Escaneo láser

La mayoría de los escáneres láser utilizan espejos móviles para dirigir el haz láser. La dirección del haz puede ser unidimensional , como en 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 de galvanómetro resonante , o un movimiento libremente direccionable , como en los escáneres de galvanómetro servocontrolados . También se utilizan los términos escaneo raster y escaneo vectorial para distinguir ambas 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 sobre dos ejes (técnica utilizada principalmente en sistemas de escaneo lento) o reflejar el haz láser sobre dos espejos muy próximos entre sí, montados sobre ejes ortogonales. Cada uno de los dos espejos, planos o poligonales, se acciona mediante un galvanómetro o un motor eléctrico, respectivamente. Los sistemas bidimensionales son esenciales para la mayoría de las aplicaciones en procesamiento de materiales, microscopía confocal y ciencias médicas. Algunas aplicaciones requieren posicionar el foco de un haz láser en tres dimensiones . Esto se logra mediante un sistema de lentes servocontrolado, generalmente denominado "desplazador de foco" o "desplazador Z". Muchos escáneres láser también permiten modificar la intensidad del láser.

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

La forma más común de mover espejos es, como ya se mencionó, mediante un motor eléctrico o un galvanómetro . Sin embargo, los actuadores piezoeléctricos o magnetostrictivos son alternativas. Ofrecen velocidades angulares más altas, pero a menudo a costa de ángulos máximos más pequeños. También existen microescáneres , dispositivos MEMS que contienen un pequeño espejo (milimétrico) con inclinación controlable en una o dos dimensiones; estos se utilizan en picoproyectores .

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

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

Algunos escáneres láser especiales utilizan, en lugar de espejos móviles, deflectores acustoópticos o electroópticos . Estos mecanismos permiten alcanzar las frecuencias de escaneo más altas posibles hasta la fecha. Se emplean, por ejemplo, en sistemas de televisión láser . Sin embargo, estos sistemas también son mucho más caros que los sistemas de escaneo con espejos.

Se están realizando investigaciones para lograr el escaneo de haces láser mediante matrices de 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 desarrollar escáneres láser rápidos en un futuro próximo.

En el campo del escaneo de objetos 3D , el escaneo láser (también conocido como lidar ) combina la dirección controlada de haces láser con un telémetro láser . Al medir la 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 sobre un pedestal giratorio, en una técnica similar a la fotogrametría . ^{[ 2 ]}

El escaneo de objetos 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 .

Según la potencia del láser, su influencia sobre la pieza de trabajo varía: se utilizan potencias bajas para el grabado y la ablación láser , donde el material se elimina parcialmente. Con potencias más altas, el material se vuelve fluido y se puede realizar la soldadura láser ; o, si la potencia es suficiente para eliminar el material por completo, se puede realizar el corte láser . Los láseres modernos pueden cortar bloques de acero de 10  cm o más de espesor, o ablacionar una capa de la córnea de tan solo unos pocos micrómetros.

La capacidad de los láseres para endurecer polímeros líquidos, junto con los escáneres láser, se utiliza en la creación rápida de prototipos ; la capacidad de fundir polímeros y metales, con escáneres láser, se utiliza para producir piezas mediante sinterización láser o fusión láser .

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

Es necesario escanear el foco del láser en la tercera dimensión espacial para algunas aplicaciones especiales, como el grabado láser de superficies curvas o el marcado en vidrio, donde el láser debe influir en el material en puntos específicos. En estos casos, es importante que el láser tenga un punto focal lo más pequeño posible.

Para aplicaciones de escaneo láser avanzadas o para un alto rendimiento de material durante la producción, se utilizan sistemas de escaneo con más de un cabezal. En estos casos, el software debe controlar con precisión las acciones dentro de una aplicación multicabezal: es posible que todos los cabezales disponibles marquen la misma pieza para acelerar el procesamiento, o que marquen una sola pieza en paralelo, donde cada cabezal realiza una parte del trabajo en áreas de trabajo extensas.

Muchos lectores de códigos de barras, especialmente aquellos capaces de leerlos a pocos metros de distancia, utilizan haces láser escaneados. En estos dispositivos, un haz láser semiconductor suele escanearse mediante un escáner de espejo resonante. El espejo se acciona electromagnéticamente y está fabricado con un polímero recubierto de metal.

Cuando una nave de transporte espacial debe acoplarse a la estación espacial, debe maniobrar cuidadosamente hasta la posición correcta. Para determinar su posición relativa con respecto a la estación espacial, los escáneres láser integrados en la parte frontal de la nave analizan la forma de la estación y, a continuación, un ordenador determina las órdenes de maniobra. Para esta aplicación se utilizan escáneres de galvanómetro resonante.

Los espectáculos de luces láser suelen utilizar dos escáneres galvanométricos en una configuración XY para dibujar patrones o imágenes en paredes, techos u otras superficies, incluyendo humo y niebla teatrales, con fines de entretenimiento o promoción.