一分钟掌握!线型光斑的4种生成方法
发布时间:2024-06-20 17:05:22 阅读次数:212

一字线型光斑是指激光通过不同光学元件产生的一条直线光斑,常在精确定位、标记和测量任务中被广泛使用。 接下来,我们将介绍一字线光斑的生成方法、应用以及特点对比。

 

 

 

01

线型光斑的生成方法

 

柱透镜/平板柱透镜
用于获得能量中心强两边弱的线型光斑

柱透镜一面为平面,一面为圆柱面。 不同于球面透镜,柱透镜只在一个方向上对光束起作用,用于需要在一维方向对点光源进行简单整形的应用,可以将准直的激光束转换为线光束。 但高斯光斑入射时,其线型光斑能量分布为中心强两边弱。
平板柱透镜具有平面结构以及无球差特性,经过有效孔径的所有光线在x轴不同周期位置处发生衍射,使得同一x轴线上的光线正好能会聚到相同位置,最终聚焦光斑形成一条与x轴垂直的竖线,长度与原光斑直径一致。

LBTEK提供未镀膜、镀有不同波段范围增透膜的N-BK7材质柱面透镜以及基于液晶聚合物/N-BK7窗口片的平板柱透镜,可供多种应用选择。

柱透镜/平板柱透镜示意图

鲍威尔棱镜

用于获得能量较为均匀的线型光斑

鲍威尔棱镜也称为激光线性发射透镜,可以将准直光束扇形展开成一维激光直线,其顶部为非球面曲面,通过对透镜表面曲率的精确操控,大幅增大球差,减少中心区域的光强,增大线型光斑两端的光强,从而使得准直入射的高斯光经过鲍威尔棱镜后光强能够均匀分布。 与柱透镜相比,其能产生能量较为均匀的线型光斑,消除高斯光束的中心热点和褪色边缘分布。 但由于鲍威尔棱镜是针对入射光斑参数进行的精确设计,因此其对入射光斑参数有着较为严格的要求,需要与设计参数高度匹配。 如果入射光斑尺寸偏大或偏小,均会出现整形后的一字线型光斑能量不均的现象。 其优势为在不同工作距离处均可获得均匀线光斑,且由于发散角固定,线型光斑长度随工作距离而改变。

LBTEK鲍威尔棱镜为N-BK7材质,可以让Ø0.8mm(1/e^2)633nm的准直入射高斯光经过鲍威尔棱镜后将光强均匀分布。 在激光线以中心对称的80%范围内,非均匀性<30%。 适用于各种生物医学、汽车装配、线扫描共焦显微镜等机器视觉应用。


鲍威尔棱镜示意图

柱透镜阵列/平板柱透镜阵列

用于获得精度较高的线型光斑

柱透镜阵列由相同间距的柱透镜组成,相比于传统的柱透镜,它可以在实现线型光斑的同时使光源能量沿扩展方向均匀化。 配合透镜使用时,能够通过先微分后积分的方式获得边缘锐利的匀化线型光斑。

平板柱透镜阵列是一种基于液晶聚合物的衍射光学原理实现光束一维整形和匀化的平板光学元件,由聚合物薄膜上的一维阵列式相位分布实现柱透镜阵列功能。 该器件为单波长设计,无球差,平板结构易于集成。

平板柱透镜阵列的优势在于其适配光斑大小可以根据系统需求灵活调整,并且还可以通过改变配合透镜焦距的方式来对其线型光斑长度以及工作距离进行调节。 在成像、机器视觉、半导体激光器准直领域有较大应用潜力。 LBTEK拥有不同规格的基于液晶聚合物/ N-BK7基底的平板柱透镜阵列,同时也可提供灵活定制服务。


柱透镜/平板柱透镜阵列示意图

一字线型匀化DOE

用于在焦面生成能量较高的线型光斑

一字线型匀化DOE需要配合聚焦模块在其焦面产生一字线型光斑,利用点对点映射方式计算得到设计相位,再用LCP薄膜引入设计好的几何相位分布实现对高斯入射光的整形和匀化。 因此,其对于入射光斑的光束质量、光斑尺寸等参数有着严格的要求。 一字线型匀化DOE在焦面得到的一字线型光斑长度一般为几十微米到几毫米量级,宽度为衍射极限,通常用于激光加工场景。 除提供1064nm、532nm波长外,LBTEK一字线型匀化DOE也支持参数规格的灵活定制。

一字线型匀化DOE示意图

 

02

线型光斑的应用

 

矩形光束整形
在激光雷达、3D传感等类似应用场景中,需要以均匀的矩形光斑作为发射光时,可以使用双片平板柱透镜阵列进行光束整形和匀化。 双片柱透镜栅线互相垂直放置,通过调节两者各自的参数可以灵活控制矩形长宽的比例。

机器视觉任务
线激光在机器视觉任务中发挥着重要作用,可用于精确测量和定位。 通过投射一条线型光束,能够测量物体的尺寸、形状和位置。 此外,线激光还能够检测物体的轮廓和边缘,通过对比激光在物体上的形变量,获取物体的轮廓凹陷信息从而判断其形状于缺陷位置,该技术在自动化生产中广泛使用。

激光雷达避障

线激光可以用于机器人、扫地机的激光雷达系统中的避障任务。 通过对周围投射一条直线光束,机器人可以利用光线的反射和形变来确定自身周围的障碍物,从而实现精确避障。


扫地机激光雷达应用

在线扫描OCT

在线扫描OCT中,线型光斑通过光学元件聚焦成一细线,在扫描过程中沿着样品表面移动。 当光线与样品中的不同结构相交时,部分光被反射或散射回来,形成干涉信号。 通过分析这些干涉信号的强度和相位,可以重建出样品内部的结构信息。

在线扫描共焦显微镜

在线扫描共焦显微镜中,通过使用线型光斑,将光斑沿着样品表面进行扫描,从而实现对样品表面的快速成像和高分辨率的三维结构重建,可以较大地提高扫描效率。 线型光斑在样品表面移动时,与样品相交的区域会产生共焦成像信号。 通过检测这些共焦信号的强度和相位,系统可以确定样品表面各点的高度和形态信息。 通过不断移动线型光斑,并记录每个位置的共焦成像信号,最终可以构建出样品的三维结构模型。

在线扫描共焦显微镜工作原理示意图

 

03

不同方案特征对比

 

综上所述,线型光斑不仅在生成方法上具有多样性和灵活性,而且在工业检测定位、激光雷达、3D传感、医学成像、机器视觉等领域的应用中展现出巨大的潜力。 我们可以期待线型光斑在更广泛领域的应用,为人类带来更多的创新和进步。
×
联系客服