激光扫描仪 Laser scanners

2022-11-11 09:07:34 浏览:248

定义

用于扫描激光束方向的设备。

激光扫描仪是一种可用于控制输出激光束方向的设备。 通常,它用于系统定期扫描(光栅扫描),无论是在一维还是二维。 例如,条形码阅读器只需要在一个维度上(沿直线)扫描,而具有点扫描功能的激光显示器需要在二维上扫描 - 例如随后扫描直线水平线,其中一些线排列有一定的垂直偏移。 其他一些扫描仪适用于自由寻址不同的光束方向,例如使用计算机算法控制。 例如,它们可用于激光材料加工。

在某些情况下,激光扫描仪被理解为一种仪器,除了光束扫描设备之外,还包含用于执行某些功能的附加硬件。 特别是,有基于激光雷达的激光扫描仪仪器,可以获取放置它们的房间的三维图像。 例如,这种扫描仪广泛用于建筑和犯罪现场调查。

激光扫描仪的工作原理和技术方面

激光扫描仪种类繁多,它们基于不同的操作原理,并在以下各节中以及各种其他重要技术方面进行解释。

旋转镜面扫描仪

各种扫描仪基本上依赖于某种旋转镜。 例如,可以从圆柱形零件开始,其中一端与圆柱轴成一定角度切断并配备镜面涂层。 当该设备围绕气缸轴旋转时,由一些电机驱动,入射激光束会周期性地发送到不同的方向。

多边形扫描仪

许多激光扫描仪基于多边形,多边形绕其轴线连续旋转,其外部区域覆盖有镜段。 入射的激光束被这些段反射,对于每个段,射出的光束覆盖一定的角度范围。

多边形扫描仪可以被视为一种特殊的旋转镜面扫描仪。

扫描仪除了实际移动光束的组件(例如旋转多边形)之外,还可能包含光学元件(例如扫描透镜)。

振镜扫描仪

在振镜扫描仪中,扫描镜可以通过电磁力旋转到不同的位置。 其中一些设备定期运行,利用机械共振。 在扫描过程中,角速度当然不是恒定的。

其他机械驱动

虽然大多数激光扫描仪由某种常见的电动机或振镜驱动,但某些设备使用不同类型的致动器,例如压电或磁致伸缩致动器。 还有一些方法可以实现基于MEMS技术的微型扫描仪(非常小的扫描仪)。

反射式扫描与折射式扫描

在大多数情况下,人们使用某种可移动的镜子,但也有扫描仪使用折射元件进行光束偏转。 例如,可以使用旋转的里斯利棱镜。 另一种可能性是横向移动光学透镜;例如,一些光纤发射系统基于该扫描仪原理。

物镜前和物镜后扫描仪

通常,激光束需要扫描和聚焦。 那么关于这些操作的顺序有两种不同的可能性:

  • 将物镜前扫描仪放置在聚焦物镜之前。 这意味着物镜必须处理不同方向的光束。 例如,可以在扫描仪之后使用f-theta扫描透镜,它允许在工件上具有恒定的光束方向。
  • 后物镜扫描仪通常直接放置在聚焦物镜之后,此时光束半径仍然很大。 激光材料加工中的此类解决方案通常可以使用相对较小的光学窗口进行碎屑保护。 当偶尔需要更换窗口时,这是有利的。

自校准

将激光束聚焦到工件上的物镜总是表现出一定的成像误差。 在一些激光扫描仪中,这些通过某种自校准自动补偿。 实际上,对于每个特定时间,扫描镜(或多个此类镜子)的位置都会自动修改,使得光束到达所需点,尽管物镜存在误差。

声光和电光扫描仪

一些扫描仪基于声光偏转器。 这些设备不包含任何可移动部件,而是利用晶体或玻璃片中的声波衍射,其中偏转角可以通过施加到换能器的射频来控制。 声光扫描仪非常快,当然不仅限于纯粹的周期性扫描。 然而,它们大多表现出相当有限的偏转角范围和可以处理的像素数量有限。 使用波束转向偏转器可以获得更大的偏转范围,其中声波的方向也可以在一定范围内操纵。

另一种可能性是使用电光设备,它可以非常快,但通常不能在大角度范围内扫描。

准同步处理

在激光材料加工的某些应用中,准同步加工是在足够快的激光扫描仪的帮助下实现的。 在这里,激光束在某个区域上快速扫描,使得结果与连续照射相同的总面积基本相同。 特别是对于扫描仪的计算机控制,该方法比通过合适的光束整形光学器件实现的真正同步处理更灵活。

光学相控阵

在没有机械部件的情况下实现光束扫描的另一种可能性是实现光学相控阵。 在这里,有一个相互相干的发射器阵列,其中每对发射器之间的相位差被控制,以便操纵输出组合光束的方向。 该技术将来可能会用于自动驾驶汽车所需的微型激光雷达设备。

激光扫描仪的应用

激光打印机

在激光打印机中,通常有一个一维旋转多边形扫描仪,通过它,来自激光二极管的光束被发送到像鼓上的不同位置。 先前带电的硒鼓在被调制激光束击中的位置放电,因此硒鼓随后仅在未发光点静电吸引碳粉。

激光扫描仪也用于激光3D打印。

激光显微镜和OCT

某些类型的激光显微镜不会在一瞬间捕获整个图像,而是按顺序获取图像,例如通过扫描样品上的激光束逐像素采集。 因为使用各种方法可以在很大程度上将对图像信号的贡献限制在样品中光束焦点周围的短范围内,因此甚至可以生成三维图像。 例如,共聚焦扫描显微镜和荧光显微镜可以以这种方式工作。

同样,光学相干断层扫描(OCT)通常涉及光束扫描。

激光材料加工

例如,各种激光材料加工利用某种激光扫描仪将加工光束发送到工件上的不同位置。 例如,这适用于激光打标和钻孔等工艺。

人们通常将更紧密聚焦的激光束与激光扫描仪结合使用,而不是直接产生适当的光束轮廓。 通过以足够高的速度控制扫描模式,可以灵活地生成各种平均强度曲线。 典型应用的例子是激光焊接和激光硬化。

在许多情况下,需要能够处理相当高光功率的激光扫描仪。 偏转的光束通常是红外光束。

条形码阅读器

条形码阅读器通常使用激光扫描仪,其中输出光束沿一个方向移动,使得代码的所有条形都交叉,同时监控反射(或反向散射)光的强度。

3D 物体扫描

对于各种激光雷达设备,希望将测量光束发送到不同的方向,由激光扫描仪控制。 收集回光的方向由同一扫描仪控制。

激光显示器和激光表演

大多数激光显示器也依赖于扫描 - 在某些情况下仅使用一维扫描,一次投射整个图像线,但更常见的是二维。 通常的图像帧速率足够低,可以使用不太复杂的激光扫描仪进行2D扫描,当然,使用这种方法更容易完成图像调制。 为了产生彩色图像,例如可以调制来自RGB源的红色,绿色和蓝色激光束的强度(光功率),以控制每个点的图像亮度和颜色。

同样,激光表演利用激光扫描仪在调制光功率的同时向不同方向发送激光束。

参考文献

[1] S. Xiao, I. Davison and J. Mertz, “Scan multiplier unit for ultrafast laser scanning beyond the inertia limit”, Optica 8 (11), 1403 (2021), doi:10.1364/OPTICA.445254
[2] Blog article: “Laser Beam Deflections: The Angle–Diameter Product”, The Photonics Spotlight 2009-02-13

光学器件

作          者: 泮桥成像光电商城

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