Лазерное сканирование

Лазерное сканирование — это контролируемое отклонение лазерных . лучей, видимых или невидимых ^[1] Сканирующие лазерные лучи используются в некоторых 3-D принтерах , при быстром прототипировании , в станках для обработки материалов, в станках для лазерной гравировки , в офтальмологических лазерных системах для лечения пресбиопии , в конфокальной микроскопии , в лазерных принтерах , в лазерных шоу , в Лазерное телевидение и сканеры штрих-кодов .Приложения, специфичные для картографирования и реконструкции трехмерных объектов, известны как лазерный трехмерный сканер .

Технология

Сканирующие зеркала

В большинстве лазерных сканеров используются подвижные зеркала для управления лазерным лучом. Управление лучом может быть одномерным , как внутри лазерного принтера, 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 называемым резонансным гальванометрическим сканерам - или к свободно адресуемому сканерах с сервоуправлением движению, как в гальванометрических . также используются термины растровое сканирование и векторное сканирование Чтобы различать эти две ситуации, . Чтобы управлять движением сканирования, сканерам необходим поворотный энкодер и управляющая электроника, которая для желаемого угла или фазы подает подходящий электрический ток на двигатель (для многоугольного зеркала) или гальванометр (также называемый гальво ). Программная система обычно управляет движением сканирования, а также, если реализовано 3D-сканирование, сбором измеренных данных.

Чтобы расположить лазерный луч в двух измерениях , можно либо вращать одно зеркало по двум осям (используется в основном для систем медленного сканирования), либо отражать лазерный луч на два близко расположенных зеркала, установленных на ортогональных осях. Каждое из двух плоских или многоугольных (многоугольных) зеркал затем приводится в движение гальванометром или электродвигателем соответственно. Двумерные системы необходимы для большинства приложений в обработке материалов, конфокальной микроскопии и медицине. позиционирования фокуса лазерного луча Некоторые приложения требуют трехмерного . Это достигается с помощью системы линз с сервоуправлением, обычно называемой «сдвигом фокуса» или «Z-сдвигом». Многие лазерные сканеры также позволяют изменять интенсивность лазера.

В лазерных проекторах для лазерных телевизоров или лазерных дисплеев три основных цвета — красный, синий и зеленый — объединяются в один луч, а затем отражаются вместе с двумя зеркалами.

Как уже упоминалось, наиболее распространенным способом перемещения зеркал является использование электродвигателя или гальванометра . Однако пьезоэлектрические приводы или магнитострикционные приводы альтернативными вариантами являются . Они предлагают более высокие достижимые угловые скорости, но часто за счет меньших достижимых максимальных углов. Существуют также микросканеры , которые представляют собой устройства MEMS, содержащие небольшое (миллиметровое) зеркало, которое имеет контролируемый наклон в одном или двух измерениях; они используются в пико-проекторах .

Сканирующая преломляющая оптика

Когда две призмы Рисли вращаются друг против друга, луч света можно по желанию сканировать внутри конуса. Такие сканеры используются для слежения за ракетами.

Когда две оптические линзы перемещаются или вращаются друг относительно друга, лазерный луч можно сканировать аналогично зеркальным сканерам.

Материальные эффекты

В некоторых специальных лазерных сканерах вместо движущихся зеркал используются акустооптические или электрооптические дефлекторы . Эти механизмы обеспечивают максимально возможную на данный момент частоту сканирования. Они используются, например, в системах лазерного телевидения . С другой стороны, эти системы также намного дороже, чем системы зеркального сканирования.

Сканирование фазированной решетки

Продолжаются исследования по сканированию лазерных лучей посредством фазированных решеток . Этот метод используется для сканирования радиолокационных лучей без движущихся частей. С использованием лазеров поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL) в обозримом будущем можно будет реализовать быстрые лазерные сканеры.

Приложения

3D сканирование объектов

В области трехмерного сканирования объектов лазерное сканирование (также известное как лидар ) сочетает в себе управляемое управление лазерными лучами с помощью лазерного дальномера . Измеряя расстояние во всех направлениях, сканер быстро фиксирует форму поверхности объектов, зданий и ландшафтов. Построение полной 3D-модели включает в себя объединение нескольких моделей поверхности, полученных под разными углами обзора, или добавление других известных ограничений. Небольшие предметы можно разместить на вращающемся пьедестале, используя технику, близкую к фотограмметрии . ^[2]

3D-сканирование объектов позволяет улучшить процесс проектирования , ускоряет и уменьшает ошибки сбора данных , экономит время и деньги и, таким образом, делает его привлекательной альтернативой традиционным методам сбора данных. 3D-сканирование также используется для мобильного картографирования , геодезии , сканирования зданий и интерьеров зданий . ^[3] и в археологии .

Обработка материалов

В зависимости от мощности лазера его влияние на обрабатываемую деталь различается: меньшие значения мощности используются для лазерной гравировки и лазерной абляции , когда материал частично удаляется лазером. При более высокой мощности материал становится жидким, и можно осуществлять лазерную сварку , или, если мощность достаточно высока для полного удаления материала, лазерную резку можно выполнить . Современные лазеры позволяют резать 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 плавить полимеры и металлы — с помощью лазерных сканеров производить детали методом лазерного спекания или лазерного плавления .

Принцип, используемый 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, способных отклонять лазерный луч по одному уровню (по координатам X и Y). Третье измерение, при необходимости, реализуется с помощью специальной оптики, способной перемещать фокус лазера в направлении глубины (ось Z).

Сканирование фокуса лазера в третьем пространственном измерении необходимо для некоторых специальных применений, таких как лазерное скрайбирование изогнутых поверхностей или маркировка внутри стекла, когда лазер должен воздействовать на материал в определенных положениях внутри него. В этих случаях важно, чтобы лазер имел как можно меньшую фокусную точку.

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 происходит в таком приложении с несколькими головками: возможно, что все доступные головки должны пометить одно и то же, чтобы быстрее завершить обработку, или что головки помечают одно задание параллельно, где каждая сканирующая головка выполняет часть работа в случае больших рабочих площадей.

Считыватели штрих-кодов

Многие считыватели штрих-кодов , особенно те, которые способны считывать штрих-коды на расстоянии нескольких метров, используют сканирующие лазерные лучи. В этих устройствах луч полупроводникового лазера обычно сканируется с помощью резонансного зеркального сканера. Зеркало имеет электромагнитный привод и изготовлено из полимера с металлическим покрытием. ^{[ нужна ссылка ]}

Космический полет

Когда космическому транспортнику необходимо состыковаться с космической станцией, он должен осторожно маневрировать в правильное положение. Чтобы определить ее относительное положение относительно космической станции, лазерные сканеры, встроенные в переднюю часть космического транспортника, сканируют форму космической станции, а затем определяют с помощью компьютера команды маневрирования. Для этого приложения используются резонансные гальванометрические сканеры.

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. ^{[ нужна ссылка ]}

Ссылки

^ Справочник Джеральда Ф. Маршалла по оптическому и лазерному сканированию , Marcel Dekker, Inc., 2004, ISBN 0-8247-5569-3
^ Дассо М., Констант Т. и Фурнье М. (2011). Использование наземной технологии LiDAR в лесной науке: области применения, преимущества и проблемы. Анналы лесоведения, 68(5), 959-974.
^ «3D-модели помогают сохранить такие достопримечательности, как Нотр-Дам» . ПБС . 25 ноября 2020 г.

[1] Справочник Джеральда Ф. Маршалла по оптическому и лазерному сканированию , Marcel Dekker, Inc., 2004, ISBN 0-8247-5569-3

[2] Дассо М., Констант Т. и Фурнье М. (2011). Использование наземной технологии LiDAR в лесной науке: области применения, преимущества и проблемы. Анналы лесоведения, 68(5), 959-974.

[3] «3D-модели помогают сохранить такие достопримечательности, как Нотр-Дам» . ПБС . 25 ноября 2020 г.

[1]

[2]

[3]