导论： 鲍威尔棱镜（Powell Lenses）是一种光学划线棱镜，它使激光束通过后可以最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的一条直线。 （1） 鲍威尔棱镜的工作原理及应用 鲍威尔棱镜划线优于柱面透镜的划线模式，能消除高斯光束的中心热点和褪色边缘分布。
高斯激光束通过普通的柱面透镜时，会产生不均匀分布的直线，而鲍威尔棱镜的顶部是复杂的二维非球面曲面，激光通过时会产生大量球面像差，重新分配光路，减少中心区域的光，增加边缘的光，形成一条均匀的直线，适用于各种生物医学、汽车装配、食品加工等机器视觉应用。
1）主要参数： 扇形角 扇角宽是玻璃折射率和顶角的一个函数。顶部倾斜度越高，玻璃折射率越大，则相同的投影距离时的扇角越大。小扇角通常使用折射率n=1.5的光学玻璃，大扇角通常使用n=1.8的高折射率玻璃，或增大顶部倾斜角。 扇角一般有1°, 5°, 10°, 15°, 20°, 30°, 45°, 60°, 75° , 90°。一般供应商都接受客户定制需求。
激光光束尺寸 入射激光束尺寸决定了激光线厚度在给定的投影距离。准直激光二极管拥有一个椭圆形光束剖面允许带单个二极管模块薄或厚的线路能力。
具有窄入射光束方向，光束的长轴平行于鲍威尔透镜屋顶并用产生小的聚焦深度的薄激光线。具有宽入射光束方向，光束的长轴垂直于鲍威尔棱镜屋顶和带产生大的焦点深度厚激光线。 不同情况下将光束聚焦到工作距离500mm的CCD阵列，下图清楚的显示了激光束的不同入射方向通过棱镜扩束之后形成直线的区别，其中在出射平面上的光斑大小是明显的不同之处。
线均匀 鲍威尔棱镜的性能由入射激光的特征以及透镜的非球面表面的质量决定，合理选择与激光模块相匹配的棱镜，可以产生均匀一致的激光线，满足高要求的应用。 对于要求苛刻的应用中，均匀地照射激光线最好通过匹配鲍威尔透镜到激光器模块的特定光束特性来实现的。 光强分布 均匀照明的激光线，中央80%长度所含光强要占总体强度的80%以上。若中间部分所占的能量太低，两端亮度就会增加，减少两端亮度有助于提高激光的整体利用效率，下图显示了相同均匀性的激光线，中央区域分布光强不同时的差异。
激光线平直度和准确性 直线的平直度和孔径偏差取决于棱镜的制造质量和激光模块安装的精密度。如果激光并非垂直棱镜入射，就会产生线曲率，棱镜的楔形顶和底部出射面之间就会产生孔径误差，最终会产生离开目标位置的一个偏移。如果棱镜安装正确，棱镜的楔形顶只产生轻微倾斜，由此产生线曲率也很小。 2）棱镜安装选配 激光光束宽度决定了棱镜的性能和物理特性，最显著的差异是发散角在出射面上的位置，必须保证发散的光束不会超过透镜尺寸。 光束通过棱镜的非线性球面会产生非均匀的分布，所以要根据激光束的直径来选择合适的棱镜，棱镜底部出射平面要大于光束在该面上的截面。标准的90°棱镜只适用宽入射激光的扩束。 3）主要应用领域： 激光划线器 机加工划线定位 建筑标线定位 激光扫描系统 4）优势和劣势 优势：光密度均匀、稳定性好、直线性好。 劣势：体积大，成本高，作用距离长。
（2）鲍威尔棱镜设计流程： 1）透镜建模 首先输入系统特性参数，如下： 在General系统通用对话框中设置孔径。 在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并输入“1.5”；
在视场设定对话框中。设置1个视场（0视场），要选择“Angle（Deg）”，如下图：
在波长设定对话框中，加入0.80um一个波长，如下图：
鲍威尔棱镜的前表面为非球形的二次曲面toroidal，后表面为平面。在zemax的表面类型中选择toroidal。 在LDE中输入鲍威尔棱镜的结构参数，如下图：
查看系统的三维结构，如下图：
查看点列图，如下图：
2）参数调整 鲍威尔棱镜一般是放置在平行光束后，曲面在前，平面在后，其前表面形状的调节主要依靠radius和conic两个参数，radius为曲率半径，conic为曲面曲率半径的倒数。 A）Conic为-3保持不变，改变radius的值，查看不同radius值对应的透镜形状及光束发散角度的变化，如下图： 注意的是，radius一般为正值，通常要大于光束的直径。
从上面的对比图可以看出，当conic不变时，随着radius的增加，光束发散角不断变小，在同一位置的像面上的线宽也随之变小。 B）radius为1.5保持不变，改变conic的值，查看不同conic值对应的透镜形状及光束发散角度的变化，如下图： 注意的是，conic为二次曲面系数，通常为负值。
从上面的对比图可以看出，当radius不变时，conic更多的是对屋脊面夹角的影响，而对于光束发散角变化的影响比较小。 |
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