基于高量子效率sCMOS相机的激光光斑衍射计算成像实验

光学衍射计算成像是一种通过对光波前进行编码与解码，重建物体相位与强度信息的前沿成像技术。光学衍射计算高度依赖于对入射光场的精确量化测量，特别是光斑形态及时域波动特性的采集。

光斑的强度波动往往携带光学元件热漂移、大气扰动模拟或光源噪声等信息。因此，对光斑灰度值进行长时间、高信噪比的时间序列采集，是后续进行精确衍射建模与图像重构的前提。
某光电研究所，采用千眼狼一款95% QE、1.2e- 读出噪声、90dB高动态范围的科学级sCMOS相机 Gloria 4.2，在暗室环境中对红光激光光斑进行定量测量实验，以评估其在低光照、高稳定性需求场景下的适用性。

• 实验目标：定量分析红光激光光斑在时间域内的强度与形态波动，验证千眼狼Gloria 4.2 sCMOS相机在低光照、高灵敏度条件下的成像稳定性。

• 实验对象：激光照射至CMOS靶面形成光斑，无中继光学系统。

• 实验设备：千眼狼Gloria 4.2 科学级sCMOS相机，2048×2048分辨率，16bit高动态模式下采集帧74fps。光源采用连续红光激光器，波长635nm。

• 实验方法：通过控制曝光时间，适度降低帧率，抑制光子带来的时域噪声。利用sCMOS相机采集多帧图像进行时域波动分析，并使用灰度值波动作为评价相机噪比SNR的关键指标。

• 实验难点：微弱光强波动易被传感器噪声掩盖，通过启用低噪声读出模式并匹配曝光时间与帧率使信号增强，提高信噪比。

  

• 光斑质量：
  图1为科学相机Gloria 4.2在高动态模式下捕捉的光斑图像，显示光斑形态清晰、边缘锐利，无拖影，未出现饱和现象，保留了完整的光强分布信息。

  

  图1

• 灰度时域稳定性：
  通过时域灰度直方图（图2）分析，光斑信号呈现类高斯分布特征，光斑灰度值波动幅度极小，均值、标准差数值稳定，无明显周期性噪声，表明Gloria 4.2科学相机具备优异的信噪比表现，满足对光强微弱波动定量分析的需求。

  

  图2

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