分析了基于CCD相機激光光束寬度測量過程中引入的噪聲特性贤旷，并給出了有效抑制噪聲的方法广料，說明了在光束寬度計算過程中尤其采用4σ算法時，積分區(qū)域選取的意義及正確的選取方法幼驶，總結(jié)了影響基于CCD相機激光光束寬度精確測量的因素艾杏。
影響基于ccd相機激光光束寬度精確測量的因素（一）
1. 引言
在激光器制造、激光微納加工等領(lǐng)域盅藻，從業(yè)人員對于激光的空域參數(shù)非常關(guān)注购桑，常見的參數(shù)有光束寬度、發(fā)散角萧求、強度分布和光束質(zhì)量等其兴，光束寬度是其中重要的參量之一顶瞒，也是計算發(fā)散角和光束質(zhì)量的基礎(chǔ)夸政。
基于CCD相機的激光光束寬度測量技術(shù)近年來也發(fā)展迅速，需求量也日益增加榴徐，該方法具有空間分辨率高守问，光譜覆蓋范圍廣，算法靈活和適用于脈沖激光等優(yōu)點坑资。當(dāng)然耗帕，CCD相機本身對光束的測量也存在一定的影響，比如CCD一般能夠接收的光強大約在納瓦量級袱贮，這導(dǎo)致芯片本身的噪聲和環(huán)境光都會對測量造成干擾仿便。因此，抑制或者減小噪聲技術(shù)的發(fā)展將直接影響到測量的準(zhǔn)確性攒巍，除此之外包括空間分別率嗽仪、模擬數(shù)字位數(shù)等因素也會引入誤差。
因此柒莉，本文重點分析了影響光束寬度測量精度的因素闻坚，并且通過實驗給出不同因素的影響程度；討論在光束寬度測量中選擇積分區(qū)域的必要性兢孝，給出了精確選擇積分區(qū)域的方法窿凤；分析噪聲引入的途徑仅偎，剖析背景信號的充分以及正確扣除底噪的方式；并zui終給出了不同信噪比下隨機噪聲帶來的誤差和扣除之后對測量帶來的影響雳殊。
2. 基于CCD相機的激光光束寬度測量原理
CCD作為一款光電探測器橘沥，常用于捕捉激光光束入射橫截面的能量分布，因為CCD能夠承受的激光功率較弱相种，常通過增加衰減片以及控制曝光時間等方式調(diào)節(jié)入射激光能量威恼。電腦上的軟件控制CCD完成光束采集，并完成信號處理寝并，因為采集的信號存在噪聲箫措，所以在此之前需要先采集背景光信息并且在計算光束寬度之前將其扣除。常見的光束計算方法有刀口法衬潦、狹縫法和4σ等斤蔓，本文所使用的方法為4σ。
ISO中采用4σ定義光束寬度镀岛，該方法基于光軸z處光束截面內(nèi)光強分布的二階矩來定義主軸方向的光束寬度dx和dy弦牡。其中
式中σx和σy是光束光強分布E(x,y)主軸方向的二階矩。
式中
漂羊，
是光強分布E(x,y)的一階矩驾锰，物理意義為光束橫截面內(nèi)光強分布的質(zhì)心坐標(biāo)，即
在理想高斯光斑分布的情況下走越，使用4σ計算得到的光束寬度和光強下降到
處的寬度是一致的椭豫。但是在實際的計算測量過程中，光強分布的采集為有限區(qū)域旨指，同時E(x,y)為離散值赏酥，離散程度受CCD的空間分辨率限制，再加上采集過程中的殘余噪聲和AD量化等誤差谆构，都會影響計算得到的光束寬度莫瞬。
3. 影響基于CCD相機激光光束寬度測量精度的因素
總體而言烫沙，影響CCD相機測量激光光束寬度的影響因素可以分為以下幾點：噪聲信號茫多；積分區(qū)域的選绕娉；光束寬度算法熬尺；CCD采集到的光強度摸屠；CCD的本身性能（分辨率、AD位數(shù)和探測面線性度等）猪杭。相較而言餐塘，前兩個是為關(guān)鍵同時也是我們可以控制的影響因素。下面通過理論結(jié)合實驗的方式說明影響程度皂吮，并提出提高精度的具體方法戒傻。
3.1 CCD采集的光強分布圖象中的噪聲成分及特性
CCD相機測量圖像中的噪聲來源主要由以下兩部分組成：1）背景輻射税手，主要由雜散光和激光出射的抽運光造成；2）CCD相機的噪聲需纳，包括暗電流噪聲芦倒、散粒噪聲和讀出噪聲。
從圖像分析的角度來看不翩，CCD采集的圖像信號E(x,y)包括真實的激光信號Eture(x,y)和背景圖像信號EB(x,y)兵扬，其中背景圖像信號可以進(jìn)一步分為高頻隨機信號EB·noise(x,y)，均勻的基底偏執(zhí)EB·offset(x,y)和非均勻的基底偏置EB·inh(x,y)口蝠。
其中包含在激光光束寬度積分計算中的高頻隨機噪聲為統(tǒng)計誤差器钟，可以通過多次測量取平均值的方式減小誤差的引入。通過統(tǒng)計分析妙蔗，高頻隨機噪聲大體為高斯分布傲霸。基底噪聲引入的誤差可以通過采集多幅背景圖取平均然后背景光扣除的方式消除眉反。但是昙啄，扣除之后的基底噪聲不可能完全等于零，即便很小的基底值也會對光束寬度的計算造成較大影響寸五。此外還需要注意的是CCD相機通常為單極AD轉(zhuǎn)換器梳凛，如果不提高AD輸入信號的偏置，信號中包含的負(fù)噪聲會丟失梳杏，無法補償正噪聲的幅值韧拒，背景圖像扣除基底后偏差會進(jìn)一步加大。
3.2積分區(qū)域的選取
在實際應(yīng)用中秘狞，光強分布一階矩和二階矩的公式中無限的積分區(qū)域會被設(shè)定為選區(qū)的有限區(qū)域叭莫，此時公式會變?yōu)椋?/p>
在距離激光質(zhì)心較遠(yuǎn)的位置蹈集，會因為
和
的增大而加劇影響求和結(jié)果烁试，所以需要對積分的區(qū)域加以限制。而不同的積分區(qū)域也會造成不同的測量結(jié)果拢肆，區(qū)域選取過大會導(dǎo)致大量噪聲信號被選入减响；區(qū)域選取過小則會截取大量有效信號，影響測量結(jié)果郭怪。
為了防止不同使用者選取不同積分區(qū)域得到不同結(jié)果得情況發(fā)生支示，自動選擇積分區(qū)域顯然是更加合適的，而在自動選取時可以采用先粗算后細(xì)算的方式鄙才。在粗算階段颂鸿，在整個采集面通過4σ法計算初始的光斑寬度，得到這個數(shù)據(jù)后以初始質(zhì)心作為原始中心坐標(biāo)攒庵，按照預(yù)定與光束寬度的倍數(shù)關(guān)系選擇積分區(qū)域嘴纺，然后在進(jìn)行細(xì)算败晴。
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