ლაზერული მხედველობის ინტეგრაცია თანამედროვე აპლიკაციებისთვის

ადამიანების უმეტესობა ფიქრობს, რომ ლაზერული სამიზნეები მხოლოდ ცეცხლსასროლი იარაღისთვისაა, მაგრამ ტექნოლოგია გავრცელდა ამ საწყისი ბაზრის მიღმა. ჩვენ ვმუშაობთ ლაზერული დამიზნების სისტემებთან 2019 წლიდან და აპლიკაციები აგრძელებს გაფართოებას ინდუსტრიულ, სამედიცინო და რობოტიკის სექტორებში, სადაც მნიშვნელოვანია მითითების სიზუსტე.

ძირითადი პრინციპი დიდად არ შეცვლილა - თქვენ აპროექტებთ ხილულ ან IR სხივს, რომელიც აღნიშნავს სად მოხვდება რაღაც ან სად ჩაერთვება ხელსაწყო. მაგრამ შესრულება სწრაფად რთულდება, როდესაც აფასებთ სამონტაჟო ვარიანტებს, ენერგიის მოთხოვნებს და გარემო პირობებს.

Crimson Trace-მა გამოუშვა მათი Rail Master სერია ჯერ კიდევ 2018 წელს და ამ ერთეულებს შეეძლოთ 1000 გ უკუცემის დარტყმა. ეს სპეციფიკაცია გახდა სამრეწველო მონტაჟის ეტალონი, რადგან თუ ის გადაურჩა ცეცხლსასროლი იარაღის უკუცემას, ის გაუმკლავდება უმეტეს ვიბრაციულ გარემოს წარმოებაში. RM-110 მოდელს აწარმოებდა დაახლოებით $280 საცალო ვაჭრობა (crimsontrace.com-ის ფასი 2020 წლიდან), რომელიც ციცაბო იყო, მაგრამ მოგცათ 5 მვტ წითელი ლაზერი, რომელიც ნულოვანი იყო განმეორებითი ზემოქმედების შემდეგ.

ასამბლეის ხაზის მუშაობისთვის, ჩვენ გამოვცადეთ Streamlight-ის TLR სერიები საზღვარგარეთის მწარმოებლების რამდენიმე იაფი ვარიანტთან ერთად. ტემპერატურული დრიფტი იყო მკვლელი - ერთეული, რომლის ღირებულებაც 50$-ზე ნაკლები იყო, გადაიტანდა მიზნის წერტილს 3-4 ინჩით 20 ფუტის სიმაღლეზე 60 გრადუსი F-დან 95 გრადუს F-მდე მაღაზიის იატაკის ტემპერატურამდე. Streamlight-ის ერთეულებმა (დაახლოებით 180-220$, მოდელიდან გამომდინარე) ინარჩუნებდნენ ნულს 0,5 ინჩის ფარგლებში ამ დიაპაზონში ჩვენი სკამების ტესტირების მიხედვით 2021 წლის ზაფხულში.

თქვენ ყოველთვის არ გჭირდებათ სტაბილურობის ეს დონე. მთლიანად დამოკიდებულია იმაზე, თუ რას აკეთებთ.

Laser Sight

ეს უცნაური ხდება, რადგან სამედიცინო მოწყობილობის აწყობას ხშირად ესაჭიროება მე-2 კლასის ლაზერები (1 მვტ-ზე ნაკლები გამომავალი FDA-ის რეგულაციების მიხედვით - accessdata.fda.gov-ს აქვს სრული კლასიფიკაცია), მაგრამ საჭიროა პოზიციონირების სიზუსტე 0,1 მმ-ზე ნაკლები სამუშაო დისტანციებზე 300-500 მმ. Coherent Inc. აწარმოებს ლაზერულ მოდულებს, რომლებიც შეესაბამება ამ სპეციფიკაციებს - მათი CUBE სერია ღირს დაახლოებით $400-600 ერთეულზე, ტალღის სიგრძისა და გამომავალი სიმძლავრის მიხედვით.

ჩვენ შარშან გავაერთიანეთ 635 ნმ წითელი ლაზერები კათეტერის აწყობის სისტემაში. ტალღის სიგრძეს იმაზე მეტი მნიშვნელობა აქვს, ვიდრე ადამიანებს ესმით - 635ნმ უფრო კარგად ჩანს, ვიდრე 650 ნმ ტიპიური ფლუორესცენტური განათების პირობებში, რაღაც 4-ჯერ უფრო ხილული Laserex-ის ტექნიკური დოკუმენტაციის მიხედვით. ღირებულების სხვაობა შეიძლება იყოს 15-20%, მაგრამ ღირს, როდესაც ოპერატორები იყენებენ გასწორების სისტემას 8-საათიანი ცვლაში.

მწვანე ლაზერები (ჩვეულებრივ, 532 ნმ) კიდევ უფრო ხილულია ადამიანის თვალისთვის, დაახლოებით 5-ჯერ მეტი ვიდრე წითელი იმავე სიმძლავრის გამომუშავებით. მაგრამ ისინი უფრო ძვირია და ბატარეებს უფრო სწრაფად ჭამენ. ჩვენ გავზომეთ დენის გატარება 5 მვტ მწვანე მოდულზე 180 mA-ზე 120 mA-ის წინააღმდეგ ექვივალენტური წითელი გამოსავლისთვის. ხელის ხელსაწყოებისთვის, რაც მნიშვნელოვანია. კედლის სიმძლავრის მქონე ფიქსირებული ინსტალაციისთვის გამოიყენეთ მწვანე, თუ ბიუჯეტი იძლევა.

ABB Robotics-მა დაიწყო ლაზერული მაჩვენებლების ინტეგრირება მათ IRB სერიებში დაახლოებით 2017 წელს გულსაკიდი ოპერაციების შესასწავლად. გაუადვილა ტექნიკოსებს რობოტის ბილიკების ვიზუალიზაცია ცოცხალი ოპერაციების გარეშე. ლაზერული მოდულები, რომლებსაც ისინი იყენებდნენ, არ იყო ლამაზი - ძირითადად ხელახლა შეფუთული კომერციული ერთეულები უკეთესი შოკის დამაგრებით და IP67 რეიტინგული კორპუსებით.

Fanuc-მა განსხვავებული მიდგომა მიიღო თავისი CRX ერთობლივი რობოტებით, ჩადო ლაზერული ემიტერი ხელსაწყოს ფლანგში და გამოიყენა იგი უსაფრთხოების ზონის ვიზუალიზაციისთვის. მათი სისტემა აპროექტებს 10-15 მმ დიამეტრის ლაქას, რომელიც მოძრაობს ბოლო ეფექტორთან ერთად. ენერგიის მოხმარება მუშაობს დაახლოებით 2 ვტ უწყვეტად, რაც პირდაპირ გამოდის ხელსაწყოს დენის ბიუჯეტიდან. თქვენ უნდა გაითვალისწინოთ ეს, როდესაც მიუთითებთ გრიპერებს ან სხვა ბოლო ეფექტორებს.

Universal Robots არ შეიცავს ლაზერულ სამიზნეებს სტანდარტულად, მაგრამ მათ UR+ ეკოსისტემას აქვს რამდენიმე მესამე მხარის-ოფცია. Robotiq მაჯის კამერა ხანდახან წყვილდება კოაქსიალურ ლაზერთან სიღრმის გაზომვისთვის, თუმცა ეს არის სტრუქტურირებული სინათლის ზონაში მოხვედრა და არა მარტივი დამიზნება.

სამშენებლო ლაზერული დონეები სრულიად განსხვავებული კატეგორიაა, მაგრამ აღსანიშნავია. Bosch-ის GLL სერია და Dewalt-ის DW088 ორივე იყენებს 2 კლასის ლაზერებს და საპროექტო ხაზებს წერტილების ნაცვლად. DW088 ეღირება დაახლოებით $150 და ისვრის პერპენდიკულარულ ხაზებს სიზუსტით ± 1/8 ინჩამდე 30 ფუტზე (dewalt.com სპეციფიკაციების ფურცელი). ეს ნივთები საკმარისად იაფი გახდა, რომ ისინი ჩნდებიან პატარა მაღაზიის გარემოში განლაგების სამუშაოებისთვის.

ბატარეის მუშაობის გამოთვლები ბინძურდება, რადგან ლაზერული დიოდის ეფექტურობა იცვლება ტემპერატურის მიხედვით. ტიპიური წითელი ლაზერული დიოდი შეიძლება იყოს 15-20% ეფექტურობა, რაც ნიშნავს, რომ შეყვანის სიმძლავრის 80-85% იქცევა სითბოში. სწორედ ამიტომ, უწყვეტი მუშაობის ინსტალაციას სჭირდება სითბოს ჩაძირვა დაბალი სიმძლავრის მოდულებისთვისაც კი.

ჩვენ გავზომეთ 5 მვტ წითელი ლაზერული მოდული, რომელიც იზიდავს 90 mA-ს 3.3 ვოლტზე -, რაც დაახლოებით 300 მვტ შეყვანაა 5 მვტ გამოსავალზე, ანუ დაახლოებით 17% ეფექტურობა. CR123A ბატარეის გამორთვა (1500 mAh სიმძლავრე 3V-ზე) გაძლევთ თეორიულ მუშაობის ხანგრძლივობას 16-17 საათს, მაგრამ პრაქტიკაში უფრო მეტს ნახავთ 12-14 საათს, რადგან ბატარეის ძაბვა ეცემა დატვირთვის დროს.

თავად მონტაჟი იწვევს იმ პრობლემების ნახევარს, რასაც ჩვენ ვხედავთ საველე ინსტალაციაში. M3 სამონტაჟო ხვრელები სტანდარტულია, მაგრამ ძაფის სიღრმე განსხვავდება მწარმოებლებს შორის. ზოგიერთი ჩინური მოდული განსაზღვრავს M3x0.5 ძაფებს 4 მმ სიღრმეზე, ზოგი კი 6 მმ სიღრმეზე. ტრივიალურად ჟღერს, მაგრამ როცა ცდილობთ 3 მმ ალუმინის ფირფიტაზე დამაგრებას ძაფების სათანადო ჩართვის საშუალებით, ეს 2 მმ განსხვავება განსაზღვრავს, შეგიძლიათ გამოიყენოთ სტანდარტული ჭანჭიკი თუ გჭირდებათ მორგებული აპარატურა.

Surefire იყენებს საკუთრებაში არსებულ სარკინიგზო სისტემას მათი X400 იარაღის ნათურებზე, რომელიც ასევე მშვენივრად მუშაობს სამრეწველო დასამონტაჟებლად T-სლოტ ალუმინის ექსტრუზიისთვის. დამაგრების ძალა რეგულირდება და არ ეყრდნობა ძაფის ბრუნვას, რაც ხელს უწყობს ნულის შენარჩუნებას მაღალი-ვიბრაციის გარემოში. ერთეული დაახლოებით $600 ღირს, მაგრამ სამუდამოდ გრძელდება. ჩვენ გვაქვს გარკვეული მუშაობა 2018 წლიდან მოყოლებული ბატარეის გაცვლის მიღმა ნულოვანი მოვლა-პატრონობით.

Laser Sight

IR ლაზერები (როგორც წესი, 850 ნმ ან 940 ნმ ტალღის სიგრძე) ჩნდება კამერის სენსორებზე, მაგრამ არა ადამიანის თვალებზე. სასარგებლოა მანქანური ხედვის აპლიკაციებისთვის, სადაც არ გსურთ ხილული შუქის ჩარევა ოპერატორის მხედველობის ხაზებში. Edmund Optics ყიდის 850 ნმ მოდულებს დაახლოებით $200-300 დოლარამდე, რომლებიც წყვილს აერთიანებს სტანდარტულ სამრეწველო კამერებთან. Basler ace სერიის კამერებს აქვთ კარგი მგრძნობელობა ამ დიაპაზონში - მათი acA1920-40gm მოდელი აჩვენებს 50% კვანტურ ეფექტურობას 850 ნმ-ზე მონაცემთა ფურცელზე (baslerweb.com).

940 ნმ კიდევ უფრო უხილავი ხდება, მაგრამ კამერის მგრძნობელობა იკლებს. სილიკონის სენსორების უმეტესობას აქვს შესაძლოა 30% QE 940nm-ზე 50% 850nm-ზე, ასე რომ თქვენ უარს იტყვით სიგნალზე უკეთესი დაფარვისთვის. მხოლოდ მაშინ ღირს, თუ ადამიანის-ხილული შუქი ნამდვილად პრობლემაა.

ოპტიკური სისტემებისთვის ლაზერული გასწორების ხელსაწყოები ზოგჯერ იყენებენ IR, რადგან ისინი მუშაობენ ისეთ გარემოში, სადაც ხილული მაწანწალა სინათლე იწვევს პრობლემებს. Newport Corporation-ის IR გასწორების ლაზერები მუშაობს $800-1200, მაგრამ გაძლევთ რეგულირებადი სიმძლავრის გამომუშავებას და უკეთესი სხივის ხარისხს, ვიდრე იაფი მოდულები. M² მნიშვნელობები 1.1-ზე ნაკლები კომერციული ერთეულებისთვის 1.3-1.5-ის წინააღმდეგ. ამას აქვს მნიშვნელობა, როდესაც ცდილობთ პატარა დიაფრაგმების დაწყვილებას ან შორ მანძილზე კოლიმაციის შენარჩუნებას.

ჩვენ არ ვიყენებთ მათ, თუ აპლიკაცია ამას არ მოითხოვს. ღირებულება სწრაფად ემატება.

"5 მვტ ლაზერულ მაჩვენებელს" შეიძლება ჰქონდეს სხივის დივერგენცია 0,5 მილირადიანიდან 1,5 მილირადიანამდე. 10 მეტრზე ეს არის განსხვავება 5 მმ წერტილსა და 15 მმ წერტილს შორის. მწარმოებლები ხან ამას აკონკრეტებენ, ხან არა.

ამაზონის იაფი მწვანე ლაზერები, როგორც წესი, მუშაობს 1.2-1.5 mrad დივერგენციით. ჩვენ გავზომეთ რამდენიმე ერთეული მარტივი დაყენებით - ლაზერი ფიქსირებულ მანძილზე, თეთრი სამიზნე, გავზომეთ ლაქების დიამეტრი კალიპერებით. არ არის ზუსტად NIST მიკვლევადი, მაგრამ საკმარისად კარგია აპლიკაციის მუშაობისთვის. უფრო ძვირი DPSS მწვანე ლაზერები CNI-დან ან Laserglow Technologies-დან, როგორც წესი, მოდის 1.0 mrad-ზე ნაკლები უკეთესი წრიული სხივის პროფილებით.

სხივის პროფილს აქვს მნიშვნელობა, როდესაც ცდილობთ პატარა სამიზნეების დარტყმას. გაუსიანი სხივი გაძლევთ სუფთა ცენტრალურ ადგილს თანდათანობით ჩამორთმევით. უფრო იაფ დიოდურ ლაზერებს ზოგჯერ აქვთ ელიფსური ან არარეგულარული პროფილები, რაც ართულებს ზუსტ დამიზნებას. ამის ცოდნის ერთადერთი გზაა ან ენდოთ მწარმოებლის სპეციფიკაციების ფურცელს (სარისკოა-ბრენდების გარეშე) ან შეამოწმოთ საკუთარი თავი.

ქირურგიული ხელსაწყოების გასწორებისთვის, ჩვენ დავასრულეთ 0,6 mrad დივერგენციის მაქსიმუმი, რადგან სამუშაო მანძილი იყო 400 მმ და სამიზნე ზომა იყო 2 მმ დიამეტრი. ეს გაძლევს გარკვეულ დახრილობას, მაგრამ არა დიდად. უფრო მჭიდრო დივერგენციისთვის ფასის პრემია იყო დაახლოებით 40% სტანდარტულ სამრეწველო მოდულებთან შედარებით.

ჩვენ ვათავსებთ ლაზერული გასწორების სისტემებს CNC წისქვილში ავტომატური ხელსაწყოების დასაყენებლად. როგორც ჩანს, მარტივია - ლაზერის დამაგრება შპინდლის კორპუსზე, პროექტის სხივი ფიქსირებულ სამიზნეზე, გაზომეთ გადახრა ყოველი ხელსაწყოს შეცვლამდე. ტესტირებაში კარგად მუშაობდა, წარმოებაში ვერ მოხერხდა, რადგან თხევადი ნისლის მოჭრამ ლაზერის ფანჯარა 2 კვირაში გააფუჭა. დიზაინის ეტაპზე ამაზე არავინ ფიქრობდა.

გამოსავალს დაემატა შეკუმშული ჰაერის გამწმენდი საქშენი, რომელიც ინარჩუნებდა ჰაერის მუდმივ ნაკადს ლაზერის დიაფრაგზე. დამატებულია 45$ ნაწილებში და 2 საათის ინსტალაციის დრო თითო მანქანაზე. ორიგინალურ დიზაინში უნდა ყოფილიყო.

ტემპერატურის კომპენსაცია არის კიდევ ერთი რამ, რაც ადამიანებს კბენს. ჩვენ დავადგინეთ ლაზერული პოზიციონირების სისტემა კომპოზიტური განლაგების ხელსაწყოსთვის, რომელიც იმუშავებდა 65 გრადუსი F-დან 140 გრადუსამდე F-მდე. ლაზერული მოდულის მწარმოებელმა თქვა, რომ მათი ერთეული შეფასებულია 140 გრადუს F-მდე, მაგრამ არ უთქვამს, რომ ნულოვანი ცვლა გარანტირებულია მხოლოდ 120 F-მდე. ამის ზემოთ, სამონტაჟო ფრჩხილის თერმული გაფართოება 60-დან 60 გრადუსამდე ფრჩხილით გადავიდა. სრულიად მიუღებელია განლაგების ტოლერანტობისთვის.

დასრულდა სხვა მწარმოებელზე გადასვლა (Laser Components DG GmbH, მათი FP სერია), რომელიც ცალსახად აწვდიდა ტემპერატურის კომპენსაციის მონაცემებს. ღირებულება იყო მსგავსი, დაახლოებით $380 თითო მოდული, მაგრამ მათ რეალურად შეამოწმეს და დააფიქსირეს ქცევა, რომელიც ჩვენ გვაინტერესებდა.

Laser Sight

მაღალი-მოცულობის წარმოებისთვის, სადაც ლაზერული სანახაობა ჩართულია პროდუქტში, ზოგჯერ თქვენ უბრალოდ ამონტაჟებთ დაუმუშავებელ დიოდს და დრაივერის წრეს, ვიდრე მზა მოდულის შეძენას. ჩვენ ეს გავაკეთეთ სამედიცინო მოწყობილობისთვის, რომელსაც სჭირდებოდა 3 მვტ წითელი ლაზერი - ყიდულობდა Osram PLT5 450 დიოდებს 1000 ოდენობით, თითო დაახლოებით 4,20 აშშ დოლარი (osram.com 2023 ფასი დისტრიბუტორებისთვის), პლუს კიდევ 2-3 $ დრაივერის IC და პასივებისთვის. სრული მოდულები თითო $25-40 ღირს, ასე რომ, წვრილმანი აზრი ჰქონდა მოცულობაში.

მინუსი არის ის, რომ თქვენ აკეთებთ საკუთარ ოპტიკურ დიზაინს, სითბოს ჩაძირვას, დრაივერის წრედის ვალიდაციას და საიმედოობის ტესტირებას. სამედიცინო მოწყობილობაში შემავალი რაღაცისთვის, რომელიც მოითხოვს FDA-ს წარდგენას, ეს მნიშვნელოვანი საინჟინრო სამუშაოა. ჩვენ მთლიანობაში დაახლოებით 200 საათი დავხარჯეთ დიზაინსა და ვალიდაციაზე, მაგრამ დაზოგეთ დაახლოებით 18,000 აშშ დოლარი კომპონენტების ხარჯებში წარმოების დროს. ღირს 1000+ ერთეული, არ ღირს 500 ერთეულზე ნაკლები.

კოლიმატური ოპტიკა რთული ნაწილია. თქვენ გჭირდებათ ასფერული ობიექტივი ან მრავალ-ელემენტური სისტემა, რათა მიიღოთ სხივის კარგი ხარისხი შიშველი დიოდიდან. Edmund Optics ყიდის ასფერულ ლინზებს ლაზერული კოლიმაციისთვის, დაახლოებით 25-50 დოლარიდან, NA და დიამეტრის მიხედვით. მაგრამ კარგი კოლიმაციის მისაღებად საჭიროა ზუსტი მანძილი დიოდსა და ლინზას შორის, როგორც წესი, 0.05 მმ-ის ფარგლებში. ეს ნიშნავს ან კორპუსის ზუსტი დამუშავებას ან რეგულირების ხრახნებს საკეტით.

ზოგიერთი მწარმოებელი აგვარებს ამას წინასწარ-კოლიმირებული დიოდური მოდულებით. Thorlabs-ს აქვს თავისი CPS სერია, რომელიც აერთიანებს დიოდს, დრაივერს და კოლიმატორ ოპტიკას კომპაქტურ TO-კანის პაკეტში. დაახლოებით $80-120 ერთეულზე, რაც ჯერ კიდევ უფრო იაფია, ვიდრე მზა ლაზერული მაჩვენებლები და გაძლევთ უფრო მეტ დიზაინს მოქნილობას.

არ ვიცი, რატომ არ იყენებს უფრო მეტი ადამიანი მათ ჩაშენებული აპლიკაციებისთვის. ისინი წყვეტენ მექანიკური ტოლერანტობის პრობლემების უმეტესობას, მაგრამ მაინც ინარჩუნებენ ხარჯებს გონივრულ მოცულობებზე.

პორტატული ლაზერული მოდულებისთვის 1-5 მვტ დიაპაზონში,ლითიუმის CR1/3N ბატარეამუშაობს საოცრად კარგად. ისინი ფიზიკურად პატარაა, მაგრამ შეფუთულია 170 mAh 3V-ზე, რაც საკმარისია 8-10 საათის მუშაობისთვის ტიპიურ წითელ ლაზერულ მოდულებზე. ჩვენ გამოვიყენეთ ისინი ხელის გასწორების ხელსაწყოებში, სადაც AA ბატარეები ძალიან მოცულობითი იყო. ღირებულება შეადგენს დაახლოებით 2-3$ თითო უჯრედზე რაოდენობით და შენახვის ვადა არის 10+ წელი, რაც მნიშვნელოვანია სათადარიგო მარაგისთვის.