圖 1：利用激光線的機器視覺系統的基本元件。當攝像頭以與光束成一定角度觀察時，工件高度的變化在攝像頭的探測器上表現為激光線位置的移動。

大多數激光器發出的光束橫截面為圓形或橢圓形。當這樣的光束照射到平面上時，會形成一個小圓點。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 掃描儀和其他醫學成像系統中對患者進行定位時，投射激光線通常用作準直參考。它們還可用于在流式細胞術中進行光束整形。

激光線的一個重要商業應用是機器視覺系統。這些系統用于自動測量零件的形狀和尺寸。這類機器視覺系統的基本元件如圖 1 所示。

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

這種技術常用于檢測在傳送帶上移動的工件。激光線保持靜止，而工件穿過激光線。這樣，激光線就可以掃描工件的整個長度。這樣就可以測量零件的整個三維形狀輪廓。

對于此類機器視覺系統，如果激光線在整個長度上具有均勻的強度，則會非常有用。這可以簡化圖像分析工作，并從中獲取準確的量化數據。

不過，大多數激光器都能產生所謂的”高斯光束“，即光束中心的亮度遠高于邊緣。高斯光束有一個獨特的特性，那就是當它們聚焦、擴大或使用傳統光學技術以其他方式重新塑形時，仍能維持高斯強度曲線。實際上很難擺脫它的這一特性。

POWELL 透鏡

Powell 透鏡(以其創始人 Ian Powell 博士的名字命名)是一種非常巧妙而有效的方法，可以將高斯光束轉化為均勻強度激光線。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維度上呈扇形展開。這樣，當光束擊中平面時，就會形成一條線，而不是一個點。

Powell 透鏡的形狀經過專門設計，用于將激光從光束中心轉向邊緣。這樣就消除了中心”熱點“，并將高斯光束轉化為強度均勻的光束，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的柱面透鏡進行了比較(后者也能產生一條線，但保持了高斯強度分布)。

圖 2. Powell 透鏡(左)與傳統柱面透鏡(右)比較。兩種光學器件都將圓形高斯激光束轉換為發散光扇，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移到邊緣，以產生均勻強度的光束，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化為均勻線，包括衍射光學元件和微透鏡陣列。但它們的光學效率都達不到 Powell 透鏡的水平(這意味著最終會進入激光線的激光光束較少)，也無法提供強度均勻的光束。

Powell 透鏡的另一個有用特性是對輸入波長相當不敏感。與衍射光學元件相比，這是一個很大的優勢，因為衍射光學元件對波長非常敏感。

憑借這種特性，Powell 透鏡可以與半導體激光器相結合，形成非常緊湊低成本激光線發生器。不同半導體激光器設備的波長通常會出現顯著變化，而且其帶寬和波長還會隨溫度變化。但 Powell 透鏡對波長不敏感，因此可與半導體激光器配合使用，而無需進行波長選擇或分選。

審核編輯 黃宇