Escaneo láser

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El escaneo láser es la desviación controlada de rayos láser , visibles o invisibles. ^[1] Los rayos láser escaneados se utilizan en algunas impresoras 3D , en la creación rápida de prototipos , en máquinas para el procesamiento de materiales, en máquinas de grabado láser , en sistemas láser oftalmológicos para el tratamiento de la presbicia , en microscopía confocal , en impresoras láser , en espectáculos láser , en Laser TV y en lectores de códigos de barras . Las aplicaciones específicas para el mapeo y la reconstrucción de objetos 3D se conocen como escáner láser 3D .

La mayoría de los escáneres láser utilizan espejos móviles para dirigir el haz láser. La dirección del haz puede ser unidimensional , como en el caso de una impresora láser, o bidimensional , como en un sistema de espectáculos láser. Además, los espejos pueden generar un movimiento periódico (como el espejo poligonal giratorio de un escáner de código de barras o los denominados escáneres galvanométricos resonantes ) o un movimiento direccionable libremente , como en los escáneres galvanométricos servocontrolados . También se utilizan los términos escaneo rasterizado y escaneo vectorial para distinguir las dos situaciones. Para controlar el movimiento de escaneo, los escáneres necesitan un codificador rotatorio y una electrónica de control que proporcione, para un ángulo o fase deseados, la corriente eléctrica adecuada al motor (en el caso de un espejo poligonal) o al galvanómetro (también llamado galvos ). Un sistema de software suele controlar el movimiento de escaneo y, si se implementa el escaneo 3D, también la recopilación de los datos medidos.

Para posicionar un haz láser en dos dimensiones , es posible rotar un espejo a lo largo de dos ejes (lo que se utiliza principalmente para sistemas de escaneo lento) o reflejar el haz láser en dos espejos muy espaciados que están montados en ejes ortogonales. Cada uno de los dos espejos planos o poligonales (poligonales) es accionado por un galvanómetro o por un motor eléctrico respectivamente. Los sistemas bidimensionales son esenciales para la mayoría de las aplicaciones en el procesamiento de materiales, la microscopía confocal y la ciencia médica. Algunas aplicaciones requieren posicionar el foco de un haz láser en tres dimensiones . Esto se logra mediante un sistema de lentes servocontrolado, generalmente llamado "desplazador de enfoque" o "desplazador z". Muchos escáneres láser permiten además cambiar la intensidad del láser.

En los proyectores láser para TV láser o pantallas láser, los tres colores fundamentales (rojo, azul y verde) se combinan en un único haz y luego se reflejan junto con dos espejos.

La forma más habitual de mover espejos es, como ya hemos comentado, el uso de un motor eléctrico o de un galvanómetro . Sin embargo, los actuadores piezoeléctricos o magnetoestrictivos son opciones alternativas. Ofrecen velocidades angulares alcanzables más altas, pero a menudo a expensas de ángulos máximos alcanzables más pequeños. También existen los microescáneres , que son dispositivos MEMS que contienen un espejo pequeño (milimétrico) que tiene inclinación controlable en una o dos dimensiones; estos se utilizan en los picoproyectores .

Al hacer girar dos prismas Risley uno contra el otro, se puede escanear a voluntad un haz de luz dentro de un cono. Este tipo de escáneres se utilizan para rastrear misiles.

Cuando dos lentes ópticas se mueven o giran una contra la otra, se puede escanear un rayo láser de forma similar a los escáneres de espejo.

Algunos escáneres láser especiales utilizan, en lugar de espejos móviles, deflectores acústico-ópticos o deflectores electro-ópticos . Estos mecanismos permiten alcanzar las frecuencias de escaneo más altas posibles hasta el momento. Se utilizan, por ejemplo, en sistemas de televisión láser . Por otra parte, estos sistemas también son mucho más caros que los sistemas de escaneo por espejo.

Actualmente se están realizando investigaciones para escanear haces láser mediante matrices en fase . Este método se utiliza para escanear haces de radar sin partes móviles. Con el uso de láseres de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL), podría ser posible realizar escáneres láser rápidos en un futuro próximo.

En el campo del escaneo de objetos en 3D , el escaneo láser (también conocido como lidar ) combina la dirección controlada de los rayos láser con un telémetro láser . Al tomar una medición de distancia en cada dirección, el escáner captura rápidamente la forma de la superficie de objetos, edificios y paisajes. La construcción de un modelo 3D completo implica la combinación de múltiples modelos de superficie obtenidos desde diferentes ángulos de visión o la mezcla de otras restricciones conocidas. Los objetos pequeños se pueden colocar en un pedestal giratorio, en una técnica similar a la fotogrametría . ^[2]

El escaneo de objetos en 3D permite mejorar el proceso de diseño , acelera y reduce los errores de recopilación de datos , ahorra tiempo y dinero y, por lo tanto, lo convierte en una alternativa atractiva a las técnicas tradicionales de recopilación de datos. El escaneo 3D también se utiliza para mapeo móvil , topografía , escaneo de edificios e interiores de edificios , ^[3] y en arqueología .

Dependiendo de la potencia del láser, su influencia sobre la pieza de trabajo es diferente: los valores de potencia más bajos se utilizan para el grabado láser y la ablación láser , donde el material se elimina parcialmente mediante el láser. Con potencias más altas, el material se vuelve fluido y se puede realizar la soldadura láser , o si la potencia es lo suficientemente alta como para eliminar el material por completo, entonces se puede realizar el corte por láser . Los láseres modernos pueden cortar bloques de acero con un espesor de 10 cm y más o extirpar una capa de la córnea que tiene solo unos pocos micrómetros de espesor.

La capacidad de los láseres para endurecer polímeros líquidos, junto con los escáneres láser, se utiliza en el prototipado rápido , la capacidad de fundir polímeros y metales es, con los escáneres láser, para producir piezas mediante sinterización láser o fusión láser .

El principio que se utiliza para todas estas aplicaciones es el mismo: un software que se ejecuta en un PC o en un sistema integrado y que controla todo el proceso se conecta a una tarjeta de escáner. Esta tarjeta convierte los datos vectoriales recibidos en información de movimiento que se envía al cabezal de escaneo. Este cabezal de escaneo consta de dos espejos capaces de desviar el haz láser en un nivel (coordenadas X e Y). La tercera dimensión se realiza, si es necesario, mediante una óptica específica que puede mover el punto focal del láser en la dirección de profundidad (eje Z).

El escaneo del foco láser en la tercera dimensión espacial es necesario para algunas aplicaciones especiales, como el trazado láser de superficies curvas o el marcado en vidrio, donde el láser debe actuar sobre el material en posiciones específicas dentro de él. Para estos casos, es importante que el láser tenga un punto focal lo más pequeño posible.

Para aplicaciones de escaneo láser mejoradas y/o para un alto rendimiento de material durante la producción, se utilizan sistemas de escaneo con más de un cabezal de escaneo. En este caso, el software debe controlar qué se hace exactamente dentro de una aplicación de múltiples cabezales: es posible que todos los cabezales disponibles tengan que marcar lo mismo para finalizar el procesamiento más rápido o que los cabezales marquen un solo trabajo en paralelo donde cada cabezal de escaneo realice una parte del trabajo en caso de áreas de trabajo grandes.

Muchos lectores de códigos de barras , especialmente aquellos que pueden leer códigos de barras a una distancia de unos pocos metros, utilizan rayos láser escaneados. En estos dispositivos, un rayo láser semiconductor se escanea normalmente con la ayuda de un escáner de espejo resonante. El espejo se acciona electromagnéticamente y está hecho de un polímero recubierto de metal. ^{[ cita requerida ]}

Cuando un transportador espacial tiene que atracar en la estación espacial, debe maniobrar con cuidado hasta la posición correcta. Para determinar su posición relativa con respecto a la estación espacial, los escáneres láser integrados en la parte delantera del transportador espacial escanean la forma de la estación espacial y luego determinan, a través de una computadora, los comandos de maniobra. Para esta aplicación se utilizan escáneres galvanométricos resonantes.

Los espectáculos de luces láser suelen utilizar dos escáneres galvanómetros en una configuración XY para dibujar patrones o imágenes en paredes, techos u otras superficies, incluido el humo y la niebla teatrales, con fines de entretenimiento o promocionales. ^{[ cita requerida ]}

Manual de escaneo óptico y láser de Gerald F. Marshall: escaneo de objetos 3D y procesamiento de materiales - revistas Annals of Forest Science Dassot, M., Constant, T. y Fournier, M. (2011), El uso de la tecnología LiDAR terrestre en la ciencia forestal: campos de aplicación, beneficios y desafíos, Annals of Forest Science, 68(5), 959-974. PBS News (2020), "Los modelos 3D ayudan a preservar lugares emblemáticos como Notre Dame