什么是 POWELL 透镜？

图 1：利用激光线的机器视觉系统的基本元件。当摄像头以与光束成一定角度观察时，工件高度的变化在摄像头的探测器上表现为激光线位置的移动。

大多数激光器发出的光束横截面为圆形或椭圆形。当这样的光束照射到平面上时，会形成一个小圆点。但在许多情况下，激光线更为有用。例如，在建筑、制造装配流程中，甚至在 CAT 扫描仪和其他医学成像系统中对患者进行定位时，投射激光线通常用作准直参考。它们还可用于在流式细胞术中进行光束整形。

激光线的一个重要商业应用是机器视觉系统。这些系统用于自动测量零件的形状和尺寸。这类机器视觉系统的基本元件如图 1 所示。

激光器在工件上投射出一条线，而摄像头从一个角度观察这条投射线。然后利用几何公式计算出从摄像头视角看到的线位移，从而计算出物体的高度轮廓。

这种技术常用于检测在传送带上移动的工件。激光线保持静止，而工件穿过激光线。这样，激光线就可以扫描工件的整个长度。这样就可以测量零件的整个三维形状轮廓。

对于此类机器视觉系统，如果激光线在整个长度上具有均匀的强度，则会非常有用。这可以简化图像分析工作，并从中获取准确的量化数据。

不过，大多数激光器都能产生所谓的”高斯光束“，即光束中心的亮度远高于边缘。高斯光束有一个独特的特性，那就是当它们聚焦、扩大或使用传统光学技术以其他方式重新塑形时，仍能维持高斯强度曲线。实际上很难摆脱它的这一特性。

POWELL 透镜

Powell 透镜(以其创始人 Ian Powell 博士的名字命名)是一种非常巧妙而有效的方法，可以将高斯光束转化为均匀强度激光线。Powell 透镜是一种非球面圆柱透镜。

Powell 透镜将圆形激光束在一个维度上呈扇形展开。这样，当光束击中平面时，就会形成一条线，而不是一个点。

Powell 透镜的形状经过专门设计，用于将激光从光束中心转向边缘。这样就消除了中心”热点“，并将高斯光束转化为强度均匀的光束，也称为”帽子“轮廓。

图中显示了 Powell 透镜的横截面形状，并将其工作原理与传统的柱面透镜进行了比较(后者也能产生一条线，但保持了高斯强度分布)。

图 2. Powell 透镜(左)与传统柱面透镜(右)比较。两种光学器件都将圆形高斯激光束转换为发散光扇，在其投射的任何表面上形成一条线。Powell 透镜将光线从光束中心转移到边缘，以产生均匀强度的光束，而柱面透镜则保持光束的高斯分布，因此其光束在中心更亮。

除了 Powell 透镜，其他方法也可以将高斯光束转化为均匀线，包括衍射光学元件和微透镜阵列。但它们的光学效率都达不到 Powell 透镜的水平(这意味着最终会进入激光线的激光光束较少)，也无法提供强度均匀的光束。

Powell 透镜的另一个有用特性是对输入波长相当不敏感。与衍射光学元件相比，这是一个很大的优势，因为衍射光学元件对波长非常敏感。

凭借这种特性，Powell 透镜可以与半导体激光器相结合，形成非常紧凑低成本激光线发生器。不同半导体激光器设备的波长通常会出现显著变化，而且其带宽和波长还会随温度变化。但 Powell 透镜对波长不敏感，因此可与半导体激光器配合使用，而无需进行波长选择或分选。

审核编辑 黄宇