Лазерное сканирование — это контролируемое отклонение лазерных лучей, видимых или невидимых. [1] Сканированные лазерные лучи используются в некоторых 3D-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 лазерном телевидении и в сканерах штрихкодов . Приложения, специфичные для картографирования и реконструкции 3D-объектов, известны как 3D-лазерный сканер .
Большинство лазерных сканеров используют подвижные зеркала для управления лазерным лучом. Управление лучом может быть одномерным , как внутри лазерного принтера, или двумерным , как в системе лазерного шоу. Кроме того, зеркала могут приводить к периодическому движению — например, вращающемуся многоугольному зеркалу в сканере штрих-кода или так называемым резонансным сканерам гальванометра — или к свободно адресуемому движению, как в сервоуправляемых сканерах гальванометра . Также используются термины растровое сканирование и векторное сканирование , чтобы различать эти две ситуации. Для управления сканирующим движением сканерам необходим поворотный энкодер и управляющая электроника, которые обеспечивают для нужного угла или фазы подходящий электрический ток для двигателя (для многоугольного зеркала) или гальванометра (также называемого гальванометром ). Программная система обычно управляет сканирующим движением и, если реализовано 3D-сканирование, также сбором измеренных данных.
Для позиционирования лазерного луча в двух измерениях можно либо вращать одно зеркало по двум осям — используется в основном для медленных сканирующих систем — либо отражать лазерный луч на два близко расположенных зеркала, которые установлены на ортогональных осях. Каждое из двух плоских или многоугольных (полигональных) зеркал затем приводится в движение гальванометром или электродвигателем соответственно. Двумерные системы необходимы для большинства приложений в обработке материалов, конфокальной микроскопии и медицинской науке. Некоторые приложения требуют позиционирования фокуса лазерного луча в трех измерениях . Это достигается с помощью сервоуправляемой системы линз, обычно называемой «сдвигом фокуса» или «z-сдвигом». Многие лазерные сканеры также 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.
Наиболее распространенным способом перемещения зеркал, как уже упоминалось, является использование электродвигателя или гальванометра . Однако альтернативными вариантами являются пьезоэлектрические приводы или магнитострикционные приводы . Они обеспечивают 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 пикопроекторах .
Когда две призмы Рисли вращаются друг против друга, луч света может быть просканирован по желанию внутри конуса. Такие сканеры используются для отслеживания ракет.
Когда две оптические линзы перемещаются или вращаются относительно друг друга, лазерный луч может сканироваться аналогично зеркальным сканерам.
Некоторые специальные лазерные сканеры используют вместо подвижных зеркал акустооптические дефлекторы или электрооптические дефлекторы . Эти механизмы позволяют достичь самых высоких частот сканирования, возможных на сегодняшний день. Они используются, например, в лазерных телевизионных системах. С другой стороны, эти системы также намного дороже систем сканирования зеркал.
Ведутся исследования по достижению сканирования лазерных лучей через фазированные решетки . Этот метод используется для сканирования радарных лучей без подвижных частей. С использованием вертикально-резонаторного поверхностно-излучающего лазера (VCSEL) в обозримом будущем может быть возможно реализовать быстрые лазерные сканеры.
В области сканирования 3D-объектов лазерное сканирование (также известное как лидар ) объединяет контролируемое управление лазерными лучами с лазерным дальномером . Измеряя расстояние в каждом направлении, сканер быстро фиксирует форму поверхности объектов, зданий и ландшафтов. Построение полной 3D-модели включает в себя объединение нескольких моделей поверхности, полученных с разных углов обзора, или смешивание других известных ограничений. Небольшие объекты могут быть размещены на вращающемся постаменте, в технике, родственной фотограмметрии . [2]
3D-сканирование объектов позволяет улучшить процесс проектирования , ускоряет и сокращает 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 .
В зависимости от мощности лазера его воздействие на обрабатываемую деталь различается: более низкие значения мощности используются для лазерной гравировки и лазерной абляции , где материал частично удаляется лазером. При более высоких мощностях материал становится жидким и может быть реализована лазерная сварка , или, если мощность достаточно высока для полного удаления материала, то может быть выполнена лазерная резка . Современные лазеры могут резать стальные блоки толщиной 10 см и более или удалять слой роговицы толщиной всего несколько микрометров.
Способность лазеров затвердевать жидкие полимеры, совместно с лазерными сканерами, используется в быстром прототипировании , способность плавить полимеры и металлы, совместно с лазерными сканерами, позволяет изготавливать детали методом лазерного спекания или лазерной плавки .
Принцип, используемый для всех этих приложений, один и тот же: программное обеспечение , работающее на ПК или встроенной системе и управляющее всем процессом, подключается к карте сканера. Эта карта преобразует полученные векторные данные в информацию о движении, которая отправляется в сканирующую головку. Эта сканирующая головка состоит из двух зеркал, которые способны отклонять лазерный луч на одном уровне (координаты X и Y). Третье измерение — при необходимости — реализуется специальной оптикой, которая способна перемещать фокусную точку лазера в направлении глубины (ось Z).
Сканирование фокуса лазера в третьем пространственном измерении необходимо для некоторых специальных применений, таких как лазерная разметка криволинейных поверхностей или маркировка в стекле, где лазер должен воздействовать на материал в определенных его положениях. 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 делается в таком многоголовочном приложении: возможно, что все доступные головки должны маркировать одно и то же, чтобы завершить обработку быстрее, или что головки маркируют одну единственную работу параллельно, где каждая сканирующая головка выполняет часть работы в случае больших рабочих зон.
Многие считыватели штрихкодов , особенно те, которые способны считывать штрихкоды на расстоянии нескольких метров, используют сканированные лазерные лучи. В этих устройствах полупроводниковый лазерный луч обычно сканируется с помощью резонансного зеркального сканера. Зеркало приводится в действие электромагнитным способом и изготовлено из полимера с металлическим покрытием. [ необходима цитата ]
Когда космический транспортер должен состыковаться с космической станцией, он должен осторожно маневрировать в правильное положение. Чтобы определить его относительное положение по отношению к космической станции, лазерные сканеры, встроенные в переднюю часть космического транспортера, сканируют форму космической станции, а затем определяют с помощью компьютера команды маневрирования. Для этого приложения используются резонансные гальванометрические сканеры.
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, для развлекательных или рекламных целей. [ необходима цитата ]
Справочник по оптическому и лазерному сканированию Джеральда Ф. Маршалла – 3D-сканирование объектов и обработка материалов - журналы Annals of Forest Science Дассо, М., Констант, Т. и Фурнье, М. (2011), Использование наземной технологии LiDAR в лесной науке: области применения, преимущества и проблемы, Annals of Forest Science, 68(5), 959-974. PBS News (2020), «3D-модели помогают сохранять такие достопримечательности, как Нотр-Дам