ほとんどのレーザは、円形または楕円形の断面を持つビームを放射します。このようなビームが平らな面に当たると、小さな丸いスポットができます。しかし、レーザ光のラインがあった方が便利な場合もたくさんあります。例えば、投影されたレーザラインは、建設、製造組立工程、さらにはCATスキャナーやその他のメディカルイメージングシステムで患者を位置決めする際のアライメント基準としてよく使用されます。また、フローサイトメーターのビーム整形にも使用されます。
レーザラインの重要な商業用途のひとつに、マシンビジョンシステムがあります。これらは、部品の形状や寸法の自動測定に使用されます。この種のマシンビジョンシステムの基本要素を図1に示します。
図1 :レーザラインを利用したマシンビジョンシステムの基本要素。ビームに対して斜めのカメラで見ると、部品の高さの変化はカメラの検出器上のライン位置のずれとして見えます。
レーザが部品に線を投影し、カメラがその投影線を斜めから見ます。カメラの視点から見た線の変位は、幾何学的な公式を使用してオブジェクトの高さプロファイルを計算するために使用されます。
この技術は、ベルトコンベア上を移動する部品の検査によく用いられます。レーザラインは静止したままで、部品はその中を移動します。これにより、部品の全長にわたってレーザラインスキャンが行われます。これにより、部品の3次元形状プロファイル全体を測定することができます。
この種のマシンビジョンシステムでは、レーザラインが全長にわたって均一な強度を持つことが非常に有効となります。これにより、画像を分析し、正確で定量的なデータを取得する作業が簡素化されます。
しかし、ほとんどのレーザでは、端より中央がはるかに明るい、いわゆる「ガウシアンビーム」が生成されます。ガウシアンビームのユニークな特性の1つは、従来の光学系を使って集光、拡大、または他の方法で形状を変更しても、ガウシアン強度プロファイルが維持されることです。これは、実際に取り除くことがかなり難しい特性です。
パウエルレンズ
ガウシアンビームを均一な強度のレーザラインに変換する非常に巧妙で効果的な方法のひとつに、パウエルレンズ（発案者のイアン・パウエル博士にちなんで命名）があります。パウエルレンズは非球面シリンドリカルレンズです。
パウエルレンズは、円形のレーザビームを一次元に扇状に広げます。これにより、ビームが平らな面に当たると、スポットではなく線になります。
パウエルレンズの形状は、レーザ光をビームの中心から端に導くように特別に設計されています。これにより、中心部の「ホットスポット」が除去され、ガウシアンビームが「トップハット」プロファイルとも呼ばれる均一な強度のビームに変換されます。
図にはパウエルレンズの断面形状を示し、作用を従来のシリンドリカルレンズ（こちらでも線が生成されるが、ガウシアン強度プロファイルが維持されている）と比較しています。
図 2. パウエルレンズ（左）と従来のシリンドリカルレンズ（右）の比較。どちらの光学系も、丸いガウス分布のレーザビームを発散する扇形の光に変換し、投影される表面に線を形成します。パウエルレンズは光をビームの中心から端に移動させて均一な強度のラインを生成しますが、シリンドリカルレンズはビームのガウス分布を維持するため、ビームのラインは中心ではるかに明るくなります。
ガウシアンビームを均一な線に変換する方法は、パウエルレンズ以外にも回折光学素子やレンズレットアレイなどがあります。しかし、いずれも光学効率は同じでなく（つまり、レーザ光のうちライン内で終わるものが少ない）、強度が均一化されたビームは得られません。
パウエルレンズのもう一つの有用な特徴は、入力波長に対してかなり鈍感であるということです。これは、波長依存性の高い回折光学素子にはない大きな利点です。
この特性により、パウエルレンズを半導体レーザと組み合わせることで、非常にコンパクトで低コストのラインジェネレーターを作ることができます。半導体レーザは一般的に、波長の単位ごとのばらつきが大きく、バンド幅と波長は温度によっても変化します。しかし、パウエルレンズは波長不感症であるため、波長選択やビン詰めをすることなく、半導体レーザを使用することができます。
パウエルレンズの購入
パウエルレンズでシリンドリカル非球面を作るのは難しく、専門的な設備とノウハウが必要です。その結果、パウエルレンズの品質はメーカーによって異なります。
通常、ユーザーは用途に必要な入力ビーム径、波長、および「ファンアングル」を指定します。光学部品メーカーは、これらの要件に適合するパウエルレンズの設計を選択または作成します。
もちろん、実際の部品には公差があり、ユニットごとに性能のばらつきが生じます。ほとんどの用途において、最も重要な性能基準は、均一性、「含まれる出力」、およびラインの直線性です。
しかし、すべてのメーカーがこれらの仕様を同じように定義しているわけではありません。したがって、買い手にとっては、提供された情報をどのように解釈するかを理解することが重要です。
まず、ファン角は通常、出力がピーク値の80%まで低下した時点と定義されます。これは、通常のレーザビームサイズの計算方法とは異なります。ガウスレーザビームの直径は、出力がそのピーク値の1/e²（13.5%）になる点と定義されます。しかし、もちろん、パウエルレンズのポイントは、ガウシアンビームを生成しないことです。
図 3. パウエルレンズのファン角は通常、強度がピーク値の80%まで低下したポイントから測定されます。強度の均一性は、各メーカーによって規定が異なります。
しかし、（図面の式で与えられる）線の強度の均一性は、常に同じように指定されるわけではありません。最も重要なのは、多くのメーカーが強度の均一性を端まで（100%）ではなく、線の中央80%（図に記載）にしか適用していないことです。しかし、ビームのエッジを除外すると、実際のパフォーマンスが非現実的な形で表現されます。通常は、これが不均一性が最も顕著になる部分であるためです。
Coherentでは、より厳格な100%基準を使用しています。その結果、Coherentのパウエルレンズは、測定精度、SN比、ユニット間の一貫性が向上しました。高性能Coherentパウエルレンズの詳細と、このレンズがマシンビジョン、ライフサイエンスなどにもたらす利点については、こちらをご覧ください。
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