Powell 렌즈
Powell 렌즈란 무엇입니까?
Powell 렌즈는 균일한 강도의 레이저 라인 생성에 사용되는 광학 장치입니다. 이 렌즈는 독특한 원통형 비구면 표면 형태를 채택하여 레이저 라인을 생성합니다. Powell 렌즈는 머신 비전 및 Flow Cytometry와 같은 다양한 응용 분야에 사용됩니다.
대부분의 레이저는 원형 또는 타원형 빔(단면)을 방출합니다. 빔 전체의 강도 프로파일은 일반적으로 가우스이거나 이와 거의 비슷합니다. 이 가우스 강도 분포는 많은 응용 분야에 유용합니다. 그러나 균일한 강도 분포(흔히 "플랫탑"이라고도 함)가 더 바람직한 경우도 있습니다.
가우스 빔을 균일한 강도 분포(1차원과 2차원 모두)로 변환하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 강력하고 유연한 방식은 Powell 렌즈를 기반으로 하는 방식입니다. 때때로 플랫탑 빔이 필요한 이유, Powell 렌즈의 작동 방식, Powell 렌즈가 다른 기술에 비해 제공하는 이점을 살펴보겠습니다.
가우스 빔 – 장점과 단점
그림은 원형 가우스 빔을 보여 줍니다. 이 빔은 가장자리보다 중앙에서 훨씬 더 강합니다. 가우스 빔은 대부분의 레이저에서 기본 물리학의 자연스러운 결과로 나타나는 것이기 때문에 매우 일반적입니다.
대부분의 레이저는 자연스럽게 가우스 강도 분포를 보이는 원형 단면 빔을 생성합니다. 이는 가장자리보다 중앙에서 훨씬 더 밝습니다. 비교를 위해 원형과 정사각형의 균일한 강도 빔이 표시되어 있습니다.
가우스 프로파일 빔은 흔히 여러 가지 이유로 균일한 강도의 빔(원형 또는 정사각형)보다 유리한 것으로 확인됩니다. 중요한 점은 가우스 빔이 동일한 직경의 균일한 원형 빔보다 더 작은 지점에 집중될 수 있다는 것입니다. 덕분에 많은 응용 분야에서 매우 유용합니다. 예를 들어 대부분의 재료 가공 용도에서는 초점이 맞춰진 빔이 작을수록 미세한 특징을 생성하는 능력이 향상됩니다. 많은 레이저 기반 현미경 기술에서는 초점이 맞춰진 스폿 크기가 작을수록 이미지 해상도가 높아집니다.
그러나 상황에 따라, 특히 레이저가 라인 빔(폭보다 길이가 더 긴 빔)으로 형성되는 경우에는 그 반대가 되기도 합니다. 라인 빔은 다양한 빛 작업에 사용됩니다. 장면이나 물체를 고르게 밝히면 후속 이미지 처리가 단순화되고 이미지 대비와 해상도가 향상되므로 이 경우에는 균일한 강도가 바람직합니다.
가우스 빔 변환
가우스 빔의 고유한 특성은 기존 광학 장치를 사용하여 초점을 맞추거나, 확장하거나, 다른 방식으로 모양을 변경할 때 가우스 강도 프로파일을 유지한다는 것입니다. 이 프로파일을 제거하는 일은 실제로 꽤 어렵습니다.
가우스 빔을 균일한 강도 분포의 빔으로 변환하는 가장 간단하고 직접적인 방법은 빔의 중앙 부분과 가장 균일한 부분을 제외한 모든 부분을 단순히 차단하는 구멍을 통해 빔을 통과시키는 것입니다. 이 접근 방식에는 두 가지 단점이 있습니다. 첫째, 레이저 출력의 매우 큰 부분(75%)이 폐기됩니다. 둘째, 변환 후의 광선이 여전히 균일하지 않습니다.
가우스 빔을 균일한 강도 프로파일로 변환하는 가장 간단한 방법은 빔의 중앙 부분을 선택하고 나머지 부분을 버리는 것입니다. 그러나 이 접근 방식에서는 결과의 품질이 가장 떨어집니다.
많은 빛을 방출하지 않고 가우스 빔을 플랫탑 분포로 변환하는 것은 더욱 어렵습니다. 그러나 회절 및 굴절 기술을 모두 사용하면 가능합니다.
회절 광학은 다양한 회절 차수 사이에 간섭을 생성하여 레이저 빔의 빛을 공간적으로 재분배하는 방식입니다. 이를 통해 거의 평평한 상단과 다양한 패턴을 포함하여 거의 모든 임의의 강도 프로파일을 생성할 수 있습니다.
균일한 라인 빔을 만드는 작업에서 회절 광학에는 두 가지 큰 단점이 있습니다. 첫째, 효율이 그다지 높지 않습니다. 원치 않는 회절 차수로 인해 상당한 양의 빛이 소실됩니다. 둘째, 일반적으로 파장에 매우 민감합니다. 이는 다이오드 레이저와 함께 사용할 때 특히 문제가 됩니다.
렌즈렛 배열은 순수 굴절 방식입니다. 이는 각각 입력 빔보다 훨씬 작은 여러 개의 렌즈를 포함하는 광학 장치입니다. 각 렌즈렛에 의해 생성된 출력 패턴은 원거리 필드에서 중첩되어 원하는 균일한 강도 분포를 생성합니다.
원통형 렌즈렛 배열의 두 가지 구성.
렌즈렛 배열을 사용하여 최종 빔에서 높은 균일성을 달성하는 것은 매우 어렵습니다. 일반적으로 강도에는 상당한 양의 고주파 리플이 있습니다. 또한 렌즈렛 배열은 생성하는 데 특수한 도구가 필요하므로 대규모 응용 분야에서 유용성이 한정적입니다.
Powell 렌즈
Powell 렌즈는 회절 광학과 렌즈렛 배열의 한계를 극복한 또 다른 유형의 굴절 광학 장치입니다. Powell 렌즈는 가우스 입력 빔을 균일한 강도 분포의 발산 빔으로 효율적으로 변환하도록 특별히 설계된 비구면 원통형 렌즈입니다. Powell 렌즈는 일종의 원통형 렌즈이므로 한 차원에서만 빔을 균질화합니다.
Powell 렌즈.
그림은 Powell 렌즈 표면의 모양을 보여 주고, 그 작동을 기존 원통형 렌즈의 작동과 비교합니다. Powell 렌즈는 중앙의 "핫스폿"을 제거하기 위해 광선의 중앙에서 가장자리로 빛의 방향을 전환합니다. 또한 원통형 렌즈는 빔을 1차원 부채꼴 모양으로 만들지만 가우스 프로파일을 유지합니다. 따라서 가장자리보다 중앙에서 훨씬 더 밝은 라인 빔을 생성합니다.
Powell 렌즈(왼쪽)를 기존 원통형 렌즈(오른쪽)와 비교합니다. 두 광학 장치 모두 둥근 가우스 프로파일 레이저 빔을 발산하는 부채꼴 빛(빛이 투사되는 표면에 선이 만들어짐)으로 변환합니다. Powell 렌즈는 빛을 빔의 중심에서 가장자리로 이동시켜 강도가 균일한 선을 생성하는 반면, 원통형 렌즈는 빔의 가우스 프로파일을 유지하므로 선이 중앙에서 훨씬 더 밝습니다.
Powell 렌즈는 성능의 거의 모든 측면에서 회절 광학에 비해 결과가 탁월합니다. 가장 중요한 점은 Powell 렌즈가 더 효율적이고(빛 손실이 적음) 원하는 영역 외부의 빛이 거의 없는 가파른 가장자리 패턴을 생성한다는 것입니다.
이 Powell 렌즈는 입력 파장에도 감도가 상당히 낮습니다. 즉, 파장의 단위 간 변화뿐 아니라 이러한 소스의 고유한 대역폭 및 파장 온도 의존성에 영향을 받지 않기 때문에 다이오드 레이저와 함께 사용할 수 있습니다. 결과적으로 파장을 선택하거나 다이오드 레이저를 비닝할 필요 없이 생산 빔 균질기에서 전체 패턴에 걸쳐 ±5%의 전체 강도 균일성을 일상적으로 달성할 수 있습니다.
하지만 Powell 렌즈는 완벽하지 않습니다. 각각은 특정 입력 빔 직경에 맞게 설계되며, 더 크거나 작은 빔에서는 최적의 결과를 생성하지 못합니다. 또한 정렬(원통형 표면에 수직인 축)에도 민감합니다. 정렬이 불량하면 투영된 선의 강도 균일성이 떨어집니다.
Powell 렌즈 사양 이해
Powell 렌즈에 원통형 비구면을 고정밀도로 제작하는 것은 어려운 일이며, Powell 렌즈의 품질은 제조업체마다 다릅니다. 즉, 실제 Powell 렌즈의 성능이 설계 값과 크게 다를 수 있습니다. 따라서 고지 사양을 해석하는 방법을 아는 것이 중요합니다.
Powell 렌즈의 주요 사양은 작동 파장, 의도한 입력 빔 직경(입력 빔이 가우스이므로 1/e² 강도 지점을 기준으로 정의됨), 출력 빔 부채꼴 각도입니다. 이는 도면에 개략적으로 표시되어 있습니다. 출력 빔은 가우스가 아니라 균일하도록 의도되었기 때문에 부채꼴 각도는 (1/e² 전력 지점이 아니라) 전력이 피크 값의 80%으로 떨어진 지점에서 측정됩니다.
Powell 렌즈의 기본 공칭 사양은 입력 빔 직경과 출력 빔 부채꼴 각도입니다.
일반적으로 Powell 렌즈의 가장 중요한 성능 매개변수는 강도 균일성입니다. 제조 버전 및 공차 효과로 인해 강도 변형(특히 빔 가장자리에서), 평평하지 않은 상단 프로파일, 주기적인 구조, 산란이 발생할 수 있습니다.
Powell 렌즈 부채꼴 각도는 일반적으로 강도가 최고 값의 80%로 떨어진 지점에서 측정됩니다. 강도 균일성은 제조업체마다 다르게 지정됩니다.
대부분의 제조업체는 앞의 그림에 제공된 공식을 사용하여 라인 균일성을 정의합니다. 그러나 일반적으로 이 사양은 라인의 중앙 80%에만 적용됩니다(그림에도 표시되어 있음). 그러나 빔의 가장자리를 제외한다면 실제 성능에 대한 예측은 비현실적입니다. 일반적으로 이 부분에서 불균일성이 가장 뚜렷하게 나타나기 때문입니다.
이와 대조적으로 Coherent는 라인 길이의 100%에 걸쳐 강도 균일성 사양을 적용합니다. 라인 직진도 및 포함된 전력(80%와 1/e² 피크 전력 지점 사이의 라인에 포함된 전력 비율)에 대한 사양에서도 마찬가지입니다. 이는 훨씬 더 엄격하고 충족하기 어려운 사양입니다. 그 결과 Coherent Powell 렌즈는 더 나은 측정 정확도, 신호 대 잡음비 및 장치 대 장치 일관성을 자랑합니다.