Penyepaduan Penglihatan Laser untuk Aplikasi Moden

Kebanyakan orang menganggap pemandangan laser hanya untuk senjata api, tetapi teknologi itu telah merebak jauh melebihi pasaran awal itu. Kami telah bekerja dengan sistem penyasaran laser sejak 2019, dan aplikasi terus berkembang ke sektor perindustrian, perubatan dan robotik di mana penudingan ketepatan penting.

Prinsip asas tidak banyak mengubah - anda menayangkan pancaran boleh dilihat atau IR yang menandakan tempat sesuatu akan terkena atau tempat sesuatu alat akan terlibat. Tetapi pelaksanaan menjadi rumit dengan cepat apabila anda mengambil kira pilihan pelekap, keperluan kuasa dan keadaan persekitaran.

Crimson Trace mengeluarkan siri Rail Master mereka pada tahun 2018, dan unit tersebut boleh mengendalikan 1000G kejutan mundur. Spesifikasi itu menjadi penanda aras untuk pemasangan perindustrian kerana jika ia bertahan dari gegaran senjata api, ia akan mengendalikan kebanyakan persekitaran getaran dalam pembuatan. Model RM-110 dijual kira-kira $280 (harga crimsontrace.com dari 2020), yang tinggi tetapi memberi anda laser merah 5mW yang kekal sifar selepas kesan berulang.

Untuk kerja talian pemasangan, kami menguji siri TLR Streamlight bersama beberapa pilihan yang lebih murah daripada pengeluar luar negara. Hanyutan suhu ialah - unit pembunuh yang berharga di bawah $50 akan mengalihkan titik sasarannya sebanyak 3-4 inci pada 20 kaki apabila berubah dari 60 darjah F kepada 95 darjah F suhu lantai kedai. Unit Streamlight (sekitar $180-220 bergantung pada model) memegang sifar dalam 0.5 inci merentas julat itu mengikut ujian bangku kami pada musim panas 2021.

Anda tidak selalu memerlukan tahap kestabilan itu. Bergantung sepenuhnya pada apa yang anda lakukan.

Laser Sight

Ini menjadi pelik kerana pemasangan peranti perubatan selalunya memerlukan laser Kelas 2 (di bawah output 1mW mengikut peraturan FDA - accessdata.fda.gov mempunyai klasifikasi penuh) tetapi memerlukan ketepatan kedudukan di bawah 0.1mm pada jarak kerja 300-500mm. Coherent Inc. membuat modul laser yang sesuai dengan spesifikasi tersebut - siri CUBE mereka berharga sekitar $400-600 seunit bergantung pada panjang gelombang dan output kuasa.

Kami menyepadukan beberapa laser merah 635nm ke dalam sistem pemasangan kateter tahun lepas. Panjang gelombang lebih penting daripada yang orang sedar - 635nm muncul jauh lebih baik daripada 650nm di bawah pencahayaan pendarfluor biasa, kira-kira 4x lebih kelihatan mengikut dokumentasi teknikal Laserex. Perbezaan kos mungkin 15-20% tetapi berbaloi apabila pengendali menggunakan sistem penjajaran untuk syif 8 jam.

Laser hijau (biasanya 532nm) lebih kelihatan kepada mata manusia, kira-kira 5x lebih banyak daripada merah pada output kuasa yang sama. Tetapi harganya lebih mahal dan memakan bateri dengan lebih cepat. Kami mengukur cabutan semasa pada modul hijau 5mW pada 180mA berbanding 120mA untuk output merah yang setara. Untuk alat pegang tangan yang penting. Untuk pemasangan tetap dengan kuasa dinding, gunakan hijau jika bajet membenarkan.

ABB Robotics mula menyepadukan penunjuk laser ke dalam siri LHDN mereka sekitar 2017 untuk mengajar operasi loket. Menjadikan lebih mudah bagi juruteknik untuk menggambarkan laluan robot tanpa menjalankan operasi secara langsung. Modul laser yang mereka gunakan bukanlah unit komersil yang dibungkus semula - pada dasarnya dengan pelekap hentakan yang lebih baik dan perumah bertaraf IP67.

Fanuc mengambil pendekatan berbeza dengan robot kerjasama CRX mereka, meletakkan pemancar laser dalam bebibir alat dan menggunakannya untuk visualisasi zon keselamatan. Sistem mereka menayangkan tempat berdiameter 10-15mm yang bergerak dengan efektor hujung. Penggunaan kuasa berjalan kira-kira 2W berterusan, yang datang terus daripada belanjawan kuasa alat. Anda perlu mengambil kira itu apabila menentukan penggenggam atau pengesan hujung yang lain.

Universal Robots tidak menyertakan pemandangan laser sebagai standard tetapi ekosistem UR+ mereka mempunyai beberapa-pilihan pihak ketiga. Kamera Pergelangan Tangan Robotiq kadangkala dipadankan dengan laser sepaksi untuk pengukuran kedalaman, walaupun itu masuk ke wilayah cahaya berstruktur dan bukannya sasaran mudah.

Tahap laser pembinaan adalah kategori yang berbeza tetapi patut disebut. Siri GLL Bosch dan DW088 Dewalt menggunakan laser kelas 2 dan garis projek dan bukannya titik. DW088 berjalan sekitar $150 dan melontar garisan serenjang tepat kepada ±1/8 inci pada 30 kaki (helaian spesifikasi dewalt.com). Perkara ini telah menjadi cukup murah sehingga ia muncul dalam persekitaran kedai kecil untuk kerja susun atur.

Pengiraan hayat bateri menjadi tidak kemas kerana kecekapan diod laser berbeza mengikut suhu. Diod laser merah biasa mungkin 15-20% cekap, bermakna 80-85% kuasa input menjadi haba. Itulah sebabnya pemasangan tugas berterusan memerlukan penyerap haba walaupun untuk modul kuasa rendah.

Kami mengukur modul laser merah 5mW yang menarik 90mA pada 3.3V - iaitu kira-kira 300mW input untuk output 5mW, jadi kira-kira 17% kecekapan. Menggunakan bateri CR123A (kapasiti 1500mAh pada 3V) memberikan anda masa jalan teori selama 16-17 jam, tetapi anda akan melihat lebih seperti 12-14 jam dalam amalan kerana voltan bateri menurun di bawah beban.

Pemasangan itu sendiri menyebabkan separuh daripada masalah yang kita lihat dalam pemasangan lapangan. Lubang pelekap M3 adalah standard tetapi kedalaman benang berbeza antara pengeluar. Sesetengah modul Cina mengkhususkan benang M3x0.5 pada kedalaman 4mm, yang lain berkedalaman 6mm. Bunyi remeh tetapi apabila anda cuba melekap melalui plat aluminium 3mm dengan sambungan benang yang betul, perbezaan 2mm itu menentukan sama ada anda boleh menggunakan bolt standard atau memerlukan perkakasan tersuai.

Surefire menggunakan sistem perebut rel proprietari pada lampu senjata X400 mereka yang juga berfungsi hebat untuk pemasangan industri pada penyemperitan aluminium-slot. Daya pengapit boleh laras dan tidak bergantung pada tork benang, yang membantu mengekalkan sifar dalam-persekitaran getaran tinggi. Unit berharga kira-kira $600 tetapi kekal selama-lamanya. Kami telah beroperasi sejak 2018 dengan sifar penyelenggaraan selain daripada pertukaran bateri.

Laser Sight

Laser IR (biasanya 850nm atau 940nm panjang gelombang) muncul pada sensor kamera tetapi tidak pada mata manusia. Berguna untuk aplikasi penglihatan mesin di mana anda tidak mahu cahaya kelihatan mengganggu garis penglihatan pengendali. Edmund Optics menjual modul 850nm sekitar $200-300 yang dipasangkan dengan kamera industri standard. Kamera siri Basler ace mempunyai sensitiviti yang baik dalam julat itu - model acA1920-40gm mereka menunjukkan kecekapan kuantum 50% pada 850nm setiap lembaran data (baslerweb.com).

940nm menjadi lebih tidak kelihatan tetapi sensitiviti kamera berkurangan. Kebanyakan penderia silikon mungkin mempunyai 30% QE pada 940nm berbanding 50% pada 850nm, jadi anda melepaskan isyarat untuk penyamaran yang lebih baik. Hanya berbaloi jika-cahaya kelihatan manusia benar-benar menjadi masalah.

Alat penjajaran laser untuk sistem optik kadangkala menggunakan IR kerana ia berfungsi dalam persekitaran yang cahaya sesat yang boleh dilihat menyebabkan masalah. Laser penjajaran IR Newport Corporation menjalankan $800-1200 tetapi memberi anda output kuasa boleh laras dan kualiti pancaran yang lebih baik daripada modul murah. Nilai M² di bawah 1.1 berbanding 1.3-1.5 untuk unit komersial. Itu penting apabila anda cuba berganding ke dalam apertur kecil atau mengekalkan penyelarasan pada jarak yang jauh.

Kami tidak menggunakannya melainkan aplikasi menuntutnya. Kos bertambah dengan cepat.

"Penunjuk laser 5mW" boleh mempunyai perbezaan pancaran dari 0.5 miliradian hingga 1.5 miliradian. Pada 10 meter itulah perbezaan antara titik 5mm dan titik 15mm. Pengilang kadang-kadang spec ini, kadang-kadang tidak.

Laser hijau murah dari Amazon cenderung untuk menjalankan 1.2-perbezaan 1.5 mrad. Kami mengukur beberapa unit dengan persediaan mudah - laser pada jarak tetap, sasaran putih, ukur diameter tempat dengan angkup. Tidak betul-betul NIST boleh dikesan tetapi cukup baik untuk kerja aplikasi. Laser hijau DPSS yang lebih mahal daripada CNI atau Laserglow Technologies biasanya berada di bawah 1.0 mrad dengan profil pancaran bulat yang lebih baik.

Profil pancaran penting apabila anda cuba mencapai sasaran kecil. Pancaran Gaussian memberi anda tempat tengah yang bersih dengan pelancaran beransur-ansur. Laser diod yang lebih murah kadangkala mempunyai profil elips atau tidak teratur yang menjadikan sasaran tepat lebih sukar. Satu-satunya cara untuk mengetahui ialah sama ada mempercayai helaian spesifikasi pengeluar (berisiko tanpa-jenama nama) atau menguji diri sendiri.

Untuk penjajaran instrumen pembedahan, kami akhirnya menentukan perbezaan maksimum 0.6 mrad kerana jarak kerja ialah 400mm dan saiz sasaran ialah diameter 2mm. Itu memberi anda sedikit kecuaian tetapi tidak banyak. Premium kos untuk perbezaan yang lebih ketat adalah kira-kira 40% berbanding modul industri standard.

Kami meletakkan sistem penjajaran laser ke dalam persediaan kilang CNC untuk tetapan alat automatik. Nampak mudah - lekapkan laser ke perumah gelendong, pancarkan pancaran ke sasaran rujukan tetap, ukur sisihan sebelum setiap perubahan alat. Berfungsi dengan baik dalam ujian, gagal dalam pengeluaran kerana pemotongan kabus cecair merendahkan tingkap laser dalam masa 2 minggu. Tiada siapa yang memikirkannya semasa fasa reka bentuk.

Penyelesaian telah menambah muncung pembersihan udara termampat yang mengekalkan aliran udara berterusan merentasi apertur laser. Menambah $45 dalam bahagian dan 2 jam masa pemasangan bagi setiap mesin. Sepatutnya dalam reka bentuk asal.

Pampasan suhu adalah satu lagi perkara yang menggigit orang. Kami telah menentukan sistem penentududukan laser untuk alat susun atur komposit yang akan beroperasi dari 65 darjah F hingga 140 darjah F. Pengilang modul laser berkata unit mereka dinilaikan kepada 140 darjah F tetapi tidak menyebut bahawa anjakan sifar hanya dijamin kepada 120 darjah F. Di atas itu, pengembangan terma pendakap pelekap menggerakkan rasuk sebanyak 0.060 kaki pada 0.060 inci. Sama sekali tidak boleh diterima untuk toleransi layup.

Akhirnya bertukar kepada pengeluar lain (Komponen Laser DG GmbH, siri FP mereka) yang secara eksplisit memberikan data pampasan suhu. Kos adalah serupa, sekitar $380 setiap modul, tetapi mereka sebenarnya menguji dan mendokumentasikan tingkah laku yang kami ambil berat.

Laser Sight

Untuk-pengeluaran volum tinggi di mana penglihatan laser dibenamkan dalam produk, kadangkala anda hanya memasang diod mentah dan litar pemacu secara terus daripada membeli modul siap. Kami melakukan ini untuk peranti perubatan yang memerlukan laser merah 3mW - membeli diod Osram PLT5 450 pada kuantiti 1000 berjalan kira-kira $4.20 setiap satu (harga osram.com 2023 untuk pengedar), serta $2-3 lagi untuk IC pemacu dan pasif. Modul lengkap berharga $25-40 setiap satu, jadi DIY masuk akal pada volum.

Kelemahannya ialah anda melakukan reka bentuk optik anda sendiri, heatsinking, pengesahan litar pemacu dan ujian kebolehpercayaan. Untuk sesuatu yang masuk ke dalam peranti perubatan yang memerlukan penyerahan FDA, itu adalah kerja kejuruteraan yang besar. Kami menghabiskan kira-kira 200 jam jumlah keseluruhan untuk reka bentuk dan pengesahan, tetapi menjimatkan kira-kira $18,000 dalam kos komponen sepanjang tempoh pengeluaran. Berbaloi pada 1000+ unit, tidak berbaloi di bawah 500 unit.

Optik kolimat adalah bahagian yang sukar. Anda memerlukan sama ada kanta asfera atau sistem berbilang-elemen untuk mendapatkan kualiti pancaran yang baik daripada diod kosong. Edmund Optics menjual kanta asfera untuk penyatuan laser bermula sekitar $25-50 bergantung pada NA dan diameter. Tetapi untuk mendapatkan penyelarasan yang baik memerlukan jarak yang tepat antara diod dan kanta, biasanya dalam 0.05mm. Ini bermakna sama ada pemesinan ketepatan perumah atau skru pelarasan dengan penguncian.

Sesetengah pengeluar mengatasi masalah ini dengan-modul diod prakolimat. Thorlabs mempunyai siri CPS mereka yang menggabungkan diod, pemacu dan optik kolimat dalam pakej TO-tin yang padat. Sekitar $80-120 seunit yang masih lebih murah daripada penunjuk laser siap dan memberikan anda lebih fleksibiliti reka bentuk.

Tidak pasti mengapa lebih ramai orang tidak menggunakan ini untuk aplikasi terbenam. Mereka menyelesaikan kebanyakan masalah toleransi mekanikal sambil mengekalkan kos yang berpatutan pada volum sederhana.

Untuk modul laser mudah alih dalam julat 1-5mW,bateri litium CR1/3Nbekerja dengan baik. Ia kecil secara fizikal tetapi pek 170mAh pada 3V, cukup untuk masa jalan 8-10 jam pada modul laser merah biasa. Kami telah menggunakannya dalam alat penjajaran pegang tangan di mana bateri AA terlalu besar. Kos berjalan kira-kira $2-3 setiap sel dalam kuantiti dan jangka hayat ialah 10+ tahun yang penting untuk inventori ganti.