Лазерное сканирование - Laser scanning
Лазерное сканирование является контролируемым отклонением от лазерных лучей, видимых или невидимых. Сканируемые лазерные лучи используются в некоторых трехмерных принтерах , в быстром прототипировании , в машинах для обработки материалов, в лазерных гравировальных машинах, в офтальмологических лазерных системах для лечения пресбиопии , в конфокальной микроскопии , в лазерных принтерах , в лазерных шоу , в Лазерное телевидение и в сканерах штрих-кода .
Технология
Сканирующие зеркала
В большинстве лазерных сканеров для направления лазерного луча используются подвижные зеркала. Направление луча может быть одномерным , как в лазерном принтере, или двухмерным , как в системе лазерного шоу. Кроме того, зеркала могут приводить к периодическому движению - как вращающееся многоугольное зеркало в сканере штрих-кода или так называемых резонансных гальванометрических сканерах - или к свободно адресуемому движению, как в гальванометрических сканерах с сервоуправлением . Также используются термины растровое сканирование и векторное сканирование, чтобы различать две ситуации. Для управления движением сканирования сканерам нужен датчик угла поворота и управляющая электроника, которые обеспечивают для желаемого угла или фазы подходящий электрический ток для двигателя (для многоугольного зеркала) или гальванометра (также называемого гальвометром ). Программная система обычно управляет движением сканирования и, если реализовано 3D-сканирование, также сбором измеренных данных.
Чтобы позиционировать лазерный луч в двух измерениях , можно либо повернуть одно зеркало по двум осям, что используется в основном для систем с медленным сканированием, либо отразить лазерный луч на два близко расположенных зеркала, установленных на ортогональных осях. Каждое из двух плоских или многоугольных (многоугольных) зеркал приводится в движение гальванометром или электродвигателем соответственно. Двумерные системы необходимы для большинства приложений в области обработки материалов, конфокальной микроскопии и медицины. Некоторые приложения требуют позиционирования фокуса лазерного луча в трех измерениях . Это достигается с помощью системы линз с сервоуправлением, обычно называемой «переключателем фокуса» или «z-переключателем». Многие лазерные сканеры дополнительно позволяют изменять интенсивность лазера.
В лазерных проекторах для лазерного телевидения или лазерных дисплеев три основных цвета - красный, синий и зеленый - объединяются в один луч, а затем отражаются вместе двумя зеркалами.
Как уже упоминалось, наиболее распространенным способом перемещения зеркал является использование электродвигателя или гальванометра . Однако альтернативными вариантами являются пьезоэлектрические приводы или магнитострикционные приводы . Они предлагают более высокие достижимые угловые скорости, но часто за счет меньших достижимых максимальных углов. Существуют также микросканеры , представляющие собой устройства МЭМС, содержащие небольшое (миллиметровое) зеркало с регулируемым наклоном в одном или двух измерениях; они используются в пикопроекторах .
Резонансные гальванометрические оптические сканеры, работающие на высоких скоростях, могут вызывать недифракционные искажения волнового фронта, которые влияют на приложения для получения изображений, требующие высокого разрешения. Эти искажения можно преодолеть с помощью более толстых, менее плотных и жестких зеркал.
Сканирующая рефракционная оптика
Когда две призмы Рисли вращаются друг относительно друга, луч света можно сканировать по желанию внутри конуса. Такие сканеры используются для отслеживания ракет.
Когда две оптические линзы перемещаются или вращаются друг относительно друга, лазерный луч можно сканировать аналогично зеркальным сканерам.
Материальные эффекты
Некоторые специальные лазерные сканеры используют вместо движущихся зеркал акустооптические дефлекторы или электрооптические дефлекторы . Эти механизмы позволяют на данный момент максимально возможную частоту сканирования. Они используются, например, в системах лазерного телевидения . С другой стороны, эти системы намного дороже, чем системы зеркального сканирования.
Сканирование фазированной антенной решетки
Продолжаются исследования по сканированию лазерных лучей с помощью фазированных решеток . Этот метод используется для сканирования лучей радара без движущихся частей. С использованием лазера с поверхностным излучением с вертикальным резонатором (VCSEL) в обозримом будущем можно будет реализовать быстрые лазерные сканеры.
Приложения
Сканирование 3D-объектов
В области трехмерного сканирования объектов лазерное сканирование (также известное как лидар ) сочетает в себе управляемое управление лазерными лучами с лазерным дальномером . Измеряя расстояние во всех направлениях, сканер быстро определяет форму поверхности объектов, зданий и ландшафтов. Построение полной 3D-модели включает объединение нескольких моделей поверхности, полученных под разными углами обзора, или добавление других известных ограничений. Небольшие предметы можно ставить на вращающийся пьедестал в технике, близкой к фотограмметрии .
Сканирование 3D-объектов позволяет улучшить процесс проектирования , ускорить и уменьшить количествоошибок сбора данных , сэкономить время и деньги и, таким образом, сделать его привлекательной альтернативой традиционным методам сбора данных. 3D-сканирование также используется для мобильного картографирования , геодезии , сканирования зданий и интерьеров зданий, а также в археологии .
Обработка материалов
В зависимости от мощности лазера его влияние на обрабатываемую деталь различается: более низкие значения мощности используются для лазерной гравировки и лазерной абляции , когда материал частично удаляется лазером. При более высокой мощности материал становится жидким, и может быть реализована лазерная сварка , или, если мощность достаточно высока для полного удаления материала, может выполняться лазерная резка . Современные лазеры могут разрезать стальные блоки толщиной 10 см и более или удалять слой роговицы толщиной всего несколько микрометров.
Способность лазеров отверждать жидкие полимеры вместе с лазерными сканерами используется при быстром прототипировании , способность расплавлять полимеры и металлы с помощью лазерных сканеров позволяет производить детали путем лазерного спекания или лазерного плавления .
Принцип, который используется для всех этих приложений, один и тот же: программное обеспечение, которое работает на ПК или встроенной системе и контролирует весь процесс, подключается к карте сканера. Эта карта преобразует полученные векторные данные в информацию о движении, которая отправляется на сканирующую головку. Эта сканирующая головка состоит из двух зеркал, которые могут отклонять лазерный луч на одном уровне (координаты X и Y). Третье измерение - при необходимости - реализуется с помощью специальной оптики, которая может перемещать фокусную точку лазера в направлении глубины (ось Z).
Сканирование фокуса лазера в третьем пространственном измерении необходимо для некоторых специальных приложений, таких как лазерная разметка изогнутых поверхностей или маркировка в стекле, когда лазер должен воздействовать на материал в определенных местах внутри него. В этих случаях важно, чтобы у лазера была как можно меньшая точка фокусировки.
Для расширенных приложений лазерного сканирования и / или высокой пропускной способности материала во время производства используются системы сканирования с более чем одной сканирующей головкой. Здесь программное обеспечение должно контролировать, что именно делается в таком приложении с несколькими головками: возможно, что все доступные головки должны маркировать одинаковую информацию, чтобы завершить обработку быстрее, или что головки параллельно маркируют одно задание, при этом каждая сканирующая головка выполняет часть работа при больших рабочих площадях.
Считыватели штрих-кода
Многие считыватели штрих-кодов , особенно те, которые могут считывать штрих-коды на расстоянии нескольких метров, используют сканированные лазерные лучи. В этих устройствах луч полупроводникового лазера обычно сканируется с помощью сканера с резонансным зеркалом. Зеркало имеет электромагнитный привод и изготовлено из полимера с металлическим покрытием.
Космический полет
Когда космический транспортер должен состыковаться с космической станцией, он должен осторожно маневрировать в правильное положение. Чтобы определить ее положение относительно космической станции, лазерные сканеры, встроенные в переднюю часть космического транспортера, сканируют форму космической станции, а затем определяют с помощью компьютера команды маневрирования. Для этого используются сканеры резонансных гальванометров.
Лазерные шоу
В лазерных световых шоу обычно используются два гальванометрических сканера в конфигурации XY для рисования узоров или изображений на стенах, потолках или других поверхностях, включая театральный дым и туман, в развлекательных или рекламных целях.