鮑威爾棱鏡的均勻線激光器(一字線激光器)

發(fā)布日期:2024-04-17 10:48:55   瀏覽量 :564
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深圳易創(chuàng)電子科技有限公司生產(chǎn)的均勻線激光器采用鮑威爾棱鏡,根據(jù)客戶需求定制參數(shù)(扇角、波長、功率、線寬、工作距離等),產(chǎn)品可靠,抗干擾能力強(qiáng),是機(jī)器視覺、3D掃描和測(cè)量、光譜共焦、生物醫(yī)療的最佳選擇。

【基礎(chǔ)】一字線激光是如何生成的?
能生成一字線激光的器件有柱鏡/波浪鏡、鮑威爾棱鏡和DOE衍射元件,這三種方式比較常見;器件材料有塑料和玻璃。其中前2種方法都屬于幾何光學(xué)的內(nèi)容,DOE屬于衍射光學(xué)的技術(shù),它們各有優(yōu)劣。我們重點(diǎn)講述以鮑威爾棱鏡為主的一字線激光器,其他方法生成一字線的產(chǎn)品,不建議甚至反對(duì)用到工業(yè)機(jī)器視覺領(lǐng)域,特別是3D測(cè)量領(lǐng)域。
以下是鮑威爾棱鏡實(shí)現(xiàn)光束一字線原理示意圖,可以看到鮑威爾棱鏡有個(gè)曲線的屋脊,該屋脊曲線的加工品質(zhì)將決定一字線激光的品質(zhì)。如果您熟悉Zemax,模擬設(shè)計(jì)一下該屋脊曲線的分布函數(shù)并與柱鏡進(jìn)行對(duì)比分析,就能明白他們的差異。不熟悉也不要緊,記住了三種方法里,鮑威爾棱鏡是王者,選它是不鬧心的第一步。

第一類鬧心事:均勻性指標(biāo)之謎
兩端亮或中間亮,粗細(xì)不均勻,亮度不均勻

  • 兩端有斷線,中間還挺好
  • 背景雜散光比較多

  • 第一類鬧心事的核心還是在于生成一線的器件品質(zhì)不匹配,比如柱鏡天然特性就是邊緣會(huì)慢慢變暗,波浪鏡可以理解為多個(gè)柱鏡連一起,改善了邊緣變暗的程度,但依然存在不均勻。因此,這類器件生成的一字線,其均勻性指標(biāo)很難達(dá)到85%以上,比如容易出現(xiàn)兩端斷線,但這類產(chǎn)品在直線指示如劃線引導(dǎo)等場(chǎng)景,足以滿足用戶需求,加上用量巨大價(jià)格便宜,喜聞樂見,是最常見的一類一線激光器。
    DOE類型的一字線,好處是超級(jí)薄,也便宜,但容易出現(xiàn)中央零級(jí)光斑,在暗物體上易出現(xiàn)離散斷點(diǎn),這類器件也屬于指示光源,給人看可以,做個(gè)指示光, 無法作為機(jī)器視覺3D測(cè)量中的信息光源。
    鮑威爾棱鏡生成的一線激光,才是滿足高端工業(yè)需求的不二之選,但一樣會(huì)出現(xiàn)兩端亮或兩端暗的情況。加工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求的鮑威爾棱鏡,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯光束整形為一型光束實(shí)現(xiàn)95%以上的均勻性,最佳情況可以實(shí)現(xiàn)99%的均勻性指標(biāo)。
    出現(xiàn)上述問題的原因取決于鮑威爾棱鏡設(shè)計(jì)參數(shù)與入射光束參數(shù)的匹配度,簡單講:假定鮑威爾棱鏡設(shè)計(jì)入射光斑直徑D=3 mm,如果實(shí)際入射光束直徑R=為3.2 mm,那么就會(huì)出現(xiàn)兩端暗,如果實(shí)際入射光斑為2.8 mm,則會(huì)出現(xiàn)兩端亮,偏差越大,這種不勻程度越大。如下圖是調(diào)試中,D和R之間0.1 mm差異即可分辨出明顯的不均勻性。

明白了這個(gè)道理,挑選時(shí)就問廠家“你們?nèi)绾伪WC入射光斑直徑和鮑威爾棱鏡匹配”?問得專業(yè),答得專業(yè),才是你不鬧心的根本。對(duì)于廠家而言,如何提高這種匹配度,則就是核心競爭力了。


第二類鬧心事:容易壞,用著就變暗了,激光器還活著但僅微微發(fā)光

  • 安裝調(diào)試時(shí)今天是好的,第二天就壞了
  • 放到客戶現(xiàn)場(chǎng),過幾天就壞了
  • 隨著時(shí)間,逐漸變

原因非常簡單:電流過閾值導(dǎo)致LD被擊穿或LD長期處于規(guī)格書中Max上限值工作。網(wǎng)上一搜一大把的驅(qū)動(dòng)電路原理圖,可以用,但魔鬼隱藏于細(xì)節(jié)。
出現(xiàn)這種情況的情形包括:電路設(shè)計(jì)有問題,無ESD保護(hù)或使用了不恰當(dāng)?shù)碾娙萜骷?。LD激光二極管屬于靜電敏感器件,很脆弱嬌貴怕靜電。分析了很多恒流源設(shè)計(jì)電路,有PWM信號(hào)調(diào)節(jié)存在過沖電流、剛上電瞬間峰值電流尖刺、外接地電流泄露等各種問題,甚至有些驅(qū)動(dòng)板針對(duì)A廠LD很穩(wěn)定,B廠LD就容易出現(xiàn)問題。存在這些問題的電路,如果有廠家封好為成品無需外接控制卡時(shí),不容易暴露出問題,但機(jī)器視覺領(lǐng)域總是要外接控制卡與相機(jī)同步,這樣就會(huì)暴露出這類產(chǎn)品的局限性。
怎么解決和避免這類事情?做好防靜電措施,安裝調(diào)試環(huán)境必須良好接地、人員帶靜電環(huán)操作、增加釋放靜電裝置,可以有效避免安裝調(diào)試中的問題。同時(shí),選擇合理的設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵,最為核心的是器件標(biāo)準(zhǔn)必須采用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的元器件,任何一個(gè)小器件的品質(zhì)不過關(guān)都會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)品質(zhì)失效。檢測(cè)上,激光器模組通過ESD4KV靜電測(cè)試、電壓浪涌檢測(cè)等環(huán)節(jié)非常重要,這需要廠家設(shè)計(jì)與組裝工藝的共同打磨,缺乏設(shè)計(jì)能力無法從根上解決此類問題。
這類鬧心事遇到了,從用戶角度就只能抓緊換廠家,選擇專業(yè)的工業(yè)機(jī)器視覺激光器廠家。從廠家角度則必須抓緊檢討設(shè)計(jì)、測(cè)試出隱患,通過高強(qiáng)度的測(cè)試驗(yàn)證來查找出設(shè)計(jì)缺陷,包括電路和結(jié)構(gòu)體。因?yàn)橛脩魣?chǎng)景千奇百怪,唯一能做的事情就是不斷積累經(jīng)驗(yàn)快速迭代提高品質(zhì)。


第三類鬧心事:紅綠藍(lán)紫,價(jià)格從幾十塊錢到上萬塊錢,咋選擇?

  • 為啥別人說藍(lán)光好,我要不要用藍(lán)光?
  • 為啥一臺(tái)要8~9千元甚至上萬元,而另一家只要300元?

這類事情純屬經(jīng)驗(yàn)不足,希望看完本篇小知識(shí)就能解決。波長的選擇是依賴于應(yīng)用場(chǎng)景的,紅光在塑料等非金屬材料表面具有良好的可識(shí)別性,加上很多相機(jī)的響應(yīng)曲線在紅色波段比較好。因此,你會(huì)看到非常多的機(jī)器視覺項(xiàng)目采用紅光。藍(lán)光在金屬材料表面具有更加好的可識(shí)別性。綠光波長處在紅藍(lán)之間,人眼感知最強(qiáng)烈,功率非常小的綠光人眼感知會(huì)覺得亮度非常高,希望人眼感知強(qiáng)烈的場(chǎng)景綠光當(dāng)然是首選,但不希望人眼感知的場(chǎng)景,則選擇800~940 nm這樣不可見光波段的激光器。因此,核心因素還是應(yīng)用場(chǎng)景和相機(jī)配置,這兩個(gè)因素決定了應(yīng)選擇那個(gè)波長的激光器。
至于價(jià)格是否鬧心,則仁者見仁智者見智。1萬元的激光器,能被市場(chǎng)接受的原因在于:線寬非常細(xì)10~100 μm、一致性非常高千套指標(biāo)的偏差可以維持在5%之內(nèi)、均勻性95%以上、直線度不超過千分之一,加上品牌溢價(jià),本質(zhì)是花錢買安心,花錢用別人的長處來增加自己產(chǎn)品的競爭力。撇開品牌溢價(jià),上千元的激光器,其性能指標(biāo)絕對(duì)要比幾百的激光器要高出不少,因此,脫離性能指標(biāo)的討論價(jià)格,就是鬧心根源。

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