Каким образом достигается равномерность распределения энергии вдоль фокальной линии цилиндрической линзы в системах лазерной линейной развёртки?

2026-07-07

В системах лазерного линейного сканирования (3D-профилометрия, лазерные линейные датчики перемещения, лазерная маркировка) ключевым показателем является равномерность распределения энергии вдоль лазерной линии. Неравномерная фокальная линия напрямую приводит к следующим проблемам:

В 3D-измерениях: интенсивность отражённого сигнала от одной и той же высоты в разных положениях неодинакова, что увеличивает разброс измеренных данных;

В лазерной маркировке: области с высокой энергией на фокальной линии вызывают пережог, а области с низкой энергией — нечёткую маркировку.

Однако фокальная линия, формируемая цилиндрической линзой, по своей природе страдает от неравномерного распределения энергии.

1. Три определяющих фактора

1.1 Фактор 1: Поперечная мода падающего пучка

Распределение энергии вдоль фокальной линии цилиндрической линзы, по существу, представляет собой «растяжение» распределения интенсивности падающего пучка в направлении фокусировки вдоль фокальной линии. Если падающий пучок является гауссовым пучком основной поперечной моды (TEM₀₀), то распределение энергии вдоль фокальной линии имеет гауссову форму — интенсивность максимальна в центре и постепенно убывает к краям. Степень неравномерности определяется отношением ширины гауссова распределения на уровне половинной интенсивности (FWHM) к эффективной длине фокальной линии.

В инженерной практике для улучшения ситуации может применяться формирование плосковершинного профиля: перед цилиндрической линзой устанавливается формирователь плосковершинного пучка (например, линзовый растр или дифракционный оптический элемент, DOE), который преобразует гауссово распределение в плосковершинное. Однако такой подход увеличивает стоимость системы и вносит дополнительные потери, поэтому необходимо оценить его целесообразность.

Более экономичным методом является контролируемое использование эффективной длины — выделение центральной части гауссова распределения (соответствующей примерно 80% энергии) в качестве полезной длины фокальной линии, а слабые периферийные «хвосты» не используются. Эта стратегия не требует добавления оптических компонентов, но снижает коэффициент использования энергии падающего пучка.

Качественные тренды распределения энергии вдоль фокальной линии для двух типов пятен (качественное сравнение):

Тип падающего пучка	Тренд распределения энергии вдоль фокальной линии	Неравномерность в пределах эффективной фокальной линии
Гауссов пучок (TEM₀₀)	Максимум в центре, постепенное снижение к краям, гауссова форма	~12% – 18%
Плосковершинный пучок	Плоская в средней части, резкое снижение на краях	~3% – 5%

1.2 Фактор 2: Точность формы поверхности цилиндрической линзы

Погрешности формы поверхности цилиндрической линзы (главным образом, погрешность прямолинейности образующей и PV-погрешность криволинейной поверхности) вносят фазовую модуляцию вдоль направления фокальной линии, что проявляется в виде локальных флуктуаций энергии вдоль фокальной линии — то есть на гладкой фокальной линии появляются чередующиеся светлые и тёмные полосы.

Количественная связь между погрешностью прямолинейности образующей и неравномерностью интенсивности вдоль фокальной линии может быть выражена следующим образом:где ΔH — отклонение прямолинейности образующей (PV-значение). При ΔH = λ/10 теоретическая модуляция интенсивности составляет约 ±12%.

Инженерные рекомендации:

Для обычных лазерных сканирующих систем: точность формы поверхности должна соответствовать λ/4@633 нм, что соответствует отклонению прямолинейности образующей лучше 0,15 мкм;

Для высокоточных измерительных систем: точность формы поверхности должна соответствовать λ/10@633 нм, с отклонением прямолинейности образующей лучше 0,06 мкм.

1.3 Фактор 3: Одиночная цилиндрическая линза vs. комбинация двух цилиндрических линз

Одиночная цилиндрическая линза осуществляет прямую фокусировку, при этом распределение энергии вдоль фокальной линии полностью наследует характеристики падающего пучка (гауссов или плосковершинный профиль), и инженерные возможности активного управления ограничены.

Типичная конфигурация комбинации двух цилиндрических линз состоит из цилиндрического расширителя пучка и цилиндрической фокусирующей линзы. Принцип улучшения равномерности фокальной линии заключается в следующем: первая цилиндрическая линза (расширитель) расширяет пучок в направлении фокусировки, что фактически «растягивает» распределение интенсивности пятна вдоль этого направления; вторая цилиндрическая линза (фокусирующая) преобразует это расширенное пятно в фокальную линию. Расширенное пятно имеет более плоское распределение интенсивности в направлении фокусировки, и при малом угле расходимости падающего пучка флуктуации интенсивности вдоль фокальной линии сглаживаются.

Однако следует учитывать, что цилиндрический расширитель пучка изменяет размер пятна, что в свою очередь влияет на минимальную ширину фокальной линии. Фокусные расстояния двух цилиндрических линз должны быть согласованы при проектировании: чем больше коэффициент расширения, тем лучше равномерность фокальной линии, но при этом минимальная ширина линии соответственно увеличивается.

2. Сводка инженерных методов управления

Метод управления	Способ реализации	Степень улучшения равномерности	Побочные эффекты
Использование только центральной части гауссова пучка	Обрезание пучка с помощью диафрагмы или ограничение активной области сенсора	При обрезании 50% RMS снижается с ~15% до ~8%	Снижение коэффициента использования энергии (обрезание 50% приводит к потере ~50% энергии)
Повышение точности формы поверхности цилиндрической линзы	Указание требования к форме поверхности λ/10 при закупке, контроль прямолинейности образующей	Улучшение PV с λ/4 до λ/10 даёт улучшение RMS примерно на 5 процентных пунктов	Увеличение стоимости линзы
Использование комбинации двух цилиндрических линз (расширение + фокусировка)	Проектирование согласованных фокусных расстояний, расширение в направлении фокусировки в 1.5–3 раза	RMS снижается с ~15% до ~6% – 8%	Увеличение минимальной ширины линии; добавление стоимости и сложности юстировки из-за дополнительного компонента
Предварительное формирование плосковершинного профиля падающего пучка (добавление компонентов)	Установка перед цилиндрической линзой линзового растра или модуля формирования плосковершинного пучка на основе DOE	RMS может быть снижена до ~3% – 5%	Значительное увеличение стоимости системы и вносимых потерь; увеличение апертуры пучка

3. Результаты измерений

Параметры тестовой установки: использовался непрерывный лазер с длиной волны 1064 нм, диаметр входного пучка составлял 6 мм (на уровне 1/e²), цилиндрическая линза имела фокусное расстояние 100 мм. Распределение интенсивности измерялось вдоль фокальной линии на эффективном участке длиной ±10 мм, симметричном относительно центра фокального пятна.

Конфигурация	Неравномерность энергии вдоль фокальной линии (RMS)	Минимальная ширина линии (мкм)	Коэффициент использования энергии (доля энергии в пределах эффективной фокальной линии)
Одиночная цилиндрическая линза + гауссов пучок	15.2%	85	64%
Одиночная цилиндрическая линза + гауссов пучок (использование центральных 80% длины)	8.1%	85	51%
Комбинация двух цилиндрических линз (коэффициент расширения 2×)	7.3%	120	70%
Одиночная цилиндрическая линза + предварительное формирование плосковершинного профиля	4.1%	95	~50% (зависит от эффективности формирователя)

4. Рекомендации по выбору конфигурации

Область применения	Требование к равномерности	Рекомендуемая схема	Обоснование
Лазерная маркировка / очистка	В пределах ±15%	Одиночная цилиндрическая линза с точностью формы поверхности λ/4	Приоритет стоимости, технологический процесс имеет допустимые отклонения
3D-профилометрия (обычная точность)	В пределах ±10%	Одиночная линза + обрезание энергии, либо комбинация двух цилиндрических линз с малым коэффициентом расширения	Компромисс между стоимостью и равномерностью
Высокоточная 3D-измерительная / контрольная аппаратура	В пределах ±5%	Комбинация двух цилиндрических линз (коэффициент расширения 1.5×–2.5×) + точность формы поверхности λ/10	Хороший баланс между равномерностью и эффективностью использования энергии
Особо высокие требования к равномерности	В пределах ±3%	Одиночная цилиндрическая линза + модуль предварительного формирования плосковершинного пучка	Наилучшая равномерность, но высокая стоимость и снижение эффектив

Важное замечание относительно схемы с предварительным формированием плосковершинного профиля:

Если добавление DOE или линзового растра выполняется исключительно ради улучшения равномерности, необходимо тщательно оценить следующие факторы:

① Приемлемы ли вносимые потери от дополнительных оптических компонентов;

② Плосковершинный пучок обычно имеет более высокий коэффициент M² по сравнению с исходным гауссовым пучком, что приводит к увеличению дифракционно-ограниченной ширины линии;

③ Стоимость всей системы значительно возрастает.

В подавляющем большинстве инженерных приложений комбинация двух цилиндрических линз является наиболее экономически эффективным и сбалансированным компромиссным решением.

Нет. Следующий

Последние новости