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如何使用带有滚动快门的CMOS探测器测量脉冲激光器。

作者:admin  时间:2022-2-23 2:38:55

在通常情况下,测量脉冲激光器一般会首选全局快门的探测器,比如由DataRay提供的WinCamD‐LCM系列相机,全局快门也叫同步快门,是一种同时打卡或者关闭的形式的快门,在测量脉冲激光时,最好能够做到快门的频率与脉冲激光的频率相同,这样的测量效果最好。但是如果想要采用卷帘快门来测量脉冲激光,也是可实现的,DataRay也提供了另外一种型号的相机,WinCamD-XHR或者WinCamD-UHR,这种光斑分析仪测脉冲激光时使用CMOS型探测器,电子自动滚动快门,也可以做到测量高达25KHz的脉冲激光。

使用带有滚动快门的传感器相机WinCamD-XHR或者WinCamD-UHR光斑分析仪测脉冲激光,会让画面中的每一行在不同的时间打开,在曝光期间保持打开然后关闭。图1左侧的两个框架中的白色块说明了电子快门在框架下滚动的这段时间。对于稳定的连续激光来说,这不是问题,但可能会导致脉冲激光移动或者出现问题。如果能够做到以下几点,那么脉冲捕获也可以通过滚动快门CMOS相机实现:


1:滚动快门

1.一切都是完美的定时。光束的大小和曝光的持续时间、PRR(脉冲重复率)、脉冲宽度(pw)和脉冲定时区域都完全同步,这时使用WinCamD-XHR或者WinCamD-UHR光斑分析仪测脉冲激光时没有任何滚动快门伪影。

2.它是用脉冲平均法测量的。当曝光时间足以平均数个脉冲,最常见的是高脉冲重复率(PRR)时,使用WinCamD-XHR或者WinCamD-UHR也可以进行测量脉冲激光器。

下面将详细讨论这两种情况。

情况1:一切都是完美的定时,在这个情况中,如果激光在曝光期间熄灭且脉冲激光完全在框架内,则可能偶尔会捕获到一个完整的脉冲图像。如果这两个条件成立,有时可能会捕获完整的脉冲图像,也可以捕获部分脉冲,各种测量和方法的示例如下。

2HZ脉冲重复率

-自动曝光,图2中的图像缓冲区序列显示了64帧中的21次捕获,但它们曝光过度。这是因为大多数帧都没有图像,因此自动曝光会自动调整到默认的最大限制100毫秒,过度曝光捕获的脉冲。

22HzPRR,100毫秒脉宽,自动曝光

光束选择对话框可从DataRay软件的工具栏中访问。工具栏中的箭头按钮也可用于在相机停止时循环浏览数据缓冲区。由于这些脉冲很长(10秒),禁用自动曝光并减少曝光时间可以捕获部分脉冲,而不会使传感器饱和,如图3所示。

32赫兹的PRR100ms脉宽,1.3ms的曝光时间

-通过捕获部分脉冲来减少曝光时间以防止饱和

3显示减少曝光时间可以在不使传感器饱和的情况下捕获部分脉冲。但是捕获的概率非常低,而且有时需要测量全部脉冲,因此捕获到的部分脉冲并不是所需要的数据。曝光1.3ms时,相机能够捕捉到64帧中的12张完整图像以及一些切碎的图像。此外,由于曝光时间是脉冲宽度的1/10,因此捕获的脉冲都不是完整的脉冲。

-通过将曝光时间设置为1/PRR并降低脉冲能量来捕获完整的脉冲

为了确保捕捉到完整的脉冲,脉冲频率应该被设置为1/PRR,对于2赫兹的脉冲激光来说,需要将曝光时间设置为500ms,如果全脉冲使探测器饱和,如图4a所示,那么必须调整激光,通过衰减器来来降低脉冲能量。图4b显示了降低探测器上的激光脉冲能量后的相同测量结果。

4:左边为a,右边为b

更高的脉冲重复率

5显示了更高的重复率如何在较短的曝光时间下提供更完整的图像,以及如何在这种情况下使用DataRay,WinCamD-XHR或者WinCamD-UHR测量脉冲激光器。对于全脉冲,曝光时间可以设置为1/PRR,或者在下一节中讨论的理想情况下,可以设置为平均每个全脉冲的时间。

5:更高的 PRR 值会产生更完整的图像,即使是在较短的曝光时间。

平均脉冲

如果您的重复率很高,并且您不需要捕获单个脉冲,则平均脉冲是消除滚动快门伪影的最有用方法。

500赫兹的脉冲重复率

500HzPRR中,39.7ms的曝光将平均大约20个脉冲。随着DataRay软件中的帧平均功能设置为平均10,实现了200个脉冲的有效平均值。图6a显示了对500Hz PRR beam进行平均的结果。这提供了一个500Hz的脉冲平均的结果。这提供了一个500毫秒的实时测量数据,这提供了一个50毫秒的有效测量数据。

2K赫兹的脉冲重复率

在更高的PRR值下,每次曝光可以包含更多的脉冲。即使在Dataray软件中选择了NoAveraging,这也允许进行足够的脉冲平均。图6b展示了结果。

6:左图显示了 200 脉冲平均使用了曝光时间和帧平均的结果。右图显示了 100 脉冲平均使用仅曝光时间平均而没有额外帧平均的结果。








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