การผสานรวมสายตาเลเซอร์สำหรับการใช้งานสมัยใหม่

คนส่วนใหญ่คิดว่าการมองเห็นด้วยเลเซอร์นั้นมีไว้สำหรับอาวุธปืนเท่านั้น แต่เทคโนโลยีได้แพร่กระจายไปไกลกว่าตลาดเริ่มแรกนั้น เราทำงานร่วมกับระบบการเล็งด้วยเลเซอร์มาตั้งแต่ปี 2019 และการใช้งานต่างๆ ได้ขยายไปสู่ภาคอุตสาหกรรม การแพทย์ และหุ่นยนต์ที่การชี้ที่แม่นยำเป็นสิ่งสำคัญ

หลักการพื้นฐานไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปมากนัก - คุณกำลังฉายลำแสงที่มองเห็นได้หรือลำแสง IR ซึ่งระบุตำแหน่งที่บางสิ่งจะชนหรือตำแหน่งที่เครื่องมือจะกระทบ แต่การดำเนินการจะซับซ้อนอย่างรวดเร็วเมื่อคุณพิจารณาตัวเลือกการติดตั้ง ความต้องการพลังงาน และสภาพแวดล้อม

Crimson Trace เปิดตัวซีรีส์ Rail Master ของพวกเขาย้อนกลับไปในปี 2018 และยูนิตเหล่านั้นสามารถรองรับแรงกระแทกจากการหดตัวได้ 1,000G ข้อมูลจำเพาะนั้นกลายเป็นเกณฑ์มาตรฐานสำหรับการติดตั้งทางอุตสาหกรรม เพราะหากรอดจากการหดตัวของปืน มันจะรับมือกับสภาพแวดล้อมการสั่นสะเทือนส่วนใหญ่ในการผลิตได้ รุ่น RM-110 มีราคาขายปลีกประมาณ 280 ดอลลาร์ (ราคา crimsontrace.com ตั้งแต่ปี 2020) ซึ่งสูงชันแต่ให้เลเซอร์สีแดง 5mW แก่คุณ ซึ่งยังคงเป็นศูนย์หลังจากการกระแทกซ้ำหลายครั้ง

สำหรับงานสายการประกอบ เราได้ทดสอบซีรีส์ TLR ของ Streamlight ควบคู่ไปกับตัวเลือกที่ถูกกว่าจากผู้ผลิตในต่างประเทศ การเคลื่อนตัวของอุณหภูมิเป็นปัจจัยสำคัญ - หน่วยที่มีราคาต่ำกว่า 50 ดอลลาร์ จะเปลี่ยนจุดเล็งได้ 3-4 นิ้วที่ระยะ 20 ฟุต เมื่อเปลี่ยนจากอุณหภูมิพื้นร้าน 60 องศาฟาเรนไฮต์เป็น 95 องศาฟาเรนไฮต์ หน่วย Streamlight (ประมาณ 180-220 เหรียญสหรัฐขึ้นอยู่กับรุ่น) มีค่าเป็นศูนย์ภายในระยะ 0.5 นิ้วตลอดช่วงนั้น ตามการทดสอบแบบตั้งโต๊ะของเราในฤดูร้อนปี 2021

คุณไม่จำเป็นต้องมีความมั่นคงในระดับนั้นเสมอไป ขึ้นอยู่กับสิ่งที่คุณกำลังทำ

Laser Sight

สิ่งนี้ดูแปลกเพราะการประกอบอุปกรณ์ทางการแพทย์มักจะต้องใช้เลเซอร์คลาส 2 (เอาต์พุตต่ำกว่า 1mW ตามกฎระเบียบของ FDA - accessdata.fda.gov มีการจำแนกประเภททั้งหมด) แต่ต้องการความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งต่ำกว่า 0.1 มม. ที่ระยะการทำงาน 300-500 มม. Coherent Inc. ผลิตโมดูลเลเซอร์ที่มีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดดังกล่าว โดยซีรีส์ CUBE มีราคาประมาณ 400-600 เหรียญสหรัฐต่อหน่วย ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นและกำลังไฟฟ้าที่ส่งออก

เราได้รวมเลเซอร์สีแดงขนาด 635 นาโนเมตรเข้ากับระบบการประกอบสายสวนเมื่อปีที่แล้ว ความยาวคลื่นมีความสำคัญมากกว่าที่ผู้คนจะตระหนักได้ว่า - 635นาโนเมตรแสดงให้เห็นได้ดีกว่า 650 นาโนเมตรภายใต้แสงไฟฟลูออเรสเซนต์ทั่วไป ซึ่งมองเห็นได้ชัดเจนกว่าถึง 4 เท่าตามเอกสารทางเทคนิคของ Laserex ต้นทุนที่แตกต่างกันอาจอยู่ที่ 15-20% แต่ก็คุ้มค่าเมื่อผู้ปฏิบัติงานใช้ระบบการจัดตำแหน่งสำหรับกะ 8 ชั่วโมง

เลเซอร์สีเขียว (โดยทั่วไปคือ 532 นาโนเมตร) สามารถมองเห็นได้ด้วยตามนุษย์ มากกว่าสีแดงประมาณ 5 เท่าที่เอาท์พุตพลังงานเท่ากัน แต่ราคาแพงกว่าและกินแบตเตอรี่เร็วกว่า เราวัดการดึงกระแสบนโมดูลสีเขียว 5mW ที่ 180mA เทียบกับ 120mA สำหรับเอาต์พุตสีแดงที่เทียบเท่ากัน สำหรับเครื่องมือพกพาที่สำคัญ สำหรับการติดตั้งแบบยึดกับที่ซึ่งใช้ไฟติดผนัง ให้ใช้สีเขียวหากงบประมาณเอื้ออำนวย

ABB Robotics เริ่มรวมตัวชี้เลเซอร์เข้ากับซีรี่ส์ IRB ประมาณปี 2017 เพื่อสอนการใช้งานจี้ ช่วยให้ช่างเทคนิคมองเห็นเส้นทางของหุ่นยนต์ได้ง่ายขึ้นโดยไม่ต้องดำเนินการจริง โมดูลเลเซอร์ที่พวกเขาใช้นั้นไม่มีอะไรพิเศษเลย - โดยพื้นฐานแล้วเป็นหน่วยเชิงพาณิชย์ที่บรรจุหีบห่อใหม่พร้อมการติดตั้งกันกระแทกที่ดีกว่าและตัวเครื่องที่ได้รับการจัดอันดับ IP67

Fanuc ใช้แนวทางที่แตกต่างกับหุ่นยนต์ร่วมปฏิบัติงาน CRX โดยวางตัวปล่อยเลเซอร์ไว้ที่หน้าแปลนเครื่องมือ และใช้สำหรับการแสดงภาพโซนปลอดภัย ระบบของพวกเขาฉายสปอตที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10-15 มม. ซึ่งเคลื่อนที่ไปพร้อมกับเอฟเฟกต์ส่วนปลาย การใช้พลังงานทำงานต่อเนื่องประมาณ 2 วัตต์ ซึ่งมาจากงบประมาณด้านพลังงานของเครื่องมือโดยตรง คุณต้องคำนึงถึงเรื่องนั้นเมื่อระบุมือจับหรืออุปกรณ์ปลายสายอื่นๆ

Universal Robots ไม่มีระบบเล็งเลเซอร์เป็นมาตรฐาน แต่ระบบนิเวศ UR+ มีตัวเลือกของบุคคลที่สาม-หลายตัว บางครั้งกล้อง Robotiq Wrist Camera จะจับคู่กับเลเซอร์โคแอกเชียลเพื่อการวัดเชิงลึก แม้ว่าจะเป็นการเจาะเข้าไปในขอบเขตของแสงที่มีโครงสร้างมากกว่าการเล็งแบบธรรมดาก็ตาม

ระดับเลเซอร์ก่อสร้างเป็นประเภทที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงแต่ก็คุ้มค่าที่จะกล่าวถึง ซีรีส์ GLL ของ Bosch และ DW088 ของ Dewalt ใช้เลเซอร์คลาส 2 และเส้นโปรเจ็กต์แทนจุด DW088 มีราคาประมาณ 150 เหรียญสหรัฐ และพ่นเส้นตั้งฉากที่แม่นยำถึง ±1/8 นิ้วที่ระยะ 30 ฟุต (แผ่นข้อมูลจำเพาะ dewalt.com) สิ่งเหล่านี้มีราคาถูกพอที่จะแสดงในสภาพแวดล้อมของร้านค้าเล็กๆ สำหรับงานเลย์เอาต์

การคำนวณอายุการใช้งานแบตเตอรี่อาจยุ่งเหยิงเนื่องจากประสิทธิภาพของเลเซอร์ไดโอดจะแปรผันตามอุณหภูมิ เลเซอร์ไดโอดสีแดงทั่วไปอาจมีประสิทธิภาพ 15-20% ซึ่งหมายความว่า 80-85% ของกำลังไฟฟ้าเข้าจะกลายเป็นความร้อน นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการติดตั้งที่ต้องใช้งานต่อเนื่องจึงจำเป็นต้องมีการระบายความร้อนแม้แต่กับโมดูลที่ใช้พลังงานต่ำก็ตาม

เราวัดโมดูลเลเซอร์สีแดง 5mW ซึ่งดึง 90mA ที่ 3.3V - ซึ่งเป็นอินพุตประมาณ 300mW สำหรับเอาต์พุต 5mW ดังนั้นประสิทธิภาพประมาณ 17% การใช้แบตเตอรี่ CR123A (ความจุ 1500mAh ที่ 3V) จะทำให้คุณใช้งานได้ตามทฤษฎีที่ 16-17 ชั่วโมง แต่ในทางปฏิบัติคุณจะเห็นได้นานกว่า 12-14 ชั่วโมง เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลงภายใต้ภาระ

การติดตั้งนั้นทำให้เกิดปัญหาครึ่งหนึ่งที่เราเห็นในการติดตั้งภาคสนาม รูยึด M3 เป็นรูมาตรฐาน แต่ความลึกของเกลียวจะแตกต่างกันไปตามผู้ผลิตแต่ละราย โมดูลของจีนบางโมดูลระบุเธรด M3x0.5 ที่ความลึก 4 มม. และโมดูลอื่นๆ มีความลึก 6 มม. ฟังดูเล็กน้อย แต่เมื่อคุณพยายามยึดผ่านแผ่นอลูมิเนียมขนาด 3 มม. โดยมีการขันเกลียวที่เหมาะสม ความแตกต่าง 2 มม. นั้นจะเป็นตัวกำหนดว่าคุณสามารถใช้โบลต์มาตรฐานหรือต้องใช้ฮาร์ดแวร์แบบกำหนดเองได้หรือไม่

Surefire ใช้ระบบตัวจับรางที่เป็นกรรมสิทธิ์กับไฟอาวุธ X400 ซึ่งยังใช้งานได้ดีเยี่ยมสำหรับการติดตั้งทางอุตสาหกรรมเข้ากับการอัดขึ้นรูปอะลูมิเนียมช่อง T- แรงจับยึดสามารถปรับได้และไม่ต้องอาศัยแรงบิดของเกลียว ซึ่งช่วยรักษาศูนย์ในสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนสูง- หน่วยมีราคาประมาณ $600 แต่คงอยู่ตลอดไป เราได้ดำเนินการบางอย่างมาตั้งแต่ปี 2018 โดยไม่มีการบำรุงรักษาใดๆ นอกเหนือจากการเปลี่ยนแบตเตอรี่

Laser Sight

เลเซอร์ IR (โดยทั่วไปคือความยาวคลื่น 850 นาโนเมตรหรือ 940 นาโนเมตร) จะปรากฏบนเซ็นเซอร์กล้อง แต่ไม่ปรากฏต่อสายตามนุษย์ มีประโยชน์สำหรับการใช้งานวิชันซิสเต็มที่คุณไม่ต้องการให้แสงที่มองเห็นรบกวนเส้นเล็งของผู้ปฏิบัติงาน Edmund Optics ขายโมดูล 850nm ประมาณ 200 ดอลลาร์-300 ซึ่งจับคู่กับกล้องอุตสาหกรรมมาตรฐาน กล้องซีรีส์ Basler ace มีความไวที่ดีในช่วงนั้น - รุ่น acA1920-40gm แสดงประสิทธิภาพควอนตัม 50% ที่ 850 นาโนเมตรต่อแผ่นข้อมูล (baslerweb.com)

940nm มองไม่เห็นมากขึ้นแต่ความไวของกล้องลดลง เซ็นเซอร์ซิลิคอนส่วนใหญ่อาจมี QE 30% ที่ 940 นาโนเมตร เทียบกับ 50% ที่ 850 นาโนเมตร ดังนั้น คุณจึงละทิ้งสัญญาณเพื่อความซ่อนเร้นที่ดีขึ้น คุ้มค่าก็ต่อเมื่อ-แสงที่มนุษย์มองเห็นเป็นปัญหาจริงๆ

เครื่องมือจัดตำแหน่งด้วยเลเซอร์สำหรับระบบออพติคอลบางครั้งใช้ IR เนื่องจากทำงานในสภาพแวดล้อมที่แสงเล็ดลอดที่มองเห็นได้ทำให้เกิดปัญหา เลเซอร์จัดตำแหน่ง IR ของ Newport Corporation มีราคา 800-1200 เหรียญสหรัฐ แต่ให้กำลังขับที่ปรับได้และคุณภาพลำแสงที่ดีกว่าโมดูลราคาถูก ค่า M² ต่ำกว่า 1.1 เทียบกับ 1.3-1.5 สำหรับหน่วยเชิงพาณิชย์ นั่นสำคัญเมื่อคุณพยายามรวมเข้ากับรูรับแสงแคบหรือรักษาระยะคอลลิเมชันในระยะไกล

เราไม่ใช้สิ่งเหล่านั้นเว้นแต่ว่าแอปพลิเคชันต้องการมัน ต้นทุนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

"ตัวชี้เลเซอร์ขนาด 5mW" อาจมีความแตกต่างของลำแสงตั้งแต่ 0.5 มิลลิเรเดียนถึง 1.5 มิลลิเรเดียน ที่ระยะ 10 เมตร นั่นคือความแตกต่างระหว่างจุด 5 มม. และจุด 15 มม. ผู้ผลิตบางครั้งระบุสิ่งนี้ บางครั้งก็ไม่ระบุ

เลเซอร์สีเขียวราคาถูกจาก Amazon มีแนวโน้มที่จะทำงานต่างกัน 1.2-1.5 mrad เราวัดหลายหน่วยด้วยการตั้งค่าง่ายๆ - เลเซอร์ที่ระยะทางคงที่ ชิ้นงานสีขาว วัดเส้นผ่านศูนย์กลางจุดด้วยคาลิปเปอร์ ไม่สามารถติดตาม NIST ได้อย่างแน่นอนแต่ดีเพียงพอสำหรับงานแอปพลิเคชัน เลเซอร์สีเขียว DPSS ที่มีราคาแพงกว่าจาก CNI หรือ Laserglow Technologies มักจะมาในราคาต่ำกว่า 1.0 mrad และมีโปรไฟล์ลำแสงทรงกลมที่ดีกว่า

โปรไฟล์บีมมีความสำคัญเมื่อคุณพยายามเข้าถึงเป้าหมายขนาดเล็ก ลำแสงแบบเกาส์ช่วยให้คุณมีจุดศูนย์กลางที่สะอาดตาพร้อมการเคลื่อนตัวทีละน้อย เลเซอร์ไดโอดที่ราคาถูกกว่าบางครั้งจะมีรูปทรงรีหรือไม่สม่ำเสมอ ซึ่งทำให้การเล็งที่แม่นยำทำได้ยากขึ้น วิธีเดียวที่จะทราบได้คือเชื่อถือเอกสารข้อมูลจำเพาะของผู้ผลิต (มีความเสี่ยงโดยไม่มี-แบรนด์เนม) หรือทดสอบด้วยตัวเอง

สำหรับการจัดตำแหน่งเครื่องมือผ่าตัด เราได้กำหนดความแตกต่างสูงสุด 0.6 mrad เนื่องจากระยะการทำงานคือ 400 มม. และขนาดเป้าหมายคือเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 มม. นั่นทำให้คุณเลอะเทอะบ้างแต่ไม่มาก ต้นทุนพรีเมียมสำหรับความแตกต่างที่เข้มงวดมากขึ้นอยู่ที่ประมาณ 40% เหนือโมดูลอุตสาหกรรมมาตรฐาน

เราใส่ระบบการจัดตำแหน่งด้วยเลเซอร์ในการตั้งค่าโรงสี CNC สำหรับการตั้งค่าเครื่องมืออัตโนมัติ ดูเหมือนตรงไปตรงมา - ติดเลเซอร์เข้ากับตัวเรือนสปินเดิล ฉายลำแสงไปยังเป้าหมายอ้างอิงคงที่ วัดค่าเบี่ยงเบนก่อนเปลี่ยนเครื่องมือแต่ละครั้ง ทำงานได้ดีในการทดสอบ แต่ล้มเหลวในการผลิตเนื่องจากหมอกของไหลในการตัดทำให้หน้าต่างเลเซอร์เสื่อมคุณภาพภายใน 2 สัปดาห์ ไม่มีใครคิดถึงเรื่องนั้นในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ

วิธีแก้ปัญหาคือเพิ่มหัวฉีดลมอัดที่ช่วยให้อากาศไหลผ่านช่องแสงเลเซอร์สม่ำเสมอ เพิ่มชิ้นส่วน 45 ดอลลาร์และเวลาติดตั้ง 2 ชั่วโมงต่อเครื่อง ควรจะอยู่ในรูปแบบเดิม

การชดเชยอุณหภูมิก็เป็นอีกสิ่งหนึ่งที่กัดคนได้ เราระบุระบบการกำหนดตำแหน่งด้วยเลเซอร์สำหรับเครื่องมือเลย์อัพคอมโพสิตที่จะทำงานตั้งแต่ 65 องศา F ถึง 140 องศา F ผู้ผลิตโมดูลเลเซอร์กล่าวว่าหน่วยของพวกเขาได้รับการจัดอันดับที่ 140 องศา F แต่ไม่ได้บอกว่าการรับประกันการเปลี่ยนค่าเป็นศูนย์อยู่ที่ 120 องศา F เท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้น การขยายตัวทางความร้อนของขายึดทำให้ลำแสงขยับ 0.060 นิ้วที่ 20 ฟุต ยอมรับไม่ได้โดยสิ้นเชิงสำหรับความคลาดเคลื่อนของเลย์อัพ

จบลงด้วยการเปลี่ยนไปใช้ผู้ผลิตรายอื่น (Laser Components DG GmbH, ซีรี่ส์ FP ของพวกเขา) ที่ให้ข้อมูลการชดเชยอุณหภูมิอย่างชัดเจน ค่าใช้จ่ายใกล้เคียงกัน โดยอยู่ที่ประมาณ 380 เหรียญสหรัฐฯ ต่อโมดูล แต่จริงๆ แล้วมีการทดสอบและบันทึกพฤติกรรมที่เราใส่ใจ

Laser Sight

สำหรับการผลิตที่มีปริมาณมาก-ซึ่งมีการฝังตัวเล็งเลเซอร์ไว้ในผลิตภัณฑ์ บางครั้งคุณเพียงแค่ติดตั้งไดโอดดิบและวงจรไดรเวอร์โดยตรง แทนที่จะซื้อโมดูลสำเร็จรูป เราทำสิ่งนี้กับอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ต้องการเลเซอร์สีแดง 3mW - เพื่อซื้อไดโอด Osram PLT5 450 ที่ปริมาณ 1,000 ตัว วิ่งประมาณ 4.20 ดอลลาร์ต่อตัว (ราคาสำหรับผู้จัดจำหน่ายของ osram.com ปี 2023) บวกอีก 2-3 ดอลลาร์สำหรับไอซีไดรเวอร์และพาสซีฟ โมดูลที่สมบูรณ์มีราคา 25-40 เหรียญสหรัฐต่อชิ้น ดังนั้น DIY จึงสมเหตุสมผลเมื่อซื้อในปริมาณมาก

ข้อเสียคือคุณกำลังออกแบบออพติคัล การระบายความร้อน การตรวจสอบวงจรไดรเวอร์ และการทดสอบความน่าเชื่อถือของคุณเอง สำหรับบางสิ่งที่เข้าไปในอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ต้องได้รับอนุมัติจาก FDA นั่นเป็นงานวิศวกรรมที่สำคัญ เราใช้เวลาประมาณ 200 ชั่วโมงในการออกแบบและการตรวจสอบความถูกต้อง แต่ช่วยประหยัดต้นทุนส่วนประกอบตลอดการดำเนินการผลิตได้ประมาณ 18,000 เหรียญสหรัฐ คุ้มที่ 1000+ ยูนิต ไม่คุ้มต่ำกว่า 500 ยูนิต

การปรับแนวเลนส์เป็นส่วนที่ยุ่งยาก คุณต้องใช้เลนส์แอสเฟอริกหรือระบบองค์ประกอบหลาย-เพื่อให้ได้ลำแสงที่มีคุณภาพดีจากไดโอดเปลือย Edmund Optics จำหน่ายเลนส์แอสเฟอริกสำหรับการคอลลิเมชันด้วยเลเซอร์ในราคาเริ่มต้นประมาณ 25-50 ดอลลาร์ ขึ้นอยู่กับ NA และเส้นผ่านศูนย์กลาง แต่การคอลลิเมชั่นที่ดีต้องใช้ระยะห่างระหว่างไดโอดและเลนส์ที่แม่นยำ ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ภายใน 0.05 มม. นั่นหมายถึงการตัดเฉือนตัวเรือนอย่างแม่นยำหรือสกรูปรับพร้อมตัวล็อค

ผู้ผลิตบางรายแก้ไขปัญหานี้ด้วยโมดูลพรี-คอลลิเมตไดโอด Thorlabs มีซีรีส์ CPS ที่รวมไดโอด ไดรเวอร์ และออปติคัลคอลลิเมติงเข้าด้วยกันในแพ็คเกจ TO{2}}can ขนาดกะทัดรัด ประมาณ 80-120 ดอลลาร์ต่อหน่วย ซึ่งยังถูกกว่าเลเซอร์พอยน์เตอร์สำเร็จรูป และช่วยให้คุณมีความยืดหยุ่นในการออกแบบมากขึ้น

ไม่แน่ใจว่าเหตุใดผู้คนจำนวนมากจึงไม่ใช้สิ่งเหล่านี้กับแอปพลิเคชันแบบฝัง พวกเขาแก้ปัญหาความทนทานทางกลส่วนใหญ่ในขณะที่ยังคงรักษาต้นทุนที่เหมาะสมในปริมาณปานกลาง

สำหรับโมดูลเลเซอร์แบบพกพาในช่วง 1-5mWแบตเตอรี่ลิเธียม CR1/3Nทำงานได้ดีอย่างน่าประหลาดใจ พวกมันมีขนาดเล็ก แต่มีความจุ 170mAh ที่ 3V ซึ่งเพียงพอสำหรับรันไทม์ 8-10 ชั่วโมงบนโมดูลเลเซอร์สีแดงทั่วไป เราได้ใช้มันในเครื่องมือจัดตำแหน่งแบบมือถือที่แบตเตอรี่ AA มีขนาดใหญ่เกินไป ต้นทุนอยู่ที่ประมาณ 2-3 ดอลลาร์ต่อเซลล์ในปริมาณ และอายุการเก็บรักษาคือ 10+ ปี ซึ่งสำคัญสำหรับสินค้าคงคลังสำรอง