Лазерные сканеры, виды, принцип работы

Что такое лазерный сканер? 

"Лазерный сканер - это устройство, которое может использоваться для управления направлением исходящего лазерного луча..."

Полезные статьи:

Инфракрасные камеры, виды, принцип раблоты

Что такое голография, принцип работы

Все статьи

Например, считыватель штрих-кодов требует сканирования только в одном измерении (вдоль прямой линии), в то время как лазерные дисплеи с точечным сканированием требуют сканирования в двух измерениях. Например, последующего сканирования прямых горизонтальных линий, некоторое количество из которых расположено с некоторым вертикальным смещением. Другие сканеры подходят для произвольной настройки различных направлений луча, управляемые с помощью компьютерного алгоритма. Также их можно использовать для лазерной обработки материалов.

В некоторых случаях под лазерным сканером понимают инструмент, который помимо устройства сканирования луча содержит дополнительное оборудование для выполнения определенных функций. 

В частности, существуют лазерные сканеры на основе лидара, которые могут получать трехмерные изображения помещения, в котором они размещены. Такие сканеры широко используются в архитектуре, 3D-моделировании и т.д.

Виды лазерных сканеров, принцип работы

Существуют очень разные виды лазерных сканеров, которые основаны на разных принципах работы и объясняются в следующих разделах вместе с различными другими важными техническими аспектами.

Сканеры с вращающимися зеркалами

Различные виды сканеров в основном основаны на некотором роде вращающегося зеркала. Например, можно начать с цилиндрической детали, у которой один конец обрезан под некоторым углом к оси цилиндра и снабжен зеркальным покрытием. Когда это устройство вращается вокруг оси цилиндра, приводимое в движение каким-либо двигателем, и падающий лазерный луч периодически направляется в разные стороны.

Полигональные сканеры

Многие приборы основаны на многоугольнике, который непрерывно вращается вокруг своей оси и имеет внешнюю область, покрытую зеркальными сегментами. Входящий лазерный луч отражается этими сегментами, и для каждого сегмента исходящий луч охватывает определенный угловой диапазон.

Сканер может содержать оптические элементы, такие как сканирующая линза, в дополнение к тем компонентам, которые фактически перемещают луч, таким как вращающийся многоугольник.

Гальванометрические сканеры

В гальванометрическом сканере сканирующее зеркало может поворачиваться в разные положения под действием электромагнитных сил. Некоторые из этих устройств периодически приводятся в действие, используя механический резонанс. В этом случае угловая скорость, конечно, не является постоянной во время сканирования.

Другие механические приводы

В то время как большинство лазерных сканеров приводятся в действие каким-либо обычным электродвигателем или гальванометром, некоторые устройства используют привод другого типа, например пьезоэлектрический или магнитострикционный привод. Существуют также способы реализации микросканирований (очень крошечных сканеров) на основе технологии MEMS.

Отражение против рефракционного сканирования

В большинстве случаев используется какое-либо подвижное зеркало, но есть также сканеры, в которых для отклонения луча используются преломляющие элементы. Например, могут использоваться вращающиеся призмы Рисли. Другой возможностью является перемещение оптической линзы в поперечных направлениях; например, некоторые системы запуска оптоволокна основаны на этом принципе сканера.

Сканеры до и после объективирования

Часто лазерный луч необходимо одновременно сканировать и фокусировать. Тогда есть две разные возможности, касающиеся порядка выполнения этих операций:

• Предобъективный сканер размещается перед фокусирующим объективом. Это означает, что объектив должен обрабатывать луч с разной ориентацией. Например, можно использовать сканирующую линзу f–theta после сканера, что позволяет иметь постоянное направление луча на обрабатываемой детали.
• Постобъективный сканер обычно размещается непосредственно за фокусирующим объективом, где радиус луча все еще велик. Такие решения при лазерной обработке материалов часто могут работать с относительно небольшим оптическим окном для защиты от мусора. Это выгодно, когда время от времени приходится менять окно.

Самокалибровка

Объективы, фокусирующие лазерные лучи на обрабатываемые детали, всегда имеют определенные ошибки при отображении. В некоторых лазерных сканерах они автоматически компенсируются с помощью какой-либо самокалибровки. Фактически, в каждый конкретный момент времени положение сканирующего зеркала (или нескольких таких зеркал) автоматически изменяется таким образом, что луч попадает в нужную точку, несмотря на ошибки объектива.

Акустооптические и электрооптические сканеры

Некоторые сканеры основаны на акустооптическом дефлекторе. Эти устройства не содержат никаких подвижных частей, но используют дифракцию акустической волны в кристалле или стеклянной детали, угол отклонения которой можно регулировать с помощью радиочастоты, подаваемой на преобразователь. 

Акустооптические сканеры работают очень быстро и не ограничиваются чисто периодическими сканированиями. Однако в основном демонстрируют довольно ограниченный диапазон углов отклонения и ограниченное количество пикселей, на которые они могут воздействовать. Больший диапазон отклонения может быть получен с помощью дефлекторов с направленным лучом, где направлением акустической волны также можно манипулировать в некотором диапазоне.

Другой возможностью является использование электрооптических устройств, которые могут быть чрезвычайно быстрыми, но обычно не могут сканировать под большим диапазоном углов.

Квази-одновременная обработка

В некоторых применениях лазерной обработки материалов квази-одновременная обработка реализуется с помощью достаточно быстрого лазерного сканера. Здесь лазерный луч быстро сканируется по некоторой области, так что результат по существу такой же, как если бы одна и та же общая площадь подвергалась непрерывному облучению. В частности, при компьютерном управлении сканером этот метод является более гибким, чем при действительно одновременной обработке, достигаемой с помощью подходящей оптики формирования луча.

Оптические фазированные решетки

Другой возможностью для достижения сканирования лучом без механических деталей является реализация оптической фазированной решетки. Здесь имеется массив взаимно когерентных излучателей, где разность фаз между каждой парой излучателей регулируется для того, чтобы манипулировать направлением исходящего комбинированного луча. 

В будущем эта технология может быть использована для создания миниатюрных лидарных устройств, необходимых для беспилотных транспортных средств.

Принцип работы лазерных сканеров

Принцип работы лазерного сканера заключается в сканировании объекта с помощью лазерного луча, который затем преобразуется в изображение. Сканер может работать на разных длинах волн, которые соответствуют разным диапазонам спектра.

В работе используется несколько оптических элементов, таких как линзы и зеркала, для создания точного и сфокусированного луча света. Луч сканирует объект и отражается от его поверхностей, затем попадает на фотоприемник, который преобразует отраженный свет в электрические сигналы. Эти сигналы обрабатываются процессором, который создает изображение объекта.

Сканеры могут работать в различных режимах, включая однократное сканирование, сканирование с построением карты и сканирование с облетом. Однократное сканирование используется для получения точечных данных о объекте, а сканирование с построением карты используется для создания трехмерного изображения объекта. Сканирование с облетом используется для измерения расстояния до объектов и может быть использовано для построения карт или моделей.

Существуют различные типы лазерных сканеров, такие как фазовые, когерентные и некогерентные и другие.

Расходные материалы для лазерных сканеров

Расходные материалы для лазерных сканеров могут включать в себя:

1. Тонер-картриджи: содержат порошок, который используется для создания изображения на бумаге или других материалах.

2. Бумажные носители: используются для создания изображений или документов.

3. Чистящие средства: салфетки или спреи, которые используются для очистки поверхности сканера от пыли и других загрязнений.

4. Кабели и адаптеры: для подключения сканера к компьютеру или другому устройству.

5. Носители для сканирования: такие как фотопленки, слайды или негативы, которые могут быть отсканированы с помощью лазерного сканера.

6. Программное обеспечение: для управления сканером и обработки изображений.

7. Аксессуары: дополнительные аксессуары, такие как крышки для защиты сканера от пыли или подставки для удобного размещения сканера на столе.

Применение лазерных сканеров

Лазерные принтеры

В лазерном принтере обычно имеется одномерный вращающийся полигональный сканер, с помощью которого луч от лазерного диода направляется в различные места на фотобарабане. Ранее электрически заряженный барабан разряжается в тех местах, на которые попадает модулированный лазерный луч, так что впоследствии барабан электростатически притягивает порошок тонера только в неосвещенных точках.

Сравнение технологии печати - струйная и лазерная

Лазерные сканеры также используются для лазерной 3D-печати.

Лазерная микроскопия и ОКТ

Некоторые виды лазерных микроскопов не захватывают все изображение за один момент, а скорее получают его последовательно, например, пиксель за пикселем путем сканирования лазерным лучом образца. 

Поскольку с помощью различных методов можно в значительной степени ограничить вклад в сигнал изображения небольшим расстоянием вокруг фокуса луча в образце, возможно даже получение трехмерных изображений. Конфокальные сканирующие микроскопы и флуоресцентные микроскопы могут работать таким образом.

Аналогично, оптическая когерентная томография (ОКТ) обычно включает сканирование пучком.

Считыватели штрих-кодов

В считывателе штрих-кодов обычно используется лазерный сканер, в котором исходящий луч движется в одном направлении, так что все штрихи кода пересекаются, при этом контролируется интенсивность отраженного (или обратно рассеянного) света.

Лазерная обработка материалов

Различные виды лазерной обработки материалов используют какой-либо лазерный сканер для направления обрабатывающего луча, например, в разные места на обрабатываемой детали. Это относится к таким процессам, как лазерная маркировка и сверление.

Вместо непосредственного формирования соответствующего профиля луча часто используется более сфокусированный лазерный луч в сочетании с лазерным сканером. Управляя шаблоном сканирования на достаточно высокой скорости, можно гибко генерировать широкий диапазон профилей средней интенсивности. Примерами типичных применений являются лазерная сварка и лазерная закалка.

Во многих случаях требуются лазерные сканеры, которые могут работать с довольно высокой оптической мощностью. Отклоняемые лучи часто являются инфракрасными лучами.

3D-сканирование объектов

При использовании различных видов лидарных устройств желательно направлять измерительный луч в разные направления, управляемые лазерным сканером. Направление, с которого собирается отраженный свет, контролируется одним и тем же сканером.

Лазерные дисплеи и лазерные шоу

Большинство лазерных дисплеев также используют сканирование. В некоторых случаях только одномерное сканирование, проецирующее целую строку изображения за раз, но чаще в двух измерениях. 

Обычная частота кадров изображения достаточно низкая для 2D-сканирования с помощью не слишком сложных лазерных сканеров, и модуляция изображения, конечно, легче выполняется при таком подходе. Для получения цветных изображений можно, например, модулировать интенсивность (оптическую мощность) красного, зеленого и синего лазерных лучей из источника RGB, чтобы управлять яркостью изображения и цветом для каждой точки.

Аналогичным образом, в лазерных шоу используются лазерные сканеры для отправки лазерных лучей в разных направлениях при модуляции оптической мощности.