市販のレーザービームプロファイリングシステムによる
非レーザー光源の測定

Kevin Kirkham, Senior Manager, Product Development, Ophir-Spiricon, LLC

レーザービームプロファイリング製品は通常、2次元センサーアレイ、光学イメージングおよび減衰光学系、測定、アーカイブ、検索のために光の分布の視覚的表現を表示、分析、記録するソフトウェアで構成されます。レーザービームプロファイリングシステムの中心となるのは、科学グレードのCCDまたはCMOSカメラです。カメラは、システムの使用可能な範囲にわたる直線性、均一な応答、精度について選択およびテストされます。シーンを検出して電子信号に変換するセンサーアレイには、傷や動作しないピクセルはありません。カメラはダイナミックレンジが広いために選択されており、画像を歪めたりスペクトル応答を制限したりする光学系の干渉がないように、通常はウィンドウとIRカットオフフィルターが削除されています。ビームプロファイリングカメラは通常、信号対雑音比が58db以上の画像を提供し、12～16ビット以上にデジタル化されます。

製品の頭脳であるレーザービームプロファイリングソフトウェアは、テスト中の光源の強度分布を直感的に記述するユーザー選択可能な画像を提供します。疑似カラー、2次元、および等角投影の3次元ディスプレイは、テスト対象のデバイスから発せられる光強度パターンの変化をユーザーに知らせます。

レーザービームプロファイリングシステムは、忠実度の高い画像を提供するように設計および製造されているため、強度分布がアプリケーションにとって重要な他の光源の性能を測定して文書化することが簡単です。LEDや照明器具から歯科用硬化ランプや滅菌システムに至るまでの発光デバイスに有益な可能性があります。アプリケーションのリストはこの記事の範囲を超えていますが、これらのシステムは、強度分布パターンがアプリケーションの有効性にとって重要である光源の位置合わせと分析に非常に役立つ情報を提供できると言えます。

このような製品の製造、調整、文書化を支援する測定システムを迅速かつ簡単に構築できます。これらの製品に付属の市販のソフトウェアを使用すると、スポットサイズと光の強度分布の関数として高解像度の空間測定を行うことができます。既知の空間および強度のキャリブレーションを使用すると、ビームプロファイリングシステムを使用して、多くの商用デバイスからの光強度の分布を正確かつ追跡可能に把握できます。

非レーザー光の分析に使用されるレーザービームプロファイル (LBP) システムの有用なアプリケーション例は、歯科用硬化ランプの分析です。これらの単色または多波長のハンドヘルドシステムは、歯科修復処置用のポリマーレジンを硬化するために世界中の歯科医院で使用されています。UVおよび可視光で化合物を硬化させるため、実物に近い、色が一致した修復物が得られます。これらの現実的な修復は、複合材料のLED駆動による硬化によって可能になります。新しい光重合樹脂組成物と、均一に分布または均質な光を特徴とする高強度のUVおよび青色光源のおかげで、完全かつ均一に硬化および硬化した修復物を迅速に調整できるようになりました。

これらの光源によって生成される光の分布は、改良されたレーザービームプロファイリングシステムを使用して迅速に測定できます。LBP製品の非レーザー光学計測アプリケーションでは、拡散ターゲットと結像レンズを利用します。ターゲットは平らで均一な表面を提供し、テスト中の光源に当たることができます。ターゲットは光路内に固定する必要があり、通常は、光または照明システムが使用される光源と同じ平面または距離に配置されます。

ターゲット素材は透過性と拡散性を備えていなければなりませんが、独自のパターンや構造を導入してはなりません。ターゲットとしては、すりガラスとフラッシュオパールが一般的に選択されます。材料の粒子またはグリットは、画像システムで解像できるものより小さくなければなりません。また、ターゲットは、テスト対象のデバイスからの光によって損傷したり変色したりしないように選択する必要があります。

図1では、硬化ランプからの光がターゲットに当たります。結像レンズはターゲット画像をカメラディテクターアレイに中継します。カメラはテスト中のランプの光強度分布の画像を収集し、表示および分析のためにシステムソフトウェアに提供します。図2は、結果として得られるビームプロファイルを示しています。

図3は、改良されたSpiriconレーザービームプロファイリングシステムで測定された2つのLEDベースのバッテリー駆動の硬化ライトの出力を示しています。疑似カラースキームは、ターゲットに当たるさまざまなレベルの放射照度を表します。ライトパターンの寸法は、エネルギーのパーセントまたはピークエネルギーのパーセント定義を使用して定義されます。これらの測定により、総出力を分配するピクセルのサブセットが得られます。パワー測定値をデジタルカウントの総数で割って、強度スケールごとのカウントを取得します。それから、各ピクセルに面積パワー値が割り当てられます。

左側のユニットの総統合光パワーは310mW、平均パワー密度は3.26W/cm²です。右側のデバイスの総出力は714mW、平均放射照度またはパワー密度は1.19W/cm²です。このシステムは、積分球とシリコンフォトダイオードセンサーを使用して、総強度または放射の存在について校正できます。総積分パワーはOphirのBeamGageソフトウェアアプリケーションによって読み取られ、テスト中の光源の強度分布の2次元マップが提供されます。総強度と有効ピクセル間隔が調整されると、各ピクセルはそれに関連付けられたパワー密度値を持ちます。

この場合、内部光源の配置に起因する空間的不均一性は、はっきりと見ることができ、定量的に測定することができます。多くの非コヒーレント光源は、市販のレーザービームプロファイリングシステムで効果的に測定できます。外部から測定された既知のテスト対象デバイスの合計パワー (放射束) をビームプロファイルと関連付けることにより、光源の分布の2次元マップを作成できます。スペクトル透過を制限するフィルターを使用すると、製品からの光出力を構成するさまざまな光源の分布を測定できます。このような測定システムは、製品のメーカーやユーザーが用途ごとに光源の良さを確認するために使用できます。分光計を追加すると、対象の波長が確認され、テスト対象デバイスのスペクトル出力がCCDカメラと光学系の350-1100nmのスペクトル範囲に収まることが保証されます。

シリコンCCDカメラの応答はスペクトル的に均一ではないため、各波長を個別に測定する必要があります。各スペクトル寄与体の総積分パワーも個別に測定し、その波長の空間プロファイルと関連付ける必要があります。

ターゲットに入射する総放射束の校正が行われた後は、カメラの露出とゲインのコントロールが変更されないように注意する必要があります。これらのコントロールによりカメラの感度を変更し、光源のキャリブレーションを変更します。

フィルターを減衰デバイスとして使用する場合、フィルターはプロファイルおよびパワー測定と一致している必要があり、一度校正を行った後は変更しない必要があります。

測定ソフトウェアを空間的に校正できるように、既知の寸法のもの、つまり画像面を配置することも重要です。ほとんどのレーザービーム解析システムでは、ピクセルの寸法を変更してイメージングシステムの光学的縮小を正確に表現できます。ソースからターゲットまでの距離が変更されると、測定が損なわれる可能性があります。光源から出る光のすべてがターゲットに当たるわけではありません。ターゲットからソースまでの距離が増加すると、ターゲットに当たる拡散光源からの光の量が減少します。光源を比較するときは、この距離を一定に保つ必要があります。

これらの技術は、低レベル光線治療装置の出力を測定するために使用することもできます。図4ではLEDのマトリックスが臨床用光生体調節製品に使用されています。複数の波長の合計寄与は、それぞれを個別に測定することで組み合わせることができます。画像を結合し、個々のパワー測定値を追加して、デバイスの強度分布の有用なマップを取得できます。