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计量与机器视觉用激光光源----基于激光二极管的光源，用于高精度测量和检测系统

Fig.1 所示激光光源将激光二极管与折射光学元件（有时也包括衍射光学元件）相结合，以获得所需的光束形状。这些光束的形式和形态反映了其广泛的应用范围，包括：适用于三角测量和激光光切法的理想激光线，适合激光衍射等应用的半远心光束，以及用于颗粒计数和粒径测量等场景的激光光斑。即使在激光线、激光光斑或准直器这些基本类别内部，也存在物理特性差异很大的多种变体。

现代测量技术通常需要使用为满足工业任务严苛要求而专门设计的激光器。如今，在可见光谱的绿光和蓝光波段，可用的激光二极管种类日益增多，因此基于激光二极管的模块现已覆盖从紫外到红外的全波段范围。可以采用多种光束整形技术，来产生特定测量任务所需的光束轮廓。

激光线和激光光斑的用途是什么？

一种可能的应用是激光三角测量，也称为激光光切法，这是激光线最常见的应用。它是一种3D测量技术，用于确定预定入射截面上的轮廓（图2）。成像相机直接垂直于被扫描物体安装，测量以一定角度投射到物体上的入射激光线的横向位移和畸变。记录的相机图像包含由入射激光束所定义截面的全部高度信息，当物体通过激光线-相机检测系统时，这些信息被解码以提供3D高度轮廓。

测量区域的深度及其分辨率由剖析激光线所在平面与相机镜头光轴之间的三角测量角度决定。入射剖析激光线的角度越大，可记录的高度变化范围就越大。

颗粒计数与测量是激光线或激光光斑的另一个重要应用。在最简单的设置中，探测器记录穿过激光束的颗粒所反射的光。

其他应用则利用了激光二极管发射器尺寸小的特点。典型发射器尺寸为1 μm × 3 μm，单模激光二极管与长焦距光学元件相结合，可产生发散角极小（典型值为0.03 mrad）的大尺寸激光束。这些光源用于宽度和间隙测量，简单情况下利用物体在光束中的阴影，更复杂的情况下则利用其衍射图样。

光束特性

例如，激光线主要根据其长度、宽度和工作距离来表征。测量分辨率通常由线宽决定，并可能受到激光散斑的限制。在测量高度变化的物体时，必须考虑足够的焦深。激光的扇角也可能是选择激光线时的决定性因素。对于短距离内的长线条，需要大的扇角。

对于光滑表面和基于反射的测量技术，采用扇角为零的所谓半远心激光线可能是合适的选择。此外，还有其他重要参数，如波长、相干长度、输出功率和功率噪声，在为特定测量任务选择激光源之前必须加以考虑。下面将对其中一些方面进行更详细的讨论。

波长

基于激光二极管的激光源，其波长范围涵盖从近紫外375 nm到红外2300 nm以上。对于大多数检测系统而言，可用波长受限于相机在可见光谱范围（400–700 nm）以及近红外较短波段（最高约1000 nm）的灵敏度。在可见光范围内，波长进一步受限于现有激光二极管可提供的波长。目前市场上仍存在一些光谱空缺，现有的波长包括紫色（405–410 nm）、蓝色（415–488 nm）、绿色（515–520 nm）和红色（635–690 nm）。当需要极细的线或极小的光斑，且焦深不重要时，通常使用紫色或蓝色激光。大多数其他应用仍采用红色激光，因为其性价比最优。

Fig. 2a利用激光三角测量法对物体进行轮廓测量

Fig 2b从相机获取的图像。激光线的相对位移提供了该点处物体高度的信息。

微型与宏型激光线

通常优先选用细激光线，以最大化传感器处的信号强度。有时，如果所需分辨率相对于标准激光线的宽度较小，则细激光线甚至是必需的。若一条激光线非常接近聚焦高斯光束的衍射极限理想情况，我们称之为微型激光线（Micro Laser Line）。其线宽仍取决于波长和工作距离等参数，但这些线在每种情况下都在物理定律允许范围内提供了尽可能小的线宽。

然而，细激光线受到其小焦深的限制。当激光线离焦时，线宽增加，功率密度急剧下降（图3a）。标称工作距离附近、激光线宽增大不超过1.41倍的范围内，通常被规定为该激光线的焦深。对于宽度为B、波长为λ的微型激光线，其焦深由所谓的瑞利范围（两倍瑞利长度z_R）给出，定义为：

例如，对于660 nm（红色）激光线，线宽为10 μm，其瑞利范围仅为0.15 mm。例如，若要利用激光三角测量测量1 mm的高度变化，这显然不合适。

所谓宏型激光线（Macro Laser Line）具有扩展的焦深。在焦深范围内，激光线横截面上的强度分布近似为高斯分布，由衍射引起的旁瓣在焦深范围内保持在13.5%强度水平以下（图3b）。对于宽度为B、波长为λ的宏型激光线，其焦深2z_M定义为：

对于给定的线宽B，宏型线的焦深几乎是等效微型线的两倍。在相同工作距离下，宏型线的宽度比微型线宽2至5倍，从而使其焦深扩展约7至40倍。

Fig. 3 微型线（a）在焦点处具有高功率密度，但在焦点之外，线宽显著增加，功率密度大幅下降。宏型线（b）功率密度较低，但焦深更大（约大7至40倍）。

激光散斑

激光散斑源于多重干涉，例如由激光辐射在光学粗糙表面（高度变化 > λ/4）上的漫反射引起。

直接观察（例如用光束分析系统的相机观察）的激光束看起来是平滑的。如果将该光束照射到粗糙表面上，再成像到相机传感器上，就会出现典型的散斑强度图样。

散斑对比度和尺寸通常取决于光斑尺寸、光学系统的孔径大小以及测量几何结构。对于激光线，激光散斑会干扰成像激光线的均匀性。激光散斑的颗粒度取决于用于对激光线成像的物镜的孔径设置。采用小f数（大孔径）时，产生的散斑具有较高的空间频率，成像更均匀（见图4a）；而采用较大f数（即较小孔径）时，散斑颗粒感更强，尤其会造成干扰（见图4b）。

在大多数情况下，激光散斑的产生无法避免。例如，激光光切法的原理本身就依赖于成像表面具有粗糙纹理且对光发生漫反射。

可通过以下方式显著降低散斑效应：

▲为物镜选择大透镜孔径（小f数），这会减小散斑尺寸，但会牺牲焦深（图4）；

▲使用相干长度较短的激光光源，例如超发光二极管或LNC系列激光器。

Fig. 4 采用小光圈数 k=2.8（a）和大光圈数 k=22（b）成像时的散斑表现

低噪声、低相干激光二极管模块

传统单模激光二极管属于半导体激光器，通常工作在单一优势纵模上。然而，半导体激光材料具有温度依赖性，这会改变增益谱线和折射率，导致二极管在不同纵模之间跳变。

这种模式跳变会使输出波长快速跳跃几个皮米。对于未进行温度稳定的单模二极管，输出功率可能发生高达3%的不规则变化。

低噪声激光二极管模块LNC系列通过高频调制激光二极管的电流，消除了功率噪声和模式跳变这些不良特性。这种射频调制激发了多个发射纵模，同时将信号噪声显著降低至<0.1% RMS。这种以受控且稳定的方式引起的光谱展宽，还带来一个附加优势，即大幅缩短了激光束的相干长度，从而降低了激光散斑对比度并防止干涉条纹的产生。

将射频调制激光二极管的显著优势与标准激光二极管的不良特性相比较，效果更加明显。与标准激光二极管（图5）相比，低噪声激光二极管模块（图6）在噪声、光谱、激光散斑以及干涉行为等方面均有改善。

Fig. 5 标准激光二极管光源的特性。高噪声、模式跳变、激光散斑和有害干涉会限制光学分辨率。

Fig. 6 低噪声激光二极管光源的优势：噪声更低 a)、光谱展宽 b)、激光散斑减少 c) 以及干涉更少 d)。

低噪声

在图5a和图6a中，比较了两种二极管的噪声曲线（带宽1MHz，周期60分钟）。标准激光二极管的峰值噪声超过1%，而低噪声激光二极管模块的射频调制将噪声降低至<0.1%，该值已接近检测极限。

无模式跳变

未经射频调制时，激光在多个发射模式之间随机跳变（图5b，不同颜色）。经过射频调制后，谐振腔增益曲线内的众多模式被激发（图6b），产生约1.5 nm半高全宽（FWHM）的宽光谱。

激光散斑减少

相应的激光散斑行为如图5c和图6c所示。对于较粗的激光线和较大的激光光斑，使用完全相干激光源时，激光散斑对比度为1，且激光光斑内存在强度为零的区域。

多模式发射使得低噪声激光二极管的相干长度缩短至<300 μm，同时散斑对比度和尺寸也减小（比较图5c与图6c）。需要注意的是，这一优势对于更细的激光线和更小的激光光斑而言不太明显。例如对于10 μm的细激光线，产生激光散斑并不需要很长的相干长度。

干涉更少

相干长度缩短的另一个效果可以从图5d和图6d中观察到。使用标准激光二极管记录准直激光束时，会显示出令人困扰的干涉条纹（图5d），这是由面阵相机探测器的保护玻璃窗内部反射引起的。

由于低噪声激光二极管模块的相干长度小于玻璃的厚度，因此干涉被消除（图6d）。

产品配置器

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总结

激光线和激光光斑广泛应用于多种场景，例如激光线用于3D测量。根据激光线焦深的要求，可以选择功率密度高、焦深较小的微型线，或者线宽较大、焦深增加的宏型线。具有低噪声和短相干长度的特殊型号可改善测量结果。Schäfter+Kirchhoff新网站上的在线产品配置器可快速轻松地提供每款激光器的信息，并帮助将搜索范围缩小至最相关的选择。

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北京海科思锐光电仪器有限公司是Schäfter+Kirchhoff GmbH公司在中国的正式授权代理商，负责其全线产品在中国的市场推广、销售和售后服务。