Laserscanning
Was ist Laserscanning?
Beim Laserscanning wird einfach ein Laserstrahl über eine Oberfläche bewegt – sei es, um einen Produkt-Barcode zu lesen, eine Lasershow zu projizieren oder eine Autokarosserie zu schweißen. Obwohl das Konzept einfach ist, können die für das Laserscanning verwendeten Technologien recht anspruchsvoll sein.
Wir alle begegnen dem Laserscanning häufig. Es handelt sich um eine Technik, bei der ein Laserstrahl über einen Produkt-Barcode geführt wird, wenn Sie in einem Geschäft einkaufen. Aber Laserscanning wird auf viel mehr als nur diese Weise eingesetzt. In der Tat ist die Vielfalt der Scan-Anwendungen so groß, dass es sinnvoll ist, sie in drei Hauptkategorien zu unterteilen:
Zweck |
Prozess |
Gängige Anwendungen |
Datenerfassung und Bildgebung |
Der Laser wird verwendet, um etwas über die physikalischen Eigenschaften eines Objekts zu bestimmen – Größe, Form, räumliche Position, räumliche Ausrichtung, Farbe, Farbvariationen, Oberflächenstruktur, chemische Zusammensetzung und mehr. Zu diesem Zweck wird der Laserstrahl über eine Oberfläche oder ein Volumen gescannt. Das projizierte Lasermuster wird dann abgebildet – oder das zurückgeworfene Licht (durch Reflexion, Streuung oder Fluoreszenz) wird detektiert – und analysiert, um die gewünschten Informationen zu erhalten. |
Lesen von Barcodes, QR-Codes, Datenmatrix-Codes und dergleichen. Messung der physischen Abmessungen von Produkten, die auf einem Förderband vorbeilaufen, um Einheiten zu identifizieren, die nicht den Spezifikationen entsprechen. Scannen eines Laserstrahls über eine Landschaft zur Durchführung von LIDAR in einem fahrenden Fahrzeug. Erfassen Sie Lebensmittel (wie Garnelen oder Nüsse), die auf einem Förderband vorbeilaufen, um sie nach Größe zu sortieren oder um fehlerhafte Produkte zu identifizieren. Scannen eines realen Objekts, wie z. B. Zähne oder das Innere eines Gebäudes, um ein genaues Computermodell zu erstellen Konfokale Mikroskopie, bei der der Laserstrahl durch ein Mikroskop auf eine Probe projiziert und über sie hinweg gescannt wird, um ein Bild zu erstellen Optische Kohärenztomographie (OCT) für die medizinische Bildgebung Inspektion von Halbleiterwafern |
Daten schreiben und anzeigen |
Das Laserlicht wird verwendet, um Informationen anzuzeigen oder um Muster oder Bilder zu erzeugen. Um dies zu erreichen, bewegt sich der Laserstrahl über eine Oberfläche oder innerhalb eines Volumens und wird dabei in seiner Intensität moduliert. |
Scannen über eine rotierende fotoleitende Bildtrommel in einem Laserdrucker Lasershows und Beschilderung Laserausrichtungsmessgeräte für Bau und Vermessung |
Materialbearbeitung |
Ein Laser wird verwendet, um ein Material physikalisch umzuwandeln (schneiden, schweißen, abtragen, schmelzen usw.) oder zu beeinflussen (ausglühen, farblich verändern, erhitzen usw.), und zwar auf räumlich variierende Weise. Dies geschieht durch die Bewegung des Laserstrahls über eine Oberfläche oder innerhalb eines Volumens, während seine Intensität moduliert wird. |
Beschriftung Schweißen Schneiden Gravieren Wärmebehandlung Auftragsschweißen |
Die soeben aufgeführten Anwendungen – die nur einen kleinen Ausschnitt der Laserscanning-Anwendungen darstellen – haben sehr unterschiedliche technische Anforderungen. Dazu gehören Parameter wie die Scangeschwindigkeit, die Größe des abzudeckenden Bereichs oder Volumens, die benötigte Laserleistung, die Kosten, Größe, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Scanners und vieles mehr. Es wurden verschiedene Scantechnologien entwickelt, um die unterschiedlichen Anforderungen dieser Anwendungen zu erfüllen.
Die meisten Anwendungen verwenden eine der drei Scan-Technologien – Galvanometer-Spiegel, Polygon-Spiegel oder akusto-optische Deflektoren. Es lohnt sich, einen Blick darauf zu werfen, wie jedes dieser Systeme funktioniert und welche operativen und praktischen Eigenschaften es hat.
Galvanometer-Scanner
Ein Galvanometer-Scanner besteht aus einem Spiegel, der auf einer Welle montiert ist, die sich frei drehen kann. An der Welle ist außerdem ein Magnet angebracht. Die Welle ist in einer Spule aufgehängt. Durch Anlegen von Strom an die Spule wird die Welle (und der Spiegel) in Drehung versetzt.
Je nach Art der Aufgabe werden Galvanometer-Scanner oft paarweise eingesetzt. In diesem Fall sind sie so montiert, dass ihre Scanrichtungen im rechten Winkel zueinander stehen. Dadurch kann der Laserstrahl jeden beliebigen Punkt in einer Ebene erreichen. Für viele Anwendungen werden spezielle Scan-Optiken, wie z. B. eine F-Theta-Linse, verwendet, um den Strahl auf die endgültige Oberfläche zu fokussieren.
Abbildung 1. Galvanometer-Scanner werden oft paarweise eingesetzt, um ein 2D-Scanmuster zu erzeugen.
Galvanometer-Scanner bieten eine hohe Flexibilität, da ihre Bewegung während des Betriebs per Computer gesteuert werden kann. Sie können paarweise verwendet werden, um 2D-Vektormuster über relativ große Scanwinkel (typischerweise bis zu ±20°) zu erzeugen. Sie können mit großen Spiegeln verwendet werden, um große Strahlgrößen zu ermöglichen. Diese Eigenschaften machen sie ideal für Anwendungen wie Lichtshows, Materialbeschriftung und Schweißen, biomedizinische und ophthalmologische Bildgebung, konfokale Mikroskopie und lasergestützte medizinische Behandlungen.
Polygonscanner
Das Schlüsselelement eines Polygonscanners ist ein polygonförmiges Bauteil, dessen Kanten poliert und beschichtet wurden, um sie zu spiegeln. Dieser Polygonspiegel ist auf einer Motorwelle montiert und wird schnell gedreht. Damit kann ein Laserstrahl schnell in eine Richtung gescannt werden.
Wie bei Galvanometerscannern werden auch bei Polygonscannern häufig spezielle Scanoptiken verwendet. Es ist nicht ungewöhnlich, dass diese Optiken in Form eines langen, dünnen Streifens hergestellt werden, da der Laserstrahl sie nur auf einem schmalen, geraden Pfad durchqueren kann. Dadurch werden Größe und Gewicht des Scansystems drastisch reduziert.
Abbildung 2. Ein Polygonscanner kann einen Laserstrahl schnell in eine einzige Richtung bewegen.
Polygonscanner eignen sich hervorragend für Anwendungen, die unidirektionale Scans bei hohen Geschwindigkeiten erfordern. Sie können mit sehr großen Scanwinkeln (über 50°) arbeiten. Wenn eine zweidimensionale Abdeckung erforderlich ist, werden sie in der Regel mit einer Form der Teilbewegung in der Richtung senkrecht zum Scan kombiniert, um ein Rastermuster zu erzeugen. Diese Eigenschaften machen sie ideal für Anwendungen wie Laserdrucker, LIDAR und bestimmte Hochgeschwindigkeits-Materialbearbeitungsanwendungen wie großflächige Oberflächenbehandlung und Dünnschichtstrukturierung.
Akustisch-optische Deflektoren
Der akusto-optische (AO) Deflektor besteht aus einem Block aus transparentem Material, an dessen Seite ein piezoelektrischer Wandler befestigt ist. Wenn der piezoelektrische Wandler mit Radiofrequenzen betrieben wird, erzeugt er eine Schallwelle (Druck/Dichte) im Kristall. Dadurch entsteht eine variable, periodische, räumliche Veränderung des Brechungsindexes des Materials, die wie ein Bragg-Beugungsgitter wirkt. Dieses Gitter lenkt den eingehenden Laserstrahl um einen Betrag ab, der von seiner Periode abhängt. Wenn Sie also die Frequenz des Eingangssignals variieren, ändert sich der Ablenkungswinkel des Strahls.
Abbildung 3. Ein akusto-optischer Deflektor tastet einen Laserstrahl mittels Beugung ab und hat keine beweglichen Teile.
Da es keine beweglichen mechanischen Teile (und damit keine Trägheit) gibt, können akusto-optische Deflektoren wesentlich höhere Scangeschwindigkeiten erreichen als andere Technologien – bis weit in den MHz-Bereich hinein. Außerdem sind sie in der Lage, nach dem Zufallsprinzip zu scannen, d. h. sie können schnell von einem Punkt im Scanfeld zu einem anderen springen. Allerdings können sie den Strahl nur über einen sehr begrenzten Winkelbereich ablenken – höchstens ein paar Grad. Und sie bieten nur kleine Blendenöffnungen (<2,5 mm) an. Dies macht sie besonders nützlich für spezielle Anwendungen in den Bereichen Laserkühlung, Laserpinzetten, Mikroskopie und medizinische Bildgebung sowie für einige Anwendungen in der grafischen Industrie.
Neben diesen drei gebräuchlichen Scannertypen gibt es noch viele andere Technologien, die für spezielle Zwecke eingesetzt werden. All dies unterstützt die enorme Vielfalt der Laserscanning-Anwendungen.