Laser auf Linie bringen

Die meisten Laser geben einen kreisförmig oder elliptisch geformten Strahl ab. Wenn ein solcher Strahl auf eine ebene Fläche trifft, entsteht ein kleiner runder Fleck. Aber es gibt viele Fälle, in denen es sinnvoller ist, eine Laserlichtlinie zu erzeugen. Beispielsweise werden projizierte Laserlinien häufig als Ausrichtungsreferenzen im Baugewerbe, bei Montageprozessen in der Fertigung und sogar bei der Positionierung von Patienten in CAT-Scannern und anderen medizinischen Bildgebungssystemen verwendet. Sie werden auch zur Strahlformung in Durchflusszytometern eingesetzt.

Eine wichtige kommerzielle Anwendung für Laserlinien sind industrielle Bildverarbeitungssysteme. Diese werden zur automatisierten Messung der Form und Abmessungen von Teilen verwendet. Die grundlegenden Elemente eines industriellen Bildverarbeitungssystems dieser Art werden in Abbildung 1. dargestellt.

Abbildung 1: Die grundlegenden Elemente eines industriellen Bildverarbeitungssystems unter Verwendung einer Laserlinie. Bei Betrachtung durch eine Kamera in einem Winkel zum Strahl lassen sich Variationen in der Teilehöhe als Verschiebungen in der Linienposition am Detektor der Kamera erkennen.

Der Laser projiziert eine Linie auf das Teil und eine Kamera betrachtet diese projizierte Linie aus einem Winkel. Aus der Sicht der Kamera gesehene Verschiebungen der Linie werden dann verwendet, um mithilfe geometrischer Formeln das Höhenprofil des Objekts zu berechnen. 

Diese Technik wird häufig zur Inspektion von Teilen eingesetzt, die sich auf einem Förderband bewegen. Die Laserlinie bleibt stationär und die Teile bewegen sich durch sie hindurch. Dadurch scannt die Laserlinie die gesamte Länge des Teils. Und so kann ein gesamtes dreidimensionales Formprofil des Bauteils gemessen werden. 

Bei solchen industriellen Bildverarbeitungssystemen ist es sehr hilfreich, wenn die Laserlinie über ihre gesamte Länge eine gleichmäßige Intensität aufweist. Dies vereinfacht die Aufgabe, das Bild zu analysieren und daraus genaue, quantitative Daten zu erhalten. 

Allerdings erzeugen die meisten Laser einen sogenannten „Gaußschen Strahl“, der in der Mitte deutlich heller ist als an den Rändern. Und eine einzigartige Eigenschaft von Gaußschen Strahlen besteht darin, dass sie ihr Gaußsches Intensitätsprofil beibehalten, wenn sie mithilfe herkömmlicher Optik fokussiert, erweitert oder auf andere Weise umgeformt werden. Es ist tatsächlich relativ schwierig, diese Eigenschaft loszuwerden.

Die Powell-Linse

Eine sehr clevere und effektive Möglichkeit, Gaußsche Strahlen in Laserlinien gleichmäßiger Intensität umzuwandeln, ist die Powell-Linse (benannt nach ihrem Erfinder Dr. Ian Powell). Die Powell-Linse ist eine asphärische Zylinderlinse. 

Die Powell-Linse nimmt einen kreisförmigen Laserstrahl auf und lässt ihn in einer Dimension auffächern. Dadurch bildet der Strahl beim Auftreffen auf eine flache Oberfläche keinen Punkt, sondern eine Linie. 

Die Form der Powell-Linse ist speziell darauf ausgelegt, Laserlicht von der Mitte zum Rand des Strahls umzulenken. Dadurch wird der zentrale „Hot Spot“ eliminiert und der Gaußsche Strahl in einen Strahl gleichmäßiger Intensität umgewandelt, der auch „Top-Hat“-Profil genannt wird. 

Die Zeichnung zeigt die Querschnittsform einer Powell-Linse und vergleicht ihre Funktionsweise mit einer herkömmlichen Zylinderlinse (die ebenfalls eine Linie erzeugt, aber das Gaußsche Intensitätsprofil beibehält). 

Abbildung 2. Die Powell-Linse (links) im Vergleich zu einer herkömmlichen Zylinderlinse (rechts). Beide Optiken wandeln einen Laserstrahl mit rundem Gauß-Profil in einen divergierenden Lichtfächer um, der auf jeder Oberfläche, auf die er projiziert wird, eine Linie erzeugt. Die Powell-Linse verschiebt das Licht von der Mitte zum Rand des Strahls, um eine Linie mit gleichmäßiger Intensität zu erzeugen, während die Zylinderlinse das Gaußsche Profil des Strahls beibehält, sodass seine Linie in der Mitte viel heller ist. 

Es gibt abgesehen von der Powell-Linse noch andere Methoden zur Umformung von Gaußschen Strahlen in gleichmäßige Linien, einschließlich diffraktiver optischer Elemente und Lenslet-Arrays. Aber keine davon bietet die gleiche optische Effizienz (was bedeutet, dass weniger Laserlicht in der Linie landet) und keines liefert einen Strahl, dessen Intensität so homogen ist.  

Eine weitere nützliche Eigenschaft von Powell-Linsen besteht darin, dass sie relativ unempfindlich gegenüber der Eingangswellenlänge sind. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber diffraktiven optischen Elementen, die sehr wellenlängenspezifisch sind. 

Diese Eigenschaft ermöglicht die Kombination von Powell-Linsen mit Diodenlasern zur Herstellung sehr kompakter und kostengünstiger Liniengeneratoren. Diodenlaser weisen typischerweise erhebliche Wellenlängenschwankungen von Einheit zu Einheit auf, und ihre Bandbreite und Wellenlänge variieren auch mit der Temperatur. Die Wellenlängenunempfindlichkeit von Powell-Linsen ermöglicht jedoch den Einsatz mit Diodenlasern, ohne dass eine Wellenlängenauswahl oder -einteilung erforderlich ist. 

Kauf von Powell-Linsen

Es ist schwierig, die zylindrische Asphäre einer Powell-Linse herzustellen, und es erfordert spezielle Ausrüstung und Fachwissen, um ein korrektes Ergebnis zu erhalten. Daher variiert die Qualität der Powell-Linsen von Hersteller zu Hersteller.

Typischerweise gibt der Benutzer den für seine Anwendung erforderlichen Eingangsstrahldurchmesser, die Wellenlänge und den „Fächerwinkel“ an. Der Optikhersteller wählt oder erstellt ein Powell-Linsendesign, das diesen Anforderungen entspricht.

Natürlich weisen die eigentlichen Teile Toleranzen auf, die zu Leistungsschwankungen von Einheit zu Einheit führen. Für die meisten Anwendungen sind die Gleichmäßigkeit, die „enthaltene Kraft“ und die Liniengeradheit die wichtigsten Leistungskriterien. 

Allerdings definieren nicht alle Hersteller diese Spezifikationen gleich. Daher ist es wichtig, dass der Käufer versteht, wie die von ihm bereitgestellten Informationen zu interpretieren sind. 

Zunächst wird der Fächerwinkel als der Punkt definiert, an dem die Leistung auf 80 % ihres Spitzenwerts gesunken ist. Dies unterscheidet sich von der Art und Weise, wie die Laserstrahlgröße normalerweise berechnet wird. Der Durchmesser eines Gaußschen Laserstrahls ist der Punkt, an dem die Leistung 1/e² (13,5 %) seines Spitzenwerts beträgt. Der Sinn der Powell-Linse besteht jedoch natürlich darin, dass sie keinen Gaußschen Strahl erzeugt. 

Abbildung 3. Der Fächerwinkel der Powell-Linse wird für gewöhnlich an den Punkten gemessen, an denen die Intensität auf 80 % ihres Spitzenwerts gesunken ist. Die Gleichmäßigkeit der Intensität wird von verschiedenen Herstellern unterschiedlich angegeben.

Die Intensitätsgleichmäßigkeit der Linie (angegeben durch die Formel in der Zeichnung) wird jedoch nicht immer auf die gleiche Weise angegeben. Am wichtigsten ist, dass viele Hersteller ihre Intensitätsgleichmäßigkeit nur auf die zentralen 80 % der Linie (in der Zeichnung angegeben) anwenden und nicht bis zum Rand (100 %). Wenn man jedoch die Ränder des Strahls ausschließt, ergibt sich ein unrealistisches Bild der tatsächlichen Leistung, da hier die Ungleichmäßigkeiten typischerweise am stärksten ausgeprägt sind. 

Coherent verwendet für unsere Gleichmäßigkeitsspezifikation die strengeren 100 %-Kriterien. Als Ergebnis liefern die Coherent Powell-Linsen eine bessere Messgenauigkeit, ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und eine bessere Konsistenz von Einheit zu Einheit. Erfahren Sie mehr über die leistungsstarken Coherent Powell-Linsen und über die Vorteile, die sie für die industrielle Bildverarbeitung, die Medizin und Biowissenschaften und weitere Bereiche erzielen.

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