什么是 POWELL 透鏡？

圖 1：利用激光線的機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本元件。當(dāng)攝像頭以與光束成一定角度觀察時(shí)，工件高度的變化在攝像頭的探測(cè)器上表現(xiàn)為激光線位置的移動(dòng)。

大多數(shù)激光器發(fā)出的光束橫截面為圓形或橢圓形。當(dāng)這樣的光束照射到平面上時(shí)，會(huì)形成一個(gè)小圓點(diǎn)。但在許多情況下，激光線更為有用。例如，在建筑、制造裝配流程中，甚至在 CAT 掃描儀和其他醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中對(duì)患者進(jìn)行定位時(shí)，投射激光線通常用作準(zhǔn)直參考。它們還可用于在流式細(xì)胞術(shù)中進(jìn)行光束整形。

激光線的一個(gè)重要商業(yè)應(yīng)用是機(jī)器視覺系統(tǒng)。這些系統(tǒng)用于自動(dòng)測(cè)量零件的形狀和尺寸。這類機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本元件如圖 1 所示。

激光器在工件上投射出一條線，而攝像頭從一個(gè)角度觀察這條投射線。然后利用幾何公式計(jì)算出從攝像頭視角看到的線位移，從而計(jì)算出物體的高度輪廓。

這種技術(shù)常用于檢測(cè)在傳送帶上移動(dòng)的工件。激光線保持靜止，而工件穿過(guò)激光線。這樣，激光線就可以掃描工件的整個(gè)長(zhǎng)度。這樣就可以測(cè)量零件的整個(gè)三維形狀輪廓。

對(duì)于此類機(jī)器視覺系統(tǒng)，如果激光線在整個(gè)長(zhǎng)度上具有均勻的強(qiáng)度，則會(huì)非常有用。這可以簡(jiǎn)化圖像分析工作，并從中獲取準(zhǔn)確的量化數(shù)據(jù)。

不過(guò)，大多數(shù)激光器都能產(chǎn)生所謂的”高斯光束“，即光束中心的亮度遠(yuǎn)高于邊緣。高斯光束有一個(gè)獨(dú)特的特性，那就是當(dāng)它們聚焦、擴(kuò)大或使用傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)以其他方式重新塑形時(shí)，仍能維持高斯強(qiáng)度曲線。實(shí)際上很難擺脫它的這一特性。

POWELL 透鏡

Powell 透鏡(以其創(chuàng)始人 Ian Powell 博士的名字命名)是一種非常巧妙而有效的方法，可以將高斯光束轉(zhuǎn)化為均勻強(qiáng)度激光線。Powell 透鏡是一種非球面圓柱透鏡。

Powell 透鏡將圓形激光束在一個(gè)維度上呈扇形展開。這樣，當(dāng)光束擊中平面時(shí)，就會(huì)形成一條線，而不是一個(gè)點(diǎn)。

Powell 透鏡的形狀經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，用于將激光從光束中心轉(zhuǎn)向邊緣。這樣就消除了中心”熱點(diǎn)“，并將高斯光束轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度均勻的光束，也稱為”帽子“輪廓。

圖中顯示了 Powell 透鏡的橫截面形狀，并將其工作原理與傳統(tǒng)的柱面透鏡進(jìn)行了比較(后者也能產(chǎn)生一條線，但保持了高斯強(qiáng)度分布)。

圖 2. Powell 透鏡(左)與傳統(tǒng)柱面透鏡(右)比較。兩種光學(xué)器件都將圓形高斯激光束轉(zhuǎn)換為發(fā)散光扇，在其投射的任何表面上形成一條線。Powell 透鏡將光線從光束中心轉(zhuǎn)移到邊緣，以產(chǎn)生均勻強(qiáng)度的光束，而柱面透鏡則保持光束的高斯分布，因此其光束在中心更亮。

除了 Powell 透鏡，其他方法也可以將高斯光束轉(zhuǎn)化為均勻線，包括衍射光學(xué)元件和微透鏡陣列。但它們的光學(xué)效率都達(dá)不到 Powell 透鏡的水平(這意味著最終會(huì)進(jìn)入激光線的激光光束較少)，也無(wú)法提供強(qiáng)度均勻的光束。

Powell 透鏡的另一個(gè)有用特性是對(duì)輸入波長(zhǎng)相當(dāng)不敏感。與衍射光學(xué)元件相比，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檠苌涔鈱W(xué)元件對(duì)波長(zhǎng)非常敏感。

憑借這種特性，Powell 透鏡可以與半導(dǎo)體激光器相結(jié)合，形成非常緊湊低成本激光線發(fā)生器。不同半導(dǎo)體激光器設(shè)備的波長(zhǎng)通常會(huì)出現(xiàn)顯著變化，而且其帶寬和波長(zhǎng)還會(huì)隨溫度變化。但 Powell 透鏡對(duì)波長(zhǎng)不敏感，因此可與半導(dǎo)體激光器配合使用，而無(wú)需進(jìn)行波長(zhǎng)選擇或分選。

審核編輯 黃宇