激光扫描
什么是激光扫描？
无论是读取产品条形码、投影激光表演还是焊接车身，激光扫描只是将激光束移过表面。 虽然概念上很简单，但用于激光扫描的实际技术可能相当复杂。
我们所有人都经常遇到激光扫描。 这种技术用于在商店购物时将激光束穿过产品条形码。 但激光扫描的用途远不止于此。 事实上，扫描应用的多样性非常大，因此有必要将它们分为三大类：
用途 |
工艺 |
常见应用 |
数据采集和成像 |
激光用于确定物体的一些物理特性，比如大小、形状、空间位置、空间方向、颜色、颜色变化、表面纹理、化学成分等等。 为实现此目的，我们使用激光束扫描物体表面或物体的内部。 然后对投射的激光图案进行成像 – 或对返回的光（通过反射、散射或荧光）进行检测 – 然后进行分析以获得所需信息。 |
读取条形码、二维码、Datamatrix 码等。 测量传送带上经过的产品的物理尺寸，识别不符合规格的产品。 在移动的车辆周围扫描激光束，执行激光雷达的功能。 对传送带上经过的食品（如虾或坚果）进行成像，按大小对它们进行分级或识别不合格产品。 扫描实际物体，如牙齿或建筑物内部，创建精确的计算机模型 共聚焦显微分析，激光束通过显微镜投射到样品上并在样品上扫描以构建图像 用于医学成像的光学相干断层扫描 (OCT) 半导体晶圆检测 |
数据写入与显示 |
激光用于显示信息，或产生图案或图像。 为了实现此目的，激光束会在物体表面或物体内部移动，同时对强度进行调制。 |
在激光打印机中扫描旋转的感光鼓 激光演示灯和标牌 用于建筑和测量的激光对准仪 |
材料加工 |
激光用于以空间变化的方式对材料进行物理转换（切割、焊接、烧蚀、熔化等）或施加影响（退火、变色、加热等）。 这是通过在物体表面或物体内部移动激光束，同时对强度进行调制实现的。 |
打标 焊接 切割 内雕 热处理 熔覆 |
上面列出的用途（只是激光扫描应用的一小部分）具有广泛的技术要求。 其中包括扫描速度、必须覆盖的区域或体积的大小、涉及的激光功率、扫描仪的成本、尺寸、可靠性和使用寿命等参数。 研发人员已经开发出不同的扫描技术来满足这些应用的不同需求。
大多数应用采用了三种扫描技术中的一种 – 振镜、多边镜或声光偏转器。 值得研究其中每项技术的工作原理，以及它们的操作和实用特性。
振镜扫描头
振镜扫描头由安装在可自由旋转轴上的反射镜组成。 轴上还装有磁铁。 轴悬挂在线圈内；给线圈通电会导致轴（和反射镜）旋转。
根据工作的性质，振镜扫描仪通常成对使用。 具体来说，在这种情况下，它们的扫描方向相互成直角。 这使激光束能够到达平面内的任何一点。 在许多应用中，专用扫描光学器件（如平场聚焦透镜）可将光束聚焦在最终表面上。
图 1. 振镜扫描头通常成对使用，产生二维扫描图案。
振镜扫描头提供操作灵活性，因为它们的运动可以由计算机实时控制。 它们可以成对使用，在相对较大的扫描角度（通常高达 ±20°）上生成二维矢量图案。 它们可以与大镜子一起使用，适应大光束尺寸。 总之，这些特性使它们成为演示灯、材料打标和焊接、生物医学和眼科成像、共聚焦显微分析和激光辅助医疗等应用的理想选择。
多边扫描头
多边扫描头的关键元件是一个多边形组件 – 其边缘经过抛光和涂层处理，类似镜子。 这个多边镜安装在电机轴上并快速旋转。 这使激光束能够在一个方向上快速扫描。
与振镜扫描头一样，多边扫描系统通常使用专门的扫描光学器件。 将这些光学器件制成细长条的情况并不少见，因为激光束只会沿着一条狭窄的直线路径穿过它们。 这大大减少了扫描系统的尺寸和重量。
图 2. 多边扫描头可以在一个方向上快速移动激光束。
多边扫描头在需要高速单向扫描的应用中表现出色。 它们可以在非常大的扫描角度（超过 50°）上工作。 当需要二维覆盖时，它们通常与垂直于扫描方向的某种形式的零件运动相结合，产生光栅图案。 这些特性使它们成为激光打印机、激光雷达等应用以及大面积表面处理和薄膜图案绘制等某些高速材料加工的理想选择。
声光偏转器
声光 (AO) 偏转器由一块透明材料组成，其侧面粘接着一个压电换能器。 当以射频驱动时，压电换能器会在晶体内产生声波（压力/密度）。 这会在材料的折射率中产生可变的、周期性的空间变化，其作用类似于布拉格衍射光栅。 这种光栅使输入的激光束发生偏转，偏转的程度取决于其周期。 因此，改变输入信号的频率会改变光束的偏转角度。
图 3. 声光偏转器使用衍射在不移动零件的情况下扫描激光束。
由于没有任何移动的机械部件（因此没有惯性），声光偏转器可以实现比其他技术高得多的扫描速度 – 可以达到 MHz 范围。 此外，它们还能够进行“随机访问”扫描 – 这是一种从扫描场中的一点快速跳到另一点的功能。 然而，它们只能在非常有限的角度范围内偏转光束 – 最多几度。 而且它们仅提供小孔径 (<2.5 mm) 尺寸。 这使得它们最适合用于激光冷却、激光镊子、显微镜和医学成像以及一些制版工艺应用等专门用途。
除了这三种常见类型的扫描头之外，还有许多其他服务专用技术。 所有这些扫描头都支持激光扫描应用的巨大多样性。