מבוא לגלוונומטר לייזר

סורק לייזר, המכונה גם גלוונומטר לייזר, מורכב מראש סריקה אופטי XY, מגבר הנעה אלקטרוני ועדשת השתקפות אופטית. האות המסופק על ידי בקר המחשב מניע את ראש הסריקה האופטי דרך מעגל מגבר ההנעה, ובכך שולט על סטיית קרן הלייזר במישור XY. במילים פשוטות, גלוונומטר הוא גלוונומטר סורק המשמש בתעשיית הלייזר. המונח המקצועי שלו נקרא גלוונומטר סריקה במהירות גבוהה - מערכת סריקה גאלוו. ניתן לכנות את הגלוונומטר גם מד זרם. רעיון העיצוב שלו עוקב לחלוטין אחר שיטת העיצוב של מד זרם. העדשה מחליפה את המחט, ואות הגשוש מוחלף באות DC מבוקר מחשב של -5V-5V או -10V-+10V, כדי להשלים את הפעולה שנקבעה מראש. בדומה למערכת סריקת מראה מסתובבת, מערכת בקרה טיפוסית זו משתמשת בזוג מראות נסוגות. ההבדל הוא שמנוע הצעד המניע את קבוצת העדשות הזו מוחלף במנוע סרוו. במערכת בקרה זו, נעשה שימוש בחיישן מיקום. רעיון התכנון של לולאת משוב שלילית מבטיח עוד יותר את דיוק המערכת, ומהירות הסריקה ודיוק המיקום החוזר של המערכת כולה מגיעים לרמה חדשה. ראש הסימון של סריקת הגלוונומטר מורכב בעיקר ממראת סריקה XY, עדשת שדה, גלוונומטר ותוכנת סימון מבוקרת מחשב. בחר רכיבים אופטיים מתאימים בהתאם לאורכי גל שונים של לייזר. אפשרויות קשורות כוללות גם מרחיבי קרן לייזר, לייזרים וכו'. במערכת הדגמת הלייזר, צורת הגל של הסריקה האופטית היא סריקה וקטורית, ומהירות הסריקה של המערכת קובעת את יציבות דפוס הלייזר. בשנים האחרונות פותחו סורקים במהירות גבוהה, עם מהירויות סריקה המגיעות ל-45,000 נקודות/שנייה, מה שמאפשר להדגים אנימציות לייזר מורכבות.

5.1 חיבור ריתוך גלוונומטר לייזר

5.1.1 הגדרה והרכב של חיבור ריתוך גלוונומטר:

ראש המיקוד הקולימציה משתמש במכשיר מכני כפלטפורמה תומכת. המכשיר המכני נע קדימה ואחורה כדי להשיג ריתוך של ריתוכים בעלי מסלולים שונים. דיוק הריתוך תלוי בדיוק המפעיל, ולכן ישנן בעיות כמו דיוק נמוך, מהירות תגובה איטית ואינרציה גדולה. מערכת סריקת הגלוונומטר משתמשת במנוע כדי לשאת את העדשה לצורך סטייה. המנוע מונע על ידי זרם מסוים ויש לו יתרונות של דיוק גבוה, אינרציה קטנה ותגובה מהירה. כאשר הקרן מאירה על עדשת הגלוונומטר, סטיית הגלוונומטר משנה את קרן הלייזר. לכן, קרן הלייזר יכולה לסרוק כל מסלול בשדה הראייה של הסריקה דרך מערכת הגלוונומטר.

הרכיבים העיקריים של מערכת הסריקה של הגלוונומטר הם קולימטור הרחבת קרן, עדשת מיקוד, גלוונומטר סריקה דו-צירי XY, לוח בקרה ומערכת תוכנה למחשב מארח. גלוונומטר הסריקה מתייחס בעיקר לשני ראשי סריקה של גלוונומטר XY, המונעים על ידי מנועי סרוו הדדיים במהירות גבוהה. מערכת הסרוו הדו-צירית מניעה את גלוונומטר הסריקה הדו-צירי XY להסיט את ציר ה-X וה-Y בהתאמה על ידי שליחת אותות פקודה למנועי הסרוו של ציר ה-X וה-Y. בדרך זו, באמצעות התנועה המשולבת של עדשת המראה הדו-צירית XY, מערכת הבקרה יכולה להמיר את האות דרך לוח הגלוונומטר בהתאם לתבנית הגרפית המוגדרת מראש של תוכנת המחשב המארח בהתאם לנתיב שנקבע, ולנוע במהירות על מישור חומר העבודה כדי ליצור מסלול סריקה.

5.1.2 סיווג חיבורי ריתוך גלוונומטר:

1. עדשת סריקה קדמית עם מיקוד

בהתאם ליחסי המיקום בין עדשת המיקוד לגלוונומטר הלייזר, ניתן לחלק את מצב הסריקה של הגלוונומטר לסריקת מיקוד קדמית (איור 1 להלן) וסריקת מיקוד אחורית (איור 2 להלן). עקב קיומו של הבדל בנתיב האופטי כאשר קרן הלייזר מוסטת למיקומים שונים (מרחק העברת הקרן שונה), משטח המוקד של הלייזר במהלך תהליך הסריקה במצב המיקוד הקודם הוא משטח חצי כדורי, כפי שמוצג באיור השמאלי. שיטת הסריקה לאחר המיקוד מוצגת בתמונה מימין. עדשת האובייקטיב היא עדשת F-plan. למראה F-plan יש עיצוב אופטי מיוחד. על ידי הכנסת תיקון אופטי, ניתן להתאים את משטח המוקד חצי כדורי של קרן הלייזר לשטוח. סריקת מיקוד לאחר מתאימה בעיקר ליישומים הדורשים דיוק עיבוד גבוה וטווח עיבוד קטן, כגון סימון לייזר, ריתוך מיקרו-מבנים בלייזר וכו'.

2.עדשת סריקה עם מיקוד אחורי

ככל ששטח הסריקה גדל, גם הצמצם של עדשת f-theta גדל. עקב מגבלות טכניות וחומריות, עדשות f-theta בעלות צמצם גדול הן יקרות מאוד ופתרון זה אינו מקובל. מערכת סריקת גלוונומטר קדמי של עדשת המטרה בשילוב עם רובוט בעל שישה צירים היא פתרון בר-קיימא יחסית, שיכול להפחית את התלות בציוד גלוונומטר, בעל דיוק ניכר של המערכת ותאימות טובה. פתרון זה אומץ על ידי רוב האינטגרטורים. אימוץ, המכונה לעתים קרובות ריתוך טיסה. לריתוך פס המודול, כולל ניקוי קטבים, יש יישומי טיסה, שיכולים להגדיל את רוחב העיבוד בצורה גמישה ויעילה.

גלוונומטר תלת-ממדי:

בין אם מדובר בסריקה ממוקדת קדמית או סריקה ממוקדת אחורית, לא ניתן לשלוט בפוקוס קרן הלייזר לצורך מיקוד דינמי. במצב סריקה בפוקוס קדמי, כאשר חומר העבודה המיועד לעיבוד קטן, לעדשת המיקוד יש טווח עומק מוקד מסוים, כך שהיא יכולה לבצע סריקה ממוקדת בפורמט קטן. עם זאת, כאשר המישור המיועד לסריקה גדול, הנקודות הסמוכות להיקף יהיו מחוץ לפוקוס ולא ניתן יהיה למקד אותן על פני חומר העבודה המיועד לעיבוד מכיוון שהוא חורג מטווח העומק של מיקוד הלייזר. לכן, כאשר קרן הלייזר נדרשת להיות ממוקדת היטב בכל מיקום במישור הסריקה ושדה הראייה גדול, השימוש בעדשה בעלת אורך מוקד קבוע אינו יכול לעמוד בדרישות הסריקה. מערכת המיקוד הדינמית היא קבוצה של מערכות אופטיות שאורך המוקד שלהן יכול להשתנות לפי הצורך. לכן, חוקרים מציעים להשתמש בעדשת מיקוד דינמית כדי לפצות על הפרש הנתיב האופטי, ולהשתמש בעדשה קעורה (מרחיב קרן) כדי לנוע באופן ליניארי לאורך הציר האופטי כדי לשלוט במיקום המיקוד ולהשיג שהמשטח המיועד לעיבוד מפצה באופן דינמי על הפרש הנתיב האופטי במיקומים שונים. בהשוואה לגלוונומטר דו-ממדי, הרכב הגלוונומטר התלת-ממדי מוסיף בעיקר "מערכת אופטית ציר Z", כך שהגלוונומטר התלת-ממדי יכול לשנות בחופשיות את מיקום המיקוד במהלך תהליך הריתוך ולבצע ריתוך משטחים מעוגלים מרחביים, ללא צורך בשינוי המנשא כגון מכונה וכו' כמו הגלוונומטר הדו-ממדי. גובה הרובוט משמש להתאמת מיקום המיקוד של הריתוך.