鲍威尔棱镜的均匀线激光器(一字线激光器)

发布日期:2024-04-17 10:48:55   浏览量 :54
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深圳易创电子科技有限公司生产的均匀线激光器采用鲍威尔棱镜,根据客户需求定制参数(扇角、波长、功率、线宽、工作距离等),产品可靠,抗干扰能力强,是机器视觉、3D扫描和测量、光谱共焦、生物医疗的最佳选择。

【基础】一字线激光是如何生成的?
能生成一字线激光的器件有柱镜/波浪镜、鲍威尔棱镜和DOE衍射元件,这三种方式比较常见;器件材料有塑料和玻璃。其中前2种方法都属于几何光学的内容,DOE属于衍射光学的技术,它们各有优劣。我们重点讲述以鲍威尔棱镜为主的一字线激光器,其他方法生成一字线的产品,不建议甚至反对用到工业机器视觉领域,特别是3D测量领域。
以下是鲍威尔棱镜实现光束一字线原理示意图,可以看到鲍威尔棱镜有个曲线的屋脊,该屋脊曲线的加工品质将决定一字线激光的品质。如果您熟悉Zemax,模拟设计一下该屋脊曲线的分布函数并与柱镜进行对比分析,就能明白他们的差异。不熟悉也不要紧,记住了三种方法里,鲍威尔棱镜是王者,选它是不闹心的第一步。

第一类闹心事:均匀性指标之谜
两端亮或中间亮,粗细不均匀,亮度不均匀

  • 两端有断线,中间还挺好
  • 背景杂散光比较多

  • 第一类闹心事的核心还是在于生成一线的器件品质不匹配,比如柱镜天然特性就是边缘会慢慢变暗,波浪镜可以理解为多个柱镜连一起,改善了边缘变暗的程度,但依然存在不均匀。因此,这类器件生成的一字线,其均匀性指标很难达到85%以上,比如容易出现两端断线,但这类产品在直线指示如划线引导等场景,足以满足用户需求,加上用量巨大价格便宜,喜闻乐见,是最常见的一类一线激光器。
    DOE类型的一字线,好处是超级薄,也便宜,但容易出现中央零级光斑,在暗物体上易出现离散断点,这类器件也属于指示光源,给人看可以,做个指示光, 无法作为机器视觉3D测量中的信息光源。
    鲍威尔棱镜生成的一线激光,才是满足高端工业需求的不二之选,但一样会出现两端亮或两端暗的情况。加工质量符合设计要求的鲍威尔棱镜,可以实现对高斯光束整形为一型光束实现95%以上的均匀性,最佳情况可以实现99%的均匀性指标。
    出现上述问题的原因取决于鲍威尔棱镜设计参数与入射光束参数的匹配度,简单讲:假定鲍威尔棱镜设计入射光斑直径D=3 mm,如果实际入射光束直径R=为3.2 mm,那么就会出现两端暗,如果实际入射光斑为2.8 mm,则会出现两端亮,偏差越大,这种不匀程度越大。如下图是调试中,D和R之间0.1 mm差异即可分辨出明显的不均匀性。

明白了这个道理,挑选时就问厂家“你们如何保证入射光斑直径和鲍威尔棱镜匹配”?问得专业,答得专业,才是你不闹心的根本。对于厂家而言,如何提高这种匹配度,则就是核心竞争力了。


第二类闹心事:容易坏,用着就变暗了,激光器还活着但仅微微发光

  • 安装调试时今天是好的,第二天就坏了
  • 放到客户现场,过几天就坏了
  • 随着时间,逐渐变

原因非常简单:电流过阈值导致LD被击穿或LD长期处于规格书中Max上限值工作。网上一搜一大把的驱动电路原理图,可以用,但魔鬼隐藏于细节。
出现这种情况的情形包括:电路设计有问题,无ESD保护或使用了不恰当的电容器件。LD激光二极管属于静电敏感器件,很脆弱娇贵怕静电。分析了很多恒流源设计电路,有PWM信号调节存在过冲电流、刚上电瞬间峰值电流尖刺、外接地电流泄露等各种问题,甚至有些驱动板针对A厂LD很稳定,B厂LD就容易出现问题。存在这些问题的电路,如果有厂家封好为成品无需外接控制卡时,不容易暴露出问题,但机器视觉领域总是要外接控制卡与相机同步,这样就会暴露出这类产品的局限性。
怎么解决和避免这类事情?做好防静电措施,安装调试环境必须良好接地、人员带静电环操作、增加释放静电装置,可以有效避免安装调试中的问题。同时,选择合理的设计也非常关键,最为核心的是器件标准必须采用工业级标准的元器件,任何一个小器件的品质不过关都会导致设计品质失效。检测上,激光器模组通过ESD4KV静电测试、电压浪涌检测等环节非常重要,这需要厂家设计与组装工艺的共同打磨,缺乏设计能力无法从根上解决此类问题。
这类闹心事遇到了,从用户角度就只能抓紧换厂家,选择专业的工业机器视觉激光器厂家。从厂家角度则必须抓紧检讨设计、测试出隐患,通过高强度的测试验证来查找出设计缺陷,包括电路和结构体。因为用户场景千奇百怪,唯一能做的事情就是不断积累经验快速迭代提高品质。


第三类闹心事:红绿蓝紫,价格从几十块钱到上万块钱,咋选择?

  • 为啥别人说蓝光好,我要不要用蓝光?
  • 为啥一台要8~9千元甚至上万元,而另一家只要300元?

这类事情纯属经验不足,希望看完本篇小知识就能解决。波长的选择是依赖于应用场景的,红光在塑料等非金属材料表面具有良好的可识别性,加上很多相机的响应曲线在红色波段比较好。因此,你会看到非常多的机器视觉项目采用红光。蓝光在金属材料表面具有更加好的可识别性。绿光波长处在红蓝之间,人眼感知最强烈,功率非常小的绿光人眼感知会觉得亮度非常高,希望人眼感知强烈的场景绿光当然是首选,但不希望人眼感知的场景,则选择800~940 nm这样不可见光波段的激光器。因此,核心因素还是应用场景和相机配置,这两个因素决定了应选择那个波长的激光器。
至于价格是否闹心,则仁者见仁智者见智。1万元的激光器,能被市场接受的原因在于:线宽非常细10~100 μm、一致性非常高千套指标的偏差可以维持在5%之内、均匀性95%以上、直线度不超过千分之一,加上品牌溢价,本质是花钱买安心,花钱用别人的长处来增加自己产品的竞争力。撇开品牌溢价,上千元的激光器,其性能指标绝对要比几百的激光器要高出不少,因此,脱离性能指标的讨论价格,就是闹心根源。

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