आधुनिक अनुप्रयोगहरूको लागि लेजर दृष्टि एकीकरण

अधिकांश मानिसहरू लेजर स्थलहरू बन्दुकहरूका लागि मात्र हुन् भन्ने सोच्छन्, तर प्रविधिले त्यो प्रारम्भिक बजारभन्दा बाहिर फैलिएको छ। हामीले 2019 देखि लेजर लक्ष्य प्रणालीहरूसँग काम गरिरहेका छौं, र एप्लिकेसनहरू औद्योगिक, चिकित्सा र रोबोटिक्स क्षेत्रहरूमा विस्तार भइरहेका छन् जहाँ सटीक पोइन्टिङ महत्त्वपूर्ण छ।

आधारभूत सिद्धान्त धेरै परिवर्तन भएको छैन - तपाईंले दृश्यात्मक वा IR बीम प्रक्षेपण गर्दै हुनुहुन्छ जसले चिन्ह लगाउँदछ जहाँ केहि हिट हुन्छ वा उपकरण संलग्न हुन्छ। तर कार्यान्वयन छिटो जटिल हुन्छ जब तपाइँ माउन्टिंग विकल्पहरू, पावर आवश्यकताहरू, र वातावरणीय अवस्थाहरूमा कारक गर्नुहुन्छ।

लेजर साइटहरूले औद्योगिक सेटिङहरूमा के काम गर्छ

क्रिमसन ट्रेसले 2018 मा आफ्नो रेल मास्टर श्रृंखला जारी गर्यो, र ती एकाइहरूले 1000G रिकोइल झटका ह्यान्डल गर्न सक्थे। त्यो विशिष्टता औद्योगिक माउन्टिङको लागि एक बेन्चमार्क बन्यो किनभने यदि यो बन्दूक रिकोइलबाट बच्यो भने, यसले निर्माणमा धेरै कम्पन वातावरणहरू ह्यान्डल गर्नेछ। RM-110 मोडेल लगभग $280 खुद्रा चल्यो (2020 देखि crimsontrace.com मूल्य निर्धारण), जुन ठाडो थियो तर तपाईंलाई 5mW को रातो लेजर दियो जुन बारम्बार प्रभावहरू पछि शून्य रह्यो।

असेंबली लाइन कार्यको लागि, हामीले विदेशी निर्माताहरूबाट केही सस्तो विकल्पहरूको साथसाथै स्ट्रिमलाइटको TLR श्रृंखलाको परीक्षण गर्‍यौं। तापमान बहाव किलर - एकाइहरू थिए जसको लागत $50 भन्दा कम हुन्छ 60 डिग्री फारेनहाइट बाट 95 डिग्री फारेनहाइट पसल फ्लोर टेम्प्समा जाँदा उनीहरूको लक्ष्य 3-4 इन्चले 20 फीटमा परिवर्तन गर्दछ। स्ट्रिमलाइट एकाइहरू (मोडलको आधारमा लगभग $१८०-२२०) ले हाम्रो बेन्च परीक्षण २०२१ को ग्रीष्ममा भएको दायरा अनुसार शून्य ०.५ इन्च भित्र राख्यो।

तपाईलाई सधैं स्थिरताको त्यो स्तर चाहिँदैन। तपाईले के गरिरहनु भएकोमा पूर्ण रूपमा निर्भर गर्दछ।

मेडिकल उपकरण निर्माणलाई विभिन्न चश्माहरू चाहिन्छ

यो अनौठो हुन्छ किनभने मेडिकल उपकरण एसेम्बलीलाई प्रायः कक्षा २ लेजरहरू चाहिन्छ (FDA नियमहरू अनुसार 1mW आउटपुट अन्तर्गत - accessdata.fda.gov पूर्ण वर्गीकरण छ) तर 300-500mm को कार्य दूरीमा 0.1mm अन्तर्गत स्थिति सटीकता चाहिन्छ। Coherent Inc. लेजर मोड्युलहरू बनाउँछ जसले ती चश्माहरूलाई हिट गर्छ - तिनीहरूको CUBE श्रृंखला तरंगदैर्ध्य र पावर आउटपुटको आधारमा प्रति एकाइ $ 400-600 को लागी जान्छ।

हामीले गत वर्ष केही 635nm रातो लेजरहरूलाई क्याथेटर असेंबली प्रणालीमा एकीकृत गर्यौं। लेजरेक्सको प्राविधिक कागजात अनुसार 4x बढी देखिने जस्तो सामान्य फ्लोरोसेन्ट प्रकाश अन्तर्गत 650nm भन्दा राम्रो तरिकाले देखाउँछ - 635nm ले मानिसहरूले महसुस गरेभन्दा तरंग दैर्ध्य महत्त्वपूर्ण छ। लागत भिन्नता 15-20% हुन सक्छ तर अपरेटरहरूले 8-घण्टा सिफ्टहरूको लागि पङ्क्तिबद्ध प्रणाली प्रयोग गर्दा यसको लायक छ।

हरियो लेजरहरू (सामान्यतया 532nm) मानव आँखामा अझ बढी देखिन्छन्, उही पावर आउटपुटमा रातो भन्दा लगभग 5x बढी। तर तिनीहरू बढी खर्च गर्छन् र ब्याट्रीहरू छिटो खान्छन्। हामीले बराबर रातो आउटपुटको लागि 180mA बनाम 120mA मा 5mW हरियो मोड्युलमा हालको ड्र मापन गर्यौं। ह्यान्डहेल्ड उपकरणहरूको लागि महत्त्वपूर्ण छ। पर्खाल शक्तिको साथ निश्चित स्थापनाहरूको लागि, यदि बजेटले अनुमति दिन्छ भने हरियो प्रयोग गर्नुहोस्।

रोबोटिक्स अनुप्रयोगहरू छिटो बढ्दै छन्

ABB रोबोटिक्स ले 2017 को वरिपरि आफ्नो IRB शृङ्खलामा लेजर पोइन्टर्सलाई पेन्डेन्ट सञ्चालनहरू सिकाउन थाले। प्राविधिकहरूलाई प्रत्यक्ष अपरेशनहरू नचलाएर रोबोट मार्गहरू कल्पना गर्न सजिलो बनायो। तिनीहरूले प्रयोग गरेका लेजर मोड्युलहरू कुनै पनि फेन्सी थिएनन् - मूलतया राम्रो झटका माउन्टिङ र IP67 मूल्याङ्कन गरिएको आवासको साथ पुन: प्याकेज गरिएको व्यावसायिक एकाइहरू।

Fanuc ले तिनीहरूको CRX सहयोगी रोबोटहरूसँग फरक दृष्टिकोण अपनायो, लेजर इमिटरलाई उपकरणको फ्ल्यान्जमा राखेर र सुरक्षा क्षेत्रको दृश्यावलोकनका लागि प्रयोग गर्दै। तिनीहरूको प्रणालीले 10-15mm व्यास स्पट प्रोजेक्ट गर्दछ जुन अन्त प्रभावकर्तासँग सर्छ। पावर खपत लगभग 2W निरन्तर चल्छ, जुन सिधै उपकरण पावर बजेटबाट बाहिर आउँछ। तपाईंले ग्रिपर्स वा अन्य अन्त प्रभावकर्ताहरू निर्दिष्ट गर्दा यसको लागि खाता बनाउन आवश्यक छ।

युनिभर्सल रोबोटहरूले लेजर दृश्यहरूलाई मानक रूपमा समावेश गर्दैन तर तिनीहरूको UR+ इकोसिस्टममा धेरै-पक्षीय विकल्पहरू छन्। रोबोटिक रिस्ट क्यामेरा कहिलेकाहीं गहिराइ मापनको लागि कोएक्सियल लेजरसँग जोडिएको हुन्छ, यद्यपि यो साधारण लक्ष्यको सट्टा संरचित प्रकाश क्षेत्रमा पुग्छ।

निर्माण लेजर स्तर एक पूरै फरक वर्ग हो तर उल्लेख लायक। Bosch's GLL श्रृंखला र Dewalt's DW088 दुबैले थोप्लाहरूको सट्टा कक्षा 2 लेजरहरू र प्रोजेक्ट लाइनहरू प्रयोग गर्छन्। DW088 $ 150 को आसपास चल्छ र 30 फिट (dewalt.com spec sheet) मा ±1/8 इन्चमा सही लम्बाइ रेखाहरू फ्याँक्छ। यी चीजहरू पर्याप्त सस्तो भएको छ कि तिनीहरू लेआउट कार्यको लागि साना पसल वातावरणहरूमा देखाउँदैछन्।

शक्ति र माउन्टिंग विचारहरू जुन वास्तवमा महत्त्वपूर्ण छ

ब्याट्री जीवन गणनाहरू गन्दा हुन्छन् किनभने लेजर डायोड दक्षता तापक्रम अनुसार फरक हुन्छ। एक सामान्य रातो लेजर डायोड 15-20% कुशल हुन सक्छ, यसको मतलब 80-85% इनपुट पावर तातो हुन्छ। यसैले निरन्तर-कर्तव्य स्थापनाहरूलाई कम पावर मोड्युलहरूको लागि पनि तातो डुब्न आवश्यक छ।

हामीले 3.3V - मा 90mA तान्ने 5mW रातो लेजर मोड्युल नाप्यौं जुन 5mW आउटपुटको लागि लगभग 300mW इनपुट हो, त्यसैले लगभग 17% दक्षता। CR123A ब्याट्री (3V मा 1500mAh क्षमता) चलाउँदा तपाईंलाई 16-17 घन्टाको सैद्धान्तिक रनटाइम दिन्छ, तर तपाईंले व्यवहारमा 12-14 घन्टा जस्तो देख्नुहुनेछ किनभने ब्याट्री भोल्टेज लोड अन्तर्गत घट्छ।

हामीले फिल्ड स्थापनाहरूमा देख्ने आधा समस्याहरू माउन्टिङले निम्त्याउँछ। M3 माउन्टिंग प्वालहरू मानक हुन् तर थ्रेडको गहिराई निर्माताहरू बीच भिन्न हुन्छ। केही चिनियाँ मोड्युलहरूले M3x0.5 थ्रेडहरू 4mm गहिराइमा राख्छन्, अरूहरू 6mm गहिराइमा जान्छन्। तुच्छ सुनिन्छ तर जब तपाइँ 3mm एल्युमिनियम प्लेटमा उचित थ्रेड संलग्नताको साथ माउन्ट गर्ने प्रयास गर्दै हुनुहुन्छ, त्यो 2mm भिन्नताले तपाइँ मानक बोल्ट प्रयोग गर्न सक्नुहुन्छ वा अनुकूलन हार्डवेयर चाहिन्छ भनेर निर्धारण गर्दछ।

Surefire ले तिनीहरूको X400 हतियार लाइटहरूमा स्वामित्व रेल ग्राबर प्रणाली प्रयोग गर्दछ जसले T- स्लट एल्युमिनियम एक्सट्रुसनमा औद्योगिक माउन्टिङको लागि पनि राम्रो काम गर्दछ। क्ल्याम्पिङ बल समायोज्य छ र थ्रेड टर्कमा भर पर्दैन, जसले उच्च-कम्पन वातावरणमा शून्य कायम राख्न मद्दत गर्दछ। एकाइहरूको लागत लगभग $ 600 तर सधैंभरि रहन्छ। हामीले 2018 देखि ब्याट्री स्वैप भन्दा बाहिर शून्य मर्मतसम्भारमा केही दौडिरहेका छौं।

जब देखिने रातो पर्याप्त छैन

IR लेजरहरू (सामान्यतया 850nm वा 940nm तरंगदैर्ध्य) क्यामेरा सेन्सरहरूमा देखा पर्दछ तर मानव आँखामा होइन। मेशिन भिजन अनुप्रयोगहरूको लागि उपयोगी जहाँ तपाईं दृश्य प्रकाशले अपरेटर दृश्य रेखाहरूमा हस्तक्षेप गर्न चाहनुहुन्न। Edmund Optics ले 850nm मोड्युलहरू $200-300 को आसपास बेच्दछ जुन मानक औद्योगिक क्यामेराहरूसँग जोडिन्छ। Basler ace श्रृंखला क्यामेराहरू त्यो दायरामा राम्रो संवेदनशीलता छन् - तिनीहरूको acA1920-40gm मोडेलले डाटाशीट (baslerweb.com) प्रति 850nm मा 50% क्वान्टम दक्षता देखाउँछ।

940nm अझ बढी अदृश्य हुन्छ तर क्यामेराको संवेदनशीलता घट्छ। धेरै जसो सिलिकन सेन्सरहरूसँग 940nm मा 30% QE हुन सक्छ 50% विरुद्ध 850nm मा, त्यसैले तपाईंले राम्रो गुप्तताको लागि संकेत छोड्दै हुनुहुन्छ। मानव-दृश्य प्रकाश साँच्चै समस्या हो भने मात्र यसको लायक छ।

अप्टिकल प्रणालीहरूका लागि लेजर पङ्क्तिबद्ध उपकरणहरूले कहिलेकाहीं IR प्रयोग गर्छन् किनभने तिनीहरू वातावरणमा काम गरिरहेका छन् जहाँ देखिने आवारा प्रकाशले समस्याहरू निम्त्याउँछ। न्यूपोर्ट कर्पोरेशनको IR पङ्क्तिबद्ध लेजरहरूले $800-1200 चलाउँछन् तर तपाईंलाई सस्तो मोड्युलहरू भन्दा समायोज्य पावर आउटपुट र राम्रो बीम गुणस्तर दिन्छ। M² मानहरू 1.1 विरुद्ध 1.3-1.5 व्यावसायिक एकाइहरूको लागि। तपाईले सानो एपर्चरमा जोड्न वा लामो दूरीमा कोलिमिसन कायम राख्न प्रयास गरिरहँदा त्यो महत्त्वपूर्ण हुन्छ।

हामी ती प्रयोग गर्दैनौं जबसम्म अनुप्रयोगले यसको माग गर्दैन। लागत छिटो थपिन्छ।

डट साइज र विचलन कसैले पनि राम्रोसँग व्याख्या गर्दैन

एक "5mW लेजर पोइन्टर" ले 0.5 मिलिराडियन देखि 1.5 मिलिराडियन सम्म बिम विचलन हुन सक्छ। 10 मिटरमा त्यो 5mm डट र 15mm डट बीचको भिन्नता हो। निर्माताहरूले कहिलेकाहीं यो अनुमान गर्छन्, कहिलेकाहीं गर्दैनन्।

Amazon बाट सस्तो हरियो लेजरहरू 1.2-1.5 mrad divergence चल्छन्। हामीले एक साधारण सेटअपको साथ धेरै एकाइहरू मापन गर्यौं - निश्चित दूरीमा लेजर, सेतो लक्ष्य, क्यालिपरहरूसँग स्पट व्यास मापन। NIST ठ्याक्कै पत्ता लगाउन योग्य छैन तर अनुप्रयोग कार्यको लागि पर्याप्त राम्रो छ। CNI वा Laserglow Technologies बाट अधिक महँगो DPSS हरियो लेजरहरू सामान्यतया 1.0 mrad भित्र राम्रो गोलाकार बीम प्रोफाइलहरूसँग आउँछन्।

जब तपाईं साना लक्ष्यहरू हिट गर्न प्रयास गर्दै हुनुहुन्छ भने बीम प्रोफाइल महत्त्वपूर्ण हुन्छ। गाउसियन बीमले तपाईंलाई क्रमिक रोलअफको साथ सफा केन्द्रीय स्थान दिन्छ। सस्तो डायोड लेजरहरूमा कहिलेकाहीँ अण्डाकार वा अनियमित प्रोफाइलहरू हुन्छन् जसले सटीक लक्ष्यलाई कडा बनाउँछ। जान्नको लागि एउटै तरिका हो कि या त निर्माताको विशिष्ट पानामा विश्वास गर्नुहोस् (-नाम ब्रान्डहरू बिना जोखिमपूर्ण) वा आफैलाई परीक्षण गर्नुहोस्।

सर्जिकल उपकरण पङ्क्तिबद्धताको लागि हामीले 0.6 mrad विचलन अधिकतम समाप्त गर्यौं किनभने कार्य दूरी 400mm थियो र लक्ष्य आकार 2mm व्यास थियो। यसले तपाईंलाई केही ढिलो दिन्छ तर धेरै होइन। कडा विचलनको लागि लागत प्रिमियम मानक औद्योगिक मोड्युलहरू भन्दा लगभग 40% थियो।

गत वर्ष देखि वास्तविक स्थापना समस्याहरू

हामीले स्वचालित उपकरण सेटिङको लागि CNC मिल सेटअपमा लेजर पङ्क्तिबद्ध प्रणालीहरू राख्यौं। स्पिन्डल हाउसिङमा सीधा - माउन्ट लेजर, निश्चित सन्दर्भ लक्ष्यमा परियोजना बीम, प्रत्येक उपकरण परिवर्तन अघि विचलन मापन गर्नुहोस्। परीक्षणमा राम्रो काम गर्यो, उत्पादनमा असफल भयो किनभने तरल धुवाँ काटनले लेजर विन्डोलाई २ हप्ता भित्रमा बिग्रेको थियो। डिजाइनको चरणमा यसबारे कसैले सोचेनन्।

समाधान लेजर एपर्चरमा स्थिर वायु प्रवाह राख्ने कम्प्रेस्ड एयर पर्ज नोजल थप्दै थियो। भागहरूमा $ 45 थपियो र प्रति मेसिन 2 घण्टा स्थापना समय। मौलिक डिजाइनमा हुनुपर्छ।

तापमान क्षतिपूर्ति अर्को चीज हो जसले मानिसहरूलाई काट्छ। हामीले 65 डिग्री फारेनहाइट देखि 140 डिग्री फारेनहाइट सम्म काम गर्ने कम्पोजिट लेअप उपकरणको लागि लेजर पोजिसनिङ प्रणाली निर्दिष्ट गरेका थियौं। लेजर मोड्युल निर्माताले उनीहरूको एकाईलाई 140 डिग्री फारेनहाइटमा मूल्याङ्कन गरिएको बताए तर शून्य शिफ्ट मात्र 120 डिग्री फारेनहाइटमा ग्यारेन्टी गरिएको उल्लेख गरेन। त्यसभन्दा माथि, mountbrack 0 मा सार्न 0 मा थर्मल विस्तार। 20 फिट। लेअप सहिष्णुताका लागि पूर्ण रूपमा अस्वीकार्य।

स्पष्ट रूपमा तापमान क्षतिपूर्ति डेटा प्रदान गर्ने फरक निर्माता (लेजर कम्पोनेन्ट DG GmbH, तिनीहरूको FP श्रृंखला) मा स्विच गर्न समाप्त भयो। लागत समान थियो, लगभग $380 प्रति मोड्युल, तर तिनीहरूले वास्तवमा हामीले हेरचाह गरेको व्यवहारको परीक्षण र दस्तावेजीकरण गरे।

किन केहि अनुप्रयोगहरू अझै पनि बेयर डायोडहरू प्रयोग गर्छन्

उच्च-भोल्युम उत्पादनको लागि जहाँ लेजर दृश्य उत्पादनमा इम्बेड गरिएको छ, कहिलेकाहीँ तपाईले कच्चा डायोड र ड्राइभर सर्किटलाई सिधै माउन्ट गर्नुहुन्छ एक समाप्त मोड्युल किन्नुको सट्टा। हामीले यो एउटा मेडिकल उपकरणको लागि गर्‍यौं जसलाई 3mW रातो लेजर चाहिन्छ - Osram PLT5 450 डायोडहरू 1000 को मात्रामा खरिद गरी प्रत्येक $ 4.20 (वितरकहरूका लागि osram.com 2023 मूल्य निर्धारण), साथै ड्राइभर IC र निष्क्रियहरूका लागि अर्को $2-3। पूर्ण मोड्युलहरूको लागत प्रत्येक $25-40, त्यसैले DIY ले भोल्युममा अर्थ राख्यो।

नकारात्मक पक्ष भनेको तपाईले आफ्नै अप्टिकल डिजाइन, हीटसिंकिङ, ड्राइभर सर्किट प्रमाणीकरण, र विश्वसनीयता परीक्षण गरिरहनु भएको छ। FDA सबमिशन आवश्यक पर्ने मेडिकल उपकरणमा जाने कुराको लागि, त्यो पर्याप्त इन्जिनियरिङ कार्य हो। हामीले डिजाइन र प्रमाणीकरणमा कुल 200 घण्टा बितायौं, तर उत्पादन रनमा कम्पोनेन्ट लागतहरूमा लगभग $18,000 बचत गर्यौं। यसको मूल्य 1000+ इकाइहरूमा छ, यो 500 एकाइहरू भन्दा कम छैन।

कोलिमेटिङ अप्टिक्स कठिन भाग हो। बेयर डायोडबाट राम्रो बीम गुणस्तर प्राप्त गर्नको लागि तपाईलाई एस्फेरिक लेन्स वा बहु{1}}तत्व प्रणाली चाहिन्छ। Edmund Optics ले NA र व्यासको आधारमा लगभग $25-50 मा सुरु हुने लेजर कोलिमिसनका लागि एस्फेरिक लेन्सहरू बेच्छ। तर राम्रो कोलिमेसन प्राप्त गर्नको लागि डायोड र लेन्स बीचको सटीक स्पेसिङ चाहिन्छ, सामान्यतया ०.०५ मिमी भित्र। यसको मतलब या त आवासको सटीक मेसिनिंग वा लकको साथ समायोजन स्क्रू।

केही निर्माताहरूले यसलाई प्रि-कलिमिटेड डायोड मोड्युलहरू प्रयोग गरेर प्राप्त गरिरहेका छन्। थोरल्याब्ससँग तिनीहरूको CPS शृङ्खलाहरू छन् जसले डायोड, ड्राइभर, र कम्प्याक्ट TO-प्याकेजमा कोलिमिटिङ अप्टिक्स संयोजन गर्दछ। लगभग $80-120 प्रति इकाई जुन अझै पनि समाप्त लेजर सूचकहरू भन्दा सस्तो छ र तपाईंलाई थप डिजाइन लचिलोपन दिन्छ।

निश्चित छैन किन धेरै व्यक्तिहरूले यी एम्बेडेड अनुप्रयोगहरूको लागि प्रयोग गर्दैनन्। तिनीहरूले धेरै मेकानिकल सहिष्णुता समस्याहरू समाधान गर्छन् जबकि अझै पनि मध्यम मात्रामा लागतहरू उचित राख्छन्।

1-5mW दायरामा पोर्टेबल लेजर मोड्युलहरूको लागि,लिथियम CR1/3N ब्याट्रीआश्चर्यजनक राम्रो काम। तिनीहरू शारीरिक रूपमा साना छन् तर 3V मा 170mAh प्याक गर्नुहोस्, सामान्य रातो लेजर मोड्युलहरूमा 8-10 घण्टा रनटाइमको लागि पर्याप्त। हामीले तिनीहरूलाई ह्यान्डहेल्ड पङ्क्तिबद्ध उपकरणहरूमा प्रयोग गरेका छौं जहाँ AA ब्याट्रीहरू धेरै भारी थिए। लागत लगभग $2-3 प्रति सेल मात्रामा चल्छ, र शेल्फ जीवन 10+ वर्ष हो जुन स्पेयर सूचीको लागि महत्त्वपूर्ण छ।