處的紅色 LED 樣品的光束發散角為 1303 mrad。
圖 11. 距離WB-I 8mm 處的藍色 LED 的光束發散角為 1236 mrad。
發散角計算 – 提示和技巧
為了獲得可靠的測量結果，尤其是對於非常發散的光束，我們想分享一些與軟體相關的技巧：
1. 在 BeamGage 計算選項中，我們建議使用 FWHM 的 Beam Width 計算– 50% 峰值。
2. “Optical Scaling” 參數應為 8.15，適合 WB-I 的 CCTV 鏡頭。
3. 發散角度計算應按 “FF廣角”（遠場）和 WB-I 的距離應插入光源的擴散器。
* 如果光源發散角度很大，例如 LED，我們建議將其放置靠近WB-I 擴散片。
距離超過8mm 以上，發散角計算可能會顯示不正確的結果。
對於發散較小的光源，例如激光器或 VCSEL，發散計算的距離可能達幾十mm。
WB-I 測量光源的散斑圖案(Speckle)
散斑圖案挑戰
在測量准直雷射光束時，雷射光束與 WB-I 表面的漫射結構之間的相互作用可能會在光束分析儀 CCD 上產生散斑圖案。 這種現像是由單色光和散射面的干涉引起的。 可以使用 BeamGage 軟體的演算法輕鬆對其進行平滑處理。
通過使用 BeamGage 軟體中的低通濾波器 (LPF) 功能，可以顯著減少觀察到的散斑，因為它將具有大量空間雜訊的光束形狀轉換為優化過的圖像。
了解有關數據平滑卷積算法的更多信息，請參閱此 Presentation.
BeamGage 軟體 LPF 功能位於 “Capture” 選項 > 並且可以在 “Processing” 面板中找到：
使用 LPF 功能的應用示例
在下面描述的情況下，使用 WB-I 系統測量 632nm HeNe 雷射的發散光束。 觀察到嚴重的斑點圖案。 使用不同的低通濾波器來平滑散斑效應。.
圖 12. LPF 功能散斑平滑效果。
圖 13. 不同矩陣的 LPF 函數的輪廓比較，證明散斑效應平滑效果。
如圖所示，LPF 函數在不影響光束尺寸 (D4σ) 的情況下平滑散斑效應，強度和其他光束參數。
此外，請注意此應用提示： WB-I 設置可以水平和垂直放置。 這樣相機和整個裝置都可以輕鬆旋轉以適應任何光源方向。
結論
通過開發 WB-I 附體，Ophir 簡化了寬發散光源的測量。 可以在生產過程、研發和客戶現場輕鬆測量 VCSEL 和 LED。 WB-I 成像儀與光束分析儀和 BeamGage 軟體結合可快速地提供可靠的測量結果。 發散或寬光源的遠場光束分析不再需要大量的配件或特別專用的設備，而是可以使用經過校正的測量設備進行。