FOT: ビーム プロファイラーでは光ファイバー テーパーはどのように使用されますか?
光ファイバーテーパーとは何ですか?
光ファイバー テーパーは、構成ファイバーの一貫した配置を維持しながら、一端から他端にかけて断面の直径が徐々に変化する個々の光ファイバーを融合した束です。
- 例え:光の漏斗を想像してください。ただし、サイズが縮小 (または拡大) されても、画像の内部構造が保持される漏斗です。
- 製造方法:光ファイバーの束を正確に加熱して引き伸ばすことで作成され、テーパリングのプロセス全体を通じて各ファイバーの相対位置が維持されます。
- 主な機能:その主な役割は、光学像を広い領域から狭い領域へ (縮小)、または逆に狭い領域から広い領域へ (拡大) コヒーレントに転送することです。
ビームプロファイラで光ファイバーテーパーが使用される理由
レーザービーム、特に高出力または大面積の光源からのビームは、ビームプロファイラーで使用される一般的なCCDまたはCMOSカメラセンサーの有効検知領域をはるかに超えることがあります。光ファイバーテーパーは、この不整合を巧みに解決します。
- ビーム縮小と画像転送：テーパーの大きい方の入射端は、レーザービームを受信するように配置されています。束内の個々のファイバーは、ビームの強度分布の特定の部分を捉えます。光がテーパー部を通過すると、この空間情報は忠実かつコヒーレントに小さい方の出射端に転送され、元のビームプロファイルの縮小されたレプリカが生成されます。
- 効率的なセンサーカップリング：テーパーの小さい方の出射端で縮小された画像は、カメラセンサーに直接、または最小限のリレー光学系を介して結合することができます。この直接かつ近接した結合により、光損失が最小限に抑えられ、光学セットアップが大幅に簡素化されます。
デモを見る: 光ファイバーテーパーの動作
ビームプロファイリングにおけるテーパーの主な利点:
- 視野の拡大 / 大口径ビーム処理:ビーム プロファイラーにより、ネイティブ センサー サイズよりも何倍も大きいレーザー ビームを測定できます。
- コンパクトな設計:かさばる多要素レンズ システムが不要になり、よりコンパクトでスペース効率の高いビーム プロファイリング機器が実現します。
- 堅牢性:テーパーはソリッドステート コンポーネントであるため、振動による位置ずれの影響を受けにくく、システムの安定性と信頼性が向上します。
- 簡素化された光路:光学部品の数を削減し、システム設計、組み立て、および調整手順を簡素化します。
- 高い光学効率:直接結合により、複雑なマルチレンズ システムによく見られる表面反射と吸収損失が最小限に抑えられます。
- センサー保護:テーパーはインターフェースとして機能し、高出力ビームから繊細なカメラセンサーをある程度熱または強度から保護する可能性があります。
もっと大きなセンサーサイズを使わないのはなぜですか?
法外なコスト： CCDセンサーとCMOSセンサーのコストは、アクティブエリアの拡大に伴い、ほぼ指数関数的に急激に上昇します。大型センサーの製造はより困難になり、歩留まりの低下とユニットあたりのコストの大幅な上昇につながります。
入手の制限と専門性：非常に大型で高解像度のセンサーは標準部品ではありません。多くの場合、特注品として製造されるか、少数の専門メーカーからしか入手できないため、選択肢が限られ、リードタイムが長くなる可能性があります。
パフォーマンスのトレードオフ:
- ノイズの増加:センサーが大きくなると、ピクセル数が増え、アクティブ領域が大きくなるため、電子ノイズ (暗電流など) が蓄積される可能性があります。
- 読み出し速度が遅い:非常に大きなセンサーから膨大な量のデータを読み出すと、フレーム レートが大幅に低下し、動的なビームの変化を分析することが難しくなります。
- 熱管理:大型のセンサーは通常、より多くの熱を発生するため、最適なパフォーマンスを維持するために、より複雑でコストのかかる冷却ソリューションが必要になります。
- より大きなフォーム ファクター:大型センサーを搭載したカメラ本体、電子機器、全体的なパッケージは、本質的に大きく重くなります。
既存の機器の活用:多くのユーザーにとって、光ファイバー テーパーに投資することで、既存の高品質で小型のセンサー カメラを活用できるようになり、システム全体をオーバーホールすることなく、より大きなビーム測定機能へのコスト効率の高いアップグレード パスが提供されます。
レンズシステムを使用して視野を広げてみませんか?
確かにレンズを使用すると画像を縮小し、視野をより小さなセンサー上に効果的に「拡大」することができますが、正確なビーム プロファイリングのために高い忠実度を達成するには、テーパーが本質的に克服する大きな課題があります。
設計と修正の複雑さ:
- 複数要素の要件：単一のレンズでは、小さなセンサーに広い視野を結像しようとすると、深刻な収差が生じます。高性能な縮小レンズシステムには、異なる種類のガラスで作られた複数の個別レンズ要素が、様々な光学的欠陥を補正するために精密に配置される必要があります。
- 非球面:球面収差をさらに最小限に抑え、平坦な像面を確保するには、高価な非球面レンズ要素が必要になる場合があります。
- 高精度なテレセントリック性：ビームサイズを高精度に測定するには、物体側テレセントリックレンズが最適です。このタイプのレンズは、ビーム位置のわずかな変化にかかわらず倍率を一定に保ち、主光線が光軸と平行になることで遠近法の歪みを最小限に抑えます。しかし、テレセントリック設計は一般的に長く、重く、複雑です。
固有の異常（精度に関する主な問題）:
- 幾何学的歪み（樽型／糸巻き型）：ビームが視野の端に向かって広がると、従来のレンズでは歪みが生じ、直線が曲がって見えるようになります。これは、特に非円形プロファイルの場合、ビームの真の形状、サイズ、均一性の測定に不正確な結果をもたらします。
- 像面湾曲：単純なレンズは、カメラセンサーの完全に平坦な面ではなく、曲面に光を集光します。つまり、ビームの中心に焦点が合っていても、端は焦点が合わず、その逆もまた同様です。そのため、ビーム全体にわたって鮮明で正確なプロファイルを捉えることはできません。
- 色収差:レーザー光源に複数の波長がある場合、または環境光が存在する場合、異なる波長が異なる点に焦点を合わせ、ぼやけや色ずれが生じます。
- その他の単色収差:球面収差、コマ収差、非点収差によって画質がさらに低下し、ぼやけ、非対称、鮮明度の低下が生じ、ビーム プロファイリングの精度が低下します。
アライメントの課題：多要素レンズシステムの組み立てと精密なアライメントは、骨の折れる、時間のかかる作業です。わずかなずれでも収差が生じたり、悪化したりする可能性があるため、慎重かつ反復的な調整が必要になります。
全体的なコストの考慮:個々のシンプルなレンズは安価かもしれませんが、正確なビーム プロファイリングに適した複雑で収差補正された、潜在的にテレセントリックなレンズ システムの設計、製造 (または高品質の既製品の調達)、および精密な組み立てにかかる総コストは、光ファイバー テーパーのコストを簡単に上回る可能性があります。
物理的フットプリント:高性能レンズ システム、特にテレセントリック レンズ システムは、コンパクトな光ファイバー テーパーよりも大幅に長く、大きくなる傾向があり、ビーム プロファイラーの全体的なサイズが大きくなります。